JPH1026599A

JPH1026599A - 酸素濃度検出装置

Info

Publication number: JPH1026599A
Application number: JP8180771A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Yamashita; 山下　　幸宏; Hisashi Iida; 飯田　　寿
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 1998-01-27

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素センサの劣化による検出素子の内部イン
ピーダンスの増加に伴う酸素センサの温度の上昇を防止
すると共に、温度上昇による酸素センサの劣化の促進を
防止する。【解決手段】酸素センサの活性化温度を維持すべく、
温度に応じてインピーダンスが変化する検出素子が目標
インピーダンスになるようにする。しかし、検出素子は
劣化すると内部インピーダンスが増加する。これに伴っ
て、検出素子を加熱するヒータへの供給電力が増加する
ため、酸素センサの温度が上昇し、活性化温度より高く
なる。従って、所定の閾値を定めて供給電力がこの所定
の閾値を超えた時に目標インピーダンスを変更する。ス
テップ４０１〜４０３で閾値ＫＷＨＡＶ１〜ＫＷＨＡＶ
３と供給電力ＷＨＡＶをそれぞれ比較し、ＷＨＡＶの方
が大きいときにはステップ４０５〜４０７で目標インピ
ーダンスをＫＺｄｃＴ１〜ＫＺｄｃＴ３に変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、酸素センサを備
えた酸素濃度検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、空燃比制御システムにおいては、
排気ガス中の酸素濃度に比例した限界電流を出力する限
界電流式酸素センサ（酸素濃度検出装置）が用いられて
いる。この酸素センサは所定温度（活性化温度）で活性
化するまで酸素濃度に比例した限界電流を出力しない。
従って、酸素センサの活性状態を維持するために、酸素
センサ内の検出素子の温度をフィードバックし、酸素セ
ンサを加熱するヒータへの供給電力を制御（素子温フィ
ードバック制御）している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】酸素センサ温度のフィ
ードバックは、温度に応じてインピーダンスが変化する
検出素子のインピーダンスに基づいて行われる。このと
き、活性化温度となるインピーダンスを目標インピーダ
ンスとしている。しかしながら、酸素センサは劣化する
と検出素子の内部インピーダンスが増加する。このと
き、酸素センサの温度は活性化温度であっても検出素子
のインピーダンスが増加しているため、目標インピーダ
ンスになるようにヒータ供給電力を増加させる。これに
伴って酸素センサの温度が上昇する。この温度上昇によ
り酸素センサの劣化が促進されるという問題が生じる。

【０００４】本発明は上記点に鑑みて、酸素センサの劣
化による検出素子の内部インピーダンスの増加に伴う酸
素センサの温度上昇を防止し、酸素センサの活性化温度
の維持を図ることを目的とする。

【０００５】

【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から６に記載の発明においては、温度に応
じてインピーダンスが変化する検出素子（３４）の素子
インピーダンスを目標インピーダンスにするように、ヒ
ータ（３３）への供給電力をフィードバック制御するヒ
ータ供給電力制御手段（１０５）を有する酸素濃度検出
装置において、検出素子（３４）の内部インピーダンス
の増加に基づき劣化判定を行う劣化判定手段（４０１〜
４０３）と、劣化判定に基づき前記目標インピーダンス
を増加させるように変更する目標インピーダンス変更手
段（４０５〜４０７）とを備えたことを特徴とする。

【０００６】これにより、酸素センサ（２６）が劣化状
態になったときに目標インピーダンスを新たな目標イン
ピーダンスに変更することで、ヒータ（３３）への供給
電力を制御して酸素センサ（２６）の温度上昇を防止す
ることができ、酸素センサ（２６）を活性化温度に維持
することができる。請求項２から４に記載の発明におい
ては、検出素子（３４）の劣化に応じた所定の判定値と
供給電力とを比較するヒータ供給電力比較手段（４０１
〜４０３）を設け、供給電力が判定値より大きいときに
目標インピーダンスを変更する目標インピーダンス変更
手段（４０５〜４０７）を設けたことを特徴とする。

【０００７】このように、判定値より大きいときに目標
インピーダンスを変更することで請求項１と同様に酸素
センサ（２６）の温度上昇を防止することができる。さ
らに、請求項４に記載の発明においては酸素濃度検出装
置に酸素センサ異常検出手段（５０４、５０６〜５１
０）を設け、酸素センサ（２６）の異常判定をしている
から、例えば、酸素センサ（２６）が能力的限界に達し
ている量の電力がヒータ（３３）に供給されていること
が分かり、酸素センサ（２６）の機能の維持が図れる。
また、劣化が進んで所定の範囲を越えた場合において、
電力の浪費を防止することができる。

