JP2010174657A - 排気成分センサーのヒーター駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＣＲ方式の排気浄化装置が組み込まれた従来の車両にあっては、排気通路に配されて排気中の特定成分を検出するための排気成分センサーが排気中の水滴によって被水割れを起こしてしまう可能性があった。
【解決手段】尿素を用いる選択触媒還元方式の触媒コンバーター２５よりも下流側の排気通路１３に配されて排気中の特定成分を検出するための排気成分検出センサー４１に組み込まれ、この排気成分センサー４１を加熱することによってこれを活性化させるヒーター４４に対する通電を制御する本発明の方法は、排気成分センサー４１よりも上流側にて発生する結露水の量を求めるステップと、算出した量の結露水が気化し終えたか否かを判定するステップと、結露水が気化し終えたと判断した場合にヒーター４４に通電して排気成分センサー４１を活性化させるステップとを具える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気中に含まれる特定成分を検出するための排気成分センサーにおけるヒーター駆動制御方法に関する。

排気通路を画成する排気管などの排気通路画成部材の温度が排気中に含まれる水蒸気の露点温度よりも低い場合、排気中に含まれる水蒸気の一部が凝縮して排気通路画成部材の内壁やこの排気通路に組み込まれた各種センサー類に結露する可能性がある。通常、このような現象は、特に標高の高い場所や寒冷地での内燃機関の冷態始動時などで多く発現する。一方において、空燃比センサー，Ｏ₂センサー，ＮＯ_Xセンサーなど、排気中の特定成分を検出するための排気成分センサーにおいては、検出素子として７００℃〜８００℃程度に加熱保持されるセラミックス材料を用いている。このため、高温に保持された検出素子に上述した結露水が付着すると、熱衝撃によって検出素子が破損して、いわゆる被水割れを起こしてしまう。

このような不具合に対処するため、排気成分センサーを活性化させるためのヒーターに対する通電の開始時期を制御する技術が特許文献１などで開示されている。この特許文献１においては、内燃機関に供給される燃料の燃焼によって発生する水蒸気のうち、排気通路で結露する水分量を推定し、排気通路の温度上昇に伴ってこれが完全に気化し終えた後、ヒーターに対する通電を開始するようにしている。

特開２００４−３６０５２６号公報 特開２００６−９６０８号公報

内燃機関から排出される排気中の有害成分を無害化するため、選択触媒還元、つまりＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）方式の触媒コンバーターを用いた排気浄化装置が特許文献２などで提案されている。このＳＣＲ方式の触媒コンバーターにおいては、通常、尿素を排気中に添加して排気中に含まれるＮＯ_X成分を窒素と水とに還元して無害化させるようにしている。このため、ＳＣＲ方式の排気浄化装置においては、尿素の添加量をフィードバック制御するためにＮＯ_XセンサーをＳＣＲ方式の触媒コンバーター（以下、これをＮＯ_X触媒と記述する）よりも下流側の排気通路に組み込む必要がある。

このように、ＳＣＲ方式の排気浄化装置においては、ＮＯ_X触媒から新たに水蒸気が発生するため、特許文献１に開示された方法では、ＮＯ_X触媒よりも下流側の排気通路に配されたＮＯ_Xセンサーの被水割れを阻止することが基本的にできない。また、悪路を走行中の車両が路面から受ける衝撃や、下り坂を走行中の急減速操作によっても、ＮＯ_X触媒にて発生した水滴が燃焼室側へ逆流することもあり得る。このため、ＮＯ_X触媒よりも上流側の排気通路に配した他の排気成分センサー、例えば空燃比センサーにおいても被水割れが発生する可能性がある。

本発明の目的は、ＳＣＲ方式の排気浄化装置を組み込んだ車両において、排気通路に配された排気成分センサーが被水割れを起こさないように、これを活性化させるためのヒーターに対する通電のタイミングを良好に制御し得る方法を提供することにある。

