JP4905726B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空燃比を空燃比センサで検出する空燃比検出装置に関するものである。

従来より、内燃機関から排出される排ガスの空燃比（酸素濃度）をリニアに検出することが可能な限界電流式の空燃比センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が実用化されている。この空燃比センサは、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を印加することにより、空燃比に応じた素子電流が流れるように構成されている。また、空燃比センサのセンサ素子に流れる素子電流はセンサ制御回路にて計測され、該計測された素子電流に応じた空燃比の信号がセンサ制御回路より出力される。このように、空燃比センサによって空燃比が検出されることで、空燃比を所望の空燃比となるようにフィードバック制御することが可能となる。

一般的に、空燃比センサのセンサ制御回路等には、個体差によって特性のばらつきが存在するため、この特性ばらつきに起因して空燃比の検出精度が低下するという問題が生じる虞がある。この対策して、例えば、特許文献１に開示された技術では、空燃比センサが活性化していない非活性状態であると判定されたときに、センサ制御回路の出力値と予め設定された出力値（基準出力値）との出力誤差（回路誤差）を検出して、該出力誤差に基づいて空燃比変換マップを校正するようにしている。
特開平８−２０１３３４号広報

しかしながら、上記特許文献１では、空燃比センサに電流が発生しない非活性状態でセンサ制御回路の出力誤差（回路誤差）を検出する技術が開示されているに過ぎず、センサ制御回路の温度に起因して生じるセンサ制御回路の出力誤差による空燃比の検出誤差については考慮されていなかった。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、センサ制御回路の温度に起因して生じる空燃比検出誤差を補償して空燃比の検出精度を向上させることが可能な空燃比検出装置を提供することを目的とする。

そこで、本願の請求項１に係る発明では、ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、空燃比センサに電圧を印加した時に流れる電流を検出し、該検出電流に対応する出力を発生するセンサ制御回路と、該センサ制御回路の出力を空燃比に換算するための換算データ（マップ又は数式等）を用いて該センサ制御回路の出力を空燃比に換算する換算手段とを備えた空燃比検出装置において、温度検出手段により、前記センサ制御回路の温度を検出または推定し、そのセンサ制御回路の温度に応じて、センサ制御回路の温度に起因して生じるセンサ制御回路の出力誤差による換算誤差を補正手段により補正すると共に、センサ制御回路の温度に応じて該センサ制御回路の出力を補正し、補正後の出力を前記換算データにより空燃比に換算するようにしたものである。このように、センサ制御回路の温度に起因して生じるセンサ制御回路の出力誤差による換算誤差を補正することで、センサ制御回路の温度が変化した場合においても、精度良く空燃比を検出することが可能となる。

ここで、換算誤差の具体的な補正方法としては、請求項１に係る発明のように、補正手段により、センサ制御回路の温度に応じて該センサ制御回路の出力を補正し、補正後の出力を前記換算データにより空燃比に換算するようにすれば、精度良く空燃比を検出することが可能となる。
また、請求項２に係る発明のように、内燃機関の冷却温度を検出する冷却温度検出手段と、内燃機関に供給される吸気温を検出する気温検出手段とを備え、内燃機関の冷却温度及び／または吸気温のパラメータに基づいてセンサ制御回路の温度を推定しても良い。
また、請求項３に係る発明のように、センサ制御回路の温度に応じて前記換算データを補正し、補正後の換算データを用いて前記センサ制御回路の出力を空燃比に換算するようにしても良い。この補正方法を用いても、精度良く空燃比を検出することが可能となる。

なお、請求項３に係る発明において、換算データがマップ（テーブル）で作成されている場合は、マップのデータをセンサ制御回路の温度に応じて補正すれば良く、また、換算データが数式化されている場合は、数式の係数をセンサ制御回路の温度に応じて補正すれば良い。

また、請求項４に係る発明のように、空燃比センサに電流が流れていない状態（以下、「基準状態」という）のときに、センサ制御回路の出力と換算データから得られる基準状態でのセンサ制御回路の出力（以下、「基準出力」という）との誤差を学習し、該誤差に基づいて換算データ又はセンサ制御回路の出力を学習補正手段により補正し、該補正が終了した後に、センサ制御回路の温度に応じて、センサ制御回路の出力誤差による換算誤差を補正すると良い。これにより、センサ制御回路の出力と基準出力との誤差を学習した後に、更にセンサ制御回路の温度に起因する誤差を補正することが可能となるため、空燃比の検出精度を更に向上させることが可能となる。

