JP4151547B2 - 排気ガスセンサのヒータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機関排気系に配置された排気ガスセンサのヒータ制御装置に関する。

機関排気系には排気ガスの状態を検出するための種々の排気ガスセンサが配置されている。例えば、燃焼空燃比を把握するために、機関排気系には排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサが配置される。酸素センサ等のある種の排気ガスセンサは、比較的高温の活性化温度を有しており、機関始動から排気ガスの熱を利用して活性化するまでには長い時間が必要である。排気ガスセンサを早期に活性化して機関始動直後から排気ガスセンサを利用した制御を可能とするために、排気ガスセンサに自身を加熱するヒータを設け、機関始動時からヒータを作動して排気ガスセンサを早期に活性化することが提案されている。

ところで、機関停止中において、機関排気系は温度低下して排気ガス中の水蒸気に対する露点を下回る。それにより、機関始動時において、機関排気系における排気ガスセンサ取り付け位置近傍で排気ガス中の水蒸気が結露する。この結露した水分がヒータにより加熱された排気ガスセンサに付着すると、排気ガスセンサは急激に冷却され、この急激な温度変化によって排気ガスセンサが機械的に破損することがある。

これを防止するために、機関始動時の排気管温度を、冷却水温度と外気温度との差により定まる補正係数により外気温度を補正して算出し、この機関始動時の排気管温度に機関運転状態により定まる単位時間当たりの温度上昇分を積算することにより現在の排気管温度を算出し、この現在の排気管温度が露点に達した時に排気ガスセンサのヒータを作動開始させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−４９７００号公報 特開２００１−４１９２３号公報 特開２０００−２８３９４８号公報

前述した特許文献１に記載のヒータ制御装置において、機関始動時の排気管温度及び単位時間当たりの温度上昇分を完全に正確な値とすることができないために、推定される現在の排気管温度は、ある程度の誤差を含んでいる。

それにより、この現在の排気管温度が露点に達したとしても、実際の排気管温度が露点に達しているとは限らず、この時にヒータを作動開始すると、依然として排気管内で結露する水分によって排気ガスセンサが破損することがある。従って、排気ガスセンサの破損を確実に防止するためには、各機関始動状態に対して推定された現在の排気管温度が露点より高い設定温度に達した時にヒータを作動開始するようにしなければならず、複雑な逐次計算を実施しても、各機関始動状態に対して排気管内の結露が実際に無くなってからある程度の時間が経過した後でなければヒータを作動させることができない。

もちろん、このヒータ制御装置によれば、例えば機関冷却水温が十分に高い設定温度に達して、機関始動状態に係らずに常に排気管内に結露が確実に存在しないようになってからヒータを作動開始させる場合に比較して、機関始動状態毎にヒータ作動開始時期を早めて排気ガスセンサを比較的早期に活性化することができる。

本発明の目的は、複雑な逐次計算を必要とせずに、機関排気系に配置された排気ガスセンサの機械的な破損を確実に防止すると共に排気ガスセンサを比較的早期に活性化することができる排気ガスセンサのヒータ制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置は、機関冷却水温が設定温度に達した時に機関排気系に配置された排気ガスセンサを加熱するためのヒータを作動開始する排気ガスセンサのヒータ制御装置において、機関始動時の外気温が外気温閾値より低い時には前記設定温度を高く変更し、機関始動時の機関冷却水温と外気温との温度差が温度差閾値より大きい時には前記設定温度をさらに高く変更する設定温度変更手段を具備することを特徴とする。

また、本発明による請求項２に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置は、請求項１に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置において、前記外気温を検出するためのセンサ及び前記機関冷却水温を検出するためのセンサの少なくとも一方が異常である時には、機関冷却水温に基づく前記ヒータの作動制御を中止することを特徴とする。

また、本発明による請求項３に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置は、請求項１又は２に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置において、前記ヒータは前記排気ガスセンサの温度を活性化温度以上に維持するために作動させられ、前記排気ガスセンサが活性化した後にフューエルカット又はアイドル運転により機関排気系温度が低下して機関排気系内に結露が発生する時には前記ヒータの作動を停止することを特徴とする。

