JP2007278802A - Heater controller of exhaust gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気ガスセンサのヒータ制御装置に係り、特に、内燃機関の排気系に設置される排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータの通電制御を行うヒータ制御装置に関する。 The present invention relates to a heater control device for an exhaust gas sensor, and more particularly to a heater control device that controls energization of a heater for heating a sensor element of an exhaust gas sensor installed in an exhaust system of an internal combustion engine.
内燃機関のガス燃焼における排気ガス有害成分の低減には、燃焼ガスの空燃比を、より精密に制御することが効果的である。このため、燃焼ガスの空燃比をリッチとリーンの2値でのみ検出する酸素濃度センサ(以降、O2センサ)に代えて、リニアに空燃比測定が可能なリニア空燃比センサ(以降、LAFセンサ)が多くの内燃機関に採用されるようになってきている。 In order to reduce harmful components of exhaust gas in gas combustion of an internal combustion engine, it is effective to more precisely control the air-fuel ratio of the combustion gas. For this reason, instead of an oxygen concentration sensor (hereinafter referred to as an O 2 sensor) that detects only the rich and lean binary values of the air / fuel ratio of the combustion gas, a linear air / fuel ratio sensor (hereinafter referred to as a LAF sensor) capable of linearly measuring the air / fuel ratio. ) Has been adopted by many internal combustion engines.
しかし、LAFセンサによる空燃比測定時は、センサ内の酸素イオンの移動量を高めるために、従来のO2センサと同様に、センサ素子を所定の高温状態に保つ必要がある。また、この高温状態は、従来のO2センサ(約300℃前後)に対して、より高温な状態(約600℃〜800℃程度)を要求されている。このため、LAFセンサに用いられるヒータは、O2センサに用いられるヒータよりも、より発熱量の大きいものが設定されることとなる。 However, when measuring the air-fuel ratio by the LAF sensor, it is necessary to keep the sensor element at a predetermined high temperature as in the conventional O 2 sensor in order to increase the amount of oxygen ion movement in the sensor. Moreover, this high temperature state requires a higher temperature state (about 600 ° C. to about 800 ° C.) than a conventional O 2 sensor (about about 300 ° C.). For this reason, the heater used for the LAF sensor is set to have a larger calorific value than the heater used for the O 2 sensor.
一方、LAFセンサにおけるセンサ素子とヒータの構造では、センサ素子とヒータがプレート状態で並列に配置されたものがある。このような構成では、O2センサに増して、センサ素子ヒートアップ時のセンサ素子に発生する熱応力の影響を考慮したヒータ制御が要請される。 On the other hand, in the structure of the sensor element and the heater in the LAF sensor, there is one in which the sensor element and the heater are arranged in parallel in a plate state. In such a configuration, heater control is required in consideration of the influence of thermal stress generated in the sensor element when the sensor element is heated up, in addition to the O 2 sensor.
さらに、排気管内で発生、付着している水分もセンサ素子加熱時の障害(センサ素子割れの原因)となっており、現在、このような問題に対処すべく、LAFセンサの熱応力を考慮したヒータ制御装置の技術が提案されている。 Furthermore, moisture generated and adhering in the exhaust pipe is also an obstacle when heating the sensor element (causing the sensor element to crack), and at present, the thermal stress of the LAF sensor is taken into account in order to deal with such a problem. A heater control device technology has been proposed.
その一つとして、リニア空燃比センサに設けられたプロテクタカバ−の穴から排気管内面に付着した水分が始動等で飛散して侵入し、ヒータで加熱された高温のセンサ素子に被水することによってセンサ素子が割れることに着目し、これを防止するためのヒータ制御装置の技術が提案されている(例えば、特許文献1)。 As one of them, the moisture adhering to the inner surface of the exhaust pipe scatters and enters from the hole of the protector cover provided in the linear air-fuel ratio sensor at the start etc., and gets wet to the high temperature sensor element heated by the heater. Focusing on the fact that the sensor element is cracked by this, a technique of a heater control device for preventing this is proposed (for example, Patent Document 1).
また、機関始動時に、排気管内やセンサ内部に、液状の水分が存在に液状の水分が存在している場合、機関始動から所定期間経過するまで、リニア空燃比センサがセンサ活性化に至る温度まで昇温可能な電力よりも低い電力でヒータを制御し、排気管内の水分を沸騰させないように蒸発させるヒータ制御装置の技術が提案されている(例えば、特許文献2)。 Also, when the engine is started, if liquid moisture exists in the exhaust pipe or inside the sensor, the temperature until the linear air-fuel ratio sensor activates the sensor until a predetermined period of time elapses after the engine is started. There has been proposed a technique of a heater control device that controls a heater with electric power lower than electric power that can raise the temperature and evaporates water in an exhaust pipe so as not to boil (for example, Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1では、排気管内に存在する液状の水分がプロテクタカバーの穴からプロテクタカバー内に侵入してセンサ素子に直接かかり、センサ素子が割れることを防止するために、ヒータの通電を制限するが、水分によるセンサ素子割れは、プロテクタカバーの穴からプロテクタカバー内に水が侵入するケース以外にも、プロテクタカバー内で排気管内の水蒸気が結露し、センサ素子表面に水分が付着するケースがあり、この点については考慮されていない。 However, in Patent Document 1, in order to prevent liquid moisture present in the exhaust pipe from entering the protector cover through the hole of the protector cover and directly applied to the sensor element, the energization of the heater is limited. However, sensor element cracking due to moisture is not only the case where water enters the protector cover from the hole in the protector cover, but there are cases where moisture in the exhaust pipe condenses inside the protector cover and moisture adheres to the surface of the sensor element. Yes, this point is not considered.
例えば、機関停止後、10分間から1時間程度の如く、比較的短時間の放置後に機関を再始動する場合には、内燃機関の冷却水温はあまり下がらないものの、排気管の温度は該排気管周囲の外気温度と同等程度までに冷却されることから、排気管内に溜まった水蒸気が結露し、リニア空燃比センサの内部にも結露が生じる。そして、結露水はセンサ素子及びヒータの各表面に付着する。この状態で、ヒータの温度を直ぐに600℃に達するようなヒータ制御を行なうと、センサ素子におけるヒータからの熱を受ける面側とその面の反対面側との間には大きい温度差が生じ、センサ素子には過大な熱応力が生じることになり、センサ素子が破損してしまう虞れがある。 For example, when the engine is restarted after being left for a relatively short period of time, such as 10 minutes to 1 hour after the engine is stopped, the cooling water temperature of the internal combustion engine does not drop much, but the temperature of the exhaust pipe is Since it is cooled to the same level as the ambient outside air temperature, water vapor accumulated in the exhaust pipe is condensed, and condensation is also generated inside the linear air-fuel ratio sensor. And dew condensation water adheres to each surface of a sensor element and a heater. In this state, if the heater control is performed so that the temperature of the heater immediately reaches 600 ° C., a large temperature difference occurs between the surface side of the sensor element that receives heat from the heater and the opposite surface side of the surface, An excessive thermal stress is generated in the sensor element, and the sensor element may be damaged.
特許文献2に示されている技術は、センサ内部に液状の水分が存在した場合に、センサ活性化に至る温度まで昇温可能な電力よりも低い電力でヒータを制御し、センサ内部の水分を沸騰させることなく緩慢に蒸発させる技術であるが、センサ本体内の水分がなくなった時にヒータを活性化通電制御に切り換えることに関する提案がされておらず、排気管内やセンサ内に存在する水分を測定する事は困難と思われ、実用化の面に大きな課題があった。
In the technique disclosed in
このため、活性化通電制御に切り換える条件を設定する手段としては、予め実験で始動後の排気管壁面の温度変化から間接的に水分がなくなるまでの期間(始動後経過時間等)を運転条件や環境条件の組合せ毎に測定し、実際の運転では、運転条件、環境条件に応じて実験で測定した期間が経過した後に、活性化通電制御に切り換える方法が考えられる。 For this reason, as a means for setting the condition for switching to the activation energization control, a period from the temperature change of the exhaust pipe wall surface after the start in the experiment to the time when the moisture is indirectly lost (elapsed time after the start, etc.) It can be measured for each combination of environmental conditions, and in actual operation, a method of switching to activation energization control after a period measured in an experiment according to the operating conditions and environmental conditions is considered.
しかし、この方法では、実験で測定できるのは、限られた運転条件や環境条件の組合せとなるので、実際の運転で水分が存在する間にヒータを活性化通電制御に切り換わることがないように、ワーストケースの最長期間、または測定した期間にマージンを加算した期間が経過した後に活性化通電制御へ切り換えることになる。 However, in this method, what can be measured in the experiment is a combination of limited operating conditions and environmental conditions, so that the heater is not switched to activation energization control while moisture is present in actual operation. In addition, the switching to the activation energization control is performed after the longest period of the worst case or the period obtained by adding the margin to the measured period has elapsed.
