JP6398866B2 - 酸素センサの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、理論空燃比に対する、燃料過剰なリッチ状態と空気過剰なリーン状態とを検出するよう構成された酸素センサの制御方法に関する。

酸素濃度を検出する酸素センサにおいては、コップ型の固体電解質体の外側面に、被測定ガスとしての排ガスが接触する測定電極が設けられ、固体電解質体の内側面に、基準ガスとしての大気が接触する基準電極が設けられている。そして、酸素濃淡電池式の酸素センサにおいては、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）と被測定ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じて、基準電極と測定電極との間に生じる起電力を検出している。この起電力は、理論空燃比の下で生じた排ガスが、白金等を含有する測定電極に接触する場合を境界として大きく変化する。具体的には、リッチ状態の下で生じた排ガスが測定電極に接触する場合には、ＨＣ、ＣＯ等と酸素との反応によって起電力が大きくなり、リーン状態の下で生じた排ガスが測定電極に接触する場合には、起電力が小さくなる。

そして、酸素センサを用いて、内燃機関における空燃比を、内燃機関の排気管に配置された、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを浄化する三元触媒の浄化率が高く維持される理論空燃比の近傍になるようにしている。また、リーン状態において発生しやすいＮＯｘの低減を目的として、電極間に定電流を流すことにより、リッチ状態とリーン状態とを検出する酸素センサのセンサ特性を、リッチ側にシフトして、内燃機関を、燃料が多いリッチな状態で運転することが行われている。

また、例えば、特許文献１の内燃機関の排ガス浄化装置においては、酸素センサの外部に設けた定電流回路によってセンサ電極間に定電流を流して、酸素センサの出力特性を変更するようにしている。内燃機関のリーン燃焼制御中には、酸素センサのリーン成分（ＮＯｘ）に対する検出応答性を高めて、触媒の下流側におけるリーン成分を早期に検出している。一方、内燃機関のリッチ燃焼制御中には、酸素センサのリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ）に対する検出応答性を高めて、触媒の下流側におけるリッチ成分を早期に検出している。これにより、触媒を有効に活用して排気エミッションを低減している。

特開２０１３−１７７８８４号公報

しかしながら、電極間に定電流を流して、内燃機関の空燃比をリッチ側にシフトして制御するときには次の課題が生じることがある。すなわち、特にヒータを装備しない簡易的な酸素センサを用いる場合には、酸素センサの温度が低いときには、電極間の固体電解質体の抵抗値が高くなり、固体電解質体がブラックニング（金属酸化物が還元されて、酸素イオン伝導性が劣化する現象）を起こすおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、高負荷時におけるＮＯｘの発生の抑制と、低負荷時における固体電解質体のブラックニングの発生の抑制とを両立させることができる酸素センサの制御方法を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、内燃機関の排気管に配置され、該排気管を流れる排ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサの制御方法であって、
上記酸素センサは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体における上記排ガスに晒される側の表面に設けられた測定電極と、上記固体電解質体における基準ガスに晒される側の表面に設けられた基準電極とを備え、上記基準ガスの酸素濃度と上記排ガスの酸素濃度との差に応じて上記基準電極と上記測定電極との間に生じる起電力に基づいて、上記内燃機関における空燃比が、理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態にあるか、理論空燃比に対して空気過剰なリーン状態にあるかを検出する酸素濃淡電池式のものであり、
上記内燃機関の回転速度が増加する高負荷時においては、上記固体電解質体を経由して上記基準電極から上記測定電極へ移動する酸素イオンを増加させる正方向に、シフト用電流を印加して、上記リッチ状態と上記リーン状態とを区別するための上記起電力のλ点をリッチ側にシフトさせるリッチシフト制御を行い、
上記高負荷時以外の低負荷時においては、上記シフト用電流の印加を停止もしくは減少させるシフト低減制御を行い、
上記測定電極と上記基準電極との間の上記固体電解質体の抵抗値の大きさと、該抵抗値の大きさに応じて上記測定電極と上記基準電極との間に流す印加電流の大きさ及び印加方向との関係がリッチ側マップとして求められており、
該リッチ側マップは、上記抵抗値が変化したときの上記起電力の変化を緩和するよう、上記抵抗値が高くなるほど上記印加電流が小さくなる関係を有しており、
上記リッチシフト制御及び上記シフト低減制御を行う際には、上記抵抗値を測定し、該抵抗値を上記リッチ側マップに照合して上記印加電流の大きさを読み取り、該印加電流を上記シフト用電流として印加することを特徴とする酸素センサの制御方法にある。
本発明の他の態様は、内燃機関の排気管に配置され、該排気管を流れる排ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサの制御方法であって、
上記酸素センサは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体における上記排ガスに晒される側の表面に設けられた測定電極と、上記固体電解質体における基準ガスに晒される側の表面に設けられた基準電極とを備え、上記基準ガスの酸素濃度と上記排ガスの酸素濃度との差に応じて上記基準電極と上記測定電極との間に生じる起電力に基づいて、上記内燃機関における空燃比が、理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態にあるか、理論空燃比に対して空気過剰なリーン状態にあるかを検出する酸素濃淡電池式のものであり、
上記内燃機関の回転速度が増加する高負荷時においては、上記固体電解質体を経由して上記基準電極から上記測定電極へ移動する酸素イオンを増加させる正方向に、シフト用電流を印加して、上記リッチ状態と上記リーン状態とを区別するための上記起電力のλ点をリッチ側にシフトさせるリッチシフト制御を行い、
上記高負荷時以外の低負荷時においては、シフト用電流を逆方向に印加して、上記起電力のλ点をリーン側にシフトさせるリーンシフト制御を行い、
上記測定電極と上記基準電極との間の上記固体電解質体の抵抗値の大きさと、該抵抗値の大きさに応じて上記測定電極と上記基準電極との間に流す印加電流の大きさ及び印加方向との関係が、上記リッチシフト制御を行う際のリッチ側マップ及び上記リーンシフト制御を行う際のリーン側マップとして求められており、
上記リッチ側マップ及び上記リーン側マップは、上記抵抗値が変化したときの上記起電力の変化を緩和するよう、上記抵抗値が高くなるほど上記印加電流が小さくなる関係を有しており、
上記リッチシフト制御を行う際には、上記抵抗値を測定し、該抵抗値を上記リッチ側マップに照合して上記印加電流の大きさを読み取り、該印加電流を上記シフト用電流として印加し、
上記リーンシフト制御を行う際には、上記抵抗値を測定し、該抵抗値を上記リーン側マップに照合して上記印加電流の大きさを読み取り、該印加電流を上記シフト用電流として印加することを特徴とする酸素センサの制御方法にある。

