JP4007385B2 - 排気ガスセンサの制御装置 - Google Patents
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Description
この発明は、内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサの制御装置に係り、特に、活性温度に達することで活性状態となるセンサ素子を備える排気ガスセンサを制御する装置として好適な排気ガスセンサの制御装置に関する。
従来、例えば日本特開２００２−４８７６１号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路に空燃比センサを配置し、そのセンサの検出値に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御するシステムが知られている。空燃比センサは、活性温度に過熱されることにより活性状態となるセンサ素子と、そのセンサ素子を過熱するヒータとを備えている。上記従来のシステムは、センサ素子の温度と素子インピーダンスとの間に相関が認められることを利用して、素子インピーダンスが所定の目標インピーダンスになるようにヒータへの供給電力をフィードバック制御する。ここで、目標インピーダンスは、活性温度下でのセンサ素子のインピーダンスである。このようなヒータ制御の手法によれば、センサ素子を活性温度に維持することができ、空燃比センサを安定に活性状態に維持することができる。
上記のセンサ素子は、その温度が上がるに連れて素子インピーダンスを低下させ、一方、その劣化が進むに連れて素子インピーダンスを上昇させる特性を有している。このため、センサ素子の劣化が進むと、センサ素子の温度が活性温度に達した時点で、素子インピーダンスが目標インピーダンスまで低下しない事態が生ずる。この場合、目標インピーダンスを固定したままヒータのフィードバック制御が継続されれば、結果的に、センサ素子温が活性温度を超える温度に加熱されることになる。
上記従来の装置は、このような事態の発生を防ぐべく、ヒータのフィードバック制御中に所定の判定時間を超えてヒータが連続通電された場合に、センサ素子に劣化が生じていると判断し、目標インピーダンスを増大方向に補正することとしている。このような処理によれば、センサ素子の劣化に伴う素子インピーダンスの増大を速やかに検知し、その劣化に合わせて目標インピーダンスを高めることにより、センサ素子の過熱を有効に防ぐことができる。
ところで、上記従来の装置において、空燃比センサの出力を利用した燃料噴射量のフィードバック制御を開始するにあたっては、センサ素子の活性判定を行う必要がある。このような活性判定は、例えば、内燃機関の始動後、素子インピーダンスを監視し、その値が所定の活性判定値まで低下したか否かを見ることで行うことができる。ところが、素子インピーダンスには上述した温度特性が重畳していることから、活性判定値が一定値であるとすれば、素子インピーダンスを目標インピーダンスに制御しようとする場合と同様の問題が生ずる。より具体的には、ここでは、センサ素子の劣化に伴って素子インピーダンスが上昇することにより、活性判定が遅れるという事態が生ずる。
活性判定の遅れは、燃料噴射量のフィードバック制御の開始遅れに直結する。内燃機関において良好なエミッション特性を得るためには、燃料噴射量のフィードバック制御は、可能な限り早期に開始されることが望ましい。この点、従来の活性判定の手法は、空燃比センサの劣化に合わせて内燃機関のエミッション特性を悪化させ易いという特性を有するものであった。
このような活性判定の遅れは、例えば、上記従来の装置が目標インピーダンスに施している補正の手法を、活性判定値にも適用することで解消することが可能である。つまり、内燃機関の運転中にセンサ素子の劣化が判定された場合に、その時点で活性判定値を上昇方向に補正し、かつ、記憶しておき、次回の始動時に、補正後の活性判定値を用いて活性判定を行うこととすれば、センサ素子の劣化に伴う活性判定の遅れは避けることができる。
しかしながら、このような手法によれば、ヒータのフィードバック制御が開始されるまでは（つまり、センサ素子温が活性温度近傍に達するまでは）センサ素子の劣化が判定されず、従って、その劣化の影響が活性判定値に反映されない。つまり、活性判定値の補正に、常に１トリップ分の遅れが発生し、内燃機関の始動時にセンサ素子の劣化状態をリアルタイムに活性判定の手法に反映させることができない。
また、上述した手法を実現するためには、活性判定値を補正し、かつ、記憶する処理、つまり、活性判定値の学習処理が必須であり、複雑な制御が必要となる。加えて、この手法によれば、バッテリ交換等に伴って補正後の活性判定値がクリアされた場合には、再びその学習が完了するまでの間は、活性判定が遅延するという不都合が生ずる。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、活性判定値の学習に頼ることなく、排気ガスセンサの暖機時に、センサ素子の劣化状態をリアルタイムに判断して常に迅速な活性判定を可能とする排気ガスセンサの制御装置を提供することを目的とする。
上記のセンサ素子は、その温度が上がるに連れて素子インピーダンスを低下させ、一方、その劣化が進むに連れて素子インピーダンスを上昇させる特性を有している。このため、センサ素子の劣化が進むと、センサ素子の温度が活性温度に達した時点で、素子インピーダンスが目標インピーダンスまで低下しない事態が生ずる。この場合、目標インピーダンスを固定したままヒータのフィードバック制御が継続されれば、結果的に、センサ素子温が活性温度を超える温度に加熱されることになる。
上記従来の装置は、このような事態の発生を防ぐべく、ヒータのフィードバック制御中に所定の判定時間を超えてヒータが連続通電された場合に、センサ素子に劣化が生じていると判断し、目標インピーダンスを増大方向に補正することとしている。このような処理によれば、センサ素子の劣化に伴う素子インピーダンスの増大を速やかに検知し、その劣化に合わせて目標インピーダンスを高めることにより、センサ素子の過熱を有効に防ぐことができる。
ところで、上記従来の装置において、空燃比センサの出力を利用した燃料噴射量のフィードバック制御を開始するにあたっては、センサ素子の活性判定を行う必要がある。このような活性判定は、例えば、内燃機関の始動後、素子インピーダンスを監視し、その値が所定の活性判定値まで低下したか否かを見ることで行うことができる。ところが、素子インピーダンスには上述した温度特性が重畳していることから、活性判定値が一定値であるとすれば、素子インピーダンスを目標インピーダンスに制御しようとする場合と同様の問題が生ずる。より具体的には、ここでは、センサ素子の劣化に伴って素子インピーダンスが上昇することにより、活性判定が遅れるという事態が生ずる。
活性判定の遅れは、燃料噴射量のフィードバック制御の開始遅れに直結する。内燃機関において良好なエミッション特性を得るためには、燃料噴射量のフィードバック制御は、可能な限り早期に開始されることが望ましい。この点、従来の活性判定の手法は、空燃比センサの劣化に合わせて内燃機関のエミッション特性を悪化させ易いという特性を有するものであった。
このような活性判定の遅れは、例えば、上記従来の装置が目標インピーダンスに施している補正の手法を、活性判定値にも適用することで解消することが可能である。つまり、内燃機関の運転中にセンサ素子の劣化が判定された場合に、その時点で活性判定値を上昇方向に補正し、かつ、記憶しておき、次回の始動時に、補正後の活性判定値を用いて活性判定を行うこととすれば、センサ素子の劣化に伴う活性判定の遅れは避けることができる。
しかしながら、このような手法によれば、ヒータのフィードバック制御が開始されるまでは（つまり、センサ素子温が活性温度近傍に達するまでは）センサ素子の劣化が判定されず、従って、その劣化の影響が活性判定値に反映されない。つまり、活性判定値の補正に、常に１トリップ分の遅れが発生し、内燃機関の始動時にセンサ素子の劣化状態をリアルタイムに活性判定の手法に反映させることができない。
また、上述した手法を実現するためには、活性判定値を補正し、かつ、記憶する処理、つまり、活性判定値の学習処理が必須であり、複雑な制御が必要となる。加えて、この手法によれば、バッテリ交換等に伴って補正後の活性判定値がクリアされた場合には、再びその学習が完了するまでの間は、活性判定が遅延するという不都合が生ずる。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、活性判定値の学習に頼ることなく、排気ガスセンサの暖機時に、センサ素子の劣化状態をリアルタイムに判断して常に迅速な活性判定を可能とする排気ガスセンサの制御装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明に係る排気ガスセンサの制御装置は、内燃機関の排気通路に搭載され、活性温度に達することで活性状態となるセンサ素子を備える。また、本発明に係る制御装置は、前記センサ素子の素子インピーダンスを検出するインピーダンス検出装置と、前記素子インピーダンスが活性判定値にまで低下したか否かを判定するインピーダンス判定装置を備える。更に、本発明に係る制御装置は、前記センサ素子の受容熱量を推定する受容熱量推定装置と、前記受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する熱量判定装置と、前記インピーダンス判定装置による判定、および前記熱量判定装置による判定の何れかが成立した時点で前記排気ガスセンサの活性判定を行う活性判定装置とを備える。
第１図は、本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサの構成を説明するための図である。
第２図は、本発明の実施の形態１の制御装置の全体構成を説明するための図である。
第３図は、空燃比センサの素子インピーダンスの温度特性を説明するための図である。
第４図は、本発明の実施の形態１において実行されるヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
第５図は、空燃比センサの素子インピーダンスの温度特性とセンサ素子の劣化との関係を説明するための図である。
第６図は、本発明の実施の形態１において生じ得る活性判定時間の遅延の原因を説明するための図である。
第７図は、本発明の実施の形態１において実行されるセンサ活性判定ルーチンのフローチャートである。
第８図は、本発明の実施の形態１において実行される始動時水温記憶ルーチンのフローチャートである。
第９図は、本発明の実施の形態１において実行される吸入空気量積算値算出ルーチンのフローチャートである。
第１０図は、第７図に示すルーチンの実行過程で参照されるセンサ活性判定吸入空気量ＧＡｓｕｍｔｇのマップの一例である。
第１１図は、本発明の実施の形態２において実行される吸入空気量積算値算出ルーチンのフローチャートである。
第１２図は、本発明の実施の形態２において実行されるバッテリ電圧なまし値算出ルーチンのフローチャートである。
第１３図は、第１１図に示すルーチンの実行過程で参照されるセンサ活性判定吸入空気量ＧＡｓｕｍｔｇのマップの一例である。
第１４図は、本発明の実施の形態３において実行される吸入空気量積算値算出ルーチンのフローチャートである。
第１５図は、本発明の実施の形態３において実行されるイニシャル処理ルーチンのフローチャートである。
第１６図は、本発明の実施の形態３において実行される学習制御ルーチンのフローチャートである。
第２図は、本発明の実施の形態１の制御装置の全体構成を説明するための図である。
第３図は、空燃比センサの素子インピーダンスの温度特性を説明するための図である。
第４図は、本発明の実施の形態１において実行されるヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
第５図は、空燃比センサの素子インピーダンスの温度特性とセンサ素子の劣化との関係を説明するための図である。
第６図は、本発明の実施の形態１において生じ得る活性判定時間の遅延の原因を説明するための図である。
第７図は、本発明の実施の形態１において実行されるセンサ活性判定ルーチンのフローチャートである。
第８図は、本発明の実施の形態１において実行される始動時水温記憶ルーチンのフローチャートである。
第９図は、本発明の実施の形態１において実行される吸入空気量積算値算出ルーチンのフローチャートである。
第１０図は、第７図に示すルーチンの実行過程で参照されるセンサ活性判定吸入空気量ＧＡｓｕｍｔｇのマップの一例である。
第１１図は、本発明の実施の形態２において実行される吸入空気量積算値算出ルーチンのフローチャートである。
第１２図は、本発明の実施の形態２において実行されるバッテリ電圧なまし値算出ルーチンのフローチャートである。
第１３図は、第１１図に示すルーチンの実行過程で参照されるセンサ活性判定吸入空気量ＧＡｓｕｍｔｇのマップの一例である。
第１４図は、本発明の実施の形態３において実行される吸入空気量積算値算出ルーチンのフローチャートである。
第１５図は、本発明の実施の形態３において実行されるイニシャル処理ルーチンのフローチャートである。
第１６図は、本発明の実施の形態３において実行される学習制御ルーチンのフローチャートである。
実施の形態１．
［実施の形態１のハードウェア構成］
図１は、本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサ１０の構成を説明するための図である。図１に示す空燃比センサ１０は、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比を検出するために用いられるセンサである。空燃比センサ１０は、カバー１２を備えており、このカバー１２が排気ガスに晒されるように排気通路に組み付けられる。
カバー１２には、その内部に排気ガスを導くための孔（図示せず）が設けられている。カバー１２の内部には、センサ素子１４が配置されている。センサ素子１４は、一端（図１における下端）が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、拡散抵抗層１６で覆われている。拡散抵抗層１６は、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質であり、センサ素子１４の表面付近における排気ガスの拡散速度を律する働きを有している。
拡散抵抗層１６の内側には排気側電極１８、固体電解質層２０および大気側電極２２が設けられている。排気側電極１８および大気側電極２２は、Ｐｔのように触媒作用の高い貴金属で構成された電極であり、それぞれ後述する制御回路と電気的に接続されている。固体電解質層２０は、ＺｒＯ２などを含む焼結体であり、酸素イオンの通過を許容する特性を有している。
センサ素子１４の内側には、大気に開放された大気室２４が形成されている。大気室２４には、センサ素子１４を加熱するためのヒータ２６が配置されている。センサ素子１４は、７００℃程度の活性温度において安定した出力特性を示す。ヒータ２６は、後述する制御回路と電気的に接続されており、その制御回路に制御されることにより、センサ素子１４を適当な温度に加熱維持することができる。
図２は、空燃比センサ１２の制御装置の構成を示すブロック図である。図２に示すように、センサ素子１４は、抵抗成分と起電力成分を用いて等価的に表すことができる。また、ヒータ２６は抵抗成分を用いて等価的に表すことができる。センサ素子１４には、センサ素子駆動回路２８が接続されている。センサ素子駆動回路２８には、センサ素子１４に対して所望の電圧を印加するためのバイアス制御回路と、センサ素子１４を流れる電流を検出するためのセンサ電流検出回路とが含まれている。
センサ素子制御回路２８が備えるバイアス制御回路には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３０およびＤ／Ａコンバータ３２を介してマイクロコンピュータ３４が接続されている。マイクロコンピュータ３４は、それらの要素を介して、バイアス制御回路に、センサ素子１４に印加すべき電圧を指令することができる。
バイアス制御回路は、マイクロコンピュータ３４の指令に従い、センサ素子１４に対して、空燃比検出用のバイアス電圧と、インピーダンス検出用電圧とを印加することができる。センサ素子１４は、空燃比検出用のバイアス電圧が印加されている場合には、排気ガスの空燃比に応じたセンサ電流を流通させる。このため、そのセンサ電流を検出すれば、排気ガスの空燃比を検知することが可能である。
