JP2018004332A - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度の検出精度を確保しつつ、センサ素子の温度上昇を抑制することができるガスセンサ制御装置を提供する。【解決手段】ガスセンサ制御装置４０は、一対の電極２５，２６に電圧を印加した状態で、内燃機関の排気中の酸素濃度に応じた限界電流を出力する一方で、センサ素子２０の素子抵抗値とセンサ素子２０の温度との相関を用い、素子抵抗値を目標値にフィードバック制御することで、センサ素子２０における素子温度制御を実施する。ガスセンサ制御装置４０は、センサ素子２０の劣化度合が所定レベル以下であることを判定する劣化判定部と、センサ素子２０の劣化度合が所定レベル以下であると判定された場合に、センサ素子２０の劣化に伴い縮小される限界電流域の幅を所定範囲内としつつ、目標値を、センサ素子２０の劣化度合に基づいて大きくする側に変更する目標設定部と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車等の内燃機関に用いられるガスセンサ制御装置に関するものである。

従来、自動車に使用されるセンサとして、排気中の酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ等が知られている。Ａ／Ｆセンサは、センサ素子を流れる電流の大きさが排気中の酸素濃度に応じて変化することを利用して、酸素濃度の検出、ひいては排気の空燃比を検出するものである。空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムにて用いられ、空燃比をストイキ（理論空燃比）近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御等が実現される。

空燃比の検出には、センサ素子が有する電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性が利用される。すなわち、Ｖ−Ｉ特性の限界電流域における素子電流の値が、排気の空燃比の増減に伴って増減することを利用して、排気の空燃比の算出の際には、限界電流域で電圧を印加し、センサ素子に流れる電流を検出する。

また、センサ素子は、空燃比の検出に際して活性状態となるように、ヒータによって加熱されている。ヒータによる加熱は、ヒータへの通電量によって制御されている。ヒータへの通電量は、素子抵抗値とセンサ素子の活性化温度に対応する抵抗である目標値との偏差をなくすように制御されている。すなわち、素子抵抗フィードバック制御が実施される。

ここで、センサ素子が劣化すると、素子抵抗は増大する。その結果、Ｖ−Ｉ特性の抵抗支配域の傾きが小さくなり、限界電流域に変化が生じる。かかる場合、空燃比の検出に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、従来の技術では、素子抵抗フィードバック制御において、目標とする素子抵抗値を一定にすることで、限界電流域の電圧幅の変化を防ぎ、空燃比の検出精度を維持している（例えば、特許文献１）。

特開平９−２９２３６４号公報

しかしながら、センサ素子の劣化が進行した状況下において、素子抵抗フィードバック制御での目標値を一定にして制御を行う場合には、センサ素子の温度が上昇してしまうことが懸念される。そして、素子温度の上昇により、センサ素子の劣化がさらに促進され、センサの寿命が短くなるおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、酸素濃度の検出精度を確保しつつ、センサ素子の温度上昇を抑制することができるガスセンサ制御装置を提供することを主目的とする。

本発明は、固体電解質層と一対の電極とを有する限界電流式のセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサに適用され、前記一対の電極に電圧を印加した状態で、内燃機関の排気中の酸素濃度に応じた限界電流を出力する一方で、前記センサ素子の素子抵抗値と前記センサ素子の温度との相関を用い、素子抵抗値を目標値にフィードバック制御することで、前記センサ素子における素子温度制御を実施するガスセンサ制御装置であって、前記センサ素子の劣化度合が所定レベル以下であることを判定する劣化判定部と、前記センサ素子の劣化度合が前記所定レベル以下であると判定された場合に、前記センサ素子の劣化に伴い縮小される限界電流域の幅を所定範囲内としつつ、前記目標値を、前記センサ素子の劣化度合に基づいて大きくする側に変更する目標設定部と、を備えることを特徴とする。

限界電流式のガスセンサにおいては、センサ素子の劣化に伴い素子抵抗値の増加が生じることが考えられ、素子抵抗値が増加している状況下で、素子抵抗値の目標値を一定にしてフィードバック制御を行う場合には、素子温度の上昇が懸念される。また、素子抵抗値が増加している状況下では、ガスセンサのＶ−Ｉ特性（限界電流特性）における抵抗支配域の傾きが小さくなるため、限界電流域が狭くなることが考えられる。

具体的には、ガスセンサのＶ−Ｉ特性において、限界電流域の高電圧側の境界電圧（すなわち水分解域との境界電圧）は、素子劣化が生じても概ね不変であるのに対し、低電圧側の境界電圧（すなわち抵抗支配域との境界電圧）は、センサ素子の劣化に伴い高電圧側に変化する。そのため、素子抵抗値が増加している状況下では限界電流域が狭くなる。

この点、上記構成では、センサ素子の劣化度合が所定レベル以下である場合において、限界電流域の幅を所定範囲内としつつ、目標値を、センサ素子の劣化度合に基づいて大きくする側に変更するようにした。かかる場合、限界電流域の幅が確保されつつ、目標値が変更されるため、限界電流域を用いた酸素濃度の検出が可能である。一方、素子抵抗値の目標値が大きくする側に変更されることで、フィードバック制御下で、センサ素子が劣化した場合に生じるセンサ素子の温度上昇を抑制することができる。これにより、酸素濃度の検出精度を確保しつつ、センサ素子の温度上昇を抑制することができる。

