WO2016103596A1 - センサ制御装置 - Google Patents

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攻 田中
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株式会社デンソー
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells

Definitions

  • This disclosure relates to a sensor control device for a gas sensor.
  • the A / F sensor As a gas sensor for exhaust gas, for example, a limit current type A / F sensor that detects oxygen concentration (air-fuel ratio) in exhaust gas exhausted from an engine is known. That is, the A / F sensor has a sensor element made of a solid electrolyte body, and in accordance with the oxygen concentration in each case in accordance with voltage application to the sensor element in a state where the element temperature is maintained at a predetermined activation temperature.
  • the device current is configured to flow.
  • the sensor element is provided with a heater, and when the heater is energized to generate heat, the sensor element is heated and the element temperature is maintained at a predetermined activation temperature.
  • the one described in Patent Document 1 is configured such that the A / F sensor provided in the exhaust pipe performs an abnormality diagnosis of the gas sensor when the inside of the exhaust pipe during engine operation is in an air atmosphere.
  • the target element temperature is set so that the gas concentration detection accuracy in the air atmosphere is ensured.
  • the heater energization is controlled so that the element temperature becomes the target element temperature.
  • This disclosure is intended to provide a sensor control device capable of suppressing power consumption due to heater energization during engine operation.
  • a sensor control device includes a sensor element that detects a concentration of a specific component in exhaust flowing in an exhaust passage of an engine, and the sensor control device is applied to a gas sensor that is heated by a heater.
  • 2 includes a temperature setting unit that sets a target element temperature based on the detected concentration of the specific component, and a heater control unit that controls energization of the heater based on the target element temperature.
  • the target element temperature is set based on the detected concentration of the specific component in the exhaust gas, and the heater energization for heating the sensor element is controlled based on the target element temperature.
  • the degree of heating of the sensor element by energizing the heater can be changed in accordance with the change in the temperature. Therefore, even when the concentration atmosphere changes, it is possible to suppress power consumption due to heater energization while ensuring the concentration detection accuracy of the gas sensor.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the entire engine control system
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a sensor element and a sensor control device
  • FIG. 3 is a voltage-current characteristic diagram of the sensor element.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure related to the heater control processing.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure regarding abnormality diagnosis of the A / F sensor.
  • FIG. 6 is a time chart showing aspects of the heater control process.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio and the target element temperature.
  • an exhaust gas discharged from an engine mounted on a vehicle is used as a detected gas, and an A / F sensor is used to detect an oxygen concentration (air-fuel ratio: A / F) in the exhaust gas.
  • An engine control system that performs various engine controls based on the output of the engine will be described.
  • a rich stoichiometric combustion control for controlling the air-fuel ratio at or near the stoichiometric air-fuel ratio and a wide-range air-fuel ratio detection corresponding to recent or future exhaust regulations and abnormal detection regulations (OBD) are performed.
  • the air-fuel ratio can be detected in a wide range from the atmosphere to the air atmosphere.
  • the 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 a catalyst 15 made of, for example, a three-way catalyst as an exhaust purification device.
  • An A / F sensor 16 is provided upstream of the catalyst 15 in the exhaust pipe 14 and outputs an air-fuel ratio signal corresponding to the oxygen concentration in the exhaust to the ECU 17.
  • the ECU 17 is mainly composed of a microcomputer composed of a well-known CPU, ROM, RAM and the like, and based on various control programs stored in the ROM, for example, air-fuel ratio feedback control based on the actual air-fuel ratio and A An abnormality diagnosis of the / F sensor 16 is performed.
  • the A / F sensor 16 includes a sensor element 16a having a laminated structure.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the sensor element 16a.
  • the sensor element 16a has a long shape extending in a direction orthogonal to the plane of FIG. 2, and the entire element is accommodated in a housing or an element cover.
  • the sensor element 16a includes a solid electrolyte layer 31, a diffusion resistance layer 32, a shielding layer 33, and an insulating layer 34, which are stacked in the upper and lower directions in the drawing.
  • a protective layer (not shown) is provided around the element.
  • the rectangular plate-shaped solid electrolyte layer 31 is a partially stabilized zirconia sheet, and a pair of upper and lower electrodes 35 and 36 are disposed opposite to each other with the solid electrolyte layer 31 interposed therebetween.
