(57)【要約】【課題】内部抵抗が変化しても理論空燃比とは異なる所定の空燃比を正確に検出する。【解決手段】空燃比検出システムは、内燃機関の排気通路に設けられて排気通路内を流れる排気ガスの空燃比を検出する限界電流式の空燃比センサ４０、４１と、空燃比センサへの印加電圧を制御する制御装置とを備える。空燃比センサは、排気空燃比に応じて出力電流がゼロとなる印加電圧が変化すると共に排気空燃比が一定に維持された状態で空燃比センサへの印加電圧を増大させるとこれに伴って出力電流が増大するように構成される。制御装置は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流がゼロとなる理論空燃比ゼロ電圧とは異なる電圧を前記空燃比センサへ印加すると共に、空燃比センサの素子の内部抵抗が増大したときには、理論空燃比ゼロ電圧から離れるように空燃比センサへの印加電圧を制御する。【選択図】図１２
2020197201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられて該排気通路内を流れる排気ガスの空燃比を検出する限界電流式の空燃比センサと、該空燃比センサへの印加電圧を制御する制御装置とを備え、
前記空燃比センサは、排気空燃比に応じて出力電流がゼロとなる印加電圧が変化すると共に排気空燃比が一定に維持された状態で空燃比センサへの印加電圧を増大させるとこれに伴って出力電流が増大するように構成されており、
前記制御装置は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流がゼロとなる理論空燃比ゼロ電圧とは異なる電圧を前記空燃比センサへ印加すると共に、前記空燃比センサの素子の内部抵抗が増大したときには、前記理論空燃比ゼロ電圧から離れるように前記空燃比センサへの印加電圧を制御する、空燃比検出システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記空燃比センサの素子の内部抵抗が低下したときには、前記理論空燃比ゼロ電圧に近づくように前記空燃比センサへの印加電圧を制御する、請求項１に記載の空燃比検出システム。
【請求項３】
前記空燃比センサを加熱するヒータを更に備え、
前記制御装置は、前記空燃比センサのインピーダンスを検出すると共に検出されたインピーダンスが予め定められた目標値になるように前記ヒータを制御する、請求項１又は２に記載の空燃比検出システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記空燃比センサの周りを流れる排気ガスの温度が一定温度であるときに前記ヒータへ供給された電力に基づいて前記空燃比センサの内部抵抗を推定する、請求項３に記載の空燃比検出システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記空燃比センサのインピーダンスが前記目標値とは異なる値になったときには前記インピーダンスに基づいて前記空燃比センサの内部抵抗を推定する、請求項３に記載の空燃比検出システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記空燃比センサへの印加電圧が前記理論空燃比ゼロ電圧よりも高いときには、前記空燃比センサの周りを流れる排気ガス中の水分子濃度が高くなるほど前記理論空燃比ゼロ電圧に向かって小さくなるように、前記印加電圧を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の空燃比検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、空燃比検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に設けられて排気通路内を流れる排気ガスの空燃比を検出する限界電流式の空燃比センサと、この空燃比センサへの印加電圧を制御する制御装置とを備えた空燃比検出システムが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特に、特許文献１に記載の空燃比検出システムでは、空燃比センサ周りを流れる排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」ともいう）が理論空燃比であるときに空燃比センサの出力電流がゼロとなる電圧（以下、「理論空燃比ゼロ電圧」ともいう）とは異なる電圧が空燃比センサへ印加される。この結果、排気空燃比が理論空燃比とは異なる所定の空燃比であるときに空燃比センサの出力電流がゼロとなり、よってこの所定の空燃比を正確に検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４５３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、空燃比センサでは経年劣化等の劣化によって素子の内部抵抗が変化する。また、空燃比センサの素子の内部抵抗は素子の温度によって変化するところ、排気ガスの温度が高くなって空燃比センサの温度も高くなると、素子の内部抵抗が小さくなる。
【０００６】
このように空燃比センサの素子の内部抵抗が変化すると、空燃比センサに理論空燃比ゼロ電圧とは異なる所定の電圧を印加したときに、空燃比センサの出力電流がゼロとなる排気空燃比が、内部抵抗が変化する前と異なる空燃比になってしまう。この結果、この空燃比センサによる排気空燃比の検出精度が低下する。
【０００７】
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、内部抵抗が変化しても理論空燃比とは異なる所定の空燃比を正確に検出することができる空燃比検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の要旨は以下のとおりである。
【０００９】
（１）内燃機関の排気通路に設けられて該排気通路内を流れる排気ガスの空燃比を検出する限界電流式の空燃比センサと、該空燃比センサへの印加電圧を制御する制御装置とを備え、前記空燃比センサは、排気空燃比に応じて出力電流がゼロとなる印加電圧が変化すると共に排気空燃比が一定に維持された状態で空燃比センサへの印加電圧を増大させるとこれに伴って出力電流が増大するように構成されており、前記制御装置は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流がゼロとなる理論空燃比ゼロ電圧とは異なる電圧を前記空燃比センサへ印加すると共に、前記空燃比センサの素子の内部抵抗が増大したときには、前記理論空燃比ゼロ電圧から離れるように前記空燃比センサへの印加電圧を制御する、空燃比検出システム。
【００１０】
（２）前記制御装置は、前記空燃比センサの素子の内部抵抗が低下したときには、前記理論空燃比ゼロ電圧に近づくように前記空燃比センサへの印加電圧を制御する、上記（１）に記載の空燃比検出システム。
【００１１】
（３）前記空燃比センサを加熱するヒータを更に備え、
前記制御装置は、前記空燃比センサのインピーダンスを検出すると共に検出されたインピーダンスが予め定められた目標値になるように前記ヒータを制御する、上記（１）又は（２）に記載の空燃比検出システム。
【００１２】
（４）前記制御装置は、前記空燃比センサの周りを流れる排気ガスの温度が一定温度であるときに前記ヒータへ供給された電力に基づいて前記空燃比センサの内部抵抗を推定する、上記（３）に記載の空燃比検出システム。
【００１３】
（５）前記制御装置は、前記空燃比センサのインピーダンスが前記目標値とは異なる値になったときには前記インピーダンスに基づいて前記空燃比センサの内部抵抗を推定する、上記（３）に記載の空燃比検出システム。
【００１４】
（６）前記制御装置は、前記空燃比センサへの印加電圧が前記理論空燃比ゼロ電圧よりも高いときには、前記空燃比センサの周りを流れる排気ガス中の水分子濃度が高くなるほど前記理論空燃比ゼロ電圧に向かって小さくなるように、前記印加電圧を制御する、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の空燃比検出システム。
【発明の効果】
【００１５】
本開示によれば、内部抵抗が変化しても理論空燃比とは異なる所定の空燃比を正確に検出することができる空燃比検出システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、一つの実施形態に係る空燃比検出システムが用いられている内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図３】図３は、空燃比センサの動作を概略的に示した図である。
【図４】図４は、電圧印加装置及び電流検出装置を構成する具体的な回路の一例を示す図である。