上記酸素センサの制御方法においては、基準電極と測定電極との間に印加するシフト用電流を変化させて、固体電解質体をブラックニングから保護する工夫をしている。
具体的には、内燃機関の回転速度が増加する高負荷時においては、固体電解質体を経由して基準電極から測定電極へ移動する酸素イオンを増加させる正方向に、シフト用電流を印加する。そして、リッチ状態とリーン状態とを区別するための起電力のλ点をリッチ側にシフトさせる制御を行い、空燃比が理論空燃比に対してリッチ側になるようにして内燃機関を運転する。これにより、高負荷時であってリーン状態において発生しやすいＮＯｘの発生量を抑制することができる。

一方、高負荷時以外の低負荷時においては、シフト用電流の印加を停止もしくは減少させる制御、又はシフト用電流を逆方向に印加して、起電力のλ点をリーン側にシフトさせる制御を行う。そして、シフト用電流の印加を停止もしくは減少させる制御を行う場合には、λ点のシフトを停止して制御する、もしくはλ点をリッチ側にシフトさせる量を小さくする。これにより、低負荷時であって排ガスの低温時に発生しやすい固体電解質体のブラックニングの発生を抑制することができる。また、起電力のλ点をリーン側にシフトさせる制御を行う場合にも、低負荷時において、固体電解質体のブラックニングの発生をより効果的に抑制することができる。

それ故、上記酸素センサの制御方法によれば、高負荷時におけるＮＯｘの発生の抑制と、低負荷時における固体電解質体のブラックニングの発生の抑制とを両立させることができる。

実施例１にかかる、酸素センサを配置した、エンジンの排気管の周辺の構成を示す説明図。 実施例１にかかる、酸素センサにおいてリッチシフト制御を行う状態を示す説明図。 実施例１にかかる、起電力のλ点をリッチ側にシフトする状態を示す説明図。 実施例１，２にかかる、リッチシフト制御又はリーンシフト制御を行う場合の起電力の変化を示すグラフ。 実施例１にかかる、リッチシフト制御を行う場合について、（ａ）固体電解質体の抵抗値と補正前の起電力との関係、（ｂ）固体電解質体の抵抗値と印加電流との関係、（ｃ）固体電解質体の抵抗値と補正後の起電力との関係を模式的に示すグラフ。 実施例２にかかる、酸素センサにおいてリーンシフト制御を行う状態を示す説明図。 実施例２にかかる、起電力のλ点をリーン側にシフトする状態を示す説明図。 実施例２にかかる、リーン制御を行う場合について、（ａ）固体電解質体の抵抗値と補正前の起電力との関係、（ｂ）固体電解質体の抵抗値と印加電流との関係、（ｃ）固体電解質体の抵抗値と補正後の起電力との関係を模式的に示すグラフ。

上述した酸素センサの制御方法における好ましい実施の形態について説明する。
上記酸素センサの制御方法においては、上記測定電極と上記基準電極との間の上記固体電解質体の抵抗値の大きさと、該抵抗値の大きさに応じて上記測定電極と上記基準電極との間に流す印加電流の大きさ及び印加方向との関係がマップとして求められており、上記酸素センサの制御を行う際には、上記抵抗値を測定し、該抵抗値を上記マップに照合して上記印加電流の大きさを読み取り、該印加電流を上記シフト用電流として印加することができる。

