JP4802577B2 - 排気センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気通路に設けられる広域空燃比センサやリアＯ₂センサなどの排気センサのヒータを制御する装置に関する。

エンジンの排気通路に設けられる広域空燃比センサやリアＯ₂センサなどの排気センサは一定温度以上になって活性化しないと排ガス成分を検出できない。このような状態ではエミッションコントロールができないので、排気センサにヒータを内蔵し早期に活性化するようにしている。

ところがヒータで加熱中のセンサ素子に排ガス凝縮水が被水すると、素子割れが発生する。そこで特許文献１では触媒に与えられる熱量を始動時から累積して累積熱量を求め、その累積熱量が排ガス凝縮水を気化可能な熱量よりも大きくなった後にヒータの通電を行っている。
特開平９−１８４４４３号公報

しかし、前述した方法の場合では、排気管内に凝縮水が溜まっているときに気化に必要な熱量を正確に判断できないため、凝縮水が残留している可能性があり、未だに素子割れが発生するおそれがある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、排気センサの素子割れを防止する排気センサのヒータ制御装置を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、エンジン（１０）の排気通路（３０）に設けられ、排ガス成分を検出する排気センサ（４０，５０）と、前記排気センサ（４０，５０）に設けられ、センサ素子（４２）を活性化するヒータ（４２ａ）と、前回運転におけるエンジン（１０）の始動から停止までの運転時間を記憶する運転状態記憶手段（ステップＳ２０）と、前記運転状態記憶手段（ステップ２０）に記憶してある前回の運転時間が所定の判定時間未満である場合、今回のエンジン始動時に前記ヒータを通電して予熱制御するヒータ制御手段（ステップＳ６０〜Ｓ８０）とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの前回運転での運転状態に基づいて、今回のエンジン始動時に排気通路に排ガス凝縮水が存在するか否かを判定し、その判定結果に基づいてヒータの通電を制御するようにしたので、排ガス凝縮水によって排ガスセンサの素子割れが生じることを防止することができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による排気センサのヒータ制御装置の第１実施形態を示す概略構成図である。

エンジン１０の吸気通路２０には、スロットル弁２１と燃料噴射弁２２とが設けられ、排気通路３０には、触媒３１が設けられる。エンジン１０はコントローラ７０によって制御される。触媒３１は、触媒雰囲気が理論空燃比付近のときに窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を同時に浄化する三元触媒である。触媒３１の上流側にはフロント広域空燃比センサ（以下「フロントＡ／Ｆセンサ」という）４０が設けられており、下流側にはリアＯ₂センサ５０が設けられている。コントローラ７０は、これらのセンサ出力に基づいて触媒雰囲気が理論空燃比付近になるように、燃料噴射弁２２の燃料噴射量及び噴射時期を制御する。またコントローラ７０は、これらのセンサ出力に基づいて触媒３１が劣化しているか否かを判定する。さらにコントローラ７０はクランク角センサ（ポジションセンサ１２と位相センサ１３からなる）の信号、エアフローメータ２３の吸入空気流量の信号、水温センサ１４の信号、外気温センサ１５の信号を入力し、これらの信号に基づいて燃料噴射弁２２の燃料噴射量及び噴射時期を制御し、また点火プラグ１１による火花点火の時期を制御する。

コントローラ７０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

次に図２を参照してフロントＡ／Ｆセンサ４０の構成について説明する。なおリアＯ₂センサ５０も基本構成は同様であるので、リアＯ₂センサ５０についての説明は省略する。

フロントＡ／Ｆセンサ４０は、ハウジング４１の中心に配置されたセンサ素子４２を有する。センサ素子４２の内部にはヒータ線４２ａが埋め込まれている。センサ素子４２はプロテクタ４３で保護されている。なおプロテクタ４３には排ガスを通流可能な通気孔４３ａが形成されている。フロントＡ／Ｆセンサ４０は、この内蔵ヒータ４２ａの加熱によって早期活性化が図られるとともに、一旦活性化した後は活性状態を維持してセンサ精度を向上する。

