JP3706075B2 - Ｏ２センサ並びに空燃比制御装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に備えるＯ2センサ及び空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系（排気通路）に備えた三元触媒等の触媒装置による排ガスの所要の浄化性能を確保するために、触媒装置の下流側にＯ2センサを配置し、このＯ2センサの出力電圧をあらかじめ定めた所定の目標値（一定値）に維持するように内燃機関から触媒装置に供給される排ガスの空燃比（排ガス中の酸素濃度が表す空燃比）を制御する技術が本願出願人により提案されている（特開平１１−３２４７６７号公報等）。
【０００３】
この技術は、内燃機関から触媒装置に供給される排ガスの空燃比を、触媒装置下流のＯ2センサの出力電圧がある所定の一定値に整定するような空燃比状態に制御したとき、触媒装置によるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯx（窒素酸化物）等の浄化率が、該触媒装置の劣化状態等によらずに良好な状態（浄化率がほぼ最大となる状態）に確保されるという現象に着目してなされたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本願発明者等のさらなる検討によって、次のようなことが判明した。すなわち、内燃機関の排気系レイアウトや排ガスの温度状態等、Ｏ2センサの素子部（排ガスに接触する感応部）の温度に影響を及ぼす要因によってＯ2センサの素子部の温度が変化すると、Ｏ2センサの出力特性が変化する。そして、その出力特性の変化が、触媒装置下流のＯ2センサの出力電圧を所定の目標値に維持するための空燃比制御の制御性（制御の速応性や安定性）に影響を及ぼすことがある。これは、Ｏ2センサの出力特性の変化によって、上記目標値近傍におけるＯ2センサの出力電圧の空燃比変化に対する感度が変化してしまうからである。また、Ｏ2センサの出力特性の変化によって、触媒装置の浄化性能が良好となるような触媒装置下流のＯ2センサの出力電圧の値、すなわち、触媒装置の良好な浄化性能を確保するために目標値とすべきＯ2センサの出力電圧の値も変化する。
【０００５】
このため、Ｏ2センサの素子部の温度状態、あるいはそれに影響を及ぼす内燃機関の運転条件もしくは環境条件によっては、Ｏ2センサの出力電圧を目標値に維持するための空燃比制御の制御性が低下する虞れがある。また、内燃機関の運転中に排ガスの温度状態等、Ｏ2センサの温度状態に影響を及ぼす要因の変動が生じ易い場合には、該Ｏ2センサの出力電圧を一定の目標値に制御しても、触媒装置の浄化性能を良好に確保することが困難となる虞れがある。
【０００６】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、触媒装置の所要の浄化性能を確保する上で的確な出力特性を有するＯ2センサを提供することを目的とする。
【０００７】
また、Ｏ2センサの出力特性を安定化し、触媒装置の所要の浄化性能を確実に確保することができる空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明を説明する前に、Ｏ2センサの出力特性について説明しておく。内燃機関の排気通路に配置したＯ2センサは、その素子部（感応部）が接触する排ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧を発生するものであり、その素子部は通常、鉛や銀、白金等を含有する、又はそれらがコーティングされた材質（例えばジルコニア（ＺｒＯ2＋Ｙ2Ｏ3））により構成されている。このようなＯ2センサの出力特性（詳しくは、素子部が感応する酸素濃度が表す排ガスの空燃比に対するＯ2センサの出力電圧の特性）は、一般にＺカーブといわれる特性を有している。
【０００９】
さらに詳細には、Ｏ2センサの出力特性は、例えば図３の実線のグラフａで示すように、排ガスの空燃比の変化に対して出力電圧が比較的大きな傾きでほぼリニアに変化する部分ｅ1（以下、大傾斜部分ｅ1という）と、空燃比の変化に対する出力電圧の変化の傾きが大傾斜部分ｅ1よりも小さい部分ｅ2，ｅ3（以下、小傾斜部分ｅ2，ｅ3という）とを有する。これらの小傾斜部分ｅ2，ｅ3は大傾斜部分ｅ1の両側、すなわち、大傾斜部分ｅ1に対応する空燃比の範囲Δよりもリッチ側の領域とリーン側の領域とにそれぞれ存している。この場合、大傾斜部分ｅ1に対応する空燃比の範囲Δは理論空燃比近傍の狭い範囲である。また、各小傾斜部分ｅ2，ｅ3の傾きは、大傾斜部分ｅ1の傾きに比して格段に小さく、各小傾斜部分ｅ2，ｅ3と大傾斜部分ｅ1との境界部分ｅ4，ｅ5は、それぞれ、その前後で傾きが大きく切替る切替り部ｅ4，ｅ5となっている。このような出力特性がＯ2センサの一般的な出力特性である。尚、上記出力特性における排ガスの空燃比、すなわちＯ2センサの素子部が感応する酸素濃度が表す空燃比は、該酸素濃度が低い程、リッチ寄りの空燃比（空気に対する燃料の割合がより多くなる空燃比）となり、該酸素濃度が高い程、リーン寄りの空燃比（空気に対する燃料の割合がより少なくなる空燃比）となる。
