JP3845998B2

JP3845998B2 - Gas component concentration measuring device

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Publication number: JP3845998B2
Application number: JP35852497A
Authority: JP
Inventors: 朝道溝口; 雅之高見; 純長谷川; 山下　　幸宏
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH11183431A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス成分濃度測定装置に係り、例えばエンジンから排出される排ガスなど、被測定ガス中の酸素濃度を検出するためのガス成分濃度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車用エンジンにおいては、一般に酸素濃度センサによる酸素濃度（空燃比）の検出結果に基づき空燃比制御が実施される。かかる酸素濃度センサはジルコニア製の固体電解質を有し、この固体電解質により酸素濃度（空燃比）を精度良く検出するにはセンサ素子（固体電解質）の温度を所定の活性温度に維持する必要がある。通常は同センサにヒータを付設しヒータの通電量を制御している。こうしたヒータ制御の手法として、例えばヒータへの供給電力を制御したり、センサ素子の温度を所定の活性温度にフィードバック制御したりするものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来既存の技術では、例えばエンジンの低温始動時においてセンサ素子（固体電解質）を冷間状態から昇温させる際において、いち早く昇温させることが望まれるものの、その反面、センサ素子を急速に昇温させると、素子割れ、ヒータ割れ、素子とヒータとの接合面の剥離などの不具合を生じるおそれがあった。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制することができるガス成分濃度測定装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、固体電解質を用いたセンサ素子を有し、被測定ガスの特定成分濃度を測定するセンサと、電源電圧の通電により発熱し、前記センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータと、前記センサ素子の昇温率に応じて前記ヒータへの通電量を制御するヒータ制御手段とを備える。
【０００６】
上記構成によれば、センサ素子の昇温率を監視しつつヒータ通電量を制御することにより、センサ素子の過剰な昇温動作が抑制できる。また、昇温率を監視することでセンサの迅速なる活性化が実現できる。その結果、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制することができる。
【０００７】
特に本発明は、固体電解質を有するセンサ素子にヒータを積層して配置し、固体電解質とヒータとを一体化してなる積層型センサ（請求項１２）において、顕著な効果を奏する。つまり、こうした積層型のセンサでは、固体電解質とヒータとが近接して設けられるため、素子割れやヒータ割れなどの問題が生じやすいが、上記構成によれば当該問題が確実に抑制できる。
【０００８】
ここで、「センサ素子の昇温率」とは、固体電解質やヒータの温度上昇の速度を意味する。センサ素子の昇温率を制御するための具体的な方法としては、
・請求項２に記載したように、素子温又は素子抵抗の変化速度に応じてヒータ通電量を制御する。
・請求項３に記載したように、素子温とヒータ温との差が目標温度差となるようにヒータ通電量をフィードバック制御する。
・請求項５に記載したように、ヒータ温又はヒータ抵抗の変化速度に応じてヒータ通電量を制御する。
といった構成を採用する。
【０００９】
なお、素子温と素子抵抗とは例えば図１７に示すように互いに対応関係にある。従って、これら何れをパラメータとしてセンサ素子の昇温率を制御したとしても略同様の作用効果が得られる。また、ヒータ温とヒータ抵抗とは例えば図２８に示すように互いに対応関係にある。従って、これら何れをパラメータとしてセンサ素子の昇温率を制御したとしても略同様の作用効果が得られる。
【００１０】
また、前記センサ素子が冷間状態から昇温される際には、その当初において素子抵抗が大きくその値が検出できない。そこで、上記請求項２，３の発明では、請求項４に記載したように、素子抵抗が検出可能になるまでの期間において、素子温又は素子抵抗の変化速度をオープン制御する。かかる構成によれば、センサ活性化までの期間で確実に素子割れなどの不具合が抑制できる。
【００１１】
請求項６に記載の発明では、前記センサの昇温時であるか又は昇温後の定常時であるかを判別し、昇温後の定常時であれば、素子温を目標温度に一致させるようフィードバック制御を実施する。つまり、センサが一旦活性化されると、それ以降は昇温時のような急激な温度変化を生ずる可能性は少ないと考えられる。そのため、センサの活性化以降については、昇温率に応じたヒータ制御に代えて、既存の素子温フィードバック制御を実施する。かかる場合、昇温時は勿論のこと、昇温時以外においても適切なヒータ制御が実施できる。
【００１２】
請求項７に記載の発明では、前記センサ素子の昇温率が所定の許容レベルを超えると、ヒータ通電量を制限する。この場合、過剰な素子の加熱がより一層確実に防止できる。
【００１３】
一方、例えばセンサが劣化すると、劣化前と劣化後とでは、同一のヒータ通電量であっても素子温（固体電解質の温度）が変動する。そこで、上記ヒータ制御においては、以下の請求項８〜請求項１０の補正を実施する。それにより、センサの個体差や経時変化を反映したヒータの通電制御が可能となる。
【００１４】
請求項８に記載の発明では、前記センサの冷間状態から活性化までの所要時間に応じて前記ヒータの通電量を補正する。つまり、例えばセンサが劣化した場合、劣化前と比較して活性化までの所要時間が増大すると考えられる。よって、適正で且つ迅速なる活性化を図るには、通電量を適宜補正するとよい。かかる場合、センサ活性化までの所要時間に応じてヒータ通電量を補正することで、センサ劣化等の経時変化や個体差によるヒータ制御への影響が排除できる。
【００１５】
請求項９に記載の発明では、エンジンへの燃料カット時において、前記固体電解質への印加電圧の変化に対して同固体電解質への流入電流が変化しない電圧域を含んだ電圧−電流特性を有する前記センサの抵抗支配領域に電圧を印加してその時のセンサ電流値から内部抵抗を検出し、該検出した内部抵抗に基づき前記ヒータの通電量を補正する。より具体的には、燃料カット時に検出したセンサ内部抵抗と、センサ活性後に検出した素子抵抗とを比較し、それらの値のズレ量に応じてヒータ通電量を補正する。本構成においても、センサ個体差や経時変化によるヒータ制御への影響が排除できる。
【００１６】
請求項１０に記載の発明では、エンジンの定常運転時におけるヒータ通電量と、予め設定されているヒータ通電量の標準値との差に応じて前記ヒータの通電量を補正する。本構成においても、センサ個体差や経時変化によるヒータ制御による影響が排除できる。
【００１７】
請求項１１に記載の発明では、前記補正に関する値を学習値としてバックアップメモリに随時記憶し、前記ヒータ制御手段はバックアップメモリに記憶された学習値を読み出してヒータ制御に使用する。要するに、上記請求項８〜１０で求められる補正情報は、例えばエンジン運転条件に関係なくヒータ制御時に常に必要な要素となりうる。従って、学習値をバックアップメモリに随時記憶すると共に、その値を必要に応じて更新することで、学習値の演算が必要時だけで済み、効率的で且つ適切なヒータ制御が実施できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載される電子制御ガソリン噴射エンジンに適用されるものであって、同エンジンの空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の記載では、空燃比センサを用いた空燃比（Ａ／Ｆ）の検出手順、並びに同センサに付設されたヒータの通電制御手順を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図である。図１において、空燃比検出装置１５は、その内部演算の中枢をなすマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）２０を備え、マイコン２０は燃料噴射制御や点火制御等を実現するためのエンジン制御ＥＣＵ１６に対して相互に通信可能に接続されている。限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）３０は、エンジン１０のエンジン本体１１から延びる排気管１２に取り付けられており、マイコン２０から指令される電圧の印加に伴い、排ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号（センサ電流信号）を出力する。
【００２０】
マイコン２０は、各種演算処理を実行するための周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成され、所定の制御プログラムに従い後述するバイアス制御回路４０やヒータ制御回路２５を制御する。マイコン２０は、バッテリ電源＋Ｂの給電を受けて起動するものであるが、その内部には電源の遮断時（ＩＧ＝ＯＦＦ時）にも記憶内容を保持するバックアップメモリ２０ａが設けられている。
【００２１】
Ａ／Ｆセンサ３０は、積層型のセンサ素子部（セル）６０を有するものであって、その構成を図２〜図４を用いて説明する。ここで、図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の全体構成を示す断面図、図３は、Ａ／Ｆセンサ３０を構成するセンサ素子部６０の断面図、図４は、センサ素子部６０の詳細な構成を示す分解斜視図である。
【００２２】
図２に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３１を有し、そのハウジング３１の下側開口部には素子カバー３２が取り付けられている。素子カバー３２内には、長板状のセンサ素子部６０の先端（下端）が配設されている。素子カバー３２は有底二重構造をなし、排ガスをカバー内部に取り込むための複数の排気口３２ａを有する。
【００２３】
センサ素子部６０は、ハウジング３１内に配設された絶縁部材３３を貫通するように図の上方に延び、その上端部には一対のリード線３４が接続されている。
ハウジング３１の上端には本体カバー３５がカシメ着されている。また、本体カバー３５の上方にはダストカバー３６が取り付けられ、これら本体カバー３５及びダストカバー３６の二重構造によりセンサ上部が保護されている。各カバー３５，３６には、カバー内部に大気を取り込むための複数の大気口３５ａ，３６ａが設けられている。
【００２４】
次に、センサ素子部６０の構成を図３及び図４を用いて説明する。センサ素子部６０は大別して、固体電解質６１、ガス拡散抵抗層６２、大気導入ダクト６３及びヒータ６４からなり、これら各部材を積層して構成されている。また、各部材の周囲には保護層６５が設けられている。
【００２５】
長方形板状の固体電解質６１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その上面（ガス拡散抵抗層６２側）には白金等からなる多孔質の計測電極６６がスクリーン印刷法等により形成されると共に、下面（大気導入ダクト６３側）には同じく白金等からなる多孔質の大気側電極６７がスクリーン印刷法等により形成されている。計測電極６６及び大気側電極６７には、リード線６６ａ，６７ａが接続されている。
【００２６】
ガス拡散抵抗層６２は、計測電極６６へ排ガスを導入するための多孔質シートからなるガス透過層６２ａと、排ガスの透過を抑制するための緻密層からなるガス遮蔽層６２ｂとを有する。ガス透過層６２ａ及びガス遮蔽層６２ｂは何れも、アルミナ、スピネル、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。
【００２７】
大気導入ダクト６３はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、同ダクト６３により大気室６８が形成されている。この大気導入ダクト６３は大気室６８内の大気側電極６７に大気を導入する役割をなす。因みに、大気室６８は、前記図２に示すカバー３５，３６の大気口３５ａ，３６ａに連通している。
【００２８】
大気導入ダクト６３の下面にはヒータ６４が取り付けられている。ヒータ６４は、バッテリ電源＋Ｂからの通電により発熱する発熱体６４ａと、それを覆う絶縁シート６４ｂとからなり、発熱体６４ａの両端にはリード線６４ｃが接続されている。但し、図３の構成以外に、発熱体６４ａを固体電解質６１に埋設したり、発熱体６４ａをガス拡散抵抗層６２に埋設したりする構成も可能である。
【００２９】
なお上記センサ素子部６０において、計測電極６６に達する排ガスは、ガス透過層６２ａの鉛直方向（図の上下方向）からは侵入せず、ガス透過層６２ａの側方から侵入する。すなわち、ガス透過層６２ａの表面はガス遮蔽層６２ｂに被われているため、排ガスは鉛直方向からは侵入できず、その方向と直交する側面方向から該透過層６２ａの内部に侵入する。かかる場合、ガス透過層６２ａのガス拡散量は、同透過層６２ａの左右方向の寸法（実際には、ガス透過層６２ａの側面と計測電極６６との距離）に依存するが、この寸法が容易に且つ自在に設定できることから、ガス透過層６２ａの孔径がばらついても均一で安定したセンサ出力が得られるようになる。
【００３０】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ素子部６０は理論空燃比点よりリーン領域では酸素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、センサ素子部６０（固体電解質６１）は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、センサ素子部６０を活性化するには約６００℃以上の高温が必要とされ、且つ同センサ素子部６０の活性温度範囲が狭いため、エンジン１０の排ガスのみによる加熱では活性状態を維持できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ６４（発熱体６４ａ）の加熱制御によりセンサ素子部６０を活性温度域で保持する。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ素子部６０はＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【００３１】
Ａ／Ｆセンサ３０の電圧−電流特性について図５を用いて説明する。図５によれば、センサ素子部６０の固体電解質６１への流入電流と、同固体電解質６１への印加電圧とがリニアな特性を有することが分かる。かかる場合、電圧軸（横軸）に平行な直線部分がセンサ素子部６０の限界電流を特定するものであって、この限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆ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、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少する。
【００３２】
この電圧−電流特性において電圧軸に平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配領域となっており、その抵抗支配領域における一次直線部分の傾きは、センサ素子部６０における固体電解質６１の内部抵抗（これを素子抵抗という）により特定される。この素子抵抗は温度変化に伴い変化し、例えばセンサ素子部６０の温度が低下すると素子抵抗の増大により上記傾きが小さくなる。
【００３３】
図６は、限界電流値を横軸に、その限界電流値に対応するＡ／Ｆを縦軸にして、両者の関係を示すグラフである。
また一例として、Ａ／Ｆセンサ３０の耐熱特性の具体的数値を示せば、
・素子耐熱温度＝９００〜９５０℃、
・ヒータ耐熱温度＝１０００〜１１００℃、
・素子温変化速度の最大値＝１５０〜２００℃／ｓ、
・ヒータ温変化速度の最大値＝２００℃／ｓ、
・素子−ヒータの温度差の最大値＝２００℃、
となっている。
【００３４】
一方、前記図１において、Ａ／Ｆセンサ３０（センサ素子部６０）に電圧を印加するためのバイアス指令信号（デジタル信号）Ｖｒはマイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、同Ｄ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに変換された後、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２に入力される。そして、ＬＰＦ２２にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された出力電圧Ｖｃは、Ａ／Ｆ検出用又は素子抵抗検出用の電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加するためのバイアス制御回路４０に入力される。Ａ／Ｆ検出時には、前記図５の特性線Ｌ１を用いてその時のＡ／Ｆに対応した印加電圧Ｖｐが設定されるのに対し、素子抵抗検出時には、所定周波数信号よりなる単発的で且つ所定の時定数を持った電圧が印加される。
【００３５】
バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電流値を検出する。当該電流検出回路５０にて検出された電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。Ａ／Ｆセンサ３０に付設されたヒータ６４（発熱体６４ａ）は、ヒータ制御回路２５によりその動作が制御される。つまり、ヒータ制御回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子温やヒータ温に応じてヒータ６４への通電量をデューティ制御し、ヒータ６４の加熱制御を行う。
【００３６】
また、エンジン排気管１２には、排ガス温度を検出するための排気温センサ１３が取り付けられており、同センサ１３の出力がＡ／Ｄ変換器２４を介してマイコン２０に入力される。
【００３７】
次に、バイアス制御回路４０の構成を図７の電気回路図を用いて説明する。図７において、バイアス制御回路４０は大別して、基準電圧回路４４と、第１の電圧供給回路４５と、第２の電圧供給回路４７と、電流検出回路５０とを有する。基準電圧回路４４は、定電圧Ｖｃｃを分圧抵抗４４ａ，４４ｂにより分圧して一定の基準電圧Ｖａを生成する。
【００３８】
第１の電圧供給回路４５は電圧フォロア回路にて構成され、基準電圧回路４４の基準電圧Ｖａと同じ電圧Ｖａをセンサ素子部６０の一方の端子４２（前記図３の大気側電極６７に接続される端子）に供給する。より具体的には、第１の電圧供給回路４５は、正側入力端子が各分圧抵抗４４ａ，４４ｂの分圧点に接続されると共に負側入力端子がセンサ素子部６０の一方の端子４２に接続された演算増幅器４５ａと、演算増幅器４５ａの出力端子に一端が接続された抵抗４５ｂと、この抵抗４５ｂの他端にそれぞれベースが接続されたＮＰＮトランジスタ４５ｃ及びＰＮＰトランジスタ４５ｄとを有する。ＮＰＮトランジスタ４５ｃのコレクタは定電圧Ｖｃｃに接続され、エミッタは電流検出回路５０を構成する電流検出抵抗５０ａを介してセンサ素子部６０の一方の端子４２に接続されている。また、ＰＮＰトランジスタ４５ｄのエミッタはＮＰＮトランジスタ４５ｃのエミッタに接続され、コレクタはアースされている。
【００３９】
第２の電圧供給回路４７も同様に電圧フォロア回路にて構成され、前記ＬＰＦ２２の出力電圧Ｖｃと同じ電圧Ｖｃをセンサ素子部６０の他方の端子４１（前記図３の計測電極６６に接続される端子）に供給する。より具体的には、第２の電圧供給回路４７は、正側入力端子が前記ＬＰＦ２２の出力に接続されると共に負側入力端子がセンサ素子部６０の他方の端子４１に接続された演算増幅器４７ａと、演算増幅器４７ａの出力端子に一端が接続された抵抗４７ｂと、この抵抗４７ｂの他端にそれぞれベースが接続されたＮＰＮトランジスタ４７ｃ及びＰＮＰトランジスタ４７ｄとを有する。ＮＰＮトランジスタ４７ｃのコレクタは定電圧Ｖｃｃに接続され、エミッタは抵抗４７ｅを介してセンサ素子部６０の他方の端子４１に接続されている。また、ＰＮＰトランジスタ４７ｄのエミッタはＮＰＮトランジスタ４７ｃのエミッタに接続され、コレクタはアースされている。
【００４０】
上記構成により、センサ素子部６０の一方の端子４２には常時一定電圧Ｖａが供給される。そして、ＬＰＦ２２を経由してセンサ素子部６０の他方の端子４１に一定電圧Ｖａよりも低い電圧Ｖｃが供給されると、当該センサ素子部６０が正バイアスされる。また、ＬＰＦ２２を経由してセンサ素子部６０の他方の端子４１に一定電圧Ｖａよりも高い電圧Ｖｃが供給されると、当該センサ素子部６０が負バイアスされる。
【００４１】
図８は、ヒータ制御回路２５の構成を示す回路図である。
図８において、ヒータ６４（発熱体６４ａ）の一端はバッテリ電源＋Ｂに接続され、他端はスイッチング素子を構成するトランジスタ２５ａのコレクタに接続されている。同トランジスタ２５ａのエミッタはヒータ電流検出用抵抗２５ｂを介して接地されている。ヒータ電圧Ｖｈはヒータ６４の両端電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２５ｃ並びにＡ／Ｄ変換器２６を介してマイコン２０に入力される。また、ヒータ電流Ｉｈはヒータ電流検出用抵抗２５ｂの両端電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２５ｄ並びにＡ／Ｄ変換器２７を介してマイコン２０に入力される。
【００４２】
次に、上記の如く構成される空燃比検出装置１５の作用を説明する。
先ずは図９のタイムチャートを用いて本装置の動作の概要を説明する。図９では、エンジン１０の低温始動時において、Ａ／Ｆセンサ３０が冷間状態から昇温される過程を表している。なお、ヒータ通電の開始初期（エンジン始動当初）の素子抵抗ＺＡＣは非常に高い値にあり、その値を検出することはできない。
【００４３】
時刻ｔ１１でイグニッションキー（ＩＧキー）がＯＮされると、素子温変化速度ΔＴｓのオープン制御が開始される。素子温変化速度ΔＴｓは、単位時間毎（本実施の形態では、１２８ｍｓ毎）の温度変化量として与えられる。このとき、予め設定されているマップを用い、素子温変化速度ΔＴｓが略一定になるように通電デューティが決定される。つまり、ヒータ６４の通電デューティが時間の経過に伴い少しずつ上昇し、これに伴い素子温Ｔｓ（固体電解質の温度）が次第に上昇する。
【００４４】
素子抵抗ＺＡＣが昇温途中の所定値（本実施の形態では、３ｋΩ）を下回る時刻ｔ１２では、ヒータ制御がそれまでの素子温変化速度ΔＴｓのオープン制御から素子温変化速度ΔＴｓのフィードバック制御に切り換えられる。すなわち、時刻ｔ１２〜ｔ１３では、素子温変化速度ΔＴｓを目標値にフィードバック制御することによりヒータ通電量（通電デューティ）が決定される。
【００４５】
その後、素子抵抗ＺＡＣが活性完了の判定値（本実施の形態では、１２０Ω）にまで低下する時刻ｔ１３では、素子温変化速度ΔＴｓの一連の制御が終了され、これに代えて、素子温一定のフィードバック制御が開始される。すなわち、時刻ｔ１３以降においては、素子温Ｔｓを所定の目標温度（７００℃）にフィードバック制御することによりヒータ通電量（通電デューティ）が決定される。但し、「素子温一定」のフィードバック制御と「素子抵抗一定」のフィードバック制御とは実質上、略同意であることから、本実施の形態では、素子抵抗一定のフィードバック制御を実施することとしている（素子抵抗ＺＡＣを目標値にフィードバックさせる）。
【００４６】
図１０は、マイコン２０によるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはマイコン２０への電源投入に伴い起動される。
図１０において、マイコン２０は、先ずステップ１００で前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆの検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓ程度に設定される。前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過していれば（ステップ１００がＹＥＳ）、マイコン２０はステップ１１０に進み、後述する図１１に従い、Ａ／Ｆ（空燃比）の検出処理を実施する。ステップ１００がＮＯであれば、マイコン２０はそのまま本ルーチンを一旦終了する。
【００４７】
ここで、図１１のＡ／Ｆ検出ルーチンを説明すれば、マイコン２０は、先ずステップ１１１でＡ／Ｆセンサ３０のセンサ素子部６０に電圧Ｖｐを印加する。印加電圧Ｖｐは、その時々の空燃比（限界電流値Ｉｐ）に応じて例えば図５の特性線Ｌ１上の値として設定される。
【００４８】
その後、マイコン２０は、ステップ１１２で電圧Ｖｐの印加時にセンサ素子部６０に流れる電流値、すなわち電流検出回路５０により検出された限界電流値（センサ電流）Ｉｐを読み込む。さらに、マイコン２０は、ステップ１１３で図６に示す限界電流値−Ａ／Ｆマップを用いてその時々の限界電流値ＩｐをＡ／Ｆに変換する。また、マイコン２０は、続くステップ１１４で上記の如く得られたＡ／Ｆをエンジン制御ＥＣＵ１６に出力した後、元の図１０のルーチンに戻る。
【００４９】
Ａ／Ｆの検出後、マイコン２０は、図１０のステップ１２０で前回の素子抵抗検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子抵抗ＺＡＣの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて選択的に設定される。本実施の形態では、Ａ／Ｆの変化が比較的小さい通常時（エンジン１０の定常運転時）にはＴｂ＝２ｓ（秒）に、Ａ／Ｆの急変時（エンジン１０の始動時や過渡運転時）にはＴｂ＝１２８ｍｓ（ミリ秒）に、というように所定時間Ｔｂが可変に設定されるようになっている。
【００５０】
ステップ１２０がＹＥＳであれば、マイコン２０は、ステップ１３０で素子抵抗ＺＡＣを検出すると共に、続くステップ１４０でヒータ６４の通電制御を実施する。上記ステップ１３０，１４０の処理はそれぞれ、後述する図１２，図１３に従い実施される。上記ステップ１２０がＮＯであれば、マイコン２０はそのまま本ルーチンを一旦終了する。
【００５１】
次に、前記図１０のステップ１３０における素子抵抗ＺＡＣの検出手順を図１２を用いて説明する。なお本実施の形態では、素子抵抗の検出に際し、掃引法を用いて「交流素子抵抗」を求めることとしている。
【００５２】
図１２において、マイコン２０は、先ずステップ１３１でバイアス指令信号Ｖｒを操作し、それまでの印加電圧Ｖｐ（Ａ／Ｆ検出用電圧）に対して電圧を正側に単発的に変化させる。素子抵抗検出用の電圧印加時間は数１０〜１００μｓ程度とする。その後、マイコン２０は、ステップ１３２でその時の電圧変化量ΔＶと電流検出回路５０により検出されたセンサ電流の変化量ΔＩとを読み取る。また、マイコン２０は、続くステップ１３３で前記ΔＶ，ΔＩから素子抵抗ＺＡＣを算出し（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）、その後元の図１０のルーチンに戻る。
【００５３】
上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２２並びにバイアス制御回路４０を介し、所定の時定数を持たせた電圧が単発的にＡ／Ｆセンサ３０に印加される。その結果、図１６に示すように、当該電圧の印加からｔ時間経過後にピーク電流ΔＩ（電流変化量）が検出され、その時の電圧変化量ΔＶとピーク電流ΔＩとから素子抵抗ＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）。かかる場合、ＬＰＦ２２を介して単発的な電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加することにより、過度なピーク電流の発生が抑制され、素子抵抗ＺＡＣの検出精度が向上する。
【００５４】
上記の如く求められる素子抵抗ＺＡＣは、素子温Ｔｓに対して図１７に示す関係を有する。すなわち、素子温Ｔｓが低いほど、素子抵抗ＺＡＣは飛躍的に大きくなる。因みにＡ／Ｆセンサ３０の活性温度（約７００℃）は、素子抵抗ＺＡＣ≒９０Ωに相応する。
【００５５】
次に、前記図１０のステップ１４０におけるヒータ通電の制御手順を図１３を用いて説明する。
マイコン２０は、先ずステップ１４１で今現在、センサ素子部６０が昇温途中であるか否かを判別する。例えばエンジン１０の低温始動時など、センサ素子部６０の昇温時であれば（ステップ１４１がＹＥＳ）、マイコン２０は、ステップ１４２で前記検出した素子抵抗ＺＡＣが昇温途中の所定値（本実施の形態では、３ｋΩ）に達したか否かを判別する。エンジン１０の低温始動当初においては、素子抵抗ＺＡＣがかなり大きな値となっており、マイコン２０は、ＺＡＣ＞３ｋΩである旨を判別してステップ１４３に進む。
【００５６】
ステップ１４３では、マイコン２０は、素子温変化速度ΔＴｓをオープン制御する。具体的には、マイコン２０内の不揮発性メモリに予め設定されているマップを用い、エンジン始動時からの経過時間に応じて素子温Ｔｓが所定のプロフィールで変化するよう、ヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図９の時刻ｔ１１〜ｔ１２では、ステップ１４３による素子温変化速度ΔＴｓのオープン制御が実施される。
【００５７】
また、ＺＡＣ≦３ｋΩであれば、マイコン２０はステップ１５０に進み、後述する図１４の手順に従い、素子温変化速度ΔＴｓを所定値にフィードバック制御する。すなわち、その時々の素子温変化速度ΔＴｓと同速度の目標値ΔＴｓｒｅｆとが一致するようＰＩＤ制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図９の時刻ｔ１２〜ｔ１３では、ステップ１５０による素子温変化速度ΔＴｓのフィードバック制御が実施される。
【００５８】
前記ステップ１４３又は１５０でのＤＵＴＹ決定の後、マイコン２０はステップ１４４に進み、前記決定したデューティ比ＤＵＴＹを補正して最終デューティ比Ｄｆｎを算出する。具体的には、バッテリ電源＋Ｂの電圧や排気温等に応じた補正値ＦＫと、センサ個体差や経時変化に応じた学習値ＦＬＲＮとを用い、
Ｄｆｎ＝ＤＵＴＹ＋ＦＫ＋ＦＬＲＮ
として最終デューティ比Ｄｆｎを算出する。また、マイコン２０は、続くステップ１４５で素子温Ｔｓ又はその変化速度ΔＴｓを最大許容値でガードする。そしてその後、ヒータ通電のためのデューティ比信号を前記図１のヒータ制御回路２５に出力する。
【００５９】
なお、上記ステップ１４５では、前記算出した最終デューティ比Ｄｆｎにてヒータ通電を行った場合に、素子温Ｔｓが最大許容値の「９００℃」、又は素子温変化速度ΔＴｓの最大許容値の「１５０℃／ｓ」を越えるかどうかを判断する。そして、これら最大許容値を越えると想定される場合には、通電デューティを「０」若しくは素子温が確実に下がる値（約０．１〜１％程度）で規制する。但し、このデューティ比はＡ／Ｄ変換器の変換速度に応じて設定されるとよい。
【００６０】
ここで、補正値ＦＫについて説明すれば、同補正値ＦＫは、例えば図１８（ａ）〜（ｄ）の関係に基づく各種補正値ＦＫ１〜ＦＫ４を加算して求められる。
ＦＫ＝ＦＫ１＋ＦＫ２＋ＦＫ３＋ＦＫ４
図１８（ａ）によれば、バッテリ電源＋Ｂの電圧値に応じた補正値ＦＫ１が求められる。バッテリ電圧≦Ａ（例えば定格電圧１２ボルト）の場合には正の補正値ＦＫ１がセットされ、バッテリ電圧＞Ａの場合には負の補正値ＦＫ１がセットされる。
【００６１】
図１８（ｂ）によれば、排気温センサ１３により検出される排気温に応じた補正値ＦＫ２が求められる。排気温≦Ｂの場合には正の補正値ＦＫ２がセットされ、排気温＞Ｂの場合には負の補正値ＦＫ２がセットされる。
【００６２】
図１８（ｃ）によれば、エンジン始動時の初期ヒータ抵抗に応じた補正値ＦＫ３が求められる。初期ヒータ抵抗≦Ｃの場合には正の補正値ＦＫ３がセットされ、初期ヒータ抵抗＞Ｃの場合には負の補正値ＦＫ３がセットされる。この場合、初期ヒータ抵抗はエンジン始動時におけるＡ／Ｆセンサ３０の冷間状態を反映するものであって、補正値ＦＫ３は昇温期間にのみ適用されるとよい。
【００６３】
図１８（ｄ）によれば、バッテリ電源＋Ｂ〜ヒータ６４〜ＧＮＤ間（前記図８参照）のハーネス抵抗に応じた補正値ＦＫ４が求められる。ハーネス抵抗≦Ｄの場合には負の補正値ＦＫ４がセットされ、ハーネス抵抗＞Ｄの場合には正の補正値ＦＫ４がセットされる。
【００６４】
但し、上記図１８（ａ）〜（ｄ）において、各々のしきい値Ａ〜Ｄ近傍には補正値を「０」とする領域（不感帯）を設けてもよい。なお本実施の形態では、ＦＫ１〜ＦＫ４の総和として補正値ＦＫを設定するが、ＦＫ１〜ＦＫ４のうち少なくとも１つを含む値として補正値ＦＫを設定してもよい。
【００６５】
また、学習値ＦＬＲＮは、ヒータＯＮからセンサ活性までの所要時間に基づく第１学習値ＦＬＲＮ１と、燃料カット時に検出される素子抵抗ズレに基づく第２学習値ＦＬＲＮ２と、定常運転時におけるＤＵＴＹズレ量に基づく第３学習値ＦＬＲＮ３とを加算して求められる。
【００６６】
ＦＬＲＮ＝ＦＬＲＮ１＋ＦＬＲＮ２＋ＦＬＲＮ３
上記の学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３は、マイコン２０内のバックアップメモリ２０ａに格納され逐次更新されるデータであり、その算出手順については後述する。
【００６７】
一方、図１３のステップ１４１がＮＯであれば（センサ素子部６０の昇温中でない場合）、マイコン２０はステップ１６０に進み、後述する図１５の手順に従い、素子抵抗ＺＡＣを所定値に保持するようフィードバック制御を実施する。すなわち、その時々の素子抵抗ＺＡＣとその目標値ＺＡＣｒｅｆとが一致するようＰＩＤ制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図９の時刻ｔ１３以降では、ステップ１６０による素子抵抗一定（素子温一定）のフィードバック制御が実施される。
【００６８】