また、請求項５に係る発明のように、センサ制御回路を、前記空燃比センサに電流が流れる状態から流れない状態に切り替える状態切替手段を備え、該状態切替手段により空燃比センサに電流が流れない状態に切り替えた後に、センサ制御回路の出力と基準出力との誤差を学習すると良い。このように、空燃比センサに電流が流れる状態から流れない状態に切り替えた後に、換算データ又はセンサ制御回路の出力を学習することで、回路特性ばらつき等を要因とする個体差により生じる誤差を精度良く補正することが可能となる。

また、請求項６に係る発明のように、センサ制御回路において、空燃比センサに接続される電流回路にスイッチを設け、スイッチを開くことによって、空燃比センサに電流が流れる状態から流れない状態に切り替えると良い。

この場合、請求項７に係る発明のように、空燃比センサの出力に基づく制御を実行しないときに、センサ制御回路の出力と基準出力との誤差を学習すると良い。これにより、誤差を学習するために、空燃比センサの出力に基づく制御を中止させる必要はなく、空燃比センサの出力に基づく制御を中止させることによるエミッションの悪化等を回避することができる。

また、誤差の学習は、請求項８に係る発明のように、内燃機関に燃料の供給を行わないフューエルカット時、あるいは、請求項９に係る発明のように、空燃比センサの出力とは関係なく燃料噴射制御および／または空気量制御を実行するオープンループ制御実行時に行うようにしても良く、これらの場合でも、上記請求項７と同様に、誤差の学習に伴うエミッションの悪化等を回避することができる。

また、請求項１０に係る発明のように、空燃比センサが活性していないときに、センサ制御回路の出力と基準出力との誤差を学習するようにしても良い。この場合においても、回路特性ばらつき等を要因とする個体差により生じる誤差を精度良く補正することが可能となる。

なお、請求項１１に係る発明のように、基準出力は、換算データから得られる理論空燃比に対応する前記センサ制御回路の出力とすると良い。

［実施形態（１）］
以下、本発明の実施形態（１）を図１〜図７に基づいて説明する。
本実施形態（１）では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）の空燃比（酸素濃度）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、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を実現することができる。以下の説明では、空燃比を必要に応じて「Ａ／Ｆ」と表記して説明する。

まず、始めに排ガスの空燃比をリニアに検出可能なＡ／Ｆセンサの構成について図２を用いて説明する。Ａ／Ｆセンサは、積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２は、センサ素子１０の断面構造を示す。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、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容されている。

センサ素子１０は、固体電解質１１から構成されている。より具体的には、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２の上下に積層されて構成されている。センサ素子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へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガス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。なお、以下の説明では、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極という場合がある。本実施形態（１）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、その周囲の排ガスは拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極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から拡散層側電極１５の向きに電流（正電流）が流れる。また、排ガスがリッチの場合、反対に大気ダクト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、排ガス中の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から大気側電極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が増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐが減少する。

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が増大して、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が減少して、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分の勾配が大きくなった状態となる）。

次に、本発明の主要部であるセンサ制御系の構成について図１を参照しながら説明する。こ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）の検出結果に基づき空燃比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ポート等を備えた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。このマイコン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。

また、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が接続され、該センサ素子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及びスイッチ３５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（図１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に応じて図１のＢ点の電圧が変化する。スイッチ３５がＯＮ（オン）された状態において、排ガスがリーンであれば、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共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、オペアンプ３４及びスイッチ３５を介してＤ点電圧を制御する。但し、ストイキ近傍のみで空燃比検出を行う場合、印加電圧固定とすることも可能である。

また、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。このオペアンプ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（オフ）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の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（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、センサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯをＡ／Ｄポートから取り込み、取り込んだ出力電圧ＡＦＯをＡ／Ｆ値に換算するための換算データ（マップ又は数式等）を用いて、該出力電圧ＡＦＯをＡ／Ｆ値に換算する（この機能が換算手段に相当する）。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。なお、換算データ（マップ又は数式等）は、マイコン２０のＲＯＭ等の不揮発性の記憶手段に記憶されている。