【００１０】
そして、本願発明者等の知見によれば、上記のような出力特性をもつＯ2センサの出力電圧をある一定の目標値に維持させるように触媒装置に供給する排ガスの空燃比を制御する場合、その目標値は、前記切替り部ｅ4，ｅ5のうち、空燃比のリッチ側に存する変曲点部ｅ4における出力電圧とほぼ同等のレベルであること（詳しくは、目標値が切替り部ｅ4における出力電圧の範囲内に存すること）が上記空燃比制御の制御性を高める上で好適である。
【００１１】
これは、次の理由による。すなわち、切替り部ｅ4では、空燃比に対するＯ2センサの出力電圧の傾き（平均的な傾き）が、大傾斜部分ｅ1の大きな傾きと小傾斜部分ｅ2の小さな傾きとの中間的な傾きになるため、その傾きが大き過ぎたり、小さ過ぎたりすることがなく適度な傾きになる。換言すれば、切替り部ｅ4では、空燃比の変化に対する出力電圧の変化（感度）が過大となることも過小となることもない。また、切替り部ｅ4に連なる小傾斜部分ｅ2は、ある程度の傾き（≠０）を有しており、空燃比の変化に対して出力電圧がある程度の感度を有する。さらに、一般に、空燃比がリーン側に変化したとき、排ガス中のＮＯxが増加しやすいので、空燃比を迅速にリッチ側に戻すことが望ましい。このため、特に空燃比のリーン側への変化に対しては、Ｏ2センサの出力電圧が感度よく変化することが望ましい。このようなことから、前記目標値は、切替り部ｅ4における出力電圧とほぼ同等のレベルであること、換言すれば、切替り部ｅ4の出力電圧の範囲が前記目標値の近傍に存することが好適である。
【００１２】
一方、本願発明者等の知見によれば、Ｏ2センサの出力特性は、素子部の温度によって変化する。この様子を前記図３に例示する。図３の実線のグラフａ、破線のグラフｂ、一点鎖線のグラフｃ、二点鎖線のグラフｄは、それぞれＯ2センサの素子部の温度が８００℃、７５０℃、７００℃、６００℃である場合のＯ2センサの出力特性を示すグラフである。尚、図３では、Ｏ2センサの一般的な出力特性を前述の通り説明するために、代表的に実線のグラフａに対して、前記大傾斜部分ｅ1、小傾斜部分ｅ2，ｅ3、切替り部ｅ4，ｅ5にそれぞれ参照符号ｅ1〜ｅ5を付している。但し、以下の説明では、Ｏ2センサの出力特性を表す他のグラフについても、便宜上、その大傾斜部分、小傾斜部分、切替り部（これらの意味は実線のグラフａの場合と同様である）に、実線ａのグラフと同じ参照符号を用いる。この場合、参照符号ｅ2を付する小傾斜部分は、空燃比のリッチ側の小傾斜部分、参照符号ｅ3を付する小傾斜部分は、空燃比のリーン側の小傾斜部分を意味する。また、参照符号ｅ4を付する切替り部は、大傾斜部分ｅ1とリッチ側の小傾斜部分ｅ2との間の切替り部、参照符号ｅ5を付する切替り部は、大傾斜部分ｅ1とリーン側の小傾斜部分ｅ3との間の切替り部を意味する。
【００１３】
同図３に示されるように、Ｏ2センサの素子部の温度は、Ｏ2センサの出力特性のうち、特に前記大傾斜部分ｅ1の傾きと、前記小傾斜部分ｅ2，ｅ3のうちのリッチ側の空燃比に対応する小傾斜部分ｅ2の出力電圧のレベルとに影響を及ぼす。すなわち、小傾斜部分ｅ2の出力電圧のレベルは、基本的には、素子部の温度が高い程、低下する（これに伴い、切替り部ｅ4の出力電圧のレベルも低下する）。より一般的に言えば、小傾斜部分ｅ2の出力電圧のレベルは、素子部の温度が高い程、他方の小傾斜部分ｅ3の出力電圧により近づく方向に変化する。また、大傾斜部分ｅ1の傾きは、基本的には、素子部の温度が低い程、より緩やかな傾きになる。尚、素子部の温度が７５０℃である場合のグラフｂと素子部の温度が８００℃である場合のグラフａとを比較して判るように、Ｏ2センサの素子部の温度が７５０℃以上になると、Ｏ2センサの出力特性はほぼ一定になる（素子部の温度変化に対する出力特性の変化が微小になる）。
【００１４】