センサ素子１４に対するバイアス電圧が、空燃比検出用のバイアス電圧からインピーダンス検出用電圧に変更されると、印加電圧に変化に対応してセンサ電流に変化が生ずる。この際、印加電圧の変化量とセンサ電流の変化量との比は、センサ素子の素子インピーダンスに相当する値となる。このため、インピーダンス検出用電圧の印加に伴って生ずるセンサ電流を検出すれば、センサ素子の素子インピーダンスを検知することが可能である。
センサ素子制御回路２８が備えるセンサ電流検出回路には、Ｄ／Ａコンバータ３６を介してマイクロコンピュータ３４が接続されている。マイクロコンピュータ３４は、Ｄ／Ａコンバータ３６を介して、センサ電流検出回路によって検出されたセンサ電流を読み込むことができる。従って、マイクロコンピュータ３４は、センサ素子１４に空燃比検出用電圧が印加されている状況下では、センサ電流に基づいて排気ガスの空燃比を検知することができる。また、センサ素子１４にインピーダンス検出用電圧が印加されている状況下では、センサ電流に基づいて素子インピーダンスを検知することができる。
図２に示すように、ヒータ２６には、ヒータ制御回路３８が接続されている。また、ヒータ制御回路３８には、マイクロコンピュータ３４が接続されている。ヒータ制御回路３８は、マイクロコンピュータから供給される指令を受けて、その指令に応じた駆動信号をヒータ２６に供給し、ヒータ２６に所望の熱量を発生させることができる。
［実施の形態１におけるヒータ制御］
図３は、本実施形態の装置において実行されるヒータ制御の概要を説明するための図である。ここで、図３中に示す曲線は、素子インピーダンスと素子温との関係を示す。この曲線に示す通り、素子インピーダンスは温度特性を有しており、素子温が高いほど小さな値となる。図３中に示すＺａｃｔおよびＺｔｇは、それぞれ活性判定値および目標インピーダンスである。活性判定値Ｚａｃｔは、素子温が活性判定温度（例えば６５０℃）である場合の素子インピーダンスに設定されている。また、目標インピーダンスＺｔｇは、素子温が活性目標温度（例えば７００℃）である場合の素子インピーダンスに設定されている。
センサ素子１４は、活性判定温度以上の温度で安定したセンサ特性を示す。このため、本実施形態の装置は、内燃機関の始動後、素子温が活性判定温度（例えば６５０℃）に達した時点で空燃比センサ１０の活性を判定し、その出力に基づく空燃比フィードバック制御を開始する。その後、素子温の変動に対して余裕を確保しておくため、センサ素子１４は、活性判定温度より高温の活性目標温度（例えば７００℃）にまで過熱され、その温度に維持される。その結果、安定状態では、素子温が７００℃程度に過熱された状態で空燃比フィードバック制御が行われる。
ここで、マイクロコンピュータ３４は、素子温と素子インピーダンスの相関関係を利用して、素子温が活性判定温度に達したか否かを素子インピーダンスが活性判定温度Ｚａｃｔまで低下したか否かに基づいて判断する。また、マイクロコンピュータ３４は、素子温を活性目標温度に維持するために、素子インピーダンスが目標インピーダンスＺｔｇと一致するようにヒータ２６の通電量をフィードバック制御する。
内燃機関において、良好なエミッション特性を得るためには、空燃比センサ１０の暖機が開始された後、その活性判定がなされるまでの期間はできるだけ短いことが望ましい。このため、本実施形態の装置は、素子インピーダンスが活性判定温度Ｚａｃｔより大きい領域では、ヒータ２６を１００％デューティで駆動することとしている（図３に示す１００％通電領域）。その後、素子インピーダンスが活性判定温度Ｚａｃｔまで低下したら、センサ素子１４の過熱を避けるべく、駆動デューティを７０％に下げてヒータ２６の駆動を継続する（図３に示す７０％通電領域）。そして、素子インピーダンスが目標インピーダンスＺｔｇの近傍値となったら、素子インピーダンスに基づくフィードバック制御によりヒータ２６の駆動を継続する（図３に示すＦ／Ｂ制御領域）。
図４は、上述したヒータ制御を実現するためにマイクロコンピュータ３４が実行するヒータ制御ルーチンのフローチャートを示す。図４に示すルーチンでは、先ず、素子インピーダンスＺが検出される（ステップ１００）。次に、その検出値Ｚと目標インピーダンスＺｔｇとの差ΔＺ＝Ｚ−Ｚｔｇが算出される（ステップ１０２）。次いで、ヒータ制御の許可条件が成立しているか否かが判断され（ステップ１０４）、その条件が不成立である場合はヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが０％とされる（ステップ１０６）。
一方、上記ステップ１０４の処理により、許可条件の成立が認められた場合は、１００％通電の条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、内燃機関の始動後経過時間が１０ｓｅｃ以下であり、かつ、ΔＺが判定値Ｋ１（図３参照）以上であるか（Ｚ≧Ｚａｃｔと同義）が判別される。その結果、上記の条件が成立すると認められた場合は、ヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが１００％に設定される（ステップ１１０）。
上記ステップ１０８の処理により、１００％通電の条件が成立していないと判別された場合は、次に、ΔＺが判定値Ｋ２（図３参照）より大きいか否かが判別される（ステップ１１２）。つまり、ヒータ２６を７０％通電すべき条件が成立しているか否かが判別される。その結果、ΔＺ＞Ｋ２の成立が認められた場合は、ヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが７０％に設定される（ステップ１１４）。
これに対して、上記ステップ１１２において、ΔＺ＞Ｋ２の成立が認められないと判別された場合は、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御ルーチンが実行される（ステップ１１６）。このルーチンによれば、ΔＺが小さくなるように、つまり、素子インピーダンスＺが目標インピーダンスＺｔｇに近づくように、ＰＩＤ制御の手法でヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが設定される。
上述したステップ１０６，１１０，１１４および１１６の何れかによりヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが設定されると、最後に駆動デューティＲＤＵＴＹのなまし処理が実行される（ステップ１１８）。このようななまし処理によれば、ステップ１０６，１１０，１１４および１１６の処理により設定される駆動デューティＲＤＵＴＹが段階的な変化を示した場合に、ヒータ２６に対する供給電力が急変するのを避けることができる。
［素子インピーダンスの劣化上昇の影響とその影響に対する対策］
図５は、センサ素子１４の劣化と素子インピーダンスとの関係を説明するための図である。この図に示すように、素子インピーダンスは、センサ素子１４の劣化が進むに連れて増加方向にシフトする。このため、活性判定値Ｚａｃｔが一定値であるとすると、センサ素子１４の活性が判定される素子温は、図５に示すように、その劣化の進行と共に高温化することとなる。
図６は、センサ素子１４の暖機が開始された後、素子インピーダンスが活性判定値Ｚａｃｔ（一定値とする）に低下するまでの時間、つまり、素子インピーダンスに基づいてセンサ素子１４の活性が判定できるまでの時間に遅延を生じさせる原因と、個々の原因に起因する遅延の割合とを説明するための図である。この図に示すように、上記の判定に要する時間には、（１）バッテリ電圧の変動に起因する遅延（つまり、ヒータ２６への印加電圧の低下に起因する遅延）と、（２）ヒータ２６の抵抗劣化に起因する遅延（つまり、ヒータ２６を流れる電流の低下に起因する遅延）と、（３）センサ素子１４のアドミタンス劣化（素子インピーダンスの増加）に起因する遅延とが含まれる。
（１）および（２）の遅れは、センサ素子１４の温度上昇自体の遅れを伴うもの、つまり、素子温が活性判定温度に達するまでの時間を現実に遅延させる遅れである。これに対して、（３）の遅れは、素子温が活性判定温度に到達した後、素子インピーダンスに基づいてその到達が判定されるまでの時間に対応する遅れである。そして、（３）の遅れの比率は、図６に示すように、無視できない程度の大きさを有している。このため、素子インピーダンスが活性判定温度Ｚａｃｔに低下したか否かのみを基準としてセンサ素子１４の活性判定が行われると、センサ素子１４の劣化に伴って、素子温度が活性判定温度に達した後、現実に活性判定がなされるまでの間に、無視できない大きな遅延が生ずることとなる。このような遅延は、空燃比フィードバックの開始時期を不当に遅らせるものであり、可能な限り圧縮することが望ましい。
ところで、センサ素子１４の暖機状態は、内燃機関の始動後にセンサ素子１４が受容した熱量の積算値と相関を有している。このため、センサ素子１４が活性温度に達したか否かは、素子インピーダンスに頼る他、センサ素子１４の受容熱量を基礎としても判断することができる。そこで、本実施形態の装置は、素子温が活性判定温度（例えば６５０℃）に到達したことを確実に判定できる値として活性判定熱量を予め設定しておき、内燃機関の始動後にセンサ素子１４に受容された熱量が、その活性判定熱量に達したと推定できる場合には、素子インピーダンスが活性判定値Ｚａｃｔまで低下していなくても、その時点でセンサ素子１４の活性を判定することとした。
［実施の形態１における特徴的処理］
以下、図７乃至図１０を参照して、上記の機能を実現するためにマイクロコンピュータ３４が実行する具体的処理の内容について説明する。図７は、本実施形態においてマイクロコンピュータが実行するセンサ活性判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、先ず、始動時水温（ＴＷＩ）記憶ルーチンが実行される（ステップ１２０）。
図８は、上記ステップ１２０の処理として実行される始動時水温記憶ルーチンのフローチャートを示す。このルーチンでは、先ず、内燃機関のイグニッションスイッチ（ＩＧ）がＯＮとされた後、５０ｍｓｅｃが経過する以前であるか否かが判別される（ステップ１２２）。その結果、上記条件の成立が認められる場合は、内燃機関の始動時判定がなされ、現在の冷却水温ＴＷが始動時水温ＴＷＩとして記憶される（ステップ１２４）。一方、上記条件の成立が認められない場合は、何ら処理が行われることなく今回の処理サイクルが終了される。
図７に示すルーチンにおいて、始動時水温記憶ルーチンが終了すると、次に、吸入空気量積算値（ＧＡｓｕｍ）算出ルーチンが実行される（ステップ１３０）。吸入空気量積算値算出ルーチンは、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量ＧＡの積算値Ｇａｓｕｍを算出するためのルーチンである。吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍが多量であるということは、内燃機関の始動後の経過時間が長いことを意味し、従って、ヒータ２６の通電時間が長いことを意味する。同時に、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍが大きいということは、内燃機関の始動後に空燃比センサ１０の周囲を流通した排気ガスが多量であることを意味する。センサ素子１４の受容熱量は、ヒータ２６の通電時間が長いほど多量となり、また、排気ガスの流通量が多量であるほど一般的には多量となる。このため、本実施形態において、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍは、センサ素子１４の受容熱量の代用値として用いることができる。
図９は、上記ステップ１３０の処理として実行される吸入空気量積算値算出ルーチンのフローチャートを示す。このルーチンでは、先ず、内燃機関が始動された後であるか否かが判別される（ステップ１３２）。その結果、上記条件の成立が認められる場合は、前回の処理サイクル時までに算出されていたＧＡｓｕｍに今回の処理サイクルで検出された吸入空気量ＧＡを加算することで、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍの更新が行われる（ステップ１３４）。一方、上記条件の成立が認められない場合は、何ら処理が行われることなく今回の処理サイクルが終了される。
図７に示すルーチンにおいて、吸入空気量積算値算出ルーチンが終了すると、次に、センサ活性判定吸入空気量積算値（ＧＡｓｕｍｔｇ）が算出される（ステップ１４０）。センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇは、センサ素子１４が活性温度に達したと判定するに足る吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍの最小値として予め設定された値である。つまり、ＧＡｓｕｍｔｇは、ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇの成立が認められる場合には、センサ素子１４の活性判定が確定できる値として適合等により定められた判定値である。
図１０は、本実施形態においてマイクロコンピュータ３４が記憶しているＧＡｓｕｍｔｇのマップの一例である。このマップは、始動時冷却水温ＴＷＩをパラメータとして、ＴＷＩが低いほどＧＡｓｕｍｔｇが多量となるように定められている。内燃機関が始動された後、センサ素子１４が活性温度に達するまでに必要な受容熱量は、始動時の素子温が低いほど多量となる。図１０に示すマップによれば、始動時冷却水温ＴＷＩが低く、センサ素子１４が活性温度に達するまでに多量の受容熱量が必要とされるほど、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇを大きな値に設定することができる。このため、本実施形態の装置によれば、暖機開始時における素子温の高低に関わらず、センサ素子１４が活性温度に達したと判定できる最小のＧＡｓｕｍを常に適正にＧＡｓｕｍｔｇとして設定することができる。
図７に示すルーチンでは、次に、内燃機関の始動後、最初の活性判定が既に実行済みであるか否かが判別される。より具体的には、内燃機関の始動後に、センサ素子１４の活性判定が初めてなされた際にＯＮとされる活性判定終了フラグｘａｃｔｓｔが、既にＯＮとされているか否かが判別される（ステップ１４２）。
ｘａｃｔｓｔ＝ＯＮの成立が認められない場合は、以下に示す条件ＡおよびＢの少なくとも一方が成立しているかが判別される（ステップ１４４）。
（条件Ａ）素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下か（Ｚ≦Ｚａｃｔ？）；
（条件Ｂ）吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍがセンサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇ以上か（ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇ？）。
その結果、条件ＡおよびＢが何れも成立しないと判別された場合は、センサ素子１４が未だ活性温度に達していないと判断され、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、条件ＡおよびＢの何れかが成立すると判別された場合は、センサ素子１４の活性判定がなされ、活性判定フラグｘａｃｔおよび活性判定終了フラグｘａｃｔｓｔが共にＯＮとされる（ステップ１４６）。
条件Ａは、センサ素子１４が初期のインピーダンス特性を示す場合に、素子温が活性判定温度に達した時点で成立するように設定されている。ここで、センサ素子１４のインピーダンス特性には、ある程度の公差（例えば１０％）が認められているため、初期の段階であっても、条件Ａの成立は、素子インピーダンスの公差に対応する温度ΔＴだけ、素子温が活性判定温度より高温となるまで判定されないことがある。
