JP2007017398A - 空燃比センサの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の運転中に空燃比センサの使用を中止した場合に、フューエルカットの実行・停止による空燃比センサの素子割れを極力抑制することのできる空燃比センサの制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１０の運転中に空燃比センサ１２の異常によって使用を中止した場合に、内燃機関１０のフューエルカットが実行されたときには、ヒータ１３への通電量を所定の第１通電量Ｋ１まで所定増量ΔＫｕで徐々に増加させる。また、内燃機関１０の運転中に空燃比センサ１２の異常によって使用を中止した場合に、内燃機関１０のフューエルカットが実行されないときには、ヒータ１３への通電量を前記第１通電量よりも小さい所定の第２通電量Ｋ２まで所定減量ΔＫｄで徐々に減少させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関の空燃比センサの制御装置に関する。

内燃機関の空燃比センサを介して内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を計測し、その出力から空燃比を算出して空燃比フィードバック制御を行っている。上記の空燃比フィードバック制御を行うためには、空燃比センサを活性化させる必要があることから、空燃比センサのセンサ素子加熱用のヒータが装備されている。

センサ素子のヒータは、使用時に空燃比センサを活性化するために設けられていることから、空燃比センサを使用しない場合にはヒータへの通電も停止するようにしている。しかし、例えば内燃機関の運転停止と同時にセンサ素子のヒータへの通電を停止すると、高温の排気の流通も停止することから、空燃比センサの温度が急激に低下することとなる。その結果、空燃比センサの素子に割れが生じるおそれがある。

このため、特許文献１に示されるように、内燃機関の運転停止後に、所定期間ヒータへの通電を行うことで、内燃機関の運転停止に伴う空燃比センサの素子温度の急激な低下を抑えるようにしている。
特開平４−３５９１４２

ところで、空燃比センサを使用しなくなる場合としては、内燃機関の運転停止時のみならず、内燃機関の運転中に空燃比センサに異常が生じた場合等がある。このような場合も、空燃比センサを活性化する必要がなくなることから、センサ素子のヒータへの通電が停止される。ここで、内燃機関の運転時には高温の排気が流通していることから、空燃比センサの温度は低下しにくい状態にある。ところが、内燃機関の運転時にあっても高温の排気の流通が停止した場合には、空燃比センサの素子温度が急激に変化して、空燃比センサの素子に割れが生じるおそれがある。

本発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の運転中に空燃比センサの異常等によって空燃比センサを使用しなくなった場合に、空燃比センサの素子割れを極力抑制することのできる空燃比センサの制御装置を提供することにある。

以下、上記目的を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に装着され、使用時にセンサ素子を活性化するためのヒータを備える空燃比センサの制御装置において、内燃機関の運転中に前記空燃比センサの使用を中止した場合に、前記内燃機関のフューエルカットが実行されたときには所定の第１通電量で前記ヒータへ通電することをその要旨とする。

内燃機関の運転中に空燃比センサの異常等により同センサの使用が中止された場合には、センサ素子のヒータへの通電が停止される。このとき、内燃機関のフューエルカットが実行されると、燃料の燃焼が行われなくなるため高温の排気が流通しなくなり、素子温度が急激に低下してセンサ素子に割れが生じるおそれがある。

この点、上記構成によれば、内燃機関の運転中に空燃比センサの使用を中止した場合に、内燃機関のフューエルカットが実行されたときには所定の第１通電量でヒータへ通電されるため、素子温度の急激な低下を抑制することができる。その結果、空燃比センサの異常等によって空燃比センサを使用しなくなった場合に、フューエルカットの実行による空燃比センサの素子割れを極力抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の空燃比センサの制御装置において、前記内燃機関の排気温度が低いほど前記第１通電量を大きく設定することを要旨とする。
フューエルカットを行うときに、内燃機関の排気温度が低いほど、素子温度の低下の幅が大きくなるため、素子に大きな熱ストレスが加わる。

