JP3539259B2 - 空燃比センサのヒータ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比センサのヒータ制御装置に関し、特に、機関始動前に空燃比センサをプリヒートする機能を有する空燃比センサのヒータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関では、排気通路の空燃比に基づいて燃料噴射量を補正することにより、空燃比を理論空燃比に向けて制御する空燃比フィードバック制御が実行される。空燃比フィードバック制御によれば、触媒コンバータによる排気ガスの浄化性能が高く維持されると共に、燃費の悪化が防止される等の効果が得られる。かかる空燃比フィードバック制御を実現すべく、排気通路には空燃比を検出する空燃比センサが設けられる。一般に、空燃比センサは、数百度以上の活性化温度まで加熱されて活性した状態で、酸素濃度に応じた信号を出力する特性を有している。このため、空燃比センサには、センサ素子を活性化温度まで加熱するためのヒータが内蔵される。空燃比センサのヒータへの通電が開始された後、センサ温度が活性化温度に達するまで、すなわち、空燃比センサの出力信号に基づく空燃比フィードバック制御が可能となるまでには、ある程度の時間が必要とされる。そこで、従来より、内燃機関の始動直後から空燃比フィードバック制御を開始できるように、機関始動前にヒータへの通電を開始するプリヒートが行われている。
【０００３】
例えば、特開平５−２０２７８５号公報に開示される空燃比制御装置では、車両ドアのオープンが検出された場合に内燃機関の始動を予測し、空燃比センサのヒータへのプリヒートを開始する。この空燃比制御装置において、内燃機関の温度が低くなるほど、プリヒートにおける目標温度は高く設定される。かかる手法によれば、低温始動時においても、始動後速やかにセンサ温度を活性化温度まで上昇させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、内燃機関のクランキング始動が開始されると、セルモータへの十分な供給電力を確保すべく、空燃比センサのヒータへの通電は停止される。ヒータへの通電が停止された状態では空燃比センサが冷却されるため、機関始動後、早期に空燃比フィードバック制御を開始する観点からは、ヒータへの再通電を速やかに開始することが望ましい。しかしながら、クランキングが完了しないうちにヒータへの通電が再開されると、セルモータに供給される電力が不足し、機関始動性が悪化してしまう。また、クランキング始動の終了後であっても、機関運転状態が安定化しないうちにヒータへの通電が開始されると、バッテリーの放電電力の増加によりオルタネータの負荷が増大し、アイドル運転状態が不安定化してしまう。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、内燃機関を円滑に始動させると共に機関始動後の安定な運転状態を実現しつつ、空燃比センサのヒータへの再通電を開始することが可能な空燃比センサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、請求項１に記載する如く、内燃機関に設けられた空燃比センサが備えるヒータへの通電を制御するヒータ制御装置であって、
機関始動前に前記ヒータへの通電を行うプリヒート手段と、
機関始動時に前記プリヒート手段による通電を停止させる通電停止手段と、
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記機関運転状態に基づいて、機関始動後の前記ヒータへの通電開始タイミングを設定する通電タイミング設定手段と、を備える空燃比センサのヒータ制御装置により達成される。
【０００７】
請求項１記載の発明において、通電停止手段は、機関始動時にプリヒート手段によるヒータへの通電を停止する。機関始動後、ヒータへの再通電が行われると、バッテリーの放電電力が増加する。このため、セルモータへの供給電力が不足することで、内燃機関の始動性が悪化し、又は、オルタネータの負荷が増大することで、内燃機関の運転状態は不安定側に変化する。これに対して、通電タイミング設定手段は、機関運転状態に基づいて機関始動後のヒータへの通電開始タイミングを設定する。従って、本発明によれば、ヒータへの通電開始に伴って、機関始動性が悪化し、又は、機関始動後の運転状態が不安定化することが防止される。
【０００８】
また、上記の目的は、請求項２に記載する如く、請求項１記載の空燃比センサのヒータ制御装置において、
空燃比センサの温度を検出するセンサ温度検出手段を備えると共に、
前記通電タイミング設定手段は、前記機関運転状態及び前記空燃比センサの温度に基づいて、前記通電開始タイミングを設定する空燃比センサのヒータ制御装置によっても達成される。
【０００９】
請求項２記載の発明において、通電停止手段は機関始動時にプリヒート手段によるヒータへの通電を停止するため、機関始動後、ヒータへの通電が開始されるまで、空燃比センサの温度（センサ温度）は一時的に低下する。この場合、通電が開始される際のセンサ温度が高いほど、ヒータの消費電力は小さくなる。つまり、機関始動後のセンサ温度が高いほど、ヒータへの通電開始が機関始動性及び運転安定性へ及ぼす影響は小さくなるため、より早い時点からヒータへの通電を開始することができる。従って、本発明によれば、通電タイミング設定手段が、機関運転状態及びセンサ温度に基づいて通電開始タイミングを設定することで、機関始動性の悪化及び運転状態の不安定化を招かない範囲で、早期にヒータへの通電を開始して、空燃比センサの活性を速やかに回復することができる。
【００１０】
この場合、請求項３に記載する如く、前記機関運転状態として機関回転数を用いることとしてもよい。
また、空燃比センサのインピーダンスは、センサ温度に応じて変化する。従って、請求項４に記載する如く、前記センサ温度検出手段は、前記空燃比センサのインピーダンスに基づいて前記空燃比センサの温度を検出することとしてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例である空燃比センサのヒータ制御装置が適用された内燃機関のシステム構成図を示す。本実施例の内燃機関は、電子制御ユニット （以下、ＥＣＵと称す）１０により制御される。図１に示す如く、内燃機関は、シリンダブロック１２を備えている。シリンダブロック１２の内部には、シリンダ１４およびウォータジャケット１６が形成されている。ウォータジャケット１６には、水温センサ１８が配設されている。水温センサ１８はウォータジャケット１６の内部を流れる冷却水の温度（以下、水温ＴＨＷと称す）に応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０は水温センサ１８の出力信号に基づいて水温ＴＨＷを検出する。
【００１２】
シリンダ１４の内部にはピストン２０が配設されている。ピストン２０は、シリンダ１４の内部を、図１における上下方向に摺動することができる。シリンダブロック１２の上部には、シリンダヘッド２２が固定されている。シリンダヘッド２２には、吸気ポート２４および排気ポート２６が形成されている。
シリンダヘッド２２の底面、ピストン２０の上面、およびシリンダ１４の側壁は、燃焼室２８を画成している。上述した吸気ポート２４および排気ポート２６は、共に燃焼室２８に開口している。燃焼室２８には、点火プラグ３０の先端が露出している。点火プラグ３０はＥＣＵ１０から点火信号を供給されることにより、燃焼室２８内の燃料に点火する。
【００１３】
