JP6241360B2

JP6241360B2 - 排出ガスセンサのヒータ制御装置

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Publication number: JP6241360B2
Application number: JP2014089291A
Authority: JP
Inventors: 善洋坂下; 山下　幸宏; 山下　　幸宏; 竜三加山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: JP2015206767A; US20170010236A1; WO2015162866A1

Description

本発明は、複数のセルを有するセンサ素子と該センサ素子を加熱するヒータとを備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置に関する発明である。

近年の電子制御化された内燃機関では、排気管に排出ガスセンサを設置し、この排出ガスセンサの出力に基づいて空燃比等を制御するようにしている。一般に、排出ガスセンサは、センサ素子の温度が活性温度まで昇温しないと検出精度が悪い（又は検出不能である）ため、内燃機関の始動後に排出ガスセンサに内蔵したヒータでセンサ素子を加熱して排出ガスセンサの活性化を促進するようにしている。

また、複数のセルを有するセンサ素子を備えた排出ガスセンサ（例えばＮＯ_Xセンサ）が知られている。このような排出ガスセンサを搭載したシステムにおいては、複数のセルのうちの一つの測定対象セルのインピーダンス（内部抵抗）を温度情報として検出し、この測定対象セルのインピーダンスを目標インピーダンスに一致させるようにヒータの通電を制御して、センサ素子の温度を制御するようにしたものがある。例えば、特許文献１（特開２００９−６９１４０号公報）に記載されているように、測定対象セルの抵抗値が第１の所定抵抗値になるようにヒータの通電を制御し、その後、第１の所定抵抗値よりも大きい第２の所定抵抗値になるようにヒータの通電を制御するようにしたものがある。

特開２００９−６９１４０号公報

ところで、本出願人の研究によると、測定対象セルの温度と他のセルの温度は、常に一定の関係を保って変化しているわけではなく、そのときの条件（例えばヒータ電力や排出ガス温度等）によって測定対象セルと他のセルとで熱の伝わり具合等が異なるため、条件によって測定対象セルの温度と他のセルの温度との関係が変化することが判明した。つまり、測定対象セルの温度（インピーダンス）が同じでも、そのときの条件によって他のセルの温度が異なってくる。このため、測定対象セルのインピーダンスを予め設定した目標インピーダンスに一致させるようにヒータの通電を制御しても、条件によっては他のセルの温度が許容上限温度を越えてしまう可能性がある。他のセルの温度が許容上限温度を越えると、最悪の場合、他のセルが過熱により破損してしまうおそれがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、複数のセルを有するセンサ素子を備えた排出ガスセンサの測定対象セル（インピーダンスを検出するセル）以外の他のセルの温度が許容上限温度を越えてしまうことを防止することができる排出ガスセンサのヒータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関（１１）の排出ガス通路（１２）に設置されると共に複数のセル（２０，２１，２２）を有するセンサ素子（１９）と該センサ素子（１９）を加熱するヒータ（３７）とを備えた排出ガスセンサ（１７）と、複数のセル（２０，２１，２２）のうちの一つの測定対象セル（２０）のインピーダンスを検出して該測定対象セル（２０）のインピーダンスを目標インピーダンスに一致させるようにヒータ（３７）の通電を制御するインピーダンス制御を実行するヒータ通電制御手段（１８）とを備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置において、ヒータ通電制御手段（１８）は、インピーダンス制御の際に、ヒータ（３７）の通電条件と内燃機関（１１）の運転条件のうちの少なくとも一つのパラメータに基づいて測定対象セル（２０）以外の他のセル（２２）の温度を推定して、該他のセル（２２）の温度が許容上限温度以下になるように目標インピーダンスを補正するようにしたものである。

