JP2021143665A

JP2021143665A - 排気センサの制御装置

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Publication number: JP2021143665A
Application number: JP2020044515A
Authority: JP
Inventors: 和弘若尾; Kazuhiro Wakao; 圭一郎青木; Keiichiro Aoki; 康敬神谷; Yasutaka Kamiya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-09-24
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Abstract

【課題】ヒータによってセンサ素子を加熱する排気センサにおいて、センサ素子の過昇温を抑制する。【解決手段】排気センサの制御装置１は、排気センサ１０の出力電流を検出する電流検出回路５と、ＰＷＭ制御によってヒータへの供給電力を制御するヒータ制御部２とを備える。ヒータ制御部は、電流検出回路によって検出された排気センサの出力電流の変動量が閾値以上である場合には、変動量が閾値未満である場合と比べて、ＰＷＭ制御におけるデューティ比の上限値を小さくする。【選択図】図８

Description

本発明は排気センサの制御装置に関する。

従来、排気エミッションの悪化を抑制すべく、排気ガス中の特定の成分の濃度を検出する排気センサを内燃機関の排気通路に配置することが知られている。斯かる排気センサでは、センサ素子を活性状態に維持すべく、ヒータによってセンサ素子を加熱する。

センサ素子の温度はセンサ素子のインピーダンスと相関関係を有する。このため、特許文献１に記載の空燃比センサでは、センサ素子のインピーダンスが目標インピーダンスに一致するようにヒータ供給電力がフィードバック制御される。

特開２００２−０７１６３３号公報

しかしながら、センサ素子の劣化が進行すると、同一の素子温度に対応する素子インピーダンスの値が大きくなる。このため、上記のフィードバック制御が行われると、センサ素子の過昇温が生じるおそれがある。

これに対して、特許文献１に記載の空燃比センサでは、センサ素子の劣化状態を示す半活性温度に基づいて、ヒータ供給電力が制限される。しかしながら、素子インピーダンスを用いて半活性温度が推定されるため、素子インピーダンスと素子温度との関係が変化した場合には、半活性温度の推定精度が低下する。したがって、ヒータ供給電力が適切に制限されずに、センサ素子の過昇温が生じるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、ヒータによってセンサ素子を加熱する排気センサにおいて、センサ素子の過昇温を抑制することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）センサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとを備えると共に内燃機関の排気通路に配置された排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、前記排気センサの出力電流を検出する電流検出回路と、ＰＷＭ制御によって前記ヒータへの供給電力を制御するヒータ制御部とを備え、前記ヒータ制御部は、前記電流検出回路によって検出された前記排気センサの出力電流の変動量が閾値以上である場合には、該変動量が該閾値未満である場合と比べて、前記ＰＷＭ制御におけるデューティ比の上限値を小さくする、排気センサの制御装置。

（２）前記変動量は、前記ＰＷＭ制御の周期に同期した前記排気センサの出力電流の変動量である、上記（１）に記載の排気センサの制御装置。

（３）前記変動量は、前記内燃機関の運転状態が定常状態であるときに前記電流検出回路によって検出された前記排気センサの出力電流の変動量である、上記（１）又は（２）に記載の排気センサの制御装置。

（４）前記ヒータ制御部は、前記センサ素子のインピーダンスが目標値になるように前記ヒータへの供給電力を制御し、前記排気センサの出力電流の変動量が前記閾値以上である場合には、該変動量が該閾値未満になるように前記目標値を変更する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の排気センサの制御装置。

（５）前記ヒータ制御部は、前記センサ素子のインピーダンスが目標値になるように前記ヒータへの供給電力を制御し、前記排気センサの出力電流の変動量が前記閾値以上である場合には、該変動量が該閾値未満になるように前記インピーダンスを補正する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の排気センサの制御装置。

（６）前記ヒータ制御部は、前記排気センサの出力の変動量が前記閾値以上である場合には、該変動量が大きいほど、前記上限値を小さくする、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の排気センサの制御装置。

本発明によれば、ヒータによってセンサ素子を加熱する排気センサにおいて、センサ素子の過昇温を抑制することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。図２は、空燃比センサの部分断面図である。図３は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成を概略的に示す図である。図４は、空燃比センサの電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図である。図５は、印加電圧が０．４５Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流との関係を示す図である。図６は、センサ素子の温度とセンサ素子のインピーダンスとの関係を示すグラフである。図７は、ヒータからのノイズが重畳したときの空燃比センサの出力電流の一例を示す。図８は、本発明の第一実施形態における上限値設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図９は、本発明の第二実施形態における上限値設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１０は、本発明の第三実施形態における上限値設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