センサ素子を示す構成図。 センサ制御回路の電気的構成を示す構成図。 センサ素子のＶ−Ｉ特性を示す図。 センサ素子の等価回路を示す図。 センサ素子の劣化時のＶ−Ｉ特性を示す図。 素子抵抗値の対数値と素子温度との関係を示す図。 素子抵抗値の対数値と素子温度との関係を示す図。 目標値設定の処理手順を示すフローチャート。 ヒータデューティ値と直流抵抗Ｒｉとの関係を示す図。 ΔＺａｃとΔＶＰとの関係を示す図。 目標値Ｚａｃｔｇの推移を説明するための説明図。 素子温度と時間との関係を示す図。 第２実施形態における目標値設定の処理手順を示すフローチャート。 目標値Ｚａｃｔｇの推移を説明するための説明図。 目標値Ｚａｃｔｇの推移を説明するための説明図。

（第１実施形態）
以下、本実施形態に係る制御システムを図面に従って説明する。本実施形態は、車両に搭載されるエンジンにより排出される排気を被検出ガスとし、同排気中の酸素濃度（空燃比：Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサの制御システムを具体化している。

まず、Ａ／Ｆセンサ１０の構成について図１を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサ１０は積層型構造のセンサ素子２０を有している。図１はそのセンサ素子２０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子２０は図１の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。センサ素子２０は、固体電解質層２１、拡散抵抗層２２、遮蔽層２３及び絶縁層２４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層２１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層２１を挟んで上下一対の電極２５，２６が対向配置されている。拡散抵抗層２２は電極２５へ排気を導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層２３は排気の透過を抑制するための緻密層からなる。拡散抵抗層２２には、電極２５を囲むようにして排気チャンバ２７が設けられている。

絶縁層２４はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、電極２６に対面する部位には大気ダクト２８が形成されている。また、同絶縁層２４にはヒータ２９が埋設されている。ヒータ２９は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。そして、センサ素子２０が活性状態を保つように、ヒータ２９への通電量がデューティ制御されている。

上記構成のセンサ素子２０において、その周囲の排気は拡散抵抗層２２の側方部位から導入された後、拡散抵抗層２２内を経由して排気チャンバ２７に流れ込み、電極２５に達する。排気がリーンの場合、排気中の酸素が電極２５で分解され、電極２６より大気ダクト２８に排出される。また、排気がリッチの場合、逆に大気ダクト２８内の酸素が電極２６で分解され、電極２５側に排出される。

次に、センサ制御回路３０の具体的な構成について図２を用いて説明する。センサ制御回路３０は、マイコン４０と検出回路部とを有している。検出回路部は、センサ素子２０に流れる素子電流ＩＬ、及びセンサ素子２０のインピーダンスＺａｃを検出し、その検出結果をマイコン４０に対して出力する。マイコン４０は、ＣＰＵ、各種メモリ等を備える周知の論理演算回路にて構成されている。また、マイコン４０は、素子電流ＩＬの検出結果に基づいて排気の空燃比を把握し、空燃比フィードバック制御等を適宜実施する他、インピーダンスＺａｃの検出結果に基づいてヒータ２９の通電制御を実施する。

センサ制御回路３０において、センサ素子２０の正側端子にはオペアンプ４１及び電流検出抵抗４２を介して基準電圧電源４３が接続され、同センサ素子２０の負側端子には印加電圧制御回路４４が接続されている。この場合、電流検出抵抗４２の一端のＡ点は基準電圧Ｖｆ（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流は電流検出抵抗４２を介して流れ、素子電流に応じてＢ点の電圧が変化する。例えば排気がリーンの場合、センサ素子２０においてＳ＋端子からＳ−端子に電流が流れるためＢ点電圧が上昇し、リッチの場合、Ｓ−端子からＳ＋端子に電流が流れるためＢ点電圧が低下する。

印加電圧制御回路４４では、基本構成として、Ｂ点電圧をモニタするとともにその電圧値に応じてセンサ素子２０に印加すべき電圧を決定し、Ｓ−側の電圧を制御する。また、電流検出抵抗４２の両端のＡ点及びＢ点には増幅回路が接続されており、その増幅回路の出力であるＡ／Ｆ出力電圧がマイコン４０のＡ／Ｄ入力端子に取り込まれる。

また、インピーダンスＺａｃの検出時には、所定周波数の交流信号が、基準電圧電源４３と合成されてインピーダンス検出回路４５に対して出力される。この場合、Ｂ点電圧は基準電圧電源４３を中心に交流変化する。そして、インピーダンス検出回路４５では、交流信号の振幅を検出するとともに、その振幅に相当する信号をインピーダンス検出信号として出力する。なおこの場合、マイコン４０では、交流電圧の変化量と交流電流の変化量とからインピーダンスＺａｃが算出される。

ここで、Ａ／Ｆ値の検出には、図３に示す電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）が利用される。図３では、センサ素子２０の印加電圧ＶＰを横軸に示し、素子電流ＩＬを縦軸に示している。図３の特性線において、横軸である電圧軸に平行な直線部分（フラット部分）は限界電流としての素子電流ＩＬを特定する限界電流域である。限界電流域での素子電流ＩＬの増減は、空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流ＩＬは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流ＩＬは減少する。なお、限界電流域の低電圧側には、センサ素子２０の直流抵抗Ｒｉを比例係数とする抵抗支配域があり、限界電流域の高電圧側には、排気中の水が分解される水分解域がある。すなわち、限界電流域は、抵抗支配域との境界電圧と、水分解域との境界電圧との間の電圧範囲として定められている。

