JP4576934B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度検出装置に係り、特にガス濃度センサの特性誤差による検出精度低下を解消するための技術に関するものである。

従来から、車両用エンジンより排出される排ガスを対象に同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式の空燃比センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が知られている。すなわち、空燃比センサは、拡散抵抗層や固体電解質層よりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度又は未燃成分濃度（ＨＣ，ＣＯ等の濃度）に応じた素子電流を流すよう構成されている。この場合、センサ素子に流れる素子電流が計測され、その計測結果を基に空燃比が算出される。

ここで、空燃比センサでは特性誤差が存在しており、その特性誤差に起因して空燃比の検出精度が低下するという問題が生じる。この問題に対し、空燃比センサの特性誤差に対応させて補正係数を設定しておき、該補正係数によりセンサ出力を補正するといった対策が考えられている。例えば特許文献１では、酸素濃度センサの出力特性の基準特性からの誤差を示す識別信号を発生する信号発生手段と、前記識別信号に対応する補正係数を設定する演算手段と、前記補正係数に応じて酸素濃度センサの出力レベルを補正して出力する補正手段と、エンジンに供給される混合気の空燃比を前記補正手段の出力レベルに基づいて調整する空燃比調整手段とを備える構成としている。

一方で、加速要求などによりエンジンが高負荷・高速回転で運転される場合には、排ガス温度が上昇して触媒等の排気系部品の過熱のおそれがあり、出力トルク増大と過熱防止（エンジン保護）とを共に図るべく燃料増量が行われる。また、トルク確保のために高回転領域での運転が多用される小排気量エンジンでは、やはり出力トルク増大と過熱防止（エンジン保護）とを共に図るべく燃料増量が行われる。但しこの場合、燃料過剰状態でエンジンを運転するため、過剰にリッチ化されると燃費が悪化するという課題が生じる。それ故に、燃費改善を図るべく、空燃比センサの検出結果を用いたリッチフィードバック制御により燃料噴射量を制御する技術が開発されている。

しかしながら、ストイキ又はリーン領域での空燃比フィードバック制御に加え、リッチ領域で空燃比フィードバック制御を実施する場合、ストイキやリーンでは狙い通りの空燃比制御が実施できるものの、リッチでは狙い通りの空燃比制御が実施できず、所望とする燃費向上効果が実現できないという問題が生じる。これは、本願発明者らの考察によれば、空燃比リーン時と空燃比リーン時とでセンサ特性誤差に差異が生じていることによると考えられる。従って、仮にリーン側の特性誤差を基にセンサ出力の補正係数が設定されている場合、その補正係数によりリッチ側センサ出力を補正すると、リッチ側の特性誤差に見合った適正な補正が行われず、ひいては空燃比フィードバック制御の制御精度が低下してしまうという問題が生じる。
実公平７−２７３９１号公報

本発明は、センサ特性誤差に見合うよう適正にセンサ出力を補正し、リーン／リッチの何れのガス雰囲気においても正確にガス濃度検出を行うことができるガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明で適用されるガス濃度センサは、拡散抵抗層を介して導入されたガス成分を基に特定ガス濃度（酸素濃度等）に応じたセンサ出力を発生する。そして、ガス濃度検出装置は、ガス濃度センサのセンサ出力を基にガス濃度を検出する。また特に、検出対象のガスがリーンかリッチかを判定し、リーンかリッチかに応じて各々異なる補正係数を用いて前記センサ出力を補正する。

要するに、ガス濃度センサではセンサ個別に特性誤差が存在しており、その特性誤差による検出精度低下を抑制すべくセンサ出力の補正が行われる。ここで、拡散抵抗層におけるガス成分の拡散速度がリーン成分（酸素）とリッチ成分（未燃成分）とで相違し、それに起因してリーン側のセンサ特性誤差とリッチ側のセンサ特性誤差とが相違することが本願発明者らによって見出された。本発明は、リーン側のセンサ特性誤差とリッチ側のセンサ特性誤差との違いを考慮したものであり、これによりセンサ特性誤差に見合うよう適正にセンサ出力を補正し、リーン／リッチの何れのガス雰囲気においても正確にガス濃度検出を行うことができる。