  • the diffusion resistance layer 32 has a porous sheet for introducing exhaust gas to the electrode 35, and the shielding layer 33 has a dense layer for suppressing permeation of exhaust gas.
  • Each of these layers 32 and 33 is formed by molding a ceramic such as alumina, spinel or zirconia by a sheet forming method or the like, but the gas permeability varies depending on the difference in the average pore diameter and porosity of the porosity.
  • the insulating layer 34 has a high thermal conductivity ceramic such as alumina, and an air duct 37 is formed at a portion facing the electrode 36.
  • a heater 16 b is embedded in the insulating layer 34.
  • the heater 16b is a linear heating element that generates heat when energized from a power source 38 such as a battery. Energization is performed based on a control signal from the ECU 17, and the entire element is heated by the generated heat.
  • the positive and negative electrodes of a power source 38 are connected to the electrodes 35 and 36, respectively.
  • the power source 38 applies a voltage to the electrodes 35 and 36.
  • a current detection unit 39 that detects the current flowing through the electrodes 35 and 36 is provided, and the value of the detected current is output to the ECU 17.
  • the abnormality diagnosis of the A / F sensor 16 for example, diagnosis of concentration detection accuracy, diagnosis of sensor response, and the like are performed.
  • diagnosis of concentration detection accuracy the fuel cut is performed, and the output value (element current value) of the A / F sensor 16 corresponds to the air atmosphere in the state where the exhaust pipe 14 is in the air atmosphere (known value). It is determined whether or not the value is to be set. Thereby, the presence or absence of deterioration of the sensor element 16a is determined.
  • the sensor responsiveness diagnosis when the atmosphere in the exhaust pipe 14 changes from the stoichiometric atmosphere to the air atmosphere, the time interval (response time) at which two different element current values are detected is measured, and normal. Whether or not the sensor element 16a has deteriorated is determined based on whether or not the difference between the response time of the A / F sensor 16 and the measured response time is equal to or greater than a predetermined determination threshold value.
  • the ECU 17 calculates the element temperature of the sensor element 16a, and controls the driving of the heater 16b based on the calculation result.
  • the calculation and heater control are well known and will be described briefly here.
  • the ECU 17 changes the applied voltage to the sensor element 16a in an alternating manner, and detects a current change or a voltage change that occurs accordingly. Then, the element impedance of the sensor element 16a is calculated based on the current change or voltage change, and energization control of the heater 16b is performed based on the element impedance.
  • the voltage-current characteristic (VI characteristic) of the sensor element 16a will be described with reference to FIG.
  • both the solid line and the broken line indicate the VI characteristics of the sensor element 16a
  • the flat portion parallel to the voltage axis specifies the element current value Ip (limit current value) of the sensor element 16a.
  • the increase / decrease in the element current value Ip corresponds to the increase / decrease in the air-fuel ratio (that is, the degree of lean or rich). That is, the element current value Ip increases as the air-fuel ratio becomes leaner, and the element current value Ip decreases as the air-fuel ratio becomes stoichiometric.
  • the lower voltage side than the limit current region is the resistance dominant region, and the slope of the primary linear portion in the resistance dominant region is specified by the DC internal resistance Ri of the sensor element 16a.
  • the DC internal resistance Ri changes according to the element temperature, and the DC internal resistance Ri increases as the element temperature decreases. For this reason, in FIG. 3, the characteristic L2 indicated by the broken line when the element temperature is T2 on the low temperature side is different from the characteristic L1 indicated by the solid line when the element temperature is T1 on the high temperature side.
  • the slope of the primary straight line portion becomes small (the resistance dominating region is in a sleeping state).
  • RG indicated by a linear line represents an applied voltage line for determining the value of the applied voltage to the sensor element 16a.
  • the applied voltage line shown by the primary straight line in FIG. On the line the applied voltage value is determined in accordance with each element current value Ip.
  • the applied voltage value is in the limiting current region of the characteristic L1 with a wide air-fuel ratio from the rich atmosphere side to the air atmosphere side in the characteristic L1.
  • the applied voltage value deviates from the limit current region of the characteristic L2 at the air-fuel ratio on the atmosphere side in the characteristic L2. For this reason, in order to ensure the density detection accuracy of the A / F sensor 16 widely from the stoichiometric atmosphere to the air atmosphere, it is necessary to maintain the element temperature at T2 on the high temperature side.
  • the target element temperature is set variably between when the abnormality diagnosis of the A / F sensor 16 is performed and when it is not performed, and abnormality diagnosis that requires atmospheric detection is performed.
