JP6268874B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関するものである。

例えば車両用エンジンでは、同エンジンから排出される排気を検出対象として酸素濃度を検出する起電力出力型のガスセンサが一般に用いられている。このガスセンサは、排気の空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力信号を出力する起電力セルを有するものであり、具体的には、空燃比がリッチであれば約０．９Ｖの起電力信号を出力し、空燃比がリーンであれば約０Ｖの起電力信号を出力する。

こうしたガスセンサでは、排気の空燃比がリッチ／リーンで変化する際に実際の空燃比変化に対してセンサ出力が遅れを伴い変化することが問題視されており、その出力特性を改善すべく種々の技術が提案されている。

例えば特許文献１のガスセンサ制御装置では、一対のセンサ電極の少なくともいずれかに定電流回路を接続する構成とし、ガスセンサの出力特性を変更する変更要求が有ると判定された場合に、その変更要求に基づいて定電流の向きを決定するとともに、該決定した向きで定電流が流れるように定電流回路を制御するようにしている。そして、その定電流の供給により、ガスセンサの出力特性を好適に制御するようにしている。

特開２０１２−６３３４５号公報

ところで、ガスセンサにおいては、センサ素子（起電力セル）の温度に依存してセンサ素子の抵抗値（素子抵抗）が変化し、エンジンの冷間始動時や、エンジンの燃料カットに伴う排気温の低下時には、センサ素子の温度低下に伴い素子抵抗が大きくなる。この場合、素子抵抗が大きくなると、一定の定電流を流した状態下であってもセンサ素子に印加される電圧（＝素子抵抗×定電流）が大きくなる。そして、これに起因して空燃比のリッチ判定やリーン判定の精度が低下するという問題が生じる。

より具体的には、ガスセンサの起電力出力が取り込まれるマイコンでは、ストイキ値（０．４５Ｖ）よりもリッチ側の第１判定値（例えば０．６Ｖ）と、ストイキ値（０．４５Ｖ）よりもリーン側の第２判定値（例えば０．３Ｖ）とがあらかじめ定められており、起電力出力が第１判定値よりも大きければ、空燃比がリッチであると判定され、起電力出力が第２判定値よりも小さければ、空燃比がリーンであると判定されるようになっている。この場合に、意図しない素子抵抗の変化によりセンサ印加電圧（＝素子抵抗×定電流）が大きくなると、リッチ判定（又はリーン判定）がなされる空燃比のばらつきが大きくなり、結果として空燃比の判定精度が低下する。これは、ガスセンサの出力特性において起電力出力が急変する急変部分でなく、それよりもリッチ側、リーン側の安定部分で空燃比のリッチ判定やリーン判定が行われてしまうことに起因する。それゆえに、空燃比の判定精度を確保することに関して改善の余地があると考えられる。

本発明は、ガスセンサに対して定電流を供給している状態下において適正なる空燃比判定を実施することができるガスセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体（３２）と該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力の信号を出力するガスセンサ（１７）に適用される。そして、前記起電力セルに所定の定電流を供給する定電流供給手段（４３）と、前記起電力セルの抵抗値を算出する抵抗値算出手段（４１）と、前記起電力セルの起電力出力と所定の判定値との比較に基づいて、空燃比がリッチ、リーン、ストイキの少なくともいずれであるかを判定する空燃比判定手段（４１）と、前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値に基づいて、前記定電流供給手段により供給される定電流を制御する電流制御手段（４１）と、を備えることを特徴とする。

起電力セルに定電流を供給した状態では、起電力セルの出力特性がリッチ側及びリーン側のいずれかにシフトする。またこのとき、センサ起電力について「素子抵抗（起電力セルの抵抗値）×定電流」分の電圧変化が生じることになり、出力特性がリッチ側にシフトする場合には負側に「素子抵抗×定電流」分の電圧変化が生じ、出力特性がリーン側にシフトする場合には正側に「素子抵抗×定電流」分の電圧変化が生じる。かかる場合において、意図しない素子抵抗の変化により電圧変化量が想定よりも大きくなると、空燃比判定の精度が低下する。

この点、上記構成によれば、起電力セルに供給される定電流を、起電力セルの抵抗値に基づいて制御するようにしたため、空燃比判定の精度が意図せず低下するといった不都合を抑制できる。つまり、素子抵抗が大きくなることに起因する電圧変化量の増加を、定電流を小さくすることで抑制することができる。これにより、空燃比の判定精度の低下を抑制できる。その結果、ガスセンサに対して定電流を供給している状態下において適正なる空燃比判定を実施することができる。

エンジン制御システムの全体を示す概略構成図。 センサ素子の断面構成とセンサ制御部の概略構成とを示す図。 空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。 センサ素子におけるガス成分の反応を説明するための概略図。 空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。 センサ制御部の構成を示す図。 起電力出力と定電流供給との関係を示す起電力特性図。 定電流制御の処理手順を示すフローチャート。 素子抵抗算出の処理手順を示すフローチャート。 素子抵抗と電流補正値との関係を示す図。 定電流制御の処理手順を示すフローチャート。 素子抵抗の偏差と電流補正値との関係を示す図。