【図５】図５は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。
【図６】図６は、各センサ印加電圧における排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図７】図７は、図５にＸ−Ｘで示した領域を拡大して示した図である。
【図８】図８は、図６にＹで示した領域を拡大して示した図である。
【図９】図９は、空燃比センサの出力特性を示す図である。
【図１０】図１０は、排気空燃比が理論空燃比であるときの、出力電流がゼロ近傍となる領域近傍におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す、図７と同様な図である。
【図１１】図１１は、排気空燃比と出力電流との関係を示す、図８と同様な図である。
【図１２】図１２は、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧よりも低い場合における内部抵抗に対するセンサ印加電圧の関係を示す図である。
【図１３】図１３は、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧よりも高い場合における内部抵抗に対するセンサ印加電圧の関係を示す図である。
【図１４】図１４は、空燃比センサの素子のインピーダンスと素子の温度との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、ヒータへ供給される電力量と内部抵抗との関係を示す図である。
【図１６】図１６は、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧よりも低い場合の空燃比センサのインピーダンスとセンサ印加電圧との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧よりも高い場合の空燃比センサのインピーダンスとセンサ印加電圧との関係を示す図である。
【図１８】図１８は、空燃比センサにおける電圧設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１９】図１９は、一つの実施形態に係る空燃比制御を行った場合における、目標空燃比等のタイムチャートである。
【図２０】図２０は、排気空燃比が理論空燃比であるときの、出力電流がゼロ近傍となる領域近傍におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す、図１０と同様な図である。
【図２１】図２１は、水分子濃度に対するセンサ印加電圧の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１８】
＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
図１は、第一実施形態に係る空燃比検出システムが用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。本実施形態では、シリンダブロック２には複数の気筒が形成され、各気筒内で一つのピストン３が往復動する。
【００１９】
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。しかしながら、内燃機関は、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いてもよい。
【００２０】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は吸気通路を形成する。また、吸気管１５内にはスロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。
【００２１】
一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部とこれら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は上流側排気浄化触媒（以下、「上流側触媒」という）２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側排気浄化触媒（以下、「下流側触媒」という）２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。これら上流側触媒２０及び下流側触媒２４は酸素を吸蔵することができるように構成される。
【００２２】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１は、メモリ３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備え、これら構成要素は双方向性バス３２を介して相互に接続される。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出して下流側触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２３】
また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。なお、ＥＣＵ３１は、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比を制御する制御装置として機能する。
【００２４】
≪空燃比センサの構成≫
次に、図２を参照して、本実施形態における空燃比センサ４０、４１の構成について説明する。図２は、空燃比センサ４０、４１の概略的な断面図である。図２からわかるように、本実施形態における空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層及び一対の電極から成るセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
【００２５】
図２に示したように、空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、固体電解質層５１の一方の側面上に配置された排気側電極（第一電極）５２と、固体電解質層５１の他方の側面上に配置された大気側電極（第二電極）５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、基準室画定層５６とを具備する。
【００２６】
固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して空燃比センサ４０、４１による検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝されることになる。
【００２７】
固体電解質層５１の他方の側面上には基準室画定層５６が設けられる。固体電解質層５１と基準室画定層５６との間には基準ガス室５８が形成され、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝される。本実施形態では、基準ガスとして大気が用いられているため、大気側電極５３は大気に曝されることになる。
【００２８】
基準室画定層５６には、空燃比センサ４０、４１を加熱する複数のヒータ５９が設けられる。これらヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１の素子の温度、特に固体電解質層５１の温度が制御される。ヒータ５９は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。
【００２９】
特に、本実施形態では、ヒータ５９は、固体電解質層５１の温度が予め定められた目標温度になるように制御される。具体的には、固体電解質層５１の温度に応じてそのインピーダンスが変化することから、固体電解質層５１のインピーダンスが予め定められた目標値になるようにヒータ５９への供給電力が制御され、よってヒータ５９による加熱量が制御される。
【００３０】
なお、固体電解質層５１のインピーダンスは、例えば、電圧印加装置６０及び電流検出装置６１により検出される。具体的には、電圧印加装置６０により一時的に交流電圧が印加され、このときに電流検出装置６１によって検出された電流によりインピーダンスが算出される。しかしながら、空燃比センサ４０、４１の素子のインピーダンス、すなわち固体電解質層５１のインピーダンスは、電圧印加装置６０及び電流検出装置６１とは異なる装置によって検出されても良いし、他の手法によって検出されてもよい。
【００３１】
固体電解質層５１は、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。
