(57)【要約】【課題】この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、内燃機関の始動後に早期に高精度な空燃比のフィードバック制御を開始できるようにすることを目的とする。【解決手段】内燃機関１０の排気通路１２に配置された第１三元触媒１６を備える。第１三元触媒１６の上流に配置されたＡ／Ｆセンサ１４と、第１三元触媒１６のセル１６ａ内の排気ガス流路に配置された小型Ｏ２センサ２２と、第１触媒１６の下流に配置された下流Ｏ２センサ１８とを備える。Ａ／Ｆセンサ１４の出力に基づくメインフィードバック制御と、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御に加え、必要に応じて、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御を行う。【選択図】図１
2009257249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置された排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の上流に配置された上流排気ガスセンサと、
前記排気浄化触媒のセル内の排気ガス流路に配置された内蔵排気ガスセンサと、
空燃比が目標空燃比となるように、燃料噴射量を補正するフィードバック手段とを備え、
前記フィードバック手段は、
前記上流側排気ガスセンサの出力に基づいて、前記触媒上流の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
前記内蔵排気ガスセンサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒の内部の空燃比が理論空燃比となるように、前記メインフィードバック手段による前記補正に修正を施す内蔵センサ利用フィードバック手段とを含むことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記内蔵排気ガスセンサは、センサ素子を備え、
前記センサ素子は、互いに表裏をなす第１および第２の主面を有する酸素イオン導電性の固体電解質層と、前記第１の主面と接するように設けられた多孔質の第１電極層と、前記第２の主面と接するように設けられた多孔質の第２電極層と、前記第１電極層における、前記第１の主面とは反対側を向いた外側主面を覆って形成されたガス遮蔽性の第１遮蔽層と、使用時に前記第２電極層を排気ガスに対して遮蔽するように、前記第２電極層を覆って形成されたガス遮蔽性の第２遮蔽層とを備え、前記第１電極層における周縁面の少なくとも一部を排気ガスに曝すことができるように露出させ、かつ、前記第２電極層の一部を基準ガスに曝すことができるように露出させたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
排気通路に配置された排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒のセル内の排気ガス流路に配置され、センサ素子を有する内蔵排気ガスセンサとを備え、
前記センサ素子は、互いに表裏をなす第１および第２の主面を有する酸素イオン導電性の固体電解質層と、前記第１の主面と接するように設けられた多孔質の第１電極層と、前記第２の主面と接するように設けられた多孔質の第２電極層と、前記第１電極層における、前記第１の主面とは反対側を向いた外側主面を覆って形成されたガス遮蔽性の第１遮蔽層と、使用時に前記第２電極層を排気ガスに対して遮蔽するように、前記第２電極層を覆って形成されたガス遮蔽性の第２遮蔽層とを備え、前記第１電極層における周縁面の少なくとも一部を排気ガスに曝すことができるように露出させ、かつ、前記第２電極層の一部を基準ガスに曝すことができるように露出させており、
前記内燃機関の空燃比制御装置は、前記内蔵排気ガスセンサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒の内部の空燃比が理論空燃比となるように燃料補正量を修正するフィードバック手段を更に備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
内燃機関の空燃比制御装置は、前記排気浄化触媒の下流に配置され、センサ素子を加熱する加熱手段を有する下流排気ガスセンサとを更に備え、
前記フィードバック手段は、
前記下流排気ガスセンサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒下流の空燃比が理論空燃比となるように、燃料噴射量を修正する下流センサ利用フィードバック手段と、
前記内蔵排気ガスセンサが活性状態にあるか否かを判別する内蔵センサ活性判別手段と、
前記下流排気ガスセンサが活性状態にあるか否かを判別する下流センサ活性判別手段と、
前記内蔵排気ガスセンサの出力に基づくフィードバック制御の実行期間を、前記内蔵排気ガスセンサが活性状態に達する時点から前記下流排気ガスセンサが活性状態に達する時点までとする制御期間設定手段とを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記内蔵排気ガスセンサは、前記排気浄化触媒の軸方向の後半部位に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
内燃機関の空燃比制御装置は、前記下流側排気ガスセンサの出力に基づいて、前記内蔵排気ガスセンサの出力を補正するセンサ出力補正手段を更に備えることを特徴とする請求項４または５記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
前記センサ出力補正手段は、
前記下流側排気ガスセンサの出力値が所定値に達した際の前記内蔵排気ガスセンサの出力値を前記排気浄化触媒の温度との関係で取得するセンサ出力取得手段と、
前記センサ出力取得手段により取得された前記内蔵排気ガスセンサの出力値が、当該取得時と同じ前記排気浄化触媒の温度条件下における当該内蔵排気ガスセンサの出力値の上限値となるように、当該内蔵排気ガスセンサの出力値を補正する温度影響補正手段と、
を含むことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項８】
前記内燃機関の空燃比制御装置は、冷間時において、前記加熱手段による前記下流側排気ガスセンサの加熱開始を、当該下流側排気ガスセンサが排気ガス中に含まれる凝縮水による被水の影響を受けないタイミングで行うセンサ加熱実行手段を更に備えることを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、排気通路に設けられた触媒コンバータの上流側およびその下流側のそれぞれに、空燃比を計測するためのＯ２センサを備える内燃機関の空燃比制御装置が開示されている。この従来の空燃比制御装置では、触媒コンバータの下流側のサブのＯ２センサが活性状態にあると判別された後に、当該サブＯ２センサに基づく空燃比補正量を算出するようにしている。そして、当該空燃比補正量に基づいて、サブＯ２センサ出力を反映させたサブフィードバック制御を行うようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−２９１７４２号公報
【特許文献２】特開２００７−１９８１５８号公報
【特許文献３】特開２００４−１１６４１７号公報
【特許文献４】特開平１１−１０７８２８号公報