この点、上記構成によれば、排気温度が低いほど第１通電量を大きく設定することで、排気温度の低下する程度に応じてヒータの加熱量を変化させることができる。その結果、排気温度が低い場合であっても、素子温度の低下の幅が大きくなることを抑えることができ、フューエルカットの実行による空燃比センサの素子割れを極力抑制することができる。なお、上記排気温度は、フューエルカット実行中に燃料の燃焼が行われずに内燃機関から排出された吸気の温度も含むものとする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の空燃比センサの制御装置において、前記ヒータへの通電量を前記第１通電量まで所定増量で徐々に増加させることをその要旨とする。

同構成によれば、ヒータへの通電量を所定の第１通電量まで所定増量で徐々に増加させるため、通電量の急増による素子温度の急上昇を抑え、センサ素子に加わる熱ストレスを好適に抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の空燃比センサの制御装置において、前記センサ素子の温度と前記内燃機関の排気温度との差が大きいほど、前記所定増量を大きく設定することをその要旨とする。

フューエルカットを行うときに、素子温度と内燃機関の排気温度との差が大きいほど、素子温度の低下が速くなり、素子に大きな熱ストレスが加わる。
この点、上記構成によれば、素子温度と内燃機関の排気温度との差が大きいほど、所定増量を大きく設定するため、センサ素子の加熱量を速やかに大きくすることができる。その結果、素子温度と排気温度との差が大きくなることによる素子温度の急低下を抑え、熱ストレスによる素子割れを好適に抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の空燃比センサの制御装置において、内燃機関の運転中に前記空燃比センサの使用を中止した場合に、前記内燃機関のフューエルカットが実行されていないときには前記第１通電量よりも小さい所定の第２通電量で前記ヒータへ通電することをその要旨とする。

フューエルカットが停止されたときには、燃料の燃焼が再開して高温の排気が流通するため、フューエルカット実行中と同じ条件でヒータを加熱した場合には、素子温度が急激に上昇してセンサ素子に割れが生じるおそれがある。

この点、上記構成によれば、内燃機関の運転中に空燃比センサの使用を中止した場合に、内燃機関のフューエルカットが実行されていないときには第１通電量よりも小さい所定の第２通電量でヒータへ通電されるため、素子温度の急激な上昇を抑制することができる。その結果、空燃比センサの異常等によって空燃比センサを使用しなくなった場合に、フューエルカットの停止による空燃比センサの素子割れを極力抑制することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の空燃比センサの制御装置において、前記内燃機関の排気温度が高いほど前記第２通電量を小さく設定することをその要旨とする。
フューエルカットが停止されるとき、内燃機関の排気温度が高いほど、素子温度の上昇の幅が大きくなるため、素子に大きな熱ストレスが加わる。

この点、上記構成によれば、排気温度が高いほど所定の第２通電量を小さく設定することで、排気温度の上昇する程度に応じてヒータの加熱量を変化させることができる。その結果、排気温度が高い場合であっても、素子温度の上昇の幅が大きくなることを抑えることができ、フューエルカットの停止による空燃比センサの素子割れを極力抑制することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項５又は請求項６に記載の空燃比センサの制御装置において、前記ヒータへの通電量を前記第２通電量まで所定減量で徐々に減少させることをその要旨とする。

同構成によれば、ヒータへの通電量を所定の第２通電量まで所定減量で徐々に減少させるため、通電量の急減による素子温度の急下降を抑え、センサ素子に加わる熱ストレスを抑制することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の空燃比センサの制御装置において、前記センサ素子の温度と前記内燃機関の排気温度との差が大きいほど、前記所定減量を大きく設定することをその要旨とする。

