(57)【要約】【課題】酸素センサの活性化を判定する判定時間の短縮化、ならびに判定精度の向上の双方を達成することを課題とする。【解決手段】擬似参照電極タイプの酸素センサの加熱が開始された後、酸素センサの出力電圧ＶＯ２が、検出素子２０に流し込み電流を供給するポンピング電圧Ｖｐの初期バイアス電圧値Ｖ１から低下し（ステップＳ１１）、酸素濃度のリッチ状態／リーン状態を判定する判定値ＶＲ／Ｌ以下となり（ステップＳ１２）、再び判定値ＶＲ／Ｌ以上となったときに（ステップＳ１４）、酸素センサが活性化されたと判定する（ステップＳ１５）ことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
擬似参照電極タイプの酸素センサの加熱が開始された後、前記酸素センサの出力電圧が、被測定ガス中の酸素濃度を検出する検出素子に流し込み電流を供給する擬似参照電極用バイアス電圧の初期電圧値から低下し、酸素濃度のリッチ状態／リーン状態を判定する判定値以下となり、再び酸素濃度のリッチ状態／リーン状態を判定する前記判定値以上となったときに、前記酸素センサが活性化されたと判定する
ことを特徴とする酸素センサの活性化判定方法。
【請求項２】
前記擬似参照電極用バイアス電圧の初期電圧値は、
酸素濃度のリッチ状態／リーン状態を判定する前記判定値よりも大きく、かつ活性化後のリッチ状態を示す前記酸素センサの出力電圧よりも小さい値に設定される
ことを特徴とする請求項１記載の酸素センサの活性化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車エンジン等の空燃比（燃料と吸入空気との混合比）を排気ガス中の酸素濃度として検出するのに好適な酸素センサの活性化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車エンジン等の内燃機関では、例えば排気管の途中に酸素センサを設け、排気ガス中に残留した酸素の濃度を酸素センサにより検出する構成としている。
【０００３】
この種の従来技術による、擬似参照電極（基準大気室がない）タイプの酸素センサにおいて、例えば図４の概略構成に示すように、排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子４０は、被測定ガス（排気ガス）の酸素濃度に対応した起電力Ｅを発生すると共に、内部抵抗Ｒｉを有している。検出素子４０に擬似参照電極用のポンピング電圧Ｖｐを印加し、受け抵抗Ｒ０を介して流し込み電流としてのポンピング電流Ｉｐが検出素子４０に供給されるときに、酸素センサの出力電圧ＶＯ２は、次式で表される。
【０００４】
【数１】
ＶＯ２＝Ｅ＋（Ｒｉ×Ｉｐ）
空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比となる状態（Ａ／Ｆ＝１４．７）の出力電圧ＶＯ２を基準電圧（例えば４５０ｍＶ）とすると、この基準電圧と出力電圧ＶＯ２とを比較し、空燃比が理論空燃比に対してリッチ（過濃）状態であるか、あるいはリーン（希薄）状態であるかを判別していた。すなわち、出力電圧ＶＯ２が基準電圧よりも高い場合には、空燃比が理論空燃比よりもリッチ状態（例えばＡ／Ｆ＜１４．７）であって排気ガス中の酸素量が僅かであり、一方出力電圧ＶＯ２が基準電圧よりも低い場合には、空燃比が理論空燃比よりもリーン状態（例えばＡ／Ｆ＞１４．７）であって排気ガス中に多くの酸素が存在すると判別する。
【０００５】
このような酸素センサにおいて、空燃比を良好に検出するためには、検出素子４０が所定温度以上となり、活性化している必要があった。酸素センサの内部抵抗Ｒｉは温度依存性を有し、検出素子４０が加熱されて温度が上昇するにつれて内部抵抗値は減少する。このような特性を利用して、内部抵抗Ｒｉの値を検出し、検出した内部抵抗値が予め設定された所定値よりも小さくなったときに、酸素センサが所定温度以上となり、活性化されたものと判断していた。この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６２−１９７７５９号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平５−２４９０７７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、内部抵抗Ｒｉの値に基づいて酸素センサの活性化を判定していた従来の酸素センサにおいては、内部抵抗Ｒｉと検出素子の素子温度との間に相関関係はあるものの、内部抵抗Ｒｉは温度特性にばらつきがあった。このため、内部抵抗Ｒｉの抵抗値に基づいて活性化を判定する場合には、判定精度は温度に依存することになり、判定精度が悪いといった不具合を招いていた。