本実施形態において、条件Ｂは、素子温が「活性判定温度（例えば６５０℃）＋ΔＴ」となった時点で成立するように設定されている。つまり、条件Ｂは、センサ素子１４が公差枠一杯の誤差を含んでいる場合に、条件Ａと同時に成立するように設定されている。このため、上記ステップ１４４の処理によれば、素子温に対する素子インピーダンスの誤差が公差内に収まっている場合には、条件Ａの成立によりセンサ素子１４の活性が判定されることとなり、一方、その誤差が公差の範囲を超える場合には、条件Ｂの成立によりセンサ素子１４の活性が判定されることとなる。つまり、上記ステップ１４４の処理によれば、素子インピーダンスにどのような誤差が重畳しているにせよ、素子温が、公差の範囲で認められている上限温度（活性判定温度＋ΔＴ）に達する以前には活性判定を完了させることができる。このため、図７に示すルーチンによれば、センサ素子１４の劣化に伴い、活性判定の時期が大幅に遅れるのを確実に防ぐことができる。
図７に示すルーチン中、上記ステップ１４２の処理によりｘａｃｔｓｔ＝ＯＮの成立が認められた場合は、内燃機関の始動後、一旦はセンサ素子１４が活性判定温度に達したと判断できる。この場合は、次に、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下の値を維持しているか（Ｚ≦Ｚａｃｔ？）が判別される（ステップ１４８）。その結果、Ｚ≦Ｚａｃｔが成立すると判別された場合は、センサ素子１４の活性が維持されていることを表すべく、活性フラグｘａｃｔがＯＮとされる（ステップ１５０）。一方、Ｚ≦Ｚａｃｔの成立が認められないと判別された場合は、何らかの原因でセンサ素子１４が非活性状態になったと判断され、活性フラグｘａｃｔがＯＦＦとされる（ステップ１５２）。
以上説明した通り、図７に示すルーチンによれば、センサ素子１４が初期の特性を示す間は、主として条件Ａの判定により、素子温が現実に活性判定温度に到達した時点の直後において、活性判定を行うことができる。そして、センサ素子１４の劣化が進んだ後においても、遅くとも現実の素子温が（活性判定温度＋ΔＴ）に達した時点で活性判定を行うことができる。このため、本実施形態の装置によれば、何ら学習的な処理に頼ることなく、空燃比センサ１０の暖機時に、センサ素子１４の劣化状態をリアルタイムに判断して、常に迅速に活性判定を完了させることができる。
ところで、上述した実施の形態１においては、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍに基づいて（ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇが成立するか否かに基づいて）判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。例えば、そのような判断は、内燃機関の始動後におけるヒータ２６の通電時間の積算値、内 燃機関の始動後におけるヒータ２６に対する電力量の積算値、或いは、燃料噴射量の積算値に基づいて行うこととしてもよい。このような変形例は、例えば、上記ステップ１３０においてヒータ２６の通電時間、ヒータ２６ に対する電力量、或いは燃料噴射量の積算量を積算し、上記ステップ１４０において「センサ活性判定ヒータ通電時間」、「センサ活性判定電力量積 算値」、或いは「センサ活性判定燃料噴射量積算値」を算出し、また、上記ステップ１４４において、ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇの判定に代えて、（ヒータ通電時間）≧（センサ活性判定ヒータ通電時間）の判定、（ヒータ電力量積算値） ≧（センサ活性判定電力量積算値）、或いは、（燃料噴射量積算値）≧（センサ活性判定燃料噴射量積算値）の判定を行うことにより実現することができる。
また、上述した実施の形態１においては、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍのみに基づいて判断することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かは、（１）吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍがセンサ活性判定吸入空気量積算値に達したか、（２）ヒータ通電時間がセンサ活性判定ヒータ通電時間に達したか否か、（３） 内燃機関の始動後におけるヒータ２６に対する電力量の積算値がセンサ活 性判定電力量積算値に達したか、および、（４）燃料噴射量がセンサ活性判定燃料噴射量積算値に達したか否かのうち、２つ以上の条件の組み合わせから判断することとしてもよい。
また、上述した実施の形態１においては、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇを、始動時冷却水温ＴＷＩに応じて異ならしめることとしているが（図１０参照）、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇは、冷却水温ＴＷＩによらず常に一定の値で代用することとしてもよい（センサ活性判定ヒータ通電時間、センサ活性判定電力量積算値、およびセンサ活性判定燃料噴射量積算値についても同様）。
実施の形態２．
次に、図１１乃至図１３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態の装置は、上述した実施の形態１の装置において、マイクロコンピュータ３４に、上記図７に示すルーチンに代えて、後述する図１１に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
上述した実施の形態１では、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍを、センサ素子１４の受容熱量の代用値として用いることとしている。そして、そこでは、始動時冷却水温ＴＷＩに応じてセンサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇを可変とすることで、その値ＧＡｓｕｍｔｇを、センサ素子１４を現実に活性化させるのに必要な吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍと整合させることとしている。
内燃機関の始動後にセンサ素子１４が受容する熱量は、主としてヒータ２６から発せられた熱量の総和により決せられる。そして、ヒータ２６から発せられる熱量の総和は、ヒータ２６が単位時間当たりに発生する熱量と、ヒータ２６の通電時間とにより決定される。ヒータ２６の単位時間当たりの発熱量は、ヒータ２６に対する印加電圧に応じて変化する。従って、ヒータ通電時間が同じであっても、バッテリ電圧が異なれば、センサ素子１４の受容熱量は異なるものとなる。一方、バッテリ電圧には、バッテリの状態に応じて有意な変化が生ずる。このため、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定するためには、活性判定熱量（ここではＧＡｓｕｍｔｇ）を設定するにあたり、暖機開始時における素子温（ここではＴＷＩ）に加えて、暖機仮定におけるヒータ印加電圧（例えばバッテリ電圧）をも考慮することが有効である。
図１１は、上記の要求に応えるべく本実施形態において実行されるセンサ活性判定ルーチンのフローチャートを示す。図１１に示すルーチンは、ステップ１３０および１４０が、ステップ１６０および１７０に置き換えられている点を除き、図７に示すルーチンと同様である。以下、図１１において、上記図７に示すルーチンと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図１１に示すルーチンでは、ステップ１３０において、吸入空気量積算値算出ルーチンが終了すると、次に、バッテリ電圧なまし値（ＶＢｓｍ）算出ルーチンが実行される（ステップ１６０）。このルーチンでは、内燃機関の始動後、センサ素子１４の暖機が終了するまでのバッテリ電圧ＶＢの平均値をバッテリ電圧なまし値ＶＢｓｍとして算出するための処理が行われる。
図１２は、上記ステップ１６０の処理として実行されるバッテリ電圧なまし値算出ルーチンのフローチャートを示す。このルーチンでは、先ず、内燃機関の始動後、既にヒータ２６の通電が開始されているか否かが判別される（ステップ１６２）。その結果、未だヒータ通電が開始されていないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、ヒータ通電が既に開始されていると判別された場合は、次式に従ってバッテリ電圧ＶＢｓｍが算出される。
ＶＢｓｍ＝（ＶＢｓｍ×６３＋ＶＢ）／６４ ・・・（１）
上記（１）式において、左辺のＶＢｓｍは、今回の処理サイクルで算出された最新のバッテリ電圧なまし値である。一方、右辺のＶＢｓｍは、前回の処理サイクル時に算出されたバッテリ電圧なまし値ＶＢｓｍであり、右辺のＶＢは今回の処理サイクルで検出されたバッテリ電圧ＶＢである。上記（１）式によれば、処理サイクル毎に、最新のバッテリ電圧ＶＢを１／６４の比率で反映させることにより、バッテリ電圧なまし値ＶＢｓｍを最新値に更新することができる。
図１１に示すルーチンにおいて、バッテリ電圧なまし値ルーチンが終了すると、次に、センサ活性判定吸入空気量積算値（ＧＡｓｕｍｔｇ）の算出処理が実行される（ステップ１７０）。本実施形態において、この値ＧＡｓｕｍｔｇは、既述した理由により、始動時冷却水温ＴＷＩとバッテリ電圧なまし値ＶＢｓｍとに基づいて算出される。
図１３は、本実施形態においてマイクロコンピュータ３４が記憶しているＧＡｓｕｍｔｇのマップの一例である。このマップにおいて、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇは、始動時冷却水温ＴＷＩが低いほど、また、バッテリ電圧ＶＢｓｍが低いほど多量となるように定められている。このようなマップによれば、始動時冷却水温ＴＷＩが低くセンサ素子１４の暖機に大きな熱量が必要であるほど、また、バッテリ電圧ＶＢが低くセンサ素子１４の暖機に長いヒータ通電時間が必要であるほど、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇを大きな値に設定することができる。このため、本実施形態の装置によれば、暖機開始時における素子温や暖機過程におけるバッテリ電圧ＶＢの高低に影響されることなく、センサ素子１４が活性温度に達したと判定できる最小のＧＡｓｕｍを常に適正にＧＡｓｕｍｔｇとして設定することができる。
図１１に示すルーチンにおいて、ステップ１７０に次いで実行される処理は、図７に示すルーチン中で実行される処理と同様である（ステップ１４２〜１５２）。これらの処理によれば、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下に低下するか（条件Ａ）、或いは、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍがセンサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇに達するか（条件Ｂ）により、センサ素子１４の活性判定がなされる。そして、本実施形態では、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇにバッテリ電圧ＶＢが反映されているため、条件Ｂに基づく活性判定を、実施の形態１の場合に比して高い精度で行うことができる。このため、本実施形態の装置によれば、実施の形態１の装置と同様の効果が達成できることに加えて、その装置に比して、更に高い精度でセンサ素子１４の活性が判定できるという効果を得ることができる。
ところで、上述した実施の形態２においては、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍに基づいて判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。例えば、そのような判断は、内燃機関の始動後におけるヒータ２６の通電時間の積算値、内燃機関の始動後におけるヒータ２６に対する電力 量の積算値、或いは、燃料噴射量の積算値に基づいて行うこととしてもよい（実施の形態１の変形例参照）。
また、上述した実施の形態２においては、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍのみに基づいて判断することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かは、（１）吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍがセンサ活性判定吸入空気量積算値に達したか、（２）ヒータ通電時間がセンサ活性判定ヒータ通電時間に達したか否か、（３） 内燃機関の始動後におけるヒータ２６に対する電力量の積算値がセンサ活 性判定電力量積算値に達したか、および、（４）燃料噴射量がセンサ活性判定燃料噴射量積算値に達したか否かのうち、２つ以上の条件の組み合わせから判断することとしてもよい。
実施の形態３．
次に、図１４乃至図１６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態の装置は、上述した実施の形態１または２の装置において、マイクロコンピュータ３４に、上記図７または図１１に示すルーチンに代えて、後述する図１４に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
上述した実施の形態１および２では、既述した通り、初期の段階では条件Ａが条件Ｂに先だって成立し、センサ素子１４が公差範囲を外れる程度に劣化すると条件Ａに先だって条件Ｂが成立するような設定が施されている。この場合、条件Ｂが条件Ａより先に成立すれば、センサ素子１４に劣化が生じていることが判断できる。ところで、センサ素子１４に劣化が生じ、素子インピーダンスＺに増加方向のシフトが生ずると、素子温が活性温度（７００℃）に達した時点で素子インピーダンスＺが目標インピーダンスＺｔｇまで低下しない事態が生ずる。この場合、目標インピーダンスＺｔｇが一定であれば、ヒータ２６のフィードバック制御領域においてセンサ素子１４に過熱が生ずることになる。そこで、本実施形態の装置は、条件Ｂが条件Ａに先だって成立したか否かを判別し、その条件が成立する場合には、目標インピーダンスＺｔｇを上昇方向にシフトさせることとした。
図１４は、上記の機能を実現すべく本実施形態においてマイクロコンピュータ３４が実行するセンサ活性判定ルーチンのフローチャートである。図１１に示すルーチンは、ステップ１３０の前にステップ１８０が挿入されている点、および、ステップ１４４および１４６がステップ１９０に置き換えられている点を除き、図７に示すルーチンと同様である。以下、図１４において、上記図７に示すルーチンと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図１４に示すルーチンでは、その起動の直後にイニシャル処理が実行される（ステップ１８０）。イニシャル処理は、具体的には、図１５に示すフローチャートに沿って行われる。ここでは、マイクロコンピュータ３４に接続されているＳＲＡＭ（図示省略）から、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇおよび活性判定学習値Ｚａｃｔｇを読み出す処理（ステップ１８２）、およびそれらの学習値ＺｔｇｇおよびＺａｃｔｇを、それぞれ目標インピーダンスＺｔｇおよび活性判定値Ｚａｃｔに設定する処理（ステップ１８４）が順次行われる。
図１４に示すルーチンでは、また、ステップ１４２の処理により、活性判定終了フラグｘａｃｔｓｔがＯＮでないと判別された場合に、学習制御ルーチンが実行される（ステップ１９０）。学習制御ルーチンは、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇおよび活性判定学習値Ｚａｃｔｇを学習するためのルーチンである。
図１６は、上記ステップ１９０において実行される学習制御ルーチンのフローチャートを示す。図１６に示すルーチンでは、先ず、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍが、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇより少ないか否かが判別される（ステップ１９２）。つまり、ここでは、既述した条件Ｂの成否が判断される。
