JP5152339B2 - ガスセンサの制御装置 - Google Patents
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Description
【0001】
本発明はガスセンサの制御装置に関し、特にセンサ素子と、センサ素子を覆うカバーと、センサ素子を昇温するヒータとを備え、エンジンの排気系に設けられたガスセンサについての制御装置であるガスセンサの制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、エンジンの排気系にはA/FセンサやO2センサなどのガスセンサが設けられている。ガスセンサのセンサ素子には一般にセラミックが用いられているため、高温状態でセンサ素子が被水すると素子割れが発生する。この点、被水による素子割れを防止するため、エンジンの排気系に用いられるガスセンサはセンサ素子を覆うカバーを通気可能な構造にして備えていることが一般的である。
一方、エンジンの排気系に設けられたA/FセンサやO2センサなどのガスセンサの出力は例えば空燃比制御に用いられる。このため、近年重要性が高まっている環境問題への取り組みの一環として、排気エミッションを低減する観点からセンサ素子の早期活性化は強く望まれている。この点、センサ素子の早期活性化を図るため、ガスセンサはセンサ素子を昇温するヒータを備えていることがある。
【0003】
被水による素子割れの発生を防止する技術として、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば以下のように提案されている。特許文献1や2では結露水を考慮し所定のヒータ制御を行う点で関連性があると考えられる技術が提案されている。特許文献3や4では所定のヒータ制御の開始タイミングに関する技術という点で関連性があると考えられる技術が提案されている。特許文献5では結露状態を考慮した技術という点で関連性があると考えられる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】
特開2004−360526号公報
【特許文献2】
特開2007−239480号公報
【特許文献3】
特開2003−049700号公報
【特許文献4】
特開2005−105960号公報
【特許文献5】
特開2004−101369号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、センサ素子はエンジンの排気系で具体的には以下のように被水する。
例えばエンジン始動後には、排気が排気通路に接触した際に排気中の水蒸気が排気通路で冷却されて結露する。こうして排気通路で発生した結露水は排気に乗ってガスセンサに到達するとともにカバー内に侵入し、さらにセンサ素子に到達する。すなわちセンサ素子はこのようにして被水することがある。
一方、例えばエンジンが停止した場合、排気系では温度の低下に応じて水蒸気が結露する。また、このような結露はガスセンサのカバー内でも発生する。そしてカバー内で発生した結露水はエンジンの再始動後に、排気に乗ってセンサ素子に到達する。すなわちセンサ素子は例えばこのようにして被水することもある。
また、例えばエンジン始動後には、排気がカバーに接触した際に排気中の水蒸気がカバーで冷却されてカバー外に結露する。こうしてカバー外で発生した結露水は排気とともにカバー内に侵入し、センサ素子に到達する。すなわちセンサ素子はこのようにして被水することもある。
【0006】
この点、排気通路で発生した結露水による素子割れを防止する技術は例えば前述の特許文献2等で提案されている。排気通路で発生した結露水による素子割れを防止する従来技術は、排気通路の温度が露点に到達すれば結露水が発生しなくなることに鑑み、一般に排気通路の温度が露点に到達したタイミングで例えばヒータへの通電許可等の所定のヒータ制御をしている。
しかしながら、発生した結露水には気化消失する過程が存在する。この点、排気通路で発生した結露水による素子割れの発生はカバーを備えることで大幅に低減し得るものの、当該従来技術では気化消失する前の結露水がセンサ素子に到達し、この結果、素子割れが発生する虞がないとはいえない点で問題があった。
また、仮に排気通路で発生した結露水による素子割れをカバーで防止できるとした場合でも、結露水は上述の通りカバーの内外でも発生する。このため、カバーの温度を特段考慮していない従来技術では、カバーの内外で発生した結露水により素子割れが発生する虞がある点で問題があった。
[0007]
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、結露水よるセンサ素子の素子割れの発生をより確実に防止しつつ、センサ素子の早期活性化を好適に図ることができるガスセンサの制御装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0008]
上記課題を解決するための本発明のガスセンサの制御装置は、センサ素子と、該センサ素子を覆うカバーと、前記センサ素子を昇温するヒータとを備え、エンジンの排気系に設けられたガスセンサにつき、前記カバーの内外で発生した結露水であるカバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、推定したタイミングに到達したか否かを判定するタイミング推定手段と、前記タイミング推定手段が推定した、前記カバー結露水が気化消失するタイミングを迎えるまでの間、前記センサ素子の温度が被水しても素子割れが発生しない温度になるように前記ヒータに通電をするヒータ制御手段とを備え、前記タイミング推定手段が、前記エンジンの始動後、前記カバーの露点温度を超えるまでの間、吸入空気量を積算して吸入空気量の積算値を算出するとともに、前記カバーの温度が露点を超えた後に、前記吸入空気量の積算値から吸入空気量を減算して吸入空気量の減算値を算出し、前記吸入空気量の減算値がゼロになった場合に、前記カバー結露水が気化消失したと推定することで、前記カバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、当該タイミングに到達したことを判定することを特徴とする。
