(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空燃比センサの素子温度を計測して、目標温度となるように、空燃比センサに備えられるヒータへの通電量を制御する空燃比センサのヒータ制御装置において、
空燃比センサ出力の反転回数を計測する手段を有し、計測された反転回数に従って、前記目標温度を低温側目標温度と高温側目標温度とに交互に切換える目標温度切換手段を設けたことを特徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。
【請求項２】
前記目標温度切換手段は、空燃比センサ出力の反転回数が第１の所定値に達するまでの間、目標温度を低温側目標温度に設定し、この後、空燃比センサ出力の反転回数が第２の所定値に達するまでの間、目標温度を高温側目標温度に設定することを特徴とする請求項１記載の空燃比センサのヒータ制御装置。
【請求項３】
空燃比センサの素子温度を計測して、目標温度となるように、空燃比センサに備えられるヒータへの通電量を制御する空燃比センサのヒータ制御装置において、
空燃比センサ出力の反転周期を計測する手段を有し、計測された反転周期が第１の所定値以上となった時点で前記目標温度を低温側目標温度から高温側目標温度に切換え、その後、計測された反転周期が前記第１の所定値より小さく設定された第２の所定値以下となった時点で前記目標温度を高温側目標温度から低温側目標温度に切換えることによって、前記目標温度を低温側目標温度と高温側目標温度とに交互に切換える目標温度切換手段を設けたことを特徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。
【請求項４】
空燃比センサの素子温度計測手段として、空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を一時的に印加する素子温度計測用電圧印加手段と、前記電圧印加中のセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、算出された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段とを備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の空燃比センサのヒータ制御装置。
【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て空燃比制御に用いられる、センサ素子加熱用のヒータを備える空燃比センサ（酸素センサを含む）のヒータ制御装置に関する。
【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などに基づいて実際の空燃比を検出し、これが目標空燃比となるように、機関への燃料供給量をフィードバック制御するものが知られている。
【０００３】
ところで、上記の空燃比フィードバック制御を行うためには、空燃比センサが活性化していることが前提条件となり、空燃比センサは、その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ため、空燃比センサには、センサ素子加熱用のヒータを装備させて、ヒータへの通電制御により素子温度を目標温度に制御している（例えば特開平７−１９８６７９号公報、特開平８−２７８２７９号公報参照）。
【０００４】
具体的には、センサ素子の内部抵抗を計測して、これより推定される素子温度に基づき、これが目標温度となるように、ヒータへの通電量をフィードバック制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ヒータでの消費電力を低減させる目的からは、空燃比センサの素子温度の目標温度は、活性温度範囲の下限（例えば３５０℃）付近に低く押さえた方がよい。
【０００６】
しかるに、空燃比センサの素子温度を下げると、素子が短時間で被毒してしまい、被毒によりセンサ出力の反転周期が長くなり、空燃比制御性能が低下してしまう。
【０００７】
