JP3764841B2 - 空燃比センサの素子温度計測装置及びヒータ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に装着されて空燃比制御に用いられる空燃比センサ（酸素センサを含む）の素子温度を計測する素子温度計測装置、及び、計測された素子温度に基づいて空燃比センサに備えられるセンサ素子加熱用のヒータを制御するヒータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の空燃比制御装置として、空燃比センサにより排気中の酸素濃度などに基づいて実際の空燃比を検出し、これが目標空燃比となるように、機関への燃料供給量をフィードバック制御するものが知られている。
【０００３】
ところで、上記の空燃比フィードバック制御を行うためには、空燃比センサが活性化していることが前提条件となり、空燃比センサは、その素子温度が所定の活性温度に達することで活性化されるため、空燃比センサには、センサ素子加熱用のヒータを装備させて、ヒータへの通電制御により素子温度を目標温度に制御している（例えば特開平８−２７８２７９号公報参照）。
【０００４】
具体的には、センサ素子の内部抵抗を計測して、これより推定される素子温度に基づき、これが目標温度となるように、ヒータへの通電量をフィードバック制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空燃比センサの素子温度（これと関連するセンサ素子の内部抵抗）の計測のため、センサ素子に素子温度計測用（内部抵抗計測用）の所定の電圧を印加して、そのときのセンサ出力に基づいて内部抵抗を計測する場合、内部抵抗計測中（計測用電圧の印加中）も、空燃比センサは空燃比検出分の電圧出力を継続しているため、センサ出力をそのまま内部抵抗計測に使用すると、素子温度の推定誤差が大きくなってしまうことがある。
【０００６】
このような素子温度の推定誤差の増大は、センサ素子加熱用のヒータへの通電制御に際し、目標温度への制御性の悪化を招くばかりか、ヒータでの消費電力の増大を招いたりする。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、空燃比センサの素子温度をより正確に計測することのできる空燃比センサの素子温度計測装置を提供し、併せてこれを用いてセンサ素子加熱用のヒータを制御するヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１、３、５に係る発明では、図１に示すように、空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を一時的に印加する素子温度計測用電圧印加手段と、前記電圧印加直前のセンサ出力を読込む第１のセンサ出力読込み手段と、前記電圧印加中のセンサ出力を読込む第２のセンサ出力読込み手段と、前記電圧印加直前のセンサ出力と前記電圧印加中のセンサ出力とに基づいて、空燃比センサの素子温度を推定する素子温度推定手段と、を設けて、空燃比センサの素子温度計測装置を構成する。
【００１１】
また、請求項１に係る発明では、前記素子温度推定手段は、図１中の（ａ）に示すように、前記電圧印加中のセンサ出力を前記電圧印加直前のセンサ出力により補正するセンサ出力補正手段と、補正されたセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、算出された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明では、前記センサ出力補正手段は、前記電圧印加中のセンサ出力から前記電圧印加直前のセンサ出力を減算して、補正後センサ出力を算出することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に係る発明では、前記素子温度推定手段は、図１中の（ｂ）に示すように、前記電圧印加中のセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、算出された内部抵抗を前記電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正する内部抵抗補正手段と、補正された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
請求項４に係る発明では、前記内部抵抗補正手段は、前記電圧印加直前のセンサ出力が大きいほど、内部抵抗を小さくする方向に補正することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に係る発明では、前記素子温度推定手段は、図１中の（ｃ）に示すように、前記電圧印加中のセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、算出された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、算出された素子温度を前記電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正する素子温度補正手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
請求項６に係る発明では、前記素子温度補正手段は、前記電圧印加直前のセンサ出力が大きいほど、素子温度を高くする方向に補正することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明では、前記第１のセンサ出力読込み手段は、空燃比を検出するために、所定の周期で、センサ出力を読込む空燃比検出手段であり、前記素子温度計測用電圧印加手段は、前記第１のセンサ出力読込み手段のセンサ出力読込み直後に、センサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を印加することを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る発明では、上記の空燃比センサの素子温度計測装置を備える一方、空燃比センサに備えられるセンサ素子加熱用のヒータに対し、素子温度が目標温度となるように、ヒータへの通電量をフィードバック制御するヒータ通電量制御手段を設けて、空燃比センサのヒータ制御装置を構成する（図１参照）。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１、３、５に係る発明によれば、空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の電圧を印加して、センサ出力より素子温度を推定する場合に、電圧印加直前のセンサ出力と電圧印加中のセンサ出力とに基づいて素子温度を推定することで、特に電圧印加直前のセンサ出力により空燃比センサの空燃比検出分の電圧出力の影響を考慮できるので、素子温度の推定精度を向上することができる。これによって、活性判定等を正確に行うことができる。
