JP4658864B2 - 酸素センサの活性化時間測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガスに晒した酸素センサが活性化されるまでにかかる時間を測定するための活性化時間測定方法に関するものである。

従来、自動車等の内燃機関では、三元触媒を用い、排気ガス中に含まれるＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘの浄化が行われている。そして浄化が効率よく行われるように、排気管に取り付けた酸素センサによって排気ガス中の酸素濃度を検出し、その検出値に基づいて燃料の噴射量を調整することで、燃料と空気の混合比（空燃比）を理論値に近づける制御が行われている。

このような空燃比の制御に用いられる酸素センサのセンサ素子には、ジルコニア固体電解質体が用いられている。ジルコニア固体電解質体は常温では絶縁性を示し、所定の温度以上（例えば３００℃以上）に加熱されることで活性化して酸素イオンを伝達する性質を有し、出力される酸素濃度の検知信号が安定化する。排気ガスは自動車の始動直後から高い温度となっているわけではないので、酸素センサが排気ガスの温度によって加熱され活性化されるまで酸素濃度の検出結果に基づく空燃比の制御が十分に行うことができず、三元触媒による排気ガスの浄化を十分に行うことができない。そこでヒータを内蔵し、そのヒータによりセンサ素子を加熱して、センサ素子が速やかに活性化されるようにした酸素センサが利用されている。

近年、排気ガス規制が強化され、このような酸素センサのセンサ素子が活性化されるまでの時間、より具体的にはエンジンの駆動開始から、センサから出力される酸素濃度の検知信号が安定化するまでにかかる時間（以下、「ライトオフタイム」という。）の短縮が求められている。そしてセンサ素子の材料やヒータの材料の組合せ、センサ素子の製造方法などに改良が加えられ、ライトオフタイムをより短縮できる酸素センサが開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような酸素センサを開発する過程において、エンジンベンチ（内燃機関の各種性能試験を行うための装置）等を用いて酸素センサのライトオフタイムの測定が行われ、性能の評価に利用されている。ライトオフタイムの具体的な測定方法としては、まず、空燃比をリッチ側にした排気ガス中に酸素センサを晒し、検出値が、センサ素子が活性化したと判断できる閾値を超えるまでにかかった時間（リッチ側活性化時間）を測定する。次に、空燃比をリーン側にした排気ガス中にその酸素センサを晒し、同様に、リーン側活性化時間を測定する。そして、リッチ側、リーン側共にセンサ素子が活性化された時間、すなわちリッチ側活性化時間またはリーン側活性化時間のうちの遅い方の時間をライトオフタイムとすることで、ライトオフタイムの測定を行っている（第１の測定方法）。

しかし、上記の第１の測定方法では、空燃比をリッチ側にした排気ガス中での測定と、リーン側にした排気ガス中での測定との２回の測定を行うため、ライトオフタイムの測定に時間や手間がかかる。また、２回にわけて測定を行うため、測定されたリッチ側活性化時間とリーン側活性化時間とが全くの同一条件において測定されたものとはいえない。そこで、排気ガスの空燃比を一定の周期でリッチ側およびリーン側に交番させ、リッチ側でセンサ素子が活性化したと判断できる閾値を超え、且つ、リーン側においてもセンサ素子が活性化したと判断できる閾値を超えた場合をライトオフタイムとする第２の測定方法が実施されている。
特開２００２−２９６２３２号公報

しかしながら、第２の測定方法では、空燃比がリッチ側およびリーン側に周期的に交番されるため、酸素センサの検出値は、その周期にあわせた変動を繰り返すこととなる。例えば、酸素センサの検出値がリッチ側の閾値を超え、リッチ側の出力が活性化されたと判断されたときに、リーン側の活性状態を直ちに判定することができない。つまり、空燃比が一定周期で交番されているため、リーン側の活性状態の判定は、空燃比の交番によって酸素センサの検出値がリーン側にシフトするまで待たなければならない。また、ある周期において、酸素センサの検出値がリッチ側の閾値に限りなく近づいたときに、そのまま空燃比がリッチ側に固定されたなら、その直後に検出値がリッチ側の閾値を超える可能性があるが、空燃比の交番によって、閾値に達する前に検出値がリーン側に向けて変動すると、検出値がリッチ側の閾値を超えるタイミングが次の周期に持ち越されてしまう。つまり、同一の酸素センサであっても、空燃比の交番の周期によって測定されるライトオフタイムに違いが生ずる虞があり、ライトオフタイムについての性能比較を行った場合、誤った評価が下される虞があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、酸素センサが活性化されるまでにかかる時間をより正確に測定することができる酸素センサの活性化時間測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の酸素センサの活性化時間測定方法は、空燃比を一定の周期でリッチ側およびリーン側に交番させた被測定ガスに酸素センサを晒してから当該酸素センサが活性化されるまでにかかる活性化時間を測定するための活性化時間測定方法であって、前記酸素センサが出力する検出信号を所定時間ごとに検出値として取得する検出値取得工程と、前記検出値取得工程において取得された検出値を複数記憶する検出値記憶工程と、前記検出値記憶工程において記憶された複数の検出値のうち、リッチ側およびリーン側に１回ずつ交番させた時間を１周期としたときに、当該１周期ごとにその周期内における最大の検出値を極大値として抽出する極大値抽出工程と、前記検出値記憶工程において記憶された複数の検出値のうち、前記１周期ごとにその周期内における最小の検出値を極小値として抽出する極小値抽出工程と、前記極大値抽出工程において抽出された複数の極大値のうち、隣り合う極大値同士をそれぞれ直線で結んで極大値側連結線を取得する極大値側連結線取得工程と、前記極小値抽出工程において抽出された複数の極小値のうち、隣り合う極小値同士をそれぞれ直線で結んで極小値側連結線を取得する極小値側連結線取得工程と、極大値側閾値と前記極大値側連結線とが交差する交点のうち、前記被測定ガスに晒してから最も遅く交差している交点を第１判定交差点として取得する第１判定交差点取得工程と、前記極大値側閾値よりも小さく設定された極小値側閾値と前記極小値側連結線とが交差する交点のうち、前記被測定ガスに晒してから最も遅く交差している交点を第２判定交差点として取得する第２判定交差点取得工程と、前記第１判定交差点と前記第２判定交差点とを比較して、遅い判定交差点に基づいて活性化時間を取得する活性化時間取得工程とを備えている。

