(57)【要約】【課題】固体電解質層の劣化を正確に判定する。【解決手段】コントロールユニットが、基準電極２３と測定電極２２との間に高周波の交流電流を印加することにより固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１を検出し、検出された内部抵抗値Ｒ１の平均値を基準値と比較することにより固体電解質層２１の劣化を判定する。これにより、固体電解質層２１の劣化を正確に判定し、エンストやエミッション不良の発生を防止することができる。【選択図】図５
2006194826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層を挟持した基準電極及び測定電極を備え、基準電極側の酸素分圧と測定電極側の酸素分圧の差に対応して生じる起電力に基づいて酸素濃度を測定する酸素センサの劣化判定装置であって、
前記基準電極と測定電極との間に高周波の交流電流を印加することにより前記固体電解質層の内部抵抗値を検出し、検出された内部抵抗値を基準値と比較することにより固体電解質層の劣化を判定する劣化判定手段を備えること
を特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素センサの劣化判定装置であって、
電圧が印加されるのに応じて固体電解質層を加熱するヒータ部を備え、
前記劣化判定手段は、前記内部抵抗値が基準値以上になった際に固体電解質層が劣化していると判定し、前記ヒータ部に対する印加電圧を制御することにより内部抵抗値が前記基準値になる温度まで前記固体電解質層を加熱することを特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の酸素センサの劣化判定装置であって、
前記劣化判定手段は、内部抵抗値が前記基準値になる温度に対応する印加電圧がバッテリ電圧以上である場合、前記固体電解質層の内部抵抗値が前記基準値に対応する温度に上昇するまでの間、前記固体電解質層の劣化を判定するタイミングを遅らせることを特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の酸素センサの劣化判定装置であって、
前記劣化判定手段は、基準電極側に酸素を溜める機構を有する酸素センサにおいては、前記内部抵抗値が基準値以上になった際に固体電解質層が劣化していると判定し、前記基準値に対する内部抵抗値の増分に応じて酸素センサの出力値と比較されるスライスレベルを通常の値より上昇させることを特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素センサを構成する固体電解質層の劣化を判定する酸素センサの劣化判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体電解質層を挟持する基準電極と測定電極を備え、基準電極と測定電極との間に電圧を印可し、両電極間における酸素分圧を制御した状態で両電極間の電位差を測定することにより、酸素濃度を測定する酸素センサが知られている。そして、このような酸素センサによれば、酸素濃度の測定結果に基づいて空燃比（λ）のリッチ（酸素少，燃料多）／リーン（酸素多，燃料少）判定を行うことにより、内燃機関の空燃比を制御することができる。ところで、従来までは、酸素センサの劣化は、酸素センサに所定電圧を印加し、酸素センサの出力電圧の変化量に基づいて算出された酸素センサの内部合成インピーダンスにより判定されていた（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平４−２３３４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来までの劣化判定方法は、酸素センサの内部合成インピーダンスを測定するために、酸素センサを構成する固体電解質層の劣化を特定することができない。従って、従来までの劣化判定方法によれば、排気ガス中に含まれるＳｉによって被毒することによって固体電解質層の内部抵抗値が増加（劣化）したり、固体電解質層の温度が速やかに上昇しないために固体電解質層の内部抵抗値が減少しにくい等の理由によって酸素センサの出力値が大きくなっているのにも係わらず、酸素センサが活性化した（＝正常状態である）と判定し、換言すれば、リーン状態であるのにも係わらずリッチ状態であると判定することにより、エンストやエミッション不良の原因になることがある。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、固体電解質層の劣化を正確に判定することが可能な酸素センサの劣化判定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る酸素センサの劣化判定装置は、基準電極と測定電極との間に高周波の交流電流を印加することにより固体電解質層の内部抵抗値を検出し、検出された内部抵抗値を基準値と比較することにより固体電解質層の劣化を判定する劣化判定手段を備える。すなわち、本発明に係る酸素センサの劣化判定装置は、固体電解質層の内部抵抗値に従って固体電解質層の劣化を判定するので、固体電解質層の劣化を正確に判定し、エンストやエミッション不良の発生を防止することができる。