[0009]
また本発明は、前記タイミング推定手段が、前記カバーの温度を考慮して、前記カバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、推定したタイミングに到達したか否かを判定する構成であってもよい。
[0010]
[0011]
また本発明は、前記タイミング推定手段が、さらに前記エンジンの始動後、前記排気系のうち、前記ガスセンサよりも上流側の各部の温度が露点を超える前に、前記各部で発生する結露水量の積算値を推定するとともに、前記各部の温度が露点を超えた後に、排気ガス中に含むことが可能な水蒸気量を推定し、前記水蒸気量が前記結露水量の積算値以上になった場合に、前記各部で発生した結露水である通路結露水が気化消失したと推定することで、前記通路結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、当該タイミングに到達したことを判定し、前記ヒータ制御手段が、前記タイミング推定手段が推定した、前記カバー結露水が気化消失するタイミング及び前記通路結露水が気化消失するタイミングを迎えるまでの間、前記センサ素子の温度が被水しても素子割れが発生しない温度になるように前記ヒータに通電をする構成であってもよい。
【0012】
また本発明は、前記タイミング推定手段が、前記カバー結露水(ただし、前記排気系の前記ガスセンサよりも上流側の各部で通路結露水が発生する場合には前記カバー結露水および前記通路結露水)が気化消失するタイミングに到達したことを判定したときに、前記ヒータ制御手段がさらに前記センサ素子を速やかに活性化させ、その後、前記センサ素子の温度を目標温度にフィードバック制御する通電を前記ヒータに対して行う構成であってもよい。
【0013】
また本発明は、前記タイミング推定手段が、予め用意されたマップに基づいて前記カバー結露水(ただし、前記排気系の前記ガスセンサよりも上流側の各部で通路結露水が発生する場合には前記カバー結露水及び前記通路結露水)が気化消失するタイミングを認識し、該タイミングに到達したか否かを判定する構成であってもよい。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、結露水よるセンサ素子の素子割れの発生をより適切に防止しつつ、センサ素子の早期活性化を好適に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】図1は、ECU1AをA/Fセンサ10とともに模式的に示す図である。
【図2】図2は、排気管40に設けられたA/Fセンサ10を模式的に示す図である。
【図3】図3は、A/Fセンサ10を断面で模式的に示す図である。
【図4】図4は、カバー12を備えるA/Fセンサ10が設けられた排気管40に排気が流通する様子を模式的に示す図である。
【図5】図5は、カバー結露水が気化消失する過程をグラフで説明する図である。
【図6】図6は、ECU1Aの動作を大別してフローチャートで示す図である。
【図7】図7は、図6でサブルーチンとして示すECU1Aの動作を展開してフローチャートで示す図である。
【図8】図8は、ECU1Aによるセンサ活性時間の短縮効果と排気エミッションの低減効果とを従来技術の場合と比較して示す図である。
【図9】図9は、ECU1Bの動作のうち、積算値ΣW1を推定する動作をフローチャートで示す図である。
【図10】図10は、ECU1Bの動作のうち、積算値ΣW2を推定する動作をフローチャートで示す図である。
【図11】図11は、ECU1Bの動作のうち、気化消失タイミングを推定するとともに判定する動作と所定のヒータ制御の動作とをフローチャートで示す図である。
【図12】図12は、飽和水蒸気濃度のマップデータを模式的に示す図である。
【図13】図13は、積算値ΣW1およびΣW2をグラフで視覚的に示すとともに、これに対応させて通電抑制制御および本通電制御をグラフで視覚的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例1】
【0017】
図1は、ECU(Electronic Control Unit:電子制御装置)1Aで実現されている本実施例に係るガスセンサの制御装置をガスセンサであるA/Fセンサ10とともに模式的に示す図である。ECU1Aは図示しないCPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)と、ROM(Read Only Memory)と、RAM(Random Access Memory)などで構成されるマイクロコンピュータ(以下、単にマイコンと称す)2Aと、ローパスフィルタ(以下、単にLPFと称す)3と、センサ回路4と、ヒータ制御回路5と、図示しないA/D変換器およびD/A変換器などを有して構成されている。A/Fセンサ10はセンサ素子11と、センサ素子11を覆うカバー12と、センサ素子11を昇温するヒータ13とを有して構成されている。なお、カバー12は単一のカバーに限られず、複数のカバーで構成されていてもよい。この点、本実施例では具体的にはカバー12がインナーカバー12aとアウターカバー12bとで構成されている。このときカバー温度は例えばインナーカバー12aの温度とすることができ、本実施例ではインナーカバー12aの温度をカバー温としている。A/Fセンサ10は図示しない車両が搭載するエンジン50の排気を流通させる排気管40に設けられている(図2参照)。A/Fセンサ10は本実施例では具体的には排気管40のうち、触媒30の上流側の部分に設けられている。
