JP5146384B2 - 内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置および内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気管に取付けられたガスセンサのヒータへの通電を制御する装置と、これを有する内燃機関の制御装置に関するものである。

車両エンジンは、排気管に設置したガスセンサによって、エンジン本体から排出される排気ガス中のガス成分濃度を検出し、エンジン各部を制御している。例えば、空燃比センサを用いた空燃比フィードバック制御では、空燃比センサの検出値が目標値となるように燃料噴射量等を制御して、エンジンの燃焼状態を最適化し、また有害成分の排出を抑制している。空燃比センサ等のガスセンサは、一般に、酸素イオン導電性固体電解質体を基材とし、一対の電極を設けたガス検出部と、ガス検出部を活性状態とするためのヒータを備え、一対の電極を排気側空間および大気側空間にそれぞれ配置することで、排気ガス成分濃度に応じた出力が得られる構成となっている。

エンジン始動時には、速やかに空燃比フィードバック制御を開始するために、ヒータへの通電がなされガス検出部を活性化する。ところが、エンジン始動と同時にヒータ通電を開始すると、空燃比センサに付着していた排気ガス成分が気化してガス検出部近傍の雰囲気が変動する。この影響で、空燃比センサの出力が、エンジン始動時に実際の空燃比よりもリッチ側にずれた値となる問題が生じる。こうした問題は、エンジン停止と同時にヒータによる加熱が停止し、空燃比センサが冷却していく過程において、排気管内に残存する排気ガス成分が付着するために発生する。この出力ずれによって、空燃比センサを装着した車両のエミッションやドライバビリティ等が悪化する懸念がある。

出力ずれの問題を解決するために、従来のプレヒート技術を応用することが検討されている。プレヒート技術は、エンジン始動前にガスセンサを活性温度まで上昇させることを目的として実施されるもので、例えば特許文献１に記載がある。具体的にはエンジン始動が予測された時、例えば、ドアの開操作および施錠解除、運転者の着座、イグニッションキーのキーシリンダー差込を検知した時点で、ヒータ通電を開始する手段が設けられ、早期に昇温させることにより、センサ素子に付着した排気ガス成分を燃焼除去可能となる。

ただしプレヒート実施後、エンジンが始動されなかった場合、何度もプレヒートが実施されることになり、バッテリ上がりの問題を生じる。このため、特許文献１の装置では、ドア開放検出とイグニッションキーの挿入とエンジン始動を組み合わせ、検出された状態やバッテリ電圧に応じた通電を実施して、バッテリ上がりを回避している。

また、特許文献２、３には、排気ガス成分の付着による出力への影響を考慮した制御装置が開示されている。特許文献２は、低温始動時の出力ずれを回避する目的で、空燃比センサの本活性状態および半活性状態を判定する手段を設け、半活性状態にある時には、空燃比センサ出力を理論空燃比にマスクして対応している(オープン制御)。マスク実施時間は、エンジン停止後からの放置時間により設定する。特許文献３は、エンジン始動後の経過時間（リーン時間）または吸入空気量の積算値を計数し、所定の回復判定値に達するまでは、センサ素子の目標温度を通常より高温の回復目標温度としてヒータを制御し、早期回復を図っている。

特開２００３−１９３８９７号公報 特開２００８−１３８５６９号公報 特開２００８−２５６７０７号公報

特許文献１の装置は、１回のサイクルにおいては、バッテリ上がりの問題が発生する可能性は低いものの、例えば、洗車等でドア開放が繰り返されるケースにおいては、ヒータ通電が何度も繰り返される。イグニッションキーの挿入でエンジン始動が無かった時にヒータ通電を止める場合も同様であり、バッテリ上がりを回避することは難しい。

また、ドア開放の時点ではヒータ通電を開始せず、イグニッションキーの挿入でヒータ通電してエンジン始動が無い場合にヒータ通電を止める制御においても、ラジオ、オーディオのみのＯＮ、ＯＦＦ等で同様にバッテリ上がりが懸念される。さらに、バッテリ上がりの問題以外に、システムの複雑化によるコストアップ等の問題もある。

一方、特許文献２の装置は、排気ガス成分の影響がある間、空燃比センサ出力を理論空燃比とみなすもので、出力ずれが収束するまでは実際の空燃比を反映した出力が得られない。このため、低温始動になりやすい環境では、マスク中に車両が発進することで、エミッションが悪化しやすい。

特許文献３の装置は、排気ガス成分の脱離は促進されるものの、特性が回復したと判定されるまでは、排気ガス成分による出力ずれが解消しない。このため、エンジン停止期間が長い場合は、エミッションを改善できず、また、エンジン始動時にセンサ温度を必要以上に高温とすることで、センサ素子に対する被水割れ発生率が増加する。さらに排気ガス成分の影響があるか否か、特性が回復したか否かを、エンジン停止から始動までの時間や、素子温度、雰囲気温度等から判断しており、システムの複雑化によるコストアップが問題となる。

そこで、本願発明の目的は、排気管内に残存する排気ガス成分に起因する出力ずれを防止し、かつ頻繁な通電によるバッテリ上がりやシステムの複雑化によるコストアップといった問題を生じないヒータ制御装置を実現すること、そして、ガスセンサの出力に基づいて車両各部を制御することにより、排気エミッション悪化やドライバビリティ悪化を防止できる、簡易なシステムで信頼性の高い内燃機関の制御装置を提供することにある。

本願請求項１の発明は、内燃機関の排気管に設けられたガスセンサのヒータに対し通電制御をする内燃機関のガスセンサのヒータ制御装置であり、前記内燃機関の停止中に、前記ヒータへの通電を行って、前記ガスセンサに付着した排気ガス成分を脱離させる出力ずれ防止手段を備える。
前記出力ずれ防止手段は、
前記内燃機関の停止後の放置時間と、前記排気管内に残存する排気ガス中の燃料成分による再始動時の前記ガスセンサの出力ずれ収束時間との関係を予め知り、該関係に基づいて、前記出力ずれ収束時間の許容値に対応する前記停止後の放置時間をヒータ通電実施時間ｔ１として、前記内燃機関の停止後の経過時間が前記ヒータ通電実施時間ｔ１に達した時点で前記ヒータへの通電を実施することを特徴とする。