【０００６】
なお、劣化判定手段は、内部抵抗値が基準値以上になった際に固体電解質層が劣化していると判定し、ヒータ部に対する印加電圧を制御することにより内部抵抗値が基準値になる温度まで固体電解質層を加熱することが望ましい。これにより、固体電解質層の内部抵抗値を低下させ、固体電解質層を活性化状態に戻すことで正常なセンサ出力を得ることができる。
【０００７】
また、劣化判定手段は、内部抵抗値が基準値になる温度に対応する印加電圧がバッテリ電圧以上である場合、固体電解質層の内部抵抗値が前記基準値に対応する温度に上昇するまでの間、固体電解質層の劣化を判定するタイミングを遅らせることが望ましい。これにより、固体電解質層の温度が上昇するまでの間待機して、固体電解質層の劣化を正確に判定することができる。
【０００８】
また、劣化判定手段は、基準電極側に酸素を溜める機構を有する酸素センサにおいては、内部抵抗値が基準値以上になった際に固体電解質層が劣化していると判定し、基準値に対する内部抵抗値の増分に応じて酸素センサの出力値と比較されるスライスレベルを通常の値より上昇させることが望ましい。これにより、固体電解質層の劣化を正確に判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る酸素センサの劣化判定装置は、例えば図１に示すような内燃機関の空燃比制御に適用することができる。以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる内燃機関の構成について詳しく説明する。
【００１０】
〔内燃機関の構成〕
本発明の実施形態となる内燃機関１は、図１に示すように、吸気バルブ２，排気バルブ３，及び点火栓４を有するシリンダ５と、吸気ポート６内に設けられた燃料噴射バルブ（インジェクタ）７と、排気ポート９内の酸素濃度を検出する酸素センサ８と、吸気バルブ２，排気バルブ３，点火栓４，及び燃料噴射バルブ７の動作を制御するコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１０とを主な構成要素として備える。
【００１１】
また、コントロールユニット１０には、内燃機関１の冷却水温度，潤滑油温度，外気温等の機関環境温度を検出する温度センサ１１と、スロットル開度等の内燃機関１の負荷を検出する負荷センサ１２と、内燃機関１の回転数を検出する回転数センサ１３が接続され、これらのセンサにより検出された情報がコントロールユニット１０に入力されるように構成されている。
【００１２】
また、酸素センサ８は、図２に示すように、固体電解質層２１を挟持した測定電極２２と基準電極２３極とを備え、測定電極２２と基準電極２３との間にバイアス電圧Ｖ０を印可し、基準電極２３側の酸素分圧と測定電極２２側の酸素分圧の差に対応して生じる起電力Ｖに基づいて酸素濃度を検出する。また、固体電解質層２１は、印加電圧により発熱するヒータ部２４によって加熱，活性化可能なように構成されている。
【００１３】
ところで、一般に、排気ガス中に含まれるＳｉによって被毒する等の原因によって、酸素センサ８を構成する固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１（図２（ｂ）参照）が増加（劣化）したり、固体電解質層２１の温度が速やかに上昇しないために固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１が減少しにくい場合、酸素センサ８の出力値Ｖが大きくなる。
【００１４】
従って、従来までの劣化判定方法によれば、上記のような理由によって酸素センサ８の出力値Ｖが大きくなっているのにも係わらず、固体電解質層２１が活性化したと判定し、換言すれば、リーン状態であるのにも係わらずリッチ状態であると判定することにより、エンストやエミッション不良の原因になることがある。
【００１５】
そこで、この内燃機関１では、コントロールユニット１０が以下に示す条件判定処理及び劣化判定処理を行うことにより、固体電解質層２１の劣化を正確に検出する。以下、図３，図４に示すフローチャートを参照して、この条件判定処理及び劣化判定処理を実行する際のコントロールユニット１０の動作について詳しく説明する。
【００１６】
〔条件判定処理〕
始めに、図３に示すフローチャートを参照して、固体電解質層２１の劣化判定を開始する条件が満たされたか否かを判定する条件判定処理を実行する際のコントロールユニット１０の動作について説明する。
【００１７】
図３に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、条件判定処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１８】
ステップＳ１の処理では、コントロールユニット１０が、回転数センサ１３の検出結果を参照して内燃機関１が回転動作しているか否かを判別する。そして、内燃機関１が回転動作している場合、コントロールユニット１０は条件判定処理をステップＳ２の処理に進める。
