WO2015045381A1 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

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WO2015045381A1
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constant current
electromotive force
solid electrolyte
sensor
gas sensor
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崇生 三島
幹泰 松岡
真吾 中田
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    • F02D41/1494—Control of sensor heater

Definitions

  • This disclosure relates to a gas sensor control device.
  • an electromotive force output type gas sensor that detects an oxygen concentration by using exhaust gas discharged from the engine as a detection target is generally used.
  • This gas sensor has an electromotive force cell that outputs different electromotive force signals depending on whether the air-fuel ratio of exhaust gas is rich or lean. Specifically, the gas sensor outputs an electromotive force signal of about 0.9 V if the air-fuel ratio is rich, and outputs an electromotive force signal of about 0 V if the air-fuel ratio is lean.
  • a constant current circuit is connected to at least one of a pair of sensor electrodes.
  • the direction of the constant current is determined based on the change request, and the constant current circuit is controlled so that the constant current flows in the determined direction.
  • the output characteristic of a gas sensor is suitably controlled by the supply of the constant current.
  • the resistance value of the sensor element changes depending on the temperature of the sensor element. Specifically, at the time of cold start of the engine or when the exhaust temperature decreases due to engine fuel cut, the element resistance increases as the temperature of the sensor element decreases. In this case, when the element resistance is increased, the voltage applied to the sensor element is increased even when a constant current is passed. And when the applied voltage becomes excessive, there is a possibility that inconvenience (adverse effect) such as deterioration of the solid electrolyte body in the sensor element may occur. Therefore, there is room for improvement in protecting a sensor element in a configuration in which a constant current is supplied to the sensor element.
  • the sensor element corresponds to an electromotive force cell.
  • the resistance value of the sensor element is also called element resistance.
  • the main purpose of the present disclosure is to provide a gas sensor control device capable of performing proper air-fuel ratio detection while protecting the gas sensor.
  • a gas sensor control device of the present disclosure includes an electromotive force cell that uses a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided at a position sandwiching the solid electrolyte body, and detects an exhaust gas of an internal combustion engine as an object of detection. It is applied to a gas sensor that outputs an electromotive force signal according to the above.
  • a constant current supply unit that supplies a predetermined constant current to the electromotive force cell; and an influence determination unit that determines the possibility of an adverse effect on the solid electrolyte body resulting from the supply of the constant current by the constant current supply unit
  • a current control unit that limits a constant current supplied by the constant current supply unit when the influence determination unit determines that there is a possibility of an adverse effect on the solid electrolyte body.
  • the constant current supplied by the constant current supply unit is limited when it is determined that there is a possibility of adverse effects on the solid electrolyte body. It can suppress applying. As a result, proper air-fuel ratio detection can be performed while protecting the gas sensor.
  • a resistance value calculation unit that calculates a resistance value of the electromotive force cell is provided, and the influence determination unit applies the resistance value of the electromotive force cell calculated by the resistance value calculation unit to the solid electrolyte body. It is good to determine the possibility of adverse effects.
  • the electromotive force cell is anticipated that the resistance value of the electromotive force cell increases as the temperature of the electromotive force cell decreases when the internal combustion engine is cold started or when the exhaust temperature decreases due to the fuel cut of the internal combustion engine.
  • the constant current supplied to is limited based on the resistance value of the electromotive force cell.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the engine control system
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the sensor element and a schematic configuration of the sensor control unit
  • FIG. 3 is an electromotive force characteristic diagram showing the relationship between the excess air ratio and the electromotive force of the sensor element.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the reaction of gas components in the sensor element
  • FIG. 5 is an electromotive force characteristic diagram showing the relationship between the excess air ratio and the electromotive force of the sensor element.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the sensor control unit.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the current and the amount of voltage drop in a state where a constant current flows.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a constant current control process in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart showing element resistance calculation processing
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the element resistance and the allowable current value.
  • FIG. 11 is a time chart showing constant current control at the time of engine start.
  • FIG. 12 is a flowchart showing a constant current control process in the second embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between a constant current and a resistance upper limit value.
  • FIG. 14 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the sensor element in the third embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing limit current characteristics of the sensor element.
  • FIG. 16 is an electromotive force characteristic diagram showing the relationship between the air-fuel ratio and the electromotive force of the sensor element.
  • FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of the sensor element and its peripheral part.
  • FIG. 18 is a flowchart showing a constant current control process according to the third embodiment.
  • FIG. 19 is a flowchart showing a constant current control process in the fourth embodiment.
  • FIG. 20 is a flowchart showing a constant current control process in the fifth embodiment.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an overall outline of the present system.
  • an engine 10 is, for example, a gasoline engine, and includes an electronically controlled throttle valve 11, a fuel injection valve 12, an ignition device 13, and the like.
  • the exhaust pipe 14 of the engine 10 is provided with catalysts 15a and 15b as exhaust purification devices.
  • the exhaust pipe 14 corresponds to an exhaust part.
  • Each of the catalysts 15a and 15b is, for example, a three-way catalyst, of which the catalyst 15a is a first catalyst as an upstream catalyst, and the catalyst 15b is a second catalyst as a downstream catalyst.
  • the three-way catalyst purifies nitrogen oxides (NO x ) such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), and NO, which are harmful three components of exhaust gas.
  • An A / F sensor 16 is provided on the upstream side of the first catalyst 15a, and an O 2 sensor 17 is provided between the catalysts 15a and 15b (on the downstream side of the first catalyst 15a and the upstream side of the second catalyst 15b). It has been.
  • the A / F sensor 16 outputs an A / F signal that is substantially proportional to the air-fuel ratio of the exhaust.
  • the O 2 sensor 17 outputs different electromotive force signals depending on whether the air-fuel ratio of the exhaust is rich or lean.
  • the present system includes a throttle opening sensor 21 that detects the opening of the throttle valve 11, a crank angle sensor 22 that outputs a rectangular crank angle signal for each predetermined crank angle of the engine, and an intake air amount of the engine 10.
  • Various sensors such as an air amount sensor 23 for detecting engine temperature and a cooling water temperature sensor 24 for detecting the temperature of engine cooling water are provided.
  • a combustion pressure sensor that detects the combustion pressure in the cylinder, an accelerator opening sensor that detects the accelerator opening (accelerator operation amount), an oil temperature sensor that detects the temperature of engine lubricating oil, and the like Is provided.
  • the predetermined crank angle is a 30 ° CA cycle. Each of these sensors corresponds to an operating state detection unit.
  • the ECU 25 is mainly configured by a microcomputer 41 including a well-known CPU, ROM, RAM, and the like, and executes various control programs stored in the ROM, so that the engine 10 can be operated according to the engine operating state each time. Implement various controls. That is, the ECU 25 inputs signals from the various sensors and the like, calculates the fuel injection amount and ignition timing based on the various signals, and controls the driving of the fuel injection valve 12 and the ignition device 13.
  • the ECU 25 performs air-fuel ratio feedback control based on the detection signal of the A / F sensor 16 on the upstream side of the first catalyst and the detection signal of the O 2 sensor 17 on the downstream side of the first catalyst. That is, the ECU 25 performs the main feedback control so that the actual air-fuel ratio (actual air-fuel ratio upstream of the catalyst) detected by the A / F sensor 16 becomes the target air-fuel ratio set based on the engine operating state. At the same time, the sub feedback control is performed so that the actual air-fuel ratio (actual air-fuel ratio downstream of the catalyst) detected by the O 2 sensor 17 becomes the target air-fuel ratio.
  • the target air fuel ratio of the main feedback control is corrected or the feedback correction amount of the main feedback control is corrected based on the deviation between the actual air fuel ratio downstream of the catalyst and the target air fuel ratio.
