JP6155949B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関するものである。

例えば車両用エンジンでは、同エンジンから排出される排気を検出対象として酸素濃度を検出する起電力出力型のガスセンサが一般に用いられている。このガスセンサは、排気がリッチかリーンかで異なる起電力信号を出力する起電力セルを有するものであり、具体的には、空燃比がリッチであれば約０．９Ｖの起電力信号を出力し、空燃比がリーンであれば約０Ｖの起電力信号を出力する。

こうしたガスセンサでは、排気の空燃比がリッチ／リーンで変化する際に実際の空燃比変化に対してセンサ出力が遅れを伴い変化することが問題視されており、その出力特性を改善すべく種々の技術が提案されている。

例えば特許文献１のガスセンサ制御装置では、一対のセンサ電極の少なくともいずれかに定電流回路を接続する構成とし、ガスセンサの出力特性を変更する変更要求が有ると判定された場合に、その変更要求に基づいて定電流の向きを決定するとともに、該決定した向きで定電流が流れるように定電流回路を制御するようにしている。そして、その定電流の供給により、ガスセンサの出力特性を好適に制御するようにしている。

特開２０１２−６３３４５号公報

ところで、ガスセンサの検出値を用いた空燃比制御はエンジンの排気エミッションの低減に大いに貢献するものであり、ガスセンサに異常が生じた場合にはエミッション低減を図る上で多大な影響が及ぶことになる。また、ガスセンサ自身が正常であっても、その起電力セルに対して定電流が正常に流れなくなると、やはり排気エミッションに影響が及ぶことが懸念される。この点、定電流回路においても異常の発生を正しく判定することが望ましい。

本発明は、ガスセンサに定電流を流す定電流回路について異常の発生を適正に検出し、ひいてはガスセンサ出力に対する信頼性を高め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たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明は、内燃機関（１０）の排気部（１４）に設けられ、排気中のリーン成分であるＮＯｘとリッチ成分とを浄化する触媒（１５ａ）と、前記触媒の中間部分又は該触媒の下流側に設けられ、該触媒による浄化後の排気を検出対象としてガス成分を検出するガスセンサ（１７）と、を備え、前記ガスセンサが、固体電解質体（３２）と一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、前記排気の空燃比に応じた起電力信号を出力するガスセンサである内燃機関の排気浄化装置に適用されるガスセンサ制御装置である。そして、前記起電力セルにおいて前記一対の電極間に所定の定電流を流す通電実施手段（４３）と、前記起電力セルに流れる実電流の電流量を検出する電流検出手段（４５，４６）と、前記通電実施手段により前記定電流を流している場合に、前記電流検出手段により検出される電流量に基づいて前記通電実施手段の異常の有無を判定する異常判定手段（４１）と、を備えることを特徴とする。

上記構成では、ガスセンサ自身が正常であっても、その起電力セルに対して定電流が正常に流れなくなると、排気エミッションに影響が及ぶことが懸念されることに着眼し、通電実施手段（定電流回路）における異常の発生を適正に判定できる構成とした。これにより、触媒下流側に流出する排気、すなわち触媒での浄化後における排気を検出対象とするガスセンサについてそのセンサ出力に対する信頼性を高めることができる。特に、通電実施手段（定電流回路）に異常が発生した場合には排気エミッションへの影響を極力抑えるべく、早期に異常発生が把握されることが望ましいと言える。この点、通電実施手段により流れる実際の電流量を監視してその実電流量に基づいて異常判定を実施する構成によれば、内燃機関の運転状態等によらず常時の異常判定が可能であり、実用上において望ましい構成を実現できる。

エンジン制御システムの全体を示す概略構成図。 センサ素子の断面構成とセンサ制御部の概略構成とを示す図。 空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。 第１触媒の浄化特性とＯ2センサの出力特性とを示す図。 第１触媒の浄化特性とＯ2センサの出力特性とを示す図。 センサ素子におけるガス成分の反応を説明するための概略図。 定電流制御の処理手順を示すフローチャート。 定電流回路の指示電流量を設定するための関係図。 定電流回路の異常判定の処理手順を示すフローチャート。 第１触媒の下流側におけるＮＯｘとＨＣとの排出量について検証結果を示す図。 センサ制御部の構成を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、車載エンジン（内燃機関）の排気管に設けられたガスセンサを用い、そのガスセンサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施するエンジン制御システムについて説明する。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。図１は、本システムの全体概要を示す構成図である。

