JP6319004B2 - 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、排気の空燃比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。そして、その定電流の供給により、ガスセンサの出力特性を好適に制御するようにしている。

特開２０１２−６３３４５号公報

ところで、ガスセンサにおいては、センサ素子（起電力セル）の温度に依存してセンサ素子の抵抗値（素子抵抗）が変化し、エンジンの冷間始動時や、エンジンの燃料カットに伴う排気温の低下時には、センサ素子の温度低下に伴い素子抵抗が大きくなる。この場合、素子抵抗が大きくなると、一定の定電流を流した状態下であってもセンサ素子に印加される電圧（＝素子抵抗×定電流）が大きくなる。そして、その印加電圧が過大になると、センサ素子において固体電解質体が変質する等の不都合（悪影響）が生じることが懸念される。それゆえに、センサ素子に定電流を供給する構成において、そのセンサ素子を保護することに関して改善の余地があると考えられる。

本発明は、ガスセンサの保護を図りつつ適正なる空燃比検出を実施することができ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。

本発明のガスセンサ制御装置は、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（３１，３１Ａ）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の信号を出力するガスセンサ（１６Ａ，１７）に適用される。そして、前記起電力セルに所定の定電流を供給する定電流供給手段（４３）と、前記定電流供給手段による定電流の供給に起因する前記固体電解質体への悪影響の発生可能性を判定する影響判定手段（４１）と、前記影響判定手段により前記固体電解質体への悪影響の発生可能性があると判定された場合に、前記定電流供給手段により供給される定電流を制限する電流制御手段（４１）と、を備えることを特徴とする。

起電力セルに定電流を供給した状態では、その定電流の供給に起因して固体電解質体への悪影響が発生することが懸念される。例えば、エンジンの冷間始動時や、エンジンの燃料カットに伴う排気温の低下時に、センサ素子の温度低下に伴い素子抵抗が大きくなっていると、定電流を流した状態下においてセンサ素子の印加電圧が過大になり、固体電解質体が変質する等の不都合の発生が懸念される。この点、上記構成では、固体電解質体への悪影響の発生可能性があると判定された場合に、定電流供給手段により供給される定電流を制限するようにしたため、センサ素子において過大な電圧が印加されることを抑制できる。その結果、ガスセンサの保護を図りつつ適正なる空燃比検出を実施できる。

また、前記起電力セルの抵抗値を算出する抵抗値算出手段（４１）を備え、前記影響判定手段は、前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値に基づいて、前記固体電解質体への悪影響の発生可能性を判定するとよい。

上記構成では、内燃機関の冷間始動時や、内燃機関の燃料カットに伴う排気温の低下時に起電力セルの温度低下に伴い起電力セルの抵抗値が大きくなることを見越して、起電力セルに供給される定電流を、起電力セルの抵抗値に基づいて制限するようにした。これにより、起電力セルの抵抗値が大きくなることに起因して起電力セルの印加電圧が大きくなったとしても、過大な電圧印加に伴う不都合（固体電解質体の変質等）の発生を抑制できる。その結果、ガスセンサの保護を図りつつ適正なる空燃比検出を実施できる。

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。 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。 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。 センサ制御部の構成を示す図。 定電流を流した状態において電流と電圧降下量との関係を示す図。 定電流制御の処理手順を示すフローチャート。 素子抵抗算出の処理手順を示すフローチャート。 素子抵抗と許容電流値との関係を示す図。 エンジン始動時における定電流制御をより具体的に説明するためのタイムチャート。 第２実施形態における定電流制御の処理手順を示すフローチャート。 定電流と抵抗上限値との関係を示す図。 第３実施形態におけるセンサ素子の断面構成を示す図。 センサ素子の限界電流特性を示す図。 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。 センサ素子及びその周辺部分の等価回路図。 第３実施形態における定電流制御の処理手順を示すフローチャート。 第４実施形態における定電流制御の処理手順を示すフローチャート。 第５実施形態における定電流制御の処理手順を示すフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本発明のガスセンサ制御装置を具体化した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）又はその付近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、基準ガスである大気が導入される大気室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、排気の酸素濃度（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、ヒータ駆動回路４２を通じてヒータ３６の駆動を制御する。

また本実施形態では、Ｏ2センサ１７の出力特性（起電力特性）を変更すべく、センサ素子３１において一対の電極３３，３４の間に所定の定電流を供給する構成（酸素ポンピングを実施する構成）としており、その出力特性の変更により空燃比フィードバック制御における排気エミッションの低減効果を高めるようにしている。定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４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。つまり、図５に示すように、空気過剰率λと起電力との関係を示すセンサ出力特性が全体的にリッチ側にシフトし、それに伴い、起電力がストイキ値（０．４５Ｖ）となるλ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定電流供給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、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。

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６で説明する。

図６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。

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０．１〜２．０ｍＡ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〜２００ｍＶの範囲で設定するとよい。

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。

本実施形態においては、定電流回路４３により供給される定電流Ｉｃｓがマイコン４１からの指令に基づいて変更可能となっており、都度の状況に応じて定電流Ｉｃｓを増加又は減少させることが可能となっている。具体的には、例えばマイコン４１の指令に応じて抵抗５１ｂ，５１ｃの抵抗比率を変更することで、Ｘ点の電圧値が変更され、それに伴い定電流Ｉｃｓが変更される。