【特許文献５】特開平１−１０６９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記サブフィードバック制御を用いて排気エミッションを良好に低減するためには、センサの早期活性化や、フィードバック制御の開始までの時間短縮を図ることが要求される。しかしながら、センサの活性を早めるべく、内燃機関の始動直後にヒータを用いてセンサの温度を高めるようにすると、排気ガス中に含まれる凝縮水の被水によってセンサ素子の割れが発生することが懸念される。また、センサ温度が活性温度に達する前に早期にフィードバック制御を開始しようとすると、十分な精度のセンサ出力を得られないため、空燃比のフィードバック制御の精度確保が困難となる。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の始動後に早期に高精度な空燃比のフィードバック制御を開始することのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、内燃機関の空燃比制御装置であって、
排気通路に配置された排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の上流に配置された上流排気ガスセンサと、
前記排気浄化触媒のセル内の排気ガス流路に配置された内蔵排気ガスセンサと、
空燃比が目標空燃比となるように、燃料噴射量を補正するフィードバック手段とを備え、
前記フィードバック手段は、
前記上流側排気ガスセンサの出力に基づいて、前記触媒上流の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を補正するメインフィードバック手段と、
前記内蔵排気ガスセンサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒の内部の空燃比が理論空燃比となるように、前記メインフィードバック手段による前記補正に修正を施す内蔵センサ利用フィードバック手段とを含むことを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記内蔵排気ガスセンサは、センサ素子を備え、
前記センサ素子は、互いに表裏をなす第１および第２の主面を有する酸素イオン導電性の固体電解質層と、前記第１の主面と接するように設けられた多孔質の第１電極層と、前記第２の主面と接するように設けられた多孔質の第２電極層と、前記第１電極層における、前記第１の主面とは反対側を向いた外側主面を覆って形成されたガス遮蔽性の第１遮蔽層と、使用時に前記第２電極層を排気ガスに対して遮蔽するように、前記第２電極層を覆って形成されたガス遮蔽性の第２遮蔽層とを備え、前記第１電極層における周縁面の少なくとも一部を排気ガスに曝すことができるように露出させ、かつ、前記第２電極層の一部を基準ガスに曝すことができるように露出させたことを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、内燃機関の空燃比制御装置であって、
排気通路に配置された排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒のセル内の排気ガス流路に配置され、センサ素子を有する内蔵排気ガスセンサとを備え、
前記センサ素子は、互いに表裏をなす第１および第２の主面を有する酸素イオン導電性の固体電解質層と、前記第１の主面と接するように設けられた多孔質の第１電極層と、前記第２の主面と接するように設けられた多孔質の第２電極層と、前記第１電極層における、前記第１の主面とは反対側を向いた外側主面を覆って形成されたガス遮蔽性の第１遮蔽層と、使用時に前記第２電極層を排気ガスに対して遮蔽するように、前記第２電極層を覆って形成されたガス遮蔽性の第２遮蔽層とを備え、前記第１電極層における周縁面の少なくとも一部を排気ガスに曝すことができるように露出させ、かつ、前記第２電極層の一部を基準ガスに曝すことができるように露出させており、
前記内燃機関の空燃比制御装置は、前記内蔵排気ガスセンサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒の内部の空燃比が理論空燃比となるように燃料補正量を修正するフィードバック手段を更に備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
内燃機関の空燃比制御装置は、前記排気浄化触媒の下流に配置され、センサ素子を加熱する加熱手段を有する下流排気ガスセンサとを更に備え、
前記フィードバック手段は、
前記下流排気ガスセンサの出力に基づいて、前記排気浄化触媒下流の空燃比が理論空燃比となるように、燃料噴射量を修正する下流センサ利用フィードバック手段と、
前記内蔵排気ガスセンサが活性状態にあるか否かを判別する内蔵センサ活性判別手段と、
前記下流排気ガスセンサが活性状態にあるか否かを判別する下流センサ活性判別手段と、
前記内蔵排気ガスセンサの出力に基づくフィードバック制御の実行期間を、前記内蔵排気ガスセンサが活性状態に達する時点から前記下流排気ガスセンサが活性状態に達する時点までとする制御期間設定手段とを含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記内蔵排気ガスセンサは、前記排気浄化触媒の軸方向の後半部位に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
また、第６の発明は、第４または第５の発明において、
内燃機関の空燃比制御装置は、前記下流側排気ガスセンサの出力に基づいて、前記内蔵排気ガスセンサの出力を補正するセンサ出力補正手段を更に備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第７の発明は、第６の発明において、
前記センサ出力補正手段は、
前記下流側排気ガスセンサの出力値が所定値に達した際の前記内蔵排気ガスセンサの出力値を前記排気浄化触媒の温度との関係で取得するセンサ出力取得手段と、
前記センサ出力取得手段により取得された前記内蔵排気ガスセンサの出力値が、当該取得時と同じ前記排気浄化触媒の温度条件下における当該内蔵排気ガスセンサの出力値の上限値となるように、当該内蔵排気ガスセンサの出力値を補正する温度影響補正手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、第８の発明は、第４乃至第７の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関の空燃比制御装置は、冷間時において、前記加熱手段による前記下流側排気ガスセンサの加熱開始を、当該下流側排気ガスセンサが排気ガス中に含まれる凝縮水による被水の影響を受けないタイミングで行うセンサ加熱実行手段を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、排気浄化触媒のセル内の排気ガス流路に小型で熱容量の小さな内蔵排気ガスセンサを備えるようにしているので、当該センサの温度は、ヒータなどの加熱手段に頼ることなく、内燃機関の始動開始直後から排気浄化触媒の暖機とともに上昇していくようになる。このため、冷間始動後に、凝縮水の被水による素子割れのリスクを回避しつつ、早期にセンサを活性化させることができ、また、精度の高いフィードバック制御を早期に開始できるようになる。
【００１５】
第２の発明によれば、上記内蔵排気ガスセンサの第１電極層および第２電極層が本来の電極としての機能のみならず、その各々が異なるガスに対して拡散量或いは導入量を調節する機能を発揮するので、センサ素子の構成要素の数を減らすことが可能となる。従って、センサ素子の小型化を図ることができるので、このセンサ素子を備える上記内蔵排気ガスセンサを良好に小型化することが可能となる。
【００１６】