ＧＡｓｕｍ＜ＧＡｓｕｍの成立（条件Ｂの不成立）が認められた場合は、受容熱量を判断の基礎とする限りはセンサ素子１４の活性が未だ判定できないと判断できる。この場合は、次に、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下となっているか、つまり、条件Ａが成立しているか否かが判別される（ステップ１９４）。
上記ステップ１９４において、Ｚ≦Ｚａｃｔの成立が認められない場合は、素子インピーダンスＺを判断の基礎としても、センサ素子１４の活性は判定できないと判断できる。この場合は、センサ素子１４が非活性状態であると判定された後（ステップ１９６）、学習制御ルーチンが終了される。
一方、上記ステップ１９４において、Ｚ≦Ｚａｃｔの成立が認められた場合は、素子インピーダンスＺを判断の基礎とした場合には、センサ素子１４の活性が判定できると判断できる。つまり、この場合は、条件Ｂに先だって条件Ａが成立したこと、および、センサ素子１４が活性状態に至ったことが判断できる。この場合、先ず、センサ素子１４の活性判定がなされ、活性判定フラグｘａｃｔおよび活性判定終了フラグｘａｃｔｓｔが共にＯＮとされる（ステップ１９８）。
次に、学習補正量Ｚｇが正の値であるか否かが判別される（ステップ２００）。図１６に示すルーチンでは、後述の如く、センサ素子１４の劣化が認められた場合に、活性判定値Ｚａｃｔ（厳密には活性判定学習値）が正方向に補正（インクリメント）される。学習補正量Ｚｇは、その活性判定値Ｚａｃｔの補正量に相当する係数である。従って、Ｚｇ＞０が成立する場合は、活性判定値Ｚａｃｔが初期の値より増加方向に補正されていると判断できる。
ステップ２００の処理は、条件Ｂ（ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇ）からはセンサ素子１４の活性が判定できないが、条件Ａ（Ｚ≦Ｚａｃｔ）の成立が認められる状況下で実行される処理である。この場合、仮にＺａｃｔが過剰に大きな値であるとすれば、素子温が活性判定温度に達していないにも関わらずセンサ素子１４の活性が判定されることとなる。そして、学習補正量Ｚｇが正の値である場合には、学習の結果として、活性判定値Ｚａｃｔが過剰な値となっている可能性があると判断できる。このため、上記ステップ２００においてＺｇ＞０の成立が認められた場合は、条件Ａの成立時期を遅らせるべく、学習補正量Ｚｇのデクリメント処理が行われる（ステップ２０２）。尚、このようにして学習補正量Ｚｇがデクリメントされた場合、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇおよび活性判定学習値Ｚａｃｔｇも、同様にデクリメントされるものとする。
これに対して、上記ステップ２００の処理によりＺｇ＞０の成立が認められない場合は、活性判定値Ｚａｃｔが過剰な値に補正されている可能性はないと判断できる。つまり、この場合は、当初の設定通りに、条件Ａが条件Ｂに先だって成立し、その結果、条件Ａの成立を根拠にセンサ素子１４の活性が判定されたに過ぎないと判断できる。この場合は、以後、何ら処理が行われることなく、学習制御ルーチンが終了される。
図１６に示すルーチンにおいて、上記ステップ１９２の処理により、ＧＡｓｕｍ＜ＧＡｓｕｍｔｇが成立しないと判別された場合は、その処理に次いで、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下となっているかが判別される。その結果、Ｚ≦Ｚａｃｔの成立が認められる場合は、条件Ｂおよび条件Ａが何れも成立していると判断できる。この場合は、以後、センサ素子１４の活性判定がなされた後（ステップ２０６）、今回の処理サイクルが終了される。
一方、上記ステップ２０４において、Ｚ≦Ｚａｃｔが成立しないと判別された場合は、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達した（条件Ｂが成立した）と判断された時点で、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔにまで低下していない（条件Ａが成立していない）と判断することができる。この場合は、センサ素子１４の劣化に伴い、素子インピーダンスＺが増加側にシフトした可能性が高いと判断され。次に、学習条件が成立しているか否かが判別される（ステップ２０８）。
上記ステップ２０８では、条件Ａに先だって条件Ｂが成立するという現象から、センサ素子１４の劣化を帰結するに足る条件が成立しているか否かが判断される。具体的には、始動時冷却水温ＴＷＩが学習許可温度以下であったか（内燃機関の始動は冷間始動であったか）など、センサ素子１４の暖機環境が、特異な環境でなかったかが判別される。その結果、学習条件の成立が認められないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、学習条件の成立が認められた場合は、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇ、活性判定学習値Ｚａｃｔｇ、および学習補正量Ｚｇが、それぞれインクリメントされる（ステップ２１０）。
図１６に示すルーチンによれば、上記ステップ２０２の処理、および上記ステップ２１０の処理により、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇ、活性判定学習値Ｚａｃｔｇ、および学習補正量Ｚｇが更新される。このようにして更新された値は、既述したＳＲＡＭに書き込まれる。そして、図１４に示すルーチン中、既述したステップ１８０のイニシャル処理では、常に最新の学習値Ｚｔｇｇ、Ｚａｃｔｇが、目標インピーダンスＺｔｇおよび活性判定値Ｚａｃｔにセットされる。このため、本実施形態の装置によれば、センサ素子１４の劣化が進んだ後に、条件Ａの成立が不当に遅延するのを防ぎ、また、ヒータ２６のフィードバック制御領域でセンサ素子１４が過熱するのを防ぐことができる。
ところで、上述した実施の形態３の説明においては、図１６に示すルーチン中、ステップ２１０および２０２の処理により、Ｚｔｇｇ、ＺａｃｔｇおよびＺｇをインクリメントまたはデクリメントすること、つまり、それらの学習値を「１」づつ増減させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、それらのステップ２１０，２０２で学習値を増減させる幅は「１」に限定されるものではなく、その幅は任意の「所定値」であればよい。
また、上述した実施の形態３においては、センサ素子１４の劣化状態に合わせて、目標インピーダンスＺｔｇと共に活性判定値Ｚａｃｔをも学習することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、活性判定値Ｚａｃｔは一定値としたまま、目標インピーダンスＺｔｇのみを学習することとしてもよい。
本発明の内容および効果は、以下のように要約することができる。
すなわち、第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサの制御装置であって、前記排気ガスセンサは活性温度に達することで活性状態となるセンサ素子を備え、前記センサ素子の素子インピーダンスを検出するインピーダンス検出装置と、前記素子インピーダンスが活性判定値にまで低下したか否かを判定するインピーダンス判定装置と、前記センサ素子の受容熱量を推定する受容熱量推定装置と、前記受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する熱量判定装置と、前記インピーダンス判定装置による判定、および前記熱量判定装置による判定の何れかが成立した時点で前記排気ガスセンサの活性判定を行う活性判定装置と、を備えるものである。
また、第２の発明は、第１の発明において、前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、前記熱量判定装置は、前記排気ガスセンサの活性が要求された後のヒータ通電時間が活性判定時間に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定するものである。
また、第３の発明は、第１の発明において、前記排気ガスセンサは、セ ンサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求され る環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、前記熱量判定装 置は、前記排気ガスセンサの活性が要求された後のヒータに対する電力量 の積算値が活性判定電力量積算値に達したか否かに基づいて、前記センサ 素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定するものである。
また、第４の発明は、第１の発明において、前記熱量判定装置は、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量の積算値が活性判定空気量に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定するものである。
また、第５の発明は、第１の発明において、前記熱量判定装置は、内燃機関に対して、その始動後に供給された燃料の積算量が活性判定燃料量に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定するものである。
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、内燃機関の始動時冷却水温を検知する始動時水温検知装置を備え、前記熱量判定装置は、前記始動時冷却水温が低いほど前記活性判定熱量を多量とする活性判定熱量設定装置を含むものである。
また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置と、バッテリ電圧を検知するバッテリ電圧検知装置とを備え、前記受容熱量推定装置は、前記センサ素子の暖機時間と相関を有する暖機期間相関値を検出する暖機期間相関値算出装置を備え、前記熱量判定装置は、前記暖機期間相関値がセンサ活性判定相関値に達した時点で前記受容熱量が前記活性判定熱量に達したと判断する装置と、前記センサ素子の暖機過程におけるバッテリ電圧が低いほど前記センサ活性判定相関値を大きな値に設定する判定値設定装置とを備えるものである。
また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、当該ヒータ駆動装置は、前記素子インピーダンスが目標インピーダンスとなるように前記ヒータをフィードバック制御するフィードバック制御装置を含み、前記センサ素子の受容熱量に対して前記素子インピーダンスが過大であると判断される場合に、前記センサ素子の劣化を判定する劣化判定装置と、前記センサ素子の劣化が判定された場合に、前記目標インピーダンスを増大方向に補正する目標インピーダンス補正装置と、を備えるものである。
また、第９の発明は、第１乃至第８の発明の何れかにおいて、前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、当該ヒータ駆動装置は、前記素子インピーダンスが目標インピーダンスとなるように前記ヒータをフィードバック制御するフィードバック制御装置を含み、前記センサ素子の受容熱量に対して前記素子インピーダンスが過大であると判断される場合に、前記センサ素子の劣化を判定する劣化判定装置と、前記センサ素子の劣化が判定された場合に、前記活性判定値を増大方向に補正する活性判定値補正装置と、を備えるものである。
また、第１０の発明は、第８または第９の発明において、前記インピーダンス判定装置により判定される条件と、前記受容熱量推定装置により判定される条件とは、前記センサ素子が初期のインピーダンスを示す場合には、前者の条件が後者の条件に比して早期に成立するように設定されており、前記劣化判定装置は、後者の条件が前者の条件より早期に成立した場合に、前記素子インピーダンスが前記受容熱量に対して過大であると判断するものである。
また、第１１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサの制御装置であって、前記排気ガスセンサは活性温度に達することで活性状態となるセンサ素子を備え、前記センサ素子の素子インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記素子インピーダンスが活性判定値にまで低下したか否かを判定するインピーダンス判定手段と、前記センサ素子の受容熱量を推定する受容熱量推定手段と、前記受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する熱量判定手段と、前記インピーダンス判定手段による判定、および前記熱量判定手段による判定の何れかが成立した時点で前記排気ガスセンサの活性判定を行う活性判定手段と、を備えるものである。
第１または第１１の発明によれば、素子インピーダンスが活性判定値にまで低下するか、或いは、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達した時点で排気ガスセンサの活性を判定することができる。つまり、センサ素子の劣化に伴って素子インピーダンスが活性判定値に低下する時点に遅れが生じても、センサ素子の受容熱量に基づく判定により、センサ素子の活性判定を遅滞なく行うことができる。このように、本発明によれば、活性判定値の学習に頼ることなく、センサ素子の活性判定を常に迅速に行うことができる。
第２の発明によれば、ヒータ通電時間が活性判定時間に達したか否かに基づいて、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定することができる。
第３の発明によれば、ヒータに対する電力量の積算値が活性判定電力量積算値に達したか否かに基づいて、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定することができる。
第４の発明によれば、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量の積算値が活性判定空気量に達したか否かに基づいて、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定することができる。
第５の発明によれば、内燃機関に供給された燃料の積算量が活性判定燃料量に達したか否かに基づいて、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定することができる。
第６の発明によれば、内燃機関の始動時冷却水温が低いほど活性判定熱量を多量とすることができる。排気ガスセンサが活性状態となるのに必要な熱量は、始動時冷却水温が低く、暖機開始時点のセンサ素子温が低いほど多量となる。本発明によれば、そのような暖機開始時の環境を考慮することで、センサ素子の受容熱量に関する活性判定の精度を高めることができる。
第７の発明によれば、ヒータを用いたセンサ素子の暖機が行われる期間がセンサ活性判定相関値に相当する値となった時点で受容熱量が活性判定熱量に達したと判断することができる。そして、ここでは、センサ素子の暖機過程におけるバッテリ電圧が低いほどセンサ活性判定相関値を大きな値とすることができる。ヒータの発する熱量は、バッテリ電圧が低いほど小さくなる。そして、センサ素子の活性化には、ヒータの発する熱量が小さいほど長い期間が必要となる。本発明によれば、バッテリ電圧が低く、ヒータの発する熱量が少量となる状況下では、センサ活性判定相関値が大きな値とされるため、バッテリ電圧の高低に関わらず、受容熱量を基礎とする活性判定を常に正確に行うことができる。
第８の発明によれば、センサ素子の受容熱量が十分に多量であるにも関わらず、素子インピーダンスが過大な値を維持している場合に、センサ素子が劣化していると判断することができる。そして、その劣化が判定された際には、目標インピーダンスを増大方向に補正することにより、ヒータのフィードバック制御により、センサ素子が適正に活性温度に制御される状況を作り出すことができる。
第９の発明によれば、センサ素子の受容熱量が十分に多量であるにも関わらず、素子インピーダンスが過大な値を維持している場合に、センサ素子が劣化していると判断することができる。そして、その劣化が判定された際には、活性判定値を増大方向に補正することにより、素子インピーダンスに基づく活性判定が適正に行われる状況を作り出すことができる。このため、本発明によれば、センサ素子の劣化に伴う活性判定の遅れを防ぐことができる。