また、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ように指令し、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１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が所定の活性状態に保持されるようになる。

ところで、センサ制御回路３０は、前述したように、抵抗、オペアンプ等の様々な部品により構成されている。このようなセンサ制御回路３０では、センサ制御回路３０の温度に応じてセンサ制御回路３０の抵抗やオペアンプの特性が変わる。図４は、空燃比に対するセンサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯの出力特性の一例を示しており、予め設定された基準の出力特性（基準出力特性）を実線で、基準出力特性に対してセンサ制御回路３０の温度によりずれた出力特性を一点鎖線で示している。センサ制御回路３０の温度が異なると、予め設定された基準出力特性に対してセンサ制御回路３０の出力特性に出力誤差（オフセット）が生じる。このように、出力誤差が生じると、センサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯはその出力誤差分ずれることになり、空燃比の検出精度が悪化する。

そこで、本実施形態（１）では、センサ制御回路３０の温度に応じて生じる出力誤差による空燃比検出精度の低下の問題を解消すべく、かかる出力誤差分の補正を実施している。より具体的には、検出されたセンサ制御回路３０の温度に応じて出力誤差分の補正量を算出し、センサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯを該補正量で補正することで、温度に起因して生じる出力誤差分の補正を行う。なお、図５は、センサ制御回路３０の温度に起因して生じる出力誤差分の補正量が、センサ制御回路３０の温度毎に格納された補正データ（マップ）であり、例えば、ＯＦＦ（０）には、センサ制御回路３０の温度が０℃における基準出力特性に対する出力誤差分の補正量が収納されており、この補正データを用いて、センサ制御回路３０の温度に応じた出力誤差分の補正量を算出する。

以下、図６を用いて、予め設定された基準出力特性に対する出力誤差（オフセット）を補正するプログラムを説明する。このプログラムは、マイコン２０により所定時間毎に起動され、センサ制御回路３０の温度に応じてセンサ制御回路３０の温度に起因して生じるセンサ制御回路３０の出力誤差を補正する補正手段としての役割を果たす。

図６のプログラムが起動されると、まずステップＳ１０１で、センサ制御回路３０の温度を検出する。センサ制御回路３０の温度は、図示しないエンジンＥＣＵの温度と相関関係があるため、エンジンＥＣＵの温度をセンサ制御回路３０の温度として検出する。この場合、エンジンＥＣＵには、温度を検出する温度センサを備えることが必須条件となる。また、エンジン制御回路３０の温度は推定しても良く、例えば、エンジン冷却水の温度をセンサによって検出し、該エンジン冷却水の温度に基づいてセンサ制御回路３０の温度を推定しても良い。また、エンジンの冷間始動時などでは、センサ制御回路３０の温度と吸気温（外気温、または冷却水温）とがほぼ同じとなるため、吸気温等に基づいてセンサ制御回路３０の温度を推定し、始動後の時間経過よって、センサ制御制御回路３０の温度を補正するようにしても良い。

上記ステップＳ１０１で、センサ制御回路３０の温度を検出すると、ステップＳ１０２に進み、基準出力特性に対する出力誤差分の補正量ＯＦＦ（Ｔ）を算出する。このステップＳ１０２では、図５の補正データ（マップ）を用いて、検出されたセンサ制御回路３０の温度Ｔに対応するセンサ制御回路３０の出力特性と基準出力特性との出力誤差分の補正量ＯＦＦ（Ｔ）を算出する。ここで、図５の補正データは、例えば、ベンチテストで（基準となる車両で基準出力特性を検出するとき）、Ａ／Ｆセンサに電流が流れない状態でセンサ制御回路３０に電圧を印加したときの出力（出力電圧）を温度毎に検出し、温度毎に検出されたセンサ制御回路３０の出力に基づいて出力誤差分の補正量を検出するようにすると良い。このようにＡ／Ｆセンサに電流が流れない状態のセンサ制御回路３０の出力を温度毎に検出することで、センサ制御回路３０の温度に起因するセンサ制御回路３０の出力誤差を算出することができ、該出力誤差分による補正量を算出することができる。

