JP3843881B2 - ガス濃度センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度センサのヒータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス濃度検出装置として、限界電流式のガス濃度センサを用い、例えば自動車の排ガス中のＮＯｘを検出するものがある。ガス濃度センサは基本構造として、ポンプセル（第１セル）とセンサセル（第２セル）とを備え、ポンプセルでは、チャンバーに導入した排ガス中の酸素の排出又は汲み込みが行われ、センサセルでは、ポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度（特定ガス成分の濃度）が検出される。
【０００３】
また、上記ガス濃度センサでは、ポンプセルやセンサセルを所定の活性温度に保持するためのヒータが設けられている。この場合、ポンプセルやセンサセルが設けられる固体電解質素子の抵抗値（素子抵抗）を検出し、その素子抵抗が活性温度相当の値になるよう、ヒータの通電を制御している。より具体的には、素子抵抗の検出値と目標値との偏差に応じてヒータの通電をフィードバック制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体電解質素子の劣化等によりガス濃度センサの特性が変化すると、それに起因して実際の制御温度が狙いの制御温度からずれる。そのため、各セルが過剰に加熱されたり、加熱が足りなかったりしてしまい、各セルが所望の活性状態に保持できなくなる。かかる場合には、ポンプセル電極での酸素排出量に差が生じ、ＮＯｘガスなどの微少な酸素イオン検出に大きな影響を及ぼす。
【０００５】
つまり、素子温が狙いの制御範囲よりも高温側にずれた場合には、ポンプセルにおいてチャンバー内の酸素が完全に分解され、更にはＮＯｘまで分解される。そのため、ＮＯｘ濃度が実際よりも低レベルで検出されてしまう。また、素子温が狙いの制御範囲よりも低温側にずれた場合には、ポンプセルでの酸素の分解が不十分となる。そのため、チャンバー内の余剰酸素が増加し、センサセルでＮＯｘと同時に分解される酸素量が増加することから、ＮＯｘ濃度が実際よりも高レベルで検出されてしまう。
【０００６】
特に通常、ポンプセルでは数ｍＡのオーダーでポンプセル電流が計測されるのに対し、センサセルでは数μＡのオーダーでセンサセル電流が計測される。故に、ポンプセルでの酸素排出量に差が生じると、センサセル電流の検出誤差、すなわちＮＯｘ濃度の検出誤差が顕著に現れる。
【０００７】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、ガス濃度センサを適正に活性化し、ひいては同センサの出力精度を向上させることができるガス濃度センサのヒータ制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるガス濃度センサのヒータ制御装置では前提として、素子抵抗検出手段により、少なくとも第１セル又は第２セルが設けられる固体電解質素子に対して印加する電圧又は電流が操作されその時の電圧変化及び電流変化から素子抵抗が検出される。また、ヒータ制御手段により、前記検出した素子抵抗とその目標値との偏差に応じてヒータの通電が制御される。特に請求項１に記載の発明では、ヒータ電力算出手段により、ヒータに投入した電力が算出されると共に、補正手段により、エンジンの回転数、負荷及び水温により推定された排気量及び排気温度のいずれかに応じてセンサ加熱の度合が算出され、予め規定したヒータ電力とセンサ加熱の度合と素子抵抗との関係を示す基本特性に基づいて前記素子抵抗の目標値が補正される。
【０００９】
要するに、基本的にはヒータ電力と素子抵抗との関係が一義的に決まり、その基本特性によればどれだけのヒータ電力を投入したら素子抵抗がどの値になるかが分かる。逆に言い換えると、ある素子抵抗において、その素子抵抗にするにはどれだけのヒータ電力を要するかが分かる。かかる場合、固体電解質素子の劣化等により特性変化が生じると、ヒータ電力が本来投入する電力値とは違ってくるため、特性変化の有無と共にその特性変化の程度も分かる。ヒータ制御は本来、ガス濃度センサの基本特性に基づき実施され、特性が変化すると固体電解質素子が過剰に加熱されたり、加熱が足りなかったりするが、上記の補正により、基本特性に即したヒータ制御が可能となる。
【００１０】
本発明によれば、ガス濃度センサの特性変化が生じても、第１セルや第２セルが適正な活性状態で保持される。つまり、これら各セルが所望の素子温度で保持されるようになる。その結果、ガス濃度センサの検出精度を向上させることができる。特に、排ガス中のＮＯｘやＨＣ等のガス濃度を検出する第２セルでは、その出力が微小であるため、各セルの活性状態がずれるとその出力精度への影響が大きいが、本発明によればＮＯｘやＨＣ等のガス濃度の検出精度が向上する。
【００１１】
なお本明細書では、固体電解質素子の抵抗値（素子抵抗）を検出することを要件とするが、それは交流的なインピーダンス、又はその逆数であるアドミタンスを含むものである。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明では、前記基本特性のパラメータ（ヒータ電力、ヒータ抵抗、素子温度）に応じて当該特性上の素子抵抗が推定され、その推定値と前記検出した素子抵抗とから前記素子抵抗の目標値が補正される。本発明によれば、その都度のガス濃度センサにおいて基本特性との差（ズレ）がどの程度あるかが分かり、その差に応じた補正が可能となる。従って、センサ活性状態を基準に、上記基本特性上でのヒータ制御が可能となる。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明では、目標の制御点を挟む少なくとも２点で基本特性上の素子抵抗が推定され、それら各点の推定値と前記検出した素子抵抗とから前記素子抵抗の目標値が補正される。この場合、１点の推定値で補正を実施する場合に比べて補正の精度が向上する。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、素子抵抗を目標値に制御するために必要な基本特性上の基準値に基づき、その基準値からのずれ分により補正量が算出される。この場合、例えば図１１のような関係を用いることで、補正量の算出処理を簡易に実施することができる。