本発明による排気成分センサーのヒーター駆動制御方法は、尿素を用いる選択触媒還元方式の触媒コンバーターよりも下流側の排気通路に配されて排気中の特定成分を検出するための排気成分検出センサーに組み込まれ、この排気成分センサーを加熱することによってこれを活性化させるヒーターに対する通電を制御する方法であって、前記排気成分センサーよりも上流側にて発生する結露水の量を求めるステップと、算出した量の結露水が気化し終えたか否かを判定するステップと、結露水が気化し終えたと判断した場合に前記ヒーターに通電して前記排気成分センサーを活性化させるステップとを具えたことを特徴とするものである。

本発明による排気成分センサーのヒーター駆動制御方法において、結露水の量を算出するステップは、排気通路を画成する排気通路画成部材の温度を求めるステップと、燃料の燃焼によって発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップと、尿素の添加によって触媒コンバーターにて発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップと、排気中の水蒸気濃度に対応した露点温度を求めるステップと、排気流量を求めるステップとを含むものであってよい。この場合、排気通路画成部材の温度を求めるステップは、排気温を求めるステップと、排気流量を求めるステップとを含むことができる。また、燃料の燃焼によって発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップは、排気中の空燃比を求めるステップを含むものであってよい。さらに、尿素の添加によって触媒コンバーターにて発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップは、尿素添加量を求めるステップを含むことができる。また、排気中の水蒸気濃度に対応した露点温度を求めるステップは、排気中の空燃比を求めるステップを含むものであってよい。

算出した量の結露水が気化し終えたか否かを判定するステップは、結露水の気化量を求めるステップを含むことができる。この場合、結露水の気化量を求めるステップは、燃料の燃焼によって発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップと、尿素の添加によって触媒コンバーターにて発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップと、排気中の水蒸気濃度に対応した露点温度を求めるステップと、排気流量を求めるステップとを含むことができる。

なお、排気流量を求めるステップは、内燃機関の吸気流量を求めるステップに置き換えることができる。

触媒コンバーターが内燃機関からの排気中に含まれる窒素酸化物を還元する排気浄化装置の一部を構成し、排気成分センサーがＮＯ_Xセンサーであってよい。

本発明では、排気成分センサーよりも上流側にて発生する結露水の量を求め、算出した量の結露水が気化し終えたか否かを判定し、結露水が気化し終えたと判断した場合にヒーターに通電して排気成分センサーを活性化させるようにしている。このため、高価な排気成分センサーが被水割れを起こさないようにすることができる。

排気通路画成部材の温度と、燃料によって発生する水蒸気の濃度と、尿素の添加によって発生する水蒸気の濃度と、水蒸気濃度に対応した露点温度と、排気流量とに基づいて結露水の量を算出する場合、尿素によって発生する水分も加味されることとなる。この結果、ＳＣＲ方式の排気浄化装置を組み込んだ車両においても排気成分センサーの被水割れを確実に防止することができる。

排気通路画成部材の温度を排気温と排気流量とに基づいて求める場合、通路画成部材の温度を検出するためのセンサーを新たに追加する必要がなくなり、部品コストの増加を抑えることができる。

燃料の燃焼によって発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を排気中の空燃比に基づいて求める場合、水蒸気濃度センサーを新たに追加する必要がなくなり、部品コストの増加を抑えることができる。

尿素の添加によって触媒コンバーターにて発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を尿素添加量に基づいて求める場合、排気成分センサーが活性化していない状態であっても、尿素の添加に伴う水蒸気濃度の上昇分を簡単に推定することができる。

排気中の空燃比に基づいて排気中の水蒸気濃度に対応した露点温度を求める場合、排気中の水蒸気濃度が直接的に測定できない場合であっても、排気中の空燃比から露点温度を予測することができる。

結露水の気化量に基づき、算出した量の結露水が気化し終えたか否かを判定する場合、結露した水の量と気化する水の量とが同じであり、信頼性の高い制御内容であることが約束される。

燃料の燃焼によって発生する水蒸気の濃度と、尿素の添加によって発生する水蒸気の濃度と、水蒸気濃度に対応した露点温度と、排気流量とに基づいて結露水の気化量を求める場合、燃料に加え、尿素によって発生した水分も考慮されることとなる。この結果、ＳＣＲ方式の排気浄化装置を組み込んだ車両においても排気成分センサーの被水割れを確実に防止することができる。