固体電解質体の温度上昇に伴って固体電解質体の抵抗値が低くなるときには、固体電解質体に定電流を流す際の印加電圧が低くなる。このときには、起電力の値が低くなる（センサ出力が小さくなる）とともに、リッチ状態とリーン状態とを区別するλ点のラインに傾きが生じる。また、固体電解質体の温度低下に伴って固体電解質体の抵抗値が高くなるときには、固体電解質体に定電流を流す際の印加電圧が高くなる。このときには、起電力の値が高くなる（センサ出力が大きくなる）とともに、リッチ状態とリーン状態とを区別するλ点のラインに傾きが生じる。
そこで、マップを利用して、酸素センサに印加するシフト用電流を決定することにより、上記λ点のラインに生じる傾きを緩和することができる。

以下に、酸素センサの制御方法にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例の酸素センサ１の制御方法は、酸素濃淡電池式の酸素センサ１に採用する。酸素センサ１は、図１、図２に示すように、内燃機関としてのエンジン４の排気管５に配置されており、排気管５を流れる排ガスＧを被測定ガスとして、排ガスＧ中の酸素濃度を測定するものである。酸素センサ１は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２と、固体電解質体２における排ガスＧに晒される側の表面に設けられた測定電極３１と、固体電解質体２における基準ガス（大気）Ａに晒される側の表面に設けられた基準電極３２とを備えている。そして、酸素センサ１は、図３に示すように、基準ガスＡの酸素濃度と排ガスＧの酸素濃度との差に応じて基準電極３２と測定電極３１との間に生じる起電力Ｖに基づいて、エンジン４の空燃比が理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態Ｒにあるか、エンジン４の空燃比が理論空燃比に対して空気過剰なリーン状態Ｌにあるかを検出する。

酸素センサ１の制御方法においては、図１、図２に示すように、制御コンピュータ６によってエンジン４の回転速度Ｋが逐次測定され、電流印加手段６２によって基準電極３２と測定電極３１との間に条件に応じてシフト用電流Ｉが印加される。また、図３に示すように、固体電解質体２を経由して基準電極３２から測定電極３１へ移動する酸素イオンＯ１によって起電力Ｖが生じ、この起電力Ｖは、リーン状態Ｌとリッチ状態Ｒとの境界に位置するλ点において急激に変化する。

図２、図３に示すように、エンジン４の回転速度Ｋが増加する高負荷時においては、固体電解質体２を経由して基準電極３２から測定電極３１へ移動する酸素イオンＯ１を増加させる正方向Ｄ１にシフト用電流Ｉを印加して、起電力Ｖのλ点をリッチ側にシフトさせるリッチシフト制御Ｃ１を行う。一方、高負荷時以外の低負荷時においては、シフト用電流Ｉの印加を減少させるシフト低減制御Ｃ２を行う。図３においては、λ点をシフトしない通常の制御を符号Ｃ０で示す。λ点は、空気過剰率λが１となる理論混合気の場合を示し、本例においては、λ点を１よりも若干小さいリッチ側にシフトする。

以下に、本例の酸素センサ１の制御方法について、図１〜図６を参照して詳説する。
図１に示すように、本例の酸素センサ１は、エンジン４の排気管５内に配置された三元触媒５１を効果的に作用させるために、排気管５内を流れる排ガスＧを被測定ガスとして、この排ガスＧ中の酸素濃度の変化に応じて、リッチ状態Ｒとリーン状態Ｌとの判別を行うものである。そして、制御コンピュータ６は、シフト用電流Ｉが印加されない状態においては、酸素センサ１の測定値をフィードバックして、エンジン４の空燃比が、リッチ状態Ｒとリーン状態Ｌとの境界付近としての理論空燃比（ストイキ）の近傍になるよう、燃料と空気の混合比率を決定する。

酸素センサ１においては、大気に晒される基準電極３２から、大気よりも酸素濃度が低い排ガスＧに晒される測定電極３１へ、固体電解質体２を経由して酸素イオンＯ１及び電子が移動する。また、電流は、測定電極３１から基準電極３２へ流れる。そして、エンジン４における燃料と空気との混合気の空燃比がリーン状態Ｌからリッチ状態Ｒになると、排ガスＧ中のＨＣ、ＣＯ等の不完全燃焼成分が増加し、これが酸素と反応して、排ガスＧ中の酸素濃度が急激に低下する。このとき、固体電解質体２を経由した基準電極３２から測定電極３１への酸素イオンＯ１の流れが急激に増加することによって起電力Ｖが急激に上昇し、リーン状態Ｌからリッチ状態Ｒに変化するときのλ点が現れる。
シフト用電流Ｉが印加されていない定常状態においては、空燃比が１４．５である付近にλ点（空気過剰率λ＝１）が設定され、λ点を含む所定幅の空燃比の範囲として、ＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯを効果的に浄化するウィンドウが設定される。