【０００８】請求項５に記載の発明においては空燃機関
の運転状態を検出する運転状態検出手段（４９）と、運
転状態検出手段（４９）により検出された運転状態が定
常状態に移行したときにフィードバック制御を実行し、
目標インピーダンス変更手段（４０５〜４０７）による
インピーダンスの変更を可能にする手段（４９）とを設
けたことを特徴とするヒータ供給電力の増加には２種類
あり、１つは酸素センサ（２６）の劣化による素子イン
ピーダンス増加に応じたヒータ供給電力の増加、もう１
つは排気ガス温度の低下によるヒータ供給電力の増加で
ある。後者について説明すると、酸素センサ（２６）の
活性化は排気ガス温度にも依存し、排気ガス温度が高い
ときには低電力で活性化し、逆に低いときには高電力が
必要となる。このため、ヒータ供給電力の増加がいずれ
に起因するものかを判断することにより素子インピーダ
ンスの増加が明確となる。

【０００９】このように、空燃機関の運転状態を検出す
ることにより、ヒータ供給電力の増加が素子インピーダ
ンス増加によるものか排気ガス温度に依存したものか、
確定することができ、目標インピーダンスの変更をより
確実に行うことができる。請求項６に記載の発明は、ヒ
ータ（３３）への供給電力が大きいほど、目標インピー
ダンスが大きくなるよう変更していく目標インピーダン
ス設定手段（４０１〜４０７）を設けたことを特徴とす
る。

【００１０】このように、ヒータ供給電力に応じた目標
インピーダンスを設定することにより、請求項１と同様
に酸素センサ（２６）の温度上昇を防止することができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１は、本発明の一実施形態におけ
る内燃機関の空燃比制御装置の概要を示す構成図であ
る。図１において、４気筒火花点火式ガソリン内燃機関
（以下、エンジンという）１には吸気管２と排気管３と
が接続されている。吸気管２の最上流部にはエアクリー
ナ４が設けられ、吸気管２の途中にはサージタンク５が
設けられている。サージタンク５の上流側には、図示し
ないアクセルペダルの踏み込み操作に連動するスロット
ルバルブ１７が配設されている。スロットルバルブ１７
をバイパスするバイパス通路１８には、ＩＳＣ弁（アイ
ドル回転数制御弁）１９が設けられている。

【００１２】また、エンジン１における各気筒毎の吸気
管（吸気ポート）２にはインジェクタ６が配設されてい
る。燃料タンク７内の燃料は燃料ポンプ８により吸い上
げられ、燃料フィルタ９を通してプレッシャレギュレー
タ１０に供給される。プレッシャレギュレータ１０は、
一定圧力に調圧した燃料をインジェクタ６に供給すると
共に、余剰燃料を燃料タンク７にリターンさせる。イン
ジェクタ６はバッテリ１５からの電力供給により開弁し
て燃料を噴射する。そして、インジェクタ６による噴射
燃料が吸入空気と混合されて混合気となり、吸気弁１１
を介して各気筒の燃焼室１２に供給される。

【００１３】エアクリーナ４の近傍には吸気温センサ２
０が設けられ、同センサ２０により吸気温が検出され
る。また、サージタンク５には吸気管内圧力センサ２２
が設けられ、同センサ２２により吸気管内圧力（吸気負
圧）が検出される。エンジン１のシリンダブロックには
エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ２３
が設けられている。

【００１４】各気筒の燃焼室１２には点火プラグ１３が
配設されている。イグナイタ１４ではバッテリ１５の電
圧から高電圧が生成され、その高電圧がディストリビュ
ータ１６により各点火プラグ１３に分配される。ディス
トリビュータ１６内には気筒判別センサ２４とクランク
角センサ２５が配設されている。クランク角センサ２５
は、エンジン１のクランク軸の回転に伴う所定のクラン
ク角毎（例えば、３０°ＣＡ毎）にクランク角信号を発
生する。また、気筒判別センサ２４は、エンジン１のク
ランク軸の回転に伴う特定気筒の特定位置（例えば、第
１気筒の圧縮ＴＤＣ）で気筒判別信号を発生する。

【００１５】また、エンジン１の排気管３には限界電流
式の酸素センサ２６が設けられており、この酸素センサ
２６は排気ガス中の酸素濃度に比例してリニアな検出信
号を出力する。なお、酸素センサ２６下流には図示しな
い触媒コンバータが配設されており、同コンバータにて
排気ガスが浄化されるようになっている。上記各センサ
の検出信号は電子制御装置（以下、ＥＣＵという）４０
に入力される。ＥＣＵ４０は、バッテリ１５を電源とし
て動作し、イグニションスイッチ２８のオン信号により
エンジン１を始動させると共に、エンジン運転中は酸素
センサ２６の出力信号に基づいて空燃比補正係数を増減
補正することで空燃比を目標空燃比（例えば、理論空燃
比）近傍にフィードバック制御する。また、ＥＣＵ４０
は後述するセンサ異常判定処理を実行して酸素センサ２
６の異常の有無を診断し、異常時には警告灯２９を点灯
して運転者に異常発生の旨を警告する。