ここで本発明のポイントを説明する。排ガスは高温であるので、通常、排ガス中の水分は水蒸気として存在し、液水は存在しない。しかし例えばエンジンが短時間の間に始動停止を繰り返された場合などには、排ガス中の水蒸気が凝縮水になることがある。内蔵ヒータ４２ａで加熱されて活性状態のセンサ素子４２が、この凝縮水に被水すると急激な温度変化が生じてセンサ素子４２が破損するおそれがある。

そこで本発明は、エンジンの前回運転での運転状態に基づいて液水の発生があったか否かを判定し、液水が発生していたときには、その液水にセンサ素子４２が万一被水しても大きな温度変化が生じないように内蔵ヒータ４２ａの加熱量を低下して予熱状態とすることで、センサ素子４２の破損を防止しようとするものである。

以下では、コントローラ７０の具体的な制御について図３のフローチャートに沿って説明する。なお本ルーチンはエンジン始動時に実行される。

ステップＳ１０において、コントローラ７０は、ＲＡＭ内にバックアップデータがクリアされているか否かを判定する。クリアされていなければステップＳ２０へ処理を移し、クリアされていればステップＳ６０へ処理を移す。

ステップＳ２０において、コントローラ７０は、ＲＡＭ内のバックアップデータからエンジンの前回運転における始動から停止までの稼働時間ENGRUNBUを読み込む。

ステップＳ３０において、コントローラ７０は、エンジンの始動時水温WTMPIを読み込む。

ステップＳ４０において、コントローラ７０は、エンジン稼働時間ENGRUNBUがモード変更判定時間CHNMODE1以上であるか否かを判定する。ここにモード変更判定時間CHNMODE1は排気通路中に排ガス凝縮水が存在するか否かを判定するための基準時間である。すなわち鋳物製のエキゾーストマニホールドを使用するエンジンの場合は、稼働時間が７０秒以上であれば排ガス温度が十分高温になり、排気通路に凝縮水が存在しないことが確認されている。そこで鋳物製のエキゾーストマニホールドを使用するエンジンの場合はモード変更判定時間CHNMODE1として７０秒とし、前回運転におけるエンジン稼働時間ENGRUNBUが７０秒以上であれば排気通路に排ガス凝縮水が存在しないと判定する。エンジン稼働時間ENGRUNBUがモード変更判定時間CHNMODE1未満である（すなわち、排気通路に排ガス凝縮水が存在しうる）ときはステップＳ５０へ処理を移し、エンジン稼働時間ENGRUNBUがモード変更判定時間CHNMODE1以上である（すなわち、排気通路に排ガス凝縮水が存在しない）ときはステップＳ７０へ処理を移す。

ステップＳ５０において、コントローラ７０は、エンジンの始動時水温WTMPIがウェットモード判定水温WTMODE1以上であるか否かを判定する。ここにウェットモード判定水温WTMODE1は排気通路中に排ガス凝縮水が存在するか否かを判定するための基準水温である。すなわち鋳物製のエキゾーストマニホールドを使用するエンジンの場合は、始動時の水温が７０℃以上であれば排ガス温度が十分高温になり、排気通路に凝縮水が存在しないことが確認されている。そこで鋳物製のエキゾーストマニホールドを使用するエンジンの場合はウェットモード判定水温WTMODE1として７０℃とし、エンジンの始動時水温WTMPIが７０℃以上であれば排気通路に排ガス凝縮水が存在しないと判定する。エンジンの始動時水温WTMPIがウェットモード判定水温WTMODE1未満である（すなわち、排気通路に排ガス凝縮水が存在しうる）ときはステップＳ６０へ処理を移し、エンジンの始動時水温WTMPIがウェットモード判定水温WTMODE1以上である（すなわち、排気通路に排ガス凝縮水が存在しない）ときはステップＳ７０へ処理を移す。

ステップＳ６０において、コントローラ７０は、ウェットモード処理を行う。このサブルーチンの具体的な内容は後述する。

ステップＳ７０において、コントローラ７０は、ドライモード処理を行う。このサブルーチンの具体的な内容は後述する。

ステップＳ８０において、コントローラ７０は、ウェットモードサブルーチン（Ｓ６０）、ドライモードサブルーチン（Ｓ７０）で求めたDUTYTIME、DUTYVALUEに基づいてフロントＡ／Ｆセンサ４０の内蔵ヒータ４２ａを通電する。