すなわち、図８に示すように、センサ素子の被毒状態では、リッチ→リーンの素子の応答性が低下し、その結果、空燃比制御系出力がリッチ側にシフトし、排気性能や燃費性能が低下してしまうのである。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、センサ素子の被毒を解消しつつ、可能な限りヒータでの消費電力を節減することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、図１に示すように、空燃比センサの素子温度を計測して、目標温度となるように、空燃比センサに備えられるヒータへの通電量を制御する空燃比センサのヒータ制御装置において、空燃比センサ出力の反転回数を計測する手段を有し、計測された反転回数に従って、前記目標温度を低温側目標温度と高温側目標温度とに交互に切換える目標温度切換手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、低温側目標温度は、センサ素子の活性温度範囲での下限付近の温度であって、センサ素子が被毒する可能性がある温度である。高温側目標温度は、センサ素子が被毒から回復可能な温度である。
【００１１】
より具体的には、請求項２に係る発明のように、前記目標温度切換手段は、空燃比センサ出力の反転回数が第１の所定値に達するまでの間、目標温度を低温側目標温度に設定し、この後、空燃比センサ出力の反転回数が第２の所定値に達するまでの間、目標温度を高温側目標温度に設定する。
【００１２】
また、請求項３に係る発明では、図１に示すように、空燃比センサの素子温度を計測して、目標温度となるように、空燃比センサに備えられるヒータへの通電量を制御する空燃比センサのヒータ制御装置において、空燃比センサ出力の反転周期を計測する手段を有し、計測された反転周期が第１の所定値以上となった時点で前記目標温度を低温側目標温度から高温側目標温度に切換え、その後、計測された反転周期が前記第１の所定値より小さく設定された第２の所定値以下となった時点で前記目標温度を高温側目標温度から低温側目標温度に切換えることによって、前記目標温度を低温側目標温度と高温側目標温度とに交互に切換える目標温度切換手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明では、空燃比センサの素子温度計測手段として、空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を一時的に印加する素子温度計測用電圧印加手段と、前記電圧印加中のセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、算出された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１〜４に係る発明によれば、ヒータへの通電量制御による空燃比センサの素子温度制御に際し、目標温度を低温側目標温度と高温側目標温度とに交互に切換えることで、低温側目標温度にてヒータ消費電力の節減を図る一方、このときに被毒しても、高温側目標温度にて被毒から回復させることができ、センサ素子の被毒を解消しつつ、可能な限りヒータ消費電力を節減することができる。
【００１５】
特に請求項１、２に係る発明によれば、空燃比センサ出力の反転周期は概ね一定であることを利用し、センサ出力の反転回数を計測して、計測された反転回数に従って、目標温度を低温側目標温度と高温側目標温度とに切換えることで、より具体的には、目標温度を低温側目標温度に設定した状態で、センサ出力の反転回数が第１の所定値に達したときに、被毒とみなして、目標温度を高温側目標温度に切換え、この状態でセンサ出力の反転回数が第２の所定値に達したときに、被毒解除とみなして、目標温度を低温側目標温度に戻すことで、簡潔な制御を実現できる。
【００１６】
特に請求項３に係る発明によれば、被毒により空燃比センサ出力の反転周期が長くなることから、センサ出力の反転周期を計測して、これに基づいて、目標温度を低温側目標温度と高温側目標温度とに切換えることで、すなわち、被毒有りと判定されたときに、目標温度を高温側目標温度に設定することで、被毒の影響を直接的に監視でき、内燃機関の使用環境や燃料性状等によりセンサ素子被毒に至る時間のバラツキがある場合に、最適制御により、ヒータ消費電力の節減と被毒解消による制御性能向上とを高次元で両立できる。
【００１７】
特に請求項４に係る発明によれば、素子温度計測に際し、空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を一時的に印加し、このときのセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出し、この内部抵抗に基づいて素子温度を算出することで、素子温度を的確に計測（推定）することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は内燃機関の空燃比フィードバック制御装置のシステム図である。
【００１９】
内燃機関（以下エンジンという）１には、各気筒毎に、吸気通路２又は燃焼室内に臨むように、燃料噴射弁３が設けられ、各燃料噴射弁３の燃料噴射はコントロールユニット４により制御される。
【００２０】