【００１６】図２は、酸素センサ２６の概略断面、及び
酸素センサ２６に接続されたＥＣＵ４０の電気的構成を
示す図である。図２において、酸素センサ２６は排気管
３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一酸化炭素（ＣＯ）濃度
に対応する限界電流を発生する。

【００１７】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、排気ガス側電極層３６が
固着され、内表面には大気側電極層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は酸素濃度検出素子に相当する。

【００１８】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。上記構成の酸素センサ２６において、センサ
本体３２は理論空燃比点にて濃淡起電力を発生し、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。

【００１９】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、同センサ本体３２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活性領域を制
御できない。そのため、本例では、後述するヒータ３３
の加熱制御によりセンサ本体３２の温度制御が実施され
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）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濃度に応じ
た限界電流を発生する。

【００２０】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、酸素センサ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（即ち、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。

【００２１】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の内部イ
ンピーダンス（以下、これを素子インピーダンスとい
う）により特定される。この素子インピーダンスは温度
変化に伴い変化するため、センサ本体３２の温度が低下
すると素子インピーダンスの増大により上記傾きが小さ
くなる。

【００２２】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。

【００２３】そして、特性線Ｌ１において、センサ本体
３２の固体電解質層３４に正の印加電圧Ｖpos を印加す
れば、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 を印加すれば、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Ｐ
ｂ参照）。

【００２４】また、図２において、センサ本体３２の排
気ガス側電極層３６には、バイアス制御回路４１が接続
され、同バイアス制御回路４１にはセンサ電流検出回路
４５を介してセンサ本体３２の大気側電極層３７が接続
されている。バイアス制御回路４１は正バイアス用直流
電源４２、負バイアス用直流電源４３及び切り換えスイ
ッチ回路４４によって構成されている。正バイアス用直
流電源４２の負側電極及び負バイアス用直流電源４３の
正側電極は共に排気ガス側電極層３６に接続されてい
る。

【００２５】切り換えスイッチ回路４４は、第１切り換
え状態にて正バイアス用直流電源４２の正側電極のみを
センサ電流検出回路４５に接続すると共に、第２切り換
え状態にて負バイアス用直流電源４３の負側電極のみを
センサ電流検出回路４５に接続する。つまり、切り換え
スイッチ回路４４が第１切り換え状態にある場合、正バ
イアス用直流電源４２がセンサ本体３２の固体電解質層
３４を正バイアスし、同固体電解質層３４には正方向の
電流が流れる。

【００２６】一方、切り換えスイッチ回路４４が第２切
り換え状態にある場合、負バイアス用直流電源４３が固
体電解質層３４を負バイアスし、同固体電解質層３４に
は負方向の電流が流れる。かかる場合、各直流電源４
２，４３の端子電圧は上述の印加電圧Ｖpos ，Ｖneg に
それぞれ相当する。センサ電流検出回路４５は、センサ
本体３２の大気側電極層３７から切り換えスイッチ回路
４４へ流れる電流又はその逆方向へ流れる電流、つま
り、固体電解質層３４を流れる電流を検出する。また、
ヒータ制御回路４６は、酸素センサ２６の素子温やヒー
タ温度に応じてバッテリ電源ＶＢからヒータ３３に供給
される電力をデューティ制御し、ヒータ３３の加熱制御
を行う。ヒータ３３に流れる電流（以下、ヒータ電流Ｉ
ｈという）は電流検出抵抗５０により検出される。

【００２７】Ａ／Ｄ変換器４７は、センサ電流検出回路
４５による検出電流（図３のＩpos，Ｉneg ）、ヒータ
電流Ｉｈ、及びヒータ３３の印加電圧（以下、ヒータ電
圧Ｖｈという）をデジタル信号に変換してマイクロコン
ピュータ４８に出力する。マイクロコンピュータ４８
は、各種演算処理を実行するＣＰＵ４８ａやＲＯＭ，Ｒ
ＡＭからなるメモリ４８ｂ等により構成され、所定のコ
ンピュータプログラムに従いバイアス制御回路４１、ヒ
ータ制御回路４６及び燃料噴射制御装置４９を制御す
る。

【００２８】燃料噴射制御装置４９は、エンジン情報と
しての前記各種センサ信号を入力し、吸気温Ｔａｍ、吸
気負圧Ｐｍ、冷却水温Ｔｈｗ、エンジン回転数ＮＥ、車
速Ｖｓ等を検出する。そして、これらのエンジン情報に
基づきインジェクタ６による燃料噴射を制御する。次い
で、本例の作動についてマイクロコンピュータ４８内の
ＣＰＵ４８ａにより実行される各種制御プログラムに沿
って説明する。なお、本例では、マイクロコンピュータ
４８内のＣＰＵ４８ａによりヒータ供給電力制御手段、
ヒータ供給電力検出手段、素子インピーダンス検出手
段、センサ異常判定手段及び劣化判定手段（ヒータ供給
電力比較手段）が構成されている。

