JP4788707B2 - 空燃比センサ及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、空燃比センサ及び内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の空燃比を制御するため、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを内燃機関の排気系に備えることがある。空燃比センサの一例として、特許文献１に記載のように限界電流式の空燃比センサが開発されている。この限界電流式空燃比センサは、ジルコニア等の酸素イオン導電性固体電解質よりなるセンサ素子と、センサ素子の両面に設けられた一対の白金製の電極と、一方の電極を覆うようにして素子上に設けられた多孔質状の拡散律速層（「拡散抵抗層」という場合もある）とを備えている。この拡散律速層は、センサ素子への排気ガスの拡散を律速する。

このような限界電流式空燃比センサでは、電極間に所定の電圧を印加した状態で拡散律速層を通過した排気ガスが一方の電極に接触すると、センサ素子を介して電極間を酸素イオンがポンピングされることで電極間に電流が流れる。ここで、一方の電極への排気ガスの拡散は拡散律速層によって律速されるため、印加電圧を増加しても電流が一定に飽和する領域が生じる。この電流値（限界電流値）は排気ガスの酸素濃度、空燃比に比例する特性を有しており、限界電流値の大きさを検出することによって空燃比を知ることができる。

ここで、電極間に所定の電圧を印加した場合に排気ガスの空燃比に応じた一定の限界電流値が電極間に流れるのは、拡散律速層を排気が通過する際に拡散律速されるからである。しかしながら、排気ガスに含まれる水素（H₂）成分は他の成分、例えば酸素（O₂）成分などに比して分子量が小さいため、拡散律速層を通過する際の拡散速度が速いという特性を有する。従って、還元剤であるH₂が酸化剤であるO₂より多量に一方の電極に到達すれば、該電極付近において還元剤が過多となり、空燃比の検出結果が実際よりもリッチ側に誤検出される場合がある。

これに対して、特許文献１に開示の技術では、拡散律速層の表面を酸化作用を有する触媒層で覆うことにより、拡散律速層を排気ガスが通過する前に、排気ガスに含まれるH₂を酸化させることで空燃比の検出精度の向上を図っている。

また、特許文献２には、排気ガスに晒される一方の電極を少なくとも覆うようにして触媒層を形成するとともに、同触媒層の非形成部位に排気の通過できないマスク層を形成する技術が開示されている。
特開平１１−２３７３６１号公報 特開２００３−２０２３１６号公報 特開２００４−３１６４９８号公報 特開２００６−３３７２０５号公報

しかしながら、上記従来技術のように触媒層を具備する空燃比センサにおいて、空燃比を検出する対象となる全ての排気ガスに触媒層を通過させると、触媒層における反応時間が長くなり、空燃比を検出する際の応答性が悪化する虞があった。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被検
出ガスの空燃比を検出する際の検出精度の向上と、応答性の向上とを両立することの可能な空燃比センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る空燃比センサは以下の手段を採用した。
すなわち、被検出ガスの空燃比に応じた出力信号を出力するセンサ素子と、
前記センサ素子を挟むように配置され、前記被検出ガスが導入される被検出ガス側電極と大気に晒される大気側電極とにより構成される一対の電極と、
前記被検出ガスが流入する流入部から該被検出ガスを前記被検出ガス側電極へと導入させるとともに、前記被検出ガス側電極を覆うように前記センサ素子に設けられる拡散律速層と、
前記流入部の一部に形成される触媒層と、
を備えることを特徴とする。

本発明における拡散律速層には被検出ガス（例えば、排気ガス）が流入する流入部を有しており、この流入部から被検出ガスが拡散律速層内に流入する。つまり、流入部は拡散律速層の表面の少なくとも一部に形成され、被検出ガスに晒されている。拡散律速層に流入した被検出ガスは拡散律速層内を拡散して被検出ガス側電極へと導かれる。本発明における拡散律速層は被検出ガスの拡散を律速する機能を有している。例えば、拡散律速層は、被検出ガス中の種々の成分が適当な拡散速度で拡散できる程度に細孔化、緻密化された多孔質物質で構成されていても良い。

また、拡散抵抗層内を拡散する被検出ガスには、CO、H₂、HC等の還元剤と、O₂、NOxな
どの酸化剤が含まれている。それらの各成分は、被検出ガス側電極の表面に到達する過程、或いは被検出ガス側電極に到達した後において平衡状態に至るまで反応する。そして、被検出ガスの空燃比において理論空燃比（ストイキ）が実現されている場合は酸化剤と還元剤が共に消滅する。これに対して、空燃比がリッチである場合は還元剤が残存し、空燃比がリーンである場合は酸化剤が残存することになる。

ここで、センサ素子は、被検出ガスの空燃比に応じた出力信号を出力する。たとえば、センサ素子は、酸素イオン導電性固体電解質によって構成されていても良い。この場合、センサ素子を挟んで配置される一対の電極、すなわち被検出ガス側電極及び大気側電極における酸素濃度差に応じて酸素イオンの移動が生じるため、この酸素イオンの移動に起因して生じるセンサ電流を出力することで、被検出ガスの空燃比に応じた出力信号を出力することができる。