図１に示すように、本例の酸素センサ１は、二輪に用いられるヒータレス式のものである。この酸素センサ１は、ヒータを備えていないために、センサ素子１１の温度に変動を生じやすい性質を有している。ここで、センサ素子１１とは、一対の電極３１，３２が設けられた固体電解質体２のことをいう。
固体電解質体２は、円筒部と、円筒部の先端を閉塞する先端閉塞部とを有するコップ型の形状に形成されている。測定電極３１は、コップ型の固体電解質体２の外周に設けられており、基準電極３２は、コップ型の固体電解質体２の内周に設けられている。基準電極３２に接触する基準ガスＡは酸素濃度が一定の大気である。
固体電解質体２は、絶縁物を介してハウジング１２に取り付けられ、ハウジング１２は、排気管５に取り付けられる。また、固体電解質体２に測定電極３１が設けられた先端側部分は、ハウジング１２から突出しており、固体電解質体２の先端側部分は、ハウジング１２に取り付けられた保護カバーによって覆われている。

酸素センサ１は、エンジン４の排気管５において、三元触媒５１が配置された位置よりも、排ガスＧの流れの上流側に配置されている。
酸素センサ１には、基準電極３２と測定電極３１との間に生じる起電力（センサ出力）Ｖを検出するための起電力検出手段６１と、基準電極３２と測定電極３１との間にシフト用電流Ｉを印加するための電流印加手段６２と、固体電解質体２の抵抗値Ｒを測定するための抵抗値測定手段６３とが設けられている。また、内燃機関には、エンジン４の回転速度Ｋを測定するための回転速度測定手段６４が設けられている。また、本例の内燃機関は自動車に設けられたものであり、自動車には、車速を測定するための車速測定手段６５が設けられている。

制御コンピュータ６（ＥＣＵ）には、酸素センサ１の起電力（センサ出力）Ｖのデータ、センサ素子１１の温度（固体電解質体２の抵抗値Ｒ）のデータ、エンジン４の回転速度Ｋのデータ、及び車速のデータが送られる。また、制御コンピュータ６は、センサ出力を受けて、燃料噴射弁４１から噴射させる燃料の量を決定し、燃料噴射弁４１及び点火コイル４２へ制御信号を送る。

本例の酸素センサ１に電流印加手段６２によって印加するシフト用電流Ｉは、酸素センサ１の制御を開始する前に求められたリッチ側マップＭ１に基づいて決定される。基準電極３２と測定電極３１との間の固体電解質体２の抵抗値Ｒは、固体電解質体２の温度が高くなるときに低くなり、固体電解質体２の温度が低くなるときに高くなる。

図４は、起電力Ｖのλ点をリッチ側にシフトした場合とリーン側にシフトした場合とにおいて、固体電解質体２の温度の変化により、起電力Ｖが変化する状態を示す。エンジン４の高負荷時においては、起電力Ｖのλ点をリッチ側にシフトさせるようシフト用電流Ｉを印加しており、酸素センサ１のセンサ素子１１の温度が上昇して、固体電解質体２の抵抗値Ｒが低くなりやすい。同図において、λ点のリッチ側へのシフト量をＳ１で示す。

固体電解質体２の抵抗値Ｒが高くなると、電流印加手段６２によって固体電解質体２に一定電流であるシフト用電流Ｉを流すときの印加電圧が大きくなる。このとき、図４に示すように、λ点をリッチ側にシフトした起電力波形Ｘ１における起電力Ｖの値が、λ点のシフトを行っていない基準となる起電力波形Ｘ０における起電力Ｖの値よりも小さくなる（センサ出力が小さくなる）。そして、リッチ側にシフトした起電力波形Ｘ１におけるλ点のラインＸ１’が、所定の傾きを有するように傾斜する。これに伴い、リッチ状態Ｒとリーン状態Ｌとを判別する判別起電力値Ｙに対するリッチ側のシフト狙い値のずれΔＥ１が生じ、リッチ側へのシフト制御の精度を悪化させる。
そのため、このシフト狙い値のずれΔＥ１を補正するために、シフト用電流Ｉをリッチ側マップＭ１に基づいて決定する。

リッチ側マップＭ１は、リッチシフト制御Ｃ１及びシフト低減制御Ｃ２を行う際に、温度による固体電解質体２の抵抗値Ｒの変化に伴うセンサ出力の変化を補正するために用いる。ここで、λ点をリッチ側にシフトするための所定のシフト用電流Ｉが酸素センサ１に印加された状態において、基準電極３２と測定電極３１との間の固体電解質体２の抵抗値Ｒを変化させたときの、基準電極３２と測定電極３１との間に生じる起電力Ｖの大きさを測定すると次のようになる。固体電解質体２の抵抗値Ｒは、センサ素子１１の温度が変化することによって変化する。このとき、リッチ側へのシフト用電流Ｉが印加された状態における、抵抗値Ｒと起電力Ｖとの関係は、図５（ａ）に示すように、抵抗値Ｒが高くなるに連れて（温度が低くなるに連れて）、起電力Ｖが小さくなる関係となる。この関係は、抵抗値Ｒが高くなるに連れて、印加電圧も高くなるが、起電力Ｖは小さくなってしまうことに基づいている。
また、抵抗値Ｒと起電力Ｖとの関係は、リッチ側へのシフト量を決定するシフト用電流Ｉの大きさによって変化する。実線Ｖ１は、高負荷時に、λ点をリッチ側へシフトするシフト用電流Ｉの場合の関係を示し、破線Ｖ２は、低負荷時に、λ点をリッチ側へシフトする量を低減したシフト用電流Ｉの場合の関係を示す。

