特許 5736357 センサ制御装置およびセンサ制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5736357

(24)【登録日】2015年4月24日

(45)【発行日】2015年6月17日

(54)【発明の名称】センサ制御装置およびセンサ制御システム

(51)【国際特許分類】

   F02D 45/00 20060101AFI20150528BHJP

   G01N 27/26 20060101ALI20150528BHJP

【ＦＩ】

   F02D45/00 368G

   G01N27/26 361D

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-217061(P2012-217061)

(22)【出願日】2012年9月28日

(65)【公開番号】特開2013-127241(P2013-127241A)

(43)【公開日】2013年6月27日

【審査請求日】2013年10月15日

(31)【優先権主張番号】特願2011-251701(P2011-251701)

(32)【優先日】2011年11月17日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 浩

【審査官】 有賀 信

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１７６５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２２７９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２２１６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０２１５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２１４２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０１９６２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ ４３／００―４５／００

Ｇ０１Ｎ ２７／２６─２７／５６

Ｆ０２Ｄ ４１／００―４１／４０

Ｆ０２Ｍ ２５／０６─２５／０７

Ｆ０２Ｂ ４７／０８─４７／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の吸入雰囲気中の酸素濃度を測定するセンサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとを備える酸素センサに接続されるセンサ制御装置であって、
前記センサ素子から出力される前記酸素濃度に応じた出力信号を検出する検出部と、
前記酸素濃度を算出する際に用いられる前記出力信号の補正係数の算出を行う演算部と、
が設けられ、
前記演算部には、前記内燃機関が前記アイドル運転状態であり、かつ、前記内燃機関の排気ガスの一部を前記吸入雰囲気中に還流させる排気ガス還流装置における、排気ガスの還流量を制御する制御弁の開度が前記所定開度未満である場合の前記吸入雰囲気中の酸素濃度が予め記憶され、
前記演算部は、前記内燃機関が前記アイドル運転状態にあり、前記アイドル運転状態が所定の期間継続していると判定したとき、かつ、前記制御弁の開度が前記所定開度未満のときに、前記補正係数の算出に用いられる補正情報の収集を行うことを特徴とするセンサ制御装置。

【請求項2】

前記演算部に予め記憶された前記制御弁の開度が前記所定開度未満の状態における前記酸素濃度は、前記制御弁が閉じられた際の前記吸入雰囲気中の酸素濃度であり、
前記演算部は、前記制御弁が閉じられた状態にあるときに、前記補正情報の収集を行うことを特徴とする請求項１記載のセンサ制御装置。

【請求項3】

前記演算部には、前記特定状態における前記酸素濃度に対する前記センサ素子の前記出力信号である基準値が予め記憶され、
前記演算部は、前記特定状態において検出された複数の前記出力信号を記憶するとともに、記憶された複数の前記出力信号の平均値を算出し、
予め記憶された前記基準値と前記平均値との差が、所定値よりも大きい場合には、前記補正係数の更新処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ制御装置。

【請求項4】

内燃機関の吸入雰囲気中の酸素濃度を測定するセンサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとを備える酸素センサと、
前記内燃機関の運転中の状態に応じた状態信号を出力する状態測定部と、
前記状態信号に基づいて前記内燃機関が前記特定状態にあるか否かを判定する判定部と、
請求項１から請求項３のいずれかに記載のセンサ制御装置と、
が設けられ、
前記センサ制御装置の前記演算部は、前記判定部による判定結果に基づいて、前記補正
情報の収集を行うことを特徴とするセンサ制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば内燃機関に吸入される吸気等の被測定ガス中の特定成分濃度を測定する、酸素センサの出力信号の補正に用いて好適なセンサ制御装置およびセンサ制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年の内燃機関では、燃費の向上や、排気ガスに含まれる有害物質の低減を目的として、吸入空気に対する燃料の比である空燃比を制御すること、より具体的には、吸入空気に含まれる酸素に対する燃料の比を制御することが一般的に行われている。この制御を行う上で吸入空気の体積を測定することが必要となる。例えば、吸入空気の体積を測定するエアマスフローセンサを用いる方法が知られている。エアマスフローセンサは、吸入絞り弁を備える内燃機関に用いることで、運転状態に応じて変動する、シリンダに吸入される吸入空気体積の測定を行うことができる。

【0003】

その一方で、ディーゼルエンジンや、直噴ガソリンエンジンなどでは、吸気絞り弁が設けられてなく、シリンダに吸入される吸入空気体積は、基本一定である。さらに、燃焼後の排気ガスの一部を吸入空気に還流させる排気ガス還流装置（以後、「ＥＧＲ装置」と表記する。）を有するディーゼルエンジンなどでは、還流される排気ガスの量（以後、「ＥＧＲ量」と表記する。）により、吸入空気に含まれる酸素の割合が変化する。言い換えると、シリンダに吸入される酸素量が変化する。

【0004】

この場合、上述のエアマスフローセンサのみでは、空燃比を正確に制御することは困難であった。つまり、エアマスフローセンサのみを用いた空燃比の制御では、吸入空気に含まれる酸素の割合が、例えば大気に含まれる酸素の割合と同一であるという仮定の下に、シリンダに吸入される酸素量が算出されている。ＥＧＲ装置を有する内燃機関では、吸入空気に含まれる酸素の割合が変化するため、シリンダに吸入される酸素量を正確に算出することができなかった。