以下、本発明のガスセンサ制御装置を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、車載エンジン（内燃機関）の排気管に設けられたガスセンサを用い、そのガスセンサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施するエンジン制御システムについて説明する。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。図１は、本システムの全体概要を示す構成図である。

図１において、エンジン１０は、例えばガソリンエンジンであり、電子制御式のスロットルバルブ１１や、燃料噴射弁１２、点火装置１３等を備えている。エンジン１０の排気管１４（排気部）には排気浄化装置としての触媒１５ａ，１５ｂが設けられている。触媒１５ａ，１５ｂは、例えばいずれも三元触媒よりなり、そのうち触媒１５ａが上流側触媒としての第１触媒、触媒１５ｂが下流側触媒としての第２触媒である。三元触媒は、周知のとおり排気の有害三成分であるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（ＮＯ等の窒素酸化物）を浄化するものであり、ハニカム状、格子状等をなすセラミックス製の担体に白金、パラジウム、ロジウム等の金属を担持させることで構成されている。この場合、三元触媒ではリッチ成分であるＣＯ、ＨＣが酸化作用により浄化され、リーン成分であるＮＯｘが還元作用により浄化される。

第１触媒１５ａの上流側にはＡ／Ｆセンサ１６が設けられ、触媒１５ａ，１５ｂの間（第１触媒１５ａの下流側でかつ第２触媒１５ｂの上流側）にはＯ2センサ１７が設けられている。Ａ／Ｆセンサ１６は、排気の空燃比に略比例するＡ／Ｆ信号を出力する。また、Ｏ2センサ１７は、排気の空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力する。

その他、本システムには、スロットルバルブ１１の開度を検出するスロットル開度センサ２１や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ２２、エンジン１０の吸入空気量を検出する空気量センサ２３、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２４等の各種センサが設けられている。図示は省略するが、上記以外に、気筒内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサ、アクセル開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ、エンジン潤滑油の温度を検出する油温センサ等が設けられている。これらの各センサが運転状態検出手段に相当する。

ＥＣＵ２５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（マイコン）を主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ２５は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁１２や点火装置１３の駆動を制御する。

特に燃料噴射量制御に関して、ＥＣＵ２５は、第１触媒上流側のＡ／Ｆセンサ１６の検出信号と、第１触媒下流側のＯ2センサ１７の検出信号とに基づいて空燃比フィードバック制御を実施することとしている。すなわち、ＥＣＵ２５は、Ａ／Ｆセンサ１６により検出される実空燃比（触媒上流側の実空燃比）が、エンジン運転状態に基づいて設定される目標空燃比になるようにメインフィードバック制御を実施するとともに、Ｏ2センサ１７により検出される実空燃比（触媒下流側の実空燃比）が、目標空燃比になるようにサブフィードバック制御を実施する。サブフィードバック制御では、例えば、触媒下流側の実空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、メインフィードバック制御の目標空燃比を修正したり同メインフィードバック制御のフィードバック補正量を修正したりする。空燃比制御として、ＥＣＵ２５は、例えば目標空燃比をストイキ（理論空燃比）又はその付近とするストイキフィードバック制御を実施する。

次に、第１触媒下流側のＯ2センサ１７についてその構成を説明する。Ｏ2センサ１７はコップ型構造のセンサ素子３１を有しており、図２にはセンサ素子３１の断面構成を示す。実際には当該センサ素子３１は素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっており、エンジン排気管内に配設されている。センサ素子３１が起電力セルに相当する。

センサ素子３１において、固体電解質層３２は断面コップ状に形成されており、その外表面には排気側電極３３が設けられ、内表面には大気側電極３４が設けられている。これら各電極３３，３４は固体電解質層３２の表面に層状に設けられている。固体電解質層３２は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3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。また、各電極３３，３４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。各電極３３，３４が一対の対向電極（センサ電極）となっている。固体電解質層３２にて囲まれる内部空間は大気室３５（基準室）となっており、その大気室３５内にはヒータ３６が収容されている。ヒータ３６は、センサ素子３１を活性化するに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子全体が加熱される。Ｏ2センサ１７の活性温度は、例えば５００〜６５０℃程度である。なお、大気室３５は、大気が導入されることでその内部が所定酸素濃度に保持されている。

上記センサ素子３１では、固体電解質層３２の外側（電極３３側）が排気雰囲気、同内側（電極３４側）が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極３３，３４間で起電力が発生する。つまり、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力が発生する。この場合、基準側電極である大気側電極３４からすれば、排気側電極３３の側は酸素が低濃度であり、センサ素子３１において大気側電極３４を正側、排気側電極３３を負側として起電力が発生する。これにより、Ｏ2センサ１７は、排気の酸素濃度（すなわち空燃比）に応じた起電力信号を出力する。