第３の発明によれば、内蔵排気ガスセンサの第１電極層および第２電極層が本来の電極としての機能のみならず、その各々が異なるガスに対して拡散量或いは導入量を調節する機能を発揮するので、センサ素子の構成要素の数を減らすことが可能となる。従って、センサ素子の小型化を図ることができるので、このセンサ素子を備える上記内蔵排気ガスセンサを良好に小型化することが可能となる。また、本発明によれば、そのように小型化されることで熱容量の小さな内蔵排気ガスセンサを、排気浄化触媒のセル内の排気ガス流路に配置するようにしているので、当該センサの温度は、ヒータなどの加熱手段に頼ることなく、内燃機関の始動開始直後から排気浄化触媒の暖機とともに上昇していくようになる。このため、冷間始動後に、凝縮水の被水による素子割れのリスクを回避しつつ、早期にセンサを活性化させることができ、また、精度の高いフィードバック制御を早期に開始できるようになる。
【００１７】
第４の発明によれば、内蔵排気ガスセンサの出力に基づくフィードバック制御の実行期間が、当該内蔵排気ガスセンサが活性温度に達してから下流排気ガスセンサが活性温度に達するまでの期間とされる。これにより、加熱手段を有する下流排気ガスセンサではフィードバック制御の開始までの時間が長く必要となってしまう冷間始動時において、低熱容量による早期活性、および被水による素子割れリスク回避という内蔵排気ガスセンサが有する利点をうまく利用して、冷間始動直後から、素子割れをもたらすことなく、早期に精度の高いフィードバック制御を開始できるようになる。
【００１８】
第５の発明によれば、フィードバック制御の実行時にリッチとリーンとの間での過度な目標空燃比の切り替えが生ずるのを抑えつつ、内蔵排気ガスセンサの出力に基づき、早期に精度の高いフィードバック制御を開始できるようになる。
【００１９】
第６および第７の発明によれば、低熱容量であることで温度依存性の強い内蔵排気ガスセンサの出力を、当該内蔵排気ガスセンサに比して温度による影響の低い下流排気ガスセンサの出力に基づき補正することで、触媒温度（≒内蔵排気ガスセンサの素子温度）の影響による内蔵排気ガスセンサ出力のずれを良好に補正することができる。
【００２０】
第８の発明によれば、冷間始動直後には、内蔵排気ガスセンサを用いたフィードバック制御によって排気エミッションの低減を確保しつつ、下流排気ガスセンサが備える加熱手段への通電開始タイミングを素子割れリスクのない良好なタイミングに設定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関システムを説明するための概略図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、理論空燃比（ストイキ）となるように行う空燃比の制御を基本制御として燃焼を行うストイキバーンエンジンであり、ここでは、内燃機関１０は、そのようなストイキバーン運転を行う内燃機関の一例として、ガソリンエンジンであるものとする。
【００２２】
内燃機関１０には、排気通路１２が備えられている。排気通路１２には、筒内から排出される排気ガスの空燃比を検出するためのメインリニアＡ／Ｆセンサ（以下、単に「Ａ／Ｆセンサ」と略する）１４が配置されている。Ａ／Ｆセンサ１４は、排気ガスの空燃比に対してほぼリニアな出力を発するセンサである。
【００２３】
Ａ／Ｆセンサ１４よりも下流側の排気通路１２には、排気ガス中に含まれる三元成分（（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）を浄化可能な第１三元触媒（以下、単に「第１触媒」と略する）１６が配置されている。第１触媒１６よりも下流側の排気通路１２には、その位置の空燃比がリッチであるかリーンであるかに応じた信号を発するサブの下流Ｏ２センサ１８が配置されている。また、下流Ｏ２センサ１８には、そのセンサ素子を活性温度に加熱するためのヒータ（図示省略）が内蔵されている。
【００２４】
下流Ｏ２センサ１８よりも下流側の排気通路１２には、排気ガス中に含まれる上記三元成分を浄化可能な第２三元触媒（以下、単に「第２触媒」と略する）２０が配置されている。尚、第１触媒１６の上流側に配置される空燃比センサは、上記のメインリニアＡ／Ｆセンサ１４でなくても、下流Ｏ２センサ１８と同様の構成の酸素センサであってもよい。
【００２５】
更に、第１触媒１６には、上記下流Ｏ２センサ１８に比して小型化された小型Ｏ２センサ２２が挿入されている。ここでは、この小型Ｏ２センサ２２には、上記下流Ｏ２センサ１８が備えるようなヒータは、内蔵されていないものとする。第１触媒１６の内部における小型Ｏ２センサ２２の配置部位、当該小型Ｏ２センサ２２の取り付け方法、更には、当該小型Ｏ２センサ２２の詳細な構造については、図２乃至図８を参照して後述するものとする。
【００２６】
図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２４を備えている。ＥＣＵ２４には、上述したＡ／Ｆセンサ１４、下流Ｏ２センサ１８、および小型Ｏ２センサ２２とともに内燃機関１０を制御するための各種情報（エンジン冷却水温度、吸入空気量、エンジン回転数、スロットル開度、アクセル開度など）を計測するための各種センサ（図示省略）が接続されている。また、ＥＣＵ２４には、スロットルバルブ、燃料噴射弁、点火プラグ等の各種アクチュエータ（図示省略）が接続されている。
【００２７】
図２は、図１に示す小型Ｏ２センサ２２の配置部位を表した断面図である。より具体的には、図２は、小型Ｏ２センサ２２が挿入された部位における第１触媒１６周りの断面図である。
図２に示すように、小型Ｏ２センサ２２は、第１触媒１６の径方向の中央に位置するセル１６ａ内の排気ガス流路に配置されている。より具体的には、小型Ｏ２センサ２２は、図２に示すように、第１触媒１６の軸方向の後半部位（軸方向の１／２以降の部位）に配置されている。
【００２８】
また、小型Ｏ２センサ２２は、図２に示すように、セル１６ａ内の一方の壁面１６ｂに寄せて配置されている。第１触媒１６のセル１６ａの断面寸法は、一般的に１ｍｍ角であるのに対し、本実施形態の小型Ｏ２センサ２２の断面寸法は、後述するように、０．５×０．３ｍｍ角程度とセル１６ａの断面寸法に対して十分に小さい。このようなサイズの小型Ｏ２センサ２２を壁面１６ｂに寄せて配置することで、セル１６ａ内の排気ガスの流れを阻害させないように小型Ｏ２センサ２２を配置することができる。
【００２９】
小型Ｏ２センサ２２の第１触媒１６への取り付け方法としては、次のような手法を用いることができる。すなわち、例えば、小型Ｏ２センサ２２を第１触媒１６のセル１６ａの壁面１６ｂに接着して固定するようにしてもよい。また、図２に示すように、小型Ｏ２センサ２２の先端側の測定部３２（後述する図３等参照）以外の部位を、高温の排気ガスから保護するための金属シース線２２ａで被覆するようにし、これにより、針金のような状態となった小型Ｏ２センサ２２を、図２に示すように、Ｌ字状に折り曲げた状態にして、セル１６ａ内に単に挿入するという手法であってもよい。尚、小型Ｏ２センサ２２と排気通路１２の壁面１２ａとの間の固定方法は、他の下流Ｏ２センサ１８等と同様の手法でよい。
【００３０】
次に、図３乃至図８を参照して、上記小型Ｏ２センサ２２の詳細な構成について説明する。図３は、小型Ｏ２センサ２２が有するセンサ素子３０の側面図である。また、図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った位置でのセンサ素子３０の断面図である。
小型Ｏ２センサ２２は、積層型構造を有するセンサ素子３０を備えている。センサ素子３０は、図３に示すように、測定部３２と、支持部３４と、リード部３６とを有する。尚、測定部３２と支持部３４とは明確な境界線を有する必要はない。以下の説明で明らかになるように、支持部３４は、測定部３２の構成に加えて更に遮蔽層を有する以外は、測定部３２と実質的に同じである。
