JPH1182113A - 内燃機関用空燃比センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関用空燃比センサのヒータ制御装置に
関し、Ａ／Ｆセンサカバーの排気ガス導入孔部の温度
を、排気ガス温度よりも機関の運転条件に応じて所定量
だけ高温になるように制御し、Ａ／Ｆセンサカバーの排
気ガス導入孔部へのパティキュレートの堆積を防止する
ことを目的とする。 【解決手段】 ＥＣＵは、空燃比センサの外側に設けら
れたカバーの近傍温度が排気ガス温度よりも所定量だけ
高くなるように、電気ヒータのヒータ電力を制御する制
御手段を備え、この所定量を機関の運転条件毎に変更す
る制御を行い、機関が過渡運転状態にある時にはヒータ
電力の制御を予測に基づき行い、さらに、機関の運転条
件及びヒータ電力に応じて空燃比センサの出力値を補正
するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関用空燃比セ
ンサのヒータ制御装置に関し、特に、ＥＧＲ（排気再循
環）制御システムを備えたディーゼルエンジンの排気通
路に設けられた空燃比センサのヒータ制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ_x ）を低
減する手段として、排気ガスの一部を吸気側に戻して酸
素（Ｏ₂ ）濃度を下げる、排気ガス再循環（ＥＧＲ）シ
ステムが知られている。さらに、このようなＥＧＲシス
テムの１つとして、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を空燃
比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサ）により検出し、検出さ
れた値がエンジンの運転条件毎に決められた値となるよ
うに、噴射量及びＥＧＲ率をフィードバック制御する方
式が知られている。そして、近年、このフィードバック
制御方式をディーゼルエンジンにも適用しようとする開
発が盛んに行われている。

【０００３】従来、例えば、特開昭６３−１７６６４７
号公報には、ディーゼルエンジンの排気ガス中の空気過
剰率を検出し、機関負荷から求めた目標空気過剰率と一
致するようにＥＧＲ量又は噴射量を調節する制御装置が
開示されている。即ち、本例の制御装置は、エンジンの
排気通路（以下、排気管とも称する）に設けられたリー
ンミクスチャセンサ（以下、Ａ／Ｆセンサとも称する）
の出力値に基づいて排気ガス中の空気過剰率を検出し、
かつ回転数センサ及びアクセルセンサ等によりエンジン
の運転状態を検出し、検出された酸素濃度及び運転状態
に基づいて目標空気過剰率を演算すると共にＥＧＲを実
施すべきか否かを判別し、この判別結果及び空気過剰率
の偏差に応じてＥＧＲ量を調節する、ものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、上述の従
来例では、ＥＣＵに入力されたＡ／Ｆセンサからの検出
信号と、回転数センサ及びアクセルセンサからの検出信
号に基づいて、ＥＧＲ管の途中に設けられたＥＧＲ弁の
開度を適切に制御し、かつ電子制御燃料噴射ポンプの噴
射量を適切に制御するものである。

【０００５】しかしながら、本例では排気管に設けられ
たＡ／Ｆセンサについては、その出力値を得るのみであ
り、Ａ／Ｆセンサ自体について、正確な検出を行うため
の提案は何らなされていない。ところで、Ａ／Ｆセンサ
をディーゼルエンジンの排気ガス中の酸素濃度検出に用
いた場合には、、ディーゼルエンジンは拡散燃焼である
ためにスモークの発生は避けられない。従って、実使用
において、Ａ／Ｆセンサの排気ガス導入孔にスモークが
堆積して孔面積が減少するためにＡ／Ｆセンサの応答性
が悪化し、やがては孔が閉塞してＡ／Ｆセンサの機能を
失ってしまうことになる。

【０００６】そこで、本発明の目的は、上述の問題点に
鑑み、機関の運転条件に応じて電気ヒータへの通電量を
制御し、Ａ／Ｆセンサカバーの排気ガス導入孔部の温度
を、排気ガス温度よりも機関の運転条件により決まる所
定量だけ高い温度になるようにすることによって、Ａ／
Ｆセンサカバーの排気ガス導入孔部へのスモーク及び可
溶有機成分（以下、ＳＯＦ：Soluble Organic Fractio
n) の堆積を防止し、Ａ／Ｆセンサ出力の低下を抑止
し、その結果ＥＧＲにおいて正確なフィードバック制御
を実現することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、機関の運転条件に応じて電気ヒータへの通電量を制
御し、Ａ／Ｆセンサカバーの排気ガス導入孔部の温度
を、排気ガス温度よりも機関の運転条件により決まる所
定量だけ高い温度になるようにすることによって、Ａ／
Ｆセンサカバーの排気ガス導入孔部へのスモーク及びパ
ティキュレートの堆積を防止し、Ａ／Ｆセンサ出力の低
下を抑止し、その結果ＥＧＲにおいて正確な排気ガスの
フィードバック制御を実現することができる。