【０００９】
そこで、内部抵抗Ｒｉの値に基づいて、活性化を精度良く判定しようとすると、内部抵抗Ｒｉのばらつきを考慮して、活性化を判定する内部抵抗Ｒｉの値にある程度のマージンを設定する必要があった。
【００１０】
すなわち、内部抵抗Ｒｉと検出素子の素子温度との関係（温度特性）を表す図５に示すように、活性化を判定する内部抵抗Ｒｉの判定値を、内部抵抗Ｒｉが標準の場合（図５のａに示す温度特性）に対して、図５のｂに示すように内部抵抗Ｒｉがばらついた場合の温度特性においてばらついた内部抵抗Ｒｉの最小値に設定する必要があった。このため、図５に示すように、実際に検出素子が活性化している素子温度よりも高い温度で活性化を判定することになっていた。この結果、活性化の判定が遅れ、活性化の判定時間が長くなるといった不具合を招いていた。
【００１１】
また、擬似参照電極タイプの酸素センサにおいては、通常センサの作動とともにヒータを通電して検出素子を加熱すると同時に、基準電極に酸素をため込むための流し込み電流を流す。このため、センサの出力電圧ＶＯ２とヒータ通電後の時間との関係を表す図６のｂに示すように、非活性時の酸素センサの出力電圧ＶＯ２は、基準電圧以上となる。このため、擬似参照電極タイプの酸素センサにおいては、出力電圧ＶＯ２をモニタするだけでは、活性化を正確に判定することはできなかった。
【００１２】
一方、大気室を備えた酸素センサの場合には、図６のａに示すように、加熱と共に出力電圧ＶＯ２が上昇して所定の範囲内に達した後、所定の範囲外に達したときに活性化を判定していた。
【００１３】
また、擬似参照電極タイプの酸素センサにおいては、内部抵抗Ｒｉの抵抗値を測定するために、図４に示すように、内部抵抗Ｒｉに交流電圧を印加するための交流電圧印加装置４１が必要になっていた。このため、構成が大型化し、コストの上昇を招いていた。
【００１４】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、酸素センサの活性化を判定する判定時間の短縮化、ならびに判定精度の向上の双方を達成した酸素センサの活性化判定方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、擬似参照電極タイプの酸素センサの加熱が開始された後、前記酸素センサの出力電圧が、被測定ガス中の酸素濃度を検出する検出素子に流し込み電流を供給する擬似参照電極用バイアス電圧の初期電圧値から低下し、酸素濃度のリッチ状態／リーン状態を判定する判定値以下となり、再び酸素濃度のリッチ状態／リーン状態を判定する前記判定値以上となったときに、前記酸素センサが活性化されたと判定するすることを特徴とする。
【００１６】
上記特徴においては、酸素センサの出力電圧を監視することで、酸素センサの活性化を判定するようにしたので、酸素センサの周囲の温度に依存することなく、活性化の判定時間を短縮し、かつ活性化の精度を向上させることができる。
【００１７】
また、検出素子の内部抵抗を検出するための交流電圧印加装置が不要となり、センサの構成を小型化、簡素化することが可能となり、製造コストを低減することができる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、前記請求項１記載の発明において、前記擬似参照電極用バイアス電圧の初期電圧値は、酸素濃度のリッチ状態／リーン状態を判定する前記判定値よりも大きく、かつ活性化後のリッチ状態を示す前記酸素センサの出力電圧よりも小さい値に設定されることを特徴とする。
【００１９】
上記特徴において、酸素センサの活性化のタイミングを従来に比べて短時間に精度良く判定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施形態を説明する。