【００３１】
図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿った位置でのセンサ素子３０の断面図、つまり、測定部３２の断面図である。
図４、５に示すように、測定部３２は、固体電解質層３８と、固体電解質層３８を挟んで配置された１対の多孔質の第１電極層４０および第２電極層４２と、これらを挟んで配設された第１遮蔽層４４および第２遮蔽層４６とから構成されている。これらの構成要素は、それぞれ細長い板状で、積層一体化されている。尚、これらの構成要素は、支持部３４を通じて延在する。
【００３２】
固体電解質層３８の第１の主面である上面４８の全体を覆うように、第１電極層４０がその上面４８に接するように設けられている。固体電解質層３８側、すなわち、上面４８側とは反対側を向き、固体電解質層３８を基準として外側を向いた第１電極層４０の外側主面、すなわち、上面５０は、第１遮蔽層４４によりその全体を覆われている。それゆえ、第１電極層４０のうち、第１電極層４０の周りに形成された周縁面５２のみが外界に接するように露出されている。従って、第１電極層４０における周縁面５２を、センサ素子３０を有する小型Ｏ２センサ２２の使用時において、被測定ガスである排気ガスに曝すことが可能となる。ただし、本実施形態では、第１電極層４０の周縁面５２である、図５における側面部位および図４における先端部位は、ともに外界に接するが、周縁面５２のうちの先端部位等の一部は、外界に接しなくてもよい。
【００３３】
他方、固体電解質層３８の第２の主面である下面５４には、第２電極層４２がその下面５４に接するように設けられている。図５から明らかなように、第２電極層４２は下面５４全体を覆うのではなく、その中央部を覆うように設けられている。固体電解質層３８側とは反対側を向き、固体電解質層３８を基準として外側を向いた第２電極層４２の外側主面、すなわち、下面５６は、第２遮蔽層４６によりその全体を覆われている。加えて、第１電極層４０の周縁面５２とは異なり、第２電極層４２の周りの周縁面５８も、第２遮蔽層４６により覆われている。従って、測定部３２における第２遮蔽層４６は、その周縁部で固体電解質層３８の下面５４に接するように形成され、第２電極層４２を外界から遮蔽する。こうして、ここでは、センサ素子３０の基端側に位置する、第２電極層４２の基端側端部４２ａが外界に接する（露出する）以外は、第２電極層４２は、外界から遮蔽される。従って、センサ素子３０を有する小型Ｏ２センサ２２の使用時において、第２電極層４２を被測定ガスである排気ガスに対して遮蔽し、その第２電極層４２の一部を基準ガスに曝すことが可能となる。
【００３４】
固体電解質層３８と、その上下の両側にそれぞれ接して設けられた第１電極層４０と第２電極層４２とは、ポンプセル６０を構成する。このポンプセル６０は、第１および第２電極層４０、４２間に電圧を所定の方向に印加することで、酸素のポンピングを行う。ポンプセル６０の固体電解質層３８は、約４００℃から活性である。
【００３５】
測定部３２は、図５に示すように、幅Ｗおよび厚さＴを有した矩形状断面を有している。本実施形態では、その幅Ｗを０．５ｍｍとし、その厚さＴを約０．３ｍｍとした。このような測定部３２の断面積は、電極層とは別に拡散層等が設けられた従来の積層型構造のガスセンサ素子の測定部の断面積に対して、非常に小さいといえる。
【００３６】
固体電解質層３８は、酸素イオン導電性を有している。固体電解質層３８に所定の方向に電圧が印加されると、固体電解質層３８において所定方向に酸素イオン（Ｏ２−）が流れることが可能となる。固体電解質層３８は、平板状をしている。固体電解質層３８は、Ｙ２Ｏ３をドープしたＺｒＯ２系の酸素イオン導電体からなっている。尚、固体電解質層３８は、他の成分を有するように構成されていてもよく、例えば、Ｙｂ２Ｏ３などをドープしたＺｒＯ２系の酸素イオン導電体から構成されていてもよい。
【００３７】
第１電極層４０は、導体であって、電極としての機能を有している。そして、第１電極層４０は、被測定ガス（排気ガス）、特にその中に含まれる酸素の拡散量を調整可能な多孔質体であり、所定の気孔率を有し、所定の厚さとされている。第１電極層４０は、厚さＴ１を有し、平板状をしている。第１電極層４０は、主にＰｔで構成された多孔質体からなっているが、他の材料からも作製され得る。
【００３８】
第２電極層４２は、導体であって、電極としての機能を有している。第２電極層４２は、空気、特にその中に含まれる酸素の拡散量を調整可能な多孔質体であり、所定の気孔率を有し、所定の厚さにされている。第２電極層４２は、第１電極層４０よりも高い気孔率を有する以外は、第１電極層４０と概ね同じ構成を有する。第２電極層４２は、第１電極層４０と概ね同じ厚さＴ１を有し、平板状をしている。第２電極層４２は、主にＰｔで構成された多孔質体からなっているが、他の材料からも作製され得る。第２電極層４２は、既に述べたように、電極として機能するとともに、更に空気における拡散層、或いは空気を導入するための通路を構成する層（導入層）として機能するものであり、いわゆる基準ガス室としての機能をも有する。従って、基準ガスである空気を十分に含むことを可能にする、気孔率、厚さ、形状等を有して、第２電極層４２は構成される。
【００３９】
第１および第２遮蔽層４４、４６は絶縁体である。そして、第１および第２遮蔽層４４、４６の各々は、第１および第２電極層４０、４２の覆った箇所における、外界とのガス交換を妨げる。第１遮蔽層４４は厚さＴ２を有し、平板状をしている。これに対して、第２遮蔽層４６は、その中央部で厚さＴ２を有し、その周縁部で厚さＴ１＋Ｔ２を有する（図４〜６参照）。第１および第２遮蔽層４４、４６は、Ａｌ２Ｏ３体からなっている。尚、第１および第２遮蔽層４４、４６は、他の材料から作製され得る。
【００４０】
図６は、図４のＣ−Ｃ線に沿った位置でのセンサ素子３０の断面図、つまり、支持部３４の断面図である。
図６に示すように、支持部３４は、測定部３２に連続していて、測定部３２の全構成要素と、更に１つの遮蔽層とから実質的に構成されている。支持部３４では、第１電極層４０と固体電解質層３８との間に、第３遮蔽層６２が設けられている（図４、６参照）。第３遮蔽層６２により、第１電極層４０と第２電極層４２との間に電圧を印加しても、支持部３４では固体電解質層３８に電圧が印加されず、これにより後述する酸素イオンの流れが生じることが防止される。第３遮蔽層６２は、上記第１および第２遮蔽層４４、４６と同じ材料からなっている。尚、支持部３４では、第３遮蔽層６２が第１電極層４０下部に潜り込むように設けられているので、第１電極層４０は、測定部３２から支持部３４に至るところで段状に形成され、支持部３４でのその厚さは、測定部３２でのその厚さよりも薄くなっている（図４参照）。ただし、更に、支持部３４では、第２電極層４２と固体電解質層３８との間に、第４遮蔽層が設けられていてもよい。或いは、第３遮蔽層６２を設けずに、第４遮蔽層のみを設けることもできる。
【００４１】
また、図３に示すリード部３６は、２つのリード線３６ａ、３６ｂを含んで構成され、それらはＰｔ線から作製されている。一方のリード線３６ａが電圧印加手段の負極に接続され、他方のリード線３６ｂがその正極に接続される。第１電極層４０が陰極とされるので、第１電極層４０に接続された方のリード線３６ａが、電圧印加手段の負極に接続される。
【００４２】
