(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気中の酸素濃度を検出する空燃比センサの活性判定装置であって、
前記空燃比センサの端子に一定周期の電圧を印加したときに、前記空燃比センサに流れる電流の波形と前記印加電圧の波形との位相差に基づいて前記空燃比センサの活性判定を行うことを特徴とする空燃比センサの活性判定装置。
【請求項２】
前記空燃比センサの端子に、一定周期の電圧を発生する電源と測定抵抗とを直列に接続し、前記測定抵抗の端子電圧を前記空燃比センサに流れる電流に相関する値として検出することを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの活性判定装置。
【請求項３】
エンジン排気中の酸素濃度を検出する空燃比センサの活性判定装置であって、一定周期の電圧Ｖccを発生する電源及び測定抵抗を、前記空燃比センサの端子に直列に接続する一方、前記測定抵抗の端子電圧Ｖｓを検出する電圧検出手段と、前記電圧Ｖccと前記端子電圧Ｖｓとの位相差を計測する遅れ特性計測手段と、該遅れ特性計測手段で計測された位相差に基づいて前記空燃比センサの活性を判定する活性判定手段と、を含んで構成されたことを特徴とする空燃比センサの活性判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃焼混合気の空燃比を排気中の酸素濃度に基づいて検出する空燃比センサが活性したか否かを判定する活性判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エンジンの燃焼混合気の空燃比を排気中の酸素濃度に基づいて検出する空燃比センサを排気通路に備え、該空燃比センサで検出される実際の空燃比を目標空燃比に一致させるように、燃料噴射量をフィードバック制御する電子制御燃料噴射装置が知られている。
【０００３】
また、前記空燃比センサは所定温度にまで上昇しないと活性化せず、所期の出力が得られないため、空燃比センサが活性化したか否かを判定し、活性判定がなされてから空燃比フィードバック制御を開始させるようになっていた。前記活性判定の方法としては、センサの出力がリッチ空燃比に見合った出力を発生するか否かで活性判定を行う方法があった（特開平１−２８０６５０号公報参照）。
【０００４】
また、前記空燃比センサにおいて、電極間に基準電圧を印加することで、酸素センサの内部抵抗を測定し、測定した内部抵抗に基づいて酸素センサを加熱するヒータへの通電を制御する構成が知られている（特開平８−２７８２７９号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、空燃比センサの出力レベルで活性判定を行う構成では、センサ出力がそのときの燃焼混合気の空燃比に影響されるため、活性判定に増量制御状態が条件になったりして、活性化の判定が遅れてしまうという問題があった。
【０００６】
また、空燃比センサの内部抵抗はセンサ温度に相関するが、空燃比センサの内部抵抗と温度との相関にはばらつきが大きく、内部抵抗値からセンサ温度を高精度に推定することができないため、内部抵抗から推定した温度に基づく活性判定にはばらつきを見込んだ判定が必要になり、結果、活性温度を大きく上回るようになって初めて活性を判定させることになってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、燃焼混合気の空燃比制御状態に影響されることなく、然も、活性状態を遅れなくかつ精度良く判定できる空燃比センサの活性判定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明は、前記空燃比センサの端子に一定周期の電圧を印加したときに、前記空燃比センサに流れる電流の波形と前記印加電圧の波形との位相差に基づいて前記空燃比センサの活性判定を行う構成とした。
【０００９】
かかる構成によると、印加電圧の波形とセンサに流れる電流（測定抵抗の端子電圧）の波形との位相差が大きいときには、空燃比センサが活性化していないために、印加電圧の変化が電流（測定抵抗の端子電圧）に表れるまでのむだ時間が長くなっているものと判断し、前記位相差（むだ時間）が充分に小さくなったときに、空燃比センサの活性化を判定する。
【００１０】
請求項２記載の発明では、空燃比センサの端子に、一定周期の電圧を発生する電源と測定抵抗とを直列に接続し、測定抵抗の端子電圧を空燃比センサに流れる電流に相関する値として検出する構成とした。
