(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出ガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを備える酸素濃度センサの出力補正装置であって、
未燃焼の燃料を含むガスが前記センサ素子の近傍に到達することにより生ずるリーンシフトを相殺するためのリーンシフト補正量に基づいて、前記センサ素子の出力を補正するリーンシフト補正手段と、
前記ヒータの温度を取得するヒータ温度取得手段と、
前記ヒータの温度に基づいて、前記リーンシフト補正量を修正する補正量修正手段と、
を備えることを特徴とする酸素濃度センサの出力補正装置。
【請求項２】
前記ヒータ温度取得手段は、
前記ヒータに供給される電力を検出する電力検出手段と、
前記電力に基づいて前記ヒータの温度の推定するヒータ温度推定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の酸素濃度センサの出力補正装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素濃度センサの出力補正装置に係り、特に、内燃機関に組み付けられた加熱式の酸素濃度センサの出力補正に好適な出力補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平１１−２１５３号公報に開示されるように、内燃機関の吸気通路に加熱式の酸素濃度センサを配置した装置が知られている。上記従来の装置によれば、内燃機関の吸気通路を流れるガスの空燃比（或いは、エバポ濃度）を酸素濃度センサで検出することができ、その空燃比に応じた補正を燃料噴射量に施すことができる。このような装置によれば、EGRガスや蒸発燃料が吸気通路に供給される場合に、高精度な空燃比制御を実現することができる。
【０００３】
加熱式の酸素濃度センサは、検出ガス中の酸素濃度に応じた出力を発生するセンサ素子と、センサ素子を加熱するためのヒータとを備えている。センサ素子を活性状態にするためには、センサ素子を所定の活性温度に維持する必要がある。また、センサ素子の温度は、センサ素子のインピーダンスと相関を有することが知られている。このため、加熱式の酸素濃度センサが用いられる場合は、通常、センサ素子のインピーダンスが一定になるように、ヒータへの供給電力を調整する制御、すなわち、いわゆるインピーダンス制御が実行される。
【０００４】
上記のインピーダンス制御が実行されている場合、酸素濃度センサの周囲に燃料と空気の混合気が導かれると、ヒータの発する熱により混合気中の燃料が燃焼し、その結果、燃料の濃度に応じた量の酸素が消費される。その結果、センサ素子を取り巻く検出ガス中の酸素濃度は、混合気の空燃比がリーンであるほど高い値となり、その空燃比がリッチであるほど低い値になる。このため、センサ素子の出力は、酸素濃度センサに導かれる混合気の空燃比を表す特性値として把握することができる。
【０００５】
酸素濃度センサに供給される混合気中の燃料濃度が高い場合は、燃料の燃焼遅れが生ずる結果、未燃焼の燃料を含む検出ガスがセンサ素子の周囲に導かれる事態が生ずる。この場合、その検出ガス中には、未燃焼の燃料分だけ本来の量より多くの酸素が含まれることとなり、その結果、センサ素子の出力は、混合気の現実の空燃比を表す値よりリーン側にシフトした値となる。上記のシフト量は、酸素濃度センサに導かれる混合気の空燃比がリッチであるほど大きなものとなる。
【０００６】
加熱式の酸素濃度センサの出力が、混合気がリッチであるほど本来の値からリーン側にシフトする現象は、リーンシフトとして知られている。このため、加熱式の酸素濃度センサを用いるシステムでは、上述したインピーダンス制御と共に、リーンシフト分を相殺するためのセンサ出力補正が一般に行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、センサ素子のインピーダンスとヒータに供給する電力との関係は、酸素濃度センサの経時変化に伴って変化する。このため、インピーダンス制御の実行に伴って、センサ素子のインピーダンスを一定とするために調整されるヒータ電力は、時間の経過に伴って上昇する傾向を示す。
【０００８】
ヒータ電力が上昇すれば、必然的にヒータ温度は上昇する。また、ヒータ温度が上昇すれば、その周囲における燃料の燃焼速度が上昇し、その結果、酸素濃度センサのリーンシフト量が減少する。このように、酸素濃度センサのリーンシフト量は、インピーダンス制御が実行される環境下では、センサの経時変化に伴って変化する値である。
【０００９】
これに対して、酸素濃度センサの出力を補正する手法としては、単純なリーンシフト量補正が知られているだけであり、リーンシフト量の経時的な変化に対処し得るものは、従来知られていなかった。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、加熱式の酸素濃度センサの出力に生ずるリーンシフトを、その経時変化分をも含めて精度良く補正することのできる出力補正装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、検出ガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを備える酸素濃度センサの出力補正装置であって、