【0018】
図3はA/Fセンサ10を断面で模式的に示す図である。A/Fセンサ10はセンサ素子11やカバー12やヒータ13のほか、ハウジング14やセンサ素子11の後端部を覆う第1外筒部15、第2外筒部16及び上部カバー17等を有して構成されている。なお、図3においてA/Fセンサ10のカバー12側を先端側と称し、上部カバー17側を後端側と称す。カバー12は具体的にはセンサ素子11の先端に形成された検出部11aを覆うように設けられている。また、ヒータ13(図3において図示省略)は具体的にはセンサ素子11に設けられている。ハウジング14の外周面にはねじ部14aが形成されており、A/Fセンサ10は具体的にはこのねじ部14aを排気管40に形成したねじ部に螺合することで、検出部11aが排気管40内部の排気通路に突出するようにして設けられる。
【0019】
この点、カバー12を備えるA/Fセンサ10が設けられた排気管40では、排気が次に示すように流通する。図4はカバー12を備えるA/Fセンサ10が設けられた排気管40に排気が流通する様子を拡大して模式的に示す図である。カバー12を備えるA/Fセンサ10では、結露水を含む排気がアウターカバー12b内に侵入した後、インナーカバー12aに衝突する際に、排気中の結露水の大半が分離されてアウターカバー12bの外部へと放出される。このためカバー12を備えるA/Fセンサ10では、結露水がセンサ素子11に到達する事態を大幅に低減することができる。
【0020】
そして、本実施例の構成では、例えばエンジンが停止した場合は、排気系の温度の低下に応じて水蒸気が結露し、カバー12の内外に結露水が発生する。具体的には、図4のインナーカバー12aとアウターカバー12bのセンサ素子11側(カバー内)、および排気通路側(カバー外)に結露水が発生する。また、例えばエンジン始動後には、排気がカバー12に接触した際に排気中の水蒸気がカバー12で冷却されてカバー12外に結露する。具体的には、図4のインナーカバー12aとアウターカバー12bの排気通路側(カバー外)に結露水が発生する。このようなカバー12の内外へ発生した結露水は、その一部が排気とともにセンサ素子11に到達し、センサ素子11が被水する。
本実施例では、このようなカバー12の内外への結露水によるセンサ素子11の素子割れをより確実に防止するために、後述するようにヒータ13の通電を制御する。
【0021】
図3に戻り、センサ素子11は、ハウジング14内に配設した絶縁体18aの挿入孔に挿通され、先端の検出部11aが、排気管40に固定されるハウジング14の先端よりも突出した状態で絶縁体18a内に固定される。絶縁体18aの軸方向後端側には、タルク粉体19が封着され、さらにタルク粉体19の軸方向後端側にはパッキン20と固定子21とが配設される。センサ素子11は、ハウジング14の後端側外周部を固定子21に向けてかしめることにより固定される。
【0022】
ハウジング14の後端側には、第1外筒部15が固定され、さらに第1外筒部15の後端側には、第2外筒部16が固定されている。第2外筒部16内には、絶縁体18bが設けられている。また、第2外筒部16の後端側には撥水フィルタ22を介して上部カバー17が設けられている。第2外筒部16及び上部カバー17の撥水フィルタ22と対向する位置には大気導入孔16a及び17aが形成されており、大気導入孔16a及び17aを通じて、第2外筒部16内に形成された大気側雰囲気に大気が導入される。また、上部カバー17の後端部内側には、グロメット23が配設されている。
【0023】
A/Fセンサ10には、コネクタ24a、24bとリード線25a、25bとが設けられている。ヒータ13への通電は、コネクタ24a及び24bを介してA/Fセンサ10外部に延設されたリード線25a及び25bによって行うことができるようになっている。なお、図示省略したが、センサ素子11の出力を検出するために必要なコネクタ及びリード線も同様にA/Fセンサ10に設けられている。
【0024】
図1に戻り、A/Fセンサ10の出力検出にあたって、マイコン2Aはセンサ素子11に電圧を印加するための信号を出力する。この信号はD/A変換器により矩形状のアナログ電圧に変換された後、LPF3で高周波成分を除去された上でセンサ回路4に入力される。センサ回路4は入力されたアナログ電圧をもとにセンサ素子11に電圧を印加する。この電圧印加時にマイコン2AはA/Fセンサ10から、電圧印加に伴い排気中の酸素濃度に応じてセンサ素子11に流れる電流をセンサ回路4及びA/D変換器を介して検出する。
【0025】
一方、ヒータ13の制御にあたって、ヒータ制御回路5はマイコン2Aの制御のもと、ヒータ13への通電を制御する。マイコン2Aがヒータ13への通電を行うようにヒータ制御回路5を制御すると、バッテリ6からヒータ13へ電力が供給される。同時にこのときマイコン2Aはヒータ制御回路5を制御して、ヒータ13への通電をデューティ制御する。またマイコン2Aはこのときヒータ制御回路5およびA/D変換器を介してヒータ13の電流、電圧を検出する。マイコン2Aは検出値に基づきインピーダンスやアドミタンスを算出する。
【0026】
ECU1Aには、上記のようにA/Fセンサ10(より具体的にはヒータ13)が制御対象として電気的に接続されている。またECU1AにはA/Fセンサ10のほか、車両の外気温を検知する外気温センサや、エンジンの回転数NEを検出するために用いられるクランク角センサや、エンジンの冷却水温THWを検知する水温センサや、エンジンの吸入空気量を検出するためのエアフロメータ等の各種のセンサ(図示省略)が電気的に接続されている。なお、各種のセンサの出力状態や出力に基づく情報は他のECUを介して間接的に取得されてもよい。