  • the ECU 25 performs stoichiometric feedback control in which, for example, the target air-fuel ratio is stoichiometric or in the vicinity thereof. In this case, stoichiometry corresponds to the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the O 2 sensor 17 has a sensor element 31 having a cup-shaped structure, and FIG. Specifically, the sensor element 31 has a substantially U-shaped cross section. Actually, the sensor element 31 is entirely housed in a housing or an element cover, and is disposed in an engine exhaust pipe. The sensor element 31 corresponds to an electromotive force cell.
  • the solid electrolyte layer 32 is formed in a substantially U-shaped cross section, an exhaust side electrode 33 is provided on the outer surface, and an air side electrode 34 is provided on the inner surface. These electrodes 33 and 34 are provided in a layered manner on the surface of the solid electrolyte layer 32.
  • the solid electrolyte layer 32 is an oxygen ion conductive oxide baked material in which CaO, MgO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 or the like is dissolved in ZrO 2 , HfO 2 , ThO 2 , Bi 2 O 3 or the like as a stabilizer. Has a ligation.
  • Each of the electrodes 33 and 34 is made of a noble metal having high catalytic activity such as platinum, and the surface thereof is subjected to porous chemical plating or the like. Each electrode 33 and 34 becomes a pair of counter electrode, and is also called a sensor electrode.
  • An internal space surrounded by the solid electrolyte layer 32 is an atmospheric chamber 35 into which an atmosphere as a reference gas is introduced, and a heater 36 is accommodated in the atmospheric chamber 35.
  • the atmospheric chamber 35 is also referred to as a reference chamber.
  • the heater 36 has a heat generation capacity sufficient to activate the sensor element 31, and the entire sensor element is heated by the heat generation energy.
  • the activation temperature of the O 2 sensor 17 is, for example, about 500 to 650 ° C.
  • the atmosphere chamber 35 is maintained at a predetermined oxygen concentration by introducing the atmosphere.
  • the outer side of the solid electrolyte layer 32 near the exhaust side electrode 33 is an exhaust atmosphere
  • the inner side of the solid electrolyte layer 32 near the atmosphere side electrode 34 is an air atmosphere.
  • An electromotive force is generated between the electrodes 33 and 34 in accordance with the difference in oxygen partial pressure. That is, different electromotive forces are generated depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean.
  • the atmosphere side electrode 34 that is the reference side electrode the exhaust side electrode 33 has a low oxygen concentration
  • the atmosphere side electrode 34 is the positive side and the exhaust side electrode 33 is the negative side.
  • An electromotive force is generated.
  • the O 2 sensor 17 outputs an electromotive force signal corresponding to the oxygen concentration (that is, the air-fuel ratio) of the exhaust gas.
  • FIG. 3 is an electromotive force characteristic diagram showing the relationship between the excess air ratio ⁇ of the exhaust gas and the electromotive force of the sensor element 31.
  • the horizontal axis is the excess air ratio ⁇ , and when ⁇ is 1, the air-fuel ratio of the exhaust is stoichiometric.
  • the sensor element 31 has a characteristic that the electromotive force varies depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean, and the electromotive force changes suddenly near the stoichiometric range. Specifically, the electromotive force of the sensor element 31 at the time of rich is about 0.9V, and the electromotive force of the sensor element 31 at the time of lean is about 0V.
  • a sensor control unit 40 is connected to the sensor element 31, and when an electromotive force is generated in the sensor element 31 in accordance with the air-fuel ratio (oxygen concentration) of the exhaust, a sensor detection signal corresponding to the electromotive force is generated. (Electromotive force signal) is output to the microcomputer 41 in the sensor control unit 40.
  • the microcomputer 41 calculates the air / fuel ratio based on the electromotive force signal of the sensor element 31.
  • the sensor control unit 40 is provided in the ECU 25 shown in FIG. In the ECU 25, a microcomputer 41 is provided as an arithmetic unit having an engine control function and a sensor control function.
  • the microcomputer 41 calculates the engine rotation speed and the intake air amount based on the detection results of the various sensors described above.
  • the ECU 25 may have a configuration in which a microcomputer for engine control and a microcomputer for sensor control are provided separately.
  • microcomputer 41 determines the active state of the sensor element 31 and controls the driving of the heater 36 through the heater driving circuit 42 based on the determination result.
  • a predetermined constant current is supplied between the pair of electrodes 33 and 34 in the sensor element 31 in order to change the output characteristic (electromotive force characteristic) of the O 2 sensor 17.
  • the sensor element 31 performs oxygen pumping.
  • the sensor element 31 enhances the exhaust emission reduction effect in the air-fuel ratio feedback control by changing the output characteristics.
  • the principle of changing the sensor output characteristics by passing a constant current is as follows.
  • CO, HC, NO x , and O 2 exist in the vicinity of the exhaust side electrode 33 of the O 2 sensor 17, and in this situation, the atmosphere side electrode passes through the solid electrolyte layer 32.
  • An electric current is passed through the sensor element 31 so that oxygen ions move from 34 to the exhaust side electrode 33. That is, oxygen pumping is performed in the sensor element 31.
  • oxygen that has moved to the exhaust-side electrode 33 through the solid electrolyte layer 32 reacts with CO and HC to generate CO 2 and H 2 O.
  • CO and HC in the vicinity of the exhaust side electrode 33 are removed, and the equilibrium point of the gas reaction in the vicinity of the exhaust side electrode of the O 2 sensor 17 is shifted to the rich side.
  • the sensor output characteristic indicating the relationship between the excess air ratio ⁇ and the electromotive force is shifted to the rich side as a whole, and accordingly, the electromotive force becomes the stoichiometric value (0.45 V). Shifts to the rich side.
  • the configuration of the sensor control unit 40 is as shown in FIG. 2, and the sensor control unit 40 includes a microcomputer 41 as a control unit.
  • the microcomputer 41 takes in the electromotive force signal output from the sensor element 31 via an A / D converter or the like, and calculates the air-fuel ratio of the exhaust based on the electromotive force signal. Alternatively, the air-fuel ratio downstream of the catalyst is calculated based on the electromotive force signal.
  • a constant current circuit 43 as a constant current supply unit is connected in the middle of an electrical path that electrically connects the atmosphere side electrode 34 of the sensor element 31 and the microcomputer 41.
  • the constant current circuit 43 When the sensor element 31 generates an electromotive force, the constant current circuit 43 is applied with the electromotive force of the sensor element 31 and causes a current corresponding to the electromotive force to flow through the sensor element 31.
  • the constant current circuit 43 current flows from the exhaust side electrode 33 toward the atmosphere side electrode 34 through the solid electrolyte layer 32 in the sensor element 31, and accordingly, the atmosphere side electrode 34 in the solid electrolyte layer 32. Oxygen ions move from the exhaust toward the exhaust side electrode 33.
  • the constant current circuit 43 includes a voltage generator 51 that generates a predetermined constant voltage, an operational amplifier 52, an n-channel MOSFET 53 driven by the output of the operational amplifier 52, and a resistor connected to the source of the MOSFET 53. 54.
  • the voltage generator 51 is configured by connecting a constant voltage source 51a and resistors 51b and 51c in series, and an intermediate point between the resistors 51b and 51c is a voltage output point X1.
  • the constant voltage source 51a is 5V.
  • the operational amplifier 52 its + input terminal is connected to the voltage output point X 1, and its output terminal is connected to the gate of the MOSFET 53.
  • the negative input terminal is connected to an intermediate point X 2 between the MOSFET 53 and the resistor 54.