次に、ステップＳ１０３で、センサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯを読み込み、次のステップＳ１０４で、読み込んだ出力電圧ＡＦＯを出力誤差分の補正量ＯＦＦ（Ｔ）で補正する。具体的には、ステップＳ１０３で読み込んだ出力電圧ＡＦＯを、ステップＳ１０２で算出された出力誤差分の補正量ＯＦＦ（Ｔ）で減算する。なお、センサ制御回路３０の出力を補正する方法は、上記方法に限定されるものではなく、例えば、センサ制御回路３０の出力に対して出力誤差分の補正量（補正係数）を乗算しても良い。この場合、図５において、出力誤差分の補正量ＯＦＦ（Ｔ）は、センサ制御回路３０の出力に対して出力誤差分の補正量（補正係数）を乗算することで、出力誤差を是正できるような値が設定されることになる。

以上説明したプログラムを実行することによって、以下の効果が得られる。
上述したように、センサ制御回路３０の温度に起因して生じる出力誤差を補正する構成としたため、空燃比の検出精度向上を図ることができる。また、空燃比検出精度の向上により空燃比のストイキ制御精度が向上し、ひいては排気エミッションの改善等を実現することができる。

以下、図７を用いて、上述した図６のプログラムを実行したことによる効果について説明する。
本来、空燃比がストイキで制御されていれば、排ガス中の３成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）の浄化率が高められるが、例えばＡ／Ｆセンサの出力特性がＡ（補正前）となる場合、特にＮＯｘ浄化率が大幅に悪化する。これに対し、上記補正により確実にストイキ制御が実施できれば、Ａ／Ｆセンサの出力特性がＢ（補正後）となり、排ガス中の３成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）について高い浄化率が維持できる。

なお、本実施形態（１）では、センサ制御回路３０の出力（出力電圧）を出力誤差分の補正量で補正するようにしたが、基準出力特性を出力誤差分の補正量で補正しても良い。この場合、例えば、センサ制御回路３０の温度が変化しないようなときに、その温度における出力誤差の補正を１度実行すれば、センサ制御回路３０の出力を逐次補正することなく正確な空燃比を算出することができ、プログラムの演算負荷を低減することが可能となる。

［実施形態（２）］
ところで、Ａ／Ｆセンサとセンサ制御回路３０では、回路特性ばらつき等を要因とする個体差が存在し、この個体差によりセンサ出力精度が低下する。図８は、空燃比に対するセンサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯの出力特性の一例を示しており、図８では、予め設定された基準出力特性を実線で、センサ自体の特性ばらつきや回路特性ばらつき等の個体差の要因で、基準出力特性に対してオフセット誤差を有する出力特性を一点鎖線で示している。図８の場合、基準出力特性によれば、ストイキ状態（Ａ／Ｆ＝１４．７ この場合、Ａ／Ｆセンサに流れる電流はＩｐ＝０ｍＡである）で、ＡＦＯ＝２．２Ｖとなる。これに対し、オフセット誤差が生じると、そのオフセット誤差分だけセンサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯがずれる。

そこで、本実施形態（２）では、マイコン２０によって、センサ制御回路３０の個体差に起因して生じる基準出力特性に対するオフセット誤差を学習（補正）した後に、前記実施形態（１）のセンサ制御回路３０の温度に起因して生じる出力誤差（オフセット）の補正を行うプログラムを実行するものである。

以下、実施形態（１）との相違点について説明する。
図９のプログラムは、マイコン２０によって所定周期で実行され、特許請求の範囲でいう補正手段としての役割を果たす。このプログラムが起動されると、まず、ステップＳ２０１で、センサ制御回路３０の個体差に起因して生じるオフセット誤差の補正が終了しているか否かを検出する。このステップＳ２０１で、センサ制御回路３０の個体差に起因して生じるオフセット誤差の補正が終了していないと判定されると、ステップＳ２０２に進み、後述する個体差に起因して生じるオフセット誤差の補正プログラム（Ａ／Ｆ出力電圧補正プログラム）を実行する。