【００１９】
ステップＳ２の処理では、コントロールユニット１０が、温度センサ１１の検出結果を参照して内燃機関１の冷却水温度が所定の制御範囲内にあるか否かを判別する。そして、判別の結果、冷却水温度が所定の制御範囲内にない場合、コントロールユニット１０は条件判定処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、冷却水温度が所定の制御範囲内にある場合には、コントロールユニット１０は条件判定処理をステップＳ３の処理に進める。
【００２０】
ステップＳ３の処理では、コントロールユニット１０が、所定の空燃比（λ）制御条件が成立しているか否かを判別する。そして、判別の結果、空燃比制御条件が成立していない場合、コントロールユニット１０は条件判定処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、空燃比制御条件が成立している場合には、コントロールユニット１０は条件判定処理をステップＳ４の処理に進める。
【００２１】
ステップＳ４の処理では、コントロールユニット１０が、車両のクランクシャフトが回転動作しているか否かを判別する。そして、判別の結果、クランクシャフトが回転動作していない場合、コントロールユニット１０は条件判定処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、クランクシャフトが回転動作している場合には、コントロールユニット１０は、劣化判定条件が成立したと判断し、一連の条件判定処理は終了する。
【００２２】
〔劣化判定処理〕
次に、図４に示すフローチャートを参照して、固体電解質層２１の劣化を判定する劣化判定処理を実行する際のコントロールユニット１０の動作について説明する。
【００２３】
図４に示すフローチャートは、上記条件判定処理において劣化判定条件が成立したと判断されるのに応じて開始となり、劣化判定処理はステップＳ１１の処理に進む。
【００２４】
ステップＳ１１の処理では、コントロールユニット１０が、酸素センサに１０［ＭＨｚ］程度の高周波の交流電流を印加することにより、固体電解質層２１の内部抵抗値（バルク抵抗値）Ｒ１を所定回数（例えば１００回）検出する。なお、一般に、Ｓｉ被毒や熱サイクルによって劣化した酸素センサの内部抵抗値は、図５（ａ）に示すように、新品の酸素センサの内部抵抗値と比較して大きくなる。また、一般に、酸素センサ８の測定電極２２と基準電極２３との間に交流電流を印加すると、図５（ｂ）に示すように、低周波数においては内部抵抗値から電極の劣化を検出することができ、高周波数においては内部抵抗値から固体電解質層２１の劣化を検出することができることが知られている。従って、上記のように、酸素センサに１０［ＭＨｚ］程度の高周波の交流電流を印加することにより、固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１を検出することができる。これにより、このステップＳ１１の処理は完了し、この劣化判定処理はステップＳ１２の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ１２の処理では、コントロールユニット１０が、ステップＳ１１の処理により検出された内部抵抗値Ｒ１の平均値をバルク抵抗平均値Ｒａｖとして算出する。これにより、このステップＳ１２の処理は完了し、この劣化判定処理はステップＳ１３の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ１３の処理では、コントロールユニット１０が、ステップＳ１２の処理により算出されたバルク抵抗平均値Ｒａｖと内部抵抗値Ｒ１の初期データ（基準値）とを比較することにより、固体電解質層２１が劣化しているか否かを判別する。具体的には、コントロールユニット１０は、バルク抵抗平均値Ｒａｖが基準値に対して５０％以上変化した場合、固体電解質層２１が劣化していると判別する。そして、判別の結果、固体電解質層２１が劣化していない場合、コントロールユニット１０は、一連の劣化判定処理を終了し、電極の劣化を判定する通常の制御モードに処理を進める。一方、固体電解質層２１が劣化している場合には、コントロールユニット１０は劣化判定処理をステップＳ１４の処理に進める。
【００２７】
ステップＳ１４の処理では、コントロールユニット１０が、バルク抵抗平均値Ｒａｖとヒータ電圧の関係を示すマップを参照して、ステップＳ１２の処理において算出されたバルク抵抗平均値Ｒａｖに対応するヒータ電圧を読み出し、読み出されたヒータ電圧をヒータ部２４に印加することにより内部抵抗値Ｒ１が基準値になるまで固体電解質層２１を加熱する。一般に、固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１は、図６に示すようにセンサ（素子）温度の上昇に従って減少するので、このような処理によれば、固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１を減少させ、固体電解質層２１を活性化状態に戻すことができる。なお、読み出されたヒータ電圧がバッテリ電圧以上である場合、コントロールユニット１０は、バッテリ電圧相当の電圧をヒータ部２４に印加し、バッテリ電圧以上の電圧を印加できないために固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１が基準値になるまで時間を要すると判断して劣化判定処理をステップＳ１５の処理に進める。一方、読み出されたヒータ電圧がバッテリ電圧以下である場合には、コントロールユニット１０は、一連の劣化判定処理を終了し、電極の劣化を判定する通常の制御モードに処理を進める。
