JP2004360526A

JP2004360526A - Control device for internal combustion engine equipped with exhaust gas sensor with heater

Info

Publication number: JP2004360526A
Application number: JP2003158348A
Authority: JP
Inventors: Kozo Katogi; 工三加藤木; Yuji Ikeda; 勇次池田; Junichi Noda; 淳一野田; Hiroshi Sekine; 関根　　寛; Tomoharu Sasaki; 朋春佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP4093919B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control device for properly controlling a temperature of a heater immediately after engine start to prevent a problem of a crack or breakage of a detection element, in an internal combustion engine having an exhaust pipe including an exhaust gas sensor with heater for heating the detection element. <P>SOLUTION: A moisture adhesion state on a surface of the detection element in the engine start is estimated based on an engine water temperature or the like. If moisture (condensate) may adhere to the surface of the element, the temperature (a heating amount) of the heater immediately after the start is suppressed in a relatively low temperature so as not to rise the temperature rapidly, and a warm-up control is performed to control the temperature of the heater so as not to exceeds a predetermined value of difference in temperature between the inside the detection element near the heater and the surface of the detection element away from the heater. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検知素子の加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサを排気管に配備している内燃機関の制御装置に係り、特に、前記検知素子が活性化されていない内燃機関の始動直後に、ヒータの温度（発熱量）を制御して、検知素子にクラック、破損等の不具合を生じさせないようにした内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境負荷軽減のため、内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を低減することが求められており、そのためには、内燃機関において燃焼に供せられる混合気の空燃比を適正な範囲に制御することが要求される。
【０００３】
従来より、空燃比を適正範囲に制御すべく、排気ガス中の酸素濃度を検出して、酸素量が略ゼロとなるように燃料供給量をフィードバック制御すること等が行われている。酸素濃度を検出するには、酸素濃度比率に応じて電圧を生じる酸素センサや、酸素濃度をリニアに検出できるリニア空燃比センサ等の排気ガスセンサが使用されている。
【０００４】
しかしながら、酸素センサ（の酸素濃度検知素子）が正常に動作（活性化）する温度は３００°Ｃ以上、リニア空燃比センサ（の酸素濃度検知素子）が正常に動作（活性化）する温度は６００°Ｃ以上であるので、センサの検知素子をヒータ等の加熱手段で強制加熱して活性温度を越えるまで昇温させる必要がある。
【０００５】
そのため、従来より、前記センサに検知素子の加熱用のヒータを付設し（センサ内部の検知素子の近傍にヒータを配在するのが普通である）、検知素子をヒータで加熱することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特許第２６２４７３１号公報（第１〜３頁、第１図〜第５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内燃機関始動後において、できるだけ早くセンサの検知素子を活性化させるには、前記ヒータによる前記検知素子の急速加熱が必要となるが、急速加熱を行うと、そのときの温度上昇に伴う熱応力によって検知素子にクラックが発生する等の不具合が生じて適正に酸素濃度を検出することができなくなることがあり、最悪の場合は検知素子が破損して全く機能しなくなってしまうこともあった。
【０００７】
センサの検知素子にクラック、破損等の不具合が発生する原因としては以下のようなことが考えられる。
通常、内燃機関においては、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気中に気化混合せしめられ、その混合気が燃焼室で燃焼して、該燃焼の排気ガスが排気管に排出されるが、その際、排気ガスによって排気管が暖められる。排気ガスの発熱量は、燃料噴射量、すなわち、吸入空気量に比例するので、吸入空気量の積算値が発熱量になる。その際、燃料は下記の如き反応をする。
ＣｍＨｎ＋（ｍ＋ｎ／４）Ｏ_２ → ｍＣＯ_２＋ｎ／２Ｈ_２Ｏ
【０００８】
燃焼によって生じる水分は、排気管温度が露点以上であれば水蒸気となって排出されるが、排気管温度が露点以下であれば排気管壁面に水滴となって結露する。
特に、排気管が湾曲していて上部にガスが溜まりやすい構造であると、水蒸気は湾曲部の上部に溜まり、機関停止後、排気管温度が低下してくると、その溜まった水蒸気は水分となって結露する。そのため、センサが湾曲部に取り付けられていると、検知素子表面にも水分が付着しやすい。この検知素子表面に付着した水分が前記クラック、破損等の不具合が発生する主たる原因であるが、それを説明する前に、現在実用に供されている検知素子加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサの一例（後述の本発明の実施形態においても使用されているリニア空燃比センサ）を図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら説明する。
【０００９】
図３（Ａ）に示されるリニア空燃比センサ１０は、排気管１０９に取り付けられた筒状のホルダ１１及び排気管１０９内に挿入されたプロテクタ１２を有し、プロテクタ１２内に酸素濃度検知素子２０が配設されている。プロテクタ１２には幾つかの穴１４が形成されており、この穴１４から排気ガスが出入りするようになっている。
【００１０】
検知素子２０は、図３（Ｂ）に示される如くに、上下の保護層２３、２４を含む多層構造となっており、その下面側に電熱線式ヒータ３０を内蔵するヒータ部２９が配設されている。
【００１１】
検知素子２０は、検知電極２１と基準電極２２とを有し、これら検知電極２１と基準電極２２に挟まれた拡散層２５に、所定の電流を流して、排気管１０９を流れる排気ガスの酸素濃度に応じて、検知電極２１側と基準電極２２側との酸素濃度比が一定となるように、酸素を移動させる。このときの電流値が排気管側の酸素濃度に比例することになるので、電流値を測定することで排気管内（排気ガス）の酸素濃度を検出することができる。酸素濃度は、燃焼の際に反応しなかった酸素であり、空燃比に対応する。よって、空燃比に応じて図４に示される如くの電流特性を持つ。
【００１２】
前記検知素子２０が正常に機能するには、酸素がイオンとして移動できる温度（６００°Ｃ以上）まで加熱する必要がある。排気ガスが６００°Ｃ以上であれば、排気ガスによる加熱が可能であるが、通常の運転では排気ガス温度は６００°Ｃ以下であり、ヒータ３０による加熱が必要である。
【００１３】
一方、ヒータ３０による加熱は、検知素子２０に対して一様な温度分布にならず、ヒータ近傍部分（内部）２０ｉが高く、ヒータ３０から離れた表面部分２０ｓが低くなるため、その温度差によって熱応力が生じる。温度差は検知素子２０の熱抵抗に応じて変わる。熱抵抗が大きいと、熱は内部にたまり、温度差が大きくなる。よって、ヒータ３０の温度を一定とすると、図６に示される如くに、ヒータ３０への通電直後（機関始動直後）にヒータ近傍部分（内部）２０ｉの温度が高くなり、表面部分２０ｓとの温度差が最大となる。温度差を所定値以下とするには、実験の結果、温度上昇率が５５°Ｃ／秒以下であればよいことが明らかになっている。
【００１４】
水分が検知素子表面２０ｓに付着していると、素子表面２０ｓは水分の潜熱があるので、加熱されても水分が蒸発する間は１００°Ｃに維持され、そのため、温度差はさらに拡大する。水分蒸発中の検知素子表面２０ｓの温度上昇率は略ゼロであるが、水分が無くなった直後からは急速に上昇するので、温度上昇率が５５°Ｃ／秒を越えてしまう。このような検知素子２０の内部２０ｉと表面２０ｓとの間の温度差及び急速な温度上昇に伴う熱応力により、検知素子２０にクラック、破損等の不具合が発生すると考えられる。
【００１５】
本発明は、前記した如くの問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、検知素子の加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサを排気管に配備している内燃機関において、機関始動直後において、ヒータの温度を適正に制御して、検知素子にクラック、破損等の不具合を生じさせることがないようにされた制御装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る内燃機関の制御装置は、検知素子に加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサを排気管に配備している内燃機関の制御装置であって、内燃機関の始動直後においては、該機関の始動時の機関運転状態に応じて前記検知素子に対する前記ヒータの温度を制御するウォームアップ制御を行うことを特徴としている。
【００１７】
好ましい態様では、前記検知素子の表面の水分付着状態を推定し、推定された水分付着状態に応じて前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
この場合、具体的には、機関の冷却水温、吸気温、及び排気管の温度のうちの少なくとも１つに基づいて前記検知素子の表面の水分付着状態を推定するようにされる。
【００１８】
より具体的な好ましい態様では、前記検知素子における前記ヒータ近傍の部分と前記ヒータから離れた表面部分との温度差が所定値を越えないように、前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
他の好ましい態様では、機関始動後の吸入空気量の積算値を算出し、この算出された積算値に基づいて、前記ウォームアップ制御の終了時期を設定するようにされる。
【００１９】
他の別の好ましい態様では、機関始動後の経過時間を計測し、経過時間がしきい値を超えるまで、前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
この場合、好ましくは、機関の繰り返し始動回数を計数し、この計数された始動回数に基づいて前記経過時間についてのしきい値を設定するようにされる。
【００２０】
さらに他の好ましい態様では、前記ヒータへの電力供給量を演算し、この演算された電力供給量に基づいて前記ヒータの温度を推定し、この推定されたヒータ温度に基づいて、前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
【００２１】
前記の他、前記検知素子の温度が、好ましくは、０°Ｃ以上で３００°Ｃ未満の範囲内に収まるように、前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
一方、本発明の制御装置は、前記ヒータに対する制御の他、前記ウォームアップ制御期間中は、燃焼に供せられる混合気の空燃比を通常運転時よりリッチ側に補正するようにされる。
また、前記ウォームアップ制御期間中は、点火時期を通常運転時より遅らせる補正を行うようにされる。
【００２２】
さらに好ましい態様では、冷却水温、吸気温、吸入吸気量等のセンサ検出値のうちのいずれかが異常値を示している場合、正常値を示しているセンサ検出値に基づいて、前記異常値を示しているセンサ検出値についてのバックアップ値を算出し、この算出されたバックアップ値に基づいて前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
他の好ましい態様では、前記ヒータに印加される電圧値又は電流値に異常が検出されたとき、前記ヒータに対する制御を停止するようにされる。
【００２３】
前記の如くの構成とされた本発明に係る内燃機関の制御装置の好ましい態様においては、機関始動時における検知素子の表面の水分付着状態を、機関水温等に基づいて推定し、素子表面に水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータの温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子におけるヒータ近傍の内部とヒータから離れた表面との温度差が所定値を越えないように、ヒータの温度を制御するウォームアップ制御を行うようにされているので、排気ガスセンサの検知素子にクラック、破損等の不具合が生じることを確実に防止でき、信頼性が向上する。この場合、センサに改造を加えることなく、ヒータの温度制御のみで、前記効果を奏するので、コストアップを招かずに済む等の利点も得られる。
【００２４】
また、始動時水温が低いとき等においても、検知素子に不具合を発生させることなく、検知素子を早期に活性化させることができるので、空燃比のフィードバック制御を行える領域を拡大でき、そのため、内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分の低減化等にも寄与する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る制御装置が適用されたヒータ付き排気ガスセンサを備えた内燃機関を示す。
【００２６】
図示の内燃機関１００は、水温センサ１１０が配設された気筒１０７の頭部（燃焼室）に点火コイル１０３から点火電圧を印加される点火プラグ１０２が配設され、また、クランク軸及び吸排気動弁機構に関連してクランク角センサ１１１及びカム角センサ１１２が設けられ、吸気系（吸気管１０８）には、燃料噴射弁１０１、スロットル弁１０４、スロットルポジションセンサ１１３、吸気管圧力センサ１１４、吸入空気流量計１１５、吸気温センサ１２１等が配設され、排気系（排気管１０９）には、前述した図３に示されるリニア空燃比センサ１０、排気温センサ１２２、触媒１１８等が配在されている。前記燃料噴射弁１０１には、燃料タンク１２５から燃料ポンプ１１７及び燃圧制御弁１２６を介して一定圧に調圧された燃料が圧送されるようになっている。
【００２７】
そして、本実施形態の制御装置１においては、前記リニア空燃比センサ１０内に設けられた検知素子加熱用ヒータ３０（図３Ａ参照）の温度（発熱量）の制御、前記燃料噴射弁１０１による燃料噴射量や燃料噴射時期の制御、前記点火プラグ１０２の点火時期の制御等を行うため、コントロールユニット１２０が備えられている。
【００２８】
コントロールユニット１２０は、図２に示される如くに、数値・論理演算を行うＣＰＵ４０１、ＣＰＵ４０１が実行するプログラム及びデータを格納したＲＯＭ４０２、データを一時的に記憶するＲＡＭ４０３、各センサ類からのアナログ信号を取り込んでデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４０４、運転状態を示すスイッチ類からの信号を取り込むデジタル入力回路４０５、パルス信号の時間間隔や所定時間内のパルス数を計数するパルス入力回路４０６、さらに、ＣＰＵ４０１の演算結果に基づきアクチュエータ（図示せず）のオン・オフを行う、デジタル出力回路４０７、パルス出力回路４０８、そして、通信回路４０９を備えており、これらにより、データを外部に出力し、さらに、外部からの通信コマンドによって内部状態を変更できるようになっている。
【００２９】
図５は、コントロールユニット１２０、リニア空燃比センサ１０、ヒータ３０の接続関係を示しており、リニア空燃比センサ１０の検知素子２０から得られる酸素濃度をあらわす信号はセンサ信号処理回路２６を介してコントロールユニット１２０に入力される。また、ヒータ３０は、トランジスタ３６のＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）に応じてバッテリ３７から通電され、その通電量（時間）に応じて発熱し、検知素子２０を加熱する。この加熱温度を制御すべく、コントロールユニット１２０からトランジスタ３６をＯＮ／ＯＦＦするための制御信号（デューティ信号）が供給される。なお、トランジスタ３６の両端の電圧値（又は電流値）は、ヒータ３０の故障診断等に用いるため、コントロールユニット１２０に取り込まれるようになっている（後述）。
【００３０】
次に、コントロールユニット１２０が、機関始動直後において、ヒータ３０で検知素子２０を加熱するにあたり、検知素子２０にクラック、破損等の不具合を生じさせることがないようにするための制御例を説明する。
【００３１】
前述したように、燃焼によって生じた水分は、排気管温度が露点以上であれば水蒸気となって排出されるが、排気管温度が露点以下であれば排気管１０９の壁面に水滴となって結露し、検知素子２０の表面２０ｓにも水分（結露水）が付着する。
【００３２】