  • T1 for example, 700 ° C.
  • T2 for example, 550 ° C.
  • an element impedance value Zac that is an actual measurement value is acquired, and in S12, a target value Ztg of the element impedance corresponding to the target set temperature of the sensor element 16a is set.
  • element temperature feedback control is executed so that the element impedance value Zac, which is an actual measurement value, matches the target value Ztg, and this process ends.
  • the processes of S11 to S13 correspond to the heater control unit.
  • the abnormality diagnosis flag indicates that the abnormality diagnosis of the A / F sensor 16 is not completed after the current ignition is turned on by “0”, and the abnormality diagnosis is completed by “1”. If YES in S21, the process proceeds to S22.
  • S22 it is determined whether or not an abnormality diagnosis execution condition is satisfied.
  • a condition for performing this abnormality diagnosis is that fuel cut is performed during engine operation and air-fuel ratio feedback control is stopped. If YES in S22, the process proceeds to S23.
  • the process proceeds to S30.
  • the target element temperature is set to T2 on the low temperature side, and then this process ends.
  • the process of S30 corresponds to a temperature setting unit.
  • the target element temperature is set to T1 on the high temperature side, and in S24, it is determined whether or not the atmosphere in the exhaust pipe 14 is a transition that changes from the stoichiometric atmosphere to the atmospheric atmosphere. If YES in S24, the process proceeds to S25. In S25, an abnormality diagnosis of the sensor responsiveness of the A / F sensor 16 is performed. In the present embodiment, the process of S23 corresponds to a temperature setting unit.
  • the process proceeds to S31. At this time, the atmosphere in the exhaust pipe 14 reaches the air atmosphere. In S31, it is determined whether or not the element temperature has reached the target element temperature T1. If NO in S31, the process ends. If YES in S31, the process proceeds to S32, and abnormality diagnosis of the density detection accuracy of the A / F sensor 16 is performed. Thereafter, the process proceeds to S26, in which it is determined whether or not the abnormality diagnosis of the density detection accuracy of the A / F sensor 16 has been completed. If NO in S26, the process ends. If YES in S26, the process proceeds to S27.
  • S27 it is determined whether or not there is an abnormality by the abnormality diagnosis. If “NO” in S27, the process proceeds to S29 to set “1” in the abnormality diagnosis flag, and thereafter, this process is terminated. If YES in S27, the process proceeds to S28 and a fail safe process is performed. In addition, as a fail safe process, the restriction
  • FIG. 6 illustrates a heater control process performed by the ECU 17 with reference to a timing chart.
  • the target element temperature is set to T2 on the low temperature side until time t11 when the air-fuel ratio feedback control is stopped.
  • the condition for performing the abnormality diagnosis of the A / F sensor 16 is satisfied, and the target element temperature is set to T1 on the high temperature side.
  • the atmosphere in the exhaust pipe 14 starts to change from the stoichiometric atmosphere to the air atmosphere side, and the element temperature starts to rise.
  • the sensor responsiveness of the A / F sensor 16 is based on the required time from the point A to the point B during the period from the time t11 to the time t12 when the atmosphere in the exhaust pipe 14 becomes the atmospheric atmosphere. Abnormal diagnosis for is performed.
  • an abnormality diagnosis for the concentration detection accuracy of the A / F sensor 16 is performed based on the element current value Ip.
  • “1” is set to the abnormality diagnosis flag, and the target element temperature is set to T2.
  • the atmosphere in the exhaust pipe 14 starts to change from the air atmosphere toward the stoichiometric atmosphere.
  • the target element temperature is set based on the oxygen concentration in the exhaust gas, and the heater energization for heating the sensor element 16a is controlled on the basis of the target element temperature. Therefore, the heater according to the change in the oxygen concentration atmosphere in the exhaust gas The degree of heating of the sensor element 16a by energization can be changed. Therefore, even when the oxygen concentration atmosphere changes, it is possible to suppress power consumption due to heater energization while ensuring the concentration detection accuracy of the A / F sensor 16.
  • Different target element temperatures are set depending on whether the inside of the exhaust pipe 14 is in an atmospheric state or an atmosphere having a lower oxygen concentration than that, and the energization of the heater 16b is performed based on the target element temperature. Is controlled. Therefore, even when the oxygen concentration atmosphere is different, it is possible to suppress power consumption due to heater energization while ensuring the concentration detection accuracy of the A / F sensor 16.
