JPH1019827A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】いち早く所望の空燃比フィードバック制御を開
始し、エミッションを低減すると共に良好なるドライバ
ビリティを確保する。 【解決手段】エンジン１の排気管１２には、限界電流式
のＡ／Ｆセンサ２６が配設されている。センサ駆動部６
０内のマイコンは、Ａ／Ｆセンサ２６の活性化状態を判
定し、当該センサ２６の半活性化状態が判定された場合
において、Ａ／Ｆセンサ２６を起電力出力状態とすると
共にその一対の電極間に外部から強制電流を流し、起電
力が急変する空燃比点を理論空燃比点からリーン領域に
変更する。この場合、エンジン制御部５０内のＣＰＵ５
１は、該変更されたセンサ特性を用いて空燃比フィード
バック制御を実施する。また、ＣＰＵ５１は、Ａ／Ｆセ
ンサ２６が完全に活性化された状態において、Ａ／Ｆセ
ンサ２６のリニア特性に基づいて現代制御理論を用いた
空燃比フィードバック制御を実施する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の空燃比
制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来技術として、特開昭６３−
２２３３４７号の「内燃機関の空燃比制御装置」が開示
されている。この制御装置では、空燃比センサの半活性
化状態において、当該センサの起電力出力（Ｚ特性）を
用いて空燃比フィードバック制御が実施される。このと
き、空燃比は理論空燃比（ストイキ）に対してフィード
バック制御される。また、空燃比センサの完全活性化状
態においては、当該センサの限界電流出力（リニア特
性）を用いて空燃比フィードバック制御が実施されるよ
うになっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、近年では、
排ガス規制が強化される傾向にあり、半活性化状態にお
いてストイキ制御を行う従来公報の技術では、十分なエ
ミッションの低減効果が得られないという問題や、良好
なるドライバビリティが確保できないという問題があっ
た。かかる問題は特に、内燃機関の低温始動直後に顕著
に現れる。

【０００４】また、最近では、上述の如くエミッション
の低減やドライバビリティの確保を図るべく、空燃比セ
ンサが半ば活性化した状態においても、空燃比を理論空
燃比近傍で多少リーン側（或いはリッチ側）に制御させ
たいという要望も提案されているが、既存の装置ではか
かる要望に応えることができず、通常は、空燃比センサ
が完全な活性化状態になるまで待たなければならないと
いう不都合があった。

【０００５】一方、理論空燃比点で急変する特性しか有
しない空燃比センサ（Ｏ2 センサ）の場合には、加速時
の高負荷運転時に燃料噴射量をリッチ側に制御したり、
触媒の過熱防止のために同じく燃料噴射量をリッチ側に
制御したりする際において、空燃比フィードバック制御
を継続することができず、一時的なオープン制御が強い
られる。かかる場合、エミッションの悪化等の諸問題を
招く。

【０００６】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、空燃比センサの
起電力特性を変更することにより、いち早く所望の空燃
比フィードバック制御を開始すると共に理論空燃比点か
ら離れた空燃比点での空燃比フィードバック制御を可能
とし、エミッション低減並びに良好なるドライバビリテ
ィの確保を実現することができる内燃機関の空燃比制御
装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明では、固体電解質層とその両
側に設けられた少なくとも一対の電極とを有し、外部か
らの強制電流が流れていない時には理論空燃比点近傍に
て急変する起電力を出力する空燃比センサを備える。そ
して、センサ特性変更手段は、前記空燃比センサの一対
の電極間に外部から強制電流を流し、前記起電力が急変
する空燃比点を理論空燃比点からリーン領域又はリッチ
領域に変更させる。空燃比制御手段は、前記センサ特性
変更手段により変更されたセンサ特性を用い、当該空燃
比センサにより検出された空燃比が、前記特性変更後に
おける起電力急変の空燃比点に対してリッチ側か或いは
リーン側かに応じて空燃比フィードバック制御を実施す
る。

【０００８】つまり、上記のように変更されるセンサ特
性は、その時々の機関運転条件に対応する目標空燃比に
応じて任意に設定でき、理論空燃比点から離れた空燃比
点でのフィードバック制御が実現できる。この場合、例
えば機関始動時においてリーン領域の空燃比点で起電力
を急変させるようセンサ特性を変更し、このセンサ特性
に基づいてフィードバック制御を実施すれば、機関始動
時当初のＨＣ排出量を低減させることが可能となる。ま
た、機関暖機後の加速時においてリッチ領域の空燃比点
で起電力を急変させるようセンサ特性を変更し、このセ
ンサ特性に基づいてフィードバック制御を実施すれば、
高負荷時においてもフィードバック制御が継続できる。

【０００９】以上本発明によれば、いち早く所望の空燃
比フィードバック制御を開始すると共に理論空燃比点よ
りも離れた空燃比点での空燃比フィードバック制御を可
能とし、エミッション低減並びに良好なるドライバビリ
ティの確保を実現することができる。言い加えれば、本
発明の制御では、本来、理論空燃比点で起電力を急変さ
せる特性を有する空燃比センサ（Ｏ2 センサ）を構成要
件としても、リーン領域又はリッチ領域での空燃比フィ
ードバック制御が実現できることとなる。

【００１０】また、請求項２に記載の発明において、活
性化状態判定手段は、前記空燃比センサの活性化状態を
判定するための複数の判定条件に基づいて、少なくとも
前記空燃比センサが半ば活性化した状態、並びに完全に
活性化した状態を判定する。センサ特性変更手段は、前
記空燃比センサの半活性化状態が判定された場合におい
て、当該空燃比センサの一対の電極間に外部から強制電
流を流し、前記起電力が急変する空燃比点を理論空燃比
点からリーン領域又はリッチ領域に変更させる。この場
合、空燃比センサの半活性化状態で変更されるセンサ特
性は、内燃機関の個々の特性や仕様に基づいて決定され
るものである。

【００１１】そして、第１の空燃比制御手段は、前記空
燃比センサの半活性化状態が判定された場合において、
前記センサ特性変更手段により変更されたセンサ特性を
用い、当該空燃比センサにより検出された空燃比が、前
記特性変更後における起電力急変の空燃比点に対してリ
ッチ側か或いはリーン側かに応じて空燃比フィードバッ
ク制御を実施する。また、第２の空燃比制御手段は、前
記空燃比センサの完全なる活性化状態が判定された場合
において、当該空燃比センサにより検出された空燃比に
基づいて空燃比フィードバック制御を実施する。

【００１２】つまり、空燃比センサの活性化が進むに従
って、その制御形態が第１の空燃比制御手段によるフィ
ードバック制御から、第２の空燃比制御手段によるフィ
ードバック制御に移行されることとなる。なお、ここで
言う第２の空燃比制御手段は、ストイキ近傍にて空燃比
をＰＩ制御したり、比較的広域な空燃比領域で現代制御
理論に基づいて空燃比をフィードバック制御したりす
る。

【００１３】上記構成によれば、機関始動直後に空燃比
センサが完全に活性化するまでの間において、当該空燃
比センサが活性化前の状態（半活性化の状態）であって
も内燃機関の仕様に応じた所望の空燃比点にてフィード
バック制御が実現できる。その結果、いち早く所望の空
燃比制御が開始できると共に、エミッション低減や良好
なるドライバビリティ確保といった効果を得ることがで
きる。

【００１４】前記センサ特性変更手段による特性変更手
順としては、請求項３に示すように、基準ガス側電極か
ら被測定ガス側電極へ向けて電流を流し込むことにより
前記起電力が急変する空燃比点をリーン領域に変更し、
他方、前記被測定ガス側電極から前記基準ガス側電極へ
向けて電流を流し込むことにより前記起電力が急変する
空燃比点をリッチ領域に変更する。この場合、基準ガス
とは一般に大気を指し、基準ガス側電極は大気側電極に
相当する。また、被測定ガスとは一般に排気ガスを指
し、被測定ガス側電極は排気ガス側電極に相当する。こ
れにより、空燃比点の起電力に係わる特性が容易に変更
でき、また、その変更可能な範囲も比較的広域とするこ
とができる（理論空燃比１４．７に対して、±３程度の
空燃比の変更が可能となる）。

【００１５】また、請求項４に記載の発明では、前記空
燃比センサは、例えば限界電流式の空燃比センサであっ
て、理論空燃比点にて急変する起電力を出力する第１の
特性と、固体電解質の両側電極に所定電圧が印加される
ことにより空燃比に対してリニアな電流値を出力する第
２の特性とを有する。そして、センサ特性変更手段は、
空燃比センサの一対の電極間に流れる電流を制御して前
記第１の特性を変更する。この場合、請求項５に記載し
たように、前記第１の空燃比制御手段は、前記センサ特
性変更手段により変更された第１の特性に基づいて空燃
比フィードバック制御を実施し、前記第２の空燃比制御
手段は、前記第２の特性に基づいて空燃比フィードバッ
ク制御を実施する。

【００１６】上記構成によれば、活性化温度が比較的高
い空燃比センサ（例えば限界電流式センサでは、６５０
℃程度）についても、その完全な活性化までに要する期
間内において、早期に所望の空燃比フィードバック制御
が実施できる。

