JP2015212668A

JP2015212668A - 排出ガスセンサのヒータ制御装置

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Publication number: JP2015212668A
Application number: JP2014095791A
Authority: JP
Inventors: 善洋坂下; Yoshihiro Sakashita
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: DE112015002122T5; US20170074147A1; US10337435B2; JP6550689B2; WO2015170447A1

Abstract

【課題】排出ガスセンサの素子割れを防止しながら、センサ素子を早期に活性化させることができるようにする。
【解決手段】エンジン１１の始動後に所定の予熱期間が経過するまで、排出ガスセンサ１４のセンサ素子を被水による素子割れが発生しない温度範囲内で予熱するようにヒータ１６の通電を制御する予熱制御を実行する。この予熱制御の際に、まず、センサ素子の温度が所定の上限温度（例えば素子割れ防止温度上限値又はそれよりも少し低い温度）に到達したと判定するまでは、ヒータ１６の通電デューティを予熱促進用の通電デューティに設定してセンサ素子の温度を速やかに昇温させる。そして、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後は、センサ素子の温度を上限温度に維持するようにヒータ１６の通電デューティを設定して予熱制御中にセンサ素子全体を十分に昇温させた状態にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排出ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータの通電を制御してセンサ素子の温度を制御する排出ガスセンサのヒータ制御装置に関する発明である。

近年の電子制御化された内燃機関では、排気管に排出ガスの空燃比やリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ（空燃比センサや酸素センサ等）を設置し、この排出ガスセンサの出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように燃料噴射量等をフィードバック制御するようにしている。一般に、排出ガスセンサは、センサ素子の温度が活性温度まで昇温しないと検出精度が悪い（又は検出不能である）ため、内燃機関の始動後に排出ガスセンサに内蔵したヒータでセンサ素子を加熱して排出ガスセンサの活性化を促進するようにしている。

しかし、内燃機関の排出ガスには、燃料と空気の燃焼反応によって生成された水蒸気が含まれており、内燃機関の始動直後で排気管の温度が低いときには、水蒸気を含んだ排出ガスが排気管内で冷やされるため、排気管内で排出ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生じることがある。このため、内燃機関の始動直後に排気管内で生じた凝縮水が排出ガスセンサのセンサ素子に付着する可能性があり、内燃機関の始動直後からセンサ素子をヒータで強く加熱すると、高温に加熱されたセンサ素子が凝縮水の付着による局所冷却（熱歪み）によって割れてしまう“素子割れ”が発生することがある。

この対策として、特許文献１（特開２００７−１２０３９０号公報）に記載されたものがある。このものは、内燃機関の始動時から所定の予熱期間が経過するまでは、排出ガスセンサのセンサ素子を被水による素子割れが発生しない温度で予熱するようにヒータの通電デューティを設定する予熱制御を実行する。その後、予熱期間が経過した後に、ヒータの通電デューティを増加させてセンサ素子の温度を活性温度まで昇温させるようにしている。

特開２００７−１２０３９０号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、予熱制御の際に、ヒータの通電デューティを一定値に維持するようにしているため、次のような問題がある。ヒータの通電デューティを大きめに設定すると、予熱制御中に排出ガスセンサのセンサ素子の温度が素子割れ防止温度上限値（被水による素子割れを防止できる温度の上限値）を越えてしまう可能性があり、これを防止するために、ヒータの通電デューティをある程度小さめに設定する必要がある。このため、予熱制御中にセンサ素子全体を十分に昇温させることができない可能性があり、予熱制御の終了後にセンサ素子の温度を活性温度に昇温させるまでの時間が長くなってしまい、センサ素子を早期に活性化させることができない可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、排出ガスセンサの素子割れを防止しながら、センサ素子を早期に活性化させることができる排出ガスセンサのヒータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関（１１）の排出ガス通路（１２）に設けられた排出ガスセンサ（１４）のセンサ素子を加熱するヒータ（１６）と、センサ素子を被水による素子割れが発生しない温度範囲内で予熱するようにヒータ（１６）の通電を制御する予熱制御を実行するヒータ通電制御手段（１８）とを備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置において、ヒータ通電制御手段（１８）は、予熱制御の際に、センサ素子の温度が所定の上限温度に到達したと判定するまでは、ヒータ（１６）の通電制御値をセンサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後の通電制御値よりも大きい予熱促進用の通電制御値に設定し、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後は、センサ素子の温度を上限温度に維持するようにヒータ（１６）の通電制御値を設定するようにしたものである。