内燃機関は、また、吸気弁３４及び排気弁３６を備えている。吸気ポート２４及び排気ポート２６の燃焼室２８への開口部には、それぞれ、吸気弁３４及び排気弁３６に対する弁座が形成されている。吸気弁３４及び排気弁３６は、各弁座に離着座することにより、それぞれ吸気ポート２４及び排気ポート２６を開閉させる。
【００１４】
吸気ポート２４には、吸気マニホールド３８が連通している。吸気マニホールド３８には、燃料噴射弁４０が配設されている。燃料噴射弁４０はＥＣＵ１０から付与される指令信号に応じて燃料を吸気マニホールド３８内に噴射する。
吸気マニホールド３８の上流側には、サージタンク４２が連通している。サージタンク４２の更に上流側には、吸気管４４が連通している。吸気管４４には、スロットルバルブ４６が配設されている。スロットルバルブ４６の近傍には、スロットル開度センサ４８が配設されている。
【００１５】
吸気管４４の上流側にはエアフローメータ５0 が連通している。エアフローメータ５０は吸気管４４を通過する空気の流量に応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０はエアフローメータ５０の出力信号に基づいて、内燃機関の吸入空気量を検出する。エアフローメータ５０の更に上流側にはエアクリーナ５２が連通している。吸気管４４にはエアクリーナ５２により濾過された外気が流入する。
【００１６】
一方、内燃機関の排気ポート２６には、排気通路５４が連通している。排気通路５４には、触媒コンバータ５６が配設されている。触媒コンバータ５６は、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び酸化窒素（ＮＯX ）を反応させることにより排気ガスを浄化する。触媒コンバータ５６の上流側及び下流側には、それぞれ、空燃比センサ５８、６０が配設されている。空燃比センサ５８、６０は同様の構成を有しており、これらの構成については後述する。なお、本実施例では、空燃比センサ５８、６０が同一とされているが、異なるものとしてもよい。
【００１７】
内燃機関は、また、回転数センサ６２を備えている。回転数センサ６２は内燃機関が所定のクランク角だけ回転する毎にパルス信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０は、回転数センサ６２の出力信号に基づいて内燃機関の回転数（以下、機関回転数ＮＥと称す）を検出する。
ＥＣＵ１０には、ドアスイッチ６４が接続されている。ドアスイッチ６４は、車両ドアがオープンされた場合にのみオン状態となるスイッチである。ＥＣＵ１０は、ドアスイッチ６４のオン／オフ状態に基づいて、車両ドアのオープンを検出する。
【００１８】
図２は、空燃比センサ５８、６０の内部構成を、ＥＣＵ１０との接続回路と共に示す。図２に示す如く、空燃比センサ５８、６０は、その内部に、例えばジルコニア等の材料により構成されたセンサ素子６６と、センサ素子６６を加熱するヒータ６８とを備えている。
センサ素子６６の一方の端子は定電圧源７０に接続され、また、他方の端子はＥＣＵ１０に接続されていると共に抵抗器７１を介して接地されている。このようにセンサ素子６６に定電圧が印可された状態では、センサ素子６６に流れる電流（以下、センサ電流Ｉと称す）は、センサ素子６６の温度（以下、センサ温度Ｔと称す）が所定の活性化温度Ｔｅ（例えば６５０゜Ｃから７００゜Ｃ）以上である場合に、排気通路５４内の酸素濃度に応じて変化する。ＥＣＵ１０には、このセンサ電流Ｉに応じた電圧が入力される。
【００１９】
センサ素子６６は、また、インピーダンス検出回路７２を介してＥＣＵ１０に接続されている。インピーダンス検出回路７２は、ＥＣＵ１０から供給される制御信号に応じて、センサ素子６６に所定周波数の交流電圧を印可すると共に、センサ素子６６に流れる交流電流の大きさに応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０は、インピーダンス検出回路７２の出力信号に基づいて、センサ素子６６のインピーダンスを検出する。センサ素子６６は、センサ温度Ｔが高くなるのに応じてインピーダンスが低くなる特性を有している。そこで、ＥＣＵ１０は、センサ素子６６のインピーダンスに基づいてセンサ温度Ｔを検出する。
【００２０】
一方、ヒータ６８は、通電制御回路７４を介してＥＣＵ１０に接続されている。通電制御回路７４はＥＣＵ１０から供給される制御信号に応じて、車載バッテリー７５を電源として、ヒータ６８への通電電流をデューティ制御する。ヒータ６８には、また、ヒータ電圧検出回路７６及びヒータ電流検出回路７８が接続されている。ヒータ電圧検出回路７６は、ヒータ６８に印可される電圧に応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。また、ヒータ電流検出回路７８は、ヒータ６８を流れる電流に応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０は、これらの信号に基づいてヒータ６８に印可される電圧、及び、ヒータ６８に供給される電流を検出する。
【００２１】
ＥＣＵ１０は、内燃機関の運転中に、センサ温度Ｔの温度が、活性化温度Ｔｅ以上、かつ、センサ素子６６に損傷を与えない程度の温度となるように、ヒータ６８への通電量を制御する。上述の如く、センサ温度Ｔが活性化温度Ｔｅ以上に維持された状態では、センサ素子６６に流れる電流は、酸素濃度に応じて変化する。従って、ＥＣＵ１０は、上記の如くヒータ６８への通電量を制御することで、センサ電流Ｉに基づいて、排気通路５４内の酸素濃度、すなわち、空燃比を検出することができる。そして、ＥＣＵ１０は、空燃比に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御を実行する。
【００２２】
空燃比フィードバック制御では、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側である場合には燃料噴射量が減量され、リーン側である場合には燃料噴射量が増量されることにより、空燃比が理論空燃比近傍の所定範囲内に維持される。上記した触媒コンバータ５６は、空燃比が理論空燃比近傍である場合に、高い浄化性能を発揮する。従って、空燃比フィードバック制御によれば、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘを触媒コンバータ５６により効果的に除去することができる。また、空燃比フィードバック制御によれば、空燃比が過度にリッチ又はリーンになることがないため、燃費の悪化及び燃焼状態の不安定化を共に防止することができる。
【００２３】
内燃機関の冷間始動時には、センサ温度Ｔはほぼ外気温まで低下しているため、センサ温度Ｔが活性化温度Ｔｅまで加熱されるまでには、ある程度の時間が必要となる。そこで、本実施例では、内燃機関の始動後、速やかに空燃比フィードバックの実行を開始すべく、機関始動が予想される場合（例えば、車両ドアのオープンが検出された場合）に、機関始動前から空燃比センサ５８、６０のヒータ６８への通電を開始することとしている。以下、機関始動前に行われるヒータ６８への通電を、空燃比センサ５８、６０のプリヒートと称する。
【００２４】
なお、空燃比センサ５８、６０が異なる構成とされ、例えば、空燃比センサ５８にのみヒータ６８が備えられる場合には、プリヒートは空燃比センサ５８に対してのみ行われることとなる。