【００２０】
また、請求項１に係る発明によれば、電圧印加中のセンサ出力を電圧印加直前のセンサ出力により補正して、補正されたセンサ出力に基づいて、センサ素子の内部抵抗を算出し、これに基づいて素子温度を算出することで、空燃比検出分の電圧出力の影響を除外したセンサ出力より、内部抵抗を正確に計測して、素子温度を正確に推定することができる。
【００２１】
請求項２に係る発明によれば、センサ出力補正に際し、電圧印加中のセンサ出力から電圧印加直前のセンサ出力を減算して、補正後センサ出力を算出することで、最も簡単な方法で、空燃比検出分の電圧出力の影響を除外した内部抵抗分のセンサ出力を取出すことができる。
【００２２】
また、請求項３、４に係る発明によれば、電圧印加中のセンサ出力読込み→内部抵抗算出→素子温度算出の過程で、中間段階での内部抵抗を電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正することで、請求項１に係る発明と同等の効果が得られる。
【００２３】
また、請求項５、６に係る発明によれば、電圧印加中のセンサ出力読込み→内部抵抗算出→素子温度算出の際に、最終出力である素子温度を電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正することで、請求項１に係る発明と同等の効果が得られる。
【００２４】
請求項７に係る発明によれば、所定の周期でセンサ出力を読込んで空燃比を検出する場合に、空燃比検出用のセンサ出力の読込み直後に、センサ素子に素子温度計測用の電圧を印加するため、空燃比検出タイミングにて電圧印加中のために空燃比を検出できない回数を最小にでき、空燃比制御性能への影響を最小にすることができると共に、電圧印加直前のセンサ出力の読込みを空燃比検出用のもので代用できる。
【００２５】
請求項８に係る発明によれば、上記のごとく空燃比センサの素子温度の推定精度を向上できる一方、ヒータ制御により、空燃比センサの素子温度を目標温度に正しく収束させて、空燃比センサを所望の活性状態に維持することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は内燃機関の空燃比フィードバック制御装置のシステム図である。
【００２７】
内燃機関（以下エンジンという）１には、各気筒毎に、吸気通路２又は燃焼室内に臨むように、燃料噴射弁３が設けられ、各燃料噴射弁３の燃料噴射はコントロールユニット４により制御される。
【００２８】
コントロールユニット４は、例えば、エアフローメータ５からの信号に基づいて検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ６からの信号に基づいて検出されるエンジン回転数Ｎｅとから、ストイキ（λ＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλの他、排気通路７に配置した空燃比センサ８からの信号に基づく空燃比フィードバック補正係数αにより補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αを演算し、このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン回転に同期して、各燃料噴射弁３に出力する。
【００２９】
ここで、空燃比センサ８は、排気通路７に配置されて、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力するもので、コントロールユニット４は、空燃比センサ８からの信号に基づいて、エンジン１に供給されている混合気の空燃比λを検出し、これが目標空燃比ｔλとなるように、空燃比フィードバック補正係数αを比例積分制御などにより増減設定することで、空燃比λを目標空燃比ｔλにフィードバック制御する。
【００３０】
また、空燃比センサ８としては、空燃比に応じて出力電圧が連続的に変化することで空燃比をリニアに検出可能ないわゆる広域型空燃比センサであって、図３に示すようにセンサ素子１１加熱用のヒータ１２を備えるものを用いる。
【００３１】
図３は空燃比センサ８のセンサ素子１１及びセンサ素子加熱用のヒータ１２に対する制御回路を示している。
空燃比センサ８のセンサ素子１１は、空燃比に応じて出力電圧Ｖｓが連続的に変化し、その出力Ｖｓはコントロールユニット４に入力される。
【００３２】
また、センサ素子１１には、素子温度計測用（内部抵抗計測用）の所定の電圧Ｖcc（例えば５Ｖ）がスイッチング素子１３及び基準抵抗Ｒ０を介して印加されるようになっている。従って、素子温度計測時に、スイッチング素子１３がＯＮとなると、センサ素子１１の出力Ｖｓに素子温度計測用の電圧分が重畳される。
【００３３】
ヒータ１２には、バッテリ電圧ＶＢを印加するが、通電回路中にスイッチング素子１４を設けてある。
コントロールユニット４内のＣＰＵ１５は、素子温度計測用電圧印加用のスイッチング素子１３のＯＮ・ＯＦＦを制御しつつ、所定のタイミングで、センサ素子１１の出力Ｖｓをフィルタ（平滑化回路）１６及びＡ／Ｄ変換器１７を介して読込む。
【００３４】
また、ＣＰＵ１５は、Ｄ／Ａ変換器１８を介して、ヒータ制御用のスイッチング素子１４のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することにより、ヒータ１２への通電量を制御する。
【００３５】
次にＣＰＵ１５の制御内容をフローチャートにより説明する。
図４は第１実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャートであり、所定のクランク角周期で実行される。
【００３６】
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、空燃比を検出すべく、センサ出力Ｖｓを読込み、Ｖaf＝Ｖｓとして、これに基づいて空燃比λを検出する。この部分が空燃比検出手段に相当すると共に、素子温度計測用電圧の印加直前のセンサ出力を読込む第１のセンサ出力読込み手段に相当する。