その後、マイコン２０はステップ１４６に進み、前記決定したデューティ比ＤＵＴＹに、補正値ＦＫと学習値ＦＬＲＮとを加算して最終デューティ比Ｄｆｎを算出する（Ｄｆｎ＝ＤＵＴＹ＋ＦＫ＋ＦＬＲＮ）。また、マイコン２０は、ステップ１４５で素子温Ｔｓ又はその変化速度ΔＴｓを最大許容値でガードする。そしてその後、デューティ比信号を前記図１のヒータ制御回路２５に出力する。
【００６９】
次に、図１４のルーチン（前記図１３のステップ１５０の処理）を説明すれば、マイコン２０は、ステップ１５１で前回処理時の素子温Ｔｓを前回値「Ｔｓ０」、同じく前回処理時の素子温変化速度ΔＴｓを前回値「ΔＴｓ０」とする。また、マイコン２０は、続くステップ１５２で前記検出した素子抵抗ＺＡＣ（図１２による検出値）を読み出すと共に、例えば図１７の関係に従い、素子抵抗ＺＡＣから素子温Ｔｓの今回値を求める。さらに、マイコン２０は、ステップ１５３で素子温の今回値Ｔｓから前回値Ｔｓ０を減算して素子温変化速度の今回値ΔＴｓを算出する（ΔＴｓ＝Ｔｓ−Ｔｓ０）。
【００７０】
その後、マイコン２０は、ステップ１５４で下記の数式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。
Ｇｐ＝Ｋｐ・（ΔＴｓｒｅｆ−ΔＴｓ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ΔＴｓｒｅｆ−ΔＴｓ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（ΔＴｓ０−ΔＴｓ）
但し、上記各式において、「Ｋｐ」は比例定数、「Ｋｉ」は積分定数、「Ｋｄ」は微分定数を表す。
【００７１】
そして、マイコン２０は、ステップ１５５で上記比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、その後元の図１３のルーチンに戻る。
【００７２】
また、図１５のルーチン（前記図１３のステップ１６０の処理）を説明すれば、マイコン２０は、ステップ１６１で前回処理時の素子抵抗ＺＡＣを前回値「ＺＡＣ０」とし、続くステップ１６２で前記検出した素子抵抗ＺＡＣ（図１２による検出値）を読み出す。またマイコン２０は、ステップ１６３で下記の数式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。
【００７３】
Ｇｐ＝Ｋｐ・（ＺＡＣ−ＺＡＣｒｅｆ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ＺＡＣ−ＺＡＣｒｅｆ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（ＺＡＣ−ＺＡＣ０）
そして、マイコン２０は、ステップ１６４で上記比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、その後元の図１３のルーチンに戻る。
【００７４】
次に、第１〜第３学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３の算出手順を図１９〜図２１のフローチャートを用いて説明する。ここで、図１９は、第１学習値ＦＬＲＮ１を算出するための第１の学習ルーチンを、図２０は、第２学習値ＦＬＲＮ２を算出するための第２の学習ルーチンを、図２１は、第３学習値ＦＬＲＮ３を算出するための第３の学習ルーチンをそれぞれ示し、これら各ルーチンはマイコン２０により例えば１２８ｍｓ周期で実行される。但し、図１９〜図２１による学習値の更新は、例えばＩＧオン後に１回のみ実施されればよい。従って、学習が完了すると、その旨を表すフラグがセットされ、それ以降は同じ処理が実施されないようになっている。
【００７５】
最初に図１９を説明すると、マイコン２０は、先ずステップ２０１でエンジン１０の再始動判定を行う。この再始動判定では、
・エンジン水温が所定温度（例えば３５℃）以下であること、
・吸気温が所定温度（例えば２０℃）以下であること、
・素子抵抗が所定値（例えば３ｋΩ）以上であること、
・ヒータ抵抗が所定値（例えば３Ω）以下であること、
といった各種条件を判定する。そして、上記の各種条件が全て成立すれば、エンジン再始動時でないと判断し、上記いずれかの条件が一つでも不成立であれば、エンジン再始動時であると判断する。
【００７６】
エンジン再始動時でないことを条件に（ステップ２０２がＹＥＳ）、マイコン２０はステップ２０３に進み、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化までの所要時間を計測する。この所要時間の計測に際しては、ＩＧ＝ＯＮに伴いカウントアップされるカウンタを用い、例えば図２３に示すように、
・センサ電流の変化量が所定の判定値以上となった時、
・センサ電流の積算値が所定の判定値以上となった時、
・素子抵抗が所定の判定値（例えば１ｋΩ）以下となった時、
・ヒータ抵抗が所定の判定値（例えば４Ω）以上となった時、
・素子温が所定の判定値（例えば６００℃）以上となった時、
・ヒータ温が所定の判定値（例えば６５０℃）以上となった時、
といった何れかの場合に、センサ活性の旨を判定する。そして、活性化までの所要時間をカウンタ値から検知する。ここで言う活性判定とは、前記図１３のヒータ制御での活性判定（図９の時刻ｔ１３）とは必ずしも同意ではなく、活性判定の目安となるものであればよい。
【００７７】
その後、マイコン２０は、ステップ２０４で例えば図２２（ａ）の関係に従い、活性化までの所要時間に応じて第１学習値ＦＬＲＮ１を設定した後、本ルーチンを終了する。前記設定したＦＬＲＮ１値はマイコン２０内のバックアップメモリ２０ａに随時記憶される。図２２（ａ）によれば、活性化までの所要時間が所定値Ａ１以上になると、正の学習値ＦＬＲＮ１が設定される。例えばＡ／Ｆセンサ３０が劣化したりすると活性時間が増大し、上記学習値ＦＬＲＮ１に「０」以上の値がセットされる。
【００７８】
次に、図２０を説明すると、マイコン２０は、先ずステップ３０１でＡ／Ｆセンサ３０の活性が完了しているか否かを判別する。また、マイコン２０は、ステップ３０２で今現在、燃料カット（Ｆ／Ｃ）中であるか否かを判別する。そして、ステップ３０１，３０２が共にＹＥＳであることを条件に、マイコン２０はステップ３０３に進み、Ｆ／Ｃ時におけるセンサ内部抵抗Ｒｉを検出する。
【００７９】
つまり、Ｆ／Ｃ時であればＡ／Ｆが極リーンの状態下にあり、例えば図２４に示す特性線Ｌ１’を用いて抵抗支配領域の電圧Ｖｆを印加してその時のセンサ電流Ｉｆを検出する。そして、
Ｒｉ＝Ｖｆ／Ｉｆ
としてセンサ内部抵抗Ｒｉを検出する。
【００８０】
その後、ステップ３０４では、マイコン２０は、前記掃引法にて検出した素子抵抗ＺＡＣ（前記図１２による検出値）とＦ／Ｃ時に検出したセンサ内部抵抗Ｒｉとの差（ＺＡＣ−Ｒｉ）を算出する。
【００８１】
また、マイコン２０は、続くステップ３０５で例えば図２２（ｂ）の関係に従い、（ＺＡＣ−Ｒｉ）に応じて第２学習値ＦＬＲＮ２を設定した後、本ルーチンを終了する。前記設定したＦＬＲＮ２値はマイコン２０内のバックアップメモリ２０ａに随時記憶される。図２２（ｂ）によれば、（ＺＡＣ−Ｒｉ）の値が「０」付近の「Ｂ１〜Ｂ２」にある場合、ＦＬＲＮ２＝０が設定される。また、（ＺＡＣ−Ｒｉ）＜Ｂ１の場合、正の学習値ＦＬＲＮ２が設定され、（ＺＡＣ−Ｒｉ）＞Ｂ２の場合、負の学習値ＦＬＲＮ２が設定される。
【００８２】
次に、図２１を説明すると、マイコン２０は、先ずステップ４０１で今現在、素子温一定（素子抵抗一定）のフィードバック制御が実施されているか否かを判別する。前記図９の時刻ｔ１３以降においては、同ステップ４０１が肯定判別される。また、マイコン２０は、ステップ４０２で今現在、エンジン１０が定常運転されているか否かを判別する。さらに、マイコン２０は、前記ステップ４０１，４０２が共にＹＥＳとなる状態が所定時間（例えば５秒間）継続したか否かを判別する（ステップ４０３）。
【００８３】
ステップ４０３がＹＥＳになると、マイコン２０はステップ４０４に進み、所定時間内（５秒間）のヒータ６４への通電ＤＵＴＹから平均ＤＵＴＹを算出する。さらに、マイコン２０は、ステップ４０５で前記算出した平均ＤＵＴＹから予め設定されている基準ＤＵＴＹを減算してＤＵＴＹズレ量を算出する（ＤＵＴＹズレ量＝平均ＤＵＴＹ−基準ＤＵＴＹ）。なおここで、基準ＤＵＴＹとは、素子温一定制御での定常運転時において、素子温Ｔｓを所定温度に保持するために必要な標準的な通電量に相当する。
【００８４】
また、マイコン２０は、続くステップ４０６で例えば図２２（ｃ）の関係に従い、ＤＵＴＹズレ量に応じて第３学習値ＦＬＲＮ３を設定した後、本ルーチンを終了する。前記設定したＦＬＲＮ３値はマイコン２０内のバックアップメモリ２０ａに随時記憶される。図２２（ｃ）によれば、ＤＵＴＹズレ量が「０」付近の「Ｃ１〜Ｃ２」にある場合、ＦＬＲＮ３＝０が設定される。また、ＤＵＴＹズレ量＜Ｃ１の場合、負の学習値ＦＬＲＮ３が設定され、ＤＵＴＹズレ量＞Ｃ２の場合、正の学習値ＦＬＲＮ３が設定される。
【００８５】
上記の如く算出された学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３は、既述の図１３のステップ１４４，１４６において、最終デューティ比Ｄｆｎの算出（ＤＵＴＹ補正）に適宜採用される。
【００８６】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（ａ）本実施の形態では、素子温変化速度ΔＴｓ（センサ素子部６０の昇温率）に応じてヒータ通電量をデューティ制御するようにした。上記構成によれば、例えばＡ／Ｆセンサ３０の冷間状態からの昇温時において、過剰なるセンサ素子部６０の昇温が抑制できると共に、センサ素子部６０の迅速なる活性化が実現できる。その結果、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れ、ヒータ割れ、ヒータ接合面の剥離などの不具合が抑制できる。
【００８７】
特に固体電解質６１にヒータ６４を積層して一体化した、いわゆる積層型センサの場合、固体電解質６１とヒータ６４とが近接して設けられるため、素子割れやヒータ割れなどの問題が生じやすいが、上記構成によれば当該問題が確実に抑制できる。
【００８８】
（ｂ）センサ冷間状態からの昇温時には、その当初において素子温変化速度ΔＴｓをオープン制御することとした。これにより、素子抵抗ＺＡＣが検出可能になるまでの始動直後の期間においても、素子温変化速度ΔＴｓが適切に制御できる。
【００８９】
（ｃ）Ａ／Ｆセンサ３０の昇温時であるか又は昇温後の定常時であるかを判別し、昇温後の定常時であれば、素子温一定のフィードバック制御を実施するようにした。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０が一旦活性化されると、それ以降は昇温時のような急激な温度変化がないものとして、素子温変化速度ΔＴｓに応じたヒータ制御に代えて、既存の素子温フィードバック制御を実施する。これにより、昇温時は勿論のこと、昇温時以外においても適切なヒータ制御が実施できる。
【００９０】
（ｄ）素子温Ｔｓ又はその変化速度ΔＴｓを所定の最大許容値でガードすることとした。これにより、センサ素子部６０の過剰な加熱がより一層確実に防止できる。
【００９１】
（ｅ）一方、第１〜第３学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３を求め、当該学習値によりヒータ通電量を補正することとした。すなわち、
・Ａ／Ｆセンサ３０の冷間状態から活性化までの所要時間に応じた第１学習値ＦＬＲＮ１と、
・燃料カット時に検出したセンサ内部抵抗Ｒｉと、掃引法により検出した素子抵抗ＺＡＣとを比較し、それらの値のズレ量（ＺＡＣ−Ｒｉ）に応じた第２学習値ＦＬＲＮ２と、
・エンジンの定常運転時における通電ＤＵＴＹと、予め設定されている通電ＤＵＴＹの標準値との差に応じた第３学習値ＦＬＲＮ３と、
によりヒータ通電量を補正するようにした。従って、例えばＡ／Ｆセンサ３０が劣化しても、素子温Ｔｓが不用意に変動するなどの不具合が抑制できる。つまり、センサ個体差や経時変化によるヒータ制御への影響が排除できる。
【００９２】
（ｆ）上記学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３をバックアップメモリ２０ａに随時記憶すると共に、その値を必要に応じて更新するようにした。これにより、学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３の演算が必要時だけで済み、効率的で且つ適切なヒータ制御が実施できる。
【００９３】
（ｇ）また、補正値ＦＫ１〜ＦＫ４を求め、当該補正値によりヒータ通電量を補正することとした。すなわち、
・バッテリ電源＋Ｂの電圧値に応じた補正値ＦＫ１と、
・排気温に応じた補正値ＦＫ２と、
・エンジン始動時の初期ヒータ抵抗に応じた補正値ＦＫ３と、
・＋Ｂ〜ヒータ６４〜ＧＮＤ間のハーネス抵抗に応じた補正値ＦＫ４と、
によりヒータ通電量を補正するようにした。これにより、エンジン１０の運転条件が逐次変化する場合にも、そのエンジン運転条件に応じた適切なヒータ制御が継続できる。結果として、ヒータ通電の制御精度がより一層向上する。
【００９４】
上記実施の形態では、ヒータ通電の制御時において（前記図１３のルーチン）、素子抵抗ＺＡＣを素子温Ｔｓに変換し、この素子温Ｔｓを用いて「素子温変化速度ΔＴｓ」を制御したが、素子抵抗ＺＡＣを素子温Ｔｓに変換せずに「素子抵抗変化速度」を制御する構成としてもよい。
【００９５】
次に、本発明における第２，第３の実施の形態を説明する。但し、以下の実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００９６】
（第２の実施の形態）
図２５〜図２８を用いて第２の実施の形態における空燃比検出装置を説明する。本実施の形態の装置では、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温時において、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈとの差（温度差ΔＴｈｓ）に応じてヒータ６４の通電制御を実施することを特徴としている。
【００９７】
先ずは図２５のタイムチャートを用いて動作の概要を説明する。図２５では、エンジン１０の低温始動時において、Ａ／Ｆセンサ３０が冷間状態から昇温される過程を表している。
【００９８】
時刻ｔ２１でイグニッションキー（ＩＧキー）がＯＮされると、マップを用いた素子温変化速度ΔＴｓのオープン制御が開始される。つまり、ヒータ６４の通電デューティが時間の経過に伴い少しずつ上昇し、これに伴い素子温Ｔｓ（固体電解質の温度）とヒータ温Ｔｈが次第に上昇する。
【００９９】
素子抵抗ＺＡＣが昇温途中の所定値（本実施の形態では、３ｋΩ）を下回る時刻ｔ２２では、ヒータ制御がそれまでの素子温変化速度ΔＴｓのオープン制御から、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈとの差（温度差ΔＴｈｓ）のフィードバック制御に切り換えられる。すなわち、時刻ｔ２２〜ｔ２３では、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈとの差（温度差ΔＴｈｓ）を目標値にフィードバック制御させつつ通電デューティが決定される。
【０１００】
その後、素子抵抗ＺＡＣが活性完了の判定値（本実施の形態では、１２０Ω）にまで低下する時刻ｔ２３では、それまでの温度差ΔＴｈｓのフィードバック制御が終了され、これに代えて、素子温一定（素子抵抗一定）のフィードバック制御が開始される。すなわち、時刻ｔ２３以降においては、素子温Ｔｓを所定の目標温度（７００℃）にフィードバック制御することにより通電デューティが決定される。
【０１０１】
図２６は、本実施の形態におけるヒータ通電制御ルーチンであり、同ルーチンは前記図１３に代えてマイコン２０により実施される。図１３と図２６との相違点として、図２６では、図１３のステップ１５０に代えてステップ５００の処理を実施する。
【０１０２】
つまり、センサ昇温中であって且つ、ＺＡＣ≦３ｋΩの場合（ステップ１４１，１４２が共にＹＥＳの場合）、マイコン２０はステップ５００に進み、後述する図２７の手順に従い、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈとの差（温度差ΔＴｈｓ）を所定値にフィードバック制御する。すなわち、その時々の温度差ΔＴｈｓと所定の目標値ΔＴｈｓｒｅｆとが一致するようＰＩＤ制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図２５の時刻ｔ２２〜ｔ２３では、ステップ５００による温度差ΔＴｈｓのフィードバック制御が実施される。
【０１０３】
なおこの場合には、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈとの温度差ΔＴｈｓを、同温度差ΔＴｈｓの最大許容値（２００℃程度）でガードし、この最大許容値を越える場合には通電ＤＵＴＹを「０」若しくは素子温が確実に下がる値（約０．１〜１％程度）で規制するとよい。
【０１０４】
図２７のルーチンを説明すれば、マイコン２０は、先ずステップ５０１で前回処理時の温度差ΔＴｈｓ（ヒータ温Ｔｈと素子温Ｔｓとの差）を前回値「ΔＴｈｓ０」とし、続くステップ５０２でヒータ抵抗Ｒｈを検出する。このとき、ヒータ６４の両端電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとをヒータ制御回路２５から取り込み、この取り込んだＶｈ，Ｉｈからヒータ抵抗Ｒｈを検出する（Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉｈ）。
【０１０５】
その後、マイコン２０は、ステップ５０３で図２８の関係に従い、ヒータ抵抗Ｒｈをヒータ温Ｔｈに換算する。また、マイコン２０は、ステップ５０４で前記図１７の関係に従い、素子抵抗ＺＡＣを素子温Ｔｓに換算する。
【０１０６】
さらに、マイコン２０は、ステップ５０５で素子（固体電解質）とヒータとの温度差ΔＴｈｓを求め（ΔＴｈｓ＝Ｔｈ−Ｔｓ）、続くステップ５０６で下記の数式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。
【０１０７】
Ｇｐ＝Ｋｐ・（ΔＴｈｓｒｅｆ−ΔＴｈｓ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ΔＴｈｓｒｅｆ−ΔＴｈｓ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（ΔＴｈｓ０−ΔＴｈｓ）
そして、マイコン２０は、ステップ５０７で上記比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、その後元の図２６のルーチンに戻る。
【０１０８】
以上第２の実施の形態では、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈとの差（温度差ΔＴｈｓ）に応じてヒータ通電量を制御することとした。これにより、上記第１の実施の形態と同様に、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合が抑制できる。すなわち、素子温Ｔｓに対してヒータ温Ｔｈが過大になると、固体電解質６１の急激な温度上昇を引き起こすおそれがあるが、上記構成によればこうした不具合が解消される。
【０１０９】
（第３の実施の形態）
次いで、図２９〜図３１を用いて第３の実施の形態における空燃比検出装置を説明する。本実施の形態の装置では、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温時において、ヒータ抵抗Ｒｈ（ヒータ温Ｔｈでも可）の変化速度に応じてヒータ６４の通電制御を実施することを特徴としている。
【０１１０】
先ずは図２９のタイムチャートを用いて動作の概要を説明する。図２９では、エンジン１０の低温始動時において、Ａ／Ｆセンサ３０が冷間状態から昇温される過程を表している。
【０１１１】
時刻ｔ３１でイグニッションキー（ＩＧキー）がＯＮされると、その当初からヒータ抵抗Ｒｈ（或いは、ヒータ温Ｔｈ）が検出される。そして、ヒータ抵抗の変化速度ΔＲｈ（或いは、ヒータ温の変化速度ΔＴｈ）が所定の目標値になるようフィードバック制御が実施され、それにより通電デューティが決定される。このヒータ抵抗変化速度ΔＲｈのフィードバック制御は、活性完了とみなされるまで、すなわちヒータ抵抗Ｒｈ＝４Ωとなるまで継続される。
【０１１２】
Ｒｈ＝４Ωとなる時刻ｔ３２では、ヒータ抵抗変化速度ΔＲｈのフィードバック制御が終了され、これに代えて、ヒータ温一定（ヒータ抵抗一定）のフィードバック制御が開始される。すなわち、時刻ｔ３２以降においては、ヒータ温Ｔｈを所定の目標温度（７００℃）にフィードバック制御することにより通電デューティが決定される。但し、「ヒータ温一定」のフィードバック制御と「ヒータ抵抗一定」のフィードバック制御とは実質上、略同意であることから、本実施の形態では、ヒータ抵抗一定のフィードバック制御を実施することとしている（ヒータ抵抗Ｒｈを目標値にフィードバックさせる）。
【０１１３】
図３０は、本実施の形態におけるヒータ通電制御ルーチンであり、同ルーチンは前記図１３に代えてマイコン２０により実施される。図１３と図３０との相違点として、図３０では、図１３のステップ１４２，１４３，１５０に代えてステップ６００の処理を実施すると共に、図１３のステップ１６０に代えてステップ７００の処理を実施する。
【０１１４】
つまり、センサ昇温中の場合（ステップ１４１がＹＥＳの場合）、マイコン２０はステップ６００に進み、後述する図３１の手順に従い、ヒータ抵抗変化速度ΔＲｈを所定値にフィードバック制御する。すなわち、その時々のヒータ抵抗変化速度ΔＲｈと所定の目標値ΔＲｈｒｅｆとが一致するようＰＩＤ制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図２９の時刻ｔ３１〜ｔ３２では、ステップ６００によるΔＲｈのフィードバック制御が実施される。
【０１１５】
また、センサ昇温中でない場合（ステップ１４１がＮＯの場合）、マイコン２０はステップ７００に進み、後述する図３２の手順に従い、ヒータ抵抗Ｒｈを所定値にフィードバック制御する。すなわち、その時々のヒータ抵抗Ｒｈと所定の目標値Ｒｈｒｅｆとが一致するようＰＩＤ制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図２９の時刻ｔ３２以降では、ステップ７００によるヒータ抵抗一定（ヒータ温一定）のフィードバック制御が実施される。
【０１１６】
なお図３０の処理では、ヒータ抵抗変化速度ΔＲｈをその最大許容値（２００℃／ｓ程度）でガードすると共に、ヒータ温Ｔｈをその最大許容値（１０００〜１１００℃程度）でガードし、この最大許容値を越える場合には通電ＤＵＴＹを「０」若しくはヒータ温が確実に下がる値（約０．１〜１％程度）で規制するとよい。
【０１１７】
図３１のルーチンを説明すれば、マイコン２０は、先ずステップ６０１で前回処理時のヒータ抵抗Ｒｈを前回値「Ｒｈ０」、同じく前回処理時のヒータ抵抗変化速度ΔＲｈを前回値「ΔＲｈ０」とし、続くステップ６０２でヒータ抵抗Ｒｈの今回値を検出する（Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉｈ）。
【０１１８】
その後、マイコン２０は、ステップ６０３でヒータ抵抗変化速度ΔＲｈを求め（ΔＲｈ＝Ｒｈ−Ｒｈ０）、続くステップ６０４で下記の数式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。
【０１１９】
Ｇｐ＝Ｋｐ・（ΔＲｈｒｅｆ−ΔＲｈ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ΔＲｈｒｅｆ−ΔＲｈ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（ΔＲｈ０−ΔＲｈ）
そして、マイコン２０は、ステップ６０５で上記比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、その後元の図３０のルーチンに戻る。
【０１２０】
また図３２の処理を説明すれば、マイコン２０は、先ずステップ７０１で前回処理時のヒータ抵抗Ｒｈを前回値「Ｒｈ０」とし、続くステップ７０２でヒータ抵抗Ｒｈの今回値を検出する（Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉｈ）。その後、マイコン２０は、ステップ７０３で下記の数式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。
【０１２１】
Ｇｐ＝Ｋｐ・（Ｒｈｒｅｆ−Ｒｈ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（Ｒｈｒｅｆ−Ｒｈ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（Ｒｈ０−Ｒｈ）
そして、マイコン２０は、ステップ７０４で上記比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、その後元の図３０のルーチンに戻る。
【０１２２】
以上第３の実施の形態では、ヒータ抵抗変化速度ΔＲｈに応じてヒータ通電量を制御することとした。これにより、上記第１，第２の実施の形態と同様に、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合が抑制できる。
【０１２３】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて実現できる。
（別の形態１）
上記第１の実施の形態における図１４（ΔＴｓのフィードバック制御ルーチン）において、素子温変化速度ΔＴｓの目標値ΔＴｓｒｅｆを可変に設定する。例えば図３３（ａ），（ｂ）に示すように、素子温Ｔｓに応じてΔＴｓｒｅｆ値を設定する。この場合、比較的大きな温度上昇率が許容される素子温Ｔｓの高温域では、ΔＴｓｒｅｆ値が大きくなり、比較的大きな通電ＤＵＴＹが設定される。その結果、Ａ／Ｆセンサ３０の早期活性が実現できる。またＩＧオンからの時間の経過に応じて目標値を徐々に大きくしていく構成としてもよい。
【０１２４】
第２，第３の実施の形態においても同様に、フィードバック制御時の目標値（図２７のΔＴｈｓｒｅｆ，図３１のΔＲｈｒｅｆ）を例えば素子温Ｔｓや経過時間に応じて可変に設定するようにしてもよい。
【０１２５】
（別の形態２）
上記第１の実施の形態では、エンジン１０の低温始動に伴うセンサ昇温時において、素子温変化速度ΔＴｓのオープン制御、並びにフィードバック制御を実施したが（前記図９のｔ１１〜ｔ１２，ｔ１２〜ｔ１３、図１３参照）、これを以下のように変更する。
【０１２６】
前記図９のｔ１１〜ｔ１２の期間において、予め設定されているマップを用いて素子抵抗ＺＡＣ（又は素子温Ｔｓ）をオープン制御する。また、同図のｔ１２〜ｔ１３の期間において、素子抵抗ＺＡＣ（又は素子温Ｔｓ）を目標値ＺＡＣｒｅｆにフィードバック制御する。素子抵抗ＺＡＣのフィードバック手順は前記図１５の処理に準ずる。このとき、素子抵抗ＺＡＣ変化速度（センサ素子部６０の昇温率に相当）が所定の最大値を越えないようにガードしておくとよい。かかる構成においても、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合が抑制できるようになる。
【０１２７】
（別の形態３）
上記第３の実施の形態では、エンジン１０の低温始動に伴うセンサ昇温時において、ヒータ抵抗変化速度ΔＴｓのフィードバック制御を実施したが（前記図２９のｔ３１〜ｔ３２、図３０参照）、これを以下のように変更する。
【０１２８】
前記図２９のｔ３１〜ｔ３２の期間において、ヒータ抵抗Ｒｈ（又はヒータ温Ｔｈ）を目標値Ｒｈｒｅｆにフィードバック制御する。ヒータ抵抗Ｒｈのフィードバック手順は前記図３２の処理に準ずる。このとき、ヒータ抵抗Ｒｈの変化速度（センサ素子部６０の昇温率に相当）が所定の最大値を越えないようにガードしておくとよい。
【０１２９】
或いは、同じく前記図２９のｔ３１〜ｔ３２の期間において、ヒータ電力Ｗｈを目標値Ｗｈｒｅｆにフィードバック制御する。ヒータ電力Ｗｈのフィードバック手順を図３４を用いて簡単に説明すれば、
・先ず、ヒータ電力Ｗｈを前回値「Ｗｈ０」とし（ステップ８０１）、
・ヒータ電力Ｗｈの今回値を検出し（ステップ８０２）、
・比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを、
Ｇｐ＝Ｋｐ・（Ｗｈｒｅｆ−Ｗｈ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（Ｗｈｒｅｆ−Ｗｈ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（Ｗｈ０−Ｗｈ）
として求め（ステップ８０３）、
・比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比ＤＵＴＹを算出する（ステップ８０４）。このとき、ヒータ電力Ｗｈの変化速度（センサ素子部６０の昇温率に相当）が所定の最大値を越えないようにガードしておくとよい。
【０１３０】
但しこの場合、ヒータ電力Ｗｈはヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとの積で求められる。ヒータ電力Ｗｈに代えて、ＩＧオン時からのヒータ電力積算値を用いることも可能である。上記構成においても、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合が抑制できるようになる。
【０１３１】
（別の形態４）
上記第１〜第３の実施の形態では、センサ活性後においてそれまでのセンサ素子の昇温率（昇温速度）に応じたヒータ制御に代えて素子温一定（素子抵抗一定）のフィードバック制御を実施していたが、これを変更する。例えばセンサ活性後においても、センサ素子の昇温率に応じたヒータ制御を継続して実施するようにしてもよい。
【０１３２】
（別の形態５）
Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗検出に際し、上記各実施の形態では「交流素子抵抗ＺＡＣ」を検出したが、これを変更し、「直流素子抵抗Ｒｉ」を検出する。具体的には、前記図１２（図１０のステップ１３０）に代えて、図３５のＲｉ検出ルーチンを実行する。すなわち図３５において、マイコン２０は、先ずステップ９０１でセンサ素子部６０に負の電圧Ｖｎを印加する。この電圧Ｖｎの値は限界電流発生域にかからない抵抗支配域の電圧であり、具体的にはＶｎ＝−０．３〜−１〔ボルト〕程度とする。また、マイコン２０は、電圧切り換え直後のピーク電流が完全に収束する時間ｔ１（数１０ｍｓ〜数１００ｍｓ）だけ待った後（ステップ９０２）、ステップ９０３で電流値Ｉｎを検出する。
【０１３３】
その後、マイコン２０は、ステップ９０４で印加電圧を負の電圧Ｖｎから元の正の電圧Ｖｐに戻す。また、マイコン２０は、電圧切り換え直後のピーク電流が完全に収束する時間ｔ２（数１０ｍｓ〜数１００ｍｓ）だけ待った後（ステップ９０５）、ステップ９０６で前記負の電圧Ｖｎと前記電流値Ｉｎ（負の電流値）とからその時の直流素子抵抗Ｒｉを算出する（Ｒｉ＝Ｖｎ／Ｉｎ）。
【０１３４】
上記の如く直流素子抵抗を検出する場合、所定の周波数域の単発的な交流電圧をセンサ素子部６０に印加するための構成が不要となり、前記図１のＬＰＦ２２が省略できる。
【０１３５】
（別の形態６）
Ａ／Ｆセンサの構成を変更する。上記実施の形態では、図３に説明したように、ガス拡散抵抗層６２をガス透過層６２ａとガス遮蔽層６２ｂとの二層で構成したが、このうちガス遮蔽層６２ｂを省略した構成としてもよい。また、上記実施の形態では、積層型Ａ／Ｆセンサに具体化したが、コップ型Ａ／Ｆセンサに具体化してもよい。
【０１３６】
（別の形態７）
上記実施の形態では、酸素濃度（空燃比）に応じたリニアな限界電流値を出力するＡ／Ｆセンサに本発明を具体化したが、これを変更する。例えば空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる電圧信号を出力するＯ2 センサに具体化してもよい。また、排ガス中のＮＯx 濃度を検出するＮＯx センサや、ＮＯx ，ＨＣ，Ｏ2 などの各種成分を検出する、いわゆる複合型センサに具体化してもよい。またさらに、排ガス以外のガス成分濃度を測定する装置にも適用できる。
【０１３７】
（別の形態８）
上記各実施の形態では、デューティ比ＤＵＴＹに補正値ＦＫや学習値ＦＬＲＮで補正する構成としたが（前記図１３のステップ１４４，１４６）、この補正の処理を省略して具体化してもよい。
【０１３８】
（別の形態９）
上記各実施の形態では、各種のフィードバック制御の実施に際し、ＰＩＤ制御を実施したが、ＰＩ制御やＰ制御など他の制御に変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す全体構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの全体構成を示す断面図。
【図３】センサ素子部の断面図。
【図４】センサ素子部を構成する各部材の分解斜視図。
【図５】Ａ／Ｆセンサの電圧−電流特性図。
【図６】Ａ／Ｆセンサの限界電流値と空燃比との関係を示すグラフ。
【図７】バイアス制御回路の詳細な構成を示す電気回路図。
【図８】ヒータ制御回路の詳細な構成を示す電気回路図。
【図９】空燃比検出装置の動作説明のためのタイムチャート。
【図１０】空燃比検出装置内のマイコンによるメインルーチンを示すフローチャート。
【図１１】Ａ／Ｆの検出手順を示すフローチャート。
【図１２】素子抵抗ＺＡＣの検出手順を示すフローチャート。
【図１３】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図１４】素子温変化速度ΔＴｓのフィードバック制御手順を示すフローチャート。
【図１５】素子抵抗ＺＡＣのフィードバック制御手順を示すフローチャート。
【図１６】素子抵抗ＺＡＣの検出時におけるセンサ電圧とセンサ電流とを示す波形図。
【図１７】素子抵抗と素子温との関係を示すグラフ。
【図１８】補正値ＦＫ１〜ＦＫ４を求めるための図。
【図１９】第１の学習ルーチンを示すフローチャート。
【図２０】第２の学習ルーチンを示すフローチャート。
【図２１】第３の学習ルーチンを示すフローチャート。
【図２２】学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３を求めるための図。
【図２３】活性判定の様子を示すタイムチャート。
【図２４】Ｆ／Ｃ時の印加電圧Ｖｆとセンサ電流Ｉｆとを示す図。
