JP4385423B2 - 排気温度測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスの温度を測定する装置に関し、より詳細には、限界電流式空燃比センサを利用した排気温度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガスを測定するために専用の温度センサを設けることは、コストの上昇を招く。一方、機関回転速度、機関負荷等を監視することにより、排気温度を推定することも、広く行われているが、この場合には精度の面で大きな問題がある。
【０００３】
そこで、特開昭５８−１７３５１号公報は、空燃比制御用に設けられたＯ2 センサをＯ2 濃度検出用と排気系温度検出用とに兼用する技術について提案している。すなわち、この技術は、温度に応じたＯ2 センサ内部抵抗変化特性を利用してその抵抗変化からＯ2 センサ近傍の温度を検出するものであり、酸素濃度に依存するＯ2 センサ起電力を利用しない時間範囲で、かつ、被測定気体の酸素濃度が設定値に対して過剰側にあるとき（内部電池構造によるＯ2 センサ出力が低レベルになる）に、抵抗を検出して排気温度を測定する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特開昭５８−１７３５１号公報の技術では、測定条件が限定されるため、測定機会が少ないという問題がある。また、リッチ領域では測定をすることができないため、触媒の過昇温(Over Temperature)が問題となるような高回転高負荷状態（通常、触媒過昇温防止のためリッチに設定される）において排気温度を測定することができないという問題がある。さらに、Ｏ2 センサの活性化のためにヒータがセンサに付随して設けられることがあるが、上記従来技術は、ヒータ制御に関して考慮していないため、ヒータ通電時において正確な排気温度を測定することができないという問題を有している。
【０００５】
一方、近年においては、Ｏ2 センサに代わって空燃比センサが利用されるようになってきている。すなわち、車載用内燃機関において燃料消費率の低減と有害ガス排出量の低減とを両立させるためには、機関が燃焼させる混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を広範囲に制御する必要がある。このような空燃比制御を可能とするために、ジルコニア固体電解質等の酸素イオン導電素子（センサ素子）に大気側電極、排気側電極及び排気側拡散抵抗体を設けてセンサ本体とし、そのセンサ本体への電圧印加に伴い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流が生ずるのを利用した空燃比センサ（全域空燃比センサ、リニア空燃比センサ等と呼ばれる）が実用化され、かかる空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御が行われている。
【０００６】
全域空燃比センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う上で、酸素イオン導電素子を活性状態に維持することが不可欠である。そのためにヒータを用いて素子を加熱し素子温度を一定の値に保つ制御が行われている。その際、素子温度を検出する必要があるが、素子抵抗が素子温度と相関関係を有することから、素子抵抗を検出して素子温度を推定することにより温度センサの必要性を排除することも提案されている。
【０００７】
本発明は、以上のような状況を踏まえてなされたものであり、その目的は、コストの観点から温度センサを排除すべく空燃比センサを利用した排気温度測定装置であって、測定条件を限定されることなく、しかも精度良く排気温度を測定することができるものを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、電圧の印加に伴い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させるセンサ本体、及び、前記センサ本体中の酸素イオン導電素子を加熱し活性化せしめるためのヒータ、を有する空燃比センサと、前記酸素イオン導電素子の素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出手段と、前記ヒータへの通電の実行中に一時的に通電をカットし、前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素子インピーダンスの該カットに伴う変化の状態に基づいて排気温度を推定する通電時排気温度推定手段と、を具備する排気温度測定装置が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、好ましくは、前記ヒータへの通電の非実行中に、前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素子インピーダンスに基づいて排気温度を推定する非通電時排気温度推定手段、を更に具備する。
【００１０】
また、本発明によれば、好ましくは、前記通電時排気温度推定手段は、通電をカットしたときの素子インピーダンスの上昇率に基づいて排気温度を推定する。
【００１１】
また、本発明によれば、好ましくは、前記通電時排気温度推定手段は、通電を一定時間カットしたときの素子インピーダンスの増大量に基づいて排気温度を推定する。
【００１２】
また、本発明によれば、好ましくは、前記通電時排気温度推定手段は、通電をカットした後、再び通電を開始したときの素子インピーダンスの下降率に基づいて排気温度を推定する。
【００１３】
また、本発明によれば、好ましくは、前記通電時排気温度推定手段は、通電を一定時間カットした後、再び通電を開始する時点から、素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰する時点までの所要時間に基づいて排気温度を推定する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
まず、空燃比センサの原理について説明する。図１は、空燃比と排気中の酸素（Ｏ2 ）濃度との関係及び空燃比と排気中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度との関係を示す特性図である。この図に示されるように、理論空燃比よりもリーン側の空燃比領域にあってはＯ2 濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化する一方、理論空燃比よりもリッチ側の空燃比領域にあっては未燃ガスであるＣＯ濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化する。空燃比センサは、後述するように、この関係を利用するものである。
【００１６】
図２は、空燃比センサの一構成例を示す断面図である。空燃比センサ１０は、内燃機関の排気管９０の内部に向けて突設された状態で使用される。空燃比センサ１０は、大別して、カバー１１、センサ本体１３及びヒータ１８から構成される。カバー１１は断面カップ状の形状を有し、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔１２が形成されている。
【００１７】
センサ本体１３において、試験管状に形成された酸素イオン導電性固体電解質層１４の外表面には排気側電極層１６が固着される一方、その内表面には大気側電極層１７が固着されている。また、排気側電極層１６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１５が形成されている。固体電解質層１４は、例えば、本実施形態においては、ＺｒＯ2 （ジルコニア素子）にＣａＯ等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる（以下、固体電解質層１４をセンサ素子とも称する）。拡散抵抗層１５は、アルミナ等の耐熱性無機物質からなる。排気側電極層１６及び大気側電極層１７は、共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。
【００１８】
ヒータ１８は、大気側電極層１７内に収容されており、その発熱エネルギによってセンサ本体１３を加熱し、ジルコニア素子１４を活性化せしめる。ヒータ１８は、ジルコニア素子１４を活性化するのに十分な発熱容量を有している。
【００１９】
ジルコニア素子１４は、高温活性状態で素子両端に酸素濃度差が生じると、濃度の高い側から低い側へと酸素イオン（Ｏ2-）を通す特性（酸素電池特性）を有する。また、ジルコニア素子１４は、その両端に電位差が与えられると、陰極から陽極に向けて、電位差に応じた酸素イオン（Ｏ2-）の移動を引き起こそうとする特性（酸素ポンプ特性）を有する。