また、センサ素子３１の排気側電極３３には電流検出用のシャント抵抗５５の一端側が接続されており、そのシャント抵抗５５の他端側には電圧回路５７が接続されている。シャント抵抗５５に流れる電流は電流検出部５６により検出され、その検出信号がマイコン４１に対して逐次出力される。電流検出部５６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。なお前述の図２では、センサ制御部４０において、シャント抵抗５５や電圧回路５７等の構成（定電流回路４３、ヒータ駆動回路４２以外の構成）について図示が省略されている。

電圧回路５７は、排気側電極３３に正電圧を印加するためのものであって、定電流回路４３において電流が流れ出す側の電位（抵抗５４の接地点側の電位）に対して、排気側電極３３の電位を所定電位だけ高くするオフセット電圧回路である。電圧回路５７は、所定のオフセット電圧を生成する分圧回路を有しており、分圧回路の中間点がオフセット電圧点Ｘ３となっている。オフセット電圧点Ｘ３の電圧は、例えば２．０Ｖである。

センサ素子３１の大気側電極３４には電圧切替回路５９が接続されている。この電圧切替回路５９は、マイコン４１からの指令によりセンサ素子３１の印加電圧を一時的に掃引変化させるものであり、その電圧変化に伴う電流変化量を電流検出部５６で検出することにより、センサ素子３１の抵抗値（素子抵抗）の検出が可能となっている。なお、素子抵抗の検出は所定の周期で（すなわち所定時間毎に）実施され、その実施時にセンサ印加電圧の掃引変化が付与される。印加電圧を掃引変化させる際には、センサ印加電圧を正側にのみ変化させる他、正負両側に変化させるようにしてもよい。また、素子抵抗の算出においては、電圧を掃引変化させることに代えて電流を掃引変化させ、その時の電圧変化量に基づいて素子抵抗を算出することも可能である。

また、センサ制御部４０においてヒータ駆動回路４２は、ヒータ３６の通電をオン／オフするスイッチング素子４２ａを有している。センサ素子３１においては、スイッチング素子４２ａのオン／オフによりヒータ通電状態が制御され、それによりセンサ素子３１が所定の活性状態（活性温度５００〜６５０℃となる状態）に維持されるようになっている。マイコン４１によるヒータ通電の制御について簡単に説明すると、センサ素子３１の活性前には、早期活性化を図るべくスイッチング素子４２ａが常時オンされ、最大電力によりヒータ３６が加熱される（いわゆる全通電制御が実施される）。また、センサ素子３１の活性後は、素子抵抗の目標値と実際値（算出値）との偏差に基づいてヒータ通電量がフィードバック制御される。例えば、ＰＩＤ制御手法により都度のデューティ制御量が算出され、そのデューティ制御量によりヒータ通電（スイッチング素子４２ａのオン／オフ）が行われる。

ところで、センサ素子３１の抵抗値（素子抵抗）はセンサ素子３１の温度（素子温）に依存して変化するため、エンジン１０の冷間始動時や、エンジン１０の燃料カットに伴う排気温の低下時には、センサ素子３１の温度低下に伴い素子抵抗が大きくなる。この場合、素子抵抗が大きくなると、一定の定電流Ｉｃｓを流した状態下であってもセンサ素子３１に印加される電圧（＝素子抵抗×定電流Ｉｃｓ）が大きくなる。そして、その印加電圧が過大になると、センサ素子３１において固体電解質層３２が変質する等の不都合（悪影響）が生じることが懸念される。

ちなみに、ＺｒＯ2については２．２４Ｖの電圧印加により還元反応が生じ、Ｙ2Ｏ3については２．７５Ｖの電圧印加により還元反応が生じることが知られている。そして、還元反応が生じると、ＺｒＯ2やＹ2Ｏ3が変質し、電解質特性の変化が生じたり、最悪の場合には固体電解質層の破損が生じたりする。また、Ｏ2センサ１７の製造工程では固体電解質層３２に不純物が含有され、その不純物の種類によってはその還元電圧が低くなる場合があると考えられる。固体電解質層３２において、主成分以外のもので変質が生じたとしても、固体電解質層３２内に欠陥を生ずるのと同様の不都合が生じる。ゆえに、やはり電圧変化に配慮する必要があると考えられる。

また、センサ素子３１に定電流Ｉｃｓを流した状態において電流と電圧降下量との関係を図７で説明する。図７では、素子温が５００℃、５５０℃、６００℃である場合について電流と電圧降下量との関係を示している。図７によれば、例えば２ｍＡの定電流を流した場合（図中のマイナス記号は電流の向きを示す）に、
・素子温が５００℃であれば、素子抵抗が８００Ωであり、約１．６Ｖの電圧降下が生じ（図のＶ１）、
・素子温が５５０℃であれば、素子抵抗が３００Ωであり、約０．６Ｖの電圧降下が生じ（図のＶ２）、
・素子温が６００℃であれば、素子抵抗が１００Ωであり、約０．２Ｖの電圧降下が生じるものとなっている（図のＶ３）。つまり、センサ素子３１が低温であるほど、電圧降下量が大きくなることが分かる。

ここで、例えば電圧降下量の許容値を１．５Ｖとすれば、２ｍＡの定電流を流す場合において、素子温が５００℃であればその時の電圧降下量（１．６Ｖ）は許容されず、素子温が５５０℃、６００℃であればその時の電圧降下量（０．６Ｖ，０．２Ｖ）は許容されるものとなっている。

