JP2018119497A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気センサを備えた内燃機関において、被水による排気センサの素子割れを防止しつつ、センサ素子の早期活性化を実現する。
【解決手段】内燃機関の制御装置１、１’は、排気通路５に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサ１０を備えた内燃機関３１を制御する。制御装置１、１’は、クランクシャフト９を回転駆動するモータリング装置９０と、モータリング装置を制御するモータリング制御部８１と、ヒータ５５への電力供給を制御するヒータ制御部８２と、センサ素子１２の温度を推定する温度推定部８３とを備える。モータリング制御部は、ヒータ制御部によってヒータに電力が供給されている間、温度推定部によって推定されたセンサ素子の温度が予め定められた素子割れ温度領域外であるときには所定時間だけモータリング装置を駆動し、センサ素子の温度が素子割れ温度領域内であるときにはモータリング装置の駆動を停止する。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
従来から、排気ガス中の特定の成分を検出するために、内燃機関の排気通路に排気センサを配置することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。斯かる排気センサは、センサ素子と、センサ素子を覆うセンサカバーと、センサ素子を加熱するヒータとを備える。排気センサは排気ガスに曝されるように排気管内に配置され、排気ガスの一部はセンサ素子内に流入する。
排気管の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。凝縮水の一部は排気センサのセンサカバー内に侵入する。センサカバー内に凝縮水が存在しているときに排気ガスがセンサカバー内に流入すると、凝縮水の水滴が排気ガスと共にセンサ素子に衝突する。センサ素子が撥水性を有しない場合、センサ素子に衝突した水滴はセンサ素子内に浸透する。また、ヒータによる加熱によってセンサ素子の温度が高い場合には、センサ素子内に浸透した水滴はセンサ素子内で蒸発する。この結果、センサ素子に熱衝撃が加えられ、センサ素子が割れる場合がある。
これに対して、特許文献１には、排気センサの素子割れを防止すべく、排気系の温度を上昇させるために内燃機関の始動前にクランクシャフトをモータリング手段によって回転駆動させて、排気センサの周囲温度が露点温度に達した後にヒータを始動させることが記載されている。
特開２００９−２９９５３８号公報 特表２００９−５２９６９１号公報
しかしながら、排気センサの周囲温度が露点温度に達するまでヒータの始動を遅らせると、センサ素子が活性化するまでの時間が長くなる。この結果、排気センサの出力に基づく空燃比制御を早期に実施することができず、排気エミッションが悪化するおそれがある。
そこで、本発明の目的は、排気センサを備えた内燃機関において、被水による排気センサの素子割れを防止しつつ、センサ素子の早期活性化を実現することにある。
本開示の要旨は以下のとおりである。
（１）排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを備えた内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、前記排気センサは、センサ素子と、該センサ素子を覆うセンサカバーと、該センサ素子を加熱するヒータとを備え、当該制御装置は、前記内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するモータリング装置と、前記モータリング装置を制御するモータリング制御部と、前記ヒータへの電力供給を制御するヒータ制御部と、前記センサ素子の温度を推定する温度推定部とを備え、前記モータリング制御部は、前記ヒータ制御部によって前記ヒータに電力が供給されている間、前記温度推定部によって推定された前記センサ素子の温度が予め定められた素子割れ温度領域外であるときには所定時間だけ前記モータリング装置を駆動し、該センサ素子の温度が該素子割れ温度領域内であるときには前記モータリング装置の駆動を停止する、内燃機関の制御装置。
（２）前記センサカバー内に存在している水の量を推定する水量推定部を更に備え、前記モータリング制御部は、前記水量推定部によって推定された水の量に基づいて前記モータリング装置を制御する、上記（１）に記載の内燃機関の制御装置。
（３）前記モータリング制御部は、前記水量推定部によって推定された水の量が予め定められた基準値以下である場合には、前記温度推定部によって推定された前記センサ素子の温度が前記素子割れ温度領域外であるときであっても前記モータリング装置の駆動を停止する、上記（２）に記載の内燃機関の制御装置。
（４）前記モータリング制御部は、前記水量推定部によって推定された水の量が相対的に多い場合に、該水の量が相対的に少ない場合に比べて前記所定時間を長くする、上記（２）又は（３）に記載の内燃機関の制御装置。
