JP2007225560A - ガスセンサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デューティ制御に起因するヒータの通電誤差を抑制し、センサ素子を望み通りに活性化させることのできるガスセンサのヒータ制御装置を提供する。
【解決手段】エンジンの始動に際し、ガスセンサのセンサ素子を冷間状態からの活性化であるか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４において、通電デューティ比が９５％以上、素子インピーダンスｚａｃが５００Ω以上、且つ素子インピーダンス変化量Δｚａｃが１００Ω以下であるかを判定する。そして、これらの条件がすべて成立している場合に、駆動周期Ｔｃを１０００ｍｓｅｃに設定し、いずれか１つでも条件が成立していない場合に、駆動周期Ｔｃを１００ｍｓｅｃに設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガスセンサのヒータ制御装置に関するものである。

例えば、車両用エンジンより排出される排ガスを検出対象として同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式の空燃比センサが知られている。かかる空燃比センサは、固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し、そのセンサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じて素子電流が流れるように構成される。そして、センサ素子に流れる素子電流が検出されることにより、その検出値から酸素濃度が求められるようになっている（例えば特許文献１）。

ところで、空燃比センサでは、センサ素子が高温の活性状態にあることを前提として酸素濃度を正確に検出することができる。このためセンサ素子の近傍にはヒータが設けられ、このヒータによりセンサ素子が加熱されるようになっている。ここで、バッテリからの給電によりヒータへの電力供給が行われる。そして、ヒータに供給される電力はデューティ制御により調整されるようになっており、センサ素子の温度に基づくフィードバック制御が行われる。なお、車両用エンジンの始動に際しては、センサ素子を冷間状態から活性化させるべく、ヒータによる急激な加熱により空燃比センサを破損させない範囲で、且つセンサ素子の活性化に要する時間ができるだけ短くなるようにヒータに電力が供給される。すなわち、センサ素子の活性化に際しては、通常、デューティ比を１００％としてヒータへの電力供給が行われる。

ところが、エンジンの始動に際し、バッテリが過充電されるなどしてそのバッテリ電圧が通常時に比べて大きくなる場合がある。かかる場合には、デューティ比を１００％未満とすることにより、前述した大きさの電力がヒータに供給される。このとき、実際にヒータに供給される電力は、デューティ制御の動作周期及び動作単位時間（分解能）に従って調整されるため、目標とする電力供給量に対して最大その動作単位時間分だけずれるおそれがある。特に、ヒータの制御装置としてのＥＣＵにおいて、コストの面などから、動作単位時間が数マイクロ秒である専用ポートに代わり、動作単位時間が数ミリ秒である汎用ポートを利用することが考えられており、動作単位時間に起因する電力供給量のずれが顕著になる。そして、そのずれによるセンサ素子の活性化への影響が懸念される。すなわち、センサ素子の活性化が遅れた場合、空燃比センサの検出値に基づくエンジンの各種制御の開始が遅れるため、燃料消費率や排気エミッションの悪化などが生じるおそれがある。
特許第１８２２１６２号公報

本発明の目的は、デューティ制御におけるヒータの通電誤差を抑制し、センサ素子を望み通りに活性化させることのできるガスセンサのヒータ制御装置を提供することである。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について説明する。

本発明のガスセンサのヒータ制御装置は、被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子及びそのセンサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサを備えている。一般にセンサ素子は高温の活性状態にあることを前提として動作するため、かかる構成においてヒータによるセンサ素子の加熱が行われる。ここで、ヒータへの電力供給量はデューティ制御により調整されるようになっている。

ところで、実際のヒータへの電力供給に際しては、デューティ制御の動作周期及び動作単位時間（分解能）に従ってその供給が断続的に行われる。このため、目標とするデューティ比に対して実際のデューティ比が最大その動作単位時間相当分ずれることが考えられ、そのずれに伴って、実際にヒータに供給される電力に過不足が生じる。特に、センサ素子の保護の観点から実際のデューティ比が切り捨てにより丸められるとすると、実際にヒータに供給される電力が少なくなり、センサ素子の活性化が遅くなる。

