JP3646566B2 - 空燃比センサの抵抗検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空燃比センサの抵抗検出装置に関し、特に、内燃機関の排気空燃比を検出する空燃比センサ素子、例えば酸素濃度検出素子のインピーダンスを検出する空燃比センサの抵抗検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の機関の空燃比制御においては、機関の排気系に空燃比センサと触媒とを配設し、触媒により排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx 等）を最大限浄化するため、空燃比センサにより検出される機関の排気空燃比が目標空燃比、例えば理論空燃比になるようにフィードバック制御を行っている。この空燃比センサとして、機関から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式の酸素濃度検出素子が用いられている。限界電流式酸素濃度検出素子は、酸素濃度から機関の排気空燃比を広域かつリニアに検出するものであり、空燃比制御精度を向上させたり、リーンバーン制御を行ったりするために有用である。
【０００３】
上記酸素濃度検出素子は、空燃比の検出精度を維持するため活性状態に保つことが不可欠であり、通常、機関始動時から同素子に付設されたヒータを通電することにより同素子を加熱し早期活性化しその活性状態を維持するようヒータの通電制御を行っている。
図２７は酸素濃度検出素子の温度とインピーダンスの相関関係を示す図である。上記酸素濃度検出素子（以下、単に素子と記す）の温度とインピーダンスとの間には図２７に太線で示すような相関関係、すなわち素子温度の上昇に連れて素子のインピーダンスが減衰するという関係がある。この関係に着目し、上記のようなヒータの通電制御においては、素子のインピーダンスを検出して素子温度を導き出し、その素子温度が所望の活性化温度、例えば７００°Ｃになるようにフィードバック制御を行っている。例えば、図２７の太線に示すように、素子のインピーダンスＺacが、初期制御素子温７００°Ｃに相当する素子のインピーダンス３０Ω以上とき（Ｚac≧３０）、すなわち素子温が７００°Ｃ以下のとき、ヒータを通電し、Ｚacが３０Ωより小のとき（Ｚac＜３０）、すなわち素子温が７００°Ｃを超えるとき、ヒータの通電を解除する制御を行うことで、素子の温度を活性化温度７００°Ｃ以上に保ち、素子の活性状態を維持している。また、ヒータ通電時は、素子のインピーダンスとその目標値との偏差（Ｚac−３０）をなくすために必要な通電量を求め、その通電量を供給するようデューティ制御を行っている。
【０００４】
特開平９−２９２３６４号公報に開示されている酸素濃度センサの素子抵抗検出方法は、上記酸素濃度検出素子のインピーダンスを検出するに際し、空燃比検出用の直流分の電圧に同素子温度を検出するために好適な１つの周波数、例えば５ＫＨｚの交流分の電圧を重畳して同素子に印加し、この交流分電圧重畳後に同素子に流れる電流を測定して、これら重畳印加電圧と測定電流とから素子インピーダンスを検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−２９２３６４号公報開示の酸素濃度センサの素子抵抗検出方法により検出される素子インピーダンスは、内燃機関の排気通路に酸素濃度センサを配設したとき、経時変化に伴い、排気温、あるいは素子の電極表面や内部への付着物により電極部が劣化し、図２７に細線で示すような相関関係をもつようになり、センサ素子の劣化に伴いその検出値にずれが生じる。また、上記素子インピーダンスは、内燃機関の排気通路に酸素濃度センサを配設したとき、機関の吸入空気量または負荷状態および排気空燃比等により排気通路内のガス状態が変化し、このガス状態の変化によってその検出値にずれが生じる。
【０００６】
このようにインピーダンスの検出値にずれが生じると、図２７に太線で示すように、例えば素子温制御目標値が３０Ωで現在の真の素子インピーダンスが３０Ωのとき、上記ずれにより素子インピーダンスが２０Ωとして誤検出されると、素子の温度は８００°Ｃと見なされ素子温度を下げるヒータ制御が行われる。この制御が継続すると、センサ素子は活性温度７００°Ｃより低くなりセンサ素子は活性状態を維持できなくなり、その結果空燃比制御の精度が悪化し、排気エミッションが悪化するという問題が生じる。
【０００７】
一方、同様に素子温制御目標値が３０Ωで現在の真の素子インピーダンスが３０Ωのとき、上記ずれにより素子インピーダンスが９０Ωとして誤検出されると、素子の温度は６００°Ｃと見なされ素子温度を上げるヒータ制御が行われる。この制御が継続すると、センサ素子は活性温度７００°Ｃより高くなりセンサ素子は過加熱され、その結果センサ素子の劣化が促進され、寿命が短縮するという問題が生じる。
【０００８】
それゆえ、本発明は上記問題を解決し、経時変化に伴いセンサ素子が劣化したり、被検出ガスのガス状態が変化したりしても、センサ素子の過加熱によるセンサ素子の劣化やヒータへの過多な電力供給によるヒータ抵抗の劣化を防止する空燃比センサの抵抗検出装置を提供することを目的とする。
本発明はまた、空燃比センサの素子の故障を判定する空燃比センサの抵抗検出装置を提供することをその他の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記問題を解決する本発明による空燃比センサの抵抗検出装置は、酸素濃度検出素子と、該酸素濃度検出素子を活性化するヒータと、該酸素濃度検出素子に電圧を印加することにより被検出ガス中の酸素濃度に比例した電流を該酸素濃度検出素子から検出して該被検出ガス中の空燃比を検出する空燃比検出手段と、を備える空燃比センサの抵抗検出装置において、前記酸素濃度検出素子に電圧を印加して該酸素濃度検出素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記ヒータへ供給される電力量を算出する電力量算出手段と、内燃機関の冷間定常アイドル状態、完全暖機定常アイドル状態および完全暖機定常走行状態の内の少なくとも一つの運転状態のときに前記電力量算出手段により算出された前記電力量に応じて、前記インピーダンス検出手段により検出された前記酸素濃度検出素子のインピーダンスを補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記電力量算出手段として、例えば、所定期間中前記ヒータへ供給された電力の積算電力量を算出する積算電力算出手段、あるいは平均電力を算出する平均電力量算出手段がある。