（５）前記温度推定部は、前記ヒータに供給された電力の合計に基づいて前記センサ素子の温度を推定する、上記（１）又は（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
本発明によれば、排気センサを備えた内燃機関において、被水による排気センサの素子割れを防止しつつ、センサ素子の早期活性化を実現することができる。
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用される車両を概略的に示す。 図２は、内燃機関の機関本体及び排気通路を概略的に示す図である。 図３は、空燃比センサの拡大図である。 図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサのセンサ素子の断面図である。 図５は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。 図６は、車両のイグニッションスイッチのオンオフ等のタイムチャートである。 図７は、本発明の第一実施形態における排水処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８は、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。 図９は、センサ素子の温度及び内燃機関の外気温と、センサカバーの温度との関係を示すマップである。 図１０は、本発明の第二実施形態における水量推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、本発明の第二実施形態における排水処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１２は、水量と所定時間との関係を示すマップである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
＜第一実施形態＞
最初に図１〜図７を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
＜車両全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用される車両３０を概略的に示す。車両３０は車軸３６の駆動源として内燃機関３１及びモータ３３を備える。車両３０はいわゆるハイブリッド車両である。
内燃機関３１は動力分割機構３４及び減速機３５を介して車軸３６に連結される。モータ３３は減速機３５を介して車軸３６に連結される。したがって、車軸３６は内燃機関３１及びモータ３３の一方又は両方の出力によって駆動される。また、動力分割機構３４は発電機３７にも連結される。内燃機関３１の出力は動力分割機構３４を介して車軸３６及び発電機３７の一方又は両方に伝達される。
モータ３３及び発電機３７は、インバータ及びコンバータを含むパワーコントロールユニット３８を介してバッテリ３９に電気的に接続される。内燃機関３１の動力によって発電機３７で発電された電力はパワーコントロールユニット３８を介してモータ３３又はバッテリ３９に供給される。バッテリ３９に供給された電力はバッテリ３９に貯蔵される。
また、車両３０の減速時には、車軸３６の動力でモータ３３を発電させることができる。モータ３３で発電された電力はパワーコントロールユニット３８を介してバッテリ３９に供給される。バッテリ３９に供給された電力はバッテリ３９に貯蔵される。したがって、車両３０では、車両３０の運動エネルギーをバッテリ３９に回収することができる。
図２は、内燃機関３１の機関本体２及び排気通路を概略的に示す図である。図２では、各気筒３の燃焼室に空気を導く吸気通路は省略されている。内燃機関３１の機関本体２には、排気マニホルド４が連結されている。排気マニホルド４は、排気管５を介して、排気浄化触媒６を内蔵するケーシング７に連結される。排気浄化触媒６は、例えば、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を浄化する三元触媒である。排気マニホルド４及び排気管５は、燃焼室における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを各気筒３から排出する排気通路を形成する。
＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、内燃機関３１は、排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサとして、空燃比センサ１０を備える。空燃比センサ１０は内燃機関３１の排気通路に配置される。具体的には、空燃比センサ１０は排気流れ方向において排気浄化触媒６よりも上流側の排気管５内に配置される。空燃比センサ１０は、排気ガス中の酸素濃度を検出することで、排気ガスの空燃比をリニアに検出する。なお、空燃比センサ１０は排気通路の他の位置に配置されてもよい。例えば、空燃比センサ１０は排気流れ方向において排気浄化触媒６よりも下流側の排気管内に配置されてもよい。