【００１７】請求項６に記載の発明では、前記活性化状
態判定手段の具体的な手法として、内燃機関の始動時か
らの経過時間、前記空燃比センサの起電力レベル、前記
空燃比センサの素子抵抗、素子温、当該センサに付設さ
れるヒータへの機関始動時からの供給電力量のいずれか
又はこれらの組み合わせに基づいて、空燃比センサの活
性化状態を判定する旨を記載している。かかる構成によ
れば、容易且つ確実に空燃比センサの活性化状態を判別
することが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明を内燃機関の空燃比
制御装置において具体化した第１の実施の形態を説明す
る。本実施の形態における空燃比制御装置ではその主た
る構成として、内燃機関の排気系通路の途中に三元触媒
を有し、その三元触媒の上流側には限界電流式の空燃比
センサ（Ａ／Ｆセンサ）が配設されると共に、同三元触
媒の下流側には理論空燃比点を境に出力電圧が急変する
空燃比センサ（Ｏ2 センサ）が配設されている。そし
て、これら２つの空燃比センサによる検出結果を、マイ
クロコンピュータを主体とする電子制御装置（以下、Ｅ
ＣＵという）に取り込み、当該ＥＣＵは前記検出結果を
用いて空燃比フィードバック制御を実施する。以下、図
面を用いてその詳細な構成を説明する。

【００１９】図１は、本実施の形態における空燃比制御
装置が設けられた内燃機関とその周辺機器の概略構成図
である。図１に示すように、内燃機関（以下、エンジン
という）１は４気筒４サイクルの火花点火式として構成
されている。その吸入空気は上流よりエアクリーナ２、
吸気管３、スロットルバルブ４、サージタンク５及びイ
ンテークマニホールド６を通過して、インテークマニホ
ールド６内で各気筒毎の燃料噴射弁７から噴射された燃
料と混合される。そして、所定空燃比の混合気として各
気筒に供給される。

【００２０】また、エンジン１の各気筒に設けられた点
火プラグ８には、点火回路９から供給される高電圧がデ
ィストリビュータ１０を介して分配供給され、点火プラ
グ８は前記各気筒の混合気を所定タイミングで点火す
る。燃焼後に各気筒から排出される排気ガスは、エキゾ
ーストマニホールド１１及び排気管１２を通過し、排気
管１２に設けられた三元触媒１３にて有害成分（ＣＯ、
ＨＣ、ＮＯX 等) が浄化された後、大気に排出される。

【００２１】前記吸気管３には吸気温センサ２１及び吸
気圧センサ２２が設けられ、吸気温センサ２１は吸入空
気の温度（吸気温Ｔａｍ）を、吸気圧センサ２２はスロ
ットルバルブ４の下流側の吸入空気の圧力（吸気圧Ｐ
Ｍ）をそれぞれ検出する。また、前記スロットルバルブ
４には同バルブ４の開度（スロットル開度ＴＨ）を検出
するためのスロットルセンサ２３が設けられ、このスロ
ットルセンサ２３はスロットル開度ＴＨに応じたアナロ
グ信号を出力すると共に、スロットルバルブ４が略全閉
である旨の検出信号を出力する。また、エンジン１のシ
リンダブロックには水温センサ２４が設けられ、この水
温センサ２４はエンジン１内の冷却水の温度（冷却水温
Ｔｈｗ）を検出する。前記ディストリビュータ１０には
エンジン１の回転数（エンジン回転数Ｎｅ）を検出する
ための回転数センサ２５が設けられ、この回転数センサ
２５はエンジン１の２回転、すなわち７２０°ＣＡ毎に
等間隔で２４個のパルス信号を出力する。

【００２２】さらに、前記排気管１２の三元触媒１３の
上流側には、エンジン１から排出される排気ガスの酸素
濃度に比例して広域で且つリニアな空燃比信号λを出力
する、限界電流式酸素センサからなるＡ／Ｆセンサ（空
燃比センサ）２６が設けられている。また、三元触媒１
３の下流側には、空燃比が理論空燃比（λ＝１）に対し
てリッチかリーンかに応じた電圧ＶＯＸ２を出力する下
流側Ｏ2 センサ２７が設けられている。

【００２３】図２は、Ａ／Ｆセンサ２６の概略を示す断
面図である。図２において、Ａ／Ｆセンサ２６は排気管
１２の内部に向けて突設されており、同センサ２６はカ
バー３１、センサ本体３２及びヒータ３３に大別され
る。カバー３１は断面コ字状をなし、その周壁にはカバ
ー内外を連通する多数の小孔３１ａが形成されている。
センサ本体３２は、空燃比リーン領域における酸素濃
度、若しくは空燃比リッチ領域における未燃ガス（Ｃ
Ｏ，ＨＣ，Ｈ2 等）濃度に対応する限界電流を発生す
る。

【００２４】センサ本体３２の構成について詳述する。
センサ本体３２において、断面カップ状に形成された固
体電解質層３４の外表面には、被測定ガス側電極として
の排気ガス側電極層３６が固着され、内表面には基準ガ
ス側電極としての大気側電極層３７が固着されている。
また、排気ガス側電極層３６の外側には、プラズマ溶射
法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体電解
質層３４は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3
等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3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
り、拡散抵抗層３５は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石
質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。
排気ガス側電極層３６及び大気側電極層３７は共に、白
金等の触媒活性の高い貴金属からなり多孔質の化学メッ
キ等により形成されている。なお、排気ガス側電極層３
６の面積及び厚さは、５〜１００ｍｍ^2（平方ミリメー
トル）及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一
方、大気側電極層３７の面積及び厚さは、５ｍｍ^2（平
方ミリメートル）以上及び０．５〜２．０μｍ程度とな
っている。

【００２５】ヒータ３３は大気側電極層３７内に収容さ
れており、その発熱エネルギーによりセンサ本体３２
（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排気ガス側電
極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３
は、センサ本体３２を活性化するに十分な発熱容量を有
している。

【００２６】上記構成のＡ／Ｆセンサ２６のセンサ本体
３２は、排気ガス側電極層３６及び大気側電極層３７の
両電極に所定電圧が印加された状態において、理論空燃
比点よりリーン領域の酸素濃度に応じた限界電流を発生
する。この場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排気
ガス側電極層３６の面積、拡散抵抗層３５の厚さ、気孔
率及び平均孔径により決定される。

【００２７】また、センサ本体３２は酸素濃度を直線的
特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体３２
を活性化するのに約６５０℃以上の高温が必要とされる
と共に、その活性温度範囲が狭いため、エンジン１の排
気ガスのみによる加熱ではセンサ本体３２を活性領域に
制御できない。そのため、本実施の形態では、後述する
ＥＣＵ４０によりヒータ３３が加熱制御され、センサ本
体３２が所定の活性温度に保持されるようになってい
る。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃
ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃比に対し
てほぼリニアに変化し、センサ本体３２はＣＯ等の濃度
に応じた限界電流を発生する。

【００２８】センサ本体３２の電圧−電流特性について
図３を用いて説明する。図３に示すように電流−電圧特
性は、Ａ／Ｆセンサ２６の検出酸素濃度（空燃比）に比
例するセンサ本体３２の固体電解質層３４への流入電流
と、同固体電解質層３４への印加電圧との関係が直線的
であることを示す。そして、センサ本体３２が温度Ｔ＝
Ｔ１にて活性状態にあるとき、図３の実線で示すように
特性線Ｌ１でもって安定した状態を示す。かかる場合、
特性線Ｌ１の電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体３
２の限界電流を特定する。この限界電流の増減は空燃比
の増減（すなわち、リーン・リッチ）に対応しており、
空燃比がリーン側になるほど限界電流は増大し、空燃比
がリッチ側になるほど限界電流は減少する。

【００２９】また、この電圧−電流特性において電圧軸
Ｖに平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配域と
なっており、その抵抗支配域における特性線Ｌ１の傾き
は、センサ本体３２における固体電解質層３４の内部抵
抗により特定される。固体電解質層３４の内部抵抗は温
度変化に伴い変化するため、センサ本体３２の温度が低
下すると抵抗の増大により上記傾きが小さくなる。つま
り、センサ本体３２の温度ＴがＴ１よりも低いＴ２にあ
るとき、電流−電圧特性は図３の破線で示すように特性
線Ｌ２でもって特定される。かかる場合、特性線Ｌ２の
電圧軸Ｖに平行な直線部分がＴ＝Ｔ２におけるセンサ本
体３２の限界電流を特定するもので、この限界電流は特
性線Ｌ１による限界電流とほぼ一致している。

【００３０】そして、空燃比がリーンである場合におい
て、特性線Ｌ１では、センサ本体３２の固体電解質層３
４に正の印加電圧Ｖｐｏｓを印加することにより、セン
サ本体３２に流れる電流が限界電流Ｉｐｏｓとなる（図
３の点Ｐａ参照）。また、センサ本体３２の固体電解質
層３４に負の印加電圧Ｖｎｅｇを印加することにより、
センサ本体３２に流れる電流が酸素濃度に依存せず、温
度のみに比例する負の温度電流Ｉｎｅｇとなる（図３の
点Ｐｂ参照）。