ここで、図４の等価回路を用いて、センサ素子２０の素子抵抗について説明する。固体電解質層２１は、固体電解質層２１の粒子内の抵抗であるバルク抵抗Ｒ１と、粒子間の抵抗である粒界抵抗Ｒ２とを有している。一方、固体電解質層２１と電極２５，２６との境界面である電極界面は、電極界面の物質の通過を妨げる界面抵抗Ｒ３を有している。また、Ｃ２は固体電解質層２１の粒子間の静電容量（粒界容量）であり、Ｃ３は固体電解質層２１と電極２５，２６との間の静電容量（界面容量）である。すなわち、センサ素子２０の等価回路は、バルク抵抗Ｒ１と、粒界抵抗Ｒ２及び粒界容量Ｃ２の並列接続体と、界面抵抗Ｒ３及び界面容量Ｃ３の並列接続体とを、直列接続したものとして表すことができる。なお、インピーダンスＺａｃは、固体電解質層２１の抵抗分、すなわちバルク抵抗Ｒ１と粒界抵抗Ｒ２の合計に近似した値を示している。また、直流抵抗Ｒｉは、バルク抵抗Ｒ１と、粒界抵抗Ｒ２と、界面抵抗Ｒ３との合計を示している。なお、低周波数（例えば、０．１Ｈｚ）の交流電圧を印加した場合のセンサ素子２０の素子抵抗値は、直流抵抗Ｒｉと近似した値となる。

なお、直流抵抗Ｒｉは、周知の方法で取得される。例えば、エンジン停止後に低周波数（例えば、０．１Ｈｚ）で電圧を印加して、その印加電圧に応じて検出される電流値とその電圧値とに基づいて、直流抵抗Ｒｉを取得することができる。また、その他の方法として、素子電流ＩＬが検出されない状況下（例えば、０．２Ｖ）における電圧値と電流値との関係から直流抵抗Ｒｉを取得することも可能である。

ところで、空燃比の検出に際しては、センサ素子２０が活性状態となるようにセンサ素子２０はヒータ２９によって加熱されている。ヒータ２９の通電は、インピーダンスＺａｃとセンサ素子２０の活性化温度に対応するインピーダンスである目標値Ｚａｃｔｇとの偏差をなくすように制御されている。つまり、素子抵抗フィードバック制御が行われている。

従来の素子抵抗フィードバック制御では、目標値Ｚａｃｔｇを一定にして制御している。しかしながら、かかる場合には、センサ素子２０の劣化に伴って素子抵抗値が増大することにより、素子温度が上昇する。その結果、センサ素子２０の劣化をさらに促進させてしまうおそれがある。そこで、マイコン４０における制御では、センサ素子２０の劣化度合に基づいて、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更することとした。具体的には、センサ素子２０が劣化した場合であっても、素子温度がセンサ素子２０を活性化する目標温度で一定となるか、又はその目標温度から所定内の温度となるように、目標値Ｚａｃｔｇを変更する。

図５には、センサ素子２０が劣化した際のＶ−Ｉ特性を示す。図５中、初期の状態のＶ−Ｉ特性を実線で、劣化した状態のＶ−Ｉ特性を破線で示している。センサ素子２０が劣化した場合、直流抵抗Ｒｉ、すなわちセンサ素子２０の素子抵抗値の増大に伴って、抵抗支配域における一次直線の傾きは小さくなる。かかる場合、限界電流域の低電圧側の境界点ＶＡは、高電圧方向のＶＡ１にシフトするのに対し、限界電流域の高電圧側の境界点ＶＢの位置は、センサ素子の劣化によっても概ね変化しない。その結果、センサ素子２０の劣化に伴って、限界電流域における横軸に平行な直線部分の幅は狭くなる。

ここで、本実施形態における制御によって、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更する場合には、目標値Ｚａｃｔｇの増大に伴って直流抵抗Ｒｉは大きくなる。その結果、Ｖ−Ｉ特性における限界電流域の電圧幅が狭くなることとなる。そしてこの場合、空燃比検出の精度が低下してしまうことが懸念される。

そこで、本実施形態では、限界電流域の幅を所定範囲内としつつ、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更するようにしている。すなわち、限界電流域の幅を所定以上とすることにより、空燃比の検出が可能な限界電流域の幅を確保しつつ、目標値Ｚａｃｔｇを大きくして素子温度の上昇を抑制する。目標値Ｚａｃｔｇの設定において、センサ素子２０の素子温度と空燃比検出の精度とはトレードオフの関係にあり、本実施形態では、両者のバランスを考慮しつつ、素子抵抗フィードバック制御における目標値Ｚａｃｔｇを設定する。

ここで、目標値Ｚａｃｔｇの設定について詳しく説明する。図６及び図７は、横軸を素子温度、縦軸を素子抵抗値の対数値として、これら両者の関係を示す図である。図６では、電解質抵抗と電極反応抵抗とを含む全抵抗（直流抵抗Ｒｉ）と、電解質抵抗（インピーダンスＺａｃ）とについて、初期特性と劣化特性とが示されている。この場合、劣化状態では、初期状態と比べて各抵抗の対数値が増加している。また、センサ素子２０において活性化に必要な活性化エネルギは劣化の有無にかかわらず不変であるため、素子温度に対する各抵抗の対数値の傾きは劣化前後で同じになっている。図６では、各抵抗の対数値は、素子温度に対して一次関数として表されている。なお、目標抵抗値を一定にして素子抵抗フィードバック制御が実施される場合には、劣化に伴い素子温度が初期の目標温度Ｔ０からＴ１にシフトする。

