JP4534616B2 - 酸素センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素センサのヒータ制御装置に関する。

内燃機関の排気中に含まれるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを三元触媒によって浄化する場合には、その転換効率を最大にするため、酸素センサにより排気中の酸素濃度を検出し、この排気中の酸素濃度に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御し、空燃比が理論空燃比となるように制御している。

ところで、排気中の酸素濃度を検出するために用いられる酸素センサは、酸素濃度を検出するために酸素センサの雰囲気温度をある程度まで高めておく必要があり、従来より酸素センサ内にヒータを組み込んでセンサ素子の温度を速やかに上昇させ、酸素センサが活性化（信号を出力する）するまでの時間を短縮し、酸素センサの出力に基づく空燃比制御により排出ガスの浄化を促進させる技術が広く知られている。

また、酸素センサのセンサ素子を活性化させるヒータが所期の状態を維持していないと、酸素センサが活性化されない状況が発生する虞があるため、例えば、特許文献１には、酸素センサのセンサ素子の素子インピーダンスを検知することで、ヒータの劣化診断を行う技術が開示されている。
特開２０００−１９３６３５号公報

しかしながら、特許文献１のように、ヒータの劣化診断をセンサ素子温度と相関のあるセンサ素子インピーダンスから行うと、センサ素子の昇温速度を把握することができない。そのため、ヒータの劣化によりセンサ素子の昇温が極端に遅くなった場合にヒータの異常を検知することができない虞がある。

そのため、例えば、エンジン冷機始動等のセンサ素子が活性化温度に達していない状況において、ヒータによりセンサ素子が活性化するまでの時間が長くなり、その間の排気エミッションが悪化してしまう虞がある。

そこで、本発明の酸素センサのヒータ制御装置は、初期状態のヒータによって、温度範囲Ａ内にある酸素センサを、下限しきい温度から上限しきい温度まで所定の昇温特性で昇温させ、得られた酸素センサの昇温特性を基準昇温特性として記憶しておく基準昇温特性記憶手段と、エンジンが所定の運転状態のときに、ヒータによって、温度範囲Ａ内にある酸素センサを、下限しきい温度から上限しきい温度まで所定の昇温特性で昇温させ、このときの酸素センサの実昇温特性を算出する実昇温特性算出手段と、を備え、基準昇温特性と実昇温特性とに基づいてヒータの劣化を診断することを特徴としている。

本発明によれば、ヒータの劣化診断を酸素センサのセンサ素子の昇温性能から行っているので、ヒータの劣化によりセンサ素子の昇温が極端に遅くなった場合であっても、ヒータの劣化を検知することが可能となり、総じてヒータの劣化診断の精度を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施形態におけるエンジンのシステム構成図であり、エンジン１には、エアクリーナ２、吸気ダクト３、スロットルチャンバ４、吸気マニホールド５を介して空気が供給されている。

スロットルチャンバ４は、スロットルバルブ４ａをスロットルモータ４ａで開閉駆動する構成となっている。吸気マニホールド５のブランチ部には、各気筒毎に燃料噴射弁６に設けられており、燃料噴射弁６から噴射される燃料によって混合気が形成されている。混合気は燃焼室で点火プラグ７による火花点火によって着火燃焼する。点火プラグ７には、それぞれイグニッションコイル８が設けられている。エンジン１から排出される排気ガスは、排気マニホールド９、触媒コンバータ１０、排気ダクト１１、マフラ１２を介して大気中に放出されている。

スロットルモータ４ｂ、燃料噴射弁６及びイグニッションコイル８は、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット２０（以下、ＥＣＵ２０と記す）によって制御されている。ＥＣＵ２０には、各種センサからの検出信号が入力されおり、ＥＣＵ２０はこれら検出信号に基づく演算処理を行い、燃料噴射弁６等に対して制御信号を出力する。

