JP4023503B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度検出装置に関するものである。

従来から、車両用エンジンより排出される排気を検出対象として同排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が知られている。酸素濃度センサは、固体電解質体よりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じたセンサ出力（素子電流信号）が発生するように構成されている。そして、該酸素濃度センサの出力値に基づいて空燃比等の演算が行われる。

センサ素子は、例えば７００〜８００℃程度に昇温されることで活性状態となり、この活性状態では、広域の酸素濃度検出範囲（リーン〜ストイキ〜リッチの広域の空燃比検出範囲）で所望のセンサ出力が得られ、そのセンサ出力に基づいて酸素濃度検出（空燃比検出）が可能となる。この場合、一般にはセンサ素子に電気式ヒータが付設されており、エンジン始動時にはヒータによる発熱に伴いセンサ素子の活性化が行われるとともに、一旦活性化が完了した後は、ヒータが適宜通電されてその活性状態が保持されるようになっている。

また、センサ素子の昇温過程においては、当該素子が活性化したことを判定するための活性判定が行われる。その活性判定手法として、センサ素子の素子インピーダンスを検出するとともに、該素子インピーダンスを判定パラメータとしてセンサ素子の活性判定を実施する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この場合、センサ素子において素子温と素子インピーダンスには相関があり、センサ素子の昇温時には素子温が上昇することに伴い素子インピーダンスが低下する。そして、素子インピーダンスが所定の活性判定値（例えば数１０Ω程度）まで低下したことを判定することにより、センサ素子の活性完了を判定するようにしている。

ところで近年では、広域の酸素濃度検出範囲（空燃比検出範囲）内で所望とするセンサ出力が完全に得られる以前に、例えばストイキ近傍領域で所望とするセンサ出力が得られるようになったこと、すなわちストイキ活性が完了したことを判定したいといった要望が生じている。この場合、通常の活性判定値よりも大きいストイキ活性判定値（例えば５００Ω程度）を設定しておき、センサ素子の昇温に伴い素子インピーダンスがストイキ活性判定値まで低下した時にストイキ活性状態になったと判定することが考えられる。

しかしながら、上記のように素子インピーダンスによりストイキ活性状態を判定する場合、以下の問題が生じる。つまり、ストイキ活性状態の段階では素子インピーダンスが５００Ω又はそれ以上の高インピーダンス状態であり、素子インピーダンスの検出ばらつきが大きい。そのため、素子インピーダンスの検出ばらつきに起因してストイキ活性の判定精度が低下する、又はインピーダンスのばらつき分だけ活性判定値を下げることにより活性判定に要する所要時間が長引く等の問題が生じる。
特開２００２−５８８２号公報

本発明は、ある限られた狭範囲でセンサ素子の所望の信号出力が可能となる素子活性状態を精度良くしかもいち早く判定することができるガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明のガス濃度検出装置において、ガス濃度センサは、固体電解質体を有してなり被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度に応じた電気信号を出力するセンサ素子と、電源からの給電により発熱するヒータとを備えている。そして、ガス濃度検出装置では、ヒータの発熱によってセンサ素子の温度を所定の活性温度に制御する一方、センサ素子から出力される電気信号に基づいて被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度を演算する。また特に、ストイキ近傍に設定され前記センサ素子の信号出力が可能な広域出力範囲よりも狭い狭範囲で、センサ素子の所望の信号出力が可能となる狭範囲活性が完了したことを、ヒータの発熱によりセンサ素子に投入される投入エネルギに基づいて判定する一方、前記広域出力範囲に対応する広域活性を前記素子インピーダンスに基づいて判定する。

要するに、この種のガス濃度センサでは、センサ素子が所定の活性温度に保持されることで所望とする信号出力を得ることができ、冷間状態からの昇温時においては、センサ素子の活性化が進むことで電気信号の出力範囲が徐々に拡張される。このとき、センサ素子の活性状態（素子温）と素子インピーダンスとは相関があるため、一般には素子インピーダンスに基づいてセンサ素子の活性判定が行われている。しかしながら、ある限られた狭範囲（センサ素子の信号出力が可能な広域出力範囲よりも狭い狭範囲）で所望の信号出力が可能となる狭範囲活性状態は、広域出力範囲での活性状態に対して活性途中段階であり、素子インピーダンスが大きくその検出値のばらつきが大きいことが確認されている。故に、素子インピーダンスの検出ばらつきに起因して活性判定の精度が低くなる、精度良く活性判定しようとする場合に活性判定の所要時間が長引くなどの問題が生じる。

この点、ヒータによる投入エネルギは、センサ素子の暖機当初において素子温との相関が強く、前記狭範囲で信号出力が可能となる状態（狭範囲活性状態）であることを精度良く判定することができる。この場合、素子インピーダンスを判定パラメータとして狭範囲活性を判定する場合に比して、活性判定の精度向上や、活性判定に要する所要時間の短縮を図ることができる。その結果、ある限られた狭範囲でセンサ素子の所望の信号出力が可能となる素子活性状態を精度良くしかもいち早く判定することができるようになる。

ここで、センサ素子が出力する電気信号に基づいて空燃比を検出する空燃比検出装置では、リーン〜リッチの通常の空燃比検出範囲の全域で所望の信号出力が可能となる前に、ストイキ近傍領域で所望の信号出力が可能な状態であること、すなわちストイキ活性状態であることを判定したいという要望がある。かかる場合において、ストイキ活性が完了したことをヒータによる投入エネルギに基づいて判断すると良い。これにより、センサ素子のストイキ活性状態を精度良くしかもいち早く判定することができるようになる。