プリヒートの実行中は、車載バッテリー７５の電力が消費される。従って、本実施例では、クランキング始動が開始された時点で、セルモータへの十分な供給電力を確保すべく、プリヒートを中止することとしている。この場合、機関始動後、速やかに空燃比フィードバック制御を開始する観点からは、ヒータ６８への再通電をできるだけ早期に開始することが望ましい。一方、クランキング始動が完了しないうちに、ヒータ６８への再通電が開始されると、セルモータへの供給電力が不足することで、機関始動性が低下してしまう。また、クランキング始動が完了した後であっても、アイドル運転状態が安定化しないうちにヒータ６８への再通電が開始されると、車載バッテリー７５の放電電力の増加によりオルタネータの負荷が大きくなることで、アイドル運転状態は更に不安定化してしまう。
【００２５】
これに対して、本実施例のシステムは、機関始動時の機関回転数ＮＥ及びセンサ温度Ｔに基づいてヒータ６８への通電再開タイミングを設定することで、良好な機関始動性及びアイドル運転状態の安定性を確保しつつ、早期に空燃比フィードバック制御を開始し得る点に特徴を有している。
図３は、センサ温度Ｔと、ヒータ６８への通電を再開するための機関回転数ＮＥの基準値Ｎ0 との関係を表すマップを示す。本実施例においては、図３に示すマップを参照して、センサ温度Ｔから基準値Ｎ0 が求められ、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回った時点で、ヒータ６８への再通電が開始される。センサ温度Ｔが高いほど、ヒータ６８への通電を再開した場合のヒータ６８の消費電力（つまり、センサ温度Ｔを活性化温度Ｔｅ以上に上昇させるのに要する消費電力）は小さいといえる。そこで、本実施例では、図３に示す如く、センサ温度Ｔが高いほど、基準値Ｎ0 を小さな値に設定することにより、機関回転数ＮＥがより低い時点から再通電を開始することとしている。
【００２６】
図４は、（Ａ）空燃比センサ５８、６０のプリヒートが開始された後のセンサ温度Ｔの時間変化、（Ｂ）ヒータ６８への通電のオン／オフ状態の時間変化、及び（Ｃ）機関回転数ＮＥの時間変化をそれぞれ例示する。なお、図４（Ｃ）には、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 に達しないうちにヒータ６８への通電が開始された場合の機関回転数ＮＥを一点鎖線で示している。
【００２７】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す如く、クランキングが開始される時刻ｔ１までは、空燃比センサ５８、６０のプリヒートが行われることで、センサ温度Ｔは目標温度Ｔｃに向けて上昇する。時刻ｔ１においてクランキングが開始されると、ヒータ６８への通電が停止されることで、以後、センサ温度Ｔは次第に低下し、活性化温度Ｔｅを下回っている。一方、図４（Ｃ）に実線で示す如く、時刻ｔ１におけるクランキング開始に伴って、機関回転数ＮＥが立ち上がり、その後、時刻ｔ２においてクランキングが終了した後も、内燃機関の燃焼開始により機関回転数ＮＥは上昇し続ける。そして、時刻ｔ３において、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回ると、図４（Ｂ）に示す如く、ヒータ６８への再通電が開始され、図４（Ａ）に示す如く、センサ温度Ｔｃは上昇に転ずる。
【００２８】
上述の如く、ヒータ６８への再通電が開始されると車載バッテリー７５の放電電力が増加する。このため、図４（Ｃ）に一点鎖線で示す如く、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 に達していない状態で再通電が開始された場合には、オルタネータの負荷が上昇することで、機関回転数ＮＥが十分に立ち上がらなくなってしまう。また、再通電が開始されるタイミングがクランキング中である場合には、上記の如く、セルモータへの供給電力が不足することにより内燃機関の円滑な始動が実現できなくなる。
【００２９】
これに対して、本実施例では、上述の如く、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回り、安定な運転状態が確保されたと判断された時点で、再通電が開始される。従って、本実施例によれば、良好な機関始動性及び安定なアイドル運転状態を確保しつつ、ヒータ６８への再通電を開始することができる。また、ヒータ温度Ｔが高いほど（つまり、ヒータ６８への再通電の開始に伴う電力消費が小さいほど）、基準値Ｎ0 が小さな値に設定されることで、内燃機関の始動性及び運転安定性に影響を与えない範囲において、可能な限り速やかなタイミングで通電を開始することができる。すなわち、本実施例によれば、内燃機関の良好な始動性及び安定なアイドル運転状態を確保しつつ、空燃比フィードバック制御を早期に開始することが可能とされている。
【００３０】
以下、本実施例においてＥＣＵ１０が実行する具体的な処理の内容について説明する。
図５は、空燃比センサ５８、６０のプリヒートを行うべくＥＣＵ１０が実行するルーチンのフローチャートである。また、図６は、ヒータ６８への再通電を開始すべくＥＣＵ１０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図５及び図６に示すルーチンは、所定時間間隔で起動される定時割り込みルーチンである。先ず図５に示すルーチンについて説明する。図５に示すルーチンが起動されると、ステップ１００の処理が実行される。
【００３１】
ステップ１００では、プリヒートの実行が許可されているか否かが判別される。具体的には、ステップ１００では、車両ドアのオープンが検出された後、内燃機関の始動前である場合、すなわち、内燃機関の始動が予想される場合に、プリヒートの実行が許可されていると判別される。ステップ１００において、プリヒートの実行が許可されていないと判別された場合は、次にステップ１０２の処理が実行される。一方、ステップ１００において、プリヒートの実行が許可されている場合は、次にステップ１０４の処理が実行される。
【００３２】
ステップ１０２では、空燃比センサ５８、６０のヒータ６８への通電制御におけるデューティ比ＨＴdutyが「０」に設定される。従って、ステップ１００及び１０２の処理によれば、プリヒートの開始後、内燃機関が始動された時点で、ヒータ６８への通電は停止されることになる。ステップ１０２の処理が終了すると、今回のルーチンは終了される。
【００３３】
ステップ１０４では、センサ素子６６のインピーダンスに基づいてセンサ温度Ｔが検出される。
ステップ１０４に続くステップ１０６では、センサ温度Ｔが目標温度Ｔｃを上回っているか否かが判別される。その結果、Ｔ＞Ｔｃが成立する場合は、次にステップ１０８において、デューティ比ＨＴdutyが所定値αだけ減少されることにより、ヒータ６８への通電量が減少される。一方、ステップ１０６において、Ｔ＞Ｔｃが不成立であれば、次にステップ１１０において、デューティ比ＴＨdutyが所定値αだけ増加されることにより、ヒータ６８への通電量が増加される。ステップ１０６、１０８、及び１１０の処理によれば、センサ温度Ｔが目標温度Ｔｃに向けて制御される。ステップ１０８又は１１０の処理が終了すると、今回のルーチンは終了される。
【００３４】
なお、デューティ比ＨＴdutyの変更幅αはセンサ温度Ｔと目標温度Ｔｃとの差の大きさに基づいて可変としてもよい。
次に、図６に示すルーチンについて説明する。図６に示すルーチンが起動されると、ステップ１５０の処理が実行される。
ステップ１５０では、機関回転数ＮＥが「０」であるか否かが判別される。その結果、ＮＥ＝０が成立する場合は、機関始動前であると判断されて今回のルーチンは終了される。一方、ステップ１５０において、ＮＥ＝０が不成立であれば、次にステップ１５２の処理が実行される。
【００３５】
ステップ１５２では、センサ素子６６のインピーダンスに基づいてセンサ温度Ｔが検出される。
