JP2010071110A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの水蒸気濃度を低下させることにより排ガス中の水蒸気が素子カバーにて凝縮し難くし、以って、空燃比検出素子の被水による破損を回避し且つ空燃比検出素子の加熱を早めて空燃比検出素子の温度を活性温度に早期に到達させ得る内燃機関の制御装置を提供すること。
【解決手段】制御装置は、素子カバー温度ＴＣが第１温度（排ガスの水蒸気濃度が通常濃度である場合の露点温度）ＴＣｔｈＨより低いとき、排気系構成部品を強制的に冷却する（図５の時刻ｔ０〜ｔ３）。これにより、排ガス中の水蒸気は排気通路にて結露水となるから、空燃比センサに到達する排ガスの水蒸気濃度が低下する。よって、素子カバーの露点温度も第２温度ＴＣｔｈＬへと低下するので、素子カバー温度ＴＣが第２温度ＴＣｔｈＬ以上となったとき、加熱用ヒータの発熱量を増大させる（時刻ｔ１以降を参照。）。
【選択図】図５

Description

本発明は、空燃比検出素子、素子カバー及び加熱用ヒータを有するとともに内燃機関の排気通路に配設される空燃比センサと、その空燃比センサから出力される信号に基づいて前記機関に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比フィードバック制御手段と、前記加熱用ヒータの発熱量（通電量）を制御する加熱用ヒータ制御手段と、を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来から知られる内燃機関の制御装置は、機関の排気通路に空燃比センサを配設し、その空燃比センサによって検出される空燃比が目標空燃比と一致するように機関に供給される混合気の空燃比（燃料噴射量及び吸入空気量等）をフィードバック制御している。このような空燃比センサの代表例は、濃淡電池型の酸素センサ（Ｏ２センサ）及び限界電流式の酸素濃度センサである。酸素センサは、排ガスの酸素濃度に基づいて、排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるのかリッチであるのかを示す値を出力するようになっている。限界電流式の酸素濃度センサは、排ガスの酸素濃度及び／又は排ガスの未燃物濃度に基づいて排ガスの空燃比に対して単調増加（又は単調減少）する値を出力するようになっている。

これらの空燃比センサは、空燃比検出素子（以下、「素子」とも言う。）として固体電解質を使用している。固体電解質は所定の温度（以下、「活性温度」とも言う。）以上であるときに、空燃比検出素子として期待される特性を発揮する。従って、空燃比センサによって検出される空燃比の検出精度を保証するためには、空燃比検出素子の温度を活性温度以上に維持することが不可欠である。換言すると、空燃比フィードバック制御を精度良く行うためには、空燃比センサの状態が活性状態でなければならない。従って、機関が始動されてから短時間内に空燃比フィードバック制御を開始するためには、空燃比検出素子の温度を短時間のうちに活性温度に到達せしめることが必要である。

かかる要請から、従来の制御装置は、空燃比センサに空燃比検出素子を加熱するための加熱用ヒータを内蔵させ、その加熱用ヒータを機関始動直後から通電することにより発熱させるようになっている。このような空燃比検出素子の加熱制御（加熱用ヒータ制御）は、空燃比検出素子が固体電解質から構成されていない場合であっても、その素子が活性温度以上であるときに所期の特性を発揮する素子である限り極めて有効である。

ところで、ガソリン等の燃料が燃焼されると水（Ｈ_２Ｏ）が不可避的に生成される。その水は水蒸気として排ガス中に含まれる。そして、この水蒸気が排気通路において凝縮して水（液体、水滴）へと変化し、その水が空燃比センサに付着する場合がある。このとき、加熱用ヒータの通電量（発熱量）が大きいと、空燃比検出素子に「高温の部分」と「付着した水によって低温となる部分」とが発生する。この結果、空燃比検出素子の内部に大きな熱応力が生じ、空燃比検出素子が破損する（素子割れが発生する）という問題がある。

この問題に対処するため、従来の制御装置の一つは、排気管温度を推定し、その排気管温度が所定温度（例えば、３０℃）より低い場合、排気通路に水（水滴）が付着していると判定する。そして、その制御装置は、排気通路に水が付着していると判定される場合、空燃比検出素子の温度を通常よりも低い温度に維持すべく加熱用ヒータの通電量を小さい量に制御し、排気通路に水が付着していると判定されなくなった後、空燃比検出素子の温度を通常温度に維持すべく加熱用ヒータの通電量を増大している（例えば、特許文献１を参照。）。これによれば、排気通路に付着している水が排ガスとともに飛散することによって空燃比検出素子に付着しても、加熱用ヒータの発熱量（通電量）が比較的小さい量になっているので、空燃比検出素子が破損し難い。
特開２００３―８３１５２号公報

しかしながら、発明者は、排気通路に水が付着していない場合或いは排気通路の水が空燃比検出素子に付着しないような構造の機関であっても、空燃比検出素子に水が付着し、その水によって空燃比検出素子が破損する（素子割れが発生する）場合があることを見出した。これは、以下に述べる理由によると考えられる。

一般に、空燃比センサは、空燃比検出素子を覆う素子カバー（保護カバー）を備える。この素子カバーの温度が露点温度（結露が発生する温度）よりも低いと、排ガス中の水蒸気が素子カバー表面にて凝縮（結露）する。この結果、排気通路に水分が付着していない場合（排気通路に付着した水分が飛散しない場合）であっても、素子カバー表面にて結露した水（素子カバーに付着した水）が飛散して空燃比検出素子に付着し、上述した素子割れが発生する恐れがある。

従って、素子カバーの温度が露点温度以上の温度になるまでの期間、加熱用ヒータの通電量を大きくすることができないので、空燃比センサの活性化が遅れる。その結果、空燃比フィードバック制御の開始時点が遅れてエミッションが良好にならないという問題がある。

本発明は、上記課題に対処するためになされたものであり、その目的は、排ガスの水蒸気濃度を低下させることにより排ガス中の水蒸気が素子カバーにて凝縮し難くし、以って、空燃比検出素子の破損を回避しながら、空燃比検出素子の温度を活性温度に早期に到達させることができる（即ち、空燃比センサを早期に活性化させ得る）内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による内燃機関の制御装置は、空燃比センサと、空燃比フィードバック制御手段と、素子カバー温度取得手段と、水蒸気濃度制御手段と、加熱用ヒータ制御手段と、を備える。

前記空燃比センサは、前記機関の排気通路に配設される。この空燃比センサは、所定の活性温度以上になったとき排気通路を流れる排ガスの空燃比に対応した値を出力する空燃比検出素子と、その空燃比検出素子を覆う素子カバーと、その空燃比検出素子を加熱する（昇温させる）ための加熱用ヒータと、を有する。

空燃比フィードバック制御手段は、前記空燃比検出素子の温度が前記活性温度以上であるとき、その空燃比検出素子から出力された値に基づいて前記機関に供給される混合気の空燃比を目標空燃比に一致させるようにフィードバック制御する。機関に供給される混合気の空燃比は、例えば、燃料噴射量及び／又は吸入空気量を変更することにより調整され得る。

前記素子カバー温度取得手段は、前記素子カバーの温度を取得する。素子カバーの温度は、排ガス温度等の機関の運転状態を表す量に基づく推定により、或いは、素子カバーに配設された温度センサにより、取得され得る。

ところで、一般に、ガスに含まれる水分の濃度が低下するほど、結露が発生する露点温度も低下する。従って、排ガスの水分濃度を低下させれば、素子カバーに結露が発生しなくなる温度は低下する。

そこで、水蒸気濃度制御手段は、前記空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気の濃度を減少させる。この水蒸気濃度の制御によって、素子カバーに結露が発生する露点温度が低下する。従って、素子カバーの温度が「この低下した露点温度」以上であれば、素子カバーに水が付着することはない。それ故、素子カバーの温度が「この低下した露点温度」以上であるときに「加熱用ヒータの発熱量（即ち、通電量）」を増大させたとしても、空燃比検出素子に水は付着しないので、前述した「素子割れ」は発生しない。

そこで、前記加熱用ヒータ制御手段は、
（１）前記取得された素子カバーの温度が、「前記水蒸気濃度制御手段により前記水蒸気の濃度が減少させられている状態において前記素子カバーに結露が生じることのない温度領域内の温度（露点温度以上の温度）」である「第２温度」よりも低い場合、前記空燃比検出素子の温度を前記活性温度に向けて穏やかに上昇させるように前記加熱用ヒータの発熱量を「０以上の第１の量」に制御するように構成され、
（２）前記取得された素子カバーの温度が、前記第２温度よりも高い場合、前記空燃比検出素子の温度を前記活性温度に向けて速やかに上昇させるように前記加熱用ヒータの発熱量を「前記第１の量よりも大きい第２の量」に制御するように構成されている。

この結果、加熱用ヒータの発熱量が第１の量に制限される時間（通電量抑制時間）を短縮することができるので、空燃比検出素子の温度が活性温度にまで上昇する時間（空燃比センサが活性化するまでの時間）を短縮することができる。従って、空燃比のフィードバック制御を早期に開始することができるので、エミッションをより良好にすることができる。

前記水蒸気濃度制御手段は、前記取得された素子カバーの温度が、第２温度よりも高い第１温度より低い場合には、同素子カバーの温度が第１温度より高い場合よりも前記空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気の濃度を減少させるように構成される。この第１温度は、例えば、水蒸気濃度制御手段により水蒸気の濃度を減少させていない場合に素子カバーに結露が生じない温度（即ち、排ガスの水蒸気濃度が通常の濃度である場合における露点温度）であることが好ましい。但し、この第１温度は、上記の第２温度よりも高い温度であればよい。

