JP4983726B2

JP4983726B2 - ガス濃度センサの暖機制御装置

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Publication number: JP4983726B2
Application number: JP2008141065A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: JP2009288082A

Description

本発明はガス濃度センサの暖機制御装置に係り、特に、検出対象となる被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するガス濃度センサの暖機制御装置に関する。

内燃機関においては、その排気系に、排気ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度センサが設けられている。かかるガス濃度センサとしては、排気空燃比を実質的に検出するため、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサがよく知られている。酸素センサは空燃比センサとも呼ばれ、これには所謂リニアＡ／ＦセンサやＯ２センサが含まれる。他方、排気ガス中の窒素酸化物、即ちＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサが公知であり、このＮＯｘセンサは、例えばディーゼルエンジンにおける選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化システム（例えば尿素ＳＣＲシステム）において、ＮＯｘ触媒の下流側に配設され、その検出ＮＯｘ濃度がＮＯｘ触媒に対する還元剤添加量の制御等に利用される。

ＮＯｘセンサは一般に、その検出素子部にポンプセル、モニタセル及びセンサセルの３セルを有する構造である。ポンプセルは、検出素子部内の第１チャンバに導入された排気ガスから酸素を排出し、或いは汲み出す。またモニタセルは、第１チャンバから第２チャンバに送られたガスの酸素濃度を検出し、センサセルは、第２チャンバ内のガスのＮＯｘ濃度に見合った出力を発する。

かかるＮＯｘセンサは、その検出素子部が高温となって活性化していないと正常な出力を発することができない。そこで排気ガスの熱や内蔵ヒータを用いて検出素子部が加熱、暖機され、検出素子部が活性化した後にセンサの出力を利用するようにしている。

例えば内燃機関及びセンサが冷間状態にあるときに内燃機関が始動された場合、センサの検出素子部を速やかに活性化させるべく、暖機制御が実行される。一般的には、検出素子部の所定のセルのインピーダンスが検出され、この検出インピーダンスが当該セルの高温活性時相当の目標値になるように、ヒータが通電制御される。

なお、特許文献１には、単セル且つコップ型構造である酸素センサのヒータ制御装置が開示されており、これはセンサの早期活性化とヒータの断線防止を目的として、次のようなヒータ制御を実施している。即ち、ヒータの通電開始からヒータの抵抗値が所定の初期値になるまではヒータに全電力を供給し、ヒータ抵抗値が初期値に達すると、酸素センサの内部抵抗が目標温度相当の値に達するまで、ヒータへの通電をフィードバック制御する。さらに、酸素センサの内部抵抗が目標温度相当の値に達した後は、酸素センサの素子温が目標値になるようにヒータへの通電をフィードバック制御する。

特開平８−２７８２７９号公報

ところで、ＮＯｘセンサのような多セル構造のセンサにおいて、前述の一般的な暖機制御、即ち所定セルの検出インピーダンスを目標値にするようなヒータ制御を採用すると、次のような問題がある。

近年では、例えば自動車分野におけるエミッション規制（SULEV、EURO6等）の強化等に伴い、センサに高精度な検出性能、即ち低いガス濃度を確実に識別する能力が求められてきている。一方、セルの出力はセルの温度に応じて変化するため、セルの出力を利用する際はセルの温度を高精度で目標値に保つ必要がある。セル温度が高いほどセルインピーダンスが低下するという相関関係があることから、一般的にはセルインピーダンスを検出することによりセル温度を間接的に検出している。

センサ暖機制御時においては、所定セルの検出インピーダンスが当該セルの高温活性時相当の目標値になるようにヒータが制御される。しかし、冷間始動後のセンサ暖機過程では、センサ全体が冷えており、排ガス温度や周囲の排気管等の温度も低いため、センサ全体における温度分布差が大きく、各セルの温度がばらついている。よって所定セルの検出インピーダンスが目標値に達してセンサが活性化したと判断し、ガス濃度検出を開始しても、他のセルが目標温度に達しているとは限らず、活性判定直後付近において他のセルが目標温度に達するまでの間で、検出精度が低下するという問題がある。

また、セルの検出インピーダンスとしては、セル自体のインピーダンスに、セルとＥＣＵを結ぶリード部のインピーダンス（抵抗）を加えた値が検出されてしまう。セルのインピーダンスはセル温が高いほど低いが、リード部のインピーダンスはリード部の温度が高いほど高いという逆の関係にある。よって活性判定直後付近において見掛け上の検出セルインピーダンスを一定に制御したとしても、リード部が十分暖まってそのインピーダンスが安定するまでの間、セル温は上昇し続け、このセル温変化により検出精度が低下するという問題がある。

そこで、本発明はかかる実状に鑑みて創案されたものであり、その目的は、活性判定直後付近におけるガス濃度センサの検出精度を向上することができるガス濃度センサの暖機制御装置を提供することにある。