本願請求項２の発明では、前記出力ずれ防止手段は、
前記ヒータ通電実施時間ｔ１における前記ヒータへの通電後の放置時間と前記出力ずれ収束時間との関係を予め知り、該関係に基づいて、前記出力ずれ収束時間の許容値に対応する前記通電後の放置時間からヒータ通電実施時間ｔ２を設定して、該ヒータ通電実施時間ｔ２に達した時点において、前記ヒータへの通電を再実施する。

本願請求項３の発明では、前記出力ずれ防止手段は、
前記ヒータ通電実施時間ｔ１における前記ヒータへの通電後の放置時間と前記出力ずれ収束時間との関係を予め知り、該関係に基づいて、前記出力ずれ収束時間が安定し、前記排気管内の雰囲気がほぼ大気に置換されたとみなされる前記通電後の放置時間から設定されたヒータ通電実施時間ｔ２において、前記ヒータへの通電を再実施する。

本願請求項４の発明では、前記ヒータへの通電は、前記ガスセンサがセンサ使用温度域で前記排気ガス中の燃料成分を除去可能な温度にて所定時間保持されるように実施する。

本願請求項５の発明では、前記ガスセンサの出力ずれ収束時間は、前記内燃機関の再始動時に前記ガスセンサの出力が安定するのに要する時間であり、前記出力ずれ収束時間の許容値は、前記ガスセンサの出力に基づくフィードバック制御開始時間に基づいて設定される。

本願請求項６の発明では、前記内燃機関の停止後の放置時間を計測するタイマ手段を備え、該タイマ手段の計測結果に基づいて、前記出力ずれ防止手段を作動させる。

本願請求項７の発明では、前記内燃機関の停止後の放置時間と前記ガスセンサの温度および前記ガスセンサの出力ずれ収束時間との関係を予め知り、前記ガスセンサの温度を直接または間接的に検出する温度検出手段を設けて、該温度検出手段の出力に基づいて、前記出力ずれ防止手段を作動させる。

本願請求項８の発明では、前記温度検出手段が、前記ガスセンサのインピーダンスまたはアドミタンス、前記ヒータの抵抗値、前記排気管内の排気温度、または前記内燃機関の冷却水温度に基づいて、前記ガスセンサの温度を検出する。

本願請求項９の発明は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置を備え、前記ガスセンサにより検出される排気ガス成分濃度が所定範囲となるようにフィードバック制御を実施する内燃機関の制御装置である。

本願請求項１の発明によれば、出力ずれ防止手段が、内燃機関の停止中にヒータ通電を実施し、ガスセンサに付着した排気ガス成分を燃焼させるので、再始動時や始動直前に複雑な制御を行うことなく、ガスセンサの出力ずれを防止できる。特に、内燃機関の停止後の放置時間と、排気管内の燃料成分による再始動時の出力ずれの関係に着目し、出力ずれ収束時間の許容値からヒータ通電実施時間ｔ１を設定したので、再始動までの放置時間が短ければ出力ずれ防止手段は作動させず、不必要なヒータ通電はなされない。また、ヒータ通電実施時間ｔ１に達すると出力ずれ防止手段が作動し、付着した排気ガス成分を除去するので、次回始動時の出力異常が回避できる。

よって、最小限の通電でバッテリ上がりを防止し、簡易なシステムでコストアップを抑制しながら、出力ずれを防止することができる。したがって、始動直後からガスセンサの出力に基づく内燃機関の制御が可能であり、排気エミッションやドライバビリティを改善して、信頼性を大きく向上させることができる。

本願請求項２の発明によれば、ヒータ通電実施時間ｔ１後の放置時間が長くなり、再び排気ガス成分の吸着量が増加しても、ヒータ通電実施時間ｔ２において再通電することで、出力ずれを許容時間内に収束させることができる。内燃機関の仕様や排気管形状によっては、排気ガス成分が残存しやすい場合があるが、ヒータ通電実施時間ｔ１に加えてヒータ通電実施時間ｔ２にて通電を実施することによって、出力ずれを確実に回避し、信頼性をさらに高めることができる。

本願請求項３の発明によれば、ヒータ通電実施時間ｔ１後の放置時間が長くなり、再び排気ガス成分が付着しても、ヒータ通電実施時間ｔ２において再通電することで除去し、その影響をより小さくできる。この時、排気管内がほぼ大気に置換され、排気ガス成分が大幅に減少した時点にて通電を実施すると、出力ずれを効率よく回避することができる。

本願請求項４の発明によれば、ヒータ通電により、ガスセンサを使用温度域まで加熱し、適当な時間保持することで、付着していた排気ガス成分を燃焼させて除去することができる。

本願請求項５の発明によれば、ガスセンサの出力が安定するのに要する時間の許容値を、フィードバック制御開始時間に基づいて設定するので、次回始動時のフィードバック制御開始時間までに、出力ずれを収束させて制御性を高めることができる。

本願請求項６の発明によれば、タイマ手段を用いることによって放置時間を容易に計測し、ヒータ通電実施時間ｔ１においてヒータ通電を実施することができる。

本願請求項７の発明によれば、内燃機関停止後の放置時間と相関のあるガスセンサの温度を用いることによって、出力ずれ防止手段を作動させることもできる。

本願請求項８の発明によれば、ガスセンサの温度を、ガスセンサのインピーダンスまたはアドミタンス、ヒータ抵抗値から検出し、または排気温センサ、冷却水温センサの検出値を用いることによって、既存部材を利用して出力ずれ防止手段を作動させることができる。

本願請求項９の発明によれば、ガスセンサのヒータ制御装置を内燃機関の停止中に効果的に作動させることで、再始動時のガスセンサの信頼性を高め、その検出結果に基づくフィードバック制御を、制御性よく実施することができる。