この構成では、予熱制御の際に、まず、センサ素子の温度が所定の上限温度（例えば素子割れ防止温度上限値又はそれよりも少し低い温度）に到達したと判定するまでは、ヒータの通電制御値を予熱促進用の通電制御値（センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後の通電制御値よりも大きい値）に設定する。これにより、センサ素子の温度を速やかに上限温度まで昇温させることができる。

そして、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後は、センサ素子の温度を上限温度に維持するようにヒータの通電制御値を設定する。これにより、予熱制御中にセンサ素子全体を十分に昇温させた状態（上限温度付近まで昇温させた状態）にすることができる。

このようにすれば、予熱制御の終了後にセンサ素子の温度を活性温度に昇温させるまでの時間を短縮することができ、排出ガスセンサの素子割れを防止しながら、センサ素子を早期に活性化させることができる。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。図２はヒータ通電制御の実行例を示すタイムチャートである。図３はヒータ通電制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システムの概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の排気管１２（排出ガス通路）には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯ_X等を浄化する三元触媒等の触媒１３が設けられている。この触媒１３の上流側と下流側には、それぞれ排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ１４，１５（空燃比センサ又は酸素センサ等）が設けられている。各排出ガスセンサ１４，１５には、それぞれセンサ素子（図示せず）を加熱するヒータ１６，１７が内蔵されている。

上述した各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）１８に入力される。このＥＣＵ１８は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

その際、ＥＣＵ１８は、上流側の排出ガスセンサ１４の出力に基づいて触媒１３の上流側の排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように燃料噴射量をフィードバック補正するメインフィードバック制御を行う。更に、下流側の排出ガスセンサ１５の出力に基づいてメインフィードバック制御の目標空燃比又はフィードバック補正量を修正するサブフィードバック制御を行う。これらの空燃比フィードバック制御（メインフィードバック制御やサブフィードバック制御）により、触媒１３の排出ガス浄化効率を高めるようにしている。

排出ガスセンサ１４，１５は、センサ素子の温度が活性温度まで昇温しないと検出精度が悪い（又は検出不能である）ため、エンジン１１の始動後に空燃比フィードバック制御を開始する前に、排出ガスセンサ１４，１５のヒータ１６，１７に通電してセンサ素子を加熱して活性化する必要がある。従って、エンジン１１の始動後に空燃比フィードバック制御を早期に開始するには、排出ガスセンサ１４，１５のセンサ素子を早期に活性化する必要がある。

しかし、エンジン１１の排出ガスには、燃料と空気の燃焼反応によって生成された水蒸気が含まれており、エンジン１１の始動直後で排気管１２の温度が低いときには、水蒸気を含んだ排出ガスが排気管１２内で冷やされるため、排気管１２内で排出ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生じることがある。このため、エンジン１１の始動直後に排気管１２内で生じた凝縮水が排出ガスセンサ１４，１５のセンサ素子に付着する可能性があり、エンジン１１の始動直後からセンサ素子をヒータ１６，１７で強く加熱すると、高温に加熱されたセンサ素子が凝縮水の付着による局所冷却（熱歪み）によって割れてしまう“素子割れ”が発生することがある。

この対策として、ＥＣＵ１８は、後述する図３のヒータ通電制御ルーチンを実行することで、エンジン１１の始動後に所定の予熱期間が経過するまで、排出ガスセンサ１４のセンサ素子を被水による素子割れが発生しない温度範囲内で予熱するようにヒータ１６の通電を制御する予熱制御を実行する。その後、予熱期間が経過した後に、ヒータ１６の通電デューティ（通電制御値）を増加させてセンサ素子の温度を活性温度まで昇温させるようにしている。

しかし、図２に破線で示すように、予熱制御の際に、ヒータ１６の通電デューティを一定値に維持するシステムでは、次のような問題がある。ヒータ１６の通電デューティを大きめに設定すると、予熱制御中に排出ガスセンサ１４のセンサ素子の温度が素子割れ防止温度上限値（被水による素子割れを防止できる温度の上限値）を越えてしまう可能性があり、これを防止するために、ヒータ１６の通電デューティをある程度小さめに設定する必要がある。このため、予熱制御中にセンサ素子全体を十分に昇温させることができない可能性があり、予熱制御の終了後にセンサ素子の温度を活性温度に昇温させるまでの時間が長くなってしまい、センサ素子を早期に活性化させることができない可能性がある。