上記構成、すなわち内燃機関の冷間定常アイドル状態、完全暖機定常アイドル状態および完全暖機定常走行状態の内の少なくとも一つの運転状態のときに上記電力算出手段により算出された前記電力量を、経時変化に伴うセンサ素子の劣化のパラメータとし、上記電力量に応じて、前記酸素濃度検出素子のインピーダンスを補正して、同素子の素子温制御目標値を補正する。これによりヒータへの電力量に応じて、すなわち経時変化に伴うセンサ素子の劣化に応じて素子温制御目標値を適切に制御でき、酸素濃度検出素子やヒータへの過加熱を防止する。
【００１２】
本発明はまた、上記空燃比センサの抵抗検出装置において、前記運転状態のときに前記電力量算出手段により算出された前記電力量に基づいて、前記酸素濃度検出素子の故障を判定する故障判定手段を備える。
上記構成により酸素濃度検出素子の故障を判定できる。
本発明はまた、上記空燃比センサの抵抗検出装置において、前記インピーダンス検出手段は、前記酸素濃度検出素子に直流分に交流分が重畳された電圧を印加し該酸素濃度検出素子のインピーダンスを検出する。
【００１３】
上記構成により酸素濃度検出素子のインピーダンスを短時間で検出できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明による空燃比センサ抵抗検出装置の一実施形態の概略構成図である。図１以降、同一のものは同一符号で示す。図１中、参照番号１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４は燃焼室、５は吸気マニホルド、６は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド５は、サージタンク７、吸気ダクト８およびエアフローメータ９を介してエアクリーナ１０に接続される。吸気ダクト８内にはスロットル弁１１が配設され、吸気マニホルド５には燃料噴射弁１２が吸気ポート１３へ向けて配設される。排気マニホルド６には排気管１４が接続され、この排気管１４の途中にはＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの３成分を同時に浄化するとともに酸素ストレージ効果を有する三元触媒を内蔵した触媒コンバータ１５が配設される。
【００１５】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって相互に接続されたＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、バックアップ用のＢ．ＲＡＭ４４、ＣＰＵ４５、入力ポート４６および出力ポート４７、等を具備する。エアフローメータ９は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、その出力電圧の信号をＡ／Ｄ変換器４８を介して入力ポート４６に入力する。排気マニホルド６内の上流側には空燃比センサ１０１が配設され、空燃比センサ１０１は排気ガス中の酸素濃度を検出し、その出力信号を空燃比センサ回路１０３、Ａ／Ｄ変換器４８を介して入力ポート４６に入力する。
【００１６】
吸気ダクト８内のスロットル弁１１の開度はアクセルペダル（図示せず）の踏込み動作に連動して可変される。スロットル弁１１にはスロットル開度の全閉状態を検出するアイドルスイッチを有するスロットルポジションセンサ１８が設けられており、スロットルポジションセンサ１８はＥＣＵ１００に接続されＥＣＵ１００の入力ポート４６にアイドルスイッチのオンオフ信号ＸＩＤＬＥを入力するとともに、Ａ／Ｄ変換器４８を介して入力ポート４６にスロットル開度に比例したアナログ電圧の信号を入力する。
【００１７】
サージタンク７には吸気通路内の絶対圧を検出する圧力センサ１９が設けられ、圧力センサ１９は吸気圧に比例したアナログ電圧の信号をＡ／Ｄ変換器４８を介して入力ポート４６に入力する。
シリンダブロック１にはウォータジャケット内の機関２００の冷却水温を検出する水温センサ２０が取付けられており、水温センサ２０は機関２００の冷却水温に比例したアナログ電圧の信号をＡ／Ｄ変換器４８を介して入力ポート４６に入力する。
【００１８】
バッテリ１０５の電圧もＥＣＵ１００に接続され、バッテリ１０５の電圧はＥＣＵ１００内のＡ／Ｄ変換器４８を介して入力ポート４６に入力される。また、機関２００が搭載される車両の車速を検出する車速センサ２１もＥＣＵ１００に接続され、車速センサ２１のアナログ電圧出力は、ＥＣＵ１００内のＡ／Ｄ変換器４８を介して入力ポート４６に入力される。
【００１９】
ディストリビュータ１６には２つのクランク角センサ３３、３４が設けられ、クランク角センサ３３はクランク角に換算して７２０°ＣＡ毎の基準位置を検出して出力パルス信号を発生し、クランク角センサ３４はクランク角に換算して３０°ＣＡ毎の位置を検出して出力パルス信号を発生する。これらの出力パルス信号は入力ポート４６に入力され、クランク角センサ３４の出力パルス信号はＣＰＵ４５の割込端子にも入力される。クランク角センサ３３、３４の出力パルス信号から、例えば機関２００の回転数が演算される。
【００２０】
一方、出力ポート４７は駆動回路４９を介して燃料噴射弁１２に接続される。燃料噴射弁１２から吸気ポート１３へ向けて吸気通路１７へ噴射される燃料噴射量は、空燃比が目標空燃比、本実施形態では理論空燃比になるように駆動回路４９により開弁される燃料噴射弁１２の開弁時間を可変することにより制御される。出力ポート４７は駆動回路４９を介してアラーム２２にも接続され、アラーム２２は空燃比センサ素子１０２やヒータ１０４が劣化したと判定されたときに付勢される。
【００２１】
なお、ＣＰＵ４５の割込は、Ａ／Ｄ変換器によるＡ／Ｄ変換終了時やクランク角センサ３４の出力パルス信号の受信時に発生する。Ａ／Ｄ変換器４８を介して入力ポート４６へ入力されたデジタルデータはＡ／Ｄ変換毎に読取られ、ＲＡＭ４３に格納される。機関２００の回転数ＮＥもクランク角センサ３４の出力パルス信号がＣＰＵ４５の割込端子に入力される毎に演算されＲＡＭ４３に格納される。つまりＲＡＭ４３に格納される機関２００のデータは絶えず更新される。
【００２２】
また、ヒータ１０４は空燃比センサ１０１に内蔵されセンサ素子を活性化するために加熱するためのものであるが、後述の処理によりＣＰＵ４５により演算されたデジタルデータを出力ポート４７を介してＤ／Ａ変換器５０でアナログ電圧に変換しヒータ回路１０６を介してヒータ１０４へ電力が供給される。