【図２５】第２の実施の形態において、動作説明のためのタイムチャート。
【図２６】第２の実施の形態において、ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図２７】第２の実施の形態において、温度差ΔＴｈｓのフィードバック制御手順を示すフローチャート。
【図２８】ヒータ抵抗とヒータ温との関係を示すグラフ。
【図２９】第３の実施の形態において、動作説明のためのタイムチャート。
【図３０】第３の実施の形態において、ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図３１】第３の実施の形態において、ヒータ抵抗変化速度ΔＲｈのフィードバック制御手順を示すフローチャート。
【図３２】第３の実施の形態において、ヒータ抵抗Ｒｈのフィードバック制御手順を示すフローチャート。
【図３３】素子温Ｔｓに応じて素子温変化速度の目標値ΔＴｓｒｅｆを設定するための図。
【図３４】ヒータ電力Ｗｈのフィードバック制御手順を示すフローチャート。
【図３５】素子抵抗Ｒｉの検出手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン、１５…空燃比検出装置、２０…マイコン（マイクロコンピュータ）、２０ａ…バックアップメモリ、２５…ヒータ制御回路、３０…Ａ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）、４０…バイアス制御回路、５０…電流検出回路、６０…センサ素子部、６１…固体電解質、６４…ヒータ、６４ａ…発熱体、＋Ｂ…バッテリ電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas component concentration measuring apparatus, and more particularly to a gas component concentration measuring apparatus for detecting an oxygen concentration in a gas to be measured such as exhaust gas discharged from an engine.
[0002]
[Prior art]
For example, in an automobile engine, air-fuel ratio control is generally performed based on the detection result of oxygen concentration (air-fuel ratio) by an oxygen concentration sensor. Such an oxygen concentration sensor has a solid electrolyte made of zirconia, and in order to accurately detect the oxygen concentration (air-fuel ratio) with this solid electrolyte, it is necessary to maintain the temperature of the sensor element (solid electrolyte) at a predetermined activation temperature. . Normally, a heater is attached to the sensor to control the energization amount of the heater. As such a heater control method, for example, a method of controlling the power supplied to the heater or feedback-controlling the temperature of the sensor element to a predetermined activation temperature is known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional technology described above, for example, when the temperature of the sensor element (solid electrolyte) is raised from a cold state at the time of starting the engine at a low temperature, it is desired to quickly raise the temperature. When the temperature is raised to, there is a risk of problems such as element cracking, heater cracking, and peeling of the joint surface between the element and the heater.
[0004]
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to maintain a good temperature rise characteristic of the sensor and to suppress a gas component concentration capable of suppressing defects such as element cracking. It is to provide a measuring device.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 has a sensor element using a solid electrolyte, and generates heat by energization of a sensor for measuring a specific component concentration of a gas to be measured and a power supply voltage, A heater for heating the sensor element to a predetermined activation temperature; and heater control means for controlling an energization amount to the heater according to a temperature increase rate of the sensor element.
[0006]
According to the above configuration, excessive heating operation of the sensor element can be suppressed by controlling the heater energization amount while monitoring the temperature increase rate of the sensor element. In addition, the sensor can be activated quickly by monitoring the temperature increase rate. As a result, the temperature rise characteristics of the sensor can be maintained well, and problems such as element cracking can be suppressed.
[0007]
In particular, the present invention has a remarkable effect in a laminated sensor (Claim 12) in which a heater is laminated on a sensor element having a solid electrolyte and the solid electrolyte and the heater are integrated. That is, in such a stacked sensor, since the solid electrolyte and the heater are provided close to each other, problems such as element cracking and heater cracking are likely to occur. However, according to the above configuration, the problem can be reliably suppressed.
[0008]
Here, the “temperature rise rate of the sensor element” means the rate of temperature rise of the solid electrolyte or heater. As a specific method for controlling the temperature rise rate of the sensor element,
As described in claim 2, the heater energization amount is controlled in accordance with the change rate of the element temperature or the element resistance.
As described in claim 3, the difference between the element temperature and the heater temperature To be the target temperature difference Heater energization amount feedback Control.
As described in claim 5, the heater energization amount is controlled in accordance with the change rate of the heater temperature or the heater resistance.
The configuration is adopted.
[0009]
Note that the element temperature and the element resistance have a corresponding relationship as shown in FIG. 17, for example. Therefore, even if any of these parameters is used to control the temperature increase rate of the sensor element, substantially the same effect can be obtained. Further, the heater temperature and the heater resistance have a corresponding relationship as shown in FIG. 28, for example. Therefore, even if any of these parameters is used to control the temperature increase rate of the sensor element, substantially the same effect can be obtained.
[0010]
Further, when the temperature of the sensor element is raised from the cold state, the element resistance is large at the beginning and the value cannot be detected. Therefore, according to the second and third aspects of the invention, as described in the fourth aspect, the change rate of the element temperature or the element resistance is controlled open during the period until the element resistance becomes detectable. According to such a configuration, problems such as element cracking can be reliably suppressed in the period until sensor activation.
[0011]
In the invention according to claim 6, it is determined whether the sensor is at a temperature rising time or a steady time after the temperature rising, and if it is a steady time after the temperature rising, the element temperature is matched with the target temperature. Implement feedback control. In other words, once the sensor is activated, it is considered that there is little possibility of a sudden temperature change like when the temperature rises thereafter. Therefore, after the activation of the sensor, the existing element temperature feedback control is performed instead of the heater control corresponding to the temperature increase rate. In such a case, appropriate heater control can be performed not only at the time of temperature increase but also at other times.
[0012]
In a seventh aspect of the present invention, when the temperature increase rate of the sensor element exceeds a predetermined allowable level, the heater energization amount is limited. In this case, excessive heating of the element can be prevented more reliably.
[0013]
On the other hand, for example, when the sensor deteriorates, the element temperature (the temperature of the solid electrolyte) fluctuates before and after the deterioration even with the same heater energization amount. Therefore, in the heater control, the following claims 8 to 10 are corrected. Thereby, it is possible to control the energization of the heater reflecting individual differences of sensors and changes with time.
[0014]
In the invention according to claim 8, the energization amount of the heater is corrected according to the time required from the cold state of the sensor to the activation. That is, for example, when the sensor is deteriorated, it is considered that the time required for activation is increased compared with that before deterioration. Therefore, in order to achieve appropriate and quick activation, the energization amount may be corrected as appropriate. In such a case, by correcting the heater energization amount according to the time required until the sensor is activated, it is possible to eliminate the influence on the heater control due to a change over time such as sensor deterioration or individual differences.
[0015]
In the invention according to claim 9, at the time of fuel cut to the engine, The voltage-current characteristics including a voltage range in which an inflow current to the solid electrolyte does not change with respect to a change in applied voltage to the solid electrolyte A voltage is applied to the resistance dominant region of the sensor, the internal resistance is detected from the sensor current value at that time, and the energization amount of the heater is corrected based on the detected internal resistance. More specifically, the sensor internal resistance detected at the time of fuel cut is compared with the element resistance detected after sensor activation, and the heater energization amount is corrected according to the amount of deviation between these values. Even in this configuration, it is possible to eliminate the influence on the heater control due to individual sensor differences and changes with time.
[0016]
In the invention according to claim 10, the energization amount of the heater is corrected according to the difference between the heater energization amount during steady operation of the engine and a preset standard value of the heater energization amount. Even in this configuration, it is possible to eliminate the influence of heater control due to individual sensor differences and changes over time.
[0017]
In the invention described in claim 11, the value relating to the correction is stored as a learning value in a backup memory as needed, and the heater control means reads the learning value stored in the backup memory and uses it for heater control. In short, the correction information obtained in the above claims 8 to 10 can always be a necessary element at the time of heater control, for example, regardless of engine operating conditions. Accordingly, the learning value is stored in the backup memory as needed, and the value is updated as necessary, so that the learning value only needs to be calculated, and efficient and appropriate heater control can be performed.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The air-fuel ratio detection apparatus in the present embodiment is applied to an electronically controlled gasoline injection engine mounted on an automobile. In the air-fuel ratio control system of the engine, the engine is based on the detection result by the air-fuel ratio detection apparatus. The fuel injection amount to the desired air-fuel ratio is controlled. In the following description, the procedure for detecting the air-fuel ratio (A / F) using the air-fuel ratio sensor and the energization control procedure for the heater attached to the sensor will be described in detail.
[0019]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of an air-fuel ratio control system in the present embodiment. In FIG. 1, an air-fuel ratio detection device 15 includes a microcomputer (hereinafter referred to as a microcomputer) 20 that forms the center of its internal calculation. The microcomputer 20 controls an engine control ECU 16 for realizing fuel injection control, ignition control, and the like. So that they can communicate with each other. A limit current air-fuel ratio sensor (hereinafter referred to as an A / F sensor) 30 is attached to an exhaust pipe 12 extending from the engine body 11 of the engine 10, and in response to application of a voltage commanded from the microcomputer 20, A linear air-fuel ratio detection signal (sensor current signal) proportional to the oxygen concentration is output.
[0020]
The microcomputer 20 is configured by a well-known CPU, ROM, RAM, and the like for executing various arithmetic processes, and controls a bias control circuit 40 and a heater control circuit 25 described later according to a predetermined control program. The microcomputer 20 is activated upon receiving power from the battery power source + B, and a backup memory 20a is provided in the microcomputer 20 for holding stored contents even when the power is shut off (when IG = OFF).
[0021]
The A / F sensor 30 has a laminated sensor element portion (cell) 60, and the configuration thereof will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the A / F sensor 30, FIG. 3 is a cross-sectional view of the sensor element unit 60 constituting the A / F sensor 30, and FIG. 4 is a detail of the sensor element unit 60. It is a disassembled perspective view which shows a structure.
[0022]
As shown in FIG. 2, the A / F sensor 30 has a cylindrical metal housing 31 that is screwed onto the exhaust pipe wall, and an element cover 32 is attached to the lower opening of the housing 31. Yes. In the element cover 32, the tip (lower end) of the long plate-like sensor element unit 60 is disposed. The element cover 32 has a bottomed double structure and has a plurality of exhaust ports 32a for taking exhaust gas into the cover.
[0023]
The sensor element portion 60 extends upward in the figure so as to penetrate the insulating member 33 disposed in the housing 31, and a pair of lead wires 34 are connected to the upper end portion thereof.
A main body cover 35 is caulked to the upper end of the housing 31. A dust cover 36 is attached above the main body cover 35, and the upper part of the sensor is protected by a double structure of the main body cover 35 and the dust cover 36. Each of the covers 35 and 36 is provided with a plurality of atmospheric ports 35a and 36a for taking the atmosphere into the cover.
[0024]
Next, the configuration of the sensor element unit 60 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. The sensor element section 60 is roughly divided into a solid electrolyte 61, a gas diffusion resistance layer 62, an air introduction duct 63, and a heater 64, and these members are laminated. A protective layer 65 is provided around each member.
[0025]
The rectangular plate-shaped solid electrolyte 61 is a partially stabilized zirconia sheet, and a porous measuring electrode 66 made of platinum or the like is formed on the upper surface (gas diffusion resistance layer 62 side) by a screen printing method or the like. On the lower surface (atmosphere introduction duct 63 side), a porous atmosphere side electrode 67 made of platinum or the like is formed by screen printing or the like. Lead wires 66 a and 67 a are connected to the measurement electrode 66 and the atmosphere-side electrode 67.
[0026]
The gas diffusion resistance layer 62 includes a gas permeable layer 62a made of a porous sheet for introducing the exhaust gas into the measurement electrode 66, and a gas shielding layer 62b made of a dense layer for suppressing the permeation of the exhaust gas. Each of the gas permeable layer 62a and the gas shielding layer 62b is formed by molding a ceramic such as alumina, spinel, zirconia or the like by a sheet molding method or the like, but the gas permeability is different depending on the difference in the average pore diameter and porosity of the porosity. It has become a thing.
[0027]
The air introduction duct 63 is made of high thermal conductive ceramics such as alumina, and an air chamber 68 is formed by the duct 63. The atmosphere introduction duct 63 serves to introduce the atmosphere to the atmosphere side electrode 67 in the atmosphere chamber 68. Incidentally, the atmospheric chamber 68 communicates with the atmospheric ports 35a and 36a of the covers 35 and 36 shown in FIG.