さらに、本願発明者等の知見によれば、上記のような出力特性をもつＯ2センサを触媒装置（例えば三元触媒）の下流側に配置し、Ｏ2センサの出力電圧を一定値に維持するように触媒装置に供給する排ガスの空燃比を制御した場合、該触媒装置による排ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯxの浄化率は、図４に実線グラフのグループあるいは破線グラフのグループで例示するように、Ｏ2センサの出力電圧の値との間に相関性を有する。ここで、図４の実線グラフのグループは、Ｏ2センサの素子部の温度が８００℃である場合におけるＣＯ、ＨＣ、ＮＯxのそれぞれの浄化率とＯ2センサの出力電圧との関係を示し、破線グラフのグループは、Ｏ2センサの素子部の温度が６５０℃である場合におけるＣＯ、ＨＣ、ＮＯxのそれぞれの浄化率とＯ2センサの出力電圧との関係を示している。
【００１５】
同図示のように、触媒装置によるＣＯ、ＨＣ、ＮＯxの浄化率がいずれもが良好となるようなＯ2センサの出力電圧Ｖop（以下、浄化適正出力電圧Ｖopということがある）は、Ｏ2センサの素子部の温度によって異なるものとなる。これは、前述のようにＯ2センサの素子部の温度によって、該Ｏ2センサの出力特性が変化するからである。例えば、Ｏ2センサの素子部の温度が６５０℃である場合には、Ｏ2センサの浄化適正出力電圧Ｖop（６５０℃）は、概ね０．６７［Ｖ］程度であるが、Ｏ2センサの素子部の温度が８００℃である場合には、Ｏ2センサの浄化適正出力電圧Ｖop（８００℃）は、概ね０．５９［Ｖ］程度である。
【００１６】
そして、特に注目すべきは、Ｏ2センサの素子部の温度が例えば８００℃である場合におけるＯ2センサの浄化適正出力電圧Ｖop（８００℃）は、前記図３に併記したように、８００℃におけるＯ2センサの出力特性（グラフａ）における切替り部ｅ4の出力電圧とほぼ同等になることである。尚、Ｏ2センサの出力特性は、前述のように素子部の温度が７５０℃以上になるとほぼ一定になるので、Ｏ2センサの素子部の温度が例えば７５０℃である場合における浄化適正出力電圧Ｖop（７５０℃）（図示省略）は、８００℃における浄化適正出力電圧Ｖop（８００℃）とほぼ同一である。従って、７５０℃における浄化適正出力電圧Ｖop（７５０℃）は、図３のグラフｂの切替り部ｅ4の出力電圧とほぼ同等になる。
【００１７】
以上説明したことから、次のことが判る。
（１）Ｏ2センサの出力電圧をある目標値に維持するように排ガスの空燃比を制御する場合、その目標値とＯ2センサの出力特性における切替り部ｅ4の出力電圧とがほぼ同等のレベルになることが好適である。
（２）Ｏ2センサの出力特性（特に、小傾斜部分ｅ2や切替り部ｅ4の出力電圧のレベル）は、その素子部の温度を制御することで調整し、あるいは、一定に維持することができる。
（３）触媒装置の下流側に配置したＯ2センサの素子部の温度を７５０℃以上の温度に制御したとき、Ｏ2センサの浄化適正出力電圧Ｖopと、Ｏ2センサの出力特性における切替り部ｅ4の出力電圧とがほぼ同等のレベルになる。
【００１８】
尚、上記（２）に関し、Ｏ2センサの出力特性における小傾斜部分ｅ2や切替り部ｅ4の出力電圧のレベルは、例えば素子部の鉛や銀等の素材の含有量を調整することにより変化させることも可能である。
【００１９】
以上説明したことを基礎として、以下に本発明を説明する。本発明のＯ2センサは、前記の目的を達成するために、内燃機関の排気通路に設けた触媒装置の下流側に、排ガス中の酸素濃度に応じたレベルの出力電圧を発生すると共に該酸素濃度が表す排ガスの空燃比に対する出力電圧の変化の傾きが該空燃比のリッチ側への変化に伴い大きい傾きから小さい傾きに切替る切替り部を有するＯ2センサを配置し、前記触媒装置の所要の浄化性能を確保するために該Ｏ2センサの出力電圧を所定の目標値に維持するように前記内燃機関から触媒装置に供給する排ガスの空燃比を制御するシステムに用いるＯ2センサにおいて、前記切替り部における出力電圧が前記目標値と略同一になるような出力特性をもたせたことを特徴とするものである。尚、かかる本発明における「切替り部」は、図３に示した切替り部ｅ4に相当するものである。そこで、説明の便宜上、以下の本発明の説明においても「切替り部」に参照符号ｅ4を付する。
【００２０】
かかる本発明によれば、Ｏ2センサの出力電圧の目標値と、Ｏ2センサの出力特性のうちの前記切替り部ｅ4における出力電圧とが略同一であるので、該目標値が切替り部に存することとなる。このため、前述したように、Ｏ2センサの出力電圧を目標値に維持するような排ガスの空燃比制御の制御性を高めることができる。このため、触媒装置に内燃機関から供給される排ガスの空燃比状態を、Ｏ2センサの出力電圧が目標値に維持されるような空燃比状態に安定して制御することができる。この結果、触媒装置の所要の浄化性能を安定して確保することができる。また、外乱等により、Ｏ2センサの出力電圧が前記切替り部ｅ4よりも空燃比のリーン側に変化すると、Ｏ2センサの出力電圧が前記大傾斜部分に移るので、前記目標値との偏差が大きくなる。その結果、速やかに排ガスの空燃比を前記目標値に対応する空燃比側に戻すことができる。このため、特に排ガス中のＮＯxが増加するような事態を迅速に回避することができる。