上記センサ電流をより詳しく説明すると、被検出ガス側電極の表面に到達した被検出ガス中に酸化剤が残存している場合には、被検出ガス側電極から大気側電極に向かってO₂がポンピングされることで、電極間にセンサ電流が流れる。他方、被検出ガス側電極に到達した被検出ガス中に還元剤が残存している場合は、その還元剤を酸化させるのに必要なO₂が大気側電極から被検出ガス側電極の方向に向かってポンピングされ、電極間にセンサ電流が流れる。そして、このときのセンサ電流値は被検出ガスの空燃比に比例する特性を有するため、このセンサ電流値を検出することで、被検出ガスの空燃比を検出することができる。

ここで、被検出ガス中のH₂は他の成分、特にO₂に比して拡散速度が速いという特性を有する。従って、拡散律速層内を拡散している間に被検出ガスに含まれるH₂とO₂との割合が変化してしまう場合がある。つまり、O₂に比べて拡散速度の速いH₂がより多く被検出ガス側電極に到達してしまうことになる。H₂は還元剤であるため、上記のセンサ電流値は、真の値よりもリッチ側にシフトした値として検出され得る。

本発明においては、拡散律速層における流入部の一部に触媒層が形成される。本発明における触媒層はH₂成分の酸化反応を促進する機能を有する。例えば、触媒担体としてのアルミナ等から構成される多孔質層に、白金、ロジウムなどの触媒成分が担持されていても良い。また、触媒層は、H₂以外の成分を酸化させることが可能であっても良い。

拡散律速層における流入部のうち、触媒層が形成される部分を触媒層形成流入部と称し、触媒層が形成されない部分を触媒層非形成流入部と称する。触媒層形成流入部から拡散律速層に流入した被検出ガスは、触媒層を通過する過程で殆どのH₂が酸化されるので、平衡状態の被検出ガスを被検出ガス側電極に導入させることができる。その結果、触媒層形成流入部から拡散律速層に流入する前と略等しい空燃比の被検出ガスを被検出ガス側電極の表面に到達させることができる。これにより、空燃比センサにおける空燃比の検出精度を担保することができる。

ところで、空燃比センサに求められる性能として、空燃比の検出精度の向上と共に応答性の向上を挙げることができる。つまり、空燃比を検出するのに要する時間を可及的に短くすることが、リアルタイムに被検出ガスの空燃比を検出するために要求される。ここで、上記のように触媒層形成流入部から触媒層を通過して拡散律速層に流入した被検出ガスは、触媒層における反応時間の分だけ空燃比の検出時期が遅れる場合がある。

これに対して、本発明においては、触媒層の形成されていない触媒層非形成流入部からも被検出ガスを拡散律速層に流入させ、被検出ガスを速やかに被検出ガス側電極に到達させることができる。これにより、被検出ガスの空燃比検出にかかる時間を短縮することができる。つまり、本発明においては、触媒層形成流入部と触媒層非形成流入部とから被検出ガスを拡散律速部内に流入させ、両者を被検出ガス側電極付近で合流させることによって、空燃比を検出する際の検出精度の向上と応答性の向上とを両立させることが可能となる。

なお、本発明において、触媒層形成流入部及び触媒層非形成流入部の面積は等しくしても良いし、そうでなくとも良い。つまり、触媒層形成流入部及び触媒層非形成流入部の割合は適宜変更し得ることを意味する。触媒層形成流入部及び触媒層非形成流入部の割合を、本発明の空燃比センサに求める空燃比の検出精度と、応答性能とのバランスに応じて適宜変更すれば好適である。すなわち、空燃比の検出精度をより高めたい場合には触媒層形成流入部の占める割合をより大きくし、応答性をより高めたい場合には触媒層非形成流入部の占める割合をより大きくしても良い。

本発明において「空燃比センサ」とは、内燃機関における空燃比を検出するために、被検出ガスにおける酸素濃度に対応する物理量を出力することの可能な手段を包括する概念であり、例えばリニア空燃比センサや、O₂センサ等であっても良い。なお、酸素濃度に対応する物理量とは、例えば電流値や電圧値であっても良い。

ここで、複数の気筒を有する多気筒内燃機関から排出される排気の空燃比を検出する際に上記空燃比センサを適用する場合について説明する。ここで、各気筒に燃料を供給する燃料噴射弁の特性にも個体差があるため、燃料噴射量も気筒間で完全に一致させることは困難となる場合がある。また、吸気マニホールドの長さや形状が各気筒間で完全に同じではないため、吸入空気量が気筒毎に相違してしまう場合がある。その結果、気筒間における空燃比のバラツキが生じ、これに起因して気筒毎に排気ガスのH₂濃度が相違してしまう。

ここで、気筒間における空燃比の差の大きさを気筒間の空燃比バラツキ度合いと称する
。気筒間の空燃比バラツキ度合いが過大になると、排気エミッションが悪化したり、気筒間で発生するトルクが異なることでトルク変動の原因となる。