  • the gate is connected to the output terminal of the operational amplifier 52, the drain is connected to the atmosphere side electrode 34 of the sensor element 31, and the source is connected to the resistor 54.
  • the constant current circuit 43 configured as described above operates so that the voltage at the + input terminal of the operational amplifier 52 is equal to the voltage at the ⁇ input terminal, so that the voltage X2 becomes equal to the voltage X1.
  • a constant current Ics having a current amount determined by the voltage X2 and the resistance value of the resistor 54 flows through the series circuit including the sensor element 31, the MOSFET 53, and the resistor 54.
  • the MOSFET 53 operates in accordance with the operational amplifier output voltage based on the difference between the + and ⁇ input voltages, and functions as a current control element that allows a constant constant current Ics to flow.
  • the voltages of X1 and X2 and the resistance value of the resistor 54 may be determined according to the amount of current that is desired to flow through the sensor element 31 when an electromotive force is generated in the sensor element 31. Specifically, when an electromotive force (0 to 0.9 V) is generated in the sensor element 31, if a current of 0.1 mA is supplied to the sensor element 31, for example, the voltage of X1 and X2 is 10 mV, the resistance 54 The resistance value is 100 ⁇ . If a current of 0.2 mA is passed, for example, the voltage of X1 and X2 is 20 mV, and the resistance value of the resistor 54 is 100 ⁇ . If the range of the current amount is 0.1 to 2.0 mA, the voltage of X1 and X2 may be set in the range of 10 mV to 200 mV when the resistance value of the resistor 54 is 100 ⁇ .
  • the electromotive force is used as a power source (in other words, the sensor element 31 is a battery).
  • Constant current Ics flows. Thereby, the output characteristic of the O 2 sensor 17 can be changed.
  • the constant current Ics supplied by the constant current circuit 43 can be changed based on a command from the microcomputer 41, and the constant current Ics can be increased or decreased according to each situation. It is possible. Specifically, for example, by changing the resistance ratio of the resistors 51b and 51c in accordance with a command from the microcomputer 41, the voltage values at the points X1 and X2 are changed, and the constant current Ics is changed accordingly.
  • a first end of a current detecting shunt resistor 55 is connected to the exhaust side electrode 33 of the sensor element 31, and a voltage circuit 57 is connected to the second end of the shunt resistor 55.
  • the current flowing through the shunt resistor 55 is detected by the current detection unit 56, and the detection signal is sequentially output to the microcomputer 41.
  • the current detection unit 56 may be configured by a differential amplifier circuit using an operational amplifier or the like, for example.
  • the sensor control unit 40 does not show the configurations of the shunt resistor 55 and the voltage circuit 57 (configurations other than the constant current circuit 43 and the heater drive circuit 42).
  • the voltage circuit 57 applies a positive voltage to the exhaust side electrode 33, and the voltage circuit 57 has a potential of the exhaust side electrode 33 with respect to the potential on the side where current flows in the constant current circuit 43 (the potential on the ground point side of the resistor 54).
  • This is an offset voltage circuit that raises the potential by a predetermined potential.
  • the voltage circuit 57 includes a voltage dividing circuit that generates a predetermined offset voltage, and an intermediate point of the voltage dividing circuit is an offset voltage point X3.
  • the voltage at the offset voltage point X3 is, for example, 2.0V.
  • a voltage switching circuit 59 is connected to the atmosphere side electrode 34 of the sensor element 31.
  • the voltage switching circuit 59 temporarily sweeps and changes the applied voltage of the sensor element 31 according to a command from the microcomputer 41, and the current detection unit 56 detects the amount of current change caused by the voltage change.
  • the resistance value of the sensor element 31 can be detected.
  • the resistance value of the sensor element 31 is also referred to as element resistance.
  • the element resistance is detected at a predetermined cycle, and a sweeping change of the sensor applied voltage is applied at the time of the detection. When sweeping and changing the applied voltage, the sensor applied voltage may be changed to both positive and negative sides in addition to changing only to the positive side. In the calculation of the element resistance, it is also possible to calculate the element resistance based on the voltage change amount at that time by changing the sweeping current instead of changing the voltage sweeping.
  • the heater drive circuit 42 includes a switching element 42a for turning on / off the energization of the heater 36.
  • the heater energization state is controlled by turning on / off the switching element 42a, whereby the sensor element 31 is maintained in a predetermined active state.
  • the activation temperature is 500 to 650 ° C.
  • the heater energization control by the microcomputer 41 will be briefly described. Before the sensor element 31 is activated, the switching element 42a is always turned on for early activation, and the heater 36 is heated by the maximum power. In this case, full energization control is performed.
  • the heater energization amount is feedback-controlled based on the deviation between the target value of the element resistance and the actual value (calculated value). For example, each duty control amount is calculated by the PID control method, and the heater energization is performed by turning on / off the switching element 42a based on the duty control amount.
  • the temperature of the sensor element 31 decreases when the engine 10 is cold started or when the exhaust temperature decreases due to the fuel cut of the engine 10. As a result, the element resistance increases.
  • the temperature of the sensor element 31 is also referred to as element temperature.
  • FIG. 7 shows the relationship between the current and the voltage drop when the element temperature is 500 ° C., 550 ° C., and 600 ° C.
  • a constant current of 2 mA is passed, and the minus sign in the figure indicates the direction of the current.
  • the element temperature is 500 ° C.
  • the element resistance is 800 ⁇ , and a voltage drop of about 1.6 V occurs as indicated by V1.
  • the element temperature is 550 ° C.
  • the element resistance is 300 ⁇
  • a voltage drop of about 0.6 V occurs as indicated by V2.
  • the element temperature is 600 ° C.
  • the element resistance is 100 ⁇ , and a voltage drop of about 0.2 V occurs as indicated by V3. That is, the lower the temperature of the sensor element 31, the larger the amount of voltage drop.
  • the allowable value of the voltage drop amount is 1.5 V, for example, when a constant current of 2 mA is passed, if the element temperature is 500 ° C., the voltage drop amount (1.6 V) at that time is not allowed, If the element temperature is 550 ° C. or 600 ° C., the voltage drop (0.6V, 0.2V) at that time is allowed.
  • the possibility of an adverse effect on the solid electrolyte layer 32 is determined based on the resistance value of the sensor element 31, and the constant current Ics supplied to the sensor element 31 is determined based on the determination result. Enforce restrictions. As a result, an excessive increase in the applied voltage of the sensor element 31 is suppressed, and as a result, the sensor element 31 is protected.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the constant current control process, and this process is repeatedly performed by the microcomputer 41 at a predetermined cycle.
  • the microcomputer 41 determines whether or not the constant current circuit 43 is currently supplying a constant current.
  • the microcomputer 41 determines whether or not the engine 10 is currently cold start or fuel cut. Then, if any of S11 and S12 is NO, the microcomputer 41 once ends this process, and if both of S11 and S12 are YES, the process proceeds to the subsequent S13.
  • the process of S12 corresponds to a condition determination unit.
  • the microcomputer 41 acquires the actual current Ia and the element resistance Ra.
  • the actual current Ia is a current value detected by the current detection unit 56 in FIG. 6 and corresponds to the constant current Ics flowing through the sensor element 31.
  • the element resistance Ra is preferably calculated at a predetermined cycle by the microcomputer 41, and is calculated by, for example, the processing of FIG. In FIG. 9, the microcomputer 41 determines whether or not it is the element resistance calculation timing in S21. If the microcomputer 41 has a calculation timing, the process proceeds to S22.
  • the element resistance calculation interval is, for example, 128 msec.