コントロールユニット４は、例えば、エアフローメータ５からの信号に基づいて検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ６からの信号に基づいて検出されるエンジン回転数Ｎｅとから、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の他、排気通路７に配置した空燃比センサ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、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αを演算し、このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン回転に同期して、各燃料噴射弁３に出力する。
【００２１】
ここで、空燃比センサ８は、排気通路７に配置されて、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力するもので、コントロールユニット４は、空燃比センサ８からの信号に基づいて、エンジン１に供給されている混合気の空燃比λを検出し、これが目標空燃比ｔλとなるように、空燃比フィードバック補正係数αを比例積分制御などにより増減設定することで、空燃比λを目標空燃比ｔλにフィードバック制御する。
【００２２】
また、空燃比センサ８としては、空燃比に応じて出力電圧が連続的に変化することで空燃比をリニアに検出可能ないわゆる広域型空燃比センサであって、図３に示すようにセンサ素子１１加熱用のヒータ１２を備えるものを用いる。
【００２３】
図３は空燃比センサ８のセンサ素子１１及びセンサ素子加熱用のヒータ１２に対する制御回路を示している。
空燃比センサ８のセンサ素子１１は、空燃比に応じて出力電圧Ｖｓが連続的に変化し、その出力Ｖｓはコントロールユニット４に入力される。
【００２４】
また、センサ素子１１には、素子温度計測用（内部抵抗計測用）の所定の電圧Ｖcc（例えば５Ｖ）がスイッチング素子１３及び基準抵抗Ｒ０を介して印加されるようになっている。従って、素子温度計測時に、スイッチング素子１３がＯＮとなると、センサ素子１１の出力Ｖｓに素子温度計測用の電圧分が重畳される。
【００２５】
ヒータ１２には、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１４を設けてある。
コントロールユニット４内のＣＰＵ１５は、素子温度計測用電圧印加用のスイッチング素子１３のＯＮ・ＯＦＦを制御しつつ、所定のタイミングで、センサ素子１１の出力Ｖｓをフィルタ（平滑化回路）１６及びＡ／Ｄ変換器１７を介して読込む。
【００２６】
また、ＣＰＵ１５は、Ｄ／Ａ変換器１８を介して、ヒータ制御用のスイッチング素子１４のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することにより、ヒータ１２への通電量を制御する。
【００２７】
次にＣＰＵ１５の制御内容をフローチャートにより説明する。
図４は素子温度計測ルーチンのフローチャートであり、所定のクランク角周期で実行される。本ルーチンが素子温度計測手段に相当する。
【００２８】
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、空燃比を検出すべく、センサ出力Ｖｓを読込み、Ｖaf＝Ｖｓとして、これに基づいて空燃比λを検出する。
ステップ２では、スイッチング素子１３をＯＮにして、センサ素子１１への素子温度計測用電圧Ｖccの印加を開始する。すなわち、空燃比検出用のセンサ出力の読込み直後より、素子温度計測用電圧Ｖccの印加を開始する。この部分が素子温度計測用電圧印加手段に相当する。
【００２９】
ステップ３では、素子温度計測用電圧の印加開始から所定時間後に、センサ素子１１の内部抵抗を計測すべく、センサ出力Ｖｓを読込み、Ｖｒ＝Ｖｓとする。
ステップ４では、電圧印加中のセンサ出力Ｖｒを電圧印加直前のセンサ出力Ｖafにより補正する。具体的には、電圧印加中のセンサ出力Ｖｒから電圧印加直前のセンサ出力Ｖafを減算して、補正後センサ出力Ｖｒ＝Ｖｒ−Ｖafを求める。
【００３０】
ステップ５では、補正後センサ出力Ｖｒに基づいて、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを算出する。この部分が内部抵抗算出手段に相当する。
具体的には、センサ素子１１に流れる電流をｉとし、Ｖｓ＝Ｖｒとすると、
Ｖｒ＝ｉ×Ｒｓ
Ｖcc−Ｖｒ＝ｉ×Ｒ０
であるので、両式より、
Ｒｓ＝Ｖｒ／〔（Ｖcc−Ｖｒ）／Ｒ０〕
として、内部抵抗Ｒｓを算出する。
【００３１】
