JP6485411B2 - 排気センサの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気センサの制御装置に関する。
従来から、排気ガス中の特定の成分を検出するために、内燃機関の排気通路に排気センサを配置することが知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。特許文献１に記載の排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層とを備える。排気センサは排気ガスに曝されるように排気管に固定され、排気ガスの一部は保護層を通過して素子本体内に流入する。また、排気センサは、電気化学セルが所定の作動温度以上となるように素子本体を加熱するヒータを備える。
ところで、排気管の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路に凝縮水が存在していると、凝縮水の水滴が排気ガスと共に排気センサの保護層に衝突する。保護層が撥水性を有しない場合、保護層に衝突した水滴は保護層内に浸透する。ヒータによる加熱によって保護層の温度が高温である場合には、保護層内に浸透した水滴は保護層内で蒸発する。この結果、保護層及び素子本体に熱衝撃が加えられ、排気センサの素子割れが発生する場合がある。
そこで、特許文献１には、排気センサの素子割れを防止すべく、ライデンフロスト現象を利用して排気センサの保護層に撥水性を付与することが記載されている。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層に衝突したときに、保護層と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層からはじかれるため、保護層内に水が浸透することが抑制される。
特表２００９−５２９６９１号公報 特開２０００−１９３６３５号公報 特開２００６−３２２３８９号公報
しかしながら、保護層への煤の付着、排気センサの劣化等が生じると、保護層の熱伝導率が低下する。この結果、ライデンフロスト現象が発生しにくくなり、保護層の撥水性が低下する。保護層の撥水性が低下すると、保護層に衝突した水滴の一部が保護層に浸透する。保護層の撥水性の低下度合が大きくなると、保護層に浸透する水の量が多くなり、排気センサの素子割れが発生するおそれがある。このため、被水による排気センサの素子割れをより確実に防止するためには、内燃機関の運転中に保護層の撥水性の低下を検出できることが望ましい。
そこで、本発明の目的は、内燃機関の運転中に排気センサの保護層の撥水性の低下を検出することができる排気センサの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、第１の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、当該制御装置は、前記電気化学セルの温度を検出するセル温度検出部と、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御するヒータ制御部と、該ヒータ制御部が前記保護層の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度に前記目標温度を設定しているときに前記保護層の撥水性が低下しているか否かを判定する判定部とを備え、前記判定部は、異常判定条件が成立した場合に、前記保護層の撥水性が低下していると判定し、前記異常判定条件は、前記セル温度検出部によって検出された前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下し、該温度の低下速度が、前記ヒータをオフにしたときの前記電気化学セルの温度の低下速度よりも速いことを含む、排気センサの制御装置が提供される。
第２の発明では、第１の発明において、前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度の前記目標温度からの低下量が所定量以上であることを含む。
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下した後に該目標温度まで上昇し、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下してから該目標温度まで上昇するまでの時間が前記内燃機関における点火周期よりも短いことを含む。
第４の発明では、第１から第３のいずれか一つの発明において、前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下した後に該目標温度まで上昇し、該温度の低下速度及び上昇速度が所定速度以上であることを含む。
第５の発明では、第１から第４のいずれか一つの発明において、前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下した後に該目標温度まで上昇し、該温度の低下速度が該温度の上昇速度よりも速いことを含む。
第６の発明では、第１から第５のいずれか一つの発明において、前記排気センサの出力を検出する出力検出部を更に備え、前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下したときに、前記出力検出部によって検出された前記排気センサの出力の絶対値が、予め定められた基準値以上の値から低下することを含む。
第７の発明では、第６の発明において、前記異常判定条件は、前記排気センサの出力の絶対値の前記基準値以上の値からの低下量が所定量以上であることを含む。
第８の発明では、第６又は第７の発明において、前記異常判定条件は、前記排気センサの出力の絶対値が前記基準値以上の値から低下した後に該基準値以上の値まで上昇し、前記排気センサの出力の絶対値が前記基準値以上の値から低下してから該基準値以上の値まで上昇するまでの時間が前記内燃機関における点火周期よりも短いことを含む。
第９の発明では、第６から第８のいずれか一つの発明において、前記異常判定条件は、前記排気センサの出力の絶対値が前記基準値以上の値から低下した後に該基準値以上の値まで上昇し、該出力の絶対値の低下速度及び上昇速度が所定速度以上であることを含む。
第１０の発明では、第６から第９のいずれか一つの発明において、前記異常判定条件は、前記排気センサの出力の絶対値が前記基準値以上の値から低下した後に該基準値以上の値まで上昇し、該出力の絶対値の低下速度が該出力の絶対値の上昇速度よりも速いことを含む。
第１１の発明では、第１から第１０のいずれか一つの発明において、前記排気センサの出力を検出する出力検出部を更に備え、前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が低下したときに、前記出力検出部によって検出された前記排気センサの出力が、予め定められたゼロ近傍領域内の値から上昇することを含む。
第１２の発明では、第１１の発明において、前記異常判定条件は、前記排気センサの出力が前記ゼロ近傍領域内の値から上昇した後に該ゼロ近傍領域内の値まで低下し、前記排気センサの出力が前記ゼロ近傍領域内の値から上昇してから該ゼロ近傍領域内の値まで低下するまでの時間が前記内燃機関における点火周期よりも短いことを含む。
第１３の発明では、第１から第１２のいずれか一つの発明において、前記排気センサ周りの排気管の温度を推定する排気管温度推定部を更に備え、前記判定部は、前記排気管温度推定部によって推定された前記排気管の温度が露点温度以上の所定温度に達した後には、前記保護層の撥水性が低下しているか否かを判定しない。
第１４の発明では、第１から第１３のいずれか一つの発明において、前記判定部は、前記保護層の撥水性の低下度合を判定し、前記ヒータをオフにしたときの前記電気化学セルの温度の低下速度よりも速い速度で前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下したときの該温度の前記目標温度からの低下量が多いほど、前記保護層の撥水性の低下度合が大きいと判定する。
第１５の発明では、第１から第１４のいずれか一つの発明において、前記ヒータ制御部は、前記判定部が前記保護層の撥水性が低下していると判定したときには、前記目標温度を上昇させる。
第１６の発明では、第１４の発明において、前記ヒータ制御部は、前記判定部が前記保護層の撥水性が低下していると判定したときには、前記目標温度を上昇させ、前記保護層の撥水性の低下度合が相対的に大きい場合に、該保護層の撥水性の低下度合が相対的に小さい場合に比べて前記目標温度の上昇量を大きくする。
本発明によれば、内燃機関の運転中に排気センサの保護層の撥水性の低下を検出することができる排気センサの制御装置が提供される。
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、空燃比センサの拡大図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサのセンサ素子の断面図である。 図４は、保護層の表面温度及び熱伝導率を変化させたときにライデンフロスト現象が発生する領域を示すグラフである。 図５は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。 図６は、本発明の第一実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図７は、センサセルの温度の低下量と保護層の撥水性の低下度合との関係を示すマップである。 図８は、本発明の第二実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、保護層の撥水性が低下しているときにセル温度検出部によって検出されるセンサセルの温度の概略的なタイムチャートである。 図１０は、本発明の第三実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、本発明の第四実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。 図１２は、本発明の第四実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１３は、本発明の第四実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１４は、本発明の第四実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１５は、本発明の第五実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。 図１６は、本発明の第五実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図１７は、経過時間及び積算空気量と排気管の温度との関係を示すマップである。 図１８は、本発明の第五実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１９は、センサセルの目標温度の上昇量と保護層の撥水性の低下度合との関係を示すマップである。 図２０は、内燃機関を始動させた後の機関負荷、保護層の撥水性及びセンサセルの目標温度の概略的なタイムチャートである。 図２１は、本発明の第六実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２２は、内燃機関を始動させた後の機関負荷、センサ周りの排気管温度、保護層の撥水性及びセンサセルの目標温度の概略的なタイムチャートである。 図２３は、本発明の第七実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２４は、本発明の第八実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２５は、本発明の第八実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