（ａ）は本発明を適用した自動車用内燃機関の制御装置の構成を示す全体概略図であり、（ｂ）は空燃比センサのセンサ素子の主要部断面図である。 （ａ）は本発明の第１実施形態におけるエンジン停止中のヒータ通電実施時間の設定方法を説明するためのタイムチャートであり、（ｂ）はヒータ通電を実施しない場合のエンジン停止時間と出力ずれ収束時間の関係を示す図である。 （ａ）は仕様の異なる複数の車両についてエンジン再始動時の出力ずれ収束時間を比較して示す図であり、（ｂ）は同一車両についてソーク時間が異なる場合のエンジン再始動時の出力ずれ収束時間を比較して示す図である。 内燃機関のＥＣＵで実行される制御内容を示す第１のフローチャートである。 内燃機関のＥＣＵで実行される制御内容を示す第２のフローチャートである。 （ａ）はヒータ通電保持時間と出力回復率の関係を示す図であり、（ｂ）は第１実施形態のヒータ通電制御による出力ずれ抑制効果を説明するための図である。 本発明の第２実施形態におけるエンジン停止中のヒータ通電実施時間の設定方法を説明するためのタイムチャートである。 内燃機関のＥＣＵで実行される制御内容を示す第３のフローチャートである。 本発明の第３実施形態におけるエンジン停止中のセンサ温度および排気管温度変化と、出力ずれ収束時間の関係を比較して示す図である。 内燃機関のＥＣＵで実行される制御内容を示す第４のフローチャートである。

（第１実施形態）
図１に本発明を自動車用内燃機関に適用した第１実施形態を示す。図１（ａ）は、ガスセンサのヒータ制御装置を付設した内燃機関の制御装置構成を示す概略図である。内燃機関の本体であるエンジン本体１１は一般的な構成のもので、燃料の燃焼により動力を発生するとともに排気ガスを排気管１２に排出する。排気管１２には、排気中の特定ガス成分濃度を検出するためのガスセンサとして、空燃比センサ２が設置されており、図の下半部が管壁を貫通して排気管１２内に突出位置している。空燃比センサ２は、そのヒータ制御を含む各種制御を実施する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１３に接続されている。排気管１２には、通常図示を略す排気浄化装置が配設されており、ＥＣＵ１３にて制御される所定の空燃比において、排気ガス中の有害成分を触媒作用等により除去する。

空燃比センサ２の排気管１２内に位置する下半部は、有底筒状のカバー部材２ｂにセンサ素子２ａが包囲された状態で排気ガスに晒される。排気ガスは、カバー部材２ｂの側面および底面に設けられた複数の通気孔を通過して、センサ素子２ａの表面に到達する。空燃比センサ２のセンサ素子２ａは、排気ガス中の酸素濃度に基づいてエンジン本体１１内の燃焼室における空燃比を検出する。

センサ素子２ａは、例えば限界電流式の一般的なもので、図１（ｂ）に示すように、細長形状のセラミック基板３７上に、略同一形状に成形したセラミックシート層を重ねて一体化した層状構造をなしている。この層状構造は、図中、上から、異物を排除するトラップ層３１、所定の拡散抵抗でガスが流通可能な拡散層３２、スペーサ３３、固体電解質層３４、スペーサ３５が積層して、ガス検出部２１を形成する。固体電解質層３４は、例えばジルコニア系の固体電解質材を基材とし、トラップ層３１および拡散層３２は、例えば多孔質アルミナ等からなり、気孔径や気孔率を調整することで所望の特性を得ている。

上側のスペーサ３３には板厚方向に貫通する切り欠きが形成されて、拡散層３２と固体電解質層３４との間に空洞２０１を形成する。空洞２０１位置には、固体電解質層３４の上面に排気側電極３８、下面に大気側電極３９が形成されて、固体電解質層３４および電極３８、３９でポンプセルを構成している。下側のスペーサ３５には、電極３８、３９位置まで長さ方向に伸びる大きさで板厚方向に貫通する切り欠きが形成されている。この切り欠きにより、固体電解質層３４と対向する絶縁層３６との間に、大気通路２０２が形成され、排気管１２の外部にて大気に開放されている。

ガス検出部の下側には、基板３７の表面に導電性の薄膜をパターン形成したヒータ２２が形成されており、ＥＣＵ１３の駆動回路１３２による通電制御で、センサ素子２ａ全体を加熱するようになっている。駆動回路１３２は、例えばオンデューティの調整で駆動電流を増減する。ポンプセルの電極３８、３９間にＥＣＵ１３の検出回路１３３から、所定の電圧を印加すると、電極３８、３９間に酸素濃度に応じた限界電流が流れ、これを検出回路１３３で測定することで、酸素濃度すなわち空燃比が知られるようになっている。

ＥＣＵ１３には、空燃比センサ２の他、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ１４、排気管１２内の温度を検出する排気温センサ１５の他、スロットル開度センサ、回転数センサといった各種センサからの検出信号やイグニッションスイッチ１６からのオンオフ信号が入力されており、これら検出信号に基づいてエンジン本体１１が所望の運転条件となるように、各部に制御信号を出力する。

ＥＣＵ１３はマイクロコンピュータ１３１を中心に構成された一般的な構成のもので、マイクロコンピュータ１３１と一方向若しくは双方向に通信可能な各種の駆動回路や入出力回路等の周辺回路を備えている。該周辺回路である前記検出回路１３３は、センサ素子２ａのガス検出部２１と接続され、駆動回路１３２は、センサ素子２ａのヒータ２２と接続される。マイクロコンピュータ１３１は演算を実行するＣＰＵ、作業領域としてのＲＡＭ、制御プログラムや種々のデータを格納したＲＯＭ、バックアップＲＡＭ等からなる。

ここで、空燃比センサ２の出力に基づくフィードバック制御について説明する。自動車用内燃機関では、燃費の向上と有害ガス排出量の低減とを両立させるために、エンジン本体１１の燃焼室における混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を広範囲に制御する必要がある。排気管１２に配設されて排気ガス中の有害成分を除去する排気浄化装置、例えば三元触媒は理論空燃比において浄化性能を効果的に発揮することから、ＥＣＵ１３は空燃比センサ２の検出値が理論空燃比となるように、燃料噴射量その他の制御値をフィードバック制御する。また、リーンバーンエンジンやディーゼルエンジンに使用されるＮＯｘ触媒等では、通常燃焼時のリーン雰囲気から一時的にリッチ雰囲気とすることにより有害成分を浄化しており、運転状態に応じた高度なフィードバック制御が要求される。