請求項１に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置によれば、複雑な逐次計算を行うことなく、機関冷却水温が設定温度に達した時に排気ガスセンサのヒータを作動開始するだけである。但し、機関始動時の外気温が外気温閾値より低い時には、機関運転中の機関冷却水温と機関排気系温度との温度差が大きくなるために、機関排気系温度が結露を蒸発させる温度となる時に対応する機関冷却水温は高くなり、設定温度変更手段がヒータを作動させるための機関冷却水温の設定温度を高く変更する。また、機関始動時の機関冷却水温と外気温との温度差が温度差閾値より大きい時には、機関停止直後の再始動時であり、機関排気系温度だけが大きく低下して機関冷却水温と機関排気系温度との温度差が非常に大きくなっていることがあり、この時には、機関冷却水温が十分に高い温度とならなければ機関排気系温度が結露を蒸発させる温度とならないために、設定温度変更手段がヒータを作動させるための機関冷却水温の設定温度をさらに高く変更する。

こうして、設定温度変更手段は、いずれの機関始動状態に対しても機関排気系における排気ガスセンサ近傍には結露が存在しないように、機関始動状態毎にヒータを作動させるための冷却水温の設定温度を変更し、それにより、排気ガスセンサの機械的な破損を確実に防止することができると共に、機関始動状態毎に排気ガスセンサを比較的早期に活性化することができる。

図１は、本発明によるヒータ制御装置が取り付けられた機関排気系を示している。同図において、１は排気ガスを浄化するための触媒装置（例えば、三元触媒装置）である。触媒装置１の上流側には、燃焼空燃比を把握するために排気ガス中の酸素濃度によって出力電圧が変化する上流側酸素センサ２が配置されている。この上流側酸素センサ２として、燃焼空燃比がリッチであるかリーンであるかだけを把握するためには、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の時に出力電圧が急変するステップ出力式酸素センサが使用される。また、燃焼空燃比のリッチ又はリーンの程度まで把握するには、排気ガスの空燃比に応じて出力電圧がリニアに変化するリニア出力式酸素センサが使用される。

３は触媒装置１の下流側に配置された下流側酸素センサであり、この下流側酸素センサ３として、一般的にはステップ出力式酸素センサが使用される。下流側酸素センサ３は、排気ガス中の被毒物質が触媒装置１により浄化されるために被毒物質による劣化が起こり難い。これに対して、上流側酸素センサ２は排気ガス中の被毒物質による劣化が起こり易く、劣化による上流側酸素センサ２の基準出力ずれを、下流側酸素センサ３の出力に基づき補正するようになっている。

本実施形態のように触媒装置１の上流側及び下流側に配置した二つの酸素センサ２，３による空燃比制御（燃料噴射量制御又は吸入空気量制御）において、又は、触媒装置１の上流側又は下流側に配置した一つの酸素センサによる空燃比制御においても、空燃比制御を良好なものとするためには、それぞれの酸素センサが活性化していることが必要である。

ステップ出力式又はリニア出力式のいずれの酸素センサも比較的高い活性化温度（約６５０°Ｃ）を有しており、各酸素センサ２，３には、自身を活性化温度へ昇温するためのヒータが設けられている。機関停止中において機関排気系の温度低下と共に酸素センサ２，３は活性化温度を下回るために、機関始動後には、ヒータにより酸素センサ２，３を活性化温度に昇温させないと空燃比制御を開始することができない。

機関始動後において早期に空燃比制御を開始するためには、ヒータを早期に作動させることが好ましい。しかしながら、機関停止中において温度低下した機関排気系内には、排気ガスの水蒸気が結露していることがあり、ヒータにより加熱中の酸素センサ２，３に結露した水分が付着すると酸素センサは急激に冷却されてヒートショックにより破損することがある。上流側酸素センサ２の機関排気系における取り付け位置は、機関本体に比較的近く、機関始動直後において比較的早期に温度上昇するために、一般的な時間制御等によりヒータを作動するようにすれば、ヒートショックにより破損させることなく上流側酸素センサ２を早期に活性化させることができる。

これに対して、下流側酸素センサ３の機関排気系における取り付け位置は、機関本体から比較的遠いことに加えて、熱容量の大きな触媒装置の下流側であるために、機関始動直後において温度上昇し難く、一般的な時間制御によりヒータを作動させても、ヒートショックにより破損させることなく下流側酸素センサ３を早期に活性化させることができない。

本実施形態のヒータ制御装置は、図２に示す第一フローチャートに従って下流側酸素センサ３のヒータを作動させる。第一フローチャートは、機関始動完了（例えば、機関回転数が吹き上がり後に設定回転数となった時）と同時に開始され、設定時間（又は設定クランク角度）毎に繰り返されるものである。