また、直流抵抗Ｒｉが過大になると、Ｖ−Ｉ特性における抵抗支配域の傾きが過小になり、限界電流域が過度に狭くなる。そのため、空燃比の検出精度に悪影響が及ぶことが懸念される。そのため、図６では、全抵抗において劣化許容の上限値として劣化許容値が定められ、さらに、全抵抗の劣化許容値に基づいて、電解質抵抗の劣化許容値が定められている。

そして、本実施形態では、素子温度と素子抵抗値の対数値との相関において目標値Ｚａｃｔｇを大きくしても素子温度が一定であるようにして、センサ素子２０の劣化度合に応じて、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更する。つまり本実施形態では、センサ素子２０の劣化度合として素子抵抗値の対数値を用いて、目標値Ｚａｃｔｇを設定することとしている。目標値Ｚａｃｔｇの設定手順を図７を用いて説明する。図７では、初期状態として、素子温度と素子抵抗値の対数値との相関が特性線Ｌ０で表され、その特性線Ｌ０上において、目標温度Ｔ０に対応するＺａｃ０が初期の目標値Ｚａｃｔｇとして定められている。そして、センサ素子２０が劣化すると、特性線がＬ０からＬ１にシフトする。この場合、目標値ＺａｃｔｇをＺａｃ０にしたままでフィードバック制御を実施すると、素子温度が初期の目標温度Ｔ０からＴ１に上昇するが、本実施形態では、特性線Ｌ１上で新たな目標値Ｚａｃｔｇを設定することとしている。具体的には、素子温度を目標温度Ｔ０のまま維持し、その上で目標値ＺａｃｔｇをＺａｃ０からＺａｃ１に変更する。

図７において、「ＺａｃＨ」は、電解質抵抗の劣化許容値に相当する値であって、素子抵抗値がＺａｃＨ以下で制限されることにより、Ｖ−Ｉ特性における限界電流域が所定範囲内となり、限界電流域が過度に狭くなることが抑制されている。この場合、素子抵抗値がＺａｃＨ以下であることにより、センサ素子２０の劣化度合が所定レベル以下であることが判定されるようになっている。そして、素子抵抗値がＺａｃＨ以下である状態において、素子温度の上昇を抑制しつつ多段階で目標値Ｚａｃｔｇの増加側への変更を実施する。

具体的には、フィードバック制御を実施している状態でのヒータ通電量（例えばデューティ値）を取得し、目標値Ｚａｃｔｇを一定にした状態下でヒータ通電量が所定値よりも大きくなる都度、目標値Ｚａｃｔｇを、センサ素子２０の劣化度合に基づいて大きくする側に変更する。この場合、ヒータ通電量が所定値よりも大きくなることは、Ｚａｃｔｇを一定とした状態下において、素子劣化に伴い徐々に素子温度が上昇していることを意味し、その素子温度の上昇を抑制すべく、Ｚａｃｔｇを大きくする側に更新する。これは、センサ素子２０の劣化度合に基づいて、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更する処理に相当する。

また本実施形態では、素子抵抗値がＺａｃＨ以下であれば、すなわちセンサ素子２０の劣化度合が所定レベル以内であれば、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更する一方で、素子抵抗値がＺａｃＨよりも大きくなれば、すなわち劣化度合が所定レベルを超えれば、目標値Ｚａｃｔｇを所定の上限値に維持するようにしている。つまり、素子抵抗値がＺａｃＨに達するまでは素子温度の上昇を抑制しつつヒータ制御を実施し、素子抵抗値がＺａｃＨに達すると素子温度の上昇を許容しつつヒータ制御を実施する。

次に、目標値Ｚａｃｔｇの設定処理について、図８のフローチャートを用いて説明する。本処理は、マイコン４０により所定周期で繰り返し実施される。

図８において、まずステップＳ１１では、エンジンが停止しているか否かを判定する。ステップＳ１１がＹＥＳであればステップＳ１２へ進み、ＮＯであればそのまま本処理を終了する。ステップＳ１２では、素子抵抗値であるインピーダンスＺａｃを算出する。インピーダンスＺａｃの算出に際しては、周知のインピーダンス検出法を用いることができる。具体的には、所定の交流周波数（例えば、５ｋＨｚ）でセンサ素子２０の印加電圧ＶＰを一時的に変化させ、それに応答して変化する電流値Ｉを検出する。そして、その電流値Ｉに基づいて、インピーダンスＺａｃを算出する。

続いて、ステップＳ１３では、センサ素子２０の温度上昇を示すパラメータとして、例えばヒータ２９の通電量（デューティ値）を取得する。ヒータ２９のデューティ値は、素子抵抗フィードバック制御下において、ヒータ２９の通電量が安定している状態から算出される。図９には、ヒータ２９のデューティ値と直流抵抗Ｒｉとの関係を示す。図９では、直流抵抗Ｒｉが大きくなるにつれて、デューティ値が大きくなる。これは、センサ素子２０の劣化の進行に伴って素子温度が高くなり、その結果ヒータ２９の通電量が大きくなるためである。つまり、ヒータ２９のデューティ値はセンサ素子２０の温度上昇を示すパラメータとなっている。