【００２０】
図２に示されるように、センサ本体１３には、大気側電極層１７を正極性、排気側電極層１６を負極性とする一定のバイアス電圧が印加されている。排気空燃比がリーンのときには、酸素ポンプ特性により、排気側電極層１６から大気側電極層１７へと酸素イオン（Ｏ2-）の移動が起こる。その結果、バイアス電圧源の正極から、大気側電極層１７、固体電解質層１４及び排気側電極層１６を介して、バイアス電圧源の負極へと電流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、バイアス電圧を一定値以上にすれば、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する酸素量に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、酸素濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明したようにリーン領域における空燃比を知ることができる。
【００２１】
一方、排気空燃比がリッチのときには酸素電池特性が働き、この酸素電池特性は大気側電極層１７から排気側電極層１６へと酸素イオン（Ｏ2-）の移動を引き起こそうとする。すなわち、酸素電池特性はバイアス電圧と逆向きに作用する。空燃比センサでは、酸素電池特性による起電力がバイアス電圧に打ち勝つように構成されているため、大気側電極層１７から、バイアス電圧源を通って、排気側電極層１６へと電流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、固体電解質層１４中を大気側電極層１７から排気側電極層１６へと移送される酸素イオン（Ｏ2-）の量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する一酸化炭素などの未燃ガスと排気側電極層１６において反応（燃焼）するものであるため、酸素イオン移動量は未燃ガスの濃度に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃ガス濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明したようにリッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００２２】
また、排気空燃比が理論空燃比のときには、排気側電極層１６へ流入する酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっているため、排気側電極層１６の触媒作用によって両者は完全に燃焼する。したがって、排気側電極層１６では酸素がなくなるため、酸素電池特性及び酸素ポンプ特性により移送されるべき酸素イオンが生じない。その結果、排気空燃比が理論空燃比のときには、回路を流れる電流は生じない。
【００２３】
かくして、空燃比センサの電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性は、図３に示されるように、センサが晒される排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた限界電流を示す。図３においては、Ｖ軸に平行な直線部分が限界電流を表している。そして、リーン領域とリッチ領域とでは限界電流の流れる向きが逆になっており、リーン領域にあっては空燃比が大きくなるほど、リッチ領域にあっては空燃比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。そして、図３の特性図によれば、印加電圧を０．３Ｖ程度に設定すると、広範囲にわたる空燃比を検出することができる。なお、Ｖ軸に平行な直線部分の電圧より小さい電圧となる領域は、抵抗支配域となっている。
【００２４】
次いで、図４を用いて、本発明に係る排気温度測定装置としての機能も備えた空燃比検出装置のハードウェア構成の一例について説明する。この空燃比検出装置は、大別して、空燃比センサ１０、センサ本体駆動回路２０、ヒータ駆動回路３０及び中央処理装置（ＣＰＵ）４０から構成される。空燃比センサ１０は、図２で説明したように、センサ本体１３及びヒータ１８を備えるものである。また、ヒータ駆動回路３０は、デューティ比信号を受け、そのデューティ比に応じてバッテリ３２の電圧をヒータ１８へオン／オフ的に印加する回路である。また、ＣＰＵ４０は、内燃機関の電子制御装置（ＥＣＵ）の中枢として燃料噴射制御、点火時期制御等を行うものであり、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）及びメモリを内蔵している。
【００２５】
センサ本体駆動回路２０は、大別して、ロウパスフィルタ（ＬＰＦ）２１、第１の電圧フォロワ(voltage follower)回路２２、基準電圧発生回路２５及び第２の電圧フォロワ回路２６から構成される。ＬＰＦ２１は、ＣＰＵ４０から出力されるアナログ信号電圧の高周波成分を除去するものである。第１の電圧フォロワ回路２２は、演算増幅器、抵抗器、ダイオード、トランジスタ等を備え、センサ本体１３の大気側電極層１７の電位を、ＬＰＦ２１の出力の電位と同一の電位に維持する。なお、その電位は、空燃比検出時においては３．３Ｖである。
【００２６】
また、基準電圧発生回路２５は、一定電圧ＶCCを分圧して基準電圧３．０Ｖを発生させる。第２の電圧フォロワ回路２６は、第１の電圧フォロワ回路２２と同様の回路構成を有し、センサ本体１３の排気側電極層１６の電位を基準電圧３．０Ｖに維持する。従って、空燃比検出時には、センサ本体１３の両電極層間に０．３Ｖの電圧Ｖが印加されることとなり、図３の特性図にて説明したように、限界電流を測定して広範囲にわたる空燃比を検出することができる。第１の電圧フォロワ回路２２内の抵抗器２３が電流検出回路として機能する。抵抗器２３のセンサ側端子の電位Ｖ0 と他方の端子の電位Ｖ1 とは、ＣＰＵ４０に供給されるようになっている。ＣＰＵ４０は、抵抗器２３の両端のアナログ電位Ｖ0 及びＶ1 をＡ／Ｄ変換し、両端の電位差“Ｖ1 −Ｖ0 ”を算出し、その電位差と抵抗器２３の抵抗値とに基づいて、第１の電圧フォロワ回路２２からセンサ本体１３の大気側電極層１７へと流れる方向を正とする電流Ｉを算出する。
【００２７】
先述の図３に関する説明から理解されるように、算出される電流値と空燃比とは、図５に示される如き関係を有している。そこで、ＣＰＵ４０は、検出された電流値に基づいて排気の空燃比を検出することができ、ひいては空燃比フィードバック制御を実現することができる。
【００２８】
さて、空燃比を検出するためには、センサ素子（ジルコニア素子）１４を活性状態に維持する必要がある。その活性状態は、素子温度を一定値、例えば７００°Ｃに保つことによって維持される。ところで、素子温度と素子抵抗とは、図６に示されるような一定の相関関係を有しているため、素子温度を７００°Ｃに保つためには、素子抵抗が３０Ωを示すようにすればよい。そのため、素子抵抗を検出し、その検出される抵抗値に基づき、ヒータ駆動回路３０をフィードバック制御することにより、素子活性状態を維持する制御が行われる。
【００２９】
図７はセンサ本体１３の構造を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は固体電解質１４の部分拡大図である。また、図８は、センサ本体１３の等価回路を示す図である。図８において、Ｒ１は、ジルコニアからなる固体電解質のバルク抵抗であり、図７のグレイン(grain) 部に対応する。Ｒ２は、固体電解質の粒界抵抗であり、図７のグレイン境界(grain boundary)部に対応する。Ｒ３は、白金からなる電極の界面抵抗である。Ｃ２は、固体電解質の粒界の容量成分である。Ｃ３は、電極界面の容量成分である。Ｚ（Ｗ）は、交流による分極が起こるときに周期的に界面濃度が変化するために生じるインピーダンス分（ワールブルインピーダンス）である。
【００３０】
図８からわかるように、センサ本体１３に、抵抗支配域（図３参照）にある電圧を印加して出力電流を測定した場合、“Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３”が検出可能となる。しかし、Ｒ３は電極の劣化等により大きく変化するため、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”のみを抽出することはできない。しかも、図３に示されるように、抵抗支配域は空燃比に応じて変化するため、センサ本体の直流特性により素子抵抗を検出することは極めて困難である。そこで、交流特性を利用した素子抵抗検出法が提案されている。
【００３１】