図１において、エンジン１０は、例えばガソリンエンジンであり、電子制御式のスロットルバルブ１１や、燃料噴射弁１２、点火装置１３等を備えている。エンジン１０の排気管１４（排気部）には排気浄化装置としての触媒１５ａ，１５ｂが設けられている。触媒１５ａ，１５ｂは、例えばいずれも三元触媒よりなり、そのうち触媒１５ａが上流側触媒としての第１触媒、触媒１５ｂが下流側触媒としての第２触媒である。三元触媒は、周知のとおり排気の有害三成分であるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（ＮＯ等の窒素酸化物）を浄化するものであり、ハニカム状、格子状等をなすセラミックス製の担体に白金、パラジウム、ロジウム等の金属を担持させることで構成されている。この場合、三元触媒ではリッチ成分であるＣＯ、ＨＣが酸化作用により浄化され、リーン成分であるＮＯｘが還元作用により浄化される。

第１触媒１５ａの上流側にはＡ／Ｆセンサ１６が設けられ、触媒１５ａ，１５ｂの間（第１触媒１５ａの下流側でかつ第２触媒１５ｂの上流側）にはＯ2センサ１７が設けられている。Ａ／Ｆセンサ１６は、排気の空燃比に略比例するＡ／Ｆ信号を出力する。また、Ｏ2センサ１７は、排気の空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力する。

その他、本システムには、スロットルバルブ１１の開度を検出するスロットル開度センサ２１や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ２２、エンジン１０の吸入空気量を検出する空気量センサ２３、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２４等の各種センサが設けられている。図示は省略するが、上記以外に、気筒内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサ、アクセル開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ、エンジン潤滑油の温度を検出する油温センサ等が設けられている。これらの各センサが運転状態検出手段に相当する。

ＥＣＵ２５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（マイコン）を主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ２５は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁１２や点火装置１３の駆動を制御する。

特に燃料噴射量制御に関して、ＥＣＵ２５は、第１触媒上流側のＡ／Ｆセンサ１６の検出信号と、第１触媒下流側のＯ2センサ１７の検出信号とに基づいて空燃比フィードバック制御を実施することとしている。すなわち、ＥＣＵ２５は、Ａ／Ｆセンサ１６により検出される実空燃比（触媒上流側の実空燃比）が、エンジン運転状態に基づいて設定される目標空燃比になるようにメインフィードバック制御を実施するとともに、Ｏ2センサ１７により検出される実空燃比（触媒下流側の実空燃比）が、目標空燃比になるようにサブフィードバック制御を実施する。サブフィードバック制御では、例えば、触媒下流側の実空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、メインフィードバック制御の目標空燃比を修正したり同メインフィードバック制御のフィードバック補正量を修正したりする。空燃比制御として、ＥＣＵ２５は、例えば目標空燃比をストイキ（理論空燃比）とするストイキフィードバック制御を実施する。

次に、第１触媒下流側のＯ2センサ１７についてその構成を説明する。Ｏ2センサ１７はコップ型構造のセンサ素子３１を有しており、図２にはセンサ素子３１の断面構成を示す。実際には当該センサ素子３１は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おり、エンジン排気管内に配設されている。センサ素子３１が起電力セルに相当する。

センサ素子３１において、固体電解質層３２は断面コップ状に形成されており、その外表面には排気側電極３３が設けられ、内表面には大気側電極３４が設けられている。これら各電極３３，３４は固体電解質層３２の表面に層状に設けられている。固体電解質層３２は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる。また、各電極３３，３４は共に白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。各電極３３，３４が一対の対向電極（センサ電極）となっている。固体電解質層３２にて囲まれる内部空間は大気室３５（基準室）となっており、その大気室３５内にはヒータ３６が収容されている。ヒータ３６は、センサ素子３１を活性化するに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子全体が加熱される。Ｏ2センサ１７の活性温度は、例えば５００〜６５０℃程度である。なお、大気室３５は、大気が導入されることでその内部が所定酸素濃度に保持されている。

上記センサ素子３１では、固体電解質層３２の外側（電極３３側）が排気雰囲気、同内側（電極３４側）が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極３３，３４間で起電力が発生する。つまり、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力が発生する。この場合、基準側電極である大気側電極３４からすれば、排気側電極３３の側は酸素が低濃度であり、センサ素子３１において大気側電極３４を正側、排気側電極３３を負側として起電力が発生する。これにより、Ｏ2センサ１７は、排ガスの酸素濃度（すなわち空燃比）に応じた起電力信号を出力する。

図３は、排気の空燃比とセンサ素子３１の起電力との関係を示す起電力特性図である。図３において、横軸は空気過剰率λであり、λ＝１がストイキ（理論空燃比）である。センサ素子３１は、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、ストイキ付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、リッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、リーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。