ステップＳ１４では、デューティ値が所定の閾値Ｄｔｈよりも大きいか否かを判定する。なお、閾値Ｄｔｈは、センサ素子２０の温度上昇が判定できる値であればよく、例えば現時点の目標値Ｚａｃｔｇでフィードバック制御が実施される状況下での基準デューティ値に基づいて設定される。そして、ステップＳ１４がＮＯである場合、目標値Ｚａｃｔｇを変更する必要がないとして、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、目標値Ｚａｃｔｇを現時点の設定のままに維持して、本処理を終了する。

ステップＳ１４がＹＥＳであればステップＳ１６へ進み、素子温度が予め定めた上限温度に達しているか否かを判定する。つまり、素子抵抗フィードバック制御を実施している状況下で、目標値Ｚａｃｔｇを一定にし、その上で素子温度の上昇を許容している場合には、素子劣化に伴いデューティ値が徐々に増加し、それに応じて素子温度が上昇する。これを想定して、ステップＳ１６では、デューティ値が、素子上限温度に対応する所定の上限閾値Ｄｈよりも小さいか否かを判定する。ここで、ステップＳ１６がＮＯであればステップＳ２２へ進む。ステップＳ２２では、センサ素子２０が異常であると判定し、所定のダイアグ処理を実行する。例えば、ダイアグデータの保存や、ダイアグランプの点灯、警報装置の作動を実行する。

一方、ステップＳ１６がＹＥＳであればステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では、センサ素子２０の劣化度合に基づいて、素子抵抗フィードバック制御における新たな目標値Ｚａｃｔｇを算出する。図７の説明で示すとおり、目標値Ｚａｃｔｇの算出に際しては、素子抵抗値の対数値と素子温度との相関関係を利用している。ここでは、劣化度合に応じて、素子温度を一定とした状態で目標値Ｚａｃｔｇを大きくし、新たな目標値ＺａｃｔｇとしてＺａｃｘを算出する。

続いて、ステップＳ１８では、センサ素子２０の劣化度合が所定レベル以下であるか否かを判定する。具体的には、算出された新たな目標値Ｚａｃｔｇが、電解質抵抗の劣化許容値ＺａｃＨよりも小さいか否かを判定する。Ｚａｃｘが劣化許容値ＺａｃＨよりも小さければ（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、ステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９では、Ｚａｃｘを新たな目標値Ｚａｃｔｇに設定する。かかる場合、次回のドライブサイクル時における素子抵抗フィードバック制御は、Ｚａｃｘを目標値Ｚａｃｔｇとして実施される。

一方、ステップＳ１８がＮＯであればステップＳ２１へ進み、目標値Ｚａｃｔｇを劣化許容値ＺａｃＨに設定する。すなわち、センサ素子２０の劣化度合が所定レベルを超えた場合は、目標値Ｚａｃｔｇを劣化許容値ＺａｃＨに維持することで、空燃比検出における検出精度を担保している。劣化許容値ＺａｃＨは、限界電流域の電圧幅によって定められる全抵抗の劣化許容値に基づいて定められる。

続いて、ステップＳ２０では、目標値Ｚａｃｔｇの変更量に応じて限界電流域の印加電圧ＶＰの補正を実行する。具体的には、限界電流域の低電圧側の境界点が高電圧方向にシフトすることに合わせて、印加電圧ＶＰを高電圧側に補正する。ここで、目標値Ｚａｃｔｇの変化量ΔＺａｃと補正量ΔＶＰとは、例えば図１０に示すような相関関係を有する。図１０より、変化量ΔＺａｃが大きいほど、補正量ΔＶＰは大きい値として算出される。なお、補正後の電圧値は、限界電流域のシフト後の低電圧側の境界点と、高電圧側の境界点との中間点となるように設定されるとよい。

図１１は、センサ素子２０の劣化度合に基づく目標値Ｚａｃｔｇの設定を説明するための説明図である。図１１では、センサ素子２０の初期状態での素子温度と素子抵抗値の対数値との相関を特性線Ｌ０で表している。特性線Ｌ０は、センサ素子２０の劣化が進むにつれて、Ｌ０→Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３→Ｌ４へとシフトしていく。図１１では、目標温度Ｔ０を維持しつつ、目標値Ｚａｃｔｇを変更する構成について例示する。

まず、センサ素子２０の初期状態では、目標温度Ｔ０に対応するＺａｃ０を目標値Ｚａｃｔｇとして、素子抵抗フィードバック制御が行われる。その後、特性線Ｌ１の状態になると、目標値Ｚａｃｔｇが、特性線Ｌ１上で素子温度が目標温度Ｔ０のままとなるＰ１のＺａｃ１に変更される。また、特性線Ｌ２の状態になると、目標値Ｚａｃｔｇが、特性線Ｌ２上で素子温度が目標温度Ｔ０のままとなるＰ２のＺａｃ２に変更される。Ｚａｃ１への変更、Ｚａｃ２への変更は、ヒータデューティ値が閾値Ｄｔｈよりも大きくなったことに基づいて実施される。なお、Ｚａｃ１及びＺａｃ２はともに、劣化許容値ＺａｃＨよりも小さい値である。