図９は、空燃比検出用の直流電圧（０．３Ｖ）に交流電圧を重畳した場合に、その入力交流電圧の周波数ｆの変化に応じてセンサ本体のインピーダンスＺが描く軌跡を示す図であり、横軸はインピーダンスＺの実部Ｒ、縦軸は虚部Ｘを示す。この軌跡は、空燃比に依存しない。センサ本体のインピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒ＋ｊＸで表される。図９に示されるように、インピーダンスＺは、周波数ｆが１ｋＨｚ付近に近づくにつれて素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”に収束する。
【００３２】
図１０は、入力交流電圧の周波数ｆとインピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜との関係を示す図である。図１０から、周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚでは｜Ｚ｜がほぼ“Ｒ１＋Ｒ２”であり、１０ＭＨｚより高周波側では｜Ｚ｜は減少していき、Ｒ１に収束することが判る。このことから、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”を検出するためには、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ付近の交流電圧を印加して、出力交流電流を測定し、インピーダンスを求めることが望ましい。
【００３３】
図１１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＬＰＦ２１への入力電圧、ＬＰＦ２１からの出力電圧すなわち空燃比センサ１０の大気側電極層１７への印加電圧、及び空燃比センサ１０の出力電流、の各波形を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は電圧又は電流を表す。前述のように、排気側電極層１６は基準電圧３．０Ｖに維持され、大気側電極層１７は通常図１１（Ｂ）に示されるように３．３Ｖに維持されているため、空燃比センサ本体の両電極間には通常直流電圧０．３Ｖが印加されていることとなる。この入力直流電圧に対する出力直流電流が空燃比を表している。
【００３４】
そして、ＣＰＵ４０は、素子インピーダンスを測定するため、図１１（Ａ）に示されるように、ＬＰＦ２１への入力電圧をΔＶだけ変化させる。ＬＰＦ２１からの出力電圧すなわち空燃比センサ１０の大気側電極層１７への印加電圧は、図１１（Ｂ）に示されるように、主として特定の周波数成分（例えば５ｋＨｚ）からなる、なまされた波形の交流電圧パルスが直流電圧３．３Ｖに重畳したものとなる。この交流電圧パルスに対応して、出力電流は、図１１（Ｃ）に示されるようにΔＩだけ変化する。そして、ΔＶ／ΔＩが素子インピーダンス（絶対値）Ｚを与える。そのＺに基づいて図６の特性曲線を参照することにより、素子温度が検出される。なお、印加電圧を正負両側に変化させるのは、容量成分に蓄積される電荷の放電を迅速化させるためである。
【００３５】
さて、センサ素子は、排気ガスとヒータとによって加熱せしめられる。すなわち、素子温度は、排気温度とヒータへの通電量とによって決定されることとなる。前述のように、素子温度は、７００°Ｃに維持される必要があるため、排気温度が７００°Ｃ以上となるような領域においては、ヒータによる加熱は不要となる。
【００３６】
排気温度ＴＨＥＧが機関回転速度ＮＥと機関負荷ＬＤとに応じてどのように変化するかを示すと、図１２の如き特性図となる。機関負荷ＬＤは、機関吸入空気流量、吸気管圧力、吸入空気流量・回転速度比、等のいずれでもよい。この図においてＴＨＥＧ＝７００°Ｃの曲線よりも上側の領域ＲＥＧ２では、排気温度ＴＨＥＧが７００°Ｃ以上となるため、ヒータへの通電は不要となり、ヒータ駆動回路３０に供給される信号のデューティ比は０％となる。したがって、ＲＥＧ２では、素子温度は排気温度ＴＨＥＧのみによって決まることとなる。すなわち、素子温度を測定することにより、排気温度を推定することができる。
【００３７】
一方、図１２においてＴＨＥＧ＝７００°Ｃの曲線よりも下側の領域ＲＥＧ１では、排気ガスのみで素子温度を７００°Ｃに維持することができないため、ヒータへの通電が行われることとなる。ところで、ヒータへの通電が行われている最中に、図１３に示されるように、ヒータ制御を許可することを示すフラグＨＦＬＧを一定時間Δｔ1 だけＯＦＦにし、ヒータへの通電をカット（デューティ比０％）すれば、それに応じて素子温度が低下する。したがって、図６の関係より、素子インピーダンスＺは増大する。そして、その素子温度低下量は、排気温度ＴＨＥＧが低いほど大きな値になる。したがって、素子インピーダンス増大量ΔＺは、排気温度ＴＨＥＧが低いほど大きな値になる。そのため、ΔＺを測定することにより、排気温度を推定することができる。
【００３８】
図１４及び図１５は、以上の知見を具体化する排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。このルーチンは、ＣＰＵ４０によって所定時間（例えば数十ミリ秒）周期に実行される。まず、ステップ１０２では、現在、素子温度が排気温度よりも大きくなる運転領域、すなわち図１２に示されるＲＥＧ１にあるか否かを、機関回転速度ＮＥと機関負荷ＬＤとに基づいて判定する。
【００３９】
ステップ１０２の判定結果がＹＥＳのとき、すなわち、図１２のＲＥＧ１にあるときには、ステップ１０４に進む。ステップ１０４では、カウンタＣＮＴ１をインクリメントするとともに、カウンタＣＮＴ２を０にクリアする。カウンタＣＮＴ１は、ＲＥＧ１にあるときに一定時間周期で排気温度を推定するために設けられたものであり、一方、カウンタＣＮＴ２は、ＲＥＧ２にあるときに一定時間周期で排気温度を推定するために設けられたものである。
【００４０】
ステップ１０４に次いで実行されるステップ１０６では、ＣＮＴ１が所定値Ｃ0 に達したか否か、すなわち、ＲＥＧ１に移行してから又は前回排気温度を推定してから一定時間が経過しているか否かを判定する。ＣＮＴ１＝Ｃ0 が成立するときには、まず、現在の素子インピーダンスＺを測定し、その値をＺ0 として記憶し（ステップ１０８）、次いで、フラグＨＦＬＧを０にし（ステップ１１０）、本ルーチンを終了する。別途実行されているヒータ制御ルーチンは、ＨＦＬＧが０とされたのを受けて、ヒータ駆動回路３０に供給される信号のデューティ比を強制的に０％にする。
【００４１】
ステップ１０６においてＣＮＴ１≠Ｃ0 と判定されたときに実行されるステップ１１２では、カウンタＣＮＴ１が所定値Ｃ1 （＞Ｃ0 ）に達したか否かを判定する。なお、“Ｃ1 −Ｃ0 ”は、図１３における通電カット時間Δｔ1 に相当する量である。そして、Δｔ1 は、素子をあまり冷却させることがなく、かつ、ある程度、素子温度すなわち素子インピーダンスの変化が起こる時間として設定されるものであり、例えば、数秒程度の値となる。ステップ１１２においてＣＮＴ１≠Ｃ1 と判定されるときには本ルーチンを終了する。
【００４２】
一方、ステップ１１２においてＣＮＴ１＝Ｃ1 と判定されるときには、まず、素子インピーダンスＺを測定し、その測定値をＺ1 とする（ステップ１１４）。次いで、フラグＨＦＬＧを１にする（ステップ１１６）。別途実行されているヒータ制御ルーチンは、ＨＦＬＧが１とされたのを受けて、ヒータへの通電を再開する。次いで、Ｚ1 −Ｚ0 なる演算により、素子インピーダンスの増大量ΔＺを求める（ステップ１１８）。このΔＺは、排気温度ＴＨＥＧが低いほど大きくなる量である。
【００４３】
次いで、ΔＺ×Ｋ１なる演算を行い、ΔＺ×Ｋ１に基づいて図１６に示される如きマップを参照することにより、排気温度ＴＨＥＧを推定する（ステップ１２０）。ここで、図１６のマップは、素子インピーダンスの増大量ΔＺに基づいて排気温度を求めるための標準的なマップであって、予め実験的に求められたものである。また、Ｋ１は、内燃機関の構造、センサの構造、センサの取付位置等の違いを吸収するための補正係数であり、予め実験によって求められている定数である。最後に、カウンタＣＮＴ１を０にクリアして本ルーチンを終了する（ステップ１２２）。
【００４４】
ステップ１０２の判定結果がＮＯのとき、すなわち、図１２のＲＥＧ２の運転領域にあってヒータへの通電がなされていないときには、ステップ１３０に進む。ステップ１３０では、カウンタＣＮＴ１を０にクリアするとともに、カウンタＣＮＴ２をインクリメントする。次いで、ステップ１３２では、ＣＮＴ２が所定値Ｃ0 に達したか否か、すなわち、ＲＥＧ２に移行してから又は前回排気温度を推定してから一定時間が経過しているか否かを判定し、ＣＮＴ２≠Ｃ0 のときには本ルーチンを終了する。
【００４５】