また、センサ個別の特性誤差に対応する識別信号を発生する手段と、前記識別信号に対応させてリーン側／リッチ側の各補正係数を設定する手段とを更に設けると良い。本構成では、識別信号に応じて設定されたリーン側／リッチ側の各補正係数を用いてリーン時又はリッチ時のセンサ出力が適宜補正される。この場合、識別信号を基にセンサ個別の特性誤差が好適に補正できる。

識別信号はセンサ特性誤差に対応しており、個体差等によりセンサ個別に特性誤差が相違するとして考えると、識別信号も各々相違する。かかる場合において、前記識別信号とそれに対応するリーン側／リッチ側の各補正係数との関係を規定したデータを予め登録しておき、その登録データを参照してその都度のリーン側／リッチ側の各補正係数を設定すると良い。

センサ特性誤差は経時変化により変化し、その特性変化を考慮せずにガス濃度検出を継続すると濃度検出精度が低下する。そこで、センサ特性誤差の経時変化に追従してリーン側／リッチ側の各補正係数を更新するのが望ましい。かかる場合、ガス濃度が既知である所定の基準ガス雰囲気になったことを判定し、基準ガス雰囲気になった時の現実のセンサ出力とそれに対応する基準センサ出力とを対比する。そして、その対比結果を基にリーン側の補正係数とリッチ側の補正係数とを各々算出する。これにより、センサ特性誤差の経時変化に追従してリーン側／リッチ側の各補正係数が更新でき、検出対象のガスがリーンかリッチかに応じて各々異なる補正係数を用いてセンサ出力を補正することにより、所望とするガス濃度の検出精度が維持できる。

ここで、空燃比リーンである前記基準ガス雰囲気でのセンサ出力と所定リッチ状態でのセンサ出力との対応関係（例えば図６の関係）を予め規定しておく。そして、前記基準ガス雰囲気で現実のセンサ出力を計測すると共に、前記対応関係を参照して前記所定リッチ状態での現実のセンサ出力を推定し、それら計測及び推定した各センサ出力とその時本来の基準センサ出力との対比結果を基に、リーン側／リッチ側の各補正係数を算出すると良い。

また、前記基準ガス雰囲気は大気状態であると良い。大気状態では酸素濃度が既知であるため、基準センサ出力を規定しておくことが可能であり、この大気状態での現実のセンサ出力と基準センサ出力との対比結果を基にリーン側／リッチ側の各補正係数が算出できる。

以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆとも言う）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムにて用いられる。空燃比制御システムでは、ストイキ近傍で空燃比をフィードバック制御するストイキ燃焼制御、所定のリーン領域で空燃比をフィードバック制御するリーン燃焼制御、所定のリッチ領域で空燃比をフィードバック制御するリッチ燃焼制御等が適宜実現される。

先ずはじめに、ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサの構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子１０は、固体電解質層１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子１０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層１１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。電極１５，１６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層１２は電極１５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層１２，１３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層１４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気ダクト１７が形成されている。また、同絶縁層１４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。なお以下の説明では場合によって、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極１６に接続される端子を正側端子（＋端子）、拡散層側電極１５に接続される端子を負側端子（−端子）としている。

上記センサ素子１０のガス反応原理を図３を用いて説明する。センサ素子１０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層１２の側方部位（図２参照）から導入されて拡散層側電極１５に達する。このとき、排ガスがリーンであれば、実線で示すように、拡散抵抗層１２内を酸素分子Ｏ2が移動し、拡散層側電極１５での電極反応により酸素分子Ｏ2がイオン化される。そして、固体電解質層１１内を拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに酸素イオンＯ2-が移動した後、大気側電極１６で酸素分子Ｏ2が生成され大気ダクト１７に排出される。これにより、大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに素子電流Ｉｐ（正電流）が流れる。

