JP2003172177A - 空燃比センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ素子にヒートショックを生じない範囲
でできるだけ早期にセンサ素子の活性化を図る。 【解決手段】 センサ素子を加熱するための電気式ヒー
タ（８）と、この電気式ヒータ（８）に対してエンジン
始動直後に初期通電量で通電を開始し、エンジン始動後
に通電量を直線的に増加させる手段（１１）とを備える
空燃比センサのヒータ制御装置において、前記直線の傾
きを定める単位時間当たりの通電量増加分をエンジンの
始動時環境温度に応じ始動時環境温度が低いほど小さく
なるように設定する手段（１１）を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は空燃比センサのヒ
ータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】空燃比センサのヒータ制御装置として特
開平９−１８４４４３号公報に示されるものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、センサ素子
を早期に活性化させるため、センサ素子を加熱するため
の電気式ヒータを備える空燃比センサが多くなってお
り、こうした空燃比センサが排気通路の触媒下流に備え
られる場合に、センサ素子が割れることがある。これ
は、始動直後の低温時に排気中の水分が触媒通過時に凝
縮して容器内に溜まり、この凝縮水またはこの凝縮水の
蒸発による水蒸気がヒータ加熱されているセンサ素子に
付着してヒートショックを生じさせることに起因してい
る。

【０００４】この場合、どれくらいの凝縮水が生じるか
は実験により測定できるので、凝縮水を全て気化させる
ために必要な熱量Ｃ（始動時水温により設定）もわか
る。そこで、上記の従来装置では、所定時間毎に触媒に
与えられる熱量Ｑを算出し、この熱量Ｑを始動時から積
算して始動より触媒に与えられた総熱量ΣＱを求め、こ
れと上記の熱量Ｃと比較し、総熱量ΣＱがＣ未満では凝
縮水によりヒートショックが生じる可能性があるので電
気式ヒータへの通電を禁止し、総熱量ΣＱがＣ以上とな
れば凝縮水が全て蒸発し従って凝縮水によりヒートショ
ックが生じる可能性がなくなったと判断して電気式ヒー
タへの通電を行っている。

【０００５】しかしながら、従来装置のように凝縮水が
蒸発するのを待って電気式ヒータへの通電を開始するの
では、その待つ間でセンサ素子を積極的に活性化できな
いため、空燃比センサ出力を用いての制御（例えば触媒
劣化診断等）を開始し得る時期が遅れてしまう。

【０００６】そこで、凝縮水により被水状態になること
があっても始動から電気式ヒータへの通電を開始し、そ
の際センサ素子に割れを生じない範囲で通電量を直線的
に増加させることが考えられる。その場合、始動時の環
境温度が高いと凝縮水は早く蒸発するであろうし、これ
に対して始動時の環境温度が低ければ凝縮水はゆっくり
としか蒸発しないであろうと推測されるので、直線の傾
きを表す所定時間当たりの通電量増加分を一定値で設定
するのでは、全ての始動時環境温度に対して適切となら
ない。例えば始動時環境温度としての始動時外気温や始
動時水温が極低温の状態でもヒートショックを起こさな
いように所定時間当たりの通電量増加分を小さな値に設
定した場合に、始動時外気温や始動時水温が高温のとき
には設定値が小さ過ぎセンサ素子の活性化を不要に遅ら
せてしまう。かといって始動時外気温や始動時水温が高
温の状態ではヒートショックも生じにくいので所定時間
当たりの通電量増加分を大きな値に設定した場合に、始
動時外気温や始動時水温が極低温のときに設定値が大き
すぎヒートショックが生じる。

【０００７】そこで本発明は、単位時間当たりの通電量
増加分を始動時外気温や始動時水温といった始動時環境
条件に応じて設定（例えば始動時外気温や始動時水温が
低いほど小さく設定）することにより、センサ素子にヒ
ートショックを生じない範囲でできるだけ早期にセンサ
素子の活性化を図ることを目的とする。

【０００８】なお、特開平１１−２６４８１１号公報に
はセンサ素子を加熱するための電気式ヒータに対して始
動開始から最大電力を供給したとき特に冷間始動時など
には電気式ヒータとその周囲の部材との間で急激な温度
差が生じヒートショックによりセンサ素子が破損してし
まうおそれがあるため、センサ素子の始動時の活性度合
（始動時のセンサ素子温度など）に基づき設定される初
期通電量で電気式ヒータへの通電を開始し、始動開始か
ら制御時間内で最大通電量となるように、電気式ヒータ
への通電量を直線的に増加させるようにしたものが開示
されている。このものでは、直線の傾きを表す所定時間
当たりの通電量増加分が次の式で算出されるため、所
定時間当たりの通電量増加分は可変値であり、しかも
式の初期通電量が始動時水温に応じて設定されるのであ
るから、合わせ考えると、特開平１１−２６４８１１号
公報においても本発明と同様に始動時環境温度に基づい
て所定時間当たりの通電量増加分を設定しているといえ
る。

【０００９】 所定時間当たりの通電量増加分（直線の傾き） ＝（最大通電量−初期通電量）／制御時間 … しかしながら、式の制御時間は一定であるため、始動
時水温が低くて初期通電量が小さくなるときには式に
よれば所定時間当たりの通電量増加分が大きくなり、こ
の逆に始動時水温が高くて初期通電量が大きくなるとき
には所定時間当たりの通電量増加分が小さくなるのであ
り、始動時水温が低いほど単位時間当たりの通電量増加
分を小さくする本発明とは設定の仕方が逆になってい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、センサ素
子を加熱するための電気式ヒータと、この電気式ヒータ
に対してエンジン始動直後に初期通電量で通電を開始
し、エンジン始動後に通電量を直線的に増加させる手段
とを備える空燃比センサのヒータ制御装置において、前
記直線の傾きを定める単位時間当たりの通電量増加分を
エンジンの始動時環境温度（例えば始動時外気温や始動
時冷却水温）に応じ始動時環境温度が低いほど小さくな
るように設定する手段を設ける。