  • the microcomputer 41 temporarily switches the sensor applied voltage by the voltage switching circuit 59.
  • the microcomputer 41 calculates the amount of current change that occurs according to the voltage change. Further, in S24, the microcomputer 41 calculates the element resistance Ra based on the current change amount calculated in S23. In the present embodiment, the process of S24 corresponds to a resistance value calculation unit.
  • the microcomputer 41 sets the upper limit value of the current that can be passed through the sensor element 31 as the allowable current value Ith based on the element resistance Ra.
  • the allowable current value Ith is set using the relationship of FIG. According to FIG. 10, the allowable current value Ith is set to a smaller value as the element resistance Ra is larger. More specifically, when the element resistance corresponding to the reference temperature (for example, 600 ° C.) of the sensor element 31 is A1, if the element temperature is lower than the reference temperature, the element resistance is higher than A1. A2. In this case, the larger the element resistance, the larger the voltage change amount of the sensor element 31 in a state where a predetermined constant current is supplied.
  • the allowable current value Ith at the element resistance A2 is “B2”. Is set to a value smaller than “B1”, which is the allowable current value Ith.
  • the process of S14 corresponds to an influence determination unit and an allowable value setting unit.
  • the microcomputer 41 compares the actual current Ia with the allowable current value Ith to determine whether Ia> Ith. If the microcomputer 41 satisfies Ia ⁇ Ith, the present process is terminated as it is because the current supply by the constant current circuit 43 is allowed. If Ia> Ith, the microcomputer 41 proceeds to S16 and restricts the current constant current supply because there is a possibility that the solid electrolyte layer 32 may be adversely affected. At this time, the microcomputer 41 decreases the constant current Ics so that the constant current Ics supplied by the constant current circuit 43 is less than or equal to the allowable current value Ith.
  • the process of S15 corresponds to an influence determination unit and a current determination unit
  • the process of S16 corresponds to a current control unit.
  • FIG. 11 is a time chart showing the constant current control when the engine is started.
  • the sensor element 31 is gradually heated when the engine 10 is cold started.
  • the element resistance Ra decreases.
  • the constant current reference value Ie is determined, and a constant current Ie is supplied by the constant current circuit 43 in a situation where no current limitation occurs.
  • the actual current Ia is indicated by a solid line
  • the allowable current value Ith is indicated by a one-dot chain line.
  • the element resistance Ra decreases from the maximum value. Then, when the element resistance Ra reaches a predetermined determination value Rth (for example, 1000 ⁇ ) at timing t1, supply of a constant current by the constant current circuit 43 is started.
  • the predetermined determination value Rth is 1000 ⁇ .
  • the allowable current value Ith is set based on the element resistance Ra, and the constant current is limited by the allowable current value Ith. Immediately after the timing t1, the actual current Ia (constant current Ics) falls below the allowable current value Ith, and the constant current is limited by the allowable current value Ith.
  • the element resistance Ra decreases as the temperature of the sensor element 31 rises, and the allowable current value Ith gradually increases as the element resistance Ra decreases. Then, when Ia ⁇ Ith at timing t2, a constant current is thereafter supplied to the sensor element 31 in an unrestricted state.
  • the sensor element 31 is in a low temperature state immediately after the engine is started, and the element resistance is relatively large. If a predetermined constant current is supplied in such a state, an excessive voltage is applied to the sensor element 31, and accordingly, inconveniences such as deterioration of the solid electrolyte layer 32 in the sensor element 31 may occur. By limiting the constant current as described above, the occurrence of inconvenience is suppressed.
  • the sensor element 31 is supplied to the sensor element 31 in anticipation that the element resistance increases as the temperature of the sensor element 31 decreases when the engine 10 is cold-started or when the exhaust temperature decreases due to the fuel cut of the engine 10.
  • the constant current was limited based on the element resistance.
  • the upper limit value of the current that can be passed through the sensor element 31 is set as the allowable current value Ith, and is determined when the constant current (actual current Ia) of the sensor element 31 reaches the allowable current value Ith. Since the current supply is limited, the constant current can be appropriately supplied based on the relationship between the low current and the allowable current value Ith.
  • the constant current (actual current Ia) flowing through the sensor element 31 exceeds the allowable current value Ith, the constant current is decreased by the current decrease amount calculated based on the excess amount of the constant current.
  • the reduction amount of the constant current can be adjusted appropriately, and even if the element resistance increases due to the temperature drop of the sensor element 31, it is possible to appropriately follow the current limitation.
  • the sensor element 31 When the engine 10 is cold started or when the fuel is cut, the sensor element 31 is in a relatively low temperature state. Under the low temperature condition, there is a risk that inconvenience associated with application of an excessive voltage, for example, deterioration of the solid electrolyte body may occur. In this regard, since it is determined that the constant current supply is restricted when it is determined that the engine is cold-started or fuel-cut, an appropriate measure can be implemented under circumstances where inconvenience is likely to occur.
  • the actual current Ia flowing through the sensor element 31 is calculated and the constant current is limited by comparing the actual current Ia and the allowable current value Ith.
  • the constant current can be limited by comparing the constant current supplied by the constant current circuit 43 (indicated current value by the microcomputer 41, for example, the reference value Ie) with the allowable current value Ith.
  • the constant current supply limitation when the constant current reaches the allowable current value Ith, which is an allowable value, the constant current is limited by the allowable current value Ith.
  • a configuration may be adopted in which the supply of constant current is stopped when the value Ith is reached. Taking the cold start of the engine 10 as an example, when the element resistance gradually increases as the engine warms up, the allowable current value Ith calculated based on the element resistance is a constant current. The constant current supply may be stopped until the reference value Ie is exceeded.
  • the constant current Ics supplied by the constant current circuit 43 may be variably set according to the engine operating state or the like. That is, when the engine operating state changes, the amount of rich components in the exhaust changes accordingly. Specifically, as the engine speed increases or the engine load increases, the amount of rich components in the exhaust increases. In this case, in order to maintain the desired performance as the exhaust emission-related performance, it is desirable to variably control the constant current Ics of the constant current circuit 43 that is the current flowing through the sensor element 31 based on the engine operating state. For example, the constant current Ics is increased as the engine speed increases or the engine load increases.
  • the O 2 sensor 17 is provided on the downstream side of the first catalyst 15a.
  • the O 2 sensor 17 may be provided in an intermediate portion of the first catalyst 15a.
  • the O 2 sensor 17 may be provided on the carrier of the first catalyst 15a.
  • the O 2 sensor 17 only needs to detect a gas component with the exhaust after purification by the first catalyst 15a as a detection target.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the constant current control process, and this process is repeatedly executed by the microcomputer 41 at a predetermined cycle.
  • the microcomputer 41 determines whether or not the constant current circuit 43 is currently supplying a constant current.
  • the microcomputer 41 determines whether or not the engine 10 is currently cold start or fuel cut. Then, if either of S31 and S32 is NO, the microcomputer 41 once ends this process, and if both of S31 and S32 are YES, the process proceeds to the subsequent S33.
  • the process of S32 corresponds to a condition determination unit.
  • the microcomputer 41 acquires the current value of the constant current Ics and the element resistance Ra. At this time, the current constant current Ics is set by the microcomputer 41 based on the engine operating state such as the engine speed and the engine load.
  • the process of S33 corresponds to a constant current setting unit.
  • the microcomputer 41 sets a resistance upper limit value Rmax for defining a resistance allowable range based on the value of the constant current Ics.
  • the resistance upper limit value Rmax is set using the relationship of FIG. According to FIG. 13, the larger the constant current Ics, the smaller the resistance upper limit value Rmax is set.