＜第一実施形態＞
最初に図１〜図６を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関１を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。
図１を参照すると、内燃機関１は、機関本体１００と、各気筒の燃焼室２と、燃焼室２内に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁３と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５とを備える。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ（過給機）７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置される。さらに、吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１３が配置される。図１に示した内燃機関１では機関冷却水が冷却装置１３内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。
一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２８を内蔵したケーシング２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒２８は、例えば、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）又はＮＯｘ吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されてもよい。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」という）通路１４を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９によって燃料タンク３３から燃料配管３４を介してコモンレール１８内に供給される。コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。
内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。負荷センサ１０１及びエアフロメータ１０２の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１５及び燃料ポンプ１９に接続されている。
負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ１０１は機関負荷を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる空気流量を検出する。さらに、入力ポート８５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ１０８が接続され、クランク角センサ１０８によって機関回転数が検出される。
なお、内燃機関１は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関であってもよい。また、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。
＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、排気センサの制御装置によって制御される排気センサとして、内燃機関１の排気通路に空燃比センサ１０が配置されている。空燃比センサ１０は、内燃機関１の排気通路を流れる排気ガス中の特定の成分を検出する。具体的には、空燃比センサ１０は、排気ガス中の酸素濃度を検出することで、排気ガスの空燃比をリニアに検出する。
本実施形態では、空燃比センサ１０は排気通路において排気浄化触媒２８の排気流れ方向上流側に配置されている。なお、空燃比センサ１０は、排気通路の他の位置、例えば排気浄化触媒２８の排気流れ方向下流側に配置されてもよい。
以下、図２及び図３を参照して、空燃比センサ１０の構成について説明する。図２は、空燃比センサ１０の拡大図である。図２では、空燃比センサ１０の先端側が断面図で示されている。空燃比センサ１０は、先端部１１が排気管２７内に挿入された状態で排気管２７に固定される。空燃比センサ１０は、その内部に、板状の形状を有するセンサ素子１２を備えている。
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサ１０のセンサ素子１２の断面図である。図３に示されるように、空燃比センサ１０のセンサ素子１２は、センサセル５１が設けられた素子本体５０と、素子本体５０の外面上に形成された保護層６０とを備える。
素子本体５０は被測ガス室３０及び基準ガス室３１を備えている。空燃比センサ１０が内燃機関１の排気通路に配置されたとき、被測ガス室３０には、排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。基準ガス室３１には基準ガスが導入される。基準ガスは例えば大気である。この場合、基準ガス室３１は大気に開放されている。
空燃比センサ１０は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。素子本体５０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第一不透過層２１、第二不透過層２２及び第三不透過層２３を備える。固体電解質層４０は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層４０は、例えば、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として添加した焼結体である。拡散律速層１６は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１６は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の多孔質セラミックから構成されている。不透過層２１〜２３は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む。
素子本体５０の各層は、図３の下方から、第一不透過層２１、第二不透過層２２、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第三不透過層２３の順に積層されている。被測ガス室３０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６及び第三不透過層２３によって区画形成されている。排気ガスは保護層６０及び拡散律速層１６を通って被測ガス室３０内に導入される。拡散律速層１６は被測ガスの拡散律速を行う。なお、被測ガス室３０は、固体電解質層４０に隣接し且つ被測ガスが導入されるように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
基準ガス室３１は固体電解質層４０及び第二不透過層２２によって区画形成されている。なお、基準ガス室３１は、固体電解質層４０に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
センサセル５１は、固体電解質層４０、第一電極４１及び第二電極４２を有する電気化学セルである。第一電極４１は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように固体電解質層４０の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第二電極４２は、基準ガス室３１内の基準ガスに曝されるように固体電解質層４０の基準ガス室３１側の表面上に配置されている。第一電極４１と第二電極４２とは、固体電解質層４０を挟んで互いに対向するように配置されている。第一電極４１及び第二電極４２は、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属から構成されている。例えば、第一電極４１及び第二電極４２は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。
保護層６０は、素子本体５０の外面全体を覆うように、素子本体５０の外面上に形成されている。保護層６０は、ガス透過性を有し、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化亜鉛等の多孔質セラミックから構成されている。
センサ素子１２はヒータ５５を更に備える。本実施形態では、ヒータ５５は、図３に示されるように、第一不透過層２１と第二不透過層２２との間に配置される。ヒータ５５は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミック（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ５５は素子本体５０及び保護層６０を加熱する。
センサセル５１の第一電極４１及び第二電極４２には、電気回路７０が接続されている。電気回路７０は電源７１及び電流検出器７２を備える。電源７１は、第二電極４２の電位が第一電極４１の電位よりも高くなるように電極間に電圧を印加する。ＥＣＵ８０の出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して電源７１に接続されている。したがって、ＥＣＵ８０は、電源７１を制御して、センサセル５１に印加される電圧を制御することができる。また、電流検出器７２は、センサセル５１に流れる電流をセンサセル５１の出力として検出する。電流検出器７２の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。したがって、ＥＣＵ８０は、電流検出器７２によって検出されたセンサセル５１の出力を電流検出器７２から取得することができる。
空燃比センサ１０は、センサセル５１に所定の電圧を印加したときにセンサセル５１に流れる限界電流を検出することによって排気ガスの空燃比を検出する。したがって、本実施形態における空燃比センサ１０は、いわゆる限界電流式空燃比センサである。
＜ライデンフロスト現象＞
ところで、排気管２７の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路に凝縮水が存在していると、凝縮水の水滴が排気ガスと共に空燃比センサ１０の保護層６０に衝突する。保護層６０が撥水性を有しない場合、保護層６０に衝突した水滴は保護層６０内に浸透する。ヒータ５５による加熱によって保護層６０の温度が高温である場合には、保護層６０内に浸透した水滴は保護層６０内で蒸発する。この結果、保護層６０及び素子本体５０に熱衝撃が加えられ、空燃比センサ１０の素子割れが発生する場合がある。
保護層６０は、その温度が高温であるときに撥水性を有する。この特性は、ライデンフロスト現象を発生させることによって得られる。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層６０に衝突したときに、保護層６０と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層６０と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層６０からはじかれるため、保護層６０内に水が浸透することが抑制される。
＜保護層の撥水性の低下＞
しかしながら、保護層６０への煤の付着、空燃比センサ１０の劣化等が生じると、保護層６０の熱伝導率が低下する。図４は、保護層６０の表面温度及び熱伝導率を変化させたときにライデンフロスト現象が発生する領域を示すグラフである。図４では、ライデンフロスト現象が発生する領域が斜線で示されている。