【００１８】
また、ガス濃度センサの温度環境が変わると、ヒータ電力と素子抵抗との関係等が変化する（図８参照）。例えば、ヒータ以外の熱源により固体電解質素子が加熱された場合、ヒータ電力は少なくてよくなる。そこで、請求項５に記載したように、ガス濃度センサが晒される環境下においてセンサ温度の外部要因を反映しつつ、前記補正手段による目標値の補正が実施されると良い。なお、センサ温度の外部要因とは、例えばエンジン排ガスを検出するガス濃度センサでは、排ガス流量や排ガス温度等のことである。或いは、請求項６に記載したように、ガス濃度センサに関してセンサ温度の外部要因が変化しない状態であることを条件に、前記補正手段による目標値の補正が実施されると良い。
【００１９】
また、エンジンから排出される排ガスをガス濃度センサにより検出するエンジン制御装置においては、請求項７に記載したように、エンジンが停止していることを条件に、前記補正手段による目標値の補正が実施されると良い。これにより、高温の排ガスによる影響を受けることなく、適正な補正処理が実現できる。
【００２０】
また、請求項８に記載の発明では、前記補正手段による補正量が学習値としてバックアップ用のメモリに記憶保持される。これにより、経時変化により劣化が進行する際にも、その状況を容易に且つ確実に反映しつつヒータ制御が実施できる。
【００２１】
請求項９に記載の発明では、前記補正手段により得られる補正量に基づきガス濃度センサの劣化の有無が判定される。つまり、ガス濃度センサの劣化が進行すると、素子抵抗の目標値に対する補正量が増大する。そのことから、当該補正量によりセンサ劣化が適正に判定できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるガス濃度検出装置は、自動車用ガソリンエンジンに適用されるものであって、限界電流式のガス濃度センサを用い、被検出ガスである排ガスから酸素濃度を検出すると共に、特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度を検出する。この検出値はエンジン制御装置における各種制御に用いられる。
【００２３】
先ずはじめに、ガス濃度センサの構成を図１を用いて説明する。ガス濃度センサは、ポンプセル（第１セル）、センサセル（第２セル）及びモニタセルからなる３セル構造を有し、排ガス中の酸素濃度とＮＯｘ濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサとして具体化されている。
【００２４】
ガス濃度センサ１００において、酸素イオン伝導性材料からなる固体電解質（固体電解質素子）１４１，１４２は板状をなし、図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質１４１にはピンホール１４３が形成されており、このピンホール１４３を介して当該センサ周囲の排ガスが第１チャンバー１４４内に導入される。第１チャンバー１４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバー１４６に連通している。なお、符号１４７は多孔質拡散層である。
【００２５】
また、図の下側の固体電解質１４２には、ポンプセル１１０及びモニタセル１２０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバー１４４内に導入した排ガス中の酸素を排出又は汲み込む働きをすると共に、その際に排ガス中の酸素濃度を検出する。モニタセル１２０は、第２チャンバー１４６内の酸素濃度に応じた起電力、又は電圧印加時に電流出力を発生する。ここで、ポンプセル１１０は、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１１１，１１２を有し、そのうち特に第１チャンバー１４４側の電極１１１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）である。また、モニタセル１２０も同様に、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１２１，１２２を有し、そのうち特に第２チャンバー１４６側の電極１２１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）である。これらポンプセル１１０及びモニタセル１２０は、チャンバー１４４，１４６内に存在する酸素を分解して電極１１２，１２２より大気通路１５０側に排出する。
【００２６】
センサセル１３０は、前記モニタセル１２０に対向して設けられており、固体電解質１４１を挟んで上下一対の電極１３１，１３２を有する。センサセル１３０は、ポンプセル１１０を通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出するものであり、第２チャンバー１４６内でＮＯｘを分解した時に発生する酸素を電極１３２より大気通路１４８側に排出する。
【００２７】
固体電解質１４２の図の下面には絶縁層１４９が設けられ、この絶縁層１４９により大気通路１５０が形成されている。また、絶縁層１４９には、センサ全体を加熱するためのヒータ１５１が埋設されている。
【００２８】
上記構成のガス濃度センサ１００において、排ガスは多孔質拡散層１４７及びピンホール１４３を通って第１チャンバー１４４に導入される。そして、この排ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、ポンプセル１１０の電極１１１，１１２間に電圧を印加することで分解反応が起こり、第１チャンバー１４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバー１４４側の電極１１１がＮＯｘ不活性電極であるので、ポンプセル１１０では排ガス中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて大気通路１５０に排出される。