【００２９】図４は本例におけるヒータ制御のタイムチ
ャートであり、同図には、エンジン始動に伴うヒータ３
３への通電開始後、酸素センサ２６が十分に活性するま
での動作を示している。本例では、ヒータ制御がその目
的及び制御方法の違いから図４の〜の制御に分けら
れており、それぞれを順に説明する。なお、〜の制
御は、酸素センサ２６の活性前のヒータ制御を示し、
の制御は酸素センサ２６の活性後のヒータ制御を示す。

【００３０】先ずエンジン始動直後におけるの制御で
は、１００％デューティのヒータ電圧がヒータ３３に印
加される（以下、これを全導通制御と呼ぶ）。つまり、
ヒータ３３及び検出素子（センサ本体３２）の冷間時に
は短時間でヒータ３３を加熱すべく、最大電力がヒータ
３３に供給される。、の制御では、ヒータ温を所定
の目標ヒータ温（例えば、ヒータ上限温度である１２０
０℃）に保持するよう、ヒータ３３への供給電力が制御
される（以下、これを電力制御と呼ぶ）。つまり、素子
温が活性化温度（７００℃）にあればヒータ温は供給電
力から一義的に決まるため、ヒータ３３を一定の温度に
保持するには所定電力を供給し続ければよい。しかしな
がら素子温が低い時には、ヒータ温を一定に保持するた
めに必要な供給電力は素子温に応じて変動する。一般
に、素子温が低いほど大きな供給電力が必要になる。そ
こで、上記電力制御では、素子インピーダンス（素子温
と素子インピーダンスとは図５に示す関係にある）に応
じて供給電力が制御される。

【００３１】但し、電力制御の開始当初は、素子インピ
ーダンスが非常に大きく検出可能な最大値（例えば、６
００Ω）を超える。そのため、素子インピーダンスの検
出不可域ではヒータ３３への供給電力は一定電力（例え
ば、６０Ｗ）に保持される（の制御）。そして、素子
温が上昇し素子インピーダンスが６００Ω以下になる
と、以降、素子インピーダンスに応じた電力がヒータ３
３に供給される（の制御）。

【００３２】また、の制御では、素子の活性状態を維
持すべく、目標インピーダンス（目標温）になるように
ヒータ３３への供給電力がフィードバック制御（素子温
フィードバック制御）される。なお、酸素センサ２６が
劣化していない正常時には目標インピーダンスは３０Ω
（目標温７００℃相当）になるように、供給電力が制御
される。

【００３３】次に、図６に従いヒータ制御ルーチンを説
明する。図６において、ＣＰＵ４８ａは、ステップ１０
１で素子温フィードバック制御の実行条件が成立したか
否かを判別する。この実行条件は、酸素センサ２６の素
子インピーダンスが目標インピーダンス（３０Ω）以下
であれば成立する。また、ＣＰＵ４８ａは、ステップ１
０２で電力制御実行条件が成立したか否かを判別する。

【００３４】この電力制御実行条件としては、酸素セン
サ２６（センサ本体３２及びヒータ３３）が冷間状態に
あるか否かに応じて２通りの条件が設定されており、酸
素センサ２６が冷間状態であれば全導通制御（図４の
の制御）を開始してから所定時間が経過した時に条件が
成立し、冷間状態でなければヒータインピーダンスが目
標ヒータインピーダンス以上になった時に成立する。こ
のように酸素センサ２６の冷間状態に応じて全導通制御
を実行することによりエンジン再始動時においてヒータ
温の過上昇が防止される。

【００３５】従って、ヒータ制御の開始当初においてス
テップ１０１，１０２が共に否定判別されれば、ＣＰＵ
４８ａはステップ１０３に進み、ヒータ３３の全導通制
御を実行する（の制御）。即ち１００％デューティの
ヒータ電圧をヒータ３３に印加する。また、ステップ１
０２の電力制御実行条件が成立すると、ＣＰＵ４８ａは
ステップ１０４に進み、電力制御を実行する（，の
制御）。この場合、前述したように素子インピーダンス
が検出不可域（素子インピーダンス＞６００Ω）にあれ
ば供給電力が固定値にて制御され（の制御）、素子イ
ンピーダンスが検出可能になるとヒータ温を目標ヒータ
温に保持するよう、素子インピーダンスに応じてヒータ
３３への供給電力が制御される（の制御）。