【0005】

上述の問題を解決するために、吸入空気に含まれる酸素濃度を測定する酸素センサを用いて、シリンダに吸入される酸素量を算出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、シリンダに吸入される吸入空気の体積をエアマスフローセンサで測定し、さらに、吸入空気の酸素濃度を酸素センサで測定することにより、シリンダに吸入される酸素量が算出される。空燃比の制御は、上述のように算出された酸素量に応じて、シリンダまたは吸気ポートに噴射される燃料の量を制御するフィードフォワード制御がよいとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平０２−２２１６４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述のように酸素センサを用いる場合には、酸素センサの劣化などによる出力値の変化を補正する必要があることが知られている。特に、内燃機関の吸気系統にのみ酸素センサを配置する場合には、吸気系統および排気系統に酸素センサを配置する場合と比較して、酸素センサの出力に高い精度が求められ、補正の必要性が高くなっている。そのため、特許文献１に記載された技術においても、内燃機関の停止後に、酸素センサの出力値を補正する内容が開示されている。

【0008】

しかしながら、酸素センサの出力値の補正を行う際には、必ず電力の消費が行われ、車両の場合には、搭載されたバッテリから電力が供給される。特許文献１に記載されているように、内燃機関の停止後に補正を行う場合、バッテリの電力が十分でないと、酸素センサのヒータ駆動が十分できず、センサ素子温度を正確に制御できない等、正確な状態での補正が行えないおそれがあった。また、補正が行えた場合であっても、センサのヒータ駆動によりバッテリの電力が消耗するため、バッテリがあがりやすくなるおそれがあった。

【0009】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、内燃機関に併設されたバッテリの電力消耗を抑制しつつ、ヒータ付き酸素センサの測定精度の悪化を抑制することができるセンサ制御装置およびセンサ制御システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のセンサ制御装置は、内燃機関の吸入雰囲気中の酸素濃度を測定するセンサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとを備える酸素センサに接続されるセンサ制御装置であって、前記センサ素子から出力される前記酸素濃度に応じた出力信号を検出する検出部と、前記酸素濃度を算出する際に用いられる前記出力信号の補正係数の算出を行う演算部と、が設けられ、前記演算部には、前記内燃機関が前記アイドル運転状態であり、かつ、前記内燃機関の排気ガスの一部を前記吸入雰囲気中に還流させる排気ガス還流装置における、排気ガスの還流量を制御する制御弁の開度が前記所定開度未満である場合の前記吸入雰囲気中の酸素濃度が予め記憶され、前記演算部は、前記内燃機関が前記アイドル運転状態にあり、前記アイドル運転状態が所定の期間継続していると判定したとき、かつ、前記制御弁の開度が前記所定開度未満のときに、前記補正係数の算出に用いられる補正情報の収集を行うことを特徴とする。

【0011】

本発明のセンサ制御装置によれば、内燃機関が運転中のときであって、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定できる状態にあるときに、補正係数の算出に必要な補正情報の収集を行うようにしている。これにより、この補正情報を用いてセンサ素子の出力信号を補正するための補正係数を算出し、更新することができる。そのため、センサ素子の出力信号の値と、吸入雰囲気中の酸素濃度との対応関係に、センサ素子の劣化などによりズレが発生しても、演算部において算出された補正係数を用いて出力信号を補正する処理によって当該対応関係のズレを解消することができる。なお、本発明では、上述したように内燃機関が運転中のときに、演算部が補正係数の算出に用いられる補正情報を収集することに特徴があり、演算部にて出力信号の補正係数を算出し、更新するタイミングは、内燃機関が運転中のときであってもよいし、内燃機関が非運転の状態にときであってもよく、特に限定されるものではない。

【0012】

また、本発明のセンサ制御装置において演算部は、内燃機関によって発電機が駆動されて内燃機関に併設されたバッテリの充電が行われる間に上述の補正情報の収集を実行するため、内燃機関が停止している間に上述の補正情報の収集を実行する場合と比較して、バッテリの電力消耗を抑制することができる。なお、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定できる特定状態は、言い換えると、演算部に予め記憶されている酸素濃度と、吸気雰囲気中の酸素濃度と、が同等とみなせる状態でもある。また、内燃機関の運転中とは、例えば、内燃機関がキーオフされておらず、内燃機関が駆動されている状態（アイドル運転状態を含む）を指すものであり、車両が内燃機関を搭載する場合にはその車両が走行しているか否かに関わらず、内燃機関が駆動している期間であれば運転中に含まれるものである。

【0016】

排気ガス還流装置の制御弁の開度が所定開度未満の状態であり、かつ、内燃機関の運転状態がアイドル運転状態にある状態にあり、アイドル運転状態が所定の期間継続していると判定したときに補正情報の収集を行うことにより、演算部に予め記憶された酸素濃度に基づいて、補正係数の算出をさらに正確に行うことができる。

【0017】

排気ガス還流装置の制御弁の開度が所定開度未満の状態にあるときに補正情報の収集を行うことにより、演算部に予め記憶された酸素濃度および制御弁の開度との関係に基づいて、補正係数の算出をより正確に行うことができる。言い換えると、演算部に予め記憶された酸素濃度と、吸入雰囲気中の酸素濃度とが一致するとみなせる状態において収集した補正情報に基づいて、補正係数を算出することができる。ここで、制御弁の開度が所定開度未満の状態とは、排気ガスの還流による吸入雰囲気中の酸素濃度の変化を実質的に考慮する必要がない状態を例示することができる。
内燃機関がアイドル運転されている場合には、内燃機関が高負荷状態で運転されている場合と比較して、内燃機関に吸入される吸入雰囲気の流量が少なくなる。すると、センサ素子が配置されている領域における吸入雰囲気の流速が遅くなり、かつ、吸入雰囲気の圧力が大気圧に近くなる。一般的に、センサ素子の出力の出力信号は、センサ素子温度の依存性があり、かつ、周囲の圧力の依存性がある。吸入雰囲気の流速を遅くすることにより、吸入雰囲気によって奪われるセンサ素子の熱量を減少させて、センサ素子の温度を所定の一定温度に制御しやすく、出力信号を安定させやすい。同様に、センサ素子の周囲の圧力を所定の一定圧力、つまり概略大気圧に制御することで、出力信号を安定させやすい。このように、出力信号を安定させた上で補正情報の収集を行うことで、より正確な補正係数の算出を行うことができる。