また、請求項２に係る発明の酸素センサの活性化時間測定方法は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記第１判定交差点取得工程において、前記極大値側閾値と前記極大値側連結線との交点が取得できなかった場合、前記活性化時間取得工程では、前記第２判定交差点に基づいて活性化時間を取得することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の酸素センサの活性化時間測定方法は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記第２判定交差点取得工程において、前記極小値側閾値と前記極小値側連結線との交点が取得できなかった場合、前記活性化時間取得工程では、前記第１判定交差点に基づいて活性化時間を取得することを特徴とする。

請求項１に係る発明の酸素センサの活性化時間測定方法では、空燃比を一定の周期でリッチ側およびリーン側に交番させた被測定ガスの検出値を周期ごとに時分割し、各周期の極大値同士を結んだ極大値側連結線と、各周期の極小値同士を結んだ極小値側連結線とを取得することができる。この極大値側連結線と極小値側連結線とは、空燃比をリッチ側とリーン側とにそれぞれ固定した場合の被測定ガスの検出値に相当する。すなわち、極大値側連結線と極大値側閾値との最も遅い時間の交点である第１判定交差点について、その第１判定交差点が生じた時間は、空燃比をリッチ側に固定した場合の活性化時間に相当するといえる。これにより、従来は空燃比がリッチ側である期間においてのみ、リッチ側の活性化時間を特定ができなかったのに対し、空燃比がリーン側となった期間であっても、リッチ側の活性化時間を特定することができ、より正確なリッチ側の活性化時間の特定を行うことができる。リーン側の活性化時間の特定についても同様であり、第１判定交差点と第２判定交差点との遅い方の判定交差点に基づくことで、より正確な、酸素センサが活性化されるまでにかかる活性化時間を取得することができる。

また、リッチ側の活性化時間の取得とリーン側の活性化時間の取得とを平行して行うことができるので、酸素センサの活性化時間を一度の測定で得ることができ、測定に時間がかからなく、また、手間も軽減することができる。さらに、リッチ側の活性化時間の取得と、リーン側の活性化時間の取得とを一度の測定で行うことは、同一の測定条件下で行うこととなるため、より正確な、酸素センサが活性化されるまでにかかる活性化時間を取得することができる。

ところで、空燃比がリッチ側である被測定ガスに晒された酸素センサが、測定開始当初より活性化状態と同等の検出値を出力した場合など、第１判定交差点が取得できない場合がある。こうした場合には、請求項２に係る発明のように、リッチ側は既に活性化されているものとみなし、第２判定交差点に基づいて酸素センサの活性化時間を取得するとよい。同様に、第２判定交差点が取得できない場合には、請求項３に係る発明のように、リーン側は既に活性化されているものとみなし、第１判定交差点に基づいて酸素センサの活性化時間を取得するとよい。

以下、本発明を具体化した酸素センサの活性化時間測定方法の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を参照し、本発明に係る活性化時間測定方法を利用したライトオフタイム測定装置１０によって、活性化されるまでにかかる時間を測定される酸素センサ３０が取り付けられるエンジンベンチシステム１の概略的な構成について説明する。図１は、エンジンベンチシステム１の概略的な構成を示すブロック図である。図２は、ＨＤＤ１８の各記憶エリアの構成を示す模式図である。図３は、ＲＡＭ１５の各記憶エリアの構成を示す模式図である。

図１に示すエンジンベンチシステム１は、自動車等のエンジンの各種性能試験を行うため、エンジン５０に吸排気系、燃料系、電子制御系などの各種機関を組み付けて、エンジン５０を駆動するシステムを構成したものである。本実施の形態のエンジン５０は６本のシリンダ５１を有する６気筒のエンジンであり、各シリンダ５１内に空気と燃料の混合気を送り込むための吸気通路５２と、シリンダ５１内での混合気の燃焼により生じた排気ガスを排出する排気通路５３とが接続されている。

吸気通路５２にはエアフローセンサ５７とエアバルブ５６が設けられており、後述するＥＣＵ６０の制御により吸入される空気の流量が調整されている。吸気通路５２は各シリンダ５１に向けて分岐されており、それぞれの分岐先にインジェクタ４０が設けられている。吸入された空気はこのインジェクタ４０から噴射される燃料と混合されて、混合気として各シリンダ５１内に供給される。また、排気通路５３は、混合気の燃焼後に各シリンダ５１から排出される排気ガスを合流させ、三元触媒からなる浄化装置５４を通過させて外部に排出する通路として構成されている。三元触媒は、プラチナなどを用い、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘをＨ_２Ｏ、ＣＯ_２およびＮ_２に酸化もしくは還元する触媒であり、混合気が完全燃焼することにより効率よく酸化もしくは還元が行われる。

