空燃比センサのヒータ制御装置

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【発明の名称】	空燃比センサのヒータ制御装置
【発明者】	【氏名】池田愼治
【要約】	【課題】素子インピーダンスを検出しそれをフィードバックしてヒータへの供給電力を制御する上で、センサ素子が劣化し素子インピーダンスが上昇した場合にあっても、ヒータ及び素子の温度の過度の上昇を抑制してヒータ又はセンサ素子の破損を防止することができるようにする。【解決手段】この空燃比センサのヒータ制御装置は、空燃比センサの素子インピーダンスに基づいて、空燃比センサを加熱するヒータへの供給電力を制御するフィードバック制御手段と、空燃比センサの半活性時間を検出する半活性時間検出手段と、その半活性時間検出手段によって検出された半活性時間に基づいて、フィードバック制御手段によってフィードバック制御される電力を制限する電力制限手段と、を具備する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】空燃比センサの素子インピーダンスに基づいて、空燃比センサを加熱するヒータへの供給電力を制御するフィードバック制御手段と、空燃比センサの半活性時間を検出する半活性時間検出手段と、前記半活性時間検出手段によって検出された半活性時間に基づいて、前記フィードバック制御手段によってフィードバック制御される電力を制限する電力制限手段と、を具備する、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、空燃比センサのヒータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】車載用内燃機関において燃料消費率の低減と有害ガス排出量の低減とを両立させるためには、機関が燃焼させる混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を広範囲に制御する必要がある。このような空燃比制御を可能とするために、ジルコニア固体電解質等の酸素イオン導電素子（センサ素子）に大気側電極、排気側電極及び排気側拡散抵抗体を設けてセンサ本体とし、そのセンサ本体への電圧印加に伴い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流が生ずるのを利用した空燃比センサ（全域空燃比センサ、リニア空燃比センサ等と呼ばれる）が実用化され、かかる空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御が行われている。
【０００３】全域空燃比センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を行う上で、酸素イオン導電素子を活性状態に維持することが不可欠である。そのためにヒータを用いて素子を加熱し素子温度を一定の値に保つ制御が行われている。その際、素子温度を検出する必要があるが、素子インピーダンスが素子温度と相関関係を有することから、素子インピーダンスを検出して素子温度を推定することにより温度センサの必要性が排除されている（例えば、特開平１０－２３２２２０号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、センサ素子が劣化してくると、同一の素子温度に対応する素子インピーダンスが上昇する。したがって、素子が劣化している場合において、素子インピーダンス検出値が目標インピーダンスに一致するようにヒータ供給電力のフィードバック制御を行うと、空燃比センサの出力特性及び応答性に劣化はないにもかかわらず、素子温度が上昇してセンサが破損するおそれがある。
【０００５】本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、空燃比センサの素子インピーダンスを検出しそれをフィードバックしてヒータへの供給電力を制御することで空燃比センサを活性状態に維持する、空燃比センサのヒータ制御装置において、センサ素子が劣化した場合でもヒータ及びセンサ素子の温度の過度の上昇を抑制してヒータ又はセンサ素子の破損を防止することができるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明によれば、空燃比センサの素子インピーダンスに基づいて、空燃比センサを加熱するヒータへの供給電力を制御するフィードバック制御手段と、空燃比センサの半活性時間を検出する半活性時間検出手段と、前記半活性時間検出手段によって検出された半活性時間に基づいて、前記フィードバック制御手段によってフィードバック制御される電力を制限する電力制限手段と、を具備する、空燃比センサのヒータ制御装置が提供される。
