JP2023045048A - Ａ／ｆセンサのヒータ通電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａ／Ｆセンサが低温状態にある場合の電源系統への負荷を低減しつつ、複数のＡ／Ｆセンサが活性化温度に到達するまでの時間を短縮する。【解決手段】ヒータ通電制御装置１１において、マイコン１２は、温度検出部１８（１）、１８（２）により検出されるＡ／Ｆセンサ１（１）、１（２）の温度のうち少なくとも１つが所定値以下であれば、ヒータ４（１）、４（２）に１つずつに通電を行うことで、Ａ／Ｆセンサ１（１）、１（２）の活性化を並行的に図るように通電スイッチ１４（１）、１４（２）を制御する初期通電制御を行なう。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を検出するもので、活性化用のヒータを備えた複数のＡ／Ｆセンサの前記ヒータに通電を行う装置に関する。

従来、内燃機関の排気経路に配置される複数のヒータ内蔵型空燃比（Ａ／Ｆ：Air By Fuel）センサに対し、前記ヒータの通電制御を行う装置として、例えば特許文献１に開示されているものがある。車両を始動した直後のＡ／Ｆセンサ及びそのヒータが低温状態にある際には、Ａ／Ｆセンサの温度を上昇させて活性化させるため、ヒータへの通電に大電流が必要となる。

そこで、特許文献１では、先に排気経路の上流側に配置されたＡ／Ｆセンサのヒータに通電を開始し、その後、同下流側に配置されたＡ／Ｆセンサのヒータへ通電を行っている。これにより、ヒータへの通電電流を制限し、Ａ／Ｆセンサ及びそのヒータが低温の状態にある時に、バッテリやヒータの給電系統にかかる負荷を軽減している。

特開平８－２３２７４６号公報

しかしながら、上記の従来技術では、ヒータへの通電開始を遅らせた方のＡ／Ｆセンサは、活性化温度に達するまでの時間が長くなり空燃比の検出開始が遅くなる。その結果、内燃機関の空燃比制御の開始が遅れ、車両の排気ガス中の有害物質排出量が増加してしまうという問題が生じる。

また、通電を遅らせている間のヒータの加熱には、内燃機関からの排気ガスのみが寄与するため内燃機関のコンディションに依存し、内蔵されたヒータによるＡ／Ｆセンサの加熱と比較して、加熱効率にばらつきが生じる。例えば、寒冷地でのエンジン始動時は、Ａ／Ｆセンサとそのヒータも温度が低いことに加え、内燃機関の暖気や排気ガス温度の上昇にも時間がかかるため、センサの活性化温度到達までの時間が長くなる可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ａ／Ｆセンサが低温状態にある場合の電源系統への負荷を低減しつつ、複数のＡ／Ｆセンサが活性化温度に到達するまでの時間を短縮できるＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置を提供することにある。

請求項１記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置によれば、通電制御部は、複数の温度検出部により検出される、活性化用のヒータを備える複数のＡ／Ｆセンサの温度のうち少なくとも１つが所定値以下であれば、複数のヒータのうち１つずつに通電を行うことで、２つ以上のＡ／Ｆセンサの活性化を並行的に図るように複数の通電スイッチを制御する初期通電制御を行なう。

このように構成すれば、初期通電制御において２つ以上のＡ／Ｆセンサの活性化を並行的に図る際に、複数のヒータのうち１つずつに通電が行われるので、Ａ／Ｆセンサが低温状態にある場合の電源系統の負荷を低減しつつ、複数のＡ／Ｆセンサが活性化温度に到達するまでの時間を短縮できる。

請求項２記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置によれば、通電制御部は、活性化の対象としたＡ／Ｆセンサの温度が所定値を超えると、複数のヒータのうち２つ以上に重畳的に通電する通常通電制御を行う。すなわち、通電制御部は、対象としたＡ／Ｆセンサ温度が所定値を超えたことを確認すると、初期通電制御から通常通電制御に移行する。したがって、電源系統に係る負荷が低減された状態になった時点で、通常通電制御に移行できる。

請求項３記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置によれば、通電制御部は、ヒータに通電された電流が所定値以下になった際にも通常通電制御に移行する。これにより、電源系統に係る負荷がより確実に低減された状態になった時点で通常通電制御に移行できる。