第１０の発明によれば、センサ素子が初期のインピーダンスを示す状況下では、素子インピーダンスに基づく条件判定により活性判定を行うことができる。そして、センサ素子の劣化が進み、センサ素子の受容熱量に基づく判定により活性判定がなされる状況に至った時点で素子インピーダンスが過大であり、センサ素子に劣化が生じていると判断することができる。このように、本発明によれば、迅速な活性判定を可能とするための条件判定の結果を利用することにより、新たな条件判定を行うことなく素子インピーダンスの劣化の有無を精度良く判断することができる。
尚、上述した実施の形態１においては、マイクロコンピュータ３４が素子インピーダンスを検出することにより前記第１の発明における「インピーダンス検出装置」または前記第１１の発明における「インピーダンス検出手段」が、上記ステップ１４４において条件Ａの成否を判定することにより前記第１の発明における「インピーダンス判定装置」または前記第１１の発明におけるインピーダンス判定手段」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「受容熱量推定装置」または前記第１１の発明における受容熱量推定手段」が、上記ステップ１４４において条件Ｂの成否を判定することにより前記第１の発明における「熱量判定装置」または前記第１１の発明における「熱量判定手段」が、上記ステップ１４６の処理を実行することにより前記第１の発明における「活性判定装置」または前記第１１の発明における活性判定手段」が、それぞれ実現されている。また、上述した実施の形態１においては、ヒータ制御回路３８が前記第２または第３の発明における「ヒータ駆動装置」に相当していると共に、マイクロコンピュータ３４が上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第６の発明における「始動時水温検知装置」が実現されている。
また、上述した実施の形態２においては、ヒータ制御回路３８が前記第７の発明における「ヒータ駆動装置」に相当していると共に、マイクロコンピュータ３４が、上記ステップ１６０の処理を実行することにより前記第７の発明における「バッテリ電圧検知装置」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第７の発明における「暖機期間相関値算出装置」が、上記ステップ１４４において条件Ｂによる判定を行うことにより前記第７の発明における「前記受容熱量が前記活性判定熱量に達したと判断する装置」が、上記ステップ１７０の処理を実行することにより前記第７の発明における「判定値設定装置」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態３においては、ヒータ制御回路３８が前記第８または第９の発明における「ヒータ駆動装置」に相当していると共に、マイクロコンピュータ３４が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記第８または第９の発明における「フィードバック制御装置」が、上記ステップ１９２および２０４の処理を実行することにより前記第８または第９の発明における「劣化判定装置」が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより前記第８の発明における「目標インピーダンス補正装置」または第９の発明における「活性判定値補正装置」が、それぞれ実現されている。
［実施の形態１のハードウェア構成］
図１は、本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサ１０の構成を説明するための図である。図１に示す空燃比センサ１０は、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガスの空燃比を検出するために用いられるセンサである。空燃比センサ１０は、カバー１２を備えており、このカバー１２が排気ガスに晒されるように排気通路に組み付けられる。
カバー１２には、その内部に排気ガスを導くための孔（図示せず）が設けられている。カバー１２の内部には、センサ素子１４が配置されている。センサ素子１４は、一端（図１における下端）が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、拡散抵抗層１６で覆われている。拡散抵抗層１６は、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質であり、センサ素子１４の表面付近における排気ガスの拡散速度を律する働きを有している。
拡散抵抗層１６の内側には排気側電極１８、固体電解質層２０および大気側電極２２が設けられている。排気側電極１８および大気側電極２２は、Ｐｔのように触媒作用の高い貴金属で構成された電極であり、それぞれ後述する制御回路と電気的に接続されている。固体電解質層２０は、ＺｒＯ２などを含む焼結体であり、酸素イオンの通過を許容する特性を有している。
センサ素子１４の内側には、大気に開放された大気室２４が形成されている。大気室２４には、センサ素子１４を加熱するためのヒータ２６が配置されている。センサ素子１４は、７００℃程度の活性温度において安定した出力特性を示す。ヒータ２６は、後述する制御回路と電気的に接続されており、その制御回路に制御されることにより、センサ素子１４を適当な温度に加熱維持することができる。
図２は、空燃比センサ１２の制御装置の構成を示すブロック図である。図２に示すように、センサ素子１４は、抵抗成分と起電力成分を用いて等価的に表すことができる。また、ヒータ２６は抵抗成分を用いて等価的に表すことができる。センサ素子１４には、センサ素子駆動回路２８が接続されている。センサ素子駆動回路２８には、センサ素子１４に対して所望の電圧を印加するためのバイアス制御回路と、センサ素子１４を流れる電流を検出するためのセンサ電流検出回路とが含まれている。
センサ素子制御回路２８が備えるバイアス制御回路には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３０およびＤ／Ａコンバータ３２を介してマイクロコンピュータ３４が接続されている。マイクロコンピュータ３４は、それらの要素を介して、バイアス制御回路に、センサ素子１４に印加すべき電圧を指令することができる。
バイアス制御回路は、マイクロコンピュータ３４の指令に従い、センサ素子１４に対して、空燃比検出用のバイアス電圧と、インピーダンス検出用電圧とを印加することができる。センサ素子１４は、空燃比検出用のバイアス電圧が印加されている場合には、排気ガスの空燃比に応じたセンサ電流を流通させる。このため、そのセンサ電流を検出すれば、排気ガスの空燃比を検知することが可能である。
センサ素子１４に対するバイアス電圧が、空燃比検出用のバイアス電圧からインピーダンス検出用電圧に変更されると、印加電圧に変化に対応してセンサ電流に変化が生ずる。この際、印加電圧の変化量とセンサ電流の変化量との比は、センサ素子の素子インピーダンスに相当する値となる。このため、インピーダンス検出用電圧の印加に伴って生ずるセンサ電流を検出すれば、センサ素子の素子インピーダンスを検知することが可能である。
センサ素子制御回路２８が備えるセンサ電流検出回路には、Ｄ／Ａコンバータ３６を介してマイクロコンピュータ３４が接続されている。マイクロコンピュータ３４は、Ｄ／Ａコンバータ３６を介して、センサ電流検出回路によって検出されたセンサ電流を読み込むことができる。従って、マイクロコンピュータ３４は、センサ素子１４に空燃比検出用電圧が印加されている状況下では、センサ電流に基づいて排気ガスの空燃比を検知することができる。また、センサ素子１４にインピーダンス検出用電圧が印加されている状況下では、センサ電流に基づいて素子インピーダンスを検知することができる。
図２に示すように、ヒータ２６には、ヒータ制御回路３８が接続されている。また、ヒータ制御回路３８には、マイクロコンピュータ３４が接続されている。ヒータ制御回路３８は、マイクロコンピュータから供給される指令を受けて、その指令に応じた駆動信号をヒータ２６に供給し、ヒータ２６に所望の熱量を発生させることができる。
［実施の形態１におけるヒータ制御］
図３は、本実施形態の装置において実行されるヒータ制御の概要を説明するための図である。ここで、図３中に示す曲線は、素子インピーダンスと素子温との関係を示す。この曲線に示す通り、素子インピーダンスは温度特性を有しており、素子温が高いほど小さな値となる。図３中に示すＺａｃｔおよびＺｔｇは、それぞれ活性判定値および目標インピーダンスである。活性判定値Ｚａｃｔは、素子温が活性判定温度（例えば６５０℃）である場合の素子インピーダンスに設定されている。また、目標インピーダンスＺｔｇは、素子温が活性目標温度（例えば７００℃）である場合の素子インピーダンスに設定されている。
センサ素子１４は、活性判定温度以上の温度で安定したセンサ特性を示す。このため、本実施形態の装置は、内燃機関の始動後、素子温が活性判定温度（例えば６５０℃）に達した時点で空燃比センサ１０の活性を判定し、その出力に基づく空燃比フィードバック制御を開始する。その後、素子温の変動に対して余裕を確保しておくため、センサ素子１４は、活性判定温度より高温の活性目標温度（例えば７００℃）にまで過熱され、その温度に維持される。その結果、安定状態では、素子温が７００℃程度に過熱された状態で空燃比フィードバック制御が行われる。
ここで、マイクロコンピュータ３４は、素子温と素子インピーダンスの相関関係を利用して、素子温が活性判定温度に達したか否かを素子インピーダンスが活性判定温度Ｚａｃｔまで低下したか否かに基づいて判断する。また、マイクロコンピュータ３４は、素子温を活性目標温度に維持するために、素子インピーダンスが目標インピーダンスＺｔｇと一致するようにヒータ２６の通電量をフィードバック制御する。
内燃機関において、良好なエミッション特性を得るためには、空燃比センサ１０の暖機が開始された後、その活性判定がなされるまでの期間はできるだけ短いことが望ましい。このため、本実施形態の装置は、素子インピーダンスが活性判定温度Ｚａｃｔより大きい領域では、ヒータ２６を１００％デューティで駆動することとしている（図３に示す１００％通電領域）。その後、素子インピーダンスが活性判定温度Ｚａｃｔまで低下したら、センサ素子１４の過熱を避けるべく、駆動デューティを７０％に下げてヒータ２６の駆動を継続する（図３に示す７０％通電領域）。そして、素子インピーダンスが目標インピーダンスＺｔｇの近傍値となったら、素子インピーダンスに基づくフィードバック制御によりヒータ２６の駆動を継続する（図３に示すＦ／Ｂ制御領域）。
図４は、上述したヒータ制御を実現するためにマイクロコンピュータ３４が実行するヒータ制御ルーチンのフローチャートを示す。図４に示すルーチンでは、先ず、素子インピーダンスＺが検出される（ステップ１００）。次に、その検出値Ｚと目標インピーダンスＺｔｇとの差ΔＺ＝Ｚ−Ｚｔｇが算出される（ステップ１０２）。次いで、ヒータ制御の許可条件が成立しているか否かが判断され（ステップ１０４）、その条件が不成立である場合はヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが０％とされる（ステップ１０６）。
一方、上記ステップ１０４の処理により、許可条件の成立が認められた場合は、１００％通電の条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、内燃機関の始動後経過時間が１０ｓｅｃ以下であり、かつ、ΔＺが判定値Ｋ１（図３参照）以上であるか（Ｚ≧Ｚａｃｔと同義）が判別される。その結果、上記の条件が成立すると認められた場合は、ヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが１００％に設定される（ステップ１１０）。
上記ステップ１０８の処理により、１００％通電の条件が成立していないと判別された場合は、次に、ΔＺが判定値Ｋ２（図３参照）より大きいか否かが判別される（ステップ１１２）。つまり、ヒータ２６を７０％通電すべき条件が成立しているか否かが判別される。その結果、ΔＺ＞Ｋ２の成立が認められた場合は、ヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが７０％に設定される（ステップ１１４）。
これに対して、上記ステップ１１２において、ΔＺ＞Ｋ２の成立が認められないと判別された場合は、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御ルーチンが実行される（ステップ１１６）。このルーチンによれば、ΔＺが小さくなるように、つまり、素子インピーダンスＺが目標インピーダンスＺｔｇに近づくように、ＰＩＤ制御の手法でヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが設定される。
上述したステップ１０６，１１０，１１４および１１６の何れかによりヒータ２６の駆動デューティＲＤＵＴＹが設定されると、最後に駆動デューティＲＤＵＴＹのなまし処理が実行される（ステップ１１８）。このようななまし処理によれば、ステップ１０６，１１０，１１４および１１６の処理により設定される駆動デューティＲＤＵＴＹが段階的な変化を示した場合に、ヒータ２６に対する供給電力が急変するのを避けることができる。
［素子インピーダンスの劣化上昇の影響とその影響に対する対策］
図５は、センサ素子１４の劣化と素子インピーダンスとの関係を説明するための図である。この図に示すように、素子インピーダンスは、センサ素子１４の劣化が進むに連れて増加方向にシフトする。このため、活性判定値Ｚａｃｔが一定値であるとすると、センサ素子１４の活性が判定される素子温は、図５に示すように、その劣化の進行と共に高温化することとなる。
図６は、センサ素子１４の暖機が開始された後、素子インピーダンスが活性判定値Ｚａｃｔ（一定値とする）に低下するまでの時間、つまり、素子インピーダンスに基づいてセンサ素子１４の活性が判定できるまでの時間に遅延を生じさせる原因と、個々の原因に起因する遅延の割合とを説明するための図である。この図に示すように、上記の判定に要する時間には、（１）バッテリ電圧の変動に起因する遅延（つまり、ヒータ２６への印加電圧の低下に起因する遅延）と、（２）ヒータ２６の抵抗劣化に起因する遅延（つまり、ヒータ２６を流れる電流の低下に起因する遅延）と、（３）センサ素子１４のアドミタンス劣化（素子インピーダンスの増加）に起因する遅延とが含まれる。
（１）および（２）の遅れは、センサ素子１４の温度上昇自体の遅れを伴うもの、つまり、素子温が活性判定温度に達するまでの時間を現実に遅延させる遅れである。これに対して、（３）の遅れは、素子温が活性判定温度に到達した後、素子インピーダンスに基づいてその到達が判定されるまでの時間に対応する遅れである。そして、（３）の遅れの比率は、図６に示すように、無視できない程度の大きさを有している。このため、素子インピーダンスが活性判定温度Ｚａｃｔに低下したか否かのみを基準としてセンサ素子１４の活性判定が行われると、センサ素子１４の劣化に伴って、素子温度が活性判定温度に達した後、現実に活性判定がなされるまでの間に、無視できない大きな遅延が生ずることとなる。このような遅延は、空燃比フィードバックの開始時期を不当に遅らせるものであり、可能な限り圧縮することが望ましい。
ところで、センサ素子１４の暖機状態は、内燃機関の始動後にセンサ素子１４が受容した熱量の積算値と相関を有している。このため、センサ素子１４が活性温度に達したか否かは、素子インピーダンスに頼る他、センサ素子１４の受容熱量を基礎としても判断することができる。そこで、本実施形態の装置は、素子温が活性判定温度（例えば６５０℃）に到達したことを確実に判定できる値として活性判定熱量を予め設定しておき、内燃機関の始動後にセンサ素子１４に受容された熱量が、その活性判定熱量に達したと推定できる場合には、素子インピーダンスが活性判定値Ｚａｃｔまで低下していなくても、その時点でセンサ素子１４の活性を判定することとした。
［実施の形態１における特徴的処理］
