JP2020020676A - Temperature control device of air-fuel ratio sensor - Google Patents

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Abstract

To provide a temperature control device for preventing the temperature of a detection element from greatly deviating from a target temperature, during a fine energization duty control for controlling the energization duty of a heater of an air-fuel ratio sensor so that the temperature of the detection element of the air-fuel ratio sensor becomes a target temperature lower than an activation temperature.SOLUTION: A temperature control device includes: an exhaust temperature sensor; an air-fuel ratio sensor having a detection element and a heater; and an ECU (electronic control device). When the ECU executes "fine energization duty control" of controlling the energization duty of the heater so that the temperature (=element temperature Ta/f) of the detection element becomes a fine energization target temperature lower than the target activation temperature, an element temperature Ta/f is calculated using a heat model formula. This heat model formula defines the relationship among a heat-receiving amount Q received by the detection element from the exhaust gas, a heat transfer coefficient α between the exhaust gas and the detection element, an exhaust temperature Tgas, and a detection element temperature Ta/f.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本開示は、空燃比センサの温度制御装置に関する。   The present disclosure relates to a temperature control device for an air-fuel ratio sensor.

従来より、エンジンの排気通路には、排気中の空燃比(A/F)を検出する空燃比センサが配置される場合が多い。空燃比センサで空燃比を精度よく検出するためには、空燃比センサの検出素子を適切な温度(活性温度)に維持することが望ましい。   2. Description of the Related Art Conventionally, an air-fuel ratio sensor that detects an air-fuel ratio (A / F) in exhaust gas is often arranged in an exhaust passage of an engine. In order for the air-fuel ratio sensor to accurately detect the air-fuel ratio, it is desirable to maintain the detection element of the air-fuel ratio sensor at an appropriate temperature (active temperature).

特開2015−215212号公報(特許文献1)には、検出素子とヒータとを含む空燃比センサの温度制御装置が開示されている。この温度制御装置は、空燃比センサの検出素子の温度と電気抵抗(インピーダンス)との間に所定の相関関係があることに鑑み、検出素子の電気抵抗から検出素子の温度を推定し、推定された検出素子の温度が活性温度となるように、空燃比センサのヒータの通電量をフィードバック制御している。   Japanese Patent Laying-Open No. 2015-215212 (Patent Document 1) discloses a temperature control device for an air-fuel ratio sensor including a detection element and a heater. In view of the fact that there is a predetermined correlation between the temperature of the detection element of the air-fuel ratio sensor and the electric resistance (impedance), the temperature control device estimates the temperature of the detection element from the electric resistance of the detection element and estimates the temperature. The amount of power supplied to the heater of the air-fuel ratio sensor is feedback-controlled so that the temperature of the detected element becomes the activation temperature.

また、特許文献1に開示された温度制御装置は、エンジン始動後の所定期間においては、空燃比センサの検出素子の温度が低く、被水割れ(検出素子の表面に水分が付着した状態で検出素子が低温から急速に高温になることによって検出素子が破損する現象)が生じるおそれがあることに鑑み、排気温センサによって検出される排気温度に基づいて、検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるようにヒータの通電デューティ(ヒータの通電と非通電とを交互に周期的に繰り返す際における、1周期内の通電時間と非通電時間との比)を制御する。これにより、検出素子が低温から急速に高温になることが回避され、検出素子の被水割れが抑制される。   Further, in the temperature control device disclosed in Patent Document 1, the temperature of the detection element of the air-fuel ratio sensor is low for a predetermined period after the engine is started, and the temperature of the detection element is detected in a state where moisture is attached to the surface of the detection element. The temperature of the detection element is lower than the activation temperature based on the exhaust temperature detected by the exhaust temperature sensor in consideration of the possibility that the detection element may be damaged when the element rapidly rises from a low temperature to a high temperature. The energization duty of the heater (the ratio between the energization time and the non-energization time within one cycle when the energization and non-energization of the heater are alternately and periodically repeated) is controlled so as to reach the target temperature. Thereby, it is avoided that the detection element rapidly rises from a low temperature to a high temperature, so that the detection element is prevented from being cracked by water.

特開2015−215212号公報JP 2015-215212 A

空燃比センサの検出素子の温度が低い場合において、特許文献1のように単純に排気の温度に基づいてヒータの通電デューティを制御するだけでは、排気の温度が急速に変動する過渡状態において、排気の温度の変動に通電デューティが追従できず、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離してしまうことが懸念される。検出素子の温度が目標温度よりも大きく上回る場合には、上述の被水割れが生じ得る。また、検出素子の温度が目標温度よりも大きく下回る場合には、検出素子の表面の水分が蒸発せずに残存することによって凍結割れ(検出素子の表面の水分が凍結することによって検出素子が破損する現象)が生じ得る。   In the case where the temperature of the detection element of the air-fuel ratio sensor is low, simply controlling the energization duty of the heater based on the temperature of the exhaust gas as in Patent Literature 1 causes the exhaust gas in a transient state where the temperature of the exhaust gas fluctuates rapidly. There is a concern that the energization duty cannot follow the fluctuation of the temperature, and the temperature of the detection element greatly deviates from the target temperature. If the temperature of the detection element is much higher than the target temperature, the above-mentioned water-break may occur. In addition, when the temperature of the detection element is much lower than the target temperature, the moisture on the surface of the detection element remains without evaporating and freezes (the detection element is damaged by the freezing of the moisture on the surface of the detection element). Phenomenon).

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、空燃比センサの検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるように空燃比センサのヒータの通電デューティを制御する場合において、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離することを防止することである。   The present disclosure has been made in order to solve the above-described problem, and has as its object to turn on the heater of the air-fuel ratio sensor so that the temperature of the detection element of the air-fuel ratio sensor becomes a target temperature lower than the activation temperature. In controlling the duty, it is to prevent the temperature of the detection element from largely deviating from the target temperature.

(1) 本開示による温度制御装置は、エンジンの排気の温度を検出する排気温センサと、排気の空燃比を検出する検出素子と検出素子を加熱するヒータとを含む空燃比センサと、空燃比センサのヒータの通電を制御する制御装置とを備える。制御装置は、排気温センサの検出値が所定温度未満である場合、排気と検出素子との間の熱収支を表わす予め定められたモデル式を用いて検出素子の温度を算出し、検出素子の温度が検出素子の活性温度よりも低い目標温度となるようにヒータの通電デューティを制御する。モデル式は、排気から検出素子が受ける受熱量と、排気と検出素子との間の熱伝達率と、排気の温度と、検出素子の温度との関係を規定した式である。   (1) A temperature control device according to an embodiment of the present disclosure includes an exhaust gas temperature sensor that detects a temperature of an exhaust gas of an engine, an air-fuel ratio sensor including a detection element that detects an air-fuel ratio of the exhaust gas, and a heater that heats the detection element. A control device for controlling energization of the heater of the sensor. When the detected value of the exhaust gas temperature sensor is lower than the predetermined temperature, the control device calculates the temperature of the detected device using a predetermined model formula representing a heat balance between the exhaust gas and the detected device, and calculates the temperature of the detected device. The energization duty of the heater is controlled so that the temperature becomes a target temperature lower than the activation temperature of the detection element. The model formula is a formula that defines the relationship among the amount of heat received by the detection element from the exhaust gas, the heat transfer coefficient between the exhaust gas and the detection element, the temperature of the exhaust gas, and the temperature of the detection element.