図２において、センサ素子３１にはセンサ制御部４０が接続されており、排気の空燃比（酸素濃度）に応じてセンサ素子３１にて起電力が発生すると、その起電力に相当するセンサ検出信号（起電力信号）がセンサ制御部４０内のマイコン４１に対して出力される。マイコン４１はセンサ素子３１の起電力信号に基づいて空燃比を算出する。センサ制御部４０は、図１に示すＥＣＵ２５内に設けられている。なお、ＥＣＵ２５においては、エンジン制御機能とセンサ制御機能とを有する演算手段としてマイコン４１が設けられている。この場合、マイコン４１は、上述した各種センサの検出結果に基づいて、エンジン回転速度や吸入空気量を算出する。ただし、ＥＣＵ２５において、エンジン制御用のマイコンとセンサ制御用のマイコンとが別々に設けられる構成であってもよい。

また、マイコン４１は、センサ素子３１の活性状態の判定を行うとともに、その判定結果に基づき、駆動部４２を通じてヒータ３６の駆動を制御する。その活性判定及びヒータ制御については周知であるため、ここでは簡単に説明する。マイコン４１は、センサ素子３１に印加する電圧又は電流を交流的に変化させ、それに応じて生じる電流変化又は電圧変化を検出する。そして、その電流変化又は電圧変化に基づいてセンサ素子３１の素子抵抗（素子インピーダンス）を算出するとともに、その素子抵抗に基づいてヒータ３６の通電制御を実施する。このとき、センサ素子３１の活性状態（すなわち素子温）と素子抵抗とには相関があり、素子抵抗が所定の目標値に制御されることで、センサ素子３１が所望の活性状態（活性温度５００〜６５０℃となる状態）に維持される。ヒータ制御として、例えば素子温フィードバック制御が実施されるとよい。

ところで、エンジン１０の運転時には、排気の実空燃比が逐次変化し、例えばリッチとリーンとで繰り返し変化することがある。こうした実空燃比の変化に際し、Ｏ2センサ１７の出力とリーン成分であるＮＯｘの存在との関係において対応のずれがあると、それに起因して都度のエミッション性能に影響が及ぶことが懸念される。例えば、エンジン１０の高負荷運転時（車両加速時）において排気中のＮＯｘ量が意図よりも増えてしまう等が生じる。

本実施形態では特に、起電力出力型のＯ2センサ１７の出力特性と、その上流側に設けられる第１触媒１５ａの排気浄化特性との関係に基づいてＯ2センサ１７の検出態様を変更するようにしており、その詳細な構成について以下に説明する。図４は、三元触媒である第１触媒１５ａの浄化特性とＯ2センサ１７の出力特性とを示す図であり、具体的には、
・第１触媒１５ａにおいて排気の有害三成分であるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘの浄化率と空燃比との関係、
・触媒下流側における上記三成分のガス濃度及び酸素濃度と空燃比との関係、
・Ｏ2センサ１７の排気側電極３３の表面付近における上記三成分のガス濃度及び酸素濃度と空燃比との関係、
・Ｏ2センサ１７の起電力出力と空燃比との関係、
をそれぞれ示している。

第１触媒１５ａ（三元触媒）は、周知のとおりストイキ（空気過剰率λ＝１）となる付近で上記三成分の浄化率がいずれも高くなる浄化ウィンドウを有している。また、触媒下流側における上記三成分及び酸素の濃度を見ると、ストイキ付近において、リッチ成分（ＣＯ，ＨＣ）の濃度と酸素濃度とが等しくなる反応平衡点Ａ１が存在する一方、触媒下流にＮＯｘ（ＮＯ）が流出し始めるＮＯｘ流出点Ａ２が存在することが分かる。この場合、ＮＯｘ流出点Ａ２の方が反応平衡点Ａ１よりもリッチ側にあり、これら両者の間にはΔＡの隔たりが有るのが分かる。つまり、第１触媒１５ａは、その浄化特性として、リッチ成分及び酸素の平衡点となる反応平衡点Ａ１（第１空燃比点に相当）よりもリッチ側に、ＮＯｘが流出し始めるＮＯｘ流出点Ａ２（第２空燃比点に相当）を有している。反応平衡点Ａ１はリッチ成分及び酸素の平衡特性における変曲点であり、ＮＯｘ流出点Ａ２はＮＯｘの流出濃度特性における変曲点であるとも言える。

こうしてＡ１点、Ａ２点のずれが生じる理由としては以下が考えられる。エンジン運転中においてＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2を含む排気が第１触媒１５ａに導入される場合には、第１触媒１５ａからＣＯ、ＨＣに加えてＮＯｘが同時に流出されることがあると考えられる。例えば三元触媒の浄化ウィンドウの領域にあっても、詳細に見れば多少なりともＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘが流出する。この場合、Ｏ2は、ＣＯ、ＨＣとの平衡がとられながら流出する（ＣＯ、ＨＣの濃度≒０で流出し始める）のに対し、ＮＯｘは、ＣＯ、ＨＣの反応とは別に触媒下流側に流出するため、Ａ１点、Ａ２点のずれが生じる。