そこで、請求項１に記載の発明では、センサ素子の活性化に際し、デューティ制御の動作周期を可変設定する。すなわち、動作単位時間が一定のままであっても、動作周期を長く設定することにより実際のデューティ比が目標とするデューティ比に近づくため、ヒータの通電誤差を抑制することができる。この結果、ヒータに対して的確に電力を供給することが可能となり、センサ素子を望み通りに活性化させることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、デューティ制御におけるデューティ比が１００％未満の場合に、デューティ制御の動作周期を可変設定する。

前述した電力供給量のずれは、デューティ比が１００％未満の場合に、そのデューティ比が動作単位時間に従って丸められることによって生じる。したがって、デューティ比が１００％未満である場合において、デューティ制御の動作周期を変更することによりヒータに的確に電力供給を行うと良い。

なお、デューティ制御の動作周期を可変設定するにあたり、大きな動作周期を設定した場合にはその制御性が悪化することになる。この点、本発明では、電力供給量のずれが生じないデューティ比が１００％である場合には、デューティ制御の動作周期が変更されないため、その動作周期の変更に伴う制御性の悪化の影響を受けない。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、バッテリからの給電によりヒータに電力供給が行われる構成とし、センサ素子の活性化のためのヒータの通電開始後、デューティ制御におけるデューティ比を１００％としてヒータに電力が供給される。かかるヒータ制御装置において、バッテリが所定の高電圧状態である場合には、デューティ比の減補正を行うとともに、デューティ制御の動作周期を大きくする。

バッテリが過充電されるなどしてそのバッテリ電圧が所定電圧以上になった場合には、デューティ比の減補正が行われ、１００％未満のデューティ比によりヒータへの電力供給が行われる。これは、センサ素子を活性化させる際には、ヒータに対して供給可能な最大電力を供給してセンサ素子を加熱することが望ましいが、ヒータによる急激な加熱を行うとセンサ素子が破損するおそれがあり、その供給量の最大値が制限されているためである。すなわち、デューティ比が減補正されている場合にデューティ制御の動作周期を大きくすることが有効である。

請求項４に記載の発明では、請求項１又は３に記載の発明において、センサ素子の活性化が冷間状態からの活性化である場合に、デューティ制御の動作周期を大きくする。

内燃機関の始動に際してセンサ素子を冷間状態から活性化させる場合には、ヒータに対して所定の大きな電力を比較的長い時間供給し続けることによってセンサ素子の活性化が行われる。このため、デューティ制御の動作周期を大きくしたとしても、それに伴う制御性の悪化の影響を無視しつつ、所望とする電力供給を行うことが可能である。なお、冷間状態からの活性化であるかの判定は、例えばセンサ素子の素子インピーダンスが所定値以上であるか否かにより判定すると良い。

以下、本発明のガスセンサのヒータ制御装置を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、ガスセンサとして車載エンジンより排出される排ガスを被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する空燃比センサを対象としており、電子制御装置（以下、ＥＣＵという）では、その空燃比センサを活性状態に保つべく、ヒータの通電制御が適宜実現される。先ずは、図１を用いてヒータ制御装置の全体概略構成を説明する。

図１において、エンジン１０には排気管１１が接続されており、燃焼後の排ガスが排気管１１に排出される。この排気管１１には排ガスの酸素濃度を検出する空燃比センサ２０が設けられている。空燃比センサ２０は、酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式のセンサであり、例えばジルコニア等の固体電解質からなるセンサ素子２１により構成されている。また、空燃比センサ２０は、センサ素子２１を加熱するヒータ２２を有している。