【００２９】
その後、ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバー１４６に流れ込み、モニタセル１２０では、ガス中の余剰酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル１２０の出力は、該モニタセル１２０の電極１２１，１２２間に所定の電圧を印加することで、モニタセル電流として検出される。また、センサセル１３０の電極１３１，１３２間に所定の電圧を印加することでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が大気通路１４８に排出される。その際、センサセル１３０に流れた電流が排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度として検出される。
【００３０】
次に、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の各特性を、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。なお、図２（ａ）〜（ｃ）は酸素濃度及びＮＯｘ濃度が一定のもとでの出力特性を示す。先ずは、ポンプセル特性を図２（ａ）を用いて説明する。
【００３１】
図２（ａ）は、ポンプセル特性としてのポンプセル印加電圧Ｖｐとポンプセル電流Ｉｐとの関係を示すＶ−Ｉ特性図であり、ポンプセル１１０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。限界電流域はＶ軸に対して僅かに右上がりの直線部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど（リーンであるほど）電圧値が大きくなる方向にシフトする。同特性の抵抗支配域の傾きは概ねポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐに一致する。
【００３２】
ここで、ポンプセル電流Ｉｐと印加電圧Ｖｐとの関係は印加電圧特性として予め規定されており、この印加電圧特性に従いその時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐが可変に制御される。実際には、第１チャンバー１４４内を所定の低酸素濃度（ストイキ近傍）に保持すべく印加電圧直線ＬＸ１が設定されており、例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度の僅かな余剰酸素が第１チャンバー１４４内に残るようポンプセル印加電圧Ｖｐが制御される。
【００３３】
また、図２（ｂ）は、モニタセル特性としてのモニタセル印加電圧Ｖｍとモニタセル電流Ｉｍとの関係を示すＶ−Ｉ特性図であり、モニタセル１２０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。つまり、モニタセル１２０は、第２チャンバー１４６内の酸素濃度に応じた出力を発生し、その際、モニタセル１２０に所定の電圧Ｖｍ１を印加することにより電流値Ｉｍ１を出力する。この場合、ポンプセル１１０での酸素の出し入れにより第１チャンバー１４４と共に第２チャンバー１４６内が所定の低酸素濃度（例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度）に保持されていれば、例えば０．５〜２μＡ程度のモニタセル電流Ｉｍが流れる。
【００３４】
更に、図２（ｃ）は、センサセル特性としてのセンサセル印加電圧Ｖｓとセンサセル電流Ｉｓとの関係を示すＶ−Ｉ特性図であり、センサセル１３０はガス中のＮＯｘ濃度に対して限界電流特性を有する。この場合、センサセル１３０に所定の電圧Ｖｓ１を印加することにより、第２チャンバー１４６内のＮＯｘ濃度に応じた電流値Ｉｓ１を出力する。
【００３５】
図１の説明に戻る。ガス濃度検出装置を示す図１において、マイコン１７０は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ及びＤ／Ａ変換器等を備える周知の論理演算回路で構成されている。ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０はそれぞれに電源回路を有しており、各電源回路において、ポンプセル電流Ｉｐは電流検出器１７１で測定され、モニタセル電流Ｉｍは電流検出器１７２で測定され、センサセル電流Ｉｓは電流検出器１７３で測定される。これら各電流検出器１７１〜１７３で測定された電流値はそれぞれマイコン１７０に取り込まれる。マイコン１７０は、電流検出器１７１で測定したポンプセル電流Ｉｐにより排ガス中の酸素濃度（Ａ／Ｆ）を検出すると共に、電流検出器１７３で測定したセンサセル電流Ｉｓにより排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。また、マイコン１７０は、その都度のポンプセル電流やモニタセル電流に応じてポンプセル１１０の印加電圧を可変に制御する。
【００３６】
ガス濃度センサ１００のヒータ１５１は、ヒータ制御回路１７５によりその動作が制御される。つまり、ヒータ制御回路１７５は、マイコン１７０からの指令に従い、ガス濃度センサ１００の素子インピーダンス（素子抵抗）に応じてヒータ１５１への通電をデューティ制御する。また、ヒータ制御回路１７５では、ヒータ電圧及びヒータ電流が検出され、その検出結果がマイコン１７０に対して出力される。なお、ヒータ１５１はバッテリ電源からの給電により通電されるようになっている。
【００３７】