上記システムによれば、排気温センサの検出値が所定温度未満である場合、排気に曝される検出素子の温度も低く検出素子の表面に水分が付着している可能性が高い(すなわち活性温度まで上昇させると被水割れが生じ易い)ことに鑑み、検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるようにヒータの通電デューティが制御される。この際、検出素子の温度は、排気と検出素子との間の熱収支を表わすモデル式を用いて算出される。モデル式においては、排気の温度だけでなく、排気から検出素子が受ける受熱量、排気と検出素子との間の熱伝達率が考慮されている。そのため、単純に排気の温度だけを考慮する場合に比べて、検出素子の温度を目標温度に素早く追従させることができる。これにより、排気の温度が急速に変動する過渡状態においても、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離することを防止することができる。   According to the above system, when the detection value of the exhaust gas temperature sensor is lower than the predetermined temperature, the temperature of the detection device exposed to the exhaust gas is also low, and there is a high possibility that moisture is attached to the surface of the detection device (that is, the activation temperature). In view of the fact that the temperature of the detection element is likely to be increased, the energization duty of the heater is controlled so that the temperature of the detection element becomes the target temperature lower than the activation temperature. At this time, the temperature of the detection element is calculated using a model equation representing a heat balance between the exhaust gas and the detection element. In the model formula, not only the temperature of the exhaust gas, but also the amount of heat received by the detecting element from the exhaust gas and the heat transfer coefficient between the exhaust gas and the detecting element are considered. Therefore, the temperature of the detection element can be made to quickly follow the target temperature as compared with a case where only the temperature of the exhaust gas is simply considered. Thus, even in a transient state in which the temperature of the exhaust gas fluctuates rapidly, it is possible to prevent the temperature of the detection element from largely deviating from the target temperature.

(2) ある形態においては、温度制御装置は、エンジンの吸入空気量を検出するエアフロメータと、吸入空気量と、排気の温度と、受熱量と熱伝達率との比率である適合定数との対応関係を予め記憶する記憶部とをさらに備える。制御装置は、記憶部に記憶された対応関係を参照して、エアフロメータの検出値および排気温センサの検出値に対応する適合定数を算出し、算出された適合定数と、排気温センサの検出値と、モデル式とを用いて、検出素子の温度を算出する。   (2) In one embodiment, the temperature control device includes an air flow meter that detects an intake air amount of the engine, an intake air amount, an exhaust gas temperature, and a fitting constant that is a ratio between a heat reception amount and a heat transfer coefficient. A storage unit that stores the correspondence in advance. The control device refers to the correspondence relation stored in the storage unit, calculates an adaptation constant corresponding to the detection value of the air flow meter and the detection value of the exhaust gas temperature sensor, and calculates the calculated adaptation constant and the detection value of the exhaust gas temperature sensor. The temperature of the detection element is calculated using the value and the model formula.

排気から検出素子が受ける受熱量は、排気の温度だけでなく、排気流量によっても変化し得る。この点に鑑み、上記形態においては、受熱量と熱伝達率との比率である適合定数が、排気温センサの検出値だけでなく、エアフロメータの検出値(排気流量に相当する値)をも用いて算出される。このように算出された適合定数を用いて、検出素子の温度が算出される。そのため、検出素子の温度を精度よく算出することができる。   The amount of heat received by the detection element from the exhaust gas can vary depending not only on the temperature of the exhaust gas but also on the flow rate of the exhaust gas. In view of this point, in the above embodiment, the adaptation constant, which is the ratio between the amount of heat received and the heat transfer coefficient, is not only the value detected by the exhaust gas temperature sensor but also the value detected by the air flow meter (a value corresponding to the exhaust gas flow rate). It is calculated using The temperature of the detection element is calculated by using the thus calculated adaptation constant. Therefore, the temperature of the detection element can be accurately calculated.

(3) ある形態においては、制御装置は、排気温センサの検出値が所定温度を超える場合、検出素子のインピーダンスから検出素子の温度を算出し、検出素子の温度が活性温度となるようにヒータの通電量を制御する。   (3) In one embodiment, when the detected value of the exhaust gas temperature sensor exceeds a predetermined temperature, the control device calculates the temperature of the detection element from the impedance of the detection element, and sets the heater so that the temperature of the detection element becomes the activation temperature. Is controlled.

上記形態においては、排気温センサの検出値が所定温度を超える場合、排気に曝される検出素子の温度も高く検出素子の表面に水分が付着している可能性は低い(すなわち活性温度まで上昇させると被水割れが生じ難い)ことに鑑み、検出素子の温度が活性温度となるようにヒータの通電量が制御される。これにより、検出素子の温度が活性温度に維持されるため、空燃比センサによって空燃比を精度よく検出することができる。   In the above embodiment, when the detection value of the exhaust gas temperature sensor exceeds the predetermined temperature, the temperature of the detection device exposed to the exhaust gas is also high, and the possibility that moisture is attached to the surface of the detection device is low (that is, the temperature rises to the activation temperature). In view of this, it is difficult for water breaks to occur), so that the amount of electricity supplied to the heater is controlled so that the temperature of the detection element becomes the activation temperature. Thus, the temperature of the detection element is maintained at the activation temperature, so that the air-fuel ratio sensor can accurately detect the air-fuel ratio.

本開示によれば、空燃比センサの検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるように空燃比センサのヒータの通電デューティを制御する場合において、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離することを防止することができる。   According to the present disclosure, when controlling the energization duty of the heater of the air-fuel ratio sensor so that the temperature of the detection element of the air-fuel ratio sensor becomes the target temperature lower than the activation temperature, the temperature of the detection element greatly deviates from the target temperature. Can be prevented.

エンジンシステムの全体構成の一例を示す図である。It is a figure showing an example of the whole composition of an engine system. 空燃比センサの内部構成の一例を示す図である。It is a figure showing an example of an internal configuration of an air-fuel ratio sensor. 定常状態において排気温度の1次元マップを用いてヒータの微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Tgasと素子温度Ta/fとの関係の一例(比較例)を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example (comparative example) of a relationship between the exhaust gas temperature Tgas and the element temperature Ta / f when the heater is slightly energized in duty control using a one-dimensional map of the exhaust gas temperature in a steady state. 過渡状態において排気温度の1次元マップを用いてヒータの微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Tgasと素子温度Ta/fの変化の一例(比較例)を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example (comparative example) of changes in the exhaust gas temperature Tgas and the element temperature Ta / f when the heater is slightly energized in duty control using a one-dimensional map of the exhaust gas temperature in a transient state. 適合定数マップのイメージを示す図である。It is a figure showing the image of an adaptation constant map. ヒータの通電デューティの補正量ΔDの算出に用いられるマップの一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a map used for calculating a correction amount ΔD of a heater energization duty. 過渡状態において熱モデル式を用いてヒータの微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Tgasおよび素子温度Ta/fの変化の一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of changes in the exhaust gas temperature Tgas and the element temperature Ta / f when the minute energization duty control of the heater is performed using a thermal model equation in a transient state. ECUの処理の概要を示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an outline of processing by an ECU.

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding portions have the same reference characters allotted, and description thereof will not be repeated.

<構成>
図1は、本実施の形態による温度制御装置を備えるエンジンシステムの全体構成の一例を示す図である。このエンジンシステムは、エンジン10と、エアフローメータ40と、エンジン回転速度センサ50と、排気温センサ60と、空燃比センサ70と、電子制御装置(Electronic Control Unit、以下「ECU」という)100とを含む。
<Structure>
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an overall configuration of an engine system including the temperature control device according to the present embodiment. The engine system includes an engine 10, an air flow meter 40, an engine rotation speed sensor 50, an exhaust gas temperature sensor 60, an air-fuel ratio sensor 70, and an electronic control unit (ECU) 100. Including.