上記の各種センサとしては、スロットルチャンバ４の上流側でエンジン１に吸入空気量を検出するエアフローメータ２１、スロットル開度を検出するスロットルセンサ２２、エンジン１の冷却水温を温度を検出する水温センサ２３、シリンダブロックに設けられ、ノッキング振動を検出するノックセンサ２４、クランク角を検出するクランク角センサ２５、触媒コンバータ１０の上流側で燃焼混合気の空燃比と密接な関係にある排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ２７、エアフローメータ２１と一体的に設けられて吸気温度を検出する吸気温センサ２８等が設けられている。尚、本実施形態においては、クランク角センサ２５の検出信号に基づき、ＥＣＵ２０でエンジン回転速度（回転数）を算出している。

酸素センサ２７は、図２に示すように、排気管内に突出して設けられるセンサ素子としてのジルコニアチューブ３０を有し、このジルコニアチューブ３０の外側の排気ガス中の酸素濃度と、内側の大気中の酸素濃度との差に応じた起電力を発生するものであって、ジルコニアチューブ３０の内側には、素子を加熱し酸素センサ２７を活性化させるためのロッド状のヒータ３１が配置されている。尚、酸素センサ２７は、ジルコニアチューブ型のセンサに限定されるものではなく、例えば特開２００１−１３１０７号公報に開示されるように、ヒータを備えたプレート型のセンサであってもよい。

ＥＣＵ２０は、ヒータ３１への通電を制御する機能を有しており、以下、ＥＣＵ２０によるヒータ３１への通電制御を、図３及び図４のフローチャートを用いて説明する。

尚、図４は、図３内に示すＳ６０のヒータ劣化診断サブルーチンである。また、本実施形態において、運転状態判定手段、高負荷運転継続時間検出手段、運転負荷切替判定手段、としての機能は、図３に示すフローチャートに示すように、ＥＣＵ２０がソフトウエア的に備えている。

図３に示すフローチャートのステップ（以下、単にＳと記す）２では、エンジンスタート時であるか否かを判定し、エンジンスタート時の場合にはＳ４へ進み、すでに運転中であればＳ１０へ進む。ここで、エンジンスタート時であるか否かの判断は、例えば、運転者のエンジンキー操作によりクランキングのためスタータモータに電流が流れている状態の際にはエンジンスタート時と判定し、スタータモータに電流が流れていない状態でクランクシャフトが回転している場合にはエンジンスタート時ではないと判定する。

Ｓ４では、ヒータＯＦＦフラグ＝０とし、Ｓ６に進んでヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始する。つまり、ヒータＯＦＦフラグ＝０となった場合には、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱が開始される。

Ｓ８では、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝０としてＳ１０へ進む。

Ｓ１０では、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝１となっているか否かを判定し、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝１となっている場合にはＳ３７へ進み、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝１となっていない場合にはＳ１２へ進む。

Ｓ１２では、エンジン１が高負荷運転状態であるか否かを判定し、エンジン１が高負荷運転中である場合にはＳ１４へ進み、エンジン１が高負荷運転中ではない場合、すなわち中・低負荷運転中である場合にはＳ２２へ進む。このＳ１２におけるエンジン１の運転状態の判定は、具体的には、エンジン回転数と吸入吸気量とを用いてＥＣＵ２０内部に記憶させてあるマップから運転状態を判定することで実行される。

一方、Ｓ３７においても、Ｓ１２と同様に、エンジン１が高負荷運転状態であるか否かを判定し、エンジン１が高負荷運転中である場合にはＳ３９へ進み、エンジン１が高負荷運転中ではない場合にはＳ３８へ進む。

Ｓ３９では、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝０とし、ディレイ時間カウントをクリアし、タイマーカウント開始し、今回のルーチンを終了する。このＳ３９にて開始されるタイマーのカウントは、実質的には、高負荷運転状態の継続時間を測定するものであり、後述するＳ２４のタイミングでタイマーのカウントを終了するまで続けられる。

Ｓ１４では、ヒータＯＦＦフラグ＝１となっているか否かを判定し、ヒータＯＦＦフラグ＝１となっている場合には今回のルーチンを終了し、ヒータＯＦＦフラグ＝１ではない場合にはＳ１６へ進む。

Ｓ１６では、ヒータＯＦＦフラグ＝１とし、Ｓ１８に進んでヒータ３１への通電を停止し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を中断し、Ｓ２０へ進む。つまり、ヒータＯＦＦフラグ＝１となった場合には、ヒータ３１による酸素センサ２７の中断される。