次に、上記の如く構成されガス濃度検出装置の作用を説明する。図３は、マイコン１７０により実施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはマイコン１７０への電源投入に伴い起動される。
【００３８】
図３において、先ずステップ１００では、前回のＡ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定される。そして、ステップ１００がＹＥＳであることを条件にステップ１１０に進み、Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出処理を実施する。
【００３９】
この場合、Ａ／Ｆの検出処理では、その時々のポンプセル電流Ｉｐに応じた印加電圧Ｖｐを設定すると共に、その電圧印加時のポンプセル電流Ｉｐを検出する。そして、該検出したポンプセル電流ＩｐをＡ／Ｆ値に変換する。また、ＮＯｘ濃度の検出処理では、所定の印加電圧Ｖｓを設定すると共に、その電圧印加時のセンサセル電流Ｉｓを検出する。そして、該検出したセンサセル電流ＩｓをＮＯｘ濃度値に変換する。
【００４０】
Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出後、ステップ１２０では、前回の素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子インピーダンスＲｉｐの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップ１２０がＹＥＳであることを条件に、ステップ１３０で素子インピーダンスＲｉｐを検出すると共に、続くステップ１４０でヒータ通電制御を実施する。素子インピーダンスＲｉｐの検出処理、ヒータ通電制御については後で詳しく説明する。
【００４１】
次に、前記図３のステップ１３０における素子インピーダンスＲｉｐの検出手順を図４を用いて説明する。なお本実施の形態では、素子インピーダンスＲｉｐの検出に際し、掃引法を用いていわゆる「交流インピーダンス」を求めることとしている。
【００４２】
図４において、先ずステップ１３１では、ポンプセル１１０の印加電圧Ｖｐを操作し、それまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対して電圧を正側に数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で単発的に変化させる。また、ステップ１３２では、その時の電圧変化量ΔＶｐとポンプセル電流の変化量ΔＩｐとを読み取る。続くステップ１３３では、前記ΔＶｐ値及びΔＩｐ値から素子インピーダンスＲｉｐを算出し（Ｒｉｐ＝ΔＶｐ／ΔＩｐ）、その後元の図３のルーチンに戻る。
【００４３】
上記の如く求められる素子インピーダンスＲｉｐは、素子温に対して図６に示す関係を有する。すなわち、素子温が低いほど、素子インピーダンスＲｉｐは飛躍的に大きくなる。
【００４４】
次に、前記図３のステップ１４０におけるヒータ通電の制御手順を図５を用いて説明する。
図５において、先ずステップ１４１では、昇温時ヒータ制御の実施条件を判定する。具体的には、素子インピーダンスＲｉｐが所定の判定値（例えば、５０Ω）以上であるか否かにより昇温時ヒータ制御の実施条件を判別する。例えば、エンジン始動直後でありガス濃度センサ１００の素子温が未だ低い場合には、素子インピーダンスＲｉｐが大きく、昇温時ヒータ制御を行う旨が判別される（ステップ１４１がＹＥＳ）。
【００４５】
ステップ１４１がＹＥＳの場合、ステップ１４２に進み、昇温時ヒータ制御を実施する。この昇温時ヒータ制御では基本的に、デューティ比１００％の全通電制御が実施される。その後、元の図３のルーチンに戻る。
【００４６】
また、素子温が上昇すると、ステップ１４１がＮＯとなり、ステップ１４３に進む。そしてそれ以降、ガス濃度センサ１００の特性変化に応じて素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇを補正しつつヒータ１５１の通電をフィードバック制御する。この場合、ヒータ電力と素子インピーダンスとの関係が予め規定されており、その関係に基づいて素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇが補正される。
【００４７】
詳しくは、先ずステップ１４３では、前記図４の処理にて検出した素子インピーダンスＲｉｐ（以下、検出インピーダンスとも言う）を読み込む。続くステップ１４４では、ヒータ制御回路１７５でのヒータ電圧及びヒータ電流の検出値からヒータ１５１への投入電力を算出する。
【００４８】
その後、ステップ１４５では、例えば図７の関係を用い、その時々のヒータ電力に対応する素子インピーダンス（基本特性上の実インピーダンスＲｒｅ）を推定する。ここで、図７は、基本特性上のヒータ電力と素子インピーダンスとの関係を示す図であり、基本特性として、どれだけのヒータ電力を投入したら素子インピーダンスがどの値になるかを表すものである。逆に言い換えれば、ある素子インピーダンスにおいて、その素子インピーダンスに保持するにはどれだけのヒータ電力を要するかを表すものである。図７において、本来はヒータ電力Ｗ１の投入により素子インピーダンスが目標値Ｒｔｇに保持されるが、ヒータ電力の算出値が仮に「Ｗ２」であった場合、その時の実インピーダンスは「Ｒｒｅ１」であると推定される。
【００４９】
また、エンジンの燃焼状態が変化したり、燃料カットが行われたりして排ガス温度が変動すると、図７の関係が変化する。この場合、図７の関係に代えて、図８の関係を用いると良い。図８では、図７の関係に対し、排気によるガス濃度センサ１００の加熱要因が考慮されている。実際には、エンジン回転数や負荷（アクセル開度、吸気量等）、更には水温により排気量や排気温度を推定し、その排気量や排気温度に応じてセンサ加熱の度合を算出する。そして、その都度のヒータ電力に加え、センサ加熱の度合により基本特性上の実インピーダンスＲｒｅを推定する。因みに、センサ加熱の度合が大きい場合には、ヒータによる加熱が不要となることから、目標値Ｒｔｇに対するヒータ電力は小さくなる。