ステップ１５２に続くステップ１５４では、センサ温度Ｔが活性化温度Ｔｅ以上であるか否かが判別される。その結果、Ｔ≧Ｔｅが成立する場合は、空燃比センサ５８、６０が活性化していると判断され、次にステップ１５６の処理が実行される。一方、ステップ１５４において、Ｔ≧Ｔｅが不成立であれば、次にステップ１５８の処理が実行される。
【００３６】
ステップ１５６では、Ｆ／Ｂ許可フラグＦ１が「１」にセットされる。ＥＣＵ１０は、Ｆ／Ｂ許可フラグＦ１が「１」にセットされている場合に、空燃比フィードバック制御の実行を許可する。ステップ１５６の処理が終了すると、ステップ１６０に進む。
ステップ１６０では、再通電許可フラグＦ２が「１」にセットされる。ＥＣＵ１０は、再通電許可フラグＦ２が「１」にセットされている場合に、ヒータ６８への再通電を許可し、センサ温度Ｔを活性化温度Ｔｅ以上に維持すべくヒータ６８への通電制御を実行する。従って、ステップ１６０の処理により、空燃比センサ５８、６０の出力信号に基づいて空燃比フィードバック制御が適正に実行されることが保証される。ステップ１６０の処理が終了すると、今回のルーチンは終了される。
【００３７】
一方、ステップ１５８では、フィードバック許可フラグＦ１が「０」にリセットされることにより、空燃比フィードバック制御の実行が禁止される。ステップ１５８の処理が終了すると、ステップ１６２へ進む。
ステップ１６２では、上記図３に示すマップを参照することにより、センサ温度Ｔから基準値Ｎ0 が求められる。
【００３８】
ステップ１６２に続くステップ１６４では、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回っているか否かが判別される。その結果、ＮＥ＞Ｎ0 が不成立であれば、次にステップ１６６において、再通電許可フラグＦ２が「０」にリセットされることによりヒータ６８への再通電が禁止された後、今回のルーチンは終了される。一方、ステップ１６４において、ＮＥ＞αが成立する場合は、次に上記ステップ１６０において、再通電許可フラグＦ２が「１」にセットされることによりヒータ６８への再通電が許可された後、今回のルーチンは終了される。
【００３９】
上述の如く、本実施例によれば、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回った時点で、ヒータ６８への再通電が許可されることで、車載バッテリー７５の放電電力の増加に伴う始動性の悪化、又は、アイドル運転状態の不安定化を防止することができる。また、基準値Ｎ0 が上記図３に示すマップに従って、センサ温度Ｔが高いほど基準値Ｎ0 が小さな値となるようにＮ０を設定することで、機関始動性の悪化等を防止できる範囲で、速やかにヒータ６８への再通電を開始することができ、これにより、空燃比フィードバック制御を早期に開始することができる。
【００４０】
なお、上記実施例においては、回転数センサ６２が特許請求の範囲に記載した運転状態検出手段に相当している。また、ＥＣＵ１０が図５に示すルーチンを実行することにより特許請求の範囲に記載したプリヒート手段が、図５に示すルーチンのステップ１００及び１０２の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した通電停止手段が、図６に示すルーチンのステップ１５２を実行することによりセンサ温度検出手段が、図６に示すルーチンのステップ１６２、１６４、１６０、及び１６６の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した通電タイミング設定手段が、それぞれ実現されている。
【００４１】
なお、上記実施例では、センサ素子６６のインピーダンスに基づいてセンサ温度Ｔを検出するものとしたが、センサ温度Ｔを求める手法はこれに限られるものではなく、ヒータ抵抗Ｒに基づいてセンサ温度Ｔを検出してもよい。すなわち、ヒータ６８の温度が高くなるのに応じてヒータ抵抗Ｒは増加するため、ヒータ抵抗Ｒからヒータ温度を求め、このヒータ温度をセンサ温度Ｔとして用いることとしてもよい。
【００４２】
また、上記実施例では、酸素濃度に応じてセンサ電流Ｉが連続的に変化する特性を有する空燃比センサ５８、６０により空燃比を検出するものとしたが、本発明はこれに限らず、空燃比センサ５８、６０の一方又は双方に代えて、空燃比に応じてリッチ／リーンの２段階の信号を出力するＯ2 センサを用いてもよい。
また、上記実施例では、ヒータ６８への通電量をデューティ制御するものとしたが、これに限らず、電流値をリニアに変化させることにより通電量を制御してもよい。この場合、上記図５に示すルーチンのステップ１０８及び１１０では、それぞれ、通電電流を減少及び増加させることとすればよい。
【００４３】
更に、上記実施例では、機関回転数ＮＥに基づいてヒータ６８への再通電の開始タイミングを設定するものとしたが、これに限らず、例えば吸気管負圧を検出する負圧センサを設け、吸気管負圧に基づいて再通電の開始タイミングを設定することとしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１記載の発明によれば、良好な機関始動性、及び、機関始動後の安定な運転状態を確保しつつ、機関始動後に空燃比センサのヒータへの通電を再開することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、良好な機関始動性、及び、機関始動後の安定な運転状態を確保し得る範囲で、速やかにヒータへの通電を開始することができ、これにより、空燃比センサの活性を早期に回復させることができる。
【００４５】
また、請求項３記載の発明によれば、機関回転数を機関運転状態として用いることができる。
更に、請求項４記載の発明によれば、空燃比センサのインピーダンスに基づいてセンサ温度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空燃比センサのヒータ制御装置が適用された内燃機関のシステム構成図である。
【図２】本実施例のシステムが備える空燃比センサの内部構成をＥＣＵとの接続回路と共に示す図である。
【図３】ヒータ温度Ｔと基準値Ｎ0 との関係を表すマップである。
【図４】図４（Ａ）は、空燃比センサのプリヒートが開始された後、内燃機関が始動されるまでのセンサ温度Ｔの時間変化を例示する図である。図４（Ｂ）は、空燃比センサのヒータへの通電のオン／オフ状態の時間変化を例示する図である。図４（Ｃ）は、機関回転数の時間変化を例示する図である。
【図５】本実施例において空燃比センサのプリヒートを開始すべくＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【図６】本実施例において空燃比センサへの再通電を開始すべくＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ ＥＣＵ
５８、６０ 空燃比センサ
６２ 回転数センサ
６８ ヒータ