このような空燃比フィードバック制御を可能とするために、上記構成のセンサ素子２ａは、電圧印加に伴い排気ガス中の酸素濃度に応じた限界電流が生ずる広域空燃比センサ（リニア空燃比センサ）として構成されている。空燃比センサ２による空燃比検出を良好に実施するには、センサ素子２ａのガス検出部２１を加熱して、活性状態に維持することが不可欠である。このため、センサ素子２ａは、ガス検出部２１にヒータ２２を積層させた構造を有し、本発明のガスセンサのヒータ制御装置を構成するＥＣＵ１３により、ヒータ２２の活性化通電制御を行っている。

ＥＣＵ１３による活性化通電制御では、エンジン本体１１の始動後、センサ素子２ａを活性温度まで昇温可能な電力を供給すべくオンデューティ１００％にて通電がなされ、速やかな昇温がなされる。その後は、センサ素子２ａが活性状態を維持するようにオンデューティがフィードバック制御され、センサ素子２ａの温度を一定の値に保つようになっている。この時、センサ素子２ａの温度と素子インピーダンスが相関関係を有することから、例えば、素子インピーダンスを検出して素子温度を推定することができる。センサ素子２ａは、通常５００℃以上を使用温度域とし、例えば７００℃を目標温度として制御される。

ただし、空燃比センサ２には、エンジン本体１１の停止中に、排気管１２内に滞留する排気ガス成分が付着しており、これが始動後の昇温過程で放出されると、空燃比センサ２の出力が安定しなくなる。そこで本発明では、ヒータ制御装置に出力ずれ防止手段を設け、エンジン本体１１の停止後に付着した排気ガス成分を脱離させる通電制御を実施する。出力ずれ防止手段は、エンジン本体１１停止後の放置時間と、排気管１２内に残存する排気ガス成分による再始動時の空燃比センサ２の出力ずれが収束するまでの時間（出力ずれ収束時間）とが一定の関係にあることを利用し、通電を実施する最適時期を設定する。具体的には、エンジン本体１１停止後、徐々に増加する空燃比センサ２の出力ずれ収束時間が、予め設定した出力ずれ収束時間の許容値に達したら、ヒータ２２への通電を行う。これにより、停止中の最適な時点にて最小限の通電を実施し、無駄な通電によるバッテリの消耗を防止しながら、空燃比センサ２の出力ずれを回避できる。

次に、図２〜図４により本実施形態における出力ずれ防止手段の詳細を説明する。図２（ａ）は、エンジン本体１１の仕様の異なる複数の車両Ａ、Ｂについて、出力ずれ防止手段によるヒータ通電制御を実施するタイミングを示すタイムチャートで、ヒータ通電制御を実施しない場合と比較して示している。横軸は、エンジン本体エンジン本体１１の運転を停止した後、再始動するまでの時間（デッドソーク時間）、縦軸は、出力ずれ収束時間Δｔである。複数の車両Ａ、Ｂは、エンジン本体１１の排気容量や排気管１２に排気が滞留しやすい形状である等の違いにより、出力ずれの程度に違いがあり、ここでは、車両Ａに対して車両Ｂの排気管１２に残存する排気ガス成分濃度が濃く、出力ずれも生じやすいとして説明する。

まず、図２（ｂ）により、ヒータ通電制御を実施しない場合の出力ずれについて説明する。図２（ｂ）は、図２（ａ）の複数の車両Ａ、Ｂについて、ヒータ通電制御を実施しない場合のみを取り出したものである。いずれもエンジン本体１１停止後の時間経過とともに、出力ずれ収束時間ΔｔＡ、ΔｔＢが増加していき、徐々に増加速度が緩やかになって、一定値に収束する。これは、エンジン停止直後は排気ガス成分が高濃度であるために、センサ素子２ａの温度が急降下する過程で排気ガス成分が付着しやすく、その後は、排気ガス成分が拡散するとともに、センサ素子２ａの温度低下も緩やかになるためであり、ほぼ外気温まで低下すると出力ずれも安定する。この時、排気管１２内の排気ガス成分量が多い車両Ｂでは、センサ素子２ａへの排気ガス成分の付着量も多くなることから、その影響による出力ずれがより大きくなり、出力ずれ収束時間ΔｔＢ＞ΔｔＡとなる。この関係を図３（ａ）に示す。

図３（ａ）は、エンジン本体１１停止時の条件（デッドソーク時間）が同じ複数の車両Ａ、Ｂについて、エンジン始動時からのセンサ出力信号（Ａ／Ｆ値）の変化を示したものである。エンジン本体１１の始動後、通常のエンジン活性化通電制御を行うことにより、センサ素子２ａの温度が上昇する。これに伴い、センサ素子２ａに付着していた排気ガス成分が脱離し始めるために、センサ素子２ａ周辺のＡ／Ｆ値が燃料リッチ側（図の下側）にシフトする。この出力ずれは排気ガス成分が脱離した後、周辺の雰囲気への影響がなくなるまで続くため、複数の車両Ａ、Ｂにおいて出力ずれが収束する時間ｔＡ、ｔＢは、出力ずれがない場合に正確なＡ／Ｆ値を出力し始める時間に対して、それぞれΔｔＡ、ΔｔＢ（出力ずれ収束時間）だけ遅れることになる。また、付着した排気ガス成分量が多い車両Ｂでより遅れが大きくなり、出力ずれ収束時間ΔｔＢ＞ΔｔＡとなる。

一方、この関係を同一車種について示すと、図３（ｂ）のようになる。排気ガス成分の付着量は、エンジン停止から再始動するまでの時間（デッドソーク時間）に依存して増加することから、ソーク時間が短い場合の出力ずれに対し、ソーク時間が長い場合の出力ずれが大きくなる。すなわち、ソーク時間が短い場合の出力ずれ波形とソーク時間が長い場合の出力ずれ波形は、図３（ａ）の車両Ａの波形と車両Ｂの波形の関係と同様になり、ソーク時間が短い場合の出力ずれ収束時間ΔｔＳ＜ソーク時間が長い場合の出力ずれ収束時間ΔｔＬである。

