(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子温度の上昇につれて素子の抵抗値が増加または減少する空燃比センサと、
冷間始動時であるかどうかを判定する手段と、
この判定結果より冷間始動時であればそのときのセンサ出力を低温時出力としてサンプリングする手段と、
この低温時出力に基づいて活性判定レベルを設定する手段と、
センサ出力とこの活性判定レベルとの比較により空燃比センサが活性したかどうかを判定する手段と
を設けたことを特徴とする空燃比センサの活性判定装置。
【請求項２】
前記活性判定レベルが下限基準値である場合に前記センサ出力がこの下限基準値以下となったとき空燃比センサが活性状態になったと判定することを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項３】
前記活性判定レベルが上限基準値である場合に前記センサ出力がこの上限基準値以上となったとき空燃比センサが活性状態になったと判定することを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項４】
前記低温時出力が基準電圧より大きいとき前記下限基準値を基準センサに対する下限基準値よりも大きな値に設定することを特徴とする請求項２に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項５】
前記低温時出力が基準電圧より小さいとき前記下限基準値を基準センサに対する下限基準値よりも小さな値に設定することを特徴とする請求項２に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項６】
前記低温時出力が基準電圧より大きいとき前記上限基準値を基準センサに対する上限基準値よりも大きな値に設定することを特徴とする請求項３に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項７】
前記低温時出力が基準電圧より小さいとき前記上限基準値を基準センサに対する上限基準値よりも小さな値に設定することを特徴とする請求項３に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項８】
前記活性判定レベル設定手段は、前記低温時出力の基準電圧からのずれ量を活性判定レベルの更新量として演算する手段と、この更新量で活性判定レベルの基準値をシフトさせた値を活性判定レベルとして演算する手段とからなることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項９】
前記空燃比センサの素子温を検出する手段を備え、この素子温が所定値以下の場合に冷間始動時であると判定することを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項１０】
エンジン水温を検出する手段を備え、このエンジン水温の前回のエンジン停止時の値と今回始動時の値との差が所定値以上の場合に冷間始動時であると判定することを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの活性判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は空燃比センサの活性判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気通路に三元触媒を備えるガソリンエンジンでは、冷間始動後できるだけ早く空燃比フィードバック制御に入ったほうが排気浄化性能がよくなるので、空燃比センサをヒータ加熱などで活性化させ、触媒は活性化途中であっても空燃比センサが活性化したタイミングで空燃比フィードバック制御に入るようにしている（特開平１０−７３５６４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、空燃比センサのセンサ出力（以下単に「センサ出力」という）はセンサ素子の抵抗値を流れる電流値を計測することによって得ており、冷間始動時にはセンサ素子温度の上昇とともにセンサ素子の抵抗値が漸増（増加）または漸減（減少）するので、空燃比センサが活性状態となったかどうかの判定に際してはセンサ出力と活性判定レベルの上限基準値（リーン側基準値）、下限基準値（リッチ側基準値）を比較し、センサ出力が上限基準値以上となるかまたは下限基準値以下となったタイミングで空燃比センサが活性状態となったと判定している。