このようにすれば、インピーダンス制御の際に、ヒータの通電条件や内燃機関の運転条件によって、測定対象セルの温度（インピーダンス）と他のセルの温度との関係が変化しても、他のセルの温度が許容上限温度以下になるように目標インピーダンスを変化させることができる。これにより、他のセルの温度が許容上限温度を越えてしまうことを防止することができ、他のセルの過熱による破損を未然に防止することができる。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。図２はセンサ素子の概略構成を示す断面図である。図３は図２のＡ−Ａ断面図である。図４は目標インピーダンスＴＺを補正しない場合のセンサセル温度の挙動を示すタイムチャートである。図５は目標インピーダンスＴＺを補正する場合のセンサセル温度の挙動を示すタイムチャートである。図６はヒータ通電制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システムの概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の排気管１２（排出ガス通路）には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯ_X等を浄化する三元触媒等の上流側触媒１３と下流側触媒１４が設けられている。また、上流側触媒１３の上流側には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１５が設けられ、上流側触媒１３の下流側（上流側触媒１３と下流側触媒１４との間）には、排出ガスのリッチ／リーンを検出する酸素センサ１６が設けられている。更に、下流側触媒１４の下流側には、排出ガス中のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセンサ１７が設けられている。

これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）１８に入力される。このＥＣＵ１８は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

次に、図２及び図３に基づいてＮＯ_Xセンサ１７のセンサ素子１９の概略構成を説明する。
ＮＯ_Xセンサ１７のセンサ素子１９は、ポンプセル２０とモニタセル２１とセンサセル２２とを有する３セル構造のセンサ素子である。このセンサ素子１９は、酸素イオン伝導性材料からなる第１及び第２の固体電解質体２３，２４が、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ２５を介して所定間隔を隔てて積層されている。

ポンプセル２０は、第２の固体電解質体２４と、この固体電解質体２４を挟む一対の電極２６，２７とから構成されている。また、モニタセル２１は、第１の固体電解質体２３と、この固体電解質体２３を挟む一対の電極２８，２９とから構成され、センサセル２２は、第１の固体電解質体２３と、この固体電解質体２３を挟む一対の電極２８，３０とから構成されている。

第１の固体電解質体２３には、ピンホール３１が形成され、この第１の固体電解質体２３のうちのポンプセル２０側の上面側には、多孔質拡散層３２が設けられている。また、第１の固体電解質体２３のうちのモニタセル２１及びセンサセル２２側の上面側には、絶縁層３３が設けられ、この絶縁層３３によって大気通路３４が形成されている。一方、第２の固体電解質体２４の下面側には、絶縁層３５が設けられ、この絶縁層３５によって大気通路３６が形成されている。また、絶縁層３５には、センサ素子１９を加熱するためのヒータ３７が埋設されている。

排気管１２内の排出ガスは、多孔質拡散層３２及び固体電解質体２３のピンホール３１を通って第１チャンバ３８内に導入される。そして、ポンプセル２０によって第１チャンバ３８内の排出ガス中の酸素が排出又は汲み込まれると共に排出ガス中の酸素濃度が検出される。この後、第１チャンバ３８を通過した排出ガスは、絞り部３９を通って第２チャンバ４０内に流れ込む。そして、モニタセル２１によって第２チャンバ４０内の排出ガス中の酸素濃度（残留酸素濃度）が検出されると共に、センサセル２２によって第２チャンバ４０内の排出ガス中のＮＯ_X濃度が検出される。

一般に、ＮＯ_Xセンサ１７は、センサ素子１９（セル２０〜２２）の温度が活性温度まで昇温しないと検出精度が悪い（又は検出不能である）。そこで、ＥＣＵ１８は、ＮＯ_Xセンサ１７に内蔵したヒータ３７の通電を制御してセンサ素子１９を加熱して活性化させるようにしている。

具体的には、エンジン１１の始動後に、排気管１２内が乾燥状態（排気管１２内の水分が蒸発した状態）であるか否かを判定する。排気管１２内が乾燥状態ではないと判定された場合には、排気管１２やＮＯ_Xセンサ１７に水分が付着している可能性があるため、ＮＯ_Xセンサ１７のセンサ素子１９を被水による素子割れが発生しない温度範囲内で予熱するようにヒータ３７の通電を制御する予熱制御を実行する。この予熱制御では、ヒータ３７の通電デューティ（通電制御値）を予熱用の通電デューティ（例えば１０％）に設定してセンサ素子１９を予熱する。