【０００７】上述の如く構成された、本発明に係る、空燃比センサのヒータ制御装置においては、素子インピーダンスのフィードバックによるヒータ供給電力制御の実施前にセンサ素子の劣化の度合いを反映する半活性時間が検出され、その半活性時間に基づいてフィードバック制御の際の供給電力が制限されることとなるため、劣化により素子インピーダンスが上昇した素子に対してフィードバック制御により過剰な電力が供給されヒータやセンサ素子の温度が過度に上昇してヒータ又はセンサ素子の破損に至るという事態を確実に回避することが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】まず、空燃比センサの原理について説明する。図１は、空燃比と排気中の酸素（Ｏ₂）濃度との関係及び空燃比と排気中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度との関係を示す特性図である。この図に示されるように、理論空燃比よりもリーン側の空燃比領域にあってはＯ₂濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化する一方、理論空燃比よりもリッチ側の空燃比領域にあっては未燃ガスであるＣＯ濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化する。空燃比センサは、後述するように、この関係を利用するものである。
【００１０】図２は、空燃比センサの一構成例を示す断面図である。空燃比センサ１０は、内燃機関の排気管９０の内部に向けて突設された状態で使用される。空燃比センサ１０は、大別して、カバー１１、センサ本体１３及びヒータ１８から構成される。カバー１１は断面カップ状の形状を有し、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔１２が形成されている。
【００１１】センサ本体１３において、試験管状に形成された酸素イオン導電性固体電解質層１４の外表面には排気側電極層１６が固着される一方、その内表面には大気側電極層１７が固着されている。また、排気側電極層１６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１５が形成されている。固体電解質層１４は、例えば、本実施形態においては、ＺｒＯ₂（ジルコニア素子）にＣａＯ等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる（以下、固体電解質層１４をセンサ素子とも称する）。拡散抵抗層１５は、アルミナ等の耐熱性無機物質からなる。排気側電極層１６及び大気側電極層１７は、共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。
【００１２】ヒータ１８は、大気側電極層１７内に収容されており、その発熱エネルギによってセンサ本体１３を加熱し、ジルコニア素子１４を活性化せしめる。ヒータ１８は、ジルコニア素子１４を活性化するのに十分な発熱容量を有している。
【００１３】ジルコニア素子１４は、高温活性状態で素子両端に酸素濃度差が生じると、濃度の高い側から低い側へと酸素イオン（Ｏ^2-）を通す特性（酸素電池特性）を有する。また、ジルコニア素子１４は、その両端に電位差が与えられると、陰極から陽極に向けて、電位差に応じた酸素イオン（Ｏ^2-）の移動を引き起こそうとする特性（酸素ポンプ特性）を有する。
【００１４】図２に示されるように、センサ本体１３には、大気側電極層１７を正極性、排気側電極層１６を負極性とする一定のバイアス電圧が印加されている。排気空燃比がリーンのときには、酸素ポンプ特性により、排気側電極層１６から大気側電極層１７へと酸素イオン（Ｏ^2-）の移動が起こる。その結果、バイアス電圧源の正極から、大気側電極層１７、固体電解質層１４及び排気側電極層１６を介して、バイアス電圧源の負極へと電流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、バイアス電圧を一定値以上にすれば、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する酸素量に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、酸素濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明したようにリーン領域における空燃比を知ることができる。