【００１１】第２の発明では、第１の発明において前記
初期通電量をエンジンの始動時環境温度に応じて設定す
る。

【００１２】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて前記始動時環境温度が始動時外気温または始動時冷
却水温である。

【００１３】第４の発明では、第１から第３までのいず
れか一つの発明において前記単位時間当たりの通電量増
加分を始動後のエンジン運転履歴に基づいて高温の排気
が得られる運転履歴であるほど大きくなる側に補正す
る。

【００１４】第５の発明では、第４の発明においてエン
ジン始動からの吸入空気流量の積算値を演算する手段を
備え、前記エンジン始動後の運転履歴を前記エンジン始
動からの吸入空気流量の積算値に基づいて推定する。

【００１５】第６の発明では、第１から第５までのいず
れか一つの発明において前記ヒータへの供給電力の積算
値を演算する手段を備え、前記単位時間当たりの通電量
増加分を始動からの前記ヒータへの供給電力の積算値に
基づいてこの値が小さいほど小さくなる側に補正する。

【００１６】

【発明の効果】始動時環境温度が高いと凝縮水は早く蒸
発するであろうし、これに対して始動時環境温度が低け
れば凝縮水はゆっくりとしか蒸発しないであろうと推測
されることから、第１、第２、第３の発明によれば始動
時環境温度が低くて凝縮水が蒸発しにくい状況では単位
時間当たりの通電量増加分が小さく設定されてヒートシ
ョックが防止され、また始動時環境温度が高く凝縮水の
蒸発が容易になる状況では単位時間当たりの通電量増加
分が大きく設定されてセンサ素子の早期活性化が図られ
る。

【００１７】エンジン始動後すぐに発進する場合にはエ
ンジン負荷が高く高温の排気で早期に凝縮水が蒸発して
ゆくのに対して、始動後にアイドル状態で放置される場
合にはエンジン負荷が低く低温の排気しか流れないため
凝縮水が蒸発しにくいと考えられる。エンジン始動後す
ぐに発進するとかアイドル放置するとかいったことは始
動後のエンジン運転履歴であり、こうした始動後のエン
ジン運転履歴を考慮しないとすれば、最悪の場合を考え
て単位時間当たりの通電量増加分を設定しなければなら
ない。すなわち最悪の場合とは始動後にアイドル放置さ
れる場合であり、この場合に対して単位時間当たりの通
電量増加分を設定するとすれば単位時間当たりの通電量
増加分を小さく設定しなければならない。そうなると、
エンジン始動後すぐに発進することにより、エンジン負
荷が高く高温の排気で早期に凝縮水が蒸発してゆく場合
に、設定値が小さ過ぎてセンサ素子の活性化が遅れてし
まうのであるが、第４、第５の発明によれば、エンジン
負荷が高く高温の排気で早期に凝縮水が蒸発してゆく運
転履歴のときには単位時間当たりの通電量増加分を大き
くなる側に補正することで、エンジン始動後すぐに発進
する場合においてもセンサ素子の活性化を早めることが
できる。

【００１８】特にセンサ素子内部にヒータを内蔵させて
いる場合には、ヒータ近傍とセンサ素子末端部の温度差
により図６に示したように熱応力が発生する。この場
合、ヒータ近傍の温度は始動からのヒータへの供給電力
の積算値を用いて推定できる。すなわち始動からのヒー
タ供給電力積算値が小さいとヒータ近傍の局所的な昇温
にとどまっており、ヒータ近傍以外の部位とは温度差が
大きく、一方、始動からのヒータ供給電力積算値が大き
いとヒータ近傍以外の部分にも昇温効果が促されセンサ
素子の全体的な昇温が行われ温度差は小さいと考えるこ
とができる。よって始動からのヒータ供給電力積算値が
小さいほど温度差が大きいことを表すので、第６の発明
により、始動からのヒータ供給電力積算値に基づきこの
値が小さいほど小さくなる側に単位時間当たりの通電量
増加分を補正することで、ヒータ近傍の急激な温度変化
に伴う熱応力によって生じるセンサ素子の割れを防止で
きる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２０】図１は積層タイプのジルコニア式酸素セン
サ（空燃比センサ）のセンサ素子２をモデル的に示した
ものである。センサ素子２は、高温状態でジルコニア素
子３の上下両面に酸素濃度差があるときジルコニア素子
３に起電力が発生する性質を利用するものである。すな
わち、センサ素子２は、ジルコニア素子３の上面をエン
ジンの排気通路に晒して置き、下面に大気基準孔４を介
して大気を導くとき大気中の基準酸素濃度と排気中の酸
素濃度との比に応じた起電力が発生する。ただし、理論
空燃比よりリッチな混合気で燃焼したときでも実際には
排気中に酸素が若干存在して十分な起電力が発生しない
ため、触媒作用をもつ白金を電極５、６に用いること
で、理論空燃比を境に電極５、６間に発生する起電力が
大きく変化するようにしている。

【００２１】例えば、リッチ混合気で燃焼させたときの
排気が白金（電極５）に触れると、白金の触媒作用によ
り残存する低濃度の酸素は排気中のＣＯ、ＨＣと反応し
て白金表面の酸素がほとんどなくなるため電極５、６間
の酸素濃度差が非常に大きくなり、電極５、６間に約１
Ｖの起電力を発生する。これに対してリーン混合気で燃
焼させたときの排気には高濃度の酸素と低濃度のＣＯが
あるためＣＯと酸素が反応しても余分の酸素が存在し、
このため酸素濃度差は小さく電極５、６間にほとんど起
電力が発生しない。こうしたセンサ素子２の特性はセン
サ素子２が所定温度以上となり活性化した状態での特性
である。

【００２２】しかしながら、冷間始動まもない低温時の
ようにセンサ素子２が未活性の状態にあるときには特性
が大きく変化してしまうので、センサ素子２から安定し
た出力を得るために図１のように電気式ヒータ８をジル
コニア素子３の近くに配している。また、排気に晒され
る側の電極５を保護するためセラミクスなどの保護層７
で電極５を被覆している。