そこで、本発明における内燃機関の制御装置は、
多気筒内燃機関の排気通路に設けられる上記空燃比センサと、
前記センサ素子が出力する出力信号に基づいて前記多気筒内燃機関から排出された排気ガスの空燃比を検出する排気空燃比検出手段と、
所定のサンプリング時間における前記空燃比のバラツキ幅を取得し、該バラツキ幅の大きさに基づいて気筒間の空燃比バラツキ度合いを推定する推定手段と、
を備えることを特徴としても良い。

上記構成によれば、センサ素子が出力する出力信号に基づいて、多気筒内燃機関から排出された排気ガスの空燃比が検出される。ここで、気筒間の空燃比バラツキ度合いが高くなると、各気筒から排出される排気ガス中のH₂濃度のバラツキが大きくなるため、空燃比の検出値は上下に変動する。本発明では所定のサンプリング時間における空燃比のバラツキ幅を取得する。このバラツキ幅は、所定のサンプリング時間に検出された空燃比のうち最大値と最小値との差の絶対値によって定義されても良い。或いは、所定のサンプリング時間における空燃比の検出値と目標空燃比との差の絶対値の最大値であっても良い。

また、所定のサンプリング時間とは、上記のバラツキ幅を取得するに当たり空燃比の検出値をモニターする期間を意味しており、予め実験的に求めておいても良い。そして、取得された空燃比のバラツキ幅に基づいて気筒間の空燃比バラツキ度合いが推定される。本発明においては上記バラツキ幅が大きいほど空燃比バラツキ度合いが高い値として推定される。これにより、気筒間の空燃比バラツキ度合いを好適に推定することができる。

また、本発明においては、推定された気筒間の空燃比バラツキ度合いが規定値を超えた場合に、当該空燃比バラツキ度合いが所定のバラツキ過大領域に属していると判断されても良い。所定のバラツキ過大領域とは、気筒間の空燃比バラツキ度合いが高いことに起因して排気エミッションが悪化したり、内燃機関のトルク変動が生じる虞があると判断される領域である。

ここで、気筒間の空燃比バラツキ度合いがちょうど上記の規定値になるときに対応するバラツキ幅を規定バラツキ幅と称すると、バラツキ幅が規定バラツキ幅を超えた場合には、気筒間の空燃比バラツキ度合いが所定のバラツキ過大領域に属すると判断される。その場合には、警告ランプを点灯させる等の報知手段を用いて気筒間の空燃比バラツキ度合いが高くなっていることを運転者に報知すると、好適である。

本発明によれば、被検出ガスの空燃比を検出する際の検出精度の向上と、応答性の向上とを両立することの可能な空燃比センサを提供することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。尚、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は本実施例に係る空燃比センサを適用する内燃機関と、その吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は４つの気筒２を有するガソリンエンジンである。

内燃機関１は吸気管２２及び排気管３に接続されている。吸気管２２の途中には該吸気管２２を流通する吸気の量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ２３が設けられる。エアフローメータ２３は、後述するＥＣＵ６と電気的に接続されており、エアフローメータ２３の出力信号がＥＣＵ６に入力されることで、吸入空気量が検出される。

また、排気管３の途中には内燃機関１からの排気を浄化する三元触媒４が設けられている。三元触媒４は、内燃機関１から排出される一酸化炭素（CO）及び炭化水素（HC）を酸化すると共に、窒素酸化物（NOx）を還元することによって排気ガスを浄化することが可
能に構成されている。また、三元触媒４よりも上流の排気管３には、三元触媒４に流入する排気の空燃比を検出する空燃比センサ５が設けられている。空燃比センサ５の詳細については後述する。そして、排気管３は三元触媒４の下流にて図示しないマフラーに接続されている。

内燃機関には、内燃機関及びその排気系を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）６が併設されている。このＥＣＵ６は、内燃機関１の運転条
件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態等を制御する。例えば、空燃比センサ５の出力信号から排気ガスの空燃比を検出し、目標空燃比（例えば、理論空燃比）に一致するように燃料噴射弁（図示省略）からの燃料噴射量をフィードバック制御する。本実施例においては排気ガスが被検出ガスに相当する。

次に、図２及び図３を参照して、空燃比センサ５の詳細な構成について説明する。図２は、図１における空燃比センサ５付近の模式的な拡大断面図である。また、図３は、図２におけるＡ−Ａ’線視断面図である。図２において、図１と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。

図２において、空燃比センサ５は、後述するセンサ本体１０と、該センサ本体１０を覆う耐熱性のハウジング部材でありその一部が排気管３の内部に露出している保護カバー８とを含んで構成される。センサ本体１０は保護カバー８に覆われることでその機械的強度が担保される。

図３に示すように保護カバー８の表面には複数の通気孔９が形成されており、保護カバー８内外を相互に連通させている。すなわち、空燃比センサ５は、排気管３を流通する排気ガスが、保護カバー８の通気孔９を通過してセンサ本体１０に到達するように構成されている。