  • the microcomputer 41 compares the element resistance Ra and the resistance upper limit value Rmax to determine whether Ra> Rmax. If the microcomputer 41 satisfies Ra ⁇ Rmax, it is determined that the current supply of constant current by the constant current circuit 43 is allowed, and the process is terminated. Further, if Ra> Rmax, the microcomputer 41 proceeds to S36 and restricts the current constant current supply, assuming that there is a possibility that the solid electrolyte layer 32 may be adversely affected. At this time, the microcomputer 41 decreases the constant current Ics supplied by the constant current circuit 43.
  • the process of S35 corresponds to an influence determination unit and a resistance determination unit
  • the process of S36 corresponds to a current control unit.
  • the constant current supply restriction is performed.
  • the constant current can be appropriately supplied based on the relationship between the element resistance Ra and the resistance upper limit value Rmax.
  • the constant current is variably set based on the engine operating state, and the constant current is limited when Ra> Rmax.
  • the applied voltage of the sensor element 31 is also increased when the constant current Ics is relatively large, such as at high rotation or high load. It can suppress becoming large excessively.
  • the gas sensor on the upstream side of the first catalyst 15a in the configuration of FIG. 1 is an electromotive force output type O 2 sensor 16A, like the O 2 sensor 17 on the downstream side.
  • the ECU 25 performs air-fuel ratio feedback control based on the detection signals of the upstream and downstream O 2 sensors 16A and 17 across the first catalyst 15a.
  • the ECU 25 performs main feedback control so that the front air-fuel ratio detected by the upstream O 2 sensor 16A becomes the target air-fuel ratio (for example, the theoretical air-fuel ratio), and the front air-fuel ratio changes to rich or lean.
  • sub-feedback control is performed to variably set the delay time from when the rich determination or lean determination is actually made based on the rear air-fuel ratio detected by the downstream O 2 sensor 17.
  • the main feedback control and sub feedback control will be briefly described below.
  • the ECU 25 performs a rich determination that the air-fuel ratio has become rich when the rich delay time has elapsed since the output value Va of the upstream O 2 sensor 16A corresponding to the front air-fuel ratio has become richer than the reference value.
  • a lean determination is made that the air-fuel ratio has become lean.
  • the reference value is, for example, 0.45V.
  • the ECU 25 increases or decreases the injection correction amount that is the feedback correction amount by skipping and integration, and corrects the fuel injection amount by the feedback correction amount. Such control corresponds to main feedback control.
  • the ECU 25 variably controls the rich delay time and the lean delay time according to whether the output value Vb of the downstream O 2 sensor 17 corresponding to the rear air-fuel ratio is rich or lean. In this case, if the output value Vb is larger than the reference value (if the rear air-fuel ratio is rich), the ECU 25 performs at least one of shortening the rich delay time and extending the lean delay time. Further, if the output value Vb is smaller than the reference value (if the rear air-fuel ratio is lean), the ECU 25 executes at least one of the rich delay time extension and the lean delay time reduction.
  • the configuration of the sensor element is partially changed.
  • the diffusion of exhaust is limited to the exhaust side of the exhaust side and the atmosphere side of the solid electrolyte layer 32.
  • a gas diffusion resistance layer 61 is provided.
  • the gas diffusion resistance layer 61 is made of a porous material such as alumina, spinel, or zirconia, and is provided on the outer surface of the sensor element 31 so as to cover the exhaust-side electrode 33. As a result, the exhaust gas passes through the gas diffusion resistance layer 61 with a predetermined transmittance and reaches the exhaust-side electrode 33.
  • the sensor element 31A having the above configuration is basically an electromotive force cell that outputs an electromotive force, but a limit current that outputs a limit current according to the oxygen concentration by applying a voltage between the pair of electrodes 33 and 34.
  • the oxygen concentration region which is an A / F region where the limit current output is possible, varies depending on the thickness of the gas diffusion resistance layer 61 and the form such as the pinhole diameter.
  • the thickness of the gas diffusion resistance layer 61 As A becomes larger, the A / F capable of outputting the limit current is expanded to the lean side. As an example, as shown in FIG.
  • the shift amount of the electromotive force characteristic can be expanded by supplying a constant current. That is, the lean shift amount and the rich shift amount can be expanded.
  • the shift amount required as a rich shift or lean shift of the electromotive force characteristic is larger than that of the O 2 sensor 17 on the downstream side of the catalyst.
  • limit current output under a predetermined voltage application state is possible.
  • the electromotive force characteristic ( ⁇ ) can be shifted to the rich side and the lean side by about 10% at the maximum. In the present embodiment, it is desirable to shift the electromotive force characteristic ( ⁇ ) around 5%.
  • the electromotive force characteristic of the O 2 sensor should be shifted to the rich side by about 6% in order to eliminate the deviation between the theoretical air-fuel ratio and the catalyst window.
  • the electromotive force characteristic of the O 2 sensor should be shifted to the lean side by about 3 to 4%.
  • the sensor element 31A has an internal resistance Ri. Therefore, when a negative current is passed through the sensor element 31A to cause a rich shift of the electromotive force characteristic as shown in FIG. 17A, the electromotive force characteristic shifts in the direction in which the voltage decreases as a whole due to the internal resistance Ri. Further, when a positive current is passed through the sensor element 31A to make the electromotive force characteristic lean shift as shown in FIG. 17B, the electromotive force characteristic is shifted in the direction of increasing the voltage by the internal resistance Ri.
  • the electromotive force characteristic when the electromotive force characteristic is richly shifted, if the air-fuel ratio is lean, the electromotive force output becomes a negative value, and particularly when the exhaust gas is in an air atmosphere, the element stress increases. As a result, the solid electrolyte layer 32 may be altered.
  • the electromotive force characteristic is lean-shifted, if the air-fuel ratio is rich, the electromotive force output becomes excessive, which may cause deterioration of the solid electrolyte layer 32 and the like.
  • FIG. 18 is a flowchart showing the constant current control process in the present embodiment, and this process is repeatedly performed by the microcomputer 41 at a predetermined cycle.
  • the microcomputer 41 determines whether or not the current state is the constant current supply state by the constant current circuit 43. If the microcomputer 41 is YES, in S42, it is determined whether or not the electromotive force characteristic of the sensor element 31A is in a rich shift state. If the microcomputer 41 is in the rich shift state in S42, the process proceeds to S43. If the microcomputer 41 is in the lean shift state, the process proceeds to S44.
  • the microcomputer 41 determines whether or not the inside of the exhaust pipe 14 is currently in an air atmosphere. If S43 is YES, the microcomputer 41 proceeds to S45 and implements a restriction on the current constant current supply. In S44, the microcomputer 41 determines whether or not the exhaust pipe 14 is currently in a predetermined rich atmosphere. If S44 is YES, the microcomputer 41 proceeds to S45 and implements a restriction on the current constant current supply. In this case, in S45, the microcomputer 41 may limit the constant current supply by decreasing the constant current or stopping the constant current supply. For example, the microcomputer 41 determines that the inside of the exhaust pipe 14 is in an air atmosphere when the fuel is cut.
  • the microcomputer 41 determines that the inside of the exhaust pipe 14 is in a predetermined rich atmosphere according to the degree of increase at the time of acceleration increase.
  • the processes of S43 and S44 correspond to an influence determination unit, and the process of S45 corresponds to a current control unit.
  • the constant current supply restriction is performed when the exhaust gas becomes an atmospheric atmosphere due to fuel cut or the like, so that the deterioration or the like of the solid electrolyte layer 32 can be suppressed.
  • the supply of constant current is restricted when the exhaust gas has a predetermined rich atmosphere, so that the deterioration of the solid electrolyte layer 32 can also be suppressed.