第１実施形態であり、ヒータ通電制御装置の構成を示す機能ブロック図 制御内容を示すフローチャート 初期通電制御から通常通電制御に移行する際の、２つの通電スイッチを駆動するＰＷＭ信号とヒータへの通電電流とを示す図 従来技術における図３相当図 通常通電制御においてＰＷＭ信号のデューティ比を算出する処理を示すフローチャート 第２実施形態であり、初期通電制御から通常通電制御に移行する際の、２つの通電スイッチを駆動するＰＷＭ信号とヒータへの通電電流とを示す図 第３実施形態であり、ヒータ通電制御装置の構成を示す機能ブロック図 制御内容を示すフローチャート

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態のＡ／Ｆセンサ１（１）及び１（２）は、図示しない車両用の内燃機関が排出する排気ガスを検出ガスとし、この排気ガスに含まれる気体の状態、例えば排気中の空燃比を特定するものである。Ａ／Ｆセンサ１は、前記内燃機関の排気通路に配置されている。Ａ／Ｆセンサ１（１）及び１（２）の周辺構成は対称であるから、以下では両者を特に区別する必要が無い限り、符号に（１）、（２）を付さずに説明する。

Ａ／Ｆセンサ１は、センサ素子３、及びセンサ素子３を加熱して活性化させるためのヒータ４を備えている。ヒータ４には、ヒータ給電系統部５より給電が行われる。ヒータ給電系統部５は、電源６からの電力を、ワイヤハーネス７及びヒューズ８を介してヒータ４に給電する。その給電は、ヒータ通電制御装置１１により制御される。

ヒータ通電制御装置１１は、マイクロコンピュータ；マイコン１２及びヒータ駆動制御ＩＣ１３を備えている。ヒータ４の低電位側端子は、ヒータ通電制御装置１１の内部で、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴなどの通電スイッチ１４及び抵抗素子１５を介してグランドに接続されている。

抵抗素子１５の両端は、ヒータ駆動制御ＩＣ１３に内蔵されたアンプ１６の入力端子に接続されており、アンプ１６の出力信号は、制御ＩＣ１３とマイコン１２との間を接続する通信線１７を介してマイコン１２に入力される。

Ａ／Ｆセンサ１が備えるセンサ素子３の両端は、ヒータ駆動制御ＩＣ１３が備える温度検出部１８の入力端子に接続されている。温度検出部１８は、センサ素子３に電圧を印加することで得られる当該素子３のインピーダンスの変化に基づいて、センサ素子３の温度を検出する。温度検出部１８の出力信号は、通信線１７を介してマイコン１２に入力される。通電制御部に相当するマイコン１２は、ヒータ駆動制御ＩＣ１３を介して、通電スイッチ１４のゲートに駆動信号をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号として出力する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２に示すように、マイコン１２は、ヒータ駆動制御ＩＣ１３を介してＡ／Ｆセンサ１（１）及び１（２）の温度を検出すると（Ｓ１）、何れか一方のＡ／Ｆセンサ１の温度が所定値以下か否かを判断する（Ｓ２）。ここで、「所定値」を何度に設定するかは、ヒータ給電系統５の給電能力やヒータ４の特性等によるが、例えば常温とされる２５℃程度に設定する。

前記温度が所定値以下であれば（Ｓ２；ＹＥＳ）、初期通電制御として交互通電制御を行う（Ｓ４）。交互通電制御は、図３の左側に示すように、通電スイッチ１４（１）、１４（２）のゲートに出力するＰＷＭ信号を、デューティ比５０％で互いに逆相となる信号とすることで、ヒータ４（１）、４（２）に交互に通電する制御である。

マイコン１２は、交互通電制御の実施中に、ヒータ駆動制御ＩＣ１３を介してヒータ４（１）、４（２）に流れる電流を検出する（Ｓ５）。そして、２つの電流値の和が所定値以下となったか否かを判断する（Ｓ６）。電流値の和が所定値を超えていれば（ＮＯ）ステップＳ４に戻り、所定値以下になると（ＹＥＳ）通常通電制御に移行する（Ｓ３）。通常通電制御は、図３の右側に示すように、通電スイッチ１４（１）、１４（２）のゲートに出力するＰＷＭ信号のデューティ比を、それぞれ１００％未満で任意に設定してヒータ４（１）、４（２）に通電する制御である。

すなわち、交互通電制御ではヒータ４（１）、４（２）の何れか一方のみしか通電されず、双方に同時に通電される期間は発生しない。このように、ヒータ４（１）、４（２）に交互に通電を行うことでＡ／Ｆセンサ１（１）、１（２）を交互に加熱して、これらの活性化を並行的に行う。一方、通常通電制御では、双方に同時に通電される期間が発生する。尚、双方のＡ／Ｆセンサ１の温度が所定値を超えた場合も（Ｓ２；ＮＯ）ステップＳ２に移行する。