【００３１】また、本実施の形態におけるＡ／Ｆセンサ
２６は、上記の如く空燃比（厳密には酸素濃度）に応じ
たリニアな出力特性を有することに加えて、電圧が印加
されていない状態において理論空燃比点（λ＝１）を境
にリーン側及びリッチ側でその起電力が急変する出力特
性を有する。この起電力は、大気中の酸素濃度と排気ガ
ス中の酸素濃度との差に応じたものであって、その起電
力の出力特性を図４に示す。

【００３２】図４において、Ａ／Ｆセンサ２６の起電力
は、理論空燃比よりもリッチ側では約１ボルトの電圧値
となり、リーン側では約０ボルトの電圧値となってい
る。この起電力の出力特性は、下流側Ｏ2 センサ２７の
出力特性と略同じものである。なお、本実施の形態にお
いて、Ａ／Ｆセンサ２６が起電力を出力する特性が請求
項記載の第１の特性に相当し、空燃比に対してリニアな
限界電流を出力する特性が請求項記載の第２の特性に相
当する。

【００３３】一方、図１のエンジン１の運転を制御する
ＥＣＵ４０は、主に燃料噴射制御や点火制御を司るエン
ジン制御部５０と、前記Ａ／Ｆセンサ２６の駆動を制御
するセンサ駆動部６０とに大別できる。エンジン制御部
５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）５１、ＲＯＭ（リード
オンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ）５３、バックアップＲＡＭ５４等を中心に論理演算
回路として構成され、前記した各種センサの検出信号
（吸気温Ｔａｍ、吸気圧ＰＭ、スロットル開度ＴＨ、冷
却水温Ｔｈｗ、エンジン回転数Ｎｅ、空燃比信号等）を
入力する。そして、それらの各値に基づいて燃料噴射量
ＴＡＵ、点火時期Ｉｇ等の制御信号を算出し、さらに、
それら制御信号を燃料噴射弁７及び点火回路９等にそれ
ぞれ出力する。上記ＥＣＵ４０には、主電源たるバッテ
リ４１が接続されている。

【００３４】次に、センサ駆動部６０の構成を図５を用
いて説明する。図５において、センサ駆動部６０は、周
知のマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）６
１と、バイアス制御回路６２とを有し、これら両者の間
にはＡ／Ｄ変換器６３及びＤ／Ａ変換器６４が配設され
ている（但し、マイコン６１内のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡ
Ｍ等の記載は省略する）。

【００３５】マイコン６１は、Ａ／Ｆセンサ２６の半活
性化状態下においてその起電力特性を変更すべく、電流
制御信号ＶｑをＤ／Ａ変換器６４に対して出力し、Ｄ／
Ａ変換器６４はこの電流制御信号Ｖｑをアナログ信号に
変換してそれをバイアス制御回路６２に出力する。ま
た、マイコン６１は、Ａ／Ｆセンサ２６の完全又は略完
全なる活性化状態下において所望の空燃比を検出するた
めのバイアス指令信号ＶｒをＤ／Ａ変換器６４に対して
出力し、Ｄ／Ａ変換器６４は、このバイアス指令信号Ｖ
ｒを電圧信号Ｖｃにアナログ変換してそれをバイアス制
御回路６２に出力する。

【００３６】バイアス制御回路６２はその主たる構成と
して、基準電圧回路６５と、第１の電圧供給回路６６
と、第２の電圧供給回路６７と、電流検出回路６８と、
一対のスイッチ回路６９，７０と、定電流回路７１とを
備える。ここで、本実施の形態におけるＡ／Ｆセンサ２
６は既述した通り、理論空燃比を境に起電力を急変する
第１の特性と、空燃比に対してリニアな限界電流を出力
する第２の特性とを有し、それら２つの特性はスイッチ
回路６９，７０の動作状態に応じて切り替えられるよう
になっている。

【００３７】因みに、図示の状態はスイッチ回路６９，
７０が接点６９ａ，７０ａ側に接続されており、この状
態ではＡ／Ｆセンサ２６は第２の特性（リニア特性）に
て作動する。これに対して、スイッチ回路６９，７０が
接点６９ｂ，７０ｂ側に切り替えられると、Ａ／Ｆセン
サ２６の出力特性は第１の特性（起電力を急変させる特
性）にて作動するようになっている。

【００３８】以下には、バイアス制御回路６２の各部の
構成を詳細に説明する。先ず、基準電圧回路６５は一対
の分圧抵抗６５ａ，６５ｂを有し、これら分圧抵抗６５
ａ，６５ｂにより一定の基準電圧Ｖａを生成する。

【００３９】第１の電圧供給回路６６は電圧フォロア回
路にて構成され、基準電圧回路６５の基準電圧Ｖａと同
じ電圧Ｖａをスイッチ回路６９の接点６９ａに供給す
る。より具体的には、第１の電圧供給回路６６は、正側
入力端子が前記各分圧抵抗６５ａ，６５ｂの分圧点に接
続されると共に負側入力端子がスイッチ回路６９の接点
６９ａに接続された演算増幅器６６ａと、演算増幅器６
６ａの出力端子にそれぞれベースが接続されたＮＰＮト
ランジスタ６６ｂ及びＰＮＰトランジスタ６６ｃとを有
する。ＮＰＮトランジスタ６６ｂのコレクタは定電圧電
源Ｖｃｃに接続され、エミッタは電流検出回路６８を構
成する電流検出抵抗６８ａを介してスイッチ回路６９の
接点６９ａに接続されている。また、ＰＮＰトランジス
タ６６ｃのエミッタはＮＰＮトランジスタ６６ｂのエミ
ッタに接続され、コレクタはアースされている。

【００４０】また、第２の電圧供給回路６７も同様に電
圧フォロア回路にて構成され、前記Ｄ／Ａ変換器６４の
電圧信号Ｖｃと同じ電圧Ｖｃをスイッチ回路７０の接点
７０ａに供給する。より具体的には、第２の電圧供給回
路６７は、正側入力端子が前記Ｄ／Ａ変換器６４の出力
に接続されると共に負側入力端子がスイッチ回路７０の
接点７０ａに接続された演算増幅器６７ａと、演算増幅
器６７ａの出力端子にそれぞれベースが接続されたＮＰ
Ｎトランジスタ６７ｂ及びＰＮＰトランジスタ６７ｃと
を有する。ＮＰＮトランジスタ６７ｂのコレクタは定電
圧電源Ｖｃｃに接続され、エミッタはスイッチ回路７０
の接点７０ａに接続されている。また、ＰＮＰトランジ
スタ６７ｃのエミッタはＮＰＮトランジスタ６７ｂのエ
ミッタに接続され、コレクタはアースされている。

【００４１】スイッチ回路６９，７０は、Ａ／Ｆセンサ
２６の２つの端子７３，７４にそれぞれ接続されるもの
であって、スイッチ回路６９に接続される一方の端子７
３はＡ／Ｆセンサ２６の大気側電極層３７（前記図２参
照）に接続される端子であり、スイッチ回路７０に接続
される他方の端子７４はＡ／Ｆセンサ２６の排気ガス側
電極層３６（前記図２参照）に接続される端子である。
これらスイッチ回路６９，７０の切替動作はマイコン６
１により双方同時に操作されるようになっている。この
場合、図示の状態では、スイッチ回路６９，７０がそれ
ぞれ接点６９ａ，７０ａ側に切り替えられているため、
Ａ／Ｆセンサ２６の両端子７３，７４には前記第１及び
第２の電圧供給回路６６，６７から電圧が供給（印加）
される。

【００４２】つまり、図５の状態において、Ａ／Ｆセン
サ２６の一方の端子７３には常時基準電圧Ｖａが供給さ
れている。このとき、Ｄ／Ａ変換器６４を経由してＡ／
Ｆセンサ２６の他方の端子７４に供給される電圧Ｖｃが
前記基準電圧Ｖａよりも低ければ（Ｖｃ＜Ｖａ）、当該
Ａ／Ｆセンサ２６が正バイアスされる。また、端子７４
に供給される電圧Ｖｃが前記基準電圧Ｖａよりも高けれ
ば（Ｖｃ＞Ｖａ）、Ａ／Ｆセンサ２６が負バイアスされ
ることになる。かかる場合、電圧の印加に伴ない流れる
限界電流は電流検出抵抗６８ａの両端電圧差として検出
され、Ａ／Ｄ変換器６３を介してマイコン６１に入力さ
れる。

【００４３】一方、スイッチ回路６９，７０の他方の接
点６９ｂ，７０ｂには、当該接点６９ｂ，７０ｂとＡ／
Ｆセンサ２６とが接続された状態においてＡ／Ｆセンサ
２６が発生する起電力を検出するための起電力検出抵抗
７２が接続されている。この起電力検出抵抗７２により
検出されたＡ／Ｆセンサ２６の起電力はＡ／Ｄ変換器６
３を介してマイコン６１に入力される。