そこで本実施形態では、センサ素子３１の抵抗値（素子抵抗）に基づいて、固体電解質層３２への悪影響の発生可能性を判定するとともに、その判定結果に基づいて、センサ素子３１に供給される定電流Ｉｃｓの制限を実施する。そしてこれにより、センサ素子３１の印加電圧が過剰に大きくなることを抑制し、ひいてはセンサ素子３１の保護を図ることとしている。

図８は定電流制御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８において、ステップＳ１１では、今現在、定電流回路４３による定電流の供給状態であるか否かを判定し、続くステップＳ１２では、今現在、エンジン１０の冷間始動時又は燃料カット時であるか否かを判定する。そして、ステップＳ１１，Ｓ１２のいずれかがＮＯであれば本処理を一旦終了し、ステップＳ１１，Ｓ１２が共にＹＥＳであれば後続のステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、実電流Ｉａと素子抵抗Ｒａとを取得する。なお、実電流Ｉａは、図６の電流検出部５６により検出された電流値である。また、素子抵抗Ｒａはマイコン４１により所定周期で算出されているとよく、例えば図９の処理により算出される。図９では、ステップＳ２１で素子抵抗の算出タイミングであるか否かを判定し、算出タイミングであればステップＳ２２に進む。素子抵抗の算出間隔は例えば１２８ｍｓｅｃである。ステップＳ２２では、電圧切替回路５９により一時的にセンサ印加電圧の切替を実施し、ステップＳ２３では、その電圧変化に応じて生じる電流変化量を算出する。さらにステップＳ２４では、ステップＳ２３で算出した電流変化量に基づいて素子抵抗Ｒａを算出する。

図８の説明に戻り、ステップＳ１４では、素子抵抗Ｒａに基づいて、センサ素子３１に流すことを可能とする電流の上限値を許容電流値Ｉｔｈとして設定する。このとき、例えば図１０の関係を用いて許容電流値Ｉｔｈが設定される。図１０によれば、素子抵抗Ｒａが大きいほど、許容電流値Ｉｔｈが小さい値として設定される。より具体的には、センサ素子３１の基準温度（例えば６００℃）に対応する素子抵抗をＡ１とする場合に、素子温が基準温度よりも低温になっていれば、素子抵抗がＡ１よりも高抵抗側のＡ２となる。この場合、素子抵抗が大きいほど、所定の定電流を供給した状態でのセンサ素子３１の電圧変化量が大きくなるため、素子抵抗Ａ２での許容電流値Ｉｔｈである「Ｂ２」が、素子抵抗Ａ１での許容電流値Ｉｔｈである「Ｂ１」よりも小さい値で設定される。

その後、ステップＳ１５では、実電流Ｉａと許容電流値Ｉｔｈとを比較し、Ｉａ＞Ｉｔｈであるか否かを判定する。そして、Ｉａ≦Ｉｔｈであれば、定電流回路４３による現状の定電流供給を許容するとしてそのまま本処理を終了する。また、Ｉａ＞ＩｔｈであればステップＳ１６に進み、固体電解質層３２への悪影響の発生可能性があるとして、現状の定電流供給について制限を実施する。このとき、定電流回路４３により供給される定電流Ｉｃｓを許容電流値Ｉｔｈ以下にすべく、定電流Ｉｃｓを減少させる。

電流制限についてより具体的には、Ｉａ＞Ｉｔｈとなる場合に、その許容電流値Ｉｔｈに対する実電流Ｉａ（又は定電流Ｉｃｓ）の超過量に基づいて電流減少量ΔＩを算出する。例えばΔＩ＝Ｉａ（又はＩｃｓ）−Ｉｔｈとする。又は、ΔＩ＝（Ｉａ（又はＩｃｓ）−Ｉｔｈ）／ｎとする（ｎ＞１）。そして、その電流減少量ΔＩにより定電流Ｉｃｓを減少させる（Ｉｃｓ＝Ｉｃｓ−ΔＩ）。

図１１は、エンジン始動時における定電流制御をより具体的に説明するためのタイムチャートである。本事例では、エンジン１０が冷間始動される場合にセンサ素子３１が徐々に昇温される様子（素子抵抗Ｒａが減少していく様子）を示している。また本事例では、定電流の基準値Ｉｅが定められており、電流制限が生じていない状況下では、定電流回路４３によりＩｅの定電流が供給されるようになっている。なお図１１では、実電流Ｉａを実線で示し、許容電流値Ｉｔｈを一点鎖線で示している。

図１１において、タイミングｔ１以前は、素子抵抗Ｒａが極大値からの低下途中にある。そして、タイミングｔ１で素子抵抗Ｒａが所定の判定値Ｒｔｈ（例えば１０００Ω）に達することにより、定電流回路４３による定電流の供給が開始される。このタイミングｔ１以降、素子抵抗Ｒａに基づいて許容電流値Ｉｔｈが設定され、その許容電流値Ｉｔｈによる定電流の制限が実施される。タイミングｔ１の直後においては、実電流Ｉａ（定電流Ｉｃｓ）が許容電流値Ｉｔｈを上回り、定電流が許容電流値Ｉｔｈで制限される。

その後、センサ素子３１の昇温に伴い素子抵抗Ｒａが低下し、その素子抵抗Ｒａの低下に応じて許容電流値Ｉｔｈが次第に増加する。そして、タイミングｔ２でＩａ≦Ｉｔｈになると、それ以降、定電流が制限無しの状態でセンサ素子３１に供給される。

