JP7006564B2 - ヒータの通電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサのヒータの通電制御装置に関するものである。

従来、内燃機関の排気通路には、排気中の特性成分の濃度を検出するためのガスセンサが設けられている。このようなガスセンサには、濃度を検出可能な活性温度までセンサ素子を昇温させるために、ヒータが設けられている。特許文献１には、ガスセンサを活性温度まで昇温させる昇温制御を行う前に、ガスセンサの被水割れ等を防止するための予熱制御を行う構成が開示されている。その予熱制御によれば、ヒータの通電量を大きくして昇温させる前に、小さい通電量でガスセンサに付着する水分を予め蒸発させることにより、被水割れ等を抑制することができる。

特開２００７‐４１００６号公報

ところで、昇温制御の際には、ヒータの通電量を最大にしてすばやく昇温させ、ガスセンサを活性状態にすることが望ましい。しかしながら、周辺環境の状態によっては、昇温制御時の通電量が意図せず過大となり、素子割れが生じるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、ガスセンサを保護しつつ適切な昇温を可能なヒータの通電制御装置を提供することにある。

本手段は、車両に搭載されたエンジン（１０）の排気通路（１２）に設けられ、排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子（２２）、及び電源（４０）からの電力供給により通電されて前記センサ素子を加熱するヒータ（２３）を備えるガスセンサ（２０）において、前記ヒータの通電量を制御するヒータの通電制御装置（３０）であって、前記エンジンの周辺環境の温度である周囲温度を取得する周囲温度取得部と、前記エンジンの始動に伴い前記センサ素子を活性温度まで昇温させる昇温通電時において、前記周囲温度に基づいて、前記ヒータの通電量を制御する通電制御部とを備える。

エンジン始動時には、センサ素子を早期活性させるべく比較的大きな通電量でヒータ通電が行われる。その際、ヒータの電経路の抵抗値は、ガスセンサの周辺の温度環境に応じた値となっている。そのため、例えば低温時には、ヒータ通電経路の抵抗値が小さくなり、それに起因して、実際にヒータに投入される電力が意図せず過大になることが懸念される。

そこで、本手段では、エンジンの周辺環境の周囲温度に基づいて、ヒータの通電量を制御する。その結果、ヒータの通電量を環境に応じた通電量にすることができ、センサ素子を適切に昇温させることができる。

なお、ガスセンサとして、例えばセンサ素子に撥水コーティング等の被水割れ対策が施された構造のガスセンサを用いることが考えられ、そのガスセンサを用いる場合には、予熱制御の時間が不要又は短くなり、周囲温度によっては、実際にヒータに投入される電力が過大になるおそれがある。しかしながら、環境に応じた通電量とすることで、ヒータに投入される電力が過大になることを抑制できる。

エンジンの排気通路の概略構成図 従来のガスセンサにおける昇温通電制御のタイムチャート ヒータの通電制御を示すフローチャート 外気温とワイヤハーネスの抵抗値の関係を示す図 ヒータの通電状況を示すタイムチャート

本実施形態は、例えば、ハイブリッド自動車に搭載された多気筒エンジンの排気通路に設けられ、特定成分の濃度を検出するガスセンサである空燃比センサを対象としている。図１は、このエンジンの排気通路の概略構成図である。ハイブリッド自動車では、モータを駆動源として走行するＥＶモードと、エンジンを駆動源として走行するエンジンモードとの切り替えが可能となっている。なお、ハイブリッド自動車では、例えば低速走行時にＥＶモードで走行し、加速に伴う中高速走行時にエンジンモードで走行する。

エンジン１０は、一般的な構成のもので、燃料の燃焼によりクランクシャフトに回転力を発生する。また、エンジン１０には、各燃焼室に空気を供給する吸気通路１１及び各燃焼室内から排気を排出する排気通路１２が接続されている。また、エンジン１０には、各燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置１３が設けられている。

また、エンジン１０には、エンジン１０の温度を示すエンジン水温Ｔｗを検出する水温センサ１４が設けられている。そして、エンジン１０が配置されたエンジンルーム内には、エンジン１０の周辺環境の温度である周囲温度として外気温Ｔａを取得する外気温センサ１５が設けられている。なお、エンジン温度として、エンジン油温を検出する構成であってもよいし、シリンダブロックの壁面温度を検出する構成であってもよい。また、エンジン１０の吸気温を検出する吸気温センサを外気温センサとして用いる構成や、外気温センサ１５を、エンジンルーム外に設ける構成としてもよい。

排気通路１２には、排気中の酸素濃度に基づいてエンジン１０の燃焼室内の空燃比を検出する空燃比センサ２０が設けられている。空燃比センサ２０は、例えば限界電流式のセンサであって、ハウジング２１に保持されたセンサ素子２２と、センサ素子２２を活性温度まで加熱するヒータ２３とを備えている。また、空燃比センサ２０には、被水割れ対策が施されており、例えば、センサ素子２２に撥水コーティングが施されている。センサ素子２２は、排気通路１２内で保護カバー２４に覆われており、保護カバー２４には、排気が通過可能な孔部が形成されている。そして、保護カバー２４内に流入した排気の空燃比をセンサ素子２２が検出する。