【００３７】
ステップ２では、スイッチング素子１３をＯＮにして、センサ素子１１への素子温度計測用電圧Ｖccの印加を開始する。すなわち、空燃比検出用のセンサ出力の読込み直後より、素子温度計測用電圧Ｖccの印加を開始する。この部分が素子温度計測用電圧印加手段に相当する。
【００３８】
ステップ３では、素子温度計測用電圧の印加開始から第１の所定時間Ｔ１後に、センサ素子１１の内部抵抗を計測すべく、センサ出力Ｖｓを読込み、Ｖｒ＝Ｖｓとする。この部分が素子温度計測用電圧の印加中のセンサ出力を読込む第２のセンサ出力読込み手段に相当する。
【００３９】
ステップ４では、電圧印加中のセンサ出力Ｖｒを電圧印加直前のセンサ出力Ｖafにより補正する。具体的には、電圧印加中のセンサ出力Ｖｒから電圧印加直前のセンサ出力Ｖafを減算して、補正後センサ出力Ｖｒ＝Ｖｒ−Ｖafを求める。この部分がセンサ出力補正手段に相当する。
【００４０】
ステップ５では、補正後センサ出力Ｖｒに基づいて、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを算出する。この部分が内部抵抗算出手段に相当する。
具体的には、センサ素子１１に流れる電流をｉとし、Ｖｓ＝Ｖｒとすると、
Ｖｒ＝ｉ×Ｒｓ
Ｖcc−Ｖｒ＝ｉ×Ｒ０
であるので、両式より、
Ｒｓ＝Ｖｒ／〔（Ｖcc−Ｖｒ）／Ｒ０〕
として、内部抵抗Ｒｓを算出する。
【００４１】
ステップ６では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓより、テーブルを参照するなどして、素子温度Ｔｓを算出する。素子温度Ｔｓが高くなるほど、内部抵抗Ｒｓが減少するので、内部抵抗Ｒｓより、素子温度Ｔｓを算出可能だからである。この部分が素子温度算出手段に相当する。
【００４２】
尚、ステップ４〜ステップ６の部分がセンサ出力補正手段、内部抵抗算出手段及び素子温度算出手段を含む素子温度推定手段に相当する。
ステップ７では、素子温度計測用電圧の印加開始から第２の所定時間Ｔ２後に、スイッチング素子１３をＯＦＦにすることで、センサ素子１１への素子温度計測用電圧Ｖccの印加を停止（終了）する。
【００４３】
このような素子温度計測の効果を図５により説明する。
空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の電圧を印加した場合、センサ出力には、センサ素子の酸素電池分の出力信号が重畳するので、素子温度が一定であっても、電圧印加中のセンサ出力が変化する場合があり、これにより素子温度の推定に際し、推定誤差を生じる。
【００４４】
そこで、電圧印加中のセンサ出力Ｖｒを電圧印加直前のセンサ出力Ｖafにより補正することで、具体的には、補正後Ｖｒ＝Ｖｒ−Ｖafとして、酸素電池分の影響を除去することで、補正後Ｖｒに基づいて内部抵抗Ｒｓを正しく算出し、素子温度Ｔｓの推定誤差をなくすのである。
【００４５】
また、所定のクランク角周期でセンサ出力を読込んで空燃比を検出する場合に、空燃比検出用のセンサ出力の読込み直後に、センサ素子に素子温度計測用電圧を印加することで、高回転時などに空燃比検出タイミングにて電圧印加中のために空燃比を検出できない回数を最小にでき、空燃比制御性能への影響を最小にすることができると共に、電圧印加直前のセンサ出力の読込みを空燃比検出用のもので代用できる。
【００４６】
図６はヒータ制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間毎に実行される。本ルーチンがヒータ通電量制御手段に相当する。
ステップ１０１では、図４のルーチンにより算出されている最新の素子温度Ｔｓを読込む。
【００４７】
ステップ１０２では、実際の素子温度Ｔｓと目標温度との偏差に応じて、周知のＰＩＤ制御により、素子温度Ｔｓを目標温度に近づけるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹ（％）を算出する。
【００４８】
具体的には、実際の素子温度Ｔｓが目標温度より低い場合は、ヒータ１２への通電量（通電時間割合）を増大させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを増大させ、逆に、実際の素子温度Ｔｓが目標温度より高い場合は、ヒータ１２への通電量（通電時間割合）を減少させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを減少させる。
【００４９】
ステップ１０３では、算出されたヒータデューティＨＤＵＴＹを出力し、これによりスイッチング素子１４のＯＮ・ＯＦＦでヒータ１２への通電量を制御して、素子温度Ｔｓを目標温度に収束させる。
【００５０】
尚、上記実施形態では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを計測し、これに基づいて素子温度Ｔｓを算出し、ヒータ制御に際して、素子温度Ｔｓが目標温度となるようにフィードバック制御するようにしているが、内部抵抗Ｒｓにより素子温度Ｔｓが定まるので、素子温度Ｔｓを算出することなく、ヒータ制御に際して、内部抵抗Ｒｓが目標内部抵抗となるようにフィードバック制御するようにしてもよい。
【００５１】
このようにする場合は、実際の内部抵抗Ｒｓが目標内部抵抗より大きいときに、素子温度が低いので、ヒータ１２への通電量を増大させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを増大させ、逆に、実際の内部抵抗Ｒｓが目標内部抵抗より小さいときに、素子温度が高いので、ヒータ１２への通電量を減少させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを減少させる。
【００５２】
次に本発明の他の実施形態について説明する。
図７は第２実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャートであり、図４のフローに代えて実行される。
【００５３】
ステップ１〜ステップ３は図４のフローと同じであり、ステップ４は省略される。
従って、ステップ５では、補正無しの電圧印加中のセンサ出力Ｖｒに基づいて、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを算出する（内部抵抗算出手段）。