図３は、排気の空燃比とセンサ素子３１の起電力との関係を示す起電力特性図である。図３において、横軸は空気過剰率λであり、λ＝１がストイキ（理論空燃比）である。センサ素子３１は、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、ストイキ付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、リッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、リーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。また、図３に示す起電力特性（Ｏ2センサ１７の出力特性）では、ストイキ近傍において起電力が急変する電圧急変部分と、その両側において起電力が略一定となる電圧安定部分とを有していると言える。

図２において、センサ素子３１にはセンサ制御部４０が接続されており、排気の空燃比（酸素濃度）に応じてセンサ素子３１にて起電力が発生すると、その起電力に相当するセンサ検出信号（起電力信号）がセンサ制御部４０内のマイコン４１に対して出力される。マイコン４１はセンサ素子３１の起電力信号に基づいて空燃比を算出する。センサ制御部４０は、図１に示すＥＣＵ２５内に設けられている。なお、ＥＣＵ２５においては、エンジン制御機能とセンサ制御機能とを有する演算手段としてマイコン４１が設けられている。この場合、マイコン４１は、上述した各種センサの検出結果に基づいて、エンジン回転速度や吸入空気量を算出する。ただし、ＥＣＵ２５において、エンジン制御用のマイコンとセンサ制御用のマイコンとが別々に設けられる構成であってもよい。

また、マイコン４１は、センサ素子３１の活性状態の判定を行うとともに、その判定結果に基づき、ヒータ駆動回路４２を通じてヒータ３６の駆動を制御する。

また本実施形態では、Ｏ2センサ１７の出力特性を変更すべく、センサ素子３１において一対の電極３３，３４の間に所定の定電流を供給する構成（酸素ポンピングを実施する構成）としており、その出力特性の変更により空燃比フィードバック制御における排気エミッションの低減効果を高めるようにしている。定電流を流すことでセンサ出力特性が変更される原理は以下のとおりである。

図４に示すように、Ｏ2センサ１７の排気側電極３３の付近には、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2がそれぞれ存在しており、その状況下で、固体電解質層３２を通じて大気側電極３４から排気側電極３３に酸素イオンが移動するように、センサ素子３１に電流を流す。すなわち、センサ素子３１において酸素ポンピングを実施する。この場合、排気側電極３３では、固体電解質層３２を通じて排気側電極３３の側に移動した酸素がＣＯ、ＨＣと反応し、ＣＯ2やＨ2Ｏが生成される。これにより、排気側電極３３の付近におけるＣＯ、ＨＣが除去され、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点がリッチ側にシフトする。つまり、図５に示すように、空気過剰率λと起電力との関係を示すセンサ出力特性が全体的にリッチ側にシフトし、それに伴い、起電力がストイキ値（０．４５Ｖ）となるλ点がリッチ側にシフトする。

次に、Ｏ2センサ１７に関する制御を実施するセンサ制御部４０の構成を説明する。センサ制御部４０の構成は図２に示すとおりであり、センサ制御部４０は、制御手段としてのマイコン４１を備えている。マイコン４１はセンサ素子３１から出力される起電力信号をＡ／Ｄ変換器等を介して取り込み、その起電力信号に基づいて排気の空燃比（特に触媒下流の空燃比）を算出する。また、センサ素子３１の大気側電極３４とマイコン４１とを電気的に接続する電気経路の途中には定電流供給手段としての定電流回路４３が接続されている。定電流回路４３は、センサ素子３１が起電力を発生する際において、そのセンサ起電力が印加され、その起電力に応じた電流をセンサ素子３１に流すものとなっている。この場合、定電流回路４３によれば、センサ素子３１において固体電解質層３２を通じて排気側電極３３から大気側電極３４に向けて電流が流れることになり、それに伴い固体電解質層３２において大気側電極３４から排気側電極３３に向けて酸素イオンが移動する。

センサ制御部４０の定電流回路４３及びその周辺回路についてより詳細な構成を図６で説明する。

図６において、定電流回路４３は、所定の定電圧を生成する電圧生成部５１と、オペアンプ５２と、オペアンプ５２の出力により駆動されるｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ５３と、ＭＯＳＦＥＴ５３のソースに接続された抵抗５４とを備えている。電圧生成部５１は、定電圧源５１ａ（例えば５Ｖ）と抵抗５１ｂ，５１ｃとが直列接続されて構成されており、抵抗５１ｂ，５１ｃの中間点が電圧出力点Ｘ１となっている。そして、オペアンプ５２においてはその＋入力端子が電圧出力点Ｘ１に接続されるとともに、出力端子がＭＯＳＦＥＴ５３のゲートに接続されている。また、−入力端子がＭＯＳＦＥＴ５３と抵抗５４との間の中間点Ｘ２に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ５３からすれば、ゲートがオペアンプ５２の出力端子に接続され、ドレインがセンサ素子３１の大気側電極３４に接続され、ソースが抵抗５４に接続されている。

