(57)【要約】      （修正有）【課題】空燃比センサの検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるように空燃比センサのヒータの通電デューティを制御する微通電デューティ制御中において、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離することを防止する温度制御装置を提供する。【解決手段】温度制御装置は、排気温センサと、検出素子とヒータとを含む空燃比センサと、ＥＣＵ（電子制御装置）とを備える。ＥＣＵは、検出素子の温度（＝素子温度Ｔａ／ｆ）が目標活性温度よりも低い微通電目標温度となるようにヒータの通電デューティを制御する「微通電デューティ制御」を実行する際、素子温度Ｔａ／ｆを熱モデル式を用いて算出する。この熱モデル式は、排気から検出素子が受ける受熱量Ｑと、排気と検出素子との間の熱伝達率αと、排気温度Ｔｇａｓと、検出素子温度Ｔａ／ｆとの関係を規定した式である。【選択図】図８
2020020676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気の温度を検出する排気温センサと、
前記排気の空燃比を検出する検出素子と前記検出素子を加熱するヒータとを含む空燃比センサと、
前記空燃比センサの前記ヒータの通電を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記排気温センサの検出値が所定温度未満である場合、前記排気と前記検出素子との間の熱収支を表わす予め定められたモデル式を用いて前記検出素子の温度を算出し、前記検出素子の温度が前記検出素子の活性温度よりも低い目標温度となるように前記ヒータの通電デューティを制御し、
前記モデル式は、前記排気から前記検出素子が受ける受熱量と、前記排気と前記検出素子との間の熱伝達率と、前記排気の温度と、前記検出素子の温度との関係を規定した式である、空燃比センサの温度制御装置。
【請求項２】
前記温度制御装置は、
前記エンジンの吸入空気量を検出するエアフロメータと、
前記吸入空気量と、前記排気の温度と、前記受熱量と前記熱伝達率との比率である適合定数との対応関係を予め記憶する記憶部とをさらに備え、
前記制御装置は、
前記記憶部に記憶された前記対応関係を参照して、前記エアフロメータの検出値および前記排気温センサの検出値に対応する前記適合定数を算出し、
算出された前記適合定数と、前記排気温センサの検出値と、前記モデル式とを用いて、前記検出素子の温度を算出する、請求項１に記載の空燃比センサの温度制御装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記排気温センサの検出値が前記所定温度を超える場合、前記検出素子のインピーダンスから前記検出素子の温度を算出し、前記検出素子の温度が前記活性温度となるように前記ヒータの通電量を制御する、請求項１または２に記載の空燃比センサの温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、空燃比センサの温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンの排気通路には、排気中の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出する空燃比センサが配置される場合が多い。空燃比センサで空燃比を精度よく検出するためには、空燃比センサの検出素子を適切な温度（活性温度）に維持することが望ましい。
【０００３】
特開２０１５−２１５２１２号公報（特許文献１）には、検出素子とヒータとを含む空燃比センサの温度制御装置が開示されている。この温度制御装置は、空燃比センサの検出素子の温度と電気抵抗（インピーダンス）との間に所定の相関関係があることに鑑み、検出素子の電気抵抗から検出素子の温度を推定し、推定された検出素子の温度が活性温度となるように、空燃比センサのヒータの通電量をフィードバック制御している。
【０００４】
また、特許文献１に開示された温度制御装置は、エンジン始動後の所定期間においては、空燃比センサの検出素子の温度が低く、被水割れ（検出素子の表面に水分が付着した状態で検出素子が低温から急速に高温になることによって検出素子が破損する現象）が生じるおそれがあることに鑑み、排気温センサによって検出される排気温度に基づいて、検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるようにヒータの通電デューティ（ヒータの通電と非通電とを交互に周期的に繰り返す際における、１周期内の通電時間と非通電時間との比）を制御する。これにより、検出素子が低温から急速に高温になることが回避され、検出素子の被水割れが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２１５２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
空燃比センサの検出素子の温度が低い場合において、特許文献１のように単純に排気の温度に基づいてヒータの通電デューティを制御するだけでは、排気の温度が急速に変動する過渡状態において、排気の温度の変動に通電デューティが追従できず、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離してしまうことが懸念される。検出素子の温度が目標温度よりも大きく上回る場合には、上述の被水割れが生じ得る。また、検出素子の温度が目標温度よりも大きく下回る場合には、検出素子の表面の水分が蒸発せずに残存することによって凍結割れ（検出素子の表面の水分が凍結することによって検出素子が破損する現象）が生じ得る。