ROMはCPUが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。CPUがROMに格納されたプログラムに基づき、必要に応じてRAMの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ECU1Aでは各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが機能的に実現される。この点、本実施例では特に以下に示すタイミング推定手段とヒータ制御手段とがECU1Aで機能的に実現されている。
【0027】
タイミング推定手段は、排気系のうち、A/Fセンサ10からA/Fセンサ10よりも上流側で発生した結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、当該タイミングに到達したことを判定する。この点、タイミング推定手段は本実施例では具体的には以下のようにしてタイミングを推定するとともに、当該タイミングに到達したことを判定する。
タイミング推定手段は、カバー12の温度を考慮して、A/Fセンサ10からA/Fセンサ10よりも上流側で発生した結露水のうち、カバー12の内外で発生する結露水であるカバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定する。具体的には、インナーカバー12aの温度を考慮して、インナーカバー12aとアウターカバー12bのセンサ素子11側(カバー内)、および排気通路側(カバー外)に発生する結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定する。
【0028】
また、カバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定するにあたり、タイミング推定手段はエンジンの始動後、カバー12の温度が露点を超えるまでの間、吸入空気量を積算して吸入空気量の積算値を算出する。この点、カバー12の温度が露点を超えたか否かは、例えば吸入空気量の積算値が所定値Aを超えたか否かで判定することができる。所定値Aはエンジン始動後、カバー12の温度が露点温度に到達した時までの吸入空気量の積算値であり、例えば台上試験で予め適合した値とすることができる。なお、カバー12の温度は、吸入空気量の積算値から求める方法に限られず、他のパラメータをもとに演算で推定するようにしてもよいし、温度センサ等で直接検知する構成でもよい。
また、カバー12の温度が露点を超えた後、タイミング推定手段は吸入空気量の積算値から吸入空気量を減算して吸入空気量の減算値を算出する。
そして吸入空気量の減算値がゼロになった場合に、タイミング推定手段はカバー12の結露水が気化消失したと推定することで、カバー12の結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定する。
【0029】
このように気化消失のタイミングを推定できるのは以下の理由による。
図5はカバー結露水が気化消失する過程をグラフで説明する図である。なお、図5(a)から図5(e)までに示す各グラフの時間軸は同じになっている。
図5(a)に示すように、カバー温度はエンジン始動後、時間経過とともに上昇し、露点到達時刻t0を経過したときに露点を超える。
図5(b)に示すように、結露水量は露点到達時刻t0を経過するまでの間増大し、露点到達時刻t0を経過した後減少する。
図5(c)に示すように、露点温度Tdにおける水蒸気濃度Cdと、各温度Texにおける水蒸気濃度Cexの濃度差である飽和水蒸気濃度差ΔC1は時間経過とともに減少する。濃度差ΔC1はエンジン始動時にはゼロよりも大きく、露点到達時刻t0でゼロとなり、露点到達時刻t0を経過した後ではゼロよりも小さくなる。また濃度差ΔC1の大きさは露点到達時刻t0の前後で結露水量の変化に対して同様に変化する。このため濃度差ΔC1は結露水量との関係では一定と仮定しても差し支えない。
図5(d)に示すように、排気ガス流量はエンジン始動直後に増大し、その後図示のように変化する。
図5(e)に示すように、排気ガス流量の積算値は所定値を超えるまで算出される。そして排気ガス流量の積算値が所定値を超えた後には排気ガス流量の減算値が算出される。そして排気ガス流量の減算値がゼロになったときに結露水量もゼロとなる。排気ガス流量の積算値は結露水量に比例し、排気ガス流量の減算値はガス化余裕代に比例する。
【0030】
かかる過程に対して、結露水量は次の式(1)で算出することができる。
結露水量≒(Cd−Cex)×排気ガス流量=ΔC1×排気ガス流量・・・(1)
この点、濃度差ΔC1を一定と仮定すれば、結露水量は次の式(2)に示すように変形することができる。
結露水量≒α×排気ガス流量・・・(2)
ここでαは定数である。
さらに排気ガス流量は式(3)に示すように仮定することができる。
排気ガス流量≒吸入空気量・・・(3)
式(2)は、式(3)より式(4)に示すように変形することができる。
結露水量≒α×吸入空気量・・・(4)
この式(4)によれば、結露水量は吸入空気量に比例することとなる。したがって、カバー結露水の消失タイミングは吸入空気量の加減算によって(すなわち排気ガス流量の減算値がゼロになったことによって)推定するとともに判定することができる。
【0031】
なお、A/Fセンサ10からA/Fセンサ10よりも上流側で発生した結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、推定したタイミングに到達したか否かを判定するにあたって、タイミング推定手段はカバー12の温度を考慮して、例えば結露水が気化消失するタイミングを予め推定するとともに、予め推定したタイミングに到達したか否かを判定することで、当該タイミングに到達したことを判定するように構成されてもよい。