前記水蒸気濃度制御手段は、
前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合、前記空燃比センサよりも上流の排気通路を構成する部材である「排気通路構成部材」を冷却することにより前記空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気の濃度を減少させ、
前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より高い場合、前記排気通路構成部材を冷却しないか又は前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合よりも低い冷却効率にて前記排気通路構成部材を冷却するように構成されることが好適である。

これによれば、前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合、機関の燃焼室から排気通路へと排出された排ガスが冷却されるので、その排ガス中の水蒸気は排気通路にて凝縮（結露）し、排気通路構成部材の壁面に水となって付着する。その結果、空燃比センサに到達する排ガスの水蒸気濃度を容易に減少させることができる。

この場合、前記水蒸気濃度制御手段は、
前排気通路構成部材を冷却するために入口部から流入した冷却水を通流させた後に出口部から排出する冷却通路と、
導入部が前記冷却通路の出口部に連通されるとともに排出部が前記冷却通路の入口部に連通され同導入部から同排出部に向けて内部を流れる冷却水を大気との熱交換によって冷却する冷却水冷却手段と、
前記冷却水冷却手段をバイパスするように一端が前記冷却通路の出口部に連通されるとともに他端が前記冷却通路の入口部に連通されたバイパス通路と、
前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合には「前記冷却水が前記冷却水冷却手段及び前記冷却通路からなる第１循環路」を常に通過し、同取得された素子カバーの温度が同第１温度より高い場合には前記冷却水の一部が「前記バイパス通路及び前記冷却通路からなる第２循環路」を通過するように通路を切り換える冷却水通流経路切換手段と、
を備えることが好適である。

これによれば、前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合、「排気通路構成部材を冷却するための冷却通路」を通過する冷却水が「冷却水冷却手段」により常に冷却される。従って、前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合、排気通路構成部材が効率良く冷却されるので、排ガスの水蒸気濃度を効率よく低下させることができる。これに対し、前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より高い場合、「排気通路構成部材を冷却するための冷却通路を通過する冷却水の一部」が前記第２循環路を通過し、「排気通路構成部材を冷却するための冷却通路を通過する冷却水の他部」が前記第１循環路を通過する。従って、「排気通路構成部材を冷却するための冷却通路を通過する冷却水の一部」が「冷却水冷却手段により冷却されない場合が生じる。その結果、機関が必要以上に冷却されないので、機関の冷却損失を減少させることができる。

一方、前記水蒸気濃度制御手段は、
前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合の前記機関に供給される混合気の空燃比を、同素子カバーの温度が同第１温度より高い場合の前記機関に供給される混合気の空燃比よりも大きい値に設定することにより、「前記空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気」の濃度を減少させるように構成された空燃比設定手段であってもよい。

機関に供給される混合気の空燃比が大きくなるほど（即ち、リーンであるほど）、燃焼室により生成される排ガスに含まれる水蒸気の濃度は低下する。従って、上記構成によれば、取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合、空燃比センサに到達する排ガスの水蒸気濃度を容易に減少させることができる。

以下、本発明による内燃機関の制御装置の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
（構成）
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、単に「第１制御装置」とも称呼する。）を内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。機関１０は、ピストン往復動型・火花点火式・多気筒（４気筒）・４サイクル・機関である。なお、図１は、特定の気筒の断面のみを図示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０に「燃料と空気とを含む混合ガス」を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０から排出された排ガスを外部に放出するための排気系統５０と、を含んでいる。

シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これによりクランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２の上面は、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を開閉駆動する吸気弁制御装置３３、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、各気筒に備えられた点火プラグ３７、各点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８及び各気筒の吸気ポート３１内に指示信号に含まれる指示燃料供給量の燃料を噴射する燃料噴射弁（混合ガス供給手段、ポート噴射弁）３９を備えている。

吸気弁制御装置３３は、インテークカムシャフトとインテークカム（図示せず）との相対回転角度（位相角度）を油圧により調整・制御する周知の構成を備え、吸気弁３２の開弁時期（吸気弁開弁時期）を変更することができるようになっている。

吸気系統４０は、インテークマニホールド４１、吸気管（吸気ダクト）４２、エアフィルタ４３、スロットル弁４４及びスロットル弁アクチュエータ４４ａを備えている。

インテークマニホールド４１は、各気筒の吸気ポート３１に接続されている。より詳細には、インテークマニホールド４１は各吸気ポート３１に接続された複数の枝部４１ａと、それらの枝部が集合したサージタンク部４１ｂと、を備えている。吸気管４２はサージタンク部４１ｂに接続されている。インテークマニホールド４１及び吸気管４２は吸気通路を構成している。エアフィルタ４３は吸気管４２の端部に設けられている。スロットル弁４４は吸気管４２に回動可能設けられ、回動することにより吸気管４２が形成する吸気通路の開口断面積を変更するようになっている。スロットル弁アクチュエータ（スロットル弁駆動手段）４４ａは、ＤＣモータからなり、指示信号に応答してスロットル弁４４を回転駆動するようになっている。

排気系統５０は、排気ポート３４のそれぞれに連通した枝部を備えるエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１の枝部の集合部に接続された排気管５２、上流側の三元触媒５３及び下流側の三元触媒５４を備えている。後述するように、エキゾーストマニホールド５１には空燃比センサ６６が配設されている。

上流側の三元触媒５３は、排気管５２（排気通路）に配設されている。下流側の三元触媒５４は、上流側の三元触媒５３の下流において排気管５２に配設されている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１及び排気管５２は、排気通路を構成している。

機関１０は、図２に示したように、排気側冷却系統８０、吸気側冷却系統９０及びラジエータ１００を更に備えている。

排気側冷却系統８０は、第１通路８１、第２通路８２、第３通路８３、第４通路８４、第５通路８５、排気側ウォーターポンプ８６及び冷却経路切換装置（排気系統冷却経路切換装置）８７を備えている。

第１通路８１は、シリンダブロック部２０及びシリンダヘッド部３０の内部であって燃焼室２５よりも排気ポート３４及びエキゾーストマニホールド５１側の部分を通過する冷却通路を形成している。即ち、第１通路８１は、空燃比センサ６６よりも上流側の排気通路を構成する部材（以下、「排気通路構成部材」とも称呼する。）を冷却するために、入口部Ｐ１から流入した冷却水を通流させた後に出口部Ｐ２から排出する冷却通路（排気通路構成部材冷却通路）を構成している。

第２通路８２の一端は第１通路８１の出口部Ｐ２に接続されている。第２通路８２の他端は冷却経路切換装置８７の入口部８７ａに接続されている。

第３通路８３の一端は冷却経路切換装置８７の第１出口部８７ｂに接続されている。第３通路８３の他端は第４通路８４の入口部Ｐ３に接続されている。第３通路８３はラジエータ１００内を通過している。従って、第３通路８３を通過する冷却水は、冷却水冷却装置としてのラジエータ１００によって大気と熱交換されることにより冷却されるようになっている。

第４通路８４の他端は第１通路８１の入口部Ｐ１に接続されている。第４通路８４には排気側ウォーターポンプ８６が介装されている。

第５通路８５の一端は冷却経路切換装置８７の第２出口部８７ｃに接続されている。第５通路８５の他端は第４通路８４の入口部Ｐ３に接続されている。即ち、第５通路８５は、ラジエータ１００をバイパスするバイパス通路を構成している。

冷却経路切換装置８７は、図１に示した電気制御装置７０からの指示信号に応答して、入口部８７ａと、第１出口部８７ｂ及び第２出口部８７ｃのうちの何れか一方と、を選択的に連通させるようになっている。

このような構成を有する排気側冷却系統８０において、冷却経路切換装置８７が入口部８７ａと第１出口部８７ｂとを連通するように切り換えられたとき、排気側ウォーターポンプ８６によって圧送される冷却水は、第１通路８１、第２通路８２、第３通路８３及び第４通路８４を循環する。即ち、冷却水はラジエータ１００によって冷却される。従って、第１通路８１内を通過する冷却水の温度が低下するので、排気通路構成部材が効率的に冷却される。

これに対し、排気側冷却系統８０において、冷却経路切換装置８７が入口部８７ａと第２出口部８７ｃとを連通するように切り換えられたとき、排気側ウォーターポンプ８６によって圧送される冷却水は、第１通路８１、第２通路８２、第５通路８５及び第４通路８４を循環する。即ち、冷却水はラジエータ１００を通過しない。この結果、第１通路８１内を通過する冷却水の温度がラジエータ１００によって低下させられないので、排気通路構成部材は必要以上に冷却されない。

吸気側冷却系統９０は、第６通路９１、第７通路９２、第８通路９３、第９通路９４、第１０通路９５、吸気側ウォーターポンプ９６及び冷却経路切換装置（サーモスタット）９７を備えている。

第６通路９１は、シリンダブロック部２０及びシリンダヘッド部３０の内部であって燃焼室２５よりも吸気ポート３１側の部分を通過する冷却通路を形成している。即ち、第６通路９１は、吸気通路を構成する部材（以下、「吸気通路構成部材」とも称呼する。）を冷却するために、入口部Ｑ１から流入した冷却水を通流させた後に出口部Ｑ２から排出する冷却通路を構成している。

第７通路９２の一端は第６通路９１の出口部Ｑ２に接続されている。第７通路９２の他端は冷却経路切換装置９７の入口部９７ａに接続されている。

第８通路９３の一端は冷却経路切換装置９７の第１出口部９７ｂに接続されている。第８通路９３の他端は第９通路９４の入口部Ｑ３に接続されている。第８通路９３はラジエータ１００内を通過している。従って、第８通路９３を通過する冷却水は、ラジエータ１００によって大気と熱交換されることにより冷却されるようになっている。