ＥＣＵ３０は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭからなる周知のマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムを実行することにより、ヒータ２２の通電制御等を行うものである。このため、ＥＣＵ３０は、センサ制御回路３１やヒータ駆動回路３２を有している。そして、かかるセンサ制御回路３１において、空燃比センサ２０の検出結果に基づく酸素濃度検出が行われるとともに、センサ素子２１の温度に相当する素子インピーダンスｚａｃの検出が行われる。また、ヒータ駆動回路３２において、ヒータ２２に供給される電力がデューティ制御により調整される。

ところで、空燃比センサ２０により酸素濃度を正確に検出するには、センサ素子２１を所定の活性状態（例えば６５０℃以上）に保持する必要がある。このため、センサ素子２１を活性状態に保つべく、温度フィードバック制御が行われる。すなわち、センサ制御回路３１により検出した素子インピーダンスｚａｃに基づきヒータ２２への電力供給量が求められるととともに、通電制御における通電デューティ比が算出される。そして、ヒータ駆動回路３２により通電デューティ比に応じてヒータ２２の通電が断続的に行われ、ヒータ２２へ供給される電力が調整される。

また、エンジン１０の始動時に際しセンサ素子２１が冷間状態である場合には、ヒータ２２の通電制御として所定の大きな電力がヒータ２２に供給されることにより、センサ素子２１の活性化が行われる。ここで、センサ素子２１を早期に活性化するために供給可能な最大電力をヒータ２２に供給することが望ましく、通常は通電デューティ比を１００％としてヒータ２２の全通電が行われる。しかしながら、ヒータ２２により急激な加熱を行うとセンサ素子２１が破損するおそれがあるため、その供給される電力の最大値が規定されている。すなわち、バッテリが過充電されるなどして所定の高電圧状態になった場合には、ヒータ２２に供給する電力を規定された大きさに制限するべく、通電デューティ比の減補正が行われる。

さて、本実施の形態では、ヒータ駆動回路３２としてＥＣＵ３０の汎用ポートを用いており、その駆動周期Ｔｃ及び駆動単位時間（分解能）Ｔｒはそれぞれ１００ｍｓｅｃ，４ｍｓｅｃである。このため、実際の通電制御において、次のような問題が生じる。図２は、かかる問題を説明するための図であり、図２には、通電デューティ比を９９．８％とした場合のヒータ２２の通電波形を示している。

図２に示すように、実際にヒータ２２を通電させる際のその通電態様（実通電波形）は、駆動周期Ｔｃ及び駆動単位時間Ｔｒに従う。したがって、目標とする通電デューティ比が９９．８％であったとしても、実際には、駆動単位時間Ｔｒに従って９６ｍｓｅｃ間通電が行われた後、４ｍｓｅｃ間通電が休止される（前述したセンサ素子の保護の観点から通電デューティ比は切り捨てにより丸められる）。つまり、実質的には通電デューティ比９６％にてヒータ２２の通電が行われ、これを通電時間でみると目標とする通電時間に対して駆動周期ＴｃごとにΔＴ＝３．８ｍｓｅｃ分短くなっている。一般に、センサ素子２１を冷間状態から活性化させる際には十数秒程度の時間を要するものであり、例えば通電デューティ比を９９．８％として１０秒間通電させようとした場合には、通電時間が３８０ｍｓｅｃ分短くなることになる。

図３は、上述したデューティ比９９．８％にて通電制御が行われる場合のセンサ素子２１の活性化の様子を示す図である。図３には、比較のため、駆動単位時間Ｔｒが４μｓｅｃであるＥＣＵ３０の専用ポートを用いてヒータ駆動回路３２を構成した場合の様子を並べて示す。すなわち、センサ素子２１の活性化に際し、駆動単位時間Ｔｒ＝４ｍｓｅｃの場合には、前述したように活性化開始後の実際の通電デューティ比が９６％となり、実際にヒータ２２への電力供給量が目標とする電力供給量に比べて少なくなる。したがって、センサ素子２１の温度の上昇度合いに相当する素子インピーダンスｚａｃの低下度合いが、駆動単位時間Ｔｒ＝４μｅｃの場合と比べて遅くなり、センサ素子２１が活性化されるまでの時間が遅くなっている。