センサ素子３０は、測定部３２および支持部３４を一体として作製される。その作製過程で、或いはその作製後に、リード部３６は、支持部３４の第１電極層４０と第２電極層４２とに繋げられる。固体電解質層３８は、シート状の材料、本実施形態ではジルコニアシートから作られている。そして、第３遮蔽層６２を形成するため、その焼成前のジルコニアシートの支持部３４となる部分の片面に、絶縁セラミック（アルミナ）ペーストがスクリーン印刷される。部分的に絶縁セラミックペーストが形成されたジルコニアシートを挟むように、つまり、測定部３２や支持部３４となるジルコニアシートの上下を上述の如く覆うように、多孔質の第１電極層４０および第２電極層４２を形成することになるＰｔペーストがスクリーン印刷により形成される。その後、それに第１および第２遮蔽層４４、４６を形成するため、上記第３遮蔽層６２を形成するのと同様に、絶縁セラミック（アルミナ）ペーストがスクリーン印刷で形成される。これにより、積層構造体が得られる。これが約１４００℃以上の高温で焼成され、その後必要に応じて各センサ素子３０の大きさに裁断等され、センサ素子３０が得られる。ただし、スクリーン印刷を用いるのではなく、第３遮蔽層を形成するため、セラミックシートがジルコニアシートに積層されてもよい。これは、第１および第２遮蔽層４４、４６に関しても同様に当てはまる。尚、第１および第２電極層４０、４２の電極厚さＴ１が薄いときには、ジルコニアシートを焼成して固体電解質層３８を作製してから、その固体電解質層３８上に、Ｐｔを蒸着、スパッタ等により成膜して第１および第２電極層４０、４２を形成するとよい。
【００４３】
図７は、図３に示すセンサ素子３０における電圧の印加方向を説明するための概念図である。
図７では、第１電極層４０および第２電極層４２間に、所定の方向に所定の電圧を印加する電圧印加手段６４が示されている。尚、電圧印加手段６４は、車両に搭載されているバッテリ等を含んで構成され得、所定の電圧を両電極層４０、４２間に印加可能であれば如何なる構成を有してもよい。ただし、電圧は、正確には上記リード部３６を介して第１および第２電極層４０、４２間に印加される。こうして、第１電極層４０が負極、すなわち陰極とされる。
【００４４】
以上のように構成されたセンサ素子３０を有する小型Ｏ２センサ２２を用いた被測定ガス（排気ガス）中の酸素濃度、特にここではそのガス中の空燃比の測定について、図８の概念図に基づいて説明する。
図８は、図３に示すセンサ素子３０における酸素のポンピングを説明するための図である。より具体的には、図８（Ａ）には被測定ガス中の酸素が所定量よりも多いときの酸素イオンの流れが、図８（Ｂ）には被測定ガス中の酸素が所定量よりも少ないときの酸素イオンの流れが、それぞれ概念的に示されている。
【００４５】
被測定ガス（排気ガス）が酸素過多なガス（空燃比がリーンなガス）である場合には、第１電極層４０および第２電極層４２間に、第１電極層４０を陰極として所定の電圧が電圧印加手段６４により印加されると、図８（Ａ）に示すように、第１電極層４０側から第２電極層４２側への酸素のポンピングがポンプセル６０で行われるようになる。この結果、第１電極層４０側から第２電極層４２側へと酸素イオンが流れて、正の出力電流、すなわちポンプ電流が検出されることになる。
【００４６】
他方、被測定ガス（排気ガス）が酸素過少なガス（空燃比がリーンなガス）である場合には、図８（Ａ）に示す場合と同様の所定の電圧が印加されると、図８（Ｂ）に示すように、図８（Ａ）の場合とは逆向きに、第２電極層４２側から第１電極層４０側への酸素のポンピングがポンプセル６０で行われるようになり、第１電極層４０上で可燃性ガスとポンピングされた酸素とが反応するようになる。すなわち、第２電極層４２側から第１電極層４０側へと酸素イオンが流れて、負のポンプ電流が検出されることになる。
【００４７】
このように、被測定ガスがリーンなガスである場合には正のポンプ電流が検出されるが、被測定ガスがリッチなガスである場合には負のポンプ電流が検出される。これは、基準ガスの酸素濃度と被測定ガスの酸素濃度との間の大小関係が、被測定ガスがリーンなガスである場合とリッチなガスである場合とで逆転するからである。
【００４８】
このようにして検出されるポンプ電流の値は、被測定ガスの酸素濃度、すなわち、排気ガスの空燃比に比例する。従って、被測定ガス中の酸素濃度やその空燃比を測定することが可能となる。例えば、被測定ガスの空燃比とポンプ電流値（すなわち、センサ出力）との関係を予めデータテーブル化しておき、そのデータテーブルをポンプ電流値で検索することで、排気ガスの空燃比が測定可能となる。尚、データテーブルを被測定ガス中の酸素濃度に関して作成しておくことで、被測定ガス中の酸素濃度を求めることもできる。
【００４９】
［実施の形態１のシステムにおける空燃比制御］
本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ１４および下流Ｏ２センサ１８の出力を利用した以下のような空燃比のフィードバック制御を実行することによって、空燃比を理論空燃比近傍の値に制御するようにしている。すなわち、本実施形態のシステムでは、上流側のＡ／Ｆセンサ１４の出力に基づいてメインのフィードバック制御が実行される。そして、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づいてサブのフィードバック制御が実行される。メインフィードバック制御では、第１触媒１６に流入する排気ガスの空燃比が制御目標空燃比と一致するように燃料噴射量の制御が行われる。また、サブフィードバック制御では、第１触媒１６の下流に流出してくる排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、メインフィードバック制御の内容が修正される。
【００５０】
本実施形態の空燃比制御は、更に、必要に応じて、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御を行うようにしている点に特徴を有している。具体的には、本実施形態では、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御の実行期間を、冷間始動時において小型Ｏ２センサが所定の活性温度に達する時点から下流Ｏ２センサ１８が所定の活性温度に達する時点までの期間のみとした。そして、当該実行期間を経過した後においては、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御を実行するようにした。
【００５１】
また、本実施形態では、ヒータを備えていないために温度依存性の強い小型Ｏ２センサのセンサ出力を、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づいて補正するようにした。具体的には、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づき、第１触媒１６の上流における排気ガスの空燃比をストイキに対してリッチとリーンとに交互に切り替えるようにしたうえで、その際に、下流Ｏ２センサ１８の出力が所定値以上となったとき（ストイキに対してリッチ側の目標空燃比で制御されていた際に、第１触媒１６の下流における排気ガスの空燃比が一定レベル以上リッチ側にずれたとき）の、第１触媒１６の温度に対する小型Ｏ２センサ出力をリッチ出力ｍａｘ値として記憶するようにした。そして、当該記憶値の取得時と同じ第１触媒１６の温度条件下における小型Ｏ２センサ出力を、当該記憶値が上限値となるように補正するようにした。
【００５２】
更に、本実施形態では、下流Ｏ２センサ１８が備えるヒータへの通電開始を、当該下流Ｏ２センサ１８が排気ガス中に含まれる凝縮水による被水の影響を受けないタイミングで行うようにした。
【００５３】
図９は、上記の機能を実現するために、ＥＣＵ２４が実行するメインルーチンのフローチャートである。また、図１０は、上記図９のルーチン実行中の所定のタイミングにおいて、上記の小型Ｏ２センサ出力の補正制御を実現するために、ＥＣＵ２４が実行するルーチンのフローチャートである。