  • the target element temperature is set higher than when the abnormality diagnosis is not performed. Therefore, the abnormality diagnosis of the A / F sensor 16 can be properly performed and power consumption due to heater energization can be suppressed.
  • the target element temperature is lowered from T2 to T1 when the abnormality diagnosis of the A / F sensor 16 is completed. For this reason, the time for which the target element temperature is set to T2 can be limited only to the abnormality diagnosis of the A / F sensor 16. Therefore, the effect of suppressing power consumption due to heater energization is enhanced.
  • the target element temperatures are set as T1 and T2 in the state where the stoichiometric atmosphere is detected and the state where the atmospheric atmosphere is detected.
  • the atmosphere in the exhaust pipe 14 is changed from the rich atmosphere to the atmospheric atmosphere.
  • the target element temperature may be set in accordance with the air / fuel ratio in each case when the atmosphere is between.
  • the target element temperature is set based on the target air-fuel ratio at the time of performing lean burn control or rich burn control.
  • the target element temperature may be set higher as the air-fuel ratio moves away from the stoichiometric side toward the lean side or the rich side.
  • the abnormality diagnosis of the A / F sensor 16 is performed after the fuel cut is performed and the air-fuel ratio feedback control is stopped. This is performed in a vehicle equipped with an idling stop control system when the engine is automatically stopped. You may implement.
  • the heater energization control described above is performed for a gas sensor that detects oxygen as a specific component in the exhaust, but this is changed, and the gas sensor that detects other components other than oxygen, such as NOx and NH3, as the specific component in the exhaust is changed.
  • the heater energization control may be performed.

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Abstract

　センサ制御装置は、エンジン（１０）の排気通路（１４）を流れる排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子（１６ａ）を備え、該センサ素子がヒータ（１６ｂ）により加熱されるガスセンサに適用されるセンサ制御装置（１７）において、前記特定成分の検出濃度に基づいて、目標素子温度を設定する温度設定部（Ｓ２３、Ｓ３０）と、前記目標素子温度に基づいて、前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御部（Ｓ１１～Ｓ１３）と、を備える。

Description

センサ制御装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１４年１２月２４日に出願された日本特許出願番号２０１４－２６０１１９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、ガスセンサのセンサ制御装置に関するものである。
