(57)【要約】【課題】エンジン運転時において、ヒータ通電による電力消費を抑制する。【解決手段】ガスセンサ１６は、エンジン１０の排気管１４を流れる排気中の酸素濃度を検出するセンサ素子１６ａを備え、センサ素子１６ａがヒータ１６ｂにより加熱される。ＥＣＵ１７はＡ／Ｆセンサ１６の検出結果に基づいて、空燃比フィードバック制御やＡ／Ｆセンサ１６の異常診断を実施する。また、ＥＣＵ１７は、センサ素子１６ａにより検出される酸素濃度に基づいて目標素子温度を設定し、目標素子温度に基づいてヒータ１６ｂへの通電を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１０）の排気通路（１４）を流れる排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子（１６ａ）を備え、該センサ素子がヒータ（１６ｂ）により加熱されるガスセンサ（１６）に適用されるセンサ制御装置（１７）において、
前記特定成分の検出濃度に基づいて、目標素子温度を設定する温度設定手段と、
前記目標素子温度に基づいて、前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段と、
を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
【請求項２】
前記ガスセンサは、前記排気中の酸素濃度を検出するものであって、
前記温度設定手段は、前記排気通路を大気雰囲気にした状態と、それよりも低酸素濃度の雰囲気にした状態とで、前記目標素子温度を変える請求項１に記載のセンサ制御装置。
【請求項３】
前記ガスセンサは、固体電解質体（３１）と、該固体電解質体に設けられる一対の電極（３５，３６）とを有し、前記一対の電極に所定の電圧を印加した状態で、酸素濃度に応じて流れる素子電流を検出する限界電流式のガスセンサであって、
前記温度設定手段は、前記排気通路を大気雰囲気にした状態では、それよりも低酸素濃度の雰囲気にした状態よりも、前記目標素子温度を高くする請求項１又は２に記載のセンサ制御装置。
【請求項４】
前記ガスセンサは、前記排気通路を流れる排気から空燃比を検出する空燃比センサであって、
前記温度設定手段は、前記空燃比センサにより検出される空燃比がストイキからリーン側又はリッチ側に離れるほど、前記目標素子温度を高くする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ制御装置。
【請求項５】
前記ガスセンサによる酸素濃度の検出結果に基づいて空燃比フィードバック制御を実施し、前記空燃比フィードバック制御が停止中であり、かつ前記排気通路が大気雰囲気になっている状態で前記ガスセンサの異常診断を実施する制御システムに適用され、
前記温度設定手段は、前記異常診断の実施時には、前記異常診断の非実施時よりも、前記目標素子温度を高くする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ制御装置。
【請求項６】
前記制御システムでは、前記排気通路が大気雰囲気となる状態であることを含む所定の診断条件の成立時に、前記異常診断を実施するものであり、
前記温度設定手段は、前記異常診断が完了した時点で、前記診断条件の成立が継続していても、前記目標素子温度を低下させる請求項５に記載のセンサ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサのセンサ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排気用のガスセンサとしては例えば、エンジンより排出される排気を対象に同排気中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式のＡ／Ｆセンサが知られている。すなわち、Ａ／Ｆセンサは、固体電解質体よりなるセンサ素子を有し、素子温度が所定の活性温度に保持された状態で、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。かかる場合、センサ素子にはヒータが設けられており、当該ヒータが通電されて発熱することにより、センサ素子の加熱が行われ、素子温度が所定の活性温度で保持される。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載のものでは、排気管内に設けられたＡ／Ｆセンサにおいて、エンジン運転時の排気管内が大気雰囲気の状態であるときに、ガスセンサの異常診断が行われる構成になっており、大気雰囲気下でのガス濃度検出精度が確保されるように、目標素子温度が設定されている。そして、素子温度が目標素子温度になるようにヒータ通電が制御されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４８２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ヒータ通電によりバッテリの電力消費量が大きくなると、その電力消費分を補うべく、エンジンによる発電量を大きくせざるをえなくなり、結果として燃費の悪化を招くことが懸念される。ゆえに、ガスセンサのヒータ通電の制御において改善の余地があると考えられる。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、エンジン運転時において、ヒータ通電による電力消費を抑制することができるセンサ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用・効果について記載する。