【０００７】
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、空燃比センサの検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるように空燃比センサのヒータの通電デューティを制御する場合において、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離することを防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）  本開示による温度制御装置は、エンジンの排気の温度を検出する排気温センサと、排気の空燃比を検出する検出素子と検出素子を加熱するヒータとを含む空燃比センサと、空燃比センサのヒータの通電を制御する制御装置とを備える。制御装置は、排気温センサの検出値が所定温度未満である場合、排気と検出素子との間の熱収支を表わす予め定められたモデル式を用いて検出素子の温度を算出し、検出素子の温度が検出素子の活性温度よりも低い目標温度となるようにヒータの通電デューティを制御する。モデル式は、排気から検出素子が受ける受熱量と、排気と検出素子との間の熱伝達率と、排気の温度と、検出素子の温度との関係を規定した式である。
【０００９】
上記システムによれば、排気温センサの検出値が所定温度未満である場合、排気に曝される検出素子の温度も低く検出素子の表面に水分が付着している可能性が高い（すなわち活性温度まで上昇させると被水割れが生じ易い）ことに鑑み、検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるようにヒータの通電デューティが制御される。この際、検出素子の温度は、排気と検出素子との間の熱収支を表わすモデル式を用いて算出される。モデル式においては、排気の温度だけでなく、排気から検出素子が受ける受熱量、排気と検出素子との間の熱伝達率が考慮されている。そのため、単純に排気の温度だけを考慮する場合に比べて、検出素子の温度を目標温度に素早く追従させることができる。これにより、排気の温度が急速に変動する過渡状態においても、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離することを防止することができる。
【００１０】
（２）  ある形態においては、温度制御装置は、エンジンの吸入空気量を検出するエアフロメータと、吸入空気量と、排気の温度と、受熱量と熱伝達率との比率である適合定数との対応関係を予め記憶する記憶部とをさらに備える。制御装置は、記憶部に記憶された対応関係を参照して、エアフロメータの検出値および排気温センサの検出値に対応する適合定数を算出し、算出された適合定数と、排気温センサの検出値と、モデル式とを用いて、検出素子の温度を算出する。
【００１１】
排気から検出素子が受ける受熱量は、排気の温度だけでなく、排気流量によっても変化し得る。この点に鑑み、上記形態においては、受熱量と熱伝達率との比率である適合定数が、排気温センサの検出値だけでなく、エアフロメータの検出値（排気流量に相当する値）をも用いて算出される。このように算出された適合定数を用いて、検出素子の温度が算出される。そのため、検出素子の温度を精度よく算出することができる。
【００１２】
（３）  ある形態においては、制御装置は、排気温センサの検出値が所定温度を超える場合、検出素子のインピーダンスから検出素子の温度を算出し、検出素子の温度が活性温度となるようにヒータの通電量を制御する。
【００１３】
上記形態においては、排気温センサの検出値が所定温度を超える場合、排気に曝される検出素子の温度も高く検出素子の表面に水分が付着している可能性は低い（すなわち活性温度まで上昇させると被水割れが生じ難い）ことに鑑み、検出素子の温度が活性温度となるようにヒータの通電量が制御される。これにより、検出素子の温度が活性温度に維持されるため、空燃比センサによって空燃比を精度よく検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本開示によれば、空燃比センサの検出素子の温度が活性温度よりも低い目標温度となるように空燃比センサのヒータの通電デューティを制御する場合において、検出素子の温度が目標温度から大きく乖離することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】エンジンシステムの全体構成の一例を示す図である。
【図２】空燃比センサの内部構成の一例を示す図である。
【図３】定常状態において排気温度の１次元マップを用いてヒータの微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Ｔｇａｓと素子温度Ｔａ／ｆとの関係の一例（比較例）を示す図である。
【図４】過渡状態において排気温度の１次元マップを用いてヒータの微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Ｔｇａｓと素子温度Ｔａ／ｆの変化の一例（比較例）を示す図である。
【図５】適合定数マップのイメージを示す図である。
【図６】ヒータの通電デューティの補正量ΔＤの算出に用いられるマップの一例を示す図である。
【図７】過渡状態において熱モデル式を用いてヒータの微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Ｔｇａｓおよび素子温度Ｔａ／ｆの変化の一例を示す図である。
【図８】ＥＣＵの処理の概要を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１７】
＜構成＞