以下、図３及び図４を参照して、空燃比センサ１０の構成について説明する。図３は、空燃比センサ１０の拡大図である。図３では、空燃比センサ１０の先端側が断面図で示されている。空燃比センサ１０は、先端側（図３における下側）が排気管５内に挿入された状態で排気管５に固定される。空燃比センサ１０は、センサ素子１２と、センサ素子１２を覆うセンサカバー１１とを備える。センサ素子１２は、センサカバー１１内に配置され、板状の形状を有する。
図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサ１０のセンサ素子１２の断面図である。図４に示されるように、センサ素子１２は、センサセル５１が設けられた素子本体５０と、素子本体５０の外面上に形成された保護層６０とを備える。
素子本体５０には被測ガス室２５及び基準ガス室２６が形成されている。空燃比センサ１０が内燃機関３１の排気通路に配置されたとき、被測ガス室２５には、排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。基準ガス室２６には基準ガスが導入される。基準ガスは例えば大気である。この場合、基準ガス室２６は大気に開放されている。
空燃比センサ１０は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。素子本体５０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第一不透過層２１、第二不透過層２２及び第三不透過層２３を備える。固体電解質層４０は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層４０は、例えば、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として添加した焼結体である。拡散律速層１６は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１６は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の多孔質セラミックから構成されている。不透過層２１〜２３は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む。
素子本体５０の各層は、図４の下方から、第一不透過層２１、第二不透過層２２、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第三不透過層２３の順に積層されている。被測ガス室２５は、固体電解質層４０、拡散律速層１６及び第三不透過層２３によって区画形成されている。排気ガスは保護層６０及び拡散律速層１６を通って被測ガス室２５内に導入される。拡散律速層１６は被測ガスの拡散律速を行う。なお、被測ガス室２５は、固体電解質層４０に隣接し且つ被測ガスが導入されるように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
基準ガス室２６は固体電解質層４０及び第二不透過層２２によって区画形成されている。なお、基準ガス室２６は、固体電解質層４０に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
センサセル５１は、固体電解質層４０、第一電極４１及び第二電極４２を有する電気化学セルである。第一電極４１は、被測ガス室２５内の被測ガスに曝されるように固体電解質層４０の被測ガス室２５側の表面上に配置されている。一方、第二電極４２は、基準ガス室２６内の基準ガスに曝されるように固体電解質層４０の基準ガス室２６側の表面上に配置されている。第一電極４１と第二電極４２とは、固体電解質層４０を挟んで互いに対向するように配置されている。第一電極４１及び第二電極４２は、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属から構成されている。例えば、第一電極４１及び第二電極４２は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。
保護層６０は、素子本体５０の外面全体を覆うように、素子本体５０の外面上に形成されている。保護層６０は、ガス透過性を有し、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化亜鉛等の多孔質セラミックから構成されている。
保護層６０は、その温度が高温であるときに撥水性を有する。この特性は、ライデンフロスト現象を発生させることによって得られる。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層６０に衝突したときに、保護層６０と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層６０と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層６０からはじかれるため、保護層６０内に水が浸透することが抑制される。