エンジン10は、一般的なディーゼルエンジンである。なお、エンジン10はガソリンエンジンであってもよい。エンジン10の各気筒には、燃料噴射弁20が設けられる。各燃料噴射弁20には、図示しない燃料ポンプによって燃料タンクからの燃料が供給されている。各燃料噴射弁20は、ECU100からの制御信号によって作動(開弁)し、各気筒に燃料を噴射する。   The engine 10 is a general diesel engine. Note that the engine 10 may be a gasoline engine. Each cylinder of the engine 10 is provided with a fuel injection valve 20. Each fuel injection valve 20 is supplied with fuel from a fuel tank by a fuel pump (not shown). Each fuel injection valve 20 operates (opens) according to a control signal from the ECU 100, and injects fuel into each cylinder.

エンジン回転速度センサ50は、エンジン10のクランク軸の回転速度(以下「エンジン回転速度Ne」ともいう)を検出し、検出結果をECU100に出力する。   Engine rotation speed sensor 50 detects a rotation speed of a crankshaft of engine 10 (hereinafter, also referred to as “engine rotation speed Ne”), and outputs a detection result to ECU 100.

エンジン10には、吸気通路11と排気通路12とが接続されている。エアフローメータ40は、吸気通路11に設けられる。エアフローメータ40は、吸気通路11を流通する吸入空気量Gaを検出し、検出結果をECU100へ出力する。   An intake passage 11 and an exhaust passage 12 are connected to the engine 10. The air flow meter 40 is provided in the intake passage 11. The air flow meter 40 detects an intake air amount Ga flowing through the intake passage 11 and outputs a detection result to the ECU 100.

排気温センサ60は、排気通路12に設けられる。排気温センサ60は、排気通路12を流れる排気の温度(以下「排気温度Tgas」ともいう)を検出し、検出結果をECU100に出力する。   The exhaust gas temperature sensor 60 is provided in the exhaust passage 12. The exhaust gas temperature sensor 60 detects the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 12 (hereinafter, also referred to as “exhaust gas temperature Tgas”), and outputs the detection result to the ECU 100.

空燃比センサ70は、排気通路12における排気温センサ60よりも下流側の部分に、排気温センサ60とは所定距離を隔てて設けられる。空燃比センサ70は、エンジン10の排気中における空燃比(空気量に対する燃料量の比率)A/Fを検出し、検出結果をECU100へ出力する。   The air-fuel ratio sensor 70 is provided at a portion of the exhaust passage 12 downstream of the exhaust gas temperature sensor 60 at a predetermined distance from the exhaust gas temperature sensor 60. The air-fuel ratio sensor 70 detects an air-fuel ratio (ratio of fuel amount to air amount) A / F in the exhaust gas of the engine 10 and outputs a detection result to the ECU 100.

図2は、空燃比センサ70の内部構成の一例を示す図である。空燃比センサ70は、検出素子(センサ素子)71と、ヒータ72とを含む。検出素子71は、空燃比A/Fを検出するための素子である。ヒータ72は、検出素子71の内部に埋め込まれた電熱線である。ヒータ72は、内部に電流が流れることによって発熱して検出素子71を加熱する。ヒータ72の通電タイミングおよび通電量は、ECU100によって制御される。   FIG. 2 is a diagram showing an example of the internal configuration of the air-fuel ratio sensor 70. The air-fuel ratio sensor 70 includes a detection element (sensor element) 71 and a heater 72. The detection element 71 is an element for detecting the air-fuel ratio A / F. The heater 72 is a heating wire embedded inside the detection element 71. The heater 72 generates heat when a current flows therein to heat the detection element 71. The energizing timing and energizing amount of the heater 72 are controlled by the ECU 100.

図1に戻って、ECU100は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、およびメモリ101を内蔵する。ECU100は、メモリ101に記憶された情報および各種センサからの情報などに基づいて、エンジン10に係る各種制御を実行する。   Returning to FIG. 1, the ECU 100 includes a CPU (Central Processing Unit) (not shown) and a memory 101. The ECU 100 executes various controls related to the engine 10 based on information stored in the memory 101, information from various sensors, and the like.

<空燃比センサのヒータの通常通電制御>
空燃比センサ70の検出素子71は、検出素子71の温度(以下「素子温度Ta/f」ともいう)が予め定められた活性温度である場合に空燃比A/Fを精度よく検出することができるという特性を有する。したがって、検出素子71で空燃比A/Fを精度よく検出するためには、素子温度Ta/fが活性温度あるいは活性温度に近い値であることが望ましい。
<Normal energization control of the heater of the air-fuel ratio sensor>
The detection element 71 of the air-fuel ratio sensor 70 can accurately detect the air-fuel ratio A / F when the temperature of the detection element 71 (hereinafter also referred to as “element temperature Ta / f”) is a predetermined activation temperature. It has the property of being able to. Therefore, in order for the detection element 71 to accurately detect the air-fuel ratio A / F, it is desirable that the element temperature Ta / f be the activation temperature or a value close to the activation temperature.

また、素子温度Ta/fが活性温度を含む高温領域に含まれる場合においては、素子温度Ta/fは検出素子71の電気抵抗(以下「素子インピーダンスZ」ともいう)に相関するという特性を有する。   Further, when the element temperature Ta / f is included in the high temperature region including the activation temperature, the element temperature Ta / f has a characteristic that it is correlated with the electric resistance of the detection element 71 (hereinafter, also referred to as “element impedance Z”). .

この点に鑑み、ECU100は、素子インピーダンスZを算出し、算出された素子インピーダンスZから素子温度Ta/fを算出し、算出された素子温度Ta/fが目標活性温度Ttag2となるようにヒータ72の通電量をフィードバック制御する。目標活性温度Ttag2は、検出素子71の活性温度に相当する値に設定される。   In view of this, the ECU 100 calculates the element impedance Z, calculates the element temperature Ta / f from the calculated element impedance Z, and sets the heater 72 so that the calculated element temperature Ta / f becomes the target activation temperature Ttag2. The feedback control of the amount of current is performed. Target activation temperature Ttag2 is set to a value corresponding to the activation temperature of detection element 71.

なお、素子インピーダンスZは、検出素子71に電圧を印加したときの電圧と電流との関係から算出することができる。たとえば、ECU100は、検出素子71に設けられた電極(図示せず)に電圧を印加し、その電圧を所定の変化量ΔVだけ変化させたときの検出素子71の電流の変化量ΔIを測定し、電圧の変化量ΔVを電流の変化量ΔIで除算した値(=ΔV/ΔI)を、素子インピーダンスZとして算出することができる。   The element impedance Z can be calculated from the relationship between the voltage and the current when a voltage is applied to the detection element 71. For example, the ECU 100 applies a voltage to an electrode (not shown) provided on the detection element 71, and measures a change amount ΔI of a current of the detection element 71 when the voltage is changed by a predetermined change amount ΔV. , A value obtained by dividing the voltage change amount ΔV by the current change amount ΔI (= ΔV / ΔI) can be calculated as the element impedance Z.

また、素子インピーダンスZから素子温度Ta/fを算出する手法としては、素子インピーダンスZと素子温度Ta/fとの対応関係を示すマップ(以下「Z−Ta/fマップ」ともいう)を予め実験等によって求めてメモリ101に記憶しておき、このZ−Ta/fマップを参照する手法を採用することができる。   As a method of calculating the element temperature Ta / f from the element impedance Z, a map (hereinafter, also referred to as a “Z-Ta / f map”) showing the correspondence between the element impedance Z and the element temperature Ta / f is previously tested. A method of referring to the Z-Ta / f map can be adopted.

以下では、素子インピーダンスZから算出された素子温度Ta/fが目標活性温度Ttag2となるようにヒータ72の通電量をフィードバック制御する処理を「通常通電制御」とも記載する。   Hereinafter, the process of performing feedback control of the amount of current supplied to the heater 72 so that the element temperature Ta / f calculated from the element impedance Z becomes the target activation temperature Ttag2 is also referred to as “normal energization control”.