【００５４】
図９に示すルーチンでは、先ず、ＩＧスイッチがＯＮとされたか否かが判別される（ステップ１００）。その結果、ＩＧスイッチがＯＮとされた場合には、次いで、始動時のエンジン水温が所定値以下であるか否かが判別される（ステップ１０２）。本ステップ１０２の所定値は、内燃機関１０が冷間状態にあるか、或いは暖機完了状態にあるかを判断するための値である。
【００５５】
上記ステップ１０２において、始動時のエンジン水温が所定値以下であると判定された場合、つまり、内燃機関１０が冷間状態にあると判定された場合において、次のステップ１０４において内燃機関１０の始動後であると判定された場合には、メインのＡ／Ｆセンサ１４の温度が所定の活性温度以上であるか否かが判別される（ステップ１０６）。尚、Ａ／Ｆセンサ１４の温度（素子温度）は、センサ素子の抵抗値等から推定して取得可能である。
【００５６】
上記ステップ１０６において、Ａ／Ｆセンサ１４の温度が活性温度以上になっていると判定された場合には、メインフィードバック制御が実施中であるか否かが判別され（ステップ１０８）、当該メインフィードバック制御の実施中であると判定された場合には、小型Ｏ２センサ２２の温度が所定の活性温度以上になっているか否かが上記ステップ１０６と同様の手法などにより判別される（ステップ１１０）。
【００５７】
その結果、メインフィードバック制御の実施中に小型Ｏ２センサ２２の温度が活性温度に達していると判定された場合には、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御が実行される（ステップ１１２）。
【００５８】
次に、内燃機関１０の冷間始動後に上昇していく第１触媒１６の温度に基づき、下流Ｏ２センサ１８が凝縮水による被水の影響を受けないタイミングに達したか否かが判別される（ステップ１１４）。尚、第１触媒１６の温度は、温度センサの出力値や内燃機関１０の運転状態に基づく推定値などにより取得可能である。その結果、当該判定が成立した場合には、下流Ｏ２センサ１８のヒータへの通電が開始される（ステップ１１６）。
【００５９】
次に、第１触媒１６の温度に基づいて、第１触媒１６の暖機が完了したか否かが判別される（ステップ１１８）。その結果、第１触媒１６の暖機が完了したと判定された場合には、第１触媒１６の下流Ｏ２センサ１８が活性したか否かが、上記ステップ１０６と同様の手法などにより判別される（ステップ１２０）。
【００６０】
上記ステップ１２０において、下流Ｏ２センサ１８が活性したと判定された場合には、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御が停止され、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御が開始される（ステップ１２２）。
【００６１】
次に、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御の実施中であるか否かが判別される（ステップ１２４）。その結果、当該サブフィードバック制御の実施中であると判定された場合には、次いで、小型Ｏ２センサ出力の補正制御を実施可能なタイミングであるか否かが判別される（ステップ１２６）。具体的には、内燃機関１０の運転状態が、当該補正制御を行ううえで好ましい状態である定常的な状態にあるか否かが判別される。
【００６２】
上記ステップ１２６において、小型Ｏ２センサ出力の補正制御を実施可能なタイミングであると判定された場合には、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御の実行が中断されるとともに、当該補正制御の実行が開始される（ステップ１２８）。より具体的には、以下に説明する図１０に示すルーチンの一連の処理が実行される。
【００６３】
ここで、図１０に示すルーチンの処理を説明する前に、図１１を参照して、当該補正制御の概要を説明する。
図１１は、小型Ｏ２センサ出力の補正制御の概要を説明するためのタイムチャートである。より具体的には、図１１（Ａ）は第１触媒１６の上流における排気ガスの目標空燃比の変化を表す波形を、図１１（Ｂ）は下流Ｏ２センサ１８の出力eoxsの変化を表す波形を、図１１（Ｃ）は小型Ｏ２センサ２２の出力eoxscの変化を表す波形を、それぞれ示している。
【００６４】
当該補正制御の実行時には、図１１に示すように、第１触媒１６の上流における目標空燃比は、下流Ｏ２センサ１８の出力eoxsがリッチ反転基準値oxsRを超えた場合に、リッチ目標空燃比eabyfrefRからリーン目標空燃比eabyfrefLに矩形的に変化し、一方、下流Ｏ２センサ１８の出力eoxsがリーン反転基準値oxsLを下回った場合に、リーン目標空燃比eabyfrefLからリッチ目標空燃比eabyfrefRに矩形的に変化するように制御される。当該補正制御の実行時には、このような目標空燃比の切り替えが交互に繰り返されていく。
【００６５】
また、このような補正制御の実行時には、第１触媒１６の内部に配置された小型Ｏ２センサ２２の出力eoxscについても、図１１（Ｃ）に示すように、目標空燃比の変化に伴い変化することとなる。
【００６６】
図１０に示すルーチンでは、先ず、下流Ｏ２センサ１８の出力eoxsがリーン反転基準値oxsLより小さいか否かが判別される（ステップ２００）。その結果、当該判定が未だ成立しない間は、目標空燃比eabyfrefがリーン目標空燃比eabyfrefLに設定される（ステップ２０２）。
【００６７】
一方、上記ステップ２００において、eoxs＜oxsLが成立したと判定された場合には、目標空燃比eabyfrefがリッチ目標空燃比eabyfrefRに切り替えられる（ステップ２０４）。次いで、下流Ｏ２センサ１８の出力eoxsがリッチ反転基準値oxsRより大きいか否かが判別される（ステップ２０６）。
【００６８】
その結果、eoxs＞oxsRが成立したと判定された場合、つまり、第１触媒１６の下流における排気ガスの空燃比がストイキに対して一定レベル以上リッチ側にずれたと判定された場合には、この時点での小型Ｏ２センサ２２の出力eoxscRが、ＥＣＵ２４のメモリに記憶される（ステップ２０８）。次いで、当該リッチ反転時の小型Ｏ２センサ出力eoxscRが所定のｎ個以上記憶されているか否かが判別される（ステップ２１０）。当該判定が成立しない間は、上記ステップ２００〜２０８の処理が繰返し実行され、一方、当該判定が成立したと判定された場合には、今回の補正制御中の第１触媒１６の温度の平均値が算出される（ステップ２１２）。
【００６９】
次に、上記リッチ反転時の小型Ｏ２センサの出力eoxscRのｎ個分の平均値が算出されたうえで、当該平均値が小型Ｏ２センサ出力ｍａｘ値として記憶されるとともに、当該記憶値が、小型Ｏ２センサ２２の出力補正に反映される（ステップ２１４）。図１２は、小型Ｏ２センサ２２の出力eoxscと第１触媒１６の温度（≒小型Ｏ２センサ２２の素子温度）との関係を表した図である。小型Ｏ２センサ２２は、既述したようにヒータを有していないこともあり、温度依存性が他のセンサ１４、１８よりも強い。その結果、図１２に示すように、第１触媒１６の温度が高くなるにつれ、リッチ反転時の小型Ｏ２センサ２２の出力eoxscRが大きくなる。
【００７０】
本ステップ２１４では、第１触媒１６の所定温度間隔毎に取得されて小型Ｏ２センサ出力ｍａｘ値として記憶された出力eoxscRのｎ個分の平均値に基づき、図１２に示すように、第１触媒１６の温度変化に対する出力eoxscRの変化と同じ傾向を有する学習値（リッチからリーンへ判定した際の出力学習値）を算出するようにしている。そして、当該学習値に基づき、小型Ｏ２センサ２２の出力を補正するようにしている。
【００７１】
