JP2009007991A

JP2009007991A - 排気ガスセンサのヒータ制御装置

Info

Publication number: JP2009007991A
Application number: JP2007169284A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Aoki; 圭一郎青木; Nobuhiro Ide; 悦弘井出
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: DE602008004729D1; CN101715510B; WO2009001201A2; BRPI0806096A2; WO2009001201A3; EP2079913A2; CN101715510A; US8563902B2; JP4775336B2; US20100000984A1; EP2079913B1

Abstract

【課題】機関で使用されている燃料の性状にかかわらず排気ガスセンサの出力の正確性を維持する。
【解決手段】機関排気通路内に酸素濃度センサ２８を配置する。内燃機関で使用されている燃料中のアルコール濃度を検出する。検出されたアルコール濃度に基づいて目標インピーダンスを設定する。酸素濃度センサ２８のセンサ素子の実際のインピーダンスを検出する。実際のインピーダンスが目標インピーダンスに一致するように排気ガスセンサのヒータ出力を制御し、それにより、インピーダンスにより表されるセンサ素子の温度が目標インピーダンスにより表される目標温度に一致するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は排気ガスセンサのヒータ制御装置に関する。

排気ガス中の特定成分の量ないし濃度に応じた出力を発生する排気ガスセンサ、例えば排気ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧を発生する酸素濃度センサを機関排気通路内に配置し、酸素濃度センサの出力電圧に基づいて空燃比を制御する内燃機関が従来から知られている。ところが、このような排気ガスセンサはそのセンサ素子の温度に応じて出力が変動する。

そこで、酸素濃度センサに電気ヒータを設け、この電気ヒータによりセンサ素子を加熱してセンサ素子の温度があらかじめ定められた目標温度に維持されるようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この場合、センサ素子の温度はセンサ素子のインピーダンスによって表される。そこで、目標温度を表す目標インピーダンスがあらかじめ設定され、センサ素子の実際のインピーダンスが検出され、実際のインピーダンスが目標インピーダンスに一致するように電気ヒータの出力が制御される。

特開２００５−２９７４号公報

しかしながら、センサ素子のインピーダンスは機関で使用されている燃料の性状に応じて変動してしまう。すなわち、機関で使用されている燃料が例えばアルコール含有ガソリンの場合には燃料中のアルコール濃度に応じてセンサ素子のインピーダンスが変動するのである。これは、燃料中のアルコール濃度に応じて排気ガス中の成分が変動し、例えばジルコニアから形成される電解質部の電気抵抗が排気ガス中に含まれる成分に応じて変動するからである。したがって、実際のインピーダンスを目標インピーダンスに維持したとしても、機関で使用されている燃料の性状によっては、実際のセンサ素子の温度が目標温度に維持されていないおそれがある。このことは、排気ガスセンサの出力が必ずしも正確でないということを意味している。

本発明によれば、内燃機関の排気通路内に配置されたヒータ付き排気ガスセンサのヒータ制御装置において、内燃機関で使用されている燃料の性状を検出する手段と、該検出された燃料性状に基づいて目標インピーダンスを設定する手段と、排気ガスセンサのセンサ素子のインピーダンスが該設定された目標インピーダンスに一致するように排気ガスセンサのヒータ出力を制御する手段と、を具備し、インピーダンスにより表されるセンサ素子の温度が目標インピーダンスにより表される目標温度に一致するようにしている。

機関で使用されている燃料の性状にかかわらずセンサ素子の温度を目標温度に維持することができ、したがって排気ガスセンサの出力の正確性を維持することができる。

図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。各気筒の吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結される。サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内にはエアフロメータ１５と、ステップモータ１６によって駆動されるスロットル弁１７とが配置される。また、各吸気ポート７には燃料噴射弁１８が取り付けられる。各燃料噴射弁１８はコモンレール１９に連結され、コモンレール１９は吐出量を制御可能な燃料ポンプ２０を介して燃料タンク２１に連結される。コモンレール１９には燃料圧センサ２２が取り付けられており、コモンレール１９内の燃料圧が目標圧に一致するように燃料ポンプ２０の吐出量が制御される。また、燃料タンク２０には、燃料タンク２０内の燃料性状を検出するための燃料性状センサ２３が取り付けられる。

本発明による実施例では、ガソリンにアルコールを混合したアルコール含有ガソリンが燃料として用いられる。この場合、燃料中のアルコール濃度は例えばゼロ％から１００％の間で変動しうる。そこで本発明による実施例では、燃料中のアルコール濃度に応じた出力電圧を発生するアルコール濃度センサから燃料性状センサ２３を構成している。

一方、各気筒の排気ポート９は対応する排気マニホルド２４及び排気管２５を介して触媒２６に連結され、触媒２６は排気管２７に連結される。排気管２５内には排気ガスセンサ２８が取り付けられる。

排気ガスセンサ２８は排気ガス中の特定成分の量ないし濃度に応じた出力を発生するものである。本発明による実施例では、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧を発生する酸素濃度センサから排気ガスセンサ２８が構成される。この酸素濃度センサ２８の出力電圧Ｖは図２に示されるように、排気ガス中の酸素濃度が低いとほぼゼロ（ボルト）となり、酸素濃度が高いとほぼ１．０（ボルト）となる。ここで、排気ガス中の酸素濃度は空燃比を表しており、出力電圧Ｖがほぼゼロ（ボルト）であると空燃比はリッチであり、出力電圧Ｖがほぼ１．０（ボルト）であると空燃比はリーンであることがわかる。また、空燃比が理論空燃比を横切って変動すると出力電圧Ｖが急激に変動する。