水温センサ１４や外気温センサ１５や空燃比センサ２０等の各種センサで検出された結果は、ＥＣＵ３０に出力される。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを備えている。ＥＣＵ３０は、エンジン１０の回転数や負荷に合わせて、空気量や燃料噴射装置１３の制御を行っている。また、ＥＣＵ３０は、空燃比センサ２０のヒータ２３の通電の制御を行っている。なお、ＥＵＣ３０が「通電制御装置」に相当する。

また、空燃比センサ２０のヒータ２３には、電源４０から電力が供給される。電源４０は、例えば、エンジンルーム内に搭載された鉛蓄電池である。そして、電源４０とヒータ２３との間は、ワイヤハーネス４１により接続されている。また、電源４０からヒータ２３への通電は、ＰＷＭ回路を介して行われる。ＥＣＵ３０は、算出したデューティでＰＷＭ回路を制御することで、ヒータ２３への通電量を制御する。なお、昇温通電制御はオープン制御であって、ＥＣＵ３０は、デューティと通電時間を設定することで、ヒータ２３を昇温通電制御する。

次に、空燃比センサ２０におけるヒータ２３の通電制御について説明する。空燃比センサ２０は、ヒータ２３によりセンサ素子２２が６００℃～７００℃等の活性温度まで加熱することで、センサ素子２２を構成する固体電解質の酸素イオンの移動度を高めて、センサ素子２２を活性化させる。エンジン１０の始動後は、空燃比センサ２０を使用可能な状態とするために、センサ素子２２を早期活性させるべく比較的大きな通電量でヒータ通電が行われる。

このようなセンサ素子の被水割れ等による破損を抑制するために、従来の空燃比センサ等のガスセンサでは、図２に示すように、２種類の予熱通電を実施している。具体的には、停止中にセンサ素子に付着した水分が突沸することによる突沸割れを防ぐ予熱通電と、始動後の排気中の水分がセンサ素子に付着することで生じた温度差による被水割れを防ぐ予熱通電とを実施している。図２は、従来のガスセンサにおける昇温通電時のデューティ（通電量）と素子温度を示すタイムチャートである。

タイミングｔ１１より以前に、ＩＧ（イグニッション）がオン状態になる等して、エンジン１０での燃焼の準備が始まり、タイミングｔ１１で、ヒータ２３への通電が開始される。タイミングｔ１１では、突沸割れを抑制するために、非常に低いデューティ（例えば５％程度）で予熱通電が開始される。そして、センサ素子に付着した水分による突沸が抑制できる程度の時間が経過するまで、低いデューティでの予熱通電が継続される。

センサ素子に付着した水分による突沸が抑制できる程度の時間が経過すると、タイミングｔ１２で、デューティが上昇する。タイミングｔ１２では、排気中の水分による被水割れを抑制するために、タイミングｔ１１～タイミングｔ１２までよりは大きくかつ被水割れが生じない程度のデューティ（例えば、１０～２０％程度）で予熱通電が開始される。そして、エンジン１０の燃焼によって排気通路１２内の温度が上昇して排気内の水分がなくなる状態まで、予熱通電が継続される。なお、被水割れを防ぐための予熱通電の時間は、突沸割れを防ぐための予熱通電の時間に比べて長い。

排気通路１２内の温度が上昇し、排気中の水分がない状態になると、タイミングｔ１３で、センサ素子を活性温度まで昇温させる昇温通電を開始する。具体的には、デューティが１００％の状態で、所定時間加熱することで、素子温度が活性温度域内の目標温度まで素早く昇温される。

タイミングｔ１４で、目標温度まで素子温度が昇温されると、センサ素子の目標インピーダンスと実インピーダンスを一致させるように制御するインピーダンスフィードバック制御によるヒータ通電が行われる。そして、素子温度が目標温度に維持されるように通電される。

ところで、本実施形態のように、被水割れ対策が施された構造のガスセンサ（空燃比センサ２０）においては、図２に示すような予熱通電の時間が不要、又は突沸対策のための予熱通電の時間だけでよくなり、昇温通電を開始するまでの時間が非常に短くなる。これにより、エンジン１０が暖機状態となっていない、つまりエンジンルーム内の温度（空燃比センサ２０及びワイヤハーネス４１の周辺環境の温度）が所定の範囲内にない状態で、ヒータ２３の昇温通電制御を開始することになる。そこで、ヒータ２３への通電経路であるワイヤハーネス４１の抵抗値は、空燃比センサ２０の周辺環境の温度に依存することになる。

空燃比センサ２０の周辺環境の温度は、エンジン１０の環境温度である外気温とエンジン１０の温度であるエンジン水温に依存すると考えられる。例えば、エンジン１０の冷間始動時には、ワイヤハーネス４１の抵抗値が外気温に依存したものとなり、外気温が低温であるほどワイヤハーネス４１の抵抗値が低くなる。このような場合に、通電開始当初から１００％デューティの昇温通電制御を実施すると、実際にヒータ２３に投入される電力が過大になるおそれがある。このようにワイヤハーネス４１の抵抗値が周辺環境の温度によって影響を受け、電源４０からの電力供給量が同じであってもヒータ２３に投入される電力が異なるものになる。そこで、周辺環境の温度に基づいたヒータ２３への通電量とする必要がある。