インジェクタ４０の駆動（燃料の噴射タイミングや噴射量）は電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０により制御されている。ＥＣＵ６０は、図示外の点火プラグの点火タイミングなども含めたエンジン５０の駆動のための総合的な制御を行っており、フィードバック制御のためエンジン５０に取り付けられた各種センサ５５からの検出信号が入力されている。また、後述するが、本実施の形態ではエンジン５０から排出される排気ガス中の酸素濃度が一定の周期でリーン（混合気中の燃料の割合が少なく燃焼後の排気ガス中に酸素が多く残った状態）側とリッチ（混合気中の燃料の割合が多くほとんどの酸素が燃焼に使用され、排気ガス中の酸素濃度が低い状態）側とに交番されるように、インジェクタ４０から噴射される燃料の噴射量の調整が行われており、その調整に係る制御のためのエンジン制御用コンピュータ７０がＥＣＵ６０に接続されている。

排気通路５３には、浄化装置５４の上流側には全領域空燃比センサ３５と、後述するライトオフタイム測定装置１０により活性化時間を測定するため、被測定ガスとしての排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ３０とが取り付けられる。全領域空燃比センサ３５は、排気ガス中の酸素もしくは未燃焼ガスの濃度の検出を行うセンサであり、その検出値がλメータ３６に入力される。λメータ３６は、全領域空燃比センサ３５の検出値からエンジン５０により燃焼された混合気の空燃比を求め、その空燃比を理論空燃比で割ったλ値を算出して出力する。本実施の形態のライトオフタイム測定装置１０では、後述する測定プログラムとは別のプログラムの実行によって、全領域空燃比センサ３５の検出値に基づくλ値の記録等が行われている。

酸素センサ３０は、酸素濃度の検出を行う酸素濃度検出部３１と、その酸素濃度検出部３１を加熱して早期活性化および活性化状態の安定化を図るためのヒータ部３２とを有する。酸素センサ３０の酸素濃度検出部３１からは排気ガス中の酸素濃度に応じた検出値（電圧値）が得られ、Ａ／Ｄ変換器１１を介して出力される。なお、排気通路５３には、図示しない熱電対もしくは温度センサが設けられており、排気ガスの温度を一定に保つためのフィードバック制御に用いられている。

次に、ライトオフタイム測定装置１０について説明する。ライトオフタイム測定装置１０は、公知の構成からなるパーソナルコンピュータである測定用コンピュータ１２と、酸素センサ３０の酸素濃度検出部３１の検出値（酸素濃度に応じた電圧値）をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１１と、酸素センサ３０のヒータ部３２に駆動電圧を印加するヒータ駆動回路部２６とから構成される。

測定用コンピュータ１２には、自身の制御を司るＣＰＵ１３が設けられている。ＣＰＵ１３には、ＢＩＯＳなどが記憶されたＲＯＭ１４と、ＣＰＵ１３のデータ処理時にデータや各種変数、フラグなどを一時的に記憶するＲＡＭ１５と、データの受け渡しの仲介を行うＩ／Ｏバス１６とが接続されている。Ｉ／Ｏバス１６には、測定者が操作の入力を行うマウス２４およびキーボード２５と、後述する測定プログラム実行時の操作画面を表示するディスプレイ２３に接続された、画面表示処理を行うビデオカード２２と、エンジン制御用コンピュータ７０とのデータ通信を行うための通信インターフェイス２０とが接続されている。また、Ｉ／Ｏバス１６には、測定プログラムが記録されたＣＤ−ＲＯＭ２１を挿入し、データの読み込みを行うＣＤ−ＲＯＭドライブ１９と、データの記憶装置であるハードディスクドライブ（以下「ＨＤＤ」という。）１８とが接続されている。ＣＤ−ＲＯＭドライブ１９によりＣＤ−ＲＯＭ２１から読み込まれた測定プログラムは、後述するＨＤＤ１８のプログラム記憶エリア１８１（図２参照）に記憶される。Ｉ／Ｏバス１６には、さらに、入出力ポート１７が接続されている。入出力ポート１７は図示外のＰＣＩバスを介してＩ／Ｏバス１６に接続される拡張ボードの形態で提供され、酸素センサ３０の酸素濃度検出部３１に接続されたＡ／Ｄ変換器１１と、全領域空燃比センサ３５に接続されたλメータ３６と、酸素センサ３０のヒータ部３２に接続されたヒータ駆動回路部２６とが接続され、各機器の入出力を担う。

次に、ＨＤＤ１８の記憶エリアについて説明する。図２に示すように、ＨＤＤ１８には、プログラム記憶エリア１８１と、初期設定記憶エリア１８２と、測定データ記憶エリア１８３と、ライトオフタイム記憶エリア１８４とが設けられている。プログラム記憶エリア１８１には、後述する測定プログラムを含め、各種プログラムがインストールされた際に記憶される。初期設定記憶エリア１８２には、測定プログラムの実行時に使用される初期設定値が記憶される。測定データ記憶エリア１８３には、測定プログラムの実行に従って取得された酸素センサ３０の検出値（電圧値）と、その検出値が取得されたタイミングにおけるタイマカウンタ記憶エリア１５５のカウント値とが関連付けられて記憶される。ライトオフタイム記憶エリア１８４には、酸素センサ３０が排気通路５３に取り付けられてから活性化されるまでにかかった活性化時間としてのライトオフタイムが、測定プログラムの実行により求められて、記憶される。また、ＨＤＤ１８には図示外の各種記憶エリアも設けられている。