また、何れの従来技術も、ヒータ加熱の最適な時期については、考慮されておらず、触媒が不活性で、LAFセンサが活性状態であるようなエネルギの無駄な状態の発生が危惧される。 In any of the prior arts, the optimum timing for heating the heater is not taken into consideration, and there is a concern that a wasteful state of energy such as the catalyst being inactive and the LAF sensor being in an active state may occur.
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、排気ガスセンサの活性化時期を最適化して排気性能を悪化させることなく燃費向上が図られると共に、排気ガスセンサのセンサ素子に付着する水分の存在による当該センサ素子の破損を防止することができる排気ガスセンサのヒータ制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems described above, and the object of the present invention is to optimize the activation timing of the exhaust gas sensor and improve the fuel consumption without deteriorating the exhaust performance. An object of the present invention is to provide a heater control device for an exhaust gas sensor capable of preventing damage to the sensor element due to the presence of moisture adhering to the sensor element.
前記目的を達成するために、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、ヒータ通電開始後にセンサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第1ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第1期間を設定し、前記第1期間では前記ヒータに対する通電を前記第1ウォームアップ通電とし、前記第1期間が経過、あるいは前記第1期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第1ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換える。 In order to achieve the above object, an exhaust gas sensor heater control apparatus according to the present invention is an exhaust gas sensor heater control apparatus having a sensor element including a theoretical air-fuel ratio detection unit and a heater for heating the sensor element. It has a discriminating means for discriminating whether or not the electromotive force or electromotive force change amount generated by the theoretical air-fuel ratio detection unit of the sensor element has become a predetermined value or more, and is heated at a temperature lower than the sensor activation temperature after the heater energization is started. A first period for performing the first warm-up energization for the heater is set, and in the first period, the energization for the heater is the first warm-up energization, and the first period has elapsed or the first When the determination means makes a positive determination during the period, the heater is energized at a temperature higher than the heating temperature of the first warm-up energization. It switched to the activation energized.
また、前記目的を達成するために、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、ヒータ通電開始後にセンサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第1ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第1期間と、前記第1期間経過後に前記第1期間よりも更に低い温度で加熱を行う第2ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第2期間を設定し、前記第1期間では前記ヒータに対する通電を前記第1ウォームアップ通電とし、前記第期間では前記ヒータに対する通電を前記第2ウォームアップ通電とし、前記第2期間が経過、あるいは前記第1期間あるいは前記第2期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前第1ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換える。 In order to achieve the above object, a heater control device for an exhaust gas sensor according to the present invention is a heater control device for an exhaust gas sensor having a sensor element including a theoretical air-fuel ratio detector and a heater for heating the sensor element. And determining means for determining whether the electromotive force or the electromotive force change amount generated by the theoretical air-fuel ratio detection unit of the sensor element is equal to or higher than a predetermined value, and a temperature lower than the sensor activation temperature after the heater energization is started. A first period in which a first warm-up energization is performed on the heater, and a second warm-up energization is performed on the heater that is heated at a lower temperature than the first period after the first period has elapsed. A second period is set, the energization to the heater is the first warm-up energization in the first period, and the heater is energized in the first period. Is the second warm-up energization, and when the second period has elapsed, or when the determination means makes an affirmative determination in the first period or the second period, the heater is energized as a heating of the previous first warm-up energization. Switch to activation energization that heats at a temperature higher than the temperature.
また、前記目的を達成するために、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、センサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第1ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第1期間と、前記第1期間よりも更に低い温度で加熱を行う第2ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第2期間とを設定し、ヒータ通電開始後に前記第1期間による第1ウォームアップ通電と前記第2期間による第2ウォームアップ通電を繰返し行い、その繰返し回数が所定値になるか、あるいは前記第1期間あるいは前記第2期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第1ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換える。 In order to achieve the above object, a heater control device for an exhaust gas sensor according to the present invention is a heater control device for an exhaust gas sensor having a sensor element including a theoretical air-fuel ratio detector and a heater for heating the sensor element. And determining means for determining whether the electromotive force or the amount of change in electromotive force generated by the theoretical air-fuel ratio detection unit of the sensor element has exceeded a predetermined value, and heating is performed at a temperature lower than the sensor activation temperature. A first period in which the first warm-up energization is performed on the heater, and a second period in which a second warm-up energization is performed on the heater in which the heating is performed at a temperature lower than the first period; After the heater energization is started, the first warm-up energization in the first period and the second warm-up energization in the second period are repeated, and the number of repetitions reaches a predetermined value. , Or when the determination means has positive determination in the first period or the second time period, the power supply to the heater, switching to the activation current of performing high temperature heat than the heating temperature of the first warm-up power.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第1期間に行なう第1ヒータウォームアップ通電は、前記センサ素子が昇温する温度が250℃から300℃の範囲である。 In the exhaust gas sensor heater control device according to the present invention, preferably, the first heater warm-up energization performed in the first period is such that the temperature of the sensor element rises from 250 ° C to 300 ° C.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第2期間に行なう第2ヒータウォームアップ通電は、前記センサ素子が昇温する温度が50℃から100℃の範囲である。 In the exhaust gas sensor heater control device according to the present invention, preferably, in the second heater warm-up energization performed in the second period, the temperature at which the sensor element rises is in the range of 50 ° C to 100 ° C.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第1期間中に前記判別手段が肯定判定した時には、前記第1期間を開始してから前記判定手段が肯定判定するまでの期間を記憶する記憶手段を設け、前記記憶手段に記憶された期間情報を基づいて前記第1期間を可変設定する。 The heater control device for an exhaust gas sensor according to the present invention preferably stores a period from the start of the first period until the determination unit makes an affirmative determination when the determination unit makes an affirmative determination during the first period. A storage unit configured to variably set the first period based on the period information stored in the storage unit.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記記憶手段に記憶された前記期間情報が所定範囲外である場合には、前記第1期間を所定範囲内の値に設定する。 The heater control apparatus for an exhaust gas sensor according to the present invention preferably sets the first period to a value within the predetermined range when the period information stored in the storage means is outside the predetermined range.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、ヒータ通電切換時のヒータ通電を所定量ずつ徐々に変化させる。 The heater control device for an exhaust gas sensor according to the present invention preferably changes the heater energization at the time of heater energization switching gradually by a predetermined amount.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第1期間あるいは前記第2期間が経過したことを判定するパラメータが経過時間である。 In the exhaust gas sensor heater control apparatus according to the present invention, preferably, a parameter for determining that the first period or the second period has elapsed is an elapsed time.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第1期間あるいは前記第2期間が経過したことを判定するパラメータが内燃機関に吸入される吸入空気量の積算値である。 In the heater control apparatus for an exhaust gas sensor according to the present invention, preferably, the parameter for determining that the first period or the second period has elapsed is an integrated value of the intake air amount taken into the internal combustion engine.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第1期間あるいは前記第2期間が経過したことを判定するしきい値を内燃機関の運転状態に応じて設定する。 The heater control apparatus for an exhaust gas sensor according to the present invention preferably sets a threshold value for determining whether the first period or the second period has elapsed according to the operating state of the internal combustion engine.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記ヒータはデューティ信号によって駆動され、デューティ比制御によってヒータ通電を制御する。 In the heater control apparatus for an exhaust gas sensor according to the present invention, preferably, the heater is driven by a duty signal and the heater energization is controlled by duty ratio control.
排気ガスセンサのヒータ加熱の最適化が図られ、消費電力の抑制による燃費向上効果、排気管の水被りによる素子割れ防止効果が期待できる。 Optimization of heater heating of the exhaust gas sensor can be achieved, and an effect of improving fuel efficiency by suppressing power consumption and an effect of preventing element cracking due to water covering of the exhaust pipe can be expected.
本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態を、図を参照して説明する。
図1は、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置を適用される内燃機関及びその制御システムの全体構成を示している。
An embodiment of a heater control device for an exhaust gas sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the overall configuration of an internal combustion engine to which a heater control device for an exhaust gas sensor according to the present invention is applied and its control system.