ステップ６では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓより、テーブルを参照するなどして、素子温度Ｔｓを算出する。素子温度Ｔｓが高くなるほど、内部抵抗Ｒｓが減少するので、内部抵抗Ｒｓより、素子温度Ｔｓを算出可能だからである。この部分が素子温度算出手段に相当する。
【００３２】
ステップ７では、素子温度計測用電圧の印加開始から所定時間後に、スイッチング素子１３をＯＦＦにすることで、センサ素子１１への素子温度計測用電圧Ｖccの印加を停止（終了）する。
【００３３】
図５はヒータ制御ルーチンのフローチャートであり、通常運転中に所定時間毎に実行される。本ルーチンがヒータ通電量制御手段に相当する。
ステップ１１では、図４のルーチンにより算出されている最新の素子温度Ｔｓを読込む。
【００３４】
ステップ１２では、後述する図６又は図７のルーチンにより設定される目標温度（低温側目標温度ＴＬ又は高温側目標温度ＴＨ）を読込む。
ステップ１３では、実際の素子温度Ｔｓと目標温度との偏差に応じて、周知のＰＩＤ制御により、素子温度Ｔｓを目標温度に近づけるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹ（％）を算出する。
【００３５】
具体的には、実際の素子温度Ｔｓが目標温度より低い場合は、ヒータ１２への通電量（通電時間割合）を増大させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを増大させ、逆に、実際の素子温度Ｔｓが目標温度より高い場合は、ヒータ１２への通電量（通電時間割合）を減少させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを減少させる。
【００３６】
ステップ１４では、算出されたヒータデューティＨＤＵＴＹを出力し、これによりスイッチング素子１４のＯＮ・ＯＦＦでヒータ１２への通電量を制御して、素子温度Ｔｓを目標温度に収束させる。
【００３７】
ここにおいて、本発明では、ヒータ１２への通電量制御による空燃比センサ８の素子温度のフィードバック制御に際し、目標温度を、低温側目標温度ＴＬと高温側目標温度ＴＨとに交互に切換える。時間割合で見れば、基本的には低温側目標温度ＴＬに設定し、一時的に高温側目標温度ＴＨに切換える。
【００３８】
ここでいう低温側目標温度ＴＬとは、空燃比センサの活性温度範囲での下限付近の温度（例えば３５０℃）であって、センサ素子の被毒の可能性のある温度である。また、高温側目標温度ＴＨとは、センサ素子の被毒を解消可能な温度である（例えば７５０℃）。
【００３９】
図６は第１実施形態での目標温度設定ルーチンのフローチャートである。本ルーチンが目標温度切換手段に相当する。
【００４０】
ステップ３１では、先ず、目標温度を低温側目標温度ＴＬ（例えば３５０℃）に設定する。
そして、ステップ３２では、目標温度を低温側目標温度ＴＬに設定した状態での、センサ出力の反転回数を計測し（センサ出力反転回数計測手段）、ステップ３３では、反転回数が第１の所定値Ａ以上となったか否かを判定する。
【００４１】
第１の所定値Ａ未満であれば、目標温度を低温側目標温度ＴＬに維持して、反転回数の計測を続け、第１の所定値Ａに達した時点で、ステップ３４へ進む。
ステップ３４では、目標温度をセンサ素子が被毒から回復可能な高温側目標温度ＴＨ（例えば７５０℃）に切換える。
【００４２】
そして、ステップ３５では、目標温度を高温側目標温度ＴＨに設定した状態での、センサ出力の反転回数を計測し（センサ出力反転回数計測手段）、ステップ３６では、反転回数が第２の所定値Ｂ以上となったか否かを判定する。Ｂ＜Ａである。
【００４３】
第２の所定値Ｂ未満であれば、目標温度を高温側目標温度ＴＨに維持して、反転回数の計測を続け、第２の所定値Ｂに達した時点で、ステップ３１へ戻り、再び目標温度を低温側目標温度ＴＬに切換える。
【００４４】
このように、ヒータ１２への通電量制御による空燃比センサ８の素子温度のフィードバック制御に際し、目標温度をタイムスケジュール（センサ出力の反転回数）に従って交互に切換え、可能な限り目標温度を低温側目標温度ＴＬに設定して、ヒータ１２での消費電力の節減を図る一方、低温側目標温度ＴＬでは被毒の可能性があるので、低温側目標温度ＴＬでセンサ出力の反転回数が第１の所定値Ａに達したときに、一時的に（センサ出力の反転回数が第２の所定値Ｂに達するまでの間）、目標温度を高温側目標温度ＴＨに切換えて、被毒からの回復を図るのである。
【００４５】
すなわち、この第１実施形態は、空燃比センサのセンサ出力の反転周期は概ね一定であることを利用し、センサ出力の反転回数のカウント値に基づいてタイムスケジュールを規定するようにしたものである。尚、前記第１の所定値Ａは概ね時間オーダーに相当するのに対し、前記第２の所定値Ｂは概ね分オーダーに相当するものである（Ｂ＜Ａ）。