【００１１】
かかる構成によると、測定抵抗の端子電圧は、空燃比センサを流れる電流とセンサの内部抵抗に応じて変化するので、前記端子電圧は、センサを流れる電流（センサの内部抵抗）を示すことになる。
【００１４】
一方、請求項３記載の発明に係る活性判定装置は、一定周期の電圧Ｖccを発生する電源及び測定抵抗を、前記空燃比センサの端子に直列に接続する一方、前記測定抵抗の端子電圧Ｖｓを検出する電圧検出手段と、前記電圧Ｖccと前記端子電圧Ｖｓとの位相差を計測する遅れ特性計測手段と、該遅れ特性計測手段で計測された位相差に基づいて前記空燃比センサの活性を判定する活性判定手段と、を含んで構成される。
【００１５】
かかる構成によると、電圧Ｖccの印加によって空燃比センサに流れる電流に相関する測定抵抗の端子電圧Ｖｓを検出し、前記電圧Ｖccと前記端子電圧Ｖｓとの位相差を計測し、該位相差の大小に基づいて空燃比センサが活性しているか否かを判定する。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、印加電圧とセンサに流れる電流（測定抵抗の端子電圧）との位相差から遅れ特性を判断して、空燃比や内部抵抗のばらつきに影響を受けることなく、空燃比センサの活性判定を高精度にかつ遅れなく行えるという効果がある。
【００１７】
請求項２記載の発明によると、空燃比センサに流れる電流を、測定抵抗の端子電圧として容易に検出できるという効果がある。
【００１９】
請求項３記載の発明によると、空燃比センサに流れる電流の印加電圧に対する遅れを、測定抵抗の端子電圧と印加電圧との位相差から判断して、空燃比センサの活性判定を高精度にかつ遅れなく行えるという効果がある。
【００２０】
【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１は実施の形態におけるエンジンのシステム構成図である。
【００２１】
この図１において、車両に搭載されるエンジン１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２，吸気通路３，モータで開閉駆動される電子制御式スロットル弁４を介して空気が吸入される。各気筒の燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁５が設けられており、該燃料噴射弁５から噴射される燃料と前記吸入される空気によって燃焼室内に混合気が形成される。
【００２２】
燃料噴射弁５は、コントロールユニット２０から出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。そして、噴射された燃料は、吸気行程噴射の場合は燃焼室内に拡散して均質な混合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火栓６回りに集中的に層状の混合気を形成する。燃焼室内に形成される混合気は、点火栓６により着火燃焼する。
【００２３】
但し、エンジン１を上記の直接噴射式ガソリンエンジンに限定するものではなく、吸気ポートに燃料を噴射する構成のエンジンであっても良い。
エンジン１からの排気は排気通路７より排出される。前記排気通路７には排気浄化用の触媒８が介装されている。
【００２４】
また、燃料タンク９にて発生した蒸発燃料を燃焼処理する蒸発燃料処理装置が設けられている。
キャニスタ１０は、密閉容器内に活性炭などの吸着剤１１を充填したもので、燃料タンク９から延設される蒸発燃料導入管１２が接続されている。従って、燃料タンク９にて発生した蒸発燃料は、前記蒸発燃料導入管１２を通って、キャニスタ１０に導かれ吸着捕集される。
【００２５】
また、キャニスタ１０には、新気導入口１３が形成されると共に、パージ配管１４が導出され、前記パージ配管１４には、コントロールユニット２０からの制御信号によって開閉が制御されるパージ制御弁１５が介装される。
【００２６】
上記構成において、パージ制御弁１５が開制御されると、エンジン１の吸入負圧がキャニスタ１０に作用する結果、新気導入口１３から導入される空気によってキャニスタ１０の吸着剤１１に吸着されていた蒸発燃料がパージされ、パージエアがパージ配管１４を通って吸気通路３のスロットル弁４下流に吸入され、その後、エンジン１の燃焼室内で燃焼処理される。
【００２７】