Ｓ２０では、ＥＣＵ２０内の内部タイマーによるカウントを開始し、今回のルーチンを終了する。尚。Ｓ２０にて開始されるタイマーのカウントは、実質的には、高負荷運転状態の継続時間を測定するものであり、後述するＳ２４のタイミングでタイマーのカウントを終了するまで続けられる。

Ｓ２２では、ヒータＯＦＦフラグ＝１となっているか否かを判定し、ヒータＯＦＦフラグ＝１となっている場合にはＳ２４へ進み、ヒータＯＦＦフラグ＝１ではない場合には今回のルーチンを終了する。ここで、Ｓ２２に関して詳述すれば、Ｓ２２においてヒータＯＦＦフラグ＝１となっている場合とは、エンジンの運転状態が中・低負荷状態にも関わらずヒータ３１に通電されていない状態であり、換言すれば、このＳ２２において、高負荷状態から中・低負荷状態への切り替ったかどうかを判定している。

Ｓ２４では、上述したＳ２０で開始されたタイマーのカウントを終了し、タイマーカウント値を算出する。このタイマーカウント値は、エンジンの高負荷運転状態の持続時間に相当するものである。

Ｓ２６では、Ｓ２４で算出されたタイマーカウント値が、予め設定された所定値以上の値であるか否かを判定し、所定値以上の場合にはＳ３２へ進み、所定値未満の場合にはヒータ劣化診断サブルーチン（詳細は後述）を経てＳ２８へ進む。但し、このヒータ劣化診断サブルーチン内での処理が途中で終了した場合（詳細は後述）には、Ｓ２８ではなく、Ｓ３９へ進む（図３中にはこのときの流れ線を図示せず）ものとする。尚、このＳ２６における判定処理後にタイマーカウント値はクリアされる。

Ｓ２８では、ヒータＯＦＦフラグ＝０とし、Ｓ３０に進んでヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始して今回のルーチンを終了する。ここで、エンジンの高負荷運転状態の持続時間が短い場合には、酸素センサ２７はそれほど高温状態にはなっていないと考えられる。そこで、Ｓ２６では、高負荷運の持続時間が短い場合、すなわちタイマーカウント値が所定値以下の場合には、Ｓ２８へ進み、直ちにヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始しているのである。

Ｓ３２では、タイマーカウント値に基づいてディレイ時間Ｔを算出する。このディレイ時間Ｔは、タイマーカウント値と一義的に関連づけられた値であって、ＥＣＵ２０内部に記憶させてあるテーブルから算出されるものである。詳述すれば、ディレイ時間Ｔは、タイマーカウント値がＳ２６における所定値以上で、かつ予め設定されたリミット値以下の場合には、概ねタイマーカウント値に比例して長くなるよう設定され、タイマーカウント値が上記リミット値よりも大きい場合には、タイマーカウント値の値に関わらず略一定となる。これは、酸素センサ２７の温度は、高負荷運転状態が有る程度持続すると平衡状態となって昇温しなくなると考えられるからである。尚、上記リミット値は、実験適合等によって設定されるものとする。

Ｓ３４では、Ｓ３２で算出されたディレイ時間Ｔの間、ヒータ３１による酸素センサ２７への加熱開始時期を遅延させるべく、このディレイ時間Ｔのカウントを開始する。

Ｓ３６では、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝１としＳ３８へ進む。つまり、ディレイ時間継続カウント中フラグが「１」となっている状態は、運転状態が中・低負荷運転にも関わらず敢えてモータ３１による酸素センサ２７の加熱の開始時期を遅延させていること意味している。

Ｓ３８では、Ｓ３２で算出されたディレイ時間Ｔが経過したか否かを判定し、ディレイ時間Ｔが経過している場合にはＳ４０へ進み、ディレイ時間Ｔが経過していない場合には今回のルーチンを終了する。

Ｓ４０では、Ｓ３２で算出されたディレイ時間Ｔが経過したことに伴い、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝０とし、ディレイ時間カウントをクリアして、ヒータ劣化診断サブルーチン（詳細は後述）を経て４２へ進む。但し、このヒータ劣化診断サブルーチン内での処理が途中で終了した場合（詳細は後述）には、Ｓ４２ではなく、Ｓ３９へ進む（図３中にはこのときの流れ線を図示せず）ものとする。