次に、ＲＡＭ１５の記憶エリアについて説明する。図２に示すように、ＲＡＭ１５には、ワークエリア１５１と、サンプリング回数記憶エリア１５２と、リッチ側活性化時間記憶エリア１５３と、リーン側活性化時間記憶エリア１５４と、タイマカウンタ記憶エリア１５５とが設けられている。ワークエリア１５１には、測定プログラムの実行時に利用される各種変数やフラグ、カウント値などが一時的に記憶される。また、測定プログラム自身も実行時にＨＤＤ１８から読み込まれ、展開される。サンプリング回数記憶エリア１５２には、酸素センサ３０による排気ガス中の酸素濃度の検出（サンプリング）の繰り返し回数（サンプリング回数）が記憶され、測定プログラムの実行に伴い減算されて、サンプリングの終了の判断に用いられる。リッチ側活性化時間記憶エリア１５３には、測定プログラムの実行によって、空燃比がリッチ側である場合に酸素センサ３０が活性化したとみなされる時間が求められ、記憶される。リーン側活性化時間記憶エリア１５４にも同様に、測定プログラムの実行によって、空燃比がリーン側である場合に酸素センサ３０が活性化したとみなされる時間が求められ、記憶される。タイマカウンタ記憶エリア１５５には、図示外のタイマプログラムによって所定時間毎に値が１ずつ加算されるカウント値が記憶される。測定プログラムでは実行に伴いその時々のカウント値が取得され、時間換算して利用される。また、ＲＡＭ１５には、図示外の各種記憶エリアも設けられており、測定プログラムも所定の記憶エリアに読みこまれて実行される。

次に、酸素センサ３０により酸素濃度の検出が行われる原理について簡単に説明する。酸素センサ３０の酸素濃度検出部３１は、常温では絶縁性を示すジルコニア固体電解質体をプラチナ電極間に挟んだ構造をなし、一方の電極が大気雰囲気に晒され、他方の電極が被測定ガスとしての排気ガスに晒されるように構成されている。ジルコニア固体電解質体は加熱されることで活性化されて導電性を有するようになり、このジルコニア固体電解質体を介して酸素イオンが移動できるようになる。エンジン５０に供給される混合気中の燃料の割合が低くリーン状態で燃焼が行われた場合、排気ガス中の酸素濃度（分圧）と大気雰囲気中の酸素濃度（分圧）とがほぼ平衡な状態で維持されるため、ジルコニア固体電解質体を介した酸素イオンの移動は生じない。一方、混合気の燃焼がリッチ状態で行われた場合、混合気中のほとんどの酸素が燃焼に使われるため、排気ガス中の酸素濃度（分圧）と大気雰囲気中の酸素濃度（分圧）とが非平衡な状態となる。このため、ジルコニア固体電解質体を介し、大気雰囲気側の酸素イオンが排気ガス雰囲気側に移動し、これに伴い生ずる起電力が、酸素濃度に応じた電圧値として検出されるのである。つまり、混合気がリッチ状態とリーン状態との境目すなわち燃焼が理論空燃比で行われた場合（λ値が１である場合）を境に、検出される検出値には大きな変化が生ずることとなる。

上記のように、ジルコニア固体電解質体が活性化されないと酸素センサ３０からは出力が得られないこととなるため、活性化されるまでの時間、すなわち前述したライトオフタイムの短縮を目指した酸素センサ３０が開発され、その評価を行うために、本実施の形態のライトオフタイム測定装置１０が利用される。

ここで、空燃比をリッチ側に固定した場合、酸素センサ３０の出力（検出値）は、ジルコニア固体電解質体の温度上昇と共に大きくなっていき、ジルコニア固体電解質体が十分に活性化されたところで安定する。空燃比をリーン側に固定した場合についても同様に、ジルコニア固体電解質体の温度が十分に高まっていないうちは安定せず、ジルコニア固体電解質体が十分に活性化されたところで安定する。リッチ側、リーン側共に酸素センサ３０の出力が安定して初めて酸素センサ３０（ジルコニア固体電解質体）が活性化したとみなすことができるため、ライトオフタイムの測定には、リッチ側の活性化時間の測定と、リーン側の活性化時間の測定とが必要となる。

そこで、本実施の形態では、空燃比をリッチ側とリーン側とで交番させた排気ガスの酸素濃度の検出を行ない、リッチ側の活性化時間の測定と、リーン側の活性化時間の測定とを一回の測定で同時に行い、測定の手間を軽減している。具体的には、空燃比をリッチ側とリーン側とで交番させた排気ガス中に酸素センサ３０を晒し、その結果得られる検出値（電圧値）を縦軸に、時間経過を横軸にしたセンサ信号波形を描画する。その一例として図４に、時間の経過に対する酸素センサ３０の検出値（電圧値）の変化（センサ信号波形）を記録したグラフを示す。図４のグラフに示すように、酸素センサ３０から得られる検出値（電圧値）は、リッチ状態とリーン状態との交番の周期にあわせ、波打つように変動し、時間の経過と共に周期毎の最大値および最小値が一定の値を示すようになり、安定化される。このことから、周期毎の最大値を直線で連結した折れ線グラフを作成し、これをリッチ側の活性化時間の測定に用いる。リーン側についても同様に、周期毎の最小値を直線で連結した折れ線グラフを用い、活性化時間を測定する。そして両者から、リッチ側、リーン側共に酸素センサ３０が活性化された時間をライトオフタイムとして決定することで、より正確なライトオフタイムの測定を行っている。

以下、図５〜図７のフローチャートに従って、図１〜図３および図８を参照しながら、測定プログラムの実行に伴うライトオフタイム測定装置１０の動作について説明する。図５〜図７は、測定プログラムのフローチャートである。図８は、図４に示す酸素センサのセンサ信号波形の一例を示すグラフから点線で囲んだ部分を拡大し、ライトオフタイムを測定する方法について説明するためのグラフである。なお、フローチャートの各ステップについては「Ｓ」と略記する。