【００３６】その後、ステップ１０１の素子温フィード
バック制御実行条件が成立すると、ＣＰＵ４８ａは、ス
テップ１０５で素子温フィードバック制御を実行する
（の制御）。このとき、ＣＰＵ４８ａは、次の数式１
〜数式３に基づきヒータ電圧の制御デューティＤＵＴＹ
を演算する。

【００３７】

【数１】ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ．Ｉ＋ＧＰ＋ＧＩ

【００３８】

【数２】ＧＰ＝ＫＰ・（Ｚｄｃ−ＺｄｃＴ）

【００３９】

【数３】ＧＩ＝ＧＩ＋ＫＩ・（Ｚｄｃ−ＺｄｃＴ）但し、「ＤＵＴＹ．Ｉ」は制御デューティＤＵＴＹの初
期値、「Ｚｄｃ」は素子インピーダンス、「ＺｄｃＴ」
は目標インピーダンスである。なお、本例では、ＤＵＴ
Ｙ．Ｉ＝２０％、酸素センサ２６劣化前におけるＺｄｃ
Ｔ＝３０Ωとしている。また、「ＧＰ」は比例項、「Ｇ
Ｉ」は積分項、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は積分定
数を表す（本例では、ＫＰ＝４．２％、ＫＩ＝０．２
％）。なお、これらの数値は実験的に求められるもので
あり、酸素センサ２６の仕様に応じて変更される。

【００４０】図７に図６において、素子温フィードバッ
ク制御実行中（ステップ１０５）に行われる素子インピ
ーダンス検出ルーチンを示す。以下、図７に従って説明
する。ＣＰＵ４８ａはステップ２０１で図８の素子イン
ピーダンス検出域における所定電圧Ｖｍを印加し（例え
ば−１Ｖ）、続くステップ２０２で図２のセンサ電流検
出回路４５にて検出された電流Ｉｍを読み込む（図８参
照）。また、ＣＰＵ４８ａは、ステップ２０３で上記印
加電圧と検出電流Ｉｍとから素子インピーダンスＺｄｃ
を算出する（Ｚｄｃ＝Ｖｍ／Ｉｍ）。

【００４１】図９は、ＣＰＵ４８ａにより例えば１２８
ｍｓ毎に実行される処理データ演算ルーチンを示す。図
７において、ＣＰＵ４８ａは、ステップ３０１で図２の
電流検出抵抗５０により検出されたヒータ電流Ｉｈを読
み込み、続くステップ３０２でヒータ電圧Ｖｈを読み込
む。また、ＣＰＵ４８ａは、ステップ３０３でヒータ電
圧Ｖｈをヒータ電流Ｉｈで除算してヒータインピーダン
スＲＨを算出し（ＲＨ＝Ｖｈ／Ｉｈ）、続くステップ３
０４でヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとを乗算してヒ
ータ供給電力ＷＨを算出する（ＷＨ＝Ｖｈ・Ｉｈ）。さ
らに、ＣＰＵ４８ａは、ステップ３０５で１／６４なま
し演算によりヒータ供給電力ＷＨのなまし値（以下、電
力平均値ＷＨＡＶという）を数式４を用いて算出する。

【００４２】

【数４】ＷＨＡＶ＝（６３・ＷＨＡＶi-1 ＋ＷＨ）／６４また、図１０は目標インピーダンスの変更について示し
たものである。本図について説明する。まず、酸素セン
サ２６に劣化が生じていないときには、目標インピーダ
ンスは３０Ωに設定されている。そして、酸素センサ２
６に劣化が生じると、それに伴い素子インピーダンスは
増加し、これに伴ってヒータ供給電力は上昇する。

【００４３】ところで、ある目標インピーダンスに制御
するために必要とするヒータ供給電力は所定電力に納ま
る。従って、この供給電力がこの所定電力を超えた場合
に酸素センサ２６の劣化と判定し、劣化に応じた目標イ
ンピーダンスに変更する。図１０のように酸素センサ２
６が劣化する前には、ＫＺｄｃＴ０（＝３０Ω）が目標
インピーダンスとして設定されている。そして、劣化す
ると目標インピーダンスは、ヒータ供給電力がＫＷＨＡ
Ｖ１以上かつＫＷＨＡＶ２未満であればＫＺｄｃＴ１に
変更され、ＫＷＨＡＶ２以上かつＫＷＨＡＶ３未満であ
ればＫＺｄｃＴ２に変更され、ＫＷＨＡＶ３以上であれ
ばＫＺｄｃＴ３に変更される。