また、ヒータによる投入エネルギに基づいて前記狭範囲活性を判定する一方、素子インピーダンスに基づいてセンサ素子の広域出力範囲（例えば、完全暖機後においてセンサ素子で信号出力が可能な全出力範囲）に対応する広域活性を判定する。つまり、例えば内燃機関の始動開始から時間が経過すると、内燃機関が暖機されることなどにより、ヒータによる投入エネルギ以外の要因により素子温が変化すると考えられる。故に、センサ素子の広域出力範囲に対応する広域活性を判定する場合には、従来とおり素子インピーダンスによる活性判定を実施する。

内燃機関が再始動された場合にはセンサ素子がある程度高温状態にあり、始動当初からセンサ素子が活性状態にあるか、若しくは活性化までの所要時間が冷間始動時よりも短いと考えられる。この場合、ヒータによる投入エネルギ（ヒータ積算電力）を判定パラメータとして活性判定するのでは、現実にセンサ素子の活性化が完了する時点に対して活性完了の判定が遅れるおそれがある。そこで、請求項２に記載したように、素子インピーダンスに基づく活性判定結果と、ヒータの投入エネルギに基づく活性判定結果とのうち早い方の活性完了判定に基づいて、前記狭範囲活性が完了したことを判定すると良い。これにより、仮に内燃機関の再始動時である場合には、ヒータの投入エネルギを判定パラメータして活性完了が判定されるよりも先に、素子インピーダンスを判定パラメータとして活性完了が判定されることとなる。故に、内燃機関の再始動時においても、センサ素子の活性状態（狭範囲活性、ストイキ活性）を正確に判定することができる。

内燃機関が再始動された場合にはセンサ素子がある程度高温状態にあり、冷間状態である場合と同様に活性判定したのでは正確な判定ができなくなる。そこで、請求項３に記載したように、内燃機関の再始動判定を行う手段を設け、内燃機関の再始動時である旨判定された場合に、前記狭範囲活性の完了を判定するための投入エネルギの判定しきい値を変更すると良い。例えば、内燃機関の再始動時には投入エネルギの判定しきい値を小さくする。これにより、内燃機関の再始動時においても、センサ素子の活性状態（狭範囲活性、ストイキ活性）を正確に判定することができる。

また、請求項４に記載したように、内燃機関の再始動判定を行う手段を設け、内燃機関の再始動時である旨判定された場合に、素子インピーダンスに基づいて前記狭範囲活性が完了したことを判定し、内燃機関の再始動時でない旨判定された場合に、ヒータによる投入エネルギに基づいて前記狭範囲活性が完了したことを判定すると良い。これにより、内燃機関の再始動時においても、センサ素子の活性状態（狭範囲活性、ストイキ活性）を正確に判定することができる。

請求項５に記載の発明では、ヒータによる投入エネルギに基づいて狭範囲活性を判定するとともに、同じくヒータによる投入エネルギに基づいてセンサ素子の広域出力範囲（例えば、完全暖機後においてセンサ素子で信号出力が可能な全出力範囲）に対応する広域活性を判定する。この場合において、それら各活性判定のための投入エネルギの判定しきい値を各々個別に設定することにより、ヒータによる投入エネルギに基づいて各活性判定を好適に実施できる。

請求項６に記載の発明では、センサ素子を冷間状態から昇温させた時のヒータの積算電力を前記投入エネルギとして算出し、該積算電力に基づいて前記狭範囲活性が完了したと判定する。この場合、ヒータの積算電力を判定パラメータとすることにより、センサ素子の狭範囲活性状態を精度良く判定することができる。なお、ヒータ電流の計測値と、ヒータに給電する電源の電圧とからヒータ電力を算出し、そのヒータ電力を所定時間ごとに積算することにより積算電力を算出すると良い。

本発明は、内燃機関の排気系にガス濃度センサを配設し、前記センサ素子の出力信号により排気中の酸素濃度又は特定成分の濃度を検出する構成において有益であると考えられる。この場合、センサ素子の温度は、ヒータによる受熱以外に、排気による受放熱やセンサ保持部（排気管への取付基部）からの放熱により変化すると考えられるが、センサ冷間状態、すなわち内燃機関の冷間始動時を想定すると、排気による受放熱やセンサ保持部からの放熱の要因は無視して良く、上記のとおりヒータによる投入エネルギに基づいて狭範囲活性状態を精度良く判定できる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排気（燃焼ガス）を被検出ガスとして同排気中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆとも言う）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムにて用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実現される。

まずはじめに、ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサの構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、該センサ素子１０の基端部がハウジングに組み付けられるとともに、素子全体が素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子１０は、固体電解質１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子１０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質１１（固体電解質体）は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。電極１５，１６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層１２は電極１５へ排気を導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排気の透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層１２，１３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層１４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気ダクト１７が形成されている。また、同絶縁層１４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。ヒータ１８は、絶縁層１４に埋設される構成（センサ素子１０に内蔵される構成）以外に、センサ素子１０に外付けされる構成であっても良い。なお以下の説明では、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極１６に接続される端子を正側端子（＋端子）、拡散層側電極１５に接続される端子を負側端子（−端子）としている。

