(57)【要約】【課題】酸素センサの特性を検出し、検出した特性に合わせた制御を行うことが可能な、酸素センサの制御装置を得る。【解決手段】酸素センサ（１０）に掃引電圧を印加しその時に流れる電流を検出して酸素センサ（１０）のインピーダンスを算出し、掃引電圧の印加終了時に掃引電圧の引き戻し処理を行って酸素センサ（１０）の出力電圧を検出する、酸素センサの制御装置（２０）において、算出されたインピーダンスに基づいて酸素センサ（１０）が低温状態にあることを検出する手段と、酸素センサ（１０）が低温状態にある場合、掃引電圧の引き戻し処理を強制的にオフとする手段と、引き戻し処理を強制的にオフとした状態で酸素センサ（１０）の出力電圧を検出し、この出力電圧を予め設定した基準値と比較する比較手段と、比較結果に基づいて酸素センサ（１０）の特性を判別する手段を設ける。【選択図】図７
2009031153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素センサに掃引電圧を印加しその時に流れる電流を検出して前記酸素センサのインピーダンスを算出し、前記掃引電圧の印加終了時に前記掃引電圧の引き戻し処理を行って前記酸素センサの出力電圧を検出する、酸素センサの制御装置において、
前記算出されたインピーダンスに基づいて前記酸素センサが低温状態にあることを検出する手段と、
前記酸素センサが前記低温状態にある場合、前記掃引電圧の引き戻し処理を強制的にオフとする手段と、
前記引き戻し処理を強制的にオフとした状態で前記酸素センサの出力電圧を検出し、該出力電圧を予め設定した基準値と比較する比較手段と、
前記比較結果に基づいて前記酸素センサの特性を判別する手段と、を備える、酸素センサの制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、さらに、前記判別する手段における判別結果に基づいて、当該酸素センサのインピーダンスおよび／又は出力電圧に基づく制御のために用意された制御ソフトウエアを選択する手段を備える、酸素センサの制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の装置において、前記基準値は、複数種類の酸素センサについて予め求めた前記出力電圧に基づいて決定されることを特徴とする、酸素センサの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、前記酸素センサの特性の判別は、当該酸素センサが前記複数種類の酸素センサのいずれであるかを判別することである、酸素センサの制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、
前記基準値は、前記酸素センサが正常に動作している場合に検出される最大の出力電圧と最小の出力電圧に基づいて決定される、酸素センサの制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置において、前記出力電圧が、基準値として設定された前記最大の出力電圧以上かまたは前記最小の出力電圧以下である場合、前記判別する手段は前記酸素センサを異常と判断する、酸素センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒を利用した排気ガスの浄化システムを備える内燃機関では、その排気経路に排気ガス中の酸素分圧を検出する酸素センサを設けて排気ガス中の実空燃比を検出し、検出した実空燃比と目標空燃比、例えば理論空燃比（ストイキ）とが一致するように、内燃機関における燃料噴射量と空気の混合比を制御する、所謂、フィードバック制御を行っている。このフィードバック制御により、触媒によって排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等）が効率よく浄化される。
【０００３】