未燃焼の燃料を含むガスが前記センサ素子の近傍に到達することにより生ずるリーンシフトを相殺するためのリーンシフト補正量に基づいて、前記センサ素子の出力を補正するリーンシフト補正手段と、
前記ヒータの温度を取得するヒータ温度取得手段と、
前記ヒータの温度に基づいて、前記リーンシフト補正量を修正する補正量修正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の酸素濃度センサの出力補正装置であって、
前記ヒータ温度取得手段は、
前記ヒータに供給される電力を検出する電力検出手段と、
前記電力に基づいて前記ヒータの温度推定するヒータ温度推定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態のシステムは、キャニスタ１０を備えている。キャニスタ１０には、ベーパ通路１２を介して図示しない燃料タンクが接続されている。キャニスタ１０は、燃料タンクの内部で発生し、ベーパ通路１２を通って流入してくる蒸発燃料（ベーパ）を吸着保持することができる。
【００１５】
キャニスタ１０には、大気導入孔１４が設けられていると共に、パージ通路１６が連通している。パージ通路１６は、その他端において内燃機関の吸気通路１８と連通している。以下、パージ通路１６と吸気通路１８の連通箇所をパージポート２０と称す。
【００１６】
パージ通路１６の途中には、パージVSV(Vacuum Switching Valve)２２が配置されている。パージVSV２２は、デューティ駆動されることにより任意のデューティ比で開閉し、その結果、実質的に任意の開度を実現する制御弁である。
【００１７】
吸気通路１８は、パージポート２０の上流側にスロットルバルブ２４を備えている。また、パージポート２０の下流には、サージタンク２６が設けられている。サージタンク２６には、その内部を流れるガス中の蒸発燃料濃度を検出する吸気酸素濃度センサ２８が組み付けられている。吸気酸素濃度センサ２８は、サージタンク２６を流れるガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサである。尚、吸気酸素濃度センサ２８の構造および動作については、後に図２を参照して詳細に説明する。
【００１８】
吸気通路１８は、サージタンク２６の更に下流において内燃機関３２の吸気ポート３４に連通している。吸気ポート３４には、内燃機関３２に対して燃料を噴射する燃料噴射弁３６が配置されている。
【００１９】
本実施形態のシステムは、図１に示すように、ECU(Electronic Control Unit)４０を備えている。上述したパージVSV２２、燃料噴射弁３６、および吸気酸素濃度センサ２８などは、何れもECU４０に電気的に接続されている。
【００２０】
図２は、吸気酸素濃度センサ２８の構成を説明するための概念図である。図２に示すように、吸気酸素濃度センサ２８は、カバー４２およびセンサ素子４４を備えている。カバー４２には、サージタンク２６内を流れるガスの一部を、センサ素子４４の周辺で流通させるための通気口４６，４８が設けられている。センサ素子４４には、センサ素子４４を加熱するためのヒータ５０と、検出ガス中の酸素濃度に応じた信号を生成するための電極５２とが組み込まれている。ヒータ５０は、上流側の通気口４６の近傍に位置するように設けられている。一方、電極５２は、下流側の通気口４８の近傍に位置するように設けられている。
【００２１】
ヒータ５０には、ECU４０に内蔵される駆動回路５４が接続されている。センサ素子４４の特性を安定化させるためには、センサ素子４４の温度を、一定の活性温度に維持する必要がある。センサ素子の温度は、センサ素子のインピーダンスに対して相関を有している。このため、駆動回路５４は、センサ素子のインピーダンスを監視しながら、その値が一定値になるように、ヒータ５０への供給電力を調整する。以下、上記の調整を行うべくECU４０が実行する制御を「インピーダンス制御」と称す。
【００２２】
インピーダンス制御の実行中は、センサ素子４４が、例えば７００℃程度に加熱される。センサ素子４４がこのように加熱された状態でその周囲に燃料を含む混合気が導かれると、センサ素子４４の周囲で燃料が燃焼し、ガス中の酸素が消費される。このため、電極５２の周囲に到達する検出ガス中の酸素濃度は、混合気がリーンであるほど高くなり、一方、混合気がリッチであるほど低くなる。電極５２は、上記の如く検出ガス中の酸素濃度に応じた出力を発生する。従って、その出力は、通気口４６からセンサ素子４４の周囲に導かれた混合気の空燃比（或いはエバポ濃度）を表す値となる。このように、吸気酸素濃度センサ２８によれば、吸気通路１８を流れるガス中の空燃比を検出することができる。
【００２３】
図１に示すシステムにおいて、キャニスタ１０は、燃料タンク内で発生するベーパを吸着保持することができる。ECU４０は、内燃機関３２の運転中に、所定のパージ条件が成立すると、パージVSV２２を適当にデューティ駆動する。パージVSV２２が開弁されると、キャニスタ１０にはパージ通路１６を介して吸気負圧が導入され、その内部に吸着されているベーパが空気と共にパージ通路１６を通って吸気通路１８へパージされる。