前述したように、例えばＣＤ−ＲＯＭ２１を介して提供される測定プログラムはライトオフタイム測定装置１０の測定用コンピュータ１２にインストールされ、ＨＤＤ１８のプログラム記憶エリア１８１に記憶されている。測定用コンピュータ１２で、図５に示す、測定プログラムが実行されると、まず、エンジン制御用コンピュータ７０に指示が送信され、排気通路５３に対し、空燃比を一定の周期でリッチ側およびリーン側に交番させた排気ガスの供給が開始される（Ｓ１１）。具体的には、測定用コンピュータ１２から指示を受けたエンジン制御用コンピュータ７０が、ＥＣＵ６０に指示を出し、エンジン５０の駆動を開始させる。さらに、エンジン制御用コンピュータ７０は、一定の周期（例えばＴ（ｍｓ）とする。）ごとに空燃比をリッチ側とリーン側とで交番させる指示をＥＣＵ６０に行う。ＥＣＵ６０は、インジェクタ４０から噴射する燃料の量と、エアバルブ５６の開放度の調整による吸気通路５２内への空気の吸入量との調整を行って、空燃比をＴｍｓ毎にリッチ側とリーン側とに交番させる。

次いでＲＡＭ１５のサンプリング回数記憶エリア１５２に、ＨＤＤ１８の初期設定記憶エリア１８２に記憶されたサンプリング回数の初期値、例えば２０００（１０ｍｓごとのサンプリングを２０秒間行う場合）が記憶される。このサンプリング回数は、予め実験等により酸素センサ３０が活性化するのに十分な時間を求め、少なくともその時間中はサンプリングが行われるように設定された回数である。また、ＲＡＭ１５のリッチ側活性化時間記憶エリア１５３およびリーン側活性化時間記憶エリア１５４には０が記憶され、リセットが行われる。さらに、タイマカウンタ記憶エリア１５５のカウント値もリセットされ、カウントが０から開始される（Ｓ１２）。

次に、排気通路５３に、ライトオフタイム測定対象の酸素センサ３０の取り付けが行われる（Ｓ１３）。取り付けられる酸素センサ３０は、少なくともジルコニア固体電解質体の温度が常温となって非活性の状態であるものが測定対象となる。酸素センサ３０には、予めＡ／Ｄ変換器１１および入出力ポート１７との配線がなされており、また、排気通路５３に容易に取り付けることのできる図示外の取付器具が酸素センサ３０に組み付けられている。この処理の際に、測定用コンピュータ１２のディスプレイ２３には取り付けが完了したか否かの確認を行うための入力用ダイアログの表示が行われる。測定者は、排気通路５３への酸素センサ３０の取り付けを行い、それと同時にマウス２４もしくはキーボード２５を操作して、取り付けが完了したことをＣＰＵ１３に報せる。これを契機にヒータ駆動回路部２６に駆動開始信号が送信され、酸素センサ３０のヒータ部３２への通電が開始される（Ｓ１５）。

そして、センサ信号の取得が行われる（Ｓ１６）。前述したように、酸素センサ３０による排気ガス中の酸素濃度の検出値はＡ／Ｄ変換器１１によりＡ／Ｄ変換されて入出力ポート１７に入力されており、このタイミングにおける検出値が取得される。また、ＲＡＭ１５のタイマカウンタ記憶エリア１５５のカウント値が参照され、そのときのカウント値がＲＡＭ１５のワークエリア１５１に記憶される。さらにそのカウント値と、Ｓ１６で取得した検出値（電圧値）とが関連付けられた状態で、ＨＤＤ１８の測定データ記憶エリア１８３に記憶される（Ｓ１９）。なお、Ｓ１９において酸素センサ３０の検出値を測定データ記憶エリア１８３に記憶する処理が、本発明における「検出値記憶工程」に相当する。

次に、ＲＡＭ１５のサンプリング回数記憶エリア１５２の値が参照され、１以上であれば、サンプリングが継続される（Ｓ２０：ＮＯ）。サンプリングは１０ｍｓ毎に行われるので、タイマカウンタ記憶エリア１５５のカウント値が参照され、Ｓ１９でワークエリア１５１に記憶されたカウント値（センサ信号取得時のカウント値）よりも１０ｍｓ後に相当する値となるまで、サンプリング待ち時間として待機される（Ｓ２１：ＮＯ）。

繰り返し参照されるタイマカウンタ記憶エリア１５５のカウント値が、センサ信号取得時のカウント値よりも１０ｍｓ後に相当する値以上となれば、サンプリング待ち時間が経過したと判断され（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ＲＡＭ１５のサンプリング回数記憶エリア１５２の値が１減算される（Ｓ２３）。そしてＳ１６に戻り、前回のサンプリング時から１０ｍｓ経過後のセンサ信号の取得と記憶（Ｓ１６，Ｓ１９）が行われる。なお、Ｓ２１においてサンプリング待ち時間の待機を行うことで、所定時間毎にセンサ信号の取得を行うＳ１６の処理が、本発明における「検出値取得工程」に相当する。

このようにしてサンプリング回数が０となるまでＳ１６〜Ｓ２３の処理が繰り返されることによって、酸素センサ３０の酸素濃度検出部３１の検出した排気ガス中の酸素濃度に基づく検出値（電圧値）が１０ｍｓ毎に取得され、測定データ記憶エリア１８３に記憶され、データが蓄積される。そして、サンプリング回数が０になるとサンプリングが終了したと判断され（Ｓ２０：ＹＥＳ）、ヒータ駆動回路部２６に駆動終了信号が送信されて、酸素センサ３０のヒータ部３２への通電が停止される（Ｓ２４）。

次に、図６に示すように、ＨＤＤ１８の測定データ記憶エリア１８３に記憶された２０００回分のセンサ信号のサンプリングデータから、センサ信号波形が作成される（Ｓ３１）。センサ信号波形は、センサ信号すなわち酸素センサ３０の検出した排気ガス中の酸素濃度に応じて得られた電圧値を縦軸に、Ｓ１３で酸素センサ３０が排気通路５３に取り付けられた後から（より詳細にはＳ１６で初回のセンサ信号の取得が行われたタイミングから）の経過時間（時間換算を行ってもよいし、カウント値のままとしてもよい。）を横軸にしてプロットされる。一例として、図４にセンサ信号波形のグラフを示す。このセンサ信号波形は、ＲＡＭ１５のワークエリア１５１に形成された仮想グラフ描画領域へのプロッティングにより作成される。なお、本実施の形態では、センサ信号波形はサンプリングにより得られた点の集合であるが、それらの点を結ぶ曲線、あるいはそれらの点から最小二乗法などを用いて算出される曲線を描画してもよい。