【００１５】一方、排気空燃比がリッチのときには酸素電池特性が働き、この酸素電池特性は大気側電極層１７から排気側電極層１６へと酸素イオン（Ｏ^2-）の移動を引き起こそうとする。すなわち、酸素電池特性はバイアス電圧と逆向きに作用する。空燃比センサでは、酸素電池特性による起電力がバイアス電圧に打ち勝つように構成されているため、大気側電極層１７から、バイアス電圧源を通って、排気側電極層１６へと電流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、固体電解質層１４中を大気側電極層１７から排気側電極層１６へと移送される酸素イオン（Ｏ^2-）の量によって決まる。その酸素イオンは、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する一酸化炭素などの未燃ガスと排気側電極層１６において反応（燃焼）するものであるため、酸素イオン移動量は未燃ガスの濃度に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃ガス濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明したようにリッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００１６】また、排気空燃比が理論空燃比のときには、排気側電極層１６へ流入する酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっているため、排気側電極層１６の触媒作用によって両者は完全に燃焼する。したがって、排気側電極層１６では酸素がなくなるため、酸素電池特性及び酸素ポンプ特性により移送されるべき酸素イオンが生じない。その結果、排気空燃比が理論空燃比のときには、回路を流れる電流は生じない。
【００１７】かくして、空燃比センサの電圧－電流（Ｖ－Ｉ）特性は、図３に示されるように、センサが晒される排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた限界電流を示す。図３においては、Ｖ軸に平行な直線部分が限界電流を表している。そして、リーン領域とリッチ領域とでは限界電流の流れる向きが逆になっており、リーン領域にあっては空燃比が大きくなるほど、リッチ領域にあっては空燃比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。そして、図３の特性図によれば、印加電圧を０．３Ｖ程度に設定すると、広範囲にわたる空燃比を検出することができる。なお、Ｖ軸に平行な直線部分の電圧より小さい電圧となる領域は、抵抗支配域となっている。
【００１８】次いで、図４を用いて、空燃比検出装置のハードウェア構成の一例について説明する。この空燃比検出装置は、大別して、空燃比センサ１０、センサ本体駆動回路２０、ヒータ駆動回路３０及び中央処理装置（ＣＰＵ）４０から構成される。空燃比センサ１０は、図２で説明したように、センサ本体１３及びヒータ１８を備えるものである。また、ヒータ駆動回路３０は、デューティ比信号を受け、そのデューティ比に応じてバッテリ３２の電圧をヒータ１８へオン／オフ的に印加する回路である。また、ＣＰＵ４０は、内燃機関の電子制御装置（ＥＣＵ）の中枢として燃料噴射制御、点火時期制御等を行うものであり、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）及びメモリを内蔵している。そして、ＣＰＵ４０は、本発明に係るヒータ制御装置としても機能する。
【００１９】センサ本体駆動回路２０は、大別して、ロウパスフィルタ（ＬＰＦ）２１、第１の電圧フォロワ(voltage follower)回路２２、基準電圧発生回路２５及び第２の電圧フォロワ回路２６から構成される。ＬＰＦ２１は、ＣＰＵ４０から出力されるアナログ信号電圧の高周波成分を除去するものである。第１の電圧フォロワ回路２２は、演算増幅器、抵抗器、ダイオード、トランジスタ等を備え、センサ本体１３の大気側電極層１７の電位を、ＬＰＦ２１の出力の電位と同一の電位に維持する。なお、その電位は、空燃比検出時においては３．３Ｖである。