一方、ステップ１３２においてＣＮＴ２＝Ｃ0 が成立するときには、まず、素子インピーダンスＺを測定し、そのＺの値と図６の関係とより素子温度ＴＨＳＥを決定する（ステップ１３４）。次いで、その素子温度ＴＨＳＥと図１７に示される如きマップとに基づいて排気温度ＴＨＥＧを算出する（ステップ１３６）。なお、図１７のマップは、ヒータが駆動されていない状態における素子温度ＴＨＳＥと排気温度ＴＨＥＧとの関係を示すものであり、予め実験的に求められているマップである。なお、素子温度ＴＨＳＥと排気温度ＴＨＥＧとはほぼ等しくなるため、求められた素子温度ＴＨＳＥをそのまま排気温度ＴＨＥＧとして採用してもよい。最後に、ＣＮＴ２を０にクリアして本ルーチンを終了する（ステップ１３８）。
【００４６】
図１４及び図１５の処理によれば、あらゆる運転領域において空燃比センサを利用した排気温度の測定が可能となる。
【００４７】
ところで、上述の実施形態は、ヒータへの通電を行っている場合においては、その通電を一定時間カットしたときの素子温度の低下量（すなわち素子インピーダンスの増大量）に基づいて排気温度を推定するもの、換言すれば、通電をカットしたときの素子温度の下降率（すなわち素子インピーダンスの上昇率）に基づいて排気温度を推定するものであった。一方、通電をカットした後、再び通電を開始したときの素子温度の上昇率（すなわち素子インピーダンスの下降率）を検出すれば、その温度上昇率（すなわちインピーダンス下降率）は、排気温度が低いほど小さくなり、したがって、素子インピーダンスの下降率によって排気温度を推定することも可能である。そこで、本発明の第２実施形態は、図１３に示されるように、通電を一定時間Δｔ1 だけカットした後、再び通電を開始した時点から、素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰する時点までの所要時間Δｔ2 に基づいて排気温度を推定しようというものである。
【００４８】
図１８及び図１９は、第２実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。ステップ２０２から２１０までは、前述のステップ１０２から１１０までと同一であり、また、ステップ２３０から２３８までは、前述のステップ１３０から１３８までと同一であるため、それらの説明は省略する。
【００４９】
ステップ２１２では、カウンタＣＮＴ１が所定値Ｃ1 （＞Ｃ0 ）に達したか否かを判定し、ＣＮＴ１＝Ｃ1 と判定されるとき、すなわちヒータ通電再開時期に至ったときには、ステップ２１４に進み、フラグＨＦＬＧを１にして、本ルーチンを終了する。一方、ＣＮＴ１≠Ｃ1 と判定されるときには、ステップ２１６に進み、ＣＮＴ１がＣ1 より大きいか否かを判定する。ＣＮＴ１≦Ｃ1 のときには本ルーチンを終了する一方、ＣＮＴ１＞Ｃ1 のときにはステップ２１８に進む。ステップ２１８では、素子インピーダンスＺを測定する。次いで、ステップ２２０では、Ｚ≦Ｚ0 が成立するか否か、すなわち素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰したか否かを判定し、Ｚ＞Ｚ0 のとき、すなわち未だ復帰してないときには本ルーチンを終了する。
【００５０】
一方、ステップ２２０でＺ≦Ｚ0 が成立するとき、すなわち素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰したときには、まず、“ＣＮＴ１−Ｃ1 ”が復帰に要した時間Δｔ2 を表しているため、Δｔ2 を計算する（ステップ２２２）。次いで、Δｔ2 ×Ｋ２なる演算を行い、Δｔ2 ×Ｋ２に基づいて図２０に示される如きマップを参照することにより、排気温度ＴＨＥＧを推定する（ステップ２２４）。ここで、図２０のマップは、素子インピーダンス復帰所要時間Δｔ2 に基づいて排気温度を求めるための標準的なマップであって、予め実験的に求められたものである。また、Ｋ２は、前述のＫ１と同様に、内燃機関の構造、センサの構造、センサの取付位置等の違いを吸収するための補正係数であり、予め実験によって求められている定数である。最後に、カウンタＣＮＴ１を０にクリアして本ルーチンを終了する（ステップ２２６）。
【００５１】
以上、２つの実施形態について説明してきたが、それらを合体し、通電カット時における素子インピーダンス増大量から排気温度を求めるとともに、通電再開時における素子インピーダンス復帰所要時間からも排気温度を求め、それらの排気温度を平均化することにより、排気温度の測定の精度を高めるようにしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空燃比センサの利用によりコストアップを招くことなく、また、測定条件を限定されることもなく、かつ、精度良く、排気温度を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】空燃比と排気成分濃度との関係を示す特性図である。
【図２】空燃比センサの一構成例を示す断面図である。
【図３】空燃比センサの電圧−電流特性の一例を示す特性図である。
【図４】本発明に係る排気温度測定装置としての機能も備えた空燃比検出装置のハードウェア構成の一例を示す電気回路図である。
【図５】空燃比と空燃比センサ出力電流との関係を示す特性図である。
【図６】素子温度と素子抵抗との関係を示す特性図である。
【図７】センサ本体の構造を示す図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は固体電解質の部分拡大図である。
【図８】センサ本体の等価回路を示す図である。
【図９】空燃比検出用の直流電圧に重畳する入力交流電圧の周波数を変化させたときにセンサ本体のインピーダンスが描く軌跡を示す図である。
【図１０】入力交流電圧の周波数と素子インピーダンスとの関係を示す図である。
【図１１】ＬＰＦへの入力電圧、空燃比センサ大気側電極への入力電圧、及び空燃比センサからの出力電流の各波形を示す図である。
【図１２】排気温度ＴＨＥＧが機関回転速度ＮＥと機関負荷ＬＤとに応じてどのように変化するかを示す特性図である。
【図１３】ヒータへの通電の実行中に一時的に通電をカットしたときの素子温度の変化及び素子インピーダンスの変化を示すタイムチャートである。
【図１４】第１実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート（１／２）である。
【図１５】第１実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート（２／２）である。
【図１６】ヒータへの通電を一定時間カットしたときの素子インピーダンスの増大量から排気温度を求めるためのマップを示す図である。
【図１７】ヒータが駆動されていない状態において素子温度ＴＨＳＥから排気温度ＴＨＥＧを求めるためのマップを示すである。
【図１８】第２実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート（１／２）である。
【図１９】第２実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート（２／２）である。
【図２０】ヒータへの通電を一定時間カットしたときの素子インピーダンス復帰所要時間から排気温度を求めるためのマップを示す図である。
【符号の説明】
１０…空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）
１１…カバー
１２…小孔
１３…センサ本体
１４…酸素イオン導電性固体電解質層（センサ素子）
１５…拡散抵抗層
１６…排気側電極層
１７…大気側電極層
１８…ヒータ
２０…センサ本体駆動回路
２１…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２２…第１の電圧フォロワ回路
２３…電流検出回路
２５…基準電圧発生回路
２６…第２の電圧フォロワ回路
３０…ヒータ駆動回路
３２…バッテリ
４０…ＣＰＵ
９０…内燃機関の排気管
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスの温度を測定する装置に関し、より詳細には、限界電流式空燃比センサを利用した排気温度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガスを測定するために専用の温度センサを設けることは、コストの上昇を招く。一方、機関回転速度、機関負荷等を監視することにより、排気温度を推定することも、広く行われているが、この場合には精度の面で大きな問題がある。
【０００３】