【０００４】
しかしながら、従来装置のように活性判定レベルが一定値である場合、センサ素子抵抗を含んだ電流検出回路のアースが十分に接地されない状態（こうした現象を以下「アース浮き」という）が生じると、このときのセンサ出力はアース浮きが生じていない場合より高い側にシフトするため活性判定のタイミングが遅れたり、この逆に早まったりしてしまう。
【０００５】
これをさらに説明すると、図５において基準センサ（アース浮きがないだけでなく、後述する製造バラツキや経時劣化の生じてない空燃比センサのこと）の場合のセンサ出力の波形を実線で、またアース浮きがある場合のセンサ出力の波形を一点鎖線でモデル的に示す。まずアース浮きがない場合、冷間始動時にヒータ通電が開始されると、センサ出力は基準電圧をしばらく保ったあとに漸減（減少）してゆく。そして、センサ出力が下限基準値に達したｔ２のタイミングで空燃比センサが活性状態となったと判定される。これに対してアース浮きがある場合にはセンサ出力が基準電圧より高いところから始まるためセンサ出力が下限基準値に達するタイミングがｔ３となり、アース浮きがない場合より活性判定のタイミングが遅れる。なお、図５にはヒータ加熱とともにセンサ出力が漸減してゆくセンサの場合で説明したが、ヒータ加熱とともにセンサ出力が漸増（増加）してゆくセンサを用いることもある。このときには上記と反対にアース浮きがある場合、アース浮きがない場合よりも上限基準値に達するタイミング（活性判定のタイミング）が早過ぎてしまう。
【０００６】
このように、活性判定のタイミングが遅れてしまったのではそれだけ排気浄化性能が悪くなり、またタイミングが早くなりすぎたのではセンサ出力に信頼性がないまま空燃比フィードバック制御を開始してしまうことになる。
【０００７】
ここまでセンサ出力が基準電圧よりはずれる場合の一つとしてアース浮きがある場合で述べてきたが、冷間始動時における基準電圧からのずれはセンサ出力に製造バラツキがある場合にも生じるし、またセンサ出力の経時劣化によっても生じ、この場合、冷間時のセンサ出力は基準電圧に対し高い側または低い側にずれる。
【０００８】
そこで本発明は、冷間始動時のセンサ出力を低温時出力としてサンプリングし、この低温時出力に基づいて活性判定レベルを設定することにより、冷間始動時における基準電圧からのずれがセンサ出力に生じている場合にも、基準センサの場合とほぼ変わらないタイミングで活性判定できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図７に示すように、素子温度の上昇につれて素子の抵抗値が増加または減少する空燃比センサ２１と、冷間始動時であるかどうかを判定する手段２２と、この判定結果より冷間始動時であればそのときのセンサ出力を低温時出力としてサンプリングする手段２３と、この低温時出力に基づいて活性判定レベルを設定する手段２４と、センサ出力とこの活性判定レベルとの比較により空燃比センサ１６が活性したかどうかを判定する手段２５とを設けた。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において前記活性判定レベルが下限基準値である場合に前記センサ出力がこの下限基準値以下となったとき空燃比センサが活性状態になったと判定する。
【００１１】
第３の発明では、第１の発明において前記活性判定レベルが上限基準値である場合に前記センサ出力がこの上限基準値以上となったとき空燃比センサが活性状態になったと判定する。
【００１２】
第４の発明では、第２の発明において前記低温時出力が基準電圧より大きいとき前記下限基準値を基準センサに対する下限基準値よりも大きな値に設定する。
【００１３】
第５の発明では、第２の発明において前記低温時出力が基準電圧より小さいとき前記下限基準値を基準センサに対する下限基準値よりも小さな値に設定する。