そして、図６に示すように、エンジン制御用コンピュータ７０に、空燃比をリーン側からリッチ側に切り換えるタイミングの問い合わせが行われる（Ｓ３２）。エンジン制御用コンピュータ７０は、空燃比をリーン側からリッチ側に切り換える度に測定用コンピュータ１２へ切換信号を送信する。測定用コンピュータ１２では切替信号の受信が２回行われ、それぞれの受信タイミングにタイマカウンタ記憶エリア１５５のカウント値が参照されて、そのカウント値から空燃比の交番の周期、すなわち２Ｔ（ｍｓ）が計算される。そして切替信号の受信タイミングからの逆算により、周期毎、すなわち、２Ｔ（ｍｓ）に相当するカウント値の大きさずつ、ワークエリア１５１に形成したセンサ信号波形を区切り、時分割が行われる（Ｓ３３）。一例として、図８に示すセンサ信号波形を、２点鎖線Ａで示す時分割線で周期２Ｔ（ｍｓ）毎に時分割した様子を示す。

次に、図６に示すように、時分割したセンサ信号波形の各周期毎に、電圧値が最大値となる点（サンプリングされた電圧値と、そのときのカウント値）の抽出が行われる（Ｓ３５）。ところで、混合気が燃焼されてエンジン５０から排気ガスとして排出され、排気通路５３を流通して酸素センサ３０に達するまでタイムラグが生ずる。このため、各周期のセンサ信号波形は、空燃比をリーン側からリッチ側に切り換えたタイミングより少し遅れて極小値を迎えてから電圧値が上昇し始め、空燃比をリッチ側からリーン側に切り換えたタイミングより少し遅れて極大値を迎えてから電圧値が下降し始める波形を描く。このため、各周期の最大値は、通常、極大値にて得られることとなる。一例として図８に、センサ信号波形を時分割した各周期毎の電圧値の最大値（極大値）を点Ｂで示す。なお、Ｓ３５において、時分割したセンサ信号波形の各周期毎に電圧値が最大値となる点を抽出する処理が、本発明における「極大値抽出工程」に相当する。

次いで、図６に示すように、センサ信号波形より抽出された各周期毎の最大値を隣り合う周期間で直線で結び連結した極大値側連結線が作成される（Ｓ３６）。一例として図８に、センサ信号波形を時分割した各周期の最大値（点Ｂ）を直線で連結した極大値側連結線Ｄを点線で示す。なお、Ｓ３６において、各周期毎の最大値を直線で連結した極大値側連結線を作成する処理が、本発明における「極大値側連結線取得工程」に相当する。

そして、図６に示すように、極大値側連結線と、リッチ側閾値との交点の抽出が行われる（Ｓ３７）。前述したように酸素センサ３０のジルコニア固体電解質体は加熱されることにより活性化し、酸素イオンが多く移動できるようになるため、非活性の状態では起電力が小さい。このため、活性化の判断は空燃比がリッチ側である場合のセンサ信号として、所定の電圧値よりも高い電圧値が得られるか否かで行うことができる。通常、空燃比がリッチ側である場合の活性化の判断基準となる電圧値のしきい値（リッチ側閾値）は、０．５５Ｖとされている。そこで、極大値側連結線上で電圧値が０．５５Ｖとなる点が抽出され、その点の座標から得られるカウント値と共にワークエリア１５１に記憶される。一例として図８に、極大値側連結線とリッチ側閾値との交点を点Ｆで示す。

ここで、抽出された極大値側連結線とリッチ側閾値との交点が、複数存在する場合がある。本実施の形態では時間軸でもっとも遅いタイミングとなる交点をリッチ側判定交差点と定めている。この交点における時間よりも後の時間であれば（すなわちカウント値が大きければ）、空燃比がリッチ側である場合において間違いなく、ジルコニア固体電解質体が活性化された状態であるとみなしている。従って、図６に示すように、Ｓ３７で抽出された極大値側連結線とリッチ側閾値との交点のうち最も遅いタイミングの交点が、リッチ側判定交差点として特定される（Ｓ３９）。そして、特定されたリッチ側判定交差点における時間がグラフから求められ、リッチ側活性化時間としてカウント値が取得される（Ｓ４０）。リッチ側活性化時間は、ＲＡＭ１５のリッチ側活性化時間記憶エリア１５３に記憶される。なお、Ｓ３９において、極大値側連結線と、本発明の「極大値側閾値」に相当するリッチ側閾値との交点のうち最も遅いタイミングの交点を、本発明の「第１判定交差点」に相当するリッチ側判定交差点として特定する処理が、本発明における「第１判定交差点取得工程」に相当する。