また、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近における上記三成分及び酸素の濃度は、触媒下流側と同様になっている。この場合、Ａ１よりもリッチ側では、酸素に対してリッチ成分（ＣＯ，ＨＣ）が多く存在し、Ａ１よりもリーン側ではリッチ成分に対して酸素が多く存在する。したがって、Ｏ2センサ１７の起電力出力について言えば、第１触媒１５ａの反応平衡点Ａ１を境にして、リッチ信号（０．９Ｖ）及びリーン信号（０Ｖ）のいずれかの起電力信号が出力される。この場合、Ｏ2センサ１７におけるリッチ成分及び酸素の反応平衡点が、第１触媒１５ａにおける反応平衡点Ａ１に一致していると言える。また、ＮＯｘは、Ａ１よりもリッチ側においても存在するものとなっている。

Ｏ2センサ１７の排気側電極付近においては、排気中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘについて下記の反応式に基づく酸化反応及び還元反応が生じる。
ＣＯ＋０．５Ｏ2→ＣＯ2 …（１）
ＣＨ4＋２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ …（２）
ＣＯ＋ＮＯ→ＣＯ2＋０．５Ｎ2 …（３）
また、上記（１）〜（３）の化学反応の平衡定数をそれぞれｋ１，ｋ２，ｋ３とすると、ｋ１，ｋ２＞＞ｋ３の関係となっている。

この場合、Ｏ2センサ１７では、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2等のガス反応によって平衡点（起電力出力＝０．４５Ｖの点）が決定される。ただし、平衡定数の違いにより、ＣＯ、ＨＣとＯ2との反応が排気側電極３３の主反応となっている。

そして、第１触媒１５ａの排気浄化特性において上記の隔たりΔＡが存在しており、さらにそのΔＡがＯ2センサ１７の出力特性に影響を及ぼしていることで、第１触媒１５ａからＮＯｘの流出が生じてもＯ2センサ１７の出力自体はそのＮＯｘ流出に対応したものでなくなる。これにより、ＮＯｘ流出を把握できず、結果としてＮＯｘ排出量が増えてしまうことが懸念される。

そこで本実施形態では、Ｏ2センサ１７のセンサ素子３１において一対の電極３３，３４の間に所定の電流を流し、それによりＯ2センサ１７の排気側電極付近においてリッチ成分の濃度を減らすとともに酸素濃度を増やすようにしている。つまり、図５に示すように、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を、Ａ１からＡ３に変更するようにしている。図５では、図４との比較において、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるＣＯ、ＨＣ、Ｏ2の濃度特性がいずれもリッチ側にシフトしている。これにより、Ｏ2センサ１７の出力特性が変更され、第１触媒１５ａからＮＯｘが流出する場合においてＯ2センサ１７の出力をＮＯｘ流出に対応させたものにすることができる。

一対の電極３３，３４の間に電流を流すことでセンサ出力特性が変更される原理は以下のとおりである。図６に示すように、Ｏ2センサ１７の排気側電極３３の付近には、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2がそれぞれ存在しており、その状況下で、固体電解質層３２を通じて大気側電極３４から排気側電極３３に酸素イオンが移動するように、センサ素子３１に電流を流す。すなわち、センサ素子３１において酸素ポンピングを実施する。この場合、排気側電極３３では、固体電解質層３２を通じて排気側電極３３の側に移動した酸素がＣＯ、ＨＣと反応し、ＣＯ2やＨ2Ｏが生成される。これにより、排気側電極３３の付近におけるＣＯ、ＨＣが除去され、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点がリッチ側にシフトする。

次に、Ｏ2センサ１７に関する制御を実施するセンサ制御部４０の構成を説明する。センサ制御部４０の構成は図２に示すとおりであり、センサ制御部４０は、制御手段としてのマイコン４１を備えている。マイコン４１はセンサ素子３１から出力される起電力信号をＡ／Ｄ変換器等を介して取り込み、その起電力信号に基づいて排気の空燃比（特に触媒下流の空燃比）を算出する。また、センサ素子３１の大気側電極３４とマイコン４１とを電気的に接続する電気経路の途中には通電実施手段としての定電流回路４３が接続されており、その定電流回路４３は、センサ素子３１が起電力を発生する際に、そのセンサ素子３１に所定の定電流を流すものとなっている。