【００１４】
第６の発明では、第３の発明において前記低温時出力が基準電圧より大きいとき前記上限基準値を基準センサに対する上限基準値よりも大きな値に設定する。
【００１５】
第７の発明では、第３の発明において前記低温時出力が基準電圧より小さいとき前記上限基準値を基準センサに対する上限基準値よりも小さな値に設定する。
【００１６】
第８の発明では、第１の発明において前記活性判定レベル設定手段２４が、前記低温時出力の基準電圧からのずれ量を活性判定レベルの更新量として演算する手段と、この更新量で活性判定レベルの基準値をシフトさせた値を活性判定レベルとして演算する手段とからなる。
【００１７】
第９の発明では、第１の発明において前記空燃比センサの素子温を検出する手段を備え、この素子温が所定値以下の場合に冷間始動時であると判定する。
【００１８】
第１０の発明では、第１の発明においてエンジン水温を検出する手段を備え、このエンジン水温の前回のエンジン停止時の値と今回始動時の値との差が所定値以上の場合に冷間始動時であると判定する。
【００１９】
【発明の効果】
第１、第２、第３の発明では、低温時出力に基づいて活性判定レベルが設定されるので、センサ出力にアース浮きのほか製造バラツキがあったり経時劣化が生じることがあっても、基準センサの場合とほぼ変わらないタイミングで活性判定を行わせることができる。
【００２０】
たとえばセンサ出力が下限基準値以下となったときセンサが活性状態になったと判定する場合に、低温時出力が基準電圧より大きいときにも下限基準値が一定であるのでは活性判定タイミングが遅れてしまうが、第４の発明によれば下限基準値を大きくすることで活性判定タイミングが早められる。同じ場合に、低温時出力が基準電圧より小さいときにも下限基準値が一定であるのでは活性判定タイミングが早くなり過ぎるのであるが、第５の発明によれば下限基準値を小さくすることで活性判定タイミングが遅められる。
【００２１】
同様にしてセンサ出力が上限基準値以上となったときセンサが活性状態になったと判定する場合に、低温時出力が基準電圧より大きいときにも上限基準値が一定であるのでは活性判定タイミングが早すぎてしまうが、第６の発明によれば上限基準値を大きくすることで活性判定タイミングが遅められる。同じ場合に、低温時出力が基準電圧より小さいときにも上限基準値が一定であるのでは活性判定タイミングが遅くなり過ぎるのであるが、第７の発明によれば上限基準値を小さくすることで活性判定タイミングが早められる。
【００２２】
このように、第４から第７までの発明によれば、低温時出力に基づいて下限基準値や上限基準値といった活性判定レベルを動かすようにしたので、活性判定タイミングが大きく遅れたり早すぎることがない。
【００２３】
第８の発明によれば、低温時出力の基準電圧からのずれ量に応じて活性判定レベルの基準値からのシフト量が変化するので、そのぶん活性判定レベルの演算精度がよくなる。
【００２４】
第９の発明によれば、冷間始動時を精度よく判定できる。
【００２５】
第１０の発明によれば、素子温を検出する手段を備えることなく冷間始動時を判定できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１において、１はエンジン本体で、燃焼室内に直接臨んで（あるいは吸気ポートに位置して）燃料噴射弁４が設けられ、コントロールユニット（図ではＥＣＵで略記）１１からの噴射信号により運転条件に応じて所定の空燃比となるように、吸気中に燃料を噴射供給する。２は吸気通路、３はアクセルセンサ１４からのアクセル開度信号に基づいてコントロールユニット１１により駆動されるスロットル装置、５は点火プラグである。
【００２７】
コントロールユニット１１にはクランク角センサ１２からのＲｅｆ信号（基準位置信号）とＰｏｓ信号（１°信号）、エアフローメータ１３からの吸入空気量信号、水温センサ１５からのエンジン冷却水温信号等が入力され、これらに基づいて基本噴射パルス幅Ｔｐを算出するとともに、排気通路６の三元触媒７の上流側に設置した空燃比センサ１６からの空燃比（酸素濃度）信号に基づいて空燃比のフィードバック制御を行う。なお、ここでの空燃比センサ１６は、リーン領域からリッチ領域まで連続的に出力が変化する、いわゆる広域空燃比センサである。ただし、このセンサに限定されるものでなく、特定の酸素濃度（特に理論空燃比雰囲気）で出力がステップ状に変化する、いわゆるＯ２センサでもかまわない。