図３は、ヒータ２３への通電を制御するためにＥＣＵ３０が実施するフローチャートであって、ＥＣＵ３０により所定周期で繰り返し実行される。

Ｓ１０で、昇温フラグが１になっているか判定する。昇温フラグは、エンジン１０の始動後のヒータ２３の昇温通電制御中であることを示すフラグである。昇温フラグは、初期値が０であり、昇温通電制御がなされる場合に１になり、昇温通電制御の後にフィードバック制御が実施される場合に０にリセットさせる。昇温フラグが０の場合（Ｓ１０＝Ｎｏの場合）、Ｓ１１に進む。

Ｓ１１で、始動時か判定する。始動時とは、ＩＧスイッチがオンになってエンジン１０の燃焼がスタートする場合や、ＥＶモードからエンジンモードに移行しエンジン１０の燃焼が再スタートする場合を示す。始動時である場合（Ｓ１１＝Ｙｅｓ）には、Ｓ１２に進む。

Ｓ１２では、エンジン１０の周辺環境の温度である外気温Ｔａを取得する。具体的には、外気温センサ１５が検出した外気温Ｔａを取得する。Ｓ１３では、エンジン１０の温度であるエンジン水温Ｔｗを取得する。具体的には、水温センサ１４が検出したエンジン水温Ｔｗを取得する。なお、Ｓ１２が「周囲温度取得部」に相当し、Ｓ１３が「エンジン温度取得部」に相当する。

Ｓ１４では、外気温Ｔａ及びエンジン水温Ｔｗに基づいて、エンジン１０の冷間始動状態であるか判定する。エンジン水温Ｔｗが外気温Ｔａと同じでありかつ暖機閾値Ｔｈよりも低温である場合には、エンジン１０が冷間始動状態である（Ｓ１４＝Ｙｅｓ）と判定し、Ｓ１５に進む。一方、エンジン水温Ｔｗが外気温Ｔａと異なっておりかつ暖機閾値Ｔｈよりも高温である場合には、エンジン１０が再始動状態である（Ｓ１４＝Ｎｏ）と判定し、Ｓ１６に進む。なお、エンジン水温Ｔｗが外気温Ｔａと同じとは、同じ環境状態にあるとみなせる程度の温度範囲にあることを示している。また、暖機閾値Ｔｈは、エンジン１０が冷間始動状態にあるかを判定する閾値であって、エンジン１０の暖機が完了しているかを示す値に設定される。Ｓ１４が「判定部」に相当する。

Ｓ１４で冷間始動状態であると判定されると、Ｓ１５では、冷間始動状態での通電経路であるワイヤハーネス４１の冷間時抵抗値ＲＡを算出する。図４は外気温とワイヤハーネス４１の抵抗との関係を示す図であり、この図に基づいて、ワイヤハーネス４１の冷間時抵抗値ＲＡを算出する。冷間始動状態の場合には、ワイヤハーネス４１の抵抗値は、外気温の影響を強く受ける。そのため、外気温が大きくなった場合の抵抗値の変化量が大きい状態となっている。そして、図４に示す外気温と抵抗値の相関関係を用いて、外気温Ｔａに基づいて、ワイヤハーネス４１の抵抗値を算出する。

Ｓ１６で、突沸割れを防止するための予熱通電制御が必要か判定する。エンジン１０の停止中に排気通路１２内に水分が発生している場合には、空燃比センサ２０に水分が付着しているおそれがある。突沸割れを防止するために、排気通路１２内に水分が発生していると判定される場合には、予熱通電制御が必要であると判定する。そして、Ｓ１７で、突沸を抑制するための極短い時間、低いデューティ（例えば、５～１０％程度）での予熱通電制御を行い、Ｓ１９に進む。なお、Ｓ１６で判定することなく、予熱通電制御を行うようにしてもよい。

一方、Ｓ１４で再始動状態であると判定されると、Ｓ１８では、再始動状態での通電経路であるワイヤハーネス４１の再始動時抵抗値ＲＢを算出する。エンジン１０が暖機状態から再始動される場合には、ワイヤハーネス４１の抵抗値が外気温だけでなく、エンジン水温にも依存したものとなる。そこで、図４に基づいて、ワイヤハーネス４１の再始動時抵抗値ＲＢを算出する。再始動状態の場合には、外気温以外の周囲環境の温度の影響も受けることから、外気温が大きくなった場合の抵抗値の変化量が小さい状態となっている。また、同じ外気温の場合において、再始動時抵抗値ＲＢが冷間時抵抗値ＲＡよりも大きくなっている。そして、図４に示す外気温と抵抗値の相関関係を用いて、外気温Ｔａに基づいて、ワイヤハーネス４１の抵抗値を算出して、Ｓ１９に進む。なお、図４では、再始動時抵抗値ＲＢを算出する関係を１つしか示していないが、エンジン水温に応じて複数の相関関係を示すマップを有していてもよい。この場合には、エンジン水温が高いほど、同じ温度での再始動時抵抗値ＲＢは大きくなり、外気温に対する変化量は小さくなる。