【００２１】
従って、本発明のＯ2センサによれば、触媒装置の所要の浄化性能を確保する上で的確な出力特性を有するＯ2センサを提供できる。尚、排ガスの空燃比の制御は、内燃機関の燃料供給量を調整することで行うことができる。
【００２２】
かかる本発明では、Ｏ2センサの前記のような出力特性は、素子部を構成する素材の含有量の調整等により実現することも可能であるが、該出力特性は、Ｏ2センサの素子部の温度が所定温度に維持されるように該素子部の温度を制御することにより実現されていることが好適である。そして、この場合、特に、前記所定温度は、少なくとも７５０℃以上の温度であることが好適である。
【００２３】
これによれば、Ｏ2センサの素子部の温度を所定温度に維持するので、内燃機関の排ガスの温度状態が変動するような場合であっても、Ｏ2センサの出力特性を前記目標値と整合した特性に安定化することができる。この結果、排ガスの空燃比制御の安定性をさらに確実に確保することができ、ひいては、触媒装置による排ガスの浄化性能もより安定化することができる。
【００２４】
特に、前記所定温度を７５０℃以上にしたときには、制御されるＯ2センサの素子部の温度が多少のばらつきを生じても、Ｏ2センサの出力特性の安定性が高まると共に、前記目標値と、排ガスの空燃比変化に対する前記切替り部ｅ4の平均的な傾きとの整合性を良好なものにすることができる。換言すれば、前記目標値の近傍（＝切替り部ｅ4）におけるＯ2センサの出力電圧の空燃比変化に対する感度を過不足の無い良好なものにすることができる。この結果、空燃比制御の制御性を効果的に高めることができる。さらに、Ｏ2センサの素子部の温度を７５０℃以上の温度に制御したときには、前述のように触媒装置によるＣＯ、ＨＣ、ＮＯxの浄化率のいずれもが良好となるようなＯ2センサの適正浄化出力電圧Ｖopが切替り部ｅ4に存するようにすることができる。このため、この適正浄化出力電圧Ｖopを前記目標値とすることで、空燃比制御の制御性の向上と相まって、触媒装置の浄化性能を安定且つ効果的に向上させることができる。
【００２５】
尚、Ｏ2センサの素子部の温度制御は、例えば、該素子部の近傍でＯ2センサに設けた電熱ヒータの通電制御により行うことが可能である。この場合、Ｏ2センサの素子部の温度制御を行うために、該素子部の温度を把握する必要があるが、その素子部の温度は、該素子部の近傍でＯ2センサに設けた温度センサにより直接的に検出してもよく、あるいは、適当なモデルに基づいて推定するようにしてもよい。
【００２６】
次に、本発明の空燃比制御装置は、前記の目的を達成するために、内燃機関の排気通路に設けた触媒装置の下流側に、排ガス中の酸素濃度に応じたレベルの出力電圧を発生すると共に該酸素濃度が表す排ガスの空燃比に対する出力電圧の変化の傾きが該空燃比のリッチ側への変化に伴い大きい傾きから小さい傾きに切替る切替り部を有するＯ 2 センサを配置し、前記触媒装置の所要の浄化性能を確保するために該Ｏ2センサの出力電圧を所定の目標値に維持するように前記内燃機関から触媒装置に供給される排ガスの空燃比を制御する空燃比制御装置において、前記Ｏ2センサの素子部の温度が所定温度に維持されるように該素子部の温度を制御するセンサ温度制御手段を備え、前記所定温度は、その温度に前記Ｏ 2 センサの素子部の温度を維持したとき、前記切替り部における出力電圧が前記目標値と略同一になるように定められた温度であることを特徴とするものである。
【００２７】
かかる本発明によれば、Ｏ2センサの素子部の温度が所定温度に維持されるので、該Ｏ2センサの出力特性を一定に維持することができる。このため、内燃機関の排ガスの温度状態が変動するような場合であっても、Ｏ2センサの出力特性の安定性を確保できる。この結果、Ｏ2センサの出力電圧を所定の目標値に維持するような排ガスの空燃比制御によって、触媒装置の所要の浄化性能を安定に確保することができる。また、Ｏ 2 センサの素子部の温度制御によって、Ｏ 2 センサの出力電圧の目標値と前記切替り部ｅ 4 における出力電圧とが略同一となり、該目標値が切替り部ｅ 4 に存することとなる。このため、本発明のＯ 2 センサに関して説明したように、Ｏ 2 センサの出力電圧を目標値に維持するような排ガスの空燃比制御の制御性を高めることができる。従って、触媒装置に内燃機関から供給される排ガスの空燃比状態を、Ｏ 2 センサの出力電圧が目標値に維持されるような空燃比状態に安定して制御することができる。この結果、触媒装置の浄化性能を効果的に安定して確保することができる。また、外乱等により、Ｏ 2 センサの出力電圧が前記切替り部ｅ 4 よりも空燃比のリーン側に変化しても、速やかに排ガスの空燃比を前記目標値に対応する空燃比側に戻すことができる。このため、特に排ガス中のＮＯ x が増加するような事態を迅速に回避することができる。