【００２１】
図１はこの発明の第１の実施形態に係る酸素センサの活性化判定方法の手順を示すフローチャーであり、図２は酸素センサの電気的な概略構成を示す図であり、図３はセンサの出力電圧ＶＯ２、ならびにポンピング電圧Ｖｐの時間変化を示す図である。
【００２２】
図１を参照してこの第１の実施形態の判定方法の手順を説明する前に、図２を参照して、擬似参照電極タイプの酸素センサの電気的な構成ならびに作用を説明する。図２において、酸素センサに含まれて、例えば排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子２０は、被測定ガス（排気ガス）の酸素濃度に対応した起電力Ｅを発生すると共に、内部抵抗Ｒｉを有している。検出素子２０には、擬似参照電極用のバイアス電圧となるポンピング電圧Ｖｐが印加され、受け抵抗Ｒ０を介して流し込み電流としてのポンピング電流Ｉｐが検出素子２０に供給される。検出素子２０にポンピング電流がＩｐ供給されたときに、酸素センサの出力電圧ＶＯ２は、前述した数１で表される。
【００２３】
空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比となる状態（Ａ／Ｆ＝１４．７）の出力電圧ＶＯ２を基準電圧（例えば４５０ｍＶ程度）とすると、この基準電圧と出力電圧ＶＯ２とを比較し、空燃比が理論空燃比に対してリッチ状態であるか、あるいはリーン状態であるか判別する。すなわち、出力電圧ＶＯ２が基準電圧よりも高い場合には、空燃比が理論空燃比よりもリッチ状態（例えばＡ／Ｆ＜１４．７）であって排気ガス中の酸素量が僅かであり、一方出力電圧ＶＯ２が基準電圧よりも低い場合には、空燃比が理論空燃比よりもリーン状態（例えばＡ／Ｆ＞１４．７）であって排気ガス中に多くの酸素が存在すると判別する。
【００２４】
次に、図１のフローチャートを参照して、この第１の実施形態の活性化判定方法の手順を説明する。
【００２５】
まず、酸素センサの作動開始と共に、検出素子２０を加熱するヒータ（図示せず）の通電を開始して検出素子２０を加熱し、これと同時に検出素子２０にポンピング電流Ｉｐを流し込むポンピング電圧Ｖｐを、初期バイアス電圧Ｖ１に設定する。この初期バイアス電圧Ｖ１は、リーン状態／リッチ状態を判定する判定電圧ＶＲ／Ｌとなる上記基準電圧（例えば４５０ｍＶ程度）よりも大きく、かつリッチ状態の出力電圧ＶＯ２Ｒ（例えば９００ｍＶ程度）未満の値に設定され、例えば５００〜５５０ｍＶ程度に設定される。このように、ポンピング電圧Ｖｐを初期バイアス電圧Ｖ１に設定することで、センサの作動開始後出力電圧ＶＯ２は、一度確実に判定電圧ＶＲ／Ｌ以下となる。ヒータの通電開始直後は、検出素子２０の素子温度は低い状態であるため、内部抵抗Ｒｉは高い値である。この状態では、内部抵抗Ｒｉの抵抗値は受け抵抗Ｒ０の抵抗値に比べて十分大きく設定されているので、出力電圧ＶＯ２はポンピング電圧Ｖｐの初期バイアス電圧Ｖ１となる（ステップＳ１０）。
【００２６】
次に、ヒータの加熱により検出素子２０の素子温度が上昇すると、内部抵抗Ｒｉの抵抗値が低下する。これにより、出力電圧ＶＯ２は、図３（ａ）の実線で示すように、初期バイアス電圧Ｖ１から徐々に低下する。出力電圧ＶＯ２が徐々に低下するのは、流し込み電流により受け抵抗Ｒ０と内部抵抗Ｒｉとの分圧差が徐々に小さくなるためである。出力電圧ＶＯ２が初期バイアス電圧Ｖ１の１／２になったときに、内部抵抗Ｒｉの抵抗値は受け抵抗Ｒ０の抵抗値と等しくなったと考えられる（ステップＳ１１）。
【００２７】
次に、出力電圧ＶＯ２が判定電圧ＶＲ／Ｌを下回ったか否かを判別する（ステップＳ１２）。すなわち、出力電圧ＶＯ２がリーン状態を示しているか否かを判別する。判別結果において、出力電圧ＶＯ２が判定電圧ＶＲ／Ｌ以下となった場合には、出力電圧ＶＯ２がリーン状態を示していると判別される。
【００２８】
続いて、ヒータの加熱により検出素子２０の素子温度が上昇して、内部抵抗Ｒｉの抵抗値がさらに低下すると、検出素子２０に流し込まれるポンピング電流Ｉｐが増加し始め、基準電極側への酸素のため込み量も確保される。これにより、出力電圧ＶＯ２は、図３（ａ）に示すように、低下状態から一転して上昇し始める（ステップＳ１３）。