次に、センサ本体１０の概略構成について説明する。センサ本体１０は後述する構成要素が積層される積層型のセンサである。センサ本体１０は酸素イオン導電性固体電解質からなるセンサ素子１１を備える。センサ素子１１は例えば酸化ジルコニウム（ジルコニア）によって構成され、図示のような板形状を有している。センサ素子１１の両面の一部には、白金など触媒活性の高い金属材料で構成された排気側電極１２及び大気側電極１３が形成される。センサ素子１１の一方の面に排気側電極１２が形成され、センサ素子１１の他方の面に大気側電極１３が形成されることで、センサ素子１１は一対の電極によって挟まれる。本実施例においては、排気側電極１２及び大気側電極１３が本発明における被検出ガス側電極及び大気側電極に相当する。

センサ素子１１の他方の面側には、スペーサ部材１４とヒータ層１５により囲まれた大気室１６が形成されている。大気室１６は、図示しない大気孔を介して大気に連通されており、空燃比センサ５が排気管３内に配置された状態であっても、大気側電極１３は大気に晒された状態に維持される。

また、ヒータ層１５にはヒータ１７が埋設されている。空燃比センサ５は、所定の活性温度に達することにより排気ガスの空燃比を検出するセンサ機能を実現する。ヒータ１７は、外部の電気回路（図示省略）から電力の供給を受けることにより、センサ本体１０を所望の活性温度（例えば、７００℃）に加熱することができる。なお、この電気回路はＥＣＵ６と電気的に接続されており、ヒータ１７に供給される電力はＥＣＵ６によって制御される。

センサ素子１１の一方の面には、排気側電極１２を含み且つセンサ素子１１の一方の面における全ての範囲を覆うように拡散律速層１８が積層されている。拡散律速層１８はセラミクッス等の多孔質物質で構成された部材であり、排気ガスの拡散を律速する機能を有する。すなわち、拡散律速層１８は、排気ガス中の種々の成分が、適当な拡散速度で拡散できる程度に細孔化、緻密化されている。また、拡散律速層１８は孔径や密度等の特性が略均一となるように形成されており、その外形は厚さ方向を除いてセンサ素子１１と略同様となっている。

ここで、拡散律速層１８を形成する面のうち、センサ素子１１の一方の面を覆っている面を被覆面１８ａと称し、該被覆面１８ａと対向する面を被覆対向面１８ｂと称する。拡散律速層１８の被覆対向面１８ｂはマスク層１９によって覆われている。このマスク層１９は、緻密なアルミナ等によって構成された部材であり排気ガスはマスク層１９を透過することができない。すなわち、マスク層１９が形成されている部分からの拡散律速層１８内への排気ガスの侵入は規制される。

拡散律速層１８を形成する６面のうち、被覆面１８ａ及び被覆対向面１８ｂを除いた残りの４面において、対向する一対の側面（図中１８ｃ、１８ｄにて図示）の一方の面（１８ｃ）には触媒層２０が形成され、他方の面（１８ｄ）は露出している（つまり、１８ｄには触媒層２０が形成されていない）。触媒層２０は、触媒担体としてのアルミナ等から構成される多孔質層に、白金、ロジウムなどの触媒成分が担持されており、水素（H₂）成分の酸化反応を促進する機能を有する。

ここで、触媒層２０の形成された面である１８ｃを触媒層形成面と称し、触媒層２０の形成されない１８ｄを触媒層非形成面と称することとする。更に、拡散律速層１８の側面のうち、触媒層形成面１８ｃ及び触媒層非形成面１８ｄと直交する、一対の対向側面には既述のマスク層１９が形成されている。上記構成のセンサ本体１０によれば、マスク層１９が形成される面から拡散律速層１８内への排気ガスの流入及び拡散が規制されるため、触媒層形成面１８ｃ及び触媒層非形成面１８ｄから拡散律速層１８へ排気ガスが流入し、該拡散律速層１８内を拡散することになる。本実施例においては、触媒層形成面１８ｃ及び触媒層非形成面１８ｄが本発明における流入部に相当する。

ここで、空燃比センサ５によって排気ガスの空燃比を検出する原理について説明する。通気孔９から保護カバー８内部に導入された排気ガスは、触媒層形成面１８ｃ及び触媒層非形成面１８ｄから拡散律速層１８に流入し、その内部を排気側電極１２に向かって拡散しながら進行する。排気ガス中には、CO、H₂、HC等の還元剤と、O₂、NOxなどの酸化剤が
含まれている。それらの各成分は、排気側電極１２の表面に到達する過程、或いは排気側電極１２に到達した後において平衡状態に至るまで反応し合う。そして、排気ガスの空燃比において理論空燃比（ストイキ）が実現されている場合は酸化剤と還元剤が共に消滅する。これに対して、空燃比がリッチである場合は還元剤が残存し、空燃比がリーンである場合は酸化剤が残存することになる。