その後、センサ素子２０の劣化がさらに進行し、特性線Ｌ３の状態になると、Ｐ３ＡのＺａｃ３Ａは、劣化許容値ＺａｃＨよりも大きい値となる。この場合、目標値Ｚａｃｔｇを劣化許容値であるＺａｃＨに変更する。これによって、センサ素子２０の素子温度は、Ｔ０からＴ３へ上昇する。そして、さらに劣化が進んだ特性線Ｌ４の状態では、目標値ＺａｃｔｇをＺａｃＨに維持する。かかる場合、センサ素子２０の素子温度は、Ｔ３からＴ４に上昇する。

図１２には、素子抵抗フィードバック制御におけるセンサ素子２０の素子温度と時間との関係を示す。図１２に示すように、従来制御では、時間の経過に伴って素子温度が顕著に上昇していくのに対し、本実施形態における制御では、素子温度の温度上昇を抑制することができる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

限界電流式のＡ／Ｆセンサ１０においては、センサ素子２０の劣化に伴い素子抵抗値の増加が生じることが考えられ、素子抵抗値が増加している状況下で、素子抵抗値の目標値Ｚａｃｔｇを一定にしてフィードバック制御を行う場合には、素子温度の上昇が懸念される。また、素子抵抗値が増加している状況下では、Ａ／Ｆセンサ１０のＶ−Ｉ特性における抵抗支配域の傾きが小さくなるため、限界電流域が狭くなることが考えられる。

この点を考慮し、センサ素子２０の劣化度合が所定レベル以下である場合において、限界電流域の幅を所定範囲内としつつ、目標値Ｚａｃｔｇを、センサ素子２０の劣化度合に基づいて大きくする側に変更するようにした。かかる場合、限界電流域の幅が確保されつつ、目標値Ｚａｃｔｇが変更されるため、限界電流域を用いた酸素濃度の検出が可能である。一方、素子抵抗値の目標値Ｚａｃｔｇが大きくする側に変更されることで、フィードバック制御下で、センサ素子２０が劣化した場合に生じるセンサ素子２０の温度上昇を抑制することができる。これにより、酸素濃度の検出精度を確保しつつ、センサ素子２０の温度上昇を抑制することができる。

具体的には、素子抵抗値と素子温度との相関に基づいて、素子温度を一定又は所定の範囲内となるように、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更した。これにより、センサ素子２０の温度上昇をできる限り抑えることができる。

素子抵抗フィードバック制御を実施している状態でのヒータ通電量を取得し、目標値Ｚａｃｔｇを一定にした状態下でヒータ通電量が所定値よりも大きくなる都度、目標値Ｚａｃｔｇを、センサ素子２０の劣化度合に基づいて大きくする側に変更する構成とした。この場合、ヒータ通電量により素子温度の上昇を監視することで、その素子温度が過剰に上昇しないようにしつつ適正に目標値Ｚａｃｔｇを更新することができる。

また、センサ素子２０の劣化度合が所定レベル以下であれば、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更し、所定レベルを超えれば、目標値Ｚａｃｔｇを劣化許容値ＺａｃＨに維持するようにした。劣化度合が所定レベルを超えた場合であっても、目標値として所定の上限値を維持することで、限界電流域の幅は確保される。これにより、酸素濃度の検出精度を確保することができる。

さらに、センサ素子２０の劣化が一層進行したことに基づいて、劣化限界に達しているかを判定する異常判定部を設けた。この場合、劣化が深刻に進んだ状況下で、Ａ／Ｆセンサ１０の更なる使用を防ぐことができる。これにより、適正な状態のセンサ素子２０を用いて、フィードバック制御等を行うことができる。

インピーダンスＺａｃの対数値は、素子温度との関係において所定の相関を有し、例えば素子温度に対して一次関数として表すことができる。この点を考慮し、インピーダンスＺａｃの対数値を求め、その対数値と素子温度との相関に基づいて、目標値Ｚａｃｔｇを設定するようにした。この場合、センサ素子２０の都度の劣化度合に則して素子抵抗値と素子温度との関係を容易に求めることができる。これにより、素子温度を所定温度にするための素子抵抗値の目標値Ｚａｃｔｇを適正に求めることができる。

目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更することで、Ｖ−Ｉ特性における限界電流域の電圧幅は狭くなる。排気の酸素濃度を精度よく検出するためには、限界電流域で安定して電圧を印加する必要がある。この点を考慮し、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に設定した場合に、その変更量に応じて印加電圧の値を大きくするようにした。かかる場合、限界電流域の電圧幅の変動に合わせて、センサ素子２０に印加する電圧値を補正することができ、酸素濃度の検出を精度よく行うことができる。

（第２実施形態）
以下に、第２実施形態について第１実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、センサ素子２０の劣化度合が所定レベルよりも劣化度合の小さい所定の中間レベルに達したことを判定するとともに、センサ素子２０の劣化度合が中間レベルに達したと判定された場合に、素子温度の想定温度を上昇させるべくフィードバック制御のゲインを大きくすることとしている。

本実施形態における目標値Ｚａｃｔｇの設定処理を、図１３のフローチャートを用いて説明する。本処理は、図８の処理に置き換えて、マイコン４０により所定周期で繰り返し実施される。なお、図８と同じステップについては同じステップ番号を付すとともに説明を簡略する。