【０００８】
本発明は、エンジンの排気通路を流れる排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子を備え、該センサ素子がヒータにより加熱されるガスセンサに適用されるセンサ制御装置において、特定成分の検出濃度に基づいて、目標素子温度を設定する温度設定手段と、目標素子温度に基づいて、ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、排気中の特定成分の検出濃度に基づいて、目標素子温度が設定され、その目標素子温度に基づいて、センサ素子を加熱するヒータ通電が制御されるため、排気の濃度雰囲気の変化に応じてヒータ通電によるセンサ素子の加熱の程度を変えることができる。したがって、濃度雰囲気が変化する場合であっても、ガスセンサの濃度検出精度を確保しつつ、ヒータ通電による電力消費を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】エンジン制御システムの全体を示す構成図。
【図２】センサ素子及びセンサ制御装置を示す構成図。
【図３】センサ素子の電圧−電流特性図。
【図４】ヒータ制御処理に関する処理手順を示すフローチャート。
【図５】Ａ／Ｆセンサの異常診断に関する処理手順を示すフローチャート。
【図６】ヒータ制御処理の態様を示すタイムチャート。
【図７】空燃比と目標素子温度との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態に係るエンジン制御システムを図面に従って説明する。本実施形態では、車両に搭載されるエンジンにより排出される排気を被検出ガスとし、同排気中の酸素濃度（空燃比：Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサを用い、Ａ／Ｆセンサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施するエンジン制御システムについて説明する。当該制御システムでは、空燃比をストイキ又はストイキ付近で空燃比フィードバック制御するストイキ燃焼制御や、近年又は将来の排気規制や異常検出規制（ＯＢＤ）に対応する広域の空燃比検出を実施すべく、リッチ雰囲気から大気雰囲気までの広い範囲で空燃比を検出可能としている。
【００１２】
まず、エンジン制御システムの全体概要を図１を用いて説明する。エンジン１０は、例えばガソリンエンジンであり、電子制御式のスロットルバルブ１１や、燃料噴射弁１２、点火装置１３等を備えている。エンジン１０の排気管１４には排気浄化装置として例えば三元触媒よりなる触媒１５が設けられている。排気管１４において触媒１５の上流側にはＡ／Ｆセンサ１６が設けられており、排気中の酸素濃度に対応した空燃比信号をＥＣＵ１７に出力する。
【００１３】
ＥＣＵ１７は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（マイコン）を主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムに基づいて、例えば、実空燃比に基づいた空燃比フィードバック制御及びＡ／Ｆセンサ１６の異常診断などを実施する。
【００１４】
次に、Ａ／Ｆセンサ１６の構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサ１６は積層型構造のセンサ素子１６ａを有している。図２にはそのセンサ素子１６ａの断面構成を示す。実際には当該センサ素子１６ａは図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。センサ素子１６ａは、固体電解質層３１、拡散抵抗層３２、遮蔽層３３及び絶縁層３４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層３１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層３１を挟んで上下一対の電極３５，３６が対向配置されている。拡散抵抗層３２は電極３５へ排気を導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層３３は排気の透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層３２，３３は何れも、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。
