(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒータを通電するヒータ通電手段と、を備えた酸素濃度検出装置において、
前記内燃機関の吸気管内へ流入する外気温度の検出手段と、
前記内燃機関の排気管内の前記空燃比センサ下流に設けられた触媒の下流の第１排気温度を算出する第１算出手段と、
前記外気温度と前記第１排気温度とに基づいて、前記空燃比センサ周辺の第２排気温度を算出する第２算出手段と、
前記第２排気温度と前記排気管の熱伝達率とから前記空燃比センサ周辺の前記排気管の温度を算出する排気管温算出手段と、
前記排気管温算出手段により算出された前記排気管の温度に基づいて、前記排気管の壁面に水分が付着しているか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段が前記排気管の壁面に水分が付着していると判断したとき、前記ヒータ通電手段による前記ヒータへの通電を制限する通電制限手段と、
を備えたことを特徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項２】
前記判断手段が前記排気管の壁面に水分が付着していると判断したとき、前記内燃機関の排気の流速を抑制する流速抑制手段を備えた、
請求項１に記載の酸素濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素濃度検出装置に関し、特に、排気管壁面に付着した水分の飛散による空燃比センサの素子割れを防止する酸素濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の機関の空燃比制御においては、機関の排気系に空燃比センサと触媒とを配設し、触媒により排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ  等）を最大限浄化するため、空燃比センサにより検出される機関の排気空燃比が目標空燃比、例えば理論空燃比になるようにフィードバック制御されている。この空燃比センサとして、機関から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度から機関の排気空燃比がリッチかリーンを判定するＺ特性を有するλ型酸素センサ（Ｏ２  センサと称する）、および機関から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式酸素濃度検出素子が用いられている。限界電流式酸素濃度検出素子は、酸素濃度から機関の排気空燃比を広域かつリニアに検出するものであり、空燃比制御精度を向上させたり、リッチ〜理論空燃比（ストイキ）〜リーンの広域空燃比の間で機関の排気空燃比を目標空燃比にするよう制御するために有用である。
【０００３】
これら空燃比センサ、すなわちＯ２  センサおよび限界電流式酸素濃度検出素子は、空燃比の検出精度を維持するため活性状態に保たれることが不可欠であり、通常、Ｏ２  センサまたは限界電流式酸素濃度検出素子に付設されたヒータを機関始動時から通電することによりこれらを加熱し、早期活性化させてこれらの活性状態を維持するようヒータの通電制御を行っている。
【０００４】
特開平８−２７８２７９号公報開示の空燃比センサのヒータ制御装置は、ヒータへの通電初期に空燃比センサの素子の早期活性化のためヒータ温度が所定温度に達するまでは全電力、すなわち１００％デューティ比でヒータに電力供給し、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温度に応じた電力をヒータに供給し、空燃比センサの素子温度が所定温度に達したら空燃比センサの素子温度に応じた電力をヒータに供給する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−２７８２７９号公報開示の空燃比センサのヒータ制御装置において、機関の冷間始動時には、排気管内上流に設けられた触媒で凝縮した水分が排気管壁面に付着しており、機関の冷間始動時に空燃比センサを早期活性化するため電気的に加熱し空燃比センサの素子温度を高温にすると、排気管壁面に付着した水分が飛散し、排気管内触媒下流に配設された空燃比センサを囲むよう排気管に取付けられた保護カバーの小穴を通過して保護カバー内の空燃比センサ素子が被水し、空燃比センサ素子を急冷することになり、この結果ヒータ温度と空燃比センサの素子温度との温度差が急激に増大し、所謂サーマルショックによる空燃比センサの素子割れが生ずるという問題がある。
【０００６】