また、ヒータ３０による加熱は、検知素子２０に対して一様な温度分布にならず、ヒータ近傍部分（内部）２０ｉが高く、ヒータ３０から離れた表面部分２０ｓが低くなるため、その温度差によって熱応力が生じる。温度差は検知素子２０の熱抵抗に応じて変わる。熱抵抗が大きいと、熱は内部にたまり、温度差が大きくなる。よって、ヒータ３０の温度（検知素子２０に対する加熱量）を一定とすると、図６に示される如くに、ヒータ３０への通電直後（機関始動直後）にヒータ近傍部分（内部）２０ｉの温度が高くなり、表面部分２０ｓとの温度差が最大となる。
【００３３】
水分が検知素子表面２０ｓに付着していると、素子表面２０ｓは水分の潜熱があるので、加熱されても水分が蒸発する間は１００°Ｃに維持され、そのため、温度差はさらに拡大する。水分蒸発中の素子表面２０ｓの温度上昇率は略ゼロであるが、水分が無くなった直後からは急速に上昇する。
【００３４】
そこで、本実施形態においては、コントロールユニット１２０が、機関始動時における検知素子２０の表面２０ｓの水分付着状態を推定し、表面２０ｓに水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータ３０の温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子２０におけるヒータ３０近傍の内部２０ｉとヒータ３０から離れた表面２０ｓとの温度差が所定値を越えないように、ヒータ３０の温度を制御するウォームアップ制御を行う。
【００３５】
そして、前記ウォームアップ制御を、素子表面２０ｓの水分が全て蒸発する時期（これも排気ガスの発熱量＝吸入空気量の積算値等に基づいて推定する）まで継続し、水分が全て蒸発したと推定された時期以後は、検知素子２０の温度を活性化温度（約６００°Ｃ以上）まで上昇させるセンサ活性促進制御を行い、検知素子２０が活性化温度に達した以降は、フィードバック制御により最適温度（例えば７５０〜７６０°Ｃ程度）で維持する。なお、フィードバック制御には、検知素子２０の実温度が必要であるが、検知素子２０の実温度は、それが４００°Ｃ〜５００°Ｃに達すると、検知素子２０から得られる信号に基づいて求めることができる。
【００３６】
前記した機関始動時における素子表面２０ｓの水分付着状態は、機関始動時における排気管１０９の温度に応じて異なるので、本実施形態においては、排気管１０９の温度と略同じと見なすことができる機関の冷却水温及び吸気温（いずれか一方だけでも可）に基づいて前記検知素子表面２０ｓの水分付着状態を推定するようにされている。
【００３７】
そして、コントロールユニット１２０は、推定された水分付着状態に応じて、制御態様を、第１ウォームアップ制御、第２ウォームアップ制御、及び、センサ活性化促進制御の三通りに切り換えるようにされる。
【００３８】
第１ウォームアップ制御は、素子表面２０ｓに水分が付着している可能性が高いとき（下記条件［１］成立時）に行い、第２ウォームアップ制御は、素子表面２０ｓに多少は水分が付着している可能性があるとき（下記条件［２］成立時）に行い、センサ活性化促進制御は、素子表面２０ｓに水分が付着していないと推定されるとき行う。
【００３９】
以下、上記制御を、図７のフローチャート及び図８のタイムチャート（素子表面２０ｓに水分が付着している可能性が高いときの例）を参照しながら説明する。
第１ウォームアップ制御を行う条件［１］は、水温（ＴＷＮ）が所定値（ＫＴＷＨＥＡＴＯＮ）より低いこととされ、ここでは、ＫＴＷＨＥＡＴＯＮ＝１０°Ｃ程度に設定されている。
【００４０】
このときは、水分が蒸発する温度程度に素子表面２０ｓ温度を維持する。水分は０°Ｃ以上であれば水蒸気として徐々に蒸発する。１００°Ｃ以上であれば蒸発が促進される。しかし、水分が付着している素子表面２０ｓは１００°Ｃに維持されるので、ヒータ３０の温度を１００°Ｃ以上に上げると検知素子２０内部で温度差が生じて熱応力が発生する。熱応力の限界値（クラック、破損等の不具合が発生する上限値）未満にするためには、検知素子２０の内部２０ｉの温度が３００°Ｃ程度を越えないようにすることが要求される。ここでは、ヒータ３０の目標温度ＫＡＦＴＨＷＲＭ（定数）を１００°Ｃ程度に設定して、検知素子２０の温度を１００°Ｃ程度に維持することによって、水分を蒸発させる（図７のフローチャートにおいてステップ５００、５０１、５０２）。
【００４１】
第１ウォームアップ制御により、水温（ＴＷＮ）が所定値（ＫＴＷＨＥＡＴＯＮ＝１０°Ｃ）以上になると、図８に示されているように、第１ウォームアップ制御から第２ウォームアップ制御に切り換えられる。
【００４２】
第２ウォームアップ制御を行う条件［２］は、下記（Ａ）および（Ｂ）を満たしていることとされる。
（Ａ）下記（ａ）〜（ｃ）のいずれかを満たしている場合。
（ａ）始動時水温（ＴＷＳ）が所定値（ＫＴＷＷＵＬ）よりも低い場合。ここでは、ＫＴＷＷＵＬは、例えば１５°Ｃ程度に設定される。
（ｂ）始動時吸入空気温（ＴＡＳ）が所定値（ＫＴＡＷＵＬ）よりも低い場合。
（ｃ）繰り返し始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）が所定値（ＫＣＡＦＴＷＲＭ）よりも大きい場合。
【００４３】
（Ｂ）下記（ｅ）又は（ｆ）を満たしている場合。
（ｅ）始動後の吸入空気量積算値（ＳＵＭＱＡＳ）が所定値（ＳＵＭＱＡＳＬ（ＴＷＳと繰り返し始動回数に応じて検索する値の和））よりも小さいとき。ここで、所定値（ＳＵＭＱＡＳＬ）は、始動時水温（ＴＷＳ）に応じたＳＵＭＱＡＢＳと、繰り返し始動回数に応じたＳＵＭＱＡＳＴの和とする。なお、吸入空気量積算値は単位時間あたりの吸入空気量を積算したものでもよいし、吸入空気量に応じてテーブル値から換算した加算値（ＱＡＳＬＸ）を検索して、次式のように加算してもよい。
ＳＵＭＱＡＳ＝ＳＵＭＱＡＳ＋ＱＡＳＬＸ
（ｆ）始動後経過時間が所定値（ＴＭＡＦＷＲＭ）＝水温（ＴＷＮ）と繰り返し始動回数に応じて検索する値の和に達するまで。ここで、ＴＭＡＦＷＲＭは、始動時水温（ＴＷＳ）に応じたＴＭＡＦＴＨと、繰り返し始動回数に応じたＴＭＡＦＳＴの和とする。
【００４４】
上記条件［２］を満たしているとき（第１ウォームアップ制御終了後）は、素子表面２０ｓの水分付着量は少ないと推定されるので、始動時水温（ＴＷＳ）に応じてヒータ３０の目標温度ＴＣＡＦＴ１ＳＴ（ここでは第１ウォームアップ制御時と同じ１００°Ｃ）を設定し、素子表面２０ｓに付着している水分の蒸発を促進させる（図７のフローチャートのステップ５０３、５０４）。
【００４５】
なお、繰り返し始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）は、以下のようにして求める（図９参照）。
下記、（ａ）又は（ｂ）の何れかが満たされたとき、機関始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）を所定値（ＫＣＡＷＭＸ）とする。
（ａ）機関が初めて始動されるとき（バックアップＲＡＭが初期化されたとき）（ｂ）機関始動回数が所定値（ＫＣＡＷＭＸ）を超えているとき。
【００４６】
ウォームアップ制御中にイグニッションキーをオンからオフにしたとき、繰り返し始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）をインクリメントする。ただし、インクリメントは所定値（ＫＣＡＷＭＸ）を上限とする。繰り返し始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）は、第２ウォームアップ制御終了時にゼロにリセットされる。
前記条件［２］を満たさなくなったとき（図８では、吸入吸気量の積算値が所定値（ＳＵＭＱＡＳＬ）を越えたとき）、第２ウォームアップ制御を終了する。
【００４７】
なお、図１０に示すように、ヒータ３０への電力供給量（通電電流と印加電圧）からヒータ３０の発熱量を算出して、ヒータ３０の温度を推定して、ウォームアップ制御を終了する時期を設定してもよい。
【００４８】
前記条件［１］及び［２］が成立しないとき行うセンサ活性化促進制御は、素子表面２０ｓに水分が付着していないと推定されるときなので、ヒータ３０の目標温度ＴＣＡＦＴ２ＮＤを高く設定して、検知素子２０を迅速に活性化温度（６００°Ｃ程度）に昇温させる（図７のフローチャートのステップ５０５、５０６）。
【００４９】
前記センサ活性化促進制御により検知素子２０が活性化温度に達した後は、前記したようにヒータ温度フィードバック制御を行い、検知素子２０を適正温度で維持する（図７のフローチャートにおいてステップ５０７）。
【００５０】
以上のように、本実施形態の制御装置１では、機関始動時における検知素子２０の表面２０ｓの水分付着状態を、機関水温等に基づいて推定し、表面２０ｓに水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータ３０の温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子２０におけるヒータ３０近傍の内部２０ｉとヒータ３０から離れた表面２０ｓとの温度差が所定値を越えないように、ヒータ３０の温度を制御するウォームアップ制御を行うようにされているので、ヒータ付きリニア空燃比センサ１０の検知素子にクラック、破損等の不具合が生じることを確実に防止でき、信頼性が向上する。また、リニア空燃比センサ１０に改造を加えることなく、ヒータ３０の温度制御のみで、前記効果を奏するので、コストアップを招かず済む等の利点も得られる。
【００５１】
また、始動時水温が低いとき等においても、検知素子２０に不具合を発生させることなく、検知素子２０を早期に活性化させることができるので、空燃比のフィードバック制御を行える領域を拡大でき、そのため、機関から排出される排気ガス中の有害成分の低減化等にも寄与する。
【００５２】
前記したヒータ３０に対する制御の他、本実施形態の制御装置１では、前記ウォームアップ制御期間中は、空燃比のフィードバック制御を行えないので、空燃比がリーン寄りとなって燃焼が不安定になる場合等があることから、燃料噴射量と点火時期を以下のように補正するようにされている。
【００５３】
すなわち、コントロールユニット１２０は、吸気管圧力センサ１１４または吸入空気流量計１１５の出力を取り込み、センサ電圧を所定のテーブル変換により、実際の単位時間当りの吸入空気量Ｑａを算出する。同時に、クランク角センサ１１１のパルス信号を計測し、所定時間内のパルス数またはパルスの時間間隔に応じて機関の回転数ＮＤＡＴＡを計算する。前記、単位時間当りの吸入空気量ＱａをＮＤＡＴＡで割り算し、さらに気筒数で割ることにより、１気筒の１回毎の吸入空気量Ｑａｃｙｌを計算する。Ｑａｃｙｌに所定の計数ＫＴＩを乗ずることにより、Ｑａｃｙｌで燃焼できる燃料噴射量量ＴＩが求められ、後述の空燃比制御補正量を含む補正係数を乗じることにより燃料噴射弁１０１を所定の機関だけ開弁することにより、必要とする燃料量を噴射して、一燃焼サイクル毎の混合気を生成する。
燃料噴射量ＴＩの計算には、以下の補正係数が乗算される。
ＴＩ＝ＣＯＥＦ×ＫＴＩ×Ｑａｃｙｌ×ＧＡＭＭＡ＋補正項
【００５４】
ここでは、ウォームアップ制御中は、燃料補正係数ＧＡＭＭＡに、空燃比補正係ＡＬＰＨＡの他に、ウォームアップ制御時燃料補正を下記のように追加し、燃料噴射量をリッチ側に補正する。
ＧＡＭＭＡ＝ＡＬＰＨＡ＋ＫＡＦＷＲＭ（増量補正項）＋ＫＬ（空燃比制御学習値）
【００５５】
上記増量補正量は下記（１）〜（３）がすべて成立時に水温と機関制御状態に応じて切り替える。
（１）水温（ＴＷＮ）が所定値以上（ＫＴＷＨＥＡＴＯＮ）。
【００５６】
（２）始動時条件として下記（ａ）〜（ｄ）の何れかを満たしている場合。
（ａ）始動時水温（ＴＷＳ）が所定値（ＫＴＷＷＵＬ）よりも低い場合。
（ｂ）始動時水温（ＴＷＳ）が所定値（ＫＴＷＷＵＨ）よりも高い場合。
（ｃ）始動時吸入空気量（ＴＡＳ）が所定値（ＫＴＡＷＵＬ）よりも低い場合。
（ｄ）始動時吸入空気量（ＴＡＳ）が所定値（ＫＴＡＷＵＨ）よりも高い場合。
（３）空燃比制御がオープンループ状態のとき。
【００５７】
ウォームアップ制御を行っていない場合は、ＫＡＦＷＡＭ＝０とする。
増量補正項ＫＡＦＷＲＭはアイドルスイッチとニュートラルスイッチに応じて検索テーブルを切り替える。アイドルスイッチがＯＮでニュートラルスイッチがＯＮのとき、ＫＡＦＷＡＭ＝ＴＡＦＷＲＭＯＮＮ（ＴＷＮ）。アイドルスイッチがＯＮでニュートラルスイッチがＯＦＦのとき、ＫＡＦＷＡＭ＝ＴＡＦＷＲＭＯＮＤ（ＴＷＮ）。アイドルスイッチがＯＦＦのとき、ＫＡＦＷＡＭ＝ＴＡＦＷＲＭＯＦＦ（ＴＷＮ）。
【００５８】
前記燃料噴射量の増量補正と同時に、排気ガス温度上昇を促進するために、点火時期を通常よりも遅らせて、排気温度を高める。
すなわち、点火時期（ＡＤＶ）は通常の点火マップ値（ＡＤＶＳ）とウォームアップ補正値（ＡＤＶＷＲＭ）の和とする。ウォームアップ補正値（ＡＤＶＷＲＭ）は増量補正値（ＫＡＦＷＡＭ）の設定と同じく、３つのテーブル値とする。
【００５９】
アイドルスイッチがＯＮでニュートラルスイッチがＯＮのとき、ＡＤＶＷＡＭ＝ＴＡＤＷＲＭＯＮＮ（ＴＷＮ）。アイドルスイッチがＯＮでニュートラルスイッチがＯＦＦのとき、ＡＤＶＷＡＭ＝ＴＡＤＷＲＭＯＮＤ（ＴＷＮ）。アイドルスイッチがＯＦＦのとき、ＡＤＶＷＡＭ＝ＴＡＤＷＲＭＯＦＦ（ＴＷＮ）。ウォームアップ制御を行っていないときは、ＡＤＶＷＡＭ＝０とする。
【００６０】
一方、本実施形態の制御装置１では、上記した制御の他、水温センサ１１０、吸気温センサ１２１、吸入空気流量計１１５等が故障した場合のバックアップが必要であり、以下のようにフェイルセーフを行ってバックアップする。
【００６１】
（１）水温センサ１１０が異常と診断されたとき、つまり、水温センサ１１０からの信号があらわす水温値（センサ検出値）が上限しきい値を越えているか、又は、下限しきい値を下回っているときは、水温センサ１１０が故障したと診断して、図１１（Ａ）に示される如くに、吸入空気量の積算値から水温を換算（推定）し、これをバックアップ水温値として使用する。
【００６２】
（２）吸気温センサ１２１が異常と診断されたとき、つまり、吸気温センサ１２１からの信号があらわす吸気温（センサ検出値）が上限しきい値を越えているか、又は、下限しきい値を下回っているときは、吸気温センサ１２１が故障したと診断して、図１１（Ｂ）に示される如くに、吸気温を無難な固定値（例えば３０°Ｃ）に設定して使用する。
【００６３】
（３）吸入空気流量計１１５が異常と診断されたとき、つまり、吸入空気流量計１１５からの信号があらわす吸入空気量（センサ検出値）が上限しきい値を越えているか、又は、下限しきい値を下回っているときは、吸入空気流量計１１５が故障したと診断して、図１１（Ｃ）に示される如くに、スロットル開度と機関回転数から推定される吸入空気量をバックアップ吸入吸気量として用いる。あるいは、吸気管圧力センサ１１４からの信号があらわす吸入空気管負圧に機関回転数を乗じて、おおよその吸入空気量を算出してこれをバックアップ吸入空気量として用いる。
【００６４】
一方、リニア空燃比センサ１０が異常と診断されたとき、つまり、該センサ１０からの信号があらわす空燃比（酸素濃度）が上限しきい値を越えているか、又は、下限しきい値を下回っているときは、ヒータ３０の温度制御で使用するバックアップ空燃比を所定の値（例えば理論空燃比）に設定する。センサ１０の診断は、センサ電圧が上下限しきい値外にあるとき、および、機関の運転状態が変化しても、センサ電圧が変化しないときに異常と診断される。
【００６５】
次に、ヒータ３０の自己診断について、図５を参照しながら説明する。
前述したように、ヒータ３０の温度を制御すべく、コントロールユニット１２０からはトランジスタ３６をＯＮ／ＯＦＦするためのデューティ信号である制御信号（ＣＰＵ出力が１ｏｒ０）が供給される。前記トランジスタ３６の両端の電圧値（又は電流値）は、ヒータ３０の故障診断等に用いるため、モニタ入力及び電流モニタとしてコントロールユニット１２０に取り込まれる。
【００６６】
そして、コントロールユニット１２０は、ヒータ３０に印加される電圧値又は電流値に異常が検出されたとき（下記ケース１〜５）、ヒータ３０に対する制御を停止するようにされる。
【００６７】
ケース１：ＣＰＵ出力（ヒータ出力）が１（ＯＮ）であっても電流モニタ（ヒータ電流）がゼロの場合、ヒータ３０またはヒータ配線が断線の可能性があり、このときは、ヒータ３０に印加される電圧はゼロなのでヒータが過熱となることはない。
ケース２：ＣＰＵ出力（ヒータ出力）が０（ＯＦＦ）でモニタ入力がゼロの場合も、ヒータ３０またはヒータ配線が断線している可能性がある。
【００６８】
ケース３：ヒータ出力をＯＦＦしてもヒータ電流がゼロにならない場合、出力トランジスタ３６の故障が考えられる。
ケース４：ヒータ出力をＯＮにしたときモニタ入力が１の場合、ヒータ出力がＶＢにショートしている可能性があり、ヒータ電流が過大となることを防止するためヒータ３０に対する制御を停止する。
【００６９】
ケース５：ヒータ出力をＯＮにしたとき、ヒータ電流がゼロではないが、過小の場合で、ヒータ抵抗値が増加していることになり、リニア空燃比センサ１０が不適合またはヒータの発熱不良の可能性がある。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のヒータ付き排気ガスセンサを備えた内燃機関の制御装置は、機関始動時における排気ガスセンサの検知素子の表面の水分付着状態を、機関水温等に基づいて推定し、素子表面に水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータの温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子におけるヒータ近傍の内部とヒータから離れた表面との温度差が所定値を越えないように、ヒータの温度を制御するウォームアップ制御を行うようにされているので、排気ガスセンサの検知素子にクラック、破損等の不具合が生じることを確実に防止でき、信頼性が向上する。この場合、センサに改造を加えることなく、ヒータの温度制御のみで、前記効果を奏するので、コストアップを招かず済む等の利点も得られる。
【００７１】
また、始動時水温が低いとき等においても、検知素子に不具合を発生させることなく、検知素子を早期に活性化させることができるので、空燃比のフィードバック制御を行える領域を拡大でき、そのため、機関から排出される排気ガス中の有害成分の低減化等にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の制御装置の一実施形態を示す全体構成図。
【図２】図１に示される制御装置の主要部を構成するコントロールユニットの構成を示す図。
【図３】図１の内燃機関のリニア空燃比センサであって、（Ａ）はリニア空燃比センサの取り付け状態を示す全体側面図、（Ｂ）は検知素子の構造を示す部分切欠斜視図。
【図４】図３のリニア空燃比センサの出力特性を示す図。
【図５】図１の制御装置のコントロールユニット、リニア空燃比センサ、及びヒータの接続関係を示す図。
【図６】図３のリニア空燃比センサの始動直後における検知素子の温度上昇特性を示す図。
【図７】図１の制御装置のコントロールユニットがヒータの温度制御に際して実行するプログラムの一例を示すフローチャート。