【００５０】
その後、ステップ１４６では、前記した検出インピーダンスＲｉｐ及び基本特性上の実インピーダンスＲｒｅにより素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇを補正する。具体的には、「Ｒｉｐ−Ｒｒｅ」を目標値Ｒｔｇに加算し、その和を新たに目標値Ｒｔｇとする。
【００５１】
目標値Ｒｔｇの補正について、図９の特性図を用いてより詳細に説明する。図９では、ガス濃度センサ１００の基本特性を「Ａ」に示し、素子劣化等により変化した特性を「Ｂ」に示す。
【００５２】
要するに、ガス濃度センサ１００の特性が基本特性Ａのままであれば、素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇにフィードバック制御した時の素子温はＴｅｍｐ１（目標温度）となる。これに対し、ガス濃度センサ１００の特性が「Ｂ」に変化した場合、目標値Ｒｔｇに対するフィードバック制御に伴い素子温がＴｅｍｐ２まで上昇してしまうことが考えられる。この場合、その都度のヒータ電力（図７のＷ２）から基本特性Ａ上の実インピーダンス（図のＲｒｅ１）を推定すると共に、「Ｒｔｇ−Ｒｒｅ１」を補正量として算出し、その補正量を目標値Ｒｔｇに加算して新たな目標値（図のＲｔｇ'）を算出する。なお通常は、素子インピーダンスが目標値Ｒｔｇに収束し、Ｒｔｇ＝Ｒｉｐとなっており、上記の補正は「Ｒｉｐ−Ｒｒｅ１」により補正することを意味する。
【００５３】
目標値Ｒｔｇの補正後、ステップ１４７では、素子インピーダンスの偏差に応じて、ヒータ通電のための制御デューティ比Ｄｕｔｙを算出する。この算出手法自体は周知のものである。具体的には、前回処理時の素子インピーダンスを前回値「Ｒ０」、比例定数をＫｐ、積分定数をＫｉ、微分定数をＫｄとし、下記の数式により比例項Ｇｐ、積分項Ｇｉ、微分項Ｇｄを算出する。
Ｇｐ＝Ｋｐ・（Ｒｉｐ−Ｒｔｇ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（Ｒｉｐ−Ｒｔｇ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（Ｒｉｐ−Ｒ０）
そして、上記比例項Ｇｐ、積分項Ｇｉ、微分項Ｇｄを加算して制御デューティ比Ｄｕｔｙを算出する（Ｄｕｔｙ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）。その後、元の図３のルーチンに戻る。
【００５４】
なお本実施の形態では、図４の処理が特許請求の範囲に記載した「素子抵抗検出手段」に、図５の処理が同「ヒータ制御手段」に相当する。また、図５のステップ１４４が同「ヒータ電力算出手段」に、ステップ１４５，１４６が同「補正手段」に相当する。
【００５５】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
予め規定したヒータ電力と素子インピーダンスとの関係を示す基本特性に基づいて素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇが補正されるので、ガス濃度センサ１００の特性変化が生じても基本特性に即したヒータ制御が可能となる。つまり、ポンプセル１１０やセンサセル１３０が適正な活性状態で保持される。その結果、ガス濃度センサ１００の検出精度を向上させることができる。特に、センサセル１３０では、その出力が微小であるため、各セルの活性状態がずれるとその出力精度への影響が大きいが、本実施の形態によればＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。
【００５６】
また、その都度のヒータ電力に加え、エンジン運転状態によるセンサ加熱の度合（センサ温度の外部要因）を考慮して素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇを補正するようにしたので、その補正の精度が向上する。
【００５７】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、図５の処理において、検出インピーダンスＲｉｐと基本特性上の実インピーダンスＲｒｅとの差（Ｒｉｐ−Ｒｒｅ）により素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇを補正したが、その補正の手法はそれに限定されない。例えば、以下の（１），（２）のように具体化しても良い。
【００５８】
（１）目標の制御点を挟む少なくとも２点で実インピーダンスＲｒｅを推定し、それら各点の推定値と検出インピーダンスＲｉｐとから目標値Ｒｔｇを補正する。具体的には、図１０に示すように、目標の素子温Ｘ０（目標の制御点）を挟んで２点の素子温Ｘ１，Ｘ２を設定し、その素子温Ｘ１，Ｘ２での素子インピーダンスＲＸ１，ＲＸ２を検出する。また、素子温Ｘ１，Ｘ２での基本特性上の実インピーダンスＲｒｅ１，Ｒｒｅ２を推定する。この場合、センサ特性が図の基本特性Ａから特性Ｂに変化していれば、素子インピーダンスＲＸ１，ＲＸ２（検出値）と実インピーダンスＲｒｅ１，Ｒｒｅ２とに図示の如く差が生じ、その各々の差「ＲＸ１−Ｒｒｅ１」、「ＲＸ２−Ｒｒｅ２」により目標値Ｒｔｇを補正する。すなわち、「（ＲＸ１−Ｒｒｅ１）／２＋（ＲＸ２−Ｒｒｅ２）／２」を補正量として算出し、その補正量を目標値Ｒｔｇに加算して新たな目標値（図のＲｔｇ'）を算出する。
【００５９】
要するに、図１０からも分かるように、センサ特性の変化前と変化後と比較した場合、素子温に応じてインピーダンスの変化量が相違する。それ故、２点の実インピーダンスを用いて目標値を補正することにより、１点の実インピーダンスを用いて目標値を補正する場合に比べて補正の精度が向上する。勿論、実インピーダンスを推定するためのポイントは、３点以上であっても良い。
【００６０】