以下、図７乃至図１０を参照して、上記の機能を実現するためにマイクロコンピュータ３４が実行する具体的処理の内容について説明する。図７は、本実施形態においてマイクロコンピュータが実行するセンサ活性判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、先ず、始動時水温（ＴＷＩ）記憶ルーチンが実行される（ステップ１２０）。
図８は、上記ステップ１２０の処理として実行される始動時水温記憶ルーチンのフローチャートを示す。このルーチンでは、先ず、内燃機関のイグニッションスイッチ（ＩＧ）がＯＮとされた後、５０ｍｓｅｃが経過する以前であるか否かが判別される（ステップ１２２）。その結果、上記条件の成立が認められる場合は、内燃機関の始動時判定がなされ、現在の冷却水温ＴＷが始動時水温ＴＷＩとして記憶される（ステップ１２４）。一方、上記条件の成立が認められない場合は、何ら処理が行われることなく今回の処理サイクルが終了される。
図７に示すルーチンにおいて、始動時水温記憶ルーチンが終了すると、次に、吸入空気量積算値（ＧＡｓｕｍ）算出ルーチンが実行される（ステップ１３０）。吸入空気量積算値算出ルーチンは、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量ＧＡの積算値Ｇａｓｕｍを算出するためのルーチンである。吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍが多量であるということは、内燃機関の始動後の経過時間が長いことを意味し、従って、ヒータ２６の通電時間が長いことを意味する。同時に、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍが大きいということは、内燃機関の始動後に空燃比センサ１０の周囲を流通した排気ガスが多量であることを意味する。センサ素子１４の受容熱量は、ヒータ２６の通電時間が長いほど多量となり、また、排気ガスの流通量が多量であるほど一般的には多量となる。このため、本実施形態において、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍは、センサ素子１４の受容熱量の代用値として用いることができる。
図９は、上記ステップ１３０の処理として実行される吸入空気量積算値算出ルーチンのフローチャートを示す。このルーチンでは、先ず、内燃機関が始動された後であるか否かが判別される（ステップ１３２）。その結果、上記条件の成立が認められる場合は、前回の処理サイクル時までに算出されていたＧＡｓｕｍに今回の処理サイクルで検出された吸入空気量ＧＡを加算することで、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍの更新が行われる（ステップ１３４）。一方、上記条件の成立が認められない場合は、何ら処理が行われることなく今回の処理サイクルが終了される。
図７に示すルーチンにおいて、吸入空気量積算値算出ルーチンが終了すると、次に、センサ活性判定吸入空気量積算値（ＧＡｓｕｍｔｇ）が算出される（ステップ１４０）。センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇは、センサ素子１４が活性温度に達したと判定するに足る吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍの最小値として予め設定された値である。つまり、ＧＡｓｕｍｔｇは、ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇの成立が認められる場合には、センサ素子１４の活性判定が確定できる値として適合等により定められた判定値である。
図１０は、本実施形態においてマイクロコンピュータ３４が記憶しているＧＡｓｕｍｔｇのマップの一例である。このマップは、始動時冷却水温ＴＷＩをパラメータとして、ＴＷＩが低いほどＧＡｓｕｍｔｇが多量となるように定められている。内燃機関が始動された後、センサ素子１４が活性温度に達するまでに必要な受容熱量は、始動時の素子温が低いほど多量となる。図１０に示すマップによれば、始動時冷却水温ＴＷＩが低く、センサ素子１４が活性温度に達するまでに多量の受容熱量が必要とされるほど、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇを大きな値に設定することができる。このため、本実施形態の装置によれば、暖機開始時における素子温の高低に関わらず、センサ素子１４が活性温度に達したと判定できる最小のＧＡｓｕｍを常に適正にＧＡｓｕｍｔｇとして設定することができる。
図７に示すルーチンでは、次に、内燃機関の始動後、最初の活性判定が既に実行済みであるか否かが判別される。より具体的には、内燃機関の始動後に、センサ素子１４の活性判定が初めてなされた際にＯＮとされる活性判定終了フラグｘａｃｔｓｔが、既にＯＮとされているか否かが判別される（ステップ１４２）。
ｘａｃｔｓｔ＝ＯＮの成立が認められない場合は、以下に示す条件ＡおよびＢの少なくとも一方が成立しているかが判別される（ステップ１４４）。
（条件Ａ）素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下か（Ｚ≦Ｚａｃｔ？）；
（条件Ｂ）吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍがセンサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇ以上か（ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇ？）。
その結果、条件ＡおよびＢが何れも成立しないと判別された場合は、センサ素子１４が未だ活性温度に達していないと判断され、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、条件ＡおよびＢの何れかが成立すると判別された場合は、センサ素子１４の活性判定がなされ、活性判定フラグｘａｃｔおよび活性判定終了フラグｘａｃｔｓｔが共にＯＮとされる（ステップ１４６）。
条件Ａは、センサ素子１４が初期のインピーダンス特性を示す場合に、素子温が活性判定温度に達した時点で成立するように設定されている。ここで、センサ素子１４のインピーダンス特性には、ある程度の公差（例えば１０％）が認められているため、初期の段階であっても、条件Ａの成立は、素子インピーダンスの公差に対応する温度ΔＴだけ、素子温が活性判定温度より高温となるまで判定されないことがある。
本実施形態において、条件Ｂは、素子温が「活性判定温度（例えば６５０℃）＋ΔＴ」となった時点で成立するように設定されている。つまり、条件Ｂは、センサ素子１４が公差枠一杯の誤差を含んでいる場合に、条件Ａと同時に成立するように設定されている。このため、上記ステップ１４４の処理によれば、素子温に対する素子インピーダンスの誤差が公差内に収まっている場合には、条件Ａの成立によりセンサ素子１４の活性が判定されることとなり、一方、その誤差が公差の範囲を超える場合には、条件Ｂの成立によりセンサ素子１４の活性が判定されることとなる。つまり、上記ステップ１４４の処理によれば、素子インピーダンスにどのような誤差が重畳しているにせよ、素子温が、公差の範囲で認められている上限温度（活性判定温度＋ΔＴ）に達する以前には活性判定を完了させることができる。このため、図７に示すルーチンによれば、センサ素子１４の劣化に伴い、活性判定の時期が大幅に遅れるのを確実に防ぐことができる。
図７に示すルーチン中、上記ステップ１４２の処理によりｘａｃｔｓｔ＝ＯＮの成立が認められた場合は、内燃機関の始動後、一旦はセンサ素子１４が活性判定温度に達したと判断できる。この場合は、次に、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下の値を維持しているか（Ｚ≦Ｚａｃｔ？）が判別される（ステップ１４８）。その結果、Ｚ≦Ｚａｃｔが成立すると判別された場合は、センサ素子１４の活性が維持されていることを表すべく、活性フラグｘａｃｔがＯＮとされる（ステップ１５０）。一方、Ｚ≦Ｚａｃｔの成立が認められないと判別された場合は、何らかの原因でセンサ素子１４が非活性状態になったと判断され、活性フラグｘａｃｔがＯＦＦとされる（ステップ１５２）。
以上説明した通り、図７に示すルーチンによれば、センサ素子１４が初期の特性を示す間は、主として条件Ａの判定により、素子温が現実に活性判定温度に到達した時点の直後において、活性判定を行うことができる。そして、センサ素子１４の劣化が進んだ後においても、遅くとも現実の素子温が（活性判定温度＋ΔＴ）に達した時点で活性判定を行うことができる。このため、本実施形態の装置によれば、何ら学習的な処理に頼ることなく、空燃比センサ１０の暖機時に、センサ素子１４の劣化状態をリアルタイムに判断して、常に迅速に活性判定を完了させることができる。
ところで、上述した実施の形態１においては、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍに基づいて（ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇが成立するか否かに基づいて）判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。例えば、そのような判断は、内燃機関の始動後におけるヒータ２６の通電時間の積算値、内 燃機関の始動後におけるヒータ２６に対する電力量の積算値、或いは、燃料噴射量の積算値に基づいて行うこととしてもよい。このような変形例は、例えば、上記ステップ１３０においてヒータ２６の通電時間、ヒータ２６ に対する電力量、或いは燃料噴射量の積算量を積算し、上記ステップ１４０において「センサ活性判定ヒータ通電時間」、「センサ活性判定電力量積 算値」、或いは「センサ活性判定燃料噴射量積算値」を算出し、また、上記ステップ１４４において、ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇの判定に代えて、（ヒータ通電時間）≧（センサ活性判定ヒータ通電時間）の判定、（ヒータ電力量積算値） ≧（センサ活性判定電力量積算値）、或いは、（燃料噴射量積算値）≧（センサ活性判定燃料噴射量積算値）の判定を行うことにより実現することができる。
また、上述した実施の形態１においては、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍのみに基づいて判断することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かは、（１）吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍがセンサ活性判定吸入空気量積算値に達したか、（２）ヒータ通電時間がセンサ活性判定ヒータ通電時間に達したか否か、（３） 内燃機関の始動後におけるヒータ２６に対する電力量の積算値がセンサ活 性判定電力量積算値に達したか、および、（４）燃料噴射量がセンサ活性判定燃料噴射量積算値に達したか否かのうち、２つ以上の条件の組み合わせから判断することとしてもよい。
また、上述した実施の形態１においては、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇを、始動時冷却水温ＴＷＩに応じて異ならしめることとしているが（図１０参照）、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇは、冷却水温ＴＷＩによらず常に一定の値で代用することとしてもよい（センサ活性判定ヒータ通電時間、センサ活性判定電力量積算値、およびセンサ活性判定燃料噴射量積算値についても同様）。
実施の形態２．
次に、図１１乃至図１３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態の装置は、上述した実施の形態１の装置において、マイクロコンピュータ３４に、上記図７に示すルーチンに代えて、後述する図１１に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
上述した実施の形態１では、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍを、センサ素子１４の受容熱量の代用値として用いることとしている。そして、そこでは、始動時冷却水温ＴＷＩに応じてセンサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇを可変とすることで、その値ＧＡｓｕｍｔｇを、センサ素子１４を現実に活性化させるのに必要な吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍと整合させることとしている。
内燃機関の始動後にセンサ素子１４が受容する熱量は、主としてヒータ２６から発せられた熱量の総和により決せられる。そして、ヒータ２６から発せられる熱量の総和は、ヒータ２６が単位時間当たりに発生する熱量と、ヒータ２６の通電時間とにより決定される。ヒータ２６の単位時間当たりの発熱量は、ヒータ２６に対する印加電圧に応じて変化する。従って、ヒータ通電時間が同じであっても、バッテリ電圧が異なれば、センサ素子１４の受容熱量は異なるものとなる。一方、バッテリ電圧には、バッテリの状態に応じて有意な変化が生ずる。このため、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定するためには、活性判定熱量（ここではＧＡｓｕｍｔｇ）を設定するにあたり、暖機開始時における素子温（ここではＴＷＩ）に加えて、暖機仮定におけるヒータ印加電圧（例えばバッテリ電圧）をも考慮することが有効である。
図１１は、上記の要求に応えるべく本実施形態において実行されるセンサ活性判定ルーチンのフローチャートを示す。図１１に示すルーチンは、ステップ１３０および１４０が、ステップ１６０および１７０に置き換えられている点を除き、図７に示すルーチンと同様である。以下、図１１において、上記図７に示すルーチンと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図１１に示すルーチンでは、ステップ１３０において、吸入空気量積算値算出ルーチンが終了すると、次に、バッテリ電圧なまし値（ＶＢｓｍ）算出ルーチンが実行される（ステップ１６０）。このルーチンでは、内燃機関の始動後、センサ素子１４の暖機が終了するまでのバッテリ電圧ＶＢの平均値をバッテリ電圧なまし値ＶＢｓｍとして算出するための処理が行われる。
図１２は、上記ステップ１６０の処理として実行されるバッテリ電圧なまし値算出ルーチンのフローチャートを示す。このルーチンでは、先ず、内燃機関の始動後、既にヒータ２６の通電が開始されているか否かが判別される（ステップ１６２）。その結果、未だヒータ通電が開始されていないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、ヒータ通電が既に開始されていると判別された場合は、次式に従ってバッテリ電圧ＶＢｓｍが算出される。
ＶＢｓｍ＝（ＶＢｓｍ×６３＋ＶＢ）／６４ ・・・（１）
上記（１）式において、左辺のＶＢｓｍは、今回の処理サイクルで算出された最新のバッテリ電圧なまし値である。一方、右辺のＶＢｓｍは、前回の処理サイクル時に算出されたバッテリ電圧なまし値ＶＢｓｍであり、右辺のＶＢは今回の処理サイクルで検出されたバッテリ電圧ＶＢである。上記（１）式によれば、処理サイクル毎に、最新のバッテリ電圧ＶＢを１／６４の比率で反映させることにより、バッテリ電圧なまし値ＶＢｓｍを最新値に更新することができる。
図１１に示すルーチンにおいて、バッテリ電圧なまし値ルーチンが終了すると、次に、センサ活性判定吸入空気量積算値（ＧＡｓｕｍｔｇ）の算出処理が実行される（ステップ１７０）。本実施形態において、この値ＧＡｓｕｍｔｇは、既述した理由により、始動時冷却水温ＴＷＩとバッテリ電圧なまし値ＶＢｓｍとに基づいて算出される。
図１３は、本実施形態においてマイクロコンピュータ３４が記憶しているＧＡｓｕｍｔｇのマップの一例である。このマップにおいて、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇは、始動時冷却水温ＴＷＩが低いほど、また、バッテリ電圧ＶＢｓｍが低いほど多量となるように定められている。このようなマップによれば、始動時冷却水温ＴＷＩが低くセンサ素子１４の暖機に大きな熱量が必要であるほど、また、バッテリ電圧ＶＢが低くセンサ素子１４の暖機に長いヒータ通電時間が必要であるほど、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇを大きな値に設定することができる。このため、本実施形態の装置によれば、暖機開始時における素子温や暖機過程におけるバッテリ電圧ＶＢの高低に影響されることなく、センサ素子１４が活性温度に達したと判定できる最小のＧＡｓｕｍを常に適正にＧＡｓｕｍｔｇとして設定することができる。