【００２８】
かかる本発明では、前記所定温度は、少なくとも７５０℃以上の温度であることが好ましい。これによれば、制御されるＯ2センサの素子部の温度が多少のばらつきを生じても、Ｏ2センサの出力特性の安定性が高まる。この結果、触媒装置の浄化性能の安定性を高めることができる。また、Ｏ2センサは、排ガス中の酸素濃度が表す該排ガスの空燃比に対する出力電圧の変化の傾きが該空燃比のリッチ側への変化に伴い大きい傾きから小さい傾きに切替る切替り部ｅ4を有するセンサである。そして、このようなＯ2センサの素子部の温度を７５０℃以上の温度に制御したとき、前述のように触媒装置によるＣＯ、ＨＣ、ＮＯxの浄化率のいずれもが良好となるようなＯ2センサの適正浄化出力電圧Ｖopが切替り部ｅ4に存するようにすることができる。このため、この適正浄化出力電圧Ｖopを前記目標値とすることで、空燃比制御の制御性の向上と相まって、触媒装置の浄化性能を安定且つ効果的に向上させることができる。
【００３１】
また、本発明の空燃比制御装置では、前記センサ温度制御手段は、前記内燃機関の始動後、所定時間が経過するまでは、前記所定温度よりも低い温度（例えば約６００℃）になるように前記Ｏ2センサの温度を制御することが好ましい。
【００３２】
これによれば、内燃機関の始動直後に、Ｏ2センサの素子部に排ガス中の水分が付着していても、該素子部の急減な加熱を避け、該素子部が熱応力等により破損してしまうような事態を回避することができる。
【００３３】
また、本発明において、前記センサ温度制御手段が、前記Ｏ2センサの素子部の温度を電熱ヒータを介して制御するものである場合には、該電熱ヒータの温度が所定の上限温度（例えば９３０℃）を越えたときには該電熱ヒータへの通電を遮断することが好ましい。
【００３４】
これによれば、電熱ヒータが断線したり、該電熱ヒータを内蔵するＯ2センサの素子部が過熱により損傷を受けるような事態を回避できる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態を図１及び図２並びに、前記図３及び図４を参照して説明する。図１は、本実施形態の空燃比制御装置の全体構成を模式的に示すブロック図である。同図中、１は例えば自動車やハイブリッド車に搭載されるエンジン（内燃機関）であり、このエンジン１が燃料及び空気の混合気を燃焼させて生成する排ガスは、該エンジン１の排気ポート２から導出された排気管３（排気通路）を介して大気側に排出される。排気管３には、排ガスを浄化するための触媒装置４，５が上流側から順次介装されている。各触媒装置４，５は例えば三元触媒６を内蔵するものである。尚、触媒装置４，５は一体構造のもの（例えば三元触媒からなる触媒床を上流部と下流部とに内蔵したもの）であってもよい。
【００３６】
本実施形態では、特に上流側の触媒装置４の良好な浄化性能（触媒装置によるＣＯ、ＨＣ、ＮＯxの浄化性能）を確保するようにエンジン１の排ガスの空燃比を制御する。そして、この空燃比制御を行うために、触媒装置４の下流側（触媒装置５の上流側）にはＯ2センサ７が設けられ、触媒装置４の上流側には、広域空燃比センサ８が設けられている。ここで、Ｏ2センサ７は、より詳しい構成は後述するが、その素子部（感応部）が接触する排ガス（触媒装置４を通過した排ガス）の空燃比に対して前記図３に示したような特性で出力電圧Ｖoutを発生するＯ2センサである。また、広域空燃比センサ８は、その素子部（感応部）が接触する排ガス（触媒装置４に進入する排ガス）の空燃比に比例した出力電圧を発生するセンサである。この広域空燃比センサ８は、例えば特開平４−３６９４７１号公報にて本願出願人が開示した空燃比センサであり、Ｏ2センサ７よりも広い空燃比域において、排ガスの空燃比に比例した出力電圧KACTを発生するものである（以下、広域空燃比センサをＬＡＦセンサと称する）。
【００３７】
前記Ｏ2センサ７についてさらに説明する。Ｏ2センサ７は、図２に示すような構造のものであり、酸素イオンを通しやすい固体電解質、例えば安定ジルコニア（ＺrＯ2＋Ｙ2Ｏ3）を主材質とする有底筒形状の素子部９を備え、この素子部９の外面及び内面には、それぞれ、多孔質の白金電極１０，１１がコーティングされている。また、この素子部９の内部には、該素子部９の昇温活性化や温度制御等を行うために電熱ヒータとしての棒状のセラミックヒータ１２が挿入されると共に、セラミックヒータ１２の周囲の空間には一定酸素濃度（一定の酸素分圧）の空気が充填されている。そして、このＯ2センサ７は、その素子部９の先端部の外面が排気管３内の排ガスに接触するようにセンサ筐体１３を介して排気管３に装着される。尚、図２中、１４は、排気管３内の素子部９に異物等が当たらないようにするための筒状のプロテクタであり、排気管３内の素子部９は、プロテクタ１４に穿設されている複数の孔（図示省略）を介して排ガスに接触するようになっている。