内燃機関の吸気流量に基づいて排気流量を求める場合、新たに排気流量を検出するためのセンサーを排気通路に設ける必要がなくなり、そのための部品コストの増加を抑えることができる。

触媒コンバーターが内燃機関からの排気中に含まれる窒素酸化物を還元する排気浄化装置の一部を構成し、排気成分センサーがＮＯ_Xセンサーである場合、排気中に含まれる窒素酸化物をより確実に無害化させることができる。

本発明の一実施形態を模式的に表す概念図である。 本実施形態における主要部の制御ブロック図である。 空燃比と露点温度との関係を表すマップである。 露点温度と飽和水蒸気濃度との関係を表すマップである。 空燃比と水蒸気濃度との関係を模式的に表すマップである。 尿素添加量と排気中における水蒸気濃度増分との関係を模式的に表すマップである。 本実施形態における排気成分検出センサーのヒーターに対する通電の制御手順を表すフローチャートである。 本実施形態におけるＳＣＲ方式の触媒コンバーターに対する尿素の添加制御手順を表すフローチャートである。

本発明による排気成分センサーのヒーター駆動制御方法を圧縮点火方式の内燃機関に応用した一実施形態について、図１〜図８を参照しながら詳細に説明する。

まず、本実施形態におけるエンジンシステムの主要部の概念を図１に示し、このエンジンシステムにおける主要部の制御ブロックを図２に示す。本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１２内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火式の内燃機関である。従って、このエンジン１０には、排気通路１３を流れる排気ガスの一部を吸気通路１４に導く図示しない排気還流装置と、排気通路１３を流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１２への過給を行う図示しないターボ過給装置とが組み込まれている。

燃焼室１２にそれぞれ臨む吸気ポート１５および排気ポート１６が形成されたシリンダーヘッド１７には、吸気ポート１５を開閉する吸気弁１８および排気ポート１６を開閉する排気弁１９を含む図示しない動弁機構が組み込まれている。また、このシリンダーヘッド１７には、これら吸気弁１８および排気弁１９に挟まれるように燃焼室１２の上端中央に臨む先の燃料噴射弁１１が取り付けられている。

排気ポート１６に連通するようにシリンダーヘッド１７に連結されて排気ポート１６などと共に排気通路１３を画成する排気管２０の途中には、燃焼室１２内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置２１が組み込まれている。本実施形態における排気浄化装置２１は、排気通路１３の上流側から順に酸化触媒コンバーター２２と、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）２３と、ＮＯ_X触媒（ＳＣＲ方式の触媒コンバーター）２５とを含む。酸化触媒コンバーター２２は、排気中の未燃成分を酸化分解させるためのものである。また、ＮＯ_X触媒２５は、尿素添加弁２４から排気中に添加される尿素によって排気中の窒素酸化物を還元するためのものである。なお、ＮＯ_X触媒２５に対して尿素を過剰に供給すると、水蒸気および窒素ガス以外にアンモニアも発生するため、このアンモニアが大気中に排出されないように、ＮＯ_X触媒２５よりも下流側の排気通路１３にアンモニア還元触媒を組み込むことも有効である。周知のように、このアンモニア還元触媒は、アンモニアを窒素と水とに分解するような機能を持つ。

従って、吸気通路１４から燃焼室１２内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、ピストン２６の圧縮上死点直前にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが排気浄化装置２１を通って排気管２０から大気中に排出される。この場合、排気中の未燃成分が酸化触媒コンバーター２２によって酸化分解され、微粒子成分がＤＰＦ２３に捕捉され、窒素酸化物がＮＯ_X触媒２５によって還元され、清浄化された状態となって大気中に排出されることとなる。

このように、本実施形態ではＳＣＲ方式の触媒コンバーター２５の上流側に酸化触媒コンバーター２２やＤＰＦ２３を組み込んだ排気浄化装置２１を採用している。しかしながら、ＳＣＲ方式の触媒コンバーター２５のみを排気通路１３に組み込んだ排気浄化装置においても、本発明を適用させることができることは言うまでもない。