【００２３】こうした酸素センサは排気通路の触媒上流
および下流に設けられるが、特に排気通路の触媒下流に
設けられる酸素センサでは、低温始動時に触媒からの凝
縮水によりセンサ素子２が被水し、この場合にヒータ８
への通電を行うと、ヒートショックが生じてセンサ素子
２に割れが生じる可能性があるので、コントロールユニ
ット１１ではヒータ８への通電を最適に制御して凝縮水
によるセンサ素子２の破損等を防止しながらセンサ素子
２の早期活性化のための加熱を行う。このため、図２に
示すように、マイクロコンピュータを内蔵したコントロ
ールユニット１１には、環境温度を検出する手段として
の冷却水温センサ１２と外気温センサ１３からの温度信
号が、イグニッションキースイッチ１４からのＯＮ、Ｏ
ＦＦ信号、クランク角センサ１５からのエンジン回転速
度信号、エアフローメータ１６からの吸入空気流量信
号、バッテリ電圧信号と共に入力されている。

【００２４】なお、排気通路の触媒下流に設けられる酸
素センサ１Ａからの出力は、排気通路の触媒上流に設け
られるもう一つの酸素センサ１Ｂからの出力とともに、
それぞれセンサ回路（図示しない）を介してコントロー
ルユニット１１に入力され、コントロールユニット１１
では、２つの酸素センサ１Ａ、１Ｂの活性化後にこれら
２つの酸素センサ１Ａ、１Ｂからの出力に基づいて吸入
混合気の空燃比が目標空燃比（理論空燃比）に近づくよ
うに、吸気ポートやシリンダに臨ませた燃料噴射弁１２
からの燃料噴射量をフィードバック制御し、また触媒の
劣化診断を行う。

【００２５】上記ヒータ８への通電制御はヒータ駆動回
路に与える通電パルスのデューティ値を制御するもので
ある。デューティ値とは、所定周期で通電パルスを与え
る場合の周期に対するＯＮ時間割合［％］のことであ
り、デューティ値が大きくなるほどヒータ通電量が増
す。

【００２６】ここで、本実施形態のデューティ値制御を
図３、図４を用いて概説すると、図３は極低温からのエ
ンジン始動を、また図４は暖機後（暖機完了後）再始動
をモデル的に示しており、図中横軸にはエンジン始動か
らの経過時間を、縦軸にはヒータ駆動回路に与えるデュ
ーティ指令値（以下単に「デューティ指令値」とい
う。）を採っている。

【００２７】本実施形態では、特に低温始動時に凝縮水
によりセンサ素子２が被水状態になることがあっても必
ずヒータ８への通電を開始する。この点、特開平９−１
８４４４３号公報では凝縮水が蒸発してしまうまではヒ
ータ通電を禁止するので、本実施形態と相違している。

【００２８】このため本実施形態では、デューティ指令
値ＯＮＤＵＴＹを次式により演算する。

【００２９】 ＯＮＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹＳＴ＋ＤＵＴＹＵＰ×ＴＭＳＴＡ１…（１） ただし、ＤＵＴＹＳＴ：初期デューティ値［％］、 ＤＵＴＹＵＰ：単位時間当たりのデューティ増加量［％
／ｓ］、 ＴＭＳＴＡ１：始動からの経過時間［ｓ］、 〈１〉上記（１）式の初期デューティ値（初期通電量）
と単位時間当たりのデューティ増加量（以下「デューテ
ィ増加速度」という。）（所定時間当たりの通電量増加
分）とを始動時外気温と始動時水温とに応じた可変値で
設定する。すなわち、 極低温からの始動時には初期デューティ値ＤＵＴＹＳ
Ｔ（図で縦軸を横切るときの値）と、デューティ増加速
度ＤＵＴＹＵＰ（図で直線の傾きを表す）とを共に小さ
く、これに対して暖機後再始動時になると、初期デュー
ティ値ＤＵＴＹＳＴとデューティ増加速度ＤＵＴＹＵＰ
とを共に大きく設定する。このため、図３に示す極低温
からの始動と、図４に示す暖機後再始動とを比較する
と、図３に示す極低温からの始動のほうが、初期デュー
ティ値ＤＵＴＹＳＴが下のほうにあり、かつ直線の傾き
も緩やかになっている。

【００３０】初期デューティ値とデューティ増加速度と
を極低温からの始動時に小さく、暖機後再始動時に大き
くしている理由は次の通りである。本発明はセンサ素子
が被水状態になることがあっても始動から必ずヒータ８
への通電を行ってセンサ素子２を早期に活性化させ、酸
素センサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御を開
始して排気エミッションを低減させたり、触媒の劣化診
断を余裕を持って行わせることを目的にしているので、
センサ素子２の環境温度をみて早期に昇温可能であれ
ば、初期デューティ値およびデューティ増加速度を大き
くして早期の昇温制御を行う。サーマルショックは、ヒ
ータ８に接触している部位とその周囲の部位との温度差
により発生する熱応力に起因し、このサーマルショック
でセンサ素子２に割れが発生する。冷間始動に際しては
センサ素子２への被水に対して考慮が必要で、特に極低
温時には凝縮水がセンサ素子表面に氷結し、大きなヒー
トマスとなる。このときに初期デューティ値とデューテ
ィ増加速度とを大きく設定するとヒータ８に近接した部
位のみが加熱されてサーマルショックが生じセンサ素子
２の割れに至るので極低温時に大きな値を与えることが
できない。一方、暖機後再始動に際しては、既に凝縮水
も無くなっていると考えられ、またセンサ素子そのもの
の温度がある程度高い状態に維持されていると推定され
るので、初期デューティ値とデューティ増加速度を大き
く設定してもセンサ素子の割れなどの問題は生じない。
以上より早期昇温が可能な場合には大きな初期デューテ
ィ値と大きなデューティ増加速度とを与えている。

【００３１】始動時外気温が同じであれば低水温始動
時よりも高水温始動時に初期デューティ値、デューティ
増加速度とも大きくする。始動時外気温に従いセンサ素
子の温度も高いわけであるので、初期デューティ値、デ
ューティ増加速度ともに低水温始動時に比べて高水温始
動時に大きな値を設定してもヒータに接触している部位
とその周囲の部位との温度差が小さいのでセンサ素子が
割れに至らない。割れに至らない状態であれば、より大
きな初期デューティ値、デューティ増加速度を設定する
ことにより早期昇温を行うことができる。