また、排ガスがリッチであれば、点線で示すように、拡散抵抗層１２内を未燃成分分子ＨＣ，ＣＯ，Ｈ2が移動する一方、大気ダクト１７内の酸素が大気側電極１６でイオン化され、固体電解質層１１内を大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに酸素イオンＯ2-が移動する。そして、拡散層側電極１５での電極反応により酸素分子Ｏ2が生成され、更に未燃成分分子ＨＣ，ＣＯ，Ｈ2との触媒反応により二酸化炭素ＣＯ2や水Ｈ2Ｏが生成される。これにより、拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに電流（負電流）が流れる。

図４は、Ａ／Ｆセンサについての基本的な電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図４において、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１０の素子電流Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐは減少する。

このＶ−Ｉ特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（直線部分が寝た状態となる）。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Ｒｉが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分が立った状態となる）。図中のＲＧは、センサ素子１０への印加電圧Ｖｐを決定するための印加電圧特性（印加電圧線）を表している。

次に、空燃比検出に関する各種制御を行うためのＥＣＵ１００の構成を図１を参照しながら説明する。ＥＣＵ１００にはマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）２０とセンサ制御回路３０とが設けられ、これらによりＡ／Ｆセンサ（センサ素子１０）の検出結果に基づきＡ／Ｆの検出やセンサ素子１０のインピーダンス（素子インピーダンスＺａｃ）の検出が実施される。

図１において、マイコン２０は、ＣＰＵ、各種メモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｉ／Ｏポート等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、センサ制御回路３０により検出した電流信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換器を介して取り込み、Ａ／Ｆ値の演算や素子インピーダンスＺａｃの演算を適宜実施する。同マイコン２０により演算されたＡ／Ｆ値は、例えばエンジンＥＣＵに出力され、空燃比フィードバック制御等に使用される。

また、センサ制御回路３０において、センサ素子１０の大気側電極１６に接続された正側端子には、オペアンプ３１及び電流検出抵抗３２を介して基準電源３３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の拡散層側電極１５に接続された負側端子には、オペアンプ３４を介して印加電圧制御回路３６が接続されている。この場合、電流検出抵抗３２の一端のＡ点は基準電圧Ｖｆ（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗３２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。排ガスがリーンであれば、センサ素子１０には正側端子から負側端子に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇し、逆にリッチであれば、センサ素子１０には負側端子から正側端子に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が低下する。

印加電圧制御回路３６は、Ｂ点電圧をモニタすると共にその電圧値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定（例えば、図４の印加電圧特性ＲＧに基づき決定）し、オペアンプ３４を介してＤ点電圧を制御する。但し、ストイキ近傍のみでＡ／Ｆ検出を行う場合、印加電圧固定とすることも可能である。

また、基準電源３３にはオペアンプ３７が接続され、このオペアンプ３７の出力とＢ点電圧とが所定増幅率のオペアンプ（差動増幅器）３８に入力される。オペアンプ３８は基準電圧ＶｆとＢ点電圧との電圧差を増幅し、その結果をＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとして出力する。この場合、オペアンプ３８において基準電圧ＶｆとＢ点電圧との電圧差を増幅する構成として、オペアンプ３８にＡ点電圧とＢ点電圧とを入力する構成も考えられるが、かかる構成ではオペアンプ３８の帰還電流が電流検出抵抗３２に流れ、空燃比検出に誤差が生じるおそれがある。これに対し、本構成ではオペアンプ３８にオペアンプ３７の出力とＢ点電圧とを入力するため、オペアンプ３７が帰還電流吸収素子として機能し、空燃比検出に対する悪影響が排除できる。

なお、電流検出抵抗３２のＢ点端子からオペアンプ３８への経路にはスイッチ４０とコンデンサ４１とが図示の如く設けられている。この場合、後述するインピーダンス検出時にはスイッチ４０がＯＦＦ（開放）され、そのスイッチＯＦＦ時におけるＢ点電圧がコンデンサ４１にて記憶保持される。これにより、インピーダンス検出時において、センサ素子１０への印加電圧が交流的に変化してもその影響によりオペアンプ３８の出力が不用意に変化し空燃比検出に悪影響が及ぶといった不都合が回避できる。また、インピーダンス検出時にあっても適正な空燃比出力（実際にはスイッチＯＦＦ直前の電流信号）が得られるようになる。