一方、ステップＳ２０１で、オフセット誤差の補正が既に終了していると判定された場合、または、ステップＳ２０２で、オフセット誤差が補正された場合は、ステップＳ２０３に進み、前記実施形態（１）で説明したセンサ制御回路３０の温度に起因して生じる出力誤差（オフセット）の補正を行う図６のプログラムを実行する。なお、この場合、図６において、センサ制御回路３０の温度に起因して生じる出力誤差分の補正量ＯＦＦ（Ｔ）は、ベンチテスト時に、Ａ／Ｆセンサに電流が流れない状態で、センサ制御回路３０に電圧を印加したときに検出されたセンサ制御回路３０の出力を温度毎にデータ（マップ）として記憶しておき、該データを用いて個体差に起因して生じるオフセット誤差の補正が行われたときに検出されたセンサ制御回路３０の温度におけるセンサ制御回路３０の出力と、その時々に検出されたセンサ制御回路３０の温度おけるセンサ制御回路３０の出力との差分（出力誤差分）を算出し、該差分に基づいて温度に起因して生じる出力誤差分の補正量を算出するようにすると良い。

次に、センサ制御回路３０の個体差に起因して生じるオフセット誤差の補正プログラム（Ａ／Ｆ出力電圧補正プログラム）について説明する。このプログラムは、マイコン２０によって、まず、図１０の個体差に起因して生じるオフセット誤差を算出するプログラムを実行した後に、図１１のオフセット誤差を補正するプログラムを実行する。これらのプログラムが特許請求の範囲でいう学習補正手段に相当する役割を果たす。

まず、図１０のプログラムでは、理論空燃比（ストイキ状態）であるＡ／Ｆ＝１４．７（Ｉｐ＝０ｍＡ）において、その時のセンサ制御回路３０の出力電圧がＡＦＯ＝２．２Ｖとなることから、センサ制御回路３０を強制的にストイキ検出状態（Ａ／Ｆセンサに電流が流れないような状態）とし、かかる状態下でオフセット誤差を求める。具体的には、通常のエンジン運転途中において、オペアンプ３４の出力側に設けたスイッチ３５を一時的にＯＦＦし、その時のセンサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯを計測する。そして、該計測した出力電圧ＡＦＯによりオフセット誤差Ｋ１を算出し、そのオフセット誤差Ｋ１を「補正量」として適宜用いる。なお、スイッチ３５をＯＮした状態が通常状態に相当し、スイッチ３５をＯＦＦした状態がセンサ制御回路３０のオフセット誤差分を検出する状態に相当する。

図１０において、先ずステップＳ３０１では、オフセット誤差Ｋ１の学習タイミングであるか否かを判別する。この学習タイミングは、センサ制御回路３０を一時的にストイキ検出状態としてオフセット誤差Ｋ１を学習するタイミングであり、例えば、Ａ／Ｆセンサの出力に基づいて空燃比制御（吸気量制御、燃料噴射制御）を行わない状態（オープンループ制御状態）を学習タイミングとして設定すると良い。また、例えば、Ａ／Ｆセンサの活性前、燃料カット中などで学習タイミングを設定しても良い。ここでは、データの更新（補正）を行う処理を「学習」と言う。なお、更にデータを更新して保存する処理を「学習」としても良い。

学習タイミングである場合、ステップＳ３０２に進み、スイッチ３５に対して切替信号を出力し、当該スイッチ３５を所定時間（例えば５ｍｓｅｃ程度）だけＯＦＦする。次に、ステップＳ３０３に進み、その時のセンサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯを取り込む。

この後、ステップＳ３０４に進み、上記ステップＳ３０３で読み込んだ出力電圧ＡＦＯと予め設定された出力電圧Ｖｓｔとからオフセット誤差Ｋ１を算出する。
Ｋ１＝ＡＦＯ−Ｖｓｔ

なお、出力電圧Ｖｓｔは、理論空燃比（ストイキ状態）で出力されるべきセンサ制御回路３０の基準出力（基準出力電圧）であり、本実施形態（２）では、Ｖｓｔ＝２．２Ｖである。この後、ステップＳ３０５に進み、オフセット誤差Ｋ１をスタンバイＲＡＭに格納する。一方、ステップＳ３０１で、学習タイミングの条件が成立していないと判定されれば、このフローチャートを終了する。

次に、図１１を用いて、センサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯの個体差に起因して生じるオフセット誤差分で補正するプログラムについて説明する。