図４に示されるように、保護層６０の熱伝導率が低下すると、ライデンフロスト現象が発生しにくくなり、ライデンフロスト現象を発生させるために必要な温度が上昇する。すなわち、保護層６０の熱伝導率が低下すると、保護層６０の撥水性が低下する。保護層６０の撥水性が低下すると、保護層６０に衝突した水滴の一部が保護層６０に浸透する。保護層６０の撥水性の低下度合が大きくなると、保護層６０に浸透する水の量が多くなり、空燃比センサ１０の素子割れが発生するおそれがある。このため、被水による空燃比センサ１０の素子割れをより確実に防止するためには、内燃機関１の運転中に保護層６０の撥水性の低下を検出できることが望ましい。
＜排気センサの制御装置の説明＞
そこで、本実施形態に係る排気センサの制御装置は、内燃機関１の始動の際に以下の制御を実行することで、保護層６０の撥水性の低下を検出する。図５は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。排気センサの制御装置は、セル温度検出部８０ａ、ヒータ制御部８０ｂ及び判定部８０ｃを備える。本実施形態では、セル温度検出部８０ａ、ヒータ制御部８０ｂ及び判定部８０ｃはＥＣＵ８０の一部である。
セル温度検出部８０ａはセンサセル５１の温度を検出する。具体的には、セル温度検出部８０ａはセンサセル５１のインピーダンスに基づいてセンサセル５１の温度を算出する。セル温度検出部８０ａは、電源７１からセンサセル５１に高周波の電圧が印加されたときに電流検出器７２によって検出されるセンサセル５１の出力に基づいて、センサセル５１のインピーダンスを算出する。なお、セル温度検出部８０ａはセンサセル５１の電極間抵抗に基づいてセンサセル５１の温度を算出してもよい。また、排気センサ（本実施形態では空燃比センサ１０）の内部に熱電対が設けられている場合、セル温度検出部８０ａは熱電対を用いてセンサセル５１の温度を検出してもよい。
ヒータ制御部８０ｂは、センサセル５１の目標温度を設定し、センサセル５１の温度が目標温度になるようにヒータ５５を制御する。ヒータ制御部８０ｂはヒータ制御回路５６を介してヒータ５５を制御する。具体的には、ヒータ制御部８０ｂは、セル温度検出部８０ａによって検出されたセンサセル５１の温度が目標温度になるように、ヒータ制御回路５６を介してヒータ５５に供給する電力をフィードバック制御する。ヒータ５５によってセンサセル５１が加熱されるとき、保護層６０も同様にヒータ５５によって加熱される。このため、保護層６０の温度はセンサセル５１の温度と相関する。したがって、上述したフィードバック制御によって、ヒータ制御部８０ｂはセンサセル５１の温度だけでなく保護層６０の温度も制御することができる。
ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１の始動時又は始動後に、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止すべく、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度にセンサセル５１の目標温度を設定する。判定部８０ｃは、ヒータ制御部８０ｂが保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度に目標温度を設定しているときに、保護層６０の撥水性が低下しているか否かを判定する。保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度とは、極めて少量の水滴が保護層６０に衝突したときにライデンフロスト現象が発生する温度の下限値であり、例えば４００℃である。
判定部８０ｃは、異常判定条件が成立した場合に保護層６０の撥水性が低下していると判定する。保護層６０の撥水性が低下すると、保護層６０に衝突した水の一部が保護層６０に浸透し、保護層６０及びセンサセル５１の温度が低下する。また、このときのセンサセル５１の温度の低下速度は、ヒータ５５をオフにしたときのセンサセル５１の温度の低下速度よりも速い。このため、本実施形態では、異常判定条件は、セル温度検出部８０ａによって検出されたセンサセル５１の温度が目標温度から低下し、このときのセンサセル５１の温度の低下速度が、ヒータ５５をオフにしたときのセンサセル５１の温度の低下速度よりも速いことを含む。ヒータ５５をオフにしたときのセンサセル５１の温度の低下速度は実験又は計算によって予め定められる。なお、温度の低下速度とは、単位時間当たりの温度の低下量を意味する。
本実施形態における排気センサの制御装置は、上述した制御を実行することによって、内燃機関１の運転中に空燃比センサ１０の保護層６０の撥水性の低下を検出することができる。
＜異常判定処理の制御ルーチン＞
以下、図６のフローチャートを参照して、保護層６０の撥水性の低下を判定するための制御について詳細に説明する。図６は、本発明の第一実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ１０１において、判定部８０ｃが、ヒータ制御部８０ｂによって設定されたセンサセル５１の目標温度ＴＴが、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度ＴＬ以上の温度であるか否かを判定する。最低温度ＴＬは例えば４００℃である。
ステップＳ１０１において目標温度ＴＴが最低温度ＴＬ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、保護層６０の撥水性が低下しているか否かは判定されない。一方、ステップＳ１０１において目標温度ＴＴが最低温度ＴＬ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、判定部８０ｃが、センサセル５１の温度が目標温度ＴＴから低下したか否かを判定する。センサセル５１の温度はセル温度検出部８０ａによって検出される。ステップＳ１０２においてセンサセル５１の温度が目標温度ＴＴから低下したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３では、判定部８０ｃが、センサセル５１の温度の低下速度Ｖｄｔが、ヒータ５５をオフにしたときのセンサセル５１の温度の低下速度Ｖｏｆｆよりも速いか否かを判定する。低下速度Ｖｄｔはセル温度検出部８０ａによって検出される。ヒータ５５をオフにしたときのセンサセル５１の温度の低下速度Ｖｏｆｆは実験又は計算によって予め定められる。ステップＳ１０３において低下速度Ｖｄｔが低下速度Ｖｏｆｆよりも速いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。
ステップＳ１０４では、判定部８０ｃが、保護層６０の撥水性が低下していると判定し、センサ異常フラグＦｓａを１に設定する。センサ異常フラグＦｓａの初期値はゼロである。また、センサ異常フラグＦｓａは、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされたとき又は内燃機関１が停止されたときにゼロにされる。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１０２においてセンサセル５１の温度が目標温度ＴＴから低下しなかったと判定された場合、又はステップＳ１０３において低下速度Ｖｄｔが低下速度Ｖｏｆｆ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
保護層６０の撥水性が低下しているときに保護層６０が被水してセンサセル５１の温度が目標温度から低下する場合、センサセル５１の温度の目標温度からの低下量は所定量以上となる。このため、第二実施形態では、異常判定条件は、センサセル５１の温度の目標温度からの低下量が所定量以上であることを含む。所定量は、実験又は計算によって予め定められ、例えば１５℃である。第二実施形態では、被水以外の要因によるセンサセル５１の温度変化を検出して保護層６０の撥水性が低下していると誤判定することを抑制することができるため、保護層６０の撥水性の低下をより精度良く検出することができる。
また、第二実施形態では、判定部８０ｃは保護層６０の撥水性の低下度合を判定する。判定部８０ｃは、ヒータ５５をオフにしたときのセンサセル５１の温度の低下速度よりも速い速度でセンサセル５１の温度が目標温度から低下したときのセンサセル５１の温度の目標温度からの低下量が多いほど、保護層６０の撥水性の低下度合が大きいと判定する。判定部８０ｃは、例えば、図７に示したようなマップを用いて保護層６０の撥水性の低下度合を算出する。このマップでは、保護層６０の撥水性の低下度合がセンサセル５１の温度の低下量ΔＴの関数として示される。保護層６０の撥水性の低下度合を判定することで、撥水性の低下度合に応じた排気センサの制御が可能となる。
＜異常判定処理の制御ルーチン＞
図８は、本発明の第二実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図８におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０３は、図６におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同様であることから説明を省略する。
本制御ルーチンは、ステップＳ２０３において低下速度Ｖｄｔが低下速度Ｖｏｆｆよりも速いと判定された場合、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、判定部８０ｃが、センサセル５１の温度の目標温度ＴＴからの低下量ΔＴが所定量Ａ以上であるか否かを判定する。低下量ΔＴはセル温度検出部８０ａによって検出される。所定量Ａは例えば１５℃である。ステップＳ２０４において低下量ΔＴが所定量Ａ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２０５では、判定部８０ｃが、保護層６０の撥水性が低下していると判定し、センサ異常フラグＦｓａを１に設定する。センサ異常フラグＦｓａの初期値はゼロである。また、センサ異常フラグＦｓａは、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされたとき又は内燃機関１が停止されたときにゼロにされる。
次いで、ステップＳ２０６において、判定部８０ｃが、保護層６０の撥水性の低下度合を判定する。判定部８０ｃは、ヒータ５５をオフにしたときのセンサセル５１の温度の低下速度よりも速い速度でセンサセル５１の温度が目標温度から低下したときのセンサセル５１の温度の目標温度からの低下量が多いほど、保護層６０の撥水性の低下度合が大きいと判定する。具体的には、判定部８０ｃは、センサセル５１の温度の目標温度ＴＴからの低下量ΔＴに基づいて、図７に示したようなマップを用いて保護層６０の撥水性の低下度合を算出する。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ２０４において低下量ΔＴが所定量Ａ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
保護層６０に浸透した水は保護層６０において蒸発する。このため、保護層６０の撥水性が低下しているときに保護層６０が被水すると、センサセル５１の温度は、目標温度から低下した後、再び目標温度まで上昇する。また、センサセル５１の温度が目標温度から低下してから目標温度まで上昇するまでの時間は内燃機関１における点火周期（或る気筒で点火が行われてから次の気筒で点火が行われるまでの時間間隔）よりも短い。このため、第三実施形態では、異常判定条件は、センサセル５１の温度が目標温度から低下した後に目標温度まで上昇し、センサセル５１の温度が目標温度から低下してから目標温度まで上昇するまでの時間が内燃機関１における点火周期よりも短いことを含む。センサセル５１の温度が目標温度から低下してから目標温度まで上昇するまでの時間はセル温度検出部８０ａによって検出される。内燃機関１における点火周期は、内燃機関１の気筒数及び機関回転数に基づいて算出される。機関回転数はクランク角センサ１０８によって検出される。