ここで、出力ずれが収束する前に、空燃比センサ２出力に基づくフィードバック制御が開始されると、正確なＡ／Ｆ値を出力することができずに燃焼や排ガス浄化性能が悪化してしまう。そこで、車種毎に異なる図２（ｂ）の関係を予め試験等によって知り、図３（ｂ）にて、出力ずれがない場合に正確なＡ／Ｆ値を出力し始める時間Ｘと、フィードバック（Ｆ／Ｂ）開始時間Ｙから、出力ずれ許容時間Δｔmax（＝Ｙ−Ｘ）を設定して、この範囲内で出力ずれが収束するように、エンジン停止中のヒータ通電を実施する。

具体的には、図２（ａ）に示すように、出力ずれ収束時間ΔｔＡ、ΔｔＢが、出力ずれ許容時間Δｔmaxに達する時点ｔ１Ａ、ｔ１Ｂを、ヒータ通電実施時間ｔ１とする。ヒータ２２への通電によりセンサ素子２ａに付着していた排気ガス成分が脱離すると、出力ずれが小さくなる方向へ、出力ずれ収束時間ΔｔＡ、ΔｔＢの特性線がシフトする。出力ずれが大きい車両Ｂでは、通電処理後に再び排気ガス成分が付着することにより、出力ずれが再び大きくなるため、シフト後の出力ずれ収束時間ΔｔＢが、出力ずれ許容時間Δｔmaxに達する時点ｔ２にて、再度、ヒータ通電を実施する（ヒータ通電実施時間ｔ２）。これにより、出力ずれ収束時間ΔｔＢの特性線が、出力ずれが小さくなる方向へ再びシフトするが、その後の排気ガス成分による影響は小さく、出力ずれ許容時間Δｔmaxを超えることはない。

このように、通常の車両では、エンジン停止中に少なくとも１回、多くても２回の通電実施により、排気ガス成分の付着による出力ずれを許容範囲内に抑え、所定のＦ／Ｂ開始時間に、フィードバック制御を遅滞なく開始することができる。ヒータ通電実施時間は、車種によって異なるが、ヒータ通電実施時間ｔ１が例えば１時間程度、ヒータ通電実施時間ｔ２が例えば５時間程度の放置時間に対応する。したがって、頻繁な通電によるバッテリ上がりを生じるおそれが小さく、制御も簡易である。基準となる出力ずれ許容時間Δｔmaxは、車種による違いは小さいことから、図２（ａ）では、複数の車両Ａ、Ｂで共通としたが、車両毎に設定することもできる。また、Ｆ／Ｂ開始時間までに出力ずれが収束すればよいので、出力ずれ許容時間Δｔmax≦Ｙ−Ｘとなるように設定されていてもよい。

図４、５は、出力ずれ防止手段として、ＥＣＵ１３のマイクロコンピュータ１３１で実行されるヒータ２２への通電制御の内容を示すフローチャートである。図４は、出力ずれの大きい車両Ｂの場合であり、まずステップＳ１で、エンジン本体１１が停止中か否かを、例えばイグニッションスイッチ１６のオフにより判定する。エンジン停止中でなければその後の処理を実行することなく終了し、エンジン停止中と確認されると、ステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、通電フラグがセットされているか否かを判定する。通電フラグは、ヒータ通電実施時間ｔ１における第１回目の通電が終了していることを示すもので、後述するステップＳ６にてセットされる。

ステップＳ２が否定判定されると、ステップＳ３へ進み、ステップＳ２が肯定判定されると、ステップＳ７へ進む。ステップＳ３では、エンジン停止からの経過時間を読み込み、続くステップＳ４では、エンジン停止後の経過時間が、ヒータ通電実施時間ｔ１に達したか否かを判定する。ＥＣＵ１３は、この通電制御に関連して、停止後の経過時間をカウントするタイマ手段を備え、タイマ手段から出力される経過時間を、ヒータ通電実施時間ｔ１と比較する。経過時間がヒータ通電実施時間ｔ１に達していなければ（経過時間＜ヒータ通電実施時間ｔ１）、ステップＳ１へ戻る。

ステップＳ４が肯定判定され、エンジン停止後の経過時間がヒータ通電実施時間ｔ１に達した（経過時間≧ヒータ通電実施時間ｔ１）場合は、ステップＳ５へ進んで、ヒータ通電を実行する。ヒータ通電は、空燃比センサ２の使用温度域で付着物質を除去可能な温度（例えば５００℃以上）において、所定の通電時間Ｔａ保持することにより行われる。通電時間Ｔａは、エンジン停止後、ヒータ通電実施時間ｔ１までに付着した排気ガス成分を脱離させるのに必要な保持時間である。車種や出力ずれ許容時間Δｔmaxの設定値、必要な回復率によっても異なるが、通常２〜１０秒間程度の範囲で適宜設定され、例えば４〜６秒間程度の通電で十分な効果が得られる。

図６（ａ）は、ヒータ通電保持時間と出力ずれ回復率の関係を一例として示すもので、空燃比センサ２の使用温度（７００℃）に到達してからの保持時間を示している。使用温度に到達するまでの時間は、センサ仕様によって異なるが、例えば５〜１０秒程度である。図示されるように、ヒータ通電保持時間が長くなるほど回復率が上昇し、約３秒で８０％、約４秒でほぼ１００％に到達する。通常は、回復率が１００％となる通電時間Ｔａを設定し、上記図２（ａ）に示したような出力ずれ特性が得られる。また、例えば出力ずれが比較的小さい車両において、通電時間Ｔａを、例えば回復率が８０％程度となるように設定することも可能である。これによって電力消費が抑制され、バッテリ上がりを防止する効果が高まる。

ステップＳ４が否定判定された場合は、ステップＳ１に戻ってステップＳ２以降をヒータ通電実施時間ｔ１に達するまで繰り返す。ステップＳ５でヒータ通電がなされると、ステップＳ６へ進んで通電フラグをセットし、ステップＳ１へ戻る。ここで、一旦通電フラグがセットされると、ステップＳ２が否定判定されるので、経過時間がｔ１時間を超えてもステップＳ５のヒータ通電が繰り返しなされることはない。