Ｓ１９で、始動時の車速情報を取得する。始動時に車両が走行している状態である場合には、どの程度の車速で走行しているかという情報を取得する。ＥＶモードからエンジンモードに移行する場合に、車両走行状態下でエンジン１０が始動される。一方、停止している状態でエンジン１０が始動した場合には、車速が０であるという情報を取得する。

そして、Ｓ２０で、冷間時抵抗値ＲＡ又は再始動時抵抗値ＲＢを補正する。始動時に車両が走行状態下にある場合には、ワイヤハーネス４１の温度は、走行による風を受けて冷却されることで、停止状態下よりも下がることになる。これにより、外気温で算出される抵抗値よりも実際の抵抗値が低くなる。そこで、Ｓ１９で取得した情報により、始動時に車両が走行状態下である場合には、Ｓ２０で、算出した抵抗値（冷間時抵抗値ＲＡ又は再始動時抵抗値ＲＢ）を小さくする補正を行う。つまり、周囲温度と車速とに基づいて、ワイヤハーネス４１の抵抗値を算出する。一方、Ｓ１９で取得した情報により、車速が０である場合、つまり始動時に車両が移動していなかった場合には、Ｓ１５又はＳ１８で算出した抵抗値のままにする。

Ｓ２０の処理が終了すると、Ｓ２１では、昇温通電時の通電量を算出する。昇温通電制御は、オープン制御であって、予め算出したデューティで、予め算出した通電時間の間通電するように制御する。そこで、Ｓ２１で、Ｓ２０で算出したワイヤハーネス４１の抵抗値に基づいて、通電量を算出する。具体的には、予め算出したマップ等により、抵抗値から電源４０から供給する通電量を算出する。この際に、抵抗値が小さくなるほど、ワイヤハーネス４１を流れる電流量が大きくなる。そこで、抵抗値が小さい場合には、デューティを１００％ではなく、９０～９５％まで下げたり、通電時間を短くしたりして、抵抗値に応じた通電量となるように設定する。

Ｓ２１で通電量を算出すると、Ｓ２２で昇温フラグを１とする。Ｓ２２で昇温フラグが１になった場合、又はＳ１０で、昇温フラグが１であると判定された（Ｓ１０＝Ｙｅｓ）場合、Ｓ２３で昇温通電制御を実施する。具体的には、Ｓ２１で算出したデューティで電源４０から電力が供給されるようにする。

そして、Ｓ２４で、昇温フラグが１になってから所定時間経過したか、つまりＳ２１で算出された通電時間の間昇温通電がされたかを判定する。所定時間が経過していない場合（Ｓ２４＝Ｎｏ）、処理を終了する。所定時間が経過していた場合には、Ｓ２５に進む。Ｓ２５では、昇温フラグを０にリセットし、昇温通電の終了処理を行う。そして、素子インピーダンスに基づくフィードバック制御を行うように設定する。なお、Ｓ１５、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ２３、Ｓ２４が「通電制御部」に相当する。

Ｓ１１で、始動時ではないと判定された場合（Ｓ１１＝Ｎｏ）、Ｓ３１に進む。Ｓ３１で、ＥＶモード中か、つまりエンジン１０の運転が休止しているか判定する。なお、Ｓ３１が「休止判定部」に相当する。

Ｓ３１で、ＥＶモード中ではないと判定された場合（Ｓ３１＝Ｎｏ）、Ｓ３２に進む。Ｓ３２では、センサ素子２２の素子インピーダンスを取得する。素子インピーダンスは、センサ素子２２の温度と相関性を有する値である。なお、Ｓ３２が「センサ温度取得部」に相当する。

そして、Ｓ３３で、燃料カット中（フューエルカット中）か判定する。Ｓ３３で、燃料カット中でないと判定された場合（Ｓ３３＝Ｎｏ）、Ｓ３４に進む。Ｓ３４では、取得した素子インピーダンスを目標インピーダンスに一致させるべく、所定の範囲内でヒータ２３の通電量を算出するフィードバック制御を実施する。フィードバック制御を実施することで、センサ素子２２の温度が、センサ素子２２を活性状態にできる目標温度に維持することができる。

Ｓ３３で、燃料カット中であると判定された場合（Ｓ３３＝Ｎｏ）、Ｓ３５で、ヒータ２３への通電量を増加させる増加制御を実施する。燃料カット中には、エンジン１０の燃料噴射が休止され、燃焼が休止される。そして、燃料カット中には、吸気通路１１からエンジン１０内に供給された空気が排気通路１２に排出される。エンジン１０での燃焼がない状態では、空燃比センサ２０は排気を監視する必要がない。一方、燃料カット状態は、比較的短い時間で終了することから、ヒータ２３を通電させて空燃比センサ２０の活性状態を保持する必要がある。ところが、燃料カット中は、吸気通路１１から供給された比較的冷たい空気が排気通路１２を流れるため、空燃比センサ２０は通常の通電量では冷却されてしまう。