先ず、ステップ１０１において、バッテリの電圧Ｖが設定電圧Ｖ１以上であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、下流側酸素センサ３を加熱するヒータへの通電は不可能であり、ステップ１０７においてヒータ非通電として終了する。しかしながら、バッテリがかなり劣化している時を除き、通常は、この判断は肯定されてステップ１０２へ進み、機関始動完了からの経過時間Ｔが第一設定時間Ｔ１以上となったか否かが判断される。この判断が否定される時には、以下の各判断が正確に実施されないことがあり、やはりステップ１０７においてヒータ非通電として終了する。一方、機関始動完了からの経過時間Ｔが数秒の第一設定時間Ｔ１以上となれば、ステップ１０３において、機関始動完了からの経過時間Ｔが比較的長く設定された第二設定時間Ｔ２以上であるか、又は、酸素センサの出力がリッチを示した回数Ｎが設定回数Ｎ１以上であるかが判断される。

機関始動完了からの経過時間Ｔが第二設定時間Ｔ２以上である時には、下流側酸素センサ３は排気ガスにより十分に加熱されて活性化温度となっている。また、下流側酸素センサ３の出力がリッチを示した回数Ｎが設定回数Ｎ１以上である時にも、下流側酸素センサ３は活性化温度となっている。

ステップ１０３における判断は、当初否定され、ステップ１０４へ進む。ステップ１０４では、機関冷却水温ＴＨＷを検出する水温センサ（図示せず）及び吸気温を検出する吸気温センサ（図示せず）の少なくとも一方が異常であるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、以下の判断は意味が無く、ステップ１０７においてヒータ非通電として終了する。

一方、ステップ１０４における判断が否定される時には、ステップ１０５において、水温センサにより検出される現在の機関冷却水温ＴＨＷが設定温度ＴＨＷ１以上であるか否かが判断される。この設定温度ＴＨＷ１に関しては後述するが、この判断が否定される時には、やはり、ステップ１０７においてヒータ非通電として終了する。

センサ異常時においては、ステップ１０４の判断が常に肯定され、ステップ１０７においてヒータ非通電とされ続けられる。ヒータ非通電としても、機関始動完了からの経過時間Ｔが十分に長くなれば、排気ガスにより下流側酸素センサ３の温度は徐々に上昇して活性化温度となり、ステップ１０３の判断が肯定される。この場合において、機関始動完了時において下流側酸素センサ３の近傍に結露が存在して各酸素センサに付着しても、また、機関始動完了後の排気ガス中に水分が結露として新たに各酸素センサに付着しても、下流側酸素センサは、排気ガスにより付着した結露と共に徐々に温度上昇するために、ヒートショックは発生しない。また、下流側酸素センサが活性化した時において結露は完全に蒸発しており、機関排気系における下流側酸素センサの取り付け位置の温度も結露を発生させない温度に昇温している。

ステップ１０３における判断が肯定されると、上流側酸素センサ２及び下流側酸素センサ３を使用して空燃比制御を開始することができる。次いで、ステップ１０６においてカウント値Ｃが設定値Ｃ１以下であるか否かが判断される。このカウント値Ｃに関しては後述するが、当初、ステップ１０６における判断は否定され、ステップ１０９において、活性化温度となっている下流側酸素センサ３の温度低下を防止するために、ヒータを間欠通電する。

図３は、前述した機関冷却水温の設定温度ＴＨＷ１を機関始動状態毎に設定するための第二フローチャートである。本フローチャートも機関始動完了と同時に開始されるものである。先ず、ステップ２０１において、機関始動完了からの経過時間Ｔが第三設定時間Ｔ３に達したか否かが判断される。この判断が否定される時にはステップ２０６に進み、第一フローチャートにおいて使用する冷却水温の設定温度ＴＨＷ１は第三設定温度（例えば、７５°Ｃ）とされる。

本フローチャートにおいて、機関始動時の外気温が必要であるが、そのために外気温センサを設けることはせず、機関吸気系に配置された吸気温センサにより検出される吸気温を外気温として使用するようになっている。機関吸気系温度は、機関停止直後において吸気による冷却がなくなるために、機関本体からの熱伝導により比較的高温度となる。それにより、機関停止直後の再始動の場合には、当初、機関吸気系温度が高いために吸気温が外気温よりかなり高くなってしまう。