【００３２】〈２〉始動からの吸入空気流量の積算値Ｓ
ＵＭＱＡと所定値を比較し、始動からの吸入空気流量積
算値ＳＵＭＱＡが所定値以上になった時点よりデューテ
ィ増加速度を切換えてそれ以前より大きくする。このた
め、デューティ増加速度に対する増加補正係数（１．０
以上の値）を導入し、始動からの吸入空気流量積算値Ｓ
ＵＭＱＡが所定値以上になった時点よりデューティ指令
値ＯＮＤＵＴＹを次式により演算する。

【００３３】 ＯＮＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹＳＴ＋ＤＵＴＹＵＰ×ＴＭＳＴＡ１ ＋ＤＵＴＹＵＰ×ＨＯＳＰＷ×ＴＭＳＴＡ２ …（２） ただし、ＤＵＴＹＳＴ：初期デューティ値［％］、 ＤＵＴＹＵＰ：デューティ増加速度［％／ｓ］、 ＴＭＳＴＡ１：始動からの経過時間［ｓ］、 ＨＯＳＰＷ ：増加補正係数［無名数］、 ＴＭＳＴＡ２：ＳＵＭＱＡが所定値以上になった時点か
らの経過時間、 ここで、始動からの吸入空気流量積算値ＳＵＭＱＡが所
定値以上になった時点よりデューティ増加速度を切換え
て大きくする理由は次の通りである。凝縮水によりセン
サ素子２が被水状態にある場合に、凝縮水の蒸発は排気
温度に大きく依存し、排気温度が高いほど凝縮水の蒸発
が早い。また排気温度と吸入空気流量とは図５に示した
ようにエンジン負荷と回転速度に対してほぼ同特性であ
るとみなし得るので、吸入空気流量より排気温度を推定
できる。すなわち、吸入空気流量が増大すると排気が高
温になりその結果として凝縮水が蒸発し易くなる関係に
ある。よって始動時からの吸入空気流量積算値ＳＵＭＱ
Ａは凝縮水からの蒸発量に相当させ得るので、凝縮水が
全て蒸発する時点のＳＵＭＱＡを所定値として実験によ
り予め求めておけば、実際のＳＵＭＱＡがこの所定値以
上となったとき凝縮水が全て蒸発したと判定できる。そ
して、凝縮水がセンサ素子に付着したままヒータ加熱に
よりセンサ素子を急激に昇温させるときセンサ素子に割
れを引き起こすのであるから、ＳＵＭＱＡが所定値未満
でセンサ素子が被水状態にあるときにはセンサ素子に割
れが生じないようにデューティ増加速度を小さめに定め
てヒータ加熱の程度を抑制する必要があるのに対して、
凝縮水がない状態になればヒータ加熱の程度を大きくし
てもセンサ素子に割れが生じる心配が無くなるので、増
加補正係数ＨＯＳＰＷによりデューティ増加速度を大き
くなる側に補正するのである。

【００３４】図３、図４には始動後すぐに発進した場合
（実線参照）と、始動後にアイドル放置した場合（一点
破線参照）とを重ねて示しており、図３においてＳＵＭ
ＱＡが所定値以上となるタイミングは、始動後すぐに発
進した場合のほうが早く訪れているが、それぞれの場合
に当該タイミングより直線の傾きがそれ以前より大きく
なっている。一方、図４では始動後にアイドル放置した
場合においてＳＵＭＱＡが所定値以上となる前にデュー
ティ指令値ＯＮＤＵＴＹが限界デューティ値に達してい
るため、デューティ増加速度は切換えられていない。

【００３５】〈３〉デューティ増加速度に対する増加補
正係数ＨＯＳＰＷは、始動からの吸入空気流量積算値Ｓ
ＵＭＱＡが所定値以上になった時点までのヒータ８への
供給電力の積算値ＳＵＭＰＷに基づき、このヒータ供給
電力積算値ＳＵＭＰＷが小さいほど小さくなる値で設定
する。その理由は次の通りである。ヒータ８近傍とセン
サ素子末端部の温度差により図６に示したように熱応力
が発生する。この場合、ヒータ８近傍の温度はＳＵＭＱ
Ａが所定値以上となった時点までのヒータ供給電力積算
値ＳＵＭＰＷを用いて推定できる。すなわちヒータ供給
電力積算値ＳＵＭＰＷが小さいとヒータ８近傍の局所的
な昇温にとどまっておりヒータ８近傍以外の部位とは温
度差が大きく、一方ヒータ供給電力積算値ＳＵＭＰＷが
大きいとヒータ８近傍以外の部分にも昇温効果が促され
センサ素子の全体的な昇温が行われ温度差は小さいと考
えることができる。よってヒータ供給電力積算値ＳＵＭ
ＰＷが小さいほど温度差が大きいと考えることができる
ので、ヒータ供給電力積算値ＳＵＭＰＷが小さいほど増
加補正係数ＨＯＳＰＷを小さく設定してヒートショック
によるセンサ素子の割れを防止する。

【００３６】これを図３でみると、始動後すぐに発進し
た場合に始動からの吸入空気流量積算値ＳＵＭＱＡが所
定値以上となった時点までのヒータ供給電力積算値ＳＵ
ＭＰＷよりも始動後にアイドル放置した場合にＳＵＭＱ
Ａが所定値以上となった時点までのヒータ供給電力積算
値ＳＵＭＰＷのほうが大きい。このため、始動後すぐに
発進した場合に始動からの吸入空気流量積算値ＳＵＭＱ
Ａが所定値以上となるタイミングからの直線の傾きのほ
うが、始動後にアイドル放置した場合にＳＵＭＱＡが所
定値以上となるタイミングからの直線の傾きより小さい
（緩くなっている）ことに現れている。