【００２４】
キャニスタ１０から吸気通路１８にベーパがパージされている間、ECU４０は、吸気酸素濃度センサ２８の出力に基づいて、サージタンク２６を流れるガス中の空燃比を検出する。更に、ECU４０は、その空燃比に基づいて、公知の手法によりキャニスタ１０からパージされてくるベーパ量を算出する。そして、パージされてくるベーパの量だけ、燃料噴射弁３６から噴射される燃料の量を減量補正する。このため、本実施形態のシステムによれば、大きな空燃比ずれを生じさせることなくキャニスタ１０内のベーパを内燃機関３２に向けてパージさせることができる。
【００２５】
次に、図３および図４を参照して、吸気酸素濃度センサ２８の出力に生ずるリーンシフト、および、そのリーンシフトに生ずる経時的変化について説明する。図３は、吸気酸素濃度センサ２８の周囲に導かれるガス中のエバポ濃度と、センサ出力との関係を示す図である。より具体的には、図３中に符号▲１▼を付して示す直線はヒータ５０の温度が７００℃である場合に得られる特性であり、符号▲２▼を付して示す直線はヒータ５０の温度が７３０℃である場合に得られる特性である。また、符号▲３▼を付して示す直線は、エバポ濃度とセンサ出力との間に成立する理論上の特性である。
【００２６】
酸素濃度センサ２８は、既に述べた通り、混合気中の酸素が燃料の燃焼に伴って消費されることを利用して、その混合気の空燃比或いはエバポ濃度に応じた出力を生成している。ここで、混合気の燃料濃度が高い場合は、混合気がヒータ５０の近傍を通過する過程で全ての燃料が燃焼し切らず、未燃焼の燃料を含むガスが電極５２近傍に到達する事態が生ずる。この場合、電極５２の周囲に到達したガス中には、本来消費されるはずの酸素が残存しているため、センサ出力は、本来の値よりリーン側にシフトした値となる。
【００２７】
上述したセンサ出力のシフト量（以下、「リーンシフト量」と称す）は、混合気がヒータ５０の近傍を通過する過程で未燃焼の燃料が残存し易いほど大きなものとなる。未燃焼の燃料は、混合気中に多量に燃料が含まれているほど残存し易い。従って、リーンシフト量は、混合気中の燃料濃度が高いほど大きくなる傾向を示す。一方、未燃焼の燃料は、ヒータ５０の温度が高いほど少量となり易い。従って、リーンシフト量は、ヒータ５０の温度が高いほど小さくなる傾向を示す。図３においては、理論直線▲３▼に対する直線▲１▼または直線▲２▼のシフト量が、上記のリーンシフト量に相当している。これらの直線▲１▼〜▲３▼は、リーンシフト量が上記の特性を示すことを表している。
【００２８】
吸気酸素濃度センサ２８のセンサ出力に現れるリーンシフト量が、理論値に対して常に一定の関係を維持するのであれば、例えば、センサ出力に一定のリーンシフト補正量を乗算する等の手法で正しい空燃比或いはエバポ濃度を算出することは可能である。しかしながら、吸気酸素濃度センサ２８のリーンシフト量と理論値との関係は、以下に説明する理由により経時的に変化する。
【００２９】
図４は、リーンシフト量と理論値との関係が経時的に変化する理由を説明するための図である。より具体的には、図４は、センサ素子４４のインピーダンス特性とヒータ電力との関係を、初期の段階（曲線▲４▼）と１００００km耐久後の段階（曲線▲５▼）とで対比して示した図である。
【００３０】
図４に示すように、吸気酸素濃度センサ２８は、インピーダンスとヒータ電力との関係を経時的に変化させる特性を有している。つまり、吸気酸素濃度センサ２８は、経時変化が進むに連れて、センサ素子４４のインピーダンスを一定に維持するために、より大きなヒータ電力を必要とする状態に変化するという特性を有している。このため、本実施形態のシステムでは、上述したインピーダンス制御が実行されることにより、吸気酸素濃度センサ２８の経時変化に伴って、ヒータ５０に対する供給電力が増大される。
【００３１】
ヒータ５０の温度は、供給される電力の値に応じてほぼ一義的に決定される。このため、酸素濃度センサ２８の経時変化に伴って供給電力が増大すれば、必然的にヒータ５０の温度は上昇する。図３を参照して既に説明した通り、吸気濃度センサ２８のリーンシフト量は、ヒータ５０の温度が上昇することにより小さくなる。このため、吸気酸素濃度センサ２８のリーンシフト量と理論値との関係は、既述した通り経時的な変化を示す。
【００３２】
リーンシフト量が経時的に変化する場合、一定のリーンシフト補正量を用いた補正を行うだけでは、吸気酸素濃度センサ２８のセンサ出力に基づいて空燃比或いはエバポ濃度を正確に検出することはできない。そこで、本実施形態のシステムは、インピーダンス制御の実行に伴って実現されるヒータ温度に基づいて、リーンシフト補正量に修正を加えることとした。
【００３３】
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU４０が実行する一連の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
図５に示す一連の処理においては、先ず、ヒータ５０のインピーダンス制御が実行されているか否かが判別される（ステップ１００）。
【００３４】
