JP5904172B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関するものである。

例えば車両用エンジンでは、同エンジンから排出される排気を検出対象として酸素濃度を検出する起電力出力型のガスセンサが一般に用いられている。このガスセンサは、排気がリッチかリーンかで異なる起電力信号を出力する起電力セルを有するものであり、具体的には、空燃比がリッチであれば約０．９Ｖの起電力信号を出力し、空燃比がリーンであれば約０Ｖの起電力信号を出力する。

こうしたガスセンサでは、排気の空燃比がリッチ／リーンで変化する際に実際の空燃比変化に対してセンサ出力が遅れを伴い変化することが問題視されており、その出力特性を改善すべく種々の技術が提案されている。

例えば特許文献１のガスセンサ制御装置では、一対のセンサ電極の少なくともいずれかに定電流回路を接続する構成とし、ガスセンサの出力特性を変更する変更要求が有ると判定された場合に、その変更要求に基づいて定電流の向きを決定するとともに、該決定した向きで定電流が流れるように定電流回路を制御するようにしている。具体的には、定電流回路は、正逆いずれの方向にも定電流を供給可能であり、かつＰＷＭ制御による電流量の調整が可能となっている。

特開２０１２−６３３４５号公報

しかしながら、上記従来の技術では、定電流回路の定電流の供給態様をＰＷＭ制御等により制御する構成としており、コスト低減等の要望からすれば、構成の簡素化を図る上で改善の余地があると考えられる。

本発明は、構成の簡素化を図りつつ、ガスセンサの起電力セルに電流を流すことでセンサ出力特性の変更を可能とするガスセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明は、固体電解質体（３２）と該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力信号を出力するガスセンサ（１７）に適用されるガスセンサ制御装置である。そして、前記起電力セルにおける前記一対の電極の一方は起電力出力時に正側となる基準側電極（３４）、他方は起電力出力時に負側となる排気側電極（３３）であり、前記起電力セルに接続される電気経路に設けられ、前記起電力セルにおいて前記固体電解質体を通じて前記一対の電極間に所定の定電流を流す通電実施手段（４３）を備え、前記通電実施手段は、前記起電力セルにて起電力が生じる場合にその起電力を電源として電流を流すものであって、さらに少なくとも理論空燃比である場合の起電力を含みかつそれよりも大きい起電力範囲で一定電流の流通を可能とするものであることを特徴とする。

起電力セルはその起電力を用いることで電池としての利用が可能であり、その着眼に基づき、通電実施手段を、起電力セルにて生じる起電力を電源として電流を流すものとした。この場合、起電力セルを電池として用いることで、これに代わる電源手段が不要となり、通電実施手段として構成の簡素化を実現できる。こうした構成の簡素化により低コスト化の効果も期待できる。

また、固体電解質体に定電流を流すことで、固体電解質体において強制的に酸素イオンの移動を行わせ、ひいてはガスセンサの出力特性を変更できる。このとき、固体電解質体に流れる電流量に依存してセンサ出力特性が変更される。かかる場合において、通電実施手段は、少なくともストイキである場合の起電力（０．４５Ｖ）を含みかつそれよりも大きい起電力範囲（０．４５〜０．９Ｖの範囲）で一定電流の流通を可能としており、少なくともストイキ〜リッチ空燃比の範囲で、ガスセンサの出力特性を所望のとおりに変更できる。

エンジン制御システムの全体を示す概略構成図。 センサ素子の断面構成とセンサ制御部の概略構成とを示す図。 空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。 第１触媒の浄化特性とＯ2センサの出力特性とを示す図。 第１触媒の浄化特性とＯ2センサの出力特性とを示す図。 センサ素子におけるガス成分の反応を説明するための概略図。 センサ制御部の構成を示す図。 空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。 センサ起電力と定電流との関係を説明するための図。 定電流回路の異常判定の処理手順を示すフローチャート。 別例においてセンサ制御部の構成を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、車載エンジン（内燃機関）の排気管に設けられたガスセンサを用い、そのガスセンサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施するエンジン制御システムについて説明する。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。図１は、本システムの全体概要を示す構成図である。

図１において、エンジン１０は、例えばガソリンエンジンであり、電子制御式のスロットルバルブ１１や、燃料噴射弁１２、点火装置１３等を備えている。エンジン１０の排気管１４（排気部）には排気浄化装置としての触媒１５ａ，１５ｂが設けられている。触媒１５ａ，１５ｂは、例えばいずれも三元触媒よりなり、そのうち触媒１５ａが上流側触媒としての第１触媒、触媒１５ｂが下流側触媒としての第２触媒である。三元触媒は、周知のとおり排気の有害三成分であるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（ＮＯ等の窒素酸化物）を浄化するものであり、ハニカム状、格子状等をなすセラミックス製の担体に白金、パラジウム、ロジウム等の金属を担持させることで構成されている。この場合、三元触媒ではリッチ成分であるＣＯ、ＨＣが酸化作用により浄化され、リーン成分であるＮＯｘが還元作用により浄化される。

