JP2007303370A

JP2007303370A - 排気ガスセンサおよびその制御装置

Info

Publication number: JP2007303370A
Application number: JP2006132531A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Hattori; 一孝服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-11-22

Abstract

【課題】結露水が排気管の外部の排気ガスセンサに付着しても、排気ガスセンサの素子の破損を防止すると共に排気ガスセンサを正常に作動させることができる排気ガスセンサおよびその制御装置を提供すること。
【解決手段】エンジンが排気ガスを排出するための排気管９の内部にあるヒータ１１と、排気管９の外部にあるヒータ１２とを有する排気ガスセンサ１０のＥＣＵ２０において、ヒータ１２の温度が所定の温度を超えたと判定したときヒータ１２の通電を停止し、ヒータ１２の通電を停止した時点からヒータ停止時間が経過したときにヒータ１２の通電を開始するように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンが排気ガスを排出するための排気管に設けられた排気ガスセンサおよびその制御装置に関する。

従来、排気ガスセンサは、エンジンの排気管などに設けられており、排気管を通る排気ガスの酸素の濃度に応じた電圧を検知するようになっており、ＥＣＵは、排気ガスセンサによって検知された電圧から排気ガスの空燃比を測定し、測定した排気ガスの空燃比に基づいてエンジンを制御していた。

また、エンジン停止後しばらくして再始動するとき、排気管の温度は周囲の外気温度と同等程度にまで冷却されており、排気ガスセンサを構成する素子は冷えやすいため、排気管の内部に溜まった水蒸気による結露水が、排気管に設けられた排気ガスセンサに付着してしまう。結露水が付着している状態で、エンジンを始動させると、排気管内の温度が急上昇して結露水が付着している排気ガスセンサの部分と排気管内との温度差が過大になって、セラミック等からなる排気ガスセンサの素子が割れてしまう。従って、排気ガスセンサにヒータを設け、ヒータで温度の制御をすることで排気ガスセンサに付着した結露水を蒸発させている。

例えば、従来の排気ガスセンサの制御装置としては、排気ガスセンサ素子を加熱するヒータを制御するものであって、エンジンの排気管周囲の外気温度を推定する手段を有しており、外気温度の推定値に応じてヒータの温度を制御することで、排気ガスセンサ素子に付着する結露水を蒸発させて排気ガスセンサ素子の破損を防止するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、図５に示すように、従来の排気ガスセンサ５０には、電圧を検知するための電極５４や排気管９の内部の排気ガスセンサ素子にヒータ５１が設けられており、ＥＣＵ６０がヒータ５１を制御して排気ガスセンサに付着した結露水をヒータ５１で蒸発させている。
特開２００３−９７３２３号公報

しかしながら、従来の排気ガスセンサの制御装置では、排気管にある水蒸気による結露水が、排気管の内部の排気ガスセンサ素子に付着するだけでなく、排気管の外部の排気ガスセンサ素子に付着した場合、排気ガスセンサ素子が破損したり、排気ガスセンサの電極間でリークしたり、正確な電圧を検知することができないという問題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、結露水が排気管の外部の排気ガスセンサに付着しても、排気ガスセンサの素子の破損を防止すると共に排気ガスセンサを正常に作動させることができる排気ガスセンサおよびその制御装置を提供することを目的とする。

本発明の排気ガスセンサの制御装置は、エンジンが排気ガスを排出するための排気管の内部にある第１のヒータと、前記排気管の外部にある第２のヒータとを有する排気ガスセンサの制御装置において、前記第１のヒータおよび前記第２のヒータに通電する制御を行う構成を有している。
この構成により、排気管の外部にある第２のヒータとに通電する制御を行うため、結露水が排気管の外部の排気ガスセンサに付着しても、排気ガスセンサの素子の破損を防止すると共に排気ガスセンサを正常に作動させることができる。

また、本発明の排気ガスセンサの制御装置は、前記第２のヒータの温度が所定の温度を保つように前記第２のヒータの通電を制御する構成を有している。
この構成により、第２のヒータの温度が所定の温度を保つように第２のヒータの通電を制御するため、第２のヒータの温度と排気ガスセンサの素子の温度との差を急激にせずに、排気ガスセンサの素子の破損を防止できる。

また、本発明の排気ガスセンサの制御装置は、前記第２のヒータの温度が前記所定の温度を超えたと判定したとき前記第２のヒータの通電を停止し、前記第２のヒータの通電を停止した時点からヒータ停止時間が経過したときに前記第２のヒータの通電を開始する構成を有している。
この構成により、第２のヒータの温度と排気ガスセンサの素子の温度との差を急激にせずに所定の温度を保つようにすることができる。

また、本発明の排気ガスセンサの制御装置における前記ヒータ停止時間は、前記第２のヒータの通電を開始した直後の温度および前回のヒータ停止時間に基づいて今回のヒータ停止時間を求めたものである構成を有している。
この構成により、早く正確に所定の温度を保つようにすることができる。