図２は図１に示す空燃比センサ１０１およびヒータ１０４の制御を示す図である。図１に示す機関２００の排気空燃比を検出する空燃比センサ１０１は、空燃比センサ素子（以下、センサ素子と記す）１０２とヒータ１０４とを有する。空燃比センサ回路（以下、センサ回路と記す）１０３がＥＣＵ１００内に設けられ、センサ素子１０２に電圧を印加する。センサ回路１０３は、デジタルコンピュータからなるＥＣＵ１００内で空燃比センサ１を制御する役割を担う制御ユニット、すなわち空燃比センサ制御ユニットＡ／ＦＣＵ１１０からアナログの印加電圧を受けこれに応じた電圧をセンサ素子１０２に印加する。Ａ／ＦＣＵ１１０は後述の処理にしたがって算出したデジタルデータを内部に設けられたＤ／Ａ変換器５０によりアナログ電圧に変換してセンサ回路１０３へ出力する。この電圧の印加に伴いＡ／ＦＣＵ１１０は被検出ガス中、すなわち排気ガス中の酸素濃度に比例して変化するセンサ素子１０２を流れる電流を検出する。Ａ／ＦＣＵ１１０はこの電流を検出するため内部に設けられたＡ／Ｄ変換器４８によりセンサ回路１０３からセンサ素子１０２を流れる電流に相当するアナログ電圧を受ける。Ａ／ＦＣＵ１１０はこのアナログ電圧をデジタルデータに変換し、変換したデジタルデータを後述する処理に使用する。
【００２３】
空燃比センサ１０１はセンサ素子１０２が活性状態にならないとその出力を空燃比制御に使用できない。このため、Ａ／ＦＣＵ１１０は機関始動時にバッテリ１０５からヒータ１０４へ電力供給してヒータ１０４を通電し、センサ素子１０２の早期活性化を行い、センサ素子１０２が活性化された後はその活性状態を維持するようヒータ１０４へ電力供給する。空燃比センサ回路１０３は内部に積分回路が設けられており、Ａ／ＦＣＵ１１０から空燃比センサ回路１０３へ入力された矩形パルスを正弦波状のパルスに変換した電圧をセンサ素子１０２に印加するようになっている。これにより高周波ノイズによるセンサ素子の出力電流の検出エラーを防止している。
【００２４】
しかるに、図２７に示したように、センサ素子１０２の抵抗がセンサ素子１０２の温度に依存すること、すなわちセンサ素子温度の増大に連れて減衰することに着目し、センサ素子１０２の抵抗がセンサ素子１０２の活性状態を維持する温度に相当する抵抗値、例えば３０Ωとなるようヒータ１０４へ電力供給することによりセンサ素子１０２の温度を目標温度、例えば７００°Ｃに維持する制御が行われている。また、Ａ／ＦＣＵ１１０は内部に設けられたＡ／Ｄ変換器４８によりヒータ回路１０６からヒータ１０４の電圧と電流に相当するアナログ電圧を受けデジタルデータに変換してこのデジタルデータを後述する処理に使用する。例えば、ヒータ１０４の抵抗値を算出し、この抵抗値に基づき機関の運転状態に応じた電力供給をヒータ１０４に行うとともにヒータ１０４の過昇温（ＯＴ）を防止するようヒータ１０４の温度制御を行う。
【００２５】
図３は空燃比センサの入出力信号を示す図であり、（Ａ）は空燃比センサへ印加する入力電圧の波形を示す図であり、（Ｂ）は空燃比センサから検出される出力電流の波形を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は電圧および電流を示す。図３の（Ａ）に示すように、空燃比センサに印加する入力電圧Ｖｍとして、常時直流電圧０．３Ｖが印加されている。センサ素子のインピーダンスを測定するため、後述するルーチンの実行により、空燃比センサに±０．２Ｖの第１周波数（例えば５ＫＨｚ）のパルス電圧が上記直流電圧０．３Ｖに重畳して印加される。一方、図３の（Ｂ）に示すように、空燃比センサから検出される出力電流Ｉｍは、空燃比センサに直流電圧０．３Ｖのみを印加している間はその時々の被測定ガスの酸素濃度に応じた値を示すが、空燃比センサに上記パルス電圧±０．２Ｖを直流電圧０．３Ｖに重畳することにより変化する。このときの空燃比センサからの出力電流の変化を検出してセンサ素子のインピーダンスを算出する。
【００２６】
ここで、空燃比センサ素子の構造、等価回路およびインピーダンス特性について以下に説明する。
図４は空燃比センサ素子の構造を示す図であり、（Ａ）は断面図を示す図であり、（Ｂ）は電解質部の部分拡大図である。
図５は空燃比センサ素子の等価回路を示す図である。図５において、Ｒ１は例えばジルコニアからなる電解質のバルク抵抗（図４の grain（グレイン）部）、Ｒ２は電解質の粒界抵抗（図４の grain boundary （グレイン境界）部）、Ｒ３は例えば白金からなる電極の界面抵抗を示し、Ｃ２は電解質の粒界の容量成分、Ｃ３は電極界面の容量成分を示し、Ｚ（Ｗ）は交流による分極が行われると周期的に界面濃度が変化するために生じるインピーダンス分（ワールブルインピーダンス）を示す。
【００２７】
図６は空燃比センサ素子のインピーダンス特性を示す図である。横軸はインピーダンスＺの実部Ｚ' 、縦軸は虚部Ｚ" を示す。空燃比センサ素子のインピーダンスＺはＺ＝Ｚ’＋ｊＺ”で表される。図６から、電極界面抵抗Ｒ３は、周波数が１〜１０ＫＨｚに近づくにつれて０に収束することが判る。また、破線で示す曲線は、空燃比センサ素子により酸素大のガス状態を検出するときの素子インピーダンスを示す。一方、一点鎖線で示す曲線は、空燃比センサ素子により酸素小のガス状態を検出するときの素子インピーダンスを示す。この破線または一点鎖線で示されるインピーダンス特性からＲ３の部分が特に変化することが判る。
【００２８】
図７は交流入力電圧の周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。図７は図６について横軸を周波数ｆに、縦軸をインピーダンスＺacに変換したものである。図６から、周波数１ＫＨｚ〜１０ＭＨｚではインピーダンスＺacが所定値（Ｒ１＋Ｒ２）に収束し、１０ＭＨｚより高周波側ではインピーダンスＺacは減少し、Ｒ１に収束することが判る。このことから、インピーダンスＺacを安定した状態で検出するためには、Ｚacが周波数によらず一定値となる１ＫＨｚ〜１０ＭＨｚ付近が望ましいことが判る。また、破線および一点鎖線で示す曲線も、図６に示すインピーダンス特性に対応する。
【００２９】
図８は空燃比センサの電圧−電流特性を示す図である。横軸に空燃比センサへの印加電圧Ｖ、縦軸に空燃比センサの出力電流Ｉを示す。図８から判るように、印加電圧Ｖと出力電流Ｉとは略比例関係にあり、空燃比がリーンであれば正側に、空燃比がリッチであれば負側へ電流値が変化する（図８における特性線Ｌ１を参照）。つまり、空燃比がリーン側になる程限界電流は増大し、空燃比がリッチ側になる程限界電流は減少する。また、出力電流Ｉが０ｍＡのとき、空燃比は理論空燃比（＝１４．５）になる。この電圧−電流特性は素子温に依存し、素子温度が高いとき程Ｌ１の傾きは大きくなるが、限界電流値は素子温による影響は少なく、空燃比一定で素子温が変化しても限界電流は略同一値を示す。