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８を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、４２はシリンダブロック、５３はシリンダブロック４２内で往復動するピストン、４４はシリンダブロック４２上に固定されたシリンダヘッド、４５はピストン４３とシリンダヘッド４４との間に形成された燃焼室、４６は吸気弁、４７は吸気ポート、４８は排気弁、４９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁４６は吸気ポート４７を開閉し、排気弁４８は排気ポート４９を開閉する。

図１に示したように、シリンダヘッド４４の内壁面の中央部には点火プラグ５０が配置され、シリンダヘッド４４の内壁面周辺部には燃料噴射弁５１が配置される。点火プラグ５０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁５１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室４５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各気筒の吸気ポート４７はそれぞれ対応する吸気枝管５３を介してサージタンク５４に連結され、サージタンク５４は吸気管５５を介してエアクリーナ５６に連結される。吸気ポート４７、吸気枝管５３、サージタンク５４、吸気管５５等は、空気を燃焼室４５に導く吸気通路を形成する。また、吸気管５５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ５７によって駆動されるスロットル弁５８が配置される。スロットル弁５８は、スロットル弁駆動アクチュエータ５７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート４９は排気マニホルド５９に連結される。排気マニホルド５９は、各排気ポート４９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド５９の集合部は、触媒６０を内蔵したケーシング６１に連結される。ケーシング６１は排気管６２に連結される。排気ポート４９、排気マニホルド５９、ケーシング６１、排気管６２等は、燃焼室４５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。触媒６０は、例えば、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。

内燃機関の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。すなわち、ＥＣＵ３１は内燃機関の制御装置として機能する。ＥＣＵ３１には、内燃機関に設けられた各種センサの出力が入力され、ＥＣＵ３１は各種センサの出力等に基づいて内燃機関の各種アクチュエータを制御する。

ＥＣＵ３１は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備える。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

吸気管５５には、吸気管５５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ７０が配置され、エアフロメータ７０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、触媒６０の上流側の排気通路（排気マニホルド５９の集合部）には、内燃機関の燃焼室４５から排出されて触媒６０に流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１０が配置される。空燃比センサ１０の詳細については、後述する。

また、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル７１には、アクセルペダル７１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ７２が接続され、負荷センサ７２の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１は負荷センサ７２の出力に基づいて機関負荷を算出する。

また、入力ポート３６には、クランクシャフトが所定角度（例えば１０°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ７３が接続され、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＥＣＵ３１はクランク角センサ７３の出力に基づいて機関回転数を算出する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、内燃機関の各種アクチュエータに接続される。本実施形態では、出力ポート３７は、点火プラグ５０、燃料噴射弁５１及びスロットル弁駆動アクチュエータ５７に接続され、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ５０の点火時期、燃料噴射弁５１の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁５８の開度を制御する。

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁５１は、吸気ポート４７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、内燃機関は圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。

＜空燃比センサの構成＞
本実施形態では、内燃機関は、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。上述したように、空燃比センサ１０は内燃機関の排気通路に配置される。以下、空燃比センサ１０の構成について説明する。

図２は、空燃比センサ１０の部分断面図である。空燃比センサ１０はセンサ素子１１及びヒータ２０を備える。

本実施形態では、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。センサ素子１１は、固体電解質層１２、拡散律速層１３、第１不透過層１４、第２不透過層１５、排気側電極１６及び大気側電極１７を有する。固体電解質層１２、排気側電極１６及び大気側電極１７は、電気化学セルであるセンサセルを構成する。

センサ素子１１の各層は、図２の下方から、第１不透過層１４、固体電解質層１２、拡散律速層１３、第２不透過層１５の順に積層されている。固体電解質層１２と拡散律速層１３との間には被測ガス室１８が形成され、固体電解質層１２と第１不透過層１４との間には基準ガス室１９が形成されている。

被測ガス室１８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。一方、基準ガス室１９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１９は大気に開放されている。

固体電解質層１２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１２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１３は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１３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。第１不透過層１４及び第２不透過層１５は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む。

排気側電極１６は、被測ガス室１８内の被測ガスに曝されるように固体電解質層１２の被測ガス室１８側の表面上に配置されている。一方、大気側電極１７は、基準ガス室１９内の基準ガスに曝されるように固体電解質層１２の基準ガス室１９側の表面上に配置されている。排気側電極１６と大気側電極１７とは、固体電解質層１２を挟んで互いに対向するように配置されている。排気側電極１６及び大気側電極１７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、排気側電極１６及び大気側電極１７は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。