【００５４】
その代わりに、内部抵抗補正手段として、ステップ５１，５２が追加される。
ステップ５１では、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafから内部抵抗Ｒｓに対する補正値（Ｒｓ補正値）を算出する。
【００５５】
ステップ５２では、ステップ５にて算出した内部抵抗Ｒｓをステップ５１にて算出したＲｓ補正値により補正する。
ここでの補正は、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafが大きいほど、内部抵抗Ｒｓが実際より大きく算出されてしまうので、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafが大きいほど、内部抵抗Ｒｓを小さくする方向に補正する。
【００５６】
そして、ステップ６では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓ（補正後Ｒｓ）より、テーブルを参照するなどして、素子温度Ｔｓを算出する（素子温度算出手段）。ステップ７については、図４のフローと同じである。
【００５７】
図８は第３実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャートであり、図４のフローに代えて実行される。
ステップ１〜ステップ３は図４のフローと同じであり、ステップ４は省略される。
【００５８】
従って、ステップ５では、補正無しの電圧印加中のセンサ出力Ｖｒに基づいて、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを算出し（内部抵抗算出手段）、ステップ６では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓより、テーブルを参照するなどして、素子温度Ｔｓを算出する（素子温度算出手段）。
【００５９】
その代わりに、素子温度補正手段として、ステップ６１，６２が追加される。
ステップ６１では、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafから素子温度Ｔｓに対する補正値（Ｔｓ補正値）を算出する。
【００６０】
ステップ６２では、ステップ６にて算出した素子温度Ｔｓをステップ６１にて算出したＴｓ補正値により補正する。
ここでの補正は、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafが大きいほど、内部抵抗Ｒｓが実際より大きく算出されて、素子温度Ｔｓが実際より低く算出されてしまうので、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafが大きいほど、素子温度Ｔｓを高くする方向に補正する。
【００６１】
従って、ヒータ制御等には、補正された素子温度Ｔｓ（補正後Ｔｓ）を用いる。ステップ７については、図４のフローと同じである。
このような第２実施形態及び第３実施形態においても、第１実施形態と同等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】 本発明の実施形態を示すエンジンの空燃比フィードバック制御装置のシステム図
【図３】 空燃比センサのセンサ素子及びヒータに対する制御回路図
【図４】 素子温度計測ルーチン（第１実施形態）のフローチャート
【図５】 素子温度計測のタイムチャート
【図６】 ヒータ制御ルーチンのフローチャート
【図７】 第２実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャート
【図８】 第３実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１ エンジン
３ 燃料噴射弁
４ コントロールユニット
７ 排気通路
８ 空燃比センサ
１１ センサ素子
１２ ヒータ
１３ スイッチング素子
１４ スイッチング素子
１５ ＣＰＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に装着されて空燃比制御に用いられる空燃比センサ（酸素センサを含む）の素子温度を計測する素子温度計測装置、及び、計測された素子温度に基づいて空燃比センサに備えられるセンサ素子加熱用のヒータを制御するヒータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の空燃比制御装置として、空燃比センサにより排気中の酸素濃度などに基づいて実際の空燃比を検出し、これが目標空燃比となるように、機関への燃料供給量をフィードバック制御するものが知られている。
【０００３】
ところで、上記の空燃比フィードバック制御を行うためには、空燃比センサが活性化していることが前提条件となり、空燃比センサは、その素子温度が所定の活性温度に達することで活性化されるため、空燃比センサには、センサ素子加熱用のヒータを装備させて、ヒータへの通電制御により素子温度を目標温度に制御している（例えば特開平８−２７８２７９号公報参照）。
【０００４】
具体的には、センサ素子の内部抵抗を計測して、これより推定される素子温度に基づき、これが目標温度となるように、ヒータへの通電量をフィードバック制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空燃比センサの素子温度（これと関連するセンサ素子の内部抵抗）の計測のため、センサ素子に素子温度計測用（内部抵抗計測用）の所定の電圧を印加して、そのときのセンサ出力に基づいて内部抵抗を計測する場合、内部抵抗計測中（計測用電圧の印加中）も、空燃比センサは空燃比検出分の電圧出力を継続しているため、センサ出力をそのまま内部抵抗計測に使用すると、素子温度の推定誤差が大きくなってしまうことがある。
【０００６】
