JP2005134226A - ガス濃度センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータの通電を好適に制御し、ひいてはセンサ素子の保護を図ること。
【解決手段】エンジン１０の排気管１１にはＡ／Ｆセンサ２１が配設されている。Ａ／Ｆセンサ２１を構成するセンサ素子には、当該素子を活性状態とするヒータが付設されている。ＥＣＵ３０は、センサ素子の昇温過程でヒータへの供給電力を所定の昇温時電力で制御する。また、排気管内を流れる排ガス流量の変化を推測し、排ガス流量が増加したと推測される時、センサ冷却条件が成立したとしてヒータ供給電力を一時的に抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス濃度センサのヒータ制御装置に関するものである。

例えば自動車用エンジンにおいては、一般にＡ／Ｆセンサ等のガス濃度センサによる検出結果に基づき空燃比制御が実施される。ガス濃度センサはジルコニア製の固体電解質体を用いたセンサ素子を有し、このセンサ素子により空燃比（酸素濃度）を精度良く検出するにはセンサ素子の温度を所定の活性温度に維持する必要がある。通常は同センサにヒータを内蔵しヒータの通電量（デューティ比）を制御している。こうしたヒータ制御の手法として、例えばヒータへの供給電力を制御したり、センサ素子の活性温度相当の目標値に素子抵抗をフィードバック制御したりするものが知られている。

より具体的には、ガス濃度センサの早期活性化のために、エンジン始動当初は最大電力（例えばデューティ比１００％）でヒータを通電し、その後、素子抵抗（素子温）の検出値と目標値との偏差に応じてフィードバック制御を実施するものが知られている。例えば特許文献１では、ヒータ温が所定の初期加熱温度に到達するまで電源よりヒータに全電力を投入し、初期加熱温度への到達後にヒータ温に応じてヒータへの通電を制御し、素子温が所定値に達すると検出された素子温に応じてヒータへの通電を制御するようにしている。

しかしながら、前記ガス濃度センサのセンサ素子では、ヒータによる素子温上昇時においてヒータ近傍とそれ以外とで温度勾配が生じる。つまり、ヒータ近傍では比較的高温になり、それ以外では比較的低温になるという事態が生じる。センサ素子内で温度勾配が発生すると、それに伴い内部応力が発生する。また本願発明者によれば、排ガス流の増加によりセンサ素子が冷却されると、内部応力が増大することが確認されている。この内部応力により、センサ素子の劣化が進む、又は破壊が生じる等の不具合が生じるおそれがあった。
特開平８−２７８２７９号公報

本発明は、ヒータの通電を好適に制御し、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができるガス濃度センサのヒータ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、排気管内を流れる排ガスによるセンサ冷却条件が判定され、センサ冷却条件が成立したと判定された時、その時のヒータ供給電力が一時的に抑制される。要するに、排ガス流によりセンサ素子が冷却されると、ヒータ近傍とそれ以外とで温度勾配（温度不均衡）が大きくなり、その温度勾配に伴い多大な内部応力が発生する。多大な内部応力の発生により素子割れ等の不都合が懸念されるが、本発明によれば、排ガス流によるセンサ素子の冷却時にはヒータ供給電力が抑制されるため、温度勾配を低減するようなヒータ通電が実現できる。故に、ヒータの通電を好適に制御し、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。

請求項２に記載の発明では、内燃機関の始動時等、センサ素子の昇温過程において、昇温時制御手段によりヒータへの供給電力が所定の昇温時電力で制御される。また、排気管内を流れる排ガスによるセンサ冷却条件が判定され、センサ冷却条件が成立したと判定された時、昇温時制御手段によるヒータ供給電力が一時的に抑制される。要するに、センサ素子の昇温過程においては当該センサ素子をいち早く活性化させるべく比較的大きな昇温時電力で電力制御が行われる。例えば、請求項３に記載したように、ヒータ電源より供給される全電力又は全電力近傍の電力を昇温時電力としてヒータ制御が行われる。この場合、排ガス流によりセンサ素子が冷却されると、ヒータ近傍とそれ以外とで温度勾配（温度不均衡）が大きくなり、その温度勾配に伴い多大な内部応力が発生する。多大な内部応力の発生により素子割れ等の不都合が懸念されるが、本発明によれば、排ガス流によるセンサ素子の冷却時にはヒータ供給電力が抑制されるため、温度勾配を低減するようなヒータ通電が実現できる。故に、ヒータの通電を好適に制御し、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。