Ｓ４２では、ヒータＯＦＦフラグ＝０とし、Ｓ４４に進んでヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始する。

次に、図４を用いて、ヒータ劣化診断サブルーチンについて説明する。

まず、Ｓ６１でヒータ劣化診断フラグ＝１とし、Ｓ６２へ進んで酸素センサ２７の温度としてのジルコニアチューブ３０の温度、すなわちセンサ素子温度が酸素センサ下限しきい温度Ｚａに達したか否かを判定する。そして、Ｓ６２でセンサ素子温度が酸素センサ下限しきい温度Ｚａに達していない場合にはＳ６３へ進み、センサ素子温度が酸素センサ下限しきい温度Ｚａに達している場合にはＳ６５へ進む。

センサ素子温度とセンサ素子内部インピーダンスとは図５に示すような相関性があるため、図５のマップ図に相当する情報を予めＥＣＵ２０に記憶させておくことで、センサ素子内部インピーダンスからセンサ素子温度を算出する。

酸素センサ２７は、当該酸素センサ２７の温度（センサ素子温度）が、酸素濃度の検出値が所期の精度要求を満たすように、酸素センサ２７の活性化温度にある所定の温度範囲Ａに収まるようヒータにより加熱されている。温度範囲Ａは、図５に示すように、センサ素子下限温度Ｚｍｉｎとセンサ素子上限温度Ｚｍａｘとによって定義されるものであって、センサ素子下限温度Ｚｍｉｎとセンサ素子上限温度Ｚｍａｘは、使用する酸素センサ２７の規格に応じて設定されるものである。そして、酸素センサ下限しきい温度Ｚａは、センサ素子下限温度Ｚｍｉｎよりも所定温度高い温度であり、後述する酸素センサ上限しきい温度Ｚｂはセンサ素子上限温度Ｚｍａｘよりも所定温度低い温度として、予めＥＣＵ２０に記憶させておくものとする。

Ｓ６３では、エンジン１が高負荷運転状態であるか否かを判定し、エンジン１が高負荷運転中である場合にはＳ６４へ進み、エンジン１が高負荷運転中ではない場合、すなわち中・低負荷運転中である場合にはＳ６２へ戻る。このＳ６３におけるエンジン１の運転状態の判定は、具体的には、エンジン回転数と吸入吸気量とを用いてＥＣＵ２０内部に記憶させてあるマップから運転状態を判定することで実行される。

Ｓ６４では、ヒータ劣化診断フラグ＝０としてＳ３９へ進む。つまり、Ｓ６３で高負荷運転状態と判定された場合は、ヒータ劣化診断サブルーチン内での処理が途中で終了した場合に相当する。

エンジン１の運転状態が中・低負荷状態を継続し、センサ素子温度が酸素センサ下限しきい温度Ｚａに達すると、Ｓ６５にてヒータ３１への通電を開始し、Ｓ６６へ進む。このＳ６５の処理により、ヒータ３１は予め設定された所定の基準デューティ値Ｄで酸素センサ２７を加熱する。換言すれば、所定の昇温特性としての基準デューティ値Ｄでヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始する。

つまり、ヒータＯＦＦフラグ＝１であっても、ヒータ劣化診断フラグ＝１でセンサ素子温度が酸素センサ下限しきい温度Ｚａとなった場合には、ヒータＯＮとなる。換言すれば、本実施形態において、ヒータ３１のＯＮ／ＯＦＦに関して言えば、ヒータ劣化診断フラグがヒータＯＦＦフラグよりも優先度が高いものになっていると言える。

Ｓ６６では、ＥＣＵ２０内の内部タイマーによるカウントを開始し、Ｓ６７へ進む。

Ｓ６７では、エンジン１が高負荷運転状態であるか否かを判定し、エンジン１が高負荷運転中である場合にはＳ６８へ進み、エンジン１が高負荷運転中ではない場合、すなわち中・低負荷運転中である場合にはＳ７０へ進む。このＳ６７におけるエンジン１の運転状態の判定は、上述したＳ６３と同様に判定する。