【００３２】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に制御される電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。電圧印加装置６０及びＥＣＵ３１は、センサ印加電圧Ｖｒを制御する制御装置として機能する。加えて、ＥＣＵ３１には、電圧印加装置６０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層５１を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流を検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流である。
【００３３】
≪空燃比センサの動作≫
次に、図３を参照して、このように構成された空燃比センサ４０、４１の動作の基本的な概念について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の動作を概略的に示した図である。使用時において、空燃比センサ４０、４１は、保護層５５及び拡散律速層５４の外周面が排気ガスに曝されるように配置される。
【００３４】
ところで、固体電解質層５１は、その両側面間に酸素濃度の差が生じると、濃度の高い側面側から濃度の低い側面側へと酸素イオンを移動させようとする起電力Ｅが発生する性質（酸素電池特性）を有している。逆に、固体電解質層５１は、両側面間に電位差が与えられると、この電位差に応じて固体電解質層の両側面間で酸素濃度比が生じるように、酸素イオンの移動を引き起こそうとする特性（酸素ポンプ特性）を有する。具体的には、両側面間に電位差が与えられた場合には、正極性を与えられた側面における酸素濃度が、負極性を与えられた側面における酸素濃度に対して、電位差に応じた比率で高くなるように、酸素イオンの移動が引き起こされる。また、図２及び図３に示したように、空燃比センサ４０、４１では、大気側電極５３が正極性、排気側電極５２が負極性となるように、これら電極５２、５３間に一定のセンサ印加電圧Ｖｒが印加されている。
【００３５】
空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリーンのときには、固体電解質層５１の両側面間での酸素濃度の比はそれほど大きくない。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が小さくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比に向けて大きくなるように、図３（Ａ）に示した如く、排気側電極５２から大気側電極５３に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０の正極から、大気側電極５３、固体電解質層５１、及び排気側電極５２を介して電圧印加装置６０の負極へと電流が流れる。
【００３６】
このとき流れる電流（出力電流）Ｉｒの大きさは、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、排気中から拡散律速層５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する酸素量に比例する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを電流検出装置６１によって検出することにより、酸素濃度を知ることができ、ひいてはリーン領域における空燃比を知ることができる。
【００３７】
一方、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときには、排気中から拡散律速層５４を通って未燃ガスが被測ガス室５７内に流入するため、排気側電極５２上に酸素が存在しても、未燃ガスと反応して除去される。このため、被測ガス室５７内では酸素濃度が極めて低くなり、その結果、固体電解質層５１の両側面間での酸素濃度の比は大きなものとなる。このため、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１の両側面間ではセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比よりも実際の酸素濃度比の方が大きくなる。このため、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比に向けて小さくなるように、図３（Ｂ）に示した如く、大気側電極５３から排気側電極５２に向けて酸素イオンの移動が起こる。その結果、大気側電極５３から、センサ印加電圧Ｖｒを印加する電圧印加装置６０を通って排気側電極５２へと電流が流れる。
【００３８】
このとき流れる電流（出力電流）Ｉｒの大きさは、センサ印加電圧Ｖｒを適切な値に設定すれば、固体電解質層５１中を大気側電極５３から排気側電極５２へと移動せしめられる酸素イオンの流量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散律速層５４を通って被測ガス室５７へと拡散によって流入する未燃ガスと排気側電極５２上で反応（燃焼）する。よって、酸素イオンの移動流量は被測ガス室５７内に流入した排気ガス中の未燃ガスの濃度に対応する。したがって、この電流Ｉｒの大きさを電流検出装置６１によって検出することで、未燃ガス濃度を知ることができ、ひいてはリッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００３９】
また、空燃比センサ４０、４１周りにおける排気空燃比が理論空燃比のときには、被測ガス室５７へ流入する酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっている。このため、排気側電極５２の触媒作用によって両者は完全に燃焼し、被測ガス室５７内の酸素及び未燃ガスの濃度に変動は生じない。この結果、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比は、変動せずに、センサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比のまま維持される。このため、図３（Ｃ）に示したように、酸素ポンプ特性による酸素イオンの移動は起こらず、その結果、回路を流れる電流は生じない。
【００４０】
≪電圧印加装置及び電流検出装置の回路≫
図４に、電圧印加装置６０及び電流検出装置６１を構成する具体的な回路の一例を示す。図示した例では、酸素電池特性により生じる起電力をＥ、固体電解質層５１の内部抵抗をＲｉ、両電極５２、５３間の電位差をＶｓと表している。
【００４１】
図４からわかるように、電圧印加装置６０は、基本的に、酸素電池特性により生じる起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに一致するように、負帰還制御を行っている。換言すると、電圧印加装置６０は、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比の変化によって両電極５２、５３間の電位差Ｖｓが変化した際にも、この電位差Ｖｓがセンサ印加電圧Ｖｒとなるように負帰還制御を行っている。
【００４２】
したがって、排気空燃比が理論空燃比となっていて、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じない場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比はセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比となっている。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに一致し、両電極５２、５３間の電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒとなっており、その結果、電流Ｉｒは流れない。
【００４３】
一方、排気空燃比が理論空燃比とは異なる空燃比となっていて、固体電解質層５１の両側面間に酸素濃度比の変化が生じる場合には、固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比がセンサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比とはなっていない。この場合、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒとは異なる値となる。このため、負帰還制御により、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒと一致するように固体電解質層５１の両側面間で酸素イオンの移動をさせるべく、両電極５２、５３間に電位差Ｖｓが付与される。そして、このときの酸素イオンの移動に伴って電流Ｉｒが流れる。この結果、起電力Ｅはセンサ印加電圧Ｖｒに収束し、起電力Ｅがセンサ印加電圧Ｖｒに収束すると、やがて電位差Ｖｓもセンサ印加電圧Ｖｒに収束することになる。