空燃比センサ１０はヒータ５５を更に備える。ヒータ５５は、センサ素子１２内に配置され、センサ素子１２を加熱する。具体的には、ヒータ５５は、第一不透過層２１と第二不透過層２２との間に配置される。ヒータ５５は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミック（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。
センサセル５１の第一電極４１及び第二電極４２には、電気回路７０が接続されている。電気回路７０は電源７１及び電流検出器７２を備える。電源７１は、第二電極４２の電位が第一電極４１の電位よりも高くなるように電極間に電圧を印加する。また、電流検出器７２は、センサセル５１に流れる電流をセンサセル５１の出力として検出する。空燃比センサ１０は、センサセル５１に所定の電圧を印加したときにセンサセル５１に流れる限界電流を検出することによって排気ガスの空燃比を検出する。したがって、本実施形態における空燃比センサ１０は、いわゆる限界電流式空燃比センサである。
ところで、排気管５の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。凝縮水の一部は排気センサ１０のセンサカバー１１内に侵入する。センサカバー１１内に凝縮水が存在しているときに排気ガスがセンサカバー１１内に流入すると、凝縮水の水滴が排気ガスと共にセンサ素子１２に衝突する。ヒータ５５による加熱によってセンサ素子１２の温度が高温である場合、センサ素子１２内に浸透した水滴はセンサ素子１２内で蒸発する。この結果、センサ素子１２に熱衝撃が加えられ、センサ素子１２が割れる場合がある。
しかしながら、上述したライデンフロスト現象が発生している場合には、水滴が保護層６０からはじかれる。このため、センサ素子１２内に水が浸透することが抑制され、排気センサ１０の素子割れ（センサ素子１２が割れること）を防止することができる。また、センサ素子１２の温度が低い場合には、水滴がセンサ素子１２内で蒸発しないため、排気センサ１０の素子割れが生じない。
また、センサカバー１１内に凝縮水が存在していると、ヒータ５５による加熱時にセンサ素子１２の温度上昇が遅くなり、センサ素子１２が活性化するまでの時間が長くなる。この結果、空燃比センサ１０の出力に基づく空燃比制御を早期に実施することができず、排気エミッションが悪化するおそれがある。
＜内燃機関の制御装置の説明＞
上記の問題点を解決すべく、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置は以下の制御を実行する。図５は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置１等の構成を概略的に示すブロック図である。内燃機関の制御装置１はモータリング装置９０及び電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０を備える。モータリング装置９０は内燃機関３１のクランクシャフト９を回転駆動する。本実施形態では、図１に示した発電機３７がモータリング装置９０として用いられる。
ＥＣＵ８０は、双方向性バスによって相互に接続された中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入力ポート及び出力ポートを備えたマイクロコンピュータである。ＥＣＵ８０は、モータリング制御部８１、ヒータ制御部８２及び温度推定部８３を含む。したがって、内燃機関の制御装置１は、モータリング制御部８１、ヒータ制御部８２及び温度推定部８３を備える。モータリング制御部８１はモータリング装置９０を制御する。ヒータ制御部８２はヒータ５５への電力供給を制御する。温度推定部８３は排気センサ１０のセンサ素子１２の温度を推定する。
温度推定部８３は、例えば、センサセル５１のインピーダンスに基づいてセンサ素子１２の温度を算出する。温度推定部８３は、電源７１からセンサセル５１に高周波の電圧が印加されたときに電流検出器７２によって検出されるセンサセル５１の出力に基づいて、センサセル５１のインピーダンスを算出する。なお、温度推定部８３はセンサセル５１の電極間抵抗に基づいてセンサセル５１の温度を算出してもよい。
また、温度推定部８３は、ヒータ５５に供給された電力Ｗの合計に基づいてセンサ素子１２の温度を推定してもよい。このことによって、センサセル５１のインピーダンス又は電極間抵抗を検出できない場合であっても、センサ素子１２の温度を推定することができる。また、センサ素子１２の劣化等によってセンサセル５１のインピーダンスが上昇したときにセンサ素子１２の温度を実際の温度よりも低く推定することを防止することができる。
電力Ｗは次式で近似され、電力Ｗの合計は、電力Ｗをヒータ５５の作動時間で積算することによって算出される。