【0018】

さらに、内燃機関がアイドル運転されている場合とは、内燃機関にかかる負荷が少ない場合であり、内燃機関のシリンダとピストンとの隙間などから漏れる排気ガスであるブローバイガスが少ない場合である。ブローバイガスが吸入雰囲気中に混入すると、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定する際の誤差の原因となる。内燃機関のアイドル運転時に補正情報の収集を行うことにより、例えば、内燃機関が高負荷条件下で運転している際に補正情報の収集を行う場合と比較して、ブローバイガスの影響を受けにくく、精度の高い補正係数を算出することができる。

【0019】

なお、本発明において「アイドル運転状態」とは、エンジンが有意の動力を出力することなく回転している状態をいう。具体的には、１）アクセルペダルが踏み込まれていないほぼ無負荷の状態にあること（トルクコンバータを通じての車輪へのトルク伝達による車両微速状態（いわゆるクリープ状態）を含む）、２）内燃機関が暖気運転状態であること、３）車両の変速段がニュートラル状態であること、等の条件のいずれかを満たした内燃機関の運転状態をいう。

【0020】

演算部は、アイドル運転状態が所定の期間継続しているときに、補正情報の収集を行うことにより、センサ素子の出力信号がより安定した条件のもとで補正情報の収集を行え、また、内燃機関のシリンダとピストンとの隙間などから漏れる排気ガスであるブローバイガスが非常に少ない条件のもとで補正情報の収集を行え、より精度の高い補正係数の算出につなげることができる。

【0021】

上記発明において前記演算部に予め記憶された前記制御弁の開度が前記所定開度未満の状態における前記酸素濃度は、前記制御弁が閉じられた際の前記吸入雰囲気中の酸素濃度であり、前記演算部は、前記制御弁が閉じられた状態にあるときに、前記補正情報の収集を行うことが好ましい。

【0022】

このように、演算部に排気ガス還流装置の制御弁が閉じられた際の吸入雰囲気中の酸素濃度を予め記憶させ、上述の制御弁が閉じられた状態にある時に補正情報の収集を行うことで、補正係数の算出をさらに正確に行うことができる。制御弁が閉じられた状態とは、吸入雰囲気に還流する排気ガス量がない状態をいい、内燃機関の排気ガスの一部を前記吸入雰囲気中に還流させるための排気ガス還流装置における、排気ガスの一部を吸入雰囲気中に還流させる流路が制御弁によって全閉された状態をいう。言い換えると、吸入雰囲気の特定ガス濃度は、大気の特定ガス濃度と同じであると推定できる状態である。そのため、制御弁が閉じられた状態の吸入雰囲気中の特定ガス濃度は精度が高くなり、出力信号の補正の精度を高めることができる。

【0023】

上記発明において前記演算部には、前記特定状態における前記酸素濃度に対する前記センサ素子の前記出力信号である基準値が予め記憶され、前記演算部は、前記特定状態において検出された複数の前記出力信号を記憶するとともに、記憶された複数の前記出力信号の平均値を算出し、予め記憶された前記基準値と前記平均値との差が、所定範囲を逸脱した場合には、前記補正係数の更新処理を行うことが好ましい。

【0024】

このように、基準値と平均値の差が所定範囲を逸脱した場合にのみ、補正係数の更新処理を行うことにより、補正係数の過度な更新によって、却って酸素濃度の測定精度が低下するリスクを低減することができる。

【0025】

本発明のセンサ制御システムは、内燃機関の吸入雰囲気中の酸素濃度を測定するセンサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとを備える酸素センサと、前記内燃機関の運転中の状態に応じた状態信号を出力する状態測定部と、前記状態信号に基づいて前記内燃機関が前記特定状態にあるか否かを判定する判定部と、上記本発明に記載のセンサ制御装置と、が設けられ、前記センサ制御装置の演算部は、前記判定部による判定結果に基づいて、前記補正情報の収集を行うことを特徴とする。

【0026】

本発明のセンサ制御システムによれば、上記本発明のセンサ制御装置が設けられているため、内燃機関に併設されたバッテリの電力消耗を抑制しつつ、酸素センサの測定精度の悪化を抑制することができる。なお、内燃機関の運転中の状態に応じた状態信号としては、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定できる信号であり、排気ガス還流装置における排気ガスの還流量を制御する制御弁の開度を示す信号や、エンジンの回転数に関する信号などを例示することができる。

【発明の効果】

【0027】

本発明のセンサ制御装置およびセンサ制御システムによれば、内燃機関が運転中のときであって、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定できる状態にあるときに収集された補正情報に基づいて、補正係数の算出が行われるため、内燃機関に併設されたバッテリの電力消耗を抑制しつつ、ヒータ付き酸素センサの測定精度の悪化を抑制することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るセンサ制御システムの全体構成を説明する模式図である。

【図2】図１の酸素センサの構成を説明するブロック図である。

【図3】図１のセンサ制御システムにおける補正係数の補正処理を説明するフローチャートである。

【図4】補正係数の補正処理における他の実施例を説明するフローチャートの要部である。

【図5】本発明の第２の実施形態に係るセンサ制御システムの全体構成を説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

〔第１の実施形態〕
この発明の第１の実施形態に係るセンサ制御システムについて、図１から図３を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るセンサ制御システム１の全体構成を説明する模式図である。

【0030】

本実施形態のセンサ制御システム１は、ＥＧＲ装置（排気ガス還流装置）５０を備える内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、「エンジン」と表記する。）４０に設けられるものであり、エンジン４０の空燃比制御に用いられる吸入雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素センサ１０からの出力信号Ｉｐおよびエンジン・コントロール・ユニット４３に記憶された補正係数Ｉｐｃｏｍｐに基づいて吸入雰囲気中の酸素濃度を求める演算処理を行うものである。