ヒータ２０は、センサ素子１１内に配置され、センサ素子１１を加熱する。本実施形態では、ヒータ２０は第１不透過層１４に埋設されている。ヒータ２０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。

なお、空燃比センサ１０の構成は、上記構成に限定されるものではない。例えば、空燃比センサ１０はいわゆるコップ型構造を有していてもよい。

＜排気センサの制御装置＞
図３は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置１の構成を概略的に示す図である。排気センサの制御装置１は電圧印加回路４及び電流検出回路５を備える。

電圧印加回路４は、センサ素子１１に接続され、センサ素子１１に電圧を印加する。具体的には、電圧印加回路４は、大気側電極１７の電位が排気側電極１６の電位よりも高くなるようにセンサ素子１１に電圧を印加する。したがって、排気側電極１６は負極として機能し、大気側電極１７は正極として機能する。電圧印加回路４はＥＣＵ３１に接続され、ＥＣＵ３１は電圧印加回路４を介して空燃比センサ１０への印加電圧を制御することができる。

電流検出回路５は、センサ素子１１に接続され、空燃比センサ１０の出力電流を検出する。具体的には、電流検出回路５は、排気側電極１６と大気側電極１７との間を流れる電流を空燃比センサ１０の出力電流として検出する。電流検出回路５はＥＣＵ３１に接続され、電流検出回路５の出力はＥＣＵ３１に入力される。したがって、ＥＣＵ３１は、電流検出回路５によって検出された空燃比センサ１０の出力電流を電流検出回路５から取得することができる。

図４は、空燃比センサ１０の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ１０では、出力電流Ｉは、排気ガスの空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわち印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図４では、排気ガスの空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ₁₈、Ｉ₁₈で示している。

図５は、印加電圧が０．４５Ｖであるときの排気ガスの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。すなわち、図５には、図４の破線上の点における排気ガスの空燃比と出力電流Ｉとの関係が示される。図５からわかるように、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに、空燃比センサ１０の出力電流Ｉはゼロとなる。また、空燃比センサ１０では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであるほど、空燃比センサ１０の出力電流Ｉが大きくなる。したがって、空燃比センサ１０は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。

図３に示されるように、排気センサの制御装置１はヒータ制御部２及びヒータ駆動回路３を更に備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１がヒータ制御部２として機能する。ヒータ制御部２は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたプログラムをＥＣＵ３１のＣＰＵ３５が実行することによって実現される機能ブロックである。ヒータ駆動回路３はＥＣＵ３１及びヒータ２０に接続される。

空燃比センサ１０を用いて排気ガスの空燃比を精度良く検出するためには、空燃比センサ１０のセンサ素子１１を活性化する必要がある。このため、ヒータ制御部２は、ヒータ２０によってセンサ素子１１を加熱すべく、ヒータ駆動回路３を介して空燃比センサ１０のヒータ２０に電力を供給する。

具体的には、ヒータ制御部２はＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によってヒータ２０への供給電力を制御する。ＰＷＭ制御では、スイッチングの周期（周波数）が一定にされ、スイッチングのパルス幅（オン時間）を変更することでデューティ比を変更することによってヒータ２０への実行電圧を制御する。デューティ比は、パルス幅を周期で除算することによって算出され（デューティ比＝パルス幅／周期）、パルス幅が長いほど大きくなる。スイッチングがオンであるときには、例えば、車両に設けられたバッテリの電圧がヒータ２０に印加される。

空燃比センサ１０の検出精度を確保するためには、空燃比センサ１０のセンサ素子１１を活性状態に維持する必要がある。このため、ヒータ制御部２は、センサ素子１１の温度が活性温度以上になるようにヒータ２０への供給電力を制御する。図６に示されるように、センサ素子１１の温度はセンサ素子１１のインピーダンスと相関関係を有する。このため、本実施形態では、ヒータ制御部２はセンサ素子１１のインピーダンスに基づいてヒータ２０への供給電力をフィードバック制御する。センサ素子１１のインピーダンスは、例えば、電圧印加回路４からセンサ素子１１に高周波の交流電圧が印加されたときに電流検出回路５によって検出される空燃比センサ１０の出力電流に基づいて算出される。