図１３では、ステップＳ１１〜Ｓ１６を経て、ステップＳ１７において、センサ素子２０の劣化度合に基づいてＺａｃｘを算出する。そして、続くステップＳ３１では、センサ素子２０の劣化度合を示すＺａｃｘが、電解質抵抗の劣化許容値ＺａｃＨよりも小さい値として定められている中間値ＺａｃＭよりも小さいか否かを判定する。このとき、センサ素子２０の劣化度合が所定の中間レベルに達したか否かが判定される。Ｚａｃｘが中間値ＺａｃＭよりも小さければ（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、ステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９では、その時のＺａｃｘを新たな目標値Ｚａｃｔｇに設定する。

また、Ｚａｃｘが中間値ＺａｃＭ以上であれば（ステップＳ３１：ＮＯ）、ステップＳ３２へ進む。ステップＳ３２では、Ｚａｃｘ≧ＺａｃＭとなってから初回の処理であるか否かを判定し、ＹＥＳであればステップＳ３３に進み、フィードバックゲインを大きくする側に変更する。このとき、例えば比例項ゲインがアップされる。フィードバックゲインを大きくすることで、仮に素子抵抗偏差が同じであっても、ヒータデューティ値が大きくなり、その分素子温度の上昇が見込まれる。なお、ここでの温度上昇は例えば２０〜５０℃程度であるとよい。

その後、ステップＳ１８では、Ｚａｃｘが、電解質抵抗の劣化許容値ＺａｃＨよりも小さいか否かを判定する。このとき、センサ素子２０の劣化度合が所定レベル以下であるか否かが判定される。ＺａｃｘがＺａｃＨよりも小さければ（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、ステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９では、その時のＺａｃｘを新たな目標値Ｚａｃｔｇに設定する。

また、ステップＳ１８がＮＯであればステップＳ２１へ進み、目標値Ｚａｃｔｇを劣化許容値ＺａｃＨに設定する。その後、ステップＳ２０では、目標値Ｚａｃｔｇの変更量に応じて限界電流域の印加電圧ＶＰの補正を実行する。

図１４は、センサ素子２０の劣化度合に基づく目標値Ｚａｃｔｇの設定を説明するための説明図である。図１４では、上述の図１１と同様、センサ素子２０の初期状態での素子温度と素子抵抗値の対数値との相関を特性線Ｌ０で表し、その特性線Ｌ０が、センサ素子２０の劣化に伴いＬ０→Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３→Ｌ４へとシフトするものとしている。

図１４において、センサ素子２０の劣化に伴い、特性線がＬ０→Ｌ１→Ｌ２にシフトした後、さらに中間値ＺａｃＭを超えて特性線Ｌ３の状態になると、素子温度の想定温度がＴ０からＴ５に変更される。この場合、フィードバックゲインを変更することにより、素子温度をＴ５とした上で、素子抵抗フィードバック制御が継続される。そして、センサ素子２０のさらなる劣化に応じて、すなわち特性線がＬ３→Ｌ４→…にシフトするのに応じて、目標値Ｚａｃｔｇの更新が行われる。目標値Ｚａｃｔｇは、ＺａｃｘがＺａｃＨに達するまで多段階で実施される。

以上本実施形態では、センサ素子２０の劣化度合を判定する判定閾値として、中間値ＺａｃＭと劣化許容値ＺａｃＨとを用い、センサ素子２０の劣化度合が中間値ＺａｃＭに達した際に、フィードバックゲインを大きくして素子温度の想定温度を上昇させるようにした。この場合、素子温度の上昇を制限しつつ、素子抵抗値を適正に制御することができる。したがって、上記同様、酸素濃度の検出精度を確保することができる。

本発明は上記実施形態に限らず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記実施形態では、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする場合に、素子温度が一定となるようにして目標値Ｚａｃｔｇを算出した。この点、素子温度の上昇が所定以内となるようにして、目標値Ｚａｃｔｇを算出してもよい。例えば、素子温度の温度上昇と素子抵抗値の対数値とが所定の相関となるように、目標値Ｚａｃｔｇを算出する構成であってもよい。図１５には、かかる場合における目標値Ｚａｃｔｇの推移を示す。

図１５では、図１１と同様にセンサ素子２０の劣化度合に応じた特性線Ｌ０〜Ｌ４を示す。なお、図１３では、上述の図１１とは異なり、劣化の進行に伴い素子温度を所定以内で上昇させつつ、目標値Ｚａｃｔｇを大きくする側に変更している。センサ素子２０の初期状態では、Ｚａｃ０を目標値Ｚａｃｔｇとして、素子抵抗フィードバック制御が行われる。その後、特性線Ｌ１の状態になると、目標値Ｚａｃｔｇを、特性線Ｌ１上であって、かつ素子温度が目標温度Ｔ０から所定温度上昇したＴ１ｘとなるＺａｃ１ｘに変更する。かかる場合、素子温度は、例えば一次関数からなる特性線ＬＸに沿って変更され、Ｔ０からＴ１ｘに上昇する。また、特性線Ｌ２の状態になると、目標値Ｚａｃｔｇを、特性線Ｌ２上であって、かつ素子温度がＴ１ｘから所定温度上昇したＴ２ｘとなるＺａｃ２ｘに変更する。かかる場合、素子温度はＴ１ｘからＴ２ｘに上昇する。その後、特性線Ｌ３の状態になると、目標値Ｚａｃｔｇを劣化許容値であるＺａｃＨに変更する。これに伴って、素子温度はＴ２ｘからＴ３ｘに上昇する。そして、特性線Ｌ４の状態では、目標値ＺａｃｔｇをＺａｃＨに維持する。この構成によれば、センサ素子２０の温度上昇を許容しつつも、従来の一定制御に比べて温度上昇の上昇幅を小さくすることができる。これにより、センサ素子２０の温度上昇を抑制することができる。