フューエルカットが停止されるときに、素子温度と内燃機関の排気温度との差が大きいほど、素子温度の上昇が速くなり、素子に大きな熱ストレスが加わる。
この点、上記構成によれば、素子温度と内燃機関の排気温度との差が大きいほど、所定減量を大きく設定するため、センサ素子の加熱量を速やかに減少させることができる。その結果、素子温度と排気温度との差が大きくなることによる素子温度の急上昇を抑え、熱ストレスによる素子割れを好適に抑制することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態について、図１〜図２を参照して説明する。
図１に示されるように、内燃機関１０の吸気管１６に燃料噴射装置１４が設けられており、内燃機関１０の排気管１７に排気温度センサ１５と空燃比センサ１２が装着されている。空燃比センサ１２は、内燃機関１０の排気中の酸素濃度を計測する。また、空燃比センサ１２は、センサ素子２０を活性化温度まで加熱するためのヒータ１３を備えている。ヒータ１３には、スイッチ１９を介してバッテリ１８から電力が供給されている。

ＥＣＵ１１（電子制御装置）は、燃料噴射制御等、内燃機関１０における種々の制御を統括して実行するものであり、演算装置、駆動回路の他、各種制御の演算結果やその演算に用いられる関数マップ等を記憶する記憶装置等を備えている。ＥＣＵ１１は、空燃比センサ１２の出力に基づき空燃比を算出して空燃比フィードバック制御を行っている。また、ＥＣＵ１１は、バッテリ１８とスイッチ１９とを備える電子回路を介してヒータ１３への通電量を制御し、空燃比センサ１２のセンサ素子２０の温度が目標温度、例えば７５０〜８００℃になるようにフィードバック制御している。

次に、本実施形態にかかる空燃比センサの制御の処理手順について、図２のフローチャートを参照して説明する。なお、このフローチャートに示される一連の処理は、ＥＣＵ１１により所定の周期をもって繰り返し実行される。

ステップ１００（図にはＳ１００と記す。以下同様）では、空燃比センサ１２の異常があるか否かを判断する。具体的には、空燃比センサ１２に断線異常などが生じており、同空燃比センサ１２を使用できない状態か否かを判断する。空燃比センサ１２の異常がないとき、本発明にかかる空燃比センサの制御を行わず、本処理を一旦終了する。空燃比センサ１２に異常があるとき、異常信号がＥＣＵ１１に転送され、ステップ２００に進む。ステップ２００では、フューエルカットが行われているか否かを判断する。

フューエルカットが行われている場合、ヒータ１３への通電量が所定の第１通電量Ｋ１になるように制御する。ここで、ヒータ１３の通電量は、単位時間に占める通電時間の割合（Ｄｕｔｙ）により制御される。まず、ステップ３００に進み、ヒータ１３への通電量が所定の第１通電量Ｋ１よりも小さいか否かを判断する。ここで、第１通電量Ｋ１は、フューエルカット実行中でもセンサ素子２０の急激な温度低下を抑制することのできる値、例えば８０％に設定される。ヒータ１３への通電量が第１通電量Ｋ１より小さいときには（ステップ３００：ＹＥＳ）、ヒータ１３への通電量を所定増量ΔＫｕで増加させてヒータ１３へ通電する（ステップ４００）。一方、ヒータ１３への通電量が第１通電量Ｋ１に達したときには（ステップ３００：ＮＯ）、ヒータ１３への通電量を変化させず、第１通電量Ｋ１でヒータ１３へ通電する。