具体的には、ヒータ制御部２は、センサ素子１１のインピーダンスが目標値になるようにヒータ２０への供給電力を制御する。センサ素子１１のインピーダンスが目標値よりも大きいときには、ＰＷＭ制御におけるデューティ比が大きくされ、ヒータ２０への供給電力が大きくされる。一方、センサ素子１１のインピーダンスが目標値よりも小さいときには、ＰＷＭ制御におけるデューティ比が小さくされ、ヒータ２０への供給電力が小さくされる。

しかしながら、センサ素子１１の劣化が進行すると、同一の素子温度に対応する素子インピーダンスの値が大きくなる。このため、上記のフィードバック制御が行われると、センサ素子１１の過昇温が生じるおそれがある。したがって、センサ素子１１の過昇温を抑制するためには、インピーダンス以外のパラメータに基づいてセンサ素子１１の温度を監視できることが望ましい。

これに関して、本願の発明者は、鋭意検討の結果、センサ素子１１の温度に応じて空燃比センサ１０の出力電流の変動量が変化することを見出した。この現象はヒータ２０からのノイズに起因すると考えられている。上述したヒータ２０のＰＷＭ制御では、オンオフのスイッチングが繰り返し行われ、スイッチングのタイミングで、ヒータ２０を流れる電流の値が大きく変化し、このときのノイズが空燃比センサ１０の出力電流に重畳する。

図７は、ヒータ２０からのノイズが重畳したときの空燃比センサ１０の出力電流Ｉの一例を示す。図７（Ａ）には、センサ素子１１の温度が７５０℃のときの出力電流Ｉの時間変化が示され、図７（Ｂ）には、センサ素子１１の温度が９００℃のときの出力電流Ｉの時間変化が示される。

センサ素子１１の固体電解質層１２は、酸化物イオン伝導性を有し、通常の作動温度において電極間で酸化物イオンを移動させる。しかしながら、センサ素子１１が過剰に高温になると、固体電解質層１２は酸化物イオン以外の物質に対しても伝導性を有するようになる。この結果、図７に示されるように、センサ素子１１の温度が高いほど、ヒータ２０からのノイズの影響が大きくなり、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が大きくなる。

このため、ヒータ制御部２は、電流検出回路５によって検出された空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値以上である場合には、この変動量が閾値未満である場合と比べて、ＰＷＭ制御におけるデューティ比の上限値を小さくする。このことによって、センサ素子１１が過剰に高温であるときにはヒータ２０への供給電力が制限されるため、センサ素子１１の過昇温を抑制することができる。

＜上限値設定処理＞
以下、図８のフローチャートを参照して、ＰＷＭ制御におけるデューティ比の上限値を設定するための制御について説明する。図８は、本発明の第一実施形態における上限値設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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０のセンサ素子１１が活性状態にあるか否かを判定する。例えば、ヒータ制御部２は、内燃機関が始動されてから所定時間が経過している場合にセンサ素子１１が活性状態にあると判定する。なお、ヒータ制御部２は、センサ素子１１のインピーダンスに基づいてセンサ素子１１の温度を算出し、センサ素子１１の温度が所定の活性温度以上である場合にセンサ素子１１が活性状態にあると判定してもよい。

ステップＳ１０１においてセンサ素子１１が活性状態に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Ｓ１０１においてセンサ素子１１が活性状態にあると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、ヒータ制御部２は、電流検出回路５によって検出された空燃比センサ１０の出力電流の変動量ΔＩを取得する。例えば、出力電流の変動量ΔＩは、所定時間の間に電流検出回路５によって検出された空燃比センサ１０の出力電流の最大値と最小値との差として算出される。なお、出力電流の変動量ΔＩは、所定時間の間に電流検出回路５によって検出された空燃比センサ１０の出力電流の分散（偏差の二乗）等として算出されてもよい。

次いで、ステップＳ１０３において、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０の出力電流の変動量ΔＩが閾値ＴＨ以上であるか否かを判定する。閾値ＴＨは、予め実験的に定められ、センサ素子１１を劣化させる可能性のある温度（例えば１０００℃以上）に相当する値に設定される。ステップＳ１０３において出力電流の変動量ΔＩが閾値ＴＨ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０３において出力電流の変動量ΔＩが閾値ＴＨ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Ｓ１０４に進む。ステップＳ１０４では、ヒータ制御部２は、ＰＷＭ制御におけるデューティ比の上限値を小さくする。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ヒータ制御部２は、ステップＳ１０３において出力電流の変動量ΔＩが閾値ＴＨ以上であると判定された場合、ステップＳ１０４の処理に加えて、空燃比センサ１０が異常であると判定し、車両に設けられた警告灯を点灯させてもよい。