マイコン２０は、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯをＡ／Ｄポートより取り込み、該取り込んだＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいてその都度の空燃比（Ａ／Ｆ値）を算出する。このＡ／Ｆ値は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。

また、マイコン２０は、センサ素子１０への印加電圧を一時的に交流的に変化させる旨指令し、その際の電流変化量に基づき素子インピーダンスＺａｃを検出する。より具体的には、インピーダンス検出に際し、印加電圧制御回路３６がマイコン２０からの指令を受け、センサ素子１０への印加電圧（図のＤ点電圧）を所定幅（例えば０．２Ｖ）で正負両側に変化させる。このとき、マイコン２０は、印加電圧変化に伴うＢ点電圧の変化を計測し、印加電圧変化量ΔＶと、Ｂ点電圧変化量を電流検出抵抗３２の抵抗値で割った電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスＺａｃを演算する（Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。なお、インピーダンス検出に際し、センサ素子１０に流す電流を交流的に変化させ、その際の電流又は電圧の変化量から素子インピーダンスＺａｃを演算する構成とすることも可能である。

インピーダンス検出は所定の周期で（すなわち所定時間毎に）実施され、その実施のタイミングがマイコン２０から印加電圧制御回路３６に対して指令される。また、マイコン２０は、素子インピーダンスＺａｃが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電を制御する。これにより、センサ素子１０が所定の活性状態に保持されるようになる。

ところで、Ａ／Ｆセンサでは個体差や経時変化に起因してセンサ出力特性（センサ出力のＡ／Ｆに対する傾き）に誤差が生じ、この特性誤差によりセンサ出力精度が低下する。また特に、センサ出力特性の誤差は、空燃比がリーンである時とリッチである時とで相違する。これは以下の理由による。つまり、センサ出力特性は、センサ素子１０における拡散抵抗層１２のガス拡散律速により決まるが、リーン雰囲気では酸素が過剰なため酸素が拡散され、リッチ雰囲気では燃料の未燃成分であるＨＣ，ＣＯ，Ｈ2が拡散される。この場合、酸素分子と未燃成分分子との拡散速度が異なることから、リーン時とリッチ時とでセンサ特性誤差が相違する。

そこで本実施の形態では、センサ特性誤差を補正するための補正係数を、空燃比リーン時と空燃比リッチ時とで各々個別に設定することとし、リーン／リッチの何れの場合にもセンサ出力を高精度に取得できるようにする。

また、リーン時における酸素分子の拡散速度やリッチ時における未燃成分分子の拡散速度は拡散抵抗層１２のガス透過率（気孔率）の違いにより変化するため、個体差や経時変化等によりガス透過率が相違すると、それに伴う拡散速度の違いによりセンサ特性誤差が変わる。例えば、経時変化により拡散抵抗層１２に微小なクラック（マイクロクラック）が生じると、ガス透過率（気孔率）が増加する。また逆に、拡散抵抗層１２で目詰まりが生じると、ガス透過率（気孔率）が減少する。従って、センサ特性誤差が変わる。

図５は、横軸を空燃比、縦軸を素子電流Ｉｐとしてセンサ出力特性を示す図面であり、基準特性Ｐ１を実線にて示し、この基準特性Ｐ１に対して特性誤差を有する出力特性Ｐ２，Ｐ３をそれぞれ一点鎖線、二点鎖線で示している。なお、マイクロクラック等によりガス透過率（気孔率）が増加した場合にはセンサ出力特性がＰ２となり、目詰まり等によりガス透過率（気孔率）が減少した場合にはセンサ出力特性がＰ３となる。大気状態で比較すると、基準特性Ｐ１ではＩｐ＝ａ１、特性２ではＩｐ＝ａ２、特性３ではＩｐ＝ａ３となる。

ここで、図６は、センサ間の出力特性のばらつきを実測したデータを示しており、図中の各ドットはそれぞれ別のセンサを対象としたサンプリング点を示す。なお、横軸のリーン側センサ出力は所定の空燃比リーン状態（例えばＡ／Ｆ＝１８）で計測した素子電流値であり、縦軸のリッチ側センサ出力は所定の空燃比リッチ状態（例えばＡ／Ｆ＝１３）で計測した素子電流値である。各サンプリング点は概ね出力特性線Ｌ１上に沿って存在しており、この出力特性線Ｌ１によりリーン側／リッチ側の各センサ出力の対応関係が規定できると考えられる。