第９通路９４の他端は第６通路９１の入口部Ｑ１に接続されている。第９通路９４には吸気側ウォーターポンプ９６が介装されている。

第１０通路９５の一端は冷却経路切換装置９７の第２出口部９７ｃに接続されている。第１０通路９５の他端は第９通路９４の入口部Ｑ３に接続されている。即ち、第１０通路９５は、ラジエータ１００をバイパスするバイパス通路を構成している。

冷却経路切換装置９７は、サーモスタットを内蔵している。冷却経路切換装置９７は、サーモスタットの温度が所定温度以上である場合に入口部９７ａと第１出口部９７ｂとを連通させ、サーモスタットが所定温度より低い場合に入口部９７ａと第２出口部９７ｃとを連通させるようになっている。

このような構成を有する吸気側冷却系統９０において、冷却経路切換装置９７が入口部９７ａと第１出口部９７ｂとを連通するとき、吸気側ウォーターポンプ９６によって圧送される冷却水は、第６通路９１、第７通路９２、第８通路９３及び第９通路９４を循環する。即ち、冷却水はラジエータ１００によって冷却される。従って、第６通路９１内を通過する冷却水の温度が低下するので、吸気通路構成部材が効率的に冷却される。

これに対し、吸気側冷却系統９０において、冷却経路切換装置９７が入口部９７ａと第２出口部９７ｃとを連通するとき、吸気側ウォーターポンプ９６によって圧送される冷却水は、第６通路９１、第７路９２、第１０通路９５及び第９通路９４を循環する。即ち、冷却水はラジエータ１００を通過しない。この結果、第６通路９１内を通過する冷却水の温度がラジエータ１００によって低下させられないので、吸気通路構成部材は必要以上に冷却されない。

再び図１を参照すると、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、冷却水温度センサ６５、第１触媒５３の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６６、アクセル開度センサ６７及び電気制御装置７０を備えている。

熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４２内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量を検出し、質量流量Ｇａを表す信号を出力するようになっている。
スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４４の開度を検出し、スロットル弁開度ＴＡを表す信号を出力するようになっている。

カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが所定角度から９０度、次いで９０度、更に１８０度回転する毎に一つのパルスを出力するようになっている。
クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０度回転する毎にパルスを出力するようになっている。クランクポジションセンサ６４から出力されるパルスは機関回転速度ＮＥを表す信号に変換されるようになっている。更に、カムポジションセンサ６３及びクランクポジションセンサ６４からの信号に基いて、各気筒のクランク角θが求められるようになっている。

冷却水温度センサ６５は、シリンダブロック部２０の燃焼室２５よりも排気ポート３４側内を流れる冷却水の温度を検出し、冷却水温ＴＨＷを出力するようになっている。

空燃比センサ６６は、例えば、特許第２８６６９６６号及び特開平５−２４０８２９号公報等に開示された「周知の加熱用ヒータ内蔵式空燃比センサ」である。空燃比センサ６６は、機関１０の排気通路内に突出するように、エキゾーストマニホールド５１に配設されている。即ち、空燃比センサ６６は、触媒５３の上流の排ガスの空燃比に対応した値を出力することにより、その排ガスの空燃比を検出するようになっている。

図３は空燃比センサ６６の部分概略縦断面図である。図３に示したように、空燃比センサ６６は、空燃比検出素子６６ａと、加熱用ヒータ６６ｂと、素子カバー６６ｃと、を含んでいる。

空燃比検出素子６６ａは、酸素イオン導電性固体電解質からなる層（固体電解質層）６６ａ１と、排ガス側電極層６６ａ２と、大気側電極層６６ａ３と、拡散抵抗層６６ａ４と、を含んでいる。

固体電解質層６６ａ１は安定化ジルコニアからなる焼結体であり、試験管状（断面カップ状）に形成されている。固体電解質層６６ａ１は、その温度が活性温度以上であるとき、周知の「酸素電池特性」及び「酸素ポンプ特性」を発揮する。これらの特性は、空燃比検出素子６６ａが排ガスの空燃比に応じた値を出力する際に発揮されるべき特性である。酸素電池特性とは、酸素濃度の高い側から低い側へ酸素イオンを通過させ起電力を発生する特性のことである。酸素ポンプ特性とは、固体電解質層６６ａ１の両端に電位差が与えられたとき、陰極から陽極へと電位差に応じた量の酸素イオンを移動させる特性のことである。

排ガス側電極層６６ａ２は、固体電解質層６６ａ１の外側表面を覆うように同外側表面に形成されている。排ガス側電極層６６ａ２は、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属からなる。大気側電極層６６ａ３は、化学メッキ等により浸透性を十分に有するように（即ち、多孔質状に）形成されている。

大気側電極層６６ａ３は、固体電解質層６６ａ１の内側表面を覆うように同内側表面に形成されている。大気側電極層６６ａ３は、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属からなる。大気側電極層６６ａ３は、化学メッキ等により浸透性を十分に有するように（即ち、多孔質状に）形成されている。

拡散抵抗層６６ａ４は、多孔質セラミック（耐熱性無機物質）からなり、排ガス側電極層６６ａ２の外側表面を覆うように形成されている。拡散抵抗層６６ａ４は、例えば、プラズマ溶射法等により形成される。

加熱用ヒータ６６ｂは、大気側電極層６６ａ３内の内方に配設されている。加熱用ヒータ６６ｂは、通電量（電流量、即ち、後述するデューティ）に応じた量の熱を発生し、空燃比検出素子６６ａを加熱（昇温）するようになっている。

素子カバー（保護カバー）６６ｃは、空燃比検出素子６６ａ（及び加熱用ヒータ６６ｂ）を取り囲むように円筒状に形成されている。素子カバー６６ｃは空燃比検出素子６６ａと排ガスとが直接接触することによる空燃比検出素子６６ａの損傷等を防止するとともに、空燃比検出素子６６ａの温度を過度に低下させないようにするために設けられている。素子カバー６６ｃは、素子カバー６６ｃの内部と外部とを連通するように形成された多数の小穴６６ｃ１を備えている。従って、排ガスは小穴６６ｃ１を通して空燃比検出素子６６ａの外側面（拡散抵抗層６６ａ４）に到達する。

以上に説明したように、空燃比センサ６６は、空燃比検出素子６６ａの温度がその活性温度以上であるときに排気通路を流れる排ガスの空燃比に対応した値を出力する空燃比検出素子６６ａ、空燃比検出素子６６ａを覆う素子カバー６６ｃ、及び、空燃比検出素子６６ａを加熱する加熱用ヒータ６６ｂを有する。なお、空燃比検出素子６６ａは、例えば、特開２０００−２１４１３１号公報に開示されているような「板状の空燃比検出素子」であってもよい。

再び図１を参照すると、アクセル開度センサ６７は、運転者によって操作されるアクセルペダルＡＰの操作量を検出し、アクセルペダルＡＰの操作量Ａｃｃｐを表す信号を出力するようになっている。

電気制御装置７０は、互いにバスで接続された「ＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、図示しないイグニッション・キー・スイッチがオン位置にあるときデータを書き込むことが可能であり且つイグニッション・キー・スイッチの位置に拘らず書き込まれたデータを保持するバックアップＲＡＭ７４、並びに、ＡＤコンバータを含むインターフェース７５等」からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は、前記センサ６１〜６７と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６７からの信号を供給するようになっている。

インターフェース７５は、更に、ＣＰＵ７１の指示に応じて、吸気弁制御装置３３、各気筒の燃料噴射弁３９及びスロットル弁アクチュエータ４４ａに指示信号（駆動信号）を送出するとともに、各気筒のイグナイタ３８に点火信号を送出するようになっている。加えて、インターフェース７５は、ＣＰＵ７１の指示に応じて、空燃比センサ６６の加熱用ヒータ６６ｂに電圧（デューティ信号）を印加することにより、加熱用ヒータ６６ｂの通電状態（電流量、発熱量）を制御するようになっている。更に、インターフェース７５は、ＣＰＵ７１の指示に応じて、冷却経路切換装置８７に指示信号を送出するようになっている。

（第１制御装置の作動の概要）
次に、上記のように構成された第１制御装置の作動の概要について、図４及び図５を参照しながら説明する。第１制御装置は、素子カバー６６ｃの温度が第１温度ＴＣｔｈＨより低い場合には排気通路構成部材（空燃比センサ６６よりも上流の排気通路を構成する部材）を強制的に冷却する。この理由について述べる。

図４の（Ａ）及び（Ｃ）に示したように、機関が始動（冷間始動）された直後においては、排気ポート３４及びエキゾーストマニホールド５１（更には、排気管５２）等からなる「上記排気通路構成部材」の温度は低い。従って、燃焼室２５から排出された排ガス中に含まれる水蒸気が排気通路構成部材により冷却されて凝縮し、それらの壁面に水滴Ｗとなって付着する。即ち、排気通路構成部材の表面に結露水Ｗが発生する。

このような冷間始動後において、従来の機関は、冷却水がラジエータを通過しないように冷却水を循環させる。即ち、機関の温度を速やかに上昇させるために、冷却水はラジエータにより冷却されない。

その後、遅くとも数分が経過すると、排気通路構成部材の温度が上昇して露点温度を超える。ところが、空燃比センサ６６は排気通路構成部材の最下流に配設されているので、空燃比センサ６６の素子カバー６６ｃの温度は排気通路構成部材の温度よりも遅れて上昇する。換言すると、排気通路構成部材の温度は露点温度を超えるが、素子カバー６６ｃの温度は露点温度以下となる状態が発生する。この結果、図４の（Ｂ）に示したように、排ガス中の水蒸気は排気通路構成部材の表面にては結露しないが、素子カバー６６ｃの表面にて冷却されて凝縮し、水滴Ｗとなって素子カバー６６ｃに付着する。即ち、素子カバー６６ｃ表面にて結露が発生する。