  • the microcomputer 41 may determine whether or not the rich shift amount is greater than or equal to a predetermined value and the inside of the exhaust pipe 14 is in an air atmosphere. In S44, the microcomputer 41 may determine whether or not the lean shift amount is equal to or larger than a predetermined value and the exhaust pipe 14 is in a predetermined rich atmosphere. In S43, the microcomputer 41 may determine whether the atmosphere is a predetermined lean atmosphere instead of determining whether the atmosphere is an air atmosphere.
  • FIG. 19 is a flowchart showing the constant current control process in the present embodiment, and this process is repeatedly performed by the microcomputer 41 at a predetermined cycle.
  • the microcomputer 41 in S51, the microcomputer 41 is currently in a constant current supply state by the constant current circuit 43, and there is a possibility that the solid electrolyte layer 32 may be adversely affected due to the constant current supply. It is determined whether or not it is under a certain situation. At this time, when the microcomputer 41 has a sensor element 31A element resistance greater than or equal to a predetermined value (for example, see S35 in FIG. 12) or a constant current greater than or equal to a predetermined value (for example, see S15 in FIG. 8), the solid electrolyte It is determined that there is a possibility that an adverse effect on the layer 32 may occur. Then, if S51 is YES, the microcomputer 41 proceeds to the subsequent S52. In the present embodiment, the process of S51 corresponds to an influence determination unit.
  • the microcomputer 41 determines whether or not the current engine operating state is a state that does not require the electromotive force output of the O 2 sensor 16A in the control in the operating state. If the microcomputer 41 determines YES in S52, the microcomputer 41 proceeds to S53 and stops supplying the constant current.
  • the process of S52 corresponds to a necessity determination unit
  • the process of S53 corresponds to a current control unit.
  • the electromotive force output of the O 2 sensor is required in engine control, and the supply of the constant current is stopped when the electromotive force output is not required.
  • the air-fuel ratio control of the engine 10 is performed by switching between stoichiometric control that performs stoichiometric combustion with the theoretical air-fuel ratio as a target and lean control that performs lean combustion with the lean air-fuel ratio as a target. Then, at the time of performing the lean control, it is determined that there is a possibility of an adverse effect on the solid electrolyte layer 32 of the sensor element, and the supply of the constant current is stopped.
  • an O 2 sensor 16A sensor element 31A
  • a gas diffusion resistance layer is used as the gas sensor on the upstream side of the catalyst.
  • FIG. 20 is a flowchart showing the constant current control process in the present embodiment, and this process is repeatedly performed by the microcomputer 41 at a predetermined cycle.
  • the microcomputer 41 determines whether or not the constant current circuit 43 is currently supplying a constant current. The microcomputer 41 proceeds to S62 if S61 is YES. In S62, the microcomputer 41 determines whether or not the fuel is currently being cut. In S63, the microcomputer 41 determines whether or not the lean combustion control is currently being performed. If either of S62 and S63 is YES, the microcomputer 41 proceeds to S64 and stops supplying the constant current. If both S62 and S63 are NO, the microcomputer 41 proceeds to S66 and implements or continues the constant current supply. In the present embodiment, the process of S63 corresponds to an influence determination unit, and the process of S64 corresponds to a current control unit.
  • S61 In a state where the constant current supply is stopped, S61 becomes NO, and the microcomputer 41 proceeds to S65.
  • S65 the microcomputer 41 determines whether or not the stoichiometric combustion control is currently being performed. If the microcomputer 41 determines YES in S65, the microcomputer 41 proceeds to S66 and supplies a constant current.
  • the air-fuel ratio in the exhaust pipe 14 is lean during the fuel cut or the lean combustion control. Therefore, the element stress may increase under the condition that a constant current is passed through the sensor element 31A. In this respect, since the constant current supply is stopped during fuel cut or lean combustion control, the protection of the sensor element 31A can be suitably realized.
  • the microcomputer 41 determines whether or not it is during a cold start instead of or in addition to determining whether or not the fuel is being cut. The microcomputer 41 stops supplying the constant current when S62 is YES.
  • the configuration of the constant current supply unit is not limited to the constant current circuit 43 described above, and any configuration can be applied as long as a predetermined constant current can be supplied and the current value can be made variable.
  • a constant current circuit capable of adjusting the amount of current by duty control that is PWM control may be used.
  • the constant current may be variably adjusted according to the current limit instruction.
  • the gas sensor capable of outputting an electromotive force may be a so-called two-cell gas sensor including an electromotive force cell and a pump cell in addition to the O 2 sensors 16A and 17 having the above-described configuration.
  • the output characteristics of the electromotive force cell of the two-cell type gas sensor can be suitably changed, and the protection of the gas sensor and proper air-fuel ratio detection can be realized.
  • the electromotive force cell sensor element
  • a configuration having a pin hole of a predetermined diameter may be used instead of the configuration having a gas diffusion resistance layer having a predetermined thickness.

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Abstract

　Ｏ２センサ１７は、固体電解質層３２と該固体電解質層３２を挟む位置に設けられる一対の電極３３，３４とを用いてなるセンサ素子３１を有し、エンジン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。センサ素子３１には所定の定電流を供給する定電流回路４３が接続されている。マイクロコンピュータ４１は、センサ素子３１の抵抗値（素子抵抗）を算出するとともに、その素子抵抗に基づいて、定電流回路４３により供給される定電流の制限を実施する。

Description

ガスセンサ制御装置 関連出願の相互参照
　本開示は、２０１３年９月２７日に出願された日本出願番号２０１３－２０２１３２号と、２０１４年９月１７日に出願された日本出願番号２０１４－１８９０３３号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、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。具体的には、ガスセンサは、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注目されており、その出力特性を改善すべく種々の技術が記載されている。
　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。ガスセンサの出力特性を変更する変更要求が発生された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。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。
　ところで、ガスセンサにおいては、センサ素子の温度に依存してセンサ素子の抵抗値が変化する。具体的に、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）が生じるおそれがある。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。センサ素子が起電力セルに相当する。センサ素子の抵抗値は素子抵抗とも言う。
特開２０１２－６３３４５号公報
　本開示は、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。
　本開示のガスセンサ制御装置は、固体電解質体と該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極とを用いてなる起電力セルを有し、内燃機関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部と、前記定電流供給部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部と、前記影響判定部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、前記定電流供給部により供給される定電流を制限する電流制御部と、を備える。
　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おそれがある。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を発生するおそれがある。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、定電流供給部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部を備え、前記影響判定部は、前記抵抗値算出部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。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、エンジン制御システムの全体構成を示す概略図であり、 図２は、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であり、 図３は、空気過剰率とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図であり、 図４は、センサ素子におけるガス成分の反応を示す概略図であり、 図５は、空気過剰率とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図であり、 図６は、センサ制御部の構成を示す図であり、 図７は、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であり、 図８は、第１実施形態における定電流制御処理を示すフローチャートであり、 図９は、素子抵抗算出処理を示すフローチャートであり、 図１０は、素子抵抗と許容電流値との関係を示す図であり、 図１１は、エンジン始動時における定電流制御を示すタイムチャートであり、 図１２は、第２実施形態における定電流制御処理を示すフローチャートであり、 図１３は、定電流と抵抗上限値との関係を示す図であり、 図１４は、第３実施形態におけるセンサ素子の断面構成を示す図であり、 図１５は、センサ素子の限界電流特性を示す図であり、 図１６は、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であり、 図１７は、センサ素子及びその周辺部分の等価回路図であり、 図１８は、第３実施形態における定電流制御処理を示すフローチャートであり、 図１９は、第４実施形態における定電流制御処理を示すフローチャートであり、 図２０は、第５実施形態における定電流制御処理を示すフローチャートである。