それゆえ、本発明は上記問題を解決し、機関の冷間始動時または始動前の空燃比のプレヒート時に、空燃比センサ素子の被水に起因したサーマルショックによる空燃比センサの素子割れを防止する酸素濃度検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決する本発明による酸素濃度検出装置は、内燃機関の排気管に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒータを通電するヒータ通電手段と、を備えた酸素濃度検出装置において、前記内燃機関の吸気管内へ流入する外気温度の検出手段と、前記内燃機関の排気管内の前記空燃比センサ下流に設けられた触媒の下流の第１排気温度を算出する第１算出手段と、前記外気温度と前記第１排気温度とに基づいて、前記空燃比センサ周辺の第２排気温度を算出する第２算出手段と、前記第２排気温度と前記排気管の熱伝達率とから前記空燃比センサ周辺の前記排気管の温度を算出する排気管温算出手段と、前記排気管温算出手段により算出された前記排気管の温度に基づいて、前記排気管の壁面に水分が付着しているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段が前記排気管の壁面に水分が付着していると判断したとき、前記ヒータ通電手段による前記ヒータへの通電を制限する通電制限手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成により、排気管壁面に水分が付着したと判断されたときヒータへの通電を制限するので、空燃比センサの素子の被水が防止され、サーマルショックによる素子割れが防止される。ここで、排気管壁面に水分が付着したときは、水分が付着している可能性が高いことを含む。
また、上記構成により、排気管の壁面に水分が付着するのは、排気管内の水蒸気が結露するからであり、これを排気管温度から判断するので、排気管壁面に水分が付着したことの判断の精度が向上する。
上記酸素濃度検出装置において、前記判断手段が前記排気管の壁面に水分が付着していると判断したとき、前記内燃機関の排気の流速を抑制する流速抑制手段を備える。
【０００９】
上記構成により、排気の流速を抑制するので、排気管壁面に付着した水分の飛散が抑制され、空燃比センサの素子への被水が減少し、サーマルショックによる素子割れの確率が低下する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明による酸素濃度検出装置の一実施形態の概略構成図である。図１以降、同一のものは同一符号で示す。図示しない内燃機関の排気管に配設され機関の排気空燃比を検出する空燃比（Ａ／Ｆ）センサ１は、空燃比センサ素子（以下、センサ素子と記す）２とヒータ４とからなり、センサ素子２には空燃比（Ａ／Ｆ）センサ回路（以下、センサ回路と記す）３から電圧が印加され、ヒータ２にはバッテリ５からヒータ制御回路６を介して電力が供給される。センサ回路３はマイクロコンピュータからなる空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０からアナログの印加電圧をローパスフィルタ（ＬＰＦ）７を介して受けセンサ素子２に印加する。
【００１２】
Ａ／ＦＣＵ１０は、センサ回路３、ヒータ制御回路６およびＬＰＦ７と共に電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００の一部をなし、デジタルデータを内部に設けられたＤ／Ａ変換器により矩形状のアナログ電圧に変換した後ＬＰＦ７を介してセンサ回路３へ出力する。ＬＰＦ７は矩形状のアナログ電圧信号の高周波成分を除去したなまし信号を出力し、高周波ノイズによるセンサ素子２の出力電流の検出エラーを防止している。このなまし信号の電圧のセンサ素子２への印加に伴いＡ／ＦＣＵ１０は被検出ガス中、すなわち排気ガス中の酸素濃度に比例して変化するセンサ素子２を流れる電流およびその時のセンサ素子２への印加電圧を検出する。Ａ／ＦＣＵ１０はこれらの電流および電圧を検出するため内部にＡ／Ｄ変換器を設けており、これらのＡ／Ｄ変換器はセンサ回路３からセンサ素子２を流れる電流に相当するアナログ電圧およびセンサ素子２への印加電圧を受けデジタルデータに変換する。
【００１３】
空燃比センサ１はセンサ素子２が活性状態にならないとその出力を空燃比制御に使用できない。このため、Ａ／ＦＣＵ１０は機関始動時にバッテリ５からセンサ素子２に内蔵されたヒータ４へ電力供給してヒータ４を通電し、センサ素子２を早期活性化し、センサ素子２が活性化された後はその活性状態を維持するようヒータ４へ電力供給する。バッテリ５の電圧はＡ／ＦＣＵ１０の内部に設けられたＡ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換される。
【００１４】
しかるに、センサ素子２の抵抗がセンサ素子２の温度に依存すること、すなわちセンサ素子温度の増大に連れて減衰することに着目し、センサ素子２の抵抗がセンサ素子２の活性状態を維持する温度に相当する抵抗値、例えば３０Ωとなるようヒータ４へ電力供給することによりセンサ素子２の温度を目標温度、例えば７００°Ｃに維持する制御が行われている。また、空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は、センサ素子２を加熱するヒータ制御回路６からヒータ４の電圧と電流に相当するアナログ電圧を受けデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器を内部に設けている。これらのデジタルデータを用いて、例えばヒータ４の抵抗値を算出し、算出した抵抗値に基づき機関の運転状態に応じた電力供給をヒータ４に行うとともにヒータ４の過昇温（ＯＴ）を防止するようヒータ４の温度制御を行う。本発明の実施形態では、空燃比センサ１として限界電流式酸素濃度検出素子を使用する。しかしながら、本発明はこれに限定するものでなく、空燃比センサ１として、空燃比がリッチかリーンを判定するＺ特性を有するλ型酸素センサ（Ｏ２  センサと称する）を用いた場合にも適用できる。