このような水滴Ｗが排ガスの流れ等によって飛散すると、素子カバー６６ｃと空燃比検出素子６６ａとの距離は極めて小さいことから、空燃比検出素子６６ａに水（液体）が付着する。このとき、空燃比センサ６６の加熱用ヒータ６６ｂの発熱量が大きく、空燃比検出素子６６ａの温度（特に、表面温度）が高くなっていると、空燃比検出素子６６ａに高温部分と低温部分とか生じ、それによる熱応力が発生する。その結果、空燃比検出素子６６ａが破損する。従って、素子カバー６６ｃに結露が発生する場合（即ち、素子カバー６６ｃの温度が露点温度ＴＣｔｈＨ以下である場合）、加熱用ヒータ６６ｂの発熱量を大きくすることができない（図５の（Ｃ）における時刻ｔ１〜ｔ３の破線を参照。）。このため、図５の（Ｄ）における時刻ｔ１〜ｔ４の破線により示したように、空燃比センサ６６の温度上昇率が小さく、空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈに到達する時点（空燃比センサ６６が活性化する時点）が遅れるので、空燃比フィードバック制御の開始時点も遅れる（図５の時刻ｔ４を参照。）。

ところで、露点温度はガスに含まれる水蒸気濃度が小さいほど低くなる。従って、排ガスの水蒸気濃度が低ければ、素子カバー６６ｃの温度が比較的低くても素子カバー６６ｃに素子カバー６６ｃに結露が発生しない。素子カバー６６ｃに結露が発生しなければ、空燃比検出素子６６ａに水が付着しない。よって、空燃比検出素子６６ａが破損することがないから、加熱用ヒータ６６ｂの発熱量を大きくすることができる。

そこで、第１制御装置は、素子カバー６６ｃの温度ＴＣを取得（推定）し、その素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨよりも低いとき、排気通路構成部材を強制冷却する（図５の時刻ｔ０〜ｔ３を参照。）。即ち、本来は冷却水をラジエータ１００によって冷却する必要がない状態において、冷却水がラジエータ１００を通過するように冷却水を循環させ、それにより温度の低い冷却水によって排気通路構成部材を冷却する。第１温度ＴＣｔｈＨは、本例において、排ガスの水蒸気濃度が通常の濃度（排気通路構成部材が強制冷却されておらず、且つ、機関に供給される混合気の空燃比が理論空燃比であるときの水蒸気濃度）であるときに素子カバー６６ｃにて結露が発生しない温度（例えば、水蒸気濃度が前記通常の濃度である場合の露点温度）に設定されている。

この強制冷却により、図４の（Ｄ）に示したように、始動後数分が経過した時点においても排気通路構成部材にて結露が発生する。その結果、空燃比センサ６６に到達する排ガスの水蒸気濃度が低下するから、空燃比センサ６６の配設部位における露点温度は、第１温度ＴＣｔｈＨから第２温度ＴＣｔｈＬへと低下する。従って、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第２温度ＴＣｔｈＬを超えた時点（図５の時刻ｔ１を参照。）以降において、素子カバー６６ｃに結露は発生しないから、空燃比検出素子６６ａに水滴が付着しない。そこで、第１制御装置は、図５の時刻ｔ１以降に示したように、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第２温度ＴＣｔｈＬを超えた時点から、加熱用ヒータの発熱量（通電量に相当するデューディ）をそれ以前（時刻ｔ１以前）の発熱量よりも大きくする（図５の（Ｃ）の時刻ｔ１以降における実線を参照。）。

この結果、図５の（Ｄ）に実線により示したように、空燃比検出素子６６ａの温度ＴＳは時刻ｔ１以降において速やかに活性温度ＴＳｔｈに向けて上昇する。従って、始動時（図５の時刻ｔ０）から空燃比センサ６６が活性化する時点（空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈに到達する時点である図５の時刻ｔ２）までの時間（活性化必要時間Ｔ１）が、従来の機関よる活性化必要時間（Ｔ２）よりも短縮され、空燃比フィードバック制御を早期に開始することができる。以上が、第１制御装置の作動の概要である。

なお、本明細書において、排ガスの水蒸気濃度を低下させることにより空燃比センサ６６の配設部位における露点温度を低下させ、それにより加熱用ヒータ６６ｂの発熱量を早い時点から増大させる制御の全体を、「素子割れ防止制御」とも称呼する。

（第１制御装置の実際の作動）
次に、第１制御装置の実際の作動について、機関１０が冷間始動された直後の時点からの時間経過に従って説明する。

電気制御装置７０のＣＰＵ７１は、各気筒のクランク角が吸気上死点前の所定クランク角（例えば、ＢＴＤＣ９０°）に一致する毎に、図６に示した燃料噴射制御ルーチンを繰り返し実行するようになっている。以下、クランク角が吸気上死点前の前記所定クランク角度に一致した気筒を燃料噴射気筒とも称呼する。

従って、何れかの気筒のクランク角が前期所定クランク角に一致すると、ＣＰＵ７１は、図６のステップ６００からステップ６０５に進み、目標空燃比Ａｂｆｒｅｆを理論空燃比Ｓｔｏｉｃｈに設定する。

次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ６１０にて筒内吸入空気量Ｍｃを取得する。筒内吸入空気量Ｍｃは、燃料噴射気筒の今回の吸気行程において燃料噴射気筒に流入する空気量（重量）である。筒内吸入空気量Ｍｃは、熱線式エアフローメータ６１から取得される質量流量Ｇａと機関回転速度ＮＥとに基づいて決定される。

次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ６１５に進み、「筒内吸入空気量Ｍｃを目標空燃比Ａｂｆｒｅｆにより除した値」に空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦを乗じることによって燃料噴射量Ｆｉを取得する。目標空燃比Ａｂｆｒｅｆは先のステップ６０５の処理により理論空燃比Ｓｔｏｉｃｈに設定されている。従って、燃料噴射量Ｆｉは、燃料噴射気筒に供給される混合気の空燃比を理論空燃比Ｓｔｏｉｃｈに一致させるための燃料噴射量となる。

なお、ＣＰＵ７１は、図示しない空燃比フィードバック制御ルーチンにより、空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦを次のように算出している。
（１）空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈよりも低い場合（空燃比センサ６６が活性化していない場合）
ＣＰＵ７１は、空燃比検出素子６６ａのインピーダンスを取得し、そのインピーダンスに基づいて空燃比検出素子温度ＴＳを取得する。そして、ＣＰＵ７１は、空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈよりも低い場合、空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦの値を「１」に設定する。

（２）空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈ以上である場合（空燃比センサ６６が活性化している場合）
ＣＰＵ７１は、空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈ以上である場合、空燃比検出素子６６ａ（空燃比センサ６６）から出力される値に基づいて得られる検出空燃比が目標空燃比Ａｂｆｒｅｆよりも大きい（リーンである）とき、空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦの値を前回計算時点の空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦから所定値ΔＦＡＦだけ増大させる。
ＣＰＵ７１は、空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈ以上である場合、空燃比検出素子６６ａから出力される値に基づいて得られる検出空燃比が目標空燃比Ａｂｆｒｅｆよりも小さい（リッチである）とき、空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦの値を前回計算時点の空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦから所定値ΔＦＡＦだけ減少させる。

このように、第１制御装置は、空燃比検出素子６６ａの温度が活性温度ＴＳｔｈ以上であるとき「空燃比検出素子６６ａから出力される値」に基づいて機関１０に供給される混合気の空燃比を目標空燃比である理論空燃比空燃比に一致させるためのフィードバック制御を実行する空燃比フィードバック制御手段を備えている。

次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ６２０に進み、燃料噴射気筒に対して設けられている燃料噴射弁３９から燃料噴射量Ｆｉだけ燃料の噴射が行われるように、その燃料噴射弁３９に開弁指示を送出する。次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ６９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ところで、ＣＰＵ７１は、図７に示した「素子カバー温度推定ルーチン」を所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ７００から処理を開始し、ステップ７０５に進む。

ＣＰＵ７１は、ステップ７０５にて「現時点が機関１０の始動操作直後の時点（始動直後）であるか否か」を判定する。前述の仮定に従えば現時点は機関１０の始動操作直後である。従って、ＣＰＵ７１は、ステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７１０に進み、素子カバー６６ｃの温度ＴＣ（以下、「素子カバー温度ＴＣ」とも称呼する。）を「素子カバー温度推定関数ｆ（ＴＨＷ）」に基づいて推定する。素子カバー温度推定関数ｆ（ＴＨＷ）は、機関始動時の冷却水温ＴＨＷと素子カバー温度ＴＣとの関係を規定する関数である。素子カバー温度推定関数ｆ（ＴＨＷ）は、実験により予め定められている。素子カバー温度推定関数ｆ（ＴＨＷ）によれば、素子カバー温度ＴＣは機関始動時の冷却水温ＴＨＷが低いほど低くなるように決定される。その後、ＣＰＵ７１はステップ７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

更に、ＣＰＵ７１は、図８に示した「フラグ設定ルーチン」を所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ８００から処理を開始し、ステップ８０５に進む。