<空燃比センサのヒータの微通電デューティ制御>
上述したように、検出素子71で空燃比A/Fを精度よく検出するためには、素子温度Ta/fが活性温度あるいは活性温度に近い値であることが望ましい。したがって、素子温度Ta/fが活性温度を含む高温領域よりも低い低温領域に含まれる場合には、素子温度Ta/fを活性温度(目標活性温度Ttag2)に向けて早期に上昇させることが望ましい。しかしながら、素子温度Ta/fが低温領域に含まれる冷間時に上述の通常通電制御によって素子温度Ta/fを急速に目標活性温度Ttag2まで上昇させると、以下のような問題が生じ得る。
<Slight energization duty control of heater of air-fuel ratio sensor>
As described above, in order for the detection element 71 to accurately detect the air-fuel ratio A / F, it is desirable that the element temperature Ta / f be the activation temperature or a value close to the activation temperature. Therefore, when element temperature Ta / f is included in a low-temperature area lower than a high-temperature area including the activation temperature, it is desirable to raise element temperature Ta / f early toward the activation temperature (target activation temperature Ttag2). . However, if the element temperature Ta / f is rapidly increased to the target activation temperature Ttag2 by the above-described normal energization control during a cold time when the element temperature Ta / f is included in the low temperature region, the following problem may occur.

まず、冷間時においては、検出素子71の表面に水分(凝縮水)が付着している場合がある。検出素子71の表面に水分が付着している状態で素子温度Ta/fを活性温度まで急速に上昇させると、検出素子71が破損する現象(以下「被水割れ」ともいう)が発生し得る。そのため、冷間時においては、素子温度Ta/fを上昇させつつも、被水割れが生じない温度(活性温度よりも低い温度)に抑えることが望ましい。   First, when cold, moisture (condensed water) may adhere to the surface of the detection element 71. If the element temperature Ta / f is rapidly raised to the activation temperature in a state where moisture is attached to the surface of the detection element 71, a phenomenon that the detection element 71 is damaged (hereinafter, also referred to as “water crack”) may occur. . Therefore, in the cold state, it is desirable to increase the element temperature Ta / f, but to suppress the element temperature Ta / f to a temperature at which water-breaking does not occur (a temperature lower than the activation temperature).

その一方で、素子温度Ta/fが低過ぎると、検出素子71の表面が十分に乾燥せずに水分が残存し得る。検出素子71の表面の水分が残存した状態でエンジンが停止されると、検出素子71の表面に残存している水分が凍結することによって検出素子71が破損する現象(以下「凍結割れ」ともいう)が発生し得る。そのため、冷間時においては、素子温度Ta/fを、被水割れが生じず、かつ検出素子71の表面の水分が蒸発し得る(凍結割れが生じない)温度にすることが望ましい。   On the other hand, if the element temperature Ta / f is too low, the surface of the detection element 71 may not be sufficiently dried and water may remain. When the engine is stopped in a state where moisture on the surface of the detection element 71 remains, the phenomenon that the moisture remaining on the surface of the detection element 71 freezes to break the detection element 71 (hereinafter also referred to as “freezing crack”) ) Can occur. Therefore, in the cold state, it is desirable to set the element temperature Ta / f to a temperature at which water-decomposition cracks do not occur and moisture on the surface of the detection element 71 can evaporate (freezing cracks do not occur).

さらに、素子温度Ta/fが低温領域に含まれる冷間時においては、素子温度Ta/fと素子インピーダンスZとの間の相関関係が崩れるため、素子インピーダンスZから素子温度Ta/fを算出すると素子温度Ta/fの算出精度が低下してしまうという問題も生じ得る。   Further, in a cold state in which the element temperature Ta / f is included in the low temperature region, the correlation between the element temperature Ta / f and the element impedance Z is broken, so that the element temperature Ta / f is calculated from the element impedance Z. There may be a problem that the calculation accuracy of the element temperature Ta / f is reduced.

以上の点に鑑み、ECU100は、排気温度Tgasがしきい値Tthよりも低い場合には、排気に曝される検出素子71の温度も低く素子温度Ta/fが低温領域に含まれる冷間時であると考えられるため、上述の「通常通電制御」ではなく、「微通電デューティ制御」を実行する。   In view of the above, when the exhaust gas temperature Tgas is lower than the threshold value Tth, the ECU 100 determines that the temperature of the detection element 71 exposed to the exhaust gas is low and the element temperature Ta / f is in a low temperature range. Therefore, "small energization duty control" is executed instead of "normal energization control" described above.

ここで、「微通電デューティ制御」とは、素子温度Ta/fが、被水割れを回避可能で、かつ凍結割れを回避可能な微通電目標温度Ttag1となるように、ヒータ72の通電デューティDUTYを制御する処理である。微通電目標温度Ttag1は、目標活性温度Ttag2よりも低い値に設定される。なお、通電デューティDUTYとは、ヒータ72の通電と非通電とを交互に周期的に繰り返す際における、1周期内の通電時間と非通電時間との比である。   Here, the "slight energization duty control" means that the energization duty DUTY of the heater 72 is set so that the element temperature Ta / f becomes the slight energization target temperature Ttag1 capable of avoiding water-split cracks and freezing cracks. Is a process of controlling The slight energization target temperature Ttag1 is set to a value lower than the target activation temperature Ttag2. The energization duty DUTY is the ratio of the energization time and the non-energization time within one cycle when energization and non-energization of the heater 72 are alternately and periodically repeated.

微通電デューティ制御は素子温度Ta/fと素子インピーダンスZとの間の相関関係が崩れる冷間時に実行されるため、微通電デューティ制御中においては素子インピーダンスZから素子温度Ta/fを算出することはできない。そのため、微通電デューティ制御中においては、素子温度Ta/fをどのように把握して通電デューティDUTYに反映させるのかが問題となる。   Since the slight energization duty control is performed during a cold time when the correlation between the element temperature Ta / f and the element impedance Z is broken, the element temperature Ta / f should be calculated from the element impedance Z during the slight energization duty control. Can not. Therefore, during the fine energization duty control, there is a problem how to grasp the element temperature Ta / f and reflect the element temperature Ta / f on the energization duty DUTY.

たとえば、素子温度Ta/fが排気温度Tgasに相関することに鑑み、微通電デューティ制御中において単純に排気温度Tgasの1次元マップ(排気温度Tgasと通電デューティDUTYとの対応関係を規定するマップ)を用いて通電デューティDUTYを制御することも考えられる。しかしながら、この手法では、排気温度Tgasがそれほど急速には変動しない定常状態においては有効であるが、排気温度Tgasが急速に変動する過渡状態においては微通電目標温度Ttag1から大きく乖離してしまう場合がある。   For example, in view of the fact that the element temperature Ta / f correlates with the exhaust gas temperature Tgas, a one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas is simply obtained during the fine energization duty control (map defining the correspondence between the exhaust gas temperature Tgas and the energization duty DUTY). May be used to control the energization duty DUTY. However, this method is effective in a steady state in which the exhaust gas temperature Tgas does not fluctuate so rapidly, but in a transient state in which the exhaust gas temperature Tgas fluctuates rapidly, there is a case where the temperature greatly deviates from the slight energization target temperature Ttag1. is there.