【００３７】〈４〉バッテリ電圧補正を行う場合には、
上記（１）、（２）式に代えて次式を用いる。

【００３８】 ＯＮＤＵＴＹ＝（ＤＵＴＹＳＴ＋ＤＵＴＹＵＰ×ＴＭＳＴＡ１） ×（ＶＢＭＡＸ／ＶＢ） …（３） ＯＮＤＵＴＹ＝（ＤＵＴＹＳＴ＋ＤＵＴＹＵＰ×ＴＭＳＴＡ１ ＋ＤＵＴＹＵＰ×ＨＯＳＰＷ×ＴＭＳＴＡ２） ×（ＶＢＭＡＸ／ＶＢ） …（４） ただし、ＶＢＭＡＸ ：限界印加電圧、 ＶＢ ：バッテリ電圧、 ここで上記（３）、（４）式の限界印加電圧ＶＢＭＡＸ
はヒータ性能の一部をなす仕様である。ヒータ８は白金
またはタングステンを導電素材９としその周囲をアルミ
ナで被覆され、更にその周囲をセンサ素子であるセラミ
クスで構成されている。ヒータ８の加工行程で焼結除材
として使用されるカルシウムやマグネシウムが白金とア
ルミナの間に介在するため、所定値以上の高温になると
白金とカルシウムが相互に入れ換わるマイグレーション
現象が発生し、白金が細くなる。白金が細くなると電気
抵抗が増大し、その部位での発熱が大きくなり断線に至
る。つまり、限界印加電圧とはそれ以上の電圧をかける
とヒータ８が断線にいたる限界値のことである。そこ
で、ＶＢＭＡＸ／ＶＢをバッテリ電圧補正係数として導
入しておけば、バッテリ電圧ＶＢが限界印加電圧ＶＢＭ
ＡＸを越える場合に、バッテリ電圧補正係数であるＶＢ
ＭＡＸ／ＶＢは１未満の値となり、デューティ指令値
（通電量）が小さくなる側に補正されるので、ヒータ８
の断線が避けられる。

【００３９】これで図３、図４を用いての概説を終え
る。

【００４０】次にコントロールユニット１１で行われる
これらのデューティ値制御を図７のフローチャートに基
づいて詳述すると、図７は一定時間毎に実行する。

【００４１】ステップ１では始動フラグをみる。イグニ
ッションキースイッチ１４を始動のためＯＦＦ位置から
ＯＮ位置へと切換えたとき、始動フラグはゼロの状態に
あるためステップ２に進みエンジン回転速度に基づいて
始動したかどうかをみる。イッグニッションキースイッ
チ１４をＯＮ位置からＳＴＡＲＴ位置へと切換えるとス
タータがエンジンのクランキングを行いやがて完爆すれ
ばエンジン回転速度が完爆回転速度へと急上昇するの
で、クランク角センサにより検出されるエンジン回転速
度が完爆回転速度以上あれば始動したと判断し、ステッ
プ３以降に進んで始動直後の操作を実行する。すなわち
ステップ３では外気温センサ１４からの外気温、水温セ
ンサ１２からの冷却水温、バッテリ電圧ＶＢを読み込
む。２つの温度の読み込みは始動直後のみであるので、
このとき読み込まれる外気温と冷却水温とはそれぞれ始
動時外気温ＴＭＰＯＵＴと始動時水温ＴＭＰＴＷとな
る。

【００４２】これら２つの温度ＴＭＰＯＵＴ、ＴＭＰＴ
Ｗからステップ４で図８に示すマップを検索して初期デ
ューティ値ＤＵＴＹＳＴ［％］とデューティ増加速度Ｄ
ＵＴＹＵＰ［％／ｓ］とを演算する。初期デューティ
値、デューティ増加速度のマップ値であるＤＴＹＳＴ１
〜ＤＴＹＳＴ８、ＤＴＹＵＰ１〜ＤＴＹＵＰ８に数値は
記載していないが、始動時外気温ＴＭＰＯＵＴが同じ条
件のとき、冷間始動時（ＴＭＰＴＷ≦６０℃）と暖機後
再始動時（ＴＭＰＴＷ＞６０℃）とでは冷間始動時のほ
うが小さい値が入っている。また、始動時の水温条件が
同じでも始動時外気温が低くなるほど小さな値が入って
いる。

【００４３】ステップ５では ＯＮＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹＳＴ×（ＶＢＭＡＸ／ＶＢ）…（５） ただし、ＶＢＭＡＸ：限界印加電圧 の式によりデューティ指令値ＯＮＤＵＴＹを算出する。

【００４４】ステップ６、７では第１タイマを起動し、
始動フラグを１にセットする。第１タイマは始動からの
経過時間を計測するためのものである。この第１タイマ
にはコントロールユニット１１に内蔵のものを使えばよ
く、第１タイマの起動で第１タイマ値ＴＭＳＴＡ１
［ｓ］がインクリメントされてゆく（図示しない）。ま
た、上記のステップ４で演算した初期デューティ値ＤＵ
ＴＹＳＴ、デューティ増加速度ＤＵＴＹＵＰのマップ値
は、始動後にも用いるのでステップ８において所定のメ
モリにストアしておく。

【００４５】ステップ９ではヒータ８への供給電力Ｐｗ
を積算する。これはメモリＳＵＭＰＷ（初期値はゼロ）
にＰｗを加算してゆけばよい。ステップ９はヒータへの
供給電力の積算値を演算する手段を果たす部分である。
ヒータ８への供給電力Ｐｗはヒータ８に流れる電流値と
ヒータ８に印加される電圧（バッテリ電圧）との積で算
出すればよい。

【００４６】ステップ１０では上記のステップ５で算出
したデューティ指令値ＯＮＤＵＴＹを出力する。

【００４７】上記の始動フラグの１へのセットにより次
回にはステップ１よりステップ１１に進み、始動からの
吸入空気流量の積算値を表すメモリＳＵＭＱＡ（初期値
はゼロ）と所定値を比較する。所定値は触媒に生じる凝
縮水のすべてが蒸発するまでに要する、始動からの吸入
空気流量の積算値を実験により予め求めた値である。所
定値は簡単には一定でもよいが、ここでは始動時外気温
ＯＮＴＭＰＯＵＴと始動時水温ＴＭＰＴＷから図９に示
すマップを検索して演算する。