【００１５】
空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアップ）．ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器を具備し、後述する本発明の空燃比センサ１のヒータ制御を行う。また、Ａ／ＦＣＵ１０内のＡ／Ｄ変換器には機関の冷却水温ＴＨＷを検出する水温センサ（図示せず）が接続されており、ＣＰＵは所定の周期でＴＨＷを読込む。
【００１６】
ここで、冷間始動時に空燃比センサの素子割れが生ずるコップ型空燃比センサについて以下に説明する。
図２はコップ型空燃比センサの断面図である。コップ型空燃比センサのセンサ本体２０は、断面カップ状の拡散抵抗層２１を有しており、この拡散抵抗層２１はその開口端２１ａにて機関の排気管２７の取付け穴部内に嵌め込まれて固定されている。拡散抵抗層２１はＺｒＯ２  等のプラズマ溶射法等により形成されている。またセンサ本体２０は固体電解質層２２を有しており、この固体電解質層２２は酸素イオン伝導性酸化物焼結体により断面カップ状の排気ガス側電極層２３を介し抵抗拡散層２１の内周壁に一様に嵌め込まれて固定されている。この固体電解質層２２の内表面には、大気側電極層２４が断面カップ状に一様に固着されている。かかる場合、排気ガス側電極層２３および大気側電極層２４は、共に白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等により十分浸透性（ｐｏｒｏｕｓ）を有するように形成されている。また、排気ガス側電極層２３の面積および厚さは１０〜１００ｍｍ２  および０．５〜２．０μｍ程度となっている。一方大気側電極層２４の面積および厚さは１０ｍｍ２  以上および０．５〜２．０μｍ程度となっている。また、センサ本体２０は保護カバー２８により囲まれている。保護カバー２８はセンサ本体２０の排気ガスとの直接接触を防止しつつ、センサ本体２０の保温を確保するために設けられている。保護カバー２８にはカバーの内部と外部とを連通するため多数の小穴が設けられている。
【００１７】
機関の冷間始動時にはセンサ本体２０を早期加熱するためヒータ２６に大電力を供給する必要があるので、従来技術によれば、バッテリ５からヒータ２６にデューティ比１００％で電力供給をしている。しかるに、排気管２７内上流に設けられた触媒で凝縮した水分が排気管２７の底部に溜まっており、機関の冷間始動時の排気系がまだ暖まっていないとき、排気ガスとともにこの凝縮水が飛散し保護カバー２８の小穴を通過してセンサ本体２０に接触し、センサ本体２０を急冷することになり、この結果センサ本体２０の素子割れが生ずるのである。
【００１８】
図３は図１に示す酸素濃度検出装置が搭載された内燃機関の構成図である。図３において、内燃機関（以下、単に機関と記す）３０の吸気通路３１内にはエアクリーナ３２の下流側にスロットル弁３３が設けられており、このスロットル弁３３の軸の一端にはこのスロットル弁３３を駆動するアクチュエータであるスロットルモータ３４が設けられており、他端にはスロットル弁３の開度を検出するスロットル開度センサ３５が設けられている。すなわち、この実施例のスロットル弁３３はスロットルモータ３４によって開閉駆動される電子制御スロットル（以下、単に電子スロットルと記す）である。電子スロットルでは、スロットル弁３３の開度指令値が入力された時に、スロットルモータ３４がこの指令値に応答してスロットル弁３３を指令開度に追従させる。
【００１９】
吸気通路３１内のスロットル弁３３とエアクリーナ３２との間には吸気温センサ３６があり、スロットル弁３３の下流側にはサージタンク３７がある。さらに、サージタンク３７の下流側には、各気筒毎に燃料供給系から加圧燃料を吸気ポートへ供給するための燃料噴射弁３８が設けられている。スロットル開度センサ３５の出力と吸気温センサ３６の出力は、マイクロコンピュータを内蔵したＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）１００に入力される。
【００２０】
排気管４１内には、排気ガス中の３つの有害成分ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄化する三元触媒コンバータ４２、４３が設けられており、三元触媒コンバータ４２は電気的加熱により早期に活性可能な電気加熱式触媒（ＥＨＣ）であり、三元触媒コンバータ４３は排気温により活性化される主触媒である。ＥＨＣ４２の上流側の排気管４１内には、空燃比センサ１が設けられている。空燃比センサ１は排気ガス中の酸素成分濃度に応じて電気信号を発生する。主触媒４３の下流側近傍の排気管４１内には排気温センサ４４が設けられている。空燃比センサ１および排気温センサの出力はＥＣＵ１００に入力される。