上記センサ素子１０において、その周囲の排気は拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排気がリーンの場合、排気中の酸素は電極１５，１６間の電圧印加により拡散層側電極１５で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、大気側電極１６より大気ダクト１７に排出される。このとき、大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに電流（正電流）が流れる。また、排気がリッチの場合、逆に大気ダクト１７内の酸素が大気側電極１６で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、拡散層側電極１５より排出される。そして、排気中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに電流（負電流）が流れる。

図３は、Ａ／Ｆセンサについての基本的な電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３において、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１０の素子電流Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐは減少する。

このＶ−Ｉ特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（直線部分が寝た状態となる）。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Ｒｉが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分が立った状態となる）。図中のＲＧは、センサ素子１０への印加電圧Ｖｐを決定するための印加電圧特性（印加電圧線）を表している。

次に、本発明の主要部たるセンサ制御系の構成を図１を参照しながら説明する。そのセンサ制御系にはマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）２０とセンサ制御回路３０とが設けられ、これらによりＡ／Ｆセンサ（センサ素子１０）の検出結果に基づいてＡ／Ｆの検出やセンサ素子１０のインピーダンス（素子インピーダンスＺａｃ）の検出などが実施される。

図１において、マイコン２０は、ＣＰＵ、各種メモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｉ／Ｏポート等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、後述するセンサ制御回路３０により検出した電流信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換器を介して取り込み、Ａ／Ｆ値の演算や素子インピーダンスＺａｃの演算を適宜実施する。同マイコン２０により演算されたＡ／Ｆ値は、例えば図示しないエンジンＥＣＵに出力され、空燃比フィードバック制御等に使用される。

センサ制御回路３０において、センサ素子１０の大気側電極１６に接続された正側端子には、オペアンプ３１及び電流検出抵抗３２を介して基準電源３３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の拡散層側電極１５に接続された負側端子には、オペアンプ３４を介して印加電圧制御回路３６が接続されている。この場合、電流検出抵抗３２の一端のＡ点は基準電圧Ｖｆ（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗３２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。排気がリーンであれば、センサ素子１０には正側端子から負側端子に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇し、逆にリッチであれば、センサ素子１０には負側端子から正側端子に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が低下する。

印加電圧制御回路３６は、Ｂ点電圧をモニタするとともにその電圧値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定し（例えば、図３の印加電圧特性ＲＧに基づき決定し）、オペアンプ３４を介してＤ点電圧を制御する。ただし、ストイキ近傍のみでＡ／Ｆ検出を行う場合、印加電圧固定とすることも可能である。

基準電源３３にはオペアンプ３７が接続され、このオペアンプ３７の出力とＢ点電圧とが所定増幅率のオペアンプ（差動増幅器）３８に入力される。オペアンプ３８は基準電圧ＶｆとＢ点電圧との電圧差を増幅し、その結果をＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとして出力する。この場合、オペアンプ３８において基準電圧ＶｆとＢ点電圧との電圧差を増幅する構成として、オペアンプ３８にＡ点電圧とＢ点電圧とを入力する構成も考えられるが、かかる構成ではオペアンプ３８の帰還電流が電流検出抵抗３２に流れ、空燃比検出に誤差が生じるおそれがある。これに対し、本構成ではオペアンプ３８にオペアンプ３７の出力とＢ点電圧とを入力するため、オペアンプ３７が帰還電流吸収素子として機能し、空燃比検出に対する悪影響が排除できる。

なお、電流検出抵抗３２のＢ点端子からオペアンプ３８への経路にはスイッチ４０とコンデンサ４１とが図示の如く設けられている。この場合、後述するインピーダンス検出時にはスイッチ４０がＯＦＦ（開放）され、そのスイッチＯＦＦ時におけるＢ点電圧がコンデンサ４１にて記憶保持される。これにより、インピーダンス検出時において、センサ素子１０への印加電圧が交流的に変化してもその影響によりオペアンプ３８の出力が不用意に変化し空燃比検出に悪影響が及ぶといった不都合が回避できる。また、インピーダンス検出時にあっても適正な空燃比出力（実際にはスイッチＯＦＦ直前の電流信号）が得られるようになる。

マイコン２０は、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯをＡ／Ｄポートより取り込み、該取り込んだＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいてその都度のＡ／Ｆ値を算出する。このＡ／Ｆ値は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。

また、本空燃比検出装置では、いわゆる掃引法を用いてセンサ素子１０のインピーダンス検出を実施するようにしており、マイコン２０は、センサ素子１０への印加電圧を一時的に交流的に変化させる旨指令し、その際の電流変化量に基づき素子インピーダンスＺａｃを検出する。より具体的には、インピーダンス検出に際し、印加電圧制御回路３６がマイコン２０からの指令を受け、センサ素子１０への印加電圧（図のＤ点電圧）を所定幅（例えば０．２Ｖ）で正負両側に変化させる。このとき、マイコン２０は、印加電圧変化に伴うＢ点電圧の変化を計測し、印加電圧変化量ΔＶと、Ｂ点電圧変化量を電流検出抵抗３２の抵抗値で割った電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスＺａｃを演算する（Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。なお、インピーダンス検出に際し、センサ素子１０に流す電流を交流的に変化させ、その際の電流又は電圧の変化量から素子インピーダンスＺａｃを演算する構成とすることも可能である。