なお、排気通路１３の最下流端部には、エンジン１０の燃焼音および排気音を軽減するための消音器２７が組み込まれている。また、本発明における排気通路画成部材は、排気ポート１６を画成するシリンダーヘッド１７や上述した排気管２０に加え、排気浄化装置２１において排気が通過する酸化触媒コンバーター２２やＤＰＦ２３およびＮＯ_X触媒２５などもその一部を構成する。

本実施形態では、エンジン１０が搭載される車両の運転状態を把握してＥＣＵ２８が燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および噴射時期や、尿素添加弁２４からの尿素の添加量などを良好に制御するため、以下のような運転状態把握手段をさらに具えている。すなわち、運転者によって操作されるアクセルペダル２９の踏み込み量を検出してこれをＥＣＵ２８に出力するアクセル開度センサー３０を具えている。また、吸気通路１４の途中には、この吸気通路１４を流れる吸入空気量を検出してこれをＥＣＵ２８に出力するエアーフローメーター３１が取り付けられている。また、ピストン２６が往復動するシリンダーブロック３２には、連接棒３４を介してピストン２６が連結されるクランク軸３４の回転位相を検出してこれをＥＣＵ２８に出力するクランク角センサー３５が取り付けられている。さらに、酸化触媒コンバーター２２と、ＤＰＦ２３と、ＮＯ_X触媒２５と、消音器２７との間の排気通路１３には、排気の温度を検出してこれをＥＣＵ２８にそれぞれ出力するための第１，第２，第３排気温センサー３６，３７，３８が順に設けられている。尿素添加弁２４が配されたＤＰＦ２３とＮＯ_X触媒２５との間の排気通路１３には、空燃比センサー３９および第１のＮＯ_Xセンサー４０が配され、さらにＮＯ_X触媒２５と消音器２７との間には第２のＮＯ_Xセンサー４１が配されている。空燃比センサー３９は、この排気通路１３を流れる排気の空燃比を検出してこれをＥＣＵ２８に出力し、第１および第２のＮＯ_Xセンサー４０，４１も同様に、排気通路１３を流れる排気に含まれる窒素酸化物の量を検出してこれをＥＣＵ２８に出力する。本実施形態では、ＮＯ_X触媒２５よりも上流側の排気通路１３に第１ＮＯ_Xセンサー４０を配したが、部品コストを制約するためにこの第１ＮＯ_Xセンサー４０を省略することも可能である。

本発明の排気成分センサーとしての空燃比センサー３９および第１，第２ＮＯ_Xセンサー４０，４１は、これを活性化させるためのヒーター４２，４３，４４がそれぞれ組み込まれており、これらヒーター４２〜４４に対する通電がＥＣＵ２８によって制御される。

前記ＥＣＵ２８は、図示しないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器および入出力インターフェイスなどを含むマイクロコンピュータを含む。このＥＣＵ２８は、運転状態判定部４５と、燃料噴射駆動制御部４６と、結露水量積算部４７と、気化水量積算部４８と、空燃比センサー加熱制御部４９と、第１および第２ＮＯ_Xセンサー加熱制御部５０，５１と、尿素噴射駆動制御部５２とを具えている。ＥＣＵ２８は、円滑なエンジン１０の運転がなされるように、上述したセンサー３０，３６〜４１およびエアーフローメーター３１などからの検出信号に基づいて所定の演算処理を行う。そして、予め設定されたプログラムに従って燃料噴射弁１１および尿素添加弁２４の作動を制御する他、空燃比センサー３９および第１，第２ＮＯ_Xセンサー４０，４１の各ヒーター４２〜４４に対する通電時期なども制御する。