定電流回路４３は、センサ素子３１において固体電解質層３２を通じて排気側電極３３から大気側電極３４に向けて定電流Ｉｃｓを流すことを可能とするものである。また、定電流回路４３はＰＷＭ駆動部を有しており、ＰＷＭ制御（デューティ制御）による電流量の調整が可能となっている。マイコン４１は、都度の通電要求に基づいて定電流回路４３の定電流量（通電量）を設定し、その定電流量で定電流Ｉｃｓが流れるよう定電流回路４３を制御する。

本実施形態では、第１触媒１５ａにおける、酸素流出に関する反応平衡点Ａ１と、ＮＯｘ流出に関するＮＯｘ流出点Ａ２とのずれに基づいて定電流の制御を行うこととしており、特にＯ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点がＮＯｘ流出点Ａ２又はその付近になるように定電流の制御を行うこととしている。これにより、第１触媒１５ａの浄化特性を基準にしてＯ2センサ１７の出力特性が変更されることになり、第１触媒１５ａからＮＯｘが流出する際には、その当初からＯ2センサ１７においてリーン信号が出力されるようになる。

ここで、ＮＯｘの排出抑制を図るべくそのロバスト性を確保する観点からすれば、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を、ＮＯｘ流出点Ａ２よりもリッチ側にすることが望ましいと言える（図５参照）。具体的には、ＮＯｘ流出点Ａ２に対して空気過剰率λで０．１〜０．５％程度（より望ましくは０．１〜０．３％程度）リッチ側にして、弱リッチの状況にするとよい。

また、エンジン１０の運転状態が変わると、それに応じて排気中のリッチ成分の量が変わる。具体的には、エンジン回転速度が大きくなるほど、又はエンジン負荷が大きくなるほど、排気中のリッチ成分の量が増える。言い加えると、高回転又は高負荷ほど、リッチガスの流量が増えるとともに、リッチガスのガス濃度が高くなる。この場合、センサ素子３１に流す電流量をエンジン運転状態に関わらず一定のままにしておくと、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点が、ＮＯｘ流出点Ａ２を基準とする所望位置から意図せずずれてしまうことが考えられる。つまり、電極近傍に存在するリッチ成分の量に対して通電による供給酸素量が不足することが考えられ、それに起因して、排気側電極３３の付近にリッチ成分が残留する。これにより、Ｏ2センサ１７の出力特性を所望のとおりに変更できなくなる。

そこで本実施形態では、エンジン１０の運転状態に基づいて、センサ素子３１に流す電流量（定電流回路４３の電流量）を可変に制御することとしている。この場合、Ｏ2センサ１７において排気側電極の表面でリッチガスが平衡反応するのに要する酸素量がエンジン運転状態に応じて変動しても、その変動に対応させつつ所望のとおりにＯ2センサ１７の出力特性を変更できる。エンジン運転状態のパラメータとしては、エンジン回転速度、エンジン負荷、負荷率等を用いることが可能である。

また、上記のとおり定電流回路４３の電流量によりＯ2センサ１７の出力特性が変更される場合において、仮に定電流回路４３に異常が生じると、排気エミッションの性能に影響が及ぶ。そこで本実施形態では、マイコン４１に、定電流回路４３を対象にして異常判定を実施する異常判定機能を付加している。

異常検出に用いる構成として、図２に示すように排気側電極３３に電流検出用のシャント抵抗４５を接続し、そのシャント抵抗４５に流れる電流を電流検出部４６により検出する。電流検出部４６は、例えばオペアンプ等を用いてなる差動増幅回路により構成されるとよい。この場合、シャント抵抗４５及び電流検出部４６によれば、定電流回路４３により流れる実電流量が検出され、マイコン４１ではその実電流量に基づいて定電流回路４３の異常判定が実施される。

次に、マイコン４１により実施される定電流制御と異常判定処理とについてフローチャートを用いて説明する。図７は、定電流制御の処理手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４１により所定周期で繰り返し実施される。

図７において、ステップＳ１１では、定電流制御の実施条件が成立しているか否かを判定する。その実施条件には、例えば、
・Ｏ2センサ１７及び定電流回路４３が共に正常であること、
・サブフィードバック制御の実施中であること、
が含まれる。そして、ステップＳ１１がＹＥＳなら、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、例えばエンジン回転速度、エンジン負荷（吸入空気量等）といったエンジン運転状態を読み込み、続くステップＳ１３では、そのエンジン運転状態に基づいて指示電流量の設定を行う。このとき、例えば図８の関係に基づいて指示電流量が設定される。図８では、エンジン回転速度が大きいほど、又はエンジン負荷が大きいほど、指示電流量として大きな電流量が設定される。

その後、ステップＳ１４では、ステップＳ１３で設定した電流量がセンサ素子３１に流れるようにすべく定電流回路４３の制御（通電制御）を実施する。

また、図９は定電流回路４３の異常判定の処理手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４１により所定周期で繰り返し実施される。