このような空燃比の制御に用いる酸素センサには、ジルコニアあるいはチタニアを材料とする固体電解質型のセンサ素子があり、検出ガス中の酸素濃度に対応した起電力を生成する特性を有している。したがって、この起電力を測定することにより、検出ガス中の酸素濃度が検出される。ところがこのような酸素センサでは、その起電力特性（出力電圧）が強い温度依存性を有しており、したがって、酸素濃度を正確に検出するためには、酸素センサの温度を適温（活性温度）に保つ必要がある。そのため、通常は酸素センサをヒータにより適宜加熱して活性温度（例えば７００℃）に保ち、その状態で酸素濃度を検出するようにしている。
【０００４】
このような酸素センサの温度制御において、ヒータへの通電を制御してセンサを活性温度に維持するためには、酸素センサの温度を検出する必要がある。酸素センサは、酸素濃度に応じた起電力特性を有すると同時に、その素子インピーダンスが温度に依存して変化する特性を有している。したがって、素子インピーダンスを測定することにより、酸素センサの温度を知ることができる。このような理由により、酸素センサの制御装置では、センサの起電力を測定すると同時に、酸素センサに電圧をかけることにより発生する電圧値、電流値を計測して、センサ抵抗、即ち素子インピーダンス、を算出し、酸素センサの温度を検出するようにしている。
【０００５】
空燃比の制御のために、内燃機関の排気経路に搭載される酸素センサは、通常、部品メーカーによって供給される。酸素センサの特性、例えば、そのインピーダンス・温度特性、空燃比制御におけるストイキ点の電圧等は、酸素センサの構造、製造条件等で個々に相違し、したがって、異なった条件下で製造された各メーカーの酸素センサは、メーカー毎にその特性が異なる。例えば、メーカーＡ社の酸素センサではストイキ点が０．５Ｖであり、メーカーＢ社では０．４５Ｖである。
【０００６】
そのため、空燃比の制御はそれぞれのストイキ点に対応したもの、即ち、酸素センサのメーカー毎に異なる制御を行う必要がある。同様に、酸素センサのインピーダンス・温度特性もメーカー毎に異なるため、酸素センサを活性温度に維持するためのヒータの温度制御、即ちインピーダンス制御も、酸素メーカー毎に異なる制御が必要である。
【０００７】
なお、酸素センサのインピーダンスを検出して種々の制御を行うものとして、以下に示す特許文献１乃至３が存在する。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−４６７８０
【特許文献２】特開２００１−５０９２９
【特許文献３】特開２０００−３２９７３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、酸素センサを搭載した内燃機関、あるいはこのような内燃機関を組み込んだ機器（例えば車両）を製造する場合、内燃機関の制御のためのソフトウエアは、搭載される酸素センサの特性に合わせたものが採用される。このような状態において、一旦機器を製造した後、その使用時に何らかの要因により酸素センサを他社のものに取り替えた場合には、機器に搭載されているソフトウエアが取り替えられた酸素センサの特性に対応せず、その結果、触媒による排気ガスの浄化性能が悪化する事態が発生する。あるいは、使用による経年変化に伴って酸素センサが劣化して初期の特性とは異なる特性を示すようになると、機器に搭載されているソフトウエアで対処不能となり、その結果、触媒による排気ガスの浄化性能が悪化する。
【００１０】
本発明は、従来の酸素センサの制御装置における、上記のような欠点を解決する目的でなされたもので、装着された酸素センサの特性を自動的に判別し、そのセンサに適した制御を行うことが可能な、酸素センサの制御装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の酸素センサの制御装置は、前記課題を解決するために、酸素センサに掃引電圧を印加しその時に流れる電流を検出して前記酸素センサのインピーダンスを算出し、前記掃引電圧の印加終了時に前記掃引電圧の引き戻し処理を行って前記酸素センサの出力電圧を検出する、酸素センサの制御装置において、前記算出されたインピーダンスに基づいて前記酸素センサが低温状態にあることを検出する手段と、前記酸素センサが前記低温状態にある場合、前記掃引電圧の引き戻し処理を強制的にオフとする手段と、前記引き戻し処理を強制的にオフとした状態で前記酸素センサの出力電圧を検出し、該出力電圧を予め設定した基準値と比較する比較手段と、前記比較結果に基づいて前記酸素センサの特性を判別する手段と、を備えて構成される。