Ｓ６８では、ヒータ劣化診断フラグ＝０とし、Ｓ６９でへ進んでヒータ３１への通電を停止してＳ３９へ進む。つまり、Ｓ６７で高負荷運転状態と判定された場合が、ヒータ劣化診断サブルーチン内での処理を途中で終了した場合に相当する。

Ｓ７０では、ジルコニアチューブ３０の温度、すなわちセンサ素子温度が酸素センサ上限しきい温度Ｚｂに達したか否かを判定し、センサ素子温度が酸素センサ上限しきい温度Ｚｂに達していない場合にはＳ６７へ戻り、センサ素子温度が酸素センサ上限しきい温度Ｚｂに達した場合にはＳ７１へ進む。

Ｓ７１では、ＥＣＵ２０内の内部タイマーによるカウントを終了し、診断タイマーカウント時間Ｔｓを算出し、Ｓ７２へ進む。換言すれば、このＳ７１では、酸素センサが、基準デューティ値Ｄで酸素センサ下限しきい温度Ｚａから酸素センサ上限しきい温度Ｚｂまで加熱されるまでの時間（診断タイマーカウント時間Ｔｓ）を算出する。

Ｓ７２では、ヒータ劣化診断フラグ＝０とし、Ｓ７３へ進んでヒータ３１への通電を停止してＳ７４へ進む。

Ｓ７４では、診断タイマーカウント時間Ｔｓと第１診断しきい値Ｔ１及び第２診断しきい値Ｔ２との大小関係を比較し、ヒータ３１の劣化診断を実施する。

第１診断しきい値Ｔ１及び第２診断しきい値Ｔ２は、ＥＣＵ２０に予め記憶させている値であり、酸素センサ２７と同じ酸素センサが、基準デューティ値Ｄにより劣化していない初期状態のヒータ（ヒータ３１と同じもの）によって酸素センサ下限しきい温度Ｚａから酸素センサ上限しきい温度Ｚｂまで加熱されるまでの時間Ｔｂａｓｅに対応して実験適合により算出された値である。

すなわち、Ｔｓ＜Ｔ１となる領域がヒータ３１に異常がない領域となり、Ｔ１≦Ｔｓ≦Ｔ２となる領域がヒータ３１のデューティ値を増加させることでヒータ３１で加熱した際の酸素センサ２７の昇温特性を所期の特性（所期の昇温スピード）とすることができる領域となり、Ｔｓ＞Ｔ２となる領域がヒータ３１のデューティ値を変化させてもヒータ３１で加熱した際の酸素センサ２７の昇温特性を所期の特性（所期の昇温スピード）とすることができない領域、となるようＴ１及びＴ２は設定されている。換言すれば、診断タイマーカウント時間Ｔｓと上記時間Ｔｂａｓｅとを比較することで、ヒータ３１の劣化診断を行っているのである。

そして、Ｓ７４にて、診断タイマーカウント時間Ｔｓが第１診断しきい値Ｔ１未満の場合にはＳ７５へ進み、診断タイマーカウント時間Ｔｓが第１診断しきい値Ｔ１以上で第２診断しきい値Ｔ２以下の場合にはＳ７６へ進み、診断タイマーカウント時間Ｔｓが第２診断しきい値Ｔ２よりも大きい場合にはＳ７７へ進む。

Ｓ７５では、ヒータ３１が所期の性能を維持しており、ヒータ３１により酸素センサ２７を加熱した際に所期の昇温特性で酸素センサ２７が温度上昇しているものとして異常無しと判定する。

Ｓ７６では、ヒータ３１により酸素センサ２７を加熱した際の酸素センサ２７の昇温特性が所期の昇温特性ではないが、酸素センサ２７を加熱する際のヒータ３１のデューティ値を補正することによって所期の昇温特性を得られる程度の劣化がヒータ３１にあると判定し（ヒータ劣化有り）、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱時の酸素センサ２７の昇温特性が所期の特性となるようヒータ３１のデューティ値を増量補正する。具体的には、次回のエンジン冷機始動時に、酸素センサ２７の温度が、酸素センサ２７の検出値が所期の精度要求を満たす温度範囲Ａまで速やかに上昇するように、次回のエンジン冷機始動時におけるヒータ３１の初期デューティ値を増量補正する。