第１触媒１５ａの上流側にはＡ／Ｆセンサ１６が設けられ、触媒１５ａ，１５ｂの間（第１触媒１５ａの下流側でかつ第２触媒１５ｂの上流側）にはＯ2センサ１７が設けられている。Ａ／Ｆセンサ１６は、排気の空燃比に略比例するＡ／Ｆ信号を出力する。また、Ｏ2センサ１７は、排気の空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力する。

その他、本システムには、スロットルバルブ１１の開度を検出するスロットル開度センサ２１や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ２２、エンジン１０の吸入空気量を検出する空気量センサ２３、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２４等の各種センサが設けられている。図示は省略するが、上記以外に、気筒内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサ、アクセル開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ、エンジン潤滑油の温度を検出する油温センサ等が設けられている。これらの各センサが運転状態検出手段に相当する。

ＥＣＵ２５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（マイコン）を主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ２５は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁１２や点火装置１３の駆動を制御する。

特に燃料噴射量制御に関して、ＥＣＵ２５は、第１触媒上流側のＡ／Ｆセンサ１６の検出信号と、第１触媒下流側のＯ2センサ１７の検出信号とに基づいて空燃比フィードバック制御を実施することとしている。すなわち、ＥＣＵ２５は、Ａ／Ｆセンサ１６により検出される実空燃比（触媒上流側の実空燃比）が、エンジン運転状態に基づいて設定される目標空燃比になるようにメインフィードバック制御を実施するとともに、Ｏ2センサ１７により検出される実空燃比（触媒下流側の実空燃比）が、目標空燃比になるようにサブフィードバック制御を実施する。サブフィードバック制御では、例えば、触媒下流側の実空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、メインフィードバック制御の目標空燃比を修正したり同メインフィードバック制御のフィードバック補正量を修正したりする。空燃比制御として、ＥＣＵ２５は、例えば目標空燃比をストイキ（理論空燃比）とするストイキフィードバック制御を実施する。

次に、第１触媒下流側のＯ2センサ１７についてその構成を説明する。Ｏ2センサ１７はコップ型構造のセンサ素子３１を有しており、図２にはセンサ素子３１の断面構成を示す。実際には当該センサ素子３１は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おり、エンジン排気管内に配設されている。センサ素子３１が起電力セルに相当する。

センサ素子３１において、固体電解質層３２は断面コップ状に形成されており、その外表面には排気側電極３３が設けられ、内表面には大気側電極３４が設けられている。これら各電極３３，３４は固体電解質層３２の表面に層状に設けられている。固体電解質層３２は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3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。また、各電極３３，３４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。各電極３３，３４が一対の対向電極（センサ電極）となっている。固体電解質層３２にて囲まれる内部空間は大気室３５（基準室）となっており、その大気室３５内にはヒータ３６が収容されている。ヒータ３６は、センサ素子３１を活性化するに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子全体が加熱される。Ｏ2センサ１７の活性温度は、例えば５００〜６５０℃程度である。なお、大気室３５は、大気が導入されることでその内部が所定酸素濃度に保持されている。

上記センサ素子３１では、固体電解質層３２の外側（電極３３側）が排気雰囲気、同内側（電極３４側）が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極３３，３４間で起電力が発生する。つまり、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力が発生する。この場合、基準側電極である大気側電極３４からすれば、排気側電極３３の側は酸素が低濃度であり、センサ素子３１において大気側電極３４を正側、排気側電極３３を負側として起電力が発生する。これにより、Ｏ2センサ１７は、排ガスの酸素濃度（すなわち空燃比）に応じた起電力信号を出力する。

図３は、排気の空燃比とセンサ素子３１の起電力との関係を示す起電力特性図である。図３において、横軸は空気過剰率λであり、λ＝１がストイキ（理論空燃比）である。センサ素子３１は、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、ストイキ付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、リッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、リーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。

図２において、センサ素子３１にはセンサ制御部４０が接続されており、排気の空燃比（酸素濃度）に応じてセンサ素子３１にて起電力が発生すると、その起電力に相当するセンサ検出信号（起電力信号）がセンサ制御部４０内のマイコン４１に対して出力される。マイコン４１はセンサ素子３１の起電力信号に基づいて空燃比を算出する。センサ制御部４０は、図１に示すＥＣＵ２５内に設けられている。なお、ＥＣＵ２５においては、エンジン制御機能とセンサ制御機能とを有する演算手段としてマイコン４１が設けられている。この場合、マイコン４１は、上述した各種センサの検出結果に基づいて、エンジン回転速度や吸入空気量を算出する。ただし、ＥＣＵ２５において、エンジン制御用のマイコンとセンサ制御用のマイコンとが別々に設けられる構成であってもよい。

また、マイコン４１は、センサ素子３１の活性状態の判定を行うとともに、その判定結果に基づき、駆動部４２を通じてヒータ３６の駆動を制御する。その活性判定及びヒータ制御については周知であるため、ここでは簡単に説明する。マイコン４１は、センサ素子３１に印加する電圧又は電流を交流的に変化させ、それに応じて生じる電流変化又は電圧変化を検出する。そして、その電流変化又は電圧変化に基づいてセンサ素子３１の素子抵抗（素子インピーダンス）を算出するとともに、その素子抵抗に基づいてヒータ３６の通電制御を実施する。このとき、センサ素子３１の活性状態（すなわち素子温）と素子抵抗とには相関があり、素子抵抗が所定の目標値に制御されることで、センサ素子３１が所望の活性状態（活性温度５００〜６５０℃となる状態）に維持される。ヒータ制御として、例えば素子温フィードバック制御が実施されるとよい。