【０００８】請求項２の発明によれば、所定量を機関の
運転条件毎に変更することにより、エンジンが低回転で
低負荷及び高回転で高負荷のいずれの場合でも、効果的
にパティキュレートの堆積を除去することができる。請
求項３の発明によれば、機関が過渡運転状態にある時に
は、ヒータ電力の制御を予測に基づき行うことによっ
て、加速時及び減速時においても効果的にパティキュレ
ートの堆積を除去することができる。

【０００９】請求項４の発明によれば、機関の運転条件
及びヒータ電力に応じて、空燃比センサの出力値を補正
することにより、検出素子の温度制御を適切に行うこと
ができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明を適用する車両に搭
載されたディーゼルエンジンの要部構成図である。本エ
ンジンにはＥＧＲ（排気再循環）制御システムが採用さ
れている。基本動作として、ディーゼルエンジン本体１
の排気側に設けられたＡ／Ｆセンサ１３の出力値をＥＣ
Ｕ２０に取り込み、この信号をもとにして排気ガスを吸
気側に戻すべく、吸気側と排気側を連通するＥＧＲパイ
プ１１の途中に設けられたＥＧＲバルブ１２の開度を制
御することにより排気ガス中のＡ／Ｆが設定値になるよ
うにする。

【００１１】具体的構成として、図示のように、ディー
ゼルエンジン本体１には、吸気管２が接続されるととも
に排気管３が接続されている。ディーゼルエンジン本体
１のシリンダブロック４内においてピストン５が往復運
動可能に配置されている。また、シリンダブロック４の
上にはシリンダヘッド６が固定されている。ピストン５
とシリンダヘッド６との間に燃焼室７が形成され、吸気
管２からの吸気が吸気弁９を通して燃焼室７に供給され
る。又、燃焼室７内に噴射ノズル８からの燃料が供給さ
れるようになっている。そして、燃焼室７にて空気と燃
料の混合気が燃焼してその排気ガスが排気弁１０を通し
て排気管３に排出される。

【００１２】排気管３と、スロットルバルブ２５の下流
の吸気管２とは、ＥＧＲパイプ１１にて連通され、ＥＧ
Ｒパイプ１１の途中には電磁式のＥＧＲバルブ１２が設
けられている。このＥＧＲバルブ１２の開度を調整する
ことにより、排気側から吸気側に戻されるガス量が調節
される。さらに、排気管３におけるＥＧＲパイプ１１の
接続部より下流側にはＡ／Ｆセンサ１３が取り付けられ
ている。

【００１３】また、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと
いう）２０にはイグニッションスイッチ２１が接続さ
れ、ＥＣＵ２０はイグニッションスイッチ２１のオン・
オフ操作を検知する。又、ＥＣＵ２０にはＮｅ（回転
角）センサ２６及びアクセル開度センサ２７が接続さ
れ、ＥＣＵ２０はＮｅセンサ２６によりエンジン回転数
を検知するとともにアクセル開度センサ２７によりアク
セル開度を検知する。

【００１４】ＥＣＵ２０にはリレースイッチ２２を介し
てバッテリ２３が接続され、リレースイッチ２２により
バッテリ２３からの通電をオン又はオフさせる。さら
に、ＥＣＵ２０にはＡ／Ｆセンサ１３が接続され、酸素
濃度検出信号を入力するとともに、熱電対ｅ（図３参
照）からの温度検出信号を入力する。又、ＥＣＵ２０は
Ａ／Ｆセンサ１３の電気ヒータ１３２（図２参照）への
通電を制御して酸素イオン伝導性固体電解質ａを加熱す
るようになっている。

【００１５】図２は内燃機関に用いられるＡ／Ｆセンサ
の代表的な構造を示す。１３１はＡ／Ｆセンサの検出素
子（ジルコニア素子）で、内部には電気ヒータ１３２が
設けられており、検出素子が安定して活性化するための
温度に保たれるようヒータ温度を制御する。また、検出
素子１３１の外側には検出素子温度が排気ガスにより冷
却されたり、排気ガス中の水分が素子にかかり熱衝撃に
より割れたりするのを防ぐために、内カバー１３３と外
カバー１３４が配置されている。これらカバーには排気
ガスが検出素子１３１に導入されるように１つあるいは
複数の孔１３５が設けられている。