前記供給電力抑制手段として、請求項４に記載したように、排ガスによる冷却度合に応じて電力抑制時のヒータ供給電力が決定されると良い。又は、請求項５に記載したように、センサ冷却条件の成立時点におけるセンサ素子の活性状態に応じて電力抑制時のヒータ供給電力が決定されると良い。要は、排ガス流による素子冷却の程度が大きくなる場合やセンサ素子内の温度不均衡が大きくなる場合など、内部応力の問題が大きくなると想定される場合において、内部応力を確実に抑えるべく電力抑制時のヒータ供給電力を小さくすれば良い。

請求項６に記載の発明では、ヒータ供給電力が抑制された後、当該供給電力が徐々に増加される。これにより、温度不均衡を大きくすることなく元のヒータ供給電力に復帰させることが可能となる。

請求項７に記載の発明では、ヒータ供給電力を制限するためのガード値を強制的に小さくすることにより、ヒータ供給電力が抑制される。この場合、ガード値の操作によりヒータ供給電力の抑制が可能となる。

請求項８に記載の発明では、排気管内を流れる排ガス流量の変化に基づいてセンサ冷却条件が判定される。排ガス流量が増加するとセンサ素子の冷却度合が大きくなることから、センサ冷却条件が好適に判定できる。

請求項９に記載の発明では、車両又は内燃機関の運転状態に基づいて排気管内を流れる排ガス流量の変化が推測され、その排ガス流量の変化に基づいてセンサ冷却条件が判定される。具体的には、アクセル操作量（アクセル開度）、スロットル開度、吸入空気量、エンジン回転数等をパラメータとして排ガス流量の変化が推測される。この場合特に、アクセル操作量から排ガス流量の変化が推測されれば、現実に排ガス流量が増える前に、排ガス流量の増加予測が可能となり、電力抑制の制御がいち早く実施できる。それ故に、センサ素子の保護を図る上で優位となる。

請求項１０に記載したように、固体電解質層と内部ガス室を形成する絶縁層とを積層して構成され、内部ガス室を挟んで固体電解質層と反対側にヒータが配置されるセンサ素子では、ガス濃度検出部に相当する固体電解質層とヒータとが離れていることから、この両者間で温度勾配が生じやすく、上述した内部応力による問題が生じる傾向にあると考えられる。しかしながら、上述した各発明により上記問題が解消できる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載多気筒ガソリンエンジンを対象とする制御システムに具体化しており、先ずは、図１を用いて当該制御システムの概略構成図を説明する。

エンジン１０より延びる排気管１１には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒１２が設けられ、この触媒１２の上流側には排ガスを検出対象として混合気の空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ２１が設けられている。Ａ／Ｆセンサ２１の検出結果はＥＣＵ（電子制御ユニット）３０に取り込まれる。その他、ＥＣＵ３０には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ２２、スロットル開度を検出するためのスロットル開度センサ２３、エンジン１０の所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ２４、アクセルペダルの踏み込み操作量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ２５等より検出信号が取り込まれる。

ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて図示しない燃料噴射弁の燃料噴射量や点火プラグによる点火時期を制御する。特に燃料噴射量制御では、Ａ／Ｆセンサ２１の検出値からその都度の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出し、その検出空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施することとしている。

ここで、Ａ／Ｆセンサ２１の構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサ２１は積層型構造のセンサ素子５０を有し、図２にはセンサ素子５０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子５０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子５０は、固体電解質層５１、拡散抵抗層５２、遮蔽層５３及び絶縁層５４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同センサ素子５０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層５１は部分安定化ジルコニア製のシートよりなり、その固体電解質層５１を挟んで上下一対の電極５５，５６が対向配置されている。電極５５，５６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層５２は電極５５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層５３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層５２，５３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層５４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極５６に対面する部位には大気ダクト５７が形成されている。また、同絶縁層５４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ５８が埋設されている。ヒータ５８はバッテリ電源からの通電により発熱する発熱体よりなり、その発熱により素子全体が加熱される。なお以下の説明では、電極５５を拡散層側電極、電極５６を大気側電極とも言う。