ここで、排気側電極１２と、大気側電極１３と、これらに挟まれたセンサ素子１１とか
らなる領域を「セル２５」と称する。本実施例では、排気側電極１２及び大気側電極１３間には、図示しない電源供給ラインを介して所定の印加電圧が印加される。電極間に印加電圧が印加された状態で、排気側電極１２の表面まで到達した排気ガス中に酸化剤が残存している場合には、排気側電極１２から大気側電極１３側に向かってO₂がポンピングされることでセル２５にセンサ電流が流れる。他方、排気側電極１２側に還元剤が残存している場合は、その還元剤を焼失させるのに必要なO₂が大気側電極１３側から排気側電極１２側に向かってポンピングされ、セル２５にセンサ電流が流れる。

拡散律速層１８によって排気ガスの拡散速度が律速されると印加電圧を増加してもセンサ電流値が一定に飽和する領域が生じ、そのときのセンサ電流値は排気ガスの空燃比に比例する特性を有する。このセンサ電流値は一般に限界電流値と称される場合がある。このセンサ電流値を検出することで、排気側電極１２の表面における酸化剤と還元剤との比率、つまり排気ガスの空燃比を検出することができる。

具体的には、センサ電流値に対応した出力を発するセンサ電流値検出回路（図示省略）が空燃比センサ５に具備される。そして、このセンサ電流値検出回路からの出力はＥＣＵ６内のＡＤ変換器（図示省略）に入力され、この入力値をＡＤ変換することで排気ガスの空燃比がＥＣＵ６によって検出される。また、ＥＣＵ６は、空燃比センサ５におけるセンサ電流値検出回路からの出力値を、適宜平滑化処理（なまし処理）を行うことによって平滑化することができる。

ここで、内燃機関１から排出される排気ガスにはH₂が含まれている。H₂はガス中の他の成分、特にO₂に比して拡散速度が速いという特性を有する。そのため、拡散律速層１８内を拡散する排気ガスにH₂が含まれる場合、O₂に比べて拡散速度の速いH₂がより多く排気側電極１２に到達する。

すなわち、排気ガス中のH₂とO₂との割合は、排気ガスが拡散律速層１８に侵入したときと排気側電極１２に到達したときとでは後者の方が大きくなる。ここでH₂は還元剤であるため、セル２５に生ずるセンサ電流値は空燃比センサ５を取りまく排気ガスの空燃比に対してリッチ側にシフトした値として検出され得る。そして、このリッチ側へのシフト量は、排気ガス中におけるH₂濃度が高いほど増大する傾向がある。

次に、本実施例の空燃比センサ５による空燃比の検出精度及び応答性について詳しく説明する。図４は、空燃比センサ５の拡散律速層１８及び排気側電極１２周辺の模式図である。排気管３から保護カバー８内に流入した排気ガスは、触媒層２０の形成された触媒層形成面１８ｃ、及び触媒層２０の形成されていない触媒層非形成面１８ｄから拡散律速層１８内に流入し、排気側電極１２に向かって拡散する。

触媒層形成面１８ｃから拡散律速層１８内へと流入した排気ガスの拡散方向を矢印ａにて表し、このガスを触媒層側流入ガスと称する。また、触媒層非形成面１８ｄから拡散律速層１８内を拡散する排気ガスの拡散方向を矢印ｂにて表し、このガスを非触媒層側流入ガスと称する。また、通気孔９から該保護カバー８内に流入した排気ガスであって、触媒層非形成面１８ｄ及び触媒層２０の表面に到達する前の排気ガスを、センサ未到達ガスと称する。

センサ未到達ガスが触媒層形成面１８ｃから拡散律速層１８内に流入するためには、必ず触媒層２０を通過することになる。従って、触媒層２０を通過する過程でこの排気ガスに含まれる殆どのH₂は酸化されるので、触媒層側流入ガスは平衡ガスの状態で図中矢印ａの方向に拡散する。ここで、排気ガスの空燃比は、触媒層２０においてH₂が平衡反応に供される前後で変化せず、また触媒層側流入ガスが拡散律速層１８内を拡散する過程におい
てもH2成分が既に存在しないことから、酸化剤と還元剤とのバランスは殆ど変化しない。その結果、排気側電極１２の表面には、触媒層２０に到達する前におけるセンサ未到達ガスの空燃比と殆ど同じ空燃比のガスが到達される。その結果、空燃比センサ５における空燃比の検出精度が担保される。

ここで、空燃比センサ５に求められる性能としては、空燃比の検出精度の向上と共に応答性の向上を挙げることができる。ここで、触媒層側流入ガスは、触媒層２０における触媒反応に供された後、拡散律速層１８内を拡散するため、僅かではあるが排気側電極１２に到達する時期が遅くなることになる。これに対して、本実施例における空燃比センサ５によれば、非触媒層側流入ガスを触媒層非形成面１８ｄから触媒層２０を通過させることなく排気側電極１２に導くことができる。本実施例では、空燃比の検出精度の良い触媒層側流入ガスと、応答速度の速い非触媒層側流入ガスとを、排気側電極１２にて合流させることにより、空燃比検出にかかる検出精度を高めつつ、応答性も良好に維持することができる。