図９において、ステップＳ２１では、異常判定の実施条件が成立しているか否かを判定する。その実施条件には、例えばセンサ素子３１が活性状態にあること、すなわちセンサ素子３１の温度（素子温）が所定の活性温度以上であることが含まれる。そして、ステップＳ２１がＹＥＳであれば、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、現時点における定電流回路４３に対する指示電流量と、シャント抵抗４５及び電流検出部４６により検出された実電流量とを読み込む。このとき、指示電流量の切替が行われた直後であれば、実電流量が収束するのを待って実電流量の検出及び読み込みが行われる。具体的には、指示電流量の切替から所定時間の経過後に実電流量が検出され、その検出値がマイコン４１に読み込まれる。

また、続くステップＳ２３では、指示電流量と実電流量とを比較し、これら両者の差（絶対値）が所定の判定値Ｋよりも小さいか否かを判定する。そして、｜指示電流量−実電流量｜＜ＫであればステップＳ２４で定電流回路４３が正常である旨を判定し、｜指示電流量−実電流量｜≧ＫであればステップＳ２５で定電流回路４３が異常である旨を判定する。なお、判定値Kは、回路公差（例えばセンサＩＣの公差）を考慮して定められているとよい。定電流回路４３が異常であると判定された場合、ステップＳ２６では、フェイルセーフ処理として、定電流回路４３による定電流の供給停止、空燃比サブフィードバック制御の停止、インパネ等に設けた異常警告灯の点灯、ダイアグデータの記憶等を実施する。

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。

Ｏ2センサ１７自身が正常であっても、センサ素子３１に対して定電流が正常に流れなくなると、排気エミッションに影響が及ぶことが懸念されることに着眼し、定電流回路４３における異常の発生を適正に判定できる構成とした。これにより、Ｏ2センサ出力に対する信頼性を高めることができる。特に、定電流回路４３に異常が発生した場合には排気エミッションへの影響を極力抑えるべく、早期に異常発生が把握されることが望ましいと言える。この点、定電流回路４３により流れる実際の電流量を監視してその実電流量に基づいて異常判定を実施する構成によれば、エンジン１０の運転状態等によらず常時の異常判定が可能であり、実用上において望ましい構成を実現できる。

エンジン運転状態に基づいて、定電流回路４３により流れる電流量（指示電流量）を制御するようにした。これにより、エンジン運転状態の変化に伴い排気中のリッチ成分の量が変化しても、Ｏ2センサ１７の出力特性を好適に変更させ、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を、ＮＯｘ流出点Ａ２に対して所望の位置に維持することができる。

またこうしてエンジン運転状態に基づいて指示電流量が制御される場合に、その指示電流量と実電流量との比較に基づいて定電流回路４３の異常の有無を判定するようにした。これにより、エンジン運転状態に応じて指示電流量が適宜変化しても、適正なる異常判定を実施できる。

センサ素子３１が低温状態（非活性状態）にある場合には素子抵抗が高く、センサ素子３１に対して正常に定電流を流せる状況にあっても実電流が殆ど流れないことが考えられる。この点、センサ素子３１の温度が所定温度以上（活性温度以上）であることを条件に異常判定を行うため、信頼性の高い異常判定を実施できる。

上記構成の定電流回路４３によれば、第１触媒１５ａにおいてＮＯｘが流出し始める空燃比に対して、Ｏ2センサ１７の出力特性を合わせ込むことが可能となる。つまり、第１触媒１５ａからＮＯｘが流出する場合にそれに対応するＯ2センサ１７の起電力出力が生じるようにすることができる。その結果、Ｏ2センサ１７の出力特性を適正に変更し、ひいてはＮＯｘ排出の抑制を図ることができる。また、上記のとおり定電流回路４３の異常判定を行うことで、センサ出力特性の合わせ込みを行う上でその信頼性を高めることができる。

また、定電流回路４３により流れる定電流Ｉｃｓによれば、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点が、ＮＯｘ流出点Ａ２（第２空燃比点）又はその付近にシフトされる。これにより、Ｏ2センサ１７の出力を用いてＮＯｘ排出の抑制を図る上でより好適な構成を実現できる。

特に、Ｏ2センサ１７の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点が、ＮＯｘ流出点Ａ２（第２空燃比点）に対して弱リッチになるように、定電流回路４３により定電流Ｉｃｓを流すことで、ＮＯｘの排出抑制を図る上でロバスト性を確保できる。