次のＳ４１〜Ｓ４７の処理は、Ｓ３５〜Ｓ４０においてリッチ側活性化時間を取得した一連の処理と同様の処理をリーン側について行い、リーン側活性化時間を取得するものである。すなわち、時分割したセンサ信号波形の各周期毎に電圧値が最小値となる点（一例として図８に示す点Ｃ）の抽出が行われ（Ｓ４１）、センサ信号波形より抽出された各周期毎の最小値を隣り合う周期間で直線で結び連結した極小値側連結線（一例として図８に点線で示す極小値側連結線Ｅ）が作成される（Ｓ４３）。次いで、極小値側連結線とリーン側閾値との交点（一例として図８に示す点Ｇおよび点Ｈ）の抽出が行われ（Ｓ４４）、時間軸でもっとも遅いタイミングとなる交点（一例として図８に示す点Ｈ）がリーン側判定交差点して特定される（Ｓ４５）。そして、特定されたリーン側判定交差点における時間がグラフから求められ、リーン側活性化時間としてカウント値が取得されて、ＲＡＭ１５のリーン側活性化時間記憶エリア１５４に記憶される（Ｓ４７）。なお、Ｓ４１において、時分割したセンサ信号波形の各周期毎に電圧値が最小値となる点を抽出する処理が、本発明における「極小値抽出工程」に相当する。また、Ｓ４３において、各周期毎の最小値を直線で連結した極小値側連結線を作成する処理が、本発明における「極小値側連結線取得工程」に相当する。また、Ｓ４５において、極小値側連結線と、本発明の「極小値側閾値」に相当するリーン側閾値との交点のうち最も遅いタイミングの交点を、本発明の「第２判定交差点」に相当するリーン側判定交差点として特定する処理が、本発明における「第２判定交差点取得工程」に相当する。

次に、上記のようにして取得されたリッチ側活性化時間（カウント値）とリーン側活性化時間（カウント値）との比較が行われる（Ｓ５１）。そしてリッチ側活性化時間がリーン側活性化時間よりも遅い時間、すなわちカウント値が大きければ（Ｓ５１：ＹＥＳ）、リッチ側活性化時間がライトオフタイムであるとして、時間換算され、ＨＤＤ１８のライトオフタイム記憶エリア１８４に記憶（データとして蓄積）される（Ｓ５２）。一方、リーン側活性化時間がリッチ側活性化時間と同じ時間、もしくはそれよりも遅い時間であれば、すなわちカウント値が大きければ（Ｓ５１：ＮＯ）、リーン側活性化時間がライトオフタイムであるとして時間換算され、ＨＤＤ１８のライトオフタイム記憶エリア１８４に記憶される（Ｓ５３）。なお、Ｓ５１において、リッチ側活性化時間とリーン側活性化時間との比較を行って、遅い方を本発明の「活性化時間」に相当するライトオフタイムとして取得する処理が、本発明における「活性化時間取得工程」に相当する。

ところで、Ｓ３７もしくはＳ４４の処理（図６参照）で、極大値側連結線とリッチ側閾値との交点もしくは極小値側連結線とリーン側閾値との交点を得られない場合がある。例えば、酸素センサ３０がリッチ側もしくはリーン側の空燃比において測定開始当初より活性化状態と同等の電圧値を出力できる場合である。こうした場合、Ｓ３９もしくはＳ４５の処理でリッチ側判定交差点もしくはリーン側判定交差点が得られず、Ｓ４０もしくはＳ４７の処理でリッチ側活性化時間もしくはリーン側活性化時間の取得ができないこととなる（図６参照）。しかし、本実施の形態では、Ｓ１２の処理（図５参照）で、ＲＡＭ１５のリッチ側活性化時間記憶エリア１５３およびリーン側活性化時間記憶エリア１５４には０を記憶させ、リセットを行っている。これにより、Ｓ５１の判断処理では、リッチ側活性化時間もしくはリーン側活性化時間のうち取得できた側の活性化時間が０と比較され、その取得できた側の活性化時間がそのままライトオフタイムであるとして、ライトオフタイム記憶エリア１８４に記憶されることとなる。記憶されたライトオフタイムは、他のプログラム等において利用可能である。また、時間換算してディスプレイ２３に表示してもよい。

そして、測定用コンピュータ１２のディスプレイ２３に、ライトオフタイムの測定を再度行うか否かの確認を行うための入力用ダイアログの表示がなされる（Ｓ５６）。別の酸素センサ３０のライトオフタイムの測定を再度行う場合（Ｓ５６：ＹＥＳ）、測定者は、マウス２４もしくはキーボード２５を操作して、その旨をＣＰＵ１３に報せる。するとディスプレイ２３に酸素センサ３０を取り外す指示が表示され、測定者はこれに従い、排気通路５３から酸素センサ３０の取り外しを行う（Ｓ６０）。この際にもディスプレイ２３に取り外し完了の確認のための入力用ダイアログの表示が行われ、測定者は、マウス２４もしくはキーボード２５を操作して酸素センサ３０の取り外しの完了をＣＰＵ１３に報せる。そして図５のＳ１２に戻り、Ｓ１２〜Ｓ５３が繰り返されることによって、再度、酸素センサ３０のライトオフタイムの測定が行われる。

一方、酸素センサ３０のライトオフタイムの測定を終了する場合（Ｓ５６：ＮＯ）、測定者は、ディスプレイ２３に表示されたダイアログに対しマウス２４もしくはキーボード２５を操作して、その旨をＣＰＵ１３に報せる。すると、エンジン制御用コンピュータ７０に、エンジンの駆動を停止する指示が送信され、そのエンジン制御用コンピュータ７０の指示を受けて、ＥＣＵ６０がエンジン５０の駆動を停止することにより、酸素センサ３０への排気ガスの供給が停止される（Ｓ５７）。