本発明によれば、
固体電解質を一対の電極で挟んでなるセルを検出素子部に複数有し、前記検出素子部にヒータを有するガス濃度センサの暖機制御装置であって、
前記複数のセルのうちの所定のセルのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記ヒータの抵抗を検出するヒータ抵抗検出手段と、
前記検出されたヒータ抵抗が所定の目標値に達するまでは、その検出されたヒータ抵抗が前記目標値に近づくように前記ヒータに電力を供給し、前記検出されたヒータ抵抗が前記目標値に達した後は、前記検出されたインピーダンスが所定値に維持されるように前記ヒータへの供給電力を制御するヒータ制御手段と
を備えたことを特徴とするガス濃度センサの暖機制御装置が提供される。

ヒータ抵抗はヒータ温度と相関する値であり、ヒータ抵抗が目標値に達した後は、ヒータが十分高温でセンサの検出素子部全体が十分暖まっており、全てのセルが十分な暖機状態になっているとみなすことができる。またリード部の少なくともセンサ側の部分の温度やインピーダンスも安定しており、さらに各セルとリード部の温度差も小さくなっている。よって本発明に係る暖機制御を実行することにより、活性判定直後付近におけるセル温度変化を抑制し、ガス濃度センサの検出精度を向上することができる。

好ましくは、前記検出されたインピーダンスが前記所定値に最初に達した時よりも遅い時点で、前記検出されたヒータ抵抗が前記目標値に達するように、前記ヒータ抵抗の目標値が設定されている。

好ましくは、前記ガス濃度センサが、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを有するＮＯｘセンサである。

好ましくは、前記所定のセルがモニタセルである。

本発明によれば、活性判定直後付近におけるガス濃度センサの検出精度を向上することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明が適用される内燃機関のシステム図である。図中、１０は、自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。

エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。

排気通路１５には、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒、特に選択還元型ＮＯｘ触媒３４が設けられている。なお排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒や、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するＤＰＲ（Diesel Particulate Reduction）触媒が追加して設けられてもよい。また、ＮＯｘ触媒３４に還元剤としての尿素水を添加するための尿素添加装置４８が設けられている。具体的には、ＮＯｘ触媒３４の上流側の排気通路１５に、尿素水を噴射するための尿素添加弁４０が設けられている。尿素添加弁４０には供給ライン４１を通じて尿素供給ポンプ４２から尿素水が供給され、尿素供給ポンプ４２は尿素タンク４４に貯留された尿素水を吸引して吐出する。

また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく、尿素添加弁４０及び尿素供給ポンプ４２を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、ＮＯｘ触媒３４の下流側に設けられたＮＯｘセンサ５０、ＮＯｘ触媒３４の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４が含まれる。ＮＯｘセンサ５０は排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力信号を発する所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。その構造については後に詳しく述べる。

他のセンサ類として、クランク角センサ２６、アクセル開度センサ２７及びエンジンスイッチ２８がＥＣＵ１００に接続されている。クランク角センサ２６はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１０のクランク角を検出すると共に、エンジン１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ２７は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。エンジンスイッチ２８はユーザによってエンジン始動時にオン、エンジン停止時にオフされる。

選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）３４は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５／ＷＯ_３／ＴｉＯ_２）を担持させたもの等が例示できる。選択還元型ＮＯｘ触媒３４は、その触媒温度が活性温度域にあり、且つ、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化する。尿素が触媒に添加されると、触媒上でアンモニアが生成され、このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。

ＮＯｘ触媒３４の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。

ＮＯｘ触媒３４に対する尿素添加量は、ＮＯｘセンサ５０により検出されるＮＯｘ濃度に基づき制御される。具体的には、検出ＮＯｘ濃度の値が常にゼロになるように尿素添加弁４０からの尿素噴射量が制御される。この場合、検出ＮＯｘ濃度の値のみに基づいて尿素噴射量を設定してもよいし、或いは、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいてＮＯｘ濃度をゼロとするような基本尿素噴射量を設定し、且つ、この基本尿素噴射量を検出ＮＯｘ濃度の値がゼロになるようにフィードバック補正してもよい。ＮＯｘ触媒３４が尿素添加時のみＮＯｘを還元可能なので、基本的に尿素は、エンジン運転中且つ燃料噴射実行時に常時添加される。また、ＮＯｘ還元に必要な最小限の量しか尿素が添加されないよう、制御が行われる。過剰に尿素を添加するとアンモニアが触媒下流に排出されてしまい（所謂ＮＨ_３スリップ）、異臭等の原因となるからである。

次に、ＮＯｘセンサ５０の詳細について説明する。図２〜図４にはＮＯｘセンサ５０の検出素子部の構造を示す。なお図３には図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示し、図４には図２のＩＶ−ＩＶ断面を概略的に示す。

ＮＯｘセンサ５０は、ポンプセルＰ、モニタセルＭ及びセンサセルＳという３つのセルを有する多セル構造であると共に、複数のシート状材料を積層してなる多層型センサである。本実施形態のＮＯｘセンサ５０は排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出すると同時に、排気ガス中の酸素濃度をも検出可能ないわゆる複合型センサとして構成されている。