【図８】図１の制御装置の始動直後に行われるヒータの温度制御の一例の説明に供されるタイムチャート。
【図９】図１の制御装置のウォームアップ制御を行う際の終了条件の一つの説明に供されるタイムチャート。
【図１０】ヒータの温度を推定する場合の説明に供される図。
【図１１】図１の制御装置であって、（Ａ）は水温センサが異常と診断されたとき、バックアップ水温値を求める場合の説明に供される図、（Ｂ）は吸気温センサが異常と診断されたとき、バックアップ吸気温値をどのように設定するかの説明に供される図、（Ｃ）は吸入空気流量計が異常と診断されたとき、バックアップ吸入吸気量値を求める場合の説明に供される図。
【記号の説明】
１…制御装置１０…リニア空燃比センサ２０…検知素子３０…ヒータ１００…内燃機関１０１…燃料噴射弁１０２…点火プラグ１０３…点火コイル１０４…スロットル弁１１０…水温センサ１１１…クランク角センサ１１２…カム角センサ１１３…スロットルポジションセンサ１１４…吸気管圧力センサ１１５…吸入空気流量計１１８…触媒１１９…リアＯ_２センサ１２０…コントロールユニット１２１…吸気温センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for an internal combustion engine in which an exhaust gas sensor provided with a heater for heating a sensing element is provided in an exhaust pipe, and in particular, immediately after the start of an internal combustion engine in which the sensing element is not activated, The present invention relates to a control device for an internal combustion engine that controls a temperature (heat generation amount) of a heater so as to prevent a failure such as a crack or breakage in a detection element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, it has been required to reduce harmful components in exhaust gas discharged from an internal combustion engine in order to reduce environmental load. To that end, the air-fuel ratio of an air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine for combustion is adjusted to an appropriate value. It is required to control the range.
[0003]
Conventionally, in order to control the air-fuel ratio within an appropriate range, the oxygen concentration in the exhaust gas is detected, and the fuel supply amount is feedback-controlled so that the oxygen amount becomes substantially zero. To detect the oxygen concentration, an exhaust gas sensor such as an oxygen sensor that generates a voltage according to the oxygen concentration ratio and a linear air-fuel ratio sensor that can detect the oxygen concentration linearly are used.
[0004]
However, the temperature at which the oxygen sensor (oxygen concentration detecting element) normally operates (activates) is 300 ° C. or more, and the temperature at which the linear air-fuel ratio sensor (oxygen concentration detecting element) normally operates (activates) is 600 ° C. ° C or more, it is necessary to forcibly heat the detecting element of the sensor by a heating means such as a heater and to raise the temperature until the temperature exceeds the activation temperature.
[0005]
Therefore, conventionally, a heater for heating a detection element is attached to the sensor (a heater is usually arranged near the detection element inside the sensor), and the detection element is heated by the heater. (For example, see Patent Document 1).
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2624731 (pages 1 to 3, FIGS. 1 to 5)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to activate the sensing element of the sensor as soon as possible after the internal combustion engine is started, rapid heating of the sensing element by the heater is required. Problems such as cracks occurring in the sensing element due to stress may occur, making it impossible to properly detect the oxygen concentration. In the worst case, the sensing element may be damaged and may not function at all. .
[0007]
The following are conceivable causes of the occurrence of defects such as cracks and breaks in the detection element of the sensor.
Normally, in an internal combustion engine, fuel injected from a fuel injection valve is vaporized and mixed into intake air, and the air-fuel mixture burns in a combustion chamber, and exhaust gas of the combustion is discharged to an exhaust pipe. At this time, the exhaust pipe is heated by the exhaust gas. Since the calorific value of the exhaust gas is proportional to the fuel injection amount, that is, the amount of intake air, the integrated value of the amount of intake air becomes the calorific value. At that time, the fuel reacts as follows.
CmHn + (m + n / 4) O ₂ → mCO ₂ + N / 2H ₂ O
[0008]
If the temperature of the exhaust pipe is higher than the dew point, water generated by the combustion is discharged as water vapor, but if the temperature of the exhaust pipe is lower than the dew point, water is condensed as water droplets on the wall of the exhaust pipe.
In particular, if the exhaust pipe is curved and the gas easily accumulates in the upper part, water vapor accumulates in the upper part of the curved part.When the temperature of the exhaust pipe decreases after the engine stops, the accumulated water vapor becomes water and Dew condensation. Therefore, when the sensor is attached to the curved portion, moisture easily adheres to the surface of the sensing element. Moisture adhering to the surface of the sensing element is a main cause of the above-mentioned problems such as cracks and breakage. Before explaining the problem, an exhaust gas sensor provided with a heater for heating a sensing element which is currently in practical use is provided. (A linear air-fuel ratio sensor also used in an embodiment of the present invention described later) will be described with reference to FIGS. 3 (A) and 3 (B).
[0009]
The linear air-fuel ratio sensor 10 shown in FIG. 3A has a cylindrical holder 11 attached to an exhaust pipe 109 and a protector 12 inserted in the exhaust pipe 109, and an oxygen concentration detecting element is provided in the protector 12. 20 are provided. Several holes 14 are formed in the protector 12, and exhaust gas flows in and out of the holes 14.
[0010]
As shown in FIG. 3 (B), the sensing element 20 has a multilayer structure including upper and lower protective layers 23 and 24, and a heater section 29 containing a heating wire heater 30 is provided on the lower surface side. Have been.
[0011]
The detection element 20 has a detection electrode 21 and a reference electrode 22. A predetermined current flows through the diffusion layer 25 interposed between the detection electrode 21 and the reference electrode 22, and oxygen of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 109 is discharged. Oxygen is moved so that the oxygen concentration ratio between the detection electrode 21 side and the reference electrode 22 side becomes constant according to the concentration. Since the current value at this time is proportional to the oxygen concentration on the exhaust pipe side, the oxygen concentration in the exhaust pipe (exhaust gas) can be detected by measuring the current value. The oxygen concentration is oxygen that has not reacted during combustion and corresponds to the air-fuel ratio. Therefore, it has a current characteristic as shown in FIG. 4 according to the air-fuel ratio.
[0012]
In order for the sensing element 20 to function normally, it is necessary to heat to a temperature (600 ° C. or higher) at which oxygen can move as ions. If the exhaust gas is at 600 ° C. or higher, heating with the exhaust gas is possible. However, in normal operation, the exhaust gas temperature is 600 ° C. or lower, and heating by the heater 30 is required.
[0013]
On the other hand, the heating by the heater 30 does not have a uniform temperature distribution with respect to the sensing element 20, and the portion near the heater (inside) 20i is high and the surface portion 20s remote from the heater 30 is low. Thermal stress occurs. The temperature difference changes according to the thermal resistance of the sensing element 20. If the thermal resistance is large, heat accumulates inside and the temperature difference increases. Therefore, assuming that the temperature of the heater 30 is constant, as shown in FIG. 6, immediately after energizing the heater 30 (immediately after starting the engine), the temperature of the portion (inside) 20i near the heater increases, and the temperature with the surface portion 20s increases. The difference is the largest. As a result of experiments, it has been clarified that the temperature difference should be 55 ° C./sec or less in order to keep the temperature difference at or below the predetermined value.
[0014]