内燃機関10は、多気筒機関として、複数個の気筒11を有する。気筒11は、各々、往復運動するピストン12と燃焼室13とで構成されている。
The
内燃機関10には、各気筒11毎に、点火コイル・パワースイッチ手段14と接続された点火プラグ15が配置されると共に、吸気ポート16を開閉する吸気弁17と、排気ポート18を開閉する排気弁19とが設けられている。
In the
吸気ポート16には、吸気管20、エアクリーナ21が順に接続されている。吸気管20には、吸気ポート16へ向けて燃料を噴射するインジェクタ(燃料噴射弁)22が設けられていると共に、燃焼室13に吸入される吸入空気量を計量するエアフローセンサ23、スロットルバルブ24の開度を計測するスロットル開度センサ25、アイドル時のエンジン回転数が目標回転数になるように制御するアイドルスピードコントロールバルブ(ISC)26が各々の適宜位置に配置されている。インジェクタ22は、各気筒11毎に配置され、マルチポイントインジェクション(MPI)システム化された燃料噴射方式を採用している。
An
排気ポート18には、排気管29、触媒コンバータ30、マフラ31が順に接続されている。
An
内燃機関10には、冷却水温を計測する冷却水温センサ27、エンジン回転数を計測するクランク角センサ28が各々の適宜位置に配置されている。
The
吸気管20の上流部に設けられたエアクリーナ21から吸入された空気は、スロットルバルブ24によって流量を調節された後、インジェクタ(燃料噴射弁)22から所定のタイミングで噴射されたガソリンと混合されて各燃焼室13内に供給される。
Air sucked from an
一方、燃料タンク33からの燃料は、燃料ポンプ34によって吸引・加圧された後、プレッシャレギュレータ35を備えた燃料管36を通ってインジェクタ22の燃料入口部に導かれ、余分な燃料は燃料タンク33に戻される態様で、インジェクタ22に供給される。
On the other hand, the fuel from the
燃焼室13内に供給された混合気は点火プラグ15によって点火され、混合気の燃焼による生じる排気ガスは、排気管29を通って触媒コンバータ30に導かれ、触媒コンバータ30によって浄化された後、大気中に排出される。
The air-fuel mixture supplied into the
排気管29には排気空燃比(酸素濃度)に対してリニアな空燃比信号を出力する排気ガスセンサの一態様であるリニア空燃比センサ32が適宜位置に配置されている。
In the
エアフローセンサ23から得られる吸入空気量を示す出力信号とスロットル開度センサ25からの出力信号と、冷却水温センサ27、クランク角センサ28及びリニア空燃比センサ32からの各出力信号は、エンジンコントロールユニット(ECU)40に入力される。
The output signal indicating the intake air amount obtained from the
ECU40は、コンピュータ式のものであり、車室あるいはエンジンルーム内に配置され、前述した各種のセンサから出力される内燃機関10の運転状態を示す電気的な信号に基づいて、所定の演算処理を行ない、運転状態に応じた最適制御を行うべく、燃料を噴射供給するインジェクタ22の開閉、点火プラグ15の駆動、及びアイドルスピードコントロールバルブ26の開閉を行う信号を各々出力し、併せて燃料ポンプ34の制御を行う。そして、ECU40は、各気筒11の吸気行程と燃料噴射タイミングを合わせて各気筒毎にインジェクタ22から燃料を噴射する制御を行う。
The
ECU40は、演算処理を行うCPU41と、基準となる時間(クロック信号)を生成するクロック発生器42と、多数の制御プログラムを記憶するROM43及びRAM44と、タイマカウンタ45と、入出力インターフェイス(I/O)46と、出力回路47と、デジタル入力回路48と、A/D(アナログ/デジタル)変換器49と、アナログ入力回路50とを有している。
The
ECU40は、具体的には、吸入空気量及び設定された空燃比に基づいてインジェクタ22から各気筒11に供給すべき要求燃料量を算出すると共に、該要求燃料量と、インジェクタ22の噴射量特性である流量傾斜及び無効噴射パルス幅とに基づいて要求噴射パルス幅(インジェクタ22の開弁時間)を演算し、該要求燃料噴射パルス幅に基づいてインジェクタ22が噴射パルスの時間分の開弁を行う指令信号(駆動信号)を生成する。また、吸入空気量及びエンジン回転数等に基づいてインジェクタ22の噴射時期を演算し、吸気行程に同期させると共に、吸気行程中の燃料噴射時期を最適なタイミングに設定し、該タイミングに基づいてインジェクタ22、点火コイル・パワースイッチ手段14に駆動信号を出力する。
Specifically, the
図2(a)は、リニア空燃比センサ32の構成例を示している。リニア空燃比センサ32は、ジルコニア固体電解質等により構成された排気ガスセンサ素子(以下、センサ素子)32Sと、センサ素子32Sを加熱するヒータ32Hとを有し、これらが共にプレート状である、いわゆる板型の排気ガスセンサであり、センサ素子32Sとヒータ32Hとは所定の間隔をおいて平行配置されている。
FIG. 2A shows a configuration example of the linear air-
センサ素子32Sは、Ipセル部32S−Ipと、Vsセル部(理論空燃比検出部)32S−Vsとを有し、Vsセル部32S−Vsの両側に、排気ガスを導入する測定室32Aと大気を導入する大気室(酸素基準室)32Bとを画定している。
The
リニア空燃比センサ32は、排気管29の排気ガス中に含まれる残存酸素量を検出して排気ガスの実空燃比を測定し、その酸素濃度に応じた電気信号をECU40に出力する。
The linear air-
つまり、リニア空燃比センサ32では、測定される空燃比に対してセンサ素子32SのIpセル部32S−Ipに流れる空燃比測定電流Ipが変化し、この空燃比測定電流Ipを、センサ電圧制御部(空燃比検出部)401の測定用抵抗に流し、当該測定用抵抗の両端に生じるセンサ電圧を測定し、当該センサ電圧から排気ガスの実空燃比が換算される。排気ガスの実空燃比A/Fと空燃比測定電流Ipとの関係を、図2(b)に示す。
That is, in the linear air-
センサ電圧制御部401は、測定室32Aに導入される排気ガスが理論空燃比より薄い場合には測定室32A内の酸素を排気ガス中に放出するように、逆に測定室32Aに導入される排気ガスが理論空燃比より濃い場合には測定室32A内に酸素を取り込むように空燃比測定電流Ipを流す方向、大きさを調整する。
On the contrary, the sensor
Vsセル部32S−Vsは、測定室32Aに接する面と大気室32Bに接する面に各々電極を設けられていて、構造的には従来からある排気ガスセンサとして用いられているO2センサと同様の形態であり、電極の両端には測定室32Aの酸素濃度(空燃比A/F)に応じて図2(c)に示されているような特性の起電力Vsを生じ、当該起電力Vsを起電力検出部402によって検出される。
The
Vsセル部32S−Vsの起電力Vsはセンサ素子温度に依存し、約300℃付近ではリッチ(濃い)/リーン(薄い)を判別するのに十分な起電力Vsを生じるが、センサ素子温度が低い(100℃付近)ほど生じる起電力Vsは小さくなる。起電力検出部402によって検出される起電力Vsよりセンサ電圧制御部401が測定室32S内のリッチ(濃い)/リーン(薄い)の状態を判定し、これに基づいて空燃比測定電流Ipの極性(流れ方向)を制御する。
The electromotive force Vs of the
ヒータ32Hは、セラミックヒータ等により構成され、ヒータ通電制御部403によって、エンジン回転数、冷却水温に応じて通電状態を制御される。
The
本実施形態では、センサ電圧制御部401、起電力検出部402、ヒータ通電制御部403は、コンピュータ式のECU40によって具現化される。
In the present embodiment, the sensor
図3(a)、(b)は、リニア空燃比センサ32を保護するプロテクタ構造を示している。このプロテクタ構造は、内側プロテクタチューブ321と外側プロテクタチューブ322との二重構造となっていて、内側プロテクタチューブ321に設けられた穴323と外側プロテクタチューブ322に設けられた穴324とが重ならないように、若しくはセンサ素子32Sの配置位置には穴を設けないようにされている。
3A and 3B show a protector structure for protecting the linear air-
これにより、排気管29の内壁表面の結露水が、排気ガスの流れに乗って外側プロテクタチューブ322、内側プロテクタチューブ321にかかっても、これらプロテクタチューブに設けられた穴323、324からの結露水が、直接、センサ素子32Sにかからないようになっている。
Thereby, even if the dew condensation water on the inner wall surface of the
しかし、このような構造がとられても、センサ素子32S自体が露点温度以下になれば、別の問題が生じる。なぜならば、排気ガス中の水蒸気が内側プロテクタチューブ321の内部で結露するからである。
However, even if such a structure is adopted, another problem arises if the
特に、エンジン始動時には、最初の爆発が起こるまでは、吸気効率を上げ、かつ、必要な空燃比を14.7以下にして回転が維持されるので、吸入空気量はアイドル時よりも大きくなる。ここで、エンジン水温が10℃以下の場合には、内燃機関10の暖気を促進するために、通常のアイドル回転数よりも回転数を1000〜1500r/min程度に高く設定し、また空燃比を若干濃く設定するので、通常のアイドル時よりも多くの燃料が噴射され、排気ガス中の水蒸気も5〜10g/min程度発生する。さらに、水温10℃以下での場合には、リニア空燃比センサ32付近の排気管29の温度は外気温度に相当するので、水蒸気が冷却され、リニア空燃比センサ32の内部にも結露水が付着してしまう。
In particular, when the engine is started, the intake efficiency is increased and the required air-fuel ratio is maintained at 14.7 or less until the first explosion occurs, so that the rotation is maintained. Here, when the engine water temperature is 10 ° C. or lower, in order to promote warming up of the