また、本発明の排気ガスセンサの制御装置は、前記第２のヒータの抵抗値は、前記第１のヒータの抵抗値よりも小さい構成を有している。
この構成により、第２のヒータが設けられている排気ガスセンサの部分が、第１のヒータが設けられている部分よりも耐熱が強いものではない場合、排気ガスセンサの素子の破損を防止でき、消費電力を少なくすることができる。

本発明の排気ガスセンサは、エンジンが排気ガスを排出するための排気管に設けられた排気ガスセンサにおいて、前記排気管の内部にある第１のヒータと、前記排気管の外部にある第２のヒータとを有する構成を有している。
この構成により、結露水が排気管の外部の排気ガスセンサに付着しても、排気管の外部にある第２のヒータとに通電されたとき、排気ガスセンサの素子の破損を防止すると共に排気ガスセンサを正常に作動させることができる。

以上のように本発明は、結露水が排気管の外部の排気ガスセンサに付着しても、排気ガスセンサの素子の破損を防止すると共に排気ガスセンサを正常に作動させることができる排気ガスセンサおよびその制御装置を提供するものである。

以下、本発明の実施の形態に係る排気ガスセンサおよびその制御装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る排気ガスセンサが排気管に設けられたエンジンの構成図である。図１に示すように、排気ガスセンサ１０は、エンジン１が排気ガスを排出するための排気管９に設けられており、ＥＣＵ２０と接続されている。

なお、本発明の実施の形態に係る排気ガスセンサ１０の制御装置は、図１に示したＥＣＵ２０によって構成されている。また、排気ガスセンサ１０およびＥＣＵ２０は、例えば、エンジン１を搭載する車両に設置されて使用される。

図２は、本発明の実施の形態に係る排気ガスセンサの断面図である。排気ガスセンサ１０は、エンジンの排気管９に取り付けられており、例えば、酸素濃度を検出する酸素センサ、または空燃比センサとして用いられる。排気ガスセンサ１０は、固体電解質基板１３、電極１４、セラミック板１５、および保護カバー１６によって構成されている。

固体電解質基板１３は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなり、電極１４は、白金（Ｐｔ）からなる。また、セラミック板１５は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなる。また、保護カバー１６は、複数の通気孔が開口しており、保護カバー１６の外部から内部へ排気ガスなどが通気可能となっている。

さらに、排気ガスセンサ１０は、図２に示すように、排気管９の内部にヒータ１１および排気管９の外部にヒータ１２を備えている。ヒータ１１およびヒータ１２としては、例えば、通電したときに電気抵抗で発熱するものが用いられる。

なお、本発明の実施の形態では、ヒータ１２が設けられている排気ガスセンサ１０の部分は、ヒータ１１が設けられている部分よりも耐熱が強いものではないため、ヒータ１２の抵抗値は、ヒータ１１の抵抗値よりも小さく設定されている。

また、電極１４およびヒータ１１およびヒータ１２は、ＥＣＵ２０に接続されている。ＥＣＵ２０は、排気ガスセンサ１０やエンジン全体の制御を行うものであり、例えばＣＰＵ、メモリ、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などにより構成される。

ＥＣＵ２０は、排気ガスセンサ１０の電極１４を介して排気管９を通る排気ガスの酸素の濃度に応じた電圧を検知し、例えば、検知された電圧に基づいて排気ガスの空燃比を測定するようになっている。

また、ＥＣＵ２０は、結露水の付着による排気ガスセンサ素子の破損や電極間のリークを防止するため、車両のイグニッションスイッチをＯＮにしたときやエンジンの始動後にヒータ１１に通電を開始すると共にヒータ１２に通電を開始してそれぞれのヒータを発熱させる。

なお、ＥＣＵ２０は、ヒータに通電していたときの電流値とヒータから検知したときの電圧値とからヒータの抵抗値を算出するようになっている。ところで、メモリには、予め記憶されたヒータの抵抗値とヒータの温度とを対応させた対応表が記憶されている。また、ＥＣＵ２０は、抵抗値を算出したときに抵抗値に対応するヒータの温度をこの対応表から求める。

また、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２の温度を急激に上昇して結露水が付着している部分とその周囲との温度差が過大にならないように、ヒータ１２の温度が所定の温度を保つようにヒータ１２の通電を制御するようになっている。例えば、所定の温度は、水の沸点である１００度に設定される。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係る制御装置の動作の一例について、図面を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、イグニッションスイッチがＯＮになる（Ｓ１）と、ＥＣＵ２０は、ヒータ１１に通電を開始すると共にヒータ１２に一定の電流を通電するように開始してそれぞれのヒータを発熱させる（Ｓ２）。なお、ヒータ１１を制御するための以降の動作については省略する。

次に、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２に通電していたときの電流値とヒータ１２から検知したときの電圧値とからヒータ１２の抵抗値を算出し（Ｓ３）、算出した抵抗値からヒータ１２の温度を求める。このとき、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２の温度が所定の温度より大きいか否かを判定する（Ｓ４）。