【００１５】
絶縁層３４はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、電極３６に対面する部位には大気ダクト３７が形成されている。また、同絶縁層３４にはヒータ１６ｂが埋設されている。ヒータ１６ｂは、バッテリ等の電源３８からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、ＥＣＵ１７からの制御信号に基づいて通電が行われ、その発熱により素子全体を加熱する。
【００１６】
電極３５，３６には、それぞれ、電源３８の正極、負極が接続されている。電源３８は、電極３５，３６に電圧を印加する。加えて、電極３５，３６に流れる電流を検出する電流検出部３９が設けられており、検出された電流の値は、ＥＣＵ１７へ出力される。
【００１７】
次に、Ａ／Ｆセンサ１６による酸素濃度の検出結果に基づいて実施される空燃比フィードバック制御及びＡ／Ｆセンサ１６の異常診断について説明する。
【００１８】
空燃比フィードバック制御では、詳しくは、目標空燃比をストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．７）とし、Ａ／Ｆセンサ１６により検出された実空燃比が目標空燃比に一致するよう燃料噴射弁１２による燃料噴射量を制御する。
【００１９】
Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断では、例えば、濃度検出精度の診断やセンサ応答性の診断等が実施される。濃度検出精度の診断では、燃料カットが実施され、排気管１４内が大気雰囲気（既知の値）になっている状態で、Ａ／Ｆセンサ１６の出力値（素子電流値）が大気雰囲気に相当する値となるか否かが判定される。これによりセンサ素子１６ａの劣化の有無などが判定される。また、センサ応答性の診断では、排気管１４内の雰囲気がストイキ雰囲気から大気雰囲気へ変化する際に、異なる二つの素子電流値が検出される時間の間隔（応答時間）が測定され、正常なＡ／Ｆセンサ１６の応答時間と測定された応答時間との差が所定の判定閾値以上であるか否かによりセンサ素子１６ａの劣化の有無などが判定される。
【００２０】
また、ＥＣＵ１７は、センサ素子１６ａの素子温度を算出し、その算出結果に基づき、ヒータ１６ｂの駆動を制御する。その算出及びヒータ制御については周知であるため、ここでは簡単に説明する。ＥＣＵ１７は、センサ素子１６ａへの印加電圧を交流的に変化させ、それに応じて生じる電流変化又は電圧変化を検出する。そして、その電流変化又は電圧変化に基づいてセンサ素子１６ａの素子インピーダンスを算出するとともに、その素子インピーダンスに基づいてヒータ１６ｂの通電制御を実施する。このとき、センサ素子１６ａの素子温度と素子インピーダンスとには相関があり、素子インピーダンスが所定の目標値に制御されることで、センサ素子１６ａが所望の目標素子温度に維持される。ヒータ制御として、例えば素子温度フィードバック制御が実施されるとよい。
【００２１】
センサ素子１６ａの電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を図３を用いて説明する。図３において、実線及び破線は共にセンサ素子１６ａのＶ−Ｉ特性を示しており、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１６ａの素子電流値Ｉｐ（限界電流値）を特定する限界電流域であって、この素子電流値Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流値Ｉｐは増大し、空燃比がストイキ側になるほど素子電流値Ｉｐは減少する。
【００２２】
Ｖ−Ｉ特性を示すグラフにおいて、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１６ａの直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温度に応じて変化し、素子温度が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。このため、図３において、素子温度が高温側のＴ１であるときの実線で示される特性Ｌ１に対し、素子温度が低温側のＴ２であるときの破線で示される特性Ｌ２は、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（抵抗支配域が寝た状態となる）。
【００２３】
図３において、一次直線で示されるＲＧは、センサ素子１６ａへの印加電圧の値を決定するための印加電圧線を表している。空燃比を正確に検出するには、印加電圧値をＶ−Ｉ特性の限界電流域上で正しく制御する必要があり、図３の一次直線で示す印加電圧線を設定しておき、この印加電圧線上で、都度の素子電流値Ｉｐに応じて印加電圧値を決定するようにしている。ここで、図３に示すように、素子温度が高温側のＴ１であると特性Ｌ１においてリッチ雰囲気側から大気雰囲気側までの広い空燃比で、印加電圧値が特性Ｌ１の限界電流域にある。一方、素子温度が低温側のＴ２である場合、特性Ｌ２において大気雰囲気側の空燃比で、印加電圧値が特性Ｌ２の限界電流域から逸脱する。このため、ストイキ雰囲気から大気雰囲気まで幅広くＡ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度を確保するには、素子温度を高温側のＴ２に維持する必要がある。