その後、排気管１２内が乾燥状態であると判定された時点で、センサ素子１９の温度を速やかに昇温させるようにヒータ３７の通電を制御する昇温制御を実行する。この昇温制御では、ヒータ３７の通電デューティを昇温用の通電デューティ（例えば１００％）に設定してセンサ素子１９を加熱する。

また、ポンプセル２０（測定対象セル）のインピーダンスＺp を検出し、このポンプセル２０のインピーダンスＺp が活性判定インピーダンスＺp1（ポンプセル２０の活性温度に相当する値）よりも小さくなったか否かによってポンプセル２０が活性化した（活性温度まで昇温した）か否かを判定する。

その後、ポンプセル２０のインピーダンスＺp が活性判定インピーダンスＺp1よりも小さくなってポンプセル２０が活性化したと判定された時点で、センサ素子１９を活性状態に維持するようにヒータ３７の通電を制御するインピーダンス制御を実行する。このインピーダンス制御では、ポンプセル２０のインピーダンスＺp を目標インピーダンスＴＺに一致させるようにヒータ３７の通電デューティをフィードバック制御する。具体的には、ポンプセル２０のインピーダンスＺp と目標インピーダンスＴＺとの偏差を小さくするようにＰＩ制御等によりヒータ３７の通電デューティを算出する。

ところで、ポンプセル２０の温度とセンサセル２２の温度は、常に一定の関係を保って変化しているわけではなく、そのときの条件（例えばヒータ電力や排出ガス温度等）によってポンプセル２０とセンサセル２２とで熱の伝わり具合等が異なるため、条件によってポンプセル２０の温度とセンサセル２２の温度との関係が変化することが判明した。つまり、ポンプセル２０の温度（インピーダンス）が同じでも、そのときの条件によってセンサセル２２の温度が異なってくる。

このため、図４に示すように、ポンプセル２０のインピーダンスＺp を予め設定した目標インピーダンスＴＺに一致させるようにヒータ３７の通電を制御しても、条件によってはセンサセル２２の温度が許容上限温度を越えてしまう可能性がある。センサセル２２の温度が許容上限温度を越えると、最悪の場合、センサセル２２が過熱により破損してしまうおそれがある。

この対策として、本実施例では、ＥＣＵ１８により後述する図６のヒータ通電制御ルーチンを実行することで、次のような制御を行うようにしている。
図５に示すように、インピーダンス制御の際に、ヒータ３７の通電条件とエンジン１１の運転条件のうちの少なくとも一つのパラメータ（例えばヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度）に基づいてセンサセル２２の温度を推定する。このセンサセル２２の温度の推定値である推定センサセル温度ＴＳが許容上限温度以下になるように目標インピーダンスＴＺを補正する。具体的には、目標センサセル温度ＴＴ（例えばセンサセル２２の許容上限温度よりも少し低い温度）と推定センサセル温度ＴＳとの偏差ΔＴＳを小さくするようにＰＩ制御等により目標インピーダンスの補正値ΔＴＺを算出し、この補正値ΔＴＺを用いて目標インピーダンスＴＺを補正する。

これにより、インピーダンス制御の際に、ヒータ３７の通電条件やエンジン１１の運転条件によって、ポンプセル２０の温度（インピーダンス）とセンサセル２２の温度との関係が変化しても、センサセル２２の温度が許容上限温度以下になるように目標インピーダンスＴＺを変化させることができる。

以下、ＥＣＵ１８が実行する図６のヒータ通電制御ルーチンの処理内容を説明する。
図６に示すヒータ通電制御ルーチンは、ＥＣＵ１８の電源オン期間中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいうヒータ通電制御手段としての役割を果たす。