If moisture adheres to the sensing element surface 20s, the element surface 20s has the latent heat of the moisture, and is maintained at 100 ° C. while the moisture evaporates even if it is heated, so that the temperature difference further increases. Although the temperature rise rate of the sensing element surface 20s during moisture evaporation is substantially zero, it rises rapidly immediately after the water has disappeared, so that the temperature rise rate exceeds 55 ° C./sec. It is considered that such a temperature difference between the inside 20i and the surface 20s of the sensing element 20 and a thermal stress caused by a rapid temperature rise cause the sensing element 20 to have a problem such as crack or breakage.
[0015]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an internal combustion engine in which an exhaust gas sensor provided with a heater for heating a detection element is provided in an exhaust pipe. It is an object of the present invention to provide a control device in which the temperature of a heater is properly controlled immediately after starting, so that a problem such as crack or breakage does not occur in a detection element.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a control device for an internal combustion engine according to the present invention is a control device for an internal combustion engine in which an exhaust gas sensor in which a heating element is attached to a detection element is disposed in an exhaust pipe. Immediately after starting, warm-up control for controlling the temperature of the heater with respect to the detection element according to the engine operating state at the time of starting the engine is performed.
[0017]
In a preferred aspect, the state of adhesion of moisture to the surface of the sensing element is estimated, and the warm-up control is performed according to the estimated state of adhesion of moisture.
In this case, specifically, the state of adhesion of water on the surface of the sensing element is estimated based on at least one of the engine coolant temperature, the intake air temperature, and the exhaust pipe temperature.
[0018]
In a more specific preferred embodiment, the warm-up control is performed so that a temperature difference between a portion near the heater and a surface portion remote from the heater in the sensing element does not exceed a predetermined value.
In another preferred embodiment, an integrated value of the intake air amount after the engine is started is calculated, and the end time of the warm-up control is set based on the calculated integrated value.
[0019]
In another preferred embodiment, the elapsed time after starting the engine is measured, and the warm-up control is performed until the elapsed time exceeds a threshold value.
In this case, it is preferable that the number of times of repeated start of the engine is counted, and a threshold value for the elapsed time is set based on the counted number of starts.
[0020]
In still another preferred aspect, an amount of power supply to the heater is calculated, a temperature of the heater is estimated based on the calculated amount of power supply, and the warm-up control is performed based on the estimated heater temperature. To be done.
[0021]
In addition to the above, the warm-up control is performed so that the temperature of the sensing element preferably falls within a range of 0 ° C. or more and less than 300 ° C.
On the other hand, the control device of the present invention, in addition to the control for the heater, corrects the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied for combustion to a richer side than during normal operation during the warm-up control period.
In addition, during the warm-up control period, a correction for delaying the ignition timing from that in the normal operation is performed.
[0022]
In a further preferred aspect, when any one of the sensor detection values such as the cooling water temperature, the intake air temperature, and the intake intake air amount indicates an abnormal value, the abnormal value is determined based on the sensor detection value indicating the normal value. A backup value for the indicated sensor detection value is calculated, and the warm-up control is performed based on the calculated backup value.
In another preferred aspect, when an abnormality is detected in a voltage value or a current value applied to the heater, control on the heater is stopped.
[0023]
In a preferred embodiment of the control device for an internal combustion engine according to the present invention having the above-described configuration, the state of adhesion of water on the surface of the detection element at the time of engine start is estimated based on the engine water temperature and the like, and the water content on the element surface is estimated. When there is a possibility that (condensation water) may adhere, immediately after starting, the temperature (heating amount) of the heater is kept at a relatively low temperature without increasing rapidly as in the conventional case, and the inside of the sensing element near the heater is reduced. Warm-up control is performed to control the temperature of the heater so that the temperature difference between the heater and the surface remote from the heater does not exceed a predetermined value. Is reliably prevented, and the reliability is improved. In this case, the above-described effect can be obtained only by controlling the temperature of the heater without modifying the sensor, so that advantages such as an increase in cost can be avoided.
[0024]
Further, even when the starting water temperature is low, the detection element can be activated at an early stage without causing a problem in the detection element, so that the area in which the air-fuel ratio feedback control can be performed can be expanded. It also contributes to the reduction of harmful components in the exhaust gas discharged from the engine.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an internal combustion engine provided with a heater-equipped exhaust gas sensor to which a control device according to the present invention is applied.
[0026]
In the illustrated internal combustion engine 100, an ignition plug 102 to which an ignition voltage is applied from an ignition coil 103 is disposed at a head (combustion chamber) of a cylinder 107 in which a water temperature sensor 110 is disposed. A crank angle sensor 111 and a cam angle sensor 112 are provided in connection with the valve operating mechanism. In the intake system (intake pipe 108), a fuel injection valve 101, a throttle valve 104, a throttle position sensor 113, an intake pipe pressure sensor 114, An intake air flow meter 115, an intake air temperature sensor 121, and the like are provided, and an exhaust system (exhaust pipe 109) is provided with the linear air-fuel ratio sensor 10, the exhaust gas temperature sensor 122, the catalyst 118, and the like shown in FIG. Have been. The fuel, which has been regulated to a constant pressure from the fuel tank 125 via a fuel pump 117 and a fuel pressure control valve 126, is pumped to the fuel injection valve 101.
[0027]
In the control device 1 of the present embodiment, control of the temperature (calorific value) of the detection element heating heater 30 (see FIG. 3A) provided in the linear air-fuel ratio sensor 10, and the fuel injection valve 101 A control unit 120 is provided for controlling the injection amount and the fuel injection timing, controlling the ignition timing of the ignition plug 102, and the like.
[0028]
As shown in FIG. 2, the control unit 120 includes a CPU 401 for performing numerical and logical operations, a ROM 402 for storing programs and data to be executed by the CPU 401, a RAM 403 for temporarily storing data, and an analog signal from each sensor. An A / D converter 404 for taking in and converting it into a digital signal; a digital input circuit 405 for taking in signals from switches indicating the operating state; a pulse input circuit 406 for counting the time interval of pulse signals and the number of pulses within a predetermined time; Further, a digital output circuit 407, a pulse output circuit 408, and a communication circuit 409 for turning on / off an actuator (not shown) based on the calculation result of the CPU 401 are provided. And the internal state is changed by an external communication command. It has become possible way.
[0029]