そこで、本実施の形態では、かかるセンサ素子２１を冷間状態から活性化させる際に、駆動周期Ｔｃを大きな時間に設定する。これは、駆動単位時間Ｔｒが一定であっても、駆動周期Ｔｃを大きくすることにより、目標とする通電デューティ比と実際の通電デューティ比のずれが小さくなることに着目している。これにより、ヒータ２２に対して所望とする電力が供給されるため、センサ素子２１の活性化が遅れることを抑制することができる。

図４は、駆動単位時間Ｔｒを４ｍｓｅｃ一定としたまま、異なるヒータ駆動周期Ｔｃにて通電制御を実施した場合の通電デューティ比の最大誤差と活性悪化時間とを示すものである。ここで、活性悪化時間は、センサ素子２１を冷間状態から活性化させる際に、目標とする通電デューティ比通りに電力供給がなされた場合の活性化に要する時間に対する遅れ時間である。

図４に示すように、駆動周期Ｔｃが１００ｍｓｅｃである場合には、通電デューティ比の最大誤差は４％であり、活性悪化時間は約０．９ｓｅｃになる。これらは、駆動周期Ｔｃが長くなるにつれて減少し、駆動周期Ｔｃが１０００ｍｓｅｃである場合には、通電デューティ比の誤差は０．４％になり、活性悪化時間は約０．１ｓｅｃになる。

図５は駆動周期設定処理のフローチャートである。本駆動周期設定処理では、通常時には制御性の観点から駆動周期Ｔｃを１００ｍｓｅｃに設定する一方、エンジン１０の始動に際して所定の条件が成立した時に同駆動周期Ｔｃを１０００ｍｓｅｃに設定する。なお、本駆動周期設定処理は、ＥＣＵ３０により所定周期毎（例えば１００ｍｓｅｃ毎）に実行される。

先ず、ステップＳ１０１では、ヒータ２２への通電が許可されているか否かを判定する。詳しくは、エンジン１０の始動後であり、バッテリ電圧が正常範囲内であり、且つ空燃比センサ２０が正常である場合に通電が許可されていると判定する。ここで、空燃比センサ２０が正常であるかは、ダイアグノーシス機能等による異常診断結果に基づいて判断する。

ステップＳ１０２では通電デューティ比が９５％以上か否かを判定し、ステップＳ１０３では素子インピーダンスｚａｃが５００Ω以上か否かを判定する。また、ステップＳ１０４では１００ｍｓｅｃごとの素子インピーダンス変化量Δｚａｃが１００Ω以下か否かを判定する。これらにより、エンジン１０の始動に際し、センサ素子２１を冷間状態から活性化させる状態であることを確認する。特に、素子インピーダンス変化量Δｚａｃが所定値以下であるかを判定するかにより、エンジン１０の停止後にすぐに再始動され空燃比センサ２０が略活性状態であるかを判別することができる。なお、素子インピーダンス変化量Δｚａｃは、センサ素子２１の温度を一定に保つフィードバック制御においても利用するため、１００ｍｓｅｃごとに実行される別の算出処理にて求められるものであり、素子インピーダンスｚａｃの前回値から今回値を差し引いて求められる。

そして、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４のすべての条件が成立している場合には、センサ素子２１を冷間状態から活性化させる状態であるとし、ステップＳ１０５において駆動周期Ｔｃを１０００ｍｓｅｃに設定する。一方、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４においていずれか１つでも条件が成立していない場合には、制御性を確保するために、ステップＳ１０６において駆動周期Ｔｃを１００ｍｓｅｃに設定する。

以上、詳述した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２１の活性化に際し、デューティ制御の駆動周期Ｔｃを１００ｍｓｅｃから１０００ｍｓｅｃに変更するようにした。これにより、駆動単位時間Ｔｒが一定のままであっても、通電デューティ比のずれが減少するため、ヒータ２２に対して的確に電力を供給することが可能となる。したがって、センサ素子２１の活性化が遅れることを抑制することができる。