図4(a)は、リニア空燃比センサ32のセンサ素子32Sの結露水付着状態を、図4(b)、(c)は、リニア空燃比センサ32のセンサ素子32Sの温度変化を示している。図4(a)に示されているように、リニア空燃比センサ32は、センサ素子32Sと該センサ素子32Sを加熱するヒータ32Hとが共にプレート状に所定間隔で配列されているから、センサ素子32Sは、ヒータ32Hに対面するヒータ面32Saと、ヒータ32Hから遠い側の面(結露水付着面)32Sbとを有する。
4A shows the state of condensed water adhesion of the
排気管29が外気温度によって冷却され、センサ素子32S、ヒータ32Hに結露水が存在する状態で内燃機関10を始動させ、ヒータ32Hがセンサ素子32Sの活性化温度(600℃)に設定される(以下、活性化通電とする)と、図4(b)に示されているように、センサ素子32Sのうち、ヒータ面32Saではヒータ32Hの輻射熱によって急速に温度上昇し、結露水が蒸発し、ヒータ32Hとほぼ同じ温度になる。
The
一方で、ヒータ32Hから遠い側の面32Sbでは、熱伝達の遅れによって結露水が未だ蒸発されず、結露水が蒸発されるまでの時間は、水の沸点である100℃の表面温度に維持され、その蒸発後に活性化温度(600℃)に達することになる。
On the other hand, on the surface 32Sb far from the
つまり、ヒータ32Hから遠い側の面32Sbでは、結露水の蒸発後に急激に活性化温度に達することから、図4(c)に示されているように、単位時間当りの温度上昇率も高くなるので、センサ素子32S内部には、大きな熱応力が生じ、センサ素子32Sの破損の原因となる。
That is, on the surface 32Sb far from the
このため、結露水がセンサ素子32Sの表面から全て蒸発するまでの間は、センサ素子32Sの温度を低く、例えば、100℃に保ち、素子表面の結露水を蒸発させながら、しかも、センサ素子32Sに熱応力が生じないよう、ヒータ32Hの通電を制御する(以下、この通電制御をウォームアップ通電と云う)ことで、センサ素子32Sの破損を防止する必要がある。
For this reason, the temperature of the
しかしながら、センサ素子32Sが活性化しない状態では、排気ガスの空燃比を目標値に保つ空燃比制御が行なえず、排気ガス中のNOx、HC、CO成分の量が増加するという問題がある。
However, when the
このことに対して、本実施形態の排気ガスセンサのヒータ制御装置では、このようなセンサ素子32Sの破損を防止しつつ、センサ素子32Sに付着した結露水が全て蒸発した時点を適切に判定し、ウォームアップ通電を終了して活性化通電に切り換えるために、該リニア空燃比センサ32のVsセル部(理論空燃比検出部)32S−Vsが従来のO2センサと同等の構造であり、リニア空燃比センサ32の活性化温度(600℃)よりも低い(300℃)で起電力が生じることに着目して、以下のようにヒータ制御を行う。
On the other hand, in the heater control apparatus for the exhaust gas sensor of the present embodiment, while preventing such breakage of the
図5は、ヒータ制御装置(ECU40に内蔵)の一つの実施形態を示している。ヒータ制御装置は、判定手段404と、前回のヒータ通電時に判定手段404が肯定判定するまでの期間(時間)を記憶する記憶手段405と、記憶手段405に記憶されている情報の異常を判定する照合手段406とを有する。判定手段404は、センサ素子32SのVsセル部(理論空燃比検出部)32S−Vsが生じる起電力Vsまたは起電力変化量が所定値以上になったか否やを判別する判別手段である。さらに、運転状態検出手段407によってヒータ制御に必要なパラメータを求め、ヒータ通電制御部403による通電制御によってヒータ32Hの温度制御を行なっている。
FIG. 5 shows an embodiment of the heater control device (built in the ECU 40). The heater control device determines a
図6は本発明の実施形態1を示すタイミングチャートである。実施形態1では、センサ素子32Sを300℃相当まで昇温できるように、ヒータ32Hを通電(第1ウォームアップ通電)して加熱した時、Vsセル部32S−Vsの起電力Vsがヒータ通電開始後に所定量の変化があれば、センサ素子32Sの表面に結露水が付着していないためセンサ素子32Sが昇温したと判断できるので、この場合には、ヒータ32Hに対する通電を活性化通電に切り換える。
FIG. 6 is a timing chart showing the first embodiment of the present invention. In the first embodiment, when the
これに対し、Vsセル部32S−Vsの起電力Vsがヒータ通電開始時点から変化がない場合は、結露水がセンサ素子32Sの表面に付着し蒸発している過程のためにセンサ素子32Sが昇温しない(図4(b)の100℃に停滞している状態)と判断してヒータ通電開始時点から第1期間(300℃保持時間T1)が経過するまで、活性化通電の開始を遅延させることで、センサ素子32S表面の結露水の有無を判定する。
On the other hand, when the electromotive force Vs of the
第1期間に行う第1ウォームアップ通電は、センサ素子32Sが昇温する温度が250℃から300℃程度の範囲の通電でよい。
The first warm-up energization performed in the first period may be energization in which the temperature at which the
図7のフローチャートを用いて実施形態1の動作について説明する。
まず、ステップS701では、内燃機関10の回転数から完爆状態か否かを判定し、完爆状態であれば、ステップS703に進み、ステップS701が否定であれば、ステップS702でヒータ32Hをオフして終了する。
The operation of the first embodiment will be described using the flowchart of FIG.
First, in step S701, it is determined from the number of revolutions of the
ステップS703では、300℃保持時間T1(第1期間)を計測するタイマを初期化し、300℃保持時間T1を設定する。 In step S703, a timer for measuring the 300 ° C. holding time T1 (first period) is initialized, and the 300 ° C. holding time T1 is set.
つぎに、ステップS704では、ヒータ通電制御部403によりヒータ目標温度を300℃相当の第1ウォームアップ通電(以下、第1ヒータ通電と云う)に設定し、ヒータ32Hに対してヒータ通電を行い、センサ素子32Sの加熱を行なう。
Next, in step S704, the heater
つぎに、ステップS705では、リニア空燃比センサ32のVsセル部32S−Vsの起電力Vsを測定した起電力検出部402の電圧のヒータ通電開始時からの変化量としきい値SL1を判定手段404によって比較判定する。図6の例では、起電力Vsが生じると、起電力検出部402の電圧が低下する検出回路の構成となっている。
Next, in step S705, the determination means 404 determines the amount of change of the voltage of the electromotive
ステップS705が否定なら、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1でなければ、ステップS706へ進み、300℃保持時間T1が経過するまでの間、ステップS704の第1ヒータ通電と、ステップS705の判定を繰返し実施する。 If step S705 is negative, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process proceeds to step S706, and the first heater energization in step S704 is performed until the 300 ° C. holding time T1 elapses. The determination in step S705 is repeated.
これに対し、ステップS705が肯定ならば、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1であれば、ステップS707へ進む。また、300℃保持時間T1が経過してもステップS705が否定ならば(ステップS706肯定)、ステップS707へ進む。 On the other hand, if step S705 is positive, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process proceeds to step S707. If step S705 is negative even after the 300 ° C. holding time T1 has elapsed (YES at step S706), the process proceeds to step S707.
ステップS707では、ヒータ目標温度を600℃相当のヒータ通電(活性化通電)を実施し、第1ウォームアップ通電を終了する。 In step S707, heater energization (activation energization) corresponding to a heater target temperature of 600 ° C. is performed, and the first warm-up energization is terminated.