【００４４】また、同じくスイッチ回路６９，７０の接
点６９ｂ，７０ｂには、定電流回路７１が接続されてい
る。この定電流回路７１は、マイコン６１からの電流制
御信号Ｖｑに応じてＡ／Ｆセンサ２６の排気ガス側電極
層３６又は大気側電極層３７に強制電流を流し込み、当
該Ａ／Ｆセンサ２６の第１の特性を変更させるものであ
る。つまり、第１の特性において起電力が急変する空燃
比点を理論空燃比点からリーン側或いはリッチ側に移行
させる。なお、定電流回路７１と接点６９ｂとの間に
は、抵抗７５が設けられている。

【００４５】ここで、Ａ／Ｆセンサ２６の第１の特性が
変更される過程についてより具体的に説明する。つま
り、Ａ／Ｆセンサ２６の固体電解質層３４の両側に設け
られた排気ガス側電極層３６及び大気側電極層３７のう
ち、図６の（ａ）に示すように、大気側電極層３７に強
制電流を流し込むと（矢印の方向）、酸素イオンが固体
電解質層３４内を排気ガス側電極層３６から大気側電極
層３７へと移動する。このとき、排気ガス中の酸素量が
少なくなるため、図６の（ｂ）に実線で示すように、理
論空燃比（λ＝１）よりもリーン側でＡ／Ｆセンサ２６
の起電力が急変することとなる。すなわち、Ａ／Ｆセン
サ２６の起電力特性（第１の特性）がリーン側に変更さ
れる。

【００４６】また、図６の（ａ）とは逆に排気ガス側電
極層３７に強制電流を流し込むと、同図の矢印とは逆方
向に電流が流れる。このとき、同図とは逆方向に酸素イ
オンが流れ、図６の（ｂ）に二点鎖線で示すように、理
論空燃比（λ＝１）よりもリッチ側でＡ／Ｆセンサ２６
の起電力が急変することとなる。すなわち、Ａ／Ｆセン
サ２６の起電力特性（第１の特性）がリッチ側に変更さ
れる。

【００４７】次に、上記の如く構成される空燃比制御装
置の作用を説明する。先ずは、センサ駆動部６０内のマ
イコン６１により実行されるＡ／Ｆセンサ２６の駆動ル
ーチンを図７のフローチャートを用いて説明する。この
図７のルーチンはＥＣＵ４０（センサ駆動部６０）への
電源投入に伴ない起動される。

【００４８】さて、図７のルーチンがスタートすると、
マイコン６１は先ずステップ１００で所定の初期化処理
を実施する。この初期化処理において、Ａ／Ｆセンサ２
６の活性化状態を表す活性化フラグＦ１，Ｆ２，Ｆ３等
がクリアされる。ここで、各フラグＦ１，Ｆ２，Ｆ３
は、Ａ／Ｆセンサ２６が完全に活性化して正確な限界電
流値を出力できるまでの活性化状態を段階的に表すもの
であって、Ｆ１はＡ／Ｆセンサ２６が半ば活性化した状
態で「１」がセットされるフラグ（以下、半活性化フラ
グという）であり、Ｆ２はＡ／Ｆセンサ２６が完全に活
性化する直前の略活性化した状態で「１」がセットされ
るフラグ（以下、略活性化フラグという）である。ま
た、Ｆ３はＡ／Ｆセンサ２６が完全に活性化した状態で
「１」がセットされるフラグ（以下、完全活性化フラグ
という）である。

【００４９】その後、マイコン６１は、ステップ１１０
で前記図５のセンサ駆動部６０におけるスイッチ回路６
９，７０を起電力出力状態とする。すなわち、Ａ／Ｆセ
ンサ２６の端子７３，７４とスイッチ回路６９，７０の
接点６９ｂ，７０ｂとを接続状態とする（図５とは逆の
状態とする）。この場合、Ａ／Ｆセンサ２６と第１及び
第２の電圧供給回路６６，６７との間が遮断され、Ａ／
Ｆセンサ２６は排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力を
出力する。そして、その起電力は起電力検出抵抗７２に
より検出されることとなる。

【００５０】その後、マイコン６１は、ステップ１２０
でＡ／Ｆセンサ２６の起電力出力が例えば０．５ボルト
以上であるか否かを判別する。この場合、起電力出力≧
０．５ボルトであれば、マイコン６１は、Ａ／Ｆセンサ
２６の起電力出力が空燃比フィードバック制御に用いる
ことができる状態まで当該センサ２６が活性化されたと
みなし、続くステップ１３０に進む。

【００５１】マイコン６１は、ステップ１３０でＡ／Ｆ
センサ２６の起電力出力が急変する空燃比点を理論空燃
比からリーン領域又はリッチ領域に変更すべく、図５の
定電流回路７１に対してＤ／Ａ変換器６４を介して電流
制御信号Ｖｑを出力する。つまり、既述した通りＡ／Ｆ
センサ２６の排気ガス側電極層３６又は大気側電極層３
７に強制電流を流し込むことによって、前記図６の
（ｂ）に示すように起電力が急変する空燃比点がリーン
領域又はリッチ領域に変更される。このとき、起電力が
急変する空燃比点は、エンジン個々の仕様や特性によっ
て任意に定められるものであるが、エンジン始動直後の
ＨＣ成分を低減する場合にはリーン側に設定され（図６
の（ｂ）中の実線の特性）、本実施の形態ではこのリー
ン側の出力特性を用いて起電力を検出することとする。

【００５２】また、マイコン６１は、続くステップ１４
０で半活性化フラグＦ１に「１」をセットする。さら
に、マイコン６１は、ステップ１５０でその時のセンサ
素子抵抗（固体電解質層３４の内部抵抗値）ＲＳがＡ／
Ｆセンサ２６の活性化状態を判定するための第１の判定
値Ｒ１以下であるか否かを判別する。そして、ステップ
１５０が肯定判別されるまで、マイコン６１は現状の状
態を継続する。

【００５３】ここで、センサ素子抵抗ＲＳは、図示しな
い他の素子抵抗検出ルーチンにて求められるものであっ
て、Ａ／Ｆセンサ２６への印加電圧とその時のセンサ出
力電流とから算出されるようになっている（センサ素子
抵抗＝印加電圧／センサ出力電流）。また、第１の判定
値Ｒ１は、図８に示すようにセンサ素子温が５００℃程
度の温度に相当する抵抗値であって、Ａ／Ｆセンサ２６
が一部の空燃比領域に限り限界電流を出力できる状態、
すなわち略活性化した状態を判定するための値となって
いる。なお、図８では、センサ素子温が高くなるほど、
センサ素子抵抗が小さくなる特性を示している。

【００５４】そして、Ａ／Ｆセンサ２６の活性化が進む
ことによりセンサ素子抵抗ＲＳが第１の判定値Ｒ１以下
となり、ステップ１５０が肯定判別されると、マイコン
６１はステップ１６０に進み、前記図５のスイッチ回路
６９，７０を電圧印加状態とする。すなわち、スイッチ
回路６９，７０を切り替え動作させ、Ａ／Ｆセンサ２６
の端子７３，７４と接点６９ａ，７０ａとを接続状態と
する（図５に示す状態とする）。この場合、Ａ／Ｆセン
サ２６には、第１及び第２の電圧供給回路６６，６７か
ら供給される電圧が印加されることとなり、Ａ／Ｆセン
サ２６は排気ガス中の酸素濃度に応じた電流値（限界電
流）を出力する。

【００５５】また、マイコン６１は、ステップ１７０で
略活性化フラグＦ２に「１」をセットし、続くステップ
１８０でセンサ素子抵抗ＲＳが第２の判定値Ｒ２以下で
あるか否かを判別する。この第２の判定値Ｒ２は、図８
に示すように前記第１の判定値Ｒ１よりも小さい値であ
って、同判定値Ｒ２はＡ／Ｆセンサ２６が完全に活性化
したと判断できる素子温（＝６５０℃程度）に相当す
る。なお、略活性化フラグＦ２のセット時には、前記半
活性化フラグＦ１を「０」にクリアしておく。

【００５６】そして、センサ素子抵抗ＲＳが第２の判定
値Ｒ２以下となりステップ１８０が肯定判別されると、
マイコン６１はステップ１９０に進み、完全活性化フラ
グＦ３に「１」をセットする。それ以降、センサ駆動部
６０のバイアス制御回路６２は、電圧印加状態のままで
保持されると共に、完全活性化フラグＦ３はセット状態
で保持される。なお、完全活性化フラグＦ３のセット時
には、前記略活性化フラグＦ２を「０」にクリアしてお
く。

【００５７】以上詳述した図７のセンサ駆動ルーチンで
は、ステップ１２０，１５０，１８０が請求項記載の活
性化状態判定手段に相当し、ステップ１３０が請求項記
載のセンサ特性変更手段に相当する。

【００５８】次に、本実施の形態における空燃比制御ル
ーチンを図９のフローチャートを用いて説明する。本ル
ーチンは、燃料噴射毎（本実施形態では１８０°ＣＡ
毎）にエンジン制御部５０内のＣＰＵ５１により実行さ
れる。