ＮＯｘセンサ５０においては、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性材料からなる一対のシート状の固体電解質５１，５２が、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ５３を介して上下方向に積層されている。このうち上側の固体電解質５１にはピンホール５４が形成されており、このピンホール５４を通じてセンサ周囲の排気ガス（被検出ガス）が第１チャンバ５５内に導入される。第１チャンバ５５は、ガス速度を律速するための律速通路、具体的には絞り５６を介して、第２チャンバ５７に連通されている。またピンホール５４の入口は多孔質拡散層５８で覆われ、センサ外部から第１チャンバ５５に排気ガスが導入されるときのガス速度が律速されるようになっている。

下側の固体電解質５２には、第１チャンバ５５内に臨むようにしてポンプセルＰが設けられており、ポンプセルＰは、第１チャンバ５５内に導入した排気ガス中の酸素を排出する或いは汲み出す働きをすると共に、酸素排出の際に排気ガス中の酸素濃度を検出する。ポンプセルＰは、下側の固体電解質５２と、これを挟んで対向配置された一対の電極５９，６０から構成され、特に第１チャンバ５５内に位置する上側の電極（ポンプセル電極）５９はＮＯｘに対して概ね不活性の電極となっている。ポンプセルＰは、第１チャンバ５５内に存在する酸素を分解して下側の電極６０より大気通路６１に排出する。

また、上側の固体電解質５１には、第２チャンバ５７内に臨むようにしてモニタセルＭ及びセンサセルＳが設けられている。モニタセルＭは、第２チャンバ５７内の酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴う電流を発生する。他方センサセルＳは、第２チャンバ５７内のガス中のＮＯｘ濃度に応じた電流を発生する。

本実施形態では、図３及び図４に示すように、第１チャンバ５５から第２チャンバ５７へと向かう排気ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセルＭ及びセンサセルＳが並列に配置されると共に、これらセルＭ，Ｓの、上側の大気通路６２内に位置する電極が共通電極６３となっている。即ちモニタセルＭは、上側の固体電解質５１とこれを挟んで対向配置された一対の電極即ち電極（モニタセル電極）６４及び共通電極６３とにより構成され、センサセルＳは、同じく上側の固体電解質５１とこれを挟んで対向配置された一対の電極即ち電極（センサセル電極）６５及び共通電極６３とにより構成されている。

下側の固体電解質５２の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層６６が設けられ、この絶縁層６６により前記大気通路６１が区画形成されている。この絶縁層６６には、検出素子部全体を加熱するためのヒータ６７が埋設されている。このヒータ７９はＥＣＵ１００により後述の如く通電制御される。

第１チャンバ５５内に位置するポンプセル電極５９と、第２チャンバ５７内に位置するモニタセル電極６４とは、ＮＯｘを還元若しくは分解し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い材料から構成されている。本実施形態の場合、これら電極５９，６４は、金Ａｕと白金Ｐｔとセラミックスのサーメットからなる。一方、第２チャンバ５７内のセンサセル電極６５は、ＮＯｘを還元若しくは分解し得る触媒能を有し又はその触媒能が高い材料を含む。本実施形態の場合、センサセル電極６５は、ロジウムＲｈと白金ＰｔとセラミックスとしてのジルコニアＺｒＯ_２からなる多孔質サーメットから構成され、このうちロジウムＲｈがＮＯｘ、特にＮＯをも還元し得る高いＮＯｘ触媒能を発揮する材料をなす。

排気ガスは多孔質拡散層５８及びピンホール５４を通って第１チャンバ５５に導入される。そしてこの排気ガスがポンプセルＰを通過する際、その電極５９，６０間にポンプセル電圧Ｖｐを印加することで、第１チャンバ５５内の酸素Ｏ_２がポンプセル電極５９と接触して酸素イオンＯ^２−となる。この酸素イオンＯ^２−は、下側の固体電解質５２を通じて他方の電極６０に向かって流れる。したがって、第１チャンバ５５内の排気ガスに含まれる酸素が大気通路６１に排出されることになる。なおポンプセルＰに流れた電流（ポンプセル電流Ｉｐ）により排気ガスの酸素濃度ひいては空燃比が検出される。ポンプセル電極５９により、排気ガス中のＮＯ_２がＮＯに還元されることはあるものの、ＮＯはそれ以上還元されない。したがって第１チャンバ５５内ではＮＯｘがＮＯにほぼ単ガス化され、このＮＯｘを含む排気ガスが絞り５６を通じて第２チャンバ５７内に導入される。