図１１に示すルーチンにおいて、ステップ１７０に次いで実行される処理は、図７に示すルーチン中で実行される処理と同様である（ステップ１４２〜１５２）。これらの処理によれば、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下に低下するか（条件Ａ）、或いは、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍがセンサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇに達するか（条件Ｂ）により、センサ素子１４の活性判定がなされる。そして、本実施形態では、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇにバッテリ電圧ＶＢが反映されているため、条件Ｂに基づく活性判定を、実施の形態１の場合に比して高い精度で行うことができる。このため、本実施形態の装置によれば、実施の形態１の装置と同様の効果が達成できることに加えて、その装置に比して、更に高い精度でセンサ素子１４の活性が判定できるという効果を得ることができる。
ところで、上述した実施の形態２においては、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍに基づいて判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。例えば、そのような判断は、内燃機関の始動後におけるヒータ２６の通電時間の積算値、内燃機関の始動後におけるヒータ２６に対する電力 量の積算値、或いは、燃料噴射量の積算値に基づいて行うこととしてもよい（実施の形態１の変形例参照）。
また、上述した実施の形態２においては、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍのみに基づいて判断することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かは、（１）吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍがセンサ活性判定吸入空気量積算値に達したか、（２）ヒータ通電時間がセンサ活性判定ヒータ通電時間に達したか否か、（３） 内燃機関の始動後におけるヒータ２６に対する電力量の積算値がセンサ活 性判定電力量積算値に達したか、および、（４）燃料噴射量がセンサ活性判定燃料噴射量積算値に達したか否かのうち、２つ以上の条件の組み合わせから判断することとしてもよい。
実施の形態３．
次に、図１４乃至図１６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態の装置は、上述した実施の形態１または２の装置において、マイクロコンピュータ３４に、上記図７または図１１に示すルーチンに代えて、後述する図１４に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
上述した実施の形態１および２では、既述した通り、初期の段階では条件Ａが条件Ｂに先だって成立し、センサ素子１４が公差範囲を外れる程度に劣化すると条件Ａに先だって条件Ｂが成立するような設定が施されている。この場合、条件Ｂが条件Ａより先に成立すれば、センサ素子１４に劣化が生じていることが判断できる。ところで、センサ素子１４に劣化が生じ、素子インピーダンスＺに増加方向のシフトが生ずると、素子温が活性温度（７００℃）に達した時点で素子インピーダンスＺが目標インピーダンスＺｔｇまで低下しない事態が生ずる。この場合、目標インピーダンスＺｔｇが一定であれば、ヒータ２６のフィードバック制御領域においてセンサ素子１４に過熱が生ずることになる。そこで、本実施形態の装置は、条件Ｂが条件Ａに先だって成立したか否かを判別し、その条件が成立する場合には、目標インピーダンスＺｔｇを上昇方向にシフトさせることとした。
図１４は、上記の機能を実現すべく本実施形態においてマイクロコンピュータ３４が実行するセンサ活性判定ルーチンのフローチャートである。図１１に示すルーチンは、ステップ１３０の前にステップ１８０が挿入されている点、および、ステップ１４４および１４６がステップ１９０に置き換えられている点を除き、図７に示すルーチンと同様である。以下、図１４において、上記図７に示すルーチンと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図１４に示すルーチンでは、その起動の直後にイニシャル処理が実行される（ステップ１８０）。イニシャル処理は、具体的には、図１５に示すフローチャートに沿って行われる。ここでは、マイクロコンピュータ３４に接続されているＳＲＡＭ（図示省略）から、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇおよび活性判定学習値Ｚａｃｔｇを読み出す処理（ステップ１８２）、およびそれらの学習値ＺｔｇｇおよびＺａｃｔｇを、それぞれ目標インピーダンスＺｔｇおよび活性判定値Ｚａｃｔに設定する処理（ステップ１８４）が順次行われる。
図１４に示すルーチンでは、また、ステップ１４２の処理により、活性判定終了フラグｘａｃｔｓｔがＯＮでないと判別された場合に、学習制御ルーチンが実行される（ステップ１９０）。学習制御ルーチンは、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇおよび活性判定学習値Ｚａｃｔｇを学習するためのルーチンである。
図１６は、上記ステップ１９０において実行される学習制御ルーチンのフローチャートを示す。図１６に示すルーチンでは、先ず、吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍが、センサ活性判定吸入空気量積算値ＧＡｓｕｍｔｇより少ないか否かが判別される（ステップ１９２）。つまり、ここでは、既述した条件Ｂの成否が判断される。
ＧＡｓｕｍ＜ＧＡｓｕｍの成立（条件Ｂの不成立）が認められた場合は、受容熱量を判断の基礎とする限りはセンサ素子１４の活性が未だ判定できないと判断できる。この場合は、次に、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下となっているか、つまり、条件Ａが成立しているか否かが判別される（ステップ１９４）。
上記ステップ１９４において、Ｚ≦Ｚａｃｔの成立が認められない場合は、素子インピーダンスＺを判断の基礎としても、センサ素子１４の活性は判定できないと判断できる。この場合は、センサ素子１４が非活性状態であると判定された後（ステップ１９６）、学習制御ルーチンが終了される。
一方、上記ステップ１９４において、Ｚ≦Ｚａｃｔの成立が認められた場合は、素子インピーダンスＺを判断の基礎とした場合には、センサ素子１４の活性が判定できると判断できる。つまり、この場合は、条件Ｂに先だって条件Ａが成立したこと、および、センサ素子１４が活性状態に至ったことが判断できる。この場合、先ず、センサ素子１４の活性判定がなされ、活性判定フラグｘａｃｔおよび活性判定終了フラグｘａｃｔｓｔが共にＯＮとされる（ステップ１９８）。
次に、学習補正量Ｚｇが正の値であるか否かが判別される（ステップ２００）。図１６に示すルーチンでは、後述の如く、センサ素子１４の劣化が認められた場合に、活性判定値Ｚａｃｔ（厳密には活性判定学習値）が正方向に補正（インクリメント）される。学習補正量Ｚｇは、その活性判定値Ｚａｃｔの補正量に相当する係数である。従って、Ｚｇ＞０が成立する場合は、活性判定値Ｚａｃｔが初期の値より増加方向に補正されていると判断できる。
ステップ２００の処理は、条件Ｂ（ＧＡｓｕｍ≧ＧＡｓｕｍｔｇ）からはセンサ素子１４の活性が判定できないが、条件Ａ（Ｚ≦Ｚａｃｔ）の成立が認められる状況下で実行される処理である。この場合、仮にＺａｃｔが過剰に大きな値であるとすれば、素子温が活性判定温度に達していないにも関わらずセンサ素子１４の活性が判定されることとなる。そして、学習補正量Ｚｇが正の値である場合には、学習の結果として、活性判定値Ｚａｃｔが過剰な値となっている可能性があると判断できる。このため、上記ステップ２００においてＺｇ＞０の成立が認められた場合は、条件Ａの成立時期を遅らせるべく、学習補正量Ｚｇのデクリメント処理が行われる（ステップ２０２）。尚、このようにして学習補正量Ｚｇがデクリメントされた場合、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇおよび活性判定学習値Ｚａｃｔｇも、同様にデクリメントされるものとする。
これに対して、上記ステップ２００の処理によりＺｇ＞０の成立が認められない場合は、活性判定値Ｚａｃｔが過剰な値に補正されている可能性はないと判断できる。つまり、この場合は、当初の設定通りに、条件Ａが条件Ｂに先だって成立し、その結果、条件Ａの成立を根拠にセンサ素子１４の活性が判定されたに過ぎないと判断できる。この場合は、以後、何ら処理が行われることなく、学習制御ルーチンが終了される。
図１６に示すルーチンにおいて、上記ステップ１９２の処理により、ＧＡｓｕｍ＜ＧＡｓｕｍｔｇが成立しないと判別された場合は、その処理に次いで、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔ以下となっているかが判別される。その結果、Ｚ≦Ｚａｃｔの成立が認められる場合は、条件Ｂおよび条件Ａが何れも成立していると判断できる。この場合は、以後、センサ素子１４の活性判定がなされた後（ステップ２０６）、今回の処理サイクルが終了される。
一方、上記ステップ２０４において、Ｚ≦Ｚａｃｔが成立しないと判別された場合は、センサ素子１４の受容熱量が活性判定熱量に達した（条件Ｂが成立した）と判断された時点で、素子インピーダンスＺが活性判定値Ｚａｃｔにまで低下していない（条件Ａが成立していない）と判断することができる。この場合は、センサ素子１４の劣化に伴い、素子インピーダンスＺが増加側にシフトした可能性が高いと判断され。次に、学習条件が成立しているか否かが判別される（ステップ２０８）。
上記ステップ２０８では、条件Ａに先だって条件Ｂが成立するという現象から、センサ素子１４の劣化を帰結するに足る条件が成立しているか否かが判断される。具体的には、始動時冷却水温ＴＷＩが学習許可温度以下であったか（内燃機関の始動は冷間始動であったか）など、センサ素子１４の暖機環境が、特異な環境でなかったかが判別される。その結果、学習条件の成立が認められないと判別された場合は、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。一方、学習条件の成立が認められた場合は、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇ、活性判定学習値Ｚａｃｔｇ、および学習補正量Ｚｇが、それぞれインクリメントされる（ステップ２１０）。
図１６に示すルーチンによれば、上記ステップ２０２の処理、および上記ステップ２１０の処理により、目標インピーダンス学習値Ｚｔｇｇ、活性判定学習値Ｚａｃｔｇ、および学習補正量Ｚｇが更新される。このようにして更新された値は、既述したＳＲＡＭに書き込まれる。そして、図１４に示すルーチン中、既述したステップ１８０のイニシャル処理では、常に最新の学習値Ｚｔｇｇ、Ｚａｃｔｇが、目標インピーダンスＺｔｇおよび活性判定値Ｚａｃｔにセットされる。このため、本実施形態の装置によれば、センサ素子１４の劣化が進んだ後に、条件Ａの成立が不当に遅延するのを防ぎ、また、ヒータ２６のフィードバック制御領域でセンサ素子１４が過熱するのを防ぐことができる。
ところで、上述した実施の形態３の説明においては、図１６に示すルーチン中、ステップ２１０および２０２の処理により、Ｚｔｇｇ、ＺａｃｔｇおよびＺｇをインクリメントまたはデクリメントすること、つまり、それらの学習値を「１」づつ増減させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、それらのステップ２１０，２０２で学習値を増減させる幅は「１」に限定されるものではなく、その幅は任意の「所定値」であればよい。
また、上述した実施の形態３においては、センサ素子１４の劣化状態に合わせて、目標インピーダンスＺｔｇと共に活性判定値Ｚａｃｔをも学習することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、活性判定値Ｚａｃｔは一定値としたまま、目標インピーダンスＺｔｇのみを学習することとしてもよい。
本発明の内容および効果は、以下のように要約することができる。
すなわち、第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサの制御装置であって、前記排気ガスセンサは活性温度に達することで活性状態となるセンサ素子を備え、前記センサ素子の素子インピーダンスを検出するインピーダンス検出装置と、前記素子インピーダンスが活性判定値にまで低下したか否かを判定するインピーダンス判定装置と、前記センサ素子の受容熱量を推定する受容熱量推定装置と、前記受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する熱量判定装置と、前記インピーダンス判定装置による判定、および前記熱量判定装置による判定の何れかが成立した時点で前記排気ガスセンサの活性判定を行う活性判定装置と、を備えるものである。
また、第２の発明は、第１の発明において、前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、前記熱量判定装置は、前記排気ガスセンサの活性が要求された後のヒータ通電時間が活性判定時間に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定するものである。
また、第３の発明は、第１の発明において、前記排気ガスセンサは、セ ンサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求され る環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、前記熱量判定装 置は、前記排気ガスセンサの活性が要求された後のヒータに対する電力量 の積算値が活性判定電力量積算値に達したか否かに基づいて、前記センサ 素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定するものである。
また、第４の発明は、第１の発明において、前記熱量判定装置は、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量の積算値が活性判定空気量に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定するものである。
また、第５の発明は、第１の発明において、前記熱量判定装置は、内燃機関に対して、その始動後に供給された燃料の積算量が活性判定燃料量に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定するものである。
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、内燃機関の始動時冷却水温を検知する始動時水温検知装置を備え、前記熱量判定装置は、前記始動時冷却水温が低いほど前記活性判定熱量を多量とする活性判定熱量設定装置を含むものである。
また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置と、バッテリ電圧を検知するバッテリ電圧検知装置とを備え、前記受容熱量推定装置は、前記センサ素子の暖機時間と相関を有する暖機期間相関値を検出する暖機期間相関値算出装置を備え、前記熱量判定装置は、前記暖機期間相関値がセンサ活性判定相関値に達した時点で前記受容熱量が前記活性判定熱量に達したと判断する装置と、前記センサ素子の暖機過程におけるバッテリ電圧が低いほど前記センサ活性判定相関値を大きな値に設定する判定値設定装置とを備えるものである。