リッチ側マップＭ１を求めるに当たっては、λ点をリッチ側にシフトするための所定のシフト用電流Ｉが印加された状態において、固体電解質体２が各抵抗値Ｒにある場合について、起電力Ｖの低下ができる限り生じなくなるようにする印加電流Ｊの大きさを求める。そして、図５（ｂ）に示すように、各抵抗値Ｒの大きさと印加電流Ｊの大きさとの関係が、リッチ側マップＭ１となる。リッチ側マップＭ１は、抵抗値Ｒが高くなるほど印加電流Ｊが小さくなる関係として求められる。実線Ｊ１は、高負荷時にλ点をリッチ側へシフトするシフト用電流Ｉの場合の関係を示し、破線Ｊ２は、低負荷時にλ点をリッチ側へシフトするシフト用電流Ｉの場合の関係を示す。
なお、図２に示すように、リッチ側マップＭ１における印加電流Ｊの印加方向は、固体電解質体２を経由して基準電極３２から測定電極３１へ流れる酸素イオンＯ１を増加させる正方向Ｄ１となる。このリッチ側マップＭ１は、制御コンピュータ６内に記憶される。

次に、リッチ側マップＭ１を用いて酸素センサ１を制御する方法を説明する。
本例の酸素センサ１の制御を行う際には、回転速度測定手段６４によってエンジン４の回転速度Ｋが測定され、エンジン４の回転速度Ｋが増加するか否かが検出される。また、抵抗値測定手段６３によって、基準電極３２と測定電極３１との間に位置する固体電解質体２の抵抗値Ｒが測定される。また、リッチシフト制御Ｃ１又はシフト低減制御Ｃ２を行うために、図２に示すように、電流印加手段６２によって、基準電極３２と測定電極３１との間に、酸素イオンＯ１の移動を増加させる正方向Ｄ１にシフト用電流Ｉが印加される。同図において、シフト用電流Ｉによって増加する酸素イオンを符号Ｏ２で示す。

そして、制御コンピュータ６は、エンジン４の高負荷時及び低負荷時において、リッチ側マップＭ１を用いて、印加するシフト用電流Ｉの値を変化させる。具体的には、制御コンピュータ６は、図５（ｂ）に示すように、抵抗値測定手段６３によって測定された現在の抵抗値Ｒをリッチ側マップＭ１に照合して、リッチ側マップＭ１から、現在の抵抗値Ｒに対応する印加電流Ｊの大きさを読み取る。そして、この印加電流Ｊを、シフト用電流Ｉとして、基準電極３２と測定電極３１との間に印加する。このとき、基準電極３２と測定電極３１との間に生じる起電力Ｖは、理想的には、図５（ｃ）に示すように、抵抗値Ｒの変化に拘らず一定値に近くなる。これにより、リッチ側マップＭ１に基づいて酸素センサ１に印加するシフト用電流Ｉを変化させて、リッチ側のシフト狙い値のずれΔＥ１を緩和することができ、リッチ側へのシフト制御の精度を向上させることができる。

制御コンピュータ６は、回転速度測定手段６４によって測定されたエンジン４の回転速度Ｋが増加するときには、エンジン４が高負荷時にあることを検出する。ここで、エンジン４が高負荷時にあるか否かの検出は、車速測定手段６５によって測定される車速に基づいて行うこともできる。エンジン４の高負荷時においては、制御コンピュータ６は、λ点をリッチ側にシフトする量を所定量に設定して、リッチシフト制御Ｃ１を行う。
エンジン４の高負荷時においては、排ガスＧの温度が高くなり、これに伴って固体電解質体２の抵抗値Ｒが低くなる。そして、リッチ側マップＭ１に基づいて、基準電極３２と測定電極３１との間に正方向Ｄ１のシフト用電流Ｉが印加され、起電力Ｖのλ点がリッチ側にシフトした状態で酸素センサ１が制御される。また、エンジン４においては、理論空燃比に対して燃料過剰となるリッチ状態Ｒで燃焼運転が行われる。これにより、高負荷時において、排ガスＧ中におけるＮＯｘの発生量を抑制することができる。なお、ＮＯｘは、一般的に、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．５，λ＝１）よりもリーン状態Ｌにシフトした位置において発生しやすい。

一方、制御コンピュータ６は、回転速度測定手段６４によって測定されたエンジン４の回転速度Ｋが減少する、又は一定であるときには、エンジン４が低負荷時にあることを検出する。エンジン４の低負荷時においては、制御コンピュータ６は、λ点をリッチ側にシフトする量を、リッチシフト制御Ｃ１を行う場合よりも小さくして、シフト低減制御Ｃ２を行う。
エンジン４の低負荷時においては、排ガスＧの温度が低くなり、これに伴って固体電解質体２の抵抗値Ｒが高くなる。そして、リッチ側マップＭ１に基づいて、基準電極３２と測定電極３１との間に印加される正方向Ｄ１のシフト用電流Ｉが印加され、起電力Ｖのλ点のリッチ側へのシフト量が低減された状態で酸素センサ１が制御される。これにより、低負荷時であって排ガスＧの低温時に発生しやすい固体電解質体２のブラックニングの発生を抑制することができる。