図１１において、まずステップＳ４０１で、センサ制御回路３０の出力電圧と予め設定された出力電圧との誤差（オフセット誤差Ｋ１）が算出（学習）されているか否かを判定し、まだ、オフセット誤差Ｋ１が算出されていなければ、このフローチャートを終了する。

このステップＳ４０１で、オフセット誤差の算出が終了していると判定されれば、ステップＳ４０２に進み、この時のセンサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯを取り込む。続くステップＳ４０３で、出力電圧ＡＦＯをオフセット誤差Ｋ１で補正する。
ＡＦＯ＝ＡＦＯ−Ｋ１
このようにして、算出された補正後の出力電圧ＡＦＯにより空燃比フィードバック制御等が実施される。なお、補正後の出力電圧ＡＦＯを学習しても良い。

また、図１１のプログラムでは、センサ制御回路３０を強制的にストイキ検出状態としたときの基準出力特性に対するオフセット誤差Ｋ１で、センサ制御回路３０の出力電圧ＡＦＯを補正するようにしたが、基準出力特性の出力電圧をオフセット誤差Ｋ１で補正しても良い。この場合、基準出力特性の出力電圧にオフセット誤差Ｋ１を加算することになる。つまり、図８において、実線の基準出力特性を、一点鎖線のセンサ制御回路３０の出力特性に合わせるように補正することになる。また、センサ制御回路３０を強制的にストイキ検出状態とする構成を備えるようにしたが、Ａ／Ｆセンサが活性していない状態のときにも、Ａ／Ｆセンサに電流が流れない状態（Ｉｐ＝０ｍＡ）となるため、上記構成（図１のスイッチ３５）を設けずＡ／Ｆセンサが活性していない状態のときに上記補正を行っても良い。なお、エンジンの冷間始動時など、エンジン温度が低い状態のときは、Ａ／Ｆセンサは活性状態になっていないため、このような状態のときに実行しても良い。

また、上記実施形態（２）でセンサ制御回路３０を強制的にストイキ検出状態とする構成は、図１に限定するものでなく、Ａ／Ｆセンサに電流が流れない状態となるような構成であれば良い。

以上説明した本実施形態（２）では、センサ制御回路３０の回路特性ばらつき等を要因とする個体差により生じるオフセット誤差を学習（補正）した後に、センサ制御回路３０の温度に起因して生じる出力誤差（オフセット）の補正を行うようにした。これにより、個体差により生じるセンサ制御回路３０の出力の誤差（オフセット誤差）と、センサ制御回路３０の温度に起因して生じるセンサ制御回路３０の出力の誤差（出力誤差）との両方を補正することができるため、精度の良い空燃比を検出することが可能となる。

また、本実施形態（２）において、センサ制御回路３０の個体差に起因して生じるオフセット誤差の補正は、エンジン始動時に行うようにすると良い。この場合、エンジン始動後の早い段階で、個体差とセンサ制御回路３０の温度に起因して生じるセンサ制御回路３０の出力の誤差（オフセット誤差、出力誤差）を補正することが可能となるため、精度の良い空燃比の検出を図ることができる。また、エンジン始動後の早い段階から、空燃比検出精度の向上により空燃比のストイキ制御精度が向上し、ひいては排気エミッションの改善等を実現することができる。

また、Ａ／Ｆセンサは、エンジンから排出される排ガスの空燃比を検出するだけではなく、エンジンに供給されるガスの空燃比を検出するようにしても良い。

本発明の実施形態におけるセンサ制御回路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（空燃比センサ）の出力特性を示す図である。 センサ制御回路の出力特性を示す図である。 センサ制御回路と出力誤差分の補正量との関係を示す図である。 実施形態（１）において出力誤差を補正するプログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 ガソリンエンジンの排ガス浄化特性を示す図である。 センサ制御回路の出力特性を示す図である。 実施形態（２）において出力誤差を補正するプログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態（２）においてオフセット誤差算出処理のプログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態（２）においてＡ／Ｆ出力電圧補正処理のプログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０…センサ素子
１１…固体電解質
２０…マイコン（換算手段，補正手段，学習補正手段）
３０…センサ制御回路
３２…電流検出抵抗
３４…オペアンプ
３５…スイッチ

Claims (11)

1. ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記空燃比センサに電圧を印加した時に流れる電流を検出し、該検出電流に対応する出力を発生するセンサ制御回路と、
   前記センサ制御回路の出力を空燃比に換算するための換算データを用いて前記センサ制御回路の出力を空燃比に換算する換算手段とを備えた空燃比検出装置において、
   前記センサ制御回路の温度を検出または推定する温度検出手段を備え、
   前記換算手段は、前記温度検出手段により検出または推定された前記センサ制御回路の温度に応じて、前記センサ制御回路の温度に起因して生じる前記センサ制御回路の出力誤差による換算誤差を補正する補正手段を含み、前記補正手段により前記センサ制御回路の温度に応じて該センサ制御回路の出力を補正し、補正後の出力を前記換算データにより空燃比に換算することを特徴とする空燃比検出装置。
2. ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記空燃比センサに電圧を印加した時に流れる電流を検出し、該検出電流に対応する出力を発生するセンサ制御回路と、
   前記センサ制御回路の出力を空燃比に換算するための換算データを用いて前記センサ制御回路の出力を空燃比に換算する換算手段とを備えた空燃比検出装置において、
   前記センサ制御回路の温度を検出または推定する温度検出手段と、
   前記内燃機関の冷却温度を検出する冷却温度検出手段と、
   前記内燃機関に供給される吸気温を検出する気温検出手段とを備え、
   前記温度検出手段は、前記内燃機関の冷却温度及び／または前記吸気温に基づいて前記センサ制御回路の温度を推定し、
   前記換算手段は、前記温度検出手段により推定された前記センサ制御回路の温度に応じて、前記センサ制御回路の温度に起因して生じる前記センサ制御回路の出力誤差による換算誤差を補正する補正手段を含むことを特徴とする空燃比検出装置。
3. 前記換算手段は、前記補正手段により前記センサ制御回路の温度に応じて前記換算データを補正し、補正後の換算データを用いて前記センサ制御回路の出力を空燃比に換算することを特徴とする請求項２に記載の空燃比検出装置。
4. 前記空燃比センサに電流が流れていない状態（以下、「基準状態」という）のときに、前記センサ制御回路の出力と前記換算データから得られる基準状態でのセンサ制御回路の出力（以下、「基準出力」という）との誤差を学習し、該誤差に基づいて前記換算データ又は前記センサ制御回路の出力を補正する学習補正手段を含み、
   前記補正手段は、前記学習補正手段により前記換算データ又は前記センサ制御回路の出力を補正した後に、前記温度検出手段により検出または推定された前記センサ制御回路の温度に応じて、前記センサ制御回路の出力誤差による換算誤差を補正することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の空燃比検出装置。
5. 前記センサ制御回路を、前記空燃比センサに電流が流れる状態から流れない状態に切り替える状態切替手段を備え、
   前記学習補正手段は、前記状態切替手段により前記空燃比センサに電流が流れない状態に切り替えた後に、前記センサ制御回路の出力と前記基準出力との誤差を学習することを特徴とする請求項４に記載の空燃比検出装置。
6. 前記センサ制御回路において、前記空燃比センサに接続される電流回路にスイッチを設け、
   前記状態切替手段は、前記スイッチを開くことによって、前記空燃比センサに電流が流れる状態から流れない状態に切り替えることを特徴とする請求項５に記載の空燃比検出装置。
7. 前記学習補正手段は、前記空燃比センサの出力に基づく制御を実行しないときに、前記センサ制御回路の出力と前記基準出力との誤差を学習することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１つに記載の空燃比検出装置。
8. 前記空燃比センサの出力に基づく制御を実行しないときとは、内燃機関に燃料の供給を行わないフューエルカット時であることを特徴とする請求項７に記載の空燃比検出装置。
9. 前記空燃比センサの出力に基づく制御を実行しないときとは、前記空燃比センサの出力とは関係なく燃料噴射制御および／または空気量制御を実行するオープンループ制御実行時であることを特徴とする請求項７に記載の空燃比検出装置。
10. 前記学習補正手段は、前記空燃比センサが活性していないときに、前記センサ制御回路の出力と前記基準出力との誤差を学習することを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１つに記載の空燃比検出装置。
11. 前記基準出力は、前記換算データから得られる理論空燃比に対応する前記センサ制御回路の出力であることを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか１つに記載の空燃比検出装置。

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