ところで、エンジン１０の運転時には、排気の実空燃比が逐次変化し、例えばリッチとリーンとで繰り返し変化することがある。こうした実空燃比の変化に際し、Ｏ2センサ１７の出力とリーン成分であるＮＯｘの存在との関係において対応のずれがあると、それに起因して都度のエミッション性能に影響が及ぶことが懸念される。例えば、エンジン１０の高負荷運転時（車両加速時）において排気中のＮＯｘ量が意図よりも増えてしまう等が生じる。

本実施形態では特に、起電力出力型のＯ2センサ１７の出力特性と、その上流側に設けられる第１触媒１５ａの排気浄化特性との関係に基づいてＯ2センサ１７の検出態様を変更するようにしており、その詳細な構成について以下に説明する。図４は、三元触媒である第１触媒１５ａの浄化特性とＯ2センサ１７の出力特性とを示す図であり、具体的には、
・第１触媒１５ａにおいて排気の有害三成分であるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化率と空燃比との関係、
・触媒下流側における上記三成分のガス濃度及び酸素濃度と空燃比との関係、
・Ｏ2センサ１７の排気側電極３３の表面付近における上記三成分のガス濃度及び酸素濃度と空燃比との関係、
・Ｏ2センサ１７の起電力出力と空燃比との関係、
をそれぞれ示している。

第１触媒１５ａ（三元触媒）は、周知のとおりストイキ（空気過剰率λ＝１）となる付近で上記三成分の浄化率がいずれも高くなる浄化ウィンドウを有している。また、触媒下流側における上記三成分及び酸素の濃度を見ると、ストイキ付近において、リッチ成分（ＣＯ，ＨＣ）の濃度と酸素濃度とが等しくなる反応平衡点Ａ１が存在する一方、触媒下流にＮＯｘ（ＮＯ）が流出し始めるＮＯｘ流出点Ａ２が存在することが分かる。この場合、ＮＯｘ流出点Ａ２の方が反応平衡点Ａ１よりもリッチ側にあり、これら両者の間にはΔＡの隔たりが有るのが分かる。つまり、第１触媒１５ａは、その浄化特性として、リッチ成分及び酸素の平衡点となる反応平衡点Ａ１（第１空燃比点に相当）よりもリッチ側に、ＮＯｘが流出し始めるＮＯｘ流出点Ａ２（第２空燃比点に相当）を有している。反応平衡点Ａ１はリッチ成分及び酸素の平衡特性における変曲点であり、ＮＯｘ流出点Ａ２はＮＯｘの流出濃度特性における変曲点であるとも言える。

こうしてＡ１点、Ａ２点のずれが生じる理由としては以下が考えられる。エンジン運転中においてＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2を含む排気が第１触媒１５ａに導入される場合には、第１触媒１５ａからＣＯ、ＨＣに加えてＮＯｘが同時に流出されることがあると考えられる。例えば三元触媒の浄化ウィンドウの領域にあっても、詳細に見れば多少なりともＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘが流出する。この場合、Ｏ2は、ＣＯ、ＨＣとの平衡がとられながら流出する（ＣＯ、ＨＣの濃度≒０で流出し始める）のに対し、ＮＯｘは、ＣＯ、ＨＣの反応とは別に触媒下流側に流出するため、Ａ１点、Ａ２点のずれが生じる。

また、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近における上記三成分及び酸素の濃度は、触媒下流側と同様になっている。この場合、Ａ１よりもリッチ側では、酸素に対してリッチ成分（ＣＯ，ＨＣ）が多く存在し、Ａ１よりもリーン側ではリッチ成分に対して酸素が多く存在する。したがって、Ｏ2センサ１７の起電力出力について言えば、第１触媒１５ａの反応平衡点Ａ１を境にして、リッチ信号（０．９Ｖ）及びリーン信号（０Ｖ）のいずれかの起電力信号が出力される。この場合、Ｏ2センサ１７におけるリッチ成分及び酸素の反応平衡点が、第１触媒１５ａにおける反応平衡点Ａ１に一致していると言える。また、ＮＯｘは、Ａ１よりもリッチ側においても存在するものとなっている。

Ｏ2センサ１７の排気側電極付近においては、排気中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘについて下記の反応式に基づく酸化反応及び還元反応が生じる。
ＣＯ＋０．５Ｏ2→ＣＯ2 …（１）
ＣＨ4＋２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ …（２）
ＣＯ＋ＮＯ→ＣＯ2＋０．５Ｎ2 …（３）
また、上記（１）〜（３）の化学反応の平衡定数をそれぞれｋ１，ｋ２，ｋ３とすると、ｋ１，ｋ２＞＞ｋ３の関係となっている。

この場合、Ｏ2センサ１７では、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2等のガス反応によって平衡点（起電力出力＝０．４５Ｖの点）が決定される。ただし、平衡定数の違いにより、ＣＯ、ＨＣとＯ2との反応が排気側電極３３の主反応となっている。