また、空燃比センサ１０の出力電流に重畳するノイズは、ヒータ２０のＰＷＭ制御の周期において顕著となる。このため、ステップＳ１０２において、ヒータ制御部２は、電流検出回路５によって検出され且つＰＷＭ制御の周期に同期した空燃比センサ１０の出力電流の変動量を取得してもよい。すなわち、ヒータ制御部２は、電流検出回路５によって検出され且つＰＷＭ制御の周期に同期した空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値以上である場合には、この変動量が閾値未満である場合と比べて、ＰＷＭ制御におけるデューティ比の上限値を小さくしてもよい。この場合、例えば、ＰＷＭ制御の周期（周波数）に対応したバンドパスフィルタが電流検出回路５に設けられ、バンドパスフィルタを通して検出された空燃比センサ１０の出力電流が取得される。

また、空燃比センサ１０の出力電流の変動量ΔＩが大きいほど、センサ素子１１の推定温度は高くなる。このため、ステップＳ１０４において、ヒータ制御部２は、出力電流の変動量ΔＩが大きいほど、デューティ比の上限値を小さくしてもよい。すなわち、出力電流の変動量ΔＩが大きくなるにつれて、デューティ比の上限値の低下量が大きくされてもよい。このことによって、センサ素子１１の過昇温をより効果的に抑制することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る排気センサの制御装置は、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排気センサ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。

上述したように、ヒータ制御部２は空燃比センサ１０の出力電流の変動量に基づいてヒータ２０のＰＷＭ制御におけるデューティ比を制限する。しかしながら、センサ素子１１の温度が正常であったとしても、排気ガスの空燃比の変化によって空燃比センサ１０の出力電流の変動量が大きくなる場合がある。このような場合には、ＰＷＭ制御におけるデューティ比を制限する必要はない。また、排気ガスの空燃比は、内燃機関の運転状態が過渡状態であるときに大きく変化する傾向にある。

このため、第二実施形態では、ヒータ制御部２は、内燃機関の運転状態が定常状態であるときに電流検出回路５によって検出された空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値以上である場合には、この変動量が閾値未満である場合と比べて、ＰＷＭ制御におけるデューティ比の上限値を小さくする。このことによって、センサ素子１１の温度が正常であるにも拘わらずデューティ比を制限することを抑制することができ、ひいてはセンサ素子１１の過昇温をより適切に抑制することができる。

＜上限値設定処理＞
図９は、本発明の第二実施形態における上限値設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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、図８のステップＳ１０１と同様に、ステップＳ２０１において、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０のセンサ素子１１が活性状態にあるか否かを判定する。ステップＳ２０１においてセンサ素子１１が活性状態に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においてセンサ素子１１が活性状態に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、ヒータ制御部２は、内燃機関の運転状態が定常状態であるか否かを判定する。例えば、ヒータ制御部２は、内燃機関の所定の運転パラメータの変化量が所定値以下である場合に、内燃機関の運転状態が定常状態であると判定する。所定の運転パラメータは、例えば、吸入空気量、機関回転数、燃料噴射量、機関負荷等である。吸入空気量はエアフロメータ７０の出力に基づいて算出され、機関回転数はクランク角センサ７３の出力に基づいて算出され、燃料噴射量はＥＣＵ３１から燃料噴射弁５１への指令値に基づいて算出され、機関負荷は負荷センサ７２の出力に基づいて算出される。なお、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０の出力電流の移動平均値の変化量が小さい場合に、内燃機関の運転状態が定常状態であると判定してもよい。

ステップＳ２０２において内燃機関の運転状態が過渡状態であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ２０２において内燃機関の運転状態が定常状態であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３〜ステップＳ２０５は、図８のステップＳ１０２〜ステップＳ１０４と同様であることから説明を省略する。なお、本制御ルーチンは図８の制御ルーチンと同様に変形可能である。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る排気センサの制御装置は、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排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

上述したように、ヒータ制御部２は、センサ素子１１のインピーダンスが目標値になるようにヒータ２０への供給電力を制御する。この場合、素子温度と素子インピーダンスとの対応関係に変化がなければ、センサ素子１１は所望の作動温度に維持され、空燃比センサ１０の出力電流の変動量は閾値未満となる。一方、同一の素子温度に対応する素子インピーダンスの値が大きくなると、インピーダンスが目標値に一致するようにフィードバック制御が行われたときに、センサ素子１１が過剰に高温になり、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値以上になる。