【００４４】なお、図に示すように、ＫＷＨＡＶ１＜Ｋ
ＷＨＡＶ２＜ＫＷＨＡＶ３＜ＫＷＨＡＶであり、ＫＺｄ
ｃＴ０＜ＫＺｄｃＴ１＜ＫＺｄｃＴ２＜ＫＺｄｃＴ３で
ある。ヒータ供給電力がさらに上昇していき図に示す異
常判定領域（供給電力がＫＷＨＡＶ以上）までヒータ供
給電力が上昇すると酸素センサ２６の異常と判定する。
つまり、目標インピーダンスを上げると空燃比検出範囲
が狭くなるため、酸素センサ２６の能力限界になったと
きに酸素センサ２６の異常と判定する。

【００４５】図１１に、図１０に基づいて実行される目
標インピーダンス変更ルーチンを示す。以下、目標イン
ピーダンスの変更手順を図１１に従って説明する。な
お、本図は、後述する図１２のステップ５０５に対応す
るフローチャートである。まず、ＣＰＵ４８ａはステッ
プ４０１で電力平均値ＷＨＡＶがＫＷＨＡＶ３以上であ
るか否か（ＷＨＡＶ≧ＫＷＨＡＶ３）を判別する。この
とき、ＷＨＡＶ＜ＫＷＨＡＶ３であればステップ４０２
に進む。さらに、ステップ４０２で電力平均値ＷＨＡＶ
がＫＷＨＡＶ２以上であるか否か（ＷＨＡＶ≧ＫＷＨＡ
Ｖ２）を判別する。このとき、ＷＨＡＶ＜ＫＷＨＡＶ２
であればステップ４０３に進む。ステップ４０３で電力
平均値ＷＨＡＶがＫＷＨＡＶ１以上であるか否か（ＷＨ
ＡＶ≧ＫＷＨＡＶ１）を判別する。このとき、ＷＨＡＶ
＜ＫＷＨＡＶ１であればステップ４０４に進み、Ｚｄｃ
Ｔを「ＫＺｄｃＴ０」にして処理を終了する。

【００４６】また、ステップ４０３でＷＨＡＶ≧ＫＷＨ
ＡＶ１であればステップ４０７に進み、ＺｄｃＴを「Ｋ
ＺｄｃＴ１」にして処理を終了する。ステップ４０２で
ＷＨＡＶ≧ＫＷＨＡＶ２であればステップ４０６に進
み、ＺｄｃＴを「ＫＺｄｃＴ２」にして処理を終了す
る。ステップ４０１でＷＨＡＶ≧ＫＷＨＡＶ３であれば
ステップ４０５に進み、ＺｄｃＴを「ＫＺｄｃＴ３」に
して処理を終了する。

【００４７】つまり、前述のようにＫＷＨＡＶ１＜ＫＷ
ＨＡＶ２＜ＫＷＨＡＶ３＜ＫＷＨＡＶであり、ＫＺｄｃ
Ｔ０＜ＫＺｄｃＴ１＜ＫＺｄｃＴ２＜ＫＺｄｃＴ３であ
るため、目標インピーダンスは酸素センサ２６の劣化に
応じて変更される。図１２のフローチャートは、ＣＰＵ
４８ａにより例えば１秒周期で実行されるセンサ異常判
定ルーチンを示す。この異常判定ルーチンでは、素子温
フィードバック制御の実行時において必要とされたヒー
タ供給電力ＷＨに応じてセンサ異常が判定される。つま
り、センサ異常時には、素子温を目標値（例えば、７０
０℃）に保持するために必要となるヒータ供給電力ＷＨ
が増大し、正常時のそれと容易に比較判定することがで
きる。以下、図１２に従って異常判定手順を説明する。

【００４８】図１２において、ＣＰＵ４８ａは、ステッ
プ５０１で素子温フィードバック開始後に所定時間ＫＳ
ＴＦＢ（例えば、１０秒）が経過したか否かを判別し、
続くステップ５０２で前回の異常判定後に所定時間ＫＡ
ＦＳＴ（例えば、１００秒）が経過したか否かを判別す
る。さらに、ＣＰＵ４８ａは、ステップ５０３で定常運
転状態（例えば、アイドル状態であること）が所定時間
ＫＳＭＳＴ（例えば、５秒）以上継続されたか否かを判
別する。そして、ステップ５０１〜５０３のいずれかが
否定判別されれば、ＣＰＵ４８ａはそのまま処理を終了
し、ステップ５０１〜５０３が全て肯定判別されればス
テップ５０４に進む。

【００４９】ＣＰＵ４８ａは、ステップ５０４で電力平
均値ＷＨＡＶが所定のヒータ電力判定値ＫＷＨＡＶ以上
であるか否か（ＷＨＡＶ≧ＫＷＨＡＶか否か）を判別す
る。このとき、ＷＨＡＶ＜ＫＷＨＡＶであれば、ＣＰＵ
４８ａはセンサ異常無しとみなしてステップ５０５に進
み、ステップ５０５でＷＨＡＶに応じた目標インピーダ
ンスの変更を行う。なお、前述したＺｄｃＴはこのとき
に変更された目標インピーダンスとなる。この後、ステ
ップ５０６に進み異常判定フラグＸＥＬＥＲを「０」に
クリアして処理を終了する。