図3は、定常状態において排気温度Tgasの1次元マップを用いてヒータ72の微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Tgasと素子温度Ta/fとの関係の一例を示す図である。図3の下段には、排気温度Tgasの1次元マップの一例が示される。図3の上段には、定常状態における排気温度Tgasと素子温度Ta/fとの関係が示される。なお、図3は、本開示に対する比較例を示すものである。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the relationship between the exhaust gas temperature Tgas and the element temperature Ta / f when the minute energization duty control of the heater 72 is performed using a one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas in a steady state. An example of a one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas is shown in the lower part of FIG. The upper part of FIG. 3 shows a relationship between the exhaust gas temperature Tgas and the element temperature Ta / f in a steady state. FIG. 3 shows a comparative example for the present disclosure.

図3の下段に示す1次元マップにおいては、排気温度Tgasが低いほど通電デューティDUTYが高い値とされる。これにより、排気温度Tgasが低い場合でも、早期に素子温度Ta/fを微通電目標温度Ttagまで上昇させるようにしている。その結果、定常状態では、図3の上段に示すとおり、排気温度Tgasが低い場合であっても高い場合であっても、素子温度Ta/fが微通電目標温度Ttagに維持される。   In the one-dimensional map shown in the lower part of FIG. 3, the lower the exhaust gas temperature Tgas, the higher the energization duty DUTY. As a result, even when the exhaust gas temperature Tgas is low, the element temperature Ta / f is quickly raised to the slight energization target temperature Ttag. As a result, in the steady state, as shown in the upper part of FIG. 3, the element temperature Ta / f is maintained at the slight energization target temperature Ttag regardless of whether the exhaust gas temperature Tgas is low or high.

しかしながら、排気温度Tgasが急速に変動する過渡状態においては、排気温度Tgasの変動に素子温度Ta/fが追従しきれずに、素子温度Ta/fが微通電目標温度Ttag1から大きく乖離してしまう場合がある。   However, in a transient state in which the exhaust gas temperature Tgas fluctuates rapidly, the element temperature Ta / f cannot fully follow the fluctuation of the exhaust gas temperature Tgas, and the element temperature Ta / f greatly deviates from the slight energization target temperature Ttag1. There is.

図4は、過渡状態において排気温度Tgasの1次元マップを用いてヒータ72の微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Tgasと素子温度Ta/fの変化の一例を示す図である。図4において、横軸は時間を示し、縦軸は温度を示す。また、図4において、実線は排気温度Tgasを示し、破線は素子温度Ta/fを示す。なお、図4も、図3と同様、本開示に対する比較例を示すものである。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of changes in the exhaust gas temperature Tgas and the element temperature Ta / f when the fine energization duty control of the heater 72 is performed using a one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas in a transient state. In FIG. 4, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents temperature. In FIG. 4, the solid line indicates the exhaust gas temperature Tgas, and the broken line indicates the element temperature Ta / f. FIG. 4 also shows a comparative example of the present disclosure, similarly to FIG.

排気温度Tgasが急速に増加および減少する過渡状態において排気温度Tgasの1次元マップを用いて微通電デューティ制御を行なうと、図4に示すように、排気温度Tgasの変動に素子温度Ta/fが追従しきれずに、素子温度Ta/fが微通電目標温度Ttag1を含む目標温度制御範囲の上限を上回るオーバーシュートが生じたり、素子温度Ta/fが目標温度制御範囲の下限を下回るアンダーシュートが生じたりする。   When the slight energization duty control is performed using the one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas in a transient state in which the exhaust gas temperature Tgas rapidly increases and decreases, as shown in FIG. 4, the element temperature Ta / f changes with the fluctuation of the exhaust gas temperature Tgas. Without being able to follow, overshoot occurs in which the element temperature Ta / f exceeds the upper limit of the target temperature control range including the slight energization target temperature Ttag1, or undershoot occurs in which the element temperature Ta / f falls below the lower limit of the target temperature control range. Or

素子温度Ta/fが目標温度制御範囲の上限を上回ると、素子温度Ta/fが被水割れを回避可能な限界温度を超過し、被水割れが生じてしまうことが懸念される。また、素子温度Ta/fが目標温度制御範囲の上限を下回ると、検出素子71の表面の水分が蒸発せずに残存し、その後に凍結割れが生じてしまうことが懸念される。   If the element temperature Ta / f exceeds the upper limit of the target temperature control range, the element temperature Ta / f may exceed a limit temperature at which water-penetrating cracks can be avoided, and there is a concern that water-penetrating cracks may occur. Further, when the element temperature Ta / f is lower than the upper limit of the target temperature control range, there is a concern that moisture on the surface of the detection element 71 remains without evaporating, and then freezing cracks may occur.

上記のような問題を解消すべく、本実施の形態によるECU100は、微通電デューティ制御において、排気温度Tgasの1次元マップを用いるのではなく、排気と検出素子71との間の熱収支を表わす熱モデル式を用いて素子温度Ta/fを算出する。そして、ECU100は、熱モデル式を用いて算出された素子温度Ta/fが微通電目標温度Ttag1となるようにヒータ72の通電デューティDUTYを制御する。以下、この点について詳しく説明する。   In order to solve the above problem, the ECU 100 according to the present embodiment does not use a one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas in the slight energization duty control, but expresses a heat balance between the exhaust gas and the detection element 71. The element temperature Ta / f is calculated using a thermal model equation. Then, ECU 100 controls energization duty DUTY of heater 72 such that element temperature Ta / f calculated using the thermal model equation becomes slight energization target temperature Ttag1. Hereinafter, this point will be described in detail.

排気と検出素子71との間の熱収支は下記の式(1)のように定義することができる。
Q=α×S×(Tgas−Ta/f) …(1)
式(1)において、「Q」は排気から検出素子71が受ける受熱量(単位:W)を示し、「α」は排気と検出素子71との間の熱伝達率(単位:W/(mK))を示し、「S」は検出素子71における排気に触れる部分の表面積(単位:m)を示す。排気温度Tgasおよび素子温度Ta/fの単位は、どちらも「K」(ケルビン)である。なお、受熱量Qが負の値である場合には、受熱量Qは、実質的に、検出素子71が排気に放出する放熱量を示す値となる。
The heat balance between the exhaust and the detection element 71 can be defined as in the following equation (1).
Q = α × S × (Tgas−Ta / f) (1)
In the equation (1), “Q” represents the amount of heat received from the exhaust gas by the detection element 71 (unit: W), and “α” represents the heat transfer coefficient between the exhaust gas and the detection element 71 (unit: W / (m 2 K)) indicates, "S" is the surface area of the portion touching the exhaust gas in the detection element 71 (unit: it indicates m 2). The units of the exhaust gas temperature Tgas and the element temperature Ta / f are both “K” (Kelvin). When the heat reception amount Q is a negative value, the heat reception amount Q is substantially a value indicating the amount of heat released from the detection element 71 to the exhaust gas.

式(1)は、下記の式(2)のように変形することができる。
Ta/f=Tgas−(Q/α)/S …(2)
上述の式(1)あるいは式(2)が、排気と検出素子71との間の熱収支を表わす熱モデル式である。
Equation (1) can be modified as in the following equation (2).
Ta / f = Tgas− (Q / α) / S (2)
The above equation (1) or equation (2) is a thermal model equation representing a heat balance between the exhaust gas and the detection element 71.

式(2)において、排気温度Tgasは排気温センサ60によって検出可能であり、表面積Sは設計仕様によって予め決まる固定値である。そこで、本実施の形態においては、受熱量Qと熱伝達率αとの比率である「Q/α」を適合定数とし、この適合定数と吸入空気量Gaと排気温度Tgasとの対応関係が実験等によって予め求められ、その結果が適合定数マップとしてメモリ101に記憶されている。   In equation (2), the exhaust gas temperature Tgas can be detected by the exhaust gas temperature sensor 60, and the surface area S is a fixed value determined in advance by design specifications. Therefore, in the present embodiment, “Q / α”, which is the ratio between the amount of heat received Q and the heat transfer coefficient α, is used as an adaptation constant. And the like, and the result is stored in the memory 101 as a matching constant map.