図３は酸素濃度センサ２８の構成を概念的に示している。図３に示されるように、酸素濃度センサ２８はセンサ素子２８ａ及び電気ヒータ２８ｂを具備する。センサ素子２８ａは上述した出力電圧Ｖを発生する。一方、電気ヒータ２８ｂはセンサ素子２８ａの温度を調節するためのものである。電気ヒータ２８ｂの出力が増大されるとセンサ素子２８ａの温度が上昇し、電気ヒータ２８ｂの出力が減少されるとセンサ素子２８ａの温度が低下する。

再び図１を参照すると、電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏込量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続される。エアフロメータ１５、燃料圧センサ２２、アルコール濃度センサ２３、酸素濃度センサ２８のセンサ素子２８ａ、及び負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６にそれぞれ入力される。さらに、クランク角センサ４１はクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３４ではこの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、燃料噴射弁１７、及び燃料ポンプ２０に接続される。

さて、酸素濃度センサ２８のセンサ素子２８ａの温度がその活性温度よりも低いと酸素濃度センサ２８の出力電圧が不安定になり、すなわち酸素濃度センサ２８の出力電圧が排気ガス中の酸素濃度を正確に表さないおそれがある。そこで本発明による実施例では、活性温度以上の目標温度に維持されるようにセンサ素子２８ａの温度を制御している。

この場合、センサ素子２８ａの温度はセンサ素子２８ａのインピーダンスによって表すことができる。本発明による実施例では、目標温度を表す目標インピーダンスが設定され、センサ素子２８ａの実際の温度を表す実際のインピーダンスが検出され、実際のインピーダンスが目標インピーダンスに一致するように電気ヒータ２８ｂの出力が例えばフィードバック制御される。

ところが、冒頭で述べたように、センサ素子２８ａのインピーダンスは燃料中のアルコール濃度に応じて変動する。すなわち、図４に示されるように、センサ素子２８ａの温度Ｔが同じであっても、燃料中のアルコール濃度ＣＡが高いとセンサ素子２８ａのインピーダンスＺは大きくなり、アルコール濃度ＣＡが低いとインピーダンスＺは小さくなる。

そこで本発明による実施例では、目標インピーダンスＺを燃料中のアルコール濃度ＣＡに応じて変更するようにしている。具体的には、図５に示されるように、アルコール濃度ＣＡが高くなるにつれて大きくなるように目標インピーダンスＺＴが設定される。その結果、アルコール濃度ＣＡにかかわらず、センサ素子２８ａの実際の温度を目標温度に維持することができ、したがって酸素濃度センサ２８の出力の正確性を維持することができる。この目標インピーダンスＺＴは図５に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ３２内に記憶されている。

したがって、一般化して言うと、内燃機関で使用されている燃料の性状を検出し、検出された燃料性状に基づいて目標インピーダンスを設定し、排気ガスセンサのセンサ素子のインピーダンスが目標インピーダンスに一致するように排気ガスセンサのヒータ出力を制御し、インピーダンスにより表されるセンサ素子の温度が目標インピーダンスにより表される目標温度に一致するようにしているということになる。

図６は本発明による実施例のセンサ温度制御ルーチンを示しており、このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。

図６を参照すると、まずステップ１００では燃料中のアルコール濃度ＣＡがアルコール濃度センサ２３により検出される。続くステップ１０１では、目標インピーダンスＺＴが図５のマップから算出される。続くステップ１０２では実際のインピーダンスＺＡが算出される。具体的には、センサ素子２８ａにおける電圧及び電流が検出され、これら電圧及び電流から実際のインピーダンスＺＡが算出される。続くステップ１０３では実際のインピーダンスＺＡが目標インピーダンスＺＴに一致するように電気ヒータ２８ｂの出力が制御される。

上述の実施例では、燃料性状センサにより燃料性状を検出するようにしている。しかしながら、燃料性状を検出するには種々の方法が考えられる。例えば、空燃比フィードバック補正を行ったときの空燃比の振動中心の偏差などに基づいて燃料性状を検出することができる。また、給油が行われた直後に１回だけ燃料性状を検出し、次いで給油が行われるまで燃料性状の検出を行わないようにしてもよい。

内燃機関の全体図である。酸素濃度センサの出力電圧を示す線図である。酸素濃度センサの構成を概念的に示す図である。センサ素子のインピーダンスＺを示す線図である。目標インピーダンスＺＴのマップを示す図である。センサ温度制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
２３アルコール濃度センサ
２１燃料タンク
２５排気管
２８酸素濃度センサ
２８ａセンサ素子
２８ｂ電気ヒータ

Claims

内燃機関の排気通路内に配置されたヒータ付き排気ガスセンサのヒータ制御装置において、内燃機関で使用されている燃料の性状を検出する手段と、該検出された燃料性状に基づいて目標インピーダンスを設定する手段と、排気ガスセンサのセンサ素子のインピーダンスが該設定された目標インピーダンスに一致するように排気ガスセンサのヒータ出力を制御する手段と、を具備し、インピーダンスにより表されるセンサ素子の温度が目標インピーダンスにより表される目標温度に一致するようにした排気ガスセンサのヒータ制御装置。