ここで、センサ素子２１の活性化が冷間状態からの活性化であるかを判定し、冷間状態からの活性化である場合に駆動周期Ｔｃを長くするようにした。これにより、駆動周期Ｔｃの変更に伴う制御性の悪化の影響を無視することのできる場合にのみ駆動周期Ｔｃの変更が行われる。したがって、通常のセンサ素子２１を活性状態に保つ温度フィードバック制御を行う際には、駆動周期Ｔｃの変更に伴う制御性の悪化の影響を受けない。

なお、本発明は以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、以下のように実施しても良い。

上記実施の形態では、センサ素子２１を冷間状態から活性化させる状態である場合に、ディーティ制御の駆動周期Ｔｃを変更する構成としたが、これに限らない。さらに、通電デューティ比が１００％未満であるかを判定し、１００％未満であると判定された場合に、駆動周期Ｔｃを変更する構成としても良い。これにより、通電デューティ比のずれが生じない１００％の場合には、駆動周期Ｔｃの変更が行われず、その変更に伴う制御性の悪化の影響を受けない。なお、通電デューティ比はバッテリの電圧が所定電圧以上である場合に減補正されるため、そのバッテリの電圧が所定電圧以上であるかを判定し、その判定結果に基づいて駆動周期Ｔｃを変更する構成としても良い。

上記実施の形態では、センサ素子２１の保護の観点から、駆動単位時間Ｔｒに従って通電デューティ比を切り捨てる構成としたが、これに限らない。切り上げや四捨五入等により通電デューティ比が丸められる場合であっても、駆動周期Ｔｃを可変設定することにより通電デューティ比のずれが小さくなるため、センサ素子２１を望み通りに活性化することが可能である。特に、切り上げによる通電デューティ比の丸めを行う場合には、ヒータ２２に対して過剰に電力が供給されることが抑制されるため、センサ素子２１の保護が図られる。

上記実施の形態では、ガスセンサとして酸素濃度（空燃比）を検出する空燃比センサ２０を対象としたが、これに限らない。ガスセンサとしてＮＯｘ、ＣＯ又はＨＣ等のガス濃度を検出するものであっても、適用することが可能である。

ヒータ制御装置の全体構成図である。 デューティ制御の問題を説明するための図である。 異なる駆動周期によるセンサ素子の活性化の様子を示す図である。 ヒータ駆動周期と通電誤差及び活性悪化時間との関係を示す図である。 ヒータ駆動周期設定処理のフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン、２１…センサ素子、２２…ヒータ、３０…ＥＣＵ、３２…ヒータ駆動回路。

Claims (4)

1. 被検出ガスの特定成分の濃度を検出するセンサ素子及び該センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサを備え、デューティ制御により前記ヒータへの電力供給量を調整するガスセンサのヒータ制御装置において、
   前記センサ素子の活性化に際し、前記デューティ制御の動作周期を可変設定する設定手段を備えたことを特徴とするガスセンサのヒータ制御装置。
2. 前記設定手段は、前記デューティ制御におけるデューティ比が１００％未満の場合に、前記動作周期を可変設定することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサのヒータ制御装置。
3. バッテリからの給電により前記ヒータに電力供給を行う構成とし、前記センサ素子の活性化のためのヒータ通電開始後、前記デューティ制御におけるデューティ比を１００％として前記ヒータに電力を供給するガスセンサのヒータ制御装置において、
   前記ヒータの通電開始後、前記バッテリが所定の高電圧状態である場合に、前記デューティ比を減補正する手段を備え、
   前記設定手段は、前記減補正する手段により前記デューティ比の減補正が行われている場合に、前記動作周期を大きくすることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサのヒータ制御装置。
4. 前記設定手段は、前記センサ素子の活性化が冷間状態からの活性化であるかを判定する手段を備え、該手段により冷間状態からの活性化であると判定された場合に、前記動作周期を大きくすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガスセンサのヒータ制御装置。

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