上記センサ素子５０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層５２の側方部位から導入されて拡散層側電極５５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極５５，５６間の電圧印加により拡散層側電極５５で分解され、イオン化されて固体電解質層５１を通過した後、大気側電極５６より大気ダクト５７に排出される。このとき、大気側電極５６→拡散層側電極５５の向きに電流が流れ、その電流レベルに応じたセンサ信号が出力される。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト５７内の酸素が大気側電極５６で分解され、イオン化されて固体電解質層５１を通過した後、拡散層側電極５５より排出される。そして、排ガス中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極５５→大気側電極５６の向きに電流が流れ、その電流レベルに応じたセンサ信号が出力される。

Ａ／Ｆセンサ２１により正確に空燃比を検出するには、センサ素子５０を所定の活性状態に保持する必要があり、そのためにＥＣＵ３０によりヒータ５８が通電制御される。本実施の形態では、センサ素子５０の活性状態に応じて１００％通電制御、電力制御及び素子温Ｆ／Ｂ制御の何れかにより通電制御が実施される。センサ素子５０の活性状態を検出するには素子温を検出すれば良く、本実施の形態では素子温検出の手段として、素子インピーダンスＺａｃを検出する。なお、ヒータ制御として実施される１００％通電制御、電力制御及び素子温Ｆ／Ｂ制御は本実施の形態の要部でなく、簡単に説明すれば、１００％通電制御では、ヒータ５８への制御デューティ比ｄｕｔｙが１００％に維持される。電力制御では、その都度の素子インピーダンスＺａｃに基づいて電力指令値が決められ、その電力指令値に対応する制御デューティ比ｄｕｔｙによりヒータ通電が制御される。素子温Ｆ／Ｂ制御では、その都度の検出Ｚａｃと目標Ｚａｃとの偏差に応じて、ＰＩ又はＰＩＤ等の制御手法により制御デューティ比ｄｕｔｙが演算され、該ｄｕｔｙによりヒータ通電が制御される。

ところで、ヒータ通電に伴うセンサ素子５０の昇温時には、ヒータ５８近傍とそれ以外とで温度勾配（温度不均衡）が生じ、その温度勾配によって内部応力（熱応力）が発生する。この内部応力によって素子破壊等の不具合が発生することが懸念されている。図９には、センサ素子５０の昇温過程における素子温の変化を示しており、特に遮蔽層５３の上部温度（遮蔽層上部温）とヒータ５８近傍の温度（ヒータ部温）とで生じる温度差を示す。図９によれば、ヒータ部温の上昇に伴い遮蔽層上部温も上昇するが、それらには温度差が生じ、センサ素子５０内に生じる温度勾配が確認できる。また図９では、排ガス流量の増加により素子温が一時的に下降する様子を示している。この場合、ヒータ部温よりも遮蔽層上部温の低下が急峻となることから内部応力が一層増大する。そこで本実施の形態では、温度勾配による素子破壊の問題を解消すべく、内部応力の低減を可能とするヒータ５８の通電制御を提案する。

次に、Ａ／Ｆセンサ２１に関するＥＣＵ３０の演算処理について説明する。図３は、ＥＣＵ３０により実施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはＥＣＵ３０への電源投入に伴い起動される。

図３において、先ずステップＳ１００では、前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ値の検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定される。そして、ステップＳ１００がＹＥＳであることを条件にステップＳ１１０に進み、Ａ／Ｆ値の検出処理を実施する。このＡ／Ｆ値の検出処理では、その時々のセンサ電流に応じた印加電圧Ｖｐを設定すると共に、その電圧ＶｐをＡ／Ｆセンサ２１の電極５５，５６間に印加してその時のセンサ電流を検出する。そして、該検出したセンサ電流をＡ／Ｆ値に変換する。

Ａ／Ｆ値の検出後、ステップＳ１２０では、前回の素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子インピーダンスＺａｃの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップＳ１２０がＹＥＳであることを条件に、ステップＳ１３０で素子インピーダンスＺａｃを検出すると共に、続くステップＳ１４０でヒータ通電制御を実施する。