FIG. 5 shows a connection relationship between the control unit 120, the linear air-fuel ratio sensor 10, and the heater 30. A signal representing the oxygen concentration obtained from the detection element 20 of the linear air-fuel ratio sensor 10 is transmitted through a sensor signal processing circuit 26. It is input to the control unit 120. The heater 30 is energized by the battery 37 according to ON (conduction) / OFF (non-conduction) of the transistor 36, generates heat according to the amount of electric current (time), and heats the detection element 20. In order to control the heating temperature, a control signal (duty signal) for turning on / off the transistor 36 is supplied from the control unit 120. The voltage value (or current value) at both ends of the transistor 36 is taken into the control unit 120 for use in failure diagnosis of the heater 30 and the like (described later).
[0030]
Next, a description will be given of an example of control for preventing the control element 120 from causing a defect such as a crack or break in the detection element 20 when heating the detection element 20 by the heater 30 immediately after the engine is started. .
[0031]
As described above, when the temperature of the exhaust pipe is equal to or higher than the dew point, the moisture generated by the combustion is discharged as water vapor. However, when the temperature of the exhaust pipe is equal to or lower than the dew point, water is formed on the wall of the exhaust pipe 109 as water droplets. Then, moisture (condensed water) also adheres to the surface 20s of the sensing element 20.
[0032]
In addition, the heating by the heater 30 does not have a uniform temperature distribution with respect to the sensing element 20, and the portion near the heater (inside) 20i is high and the surface portion 20s remote from the heater 30 is low. Thermal stress occurs. The temperature difference changes according to the thermal resistance of the sensing element 20. If the thermal resistance is large, heat accumulates inside and the temperature difference increases. Therefore, assuming that the temperature of the heater 30 (the amount of heat applied to the sensing element 20) is constant, as shown in FIG. And the temperature difference with the surface portion 20s becomes maximum.
[0033]
If moisture adheres to the sensing element surface 20s, the element surface 20s has the latent heat of the moisture, and is maintained at 100 ° C. while the moisture evaporates even if it is heated, so that the temperature difference further increases. The temperature rise rate of the element surface 20s during the evaporation of water is almost zero, but it rises rapidly immediately after water disappears.
[0034]
Therefore, in the present embodiment, the control unit 120 estimates the state of adhesion of water on the surface 20s of the detection element 20 at the time of starting the engine, and when there is a possibility that moisture (condensed water) is attached to the surface 20s. Immediately after startup, the temperature (heating amount) of the heater 30 is suppressed to a relatively low temperature without increasing rapidly as in the related art, and the temperature of the inside 20i of the sensing element 20 near the heater 30 and the temperature of the surface 20s remote from the heater 30 are increased. Warm-up control for controlling the temperature of the heater 30 is performed so that the difference does not exceed a predetermined value.
[0035]
Then, the warm-up control is continued until the time when all the water on the element surface 20s evaporates (this is also estimated based on the calorific value of the exhaust gas = the integrated value of the intake air amount, etc.), and it is determined that all the water has evaporated. After the estimated time, sensor activation promotion control for raising the temperature of the sensing element 20 to the activation temperature (about 600 ° C. or more) is performed, and after the sensing element 20 reaches the activation temperature, the sensor is optimized by feedback control. It is maintained at a temperature (for example, about 750 to 760 ° C.). Note that the actual temperature of the sensing element 20 is required for the feedback control, but the actual temperature of the sensing element 20 is based on a signal obtained from the sensing element 20 when the temperature reaches 400 ° C. to 500 ° C. You can ask.
[0036]
Since the moisture adhesion state on the element surface 20s at the time of starting the engine differs depending on the temperature of the exhaust pipe 109 at the time of starting the engine, in this embodiment, the engine can be regarded as substantially the same as the temperature of the exhaust pipe 109. The water adhering state of the sensing element surface 20s is estimated based on the cooling water temperature and the intake air temperature (only one of them is acceptable).
[0037]
Then, the control unit 120 is configured to switch the control mode to three modes of the first warm-up control, the second warm-up control, and the sensor activation promotion control according to the estimated moisture adhesion state.
[0038]
The first warm-up control is performed when there is a high possibility that moisture is attached to the element surface 20s (when the following condition [1] is satisfied), and the second warm-up control is performed when moisture is slightly attached to the element surface 20s. The sensor activation promotion control is performed when there is a possibility that the condition is satisfied (when the following condition [2] is satisfied), and the sensor activation promotion control is performed when it is estimated that moisture does not adhere to the element surface 20s.
[0039]
Hereinafter, the above control will be described with reference to the flowchart of FIG. 7 and the time chart of FIG. 8 (an example in which there is a high possibility that moisture is attached to the element surface 20s).
The condition [1] for performing the first warm-up control is that the water temperature (TWN) is lower than a predetermined value (KTWHEATON), and here, KTWHEATON = about 10 ° C. is set.
[0040]
At this time, the temperature of the element surface 20s is maintained at about the temperature at which moisture evaporates. If the moisture is 0 ° C. or higher, the water evaporates gradually as water vapor. If the temperature is 100 ° C. or higher, evaporation is promoted. However, since the element surface 20 s to which moisture is attached is maintained at 100 ° C., when the temperature of the heater 30 is increased to 100 ° C. or higher, a temperature difference occurs inside the detecting element 20 and thermal stress is generated. In order to make the temperature below the limit value of thermal stress (upper limit value at which problems such as cracks and breakage occur), it is required that the temperature of the inside 20i of the sensing element 20 does not exceed about 300 ° C. Here, moisture is evaporated by setting the target temperature KAFTHWRM (constant) of the heater 30 to about 100 ° C. and maintaining the temperature of the sensing element 20 at about 100 ° C. (Step 500 in the flowchart of FIG. 7). , 501, 502).
[0041]
When the water temperature (TWN) becomes equal to or higher than a predetermined value (KTWHEATON = 10 ° C.) by the first warm-up control, the first warm-up control is switched to the second warm-up control as shown in FIG.
[0042]
The condition [2] for performing the second warm-up control is to satisfy the following (A) and (B).
(A) When any of the following (a) to (c) is satisfied.
(A) When the starting water temperature (TWS) is lower than a predetermined value (KTWWUL). Here, KTWWUL is set to, for example, about 15 ° C.
(B) When the starting intake air temperature (TAS) is lower than a predetermined value (KTAWUL).
(C) When the number of repetitive starts (CAFTWRM) is larger than a predetermined value (KCAFTWRM).
[0043]
(B) When the following (e) or (f) is satisfied.
(E) When the integrated value of the intake air amount (SUMQAS) after the start is smaller than a predetermined value (SUMQASL (the sum of TWS and a value searched according to the number of repeated starts)). Here, the predetermined value (SUMQASL) is the sum of SUMQABS corresponding to the starting water temperature (TWS) and SUMQAST corresponding to the number of times of repeated starting. Note that the intake air amount integrated value may be an integrated value of the intake air amount per unit time, or an added value (QASLX) converted from a table value according to the intake air amount may be retrieved and added as in the following equation. May be.