それ故、本例の酸素センサ１の制御方法によれば、高負荷時におけるＮＯｘの発生の抑制と、低負荷時における固体電解質体２のブラックニングの発生の抑制とを両立させることができる。
なお、エンジン４の低負荷時においては、電流印加手段６２によるシフト用電流Ｉの印加を停止することもできる。この場合には、高負荷時のみにおいて、λ点をリッチ側にシフトさせて酸素センサ１を制御することができる。

（実施例２）
本例の酸素センサ１においては、図６、図７に示すように、エンジン４の低負荷時に、固体電解質体２を経由して基準電極３２から測定電極３１へ移動する酸素イオンＯ１を減少させる逆方向Ｄ２にシフト用電流Ｉ’を印加して、起電力Ｖのλ点をリーン側にシフトさせるリーンシフト制御Ｃ３を行う。図６において、シフト用電流Ｉ’によって酸素イオンＯ１と反対側に移動する酸素イオンを符号Ｏ２で示す。また、図７においては、λ点をシフトしない通常の制御を符号Ｃ０で示す。
また、本例の酸素センサ１においても、エンジン４の高負荷時には、上記実施例１に記載したリッチ側マップＭ１に基づいてリッチシフト制御Ｃ１を行う。リッチ側マップＭ１は、酸素センサ１の制御を開始する前において、リッチ側マップＭ１を求めたときと同様にして求める（図５参照）。

図４に示すように、本例のエンジン４の低負荷時においては、起電力Ｖのλ点をリーン側にシフトさせるようシフト用電流Ｉ’を印加しており、酸素センサ１のセンサ素子１１の温度が低下して、固体電解質体２の抵抗値Ｒが高くなりやすい。同図において、λ点のリーン側へのシフト量をＳ２で示す。

固体電解質体２の抵抗値Ｒが高くなると、電流印加手段６２によって固体電解質体２に一定電流であるシフト用電流Ｉ’を流すときの印加電圧が大きくなる。このとき、図４に示すように、λ点をリーン側にシフトした起電力波形Ｘ２における起電力Ｖの値が、λ点のシフトを行っていない基準となる起電力波形Ｘ０における起電力Ｖの値よりも大きくなる（センサ出力が大きくなる）。そして、リーン側にシフトした起電力波形Ｘ２におけるλ点のラインＸ２’が、所定の傾きを有するように傾斜する。これに伴い、リッチ状態Ｒとリーン状態Ｌとを判別する判別起電力値Ｙに対するリーン側のシフト狙い値のずれΔＥ２が生じ、リーン側へのシフト制御の精度を悪化させる。
そのため、このシフト狙い値のずれΔＥ２を補正するために、シフト用電流Ｉ’をリーン側マップＭ２に基づいて決定する。

リーン側マップＭ２は、リーンシフト制御Ｃ３を行う際に、温度による固体電解質体２の抵抗値Ｒの変化に伴うセンサ出力の変化を補正するために用いる。ここで、λ点をリーン側にシフトするための所定のシフト用電流Ｉ’が酸素センサ１に印加された状態において、基準電極３２と測定電極３１との間の固体電解質体２の抵抗値Ｒを変化させたときの、基準電極３２と測定電極３１との間に生じる起電力Ｖの大きさを測定すると次のようになる。固体電解質体２の抵抗値Ｒは、センサ素子１１の温度が変化することによって変化する。このとき、リーン側へのシフト用電流Ｉ’が印加された状態における、抵抗値Ｒと起電力Ｖとの関係は、図８（ａ）に示すように、抵抗値Ｒが高くなるに連れて（温度が低くなるに連れて）、起電力Ｖが大きくなる関係となる。この関係は、抵抗値Ｒが高くなるに連れて、印加電圧も高くなることに基づいている。

リーン側マップＭ２を求めるに当たっては、λ点をリーン側にシフトするための所定のシフト用電流Ｉ’が印加された状態において、固体電解質体２が各抵抗値Ｒにある場合について、起電力Ｖの上昇ができる限り生じなくなるようにする印加電流Ｊの大きさを求める。そして、図８（ｂ）に示すように、各抵抗値Ｒの大きさと印加電流Ｊの大きさとの関係が、リーン側マップＭ２となる。リーン側マップＭ２は、抵抗値Ｒが高くなるほど印加電流Ｊが小さくなる関係として求められる。
なお、図７に示すように、リーン側マップＭ２における印加電流Ｊの印加方向は、固体電解質体２を経由して基準電極３２から測定電極３１へ流れる酸素イオンＯ１を減少させる逆方向Ｄ２となる。このリーン側マップＭ２は、制御コンピュータ６内に記憶される。