Ｓ７７では、ヒータ３１のデューティ値を増量補正しても所期の昇温性能で酸素センサ２７が昇温できないと判定し、ヒータに異常ありとして、警告ランプ等で点灯表示（ＭＩＬ−ＯＮ）し運転者に知らせる。尚、この警告ランプは、整備工場等でヒータを交換した際に消灯するようにしてもよい。

図６は、上述した図３及び図４の制御の流れを模式的に示したものである。基本的には、エンジン１が高負荷運転状態の場合にヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を中断し（ヒータＯＦＦ）、エンジン１が中・低負荷運転の場合にヒータ３１によって酸素センサ２７を加熱する（ヒータＯＮ）ものであるが、高負荷から中・低負荷に移行した際には、直前の高負荷運転の継続時間に応じて決定されるディレイ時間Ｔの経過後にヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始する。すなわち、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱開始時期を遅延させることで、ヒータＯＦＦとなる状態が相対的に長くなる。

さらに、エンジン１が低負荷運転状態あるいはアイドル運転状態のときに、酸素センサ２７のセンサ素子温度を酸素センサ下限しきい温度Ｚａまで低下させ、センサ素子温度が酸素センサ下限しきい温度Ｚａに達した際に所定の基準デューティ値Ｄでヒータ３１による酸素センサの加熱を開始し、このセンサ素子の加熱開始からセンサ素子の温度がセンサ素子上限しきい温度Ｚｂとなるまでの時間Ｔｓを用いてヒータの劣化診断を行っている。

尚、ヒータ劣化診断中のヒータＯＮ時のデューティ値である基準デューティ値Ｄは、ヒータ劣化診断中以外の通常制御時にヒータＯＮする場合のデューティ値とは異なるものであり、通常時制御時におけるヒータＯＮ時のデューティ値に比べて相対的に大きな値に設定されている。

以上説明してきたように、本実施形態においては、高負荷運転により、センサ各部位の温度が高温状態となっているときに、運転状態が中・低負荷運転に切り替わった際には、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を遅延させているので、高温状態の酸素センサ２７がヒータ３１によって更に加熱されてしまうことが防止され、酸素センサ２７の劣化を効果的に抑制することができ、酸素センサ２７の耐用年数を増加させることができる。

また、酸素センサ２７は素子温度が一定以上に保たれていれば、酸素濃度を精度良く検出することができるため、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を遅延させることにより、消費電力を低減することができる。

また、ヒータ３１の劣化診断を酸素センサ２７のセンサ素子の昇温性能から行っているので、ヒータ３１の劣化によりセンサ素子の昇温が極端に遅くなった場合であっても、ヒータ３１の劣化を検知することが可能となり、総じてヒータ３１の劣化診断の精度を向上させることができる。

尚、上述した実施形態においては、ディレイ時間Ｔを、直前の高負荷運転の継続時間に応じて決定しているが、直前の高負荷運転の継続時間と、エンジン回転数を用いて酸素センサ２７の温度を推定し、推定された酸素濃度センサ２７の温度に応じてディレイ時間Ｔを決定するようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、酸素センサの昇温性能を、センサ素子が酸素センサ下限しきい温度Ｚａから酸素センサ上限しきい温度Ｚｂになるまでの時間（診断タイマーカウント時間Ｔｓ）と捉え、診断タイマーカウント時間Ｔｓと、第１診断しきい値Ｔ１及び第２診断しきい値Ｔ２との大小関係を比較し、ヒータ３１の劣化診断を行っているが、これは、換言すると、図６のセンサ劣化診断中の範囲におけるセンサ素子温度の昇温特性線（実昇温特性）、より具体的には図６中の線分ＰＱの傾きと、酸素センサ下限しきい温度Ｚａの酸素センサ（酸素センサ２７と同じもの）を酸素センサ上限しきい温度Ｚｂとなるまで基準デューティ値Ｄで劣化していない初期状態のヒータ（ヒータ３１と同じもの）により加熱することによって得られた酸素センサの基準昇温特性線（基準昇温特性）の傾きと、を比較してヒータ３１の劣化診断を行っているということができる。つまり、上述した所定の昇温特性とは、基準デューティ値Ｄや診断タイマーカウント時間Ｔｓを含んだ概念である。