SUMQAS = SUMQAS + QASLX
(F) Until the elapsed time after the start reaches the predetermined value (TMAFWRM) = the sum of the water temperature (TWN) and the value searched according to the number of times of repeated start. Here, TMAFWRM is the sum of TMAFTH corresponding to the starting water temperature (TWS) and TMAFST corresponding to the number of times of repeated starting.
[0044]
When the above condition [2] is satisfied (after the end of the first warm-up control), it is estimated that the amount of water adhering to the element surface 20s is small, so the target temperature of the heater 30 is determined according to the starting water temperature (TWS). TCAFT1ST (here, the same 100 ° C. as in the first warm-up control) is set to promote the evaporation of the moisture adhering to the element surface 20s (steps 503 and 504 in the flowchart of FIG. 7).
[0045]
The number of repetitive starts (CAFTWRM) is obtained as follows (see FIG. 9).
When either (a) or (b) below is satisfied, the number of engine starts (CAFTWRM) is set to a predetermined value (KCAWMX).
(A) When the engine is started for the first time (when the backup RAM is initialized) (b) When the number of engine starts exceeds a predetermined value (KCAWMX).
[0046]
When the ignition key is turned off from on during warm-up control, the number of times of repeated starting (CAFTWRM) is incremented. However, the increment is limited to a predetermined value (KCAWMX). The number of repeated starts (CAFTWRM) is reset to zero at the end of the second warm-up control.
When the condition [2] is no longer satisfied (in FIG. 8, when the integrated value of the intake air amount exceeds a predetermined value (SUMQASL)), the second warm-up control is ended.
[0047]
As shown in FIG. 10, when the amount of heat generated by the heater 30 is calculated from the amount of electric power supplied to the heater 30 (the supplied current and the applied voltage), the temperature of the heater 30 is estimated, and the warm-up control is terminated. May be set.
[0048]
Since the sensor activation promotion control performed when the conditions [1] and [2] are not satisfied is when it is estimated that moisture does not adhere to the element surface 20s, the target temperature TCAFT2ND of the heater 30 is set high, The temperature of the sensing element 20 is quickly raised to the activation temperature (about 600 ° C.) (Steps 505 and 506 in the flowchart of FIG. 7).
[0049]
After the detection element 20 reaches the activation temperature by the sensor activation promotion control, the heater temperature feedback control is performed as described above to maintain the detection element 20 at an appropriate temperature (step 507 in the flowchart of FIG. 7).
[0050]
As described above, in the control device 1 of the present embodiment, the state of adhesion of water on the surface 20s of the detection element 20 at the time of engine start is estimated based on the engine water temperature and the like, and moisture (condensed water) adheres to the surface 20s. If there is a possibility that the temperature (heating amount) of the heater 30 is suppressed to a relatively low temperature immediately after the start without increasing the temperature as in the related art, the inside 20 i of the sensing element 20 near the heater 30 and the heater 30 are heated. Since the warm-up control for controlling the temperature of the heater 30 is performed so that the temperature difference with the surface 20s remote from the surface does not exceed a predetermined value, cracks may occur in the detection element of the linear air-fuel ratio sensor 10 with a heater. Failures such as breakage can be reliably prevented, and reliability is improved. In addition, the above-described effect can be obtained only by controlling the temperature of the heater 30 without modifying the linear air-fuel ratio sensor 10, so that advantages such as an increase in cost can be avoided.
[0051]
Further, even when the starting water temperature is low or the like, the detection element 20 can be activated at an early stage without causing a problem in the detection element 20, so that the area in which the air-fuel ratio feedback control can be performed can be expanded. Also, it contributes to reduction of harmful components in exhaust gas discharged from the engine.
[0052]
In addition to the control for the heater 30, the control device 1 of the present embodiment cannot perform feedback control of the air-fuel ratio during the warm-up control period, so that the air-fuel ratio becomes lean and combustion becomes unstable. In some cases, the fuel injection amount and the ignition timing are corrected as follows.
[0053]
That is, the control unit 120 takes in the output of the intake pipe pressure sensor 114 or the intake air flow meter 115, and calculates the actual intake air amount Qa per unit time by converting the sensor voltage into a predetermined table. At the same time, the pulse signal of the crank angle sensor 111 is measured, and the engine speed NDATA is calculated according to the number of pulses within a predetermined time or the time interval of the pulses. The intake air amount Qacyl per unit time is calculated by dividing the intake air amount Qa per unit time by NDATA and further dividing by the number of cylinders. By multiplying Qacyl by a predetermined count KTI, a fuel injection amount TI that can be burned by Qacyl is obtained, and the fuel injection valve 101 is opened only by a predetermined engine by multiplying by a correction coefficient including an air-fuel ratio control correction amount described later. By doing so, the required amount of fuel is injected to generate an air-fuel mixture for each combustion cycle.
The calculation of the fuel injection amount TI is multiplied by the following correction coefficient.
TI = COEF × KTI × Qacyl × GAMMA + correction term
[0054]
Here, during the warm-up control, the fuel correction at the time of the warm-up control is added to the fuel correction coefficient GAMMA in addition to the air-fuel ratio corrector ALPHA as described below, and the fuel injection amount is corrected to the rich side.
GAMMA = ALPHA + KAFWRM (increase correction term) + KL (air-fuel ratio control learning value)
[0055]
The increase correction amount is switched according to the water temperature and the engine control state when all of the following (1) to (3) hold.
(1) Water temperature (TWN) is equal to or higher than a predetermined value (KTWHEATON).
[0056]
(2) When any one of the following (a) to (d) is satisfied as the starting condition.
(A) When the starting water temperature (TWS) is lower than a predetermined value (KTWWUL).
(B) When the starting water temperature (TWS) is higher than a predetermined value (KTWWUH).
(C) When the intake air amount at start (TAS) is lower than a predetermined value (KTAWUL).
(D) When the starting intake air amount (TAS) is higher than a predetermined value (KTAWUH).
(3) When the air-fuel ratio control is in an open loop state.
[0057]
If the warm-up control is not performed, KAFWAM = 0.
The increase correction term KAFWRM switches the search table according to the idle switch and the neutral switch. When the idle switch is ON and the neutral switch is ON, KAFWAM = TAFWRMONN (TWN). When the idle switch is ON and the neutral switch is OFF, KAFWAM = TAFWRMMOND (TWN). When the idle switch is OFF, KAFFWAM = TAFWRMOFF (TWN).
[0058]
At the same time as the correction of the increase in the fuel injection amount, in order to promote an increase in the exhaust gas temperature, the ignition timing is delayed more than usual to increase the exhaust gas temperature.
That is, the ignition timing (ADV) is the sum of the normal ignition map value (ADVS) and the warm-up correction value (ADVWRM). The warm-up correction value (ADVWRM) has three table values in the same manner as the setting of the increase correction value (KAFWAM).
[0059]
ADVWAM = TADWRMONN (TWN) when the idle switch is ON and the neutral switch is ON. ADVWAM = TADWRMOND (TWN) when the idle switch is ON and the neutral switch is OFF. ADVWAM = TADWRMOFF (TWN) when the idle switch is OFF. When warm-up control is not being performed, ADVWAM = 0.