【００４４】
したがって、電圧印加装置６０は、実質的に、両電極５２、５３間にセンサ印加電圧Ｖｒを印加しているということができる。なお、電圧印加装置６０の電気回路は必ずしも図４に示したようなものである必要はなく、両電極５２、５３間にセンサ印加電圧Ｖｒを実質的に印加することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。
【００４５】
また、電流検出装置６１は、実際に電流を検出するのではなく、電圧Ｅ0を検出してこの電圧Ｅ0から電流を算出している。ここで、Ｅ0は、下記式（１）のように表せる。
Ｅ0＝Ｖｒ＋Ｖ0＋ＩｒＲ      …（１）
ここで、Ｖ0はオフセット電圧（Ｅ0が負値とならないように印加しておく電圧であり、例えば３Ｖ）、Ｒは図４に示した抵抗の値である。
【００４６】
式（１）において、センサ印加電圧Ｖｒ、オフセット電圧Ｖ0及び抵抗値Ｒは一定であるから、電圧Ｅ0は電流Ｉｒに応じて変化する。このため、電圧Ｅ0を検出すれば、その電圧Ｅ0から電流Ｉｒを算出することが可能である。
【００４７】
したがって、電流検出装置６１は、実質的に、両電極５２、５３間に流れる電流Ｉｒを検出しているということができる。なお、電流検出装置６１の電気回路は必ずしも図４に示したようなものである必要はなく、両電極５２、５３間を流れる電流Ｉｒを検出することができれば、如何なる態様の装置であってもよい。
【００４８】
≪空燃比センサの出力特性≫
上述したように構成され且つ動作する空燃比センサ４０、４１は、図５に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図５からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒがゼロ以下及びゼロ近傍の領域では、排気空燃比が一定である場合には、センサ印加電圧Ｖｒを負の値から徐々に増加していくと、これに伴って出力電流Ｉｒが増加していく。
【００４９】
すなわち、この電圧領域では、センサ印加電圧Ｖｒが低いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が少ない。このため、拡散律速層５４を介した排気ガスの流入速度よりも固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が少なく、よって、出力電流Ｉｒは固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量に応じて変化する。固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量はセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化するため、結果的にセンサ印加電圧Ｖｒの増加に伴って出力電流が増加する。なお、このようにセンサ印加電圧Ｖｒに比例して出力電流Ｉｒが変化する電圧領域は比例領域と称される。また、センサ印加電圧Ｖｒが０のときに出力電流Ｉｒが負値をとるのは、酸素電池特性により固体電解質層５１の両側面間の酸素濃度比に応じた起電力Ｅが生じるためである。
【００５０】
その後、排気空燃比を一定としたまま、センサ印加電圧Ｖｒを徐々に増加していくと、これに対する出力電流の増加の割合は次第に小さくなり、ついにはほぼ飽和状態となる。その結果、センサ印加電圧Ｖｒを増加しても出力電流はほとんど変化しなくなる。このほぼ飽和した電流は限界電流と称され、以下では、この限界電流が発生する電圧領域を限界電流領域と称する。
【００５１】
すなわち、この限界電流領域では、センサ印加電圧Ｖｒが或る程度高いため、固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量が多い。このため、拡散律速層５４を介した排気ガスの流入速度よりも固体電解質層５１を介して移動可能な酸素イオンの流量の方が多くなる。したがって、出力電流Ｉｒは拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度に応じて変化する。排気空燃比を一定としてセンサ印加電圧Ｖｒを変化させても、基本的には拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度は変化しないことから、出力電流Ｉｒは変化しない。
【００５２】
ただし、排気空燃比が異なれば、拡散律速層５４を介して被測ガス室５７に流入する排気ガス中の酸素濃度や未燃ガス濃度も異なることから、出力電流Ｉｒは排気空燃比に応じて変化する。図５からわかるように、リーン空燃比とリッチ空燃比とでは限界電流の流れる向きが逆になっており、リーン空燃比であるときには空燃比が大きくなるほど、リッチ空燃比であるときには空燃比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。
【００５３】
その後、排気空燃比を一定としたまま、センサ印加電圧Ｖｒをさらに増加していくと、これに伴って再び出力電流Ｉｒが増加し始める。このように高いセンサ印加電圧Ｖｒを印加すると、排気側電極５２上では排気ガス中に含まれる水分の分解が発生し、これに伴って電流が流れる。また、センサ印加電圧Ｖｒをさらに増加していくと、水の分解だけでは電流をまかなえなくなり、今度は固体電解質層５１の分解が発生する。以下では、このように水や固体電解質層５１の分解が生じる電圧領域を水分解領域と称する。
【００５４】
図６は、各センサ印加電圧Ｖｒにおける排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係を示す図である。図６からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．１Ｖから０．９Ｖ程度であれば、少なくとも理論空燃比の近傍においては、排気空燃比に応じて出力電流Ｉｒが変化する。また、図６からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．１Ｖから０．９Ｖ程度であれば、理論空燃比の近傍においては、排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係はセンサ印加電圧Ｖｒに無関係にほぼ同一である。
【００５５】
一方、図６からわかるように、各センサ印加電圧Ｖｒにおいて或る一定の排気空燃比以下に排気空燃比が低くなると、排気空燃比が変化しても出力電流Ｉｒがほとんど変化しなくなる。この一定の排気空燃比はセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが高いほど高い。同様に、各センサ印加電圧Ｖｒにおいて或る一定の排気空燃比以上に排気空燃比が高くなると、排気空燃比が変化しても出力電流Ｉｒがほとんど変化しなくなる。この一定の排気空燃比もセンサ印加電圧Ｖｒに応じて変化し、センサ印加電圧Ｖｒが低いほど低い。
【００５６】
≪理論空燃比近傍における微視的特性≫
次に、理論空燃比近傍で微視的に見た場合の、センサ印加電圧Ｖｒと出力電流Ｉｒとの関係や排気空燃比と出力電流Ｉｒとの関係ついて説明する。
【００５７】
図７は、図５の電圧−電流線図について、出力電流Ｉｒがゼロ近傍となる領域（図５においてＸ−Ｘで示した領域）を拡大して示した図である。図７からわかるように、限界電流領域においても、排気空燃比を一定としたときに、センサ印加電圧Ｖｒが増大するのに伴って出力電流Ｉｒもごく僅かながら増大する。例えば、排気空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合を例にとってみると、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖ程度のときには出力電流Ｉｒはゼロとなる。これに対して、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも或る程度低く（例えば、０．２０Ｖ）すると、出力電流はゼロよりも低い値となる。一方、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも或る程度高く（例えば、０．７０Ｖ）すると、出力電流はゼロよりも高い値となる。
【００５８】