【００５０】また、ＷＨＡＶ≧ＫＷＨＡＶであれば、Ｃ
ＰＵ４８ａはステップ５０７に進み、センサ以外の異常
が検出されているか否かを判別し、他の異常が無ければ
ステップ５０８に進む。そして、ＣＰＵ４８ａは、ステ
ップ５０８で異常判定フラグＸＥＬＥＲが既に「１」に
セットされているか否かを判別し、ＸＥＬＥＲ＝０であ
れば、ステップ５０９で異常判定フラグＸＥＬＥＲに
「１」をセットする。

【００５１】また、ＸＥＬＥＲ＝１であれば、ＣＰＵ４
８ａはステップ５１０に進み、ダイアグ処理として異常
発生を表す警告灯２９を点灯する。つまり、ステップ５
０４〜５１０では、異常発生（ＷＨＡＶ≧ＫＷＨＡＶ）
の旨が２回続けて判別された場合に、ダイアグ処理が実
施される。前述のように、本例ではステップ５０３にお
いて運転状態が定常状態であるか否かの判別を行い、な
お、ここでの定常運転状態が否かの判別は燃料噴射制御
装置４９で検出されたエンジンの回転数ＮＥ及びエンジ
ン負荷（吸気負圧Ｐｍ等）に基づいて行われる。

【００５２】このように、運転状態を検出するのは排気
ガス温を確定させるためである。詳しくは、ヒータ供給
電力が所定範囲よりも上昇するのはセンサが劣化して素
子インピーダンスが増加したためか、あるいは排気ガス
温が低下したためである。つまり、酸素センサ２６は排
気ガス温が高いときにはヒータ供給電力が低電圧であっ
ても十分に活性するが、逆に低いときには高電圧でなけ
れば活性しない。このため、排気ガス温が低いときには
ヒータに高電力供給する。このときのヒータ供給電力と
正確に区別するためである。

【００５３】以上本例では、酸素センサ２６に劣化がな
いときには酸素センサ２６の素子インピーダンス（素子
温）は目標インピーダンスを３０Ω（素子温７００℃相
当）になるようヒータ３３への供給電力をフィードバッ
ク制御（図６の素子温フィードバック制御）する。そし
て、酸素センサ２６に劣化が生じた場合には、その劣化
に応じて目標インピーダンスを変更していく。このと
き、ヒータ供給電力がヒータ電力判定値を超えた場合に
はセンサ異常判定がなされ、警告灯２９が点灯して警告
表示がされる。

【００５４】このように、素子３４の内部インピーダン
ス増加に伴ってズレた目標インピーダンスを新たな目標
インピーダンスに変更することで、ヒータ３３への供給
電力を制御して酸素センサ２６の過度の温度上昇を防止
することができる。さらに、これに伴い、酸素センサ２
６の過度の温度上昇によって促進される酸素センサ２６
の劣化も防止することができる。

【００５５】さらに、本例では酸素センサ２６の異常判
定手段を備えているため、酸素センサ２６の劣化に伴う
目標インピーダンスの変更を繰り返すだけでなく、酸素
センサ２６が能力的に限界に達している状態を示す電力
がヒータに供給されているときには異常判定がされるた
め、酸素センサ２６の機能の維持が図れる。また、劣化
が進んで所定の範囲を越えた場合において、電力の浪費
を防止することができる。

【００５６】また、本例では、異常判定を定常運転時に
限定したため（図１２のステップ５０３）、排気温によ
るヒータ供給電力への影響を排除し、適正な判定結果を
得ることができる。なお、本例では目標インピーダンス
を階段式に変更しているが、酸素センサ２６の劣化に応
じてリニアに変更してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における空燃比制御装置の全
体構成を示す概略図である。