上述の制御により、結露水がセンサ素子32Sの表面から全て蒸発するまでの間は、センサ素子32Sの温度が、例えば、100℃に保たれ、素子表面の結露水を蒸発させながら、しかも、センサ素子32Sに熱応力が生じないよう、ヒータ32Hに対して第1ウォームアップ通電(第1ヒータ通電)が行われ、Vsセル部32S−Vsの起電力Vsが変化すれば、素子表面の結露水がすべて蒸発として、直ちに第1ウォームアップ通電を終了し、活性化通電が開始されることになる。これにより、素子表面の結露水によるセンサ素子32Sの破損が防止される共に、センサ活性化時期が最適化され、排気性能を悪化させることなく燃費向上が図られる。
By the above-described control, the temperature of the
また、ヒータ機能の故障等の理由により、ヒータ通電開始後、予め設定された300℃保持時間T1を経過してしまう場合には、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1にならなくても、第1ウォームアップ通電を終了して活性化通電へ遷移し、その後、故障診断等を実施する。 Further, when the preset 300 ° C. holding time T1 has elapsed after the start of energization of the heater due to a failure of the heater function or the like, the electromotive force detection unit voltage change amount> the threshold value SL1 does not hold. In this case, the first warm-up energization is terminated and the transition to activation energization is performed, and then failure diagnosis or the like is performed.
図8は、本発明の実施形態2を示すタイミングチャートである。実施形態2では、センサ素子32S表面に結露水が付着していない場合は、第1ヒータ通電(第1ウォームアップ通電)を開始した後に、起電力検出部電圧変化量<SL1となるまでの時間は、ほぼ一定(水の蒸発がないので、ヒータ32Hが発生する熱量が同一ならセンサ素子32Sが300℃相当に昇温する時間は、はぼ再現性がある)であることに着目し、このことに基づいて300℃保持時間T1A(第1期間)を設定し、300℃保持時間T1Aの間は、第1ヒータ通電を実施し、300℃保持時間T1Aが経過した時点で、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1であれば、最初からセンサ素子32S表面に結露水が付着していなかったと判断して、第1ウォームアップ通電を直ちに終了して活性化通電を開始する。
FIG. 8 is a timing chart showing the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, when the condensed water is not attached to the surface of the
なお、300℃保持時間T1Aは、センサ素子32Sに結露水が付着していない状態で第1ヒータ通電を実施した時に、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1になる時間にマージンを加算して設定する。
The 300 ° C. holding time T1A adds a margin to the time when the electromotive force detection unit voltage change> threshold SL1 when the first heater is energized with no dew condensation attached to the
センサ素子32S表面に結露水がある場合は、結露水が蒸発するためセンサ素子32Sの温度は100℃付近で一時的に停滞するので、300℃保持時間T1Aが経過しても、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1でなければ、センサ素子32S表面に結露水が付着していると判断でき、この場合には、ヒータ目標温度100℃相当の第2ウォームアップ通電(以下、第2ヒータ通電と云う)へ切り換え、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1になることを判定し、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1になれば、第2ウォームアップ通電を終了して活性化通電を開始する。
When condensed water is present on the surface of the
これにより、センサ素子32S表面に付着した結露水が蒸発している間は、ヒータ目標温度100℃に下げてセンサ素子32S内部に熱応力がかからないように、ヒータ通電が行われる。
As a result, while the condensed water adhering to the surface of the
また、第2ヒータ通電を開始してから第2期間(100℃保持時間T2)を経過しても、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1にならない場合には、第2ウォームアップ通電を終了して活性化通電を開始する。 Further, if the electromotive force detection unit voltage change> threshold value SL1 is not satisfied even after the second period (100 ° C. holding time T2) has elapsed since the second heater energization is started, the second warm-up energization is performed. And start energization.
第1期間に行う第1ウォームアップ通電は、センサ素子32Sが昇温する温度が250℃から300℃程度の範囲の通電、第2期間に行う第2ウォームアップ通電は、センサ素子32Sが昇温する温度が50℃から100℃程度の範囲の通電でよい。
The first warm-up energization performed in the first period is energization when the temperature of the
図9のフローチャートを用いて実施形態2の動作について説明する。
まず、ステップS901では、内燃機関10の回転数から完爆状態か否かを判定し、完爆状態であれば、ステップS903に進み、ステップS901が否定であれば、ステップS902でヒータ32Hをオフして終了する。
The operation of the second embodiment will be described using the flowchart of FIG.
First, in step S901, it is determined from the rotational speed of the
ステップS903では、300℃保持時間T1A(第1期間)を計測するタイマを初期化し、300℃保持時間T1Aを設定する。 In step S903, a timer for measuring the 300 ° C. holding time T1A (first period) is initialized, and the 300 ° C. holding time T1A is set.
ステップS904では、ヒータ通電制御部403によりヒータ目標温度を300℃相当の第1ウォームアップ通電(第1ヒータ通電)に設定し、ヒータ32Hに対して第1ヒータ通電を行い、センサ素子32Sの加熱を行なう。
In step S904, the heater
つぎに、ステップS905では、リニア空燃比センサ32のVsセル部32S−Vsの起電力Vsを測定した起電力検出部402の電圧のヒータ通電開始時からの変化量としきい値SL1を判定手段404によって比較判定する。図8の例でも、起電力Vsが生じると、起電力検出部402の電圧が低下する検出回路の構成となっている。
Next, in step S905, the
ステップS905が否定なら、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1でなければ、ステップS906へ進み、300℃保持時間T1Aが経過するまでの間、ステップS904の第1ヒータ通電と、ステップS905の判定を繰返し実施する。 If step S905 is negative, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process proceeds to step S906, and the first heater energization in step S904 is performed until the 300 ° C. holding time T1A elapses. The determination in step S905 is repeated.
300℃保持時間T1Aが経過してもステップS905が否定ならば、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1でなければ、ステップS907へ進む。 If step S905 is negative even when the 300 ° C. holding time T1A has elapsed, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process proceeds to step S907.
これに対し、300℃保持時間T1A中に、ステップS905が肯定になれば、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1になれば、直ちにステップS911へ進む。 On the other hand, if step S905 becomes affirmative during the 300 ° C. holding time T1A, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process immediately proceeds to step S911.
ステップS907では、100℃保持時間T2(第2期間)を計測するタイマを初期化し、100℃保持時間T2を設定する。 In step S907, a timer for measuring the 100 ° C. holding time T2 (second period) is initialized, and the 100 ° C. holding time T2 is set.
つぎに、ステップS908では、ヒータ通電制御部403によりヒータ目標温度を100℃相当の第2ウォームアップ通電(以下、第2ヒータ通電と云う)に設定し、ヒータ32Hに対して第2ヒータ通電を行い、センサ素子32Sの加熱を行なう。
Next, in step S908, the
つぎに、ステップS909では、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1の判定を行い、肯定ならば、ステップS911へ進み、否定ならば、ステップS910へ進む。 Next, in step S909, a determination is made that electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, and if affirmative, the process proceeds to step S911, and if negative, the process proceeds to step S910.
ステップS910では、100℃保持時間T2が経過するまでの間、ステップS908の第2ヒータ通電と、ステップS909の判定を繰返し実施する。 In step S910, the second heater energization in step S908 and the determination in step S909 are repeatedly performed until the 100 ° C. holding time T2 elapses.
センサ素子32Sは、常に高温の排気ガスに曝されているから、100℃保持時間T2の間にセンサ素子32S表面の結露水が全て蒸発した後、排気ガスからの受熱によりセンサ素子32Sが暖められて昇温し、ステップS909が肯定判定となることがあるので、本実施形態では、第2ヒータ通電中も、ステップS909の判定を行っている。
Since the
100℃保持時間T2内においてステップS909が肯定、あるいは100℃保持時間T2が経過しても、ステップS909が否定ならば、ステップS911へ進む。 If step S909 is affirmative within the 100 ° C. holding time T2, or if step S909 is negative even after the 100 ° C. holding time T2 has elapsed, the process proceeds to step S911.
ステップS911では、ヒータ目標温度を600℃相当のヒータ通電(活性化通電)を実施し、第1あるいは第2ウォームアップ通電を終了する。 In step S911, heater energization (activation energization) corresponding to a heater target temperature of 600 ° C. is performed, and the first or second warm-up energization is terminated.
図10は、本発明の実施形態3を示すタイミングチャートである。
実施形態3では、図4(c)で説明したように、センサ素子32Sの昇温速度が高いと、センサ素子内部に熱応力が生じることから、ヒータ目標温度を瞬時に切り換えるのではなく、所定値ずつ徐々に変化させることで、センサ素子32Sの昇温速度を緩やかにし、熱応力を抑えたヒータ制御を行う。
FIG. 10 is a timing chart showing the third embodiment of the present invention.