運転状態判定部４５は、冷態始動直後などで被水割れを防止するためにヒーター４２〜４４に対する通電がなされておらず、空燃比センサー３９が不活性な状態にある場合、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量と吸入空気流量Ｑとから空燃比を予測する。これは周知の技術である。そして、この空燃比に基づいて露点温度Ｔ_dと排気中の水蒸気濃度Ｃ_eとを算出し、さらに算出した露点温度Ｔ_dに対応した飽和水蒸気濃度Ｃ_dを算出する。なお、尿素を添加した場合には水蒸気濃度Ｃ_eを補正する必要もある。このため、ＥＣＵ２８の運転状態判定部４５には、図３〜図６に示すような複数種類のマップが記憶されている。図３は空燃比と露点温度Ｔ_dとを関係付けたマップであり、図４は空燃比と水蒸気濃度Ｃ_eとを関係付けたマップであり、図５は露点温度Ｔ_dと飽和水蒸気濃度Ｃ_dとを関係付けたマップであり、図６は尿素添加量と水蒸気濃度増分ΔＣとを関係付けたマップである。そして、結露水量積算部４７にて積算された積算結露水量Ｗ_cと、気化水量積算部４８にて積算された積算気化水量Ｗ_vとを比較し、算出した量の結露水が気化し終えたか否かを判定する。この判定結果は空燃比センサー加熱制御部４９および第１，第２ＮＯ_Xセンサー加熱制御部５０，５１に出力される。

燃焼噴射駆動制御部４６は、アクセル開度センサー３０，エアーフローメーター３１，クランク角センサー３５などからの検出情報に基づき、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の噴射量と噴射時期とを設定して燃料噴射弁１１の作動を制御する。

結露水量積算部４７は、第２のＮＯ_Xセンサー４１よりも上流側にて発生する結露水の量Ｗ_cを算出してこれを積算し、その結果を運転状態判定部４５に出力する。排気流量は、吸気流量Ｑで近似させることができるので、結露水量積算部４７にて算出される結露水量Ｗ_cは（Ｃ_e＋ΔＣ−Ｃ_d）×Ｑとなる。

気化水量積算部４８は、算出された結露水の気化量Ｗ_Vを算出してこれを積算し、その結果を運転状態判定部４５に出力する。この気化水量積算部４８にて算出される気化水量Ｗ_Vも結露水量Ｗ_cと同様に、（Ｃ_e＋ΔＣ−Ｃ_d）×Ｑとなる。

空燃比センサー加熱制御部４９および第１，第２ＮＯ_Xセンサー加熱制御部５０，５１は、運転状態判定部４５により比較される結露水量Ｗ_cおよび気化水量Ｗ_vがＷ_v＞Ｗ_cとなった、つまり結露水が完全に気化し終えた場合にヒーター４２〜４４にそれぞれ通電し、これらを活性化させる。

本実施形態では、排気通路１３の上流側と中間と下流側とに排気温センサー３６〜３８をそれぞれ組み込み、これによって排気通路１３の異なる複数箇所にて露点温度Ｔ_dおよび水蒸気濃度Ｃ_eをそれぞれ算出するようにしている。その理由は、特に低温始動時において排気通路１３の上流側と下流側とで排気温Ｔ_eが極端に相違するためであり、これによって信頼性のより高い制御を行えるように配慮している。しかしながら、部品コストなどを配慮した場合、排気温センサー３６〜３８を少なくとも１つだけ配することも可能であり、この場合には最下流側の排気温センサー３８のみを用いることが好ましい。また、排気温センサー３６〜３８に代えて排気通路１３を画成する排気管２０などの排気通路画成部材の温度を直接測定することができるセンサーを別途組み込むようにしてもよい。この場合には、露点温度Ｔ_dをより正確に把握することができる。

尿素噴射駆動制御部５２は、ＮＯ_X触媒２５の活性化の有無を判定して尿素添加弁２４から排気中に添加される尿素の量を制御する。具体的には第２排気温センサー３７からの検出信号に基づき、ＮＯ_X触媒２５に流入する排気温Ｔ_eと、排気流量（本実施形態では吸気流量Ｑ）とからＮＯ_X触媒２５の温度Ｔ_cを推定する。そして、これが予め設定した触媒活性化温度Ｔ_cR以上になった場合、ＮＯ_X触媒２５が活性化したと判断し、吸気流量Ｑに応じてＮＯ_X触媒２５に対する尿素の添加量を設定する。第１および第２ＮＯ_Xセンサー４０，４１が活性化してこれらのヒーター４３，４４に通電がなされた場合、活性化状態にある第１および第２ＮＯ_Xセンサー４０，４１からの検出信号に基づき、尿素の添加量がフィードバック制御されることは言うまでもない。