図９は、保護層６０の撥水性が低下しているときにセル温度検出部８０ａによって検出されるセンサセル５１の温度の概略的なタイムチャートである。図９には、センサセル５１の温度が目標温度ＴＴから低下してから目標温度ＴＴまで上昇するまでの時間Ｔｄｕが示されている。
また、被水によってセンサセル５１の温度が変化する場合、センサセル５１の温度の低下速度及び上昇速度は所定速度以上となる。このため、第三実施形態では、異常判定条件は、センサセル５１の温度が目標温度から低下した後に目標温度まで上昇し、センサセル５１の温度の低下速度及び上昇速度が所定速度以上であることを含む。温度の低下速度及び上昇速度はセル温度検出部８０ａによって検出される。また、所定速度は、実験又は計算によって予め定められ、例えば１５００（℃／ｓｅｃ）である。
また、保護層６０に水が浸透した場合、水が蒸発するのに時間がかかるため、センサセル５１の温度の上昇速度はセンサセル５１の温度の低下速度よりも遅くなる。このため、第三実施形態では、異常判定条件は、センサセル５１の温度が目標温度から低下した後に目標温度まで上昇し、センサセル５１の温度の低下速度がセンサセル５１の温度の上昇速度よりも速いことを含む。
第三実施形態では、被水以外の要因によるセンサセル５１の温度変化を検出して保護層６０の撥水性が低下していると誤判定することを抑制することができるため、保護層６０の撥水性の低下をより精度良く検出することができる。
＜異常判定処理の制御ルーチン＞
図１０は、本発明の第三実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１０におけるステップＳ３０１〜ステップＳ３０３は、図６におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同様であることから説明を省略する。
本制御ルーチンは、ステップＳ３０３において低下速度Ｖｄｔが低下速度Ｖｏｆｆよりも速いと判定された場合、ステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、判定部８０ｃが、センサセル５１の温度が目標温度ＴＴから低下した後に目標温度ＴＴまで上昇したか否かを判定する。ステップＳ３０４においてセンサセル５１の温度が目標温度ＴＴから低下した後に目標温度ＴＴまで上昇したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。
ステップＳ３０５では、判定部８０ｃが、センサセル５１の温度が目標温度ＴＴから低下してから目標温度ＴＴまで上昇するまでの時間Ｔｄｕが内燃機関１における点火周期Ｔｉよりも短いか否かを判定する。時間Ｔｄｕはセル温度検出部８０ａによって検出される。内燃機関１における点火周期Ｔｉは内燃機関１の気筒数及び機関回転数に基づいて算出される。ステップＳ３０５において時間Ｔｄｕが点火周期Ｔｉよりも短いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。
ステップＳ３０６では、判定部８０ｃが、センサセル５１の温度の低下速度Ｖｄｔ及び上昇速度Ｖｕｔが所定速度Ｖｒｅｆ以上であるか否かを判定する。センサセル５１の温度の低下速度Ｖｄｔ及び上昇速度Ｖｕｔはセル温度検出部８０ａによって検出される。所定速度Ｖｒｅｆは例えば１５００（℃／ｓｅｃ）である。ステップＳ３０６において低下速度Ｖｄｔ及び上昇速度Ｖｕｔが所定速度Ｖｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０７に進む。
ステップＳ３０７では、判定部８０ｃが、センサセル５１の温度の低下速度Ｖｄｔがセンサセル５１の温度の上昇速度Ｖｕｔよりも速いか否かを判定する。ステップＳ３０７において低下速度Ｖｄｔが温度の上昇速度Ｖｕｔよりも速いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０８に進む。
ステップＳ３０８では、判定部８０ｃが、保護層６０の撥水性が低下していると判定し、センサ異常フラグＦｓａを１に設定する。センサ異常フラグＦｓａの初期値はゼロである。また、センサ異常フラグＦｓａは、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされたとき又は内燃機関１が停止されたときにゼロにされる。ステップＳ３０８の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ３０４においてセンサセル５１の温度が目標温度ＴＴから低下した後に目標温度ＴＴまで上昇しなかったと判定された場合、ステップＳ３０５において時間Ｔｄｕが点火周期Ｔｉ以上であると判定された場合、ステップＳ３０６において低下速度Ｖｄｔ及び上昇速度Ｖｕｔが所定速度Ｖｒｅｆ未満であると判定された場合、又はステップＳ３０７において低下速度Ｖｄｔが温度の上昇速度Ｖｕｔ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
なお、本制御ルーチンにおいて、ステップＳ３０５〜ステップＳ３０７のうち２つ以内の任意のステップが省略されてもよい。
＜第四実施形態＞
第四実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図１１は、本発明の第四実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。排気センサの制御装置は出力検出部８０ｄを更に備える。出力検出部８０ｄは、電流検出器７２によって検出される空燃比センサ１０の出力を検出する。本実施形態では、出力検出部８０ｄはＥＣＵ８０の一部である。
保護層６０の撥水性が低下すると、保護層６０に衝突した水の一部が保護層６０に浸透する。この結果、排気ガスが拡散律速層１６を通って被測ガス室３０に流入することが阻害される。このため、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値であり且つ保護層６０の撥水性が低下しているときに保護層６０が被水すると、空燃比センサ１０の出力の絶対値がゼロに向かって低下する。
このため、第四実施形態では、異常判定条件は、センサセル５１の温度が目標温度から低下したときに、出力検出部８０ｄによって検出された空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下することを含む。基準値は、予め定められ、例えば、１４．６５の空燃比に相当する出力の値又は１４．５５の空燃比に相当する出力の絶対値である。
また、保護層６０の撥水性が低下しているときに保護層６０が被水して空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下する場合、空燃比センサ１０の出力の絶対値の基準値以上の値からの低下量は所定量以上となる。このため、第四実施形態では、異常判定条件は、空燃比センサ１０の出力の絶対値の基準値以上の値からの低下量が所定量以上であることを含む。所定量は、実験又は計算によって予め定められ、例えば低下前の出力の絶対値の１０％である。
また、保護層６０の撥水性が低下しているときに保護層６０が被水すると、空燃比センサ１０の出力の絶対値は、基準値以上の値から低下した後、再び基準値以上の値まで上昇する。また、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下してから基準値以上の値まで上昇するまでの時間は内燃機関１における点火周期よりも短い。このため、第四実施形態では、異常判定条件は、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下した後に基準値以上の値まで上昇し、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下してから基準値以上の値まで上昇するまでの時間が内燃機関１における点火周期よりも短いことを含む。空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下してから基準値以上の値まで上昇するまでの時間は出力検出部８０ｄによって検出される。内燃機関１における点火周期は、内燃機関１の気筒数及び機関回転数に基づいて算出される。機関回転数はクランク角センサ１０８によって検出される。
また、被水によって空燃比センサ１０の出力の絶対値が変化する場合、空燃比センサ１０の出力の絶対値の低下速度及び上昇速度は所定速度以上となる。このため、第四実施形態では、異常判定条件は、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下した後に基準値以上の値まで上昇し、出力の絶対値の低下速度及び上昇速度が所定速度以上であることを含む。出力の絶対値の低下速度及び上昇速度は出力検出部８０ｄによって検出される。また、所定速度は、実験又は計算によって予め定められ、例えば、１００／ｓｅｃの空燃比変化率に対応する出力変化率である。なお、この値は、通常の燃焼によって生じる出力変化量よりも大きい。
また、保護層６０に水が浸透した場合、水が蒸発するのに時間がかかるため、空燃比センサ１０の出力の絶対値の上昇速度は出力の絶対値の低下速度よりも遅くなる。このため、第四実施形態では、異常判定条件は、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下した後に基準値以上の値まで上昇し、出力の絶対値の低下速度が出力の絶対値の上昇速度よりも速いことを含む。
また、被測ガス室３０に導入される排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６０）であるときには、空燃比センサ１０の出力はほぼゼロとなる。しかしながら、保護層６０の撥水性が低下すると、被測ガス室３０に導入される排気ガス中の水濃度が高くなり、水分子内の酸素原子の一部がセンサセル５１において分解される。この結果、空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値であり且つ保護層６０の撥水性が低下しているときに保護層６０が被水すると、空燃比センサ１０の出力が一時的に上昇する。
このため、第四実施形態では、異常判定条件は、センサセル５１の温度が低下したときに、出力検出部８０ｄによって検出された空燃比センサ１０の出力が、ゼロ近傍領域内の値から上昇することを含む。ゼロ近傍領域は、予め定められ、例えば、１４．５５〜１４．６５の空燃比範囲に相当する出力範囲である。
また、空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇してからゼロ近傍領域内の値まで低下するまでの時間は内燃機関１における点火周期よりも短い。このため、第四実施形態では、異常判定条件は、空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇した後にゼロ近傍領域内の値まで低下し、空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇してからゼロ近傍領域内の値まで低下するまでの時間が内燃機関１における点火周期よりも短いことを含む。空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇した後にゼロ近傍領域内の値まで下降するまでの時間は出力検出部８０ｄによって検出される。内燃機関１における点火周期は、内燃機関１の気筒数及び機関回転数に基づいて算出される。機関回転数はクランク角センサ１０８によって検出される。