上記構成の定電流回路４３では、オペアンプ５２の＋入力端子の電圧と−入力端子の電圧とが等しくなるように動作するため、Ｘ２の電圧がＸ１の電圧に等しくなる。そして、センサ素子３１、ＭＯＳＦＥＴ５３及び抵抗５４からなる直列回路には、Ｘ２の電圧と抵抗５４の抵抗値とにより決定される電流量の定電流Ｉｃｓが流れる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ５３は、＋及び−の入力電圧の差に基づくオペアンプ出力電圧に応じて動作し、一定の定電流Ｉｃｓを流す電流制御素子として機能する。

ここで、Ｘ１及びＸ２の電圧や抵抗５４の抵抗値は、センサ素子３１に起電力が生じる場合にそのセンサ素子３１に流したい電流量に応じて決定されるとよい。具体的には、センサ素子３１に起電力（０〜０．９Ｖ）が生じる場合にそのセンサ素子３１に０．１ｍＡの電流を流すのであれば、例えばＸ１及びＸ２の電圧を１０ｍＶ、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする。また、０．２ｍＡの電流を流すのであれば、例えばＸ１及びＸ２の電圧を２０ｍＶ、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする。電流量の範囲を０．１〜２．０ｍＡにするのであれば、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする場合に、Ｘ１及びＸ２の電圧を１０ｍＶ〜２００ｍＶの範囲で設定するとよい。

上記構成の定電流回路４３を用いたセンサ制御部４０では、センサ素子３１において起電力が生じる場合に、その起電力を電源として（換言すればセンサ素子３１を電池として）ＭＯＳＦＥＴ５３及び抵抗５４に所定の定電流Ｉｃｓが流れる。これにより、Ｏ2センサ１７の出力特性の変更が可能となっている。

本実施形態においては、定電流回路４３により供給される定電流Ｉｃｓがマイコン４１からの指令に基づいて変更可能となっており、都度の状況に応じて定電流Ｉｃｓを増加又は減少させることが可能となっている。具体的には、例えばマイコン４１の指令に応じて抵抗５１ｂ，５１ｃの抵抗比率を変更することで、Ｘ点の電圧値が変更され、それに伴い定電流Ｉｃｓが変更される。

また、センサ素子３１の排気側電極３３には電流検出用のシャント抵抗５５の一端側が接続されており、そのシャント抵抗５５の他端側には電圧回路５７が接続されている。シャント抵抗５５に流れる電流は電流検出部５６により検出され、その検出信号がマイコン４１に対して逐次出力される。電流検出部５６は、例えばオペアンプ等を用いてなる差動増幅回路により構成されるとよい。なお前述の図２では、センサ制御部４０において、シャント抵抗５５や電圧回路５７等の構成（定電流回路４３、ヒータ駆動回路４２以外の構成）について図示が省略されている。

電圧回路５７は、排気側電極３３に正電圧を印加するためのものであって、定電流回路４３において電流が流れ出す側の電位（抵抗５４の接地点側の電位）に対して、排気側電極３３の電位を所定電位だけ高くするオフセット電圧回路である。電圧回路５７は、所定のオフセット電圧を生成する分圧回路を有しており、分圧回路の中間点がオフセット電圧点Ｘ３となっている。オフセット電圧点Ｘ３の電圧は、例えば２．０Ｖである。

センサ素子３１の大気側電極３４には電圧切替回路５９が接続されている。この電圧切替回路５９は、マイコン４１からの指令によりセンサ素子３１の印加電圧を一時的に掃引変化させるものであり、その電圧変化に伴う電流変化量を電流検出部５６で検出することにより、センサ素子３１の抵抗値（素子抵抗）の検出が可能となっている。なお、素子抵抗の検出は所定の周期で（すなわち所定時間毎に）実施され、その実施時にセンサ印加電圧の掃引変化が付与される。印加電圧を掃引変化させる際には、センサ印加電圧を正側にのみ変化させる他、正負両側に変化させるようにしてもよい。また、素子抵抗の算出においては、電圧を掃引変化させることに代えて電流を掃引変化させ、その時の電圧変化量に基づいて素子抵抗を算出することも可能である。

また、センサ制御部４０においてヒータ駆動回路４２は、ヒータ３６の通電をオン／オフするスイッチング素子４２ａを有している。センサ素子３１においては、スイッチング素子４２ａのオン／オフによりヒータ通電状態が制御され、それによりセンサ素子３１が所定の活性状態（活性温度５００〜６５０℃となる状態）に維持されるようになっている。マイコン４１によるヒータ通電の制御について簡単に説明すると、センサ素子３１の活性前には、早期活性化を図るべくスイッチング素子４２ａが常時オンされ、最大電力によりヒータ３６が加熱される（いわゆる全通電制御が実施される）。また、センサ素子３１の活性後は、素子抵抗の目標値と実際値（算出値）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（スイッチング素子４２ａのオン／オフ）が行われる。