【００３８】
かかる構造のＯ2センサ７では、素子部９の先端部外面に接触する排ガスの酸素濃度と素子部９の内部の空気の酸素濃度との差によって、前記白金電極１０，１１間に排ガスの酸素濃度に応じた起電力が生じ、それが図示しない増幅器を介して出力電圧Ｖoutとして外部に取り出される。
【００３９】
尚、本実施形態では、素子部９とセラミックヒータ１２とには、それぞれの温度を検出するために、熱電対で構成された温度センサ１５，１６が装着されている。これらの温度センサ１５，１６は、それぞれ素子部９の温度に応じた出力電圧ＴO2、セラミックヒータ１２の温度に応じた出力電圧Ｔhtを図示しない増幅器を介して出力する。
【００４０】
本実施形態の装置は、さらに、図１に示すように、マイクロコンピュータを用いて構成されたコントロールユニット１７を備え、このコントロールユニット１７に、前記ＬＡＦセンサ８の出力電圧KACTや、Ｏ2センサ７の出力電圧Ｖout、温度センサ１５，１６の出力電圧ＴO2，Ｔhtが入力される。そして、コントロールユニット１７は、その機能的手段として、空燃比制御手段１８と、センサ温度制御手段１８とを備えている。ここで、空燃比制御手段１８は、ＬＡＦセンサ８の出力電圧K ACT及びＯ2センサ７の出力電圧Ｖoutを用いて、Ｏ2センサ７の出力電圧Ｖoutをあらかじめ定めた所定の目標値Ｖop（一定値）に整定・維持するように排ガスの空燃比を制御するものである。
【００４１】
より詳しくは、この空燃比制御手段１８は、例えば本願出願人が特開平１１−３２４７６７号公報にて公開した明細書の[００７１]〜[０３６２]に記載したように空燃比制御を行うものであり、その概要を簡略的に説明すれば次の通りである。すなわち、空燃比制御手段１８は、エンジン１の排気系のうち、ＬＡＦセンサ８からＯ2センサにかけての触媒装置４を含む排気系Ｅを、ＬＡＦセンサ８の出力電圧KACTを入力、Ｏ2センサ７の出力電圧Ｖoutを出力とする制御対象とし、この排気系Ｅの出力であるＯ2センサ７の出力電圧Ｖoutを前記目標値Ｖopに収束させるために要する該排気系Ｅの目標入力としての目標空燃比（ＬＡＦセンサ８が検出する排ガスの空燃比の目標値）を適応スライディングモード制御の処理により逐次求める。そして、空燃比制御手段１８は、この目標空燃比にＬＡＦセンサ８が検出する排ガスの空燃比を収束させるように適応制御の処理あるいはＰＩＤ制御の処理により、エンジン１の燃料供給量（ひいてはエンジン１で燃焼させる混合気の空燃比）を調整するための燃料指令を生成し、その燃料指令に応じてエンジン１の燃料供給量を調整する。
【００４２】
この場合、空燃比制御手段１８は、前記目標空燃比の算出処理においては、ＬＡＦセンサ８の出力電圧KACT（排気系Eの入力）とＯ2センサ７の出力電圧Ｖout（排気系Ｅの出力）との間に存する無駄時間、並びに、目標空燃比とＬＡＦセンサ８が検出する排ガスの空燃比との間に存する無駄時間の影響を補償するために、それらの無駄時間を合わせた合計無駄時間後のＯ2センサ７の出力電圧Ｖoutの推定値を逐次求める。そして、空燃比制御手段１８は、この推定値を目標値Ｖopに収束させる（結果的にＯ2センサ７の出力電圧Ｖoutを目標値Ｖopに収束させる）ように適応スライディングモードの制御処理により、前記目標空燃比を算出する。さらに、排気系Ｅの動的な特性変化等の影響を補償するために、空燃比制御手段１８は、適応スライディングモード制御の処理や合計無駄時間後のＯ2センサ７の出力電圧Ｖoutの推定値の算出処理に用いる排気系Ｅのモデルのパラメータを逐次同定する。
【００４３】
尚、本実施形態では、Ｏ2センサ７の出力電圧Ｖoutの目標値Ｖopは、例えば該Ｏ2センサ７の素子部９の温度が８００℃である場合に、触媒装置４によるＣＯ、ＨＣ、ＮＯxの浄化率がいずれも良好となるような値、すなわち、前記図４に示したＶop（８００℃）である。
【００４４】