【００３０】
次に、Ａ／ＦＣＵ１１０により実行されるこのセンサ素子のインピーダンスの算出ルーチンについて以下に詳細に説明する。
図９はセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンの前半フローチャートであり、図１０にセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンの後半フローチャートを示す。より詳しくは、図１０はセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンにおける特定周波数重畳処理のフローチャートであり、図１１と図１２は特定周波数重畳処理を遂行するために必要な割込処理ルーチンのフローチャートである。図９および図１０に示すルーチンは、所定の周期、例えば１msec毎に実行される。
【００３１】
先ず、ステップ９０１では、イグニッションスイッチＩＧＳＷ（図示せず）がオンかオフかを判別し、ＩＧＳＷがオンのときはステップ９０２へ進み、ＩＧＳＷがオフのときは本ルーチンを終了する。ステップ９０２では、空燃比センサにＶｍ＝０．３Ｖの直流電圧がすでに印加されているか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ９０３へ進み、その判別結果がＮＯのときはステップ９０４へ進む。ステップ９０４では空燃比センサに０．３Ｖの直流電圧を印加する。
【００３２】
ステップ９０３では、ステップ９０４で空燃比センサに０．３Ｖの直流電圧を印加してから４msecが経過した時期か否か、あるいは本ルーチンの前回処理周期に空燃比センサの電流Ｉmsを読込んでから４msecが経過した時期か否かを、例えばカウンタにより判別し、これらの判別結果の何れか一方がＹＥＳのときはステップ９０５へ進み、その判別結果の両方がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ９０５では、空燃比センサの電流Ｉmsを読込み、図１０に示すステップ１００１へ進む。
【００３３】
次に、図１０〜図１２を相互に参照しつつ、センサ素子のインピーダンス算出ルーチンの特定周波数重畳処理のフローチャートを説明する。特定周波数として５ＫＨｚを用いた例で説明する。先ず、ステップ１００１では、今回処理周期が本ルーチン開始からｋ×６４msec（ｋ＝１、２、３、…）経過した時期か否かを、例えばカウンタにより判別し、これらの判別結果がＹＥＳ、すなわち今回処理周期が本ルーチン開始から６４msec、１２８msec、１９２msec、…のときはステップ１００２へ進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ１００２では、空燃比センサへの印加電圧Ｖｍ（＝０．３Ｖ）に−０．２Ｖのパルス電圧を重畳する。したがって、このときの空燃比センサへの印加電圧Ｖｍは０．１Ｖとなる。また、ステップ１００２では図１１に示す第１タイマ割込が起動される。
【００３４】
ここで、図１１の第１タイマ割込処理について説明する。ステップ１１０１では、上記第１タイマ割込の起動後８５μｓが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ１１０２へ進み空燃比センサの出力電流Ｉm1を読込み、その判別結果がＮＯのとき、ステップ１１０１へ戻る。
ステップ１１０３では、上記第１タイマ割込の起動後１００μｓが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ１１０４へ進み空燃比センサにＶｍ＝０．５Ｖの電圧を印加し、その判別結果がＮＯのとき、ステップ１１０１へ戻る。また、ステップ１１０４では図１２に示す第２タイマ割込が起動される。
【００３５】
ここで、図１２の第２タイマ割込処理について説明する。ステップ１２０１では、上記第２タイマ割込の起動後１００μｓが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ１２０２へ進み、空燃比センサにＶｍ＝０．３Ｖの電圧を印加して通常の空燃比検出状態に戻し、その判別結果がＮＯのとき、ステップ１２０１へ戻る。
【００３６】
再び、図１０へ戻る。ステップ１００３では、今回処理周期が本ルーチン開始から（ｋ×６４＋４）msec（ｋ＝１、２、３、…）経過した時期か否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ１００４へ進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。
ステップ１００４では、特定周波数電圧印加時のインピーダンスＺacを次式から計算する。
【００３７】
Ｚac＝ΔＶｍ／ΔＩｍ＝０．２／（Ｉm −Ｉms）
ステップ１００５では、Ｚacのガード処理、すなわちＺacを下限ガード値ＫＲＥＬと上限ガード値ＫＲＥＨとの間に収めるＫＲＥＬ≦Ｚac≦ＫＲＥＨとする処理を実行する。具体的には、ＺacがＫＲＥＬ≦Ｚac≦ＫＲＥＨのときはそのままとし、Ｚac＜ＫＲＥＬのときはＺac＝ＫＲＥＬ＝１（Ω）とし、ＫＲＥＨ＜ＺacのときはＺac＝ＫＲＥＨ＝２００（Ω）とする処理を実行する。なお、ガード処理は通常外乱やＡ／Ｄ変換誤差等によるデータを無視するために行う。
【００３８】
図１３はヒータ制御のタイムチャートである。図１３において、横軸は時間、縦軸は、上段がヒータへ供給する電力のデューティ比、中段がヒータ温度、下段が素子インピーダンスをそれぞれ示す。機関始動に伴い、ヒータへの通電が開始された時刻ｔ0 からヒータが目標（上限）温度、例えば１２００°Ｃに到達するまでの時刻ｔ1 まではデューティ比１００％の全通電制御が行われ、時刻ｔ1 からセンサ素子が活性化された温度７００°Ｃに相当するインピーダンス３０Ωに到達した時刻ｔ2 まではヒータの温度を目標温度に維持するヒータ温フィードバック制御が行われ、時刻ｔ2 以降はセンサ素子の温度を素子活性化温度７００°Ｃに維持する素子温フィードバック制御が行われる。このヒータ制御ルーチンをフローチャートに基づき以下に説明する。
【００３９】