インピーダンス制御が実行されていない場合は、吸気酸素濃度センサ２８が作動していないと判断することができる。この場合、リーンシフト量を補正する実益がないため、速やかに今回の処理サイクルが終了される。
【００３５】
一方、インピーダンス制御が実行中であると判別された場合は、次に、ヒータ５０に供給されている電流および電圧に基づいて、すなわち、ヒータ５０に供給されている電力に基づいて、ヒータ温度が推定される（ステップ１０２）。
ECU４０には、ヒータ電力とヒータ温度との関係を定めたマップが記憶されている。本ステップ１０２では、そのマップを参照してヒータ温度が算出される。
【００３６】
図５に示す一連の処理では、次に、上記の如く算出されたヒータ温度に基づいて、リーンシフト補正量が設定される（ステップ１０４）。
ECU４０には、ヒータ温度とリーンシフト補正量との関係を定めたマップが記憶されている。本ステップ１０４では、そのマップを参照して、現在のヒータ温度に適合する適切なリーンシフト補正量が設定される。
【００３７】
次に、上記ステップ１０４で設定されたリーンシフト補正量が、吸気酸素濃度センサ２８のセンサ出力補正に反映されるように、前回の処理サイクル時に用いられていたリーンシフト補正量を、今回の処理サイクルで設定されたリーンシフト補正量に変更する処理が行われる（ステップ１０６）。
【００３８】
上記ステップ１０６の処理が実行されると、以後、他のルーチンにおいて、そのステップ１０６で変更されたリーンシフト補正量に基づくセンサ出力補正が行われる。この場合、センサ出力が図３に示す特性▲１▼を示す場合でも、或いは特性▲２▼を示す場合でも、センサ出力補正が行われることにより、適正に理論値▲３▼が算出される。このため、本実施形態のシステムによれば、吸気酸素濃度センサ２８の経時変化に関わらず、常に、優れた精度で吸気通路１８を流れるガス中の空燃比（エバポ濃度）を検出し、高精度な空燃比制御を実現することができる。
【００３９】
ところで、上述した実施の形態１においては、リーンシフトの補正対象を、吸気通路１８に配置された酸素濃度センサ２８に限定しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、適用の対象を、排気通路に配置された加熱式酸素濃度センサとしてもよい。
【００４０】
尚、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、上記ステップ１０６において変更されたリーンシフト補正量を用いて吸気酸素濃度センサ２８のセンサ出力を補正することにより前記請求項１記載の「リーンシフト補正手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記請求項１記載の「ヒータ温度取得手段」が、上記ステップ１０４および１０６の処理を実行することにより前記請求項１記載の「補正量修正手段」が、それぞれ実現されている。
【００４１】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、上記ステップ１０２において、ヒータ５０に供給されている電力（電流および電圧）を検出することにより前記請求項２記載の「電力検出手段」が、その電力に基づいてヒータ温度を推定することにより前記請求項２記載の「ヒータ温度推定手段」が、それぞれ実現されている。
【００４２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
請求項１記載の発明によれば、センサ素子を加熱するヒータの温度に基づいてリーンシフト補正量を修正することができる。そして、その修正後のリーンシフト補正量に基づいてセンサ素子の出力を補正することにより、経時変化分をも含めてリーンシフトを精度良く補正することができる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、ヒータに供給される電力に基づいて、ヒータの温度を正確かつ容易に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１の構成を説明するための概念図である。
【図２】  図１に示すシステムが備える吸気酸素濃度センサの概要を説明するための図である。
【図３】  吸気酸素濃度センサのセンサ出力に現れるリーンシフトを説明するための図である。
【図４】  吸気酸素濃度センサのセンサ出力に現れるリーンシフトが経時的に変化する原理を説明するための図である。
【図５】  本発明の実施の形態１において実行される一連の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１０  キャニスタ
１６  パージ通路
１８  吸気通路
２６  サージタンク
２８  吸気酸素濃度センサ
４０  ECU(Electronic Control Unit)
４４  センサ素子
５０  ヒータ
５２  電極
【図１】
0003776822.tif 000002
【図２】
0003776822.tif 000003
【図３】
0003776822.tif 000004
【図４】
0003776822.tif 000005
【図５】
0003776822.tif 000006