【図２】図１における酸素センサ２６の断面構成及びＥ
ＣＵ内の電気的構成を示す構成図である。

【図３】酸素センサ２６の電圧−電流特性図である。

【図４】ヒータ供給電力制御動作を示すタイムチャート
である。

【図５】酸素センサ２６内部の酸素濃度検出素子３４の
素子温と素子インピーダンスの関係を示す相関図であ
る。

【図６】ヒータ供給電力制御処理におけるフローチャー
トである。

【図７】素子インピーダンス検出制御処理におけるフロ
ーチャートである。

【図８】酸素センサ２６の電圧−電流特性図である。

【図９】ヒータ供給電力平均値算出処理におけるフロー
チャートである。

【図１０】ヒータ供給電力の平均値−目標インピーダン
スの関係を示す相関図である。

【図１１】目標インピーダンス変更処理におけるフロー
チャートである。

【図１２】センサ異常判定処理におけるフローチャート
である。

【符号の説明】

２６…酸素センサ（限界電流式酸素センサ）、３３…ヒ
ータ、３４…検出素子としての固体電解質層、４８ａ…
素子インピーダンス検出手段、センサ異常判定手段、ヒ
ータ供給電力制御手段、ヒータ電力検出手段、劣化判定
手段、目標インピーダンス変更手段としてのＣＰＵ、４
９…運転状態検出手段としての燃料噴射制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素濃度に比例した電流を出力する検出
素子（３４）とこの検出素子（３４）を加熱するヒータ
（３３）とを有する酸素センサ（２６）と、前記検出素
子（３４）のインピーダンスを検出する素子インピーダ
ンス検出手段（２０１〜２０３）と、前記素子インピーダンス検出手段（２０１〜２０３）に
より検出された素子インピーダンスを目標インピーダン
スにするように、前記ヒータ（３３）への供給電力をフ
ィードバック制御するヒータ供給電力制御手段（１０
５）と、前記検出素子（３４）の内部インピーダンス
が増加する劣化状態を判定する劣化判定手段（４０１〜
４０３）と、前記劣化状態が判定されたとき前記目標インピーダンス
を増加させる目標インピーダンス変更手段（４０５〜４
０７）とを備えたことを特徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項２】酸素濃度に比例した電流を出力する検出
素子（３４）とこの検出素子（３４）を加熱するヒータ
（３３）とを有する酸素センサ（２６）と、前記検出素子（３４）のインピーダンスを検出する素子
インピーダンス検出手段（２０１〜２０３）と、前記素子インピーダンス検出手段（２０１〜２０３）に
より検出された素子インピーダンスを目標インピーダン
スにするように、前記ヒータ（３３）への供給電力をフ
ィードバック制御するヒータ供給電力制御手段（１０１
〜１０３）と、前記ヒータ供給電力を検出するヒータ供給電力検出手段
（３０１〜３０５）と、前記検出されたヒータ供給電力と所定の判定値とを比較
するヒータ供給電力比較手段（４０１〜４０３）と、前記ヒータ供給電力比較手段（４０１〜４０３）にて前
記ヒータ供給電力が前記判定値を超えたことを判定した
ときに前記目標インピーダンスを増加させる目標インピ
ーダンス変更手段（４０５〜４０７）とを備えたことを
特徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項３】前記ヒータ供給電力比較手段（４０１〜
４０３）は、前記ヒータ供給電力を第１の判定値と比較
する第１比較手段と、前記ヒータ供給電力を前記第１の
判定値よりも大きな第２の判定値と比較する第２比較手
段とを有し、前記目標インピーダンス変更手段（４０５〜４０７）
は、前記第１の比較手段にて前記ヒータ供給電力が前記
第１の判定値を超えたと判定されると第１の目標インピ
ーダンスに増加させ、前記第２の比較手段にて前記ヒー
タ供給電力が前記第２の判定値を超えたと判定されると
前記第１の目標インピーダンスよりも大きな第２の目標
インピーダンスに増加させることを特徴とする請求項２
に記載の酸素濃度検出装置。
【請求項４】前記ヒータ供給電力が前記判定値よりも
高い異常判定値を超えたとき前記酸素センサ（２６）の
異常を判定するセンサ異常判定手段（５０４、５０６〜
５１０）を設けたことを特徴とする請求項２又は３に記
載の酸素濃度検出装置。
【請求項５】内燃機関の運転状態を検出する運転状態
検出手段（４９）と、前記運転状態検出手段（４９）により検出された運転状
態が定常状態に移行したときに前記ヒータ供給電力比較
手段（４０１〜４０３）による制御を実行し、前記目標
インピーダンス変更手段（４０５〜４０７）によるイン
ピーダンスの変更を可能にする手段（５０３）とを設け
たことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記
載の酸素濃度検出装置。
【請求項６】酸素濃度に比例した電流を出力する検出
素子（３４）とこの検出素子（３４）を加熱するヒータ
（３３）とを有する酸素センサ（２６）と、前記検出素子（３４）のインピーダンスを検出する素子
インピーダンス検出手段（２０１〜２０３）と、前記素子インピーダンス検出手段（２０１〜２０３）に
より検出された素子インピーダンスを目標インピーダン
スにするように、前記ヒータ（３３）への供給電力をフ
ィードバック制御するヒータ供給電力制御手段（１０１
〜１０３）と、前記ヒータ供給電力を検出するヒータ供給電力検出手段
（３０１〜３０５）と、前記検出されたヒータ供給電力が大きいほど、前記目標
インピーダンスが大きくなるよう前記目標インピーダン
スを設定する目標インピーダンス設定手段（４０１〜４
０７）を設けたことを特徴とする酸素濃度検出装置。