(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に装着され、センサ素子加熱用のヒータと、センサ素子のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、計測されたインピーダンスに基づいてセンサ素子温度を検出する素子温度検出手段と、前記ヒータの通電量を制御してセンサ素子温度を制御するヒータ制御手段とを含んで構成された空燃比センサの素子温度検出装置であって、
前記インピーダンス計測手段によるセンサ素子のインピーダンス計測中は、前記ヒータへの印加電圧を一定に維持するヒータ印加電圧制御手段を備えたことを特徴とする空燃比センサの素子温度検出装置。
【請求項２】
前記空燃比センサは、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備えてなり、
前記インピーダンス計測手段は、前記ネルンストセル部に交流電圧を印加したときに前記ネルンストセル部に流れる電流値より前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するものであることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの素子温度検出装置。
【請求項３】
前記ヒータ制御手段は、ヒータ通電のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することによりヒータ通電量を制御するものであって、前記ヒータ印加電圧制御手段は、ヒータ通電をＯＦＦに維持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空燃比センサの素子温度検出装置。
【請求項４】
前記ヒータ制御手段は、ヒータ通電のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することによりヒータ通電量を制御するものであって、前記ヒータ印加電圧制御手段は、ヒータ通電をＯＮに維持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空燃比センサの素子温度検出装置。
【請求項５】
前記ヒータ印加電圧制御手段は、機関の回転速度及び燃料噴射量に基づいて設定された電圧値に維持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空燃比センサの素子温度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に装着される空燃比センサのセンサ素子インピーダンスに基づいてセンサ素子温度を検出する素子温度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の空燃比制御装置として、空燃比センサにより排気中の酸素濃度に基づいて実際の空燃比を目標空燃比に近づけるように機関への供給燃料量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御が知られている。
【０００３】
かかる空燃比フィードバック制御においては、空燃比センサが活性化していることが前提条件となる。
空燃比センサは素子温度が所定の活性温度に達することで活性化されるので、センサ素子の活性状態の判定、センサ素子加熱用のヒータ制御のために素子温度を検出することが従来から行われている。
【０００４】
例えば、空燃比センサに備えられるセンサ素子加熱用のヒータを素子温度に基づいて制御することを目的として、センサ素子のインピーダンスが素子温度に依存していることから、センサ素子のインピーダンスを用いてセンサ素子温度を検出するものがある。
【０００５】
具体的には、空燃比センサのセンサ素子に高周波の交流電圧を印加し、センサ素子に流れる電流値よりセンサ素子のインピーダンスを計測し、計測されたインピーダンスに基づいて素子温度を検出するようにしている。
【０００６】
また、特開平１１−３４４４６６号公報のように、センサ素子のインピーダンス又は素子温度を求め、センサ素子のインピーダンス又は素子温度が目標値になるようヒータ通電量をフィードバック制御しているものある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、センサ素子のインピーダンスを計測する場合に以下のような問題が生じてきた。
【０００８】
すなわち、センサ素子を早期に活性化し、また、活性化状態を確実に維持する等のためにセンサ素子加熱用ヒータの容量アップ、センサ素子の小型化が進み、ヒータ通電に対するセンサ素子の温度追従性が向上してきた（センサ素子の熱容量が相対的に小さくなってきた）。このため、ヒータへの通電量の変化が速やかにセンサ素子の温度へと影響し、ヒータへの通電状態に対するセンサ素子温度の変動が従来に比べて顕著になってきた。
【０００９】
特に、ヒータ通電のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することによりヒータへの通電量を制御するものにあっては、そのＯＮ・ＯＦＦによってセンサ素子温度が瞬間的に変動し、それに伴い素子のインピーダンスも変動するため、インピーダンス計測の誤差が生じ易い。
【００１０】
その結果、センサ素子温度（センサの活性化状態）の検出精度も低下してしまい、更に、素子温度に基づくヒータ制御が安定せず、インピーダンス計測誤差が増大し、空燃比フィードバック制御に影響を与えるなど悪循環を生じることとなる。
【００１１】