ＣＰＵ７１は、ステップ８０５において、素子カバー温度ＴＣが低側閾値温度ＴＣｔｈＬよりも大きいか否かを判定する。低側閾値温度ＴＣｔｈＬは、「機関１０の排気通路構成部材が第１通路８１及びラジエータ１００を通る冷却水によって強制冷却され、且つ、排気通路構成部材において結露が発生させられることによって空燃比センサ６６を通過する排ガスの水分濃度が減少させられた場合」における「空燃比センサ６６の素子カバー６６ｃの露点温度」である。換言すると、低側閾値温度ＴＣｔｈＬは、「水蒸気の濃度が前述した強制冷却によって減少させられている状態において、素子カバー６６ｃに結露が生じることのない温度領域内の温度であり、且つ、高側閾値温度ＴＣｔｈＨよりも低い温度である。なお、高側閾値温度ＴＣｔｈＨは便宜上「第１温度」とも称呼され、低側閾値温度ＴＣｔｈＬは便宜上「第２温度」とも称呼される。

現時点は機関１０の冷間始動直後であるから、素子カバー温度ＴＣは低側閾値温度ＴＣｔｈＬよりも小さい。従って、ＣＰＵ７１はステップ８０５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ８２５に進んで低側閾値温度到達判定フラグＸＳを「０」に設定する。

次いで、ＣＰＵ７１はステップ８１５に進み、素子カバー温度ＴＣが高側閾値温度ＴＣｔｈＨより小さいか否かを判定する。高側閾値温度ＴＣｔｈＨは、強制冷却を実行していない場合（即ち、水蒸気の濃度を減少させておらず、排ガスの水蒸気濃度が通常の濃度である場合）において、素子カバー６６ｃに結露が生じない温度である。より詳細には、高側閾値温度ＴＣｔｈＨは、排ガスの水蒸気濃度が通常の濃度である場合における露点温度である。

現時点は機関１０の冷間始動直後であるから、素子カバー温度ＴＣは低側閾値温度ＴＣｔｈＬ以下であり、当然に高側閾値温度ＴＣｔｈＨよりも小さい。従って、ＣＰＵ７１はステップ８１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８２０に進み、水蒸気濃度低減フラグＸＰを「１」に設定する。その後、ＣＰＵ７１はステップ８９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

更に、ＣＰＵ７１は、図９に示した「加熱用ヒータ制御ルーチン」を所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ９００から処理を開始し、ステップ９０５に進む。

ＣＰＵ７１は、ステップ９０５において低側閾値温度到達判定フラグＸＳが「０」であるか否か判定する。現時点において、低側閾値温度到達判定フラグＸＳは、図８のステップ８２５において「０」に設定されている。従って、ＣＰＵ７１はステップ９０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９１０に進み、加熱用ヒータ６６ｂをＡ％デューティ（ここで、Ａは０以上且つ５０以下の任意の定数）で通電する。デューティとは、一定周期にて通電（ＯＮ）と非通電（ＯＦＦ）を繰り返した場合における、その一定周期に対する通電時間の比である。従って、デューティが１００％であるとき加熱用ヒータ６６ｂは連続通電され、その発熱量は最大となる。なお、加熱用ヒータ６６ｂが通電（ＯＮ）されるとは、加熱用ヒータ６６ｂに一定電圧が印加されることを意味する。加熱用ヒータ６６ｂが非通電である（ＯＦＦ）とは、加熱用ヒータ６６ｂに電圧が全く印加されないことを意味する。

現時点においては、素子カバー温度ＴＣは低側閾値温度ＴＣｔｈＬよりも小さい。従って、空燃比検出素子６６ａの温度ＴＳ（以下、「空燃比センサ温度ＴＳ」、「空燃比検出素子温度ＴＳ」又は「素子温度ＴＳ」とも称呼する。）は活性温度ＴＳｔｈよりも小さい。それ故、本来、加熱用ヒータ６６ｂは１００％デューティにて通電されるべきである。しかし、現時点においては素子カバー６６ｃに結露が発生する可能性があるので、空燃比検出素子６６ａに水が付着しても空燃比検出素子６６ａに過大な熱応力が発生することがないように、加熱用ヒータ６６ｂへの通電量が小さい値（Ａ％デューティ）に設定される。即ち、空燃比検出素子６６ａの温度上昇が抑制されるように、加熱用ヒータ６６ｂの発熱量は「０以上の第１の量（Ａ％デューティ）」に制御される（図５の時刻ｔ０〜ｔ１を参照。）。

これによって、空燃比センサ６６の素子カバー６６ｃにおいて凝縮する水分が空燃比検出素子６６ａに接触しても、空燃比検出素子温度ＴＳが「空燃比検出素子６６ａが割れる（破損する）ことのない温度以下の温度」に制御される。その後、ＣＰＵ７１は、ステップ９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

加えて、ＣＰＵ７１は、図１０に示した「冷却通路切換制御ルーチン」を所定時間の経過毎に繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１はステップ１０００から処理を開始してステップ１００５に進み、水蒸気濃度低減フラグＸＰが「１」であるか否かを判定する。現時点において、水蒸気濃度低減フラグＸＰは、図８のステップ８２０にて「１」に設定されている。従って、ＣＰＵ７１はステップ１００５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ１０１０に進む。

ＣＰＵ７１は、ステップ１０１０にて、排気側冷却系統８０の冷却水がラジエータ１００内を通過することにより冷却されるように、冷却経路切換装置８７の入口部８７ａと第１出口部８７ｂとを連通させる。これによって、機関１０の排気通路構成部材が効率的に冷却される。即ち、機関１０の排気通路が強制冷却される。

この結果、排気通路構成部材にて結露が発生し、それにより空燃比センサ６６に到達する排ガスの水蒸気濃度が低下する。従って、空燃比センサの素子カバー６６ｃにおける露点温度は低側閾値温度ＴＣｔｈＬに低下する。次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上のように、機関始動直後においては加熱用ヒータ６６ｂへの通電が抑制される。これにより、空燃比センサ６６の素子割れの発生を回避することができる。

ところで、ＣＰＵ７１は図７に示したルーチンの処理を繰り返し行っている。従って、始動操作直後以降のタイミングにてＣＰＵ７１がステップ７００からステップ７０５に進んだとき、ＣＰＵ７１はそのステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ７１５に進む。そして、ＣＰＵ７１はステップ７１５にて素子カバー温度ＴＣを所定温度ΔＴＣだけ増大する。これにより、素子カバー６６ｃの推定温度である素子カバー温度ＴＣは、図７のルーチンの処理が実行される毎に所定温度ΔＴＣだけ増大して行く。なお、所定温度ΔＴＣは機関１０の負荷が大きいほど大きくなるように変更される値であってもよい。このように図７のルーチンは、素子カバー６６ｃの温度を取得する素子カバー温度取得手段を構成している。

従って、時間の経過に伴って素子カバー温度ＴＣは「素子カバー６６ｃの実際の温度」を表すように上昇し、図５の時刻ｔ１にて低側閾値温度ＴＣｔｈＬに到達する。このときＣＰＵ７１が図８のステップ８００から処理を開始してステップ８０５に進むと、ＣＰＵ７１はこのステップ８０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ８１０に進み、低側閾値温度到達判定フラグＸＳを「１」に設定する。

この時点においては、素子カバー温度ＴＣは高側閾値温度ＴＣｔｈＨより小さい。従って、ＣＰＵ７１はステップ８１５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ８２０を経由してステップ８９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。この結果、低側閾値温度到達判定フラグＸＳは「０」から「１」へと変更され、水蒸気濃度低減フラグＸＰは「１」に維持される。

この状態において、ＣＰＵ７１が図９のステップ９００から処理を開始してステップ９０５に進むと、ＣＰＵ７１はステップ９０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ９１５に進み、現時点が「水蒸気濃度低減フラグＸＰが「０」から「１」へと変更された直後」であるか否かを判定する

この場合、現時点は「水蒸気濃度低減フラグＸＰが「０」から「１」へと変更された直後」である。従って、ＣＰＵ７１はステップ９１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９２０へと進み、加熱用ヒータ６６ｂを１００％デューティにて通電する。即ち、ＣＰＵ７１は加熱用ヒータ６６ｂの発熱量を最大にする。なお、この時点で設定されるデューティは、１００％である必要はなく、「第１の量（Ａ％デューティ）」よりも大きい「第２の量（Ｂ％デューティ、Ｂ＞Ａ）」であれば良い。

次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ９２５に進んで発熱量最大フラグＸＭＡＸを「１」に設定する。発熱量最大フラグＸＭＡＸは、その値が「１」であるとき加熱用ヒータ６６ｂの通電量が最大通電量（１００％デューティ）であることを示し、その値が「０」であるとき加熱用ヒータ６６ｂの通電量が最大通電量よりも小さい通電量であることを示す。その後、ＣＰＵ７１はステップ９９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

更に、ＣＰＵ７１が図１０の処理をステップ１０００から開始すると、水蒸気濃度低減フラグＸＰは「１」に維持されているから、ＣＰＵ７１はステップ１００５及びステップ１０１０を経由した後、ステップ１０９５にて本ルーチンを一旦終了する。従って、機関１０の排気通路は強制冷却され続ける。

このように、機関１０の排気通路が強制冷却され続けるので、排気通路構成部材にて結露が発生し、それにより空燃比センサ６６に到達する排ガスの水蒸気濃度は低い濃度に維持され続ける。これにより、空燃比センサの素子カバー６６ｃにおける露点温度は低側閾値温度ＴＣｔｈＬであり続ける。従って、素子カバー温度ＴＣが低側閾値温度ＴＣｔｈＬ以上になった場合、素子カバー６６ｃに結露が発生しないので、空燃比検出素子６６ａに水が付着しない。その結果、加熱用ヒータ６６ｂの発熱量を最大にしても空燃比検出素子６６ａの素子割れは発生しない。よって、第１制御装置は、空燃比検出素子６６ａの素子割れを回避しながら、空燃比検出素子６６ａの温度ＴＳを活性温度ＴＳｔｈに向けて速やかに上昇させることができる。従って、空燃比センサ６６が活性化するまでの時間を短縮することができる。