ここで、タイミングｔ１〜ｔ２の期間では、エンジン始動直後であってセンサ素子３１が低温状態（素子抵抗が比較的大きい状態）になっており、かかる状態下で所定の定電流を供給すると、センサ素子３１に過大な電圧が印加され、それに伴いセンサ素子３１において固体電解質層３２が変質する等の不都合が生じうるが、上記のとおり定電流を制限することで、不都合の発生が抑制される。

なお、図面を用いた説明は省略するが、センサ素子３１が活性状態になった後（暖機が完了した後）であっても、燃料カットの実施時や、アイドリングストップ制御によるエンジン停止時には素子温が低下し、やはりセンサ素子３１に過大な電圧が印加されるおそれが生じる。この点、上記のとおり定電流を制限することで、やはり不都合の発生が抑制される。

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。

上記構成では、エンジン１０の冷間始動時や、エンジン１０の燃料カットに伴う排気温の低下時にセンサ素子３１の温度低下に伴い素子抵抗が大きくなることを見越して、センサ素子３１に供給される定電流を、素子抵抗に基づいて制限するようにした。これにより、素子抵抗が大きくなることに起因してセンサ素子３１の印加電圧が大きくなったとしても、過大な電圧印加に伴う不都合（固体電解質層３２の変質等）の発生を抑制できる。その結果、Ｏ2センサ１７の保護を図りつつ適正なる空燃比検出を実施できる。

素子抵抗（センサ素子３１の抵抗値）に基づいて、センサ素子３１に流すことを可能とする電流の上限値を許容電流値Ｉｔｈとして設定し、センサ素子３１の定電流（実電流Ｉａ）が許容電流値Ｉｔｈに達する場合に定電流供給を制限する構成としたため、低電流と許容電流値Ｉｔｈとの関係に基づいて適正に定電流の供給を実施できる。

センサ素子３１に流れる定電流（実電流Ｉａ）が許容電流値Ｉｔｈを超える場合に、その定電流の超過量に基づき算出される電流減少量により定電流を減少させるようにした。これにより、定電流の低減分を適正に調整でき、センサ素子３１の温度低下により素子抵抗が増加しても、それに追従させて適正に電流制限を実施できる。

エンジン１０の冷間始動時や燃料カット時には、センサ素子３１が比較的低温の状態になっていることが考えられ、その低温状態下では、過大な電圧印加に伴う不都合（固体電解質体の変質等）の発生が懸念される。この点、冷間始動時又は燃料カット時であると判定される場合に、定電流の供給制限を実施するようにしたため、不都合の生じやすい状況下において適正な処置を実施できる。

（第１実施形態の変形例）
・上記実施形態では、センサ素子３１に流れる実電流Ｉａを算出し、その実電流Ｉａと許容電流値Ｉｔｈとの比較により定電流の制限を実施したが、これを変更してもよい。例えば、定電流回路４３により供給される定電流（マイコン４１による指示電流値であり、例えば基準値Ｉｅ）と許容電流値Ｉｔｈとの比較により定電流の制限を実施することも可能である。

・上記実施形態では、定電流の供給制限として、定電流が許容電流値Ｉｔｈ（許容値）に達した場合に定電流を許容電流値Ｉｔｈで制限する構成としたが、これを変更し、定電流が許容電流値Ｉｔｈ（許容値）に達した場合に定電流の供給を停止させる構成であってもよい。エンジン１０の冷間始動時を例に挙げると、エンジン始動後の暖機の進行に伴い素子抵抗が徐々に上昇する場合に、素子抵抗に基づいて算出される許容電流値Ｉｔｈが、定電流の基準値Ｉｅを上回ることになるまで、定電流の供給を停止させておくとよい。

・定電流回路４３により供給される定電流Ｉｃｓを、エンジン運転状態等に応じて可変に設定する構成としてもよい。つまり、エンジン運転状態が変わると、それに応じて排気中のリッチ成分の量が変わる。具体的には、エンジン回転速度が大きくなるほど、又はエンジン負荷が大きくなるほど、排気中のリッチ成分の量が増える。この場合、排気エミッションに関する性能として所望の性能を維持するには、エンジン運転状態に基づいて、センサ素子３１に流す電流（定電流回路４３の定電流Ｉｃｓ）を可変に制御することが望ましい。例えば、エンジン回転速度が大きいほど、又はエンジン負荷が大きいほど、定電流Ｉｃｓを大きくする。

・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。

次に、上述の第１実施形態とは異なる別の実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

（第２実施形態）
第２実施形態では、定電流回路４３による定電流の供給時に、その定電流供給を許容する素子抵抗の許容範囲（抵抗許容範囲）を設定する。そして、素子抵抗Ｒａがその許容範囲よりも大きいと判定された場合に、固体電解質層３２への悪影響の発生可能性があるとして、定電流供給手段により供給される定電流を制限するようにしている。その具体的な構成を以下に説明する。本例では、エンジン運転状態等に基づいて定電流を可変に設定する構成としている。図１２は定電流制御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１２において、ステップＳ３１では、今現在、定電流回路４３による定電流の供給状態であるか否かを判定し、続くステップＳ３２では、今現在、エンジン１０の冷間始動時又は燃料カット時であるか否かを判定する。そして、ステップＳ３１，Ｓ３２のいずれかがＮＯであれば本処理を一旦終了し、ステップＳ３１，Ｓ３２が共にＹＥＳであれば後続のステップＳ３３に進む。ステップＳ３３では、今現在の定電流Ｉｃｓの値と素子抵抗Ｒａとを取得する。このとき、今現在の定電流Ｉｃｓは、マイコン４１により、エンジン回転速度やエンジン負荷といったエンジン運転状態等に基づいて設定されるものとなっている。その後、ステップＳ３４では、定電流Ｉｃｓの値に基づいて、抵抗許容範囲を規定するための抵抗上限値Ｒｍａｘを設定する。このとき、例えば図１３の関係を用いて抵抗上限値Ｒｍａｘが設定される。図１３によれば、定電流Ｉｃｓが大きいほど、抵抗上限値Ｒｍａｘが小さい値として設定される。