７２ インピーダンス検出回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比センサのヒータ制御装置に関し、特に、機関始動前に空燃比センサをプリヒートする機能を有する空燃比センサのヒータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関では、排気通路の空燃比に基づいて燃料噴射量を補正することにより、空燃比を理論空燃比に向けて制御する空燃比フィードバック制御が実行される。空燃比フィードバック制御によれば、触媒コンバータによる排気ガスの浄化性能が高く維持されると共に、燃費の悪化が防止される等の効果が得られる。かかる空燃比フィードバック制御を実現すべく、排気通路には空燃比を検出する空燃比センサが設けられる。一般に、空燃比センサは、数百度以上の活性化温度まで加熱されて活性した状態で、酸素濃度に応じた信号を出力する特性を有している。このため、空燃比センサには、センサ素子を活性化温度まで加熱するためのヒータが内蔵される。空燃比センサのヒータへの通電が開始された後、センサ温度が活性化温度に達するまで、すなわち、空燃比センサの出力信号に基づく空燃比フィードバック制御が可能となるまでには、ある程度の時間が必要とされる。そこで、従来より、内燃機関の始動直後から空燃比フィードバック制御を開始できるように、機関始動前にヒータへの通電を開始するプリヒートが行われている。
【０００３】
例えば、特開平５−２０２７８５号公報に開示される空燃比制御装置では、車両ドアのオープンが検出された場合に内燃機関の始動を予測し、空燃比センサのヒータへのプリヒートを開始する。この空燃比制御装置において、内燃機関の温度が低くなるほど、プリヒートにおける目標温度は高く設定される。かかる手法によれば、低温始動時においても、始動後速やかにセンサ温度を活性化温度まで上昇させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、内燃機関のクランキング始動が開始されると、セルモータへの十分な供給電力を確保すべく、空燃比センサのヒータへの通電は停止される。ヒータへの通電が停止された状態では空燃比センサが冷却されるため、機関始動後、早期に空燃比フィードバック制御を開始する観点からは、ヒータへの再通電を速やかに開始することが望ましい。しかしながら、クランキングが完了しないうちにヒータへの通電が再開されると、セルモータに供給される電力が不足し、機関始動性が悪化してしまう。また、クランキング始動の終了後であっても、機関運転状態が安定化しないうちにヒータへの通電が開始されると、バッテリーの放電電力の増加によりオルタネータの負荷が増大し、アイドル運転状態が不安定化してしまう。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、内燃機関を円滑に始動させると共に機関始動後の安定な運転状態を実現しつつ、空燃比センサのヒータへの再通電を開始することが可能な空燃比センサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、請求項１に記載する如く、内燃機関に設けられた空燃比センサが備えるヒータへの通電を制御するヒータ制御装置であって、
機関始動前に前記ヒータへの通電を行うプリヒート手段と、
機関始動時に前記プリヒート手段による通電を停止させる通電停止手段と、
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記機関運転状態に基づいて、機関始動後の前記ヒータへの通電開始タイミングを設定する通電タイミング設定手段と、を備える空燃比センサのヒータ制御装置により達成される。
【０００７】
請求項１記載の発明において、通電停止手段は、機関始動時にプリヒート手段によるヒータへの通電を停止する。機関始動後、ヒータへの再通電が行われると、バッテリーの放電電力が増加する。このため、セルモータへの供給電力が不足することで、内燃機関の始動性が悪化し、又は、オルタネータの負荷が増大することで、内燃機関の運転状態は不安定側に変化する。これに対して、通電タイミング設定手段は、機関運転状態に基づいて機関始動後のヒータへの通電開始タイミングを設定する。従って、本発明によれば、ヒータへの通電開始に伴って、機関始動性が悪化し、又は、機関始動後の運転状態が不安定化することが防止される。
【０００８】
また、上記の目的は、請求項２に記載する如く、請求項１記載の空燃比センサのヒータ制御装置において、
空燃比センサの温度を検出するセンサ温度検出手段を備えると共に、
前記通電タイミング設定手段は、前記機関運転状態及び前記空燃比センサの温度に基づいて、前記通電開始タイミングを設定する空燃比センサのヒータ制御装置によっても達成される。
【０００９】
請求項２記載の発明において、通電停止手段は機関始動時にプリヒート手段によるヒータへの通電を停止するため、機関始動後、ヒータへの通電が開始されるまで、空燃比センサの温度（センサ温度）は一時的に低下する。この場合、通電が開始される際のセンサ温度が高いほど、ヒータの消費電力は小さくなる。つまり、機関始動後のセンサ温度が高いほど、ヒータへの通電開始が機関始動性及び運転安定性へ及ぼす影響は小さくなるため、より早い時点からヒータへの通電を開始することができる。従って、本発明によれば、通電タイミング設定手段が、機関運転状態及びセンサ温度に基づいて通電開始タイミングを設定することで、機関始動性の悪化及び運転状態の不安定化を招かない範囲で、早期にヒータへの通電を開始して、空燃比センサの活性を速やかに回復することができる。
【００１０】
この場合、請求項３に記載する如く、前記機関運転状態として機関回転数を用いることとしてもよい。
また、空燃比センサのインピーダンスは、センサ温度に応じて変化する。従って、請求項４に記載する如く、前記センサ温度検出手段は、前記空燃比センサのインピーダンスに基づいて前記空燃比センサの温度を検出することとしてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例である空燃比センサのヒータ制御装置が適用された内燃機関のシステム構成図を示す。本実施例の内燃機関は、電子制御ユニット （以下、ＥＣＵと称す）１０により制御される。図１に示す如く、内燃機関は、シリンダブロック１２を備えている。シリンダブロック１２の内部には、シリンダ１４およびウォータジャケット１６が形成されている。ウォータジャケット１６には、水温センサ１８が配設されている。水温センサ１８はウォータジャケット１６の内部を流れる冷却水の温度（以下、水温ＴＨＷと称す）に応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０は水温センサ１８の出力信号に基づいて水温ＴＨＷを検出する。
【００１２】
シリンダ１４の内部にはピストン２０が配設されている。ピストン２０は、シリンダ１４の内部を、図１における上下方向に摺動することができる。シリンダブロック１２の上部には、シリンダヘッド２２が固定されている。シリンダヘッド２２には、吸気ポート２４および排気ポート２６が形成されている。
シリンダヘッド２２の底面、ピストン２０の上面、およびシリンダ１４の側壁は、燃焼室２８を画成している。上述した吸気ポート２４および排気ポート２６は、共に燃焼室２８に開口している。燃焼室２８には、点火プラグ３０の先端が露出している。点火プラグ３０はＥＣＵ１０から点火信号を供給されることにより、燃焼室２８内の燃料に点火する。
【００１３】
内燃機関は、また、吸気弁３４及び排気弁３６を備えている。吸気ポート２４及び排気ポート２６の燃焼室２８への開口部には、それぞれ、吸気弁３４及び排気弁３６に対する弁座が形成されている。吸気弁３４及び排気弁３６は、各弁座に離着座することにより、それぞれ吸気ポート２４及び排気ポート２６を開閉させる。
【００１４】
吸気ポート２４には、吸気マニホールド３８が連通している。吸気マニホールド３８には、燃料噴射弁４０が配設されている。燃料噴射弁４０はＥＣＵ１０から付与される指令信号に応じて燃料を吸気マニホールド３８内に噴射する。
吸気マニホールド３８の上流側には、サージタンク４２が連通している。サージタンク４２の更に上流側には、吸気管４４が連通している。吸気管４４には、スロットルバルブ４６が配設されている。スロットルバルブ４６の近傍には、スロットル開度センサ４８が配設されている。