[0028]
A heater 64 is attached to the lower surface of the air introduction duct 63. The heater 64 includes a heating element 64a that generates heat when energized from the battery power source + B and an insulating sheet 64b that covers the heating element 64a. Lead wires 64c are connected to both ends of the heating element 64a. However, in addition to the configuration of FIG. 3, a configuration in which the heating element 64 a is embedded in the solid electrolyte 61 or the heating element 64 a is embedded in the gas diffusion resistance layer 62 is also possible.
[0029]
In the sensor element portion 60, the exhaust gas reaching the measurement electrode 66 does not enter from the vertical direction (the vertical direction in the drawing) of the gas permeable layer 62a, but enters from the side of the gas permeable layer 62a. That is, since the surface of the gas permeable layer 62a is covered with the gas shielding layer 62b, the exhaust gas cannot enter from the vertical direction and enters the inside of the permeable layer 62a from the side surface direction orthogonal to the direction. In this case, the gas diffusion amount of the gas permeable layer 62a depends on the dimension in the left-right direction of the permeable layer 62a (actually, the distance between the side surface of the gas permeable layer 62a and the measurement electrode 66), but this dimension is easy. Therefore, even if the hole diameter of the gas permeable layer 62a varies, a uniform and stable sensor output can be obtained.
[0030]
In the A / F sensor 30 having the above configuration, the sensor element unit 60 generates a limit current corresponding to the oxygen concentration in the lean region from the theoretical air-fuel ratio point. In this case, the sensor element unit 60 (solid electrolyte 61) can detect the oxygen concentration with a linear characteristic, but a high temperature of about 600 ° C. or higher is required to activate the sensor element unit 60, Moreover, since the active temperature range of the sensor element unit 60 is narrow, the active state cannot be maintained by heating only with the exhaust gas of the engine 10. Therefore, in the present embodiment, the sensor element unit 60 is held in the active temperature range by the heating control of the heater 64 (the heating element 64a). Note that, in the region on the richer side than the stoichiometric air-fuel ratio, the concentration of unburned gas such as carbon monoxide (CO) changes almost linearly with respect to the air-fuel ratio, and the sensor element unit 60 responds to the concentration of CO or the like. Generates a limiting current.
[0031]
The voltage-current characteristics of the A / F sensor 30 will be described with reference to FIG. As can be seen from FIG. 5, the inflow current to the solid electrolyte 61 of the sensor element unit 60 and the applied voltage to the solid electrolyte 61 have linear characteristics. In this case, the linear portion parallel to the voltage axis (horizontal axis) specifies the limit current of the sensor element unit 60, and the increase / decrease of the limit current (sensor current) is the increase / decrease of A / F (ie, lean Rich degree). That is, the limit current increases as A / F becomes leaner, and the limit current decreases as A / F becomes richer.
[0032]
In this voltage-current characteristic, a voltage region smaller than the linear portion parallel to the voltage axis is a resistance dominant region, and the slope of the primary linear portion in the resistance dominant region is the internal resistance of the solid electrolyte 61 in the sensor element portion 60. (This is called element resistance). This element resistance changes with a change in temperature. For example, when the temperature of the sensor element unit 60 decreases, the inclination decreases due to an increase in element resistance.
[0033]
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the limiting current value on the horizontal axis and the A / F corresponding to the limiting current value on the vertical axis.
As an example, if specific values of the heat resistance characteristics of the A / F sensor 30 are shown,
-Element heat resistance temperature = 900-950 ° C,
-Heater heat resistance temperature = 1000-1100 ° C,
-Maximum value of element temperature change rate = 150 to 200 ° C / s,
・ Maximum heater temperature change rate = 200 ° C / s,
-Maximum value of temperature difference between element and heater = 200 ° C,
It has become.
[0034]
On the other hand, in FIG. 1, a bias command signal (digital signal) Vr for applying a voltage to the A / F sensor 30 (sensor element unit 60) is input from the microcomputer 20 to the D / A converter 21, and the D / A After being converted to an analog signal Vb by the A converter 21, it is input to an LPF (low-pass filter) 22. The output voltage Vc from which the high-frequency component of the analog signal Vb has been removed by the LPF 22 is input to a bias control circuit 40 for applying a voltage for A / F detection or element resistance detection to the A / F sensor 30. The At the time of A / F detection, the applied voltage Vp corresponding to the A / F at that time is set using the characteristic line L1 of FIG. 5, whereas at the time of element resistance detection, it is a single and predetermined frequency signal. A voltage having a time constant of is applied.
[0035]
The current detection circuit 50 in the bias control circuit 40 detects a current value that flows as a voltage is applied to the A / F sensor 30. An analog signal having a current value detected by the current detection circuit 50 is input to the microcomputer 20 via the A / D converter 23. The operation of the heater 64 (heating element 64a) attached to the A / F sensor 30 is controlled by the heater control circuit 25. That is, the heater control circuit 25 controls the heating of the heater 64 by duty-controlling the energization amount to the heater 64 according to the element temperature of the A / F sensor 30 and the heater temperature.
[0036]
Further, an exhaust gas temperature sensor 13 for detecting the exhaust gas temperature is attached to the engine exhaust pipe 12, and the output of the sensor 13 is input to the microcomputer 20 via the A / D converter 24.
[0037]
Next, the configuration of the bias control circuit 40 will be described with reference to the electric circuit diagram of FIG. In FIG. 7, the bias control circuit 40 is roughly divided into a reference voltage circuit 44, a first voltage supply circuit 45, a second voltage supply circuit 47, and a current detection circuit 50. The reference voltage circuit 44 divides the constant voltage Vcc by the voltage dividing resistors 44a and 44b to generate a constant reference voltage Va.
[0038]
The first voltage supply circuit 45 is configured by a voltage follower circuit, and the same voltage Va as the reference voltage Va of the reference voltage circuit 44 is connected to one terminal 42 of the sensor element section 60 (the atmosphere side electrode 67 of FIG. 3). Terminal). More specifically, in the first voltage supply circuit 45, the positive input terminal is connected to the voltage dividing point of each of the voltage dividing resistors 44 a and 44 b and the negative input terminal is one terminal 42 of the sensor element unit 60. The operational amplifier 45a is connected to the output terminal of the operational amplifier 45a. The resistor 45b has one end connected to the output terminal of the operational amplifier 45a. The other end of the resistor 45b has an NPN transistor 45c and a PNP transistor 45d. The collector of the NPN transistor 45 c is connected to the constant voltage Vcc, and the emitter is connected to one terminal 42 of the sensor element unit 60 via the current detection resistor 50 a constituting the current detection circuit 50. The emitter of the PNP transistor 45d is connected to the emitter of the NPN transistor 45c, and the collector is grounded.
[0039]
Similarly, the second voltage supply circuit 47 is configured by a voltage follower circuit, and the same voltage Vc as the output voltage Vc of the LPF 22 is connected to the other terminal 41 of the sensor element section 60 (the measurement electrode 66 of FIG. 3). Terminal). More specifically, the second voltage supply circuit 47 includes an operational amplifier 47 a having a positive input terminal connected to the output of the LPF 22 and a negative input terminal connected to the other terminal 41 of the sensor element unit 60. A resistor 47b having one end connected to the output terminal of the operational amplifier 47a, and an NPN transistor 47c and a PNP transistor 47d each having a base connected to the other end of the resistor 47b. The collector of the NPN transistor 47c is connected to the constant voltage Vcc, and the emitter is connected to the other terminal 41 of the sensor element unit 60 via the resistor 47e. The emitter of the PNP transistor 47d is connected to the emitter of the NPN transistor 47c, and the collector is grounded.
[0040]
With the above configuration, the constant voltage Va is always supplied to one terminal 42 of the sensor element unit 60. When the voltage Vc lower than the constant voltage Va is supplied to the other terminal 41 of the sensor element unit 60 via the LPF 22, the sensor element unit 60 is positively biased. Further, when the voltage Vc higher than the constant voltage Va is supplied to the other terminal 41 of the sensor element unit 60 via the LPF 22, the sensor element unit 60 is negatively biased.
[0041]
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the heater control circuit 25.
In FIG. 8, one end of the heater 64 (heating element 64a) is connected to the battery power source + B, and the other end is connected to the collector of the transistor 25a constituting the switching element. The emitter of the transistor 25a is grounded via a heater current detection resistor 25b. The heater voltage Vh is detected by a potential difference between both ends of the heater 64, and the detection result is input to the microcomputer 20 via the operational amplifier 25c and the A / D converter 26. The heater current Ih is detected by the potential difference between both ends of the heater current detection resistor 25b, and the detection result is input to the microcomputer 20 via the operational amplifier 25d and the A / D converter 27.
[0042]
Next, the operation of the air-fuel ratio detection device 15 configured as described above will be described.
First, an outline of the operation of the present apparatus will be described with reference to the time chart of FIG. FIG. 9 shows a process in which the temperature of the A / F sensor 30 is raised from the cold state when the engine 10 is started at a low temperature. Note that the element resistance ZAC at the beginning of heater energization (initially at the start of the engine) has a very high value and cannot be detected.
[0043]
When the ignition key (IG key) is turned on at time t11, open control of the element temperature change rate ΔTs is started. The element temperature change rate ΔTs is given as a temperature change amount per unit time (in this embodiment, every 128 ms). At this time, the energization duty is determined using a preset map so that the element temperature change rate ΔTs is substantially constant. That is, the energization duty of the heater 64 gradually increases with time, and the element temperature Ts (solid electrolyte temperature) gradually increases with this.
[0044]
At time t12 when the element resistance ZAC falls below a predetermined value (3 kΩ in the present embodiment) during the temperature increase, the heater control is switched from the open control of the element temperature change rate ΔTs to the feedback control of the element temperature change rate ΔTs. It is done. That is, from time t12 to t13, the heater energization amount (energization duty) is determined by feedback-controlling the element temperature change rate ΔTs to the target value.
[0045]
Thereafter, at time t13 when the element resistance ZAC decreases to the activation completion determination value (120Ω in the present embodiment), a series of control of the element temperature change rate ΔTs is terminated, and instead, the element temperature is constant. Feedback control is started. That is, after time t13, the heater energization amount (energization duty) is determined by feedback controlling the element temperature Ts to a predetermined target temperature (700 ° C.). However, since the feedback control of “constant element temperature” and the feedback control of “constant element resistance” are substantially the same, in this embodiment, feedback control with constant element resistance is performed ( The element resistance ZAC is fed back to the target value).
[0046]
FIG. 10 is a flowchart showing an outline of a main routine executed by the microcomputer 20, and this routine is started when the microcomputer 20 is powered on.
In FIG. 10, the microcomputer 20 first determines in step 100 whether or not a predetermined time Ta has elapsed since the previous A / F detection. The predetermined time Ta is a time corresponding to the detection cycle of A / F, and is set to about Ta = 4 ms, for example. If the predetermined time Ta has elapsed since the previous A / F detection (YES in step 100), the microcomputer 20 proceeds to step 110, and performs an A / F (air-fuel ratio) detection process according to FIG. To do. If step 100 is NO, the microcomputer 20 once ends this routine.
[0047]
Here, the A / F detection routine of FIG. 11 will be described. First, the microcomputer 20 applies the voltage Vp to the sensor element section 60 of the A / F sensor 30 in step 111. The applied voltage Vp is set, for example, as a value on the characteristic line L1 in FIG. 5 according to the air-fuel ratio (limit current value Ip) at that time.
[0048]
Thereafter, the microcomputer 20 reads in step 112 the current value flowing through the sensor element unit 60 when the voltage Vp is applied, that is, the limit current value (sensor current) Ip detected by the current detection circuit 50. Further, in step 113, the microcomputer 20 converts the limit current value Ip at that time into A / F using the limit current value-A / F map shown in FIG. Further, the microcomputer 20 outputs the A / F obtained as described above in step 114 to the engine control ECU 16, and then returns to the original routine of FIG.
[0049]
After detecting A / F, the microcomputer 20 determines whether or not a predetermined time Tb has elapsed since the previous element resistance detection in step 120 of FIG. The predetermined time Tb is a time corresponding to the detection cycle of the element resistance ZAC, and is selectively set according to, for example, the engine operating state. In the present embodiment, Tb = 2 s (seconds) during normal times when the A / F change is relatively small (during steady operation of the engine 10), and during sudden changes in A / F (when the engine 10 starts or during transient operation). The predetermined time Tb is variably set such that Tb = 128 ms (milliseconds).