ここで、本実施例における非触媒層側流入ガスにはH₂が含まれる。従って、触媒層形成面１８ｃに加えて触媒層非形成面１８ｄに対しても触媒層２０を形成させた空燃比センサ、つまり、拡散律速層１８に流入する排気ガスの全てに触媒層２０を通過させる空燃比センサに比べれば、空燃比の検出精度だけに着目すると該検出精度が劣るとも考えられる。しかしながら、この場合には空燃比検出にかかる応答性が悪化するという背反が生じてしまう。本実施例における空燃比センサ５は、空燃比の検出精度の向上と応答性の向上とを共に両立させることで、空燃比センサとしてのトータル的な性能を向上できる。また、触媒層非形成面１８ｄには触媒層２０を形成させないという点で、空燃比センサ５の製造コストの削減を実現することもできる。

なお、拡散律速層１８の側面に形成される触媒層２０の分布範囲については、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得る。すなわち、触媒層を通過させた排気ガスと触媒層を通過させない排気ガスとを、拡散律速層１８内を拡散させることができる態様であれば良い。

ここで、図５は、拡散律速層１８における触媒層２０の形成パターンの変形例を示す図である。図５は、拡散律速層１８において上述した被覆対向面１８ｂを覆うマスク層１９側からセンサ本体１１を見た状態を表している。図示のように、拡散律速層１８の側面１８ｃ及び１８ｄに対して、触媒層２０が形成される触媒層形成部及び触媒層非形成部を設けても良い。また、触媒層形成部及び触媒層非形成部の面積は等しくしても良いし、そうでなくても良い。つまり、触媒層形成部及び触媒層非形成部の面積の割合（以下、「触媒層形成割合」とも称する）は適宜変更し得る。また、触媒層形成割合は、空燃比センサ５に要求する空燃比の検出精度と、応答性能とのバランスに応じて変更すれば好適である。すなわち、空燃比の検出精度をより高めたい場合には触媒層形成割合を大きくし、応答性能をより高めたい場合には触媒層形成割合を小さくすることもできる。

また、触媒層形成面１８ｃに形成された触媒層２０は、排気ガスの熱やヒータ１７からの加熱によって高温となる。その結果、触媒層２０にシンダリングや熱劣化等が発生すると空燃比の検出精度が悪化する場合がある。本実施例では、触媒層形成面１８ｃにおける単位面積当たりの触媒担持量（例えば、単位面積当たりの塗布量あっても良く、以下、「単位担持量」とも称する）を充分に確保することで、触媒層２０の劣化に起因する空燃比の検出精度の悪化を抑制できる。

ここで、触媒層２０の単位担持量を増加させるほど排気ガス中のH₂の反応時間が長くなるとも考えられるが、本実施例にかかる空燃比センサ５では触媒層２０を通過せずに拡散
律速層１８内を拡散する非触媒層側流入ガスの存在によって、空燃比検出の応答性を好適に確保できる。また、触媒層非形成面１８ｄに触媒層２０を形成させない分だけコストを低減できるので、触媒層形成面１８ｃにおける触媒層２０の単位担持量を増加させても、拡散律速層１８に流入する排気ガスの全てに触媒層２０を通過させるタイプの空燃比センサに比べて総コストが増えることもない。

尚、本実施例における空燃比センサ５は、内燃機関１における空燃比を検出するために、被検出ガスにおける酸素濃度に対応する物理量を出力することの可能な手段を包括する概念であり、例えばリニア空燃比センサや、O₂センサ等であっても良い。なお、酸素濃度に対応する物理量とは、例えば電流値や電圧値であっても良い。また、本実施例の被検出ガスとして内燃機関１の排気を対象としているがこれに限定される趣旨ではなく、例えば内燃機関１の吸気を被検出ガスとしても良い。

本発明を実施するための実施の形態として、実施例１と異なる例について説明する。本実施例における空燃比センサ５及び、該空燃比センサ５を適用する内燃機関１の概略構成は実施例１の構成と同様であり、説明を省略する。

本実施例の内燃機関１においては、エアフロメータ２３によって検出された吸入空気量に基づいて、目標空燃比を実現するための燃料噴射量を算出することができる。更に、空燃比センサ５によって検出された空燃比に基づいて燃料噴射量を調整することにより、空燃比をフィードバック制御することができる。

このような制御によれば、内燃機関１全体としての空燃比（以下、「全体空燃比」と称する）を正確に制御することができる。全体空燃比を制御する場合、通常は、三元触媒４に良好な排気浄化作用を発揮させるべく、全体空燃比が理論空燃比（ストイキ）となるように制御される。以下の説明では、ＥＣＵ６は、全体空燃比が理論空燃比となるように制御するものとする。

しかしながら、４つの気筒２（１番気筒＃１〜４番気筒＃４）を有する内燃機関１では、一般に、吸気管２２に接続される図示しない吸気マニホールドの長さや形状が各気筒間で完全に同じではないため、吸入空気量を気筒間で完全に一致させることは困難となる。また、各気筒２に燃料を供給する燃料噴射弁（図示省略）の特性にも個体差があるため、燃料噴射量も、気筒間で完全に一致させることは困難となる。その結果、気筒間における空燃比のバラツキが生じ、これに起因して気筒毎に排気ガスのH₂濃度が相違してしまう。そのため、全体空燃比が理論空燃比に制御されている場合であっても空燃比センサ５による空燃比の検出値にはバラツキがあるのが普通である。