本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、所定の実行条件が成立しているか否かを、例えば、エンジン１１の暖機後である（冷却水温が所定値以上である）か否か、或は、ポンプセル２０のインピーダンスＺp が活性判定インピーダンスＺp1よりも小さいか否か等によって判定する。このステップ１０１で、実行条件が不成立であると判定された場合には、ステップ１０２以降の処理を実行することなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０１で、実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ１０２に進み、ヒータ３７の通電条件とエンジン１１の運転条件とに基づいてセンサセル２２の温度を推定（算出）する。この場合、例えば、ヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度とに応じた推定センサセル温度ＴＳ（センサセル２２の温度の推定値）をマップ又は数式等により算出する。この際、排出ガス温度は、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度や負荷等）に基づいて推定しても良いし、或は、温度センサで検出するようにしても良い。推定センサセル温度ＴＳのマップ又は数式等は、予め試験データや設計データ等に基づいて作成され、ＥＣＵ１８のＲＯＭに記憶されている。

この後、ステップ１０３に進み、目標センサセル温度ＴＴと推定センサセル温度ＴＳとの偏差ΔＴＳを算出する。
ΔＴＳ＝ＴＴ−ＴＳ
ここで、目標センサセル温度ＴＴは、例えば、センサセル２２の許容上限温度よりも少し低い温度に設定されている（図５参照）。

この後、ステップ１０４に進み、目標センサセル温度ＴＴと推定センサセル温度ＴＳとの偏差ΔＴＳを小さくするようにＰＩ制御等により目標インピーダンスの補正値ΔＴＺを算出する。
ΔＴＺ＝Ｋp ×ΔＴＳ＋Ｋi ×ΣΔＴＳ
ここで、Ｋp は比例ゲインであり、Ｋi は積分ゲインである。

この後、ステップ１０５に進み、目標インピーダンスのベース値ＴＺb に補正値ΔＴＺを加算して目標インピーダンスＴＺを求めることで、補正値ΔＴＺを用いて目標インピーダンスＴＺを補正する。
ＴＺ＝ＴＺb ＋ΔＴＺ

この後、ステップ１０６に進み、ヒータ３７の通電条件とエンジン１１の運転条件（例えばヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度）に応じて区分された学習領域毎に目標インピーダンスの補正値ΔＴＺを次のようにして学習する。

ＥＣＵ１８のバックアップＲＡＭ等の書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＣＵ１８の電源オフ中でも記憶データを保持する書き換え可能なメモリ）には、補正値ΔＴＺの学習値のマップが記憶されている。この補正値ΔＴＺの学習値のマップは、ヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度とをパラメータとする複数の学習領域に区分され、各学習領域毎に、それぞれ補正値ΔＴＺの学習値が記憶されている。そして、この補正値ΔＴＺの学習値のマップにおいて、今回のヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度とに対応した学習領域における補正値ΔＴＺの学習値を、今回の補正値ΔＴＺで更新する。

この後、ステップ１０７に進み、インピーダンス制御を実行する。このインピーダンス制御では、ポンプセル２０のインピーダンスＺp を目標インピーダンスＴＺに一致させるようにヒータ３７の通電デューティをフィードバック制御する。具体的には、ポンプセル２０のインピーダンスＺp と目標インピーダンスＴＺとの偏差を小さくするようにＰＩ制御等によりヒータ３７の通電デューティを算出する。

以上説明した本実施例では、インピーダンス制御の際に、ヒータ３７の通電条件とエンジン１１の運転条件（例えばヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度）に基づいてセンサセル２２の温度を推定し、このセンサセル２２の温度の推定値（推定センサセル温度）が許容上限温度以下になるように目標インピーダンスを補正するようにしている。このようにすれば、インピーダンス制御の際に、ヒータ３７の通電条件やエンジン１１の運転条件によって、ポンプセル２０の温度（インピーダンス）とセンサセル２２の温度との関係が変化しても、センサセル２２の温度が許容上限温度以下になるように目標インピーダンスを変化させることができる。これにより、センサセル２２の温度が許容上限温度を越えてしまうことを防止することができ、センサセル２２の過熱による破損を未然に防止することができる。