また、上述した本実施形態においては、ヒータＯＮ時におけるセンサ素子温度の変化の応答遅れを考慮していないが、センサ素子温度の変化の応答遅れを考慮する場合には、例えば、Ｓ６５でヒータＯＮとなってから所定時間経過した後に、内部タイマーによるカウントを開始して診断タイマーカウント時間Ｔｓを算出するようにしてもよい。

さらに、本実施形態においては、図３のフロチャートのＳ２６にてタイマーカウント値が所定値以上でない場合、及びＳ３８にてディレイ時間Ｔが経過した場合には必ずヒータ３１の劣化診断を行うようになっているが、ヒータ３１の劣化診断を行う頻度は適宜設定可能であり、上述した本実施形態のように、必ずしも高負荷運転状態から中・低負荷運転領域に切り替わる毎にヒータ３１の劣化診断を行う必要性はない。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 排気中の酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサを活性化させるために加熱するヒータと、エンジン運転状態を判定する運転状態判定手段と、酸素センサの温度を算出する酸素センサ温度算出手段と、を有し、酸素センサの温度が、酸素センサの活性化状態にある所定の温度範囲Ａに収まるようヒータにより酸素センサを加熱する酸素センサのヒータ制御装置において、初期状態のヒータによって、温度範囲Ａ内にある酸素センサを、下限しきい温度から上限しきい温度まで所定の昇温特性で昇温させ、得られた酸素センサの昇温特性を基準昇温特性として記憶しておく基準昇温特性記憶手段と、エンジンが所定の運転状態のときに、ヒータによって、温度範囲Ａ内にある酸素センサを、下限しきい温度から上限しきい温度まで所定の昇温特性で昇温させ、このときの酸素センサの実昇温特性を算出する実昇温特性算出手段と、を備え、基準昇温特性と実昇温特性とに基づいてヒータの劣化を診断する。これによって、ヒータの劣化診断を酸素センサのセンサ素子の昇温性能から行うことになり、ヒータの劣化によりセンサ素子の昇温が極端に遅くなった場合であっても、ヒータの劣化を検知することが可能となり、総じてヒータの劣化診断の精度を向上させることができる。

（２） 上記（１）に記載の酸素センサのヒータ制御装置において、所定の昇温特性とは、所定の基準デューティ値Ｄである。

（３） 上記（１）または（２）に記載の酸素センサのヒータ制御装置は、具体的には、エンジン運転状態が低負荷運転のときに、実昇温特性算出手段により実昇温特性を算出してヒータの劣化診断を行う。

（４） 上記（１）または（２）に記載の酸素センサのヒータ制御装置は、具体的には、エンジン運転状態がアイドル運転のときに、実昇温特性算出手段により実昇温特性を算出してヒータの劣化診断を行う。

（５） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の酸素センサのヒータ制御装置は、実昇温特性が基準昇温特性と異なる場合にヒータが劣化していると判定し、酸素センサを加熱する際のヒータのデューティ値を増量補正する。

（６） 上記（１）〜（５）のいずれかに記載の酸素センサのヒータ制御装置は、より具体的には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、エンジンの吸入空気量を検出する吸気量検出手段と、を有し、運転状態判定手段は、吸入空気量とエンジン回転数とを用いてエンジンの運転状態を判定している。

（７） 上記（６）に記載の酸素センサのヒータ制御装置は、エンジンの運転状態が高負荷運転の際に、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱するものであって、エンジン高負荷運転状態の継続時間を検知する高負荷運転継続時間検出手段と、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段と、を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、直前の高負荷運転の継続時間に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させる。これによって、高温状態の酸素センサがヒータによって更に加熱されてしまうことが防止され、酸素センサ２の劣化を効果的に抑制することができ、酸素センサの耐用年数を増加させることができる。また、酸素センサは素子温度が一定以上に保たれていれば、酸素濃度を精度良く検出することができるため、ヒータによる酸素センサの加熱を遅延させることにより、消費電力を低減することができる。