Ｗ≒Ｄｕｔｙ×Ｖ×Ｖ
上記の式において、Ｄｕｔｙは、ヒータ制御部８２がＰＷＭ制御によってヒータ５５に電力を供給するときのデューティ比（％）である。また、Ｖはバッテリ３９の電圧（Ｖ）である。
センサ素子１２の推定温度は、電力Ｗの合計に所定の変換係数を乗ずることによって算出される。また、センサ素子１２の推定温度は、電力Ｗの合計とセンサ素子１２の推定温度との関係を示すマップを用いて算出されてもよい。このマップでは、センサ素子１２の推定温度は、電力Ｗの合計が大きいほど高くされる。
モータリング装置９０によってクランクシャフト９が回転駆動されると、気筒３内から排出された空気がセンサカバー１１内に流入し、空気によってセンサカバー１１内の水がセンサカバー１１外に排出される。しかしながら、このとき、水滴がセンサ素子１２に衝突するおそれがある。このため、モータリング制御部８１は、ヒータ制御部８２によってヒータ５５に電力が供給されている間、温度推定部８３によって推定されたセンサ素子１２の温度が素子割れ温度領域外であるときには所定時間だけモータリング装置９０を駆動し、センサ素子１２の温度が素子割れ温度領域内であるときにはモータリング装置９０の駆動を停止する。素子割れ温度領域は、水滴の衝突によってセンサ素子１２が割れる温度領域であり、実験的に又は計算によって予め定められる。素子割れ温度領域は、例えば、水の沸点と、センサ素子１２の外面（保護層６０）においてライデンフロスト現象が発生する最低温度との間の温度である。
上述した制御では、センサ素子１２の温度が素子割れ温度領域外であるときにのみモータリング装置９０が駆動されるため、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止しつつ、センサカバー１１からの水の排出を促進することができる。また、空燃比センサ１０の周囲温度に関わらず、ヒータ５５に電力を供給して空燃比センサ１０を加熱することができる。このため、上述した制御によって、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止しつつ、センサ素子１２の早期活性化を実現することができる。
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図６のタイムチャートを参照して、内燃機関の制御装置１によって実行される制御について具体的に説明する。図６は、車両３０のイグニッションスイッチのオンオフ、ヒータ５５のオンオフ、センサ素子１２の温度、モータリング装置９０のオンオフ及びモータリング装置９０の駆動時間のタイムチャートである。
図示した例では、時刻ｔ１において、車両３０のイグニッションスイッチがオンにされる。イグニッションスイッチがオンにされると、ヒータ５５への電力供給が開始される。また、時刻ｔ１においてセンサ素子１２の温度は水の沸点ＴＢ（１００℃）よりも低い。このため、時刻ｔ１においてモータリング装置９０が始動される。
時刻ｔ１の後、時刻ｔ２において、センサ素子１２の温度が水の沸点ＴＢに達している。このため、時刻ｔ２において、モータリング装置９０の駆動が停止される。その後、時刻ｔ３において、センサ素子１２の温度が、センサ素子１２の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度ＴＬ（この例では４００℃）に達している。このため、時刻ｔ３において、モータリング装置９０が再び始動される。
その後、時刻ｔ４において、センサ素子１２の温度がセンサ素子１２の活性温度ＴＡ（この例では７００℃）に達する。センサ素子１２の温度を活性温度ＴＡに維持すべく、時刻ｔ４の後もヒータ５５への電力供給が継続される。その後、時刻ｔ５において、モータリング装置９０の合計駆動時間が所定時間Ｔｒｅｆ（この例では５秒）に達し、モータリング装置９０の駆動が停止される。
なお、センサ素子１２の温度が素子割れ温度領域内にあるとき（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）には、排気ガスによってセンサカバー１１内の水滴がセンサ素子１２に衝突することを防止すべく、内燃機関３１の各気筒３内における混合気の燃焼も停止される。例えば、内燃機関３１は、モータリング装置９０の合計駆動時間が所定時間Ｔｒｅｆに達し、モータリング装置９０の駆動が停止されたとき（時刻ｔ５）に始動される。本実施形態では、内燃機関３１の始動前であっても、モータ３３によって車両３０を駆動することができる。
＜排水処理の制御ルーチン＞
図７は、本発明の第一実施形態における排水処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、車両３０のイグニッションスイッチがオンにされると、ＥＣＵ８０によって実行される。本制御ルーチンでは、排気センサ１０の素子割れを防止しつつセンサカバー１１内の水を排出するように、モータリング装置９０の駆動が制御される。