【００２９】
次に、出力電圧ＶＯ２が判定電圧ＶＲ／Ｌを上回ったか否かを判別する（ステップＳ１４）。すなわち、出力電圧ＶＯ２がリッチ状態を示しているか否かを判別する。判別結果において、出力電圧ＶＯ２が判定電圧ＶＲ／Ｌ以上となった場合には、出力電圧ＶＯ２がリッチ状態を示していると判別される。出力電圧ＶＯ２がポンピング電圧Ｖｐの初期バイアス電圧Ｖ１から低下して、判定電圧ＶＲ／Ｌ以下となってリーン状態を示す出力状態となり、その後、上昇して判定電圧ＶＲ／Ｌ以上となりリッチ状態を示す出力状態となることは、検出素子２０がリッチ状態／リーン状態を判定できる状態になったことを意味する。すなわち、この時点で酸素センサは活性化したことになり、活性化したと判定される（ステップＳ１５）。
【００３０】
次に、出力電圧ＶＯ２が判定電圧ＶＲ／Ｌ以上となり、リッチ状態を示す出力状態においては、ポンピング電圧Ｖｐがリッチ状態の出力電圧ＶＯ２Ｒよりも低い初期バイアス電圧Ｖ１であると、リッチ状態の出力電圧ＶＯ２Ｒに打ち消される方向で検出素子２０へ流し込まれるポンピング電流Ｉｐが低下してしまう。これを回避するために、酸素センサが活性化されたと判定されたと同時に、図３（ｂ）に示すように、ポンピング電圧Ｖｐを初期バイアス電圧Ｖ１から、活性化後のリッチ状態を示す出力電圧ＶＯ２Ｒよりも大きく、検出素子２０に流し込み電流が確保できる通常バイアス電圧Ｖ２に切り換える（ステップＳ１６）。この通常バイアス電圧Ｖ２は、例えば１．５Ｖ程度以上に設定される。
【００３１】
このように、上記第１の実施形態における、活性化の判定方法においては、従来のように検出素子の内部抵抗Ｒｉの抵抗値に基づいて活性化を判定するのではなく、酸素センサの出力電圧ＶＯ２をモニタすることで、酸素センサの活性化を判定するようにしたので、内部抵抗Ｒｉの温度によるばらつきに依存することなく活性化のタイミングを正確に判定することが可能となる。これにより、酸素センサの周囲の温度に依存することなく、活性化の判定時間を短縮し、かつ活性化の精度を向上させることができる。
【００３２】
また、検出素子の内部抵抗Ｒｉの抵抗値を検出していないため、従来のように内部抵抗Ｒｉの抵抗値を検出するための交流電圧印加装置が不要となる。これにより、センサの構成を小型化、簡素化することが可能となり、製造コストを低減することができる。
【００３３】
さらに、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、以下に効果と共に記載する。
【００３４】
請求項１記載の酸素センサの活性化判定方法において、前記酸素センサの活性化が判定された後、前記擬似参照電極用バイアス電圧を、初期電圧値から、活性化後のリッチ状態を示す前記酸素センサの出力電圧よりも大きい値に設定することを特徴とする酸素センサの活性化判定方法。
【００３５】
上記特徴においては、検出素子に流し込まれる電流の低下を回避して、検出素子に流し込み電流を確実に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る酸素センサの活性化判定方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】酸素センサの電気的な概略構成を示す図である。
【図３】酸素センサの出力電圧ＶＯ２、ならびにポンピング電圧の時間変化を示す図である。
【図４】従来の酸素センサの電気的な概略構成を示す図である。
【図５】内部抵抗の温度によるばらつきを示す図である。
【図６】ヒータ通電後の出力電圧ＶＯ２の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
２０，４０…検出素子
４１…交流電圧印加装置
Ｉｐ…ポンピング電流
Ｒ０…受け抵抗
Ｒｉ…内部抵抗
Ｖ１…初期バイアス電圧
Ｖ２…通常バイアス電圧
ＶＲ／Ｌ…判定電圧
Ｖｐ…ポンピング電圧
ＶＯ２…出力電圧
ＶＯ２Ｒ…リッチ状態の出力電圧
【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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