図5は、適合定数マップのイメージを示す図である。図5に示すように、適合定数マップには、吸入空気量Gaと排気温度Tgasとをパラメータとして、適合定数(=Q/α)の値が予め規定されている。この適合定数マップは、実験等によって予め求められてメモリ101に記憶されている。   FIG. 5 is a diagram showing an image of the matching constant map. As shown in FIG. 5, the value of the adaptation constant (= Q / α) is defined in advance in the adaptation constant map using the intake air amount Ga and the exhaust gas temperature Tgas as parameters. This matching constant map is obtained in advance by experiments or the like and stored in the memory 101.

ECU100は、図5に示すような適合定数マップを参照して、エアフローメータ40によって検出された吸入空気量Gaおよび排気温センサ60によって検出された排気温度Tgasに対応する適合定数(=Q/α)を算出する。   The ECU 100 refers to the adaptation constant map as shown in FIG. 5 and adapts the intake air amount Ga detected by the air flow meter 40 and the exhaust gas temperature Tgas detected by the exhaust gas temperature sensor 60 to the adaptation constant (= Q / α). ) Is calculated.

そして、ECU100は、適合定数マップを用いて算出された適合定数(=Q/α)と、排気温センサ60によって検出された排気温度Tgasとを、上述の式(2)に代入することによって、素子温度Ta/fを算出する。   Then, the ECU 100 substitutes the adaptive constant (= Q / α) calculated using the adaptive constant map and the exhaust gas temperature Tgas detected by the exhaust gas temperature sensor 60 into the above equation (2), The element temperature Ta / f is calculated.

そして、ECU100は、算出された素子温度Ta/fと微通電目標温度Ttag1との差(=Ta/f−Ttag1)に基づいて、ヒータ72の通電デューティDUTYの補正量ΔDを算出する。   Then, ECU 100 calculates a correction amount ΔD of energization duty DUTY of heater 72 based on the difference between calculated element temperature Ta / f and target slight energization temperature Ttag1 (= Ta / f−Ttag1).

図6は、ヒータ72の通電デューティDUTYの補正量ΔDの算出に用いられるマップの一例を示す図である。図6において、横軸は素子温度Ta/fと微通電目標温度Ttag1との差(=Ta/f−Ttag1)を示し、縦軸は通電デューティDUTYの補正量ΔDを示す。   FIG. 6 is a diagram showing an example of a map used for calculating the correction amount ΔD of the energization duty DUTY of the heater 72. In FIG. 6, the horizontal axis represents the difference between the element temperature Ta / f and the slight energization target temperature Ttag1 (= Ta / f-Ttag1), and the vertical axis represents the correction amount ΔD of the energization duty DUTY.

図6に示す例では、素子温度Ta/fが微通電目標温度Ttag1よりも高い場合(Ta/f−Ttag1>0である場合)には、補正量ΔDが負の値とされ、かつ、素子温度Ta/fと微通電目標温度Ttag1との差の大きさ(絶対値)が大きいほど補正量ΔDの大きさ(絶対値)が大きい値にされる。また、素子温度Ta/fが微通電目標温度Ttag1よりも低い場合(Ta/f−Ttag1<0である場合)には、補正量ΔDが正の値とされ、かつ、素子温度Ta/fと微通電目標温度Ttag1との差の大きさ(絶対値)が大きいほど補正量ΔDの大きさ(絶対値)が大きい値にされる。   In the example shown in FIG. 6, when the element temperature Ta / f is higher than the slight energization target temperature Ttag1 (when Ta / f-Ttag1> 0), the correction amount ΔD is set to a negative value, and As the magnitude (absolute value) of the difference between the temperature Ta / f and the slight energization target temperature Ttag1 increases, the magnitude (absolute value) of the correction amount ΔD increases. When the element temperature Ta / f is lower than the slight energization target temperature Ttag1 (when Ta / f-Ttag1 <0), the correction amount ΔD is set to a positive value, and the element temperature Ta / f The magnitude (absolute value) of the correction amount ΔD increases as the magnitude (absolute value) of the difference from the slight energization target temperature Ttag1 increases.

そして、ECU100は、ヒータ72の通電デューティDUTYを下記の式(3)で算出する。   Then, the ECU 100 calculates the energization duty DUTY of the heater 72 by the following equation (3).

DUTY今回値=DUTY前回値+補正量ΔD …(3)
式(3)において、「DUTY今回値」は今回の演算サイクルで算出される通電デューティDUTYを示し、「DUTY前回値」は前回の演算サイクルで算出された通電デューティDUTYを示す。すなわち、ECU100は、DUTY前回値に補正量ΔDを加えた値を、DUTY今回値として算出する。そして、ECU100は、ヒータ72の通電デューティDUTYをDUTY今回値とする。
DUTY current value = DUTY previous value + correction amount ΔD (3)
In Equation (3), “DUTY current value” indicates the energization duty DUTY calculated in the current operation cycle, and “DUTY last time value” indicates the energization duty DUTY calculated in the previous operation cycle. That is, the ECU 100 calculates a value obtained by adding the correction amount ΔD to the previous duty value as the current duty value. Then, the ECU 100 sets the energization duty DUTY of the heater 72 to the DUTY current value.

図7は、過渡状態において上述の熱モデル式(式(1)あるいは式(2))を用いてヒータ72の微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Tgasおよび素子温度Ta/fの変化の一例を示す図である。   FIG. 7 shows changes in the exhaust gas temperature Tgas and the element temperature Ta / f when the slight energization duty control of the heater 72 is performed using the above-mentioned thermal model equation (Equation (1) or Equation (2)) in a transient state. It is a figure showing an example.

図7の上段において、実線は排気温度Tgasを示し、一点鎖線は熱モデル式を用いた場合(本実施の形態)の素子温度Ta/fを示す。なお、図7の上段に示す破線は排気温度Tgasの1次元マップを用いた場合(比較例)の素子温度Ta/fを示す。図7の上段に示す実線および破線は、上述の図4に示す実線および破線と同じ波形である。   In the upper part of FIG. 7, the solid line indicates the exhaust gas temperature Tgas, and the dashed line indicates the element temperature Ta / f when the thermal model equation is used (this embodiment). Note that the broken line shown in the upper part of FIG. 7 shows the element temperature Ta / f when a one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas is used (comparative example). The solid line and the broken line shown in the upper part of FIG. 7 have the same waveform as the solid line and the broken line shown in FIG.

図7の下段において、一点鎖線は熱モデル式を用いた場合(本実施の形態)の通電デューティDUTYを示す。なお、図7の下段において、破線は排気温度Tgasの1次元マップを用いた場合(比較例)の通電デューティDUTYを示す。   In the lower part of FIG. 7, the dashed line indicates the energization duty DUTY when the thermal model equation is used (this embodiment). In the lower part of FIG. 7, the broken line indicates the energization duty DUTY when a one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas is used (comparative example).

過渡状態において、仮に排気温度Tgasの1次元マップを用いて微通電デューティ制御を行なうと、破線に示すように、排気温度Tgasの変動に通電デューティDUTYが追従しきれないため、素子温度Ta/fが目標温度制御範囲の上限を上回ったり、素子温度Ta/fが目標温度制御範囲の下限を下回ったりする。   In the transient state, if the fine energization duty control is performed using a one-dimensional map of the exhaust gas temperature Tgas, the energization duty DUTY cannot follow the fluctuation of the exhaust gas temperature Tgas as shown by the broken line, so that the element temperature Ta / f Exceeds the upper limit of the target temperature control range, or the element temperature Ta / f falls below the lower limit of the target temperature control range.