このような素子温度の推定誤差の増大は、センサ素子加熱用のヒータへの通電制御に際し、目標温度への制御性の悪化を招くばかりか、ヒータでの消費電力の増大を招いたりする。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、空燃比センサの素子温度をより正確に計測することのできる空燃比センサの素子温度計測装置を提供し、併せてこれを用いてセンサ素子加熱用のヒータを制御するヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１、３、５に係る発明では、図１に示すように、空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を一時的に印加する素子温度計測用電圧印加手段と、前記電圧印加直前のセンサ出力を読込む第１のセンサ出力読込み手段と、前記電圧印加中のセンサ出力を読込む第２のセンサ出力読込み手段と、前記電圧印加直前のセンサ出力と前記電圧印加中のセンサ出力とに基づいて、空燃比センサの素子温度を推定する素子温度推定手段と、を設けて、空燃比センサの素子温度計測装置を構成する。
【００１１】
また、請求項１に係る発明では、前記素子温度推定手段は、図１中の（ａ）に示すように、前記電圧印加中のセンサ出力を前記電圧印加直前のセンサ出力により補正するセンサ出力補正手段と、補正されたセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、算出された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明では、前記センサ出力補正手段は、前記電圧印加中のセンサ出力から前記電圧印加直前のセンサ出力を減算して、補正後センサ出力を算出することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に係る発明では、前記素子温度推定手段は、図１中の（ｂ）に示すように、前記電圧印加中のセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、算出された内部抵抗を前記電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正する内部抵抗補正手段と、補正された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
請求項４に係る発明では、前記内部抵抗補正手段は、前記電圧印加直前のセンサ出力が大きいほど、内部抵抗を小さくする方向に補正することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に係る発明では、前記素子温度推定手段は、図１中の（ｃ）に示すように、前記電圧印加中のセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、算出された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、算出された素子温度を前記電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正する素子温度補正手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
請求項６に係る発明では、前記素子温度補正手段は、前記電圧印加直前のセンサ出力が大きいほど、素子温度を高くする方向に補正することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明では、前記第１のセンサ出力読込み手段は、空燃比を検出するために、所定の周期で、センサ出力を読込む空燃比検出手段であり、前記素子温度計測用電圧印加手段は、前記第１のセンサ出力読込み手段のセンサ出力読込み直後に、センサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を印加することを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る発明では、上記の空燃比センサの素子温度計測装置を備える一方、空燃比センサに備えられるセンサ素子加熱用のヒータに対し、素子温度が目標温度となるように、ヒータへの通電量をフィードバック制御するヒータ通電量制御手段を設けて、空燃比センサのヒータ制御装置を構成する（図１参照）。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１、３、５に係る発明によれば、空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の電圧を印加して、センサ出力より素子温度を推定する場合に、電圧印加直前のセンサ出力と電圧印加中のセンサ出力とに基づいて素子温度を推定することで、特に電圧印加直前のセンサ出力により空燃比センサの空燃比検出分の電圧出力の影響を考慮できるので、素子温度の推定精度を向上することができる。これによって、活性判定等を正確に行うことができる。
【００２０】
また、請求項１に係る発明によれば、電圧印加中のセンサ出力を電圧印加直前のセンサ出力により補正して、補正されたセンサ出力に基づいて、センサ素子の内部抵抗を算出し、これに基づいて素子温度を算出することで、空燃比検出分の電圧出力の影響を除外したセンサ出力より、内部抵抗を正確に計測して、素子温度を正確に推定することができる。
【００２１】
請求項２に係る発明によれば、センサ出力補正に際し、電圧印加中のセンサ出力から電圧印加直前のセンサ出力を減算して、補正後センサ出力を算出することで、最も簡単な方法で、空燃比検出分の電圧出力の影響を除外した内部抵抗分のセンサ出力を取出すことができる。
【００２２】
また、請求項３、４に係る発明によれば、電圧印加中のセンサ出力読込み→内部抵抗算出→素子温度算出の過程で、中間段階での内部抵抗を電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正することで、請求項１に係る発明と同等の効果が得られる。
【００２３】
また、請求項５、６に係る発明によれば、電圧印加中のセンサ出力読込み→内部抵抗算出→素子温度算出の際に、最終出力である素子温度を電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正することで、請求項１に係る発明と同等の効果が得られる。
【００２４】
請求項７に係る発明によれば、所定の周期でセンサ出力を読込んで空燃比を検出する場合に、空燃比検出用のセンサ出力の読込み直後に、センサ素子に素子温度計測用の電圧を印加するため、空燃比検出タイミングにて電圧印加中のために空燃比を検出できない回数を最小にでき、空燃比制御性能への影響を最小にすることができると共に、電圧印加直前のセンサ出力の読込みを空燃比検出用のもので代用できる。
【００２５】