また、吸気温センサが熱線式エアフローメータ近傍に配置されている場合において、機関始動時において熱線式エアフローメータのヒータが最大に作動されるために、やはり吸気温は外気温よりかなり高くなってしまう。本フローチャートでは、機関始動完了からの経過時間Ｔが十秒程度の第三設定時間となって機関吸気系が十分に温度低下し、また、熱線式エアフローメータのヒータの最大作動が停止されるまでは、ステップ２０２の判断を実施しないようになっている。

ステップ２０２では、機関始動時（例えば、機関始動開始時）に冷却水温センサにより検出された機関冷却水温ＴＨＷ’と、機関始動時の外気温ＴＨＡ’としての吸気温センサにより検出された現在の吸気温との温度差が、温度差閾値（例えば、１０°Ｃ）より低いか否かが判断される。この判断が肯定される時には、機関停止から十分な時間が経過した後の始動であり、ステップ２０３において、機関始動時の外気温（現在の吸気温）ＴＨＡ’が外気温閾値（例えば、−２０°Ｃ）より低いか否かが判断される。この判断が肯定される時には極低温始動時となる。

ステップ２０３における判断が否定される時には、機関停止から十分な時間が経過した後の極低温始動時ではない通常の始動時であり、第一フローチャートにおいて使用する冷却水温の設定温度ＴＨＷ１は、第一設定温度（例えば、４５°Ｃ）とされる。第一設定温度は、この機関始動状態の時において、機関冷却水温がこの温度となれば、機関排気系温度（特に、下流側酸素センサ３の取り付け位置の温度）が結露を完全に蒸発させる１００°Ｃ以上となるように設定される。それにより、この機関始動状態の時には、第一フローチャートのステップ１０５において、現在の冷却水温ＴＨＷが第一設定温度となれば、ステップ１０８において下流側酸素センサ３のヒータが連続通電される。

一方、第二フローチャートのステップ２０３における判断が肯定される時には、機関停止から十分な時間が経過した後の極低温始動時であり、第一フローチャートにおいて使用する冷却水温の設定温度ＴＨＷ１は、第二設定温度（例えば、６０°Ｃ）とされる。第二設定温度も、この機関始動状態の時において、機関冷却水温がこの温度となれば、機関排気系温度（特に、下流側酸素センサ３の取り付け位置の温度）が結露を完全に蒸発させる１００°Ｃ以上となるように設定されるが、このような極低温始動時では機関排気系からの放熱量が多くなるために、第一設定温度より高い温度となる。それにより、この機関始動状態の時には、第一フローチャートのステップ１０５において、現在の冷却水温ＴＨＷが第二設定温度となれば、ステップ１０８において上流側酸素センサ２及び下流側酸素センサ３のヒータが連続通電される。

また、第二フローチャートのステップ２０２における判断が否定される時には、機関停止直後の再始動時であり、第一フローチャートにおいて使用する冷却水温の設定温度ＴＨＷ１は、第三設定温度（例えば、７５°Ｃ）とされる。第三設定温度も、この機関始動状態の時において、機関冷却水温がこの温度となれば、機関排気系温度（特に、下流側酸素センサ３の取り付け位置の温度）が結露を完全に蒸発させる１００°Ｃ以上となるように設定されるが、このような再始動時では、機関本体に比較して熱容量の小さな機関排気系だけがかなり温度低下していることがあるために、第二設定温度より高い温度となる。それにより、この機関始動状態の時には、第一フローチャートのステップ１０５において、現在の冷却水温ＴＨＷが第三設定温度となれば、ステップ１０８において上流側酸素センサ２及び下流側酸素センサ３のヒータが連続通電される。このようにして、いずれかの設定温度に基づきヒータが連続通電されて下流側酸素センサ３が活性化温度となれば、ステップ１０３における判断が肯定されるために、ステップ１０９においてヒータは間欠通電されるようになる。