インピーダンス検出は所定の周期で（すなわち所定時間毎に）実施され、その実施のタイミングがマイコン２０から印加電圧制御回路３６に対して指令される。また、マイコン２０は、素子インピーダンスＺａｃが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電を制御する。これにより、センサ素子１０が所定の活性状態（例えば素子温＝７５０℃の状態）に保持されるようになる。

ヒータ制御系において、ヒータ１８の一端にはイグニッションスイッチ５１を介してバッテリ電源５２が接続され、ヒータ１８の他端はパワーＭＯＳＦＥＴ５３とヒータ電流検出用の抵抗５４とを介して接地されている。パワーＭＯＳＦＥＴ５３は、マイコン２０によりオン／オフ制御される。また、抵抗５４の両端子間の電圧は差動増幅器５５に入力され、該差動増幅器５５からマイコン２０に対してヒータ電流検出信号として出力される。この場合、パワーＭＯＳＦＥＴ５３がオンされることでヒータ１８にヒータ電流が流れ、そのヒータ電流が抵抗５４により計測される。

また、マイコン２０には、バッテリ電源５２の電圧を検出するためのバッテリ電圧検出器５８が接続されている。

マイコン２０は、センサ素子１０の活性状態に応じてヒータ１８の通電制御を実施する。ヒータ１８の通電制御の一例として、センサ素子１０の活性前にはパワーＭＯＳＦＥＴ５３が常時オンされ最大電力によりヒータ１８が加熱される（いわゆる全通電制御が実施される）。これにより、エンジン始動時等においてセンサ素子１０の活性化が促される。また、センサ素子１０の活性後は、素子インピーダンスＺａｃの目標値と実際値（検出値）との偏差に基づいてヒータ通電量がフィードバック制御される。例えば、ＰＩＤ制御手法により都度のデューティ制御量が算出され、そのデューティ制御量によりヒータ通電（パワーＭＯＳＦＥＴ５３のオン／オフ）が行われる。

ここで、エンジン冷間始動時におけるセンサ活性過程のセンサ特性について図４を用いて説明する。図４の（ａ）はエンジン始動後の素子温及び素子インピーダンスＺａｃの推移を、（ｂ）はＡ／Ｆ出力（Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ）を基に算出したＡ／Ｆ値の推移を示している。横軸はエンジン始動後の経過時間を示している。なお、図示のエンジン始動期間では始動時燃料増量が行われ、空燃比がリッチ側に制御されるようになっている。

さて、図４において、エンジン始動直後には素子温はほぼ外気温と同レベルの低温値になっており、素子インピーダンスＺａｃは１０００Ω以上の値になっている。そして、ヒータ通電に伴い素子温が次第に上昇することにより、素子インピーダンスＺａｃが低下する。

また、始動当初の冷間状態ではセンサ素子１０に電流がほとんど流れないため、Ａ／Ｆ出力を基に算出したＡ／Ｆ値は実際のガス雰囲気に関係なくほぼストイキとなっている。そして、素子温の上昇（素子インピーダンス低下）に伴い、同Ａ／Ｆ値が次第に実際のガス雰囲気の空燃比（この場合はリッチ空燃比）に見合った値に移行する。つまり、センサ素子１０の昇温に伴い、Ａ／Ｆの検出可能範囲が次第に拡張される。このとき、タイミングｔ１でＡ／Ｆ値がストイキ活性判定値である図のＸ１（例えばＡ／Ｆ＝１４）に達することで、ストイキ近傍のＡ／Ｆ値が正常に検出できるようになる。また、タイミングｔ２でＡ／Ｆ値が広域活性判定値である図のＸ２（例えばＡ／Ｆ＝１１）に達することで、所定の広範囲領域でＡ／Ｆ値が正常に検出できるようになる。かかる場合において、ストイキ活性判定を実施することにより、ストイキ近傍でＡ／Ｆ出力が正常化されたことが早期に判断できる。

素子インピーダンスＺａｃに基づいてセンサ素子１０の活性判定を実施する場合を考える（従来の活性判定手法）。この場合、センサ素子１０の昇温に伴い、素子インピーダンスＺａｃが約５００Ωまで低下した時にストイキ活性判定がなされ（タイミングｔ１又はその付近）、素子インピーダンスＺａｃが数１０Ωまで低下した時に広域活性判定がなされる（タイミングｔ２又はその付近）。ただし、ストイキ活性判定時には素子インピーダンスが大きいため、その検出ばらつきが多大なものとなる。図５には、素子インピーダンスＺａｃとその検出ばらつきとの関係を示しており、Ｚａｃ＝５００Ωではテピカル値ＴＹＰに対して±１８０Ω程度の検出ばらつきが生じる。

こうして検出ばらつきが生じると、ストイキ活性が精度良く判定できないといった不都合が生じる。また、この検出ばらつきを考慮するとすれば、実際には素子インピーダンスＺａｃがばらつき分を加味したインピーダンス値（約３２０Ω＝５００Ω−１８０Ω）まで低下した時にストイキ活性が完了したと判定しなければならず、ストイキ活性判定のタイミングが遅くなるという不都合が生じる。発明者らが実機確認したところ、Ｚａｃ＝３２０Ω（ＭＩＮ値）でストイキ活性判定する場合には、Ｚａｃ＝５００Ω（ＴＹＰ値）でストイキ活性判定する場合に比してその判定タイミングが約１秒ほど遅れることが確認されている。