前記ステップＳ１３０における素子インピーダンスＺａｃの検出手順を図４のフローチャートを用いて説明する。なお本実施の形態では、素子インピーダンスＺａｃの検出に際し、掃引法を用いていわゆる「交流インピーダンス」を求めることとしている。

図４において、先ずステップＳ１３１では、Ａ／Ｆセンサ２１の印加電圧ＶｐをそれまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対して正側に数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で単発的に変化させる。また、ステップＳ１３２では、その時の電圧変化量ΔＶとセンサ電流の変化量ΔＩとを読み取る。続くステップＳ１３３では、ΔＶ値及びΔＩ値から素子インピーダンスＺａｃを算出し（Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ）、その後元の図３のルーチンに戻る。

次に、前記図３のステップＳ１４０におけるヒータ制御手順を図５のフローチャートに基づいて説明する。

図５において、ステップＳ１４１では、今現在、エンジン始動時等のセンサ昇温過程にあるか否かを判別する。ＹＥＳの場合、ステップＳ１４２に進み、今現在の素子インピーダンスＺａｃがセンサ素子５０（固体電解質層５１）の半活性状態を判定するための所定の判定値Ｋ１（例えば２００Ω程度）未満であるか否かを判別する。例えばエンジン始動当初はステップＳ１４２がＮＯ（Ｚａｃ≧Ｋ１）となり、ステップＳ１４３に進んでヒータ５８の「１００％通電制御」を実施する。このとき、昇温時電力として制御デューティ比ｄｕｔｙ＝１００％が設定される。本実施の形態では、ステップＳ１４３が「昇温時制御手段」に相当する。

また、ステップＳ１４２がＹＥＳの場合、ステップＳ１４４では、今現在の素子インピーダンスＺａｃが素子温Ｆ／Ｂ制御を開始するための所定の判定値Ｋ２（例えば４０Ω程度）未満であるか否かを判別する。そして、Ｚａｃ≧Ｋ２であればステップＳ１４５に進み、「電力制御」を実施し、Ｚａｃ＜Ｋ２であればステップＳ１４６に進み、「素子温Ｆ／Ｂ制御」を実施する。このとき、電力制御では、電力指令値に応じて制御デューティ比ｄｕｔｙが設定され、素子温Ｆ／Ｂ制御では、その都度の素子インピーダンスＺａｃの偏差に応じて制御デューティ比ｄｕｔｙが設定される。

上記の如くステップＳ１４３，Ｓ１４５，Ｓ１４６の何れかで制御デューティ比ｄｕｔｙが演算された後、ステップＳ２００では、後述するｄｕｔｙ出力ルーチンにより出力ｄｕｔｙを演算する。その後、ステップＳ１４７では、出力ｄｕｔｙに基づいてヒータ通電を実施し、その後本ルーチンを終了して元の図３のルーチンに戻る。Ａ／Ｆセンサ２１の昇温によりセンサ活性化が完了すると、ステップＳ１４１が毎回ＮＯとなり、以後素子温Ｆ／Ｂ制御が繰り返し実行される。

次に、前記図５のステップＳ２００におけるｄｕｔｙ出力ルーチンを図６のフローチャートに基づいて説明する。なおｄｕｔｙ出力ルーチンでは、急冷ガードフラグの状態に応じて制御デューティ比ｄｕｔｙをガード（制限）することとしており、当該ｄｕｔｙ出力処理の説明の前に、図７の急冷条件判定ルーチンを説明する。図７の急冷条件判定ルーチンは所定時間毎に実行される。図６のルーチンが「供給電力抑制手段」に相当し、図７のルーチンが「冷却条件判定手段」に相当する。

図７の急冷条件判定ルーチンにおいて、ステップＳ３０１〜Ｓ３０４では、排ガスによる急冷条件の判定を実施する。すなわち、ステップＳ３０１では、制御デューティ比ｄｕｔｙが７０％未満から７０％超に変化したか否かを判別し、ステップＳ３０２では、エンジン始動からの経過時間が２０秒に達していないか否かを判別し、ステップＳ３０３では、アクセル開度ＡＣＬが３０％超であるか否かを判別し、ステップＳ３０４では、アクセル開度の所定時間当たりの変化量ΔＡＣＬが１％超であるか否かを判別する。ステップＳ３０１〜Ｓ３０４の全てがＹＥＳとならない場合、急冷ガードフラグに１をセットすることなく本ルーチンを終了する。このとき、急冷ガードフラグは初期状態（＝０）のまま保持される。