　（第１実施形態）
　以下、本開示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（ＥＣＵ）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には排気浄化装置としての触媒１５ａ，１５ｂが設けられている。排気管１４は排気部に相当する。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一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、ＮＯ等の窒素酸化物（ＮＯｘ）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。本実施形態では、所定クランク角は３０°ＣＡ周期である。これらの各センサが運転状態検出部に相当する。
　ＥＣＵ２５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ４１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。
　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。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。この場合、ストイキは理論空燃比に相当する。
　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。具体的に、センサ素子３１は断面略Ｕ字状に形成される。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は断面略Ｕ字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を有する。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が一対の対向電極となって、センサ電極とも言う。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。大気室３５は基準室とも言う。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の排気側電極３３に近い外側が排気雰囲気、固体電解質層３２の大気側電極３４に近い内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、排気の空気過剰率λ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が１である場合、排気の空燃比はストイキである。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、リッチ時のセンサ素子３１の起電力は約０．９Ｖであり、リーン時のセンサ素子３１の起電力は約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内のマイクロコンピュータ４１に対して出力される。マイクロコンピュータ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部としてマイクロコンピュータ４１が設けられている。この場合、マイクロコンピュータ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クロコンピュータとセンサ制御用のマイクロコンピュータとが別々に設けられる構成であってもよい。
　また、マイクロコンピュータ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。言い換えると、センサ素子３１が酸素ポンピングを実施する。センサ素子３１が、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。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、制御部としてのマイクロコンピュータ４１を備えている。マイクロコンピュータ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を算出する。或いは、起電力信号に基づいて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とマイクロコンピュータ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部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、そのセンサ素子３１の起電力が印加され、その起電力に応じた電流をセンサ素子３１に流す。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。本実施形態では、定電圧源５１ａは５Ｖである。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を有する直列回路には、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がマイクロコンピュータ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、例えばマイクロコンピュータ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、Ｘ１点とＸ２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の第一端が接続されており、そのシャント抵抗５５の第二端には電圧回路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クロコンピュータ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、マイクロコンピュータ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の抵抗値の検出が可能となっている。センサ素子３１の抵抗値は素子抵抗とも言う。なお、素子抵抗の検出は所定の周期で実施され、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が所定の活性状態に維持される。この所定の活性状態では、活性温度５００～６５０℃となる。マイクロコンピュータ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。この場合、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がスイッチング素子４２ａのオン／オフにより行われる。
　ところで、センサ素子３１の抵抗値はセンサ素子３１の温度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）が生じるおそれがある。センサ素子３１の温度は素子温度とも言う。
　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。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。
　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、素子温度が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の定電流を流して、図中のマイナス記号は電流の向きを示す。素子温度が５００℃であれば、素子抵抗が８００Ωであり、Ｖ１で示すように約１．６Ｖの電圧降下が生じる。素子温度が５５０℃であれば、素子抵抗が３００Ωであり、Ｖ２で示すように約０．６Ｖの電圧降下が生じる。素子温度が６００℃であれば、素子抵抗が１００Ωであり、Ｖ３で示すように約０．２Ｖの電圧降下が生じる。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、素子温度が５００℃であればその時の電圧降下量（１．６Ｖ）は許容されず、素子温度が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。
　そこで本実施形態では、センサ素子３１の抵抗値に基づいて、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。
　図８は定電流制御処理を示すフローチャートであり、本処理はマイクロコンピュータ４１により所定周期で繰り返し実施される。
　図８において、Ｓ１１では、マイクロコンピュータ４１が、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する。Ｓ１２では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ１１，Ｓ１２のいずれかがＮＯであれば本処理を一旦終了し、Ｓ１１，Ｓ１２が共にＹＥＳであれば後続のＳ１３に進む。本実施形態では、Ｓ１２の処理は条件判定部に相当する。
　Ｓ１３では、マイクロコンピュータ４１が、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り、センサ素子３１に流れる定電流Ｉｃｓに相当する。また、素子抵抗Ｒａはマイクロコンピュータ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、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ２１で素子抵抗の算出タイミングであるか否かを判定する。マイクロコンピュータ４１が、算出タイミングであればＳ２２に進む。素子抵抗の算出間隔は例えば１２８ｍｓｅｃである。Ｓ２２では、マイクロコンピュータ４１が、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する。Ｓ２３では、マイクロコンピュータ４１が、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Ｓ２４では、マイクロコンピュータ４１が、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。本実施形態では、Ｓ２４の処理は抵抗値算出部に相当する。
　Ｓ１４では、マイクロコンピュータ４１が、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、素子温度が基準温度よりも低温になっていれば、素子抵抗がＡ１よりも高い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。本実施形態では、Ｓ１４の処理は影響判定部と許容値設定部に相当する。
　その後、Ｓ１５では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、Ｉａ＞Ｉｔｈであれば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、マイクロコンピュータ４１が、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。本実施形態では、Ｓ１５の処理は影響判定部と電流判定部に相当し、Ｓ１６の処理は電流制御部に相当する。
　マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、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示すタイムチャートである。本実施形態では、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を示している。この場合、素子抵抗Ｒａが減少していく。また本実施形態では、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。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が極大値から低下する。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。本実施形態では、所定の判定値Ｒｔｈは１０００Ωである。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を下回り、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が低温状態になっており、素子抵抗が比較的大きい。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。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であっても、例えば、暖機が完了した後、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度が低下し、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、例えば、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。その低温状態下では、過大な電圧印加に伴う不都合、例えば、固体電解質体の変質等が発生するおそれがある。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（マイクロコンピュータ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、定電流が許容値である許容電流値Ｉｔｈに達した場合に定電流を許容電流値Ｉｔｈで制限するが、これを変更し、定電流が許容電流値Ｉｔｈ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に流す電流である定電流回路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である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、定電流供給部により供給される定電流を制限する。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。図１２は定電流制御処理を示すフローチャートであり、本処理はマイクロコンピュータ４１により所定周期で繰り返し実施される。
　図１２において、Ｓ３１では、マイクロコンピュータ４１が、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する。Ｓ３２では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ３１，Ｓ３２のいずれかがＮＯであれば本処理を一旦終了し、Ｓ３１，Ｓ３２が共にＹＥＳであれば後続のＳ３３に進む。本実施形態では、Ｓ３２の処理は条件判定部に相当する。Ｓ３３では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ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。本実施形態では、Ｓ３３の処理は定電流設定部に相当する。その後、Ｓ３４では、マイクロコンピュータ４１が、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、Ｓ３５では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、Ｒａ＞Ｒｍａｘであれば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、マイクロコンピュータ４１が、定電流回路４３により供給される定電流Ｉｃｓを減少させる。本実施形態では、Ｓ３５の処理は影響判定部と抵抗判定部に相当し、Ｓ３６の処理は電流制御部に相当する。
　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。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。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とする。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。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、フロント空燃比に相当する上流側Ｏ２センサ１６Ａの出力値Ｖａが基準値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、Ｖａ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。本実施形態では、基準値は例えば０．４５Ｖである。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である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、リア空燃比に相当する下流側Ｏ２センサ１７の出力値Ｖｂ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、ＥＣＵ２５は、出力値Ｖｂ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、ＥＣＵ２５は、出力値Ｖｂ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。