そこで本実施の形態では、ヒータ１８への投入電力をストイキ活性判定のための判定パラメータとして用いることとする。ここでは前提として、センサ素子１０の熱エネルギが次の式（１）の関係にあり、単位時間当たりの素子温変化が同式（１）により算出されるものとしている。

上記式（１）において、ｃＭはセンサ熱容量、Ｔｕは素子温、Ｔｅは排気温、Ｔａは外気温、Ｓは素子表面積、Ｒｅは熱伝達係数、Ｂは外気側伝熱係数、Ｑはヒータ電力である。なお、熱伝達係数Ｒｅは、排気流量Ｕｅ、センサ素子の代表寸法Ｄｕ及び動粘性係数νから算出できる（Ｒｅ＝Ｕｅ・Ｄｕ／ν）。また、上記式（１）において、右辺の第１項は排気による受熱及び放熱による熱量を示し、第２項はセンサ保持部（ハウジング）を介して外気へ放出される熱量を示し、第３項はヒータ通電による発生熱量を示す。

この場合、エンジン冷間状態からの昇温時を想定すると、センサ素子１０において排気による受熱及び放熱による熱量の変化は殆どなく、センサ保持部（ハウジング）を介して外気へ放出される熱量も殆どないと考えられる。つまり、上記式（１）の右辺第１項及び第２項は殆ど無視できる。そのため、センサ素子１０の暖機過程においては、単位時間当たりの素子温変化がヒータ通電による発生熱量（ヒータ電力Ｑに相当）に依存すると考えられ、その発生熱量によりストイキ活性状態を判定することが可能となる。

図６は、エンジン始動後におけるストイキ活性判定の概要を説明するためのタイムチャートである。図６において（ａ）は素子インピーダンスＺａｃの推移を、（ｂ）はＡ／Ｆ出力（Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ）を基に算出したＡ／Ｆ値の推移を、（ｃ）はエンジン始動時からのヒータ投入電力の積算値（ヒータ積算電力）の推移を、それぞれ示している。横軸はエンジン始動後の経過時間を示している。

図６では、エンジン始動後、次第に素子インピーダンスＺａｃが低下し、それに相応してＡ／Ｆ値がリッチ側に移行する。また、エンジン始動時からのヒータ積算電力が図示の如く上昇する。このとき、タイミングｔ１１では、ヒータ積算電力がストイキ活性判定値Ｋ１に達することでストイキ活性が完了した旨判定される。その後、タイミングｔ１２では、ヒータ積算電力が広域活性判定値Ｋ２に達することで広域活性が完了した旨判定される。

図７は、センサ素子１０の活性判定処理を示すフローチャートであり、本処理はマイコン２０により所定の時間周期（例えば１０ｍｓｅｃ周期）で実行される。

図７において、ステップＳ１０１ではヒータ電流Ｉｈを読み込み、ステップＳ１０２ではバッテリ電圧Ｖｂを読み込む。このとき、ヒータ電流Ｉｈは、ヒータ通電時において電流検出用抵抗５４により計測される電流値である。また、バッテリ電圧Ｖｂはバッテリ電圧検出器５８の出力を基に算出され、これがヒータ１８の両端子電圧に相当する。ステップＳ１０３では、ヒータ電流Ｉｈとバッテリ電圧Ｖｂとに基づいてヒータ電力Ｗｈを算出する（Ｗｈ＝Ｉｈ・Ｖｂ）。ステップＳ１０４では、エンジン始動時からのヒータ電力の積算値（ヒータ積算電力）ΣＷｈを算出する（ΣＷｈ(i)＝ΣＷｈ(i-1)＋Ｗｈ）。

その後、ステップＳ１０５では、ヒータ積算電力ΣＷｈが広域活性判定値Ｋ２以上であるか否かを判定し、ステップＳ１０６では、ヒータ積算電力ΣＷｈがストイキ活性判定値Ｋ１以上であるか否かを判定する。この場合、ΣＷｈ＜Ｋ１であれば、活性完了の判定を行わずそのまま本処理を終了する。また、Ｋ１≦ΣＷｈ＜Ｋ２であれば、ストイキ活性が完了した旨判定する（ステップＳ１０７）。ΣＷｈ≧Ｋ２であれば、広域活性が完了した旨判定する（ステップＳ１０８）。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ストイキ活性が完了したことを、エンジン始動後のヒータ積算電力に基づいて判定するようにしたため、素子インピーダンスＺａｃを判定パラメータとしてストイキ活性（狭範囲活性）を判定する場合に比して、活性判定の精度向上や活性判定に要する所要時間の短縮を図ることができる。その結果、センサ素子１０のストイキ活性状態を精度良くしかもいち早く判定することができるようになる。

また、劣化等によりセンサ素子１０のインピーダンス特性が変わると、ストイキ活性時の素子インピーダンスＺａｃが大きくなり、素子インピーダンスＺａｃを判定パラメータとしてストイキ活性を判定する場合には、センサ劣化前に比して、活性完了が判定できるまでの時間が長引いてしまう。これに対し、上記のとおりエンジン始動後のヒータ積算電力を判定パラメータとしてストイキ活性を判定することにより、センサ素子１０の劣化後もほぼ同じ所要時間で活性判定が可能となり、上記のような不都合が解消できる。