また、図７からは、排気空燃比に応じて出力電流がゼロとなるセンサ印加電圧が変化することがわかる。具体的には、排気空燃比がリーンであるとき（例えば、１４．７０）には、センサ印加電圧Ｖｒが、０．４５Ｖ（すなわち、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉｒがゼロになるような電圧（以下、「理論空燃比ゼロ電圧」ともいう））よりも低いときに出力電流がゼロになる。一方、排気空燃比がリッチであるとき（例えば、１４．５０）には、センサ印加電圧Ｖｒが、理論空燃比ゼロ電圧よりも高いときに出力電流がゼロになる。
【００５９】
図８は、図６の空燃比−電流線図について、排気空燃比が理論空燃比近傍であって且つ出力電流Ｉｒがゼロ近傍である領域（図６においてＹで示した領域）を拡大して示した図である。図８からは、理論空燃比近傍の領域においては、同一の排気空燃比に対する出力電流Ｉｒがセンサ印加電圧Ｖｒ毎に僅かに異なることがわかる。例えば、図示した例では、排気空燃比が理論空燃比である場合、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖとしたときに出力電流Ｉｒがゼロになる。そして、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも大きくすると出力電流Ｉｒもゼロよりも大きくなり、センサ印加電圧Ｖｒを０．４５Ｖよりも小さくすると出力電流Ｉｒもゼロよりも小さくなる。
【００６０】
加えて、図８からは、センサ印加電圧Ｖｒ毎に、出力電流Ｉｒがゼロとなるときの排気空燃比（以下、「電流ゼロ時の排気空燃比」という）が異なることがわかる。図示した例では、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖである場合には排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉｒがゼロになる。これに対して、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも大きい場合には、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときに出力電流Ｉｒがゼロになり、センサ印加電圧Ｖｒが大きくなるほど電流ゼロ時の排気空燃比は小さくなる。逆に、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも小さい場合には、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに出力電流Ｉｒがゼロになり、センサ印加電圧Ｖｒが小さくなるほど電流ゼロ時の排気空燃比は大きくなる。すなわち、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流ゼロ時の排気空燃比を変化させることができる。
【００６１】
ここで、図８における傾き、すなわち排気空燃比の増加量に対する出力電流の増加量の比率（以下、「出力電流変化率」という）は、同様な生産工程を経ても必ずしも同一にはならず、固体間でバラツキが生じてしまう。加えて、一つの空燃比センサにおいても、経年劣化等により出力電流変化率は変化する。この結果、たとえ図９に実線Ａで示した出力特性を有するように構成されている同一型式の空燃比センサを用いても、使用したセンサや使用期間等によって、図９に破線Ｂで示したように出力電流変化率が大きくなったり、一点鎖線Ｃで示したように出力電流変化率が小さくなったりする。
【００６２】
このため、例えば、空燃比がａｆ1である排気ガスの計測を行ったときの出力電流は、空燃比センサ４０、４１が実線Ａ、破線Ｂ及び一点鎖線Ｃに示した出力特性を示すときには、それぞれＩｒ1、Ｉｒ2及びＩｒ3となり、互いに異なる値になる。したがって、空燃比センサの固体間のバラツキや劣化を考慮すると、電流ゼロ時の排気空燃比以外の排気空燃比の絶対値を正確に検出することはできない。
【００６３】
一方、図９からもわかるように、たとえ斯かるバラツキや劣化が生じたとしても、電流ゼロ時の排気空燃比（図２の例では理論空燃比）はほとんど変化しない。すなわち、出力電流Ｉｒがゼロ以外の値をとるときには、排気空燃比の絶対値を正確に検出することは困難であるのに対して、出力電流Ｉｒがゼロとなるときには、排気空燃比の絶対値（図２の例では理論空燃比）を比較的正確に検出することができる。
【００６４】
そして、図８を用いて説明したように、空燃比センサ４０、４１では、センサ印加電圧Ｖｒを変化させることにより、電流ゼロ時の排気空燃比を変化させることができる。すなわち、センサ印加電圧Ｖｒを適切に設定すれば、理論空燃比以外の排気空燃比の絶対値を正確に検出することができる。
【００６５】
そこで、本実施形態に係る空燃比センサ４０、４１では、理論空燃比とは異なる所定の排気空燃比を正確に検出すべく、理論空燃比ゼロ電圧とは異なる電圧が印加される。理論空燃比とは異なる所定の排気空燃比を正確に検出する理由については以下で空燃比制御の説明に関連して後述する。
【００６６】
≪内部抵抗の影響≫
ところで、本願の発明者の研究により、図７に示した空燃比センサ４０、４１における電圧と電流との関係は、僅かながら空燃比センサ４０、４１の内部抵抗によって変化することがわかった。この様子を図１０に示す。
【００６７】
図１０は、排気空燃比が理論空燃比であるときの、出力電流Ｉｒがゼロ近傍となる領域近傍におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す、図７と同様な図である。図１０の実線Ａは、通常の作動温度において作動している劣化の生じていない空燃比センサにおける出力特性を示している。
【００６８】
一方、図１０の破線Ｂは、空燃比センサ４０、４１に劣化が生じて、劣化が生じていないときに比べて内部抵抗が大きくなっている空燃比センサにおける出力特性を示している。図１０からわかるように、空燃比センサ４０、４１の内部抵抗が大きくなっているときの特性を示す破線Ｂは、センサ印加電圧が０．４５Ｖ近傍であるときには出力電流は実線Ａとほぼ変わらない。これに対して、センサ印加電圧が０．４５Ｖから或る程度離れた値（０．２０Ｖや０．７０Ｖ等）であるときには、破線Ｂにおける出力電流は実線Ａにおける出力電流に対してその絶対値が小さい値となる。
【００６９】
また、上述したように空燃比センサ４０、４１の温度はヒータ５９により基本的に一定に保たれる。しかしながら、例えば機関負荷が一時的に増加した場合等においては、排気ガスの温度が一時的に高くなり、これに伴って空燃比センサ４０、４１の素子の温度が目標温度を超えて高くなる場合がある。図１０の一点鎖線Ｃは、空燃比センサ４０、４１の温度が高くて、その温度が目標温度であるときに比べて内部抵抗が小さくなっている空燃比センサにおける出力特性を示している。図１０からわかるように、空燃比センサ４０、４１の内部抵抗が小さくなっているときの特性を示す一点鎖線Ｃも、センサ印加電圧が０．４５Ｖ近傍であるときには出力電流は実線Ａとほぼ変わらない。これに対して、センサ印加電圧が０．４５Ｖから或る程度離れた値（０．２０Ｖや０．７０Ｖ等）であるときには、一点鎖線Ｃにおける出力電流は実線Ａにおける出力電流に対してその絶対値が大きい値となる。
【００７０】
図１１は、排気空燃比と出力電流との関係を示す、図８と同様な図である。図１１中の破線はセンサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖである場合を示している。また、一点鎖線はセンサ印加電圧Ｖｒが０．２０Ｖであって空燃比センサ４０、４１に劣化が生じていない場合、実線はセンサ印加電圧Ｖｒが０．２０Ｖであって空燃比センサ４０、４１に劣化が生じている場合をそれぞれ示している。
【００７１】
図１１からわかるように、センサ印加電圧Ｖｒが０．２０Ｖである場合、劣化の有無により、すなわち内部抵抗の違いにより、空燃比センサ４０、４１における排気空燃比と出力電流との関係が変化する。具体的には、劣化が大きくなるほど、すなわち内部抵抗が大きくなるほど、センサ印加電圧が０．４５Ｖである場合における排気空燃比と出力電流との関係に近づくことがわかる。この結果、電流ゼロ時の排気空燃比も、劣化が大きくなるほど、すなわち内部抵抗が大きくなるほど、理論空燃比に近づくことになる。したがって、劣化が生じて内部抵抗が大きくなった場合の電流ゼロ時の排気空燃比は、内部抵抗が当初の値である場合の値とは僅かながら異なる値となる。
【００７２】
センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖよりも大きい場合（例えば、０．７０Ｖ）や、空燃比センサ４０、４１の素子の温度が高くなって内部抵抗が小さくなった場合にも、同様にして、排気空燃比と出力電流との関係が、センサ印加電圧Ｖｒが０．４５Ｖである場合の関係と異なるものとなる。したがって、これら場合にも、電流ゼロ時の排気空燃比は、内部抵抗が当初の値である場合の値とは僅かながら異なる値となる。