そして、第１触媒１５ａの排気浄化特性において上記の隔たりΔＡが存在しており、さらにそのΔＡがＯ2センサ１７の出力特性に影響を及ぼしていることで、第１触媒１５ａからＮＯｘの流出が生じてもＯ2センサ１７の出力自体はそのＮＯｘ流出に対応したものでなくなる。これにより、ＮＯｘ流出を把握できず、結果としてＮＯｘ排出量が増えてしまうことが懸念される。

そこで本実施形態では、Ｏ2センサ１７のセンサ素子３１において一対の電極３３，３４の間に所定の電流を流し、それによりＯ2センサ１７の排気側電極付近においてリッチ成分の濃度を減らすとともに酸素濃度を増やすようにしている。つまり、図５に示すように、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を、Ａ１からＡ３に変更するようにしている。図５では、図４との比較において、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるＣＯ、ＨＣ、Ｏ2の濃度特性がいずれもリッチ側にシフトしている。これにより、Ｏ2センサ１７の出力特性が変更され、第１触媒１５ａからＮＯｘが流出する場合においてＯ2センサ１７の出力をＮＯｘ流出に対応させたものにすることができる。

一対の電極３３，３４の間に電流を流すことでセンサ出力特性が変更される原理は以下のとおりである。図６に示すように、Ｏ2センサ１７の排気側電極３３の付近には、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2がそれぞれ存在しており、その状況下で、固体電解質層３２を通じて大気側電極３４から排気側電極３３に酸素イオンが移動するように、センサ素子３１に電流を流す。すなわち、センサ素子３１において酸素ポンピングを実施する。この場合、排気側電極３３では、固体電解質層３２を通じて排気側電極３３の側に移動した酸素がＣＯ、ＨＣと反応し、ＣＯ2やＨ2Ｏが生成される。これにより、排気側電極３３の付近におけるＣＯ、ＨＣが除去され、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点がリッチ側にシフトする。

次に、Ｏ2センサ１７に関する制御を実施するセンサ制御部４０の構成を説明する。センサ制御部４０の構成は図２に示すとおりであり、センサ制御部４０は、制御手段としてのマイコン４１を備えている。マイコン４１はセンサ素子３１から出力される起電力信号をＡ／Ｄ変換器等を介して取り込み、その起電力信号に基づいて排気の空燃比（特に触媒下流の空燃比）を算出する。また、センサ素子３１の大気側電極３４とマイコン４１とを電気的に接続する電気経路の途中には通電実施手段としての定電流回路４３が接続されている。定電流回路４３は、センサ素子３１が起電力を発生する際において、そのセンサ起電力が印加されることでその起電力に応じた電流をセンサ素子３１に流すものとなっている。この場合、定電流回路４３によれば、センサ素子３１において固体電解質層３２を通じて排気側電極３３から大気側電極３４に向けて電流が流れることになり、それに伴い固体電解質層３２において大気側電極３４から排気側電極３３に向けて酸素イオンが移動する。

本実施形態では、第１触媒１５ａにおける、酸素流出に関する反応平衡点Ａ１と、ＮＯｘ流出に関するＮＯｘ流出点Ａ２とのずれに基づいて定電流の制御を行うこととしており、特にＯ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点がＮＯｘ流出点Ａ２又はその付近になるように定電流の制御を行うこととしている。これにより、第１触媒１５ａの浄化特性を基準にしてＯ2センサ１７の出力特性が変更されることになり、第１触媒１５ａからＮＯｘが流出する際には、その当初からＯ2センサ１７においてリーン信号が出力されるようになる。

ここで、ＮＯｘの排出抑制を図るべくそのロバスト性を確保する観点からすれば、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を、ＮＯｘ流出点Ａ２よりもリッチ側にすることが望ましいと言える（図５参照）。具体的には、ＮＯｘ流出点Ａ２に対して空気過剰率λで０．１〜０．５％程度（より望ましくは０．１〜０．３％程度）リッチ側にして、弱リッチの状況にするとよい。

センサ制御部４０の定電流回路４３及びその周辺回路についてより詳細な構成を図７で説明する。

図７において、定電流回路４３は、所定の定電圧を生成する電圧生成部５１と、オペアンプ５２と、オペアンプ５２の出力により駆動されるｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ５３と、ＭＯＳＦＥＴ５３のソースに接続された抵抗５４とを備えている。電圧生成部５１は、定電圧源５１ａ（例えば５Ｖ）と抵抗５１ｂ，５１ｃとが直列接続されて構成されており、抵抗５１ｂ，５１ｃの中間点が電圧出力点Ｘ１となっている。そして、オペアンプ５２においてはその＋入力端子が電圧出力点Ｘ１に接続されるとともに、出力端子がＭＯＳＦＥＴ５３のゲートに接続されている。また、−入力端子がＭＯＳＦＥＴ５３と抵抗５４との間の中間点Ｘ２に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ５３からすれば、ゲートがオペアンプ５２の出力端子に接続され、ドレインがセンサ素子３１の大気側電極３４に接続され、ソースが抵抗５４に接続されている。