図１４はヒータ制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば１００msec毎に実行される。先ず、ステップ１４０１では、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮかＯＦＦかを判別し、イグニッションスイッチがＯＮのときはステップ１４０２へ進み、イグニッションスイッチがＯＦＦのときは本ルーチンを終了する。ステップ１４０２では、ヒータ抵抗ＲＨをヒータへの印加電圧とヒータの通電電流とから算出する。ステップ１４０３では、ステップ１４０２で算出したヒータ抵抗ＲＨとヒータ抵抗学習値ＲＨＧとを比較し、ＲＨ≧ＲＨＧのときはステップ１４０４へ進み、ＲＨ＜ＲＨＧのときはステップ１４０５へ進む。ここで、ヒータ抵抗学習値ＲＨＧとはヒータ温度が目標温度（１２００°Ｃ）のときの抵抗値を製品毎や経時変化によるバラツキを解消できるように学習した値である。
【００４０】
ステップ１４０４では、素子インピーダンスＺacを読取る。ステップ１４０６では読取ったＺacとセンサ素子の活性温度に相当する３０Ωとを比較し、Ｚac＞３０のときはセンサ素子が活性状態であると判断してステップ１４０８へ進み、Ｚac≦３０のときはセンサ素子が非活性状態であると判断してステップ１４０７へ進む。ステップ１４０５では全通電（１００％デューティ）制御を行い、ステップ１４０７ではヒータ温フィードバック制御を行い、ステップ１４０８では素子温フィードバック制御を行う。次に、特定周波数を印加して検出した空燃比センサのインピーダンスＺacに基づき、センサ素子の温度を活性化温度に維持する素子温フィードバック制御ルーチンについて以下に説明する。
【００４１】
図１５は素子温フィードバック制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば１２８msec毎に実行される。本ルーチンは、特定周波数５ＫＨｚに対する空燃比センサのインピーダンスＺacと素子温制御目標値Ｚactgとの偏差Ｚacerr （＝Ｚactg−Ｚac）に基づいて、ヒータ通電のデューティ比のＰＩＤ制御を行う。先ず、ステップ１５００では、後述する素子温制御目標値算出ルーチンを実行する。
【００４２】
次に、ステップ１５０１では、比例項ＫＰを次式から算出する。
ＫＰ＝Ｚacerr ×Ｋ1 （Ｋ1 ：定数）
ステップ１５０２では、積分項ＫＩを次式から算出する。
ＫＩ＝ΣＺacerr ×Ｋ2 （Ｋ2 ：定数）
ステップ１５０３では、微分項ＫＤを次式から算出する。
【００４３】
ＫＤ＝（ΔＺacerr ／Δｔ）×Ｋ3 （Ｋ3 ：定数）
ステップ１５０４では、ＰＩＤゲインＫＰＩＤを次式から算出する。
ＫＰＩＤ＝ＫＰ＋ＫＩ＋ＫＤ
ステップ１５０５では、出力デューティ比を次式から算出する。
ＤＵＴＹ(i) ＝ＤＵＴＹ(i-1) ×ＫＰＩＤ
ステップ１５０６では、出力デューティ比ＤＵＴＹ(i) のガード処理を行い、ＤＵＴＹ(i) を下限値ＫＤＵＴＹＬと上限値ＫＤＵＴＹＨとの間ＫＤＵＴＹＬ≦ＤＵＴＹ(i) ≦ＫＤＵＴＹＨに収める処理を実行する。具体的には、ＫＤＵＴＹＬ≦ＤＵＴＹ(i) ≦ＫＤＵＴＹＨのときはそのままとし、ＤＵＴＹ(i) ＜ＫＤＵＴＹＬのときはＤＵＴＹ(i) ＝ＫＤＵＴＹＬとし、ＫＤＵＴＹＨ＜ＤＵＴＹ(i) のときはＤＵＴＹ(i) ＝ＫＤＵＴＹＨとする処理を実行する。
【００４４】
また、図１３、図１４に示したヒータ制御において、本発明はヒータおよびセンサ素子の過昇温（Ｏver Ｔemperature）を防止するため、特定周波数５ＫＨｚに対する空燃比インピーダンスＺacが劣化補正後の素子温制御目標値Ｚactgより所定値、例えば５Ωを超えるか否か（Ｚac≦Ｚactg−５（Ω））を判別し、その判別結果がＹＥＳのときは正常、すなわちヒータおよびセンサ素子は過昇温になっていないものと判定し、図１４のフローチャートで示したヒータ制御ルーチンを実行し、その判別結果がＮＯのときは異常、すなわちヒータおよびセンサ素子は過昇温になっていると判定し、ＤＵＴＹ(i) ＝０に設定する処理を行う。
【００４５】
次に、センサ素子の経時変化を推定し学習する素子温制御目標学習値Ｚactgg に基づき、かつセンサ素子により検出する被検出ガスのガス状態に応じて、素子温制御目標値Ｚactgを算出するルーチンについて以下に説明する。
図１６は素子温制御目標値算出ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、所定の周期、例えば１００msec毎に実行される。先ず、ステップ１６０１では、センサ素子の劣化を学習して素子温制御目標学習値Ｚactgg を算出し、これをＢ．（バックアップ）ＲＡＭに記憶する。この素子温制御目標学習値の算出は、後述するように、例えばセンサ素子のヒータへ供給する電力の平均電力量を算出して求めることができる。この学習値は機関始動時のイニシャルセットによりＢ．ＲＡＭに読込まれる。
【００４６】
ステップ１６０２では、図１７に示す吸入空気量ga（g/sec)からインピーダンスの補正量ＫＬＤ（Ω）を算出するマップに基づき、エアフローメータにより読取った吸入空気量gaから補正量ＫＬＤを算出する。図１７に示すように、補正量ＫＬＤは吸入空気量が所定量２０（g/sec)を境に減量補正値から増量補正値に切り替わる。これは吸入空気量の増大に伴いセンサ素子の電極界面抵抗が増大し、素子インピーダンスが増大するからである。
【００４７】
他の実施の形態として、ステップ１６０２では図１８に示す機関の負荷状態からインピーダンスの補正量ＫＬＤ（Ω）を算出するマップに基づき補正量ＫＬＤを算出してもよい。図１８に示すように、機関の負荷状態は、クランク角センサの検出信号から算出した機関の回転数ＮＥ（ｒｐｍ）と吸気圧センサにより読取った吸入管負圧（mmHg）とから推定する。補正量ＫＬＤは中負荷状態を境に、低負荷低回転数側では減量補正値に、高負荷高回転数側では増量補正値に切り替わる。これは高負荷高回転数側程吸入空気量が増大し、センサ素子の電極界面抵抗が増大し、素子インピーダンスが増大するからである。
【００４８】
なお、機関の負荷は、回転数ＮＥ（ｒｐｍ）とエアフローメータにより読取った吸入空気量ga（g/sec)とからga／ＮＥを算出し、その算出値で代用してもよい。
ステップ１６０３では、図１９に示す機関の空燃比（Ａ／Ｆ）からインピーダンスの補正量ＫＡＦ（Ω）を算出するマップに基づき、空燃比センサにより読取った空燃比（Ａ／Ｆ）から補正量ＫＡＦを算出する。図１９に示すように、補正量ＫＡＦは機関の理論空燃比（Ａ／Ｆ）１４．５を境に減量補正値から増量補正値に切り替わる。これは空燃比の増大に伴い酸素濃度が増大し、センサ素子の電極界面抵抗が減少し、素子インピーダンスが減少するからである。
【００４９】