ところで、本実施形態の空燃比制御においては、センサ素子３１の起電力出力と所定の判定値との比較に基づいて、空燃比（触媒下流側の空燃比）がリッチ、リーン、ストイキの少なくともいずれであるかを判定するようにしている。具体的には、空燃比のリッチ／リーンを判定するための判定値として、センサ起電力のストイキ値よりもリッチ側の第１判定値Ｖ１と、同ストイキ値よりもリーン側の第２判定値Ｖ２とが定められており、マイコン４１は、起電力出力が第１判定値Ｖ１よりも大きければ、空燃比がリッチであると判定し、起電力出力が第２判定値Ｖ２よりも小さければ、空燃比がリーンであると判定する。第１判定値Ｖ１は例えば０．６Ｖであり、第２判定値Ｖ２は例えば０．３Ｖである。そして、マイコン４１は、これらの判定値Ｖ１，Ｖ２により規定されるストイキ近傍範囲にて触媒下流側の空燃比を制御するようにしている。

上記の空燃比判定を実施する場合における起電力出力と定電流供給との関係について図７により説明する。図７では、Ｏ2センサ１７の出力特性について、定電流Ｉｃｓが供給されていない状態の出力特性をＬ１とし、定電流Ｉｃｓが供給されている状態の出力特性をＬ２，Ｌ３としている。また、エンジン１０の冷間始動時や燃料カット時にセンサ素子３１が低温状態になっていると、素子抵抗が大きくなり、その素子抵抗の上昇に伴うセンサ印加電圧の変化により起電力の値が負側に変化する。そしてそれを加味した上で、定電流Ｉｃｓが供給されている状態の出力特性Ｌ２，Ｌ３のうち、Ｌ２により、抵抗上昇が生じていないＯ2センサ１７の出力特性（通常特性）が示され、Ｌ３により、抵抗上昇が生じているＯ2センサ１７の出力特性が示されている。なお、図７では説明の便宜上、出力特性線を直線的に示している。

出力特性Ｌ２においては、出力特性Ｌ１（電流無しの特性）に対して定電流Ｉｃｓと素子抵抗とに相当する分だけ特性変化が生じている。また、出力特性Ｌ３においては、出力特性Ｌ２（通常特性）に対してさらに素子抵抗の増加に相当する分の特性変化が生じている。そして、各判定値Ｖ１，Ｖ２により判定されるストイキ近傍範囲の幅は、出力特性Ｌ１ではＷ１、出力特性Ｌ２ではＷ２、出力特性Ｌ３ではＷ３となっている。この場合、出力特性Ｌ２については、基本特性である出力特性Ｌ１と略同じ幅でストイキ近傍範囲の判定がなされるのに対し、出力特性Ｌ３については、出力特性Ｌ２よりも大きい幅で（言うなれば、ばらつきが大きい状態で）ストイキ近傍範囲の判定がなされるようになっている（Ｗ３＞Ｗ２となっている）。これは、意図しない素子抵抗の変化に起因して、電圧変化量が想定よりも大きくなっている状態であると言え、かかる状態下では空燃比判定の精度が低下する。なお、図７では出力特性がリッチ側にシフトする場合を示しているため、その出力特性には負側に電圧変化が生じているが、出力特性がリーン側にシフトする場合には正側に電圧変化が生じるものとなっている。

ちなみに、前述のとおりＯ2センサ１７の出力特性は、ストイキ近傍において起電力が急変する電圧急変部分と、その両側において起電力が略一定となる電圧安定部分とを有していると言え（図３参照）、出力特性Ｌ１，Ｌ２についてはリッチ／リーンの各判定の両方が電圧急変部分にて行われるのに対し、出力特性Ｌ３についてはリッチ／リーンの各判定のうち一方が電圧急変部分、他方が電圧安定部分にて行われる。

上記のようにセンサ素子３１に定電流Ｉｃｓが供給されている状態で、センサ素子３１が低温状態になることに伴い意図しない素子抵抗の上昇が生じると、リッチ判定（又はリーン判定）がなされる空燃比のばらつきが大きくなり、結果として空燃比の判定精度が低下する。

そこで本実施形態では、素子抵抗Ｒａを逐次算出するとともに、センサ素子３１に供給される定電流Ｉｃｓを素子抵抗Ｒａに基づいて制御（補正）し、それにより、空燃比判定の精度低下を抑制することとしている。

図８は定電流制御の処理手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４１により所定周期で繰り返し実施される。