最初に、ステップＳ１０１において、ヒータ制御部８２がヒータ５５を始動する。言い換えれば、ヒータ制御部８２がヒータ５５への電力供給を開始する。次いで、ステップＳ１０２において、温度推定部８３が、上述したいずれかの方法によってセンサ素子１２の温度Ｔｓを推定する。
次いで、ステップＳ１０３において、モータリング制御部８１が、センサ素子１２の温度Ｔｓが素子割れ温度領域内であるか否かを判定する。例えば、モータリング制御部８１は、センサ素子１２の温度Ｔｓが水の沸点ＴＢ以上であり且つセンサ素子１２の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度ＴＬよりも低いか否かを判定する。水の沸点ＴＢは大気圧（１気圧）において１００℃である。また、センサ素子１２の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度ＴＬは、極めて少量の水滴がセンサ素子１２に衝突したときにライデンフロスト現象が発生する温度の下限値であり、例えば４００℃である。
ステップＳ１０３においてセンサ素子１２の温度Ｔｓが素子割れ温度領域内であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、排気センサ１０の素子割れを防止すべく、モータリング制御部８１がモータリング装置９０の駆動を停止する。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンはステップＳ１０２に戻る。
一方、ステップＳ１０３においてセンサ素子１２の温度Ｔｓが素子割れ温度領域外であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、モータリング制御部８１がモータリング装置９０を駆動する。この結果、モータリング装置９０によってクランクシャフト９が回転駆動され、各気筒３内から排出される空気によってセンサカバー１１内の水が排出される。
次いで、ステップＳ１０６において、モータリング制御部８１が、モータリング装置９０の合計駆動時間Ｔｄｒが所定時間Ｔｒｅｆ以上であるか否かを判定する。所定時間Ｔｒｅｆはセンサカバー１１内の所定量の水を排出するために必要な時間であり、実験的に又は計算によって予め定められる。
ステップＳ１０６において合計駆動時間Ｔｄｒが所定時間Ｔｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に戻る。一方、ステップＳ１０６において合計駆動時間Ｔｄｒが所定時間Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、モータリング制御部８１がモータリング装置９０の駆動を停止する。したがって、合計駆動時間Ｔｄｒが所定時間Ｔｒｅｆに達するまで、モータリング装置９０が連続的又は間欠的に駆動される。なお、合計駆動時間Ｔｄｒの初期値はゼロである。
ステップＳ１０７の後、ステップＳ１０８において、モータリング制御部８１が合計駆動時間Ｔｄｒをリセットしてゼロにする。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。
＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図８は、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の制御装置１’等の構成を概略的に示すブロック図である。内燃機関の制御装置１’はモータリング装置９０及び電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０’を備える。ＥＣＵ８０’は、モータリング制御部８１、ヒータ制御部８２、温度推定部８３及び水量推定部８４を含む。したがって、内燃機関の制御装置１’は、モータリング制御部８１、ヒータ制御部８２、温度推定部８３及び水量推定部８４を備える。
水量推定部８４は、排気センサ１０のセンサカバー１１内に存在している水の量（以下、「水量ＷＡ」と称する）を推定する。具体的には、水量推定部８４は、センサカバー１１の温度を推定し、センサカバー１１の推定温度に基づいて水量ＷＡを推定する。水量ＷＡは例えば以下の式によって算出される。
ＷＡ＝Σ（ＷＡt）＋ＷＡ0
上記の式において、ＷＡtはセンサカバー１１内で単位時間当たりに発生する水の量であり、Σ（ＷＡt）は、ＷＡtを内燃機関３１の作動時間で積算した値である。センサカバー１１の推定温度が露点（５３℃）以下であるときには、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、センサカバー１１内で凝縮水が発生する。このため、ＷＡtは、センサカバー１１の推定温度が露点以下であるときには正の値にされる。また、センサカバー１１の推定温度が露点と水の沸点との間の温度であるときには、センサカバー１１内の水量はほとんど変化しない。このため、ＷＡtは、センサカバー１１の推定温度が露点と水の沸点との間の温度であるときにはゼロにされる。また、センサカバー１１の推定温度が水の沸点以上であるときには、センサカバー１１内の水が蒸発する。このため、ＷＡtは、センサカバー１１の推定温度が水の沸点以上であるときには正の値にされる。また、ＷＡ0は、内燃機関３１が前回停止したときにセンサカバー１１内に残された水の量である。