（２）図１１に示す関係を用い、その都度のヒータ電力からインピーダンス補正量を算出し、そのインピーダンス補正量により素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇを補正する。図１１では、素子インピーダンスを目標値に制御するために必要なヒータの基準電力に基づき、その基準電力からのずれ分Ｚにより補正量が算出される。この場合、補正量の算出処理を簡易に実施することができる。なお、図１１の関係において、排気によるガス濃度センサ１００の加熱要因（センサ温度の外部要因）を反映させるようにしても良い。つまり、その都度のヒータ電力に加え、センサ加熱の度合により補正量を算出する。因みに、センサ加熱の度合が大きい場合には、ヒータによる加熱が不要となることから、基準電力が小さくなるよう、特性線自体を図１１の左側にシフトさせると良い。
【００６１】
また、ガス濃度センサ１００に関してセンサ温度の外部要因が変化しない状態であることを条件に、素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇの補正を実施する。例えば、排気によるガス濃度センサ１００の加熱要因がないことを条件に、前記目標値Ｒｔｇの補正を実施する。更に、エンジンが停止していることを条件に、素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇの補正を実施する。この場合、排気によるセンサ加熱の度合を考慮しなくて良いため、前記図７の関係を用いて基本特性上の実インピーダンスＲｒｅを推定する。
【００６２】
上記補正処理の実施に際し、その時得られた補正量を学習値としてバックアップＲＡＭ等（バックアップ用のメモリ）に記憶保持するようにしても良い。そして、学習値が得られた後、その学習値を用いて補正処理を実施する。このとき、補正により基本特性を書き換える構成であっても良い。これにより、経時変化により劣化が進行する際にも、その状況を容易に且つ確実に反映しつつヒータ制御が実施できる。また、エンジンの運転停止時に、上記補正処理を実施する構成であっても良い。
【００６３】
マイコン１７０により「ヒータ抵抗検出手段」を実現し、予め規定したヒータ抵抗と素子インピーダンスとの関係を示す基本特性に基づいて素子インピーダンスの目標値を補正する構成とすることも可能である。これは前述した図５のフローチャートを一部修正して実現できる。具体的には、マイコン１７０は、前記図５のステップ１４４においてヒータ電力の算出の処理に代えて、ヒータ抵抗の算出の処理を実施する（ヒータ抵抗＝ヒータ電圧／ヒータ電流）。そして、続くステップ１４５において、図１２に示す関係を用い、その時々のヒータ抵抗に対応する素子インピーダンス（基本特性上の実インピーダンスＲｒｅ１）を推定する。この場合、素子インピーダンスが目標値Ｒｔｇに保持されていれば本来ヒータ抵抗がＲｈ１となるが、実際にはヒータ抵抗がＲｈ２であった場合、その時の実インピーダンスはＲｒｅ１であると推定される。そして、マイコン１７０は、前述の通り検出インピーダンスＲｉｐと実インピーダンスＲｒｅとの差分に応じて目標値Ｒｔｇを補正する。
【００６４】
更に、マイコン１７０により「素子温度検出手段」を実現し、予め規定した素子温度と素子インピーダンスとの関係を示す基本特性に基づいて素子インピーダンスの目標値を補正する構成とすることも可能である。素子温度を検出するには、ガス濃度センサ１００の各セルを構成する固体電解質１４１，１４２に熱電対を取り付けて素子温度を実測する方法（温度実測値を求める方法）、排気温度センサによる排気温度の検出値から素子温度を推定する方法、排気流量センサによる排気流量の検出値から素子温度を推定する方法等が適用できる。このとき、排気温度や排気流量に加えてエンジン回転数を考慮すれば、素子温度の検出精度が向上する。
【００６５】
具体的には、マイコン１７０は、前記図５のステップ１４４においてヒータ電力の算出の処理に代えて、素子温度の算出の処理を実施する。そして、続くステップ１４５において、図１３に示す関係を用い、その時々の素子温度に対応する素子インピーダンス（基本特性上の実インピーダンスＲｒｅ１）を推定する。この場合、素子インピーダンスが目標値Ｒｔｇに保持されていれば本来素子温度がＴ１となるが、実際には素子温度がＴ２であった場合、その時の実インピーダンスはＲｒｅ１であると推定される。そして、マイコン１７０は、前述の通り検出インピーダンスＲｉｐと実インピーダンスＲｒｅとの差分に応じて目標値Ｒｔｇを補正する。
【００６６】
以上、図１２や図１３を用いた補正手法であっても、結果的に基本特性に即したヒータ制御が可能となる。その結果、上記ヒータ電力を用いた場合と同様に、ガス濃度センサ１００の各セルが常に適正な活性状態で保持され、当該センサ１００の検出精度を向上させることができる。
【００６７】
上記実施の形態では、ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐを検出し、そのＲｉｐが目標値Ｒｔｇになるようヒータ通電を制御したが、これに代えて、センサセル１３０の素子インピーダンスを検出し、その素子インピーダンスが目標値になるようヒータ通電を制御しても良い。又は、インピーダンスに代えて、その逆数であるアドミタンスを演算するようにしても良い。何れにしろ、ポンプセル（第１セル）又はセンサセル（第２セル）が設けられる固体電解質素子に対して印加する電圧又は電流を操作しその時の電圧変化及び電流変化から素子抵抗を検出する構成であれば良い。
【００６８】
素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇに対する補正量に基づき、ガス濃度センサ１００の劣化の有無を判定するよう構成しても良い。つまり、ガス濃度センサ１００の劣化が進行すると、素子インピーダンスの目標値Ｒｔｇに対する補正量が増大する。そのことから、当該補正量によりセンサ劣化が適正に判定できる。具体的には、その都度の補正量が所定の劣化判定値を越えれば、劣化発生の旨を判定する。
【００６９】