その後、更に時間が経過すると、図５の（Ｄ）に示したように、空燃比検出素子温度ＴＳは時刻ｔ２にて活性温度ＴＳｔｈに到達する。このとき、ＣＰＵ７１が図９のステップ９００から処理を開始すると、ＣＰＵ７１はステップ９０５及びステップ９１５の両ステップにて「Ｎｏ」と判定し、ステップ９３０に進んで発熱量最大フラグＸＭＡＸが「１」であるか否かを判定する。

この場合、発熱量最大フラグＸＭＡＸは「１」であるから、ＣＰＵ７１はステップ９３０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ９３５に進み、空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈ以上であるか否かを判定する。この場合、空燃比検出素子温度ＴＳは活性温度ＴＳｔｈ以上である。従って、ＣＰＵ７１はそのステップ９３５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ９４０に進んで発熱量最大フラグＸＭＡＸを「０」に設定する。そして、ＣＰＵ７１はステップ９９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

これにより、次にＣＰＵ７１が図９のルーチンの処理をステップ９００から開始すると、ＣＰＵ７１はステップ９０５、ステップ９１５及びステップ９３０の総てのステップにおいて「Ｎｏ」と判定し、ステップ９４５に進む。そして、ＣＰＵ７１はステップ９４５にて、空燃比検出素子温度ＴＳが目標温度ＴＳｔｇｔに一致するように「加熱用ヒータ６６ｂの通電量（デューティ）」を制御する。その後、ＣＰＵ７１はステップ９９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。これにより、図５の時刻ｔ２以降に示したように、加熱用ヒータ６６ｂの通電量（デューティ）がフィードバック制御される。なお、目標温度ＴＳｔｇｔは活性温度ＴＳｔｈよりも高い温度に設定されている。

なお、ＣＰＵ７１が図９のステップ９３５に進んだとき、空燃比検出素子温度ＴＳが活性温度ＴＳｔｈ以上でなければ、ＣＰＵ７１はステップ９３５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ９９５に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、加熱用ヒータ６６ｂの通電量は最大通電量（１００％デューティ）に維持される（図５の（Ｃ）の時刻ｔ１〜ｔ２における実線を参照。）。

その後、所定の時間が経過すると、図５の（Ａ）の時刻ｔ３に示したように、素子カバー温度ＴＣが上昇して高側閾値温度ＴＣｔｈＨに到達する。この時点以降において、ＣＰＵ７１が図８のルーチンの処理をステップ８００から開始すると、ＣＰＵ７１はステップ８０５及びステップ８１０に続くステップ８１５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ８３０に進んで水蒸気濃度低減フラグＸＰを「０」に設定する。

この結果、次にＣＰＵ７１が図１０のルーチンの処理をステップ１０００から開始すると、ＣＰＵ７１はステップ１００５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１０１５に進み、現時点での冷却水温ＴＨＷが所定冷却水温ＴＨＷｔｈ以下であるか否かを判定する。所定冷却水温ＴＨＷｔｈは機関１０が十分に暖機された後、冷却水の温度が高くなりすぎ、よって、冷却水の温度を低下させる必要があると判断される温度である。

そして、ＣＰＵ７１は、現時点での冷却水温ＴＨＷが所定冷却水温ＴＨＷｔｈ以下であるとき、ステップ１０２０に進み、排気側冷却系統８０の冷却水がラジエータ１００内を通過しないように（冷却水が第３通路８３を通過するように）、冷却経路切換装置８７の入口部８７ａと第２出口部８７ｃとを連通させる。これによって、機関１０の排気通路構成部材は実質的に冷却されない。

これに対し、ＣＰＵ７１は、現時点での冷却水温ＴＨＷが所定冷却水温ＴＨＷｔｈよりも高いとき、ステップ１０１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１０２５に進み、排気側冷却系統８０の冷却水がラジエータ１００内を通過するように、冷却経路切換装置８７の入口部８７ａと第１出口部８７ｂとを連通させる。これによって、機関１０の排気通路構成部材は冷却される。

このように、第１制御装置は、素子カバーの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨより高い場合、（１）排気通路構成部材を冷却しないか、又は、（２）取得された素子カバーの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨより低い場合よりも「低い冷却効率」にて排気通路構成部材を冷却するように構成されている。

以上、説明したように、第１制御装置は、機関１０の冷間始動後に機関１０の排気通路を強制冷却することによって排ガス中の水分を排気通路にて結露させる。これによって、空燃比センサ６６を通過する排ガス中の水分濃度を低下させることができるので、空燃比センサ６６の素子カバー６６ｃにおける露点温度を低側閾値温度ＴＣｔｈＬまで低下させることができる。この結果、加熱用ヒータ６６ｂを早い時点から１００％デューティで通電することができる。従って、空燃比検出素子温度ＴＳは活性温度ＴＳｔｈに早期に到達し、ＣＰＵ７１による空燃比のフィードバック制御の開始時間を早めることができる。よって、エミッションをより良好にすることができる。

なお、第１制御装置において、図８のステップ８１５乃至ステップ８３０、図１０のステップ１００５及びステップ１０１０、並びに、排気側冷却系統８０は、水蒸気濃度制御手段を構成している。また、図８のステップ８０５、ステップ８１０及びステップ８２５、並びに、図９のルーチンは、加熱用ヒータ制御手段を構成している。

また、冷却経路切換装置８７はＣＰＵ７１からの信号のみによって流路を切り換えるように構成されていた。これに代え、冷却経路切換装置８７は、サーモスタットと電磁弁を備えていてもよい。この場合、サーモスタットは、冷却水温ＴＨＷが所定冷却水温ＴＨＷｔｈ以下であるとき、排気側冷却系統８０の冷却水がラジエータ１００内を通過しないように（冷却水が第３通路８３を通過するように）、冷却経路切換装置８７の入口部８７ａと第２出口部８７ｃとを連通させる。更に、このサーモスタットは、現時点での冷却水温ＴＨＷが所定冷却水温ＴＨＷｔｈよりも高いとき、排気側冷却系統８０の冷却水がラジエータ１００内を通過するように、冷却経路切換装置８７の入口部８７ａと第１出口部８７ｂとを連通させる。加えて、電磁弁は、水蒸気濃度低減フラグＸＰが「１」に設定されているときに送出されるＣＰＵ７１からの指示信号に応答して、冷却水温ＴＨＷに関わらず（即ち、サーモスタットの作動に依らず）、排気側冷却系統８０の冷却水がラジエータ１００内を通過するように、冷却経路切換装置８７の入口部８７ａと第１出口部８７ｂとを強制的に連通させる。

更に、第１制御装置は、排気通路構成部材を強制冷却する際、排気側冷却系統８０を循環する冷却水がラジエータ１００を常に通過するように制御していたが、冷却水が間欠的にラジエータ１００を通過するように構成されてもよい。

また、第１制御装置は、取得された素子カバーの温度が同第１温度より高い場合、現時点での冷却水温ＴＨＷが所定冷却水温ＴＨＷｔｈ以下であるとき排気側冷却系統８０の冷却水がラジエータ１００内を通過しないようにするとともに、現時点での冷却水温ＴＨＷが所定冷却水温ＴＨＷｔｈよりも高いとき排気側冷却系統８０の冷却水がラジエータ１００内を通過するように冷却水通路を制御していた。

即ち、第１制御装置は、前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合には前記冷却水が前記冷却水冷却手段及び前記冷却通路からなる第１循環路を常に通過し、同取得された素子カバーの温度が同第１温度より高い場合には前記冷却水が前記バイパス通路及び前記冷却通路からなる第２循環路と前記第１循環路とを時間的に交互に通過するように、前記冷却水が通過する通路を切り換える冷却水通流経路切換手段を備えていた。

換言すると、この冷却水経路切換手段は、
前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合には「前記冷却水が前記冷却水冷却手段及び前記冷却通路からなる第１循環路」を常に通過し、同取得された素子カバーの温度が同第１温度より高い場合には前記冷却水の一部が「前記バイパス通路及び前記冷却通路からなる第２循環路」を通過するように通路を切り換える手段であるということもできる。

この意味において、第１制御装置は、取得された素子カバーの温度が第１温度より高い場合、前記冷却水を「第２循環路と第１循環路」とを時間的に交互に通過させることに代え、前記冷却水の一部を第２循環路を通過させ、同時に、前記冷却水の他部（残り冷却水）を第１循環路を通過させるように構成されてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、「第２制御装置」とも称呼する。）について説明する。第２制御装置は、第１制御装置が備える「排気側冷却系統８０及び吸気側冷却系統９０」に代わる「一つの冷却系統」を有する点、ポート噴射弁３９に代わる筒内噴射弁を有する点、及び、「排気通路構成部材の強制冷却」に代わる「リーン燃焼制御」によって排ガス中の水蒸気濃度を減少させる点において、第１制御装置と相違している。従って、以下、この相違点を中心として説明を加える。

図１１は、第２制御装置の冷却系統１１０の概略構成を示している。この冷却系統１１０は、第１制御装置の吸気側冷却系統９０の第６通路９１を、吸気側冷却通路１１１ａ及び排気側冷却通路１１１ｂに置換した点のみにおいて、吸気側冷却系統９０と相違している。

吸気側冷却通路１１１ａは、シリンダブロック部２０及びシリンダヘッド部３０の内部であって燃焼室２５よりも吸気ポート３１側の部分を通過する冷却通路を形成している。即ち、吸気側冷却通路１１１ａは、吸気通路構成部材を冷却するために、入口部Ｑ１から流入した冷却水を通流させた後に出口部Ｑ２から排出する冷却通路を構成している。