[0050]
If step 120 is YES, the microcomputer 20 detects the element resistance ZAC in step 130 and performs energization control of the heater 64 in subsequent step 140. The processes of steps 130 and 140 are performed according to FIGS. If the above step 120 is NO, the microcomputer 20 terminates this routine once as it is.
[0051]
Next, the detection procedure of the element resistance ZAC in step 130 of FIG. 10 will be described with reference to FIG. In the present embodiment, when detecting the element resistance, the “AC element resistance” is obtained by using the sweep method.
[0052]
In FIG. 12, the microcomputer 20 first operates the bias command signal Vr in step 131, and changes the voltage to the positive side in a single manner with respect to the applied voltage Vp (A / F detection voltage) so far. The voltage application time for detecting the element resistance is about several tens to 100 μs. Thereafter, the microcomputer 20 reads the voltage change amount ΔV at that time and the sensor current change amount ΔI detected by the current detection circuit 50 in step 132. In step 133, the microcomputer 20 calculates the element resistance ZAC from the ΔV and ΔI (ZAC = ΔV / ΔI), and then returns to the original routine of FIG.
[0053]
According to the above processing, a voltage having a predetermined time constant is applied to the A / F sensor 30 through the LPF 22 and the bias control circuit 40 of FIG. As a result, as shown in FIG. 16, the peak current ΔI (current change amount) is detected after elapse of time t from the application of the voltage, and the element resistance ZAC is detected from the voltage change amount ΔV and the peak current ΔI at that time. (ZAC = ΔV / ΔI). In such a case, by applying a single voltage to the A / F sensor 30 via the LPF 22, the generation of an excessive peak current is suppressed, and the detection accuracy of the element resistance ZAC is improved.
[0054]
The element resistance ZAC obtained as described above has the relationship shown in FIG. 17 with respect to the element temperature Ts. That is, the lower the element temperature Ts, the greater the element resistance ZAC. Incidentally, the activation temperature (about 700 ° C.) of the A / F sensor 30 corresponds to the element resistance ZAC≈90Ω.
[0055]
Next, the heater energization control procedure in step 140 of FIG. 10 will be described with reference to FIG.
First, in step 141, the microcomputer 20 determines whether or not the sensor element unit 60 is currently in the process of being heated. For example, when the temperature of the sensor element unit 60 is high, such as when the engine 10 is started at a low temperature (YES in step 141), the microcomputer 20 determines that the element resistance ZAC detected in step 142 is a predetermined value during the temperature increase (this embodiment). In this embodiment, it is determined whether or not 3 kΩ is reached. At the beginning of the engine 10 at a low temperature, the element resistance ZAC has a considerably large value, and the microcomputer 20 determines that ZAC> 3 kΩ and proceeds to step 143.
[0056]
In step 143, the microcomputer 20 performs open control of the element temperature change rate ΔTs. Specifically, a duty set for energizing the heater is used so that the element temperature Ts changes with a predetermined profile according to the elapsed time from the engine start using a map set in advance in the nonvolatile memory in the microcomputer 20. The ratio DUTY is determined. For example, at time t11 to t12 in FIG. 9, open control of the element temperature change rate ΔTs in step 143 is performed.
[0057]
If ZAC ≦ 3 kΩ, the microcomputer 20 proceeds to step 150 and feedback-controls the element temperature change rate ΔTs to a predetermined value according to the procedure of FIG. That is, the duty ratio DUTY for energizing the heater is determined using a PID control method or the like so that the element temperature change rate ΔTs at that time coincides with the target value ΔTsref of the same speed. For example, feedback control of the element temperature change rate ΔTs in step 150 is performed from time t12 to t13 in FIG.
[0058]
After determining DUTY in step 143 or 150, the microcomputer 20 proceeds to step 144 and corrects the determined duty ratio DUTY to calculate the final duty ratio Dfn. Specifically, using a correction value FK according to the voltage of the battery power source + B, the exhaust temperature, etc., and a learning value FLRN according to sensor individual differences and changes over time,
Dfn = DUTY + FK + FLRN
As a result, the final duty ratio Dfn is calculated. In step 145, the microcomputer 20 guards the element temperature Ts or its change rate ΔTs with the maximum allowable value. Thereafter, a duty ratio signal for energizing the heater is output to the heater control circuit 25 shown in FIG.
[0059]
In step 145, when the heater is energized at the calculated final duty ratio Dfn, the element temperature Ts is the maximum allowable value “900 ° C.” or the element temperature change rate ΔTs is the maximum allowable value “150”. It is judged whether or not “° C./s” is exceeded. When it is assumed that these maximum allowable values are exceeded, the energization duty is restricted to “0” or a value (about 0.1 to 1%) at which the element temperature is surely lowered. However, this duty ratio may be set according to the conversion speed of the A / D converter.
[0060]
Here, the correction value FK will be described. The correction value FK is obtained, for example, by adding various correction values FK1 to FK4 based on the relationships of FIGS.
FK = FK1 + FK2 + FK3 + FK4
According to FIG. 18A, the correction value FK1 corresponding to the voltage value of the battery power supply + B is obtained. A positive correction value FK1 is set when battery voltage ≦ A (for example, rated voltage 12 volts), and a negative correction value FK1 is set when battery voltage> A.
[0061]
According to FIG. 18B, a correction value FK2 corresponding to the exhaust temperature detected by the exhaust temperature sensor 13 is obtained. When the exhaust gas temperature ≦ B, the positive correction value FK2 is set. When the exhaust gas temperature> B, the negative correction value FK2 is set.
[0062]
According to FIG. 18C, the correction value FK3 corresponding to the initial heater resistance at the time of engine start is obtained. A positive correction value FK3 is set when the initial heater resistance ≦ C, and a negative correction value FK3 is set when the initial heater resistance> C. In this case, the initial heater resistance reflects the cold state of the A / F sensor 30 when the engine is started, and the correction value FK3 is preferably applied only during the temperature raising period.
[0063]
According to FIG. 18D, the correction value FK4 corresponding to the harness resistance between the battery power source + B and the heater 64 to GND (see FIG. 8) is obtained. A negative correction value FK4 is set when harness resistance ≦ D, and a positive correction value FK4 is set when harness resistance> D.
[0064]
However, in FIGS. 18A to 18D, a region (dead zone) where the correction value is “0” may be provided in the vicinity of each of the threshold values A to D. In the present embodiment, the correction value FK is set as the sum of FK1 to FK4. However, the correction value FK may be set as a value including at least one of FK1 to FK4.
[0065]
Further, the learning value FLRN includes a first learning value FLRN1 based on a required time from heater ON to sensor activation, a second learning value FLRN2 based on an element resistance deviation detected at the time of fuel cut, and a DUTY deviation amount during steady operation. Is obtained by adding the third learning value FLRN3 based on.
[0066]
FLRN = FLRN1 + FLRN2 + FLRN3
The learning values FLRN1 to FLRN3 are data that are stored in the backup memory 20a in the microcomputer 20 and sequentially updated, and the calculation procedure will be described later.
[0067]
On the other hand, if step 141 in FIG. 13 is NO (when the temperature of the sensor element unit 60 is not rising), the microcomputer 20 proceeds to step 160 and maintains the element resistance ZAC at a predetermined value according to the procedure of FIG. Implement feedback control. That is, the duty ratio DUTY for energizing the heater is determined using a PID control method or the like so that the element resistance ZAC at that time coincides with the target value ZACref. For example, after time t13 in FIG. 9, feedback control with constant element resistance (constant element temperature) in step 160 is performed.
[0068]
Thereafter, the microcomputer 20 proceeds to step 146 and adds the correction value FK and the learned value FLRN to the determined duty ratio DUTY to calculate the final duty ratio Dfn (Dfn = DUTY + FK + FLRN). In step 145, the microcomputer 20 guards the element temperature Ts or its change rate ΔTs with the maximum allowable value. Thereafter, the duty ratio signal is output to the heater control circuit 25 of FIG.
[0069]
Next, the routine of FIG. 14 (the process of step 150 of FIG. 13) will be described. In step 151, the microcomputer 20 sets the element temperature Ts at the previous process to the previous value “Ts0”, and the element temperature at the previous process. The change rate ΔTs is set to the previous value “ΔTs0”. Further, the microcomputer 20 reads the detected element resistance ZAC (detected value according to FIG. 12) in the subsequent step 152, and obtains the current value of the element temperature Ts from the element resistance ZAC, for example, according to the relationship of FIG. Further, in Step 153, the microcomputer 20 subtracts the previous value Ts0 from the current value Ts of the element temperature to calculate the current value ΔTs of the element temperature change rate (ΔTs = Ts−Ts0).
[0070]
Thereafter, in step 154, the microcomputer 20 calculates the proportional term Gp, the integral term Gi, and the differential term Gd by the following mathematical formulas.
Gp = Kp · (ΔTsref−ΔTs)
Gi = Gi + Ki · (ΔTsref−ΔTs)
Gd = Kd · (ΔTs0−ΔTs)
In the above equations, “Kp” represents a proportional constant, “Ki” represents an integral constant, and “Kd” represents a differential constant.
[0071]
In step 155, the microcomputer 20 adds the proportional term Gp, integral term Gi, and differential term Gd to calculate the duty ratio DUTY (DUTY = Gp + Gi + Gd), and then returns to the original routine of FIG.
[0072]
15 will be described (the process in step 160 in FIG. 13). In step 161, the microcomputer 20 sets the element resistance ZAC in the previous process to the previous value “ZAC0”, and the detection is performed in subsequent step 162. The element resistance ZAC (detected value according to FIG. 12) is read. In step 163, the microcomputer 20 calculates the proportional term Gp, the integral term Gi, and the differential term Gd by the following mathematical formulas.
[0073]
Gp = Kp. (ZAC-ZACref)
Gi = Gi + Ki · (ZAC−ZACref)
Gd = Kd · (ZAC−ZAC0)
In step 164, the microcomputer 20 adds the proportional term Gp, integral term Gi, and differential term Gd to calculate the duty ratio DUTY (DUTY = Gp + Gi + Gd), and then returns to the original routine of FIG.
[0074]
Next, the calculation procedure of the first to third learning values FLRN1 to FLRN3 will be described using the flowcharts of FIGS. Here, FIG. 19 shows a first learning routine for calculating the first learning value FLRN1, FIG. 20 shows a second learning routine for calculating the second learning value FLRN2, and FIG. 3 shows a third learning routine for calculating the 3 learning value FLRN3, and each of these routines is executed by the microcomputer 20 in a cycle of 128 ms, for example. However, the update of the learning value according to FIGS. 19 to 21 may be performed only once after the IG is turned on, for example. Therefore, when learning is completed, a flag indicating that fact is set, and thereafter, the same processing is not performed.
[0075]
First, referring to FIG. 19, the microcomputer 20 first makes a restart determination of the engine 10 in step 201. In this restart determination,
The engine water temperature is below a predetermined temperature (eg 35 ° C.),
The intake air temperature is below a predetermined temperature (eg 20 ° C.),
-The element resistance is a predetermined value (for example, 3 kΩ) or more,
-The heater resistance is below a predetermined value (eg 3Ω),
The various conditions are determined. If all the above conditions are satisfied, it is determined that the engine is not restarting. If any one of the above conditions is not satisfied, it is determined that the engine is restarting.
[0076]
On condition that the engine is not restarted (YES at step 202), the microcomputer 20 proceeds to step 203 and measures the time required until the A / F sensor 30 is activated. In measuring the required time, a counter that is counted up with IG = ON is used, for example, as shown in FIG.
・ When the amount of change in the sensor current exceeds the specified judgment value,
・ When the integrated value of the sensor current exceeds the predetermined judgment value,
・ When the element resistance falls below a predetermined judgment value (for example, 1 kΩ)
・ When the heater resistance is equal to or higher than a predetermined judgment value (for example, 4Ω)
-When the element temperature becomes a predetermined judgment value (for example, 600 ° C) or higher,
・ When the heater temperature exceeds a predetermined judgment value (for example, 650 ° C.)
In any case, it is determined whether the sensor is active. Then, the time required until activation is detected from the counter value. The activity determination referred to here is not necessarily the same as the activity determination in the heater control in FIG. 13 (time t13 in FIG. 9), and may be anything that serves as a standard for activity determination.
[0077]
Thereafter, in step 204, the microcomputer 20 sets the first learning value FLRN1 according to the time required for activation according to the relationship of FIG. 22A, for example, and then ends this routine. The set FLRN1 value is stored in the backup memory 20a in the microcomputer 20 as needed. According to FIG. 22A, when the time required for activation becomes equal to or greater than a predetermined value A1, a positive learning value FLRN1 is set. For example, when the A / F sensor 30 deteriorates, the activation time increases, and the learning value FLRN1 is set to a value of “0” or more.
[0078]
Next, referring to FIG. 20, the microcomputer 20 first determines in step 301 whether or not the activation of the A / F sensor 30 has been completed. In step 302, the microcomputer 20 determines whether the fuel cut (F / C) is currently being performed. Then, on the condition that both steps 301 and 302 are YES, the microcomputer 20 proceeds to step 303 and detects the sensor internal resistance Ri at the time of F / C.
[0079]
In other words, at the time of F / C, A / F is in an extremely lean state. For example, the voltage Vf in the resistance dominating region is applied using the characteristic line L1 ′ shown in FIG. 24 to detect the sensor current If at that time. To do. And
Ri = Vf / If
The sensor internal resistance Ri is detected.