【００１５】
吸気管４４の上流側にはエアフローメータ５0 が連通している。エアフローメータ５０は吸気管４４を通過する空気の流量に応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０はエアフローメータ５０の出力信号に基づいて、内燃機関の吸入空気量を検出する。エアフローメータ５０の更に上流側にはエアクリーナ５２が連通している。吸気管４４にはエアクリーナ５２により濾過された外気が流入する。
【００１６】
一方、内燃機関の排気ポート２６には、排気通路５４が連通している。排気通路５４には、触媒コンバータ５６が配設されている。触媒コンバータ５６は、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び酸化窒素（ＮＯX ）を反応させることにより排気ガスを浄化する。触媒コンバータ５６の上流側及び下流側には、それぞれ、空燃比センサ５８、６０が配設されている。空燃比センサ５８、６０は同様の構成を有しており、これらの構成については後述する。なお、本実施例では、空燃比センサ５８、６０が同一とされているが、異なるものとしてもよい。
【００１７】
内燃機関は、また、回転数センサ６２を備えている。回転数センサ６２は内燃機関が所定のクランク角だけ回転する毎にパルス信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０は、回転数センサ６２の出力信号に基づいて内燃機関の回転数（以下、機関回転数ＮＥと称す）を検出する。
ＥＣＵ１０には、ドアスイッチ６４が接続されている。ドアスイッチ６４は、車両ドアがオープンされた場合にのみオン状態となるスイッチである。ＥＣＵ１０は、ドアスイッチ６４のオン／オフ状態に基づいて、車両ドアのオープンを検出する。
【００１８】
図２は、空燃比センサ５８、６０の内部構成を、ＥＣＵ１０との接続回路と共に示す。図２に示す如く、空燃比センサ５８、６０は、その内部に、例えばジルコニア等の材料により構成されたセンサ素子６６と、センサ素子６６を加熱するヒータ６８とを備えている。
センサ素子６６の一方の端子は定電圧源７０に接続され、また、他方の端子はＥＣＵ１０に接続されていると共に抵抗器７１を介して接地されている。このようにセンサ素子６６に定電圧が印可された状態では、センサ素子６６に流れる電流（以下、センサ電流Ｉと称す）は、センサ素子６６の温度（以下、センサ温度Ｔと称す）が所定の活性化温度Ｔｅ（例えば６５０゜Ｃから７００゜Ｃ）以上である場合に、排気通路５４内の酸素濃度に応じて変化する。ＥＣＵ１０には、このセンサ電流Ｉに応じた電圧が入力される。
【００１９】
センサ素子６６は、また、インピーダンス検出回路７２を介してＥＣＵ１０に接続されている。インピーダンス検出回路７２は、ＥＣＵ１０から供給される制御信号に応じて、センサ素子６６に所定周波数の交流電圧を印可すると共に、センサ素子６６に流れる交流電流の大きさに応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０は、インピーダンス検出回路７２の出力信号に基づいて、センサ素子６６のインピーダンスを検出する。センサ素子６６は、センサ温度Ｔが高くなるのに応じてインピーダンスが低くなる特性を有している。そこで、ＥＣＵ１０は、センサ素子６６のインピーダンスに基づいてセンサ温度Ｔを検出する。
【００２０】
一方、ヒータ６８は、通電制御回路７４を介してＥＣＵ１０に接続されている。通電制御回路７４はＥＣＵ１０から供給される制御信号に応じて、車載バッテリー７５を電源として、ヒータ６８への通電電流をデューティ制御する。ヒータ６８には、また、ヒータ電圧検出回路７６及びヒータ電流検出回路７８が接続されている。ヒータ電圧検出回路７６は、ヒータ６８に印可される電圧に応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。また、ヒータ電流検出回路７８は、ヒータ６８を流れる電流に応じた信号をＥＣＵ１０に向けて出力する。ＥＣＵ１０は、これらの信号に基づいてヒータ６８に印可される電圧、及び、ヒータ６８に供給される電流を検出する。
【００２１】
ＥＣＵ１０は、内燃機関の運転中に、センサ温度Ｔの温度が、活性化温度Ｔｅ以上、かつ、センサ素子６６に損傷を与えない程度の温度となるように、ヒータ６８への通電量を制御する。上述の如く、センサ温度Ｔが活性化温度Ｔｅ以上に維持された状態では、センサ素子６６に流れる電流は、酸素濃度に応じて変化する。従って、ＥＣＵ１０は、上記の如くヒータ６８への通電量を制御することで、センサ電流Ｉに基づいて、排気通路５４内の酸素濃度、すなわち、空燃比を検出することができる。そして、ＥＣＵ１０は、空燃比に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御を実行する。
【００２２】
空燃比フィードバック制御では、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側である場合には燃料噴射量が減量され、リーン側である場合には燃料噴射量が増量されることにより、空燃比が理論空燃比近傍の所定範囲内に維持される。上記した触媒コンバータ５６は、空燃比が理論空燃比近傍である場合に、高い浄化性能を発揮する。従って、空燃比フィードバック制御によれば、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘを触媒コンバータ５６により効果的に除去することができる。また、空燃比フィードバック制御によれば、空燃比が過度にリッチ又はリーンになることがないため、燃費の悪化及び燃焼状態の不安定化を共に防止することができる。
【００２３】
内燃機関の冷間始動時には、センサ温度Ｔはほぼ外気温まで低下しているため、センサ温度Ｔが活性化温度Ｔｅまで加熱されるまでには、ある程度の時間が必要となる。そこで、本実施例では、内燃機関の始動後、速やかに空燃比フィードバックの実行を開始すべく、機関始動が予想される場合（例えば、車両ドアのオープンが検出された場合）に、機関始動前から空燃比センサ５８、６０のヒータ６８への通電を開始することとしている。以下、機関始動前に行われるヒータ６８への通電を、空燃比センサ５８、６０のプリヒートと称する。
【００２４】
なお、空燃比センサ５８、６０が異なる構成とされ、例えば、空燃比センサ５８にのみヒータ６８が備えられる場合には、プリヒートは空燃比センサ５８に対してのみ行われることとなる。
プリヒートの実行中は、車載バッテリー７５の電力が消費される。従って、本実施例では、クランキング始動が開始された時点で、セルモータへの十分な供給電力を確保すべく、プリヒートを中止することとしている。この場合、機関始動後、速やかに空燃比フィードバック制御を開始する観点からは、ヒータ６８への再通電をできるだけ早期に開始することが望ましい。一方、クランキング始動が完了しないうちに、ヒータ６８への再通電が開始されると、セルモータへの供給電力が不足することで、機関始動性が低下してしまう。また、クランキング始動が完了した後であっても、アイドル運転状態が安定化しないうちにヒータ６８への再通電が開始されると、車載バッテリー７５の放電電力の増加によりオルタネータの負荷が大きくなることで、アイドル運転状態は更に不安定化してしまう。
【００２５】
これに対して、本実施例のシステムは、機関始動時の機関回転数ＮＥ及びセンサ温度Ｔに基づいてヒータ６８への通電再開タイミングを設定することで、良好な機関始動性及びアイドル運転状態の安定性を確保しつつ、早期に空燃比フィードバック制御を開始し得る点に特徴を有している。