本発明は、以上のような問題に鑑みなされたものであって、空燃比センサのセンサ素子温度を精度よく検出できる素子温度検出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、図１に示すように、内燃機関の排気系に装着され、センサ素子加熱用のヒータと、センサ素子のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、計測されたインピーダンスに基づいてセンサ素子温度を検出する素子温度検出手段と、前記ヒータの通電量を制御してセンサ素子温度を制御するヒータ制御手段とを含んで構成された空燃比センサの素子温度検出装置であって、
前記インピーダンス計測手段によるセンサ素子のインピーダンス計測中は、前記ヒータへの印加電圧を一定に維持するヒータ印加電圧制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、前記空燃比センサは、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備えてなり、
前記インピーダンス計測手段は、前記ネルンストセル部に交流電圧を印加したときに前記ネルンストセル部に流れる電流値より前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、前記ヒータ通電制御手段は、ヒータ通電のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することによりヒータ通電量を制御するものであって、前記ヒータ印加電圧制御手段は、ヒータ通電をＯＦＦに維持することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る発明は、前記ヒータ通電制御手段は、ヒータ通電のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することによりヒータ通電量を制御するものであって、前記ヒータ印加電圧制御手段は、ヒータ通電をＯＮに維持することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明は、前記ヒータ印加電圧制御手段は、機関の回転速度及び燃料噴射量に基づいて設定された電圧値を維持することを特徴とする。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、センサ素子のインピーダンス計測中は、センサ素子加熱用のヒータへの印加電圧を一定とするので、ヒータ制御による印加電圧の変動により生じるセンサ素子温度の変動を防止して、インピーダンスを精度よく計測できる。その結果、センサ素子温度の検出精度も向上する。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、空燃比センサがネルンストセル部とポンプセル部とを備えるものにあっては、ネルンストセル部に交流電圧を印加して、該ネルンストセル部に流れる電流値を計測することにより、ポンプセル部での空燃比検出に影響を与えることなく、インピーダンスを計測できる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、ヒータ通電のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することによりヒータ通電量を制御するものにあっては、センサ素子のインピーダンス計測中は、ヒータ通電をＯＦＦに維持することでヒータへの通電を停止するので、ＯＮ・ＯＦＦに伴うセンサ素子温度の瞬間的な変動を防止し、また、素子温度が排気温とほぼ同じ温度での測定となり、インピーダンスを精度よく計測できる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、センサ素子のインピーダンス計測中は、ヒータ通電をＯＮに維持することにより、ＯＮ・ＯＦＦに伴うセンサ素子温度の瞬間的な変動を防止し、安定した状態でインピーダンスを計測できる。
【００２１】
請求項５に係る発明によれば、ヒータ印加電圧制御手段は、機関の回転速度及び燃料噴射量に基づいて設定された電圧値を維持することにより、素子温度とほぼ同じ温度と推定される排気温の状態に応じた電圧値を設定できるので、インピーダンス計測中及びインピーダンス計測前後での素子温度の変化も最小限に抑えられ、インピーダンス計測精度をさらに向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図２は、本発明の一実施形態における内燃機関のシステム構成図を示す。図２において、内燃機関１の吸気通路２には、吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ３と吸入空気量Ｑａを制御するスロットル弁４が設けられている。
【００２３】
各気筒毎に設けられた燃料噴射弁５は、マイクロコンピュータを内蔵したＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）６からの噴射パルス信号により開弁駆動し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を噴射供給する。
【００２４】
排気通路７には、排気中の酸素濃度に応じて空燃比をリニアに検出する広域型の空燃比センサ８が設けられている。
更に、機関１の所定のクランク角毎にクランク角信号に出力するクランク角センサ９や機関１の冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１０が設けられている。