【００２１】
さらに、このＥＣＵ１００には、アクセルペダル（図示せず）に取り付けられてアクセル踏込量を検出するアクセル開度センサ４５からのアクセルペダルの踏込量信号（アクセル開度信号）、バッテリ５の＋端子に接続されたイグニッションスイッチ４６からのキー位置信号（オフ位置、オン位置、スタータ位置）および機関回転数ＮＥを検出するため機関３０のリングギヤ（図示せず）の回転数を検出する回転数センサ４７から出力されるパルス信号がそれぞれ入力される。
【００２２】
なお、本発明の各手段すなわち判断手段、通電制限手段および流速抑制手段は、ＥＣＵ１００の構成により機能される。
これより、本発明の酸素濃度検出装置の電気制御について以下に説明する。本発明は、図２を用いて説明したような機関の冷間始動時の空燃比センサの素子割れが生じないようにするため、排気管の壁面に水分が付着していることを検出し、ヒータ４への通電を抑制または禁止するようヒータ４の通電制御を行う。
【００２３】
図４はヒータ制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンおよび図５、図６、図８、図９および図１０に示すフローチャートの処理は所定の処理周期、例えば６４ｍｓ毎に実行される。先ず、ステップ４０１では、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）４６がオンかオフかを判別し、ＩＧＳＷ４６がオンのときはステップ４０２に進み、ＩＧＳＷ４６がオンのときは本ルーチンを終了する。
【００２４】
ステップ４０２〜４１４の処理を簡単に説明する。空燃比センサ１の早期活性化のためバッテリ５からヒータ４への電力供給を開始し、ヒータ温度が所定温度に達するまでは始動時のデューティ制御にしたがって設定された電力をヒータ４に供給し（始動時ＤＵＴＹ制御）、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温度に応じた電力をヒータ４に供給し（ヒータ上限抵抗Ｆ／Ｂ制御）、空燃比センサ１の温度が所定温度温度に達すると空燃比センサ１の素子温度に応じてセンサ素子２を活性状態に維持するための電力をヒータ４に供給する（素子温Ｆ／Ｂ制御）。次に、ステップ４０２〜４１４の処理を個々に説明する。
【００２５】
ステップ４０２では、空燃比センサ１の素子直流インピーダンスＺｄｃを算出する。このインピーダンスＺｄｃは、センサ素子２に負の電圧Ｖｎｅｇ  を印加し、その時の電流Ｉｎｅｇ  を検出し、Ｚｄｃ＝Ｖｎｅｇ  ／Ｉｎｅｇ  を算出して求める。一般に素子温が上昇するにつれて素子直流インピーダンスは減衰するという相関関係があり、例えばセンサ素子２が活性化温度７００°Ｃのとき素子直流インピーダンスは３０Ωである。
【００２６】
ステップ４０３では、空燃比センサ１の活性フラグＦ１がセットされたか否かを判別し、Ｆ１＝１のときはステップ４０４に進み、ステップ４０４で後述する素子温Ｆ／Ｂ制御を実行し、Ｆ１＝０のときはステップ４０５に進む。
ステップ４０５では、排気管の温度を算出する。この排気管温算出ルーチンについては図５を用いて後で詳細に説明する。ステップ４０６では、排気管温ＴＥＰが閾値Ｔｔｈ以上か否かを判別し、ＴＥＰ≧Ｔｔｈのときは排気管内壁面に付着している水滴は蒸発していると判定してステップ４０７に進み、ステップ４０７〜４１４により空燃比センサ１の早期加熱を行い、ＴＥＰ＜Ｔｔｈのときは排気管内壁面に水分が付着しているかまたは付着している可能性が高いと判断し、すなわちセンサ素子が被水により破損される可能性があると判定し本ルーチンを終了して空燃比センサ１の早期加熱を行わない。
【００２７】
ステップ４０７では、センサ素子２の活性判定を素子直流インピーダンスに基づいて行う。すなわち、Ｚｄｃ＞３０のときセンサ素子２が活性化されたと判断しステップ３０８で空燃比センサ１の活性フラグＦ１を１にセットし、次いでステップ４０４で素子温Ｆ／Ｂ制御を実行し、Ｚｄｃ≦３０のときセンサ素子２は非活性状態であると判断しステップ４０９に進み、センサ素子２を活性化させるためのヒータ制御を行う。フラグＦ１はイグニッションスイッチＩＧＳＷ４６がオフからオンに切換えられるときワンショットパルス信号でリセットされる。
【００２８】
ステップ４０９では、ヒータ４への印加電圧Ｖｎ  および電流Ｉｎ  を検出する。ステップ４１０では、ヒータ４の抵抗Ｒｈ  をＲｈ  ＝Ｖｎ  ／Ｉｎ  から算出する。
ステップ４１１では、ヒータ温度がヒータ４の耐熱限界温度１２００°Ｃより所定温度だけ低いヒータ上限温度１０２０°Ｃに到達していないか否かを判定し、その判定結果がＹＥＳのときはステップ４１２に進み、ヒータ４にできるだけ大電力を供給する始動時ＤＵＴＹ制御を実行し、その判定結果がＮＯのときはステップ４１３に進み、ヒータ４をヒータ上限温度１０２０°Ｃに維持する制御を行う。ステップ４１２については図６を用いて、４１３については図８を用いて、後で詳細に説明する。ここで、ヒータ上限温度をヒータ４の耐熱限界温度に設定しないのはヒータ４の抵抗温度特性にばらつきがあるからである。ばらつきの中央値を用いるとヒータ上限温度１０２０°Ｃに相当するヒータ抵抗Ｒｈ  は２．１Ωであり、ヒータ抵抗Ｒｈ  が２．１Ωになるようにヒータ制御したとき、ヒータ温度のばらつきは８７０〜１２００°Ｃの範囲内に収まり、ヒータ４の耐熱限界温度を越えない。