　排気用のガスセンサとしては例えば、エンジンより排出される排気を対象に同排気中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式のＡ／Ｆセンサが知られている。すなわち、Ａ／Ｆセンサは、固体電解質体よりなるセンサ素子を有し、素子温度が所定の活性温度に保持された状態で、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。かかる場合、センサ素子にはヒータが設けられており、当該ヒータが通電されて発熱することにより、センサ素子の加熱が行われ、素子温度が所定の活性温度で保持される。
　例えば、特許文献１に記載のものでは、排気管内に設けられたＡ／Ｆセンサにおいて、エンジン運転時の排気管内が大気雰囲気の状態であるときに、ガスセンサの異常診断が行われる構成になっており、大気雰囲気下でのガス濃度検出精度が確保されるように、目標素子温度が設定されている。そして、素子温度が目標素子温度になるようにヒータ通電が制御される。
特開２００３－１４８２０６号公報
　ヒータ通電によりバッテリの電力消費量が大きくなると、その電力消費分を補うべく、エンジンによる発電量を大きくせざるをえなくなり、結果として燃費の悪化を招くおそれがある。ゆえに、ガスセンサのヒータ通電の制御において改善の余地があると考えられる。
　本開示は、エンジン運転時において、ヒータ通電による電力消費を抑制することができるセンサ制御装置を提供することを目的とする。
　本開示の一態様において、センサ制御装置は、エンジンの排気通路を流れる排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子を備え、該センサ素子がヒータにより加熱されるガスセンサに適用されるセンサ制御装置において、特定成分の検出濃度に基づいて、目標素子温度を設定する温度設定部と、目標素子温度に基づいて、ヒータへの通電を制御するヒータ制御部と、を備える。
　上記構成によれば、排気中の特定成分の検出濃度に基づいて、目標素子温度が設定され、その目標素子温度に基づいて、センサ素子を加熱するヒータ通電が制御されるため、排気の濃度雰囲気の変化に応じてヒータ通電によるセンサ素子の加熱の程度を変えることができる。したがって、濃度雰囲気が変化する場合であっても、ガスセンサの濃度検出精度を確保しつつ、ヒータ通電による電力消費を抑制することができる。
　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を示す構成図であり、 図２は、センサ素子及びセンサ制御装置を示す構成図であり、 図３は、センサ素子の電圧－電流特性図であり、 図４は、ヒータ制御処理に関する処理手順を示すフローチャートであり、 図５は、Ａ／Ｆセンサの異常診断に関する処理手順を示すフローチャートであり、 図６は、ヒータ制御処理の態様を示すタイムチャートであり、 図７は、空燃比と目標素子温度との関係を示す図である。
　以下、本実施形態に係るエンジン制御システムを図面に従って説明する。本実施形態では、車両に搭載されるエンジンにより排出される排気を被検出ガスとし、同排気中の酸素濃度（空燃比：Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサを用い、Ａ／Ｆ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。当該制御システムでは、空燃比をストイキ又はストイキ付近で空燃比フィードバック制御するストイキ燃焼制御や、近年又は将来の排気規制や異常検出規制（ＯＢＤ）に対応する広域の空燃比検出を実施すべく、リッチ雰囲気から大気雰囲気までの広い範囲で空燃比を検出可能としている。
　まず、エンジン制御システムの全体概要を図１を用いて説明する。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例えば三元触媒よりなる触媒１５が設けられている。排気管１４において触媒１５の上流側にはＡ／Ｆセンサ１６が設けられており、排気中の酸素濃度に対応した空燃比信号をＥＣＵ１７に出力する。
　ＥＣＵ１７は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ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に基づいて、例えば、実空燃比に基づいた空燃比フィードバック制御及びＡ／Ｆセンサ１６の異常診断などを実施する。
　次に、Ａ／Ｆセンサ１６の構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサ１６は積層型構造のセンサ素子１６ａを有している。図２にはそのセンサ素子１６ａの断面構成を示す。実際には当該センサ素子１６ａは図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される。センサ素子１６ａは、固体電解質層３１、拡散抵抗層３２、遮蔽層３３及び絶縁層３４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層３１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層３１を挟んで上下一対の電極３５，３６が対向配置されている。拡散抵抗層３２は電極３５へ排気を導入するための多孔質シートを有し、遮蔽層３３は排気の透過を抑制するための緻密層を有する。これら各層３２，３３は何れも、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違する。