このように、本実施形態においては、機関始動時の冷却水温と外気温とに基づく機関始動状態毎にヒータを作動する冷却水温の設定温度を変更し、現在の冷却水温だけに基づきヒータを作動させるものであり、現在の機関排気系温度を推定するための複雑な逐次計算を必要としない。それでも、本実施形態によれば、ヒータ作動時において酸素センサ近傍には結露がなく、酸素センサのヒートショックによる破損を確実に防止することができると共に、機関始動状態毎にできる限り早期に酸素センサを活性化させることができる。ところで、第二フローチャートにおいて、機関始動完了からの経過時間Ｔが第三設定時間Ｔ３（十秒程度）となる以前は、いずれの機関始動状態であっても、ヒータを作動させるための設定温度は第三設定温度とされている。それにより、機関始動からの経過時間Ｔが第一設定時間Ｔ１を超えた直後においても、冷却水温が第三設定温度以上となっている再始動時には、機関排気系温度が結露を発生させる温度まで低下しているとは考えられず、第一フローチャートのステップ１０５における判断が肯定され、直ちにヒータの連続通電が開始される。

図４は、第一フローチャートのステップ１０６において使用するカウント値Ｃを算出するための第三フローチャートである。本フローチャートも機関始動完了と同時に開始され、設定時間毎に繰り返されるものである。先ず、ステップ３０１において、フューエルカットが実施されているか否かが判断される。この判断が否定される時には、ステップ３０３において、現在の機関排気系温度に対応するカウント値Ｃを現在の機関運転状態により設定する。例えば、機関高負荷時には大きなカウント値が設定され、機関低負荷時には小さなカウント値が設定される。フューエルカットが実施されれば、フューエルカット開始直前の機関運転状態により定められたカウント値Ｃが１だけ減少される。こうして、フューエルカットが実施されている時間が長いほどカウント値Ｃは小さくなる。

カウント値Ｃが設定値Ｃ１以下となれば、機関排気系温度が結露をもたらす温度まで低下している可能性が高いために、第一フローチャートのステップ１０６における判断が肯定され、ステップ１０７においてヒータを非通電とする。それにより、結露による酸素センサの破損を防止することができる。このヒータ非通電は、フューエルカットの終了後において機関排気系温度が現在の機関運転状態に対応する温度へ昇温するまでの間は継続することが好ましい。第三フローチャートにおいても、フューエルカットの終了後、この間はステップ３０３において新たなカウント値Ｃを設定しないことが好ましい。また、ステップ３０２においてカウント値Ｃを減少させる値を外気温が高い時には１より小さくし、また、外気温が低い時には１より大きくしても良い。

機関アイドル状態が長期間継続しても、機関排気系温度が結露をもたらす温度まで低下することがあり、この時もヒータを非通電とすることが好ましい。そのために、機関アイドル運転が開始された時にも、カウント値Ｃを減少させるようにしても良い。この時においてカウント値を減少させる値は、フューエルカット時に比較して小さくすることが好ましく、さらに、フューエルカット時と同様に外気温により変更することが好ましい。また、このヒータ非通電も、機関アイドル運転終了後において機関排気系温度が現在の機関運転状態に対応する温度へ昇温するまでの間は継続し、この間は新たなカウント値Ｃを設定しないことが好ましい。これまで、機関排気系に酸素センサが配置されている場合について説明したが、これは本発明を限定するものではなく、例えば、機関排気系内において圧力センサ等の他のセンサが配置されている場合においても、このセンサが自身を活性化温度へ昇温するためのヒータを有していれば、前述のヒータ制御は有効である。

本発明によるヒータ制御装置が取り付けられる機関排気系の概略図である。 本発明によるヒータ制御を示す第一フローチャートである。 第一フローチャートで使用される設定温度を設定するための第二フローチャートである。 第一フローチャートで使用されるカウント値を算出するための第三フローチャートである。

符号の説明

１…触媒装置
２…上流側酸素センサ
３…下流側酸素センサ

Claims (3)

1. 機関冷却水温が設定温度に達した時に機関排気系に配置された排気ガスセンサを加熱するためのヒータを作動開始する排気ガスセンサのヒータ制御装置において、機関始動時の外気温が外気温閾値より低い時には前記設定温度を高く変更し、機関始動時の機関冷却水温と外気温との温度差が温度差閾値より大きい時には前記設定温度をさらに高く変更する設定温度変更手段を具備することを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
2. 前記外気温を検出するためのセンサ及び前記機関冷却水温を検出するためのセンサの少なくとも一方が異常である時には、機関冷却水温に基づく前記ヒータの作動制御を中止することを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
3. 前記ヒータは前記排気ガスセンサの温度を活性化温度以上に維持するために作動させられ、前記排気ガスセンサが活性化した後にフューエルカット又はアイドル運転により機関排気系温度が低下して機関排気系内に結露が発生する時には前記ヒータの作動を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。

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