そこで、Ｓ３５で、ヒータ２３への通電量を増加させる増加制御を実施する。増加制御では、ヒータ２３の通電量がフィードバック制御の所定範囲よりも大きくなることを許可する。具体的には、通常のフィードバック制御時に設定されているデューティの上限値を外して、フィードバック制御によるデューティが大きくなれるようにする。そして、ヒータ２３の通電量がフィードバック制御の所定範囲よりも大きくなれるようにする。なお、増加制御の方法として、燃料カット時でない通常時のフィードバックゲインよりも燃料カット時のフィードバックゲインを増加させてもよい。これにより、通常時のデューティよりも燃料カット時のデューティを大きくすることができ、ヒータ２３の通電量を増加させることができる。なお、Ｓ３４，Ｓ３５が「フィードバック制御部」に相当する。

一方、ＥＶモード中であると判定する（Ｓ３１＝Ｙｅｓ）と、Ｓ３６で、ヒータ２３への通電量を所定の低電力通電とする低電力制御を実施する。ＥＶモード中（モータでの走行中）の間、エンジン１０が休止しており、エンジン１０からの排気が生じないため、空燃比センサ２０は、排気を監視する必要がなく、センサ素子２２の活性状態を維持する必要がない。また、ＥＶモードは、いつ終了するかわからず、ＥＶモード中は電力の消費を抑えることが好ましい。そこで、ＥＶモード中は、空燃比センサ２０への水の付着を抑制する程度（例えばデューティが５～１０％程度）でヒータ２３の通電を継続する低電力通電を実施する。これにより、ＥＶモードからの再始動時には突沸抑制のための予熱通電をする必要がなくなる。なお、低電力通電では、ヒータ２３への通電を０にして所定間隔で予熱通電を行い水の付着を抑制してもいい。また、ＥＶモード中はヒータ２３への通電を０にしてもよい。ヒータ２３への通電を０にし続けた場合には、ＥＶモードからの再始動時であっても予熱通電が必要かどうか判定され、必要に応じて予熱通電制御する。

次に、図５は、図３の処理によりヒータ２３の通電制御を実施した場合のタイムチャートであり、このタイムチャートについて説明する。ＩＧは、イグニッションがオン状態（車両が動いている状態）かを示しており、エンジンは、エンジン１０が運転中（オン状態）か、休止中（オフ状態）かを示しており、Ｆ／Ｃは、フューエルカット中（オン状態）かを示している。また、外気温Ｔａと水温Ｔｗは、外気温センサ１５と水温センサ１４とで検出される値を示しており、破線が外気温Ｔａを示す値であり、実線がエンジン水温Ｔｗを示している。ハーネス抵抗は、周囲環境から算出されるワイヤハーネス４１の抵抗値を示しており、デューティは、ヒータ２３への通電のデューティを示しており、素子温は、センサ素子２２のインピーダンスから算出されるセンサ素子２２の温度を示している。

タイミングｔ２１で、ＩＧがオンになると、エンジン１０の運転が開始される。そして、タイミングｔ２１では、外気温Ｔａとエンジン水温Ｔｗが同じで、暖機閾値Ｔｈよりも小さいことから冷間始動状態であると判定される。そして、外気温Ｔａに基づいたマップにより冷間時のワイヤハーネス４１の冷間時抵抗値ＲＡが算出される。そして、ワイヤハーネス４１の冷間時抵抗値ＲＡに基づいて、通電量が算出される。また、始動時の温度が低いことから、突沸のおそれがあるため、ヒータ２３のデューティを低くした予熱通電制御が実施される。

タイミングｔ２２では、予熱通電制御が終了し、昇温通電制御が開始される。この際に、タイミングｔ２１で算出された通電量に基づいて、１００％よりも低いデューティで所定時間通電が実施される。つまり、冷間始動状態では、第１通電制御として、冷間時抵抗値ＲＡに基づく昇温通電制御を実施する。これにより、ヒータ２３の通電量が過大になることを抑制でき、センサ素子２２を適切に昇温させることができる。

所定時間が経過すると、タイミングｔ２３で、昇温通電制御が終了し、センサ素子２２が目標温度に昇温される。そして、センサ素子２２の温度を目標温度で維持するインピーダンスフィードバック制御が実施される。なお、エンジン水温Ｔｗが一定値に到達した状態では、空燃比センサ２０の周囲の環境温度も一定になるため、算出されるハーネス抵抗値も一定になる。

タイミングｔ２４で、燃料噴射装置１３による燃料噴射が休止され、燃料カット状態になると、ヒータ２３のフィードバック制御時の通電量が所定範囲よりも大きくなることを許可することで、通常のフィードバック制御時よりもデューティが増加する。これにより、燃料カット中に大気に曝されるセンサ素子２２を活性状態に保持することができる。そして、タイミングｔ２５で燃料カットが終了すると、通常の所定範囲内でのフィードバック制御に戻る。