また、タイミング推定手段は、カバー12の結露水が気化消失するタイミングだけでなく、A/Fセンサ10よりも上流側の各部で発生する結露水である通路結露水が気化消失するタイミングも推定し、これらの推定結果から当該タイミングに到達したことを判定するように構成されてもよい(実施例2参照)。更に、タイミング推定手段は、カバー12の結露水が気化消失するタイミングおよび/または通路結露水が気化消失するタイミングを予め計算してマップに記録しておき、エンジン始動後に当該マップを参照して、当該タイミングに達したか否かを判断してもよい。
【0032】
ヒータ制御手段は、タイミング推定手段が推定した、結露水(ここでは具体的にはカバー12の結露水)が気化消失するタイミングを迎えるまでの間、素子温度が被水しても素子割れが発生しない温度になるようにヒータ13に通電をする(以下、この通電制御を通電抑制制御と称す)。この点、ヒータ制御手段は本実施例では具体的には、エンジン始動後、タイミング推定手段が、カバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定するまでの間、通電抑制制御を行う。この場合、「素子温度が被水しても素子割れが発生しない温度」は、A/Fセンサ10に適用するセンサ素子11の種類,材質,大きさ,構造やA/Fセンサ10の設置場所等に基づいて決定することができる。
また、ヒータ制御手段は、タイミング推定手段が結露水(ここでは具体的にはカバー12の結露水)が気化消失するタイミングに到達したことを判定したときに、センサ素子11を速やかに活性化させ、その後、素子温を目標温度にフィードバック(以下、FBと称す)制御する通電をヒータ13に対して行う(以下、この通電制御を本通電制御と称す)。この点、通電抑制制御は本通電制御を行うときに解除されることになる。
ヒータ13への通電はデューティ制御で行われ、通電状態はデューティ制御に係るヒータDUTYを変更することで切り換えられる。また、FB制御は具体的には素子温Tをインピーダンスで判定するとともに、インピーダンスが目標温度に対応する所定のインピーダンスになるようにヒータ13への通電をデューティ制御することで行われる。また、FB制御に係る目標温度は所定の活性温度に設定されている。なお、FB制御はインピーダンスの代わりにアドミタンスで行われてもよい。
【0033】
次に、ECU1Aで行われる処理を図6および図7に示すフローチャートを用いて説明する。ECU1Aで行われる処理は図6に示すように通電抑制制御を開始する処理(ステップS11)と、発生結露水量を推定する処理(ステップS12)と、発生したカバー12の結露水の気化消失タイミングを推定するとともに判定する処理(ステップS13)と、所定のヒータ制御を行う処理(ステップS14)とに大別することができる。これに対して図7はこれらのサブルーチン処理を展開して、一連のフローチャートで示したものである。この点、図7に示すフローチャートにおいて、ステップS21およびS22がステップS11に、ステップS23およびS24がステップS12に、ステップS25およびS26がステップS13に、ステップS27がステップS14にそれぞれ対応している。
【0034】
図7に示すフローチャートにおいて、ECU1Aはエンジンが始動したか否かを判定する(ステップS21)。エンジンが始動したか否かは例えばイグニッションSWがONになったか否かで判定することができる。ステップS21で否定判定であれば、肯定判定されるまでの間、ステップS21に示す判定処理を繰り返す。一方、ステップS21で肯定判定であれば、ECU1Aは通電抑制制御を開始する(ステップS22)。つづいて、ECU1Aは吸入空気量を積算することで、吸入空気量の積算値を算出する(ステップS23)。さらに、ECU1Aは吸入空気量の積算値が所定値Aを超えたか否かを判定する(ステップS24)。否定判定であればステップS23に戻り、ステップS24で肯定判定されるまでの間、吸入空気量の積算値が継続して算出される。
【0035】
一方、ステップS24で肯定判定であれば、ECU1Aは吸入空気量の積算値から吸入空気量を減算することで、吸入空気量の減算値を算出する(ステップS25)。なお、吸入空気量の減算値がゼロよりも小さくなる場合には、吸入空気量の減算値はゼロであることとする。つづいて、ECU1Aは吸入空気量の減算値がゼロであるか否かを判定する(ステップS26)。ステップS26で否定判定であればステップS25に戻り、ステップS26で肯定判定されるまでの間、吸入空気量の減算値が継続的に算出される。一方、ステップS26で肯定判定であれば、発生したカバー12の結露水が気化消失したと推定されるとともに判定される。このためステップS26で肯定判定であれば、ECU1Aは所定のヒータ制御として通電抑制制御の解除と本通電制御の実行とを行う(ステップS27)。これにより、結露水よるセンサ素子11の素子割れの発生をより確実に防止することができる。
【0036】
図8は、ECU1Aによるセンサ活性時間の短縮効果と排気エミッションの改善効果とを従来技術の場合と比較して示す図である。なお、図8では、従来技術としてA/Fセンサ10よりも上流側の各部の露点到達タイミングを推定するとともに、推定した露点到達タイミング到達前に通電抑制制御を行い、推定した露点到達タイミング到達後に本通電制御を行う場合を示している。図8(a)に示すようにECU1Aの場合(本制御の場合)は、従来技術の場合と比較してセンサ活性時間をおよそ10秒以上短縮することができる。すなわちECU1Aは、A/Fセンサ10の出力を利用した空燃比制御をより早く開始でき、以って素子割れ発生の防止とセンサ素子11の早期活性化の両立を好適に図ることができる。また、これによりECU1Aの場合は従来技術の場合と比較して、図8(b)に示すように排気エミッションの改善として具体的にはNMHC(非メタン炭化水素)を約20%低減することができる。