【００４８】所定値を始動時水温と始動時外気温に応じ
た可変値とした理由は次の通りである。始動時外気温が
一定の条件において始動時水温が低い場合は凝縮水の量
が多いのに対して、暖機後再始動の場合には凝縮水は少
ないかまたは無いと推定される。また、始動時の水温条
件が同じでも、始動時外気温が低いほど凝縮水の量が多
いと推定される。すなわち、エンジン始動時の環境温度
によって凝縮水の量が異なるのであるから、凝縮水がす
べて蒸発に至るまでに必要な排気熱量（つまり凝縮水が
すべて蒸発するまでに要する始動からの吸入空気流量の
積算値である所定値）もこれに応じて変化させる必要が
あるからである。

【００４９】所定値のマップ値である所定値１〜所定値
８に数値は記載していないが、始動時外気温ＴＭＰＯＵ
Ｔが同じ条件のとき、冷間始動時（ＴＭＰＴＷ≦６０
℃）と暖機後再始動時（ＴＭＰＴＷ＞６０℃）とでは冷
間始動時のほうが大きな値が入っている。また、始動時
の水温条件が同じでも始動時外気温が低くなるほど大き
な値が入っている。これにより、極低温での始動と暖機
後再始動とでは、暖機後再始動のほうが所定値が小さい
のであり、これにより凝縮水の蒸発完了のタイミングを
精度良く与えることができる。

【００５０】始動直後はＳＵＭＱＡの値が所定値未満に
あるので、ステップ１２に進んで吸入空気流量Ｑａを読
み込み、これをステップ１３で積算する。これはメモリ
ＳＵＭＱＡ（初期値はゼロ）にＱａを加算してゆけばよ
い。ステップ１３はエンジン始動からの吸入空気流量の
積算値を演算する手段を果たす部分である。

【００５１】ステップ１４では、既にストアされている
ＤＵＴＹＳＴ、ＤＵＴＹＵＰ、そのときの第１タイマ値
ＴＭＳＴＡ１を用いて上記（３）式によりデューティ指
令値ＯＮＤＵＴＹを算出した後、ステップ９、１０の処
理を実行する。

【００５２】ステップ１３での吸入空気流量Ｑａの積算
を繰り返すと、やがてＳＵＭＱＡが所定値以上となるの
で、このときには触媒に生じた凝縮水がすべて蒸発した
と判断してステップ１５に進み、初めてＳＵＭＱＡが所
定値以上となったのかどうかをみる。初めてＳＵＭＱＡ
が所定値以上となったときにだけステップ１６、１７に
進む。

【００５３】まずステップ１６では第２タイマを起動す
る。第２タイマは、ＳＵＭＱＡが所定値以上となったタ
イミングからの経過時間を計測するためのものである。
第２タイマもコントロールユニット１１に内蔵のものを
使えばよく、第２タイマの起動で第２タイマ値ＴＭＳＴ
Ａ２［ｓ］がインクリメントされてゆく（図示しな
い）。

【００５４】ステップ１７では、ＳＵＭＱＡが所定値以
上となった時点までのヒータ供給電力の積算値を表すメ
モリＳＵＭＰＷの値から図１０に示すテーブルを検索す
ることによりデューティ増加速度に対する増加補正係数
ＨＯＳＰＷを演算する。図のＳＭＰＷ１〜ＳＭＰＷ８は
ＳＵＭＰＷの領域を８つに分割するための値（一定値）
である。増加補正係数のマップ値であるＨＯＳＰＷ１〜
ＨＯＳＰＷ８に数値は記載していないが、ＳＵＭＰＷが
小さいほど小さくなる値である。この増加補正係数ＨＯ
ＳＰＷは次回からのＯＮＤＵＴＹの算出に必要となるの
で、所定のメモリにストアしておく。

【００５５】ステップ１８では、このようにして求めた
増加補正係数ＨＯＳＰＷ、そのときの第２タイマ値ＴＭ
ＳＴＡ２、既にストアされているＤＵＴＹＳＴ、ＤＵＴ
ＹＵＰ、そのときの第１タイマ値ＴＭＳＴＡ１を用いて
上記（４）式によりデューティ指令値ＯＮＤＵＴＹを算
出した後、その算出したデューティ指令値ＯＮＤＵＴＹ
と限界デューティ値（図では「限界値」で略記）とをス
テップ１９で比較する。限界デューティ値は限界印加電
圧ＶＢＭＡＸとなるときのデューティ値である。

【００５６】デューティ指令値ＯＮＤＵＴＹが限界デュ
ーティ値未満であれば、ステップ１０に進み、ステップ
１０の処理を実行する。

【００５７】ステップ１８の処理を繰り返すと、デュー
ティ指令値ＯＮＤＵＴＹが徐々に大きくなってゆくの
で、やがてデューティ指令値ＯＮＤＵＴＹが限界デュー
ティ値以上となれば、ステップ２０に進みデューティ指
令値ＯＮＤＵＴＹを限界デューティ値に制限する。

【００５８】ステップ２１は後処理の部分であり、次回
の始動時に備えて２つのタイマ値ＴＭＳＴＡ１、ＴＭＳ
ＴＡ２、メモリＳＵＭＱＡ、ＳＵＭＰＷの値をゼロに戻
す。

【００５９】ここで、本実施形態の作用を説明する。

【００６０】触媒に生じた凝縮水によりセンサ素子２が
被水状態になることがあっても、センサ素子内蔵の電気
式ヒータ８に対してエンジン始動から初期デューティ値
ＤＵＴＹＳＴ（初期通電量）で通電を開始し、その後は
デューティ増加速度ＤＵＴＹＵＰ（単位時間当たり一定
の通電量増加分）を用いてデューティ指令値ＯＮＤＵＴ
Ｙ（通電量）を直線的に増加させる。この場合に、始動
時水温や始動時外気温（始動時環境温度）が高いと凝縮
水は早く蒸発するであろうし、これに対して始動時水温
や始動時外気温が低ければ凝縮水はゆっくりとしか蒸発
しないであろうと推測されることから、本実施形態によ
れば始動時水温や始動時外気温が低くて凝縮水が蒸発し
にくい状況では初期デューティ値ＤＵＴＹＳＴ、デュー
ティ増加速度ＤＵＴＹＵＰとも小さく設定されるので
（図３参照）、ヒートショックが防止され、一方、始動
時水温や始動時外気温が高く凝縮水の蒸発が容易になる
状況では初期デューティ値ＤＵＴＹＳＴ、デューティ増
加速度ＤＵＴＹＵＰとも大きく設定されるので（図４参
照）、センサ素子の早期活性化が図られる。