第四実施形態では、センサセル５１の温度変化に加えて空燃比センサ１０の出力変化に基づいて保護層６０の撥水性の低下を判定することで撥水性低下の誤判定を抑制することができるため、保護層６０の撥水性の低下をより精度良く検出することができる。
＜異常判定処理の制御ルーチン＞
図１２〜図１４は、本発明の第四実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１２におけるステップＳ４０１〜ステップＳ４０３は、図６におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同様であることから説明を省略する。
本制御ルーチンは、ステップＳ４０３において低下速度Ｖｄｔが低下速度Ｖｏｆｆよりも速いと判定された場合、ステップＳ４０４に進む。ステップＳ４０４では、判定部８０ｃが、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下したか否かを判定する。空燃比センサ１０の出力の絶対値は出力検出部８０ｄによって検出される。基準値は、例えば、１４．６５の空燃比に相当する出力の値又は１４．５５の空燃比に相当する出力の絶対値である。ステップＳ４０４において空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０６に進む。
ステップＳ４０６では、判定部８０ｃが、空燃比センサ１０の出力の絶対値の基準値以上の値からの低下量ΔＯが所定量Ｂ以上であるか否かを判定する。所定量Ｂは例えば低下前の出力の絶対値の１０％である。ステップＳ４０６において低下量ΔＯが所定量Ｂ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０７に進む。
ステップＳ４０７では、判定部８０ｃが、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下した後に基準値以上の値まで上昇したか否かを判定する。ステップＳ４０７において空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下した後に基準値以上の値まで上昇したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０８に進む。
ステップＳ４０８では、空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下してから基準値以上の値まで上昇するまでの時間ＯＴｄｕが内燃機関１における点火周期Ｔｉよりも短いか否かを判定する。時間ＯＴｄｕは出力検出部８０ｄによって検出される。内燃機関１における点火周期Ｔｉは、内燃機関１の気筒数及び機関回転数に基づいて算出される。ステップＳ４０８において時間ＯＴｄｕが点火周期Ｔｉよりも短いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０９に進む。
ステップＳ４０９では、判定部８０ｃが、空燃比センサ１０の出力の絶対値の低下速度Ｖｄｏ及び上昇速度Ｖｕｏが所定速度Ｖｒｅｆｏ以上であるか否かを判定する。低下速度Ｖｄｏ及び上昇速度Ｖｕｏは出力検出部８０ｄによって検出される。所定速度Ｖｒｅｆｏは、例えば、１００／ｓｅｃの空燃比変化率に対応する出力変化率である。ステップＳ４０９において低下速度Ｖｄｏ及び上昇速度Ｖｕｏが所定速度Ｖｒｅｆｏ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４１０に進む。
ステップＳ４１０では、判定部８０ｃが、低下速度Ｖｄｏが上昇速度Ｖｕｏよりも速いか否かを判定する。ステップＳ４１０において低下速度Ｖｄｏが上昇速度Ｖｕｏよりも速いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４１１に進む。
ステップＳ４１１では、判定部８０ｃが、保護層６０の撥水性が低下していると判定し、センサ異常フラグＦｓａを１に設定する。センサ異常フラグＦｓａの初期値はゼロである。また、センサ異常フラグＦｓａは、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされたとき又は内燃機関１が停止されたときにゼロにされる。ステップＳ４１１の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ４０６において低下量ΔＯが所定量Ｂ未満であると判定された場合、ステップＳ４０７において空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下した後に基準値以上の値まで上昇しなかったと判定された場合、ステップＳ４０８において時間ＯＴｄｕが点火周期Ｔｉ以上であると判定された場合、ステップＳ４０９において低下速度Ｖｄｏ及び上昇速度Ｖｕｏが所定速度Ｖｒｅｆｏ未満であると判定された場合、又はステップＳ４１０において低下速度Ｖｄｏが上昇速度Ｖｕｏ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップＳ４０４において空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下しなかったと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０５に進む。ステップＳ４０５では、判定部８０ｃが、空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇したか否かを判定する。ゼロ近傍領域は、例えば、１４．５５〜１４．６５の空燃比範囲に相当する出力範囲である。ステップＳ４０５において空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４１２に進む。
ステップＳ４１２では、判定部８０ｃが、空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇した後にゼロ近傍領域内の値まで下降したか否かを判定する。ステップＳ４１２において空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇した後にゼロ近傍領域内の値まで下降したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４１３に進む。
ステップＳ４１３では、空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇した後にゼロ近傍領域内の値まで下降するまでの時間ＯＴｕｄが内燃機関１における点火周期Ｔｉよりも短いか否かを判定する。時間ＯＴｕｄは出力検出部８０ｄによって検出される。内燃機関１における点火周期Ｔｉは、内燃機関１の気筒数及び機関回転数に基づいて算出される。ステップＳ４１３において時間ＯＴｕｄが点火周期Ｔｉよりも短いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４１４に進む。
ステップＳ４１４では、判定部８０ｃが、保護層６０の撥水性が低下していると判定し、センサ異常フラグＦｓａを１に設定する。ステップＳ４１４の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ４０５において空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇しなかったと判定された場合、ステップＳ４１２において空燃比センサ１０の出力がゼロ近傍領域内の値から上昇した後にゼロ近傍領域内の値まで下降しなかったと判定された場合、又はステップＳ４１３において時間ＯＴｕｄが点火周期Ｔｉ以上であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
なお、本制御ルーチンにおいて、ステップＳ４０４及びステップＳ４０６〜ステップＳ４１１が省略されてもよい。この場合、ステップＳ４０３において低下速度Ｖｄｔが低下速度Ｖｏｆｆよりも速いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０５に進む。また、本制御ルーチンにおいて、ステップＳ４０５及びステップＳ４１２〜ステップＳ４１４が省略されてもよい。この場合、ステップＳ４０４において空燃比センサ１０の出力の絶対値が基準値以上の値から低下しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。また、ステップＳ４０６〜ステップＳ４１０及びステップＳ４１２〜ステップＳ４１３のうち６つ以内の任意のステップが省略されてもよい。
＜第五実施形態＞
第五実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第五実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図１５は、本発明の第五実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。排気センサの制御装置は排気管温度推定部８０ｅを更に備える。本実施形態では、排気管温度推定部８０ｅはＥＣＵ８０の一部である。
排気管温度推定部８０ｅは空燃比センサ１０周りの排気管２７の温度（以下、単に「排気管２７の温度」という）を推定する。図１６は、本発明の第五実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関１を概略的に示す図である。例えば、排気管温度推定部８０ｅは、排気通路において空燃比センサ１０の近傍に配置された排気温度センサ１０５の出力から排気管２７の温度を推定する。排気温度センサ１０５は、空燃比センサ１０の近傍に配置され、排気管２７の温度を検出する。排気温度センサ１０５の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。
なお、排気管温度推定部８０ｅは、排気温度センサ１０５を用いることなく、排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、内燃機関１において、空燃比センサ１０の近傍に排気温度センサ１０５を設けなくてもよい。例えば、排気管温度推定部８０ｅは、内燃機関１が始動してからの経過時間に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、内燃機関１が始動してからの経過時間が長いほど、排気管温度推定部８０ｅによって推定される排気管２７の温度が高くされる。
また、排気管温度推定部８０ｅは、内燃機関１が始動してから燃焼室２に供給された吸入空気量の積算値（以下、「積算空気量」という）に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。積算空気量は例えばエアフロメータ１０２の出力に基づいて算出される。この場合、積算空気量が多いほど、排気管温度推定部８０ｅによって推定される排気管２７の温度が高くされる。また、排気管温度推定部８０ｅは、内燃機関１が始動してからの経過時間及び積算空気量に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、排気管温度推定部８０ｅは、例えば、図１７に示したようなマップを用いて排気管２７の温度を推定する。このマップでは、排気管２７の温度ＰＴが経過時間ＥＴ及び積算空気量ΣＭｃの関数として示される。
また、排気管温度推定部８０ｅは内燃機関１の冷却水の水温に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。冷却水の水温は、例えば、内燃機関１の冷却水路に配置された水温センサ（図示せず）によって検出される。
上述したように、排気管２７の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。このため、排気管２７の温度が水の露点温度に達するまで、多くの凝縮水が排気ガスと共に空燃比センサ１０の保護層６０に衝突する。一方、排気管２７の温度が水の露点温度に達すると、排気通路内に新たな凝縮水は生成されない。このため、排気管２７の温度が水の露点温度に達した後、保護層６０が被水する可能性は小さい。