ステップ１６０４では、ステップ１６０１〜１６０３でそれぞれ算出した素子温制御目標学習値Ｚactgg 、吸入空気量または負荷による補正量ＫＬＤ、および空燃比による補正量ＫＡＦを用いて、素子温制御目標値Ｚactgを次式から算出する。
Ｚactg ＝ Ｚactgg ＋ＫＬＤ＋ＫＡＦ
このように素子温制御目標値を可変することによりセンサ素子およびヒータ抵抗の過加熱を防止できる。
【００５０】
次に、所定期間中ヒータへ供給された電力の積算電力量を算出し、算出した積算電力量からセンサ素子の劣化の度合いを判断して、空燃比センサの素子インピーダンスの素子温制御目標学習値Ｚactgg を算出するルーチンについて以下に説明する。
図２０は機関始動時の素子劣化補正ルーチンの前半部フローチャートであり、図２１は同後半部フローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば１２８msec毎に実行される。先ず、ステップ２００１では、現在、ヒータ抵抗を流れる電流ＨＴＩi とヒータ抵抗へ印加する電圧ＨＴＶi とヒータ電力供給のデューティ比ＤＵＴＹi とを読取りヒータへ供給する電力ＨＴＷi （＝ＨＴＩi ×ＨＴＶi ×ＤＵＴＹi ）を算出する。ステップ２００２では、学習完了フラグ（XZACGE）がオフか、あるいは学習禁止フラグ（XZACGI）がオフかを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ２００３へ進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。
【００５１】
ステップ２００３では、機関始動時の学習条件が成立しているか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ２００４へ進み、その判別結果がＮＯのときはステップ２００５へ進む。
機関始動時の学習条件は、機関が冷間定常アイドル状態であることを示す下記の各条件を満足したとき成立とみなす。
・機関始動時水温ＴＨＷstが所定温度範囲内（ＴＨＷ１≦ＴＨＷst≦ＴＨＷ２）
・機関始動時バッテリ電圧ＢＡＴstが所定値以上（ＫＢＡ≦ＢＡＴst）
・機関始動時空燃比センサのインピーダンスＺacst（Ω）が所定値以上（ＫＺac≦Ｚacst）
・機関回転数ＮＥ（rpm ）が所定値以下（ＮＥ≦ＫＮＥ）
・機関吸気圧ＰＭ（mmHg）が所定値以下（ＰＭ≦ＫＰＭ）
・車速ＳＰＤ（km/h）が所定値以下（ＳＰＤ≦ＫＳＰＤ）
・機関アイドルスイッチがオン
ステップ２００４では、学習条件成立フラグ（XZACG ）をオンとする。ステップ２００５では、機関始動後最初の学習条件成立フラグ（XZACGF）がオンかオフかを判別し、オン（XZACGF＝１）のときステップ２０１２へ進み、オフ（XZACGF＝０）のとき本ルーチンを終了する。
【００５２】
ステップ２００６では、前回処理周期で学習条件成立フラグ（XZACG ）がオンかオフかを判別し、オフ（XZACG ＝０）のときステップ２００７へ進み、オン（XZACG ＝１）のときステップ２００８へ進む。ステップ２００７では、機関始動後最初の学習条件成立フラグ（XZACGF）をオンにする。
ステップ２００８では、空燃比センサの素子インピーダンスＺacが所定範囲内（ＫＺacＧ１≦Ｚac≦ＫＺacＧ２）か否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ２００９へ進み、その判別結果がＮＯのときはステップ２０１０へ進む。ここで、ＫＺacＧ１は下限値、すなわち素子温度６００°Ｃに相当する素子インピーダンスであり、ＫＺacＧ２上限値、すなわち素子温度４００°Ｃに相当する素子インピーダンスである。ステップ２００９では、今回処理周期の積算電力量ΣＨＴＷi を次式から算出する。
【００５３】
ΣＨＴＷi ＝ΣＨＴＷi-1 ＋ＨＴＷi
ここで、ΣＨＴＷi-1 は前回処理周期の積算電力量を示し、イグニッションスイッチをオンに切換え機関を始動した直後に０にクリアされる。ステップ２００９実行後は図２１のステップ２１０１へ進む。
ステップ２０１０では、空燃比センサのインピーダンスＺacが所定値ＫＺacＧ１以下（Ｚac≦ＫＺacＧ１）か否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ２０１１へ進み、その判別結果がＮＯのときは図２１のステップ２１０１ヘ進む。ステップ２０１１では学習完了フラグ（XZACGE）をオンに設定する。
【００５４】
ステップ２１０１では、学習完了フラグ（XZACGE）がオンかオフかを判別し、学習完了フラグがオン（XZACGE＝１）のとき、ステップ２１０２へ進み、学習完了フラグがオフ（XZACGE＝０）のときは本ルーチンを終了する。ステップ２１０２では、空燃比センサの故障判定を行う。すなわち、今回処理周期の積算電力量ΣＨＴＷi が所定値ＫΣＨＴＷ以上か否かを判別し（ΣＨＴＷi ≧ＫΣＨＴＷ）、その判別結果がＹＥＳのときは空燃比センサは故障であると判断しステップ２１０３へ進み、その判別結果がＮＯのときはステップ２１０４へ進む。ステップ２１０３では空燃比センサの故障フラグ（XAFSF ）をオンに設定し、本ルーチンを終了する。
【００５５】
ステップ２１０４では、図２５を用いて後述するヒータ積算電力量ΣＨＴＷi から素子温制御目標学習値Ｚactgg を算出するルーチンを実行する。ステップ２１０５では学習完了フラグ（XZACGE）をオフにクリアする。次に、機関アイドル時の素子劣化補正ルーチンについて説明する。
図２２は機関アイドル時の素子劣化補正ルーチンの前半部フローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば１２８msec毎に実行される。先ず、ステップ２２０１では、現在、ヒータ抵抗を流れる電流ＨＴＩi とヒータ抵抗へ印加する電圧ＨＴＶi とヒータ電力供給のデューティ比ＤＵＴＹi とを読取りヒータへ供給する電力ＨＴＷi （＝ＨＴＩi ×ＨＴＶi ×ＤＵＴＹi ）を算出する。
【００５６】
ステップ２２０２では、機関アイドル時の学習条件が成立しているか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ２２０３へ進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。
機関アイドル時の学習条件は、機関が完全暖機定常アイドル状態であることを示す下記の各条件を満足したとき成立とみなす。
・機関始動時水温ＴＨＷstが所定温度範囲内（ＴＨＷ１≦ＴＨＷst≦ＴＨＷ２）
・バッテリ電圧ＢＡＴが所定値ＫＢＡＴ以上（ＫＢＡＴ≦ＢＡＴ）
