JP4591240B2

JP4591240B2 - 排気特性検出装置及び排気センサの加熱方法

Info

Publication number: JP4591240B2
Application number: JP2005197383A
Authority: JP
Inventors: 浩阿部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: JP2007016649A

Description

本発明は、排気センサを活性温度まで加熱する加熱制御に関する。

エンジンの排気通路には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ、酸素濃度を検出するＯ₂センサ等の排気センサが取り付けられている。

排気センサが正常な検出信号を出力するためには、排気センサの温度をその活性温度まで高める必要があるが、排気温で昇温していたのでは時間がかかるため、排気センサをヒータで加熱することが行われている。

また、このように排気センサをヒータで加熱するものにおいては、加熱中の排気センサに排気管内の凝縮水が付着すると、排気センサが素子割れ（ヒートショック）を起こす可能性があるので、排気管内の凝縮水が加熱中の排気センサに付着しないようにする必要がある。この点に関し、特許文献１では、排気管の温度を推定し、排気管の温度が所定温度以上になったところでヒータの作動させることで、ヒートショックの発生を防ぐようにしている。
特開２００３−４９７００公報

しかしながら、特許文献１の制御では、排気管の温度が所定温度以上になるまでヒータが作動しないので、エンジン始動直後は、しばらく排気特性を検出することができず、排気特性の検出結果を利用した制御（例えば、空燃比フィードバック制御）の開始がその分遅れてしまうという問題があった。

また、エンジンの一時停止（アイドルストップ含む）を頻繁に繰り返すハイブリッド車両においては、エンジン停止時に凝縮水が発生する可能性があるが、特許文献１記載の制御では、このようなエンジン停止時に発生する凝縮水は考慮されていない。

本発明は、このような従来技術の技術的課題を鑑みてなされたもので、凝縮水の発生する時期を的確に予測し、凝縮水の発生時期を避けて排気センサの加熱を行うようにすることで、ヒートショックの発生を抑えることを目的とする。

本発明によれば、エンジンを停止したときの排気管の温度が水蒸発温度よりも高い場合は、エンジン停止後に排気管の温度が水蒸発温度より低くなっても加熱装置により排気センサを活性温度まで加熱する。

本発明によれば、排気センサを加熱する機会を増やすことができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明を適用したハイブリッド車両の概略構成を示している。エンジン１の出力回転はクラッチ２を介して変速機３の入力軸３ｉに入力され、変速機３の出力回転は出力ギヤ４、トランスファーユニット５、ドライブシャフト６を介して駆動輪７へと伝達される。

変速機３は、一対の遊星歯車機構３１、３２を組み合わせて構成される。遊星歯車機構３１、３２は背中合わせに配置され、リングギヤＲを共有している。リングギヤＲの外周にはさらにギヤが形成され、これが出力ギヤ４と噛み合っている。

第１の遊星歯車機構３１は、サンギヤＳ１と、複数のピニオンギヤＰ１と、複数のピニオンギヤＰ１を回転自在に支持するキャリアＣ１と、リングギヤＲとで構成される。変速機３の入力軸３ｉはサンギヤＳ１を軸方向に貫通する孔を通り、エンジン１と反対側に配置されるキャリアＣ１に接続されている。一方、第２の遊星歯車機構３２は、サンギヤＳ２と、複数のピニオンギヤＰ２と、複数のピニオンギヤＰ２を回転自在に支持するキャリアＣ２と、リングギヤＲとで構成される。キャリアＣ２には軸３ｆが接続されており、軸３ｆは変速機３のハウジング３ｈに固定され、これによってキャリアＣ２の回転が規制される。

第１の遊星歯車機構３１のサンギヤＳ１はモータ１１によって駆動することができ、また、第２の遊星歯車機構３２のサンギヤＳ２はモータ１２によって駆動することができる。モータ１１、１２は図示しないインバータを介して図示しないバッテリに接続されている。

車両は、エンジン１、モータ１１、１２の駆動力を利用して走行することができ、発進加速時等のエンジン１の効率が低くなる運転状態や、バッテリの充電量に余裕があるときは、エンジン１を一時的に停止し、モータ１１、１２の駆動力のみで走行することもできる。また、信号待ちでの一時停止等でもエンジン１を一時的に停止し（アイドルストップ）、燃料消費量を抑制する。モータ１１、１２は、発電機としても機能し、エンジン１の出力の一部を利用して発電を行い、車両減速時のエネルギを回生することもできる。