また、フューエルカットが行われていない場合（ステップ２００：ＮＯ）、ヒータ１３への通電量が上記第１通電量Ｋ１よりも小さい所定の第２通電量Ｋ２になるように制御する。まず、ステップ５００に進み、ヒータ１３への通電量が所定の第２通電量Ｋ２よりも大きいか否かを判断する。ここで、フューエルカット実行中と同じ条件でヒータ１３を加熱した場合には、センサ素子２０の温度が急激に上昇してセンサ素子２０に割れが生じるおそれがある。このため、第２通電量Ｋ２は、燃料の燃焼が再開されて高温の排気が流通するときにセンサ素子２０の温度が急上昇することを抑制することのできる値、例えば２０％に設定される。ヒータ１３への通電量が第２通電量Ｋ２より大きいときには（ステップ５００：ＹＥＳ）、ヒータ１３への通電量を所定減量ΔＫｄで減少させてヒータ１３へ通電する（ステップ６００）。一方、ヒータ１３への通電量が所定の第２通電量Ｋ２に達したときには（ステップ５００：ＮＯ）、ヒータ１３への通電量を変化させず、ヒータ１３へ通電する。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）内燃機関１０の運転中に空燃比センサ１２の異常等によって同センサの使用を中止した場合に、内燃機関１０のフューエルカットが実行されたときには所定の第１通電量Ｋ１でヒータ１３へ通電される。したがって、燃料の燃焼が行われなくなり高温の排気が流通しなくなった場合でも、センサ素子２０の温度の急激な低下を抑制することができる。その結果、空燃比センサ１２の異常等によって同空燃比センサ１２を使用しなくなった場合に、フューエルカットの実行による空燃比センサ１２の素子割れを極力抑制することができる。

（２）ヒータ１３への通電量を所定の第１通電量Ｋ１まで徐々に増加させるため、通電量の急増によるセンサ素子２０の温度の急上昇を抑え、センサ素子２０に加わる熱ストレスを抑制することができる。

（３）内燃機関１０の運転中に空燃比センサ１２の使用を中止した場合に、内燃機関１０のフューエルカットが実行されていないときには所定の第１通電量Ｋ１よりも小さい所定の第２通電量Ｋ２でヒータ１３へ通電される。したがって、燃料の燃焼が再開して高温の排気が流通するときにフューエルカット実行中と同じ条件でヒータ１３を加熱することによるセンサ素子２０の温度の急激な向上を抑制することができる。その結果、空燃比センサ１２の異常等によって空燃比センサ１２を使用しなくなった場合に、フューエルカットの停止による空燃比センサ１２の素子割れを極力抑制することができる。

（４）ヒータ１３への通電量を所定の第２通電量Ｋ２まで徐々に増加させるため、通電量の急減によるセンサ素子２０の温度の急下降を抑え、センサ素子２０に加わる熱ストレスを抑制することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、図３のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに示される一連の処理は、ＥＣＵ１１により所定の周期をもって繰り返し実行される。なお、本実施形態においても、空燃比センサの制御装置の構成は第１の実施形態（図１）と同様である。第２の実施形態は、第１の実施形態において、更に所定の第１通電量Ｋ１及び所定の第２通電量Ｋ２を可変設定する手段と、所定増量ΔＫｕ及び所定減量ΔＫｄを可変設定する手段とを備えている。以下、これらの相違点を中心に説明する。

図３に示されるように、空燃比センサ１２の異常があって、フューエルカットを行う場合、ステップ２１０に進む。ステップ２１０では、内燃機関１０の排気管１７に設けられた排気温度センサ１５により排気温度Ｔｅを検出し、排気温度Ｔｅが低いほど第１通電量Ｋ１を増大させる。ここで、排気温度Ｔｅが低いほど第１通電量Ｋ１を増大させるのは、フューエルカットを行うときに、内燃機関１０の排気温度が低いほど、センサ素子２０の温度の低下の幅が大きくなり、素子に大きな熱ストレスが加わるためである。

そして、ステップ３００に進み、ヒータ１３への通電量が第１通電量Ｋ１よりも小さいか否かを判断する。ヒータ１３への通電量が第１通電量Ｋ１よりも小さいときには（ステップ３００：ＹＥＳ）、ステップ３１０に進む。ステップ３１０では、検出されたセンサ素子温度Ｔｓと排気温度Ｔｅとの温度差が大きいほど、所定増量ΔＫｕを大きく設定し（ステップ３１０）、その所定増量ΔＫｕでヒータ１３への通電量を増加させてヒータ１３へ通電する（ステップ４００）。一方、ヒータ１３への通電量が所定の第１通電量Ｋ１に達したときには（ステップ３００：ＮＯ）、ヒータ１３への通電量を変化せず、第１通電量Ｋ１でヒータ１３へ通電する。