【0031】

さらに、センサ制御システム１は、酸素センサ１０を構成するセンサ素子１１の劣化などにより、演算処理により求められる酸素濃度の精度が低下した場合に、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの補正を行い、演算処理により求められる酸素濃度の精度の低下を抑制するものである。なお、センサ素子１１の劣化による影響は、エンジン４０を搭載した車両が数千ｋｍから数万ｋｍ走行して生じうる傾向があって、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの更新は、常時行われるものではない。

【0032】

センサ制御システム１には、酸素センサ１０と、ＥＧＲ装置５０のＥＧＲバルブ５３の開度を検出するＥＧＲ開度センサ（状態測定部）２０と、スロットルバルブ４５の開度を検出するスロットル開度センサ（状態測定部）２１と、エンジン４０の回転数を検出する回転数センサ（状態測定部）３０と、が主に設けられている。

【0033】

酸素センサ１０は、エンジン４０に吸入される雰囲気が流れる流路（換言すれば、エンジン４０の燃焼室に吸気を供給する吸気通路）に設けられるものであり、吸入雰囲気中の酸素濃度を測定するセンサである。より具体的には、酸素センサ１０は、エンジン４０に吸入される大気（エア）と、ＥＧＲ装置５０によって還流された排気ガスとが合流した後の吸入雰囲気が流れるインテークマニホールド４４に設けられるものである。なお、インテークマニホールド４４におけるエアのみが流れる領域、言い換えると上流領域には、エアの流量を制御するスロットルバルブ４５が設けられている。

【0034】

また、エンジン４０には、吸入雰囲気と燃料との混合気が燃焼する複数のシリンダ４１と、それぞれのシリンダ４１に燃料を噴射するインジェクタ４２と、エンジン４０を制御するエンジン・コントロール・ユニット４３（以下、「ＥＣＵ４３」と表記する。）が設けられている。図１では、４つのシリンダ４１を備えるエンジン４０の例が示されているが、エンジン４０に備えられるシリンダ４１の数を特に限定するものではない。

【0035】

エンジン４０には、上述のインテークマニホールド４４が取り付けられているとともに、シリンダ４１において混合気が燃焼した後の排気ガスが流れるエギゾーストマニホールド４６が取り付けられている。エギゾーストマニホールド４６には、排気ガスに含まれる酸素濃度を測定する排気酸素センサ４７が配置されている。

【0036】

ＥＧＲ装置５０には、エギゾーストマニホールド４６からインテークマニホールド４４へ排気ガスの還流を可能に接続するＥＧＲ流路５１と、ＥＧＲ流路５１を還流する排気ガスの温度を下げるＥＧＲクーラ５２と、ＥＧＲ流路５１を還流する排気ガスの流量を制御するＥＧＲバルブ（制御弁）５３と、が主に設けられている。

【0037】

図２は、図１の酸素センサ１０の構成を説明するブロック図である。
酸素センサ１０には、図２に示すように、吸入雰囲気中の酸素濃度を測定するセンサ素子１１と、センサ素子１１を加熱するためのヒータ１７と、センサ素子１１から出力された出力信号Ｉｐの補正を行う酸素センサ制御部（酸素センサ制御装置）１２と、が主に設けられている。

【0038】

センサ素子１１は、吸入雰囲気中の酸素濃度に応じてリニアに出力信号Ｉｐが変化するものであり、ジルコニアを主体にした酸素イオン伝導性の固体電解質層の表裏面に一対の電極を設定した酸素ポンプセル、及び、起電力検出セルを積層した２セル式の構成をなすものである。この２セル式のセンサ素子１１は公知であるため詳細な説明は省略するが、概略は以下の通りである。酸素ポンプセルと起電力検出セルとの間に、中空の測定室と、この測定室に吸入雰囲気を取り込むための多孔質の拡散律速部とが形成されたスペーサ層を介在させ、２つのセルが積層される。酸素ポンプセルの一方の電極は測定室外に配置され、他方の電極は測定室内に配置される。また、起電力検出セルの一方の電極は測定室内に配置され、他方の電極は後述するヒータ１７の積層によって外部の雰囲気から遮断され、基準となる酸素濃度雰囲気に晒される。そして、このセンサ素子１１は、酸素センサ制御部１２によって駆動制御（通電制御）される。具体的には、測定室内の酸素濃度に基づき起電力検出セルに生ずる起電力（電圧）が目標値となるように、酸素ポンプセルに供給するポンプ電流の通電状態を制御する。このとき、酸素ポンプセルに流れるポンプ電流が出力信号Ｉｐとして出力され、この出力信号Ｉｐが酸素濃度に応じたものとなる。

【0039】

また、ヒータ１７は、センサ素子１１の起電力検出セル側に積層されており、酸素ポンプセル及び起電力検出セルが活性化するように加熱される。このヒータ１７は、アルミナを主体とする２つの絶縁層間に発熱抵抗体を封入した公知の構成からなる。

【0040】

酸素センサ制御部１２は、センサ素子１１、ヒータ１７の駆動制御（通電制御）等を行うとともに酸素センサ１０を構成するものである。また、酸素センサ制御部１２は、センサ素子１１から出力される出力信号Ｉｐと吸入雰囲気中の酸素濃度との対応関係に変化が生じた際に、出力信号Ｉｐの補正に用いられる補正係数Ｉｐｃｏｍｐの更新を行うことで、当該対応関係の補正を行うものである。なお、酸素センサ制御部１２によるセンサ素子１１、ヒータ１７の通電制御は公知の回路構成を用いて実行するものであるため、詳細な説明は省略する。

【0041】

この酸素センサ制御部１２には、センサ素子１１から出力された出力信号Ｉｐを検出する検出部１３と、ＥＣＵ（判定部）４３からアイドルスイッチ信号などの制御信号が入力される入力部１４と、酸素濃度の算出に用いられる出力信号Ｉｐに係る補正処理を実行する演算部１５と、書き込み可能な不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）である記憶部１６と、が主に設けられている。