図２は、エンジン１の排気システムの概略構成を示したものであり、特に、本発明に関連する部分を中心に示している。

エンジン１の排気ポート４１には、排気マニホールド４２が接続されており、排気マニホールド４２には第１の触媒４３（マニ触媒）が接続されている。第１の触媒４３のさらに下流には第２の触媒４４（床下触媒）が排気通路４５を介して接続されている。触媒４３、４４は、例えば、三元触媒であるが、要求される排気性能に応じて触媒４３、４４をＮＯｘ吸蔵触媒等、三元触媒以外の触媒にしても構わない。

排気マニホールド４２の途中には、排気センサとして空燃比センサ５１が取り付けられており、空燃比センサ５１の出力はコントローラ６０へと出力される。

ここで、空燃比センサ５１が正常な検出信号を出力するためには、空燃比センサ５１の温度を活性温度まで昇温する必要がある。エンジン１の排気熱を利用しても空燃比センサ５１を活性温度まで昇温することは充分可能であるが、活性温度に達するまでの時間を短縮するために、空燃比センサ５１の近傍には加熱用のヒータ５２（加熱装置）が取り付けられている。ヒータ５２は通電抵抗加熱により熱を発生するヒータであるが、燃料を燃焼させて加熱を行うもの等、他の構成のヒータであっても構わない。

コントローラ６０には、図示しないセンサや他のコントローラから、外気温、エンジン１の回転速度、ラジエータファンの作動状態、車速、燃料カットに関する信号等が入力され、これらに基づき、排気マニホールド４２の温度を推定する。そして、推定した排気マニホールド４２の温度やそれまでのエンジン停止履歴等に基づいて、排気マニホールド４２での凝縮水の発生を予測し、凝縮水の発生時期を避けるようにヒータ５２による空燃比センサ５１の加熱を行う。

図３はコントローラ６０が行う排気マニホールドの温度推定のプロセスの概要を示したものである。排気は図中左側を図面手前から奥側に流れているものとする。

排気マニホールド４２の温度Ｔは、排気マニホールド４２内の排気から排気マニホールド４２に伝わる熱量をＱｉｎ、排気マニホールド４２から外気に伝わる熱量をＱｏｕｔとすると、Ｑｉｎは次式（１）で演算される。

Ｑｉｎ＝ｈｉｎ×（Ｔｉｎ−Ｔｚ）・・・（１）
ｈｉｎは、排気マニホールド４２内の排気と排気マニホールド４２の間の熱伝達率であり、エンジン１が回転しているときは、排気が流れているときの熱伝達率（例えば、３０ｋｃａｌ／ｍ²ｈＫ）とし、エンジン１が回転していないときは、排気が止まっているときの熱伝達率（例えば、４ｋｃａｌ／ｍ²ｈＫ）とする。

Ｔｉｎは、排気マニホールド４２内の排気の温度であり、エンジン１が回転しておりかつ燃料噴射中は、アイドル回転時相当の排温（一定値）とし、エンジン１が回転しておりかつ燃料カット中は吸気温に等しいとし、エンジン１が回転していないとき、初期値を吸気温として、エンジン停止時からの経過時間に応じて上昇する値とする。これは、排気マニホールド４２から伝達される熱量により排気マニホールド４２内の排気が加熱されるからである。Ｔｚは排気マニホールド４２の温度（前回値）である。

また、Ｑｏｕｔは次式（２）で演算される。

Ｑｏｕｔ＝ｈｏｕｔ×（Ｔｚ−Ｔｏｕｔ）・・・（２）
ｈｏｕｔは、排気マニホールド４２と外気との間の熱伝達率で、車両が走行中、あるいは、ラジエータファン回転中は、空気が止まっているときの熱伝達率（例えば、１０ｋｃａｌ／ｍ²ｈＫ）とし、車両が停車しており、かつ、ラジエータファンも停止しているときは、空気が止まっているときの熱伝達率（例えば、４ｋｃａｌ／ｍ²ｈＫ）とする。また、Ｔｏｕｔは外気温、Ｔｚは排気マニホールド４２の温度（前回値）である。

以上のようにして排気マニホールド４２内の排気から排気マニホールド４２に伝わる熱量をＱｉｎ、排気マニホールド４２から外気に伝わる熱量をＱｏｕｔを求めたら、排気マニホールド４２の現在の温度は、排気マニホールド４２の質量をＭ（例えば、５ｋｇ）、排気マニホールド４２の構成材料（例えば、鉄）の比熱をＣ（例えば、０．４４２ｋＪ／ｋｇＫ）とし、排気マニホールド４２の温度の前回値をＴｚとすれば、次式（３）により推定することができる。

Ｔ＝（Ｑｉｎ−Ｑｏｕｔ）／｛Ｍ×Ｃ｝＋Ｔｚ・・・（３）
図４は、コントローラ６０が行うセンサ加熱制御の内容を示したフローチャートであり、コントローラ６０において、所定時間ごと（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行される。