図１０は、第１触媒１５ａの下流側におけるＮＯｘとＨＣとの排出量について検証結果を示す図である。図１０には、Ｏ2センサ１７の出力特性の変更を行った状態での空燃比制御の結果を示している。なお、図中のＡ１は第１触媒１５ａの反応平衡点Ａ１、Ａ２はＮＯｘ流出点Ａ２であり、λシフト量はＡ２からのリッチ変更量をλで示すものである。この場合、λシフト量が０〜０．５％である範囲内でＮＯｘ排出量の低減が実現できることが分かる。また、λシフト量の適正量は０．１〜０．５％となっている。なお、センサ素子３１に流す電流量は０．１〜１．０ｍＡの範囲のいずれかの電流量であることが望ましい。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・通電実施手段を図１１のように構成することも可能である。図１１では、通電実施手段として、センサ起電力が印加されることでその起電力に応じた定電流を流す定電流回路５０を設けている。定電流回路５０は、所定の定電圧を生成する電圧生成部５１と、オペアンプ５２と、オペアンプ５２の出力により駆動されるｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ５３と、ＭＯＳＦＥＴ５３のソースに接続された抵抗５４とを備えている。電圧生成部５１は、定電圧源５１ａ（例えば５Ｖ）と抵抗５１ｂ，５１ｃとが直列接続されて構成されており、抵抗５１ｂ，５１ｃの中間点が電圧出力点Ｘ１となっている。そして、オペアンプ５２においてはその＋入力端子が電圧出力点Ｘ１に接続されるとともに、出力端子がＭＯＳＦＥＴ５３のゲートに接続されている。また、−入力端子がＭＯＳＦＥＴ５３と抵抗５４との間の中間点Ｘ２に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ５３からすれば、ゲートがオペアンプ５２の出力端子に接続され、ドレインがセンサ素子３１の大気側電極３４に接続され、ソースが抵抗５４に接続されている。

上記構成の定電流回路５０では、オペアンプ５２の＋入力端子の電圧と−入力端子の電圧とが等しくなるように動作するため、Ｘ２の電圧がＸ１の電圧に等しくなる。そして、センサ素子３１、ＭＯＳＦＥＴ５３及び抵抗５４からなる直列回路には、Ｘ２の電圧と抵抗５４の抵抗値とにより決定される電流量の定電流Ｉｃｓが流れる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ５３は、＋及び−の入力電圧の差に基づくオペアンプ出力電圧に応じて動作し、一定の定電流Ｉｃｓを流す電流制御素子として機能する。

ここで、Ｘ１及びＸ２の電圧や抵抗５４の抵抗値は、センサ素子３１に起電力が生じる場合にそのセンサ素子３１に流したい電流量に応じて決定されるとよい。具体的には、センサ素子３１に起電力（０〜０．９Ｖ）が生じる場合にそのセンサ素子３１に０．１ｍＡの電流を流すのであれば、例えばＸ１及びＸ２の電圧を１０ｍＶ、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする。また、０．２ｍＡの電流を流すのであれば、例えばＸ１及びＸ２の電圧を２０ｍＶ、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする。電流量の範囲を０．１〜１．０ｍＡにするのであれば、抵抗５４の抵抗値を１００Ωとする場合に、Ｘ１及びＸ２の電圧を１０ｍＶ〜１００ｍＶの範囲で設定するとよい。ただしこの場合、定電流回路５０においてＭＯＳＦＥＴ５３と抵抗５４との間の中間点Ｘ２の電圧である基準電圧は、ストイキでの起電力（０．４５Ｖ）よりも小さい電圧である。

また、抵抗５４の抵抗値の範囲は５０〜５００Ω程度であるとよい。

上記構成の定電流回路５０を用いたセンサ制御部４０では、センサ素子３１において起電力が生じる場合に、その起電力を電源として（換言すればセンサ素子３１を電池として）ＭＯＳＦＥＴ５３及び抵抗５４に所定の定電流Ｉｃｓが流れる。これにより、Ｏ2センサ１７の出力特性の変更が可能となっている。

また、マイコン４１は、都度のエンジン運転状態に基づいて、例えば電圧生成部５１の定電圧の値（Ｘ１の電圧値）を変更する。そしてこれにより、センサ素子３１に流す電流量（抵抗回路６０に流れる電流量）を可変に制御する。この場合、既述の実施形態と同様に、Ｏ2センサ１７において排気側電極３３の表面でリッチガスが平衡反応するのに要する酸素量がエンジン運転状態に応じて変動しても、その変動に対応させつつ所望のとおりにＯ2センサ１７の出力特性を変更できる。

そして、図１１の構成において、センサ素子３１に流れる実電流の電流量を検出するとともに、その電流量と指示電流量（Ｘ１の電圧値に対応する定電流量）に基づいて定電流回路５０の異常の有無を判定するとよい。異常判定の処理は既述の構成（図９）を流用すればよく、ここでは説明を割愛する。