【0042】

検出部１３はセンサ素子１１の出力信号Ｉｐを検出する回路を有するものであり、例えば、ノイズなどを取り除くフィルタ回路などを有するものである。検出部１３において検出された出力信号Ｉｐは、演算部１５に入力されるようになっている。

【0043】

入力部１４は、ＥＣＵ４３から出力される特定状態に係る制御信号、より具体的には、ＥＣＵ４３がＥＧＲ開度センサ２０やスロットル開度センサ２１から出力された開度信号（状態信号）や、回転数センサ３０から出力された回転数信号（状態信号）に基づいて、酸素センサ１０の周囲の吸入雰囲気中の酸素濃度が概略大気中の酸素濃度をみなせる特定状態にあると判定した際に出力される制御信号が入力されるものである。なお、本実施形態では、検出部１３および入力部１４を分けて配置した例に適用して説明しているが、両者を一体化したインタフェース部としてもよく、その構成を特に限定するものではない。

【0044】

演算部１５は、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有するマイクロコンピュータであり、ＲＯＭに記憶している制御プログラムを実行することにより、センサ素子１１の出力信号Ｉｐに係る補正係数Ｉｐｃｏｍｐの算出や更新などの演算処理などを実行するものである。なお、演算部１５における演算処理については後述する。

【0045】

ＥＧＲ開度センサ２０は、ＥＧＲバルブ５３の開度を検出して、開度信号をＥＣＵ４３に出力するセンサである。スロットル開度センサ２１は、スロットルバルブ４５の開度を検出して、開度信号をＥＣＵ４３に出力するセンサである。ＥＧＲ開度センサ２０やスロットル開度センサ２１としては、種々の測定形式のセンサを用いることができ、特に測定形式を限定するものではない。

【0046】

回転数センサ３０は、エンジン４０の回転数を検出して、回転数信号をＥＣＵ４３に出力するセンサである。回転数センサ３０としては、種々の測定形式のセンサを用いることができ、特に測定形式を限定するものではない。

【0047】

次に、上記の構成からなるセンサ制御システム１におけるセンサ素子１１の出力信号Ｉｐから補正係数Ｉｐｃｏｍｐを更新する補正処理ついて、図３を参照しながら説明する。なお、補正係数Ｉｐｃｏｍｐを用いて、センサ素子１１の出力信号Ｉｐから酸素濃度を算出する方法は、出力信号Ｉｐに補正係数Ｉｐｃｏｍｐを乗ずる公知の方法と同一であるため、その説明を省略する。

【0048】

センサ制御システム１に電力が供給されて補正係数Ｉｐｃｏｍｐの補正処理が開始されると、演算部１５は、図３の補正係数Ｉｐｃｏｍｐの補正処理を説明するフローチャートに示すように、演算部１５の記憶部１６に記憶されている最新の補正係数Ｉｐｃｏｍｐを読み出す処理を実行する（Ｓ１０）。なお、センサ制御システム１が初期の状態では、事前に設定された補正係数が最新の補正係数Ｉｐｃｏｍｐとして記憶部１６に記憶されている。

【0049】

次いで、演算部１５は、演算部１５の電源が投入されると、補正Ｉｐサンプルの変数ｎの値を“１”にリセットする処理を実行し（Ｓ１１）、補正Ｉｐ平均値の変数ｚの値を“１”にリセットする処理（Ｓ１２）を実行する。さらに、演算部１５は、センサ素子１１が活性化されているか否かを示す活性フラグの値を“０”にクリアする処理を実行する（Ｓ１３）。

【0050】

上述のＳ１１からＳ１３までの初期設定処理が終了すると、演算部１５は、ＥＣＵ４３からエンジン４０がアイドル運転状態であると判定した際に出力されるアイドルスイッチ信号が入力されたか否かの判定処理を実行する（Ｓ１４）。ＥＣＵ４３におけるエンジン４０がアイドル運転状態であるか否かの判定は、エンジン４０が有意の動力を出力することなく回転している状態であるか否かを判定することにより行われる。具体的には、１）アクセルペダルが踏み込まれていないほぼ無負荷の状態にあること（トルクコンバータを通じての車輪へのトルク伝達による車両微速状態（いわゆるクリープ状態）を含む）、２）内燃機関が暖気運転状態であること、３）車両の変速段がニュートラル状態であること、等の条件のいずれかを満たしているか否かを判定することにより行われる。その他にも、エンジン４０の運転状態が低回転かつ低負荷の状態であるか否かの判定に基づいて行われてもよい。具体的には、回転数センサ３０から入力される回転数信号に基づいて低回転か否かが判定され、スロットル開度センサ２１から入力されるスロットル開度信号に基づいて低負荷か否かが判定されてもよい。

【0051】

Ｓ１４の判定において、アイドルスイッチ信号が入力されていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、上述のＳ１０に戻り、再び上述の演算処理を繰り返す。

【0052】

その一方で、アイドルスイッチ信号が入力されていると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、演算部１５は、センサ素子１１が活性化されているか否かの判定処理を実行する（Ｓ１５）。つまり、活性フラグの値が、センサ素子１１が活性化されていないことを示す“０”か、活性化されていることを示す“１”であるかの判定処理を実行する。

【0053】

センサ素子１１が活性化されていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、センサ素子１１を加熱するヒータ１７に対してセンサプリヒート制御処理を実行する（Ｓ１６）。具体的には、センサ素子１１の温度を、水が付着してもセンサ素子１１が割れない程度の温度にまで加熱して保温するヒータ１７への通電制御処理を実行する。