【００２０】また、基準電圧発生回路２５は、一定電圧Ｖ_CCを分圧して基準電圧３．０Ｖを発生させる。第２の電圧フォロワ回路２６は、第１の電圧フォロワ回路２２と同様の回路構成を有し、センサ本体１３の排気側電極層１６の電位を基準電圧３．０Ｖに維持する。従って、空燃比検出時には、センサ本体１３の両電極層間に０．３Ｖの電圧Ｖが印加されることとなり、図３の特性図にて説明したように、限界電流を測定して広範囲にわたる空燃比を検出することができる。第１の電圧フォロワ回路２２内の抵抗器２３が電流検出回路として機能する。抵抗器２３のセンサ側端子の電位Ｖ₀と他方の端子の電位Ｖ₁とは、ＣＰＵ４０に供給されるようになっている。ＣＰＵ４０は、抵抗器２３の両端のアナログ電位Ｖ₀及びＶ₁をＡ／Ｄ変換し、両端の電位差“Ｖ₁－Ｖ₀”を算出し、その電位差と抵抗器２３の抵抗値とに基づいて、第１の電圧フォロワ回路２２からセンサ本体１３の大気側電極層１７へと流れる方向を正とする電流Ｉを算出する。
【００２１】先述の図３に関する説明から理解されるように、算出される電流値と空燃比とは、図５に示される如き関係を有している。そこで、ＣＰＵ４０は、検出された電流値に基づいて排気の空燃比を検出することができ、ひいては空燃比フィードバック制御を実現することができる。
【００２２】さて、空燃比を検出するためには、センサ素子（ジルコニア素子）１４を活性状態に維持する必要がある。その活性状態は、素子温度を一定値、例えば７００°Ｃに保つことによって維持される。ところで、素子温度と素子インピーダンスとは、図６に示されるような一定の相関関係を有しているため、素子温度を７００°Ｃに保つためには、素子インピーダンスが３０Ωを示すようにすればよい。そのため、素子インピーダンスを検出し、その検出されるインピーダンス値に基づき、ヒータ駆動回路３０をフィードバック制御することにより、素子活性状態を維持する制御が行われる。
【００２３】ところが、前述したように、センサ素子が劣化してくると、同一の素子温度に対応する素子インピーダンスが上昇する。したがって、素子が劣化している場合において、素子インピーダンス検出値が目標インピーダンスに一致するようにヒータ供給電力のフィードバック制御を行うときには、空燃比センサの出力特性及び応答性に劣化はないにもかかわらず、素子温度が上昇してセンサが破損するおそれがある。そこで、本発明は、センサ素子の劣化を判定し、素子が劣化している場合には、ヒータ温度及び素子温度が過度に上昇しないようにヒータへの供給電力を制限しようというものである。
【００２４】図７は、イグニションスイッチオンからの経過時間に対する素子温度、ヒータ通電デューティ比及びセンサ出力の各変化を示すタイムチャートである。本発明では、センサ素子の劣化を検出するために、素子インピーダンスに基づくフィードバック制御を実施する前の始動時においてセンサの半活性時間を検出する。始動時においては、ヒータに対してほぼフル通電に近い一定の通電（例えば９５％）がなされており、かつ、ヒータ抵抗のばらつきが小さいため、素子温度は、センサの劣化の有無に関係なくほぼ同一の温度上昇を示す。
【００２５】ただし、素子の劣化の有無により、センサが活性化して出力が変化し始める温度である半活性温度が異なる。すなわち、ヒータへの一定通電を開始するイグニションスイッチオンの時点からセンサが半活性状態になる時点までの半活性時間が、素子の劣化により増大する。そこで、本発明では、半活性時間を検出し、検出された半活性時間に基づいて、フィードバック制御時の通電デューティ比に対して上限値を設定する。
【００２６】図８は、ＣＰＵ４０によって実行される一定通電ヒータ制御ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。また、図９は、その一定通電ヒータ制御ルーチンの処理中に参照されるマップであって、半活性時間比（後述）に応じてデューティ比上限値補正係数Ｋを求めるためのマップを示す図である。図８に示される一定通電ヒータ制御ルーチンは、イグニションスイッチがオン（ＩＧＯＮ）とされた時点で起動される。
【００２７】まず、ステップ１０２では、デューティ比Ｒ_DUTYを一定値９５％としてヒータ１８への通電を開始する。次いで、ステップ１０４では、現在の素子インピーダンスＺを計測する。次いで、ステップ１０６では、計測されたＺを、半活性状態に対応する素子インピーダンスとして予め実験的に求められている値Ｚ₀と比較し、Ｚ≧Ｚ₀のとき、すなわち半活性前のときには、ステップ１０４に戻る一方、Ｚ＜Ｚ₀のとき、すなわち半活性状態に達したときには、ステップ１０８に進む。