図８において、ステップＳ１１では、今現在、定電流回路４３による定電流の供給状態であるか否かを判定し、続くステップＳ１２では、今現在、エンジン１０の冷間始動時又は燃料カット時であるか否かを判定する。そして、ステップＳ１１，Ｓ１２のいずれかがＮＯであれば本処理を一旦終了し、ステップＳ１１，Ｓ１２が共にＹＥＳであれば後続のステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、今現在の定電流Ｉｃｓと素子抵抗Ｒａとを取得する。なお、定電流Ｉｃｓは、複数の値（例えば０．１ｍＡ、０．２ｍＡ等）で切替が可能であってもよい。例えば、エンジン運転状態等に応じて定電流Ｉｃｓを可変に設定する構成とする。つまり、エンジン運転状態が変わると、それに応じて排気中のリッチ成分の量が変わる。具体的には、エンジン回転速度が大きくなるほど、又はエンジン負荷が大きくなるほど、排気中のリッチ成分の量が増える。この場合、排気エミッションに関する性能として所望の性能を維持するには、エンジン運転状態に基づいて、センサ素子３１に流す電流（定電流回路４３の定電流Ｉｃｓ）を可変に制御することが望ましい。例えば、エンジン回転速度が大きいほど、又はエンジン負荷が大きいほど、定電流Ｉｃｓを大きくする。

また、素子抵抗Ｒａはマイコン４１により所定周期で算出されているとよく、例えば図９の処理により算出される。図９では、ステップＳ２１で素子抵抗の算出タイミングであるか否かを判定し、算出タイミングであればステップＳ２２に進む。素子抵抗の算出間隔は例えば１２８ｍｓｅｃである。ステップＳ２２では、電圧切替回路５９により一時的にセンサ印加電圧の切替を実施し、ステップＳ２３では、その電圧変化に応じて生じる電流変化量を算出する。さらにステップＳ２４では、ステップＳ２３で算出した電流変化量に基づいて素子抵抗Ｒａを算出する。

図８の説明に戻り、ステップＳ１４では、素子抵抗Ｒａに基づいて、定電流Ｉｃｓを減補正するための電流補正値Ｋｉを設定する。このとき、例えば図１０（ａ）の関係を用いて電流補正値Ｋｉが設定される。図１０（ａ）によれば、素子抵抗ＲａがＡ１以上となる場合に、素子抵抗Ｒａが大きいほど、電流補正値Ｋｉが大きい値として設定される。つまり、素子抵抗ＲａがＡ１未満であれば、定電流Ｉｃｓが減補正されないが、素子抵抗ＲａがＡ１以上であれば、定電流Ｉｃｓが減補正されるようになっている。このＡ１は、ヒータ通電制御における目標素子抵抗、又はそれ近傍の抵抗値であるとよい。また、定電流Ｉｃｓが可変に設定される構成では、図１０（ｂ）に示すように、素子抵抗Ｒａと定電流Ｉｃｓとに基づいて電流補正値Ｋｉが設定されるとよい。図１０（ｂ）によれば、定電流Ｉｃｓの減補正を行うか行わないかの基準となる素子抵抗Ｒａが定電流Ｉｃｓに応じて異なり（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）、定電流Ｉｃｓが大きいほど基準の素子抵抗Ｒａが小さくなっている。また、素子抵抗Ｒａが同じである場合には、定電流Ｉｃｓが大きいほど、電流補正値Ｋｉが大きい値として設定される。

ここで、定電流Ｉｃｓの制御は、センサ出力特性の電圧急変部分と電圧安定部分とのうち、電圧急変部分に各判定値Ｖ１，Ｖ２が含まれるままとなるようにして実施されるとよい。つまり、常にセンサ出力特性の電圧急変部分でリッチ判定及びリーン判定が行われるようにする。この場合、定電流Ｉｃｓの設定値自体は、電圧急変部分に各判定値Ｖ１，Ｖ２が含まれるものとなる範囲内で定められており、その本来のＩｃｓ相当の電圧変化が生じるように電流制御を行うことで、電圧急変部分に各判定値Ｖ１，Ｖ２が含まれる状態を維持できるようになっている。

その後、ステップＳ１５では、今現在の定電流Ｉｃｓを、ステップＳ１４で算出した電流補正値Ｋｉで補正する（補正後Ｉｃｓ＝Ｉｃｓ−Ｋｉ）。そして、その補正後には、補正後の定電流Ｉｃｓに基づいて、定電流回路４３により供給される定電流Ｉｃｓの制御が実施される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

センサ素子３１に供給される定電流Ｉｃｓを素子抵抗Ｒａに基づいて制御するようにしたため、空燃比判定の精度が意図せず低下するといった不都合を抑制できる。つまり、素子抵抗Ｒａが大きくなることに起因するセンサ印加電圧の変化量の増加を、定電流Ｉｃｓを小さくすることで抑制することができる。これにより、空燃比の判定精度の低下を抑制できる。その結果、Ｏ2センサ１７に対して定電流Ｉｃｓを供給している状態下において適正なる空燃比判定を実施することができる。