また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、当該ヒータ駆動装置は、前記素子インピーダンスが目標インピーダンスとなるように前記ヒータをフィードバック制御するフィードバック制御装置を含み、前記センサ素子の受容熱量に対して前記素子インピーダンスが過大であると判断される場合に、前記センサ素子の劣化を判定する劣化判定装置と、前記センサ素子の劣化が判定された場合に、前記目標インピーダンスを増大方向に補正する目標インピーダンス補正装置と、を備えるものである。
また、第９の発明は、第１乃至第８の発明の何れかにおいて、前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、当該ヒータ駆動装置は、前記素子インピーダンスが目標インピーダンスとなるように前記ヒータをフィードバック制御するフィードバック制御装置を含み、前記センサ素子の受容熱量に対して前記素子インピーダンスが過大であると判断される場合に、前記センサ素子の劣化を判定する劣化判定装置と、前記センサ素子の劣化が判定された場合に、前記活性判定値を増大方向に補正する活性判定値補正装置と、を備えるものである。
また、第１０の発明は、第８または第９の発明において、前記インピーダンス判定装置により判定される条件と、前記受容熱量推定装置により判定される条件とは、前記センサ素子が初期のインピーダンスを示す場合には、前者の条件が後者の条件に比して早期に成立するように設定されており、前記劣化判定装置は、後者の条件が前者の条件より早期に成立した場合に、前記素子インピーダンスが前記受容熱量に対して過大であると判断するものである。
また、第１１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサの制御装置であって、前記排気ガスセンサは活性温度に達することで活性状態となるセンサ素子を備え、前記センサ素子の素子インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記素子インピーダンスが活性判定値にまで低下したか否かを判定するインピーダンス判定手段と、前記センサ素子の受容熱量を推定する受容熱量推定手段と、前記受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する熱量判定手段と、前記インピーダンス判定手段による判定、および前記熱量判定手段による判定の何れかが成立した時点で前記排気ガスセンサの活性判定を行う活性判定手段と、を備えるものである。
第１または第１１の発明によれば、素子インピーダンスが活性判定値にまで低下するか、或いは、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達した時点で排気ガスセンサの活性を判定することができる。つまり、センサ素子の劣化に伴って素子インピーダンスが活性判定値に低下する時点に遅れが生じても、センサ素子の受容熱量に基づく判定により、センサ素子の活性判定を遅滞なく行うことができる。このように、本発明によれば、活性判定値の学習に頼ることなく、センサ素子の活性判定を常に迅速に行うことができる。
第２の発明によれば、ヒータ通電時間が活性判定時間に達したか否かに基づいて、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定することができる。
第３の発明によれば、ヒータに対する電力量の積算値が活性判定電力量積算値に達したか否かに基づいて、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定することができる。
第４の発明によれば、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量の積算値が活性判定空気量に達したか否かに基づいて、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定することができる。
第５の発明によれば、内燃機関に供給された燃料の積算量が活性判定燃料量に達したか否かに基づいて、センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを精度良く判定することができる。
第６の発明によれば、内燃機関の始動時冷却水温が低いほど活性判定熱量を多量とすることができる。排気ガスセンサが活性状態となるのに必要な熱量は、始動時冷却水温が低く、暖機開始時点のセンサ素子温が低いほど多量となる。本発明によれば、そのような暖機開始時の環境を考慮することで、センサ素子の受容熱量に関する活性判定の精度を高めることができる。
第７の発明によれば、ヒータを用いたセンサ素子の暖機が行われる期間がセンサ活性判定相関値に相当する値となった時点で受容熱量が活性判定熱量に達したと判断することができる。そして、ここでは、センサ素子の暖機過程におけるバッテリ電圧が低いほどセンサ活性判定相関値を大きな値とすることができる。ヒータの発する熱量は、バッテリ電圧が低いほど小さくなる。そして、センサ素子の活性化には、ヒータの発する熱量が小さいほど長い期間が必要となる。本発明によれば、バッテリ電圧が低く、ヒータの発する熱量が少量となる状況下では、センサ活性判定相関値が大きな値とされるため、バッテリ電圧の高低に関わらず、受容熱量を基礎とする活性判定を常に正確に行うことができる。
第８の発明によれば、センサ素子の受容熱量が十分に多量であるにも関わらず、素子インピーダンスが過大な値を維持している場合に、センサ素子が劣化していると判断することができる。そして、その劣化が判定された際には、目標インピーダンスを増大方向に補正することにより、ヒータのフィードバック制御により、センサ素子が適正に活性温度に制御される状況を作り出すことができる。
第９の発明によれば、センサ素子の受容熱量が十分に多量であるにも関わらず、素子インピーダンスが過大な値を維持している場合に、センサ素子が劣化していると判断することができる。そして、その劣化が判定された際には、活性判定値を増大方向に補正することにより、素子インピーダンスに基づく活性判定が適正に行われる状況を作り出すことができる。このため、本発明によれば、センサ素子の劣化に伴う活性判定の遅れを防ぐことができる。
第１０の発明によれば、センサ素子が初期のインピーダンスを示す状況下では、素子インピーダンスに基づく条件判定により活性判定を行うことができる。そして、センサ素子の劣化が進み、センサ素子の受容熱量に基づく判定により活性判定がなされる状況に至った時点で素子インピーダンスが過大であり、センサ素子に劣化が生じていると判断することができる。このように、本発明によれば、迅速な活性判定を可能とするための条件判定の結果を利用することにより、新たな条件判定を行うことなく素子インピーダンスの劣化の有無を精度良く判断することができる。
尚、上述した実施の形態１においては、マイクロコンピュータ３４が素子インピーダンスを検出することにより前記第１の発明における「インピーダンス検出装置」または前記第１１の発明における「インピーダンス検出手段」が、上記ステップ１４４において条件Ａの成否を判定することにより前記第１の発明における「インピーダンス判定装置」または前記第１１の発明におけるインピーダンス判定手段」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「受容熱量推定装置」または前記第１１の発明における受容熱量推定手段」が、上記ステップ１４４において条件Ｂの成否を判定することにより前記第１の発明における「熱量判定装置」または前記第１１の発明における「熱量判定手段」が、上記ステップ１４６の処理を実行することにより前記第１の発明における「活性判定装置」または前記第１１の発明における活性判定手段」が、それぞれ実現されている。また、上述した実施の形態１においては、ヒータ制御回路３８が前記第２または第３の発明における「ヒータ駆動装置」に相当していると共に、マイクロコンピュータ３４が上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第６の発明における「始動時水温検知装置」が実現されている。
また、上述した実施の形態２においては、ヒータ制御回路３８が前記第７の発明における「ヒータ駆動装置」に相当していると共に、マイクロコンピュータ３４が、上記ステップ１６０の処理を実行することにより前記第７の発明における「バッテリ電圧検知装置」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第７の発明における「暖機期間相関値算出装置」が、上記ステップ１４４において条件Ｂによる判定を行うことにより前記第７の発明における「前記受容熱量が前記活性判定熱量に達したと判断する装置」が、上記ステップ１７０の処理を実行することにより前記第７の発明における「判定値設定装置」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態３においては、ヒータ制御回路３８が前記第８または第９の発明における「ヒータ駆動装置」に相当していると共に、マイクロコンピュータ３４が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記第８または第９の発明における「フィードバック制御装置」が、上記ステップ１９２および２０４の処理を実行することにより前記第８または第９の発明における「劣化判定装置」が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより前記第８の発明における「目標インピーダンス補正装置」または第９の発明における「活性判定値補正装置」が、それぞれ実現されている。
Claims (11)
- 内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサの制御装置であって、
前記排気ガスセンサは活性温度に達することで活性状態となるセンサ素子を備え、
前記センサ素子の素子インピーダンスを検出するインピーダンス検出装置と、
前記素子インピーダンスが活性判定値にまで低下したか否かを判定するインピーダンス判定装置と、
前記センサ素子の受容熱量を推定する受容熱量推定装置と、
前記受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する熱量判定装置と、
前記インピーダンス判定装置による判定、および前記熱量判定装置による判定の何れかが成立した時点で前記排気ガスセンサの活性判定を行う活性判定装置と、
を備える排気ガスセンサの制御装置。 - 前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、
前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、
前記熱量判定装置は、前記排気ガスセンサの活性が要求された後のヒータ通電時間が活性判定時間に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する請求項１記載の排気ガスセンサの制御装置。 - 前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、
前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、
前記熱量判定装置は、前記排気ガスセンサの活性が要求された後のヒータに対する電力量の積算値が活性判定電力量積算値に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する請求項１記載の排気ガスセンサの制御装置。 - 前記熱量判定装置は、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量の積算値が活性判定空気量に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する請求項１記載の排気ガスセンサの制御装置。
- 前記熱量判定装置は、内燃機関に対して、その始動後に供給された燃料の積算量が活性判定燃料量に達したか否かに基づいて、前記センサ素子の受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する請求項１記載の排気ガスセンサの制御装置。
- 内燃機関の始動時冷却水温を検知する始動時水温検知装置を備え、
前記熱量判定装置は、前記始動時冷却水温が低いほど前記活性判定熱量を多量とする活性判定熱量設定装置を含む請求項１乃至５の何れか１項記載の排気ガスセンサの制御装置。 - 前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、
前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置と、
バッテリ電圧を検知するバッテリ電圧検知装置とを備え、
前記受容熱量推定装置は、前記センサ素子の暖機時間と相関を有する暖機期間相関値を検出する暖機期間相関値算出装置を備え、
前記熱量判定装置は、前記暖機期間相関値がセンサ活性判定相関値に達した時点で前記受容熱量が前記活性判定熱量に達したと判断する装置と、前記センサ素子の暖機過程におけるバッテリ電圧が低いほど前記センサ活性判定相関値を大きな値に設定する判定値設定装置とを備える請求項１乃至６の何れか１項記載の排気ガスセンサの制御装置。 - 前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、
前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、
当該ヒータ駆動装置は、前記素子インピーダンスが目標インピーダンスとなるように前記ヒータをフィードバック制御するフィードバック制御装置を含み、
前記センサ素子の受容熱量に対して前記素子インピーダンスが過大であると判断される場合に、前記センサ素子の劣化を判定する劣化判定装置と、
前記センサ素子の劣化が判定された場合に、前記目標インピーダンスを増大方向に補正する目標インピーダンス補正装置と、
を備える請求項１乃至７の何れか１項記載の排気ガスセンサの制御装置。 - 前記排気ガスセンサは、センサ素子を過熱するヒータを備え、
前記排気ガスセンサの活性が要求される環境下で前記ヒータを駆動するヒータ駆動装置を備え、
当該ヒータ駆動装置は、前記素子インピーダンスが目標インピーダンスとなるように前記ヒータをフィードバック制御するフィードバック制御装置を含み、
前記センサ素子の受容熱量に対して前記素子インピーダンスが過大であると判断される場合に、前記センサ素子の劣化を判定する劣化判定装置と、
前記センサ素子の劣化が判定された場合に、前記活性判定値を増大方向に補正する活性判定値補正装置と、
を備える請求項１乃至８の何れか１項記載の排気ガスセンサの制御装置。 - 前記インピーダンス判定装置により判定される条件と、前記受容熱量推定装置により判定される条件とは、前記センサ素子が初期のインピーダンスを示す場合には、前者の条件が後者の条件に比して早期に成立するように設定されており、
前記劣化判定装置は、後者の条件が前者の条件より早期に成立した場合に、前記素子インピーダンスが前記受容熱量に対して過大であると判断する請求項８または９記載の排気ガスセンサの制御装置。 - 内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサの制御装置であって、
前記排気ガスセンサは活性温度に達することで活性状態となるセンサ素子を備え、
前記センサ素子の素子インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記素子インピーダンスが活性判定値にまで低下したか否かを判定するインピーダンス判定手段と、
前記センサ素子の受容熱量を推定する受容熱量推定手段と、
前記受容熱量が活性判定熱量に達したか否かを判定する熱量判定手段と、
前記インピーダンス判定手段による判定、および前記熱量判定手段による判定の何れかが成立した時点で前記排気ガスセンサの活性判定を行う活性判定手段と、
を備える排気ガスセンサの制御装置。
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