【００５９】さて、上記ルーチンがスタートすると、Ｃ
ＰＵ５１は、先ずステップ２００でエンジン運転状態を
表す各種センサによる検出結果（エンジン回転数Ｎｅ、
吸気圧ＰＭ、冷却水温Ｔｈｗ等）を読み込み、続くステ
ップ２１０でＲＯＭ５２内に予め格納されている基本噴
射マップを用い、その時のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気
圧ＰＭに応じた基本噴射量Ｔｐを算出する。また、ＣＰ
Ｕ５１は、ステップ２２０で周知の空燃比フィードバッ
ク条件が成立しているか否かを判別する。ここで、空燃
比フィードバック条件とは、冷却水温Ｔｈｗが所定温度
以上であることや、高回転・高負荷状態でないことを含
む。また、前記図７のステップ１２０で記載したよう
に、Ａ／Ｆセンサ２６がある程度活性化された状態（セ
ンサ起電力≧０．５Ｖの状態）であることも当該フィー
ドバック条件に含まれる（この活性化条件はフラグ判定
するようにしてもよい）。

【００６０】空燃比フィードバック条件が成立していな
ければ、ＣＰＵ５１はステップ２３０に進み、空燃比オ
ープン制御を実施して本ルーチンを一旦終了する。つま
り、かかる場合には、前記基本噴射量Ｔｐに対して低温
始動時における増量補正や高負荷増量補正等が行われ、
その補正結果から最終の燃料噴射量ＴＡＵが求められ
る。そして、最終の燃料噴射量ＴＡＵに基づいて燃料噴
射弁７による燃料噴射制御が実施される。このとき、フ
ィードバック補正係数ＦＡＦは「１」のままで保持され
る。

【００６１】また、空燃比フィードバック条件が成立し
ていれば、ＣＰＵ５１はステップ２４０に進み、前記図
７のルーチンにて設定したＡ／Ｆセンサ２６の活性化フ
ラグＦ１，Ｆ２，Ｆ３を読み出し、各フラグのいずれが
「１」にセットされているかを判別する。このとき、エ
ンジン始動時から考えて半活性化フラグＦ１が「１」で
あれば、ＣＰＵ５１はステップ２５０に進み、Ａ／Ｆセ
ンサ２６の起電力出力による空燃比フィードバック制御
を実施する。そして、ステップ２５０の処理後、本ルー
チンを一旦終了する。

【００６２】かかる場合、Ａ／Ｆセンサ２６は、理論空
燃比からリーン領域又はリッチ領域に幾分ずれた空燃比
点にてその起電力を急変させる特性を有しており、ＣＰ
Ｕ５１は、当該リーン領域又はリッチ領域における空燃
比点を目標空燃比としてフィードバック制御を実施す
る。例えば本実施の形態のようにリーン領域に目標空燃
比（リーン目標空燃比）を設定する場合、Ａ／Ｆセンサ
２６により検出された空燃比がリーン目標空燃比よりも
さらにリーン側であれば燃料噴射量ＴＡＵを増量補正す
べく、フィードバック補正係数ＦＡＦを大きくする（但
し、ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡＦ＋α；αは他の補正量）。ま
た、Ａ／Ｆセンサ２６により検出された空燃比がリーン
目標空燃比よりもリッチ側であれば最終燃料噴射量ＴＡ
Ｕを減量補正すべく、フィードバック補正係数ＦＡＦを
小さくする。

【００６３】一方、略活性化フラグＦ２が「１」であれ
ば、ＣＰＵ５１はステップ２６０に進み、Ａ／Ｆセンサ
２６の電流出力による空燃比フィードバック制御を実施
する。また、完全活性化フラグＦ３が「１」であれば、
ＣＰＵ５１はステップ２７０に進み、Ａ／Ｆセンサ２６
の限界電流出力による空燃比フィードバック制御を実施
する。そして、ステップ２６０，２７０の処理後、本ル
ーチンを一旦終了する。なお、ステップ２６０，２７０
の空燃比制御は、いずれも同様に現代制御理論を用いた
ものであって、以下にはその概略を説明する。

【００６４】但し、Ｆ２＝１の場合には、Ａ／Ｆセンサ
２６が完全に活性化される直前の状態であるため、一部
の空燃比領域ではその検出精度が幾分悪化するのに対
し、Ｆ３＝１の場合には、Ａ／Ｆセンサ２６が完全に活
性化された状態であるため、全ての空燃比領域で高い検
出精度が得られる。図１０の（ａ）は略活性化した状態
（Ｆ２＝１の状態）でのＡ／Ｆセンサ２６の電圧−電流
特性を示し、図１０の（ｂ）は完全に活性化した状態
（Ｆ３＝１の状態）でのＡ／Ｆセンサ２６の電圧−電流
特性を示す。図中の直線Ｌａは、空燃比を検出するため
の印加電圧特性を示し、この印加電圧を指令する信号は
図５のマイコン６１から出力されるバイアス指令信号Ｖ
ｒに相当する。

【００６５】要するに、現代制御理論を用いて空燃比フ
ィードバック制御を実施する際には、Ａ／Ｆセンサ２６
の検出結果を目標空燃比に一致させるためのフィードバ
ック補正係数ＦＡＦを次の式（１），（２）を用いて算
出する。なお、このフィードバック補正係数ＦＡＦの設
定手順については特開平１−１１０８５３号公報に開示
されている。

【００６６】

【数１】 但し、上記式（１），（２）において、λは任意のタイ
ミングの空燃比を示し、λTGは目標空燃比を示す。ま
た、ｉはサンプリング開始からの制御回数を示す変数、
Ｋ１〜Ｋ４は最適フィードバックゲイン、ＺＩ（ｉ）は
積分項、Ｋａは積分定数である。

【００６７】そして、こうして算出されたフィードバッ
ク補正係数ＦＡＦと前記算出した基本噴射量Ｔｐとから
最終燃料噴射量ＴＡＵを算出する（ＴＡＵ＝Ｔｐ・ＦＡ
Ｆ＋α）。なお、上記式（２）における目標空燃比λTG
は、下流側Ｏ2 センサ２７の出力電圧ＶＯＸ２に基づい
て可変に設定される（これを、一般にはサブフィードバ
ック制御と言う）。つまり、下流側Ｏ2 センサ２７の出
力電圧ＶＯＸ２からその時点での実際の空燃比を求め、
その空燃比と目標空燃比λTG（例えば、理論空燃比）に
対してリッチ・リーンのいずれにズレているかを判定す
る。そして、現在の空燃比がリッチ寄りであれば、目標
空燃比λTGをリーン側に移行させ、空燃比がリーン寄り
であれば、目標空燃比λTGをリッチ側に移行させる。

【００６８】以上詳述した図９の空燃比制御ルーチンで
は、ステップ２５０が請求項記載の第１の空燃比制御手
段に相当し、ステップ２６０，２７０が請求項記載の第
２の空燃比制御手段に相当する。

【００６９】図１１は、上記作用をより具体的に説明す
るためのタイムチャートであり、本チャートはエンジン
始動時からの空燃比の推移やＨＣ排出量の推移等を表す
ものである。

【００７０】さて、図１１において、時間ｔ０はエンジ
ン始動時のタイミングを表し、時間ｔ１になると、半活
性化フラグＦ１が「１」にセットされる。そして、時間
ｔ１〜ｔ２の期間においては、Ａ／Ｆセンサ２６が理論
空燃比（ストイキ）よりもリーン側でその起電力を急変
させる特性を有するため、空燃比がリーン側に振られ
る。また、時間ｔ２では半活性化フラグＦ１が「０」に
クリアされると共に、略活性化フラグＦ２が「１」にセ
ットされる。さらに、時間ｔ３では略活性化フラグＦ２
が「０」にクリアされると共に、完全活性化フラグＦ３
が「１」となる。

【００７１】このとき、Ａ／Ｆセンサ２６の半活性化状
態でストイキ制御した従来技術（図に破線で示す）と、
本実施の形態（図に実線で示す）とを比較すれば、本実
施の形態では、ＨＣ排出量がより早く減り始め、その排
出総量も大幅に低減されているのが判る。つまり、従来
技術は、フィードバック開始までの間（時間ｔ２以前）
がオープンリッチで制御され、このオープン制御時に多
量にＨＣが排出されるが、本実施の形態のように早期に
フィードバックを開始することによりＨＣ排出量が低減
される。

【００７２】次に、本実施の形態により得られる効果を
列記する。 （ａ）本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ２６の活性化の
状態を判定し、当該センサ２６の半活性化状態が判定さ
れた場合において、Ａ／Ｆセンサ２６を起電力出力状態
とすると共にその一対の電極間に外部から強制電流を流
し、起電力が急変する空燃比点を理論空燃比点からリー
ン領域又はリッチ領域に変更するようにした。そして、
該変更されたセンサ特性（本実施の形態では、リーン側
の起電力特性）を用いて空燃比フィードバック制御を実
施するようにした。また、Ａ／Ｆセンサ２６が完全に活
性化された状態又はその直前の状態では、当該センサ２
６のリニア特性に基づいて現代制御理論を用いた空燃比
フィードバック制御を実施するようにした。

【００７３】上記構成によれば、エンジン始動直後にＡ
／Ｆセンサ２６が完全に活性化するまでの間において、
当該センサ２６が活性化前の状態（半活性化の状態）で
あってもエンジン１の特性や仕様に応じた所望の空燃比
点にて空燃比フィードバック制御が実現できる。その結
果、いち早く所望の空燃比制御が開始できると共に、エ
ミッション低減や良好なるドライバビリティ確保といっ
た効果を得ることができる。