【００２４】
ところが、目標素子温度は高いほど、その素子温度を維持するために、ヒータ通電による電力消費量が大きくなる。このため、本実施形態では、エンジン運転中において、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断の実施時と非実施時とで、目標素子温度を可変に設定し、大気検出を必要とする異常診断の実施時は目標素子温度をＴ１（例えば、７００℃）に設定し、大気検出を必要としない異常診断の非実施時には目標素子温度をＴ２（例えば、５５０℃）に設定することにより、ヒータ通電による電力消費を抑制することとしている。
【００２５】
次に、ＥＣＵ１７が行うＡ／Ｆセンサ１６のヒータ制御処理について図４のフローチャートを用いて説明する。本処理は、ＥＣＵ１７によりエンジン運転中に所定周期で繰り返し実行される。
【００２６】
ステップＳ１１では、実測値である素子インピーダンス値Ｚａｃを取得し、ステップＳ１２では、センサ素子１６ａの目標設定温度に対応する素子インピーダンスの目標値Ｚｔｇを設定する。ステップＳ１３では、実測値である素子インピーダンス値Ｚａｃが目標値Ｚｔｇに一致するように、素子温度フィードバック制御が実行し、本処理を終了する。
【００２７】
次に、ＥＣＵ１７が行うＡ／Ｆセンサ１６の異常診断処理について図５のフローチャートを用いて説明する。本処理は、ＥＣＵ１７によりエンジン運転中に所定周期で繰り返し実施される。
【００２８】
ステップＳ２１では、異常診断フラグが「０」であるか否かを判定する。ここで、異常診断フラグは、「０」によって今回のイグニッションオン後においてＡ／Ｆセンサ１６の異常診断が完了していないことを示し、「１」によって異常診断が完了していることを示す。ステップＳ２１でＹＥＳであれば、ステップＳ２２に進む。
【００２９】
ステップＳ２２では、異常診断の実施条件が成立したか否かを判定する。この異常診断の実施条件は、エンジン運転中において燃料カットが実施され、空燃比フィードバック制御が停止されることが挙げられる。ステップＳ２２でＹＥＳであれば、ステップＳ２３に進む。
【００３０】
また、ステップＳ２１，Ｓ２２でＮＯであれば、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、目標素子温度を低温側のＴ２に設定し、この後、本処理を終了する。
【００３１】
ステップＳ２３では、目標素子温度を高温側のＴ１に設定し、ステップＳ２４では排気管１４内の雰囲気がストイキ雰囲気から大気雰囲気へ変化する過渡であるか否かを判定する。ステップＳ２４でＹＥＳであれば、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、Ａ／Ｆセンサ１６のセンサ応答性の異常診断を実施する。
【００３２】
また、ステップＳ２４でＮＯであれば、ステップＳ３１に進む。このとき、排気管１４内の雰囲気は大気雰囲気に到達している。ステップＳ３１では、素子温度が目標素子温度であるＴ１に到達しているか否かを判定する。ステップＳ３１でＮＯであれば本処理を終了し、ステップＳ３１でＹＥＳであれば、ステップＳ３２に進み、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度の異常診断を実施する。この後、ステップＳ２６に進み、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度の異常診断が完了したか否かを判定する。ステップＳ２６でＮＯであれば、本処理を終了し、ステップＳ２６でＹＥＳであれば、ステップＳ２７に進む。
【００３３】
ステップＳ２７では、異常診断により異常ありと判定されたか否かを判定する。ステップＳ２７でＮＯであれば、ステップＳ２９に進み、異常診断フラグに「１」をセットし、この後、本処理を終了する。また、ステップＳ２７でＹＥＳであれば、ステップＳ２８に進み、フェイルセーフ処理を実施する。なお、フェイルセーフ処理としては、例えば、燃料噴射量の制限が行われる。この後、ステップＳ２９に進み、上述したフローをたどる。
【００３４】
図６にＥＣＵ１７により実施されるヒータ制御処理の態様についてタイミングチャートを用いて説明する。
【００３５】