排気側冷却通路１１１ｂは、シリンダブロック部２０及びシリンダヘッド部３０の内部であって燃焼室２５よりも排気ポート３４側の部分を通過する冷却通路を形成している。即ち、排気側冷却通路１１１ｂは、排気通路構成部材を冷却するために、入口部Ｑ１から流入した冷却水を通流させた後に出口部Ｑ２から排出する冷却通路を構成している。

このように、第２制御装置における冷却系統１１０においては、吸気側冷却通路１１１ａ及び排気側冷却通路１１１ｂに同一の冷却水が循環するようになっている。更に、冷却水がラジエータ１００を通過するか否かは、冷却経路切換装置９７のサーモスタットのみによって決定される。従って、第２制御装置は、第１制御装置のように強制冷却を実行しない。

第２制御装置の燃料噴射弁は、上述したように周知の筒内噴射弁である。筒内噴射弁は、燃焼室２５内に噴孔が露呈するように配設され、燃焼室２５内に燃料を直接噴射するようになっている。

（第２制御装置の作動の概要）
次に、上記のように構成された第２制御装置の作動の概要について、図１２及び図１３を参照しながら説明する。第２制御装置は、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨより低い場合、機関に供給される混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーン側の空燃比（以下、単に「リーン空燃比」とも称呼する。）に設定する。第２制御装置は、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨ以上である場合、機関に供給される混合気の空燃比を理論空燃比に設定する。この理由について述べる。

図１２は、機関に供給される混合気の空燃比と排ガスの水分濃度との関係を示したグラフである。このグラフに示したように、空燃比が大きくなるのに伴って排ガスの水分濃度が小さくなる。また、前述したように、水分濃度が小さいほど露点温度は低下する。

第２制御装置は係る知見に基づき、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨよりも高い場合には機関に供給される混合気の空燃比を理論空燃比Ｓｔｏｉｃｈに設定し、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨよりも低い場合には機関に供給される混合気の空燃比をリーン空燃比ＡＬに設定する。換言すると、第２制御装置は、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨよりも低い場合、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨよりも高い場合よりも、機関に供給される混合気の空燃比をリーン側の空燃比に設定する（図１３の（Ｆ）の時刻ｔ０〜ｔ３を参照。）。このような空燃比の制御を「リーン燃焼制御」又は「強制リーン制御」と称呼する。

このリーン燃焼制御により、空燃比センサ６６に到達する排ガスの水蒸気濃度が低下するから、空燃比センサ６６の配設部位における露点温度は、第１温度ＴＣｔｈＨから第２温度ＴＣｔｈＬへと低下する。従って、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第２温度ＴＣｔｈＬを超えた時点（図１３の時刻ｔ１を参照。）以降において、素子カバー６６ｃに結露は発生しないから、空燃比検出素子６６ａに水滴が付着しない。そこで、第２制御装置は、図１３の時刻ｔ１以降に示したように、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第２温度ＴＣｔｈＬを超えた時点から、加熱用ヒータの発熱量をそれ以前（時刻ｔ１以前）の発熱量よりも大きくする（図１３の（Ｃ）の時刻ｔ１以降における実線を参照。）。

この結果、図１３の（Ｄ）に実線により示したように、空燃比検出素子６６ａの温度ＴＳは時刻ｔ１以降において速やかに活性温度ＴＳｔｈに向けて上昇する。従って、始動時（時刻ｔ０）から空燃比センサ６６が活性化する時点（時刻ｔ２）までの時間（活性化必要時間Ｔ１）が、従来の機関よる活性化必要時間（Ｔ２）よりも短縮され、空燃比フィードバック制御を早期に開始することができる。以上が、第２制御装置の作動の概要である。

（第２制御装置の実際の作動）
次に、第２制御装置の実際の作動について、機関１０が冷間始動された直後の時点からの時間経過に従って説明する。第２制御装置のＣＰＵ７１は、図６に代わる図１４、図７、図８及び図９に示されたルーチンを実行する。図７乃至図９に示されたルーチンについては説明済みである。従って、以下、図１４に示されたルーチンに焦点を当てて説明する。なお、図１４に示したステップのうち図６に示したステップと同じ処理を行うステップには、図６のそのようなステップに付された符号と同一の符号が付されている。

ＣＰＵ７１は、各気筒のクランク角が圧縮上死点前の所定クランク角（例えばＢＴＤＣ９０°）に一致する毎に、図１４に示した燃料噴射制御ルーチンを繰り返し実行するようになっている。以下、クランク角が圧縮上死点前の前記所定クランク角度に一致した気筒を燃料噴射気筒とも称呼する。

従って、何れかの気筒のクランク角が前期所定クランク角に一致すると、ＣＰＵ７１は、ステップ１４００からステップ１４１０に進み、水蒸気濃度低減フラグＸＰが「１」であるか否か（即ち、素子カバー温度ＴＣが高側閾値温度ＴＣｔｈＨより低い温度であるか否か）を判定する。

機関１０の冷間始動後においては、一般に、素子カバー温度ＴＣは高側閾値温度ＴＣｔｈＨより低い。従って、水蒸気濃度低減フラグＸＰは図８のステップ８２０にて「１」に設定されている。このため、ＣＰＵ７１はステップ１４１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１４２０に進み、目標空燃比Ａｂｆｒｅｆを「理論空燃比Ｓｔｏｉｃｈよりも大きいリーン空燃比ＡＬ」に設定する。

次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ６１０にて筒内吸入空気量Ｍｃを取得し、ステップ６１５にて燃料噴射量Ｆｉを決定し、ステップ６２０にて燃料噴射気筒に対して設けられている燃料噴射弁に対し開弁指示を行う。その後、ＣＰＵ７１は、ステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、機関に供給される混合気の空燃比はリーン空燃比ＡＬに制御される。なお、ＣＰＵ７１は、燃焼室２５内に燃料濃度の高い混合気層（可燃混合気）が生じるように燃料噴射時期を調整するとともに、点火時期を最適なタイミングに設定することにより、機関冷間時においても安定したリーン燃焼を発生させる。

この結果、素子カバー温度ＴＣが高側閾値温度ＴＣｔｈＨより低い期間（図１３の時刻ｔ０〜ｔ３）、機関に供給される混合気の空燃比がリーン空燃比ＡＬに制御されるから、空燃比センサ６６に到達する排ガスの水蒸気濃度が低下する。従って、空燃比センサ６６の配設部位における露点温度は、第１温度ＴＣｔｈＨから第２温度ＴＣｔｈＬへと低下する。換言すると、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第２温度ＴＣｔｈＬを超えると、素子カバー６６ｃに結露は発生しないから、空燃比検出素子６６ａに水滴が付着しない。

このため、ＣＰＵ７１は、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第２温度ＴＣｔｈＬを超えた時点（図１３の時刻ｔ１を参照。）にて、図８のステップ８０５及びステップ８１０の処理によって低側閾値温度到達判定フラグＸＳを「１」に設定する。これにより、ＣＰＵ７１は、図９のステップ９０５に続くステップ９１５にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ９２０の処理によって加熱用ヒータ６６ｂを１００％デューティにて通電する。即ち、ＣＰＵ７１は加熱用ヒータ６６ｂの発熱量を最大にする。

その後、所定の時間が経過すると、図１３の（Ａ）の時刻ｔ３に示したように、素子カバー温度ＴＣが上昇して高側閾値温度ＴＣｔｈＨに到達する。この時点以降において、ＣＰＵ７１が図８のルーチンの処理をステップ８００から開始すると、ＣＰＵ７１はステップ８０５及びステップ８１０に続くステップ８１５にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ８３０に進んで水蒸気濃度低減フラグＸＰを「０」に設定する。

これにより、ＣＰＵ７１が図１４のステップ１４００からステップ１４１０に進んだとき、ＣＰＵ７１は、そのステップ１４１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ１４３０に進み、目標空燃比Ａｂｆｒｅｆを理論空燃比Ｓｔｏｉｃｈに設定する。

次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ６１０にて筒内吸入空気量Ｍｃを取得し、ステップ６１５にて燃料噴射量Ｆｉを決定し、ステップ６２０にて燃料噴射気筒に対して設けられている燃料噴射弁に対し開弁指示を行う。その後、ＣＰＵ７１は、ステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、機関に供給される混合気の空燃比は理論空燃比に制御される。その他の作動については、第１制御装置と同様である。

以上、説明したように、第２制御装置は、取得された素子カバー６６ｃの温度ＴＣが前記第１温度（ＴＣｔｈＨ）より低い場合には、素子カバー６６ｃの温度ＴＣが第１温度ＴＣｔｈＨより高い場合よりも「機関に供給される混合気の空燃比」を大きい値に設定する空燃比設定手段を、水蒸気濃度制御手段として備える。

従って、第２制御装置は、機関１０の冷間始動後に機関に供給される混合気の空燃比をリーン空燃比ＡＬに設定することによって、空燃比センサ６６を通過する排ガスの水分濃度を低下させる。これによって、空燃比センサ６６の素子カバー６６ｃにおける結露温度を低側閾値温度ＴＣｔｈＬまで低下させることができる。この結果、加熱用ヒータ６６ｂを早い時点から１００％デューティで通電することができる。従って、空燃比検出素子温度ＴＳは活性温度ＴＳｔｈに早期に到達し、ＣＰＵ７１による空燃比のフィードバック制御の開始時間を早めることができる。よって、エミッションをより良好にすることができる。