請求項８に係る発明によれば、上記のごとく空燃比センサの素子温度の推定精度を向上できる一方、ヒータ制御により、空燃比センサの素子温度を目標温度に正しく収束させて、空燃比センサを所望の活性状態に維持することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は内燃機関の空燃比フィードバック制御装置のシステム図である。
【００２７】
内燃機関（以下エンジンという）１には、各気筒毎に、吸気通路２又は燃焼室内に臨むように、燃料噴射弁３が設けられ、各燃料噴射弁３の燃料噴射はコントロールユニット４により制御される。
【００２８】
コントロールユニット４は、例えば、エアフローメータ５からの信号に基づいて検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ６からの信号に基づいて検出されるエンジン回転数Ｎｅとから、ストイキ（λ＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλの他、排気通路７に配置した空燃比センサ８からの信号に基づく空燃比フィードバック補正係数αにより補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αを演算し、このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン回転に同期して、各燃料噴射弁３に出力する。
【００２９】
ここで、空燃比センサ８は、排気通路７に配置されて、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力するもので、コントロールユニット４は、空燃比センサ８からの信号に基づいて、エンジン１に供給されている混合気の空燃比λを検出し、これが目標空燃比ｔλとなるように、空燃比フィードバック補正係数αを比例積分制御などにより増減設定することで、空燃比λを目標空燃比ｔλにフィードバック制御する。
【００３０】
また、空燃比センサ８としては、空燃比に応じて出力電圧が連続的に変化することで空燃比をリニアに検出可能ないわゆる広域型空燃比センサであって、図３に示すようにセンサ素子１１加熱用のヒータ１２を備えるものを用いる。
【００３１】
図３は空燃比センサ８のセンサ素子１１及びセンサ素子加熱用のヒータ１２に対する制御回路を示している。
空燃比センサ８のセンサ素子１１は、空燃比に応じて出力電圧Ｖｓが連続的に変化し、その出力Ｖｓはコントロールユニット４に入力される。
【００３２】
また、センサ素子１１には、素子温度計測用（内部抵抗計測用）の所定の電圧Ｖcc（例えば５Ｖ）がスイッチング素子１３及び基準抵抗Ｒ０を介して印加されるようになっている。従って、素子温度計測時に、スイッチング素子１３がＯＮとなると、センサ素子１１の出力Ｖｓに素子温度計測用の電圧分が重畳される。
【００３３】
ヒータ１２には、バッテリ電圧ＶＢを印加するが、通電回路中にスイッチング素子１４を設けてある。
コントロールユニット４内のＣＰＵ１５は、素子温度計測用電圧印加用のスイッチング素子１３のＯＮ・ＯＦＦを制御しつつ、所定のタイミングで、センサ素子１１の出力Ｖｓをフィルタ（平滑化回路）１６及びＡ／Ｄ変換器１７を介して読込む。
【００３４】
また、ＣＰＵ１５は、Ｄ／Ａ変換器１８を介して、ヒータ制御用のスイッチング素子１４のＯＮ・ＯＦＦをデューティ制御することにより、ヒータ１２への通電量を制御する。
【００３５】
次にＣＰＵ１５の制御内容をフローチャートにより説明する。
図４は第１実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャートであり、所定のクランク角周期で実行される。
【００３６】
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、空燃比を検出すべく、センサ出力Ｖｓを読込み、Ｖaf＝Ｖｓとして、これに基づいて空燃比λを検出する。この部分が空燃比検出手段に相当すると共に、素子温度計測用電圧の印加直前のセンサ出力を読込む第１のセンサ出力読込み手段に相当する。
【００３７】
ステップ２では、スイッチング素子１３をＯＮにして、センサ素子１１への素子温度計測用電圧Ｖccの印加を開始する。すなわち、空燃比検出用のセンサ出力の読込み直後より、素子温度計測用電圧Ｖccの印加を開始する。この部分が素子温度計測用電圧印加手段に相当する。
【００３８】
ステップ３では、素子温度計測用電圧の印加開始から第１の所定時間Ｔ１後に、センサ素子１１の内部抵抗を計測すべく、センサ出力Ｖｓを読込み、Ｖｒ＝Ｖｓとする。この部分が素子温度計測用電圧の印加中のセンサ出力を読込む第２のセンサ出力読込み手段に相当する。
【００３９】
ステップ４では、電圧印加中のセンサ出力Ｖｒを電圧印加直前のセンサ出力Ｖafにより補正する。具体的には、電圧印加中のセンサ出力Ｖｒから電圧印加直前のセンサ出力Ｖafを減算して、補正後センサ出力Ｖｒ＝Ｖｒ−Ｖafを求める。この部分がセンサ出力補正手段に相当する。
【００４０】
ステップ５では、補正後センサ出力Ｖｒに基づいて、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを算出する。この部分が内部抵抗算出手段に相当する。
具体的には、センサ素子１１に流れる電流をｉとし、Ｖｓ＝Ｖｒとすると、
Ｖｒ＝ｉ×Ｒｓ
Ｖcc−Ｖｒ＝ｉ×Ｒ０
であるので、両式より、
Ｒｓ＝Ｖｒ／〔（Ｖcc−Ｖｒ）／Ｒ０〕
として、内部抵抗Ｒｓを算出する。
【００４１】
ステップ６では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓより、テーブルを参照するなどして、素子温度Ｔｓを算出する。素子温度Ｔｓが高くなるほど、内部抵抗Ｒｓが減少するので、内部抵抗Ｒｓより、素子温度Ｔｓを算出可能だからである。この部分が素子温度算出手段に相当する。
【００４２】
尚、ステップ４〜ステップ６の部分がセンサ出力補正手段、内部抵抗算出手段及び素子温度算出手段を含む素子温度推定手段に相当する。
ステップ７では、素子温度計測用電圧の印加開始から第２の所定時間Ｔ２後に、スイッチング素子１３をＯＦＦにすることで、センサ素子１１への素子温度計測用電圧Ｖccの印加を停止（終了）する。
【００４３】
このような素子温度計測の効果を図５により説明する。