その後、ステップＳ３５では、素子抵抗Ｒａと抵抗上限値Ｒｍａｘとを比較し、Ｒａ＞Ｒｍａｘであるか否かを判定する。そして、Ｒａ≦Ｒｍａｘであれば、定電流回路４３による現状の定電流供給を許容するとしてそのまま本処理を終了する。また、Ｒａ＞ＲｍａｘであればステップＳ３６に進み、固体電解質層３２への悪影響の発生可能性があるとして、現状の定電流供給について制限を実施する。このとき、定電流回路４３により供給される定電流Ｉｃｓを減少させる。

素子抵抗Ｒａが抵抗上限値Ｒｍａｘよりも大きいと判定された場合に、定電流の供給制限を実施する構成とした。これにより、素子抵抗Ｒａと抵抗上限値Ｒｍａｘとの関係に基づいて適正に定電流の供給を実施できる。また、定電流をエンジン運転状態に基づいて可変に設定するとともに、Ｒａ＞Ｒｍａｘである場合に定電流の制限を実施する構成とした。これにより、エンジン１０の運転状態に合わせて好適に定電流の制御を実施できることに加え、高回転時や高負荷時など、定電流Ｉｃｓが比較的大きい場合にも、センサ素子３１の印加電圧が過剰に大きくなることを抑制できる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、図１の構成において、第１触媒１５ａの上流側のガスセンサを、下流側のＯ2センサ１７と同様に起電力出力型のＯ2センサ１６Ａとしており、ＥＣＵ２５は、第１触媒１５ａを挟んで上流側及び下流側の２つのＯ2センサ１６Ａ，１７の検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御を実施するものとなっている。この場合、ＥＣＵ２５は、上流側Ｏ2センサ１６Ａにより検出されたフロント空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）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、フロント空燃比がリッチ又はリーンに変化してから実際にリッチ判定又はリーン判定がなされるまでの遅延時間を、下流側Ｏ2センサ１７により検出されたリア空燃比に基づいて可変に設定するサブフィードバック制御を実施する。このメインフィードバック制御及びサブフィードバック制御を以下に簡単に説明する。

ＥＣＵ２５は、上流側Ｏ2センサ１６Ａの出力値Ｖ１（フロント空燃比に相当）が基準値（例えば０．４５Ｖ）よりもリッチになってからリッチ遅延時間が経過した時点で、空燃比がリッチになったとのリッチ判定を行い、Ｖ１が基準値よりもリーンになってからリーン遅延時間が経過した時点で、空燃比がリーンになったとのリーン判定を行う。そして、ＥＣＵ２５は、リッチ／リーンの判定結果に基づいて、スキップ及び積分によりフィードバック補正量（噴射補正量）を増減させ、そのフィードバック補正量により燃料噴射量を補正する。かかる制御がメインフィードバック制御に該当する。また、ＥＣＵ２５は、サブフィードバック制御として、下流側Ｏ2センサ１７の出力値Ｖ２（リア空燃比に相当）がリッチかリーンかに応じてリッチ遅延時間及びリーン遅延時間を可変に制御する。この場合、出力値Ｖ２が基準値よりも大きければ（リア空燃比がリッチであれば）、リッチ遅延時間の短縮、及びリーン遅延時間の延長のうち少なくともいずれかを実施する。また、出力値Ｖ２が基準値よりも小さければ（リア空燃比がリーンであれば）、リッチ遅延時間の延長及びリーン遅延時間の短縮の少なくともいずれかを実施する。

また、Ｏ2センサ１６Ａにおいてはセンサ素子の構成を一部変更しており、図１４に示すセンサ素子３１Ａでは、固体電解質層３２の排気側及び大気側のうち排気側に、排気の拡散を制限するガス拡散抵抗層６１が設けられている。ガス拡散抵抗層６１は、アルミナ、スピネル、ジルコニア等の多孔質体よりなり、排気側電極３３を覆うようにしてセンサ素子３１の外表面に設けられている。これにより、排気は、所定の透過率でガス拡散抵抗層６１を通過して排気側電極３３に到達するものとなっている。

上記構成のセンサ素子３１Ａは、基本的には起電力出力を行う起電力セルであるものの、一対の電極３３，３４間に電圧を印加することで酸素濃度に応じた限界電流を出力する限界電流特性を有するものとなっている。そして詳しくは、ガス拡散抵抗層６１の形態（例えば層厚さやピンホール径）に応じて、限界電流出力が可能なＡ／Ｆ域（酸素濃度域）が変わり、例えばガス拡散抵抗層６１の厚さが大きくなるほど、限界電流出力が可能なＡ／Ｆがリーン側に拡張されるようになっている。一例として、図１５（ａ）に示すように、ガス拡散抵抗層６１の厚さが１００μｍの場合には、Ａ／Ｆ＝１５をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。図１５（ｂ）に示すように、ガス拡散抵抗層６１の厚さが２００μｍの場合には、Ａ／Ｆ＝１６をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。また、図１５（ｃ）に示すように、ガス拡散抵抗層６１の厚さが３００μｍの場合には、Ａ／Ｆ＝１８をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。