ここで、気筒間における空燃比の差の大きさを「気筒間の空燃比バラツキ度合い」と称すると、気筒間の空燃比バラツキ度合いが過大になると、排気エミッションが悪化し、或いは気筒間で発生するトルクが異なることでトルク変動の原因となる。そこで、本実施例において、ＥＣＵ６は気筒間の空燃比バラツキ度合いを推定し、この推定値がバラツキ過大領域に属すると判定された場合には、警告ランプ（図示省略）を点灯させることで運転者に報知することとした。バラツキ過大領域とは、気筒間の空燃比バラツキ度合いが高くなって、排気エミッションが悪化したり、内燃機関１のトルク変動が生じる虞があると判断される領域である。

上述したように、気筒間の空燃比バラツキ度合いが高くなると、各気筒２から排出される排気ガス中のH₂濃度にもバラツキが大きくなるため、空燃比センサ５からＥＣＵ６に入力される生出力値（平滑化処理（なまし処理）が行われていない出力値）は、全体空燃比
が同じであっても変動量が増大する。そこで本実施例では、基準サンプリング期間Δｔｂｓに亘って空燃比の生出力値をモニターし、当該生出力値のバラツキ幅を表す空燃比バラツキ幅ΔＡＦを取得する。

本実施例における空燃比バラツキ幅ΔＡＦは、基準サンプリング期間Δｔｂｓに検出された空燃比の生出力値のうち最大値と最小値との差の絶対値によって定義される。また、空燃比バラツキ幅ΔＡＦは、基準サンプリング期間Δｔｂｓにおいて検出された空燃比の生出力値と目標空燃比との差の絶対値における最大値によって定義されても良い。本実施例においては空燃比バラツキ幅ΔＡＦが本発明における空燃比のバラツキ幅に相当する。

本実施例では、図６に示すような空燃比バラツキ幅ΔＡＦと気筒間の空燃比バラツキ度合いとの関係が格納されたマップに空燃比バラツキ幅ΔＡＦを代入することで気筒間の空燃比バラツキ度合いが推定される。図示のように、空燃比バラツキ幅ΔＡＦが大きいほど気筒間の空燃比バラツキ度合いが高い値として推定される。そして、気筒間の空燃比バラツキ度合いが規定値ＬＭを超えた場合に、該空燃比バラツキ度合いがバラツキ過大領域に属するものと判断される。

ここで、気筒間の空燃比バラツキ度合いがちょうど規定値ＬＭになるときに対応した空燃比バラツキ幅ΔＡＦを規定バラツキ幅ΔＡＦｐと称する。この場合、空燃比バラツキ幅ΔＡＦが規定バラツキ幅ΔＡＦｐを超えた場合には、気筒間の空燃比バラツキ度合いがバラツキ過大領域に属すると判断されることになる。つまり、ここでの規定バラツキ幅ΔＡＦｐは、排気エミッションの悪化及び内燃機関１のトルク変動を抑制するために許容される空燃比バラツキ幅ΔＡＦの上限値としての意味を持つ。

なお、図６においては、空燃比バラツキ幅ΔＡＦと気筒間の空燃比バラツキ度合いとの関係は直線的に示されているが、例えば曲線的な相関関係を有しても良いのは勿論である。

以下、ＥＣＵ６によって実行される制御について、図７のフローチャートを参照しながら説明する。図７は本実施例における制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ６内のＲＯＭに記憶されたプログラムであり、内燃機関１の稼働中は所定期間毎に実行される。本実施例においては本ルーチンを実行するＥＣＵ６が本発明における空燃比検出手段及び推定手段に相当する。

本ルーチンが実行されると、先ずステップＳ１０１において、内燃機関１が始動されてからの経過時間ΔｔがＥＣＵ６によって読み込まれ、当該経過期間Δｔが基準時間Δｔｂ以上であるか否かが判定される。基準時間Δｔｂとは、内燃機関１の暖機に要する時間、或いは空燃比センサ５のヒータ１７によってセンサ本体１０を活性温度まで加熱するのに要する時間（つまり、空燃比センサ５の暖機に要する時間）として予め実験的に求めておくことができる。

本ステップにおいて、経過期間Δｔが基準時間Δｔｂ以上である場合にはステップＳ１０２に進む。一方、経過期間Δｔが基準時間Δｔｂ未満である場合には、気筒間の空燃比バラツキ度合いの推定を行うべきではないと判断され、本ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１０２では、基準サンプリング期間Δｔｂｓにおける空燃比バラツキ幅ΔＡＦが取得される。具体的には、基準サンプリング期間Δｔｂｓに亘り、空燃比センサ５の生出力値がモニターされる。ここでの生出力値とは、上述したように空燃比センサ５のセンサ電流値検出回路からの出力値をＥＣＵ６内のＡＤ変換器によってＡＤ変換したときに得られる値を意味しており、平滑化処理（なまし処理）は行われない。なお、基準サンプ
リング期間Δｔｂｓは、気筒間における空燃比バラツキ幅ΔＡＦを取得するに当たり生出力値がモニターされる期間であって、予め実験的に求めておくことができる。本実施例においては基準サンプリング期間Δｔｂｓが本発明における所定のサンプリング時間に相当する。