【００２５】
前記ＥＣＭ６は、例えば、吸入空気量Ｑａとクランク角センサ９からの信号に基づいて検出される機関回転速度Ｎｅからストイキ（λ＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ×Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλ、空燃比センサ８からの信号に基づく空燃比フィードバック補正係数αにより補正して燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αとして、このＴｉに対応する噴射パルスを、機関回転周期に同期して、前記燃料噴射弁５に出力する。
【００２６】
図３は、前記空燃比センサ８の構造を示す。
図３において、センサ素子本体２０は、酸素イオン導電性を有するジルコニア等の固体電解質材料で多孔質層に形成されており、その内部には、図で下側から、ヒータ２１、大気室２２、ガス拡散室２３を備えている。
【００２７】
ヒータ２１は、これへの通電によりセンサ素子を加熱することができる。
大気室２２は、排気通路外で、基準ガスである大気と連通するように形成されている。
【００２８】
ガス拡散室２３は、本体２０の図で上面側より形成した排気導入孔２４、γアルミナ等の保護層２２を介して、排気と連通するように形成されている。
ここで、大気室２２の上壁に設けた電極２６Ａと、ガス拡散室２３の下壁に設けた電極２６Ｂとで、ネルンストセル部２６が構成される。
【００２９】
また、ガス拡散室２３の上壁に設けた電極２７Ａと、本体２０の上壁に設け保護層２８で覆った電極２７Ｂとで、ポンプセル部２７が構成される。
ネルンストセル部２６は、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度（酸素分圧）によって影響されるネルンストセル部電極２６Ａ、２６Ｂ間の酸素分圧に応じて、電圧を発生するようになっているので、該電圧を検出することにより、空燃比がストイキ（λ＝１）に対してリーンであるかリッチであるかを検出することができる。
【００３０】
ポンプセル部２７は、これに所定の電圧が印加されると、ガス拡散室２３内の酸素イオンが移動して、ポンプセル部電極２７Ａ、２７Ｂ間に電流が流れるようになっている。そして、ポンプセル部電極２７Ａ、２７Ｂ間に所定の電圧を印加したときに流れる電流値（限界電流値）Ｉｐは、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度に影響されるので、該電流値Ｉｐを検出することにより、排気の空燃比を検出することができる。
【００３１】
すなわち、図４（Ａ）に示すように、ポンプセル部２７の電圧−電流特性は、空燃比λに応じて変化し、所定の電圧Ｖｐを印加したときの電流値Ｉｐにより排気の空燃比λを検出することができる。
【００３２】
また、ネルンストセル部２７でのリーン・リッチの出力に基づいて、ポンプセル部２７に対する電圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域において、図４（Ｂ）に示すように、ポンプセル部２７を流れる電流値Ｉｐに基づいて、広範囲な空燃比λの検出が可能となる。
【００３３】
図５は、空燃比センサ及びセンサ素子加熱用ヒータに対する制御回路を示す。
ネルンストセル部２６には、インピーダンス計測のため、マイコン３０の制御の下に、交流電源３１により交流電圧を印加し、これによりネルンストセル部２６に流れる電流値Ｉｓを電流検出用抵抗３２と検出アンプ３３とにより電圧変換して検出する。
【００３４】
検出アンプ３３からの信号は、例えばハイパスフィルタと積分器とからなるインピーダンス検出回路３４に入力することで、交流成分のみを取出して、その振幅からインピーダンスＲｉを検出する。これにより、ネルンストセル部２６のインピーダンスＲｉを計測することができる。
【００３５】
また、検出アンプ３３からの信号は、ローパスフィルタ３５に入力することで、直流成分のみを取出して、酸素濃度に応じてネルンストセル部２６で発生する電圧を検出する。これにより、酸素濃度のリーン・リッチを検出することができる。
【００３６】
ポンプセル部２７には、マイコン３０制御の下に、直流電源３５により所定の電圧Ｖｐを印加するが、印加方向はネルンストセル部２６により検出される酸素濃度のリーン・リッチに応じて反転させ、これによりポンプセル部２７に流れる電流Ｉｐを電流検出用抵抗３６と検出アンプ３７とにより電圧変換して検出する。これにより、空燃比λを検出する。
【００３７】
ヒータ２１には、バッテリよりバッテリ電圧ＶＢを印加するが、通電回路中にスイッチング素子３９を設けてあるので、通常は、このスイッチング素子３９のＯＮ・ＯＦＦをマイコン３０によりデューティ制御することにより、ヒータ２１への通電量を制御することができる。
【００３８】
図６は、マイコン３０により所定時間毎に実行される空燃比センサの素子温度検出を示すフローチャートである。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、各種運転条件を読込む。
【００３９】
ステップ２では、インピーダンス計測許可条件が成立しているか否かを判定する。ここで、インピーダンス計測許可条件が成立しているのは、排気流量の変化による熱引きの影響が少ない場合であり、例えば、機関の運転状態が所定の回転速度Ｎｅ及び所定の燃料噴射量Ｔｐ内にあることである。
【００４０】
インピーダンス計測許可条件が成立していない場合は、ステップ１に戻る。