・空燃比センサのインピーダンスＺac（Ω）が所定値範囲内（ＫＺac1 ≦Ｚac≦ＫＺac2 ）
・機関回転数ＮＥ（rpm ）が所定値以下（ＮＥ≦ＫＮＥ）
・機関吸気圧ＰＭ（mmHg）が所定値以下（ＰＭ≦ＫＰＭ）
・車速ＳＰＤ（km/h）が所定値以下（ＳＰＤ≦ＫＳＰＤ）
・機関アイドルスイッチがオン
ステップ２２０３では、学習条件成立後、所定時間経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ２２０４へ進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ２２０４では、学習条件成立フラグ（XZACG ）をオンとする。
【００５７】
ステップ２２０６では、前回処理周期で学習条件成立フラグ（XZACG ）がオンかオフかを判別し、オフ（XZACG ＝０）のときステップ２２０７へ進み、オン（XZACG ＝１）のときステップ２２０８へ進む。ステップ２２０７では、積算電力量ΣＨＴＷi を０にクリアし、かつ学習領域内経過時間カウンタＣＺＡＣＧＴを０にクリアする。
【００５８】
ステップ２２０８では、学習領域内経過時間カウンタＣＺＡＣＧＴをインクリメント（ＣＺＡＣＧＴ＝ＣＺＡＣＧＴ＋１）する。
ステップ２２０９では、今回処理周期の積算電力量ΣＨＴＷi を次式から算出する。
ΣＨＴＷi ＝ΣＨＴＷi-1 ＋ＨＴＷi
ここで、ΣＨＴＷi-1 は前回処理周期の積算電力量を示し、イグニッションスイッチをオンに切換え機関を始動した直後に０にクリアされる。ステップ２２０９実行後は図２１に示すフローチャートのステップ２１０１へ進む。
【００５９】
ステップ２２１０では、学習領域内経過時間カウンタＣＺＡＣＧＴが所定値ＫＺＡＣＧＴ以上（ＣＺＡＣＧＴ≧ＫＺＡＣＧＴ）か否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ２２１１へ進み、その判別結果がＮＯのときは図２１のステップ２１０１ヘ進む。ステップ２２１１では学習完了フラグ（XZACGE）をオンに設定する。次に、機関走行時について説明する。
【００６０】
図２３は機関走行時の素子劣化補正ルーチンの前半部フローチャートである。図２３に示す機関走行時の素子劣化補正ルーチンは図２２に示す機関アイドル時の素子劣化補正ルーチンにおけるステップ２２０２のアイドル時の学習条件をステップ２３０２の定常走行時の学習条件に置き換えたものであるので、ステップ２３０２の定常走行時の学習条件のみを以下に説明する。
【００６１】
機関走行時の学習条件は、機関が完全暖機定常走行状態であることを示す下記の各条件を満足したとき成立とみなす。
・機関始動時水温ＴＨＷstが所定温度範囲内（ＴＨＷ１≦ＴＨＷst≦ＴＨＷ２）
・バッテリ電圧ＢＡＴが所定値ＫＢＡＴ以上（ＫＢＡＴ≦ＢＡＴ）
・空燃比センサのインピーダンスＺac（Ω）が所定値範囲内（ＫＺac1 ≦Ｚac≦ＫＺac2 ）
・機関回転数ＮＥ（rpm ）が所定範囲内（ＫＮＥ１Ｌ≦ＮＥ≦ＫＮＥ１Ｈ）
・機関の負荷率のなまし値ＫＬＳＭ（％）が所定範囲内（ＫＫＬＳＭ１Ｌ≦ＫＬＳＭ≦ＫＫＬＳＭ１Ｈ）
なお、以上により、機関始動時、アイドル時、走行時の３つの運転状態における素子劣化補正ルーチンの実施の形態を説明したが、これら３つの何れか１つあるいはこれらを組合わせて素子劣化補正を行ってもよい。
【００６２】
次に、空燃比センサの故障判定後の処理を説明する。
図２４は空燃比センサ故障判定診断ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば１２８msec毎に実行される。先ず、ステップ２４０１では、空燃比センサの故障判定フラグ（XFAFS ）がオンかオフかを判別し、XFAFS ＝１のときはステップ２４０２へ進み、XFAFS ＝０のときは本ルーチンを終了する。ステップ２４０２では、機関の排気空燃比を目標空燃比、例えば理論空燃比へ制御する空燃比フィードバック制御を停止する。ステップ２４０３では、ヒータへの通電を停止しヒータの過加熱を防止する。ステップ２４０４では警告灯（図示せず）を点灯し、ドライバに空燃比センサの故障を知らせる。次に、図２１のステップ２１０４の処理、すなわちヒータ積算電力量ΣＨＴＷi から素子温制御目標値Ｚactgを補正するルーチンについて以下に説明する。
【００６３】
図２５は素子温制御目標学習値算出ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば１２８msec毎に実行される。先ず、ステップ２５０１では、ヒータの積算電力量ΣＨＴＷi から平均電力量ＨＴＷＡＶを次式から算出する。
ＨＴＷＡＶ＝ΣＨＴＷi ／積算回数
ステップ２５０２では、図２６に示すマップを用いて平均電力量ＨＴＷＡＶ（watt・h ）からセンサ素子の劣化を推定する素子温制御目標学習値Ｚactgg の補正量 ZACOT（Ω）を算出する。ステップ２５０３では、今回処理周期の素子温制御目標学習値Ｚactggiを次式から算出する。
【００６４】
Ｚactggi＝Ｚactggi-1 ＋ ZACOT
ここで、Ｚactggi-1は前回処理周期の素子温制御目標学習値である。ステップ２５０４では、バッテリバックアップのＳＲＡＭに上記のように学習した素子温制御目標学習値Ｚactggiを次式のように更新して記憶する。
Ｚactggb＝Ｚactggi
図２６のマップから判るように、補正量 ZACOTは平均電力量ＨＴＷＡＶの増大に伴い大きい値に設定されている。これは、空燃比センサの劣化に伴い、センサ素子のインピーダンス特性が変化し、センサ素子の温度を高温にする制御、すなわち素子温制御目標学習値Ｚactggiを低くする制御が行われ、このためヒータへ供給する電力量は大となる。本発明は、それゆえ、ヒータへの供給電力量の平均電力量を算出し、算出した平均電力量が増大したとき素子のインピーダンスを増大するよう制御することにより、センサ素子やヒータ抵抗の過加熱を防止している。また、センサ素子やヒータ抵抗の過加熱を防止することにより、センサ素子やヒータ抵抗の早期劣化を防止し寿命を延ばすことができる。
【００６５】
以上説明した本発明の実施の形態では、特定周波数に５ＫＨｚを用いたが、本発明はこれに限定されない。空燃比センサの電解質、電極等の材料、センサ回路の特性、印加電圧、使用温度等を考慮してこれら周波数は適宜選択できる。なお、特定周波数としては図５、図６におけるＲ１（電解質のバルク抵抗）＋Ｒ２（電解質の粒界抵抗）＋Ｒ３（電極界面抵抗）までのインピーダンスが検出可能な周波数を選択すれば、Ｒ１＋Ｒ２のインピーダンスまでを検出可能な周波数を選択する場合と比して被検出ガスのガス状態の変化をより顕著に捕らえることができる。