【００６１】また、エンジン始動後すぐに発進する場合
にはエンジン負荷が高く高温の排気で早期に凝縮水が蒸
発してゆくのに対して、始動後にアイドル状態で放置さ
れる場合にはエンジン負荷が低く低温の排気しか流れな
いため凝縮水が蒸発しにくいと考えられる。エンジン始
動後すぐに発進するとかアイドル放置するとかいったこ
とは始動後のエンジン運転履歴であり、こうした始動後
のエンジン運転履歴を考慮しないとすれば、最悪の場合
を考えてデューティ増加速度ＤＵＴＹＵＰを設定しなけ
ればならない。すなわち最悪の場合とは始動後にアイド
ル放置される場合であり、この場合に対してデューティ
増加速度ＤＵＴＹＵＰを設定するとすればデューティ増
加速度ＤＵＴＹＵＰを小さく設定しなければならない。
そうなると、エンジン始動後すぐに発進することによ
り、エンジン負荷が高く高温の排気で早期に凝縮水が蒸
発してゆく場合に、設定値が小さ過ぎてセンサ素子の活
性化が遅れてしまうのであるが、本実施形態によれば、
エンジン負荷が高く高温の排気で早期に凝縮水が蒸発し
てゆく運転履歴のときにはデューティ増加速度ＤＵＴＹ
ＵＰを大きくなる側に補正することで、エンジン始動後
すぐに発進する場合においてもセンサ素子２の活性化を
早めることができる。

【００６２】なお、この場合に、エンジン負荷が高く高
温の排気で早期に凝縮水が蒸発してゆく運転履歴のとき
にデューティ増加速度ＤＵＴＹＵＰを大きくなる側に補
正することは、具体的にはエンジン負荷が高く高温の排
気で早期に凝縮水が蒸発してゆく運転履歴のときにデュ
ーティ増加速度ＤＵＴＹＵＰを大きくする側に切換える
時期を早くすることによって果たされている。

【００６３】また、センサ素子内部にヒータ８を内蔵さ
せている場合には、ヒータ２近傍とセンサ素子２末端部
の温度差により図６に示したように熱応力が発生する。
この場合、ヒータ８近傍の温度は始動からのヒータ８へ
の供給電力の積算値ＳＵＭＰＷを用いて推定できる。す
なわちＳＵＭＰＷが小さいとヒータ８近傍の局所的な昇
温にとどまっておりヒータ８近傍以外の部位とは温度差
が大きく、一方、ＳＵＭＰＷが大きいとヒータ８近傍以
外の部分にも昇温効果が促されセンサ素子の全体的な昇
温が行われ温度差は小さいと考えることができる。よっ
てＳＵＭＰＷが小さいほど温度差が大きいことを表すの
で、本実施形態により、始動からのヒータ供給電力積算
値ＳＵＭＰＷに基づきこの値が小さいほど小さくなる側
にデューティ増加速度を補正することで、ヒータ近傍の
急激な温度変化に伴う熱応力によって生じるセンサ素子
の割れを防止できる。

【００６４】なお、この場合に、始動からのヒータ供給
電力積算値ＳＵＭＰＷに基づきこの値が小さいほど小さ
くなる側にデューティ増加速度を補正することは、具体
的には、始動からのヒータ供給電力積算値ＳＵＭＰＷに
基づきこの値が小さいほど小さくなる側に増加補正係数
ＨＯＳＰＷを設定することによって果たされている。

【００６５】このように、本実施形態では、センサ素子
が凝縮水により被水状態となることがあっても始動時水
温と始動時外気温に応じたデューティ初期値ＤＵＴＹＳ
Ｔとデューティ増加速度ＤＵＴＹＵＰとを用いて始動か
ら必ずヒータ８への通電を行い、始動からの吸入空気流
量の積算値ＳＵＭＱＡに基づいて凝縮水が全て蒸発した
かどうかを判定し、凝縮水が全て蒸発したときにはデュ
ーティ増加速度ＤＵＴＹＵＰをそれ以前より大きくし、
かつ凝縮水が全て蒸発するまでのヒータ供給電力積算値
をみてこの値が小さいときにはデューティ増加速度ＤＵ
ＴＹＵＰを小さくなる側に補正するようにしたので、凝
縮水によるセンサ素子の割れ及びヒータ近傍の急激な温
度変化に伴う熱応力によって生じるセンサ素子の割れを
いずれも防止しつつ、酸素センサを早期に活性化するこ
とができる。この早期のセンサの活性化により、酸素セ
ンサ出力に基づく空燃比のフィードバック制御を開始で
きる時期が早まり、その分排気エミッションの低減が可
能となる。

【００６６】図１１は第２実施形態の極低温でのエンジ
ン始動時のデューティ指令値の特性図で、比較のため第
１実施形態の場合を重ねて示している。第１実施形態で
は、始動からの吸入空気流量積算値ＳＵＭＱＡが所定値
以上となった時点よりデューティ増加速度ＤＵＴＹＵＰ
を直線的に大きくしたが（一点鎖線参照）、第２実施形
態では、吸入空気量積算値ＳＵＭＱＡが所定値以上とな
った時点より下に凸の曲線でデューティ指令値を大きく
するようにしたものである。