【００２８】
ステップＳ１５の処理では、コントロールユニット１０は、バルク抵抗平均値Ｒａｖと活性ディレイの関係を示すマップを参照して、ステップＳ１２の処理において算出されたバルク抵抗平均値Ｒａｖに対応する活性ディレイ値を読み出し、読み出された活性ディレイ値だけ活性判定タイミングを遅らせる。このような処理によれば、固体電解質層２１の温度が上昇するまでの間、活性判定タイミングを遅らせ、固体電解質層２１の活性化状態を正確に判定することができる。これにより、このステップＳ１５の処理は完了し、この劣化判定処理はステップＳ１６の処理に進む。なお、酸素センサ８が図２に示すような擬似参照電極型でない場合には、コントロールユニット１０は、一連の劣化判定処理を終了し、センサの劣化を判定する通常の制御モードに処理を進める。
【００２９】
ステップＳ１６の処理では、コントロールユニット１０が、バルク抵抗平均値Ｒａｖとスライスレベル（Ｓ／Ｌ）オフセット量の関係を示すマップを参照して、ステップＳ１２の処理において算出されたバルク抵抗平均値Ｒａｖに対応するスライスレベルオフセット量を読み出し、読み出されたオフセット量だけ酸素センサ８の出力電圧Ｖのスライスレベルをオフセットさせる（図７参照）。具体的には、コントロールユニット１０は、内部抵抗値Ｒ１の変化に伴って酸素センサ８の出力電圧Ｖがシフトした大きさだけスライスレベルをオフセットさせる。一般に、酸素センサ８が擬似参照電極型である場合、ステップＳ１５の処理によってバルク抵抗平均値Ｒａｖを基準値まで低下させることが難しいが、このような処理によれば、実際の出力電圧に合わせることができ、固体電解質層２１の活性化状態を正確に判定することができる。これにより、このステップＳ１６の処理は完了し、一連の劣化判定処理は終了する。
【００３０】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる内燃機関１では、コントロールユニット１０が、基準電極２３と測定電極２２との間に高周波の交流電流を印加することにより固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１を検出し、検出された内部抵抗値Ｒ１の平均値Ｒａｖを基準値と比較することにより固体電解質層２１の劣化を判定するので、固体電解質層２１の劣化を正確に判定し、エンストやエミッション不良の発生を防止することができる。
【００３１】
また、本発明の実施形態となる内燃機関１では、コントロールユニット１０が、内部抵抗値Ｒ１の平均値Ｒａｖが基準値以上になった際に固体電解質層２１が劣化していると判定し、ヒータ部２４に対する印加電圧を制御することにより内部抵抗値Ｒ１が基準値になる温度まで固体電解質層２１を加熱するので、固体電解質層２１の内部抵抗値Ｒ１を低下させ、固体電解質層２１を活性化状態に戻すことで正常なセンサ出力を得ることができる。
【００３２】
また、本発明の実施形態となる内燃機関１では、コントロールユニット１０が、内部抵抗値Ｒ１が基準値になる温度に対応する印加電圧がバッテリ電圧以上である場合、固体電解質層２１の劣化を判定するタイミングを遅らせるので、センサ温度が上昇するまでの間待機して、固体電解質層２１の劣化を正確に判定することができる。
【００３３】
また、本発明の実施形態となる内燃機関１では、コントロールユニット１０が、内部抵抗値Ｒ１の平均値Ｒａｖが基準値以上になった際に固体電解質層２１が劣化していると判定し、基準値に対する内部抵抗値２１の増分に応じて酸素センサの出力値Ｖと比較されるスライスレベルを通常の値より上昇させるので、固体電解質層の劣化を正確に判定することができる。
【００３４】
最後に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【００３５】
（イ）請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の酸素センサの劣化判定装置であって、前記劣化判定手段は、前記基準電極及び測定電極間に１０［ＭＨｚ］の高周波交流電流を印加し、固体電解質層の内部抵抗値が基準値に対して５０［％］以上増加した場合において、固体電解質層が劣化していると判定することを特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、内燃機関の空燃比制御に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態となる内燃機関の構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す酸素センサの断面構成及び等価回路を示す図である。