図６において、基準特性であるリーン側センサ出力＝Ｘ１,リッチ側センサ出力＝Ｙ１に対し、センサ特性誤差によって出力特性線Ｌ１上でリーン側センサ出力＝Ｘ２、リッチ側センサ出力＝Ｙ２となる場合を想定すると、リーン側センサ出力はＸ２／Ｘ１倍となっており、その逆数がリーン側補正係数αとして規定される（α＝Ｘ１／Ｘ２）。また、リッチ側センサ出力はＹ２／Ｙ１倍となっており、その逆数がリッチ側補正係数βとして規定される（β＝Ｙ１／Ｙ２）。

具体的な数値例を挙げると、Ｘ１＝０．５００ｍＡ，Ｘ２＝０．５２５ｍＡの場合、リーン側補正係数α＝０．９５２３８となる。また、Ｙ１＝−０．３９９ｍＡ，Ｙ２＝−０．４１７ｍＡの場合、リッチ側補正係数β＝０．９５６８３となる。

実機での構成としては、センサ特性誤差の発生を予め想定し、複数の組み合わせからなるリーン側補正係数及びリッチ側補正係数をマップデータ等としてマイコン２０のメモリ（バックアップＲＡＭ等）に登録しておく。図７にはマップデータの一例を示す。図７の事例では、識別番号（１〜２３）毎に各補正係数が２３通り規定されており、識別番号１〜１１の各補正係数によればセンサ出力が増側補正され、識別番号１３〜２３の各補正係数によればセンサ出力が減側補正されることとなる。なお、識別番号１２の各補正係数はセンサ特性誤差が無い場合の補正係数であり、リーン側／リッチ側共に補正係数＝１である。勿論、補正係数のデータ分割数は他に変更できる。

また、図１に示すように、ＥＣＵ１００には識別電圧発生回路５０が設けられており、この識別電圧発生回路５０から出力される識別電圧（識別信号）がマイコン２０に取り込まれる。識別電圧発生回路５０は、定電圧電源（Ｖｃｃ＝５Ｖ）、基準抵抗５１及びノイズ除去用コンデンサ５２からなる直列回路にて構成されており、コンデンサ５２の両端子にはＥＣＵ端子を介して識別抵抗５３が接続されている。識別抵抗５３はセンサ個別の特性誤差に応じて選別され、例えばセンサコネクタ等に内蔵されて設けられている。なお、識別抵抗５３は、車両製造過程でセンサ個別に計測された特性誤差に見合うよう選別されると良い。基準抵抗５１の抵抗値は固定である。図７に示すように、識別抵抗５３の抵抗値はリーン側／リッチ側の各補正係数と対応付けられており、更に識別電圧発生回路５０においては識別抵抗５３の抵抗値に応じて識別電圧が決定される。

マイコン２０は、識別電圧をＡ／Ｄポートより取り込み、その識別電圧を基にその都度使用するリーン側補正係数及びリッチ側補正係数をマップ検索する。

図８は、空燃比演算処理を示すフローチャートであり、本処理は例えば４ｍｓｅｃ周期でマイコン２０により実行される。

図８において、ステップＳ１０１では、識別電圧発生回路５０から出力される識別電圧のＡ／Ｄ値を読み取り、続くステップＳ１０２では、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯのＡ／Ｄ値を読み取る。その後、ステップＳ１０３では、その時のＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯを基にリーン／リッチ判定を実施する。リーンである場合、ステップＳ１０４に進み、前記図７のマップデータを参照してその時の識別電圧に基づいてリーン側補正係数を算出する。また、リッチである場合、ステップＳ１０５に進み、前記図７のマップデータを参照してその時の識別電圧に基づいてリッチ側補正係数を算出する。

その後、ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４，Ｓ１０５で算出したリーン側補正係数又はリッチ側補正係数を用いてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯを補正する。最後に、ステップＳ１０７では、補正後のＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯを基に空燃比を算出する。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