別構成のガス濃度センサ２００を図１４により説明する。このガス濃度センサ２００においても、既述の通りガス濃度の検出精度が向上することに変わりない。ガス濃度センサ２００は、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる３セル構造を有し、排ガス中の酸素濃度とＮＯｘ濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサとして具体化されている。なお、図１４（ａ）は、センサ素子の先端部構造を示す断面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００７０】
ガス濃度センサ２００において、酸素イオン伝導性材料からなる固体電解質（固体電解質素子）２４１，２４２は板状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ２４３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質２４１にはピンホール２４１ａが形成されており、このピンホール２４１ａを介して当該センサ周囲の排ガスが第１チャンバー２４４内に導入される。第１チャンバー２４４は、絞り部２４５を介して第２チャンバー２４６に連通している。符号２４７は多孔質拡散層である。
【００７１】
図の下側の固体電解質２４２には、第１チャンバー２４４に面するようにしてポンプセル２１０が設けられており、ポンプセル２１０は、第１チャンバー２４４内に導入した排ガス中の酸素を排出又は汲み込む働きをすると共に、その際に排ガス中の酸素濃度を検出する。ここで、ポンプセル２１０は、固体電解質２４２を挟んで上下一対の電極２１１，２１２を有し、そのうち特に第１チャンバー２４４側の電極２１１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）である。ポンプセル２１０は、第１チャンバー２４４内に存在する酸素を分解して電極２１２より大気通路２５０側に排出する。
【００７２】
また、図の上側の固体電解質２４１には、第２チャンバー２４６に面するようにしてモニタセル２２０及びセンサセル２３０が設けられている。モニタセル２２０は、第２チャンバー２４６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。また、センサセル２３０は、ポンプセル２１０を通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。
【００７３】
特に本実施の形態では、図１４（ｂ）に示すように、排ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセル２２０及びセンサセル２３０が並列に配置されると共に、これら各セル２２０，２３０の大気通路２４８側の電極が共通電極２２２となっている。すなわち、モニタセル２２０は、固体電解質２４１とそれを挟んで対向配置された電極２２１及び共通電極２２２とからなり、センサセル２３０は、同じく固体電解質２４１とそれを挟んで対向配置された電極２３１及び共通電極２２２とからなる。なお、モニタセル２２０の電極２２１（第２チャンバー２４６側の電極）はＮＯｘガスに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル２３０の電極２３１（第２チャンバー２４６側の電極）はＮＯｘガスに活性なＰｔ等の貴金属からなる。
【００７４】
固体電解質２４２の図の下面には絶縁層２４９が設けられ、この絶縁層２４９により大気通路２５０が形成されている。また、絶縁層２４９には、センサ全体を加熱するためのヒータ２５１が埋設されている。ヒータ２５１はポンプセル２１０、モニタセル２２０及びセンサセル２３０を含めたセンサ全体を活性状態にすべく、外部からの給電により熱エネルギーを発生させる。
【００７５】
上記構成のガス濃度センサ２００において、排ガスは多孔質拡散層２４７及びピンホール２４１ａを通って第１チャンバー２４４に導入される。そして、この排ガスがポンプセル２１０近傍を通過する際、ポンプセル２１０の電極２１１，２１２間に電圧を印加することで分解反応が起こり、第１チャンバー２４４内の酸素濃度に応じてポンプセル２１０を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバー２４４側の電極２１１がＮＯｘ不活性電極であるので、ポンプセル２１０では排ガス中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて大気通路２５０に排出される。そして、ポンプセル２１０に流れた電流により、排ガス中に含まれる酸素濃度が検出される。
【００７６】
その後、ポンプセル２１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバー２４６に流れ込み、モニタセル２２０では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル２２０の出力は、該モニタセル２２０の電極２２１，２２２間に所定の電圧を印加することで、モニタセル電流として検出される。また、センサセル２３０の電極２３１，２２２間に所定の電圧を印加することでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が大気通路２４８に排出される。その際、センサセル２３０に流れた電流により、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が検出される。
【００７７】
ガス濃度センサとしては、３セル構造のセンサの他、４セル構造のセンサであっても良い。或いは、５つ以上のセルを有するセンサ構造であっても良い。要は、酸素排出又は汲み込み用の第１セルと特定ガス成分の濃度検出用の第２セルとを少なくとも有する構造であれば良い。３つ以上のセルを有するガス濃度センサでは、ヒータ制御に使用するための素子インピーダンスを検出するセルを、第１セル又は第２セル以外のセルとしても良い。この場合、使用するセルの特性に合わせて本発明を適用すればよい。