【００６７】これは、始動からの吸入空気流量積算値Ｓ
ＵＭＱＡが所定値以上となった時点以降の排気熱（つま
りＳＵＭＱＡが所定値以上となった時点からの吸入空気
流量の積算値）によってもセンサ素子全体の温度が上昇
していくため、その分大きくヒータによる昇温が可能に
なるためである。

【００６８】デューティ指令値を図示のような曲線で与
えるには、上記（４）式に代えて新たに増量補正量ＨＯ
ＳＤＴＹを導入した次式を採用し、その増量補正量ＨＯ
ＳＤＴＹを図１２を内容とするテーブルを検索すること
により演算させればよい。

【００６９】 ＯＮＤＵＴＹ＝（ＤＵＴＹＳＴ＋ＤＵＴＹＵＰ×ＴＭＳＴＡ１ ＋ＤＵＴＹＵＰ×ＨＯＳＰＷ×ＴＭＳＴＡ２ ＋ＨＯＳＤＴＹ） ×（ＶＢＭＡＸ／ＶＢ） …（６） ただし、ＤＵＴＹＳＴ：初期デューティ値［％］、 ＤＵＴＹＵＰ：デューティ増加速度［％／ｓ］、 ＴＭＳＴＡ１：始動からの経過時間、 ＨＯＳＰＷ ：増加補正係数、 ＴＭＳＴＡ２：ＳＵＭＱＡが所定値以上になった時点か
らの経過時間、 ＨＯＳＤＴＹ：増量補正量［％］、 ＶＢＭＡＸ ：限界印加電圧、 ＶＢ ：バッテリ電圧、 この第２実施形態によれば、センサ素子２の活性化の時
期をさらに早めることができる。

【００７０】実施形態では、センサ素子内部にヒータを
内蔵した積層タイプの酸素センサで説明したように、特
にこのタイプの酸素センサに有効なヒータ通電制御であ
るが、それ以外のタイプの酸素センサを排除するもので
ない。

【００７１】実施形態では、触媒に生じた凝縮水により
被水状態になる酸素センサ、つまり排気通路の触媒下流
に設けられる酸素センサについて説明したが、排気通路
の触媒上流に設けられる酸素センサであっても凝縮水に
より被水状態になるのであれば、本発明の適用がある。

【００７２】また、酸素センサで説明したが、これに限
定されるものでもない。センサ素子の内部や近傍に電気
的ヒータを備えると共にセンサ素子が被水状態になる可
能性があり、ヒータへの通電によってセンサ素子に割れ
の生ずるセンサであれば、本発明の適用がある。

【００７３】実施形態では、デューティ指令値ＯＮＤＵ
ＴＹの特性を、図３、図４に示したように直線で構成
し、かつ直線の傾きを１点で切換える場合で説明した
が、これに限られるものでなく、例えば複数点で切換え
るようにすることも、また連続的に切換えるようにする
ことも考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】積層タイプの酸素センサの検出原理を説明する
ための断面モデル図。

【図２】エンジンの制御システムの概略図。

【図３】極低温でのエンジン始動時のデューティ指令値
の特性図。

【図４】暖機後再始動時のデューティ指令値の特性図。

【図５】エンジン回転速度、エンジン負荷に対する排気
温度、吸入空気流量の特性図。

【図６】有限要素法による熱応力の解析結果を示す特性
図。

【図７】デューティ指令値の演算を説明するためのフロ
ーチャート。

【図８】始動時外気温と始動時水温に対する初期デュー
ティ値、デューティ増加速度のマップ特性図。

【図９】始動時外気温と始動時水温に対する所定値のマ
ップ特性図。

【図１０】ヒータ供給電力積算値に対する増加補正係数
のテーブル特性図。

【図１１】第２実施形態の極低温でのエンジン始動時の
デューティ指令値の特性図。

【図１２】第２実施形態の増量補正量の特性図。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ 酸素センサ（空燃比センサ） ２ センサ素子 ８ ヒータ １１ コントロールユニット １２ 水温センサ １３ 外気温センサ １４ イグニッションスイッチ １５ クランク角センサ １６ エアフローメータ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G084 BA00 CA01 DA04 DA09 EA07 EB00 FA00 FA02 FA07 FA20 FA30 FA38 3G301 JA20 JB01 KA01 NA08 NB15 ND41 PA01Z PA10Z PD05Z PD09A PD09Z PE03Z PE08Z PF16Z

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】センサ素子を加熱するための電気式ヒータ
   と、 この電気式ヒータに対してエンジン始動直後に初期通電
   量で通電を開始し、エンジン始動後に通電量を直線的に
   増加させる手段とを備える空燃比センサのヒータ制御装
   置において、 前記直線の傾きを定める単位時間当たりの通電量増加分
   をエンジンの始動時環境温度に応じ始動時環境温度が低
   いほど小さくなるように設定する手段を設けることを特
   徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。
2. 【請求項２】前記初期通電量をエンジンの始動時環境温
   度に応じて設定することを特徴とする請求項１に記載の
   空燃比センサのヒータ制御装置。
3. 【請求項３】前記始動時環境温度は始動時外気温または
   始動時冷却水温であることを特徴とする請求項１または
   ２に記載の空燃比センサのヒータ制御装置。
4. 【請求項４】前記単位時間当たりの通電量増加分を始動
   後のエンジン運転履歴に基づいて高温の排気が得られる
   運転履歴であるほど大きくなる側に補正することを特徴
   とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の空燃
   比センサのヒータ制御装置。
5. 【請求項５】エンジン始動からの吸入空気流量の積算値
   を演算する手段を備え、前記エンジン始動後の運転履歴
   を前記エンジン始動からの吸入空気流量の積算値に基づ
   いて推定することを特徴とする請求項４に記載の空燃比
   センサのヒータ制御装置。
6. 【請求項６】前記ヒータへの供給電力の積算値を演算す
   る手段を備え、前記単位時間当たりの通電量増加分を始
   動からの前記ヒータへの供給電力の積算値に基づいてこ
   の値が小さいほど小さくなる側に補正することを特徴と
   する請求項１から５までのいずれか一つに記載の空燃比
   センサのヒータ制御装置。