【００７３】
≪本実施形態における印加電圧制御≫
そこで、本実施形態に係る空燃比検出システムでは、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗に応じて、センサ印加電圧が変更される。具体的には、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗が増大したときには、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧（本実施形態では、０．４５Ｖ）から離れるようにセンサ印加電圧が制御される。逆に、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗が低下したときには、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧に近づくようにセンサ印加電圧が制御される。
【００７４】
図１２は、理論空燃比よりもリーン側の所定の空燃比を正確に検出すべくセンサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧（０．４５Ｖ）よりも低い場合における、内部抵抗に対するセンサ印加電圧の関係を示す図である。図中のＲ1は、空燃比センサ４０、４１の素子の温度が目標温度であって空燃比センサ４０、４１に劣化が生じていない状態（以下、このような状態を「基準状態」ともいう）における内部抵抗の値を示している。また、Ｖ1は、空燃比センサ４０、４１が基準状態にあるときに排気空燃比が理論空燃比とは異なる上記所定の空燃比であると出力電流がゼロとなるようなセンサ印加電圧（以下、このような電圧を「基準電圧」ともいう）を示している。
【００７５】
図１２からわかるように、本実施形態では、内部抵抗が大きくなるほど小さくなるように、すなわち理論空燃比ゼロ電圧から離れるようにセンサ印加電圧が制御される。具体的には、内部抵抗が変化しても、電流ゼロ時の排気空燃比が変化しないようにセンサ印加電圧が制御される。なお、図１２に示した例では、内部抵抗とセンサ印加電圧とは比例しているが、必ずしも比例している必要は無く、内部抵抗が変化しても電流ゼロ時の排気空燃比が変化しないような関係であれば内部抵抗に対するセンサ印加電圧の関係は如何なる関係であってもよい。
【００７６】
図１３は、理論空燃比よりもリッチ側の所定の空燃比を正確に検出すべくセンサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧（０．４５Ｖ）よりも高い場合における、内部抵抗に対するセンサ印加電圧の関係を示す図である。図中のＲ2は、基準状態における内部抵抗の値を示している。また、Ｖ2は、基準電圧を示している。
【００７７】
図１３からわかるように、本実施形態では、内部抵抗が大きくなるほど大きくなるように、すなわち理論空燃比ゼロ電圧から離れるようにセンサ印加電圧が制御される。具体的には、内部抵抗が変化しても、電流ゼロ時の排気空燃比が変化しないようにセンサ印加電圧が制御される。なお、図１３に示した例でも、内部抵抗とセンサ印加電圧とは比例しているが、必ずしも比例している必要は無く、内部抵抗が変化しても電流ゼロ時の排気空燃比が変化しないような関係であれば内部抵抗に対するセンサ印加電圧の関係は如何なる関係であってもよい。
【００７８】
次に、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗の推定方法について説明する。
【００７９】
まずは、空燃比センサ４０、４１の劣化に伴う内部抵抗の変化の推定方法について説明する。上述したように、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗は、その劣化度合いに応じて変化し、劣化度合いが大きいほど内部抵抗が大きくなる。このように、空燃比センサ４０、４１の内部抵抗が大きくなると、これに伴って空燃比センサ４０、４１の素子のインピーダンスが大きくなる。
【００８０】
一方、上述したように、空燃比センサ４０、４１では素子の温度を一定に維持すべく、素子のインピーダンスが目標値になるようにヒータ５９による加熱量が制御される。このため、劣化が生じていない空燃比センサと劣化が生じている空燃比センサとでは、維持される素子温度が異なったものとなる。
【００８１】
図１４は、空燃比センサ４０、４１の素子のインピーダンスと素子の温度との関係を示す図である。図中の実線は、空燃比センサ４０、４１に劣化が生じている場合、破線は劣化が生じていない場合をそれぞれ示している。図１４から、インピーダンスと素子の温度とは、素子の温度が上昇するほどインピーダンスが低くなることがわかる。加えて、図１４からもわかるように、空燃比センサ４０、４１に劣化が生じている場合には、劣化が生じてない場合に比べて、素子の温度が同じであってもインピーダンスが大きくなる。その結果、素子のインピーダンスが目標値になるようにヒータ５９による加熱量を制御すると、劣化が生じている場合の素子の温度（温度Ｔ1）が、劣化が生じてない場合の素子の温度（Ｔ2）よりも高く制御されることになる。
【００８２】
したがって、例えば、内燃機関がアイドリング中である場合など、機関本体１から排出される排気ガスの温度が一定の温度である条件下では、空燃比センサ４０、４１の劣化度合いに応じてヒータ５９への供給電力が変化する。具体的には、空燃比センサ４０、４１の劣化度合いほど、素子の温度が高く維持されるようになるため、ヒータ５９への供給電力が大きくなる。
【００８３】
そこで、本実施形態では、機関本体１から排出される排気ガスの温度（すなわち、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの温度）が予め定められた一定温度近傍である条件下において、ヒータ５９へ供給された電力量に基づいて内部抵抗が推定される。図１５は、ヒータ５９へ供給される電力量と、内部抵抗との関係を示す図である。図１５に示したように、本実施形態では、ヒータ５９へ供給される電力量が多くなるほど、空燃比センサ４０、４１の内部抵抗が高いと推定される。このようにして推定された内部抵抗を用いて、図１２及び図１３に示したような関係に基づいてセンサ印加電圧が設定される。
【００８４】
次に、空燃比センサ４０、４１が目標温度よりも高温になることに伴う内部抵抗の変化の推定方法について説明する。図１４の劣化の生じていない場合を例にとって説明すると、素子の温度が高くなると、素子のインピーダンスが目標値よりも低い値になる。したがって、空燃比センサ４０、４１の内部抵抗も低くなる。この場合には、素子の温度が高くなって内部抵抗が低くなるほどインピーダンスが低くなることから、インピーダンスに基づいて内部抵抗を推定することができる。したがって、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１のインピーダンスが目標値とは異なる値になったときには、インピーダンスに基づいて内部抵抗が推定される。このようにして推定された内部抵抗を用いて、図１２及び図１３に示したような関係に基づいてセンサ印加電圧が設定される。
【００８５】
なお、本実施形態では、ヒータ５９へ供給される電力量や空燃比センサ４０、４１のインピーダンスに基づいて内部抵抗を算出し、算出された内部抵抗に基づいてセンサ印加電圧を設定するようにしている。しかしながら、ヒータ５９へ供給される電力量や空燃比センサ４０、４１のインピーダンスに基づいて、内部抵抗を算出せずに、センサ印加電圧を直接設定するようにしてもよい。
【００８６】
図１６及び図１７は、空燃比センサ４０、４１のインピーダンスとセンサ印加電圧との関係を示す図である。図１６に示したように、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧よりも低い場合、インピーダンスが高くなるほど、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧から離れるように低い電圧に設定される。したがって、素子の内部抵抗が増大したときに、理論空燃比ゼロ電圧から離れるようにセンサ印加電圧が制御されることになる。一方、図１７に示したように、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧よりも高い場合、インピーダンスが高くなるほど、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧から離れるように高い電圧に設定される。したがって、素子の内部抵抗が増大したときに、理論空燃比ゼロ電圧から離れるようにセンサ印加電圧が制御されることになる。
【００８７】
≪フローチャート≫