図４はウェットモードサブルーチンのフローチャートである。

ステップＳ６１において、コントローラ７０は、DUTYTIME＝７０秒、DUTYVALUE＝５％と設定する。すなわち排気通路に排ガス凝縮水が存在しうるときは、内蔵ヒータ４２ａが急激に加熱しないようにDUTYVALUEを小さくする。この状態で７０秒予熱することで、エンジンが暖機され排ガス中の水分は液水ではなく水蒸気として存在することとなり、またセンサ素子４２も十分に加熱されることから、素子割れが発生しない状態になる。そしてその後は内蔵ヒータ４２ａを通常通り制御する。

図５はドライモードサブルーチンのフローチャートである。

ステップＳ７１において、コントローラ７０は、エンジンの始動時水温WTMPIが−１２℃未満であるか否かを判定する。−１２℃未満のときはステップＳ７２へ処理を移し、−１２℃以上のときはステップＳ７３へ処理を移す。

ステップＳ７２において、コントローラ７０は、DUTYTIME＝７０秒、DUTYVALUE＝５％と設定する。すなわち始動時水温WTMPIが−１２℃未満であるということは極低温下での始動ということである。この状態で内蔵ヒータ４２ａが急激に加熱しては素子割れを発生する可能性があるので、DUTYVALUEを５％と小さくする。この状態で７０秒予熱すれば、センサ素子４２が十分に加熱され、素子割れの発生しない状態になる。そしてその後は内蔵ヒータ４２ａを通常通り制御する。

ステップＳ７３において、コントローラ７０は、エンジンの始動時水温WTMPIが３℃未満であるか否かを判定する。３℃未満のときはステップＳ７４へ処理を移し、３℃以上のときはステップＳ７５へ処理を移す。

ステップＳ７４において、コントローラ７０は、DUTYTIME＝３０秒、DUTYVALUE＝７％と設定する。すなわち始動時水温WTMPIが−１２℃以上３℃未満であるということは低温下での始動であり、内蔵ヒータ４２ａが急激に加熱しては素子割れを発生する可能性があるので、DUTYVALUEを大きくすることはできない。その一方でセンサを早期に活性化させることで迅速にエミッションコントロールを実施したいという要求がある。そこで両者のバランスを取ってDUTYVALUEは７％とし、この状態で３０秒予熱することでセンサの早期活性化を図るのである。

ステップＳ７５において、コントローラ７０は、エンジンの始動時水温WTMPIが８０℃未満であるか否かを判定する。８０℃未満のときはステップＳ７６へ処理を移し、８０℃以上のときはステップＳ７７へ処理を移す。

ステップＳ７６において、コントローラ７０は、DUTYTIME＝０秒、DUTYVALUE＝１００％と設定する。すなわち始動時水温WTMPIが３℃以上８０℃未満であるということは通常始動である。またステップＳ４０及びステップＳ５０で排気通路に凝縮水が存在しないことが判定されている。そこでこのときは内蔵ヒータ４２ａが急激に加熱しても素子割れを発生しないので予熱は不要である。そこで予熱制御することなく（DUTYTIME＝０秒）、DUTYVALUEを１００％にすることでセンサの早期活性化を図るのである。

ステップＳ７７において、コントローラ７０は、DUTYTIME＝０秒、DUTYVALUE＝６０％と設定する。すなわち始動時水温WTMPIが８０℃以上であるということはホットリスタートである。この場合内蔵ヒータ４２ａで急激に加熱する必要はないので、DUTYVALUEを６０％にとどめる。

本実施形態によれば、エンジンの前回運転での運転状態に基づいて排ガス凝縮水の存在を推定し、その推定に基づいてセンサの内蔵ヒータを制御するようにしたので、センサの素子割れを防止することができる。

また排ガス凝縮水が存在しないときであっても低温始動時には素子割れが発生する可能性があるが、本実施形態ではエンジン水温に基づいてヒータで予熱制御するので、そのような素子割れも生じさせない。