上記構成の定電流回路４３では、オペアンプ５２の＋入力端子の電圧と−入力端子の電圧とが等しくなるように動作するため、Ｘ２の電圧がＸ１の電圧に等しくなる。そして、センサ素子３１、ＭＯＳＦＥＴ５３及び抵抗５４からなる直列回路には、Ｘ２の電圧と抵抗５４の抵抗値とにより決定される電流量の定電流Ｉｃｓが流れる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ５３は、＋及び−の入力電圧の差に基づくオペアンプ出力電圧に応じて動作し、一定の定電流Ｉｃｓを流す電流制御素子として機能する。なお、Ｘ２の電圧が基準電圧に相当する。

ここで、Ｘ１及びＸ２の電圧や抵抗５４の抵抗値は、センサ素子３１に起電力が生じる場合にそのセンサ素子３１に流したい電流量に応じて決定されるとよい。具体的には、センサ素子３１に起電力（０〜０．９Ｖ）が生じる場合にそのセンサ素子３１に０．１ｍＡの電流を流すのであれば、例えばＸ１及びＸ２の電圧を１０ｍＶ、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする。また、０．２ｍＡの電流を流すのであれば、例えばＸ１及びＸ２の電圧を２０ｍＶ、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする。電流量の範囲を０．１〜１．０ｍＡにするのであれば、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする場合に、Ｘ１及びＸ２の電圧を１０ｍＶ〜１００ｍＶの範囲で設定するとよい。ただしこの場合、定電流回路４３においてＭＯＳＦＥＴ５３と抵抗５４との間の中間点Ｘ２の電圧である基準電圧は、ストイキでの起電力（０．４５Ｖ）よりも小さい電圧である。

また、抵抗５４の抵抗値の範囲は５０〜５００Ω程度であるとよい。ここで、素子抵抗値＝３５０Ω、電流量＝１．０ｍＡとする場合、抵抗５４の抵抗値＝５００Ωであれば、起電力≧０．８５Ｖである場合に所望の電流量（１．０ｍＡ）を流すことが可能となる。リッチ状態でのセンサ起電力を考えると、抵抗５４の抵抗値＝５００Ωの場合に所望の電流量（１．０ｍＡ）を流すことが可能となり、これを抵抗５４の抵抗値の最大値とする。なお、ストイキ状態で所望の電流量（１．０ｍＡ）を流すことを可能にするなら、抵抗５４の抵抗値の最大値を１００Ωにするとよい。ただし、素子活性状態の素子抵抗の最大値を３５０Ω以下に想定するならこの限りでなく、例えば素子活性状態の素子抵抗の最大値を３００Ωとするなら、抵抗５４の抵抗値の最大値を１５０Ωにするとよい。また、抵抗値の最小値（５０Ω）は、異常検出の成立性を考慮した上での値である。この場合、抵抗５４の抵抗値＝５０Ωであれば、０．１ｍＡ時に電圧＝５ｍＶとなり、電圧範囲０〜５Ｖの１４ビットＡＤ変換器を使用することを考えると、検出値は１６（＝２^14／１０００）となり、適正な異常検出が可能となっている。

上記構成の定電流回路４３を用いたセンサ制御部４０では、センサ素子３１において起電力が生じる場合に、その起電力を電源として（換言すればセンサ素子３１を電池として）ＭＯＳＦＥＴ５３及び抵抗５４に所定の定電流Ｉｃｓが流れる。これにより、Ｏ2センサ１７の出力特性の変更が可能となっている。

図８は、定電流回路４３を用いて定電流Ｉｃｓを流す場合におけるセンサ出力特性を説明するための図である。図８では、定電流Ｉｃｓが流れることで、センサ出力特性を示す特性線がリッチ側にシフトしている。またこれに加え、図７に示す回路構成ではセンサ素子３１、ＭＯＳＦＥＴ５３及び抵抗５４からなる直列回路においてセンサ素子３１とＭＯＳＦＥＴ５３との中間点でセンサ起電力が検出されることから、センサ起電力が全体として小さくなっている。

ここで、センサ素子３１に定電流Ｉｃｓを流す場合に、本来ならセンサ起電力が０〜０．９Ｖの範囲内のどの値になろうとも定電流Ｉｃｓを一定にし、センサ素子３１において一定量の酸素イオンの移動を実現することが望ましい。ただし、上記構成の定電流回路４３を用いる場合には、センサ起電力を電源として定電流Ｉｃｓを流すようになっているため、センサ起電力が小さくなる領域では、自ずと定電流Ｉｃｓの値が小さくなってしまう。つまり、図８において起電力≧Ｖｙとなる領域では定電流Ｉｃｓを一定の電流量で維持できるのに対し、起電力＜Ｖｙとなる領域では定電流Ｉｃｓが一定の電流量で維持できず本来値よりも小さくなる。図８のセンサ出力特性では、その全体が一定の定電流ＩｃｓによりシフトされるのであればＺ点よりも低電圧側で破線のような特性になるのに対し、起電力＜Ｖｙとなる領域で電流量が減ることにより、Ｚ点よりも低電圧側で実線のようにシフト量が減る。なお、Ｖｙは、定電流回路４３において定電流Ｉｃｓが適正に流れることを保証する保証電圧であり、図７の構成においてＸ２の電圧とＭＯＳＦＥＴ５３のオン抵抗（オン時の電圧降下分）とに応じた電圧となっている。