【図３】本発明の実施形態となる条件判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図４】本発明の実施形態となる劣化判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図５】交流電流の周波数変化に伴う内部抵抗値の変化を示す図である。
【図６】素子温度の増加に伴う内部抵抗値の変化を示す図である。
【図７】酸素センサの出力電圧のスライスレベルをオフセットする処理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：内燃機関
２：吸気バルブ
３：排気バルブ
４：点火栓
５：シリンダ
６：吸気ポート
７：燃料噴射バルブ
８：酸素センサ
９：排気ポート
１０：コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）
１１：温度センサ
１２：負荷センサ
１３：回転数センサ
２１：固体電解質層
２２：測定電極
２３：基準電極
２４：ヒータ部
【図１】
2006194826.tif 000003
【図２】
2006194826.tif 000004
【図３】
2006194826.tif 000005
【図４】
2006194826.tif 000006
【図５】
2006194826.tif 000007
【図６】
2006194826.tif 000008
【図７】
2006194826.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月7日(2005.12.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層を挟持した基準電極及び測定電極を備え、基準電極側の酸素分圧と測定電極側の酸素分圧の差に対応して生じる起電力に基づいて酸素濃度を測定する酸素センサの劣化判定装置であって、
前記基準電極と測定電極との間に高周波の交流電流を印加することにより前記固体電解質層の内部抵抗値を検出し、検出された内部抵抗値を基準値と比較することにより固体電解質層の劣化を判定する劣化判定手段を備えること
を特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素センサの劣化判定装置であって、
電圧が印加されるのに応じて固体電解質層を加熱するヒータ部を備え、
前記劣化判定手段は、前記内部抵抗値が基準値以上になった際に固体電解質層が劣化していると判定し、前記ヒータ部に対する印加電圧を制御することにより内部抵抗値が前記基準値になる温度まで前記固体電解質層を加熱することを特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の酸素センサの劣化判定装置であって、
前記劣化判定手段は、内部抵抗値が前記基準値になる温度に対応する印加電圧がバッテリ電圧以上である場合、前記固体電解質層の内部抵抗値が前記基準値に対応する温度に上昇するまでの間、前記固体電解質層の活性を判定するタイミングを遅らせることを特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の酸素センサの劣化判定装置であって、
前記劣化判定手段は、基準電極側に酸素を溜める機構を有する酸素センサにおいては、前記内部抵抗値が基準値以上になった際に固体電解質層が劣化していると判定し、前記基準値に対する内部抵抗値の増分に応じて酸素センサの出力値と比較されるスライスレベルを通常の値より上昇させることを特徴とする酸素センサの劣化判定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
また、劣化判定手段は、内部抵抗値が基準値になる温度に対応する印加電圧がバッテリ電圧以上である場合、固体電解質層の内部抵抗値が前記基準値に対応する温度に上昇するまでの間、固体電解質層の活性を判定するタイミングを遅らせることが望ましい。これにより、固体電解質層の温度が上昇するまでの間待機して、固体電解質層の活性を正確に判定することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
また、本発明の実施形態となる内燃機関１では、コントロールユニット１０が、内部抵抗値Ｒ１が基準値になる温度に対応する印加電圧がバッテリ電圧以上である場合、固体電解質層２１の活性を判定するタイミングを遅らせるので、センサ温度が上昇するまでの間待機して、固体電解質層２１の活性を正確に判定することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2006194826.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月19日(2005.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2006194826.tif 000011