In the third embodiment, as described with reference to FIG. 4C, when the temperature increase rate of the
図11のフローチャートを用いて実施形態3の動作について説明する。
まず、ステップS1101では、内燃機関10の回転数から完爆状態か否かを判定し、完爆状態であれば、ステップS1103に進み、ステップS1101が否定であれば、ステップS1102でヒータ32Hをオフして終了する。
The operation of the third embodiment will be described using the flowchart of FIG.
First, in step S1101, it is determined from the number of revolutions of the
ステップS1103では、300℃保持時間T1A(第1期間)を計測するタイマを初期化し、300℃保持時間T1Aを設定する。 In step S1103, a timer for measuring the 300 ° C. holding time T1A (first period) is initialized, and the 300 ° C. holding time T1A is set.
ステップS1104では、ヒータ通電制御部403によりヒータ目標温度を現在のヒータ目標温度に対して所定値(例えば10℃)を加算した温度であって300℃を超えない温度に設定し、ヒータ32Hに対してヒータ目標温度に応じた第1ウォームアップ通電(第1ヒータ通電)を行い、センサ素子32Sの加熱を行なう。これにより、ヒータ目標温度が急激に変化することがなく、センサ素子32Sの加熱温度が300℃に向けて徐々に上昇する。
In step S1104, the heater
つぎに、ステップS1105では、リニア空燃比センサ32のVsセル部32S−Vsの起電力Vsを測定した起電力検出部402の電圧のヒータ通電開始時からの変化量としきい値SL1を判定手段404によって比較判定する。図10の例でも、起電力Vsが生じると、起電力検出部402の電圧が低下する検出回路の構成となっている。
Next, in step S1105, the determination means 404 determines the amount of change in the voltage of the electromotive
ステップS1105が否定なら、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1でなければ、ステップS1106へ進み、300℃保持時間T1Aが経過するまでの間、ステップS1104の第1ヒータ通電と、ステップS1105の判定を繰返し実施する。 If step S1105 is negative, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process proceeds to step S1106, and the first heater energization in step S1104 is performed until the 300 ° C. holding time T1A elapses. The determination in step S1105 is repeatedly performed.
300℃保持時間T1Aが経過してもステップS1105が否定ならば、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1でなければ、ステップS1107へ進む。 If step S1105 is negative even when the 300 ° C. holding time T1A has elapsed, that is, if the electromotive force detection unit voltage change> threshold value SL1, the process proceeds to step S1107.
これに対し、300℃保持時間T1A中に、ステップS1105が肯定になれば、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1になれば、直ちにステップS1111へ進む。 On the other hand, if step S1105 becomes affirmative during the 300 ° C. holding time T1A, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process immediately proceeds to step S1111.
ステップS1107では、100℃保持時間T2(第2期間)を計測するタイマを初期化し、100℃保持時間T2を設定する。 In step S1107, a timer for measuring 100 ° C. holding time T2 (second period) is initialized, and 100 ° C. holding time T2 is set.
つぎに、ステップS1108では、ヒータ通電制御部403によりヒータ目標温度を現在のヒータ目標温度から所定値(例えば10℃)を減算した値で100℃より大きい温度に設定し、ヒータ32Hに対してヒータ目標温度に応じた第2ウォームアップ通電(第2ヒータ通電)を行い、センサ素子32Sの加熱を行なう。これにより、ヒータ目標温度が急激に変化することがなく、センサ素子32Sの加熱温度が100℃に向けて徐々に降下する。
In step S1108, the heater
つぎに、ステップS1109では、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1の判定を行い、肯定ならば、ステップS1111へ進み、否定ならば、ステップS1110へ進む。 Next, in step S1109, determination is made that electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1. If affirmative, the process proceeds to step S1111. If negative, the process proceeds to step S1110.
ステップS1110では、100℃保持時間T2が経過するまでの間、ステップS1108の第2ヒータ通電と、ステップS1109の判定を繰返し実施する。 In step S1110, the second heater energization in step S1108 and the determination in step S1109 are repeated until the 100 ° C. holding time T2 elapses.
100℃保持時間T2内においてステップS1109が肯定、あるいは100℃保持時間T2が経過しても、ステップS1109が否定ならば、ステップS1111へ進む。 If step S1109 is affirmative within the 100 ° C. holding time T2, or if step S1109 is negative even after the 100 ° C. holding time T2 has elapsed, the process proceeds to step S1111.
ステップS1111では、ヒータ通電制御部403によりヒータ目標温度を現在のヒータ目標温度に対して所定値(例えば10℃)を加算した温度であって600℃を超えない温度に設定し、ヒータ32Hに対してヒータ目標温度に応じたヒータ通電(活性化通電)を行い、センサ素子32Sの加熱を行なう。これにより、ヒータ目標温度が急激に変化することがなく第1あるいは第2ウォームアップ通電が終了し、センサ素子32Sの加熱温度が600℃に向けて徐々に上昇する。
In step S1111, the heater
上述のステップS1104、S1108、S1111では、ヒータ目標温度を所定値ずつ変化させているが、ヒータ目標温度を徐々に変化させる値は、固定値、所定比率もしくは運転状態に応じて可変設定されてもよい。 In steps S1104, S1108, and S1111 described above, the heater target temperature is changed by a predetermined value, but the value for gradually changing the heater target temperature may be variably set according to a fixed value, a predetermined ratio, or an operating state. Good.
図12は、本発明の実施形態4を示すタイミングチャートである。 FIG. 12 is a timing chart showing the fourth embodiment of the present invention.
第4の実施形態は、図8及び図9で説明した実施形態2で、100℃保持時間T2が経過する前に、センサ素子32S表面の結露水が全て蒸発しても、排気ガスの温度が低い状況、例えば、内燃機関10がアイドル状態で放置された状況では、センサ素子32Sが昇温しないので、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1とならず、100℃保持時間T2が経過するまで活性化通電に切り換えられないことを改善している。
点に着目したものである。
The fourth embodiment is the second embodiment described with reference to FIGS. 8 and 9, and even if all the condensed water on the surface of the
It pays attention to the point.
すなわち、実施形態4では、第1ヒータ通電(ヒータ目標温度300℃)を実施する300℃保持時間T1B(第1期間)を、ヒータ通電開始後、複数回設ける構成とした。この場合、第1ヒータ通電を実施する比較的短い300℃保持時間T1B(第1期間)と、第2ヒータ通電を実施する比較的短い100℃保持時間T2B(第2期間)を交互に複数回繰り返すので、センサ素子32S表面の水が全て蒸発した後にも第1ヒータ通電が行われ、排気ガスの温度が低い状況でも、ヒータ32Hからの受熱でセンサ素子32Sが昇温し、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1となって、活性化通電に切り換えることができる。
That is, in the fourth embodiment, the 300 ° C. holding time T1B (first period) for performing the first heater energization (heater target temperature 300 ° C.) is provided a plurality of times after the heater energization is started. In this case, a relatively short 300 ° C. holding time T1B (first period) in which the first heater energization is performed and a relatively short 100 ° C. holding time T2B (second period) in which the second heater energization is performed alternately a plurality of times. Since it repeats, even after all the water on the surface of the
図13は、排気ガスセンサのヒータ制御装置のフローチャートであり、該フローチャートを用いて実施形態4の動作について説明する。 FIG. 13 is a flowchart of the heater control apparatus for the exhaust gas sensor, and the operation of the fourth embodiment will be described using the flowchart.
まず、ステップS1301では、内燃機関10の回転数から完爆状態か否かを判定し、完爆状態であれば、ステップS1303に進み、ステップS1301が否定であれば、ステップS1302でヒータ32Hをオフして終了する。
First, in step S1301, it is determined from the number of revolutions of the
ステップS1303では、300℃保持時間T1B(第1期間)を計測するタイマを初期化し、300℃保持時間T1Bを設定する。 In step S1303, a timer for measuring the 300 ° C. holding time T1B (first period) is initialized, and the 300 ° C. holding time T1B is set.
ステップS1304では、ヒータ通電制御部403によりヒータ目標温度を300℃相当の第1ウォームアップ通電(第1ヒータ通電)に設定し、ヒータ32Hに対して第1ヒータ通電を行い、センサ素子32Sの加熱を行なう。
In step S1304, the heater
つぎに、ステップS1305では、リニア空燃比センサ32のVsセル部32S−Vsの起電力Vsを測定した起電力検出部402の電圧のヒータ通電開始時からの変化量としきい値SL1を判定手段404によって比較判定する。図12の例でも、起電力Vsが生じると、起電力検出部402の電圧が低下する検出回路の構成となっている。
Next, in step S1305, the
ステップS1305が否定なら、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1でなければ、ステップS1306へ進み、300℃保持時間T1Bが経過するまでの間、ステップS1304の第1ヒータ通電と、ステップS1305の判定を繰返し実施する。 If step S1305 is negative, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process proceeds to step S1306 and the first heater energization in step S1304 is performed until the 300 ° C. holding time T1B elapses. The determination in step S1305 is repeatedly performed.