このように、ECU1Aはカバー12の結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定することで、結露水よるセンサ素子11の素子割れの発生をより確実に防止しつつ、センサ素子の早期活性化を好適に図ることができ、さらには排気エミッションの改善を図ることもできる。
【実施例2】
【0037】
本実施例に係るECU1Bは、タイミング推定手段がさらに以下に示すように構成されている点と、ヒータ制御手段が以下に示すように構成されている点以外、ECU1Aと実質的に同一のものとなっている。また、ECU1Bには、実施例1の場合と同様に制御対象や各種のセンサなどが接続されている。このため本実施例ではECU1Bについては図示省略する。なお、本実施例に係るタイミング推定手段およびヒータ制御手段はECU1AのROMに格納されたプログラムを変更することで実現できる。
【0038】
本実施例に係るタイミング推定手段は、実施例1で前述したタイミング推定手段と比較して、さらにA/Fセンサ10よりも上流側の各部で発生する結露水である通路結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、当該タイミングに到達したことを判定するように構成されている。
通路結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定するにあたり、タイミング推定手段は具体的には、まずエンジンの始動後、A/Fセンサ10よりも上流側の各部の温度Texが露点を超える前に、各部で発生する結露水量の積算値ΣW1を推定する。次に温度Texが露点を超えた後に、排気ガス中に含むことが可能な水蒸気量を推定する。この水蒸気量は後述するガス化余裕代の積算値ΣW2の大きさ(絶対値)として推定することができる。そしてタイミング推定手段は、ガス化余裕代の積算値ΣW2の大きさが、結露水量の積算値ΣW1以上になった場合に、発生した通路結露水が気化消失したと推定することで、通路結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定する。
なお、温度Texは温度センサ等で直接検知するようにしてもよく、エンジン始動時の外気温および冷却水温や、排気ガス温度や、排気ガス−各部間および各部−外気間の熱伝達率や、各部の比熱および質量などをもとに演算で推定するようにしてもよい。
【0039】
本実施例に係るヒータ制御手段は、通電抑制制御を行うにあたり、タイミング推定手段が推定した、結露水が気化消失するタイミングを迎えるまでの間として、具体的には、カバー12の結露水が気化消失するタイミングと通路結露水が気化消失するタイミングとをタイミング推定手段が推定するとともに判定するまでの間、通電抑制制御を行うように構成されている。
また、本実施例に係るヒータ制御手段は、本通電制御を行うにあたり、タイミング推定手段が判定した、結露水が気化消失するタイミングを迎えたとき、具体的にはカバー12の結露水が気化消失するタイミングおよび通路結露水が気化消失するタイミングをタイミング推定手段が推定するとともに判定したときに、本通電制御を行うように構成されている。
これは、被水による素子割れを引き起こすおそれがある結露水の全てが気化消滅したことを推定した上でヒータ制御を行う趣旨である。
【0040】
次に、ECU1Bの動作を図9、図10および図11に示すフローチャートを用いて説明する。図9は積算値ΣW1の推定処理を、図10は積算値ΣW2の推定処理を、図11は蒸発タイミングの推定処理およびヒータ制御処理をそれぞれフローチャートで示したものである。なお、図9に示すフローチャートはエンジン始動後に開始される。また、図10に示すフローチャートはその後カバー温度が露点を超えたときに開始される。また、図11に示すフローチャートは、図9に示すフローチャートで積算値ΣW1の推定が終了した後、図10に示すフローチャートで積算値ΣW2が最初に推定されたときに開始される。また、実施例1で前述した図7、およびこれら図9、図10、図11に示すフローチャートの処理は、部分的或いは全体的にECU1Bで並列的に行われる。また、ヒータ制御手段を上述のように構成したことから、本実施例では図7に示すフローチャートでステップS27に示す処理は行われないようになっている。
【0041】
まず、図9に示すようにECU1Bは排気系各部の温度Texを検知する(ステップS31)。つづいて、ECU1Bは検知した温度Texにおける水蒸気濃度Cexと、露点温度Tdにおける水蒸気濃度Cdとをそれぞれ算出する(ステップS32)。具体的には、ECU1Bは図12に示すマップデータを参照して、温度Tex、Tdに対応する水蒸気濃度Cex、Cdをそれぞれ算出する。また本ステップでECU1Bは水蒸気濃度CdからCexを引くことにより、飽和水蒸気濃度差ΔC1を算出する。なお、図12に示す飽和水蒸気濃度のマップデータはROMに予め格納されている。
【0042】
次に、ECU1Bは結露水量W1を算出する(ステップS33)。結露水量W1は具体的には排気ガス流量に濃度差ΔC1を乗じることで求められる。つづいて、ECU1Bは結露水量の積算値ΣW1を算出する(ステップS34)。積算値ΣW1は、具体的にはステップS33で結露水量W1を算出する度に、算出した結露水量W1を積算することで算出される。そして、ECU1Bは温度Texが露点温度Tdよりも大きいか否かを判定する(ステップS35)。否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了した上で再開する。これにより、ステップS35で肯定判定されるまでの間、積算値ΣW1が継続的に算出される。一方、ステップS35で肯定判定であれば、ECU1Bは積算値ΣW1の算出を終了する(ステップS36)。
【0043】