【００１６】図３は図２に示すＡ／Ｆセンサの検出素子
の要部構造図である。図示のように、検出素子１３１
は、ジルコニアからなるカップ状の酸素イオン伝導性固
体電解質ａと、その外周面を覆う多孔質セラミックスｂ
とを備えている。この酸素イオン伝導性固体電解質ａ及
び多孔質セラミックスｂが排気ガス中に曝され、多孔質
セラミックスｂの外周側が排気ガスと接するとともに酸
素イオン伝導性固体電解質ａの内周側が大気と接するよ
うになっている。又、酸素イオン伝導性固体電解質ａの
内周面並びに外周面上には陽極用白金薄膜並びに陰極用
白金薄膜がコーティングされ、これらの白金薄膜に接続
された陽極リード線ｃと陰極リード線ｄの間に電圧が印
加される。

【００１７】排気ガス中の酸素分子は多孔質セラミック
スｂ内を拡散により通過して酸素イオン伝導性固体電解
質ａの陰極用白金薄膜に到達し、ここで電子を付与され
た酸素分子が酸素イオン伝導性固体電解質ａ内を通過後
に陽極用白金薄膜と接触して電子を放出することにより
電流が発生する。従って、排気ガス中の酸素濃度に比例
して出力電流が発生し、排気ガス中の酸素濃度が分かれ
ば機関の空燃比が分かることから、出力電流から空燃比
の検出が可能である。発生した電流はリード線ｃ及びｄ
から取り出される。

【００１８】又、安定した出力電流を得るには酸素イオ
ン伝導性固体電解質ａの温度を標準温度で約６５０°Ｃ
以上にする必要があるため、酸素イオン伝導性固体電解
質ａ内には電気ヒータ１３２が具備されている。スモー
クが堆積したときはこの電気ヒータを加熱して約８５０
°Ｃまで昇温してスモークを焼却する。また、酸素イオ
ン伝導性固体電解質ａの温度を検出するための熱電対ｅ
が配置されている。

【００１９】上述のような構成において、本発明の作用
を以下に説明する。図４は、Ａ／Ｆセンサカバーの排気
ガス導入孔近傍の温度と、排気ガス温度の関係から内カ
バーへのスモーク及びＳＯＦ（ＰＭ粒子：パティキュレ
ート）の堆積量（「ＰＭ堆積量」と称する）を調査した
グラフであり、実験結果から求めたものである。縦軸は
ＰＭ堆積量であり、横軸は内カバーの排気ガス導入孔近
傍の温度である。

【００２０】本グラフにおいて、直線Ａはエンジンが低
回転で低負荷の場合を示し、直線Ｂはエンジンが高回転
で高負荷の場合を示す。直線Ａ及びＢで示すように、排
気ガス温度（○で示す）に対して、排気ガス導入孔の近
傍温度を上昇させることにより、●で示すように、ＰＭ
堆積量が減少していくことが分かる。そして、Ａ及びＢ
いずれの場合でも、排気ガス温度に対して内部カバー温
度を上昇させていくと、いずれはＰＭ堆積量をほぼ
「０」にすることができることが分かる。

【００２１】これは、内カバーの温度が排気ガス温度よ
り高いと、内カバー近傍の排気ガスに温度勾配が生じ、
ここに存在するＰＭ粒子が、温度の高い方から低い方へ
排気ガス分子により力を受け、この力が、ＰＭ粒子に作
用する慣性力のうちでカバーに近づく方向の成分よりも
大きくなると、ＰＭ粒子が内カバーに接触及び堆積しな
くなるからである。従って、内カバー温度が排気ガス温
度よりも高ければ高いほどＰＭ粒子の堆積量が減少す
る。

【００２２】本発明の制御において、機関の運転条件
（低回転で低負荷、又は高回転で高負荷）が変わった場
合、直線Ａ及びＢの傾きで明らかなように、排気ガス温
度に対する昇温量ΔＴを変化させないと、つまり、低回
転で低負荷では、高回転で高負荷よりも昇温量ΔＴを大
きくしないと、あらゆる機関運転条件でＰＭ堆積量を０
にすることはできない。

【００２３】これは、排気ガス温度が低い条件ではＳＯ
Ｆ（可溶有機成分）分が多く、ＳＯＦのバインダー効果
により微粒子が寄せ集まって大きな粒子となり、これが
内カバーの導入孔部に付着しないようにするために、温
度勾配を大きくして大きな力で押しやる必要があるため
である。従って、その時の排気ガス温度と内カバーの排
気ガス導入孔近傍温度を測定し、その温度差が各運転条
件できまる設定値よりも大きくなるようにヒータ供給電
力を制御すればよいが、排気ガス温度はともかく、内カ
バーの排気ガス導入孔近傍温度の測定は実質的に困難を
伴う。