[0080]
Thereafter, in step 304, the microcomputer 20 calculates the difference (ZAC-Ri) between the element resistance ZAC detected by the sweep method (detected value according to FIG. 12) and the sensor internal resistance Ri detected at the time of F / C. .
[0081]
In step 305, the microcomputer 20 sets the second learning value FLRN2 according to (ZAC-Ri) in accordance with the relationship of FIG. 22B, for example, and then ends this routine. The set FLRN2 value is stored in the backup memory 20a in the microcomputer 20 as needed. According to FIG. 22B, when the value of (ZAC−Ri) is in “B1 to B2” near “0”, FLRN2 = 0 is set. Further, when (ZAC−Ri) <B1, a positive learning value FLRN2 is set, and when (ZAC−Ri)> B2, a negative learning value FLRN2 is set.
[0082]
Next, FIG. 21 will be described. First, in step 401, the microcomputer 20 determines whether or not feedback control with a constant element temperature (constant element resistance) is currently being performed. After time t13 in FIG. 9, step 401 is positively determined. In step 402, the microcomputer 20 determines whether the engine 10 is currently in steady operation. Further, the microcomputer 20 determines whether or not the state in which both the steps 401 and 402 are YES continues for a predetermined time (for example, 5 seconds) (step 403).
[0083]
When step 403 becomes YES, the microcomputer 20 proceeds to step 404 and calculates an average DUTY from the energization DUTY to the heater 64 within a predetermined time (5 seconds). Further, the microcomputer 20 calculates the DUTY deviation amount by subtracting the preset reference DUTY from the average DUTY calculated in Step 405 (DUTY deviation amount = average DUTY−reference DUTY). Here, the reference DUTY corresponds to a standard energization amount necessary for maintaining the element temperature Ts at a predetermined temperature during steady operation with the element temperature constant control.
[0084]
Further, in the following step 406, the microcomputer 20 sets the third learning value FLRN3 according to the DUTY deviation amount according to the relationship of FIG. 22C, for example, and then ends this routine. The set FLRN3 value is stored in the backup memory 20a in the microcomputer 20 as needed. According to FIG. 22C, when the DUTY deviation amount is in “C1 to C2” near “0”, FLRN3 = 0 is set. Further, when DUTY deviation amount <C1, a negative learning value FLRN3 is set, and when DUTY deviation amount> C2, a positive learning value FLRN3 is set.
[0085]
The learning values FLRN1 to FLRN3 calculated as described above are appropriately employed for calculating the final duty ratio Dfn (DUTY correction) in the above-described steps 144 and 146 of FIG.
[0086]
According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(A) In the present embodiment, the heater energization amount is duty-controlled according to the element temperature change rate ΔTs (temperature increase rate of the sensor element unit 60). According to the above configuration, for example, when the temperature of the A / F sensor 30 is raised from a cold state, an excessive temperature rise of the sensor element unit 60 can be suppressed, and the sensor element unit 60 can be activated quickly. As a result, the temperature rise characteristics of the A / F sensor 30 can be maintained satisfactorily and problems such as element cracking, heater cracking, and peeling of the heater joint surface can be suppressed.
[0087]
In particular, in the case of a so-called multilayer sensor in which the heater 64 is laminated and integrated with the solid electrolyte 61, since the solid electrolyte 61 and the heater 64 are provided close to each other, problems such as element cracking and heater cracking are likely to occur. According to the said structure, the said problem can be suppressed reliably.
[0088]
(B) At the time of temperature rise from the sensor cold state, the element temperature change rate ΔTs is open-controlled at the beginning. Thus, the element temperature change rate ΔTs can be appropriately controlled even in the period immediately after the start until the element resistance ZAC can be detected.
[0089]
(C) It is determined whether the A / F sensor 30 is at the time of temperature rise or at a steady time after the temperature rise, and if it is the steady time after the temperature rise, feedback control with a constant element temperature is performed. did. That is, once the A / F sensor 30 is activated, it is assumed that there is no rapid temperature change after the temperature rise, and the existing element is used instead of the heater control according to the element temperature change rate ΔTs. Implement temperature feedback control. Thus, appropriate heater control can be performed not only at the time of temperature rise but also at times other than the time of temperature rise.
[0090]
(D) The element temperature Ts or its change rate ΔTs is guarded at a predetermined maximum allowable value. Thereby, the excessive heating of the sensor element part 60 can be prevented more reliably.
[0091]
(E) Meanwhile, the first to third learning values FLRN1 to FLRN3 are obtained, and the heater energization amount is corrected by the learning values. That is,
A first learning value FLRN1 corresponding to the time required from the cold state to activation of the A / F sensor 30;
The sensor internal resistance Ri detected at the time of fuel cut is compared with the element resistance ZAC detected by the sweep method, and a second learning value FLRN2 corresponding to the amount of deviation (ZAC-Ri) of those values;
A third learning value FLRN3 according to the difference between the energization DUTY during steady operation of the engine and a preset standard value of the energization DUTY,
The amount of heater energization was corrected. Therefore, for example, even if the A / F sensor 30 deteriorates, it is possible to suppress problems such as the element temperature Ts fluctuating inadvertently. That is, it is possible to eliminate the influence on the heater control due to individual sensor differences and changes with time.
[0092]
(F) The learned values FLRN1 to FLRN3 are stored in the backup memory 20a as needed, and the values are updated as necessary. Thereby, it is only necessary to calculate the learning values FLRN1 to FLRN3, and efficient and appropriate heater control can be performed.
[0093]
(G) Further, the correction values FK1 to FK4 are obtained, and the heater energization amount is corrected by the correction value. That is,
A correction value FK1 corresponding to the voltage value of the battery power supply + B,
A correction value FK2 corresponding to the exhaust temperature,
A correction value FK3 corresponding to the initial heater resistance at the time of engine start,
A correction value FK4 corresponding to the harness resistance between + B and heater 64 to GND;
The amount of heater energization was corrected. Thereby, even when the operating conditions of the engine 10 change sequentially, appropriate heater control according to the engine operating conditions can be continued. As a result, the control accuracy of heater energization is further improved.
[0094]
In the above embodiment, when the heater energization is controlled (routine in FIG. 13), the element resistance ZAC is converted into the element temperature Ts, and the “element temperature change rate ΔTs” is controlled using the element temperature Ts. The “element resistance change rate” may be controlled without converting the element resistance ZAC to the element temperature Ts.
[0095]
Next, second and third embodiments of the present invention will be described. However, in the configuration of the following embodiment, components equivalent to those of the first embodiment described above are denoted by the same reference symbols in the drawings and the description thereof is simplified. In the following description, differences from the first embodiment will be mainly described.
[0096]
(Second Embodiment)
The air-fuel ratio detection apparatus in the second embodiment will be described with reference to FIGS. The apparatus of the present embodiment is characterized in that energization control of the heater 64 is performed according to the difference (temperature difference ΔThs) between the element temperature Ts and the heater temperature Th when the A / F sensor 30 is heated. .
[0097]
First, the outline of the operation will be described with reference to the time chart of FIG. FIG. 25 shows a process in which the temperature of the A / F sensor 30 is raised from the cold state when the engine 10 is started at a low temperature.
[0098]
When the ignition key (IG key) is turned on at time t21, open control of the element temperature change rate ΔTs using the map is started. That is, the energization duty of the heater 64 gradually increases with time, and the element temperature Ts (the temperature of the solid electrolyte) and the heater temperature Th gradually increase along with this.
[0099]
At time t22 when the element resistance ZAC falls below a predetermined value (3 kΩ in the present embodiment) during the temperature increase, the heater control is performed between the element temperature Ts and the heater temperature Th from the open control of the element temperature change rate ΔTs. The control is switched to feedback control of the difference (temperature difference ΔThs). That is, from time t22 to t23, the energization duty is determined while feedback controlling the difference between the element temperature Ts and the heater temperature Th (temperature difference ΔThs) to the target value.
[0100]
Thereafter, at time t23 when the element resistance ZAC decreases to the activation completion determination value (120Ω in the present embodiment), the feedback control of the temperature difference ΔThs is terminated, and instead, the element temperature is constant ( Feedback control of constant element resistance is started. That is, after time t23, the energization duty is determined by feedback controlling the element temperature Ts to a predetermined target temperature (700 ° C.).
[0101]
FIG. 26 shows a heater energization control routine in the present embodiment, and this routine is executed by the microcomputer 20 instead of FIG. As a difference between FIG. 13 and FIG. 26, in FIG. 26, the process of step 500 is performed instead of step 150 of FIG.
[0102]
That is, when the temperature of the sensor is increasing and ZAC ≦ 3 kΩ (when both of steps 141 and 142 are YES), the microcomputer 20 proceeds to step 500 and follows the procedure of FIG. The difference from Th (temperature difference ΔThs) is feedback controlled to a predetermined value. That is, the duty ratio DUTY for energizing the heater is determined using a PID control method or the like so that the temperature difference ΔThs at that time coincides with the predetermined target value ΔThsref. For example, feedback control of the temperature difference ΔThs in step 500 is performed from time t22 to t23 in FIG.
[0103]
In this case, the temperature difference ΔThs between the element temperature Ts and the heater temperature Th is guarded by the maximum allowable value (about 200 ° C.) of the temperature difference ΔThs, and when the maximum allowable value is exceeded, the energization DUTY is changed to “ It is good to regulate at "0" or a value (about 0.1 to 1%) at which the element temperature surely decreases.
[0104]
Referring to the routine of FIG. 27, the microcomputer 20 first sets the temperature difference ΔThs (difference between the heater temperature Th and the element temperature Ts) at the previous processing to the previous value “ΔThs0” at step 501, and then at step 502, the heater resistance Rh is detected. At this time, the voltage Vh across the heater 64 and the heater current Ih are taken from the heater control circuit 25, and the heater resistance Rh is detected from the fetched Vh and Ih (Rh = Vh / Ih).
[0105]
Thereafter, in step 503, the microcomputer 20 converts the heater resistance Rh into the heater temperature Th according to the relationship of FIG. In step 504, the microcomputer 20 converts the element resistance ZAC into the element temperature Ts according to the relationship shown in FIG.
[0106]
Further, the microcomputer 20 obtains the temperature difference ΔThs between the element (solid electrolyte) and the heater at step 505 (ΔThs = Th−Ts), and at the subsequent step 506, the proportional term Gp, the integral term Gi, and the differential term Gd by the following formulas. Is calculated.
[0107]
Gp = Kp · (ΔThsref−ΔThs)
Gi = Gi + Ki · (ΔThsref−ΔThs)
Gd = Kd · (ΔThs0−ΔThs)
In step 507, the microcomputer 20 adds the proportional term Gp, integral term Gi, and differential term Gd to calculate the duty ratio DUTY (DUTY = Gp + Gi + Gd), and then returns to the original routine of FIG.
[0108]
As described above, in the second embodiment, the heater energization amount is controlled in accordance with the difference (temperature difference ΔThs) between the element temperature Ts and the heater temperature Th. Thereby, like the said 1st Embodiment, the temperature rising characteristic of the A / F sensor 30 is maintained favorable, and malfunctions, such as an element crack, can be suppressed. That is, if the heater temperature Th is excessive with respect to the element temperature Ts, there is a risk of causing a rapid temperature rise of the solid electrolyte 61. However, according to the above configuration, such a problem is solved.
[0109]
(Third embodiment)
Next, the air-fuel ratio detection apparatus according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. The apparatus according to the present embodiment is characterized in that when the temperature of the A / F sensor 30 is increased, the energization control of the heater 64 is performed in accordance with the change rate of the heater resistance Rh (or the heater temperature Th).
[0110]
First, the outline of the operation will be described with reference to the time chart of FIG. FIG. 29 shows a process in which the temperature of the A / F sensor 30 is raised from a cold state when the engine 10 is started at a low temperature.
[0111]
When the ignition key (IG key) is turned on at time t31, the heater resistance Rh (or heater temperature Th) is detected from the beginning. Then, feedback control is performed so that the heater resistance change rate ΔRh (or the heater temperature change rate ΔTh) becomes a predetermined target value, whereby the energization duty is determined. This feedback control of the heater resistance change rate ΔRh is continued until it is regarded that the activation is completed, that is, until the heater resistance Rh = 4Ω.
[0112]
At time t32 when Rh = 4Ω, the feedback control of the heater resistance change rate ΔRh is finished, and instead, feedback control of constant heater temperature (constant heater resistance) is started. That is, after time t32, the energization duty is determined by feedback controlling the heater temperature Th to a predetermined target temperature (700 ° C.). However, since the feedback control for “constant heater temperature” and the feedback control for “constant heater resistance” are substantially the same, in this embodiment, the feedback control with constant heater resistance is performed ( The heater resistance Rh is fed back to the target value).