一方、温度Texが露点を超えた後では、発生した結露水を排気ガス中に含むことが可能な状態、換言すれば発生した結露水がガス化され得る状態となる。このためステップS35で肯定判定であった場合、ECU1Bはガス化余裕代の積算値ΣW2を推定する。具体的には図10に示すように、まずECU1Bは排気系各部の温度Texを検知する(ステップS41)。つづいて、ECU1Bは温度Texにおける水蒸気濃度Cexと露点温度Tdにおける水蒸気濃度Cdとをそれぞれ算出する(ステップS42)。水蒸気濃度CexおよびCdの算出は、前述のステップS32と同様にして行われる。また、本ステップでECU1Bは、水蒸気濃度CdからCexを引くことにより、飽和水蒸気濃度差ΔC2を算出する。この濃度差ΔC2が温度Tex時に含むことができる水蒸気の濃度を示している。
【0044】
つづいて、ECU1Bはガス化余裕代W2を算出する(ステップS43)。ガス化余裕代W2は排気ガス流量に濃度差ΔC2を乗じることで求められる。そして、ECU1Bはガス化余裕代の積算値ΣW2を算出する(ステップS44)。積算値ΣW2はステップS44でガス化余裕代W2を算出する度に、算出したガス化余裕代W2を積算することで算出される。つづいて、ECU1Bはガス化余裕代の積算値ΣW2の大きさが結露水量の積算値ΣW1以上になったか否かを判定する(ステップS45)。本ステップで、排気ガス中に含むことが可能な水蒸気量が結露水量の積算値ΣW1以上になったか否かが判定される。ステップS45で否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了した上で再開する。これにより、ステップS45で肯定判定されるまでの間、積算値ΣW2が継続的に算出される。一方、ステップS45で肯定判定であれば、ECU1Bは積算値ΣW2の算出を終了する(ステップS46)。
【0045】
また、ステップS44で最初に積算値ΣW2が推定された場合、ECU1Bは図11に示すようにガス化余裕代の積算値ΣW2が結露水量の積算値ΣW1以上であるか否かを判定する(ステップS51)。否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。この場合、本フローチャートは図10に示すフローチャートのステップS44で積算値ΣW2が新たに算出されたときに再開される。一方、ステップS51で肯定判定であれば、ECU1Bは発生した通路結露水が気化消失したと推定するとともに判定する(ステップS52)。
【0046】
また、ECU1Bはカバー結露水が気化消失したと判定済みであるか否かを判定することを含め、実施例1で前述したようにしてカバー結露水が気化消失したか否かを推定するとともに判定する(ステップS53)。否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。この場合、本フローチャートは図7に示すフローチャートのステップS26の判定処理が新たに行われたときに再開される。一方、ステップS53で肯定判定であれば、ECU1Bは所定のヒータ制御として、通電抑制制御の解除と本通電制御の実行とを行う(ステップS54)。これにより、カバー12を備えた場合であってもセンサ素子11が通路結露水を被水することによる素子割れが発生し得ることに対して、通路結露水によるセンサ素子11の被水もより適切に防止することができる。
【0047】
図13は、積算値ΣW1およびΣW2をグラフで視覚的に示すとともに、これに対応させて通電抑制制御および本通電制御をグラフで視覚的に示す図である。図13(a)に示すグラフにおいて、2つの曲線はそれぞれ濃度差ΔC1と温度Texを示している。このグラフにおいて、結露水量の積算値ΣW1は温度Texが露点に到達する前の濃度差ΔC1の曲線と、濃度差ΔC1がゼロであることを示す直線とで囲まれる面積で表される。またガス化余裕代の積算値ΣW2の大きさは温度Texが露点に到達した後の濃度差ΔC1の曲線と、濃度差ΔC1がゼロであることを示す直線との間の面積で表され、この面積はさらにΣW1≦ΣW2となった時点を示す直線で区画されることになる。
【0048】
また図13(b)に示すように、ヒータDUTYはΣW1≦ΣW2となる時点よりも前では、素子温が被水しても素子割れが発生しない温度になるように10%弱に設定されている。すなわち、エンジン始動後、ΣW1≦ΣW2になるまでの間は通電抑制制御が行われ、この結果、素子温は素子割れが発生しない温度に抑制される。一方、ΣW1≦ΣW2となったときには本通電制御が行われ、この結果、ヒータDUTYはセンサ素子11を速やかに活性化させるためにおよそ85%に設定される。そしてさらにその後、素子温が活性温度に到達する以降のタイミングで素早くFB制御が開始され、これに応じてヒータDUTYはその大きさが変更される。これにより素子温が素早く活性温度に到達するとともに目標温度に維持される。
このように、ECU1BはECU1Aと比較して、カバー12を備えた場合であってもセンサ素子11が通路結露水を被水することによる素子割れが発生し得ることに対して、さらに通路結露水によるセンサ素子11の被水素子割れの発生をより確実に防止しつつ、センサ素子の早期活性化を好適に図ることができる。
【0049】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば実施例2では、カバー結露水が気化消失するタイミングおよび通路結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定するようにタイミング推定手段を構成した場合について示したが、タイミング推定手段は、カバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定することなく、通路結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定するように構成することも可能である。すなわち、通路結露水が気化消失するタイミングのほうが、カバー結露水が気化消失するタイミングよりも通常遅くなると考えられるところ、例えばこのような事情が明らかな場合には、カバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定することなく、通路結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに判定するようにすることも可能である。