　絶縁層３４はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスを有し、電極３６に対面する部位には大気ダクト３７が形成されている。また、同絶縁層３４にはヒータ１６ｂが埋設されている。ヒータ１６ｂは、バッテリ等の電源３８からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、ＥＣＵ１７からの制御信号に基づいて通電が行われ、その発熱により素子全体を加熱する。
　電極３５，３６には、それぞれ、電源３８の正極、負極が接続されている。電源３８は、電極３５，３６に電圧を印加する。加えて、電極３５，３６に流れる電流を検出する電流検出部３９が設けられており、検出された電流の値は、ＥＣＵ１７へ出力される。
　次に、Ａ／Ｆセンサ１６による酸素濃度の検出結果に基づいて実施される空燃比フィードバック制御及びＡ／Ｆセンサ１６の異常診断について説明する。
　空燃比フィードバック制御では、詳しくは、目標空燃比をストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．７）とし、Ａ／Ｆセンサ１６により検出された実空燃比が目標空燃比に一致するよう燃料噴射弁１２による燃料噴射量を制御する。
　Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断では、例えば、濃度検出精度の診断やセンサ応答性の診断等が実施される。濃度検出精度の診断では、燃料カットが実施され、排気管１４内が大気雰囲気（既知の値）になっている状態で、Ａ／Ｆセンサ１６の出力値（素子電流値）が大気雰囲気に相当する値となるか否かが判定される。これによりセンサ素子１６ａの劣化の有無などが判定される。また、センサ応答性の診断では、排気管１４内の雰囲気がストイキ雰囲気から大気雰囲気へ変化する際に、異なる二つの素子電流値が検出される時間の間隔（応答時間）が測定され、正常なＡ／Ｆセンサ１６の応答時間と測定された応答時間との差が所定の判定閾値以上であるか否かによりセンサ素子１６ａの劣化の有無などが判定される。
　また、ＥＣＵ１７は、センサ素子１６ａの素子温度を算出し、その算出結果に基づき、ヒータ１６ｂの駆動を制御する。その算出及びヒータ制御については周知であるため、ここでは簡単に説明する。ＥＣＵ１７は、センサ素子１６ａへの印加電圧を交流的に変化させ、それに応じて生じる電流変化又は電圧変化を検出する。そして、その電流変化又は電圧変化に基づいてセンサ素子１６ａの素子インピーダンスを算出するとともに、その素子インピーダンスに基づいてヒータ１６ｂの通電制御を実施する。このとき、センサ素子１６ａの素子温度と素子インピーダンスとには相関があり、素子インピーダンスが所定の目標値に制御されることで、センサ素子１６ａが所望の目標素子温度に維持される。ヒータ制御として、例えば素子温度フィードバック制御が実施されるとよい。
　センサ素子１６ａの電圧－電流特性（Ｖ－Ｉ特性）を図３を用いて説明する。図３において、実線及び破線は共にセンサ素子１６ａのＶ－Ｉ特性を示しており、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１６ａの素子電流値Ｉｐ（限界電流値）を特定する限界電流域であって、この素子電流値Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーンまたはリッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流値Ｉｐは増大し、空燃比がストイキ側になるほど素子電流値Ｉｐは減少する。
　Ｖ－Ｉ特性を示すグラフにおいて、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１６ａの直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温度に応じて変化し、素子温度が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。このため、図３において、素子温度が高温側のＴ１であるときの実線で示される特性Ｌ１に対し、素子温度が低温側のＴ２であるときの破線で示される特性Ｌ２は、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（抵抗支配域が寝た状態となる）。
　図３において、一次直線で示されるＲＧは、センサ素子１６ａへの印加電圧の値を決定するための印加電圧線を表している。空燃比を正確に検出するには、印加電圧値をＶ－Ｉ特性の限界電流域上で正しく制御する必要があり、図３の一次直線で示す印加電圧線を設定しておき、この印加電圧線上で、都度の素子電流値Ｉｐに応じて印加電圧値を決定する。ここで、図３に示すように、素子温度が高温側のＴ１であると特性Ｌ１においてリッチ雰囲気側から大気雰囲気側までの広い空燃比で、印加電圧値が特性Ｌ１の限界電流域にある。一方、素子温度が低温側のＴ２である場合、特性Ｌ２において大気雰囲気側の空燃比で、印加電圧値が特性Ｌ２の限界電流域から逸脱する。このため、ストイキ雰囲気から大気雰囲気まで幅広くＡ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度を確保するには、素子温度を高温側のＴ２に維持する必要がある。
　ところが、目標素子温度は高いほど、その素子温度を維持するために、ヒータ通電による電力消費量が大きくなる。このため、本実施形態では、エンジン運転中において、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断の実施時と非実施時とで、目標素子温度を可変に設定し、大気検出を必要とする異常診断の実施時は目標素子温度をＴ１（例えば、７００℃）に設定し、大気検出を必要としない異常診断の非実施時には目標素子温度をＴ２（例えば、５５０℃）に設定することにより、ヒータ通電による電力消費を抑制する。