次に、リッチ側マップＭ１及びリーン側マップＭ２を用いて酸素センサ１を制御する方法を説明する。
本例の酸素センサ１においては、高負荷時には、リッチ側マップＭ１を用いてリッチシフト制御Ｃ１が行われ、低負荷時には、リーン側マップＭ２を用いてリーンシフト制御Ｃ３が行われる。そして、酸素センサ１の制御を行う際には、回転速度測定手段６４によってエンジン４の回転速度Ｋが測定され、抵抗値測定手段６３によって固体電解質体２の抵抗値Ｒが測定される。

エンジン４の回転速度Ｋが増加し、エンジン４が高負荷時にあることが検出されるときには、制御コンピュータ６はリッチシフト制御Ｃ１を行う。また、制御コンピュータ６は、抵抗値測定手段６３によって測定された現在の抵抗値Ｒをリッチ側マップＭ１に照合して、リッチ側マップＭ１から、現在の抵抗値Ｒに対応する印加電流Ｊの大きさを読み取る。そして、この印加電流Ｊを、シフト用電流Ｉ’として、基準電極３２と測定電極３１との間に印加する。これにより、高負荷時においては、上記実施例１と同様にして、排ガスＧ中におけるＮＯｘの発生量を抑制することができる。

一方、エンジン４の回転速度Ｋが減少するか一定であり、エンジン４が低負荷時にあることが検出されるときには、制御コンピュータ６はリーンシフト制御Ｃ３を行う。また、制御コンピュータ６は、抵抗値測定手段６３によって測定された現在の抵抗値Ｒをリーン側マップＭ２に照合して、リーン側マップＭ２から、現在の抵抗値Ｒに対応する印加電流Ｊの大きさを読み取る。そして、この印加電流Ｊを、シフト用電流Ｉ’として、基準電極３２と測定電極３１との間に印加する。このとき、基準電極３２と測定電極３１との間に生じる起電力Ｖは、理想的には、図８（ｃ）に示すように、抵抗値Ｒの変化に拘らず一定値に近くなる。これにより、リーン側マップＭ２に基づいて酸素センサ１に印加するシフト用電流Ｉ’を変化させて、リーン側のシフト狙い値のずれΔＥ２を緩和することができ、リーン側へのシフト制御の精度を向上させることができる。

また、低負荷時においては、エンジン４の空燃比を積極的にリーン側へシフトすることにより、低負荷時であって排ガスＧの低温時に発生しやすい固体電解質体２のブラックニングの発生を抑制することができる。
また、λ点をリーン側へシフトする際のシフト用電流Ｉ’による酸素イオンＯ２は、固体電解質体２を経由して基準電極３２から測定電極３１へ移動する酸素イオンＯ１とは逆向きに移動する。そのため、ブラックニングによって固体電解質体２から流出した酸素を回復させる効果もあると考えられる。また、低負荷時においては、起電力Ｖのλ点をリーン側へシフトしてもＮＯｘの発生量を抑制することができる。
本例においても、その他の構成及び図中の符号は実施例１と同様であり、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記実施例１，２において、リッチシフト制御Ｃ１は、リッチ側マップＭ１を用いずに、λ点をリッチ側にシフトする量が一定になるようにして行うこともできる。また、リッチ低減制御Ｃ２は、リッチ側マップＭ１を用いずに、λ点をリッチ側にシフトする量が、リッチシフト制御Ｃ１を行う場合よりも小さい一定量になるようにして行うこともできる。また、リーンシフト制御Ｃ３は、リーン側マップＭ２を用いずに、λ点をリーン側にシフトする量が一定になるようにして行うこともできる。

１ 酸素センサ
２ 固体電解質体
３１ 測定電極
３２ 基準電極
４ エンジン
５ 排気管
６ 制御コンピュータ
Ｃ１ リッチシフト制御
Ｃ２ シフト低減制御
Ｃ３ リーンシフト制御
Ｍ１ リッチ側マップ
Ｍ２ リーン側マップ
Ｒ リッチ状態
Ｌ リーン状態
Ｖ 起電力Ｖ
Ｉ，Ｉ’ シフト用電流
Ｇ 排ガス
Ａ 基準ガス

Claims (3)