【００２８】
ここで、空燃比フィードバック制御は排気空燃比が理論空燃比を中心として周期的に振れるようにする制御であり、このとき排気通路６に設けた三元触媒７が最大の転換効率をもって排気中のＮＯｘの還元とＨＣ、ＣＯの酸化を行う。
【００２９】
さて、冷間始動後にはできるだけ早く空燃比フィードバック制御に入ったほうが排気浄化性能がよくなるので、空燃比センサ１６をヒータ加熱で活性化させ、触媒７は活性化途中であっても空燃比センサ１６が活性化したタイミングで空燃比フィードバック制御に入らせる。この場合、空燃比センサ１６にはその素子温を検出するセンサ１７を設けており、この素子温センサ１７により検出される素子温に基づいて冷間始動時であるかどうかを判定し、この判定結果より冷間始動時であればそのときのセンサ出力を低温時出力としてサンプリングし、その低温時出力の基準電圧からのずれ量を活性判定レベルの更新量として演算し、この更新量で活性判定ベルの基準値をシフトさせた値を活性判定レベルとして演算し、センサ出力とこのようにして演算した活性判定レベルとの比較により空燃比センサ１６が活性したかどうかを判定する。
【００３０】
コントロールユニット１１で実行されるこの制御の内容を、以下のフローチャートにしたがって説明する。
【００３１】
図２のフローチャートは活性判定レベルの更新量を演算するためのもので、一定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。
【００３２】
ステップ１では更新量演算済フラグをみる。イグニッションスイッチ１８（図１参照）をＯＦＦからＯＮにしたタイミングでコントロールユニット内のＣＰＵにより各種データの初期化が開始され、このとき更新量演算済フラグの値はゼロにリセットされるので、このデータ初期化の後に図２のフローが実行されるときには更新量演算済フラグ＝０になっている。このため、ステップ２に進んで素子温センサ１７からの素子温を読み込み、この素子温と所定値をステップ３において比較する。
【００３３】
ここで、所定値にはホットリスタート時でないと達し得ない素子温を予め設定している。したがって、素子温が所定値を超えているときにはホットリスタート時であると判断し、ステップ８、９に進んで活性判定フラグ＝１かつ活性判定済フラグ＝１としたあと今回の処理を終了する。
【００３４】
エンジン冷間状態で空燃比センサ１６に対してヒータ通電を行った当初はセンサ素子温が所定値以下の状態にあるので、ステップ３よりステップ４に進み、そのときのセンサ出力（つまり低温時出力）をサンプル値に移し、ステップ５において基準電圧からこのサンプル値を差し引いた値を更新量として計算する。
【００３５】
ここで、基準電圧は基準センサ（アース浮きのほか製造バラツキおよび経時劣化のいずれもない空燃比センサ）のヒータ非通電状態での低温時出力で、予め定まる値である。したがって、アース浮きのある場合にはサンプル値のほうが基準電圧より大きくなるため更新量は正の値となる。製造バラツキのある場合はセンサ毎に更新量が正の値になったり負の値になったりする。経時劣化により仮にセンサ出力が大きくなる側にずれるとすれば、こうした経時劣化の生じたセンサでは更新量が正の値になる。
【００３６】
このようにして演算した更新量は空燃比センサの活性判定（図３のフローチャートで後述）で用いるためメモリ（ＲＡＭ）に保存する。また、更新量の演算を一回限りで終了させるためステップ７で更新量演算済フラグ＝１とする。このフラグの１へのセットにより次回からはステップ２以降に進むことができない。
【００３７】
図３のフローチャートは空燃比センサが活性状態となったかどうかを判定するためのもので、一定時間毎（たとえば１０ｍｓ毎）に実行する。
【００３８】