そこで、第五実施形態では、判定部８０ｃは、排気管温度推定部８０ｅによって推定された排気管２７の温度が露点温度以上の所定温度に達した後には、保護層６０の撥水性が低下しているか否かを判定しない。このことによって、被水以外の要因によるセンサセル５１の温度変化を検出して保護層６０の撥水性が低下していると誤判定することを抑制することができるため、保護層６０の撥水性の低下をより精度良く検出することができる。
また、排気管２７の温度が水の沸点に達すると、排気通路内に残されていた凝縮水が蒸発し、凝縮水が保護層６０に衝突しなくなる。このため、上記所定温度は水の沸点であってもよい。なお、露点は大気圧（１気圧）において５４℃であり、水の沸点は大気圧において１００℃である。
＜異常判定処理の制御ルーチン＞
図１８は、本発明の第五実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ５０１において、判定部８０ｃが、排気管２７の温度ＰＴが露点温度以上の所定温度Ｔｒｅｆ以上であるか否かを判定する。排気管２７の温度ＰＴは、上述したいずれかの方法を用いて排気管温度推定部８０ｅによって推定される。所定温度Ｔｒｅｆは例えば露点又は水の沸点である。
ステップＳ５０１において排気管２７の温度ＰＴが所定温度Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、保護層６０の撥水性が低下しているか否かは判定されない。一方、ステップＳ５０１において排気管２７の温度ＰＴが所定温度Ｔｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０２に進む。
ステップＳ５０２では、判定部８０ｃが、ヒータ制御部８０ｂによって設定されたセンサセル５１の目標温度ＴＴが、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度ＴＬ以上の温度であるか否かを判定する。最低温度ＴＬは例えば４００℃である。
ステップＳ５０２において目標温度ＴＴが最低温度ＴＬ未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、保護層６０の撥水性が低下しているか否かは判定されない。一方、ステップＳ５０２において目標温度ＴＴが最低温度ＴＬ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０３に進む。
ステップＳ５０３では、判定部８０ｃが、異常判定条件が成立したか否かを判定する。異常判定条件は、第一実施形態〜第四実施形態の説明において上述した異常判定条件の少なくとも一つである。
ステップＳ５０３において異常判定条件が成立したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０４に進む。ステップＳ５０４では、判定部８０ｃが、保護層６０の撥水性が低下していると判定し、センサ異常フラグＦｓａを１に設定する。センサ異常フラグＦｓａの初期値はゼロである。また、センサ異常フラグＦｓａは、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされたとき又は内燃機関１が停止されたときにゼロにされる。ステップＳ５０４の後、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ５０３において異常判定条件が成立しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
＜第六実施形態＞
第六実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第六実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図４に示されるように、保護層６０の熱伝導率が低下して保護層６０の撥水性が低下した場合であっても、保護層６０の表面温度を上昇させることでライデンフロスト現象を発生させることができる。このため、第六実施形態では、ヒータ制御部８０ｂは、判定部８０ｃが保護層６０の撥水性が低下していると判定したときには、センサセル５１の目標温度を上昇させる。このことによって、保護層６０の撥水性が低下した場合であっても、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象を発生させることができ、空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。
また、保護層６０の撥水性が低下する原因の一つは保護層６０への煤の付着である。このため、好ましくは、ヒータ制御部８０ｂは、判定部８０ｃが保護層６０の撥水性が低下していると判定したときには、保護層６０の外面が煤の燃焼温度以上になるようにセンサセル５１の目標温度を上昇させる。このことによって、保護層６０から煤を除去することができ、保護層６０への煤の付着によって保護層６０の撥水性が低下している場合には、保護層６０の撥水性を回復させることができる。煤の燃焼温度は７５０℃以上であり、例えば、センサセル５１の目標温度は７５０℃以上に上昇せしめられる。
また、図４から分かるように、保護層６０の撥水性の低下度合が大きいほど、ライデンフロスト現象を発生させるために必要な温度は高くなる。このため、第二実施形態のように判定部８０ｃが保護層６０の撥水性の低下度合を判定する場合には、ヒータ制御部８０ｂは、保護層６０の撥水性の低下度合が相対的に大きい場合に、保護層６０の撥水性の低下度合が相対的に小さい場合に比べてセンサセル５１の目標温度の上昇量を大きくする。このことによって、ライデンフロスト現象によって空燃比センサ１０の素子割れを防止しつつ、目標温度を上昇させることによるヒータ５５の消費電力の増加を抑制することができる。
センサセル５１の目標温度の上昇量は、例えば、図１９に示したようなマップを用いて算出される。このマップでは、センサセル５１の目標温度の上昇量が保護層６０の撥水性の低下度合の関数として示される。なお、目標温度の上昇量は、図１９に破線で示したように、撥水性の低下度合が大きくなるにつれて段階的（ステップ状）に大きくされてもよい。
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図２０のタイムチャートを参照して、第六実施形態における排気センサの制御装置によって実行される制御について具体的に説明する。図２０は、内燃機関１を始動させた後の機関負荷、保護層の撥水性及びセンサセル５１の目標温度の概略的なタイムチャートである。
図示した例では、時刻ｔ０において内燃機関１が始動される。内燃機関１が始動されると、センサセル５１の目標温度が初期温度Ｔ０に設定される。初期温度Ｔ０は、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度であり、例えば７５０℃である。
図示した例では、時刻ｔ１において、保護層６０の撥水性が低下していると判定される。このため、時刻ｔ１において、センサセル５１の目標温度が初期温度Ｔ０から第一温度Ｔ１に上昇せしめられる。第一温度Ｔ１は、保護層６０の外面が煤の燃焼温度以上になるような温度であり、例えば８００℃である。
＜目標温度設定処理＞
以下、図２１のフローチャートを参照して、センサセル５１の目標温度を設定するための制御について説明する。図２１は、本発明の第六実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ６０１において、ヒータ制御部８０ｂが、センサ異常フラグＦｓａが１に設定されているか否かを判定する。センサ異常フラグＦｓａが１に設定されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ６０２に進む。この場合、判定部８０ｃは、保護層６０の撥水性が低下していると判定している。
ステップＳ６０２では、ヒータ制御部８０ｂが保護層６０の撥水性の低下度合に基づいてセンサセル５１の目標温度ＴＴの上昇量ＲＴを算出する。保護層６０の撥水性の低下度合は判定部８０ｃによって判定される。ヒータ制御部８０ｂは、保護層６０の撥水性の低下度合が相対的に大きい場合に、保護層６０の撥水性の低下度合が相対的に小さい場合に比べて上昇量ＲＴを大きくする。例えば、ヒータ制御部８０ｂは、図１９に示したようなマップを用いて上昇量ＲＴを算出する。
次いで、ステップＳ６０３では、ヒータ制御部８０ｂが目標温度ＴＴを上昇させる。具体的には、ヒータ制御部８０ｂは、ステップＳ６０２において算出された上昇量ＲＴを現在の目標温度ＴＴに加算した値を新たな目標温度ＴＴとする。目標温度ＴＴの初期値は、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度であり、例えば４００℃以上である。また、目標温度ＴＴは、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされたとき又は内燃機関１が停止されたときに初期値に戻される。なお、目標温度ＴＴの初期値は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度、例えば７００℃以上の温度に設定されてもよい。センサセル５１の作動温度は、センサセル５１の活性温度以上であり、例えば６００℃〜６５０℃である。
次いで、ステップＳ６０４において、ヒータ制御部８０ｂが、センサ異常フラグＦｓａをゼロに設定する。ステップＳ６０４の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ６０１においてセンサ異常フラグＦｓａがゼロに設定されていると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、目標温度ＴＴは現在の目標温度に維持される。
なお、本制御ルーチンにおいて、ステップＳ６０２は省略されてもよい。この場合、ステップＳ６０３において用いられる上昇量ＲＴは、予め定められた値とされ、例えば５０℃〜１００℃である。
＜第七実施形態＞
第七実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第六実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第七実施形態について、第六実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第七実施形態では、第五実施形態と同様に、排気センサの制御装置は排気管温度推定部８０ｅを更に備える。上述したように、排気管２７の温度が水の露点温度に達すると、排気通路内に新たな凝縮水は生成されない。このため、排気管２７の温度が水の露点温度に達した後、被水によって空燃比センサ１０の素子割れが発生する可能性は小さい。このため、第七実施形態では、排気管温度推定部８０ｅによって推定された排気管２７の温度が露点温度以上の所定温度に達した後には、判定部８０ｃは、保護層６０の撥水性が低下しているか否かを判定せず、ヒータ制御部８０ｂは、センサセル５１の目標温度を予め定められた作動温度に設定する。センサセル５１の作動温度は、センサセル５１の活性温度以上であり、例えば６００℃〜６５０℃である。このことによって、センサセル５１の目標温度を作動温度よりも高い温度に維持することによるヒータ５５の消費電力の増加を抑制することができる。
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図２２のタイムチャートを参照して、第七実施形態において排気センサの制御装置によって実行される制御について具体的に説明する。図２２は、内燃機関を始動させた後の機関負荷、排気管２７の温度（センサ周りの排気管温度）、保護層の撥水性及びセンサセル５１の目標温度の概略的なタイムチャートである。図示した例では、排気管２７の温度は排気温度センサ１０５の出力から算出されている。