上記ステップ２１４が実行されると、小型Ｏ２センサ出力の上記補正制御が終了される（ステップ２１６）。図９に示すルーチンのステップ１３０では、当該補正制御が終了したか否かが判別されており、当該判定が成立した場合には、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御の実行が再開される（ステップ１３２）。
【００７２】
以上説明した本実施形態のシステムによれば、上記図３乃至図８を参照して説明したセンサ素子３０を有する小型Ｏ２センサ２２を用いたことで、排気ガスの空燃比を検出するためのセンサを、排気浄化触媒（第１触媒１６など）内に排気ガスの流れを阻害しないようにして配置することが可能となる。これにより、排気ガス中の酸素濃度に対するセンサの応答性を確保できるようになり、第１触媒１６内の空燃比を正確に補正できるようになる。
【００７３】
また、小型Ｏ２センサ２２は、既述したように、他のセンサ１４、１８と比べ、非常に小型であり、熱容量が小さい。このため、小型Ｏ２センサ２２の温度は、ヒータを内蔵していなくても、内燃機関１０の始動開始直後から第１触媒１６の暖機とともに上昇していくようになる。このため、冷間始動後に、従来からの下流Ｏ２センサ１８と比べ、凝縮水の被水による素子割れのリスクを回避しつつ、早期にセンサを活性化させることができ、また、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御を早期に開始できるようになる。
【００７４】
図１３は、第１触媒１６内に小型Ｏ２センサ２２を配置したことで得られる効果を説明するための図である。
図１３に示す「時間ｔ１」は、第１触媒１６の上流の目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた時点から、下流Ｏ２センサ１８の出力がそれに伴いリッチ出力からリーン出力に反転する時点までの時間を示している。これに対し、１３に示す「時間ｔ２」は、第１触媒１６の上流の目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた時点から、小型Ｏ２センサ２２の出力がそれに伴いリッチ出力からリーン出力に反転する時点までの時間を示している。
【００７５】
第１触媒１６の下流に配置された下流Ｏ２センサ１８によって検出できる空燃比は、第１触媒１６を通した結果としての空燃比であるのに対し、小型Ｏ２センサ２２によって検出できる空燃比は、第１触媒１６内部の現在の空燃比である。このように、小型Ｏ２センサ２２によって第１触媒１６の内部の空燃比を直接的に検出するようにすることで、第１触媒１６の全体がリッチ雰囲気或いはリーン雰囲気となってしまう前に、時間差（ｔ１−ｔ２）分だけ早期に目標空燃比を補正することができるようになる。このため、第１触媒１６での排気エミッションの悪化量を減らすことができる、また、第１触媒１６を出た排気ガスの空燃比をストイキに維持でき易くなるので、下流側の第２触媒２０の負荷を減らせることができ、これらの触媒１６、２０のトータルでの排気エミッションの低減ができる。
【００７６】
また、上述したように、本実施形態では、小型Ｏ２センサ２２は、第１触媒１６の後方側に配置されている。第１触媒１６の内部における排気ガス中の未浄化成分（ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯなど）の浄化は、当該触媒１６の前方の部位からその後方の部位に向けて順に進行していくことになる。このため、第１触媒１６内の浄化能力に余裕がある場合には、第１触媒１６を通過する排気ガスの空燃比は、前方から後方に向かうに従って、リッチ（またはリーン）からストイキに近づいていくようになる。また、第１触媒１６は、酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有しており、前方側の部位から順に酸素が吸蔵または放出されていく。これらの理由により、小型Ｏ２センサ２２の配置部位が第１触媒１６の前方側の部位である場合には、後方側の部位に配置された場合に比して、小型Ｏ２センサ２２の出力が第１触媒１６に流入した直後の未だ十分に浄化されていない排気ガスの影響を受け易くなるので、小型Ｏ２センサ２２の出力がリッチとリーンとの間で頻繁に切り替わってしまい、これにより、フィードバック制御による目標空燃比もリッチとリーンとの間で頻繁に切り替わり過ぎてしまう。これに対し、本実施形態では、小型Ｏ２センサ２２を第１触媒１６の後方側に配置しておくことで、フィードバック制御の実行時にリッチとリーンとの間での過度な目標空燃比の切り替えが生ずるのを抑えつつ、第１触媒１６の内部の空燃比に基づき、下流Ｏ２センサ１８による場合と比べ、早期に目標空燃比を補正できるようになる。
【００７７】
更に、上記図９に示すルーチンによれば、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御の実行期間が、冷間始動時において小型Ｏ２センサが所定の活性温度に達する時点から下流Ｏ２センサ１８が所定の活性温度に達する時点までの期間のみとされる。このような制御によれば、ヒータ付きの下流Ｏ２センサ１８ではサブフィードバック制御の開始までの時間が長く必要となってしまう冷間始動時において、低熱容量による早期活性、および被水による素子割れリスク回避という小型Ｏ２センサ２２が有する利点をうまく利用して、冷間始動直後から、素子割れをもたらすことなく、早期に精度の高いフィードバック制御を開始できるようになる。更に、下流Ｏ２センサ１８が活性温度に達した後は、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御に切り替えるようにしているので、冷間始動直後から早期に精度の高いフィードバック制御を開始できるようにしつつ、センサ出力の温度補正が従来からある下流Ｏ２センサ１８よりも難しいという小型Ｏ２センサ２２の課題を解消することもできる。
【００７８】
また、上記図１０に示すルーチンによれば、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づいて、小型Ｏ２センサ２２の出力が補正されるようになる。より具体的には、下流Ｏ２センサ１８の出力が所定値以上となったときの、第１触媒１６の温度に対する小型Ｏ２センサ出力がリッチ出力ｍａｘ値として記憶され、当該記憶値の取得時と同じ第１触媒１６の温度条件下における小型Ｏ２センサ出力の上限値が当該記憶値となるように補正される。このように、低熱容量であることとヒータを有していないことで温度依存性の強い小型Ｏ２センサ２２の出力を、当該小型Ｏ２センサ２２に比して温度による影響の低い下流Ｏ２センサ１８の出力に基づき補正することで、触媒温度（≒小型Ｏ２センサ２２の素子温度）の影響による小型Ｏ２センサ出力のずれを良好に補正することができる。
【００７９】
また、上記図９に示すルーチンによれば、下流Ｏ２センサ１８が備えるヒータへの通電が、当該下流Ｏ２センサ１８が排気ガス中に含まれる凝縮水による被水の影響を受けないタイミングで開始されるようになる。下流Ｏ２センサ１８が未だ活性状態にない冷間始動直後の段階では、上述したように、小型Ｏ２センサ２２を利用して精度の高いフィードバック制御ができるようになる。つまり、このような処理によれば、冷間始動直後には、小型Ｏ２センサ２２を用いたフィードバック制御によって排気エミッションの低減を確保しつつ、下流Ｏ２センサ１８が備えるヒータへの通電開始タイミングを素子割れリスクのない良好なタイミングに設定することが可能となる。
【００８０】