【0054】

センサプリヒート制御処理を実行した後、または、Ｓ１５の判定処理において、センサ素子１１が活性化されていると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、演算部１５は、センサ素子１１の温度が露点（Ｄｅｗ Ｐｏｉｎｔ）を超えたか否かの判定処理を実行する（Ｓ１７）。センサ素子１１の温度が露点を超えていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、再びＳ１７に戻り、センサ素子１１の温度が露点を超えたか否かの判定処理を繰り返す。言い換えると、センサ素子１１の温度が露点を超えるまで、Ｓ１７の判定処理を繰り返す。

【0055】

センサ素子１１の温度が露点を超えたと判定された場合には、演算部１５は、ヒータ１７に対してセンサ本通電処理を実行する（Ｓ１８）。センサ本通電処理は、センサ素子１１のインピーダンス（具体的には、起電力検出セルのインピーダンス）が、予め記憶された目標インピーダンスになるように、ヒータ１７に供給する電力をＰＷＭ制御する処理のことである。言い換えると、センサ素子１１の温度が、予め定められた目標温度に到達するようにヒータ１７に供給される電力を制御する処理のことである。

【0056】

センサ本通電処理が開始されると、演算部１５は、センサ素子１１が活性化したか否かの判定処理を実行する（Ｓ１９）。具体的には、センサ素子１１（起電力検出セル）のインピーダンスと、予め記憶されている活性化に関する閾値とを比較して、センサ素子１１が活性化したか否かの判定が行われる。なお、センサ素子１１（起電力検出セル）のインピーダンスは、起電力検出セルに一定値の電流変化を与えたときに検出される電圧変化量に基づいて検出する公知の手法を採用することができる。Ｓ１９の判定処理において、センサ素子１１が活性化されていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、上述のＳ１９に戻り、センサ素子１１が活性化したか否かの判定処理を繰り返し実行する。

【0057】

Ｓ１９の判定処理において、センサ素子１１が活性化されていると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、演算部１５は、活性フラグの値を、センサ素子１１が活性化されたことを示す“１”とする処理を実行する（Ｓ２０）。言い換えると、センサ素子１１の活性経験を演算部１５が認識する処理を実行する。

【0058】

その後、演算部１５は、ＥＧＲ装置５０がＯＦＦして十分な時間が経過したか否かの判定処理を実行する（Ｓ２１）。言い換えると、ＥＧＲ装置５０のＥＧＲバルブ５３が閉じられてから、酸素センサ１０の周囲を流れる吸入雰囲気における排気ガスの濃度が安定するまでの時間が経過したか否かの判定処理が実行される。具体的には、演算部１５は、ＥＧＲ開度センサ２０から入力される開度信号に基づいて、ＥＧＲ装置５０がＯＦＦしたか否かを判定する。さらに、ＥＧＲ装置５０がＯＦＦしてから経過した時間を測定し、経過時間が十分な時間であるか否かの判定を行う。Ｓ２１の判定処理において、十分な時間が経過していないと判定された場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、上述のＳ１３に戻り、上述の処理を繰り返し実行する。

【0059】

Ｓ２１の判定処理において、十分な時間が経過したと判定された場合（ＹＥＳの場合）には、演算部１５は、エンジン４０のアイドル運転状態が所定の期間継続しているか否かの判定処理を実行する（Ｓ２２）。言い換えると、酸素センサ１０周囲の吸入雰囲気の圧力および流速が安定するまでの時間が経過したか否かの判定処理が実行される。具体的には、演算部１５は、ＥＣＵ４３からアイドルスイッチ信号が継続して入力されている期間が所定の期間継続しているか、または、アイドルスイッチ信号が入力されてからの経過期間が所定の期間に達しているか否かの判定処理を行う。Ｓ２２の判定処理において、アイドル運転状態が所定の期間継続していないと判定された場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、Ｓ１３に戻り、上述の処理を繰り返し実行する。

【0060】

Ｓ２２の判定処理において、アイドル運転状態が所定の期間継続していると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、演算部１５は、補正係数の算出に用いられる出力信号Ｉｐである、Ｉｐｎサンプル（補正情報）の取得処理を実行する（Ｓ２３）。Ｉｐｎサンプルとして取得される出力信号Ｉｐは、センサ素子１１から出力された出力信号Ｉｐであり、いわゆる生信号である。具体的には、取得された出力信号Ｉｐは、Ｉｐｎサンプルとして記憶部１６に記憶される。

【0061】

その後、演算部１５は、補正Ｉｐサンプルの変数ｎの値を更新する処理を実行する（Ｓ２４）。具体的には、変数ｎの値を１つ増やす処理を実行する。変数ｎの値が更新されると、演算部１５は、変数ｎの値が１１に達したか否かの判定処理を実行する（Ｓ２５）。言い換えると、補正Ｉｐサンプルの取得回数が１０回に達したか否かの判定処理を実行する。変数ｎの数が１１に達していない場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、上述のＳ１３に戻り、上述の処理を繰り返し実行する。

【0062】

変数ｎの数が１１に達した場合（ＹＥＳの場合）には、演算部１５は、Ｉｐｎサンプルの平均値であるＩｐａｖｚを演算により求める処理を実行する（Ｓ２６）。具体的には、記憶部１６に記憶された最新の１０個のＩｐｎの平均処理（相加平均処理）により平均値Ｉｐａｖｚが算出される。

【0063】

演算部１５は、算出した平均値Ｉｐａｖｚを、記憶部１６に記憶（ストア）する（Ｓ２７）。その後、演算部１５は、補正Ｉｐサンプルの変数ｎの値を“１”にリセットする処理を実行し（Ｓ２８）、補正Ｉｐ平均値の変数ｚを更新する処理を実行する（Ｓ２９）。言い換えると、変数ｚの値を１つ増やす処理を実行する。

【0064】

その後、演算部１５は、ＥＣＵ４３からエンジンキーがＯＦＦの位置にあると判定された際に出力されるＫｅｙ ＯＦＦ信号が入力されたか否かの判定処理を実行する（Ｓ３０）。Ｋｅｙ ＯＦＦ信号が入力されていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、上述のＳ１３に戻り、上述の処理を繰り返し実行する。