上述したように、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値以上である場合にデューティ比の上限値を制限すると、センサ素子１１の温度を低下させることができる。この結果、センサ素子１１のインピーダンスは目標値よりも低くなる。このため、センサ素子１１の過昇温を抑制できたとしても、センサ素子１１の温度を適切にフィードバック制御できないおそれがある。

このため、第三実施形態では、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値以上である場合には、この変動量が閾値未満になるように目標値を変更する。例えば、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値未満になるまでデューティ比を徐々に小さくし、この変動量が閾値未満になったときのセンサ素子１１のインピーダンスを目標値に設定する。この結果、フィードバック制御によってセンサ素子１１の温度を所望の作動温度に近付けることができ、空燃比センサ１０による空燃比の検出精度が低下することを抑制することができる。

＜上限値設定処理＞
図１０は、本発明の第三実施形態における上限値設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、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ３０１〜ステップＳ３０４は図８のステップＳ１０１〜ステップＳ１０４と同様に実行される。

ステップＳ３０４の後、ステップＳ３０５において、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値未満になるように目標値を変更する。例えば、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値未満になるまでデューティ比を徐々に小さくし、この変動量が閾値未満になったときのセンサ素子１１のインピーダンスを目標値に設定する。この結果、目標値は元の値よりも大きくなる。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ３０５において、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値以上である場合には、この変動量が閾値未満になるようにセンサ素子１１のインピーダンスを補正してもよい。すなわち、ヒータ制御部２は目標値を変更する代わりにセンサ素子１１のインピーダンスを補正してもよい。この場合、例えば、ヒータ制御部２は、空燃比センサ１０の出力電流の変動量が閾値未満になるまでデューティ比を徐々に小さくし、この変動量が閾値未満になったときのセンサ素子１１のインピーダンスと目標値との差を補正量とし、この補正量を減算することによってインピーダンスを補正する。

なお、本制御ルーチンは図８の制御ルーチンと同様に変形可能である。

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、空燃比センサ１０は触媒６０の下流側に配置されていてもよい。

また、排気センサの制御装置１によって制御される排気センサとして、空燃比センサ１０の代わりに、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）、排気ガス中のアンモニアの濃度を検出するアンモニアセンサ、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等が用いられてもよい。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。第二実施形態及び第三実施形態が組み合わされる場合、図１０の制御ルーチンにおいて、ステップＳ３０１とステップＳ３０２との間に図９のステップＳ２０２が実行される。

１排気センサの制御装置
２ヒータ制御部
５電流検出回路
１０空燃比センサ
１１センサ素子
２０ヒータ

Claims

センサ素子と、該センサ素子を加熱するヒータとを備えると共に内燃機関の排気通路に配置された排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、
前記排気センサの出力電流を検出する電流検出回路と、
ＰＷＭ制御によって前記ヒータへの供給電力を制御するヒータ制御部と
を備え、
前記ヒータ制御部は、前記電流検出回路によって検出された前記排気センサの出力電流の変動量が閾値以上である場合には、該変動量が該閾値未満である場合と比べて、前記ＰＷＭ制御におけるデューティ比の上限値を小さくする、排気センサの制御装置。
前記変動量は、前記ＰＷＭ制御の周期に同期した前記排気センサの出力電流の変動量である、請求項１に記載の排気センサの制御装置。
前記変動量は、前記内燃機関の運転状態が定常状態であるときに前記電流検出回路によって検出された前記排気センサの出力電流の変動量である、請求項１又は２に記載の排気センサの制御装置。
前記ヒータ制御部は、前記センサ素子のインピーダンスが目標値になるように前記ヒータへの供給電力を制御し、前記排気センサの出力電流の変動量が前記閾値以上である場合には、該変動量が該閾値未満になるように前記目標値を変更する、請求項１から３のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
前記ヒータ制御部は、前記センサ素子のインピーダンスが目標値になるように前記ヒータへの供給電力を制御し、前記排気センサの出力電流の変動量が前記閾値以上である場合には、該変動量が該閾値未満になるように前記インピーダンスを補正する、請求項１から３のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
前記ヒータ制御部は、前記排気センサの出力の変動量が前記閾値以上である場合には、該変動量が大きいほど、前記上限値を小さくする、請求項１から５のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。