　次に、ＥＣＵ１７が行うＡ／Ｆセンサ１６のヒータ制御処理について図４のフローチャートを用いて説明する。本処理は、ＥＣＵ１７によりエンジン運転中に所定周期で繰り返し実行される。
　Ｓ１１では、実測値である素子インピーダンス値Ｚａｃを取得し、Ｓ１２では、センサ素子１６ａの目標設定温度に対応する素子インピーダンスの目標値Ｚｔｇを設定する。Ｓ１３では、実測値である素子インピーダンス値Ｚａｃが目標値Ｚｔｇに一致するように、素子温度フィードバック制御が実行し、本処理を終了する。本実施形態では、Ｓ１１～Ｓ１３の処理がヒータ制御部に相当する。
　次に、ＥＣＵ１７が行うＡ／Ｆセンサ１６の異常診断処理について図５のフローチャートを用いて説明する。本処理は、ＥＣＵ１７によりエンジン運転中に所定周期で繰り返し実施される。
　Ｓ２１では、異常診断フラグが「０」であるか否かを判定する。ここで、異常診断フラグは、「０」によって今回のイグニッションオン後においてＡ／Ｆセンサ１６の異常診断が完了していないことを示し、「１」によって異常診断が完了していることを示す。Ｓ２１でＹＥＳであれば、Ｓ２２に進む。
　Ｓ２２では、異常診断の実施条件が成立したか否かを判定する。この異常診断の実施条件は、エンジン運転中において燃料カットが実施され、空燃比フィードバック制御が停止されることが挙げられる。Ｓ２２でＹＥＳであれば、Ｓ２３に進む。
　また、Ｓ２１，Ｓ２２でＮＯであれば、Ｓ３０に進む。Ｓ３０では、目標素子温度を低温側のＴ２に設定し、この後、本処理を終了する。本実施形態では、Ｓ３０の処理が温度設定部に相当する。
　Ｓ２３では、目標素子温度を高温側のＴ１に設定し、Ｓ２４では排気管１４内の雰囲気がストイキ雰囲気から大気雰囲気へ変化する過渡であるか否かを判定する。Ｓ２４でＹＥＳであれば、Ｓ２５に進む。Ｓ２５では、Ａ／Ｆセンサ１６のセンサ応答性の異常診断を実施する。本実施形態では、Ｓ２３の処理が温度設定部に相当する。
　また、Ｓ２４でＮＯであれば、Ｓ３１に進む。このとき、排気管１４内の雰囲気は大気雰囲気に到達している。Ｓ３１では、素子温度が目標素子温度であるＴ１に到達しているか否かを判定する。Ｓ３１でＮＯであれば本処理を終了し、Ｓ３１でＹＥＳであれば、Ｓ３２に進み、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度の異常診断を実施する。この後、Ｓ２６に進み、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度の異常診断が完了したか否かを判定する。Ｓ２６でＮＯであれば、本処理を終了し、Ｓ２６でＹＥＳであれば、Ｓ２７に進む。
　Ｓ２７では、異常診断により異常ありと判定されたか否かを判定する。Ｓ２７でＮＯであれば、Ｓ２９に進み、異常診断フラグに「１」をセットし、この後、本処理を終了する。また、Ｓ２７でＹＥＳであれば、Ｓ２８に進み、フェイルセーフ処理を実施する。なお、フェイルセーフ処理としては、例えば、燃料噴射量の制限が行われる。この後、Ｓ２９に進み、上述したフローをたどる。
　図６にＥＣＵ１７により実施されるヒータ制御処理の態様についてタイミングチャートを用いて説明する。
　空燃比フィードバック制御が停止される時刻ｔ１１までは目標素子温度が低温側のＴ２に設定されている。そして、時刻ｔ１１において、燃料カットが実施され、空燃比フィードバック制御が停止されると、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断の実施条件が成立し、目標素子温度が高温側のＴ１に設定される。このとき、排気管１４内の雰囲気がストイキ雰囲気から大気雰囲気側に変化し始めるとともに、素子温度が上昇し始める。時刻ｔ１１から排気管１４内の雰囲気が大気雰囲気になる時刻ｔ１２までの期間で、素子電流値ＩｐがＡ点からＢ点に至るまでの所要時間に基づいて、Ａ／Ｆセンサ１６のセンサ応答性に対する異常診断が実施される。時刻ｔ１３において、素子温度がＴ１に到達すると、素子電流値Ｉｐに基づいてＡ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度に対する異常診断が実施される。時刻ｔ１４において、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断が完了すると、異常診断フラグに「１」がセットされ、目標素子温度がＴ２に設定される。この後、時刻ｔ１５において、燃料カットが解除され、空燃比フィードバック制御が開始されると、排気管１４内の雰囲気が大気雰囲気からストイキ雰囲気側に向けて変化し始める。
　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。
　排気中の酸素濃度に基づいて、目標素子温度が設定され、その目標素子温度に基づいて、センサ素子１６ａを加熱するヒータ通電が制御されるため、排気中の酸素濃度雰囲気の変化に応じてヒータ通電によるセンサ素子１６ａの加熱の程度を変えることができる。したがって、酸素濃度雰囲気が変化する場合であっても、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度を確保しつつ、ヒータ通電による電力消費を抑制することができる。