そこで、本実施例では、図２に実線で示すように、予熱制御の際に、まず、排出ガスセンサ１４のセンサ素子の温度が所定の上限温度（例えば素子割れ防止温度上限値又はそれよりも少し低い温度）に到達したと判定するまでは、ヒータ１６の通電デューティを予熱促進用の通電デューティに設定する。この予熱促進用の通電デューティは、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後の通電デューティよりも大きい値に設定される。そして、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後は、センサ素子の温度を上限温度に維持するようにヒータ１６の通電デューティを設定する。

具体的には、エンジン１１の始動後に、排気管１２内が乾燥状態（排気管１２内の水分が蒸発した状態）であるか否かを判定する。排気管１２内が乾燥状態ではない（排気管内乾燥判定フラグがＯＦＦ）と判定された場合には、排気管１２や排出ガスセンサ１４に水分が付着している可能性があるため、排出ガスセンサ１４のセンサ素子を被水による素子割れが発生しない温度範囲内で予熱するようにヒータ１６の通電を制御する予熱制御を実行する。

この予熱制御では、まず、ヒータ１６の通電デューティを予熱促進用の通電デューティｄ1 に設定する。この予熱促進用の通電デューティｄ1 は、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後の通電デューティ（例えば温度維持用の通電デューティｄ2 ）よりも大きい値に設定される。これにより、センサ素子の温度を速やかに上限温度まで昇温させる。

また、センサ素子のインピーダンスＺが上限温度判定インピーダンスＺ1 （上限温度に相当する値）よりも小さくなったか否かによって、センサ素子の温度が上限温度（例えば素子割れ防止温度上限値又はそれよりも少し低い温度）に到達したか否かを判定する。

その後、センサ素子のインピーダンスＺが上限温度判定インピーダンスＺ1 よりも小さくなって、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定された時点ｔ1 で、センサ素子の温度を上限温度に維持するようにヒータ１６の通電デューティを設定する。この場合、例えば、ヒータ１６の通電デューティを温度維持用の通電デューティｄ2 に設定する。これにより、予熱制御中にセンサ素子全体を十分に昇温させた状態（上限温度付近まで昇温させた状態）にする。

その後、排気管１２内が乾燥状態である（排気管内乾燥判定フラグがＯＮ）と判定された時点ｔ2 で、予熱期間が経過したと判断して、センサ素子の温度を速やかに昇温させるようにヒータ１６の通電を制御する昇温制御を実行する。この昇温制御では、ヒータ１６の通電デューティを昇温用の通電デューティ（例えば１００％）に設定してセンサ素子を加熱する。

また、センサ素子のインピーダンスＺが活性判定インピーダンスＺ2 （センサ素子の活性温度に相当する値）よりも小さくなったか否かによって、センサ素子が活性化した（活性温度まで昇温した）か否かを判定する。

その後、センサ素子のインピーダンスＺが活性判定インピーダンスＺ2 よりも小さくなって、センサ素子が活性化したと判定された時点ｔ3 で、センサ素子を活性状態に維持するようにヒータ１６の通電を制御するインピーダンス制御を実行する。このインピーダンス制御では、センサ素子のインピーダンスＺを目標インピーダンスＺ3 に一致させるようにヒータ１６の通電デューティをフィードバック制御する。

以下、ＥＣＵ１８が実行する図３のヒータ通電制御ルーチンの処理内容を説明する。
図３に示すヒータ通電制御ルーチンは、ＥＣＵ１８の電源オン期間中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいうヒータ通電制御手段としての役割を果たす。

本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、排気管１２内が乾燥状態（排気管１２内の水分が蒸発した状態）であるか否かを、例えば、冷却水温Ｔhwが所定値Ｔhw1 よりも高いか否かによって判定する。

このステップ１０１で、排気管１２内が乾燥状態ではない（Ｔhw≦Ｔhw1 ）と判定された場合には、排気管１２や排出ガスセンサ１４に水分が付着している可能性がある（予熱期間である）と判断して、予熱制御（ステップ１０２〜１０５の処理）を次のようにして実行する。

まず、ステップ１０２で、排出ガスセンサ１４のセンサ素子の温度が上限温度（例えば素子割れ防止温度上限値又はそれよりも少し低い温度）に到達したか否かを、センサ素子のインピーダンスＺが上限温度判定インピーダンスＺ1 よりも小さくなったか否かによって判定する。この上限温度判定インピーダンスＺ1 は、上限温度に相当する値に設定されている。