・上記実施形態では、エンジン停止時に目標値Ｚａｃｔｇの設定処理を実施する構成としたが、センサ素子２０の劣化度合が判断できる状態であれば、特に限定されない。例えば、エンジン始動直後に本処理を実施する設定であってもよい。なお、この構成によれば、目標値Ｚａｃｔｇを新たに設定した場合には、目標値Ｚａｃｔｇはそのドライブサイクル時の素子抵抗フィードバック制御に直ちに用いられる。

・上記実施形態では、目標値Ｚａｃｔｇを、素子抵抗値の対数値と素子温度との相関を用いることで算出した。この点、センサ素子２０の劣化度合いに基づいて、目標値Ｚａｃｔｇを算出できる構成であれば特に制限されない。目標値Ｚａｃｔｇは、例えば、ヒータ２９のデューティ値に応じて予め設定されたマップを用いて取得される。

・上記第２実施形態において、センサ素子２０の劣化度合を判定する中間レベルを複数設定してもよい。この場合、センサ素子２０の劣化度合が中間レベル１に達した時に、素子温度の上昇を見込んでフィードバックゲインを大きくするとともに、その後、センサ素子２０の劣化度合が中間レベル２に達した時に、再び素子温度の上昇を見込んでフィードバックゲインを大きくするとよい。

・ガスセンサは、上記実施形態のＡ／Ｆセンサ１０以外に、起電力セルとポンプセルとを備える、いわゆる２セル構造のガスセンサであってもよい。また、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサであってもよい。さらに、センサ素子２０として、積層型構造のもの以外に、コップ型構造のものを用いることも可能である。

１０…Ａ／Ｆセンサ、２０…センサ素子、２１…固体電解質層、２５，２６…電極、２９…ヒータ、４０…マイコン。

Claims (8)

1. 固体電解質層（２１）と一対の電極（２５，２６）とを有する限界電流式のセンサ素子（２０）と、前記センサ素子を加熱するヒータ（２９）とを備えるガスセンサ（１０）に適用され、
   前記一対の電極に電圧を印加した状態で、内燃機関の排気中の酸素濃度に応じた限界電流信号を出力する一方で、前記センサ素子の素子抵抗値と前記センサ素子の温度との相関を用い、素子抵抗値を目標値にフィードバック制御することで、前記センサ素子における素子温度制御を実施するガスセンサ制御装置（４０）であって、
   前記センサ素子の劣化度合が所定レベル以下であることを判定する劣化判定部と、
   前記センサ素子の劣化度合が前記所定レベル以下であると判定された場合に、前記センサ素子の劣化に伴い縮小される限界電流域の幅を所定範囲内としつつ、前記目標値を、前記センサ素子の劣化度合に基づいて大きくする側に変更する目標設定部と、
   を備えるガスセンサ制御装置。
2. 前記目標設定部は、前記目標値の変更に際し、前記素子抵抗値と前記素子温度との相関において、前記目標値を大きくしても前記素子温度が一定であるか、又は前記素子温度の上昇が所定以内であるようにして前記目標値を大きくする側に変更する請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記フィードバック制御を実施している状態での前記ヒータの通電量を取得する通電量取得部を備え、
   前記目標設定部は、前記目標値を一定にした状態下で前記通電量が所定値よりも大きくなる都度、前記目標値を、前記センサ素子の劣化度合に基づいて大きくする側に変更する請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記目標設定部は、前記センサ素子の劣化度合が前記所定レベル以下であると判定された場合に、前記目標値を大きくする側に変更し、前記センサ素子の劣化度合が前記所定レベルを超えたと判定された場合に、前記目標値を所定の上限値に維持する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記目標設定部により前記目標値が前記上限値に維持された状態下で、前記センサ素子の劣化度合がさらに進行したことに基づいて、前記センサ素子が劣化限界に達している旨を判定する異常判定部を備える請求項４に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記センサ素子の劣化度合が前記所定レベルよりも劣化度合の小さい所定の中間レベルに達したことを判定する第２判定部と、
   前記センサ素子の劣化度合が前記中間レベルに達したと判定された場合に、前記素子温度の想定温度を上昇させるべく前記フィードバック制御のゲインを大きくするゲイン変更部と、
   を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記一対の電極に対して所定周波数の交流電圧を印加することに伴い、前記素子抵抗値として、前記固体電解質層の抵抗値である電解質抵抗値を算出する抵抗算出部と、
   前記電解質抵抗値の対数値を、前記劣化度合として算出する劣化度合算出部と、
   を備え、
   前記目標設定部は、前記対数値と前記素子温度との相関に基づいて、前記目標値を設定する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記目標設定部により前記目標値を大きくする側に設定された場合に、前記目標値の変更量に応じて、前記センサ素子に印加する電圧を大きくする側に補正する電圧補正部を備える請求項１乃至７のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。

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