一方、本実施の形態のように上述の熱モデル式を用いた場合には、一点鎖線に示すように、排気温度Tgasの変動に通電デューティDUTYが追従するようになる。具体的には、素子温度Ta/fが微通電目標温度Ttag1を上回る箇所あるいは下回る箇所で、微通電目標温度Ttag1に対する通電デューティDUTYの追従性が向上する。その結果、素子温度Ta/fが目標温度制御範囲から外れることが抑制されるため、被水割れあるいは凍結割れを防止することができる。   On the other hand, when the above-described thermal model equation is used as in the present embodiment, the energization duty DUTY follows the fluctuation of the exhaust gas temperature Tgas, as indicated by the dashed line. Specifically, at locations where the element temperature Ta / f is higher or lower than the slight energization target temperature Ttag1, the followability of the energization duty DUTY to the slight energization target temperature Ttag1 is improved. As a result, since the element temperature Ta / f is suppressed from deviating from the target temperature control range, it is possible to prevent water cracking or freezing cracking.

<空燃比センサのヒータ制御フロー>
図8は、本実施の形態によるECU100が空燃比センサ70のヒータ72を制御する際に実行する処理の概要を示すフローチャートである。このフローチャートは、たとえばエンジン10の作動中に所定条件が成立する毎に繰り返し実行される。
<Air-fuel ratio sensor heater control flow>
FIG. 8 is a flowchart showing an outline of processing executed when ECU 100 according to the present embodiment controls heater 72 of air-fuel ratio sensor 70. This flowchart is repeatedly executed, for example, every time a predetermined condition is satisfied while the engine 10 is operating.

ECU100は、排気温度Tgasがしきい値Tthよりも低いか否かを判定する(ステップS10)。   The ECU 100 determines whether the exhaust gas temperature Tgas is lower than the threshold value Tth (Step S10).

排気温度Tgasがしきい値Tthよりも低い場合(ステップS10においてYES)、素子温度Ta/fが低温領域に含まれると考えられるため、ECU100は、上述の微通電デューティ制御を実行する(ステップS20〜S28)。   When exhaust gas temperature Tgas is lower than threshold value Tth (YES in step S10), it is considered that element temperature Ta / f is included in the low temperature region, and ECU 100 executes the above-described slight energization duty control (step S20). To S28).

具体的には、まず、ECU100は、上述の適合定数マップ(図5)を参照して、エアフローメータ40によって検出された吸入空気量Gaおよび排気温センサ60によって検出された排気温度Tgasに対応する適合定数(=Q/α)を算出する(ステップS20)。   Specifically, first, the ECU 100 refers to the above-mentioned adaptation constant map (FIG. 5) and corresponds to the intake air amount Ga detected by the air flow meter 40 and the exhaust gas temperature Tgas detected by the exhaust gas temperature sensor 60. An adaptation constant (= Q / α) is calculated (step S20).

次いで、ECU100は、ステップS20で算出された適合定数(=Q/α)と、排気温センサ60によって検出された排気温度Tgasと、上述の熱モデル式(2)とを用いて、素子温度Ta/fを算出する(ステップS22)。   Next, the ECU 100 uses the adaptation constant (= Q / α) calculated in step S20, the exhaust gas temperature Tgas detected by the exhaust gas temperature sensor 60, and the above-described thermal model equation (2) to obtain the element temperature Ta. / F is calculated (step S22).

次いで、ECU100は、図6に示すマップを参照して、ステップS22で算出された素子温度Ta/fと微通電目標温度Ttag1との差(=Ta/f−Ttag1)に対応する補正量ΔDを算出する(ステップS24)。   Next, the ECU 100 refers to the map shown in FIG. 6 to calculate the correction amount ΔD corresponding to the difference (= Ta / f−Ttag1) between the element temperature Ta / f calculated in step S22 and the slight energization target temperature Ttag1. It is calculated (step S24).

次いで、ECU100は、通電デューティDUTY今回値を、上述の式(3)を用いて算出する(ステップS26)。すなわち、ECU100は、ECU100は、DUTY前回値にステップS24で算出された補正量ΔDを加えた値(=DUTY前回値+補正量ΔD)を、DUTY今回値として算出する。   Next, the ECU 100 calculates the current value of the energization duty DUTY using the above equation (3) (step S26). That is, the ECU 100 calculates, as the DUTY current value, a value obtained by adding the correction amount ΔD calculated in step S24 to the previous DUTY value (= the previous DUTY value + the correction amount ΔD).

次いで、ECU100は、ヒータ72の通電デューティDUTYをステップS26で算出されたDUTY今回値とする(ステップS28)。   Next, the ECU 100 sets the energization duty DUTY of the heater 72 to the DUTY current value calculated in step S26 (step S28).

一方、排気温度Tgasがしきい値Tthよりも高い場合(ステップS10においてNO)、素子温度Ta/fが高温領域に含まれると考えられるため、ECU100は、上述の通常通電制御を実行する(ステップS30〜S34)。すなわち、ECU100は、検出素子71の電圧変化量ΔVと電流変化量ΔIとの関係から素子インピーダンスZ(=ΔV/ΔI)を算出する(ステップS30)。次いで、ECU100は、メモリ101に記憶されたZ−Ta/fマップを参照して、ステップS30で算出された素子インピーダンスZに対応する素子温度Ta/fを算出する(ステップS32)。そして、ECU100は、ステップS32で算出された素子温度Ta/fが目標活性温度Ttag2となるようにヒータ72の通電量をフィードバック制御する(ステップS34)。   On the other hand, when exhaust gas temperature Tgas is higher than threshold value Tth (NO in step S10), it is considered that element temperature Ta / f is included in the high temperature region, and ECU 100 executes the above-described normal energization control (step S10). S30 to S34). That is, the ECU 100 calculates the element impedance Z (= ΔV / ΔI) from the relationship between the voltage change ΔV of the detection element 71 and the current change ΔI (step S30). Next, referring to the Z-Ta / f map stored in the memory 101, the ECU 100 calculates an element temperature Ta / f corresponding to the element impedance Z calculated in step S30 (step S32). Then, the ECU 100 performs feedback control of the amount of current supplied to the heater 72 so that the element temperature Ta / f calculated in step S32 becomes equal to the target activation temperature Ttag2 (step S34).

以上のように、本実施の形態によるECU100は、排気温度Tgasがしきい値Tthよりも低い場合には、排気に曝される検出素子71の温度も低く検出素子71の表面に水分が付着している可能性がある(すなわち素子温度Ta/fを目標活性温度Ttag2まで上昇させると被水割れが生じ易い)ことに鑑み、素子温度Ta/fが目標活性温度Ttag2よりも低い微通電目標温度Ttag1となるようにヒータ72の通電デューティを制御する「微通電デューティ制御」を実行する。   As described above, when the exhaust gas temperature Tgas is lower than the threshold value Tth, the ECU 100 according to the present embodiment also has a low temperature of the detection element 71 exposed to the exhaust gas, and moisture adheres to the surface of the detection element 71. In consideration of the possibility that the element temperature Ta / f is raised to the target activation temperature Ttag2, water cracking is likely to occur, the slight energization target temperature at which the element temperature Ta / f is lower than the target activation temperature Ttag2. “Small energization duty control” for controlling the energization duty of the heater 72 to be Ttag1 is executed.