（第２実施形態）
図６は、本発明による排気センサのヒータ制御装置の第２実施形態の制御を示すフローチャートである。

なお以下では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

ステップＳ５１において、コントローラ７０は、排気管壁温TMPETを算出する。この算出方法は公知であるが、概略は次のようにして行う（詳細は例えば特開２００３−４９７００参照）。すなわち始動時の水温WTMPIと外気温TMPOUTとの温度差（絶対値）に基づいて、予め定められたテーブルを参照して補正係数HOSKWを求める。そしてその補正係数HOSKWを外気温TMPOUTに乗算して基本排気管壁温TMPET0を算出する。そして単位時間当たりの排気管壁温上昇代TEXHを推定し、これを積算することで始動後の排気管壁温の変化（総温度上昇代ΣTEXH）を加算することで排気管壁温TMPETを算出（推定）する。

ステップＳ５２において、コントローラ７０は、排気管壁温TMPETがヒータ許可壁温HONTMPET以上であるか否かを判定し、ヒータ許可壁温HONTMPET以上であればステップＳ７０へ処理を移し、ヒータ許可壁温HONTMPET未満であればステップＳ６０へ処理を移す。

そしてステップＳ６０、ステップＳ７０でDUTYTIME、DUTYVALUEを設定する。

そして、ステップＳ８０において、その設定値に基づいてリアＯ₂センサ５０の内蔵ヒータを通電する。

本実施形態によれば、排気管壁温TMPETを推定し、その推定値TMPETに基づいてリアＯ₂センサ５０の内蔵ヒータを通電制御するようにしたので、リアＯ₂センサ５０の素子割れをも防止することができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、上記実施形態は、前回トリップ時の運転状態をエンジン稼働時間ENGRUNBUに基づいて判定しているが、エンジン始動時からの吸入空気量の累積値に基づいてもよい。

本発明による排気センサのヒータ制御装置の第１実施形態を示す概略構成図である。 排気センサの構成図である。 本発明による排気センサのヒータ制御装置の第１実施形態の制御を示すフローチャートである。 ウェットモードサブルーチンのフローチャートである。 ドライモードサブルーチンのフローチャートである。 本発明による排気センサのヒータ制御装置の第２実施形態の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
２０ 吸気通路
３０ 排気通路
４０ フロント広域空燃比センサ（排気センサ）
４２ センサ素子
４２ａ 内蔵ヒータ
５０ リアＯ₂センサ（排気センサ）
７０ コントローラ
ステップＳ２０ 運転状態記憶手段
ステップＳ４０ 液水存在判定手段
ステップＳ５０ 液水存在判定手段
ステップＳ６０、ステップＳ７０、ステップＳ８０ ヒータ制御手段

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に設けられ、排ガス成分を検出する排気センサと、
   前記排気センサに設けられ、センサ素子を活性化するヒータと、
   前回運転におけるエンジンの始動から停止までの運転時間を記憶する運転状態記憶手段と、
   前記運転状態記憶手段に記憶してある前回の運転時間が所定の判定時間未満である場合、今回のエンジン始動時に前記ヒータを通電して予熱制御するヒータ制御手段と、
   を備える排気センサのヒータ制御装置。
2. 前記ヒータ制御手段は、前記運転状態記憶手段に記憶してある前回の運転時間が所定の判定時間未満である場合であっても、エンジンの冷却水温が所定温度よりも高温のときには前記ヒータの予熱制御を行わない
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気センサのヒータ制御装置。
3. 前記ヒータ制御手段は、前記運転状態記憶手段に記憶してある前回の運転時間が所定の判定時間以上である場合であっても、エンジン始動時の冷却水温が所定温度よりも低温のときには前記ヒータの予熱制御を行う
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気センサのヒータ制御装置。
4. 前記排気通路の内壁面の温度を推定する通路内壁温推定手段を備え、
   前記ヒータ制御手段は、排気通路の内壁面の温度にも基づいてヒータを予熱制御する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の排気センサのヒータ制御装置。

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