図１８は、空燃比センサ４０、４１における電圧設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定の時間間隔毎に設定される。
【００８８】
まず、ステップＳ１１において、空燃比センサ４０、４１による空燃比の検出条件が成立しているか否かが判定される。空燃比の検出条件は、例えば、空燃比センサ４０、４１の温度がその活性温度以上であって、機関本体１及び排気浄化触媒２０、２４の暖機が完了しているときに成立する。検出条件が成立していないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８９】
一方、ステップＳ１１において、検出条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、検出されたインピーダンスＩＰが所定の範囲（例えば、上述した目標値近傍の範囲）内であるか判定される。インピーダンスが所定の範囲内であると判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。
【００９０】
ステップＳ１３では、内部抵抗の算出条件が成立しているか否かが判定される。内部抵抗の算出条件は、例えば、内燃機関がアイドリング中である場合に成立する。すなわち、内部抵抗の算出条件は、機関本体１から排出される排気ガスの温度が予め定められた一定の温度になるような運転状態にあるときに成立する。ステップＳ１３において、内部抵抗の算出条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ１７へと進む。一方、ステップＳ１３において、内部抵抗の算出条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１４へと進む。
【００９１】
ステップＳ１４では、ヒータ５９へ供給される電力量が検出される。ヒータ５９へ供給される電力量は、例えば、電圧計（図示せず）によってヒータ５９間の電圧を検出し且つ電流計（図示せず）によってヒータ５９に供給される電流を検出すると共に、これら検出された電圧及び電流に基づいて算出される。次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１４で検出された電力量と、図１５に示したような電力量と内部抵抗とのマップを用いて、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗が推定される。
【００９２】
ステップＳ１２において、検出されたインピーダンスＩＰが所定の範囲内に無いと判定された場合には、ステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、インピーダンスに基づいて空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗が推定される。
【００９３】
ステップＳ１７では、ステップＳ１５又はステップＳ１６で推定された内部抵抗に基づいて、図１２又は図１３に示したようなマップを用いて、センサ印加電圧が設定される。また、今回の制御ルーチンでは内部抵抗が推定されなかった場合には、以前の制御ルーチンで推定された内部抵抗に基づいてセンサ印加電圧が設定される。
【００９４】
≪空燃比制御の概要≫
次に、このように構成された空燃比検出システムを用いた空燃比制御について、図１９を参照して簡単に説明する。本実施形態の空燃比制御では、上流側空燃比センサ４０の出力電流に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力電流が目標空燃比に相当の電流となるように燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。
【００９５】
本実施形態では、上流側空燃比センサ４０のセンサ印加電圧は、理論空燃比ゼロ電圧（０．４５Ｖ）に設定される。一方、下流側空燃比センサ４１のセンサ印加電圧は、理論空燃比ゼロ電圧よりも低い電圧に設定され、例えば下流側空燃比センサ４１周りの排気ガスの空燃比が僅かにリッチな空燃比（例えば、１４．５５）になったときに出力電流がゼロになるような電圧（例えば、０．７０Ｖ）に設定される。
【００９６】
本実施形態の空燃比制御では、下流側空燃比センサ４１の出力電流がゼロ以下になったとなったとき（すなわち、リッチ空燃比が検出されたとき）に、目標空燃比がリーン設定空燃比（例えば、１４．６５〜１６程度）に設定される。
【００９７】
また、本実施形態の空燃比制御では、目標空燃比がリーン設定空燃比に変更されると、排気ガスの酸素過不足量が積算される。酸素過不足量は、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にしようとしたときに過剰となる酸素の量又は不足する酸素の量（過剰な未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「未燃ガス」という）の量）を意味する。目標空燃比がリーン設定空燃比となっているときには、酸素過不足量の積算値（以下、「積算酸素過不足量」という）は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値であるといえる。なお、酸素過不足量の算出は、上流側空燃比センサ４０の出力電流、及びエアフロメータ３９の出力等に基づいて算出される燃焼室５内への吸入空気量の推定値又は燃料噴射弁１１からの燃料供給量等に基づいて行われる。
【００９８】
このようにして算出された酸素過不足量を積算した積算酸素過不足量が、予め定められた切替基準値（予め定められた切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当）以上になると、それまでリーン設定空燃比だった目標空燃比が、リッチ設定空燃比（例えば、例えば、１４〜１４．５０程度）に設定される。
【００９９】
その後、下流側空燃比センサ４１の出力電流が再びゼロ以下となったときに、目標空燃比が再びリーン設定空燃比とされ、その後、同様な操作が繰り返される。このように本実施形態では、機関本体１から排出される排気ガスの目標空燃比がリーン設定空燃比とリッチ設定空燃比とに交互に繰り返し設定される。特に、本実施形態では、上流側触媒２０からリーン空燃比の排気ガスが流出する前に目標空燃比がリーン設定空燃比からリッチ設定空燃比に切り替えられる。したがって、上流側触媒２０からＮＯｘを含んだリーン空燃比の排気ガスが流出することが抑制される。加えて、本実施形態では、理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比が下流側空燃比センサ４１によって正確に検出される。したがって、上流側触媒２０からリッチ空燃比の排気ガスが流出した直後に目標空燃比をリッチ設定空燃比からリーン設定空燃比に切り替えることができる。このため、上流側触媒２０から未燃ＨＣ等を含んだリッチ空燃比の排気ガスが流出することを最小限に抑えることができる。
【０１００】
≪タイムチャートを用いた空燃比制御の説明≫
図１９を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図１９は、本実施形態に係る空燃比制御を行った場合における、目標空燃比ＡＦＴ、上流側空燃比センサ４０の出力電流Ｉｒｕｐ、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡ、上流側触媒２０の積算酸素過不足量ΣＯＥＤ、及び下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎのタイムチャートである。
【０１０１】
図示した例では、時刻ｔ1以前の状態では、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに設定されている。上流側触媒２０に流入する排気ガス中に含まれている未燃ガス等は、上流側触媒２０に吸蔵されている酸素と反応して上流側触媒２０で浄化され、これに伴って、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。
【０１０２】
上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡが徐々に減少してゼロに近づくと、上流側触媒２０に流入した未燃ガス等の一部は上流側触媒２０で浄化されずに流出し始める。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎが徐々に低下する。時刻ｔ1において出力電流Ｉｒｄｗｎがゼロに到達すると、本実施形態では、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡを増大させるべく、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。また、このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは０にリセットされる。