なお、センサ印加電圧の変化量の増加を抑制するには、定電流Ｉｃｓを小さくすること以外に、ヒータ３６の発熱量を増やして素子抵抗を小さくすることが考えられる。しかしながら、ヒータ３６の発熱量を増やすには余分な電力が必要となり、省エネを図る上で不都合である。また、ヒータ３６による加熱で素子抵抗を減少させる場合には、加熱を開始してから実際にセンサ素子３１が昇温されるまでに遅れが生じるため、応答速さ（素子抵抗の復帰の速さ）からして好ましくないと言える。さらに、素子抵抗が変化する際にオーバーシュート等が生じることが懸念され、制御性の観点からも好ましくないと言える。

素子抵抗Ｒａに基づいて電流補正値Ｋｉを算出し、その電流補正値Ｋｉにより定電流Ｉｃｓを補正する構成とした（図１０（ａ）参照）。そのため、素子抵抗Ｒａが意図せず変化したとしても、それに合わせて定電流Ｉｃｓを適正に制御することができる。

素子抵抗Ｒａと定電流Ｉｃｓ（可変設定された値）とに基づいて電流補正値Ｋｉを算出し、その電流補正値Ｋｉにより定電流Ｉｃｓを補正する構成とした（図１０（ｂ）参照）。そのため、定電流Ｉｃｓを可変設定する構成において素子抵抗Ｒａが意図せず変化したとしても、それに合わせて定電流Ｉｃｓを適正に制御することができる。

Ｏ2センサ１７の起電力特性において、電圧急変部分と電圧安定部分とのうち、電圧急変部分でリッチ判定及びリーン判定が行われるようにして定電流を制御するようにした。これにより、リッチ判定やリーン判定のばらつきを確実に抑制できる。

エンジン１０の冷間始動時や燃料カット時には、センサ素子３１が比較的低温の状態になっていることが考えられ、その低温状態下では、空燃比の誤判定が生じやすいと考えられる。この点、冷間始動時又は燃料カット時であると判定される場合に、上記の定電流制御を実施するようにしたため、不都合の生じやすい状況下において適正な処置を実施できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・センサ素子３１に定電流が供給されている状態下で、素子抵抗Ｒａを目標値Ｒｔｇに一致させるようにしてヒータ３６のフィードバック制御が実施される場合において、素子抵抗Ｒａが目標値Ｒｔｇに対して所定量以上かい離した場合に、定電流Ｉｃｓを変更するようにしてもよい。

図１１は定電流制御の処理手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４１により所定周期で繰り返し実施される。図１１において、ステップＳ３１では、今現在、定電流回路４３による定電流の供給状態であるか否かを判定し、続くステップＳ３２では、今現在、ヒータ３６のフィードバック制御状態であるか否かを判定する。そして、ステップＳ３１，Ｓ３２のいずれかがＮＯであれば本処理を一旦終了し、ステップＳ３１，Ｓ３２が共にＹＥＳであれば後続のステップＳ３３に進む。

ステップＳ３３では、目標値Ｒｔｇと素子抵抗Ｒａとを取得し、続くステップＳ３４では、目標値Ｒｔｇと素子抵抗Ｒａとの偏差ΔＲ（＝Ｒａ−Ｒｔｇ）に基づいて、定電流Ｉｃｓを減補正するための電流補正値Ｋｉを設定する。このとき、例えば図１２の関係を用いて電流補正値Ｋｉが設定される。図１２によれば、素子抵抗の偏差ΔＲがＣ１以上となる場合に、偏差ΔＲが大きいほど、電流補正値Ｋｉが大きい値として設定される。つまり、偏差ΔＲがＣ１未満であれば、定電流Ｉｃｓが減補正されないが、偏差ΔＲがＣ１以上であれば、定電流Ｉｃｓが減補正されるようになっている。

その後、ステップＳ３５では、今現在の定電流Ｉｃｓを、ステップＳ３４で算出した電流補正値Ｋｉで補正する（補正後Ｉｃｓ＝Ｉｃｓ−Ｋｉ）。そして、その補正後には、補正後の定電流Ｉｃｓに基づいて、定電流回路４３により供給される定電流Ｉｃｓの制御が実施される。

上記構成によれば、排気温の急変等に伴い目標値Ｒｔｇに対する素子抵抗Ｒａのかい離が生じた場合にも、適正なる空燃比判定を実施することができる。

・上記実施形態では、空燃比の判定用にリッチ側とリーン側との２つの判定値Ｖ１，Ｖ２を用いる構成としたが、これを変更し、いずれか一方のみを用いる構成としてもよい。例えば、リッチ側の第１判定値Ｖ１のみを用い、空燃比がリッチか否かを判定する構成であってもよい。

・上記実施形態では、ヒータ付きのＯ2センサ１７に本発明が適用される例を説明したが、これに代えて、ヒータを有していないヒータ無しのＯ2センサに本発明が適用されるものであってもよい。この場合にも、素子温の低下時（素子抵抗の変化時）において、上記のとおり適正なる対処が可能となる。