図示した例では、時刻ｔ０において内燃機関１が始動される。内燃機関１が始動されると、センサセル５１の目標温度が初期温度Ｔ０に設定される。初期温度Ｔ０は、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度であり、例えば７５０℃である。
図示した例では、時刻ｔ１において、保護層６０の撥水性が低下していると判定される。このため、時刻ｔ１において、センサセル５１の目標温度が初期温度Ｔ０から第一温度Ｔ１に上昇せしめられる。第一温度Ｔ１は、保護層６０の外面が煤の燃焼温度以上になるような温度であり、例えば８００℃である。
また、時刻ｔ２において、保護層６０の撥水性が再び低下したと判定されている。このため、時刻ｔ２において、センサセル５１の目標温度が第一温度Ｔ１から第二温度Ｔ２に上昇せしめられる。第二温度Ｔ２は例えば８５０℃である。
時刻ｔ２の後、時刻ｔ３において、排気管２７の温度が露点温度以上の所定温度ＰＴｒｅｆに達する。このため、時刻ｔ３において、センサセル５１の目標温度が作動温度ＯＴに設定される。所定温度ＰＴｒｅｆは例えば露点温度（５４℃）であり、作動温度ＯＴは例えば６５０℃である。
＜目標温度設定処理＞
図２３は、本発明の第七実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ７０１において、ヒータ制御部８０ｂが、排気管温度推定部８０ｅによって推定された排気管２７の温度ＰＴが露点温度以上の所定温度ＰＴｒｅｆ以上であるか否かを判定する。所定温度ＰＴｒｅｆは例えば露点（５４℃）又は水の沸点（１００℃）である。ステップＳ７０１において排気管２７の温度ＰＴが所定温度ＰＴｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ７０２に進む。
ステップＳ７０２では、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを作動温度ＯＴに設定する。作動温度ＯＴは、センサセル５１の活性温度以上であり、例えば６００℃〜６５０℃である。ステップＳ７０２の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ７０１において排気管２７の温度ＰＴが所定温度ＰＴｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ７０３に進む。ステップＳ７０３〜ステップＳ７０６は、図２１におけるステップＳ６０１〜ステップＳ６０４と同様であることから説明を省略する。
なお、本制御ルーチンにおいて、ステップＳ７０４は省略されてもよい。この場合、ステップＳ７０５において用いられる上昇量ＲＴは、予め定められた値とされ、例えば５０℃〜１００℃である。
＜第八実施形態＞
第八実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第六実施形態及び第七実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第八実施形態について、第六実施形態及び第七実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第八実施形態では、ヒータ制御部８０ｂは、判定部８０ｃが保護層６０の撥水性が低下していると判定したときには、保護層６０の外面が煤の燃焼温度以上になるようにセンサセル５１の目標温度を上昇させる。目標温度を上昇させてから内燃機関１が停止するまでの間に、保護層６０の撥水性の低下が再び検出されなかった場合には、煤の除去によって保護層６０の撥水性が回復している可能性がある。このため、第八実施形態では、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１の始動後に目標温度を最初に上昇させてから内燃機関１が停止するまでの間に判定部８０ｃが保護層６０の撥水性が再び低下したと判定しなかった場合には、内燃機関１の再始動後における目標温度を上昇前の値に戻す。このことによって、目標温度を長期に亘って上昇させることによるヒータ５５の消費電力の増加を抑制することができる。
一方、目標温度を上昇させてから内燃機関１が停止するまでの間に、保護層６０の撥水性の低下が再び検出された場合には、保護層の撥水性が恒久的に低下していると考えられる。このため、第八実施形態では、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１の始動後に目標温度を最初に上昇させてから内燃機関１が停止するまでの間に判定部８０ｃが保護層６０の撥水性が再び低下したと判定した場合には、目標温度を更に上昇させると共に内燃機関１の再始動後における目標温度を上昇後の値に維持する。このことによって、内燃機関１の再始動後もライデンフロスト現象によって空燃比センサ１０の素子割れを効果的に防止することができる。
ところで、ヒータ５５によって制御可能なセンサセル５１の温度には上限がある。しかしながら、保護層６０の撥水性の低下によってセンサセル５１の目標温度を複数回上昇させると、目標温度が上限温度を越える場合がある。また、保護層６０の温度が高温であると、保護層６０内に水が浸透したときに保護層６０及び素子本体５０に加えられる熱衝撃が大きくなる。このため、保護層６０の撥水性の低下によって保護層６０の外面においてライデンフロスト現象を発生させることが困難である場合には、保護層６０の外面の温度を低温に維持することによって、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することが望ましい。
このため、第八実施形態では、ヒータ制御部８０ｂは、センサセル５１の目標温度を複数回上昇させることによって目標温度が予め定められた上限温度を越える場合には、ヒータ５５をオフにする。上限温度は、センサ素子１２の構成等から予め定められ、例えば９００℃である。なお、ヒータ５５をオフにすると、センサセル５１の温度が活性温度未満となり、空燃比の正確な検出が困難となる。このため、ヒータ５５をオフにしている間、空燃比センサ１０による空燃比の検出は行われない。
また、第八実施形態では、第七実施形態と同様に、ヒータ制御部８０ｂは、排気管温度推定部８０ｅによって推定された排気管２７の温度が露点温度以上の所定温度に達した後には、センサセル５１の目標温度を予め定められた作動温度に設定する。このことによって、排気通路内の凝縮水の量が少なくなった後には、空燃比センサ１０を用いて空燃比の検出を行うことができる。
なお、ヒータ制御部８０ｂは、センサセル５１の目標温度を複数回上昇させることによって目標温度が予め定められた上限温度を越える場合には、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度未満の温度にセンサセル５１の目標温度を設定してもよい。例えば、ヒータ制御部８０ｂはセンサセル５１の目標温度を３００℃に設定する。このことによって、ヒータ５５をオフにする場合に比べて、排気管２７の温度が露点温度以上の所定温度に達した後、目標温度を作動温度に迅速に上昇させることができるため、空燃比センサ１０を用いた空燃比の検出を早期に行うことができる。
＜異常判定処理の制御ルーチン＞
図２４は、本発明の第八実施形態における異常判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図２４におけるステップＳ８０１〜ステップＳ８０４は、図１８におけるステップＳ５０１〜ステップＳ５０４と同様であることから説明を省略する。
本制御ルーチンは、ステップＳ８０４の後、ステップＳ８０５に進む。ステップＳ８０５では、図８のステップＳ２０６と同様に、判定部８０ｃが、保護層６０の撥水性の低下度合を判定する。
ステップＳ８０６では、判定部８０ｃが判定回数ＣＯＵＮＴを更新する。具体的には、判定部８０ｃは、現在の判定回数ＣＯＵＮＴに１を加算した値を新たな判定回数ＣＯＵＮＴとする。判定回数ＣＯＵＮＴは、内燃機関１が始動してから停止するまでの間に保護層６０の撥水性が低下していると判定された回数を示す。判定回数ＣＯＵＮＴの初期値はゼロである。また、判定回数ＣＯＵＮＴは、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされたとき又は内燃機関１が停止されたときにゼロにされる。ステップＳ８０６の後、本制御ルーチンは終了する。
＜目標温度設定処理＞
図２５は、本発明の第八実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップＳ９０１において、ヒータ制御部８０ｂが、排気管温度推定部８０ｅによって推定された排気管２７の温度ＰＴが露点温度以上の所定温度ＰＴｒｅｆ以上であるか否かを判定する。所定温度ＰＴｒｅｆは例えば露点（５４℃）又は水の沸点（１００℃）である。ステップＳ９０１において排気管２７の温度ＰＴが所定温度ＰＴｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ９０２に進む。
ステップＳ９０２では、ヒータ制御部８０ｂが、センサ異常フラグＦｓａが１に設定されているか否かを判定する。センサ異常フラグＦｓａがゼロに設定されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ９０３進む。
ステップＳ９０３では、ヒータ制御部８０ｂが目標温度ＴＴをベース温度Ｔｂに設定する。ベース温度Ｔｂの初期値は、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度であり、例えば４００℃以上である。なお、ベース温度Ｔｂの初期値は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度、例えば７００℃以上の温度に設定されてもよい。
次いで、ステップＳ９０４において、ヒータ制御部８０ｂが、ステップＳ９０３において設定された目標温度ＴＴが上限温度Ｔｕｔ以下であるか否かを判定する。上限温度Ｔｕｔは例えば９００℃である。ステップＳ９０４において目標温度ＴＴが上限温度Ｔｕｔ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ９０２においてセンサ異常フラグＦｓａが１に設定されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ９０５に進む。ステップＳ９０５では、ヒータ制御部８０ｂが、判定回数ＣＯＵＮＴが２以上であるか否かを判定する。判定回数ＣＯＵＮＴは図２４のステップＳ８０６において更新される。ステップＳ９０５において判定回数ＣＯＵＮＴが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ９０６に進む。
ステップＳ９０６では、図２１のステップＳ６０２と同様に、ヒータ制御部８０ｂが保護層６０の撥水性の低下度合に基づいてセンサセル５１の目標温度ＴＴの上昇量ＲＴを算出する。次いで、ステップＳ９０７では、ヒータ制御部８０ｂが目標温度ＴＴを上昇させる。具体的には、ヒータ制御部８０ｂは、ステップＳ９０６において算出された上昇量ＲＴを現在の目標温度ＴＴに加算した値を新たな目標温度ＴＴとする。
次いで、ステップＳ９０４において、ヒータ制御部８０ｂが、ステップＳ９０７において設定された目標温度ＴＴが上限温度Ｔｕｔ以下であるか否かを判定する。目標温度ＴＴが上限温度Ｔｕｔ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ９０５において判定回数ＣＯＵＮＴが２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ９０８に進む。この場合、ステップＳ９０７において目標温度ＴＴを上昇させてから内燃機関１が停止するまでの間に、保護層６０の撥水性が再び低下したと判定されている。