空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の電圧を印加した場合、センサ出力には、センサ素子の酸素電池分の出力信号が重畳するので、素子温度が一定であっても、電圧印加中のセンサ出力が変化する場合があり、これにより素子温度の推定に際し、推定誤差を生じる。
【００４４】
そこで、電圧印加中のセンサ出力Ｖｒを電圧印加直前のセンサ出力Ｖafにより補正することで、具体的には、補正後Ｖｒ＝Ｖｒ−Ｖafとして、酸素電池分の影響を除去することで、補正後Ｖｒに基づいて内部抵抗Ｒｓを正しく算出し、素子温度Ｔｓの推定誤差をなくすのである。
【００４５】
また、所定のクランク角周期でセンサ出力を読込んで空燃比を検出する場合に、空燃比検出用のセンサ出力の読込み直後に、センサ素子に素子温度計測用電圧を印加することで、高回転時などに空燃比検出タイミングにて電圧印加中のために空燃比を検出できない回数を最小にでき、空燃比制御性能への影響を最小にすることができると共に、電圧印加直前のセンサ出力の読込みを空燃比検出用のもので代用できる。
【００４６】
図６はヒータ制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間毎に実行される。本ルーチンがヒータ通電量制御手段に相当する。
ステップ１０１では、図４のルーチンにより算出されている最新の素子温度Ｔｓを読込む。
【００４７】
ステップ１０２では、実際の素子温度Ｔｓと目標温度との偏差に応じて、周知のＰＩＤ制御により、素子温度Ｔｓを目標温度に近づけるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹ（％）を算出する。
【００４８】
具体的には、実際の素子温度Ｔｓが目標温度より低い場合は、ヒータ１２への通電量（通電時間割合）を増大させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを増大させ、逆に、実際の素子温度Ｔｓが目標温度より高い場合は、ヒータ１２への通電量（通電時間割合）を減少させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを減少させる。
【００４９】
ステップ１０３では、算出されたヒータデューティＨＤＵＴＹを出力し、これによりスイッチング素子１４のＯＮ・ＯＦＦでヒータ１２への通電量を制御して、素子温度Ｔｓを目標温度に収束させる。
【００５０】
尚、上記実施形態では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを計測し、これに基づいて素子温度Ｔｓを算出し、ヒータ制御に際して、素子温度Ｔｓが目標温度となるようにフィードバック制御するようにしているが、内部抵抗Ｒｓにより素子温度Ｔｓが定まるので、素子温度Ｔｓを算出することなく、ヒータ制御に際して、内部抵抗Ｒｓが目標内部抵抗となるようにフィードバック制御するようにしてもよい。
【００５１】
このようにする場合は、実際の内部抵抗Ｒｓが目標内部抵抗より大きいときに、素子温度が低いので、ヒータ１２への通電量を増大させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを増大させ、逆に、実際の内部抵抗Ｒｓが目標内部抵抗より小さいときに、素子温度が高いので、ヒータ１２への通電量を減少させるように、ヒータデューティＨＤＵＴＹを減少させる。
【００５２】
次に本発明の他の実施形態について説明する。
図７は第２実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャートであり、図４のフローに代えて実行される。
【００５３】
ステップ１〜ステップ３は図４のフローと同じであり、ステップ４は省略される。
従って、ステップ５では、補正無しの電圧印加中のセンサ出力Ｖｒに基づいて、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを算出する（内部抵抗算出手段）。
【００５４】
その代わりに、内部抵抗補正手段として、ステップ５１，５２が追加される。
ステップ５１では、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafから内部抵抗Ｒｓに対する補正値（Ｒｓ補正値）を算出する。
【００５５】
ステップ５２では、ステップ５にて算出した内部抵抗Ｒｓをステップ５１にて算出したＲｓ補正値により補正する。
ここでの補正は、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafが大きいほど、内部抵抗Ｒｓが実際より大きく算出されてしまうので、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafが大きいほど、内部抵抗Ｒｓを小さくする方向に補正する。
【００５６】
そして、ステップ６では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓ（補正後Ｒｓ）より、テーブルを参照するなどして、素子温度Ｔｓを算出する（素子温度算出手段）。ステップ７については、図４のフローと同じである。
【００５７】
図８は第３実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャートであり、図４のフローに代えて実行される。
ステップ１〜ステップ３は図４のフローと同じであり、ステップ４は省略される。
【００５８】
従って、ステップ５では、補正無しの電圧印加中のセンサ出力Ｖｒに基づいて、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓを算出し（内部抵抗算出手段）、ステップ６では、センサ素子１１の内部抵抗Ｒｓより、テーブルを参照するなどして、素子温度Ｔｓを算出する（素子温度算出手段）。
【００５９】
その代わりに、素子温度補正手段として、ステップ６１，６２が追加される。
ステップ６１では、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafから素子温度Ｔｓに対する補正値（Ｔｓ補正値）を算出する。
【００６０】
ステップ６２では、ステップ６にて算出した素子温度Ｔｓをステップ６１にて算出したＴｓ補正値により補正する。
ここでの補正は、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafが大きいほど、内部抵抗Ｒｓが実際より大きく算出されて、素子温度Ｔｓが実際より低く算出されてしまうので、電圧印加直前のセンサ出力Ｖafが大きいほど、素子温度Ｔｓを高くする方向に補正する。