タイミングｔ２６で、ＥＶモードになり、エンジン１０の運転が休止状態となると、所定の低電力通電によりヒータ２３への通電を継続する。ヒータ２３への通電を低電力で継続することで、センサ素子２２への水の付着を抑制しつつ、通電量を抑制できる。

タイミングｔ２７で、ＥＶモードからエンジンモードに移行してエンジン１０が始動されると、センサ素子２２の温度が低くなっていることから、再び昇温通電制御される。この場合には、外気温Ｔａとエンジン水温Ｔｗとが同じではなく、エンジン水温Ｔｗが暖機閾値Ｔｈを超えていることから、再始動状態であると判定される。そして、外気温Ｔａとエンジン水温Ｔｗに基づいたマップによりワイヤハーネス４１の再始動時抵抗値ＲＢが算出される。なお、ＥＶモード中には車両が走行していることから、車速に基づいて、ワイヤハーネス４１の抵抗値が減少補正される。そして、ワイヤハーネス４１の抵抗値に基づいて、通電量が算出され、昇温通電制御が開始される。ワイヤハーネス４１の抵抗値が冷間始動状態の場合に比べて大きいことから、デューティが１００％で昇温される。つまり、暖機始動状態では、第２通電制御として、再始動時抵抗値ＲＢに基づく昇温通電制御を実施する。このようにヒータ２３の通電量が過大になるおそれがない場合には、１００％デューティで昇温されることで、素早く昇温させることができる。

そして、設定された所定時間が経過すると、タイミングｔ２８で、昇温通電制御が終了し、センサ素子２２が目標温度に昇温される。そして、センサ素子２２の温度を目標温度で維持するインピーダンスフィードバック制御が実施される。

以上説明した本実施形態では以下の効果を奏する。

エンジン１０の始動時には、センサ素子２２を早期活性させるべく比較的大きな通電量でヒータ２３の通電が行われる。その際、ヒータ２３の通電経路（ワイヤハーネス４１）の抵抗値は、空燃比センサ２０の周辺の温度環境に応じた値となっている。そのため、例えば低温時には、ワイヤハーネス４１の抵抗値が小さくなり、それに起因して、実際にヒータ２３に投入される電力が意図せず過大になることが懸念される。

そこで、本実施形態では、エンジン１０の周辺環境の周囲温度に基づいて、ヒータ２３の通電量を制御する。その結果、ヒータ２３の通電量を環境に応じた通電量にすることができ、センサ素子２２を適切に昇温させることができる。

なお、本実施形態のように、ガスセンサとして、例えばセンサ素子２２に撥水コーティング等の被水割れ対策が施された構造の空燃比センサ２０を用いる場合には、予熱制御の時間が不要又は短くなり、周囲温度によっては、実際にヒータ２３に投入される電力が過大になるおそれがある。しかしながら、環境に応じた通電量とすることで、ヒータ２３に投入される電力が過大になることを抑制できる。

空燃比センサ２０の周辺環境の温度は、エンジン１０の環境温度である外気温だけではなく、エンジン１０の温度であるエンジン温度（エンジン水温）にも依存すると考えられる。例えば、エンジン１０の冷間始動時には、ヒータ２３の通電経路（ワイヤハーネス４１）の抵抗値が周囲温度に依存したものとなり、周囲温度が低温であるほどヒータ２３の通電経路が低抵抗となる。一方で、エンジン１０が暖機状態から再始動される場合には、ヒータ２３の通電経路の抵抗値が外気温だけでなく、エンジン温度にも依存したものとなる。

そこで、本実施形態では、冷間始動状態と再始動状態とで、ヒータ２３への通電制御を異なるものとする。これにより、環境に応じた通電制御を実施することができ、センサ素子２２を適切に昇温させることができる。

周辺の環境状況によって、電源４０とヒータ２３とを接続するワイヤハーネス４１の抵抗値が異なり、抵抗値が異なることで、実際に空燃比センサ２０のヒータ２３に供給される電力が異なる。そこで、冷間始動状態では、外気温の影響が大きいため、外気温に基づいて抵抗値を算出し、その抵抗値に基づく第１通電制御を実施する。再始動状態では、エンジン水温によりエンジン暖機状態を把握し、周囲温度とエンジン温度に基づいて抵抗値を算出し、その抵抗値にも基づく第２通電制御を実施する。このように抵抗値を算出し、その抵抗値に基づく制御を実施することで、センサ素子２２を適切に昇温させることができる。

車両の走行中は、ワイヤハーネス４１等が風に曝されるため、外気温やエンジン温度から推定したワイヤハーネス４１の環境の温度よりも温度が下がり、ワイヤハーネス４１の抵抗値が小さくなることが多い。そのため、外気温やエンジン温度に基づいて算出した抵抗値を車速に応じて小さくなるように算出することで、より算出誤差を抑制でき、適切な通電量にすることができる。

エンジン１０の燃料カット中は、エンジン１０での燃焼が行われず、吸気された空気がそのまま通過するため、排気の温度が下がることになる。このような排気に曝されると、通常のフィードバック制御では、空燃比センサ２０の温度が下がってから再び昇温させることになるため、再び燃焼が始まったときに、温度が下がった状態となっているおそれがある。そこで、燃料カット中は、通常のフィードバック制御時よりもデューティ（フィードバックゲイン）を増加させることで、空燃比センサ２０の温度が下がることを抑制する。