300℃保持時間T1Bが経過してもステップS1305が否定ならば、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1でなければ、ステップS1307へ進む。 If step S1305 is negative even when the 300 ° C. holding time T1B has elapsed, that is, if the electromotive force detection unit voltage change> threshold SL1, the process proceeds to step S1307.
これに対し、300℃保持時間T1B中に、ステップS1305が肯定になれば、つまり、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1になれば、直ちにステップS1312へ進む。 On the other hand, if step S1305 becomes affirmative during the 300 ° C. holding time T1B, that is, if the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1, the process immediately proceeds to step S1312.
ステップS1307では、100℃保持時間T2B(第2期間)を計測するタイマを初期化し、100℃保持時間T2Bを設定する。 In step S1307, a timer for measuring 100 ° C. holding time T2B (second period) is initialized, and 100 ° C. holding time T2B is set.
つぎに、ステップS1308では、ヒータ通電制御部403によりヒータ目標温度を100℃相当の第2ウォームアップ通電(以下、第2ヒータ通電と云う)に設定し、ヒータ32Hに対して第2ヒータ通電を行い、センサ素子32Sの加熱を行なう。
Next, in step S1308, the heater
つぎに、ステップS1309では、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1の判定を行い、肯定ならば、ステップS1312へ進み、否定ならば、ステップS1310へ進む。 Next, in step S1309, a determination is made that electromotive force detection unit voltage variation> threshold value SL1, and if affirmative, the process proceeds to step S1312, and if negative, the process proceeds to step S1310.
ステップS1310では、100℃保持時間T2Bが経過するまでの間、ステップS1308の第2ヒータ通電と、ステップS1309の判定を繰返し実施する。 In step S1310, the second heater energization in step S1308 and the determination in step S1309 are repeatedly performed until the 100 ° C. holding time T2B elapses.
100℃保持時間T2Bが経過しても、ステップS1309が否定ならば、ステップS1311へ進む。 Even if the 100 ° C. holding time T2B has elapsed, if step S1309 is negative, the process proceeds to step S1311.
ステップ1311では、ステップS1303からステップS1310を実施した回数がKN回未満ならば、ステップS1303へ戻り、ステップS1303からステップS1310を繰り返し実施する。これに対し、繰返し回数がKN回となったら、ステップS1312へ進む。 In step 1311, if the number of times that steps S1303 to S1310 have been performed is less than KN times, the process returns to step S1303, and steps S1303 to S1310 are repeated. On the other hand, if the number of repetitions is KN, the process proceeds to step S1312.
ステップS1312では、ヒータ目標温度を600℃相当のヒータ通電(活性化通電)を実施し、第1あるいは第2ウォームアップ通電を終了する。 In step S1312, heater energization (activation energization) corresponding to a heater target temperature of 600 ° C. is performed, and the first or second warm-up energization is terminated.
ここで、ステップS1304で設定されるヒータ目標温度は300℃固定または繰返し回数に応じて変えてもよい。例えば、図12に示すように、ヒータ通電開始後の初回はヒータ目標温度は300℃、2回目以降は300℃よりも低い温度(例えば250℃)としている。これは、初回はセンサ素子32Sが冷えている状態から昇温するのに対し、2回目以降はセンサ素子が100℃相当の状態から昇温するので、初回よりもヒータの発熱量は小さく設定している例を示している。
Here, the heater target temperature set in step S1304 may be fixed at 300 ° C. or changed according to the number of repetitions. For example, as shown in FIG. 12, the heater target temperature is set to 300 ° C. for the first time after the heater energization is started, and is set to a temperature lower than 300 ° C. (for example, 250 ° C.) after the second time. This is because the temperature of the
以下に、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の他の実施形態について説明する。 Hereinafter, another embodiment of the heater control apparatus for the exhaust gas sensor according to the present invention will be described.
(1)第1ヒータ通電(ヒータ目標温度300℃)を実施する300℃保持時間T1、T1Aは、センサの生産ばらつきや経時劣化によるばらつきを考慮してワーストケースの最長期間を設定する必要がある。 (1) The 300 ° C. holding times T1 and T1A for conducting the first heater energization (heater target temperature 300 ° C.) need to set the worst case maximum period in consideration of sensor production variations and variations due to deterioration over time. .
しかしながら、センサ素子32Sに水が付着していた場合、センサ素子32Sに水が付着した状態で、第1ヒータ通電(ヒータ目標温度300℃)が行われる期間が長くなり、図4(c)で説明したセンサ素子32S内部に熱応力を生じさせるので、センサ素子個々に応じた適切な期間を設定することが望ましい。
However, when water has adhered to the
そこで、第1ヒータ通電を開始してから、起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1となるまでの時間(例えば、経過時間T1BCTとする)を不揮発性のメモリ(例えば、バッテリバックアップしたRAM44=記憶手段405)に記憶し、次回のヒータ通電開始時には記憶手段405に記憶した経過時間T1BCTから、300℃保持時間T1、T1Aを設定する構成としてもよい。 Therefore, a time from when the first heater energization is started until the electromotive force detection unit voltage change amount> threshold value SL1 (for example, elapsed time T1BCT) is a non-volatile memory (for example, battery backed up RAM 44). = The storage means 405), and at the next heater energization start, the 300 ° C. holding times T1 and T1A may be set from the elapsed time T1BCT stored in the storage means 405.
また、実測した値を記憶手段405に記憶するので、記憶手段405の故障や、起電力検出部402とセンサ素子32Sをつなぐ信号線に電気ノイズが混入した場合に、誤って起電力検出部電圧変化量>しきい値SL1の肯定判定される場合も考えられるので、記憶手段405に記憶した経過時間T1BCTは、予めROM43に記憶された上下限の範囲外(例えばT1BCTMNからT1BCTMX)であれば、所定値(例えば、T1BCTMX)を300℃保持時間T1、T1Aに設定してもよい。
In addition, since the actually measured value is stored in the
(2)第1期間あるいは第2期間が経過したことを判定するパラメータ、つまり、第1ヒータ通電または第2ヒータ通電を行う期間は、各々のヒータ通電が開始してからの経過時間以外に、内燃機関10が始動してからの吸入空気量の積算値が所定値に達するまでの期間としてもよい。吸入空気量は内燃機関10が発生する熱量に相当するので、吸入空気量の積算値を使ってヒータ32Hを通電する期間を設定することで、排気ガスからの受熱によりセンサ素子32Sや排気管が昇温状況にあった期間を設定できる。なお、ヒータ32Hの発熱量は電源であるバッテリ電圧やヒータを流れる電流を検出することで求めることができるので、センサ素子の昇温状態にあった期間を設定できる。
(2) A parameter for determining that the first period or the second period has elapsed, that is, the period in which the first heater energization or the second heater energization is performed, in addition to the elapsed time from the start of each heater energization, A period from when the
(3)第1ヒータ通電または第2ヒータ通電を行う期間(時間)が経過したことを判定するしきい値は、内燃機関10の運転状態から求めてもよい。例えば、外気温が低い場合は排気管内に発生する結露水の量が多くなるので、センサ素子表面に付着した水が全て蒸発するまでの期間が長くなるので、低外気温ほど期間(時間)を長く設定できる。
(3) The threshold value for determining that the period (time) for conducting the first heater energization or the second heater energization has elapsed may be obtained from the operating state of the
(4)ヒータ32Hの通電を制御する手段として、デューティ信号を使い、第1ヒータ通電、第2ヒータ通電、活性化通電で設定するヒータ目標温度は、デューティ値で設定するような構成としてもよい。つまり、デューティ比制御によってヒータ通電を制御してもよい。デューティ信号は、コントロールユニット40内のクロック発生器42を使って生成できるので、コントロールユニット40に設けるヒータ通電制御部403を簡素化できる。
(4) As a means for controlling energization of the
(5)リニア空燃比センサ32のVsセル部(理論空燃比検出部)32S−Vsの起電力を測定する起電力検出部402の電圧のヒータ通電開始からの変化量としきい値SL1を比較した判定結果により活性化通電へ切り換える際、該判定結果が肯定となってから活性化通電へ切り換えるまでに所定の遅延時間(例えば2秒)を設ける、または、該判定結果が肯定となった状態が所定時間(例えば2秒)連続した時に活性化通電へ切り換える構成としてもよい。
(5) The amount of change in the voltage of the electromotive
図4で説明したように、センサ素子32S表面の結露水が全て蒸発したときに、ヒータ面と結露水付着面との間に温度差があると、温度上昇率が高くなる(図4(b)、(c))要因になることから、例えば、コントロールユニット40の起電力検出部402に接続された信号線にノイズが混入し、判定結果が誤って肯定判定するような誤動作を回避できる。
As described with reference to FIG. 4, when all the condensed water on the surface of the
以上説明した実施形態は、図2で説明した構造のリニア空燃比センサ32に限定されるものではなく、図14に示す構造のリニア空燃比センサ320にも適用できる。なお、図14において、図2に対応する部分は、図2に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
The embodiment described above is not limited to the linear air-
リニア空燃比センサ320は、空燃比測定電流Ipを検出する信号線と、起電力Vsを検出する信号線を共有する構造となっている。空燃比測定電流Ipを停止した状態では、大気室32Bと排気ガスと接するセンサ素子面側との酸素濃度差に応じた起電力Vsのみが信号線に現れるので、ECU40の起電力検出部402で起電力Vsを検出できる。
The linear air-
前述の実施形態で説明したヒータ制御は、何れも機関始動からセンサが活性化温度に至るまでのセンサが活性していない状態についてのヒータ制御であり、空燃比測定電流は停止した状態であることから、図14に示す構造のリニア空燃比センサ320にも適用できる。
The heater control described in the above embodiment is a heater control in a state where the sensor is not activated from the start of the engine until the sensor reaches the activation temperature, and the air-fuel ratio measurement current is in a stopped state. Therefore, the present invention can also be applied to the linear air-