センサ素子１０の昇温開始当初においてはヒータ積算電力と素子温との相関が強いため、そのヒータ積算電力を判定パラメータとすることで、ストイキ活性判定を高精度に実施することができる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について、上記第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。本実施の形態では、エンジンの停止後、センサ素子１０が冷間状態に至る前に当該エンジンが再始動された場合を想定し、かかるエンジン再始動時にもセンサ素子１０の活性判定を好適に実施できるようにしている。

要するに、エンジンの再始動時にはセンサ素子１０がある程度高温状態にあり、始動当初からセンサ素子１０が活性状態にあるか、若しくは始動当初から半活性状態にあり活性化までの所要時間が短いと考えられる。この場合、ヒータ１８による投入エネルギ（積算電力）を判定パラメータとして活性判定するのでは、現実のセンサ活性完了時点に対して活性完了の判定が遅れてしまう。そこで本実施の形態では、素子インピーダンスＺａｃに基づく活性判定結果と、ヒータ積算電力に基づく活性判定結果とのうち早い方の活性完了判定に基づいてストイキ活性が完了したことを判定する。

図８は、本実施の形態におけるセンサ素子１０の活性判定処理を示すフローチャートであり、本処理はマイコン２０により所定の時間周期で実行される。ここでは、ストイキ活性判定を行う手順について示している。

図８において、ステップＳ２０１では、ヒータ積算電力ΣＷｈを算出する。ヒータ積算電力ΣＷｈの算出手順は前記図７のステップＳ１０１〜Ｓ１０４の手順に準ずる。ステップＳ２０２では、素子インピーダンスＺａｃを算出する。このとき、印加電圧制御回路３６によってセンサ印加電圧が所定電圧幅で正側及び負側に振られ（交流的な電圧変化が付与され）、マイコン２０は、その際の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとに基づいて素子インピーダンスＺａｃを算出する（Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。

その後、ステップＳ２０３では、ヒータ積算電力ΣＷｈがストイキ活性用の電力しきい値Ｋｗｈ以上であるか否かを判定する。また、ステップＳ２０４では、素子インピーダンスＺａｃがストイキ活性用のインピーダンスしきい値Ｋｚａｃよりも小さいか否かを判定する。そして、ΣＷｈ≧Ｋｗｈである場合、又はΣＷｈ＜ＫｗｈであってもＺａｃ＜Ｋｚａｃである場合にステップＳ２０５に進み、ストイキ活性が完了した旨判定する。このとき、仮にエンジンの再始動時である場合には、ヒータ積算電力を判定パラメータして活性完了が判定されるよりも先に、素子インピーダンスを判定パラメータとして活性完了が判定される（ΣＷｈ≧Ｋｗｈが成立するよりも先にＺａｃ＜Ｋｚａｃが成立する）。

以上第２の実施の形態によれば、素子インピーダンスＺａｃに基づく活性判定結果と、ヒータ積算電力に基づく活性判定結果とのうち早い方の活性完了判定に基づいて、ストイキ活性が完了したことを判定するようにしたため、エンジン再始動時においても、センサ素子１０のストイキ活性を正確に判定することができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

センサ素子１０として、当該素子１０の早期活性を図るべく素子体積を小さくした構成を採用することも可能である。その構成を図９に示す。なお図９では、説明の簡略化のために前記図２と同じ部材番号を付している。図９に示すセンサ素子１０では、素子先端部であって実際に排気検出を行う部位の幅が縮小化されている。この場合、大気ダクト１７の体積が小さくなり、リッチ側の検出限界を維持するには素子電流Ｉｐを小さくする必要が生じる。すると、同じ活性状態であってもインピーダンス値が大きくなる。このとき、素子インピーダンスによりストイキ活性状態を判定しようとすると、その判定しきい値は９００Ω程度となり、インピーダンス値のばらつき幅がより一層大きくなると考えられる（ばらつき幅＝±約３５０Ω）。故に、素子インピーダンスを判定パラメータとしてストイキ活性判定を実施する場合には、判定精度の悪化などの不都合がより一層顕著となる。これに対し、上記のとおりヒータ積算電力（投入エネルギ）を判定パラメータとしてストイキ活性判定を実施することにより、その活性判定を精度良くしかもいち早く実施することができるようになる。

センサ素子１０のストイキ活性についてはヒータ積算電力を判定パラメータとして活性判定を実施し、広域活性については素子インピーダンスを判定パラメータとして活性判定を実施するようにしても良い。

センサ素子１０の冷間状態での温度やヒータ加熱時の素子温の上昇速度は、外気温などの環境要因によって変化すると考えられる。故に、外気温などの環境要因に基づいてストイキ活性判定のための判定しきい値（ヒータ積算電力のしきい値）を補正するようにしても良い。

エンジン再始動時であるかどうかを判定し、再始動時である旨判定された場合に、ストイキ活性判定のための判定しきい値（ヒータ積算電力のしきい値）を変更するようにしても良い。例えば、エンジン再始動時において判定しきい値を小さくする。これにより、エンジン再始動時においても、センサ素子１０のストイキ活性を正確に判定することができる。