かかる場合において、センサ素子３１Ａに定電流を流してＡ／Ｆ（λ）に対する起電力出力をシフトさせることを併せて考慮すると、ガス拡散抵抗層６１の厚さが１００μｍの場合には、センサ素子３１Ａに定電流を流すことによって、リッチ／リーンの変曲点がＡ／Ｆ＝１５になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。ガス拡散抵抗層６１の厚さが２００μｍの場合には、センサ素子３１Ａに定電流を流すことによって、リッチ／リーンの変曲点がＡ／Ｆ＝１６になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。また、ガス拡散抵抗層６１の厚さが３００μｍの場合には、センサ素子３１Ａに定電流を流すことによって、リッチ／リーンの変曲点がＡ／Ｆ＝１８になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。

以上をまとめると、ガス拡散抵抗層６１を有するセンサ素子３１Ａでは、定電流を供給することによる起電力特性のシフト量の拡張が可能となっている。つまり、リーンシフト量及びリッチシフト量の拡張が可能となっている。要するに、排気触媒の上流側に設けられたＯ2センサ１６Ａでは、触媒下流側のＯ2センサ１７に比べて、起電力特性のリッチシフト又はリーンシフトとして要求されるシフト量が大きくなる。また一方で、起電力出力を可能とし、かつ固体電解質層３２の排気側にガス拡散抵抗層６１を有するセンサ素子３１Ａでは、所定の電圧印加状態下での限界電流出力が可能となっており、こうした構成を採用することで、起電力特性のシフト量を拡張することが可能となる。かかる場合、ガス拡散抵抗層６１を有するセンサ素子３１Ａを用いることで、起電力特性のリッチシフト又はリーンシフトの要求量が大きくなっても好適なる対処が可能となる。

また、センサ素子３１Ａに定電流を供給する場合において、起電力特性を詳細に示すと、図１６のようにしてリッチシフト、リーンシフトが生じると考えられる。つまり、センサ素子３１Ａの一対の電極３３，３４の間に負の電流（排気側→大気側に流れる電流）を流すと、センサ素子３１Ａの起電力特性がリッチ側にシフトし、逆に、一対の電極３３，３４の間に正の電流（大気側→排気側に流れる電流）を流すと、センサ素子３１Ａの起電力特性がリーン側にシフトする。この場合、上述のとおりガス拡散抵抗層６１を有するセンサ素子３１Ａでは、起電力特性（λ）をリッチ側及びリーン側に最大１０％ほど（例えば５％前後）シフトさせることが可能となる。

なお、例えば気体燃料としてＣＮＧを用いるエンジンでは、理論空燃比（λ＝１）と触媒ウインドウとのずれを解消すべく、Ｏ2センサの起電力特性を６％ほどリッチ側にシフトするとよいことが確認されている。また、リーン燃焼を行うエンジンでは、Ｏ2センサの起電力特性を３〜４％ほどリーン側にシフトするとよいことが確認されている。

またこの場合、図１７の等価回路に示すように、センサ素子３１Ａは内部抵抗Ｒｉを有している。そのため、図１７（ａ）のように起電力特性をリッチシフトさせるべくセンサ素子３１Ａに負の電流を流すと、内部抵抗Ｒｉによって、起電力特性はその全体が電圧減少となる向きにシフトする。また、図１７（ｂ）のように起電力特性をリーンシフトさせるべくセンサ素子３１Ａに正の電流を流すと、内部抵抗Ｒｉによって、起電力特性はその全体が電圧増加となる向きにシフトする。

ここで、起電力特性をリッチシフトさせる場合には、空燃比がリーンであると、起電力出力が負の値になり、特に排気が大気雰囲気となる状態では、素子ストレスが大きくなることに起因して固体電解質層３２の変質等が生じることが懸念される。また、起電力特性をリーンシフトさせる場合には、空燃比がリッチであると、起電力出力が過大となり、それに起因して固体電解質層３２の変質等が生じることが懸念される。

そこで本実施形態では、センサ素子３１Ａの起電力特性をリッチシフトさせている状態かリーンシフトさせている状態かを判定し、その結果に応じて、センサ素子３１Ａに対する定電流の供給を制限するようにしている。

図１８は、本実施形態における定電流制御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１８において、ステップＳ４１では、今現在が定電流回路４３による定電流の供給状態であるか否かを判定し、ＹＥＳである場合に、続くステップＳ４２では、センサ素子３１Ａの起電力特性をリッチシフトしている状態か否かを判定する。そして、リッチシフトの状態であればステップＳ４３に進み、リーンシフトの状態であればステップＳ４４に進む。

ステップＳ４３では、今現在、排気管１４内が大気雰囲気になっているか否かを判定し、ＹＥＳであれば、ステップＳ４５に進んで現状の定電流供給について制限を実施する。また、ステップＳ４４では、今現在、排気管１４内が所定のリッチ雰囲気になっているか否かを判定し、ＹＥＳであれば、ステップＳ４５に進んで現状の定電流供給について制限を実施する。この場合、ステップＳ４５では、定電流を減少させる又は定電流の供給を停止することにより、定電流の供給を制限するとよい。なお、例えば、燃料カット時には排気管１４内が大気雰囲気になっていると判定される。また、加速増量時にはその増量度合いに応じて排気管１４内が所定のリッチ雰囲気になっていると判定される。