【００１２】
上記装置は、さらに、前記判別する手段における判別結果に基づいて、当該酸素センサのインピーダンスおよび／又は出力電圧に基づく制御のために用意された制御ソフトウエアを選択する手段を備えていても良い。
【００１３】
上記装置において、前記基準値は、複数種類の酸素センサについて予め求めた前記出力電圧に基づいて決定しても良い。また、この場合、前記酸素センサの特性の判別は、当該酸素センサが前記複数種類の酸素センサのいずれであるかを判別することである。
【００１４】
上記装置において、前記基準値は、前記酸素センサが正常に動作している場合に検出される最大の出力電圧と最小の出力電圧に基づいて決定するようにしても良い。この場合、前記出力電圧が、基準値として設定された前記最大の出力電圧以上かまたは前記最小の出力電圧以下であるとき、前記判別する手段は前記酸素センサを異常と判断するようにしても良い。
【発明の効果】
【００１５】
酸素センサにそのインピーダンス検出のための掃引電圧を印加し、その後、掃引電圧引き戻し処理を行わずに酸素センサの出力電圧を検出すると、酸素センサ出力に、本来の酸素センサ出力とは異なるノイズが発生する。このノイズの大小は酸素センサの種類によって異なる。したがって、予め複数種類の酸素センサのこのようなノイズの値を測定し、測定値に基づいてそれぞれの酸素センサを識別するための基準値を決定しておくことで、酸素センサの使用時に測定されたノイズ値から使用している酸素センサの特性、即ち、その酸素センサの種類を判別することができる。
【００１６】
本発明の装置では、上記のようなノイズを、酸素センサが活性化されていない低温時に、掃引電圧の引き戻し処理の実行を強制的にオフとすることによって検出し、使用されている酸素センサを自動的に特定するようにしている。このようにして、使用状態にある酸素センサが特定されると、その特性に適した制御のためのソフトウエアを選択することができるので、不適切なソフトウエアの実行による排気ガスの浄化性能の低下を効果的に防止することができる。
【００１７】
また、酸素センサが正常に動作している場合の上記ノイズの上限値、下限値を基準値として予め設定しておくことによって、低温時の上記ノイズの検出により、酸素センサが劣化して使用不能状態となったことを自動的に検出することができる。これによって、ユーザに注意を喚起し、排気ガスの浄化性能が低下した状態での機器（例えば車両）の運転を停止させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、抵抗と起電力要素によって等価される酸素センサの、素子インピーダンス・温度特性を示す図である。図の縦軸は酸素センサの素子インピーダンスを示し、横軸は温度を示す。図示するように、酸素センサのインピーダンス値とその温度とは関連して変化し、したがって、酸素センサのインピーダンス値を測定すれば、そのときの酸素センサの温度を検出することができる。
【００１９】
図２は、酸素センサの素子インピーダンス算出回路の一例を示す図である。素子インピーダンス算出回路は、図示するように、エンジンＥＣＵ２０内に組み込まれている。１０は酸素センサであり、高電圧側端子ＯＸ１Ｂと仮想ＧＮＤ端子Ｇを介してエンジンＥＣＵ２０と接続されている。酸素センサ１０は、インピーダンス成分１１と起電力成分１２を含むものとして等価的に示される。素子インピーダンス算出回路は、一端を定電圧源（例えば、５Ｖ）に接続された第１のトランジスタＴｒ１と、第２のトランジスタＴｒ２と、酸素センサ１０に印加する掃引電圧を形成するためのコンデンサＣ、第１のトランジスタＴｒ１に対して駆動信号を供給するための第１のポートＰ１、第２のトランジスタＴｒ２に対して駆動信号を供給するための第２のポートＰ２を含んでいる。
【００２０】