図３は、センサ温度Ｔと、ヒータ６８への通電を再開するための機関回転数ＮＥの基準値Ｎ0 との関係を表すマップを示す。本実施例においては、図３に示すマップを参照して、センサ温度Ｔから基準値Ｎ0 が求められ、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回った時点で、ヒータ６８への再通電が開始される。センサ温度Ｔが高いほど、ヒータ６８への通電を再開した場合のヒータ６８の消費電力（つまり、センサ温度Ｔを活性化温度Ｔｅ以上に上昇させるのに要する消費電力）は小さいといえる。そこで、本実施例では、図３に示す如く、センサ温度Ｔが高いほど、基準値Ｎ0 を小さな値に設定することにより、機関回転数ＮＥがより低い時点から再通電を開始することとしている。
【００２６】
図４は、（Ａ）空燃比センサ５８、６０のプリヒートが開始された後のセンサ温度Ｔの時間変化、（Ｂ）ヒータ６８への通電のオン／オフ状態の時間変化、及び（Ｃ）機関回転数ＮＥの時間変化をそれぞれ例示する。なお、図４（Ｃ）には、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 に達しないうちにヒータ６８への通電が開始された場合の機関回転数ＮＥを一点鎖線で示している。
【００２７】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す如く、クランキングが開始される時刻ｔ１までは、空燃比センサ５８、６０のプリヒートが行われることで、センサ温度Ｔは目標温度Ｔｃに向けて上昇する。時刻ｔ１においてクランキングが開始されると、ヒータ６８への通電が停止されることで、以後、センサ温度Ｔは次第に低下し、活性化温度Ｔｅを下回っている。一方、図４（Ｃ）に実線で示す如く、時刻ｔ１におけるクランキング開始に伴って、機関回転数ＮＥが立ち上がり、その後、時刻ｔ２においてクランキングが終了した後も、内燃機関の燃焼開始により機関回転数ＮＥは上昇し続ける。そして、時刻ｔ３において、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回ると、図４（Ｂ）に示す如く、ヒータ６８への再通電が開始され、図４（Ａ）に示す如く、センサ温度Ｔｃは上昇に転ずる。
【００２８】
上述の如く、ヒータ６８への再通電が開始されると車載バッテリー７５の放電電力が増加する。このため、図４（Ｃ）に一点鎖線で示す如く、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 に達していない状態で再通電が開始された場合には、オルタネータの負荷が上昇することで、機関回転数ＮＥが十分に立ち上がらなくなってしまう。また、再通電が開始されるタイミングがクランキング中である場合には、上記の如く、セルモータへの供給電力が不足することにより内燃機関の円滑な始動が実現できなくなる。
【００２９】
これに対して、本実施例では、上述の如く、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回り、安定な運転状態が確保されたと判断された時点で、再通電が開始される。従って、本実施例によれば、良好な機関始動性及び安定なアイドル運転状態を確保しつつ、ヒータ６８への再通電を開始することができる。また、ヒータ温度Ｔが高いほど（つまり、ヒータ６８への再通電の開始に伴う電力消費が小さいほど）、基準値Ｎ0 が小さな値に設定されることで、内燃機関の始動性及び運転安定性に影響を与えない範囲において、可能な限り速やかなタイミングで通電を開始することができる。すなわち、本実施例によれば、内燃機関の良好な始動性及び安定なアイドル運転状態を確保しつつ、空燃比フィードバック制御を早期に開始することが可能とされている。
【００３０】
以下、本実施例においてＥＣＵ１０が実行する具体的な処理の内容について説明する。
図５は、空燃比センサ５８、６０のプリヒートを行うべくＥＣＵ１０が実行するルーチンのフローチャートである。また、図６は、ヒータ６８への再通電を開始すべくＥＣＵ１０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図５及び図６に示すルーチンは、所定時間間隔で起動される定時割り込みルーチンである。先ず図５に示すルーチンについて説明する。図５に示すルーチンが起動されると、ステップ１００の処理が実行される。
【００３１】
ステップ１００では、プリヒートの実行が許可されているか否かが判別される。具体的には、ステップ１００では、車両ドアのオープンが検出された後、内燃機関の始動前である場合、すなわち、内燃機関の始動が予想される場合に、プリヒートの実行が許可されていると判別される。ステップ１００において、プリヒートの実行が許可されていないと判別された場合は、次にステップ１０２の処理が実行される。一方、ステップ１００において、プリヒートの実行が許可されている場合は、次にステップ１０４の処理が実行される。
【００３２】
ステップ１０２では、空燃比センサ５８、６０のヒータ６８への通電制御におけるデューティ比ＨＴdutyが「０」に設定される。従って、ステップ１００及び１０２の処理によれば、プリヒートの開始後、内燃機関が始動された時点で、ヒータ６８への通電は停止されることになる。ステップ１０２の処理が終了すると、今回のルーチンは終了される。
【００３３】
ステップ１０４では、センサ素子６６のインピーダンスに基づいてセンサ温度Ｔが検出される。
ステップ１０４に続くステップ１０６では、センサ温度Ｔが目標温度Ｔｃを上回っているか否かが判別される。その結果、Ｔ＞Ｔｃが成立する場合は、次にステップ１０８において、デューティ比ＨＴdutyが所定値αだけ減少されることにより、ヒータ６８への通電量が減少される。一方、ステップ１０６において、Ｔ＞Ｔｃが不成立であれば、次にステップ１１０において、デューティ比ＴＨdutyが所定値αだけ増加されることにより、ヒータ６８への通電量が増加される。ステップ１０６、１０８、及び１１０の処理によれば、センサ温度Ｔが目標温度Ｔｃに向けて制御される。ステップ１０８又は１１０の処理が終了すると、今回のルーチンは終了される。
【００３４】
なお、デューティ比ＨＴdutyの変更幅αはセンサ温度Ｔと目標温度Ｔｃとの差の大きさに基づいて可変としてもよい。
次に、図６に示すルーチンについて説明する。図６に示すルーチンが起動されると、ステップ１５０の処理が実行される。
ステップ１５０では、機関回転数ＮＥが「０」であるか否かが判別される。その結果、ＮＥ＝０が成立する場合は、機関始動前であると判断されて今回のルーチンは終了される。一方、ステップ１５０において、ＮＥ＝０が不成立であれば、次にステップ１５２の処理が実行される。
【００３５】
ステップ１５２では、センサ素子６６のインピーダンスに基づいてセンサ温度Ｔが検出される。
ステップ１５２に続くステップ１５４では、センサ温度Ｔが活性化温度Ｔｅ以上であるか否かが判別される。その結果、Ｔ≧Ｔｅが成立する場合は、空燃比センサ５８、６０が活性化していると判断され、次にステップ１５６の処理が実行される。一方、ステップ１５４において、Ｔ≧Ｔｅが不成立であれば、次にステップ１５８の処理が実行される。
【００３６】
ステップ１５６では、Ｆ／Ｂ許可フラグＦ１が「１」にセットされる。ＥＣＵ１０は、Ｆ／Ｂ許可フラグＦ１が「１」にセットされている場合に、空燃比フィードバック制御の実行を許可する。ステップ１５６の処理が終了すると、ステップ１６０に進む。