本実施形態によれば、起電力特性をリッチシフトさせた状態において、燃料カット等により排気が大気雰囲気となる際に定電流の供給制限を行う構成としたため、固体電解質層３２の変質等を抑制できる。また、起電力特性をリーンシフトさせた状態において、排気が所定のリッチ雰囲気となる際に定電流の供給制限を行う構成としたため、やはり固体電解質層３２の変質等を抑制できる。

なお、センサ素子３１Ａに供給される定電流の大きさに依存して起電力特性のシフト量が変わり、そのシフト量に応じて、固体電解質層３２への影響度（悪影響の発生可能性）が変わる。そのため、図１８のステップＳ４３では、リッチシフト量が所定以上であり、かつ排気管１４内が大気雰囲気になっている状態か否かを判定するようにしてもよい。また、ステップＳ４４では、リーンシフト量が所定以上であり、かつ排気管１４内が所定のリッチ雰囲気になっている状態か否かを判定するようにしてもよい。ステップＳ４３において、大気雰囲気か否かの判定に代えて、所定のリーン雰囲気か否かの判定を行うようにしてもよい。

（第４実施形態）
第４実施形態では、固体電解質層３２への悪影響（変質等）の発生可能性がある場合において、定電流の供給制限として定電流の供給停止を実施するものとしている。なお、本実施形態では第３実施形態と同様に、触媒上流側のガスセンサとしてガス拡散抵抗層付きのＯ2センサ１６Ａ（センサ素子３１Ａ）を用いる構成としている。

図１９は、本実施形態における定電流制御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１９において、ステップＳ５１では、今現在が定電流回路４３による定電流の供給状態であり、かつ定電流の供給に起因して固体電解質層３２への悪影響の発生の可能性がある状況下であるか否かを判定する。このとき、センサ素子３１Ａの素子抵抗が所定以上である場合（例えば図１２のステップＳ３５参照）、又は定電流が所定以上である場合（例えば図８のステップＳ１５参照）に、固体電解質層３２への悪影響の発生の可能性がある状況下であると判定する。そして、ステップＳ５１がＹＥＳであれば後続のステップＳ５２に進む。

ステップＳ５２では、今現在のエンジン運転状態が、当該運転状態での制御上でＯ2センサ１６Ａの起電力出力を要しない状態であるか否かを判定する。そして、ステップＳ５２がＹＥＳであればステップＳ５３に進み、定電流の供給を停止する。

本実施形態では、エンジン制御においてＯ2センサの起電力出力を要するか否かを判定し、起電力出力を要しない場合に定電流の供給を停止させる構成とした。これにより、仮に素子ストレスが大きくなる状態となっても、その状態となる期間を極力短くすることができ、センサ素子３１の保護を図ることができる。

（第５実施形態）
第５実施形態では、エンジン１０の空燃比制御として、理論空燃比を目標としてストイキ燃焼を行わせるストイキ制御と、リーン空燃比を目標としてリーン燃焼を行わせるリーン制御とを切り替えて実施する構成としている。そして、リーン制御の実施時に、センサ素子の固体電解質層３２への悪影響の発生可能性があると判定して、定電流の供給を停止することとしている。なお、本実施形態では第３実施形態と同様に、触媒上流側のガスセンサとしてガス拡散抵抗層付きのＯ2センサ１６Ａ（センサ素子３１Ａ）を用いる構成としている。

図２０は、本実施形態における定電流制御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２０において、ステップＳ６１では、今現在、定電流回路４３による定電流の供給状態であるか否かを判定し、ＹＥＳであればステップＳ６２に進む。ステップＳ６２では、今現在、燃料カット中であるか否かを判定し、続くステップＳ６３では、今現在、リーン燃焼制御の実施中であるか否かを判定する。そして、ステップＳ６２，Ｓ６３のいずれかがＹＥＳであれば、ステップＳ６４に進み、定電流の供給を停止する。また、ステップＳ６２，Ｓ６３が共にＮＯであれば、ステップＳ６６に進み、定電流の供給を実施（継続）する。

また、定電流の供給が停止されている状態では、ステップＳ６１がＮＯとなり、ステップＳ６５に進む。ステップＳ６５では、今現在、ストイキ燃焼制御の実施中であるか否かを判定する。そして、ステップＳ６５がＹＥＳであれば、ステップＳ６６に進み、定電流の供給を実施する。

要するに、燃料カット中又はリーン燃焼制御の実施中においては、排気管１４内の空燃比がリーン化している。そのため、センサ素子３１Ａに定電流を流した状態下では、素子ストレスが大きくなることが懸念される。この点、燃料カット中又はリーン燃焼制御の実施中に定電流の供給を停止する構成にしたため、センサ素子３１Ａの保護を好適に実現できる。

なお、図２０において、エンジン１０の冷間始動時であるか否かを判定し、冷間始動時である場合に、固体電解質層３２への悪影響の発生可能性があるとして、定電流の供給を停止するようにしてもよい。具体的には、ステップＳ６２において、燃料カット中であるか否かの判定に代えて、又はこれに加えて、冷間始動時であるか否かを判定し、ＹＥＳの場合に定電流の供給を停止する。