ちなみに、保証電圧Ｖｙは、センサ素子３１の活性状態を示す素子抵抗値や、定電流回路４３により流したい電流量に応じて変わり、その関係は図９に示すとおりとなる。図９では、素子抵抗値＝５０Ωの場合を（ａ）に示し、素子抵抗値＝１５０Ωの場合を（ｂ）に示し、素子抵抗値＝３５０Ωの場合を（ｃ）に示している。

つまり、図９（ａ）〜（ｃ）をそれぞれ見ると、概ね定電流Ｉｃｓの電流量が大きい場合には小さい場合に比べて保証電圧Ｖｙ（すなわち本来の電流量を流すことが可能なセンサ起電力）が大きい値となっている。例えば図９（ａ）では、定電流＝０．１ｍＡの場合にＶｙ＝０．０３Ｖ、定電流＝０．５ｍＡの場合にＶｙ＝０．１５Ｖ、定電流＝１．０ｍＡの場合にＶｙ＝０．３Ｖとなっている。また、図９（ｂ）では、定電流＝０．１ｍＡの場合にＶｙ＝０．０４Ｖ、定電流＝０．５ｍＡの場合にＶｙ＝０．２Ｖ、定電流＝１．０ｍＡの場合にＶｙ＝０．４Ｖとなっている。図９（ｃ）では、定電流＝０．１ｍＡの場合にＶｙ＝０．０６Ｖ、定電流＝０．５ｍＡの場合にＶｙ＝０．３Ｖ、定電流＝１．０ｍＡの場合にＶｙ＝０．６Ｖとなっている。本実施形態の定電流回路４３は、リッチ状態での起電力出力時に一定電流の流通を可能とするものである。また、少なくともストイキである場合の起電力（０．４５Ｖ）を含みかつそれよりも大きい起電力範囲で一定電流の流通を可能とするものであるとよい。この場合、図９（ｃ）ではＶｙ＝０．６Ｖとなっているが、定電流の範囲の上限を小さくする等すれば対応が可能である。

ところで、上記のとおり定電流回路４３に流れる定電流ＩｃｓによりＯ2センサ１７の出力特性が変更される場合において、仮に定電流回路４３に異常が生じると、排気エミッションの性能に影響が及ぶ。そこで本実施形態では、マイコン４１に、定電流回路４３を対象にして異常判定を実施する異常判定機能を付加している。

異常検出のための構成としては、図７に示すように排気側電極３３に電流検出用のシャント抵抗５７を接続し、そのシャント抵抗５７に流れる電流を電流検出部５８により検出する。電流検出部５８は、例えばオペアンプ等を用いてなる差動増幅回路により構成されるとよい。この場合、シャント抵抗５７及び電流検出部５８によれば、定電流回路４３により流れる実電流量が検出され、マイコン４１ではその実電流量に基づいて定電流回路４３の異常判定が実施される。

ただし、上述したとおり定電流回路４３ではセンサ起電力が小さくなる領域（起電力＜Ｙ１となる領域）で定電流Ｉｃｓが本来値よりも小さくなる。そこで本実施形態では、センサ起電力が小さい所定領域で、異常判定を無効化する構成としている。

図１０は定電流回路４３の異常判定の処理手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４１により所定周期で繰り返し実施される。

図１０において、ステップＳ１１では、異常判定の実施条件が成立しているか否かを判定する。その実施条件には、例えばセンサ素子３１が活性状態にあることが含まれる。そして、実施条件が成立していれば、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、センサ起電力が所定値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する。所定値Ｖｔｈは、例えば図８のＶｙの電圧値である。このとき、所定値Ｖｔｈを、センサ素子３１の温度に基づいて設定することも可能である。具体的には、センサ素子３１が低温である場合に、素子抵抗値が大きくなることに合わせて所定値Ｖｔｈを大きくするとよい。なお、ステップＳ１２として、空燃比がリーン状態でないことを判定してもよい。

そして、センサ起電力が所定値以上である（又は空燃比がリーン状態でない）と判定されれば、ステップＳ１３に進み、ステップＳ１３以降の異常判定の処理を実施する。これに対し、センサ起電力が所定値未満である（又は空燃比がリーン状態である）と判定されれば、ステップＳ１３以降の異常判定の処理を実施しない。つまり、異常判定の処理を無効化する。なお、無効化の処理としては、異常判定の処理を実施した後、その判定結果を無効化するものであってもよい。

ステップＳ１３では、定電流回路４３にて設定されている電流量（設定電流量）と、シャント抵抗４５及び電流検出部４６により検出された実電流量とを読み込む。また、続くステップＳ１４では、設定電流量と実電流量とを比較し、これら両者の差（絶対値）が所定の判定値Ｋよりも小さいか否かを判定する。そして、｜設定電流量−実電流量｜＜ＫであればステップＳ１５で定電流回路４３が正常である旨を判定し、｜設定電流量−実電流量｜≧ＫであればステップＳ１６で定電流回路４３が異常である旨を判定する。定電流回路４３が異常であると判定された場合、ステップＳ１７では、フェイルセーフ処理として、定電流回路４３による定電流の供給停止、空燃比サブフィードバック制御の停止、インパネ等に設けた異常警告灯の点灯、ダイアグデータの記憶等を実施する。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