[0060]
On the other hand, in the control device 1 of the present embodiment, in addition to the above-described control, a backup is required when the water temperature sensor 110, the intake air temperature sensor 121, the intake air flow meter 115, and the like have failed. Go and backup.
[0061]
(1) When the water temperature sensor 110 is diagnosed as abnormal, that is, when the water temperature value (sensor detection value) represented by the signal from the water temperature sensor 110 exceeds the upper threshold value or falls below the lower threshold value. If it is, the water temperature sensor 110 is diagnosed as having failed, and as shown in FIG. 11A, the water temperature is converted (estimated) from the integrated value of the intake air amount, and this is used as the backup water temperature value.
[0062]
(2) When the intake air temperature sensor 121 is diagnosed as abnormal, that is, the intake air temperature (sensor detection value) represented by the signal from the intake air temperature sensor 121 exceeds the upper threshold value, or When the temperature is lower than the predetermined value, it is diagnosed that the intake air temperature sensor 121 has failed, and the intake air temperature is set to a safe fixed value (for example, 30 ° C.) as shown in FIG.
[0063]
(3) When the intake air flow meter 115 is diagnosed as abnormal, that is, the intake air amount (sensor detection value) indicated by the signal from the intake air flow meter 115 exceeds the upper threshold value or lowers. If it is below the threshold value, it is diagnosed that the intake air flow meter 115 has failed, and the intake air amount estimated from the throttle opening and the engine speed is backed up as shown in FIG. Used as intake volume. Alternatively, an approximate intake air amount is calculated by multiplying the intake air pipe negative pressure represented by a signal from the intake pipe pressure sensor 114 by the engine speed, and is used as a backup intake air amount.
[0064]
On the other hand, when the linear air-fuel ratio sensor 10 is diagnosed as abnormal, that is, when the air-fuel ratio (oxygen concentration) represented by the signal from the sensor 10 exceeds the upper threshold value or falls below the lower threshold value. If it is, the backup air-fuel ratio used for controlling the temperature of the heater 30 is set to a predetermined value (for example, a stoichiometric air-fuel ratio). The sensor 10 is diagnosed as abnormal when the sensor voltage is outside the upper and lower thresholds and when the sensor voltage does not change even when the operating state of the engine changes.
[0065]
Next, self-diagnosis of the heater 30 will be described with reference to FIG.
As described above, a control signal (CPU output is 1 or 0) which is a duty signal for turning on / off the transistor 36 is supplied from the control unit 120 to control the temperature of the heater 30. The voltage value (or current value) at both ends of the transistor 36 is taken into the control unit 120 as a monitor input and a current monitor in order to be used for failure diagnosis of the heater 30 and the like.
[0066]
Then, when an abnormality is detected in the voltage value or the current value applied to the heater 30 (cases 1 to 5 below), the control unit 120 stops the control on the heater 30.
[0067]
Case 1: If the current monitor (heater current) is zero even if the CPU output (heater output) is 1 (ON), the heater 30 or the heater wiring may be disconnected. Since the applied voltage is zero, the heater does not overheat.
Case 2: When the CPU output (heater output) is 0 (OFF) and the monitor input is zero, the heater 30 or the heater wiring may be disconnected.
[0068]
Case 3: If the heater current does not become zero even when the heater output is turned off, the output transistor 36 may be faulty.
Case 4: If the monitor input is 1 when the heater output is turned on, the heater output may be short-circuited to VB, and the control of the heater 30 is stopped to prevent the heater current from becoming excessive.
[0069]
Case 5: When the heater output is turned on, the heater current is not zero but is too small, which means that the heater resistance has increased, and the linear air-fuel ratio sensor 10 may be incompatible or the heater may generate heat poorly. There is.
[0070]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, the control device for an internal combustion engine including the exhaust gas sensor with a heater according to the present invention determines the state of water adhesion on the surface of the detection element of the exhaust gas sensor at the time of engine start based on the engine water temperature and the like. It is estimated that when there is a possibility that moisture (condensed water) has adhered to the element surface, the temperature of the heater (heated amount) is kept at a relatively low temperature immediately after startup without increasing the temperature rapidly as in the past. Warm-up control for controlling the temperature of the heater is performed so that the temperature difference between the inside of the heater in the vicinity of the heater and the surface remote from the heater does not exceed a predetermined value. Problems such as cracks and breakage can be reliably prevented, and reliability is improved. In this case, the above-described effect can be obtained only by controlling the temperature of the heater without modifying the sensor, so that advantages such as an increase in cost can be obtained.
[0071]
Further, even when the starting water temperature is low, the detection element can be activated at an early stage without causing a problem in the detection element, so that the area in which the air-fuel ratio feedback control can be performed can be expanded. It also contributes to the reduction of harmful components in the exhaust gas discharged from the plant.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an embodiment of a control device for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a control unit constituting a main part of the control device shown in FIG.
FIGS. 3A and 3B are linear side views showing the linear air-fuel ratio sensor of the internal combustion engine shown in FIG. 1, wherein FIG. 3A is an overall side view showing a mounted state of the linear air-fuel ratio sensor, and FIG.
FIG. 4 is a diagram showing output characteristics of the linear air-fuel ratio sensor shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram showing a connection relationship among a control unit, a linear air-fuel ratio sensor, and a heater of the control device in FIG. 1;
FIG. 6 is a diagram showing a temperature rise characteristic of a detection element immediately after the start of the linear air-fuel ratio sensor of FIG. 3;
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a program executed by the control unit of the control device in FIG. 1 when controlling the temperature of the heater.
FIG. 8 is a time chart for explaining an example of heater temperature control performed immediately after the start of the control device in FIG. 1;
FIG. 9 is a time chart for explaining one of termination conditions when performing the warm-up control of the control device in FIG. 1;
FIG. 10 is a diagram provided for explaining a case where a temperature of a heater is estimated.
11 (A) is a view for explaining a case where a backup water temperature value is obtained when the water temperature sensor is diagnosed as abnormal, and FIG. Is used to explain how to set a backup intake air temperature value when the intake air flow meter is diagnosed as abnormal when the intake air flow meter is diagnosed as abnormal. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Control device 10 ... Linear air-fuel ratio sensor 20 ... Detecting element 30 ... Heater 100 ... Internal combustion engine 101 ... Fuel injection valve 102 ... Ignition plug 103 ... Ignition coil 104 ... Throttle valve 110 ... Water temperature sensor 111 ... Crank angle sensor 112 ... Cam Angle sensor 113 ... Throttle position sensor 114 ... Intake pipe pressure sensor 115 ... Intake air flow meter 118 ... Catalyst 119 ... Rear O ₂ Sensor 120: Control unit 121: Intake air temperature sensor