　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。そして詳しくは、ガス拡散抵抗層６１の層厚さやピンホール径などの形態に応じて、限界電流出力が可能なＡ／Ｆ域である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。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が１５以下で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が１６以下で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が１８以下で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。つまり、センサ素子３１Ａの一対の電極３３，３４の間に負の電流を排気側から大気側に流すと、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の間に正の電流を大気側から排気側に流すと、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％ほどシフトさせることが可能となる。本実施形態では、起電力特性（λ）を５％前後シフトさせることが望ましい。
　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の変質等が生じるおそれがある。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の変質等が生じるおそれがある。
　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。
　図１８は、本実施形態における定電流制御処理を示すフローチャートであり、本処理はマイクロコンピュータ４１により所定周期で繰り返し実施される。
　図１８において、Ｓ４１では、マイクロコンピュータ４１が、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する。マイクロコンピュータ４１が、ＹＥＳである場合に、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、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ４２でリッチシフトの状態であればＳ４３に進み、Ｓ４２でリーンシフトの状態であればＳ４４に進む。
　Ｓ４３では、マイクロコンピュータ４１が、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する。マイクロコンピュータ４１が、Ｓ４３がＹＥＳであれば、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、Ｓ４４では、マイクロコンピュータ４１が、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する。マイクロコンピュータ４１が、Ｓ４４がＹＥＳであれば、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、Ｓ４５では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、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する。また、マイクロコンピュータ４１が、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する。本実施形態では、Ｓ４３、Ｓ４４の処理は影響判定部に相当し、Ｓ４５の処理は電流制御部に相当する。
　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への影響度である悪影響の発生可能性が変わる。そのため、図１８のＳ４３では、マイクロコンピュータ４１が、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、Ｓ４４では、マイクロコンピュータ４１が、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。Ｓ４３において、マイクロコンピュータ４１が、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。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。
　図１９は、本実施形態における定電流制御処理を示すフローチャートであり、本処理はマイクロコンピュータ４１により所定周期で繰り返し実施される。
　図１９において、Ｓ５１では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、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Ｓ３５参照）、又は定電流が所定以上である場合（例えば図８の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、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ５１がＹＥＳであれば後続のＳ５２に進む。本実施形態では、Ｓ５１の処理は影響判定部に相当する。
　Ｓ５２では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ５２がＹＥＳであればＳ５３に進み、定電流の供給を停止する。本実施形態では、Ｓ５２の処理は要否判定部に相当し、Ｓ５３の処理は電流制御部に相当する。
　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。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。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。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。
　図２０は、本実施形態における定電流制御処理を示すフローチャートであり、本処理はマイクロコンピュータ４１により所定周期で繰り返し実施される。
　図２０において、Ｓ６１では、マイクロコンピュータ４１が、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する。マイクロコンピュータ４１が、Ｓ６１がＹＥＳであればＳ６２に進む。Ｓ６２では、マイクロコンピュータ４１が、今現在、燃料カット中であるか否かを判定する。Ｓ６３では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ６２，Ｓ６３のいずれかがＹＥＳであれば、Ｓ６４に進み、定電流の供給を停止する。また、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ６２，Ｓ６３が共にＮＯであれば、Ｓ６６に進み、定電流の供給を実施または継続する。本実施形態では、Ｓ６３の処理は影響判定部に相当し、Ｓ６４の処理は電流制御部に相当する。
　また、定電流の供給が停止されている状態では、Ｓ６１がＮＯとなり、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ６５に進む。Ｓ６５では、マイクロコンピュータ４１が、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、マイクロコンピュータ４１が、Ｓ６５がＹＥＳであれば、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おそれがある。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、Ｓ６２において、マイクロコンピュータ４１が、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する。マイクロコンピュータ４１が、Ｓ６２が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。しかし、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Ｓ１２、図１２のＳ３２を省略してもよい。
　定電流供給部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制御である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。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
 

Claims (12)

  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部（４３）と、
    　前記定電流供給部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部（４１、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ３５、Ｓ４３、Ｓ４４、Ｓ５１、Ｓ６３）と、
    　前記影響判定部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、前記定電流供給部により供給される定電流を制限する電流制御部（４１、Ｓ１６、Ｓ３６、Ｓ４５、Ｓ５３、Ｓ６４）と、
    を備えるガスセンサ制御装置。
  2. 　前記起電力セルの抵抗値を算出する抵抗値算出部（４１、Ｓ２４）を備え、
    　前記影響判定部は、前記抵抗値算出部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請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
  3. 　前記影響判定部は、
    　前記抵抗値算出部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許容値設定部（４１、Ｓ１４）と、
    　前記定電流供給部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電流判定部（４１、Ｓ１５）と、
    を有する請求項２に記載のガスセンサ制御装置。
  4. 　前記電流制御部は、前記定電流供給部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請求項３に記載のガスセンサ制御装置。
  5. 　前記影響判定部は、前記定電流供給部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、前記抵抗値算出部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抵抗判定部（４１、Ｓ３５）を有し、
    　前記電流制御部は、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、前記定電流供給部により供給される定電流を制限する請求項２乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
  6. 　前記定電流供給部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部（４１、Ｓ３３）を備え、
    　前記電流制御部は、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、前記定電流設定部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５に記載のガスセンサ制御装置。
  7. 　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条件判定部（４１、Ｓ１２、Ｓ３２）を備え、
    　前記電流制御部は、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２乃至６のいずれかに記載のガスセンサ制御装置。
  8. 　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条件判定部（４１、Ｓ１２、Ｓ３２）を備え、
    　前記影響判定部は、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６のいずれかに記載のガスセンサ制御装置。
  9. 　前記定電流供給部は、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、
    　前記影響判定部は、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８のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
  10. 　前記定電流供給部は、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、
    　前記影響判定部は、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９のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
  11. 　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部（４１、Ｓ５２）を備え、
    　前記電流制御部は、前記要否判定部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１０のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
  12. 　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、
    　前記影響判定部は、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１１のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6398866B2 (ja) * 2015-05-19 2018-10-03 株式会社デンソー 酸素センサの制御方法
DE102016219560A1 (de) * 2016-10-07 2018-04-12 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Betreiben eines amperometrischen Sensorelements und Sensorelement

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6078340A (ja) * 1983-10-05 1985-05-04 Hitachi Ltd 空燃比検出器
JPS6276451A (ja) * 1985-09-30 1987-04-08 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度検出装置
JPS6276449A (ja) * 1985-09-30 1987-04-08 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度センサの制御方法
JPS62182645A (ja) * 1985-12-26 1987-08-11 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度センサの制御方法
JPS62218859A (ja) * 1986-03-19 1987-09-26 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度検出装置
JP2008304454A (ja) * 2007-05-07 2008-12-18 Ngk Spark Plug Co Ltd センサ制御装置
JP2012063345A (ja) * 2010-08-19 2012-03-29 Denso Corp ガスセンサ制御装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57192856A (en) * 1981-05-25 1982-11-27 Ngk Insulators Ltd Oxygen concentration detector
JPS61294355A (ja) * 1985-06-22 1986-12-25 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度検出装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6078340A (ja) * 1983-10-05 1985-05-04 Hitachi Ltd 空燃比検出器
JPS6276451A (ja) * 1985-09-30 1987-04-08 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度検出装置
JPS6276449A (ja) * 1985-09-30 1987-04-08 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度センサの制御方法
JPS62182645A (ja) * 1985-12-26 1987-08-11 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度センサの制御方法
JPS62218859A (ja) * 1986-03-19 1987-09-26 Honda Motor Co Ltd 酸素濃度検出装置
JP2008304454A (ja) * 2007-05-07 2008-12-18 Ngk Spark Plug Co Ltd センサ制御装置
JP2012063345A (ja) * 2010-08-19 2012-03-29 Denso Corp ガスセンサ制御装置

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