【００２４】このような困難に対処するために、予め機
関運転条件ごとに内カバーの排気ガス導入孔近傍温度
が、排気ガス温度より設定値だけ高くなるようにヒータ
電力を調整しておく。この場合、機関運転条件ごとに必
要ヒータ電力をマップ化しておき、オープンループ制御
を行うこともできるが、一方、排気ガス温度センサが設
置されている場合には、例えば、冷間時や外気温の変化
に対してその出力を使ってヒータ電力を補正してやれ
ば、スモーク及びＳＯＦの堆積をより効果的に抑止する
ことができる。

【００２５】また、加速又は減速時等の過渡運転時に
は、ヒータの昇温性能やカバーの熱容量のためにカバー
温度が追従しきれず、加速時にはスモーク及びＳＯＦが
堆積してしまったり、減速時にはヒータ温度が高くなり
過ぎてセンサが劣化してしまったりする。そこで、本発
明では、加速もしくは減速時と判断した場合には、この
ような不具合が起こらないように、カバー温度が目標値
に追従するよう、例えば、ヒータに対して全通電あるい
は通電カットといった予測（見込み）に基づき制御する
ようにする。

【００２６】図５は本発明の制御フローチャートであ
る。まず、ステップＳ１にて、ＥＣＵ２０は、測定時の
エンジン回転数Ｎｅと、負荷を代用する噴射量Ｑ（ある
いはアクセル開度Ａｃ、また、排気ガス温度センサがあ
る場合には排気ガス温度Ｔｅ）を取り込む。次に、ステ
ップＳ２にて、これらの信号に基づいて排気ガス温度よ
りも内カバーの排気ガス導入孔近傍温度が設定温度だけ
高くなるようなヒータ電力Ｐｈをマップや演算等により
算出する。

【００２７】次に、ステップＳ３にて、現在の機関運転
状態が、加速状態か減速状態かを判定する。次に、ステ
ップＳ４にて、現在の機関運転状態が、加速あるいは減
速状態である場合には、ヒータ電力Ｐｈを予測で補正す
る。そして、ステップＳ５にて、設定されたヒータ電力
となるようにヒータ通電を行う。

【００２８】ここで、ヒータ電力を機関の運転条件毎に
変更すると、検出素子自体の温度が変わり、Ａ／Ｆセン
サの出力値が変わってしまう場合がある。このような場
合には、機関運転条件及びヒータ電力等から検出素子温
度を推定し、Ａ／Ｆセンサ出力を補正すればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用するディーゼルエンジンの要部構
成図である。

【図２】内燃機関に用いられるＡ／Ｆセンサの代表的な
構造図である。

【図３】図２に示すＡ／Ｆセンサの検出素子の要部構造
図である。

【図４】Ａ／Ｆセンサカバーの排気ガス導入孔近傍の温
度と、排気ガス温度の関係から、内カバーへのＰＭ堆積
量を調査したグラフである。

【図５】本発明の制御フローチャートである。

【符号の説明】

１…ディーゼルエンジン本体 ２…吸気管 ３…排気管 ４…シリンダブロック ５…ピストン ６…シリンダヘッド ７…燃焼室 ８…噴射ノズル ９…吸気弁 １０…排気弁 １１…パイプ １２…ＥＧＲバルブ １３…Ａ／Ｆセンサ ２０…電子制御ユニット（ＥＣＵ） ２１…イグニッションスイッチ ２２…リレースイッチ ２３…バッテリ ２５…スロットルバルブ ２６…Ｎｅ（回転角）センサ ２７…アクセル開度センサ １３１…Ａ／Ｆセンサの検出素子部 １３２…電気ヒータ １３３…内カバー １３４…外カバー １３５…排気ガス導入孔 ａ…酸素イオン伝導性固体電解質 ｂ…多孔質セラミックス ｃ…陽極リード線 ｄ…陰極リード線 ｅ…熱電対

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 聡 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に設けられ、パティ
   キュレートを除去するための電気ヒータを有し、排気ガ
   ス中の空燃比を測定して噴射量及びＥＧＲ量の制御を行
   う内燃機関用空燃比センサのヒータ制御装置において、 前記空燃比センサの外側に設けられたカバーの近傍温度
   が、排気ガス温度よりも所定量だけ高くなるように、前
   記電気ヒータのヒータ電力を制御する制御手段を備えた
   ことを特徴とする内燃機関用空燃比センサのヒータ制御
   装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記所定量を機関の運
   転条件毎に変更する制御を行う請求項１に記載の空燃比
   センサのヒータ制御装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、機関が過渡運転状態に
   ある時には、前記ヒータ電力の制御を予測に基づき行う
   請求項１に記載の空燃比センサのヒータ制御装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は、機関の運転条件及びヒ
   ータ電力に応じて、前記空燃比センサの出力値を補正す
   る請求項１に記載の内燃機関用空燃比センサのヒータ制
   御装置。