【００７４】（ｂ）Ａ／Ｆセンサ２６の起電力特性をリ
ーン領域又はリッチ領域に変更するに際しては、固体電
解質層３４を挟むように設けられた排気ガス側電極層３
６又は大気側電極層３７のいずれかに外部から強制電流
を流し込むようにした。これにより、空燃比点の起電力
に係わる特性が容易に変更でき、また、その変更可能な
範囲も比較的広域とすることができる（理論空燃比１
４．７に対して、±３程度の空燃比の変更が可能とな
る）。

【００７５】（ｃ）また、エンジン始動当初のＡ／Ｆセ
ンサ２６の起電力レベル、及び当該センサ２６の素子抵
抗ＲＳに基づいて、Ａ／Ｆセンサ２６の活性化状態を判
定するようにした。かかる構成によれば、容易且つ確実
に空燃比センサの活性化状態を判別することが可能とな
る。

【００７６】次に、本発明における第２〜第５の実施の
形態を図面を用いて説明する。但し、以下の各実施の形
態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等で
あるものについては図面に同一の記号を付すと共にその
説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態
との相違点を中心に説明する。

【００７７】（第２の実施の形態）図１２は、第２の実
施の形態におけるセンサ駆動ルーチンを示すフローチャ
ートであり、同ルーチンは前記第１の実施の形態におけ
る図７の一部を変更したものである。つまり、本実施の
形態は、図７中におけるＡ／Ｆセンサ２６の活性化状態
判定処理を変更するものであって、図１２では、前記図
７のステップ１２０，１５０，１８０をステップ３０
０，３１０，３２０のように変更している。要するに、
本実施の形態では、図１２のステップ３００，３１０，
３２０が請求項記載の活性化状態判定手段に相当する。

【００７８】本実施の形態では、エンジン始動時からの
経過時間に基づいてＡ／Ｆセンサ２６の活性化状態を判
定するようにしている。より詳しくは、図１２におい
て、マイコン６１は、ステップ３００でエンジン始動時
からの経過時間が所定時間Ｔ１を超えるか否かを判別す
る。そして、同ステップ３００が肯定判別されれば、マ
イコン６１は、Ａ／Ｆセンサ２６が半活性化状態になっ
たとみなし、続くステップ１３０に進む。また、マイコ
ン６１は、ステップ３１０でエンジン始動時からの経過
時間が所定時間Ｔ２を超えるか否かを判別する。そし
て、同ステップ３１０が肯定判別されれば、マイコン６
１は、Ａ／Ｆセンサ２６が略活性化状態になったとみな
し、続くステップ１６０に進む。

【００７９】さらに、マイコン６１は、ステップ３２０
でエンジン始動時からの経過時間が所定時間Ｔ３を超え
るか否かを判別する。そして、同ステップ３２０が肯定
判別されれば、マイコン６１は、Ａ／Ｆセンサ２６が完
全活性化状態になったとみなし、続くステップ１９０に
進む。なお、上記所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、エンジ
ン１が冷間始動時であるかどうかに応じて設定されるも
のであって、それぞれの設定範囲は、Ｔ１＝０〜１０
秒、Ｔ２＝０〜２０秒、Ｔ３＝０〜３０秒とする。この
場合、エンジン１の冷間始動時には各所定時間Ｔ１，Ｔ
２，Ｔ３をその最大値とし、暖機完了後のエンジン再始
動時にはいずれの時間も０秒とする。

【００８０】以上第２の実施の形態においても前記第１
の実施の形態と同様に、いち早く所望の空燃比制御が開
始できると共に、エミッション低減や良好なるドライバ
ビリティ確保といった効果を得ることができ、本発明の
目的を達成することができる。

【００８１】（第３の実施の形態）図１３は、第３の実
施の形態におけるセンサ駆動ルーチンを示すフローチャ
ートであり、同ルーチンは前記第２の実施の形態と同様
に、第１の実施の形態における図７の一部を変更したも
のである。つまり、本実施の形態は、図７中におけるＡ
／Ｆセンサ２６の活性化状態判定処理を変更するもので
あって、図１３では、前記図７のステップ１２０，１５
０，１８０をステップ４００，４１０，４２０のように
変更している。要するに、本実施の形態では、図１３の
ステップ４００，４１０，４２０が請求項記載の活性化
状態判定手段に相当する。

【００８２】本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ２６のヒ
ータ３３へのエンジン始動時からの電力供給量に基づい
てＡ／Ｆセンサ２６の活性化状態を判定するようにして
いる。より詳しくは、図１３において、マイコン６１
は、ステップ４００でエンジン始動時からのヒータ供給
電力量が所定量Ｗ１を超えるか否かを判別する。そし
て、同ステップ４００が肯定判別されれば、マイコン６
１は、Ａ／Ｆセンサ２６が半活性化状態になったとみな
し、続くステップ１３０に進む。また、マイコン６１
は、ステップ４１０でエンジン始動時からのヒータ供給
電力量が所定量Ｗ２を超えるか否かを判別する。そし
て、同ステップ４１０が肯定判別されれば、マイコン６
１は、Ａ／Ｆセンサ２６が略活性化状態になったとみな
し、続くステップ１６０に進む。

【００８３】さらに、マイコン６１は、ステップ４２０
でエンジン始動時からのヒータ供給電力量が所定量Ｗ３
を超えるか否かを判別する。そして、同ステップ３２０
が肯定判別されれば、マイコン６１は、Ａ／Ｆセンサ２
６が完全活性化状態になったとみなし、続くステップ１
９０に進む。なお、上記所定量Ｗ１〜Ｗ３は、Ｗ１≦Ｗ
２≦Ｗ３の関係を持つ。また、これら所定量Ｗ１〜Ｗ３
は、エンジン１が冷間始動時であるかどうかに応じて設
定されるものであって、エンジン１の冷間始動時にはそ
の最大値とし、暖機完了後のエンジン再始動時にはいず
れの時間も「０」とする。

【００８４】以上第３の実施の形態においても前記第
１，第２の実施の形態と同様に、いち早く所望の空燃比
制御が開始できると共に、エミッション低減や良好なる
ドライバビリティ確保といった効果を得ることができ、
本発明の目的を達成することができる。

【００８５】（第４の実施の形態）次いで、第４の実施
の形態について図１４及び図１５を用いて説明する。上
記各実施の形態では、三元触媒１３の上流側に限界電流
式のリニア空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ２６）を設けた
事例について説明したが、本実施の形態では、このＡ／
Ｆセンサ２６に代えて、起電力出力型のＯ2 センサを設
けた事例について説明する。なお、Ｏ2 センサの構成に
ついては周知であるので、ここではその詳細を省略する
が、本センサにおいても酸素イオンを伝導させるための
カップ状の固体電解質層を有し、その内側（大気側）に
は基準ガス側電極としての大気側電極層が配設され、外
側（排気ガス側）には被測定ガス側電極としての排気ガ
ス側電極層が配設されている。

【００８６】また、そのＯ2 センサの駆動部において
は、前記図５の電圧供給回路６６，６７、電流検出回路
６８等、限界電流を検出するための構成が省略され、定
電流回路７１とその定電流回路７１に電流制御信号Ｖｑ
を出力するためマイコン６１とにより当該Ｏ2 センサの
起電力特性が変更されるようになっている。

【００８７】図１４は、センサ駆動部６０内のマイコン
６１により実行されるセンサ駆動ルーチンであり、同ル
ーチンはＥＣＵ４０（センサ駆動部６０）への電源投入
に伴ない起動される。

【００８８】さて、図１４のルーチンがスタートする
と、マイコン６１は、先ずステップ５００で所定の初期
化処理を実施する。この初期化処理において、Ｏ2 セン
サの活性化状態を表すフラグＦ１０，Ｆ１１，Ｆ１２が
「０」にクリアされる。ここで、Ｆ１０は、Ｏ2 センサ
が未活性の状態でセットされるフラグ（未活性フラグ）
であり、Ｆ１１は、Ｏ2 センサが半活性化の状態でセッ
トされるフラグ（半活性化フラグ）であり、Ｆ１２は、
Ｏ2 センサが完全活性化の状態でセットされるフラグ
（完全活性化フラグ）である。

【００８９】その後、マイコン６１は、ステップ５１０
で前記未活性フラグＦ１０に「１」をセットし、続くス
テップ５２０でエンジン始動時からの経過時間が所定時
間Ｔ１１を超えるか否かを判別する。そして、ステップ
５２０が肯定判別されれば、マイコン６１はステップ５
３０に進み、Ｏ2 センサの起電力特性を変更する。ここ
で、本実施の形態では、Ｏ2 センサの起電力出力が急変
する空燃比点を理論空燃比からリーン領域に変更する。
つまり、大気側電極層から排気ガス側電極層へ強制電流
を流すことによって、起電力が急変する空燃比点がリー
ン領域に移行する。