イグニッションキースイッチ５３をオンにしてエンジン１０の始動を行った場合の空燃比センサー３９および第１，第２ＮＯ_Xセンサー４０，４１のヒーター４２〜４４に対する通電のための一連の制御の流れを図７に示す。まず、Ｓ１０のステップにて排気通路１３の排気温Ｔ_eを検出すると共に吸気流量Ｑを算出し、次いでＳ１１のステップにて露点温度Ｔ_d算出用のフラグＦ₁がセットされているか否かを判定する。最初はフラグＦ₁がセットされていないので、Ｓ１２のステップに移行して空燃比を算出すると共に露点温度Ｔ_dを算出する。これは、ＥＣＵ２８の運転状態判定部４５にて燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量と吸気流量Ｑとから算出され、その算出された空燃比に基づき、図３の如きマップから露点温度Ｔ_dが読み出される。そして、Ｓ１３のステップにてフラグＦ₁をセットした後、Ｓ１４のステップにて排気温Ｔ_eが露点温度Ｔ_d未満であるか否かを判定する。ここで排気温Ｔ_eが露点温度Ｔ_d未満である、すなわち、排気中に含まれる水分が凝縮して排気通路１３の内壁に結露すると判断した場合には、Ｓ１５のステップに移行して露点温度Ｔ_dに対応した飽和水蒸気濃度Ｃ_dと、空燃比に応じた水蒸気濃度Ｃ_eとを算出する。そして、Ｓ１６のステップにて結露水量Ｗ_cを算出した後、Ｓ１０のステップに戻る。

一方、Ｓ１４のステップにて排気温Ｔ_eが露点温度Ｔ_d以上である、つまり排気通路１３に結露が生じないと判断した場合、Ｓ１７のステップに移行して空燃比センサー３９および第１，第２ＮＯ_Xセンサー４０，４１のヒーター４２〜４４に対する通電を直ちに行う。しかる後、Ｓ１８のステップにてフラグＦ₁をリセットしてこの制御ルーチンを終了する。

先のＳ１１のステップにてフラグＦ₁がセットされている、すなわち露点温度Ｔ_dがＳ１２のステップにて算出済みであると判断した場合には、Ｓ１９のステップに移行して空燃比を算出すると共に水蒸気濃度Ｃ_eを算出する。そして、Ｓ２０のステップにてＳ１６のステップから続く結露水量Ｗ_cを積算する。そして、Ｓ２１のステップにて排気温Ｔ_eが露点温度Ｔ_d以上であるか否かを判定し、ここで、排気温Ｔ_eが露点温度Ｔ_d未満である、つまり排気通路１３で結露が生ずると判断した場合には、Ｓ１０のステップに戻って結露水量Ｗ_cの積算を繰り返す。

このように、排気温Ｔ_eが露点温度Ｔ_dに達するまで結露水量Ｗ_cの積算を行う。なお、ＮＯ_X触媒２５が活性化して尿素添加弁２４からＮＯ_X触媒２５に向けて尿素の添加が始まった場合には、水蒸気濃度の増分ΔＣを加味して結露水量Ｗ_cの積算を行う必要があることに注意されたい。

ここで、ＮＯ_X触媒２５に対する制御の流れを図８に示す。ここでは、まずＳ３０のステップにてＮＯ_X触媒２５の活性化判定用のフラグＦ₂がセットされているか否かを判定する。最初はフラグＦ₂がセットされていないので、Ｓ３１のステップに移行して排気温Ｔ_eと吸気流量Ｑとを算出する。次いでＳ３２のステップにてＮＯ_X触媒２５の温度Ｔ_cを推定し、これが予め設定した活性化閾温度Ｔ_cR以上であるか否かをＳ３３のステップにて判定する。ＮＯ_X触媒２５の温度Ｔ_cが活性化閾温度Ｔ_cRよりも低い場合には、Ｓ３１のステップに戻ってＮＯ_X触媒２５の温度Ｔ_cの上昇を待つ。そして、Ｓ３３のステップにてＮＯ_X触媒２５の温度Ｔ_cが活性化閾温度Ｔ_cR以上である、すなわちＮＯ_X触媒２５が活性化したと判断した場合には、Ｓ３４のステップに移行してＳ３２のステップにて算出された吸気流量Ｑに応じた尿素添加量が設定される。次に、Ｓ３６のステップにてフラグＦ₂をセットした後、最初のＳ３１のステップに戻る。