空燃比フィードバック制御が停止される時刻ｔ１１までは目標素子温度が低温側のＴ２に設定されている。そして、時刻ｔ１１において、燃料カットが実施され、空燃比フィードバック制御が停止されると、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断の実施条件が成立し、目標素子温度が高温側のＴ１に設定される。このとき、排気管１４内の雰囲気がストイキ雰囲気から大気雰囲気側に変化し始めるとともに、素子温度が上昇し始める。時刻ｔ１１から排気管１４内の雰囲気が大気雰囲気になる時刻ｔ１２までの期間で、素子電流値ＩｐがＡ点からＢ点に至るまでの所要時間に基づいて、Ａ／Ｆセンサ１６のセンサ応答性に対する異常診断が実施される。時刻ｔ１３において、素子温度がＴ１に到達すると、素子電流値Ｉｐに基づいてＡ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度に対する異常診断が実施される。時刻ｔ１４において、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断が完了すると、異常診断フラグに「１」がセットされ、目標素子温度がＴ２に設定される。この後、時刻ｔ１５において、燃料カットが解除され、空燃比フィードバック制御が開始されると、排気管１４内の雰囲気が大気雰囲気からストイキ雰囲気側に向けて変化し始める。
【００３６】
以上、詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００３７】
排気中の酸素濃度に基づいて、目標素子温度が設定され、その目標素子温度に基づいて、センサ素子１６ａを加熱するヒータ通電が制御されるため、排気中の酸素濃度雰囲気の変化に応じてヒータ通電によるセンサ素子１６ａの加熱の程度を変えることができる。したがって、酸素濃度雰囲気が変化する場合であっても、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度を確保しつつ、ヒータ通電による電力消費を抑制することができる。
【００３８】
排気管１４内が大気雰囲気の状態である場合と、それよりも低酸素濃度の雰囲気の状態である場合とで各々異なる目標素子温度が設定され、その目標素子温度に基づいて、ヒータ１６ｂの通電が制御される。したがって、酸素濃度雰囲気が異なる場合であっても、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度を確保しつつ、ヒータ通電による電力消費を抑制することができる。
【００３９】
Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断の実施時は、異常診断の非実施時よりも目標素子温度が高く設定される。したがって、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断を適正に実施することができるとともに、ヒータ通電による電力消費を抑制することができる。
【００４０】
空燃比フィードバック制御が停止中であり、排気管１４内が大気雰囲気の状態であっても、Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断が完了した時点で目標素子温度はＴ２からＴ１に下げられる。このため、目標素子温度がＴ２に設定されている時間をＡ／Ｆセンサ１６の異常診断時のみにとどめることができる。したがって、ヒータ通電による電力消費を抑制する効果が高められる。
【００４１】
（他実施形態）
上記の実施形態を例えば次のように変更してもよい。
【００４２】
・上記実施形態では、ストイキ雰囲気を検出する状態と、大気雰囲気を検出する状態とで目標素子温度をＴ１、Ｔ２として設定する構成としたが、これに加えて、排気管１４内の雰囲気がリッチ雰囲気から大気雰囲気までの間の雰囲気となる場合に、都度の空燃比に応じて目標素子温度を設定する構成にしてもよい。例えば、リーンバーン制御の実施時やリッチバーン制御の実施時の目標空燃比に基づいて、それぞれ目標素子温度を設定する。この場合、図７に示すように、空燃比がストイキからリーン側又はリッチ側に離れるほど、前記目標素子温度を高く設定するとよい。これにより、リッチバーン制御時やリーンバーン制御時においても、Ａ／Ｆセンサ１６の濃度検出精度を確保しつつ、ヒータ通電の電力消費を抑制することができる。
【００４３】
・Ａ／Ｆセンサ１６の異常診断は、燃料カットが実施され、空燃比フィードバック制御が停止された後に実施される構成としたが、これを、アイドリングストップ制御システムを搭載した車両において、エンジン自動停止時に異常診断を実施する構成としてもよい。
【００４４】
・排気中の特定成分として酸素を検出するガスセンサについて上記のヒータ通電制御を実施する構成としたが、これを変更し、排気中の特定成分として酸素以外の他の成分、例えばＮＯｘやＮＨ３を検出するガスセンサについて上記のヒータ通電制御を実施する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１０…エンジン、１４…排気通路（排気管）、１６…ガスセンサ、１６ａ…センサ素子、１６ｂ…ヒータ、１７…センサ制御装置（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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