ステップＳ３０１〜Ｓ３０４が全てＹＥＳの場合、センサ昇温過程においてセンサ素子５０が急冷状態にあると推測される。かかる場合、ステップＳ３０５に進み、急冷ガードフラグを１とする。またその後、エンジン始動からの経過時間が２０秒に達すると、ステップＳ３０２がＮＯとなり、ステップＳ３０６で急冷ガードフラグを０とする。

また、図６のｄｕｔｙ出力ルーチンでは、急冷ガードフラグの状態に応じて電力抑制のためのガードｄｕｔｙを設定する。制御デューティ比ｄｕｔｙがガードｄｕｔｙで制限されることで、ヒータ供給電力が一時的に抑制されるようになっている。なお以下の説明では便宜上、前記図５のルーチンで演算した制御デューティ比ｄｕｔｙを演算ｄｕｔｙと記載し、実際に出力するｄｕｔｙを出力ｄｕｔｙと記載する。

ステップＳ２０１では、急冷ガードフラグが１であるか否かを判別する。急冷ガードフラグ＝０の場合ステップＳ２０２に進み、ガードｄｕｔｙを１００％（最大値）とする。また、急冷ガードフラグ＝１の場合ステップＳ２０３に進み、電力抑制の制御において今回が初回時であるか否かを判別する。ＹＥＳの場合、ガードｄｕｔｙを０％とし（ステップＳ２０４）、ＮＯの場合、ガードｄｕｔｙの前回値にΔｄｕｔｙを加算した値をガードｄｕｔｙとする（ステップＳ２０５）。但しガードｄｕｔｙの上限は１００％である。

ガードｄｕｔｙの設定後、ステップＳ２０６では、演算ｄｕｔｙがガードｄｕｔｙよりも小さいか否かを判別する。演算ｄｕｔｙ＜ガードｄｕｔｙの場合、その時の演算ｄｕｔｙをそのまま出力ｄｕｔｙとする（ステップＳ２０７）。また、演算ｄｕｔｙ≧ガードｄｕｔｙの場合、その時のガードｄｕｔｙを出力ｄｕｔｙとする（ステップＳ２０８）。最後に、ステップＳ２０９では、出力ｄｕｔｙを出力する。

図８は、エンジン始動直後のセンサ昇温過程において、電力抑制の制御が実施される様子を具体的に示すタイムチャートである。

図８において、ｔ１では、エンジン始動に伴いヒータ通電（１００％通電制御）が開始され、出力ｄｕｔｙ＝１００％に制御される。それにより、センサ素子温が次第に上昇する。その後、運転者のアクセル操作によりアクセル開度ＡＣＬが増加し、このとき、急冷判定条件（前記図７のステップＳ３０１〜Ｓ３０４の各条件）が成立すれば、排ガス流量が増量側に変化すると推測され、図示の如く急冷ガードフラグに１がセットされる（図のｔ２）。なお、アクセル開度ＡＣＬの変化に対して若干遅れて吸入空気量が変化し、実際には吸入空気量の変化にあわせて排ガス流量が変化する。

急冷ガードフラグがセットされると、ガードｄｕｔｙが０％とされることからそのガードｄｕｔｙ（＝０％）で演算ｄｕｔｙが制限され、出力ｄｕｔｙが一旦０％にまで低減される。すなわち、ｔ２以降、電力抑制の制御が開始される。その後、ガードｄｕｔｙが徐々に増加されていき、ガードｄｕｔｙ＝１００％に戻った時点で通常の１００％通電制御が再開される。センサ素子温は、排ガス流量の増加に伴い一旦は低下するが、再上昇し始める。

その後、ｔ３では、センサ素子温の上昇に伴い１００％通電制御から電力制御へと移行する。ｔ４では、エンジン始動からの経過時間が２０秒となり、急冷ガードフラグが０にクリアされる。その後、素子温Ｆ／Ｂ制御によりヒータ通電制御が行われる。なお、電力抑制制御によりヒータ供給電力が一度低減されると、急冷判定条件が再度成立したとしても（排ガス流量が増加しても）ガードｄｕｔｙが再び０％とされることはない。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