第２チャンバ５７内において、モニタセルＭでは、排気ガスの酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセルＭの出力は、その電極６４，６３間に所定の電圧（モニタセル電圧Ｖｍ）を印加することで、モニタセル電流Ｉｍとして検出される。従ってこのモニタセル電流Ｉｍが第２チャンバ５７内の酸素濃度を示すこととなる。他方、センサセルＳでは、その電極６５，６３間に所定の電圧（センサセル電圧Ｖｓ）を印加することで、ガス中のＮＯｘ（殆どがＮＯである）が還元分解され、分解後の酸素Ｏ_２がセンサセル電極６５と接触して酸素イオンＯ^２−となり、この酸素イオンＯ^２−が上側の固体電解質５１を通じて共通電極６３に向かって流れ、酸素Ｏ_２となって大気通路６２に排出される。これに加え、センサセルＳでは、ポンプセルＰと同様の原理で、第２チャンバ５７内の酸素Ｏ_２を分解し酸素イオンＯ^２−として共通電極６３に導いて大気通路６２に排出する。したがってセンサセルＳには、第２チャンバ５７内のＮＯｘ濃度と酸素濃度との合計濃度に応じた分解電流（センサセル電流Ｉｓ）が流れることとなる。

ポンプセル電圧Ｖｐは、第２チャンバ５７内の酸素濃度が低濃度の所定値（例えば０．０１ｐｐｍ）となるように、言い換えればモニタセル電流Ｉｍがその所定濃度に対応した所定値となるように、モニタセル電流Ｉｍに基づいてＥＣＵ１００によりフィードバック制御される。このときポンプセル電圧Ｖｐが高いほど、第１チャンバ５５から排出される酸素量は多くなり、逆にポンプセル電圧Ｖｐが低いほど、第１チャンバ５５から排出される酸素量は少なくなる。こうして第２チャンバ５７内の酸素濃度は低濃度の一定値に制御されることとなる。

また、モニタセルＭにおいて、第２チャンバ５７内の酸素濃度に応じたモニタセル電流Ｉｍが流れ、センサセルＳにおいて、第２チャンバ５７内のＮＯｘ濃度と酸素濃度との合計濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓが流れる。ＥＣＵ１００は、これら電流値Ｉｍ，Ｉｓを取得すると共にセンサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍを減算し、その差Ｉｘ（＝Ｉｓ−Ｉｍ）をＮＯｘセンサ５０の出力（出力電流）として求めると共に、当該出力Ｉｘに基づいて所定のマップ（関数でもよい。以下同様。）からＮＯｘ濃度を求める。

なお、第２チャンバ５７内の酸素濃度が低濃度の一定値であること、センサセル電流Ｉｓに含まれる酸素分が少ないと考えられること等から、センサセル電流Ｉｓ自身をＮＯｘセンサ出力Ｉｘとしてもよいし、センサセル電流Ｉｓから予め定められた一定値を減じてＮＯｘセンサ出力Ｉｘとしてもよい。

モニタセルＭとセンサセルＳは、電極６４，６５におけるＮＯｘ触媒能の有無の違い（即ち材質の違い）を除けばほぼ同様に構成されている。具体的には、両電極６４，６５とも第２チャンバ５７内に設置されており、また図３及び図４からも分かるように、両電極６４，６５は面積、形状も等しい。加えて、両電極６４，６５は第２チャンバ５７内に並列配置されており、第２チャンバ５７の入口である絞り５６から等距離に位置されている。結果的に、モニタセルＭとセンサセルＳは感度が同等になり、同等の特性を有することとなる。なお、両電極６４，６５は第２チャンバ５７内に直列配置することも可能である。例えばモニタセル電極６４を絞り５６に近い上流側に、センサセル電極６５を絞り５６から遠い下流側に配置してもよい。また両セルに対して共通電極６３を用いずに個別の電極を用いることも可能である。

これとは対照的に、ポンプセルＰとセンサセルＳでは互いに特性等が異なるのが明らかである。例えば両セルの電極５９，６５は材質のみならず、設置チャンバが異なり、面積も異なる。ポンプセル電極５９はセンサセル電極６５よりかなり大きく形成されている。

次に、ＮＯｘセンサの暖機制御について説明する。

従来の暖機制御では、三つのセルのうちの所定のセル、例えば代表セルとしてのモニタセルＭのインピーダンスが検出されると共に、この検出インピーダンスが、当該モニタセルＭの高温活性時相当の目標値になるように、ヒータ６７がＥＣＵ１００によって通電制御されていた。即ち、エンジンの冷間始動後においてヒータ６７を通電すると、モニタセルＭの温度が次第に上昇し、図５に示すようにモニタセルＭの検出インピーダンスａが低下していく。そしてモニタセルＭの検出インピーダンスが活性時相当の十分小さい目標値Ｚｔに達するまでは、ヒータ６７に最大電力の１００％デューティが供給される。さらにモニタセルＭの検出インピーダンスが目標値Ｚｔに達したと同時に（時刻ｔ１）、検出インピーダンスをその目標値Ｚｔに維持するよう、検出インピーダンスに基づきヒータ６７への供給電力、具体的にはデューティの値がフィードバック制御される。検出インピーダンスが目標値Ｚｔに達したと同時にセンサが活性化したと判定され、センサの出力電流Ｉｘが利用される。