【００９０】また、マイコン６１は、ステップ５４０で
半活性化フラグＦ１１に「１」をセットし、続くステッ
プ５５０でエンジン始動時からの経過時間が所定時間Ｔ
１２を超えるか否かを判別する。なお、半活性化フラグ
Ｆ１１のセット時には、前記未活性フラグＦ１０を
「０」にクリアしておく。

【００９１】そして、ステップ５５０が肯定判別される
と、マイコン６１はステップ５６０に進み、Ｏ2 センサ
の起電力特性を元通りの、理論空燃比にて起電力が急変
する特性に戻す。また、マイコン６１は、ステップ５７
０で完全活性化フラグＦ１２に「１」をセットし、それ
以降、現状の状態を継続させる。なお、完全活性化フラ
グＦ１２のセット時には、前記半活性化フラグＦ１１を
「０」にクリアしておく。

【００９２】因みに、上記所定時間Ｔ１１，Ｔ１２は、
エンジン１が冷間始動時であるかどうかに応じて設定さ
れるものであって、それぞれの設定範囲は、Ｔ１１＝０
〜１０秒、Ｔ１２＝０〜２０秒とする。この場合、エン
ジン１の冷間始動時には各所定時間Ｔ１１，Ｔ１２をそ
の最大値とし、暖機完了後のエンジン再始動時にはいず
れの時間も０秒とする。

【００９３】以上詳述した図１４のセンサ駆動ルーチン
では、ステップ５２０，５５０が請求項記載の活性化状
態判定手段に相当し、ステップ５３０が請求項記載のセ
ンサ特性変更手段に相当する。

【００９４】次に、本実施の形態における空燃比制御ル
ーチンを図１５のフローチャートを用いて説明する。本
ルーチンは燃料噴射毎（本実施形態では１８０°ＣＡ
毎）にエンジン制御部５０内のＣＰＵ５１により実行さ
れる。

【００９５】さて、上記ルーチンがスタートすると、Ｃ
ＰＵ５１は、先ずステップ６００でエンジン運転状態を
表す各種センサによる検出結果（エンジン回転数Ｎｅ、
吸気圧ＰＭ、冷却水温Ｔｈｗ等）を読み込み、続くステ
ップ６１０でＲＯＭ５２内に予め格納されている基本噴
射マップを用い、その時のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気
圧ＰＭに応じた基本噴射量Ｔｐを算出する。また、ＣＰ
Ｕ５１は、ステップ６２０で周知の空燃比フィードバッ
ク条件が成立しているか否かを判別する。ここで、空燃
比フィードバック条件とは、冷却水温Ｔｈｗが所定温度
以上であることや、高回転・高負荷状態でないことを含
む。空燃比フィードバック条件が成立していなければ、
ＣＰＵ５１はステップ６３０に進み、空燃比オープン制
御を実施して本ルーチンを一旦終了する。

【００９６】また、空燃比フィードバック条件が成立し
ていれば、ＣＰＵ５１はステップ６４０に進み、前記図
１４のルーチンにて設定したＯ2 センサの各フラグＦ１
０，Ｆ１１，Ｆ１２を読み込み、これらのいずれが
「１」にセットされているかを判別する。このとき、先
ずは未活性フラグＦ１０が「１」であれば、ＣＰＵ５１
はステップ６３０に進み、空燃比オープン制御を実施す
る。

【００９７】また、半活性化フラグＦ１１が「１」であ
れば、ＣＰＵ５１はステップ６５０に進み、Ｏ2 センサ
のリーン側目標空燃比に基づいた空燃比フィードバック
制御を実施する。そして、ステップ２５０の処理後、本
ルーチンを一旦終了する。つまり、かかる場合（Ｆ１１
＝１の場合）には、Ｏ2 センサは、理論空燃比からリー
ン領域に幾分ずれた空燃比点にてその起電力を急変させ
る特性を有しており、ＣＰＵ５１は、当該特性を用いて
フィードバック制御を実施する。

【００９８】一方、完全活性化フラグＦ１２が「１」で
あれば、ＣＰＵ５１はステップ６６０に進み、理論空燃
比にて起電力を急変させるＯ2 センサの特性を用い、理
論空燃比（ストイキ）を目標空燃比としてフィードバッ
ク制御を実施する。そして、ステップ６６０の処理後、
本ルーチンを一旦終了する。

【００９９】なお、上記記載では、Ｏ2 センサの起電力
出力が急変する空燃比点をリーン側に設定したが、勿論
リッチ側に設定することも可能である。かかる場合に
は、排気ガス側電極層から大気側電極層へ強制電流を流
すことによって、起電力が急変する空燃比点がリッチ領
域に移行される（図１４のステップ５３０）。

【０１００】以上詳述した図１５の空燃比制御ルーチン
では、ステップ６５０が請求項記載の第１の空燃比制御
手段に相当し、ステップ６６０が請求項記載の第２の空
燃比制御手段に相当する。

【０１０１】以上第４の実施の形態においても前記第１
〜第３の実施の形態と同様に、いち早く所望の空燃比制
御が開始できると共に、エミッション低減や良好なるド
ライバビリティ確保といった効果を得ることができ、本
発明の目的を達成することができる。特に、本実施の形
態では、第１〜第３の実施の形態とは異なり、起電力出
力型のＯ2 センサについてその特性を変更する具体例を
記載したが、かかる場合にも、当該Ｏ2 センサが完全に
活性化するまでの期間においてＨＣ排出量を低減させる
等の効果を実現することができる。

【０１０２】（第５の実施の形態）次に、上記第４の実
施の形態と同様にＯ2 センサを構成要件として具体化さ
れる第５の実施の形態について説明する。この第５の実
施の形態では、主にエンジンの暖機完了後（センサの活
性化後）における空燃比フィードバック制御について記
載する。図・は、本実施の形態における空燃比制御ルー
チンを示すフローチャートであり、本ルーチンはエンジ
ン制御部５０内のＣＰＵ５１により実行される。

【０１０３】図・において、ＣＰＵ５１は、先ずステッ
プ７００でエンジン運転状態を表す各種センサによる検
出結果（エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧ＰＭ、冷却水温Ｔ
ｈｗ等）を読み込み、続くステップ７１０でＲＯＭ５２
内に予め格納されている基本噴射マップを用い、その時
のエンジン回転数Ｎｅ及び吸気圧ＰＭに応じた基本噴射
量Ｔｐを算出する。

【０１０４】また、ＣＰＵ５１は、ステップ７２０で目
標空燃比をその時の数値（例えば、理論空燃比）から変
更する必要があるか否かを判別する。ここで、目標空燃
比を変更する場合とは、車両加速時に燃料噴射量が増量
される場合や、三元触媒の過熱防止のために一時的に燃
料噴射量を増量させる場合等に相当し、かかる場合に
は、目標空燃比がリッチ側に変更されることとなる。

【０１０５】そして、ステップ７２０が肯定判別される
と、ＣＰＵ５１はステップ７３０に進み、Ｏ2 センサの
起電力特性を変更させるための電流制御信号を出力させ
べく、当該Ｏ2 センサを駆動させるためのセンサ駆動部
６０（図１参照）に対して制御指令信号を出力する。こ
の場合、Ｏ2 センサの起電力出力が急変する空燃比点を
リッチ側に設定するには、既述したとおり、排気ガス側
電極層から大気側電極層へ強制電流を流させ、それによ
り起電力が急変する空燃比点をリッチ領域に移行させる
（リーン側に移行させる場合には、電流の向きが逆とな
る）。

【０１０６】また、ステップ７２０が否定判別される
と、ＣＰＵ５１はステップ７３０をバイパスしてステッ
プ７４０に進む。ＣＰＵ５１は、ステップ７４０でＯ2
センサの起電力出力に基づいた空燃比フィードバック制
御を実施する。そして、ステップ７４０の処理後、本ル
ーチンを一旦終了する。なお、本実施の形態では、図１
６のステップ７３０が請求項記載のセンサ特性変更手段
に相当し、ステップ７４０が空燃比制御手段に相当す
る。

【０１０７】以上第５の実施の形態によれば、理論空燃
比点よりも離れた空燃比点での空燃比フィードバック制
御を可能とし、エミッション低減並びに良好なるドライ
バビリティの確保を実現することができる。言い加えれ
ば、本発明の制御では、本来、理論空燃比点で起電力を
急変させる特性を有するＯ2 センサを構成要件として
も、リーン領域又はリッチ領域での空燃比フィードバッ
ク制御が実現できることとなる。

【０１０８】なお、本発明は上記各実施の形態の他に次
の形態にて実現できる。 （１）上記第１〜第３の実施の形態において、Ａ／Ｆセ
ンサ２６の活性化状態を半活性化状態、略活性化状態、
完全活性化状態の３つに分けて判定したが、少なくとも
半活性化状態と完全活性化状態を判定できるように変更
してもよい。例えば、図７のステップ１５０で完全活性
化状態を判定し（「ＲＳ≦Ｒ２か？」という処理に変
更）、それが肯定判別されれば、図５のスイッチ回路６
９，７０を電圧印加状態に切り替えると共に、完全活性
化フラグＦ３をセットする（このとき、ステップ１７
０，１８０が省略される）。第２，第３の実施の形態に
ついても同様で、ステップ３１０，４１０を完全活性化
状態の判別処理に変更し、同ステップ３１０，４１０が
肯定判別された時点で、図５のスイッチ回路６９，７０
を電圧印加状態に切り替えると共に、完全活性化フラグ
Ｆ３をセットする（このとき、ステップ１７０，３２
０，４２０が省略される）。この場合、図９の空燃比制
御ルーチンでは、フィードバック条件成立時において、
Ａ／Ｆセンサ２６の略活性化状態での空燃比フィードバ
ック制御（図９のステップ２６０）が省略され、ＣＰＵ
５１は、ステップ２５０又はステップ２７０のいずれか
で半活性化状態又は完全活性化状態での空燃比フィード
バック制御を実施する。