【００４６】
従って、ヒータ１２での消費電量を最小限に押さえつつ、センサ素子の被毒による影響を回避することができる。
【００４７】
尚、空燃比センサの被毒及び被毒解除のメカニズムは、次の通りである。
（１）被毒のメカニズム
大気やオイルに含まれているＳｉＯ2 、活性Ｓｉ、活性Ｐ、活性Ｚｒ等が、排気ガスを通じて、センサ素子表面（ジルコニア上のＰｔ電極を覆う保護層の表面）に付着する。その後、保護層の中に入り、保護層を目詰まりさせることで、ガス透過性を低下させたり、更にはＰｔ電極に達して付着することにより、Ｐｔ電極表面上でのＯ2 イオンの移動を阻害したりする。
【００４８】
（２）被毒解除のメカニズム
素子温度を７５０℃以上に高くすると、素子に付着していた活性Ｓｉや活性Ｐ等の活性化エネルギーが増えるため、これらが保護層やＰｔ電極に付着していられなくなり、飛び去ってしまう。
【００４９】
次に本発明の他の実施形態について説明する。
図７は第２実施形態での目標温度設定ルーチンのフローチャートであり、図６のフローに代えて実行される。本ルーチンが目標温度切換手段に相当する。
ステップ４１では、先ず、目標温度を低温側目標温度ＴＬに設定する。
【００５０】
そして、ステップ４２では、目標温度を低温側目標温度ＴＬに設定した状態での、センサ出力の反転周期を計測し、ステップ４３では、反転周期が第１の所定値Ａ以上となったか否かを判定する。
【００５１】
第１の所定値Ａ未満であれば、目標温度を低温側目標温度ＴＬに維持して、反転周期の計測を続け、第１の所定値Ａ以上となった時点で、被毒とみなして、ステップ４４へ進む。
【００５２】
ステップ４４では、目標温度をセンサ素子が被毒から回復可能な高温側目標温度ＴＨに切換える。
そして、ステップ４５では、目標温度を高温側目標温度ＴＨに設定した状態での、センサ出力の反転周期を計測し、ステップ４６では、反転周期が第２の所定値Ｂ以下となったか否かを判定する。第２の所定値Ｂは、第１の所定値Ａに対しヒステリシスを付けたもので、第１の所定値Ａよりヒステリシス分小さく設定される。
【００５３】
第２の所定値Ｂを超えていれば、目標温度を高温側目標温度ＴＨに維持して、反転周期の計測を続け、第２の所定値Ｂ以下となった時点で、被毒解除とみなして、ステップ４１へ戻り、再び目標温度を低温側目標温度ＴＬに切換える。
【００５４】
ここで、ステップ４２，４５の部分がセンサ出力反転周期計測手段に相当し、ステップ４３，４６の部分が被毒判定手段に相当する。
この第２実施形態は、空燃比センサが被毒すると、図８に示すように、リッチ→リーンの素子の応答性が低下し、センサ出力の反転周期ＴRVが長くなることから、反転周期を計測して、所定値未満であれば，被毒無しと判定して、低温側目標温度ＴＬに設定することで、ヒータ消費電力の節減を図り、所定値以上であれば、被毒有りと判定して、高温側目標温度ＴＨに切換えることで、被毒からの回復を図るのである。
【００５５】
素子温度の目標温度設定をタイムスケジュール設定で行った場合は、エンジンの使用環境やガソリン性状等による素子被毒に至る時間のバラツキを考慮して、低温設定時間を短めに、高温設定時間を長めにしなければないが、この第２実施形態では、素子被毒の影響を直接的に監視するため、上述のマージンは不要であるため、ヒータ消費電力をより節減することが可能となる。
【００５６】
尚、被毒判定のための反転周期としては、図８の反転周期ＴRVの他、リッチ→リーンの反転周期ＴRLを計測してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】  本発明の実施形態を示すエンジンの空燃比フィードバック制御装置のシステム図
【図３】  空燃比センサのセンサ素子及びヒータに対する制御回路図
【図４】  素子温度計測ルーチンのフローチャート
【図５】  ヒータ制御ルーチンのフローチャート
【図６】  第１実施形態での目標温度設定ルーチンのフローチャート
【図７】  第２実施形態での目標温度設定ルーチンのフローチャート
【図８】  センサ素子の被毒と反転周期との関係を示す図
【符号の説明】
１  エンジン
３  燃料噴射弁
４  コントロールユニット
７  排気通路
８  空燃比センサ
１１  センサ素子
１２  ヒータ
１３  スイッチング素子
１４  スイッチング素子
１５  ＣＰＵ
【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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