しかし、前述したように、エンジンの冷間始動後におけるセンサ暖機過程では、センサ全体が冷えており、排ガス温度や周囲の排気管等の温度も低い。そのためセンサ全体における温度分布差が大きく、各セルの温度がばらついている。よって従来の暖機制御のように、モニタセルＭのみの検出インピーダンスに基づいて活性判定するやり方では、活性判定時に他のポンプセルＰ及びセンサセルＳが目標温度に達しているとは限らず、他のセルが目標温度に達するまでの間で検出精度が低下するという問題がある。この検出精度の低下は特に低いガス濃度を検出するＮＯｘセンサ５０では問題となる。

また、かかる従来の暖機制御によると、センサの活性判定時ｔ１から暫くの間、実際のモニタセルＭの温度が変化してしまうという問題がある。

前述したように、モニタセルＭの検出インピーダンスとしては、モニタセル自体の真のインピーダンスに、モニタセルとＥＣＵ１００を結ぶリード部７０（図４参照）のインピーダンス（抵抗）を加えた値が検出されてしまう。モニタセルＭの真のインピーダンスはモニタセルＭの温度が高いほど低いが、リード部７０のインピーダンスはリード部７０の温度が高いほど高いという逆の関係にある。よってセンサ暖機過程において、図５に示すように、真のモニタセルインピーダンスｂが徐々に低下していく一方で、リード部インピーダンスｃは徐々に上昇していく。見掛け上の検出セルインピーダンスａが目標値Ｚｔに達し、その後目標値Ｚｔに維持されたとしても、その目標値到達時点ｔ１から、リード部７０が十分暖まってそのインピーダンスｃが安定するまでの間、モニタセル温度は上昇し続け（真のモニタセルインピーダンスｂは低下し続け）、その間でセンサの検出精度が低下するという問題がある。

なお、ここでは代表セルをモニタセルＭとして説明したが、他のポンプセルＰ又はセンサセルＳとしても同じことが言える。

図６には、モニタセルＭの検出インピーダンスａ、真のインピーダンスｂ及びリード部インピーダンスｃの温度特性を示す。図示するように、モニタセルＭの真のインピーダンスｂはモニタセルＭの温度が高くなるにつれ徐々に低下し、リード部７０のインピーダンスｃはリード部７０の温度が高くなるにつれ比例的に増加する。これらモニタセルＭの真のインピーダンスｂとリード部７０のインピーダンスｃとの和がモニタセルＭの検出インピーダンスａとなる。

ここで、モニタセルＭのインピーダンス検出方法を説明する。この検出はＥＣＵ１００により、いわゆる掃引法なる方法で実行される。図７に示すように、モニタセルＭに印加される電圧Ｖｍを、所定時間（例えば１００μｓ）毎に、単発的且つ瞬時的にΔＶｍだけ変化させ（つまり交流電圧を瞬間的に印加し）、この電圧変化に応答して表れるモニタセルＭの電流Ｉｍ（交流電流）の変化量ΔＩｍを検出する。そしてここでは前者を後者で割った値Ｚ＝ΔＶｍ／ΔＩｍを簡略的にインピーダンスの値として扱う。交流電圧と交流電流との間には、交流電圧の周波数に応じて変化する位相差があり、通常交流電流は交流電圧より僅かに遅れる。本実施形態では、この位相差ができるだけ少なくなるような周波数を選択して用いる。この周波数の値は例えば１〜１０ｋＨｚの範囲内にある値である。なお、ＥＣＵ１００は、かかるインピーダンス検出とは別のタイミングで、所定のサンプリング周期τ毎に、モニタセルＭ及びセンサセルＳの電圧値及び電流値を検出し、これら電圧値及び電流値に基づいて酸素濃度やＮＯｘ濃度を検出するようにしている。

かかる交流電圧の印加や交流電流の取得は、ＥＣＵ１００により、リード部７０を介して行われる。リード部７０はセンサ側におけるリードパターン、コード、コネクタのほか、センサ外部でセンサ５０とＥＣＵ１００を接続するワイヤハーネス等を含み、比較的長距離に亘るものである。よってその温度は環境温度に依存しやすく、冷間始動後は特に、ヒータ６７で加熱される各セルの温度と比べて温度上昇しづらい傾向にある。

図８には、（Ａ）従来の活性判定時ｔ１と、（Ｂ）その後のセンサの完全暖機時（つまりセンサ全体が暖まった時）とで、モニタセル温度と検出インピーダンスの内訳とがどのように変化していくかを示す。活性判定時ｔ１以降、検出インピーダンスが一定値に制御されるが、リード部７０が活性判定時ｔ１にまだ十分暖まっておらずその後温度上昇するので、リード部インピーダンスが増加する。よってその増加分、モニタセルの真のインピーダンスが低下し、モニタセルの温度が上昇する。検出インピーダンスに占めるモニタセルの真のインピーダンスの割合は、活性判定時ｔ１より完全暖機時の方が少なく、よって検出インピーダンス一定でもモニタセル温度は活性判定時ｔ１より完全暖機時の方が高くなる。これらのことから、モニタセルの温度が活性判定時ｔ１とその後で異なることが理解されよう。