【０１０９】（２）上記第１の実施の形態では、図１１
を用い、Ａ／Ｆセンサ２６の半活性化状態において目標
空燃比をリーン側に設定する事例を説明したが、エンジ
ン特性に応じてリッチ側で制御することも勿論可能であ
る。図１１の一部を変更した図１７を用いて説明すれ
ば、図１７では、半活性化フラグＦ１がセットされる時
間ｔ１でストイキ近傍の若干リッチ側で目標空燃比が設
定され、その後、エンジンが安定状態で回転し始める時
間ｔａで目標空燃比がストイキに変更される。この場
合、始動直後においてリーン領域で安定して回らない特
性のエンジンに対しても、いち早く所望の目標空燃比で
フィードバック制御を開始することによりＨＣ排出量を
低減させることができる。

【０１１０】（３）上記第１〜第３の実施の形態におい
て、Ａ／Ｆセンサ２６の活性化状態を判定する条件を各
種設定したが、これに限定されるものではなく、他にも
具体化してもよい。要するに、エンジン始動時からの経
過時間、Ａ／Ｆセンサ２６の起電力レベル、Ａ／Ｆセン
サ２６の素子抵抗、素子温、当該センサ２６に付設され
るヒータ３３へのエンジン始動時からの供給電力量のい
ずれか又はこれらの組み合わせに基づいて、空燃比セン
サの活性化状態を判定するものであればよい。これは、
第４の実施の形態についても同様である。

【０１１１】（４）上記各実施の形態では、コップ型の
Ａ／Ｆセンサ又はＯ2 センサを用いて空燃比制御装置を
構成していたが、これに代えて、積層型空燃比センサ
（積層型Ｏ2 センサ又は積層型Ａ／Ｆセンサ）を用いる
ようにしてもよい。かかる場合にも、空燃比センサの半
活性化状態下において、固体電解質層の両側に設けられ
た基準ガス側電極層（大気側ガス側電極層）と被測定ガ
ス側電極層（排気ガス側電極層）との間で強制電流を流
し、その起電力が急変する空燃比点を理論空燃比点から
リーン領域又はリッチ領域に移行させる。そして、こう
して変更された出力特性に基づいて空燃比フィードバッ
ク制御を実施する。

【０１１２】（５）空燃比センサの固体電解質層の両側
に設ける一対の電極は、少なくとも１つあればよいが、
複数個設けてもよい。かかる場合にも、空燃比センサの
半活性化状態において基準ガス側電極又は被測定ガス側
電極に外部からの強制電流を流し、その起電力特性を変
更させるようにすることができる。

【０１１３】（６）以上、内燃機関を例とした実施の形
態を説明したが、この内燃機関はガソリンを燃料とする
ものはもとより、ＣＮＧ，ＬＮＧ等を燃料とするもので
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態における空燃比制御装置の全
体構成図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの詳細な構成を示す断面図。

【図３】Ａ／Ｆセンサの電圧−電流特性を示す線図。

【図４】Ａ／Ｆセンサの起電力特性を示す線図。

【図５】センサ駆動部の詳細な構成を示す回路図。

【図６】Ａ／Ｆセンサの起電力特性が変化することを説
明するための図。

【図７】センサ駆動部内のマイコンにより実行されるセ
ンサ駆動ルーチンを示すフローチャート。

【図８】センサ素子温とセンサ素子抵抗との関係を線
図。

【図９】エンジン制御部内のＣＰＵにより実行される空
燃比制御ルーチンを示すフローチャート。

【図１０】略活性化状態と完全活性化状態とにおけるＡ
／Ｆセンサの電圧−電流特性を示す線図。

【図１１】作用をより具体的に説明するためのタイムチ
ャート。

【図１２】第２の実施の形態におけるセンサ駆動ルーチ
ンを示すフローチャート。

【図１３】第３の実施の形態におけるセンサ駆動ルーチ
ンを示すフローチャート。

【図１４】第４の実施の形態におけるセンサ駆動ルーチ
ンを示すフローチャート。

【図１５】第４の実施の形態における空燃比制御ルーチ
ンを示すフローチャート。

【図１６】第５の実施の形態における空燃比制御ルーチ
ンを示すフローチャート。

【図１７】他の実施の形態における作用を説明するため
のタイムチャート。

【符号の説明】

１…エンジン（内燃機関）、４０…ＥＣＵ（電子制御装
置）、２６…空燃比センサとしてのＡ／Ｆセンサ、３３
…ヒータ、５１…空燃比制御手段，第１の空燃比制御手
段，第２の空燃比制御手段，センサ特性変更手段を実現
するためのＣＰＵ、６１…活性化状態判定手段，センサ
特性変更手段を実現するためのマイコン（マイクロコン
ピュータ）。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２５Ｐ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質層とその両側に設けられた少な
   くとも一対の電極とを有し、外部からの強制電流が流れ
   ていない時には理論空燃比点近傍にて急変する起電力を
   出力する空燃比センサと、 前記空燃比センサの一対の電極間に外部から強制電流を
   流し、前記起電力が急変する空燃比点を理論空燃比点か
   らリーン領域又はリッチ領域に変更させるセンサ特性変
   更手段と、 前記センサ特性変更手段により変更されたセンサ特性を
   用い、当該空燃比センサにより検出された空燃比が、前
   記特性変更後における起電力急変の空燃比点に対してリ
   ッチ側か或いはリーン側かに応じて空燃比フィードバッ
   ク制御を実施する空燃比制御手段とを備えることを特徴
   とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 【請求項２】固体電解質層とその両側に設けられた少な
   くとも一対の電極とを有し、外部からの強制電流が流れ
   ていない時には理論空燃比点近傍にて急変する起電力を
   出力する空燃比センサと、 前記空燃比センサの活性化状態を判定するための複数の
   判定条件に基づいて、少なくとも前記空燃比センサが半
   ば活性化した状態、並びに完全に活性化した状態を判定
   する活性化状態判定手段と、 前記空燃比センサの半活性化状態が判定された場合にお
   いて、当該空燃比センサの一対の電極間に外部から強制
   電流を流し、前記起電力が急変する空燃比点を理論空燃
   比点からリーン領域又はリッチ領域に変更させるセンサ
   特性変更手段と、 同じく前記空燃比センサの半活性化状態が判定された場
   合において、前記センサ特性変更手段により変更された
   センサ特性を用い、当該空燃比センサにより検出された
   空燃比が、前記特性変更後における起電力急変の空燃比
   点に対してリッチ側か或いはリーン側かに応じて空燃比
   フィードバック制御を実施する第１の空燃比制御手段
   と、 前記空燃比センサの完全なる活性化状態が判定された場
   合において、当該空燃比センサにより検出された空燃比
   に基づいて空燃比フィードバック制御を実施する第２の
   空燃比制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の
   空燃比制御装置。
3. 【請求項３】前記一対の電極は、基準ガス側電極と、被
   測定ガス側電極とからなり、 前記センサ特性変更手段は、前記基準ガス側電極から前
   記被測定ガス側電極へ向けて電流を流し込むことにより
   前記起電力が急変する空燃比点をリーン領域に変更し、
   他方、前記被測定ガス側電極から前記基準ガス側電極へ
   向けて電流を流し込むことにより前記起電力が急変する
   空燃比点をリッチ領域に変更する請求項１又は２に記載
   の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 【請求項４】前記空燃比センサは、理論空燃比点にて急
   変する起電力を出力する第１の特性と、固体電解質の両
   側電極に所定電圧が印加されることにより空燃比に対し
   てリニアな電流値を出力する第２の特性とを有するもの
   であって、 前記センサ特性変更手段は、空燃比センサの一対の電極
   間に流れる電流を制御して前記第１の特性を変更する請
   求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装
   置。
5. 【請求項５】前記第１の空燃比制御手段は、前記センサ
   特性変更手段により変更された第１の特性に基づいて空
   燃比フィードバック制御を実施し、 前記第２の空燃比制御手段は、前記第２の特性に基づい
   て空燃比フィードバック制御を実施する請求項４に記載
   の内燃機関の空燃比制御装置。
6. 【請求項６】前記活性化状態判定手段は、内燃機関の始
   動時からの経過時間、前記空燃比センサの起電力レベ
   ル、前記空燃比センサの素子抵抗、素子温、当該センサ
   に付設されるヒータへの機関始動時からの供給電力量の
   いずれか又はこれらの組み合わせに基づいて、空燃比セ
   ンサの活性化状態を判定する請求項２〜５のいずれかに
   記載の内燃機関の空燃比制御装置。