（８） 上記（６）に記載の酸素センサのヒータ制御装置は、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱するものであって、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、高負荷運転終了時に酸素センサ温度算出手段により算出された酸素センサの温度に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させる。

（９） 上記（６）に記載の酸素センサのヒータ制御装置は、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱するものであって、エンジン高負荷運転状態の継続時間を検知する高負荷運転継続時間検出手段と、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段と、高負荷運転の継続時間と高負荷運転中のエンジン回転数とを用いて高負荷運転終了時における酸素センサの温度を推定する酸素センサ温度推定手段と、を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、酸素センサ温度推定手段により推定された酸素センサの温度に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させる。

本発明の一実施形態におけるシステム構成を示す説明図。 酸素センサの断面図。 本発明の一実施形態における制御の流れを示すフローチャート。 図３のおけるサブルーチンとなるヒータ劣化診断サブルーチンにおける制御の流れを示すフローチャート。 酸素センサのセンサ素子温度と酸素センサのセンサ素子内部インピーダンスとの相関関係を示すマップ図。 本発明の一実施形態における作用を模式的に示した説明図。

符号の説明

１…エンジン
２０…エンジンコントロールユニット
２７…酸素センサ
３１…ヒータ

Claims (9)

1. 排気中の酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサを活性化させるために加熱するヒータと、エンジン運転状態を判定する運転状態判定手段と、酸素センサの温度を算出する酸素センサ温度算出手段と、を有し、酸素センサの温度が、酸素センサの活性化状態にある所定の温度範囲Ａに収まるようヒータにより酸素センサを加熱する酸素センサのヒータ制御装置において、
   初期状態のヒータによって、温度範囲Ａ内にある酸素センサを、下限しきい温度から上限しきい温度まで所定の昇温特性で昇温させ、得られた酸素センサの昇温特性を基準昇温特性として記憶しておく基準昇温特性記憶手段と、
   エンジンが所定の運転状態のときに、ヒータによって、温度範囲Ａ内にある酸素センサを、下限しきい温度から上限しきい温度まで所定の昇温特性で昇温させ、このときの酸素センサの実昇温特性を算出する実昇温特性算出手段と、を備え、
   基準昇温特性と実昇温特性とに基づいてヒータの劣化を診断することを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置。
2. 所定の昇温特性とは、所定の基準デューティ値Ｄであることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
3. エンジン運転状態が低負荷運転のときに、実昇温特性算出手段により実昇温特性を算出してヒータの劣化診断を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
4. エンジン運転状態がアイドル運転のときに、実昇温特性算出手段により実昇温特性を算出してヒータの劣化診断を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
5. 実昇温特性が基準昇温特性と異なる場合には、ヒータが劣化していると判定し、酸素センサを加熱する際のヒータのデューティ値を増量補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸素センサのヒータ制御装置。
6. 酸素センサのヒータ制御装置は、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、エンジンの吸入空気量を検出する吸気量検出手段と、を有し、運転状態判定手段は、吸入空気量とエンジン回転数とを用いてエンジンの運転状態を判定していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸素センサのヒータ制御装置。
7. 酸素センサのヒータ制御装置は、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱するものであって、
   エンジン高負荷運転状態の継続時間を検知する高負荷運転継続時間検出手段と、
   エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段と、を有し、
   エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、直前の高負荷運転の継続時間に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させることを特徴とする請求項６に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
8. 酸素センサのヒータ制御装置は、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱するものであって、
   エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段を有し、
   エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、高負荷運転終了時に酸素センサ温度算出手段により算出された酸素センサの温度に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させることを特徴とする請求項６に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
9. 酸素センサのヒータ制御装置は、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱するものであって、
   エンジン高負荷運転状態の継続時間を検知する高負荷運転継続時間検出手段と、
   エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段と、
   高負荷運転の継続時間と高負荷運転中のエンジン回転数とを用いて高負荷運転終了時における酸素センサの温度を推定する酸素センサ温度推定手段と、を有し、
   エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、酸素センサ温度推定手段により推定された酸素センサの温度に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させることを特徴とする請求項６に記載の酸素センサのヒータ制御装置。

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