コントロールユニット２０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、これらに基づいて演算処理して、燃料噴射弁５，点火栓６及びパージ制御弁１５などの作動を制御する。
【００２８】
前記各種センサとして、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２１、カム軸から気筒判別信号を取り出すカムセンサ２２が設けられており、前記クランク角センサ２１からの信号に基づきエンジンの回転速度が算出される。
【００２９】
この他、吸気通路３のスロットル弁４上流で吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ２３、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）ＡＰＳを検出するアクセルセンサ２４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ２５、エンジン１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ２６、排気中の酸素濃度に応じて排気空燃比を検出する空燃比センサ２７、車速ＶＳＰを検出する車速センサ２８などが設けられている。
【００３０】
ここで、前記空燃比センサ２７の構造を、図２に基づいて説明する。
ジルコニア（ＺｒＯ2）等の固体電解質部材からなる基板３１上に、エンジン排気に晒される＋電極３２が設けられている。また、基板３１には大気が導入される大気導入孔３３が開設され、前記＋電極３２に対向する大気導入孔３３側に−電極３４が取り付けられ、エンジン排気に晒される＋電極３２と、大気に晒される−電極３４とが基板３１を挟んで対抗するようにしてある。
【００３１】
上記構成において、大気導入孔３３内の大気（基準大気）中の酸素と排気中の酸素との濃度比に応じて基板３１内を酸素イオン電流が流れ、これに伴って、電極間に排気中の酸素濃度に対応する起電力が発生する。
【００３２】
具体的には、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、前記濃度比が大きくなって起電力が発生するが、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、前記濃度比が小さくなって起電力が殆ど発生せず、起電力の発生の有無によって排気空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかを検出できるものである。
【００３３】
また、前記空燃比センサ２７の基板３１には、基板３１（センサ素子）を加熱するためのヒータ４４を埋設させてある。
尚、本実施の形態では、空燃比センサ２７を図２に示すようなプレート型としたが、公知のチューブ型の酸素センサであっても良い。
【００３４】
また、図２に示したような酸素濃淡電池型の空燃比センサと、ジルコニア（ＺｒＯ2）等の固体電解質部材からなる基板を挟んで設けられた電極間に電圧を印加することで酸素イオンを強制的に移動させ、酸素濃淡電池型酸素センサの検出雰囲気中の酸素濃度を制御する酸素ポンプ部とを備えてなる所謂広域空燃比センサであっても良い。
【００３５】
前記コントロールユニット２０は、所定の空燃比フィードバック制御条件が成立するときに、前記空燃比センサ２７で検出される排気空燃比のリッチ・リーンに基づいて、排気空燃比を理論空燃比に近づけるように、燃料噴射弁５による噴射量を比例・積分制御等によって補正する空燃比フィードバック制御を行う。
【００３６】
ここで、前記空燃比フィードバック制御条件には、空燃比センサ２７が活性化していることが含まれており、コントロールユニット２０は後述するようにして空燃比センサ２７の活性判定を行う。
【００３７】
図３は、空燃比センサ２７の制御回路を示す。
空燃比センサ２７からの起電力は、コントロールユニット２０に入力され、フィルタ（平滑回路）２０１で平滑処理された後、電圧検出手段としてのＡ／Ｄ変換器２０２でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ２０３に読み込まれる。
【００３８】
また、空燃比センサ２７には、一定周期で変動する電圧Ｖccを発生する電源がスイッチング素子２０４及び測定抵抗Ｒ０を介して直列に接続されている。
ヒータ４４には、バッテリ電圧ＶＢが印加されるが、通電回路中にスイッチング素子２０５を設けてある。