ステップＳ１０３では、空燃比バラツキ幅ΔＡＦが規定バラツキ幅ΔＡＦｐを超えているか否かが判定される。そして、肯定判定（ΔＡＦ＞ΔＡＦｐ）された場合には、気筒間の空燃比バラツキ度合いがバラツキ過大領域に属していると判断され、ステップＳ１０４に進む。一方、否定判定（ΔＡＦ≦ΔＡＦｐ）された場合には、気筒間の空燃比バラツキ度合いがバラツキ過大領域に属さないと判断され、本ルーチンを一旦終了する。ステップＳ１０４では、警告ランプが点灯されることで、気筒間の空燃比バラツキ度合いが高くなっていることが運転者に報知される。そして、本ステップの処理が終了すると、本ルーチンを一旦終了する。

以上のように、本制御によれば、基準サンプリング期間Δｔｂｓにおける空燃比バラツキ幅ΔＡＦの大きさに基づいて、気筒間の空燃比バラツキ度合いを推定し、この空燃比バラツキ度合いがバラツキ過大領域に属するか否かを判断できるので、空燃比センサ５の搭載（配置）位置が制約されない。従って、排気管３のより下流側への配置を可能にする。そうすれば、特に内燃機関１の冷間始動時において発生する凝縮水、飛散水によって空燃比センサ５が被水することを好適に抑制できる。また、本制御を実施するに当たり内燃機関１を特定の運転状態等に保持するなどの制約もなく、あらゆる運転状態において気筒間の空燃比バラツキ度合いを推定することができる。

実施例１に係る空燃比センサを適用する内燃機関と、その吸排気系の概略構成を示す図である。 図１における空燃比センサ付近の模式的な拡大断面図である。 図２におけるＡ−Ａ’線視断面図である。 空燃比センサの拡散律速層及び排気側電極周辺の模式図である。 拡散律速層における触媒層の形成パターンの変形例を示す図である。 空燃比のバラツキ幅ΔＡＦと気筒間の空燃比バラツキ度合いとの関係が格納されたマップである。 実施例２における制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・気筒
３・・・排気管
４・・・三元触媒
５・・・空燃比センサ
６・・・ＥＣＵ
８・・・保護カバー
９・・・通気孔
１０・・センサ本体
１１・・センサ素子
１２・・排気側電極
１３・・大気側電極
１５・・ヒータ層
１６・・大気室
１８・・拡散律速層
１９・・マスク層
２０・・触媒層

Claims (3)

1. 被検出ガスの空燃比に応じた出力信号を出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子を挟むように配置され、前記被検出ガスが導入される被検出ガス側電極と大気に晒される大気側電極とにより構成される一対の電極と、
   前記被検出ガスが流入する流入部から該被検出ガスを前記被検出ガス側電極へと導入させるとともに、前記被検出ガス側電極を覆うように前記センサ素子に設けられる拡散律速層と、
   前記流入部の一部に形成される触媒層と、
   を備え、
   前記流入部は、前記拡散律速層を形成する６面のうち、前記被検出ガス側電極を覆う被覆面及び該被覆面に対向する被覆対向面を除いた残りの４面において対向する一対の面に形成されており、
   前記触媒層は、前記流入部を形成する一対の対向面のうちの一方の面に形成され、他方の面に形成されないことを特徴とする空燃比センサ。
2. 被検出ガスの空燃比に応じた出力信号を出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子を挟むように配置され、前記被検出ガスが導入される被検出ガス側電極と大気に晒される大気側電極とにより構成される一対の電極と、
   前記被検出ガスが流入する流入部から該被検出ガスを前記被検出ガス側電極へと導入させるとともに、前記被検出ガス側電極を覆うように前記センサ素子に設けられる拡散律速層と、
   前記流入部の一部に形成される触媒層と、
   を備え、
   前記流入部は、前記拡散律速層を形成する６面のうち、前記被検出ガス側電極を覆う被覆面及び該被覆面に対向する被覆対向面を除いた残りの４面において対向する一対の面に形成されており、
   前記流入部を形成する一対の対向面の各々には、触媒層が形成される触媒層形成部と触媒層が形成されない触媒層非形成部とが設けられることを特徴とする空燃比センサ。
3. 多気筒内燃機関の排気通路に設けられる請求項１又は請求項２に記載の空燃比センサと、
   前記センサ素子が出力する出力信号に基づいて前記多気筒内燃機関から排出された排気ガスの空燃比を検出する排気空燃比検出手段と、
   所定のサンプリング時間における前記空燃比のバラツキ幅を取得し、該バラツキ幅の大きさに基づいて気筒間の空燃比バラツキ度合いを推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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