【００７８】
また、ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定ガス成分としてのＨＣやＣＯの濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、第１セル（ポンプセル）にて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、第２セル（センサセル）にて余剰酸素排出後のガス成分からＨＣ又はＣＯを分解してＨＣ濃度又はＣＯ濃度を検出する。更に、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。かかる構成においても、本発明を適用することによりガス濃度の検出精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるガス濃度検出装置の概要を示す構成図。
【図２】ガス濃度センサの各セルの特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図３】マイコンによるメインルーチンを示すフローチャート。
【図４】素子インピーダンスの検出手順を示すフローチャート。
【図５】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図６】素子温と素子インピーダンスとの関係を示す図。
【図７】ヒータ電力と素子インピーダンスとの関係を示す図。
【図８】ヒータ電力と素子インピーダンスとの関係を示す図。
【図９】素子インピーダンスの目標値補正の概要を説明するための図。
【図１０】素子温と素子インピーダンスとの関係を示す図。
【図１１】ヒータ電力とインピーダンス補正量との関係を示す図。
【図１２】ヒータ抵抗と素子インピーダンスとの関係を示す図。
【図１３】素子温度と素子インピーダンスとの関係を示す図。
【図１４】別のガス濃度センサの構成を示す断面図。
【符号の説明】
１００…ガス濃度センサ、１１０…ポンプセル（第１セル）、１３０…センサセル（第２セル）、１４１，１４２…固体電解質、１４４…第１チャンバー、１４６…第２チャンバー、１５１…ヒータ、１７０…マイコン、１７５…ヒータ制御回路、２００…ガス濃度センサ、２１０…ポンプセル（第１セル）、２３０…センサセル（第２セル）、２４１，２４２…固体電解質、２４４…第１チャンバー、２４６…第２チャンバー、２５１…ヒータ。

Claims (9)

1. チャンバーに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込む第１セルと、該第１セルを通過した後のガスから特定ガス成分の濃度を検出するための第２セルと、少なくともこれら第１セル及び第２セルを加熱するヒータとを備えるガス濃度センサを用いたガス濃度センサのヒータ制御装置において、
   少なくとも第１セル又は第２セルが設けられる固体電解質素子に対して印加する電圧又は電流を操作しその時の電圧変化及び電流変化から素子抵抗を検出する素子抵抗検出手段と、
   前記検出した素子抵抗とその目標値との偏差に応じてヒータの通電を制御するヒータ制御手段と、
   ヒータに投入した電力を算出するヒータ電力算出手段と、
   エンジンの回転数、負荷及び水温により推定された排気量及び排気温度のいずれかに応じてセンサ加熱の度合を算出するとともに、予め規定したヒータ電力とセンサの加熱度合と素子抵抗との関係を示す基本特性に基づいて前記素子抵抗の目標値を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
2. 前記補正手段は、前記基本特性のパラメータに応じて当該特性上の素子抵抗を推定し、その推定値と前記検出した素子抵抗とから前記素子抵抗の目標値を補正する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
3. 前記補正手段は、目標の制御点を挟む少なくとも２点で基本特性上の素子抵抗を推定し、それら各点の推定値と前記検出した素子抵抗とから前記素子抵抗の目標値を補正する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
4. 前記補正手段は、素子抵抗を目標値に制御するために必要な基本特性上の基準値に基づき、その基準値からのずれ分により補正量を算出する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
5. ガス濃度センサが晒される環境下においてセンサ温度の外部要因を反映しつつ、前記補正手段による目標値の補正を実施する請求項１〜４の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
6. ガス濃度センサに関してセンサ温度の外部要因が変化しない状態であることを条件に、前記補正手段による目標値の補正を実施する請求項１〜４の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
7. エンジン排気管にガス濃度センサが設けられ、エンジンから排出される排ガスを当該センサにより検出するエンジン制御装置に適用され、エンジンが停止していることを条件に、前記補正手段による目標値の補正を実施する請求項１〜４の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
8. 前記補正手段による補正量を学習値としてバックアップ用のメモリに記憶保持する請求項１〜７の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
9. 前記補正手段により得られる補正量に基づきガス濃度センサの劣化の有無を判定する請求項１〜８の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。

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