ちなみに、エンジン再始動時であることを判定するための手段としては、ソークタイマ等を用いてエンジン停止時間を計測し、その停止時間に基づいてエンジン再始動時であるかどうかを判定したり、エンジン始動時における水温値に基づいてエンジン再始動時であるかどうかを判定したりすることが考えられる。

また、エンジン再始動時であるかどうかを判定し、再始動時である旨判定された場合には、素子インピーダンスに基づいてストイキ活性判定を実施し、再始動時でない旨判定された場合には、ヒータ積算電力に基づいてストイキ活性判定を実施するようにしても良い。

上記実施の形態では、Ａ／Ｆセンサとして図２のセンサ素子構造を有するものを説明したが、他のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサに本発明を適用することも可能である。例えば、１層の固体電解質体を有する構成に限らず、２層の固体電解質体を有する構成や、３層の固体電解質体を有する構成のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したり、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したりすることも可能である。

他のセンサ具体例を説明する。図１０の（ａ）に示すセンサ素子ＳＥ１では、２層の固体電解質８１，８２を有しており、一方の固体電解質８１には一対の電極８３，８４が対向配置され、他方の固体電解質８２には一対の電極８５，８６が対向配置されている。なお、電極８３〜８５は図の左右対象に２カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。本センサ素子ＳＥ１では、固体電解質８１及び電極８３，８４によりポンプセル９１が構成され、固体電解質８２及び電極８５，８６により酸素検知セル９２が構成されている。各電極８３〜８６は、センサ制御回路やマイコン等を有するＥＣＵ１００に接続されている。同図において、符号８７はガス導入孔、符号８８は多孔質拡散層、符号８９は大気ダクト、符号９０はヒータである。酸素検知セル９２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

上記センサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサにおいて、酸素検知セル９２は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて２値（０Ｖ又は０．９Ｖ）の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、酸素検知セル９２の起電力出力が小さくなり、逆にリッチである場合、酸素検知セル９２の起電力出力が大きくなる。かかる場合において、酸素検知セル９２の起電力出力がストイキ値（０．４５Ｖ）になるようにポンプセル９１の印加電圧が制御される。

図１０の（ｂ）に示すセンサ素子構造であっても良い。図１０の（ｂ）のセンサ素子ＳＥ２では、３層の固体電解質１０１，１０２，１０３を有し、固体電解質１０１には一対の電極１０４，１０５が対向配置され、固体電解質１０２には一対の電極１０６，１０７が対向配置されている。本センサ素子ＳＥ２では、固体電解質１０１及び電極１０４，１０５によりポンプセル１１１が構成され、固体電解質１０２及び電極１０６，１０７により酸素検知セル１１２が構成されている。また、固体電解質１０３は、酸素基準室１０８を確保するための壁材を構成している。図１０の（ｂ）において、符号１０９は多孔質拡散層、符号１１０はガス検出室、符号１１５はヒータである。なお、酸素検知セル１１２は、前記図１０の（ａ）の酸素検知セル７２と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

また、酸素濃度以外に、他のガス成分の濃度を検出可能とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、ＮＯｘ濃度センサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では排気（被検出ガス）中の酸素を排出又はくみ出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分であるＮＯｘの濃度を検出する。このＮＯｘ濃度センサにおいて、ＮＯｘ濃度を検出するための第２セルを対象に活性判定を行う場合に、上記実施の形態と同様、ヒータ積算電力（投入エネルギ）を判定パラメータとして第２セルの狭範囲活性状態を判定すると良い。これにより、第２セルの狭範囲活性状態を精度良くしかもいち早く判定することができるようになる。上記のＮＯｘ濃度センサにおいて第１セルで酸素濃度を検出する構成とすることにより、当該センサを複合型のガス濃度センサとすることも可能である。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。

ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ガス濃度センサは、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。

要は、排気中の酸素濃度又は特定成分の濃度に応じた電気信号を出力する固体電解質製のセンサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとを備えたガス濃度センサに本発明が適用できる。そして、ある限られた狭範囲でセンサ素子の所望の信号出力が可能となる狭範囲活性が完了したことを、ヒータによる投入エネルギに基づいて判定するものであれば良い。

上記実施の形態では、ガス濃度センサをエンジンの排気系に設ける構成としたが、同ガス濃度センサをエンジンの吸気系に設け、吸気を検出対象として酸素濃度や特定成分の濃度を検出する構成とすることも可能である。

発明の実施の形態においてセンサ制御系の電気的構成を示す回路図である。 センサ素子の構成を示す断面図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 エンジン冷間始動時におけるセンサ活性過程のセンサ特性を説明するためのタイムチャートである。 素子インピーダンスとその検出ばらつきとの関係を示す図である。 エンジン始動後におけるストイキ活性判定の概要を説明するためのタイムチャートである。 第１の実施の形態におけるセンサ素子の活性判定処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態におけるセンサ素子の活性判定処理を示すフローチャートである。 別のＡ／Ｆセンサの素子構造を示す斜視図である。 別のＡ／Ｆセンサの素子構造を示す断面図である。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質、１８…ヒータ、２０…マイコン、３０…センサ制御回路、５２…バッテリ電源、８１，８２…固体電解質、９０…ヒータ、１００…ＥＣＵ、１０１〜１０３…固体電解質、１１５…ヒータ、ＳＥ１，ＳＥ２…センサ素子。

Claims (7)