【００２９】
ステップ４１４では、ステップ４１２、４１３で設定されたＤＵＴＹ比に応じてヒータにバッテリ５の電圧を印加する。ここで、ＤＵＴＹ制御とは、ヒータ４にバッテリ５の電圧をオンオフする周期を、例えば１００ｍｓとしたとき、ＤＵＴＹ比が２０％のときはオン時間２０ｍｓオフ時間８０ｍｓ、ＤＵＴＹ比が５０％のときはオン時間５０ｍｓオフ時間５０ｍｓ、ＤＵＴＹ比が１００％のときはオン時間１００ｍｓの各周期でヒータ４にバッテリ５の電圧を印加する制御を言う。次に、図４のステップ４０５、すなわち排気管温算出ルーチンについて、図５を用いて以下に説明する。
【００３０】
図５は排気管温算出ルーチンのフローチャートである。ステップ５０１では、  吸気温センサ３６により検出された外気温度ＴOAを読取る。ステップ５０２では、排気温センサ４４により検出された主触媒４３直下の排気温度ＴEA2 を読取る。ステップ５０３では、外気温度ＴOAと排気温度ＴEA2 とから空燃比センサ１の近辺の排気温度ＴEA1 を次のように推測する。
【００３１】
外気温度ＴＯＡと排気管の熱伝達率ｋ１とから、空燃比センサ１近辺から排気温センサ４４近辺に至るまでの排気温の低下ＴＤ  を推測する。空燃比センサ１近辺の排気温度ＴＥＡ１  は、排気温度ＴＥＡ２  に排気温の低下ＴＤ  を加算したものであるから次式が成立する。
ＴＥＡ１  ＝ＴＥＡ２  ＋ＴＤ  …  （１）
ステップ５０４では、ステップ５０３で計算した空燃比センサ１近辺の排気温度ＴＥＡ１  および空気に対する排気管への熱伝達率ｋ２とから空燃比センサ１の周囲の排気管温度ＴＥＰを算出する。
【００３２】
また、排気管温度ＴＥＰは、次のように算出してもよい。先ず、空燃比センサ１近辺の排気温度ＴＥＡ１  を、回転数センサ４７から検出される機関の回転数ＮＥとエアフローメータ（図示せず）から検出される吸入空気量ＧＡとの２次元マップから算出する。この２次元マップは、実験値から作成され、ＮＥが大程、ＧＡが大程、ＴＥＡ１  は高くなる。このように算出した排気温度ＴＥＡ１  と吸気温センサ３６により検出された外気温度ＴＯＡとから排気管温度ＴＥＰを次式から算出する。
【００３３】
ＴＥＰ＝α（ＴＥＡ１  −ＴＯＡ）
ここで、αは定数。次に、図４のステップ４１２、すなわち始動時ＤＵＴＹ制御について、図６を用いて以下に説明する。
図６は一実施例に係る機関始動時のヒータ制御を示すフローチャートであり、図７はセンサ素子インピーダンスから素子温を算出するマップである。先ず、ステップ６０１では、機関の冷却水温ＴＨＷを読込む。ステップ６０２では、空燃比センサの素子インピーダンスを検出する。この素子インピーダンスの検出は図４のステップ４０２同様、素子直流インピーダンスを検出してもよいが、ここでは次のように素子交流インピーダンスを検出する。
【００３４】
通常、センサ素子２には、例えば０．３（Ｖ）が印加されており、所定の周期毎に限界電流を検出し排気空燃比が算出される。交流インピーダンスＺａｃは、所定の周期毎、例えば６４ｍｓ毎にセンサ素子２に０．３±０．２（Ｖ）のパルス電圧を印加し、その時のセンサ素子２の電圧Ｖａｃと電流Ｉａｃを検出し、Ｚａｃ＝Ｖａｃ／Ｉａｃを算出して求める。一般に素子交流インピーダンスは素子直流インピーダンスと同様に素子温が上昇するにつれて減衰するという相関関係がある。素子交流インピーダンスを検出する場合は、素子直流インピーダンスを検出する場合のようにセンサ素子２に負極性の電圧を印加する必要がないので、制御回路を簡素化できるという利点がある。
【００３５】
ステップ６０３では、今回処理周期の空燃比センサの素子温度Ｔｉ  を図７に示すマップに基づきステップ６０２で検出したセンサ素子インピーダンスＺａｃから素子温を算出する。
ステップ６０４では、ステップ６０１で読込んだ冷却水温ＴＨＷが０°Ｃ未満か否かを判別し、ＴＨＷ＜０°Ｃのときは機関冷間時と判定し、すなわち排気管内壁面に水分が付着しているかまたは付着している可能性が高いと判断しステップ６０５に進み、ＴＨＷ≧０°Ｃのときは機関は暖機し排気管内壁面に付着した水の蒸発によるセンサ素子２の被水は生じないと判定してステップ６０６に進む。
【００３６】
ステップ６０５では、前回処理周期に算出した素子温度Ｔｉ−１  から今回処理周期に算出した素子温度Ｔｉ  を減算する（ΔＴ＝Ｔｉ−１  −Ｔｉ  ）。このΔＴは空燃比センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いを示す。ステップ６０７では、ステップ６０６で算出した減算値ΔＴが５°Ｃより大か否かを判別し、ΔＴ＞５°Ｃのときはセンサ素子２が被水したまたはその可能性大と判定してステップ６０８に進み、ΔＴ≦５°Ｃのときはセンサ素子２は被水していないまたはその可能性小と判定してステップ６０６に進む。ステップ６０８では、上記減算値ΔＴ、すなわち空燃比センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いが、基準値５°Ｃより大のとき前回処理周期と同じ電力をヒータ４に供給すると、センサ素子２の被水に起因するサーマルショックによりセンサ素子の素子割れが生じるので、これを阻止するためＤＵＴＹ＝０を設定する。一方、ステップ６０６では、センサ素子２の被水はないと判定されたので、センサ素子２の早期活性化のためヒータ４に全電力を供給するようにＤＵＴＹ＝１００を設定する。