前記センサ温度制御手段１９は、基本的には、Ｏ2センサ７の温度センサ１６の出力電圧ＴO2が表す素子部９の温度が、本実施形態におけるＯ2センサ７の出力電圧Ｖoutの目標値Ｖopに対応する素子部９の温度８００℃になるように、前記セラミックヒータ１２の通電制御を行うものである。この場合、セラミックヒータ１２は、パルス電圧により通電制御されるものであり、センサ温度制御手段１９は、そのパルス電圧のデューティDUTを調整することにより、セラミックヒータ１２への供給電力、ひいては、該ヒータ１２の発熱量を調整するようにしている。そして、センサ温度制御手段１９は、Ｏ2センサ７の温度センサ１６の出力電圧ＴO2が表す素子部９の温度がその目標値としての８００℃に収束するように、フィードバック制御処理（例えばＰＩＤ制御処理）により、前記パルス電圧のデューティDUTを逐次決定し、そのデューティDUTのパルス電圧でセラミックヒータ１２に通電する。
【００４５】
次に、本実施形態の装置の全体的な作動を説明する。コントロールユニット１７は、エンジン１の運転中（但し、ＬＡＦセンサ８やＯ2センサ７の活性化後）に、空燃比制御手段１８により、前述のようにＯ2センサ７の出力電圧Ｖoutを目標値Ｖop（８００℃）に維持するように排ガスの空燃比を制御する。また、これと並行して、コントロールユニット１７は、センサ温度制御手段１９により、前述のように、温度センサ１６の出力電圧ＴO2が表すＯ2センサ７の素子部９の温度がその目標値としての８００℃に収束するようにセラミックヒータ１２に通電する。
【００４６】
このとき、セラミックヒータ１２への上記の通電制御により、Ｏ2センサ７の素子部９の温度が８００℃に保持される。このため、Ｏ2センサ７の出力特性は、前記図３に実線のグラフａの特性に維持され、Ｏ2センサ７の出力電圧Ｖoutの目標値Ｖop（８００℃）が定常的に前記切替り部ｅ4に存することとなる。従って、この目標値Ｖop（８００℃）近傍での排ガスの空燃比の変化に対するＯ2センサ７の出力電圧Ｖoutの変化（感度）が過大であったり過小であったりすることなく、適度なものとなる。このため、Ｏ2センサ７の出力電圧Ｖoutを安定且つ高精度に目標値Ｖop（８００℃）に維持し得るように空燃比制御手段１８により排ガスの空燃比を制御することができる。この結果、触媒装置４の浄化性能を確実且つ安定に良好な状態に維持することができる。
【００４７】
また、特に、Ｏ2センサ７の出力電圧Ｖoutが目標値Ｖop（８００℃）の近傍に維持されている状態で、排ガスの空燃比がリーン側に変化した場合には、一般にＮＯxが増加しやすい。しかし、このように排ガスの空燃比がリーン側に変化した場合には、出力電圧ＶoutがＯ2センサ７の出力特性の大傾斜部分ｅ1（図３参照）に近づいて、該出力電圧Ｖoutの変化が大きくなるため、速やかに出力電圧Ｖoutを目標値Ｖop（８００℃）側に戻すように排ガスの空燃比が空燃比制御手段１８により制御される。このため、ＮＯxの増加を迅速に抑制することができる。
【００４８】
また、本実施形態では、センサ温度制御手段１９は、上述のようなセラミックヒータ１２の通電制御に加えて、次のような制御も行う。すなわち、エンジン１の冷間始動時のように、排気官やＯ2センサ７が冷えている状態で、Ｏ2センサ７を急激に加熱すると、Ｏ2センサの素子部９に付着している排ガス中の水分等の影響で、該素子部９が熱応力等により破損してしまう虞れがある。そこで、本実施形態では、センサ温度制御手段１９は、エンジン１の始動後、所定時間が経過するまで（Ｏ2センサ７の素子部９が、これに付着している水分が蒸発するような温度に上昇するよう時間が経過するまで）は、素子部９の温度の目標値を８００℃よりも低い温度、例えば６００℃として、セラミックヒータ１２への通電制御を行う。これにより、エンジン１の始動後、Ｏ2センサ７素子部９が急激に加熱されるような事態が回避され、該素子部９の破損を防止できる。尚、この場合の素子部９の温度の目標値は、素子部９の破損を防止しつつ、該素子部９を迅速に活性化する上で、約６００℃程度が好適である。
【００４９】
また、セラミックヒータ１２の温度が過剰に高温になると、該セラミックヒータ１２の断線が生じる虞れがある。そこで、本実施形態では、センサ温度制御手段１９は、前記温度センサ１５の出力電圧Ｔhtが表すセラミックヒータ１２の温度が所定の上限温度（例えば９３０℃）まで上昇したときには、該セラミックヒータ１２への通電を遮断する。これにより、セラミックヒータ１２の断線を防止することができる。
【００５０】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。前記第１実施形態では、Ｏ2センサ７の素子部９の温度を温度センサ１６により検出するようにしたが、本実施形態は、素子部９の温度を推定するものである。
【００５１】
この場合、素子部９の温度の推定値TO2_hatは、定常的には、エンジン１の排気ポート２から排気官３に導入される排ガスの温度に一次遅れを伴ってほぼ一致するものとし、例えば次式（１）により逐次算出される。
【００５２】
Figure 0003706075
【００５３】