【０１０３】
時刻ｔ1において、目標空燃比がリーン空燃比に切り替えられると、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリッチ空燃比からリーン空燃比に変化する。この結果、時刻ｔ1以降、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは増大する。同様に、積算酸素過不足量ΣＯＥＤも徐々に増大していく。このとき、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比となっているが、上流側触媒２０の酸素吸蔵能力には十分な余裕があるため、流入する排気ガス中の酸素は上流側触媒２０に吸蔵され、ＮＯｘは還元浄化される。
【０１０４】
その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは、増大し、やがて時刻ｔ2において切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このとき、積算酸素過不足量ΣＯＥＤは、切替基準吸蔵量Ｃｒｅｆに相当する切替基準値ＯＥＤｒｅｆに到達する。本実施形態では、積算酸素過不足量ΣＯＥＤが切替基準値ＯＥＤｒｅｆ以上になると、上流側触媒２０への酸素の吸蔵を中止すべく、目標空燃比ＡＦＴがリッチ設定空燃比ＡＦＴｒｉｃｈに切り替えられる。
【０１０５】
時刻ｔ2において目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えると、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリーン空燃比からリッチ空燃比に変化する。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量ＯＳＡは徐々に減少していく。
【０１０６】
その後、時刻ｔ3において、時刻ｔ1と同様に、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉｒｄｗｎがゼロに到達する。これにより、目標空燃比ＡＦＴがリーン設定空燃比ＡＦＴｌｅａｎに切り替えられる。その後、上述した時刻ｔ1〜ｔ3のサイクルが繰り返される。
【０１０７】
≪作用・効果≫
上述したように、電流ゼロ時の排気空燃比は、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗に応じて変化する。これに対して本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗に応じてセンサ印加電圧が制御される。したがって、空燃比センサ４０、４１の素子の内部抵抗が変化しても、空燃比センサ４０、４１の出力電流がゼロになる排気空燃比を一定に維持することができる。この結果、上述したような空燃比制御を行うような場合において、下流側空燃比センサ４１によってリッチ空燃比のガスを適切に検出することができ、よって空燃比の制御をより高い精度で行うことができる。
【０１０８】
＜第二実施形態＞
次に、図２０及び図２１を参照して、第二実施形態に係る空燃比検出システムについて説明する。第二実施形態に係る空燃比検出システムの構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る空燃比検出システムと同様である。したがって、以下では、第一実施形態に係る空燃比検出システムと異なる部分を中心に説明する。
【０１０９】
ところで、上述したように、限界電流領域よりもセンサ印加電圧が高い領域では、排気側電極５２上で排気ガス中に含まれる水分の分解が発生し、これに伴って電流が流れる。このような現象は、限界電流領域の一部（例えば、センサ印加電圧が０．４５Ｖ〜０．７０Ｖの領域）においても僅かながら生じ、限界電流領域と水分解領域との間の遷移領域（例えば、センサ印加電圧が０．７０Ｖ〜０．８０Ｖの領域）においても生じていると考えられる。したがって、これらの領域では、空燃比センサ４０、４１周りを流れる排気ガス中の水分子の濃度によって、空燃比センサ４０、４１における電圧と電流との関係が変化する。この様子を図２０に示す。
【０１１０】
図２０は、排気空燃比が理論空燃比であるときの、出力電流Ｉｒがゼロ近傍となる領域近傍におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す、図１０と同様な図である。図１０の実線Ａは、水分子濃度が基準濃度である排気ガスが流通しているときの出力特性を示している。
【０１１１】
一方、図２０の破線Ｂは、水分子濃度が基準濃度未満である排気ガスが流通しているときの出力特性を示している。図２０からわかるように、破線Ｂにおける出力電流は、センサ印加電圧が０．４５Ｖ近傍であるときには実線Ａの出力電流とほぼ変わらない。これに対して、センサ印加電圧が０．４５Ｖから或る程度離れた値（例えば、０．７０Ｖ）であるときには、破線Ｂにおける出力電流は実線Ａにおける出力電流に対してその絶対値が小さい値となる。
【０１１２】
また、図２０の一点鎖線Ｃは、水分子濃度が基準濃度よりも高い排気ガスが流通しているときの出力特性を示している。図２０からわかるように、センサ印加電圧が０．４５Ｖから或る程度離れた値（例えば、０．７０Ｖ）であるときには、一点鎖線Ｃにおける出力電流は実線Ａにおける出力電流に対してその絶対値が大きい値となる。
【０１１３】
そこで、本実施形態に係る空燃比検出システムでは、空燃比センサ４０、４１周りを流れる排気ガス中の水分の濃度に応じて、センサ印加電圧が変更される。具体的には、センサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧よりも高い場合には、排気ガス中の水分の濃度が高くなるほど、センサ印加電圧が小さくなるようにセンサ印加電圧が制御される。
【０１１４】
図２１は、理論空燃比よりもリッチ側の所定の空燃比を正確に検出すべくセンサ印加電圧が理論空燃比ゼロ電圧よりも高い場合における、水分子濃度に対するセンサ印加電圧の関係を示す図である。図２１からわかるように、本実施形態では、排気ガス中の水分の濃度が高くなるほど理論空燃比ゼロ電圧に向かって小さくなるように、すなわち理論空燃比ゼロ電圧に近づくようにセンサ印加電圧が制御される。具体的には、水分子濃度が変化しても、電流ゼロ時の排気空燃比が変化しないようにセンサ印加電圧が制御される。
【０１１５】
ここで、水分子濃度は、燃焼室５内において燃焼する混合気の空燃比に応じて変化する。混合気の空燃比がリーン空燃比であるときには、空燃比が低下するほど排気ガス中の水分子の濃度が高くなる。したがって、排気ガス中の水分子の濃度は、例えば、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比に基づいて推定される。
【０１１６】
また、上記第一実施形態において説明したように、電流ゼロ時の排気空燃比を一定に保つためには、センサ印加電圧を、水分子濃度のみならず、内部抵抗に応じても調整することも必要になる。そこで、下記式（２）によって、水分子の濃度が補正されてもよい。
Ｃｗｃｒ＝Ｃｗｄ×Ｒｉｉｎ／Ｒｉｃｒ      …（２）
式（２）において、Ｃｗｃｒは水分子濃度の補正値、Ｃｗｄは空燃比等に基づいて推定された水分子濃度、Ｒｉｉｎは初期（劣化の無い状態）における内部抵抗、Ｒｉｃｒは現在の内部抵抗をそれぞれ示している。このようにして算出された水分子濃度の補正値に基づいて、図２１に示したようなマップを用いてセンサ印加電圧が設定される。
【０１１７】
本実施形態によれば、水分子濃度に応じてセンサ印加電圧が制御される。したがって、水分子濃度が変化しても、空燃比センサ４０、４１の出力電流がゼロになる排気空燃比を一定に維持することができる。加えて、上記式（２）を用いて算出された水分子濃度の補正値を用いることにより、水分子濃度のみならず、内部抵抗も考慮してセンサ印加電圧が設定される。したがって、水分子濃度が変化しても、電流ゼロ時の排気空燃比をより正確に一定値に維持することができるようになる。
【０１１８】
以上、本開示に係る好適な実施形態を説明したが、本開示はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１    機関本体
１１    燃料噴射弁
２０    上流側触媒
２４    下流側触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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