こうした従来の暖機制御における課題を解決するため、本実施形態ではＥＣＵ１００により次のような暖機制御を実行する。

従来の暖機制御の欠点は、特定の代表セルの検出インピーダンスのみに基づいてヒータ制御や活性判定を行う点にある。即ち、特定の代表セルの検出インピーダンスに基づくからこそ、その代表セルと他のセルとで活性判定時の暖機状態が異なることがあり、また、代表セル自身においても真のインピーダンス即ちセル温度を把握できないことから、活性判定時以降にセル温度が変化してしまうのである。

そこで、本実施形態の暖機制御では、特定の代表セルの検出インピーダンスではなく、ヒータ６７の温度、具体的にはその抵抗値に基づいて、ヒータ制御や活性判定を行う。ヒータ温度は検出素子部全体の温度と相関性がよく、ヒータ６７が十分暖まっていれば、検出素子部全体が十分暖まっており、全てのセルが暖機状態になっているとみなすことができ、またリード部７０の少なくともセンサ側の部分の温度やインピーダンス（抵抗）も安定している。さらに各セルとリード部７０の温度差も小さくなっている。よって、ヒータ６７の温度と相関性を有するヒータ６７の抵抗を検出し、この検出されたヒータ抵抗に基づいてヒータ制御を行う。なお、ヒータ６７の温度が高くなるほどヒータ６７の抵抗も高くなる。

ヒータ６７に対する通電制御は、定電圧（典型的にはバッテリ電圧、例えば１２（Ｖ））を用いたデューティ制御によってなされる。またヒータ抵抗の検出は、１００％デューティの電力をヒータ６７に供給したときにヒータ６７に流れる電流を検出することによりなされる。ヒータ抵抗をＲｈ、供給電圧をＶｈ、検出電流をＩｈとすると、ヒータ抵抗はＲｈ＝Ｖｈ／Ｉｈから算出される。

図５に示すように、暖機制御開始時以降、ヒータ６７には電力が供給され、これに伴ってヒータ温度及びヒータ抵抗ｄが上昇し、ヒータ電流ｅは低下していく。このとき、検出されたヒータ抵抗ｄが、目標温度（約７００〜７５０℃）相当の所定の目標値ＲｈＬに近づくよう、ヒータへの供給電力が制御され、より具体的には検出されたヒータ抵抗ｄに基づいてヒータ６７への供給電力（デューティ）がフィードバック制御される。この際、検出されたヒータ抵抗ｄと目標値ＲｈＬとの差が大きいとき（所定値以上であるとき）には最大電力（１００％デューティ）を供給するのが好ましい。そして、検出されたヒータ抵抗ｄが目標値ＲｈＬに達したならば（時刻ｔ２）、これと同時に、或いはこの後の所定時点において、活性判定を行い、且つ、暖機制御を、モニタセルの検出インピーダンスに基づくフィードバック制御に切り替える。即ち従来同様、モニタセルの検出インピーダンスａが所定の目標値Ｚｔに維持されるように、ヒータ６７への供給電力、具体的にはデューティが制御される。活性判定と同時に暖機が実質的に終了となり、各セルの出力は利用可能となり、ＮＯｘセンサ５０によるＮＯｘ濃度及び酸素濃度の検出が開始される。

ヒータ抵抗Ｒｈの目標値ＲｈＬは、モニタセルの温度とヒータ温度との差が比較的小さい所定値以内となったとき（即ち、検出素子部全体が十分暖機されたと推定されるとき）のヒータ抵抗と等しくなるように設定されている。また、ヒータ抵抗の目標値ＲｈＬは、モニタセルの検出インピーダンスが目標値Ｚｔに最初に達した時ｔ１よりも遅い時点ｔ２で、ヒータ抵抗Ｒｈが目標値ＲｈＬに達するように設定されている。従って、ヒータ抵抗Ｒｈが目標値ＲｈＬに達した時に活性判定し、フィードバック制御に移行することにより、活性判定時以降、全てのセルの温度変化を抑制し、セル温度変化による検出精度低下を防止して検出精度を高めることができる。

一方、活性判定時以降は検出インピーダンスに基づくフィードバック制御を行うので、セルから離れたヒータの抵抗値に基づく制御の欠点、即ち排気温度変動等の外乱によるセル温度変動を抑制できる。要するに本実施形態は、検出インピーダンスに基づく活性判定の欠点をヒータ抵抗に基づく活性判定で補い、活性判定時以降のヒータ抵抗に基づく制御の欠点を検出インピーダンスに基づく制御で補うものである。