【００３７】
また、図６のステップ６０２、６０３で説明したように、空燃比センサの素子温度は空燃比センサの素子インピーダンスから算出するが、積層型空燃比センサについてはヒータとセンサ素子が近接しているので、ヒータの抵抗を検出してヒータ抵抗値からヒータの温度を算出して空燃比センサの素子温度を推定してもよい。
【００３８】
なお、ステップ６０８でＤＵＴＹ＝０に設定したが、ステップ６０８ではセンサ素子２の早期活性化のためセンサ素子割れを引き起こさない程度の電力供給として、例えばＤＵＴＹ＝２０に設定してもよい。
次に、ステップ６０９〜６１４について説明する。ステップ６０９〜６１４は、センサ素子２が被水したと判定されてから通常の始動時ＤＵＴＹ制御に復帰するまでの時間の設定を行う。ステップ６０９では、センサ素子２が被水判定されたことを示すフラグＦ３がセットされているか否かを判別し、Ｆ３＝１のときはステップ６１０に進み、Ｆ３＝０のときはステップ６１１に進む。ステップ６１１ではフラグＦ３をセットする。
【００３９】
ステップ６１０では、Ｆ３＝１にセットされてからの時間を計測するためのカウンタＣをカウントアップする（Ｃ＝Ｃ＋１）。ステップ６１２では、Ｆ３＝１にセットされて６４００ｍｓ、すなわち６．４秒経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ６１３に進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ６１３では、Ｆ３をリセットし（Ｆ３＝０）、ステップ６１４では、カウンタＣをリセットする（Ｃ＝０）。
【００４０】
上記ステップ６０９〜６１４の処理により、センサ素子２が被水したと判定されてから６．４秒後に通常の始動時ＤＵＴＹ制御に復帰でき、センサ素子の被水が判定される毎に６．４秒間ヒータ４への通電は禁止される。次に、図４のステップ４１３、すなわちヒータ上限抵抗Ｆ／Ｂ制御について、図８を用いて詳細に説明する。
【００４１】
図８はヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示す。先ず、ステップ８０１では、ヒータ電力制御実行中を示すヒータ電力制御フラグＦ２がセットされているか否かを判別し、Ｆ２＝１のときはステップ８０２に進み、Ｆ１＝０のときはステップ８０３に進み、ステップ８０３ではヒータ電力制御の初期デューティ比として２０％を設定する。この２０％はヒータ電圧制御から電力制御に移行した時に急激なヒータ温度変化が抑制されるように選択された値である。次いでステップ８０４ではＦ２をセットする。フラグＦ２はイグニッションスイッチＩＧＳＷがオフからオンに切換えられるときワンショットパルス信号でリセットされる。
【００４２】
ステップ８０２では、機関運転条件の急変に伴う排気温の上昇等によりヒータ４が異常加熱されないように保護するための制御を行うため、ヒータ抵抗Ｒｈ  が２．５Ωより大か否かを判別し、Ｒｈ  ＞２．５Ωのときはステップ８０５に進み、Ｒｈ  ≦２．５Ωのときはステップ８０６に進む。ステップ８０６ではＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ−１０を計算し、計算値を新たなＤＵＴＹ比に設定する。ＤＵＴＹが負の値になったときはＤＵＴＹ＝０に設定する。
【００４３】
ステップ８０５では、ヒータ電力Ｗｈ  を次式から算出する。
Ｗｈ  ＝Ｖｎ  ×Ｉｎ  ×ＤＵＴＹ／１００
ここで、Ｖｎ  、Ｉｎ  は図４のステップ８０７で検出した電圧値、電流値を示しＤＵＴＹは前回処理周期にステップ８０３、８０６、８０８または８０９で設定されたＤＵＴＹ比を示す。
【００４４】
ステップ８０７では、今回処理周期のヒータ電力Ｗｈ  とヒータ４の耐熱限界温度１２００°Ｃに対応するヒータ供給電力２１Ｗとを比較し、Ｗｈ  ≦２１のときはヒータ４への供給電力が目標電力より低いと判定してステップ８０８に進みステップ８０８でデューティ比を３％加算（ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ＋３を算出）してヒータ４への供給電力を増大し、Ｗｈ  ＞２１のときはヒータ４への供給電力が目標電力より高いと判定してステップ８０９に進みステップ８０９でデューティ比を３％減算（ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ−３を算出）してヒータ４への供給電力を減少する。
【００４５】
以上により設定されたＤＵＴＹに基づきヒータ制御することで、ヒータ４への実供給電力を目標電力２１（Ｗ）に制御できる。