【００６６】
また、以上説明した本発明の実施の形態によれば、センサ素子の経時変化に伴う劣化のパラメータとして、電力算出手段により、センサ素子を加熱するヒータへ供給する電力の積算電力量を算出して求め、求めたヒータの積算電力量に基づき、平均電力量を求め、この平均電力量から素子温制御目標学習値を算出する。次いで、センサ素子により検出される被検出ガスのガス状態に応じて、具体的には空気量または負荷および空燃比に応じて、同素子の素子温制御目標値の補正量を算出する。このように算出した素子温制御目標学習値および補正量とから、センサ素子のインピーダンスを補正して、同素子の素子温制御目標値を補正する。すなわち、経時変化に伴うセンサ素子の劣化状態を示すヒータへの積算電力量に基づく素子温制御目標学習値を、センサ素子により検出される被検出ガスのガス状態に応じて補正して素子温制御目標値を算出する。そして、センサ素子の温度を算出した素子温制御目標値とするように制御するので、センサ素子やヒータへの過加熱を防止することができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の空燃比センサの抵抗検出装置によれば、内燃機関の冷間定常アイドル状態、完全暖機定常アイドル状態および完全暖機定常走行状態の内の少なくとも一つの運転状態のときに算出されたヒータへの電力量に応じて、酸素濃度検出素子のインピーダンスを補正して、同素子の素子温制御目標値を補正でき、その結果、ヒータへの電力量に応じて素子温制御目標値を適切に制御でき、酸素濃度検出素子やヒータへの過加熱を防止できる。
本発明はまた、所定時間内のヒータへの電力量から、酸素濃度検出素子の故障を判定できる。
【００６９】
本発明はまた、酸素濃度検出素子に直流分に交流分を重畳した電圧を印加することにより、同素子のインピーダンスを短時間に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空燃比センサ制御装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】図１に示す空燃比センサおよびヒータの制御を示す図である。
【図３】空燃比センサの入出力信号を示す図であり、（Ａ）は空燃比センサへ印加する入力電圧の波形を示す図であり、（Ｂ）は空燃比センサから検出される出力電流波形を示す図である。
【図４】空燃比センサ素子の構造を示す図であり、（Ａ）は断面図を示す図であり、（Ｂ）は電解質部の部分拡大図である。
【図５】空燃比センサ素子の等価回路を示す図である。
【図６】空燃比センサ素子のインピーダンス特性を示す図である。
【図７】交流入力電圧の周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。
【図８】空燃比センサの電圧−電流特性を示す図である。
【図９】センサ素子のインピーダンス算出ルーチンの前半フローチャートである。
【図１０】センサ素子のインピーダンス算出ルーチンにおける特定周波数重畳処理のフローチャートである。
【図１１】特定周波数重畳処理を遂行するために必要な第１割込処理ルーチンのフローチャートである。
【図１２】特定周波数重畳処理を遂行するために必要な第２割込処理ルーチンのフローチャートである。
【図１３】ヒータ制御のタイムチャートである。
【図１４】ヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
【図１５】素子温フィードバック制御ルーチンのフローチャートである。
【図１６】素子温制御目標値算出ルーチンのフローチャートである。
【図１７】吸入空気量からインピーダンスの補正量を算出するマップである。
【図１８】機関の負荷状態からインピーダンスの補正量を算出するマップである。
【図１９】機関の空燃比からインピーダンスの補正量を算出するマップである。
【図２０】機関始動時の素子劣化補正ルーチンの前半部フローチャートである。
【図２１】機関始動時の素子劣化補正ルーチンの後半部フローチャートである。
【図２２】機関アイドル時の素子劣化補正ルーチンの前半部フローチャートである。
【図２３】機関走行時の素子劣化補正ルーチンの前半部フローチャートである。
【図２４】空燃比センサ故障判定診断ルーチンのフローチャートである。
【図２５】素子温制御目標学習値算出ルーチンのフローチャートである。
【図２６】ヒータ平均電力量から素子温制御目標学習値の補正量を算出するマップである。
【図２７】酸素濃度検出素子の温度とインピーダンスの相関関係を示す図である。
【符号の説明】
１…シリンダブロック
９…エアフローメータ
１８…スロットルポジションセンサ
１９…吸気圧センサ
２０…水温センサ
２１…車速センサ
２２…アラーム
３３…クランク角センサ
３４…クランク角センサ
１００…ＥＣＵ
１０１…空燃比センサ
１０２…センサ素子
１０３…センサ回路
１０４…ヒータ
１０５…バッテリ
１０６…ヒータ回路
１１０…Ａ／ＦＣＵ
２００…機関

Claims (3)

1. 酸素濃度検出素子と、該酸素濃度検出素子を活性化するヒータと、該酸素濃度検出素子に電圧を印加することにより被検出ガス中の酸素濃度に比例した電流を該酸素濃度検出素子から検出して該被検出ガス中の空燃比を検出する空燃比検出手段と、を備える空燃比センサの抵抗検出装置において、
   前記酸素濃度検出素子に電圧を印加して該酸素濃度検出素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
   前記ヒータへ供給される電力量を算出する電力量算出手段と、
   内燃機関の冷間定常アイドル状態、完全暖機定常アイドル状態および完全暖機定常走行状態の内の少なくとも一つの運転状態のときに前記電力量算出手段により算出された前記電力量に応じて、前記インピーダンス検出手段により検出された前記酸素濃度検出素子のインピーダンスを補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とする空燃比センサの抵抗検出装置。
2. 前記運転状態のときに前記電力量算出手段により算出された前記電力量に基づいて、前記酸素濃度検出素子の故障を判定する故障判定手段を備える請求項１に記載の空燃比センサの抵抗検出装置。
3. 前記インピーダンス検出手段は、前記酸素濃度検出素子に直流分に交流分が重畳された電圧を印加して該酸素濃度検出素子のインピーダンスを検出する請求項１または２に記載の空燃比センサの抵抗検出装置。

Images