インピーダンス計測許可条件が成立している場合は、ステップ３に進み、ヒータデューティ（ＨＤＵＴＹ）＝０（％）に設定し、センサ素子加熱用ヒータへの通電を停止した後、ステップ４に進む。
【００４１】
ステップ４では、センサ素子（ネルンストセル部）のインピーダンスを計測する。交流電源３１によりネルンストセル部２６に所定の交流電圧を印加し、その時の電流検出用抵抗３２の端子電圧を読込み、これに基づいてネルンストセル部２６のインピーダンスを計測する。
【００４２】
すなわち、ヒータ制御手段による通常のデューティ制御を、図７（Ａ）に示すように、インピーダンス計測中は、センサ素子加熱用のヒータへの通電をＯＦＦとしてその状態を維持する。これが、ヒータ印加電圧制御手段に相当する。
【００４３】
その後、ステップ５に進み、あらかじめ設定された素子温度とインピーダンス理論値のテーブル等により、ステップ４で計測したインピーダンスに基づいて素子温度を検出する。
【００４４】
なお、ヒータへの通電は前記インピーダンス計測の終了後、ヒータ制御手段による通常のデューティ制御を再開する。
以上により、センサ素子のインピーダンス計測中は、センサ素子加熱用のヒータへの通電を停止すること（印加電圧を０Ｖとして一定に維持すること）によりセンサ素子温度の瞬間的な変動を防止しつつ、素子温度もその時の排気温とほぼ同じ温度でインピーダンスを計測できるので、センサ素子のインピーダンス計測精度が向上し、ひいては、センサ素子温度の検出精度が向上する。
【００４５】
なお、前記の実施形態におけるステップ３において、ヒータ通電量を図７（Ｂ）に示すように、センサ素子のインピーダンス計測中は、ヒータデューティ（ＨＤＵＴＹ）＝１００（％）と設定して、ヒータへの通電を常にＯＮとすることによっても印加電圧を設定最大値として一定に維持し、センサ素子温度の瞬間的な変動を防止して、安定した状態でインピーダンスを計測できる。
【００４６】
次に、本発明の第二の実施形態を説明する。
図８（Ａ）は、第二の実施形態に係る空燃比センサのヒータに対する制御回路図である。通常時においては、前記第一の実施形態と同様にスイッチング素子３９のＯＮ・ＯＦＦをマイコン３０によりデューティ制御することによりヒータ２１への通電量を制御し、インピーダンス計測中は、切換器４０の抵抗調整により、あらかじめ設定された電圧値をヒータ２１に印加するよう構成したものである。
【００４７】
前記切換器４０は、例えば、図８（Ｂ）に示すように複数の抵抗を任意に選択することにより、ヒータへの印加電圧値を設定する。
図９は、第二の実施形態における空燃比センサの素子温度検出を示すフローチャートである。
【００４８】
ステップ１１，１２は前記第一の実施形態と同様であり、説明は省略する。ステップ１２で、インピーダンス計測許可判定が成立していれば、ステップ１３に進む。
【００４９】
ステップ１３では、インピーダンス計測中の目標ヒータ電圧を、読込んだ機関回転速度Ｎｅ及び燃料噴射量Ｔｐに基づいてあらかじめ設定されたマップ等により決定する。これにより、素子温度とほぼ同じ温度と推定される排気温の状態に応じて適した印加電圧を決定できる。
【００５０】
次いで、ステップ１４では、前記切換器４０の抵抗を調整して、ステップ１３で決定した目標ヒータ電圧値に設定した後、ステップ１５に進み、前記第一の実施形態と同様にしてインピーダンスを計測し、素子温度を検出する。
【００５１】
以上により、インピーダンス計測中は、機関回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｔｐとに基づいて設定される電圧値をヒータへ印加するので、素子温度の変動を防止するとともに、インピーダンス計測前後における素子温度の変化も最小限に抑えることができ、さらに精度よくインピーダンスを計測できる。
【００５２】
なお、本発明は、前記第一、第二の実施形態にように、通常時におけるヒータ制御をデューティ制御により行うものに限るものではなく、その他の方法により制御するもの、例えば、ヒータへの印加電圧値を制御するものであっても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施形態を示すシステム構成図。
【図３】空燃比センサのセンサ素子構造を示す図。
【図４】空燃比センサのセンサ素子の特性図。
【図５】空燃比センサ及びヒータに対する制御回路図。
【図６】本発明の第一の実施形態に係るセンサ素子温度検出のフローチャート。
【図７】インピーダンス計測中のデューティ制御を示す図。
【図８】空燃比センサのヒータに対する他の制御回路図。
【図９】本発明の第二の実施形態に係るセンサ素子温度検出のフローチャート。
【符号の説明】
１  …  内燃機関
６  …  ＥＣＭ
９  …  空燃比センサ
２０…  センサ素子本体
２１…  ヒータ
２２…  大気室
２３…  ガス拡散室
２４…  排気導入孔
２５…  保護層
２６…  ネルンストセル部
２７…  ポンプセル部
２８…  保護層
３０…  マイコン
３１…  交流電源
３２…  直流電源
３９…  スイッチング素子
【図１】
0003734685.tif 000002
【図２】
0003734685.tif 000003
【図３】
0003734685.tif 000004
【図４】
0003734685.tif 000005
【図５】
0003734685.tif 000006
【図６】
0003734685.tif 000007
【図７】
0003734685.tif 000008
【図８】
0003734685.tif 000009
【図９】
0003734685.tif 000010