（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。

・上記第１，第２実施形態では、エンジン１０の冷間始動時又は燃料カット時であることを判定し、冷間始動時又は燃料カット時であると判定される場合に定電流の供給制限を実施する構成としたが、これを変更し、冷間始動時、燃料カット時であるか否かにかかわらず定電流の供給制限を実施する構成であってもよい（すなわち、図８のステップＳ１２、図１２のステップＳ３２を省略してもよい）。

・定電流供給手段の構成は上記の定電流回路４３に限定されず、所定の定電流を供給でき、かつその電流値を可変にできるものであれば、任意の構成が適用できる。例えば、ＰＷＭ制御（デューティ制御）による電流量の調整が可能な定電流回路を用いてもよい。この場合、電流制限の指示に従い定電流を可変に調整するとよい。

・起電力出力が可能なガスセンサは、上記構成のＯ2センサ１６Ａ，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とともに、ガスセンサの保護や適正なる空燃比検出を実現できるものとなる。また、起電力セル（センサ素子）として、コップ型構造のもの以外に、積層型構造のものを用いることも可能である。

・ガス拡散抵抗部を有するＯ2センサとして、所定厚さのガス拡散抵抗層を有する構成に代えて、所定径のピンホールを有する構成であってもよい。

１０…エンジン（内燃機関）、１６Ａ，１７…Ｏ2センサ（ガスセンサ）、３１，３１Ａ…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、４１…マイコン（影響判定手段、電流制御手段）、４３…定電流回路（定電流供給手段）。

Claims (10)

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（３１，３１Ａ）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の信号を出力するガスセンサ（１６Ａ，１７）に適用されるガスセンサ制御装置であって、
   前記起電力セルに所定の定電流を供給する定電流供給手段（４３）と、
   前記定電流供給手段による定電流の供給に起因する前記固体電解質体への悪影響の発生可能性を判定する影響判定手段（４１）と、
   前記影響判定手段により前記固体電解質体への悪影響の発生可能性があると判定された場合に、前記定電流供給手段により供給される定電流を制限する電流制御手段（４１）と、
   前記起電力セルの抵抗値を算出する抵抗値算出手段（４１）と、
   を備え、
   前記影響判定手段は、
   前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値に基づいて、前記起電力セルに流すことを可能とする電流の上限値を許容値として設定する手段と、
   前記定電流供給手段により供給される定電流が前記許容値に達するか否かにより、前記固体電解質体への悪影響の発生可能性の有無を判定する手段と、
   を有することを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記電流制御手段は、前記定電流供給手段により供給される定電流が前記許容値を超える場合に、その許容値に対する定電流の超過量に基づき算出される電流減少量により前記定電流を減少させ、その定電流の減少により前記定電流を制限するものである請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記影響判定手段は、前記定電流供給手段による定電流の供給を許容する前記起電力セルの抵抗値の許容範囲を定めておき、前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値が前記許容範囲内か否かにより、前記固体電解質体への悪影響の発生可能性の有無を判定する手段を有し、
   前記電流制御手段は、前記起電力セルの抵抗値が前記許容範囲よりも大きいと判定された場合に、前記定電流供給手段により供給される定電流を制限する請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記定電流供給手段により供給される前記定電流を、エンジン運転状態に基づいて可変に設定する定電流設定手段（４１）を備え、
   前記電流制御手段は、前記起電力セルの抵抗値が前記許容範囲よりも大きいと判定された場合に、前記定電流設定手段により設定された前記定電流について制限を実施する請求項３に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記内燃機関の冷間始動時又は燃料カット時であることを判定する手段を備え、
   前記電流制御手段は、冷間始動時又は燃料カット時であると判定される場合に、前記定電流の供給制限を実施する請求項１乃至４のいずれかに記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記内燃機関の冷間始動時又は燃料カット時であることを判定する手段を備え、
   前記影響判定手段は、冷間始動時又は燃料カット時であると判定される場合に、前記固体電解質体への悪影響の発生可能性があると判定する請求項１乃至４のいずれかに記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記定電流供給手段は、前記起電力セルの起電力と空燃比との関係を示す起電力特性をリッチ側にシフトさせる向きに前記定電流を流すものであり、
   前記影響判定手段は、前記起電力特性をリッチシフトさせた状態で前記排気が大気雰囲気又は所定のリーン雰囲気となる場合に、前記固体電解質体への悪影響の発生可能性があると判定する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記定電流供給手段は、前記起電力セルの起電力と空燃比との関係を示す起電力特性をリーン側にシフトさせる向きに前記定電流を流すものであり、
   前記影響判定手段は、前記起電力特性をリーンシフトさせた状態で前記排気が所定のリッチ雰囲気となる場合に、前記固体電解質体への悪影響の発生可能性があると判定する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
9. 前記固体電解質体への悪影響の発生可能性があると判定されている場合において、前記内燃機関の運転状態が、当該運転状態での制御上で前記ガスセンサの起電力出力を要する状態であるか否かを判定する要否判定手段を備え、
   前記電流制御手段は、前記要否判定手段により前記ガスセンサの起電力出力を要する状態下でないと判定した場合に、前記定電流の供給を停止させる請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
10. 前記内燃機関の空燃比制御として、理論空燃比を目標とするストイキ制御と、リーン空燃比を目標とするリーン制御とを実施するガスセンサ制御装置であって、
    前記影響判定手段は、前記リーン制御の実施時に、前記固体電解質体への悪影響の発生可能性があると判定する請求項１乃至９のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。

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