なお、第２制御装置は、空燃比をリーン空燃比ＡＬに設定するために燃料噴射量を変更していたが、スロットル弁４４を駆動して吸入空気量を増大することにより、空燃比をリーン空燃比ＡＬに設定してもよい。

このように本発明の各実施形態に係る制御装置は、空燃比センサ６６の素子割れを回避しながら、空燃比検出素子６６ａの温度を活性温度にまで早期に上昇させることができる。

本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、第１制御装置及び第２制御装置は、図７に示した素子カバー温度推定ルーチンに代え、図１５に示した素子カバー温度推定ルーチンを採用してもよい。図１５に示したステップのうち図７に示したステップと同じ処理を行うステップには、図７のそのようなステップに付された符号と同一の符号が付されている。

図１５に示したルーチンによれば、始動操作直後において「冷却水温ＴＨＷ及び素子カバー温度推定関数ｆ（ＴＨＷ）」に基づき素子カバー温度ＴＣの初期値が決定される（ステップ７１０を参照。）。更に、始動操作直後以降において、ＣＰＵ７１はステップ１５１０にて排気温Ｔｅｘを推定する。排気温Ｔｅｘは、機関１０の負荷（例えば、筒内吸入空気量Ｍｃ及びアクセルペダル操作量Accp等）に基づいて推定される。次いで、ＣＰＵ７１は、ステップ１５２０にて、現時点での素子カバー温度ＴＣを、α・ＴＣ（前回のルーチンにおける素子カバー温度ＴＣに定数αを掛けたもの）に（１−α）・Ｔｅｘを加えた値（αは０以上で１以下の所定の定数）として推定する。これによって、現時点の素子カバー温度ＴＣは、前回のルーチンにおける素子カバー温度ＴＣと排気温Ｔｅｘとから算出されるので、より正確な素子カバー温度ＴＣを推定することができる。また、素子カバー温度ＴＣは、素子カバーに配設された温度センサにより直接的に取得されてもよい。

更に、空燃比センサ６６は、素子カバーを二重に備えるものであってもよい。この場合、どちらの素子カバー温度を上記制御に使用してもよいが、内側の素子カバーを上記制御に使用することが好ましい。

また、低側閾値温度ＴＣｔｈＬは、排ガスの水蒸気濃度が低下された場合における素子カバー６６ｃの露点温度以上の温度であって、排ガスの水蒸気濃度が低下されていない場合における素子カバー６６ｃの露点温度以下の温度であればよい。更に、高側閾値温度ＴＣｔｈＨは、低側閾値温度ＴＣｔｈＬよりも高い温度であればよい。このとき、高側閾値温度ＴＣｔｈＨが「排ガスの水蒸気濃度が低下されていない場合における素子カバー６６ｃの露点温度ＴＨ」以下の温度に設定されるならば、素子カバー温度ＴＣが高側閾値温度ＴＣｔｈＨを越えてから露点温度ＴＨに至るまでの間、加熱用ヒータ６６ｂの発熱量を低下させればよい。更に、本発明による制御装置は、第１制御装置による強制冷却と第２制御によるリーン制御とを併用してもよい。

更に、「図８のステップ８１５乃至ステップ８３０、図１０のステップ１００５及びステップ１０１０、並びに、排気側冷却系統８０」又は「図８のステップ８１５乃至ステップ８３０、図１４のステップ１４１０乃至ステップ１４３０等」により構成される水蒸気濃度制御手段は、「取得された素子カバーの温度が第１温度より低い場合には同素子カバーの温度が第１温度より高い場合よりも空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気の濃度を減少させる水蒸気濃度制御手段」であると言うこともできる。

加えて、図８のステップ８０５、ステップ８１０及びステップ８２５、並びに、図９のルーチンにより構成される加熱用ヒータ制御手段は、取得された素子カバーの温度が、前記水蒸気濃度制御手段により前記水蒸気の濃度が減少させられている状態において前記素子カバーに結露が生じることのない温度領域内の温度であって前記第１温度よりも低い温度である第２温度よりも低い場合には前記空燃比検出素子の温度を前記活性温度に向けて穏やかに上昇させるように前記加熱用ヒータの発熱量を０以上の第１の量に制御し、同素子カバーの温度が同第２温度よりも高い場合には前記空燃比検出素子の温度を同活性温度に向けて速やかに上昇させるように同加熱用ヒータの発熱量を同第１の量よりも大きい第２の量に制御する加熱用ヒータ制御手段であると言うこともできる。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置（第１制御装置）が適用された内燃機関の概略図である。 図１に示した内燃機関の冷却系統の概略図である。 図１に示した空燃比センサの部分概略縦断面図である。 第１制御装置による効果を説明するための排気通路の概略図である。 第１制御装置における、素子カバー温度、加熱用ヒータディーティ及び空燃比検出素子温度等の時間的な変化を表すタイムチャートである。 第１制御装置のＣＰＵが実行する燃料噴射制御ルーチンを示したフローチャートである。 第１制御装置のＣＰＵが実行する素子カバー温度推定ルーチンを示したフローチャートである。 第１制御装置のＣＰＵが実行するフラグ設定ルーチンを示したフローチャートである。 第１制御装置のＣＰＵが実行する加熱用ヒータ制御ルーチンを示したフローチャートである。 第１制御装置のＣＰＵが実行する冷却通路切換ルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関の制御装置（第２制御装置）が適用された内燃機関の冷却系統の概略図である。 機関に供給される混合気の空燃比と排ガスの水分濃度との関係を示したグラフである。 第２制御装置における、素子カバー温度、加熱用ヒータディーティ及び空燃比検出素子温度等の時間的な変化を表すタイムチャートである。 第２制御装置のＣＰＵが実行する燃料噴射制御ルーチンを示したフローチャートである。 本発明の他の実施形態におけるＣＰＵが実行する素子カバー温度推定ルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

１０…内燃機関、２０…シリンダブロック部、２５…燃焼室、３０…シリンダヘッド部、３４…排気ポート、３５…排気弁、４０…吸気系統、５０…排気系統、５１…エキゾーストマニホールド、５２…排気管、５３…三元触媒、６５…冷却水温度センサ、６６…空燃比センサ、６６ａ…空燃比検出素子、６６ａ１…固体電解質層、６６ａ２…排ガス側電極層、６６ａ３…大気側電極層、６６ａ４…拡散抵抗層、６６ｂ…加熱用ヒータ、６６ｃ…素子カバー、６６ｃ１…小穴、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ、８０…排気側冷却系統、８１…第１通路（排気通路構成部材冷却通路）、８７…冷却経路切換装置、９０…吸気側冷却系統、１００…ラジエータ。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配設された空燃比センサであって、所定の活性温度以上になったとき同排気通路を流れる排ガスの空燃比に対応した値を出力する空燃比検出素子、同空燃比検出素子を覆う素子カバー及び同空燃比検出素子を加熱する加熱用ヒータを有する空燃比センサと、
   前記空燃比検出素子の温度が前記活性温度以上であるとき前記空燃比検出素子から出力される値に基づいて前記機関に供給される混合気の空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
   を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記素子カバーの温度を取得する素子カバー温度取得手段と、
   前記空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気の濃度を減少させる水蒸気濃度制御手段と、
   前記取得された素子カバーの温度が、前記水蒸気濃度制御手段により前記水蒸気の濃度が減少させられている状態において前記素子カバーに結露が生じることのない温度領域内の温度である第２温度以下である場合には前記空燃比検出素子の温度を前記活性温度に向けて穏やかに上昇させるように前記加熱用ヒータの発熱量を０以上の第１の量に制御し、同素子カバーの温度が同第２温度よりも高い場合には前記空燃比検出素子の温度を同活性温度に向けて速やかに上昇させるように同加熱用ヒータの発熱量を同第１の量よりも大きい第２の量に制御する加熱用ヒータ制御手段と、
   を備える制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記水蒸気濃度制御手段は、
   前記取得された素子カバーの温度が、第２温度よりも高い第１温度より低い場合には、同素子カバーの温度が第１温度より高い場合よりも前記空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気の濃度を減少させるように構成された制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記水蒸気濃度制御手段は、
   前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合、前記空燃比センサよりも上流の排気通路を構成する部材である排気通路構成部材を冷却することにより前記空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気の濃度を減少させ、
   前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より高い場合、前記排気通路構成部材を冷却しないか又は前記素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合よりも低い冷却効率にて前記排気通路構成部材を冷却するように構成された制御装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記水蒸気濃度制御手段は、
   前排気通路構成部材を冷却するために入口部から流入した冷却水を通流させた後に出口部から排出する冷却通路と、
   導入部が前記冷却通路の出口部に連通されるとともに排出部が前記冷却通路の入口部に連通され同導入部から同排出部に向けて内部を流れる冷却水を大気との熱交換によって冷却する冷却水冷却手段と、
   前記冷却水冷却手段をバイパスするように一端が前記冷却通路の出口部に連通されるとともに他端が前記冷却通路の入口部に連通されたバイパス通路と、
   前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合には前記冷却水が前記冷却水冷却手段及び前記冷却通路からなる第１循環路を常に通過し、同取得された素子カバーの温度が同第１温度より高い場合には前記冷却水の一部が前記バイパス通路及び前記冷却通路からなる第２循環路を通過するように通路を切り換える冷却水通流経路切換手段と、
   を備える内燃機関の制御装置。
5. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記水蒸気濃度制御手段は、
   前記取得された素子カバーの温度が前記第１温度より低い場合の前記機関に供給される混合気の空燃比を、同素子カバーの温度が同第１温度より高い場合の前記機関に供給される混合気の空燃比よりも大きい値に設定することにより前記空燃比センサに到達する排ガスに含まれる水蒸気の濃度を減少させるように構成された空燃比設定手段である制御装置。

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