空燃比リーン時と空燃比リッチ時とで各々異なる補正係数を用いてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ（センサ出力）を補正する構成としたため、リーン時のセンサ特性誤差とリッチ時のセンサ特性誤差との違いを反映して適正にＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯを補正することができる。従って、リーン／リッチの何れのガス雰囲気においても正確に空燃比検出を行うことができる。これにより、空燃比フィードバック制御において、リーン領域からリッチ領域の広範囲で空燃比を高精度に制御することが可能となる。例えば、加速要求時などにエンジン保護や燃費改善等を目的としてリッチフィードバック制御が行われる際において、エンジン保護や燃費改善を望み通りに実現することができる。

また、識別電圧とそれに対応するリーン側／リッチ側の各補正係数との関係を規定したマップデータを予め登録しておき、そのマップデータを参照してその都度のリーン側／リッチ側の各補正係数を設定する構成とした。この場合、センサ個別に適正な各補正係数の選択が可能となり、Ａ／Ｆセンサ毎の特性誤差に関係なく、空燃比が精度良く検出できる。

（第２の実施の形態）
センサ特性誤差は経時変化により変化することが考えられる。そこで本実施の形態では、酸素濃度が既知である大気状態でセンサ特性誤差を求め、その特性誤差を基にリーン側／リッチ側の各補正係数を更新する。すなわち、大気状態で取り込んだＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいてリーン側のセンサ特性誤差を求め、更にそのリーン側のセンサ特性誤差に基づいてリッチ側のセンサ特性誤差を求める。そして、それらセンサ特性誤差に基づいてリーン側／リッチ側の各補正係数を算出し、その補正係数を適宜用いてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯの補正を実施する。ＥＣＵ１００は、前記図１の構成に対して識別電圧発生回路５０を省略した構成とする。但し、識別電圧発生回路５０を設けたまま本実施の形態を具体化することも可能である。

図９は、本実施の形態における空燃比演算処理を示すフローチャートであり、本処理は前記図８に置き換えてマイコン２０により実行される。

ステップＳ２０１では、今現在、燃料カット中であるか否かを判別し、燃料カット中であればステップＳ２０２〜Ｓ２０５の大気学習処理を実行し、燃料カット中でなければステップＳ２０６〜Ｓ２０８の空燃比算出処理を実行する。なお、燃料カット中であれば燃焼室での燃焼が行われず、Ａ／Ｆセンサは大気ガスを対象に空燃比検出を実施する。この大気検出状態が基準ガス雰囲気に相当する。

ステップＳ２０２では、その時のＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ（大気時計測値）のＡ／Ｄ値を読み取り、続くステップＳ２０３では、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ（大気時計測値）と大気時基準電圧Ｖａｉｒとからリーン側補正係数を算出する。このとき、次式によりリーン側補正係数が算出される。

リーン側補正係数＝（Ｖａｉｒ−２．２Ｖ）／（ＡＦＯ−２．２Ｖ）
大気時基準電圧Ｖａｉｒは、基準特性に則して大気状態で本来出力されるべきＡＦＯ値である。

その後、ステップＳ２０４では、大気時センサ出力と所定リッチ状態でのリッチ側センサ出力との対応関係を規定した出力特性線（前記図６で横軸を大気時センサ出力として規定した出力特性線）に基づき、大気時センサ出力（Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯより算出した大気時電流値）に対応するリッチ側センサ出力（リッチ時電流値）を推定する。そして、そのリッチ側センサ出力と基準リッチ出力とからリッチ側補正係数を算出する。図６の関係で言えば、リーン側センサ出力Ｘ２（大気電流値）に対応するリッチ側センサ出力Ｙ２（リッチ時電流値）が推定され、更にリッチ側センサ出力Ｙ２と基準リッチ出力Ｙ１とからリッチ側補正係数が算出される（リッチ側補正係数＝Ｙ１／Ｙ２）。その後、ステップＳ２０５では、前記算出したリーン側／リッチ側の各補正係数によりそれまでの学習値を更新する。これにより、各補正係数の大気学習が完了する。