・上記実施形態では、エンジン１０の冷間始動時又は燃料カット時であることを判定し、冷間始動時又は燃料カット時であると判定される場合に定電流制御を実施する構成としたが、これを変更し、冷間始動時、燃料カット時であるか否かにかかわらず定電流制御を実施する構成であってもよい（すなわち、図８のステップＳ１２を省略してもよい）。

・例えばエンジン１０の高負荷運転に伴い排気温が上昇し、素子抵抗Ｒａが低下する場合にも、やはりその抵抗変化によってセンサ印加電圧の変化が生じる。かかる場合には、定電流Ｉｃｓを増加させる側に変更するとよい。

・定電流供給手段の構成は上記の定電流回路４３に限定されず、所定の定電流を供給でき、かつその電流値を可変にできるものであれば、任意の構成が適用できる。例えば、ＰＷＭ制御（デューティ制御）による電流量の調整が可能な定電流回路を用いてもよい。この場合、電流制限の指示に従い定電流を可変に調整するとよい。

・上記実施形態では、第１触媒１５ａの下流側にＯ2センサ１７を設ける構成としたが、これに代えて、第１触媒１５ａの中間部分にＯ2センサ１７を設ける構成であってもよい。この場合、第１触媒１５ａの担体にＯ2センサ１７を設ける構成であればよい。いずれにしても、Ｏ2センサ１７が、第１触媒１５ａによる浄化後の排気を検出対象としてガス成分を検出するものであればよい。

・ガスセンサは、上記構成のＯ2センサ１７以外に、起電力セルとポンプセルとを備える、いわゆる２セル構造のガスセンサであってもよい。この場合、２セル式ガスセンサの起電力セルについて出力特性を好適に変更できるとともに、適正なる空燃比判定を実施できるものとなる。

１０…エンジン（内燃機関）、１７…Ｏ2センサ（ガスセンサ）、３１…センサ素子（起電力セル）、３２…固体電解質層、３３…排気側電極、３４…大気側電極、４０…センサ制御部、４１…マイコン（抵抗値算出手段、空燃比判定手段、電流制御手段）、４３…定電流回路（定電流供給手段）。

Claims (5)

1. 固体電解質体（３２）と該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力の信号を出力するガスセンサ（１７）に適用されるガスセンサ制御装置であって、
   前記起電力セルに所定の定電流を供給する定電流供給手段（４３）と、
   前記起電力セルの抵抗値を算出する抵抗値算出手段（４１）と、
   前記起電力セルの起電力出力と所定の判定値との比較に基づいて、空燃比がリッチ、リーン、ストイキの少なくともいずれであるかを判定する空燃比判定手段（４１）と、
   前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値に基づいて、前記定電流供給手段により供給される定電流を制御する電流制御手段（４１）と、
   を備え、
   前記電流制御手段は、前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値に基づいて、現時点で供給されている前記定電流に対する電流補正値を算出する手段と、その電流補正値により前記現時点の定電流を補正する手段と有することを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 固体電解質体（３２）と該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力の信号を出力するガスセンサ（１７）に適用されるガスセンサ制御装置であって、
   前記起電力セルに所定の定電流を供給する定電流供給手段（４３）と、
   前記起電力セルの抵抗値を算出する抵抗値算出手段（４１）と、
   前記起電力セルの起電力出力と所定の判定値との比較に基づいて、空燃比がリッチ、リーン、ストイキの少なくともいずれであるかを判定する空燃比判定手段（４１）と、
   前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値に基づいて、前記定電流供給手段により供給される定電流を制御する電流制御手段（４１）と、
   前記定電流供給手段により供給される前記定電流を可変に設定する定電流設定手段（４１）と、
   を備え、
   前記電流制御手段は、前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値と、前記定電流設定手段により設定されている現時点の前記定電流との関係に基づいて、前記現時点の定電流に対する電流補正値を算出する手段と、その電流補正値により前記現時点の定電流を補正する手段と有することを特徴とするガスセンサ制御装置。
3. 前記起電力セルは、ストイキ近傍の領域において前記起電力出力が急変する急変部分と、それよりもリッチ側、リーン側であって前記起電力出力が略一定となる安定部分とからなる出力特性を有し、
   前記電流制御手段は、前記所定の判定値が、前記出力特性の急変部分に含まれるままとなるようにして前記定電流を制御する請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記内燃機関の冷間始動時又は燃料カット時であることを判定する手段を備え、
   前記電流制御手段は、冷間始動時又は燃料カット時であると判定される場合に、前記定電流の制御を実施する請求項１乃至３のいずれかに記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記起電力セルを加熱するヒータ（３６）を備える前記ガスセンサに適用され、
   前記定電流供給手段により前記定電流が供給されている状態下で、前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値を目標抵抗値に一致させるようにして前記ヒータの駆動を制御するヒータ制御手段（４１）を備え、
   前記電流制御手段は、前記ヒータ制御手段によるヒータ制御時において前記起電力セルの抵抗値が前記目標抵抗値に対して所定量以上かい離した場合に、前記定電流を変更する請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。

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