そこで、特開昭５８−１７３５１号公報は、空燃比制御用に設けられたＯ2 センサをＯ2 濃度検出用と排気系温度検出用とに兼用する技術について提案している。すなわち、この技術は、温度に応じたＯ2 センサ内部抵抗変化特性を利用してその抵抗変化からＯ2 センサ近傍の温度を検出するものであり、酸素濃度に依存するＯ2 センサ起電力を利用しない時間範囲で、かつ、被測定気体の酸素濃度が設定値に対して過剰側にあるとき（内部電池構造によるＯ2 センサ出力が低レベルになる）に、抵抗を検出して排気温度を測定する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特開昭５８−１７３５１号公報の技術では、測定条件が限定されるため、測定機会が少ないという問題がある。また、リッチ領域では測定をすることができないため、触媒の過昇温(Over Temperature)が問題となるような高回転高負荷状態（通常、触媒過昇温防止のためリッチに設定される）において排気温度を測定することができないという問題がある。さらに、Ｏ2 センサの活性化のためにヒータがセンサに付随して設けられることがあるが、上記従来技術は、ヒータ制御に関して考慮していないため、ヒータ通電時において正確な排気温度を測定することができないという問題を有している。
【０００５】
一方、近年においては、Ｏ2 センサに代わって空燃比センサが利用されるようになってきている。すなわち、車載用内燃機関において燃料消費率の低減と有害ガス排出量の低減とを両立させるためには、機関が燃焼させる混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を広範囲に制御する必要がある。このような空燃比制御を可能とするために、ジルコニア固体電解質等の酸素イオン導電素子（センサ素子）に大気側電極、排気側電極及び排気側拡散抵抗体を設けてセンサ本体とし、そのセンサ本体への電圧印加に伴い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流が生ずるのを利用した空燃比センサ（全域空燃比センサ、リニア空燃比センサ等と呼ばれる）が実用化され、かかる空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御が行われている。
【０００６】
全域空燃比センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う上で、酸素イオン導電素子を活性状態に維持することが不可欠である。そのためにヒータを用いて素子を加熱し素子温度を一定の値に保つ制御が行われている。その際、素子温度を検出する必要があるが、素子抵抗が素子温度と相関関係を有することから、素子抵抗を検出して素子温度を推定することにより温度センサの必要性を排除することも提案されている。
【０００７】
本発明は、以上のような状況を踏まえてなされたものであり、その目的は、コストの観点から温度センサを排除すべく空燃比センサを利用した排気温度測定装置であって、測定条件を限定されることなく、しかも精度良く排気温度を測定することができるものを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、電圧の印加に伴い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させるセンサ本体、及び、前記センサ本体中の酸素イオン導電素子を加熱し活性化せしめるためのヒータ、を有する空燃比センサと、前記酸素イオン導電素子の素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出手段と、前記ヒータへの通電の実行中に一時的に通電をカットし、前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素子インピーダンスの該カットに伴う変化の状態に基づいて排気温度を推定する通電時排気温度推定手段と、を具備する排気温度測定装置が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、好ましくは、前記ヒータへの通電の非実行中に、前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素子インピーダンスに基づいて排気温度を推定する非通電時排気温度推定手段、を更に具備する。
【００１０】
また、本発明によれば、好ましくは、前記通電時排気温度推定手段は、通電をカットしたときの素子インピーダンスの上昇率に基づいて排気温度を推定する。
【００１１】
また、本発明によれば、好ましくは、前記通電時排気温度推定手段は、通電を一定時間カットしたときの素子インピーダンスの増大量に基づいて排気温度を推定する。
【００１２】
また、本発明によれば、好ましくは、前記通電時排気温度推定手段は、通電をカットした後、再び通電を開始したときの素子インピーダンスの下降率に基づいて排気温度を推定する。
【００１３】
また、本発明によれば、好ましくは、前記通電時排気温度推定手段は、通電を一定時間カットした後、再び通電を開始する時点から、素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰する時点までの所要時間に基づいて排気温度を推定する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
まず、空燃比センサの原理について説明する。図１は、空燃比と排気中の酸素（Ｏ2 ）濃度との関係及び空燃比と排気中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度との関係を示す特性図である。この図に示されるように、理論空燃比よりもリーン側の空燃比領域にあってはＯ2 濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化する一方、理論空燃比よりもリッチ側の空燃比領域にあっては未燃ガスであるＣＯ濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化する。空燃比センサは、後述するように、この関係を利用するものである。
【００１６】
図２は、空燃比センサの一構成例を示す断面図である。空燃比センサ１０は、内燃機関の排気管９０の内部に向けて突設された状態で使用される。空燃比センサ１０は、大別して、カバー１１、センサ本体１３及びヒータ１８から構成される。カバー１１は断面カップ状の形状を有し、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔１２が形成されている。
【００１７】
センサ本体１３において、試験管状に形成された酸素イオン導電性固体電解質層１４の外表面には排気側電極層１６が固着される一方、その内表面には大気側電極層１７が固着されている。また、排気側電極層１６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１５が形成されている。固体電解質層１４は、例えば、本実施形態においては、ＺｒＯ2 （ジルコニア素子）にＣａＯ等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる（以下、固体電解質層１４をセンサ素子とも称する）。拡散抵抗層１５は、アルミナ等の耐熱性無機物質からなる。排気側電極層１６及び大気側電極層１７は、共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。
【００１８】
ヒータ１８は、大気側電極層１７内に収容されており、その発熱エネルギによってセンサ本体１３を加熱し、ジルコニア素子１４を活性化せしめる。ヒータ１８は、ジルコニア素子１４を活性化するのに十分な発熱容量を有している。
【００１９】
ジルコニア素子１４は、高温活性状態で素子両端に酸素濃度差が生じると、濃度の高い側から低い側へと酸素イオン（Ｏ2-）を通す特性（酸素電池特性）を有する。また、ジルコニア素子１４は、その両端に電位差が与えられると、陰極から陽極に向けて、電位差に応じた酸素イオン（Ｏ2-）の移動を引き起こそうとする特性（酸素ポンプ特性）を有する。
【００２０】
図２に示されるように、センサ本体１３には、大気側電極層１７を正極性、排気側電極層１６を負極性とする一定のバイアス電圧が印加されている。排気空燃比がリーンのときには、酸素ポンプ特性により、排気側電極層１６から大気側電極層１７へと酸素イオン（Ｏ2-）の移動が起こる。その結果、バイアス電圧源の正極から、大気側電極層１７、固体電解質層１４及び排気側電極層１６を介して、バイアス電圧源の負極へと電流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、バイアス電圧を一定値以上にすれば、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する酸素量に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、酸素濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明したようにリーン領域における空燃比を知ることができる。