このステップ１０２で、センサ素子の温度が上限温度に到達していない（Ｚ≧Ｚ1 ）と判定された場合には、ステップ１０３に進み、予熱促進用の通電デューティｄ1 を算出する。この予熱促進用の通電デューティｄ1 は、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後の通電デューティ（例えば温度維持用の通電デューティｄ2 ）よりも大きい値に設定される。

ヒータ１６の通電デューティを予熱促進用の通電デューティｄ1 に設定してセンサ素子の温度を速やかに昇温させる際に、センサ素子の温度を急上昇させ過ぎると、センサ素子が破損してしまう可能性がある。このため、センサ素子の温度を適度な速さで昇温させる（センサ素子の破損を防止できる範囲内でセンサ素子の温度をできるだけ速やかに昇温させる）ことが好ましい。

そこで、本実施例では、エンジン１１の運転条件と環境条件とに応じた予熱促進用の通電デューティｄ1 をマップ又は数式等により算出する。ここで、運転条件としては、例えば、冷却水温、排出ガス温度、回転速度、負荷等のうちの少なくとも一つを用いる。また、環境条件としては、例えば、外気温等を用いる。この予熱促進用の通電デューティｄ1 のマップ又は数式等は、予め試験データや設計データ等に基づいて作成され、ＥＣＵ１８のＲＯＭに記憶されている。

これにより、エンジン１１の運転条件や環境条件によって、センサ素子の温度を適度な速さで昇温させる通電デューティが変化するのに対応して、予熱促進用の通電デューティｄ1 を変更して予熱促進用の通電デューティｄ1 を適正値（センサ素子の温度を適度な速さで昇温させる通電デューティ）に設定する。
この後、ステップ１０４に進み、ヒータ１６の通電デューティを予熱促進用の通電デューティｄ1 に設定してセンサ素子の温度を速やかに昇温させる。

その後、上記ステップ１０２で、センサ素子の温度が上限温度に到達した（Ｚ＜Ｚ1 ）と判定された場合には、ステップ１０５に進み、ヒータ１６の通電デューティを温度維持用の通電デューティｄ2 に設定してセンサ素子の温度を上限温度付近に維持する。或は、センサ素子のインピーダンスＺを上限温度判定インピーダンスＺ1 に一致させるようにヒータ１６の通電デューティをフィードバック制御するようにしても良い。

その後、上記ステップ１０１で、排気管１２内が乾燥状態である（Ｔhw＞Ｔhw1 ）と判定された場合には、予熱期間が経過したと判断して、ステップ１０６に進み、センサ素子が活性化した（活性温度まで昇温した）か否かを、センサ素子のインピーダンスＺが活性判定インピーダンスＺ2 よりも小さくなったか否かによって判定する。この活性判定インピーダンスＺ2 は、センサ素子の活性温度に相当する値に設定されている。

このステップ１０６で、センサ素子が活性化していない（Ｚ≧Ｚ2 ）と判定された場合には、ステップ１０７に進み、昇温制御を実行する。この昇温制御では、ヒータ１６の通電デューティを昇温用の通電デューティ（例えば１００％）に設定してセンサ素子を加熱する。

その後、上記ステップ１０６で、センサ素子が活性化した（Ｚ＜Ｚ2 ）と判定された場合には、ステップ１０８に進み、インピーダンス制御を実行する。このインピーダンス制御では、センサ素子のインピーダンスＺを目標インピーダンスＺ3 に一致させるようにヒータ１６の通電デューティをフィードバック制御する。具体的には、センサ素子のインピーダンスＺと目標インピーダンスＺ3 との偏差を小さくするようにＰＩ制御等によりヒータ１６の通電デューティを算出する。

以上説明した本実施例では、予熱制御の際に、まず、排出ガスセンサ１４のセンサ素子の温度が所定の上限温度（例えば素子割れ防止温度上限値又はそれよりも少し低い温度）に到達したと判定するまでは、ヒータ１６の通電デューティを予熱促進用の通電デューティに設定する。これにより、センサ素子の温度を速やかに上限温度まで昇温させることができる。そして、センサ素子の温度が上限温度に到達したと判定した後は、センサ素子の温度を上限温度に維持するようにヒータ１６の通電デューティを設定する。これにより、予熱制御中にセンサ素子全体を十分に昇温させた状態（上限温度付近まで昇温させた状態）にすることができる。このようにすれば、予熱制御の終了後にセンサ素子の温度を活性温度に昇温させるまでの時間を短縮することができ、排出ガスセンサ１４の素子割れを防止しながら、センサ素子を早期に活性化させることができる。