【0050】
また、実施例1,2の考え方で、カバー結露水が気化消失するタイミングおよび/または通路結露水が気化消失するタイミングを、予め計算してマップに記録しておくこともできる。そして、車載では当該マップを参照して、エンジン始動後、当該タイミングに達したか否かを判断してもよい。このように、タイミング推定手段は、予め用意されたマップに基づいて結露水が気化消失するタイミングを認識し、当該タイミングに到達したか否かを判定することも可能である。この場合、エンジン始動時のセンサの推定温度が低温になるほど、当該タイミングをより長く設定してもよい。または、エンジン始動時のセンサの推定温度が高温であるときの当該タイミングと比較して、エンジン始動時のセンサの推定温度が低温であるときの当該タイミングを長く、または同等に設定してもよい。
【0051】
また、例えばタイミング推定手段やヒータ制御手段はECU1で実現することが合理的であるが、その他の電子制御装置や専用の電子回路などのハードウェアやこれらの組み合わせによって実現されてもよい。この点、本発明のガスセンサの制御装置は例えば複数の電子制御装置や電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。すなわち本発明のガスセンサの制御装置は例えば分散制御的な態様で実現されてもよい。同様にタイミング推定手段やヒータ制御手段など個々の手段についても分散制御的な態様で実現されてよい。
【符号の説明】
【0052】
1A,1B ECU
10 A/Fセンサ
11 センサ素子
12 カバー
13 ヒータ
30 触媒
40 排気管
50 エンジン
Claims (7)
- センサ素子と、該センサ素子を覆うカバーと、前記センサ素子を昇温するヒータとを備え、エンジンの排気系に設けられたガスセンサにつき、
前記カバーの内外で発生した結露水であるカバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、推定したタイミングに到達したか否かを判定するタイミング推定手段と、
前記タイミング推定手段が推定した、前記カバー結露水が気化消失するタイミングを迎えるまでの間、前記センサ素子の温度が被水しても素子割れが発生しない温度になるように前記ヒータに通電をするヒータ制御手段とを備え、前記タイミング推定手段は、前記エンジンの始動後、前記カバーの露点温度を超えるまでの間、吸入空気量を積算して吸入空気量の積算値を算出するとともに、前記カバーの温度が露点を超えた後に、前記吸入空気量の積算値から吸入空気量を減算して吸入空気量の減算値を算出し、前記吸入空気量の減算値がゼロになった場合に、前記カバー結露水が気化消失したと推定することで、前記カバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、当該タイミングに到達したことを判定することを特徴とするガスセンサの制御装置。 - 前記タイミング推定手段は、前記カバーの温度を考慮して、前記カバー結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、推定したタイミングに到達したか否かを判定することを特徴とする請求項1記載のガスセンサの制御装置。
- 前記タイミング推定手段は、さらに前記エンジンの始動後、前記排気系のうち、前記ガスセンサよりも上流側の各部の温度が露点を超える前に、前記各部で発生する結露水量の積算値を推定するとともに、前記各部の温度が露点を超えた後に、排気ガス中に含むことが可能な水蒸気量を推定し、
前記水蒸気量が前記結露水量の積算値以上になった場合に、前記各部で発生した結露水である通路結露水が気化消失したと推定することで、前記通路結露水が気化消失するタイミングを推定するとともに、当該タイミングに到達したことを判定し、
前記ヒータ制御手段は、前記タイミング推定手段が推定した、前記カバー結露水が気化消失するタイミング及び前記通路結露水が気化消失するタイミングを迎えるまでの間、前記センサ素子の温度が被水しても素子割れが発生しない温度になるように前記ヒータに通電をすることを特徴とする請求項1または2記載のガスセンサの制御装置。 - 前記タイミング推定手段は、前記カバー結露水が気化消失するタイミングに到達したことを判定したときに、
前記ヒータ制御手段がさらに前記センサ素子を速やかに活性化させ、その後、前記センサ素子の温度を目標温度にフィードバック制御する通電を前記ヒータに対して行うことを特徴とする請求項1または2記載のガスセンサの制御装置。 - 前記タイミング推定手段は、予め用意されたマップに基づいて前記カバー結露水が気化消失するタイミングを認識し、該タイミングに到達したか否かを判定することを特徴とする請求項1,2,4のいずれかに記載のガスセンサの制御装置。
- 前記タイミング推定手段は、前記カバー結露水および前記通路結露水が気化消失するタイミングに到達したことを判定したときに、
前記ヒータ制御手段がさらに前記センサ素子を速やかに活性化させ、その後、前記センサ素子の温度を目標温度にフィードバック制御する通電を前記ヒータに対して行うことを特徴とする請求項3記載のガスセンサの制御装置。 - 前記タイミング推定手段は、予め用意されたマップに基づいて前記カバー結露水および前記通路結露水が気化消失するタイミングを認識し、該タイミングに到達したか否かを判定することを特徴とする請求項3または6記載のガスセンサの制御装置。
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