Claims

A control device for an internal combustion engine in which an exhaust gas sensor having a heating element attached to a detection element is provided in an exhaust pipe, wherein immediately after the engine is started, the temperature of the heater is controlled in accordance with an operating state at the time of starting the engine. A control device for performing warm-up control.

2. The control device according to claim 1, wherein a moisture adhesion state on the surface of the sensing element is estimated, and the warm-up control is performed according to the estimated moisture adhesion state. 3.

3. The control according to claim 2, wherein the state of moisture adhesion on the surface of the sensing element is estimated based on at least one of a cooling water temperature, an intake air temperature, and an exhaust pipe temperature of the engine. apparatus.

4. The warm-up control according to claim 1, wherein the warm-up control is performed such that a temperature difference between a portion near the heater and a surface portion remote from the heater in the sensing element does not exceed a predetermined value. The control device according to item 1.

5. The method according to claim 1, wherein an integrated value of the intake air amount after the engine is started is calculated, and an end time of the warm-up control is set based on the calculated integrated value. The control device according to claim 1.

The control device according to any one of claims 1 to 4, wherein an elapsed time after the engine is started is measured, and the warm-up control is performed until the elapsed time exceeds a threshold value.

7. The control device according to claim 6, wherein the number of times the engine is repeatedly started is counted, and the threshold value of the elapsed time is set based on the counted number of starts.

An amount of power supply to the heater is calculated, a temperature of the heater is estimated based on the calculated amount of power supply, and the warm-up control is performed based on the estimated heater temperature. The control device according to claim 1.

The control device according to any one of claims 1 to 8, wherein the warm-up control is performed so that the temperature of the sensing element falls within a range of 0 ° C or more and less than 300 ° C. . .

10. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the combustion during the warm-up control period is corrected to a richer side than in the normal operation. Control device.

The control device according to any one of claims 1 to 10, wherein correction is performed during the warm-up control period so that the ignition timing is delayed from that during normal operation.

When any one of the sensor detection values such as the cooling water temperature, the intake air temperature, and the intake intake air amount indicates an abnormal value, the sensor detection indicating the abnormal value is performed based on the sensor detection value indicating the normal value. The control device according to any one of claims 1 to 11, wherein a backup value is calculated for the value, and the warm-up control is performed based on the calculated backup value.

The control according to any one of claims 1 to 12, wherein when an abnormality is detected in a voltage value or a current value applied to the heater, control of the heater is stopped. apparatus.