【００２８】ステップ１０８では、イグニションスイッチがオン（ＩＧＯＮ）とされた時点からの経過時間を半活性時間Ｔとして計測する。次いで、ステップ１１０では、計測された半活性時間Ｔを、劣化のない正常なセンサに基づいて予め実験的に求められている最大半活性時間Ｔ₀と比較する。そして、Ｔ≦Ｔ₀のとき、すなわち素子劣化なしと判定されるときには、ステップ１１４に進み、デューティ比上限値補正係数Ｋに１をセットする。
【００２９】一方、Ｔ＞Ｔ₀のとき、すなわち素子劣化ありと判定されるときには、ステップ１１２に進む。ステップ１１２では、図９に示されるマップを参照することにより、半活性時間比Ｔ／Ｔ₀に応じたデューティ比上限値補正係数Ｋを決定する。なお、図９のマップでは、Ｔ／Ｔ₀が大きいほど、劣化の度合いが大きいため、Ｋは小さな値にされている。
【００３０】ステップ１１２又は１１４に次いで実行されるステップ１１６では、従来の制御において正常なセンサを基準にして定められているデューティ比ガード値Ｒ_DU_TYGとデューティ比上限値補正係数Ｋとに基づいて、Ｒ_DUTYmax←Ｋ＊Ｒ_DUTYGなる演算を行い、センサ劣化をも考慮したデューティ比上限値Ｒ_DUTYmaxを決定する。
【００３１】図１０は、ＣＰＵ４０によって実行される素子インピーダンスフィードバックヒータ制御ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。本ルーチンは、ヒータ駆動回路３０に供給するデューティ比Ｒ_DUTYを素子インピーダンスに基づいて決定するものであり、センサ活性化後に所定時間周期で実行される。まず、ステップ２０２では、素子インピーダンスＺを計測する。次いで、ステップ２０４では、計測された素子インピーダンスＺと目標素子インピーダンスＺ_TGTとの偏差Ｚ_ERRを算出する。
【００３２】次いで、ステップ２０６では、ＰＩＤ動作における比例項ΔＲ_Pを、ΔＲ_P←Ｋ_P＊Ｚ_ERRなる演算により求める。Ｋ_Pは、比例項のゲインである。次いで、ステップ２０８では、Ｚ_ERRSUM←Ｚ_ERRSUM＋Ｚ_ERRなる演算により、偏差の積分値Ｚ_ERRSUMを更新するとともに、ΔＲ_I←Ｋ_I＊Ｚ_ERRSUMなる演算により、ＰＩＤ動作における積分項ΔＲ_Iを算出する。Ｋ_Iは、積分項のゲインである。
【００３３】次いで、ステップ２１０では、ΔＲ_D←Ｋ_D＊（Ｚ_ERR－Ｚ_ERRO）
なる演算により、ＰＩＤ動作における微分項ΔＲ_Dを算出する。ここで、Ｋ_Dは微分項のゲインであり、Ｚ_ERROは前回の本ルーチン走行時に算出された偏差である。次いで、ステップ２１２では、Ｒ_DUTY←Ｒ_DUTY＋ΔＲ_P＋ΔＲ_I＋ΔＲ_Dなる演算により、ＰＩＤ動作によるデューティ比Ｒ_DUTYを決定する。
【００３４】次いで、ステップ２１４及び２１６では、算出されたＲ_DUTYがデューティ比上限値Ｒ_DUTYmax以下に制限されるようにガード処理を実行する。すなわち、ステップ２１４でＲ_DUTY＞Ｒ_DUTYmaxと判定されるときには、ステップ２１６においてＲ_DUTYにＲ_DUTYmaxが代入される。最後のステップ２１８では、次回の本ルーチンの実行に備え、今回算出されたＺ_ERRをＺ_ERROとして記憶する。
【００３５】以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態は、いわゆるカップ型の空燃比センサを例にして本発明を説明するものであるが、本発明は、いわゆる積層型の空燃比センサに対しても適用可能であり、空燃比センサの構造には関係していない。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、空燃比センサの素子インピーダンスを検出しそれをフィードバックしてヒータへの供給電力を制御することで空燃比センサを活性状態に維持する、空燃比センサのヒータ制御装置において、素子が劣化した場合にあっても、ヒータやセンサ素子の温度の過度の上昇を抑制してヒータ又はセンサ素子の破損を防止することが、特に新たな装置を設けることなく簡易にできるようになる。

【出願人】	【識別番号】０００００３２０７【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【出願日】	平成１２年８月２４日（２０００．８．２４）
【代理人】	【識別番号】１０００７７５１７【弁理士】【氏名又は名称】石田敬（外３名）
【公開番号】	特開２００２－７１６３３（Ｐ２００２－７１６３３Ａ）
【公開日】	平成１４年３月１２日（２００２．３．１２）
【出願番号】	特願２０００－２５９３７５（Ｐ２０００－２５９３７５）