【0065】

Ｋｅｙ ＯＦＦ信号が入力されていると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、演算部１５は、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの値を更新する処理を開始する。まず、演算部１５は、変数ｚの値が４に達したか否かの判定処理を実行する（Ｓ３１）。言い換えると、記憶部１６に記憶された平均値Ｉｐａｖｚの算出（取得）回数が３回に達したか否かの判定処理を実行する。変数ｚの数が４に達していない場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの更新処理を行わずに、本補正処理を終了する。一方、変数ｚの数が４に達した場合（ＹＥＳの場合）には、記憶部１６から最新の３個の平均値Ｉｐａｖｚを読み出し、平均値Ｉｐａｖｚを更に平均処理（相加平均処理）した平均値Ｉｐａｖｚａｖｅを求める演算処理を実行する（Ｓ３２）。

【0066】

平均値Ｉｐａｖｚａｖｅが算出されると、演算部１５は、平均値Ｉｐａｖｚａｖｅに補正係数Ｉｐｃｏｍｐを乗じた値と、予め演算部１５に記憶された酸素濃度の値（基準値）との差（差の絶対値）である誤差が所定値である所定の範囲内（Ｔ１未満）であるか否かの判定処理を実行する（Ｓ３３）。上述の誤差が所定の範囲内（Ｔ１未満）である場合（ＹＥＳの場合）には、演算部１５は、平均値Ｉｐａｖｚａｖｅの値を０にクリアする処理を実行する（Ｓ３４）。

【0067】

上述の誤差が所定の範囲外（Ｔ１以上）である場合（ＮＯの場合）には、演算部１５は、それまで用いてきた補正係数Ｉｐｃｏｍｐの値を更新する処理を実行する（Ｓ３５）。具体的には、予め演算部１５に記憶された基準値を、平均値Ｉｐａｖｚａｖｅで割ることにより、新たな補正係数Ｉｐｃｏｍｐを算出する演算処理を実行し、新たな補正係数Ｉｐｃｏｍｐを、それ以後に使用する補正係数Ｉｐｃｏｍｐとして記憶部１６に記憶させる（更新する）処理を実行する。以上により、センサ制御システム１における補正係数Ｉｐｃｏｍｐの補正処理が完了する。

【0068】

上記の構成の酸素センサ制御部１２を備えたセンサ制御システム１によれば、エンジン４０の運転状態が運転中のときであって、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定できる状態にあるとき（Ｓ２１、Ｓ２２のそれぞれの処理にて肯定判定されるとき）に収集されたＩｐｎサンプルに基づいて、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの算出が行われる。そのため、センサ素子１１の出力信号の値と、吸入雰囲気中の酸素濃度との対応関係に、センサ素子１１の劣化などにより、ズレが発生しても、演算部１５において算出された補正係数Ｉｐｃｏｍｐを用いて出力信号Ｉｐを補正する処理によって当該対応関係のズレを解消することができる。

【0069】

吸入雰囲気中の酸素濃度を推定できる特定状態を、ＥＧＲ装置５０のＥＧＲバルブ５３が閉じられている状態とすることにより、精度の高いＩｐｎサンプルを収集することができる。

【0070】

つまり、ＥＧＲバルブ５３が閉じられた状態とは、吸入雰囲気に還流する排気ガス量がない状態である。言い換えると、吸入雰囲気の酸素濃度は、大気の酸素濃度と同じであると推定できる状態である。そのため、ＥＧＲバルブ５３が閉じられた状態の吸入雰囲気中の酸素濃度は精度が高くなり、精度の高いＩｐｎサンプルを収集することができる。

【0071】

また、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定できる特定状態を、エンジン４０がアイドル運転状態とすることにより、精度の高いＩｐｎサンプルを収集することができる。
つまり、エンジン４０がアイドル運転されている場合には、エンジン４０が高負荷状態で運転されている場合と比較して、エンジン４０に吸入される吸入雰囲気の流量が少なくなる。すると、センサ素子１１が配置されている領域における吸入雰囲気の流速が遅くなり、かつ、吸入雰囲気の圧力が大気圧に近くなる。一般的に、センサ素子１１の出力の出力信号Ｉｐは、センサ素子温度の依存性があり、かつ、周囲の圧力の依存性がある。吸入雰囲気の流速を遅くすることにより、吸入雰囲気によって奪われるセンサ素子１１の熱量を減少させて、センサ素子１１の温度を所定の一定温度に制御しやすく、出力信号Ｉｐを安定させやすくなる。同様に、センサ素子１１の周囲の圧力を所定の一定圧力、つまり概略大気圧に制御することで、出力信号Ｉｐを安定させやすくなる。このように、出力信号Ｉｐを安定させた上でＩｐｎサンプルの収集を行うことで、より正確な補正を行うことができる。

【0072】

さらに、エンジン４０がアイドル運転されている場合とは、エンジン４０にかかる負荷が少ない場合であり、エンジン４０のシリンダ４１とピストンとの隙間などから漏れる排気ガスであるブローバイガスが少ない場合である。ブローバイガスが吸入雰囲気中に混入すると、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定する際の誤差の原因となる。エンジン４０のアイドル運転時にＩｐｎサンプルの収集を行うことにより、例えば、エンジン４０が高負荷条件下で運転している際にＩｐｎサンプルの収集を行う場合と比較して、ブローバイガスの影響を受けにくく、精度の高い補正係数Ｉｐｃｏｍｐを算出することができる。