図４に示す従来技術では、Ａ／Ｆセンサ１（１）及び１（２）を活性化させる通電制御の開始時において、ヒータ４（１）及び４（２）の双方に重畳的に通電するため、通電電流の和のピーク値が高くなっている。これに対して、図３に示す本実施形態の初期通電制御の開始時には、ヒータ４（１）、４（２）への通電が交互に行われるので、電流の和のピーク値がより低くなる。

通常通電制御においては、図５に示すように、マイコン１２は、デューティ比の算出を開始すると（Ｓ１１）、Ａ／Ｆセンサ１（１）の温度及びヒータ４（１）の通電電流を検出し（Ｓ１２）、それらに基づいて通電スイッチ１４（１）のゲートに出力するＰＷＭ信号のデューティ比を算出する（Ｓ１３）。

続いて同様に、マイコン１２は、Ａ／Ｆセンサ１（２）の温度及びヒータ４（２）の通電電流を検出し（Ｓ１４）、それらに基づいて通電スイッチ１４（２）のゲートに出力するＰＷＭ信号のデューティ比を算出する（Ｓ１５）。以上でデューティ比の算出を完了すると（Ｓ１６）、次回の算出周期に到達するまで、つまりＰＷＭ制御のキャリア周期が経過するまで待機する（Ｓ１７）。その時点でヒータ４への通電制御が継続していれば（Ｓ１８；ＹＥＳ）、ステップＳ１１に戻る。

以上のように本実施形態によれば、ヒータ通電制御装置１１において、マイコン１２は、温度検出部１８（１）、１８（２）により検出されるＡ／Ｆセンサ１（１）、１（２）の温度のうち少なくとも１つが所定値以下であれば、ヒータ４（１）、４（２）に１つずつに通電を行うことで、Ａ／Ｆセンサ１（１）、１（２）の活性化を並行的に図るように通電スイッチ１４（１）、１４（２）を制御する初期通電制御を行なう。

このように構成すれば、初期通電制御においてＡ／Ｆセンサ１（１）、１（２）の活性化を並行的に図る際に、ヒータ４（１）、４（２）の１つずつに通電が行われるので、Ａ／Ｆセンサ１が低温状態にある場合の電源系統５の負荷を低減しつつ、２つのＡ／Ｆセンサ１が活性化温度に到達するまでの時間を短縮できる。

また、マイコン１２は、活性化の対象としたＡ／Ｆセンサ１の温度が所定値を超えるか、又はヒータ４に通電された電流が所定値以下になると、ヒータ４（１）、４（２に重畳的に通電する通常通電制御を行う。すなわち、マイコン１２は、電流検出部１６を介してヒータ４への電源系統５に流れる電流が所定値以下になったことを確認した段階で、初期通電制御から通常通電制御に移行する。したがって、電源系統５に係る負荷が低減された状態になった時点で、通常通電制御に移行できる。

また、マイコン１２は、通電スイッチ１４をＰＷＭ信号によって制御し、初期通電制御を行う際は、デューティ比の最大値を５０％として、互いに逆相となるＰＷＭ信号を出力する。そして通常通電制御においては、前記温度又は前記電流に基づいて、ＰＷＭ信号のデューティ比を一定の制御周期毎に個別に算出し、任意の値に設定する。これにより、初期通電制御では、デューティ比の設定を容易に行うことで交互通電制御を行うことが可能となり、通常通電制御では、ＰＷＭ信号のデューティ比を温度又は電流に基づいて適切に設定できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図６に示す第２実施形態では、初期通電制御における各デューティ比の設定が第１実施形態とは相違している。第１実施形態では、２つのＰＷＭ信号のデューティ比を等しく５０％に設定したが、第２実施形態では、一方のデューティ比を５０％より大きく設定し、他方のデューティ比を５０％より小さく設定する。そして、２つのデューティ比の和が１００％となるようにしている。このように制御することで、より早く活性化させる必要があるＡ／Ｆセンサを、優先的に活性化させることができる。

（第３実施形態）
図７に示す第３実施形態のヒータ通電制御装置２１は、マイコン２２と、ヒータ駆動制御ＩＣ１３に替わるＡ／Ｆセンサ検出ＩＣ２３とを備えている。Ａ／Ｆセンサ検出ＩＣ２３は、温度検出部１８のみを備えており、マイコン２２の出力ポートは、通電スイッチ１４のゲートに直接接続されている。すなわち、マイコン２２は、駆動ＩＣを介すことなく通電スイッチ１４のゲートを直接駆動する。