【００２１】
一方、排気空燃比がリッチのときには酸素電池特性が働き、この酸素電池特性は大気側電極層１７から排気側電極層１６へと酸素イオン（Ｏ2-）の移動を引き起こそうとする。すなわち、酸素電池特性はバイアス電圧と逆向きに作用する。空燃比センサでは、酸素電池特性による起電力がバイアス電圧に打ち勝つように構成されているため、大気側電極層１７から、バイアス電圧源を通って、排気側電極層１６へと電流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、固体電解質層１４中を大気側電極層１７から排気側電極層１６へと移送される酸素イオン（Ｏ2-）の量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する一酸化炭素などの未燃ガスと排気側電極層１６において反応（燃焼）するものであるため、酸素イオン移動量は未燃ガスの濃度に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃ガス濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明したようにリッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００２２】
また、排気空燃比が理論空燃比のときには、排気側電極層１６へ流入する酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっているため、排気側電極層１６の触媒作用によって両者は完全に燃焼する。したがって、排気側電極層１６では酸素がなくなるため、酸素電池特性及び酸素ポンプ特性により移送されるべき酸素イオンが生じない。その結果、排気空燃比が理論空燃比のときには、回路を流れる電流は生じない。
【００２３】
かくして、空燃比センサの電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性は、図３に示されるように、センサが晒される排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた限界電流を示す。図３においては、Ｖ軸に平行な直線部分が限界電流を表している。そして、リーン領域とリッチ領域とでは限界電流の流れる向きが逆になっており、リーン領域にあっては空燃比が大きくなるほど、リッチ領域にあっては空燃比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。そして、図３の特性図によれば、印加電圧を０．３Ｖ程度に設定すると、広範囲にわたる空燃比を検出することができる。なお、Ｖ軸に平行な直線部分の電圧より小さい電圧となる領域は、抵抗支配域となっている。
【００２４】
次いで、図４を用いて、本発明に係る排気温度測定装置としての機能も備えた空燃比検出装置のハードウェア構成の一例について説明する。この空燃比検出装置は、大別して、空燃比センサ１０、センサ本体駆動回路２０、ヒータ駆動回路３０及び中央処理装置（ＣＰＵ）４０から構成される。空燃比センサ１０は、図２で説明したように、センサ本体１３及びヒータ１８を備えるものである。また、ヒータ駆動回路３０は、デューティ比信号を受け、そのデューティ比に応じてバッテリ３２の電圧をヒータ１８へオン／オフ的に印加する回路である。また、ＣＰＵ４０は、内燃機関の電子制御装置（ＥＣＵ）の中枢として燃料噴射制御、点火時期制御等を行うものであり、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）及びメモリを内蔵している。
【００２５】
センサ本体駆動回路２０は、大別して、ロウパスフィルタ（ＬＰＦ）２１、第１の電圧フォロワ(voltage follower)回路２２、基準電圧発生回路２５及び第２の電圧フォロワ回路２６から構成される。ＬＰＦ２１は、ＣＰＵ４０から出力されるアナログ信号電圧の高周波成分を除去するものである。第１の電圧フォロワ回路２２は、演算増幅器、抵抗器、ダイオード、トランジスタ等を備え、センサ本体１３の大気側電極層１７の電位を、ＬＰＦ２１の出力の電位と同一の電位に維持する。なお、その電位は、空燃比検出時においては３．３Ｖである。
【００２６】
また、基準電圧発生回路２５は、一定電圧ＶCCを分圧して基準電圧３．０Ｖを発生させる。第２の電圧フォロワ回路２６は、第１の電圧フォロワ回路２２と同様の回路構成を有し、センサ本体１３の排気側電極層１６の電位を基準電圧３．０Ｖに維持する。従って、空燃比検出時には、センサ本体１３の両電極層間に０．３Ｖの電圧Ｖが印加されることとなり、図３の特性図にて説明したように、限界電流を測定して広範囲にわたる空燃比を検出することができる。第１の電圧フォロワ回路２２内の抵抗器２３が電流検出回路として機能する。抵抗器２３のセンサ側端子の電位Ｖ0 と他方の端子の電位Ｖ1 とは、ＣＰＵ４０に供給されるようになっている。ＣＰＵ４０は、抵抗器２３の両端のアナログ電位Ｖ0 及びＶ1 をＡ／Ｄ変換し、両端の電位差“Ｖ1 −Ｖ0 ”を算出し、その電位差と抵抗器２３の抵抗値とに基づいて、第１の電圧フォロワ回路２２からセンサ本体１３の大気側電極層１７へと流れる方向を正とする電流Ｉを算出する。
【００２７】
先述の図３に関する説明から理解されるように、算出される電流値と空燃比とは、図５に示される如き関係を有している。そこで、ＣＰＵ４０は、検出された電流値に基づいて排気の空燃比を検出することができ、ひいては空燃比フィードバック制御を実現することができる。
【００２８】
さて、空燃比を検出するためには、センサ素子（ジルコニア素子）１４を活性状態に維持する必要がある。その活性状態は、素子温度を一定値、例えば７００°Ｃに保つことによって維持される。ところで、素子温度と素子抵抗とは、図６に示されるような一定の相関関係を有しているため、素子温度を７００°Ｃに保つためには、素子抵抗が３０Ωを示すようにすればよい。そのため、素子抵抗を検出し、その検出される抵抗値に基づき、ヒータ駆動回路３０をフィードバック制御することにより、素子活性状態を維持する制御が行われる。
【００２９】
図７はセンサ本体１３の構造を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は固体電解質１４の部分拡大図である。また、図８は、センサ本体１３の等価回路を示す図である。図８において、Ｒ１は、ジルコニアからなる固体電解質のバルク抵抗であり、図７のグレイン(grain) 部に対応する。Ｒ２は、固体電解質の粒界抵抗であり、図７のグレイン境界(grain boundary)部に対応する。Ｒ３は、白金からなる電極の界面抵抗である。Ｃ２は、固体電解質の粒界の容量成分である。Ｃ３は、電極界面の容量成分である。Ｚ（Ｗ）は、交流による分極が起こるときに周期的に界面濃度が変化するために生じるインピーダンス分（ワールブルインピーダンス）である。
【００３０】
図８からわかるように、センサ本体１３に、抵抗支配域（図３参照）にある電圧を印加して出力電流を測定した場合、“Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３”が検出可能となる。しかし、Ｒ３は電極の劣化等により大きく変化するため、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”のみを抽出することはできない。しかも、図３に示されるように、抵抗支配域は空燃比に応じて変化するため、センサ本体の直流特性により素子抵抗を検出することは極めて困難である。そこで、交流特性を利用した素子抵抗検出法が提案されている。
【００３１】
図９は、空燃比検出用の直流電圧（０．３Ｖ）に交流電圧を重畳した場合に、その入力交流電圧の周波数ｆの変化に応じてセンサ本体のインピーダンスＺが描く軌跡を示す図であり、横軸はインピーダンスＺの実部Ｒ、縦軸は虚部Ｘを示す。この軌跡は、空燃比に依存しない。センサ本体のインピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒ＋ｊＸで表される。図９に示されるように、インピーダンスＺは、周波数ｆが１ｋＨｚ付近に近づくにつれて素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”に収束する。
【００３２】
図１０は、入力交流電圧の周波数ｆとインピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜との関係を示す図である。図１０から、周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚでは｜Ｚ｜がほぼ“Ｒ１＋Ｒ２”であり、１０ＭＨｚより高周波側では｜Ｚ｜は減少していき、Ｒ１に収束することが判る。このことから、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”を検出するためには、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ付近の交流電圧を印加して、出力交流電流を測定し、インピーダンスを求めることが望ましい。