また、フューエルカットが行われていない場合（ステップ２００：ＮＯ）、ステップ４９０に進む。ステップ４９０では、排気温度センサ１５が排気温度Ｔｅを検出し、排気温度Ｔｅが高いほど所定の第２通電量Ｋ２を小さく設定する。ここで、排気温度Ｔｅが高いほど所定の第２通電量Ｋ２を減少させるのは、フューエルカットが停止されるとき、内燃機関の排気温度が高いほど、素子温度の上昇の幅が大きくなり、素子に大きな熱ストレスが加わるためである。

そして、ステップ５００に進み、ヒータ１３への通電量が所定の第２通電量Ｋ２よりも大きいか否かを判断する。ヒータ１３への通電量が所定の第２通電量Ｋ２よりも大きいときには（ステップ５００：ＹＥＳ）、ステップ５１０に進む。ステップ５１０では、検出された排気温度Ｔｅとセンサ素子温度Ｔｓとの温度差が大きいほど、所定減量ΔＫｄを大きく設定し（ステップ５１０）、その所定減量ΔＫｄでヒータ１３への通電量を減少させてヒータ１３へ通電する（ステップ６００）。一方、ヒータ１３への通電量が所定の第２通電量Ｋ２に達したときには（ステップ５００：ＮＯ）、ヒータ１３への通電量を変化せず、第２通電量Ｋ２でヒータ１３へ通電する。

以上説明した本実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１）〜（４）に加えて以下の効果が得られるようになる。
（１）空燃比センサ１２の異常があって、フューエルカットが行なわれているときに、排気温度Ｔｅが低いほど所定の第１通電量Ｋ１を大きく設定することで、排気温度Ｔｅの低下する程度に応じてヒータの加熱量を変化させることができる。その結果、排気温度Ｔｅが低い場合であっても、センサ素子温度Ｔｓの低下の幅が大きくなることを抑えることができ、フューエルカットの実行による空燃比センサ１２の素子割れを極力抑制することができる。なお、上記排気温度は、フューエルカット実行中に燃料の燃焼が行われずに内燃機関１０から排出された吸気の温度も含むものとする。

（２）空燃比センサ１２の異常があって、フューエルカットが行なわれていないときに、排気温度Ｔｅが高いほど所定の第２通電量Ｋ２を小さく設定することで、排気温度Ｔｅの上昇する程度に応じてヒータの加熱量を変化させることができる。その結果、排気温度Ｔｅが高い場合であっても、センサ素子温度Ｔｓの上昇の幅が大きくなることを抑えることができ、フューエルカットの停止による空燃比センサ１２の素子割れを極力抑制することができる。

（３）ヒータ１３への通電量を第１通電量Ｋ１になるように制御するときに、センサ素子温度Ｔｓと内燃機関１０の排気温度Ｔｅとの差が大きいほど、所定増量ΔＫｕを大きく設定するため、センサ素子の加熱量を速やかに大きくすることができる。その結果、センサ素子温度Ｔｓと排気温度Ｔｅとの差が大きくなることによるセンサ素子温度Ｔｓの急低下を抑え、熱ストレスによる素子割れを好適に抑制することができる。

（４）ヒータ１３への通電量を第２通電量Ｋ２になるように制御するときに、センサ素子温度Ｔｓと内燃機関１０の排気温度Ｔｅとの差が大きいほど、所定減量ΔＫｄを大きく設定するため、センサ素子の加熱量を速やかに減少させることができる。その結果、センサ素子温度Ｔｓと排気温度Ｔｅとの差が大きくなることによるセンサ素子温度Ｔｓの急上昇を抑え、熱ストレスによる素子割れを好適に抑制することができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・図４に示されるように、第１の実施形態において、フューエルカットを行われているとき、直ちに所定の第１通電量Ｋ１でヒータ１３の通電するようにしてもよい（ステップ４１０）。一方、フューエルカットを行われていないときには、直ちに所定の第２通電量Ｋ２でヒータ１３へ通電するようにしてもよい（ステップ６１０）。