センサ素子５０の昇温過程において、排ガス流量の変化に基づいてヒータ供給電力が一時的に抑制されるため、センサ素子５０内における温度勾配（温度不均衡）を低減するようなヒータ通電が実現できる。かかる場合、温度勾配の低減により内部応力の増加が抑制でき、センサ素子５０の破壊や劣化の進行等が防止できる。以上により、ヒータ５８の通電を好適に制御し、ひいてはセンサ素子５０の保護を図ることができるようになる。

ヒータ供給電力を抑制した後、当該供給電力を徐々に増加する構成としたため、温度不均衡を大きくすることなく元のヒータ供給電力に復帰させることが可能となる。

排ガス流量の変化を推測する際にアクセル開度ＡＣＬをパラメータとしたため、現実に排ガス流量が増える前に、排ガス流量の増加予測が可能となり、電力抑制制御がいち早く実施できる。それ故に、センサ素子５０の保護を図る上で優位となる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、急冷ガードフラグがセットされると、すなわちセンサ冷却条件が成立すると、初回のｄｕｔｙ出力時においてガードｄｕｔｙを０％としたが、その初回ガードｄｕｔｙを排ガス冷却度合やセンサ活性状態に応じて可変設定する構成としても良い。具体的には、例えば図１０に示すように、アクセル開度ＡＣＬ（又はその変化量ΔＡＣＬでも可）に応じて初回ガードｄｕｔｙを設定する。この場合、アクセル開度ＡＣＬが大きいほど初回ガードｄｕｔｙを小さくする。初回ガードｄｕｔｙが小さいことは電力抑制の程度が大きいことに相当する。つまり、アクセル開度ＡＣＬが大きい場合（すなわち排ガス流量の変化大の場合）にヒータ供給電力がより小さくされ、内部応力が確実に抑えられる。但し、アクセル開度ＡＣＬ＞ａ１では初回ガードｄｕｔｙ＝０％に固定される。

又は、図１１に示すように、エンジン始動時からの運転時間に応じて初回ガードｄｕｔｙを設定する。この場合、運転時間が大きいほど初回ガードｄｕｔｙを小さくし、１秒経過後は０％固定とする。運転時間に代えて素子インピーダンスＺａｃでも良く、要はセンサ活性状態のパラメータとなり得るものであればよい。前記図１０と同様、初回ガードｄｕｔｙが小さいことは電力抑制の程度が大きいことに相当する。つまり、運転時間が大きくなり、センサ活性化が進んだ状態（すなわち温度上昇により内部応力大となる場合）にヒータ供給電力がより小さくされ、内部応力が確実に抑えられる。

上記実施の形態では、ガードｄｕｔｙの設定により電力抑制の制御を実現したが、制御デューティ比ｄｕｔｙを演算する時点でセンサ冷却条件に応じてｄｕｔｙ削減の補正処理を実施する構成でも良い。

上記実施の形態では、昇温時制御として、制御デューティ比ｄｕｔｙ＝１００％とする１００％通電制御を実施したが、これに限定されない。要は、センサ素子５０の早期活性化を図るべく高デューティで通電制御が実施されるものであれば良く、例えば、昇温時電力を段階的に設定するものであっても良い。より具体的には、昇温時電力たる制御デューティ比ｄｕｔｙを１００％→９０％→８０％に変化させるものであっても良い。

電力抑制の制御は、エンジン始動時のセンサ昇温過程のみならず、活性化後のセンサ冷却条件成立時にも適用可能である。かかる場合にも、電力抑制の制御の適用により、内部応力の発生を抑制しセンサ素子５０の保護を図ることができる。

上記実施の形態では、センサ冷却条件として、アクセル開度ＡＣＬの変化量及び変化速度に基づいて排ガス流量の変化を推測したが、これに代えて、スロットル開度、吸入空気量、エンジン回転数等のエンジン運転状態をパラメータとして排ガス流量の変化を推測しても良い。また、排気管に流量センサを設置し、該流量センサによる計測結果から排ガス流量の変化を検出する構成としても良い。その他、排ガスに含まれる水分量を推測し、その水分量によりセンサ冷却条件を判定しても良い。更に、エンジン１０への燃料噴射を停止する燃料カット時であることによりセンサ冷却条件を判定しても良い。

酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外にも、他のガス濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、ＮＯｘセンサとして具体化されるガス濃度センサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では排ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するＮＯｘセンサであっても良い。ＮＯｘ濃度を検出可能とする他に、排ガス中のＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能とするガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて排ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。

積層構造のセンサ素子以外にも適用できる。また、センサ素子にヒータを内蔵した構成の他、センサ素子とは別にヒータユニットを設け、このヒータユニットによりセンサ素子の加熱を行う構成のガス濃度センサにも適用できる。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 センサ素子の断面構造を示す断面図である。 メインルーチンを示すフローチャートである。 素子インピーダンス検出ルーチンを示すフローチャートである。 ヒータ制御ルーチンを示すフローチャートである。 ｄｕｔｙ出力ルーチンを示すフローチャートである。 急冷条件判定ルーチンを示すフローチャートである。 センサ昇温過程における挙動を説明するためのタイムチャートである。 素子温上昇の挙動を示すタイムチャートである。 初回ガードｄｕｔｙを設定するための特性図である。 初回ガードｄｕｔｙを設定するための特性図である。

符号の説明

１０…エンジン、１１…排気管、２１…Ａ／Ｆセンサ、３０…ＥＣＵ、５０…センサ素子、５１…固体電解質層、５４…絶縁層、５７…大気ダクト、５８…ヒータ。

Claims (10)

1. 固体電解質体等よりなるセンサ素子を有するガス濃度センサを内燃機関の排気管に設置し、前記センサ素子に付設したヒータへの供給電力を制御することにより当該センサ素子を活性状態とするガス濃度センサのヒータ制御装置において、
   前記排気管内を流れる排ガスによるセンサ冷却条件を判定する冷却条件判定手段と、
   前記冷却条件判定手段によりセンサ冷却条件が成立したと判定された時、その時のヒータ供給電力を一時的に抑制する供給電力抑制手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
2. 固体電解質体等よりなるセンサ素子を有するガス濃度センサを内燃機関の排気管に設置し、前記センサ素子に付設したヒータへの供給電力を制御することにより当該センサ素子を活性状態とするガス濃度センサのヒータ制御装置において、
   前記センサ素子の昇温過程で前記ヒータへの供給電力を所定の昇温時電力で制御する昇温時制御手段と、
   前記排気管内を流れる排ガスによるセンサ冷却条件を判定する冷却条件判定手段と、
   前記冷却条件判定手段によりセンサ冷却条件が成立したと判定された時、前記昇温時制御手段によるヒータ供給電力を一時的に抑制する供給電力抑制手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
3. 前記昇温時制御手段は、ヒータ電源より供給される全電力又は全電力近傍の電力を前記昇温時電力としてヒータ制御を実施するものである請求項２記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
4. 排ガスによる冷却度合を判定する手段を更に備え、前記供給電力抑制手段は、前記判定した冷却度合に応じて電力抑制時のヒータ供給電力を決定する請求項１乃至３の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
5. 前記供給電力抑制手段は、前記センサ冷却条件の成立時点における前記センサ素子の活性状態に応じて電力抑制時のヒータ供給電力を決定する請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
6. 前記供給電力抑制手段は、ヒータ供給電力を抑制した後、当該供給電力を徐々に増加させる請求項１乃至５の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
7. ヒータ供給電力を制限するためのガード値を設定する手段を更に備え、前記供給電力抑制手段は、前記ガード値を強制的に小さくすることでヒータ供給電力を抑制する請求項１乃至６の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
8. 前記冷却条件判定手段は、前記排気管内を流れる排ガス流量の変化に基づいてセンサ冷却条件を判定する請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
9. 前記冷却条件判定手段は、車両又は内燃機関の運転状態に基づいて前記排気管内を流れる排ガス流量の変化を推測し、その排ガス流量の変化に基づいてセンサ冷却条件を判定する請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
10. 前記センサ素子は、固体電解質層と内部ガス室を形成する絶縁層とを積層して構成され、前記内部ガス室を挟んで前記固体電解質層と反対側に前記ヒータを配置した請求項１乃至９の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。

Images