Ｓ３１のステップにてフラグＦ₂がセットされている、つまりＮＯ_X触媒２５に対する尿素の添加が始まっていると判断した場合には、Ｓ３６のステップに移行して吸気流量Ｑを算出する。そして、Ｓ３７のステップにて尿素添加量を設定し、Ｓ３８のステップにて尿素添加量を積算し、先の図７に示したフローチャートにおけるフラグＦ₁がリセットされているか否かをＳ３９のステップにて判定する。ここで、フラグＦ₁がリセットされていない限り、つまり空燃比センサー３９および第１，第２ＮＯ_Xセンサー４０，４１のヒーター４２〜４４に対する通電がなされていない限り、Ｓ３６からＳ３８に至るステップが繰り返される。つまり、尿素添加量に応じた水蒸気濃度増分ΔＣが結露水量Ｗ_c，気化水量Ｗ_vの算出のために用いられる。そして、Ｓ３９のステップにてフラグＦ₁がリセットされていると判断した場合、Ｓ４０のステップに移行してフラグＦ₂をリセットしてこの制御フローを終える。

先の図７のフローチャートに戻り、Ｓ２１のステップにて排気温Ｔ_eが露点温度Ｔ_d以上であると判断した場合には、Ｓ２２のステップに移行し、排気温Ｔ_eを検出すると共に吸気流量Ｑを算出する。次いで、Ｓ２３のステップにて空燃比を算出すると共にこの空燃比に対応した水蒸気濃度Ｃ_eを算出し、Ｓ２４のステップにて排気通路１３で結露した水のうち、気化する水の量、つまり気化水量Ｗ_vの積算を開始する。そして、Ｓ２５のステップにて積算された気化水量Ｗ_vが最終的な積算結露水量Ｗ_cよりも多いか否かを判定する。ここで、気化水量Ｗ_vが結露水量Ｗ_c未満である、すなわち排気通路１３にまだ結露水が残っていると判断した場合には、Ｓ２２のステップに戻って気化水量Ｗ_vが結露水量Ｗ_c以上になるまで気化水量Ｗ_vの積算を継続する。なお、ＮＯ_X触媒２５が活性化して尿素添加弁２４からＮＯ_X触媒２５に向けて尿素の添加が始まった場合には、水蒸気濃度の増分ΔＣを加味して気化水量Ｗ_vの積算を行う必要があることは、先の結露水量Ｗ_cの演算の場合と同様である。

このようにしてＳ２５のステップにて気化水量Ｗ_v1が結露水量Ｗ_c1以上である、つまり排気通路１３の結露水がすべて気化したと判断した場合には、Ｓ１７のステップに移行する。ここでは、空燃比センサー３９および第１，第２ＮＯ_Xセンサー４０，４１のヒーター４２〜４４にそれぞれ通電を行い、これらの活性化を促進させる。これによって、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量や噴射時期のフィードバック制御および尿素添加弁２４からの尿素添加量のフィードバック制御を行い、より正確な燃焼制御および排気浄化制御を実現する。

このように、本実施形態では第２ＮＯ_Xセンサー４１のヒーター４４に対する通電を空燃比センサー３９および第１ＮＯ_Xセンサー４０のヒーター４２，４３に対する通電と同時に行うことにより、次のような効果を得ることができる。例えば、悪路を走行中の車両が路面から受ける衝撃や、下り坂を走行中の急減速操作によって、ＮＯ_X触媒２５にて発生した水滴が燃焼室１２側へ逆流し、ＮＯ_X触媒２５よりも上流側の排気通路１３に配した空燃比センサー３９および第１ＮＯ_Xセンサー４０の被水割れを確実に防止することができる。

なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

１０ エンジン
１１ 燃料噴射弁
１２ 燃焼室
１３ 排気通路
１４ 吸気通路
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ シリンダーヘッド
１８ 吸気弁
１９ 排気弁
２０ 排気管
２１ 排気浄化装置
２２ 酸化触媒コンバーター
２３ ＤＰＦ
２４ 尿素添加弁
２５ ＮＯ_X触媒
２６ ピストン
２７ 消音器
２８ ＥＣＵ
２９ アクセルペダル
３０ アクセル開度センサー
３１ エアーフローメーター
３２ シリンダーブロック
３３ 連接棒
３４ クランク軸
３５ クランク角センサー
３６〜３８ 排気温センサー
３９ 空燃比センサー
４０，４１ ＮＯ_Xセンサー
４２〜４４ ヒーター
４５ 運転状態判定部
４６ 燃料噴射駆動制御部
４７ 結露水量積算部
４８ 気化水量積算部
４９ 空燃比センサー加熱制御部
５０，５１ ＮＯ_Xセンサー加熱制御部
５２ 尿素噴射駆動制御部
５３ イグニッションキースイッチ
Ｑ 吸入空気流量
Ｔ_d 露点温度
Ｔ_e 排気温
Ｔ_c ＮＯ_X触媒の温度
Ｔ_cR 触媒活性化温度
Ｃ_e 排気中の水蒸気濃度
Ｃ_d 露点温度に対応した飽和水蒸気濃度
ΔＣ 蒸気濃度増分
Ｗ_c 積算結露水量
Ｗ_v 積算気化水量

Claims (10)

1. 尿素を用いる選択触媒還元方式の触媒コンバーターよりも下流側の排気通路に配されて排気中の特定成分を検出するための排気成分検出センサーに組み込まれ、この排気成分センサーを加熱することによってこれを活性化させるヒーターに対する通電を制御する方法であって、
   前記排気成分センサーよりも上流側にて発生する結露水の量を求めるステップと、
   算出した量の結露水が気化し終えたか否かを判定するステップと、
   結露水が気化し終えたと判断した場合に前記ヒーターに通電して前記排気成分センサーを活性化させるステップと
   を具えたことを特徴とする排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
2. 前記結露水の量を算出するステップは、
   排気通路を画成する排気通路画成部材の温度を求めるステップと、
   燃料の燃焼によって発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップと、
   尿素の添加によって前記触媒コンバーターにて発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップと、
   排気中の水蒸気濃度に対応した露点温度を求めるステップと、
   排気流量を求めるステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
3. 排気通路画成部材の温度を求めるステップは、
   排気温を求めるステップと、
   排気流量を求めるステップと
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
4. 燃料の燃焼によって発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップは、排気中の空燃比を求めるステップを含むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
5. 尿素の添加によって前記触媒コンバーターにて発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップは、尿素添加量を求めるステップを含むことを特徴とする請求項２から請求項４の何れかに記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
6. 排気中の水蒸気濃度に対応した露点温度を求めるステップは、排気中の空燃比を求めるステップを含むことを特徴とする請求項２から請求項５の何れかに記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
7. 算出した量の結露水が気化し終えたか否かを判定するステップは、
   結露水の気化量を求めるステップを含むことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
8. 結露水の気化量を求めるステップは、
   燃料の燃焼によって発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップと、
   尿素の添加によって前記触媒コンバーターにて発生する水蒸気の排気中に含まれる濃度を求めるステップと、
   排気中の水蒸気濃度に対応した露点温度を求めるステップと、
   排気流量を求めるステップと
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
9. 排気流量を求めるステップは、内燃機関の吸気流量を求めるステップを含むことを特徴とする請求項２か、請求項３か、あるいは請求項８に記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。
10. 前記触媒コンバーターが内燃機関からの排気中に含まれる窒素酸化物を還元する排気浄化装置の一部を構成し、前記排気成分センサーがＮＯXセンサーであることを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の排気成分センサーのヒーター駆動制御方法。

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