また、エンジンＥＣＵ２０は、酸素センサ１０のインピーダンス、出力電圧を検出するための種々のＡＤ変換器を含んでいる。即ち、ＡＤＣ１は、酸素センサ１０のインピーダンス電流（Δｉ）検出のための第１のＡＤ変換器、ＡＤＣ２は、酸素センサ１０のインピーダンス電圧（Δｖ）検出のための第２のＡＤ変換器、ＡＤＣ３は、酸素センサ１０の出力（ＯＸＶ）検出のための第３のＡＤ変換器を示す。素子インピーダンス算出回路はさらに、分圧抵抗Ｒ１、素子インピーダンス検出用の抵抗Ｒ２を含み、その他に、各ＡＤ変換器への入力に含まれるノイズを除去するためのロウパスフィルタを構成する、種々の抵抗およびコンデンサを含んでいる。
【００２１】
図１に示したように、酸素センサ１０の温度は、酸素センサ１０のインピーダンスを測定することにより、検出される。酸素センサ１０のインピーダンスは、酸素センサ１０に掃引電圧を印加しこのときに流れる電流を検出することによって算出される。一方、酸素センサ１０によって排気ガス中の酸素濃度を測定するためには、酸素センサ１０に掃引電圧を印加しない状態でその起電力成分１２の値を測定する。また、酸素センサ１０のインピーダンス測定、即ち温度測定と、起電力成分１２の測定、即ち酸素濃度の測定は、一定の周期で繰り返して行われる。
【００２２】
図３は、図２の回路における酸素センサ１０のインピーダンス測定および酸素濃度測定の方法を説明するための波形図である。図の波形ＯＸＶは第３のＡＤ変換器ＡＤＣ３の出力を示し、波形Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ第１、第２のポートＰ１、Ｐ２に印加される電圧を示している。今、時間ｔ１において、第１のポートＰ１がハイレベルとなり、第２のポートＰ２がロウレベルとなると、図２に示す第１のトランジスタＴｒ１は導通し、第２のトランジスタＴｒ２はオフとなる。第１のトランジスタＴｒ１が導通することにより、例えば５Ｖである定電圧源から第１のトランジスタＴｒ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して酸素センサ１０に電流が流れる。
【００２３】
このときの電流値を抵抗Ｒ２の両端電圧に変換して測定することにより、酸素センサ１０の素子インピーダンスを算出することができる。抵抗Ｒ２の両端電圧の検出は、第２のＡＤ変換器ＡＤＣ２の出力を基にして行われる。したがって、図３に示す時間ｔ１−ｔ２のいずれかの時間ＴＢにおいて、第２のＡＤ変換器ＡＤＣ２の出力を検出することにより、酸素センサ１０のインピーダンスを算出することが可能となる。
【００２４】
一方、第１のトランジスタＴｒ１が導通することによってコンデンサＣの充電が開始されるため、抵抗Ｒ２と酸素センサ１０の接続点Ａの電位、即ち、第３のＡＤ変換器ＡＤ３の電位はコンデンサＣの電位の上昇に伴って上昇する。ここで、図３に示すように、時間ｔ２において第１のポートＰ１がロウレベルに変化し、第２のポートＰ２がハイレベルに変化すると、第１のトランジスタＴｒ１はオフとなり、第２のトランジスタＴｒ２はオンとなる。その結果、コンデンサＣに充電されていた電荷が第２のトランジスタＴｒ２を介して放電され、第３のＡＤ変換器ＡＤＣ３における検出電圧は、図３に示すように急速に低下する。
【００２５】
したがって、第２のトランジスタＴｒ２による電圧引き戻しにより、インピーダンス測定のために印加した電圧の影響がなくなった時点、例えば時間ＴＡにおいて、第３のＡＤ変換器ＡＤ３の出力を検出することによって、酸素センサ１０の起電力成分を算出することができる。なお、インピーダンス算出および酸素センサの出力測定は、各ＡＤ変換器ＡＤＣ１、ＡＤＣ２、ＡＤＣ３の値を基に、エンジンＥＣＵ２０に組み込まれた図示しないソフトウエアによって実行される。
【００２６】
図４は、第２のトランジスタＴｒ２によって電圧引き戻しを行わない場合の、第３のＡＤ変換器ＡＤ３の出力波形を示す。時間ｔ２において第１のポートＰ１をロウレベルにして第１のトランジスタＴｒ１をオフとすることにより、コンデンサＣに充電されていた電荷は、回路内の各抵抗およびコンデンサによって決まる時定数に従って徐々に放電される。そのため、図４の波形ＯＸＶに示すように、第３のＡＤ変換器ＡＤ３の出力電圧も徐々に低下する。このような状態で、時間ＴＡにおいて酸素センサ１０の起電力成分を測定すると、測定値には、時間ＴＡにおける電圧Ｃによってノイズが発生する。
【００２７】