ここで、式（１）中の「ｋ」はセンサ温度制御手段１９の制御周期の番数を示し、Ｔexg_MAP（NE(k)，PB(k)）は、エンジン１の排ガスの温度として、エンジン１の回転数NEと吸気圧（吸気管内の絶対圧）PBとからあらかじめ設定されたマップにより求められる温度である。また、「Ｋtex」はあらかじめ定められた定数である。また、この場合、素子部９の温度の推定値TO2_hatの初期値は、例えば、エンジン１の始動時の機関温度からデータテーブル等を用いて求められる。
【００５４】
そして、センサ温度制御手段１９は、その制御周期毎に上式（１）により求められる素子部９の温度の推定値ＴO2_hat(k)を目標値８００℃（但し、エンジン１の運転開始後の所定時間は６００℃）に収束させるように、前記セラミックヒータ１２へのパルス電圧のデューティDUTを逐次決定し、その決定したDUTに応じてセラミックヒータ１２の通電制御を行う。つまり、本実施形態は、前記第１実施形態でセラミックヒータ１２の通電制御のために用いた温度センサ１６の出力電圧ＴO2（素子部９の温度の検出値）の代わりに、推定値ＴO2_hatを用いたものである。
【００５５】
このような本実施形態においても前記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。そして、この場合、素子部９の温度を検出する温度センサ１６を省略できるため、経費を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図１の装置に備えたＯ2センサの要部の構成を示す模式図。
【図３】Ｏ2センサの出力特性を示す線図。
【図４】触媒装置の下流のＯ2センサの出力電圧と触媒装置による排ガスの浄化率との関係を示す線図。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、３…排気管（排気通路）、４…触媒装置、７…Ｏ2センサ、１８…空燃比制御手段、１９…センサ温度制御手段。

Claims (7)

  1. 内燃機関の排気通路に設けた触媒装置の下流側に、排ガス中の酸素濃度に応じたレベルの出力電圧を発生すると共に該酸素濃度が表す排ガスの空燃比に対する出力電圧の変化の傾きが該空燃比のリッチ側への変化に伴い大きい傾きから小さい傾きに切替る切替り部を有するＯ2センサを配置し、前記触媒装置の所要の浄化性能を確保するために該Ｏ2センサの出力電圧を所定の目標値に維持するように前記内燃機関から触媒装置に供給する排ガスの空燃比を制御するシステムに用いるＯ2センサにおいて、
    前記切替り部における出力電圧が前記目標値と略同一になるような出力特性をもたせたことを特徴とするＯ2センサ。
  2. 前記出力特性は、Ｏ2センサの素子部の温度が所定温度に維持されるように該素子部の温度を制御することにより実現されていることを特徴とする請求項１記載のＯ2センサ。
  3. 前記所定温度は、少なくとも７５０℃以上の温度であることを特徴とする請求項２記載のＯ2センサ。
  4. 内燃機関の排気通路に設けた触媒装置の下流側に、排ガス中の酸素濃度に応じたレベルの出力電圧を発生すると共に該酸素濃度が表す排ガスの空燃比に対する出力電圧の変化の傾きが該空燃比のリッチ側への変化に伴い大きい傾きから小さい傾きに切替る切替り部を有するＯ 2 センサを配置し、前記触媒装置の所要の浄化性能を確保するために該Ｏ2センサの出力電圧を所定の目標値に維持するように前記内燃機関から触媒装置に供給される排ガスの空燃比を制御する空燃比制御装置において、
    前記Ｏ2センサの素子部の温度が所定温度に維持されるように該素子部の温度を制御するセンサ温度制御手段を備え、前記所定温度は、その温度に前記Ｏ 2 センサの素子部の温度を維持したとき、前記切替り部における出力電圧が前記目標値と略同一になるように定められた温度であることを特徴とする空燃比制御装置。
  5. 前記所定温度は、少なくとも７５０℃以上の温度であることを特徴とする請求項４記載の空燃比制御装置。
  6. 前記センサ温度制御手段は、前記内燃機関の始動後、所定時間が経過するまでは、前記所定温度よりも低い温度になるように前記Ｏ2センサの温度を制御することを特徴とする請求項４または５記載の空燃比制御装置。
  7. 前記センサ温度制御手段は、前記O2センサの素子部の温度を電熱ヒータを介して制御するものであり、該電熱ヒータの温度が所定の上限温度を越えたときには該電熱ヒータへの通電を遮断することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の空燃比制御装置。
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