[0113]
FIG. 30 is a heater energization control routine in the present embodiment, and this routine is executed by the microcomputer 20 instead of FIG. As a difference between FIG. 13 and FIG. 30, in FIG. 30, the process of step 600 is performed instead of steps 142, 143, and 150 of FIG. 13, and the process of step 700 is performed instead of step 160 of FIG. To do.
[0114]
That is, when the temperature of the sensor is increasing (when step 141 is YES), the microcomputer 20 proceeds to step 600 and feedback-controls the heater resistance change rate ΔRh to a predetermined value according to the procedure of FIG. That is, the duty ratio DUTY for energizing the heater is determined using a PID control method or the like so that the heater resistance change rate ΔRh at that time coincides with the predetermined target value ΔRhref. For example, at time t31 to t32 in FIG. 29, feedback control of ΔRh in step 600 is performed.
[0115]
If the temperature of the sensor is not rising (NO in step 141), the microcomputer 20 proceeds to step 700 and feedback-controls the heater resistance Rh to a predetermined value according to the procedure shown in FIG. That is, the duty ratio DUTY for energizing the heater is determined using a PID control method or the like so that the heater resistance Rh at that time matches the predetermined target value Rhref. For example, after time t32 in FIG. 29, feedback control with constant heater resistance (constant heater temperature) in step 700 is performed.
[0116]
In the process of FIG. 30, the heater resistance change rate ΔRh is guarded at its maximum allowable value (about 200 ° C./s), and the heater temperature Th is guarded at its maximum allowable value (about 1000 to 1100 ° C.). When the allowable value is exceeded, the energization DUTY may be regulated to “0” or a value (about 0.1 to 1%) at which the heater temperature is surely lowered.
[0117]
Referring to the routine of FIG. 31, the microcomputer 20 first sets the heater resistance Rh at the previous process to the previous value “Rh0” and the heater resistance change rate ΔRh at the previous process to the previous value “ΔRh0” in step 601, and continues. In step 602, the current value of the heater resistance Rh is detected (Rh = Vh / Ih).
[0118]
Thereafter, the microcomputer 20 obtains the heater resistance change rate ΔRh in step 603 (ΔRh = Rh−Rh0), and calculates the proportional term Gp, the integral term Gi, and the differential term Gd by the following formulas in the following step 604.
[0119]
Gp = Kp · (ΔRhref−ΔRh)
Gi = Gi + Ki · (ΔRhref−ΔRh)
Gd = Kd · (ΔRh0−ΔRh)
In step 605, the microcomputer 20 adds the proportional term Gp, integral term Gi, and differential term Gd to calculate the duty ratio DUTY (DUTY = Gp + Gi + Gd), and then returns to the original routine of FIG.
[0120]
32, the microcomputer 20 first sets the heater resistance Rh at the previous processing to the previous value “Rh0” at step 701, and detects the current value of the heater resistance Rh at the subsequent step 702 (Rh = Vh). / Ih). Thereafter, in step 703, the microcomputer 20 calculates a proportional term Gp, an integral term Gi, and a differential term Gd by the following mathematical formulas.
[0121]
Gp = Kp · (Rhref−Rh)
Gi = Gi + Ki · (Rhref−Rh)
Gd = Kd · (Rh0−Rh)
In step 704, the microcomputer 20 adds the proportional term Gp, integral term Gi, and differential term Gd to calculate the duty ratio DUTY (DUTY = Gp + Gi + Gd), and then returns to the original routine of FIG.
[0122]
As described above, in the third embodiment, the heater energization amount is controlled according to the heater resistance change rate ΔRh. Thereby, like the said 1st, 2nd embodiment, the temperature rising characteristic of the A / F sensor 30 is maintained favorable, and malfunctions, such as an element crack, can be suppressed.
[0123]
The embodiment of the present invention can be realized in the following form in addition to the above.
(Another form 1)
In FIG. 14 (ΔTs feedback control routine) in the first embodiment, the target value ΔTsref of the element temperature change rate ΔTs is variably set. For example, as shown in FIGS. 33A and 33B, the ΔTsref value is set according to the element temperature Ts. In this case, in the high temperature range of the element temperature Ts where a relatively large temperature increase rate is allowed, the ΔTsref value becomes large and a relatively large energization DUTY is set. As a result, the early activation of the A / F sensor 30 can be realized. Moreover, it is good also as a structure which increases a target value gradually according to progress of the time from IG ON.
[0124]
Similarly, in the second and third embodiments, the target value (ΔThsref in FIG. 27, ΔRhref in FIG. 31) at the time of feedback control is variably set according to, for example, the element temperature Ts or the elapsed time. Good.
[0125]
(Another form 2)
In the first embodiment, the sensor temperature change rate ΔTs open control and feedback control are performed at the time of sensor temperature rise accompanying low temperature start of the engine 10 (t11 to t12, t12 to t13 in FIG. 9). This is changed as follows.
[0126]
In the period from t11 to t12 in FIG. 9, the element resistance ZAC (or element temperature Ts) is open-controlled using a preset map. Further, the element resistance ZAC (or the element temperature Ts) is feedback-controlled to the target value ZACref during the period from t12 to t13 in FIG. The feedback procedure of the element resistance ZAC is in accordance with the process of FIG. At this time, it is preferable to guard the element resistance ZAC change rate (corresponding to the temperature increase rate of the sensor element unit 60) so as not to exceed a predetermined maximum value. Even in such a configuration, the temperature rise characteristics of the sensor can be maintained satisfactorily, and defects such as element cracking can be suppressed.
[0127]
(Another form 3)
In the third embodiment, feedback control of the heater resistance change rate ΔTs is performed at the time of temperature rise of the sensor accompanying the low temperature start of the engine 10 (see t31 to t32 in FIG. 29 and FIG. 30). Change as follows.
[0128]
In the period from t31 to t32 in FIG. 29, the heater resistance Rh (or heater temperature Th) is feedback-controlled to the target value Rhref. The feedback procedure of the heater resistance Rh is in accordance with the process of FIG. At this time, it is preferable to guard so that the change rate of the heater resistance Rh (corresponding to the temperature increase rate of the sensor element unit 60) does not exceed a predetermined maximum value.
[0129]
Alternatively, the heater power Wh is feedback-controlled to the target value Whref during the period from t31 to t32 in FIG. The feedback procedure of the heater power Wh will be briefly described with reference to FIG.
First, the heater power Wh is set to the previous value “Wh0” (step 801),
The current value of the heater power Wh is detected (step 802),
・ Proportional term Gp, integral term Gi, derivative term Gd
Gp = Kp · (Whref−Wh)
Gi = Gi + Ki · (Whref−Wh)
Gd = Kd · (Wh0−Wh)
(Step 803)
The duty ratio DUTY is calculated by adding the proportional term Gp, the integral term Gi, and the derivative term Gd (step 804). At this time, it is preferable to guard the change rate of the heater power Wh (corresponding to the temperature increase rate of the sensor element unit 60) so as not to exceed a predetermined maximum value.
[0130]
However, in this case, the heater power Wh is obtained by the product of the heater voltage Vh and the heater current Ih. Instead of the heater power Wh, it is also possible to use the heater power integrated value from when the IG is on. Even in the above configuration, the temperature rise characteristics of the sensor can be maintained satisfactorily, and defects such as element cracking can be suppressed.
[0131]
(Another form 4)
In the first to third embodiments, after the sensor is activated, feedback control with constant element temperature (constant element resistance) is performed instead of heater control according to the temperature increase rate (temperature increase rate) of the sensor element until then. It has been implemented, but this will be changed. For example, even after the sensor is activated, the heater control corresponding to the temperature increase rate of the sensor element may be continuously performed.
[0132]
(Another form 5)
In detecting the element resistance of the A / F sensor 30, the “AC element resistance ZAC” is detected in each of the above embodiments, but this is changed and the “DC element resistance Ri” is detected. Specifically, the Ri detection routine of FIG. 35 is executed instead of FIG. 12 (step 130 of FIG. 10). That is, in FIG. 35, the microcomputer 20 first applies a negative voltage Vn to the sensor element unit 60 in step 901. The value of the voltage Vn is a voltage in a resistance dominating region that does not reach the limit current generation region, and specifically, Vn = −0.3 to −1 [volt]. Further, the microcomputer 20 waits for a time t1 (several tens ms to several hundreds ms) when the peak current immediately after the voltage switching completely converges (step 902), and then detects the current value In in step 903.
[0133]
Thereafter, in step 904, the microcomputer 20 returns the applied voltage from the negative voltage Vn to the original positive voltage Vp. The microcomputer 20 waits for a time t2 (several tens of ms to several hundreds of ms) when the peak current immediately after the voltage switching completely converges (step 905), and then in step 906 the negative voltage Vn and the current value In (negative). DC element resistance Ri at that time is calculated from (current value) (Ri = Vn / In).
[0134]
When detecting the DC element resistance as described above, a configuration for applying a single AC voltage in a predetermined frequency range to the sensor element unit 60 is not necessary, and the LPF 22 of FIG. 1 can be omitted.
[0135]
(Another form 6)
Change the configuration of the A / F sensor. In the above embodiment, as described with reference to FIG. 3, the gas diffusion resistance layer 62 is composed of two layers of the gas permeable layer 62a and the gas shielding layer 62b, but the gas shielding layer 62b may be omitted. Good. Moreover, in the said embodiment, although embodied in the laminated | stacked A / F sensor, you may actualize in a cup-type A / F sensor.
[0136]
(Another form 7)
In the above embodiment, the present invention is embodied in an A / F sensor that outputs a linear limit current value corresponding to the oxygen concentration (air-fuel ratio), but this is changed. For example, an O2 sensor that outputs different voltage signals depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean may be used. Further, a NOx sensor for detecting the NOx concentration in the exhaust gas and a so-called composite sensor for detecting various components such as NOx, HC, and O2 may be used. Furthermore, the present invention can be applied to an apparatus for measuring the concentration of gas components other than exhaust gas.
[0137]
(Another form 8)
In each of the above-described embodiments, the duty ratio DUTY is corrected with the correction value FK and the learning value FLRN (steps 144 and 146 in FIG. 13). However, the correction process may be omitted and embodied.
[0138]
(Another form 9)
In each of the embodiments described above, PID control is performed when various types of feedback control are performed, but may be changed to other controls such as PI control and P control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an overview of an air-fuel ratio control system in an embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of an A / F sensor.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a sensor element portion.
FIG. 4 is an exploded perspective view of each member constituting the sensor element unit.
FIG. 5 is a voltage-current characteristic diagram of an A / F sensor.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the limit current value of the A / F sensor and the air-fuel ratio.
FIG. 7 is an electric circuit diagram showing a detailed configuration of a bias control circuit.
FIG. 8 is an electric circuit diagram showing a detailed configuration of a heater control circuit.
FIG. 9 is a time chart for explaining the operation of the air-fuel ratio detection device.
FIG. 10 is a flowchart showing a main routine by a microcomputer in the air-fuel ratio detection apparatus.
FIG. 11 is a flowchart showing an A / F detection procedure.
FIG. 12 is a flowchart showing a procedure for detecting an element resistance ZAC.
FIG. 13 is a flowchart showing a control procedure of heater energization.
FIG. 14 is a flowchart showing a feedback control procedure of the element temperature change rate ΔTs.
FIG. 15 is a flowchart showing a feedback control procedure of the element resistance ZAC.
FIG. 16 is a waveform diagram showing a sensor voltage and a sensor current when detecting an element resistance ZAC.
FIG. 17 is a graph showing the relationship between element resistance and element temperature.
FIG. 18 is a diagram for obtaining correction values FK1 to FK4.
FIG. 19 is a flowchart showing a first learning routine.
FIG. 20 is a flowchart showing a second learning routine.
FIG. 21 is a flowchart showing a third learning routine.
FIG. 22 is a diagram for obtaining learning values FLRN1 to FLRN3.
FIG. 23 is a time chart showing a state of activity determination.
FIG. 24 is a diagram showing an applied voltage Vf and a sensor current If at F / C.
FIG. 25 is a time chart for explaining operations in the second embodiment;
FIG. 26 is a flowchart showing a heater energization control procedure in the second embodiment;
FIG. 27 is a flowchart showing a feedback control procedure for a temperature difference ΔThs in the second embodiment;
FIG. 28 is a graph showing the relationship between heater resistance and heater temperature.
FIG. 29 is a time chart for explaining operations in the third embodiment;
FIG. 30 is a flowchart showing a heater energization control procedure in the third embodiment;
FIG. 31 is a flowchart showing a feedback control procedure of a heater resistance change rate ΔRh in the third embodiment.
FIG. 32 is a flowchart showing a feedback control procedure of the heater resistance Rh in the third embodiment.
FIG. 33 is a diagram for setting a target value ΔTsref of an element temperature change rate according to the element temperature Ts.
FIG. 34 is a flowchart showing a feedback control procedure for heater power Wh.
FIG. 35 is a flowchart showing a procedure for detecting an element resistance Ri.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Engine, 15 ... Air-fuel ratio detection apparatus, 20 ... Microcomputer (microcomputer), 20a ... Backup memory, 25 ... Heater control circuit, 30 ... A / F sensor (limit current type air-fuel ratio sensor), 40 ... Bias control circuit 50 ... current detection circuit, 60 ... sensor element section, 61 ... solid electrolyte, 64 ... heater, 64a ... heating element, + B ... battery power source.