以上の説明から理解できるように、本発明による排気ガスヒータ制御装置は、センサ素子に結露水が付着している場合に、該センサ素子に生じる熱応力が過大にならないよう、結露水が蒸発する間、ヒータ又はセンサ素子の温度を、センサが活性化する温度よりも低く設定してヒータの通電を行なうことで、センサ素子の破損を防止することを目的としたウォームアップ通電を実施している期間中に、センサ素子表面の結露水が蒸発したことを的確に判定し、ウォームアップ通電から活性化通電へ切り換えて排気ガスセンサが活性化する温度まで昇温させることが可能である。 As can be understood from the above description, the exhaust gas heater control device according to the present invention can prevent the condensed water from evaporating so that the thermal stress generated in the sensor element does not become excessive when the condensed water adheres to the sensor element. The period during which warm-up energization is performed to prevent damage to the sensor element by setting the heater or sensor element temperature lower than the temperature at which the sensor is activated and energizing the heater. It is possible to accurately determine that condensed water on the surface of the sensor element has evaporated, and switch from warm-up energization to activation energization to raise the temperature to a temperature at which the exhaust gas sensor is activated.
これにより、排気ガスセンサの活性化をより確実に、かつ従来に比較して早期に行なうことができるので、排気ガスを目標空燃比に制御可能な範囲が拡大できる。従って、ウォームアップ通電による排気ガスセンサの破損防止を行ないつつ、より一層の排気レベルの低減を図ることができる。 As a result, the exhaust gas sensor can be activated more reliably and earlier than in the prior art, so that the range in which the exhaust gas can be controlled to the target air-fuel ratio can be expanded. Therefore, it is possible to further reduce the exhaust level while preventing damage to the exhaust gas sensor due to warm-up energization.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made in the design without departing from the spirit of the invention described in the claims. Is.
10 内燃機関
11 気筒
12 ピストン
13 燃焼室
14 点火コイル・パワースイッチ手段
15 点火プラグ
16 吸気ポート
17 吸気弁
18 排気ポート
19 排気弁
20 吸気管
21 エアクリーナ
22 インジェクタ
23 エアフローセンサ
24 スロットルバルブ
25 スロットル開度センサ
26 アイドルスピードコントロールバルブ(ISC)
27 冷却水温センサ
28 クランク角センサ
29 排気管
30 触媒コンバータ
31 マフラ
32 リニア空燃比センサ
320 リニア空燃比センサ
32S センサ素子
32H ヒータ
32S−Ip Ipセル部
32S−Vs Vsセル部(理論空燃比検出部)
321 内側プロテクタチューブ
322 外側プロテクタチューブ
323、324 穴
33 燃料タンク
34 燃料ポンプ
35 プレッシャレギュレータ
36 燃料管
40 コントロールユニット(ECU)
401 センサ電圧制御部
402 起電力検出部
403 ヒータ通電制御部
404 判定手段
405 記憶手段
406 照合手段
42 クロック発生器
43 ROM
44 RAM
45 タイマカウンタ
46 入出力インターフェイス(I/O)
47 出力回路
48 デジタル入力回路
49 A/D(アナログ/デジタル)変換器
50 アナログ入力回路
DESCRIPTION OF
27 Cooling
321
401 Sensor
44 RAM
45 Timer counter 46 I / O interface (I / O)
47
Claims (12)
前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、
ヒータ通電開始後にセンサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第1ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第1期間を設定し、前記第1期間では前記ヒータに対する通電を前記第1ウォームアップ通電とし、前記第1期間が経過、あるいは前記第1期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第1ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換えることを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。 A heater control device for an exhaust gas sensor having a sensor element including a theoretical air-fuel ratio detection unit and a heater for heating the sensor element,
Determining means for determining whether an electromotive force or an electromotive force change amount generated by the theoretical air-fuel ratio detection unit of the sensor element is equal to or greater than a predetermined value;
A first period in which a first warm-up energization is performed on the heater, which is heated at a temperature lower than the sensor activation temperature after the heater energization is started, and the heater is energized in the first warm-up energization in the first period. When the first period has elapsed or the determination means makes an affirmative determination in the first period, the energization of the heater is switched to activation energization that performs heating at a temperature higher than the heating temperature of the first warm-up energization. A heater control device for an exhaust gas sensor.
前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、
ヒータ通電開始後にセンサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第1ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第1期間と、前記第1期間経過後に前記第1期間よりも更に低い温度で加熱を行う第2ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第2期間を設定し、前記第1期間では前記ヒータに対する通電を前記第1ウォームアップ通電とし、前記第期間では前記ヒータに対する通電を前記第2ウォームアップ通電とし、前記第2期間が経過、あるいは前記第1期間あるいは前記第2期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第1ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換えることを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。 A heater control device for an exhaust gas sensor having a sensor element including a theoretical air-fuel ratio detection unit and a heater for heating the sensor element,
Determining means for determining whether an electromotive force or an electromotive force change amount generated by the theoretical air-fuel ratio detection unit of the sensor element is equal to or greater than a predetermined value;
A first period in which the heater is energized at a temperature lower than the sensor activation temperature after the heater energization is started, and heating at a temperature lower than the first period after the first period has elapsed. A second period in which the second warm-up energization is performed on the heater is set. In the first period, the energization to the heater is the first warm-up energization, and in the first period, the energization to the heater is the second period. When the warm-up energization is performed and the second period has elapsed, or when the determination means makes an affirmative determination in the first period or the second period, the heater is energized at a temperature higher than the heating temperature of the first warm-up energization. A heater control device for an exhaust gas sensor, wherein switching to activation energization for heating is performed.
前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、
センサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第1ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第1期間と、前記第1期間よりも更に低い温度で加熱を行う第2ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第2期間とを設定し、ヒータ通電開始後に前記第1期間による第1ウォームアップ通電と前記第2期間による第2ウォームアップ通電を繰返し行い、その繰返し回数が所定値になるか、あるいは前記第1期間あるいは前記第2期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第1ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換えることを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。 A heater control device for an exhaust gas sensor having a sensor element including a theoretical air-fuel ratio detection unit and a heater for heating the sensor element,
Determining means for determining whether an electromotive force or an electromotive force change amount generated by the theoretical air-fuel ratio detection unit of the sensor element is equal to or greater than a predetermined value;
A first period in which a first warm-up energization is performed on the heater at a temperature lower than the sensor activation temperature, and a second warm-up energization in the heater is performed at a temperature lower than the first period. A second period is set for the heater, and after the heater energization starts, the first warm-up energization by the first period and the second warm-up energization by the second period are repeated, and the number of repetitions reaches a predetermined value, Alternatively, when the determination means makes an affirmative determination in the first period or the second period, the energization of the heater is switched to activation energization that performs heating higher than the heating temperature of the first warm-up energization. A heater control device for an exhaust gas sensor.
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