また、水量推定部８４は、例えば、マップを用いて、センサ素子１２の温度及び内燃機関３１の外気温に基づいてセンサカバー１１の温度を推定する。センサ素子１２の温度は第一実施形態と同様に温度推定部８３によって推定される。内燃機関の外気温は、車両３０に設けられた外気温センサ１８によって検出される。マップでは、図９に示したように、センサカバー１１の温度ＴＣがセンサ素子１２の温度ＴＥ及び内燃機関３１の外気温ＴＡの関数として示される。なお、水量推定部８４は、センサ素子１２の温度とセンサカバー１１の温度との関係を示すマップを用いて、センサ素子１２の温度に基づいてセンサカバー１１の温度を推定してもよい。この場合、外気温センサ１８は省略されてもよい。
モータリング制御部８１は、水量推定部８４によって推定された水量ＷＡに基づいてモータリング装置９０の駆動を制御する。具体的には、モータリング制御部８１は、水量推定部８４によって推定された水量ＷＡが予め定められた基準値以下である場合には、温度推定部８３によって推定されたセンサ素子１２の温度が素子割れ温度領域外であるときであってもモータリング装置９０の駆動を停止する。また、モータリング制御部８１は、水量推定部８４によって推定された水量ＷＡが相対的に多い場合に、水量ＷＡが相対的に少ない場合に比べてモータリング装置９０の駆動時間を長くする。上述した制御によって、水量ＷＡが少ない場合には、モータリング装置９０の駆動時間をゼロにし又は短くすることができるため、モータリング装置９０の消費電力を低減することができる。
＜水量推定処理の制御ルーチン＞
図１０は、本発明の第二実施形態における水量推定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、車両３０のイグニッションスイッチがオンにされている間、ＥＣＵ８０によって繰り返し実行される。本制御ルーチンでは、内燃機関３１の作動中に水量ＷＡの値が更新される。
最初に、ステップＳ２０１において、水量推定部８４が、内燃機関３１が作動中であるか否かを判定する。なお、内燃機関３１の作動中とは、各気筒３内において混合気の燃焼が実施されている状態を意味する。ステップＳ２０１において内燃機関３１が作動中でないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ２０１において内燃機関３１が作動中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。
ステップＳ２０２では、水量推定部８４が、上述したいずれかの方法によってセンサカバー１１の温度を推定する。次いで、ステップＳ２０３では、水量推定部８４が、ステップＳ２０２において推定したセンサカバー１１の温度に基づいて、上述した方法によって水量ＷＡを推定する。次いで、ステップＳ２０４において、水量推定部８４が、ステップＳ２０３において推定した水量ＷＡをＥＣＵ８０のＲＡＭに保存する。ステップＳ２０４の後、本制御ルーチンは終了する。
＜排水処理の制御ルーチン＞
図１１は、本発明の第二実施形態における排水処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、車両３０のイグニッションスイッチがオンにされると、ＥＣＵ８０によって実行される。本制御ルーチンでは、排気センサ１０の素子割れを防止しつつセンサカバー１１内の水を排出するように、モータリング装置９０の駆動が制御される。
最初に、ステップＳ３０１において、図１１のステップＳ１０１と同様に、ヒータ制御部８２がヒータ５５を始動する。次いで、ステップＳ３０２において、モータリング制御部８１がＥＣＵ８０のＲＡＭから水量ＷＡを取得する。
次いで、ステップＳ３０３において、モータリング制御部８１が、水量ＷＡが基準値ＷＡｒｅｆ以下であるか否かを判定する。基準値ＷＡｒｅｆは、ヒータ５５による加熱時にセンサ素子１２の温度上昇を妨げない水量ＷＡの上限値であり、実験的に又は計算によって予め算出される。基準値ＷＡｒｅｆはゼロであってもよい。ステップＳ３０３において水量ＷＡが基準値ＷＡｒｅｆ以下であると判定された場合、モータリング装置９０を駆動することなく本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ３０３において水量ＷＡが基準値ＷＡｒｅｆよりも多いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。