【００６１】
従って、ヒータ制御等には、補正された素子温度Ｔｓ（補正後Ｔｓ）を用いる。ステップ７については、図４のフローと同じである。
このような第２実施形態及び第３実施形態においても、第１実施形態と同等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】 本発明の実施形態を示すエンジンの空燃比フィードバック制御装置のシステム図
【図３】 空燃比センサのセンサ素子及びヒータに対する制御回路図
【図４】 素子温度計測ルーチン（第１実施形態）のフローチャート
【図５】 素子温度計測のタイムチャート
【図６】 ヒータ制御ルーチンのフローチャート
【図７】 第２実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャート
【図８】 第３実施形態での素子温度計測ルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１ エンジン
３ 燃料噴射弁
４ コントロールユニット
７ 排気通路
８ 空燃比センサ
１１ センサ素子
１２ ヒータ
１３ スイッチング素子
１４ スイッチング素子
１５ ＣＰＵ
Claims (8)
- 内燃機関の排気系に装着される空燃比センサの素子温度計測装置であって、
空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を一時的に印加する素子温度計測用電圧印加手段と、
前記電圧印加直前のセンサ出力を読込む第１のセンサ出力読込み手段と、
前記電圧印加中のセンサ出力を読込む第２のセンサ出力読込み手段と、
前記電圧印加直前のセンサ出力と前記電圧印加中のセンサ出力とに基づいて、空燃比センサの素子温度を推定する素子温度推定手段と、を備え、
前記素子温度推定手段は、
前記電圧印加中のセンサ出力を前記電圧印加直前のセンサ出力により補正するセンサ出力補正手段と、
補正されたセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、
算出された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、
を含んで構成されることを特徴とする空燃比センサの素子温度計測装置。 - 前記センサ出力補正手段は、前記電圧印加中のセンサ出力から前記電圧印加直前のセンサ出力を減算して、補正後センサ出力を算出することを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの素子温度計測装置。
- 内燃機関の排気系に装着される空燃比センサの素子温度計測装置であって、
空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を一時的に印加する素子温度計測用電圧印加手段と、
前記電圧印加直前のセンサ出力を読込む第１のセンサ出力読込み手段と、
前記電圧印加中のセンサ出力を読込む第２のセンサ出力読込み手段と、
前記電圧印加直前のセンサ出力と前記電圧印加中のセンサ出力とに基づいて、空燃比センサの素子温度を推定する素子温度推定手段と、を備え、
前記素子温度推定手段は、
前記電圧印加中のセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、
算出された内部抵抗を前記電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正する内部抵抗補正手段と、
補正された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、
を含んで構成されることを特徴とする空燃比センサの素子温度計測装置。 - 前記内部抵抗補正手段は、前記電圧印加直前のセンサ出力が大きいほど、内部抵抗を小さくする方向に補正することを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの素子温度計測装置。
- 内燃機関の排気系に装着される空燃比センサの素子温度計測装置であって、
空燃比センサのセンサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を一時的に印加する素子温度計測用電圧印加手段と、
前記電圧印加直前のセンサ出力を読込む第１のセンサ出力読込み手段と、
前記電圧印加中のセンサ出力を読込む第２のセンサ出力読込み手段と、
前記電圧印加直前のセンサ出力と前記電圧印加中のセンサ出力とに基づいて、空燃比センサの素子温度を推定する素子温度推定手段と、を備え、
前記素子温度推定手段は、
前記電圧印加中のセンサ出力に基づいてセンサ素子の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段と、
算出された内部抵抗に基づいて素子温度を算出する素子温度算出手段と、
算出された素子温度を前記電圧印加直前のセンサ出力に基づいて補正する素子温度補正手段と、
を含んで構成されることを特徴とする空燃比センサの素子温度計測装置。 - 前記素子温度補正手段は、前記電圧印加直前のセンサ出力が大きいほど、素子温度を高くする方向に補正することを特徴とする請求項５記載の空燃比センサの素子温度計測装置。
- 前記第１のセンサ出力読込み手段は、空燃比を検出するために、所定の周期で、センサ出力を読込む空燃比検出手段であり、
前記素子温度計測用電圧印加手段は、前記第１のセンサ出力読込み手段のセンサ出力読込み直後に、センサ素子に素子温度計測用の所定の電圧を印加することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の空燃比センサの素子温度計測装置。 - 請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の空燃比センサの素子温度計測装置を備える一方、
空燃比センサに備えられるセンサ素子加熱用のヒータに対し、素子温度が目標温度となるように、ヒータへの通電量をフィードバック制御するヒータ通電量制御手段を設けたことを特徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。
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