センサ素子３１はその起電力を用いることで電池としての利用が可能であり、その着眼に基づき、通電実施手段としての定電流回路４３を、センサ素子３１にて生じる起電力を電源として電流を流すものとした。この場合、センサ素子３１を電池として用いることで、これに代わる電源手段が不要となり、定電流回路４３として構成の簡素化を実現できる。こうした構成の簡素化により低コスト化の効果も期待できる。

また、定電流回路４３は、少なくともストイキである場合の起電力（０．４５Ｖ）を含みかつそれよりも大きい起電力範囲（０．４５〜０．９Ｖの範囲）で一定電流の流通を可能としており、少なくともストイキ〜リッチ空燃比の範囲で、Ｏ2センサ１７の出力特性を所望のとおりに変更できる。

定電流回路４３を、センサ素子３１に対して直列接続されるＭＯＳＦＥＴ５３と抵抗５４とを備える構成としたため、都度の空燃比に応じて適正なる起電力出力が得られる構成としつつも、センサ素子３１に所望の定電流を流すことを可能としている。

定電流回路４３においてＭＯＳＦＥＴ５３と抵抗５４との間の中間点Ｘ２の電圧である基準電圧を、ストイキでの起電力（０．４５Ｖ）よりも小さい電圧とした。これにより、ストイキ点でのセンサ出力特性を変更する上で、そのロバスト性を高めることが可能となる。

上記構成の定電流回路４３によれば、第１触媒１５ａにおいてＮＯｘが流出し始める空燃比に対して、Ｏ2センサ１７の出力特性を合わせ込むことが可能となる。つまり、第１触媒１５ａからＮＯｘが流出する場合にそれに対応するＯ2センサ１７の起電力出力が生じるようにすることができる。その結果、Ｏ2センサ１７の出力特性を適正に変更し、ひいてはＮＯｘ排出の抑制を図ることができる。

また、定電流回路４３により流れる定電流Ｉｃｓによれば、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点が、ＮＯｘ流出点Ａ２（第２空燃比点）又はその付近にシフトされる。これにより、Ｏ2センサ１７の出力を用いてＮＯｘ排出の抑制を図る上でより好適な構成を実現できる。

特に、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点が、ＮＯｘ流出点Ａ２（第２空燃比点）に対して弱リッチになるように、定電流回路４３により定電流Ｉｃｓを流すことで、ＮＯｘの排出抑制を図る上でロバスト性を確保できる。

センサ素子３１の起電力に基づき定電流Ｉｃｓを生成する定電流回路４３では、空燃比リーンの状態となりセンサ起電力が小さくなると、定電流Ｉｃｓとして一定の電流量を流せなくなり、定電流Ｉｃｓが意に反して低下する。そのため、実電流に基づいて異常判定を行う場合において誤判定が懸念される、この点、実電流が所定値以下になる場合に異常判定を無効化する構成としたため、定電流回路４３の異常の誤判定を抑制できる。

センサ素子３１の温度（素子温）に応じて内部抵抗が変化することを加味することで、異常判定の信頼性を高めることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・定電流回路４３においてＭＯＳＦＥＴ５３と抵抗５４との間の中間点Ｘ２の電圧である基準電圧を、可変に設定する構成としてもよい。具体的には、図１１に示すように、定電流回路４３において、電圧生成部５１により生成される電圧（電圧出力点Ｘ１の電圧）をマイコン４１により可変に制御する構成にするとよい。その電圧可変のための構成は任意でよいが、例えば直列接続された抵抗５１ｂ，５１ｃのうち抵抗５１ｂの抵抗値をマイコン４１により可変に制御することで、Ｘ１の電圧値を可変にする。これにより、センサ素子３１の起電力を用いて同センサ素子３１に電流を流すことで通電実施手段としての構成の簡素化を図りつつも、センサ素子３１に流す電流量を可変に調整する機能を付与できる。つまり、Ｏ2センサ１７の出力特性の変更幅を任意に調整できることとなる。

・上記実施形態では、定電流回路４３における設定電流量と実電流量との比較により定電流回路４３の異常の有無を判定する構成としたが、これに代えて、実電流量の変化に対するセンサ出力電圧の変化（センサ起電力の変化量）に基づいて定電流回路４３の異常の有無を判定する構成としてもよい。

・上記実施形態では、第１触媒１５ａの下流側にＯ2センサ１７を設ける構成としたが、これに代えて、第１触媒１５ａの中間部分にＯ2センサ１７を設ける構成であってもよい。この場合、第１触媒１５ａの担体にＯ2センサ１７を設ける構成であればよい。いずれにしても、Ｏ2センサ１７が、第１触媒１５ａによる浄化後の排気を検出対象としてガス成分を検出するものであればよい。