【００３３】
図１１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＬＰＦ２１への入力電圧、ＬＰＦ２１からの出力電圧すなわち空燃比センサ１０の大気側電極層１７への印加電圧、及び空燃比センサ１０の出力電流、の各波形を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は電圧又は電流を表す。前述のように、排気側電極層１６は基準電圧３．０Ｖに維持され、大気側電極層１７は通常図１１（Ｂ）に示されるように３．３Ｖに維持されているため、空燃比センサ本体の両電極間には通常直流電圧０．３Ｖが印加されていることとなる。この入力直流電圧に対する出力直流電流が空燃比を表している。
【００３４】
そして、ＣＰＵ４０は、素子インピーダンスを測定するため、図１１（Ａ）に示されるように、ＬＰＦ２１への入力電圧をΔＶだけ変化させる。ＬＰＦ２１からの出力電圧すなわち空燃比センサ１０の大気側電極層１７への印加電圧は、図１１（Ｂ）に示されるように、主として特定の周波数成分（例えば５ｋＨｚ）からなる、なまされた波形の交流電圧パルスが直流電圧３．３Ｖに重畳したものとなる。この交流電圧パルスに対応して、出力電流は、図１１（Ｃ）に示されるようにΔＩだけ変化する。そして、ΔＶ／ΔＩが素子インピーダンス（絶対値）Ｚを与える。そのＺに基づいて図６の特性曲線を参照することにより、素子温度が検出される。なお、印加電圧を正負両側に変化させるのは、容量成分に蓄積される電荷の放電を迅速化させるためである。
【００３５】
さて、センサ素子は、排気ガスとヒータとによって加熱せしめられる。すなわち、素子温度は、排気温度とヒータへの通電量とによって決定されることとなる。前述のように、素子温度は、７００°Ｃに維持される必要があるため、排気温度が７００°Ｃ以上となるような領域においては、ヒータによる加熱は不要となる。
【００３６】
排気温度ＴＨＥＧが機関回転速度ＮＥと機関負荷ＬＤとに応じてどのように変化するかを示すと、図１２の如き特性図となる。機関負荷ＬＤは、機関吸入空気流量、吸気管圧力、吸入空気流量・回転速度比、等のいずれでもよい。この図においてＴＨＥＧ＝７００°Ｃの曲線よりも上側の領域ＲＥＧ２では、排気温度ＴＨＥＧが７００°Ｃ以上となるため、ヒータへの通電は不要となり、ヒータ駆動回路３０に供給される信号のデューティ比は０％となる。したがって、ＲＥＧ２では、素子温度は排気温度ＴＨＥＧのみによって決まることとなる。すなわち、素子温度を測定することにより、排気温度を推定することができる。
【００３７】
一方、図１２においてＴＨＥＧ＝７００°Ｃの曲線よりも下側の領域ＲＥＧ１では、排気ガスのみで素子温度を７００°Ｃに維持することができないため、ヒータへの通電が行われることとなる。ところで、ヒータへの通電が行われている最中に、図１３に示されるように、ヒータ制御を許可することを示すフラグＨＦＬＧを一定時間Δｔ1 だけＯＦＦにし、ヒータへの通電をカット（デューティ比０％）すれば、それに応じて素子温度が低下する。したがって、図６の関係より、素子インピーダンスＺは増大する。そして、その素子温度低下量は、排気温度ＴＨＥＧが低いほど大きな値になる。したがって、素子インピーダンス増大量ΔＺは、排気温度ＴＨＥＧが低いほど大きな値になる。そのため、ΔＺを測定することにより、排気温度を推定することができる。
【００３８】
図１４及び図１５は、以上の知見を具体化する排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。このルーチンは、ＣＰＵ４０によって所定時間（例えば数十ミリ秒）周期に実行される。まず、ステップ１０２では、現在、素子温度が排気温度よりも大きくなる運転領域、すなわち図１２に示されるＲＥＧ１にあるか否かを、機関回転速度ＮＥと機関負荷ＬＤとに基づいて判定する。
【００３９】
ステップ１０２の判定結果がＹＥＳのとき、すなわち、図１２のＲＥＧ１にあるときには、ステップ１０４に進む。ステップ１０４では、カウンタＣＮＴ１をインクリメントするとともに、カウンタＣＮＴ２を０にクリアする。カウンタＣＮＴ１は、ＲＥＧ１にあるときに一定時間周期で排気温度を推定するために設けられたものであり、一方、カウンタＣＮＴ２は、ＲＥＧ２にあるときに一定時間周期で排気温度を推定するために設けられたものである。
【００４０】
ステップ１０４に次いで実行されるステップ１０６では、ＣＮＴ１が所定値Ｃ0 に達したか否か、すなわち、ＲＥＧ１に移行してから又は前回排気温度を推定してから一定時間が経過しているか否かを判定する。ＣＮＴ１＝Ｃ0 が成立するときには、まず、現在の素子インピーダンスＺを測定し、その値をＺ0 として記憶し（ステップ１０８）、次いで、フラグＨＦＬＧを０にし（ステップ１１０）、本ルーチンを終了する。別途実行されているヒータ制御ルーチンは、ＨＦＬＧが０とされたのを受けて、ヒータ駆動回路３０に供給される信号のデューティ比を強制的に０％にする。
【００４１】
ステップ１０６においてＣＮＴ１≠Ｃ0 と判定されたときに実行されるステップ１１２では、カウンタＣＮＴ１が所定値Ｃ1 （＞Ｃ0 ）に達したか否かを判定する。なお、“Ｃ1 −Ｃ0 ”は、図１３における通電カット時間Δｔ1 に相当する量である。そして、Δｔ1 は、素子をあまり冷却させることがなく、かつ、ある程度、素子温度すなわち素子インピーダンスの変化が起こる時間として設定されるものであり、例えば、数秒程度の値となる。ステップ１１２においてＣＮＴ１≠Ｃ1 と判定されるときには本ルーチンを終了する。
【００４２】
一方、ステップ１１２においてＣＮＴ１＝Ｃ1 と判定されるときには、まず、素子インピーダンスＺを測定し、その測定値をＺ1 とする（ステップ１１４）。次いで、フラグＨＦＬＧを１にする（ステップ１１６）。別途実行されているヒータ制御ルーチンは、ＨＦＬＧが１とされたのを受けて、ヒータへの通電を再開する。次いで、Ｚ1 −Ｚ0 なる演算により、素子インピーダンスの増大量ΔＺを求める（ステップ１１８）。このΔＺは、排気温度ＴＨＥＧが低いほど大きくなる量である。
【００４３】
次いで、ΔＺ×Ｋ１なる演算を行い、ΔＺ×Ｋ１に基づいて図１６に示される如きマップを参照することにより、排気温度ＴＨＥＧを推定する（ステップ１２０）。ここで、図１６のマップは、素子インピーダンスの増大量ΔＺに基づいて排気温度を求めるための標準的なマップであって、予め実験的に求められたものである。また、Ｋ１は、内燃機関の構造、センサの構造、センサの取付位置等の違いを吸収するための補正係数であり、予め実験によって求められている定数である。最後に、カウンタＣＮＴ１を０にクリアして本ルーチンを終了する（ステップ１２２）。
【００４４】
ステップ１０２の判定結果がＮＯのとき、すなわち、図１２のＲＥＧ２の運転領域にあってヒータへの通電がなされていないときには、ステップ１３０に進む。ステップ１３０では、カウンタＣＮＴ１を０にクリアするとともに、カウンタＣＮＴ２をインクリメントする。次いで、ステップ１３２では、ＣＮＴ２が所定値Ｃ0 に達したか否か、すなわち、ＲＥＧ２に移行してから又は前回排気温度を推定してから一定時間が経過しているか否かを判定し、ＣＮＴ２≠Ｃ0 のときには本ルーチンを終了する。
【００４５】
一方、ステップ１３２においてＣＮＴ２＝Ｃ0 が成立するときには、まず、素子インピーダンスＺを測定し、そのＺの値と図６の関係とより素子温度ＴＨＳＥを決定する（ステップ１３４）。次いで、その素子温度ＴＨＳＥと図１７に示される如きマップとに基づいて排気温度ＴＨＥＧを算出する（ステップ１３６）。なお、図１７のマップは、ヒータが駆動されていない状態における素子温度ＴＨＳＥと排気温度ＴＨＥＧとの関係を示すものであり、予め実験的に求められているマップである。なお、素子温度ＴＨＳＥと排気温度ＴＨＥＧとはほぼ等しくなるため、求められた素子温度ＴＨＳＥをそのまま排気温度ＴＨＥＧとして採用してもよい。最後に、ＣＮＴ２を０にクリアして本ルーチンを終了する（ステップ１３８）。
【００４６】
図１４及び図１５の処理によれば、あらゆる運転領域において空燃比センサを利用した排気温度の測定が可能となる。
【００４７】