ところで、上述した実施の形態１においては、第１触媒１６の上流にＡ／Ｆセンサ１４を、第１触媒１６の内部に小型Ｏ２センサ２２を、更に、第１触媒１６の下流に下流Ｏ２センサ１８を備えるようにし、これらのセンサ出力を適宜用いて、上述した空燃比のフィードバック制御を行うようにしている。しかしながら、本発明における内蔵排気ガスセンサ（小型Ｏ２センサ２２）を備えて空燃比のフィードバック制御を行う形態は、上述した形態に限定されるものではなく、以下の図１４に示すような形態であってもよい。
【００８１】
図１４は、本発明の実施の形態１における空燃比フィードバック制御の変形例を説明するための図である。尚、図１４において、上記図１と同様の構成要素に対しては、図１と同一の符号を付して、その詳細な説明を省略または簡略するものとする。
図１４（Ａ）に示す構成は、下流Ｏ２センサ１８を備えていない点が上記図１に示す構成とは異なる。このような構成によって、上流側のＡ／Ｆセンサ１４の出力に基づくメインフィードバック制御と、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御を行うようにしてもよい。この場合には、第１触媒１６における小型Ｏ２センサ２２よりも前側の部位を使用してフィードバック制御が行われ、第１触媒１６から排出される空燃比がストイキとなるように制御されることとなる。
【００８２】
また、図１４（Ｂ）に示す構成は、上流側のＡ／Ｆセンサ１４を備えていない点が上記図１に示す構成とは異なる。このような構成によって、小型Ｏ２センサ２２の出力および下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくフィードバック制御を行うようにしてもよい。また、この場合も、既述したように、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づき小型Ｏ２センサ２２の出力を補正するようにしてもよい。
【００８３】
尚、上述した実施の形態１においては、第１触媒１６が前記第１または第３の発明における「排気浄化触媒」に、Ａ／Ｆセンサ１４が前記第１の発明における「上流排気ガスセンサ」に、小型Ｏ２センサ２２が前記第１または第３の発明における「内蔵排気ガスセンサ」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ２４が、Ａ／Ｆセンサ１４の出力に基づくメインフィードバック制御を実行することにより前記第１の発明における「フィードバック手段」および「メインフィードバック手段」が、小型Ｏ２センサ２２の出力に基づくサブフィードバック制御を実行することにより前記第１の発明における「フィードバック手段」および「内蔵センサ利用フィードバック手段」または前記第３の発明における「フィードバック手段」が、それぞれ実現されている。
また、下流Ｏ２センサ１８が備えるヒータ（図示省略）が前記第４の発明における「加熱手段」に、下流Ｏ２センサ１８が前記第４の発明における「下流排気ガスセンサ」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ２４が、下流Ｏ２センサ１８の出力に基づくサブフィードバック制御を実行することにより前記第４の発明における「下流センサ利用フィードバック手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第４の発明における「内蔵センサ活性判別手段」が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第４の発明における「下流センサ活性判別手段」が、上記ステップ１１０〜１２２の処理を実行することにより前記第４の発明における「制御期間設定手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ２４が上記図１０に示すルーチンの処理を実行することにより前記第６の発明における「センサ出力補正手段」が実現されている。
また、ＥＣＵ２４が、上記ステップ２０６〜２１２の処理を実行することにより前記第７の発明における「センサ出力取得手段」が、上記ステップ２１４の処理を実行することにより前記第７の発明における「温度影響補正手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ２４が上記ステップ１１４および１１６の処理を実行することにより前記第８の発明における「センサ加熱実行手段」が実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施の形態１における内燃機関システムを説明するための概略図である。
【図２】図１に示す小型Ｏ２センサの配置部位を表した断面図である。
【図３】小型Ｏ２センサが有するセンサ素子の側面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った位置でのセンサ素子の断面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿った位置でのセンサ素子の断面図である。
【図６】図４のＣ−Ｃ線に沿った位置でのセンサ素子の断面図である。
【図７】図３に示すセンサ素子における電圧の印加方向を説明するための概念図である。
【図８】図３に示すセンサ素子における酸素のポンピングを説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態１において実行されるメインルーチンのフローチャートである。
【図１０】小型Ｏ２センサ出力の補正制御を実現するために、本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１１】小型Ｏ２センサ出力の補正制御の概要を説明するためのタイムチャートである。
【図１２】小型Ｏ２センサの出力eoxscと第１触媒の温度との関係を表した図である。
【図１３】第１触媒内に小型Ｏ２センサを配置したことで得られる効果を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施の形態１における空燃比フィードバック制御の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０  内燃機関
１２  排気通路
１２ａ  壁面
１４  メインリニアＡ／Ｆセンサ
１６  第１三元触媒
１６ａ  セル
１６ｂ  壁面
１８  下流Ｏ２センサ
２０  第２三元触媒
２２  小型Ｏ２センサ
２２ａ  金属シース線
２４  ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
３０  センサ素子
３２  測定部
３４  支持部
３６  リード部
３６ａ、３６ｂ  リード線
３８  固体電解質層
４０  第１電極層
４２  第２電極層
４２ａ  基端側端部
４４  第１遮蔽層
４６  第２遮蔽層
４８、５０  上面
５２  周縁面
５４、５６  下面
５８  周縁面
６０  ポンプセル
６２  第３遮蔽層
６４  電圧印加手段
eabyfref  目標空燃比
eabyfrefL  リーン目標空燃比
eabyfrefR  リッチ目標空燃比
eoxs  下流Ｏ２センサ出力
eoxsc  小型Ｏ２センサ力
eoxscR  リッチ反転時の小型Ｏ２センサ出力
oxsL  リーン反転基準値
oxsR  リッチ反転基準値
【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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【図１３】
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【図１４】
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