また、本実施例では、ヒータ３７の通電条件とエンジン１１の運転条件（例えばヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度）に応じて区分された学習領域毎に目標インピーダンスの補正値を学習するようにしている。このようにすれば、ヒータ３７の通電条件やエンジン１１の運転条件によって、目標インピーダンスの適正な補正値（センサセル２２の温度を許容上限温度以下にする補正値）が変化するのに対応して、学習領域毎にそれぞれ適正な補正値を学習することができる。これにより、インピーダンス制御の際に、目標インピーダンスの補正値を新たに算出する前（或は算出できない場合）でも、該当する学習領域の学習値（前回学習した補正値）を用いて目標インピーダンスを補正することができる。

更に、本実施例では、ヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度とを用いてセンサセル２２の温度を推定するようにしている。ヒータ３７の電力や排出ガス温度によってセンサセル２２の受熱量が変化して、センサセル２２の温度が変化するため、ヒータ３７の電力や排出ガス温度を用いれば、センサセル２２の温度を精度良く推定することができる。

尚、上記実施例では、ヒータ３７の通電条件とエンジン１１の運転条件（例えばヒータ３７の電力とエンジン１１の排出ガス温度）に基づいてセンサセル２２の温度を推定するようにしたが、センサセル２２の温度を推定する方法は、これに限定されず、適宜変更しても良い。例えば、ヒータ３７の通電条件とエンジン１１の運転条件のうちの一方のみに基づいてセンサセル２２の温度を推定するようにしても良い。

また、ヒータ３７の通電条件は、ヒータ３７の電力に限定されず、例えば、ヒータ３７の積算電力量、通電デューティ等を用いるようにしても良い。また、エンジン１１の運転条件は、エンジン１１の排出ガス温度に限定されず、例えば、エンジン１１の回転速度、負荷、排気流量等を用いるようにしても良い。

その他、本発明は、ＮＯ_Xセンサに限定されず、複数のセルを有するセンサ素子を備えた種々の排出ガスセンサ（例えば空燃比センサ）に適用して実施できる。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…排気管（排出ガス通路）、１７…ＮＯ_Xセンサ（排出ガスセンサ）、１８…ＥＣＵ（ヒータ通電制御手段）、１９…センサ素子、２０…ポンプセル（測定対象セル）、２１…モニタセル、２２…センサセル（他のセル）、３７…ヒータ

Claims

内燃機関（１１）の排出ガス通路（１２）に設置されると共に複数のセル（２０，２１，２２）を有するセンサ素子（１９）と該センサ素子（１９）を加熱するヒータ（３７）とを備えた排出ガスセンサ（１７）と、前記複数のセル（２０，２１，２２）のうちの一つの測定対象セル（２０）のインピーダンスを検出して該測定対象セル（２０）のインピーダンスを目標インピーダンスに一致させるように前記ヒータ（３７）の通電を制御するインピーダンス制御を実行するヒータ通電制御手段（１８）とを備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置において、
前記ヒータ通電制御手段（１８）は、前記インピーダンス制御の際に、前記ヒータ（３７）の通電条件と前記内燃機関（１１）の運転条件のうちの少なくとも一つのパラメータに基づいて前記測定対象セル（２０）以外の他のセル（２２）の温度を推定して、該他のセル（２２）の温度が許容上限温度以下になるように前記目標インピーダンスを補正することを特徴とする排出ガスセンサのヒータ制御装置。
前記ヒータ通電制御手段（１８）は、前記パラメータに応じて区分された学習領域毎に前記目標インピーダンスの補正値を学習することを特徴とする請求項１に記載の排出ガスセンサのヒータ制御装置。
前記ヒータ通電制御手段（１８）は、前記パラメータとして前記ヒータ（３７）の電力と前記内燃機関（１１）の排出ガス温度とを用いて前記他のセル（２２）の温度を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の排出ガスセンサのヒータ制御装置。