なお、本実施形態では、前記目標値ＲｈＬを下限値とするヒータ抵抗の目標範囲ＲｈＬ〜ＲｈＨが予め設定され、検出されたヒータ抵抗Ｒｈがこの目標範囲に入ったときに活性判定し、ヒータ制御をフィードバック制御に切り替えるようにしている。また、ヒータ電流がヒータ抵抗と相関関係にあるので、ヒータ抵抗の代わりにヒータ電流を用いてもよい。この場合、ヒータ電流が目標値以下に達したとき又は目標範囲に入ったときに、活性判定を行い、且つヒータ制御をフィードバック制御に切り替える。

また本実施形態では、検出されたヒータ抵抗ｄが目標値ＲｈＬに達した時（時刻ｔ２）から、比較的短い所定時間（例えば５秒）を経過した時点で、活性判定を行い、且つ、暖機制御を、モニタセルの検出インピーダンスに基づくフィードバック制御に切り替えるようにしている。このようなディレイを行う理由は、ヒータ抵抗ｄが目標値ＲｈＬに達した時点では検出インピーダンスａと目標値Ｚｔとの差が比較的大きく、セル温度を下げる方向に制御が行われてしまう可能性が高いからである。逆に、かかるディレイを行うようにすれば、切替時点での検出インピーダンスａと目標値Ｚｔとの差を少なくし、切替時点からセル温度をほぼ一定に保つよう制御を行うことができる。

図９は、従来と本実施形態の暖機制御の効果を比較するための概略図である。破線が従来の場合、実線が本実施形態の場合である。図示するように、従来は、活性判定時ｔ１以降もモニタセル温度が暫くの間上昇し、この間で温度変化に基づく検出精度悪化を引き起こしていた。しかし、本実施形態の場合、活性判定時ｔ２以降、モニタセル温度を一定に維持できるので、セル温度変化に基づく検出精度悪化を防止することが可能である。本実施形態では従来より検出インピーダンスに基づくフィードバック制御を開始するタイミングが遅いので、セル温度を目標温度に到達させるタイミングが早くなり、結果的に従来より早いタイミングから正確なセル出力、センサ出力を得ることができるようになる。

以下、ＥＣＵ１００によって実行される暖機制御ルーチンを図１０を用いて説明する。当該ルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ１０１では、エンジン始動後であるか否かが判断される。エンジン始動後でない、即ちエンジンが未だ始動されてないと判断された場合、本ルーチンが終了される。他方、エンジン始動後であると判断された場合、ステップＳ１０２において、ヒータ抵抗Ｒｈが検出される。

次のステップＳ１０３においては、後述するディレイ完了フラグがオンか否かが判断される。フラグがオンでない（オフである）場合、ステップＳ１０４に進んで、検出されたヒータ抵抗ＲｈがＲｈＬ≦Ｒｈ≦ＲｈＨを満たすような所定範囲内にあるか否かが判断される。かかる範囲内にないと判断された場合、ステップＳ１０５において、検出されたヒータ抵抗Ｒｈが目標値ＲｈＬに近づくようにヒータ供給電力（具体的にはデューティ）がフィードバック制御される。これによりヒータ６７は速やかに加熱される。

なお、ヒータ抵抗Ｒｈの所定範囲は例えば０．０４（Ω）である。またヒータ抵抗Ｒｈの代用値としてヒータ電流を用いることもできるが、この場合ヒータ電流Ｉｈの範囲は例えば０．４（Ａ）である。

他方、ステップＳ１０４において、ヒータ抵抗Ｒｈが所定範囲内にあると判断された場合、ステップＳ１０６においてディレイ時間Ｔが計測される。この計測はＥＣＵ１００に装備されたタイマによって行われ、ステップＳ１０４の判定結果が最初にイエスとなった時点から開始される。この後ステップＳ１０７では、計測されたディレイ時間Ｔが所定時間Ｔｓ（例えば５秒）を超えたか否かが判断される。ディレイ時間Ｔが所定時間Ｔｓ以内の場合、ステップＳ１０５に進んで、ヒータ抵抗Ｒｈに基づくヒータのフィードバック制御が行われる。

他方、ディレイ時間Ｔが所定時間Ｔｓを超えた場合、ステップＳ１０８に進んでディレイ完了フラグがオンされる。そして、ステップＳ１０９において、モニタセルＭの検出インピーダンスＺｍが取得されると共に、この検出インピーダンスＺｍが目標値Ｚｔになるようにヒータ供給電力（具体的にはデューティ）がフィードバック制御される。図示しないが、ステップＳ１０８でディレイ完了フラグがオンされると同時に、活性判定がなされ、各セルの出力及びＮＯｘセンサ５０の出力Ｉｘが利用可能となる。

また、ステップＳ１０３においてディレイ完了フラグがオンである場合には、直接ステップＳ１０９に進んで検出インピーダンスＺｍに基づくヒータのフィードバック制御が実行される。