エンジン１０の運転の休止中、例えばハイブリッド自動車のモータ駆動時（ＥＶモード時）等には、長時間空燃比センサ２０を利用しない可能性がある。このような場合には、ヒータ２３の通電量を小さくして、水の付着を抑制できるような低電力通電により通電を維持することで、空燃比センサ２０の温度維持に使用する電力を抑制する。

＜他の実施形態＞
本発明は、上記実施形態に限定されず、例えば以下のように実施してもよい。

・上記実施形態では、ハイブリッド自動車を対象としていたが、アイドリングストップ機能付きの車両を対象としてもよい。この場合には、図３の処理のＳ３１では、エンジン１０が休止中かの判定として、アイドリングストップ中かを判定し、アイドリングストップ中の場合には、Ｓ３６で通電量を減少制御する。

なお、アイドリングストップは、一般的に車両の停止している状態等で行われるため、再始動時のワイヤハーネス４１の抵抗値が車速の影響をほとんど受けない。図５のタイムチャートでは、エンジン１０休止中に車両が走行していないため、素子温が破線Ｘで示すように、ＥＶモードの場合よりも温度が下がりにくくなる。また、ワイヤハーネス４１の抵抗値は、外気温とエンジン水温に依存し、走行による補正がなくなることから、ワイヤハーネス４１の抵抗値が破線Ｘで示すように、ＥＶモードの場合よりも大きくなる。これにより、昇温通電時の通電量（通電時間）が若干ＥＶモードの場合よりも長くなる。このようにして、車速等に応じて補正を適正に行うことで、より適切な昇温通電制御をすることができる。

・ガスセンサは空燃比センサではなく、ヒータ２３により昇温される他のガスセンサであってもよい。例えば、混合電位型のＮＯｘセンサ等にも本実施形態のような通電制御を用いることができる。

・上記実施形態では、ワイヤハーネス４１の抵抗値を算出し、それに基づいて通電量を算出していたが、ワイヤハーネス４１の抵抗値を算出せずに外気温及びエンジン水温に基づいたマップ等によりデューティと通電時間を算出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、再始動状態での第２通電制御として、外気温及びエンジン水温に基づいたワイヤハーネス４１の再始動時抵抗値ＲＢを算出し、再始動時抵抗値ＲＢに基づく制御を実施している。しかし、再始動状態での第２通電制御として、周囲温度以外の他の要素、例えば、素子温度等に基づいて、昇温通電制御のための通電量を算出するようにしてもよい。

１０…エンジン、１２…排気通路、２０…空燃比センサ、２２…センサ素子、２３…ヒータ、３０…ＥＣＵ、４０…電源。

Claims (10)