これによると、まず、ステップＳ１では、エンジン１の回転速度がゼロよりも高いかどうかを判断することでエンジン１が回転しているかどうかを判断する。エンジン１が回転していると判断されるときはフラグＥＮＧＲＵＮに１をセットし、停止しているときはフラグＥＮＧＲＵＮに０をセットする。

次に、ステップＳ４からＳ７では、エンジン１の停止直後かどうかを判断し、エンジン停止直後でかつ、排気マニホールド４２の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡ（例えば、１００℃）よりも低い場合は、カウンタＣＯＵＮＴをインクリメントする。エンジン１の停止直後かどうかは、フラグＥＮＧＲＵＮが１から０に切り換わることをもって判断する。カウンタＣＯＵＮＴは排気マニホールド４２内での水の凝縮水の発生の程度を示しており、カウンタＣＯＵＮＴが増大するほど排気マニホールド４２内での水の凝縮量が増大する。この実施形態では、カウントＣＯＵＮＴが所定値Ｃ０に達すると発生した凝縮水によってヒートショックが発生する可能性が高いと判断する。

一方、排気マニホールド４２の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡよりも高い状態でエンジン１の停止されたときは、ステップＳ６からステップＳ８へと進み、カウンタＣＯＵＮＴがインクリメントされないようにしている。

ステップＳ８、Ｓ９では、排気マニホールド４２の温度Ｔが、水蒸発温度ＴＡ、水凝縮温度ＴＢ（例えば、０℃）と比較される。水蒸発温度ＴＡよりも高い場合は、凝縮水が発生することがなく、仮に発生しても直ちに蒸発するので、ステップＳ１０に進んでカウンタＣＯＵＮＴに０をセットする。

一方、水凝縮温度ＴＢよりも低い場合は、排気マニホールド４２内の空気や排気の水分が結露し、排気マニホールド４２内に凝縮水が非常に発生しやすい状態にあるといえるので、ステップＳ１１に進んでカウンタＣＯＵＮＴにＣ０をセットする。

ステップＳ１２では、カウンタＣＯＵＮＴがＣ０以上になっているかどうかを判断する。Ｃ０は例えば３前後の値に設定される。カウンタＣＯＵＮＴは、排気マニホールド４２の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡよりも低い状態でエンジン１の停止を繰り返した場合、あるいは、排気マニホールド４２の温度Ｔが水凝縮水温度ＴＢよりも低い場合にＣ０となる。

カウンタＣＯＵＮＴがＣ０以上になっているときは、排気マニホールド４２内に発生した凝縮水によって空燃比センサ５１のヒートショックが起こる可能性があるので、ステップＳ１３に進んでヒータ５２を停止する。これは、活性温度まで昇温した空燃比センサ５１に凝縮水が付着すると素子割れ（ヒートショック）を起こす可能性があり、これを防止するためである。

なお、ここでは、ヒータ５２を停止させているが、ヒータ５２の供給電力を調整することで加熱能力を調整できる場合は、供給電力を下げてヒータ５２による空燃比センサ５１の加熱能力を下げ、空燃比センサ５１を凝縮水が付着してもヒートショックを起こさない程度に加熱するようにしてもよい。

一方、カウンタＣＯＵＮＴがＣ０以上になっていないときは、排気マニホールド４２内にヒートショックを起こすほどの凝縮水は発生していないと考えられるので、ステップＳ１４に進んでヒータ５２を動作させ、空燃比センサ５１を目標温度まで昇温させる。

図５は、上記ハイブリッド車両において、エンジン１の始動、停止が繰り返されたときの様子を示したタイムチャートである。

時刻ｔ１でエンジン１を停止すると、その後、排気マニホールド４２の温度Ｔは時間の経過と共に徐々に低下する。そして、排気マニホールド４２の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡを下回ったところでエンジン１の始動、停止が行われると（時刻ｔ２、ｔ３）、エンジン１が停止されるタイミングでカウンタＣＯＵＮＴが１だけ増加する。

その後、エンジン１の始動、停止が繰り返し行われることでカウンタＣＯＵＮＴが増大し（時刻ｔ４〜ｔ７）、時刻ｔ７のエンジン１の停止でカウンタＣＯＵＮＴが所定値Ｃ０に到達する。

カウンタＣＯＵＴＮが所定値Ｃ０に達すると、エンジン１の停止を繰り返したことで排気マニホールド４２の内部に発生した凝縮水によってヒートショックが起こる可能性が高いので、ヒータ５２への通電を停止し、凝縮水が加熱中の空燃比センサ５１に付着してヒートショックが起こるのを防止する。