したがって、通常は、図３に示すように、第１のトランジスタＴｒ１のオフと同時に第２のトランジスタＴｒ２を導通させて、掃引電圧の引き戻しを行い、酸素センサ１０の起電力成分の測定にノイズの影響が現れないようにしている。なお、図２に示すインピーダンス算出回路は周知の回路であって、その回路構成並びに回路動作は、例えば、特開２００４−１７７１７８に詳細に示されているので、ここでは本発明に関連する部分についてのみ説明する。
【００２８】
図４に示すようなインピーダンス掃引ノイズの大きさは、酸素センサ１０の特性により異なる。酸素センサ１０の特性は、酸素センサのメーカーおよびセンサの劣化の程度に関係する。このことから、インピーダンス掃引ノイズの大きさを検出することにより、その酸素センサの特性、即ちメーカーを特定すること、さらにセンサの劣化の程度を検出することが可能となる。もし、酸素センサの特性を自動的に特定できれば、車両に後付された酸素センサであっても、その酸素センサに適した車両制御を選択することができるので、センサ交換に伴う排気ガスの浄化性能の低下、即ち、エミッションの悪化を防止することができる。また、酸素センサの劣化が自動的に検出されれば、ユーザに対して警告ランプ等を点灯してそれを知らせることができる。これにより、エミッションが悪化した状態で車両を継続して使用するリスクが低減される。
【００２９】
本発明にかかる装置では、酸素センサの特性あるいは酸素センサの劣化を特定するために、酸素センサの低温時に、ＥＣＵ２０によってインピーダンス掃引時の電圧引き戻しを強制的に停止させ、ノイズを意図的に大きくしその大きさを検出する。検出したノイズの電圧レベルを、予め設定したノイズの最大値、最小値と比較することにより、酸素センサの劣化状態を検出する。
【００３０】
即ち、酸素センサが正常に動作している場合の最大のノイズレベル、最小のノイズレベルを予め決定しＥＣＵ２０に基準値として記憶させておく。この基準値と上記検出したノイズレベルとを比較し、検出したノイズレベルが最大と最小の基準値内であれば、現在使用中の酸素センサが正常に動作していると判断する。検出したノイズレベルが最大値以上かまたは最小値以下の場合、現在使用中の酸素センサは劣化していると判断される。この場合、酸素センサを搭載している機器、例えば車両を継続して使用するとエミッションの悪化を招くため、エンジンチェックランプ等を点灯してユーザに警告する等の対処を実行する。
【００３１】
図５に、センサメーカーＡ社の酸素センサについて図２に示す回路によって測定を行った場合のグラフを示し、図６に、センサメーカーＢ社の酸素センサについて測定を行った場合のグラフを示す。図５および６において、それぞれの波形は、第２のトランジスタＴｒ２をオフとして掃引電圧の引き戻しを行わない場合の酸素センサの出力を示す波形である。
【００３２】
図５および図６におけるそれぞれの波形を比較することにから明らかなように、第２のトランジスタＴｒ２による掃引電圧の引き戻しを行わない場合のセンサ出力におけるノイズ３０（図５）とノイズ５０（図６）は明確にレベルが異なり、その電圧レベルから酸素センサの特定が可能であることが理解される。したがって、予め測定したこのような資料に基づいて、酸素センサを判別するノイズレベルの基準値を決定しておけば、測定値を基準値と比較することによって、酸素センサの特性の判定、即ち酸素センサのメーカーの特定が可能となる。車両に搭載された酸素センサのメーカーが特定されれば、そのメーカーに適した車両制御のソフトウエアを選択して使用することにより、触媒による排気ガスの浄化機能を損なうことがない。
【００３３】
図７は、本発明の一実施形態にかかる排気ガスセンサの制御装置の構成を説明するためのフローチャートである。なお、本装置は、図７に示すフローチャートの各手順を実現するステップを記載したプログラムによって実現され、このプログラムはＥＣＵ２０に組み込まれるので、ここではその構成図は省略する。
【００３４】
図７において、ステップＳ１で酸素センサの素子インピーダンスが６０〜８０ｋΩの範囲であるか否かを判定する。素子インピーダンスがこの値を示す場合、図１から明らかなように、酸素センサは３００℃付近の低温状態にある。本装置では、この状態でセンサの特性判別を実行する。したがって、ステップＳ１でＮＯの場合、即ち酸素センサの温度が３００℃を大きく超える場合、あるいは３００℃に遥かに達しない場合は、ステップＳ２以下を実行しない。