また、本実施例では、エンジン１１の運転条件と環境条件とに応じて予熱促進用の通電デューティを算出するようにしている。このようにすれば、エンジン１１の運転条件（例えば冷却水温）や環境条件（例えば外気温）によって、センサ素子の温度を適度な速さで昇温させる通電デューティが変化するのに対応して、予熱促進用の通電デューティを変更して予熱促進用の通電デューティを適正値（センサ素子の温度を適度な速さで昇温させる通電デューティ）に設定することができる。

更に、本実施例では、センサ素子のインピーダンスが上限温度判定インピーダンスよりも小さくなったか否かによって、センサ素子の温度が上限温度に到達したか否かを判定するようにしている。センサ素子の温度に応じてセンサ素子のインピーダンスが変化するため、センサ素子のインピーダンスを監視すれば、センサ素子の温度が上限温度に到達したか否かを精度良く判定することができる。

尚、上記実施例では、エンジン１１の運転条件と環境条件の両方に応じて予熱促進用の通電デューティを算出するようにしたが、これに限定されず、エンジン１１の運転条件と環境条件のうちの一方のみに応じて予熱促進用の通電デューティを算出するようにしても良い。或は、予熱促進用の通電デューティを予め設定した固定値としても良い。

また、上記実施例では、センサ素子のインピーダンスに基づいてセンサ素子の温度が上限温度に到達したか否かを判定するようにしたが、これに限定されず、ヒータ１６の抵抗やヒータ１６の積算電力量に基づいてセンサ素子の温度が上限温度に到達したか否かを判定するようにしても良い。或は、センサ素子のインピーダンスとヒータ１６の抵抗とヒータ１６の積算電力量のうちの二つ又は三つに基づいてセンサ素子の温度が上限温度に到達したか否かを判定するようにしても良い。センサ素子のインピーダンスとヒータ１６の抵抗とヒータ１６の積算電力量は、いずれもセンサ素子の温度と相関関係を有する情報であるため、センサ素子のインピーダンスやヒータ１６の抵抗やヒータ１６の積算電力量を監視すれば、センサ素子の温度が上限温度に到達したか否かを精度良く判定することができる。

また、上記実施例では、触媒１３の上流側の排出ガスセンサ１４（空燃比センサ又は酸素センサ）に本発明を適用したが、これに限定されず、触媒１３の下流側の排出ガスセンサ１５（空燃比センサ又は酸素センサ）に本発明を適用しても良い。

更に、本発明は、空燃比センサや酸素センサに限定されず、センサ素子を加熱するヒータを備えた種々の排出ガスセンサ（例えばＮＯ_Xセンサ等）に適用して実施できる。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…排気管（排出ガス通路）、１４，１５…排出ガスセンサ、１６，１７…ヒータ、１８…ＥＣＵ（ヒータ通電制御手段）

Claims

内燃機関（１１）の排出ガス通路（１２）に設けられた排出ガスセンサ（１４）のセンサ素子を加熱するヒータ（１６）と、前記センサ素子を被水による素子割れが発生しない温度範囲内で予熱するように前記ヒータ（１６）の通電を制御する予熱制御を実行するヒータ通電制御手段（１８）とを備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置において、
前記ヒータ通電制御手段（１８）は、前記予熱制御の際に、前記センサ素子の温度が所定の上限温度に到達したと判定するまでは、前記ヒータ（１６）の通電制御値を前記センサ素子の温度が前記上限温度に到達したと判定した後の通電制御値よりも大きい予熱促進用の通電制御値に設定し、前記センサ素子の温度が前記上限温度に到達したと判定した後は、前記センサ素子の温度を前記上限温度に維持するように前記ヒータ（１６）の通電制御値を設定することを特徴とする排出ガスセンサのヒータ制御装置。
前記ヒータ通電制御手段（１８）は、前記内燃機関（１１）の運転条件と環境条件のうちの少なくとも一方に応じて前記予熱促進用の通電制御値を算出することを特徴とする請求項１に記載の排出ガスセンサのヒータ制御装置。
前記ヒータ通電制御手段（１８）は、前記センサ素子のインピーダンスと前記ヒータ（１６）の抵抗と前記ヒータ（１６）の積算電力量のうちの少なくとも一つに基づいて前記センサ素子の温度が前記上限温度に到達したか否かを判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の排出ガスセンサのヒータ制御装置。