・センサ素子３１の排気側電極３３と接地点との間に、排気側電極３３に正電圧を印加する電圧回路を設ける構成としてもよい。この電圧回路は、定電流回路４３の電流が流れ出す側の電位に対して排気側電極３３の電位を所定電位だけ高くするオフセット電圧回路であるとよい。この場合、センサ素子３１の起電力出力は、本来のセンサ起電力（０〜０．９Ｖ）に所定のオフセット分が加算されたものとなる。本構成は、図１１のようにセンサ素子３１を電池として利用する場合に特に有益である。すなわち、図１１のセンサ制御部４０において、センサ素子３１の起電力が０〜０．９Ｖの範囲で変化する場合にその起電力が小さくなると、定電流回路５０によってセンサ素子３１に流される電流量が本来の電流量よりも小さくなると考えられる。この点、排気側電極３３と接地点との間に電圧回路を設けることで、起電力が比較的小さくなる領域であっても、定電流回路５０により流れる電流量が小さくなることを抑制できる。これにより、Ｏ2センサ１７の出力特性を好適に変更することが可能となる。

・上記実施形態（図２）では、定電流回路４３をセンサ素子３１の一対の電極３３，３４のうち大気側電極３４に接続して設けたが、これを変更してもよい。定電流回路４３を排気側電極３３に接続して設けてもよい。又は、定電流回路４３を一対の電極３３，３４の両方に設けてもよい。

・上記実施形態では、第１触媒１５ａの下流側にＯ2センサ１７を設ける構成としたが、これに代えて、第１触媒１５ａの中間部分にＯ2センサ１７を設ける構成であってもよい。この場合、第１触媒１５ａの担体にＯ2センサ１７を設ける構成であればよい。いずれにしても、Ｏ2センサ１７が、第１触媒１５ａによる浄化後の排気を検出対象としてガス成分を検出するものであればよい。

・ガスセンサは、上記構成のＯ2センサ１７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。この場合、２セル式ガスセンサの起電力セルについて出力特性を好適に変更できるものとなる。

１０…エンジン（内燃機関）、１４…排気管（排気部）、１５ａ…第１触媒、１７…Ｏ2センサ（ガスセンサ）、３１…センサ素子（起電力セル）、３２…固体電解質層、３３…排気側電極、３４…大気側電極、４１…マイコン（異常判定手段）、４３…定電流回路（通電実施手段）、４５…シャント抵抗（電流検出手段）、４６…電流検出部（電流検出手段）。

Claims (6)

1. 内燃機関（１０）の排気部（１４）に設けられ、排気中のリーン成分であるＮＯｘとリッチ成分とを浄化する触媒（１５ａ）と、
   前記触媒の中間部分又は該触媒の下流側に設けられ、該触媒による浄化後の排気を検出対象としてガス成分を検出するガスセンサ（１７）と、
   を備え、前記ガスセンサが、固体電解質体（３２）と一対の電極（３３，３４）とを用いてなる起電力セル（３１）を有し、前記排気の空燃比に応じた起電力信号を出力するガスセンサである内燃機関の排気浄化装置に適用され、
   前記起電力セルにおいて前記一対の電極間に所定の定電流を流す通電実施手段（４３，５０）と、
   前記起電力セルに流れる実電流の電流量を検出する電流検出手段（４５，４６）と、
   前記通電実施手段により前記定電流を流している場合において、前記電流検出手段により検出される電流量を読み込むとともに、その読み込んだ電流量と、前記通電実施手段により流れる電流量の指示値である指示電流量との比較に基づいて、前記通電実施手段の異常の有無を判定する異常判定手段（４１）と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記指示電流量を設定する設定手段（４１）を備える請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記異常判定手段は、前記起電力セルの温度が所定温度以上である場合に、前記電流検出手段により検出される電流量と前記指示電流量との比較に基づいて前記通電実施手段の異常の有無を判定する請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記触媒は、空燃比と浄化率との関係を示す浄化特性として、前記リッチ成分及び酸素の平衡点となる第１空燃比点（Ａ１）よりもリッチ側に、前記ＮＯｘが流出し始める第２空燃比点（Ａ２）を有しており、
   前記通電実施手段は、前記触媒における前記第１空燃比点と前記第２空燃比点とのずれに対応する電流量を前記定電流として流すものである請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記通電実施手段は、前記起電力セルの排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を、前記第２空燃比点又はその付近にシフトさせるのに要する電流量を前記定電流として流すものである請求項４に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記通電実施手段は、前記起電力セルの排気側電極付近におけるガス反応の平衡点を、前記第２空燃比点よりもリッチ側にシフトさせるのに要する電流量を前記定電流として流すものである請求項５に記載のガスセンサ制御装置。

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