ステップＳ２が肯定判定されてステップＳ７へ進んだ場合は、タイマ手段から出力される経過時間を読み込み、続くステップＳ８において、ヒータ通電実施時間ｔ２と比較する。経過時間がヒータ通電実施時間ｔ２に達していなければ（経過時間＜ヒータ通電実施時間ｔ２）、ステップＳ１へ戻る。ステップＳ８が肯定判定され、エンジン停止後の経過時間がヒータ通電実施時間ｔ２に達した（経過時間≧ヒータ通電実施時間ｔ２）場合は、ステップＳ９へ進んで、ヒータ通電を実行し、ステップＳ１０で通電フラグをリセットして本ルーチンを終了する。ヒータ通電は、上記ステップＳ５と同様に、空燃比センサ２の使用温度域（例えば５００℃以上）において、所定の通電時間Ｔａ保持することにより行われる。

図５は、出力ずれの小さい車両Ａの場合であり、まずステップＳ２１で、エンジン本体１１が停止中か否かを、例えばイグニッションスイッチ１６のオフにより判定する。エンジン停止中でなければその後の処理を実行することなく終了し、エンジン停止中と確認されると、ステップＳ２２へ進む。ステップＳ２２では、経過時間を読み込み、続くステップＳ２３において、エンジン停止後の経過時間が、ヒータ通電実施時間ｔ１に達したか否かを判定する。タイマ手段から出力される経過時間を、ヒータ通電実施時間ｔ１と比較して、経過時間がヒータ通電実施時間ｔ１に達していなければ（経過時間＜ヒータ通電実施時間ｔ１）、ステップＳ２１へ戻る。

ステップＳ２３が肯定判定され、エンジン停止後の経過時間がヒータ通電実施時間ｔ１と一致した場合は、ステップＳ２４へ進んで、ヒータ通電を実行し、本ルーチンを終了する。ヒータ通電は、上記ステップＳ５と同様に、空燃比センサ２の使用温度域（例えば５００℃以上）において、所定の通電時間Ｔａ保持することにより行われる。

このように、出力ずれが小さい車両Ａでは、エンジン本体１１の停止後、適切なヒータ通電実施時間ｔ１Ａにおいて、１度のヒータ通電を実施することにより、再始動時の出力ずれ収束時間Δｔが許容値を超えないようにすることができる。出力ずれが大きい車両Ｂにおいても、ヒータ通電実施時間ｔ１Ｂにｔ２を加えた２度のヒータ通電によって、出力ずれを抑制する同様の効果が得られる。また、エンジン本体１１の停止時間がヒータ通電実施時間ｔ１Ａより短ければ、ヒータ通電は不要であり、ヒータ通電実施時間ｔ２より長くてもそれ以上のヒータ通電は不要であるので、極めて効率よく出力ずれが防止できる。

図６（ｂ）は、車両Ｂについて、上記図４のフローチャートに基づくヒータ通電制御を実施した後の、エンジン始動時からのセンサ出力信号（Ａ／Ｆ値）の変化を示したものである。図中には、ヒータ通電制御を実施しない場合の車両Ａ、Ｂのセンサ出力信号（Ａ／Ｆ値）を併せて示している。図示されるように、本発明のヒータ通電制御を行うことにより、出力ずれがほぼ解消され、フィードバック制御開始と同時に、正確なＡ／Ｆ値を出力することができる。

（第２実施形態）
図７、８に本発明の第２実施形態を示す。図７は、エンジン本体１１の仕様の異なる複数の車両Ａ、Ｂについて、本実施形態の出力ずれ防止手段によるヒータ通電制御のタイミングを示すタイムチャートである。本実施形態では、車種によらず、ヒータ通電時間ｔ１、ヒータ通電時間ｔ２において、ヒータ通電制御を行うものとする。図中、ヒータ通電時間ｔ１の設定および制御方法は、上記第１実施形態と同様であり、説明を省略する。ヒータ通電時間ｔ２の設定は、いずれの車両においても、出力ずれ収束時間Δｔが出力ずれ許容時間Δｔmaxを超えないようにし、例えば図示するように、出力ずれの大きい車両Ｂの出力ずれ収束時間ΔｔＢが、出力ずれ許容時間Δｔmaxに達する時点ｔ２にて、２度目のヒータ通電を実施するものとする。

図８は、本実施形態の出力ずれ防止手段として、ＥＣＵ１３で実行されるヒータ２２への通電制御の内容を示すフローチャートであり、車両Ａ、Ｂの両方に適用される。まずステップＳ３１で、エンジン本体１１が停止中か否かを、例えばイグニッションスイッチ１６のオフにより判定する。エンジン停止中でなければその後の処理を実行することなく終了し、エンジン停止中と確認されると、ステップ３２へ進む。ステップＳ３２では、通電フラグがセットされているか否かを判定する。通電フラグは、ヒータ通電実施時間ｔ１における第１回目の通電が終了していることを示すもので、後述するステップＳ３６にてセットされる。

ステップＳ３２が否定判定されると、ステップＳ３３へ進み、ステップＳ３２が肯定判定されると、ステップＳ３７へ進む。ステップＳ３３では、エンジン停止からの経過時間を読み込み、続くステップＳ３４では、エンジン停止後の経過時間が、ヒータ通電実施時間ｔ１に達したか否かを判定する。この時、ヒータ通電実施時間ｔ１は、車両毎に適合されたヒータ通電実施時間ｔ１Ａ（車両Ａ）、ヒータ通電実施時間ｔ１Ｂ（車両Ｂ）を用いる。ＥＣＵ１３のタイマ手段から出力される経過時間を、ヒータ通電実施時間ｔ１と比較し、経過時間がヒータ通電実施時間ｔ１に達していなければ（経過時間＜ヒータ通電実施時間ｔ１）、ステップＳ３１へ戻る。

ステップＳ３４が肯定判定され、エンジン停止後の経過時間がヒータ通電実施時間ｔ１に達した（経過時間≧ヒータ通電実施時間ｔ１）場合は、ステップＳ３５へ進んで、ヒータ通電を実行する。ヒータ通電は、上記ステップＳ５と同様に、空燃比センサ２の使用温度域（例えば５００℃以上）において、所定の通電時間Ｔａ保持することにより行われる。通電時間Ｔａの設定方法については、上記第１実施形態と同様とする。