【００３５】
ステップＳ１でＹＥＳの場合、センサの特性判別を開始するために、図２に示す第２のトランジスタＴｒ２を強制的にオフとし（ステップＳ２）、インピーダンス掃引ノイズを意図的に大きくする。ステップＳ３では、インピーダンス掃引ノイズの大きさが、０．５Ｖ〜１．１Ｖの範囲内か否かを検出する。ノイズがこの範囲を超える場合、酸素センサの異常であると判定し（ステップＳ３のＮＯ）、ステップＳ４でセンサ異常の場合の処理を実行する。この処理は、例えば、エンジンチェックランプを点灯して、ユーザにエンジンの点検を促す等の処理である。酸素センサの異常は、酸素センサの本来的な異常、あるいは経年変化による劣化によって生じる。
【００３６】
ステップＳ３でＹＥＳの場合、ステップＳ５において、検出したノイズ電圧Ｖが０．７Ｖ以下であるか否かを判定する。ステップＳ５でＹＥＳの場合、酸素センサがセンサメーカーＡ社の製品であると判定し、ステップＳ７で第２のトランジスタＴｒ２の強制オフを解除し、ステップＳ８においてセンサメーカーＡ社に対応するソフトを採用して、以降のセンサ制御を実行する。ステップＳ５でＮＯの場合、ステップＳ９において、現在使用している酸素センサがセンサメーカーＢ社の製品であると判断し、ステップＳ１０において第２のトランジスタＴｒ２の強制オフを解除し、ステップＳ１１においてセンサメーカーＢ社に対応するソフトを採用して、以降のセンサ制御を実行する。
【００３７】
ステップＳ７の判断基準であるノイズ電圧０．７Ｖは一例であって、使用する酸素センサのノイズ特性に対応して適宜決定することができる。また、本実施形態では、判別対象の酸素センサを２個としているが、３個以上の酸素センサを判別対象としても良いことは勿論であり、その場合は、３個の酸素センサの判別が可能なように、複数の基準値を適宜設定すれば良い。
【００３８】
酸素センサのインピーダンス・温度特性、ストイキ点の出力等は、センサ素子の構造、製造工程等によって相違する。そのため、酸素センサを活性温度に維持するためのインピーダンス制御、さらに酸素センサの出力を用いた空燃比制御等を個々の酸素センサの特性に合わせて行う必要がある。同一のメーカーの製品であれば、酸素センサの特性はほぼ一定しているので、メーカー毎に、酸素センサの特性にあわせた車両制御プログラムを用意し予めＥＣＵに組み込んでおけば、車両に最初に搭載された酸素センサが他社のものに交換された場合でも、本装置によって最適な車両制御プログラムを自動的に選択することができるため、触媒による排気ガスの浄化性能を低下させることなく、車両を継続して使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】酸素センサの素子インピーダンス対温度特性を示す図。
【図２】インピーダンス算出回路の一例を示す図。
【図３】図２に示す回路による、素子インピーダンス、センサ出力の測定方法の説明に供する図。
【図４】図２に示す回路における、掃引電圧引き戻し処理停止時のノイズの発生を説明するための図。
【図５】一つの酸素センサにおける、センサ出力ノイズを示す図。
【図６】他の酸素センサにおける、センサ出力ノイズを示す図。
【図７】本発明の一実施形態にかかる装置の動作手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４０】
１０    酸素センサ
１１    抵抗成分
１２    起電力成分
２０    エンジンＥＣＵ
Ｔｒ１    第１のトランジスタ
Ｔｒ２    第２のトランジスタ
ＡＤＣ１、ＡＤＣ２、ＡＤＣ３    第１、第２、第３のＡＤ変換器
Ｐ１、Ｐ２    第１、第２のポート
【図１】
2009031153.tif 000003
【図２】
2009031153.tif 000004
【図３】
2009031153.tif 000005
【図４】
2009031153.tif 000006
【図５】
2009031153.tif 000007
【図６】
2009031153.tif 000008
【図７】
2009031153.tif 000009