ヒータ１２の温度が所定の温度より大きい場合、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２の通電を停止し（Ｓ５）、その後、所定時間が経過したか否か判定される（Ｓ６）。なお、時刻とヒータ１２の温度との関係を表したグラフを図４に示す。時刻ｔ１ではステップＳ５が行われ、所定時間は、図３に示すように、露点温度以下にならない時間Ｔ１が設定される。

所定時間が経過したとき、ＥＣＵ２０は、再びヒータ１２に通電するように開始してヒータ１２を発熱させる（Ｓ７）。次に、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２の通電を開始した直後の温度および前回のヒータ停止時間に基づいて、今回のヒータ停止時間を求める（Ｓ８）。

詳細には、ヒータ１２の通電を開始した直後の温度および前回のヒータ停止時間と、今回のヒータ停止時間とを対応させた対応情報が予めメモリに記憶されており、ＥＣＵ２０は、この対応情報に基づいて今回のヒータ停止時間を求める。なお、図４において、前回のヒータ停止時間である時間Ｔ１と時刻ｔ２の温度であれば、今回のヒータ停止時間は、Ｔ２となる。

次に、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２に通電していたときの電流値とヒータ１２から検知したときの電圧値とからヒータ１２の抵抗値を算出し（Ｓ９）、算出した抵抗値からヒータ１２の温度を求める。このとき、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２の温度が所定の温度より大きいか否かを判定する（Ｓ１０）。

ヒータ１２の温度が所定の温度より大きい場合、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２の通電を停止し（Ｓ１１）、その後、ヒータ停止時間が経過したか否か判定される（Ｓ１２）。なお、時刻ｔ３ではステップＳ１１が行われ、ヒータ停止時間は、図４に示すように、時間Ｔ２が設定される。

以降の動作は、ステップＳ７から繰返される。エンジンが始動すれば排気管９の内部が時間の経過につれて温まるため、時間Ｔ２の次のヒータ停止時間は、時間Ｔ２よりも短い時間Ｔ３となる。また、時間Ｔ３の次のヒータ停止時間は、時間Ｔ３よりも短い時間Ｔ４となって、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２の温度が所定の温度を保つよう制御する。

なお、以上の説明では、ヒータの温度は、ヒータの電圧値から求められる抵抗値に基づいて測定されているが、ヒータ付近に温度検知センサを設けて温度検知センサの出力結果で測定されてもよい。また、ヒータ停止時間を可変としているが、ヒータ停止時間を一定としてもよい。また、所定の温度を保った後、結露水が蒸発したと推測される時間が経過した場合には、ＥＣＵ２０は、ヒータ１２の通電を停止するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る排気ガスセンサの制御装置は、排気管９の内部にあるヒータ１１と、排気管９の外部にあるヒータ１２とに通電する制御を行うため、結露水が排気管９の外部の排気ガスセンサに付着しても、排気ガスセンサの素子の破損を防止すると共に排気ガスセンサを正常に作動させることができる。

本発明の実施の形態に係る排気ガスセンサが排気管に設けられたエンジンの構成図本発明の実施の形態に係る排気ガスセンサの断面図本発明の実施の形態に係る制御装置の動作の一例を示すフローチャート時刻とヒータの温度との関係を表したグラフ従来の排気ガスセンサの断面図

符号の説明

１エンジン
９排気管
１０、５０排気ガスセンサ
１１、１２、５１ヒータ
１３固体電解質基板
１４、５４電極
１５セラミック板
１６保護カバー
２０、６０ＥＣＵ

Claims

エンジンが排気ガスを排出するための排気管の内部にある第１のヒータと、前記排気管の外部にある第２のヒータとを有する排気ガスセンサの制御装置において、
前記第１のヒータおよび前記第２のヒータに通電する制御を行うことを特徴とする排気ガスセンサの制御装置。
前記第２のヒータの温度が所定の温度を保つように前記第２のヒータの通電を制御することを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサの制御装置。
前記第２のヒータの温度が前記所定の温度を超えたと判定したとき前記第２のヒータの通電を停止し、前記第２のヒータの通電を停止した時点からヒータ停止時間が経過したときに前記第２のヒータの通電を開始することを特徴とする請求項２に記載の排気ガスセンサの制御装置。
前記ヒータ停止時間は、前記第２のヒータの通電を開始した直後の温度および前回のヒータ停止時間に基づいて今回のヒータ停止時間を求めたものであることを特徴とする請求項３に記載の排気ガスセンサの制御装置。
前記第２のヒータの抵抗値は、前記第１のヒータの抵抗値よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の排気ガスセンサの制御装置。
エンジンが排気ガスを排出するための排気管に設けられた排気ガスセンサにおいて、前記排気管の内部にある第１のヒータと、前記排気管の外部にある第２のヒータとを有することを特徴とする排気ガスセンサ。