Claims

固体電解質を用いたセンサ素子を有し、被測定ガスの特定成分濃度を測定するセンサと、
電源電圧の通電により発熱し、前記センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータと、
前記センサ素子の昇温率に応じて前記ヒータへの通電量を制御するヒータ制御手段と
を備えることを特徴とするガス成分濃度測定装置。A sensor having a sensor element using a solid electrolyte and measuring a specific component concentration of a gas to be measured;
A heater for generating heat by energizing a power supply voltage and heating the sensor element to a predetermined activation temperature;
A gas component concentration measuring apparatus comprising: heater control means for controlling an energization amount to the heater according to a temperature rise rate of the sensor element.

前記センサ素子の素子温又は素子抵抗を検出すると共に、その変化速度を算出する手段を備え、
前記ヒータ制御手段は、前記算出した素子温又は素子抵抗の変化速度に応じてヒータ通電量を制御する請求項１に記載のガス成分濃度測定装置。While detecting the element temperature or the element resistance of the sensor element, comprising means for calculating the rate of change,
The gas component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the heater control unit controls a heater energization amount according to the calculated change speed of the element temperature or the element resistance.

前記センサ素子の温度と前記ヒータの温度とを検出すると共に、これら素子温とヒータ温との差を算出する手段を備え、
前記ヒータ制御手段は、前記算出した素子温とヒータ温との差が目標温度差となるようにヒータ通電量をフィードバック制御する請求項１に記載のガス成分濃度測定装置。A means for detecting the temperature of the sensor element and the temperature of the heater and calculating a difference between the element temperature and the heater temperature,
The gas component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the heater control means feedback- controls the heater energization amount so that a difference between the calculated element temperature and the heater temperature becomes a target temperature difference .

前記センサ素子が冷間状態から昇温される際に素子抵抗が検出可能になるまでの期間において、前記ヒータ制御手段は、素子温又は素子抵抗の変化速度をオープン制御する請求項２又は請求項３に記載のガス成分濃度測定装置。3. The heater control unit performs open control of a change rate of element temperature or element resistance during a period until element resistance becomes detectable when the temperature of the sensor element is raised from a cold state. 3. The gas component concentration measuring apparatus according to 3.

前記ヒータの温度又はヒータ抵抗を検出すると共に、そのヒータ温又はヒータ抵抗の変化速度を算出する手段を備え、
前記ヒータ制御手段は、前記算出したヒータ温又はヒータ抵抗の変化速度に応じてヒータ通電量を制御する請求項１に記載のガス成分濃度測定装置。Means for detecting the temperature or heater resistance of the heater and calculating a change rate of the heater temperature or heater resistance;
The gas component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the heater control unit controls a heater energization amount in accordance with the calculated heater temperature or heater resistance change rate.

前記センサの昇温時であるか又は昇温後の定常時であるかを判別し、昇温後の定常時であれば、素子温を目標温度に一致させるようフィードバック制御を実施する請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。2. It is discriminated whether the temperature of the sensor is elevated or steady after temperature rise, and if it is steady after temperature rise, feedback control is performed so that the element temperature matches the target temperature. The gas component concentration measuring apparatus according to claim 5.

前記センサ素子の昇温率が所定の許容レベルを超えると、ヒータ通電量を制限する請求項１〜請求項６のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。The gas component concentration measuring device according to any one of claims 1 to 6, wherein the heater energization amount is limited when a temperature increase rate of the sensor element exceeds a predetermined allowable level.

前記センサの冷間状態から活性化までの所要時間に応じて前記ヒータの通電量を補正する請求項１〜請求項７のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。The gas component concentration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the energization amount of the heater is corrected in accordance with a time required from a cold state of the sensor to activation.

エンジンの空燃比制御装置に適用されるものであって、
前記エンジンへの燃料カット時において、前記固体電解質への印加電圧の変化に対して同固体電解質への流入電流が変化しない電圧域を含んだ電圧−電流特性を有する前記センサの抵抗支配領域に電圧を印加してその時のセンサ電流値から内部抵抗を検出し、該検出した内部抵抗に基づき前記ヒータの通電量を補正する請求項１〜請求項８のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。It is applied to an air-fuel ratio control device for an engine,
When the fuel is cut to the engine, a voltage is applied to the resistance-dominated region of the sensor having a voltage-current characteristic including a voltage region in which an inflow current to the solid electrolyte does not change with respect to a change in the applied voltage to the solid electrolyte. The gas component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein an internal resistance is detected from a sensor current value at that time, and an energization amount of the heater is corrected based on the detected internal resistance.

エンジンの空燃比制御装置に適用されるものであって、
前記エンジンの定常運転時におけるヒータ通電量と、予め設定されているヒータ通電量の標準値との差に応じて前記ヒータの通電量を補正する請求項１〜請求項９のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。It is applied to an air-fuel ratio control device for an engine,
The energization amount of the heater according to any one of claims 1 to 9, wherein the energization amount of the heater is corrected according to a difference between a heater energization amount during steady operation of the engine and a preset standard value of the heater energization amount. Gas component concentration measuring device.

請求項８〜請求項１０のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置において、
前記補正に関する値を学習値としてバックアップメモリに随時記憶し、前記ヒータ制御手段はバックアップメモリに記憶された学習値を読み出してヒータ制御に使用するガス成分濃度測定装置。In the gas component concentration measuring apparatus according to any one of claims 8 to 10,
A gas component concentration measuring device that stores a value related to the correction as a learned value in a backup memory as needed, and the heater control means reads the learned value stored in the backup memory and uses it for heater control.

前記センサは、固体電解質を有するセンサ素子にヒータを積層して配置し、固体電解質とヒータとを一体化してなる請求項１〜請求項１１のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。The gas sensor concentration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the sensor is formed by stacking a heater on a sensor element having a solid electrolyte, and integrating the solid electrolyte and the heater.