　排気管１４内が大気雰囲気の状態である場合と、それよりも低酸素濃度の雰囲気の状態である場合とで各々異なる目標素子温度が設定され、その目標素子温度に基づいて、ヒータ１６ｂの通電が制御される。したがって、酸素濃度雰囲気が異なる場合であっても、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度を確保しつつ、ヒータ通電による電力消費を抑制することができる。
　Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断の実施時は、異常診断の非実施時よりも目標素子温度が高く設定される。したがって、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断を適正に実施することができるとともに、ヒータ通電による電力消費を抑制することができる。
　空燃比フィードバック制御が停止中であり、排気管１４内が大気雰囲気の状態であっても、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断が完了した時点で目標素子温度はＴ２からＴ１に下げられる。このため、目標素子温度がＴ２に設定されている時間をＡ／Ｆセンサ１６の異常診断時のみにとどめることができる。したがって、ヒータ通電による電力消費を抑制する効果が高められる。
　（他実施形態）
　上記の実施形態を例えば次のように変更してもよい。
　上記実施形態では、ストイキ雰囲気を検出する状態と、大気雰囲気を検出する状態とで目標素子温度をＴ１、Ｔ２として設定するが、これに加えて、排気管１４内の雰囲気がリッチ雰囲気から大気雰囲気までの間の雰囲気となる場合に、都度の空燃比に応じて目標素子温度を設定する構成にしてもよい。例えば、リーンバーン制御の実施時やリッチバーン制御の実施時の目標空燃比に基づいて、それぞれ目標素子温度を設定する。この場合、図７に示すように、空燃比がストイキからリーン側又はリッチ側に離れるほど、目標素子温度を高く設定するとよい。これにより、リッチバーン制御時やリーンバーン制御時においても、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度を確保しつつ、ヒータ通電の電力消費を抑制することができる。
　Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断は、燃料カットが実施され、空燃比フィードバック制御が停止された後に実施されるが、これを、アイドリングストップ制御システムを搭載した車両において、エンジン自動停止時に異常診断を実施してもよい。
　排気中の特定成分として酸素を検出するガスセンサについて上記のヒータ通電制御を実施するが、これを変更し、排気中の特定成分として酸素以外の他の成分、例えばＮＯｘやＮＨ３を検出するガスセンサについて上記のヒータ通電制御を実施してもよい。
　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 (6)

  1. 　エンジン（１０）の排気通路（１４）を流れる排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子（１６ａ）を備え、該センサ素子がヒータ（１６ｂ）により加熱されるガスセンサに適用されるセンサ制御装置（１７）において、
    　前記特定成分の検出濃度に基づいて、目標素子温度を設定する温度設定部（Ｓ２３、Ｓ３０）と、
    　前記目標素子温度に基づいて、前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御部（Ｓ１１～Ｓ１３）と、
    を備えるセンサ制御装置。
  2. 　前記ガスセンサは、前記排気中の酸素濃度を検出するものであって、
    　前記温度設定部は、前記排気通路を大気雰囲気にした状態と、それよりも低酸素濃度の雰囲気にした状態とで、前記目標素子温度を変える請求項１に記載のセンサ制御装置。
  3. 　前記ガスセンサは、固体電解質体（３１）と、該固体電解質体に設けられる一対の電極（３５，３６）とを有し、前記一対の電極に所定の電圧を印加した状態で、酸素濃度に応じて流れる素子電流を検出する限界電流式のガスセンサであって、
    　前記温度設定部は、前記排気通路を大気雰囲気にした状態では、それよりも低酸素濃度の雰囲気にした状態よりも、前記目標素子温度を高くする請求項１又は２に記載のセンサ制御装置。
  4. 　前記ガスセンサは、前記排気通路を流れる排気から空燃比を検出する空燃比センサ（１６）であって、
    　前記温度設定部は、前記空燃比センサにより検出される空燃比がストイキからリーン側又はリッチ側に離れるほど、前記目標素子温度を高くする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ制御装置。
  5. 　前記ガスセンサによる酸素濃度の検出結果に基づいて空燃比フィードバック制御を実施し、前記空燃比フィードバック制御が停止中であり、かつ前記排気通路が大気雰囲気になっている状態で前記ガスセンサの異常診断を実施する制御システムに適用され、
    　前記温度設定部は、前記異常診断の実施時には、前記異常診断の非実施時よりも、前記目標素子温度を高くする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ制御装置。
  6. 　前記制御システムでは、前記排気通路が大気雰囲気となる状態であることを含む所定の診断条件の成立時に、前記異常診断を実施するものであり、
    　前記温度設定部は、前記異常診断が完了した時点で、前記診断条件の成立が継続していても、前記目標素子温度を低下させる請求項５に記載のセンサ制御装置。

     
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