・図５に示されるように、図４に記載の処理手順において、フューエルカットを行われているとき、ステップ２１０に進んで、排気温度Ｔｅが低いほど所定の第１通電量Ｋ１を大きく設定する。そして、この第１通電量Ｋ１でヒータ１３へ通電してもよい。一方、フューエルカットを行われていないとき、ステップ４９０に進んで、排気温度Ｔｅが高いほど所定の第２通電量Ｋ２を小さく設定する。そして、この第２通電量Ｋ２でヒータ１３へ通電してもよい。

・第２の実施形態において、フューエルカットを行われているとき、ステップ２１０（排気温度Ｔｅが低いほど所定の第１通電量Ｋ１を増大させる）を行わず、ステップ３００（通電量が所定の第１通電量Ｋ１より小さいか否かを判断する）に進んでもよい。一方、フューエルカットを行われていないとき、ステップ４９０（排気温度Ｔｅが高いほど所定の第２通電量Ｋ２を減少させる）を行わず、ステップ５００（通電量が所定の第２通電量Ｋ２より大きいか否かを判断する）に進んでもよい。
・第２の実施形態において、フューエルカットを行われているとき、ステップ３１０（センサ素子温度Ｔｓと排気温度Ｔｅとの温度差が大きいほど、所定通電量増量ΔＫｕを大きく設定する）を行わず、ステップ４００に進んでもよい。一方、フューエルカットを行われていないとき、ステップ５１０（排気温度Ｔｅとセンサ素子温度Ｔｓとの温度差が大きいほど、所定通電量減量ΔＫｄを大きく設定する）を行わず、ステップ６００に進んでもよい。

本発明の第１の実施形態にかかる空燃比センサの制御装置のブロック図。 第１の実施形態での空燃比センサ制御を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態にかかる空燃比センサ制御を示すフローチャート。 本発明の空燃比センサ制御について変更例を示すフローチャート。 本発明の空燃比センサ制御について他の変更例を示すフローチャート。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…ＥＣＵ、１２…空燃比センサ、１３…ヒータ、１４…燃料噴射装置、１５…排気温度センサ、１６…吸気管、１７…排気管、１８…バッテリ、１９…スイッチ、２０…センサ素子。

Claims (8)

1. 内燃機関の排気系に装着され、使用時にセンサ素子を活性化するためのヒータを備える空燃比センサの制御装置において、
   内燃機関の運転中に前記空燃比センサの使用を中止した場合に、前記内燃機関のフューエルカットが実行されたときには所定の第１通電量で前記ヒータへ通電する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
2. 請求項１に記載の空燃比センサの制御装置において、
   前記内燃機関の排気温度が低いほど前記第１通電量を大きく設定する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の空燃比センサの制御装置において、
   前記ヒータへの通電量を前記第１通電量まで所定増量で徐々に増加させる
   ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
4. 請求項３に記載の空燃比センサの制御装置において、
   前記センサ素子の温度と前記内燃機関の排気温度との差が大きいほど、前記所定増量を大きく設定する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の空燃比センサの制御装置において、
   内燃機関の運転中に前記空燃比センサの使用を中止した場合に、前記内燃機関のフューエルカットが実行されていないときには前記第１通電量よりも小さい所定の第２通電量で前記ヒータへ通電する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
6. 請求項５に記載の空燃比センサの制御装置において、
   前記内燃機関の排気温度が高いほど前記第２通電量を小さく設定する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
7. 請求項５又は請求項６に記載の空燃比センサの制御装置において、
   前記ヒータへの通電量を前記第２通電量まで所定減量で徐々に減少させる
   ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
8. 請求項７に記載の空燃比センサの制御装置において、
   前記センサ素子の温度と前記内燃機関の排気温度との差が大きいほど、前記所定減量を大きく設定する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。

Images