このルーチンによれば、エンジン始動後の暖機初期過程においてヒータ抵抗Ｒｈがまだ所定範囲内となってないときには、ディレイ完了フラグがオフなので、ステップＳ１０５に進んでヒータ抵抗Ｒｈに基づくフィードバック制御が行われる。そしてその後ヒータ抵抗Ｒｈが所定範囲内となっても、ディレイ時間Ｔが所定時間Ｔｓを超える前は、ステップＳ１０５においてヒータ抵抗Ｒｈに基づくフィードバック制御が行われる。ディレイ時間Ｔが所定時間Ｔｓを最初に超えた時、ステップＳ１０８でディレイ完了フラグがオンされ、ステップＳ１０９で検出インピーダンスＺｍに基づくフィードバック制御が行われる。それ以降は、ディレイ完了フラグがオンなので、ステップＳ１０３からステップＳ１０９に直接進んで検出インピーダンスＺｍに基づくフィードバック制御が行われる。ディレイ完了フラグが一旦オンとなった後は、たとえヒータ抵抗Ｒｈが所定範囲外となっても、ステップＳ１０３からステップＳ１０９に至るルートが確立されているので、検出インピーダンスＺｍに基づくフィードバック制御が継続して実行される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、エンジン始動時のエンジン冷却水の温度を検出し、この水温が高温の所定値以上であるときには全セルが暖機状態にあるとみなして、始動直後から検出インピーダンスに基づくフィードバック制御を行ってもよい。或いは、エンジンの前回停止時から今回始動時までの時間を検出し、この時間が比較的短い所定時間以内であるときには、全セルが暖機状態に維持されているとみなして、始動直後から検出インピーダンスに基づくフィードバック制御を行ってもよい。前記実施形態では、活性判定前にヒータ抵抗に基づくフィードバック制御を実行するようにしたが、ヒータ抵抗を目標値に近づけるようなオープン制御を実行してもよい。この場合、ヒータに最大電力を連続的に供給してもよいし、最大電力未満の電力を供給してもよい。センサの早期活性化とヒータの耐久性とのバランスを考慮して電力値を適宜設定することができる。前記実施形態ではインピーダンス検出対象のセルをモニタセルとしたが、他のポンプセル又はセンサセルとすることも可能である。また、ヒータ抵抗の目標値を、二以上のセル或いは全てのセルの検出インピーダンスがそれぞれ目標値に最初に達した時よりも遅い時点で、ヒータ抵抗が目標値に達するように設定してもよい。こうするとヒータ抵抗が目標値に達した時点でのセル暖機状態をより多くのセルについて担保でき、活性判定時以降の全てのセルの温度変化をより一層確実に抑制することが可能となる。

本発明は内燃機関以外の任意の技術分野においても適用可能である。また内燃機関に適用する場合、内燃機関は圧縮着火式内燃機関のほか、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジン等であってもよい。また排気浄化システムについても前記尿素ＳＣＲシステムの他、任意の排気浄化システムが可能である。ＮＯｘセンサは上記の構造に限定されず、またＮＯｘセンサ以外の他のガス濃度センサにも本発明は適用可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。ＮＯｘセンサの検出素子部の構造を示す断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。ＮＯｘセンサの暖機過程における各値の変化を示すグラフである。モニタセルに関する温度とインピーダンスの関係を示すグラフである。モニタセルのインピーダンスを検出する方法を説明するための図である。モニタセル温度と検出インピーダンス内訳との変化の様子を示す図である。従来と本実施形態の暖機制御の効果を比較するための概略図である。暖機制御ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０エンジン
１５排気通路
２６クランク角センサ
２７アクセル開度センサ
５０ＮＯｘセンサ
６７ヒータ
１００電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｐポンプセル
Ｍモニタセル
Ｓセンサセル
Ｚｍモニタセルの検出インピーダンス
Ｒｈヒータの抵抗

Claims

固体電解質を一対の電極で挟んでなるセルを検出素子部に複数有し、前記検出素子部にヒータを有するガス濃度センサの暖機制御装置であって、
前記複数のセルのうちの所定のセルのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記ヒータの抵抗を検出するヒータ抵抗検出手段と、
前記検出されたヒータ抵抗が所定の目標値に達するまでは、その検出されたヒータ抵抗が前記目標値に近づくように前記ヒータに電力を供給し、前記検出されたヒータ抵抗が前記目標値に達した後は、前記検出されたインピーダンスが所定値に維持されるように前記ヒータへの供給電力を制御するヒータ制御手段と
を備えたことを特徴とするガス濃度センサの暖機制御装置。
前記検出されたインピーダンスが前記所定値に最初に達した時よりも遅い時点で、前記検出されたヒータ抵抗が前記目標値に達するように、前記ヒータ抵抗の目標値が設定されている
ことを特徴とする請求項１記載のガス濃度センサの暖機制御装置。
前記ガス濃度センサが、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを有するＮＯｘセンサである
ことを特徴とする請求項１又は２記載のガス濃度センサの暖機制御装置。
前記所定のセルがモニタセルである
ことを特徴とする請求項３記載のガス濃度センサの暖機制御装置。