次に、図４のステップ４０４の素子温Ｆ／Ｂ制御について説明する。ステップ４０２で検出した素子直流インピーダンスＺｄｃをもとに、素子直流インピーダンスＺｄｃが素子温７００°Ｃに相当する３０（Ω）になるようにヒータ４へ印加する電圧のデューティ比を下記の方程式に基づき演算する。
【００４６】
ＤＵＴＹ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ｃ
ＧＰ    ＝ａ（Ｚｄｃ−３０）        …  比例項
ＧＩ    ＝ＧＩ＋ｂ（Ｚｄｃ−３０）  …  積分項
ここで、ａ、ｂ、ｃは、例えばａ＝４．２、ｂ＝０．２、ｃ＝２０の定数である。以上演算されたデューティ比でヒータ４を制御することで、素子直流インピーダンスＺｄｃを３０（Ω）付近に制御でき、センサ素子を常に良好な活性状態に維持でき、異常加熱によるセンサ素子の破損を防止できる。
【００４７】
次に、イグニッションキーにより機関を始動する前であって、ドライバが運転席側のドアを開き着席しドアを閉じた直後に、空燃比センサ１の活性化を開始する空燃比センサのプレヒート制御を、電子スロットル無しの機関に適用した例を図９を用いて、電子スロットル付きの機関に適用した例を図１０を用いて以下に説明する。
【００４８】
図９は空燃比センサのプレヒート制御ルーチンのフローチャートである。先ず、ステップ９０１では、カーテシスイッチ（図示せず）、すなわち運転席側のドアスイッチがＯＮとなりドライバが運転席に着席したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ９０２に進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ９０２では、バッテリ５の電圧ＶＢ  が１０Ｖ以上か否かを判別し、ＶＢ  ≧１０Ｖのときはステップ９０３に進み、ＶＢ  ＜１０Ｖのときは本ルーチンを終了する。
【００４９】
ステップ９０３では、図５に示す排気温算出ルーチンの実行により算出された排気温ＴＥＰが露点６０°Ｃを越えたか否かを判別し、ＴＥＰ≦６０°Ｃのときは排気管内壁面に付着した水の蒸発によりセンサ素子が被水して破損される可能性があると判定しステップ９０４に進み、ステップ９０４で空燃比センサの素子温を約３５０°Ｃに制御する第１素子温Ｆ／Ｂ制御を実行し、ＴＥＰ＞６０°Ｃときは排気管内壁面に付着した水は蒸発しておりセンサ素子が被水して破損される可能性がないと判定してステップ９０５に進み、ステップ９０５で空燃比センサの素子温を約７００°Ｃに制御する第２素子温Ｆ／Ｂ制御を実行する。ここで、空燃比センサ１は、第１素子温Ｆ／Ｂ制御を行っている間、λ型Ｏ２  センサとして空燃比制御に使用され、第２素子温Ｆ／Ｂ制御を行っている間、限界電流式酸素濃度検出素子として広域の空燃比制御に使用される。第１および第２素子温Ｆ／Ｂ制御では、素子直流インピーダンスＺｄｃを算出するとともに、図４のステップ４０４と同様の制御を実行する。
【００５０】
図１０は電子スロットル付き機関における空燃比センサのプレヒート制御ルーチンのフローチャートである。先ず、ステップ１００１では、カーテシスイッチ（図示せず）、すなわち運転席側のドアスイッチがＯＮとなりドライバが運転席に着席したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ１００２に進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ１００２では、バッテリ５の電圧ＶＢ  が１０Ｖ以上か否かを判別し、ＶＢ  ≧１０Ｖのときはステップ１００３に進み、ＶＢ  ＜１０Ｖのときは本ルーチンを終了する。
【００５１】
ステップ１００３では、図５に示す排気温算出ルーチンの実行により算出された排気温ＴＥＰが露点６０°Ｃを越えたか否かを判別し、ＴＥＰ≦６０°Ｃのときは排気管内壁面に付着した水の蒸発によりセンサ素子が被水して破損される可能性があると判定しステップ１００４〜１００６に進み、ステップ１００４で空燃比センサの素子温を約３８０°Ｃに制御する第１素子温Ｆ／Ｂ制御を実行し、ＴＥＰ＞６０°Ｃときは排気管内壁面に付着した水は蒸発しておりセンサ素子が被水して破損される可能性がないと判定してステップ１００７に進み、ステップ１００７で空燃比センサの素子温を約７００°Ｃに制御する第２素子温Ｆ／Ｂ制御を実行する。
【００５２】
ステップ１００５では、スロットル弁の開度のガード値θｍａｘ  を図１１に示すマップに基づき排気管温度ＴＥＰに応じて設定する。次いで、ステップ１００６では、ＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）、すなわちオートマチックトランスミッションによる１速（Ｌｏｗ）から２速（２ｎｄ）へ、２速から３速（３ｒｄ）へ、３速から４速（４ｔｈ）への自動変速時の車速（以下、変速車速と記す）を図１２に示すマップに基づき排気管温度ＴＥＰに応じて補正する。
【００５３】