【0073】

その他に、演算部１５は、エンジン４０の運転中にＩｐｎサンプルの収集を実行するため、エンジン４０が停止中にＩｐｎサンプルを収集する場合と比較して、エンジン４０の吸入雰囲気の状態が平衡状態になるまでの時間が短くなる。そのため、演算部１５において補正係数Ｉｐｃｏｍｐを算出するために必要な時間が短縮され、バッテリの電力消耗を抑制することができる。さらに、エンジン４０によって発電機が駆動されてエンジン４０に併設されたバッテリの充電が行われる間にＩｐｎサンプルの収集を実行するため、エンジン４０が停止している間にＩｐｎサンプルの収集を実行する場合と比較して、バッテリの電力消耗を抑制することができる。

【0074】

予め演算部１５に記憶された酸素濃度の値と平均値Ｉｐａｖｚａｖｅに補正係数Ｉｐｃｏｍｐを乗じた値の差が所定の範囲外（Ｔ１以上）である場合にのみ、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの更新処理を行うことにより、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの過度の更新によって、却って酸素濃度の測定精度が低下するリスクを低減することができる。

【0075】

なお、上述の実施形態のように、吸入雰囲気中の酸素濃度を推定できる場合として、ＥＧＲ装置５０のＥＧＲバルブ５３が閉じられている場合を用いてもよいし、ＥＧＲバルブ５３の開度が、演算部１５に予め記憶された酸素濃度と、吸入雰囲気中の酸素濃度とが一致するとみなせる所定開度未満の状態であってもよい。

【0076】

なお、上述の実施形態では、Ｋｅｙ ＯＦＦ信号が演算部１５に入力された後、言い換えるとエンジン４０が停止した後に、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの値を更新する処理を開始する例に適用して説明したが、エンジン４０が運転中に補正係数Ｉｐｃｏｍｐの値を更新する処理を開始してもよい。つまり、補正係数Ｉｐｃｏｍｐを算出するために必要なＩｐｎサンプルについてはエンジン４０の運転中に収集することが不可欠であるが、Ｉｐｎサンプル（平均値Ｉｐａｖｚａｖｅ）を用いて補正係数Ｉｐｃｏｍｐを算出する処理のタイミングは、本実施形態において特に限定するものではない。

【0077】

さらに、上述の実施形態のように、１回のＳ３３の判定結果に基づいて、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの値を更新する処理を実行（Ｓ３５）してもよいし、図４のフローチャートに示すように、Ｓ３３の判定結果が３回ＮＯになって初めて補正係数Ｉｐｃｏｍｐの値を更新する処理を実行してもよい。具体的には、Ｓ３３の判定結果がＮＯの場合に、ＮＯと判定された回数ｍをカウントする処理を実行し（Ｓ４１）、その後、ＮＯと判定された回数ｍが３回以上であるか否かの判定処理を実行する（Ｓ４２）。ＮＯと判定された回数ｍが３回以上の場合には、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの値を更新する処理を実行する。ＮＯと判定された回数ｍが３回未満の場合には補正処理を終了し、次回の補正処理を再び開始する。

【0078】

また、Ｓ３３の判定結果がＹＥＳの場合には、平均値Ｉｐａｖｚａｖｅの値を０にクリアする処理を実行（Ｓ３４）したのち、Ｓ３３の判定でＮＯと判定された回数ｍを０にクリアする処理が実行される（Ｓ４３）。このようにすることで、誤判定によって補正係数Ｉｐｃｏｍｐの値を更新する処理が実行されることを抑制できる。

【0079】

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係るセンサ制御システムついて図５を参照して説明する。本実施形態のセンサ制御システムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、酸素センサ制御部が配置される位置が異なっている。よって、本実施形態においては、図５を用いて酸素センサ制御部の配置についてのみを説明し、その他の説明を省略する。

【0080】

センサ制御システム１０１には、図５に示すように、吸入雰囲気中の酸素濃度を測定するセンサ素子１１及びヒータ１７を備える酸素センサ１１０と、ＥＧＲ装置５０のＥＧＲバルブ５３の開度を検出するＥＧＲ開度センサ２０と、スロットル開度センサ２１と、エンジン４０の回転数を検出する回転数センサ３０と、センサ素子１１から出力された出力信号Ｉｐの補正を行う酸素センサ制御部（酸素センサ制御装置）１１２と、が主に設けられている。

【0081】

つまり、酸素センサ１０にセンサ素子１１および酸素センサ制御部１２が備えられていた第１の実施形態に対して、本実施形態では、酸素センサ制御部１１２が酸素センサ１１０に備えられていない点が異なっている。本実施形態では、酸素センサ制御部１１２がエンジン４０を制御するＥＣＵ４３に配置されている例に適用して説明する。

【0082】

酸素センサ制御部１１２は、第１の実施形態の酸素センサ制御部１２と同様に、エンジン４０の運転中にＩｐｎサンプルの収集を行うものである。また、酸素センサ制御部１１２は、補正係数Ｉｐｃｏｍｐの補正処理を行い、酸素濃度を正確に算出できるようにするものである。酸素センサ制御部１１２には、センサ素子１１、ヒータ１７の駆動制御（通電制御）を行う回路構成のほか、出力信号Ｉｐを検出する検出部１３と、入力部１４と、出力信号Ｉｐに係る補正処理を実行する演算部１５と、記憶部１６と、が主に設けられている（図２参照）。

【0083】

上記の構成からなるセンサ制御システム１０１における補正係数Ｉｐｃｏｍｐの補正処理ついては、第１の実施形態のセンサ制御システム１における補正処理と同様であるため、その説明を省略する。

【符号の説明】

【0084】

１，１０１…センサ制御システム、１０，１１０…酸素センサ、１１…センサ素子、１２，１１２…酸素センサ制御部（酸素センサ制御装置）、１３…検出部、１５…演算部、１７…ヒータ、２０…開度センサ（状態測定部）、２１…スロットル開度センサ（状態測定部）、３０…回転数センサ（状態測定部）、４０…エンジン（内燃機関）、４３…ＥＣＵ（判定部）、５０…ＥＧＲ装置（排気ガス還流装置）、５３…ＥＧＲバルブ（制御弁）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】