通電スイッチ１４（１）及び１４（２）のドレインは何れも、共通の抵抗素子１５の上端に接続されている。つまり、マイコン２３は、ヒータ４（１）、４（２）に通電される電流を、１つの抵抗素子１５及びアンプ１６によって検出する。

次に、第３実施形態の作用について説明する。図８に示すように、第３実施形態では、第１実施形態のステップＳ５、Ｓ６に替えてステップＳ７、Ｓ８を実行する。すなわち、ステップＳ４を実行すると、温度検出部１８によりヒータ４の温度を検出する（Ｓ７）。そして、２つのヒータ４の温度が何れも所定値を超えているか否かを判断し（Ｓ８）、何れも所定値を超えていれば（ＹＥＳ）ステップＳ３に移行する。

尚、以上の処理では、抵抗素子１５及びアンプ１６により検出されるヒータ４への通電電流を用いていないが、検出した電流は、例えばＡ／Ｆセンサ１の劣化状態を監視する処理等に使用される。
以上のように第３実施形態のヒータ通電制御装置２１によれば、第１実施形態のヒータ通電制御装置１１に比較して、より小規模に構成することができる。

（その他の実施形態）
Ａ／Ｆセンサの数は、「３」以上であっても良い。
第３実施形態の構成を、第１実施形態の制御に適用しても良い。
通電スイッチは、ＭＯＳＦＥＴに限ることなく、パワートランジスタやＩＧＢＴ等でも良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はＡ／Ｆセンサ、３はセンサ、４はヒータ、５はヒータ給電系統部、１１はヒータ通電制御装置、１２はマイクロコンピュータ、１３はヒータ駆動制御ＩＣ、１４は通電スイッチ、１５は抵抗素子、１６はアンプ、１８は温度検出部を示す。

Claims (8)

1. 内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を検出するもので、活性化用のヒータ（４（１）、４（２）を備えた複数のＡ／Ｆ（Air By Fuel）センサ（１（１）、１（２））の前記ヒータに通電を行うもので、
   前記複数のＡ／Ｆセンサの温度を検出する複数の温度検出部（１８（１）、１８（２））と、
   前記複数のヒータに通電を行う経路にそれぞれ配置される複数の通電スイッチ（１４（１）、１４（２））と、
   これら複数の通電スイッチのオンオフをそれぞれ制御する通電制御部（１２，２２）とを備え、
   前記通電制御部は、前記複数の温度検出部により検出される複数の温度のうち、少なくとも１つが所定値以下であれば、前記複数のヒータのうち１つずつに通電を行うことで、２つ以上のＡ／Ｆセンサの活性化を並行的に図るように前記複数の通電スイッチを制御する初期通電制御を行なうＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置。
2. 前記通電制御部は、活性化の対象としたＡ／Ｆの温度が前記所定値を超えると、前記複数のヒータのうち２つ以上に重畳的に通電する通常通電制御に移行する請求項１記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置。
3. 前記ヒータに通電された電流を検出する電流検出部（１５，１６）を備え、
   前記通電制御部は、前記電流が所定値以下になった際にも、前記通常通電制御に移行する請求項２記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置。
4. 前記通電制御部は、前記複数の通電スイッチをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号によって制御し、前記温度又は前記電流の少なくとも一方に基づいて、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する請求項２又は３記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置。
5. 前記通電制御部は、前記デューティ比を、一定の制御周期毎に個別に算出する請求項４記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置。
6. 前記通電制御部は、前記通常通電制御を行う際に、前記複数のＰＷＭ信号のデューティ比を、それぞれ任意の値に設定する請求項４又は５記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置。
7. 前記Ａ／Ｆセンサの数が「２」であり、
   前記通電制御部は、前記初期通電制御を行う際に、前記デューティ比の最大値を５０％として、互いに逆相となるＰＷＭ信号を出力する請求項４又は５記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置。
8. 前記Ａ／Ｆセンサの数が「２」であり、
   前記通電制御部は、前記初期通電制御を行う際に、２つのＰＷＭ信号のデューティ比の和が１００％以下となるように設定し、一方のＰＷＭ信号を反転して他方のＰＷＭ信号を生成する請求項４又は５記載のＡ／Ｆセンサのヒータ通電制御装置。

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