ステップ１６０では、再通電許可フラグＦ２が「１」にセットされる。ＥＣＵ１０は、再通電許可フラグＦ２が「１」にセットされている場合に、ヒータ６８への再通電を許可し、センサ温度Ｔを活性化温度Ｔｅ以上に維持すべくヒータ６８への通電制御を実行する。従って、ステップ１６０の処理により、空燃比センサ５８、６０の出力信号に基づいて空燃比フィードバック制御が適正に実行されることが保証される。ステップ１６０の処理が終了すると、今回のルーチンは終了される。
【００３７】
一方、ステップ１５８では、フィードバック許可フラグＦ１が「０」にリセットされることにより、空燃比フィードバック制御の実行が禁止される。ステップ１５８の処理が終了すると、ステップ１６２へ進む。
ステップ１６２では、上記図３に示すマップを参照することにより、センサ温度Ｔから基準値Ｎ0 が求められる。
【００３８】
ステップ１６２に続くステップ１６４では、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回っているか否かが判別される。その結果、ＮＥ＞Ｎ0 が不成立であれば、次にステップ１６６において、再通電許可フラグＦ２が「０」にリセットされることによりヒータ６８への再通電が禁止された後、今回のルーチンは終了される。一方、ステップ１６４において、ＮＥ＞αが成立する場合は、次に上記ステップ１６０において、再通電許可フラグＦ２が「１」にセットされることによりヒータ６８への再通電が許可された後、今回のルーチンは終了される。
【００３９】
上述の如く、本実施例によれば、機関回転数ＮＥが基準値Ｎ0 を上回った時点で、ヒータ６８への再通電が許可されることで、車載バッテリー７５の放電電力の増加に伴う始動性の悪化、又は、アイドル運転状態の不安定化を防止することができる。また、基準値Ｎ0 が上記図３に示すマップに従って、センサ温度Ｔが高いほど基準値Ｎ0 が小さな値となるようにＮ０を設定することで、機関始動性の悪化等を防止できる範囲で、速やかにヒータ６８への再通電を開始することができ、これにより、空燃比フィードバック制御を早期に開始することができる。
【００４０】
なお、上記実施例においては、回転数センサ６２が特許請求の範囲に記載した運転状態検出手段に相当している。また、ＥＣＵ１０が図５に示すルーチンを実行することにより特許請求の範囲に記載したプリヒート手段が、図５に示すルーチンのステップ１００及び１０２の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した通電停止手段が、図６に示すルーチンのステップ１５２を実行することによりセンサ温度検出手段が、図６に示すルーチンのステップ１６２、１６４、１６０、及び１６６の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した通電タイミング設定手段が、それぞれ実現されている。
【００４１】
なお、上記実施例では、センサ素子６６のインピーダンスに基づいてセンサ温度Ｔを検出するものとしたが、センサ温度Ｔを求める手法はこれに限られるものではなく、ヒータ抵抗Ｒに基づいてセンサ温度Ｔを検出してもよい。すなわち、ヒータ６８の温度が高くなるのに応じてヒータ抵抗Ｒは増加するため、ヒータ抵抗Ｒからヒータ温度を求め、このヒータ温度をセンサ温度Ｔとして用いることとしてもよい。
【００４２】
また、上記実施例では、酸素濃度に応じてセンサ電流Ｉが連続的に変化する特性を有する空燃比センサ５８、６０により空燃比を検出するものとしたが、本発明はこれに限らず、空燃比センサ５８、６０の一方又は双方に代えて、空燃比に応じてリッチ／リーンの２段階の信号を出力するＯ2 センサを用いてもよい。
また、上記実施例では、ヒータ６８への通電量をデューティ制御するものとしたが、これに限らず、電流値をリニアに変化させることにより通電量を制御してもよい。この場合、上記図５に示すルーチンのステップ１０８及び１１０では、それぞれ、通電電流を減少及び増加させることとすればよい。
【００４３】
更に、上記実施例では、機関回転数ＮＥに基づいてヒータ６８への再通電の開始タイミングを設定するものとしたが、これに限らず、例えば吸気管負圧を検出する負圧センサを設け、吸気管負圧に基づいて再通電の開始タイミングを設定することとしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１記載の発明によれば、良好な機関始動性、及び、機関始動後の安定な運転状態を確保しつつ、機関始動後に空燃比センサのヒータへの通電を再開することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、良好な機関始動性、及び、機関始動後の安定な運転状態を確保し得る範囲で、速やかにヒータへの通電を開始することができ、これにより、空燃比センサの活性を早期に回復させることができる。
【００４５】
また、請求項３記載の発明によれば、機関回転数を機関運転状態として用いることができる。
更に、請求項４記載の発明によれば、空燃比センサのインピーダンスに基づいてセンサ温度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空燃比センサのヒータ制御装置が適用された内燃機関のシステム構成図である。
【図２】本実施例のシステムが備える空燃比センサの内部構成をＥＣＵとの接続回路と共に示す図である。
【図３】ヒータ温度Ｔと基準値Ｎ0 との関係を表すマップである。
【図４】図４（Ａ）は、空燃比センサのプリヒートが開始された後、内燃機関が始動されるまでのセンサ温度Ｔの時間変化を例示する図である。図４（Ｂ）は、空燃比センサのヒータへの通電のオン／オフ状態の時間変化を例示する図である。図４（Ｃ）は、機関回転数の時間変化を例示する図である。
【図５】本実施例において空燃比センサのプリヒートを開始すべくＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【図６】本実施例において空燃比センサへの再通電を開始すべくＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ ＥＣＵ
５８、６０ 空燃比センサ
６２ 回転数センサ
６８ ヒータ
７２ インピーダンス検出回路
Claims (4)
- 内燃機関に設けられた空燃比センサが備えるヒータへの通電を制御するヒータ制御装置であって、
機関始動前に前記ヒータへの通電を行うプリヒート手段と、
機関始動時に前記プリヒート手段による通電を停止させる通電停止手段と、
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記機関運転状態に基づいて、機関始動後の前記ヒータへの通電開始タイミングを設定する通電タイミング設定手段と、を備えることを特徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。 - 請求項１記載の空燃比センサのヒータ制御装置において、
空燃比センサの温度を検出するセンサ温度検出手段を備えると共に、
前記通電タイミング設定手段は、前記機関運転状態及び前記空燃比センサの温度に基づいて、前記通電開始タイミングを設定することを特徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。 - 前記機関運転状態は機関回転数であることを特徴とする請求項１又は２記載の空燃比センサのヒータ制御装置
- 前記センサ温度検出手段は、前記空燃比センサのインピーダンスに基づいて前記空燃比センサの温度を検出することを特徴とする請求項２記載の空燃比センサのヒータ制御装置。
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