【００３９】
前記ＣＰＵ２０３は、前記スイッチング素子２０４のＯＮ・ＯＦＦを制御することで、排気空燃比の検出と、活性判定状態とを切り換えるようになっており、排気空燃比を検出するときには、スイッチング素子２０４をＯＦＦとして、酸素濃度比に応じて発生する起電力が読み込まれるようにする。そして、前記起電力と予め記憶された判定レベルとを比較することで、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチであるかリーンであるかを判別し、該判別結果に基づき空燃比フィードバック補正係数を演算し、該空燃比フィードバック補正係数によって燃料噴射量を補正することで、排気空燃比を理論空燃比に一致させるようにする。
【００４０】
また、空燃比センサ２７の活性判定を行うときには、スイッチング素子２０４をＯＮとして、空燃比センサ２７に一定周期で変動する電圧Ｖccを印加し、このときに読み込まれる測定抵抗Ｒ０の端子電圧Ｖｓに基づいてセンサ活性を判定する。
【００４１】
ここで、空燃比センサ２７に流れる電流をｉ、空燃比センサ２７の内部抵抗をＲｓとすると、
Ｖｓ＝ｉ×Ｒｓ
Ｖcc−Ｖｓ＝ｉ×Ｒ０
であるので、両式より、
Ｒｓ＝Ｖｓ／〔（Ｖcc−Ｖｓ）／Ｒ０〕
となり、前記電圧Ｖccは一定周期で変動するから、電圧Ｖｓは電圧Ｖccと同じ周期で変動すると共に、そのレベルが空燃比センサ２７に流れる電流ｉ（内部抵抗Ｒｓ）に応じて変化することになる。
【００４２】
尚、電圧Ｖccは、酸素センサ２７の起電力よりも大きな値に設定され、電圧Ｖｓに対する起電力の影響が無視できる程度に小さいものとする。
ここで、ＣＰＵ２０３は、前記電圧Ｖｓに基づき、図４のフローチャートに示すようにして、空燃比センサ２７の活性状態を判定する。
【００４９】
図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１１では、スイッチング素子２０４をＯＮとして空燃比センサ２７に一定周期で変動する電圧Ｖccを印加させる。
【００５０】
ステップＳ１２では、一定周期で変動する電圧Ｖccを印加させた状態での電圧Ｖｓを読み込む。
ステップＳ１３（遅れ特性計測手段）では、電圧Ｖccの波形と電圧Ｖｓの検出波形との位相差を計測する。
【００５１】
ステップＳ１４では、前記計測した位相差と予め記憶された基準位相差とを比較する。そして、計測した位相差が基準位相差よりも大きい場合には、ステップＳ１５へ進んで、空燃比センサ２７が活性化していないと判定し、計測した位相差が基準位相差以下であるときには、ステップＳ１６へ進んで、空燃比センサ２７が活性化したと判定する。上記ステップＳ１４〜１６の部分が、活性判定手段に相当する。
【００５２】
空燃比センサ２７が活性化していない状態では、印加電圧の変化に対して電流に変化が生じるまでのむだ時間が大きく、図５に示すように、印加電圧に対する電圧Ｖｓの位相遅れが大きくなる。そして、空燃比センサ２７の温度が上昇し活性化するに従って前記位相遅れが小さくなって、図６に示すように、印加電圧の変動に大きく遅れることなく、前記電圧Ｖｓが変化することになる。
【００５３】
そこで、予め活性・非活性の境界とする位相差を基準位相差として設定し、この基準位相差よりも実際の位相差が小さいか否かによって、空燃比センサ２７の活性判定を行わせるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態におけるエンジンのシステム構成図。
【図２】実施の形態における酸素センサを示す断面図。
【図３】実施の形態における酸素センサの起電力読み込み回路及び電圧印加回路を示す回路図。
【図４】実施の形態における位相差に基づく活性判定の様子を示すフローチャート。
【図５】活性前の端子電圧Ｖｓの位相差特性を示すタイムチャート。
【図６】活性後の端子電圧Ｖｓの位相差特性を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１…エンジン
５…燃料噴射弁
６…点火栓
７…排気通路
２０…コントロールユニット
２７…空燃比センサ
２０１…フィルタ
２０２…Ａ／Ｄ変換器
２０３…ＣＰＵ
【図１】
0003751507.tif 000002
【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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