一方、ステップＳ２０１がＮＯの場合、すなわち燃料カット時でなく通常制御時である場合、ステップＳ２０６に進み、その時のＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯのＡ／Ｄ値を読み取る。また、続くステップＳ２０７では、リーン側補正係数又はリッチ側補正係数を用いてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯを補正する。このとき、空燃比リーンであれば、前記大気学習により更新されたリーン側補正係数を用いてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが補正され、空燃比リッチであれば、前記大気学習により更新されたリッチ側補正係数を用いてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが補正される。最後に、ステップＳ２０８では、補正後のＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯを基に空燃比を算出する。

以上第２の実施の形態によれば、大気学習処理においてリーン側／リッチ側の各補正係数の更新を行う構成としたため、センサ特性誤差の経時変化に追従して補正係数の更新が可能となり、所望とする空燃比検出精度を維持することができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記第１の実施の形態では、ＥＣＵ１００内に識別電圧発生回路５０を設けておき、マイコン２０は、識別電圧発生回路５０から出力される識別電圧を基に、マップデータを参照してリーン側／リッチ側の各補正係数を算出したが、この構成を変更しても良い。例えば、外部装置からＥＣＵ１００に対して識別信号を送信し、その識別信号を受けてマイコン２０がリーン側／リッチ側の各補正係数を算出する構成であっても良い。

上記第２の実施の形態では、大気状態を基準ガス雰囲気とし、排ガスが大気状態になった場合にリーン側／リッチ側の各補正係数の更新処理（大気学習）を実施したが、この構成を変更しても良い。すなわち、大気状態以外での所定リーン状態でガス濃度が既知である基準ガス雰囲気を規定しておく。そして、所定リーン状態で現実のセンサ出力を計測すると共に、対応関係を参照して所定リッチ状態での現実のセンサ出力を推定し、それら計測及び推定した各センサ出力とその時本来の基準センサ出力との対比結果を基に、リーン側／リッチ側の各補正係数を算出する。

上記各実施の形態では、図２のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサについて説明してきたが、他のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサに本発明を適用することも可能である。例えば、１層の固体電解質層を有する構成に限らず、２層の固体電解質層を有する構成や、３層の固体電解質層を有する構成のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したり、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したりすることも可能である。

図１０の（ａ）に示すセンサ素子６０では、２層の固体電解質層６１，６２を有しており、一方の固体電解質層６１には一対の電極６３，６４が対向配置され、他方の固体電解質層６２には一対の電極６５，６６が対向配置されている。なお、電極６３〜６５は図の左右対象に２カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。本センサ素子６０では、固体電解質層６１及び電極６３，６４により「第１セル」としてのポンプセル７１が構成され、固体電解質層６２及び電極６５，６６により「第２セル」としてのモニタセル７２が構成されている。各電極６３〜６６はＥＣＵに接続されている。センサ素子６０が積層構造を有することは、前述のセンサ素子１０と同じである。同図において、符号６７はガス導入孔、符号６８は多孔質拡散層、符号６９は大気ダクト、符号７０はヒータである。モニタセル７２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

上記センサ素子構造のＡ／Ｆセンサにおいて、モニタセル７２は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて２値（０Ｖ又は０．９Ｖ）の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、モニタセル７２の起電力出力が小さくなり、逆にリッチである場合、モニタセル７２の起電力出力が大きくなる。かかる場合において、モニタセル７２の起電力出力がストイキ値（０．４５Ｖ）になるようにポンプセル７１の印加電圧が制御される。そして、その時流れる素子電流（センサ出力）がＥＣＵにより計測され、それにより空燃比が検出される。

また、図１０の（ｂ）に示すセンサ素子９０では、３層の固体電解質層１０１，１０２，１０３を有し、固体電解質層１０１には一対の電極１０４，１０５が対向配置され、固体電解質層１０２には一対の電極１０６，１０７が対向配置されている。本センサ素子９０では、固体電解質層１０１及び電極１０４，１０５により「第１セル」としてのポンプセル１１１が構成され、固体電解質層１０２及び電極１０６，１０７により「第２セル」としてのモニタセル１１２が構成されている。また、固体電解質層１０３は、酸素基準室１０８を確保するための壁材を構成している。センサ素子９０が積層構造を有することは、前述のセンサ素子１０等と同じである。同図において、符号１０９は多孔質拡散層、符号１１０はガス検出室である。なお、モニタセル１１２は、前記図１０の（ａ）のモニタセル７２と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。空燃比の検出動作は前記図１０の（ａ）と同じである。