1. 固体電解質体を有してなり被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度に応じた電気信号を出力するセンサ素子と、電源からの給電により発熱するヒータとを備えたガス濃度センサに適用され、前記ヒータの発熱によって前記センサ素子の温度を所定の活性温度に制御する一方、前記センサ素子から出力される電気信号に基づいて前記被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度を演算するようにしたガス濃度検出装置において、
   前記ヒータの発熱により前記センサ素子に投入される投入エネルギを算出する算出手段と、
   前記センサ素子の素子インピーダンスを検出する手段と、
   ストイキ近傍に設定され前記センサ素子の信号出力が可能な広域出力範囲よりも狭い狭範囲で、前記センサ素子の所望の信号出力が可能となる狭範囲活性が完了したことを、前記ヒータによる投入エネルギに基づいて判定する一方、前記広域出力範囲に対応する広域活性を前記素子インピーダンスに基づいて判定する活性判定手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 固体電解質体を有してなり被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度に応じた電気信号を出力するセンサ素子と、電源からの給電により発熱するヒータとを備えたガス濃度センサに適用され、前記ヒータの発熱によって前記センサ素子の温度を所定の活性温度に制御する一方、前記センサ素子から出力される電気信号に基づいて前記被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度を演算するようにしたガス濃度検出装置において、
   前記ヒータの発熱により前記センサ素子に投入される投入エネルギを算出する算出手段と、
   前記センサ素子の素子インピーダンスを検出する手段と、
   ストイキ近傍に設定され前記センサ素子の信号出力が可能な広域出力範囲よりも狭い狭範囲で、前記センサ素子の所望の信号出力が可能となる狭範囲活性が完了したことを判定する活性判定手段と、を備え、
   さらに、前記活性判定手段は、前記素子インピーダンスに基づいて狭範囲活性を判定する手段と、前記ヒータによる投入エネルギに基づいて狭範囲活性を判定する手段と備え、前記素子インピーダンスに基づく活性判定結果と、前記投入エネルギに基づく活性判定結果とのうち早い方の活性完了判定に基づいて、前記狭範囲活性が完了したことを判定することを特徴とするガス濃度検出装置。
3. 固体電解質体を有してなり被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度に応じた電気信号を出力するセンサ素子と、電源からの給電により発熱するヒータとを備えたガス濃度センサに適用され、前記ヒータの発熱によって前記センサ素子の温度を所定の活性温度に制御する一方、前記センサ素子から出力される電気信号に基づいて前記被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度を演算するようにしたガス濃度検出装置において、
   前記ヒータの発熱により前記センサ素子に投入される投入エネルギを算出する算出手段と、
   ストイキ近傍に設定され前記センサ素子の信号出力が可能な広域出力範囲よりも狭い狭範囲で、前記センサ素子の所望の信号出力が可能となる狭範囲活性が完了したことを、前記ヒータによる投入エネルギに基づいて判定する活性判定手段と、
   内燃機関の運転停止後、前記センサ素子が冷間状態に至る前に内燃機関が再始動されたことを判定する手段と、を備え、
   前記内燃機関の再始動時である旨判定された場合に、前記活性判定手段において前記狭範囲活性の完了を判定するための投入エネルギの判定しきい値を変更することを特徴とするガス濃度検出装置。
4. 固体電解質体を有してなり被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度に応じた電気信号を出力するセンサ素子と、電源からの給電により発熱するヒータとを備えたガス濃度センサに適用され、前記ヒータの発熱によって前記センサ素子の温度を所定の活性温度に制御する一方、前記センサ素子から出力される電気信号に基づいて前記被検出ガス中の酸素濃度又は特定成分の濃度を演算するようにしたガス濃度検出装置において、
   前記ヒータの発熱により前記センサ素子に投入される投入エネルギを算出する算出手段と、
   前記センサ素子の素子インピーダンスを検出する手段と、
   ストイキ近傍に設定され前記センサ素子の信号出力が可能な広域出力範囲よりも狭い狭範囲で、前記センサ素子の所望の信号出力が可能となる狭範囲活性が完了したことを判定する活性判定手段と、
   内燃機関の運転停止後、前記センサ素子が冷間状態に至る前に内燃機関が再始動されたことを判定する手段と、を備え、
   前記活性判定手段は、前記内燃機関の再始動時である旨判定された場合に、前記素子インピーダンスに基づいて前記狭範囲活性が完了したことを判定し、前記内燃機関の再始動時でない旨判定された場合に、前記投入エネルギに基づいて前記狭範囲活性が完了したことを判定することを特徴とするガス濃度検出装置。
5. 前記活性判定手段は、前記ヒータによる投入エネルギに基づいて前記狭範囲活性を判定する手段と、同じくヒータによる投入エネルギに基づいて前記広域出力範囲に対応する広域活性を判定する手段とを有し、それら各判定手段における活性判定のための投入エネルギの判定しきい値を各々個別に設定したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
6. 前記算出手段は、前記センサ素子を冷間状態から昇温させた時の前記ヒータの積算電力を前記投入エネルギとして算出し、
   前記活性判定手段は、前記積算電力に基づいて前記狭範囲活性が完了したと判定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
7. 内燃機関の排気系に前記ガス濃度センサを配設したガス濃度検出システムにおいて、前記センサ素子の出力信号により排気中の酸素濃度又は特定成分の濃度を検出する請求項１乃至６のいずれかに記載のガス濃度検出装置。

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