ステップＳ３４が否定判定された場合は、ステップＳ３１に戻ってステップＳ３２以降をヒータ通電実施時間ｔ１に達するまで繰り返す。ステップＳ３５でヒータ通電がなされると、ステップＳ３６へ進んで通電フラグをセットし、ステップＳ３１へ戻る。ここで、一旦通電フラグがセットされると、ステップＳ３２が肯定判定されるので、経過時間がｔ１時間を超えてもステップＳ３５のヒータ通電が繰り返しなされることはない。

ステップＳ３２が肯定判定されて、ステップＳ３７へ進んだ場合は、タイマ手段から出力される経過時間を読み込み、続くステップＳ３８において、ヒータ通電実施時間ｔ２と比較する。経過時間がヒータ通電実施時間ｔ２に達していなければ（経過時間＜ヒータ通電実施時間ｔ２）、ステップＳ３１へ戻る。ステップＳ３８が肯定判定され、エンジン停止後の経過時間がヒータ通電実施時間ｔ２に達した（経過時間≧ヒータ通電実施時間ｔ１）場合は、ステップＳ３９へ進んで、ヒータ通電を実行し、ステップＳ４０で通電フラグをリセットして本ルーチンを終了する。ヒータ通電は、上記ステップＳ５と同様に、空燃比センサ２の使用温度域（例えば５００℃以上）において、所定の通電時間Ｔｂ保持することにより行われる。

ここで、図示するように、ヒータ通電実施時間ｔ２の時点では、出力ずれの大きい車両Ｂは、出力ずれ収束時間ΔｔＢが、出力ずれ許容時間Δｔmaxに達しているが、出力ずれの小さい車両Ａの出力ずれ収束時間ΔｔＡは、出力ずれ許容時間Δｔmaxに達していない。これは、一定のヒータ通電実施時間ｔ２では、空燃比センサ２のセンサ素子２ａに付着している排気ガス成分量が、車両毎に異なるためであり、排気ガス成分を脱離させるための通電時間Ｔｂも、車両毎に適宜設定する。車両Ｂは、出力ずれ収束時間ΔｔＢが、出力ずれ許容時間Δｔmaxに達しているため、通電時間Ｔｂ＝通電時間Ｔａとすることで、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。

出力ずれの小さい車両Ａは、排気ガス成分を脱離させるために必要な通電時間Ｔｂ（＜通電時間Ｔａ）を適宜設定する。これにより、図示するように出力ずれ収束時間ΔｔＡの特性線がシフトし、出力ずれを防止する効果を大きく向上させる。また、ヒータ通電後の必要な回復率によっては、通電時間Ｔｂをさらに短縮して最小限のヒータ通電にて出力ずれを抑制することもできる。

（第３実施形態）
図９、１０に本発明の第３実施形態を示す。上記第１、２実施形態では、ヒータ通電時間ｔ１、ｔ２に到達したか否かを判定するために、ＥＣＵ１３にタイマ手段を設けてエンジン本体１１停止後の経過時間をカウントするようにしたが、本実施形態では、経過時間と同様に出力ずれ収束時間Δｔと相関のあるセンサ素子２ａの温度等を用いて判定を行う。センサ素子２ａの温度は、センサ素子２ａのインピーダンスもしくはアドミタンスの他、ヒータ抵抗により検出することができる。あるいは、センサ素子２ａの温度と相関のある排気管１２内の温度やエンジン冷却水の温度等を用い、ヒータ通電時間ｔ１、ｔ２を設定するようにしてもよい。

図９は、エンジン停止後の空燃比センサ２の温度および排気管１２の温度の変化を示したもので、出力ずれ収束時間Δｔの変化を併せて示している。空燃比センサ２の温度は、センサ素子２ａのインピーダンスから、排気管１２の温度は排気温センサ１５を用いてモニタした。図に明らかなように、空燃比センサ２の温度は、エンジン停止により７００℃から３００℃付近まで急激に降下し、その後は緩やかに降下する。この傾向は、排気管１２の温度変化と同様であり、排気管温度の方がやや遅れて全体的に緩やかに降下する。

出力ずれの発生原因となる排気中の排気ガス成分は、エンジン本体１１の停止直後に空燃比センサ２が冷えていく過程で最も多くセンサ素子２ａに付着する。図より、出力ずれ収束時間の変化が、空燃比センサ２の温度変化に追従しており、素子温度の低下に伴って出力ずれ収束時間が急上昇し、温度低下が緩やかになると、出力ずれも収束に向かうことが分かる。そこで、図示の温度特性より、例えば吸着律速となる温度(約３００℃ないしその前後)をヒータ通電実施温度Ｔ１、対応する時間をヒータ通電実施時間ｔ１として、上記実施形態と同様に、付着物質を除去できる５００℃以上で数秒間程度、ヒータ通電を実施することで同様の効果が得られる。この時、ヒータ通電実施温度Ｔ１における出力ずれ収束時間Δｔが、前述した出力ずれ許容時間Δmax以下となるように設定することが好ましい。

この場合も、ヒータ通電実施温度Ｔ１でのヒータ通電後において、排気管１２内に残存している排気ガス成分が、再度センサ素子２aに付着する。このため、センサ素子２aの温度が十分低下した時点（例えば約１００℃ないしその前後）を、ヒータ通電実施温度Ｔ２（対応する時間をヒータ通電実施時間ｔ２）として、再度ヒータ通電する。ただし、再度吸着する量はエンジン始動直後に対して排気ガス成分濃度が低減されているため、大幅に減少しており、ヒータ通電温度、時間等はこれに応じて適宜設定すればよい。

その後、センサ素子２ａの温度、排気管内温度が大気とほぼ同じになると、排気ガス成分はそれ以上付着しない。そこで、車両が長期放置される場合等は、必要により、さらにヒータ通電実施温度Ｔ３（対応する時間をヒータ通電実施時間ｔ３）を設定として、再度ヒータ通電することもできる。また、再度付着する量はエンジン始動直後に対して排気ガス成分濃度が低減されているため、大幅に減少しており、ヒータ通電温度、時間等はこれに応じて適宜設定すればよい。