ところで、上述の実施形態は、ヒータへの通電を行っている場合においては、その通電を一定時間カットしたときの素子温度の低下量（すなわち素子インピーダンスの増大量）に基づいて排気温度を推定するもの、換言すれば、通電をカットしたときの素子温度の下降率（すなわち素子インピーダンスの上昇率）に基づいて排気温度を推定するものであった。一方、通電をカットした後、再び通電を開始したときの素子温度の上昇率（すなわち素子インピーダンスの下降率）を検出すれば、その温度上昇率（すなわちインピーダンス下降率）は、排気温度が低いほど小さくなり、したがって、素子インピーダンスの下降率によって排気温度を推定することも可能である。そこで、本発明の第２実施形態は、図１３に示されるように、通電を一定時間Δｔ1 だけカットした後、再び通電を開始した時点から、素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰する時点までの所要時間Δｔ2 に基づいて排気温度を推定しようというものである。
【００４８】
図１８及び図１９は、第２実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。ステップ２０２から２１０までは、前述のステップ１０２から１１０までと同一であり、また、ステップ２３０から２３８までは、前述のステップ１３０から１３８までと同一であるため、それらの説明は省略する。
【００４９】
ステップ２１２では、カウンタＣＮＴ１が所定値Ｃ1 （＞Ｃ0 ）に達したか否かを判定し、ＣＮＴ１＝Ｃ1 と判定されるとき、すなわちヒータ通電再開時期に至ったときには、ステップ２１４に進み、フラグＨＦＬＧを１にして、本ルーチンを終了する。一方、ＣＮＴ１≠Ｃ1 と判定されるときには、ステップ２１６に進み、ＣＮＴ１がＣ1 より大きいか否かを判定する。ＣＮＴ１≦Ｃ1 のときには本ルーチンを終了する一方、ＣＮＴ１＞Ｃ1 のときにはステップ２１８に進む。ステップ２１８では、素子インピーダンスＺを測定する。次いで、ステップ２２０では、Ｚ≦Ｚ0 が成立するか否か、すなわち素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰したか否かを判定し、Ｚ＞Ｚ0 のとき、すなわち未だ復帰してないときには本ルーチンを終了する。
【００５０】
一方、ステップ２２０でＺ≦Ｚ0 が成立するとき、すなわち素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰したときには、まず、“ＣＮＴ１−Ｃ1 ”が復帰に要した時間Δｔ2 を表しているため、Δｔ2 を計算する（ステップ２２２）。次いで、Δｔ2 ×Ｋ２なる演算を行い、Δｔ2 ×Ｋ２に基づいて図２０に示される如きマップを参照することにより、排気温度ＴＨＥＧを推定する（ステップ２２４）。ここで、図２０のマップは、素子インピーダンス復帰所要時間Δｔ2 に基づいて排気温度を求めるための標準的なマップであって、予め実験的に求められたものである。また、Ｋ２は、前述のＫ１と同様に、内燃機関の構造、センサの構造、センサの取付位置等の違いを吸収するための補正係数であり、予め実験によって求められている定数である。最後に、カウンタＣＮＴ１を０にクリアして本ルーチンを終了する（ステップ２２６）。
【００５１】
以上、２つの実施形態について説明してきたが、それらを合体し、通電カット時における素子インピーダンス増大量から排気温度を求めるとともに、通電再開時における素子インピーダンス復帰所要時間からも排気温度を求め、それらの排気温度を平均化することにより、排気温度の測定の精度を高めるようにしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空燃比センサの利用によりコストアップを招くことなく、また、測定条件を限定されることもなく、かつ、精度良く、排気温度を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】空燃比と排気成分濃度との関係を示す特性図である。
【図２】空燃比センサの一構成例を示す断面図である。
【図３】空燃比センサの電圧−電流特性の一例を示す特性図である。
【図４】本発明に係る排気温度測定装置としての機能も備えた空燃比検出装置のハードウェア構成の一例を示す電気回路図である。
【図５】空燃比と空燃比センサ出力電流との関係を示す特性図である。
【図６】素子温度と素子抵抗との関係を示す特性図である。
【図７】センサ本体の構造を示す図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は固体電解質の部分拡大図である。
【図８】センサ本体の等価回路を示す図である。
【図９】空燃比検出用の直流電圧に重畳する入力交流電圧の周波数を変化させたときにセンサ本体のインピーダンスが描く軌跡を示す図である。
【図１０】入力交流電圧の周波数と素子インピーダンスとの関係を示す図である。
【図１１】ＬＰＦへの入力電圧、空燃比センサ大気側電極への入力電圧、及び空燃比センサからの出力電流の各波形を示す図である。
【図１２】排気温度ＴＨＥＧが機関回転速度ＮＥと機関負荷ＬＤとに応じてどのように変化するかを示す特性図である。
【図１３】ヒータへの通電の実行中に一時的に通電をカットしたときの素子温度の変化及び素子インピーダンスの変化を示すタイムチャートである。
【図１４】第１実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート（１／２）である。
【図１５】第１実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート（２／２）である。
【図１６】ヒータへの通電を一定時間カットしたときの素子インピーダンスの増大量から排気温度を求めるためのマップを示す図である。
【図１７】ヒータが駆動されていない状態において素子温度ＴＨＳＥから排気温度ＴＨＥＧを求めるためのマップを示すである。
【図１８】第２実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート（１／２）である。
【図１９】第２実施形態に係る排気温度推定ルーチンの処理手順を示すフローチャート（２／２）である。
【図２０】ヒータへの通電を一定時間カットしたときの素子インピーダンス復帰所要時間から排気温度を求めるためのマップを示す図である。
【符号の説明】
１０…空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）
１１…カバー
１２…小孔
１３…センサ本体
１４…酸素イオン導電性固体電解質層（センサ素子）
１５…拡散抵抗層
１６…排気側電極層
１７…大気側電極層
１８…ヒータ
２０…センサ本体駆動回路
２１…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２２…第１の電圧フォロワ回路
２３…電流検出回路
２５…基準電圧発生回路
２６…第２の電圧フォロワ回路
３０…ヒータ駆動回路
３２…バッテリ
４０…ＣＰＵ
９０…内燃機関の排気管
Claims (6)
- 電圧の印加に伴い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させるセンサ本体、及び、前記センサ本体中の酸素イオン導電素子を加熱し活性化せしめるためのヒータ、を有する空燃比センサと、
前記酸素イオン導電素子の素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出手段と、
前記ヒータへの通電の実行中に一時的にヒータへの通電をカットし、前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素子インピーダンスの該カットに伴う素子インピーダンスの変化の状態に基づいて排気温度を推定する通電時排気温度推定手段と、
を具備する排気温度測定装置。 - 前記ヒータへの通電の非実行中に、前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素子インピーダンスに基づいて排気温度を推定する非通電時排気温度推定手段、を更に具備する、請求項１に記載の排気温度測定装置。
- 前記通電時排気温度推定手段は、通電をカットしたときの素子インピーダンスの上昇率に基づいて排気温度を推定する、請求項１に記載の排気温度測定装置。
- 前記通電時排気温度推定手段は、通電を一定時間カットしたときの素子インピーダンスの増大量に基づいて排気温度を推定する、請求項１に記載の排気温度測定装置。
- 前記通電時排気温度推定手段は、通電をカットした後、再び通電を開始したときの素子インピーダンスの下降率に基づいて排気温度を推定する、請求項１に記載の排気温度測定装置。
- 前記通電時排気温度推定手段は、通電を一定時間カットした後、再び通電を開始する時点から、素子インピーダンスが通電カット前の値に復帰する時点までの所要時間に基づいて排気温度を推定する、請求項１に記載の排気温度測定装置。
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