上記図１０の（ａ），（ｂ）の構成のセンサ素子であっても同様に本発明が適用でき、リーン時及びリッチ時におけるガス濃度の検出精度を高めることができる。

また、酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外に、他の成分濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質層にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分濃度を検出する。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものである。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。

ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分濃度としてＨＣ濃度やＣＯ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、ガス濃度センサは、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いることや、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。

発明の実施の形態におけるセンサ制御回路を示す構成図である。 センサ素子の構成を示す断面図である。 センサ素子のガス反応原理を説明するための図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 空燃比と素子電流との関係を示す図である。 センサ間の出力特性のばらつきを実測したデータとそれにより設定される出力特性線とを示す図である。 リーン側／リッチ側の各補正係数を規定したマップデータを示す図である。 空燃比演算処理を示すフローチャートである。 空燃比演算処理を示すフローチャートである。 別のセンサ素子の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質層、１２…拡散抵抗層、２０…マイコン、３０…センサ制御回路、６０…センサ素子、６１…固体電解質層、６８…多孔質拡散層、９０…センサ素子、１００…ＥＣＵ、１０１…固体電解質層、１０９…多孔質拡散層。

Claims (4)

1. 拡散抵抗層と固体電解質層とを有してなり前記拡散抵抗層を介して導入されたガス成分を基に特定ガス濃度に応じたセンサ出力を発生するガス濃度センサに適用され、前記センサ出力を基にガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
   複数の識別値が定められるとともに、同識別値ごとに、リーン側補正量に対するリッチ側補正量の比率又はその逆の比率が所定値となる関係でリーン側及びリッチ側の各補正係数が規定され、前記複数の識別値とリーン側／リッチ側の各補正係数とを登録データとして記憶している記憶手段と、
   センサ個別の特性誤差に対応する識別信号を、前記記憶手段に定められている複数の識別値のうちいずれの識別値に対応する信号として発生する識別信号発生手段と、
   前記記憶手段に記憶されている登録データを参照して、前記識別信号発生手段により発生した前記識別信号の識別値に基づいてリーン側／リッチ側の各補正係数を設定する設定手段と、
   検出対象のガスがリーンかリッチかを判定する手段と、
   前記設定手段により設定したリーン側又はリッチ側の補正係数を検出対象のガスがリーンかリッチかに応じて用いて前記センサ出力を補正する手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 拡散抵抗層と固体電解質層とを有してなり前記拡散抵抗層を介して導入されたガス成分を基に特定ガス濃度に応じたセンサ出力を発生するガス濃度センサに適用され、前記センサ出力を基にガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
   ガス濃度が既知である所定の基準ガス雰囲気になったことを判定する手段と、
   前記基準ガス雰囲気になった時の現実のセンサ出力とそれに対応する基準センサ出力とを対比する手段と、
   その対比結果を基にリーン側の補正係数とリッチ側の補正係数とを各々算出する手段と、
   検出対象のガスがリーンかリッチかに応じて各々異なる補正係数を用いて前記センサ出力を補正する手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
3. 空燃比リーンである前記基準ガス雰囲気でのセンサ出力と所定リッチ状態でのセンサ出力との対応関係を予め規定しておき、
   前記基準ガス雰囲気で現実のセンサ出力を計測すると共に、前記対応関係を参照して前記所定リッチ状態での現実のセンサ出力を推定し、それら計測及び推定した各センサ出力とその時本来の基準センサ出力との対比結果を基に、リーン側／リッチ側の各補正係数を算出する請求項２に記載のガス濃度検出装置。
4. 前記基準ガス雰囲気は大気状態である請求項２又は３に記載のガス濃度検出装置。

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