ステップ１１では活性判定済フラグをみる。このフラグもイグニッションスイッチをＯＦＦからＯＮにしたタイミングでのＣＰＵによるデータ初期化によりゼロの状態にあるためステップ１２に進み、更新量演算済フラグをみる。更新量演算済フラグ＝０であるときには更新量が演算されていないので、そのまま今回の処理を終了する。
【００３９】
更新量演算済フラグ＝１になるとステップ１３に進み、そのときのセンサ出力とメモリに格納されている更新量を読み込む。このうち更新量を用いステップ１４、１５において、
【００４０】
【数１】
上限判定値＝上限基準値＋更新量、
下限判定値＝下限基準値＋更新量、
の式により２つの活性判定レベル（上限判定値と下限判定値）を演算する。
【００４１】
ここで、数１式の上限基準値、下限基準値は基準センサに対してリッチ側、リーン側の活性判定タイミングを決めているもので、予め与えられる値である。
【００４２】
このようにして演算した活性判定レベルとセンサ出力とをステップ１６で比較する。センサ出力が上限判定値以上になったかまたはセンサ出力が下限判定値以下になったとき空燃比センサが活性状態になったと判断し、ステップ１７に進んで活性判定フラグ＝１とする。また、活性判定を一回で終了するためステップ１８で活性判定済フラグ＝１とする。この活性判定済フラグの１へのセットにより次回以降ステップ１２に進むことができない。
【００４３】
図４のフローチャートは空燃比フィードバック補正係数αを演算するためのもので、Ｒｅｆ信号（４気筒エンジンではクランク角で１８０度毎の信号、６気筒エンジンではクランク角で１２０度毎の信号）の入力毎に実行する。
【００４４】
ステップ２１では活性判定フラグをみる。このフラグもイグニッションスイッチをＯＦＦからＯＮにしたタイミングでのデータ初期化によりゼロの状態にあるので、始動当初はステップ２２に進み空燃比フィードバック補正係数αをクランプする（α＝１．０）。
【００４５】
活性判定フラグ＝１となればステップ２３に進み、他の空燃比フィードバック条件が成立しているかどうかみる。空燃比センサが活性状態にあることも空燃比フィードバック条件の一つであるため、これ以外の条件をここでは「他の空燃比フィードバック条件」として区別している。この「他の空燃比フィードバック条件」にはたとえば空燃比センサが故障していないことなどがある。他のフィードバック条件のいずれかが成立していないときはステップ２２に進んで空燃比フィードバック補正係数αをクランプし、他の空燃比フィードバック条件もすべて成立したときステップ２４、２５に進み、センサ出力に基づいて空燃比フィードバック補正係数αを演算する。
【００４６】
ここで、冷間始動時の本実施形態の作用を図５を参照して説明する。
【００４７】
まず基準センサの場合には更新量がゼロであることから、上限判定値は上限基準値に、また下限判定値も下限基準値に等しく、したがって基準センサの場合のセンサ出力が下限判定値（＝下限基準値）に達するタイミングは従来と変わらずｔ２である。
【００４８】
これに対して、アース浮きがある場合にセンサ出力が基準電圧より高い位置から始まる。始動直後のｔ１のタイミングで図２のフローが実行されたとすれば、ｔ１のタイミングでのセンサ出力が低温時出力Ａとしてサンプリングされ、このＡの値と基準電圧との差が更新量として算出される。そして、この更新量を用いて活性判定レベルが演算されると、上限判定値は上限基準値より更新量の分だけ高く、また下限判定値も下限基準値より更新量の分だけ高くなる（破線参照）。このため、アース浮きがある場合のセンサ出力が下限判定値に達するタイミングがｔ３からｔ２′へと早まり、基準センサの場合の活性タイミングであるｔ２とほぼ同様のタイミングとなる。
【００４９】
このように、本実施形態によれば、素子温に基づいて冷間始動時であることを判定したときのセンサ出力を低温時出力としてサンプリングし、この低温時出力に基づいて活性判定レベルを設定し、この活性判定レベルとセンサ出力との比較により空燃比センサが活性状態となったかどうかを判定するようにしたので、センサ出力にアース浮きのほか製造バラツキがあったり経時劣化が生じることがあっても、基準センサの場合とほぼ変わらないタイミングで活性判定を行わせることができる。
【００５０】