・ガスセンサは、上記構成のＯ2センサ１７以外に、起電力セルとポンプセルとを備える、いわゆる２セル構造のガスセンサであってもよい。この場合、２セル式ガスセンサの起電力セルについて出力特性を好適に変更できるものとなる。

１０…エンジン（内燃機関）、１７…Ｏ2センサ（ガスセンサ）、３１…センサ素子（起電力セル）、３２…固体電解質層、３３…排気側電極、３４…大気側電極、４０…センサ制御部、４３…定電流回路（通電実施手段）。

Claims (8)

1. 固体電解質体（３２）と該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力信号を出力するガスセンサ（１７）に適用されるガスセンサ制御装置であって、
   前記起電力セルにおける前記一対の電極の一方は起電力出力時に正側となる基準側電極（３４）、他方は起電力出力時に負側となる排気側電極（３３）であり、
   前記起電力セルに接続される電気経路に設けられ、前記起電力セルにおいて前記固体電解質体を通じて前記一対の電極間に所定の定電流を流す通電実施手段（４３）を備え、
   前記通電実施手段は、前記起電力セルにて起電力が生じる場合にその起電力を電源として電流を流すものであって、さらに少なくとも理論空燃比である場合の起電力を含みかつそれよりも大きい起電力範囲で一定電流の流通を可能とするものであり、前記起電力セルに接続される電気経路に設けられた抵抗（５４）と、その抵抗の両端のうち前記基準側電極の側の端部の電圧を所定の基準電圧で保持するよう動作する動作素子（５２，５３）とを有しており、
   前記基準電圧を、理論空燃比である場合の起電力よりも小さい電圧としていることを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記抵抗の抵抗値は、５０〜５００Ωである請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記基準電圧を可変とする電圧変更手段（４１）を備える請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 固体電解質体（３２）と該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力信号を出力するガスセンサ（１７）に適用されるガスセンサ制御装置であって、
   さらに前記内燃機関の排気部（１４）に設けられ、排気中のリーン成分であるＮＯｘとリッチ成分とを浄化する触媒（１５ａ）を備え、前記ガスセンサが、前記触媒の中間部分又は該触媒の下流側に設けられ、該触媒による浄化後の排気を検出対象として空燃比を検出する内燃機関の排気浄化装置に適用されるものであり、
   前記触媒は、空燃比と浄化率との関係を示す浄化特性として、前記リッチ成分及び酸素の平衡点となる第１空燃比点（Ａ１）よりもリッチ側に、前記ＮＯｘが流出し始める第２空燃比点（Ａ２）を有しており、
   前記起電力セルにおける前記一対の電極の一方は起電力出力時に正側となる基準側電極（３４）、他方は起電力出力時に負側となる排気側電極（３３）であり、
   前記起電力セルに接続される電気経路に設けられ、前記起電力セルにおいて前記固体電解質体を通じて前記一対の電極間に所定の定電流を流す通電実施手段（４３）を備え、
   前記通電実施手段は、前記起電力セルにて起電力が生じる場合にその起電力を電源として電流を流すものであって、さらに少なくとも理論空燃比である場合の起電力を含みかつそれよりも大きい起電力範囲で一定電流の流通を可能とし、前記触媒における前記第１空燃比点と前記第２空燃比点とのずれに対応する電流量を前記定電流として流すものであることを特徴とするガスセンサ制御装置。
5. 前記通電実施手段は、前記起電力セルの排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を前記第２空燃比点又はその付近にシフトさせるのに要する電流量を前記定電流として流すものである請求項４に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記通電実施手段は、前記起電力セルの排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を前記第２空燃比点よりもリッチ側にシフトさせるのに要する電流量を前記定電流として流すものである請求項５に記載のガスセンサ制御装置。
7. 固体電解質体（３２）と該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力信号を出力するガスセンサ（１７）に適用されるガスセンサ制御装置であって、
   前記起電力セルにおける前記一対の電極の一方は起電力出力時に正側となる基準側電極（３４）、他方は起電力出力時に負側となる排気側電極（３３）であり、
   前記起電力セルに接続される電気経路に設けられ、前記起電力セルにおいて前記固体電解質体を通じて前記一対の電極間に所定の定電流を流す通電実施手段（４３）を備え、
   前記通電実施手段は、前記起電力セルにて起電力が生じる場合にその起電力を電源として電流を流すものであって、さらに少なくとも理論空燃比である場合の起電力を含みかつそれよりも大きい起電力範囲で一定電流の流通を可能とするものであり、
   前記起電力セルに流れる実電流の電流量を検出する電流検出手段（５７，５８）と、
   前記通電実施手段により前記定電流を流している場合に、前記電流検出手段により検出される電流量に基づいて前記通電実施手段の異常の有無を判定する異常判定手段（４１）と、
   前記起電力セルの起電力があらかじめ定めた所定の電圧値以下であることを判定する起電力判定手段（４１）と、
   前記起電力判定手段により前記起電力が所定の電圧値以下であると判定された場合に、前記異常判定手段の異常判定を無効化する無効化手段（４１）と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
8. 前記起電力セルの温度に基づいて、前記所定の電圧値を設定する請求項７に記載のガスセンサ制御装置。

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