ここで、オートマチックトランスミッションによる変速比の制御プログラム例を簡単に説明する。スロットル弁開度を０°から５０°まで開いて加速し、車速５０ｋｍ／ｈになった所で１０°まで戻し、定常走行に移るとする。加速時、Ｌｏｗから２ｎｄにスロットル弁開度を１０°戻した所で２ｎｄから３ｒｄに変速することになる。この間の機関の回転数は加速時時間経過とともに上昇するが、変速時に下降する。Ｌｏｗから２ｎｄに変速する時の車速を下げると５０ｋｍ／ｈに達するまでの時間は長くなり加速性は悪くなるが、０〜５０ｋｍ／ｈの加速期間の燃費はよくなる。
図１１は排気管温度とスロットル開度ガード値との２次元マップを示す図である。図１１において、横軸は排気管温度ＴＥＰ（°Ｃ）を示し、縦軸はスロットル弁開度のガード値θｍａｘ  （°）を示す。排気管の温度が６０°Ｃに至るまではセンサ素子が被水により破損される可能性があると判定し排気の流速を遅くするためスロットル弁開度のガード値θｍａｘ  を３０°〜９０°の通常より低い値に設定し、機関の吸入空気量を減少させ、機関の回転数を通常より低くし、排気流速を遅くする。排気流速を遅くすることにより、排気管内壁に付着した水滴の飛散を抑制し、センサ素子の被水を防止する。一方、排気管の温度が６０°Ｃ以上になったときは排気管内壁に付着している水滴は蒸発していると判定して、スロットル弁の開度のガード値θｍａｘ  を通常値９０°に設定して排気の流速を遅くする制御を中止する。
【００５４】
図１２は排気管温度と変速車速補正係数との２次元マップを示す図である。図１１において、横軸は排気管温度ＴＥＰ（°Ｃ）を示し、縦軸は変速車速補正係数ｋを示す。排気管の温度が６０°Ｃに至るまではセンサ素子が被水により破損される可能性があると判定し、変速車速補正係数ｋを０．８〜１．０の値にし、機関の回転数を通常より低くし、排気流速を遅くする。排気流速を遅くすることにより、排気管内壁に付着した水滴の飛散を抑制し、センサ素子の被水を防止する。一方、排気管の温度が６０°Ｃ以上になったときは排気管内壁に付着している水滴は蒸発していると判定して、変速車速補正係数ｋを１．０の値にし、機関の回転数を通常通りにし、排気の流速を遅くする制御を中止する。ここで、変速車速補正係数ｋは、オートマチックトランスミッションにより１速（Ｌｏｗ）から２速（２ｎｄ）へ、２速から３速（３ｒｄ）へ、３速から４速（４ｔｈ）へ車速を自動変速する時の車速を補正する係数であり、例えば２ｎｄから３ｒｄへ切換えるときの車速はｋ＝１．０で３０ｋｍ／ｈであり、ｋ＝０．８で２４ｋｍ／ｈである。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の酸素濃度検出装置によれば、機関の冷間始動時または始動前の空燃比センサのプレヒート時における空燃比センサのヒータへの電力供給に際し、空燃比センサの素子の被水可能性を排気管壁面に水分が付着したか否かにより判断し、排気管壁面に水分が付着したと判断されたときヒータへの通電を制限するので、空燃比センサの素子の被水に起因したサーマルショックによる空燃比センサの素子割れを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸素濃度検出装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】コップ型酸素センサの断面図である。
【図３】図１に示す酸素濃度検出装置が搭載された内燃機関の構成図である。
【図４】ヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】排気管温算出ルーチンのフローチャートである。
【図６】一実施例に係る機関始動時のヒータ制御を示すフローチャートである。
【図７】センサ素子インピーダンスから素子温を算出するマップである。
【図８】ヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示すフローチャートである。
【図９】空燃比センサのプレヒート制御ルーチンのフローチャートである。
【図１０】電子スロットル付き機関における空燃比センサのプレヒート制御ルーチンのフローチャートである。
【図１１】排気管温度とスロットル開度ガード値との２次元マップを示す図である。
【図１２】排気管温度と変速車速補正係数との２次元マップを示す図である。
【符号の説明】
１…空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
２…センサ素子
３…空燃比（Ａ／Ｆ）センサ回路
４…ヒータ
５…バッテリ
６…ヒータ制御回路
７…ＬＰＦ
１０…空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）
２７、４１…排気管
３０…機関
３３…スロットル弁
３４…スロットルモータ
３５…スロットル開度センサ
３６…吸気温センサ
３８…燃料噴射弁
４２、４３…三元触媒コンバータ
４４…排気温センサ
１００…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【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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