1. 内燃機関（４）の排気管（５）に配置され、該排気管（５）を流れる排ガス（Ｇ）中の酸素濃度を測定する酸素センサ（１）の制御方法であって、
   上記酸素センサ（１）は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、該固体電解質体（２）における上記排ガス（Ｇ）に晒される側の表面に設けられた測定電極（３１）と、上記固体電解質体（２）における基準ガス（Ａ）に晒される側の表面に設けられた基準電極（３２）とを備え、上記基準ガス（Ａ）の酸素濃度と上記排ガス（Ｇ）の酸素濃度との差に応じて上記基準電極（３２）と上記測定電極（３１）との間に生じる起電力（Ｖ）に基づいて、上記内燃機関（４）における空燃比が、理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態（Ｒ）にあるか、理論空燃比に対して空気過剰なリーン状態（Ｌ）にあるかを検出する酸素濃淡電池式のものであり、
   上記内燃機関（４）の回転速度が増加する高負荷時においては、上記固体電解質体（２）を経由して上記基準電極（３２）から上記測定電極（３１）へ移動する酸素イオン（Ｏ１）を増加させる正方向（Ｄ１）に、シフト用電流（Ｉ）を印加して、上記リッチ状態（Ｒ）と上記リーン状態（Ｌ）とを区別するための上記起電力（Ｖ）のλ点をリッチ側にシフトさせるリッチシフト制御（Ｃ１）を行い、
   上記高負荷時以外の低負荷時においては、上記シフト用電流（Ｉ）の印加を停止もしくは減少させるシフト低減制御（Ｃ２）を行い、
   上記測定電極（３１）と上記基準電極（３２）との間の上記固体電解質体（２）の抵抗値（Ｒ）の大きさと、該抵抗値（Ｒ）の大きさに応じて上記測定電極（３１）と上記基準電極（３２）との間に流す印加電流（Ｊ）の大きさ及び印加方向との関係がリッチ側マップ（Ｍ１）として求められており、
   該リッチ側マップ（Ｍ１）は、上記抵抗値（Ｒ）が変化したときの上記起電力（Ｖ）の変化を緩和するよう、上記抵抗値（Ｒ）が高くなるほど上記印加電流（Ｊ）が小さくなる関係を有しており、
   上記リッチシフト制御（Ｃ１）及び上記シフト低減制御（Ｃ２）を行う際には、上記抵抗値（Ｒ）を測定し、該抵抗値（Ｒ）を上記リッチ側マップ（Ｍ１）に照合して上記印加電流（Ｊ）の大きさを読み取り、該印加電流（Ｊ）を上記シフト用電流（Ｉ）として印加することを特徴とする酸素センサ（１）の制御方法。
2. 内燃機関（４）の排気管（５）に配置され、該排気管（５）を流れる排ガス（Ｇ）中の酸素濃度を測定する酸素センサ（１）の制御方法であって、
   上記酸素センサ（１）は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、該固体電解質体（２）における上記排ガス（Ｇ）に晒される側の表面に設けられた測定電極（３１）と、上記固体電解質体（２）における基準ガス（Ａ）に晒される側の表面に設けられた基準電極（３２）とを備え、上記基準ガス（Ａ）の酸素濃度と上記排ガス（Ｇ）の酸素濃度との差に応じて上記基準電極（３２）と上記測定電極（３１）との間に生じる起電力（Ｖ）に基づいて、上記内燃機関（４）における空燃比が、理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態（Ｒ）にあるか、理論空燃比に対して空気過剰なリーン状態（Ｌ）にあるかを検出する酸素濃淡電池式のものであり、
   上記内燃機関（４）の回転速度が増加する高負荷時においては、上記固体電解質体（２）を経由して上記基準電極（３２）から上記測定電極（３１）へ移動する酸素イオン（Ｏ１）を増加させる正方向（Ｄ１）に、シフト用電流（Ｉ）を印加して、上記リッチ状態（Ｒ）と上記リーン状態（Ｌ）とを区別するための上記起電力（Ｖ）のλ点をリッチ側にシフトさせるリッチシフト制御（Ｃ１）を行い、
   上記高負荷時以外の低負荷時においては、シフト用電流（Ｉ’）を逆方向（Ｄ２）に印加して、上記起電力（Ｖ）のλ点をリーン側にシフトさせるリーンシフト制御（Ｃ３）を行い、
   上記測定電極（３１）と上記基準電極（３２）との間の上記固体電解質体（２）の抵抗値（Ｒ）の大きさと、該抵抗値（Ｒ）の大きさに応じて上記測定電極（３１）と上記基準電極（３２）との間に流す印加電流（Ｊ）の大きさ及び印加方向との関係が、上記リッチシフト制御（Ｃ１）を行う際のリッチ側マップ（Ｍ１）及び上記リーンシフト制御（Ｃ３）を行う際のリーン側マップ（Ｍ２）として求められており、
   上記リッチ側マップ（Ｍ１）及び上記リーン側マップ（Ｍ２）は、上記抵抗値（Ｒ）が変化したときの上記起電力（Ｖ）の変化を緩和するよう、上記抵抗値（Ｒ）が高くなるほど上記印加電流（Ｊ）が小さくなる関係を有しており、
   上記リッチシフト制御（Ｃ１）を行う際には、上記抵抗値（Ｒ）を測定し、該抵抗値（Ｒ）を上記リッチ側マップ（Ｍ１）に照合して上記印加電流（Ｊ）の大きさを読み取り、該印加電流（Ｊ）を上記シフト用電流（Ｉ）として印加し、
   上記リーンシフト制御（Ｃ３）を行う際には、上記抵抗値（Ｒ）を測定し、該抵抗値（Ｒ）を上記リーン側マップ（Ｍ２）に照合して上記印加電流（Ｊ）の大きさを読み取り、該印加電流（Ｊ）を上記シフト用電流（Ｉ’）として印加することを特徴とする酸素センサ（１）の制御方法。
3. 上記酸素センサ（１）は、二輪に用いられるヒータレス式のものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の酸素センサ（１）の制御方法。

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