ステップＳ３０４では、モータリング制御部８１が所定時間Ｔｒｅｆを設定する。所定時間Ｔｒｅｆは、後のステップＳ３０９において用いられる値であり、モータリング装置９０の合計駆動時間に相当する。具体的には、モータリング制御部８１は、水量ＷＡが相対的に多い場合に、水量ＷＡが相対的に少ない場合に比べて所定時間Ｔｒｅｆを長くする。例えば、モータリング制御部８１は、図１２に示したようなマップを用いて所定時間Ｔｒｅｆを設定する。このマップでは、所定時間Ｔｒｅｆが水量ＷＡの関数として示される。図１２に実線で示したように、所定時間Ｔｒｅｆは水量ＷＡが多くなるにつれて線形的に長くされる。なお、所定時間Ｔｒｅｆは、図１２に破線で示したように、水量ＷＡが多くなるにつれて段階的（ステップ状）に長くされてもよい。
ステップＳ３０４の後、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５〜ステップＳ３１１は、図７のステップＳ１０２〜ステップＳ１０８と同様であることから説明を省略する。
＜その他の態様＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、内燃機関の制御装置が適用される車両は、モータのみが車軸の駆動源として使用されるシリーズ式のハイブリッド車両、外部電源からバッテリを充電可能なプラグインハイブリッド車両等であってもよい。また、内燃機関の制御装置が適用される車両は、モータリング装置を備えていれば、車軸の駆動源として内燃機関のみを備えていてもよい。
また、排気センサのセンサ素子には、センサセルに加えて、他の電気化学セルが設けられていてもよい。他の電気化学セルは、例えば、被測ガス中の酸素を被測ガス室から排出するポンプセル、被測ガス中の特定の成分の濃度を検出するモニタセル等である。また、排気センサは、排気ガス中の酸素を検出することで排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。また、排気センサは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）、排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）濃度を検出する硫黄酸化物センサ（ＳＯｘセンサ）等であってもよい。
１、１’ 内燃機関の制御装置
５ 排気管
９ クランクシャフト
１０ 空燃比センサ（排気センサ）
１１ センサカバー
１２ センサ素子
３１ 内燃機関
５５ ヒータ
６０ 保護層
８０、８０’ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８１ モータリング制御部
８２ ヒータ制御部
８３ 温度推定部
８４ 水量推定部
９０ モータリング装置

Claims (5)

  1. 排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを備えた内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、
    前記排気センサは、センサ素子と、該センサ素子を覆うセンサカバーと、該センサ素子を加熱するヒータとを備え、
    当該制御装置は、
    前記内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するモータリング装置と、
    前記モータリング装置を制御するモータリング制御部と、
    前記ヒータへの電力供給を制御するヒータ制御部と、
    前記センサ素子の温度を推定する温度推定部とを備え、
    前記モータリング制御部は、前記ヒータ制御部によって前記ヒータに電力が供給されている間、前記温度推定部によって推定された前記センサ素子の温度が予め定められた素子割れ温度領域外であるときには所定時間だけ前記モータリング装置を駆動し、該センサ素子の温度が該素子割れ温度領域内であるときには前記モータリング装置の駆動を停止する、内燃機関の制御装置。
  2. 前記センサカバー内に存在している水の量を推定する水量推定部を更に備え、前記モータリング制御部は、前記水量推定部によって推定された水の量に基づいて前記モータリング装置を制御する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記モータリング制御部は、前記水量推定部によって推定された水の量が予め定められた基準値以下である場合には、前記温度推定部によって推定された前記センサ素子の温度が前記素子割れ温度領域外であるときであっても前記モータリング装置の駆動を停止する、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記モータリング制御部は、前記水量推定部によって推定された水の量が相対的に多い場合に、該水の量が相対的に少ない場合に比べて前記所定時間を長くする、請求項２又は３に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記温度推定部は、前記ヒータに供給された電力の合計に基づいて前記センサ素子の温度を推定する、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
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