続いて、上記制御を行うことによる作用効果について説明する。

本発明によれば、排気マニホールド（排気管）４２の現在の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡよりも高い場合、あるいは、排気マニホールド４２の現在の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡよりも低くても、排気マニホールド４２の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡよりも低い状態でのエンジン１の停止がそれまでに複数回繰り返されていない場合は、ヒータ（加熱装置）５２により空燃比センサ（排気センサ）５１を活性温度まで加熱する。また、排気マニホールド４２の温度が水蒸発温度ＴＡよりも低く、かつ、排気マニホールド４２の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡよりも低い状態でのエンジン１の停止がそれまでに複数回繰り返されている場合は、ヒータ５２の加熱能力を低下あるいは加熱を停止する。

このような加熱制御を行うことにより、排気マニホールド４２の温度Ｔが高いときや、凝縮水が発生しうる状況でのエンジン停止がそれまでに繰り返されていないときは、空燃比センサ５１に凝縮水が付着することによるヒートショックの可能性は低いと判断し、ヒータ５２による加熱が行われる。したがって、ヒートショックの発生を抑えつつ、空燃比センサ５１を加熱する機会を増やし、空燃比センサ５１を活性温度まで昇温するのに要する時間を短縮することができる。

逆に、凝縮水が発生しうる状況でのエンジン停止が繰り返されているときは、ヒートショックが起こる可能性が高いと判断し、ヒータ５２による加熱能力を低下あるいは加熱を停止するので、凝縮水が加熱中の空燃比センサ５１に付着することによるヒートショックを抑えることができる。

また、エンジン１を停止したときの排気マニホールド４２の温度Ｔが水蒸発温度ＴＡよりも高い場合は、その後に水蒸発温度ＴＡよりも低くなったとしても、ヒータ５２により空燃比センサ５１を活性温度まで加熱するようにした。これは、エンジン１を停止したときの排気マニホールド４２の温度が水蒸発温度ＴＡよりも高い場合は、カウンタＣＯＵＮＴが増大されず、その後、排気マニホールド４２の温度Ｔが水凝縮温度ＴＢよりも低くならない限り、Ｃ０に達しないようにしたことによるものである。

これにより、エンジン停止時の排気マニホールド４２の温度Ｔが水蒸発温度よりも高く、その後に排気マニホールド４２の温度が低下しても凝縮水が発生しない状況では、ヒータ５２による加熱が継続され、空燃比センサ５１を加熱する機会をさらに増やすことができる。

また、排気マニホールド４２の現在の温度Ｔが水凝縮温度ＴＢよりも低い状態は、それまでにエンジン１の停止が繰り返されたか等と関係なく、常にヒータ５２の加熱能力を低下あるいは加熱を停止するようにした。これにより、凝縮水が確実に発生するような状況では、ヒータ５２による加熱能力を低下あるいは加熱が確実に停止され、凝縮水によるヒートショックの発生を抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用範囲を上記実施形態の構成に限定する趣旨ではない。

例えば、センサの種類、取付け位置は適宜変更することができる。排気マニホールド４２の温度を推定するようにしているが、排気マニホールド４２に温度センサを取り付け、温度を直接検出するようにしても構わない。また、ここではハイブリッド車両に適用した場合を例にとって説明したが、本発明はエンジンの一時停止（アイドルストップ含む）を行う車両に広く適用できるものである。

本発明を適用したハイブリッド車両の概略構成図である。排気システムの概略構成である。排気マニホールドの温度推定のプロセスの概要を示した図である。センサ加熱制御の内容を示したフローチャートである。エンジンの始動、停止が繰り返されるときの様子を示したタイムチャートである。

符号の説明

１エンジン
３変速機
１１、１２モータ
４２排気マニホールド
４３、４４触媒
５１空燃比センサ（排気センサ）
５２ヒータ（加熱装置）
６０コントローラ（加熱制御手段）

Claims

エンジンの排気管に取り付けられて排気の特性を検出する排気センサと、
前記排気センサを加熱する加熱装置と、
前記エンジンを停止したときの前記排気管の温度が水蒸発温度よりも高い場合は、前記エンジン停止後に前記排気管の温度が水蒸発温度より低くなっても前記加熱装置によって前記排気センサを活性温度まで加熱する加熱制御手段と、
を備えたことを特徴とする排気特性検出装置。
エンジンの排気管に取り付けられて排気の特性を検出する排気センサの加熱方法であって、
前記エンジンを停止したときの前記排気管の温度が水蒸発温度よりも高い場合は、前記エンジン停止後に前記排気管の温度が水蒸発温度より低くなっても加熱装置により前記排気センサを活性温度まで加熱する、
ことを特徴とする排気センサの加熱方法。