そして、ディスプレイ２３に酸素センサ３０を取り外す指示が表示され、測定者はこれに従い、排気通路５３から酸素センサ３０の取り外しを行う（Ｓ５９）。この際にもディスプレイ２３に取り外し完了の確認のための入力用ダイアログの表示が行われ、測定者は、マウス２４もしくはキーボード２５を操作して酸素センサ３０の取り外しの完了をＣＰＵ１３に報せ、これを契機に、ＣＰＵ１３は測定プログラムの実行を終了する。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、Ｓ１６〜Ｓ２３で行われるサンプリングはＳ１３において酸素センサ３０を排気通路５３に取り付け、そのことをＣＰＵ１３に報せるダイアログの操作を契機として開始されたが、ダイアログの操作後にセンサ信号を監視し、電圧値が所定の値（例えば０．１Ｖ）より高くなったタイミングからサンプリングを始めてもよい。あるいは、ダイアログの操作後に、空燃比をリーン側からリッチ側に切り換える切替信号をエンジン制御用コンピュータ７０から受信し、その受信を契機にサンプリングを開始してもよい。この場合、初回のサンプリング時にタイマカウンタ記憶エリア１５５のカウント値をリセットすれば、センサ信号波形を０（ｍｓ）から２Ｔ（ｍｓ）毎に区切ることで、Ｓ３３で行ったセンサ信号波形の時分割を行うことができる。

また、本実施の形態では、極大値側連結線および極小値側連結線を作成するために仮想グラフ描画領域を用いたプロッティングによりセンサ信号波形を描画して作成したが、必ずしも波形の描画を行う必要はない。例えば、サンプリングで得られたデータを時分割によりグループ化し、各グループにおける電圧値の最大値（極大値）を求める。そして、隣り合うグループ間で最大値同士を比較し、両最大値間にリッチ側閾値がある場合に、最大値間の電圧差および時間的に早い側の最大値とリッチ側閾値との差を求め、両者の比を求める。さらに、両最大値が得られた時間をそれぞれ取得し、差を求める。これにより、先に求めた比からリッチ側閾値に達した時間を計算し、リッチ側活性化時間を求めることができる。リーン側活性化時間についても同様である。

また、センサ信号波形の包絡線を作成し、この包絡線を極大値側連結線および極小値側連結線の代わりとして用い、本実施の形態と同様の処理を行ってライトオフタイムの測定を行ってもよい。

また、本実施の形態では、時間経過をカウント値に基づき管理し、Ｓ５２またはＳ５３で時間換算してライトオフタイムを求めたが、Ｓ１６でセンサ信号と共に取得したカウント値を時間換算し、管理を行ってもよい。

酸素センサに加え、全領域空燃比センサの活性化時間を測定する方法にも適用できる。

エンジンベンチシステム１の概略的な構成を示すブロック図である。 ＨＤＤ１８の各記憶エリアの構成を示す模式図である。 ＲＡＭ１５の各記憶エリアの構成を示す模式図である。 酸素センサのセンサ信号波形の一例を示すグラフである。 測定プログラムのフローチャートである。 測定プログラムのフローチャートである。 測定プログラムのフローチャートである。 図４に示す酸素センサのセンサ信号波形の一例を示すグラフから点線で囲んだ部分を拡大し、ライトオフタイムを測定する方法について説明するためのグラフである。

符号の説明

１ エンジンベンチシステム
１０ ライトオフタイム測定装置
１２ 測定用コンピュータ
１３ ＣＰＵ
１５ ＲＡＭ
１８ ＨＤＤ
３０ 酸素センサ
３１ 酸素濃度検出部
３２ ヒータ部
５０ エンジン
５３ 排気通路
１５１ ワークエリア
１５２ サンプリング回数記憶エリア
１５３ リッチ側活性化時間記憶エリア
１５４ リーン側活性化時間記憶エリア
１５５ タイマカウンタ記憶エリア
１８１ プログラム記憶エリア
１８２ 初期設定記憶エリア
１８３ 測定データ記憶エリア
１８４ ライトオフタイム記憶エリア

Claims (3)

1. 空燃比を一定の周期でリッチ側およびリーン側に交番させた被測定ガスに酸素センサを晒してから当該酸素センサが活性化されるまでにかかる活性化時間を測定するための活性化時間測定方法であって、
   前記酸素センサが出力する検出信号を所定時間ごとに検出値として取得する検出値取得工程と、
   前記検出値取得工程において取得された検出値を複数記憶する検出値記憶工程と、
   前記検出値記憶工程において記憶された複数の検出値のうち、リッチ側およびリーン側に１回ずつ交番させた時間を１周期としたときに、当該１周期ごとにその周期内における最大の検出値を極大値として抽出する極大値抽出工程と、
   前記検出値記憶工程において記憶された複数の検出値のうち、前記１周期ごとにその周期内における最小の検出値を極小値として抽出する極小値抽出工程と、
   前記極大値抽出工程において抽出された複数の極大値のうち、隣り合う極大値同士をそれぞれ直線で結んで極大値側連結線を取得する極大値側連結線取得工程と、
   前記極小値抽出工程において抽出された複数の極小値のうち、隣り合う極小値同士をそれぞれ直線で結んで極小値側連結線を取得する極小値側連結線取得工程と、
   極大値側閾値と前記極大値側連結線とが交差する交点のうち、前記被測定ガスに晒してから最も遅く交差している交点を第１判定交差点として取得する第１判定交差点取得工程と、
   前記極大値側閾値よりも小さく設定された極小値側閾値と前記極小値側連結線とが交差する交点のうち、前記被測定ガスに晒してから最も遅く交差している交点を第２判定交差点として取得する第２判定交差点取得工程と、
   前記第１判定交差点と前記第２判定交差点とを比較して、遅い判定交差点に基づいて活性化時間を取得する活性化時間取得工程と
   を備えたことを特徴とする酸素センサの活性化時間測定方法。
2. 前記第１判定交差点取得工程において、前記極大値側閾値と前記極大値側連結線との交点が取得できなかった場合、前記活性化時間取得工程では、前記第２判定交差点に基づいて活性化時間を取得することを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの活性化時間測定方法。
3. 前記第２判定交差点取得工程において、前記極小値側閾値と前記極小値側連結線との交点が取得できなかった場合、前記活性化時間取得工程では、前記第１判定交差点に基づいて活性化時間を取得することを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの活性化時間測定方法。
   

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