また、活性判定レベルを設定するに際しては、低温時出力の基準電圧からのズレ量を更新量として演算し、この更新量で活性判定レベルの基準値を上下方向にずらせた値を活性判定レベルとして演算するようにしたので、低温時出力の基準電圧からのずれ量に応じて活性判定レベルの基準値からのシフト量が変化し、そのぶん活性判定レベルの演算精度がよくなる。
【００５１】
図６のフローチャートは第２実施形態で、第１実施形態の図２と置き換わるものである。図２と同一部分には同一のステップ番号をつけている。
【００５２】
第２実施形態は素子温センサ１７を設けることなく冷間始動時かどうかを判定するようにしたものである。すなわち、ステップ３１でスタータスイッチのＯＮからＯＦＦへの切換タイミング（始動）からの経過時間と所定値を比較し、所定値未満であれば始動直後にあると判断してステップ３２に進み、前回のエンジン停止時水温ＴＷＳＴＰ（不揮発性メモリに記憶させている）から今回始動時水温ＴＷＳＴを差し引いた値を温度差ΔＴＷとして計算し、この温度差ΔＴＷと所定値を比較する。ホットリスタート時であれば、前回エンジン停止時水温ＴＷＳＴＰと今回始動時水温ＴＷＳＴとのあいだにほとんど差がないので、ΔＴＷが所定値未満であればホットリスタート時であると判断してステップ８、９の処理に進み、これに対してΔＴＷが所定値以上であるとき（つまり冷間始動時）だけステップ４以降に進んで活性判定レベルの更新量を計算する。
【００５３】
このように第２実施形態では既存の水温センサ１５を用いることで冷間始動時であるかどうかを判定できるため素子温センサを設けることが必要でなく、コスト的に安価である。
【００５４】
実施形態では、活性判定レベル設定手段が、低温時出力の基準電圧からのずれ量を活性判定レベルの更新量として演算する手段と、この更新量で活性判定ベルの基準値をシフトさせた値を活性判定レベルとして演算する手段とからなる場合で説明したが、これに限られるものでない。たとえば、次のように活性判定レベル設定してもかまわない。
【００５５】
〈１〉活性判定レベルが下限基準値である場合にセンサ出力がこの下限基準値以下となったときセンサが活性状態になったと判定する場合：
▲１▼低温時出力が基準電圧より大きいとき下限基準値を基準センサに対する下限基準値よりも大きな値に設定する（第３実施形態）。▲２▼低温時出力が基準電圧より小さいとき下限基準値を基準センサに対する下限基準値よりも小さな値に設定する（第４実施形態）。
【００５６】
〈２〉活性判定レベルが上限基準値である場合にセンサ出力がこの上限基準値以上となったときセンサが活性状態になったと判定する場合：
▲１▼低温時出力が基準電圧より大きいとき上限基準値を基準センサに対する上限基準値よりも大きな値に設定する（第５実施形態）。▲２▼低温時出力が基準電圧より小さいとき上限基準値を基準センサに対する上限基準値よりも小さな値に設定する（第６実施形態）。
【００５７】
このように、第３から第６までの実施形態によれば、低温時出力に基づいて活性判定レベルを動かすようにしたので、活性判定タイミングが大きく遅れたり早すぎることがない。
【００５８】
実施形態ではヒータ付きの空燃比センサで説明したが、ヒータ付きでない空燃比センサにも本発明を適用できる。空燃比センサを設ける位置も触媒上流に限定されるものでなく、触媒下流に設けられる空燃比センサにも適用がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の制御システム図。
【図２】更新量の演算を説明するためのフローチャート。
【図３】活性判定を説明するためのフローチャート。
【図４】空燃比フィードバック補正係数の演算を説明するためのフローチャート。
【図５】一実施形態の作用を説明するための波形図。
【図６】第２実施形態の更新量の演算を説明するためのフローチャート。
【図７】第１の発明のクレーム対応図。
１１  コントロールユニット
１６  空燃比センサ
１７  素子温センサ
【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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