この微通電デューティ制御において、ECU100は、素子温度Ta/fを、排気と検出素子71との間の熱収支を表わす熱モデル式(上述の式(1)あるいは式(2))を用いて算出する。この熱モデル式においては、排気温度Tgasだけでなく、排気から検出素子71が受ける受熱量Q、排気と検出素子71との間の熱伝達率αが考慮されている。そのため、単純に排気温度Tgasだけを考慮する場合に比べて、素子温度Ta/fがより精度よく算出される。これにより、素子温度Ta/fを微通電目標温度Ttag1に素早く追従させることができる。その結果、排気温度Tgasが急速に変動する過渡状態においても、素子温度Ta/fが微通電目標温度Ttag1から大きく乖離することを防止することができる。   In this slight energization duty control, the ECU 100 calculates the element temperature Ta / f using a heat model equation (the above equation (1) or equation (2)) representing the heat balance between the exhaust gas and the detection element 71. I do. In this thermal model equation, not only the exhaust gas temperature Tgas, but also the amount of heat Q received by the detection element 71 from the exhaust gas and the heat transfer coefficient α between the exhaust gas and the detection element 71 are considered. Therefore, the element temperature Ta / f is calculated with higher accuracy than when only the exhaust gas temperature Tgas is simply considered. This allows the element temperature Ta / f to quickly follow the slight energization target temperature Ttag1. As a result, even in a transient state in which the exhaust gas temperature Tgas fluctuates rapidly, it is possible to prevent the element temperature Ta / f from largely deviating from the slight energization target temperature Ttag1.

さらに、本実施の形態においては、排気から検出素子71が受ける受熱量Qが、排気温度Tgasだけでなく排気流量によっても変化し得る点に鑑み、ECU100は、微通電デューティ制御において、受熱量Qと熱伝達率αとの比率である適合定数(=Q/α)を、排気温度Tgasだけでなく、吸入空気量Ga(排気流量に相当する値)をも用いて算出する。そして、ECU100は、このように算出された適合定数を用いて、素子温度Ta/fを算出する。そのため、素子温度Ta/fを精度よく算出することができる。   Further, in the present embodiment, in view of the fact that heat receiving amount Q received by detecting element 71 from exhaust gas can vary not only with exhaust gas temperature Tgas but also with exhaust gas flow rate, ECU 100 sets heat receiving amount Q Is calculated using not only the exhaust gas temperature Tgas but also the intake air amount Ga (a value corresponding to the exhaust gas flow rate). Then, the ECU 100 calculates the element temperature Ta / f by using the adaptive constant calculated as described above. Therefore, the element temperature Ta / f can be accurately calculated.

さらに、本実施の形態によるECU100は、排気温度Tgasがしきい値Tthよりも高い場合には、排気に曝される検出素子71の温度も高く検出素子71の表面に水分が付着している可能性は低い(すなわち素子温度Ta/fを目標活性温度Ttag2まで上昇させると被水割れが生じ難い)ことに鑑み、素子温度Ta/fが目標活性温度Ttag2となるようにヒータ72の通電量を制御する「通常通電制御」を実行する。これにより、素子温度Ta/fが目標活性温度Ttag2に維持されるため、空燃比センサ70によって空燃比A/Fを精度よく検出することができる。   Further, when exhaust gas temperature Tgas is higher than threshold value Tth, ECU 100 according to the present embodiment may have a high temperature of detection element 71 exposed to the exhaust gas and moisture may adhere to the surface of detection element 71. In view of the fact that the element temperature Ta / f rises to the target activation temperature Ttag2, it is difficult for water breakage to occur. Therefore, the amount of electricity supplied to the heater 72 is set so that the element temperature Ta / f becomes the target activation temperature Ttag2. The “normal energization control” to be controlled is executed. As a result, the element temperature Ta / f is maintained at the target activation temperature Ttag2, so that the air-fuel ratio sensor 70 can accurately detect the air-fuel ratio A / F.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present disclosure is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

10 エンジン、11 吸気通路、12 排気通路、20 燃料噴射弁、40 エアフローメータ、50 エンジン回転速度センサ、60 排気温センサ、70 空燃比センサ、71 検出素子、72 ヒータ、100 ECU、101 メモリ。   Reference Signs List 10 engine, 11 intake passage, 12 exhaust passage, 20 fuel injection valve, 40 air flow meter, 50 engine rotation speed sensor, 60 exhaust temperature sensor, 70 air-fuel ratio sensor, 71 detection element, 72 heater, 100 ECU, 101 memory.

Claims (3)

エンジンの排気の温度を検出する排気温センサと、
前記排気の空燃比を検出する検出素子と前記検出素子を加熱するヒータとを含む空燃比センサと、
前記空燃比センサの前記ヒータの通電を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記排気温センサの検出値が所定温度未満である場合、前記排気と前記検出素子との間の熱収支を表わす予め定められたモデル式を用いて前記検出素子の温度を算出し、前記検出素子の温度が前記検出素子の活性温度よりも低い目標温度となるように前記ヒータの通電デューティを制御し、
前記モデル式は、前記排気から前記検出素子が受ける受熱量と、前記排気と前記検出素子との間の熱伝達率と、前記排気の温度と、前記検出素子の温度との関係を規定した式である、空燃比センサの温度制御装置。
An exhaust temperature sensor that detects the temperature of the exhaust of the engine;
An air-fuel ratio sensor including a detection element for detecting an air-fuel ratio of the exhaust gas and a heater for heating the detection element,
A control device for controlling the energization of the heater of the air-fuel ratio sensor,
The control device calculates a temperature of the detection element using a predetermined model formula representing a heat balance between the exhaust gas and the detection element when a detection value of the exhaust temperature sensor is lower than a predetermined temperature. Controlling the energization duty of the heater such that the temperature of the detection element is a target temperature lower than the activation temperature of the detection element,
The model equation is an equation that defines the relationship between the amount of heat received by the detection element from the exhaust gas, the heat transfer coefficient between the exhaust gas and the detection element, the temperature of the exhaust gas, and the temperature of the detection element. A temperature control device for an air-fuel ratio sensor.
前記温度制御装置は、
前記エンジンの吸入空気量を検出するエアフロメータと、
前記吸入空気量と、前記排気の温度と、前記受熱量と前記熱伝達率との比率である適合定数との対応関係を予め記憶する記憶部とをさらに備え、
前記制御装置は、
前記記憶部に記憶された前記対応関係を参照して、前記エアフロメータの検出値および前記排気温センサの検出値に対応する前記適合定数を算出し、
算出された前記適合定数と、前記排気温センサの検出値と、前記モデル式とを用いて、前記検出素子の温度を算出する、請求項1に記載の空燃比センサの温度制御装置。
The temperature control device,
An air flow meter for detecting an intake air amount of the engine,
A storage unit that stores in advance a correspondence relationship between the intake air amount, the temperature of the exhaust gas, and a matching constant that is a ratio between the heat reception amount and the heat transfer coefficient,
The control device includes:
With reference to the correspondence stored in the storage unit, calculate the adaptation constant corresponding to the detection value of the air flow meter and the detection value of the exhaust gas temperature sensor,
2. The temperature control device for an air-fuel ratio sensor according to claim 1, wherein the temperature of the detection element is calculated using the calculated adaptation constant, the detection value of the exhaust gas temperature sensor, and the model formula. 3.
前記制御装置は、前記排気温センサの検出値が前記所定温度を超える場合、前記検出素子のインピーダンスから前記検出素子の温度を算出し、前記検出素子の温度が前記活性温度となるように前記ヒータの通電量を制御する、請求項1または2に記載の空燃比センサの温度制御装置。   The control device calculates the temperature of the detection element from the impedance of the detection element when the detection value of the exhaust gas temperature sensor exceeds the predetermined temperature, and sets the heater so that the temperature of the detection element becomes the activation temperature. The temperature control device for an air-fuel ratio sensor according to claim 1, wherein the amount of current is controlled.
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