ステップＳ９０８では、図２１のステップＳ６０２と同様に、ヒータ制御部８０ｂが保護層６０の撥水性の低下度合に基づいてベース温度Ｔｂの上昇量ＲＴを算出する。次いで、ステップＳ９０９では、ヒータ制御部８０ｂがベース温度Ｔｂを上昇させる。具体的には、ヒータ制御部８０ｂは、ステップＳ９０８において算出された上昇量ＲＴを現在のベース温度Ｔｂに加算した値を新たなベース温度Ｔｂとする。ベース温度ＴｂはＥＣＵ８０のＲＡＭ８３に保存され、更新後の値がイグニッションスイッチの停止後も保持される。
次いで、ステップＳ９１０において、ヒータ制御部８０ｂが目標温度ＴＴを上昇させる。具体的には、ヒータ制御部８０ｂが、目標温度ＴＴを、ステップＳ９０９において更新されたベース温度Ｔｂに設定する。次いで、ステップＳ９１１において、ヒータ制御部８０ｂがセンサ異常フラグＦｓａをゼロに設定する。
次いで、ステップＳ９０４において、ヒータ制御部８０ｂが、ステップＳ９１０において設定された目標温度ＴＴが上限温度Ｔｕｔ以下であるか否かを判定する。目標温度ＴＴが上限温度Ｔｕｔ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ９０４において、ステップＳ９０３、ステップＳ９０７又はステップＳ９１０において設定された目標温度ＴＴが上限温度Ｔｕｔよりも高いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ９１２に進む。この場合、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象を発生させることによって空燃比センサ１０の素子割れを防止することが困難であるため、ステップＳ９１２では、ヒータ制御部８０ｂがヒータ５５をオフにする。ステップＳ９１２の後、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップＳ９０１において排気管２７の温度ＰＴが所定温度ＰＴｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ９１３に進む。ステップＳ９１３では、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを作動温度ＯＴに設定する。作動温度ＯＴは、センサセル５１の活性温度以上であり、例えば６００℃〜６５０℃である。ステップＳ９１３の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、ステップＳ９１２において、ヒータ制御部８０ｂは、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度未満の温度（例えば３００℃）にセンサセル５１の目標温度を設定してもよい。また、図２４のステップＳ８０５並びに図２５のステップＳ９０６及びステップＳ９０８は省略されてもよい。この場合、ステップＳ９０７及びステップＳ９０９において用いられる上昇量ＲＴは、予め定められた値とされ、例えば５０℃〜１００℃である。また、ステップＳ９０７に用いられる上昇量ＲＴと、ステップＳ９０９において用いられる上昇量ＲＴとは、異なる値であってもよい。
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、排気センサの制御装置によって制御される排気センサは、排気ガス中の酸素を検出することで排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。また、排気センサは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）、排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）濃度を検出する硫黄酸化物センサ（ＳＯｘセンサ）等であってもよい。
また、排気センサの素子本体には、センサセルに加えて、他の電気化学セルが設けられていてもよい。他の電気化学セルは、例えば、被測ガス中の酸素を被測ガス室から排出するポンプセル、被測ガス中の特定の成分の濃度を検出するモニタセル等である。この場合、ヒータ制御部は、ポンプセル又はモニタセルの目標温度を設定すると共にポンプセル又はモニタセルの温度が目標温度になるようにヒータを制御してもよい。ポンプセル又はモニタセルの温度はそのインピーダンス等から算出される。
また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、図１０のステップＳ３０８、図１３のステップＳ４１１、図１４のステップＳ４１４又は図１８のステップＳ５０４の後に、図８のステップＳ２０６が実行されてもよい。
１ 内燃機関
１０ 排気センサ（空燃比センサ）
１２ センサ素子
５０ 素子本体
５１ センサセル
５５ ヒータ
６０ 保護層
８０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８０ａ セル温度検出部
８０ｂ ヒータ制御部
８０ｃ 判定部
８０ｄ 出力検出部
８０ｅ 排気管温度推定部

Claims (16)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、
    前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、
    当該制御装置は、前記電気化学セルの温度を検出するセル温度検出部と、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御するヒータ制御部と、該ヒータ制御部が前記保護層の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度に前記目標温度を設定しているときに前記保護層の撥水性が低下しているか否かを判定する判定部とを備え、
    前記判定部は、異常判定条件が成立した場合に、前記保護層の撥水性が低下していると判定し、前記異常判定条件は、前記セル温度検出部によって検出された前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下し、該温度の低下速度が、前記ヒータをオフにしたときの前記電気化学セルの温度の低下速度よりも速い第１条件を含む、排気センサの制御装置。
  2. 前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度の前記目標温度からの低下量が所定量以上である第２条件を更に含む、請求項１に記載の排気センサの制御装置。
  3. 前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下した後に該目標温度まで上昇し、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下してから該目標温度まで上昇するまでの時間が前記内燃機関における点火周期よりも短い第３条件を更に含む、請求項１又は２に記載の排気センサの制御装置。
  4. 前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下した後に該目標温度まで上昇し、該温度の低下速度及び上昇速度が所定速度以上である第４条件を更に含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  5. 前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下した後に該目標温度まで上昇し、該温度の低下速度が該温度の上昇速度よりも速い第５条件を更に含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  6. 前記排気センサの出力を検出する出力検出部を更に備え、
    前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下したときに、前記出力検出部によって検出された前記排気センサの出力の絶対値が、予め定められた基準値以上の値から低下する第６条件を更に含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  7. 前記異常判定条件は、前記排気センサの出力の絶対値の前記基準値以上の値からの低下量が所定量以上である第７条件を更に含む、請求項６に記載の排気センサの制御装置。
  8. 前記異常判定条件は、前記排気センサの出力の絶対値が前記基準値以上の値から低下した後に該基準値以上の値まで上昇し、前記排気センサの出力の絶対値が前記基準値以上の値から低下してから該基準値以上の値まで上昇するまでの時間が前記内燃機関における点火周期よりも短い第８条件を更に含む、請求項６又は７に記載の排気センサの制御装置。
  9. 前記異常判定条件は、前記排気センサの出力の絶対値が前記基準値以上の値から低下した後に該基準値以上の値まで上昇し、該出力の絶対値の低下速度及び上昇速度が所定速度以上である第９条件を更に含む、請求項６から８のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  10. 前記異常判定条件は、前記排気センサの出力の絶対値が前記基準値以上の値から低下した後に該基準値以上の値まで上昇し、該出力の絶対値の低下速度が該出力の絶対値の上昇速度よりも速い第１０条件を更に含む、請求項６から９のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  11. 前記排気センサの出力を検出する出力検出部を更に備え、
    前記異常判定条件は、前記電気化学セルの温度が低下したときに、前記出力検出部によって検出された前記排気センサの出力が、予め定められたゼロ近傍領域内の値から上昇する第１１条件を更に含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  12. 前記異常判定条件は、前記排気センサの出力が前記ゼロ近傍領域内の値から上昇した後に該ゼロ近傍領域内の値まで低下し、前記排気センサの出力が前記ゼロ近傍領域内の値から上昇してから該ゼロ近傍領域内の値まで低下するまでの時間が前記内燃機関における点火周期よりも短い第１２条件を更に含む、請求項１１に記載の排気センサの制御装置。
  13. 前記排気センサ周りの排気管の温度を推定する排気管温度推定部を更に備え、
    前記判定部は、前記排気管温度推定部によって推定された前記排気管の温度が露点温度以上の所定温度に達した後には、前記保護層の撥水性が低下しているか否かを判定しない、請求項１から１２のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  14. 前記判定部は、前記保護層の撥水性の低下度合を判定し、前記ヒータをオフにしたときの前記電気化学セルの温度の低下速度よりも速い速度で前記電気化学セルの温度が前記目標温度から低下したときの該温度の前記目標温度からの低下量が多いほど、前記保護層の撥水性の低下度合が大きいと判定する、請求項１から１３のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  15. 前記ヒータ制御部は、前記判定部が前記保護層の撥水性が低下していると判定したときには、前記目標温度を上昇させる、請求項１から１４のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
  16. 前記ヒータ制御部は、前記判定部が前記保護層の撥水性が低下していると判定したときには、前記目標温度を上昇させ、前記保護層の撥水性の低下度合が相対的に大きい場合に、該保護層の撥水性の低下度合が相対的に小さい場合に比べて前記目標温度の上昇量を大きくする、請求項１４に記載の排気センサの制御装置。
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