図１０は、本実施形態の出力ずれ防止手段として、ＥＣＵ１３で実行されるヒータ２２への通電制御の内容を示すフローチャートであり、車両Ａ、Ｂの両方に適用される。まずステップＳ４１で、エンジン本体１１が停止中か否かを、例えばイグニッションスイッチ１６のオフにより判定する。エンジン停止中でなければその後の処理を実行することなく終了し、エンジン停止中と確認されると、ステップＳ４２へ進み、通電フラグがセットされているか否かを判定する。通電フラグは、ヒータ通電実施時間ｔ１における第１回目の通電が終了していることを示すもので、後述するステップＳ４６にてセットされる。

ステップＳ４２が否定判定されると、ステップＳ４３へ進み、ステップＳ４２が肯定判定されると、ステップＳ４７へ進む。ステップＳ４３では、センサ素子２ａの温度を読み込む。センサ素子２ａの温度は、例えばセンサ素子２ａのインピーダンスもしくはアドミタンス、ヒータ抵抗により検出する。

続くステップＳ４４では、ステップＳ４３で検出したセンサ温度が、ヒータ通電実施時間ｔ１に相当するヒータ通電実施温度Ｔ１以下となったか否かを判定する。否定判定された場合は、ステップＳ４１へ戻る。ステップＳ４４が肯定判定された場合は、ステップＳ４５へ進んで、ヒータ通電を実行し、ステップＳ４６へ進んで通電フラグをセットし、ステップＳ４１へ戻る。ヒータ通電は、上記ステップＳ５と同様に、空燃比センサ２の使用温度域で付着成分が脱離可能な温度（例えば５００℃以上）において、所定の通電時間Ｔａ保持することにより行われる。通電時間Ｔａの設定方法については、上記第１実施形態と同様とする。

ステップＳ４２が肯定判定され、ステップＳ４７へ進んだ場合は、センサ温度を検出し、続くステップＳ４８で検出したセンサ温度が、ヒータ通電実施時間ｔ２に相当するヒータ通電実施温度Ｔ２以下となったか否かを判定する。否定判定された場合はＳ４１へ戻る。ステップＳ４８が肯定判定された場合は、ステップＳ４９へ進んで、ヒータ通電を実行し、ステップＳ５０で通電フラグをリセットして本ルーチンを終了する。ヒータ通電は、上記ステップＳ５と同様に、空燃比センサ２の使用温度域（例えば５００℃以上）において、所定の通電時間Ｔａ保持することにより行われる。

上記実施形態では、空燃比センサ２のヒータ制御装置について説明したが、本発明は、内燃機関の排気管に装着される酸素センサ、ＮＯｘセンサ、その他、排気ガス中のガス成分濃度を検出するガスセンサのヒータ制御にも適用することができる。また、例えば自動車以外の内燃機関にも好適に使用されて、始動時の出力ずれを防止し、フィードバック制御を良好に行うことができる。

１１ エンジン本体
１２ 排気管
１３ ＥＣＵ（出力ずれ防止手段）
１４ 冷却水温センサ
１５ 排気温センサ
１６ イグニッションスイッチ
２ 空燃比センサ（ガスセンサ）
２１ 検出部
２２ ヒータ
２ａ センサ素子
２ｂ カバー

Claims (9)

1. 内燃機関の排気管に設けられたガスセンサのヒータに対し通電制御をするガスセンサのヒータ制御装置において、
   前記内燃機関の停止中に、前記ヒータへの通電を行って、前記ガスセンサに付着した排気ガス成分を脱離させる出力ずれ防止手段を設け、
   前記出力ずれ防止手段は、
   前記内燃機関の停止後の放置時間と、前記排気管内に残存する排気ガス中の燃料成分による再始動時の前記ガスセンサの出力ずれ収束時間との関係を予め知り、該関係に基づいて、前記出力ずれ収束時間の許容値に対応する前記停止後の放置時間をヒータ通電実施時間ｔ１として、前記内燃機関の停止後の経過時間が前記ヒータ通電実施時間ｔ１に達した時点で前記ヒータへの通電を実施することを特徴とする内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置。
2. 前記出力ずれ防止手段は、
   前記ヒータ通電実施時間ｔ１における前記ヒータへの通電後の放置時間と前記出力ずれ収束時間との関係を予め知り、該関係に基づいて、前記出力ずれ収束時間の許容値に対応する前記通電後の放置時間からヒータ通電実施時間ｔ２を設定して、該ヒータ通電実施時間ｔ２に達した時点において、前記ヒータへの通電を再実施する請求項１記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置。
3. 前記出力ずれ防止手段は、
   前記ヒータ通電実施時間ｔ１における前記ヒータへの通電後の放置時間と前記出力ずれ収束時間との関係を予め知り、該関係に基づいて、前記出力ずれ収束時間が安定し、前記排気管内の雰囲気がほぼ大気に置換されたとみなされる前記通電後の放置時間から設定されたヒータ通電実施時間ｔ２において、前記ヒータへの通電を再実施する請求項１記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置。
4. 前記ヒータへの通電は、前記ガスセンサがセンサ使用温度域で前記排気ガス中の燃料成分を除去可能な温度にて所定時間保持されるように実施する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置。
5. 前記ガスセンサの出力ずれ収束時間は、前記内燃機関の再始動時に前記ガスセンサの出力が安定するのに要する時間であり、前記出力ずれ収束時間の許容値は、前記ガスセンサの出力に基づくフィードバック制御開始時間に基づいて設定される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置。
6. 前記内燃機関の停止後の放置時間を計測するタイマ手段を備え、該タイマ手段の出力に基づいて、前記出力ずれ防止手段を作動させる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置。
7. 前記内燃機関の停止後の放置時間と前記ガスセンサの温度および前記ガスセンサの出力ずれ収束時間との関係を予め知り、前記ガスセンサの温度を直接または間接的に検出する温度検出手段を設けて、該温度検出手段の出力に基づいて、前記出力ずれ防止手段を作動させる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置。
8. 前記温度検出手段が、前記ガスセンサのインピーダンスまたはアドミタンス、前記ヒータの抵抗値、前記排気管内の排気温度、または前記内燃機関の冷却水温度に基づいて、前記ガスセンサの温度を検出する請求項７記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の内燃機関用ガスセンサのヒータ制御装置を備え、前記ガスセンサにより検出される排気ガス成分濃度が所定範囲となるようにフィードバック制御を実施する内燃機関の制御装置。

Images