1. 車両に搭載されたエンジン（１０）の排気通路（１２）に設けられ、排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子（２２）、及び電源（４０）からの電力供給により通電されて前記センサ素子を加熱するヒータ（２３）を備えるガスセンサ（２０）において、前記ヒータの通電量を制御するヒータの通電制御装置（３０）であって、
   前記エンジンの周辺環境の温度である周囲温度を取得する周囲温度取得部と、前記エンジンの始動に伴い前記センサ素子を活性温度に昇温させる昇温通電時に、前記ヒータの通電量を制御する通電制御部とを備え、
   通電制御部は、前記周囲温度が所定温度よりも低い場合には、前記ヒータの温度に関わらず、前記周囲温度が当該所定温度である場合に比べて小さいデューティで前記ヒータの通電を行う、ヒータの通電制御装置。
2. 通電制御部は、前記エンジンの始動直後から前記センサ素子が所定の目標温度に到達するまでの間、一定のデューティで前記ヒータの通電を行うものであり、前記一定のデューティは、前記エンジンの始動時における前記周囲温度が所定温度よりも低い場合には、当該所定温度である場合に比べて小さく設定される、請求項１に記載のヒータの通電制御装置。
3. 車両に搭載されたエンジン（１０）の排気通路（１２）に設けられ、排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子（２２）、及び電源（４０）からの電力供給により通電されて前記センサ素子を加熱するヒータ（２３）を備えるガスセンサ（２０）において、前記ヒータの通電量を制御するヒータの通電制御装置（３０）であって、
   前記エンジンの周辺環境の温度である周囲温度を取得する周囲温度取得部と、前記エンジンの始動に伴い前記センサ素子を活性温度に昇温させる昇温通電時に、前記ヒータの通電量を制御する通電制御部とを備え、
   通電制御部は、前記エンジンの始動直後から前記センサ素子が所定の目標温度に到達するまでの間、一定のデューティで前記ヒータの通電を行うものであり、前記一定のデューティは、前記エンジンの始動時における前記周囲温度が所定温度よりも低い場合には、当該所定温度である場合に比べて小さく設定される、ヒータの通電制御装置。
4. 前記エンジンの温度であるエンジン温度を取得するエンジン温度取得部と、
   前記エンジン温度が、前記周囲温度と同じでありかつ前記エンジンの暖機が完了していることを示す暖機閾値よりも低温であることに基づいて、前記エンジンが冷間始動状態であると判定し、前記エンジン温度が前記周囲温度と異なりかつ前記暖機閾値よりも高温であることに基づいて、前記エンジンが再始動状態であると判定する判定部とをさらに備えており、
   前記通電制御部は、前記判定部により前記冷間始動状態であると判定された場合にはヒータ通電として第１通電制御を実施し、前記再始動状態であると判定された場合にはヒータ通電として前記第１通電制御とは異なる第２通電制御を実施することにより、前記冷間始動状態であると判定された場合に、前記再始動状態であると判定された場合に比べて、前記ヒータの通電のデューティを小さく設定する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒータの通電制御装置。
5. 車両に搭載されたエンジン（１０）の排気通路（１２）に設けられ、排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子（２２）、及び電源（４０）からの電力供給により通電されて前記センサ素子を加熱するヒータ（２３）を備えるガスセンサ（２０）において、前記ヒータの通電量を制御するヒータの通電制御装置（３０）であって、
   前記エンジンの周辺環境の温度である周囲温度を取得する周囲温度取得部と、
   前記エンジンの始動に伴い前記センサ素子を活性温度に昇温させる昇温通電時において、前記周囲温度に基づいて、前記ヒータの通電量を制御する通電制御部と、
   前記エンジンの温度であるエンジン温度を取得するエンジン温度取得部と、
   前記エンジン温度が、前記周囲温度と同じでありかつ前記エンジンの暖機が完了していることを示す暖機閾値よりも低温であることに基づいて、前記エンジンが冷間始動状態であると判定し、前記エンジン温度が前記周囲温度と異なりかつ前記暖機閾値よりも高温であることに基づいて、前記エンジンが再始動状態であると判定する判定部と、を備えており、
   前記通電制御部は、前記判定部により前記冷間始動状態であると判定された場合にはヒータ通電として第１通電制御を実施し、前記再始動状態であると判定された場合にはヒータ通電として前記第１通電制御とは異なる第２通電制御を実施することにより、前記冷間始動状態であると判定された場合に、前記再始動状態であると判定された場合に比べて、前記ヒータの通電のデューティを小さく設定する、ヒータの通電制御装置。
6. 前記通電制御部は、前記冷間始動状態である場合に、前記周囲温度に基づいて、前記電源と前記ヒータとを接続するヒータ通電経路の抵抗値を算出し、その抵抗値に基づく前記第１通電制御を実施し、前記再始動状態である場合に、前記周囲温度と前記エンジン温度に基づいて前記ヒータ通電経路の抵抗値を算出し、その抵抗値に基づく前記第２通電制御を実施する請求項４又は５に記載のヒータの通電制御装置。
7. 前記車両は、走行している状態での前記エンジンの始動を可能とする車両であり、
   前記通電制御部は、車両走行状態下で前記エンジンが始動される場合に、前記周囲温度と車速とに基づいて、前記ヒータの通電量を制御し、当該制御では、前記車速が所定速度である場合に比べて、前記車速が当該所定速度よりも速い場合に、前記ヒータの通電のデューティを小さく設定する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒータの通電制御装置。
8. 車両に搭載されたエンジン（１０）の排気通路（１２）に設けられ、排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子（２２）、及び電源（４０）からの電力供給により通電されて前記センサ素子を加熱するヒータ（２３）を備えるガスセンサ（２０）において、前記ヒータの通電量を制御するヒータの通電制御装置（３０）であって、
   前記エンジンの周辺環境の温度である周囲温度を取得する周囲温度取得部と、
   前記エンジンの始動に伴い前記センサ素子を活性温度に昇温させる昇温通電時において、前記周囲温度に基づいて、前記ヒータの通電量を制御する通電制御部とを備え、
   前記車両は、走行している状態での前記エンジンの始動を可能とする車両であり、
   前記通電制御部は、車両走行状態下で前記エンジンが始動される場合に、前記周囲温度と車速とに基づいて、前記ヒータの通電量を制御し、当該制御では、前記車速が所定速度である場合に比べて、前記車速が当該所定速度よりも速い場合に、前記ヒータの通電のデューティを小さく設定する、ヒータの通電制御装置。
9. 前記センサ素子の温度又はその相関値を取得するセンサ温度取得部と、
   前記通電制御部による昇温通電後において、前記センサ素子の温度を目標値とすべく、前記ヒータへの通電量を所定範囲内でフィードバック制御するフィードバック制御部とを備えており、
   前記フィードバック制御部は、前記エンジンの燃料カット時に、フィードバックゲインを増加させるか又は前記ヒータの通電量が前記所定範囲よりも大きくなることを許可する請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のヒータの通電制御装置。
10. 前記エンジンの運転が休止状態であるか判定する休止判定部と、
    前記エンジンの運転が休止状態である場合に、所定の低電力通電により前記ヒータへの通電を継続して前記センサ素子の水の付着を抑制する請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のヒータの通電制御装置。

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