図１は、本実施の形態による温度制御装置を備えるエンジンシステムの全体構成の一例を示す図である。このエンジンシステムは、エンジン１０と、エアフローメータ４０と、エンジン回転速度センサ５０と、排気温センサ６０と、空燃比センサ７０と、電子制御装置（Electronic  Control  Unit、以下「ＥＣＵ」という）１００とを含む。
【００１８】
エンジン１０は、一般的なディーゼルエンジンである。なお、エンジン１０はガソリンエンジンであってもよい。エンジン１０の各気筒には、燃料噴射弁２０が設けられる。各燃料噴射弁２０には、図示しない燃料ポンプによって燃料タンクからの燃料が供給されている。各燃料噴射弁２０は、ＥＣＵ１００からの制御信号によって作動（開弁）し、各気筒に燃料を噴射する。
【００１９】
エンジン回転速度センサ５０は、エンジン１０のクランク軸の回転速度（以下「エンジン回転速度Ｎｅ」ともいう）を検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。
【００２０】
エンジン１０には、吸気通路１１と排気通路１２とが接続されている。エアフローメータ４０は、吸気通路１１に設けられる。エアフローメータ４０は、吸気通路１１を流通する吸入空気量Ｇａを検出し、検出結果をＥＣＵ１００へ出力する。
【００２１】
排気温センサ６０は、排気通路１２に設けられる。排気温センサ６０は、排気通路１２を流れる排気の温度（以下「排気温度Ｔｇａｓ」ともいう）を検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。
【００２２】
空燃比センサ７０は、排気通路１２における排気温センサ６０よりも下流側の部分に、排気温センサ６０とは所定距離を隔てて設けられる。空燃比センサ７０は、エンジン１０の排気中における空燃比（空気量に対する燃料量の比率）Ａ／Ｆを検出し、検出結果をＥＣＵ１００へ出力する。
【００２３】
図２は、空燃比センサ７０の内部構成の一例を示す図である。空燃比センサ７０は、検出素子（センサ素子）７１と、ヒータ７２とを含む。検出素子７１は、空燃比Ａ／Ｆを検出するための素子である。ヒータ７２は、検出素子７１の内部に埋め込まれた電熱線である。ヒータ７２は、内部に電流が流れることによって発熱して検出素子７１を加熱する。ヒータ７２の通電タイミングおよび通電量は、ＥＣＵ１００によって制御される。
【００２４】
図１に戻って、ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、およびメモリ１０１を内蔵する。ＥＣＵ１００は、メモリ１０１に記憶された情報および各種センサからの情報などに基づいて、エンジン１０に係る各種制御を実行する。
【００２５】
＜空燃比センサのヒータの通常通電制御＞
空燃比センサ７０の検出素子７１は、検出素子７１の温度（以下「素子温度Ｔａ／ｆ」ともいう）が予め定められた活性温度である場合に空燃比Ａ／Ｆを精度よく検出することができるという特性を有する。したがって、検出素子７１で空燃比Ａ／Ｆを精度よく検出するためには、素子温度Ｔａ／ｆが活性温度あるいは活性温度に近い値であることが望ましい。
【００２６】
また、素子温度Ｔａ／ｆが活性温度を含む高温領域に含まれる場合においては、素子温度Ｔａ／ｆは検出素子７１の電気抵抗（以下「素子インピーダンスＺ」ともいう）に相関するという特性を有する。
【００２７】
この点に鑑み、ＥＣＵ１００は、素子インピーダンスＺを算出し、算出された素子インピーダンスＺから素子温度Ｔａ／ｆを算出し、算出された素子温度Ｔａ／ｆが目標活性温度Ｔｔａｇ２となるようにヒータ７２の通電量をフィードバック制御する。目標活性温度Ｔｔａｇ２は、検出素子７１の活性温度に相当する値に設定される。
【００２８】
なお、素子インピーダンスＺは、検出素子７１に電圧を印加したときの電圧と電流との関係から算出することができる。たとえば、ＥＣＵ１００は、検出素子７１に設けられた電極（図示せず）に電圧を印加し、その電圧を所定の変化量ΔＶだけ変化させたときの検出素子７１の電流の変化量ΔＩを測定し、電圧の変化量ΔＶを電流の変化量ΔＩで除算した値（＝ΔＶ／ΔＩ）を、素子インピーダンスＺとして算出することができる。
【００２９】
また、素子インピーダンスＺから素子温度Ｔａ／ｆを算出する手法としては、素子インピーダンスＺと素子温度Ｔａ／ｆとの対応関係を示すマップ（以下「Ｚ−Ｔａ／ｆマップ」ともいう）を予め実験等によって求めてメモリ１０１に記憶しておき、このＺ−Ｔａ／ｆマップを参照する手法を採用することができる。
【００３０】
以下では、素子インピーダンスＺから算出された素子温度Ｔａ／ｆが目標活性温度Ｔｔａｇ２となるようにヒータ７２の通電量をフィードバック制御する処理を「通常通電制御」とも記載する。
【００３１】
＜空燃比センサのヒータの微通電デューティ制御＞
上述したように、検出素子７１で空燃比Ａ／Ｆを精度よく検出するためには、素子温度Ｔａ／ｆが活性温度あるいは活性温度に近い値であることが望ましい。したがって、素子温度Ｔａ／ｆが活性温度を含む高温領域よりも低い低温領域に含まれる場合には、素子温度Ｔａ／ｆを活性温度（目標活性温度Ｔｔａｇ２）に向けて早期に上昇させることが望ましい。しかしながら、素子温度Ｔａ／ｆが低温領域に含まれる冷間時に上述の通常通電制御によって素子温度Ｔａ／ｆを急速に目標活性温度Ｔｔａｇ２まで上昇させると、以下のような問題が生じ得る。
【００３２】
まず、冷間時においては、検出素子７１の表面に水分（凝縮水）が付着している場合がある。検出素子７１の表面に水分が付着している状態で素子温度Ｔａ／ｆを活性温度まで急速に上昇させると、検出素子７１が破損する現象（以下「被水割れ」ともいう）が発生し得る。そのため、冷間時においては、素子温度Ｔａ／ｆを上昇させつつも、被水割れが生じない温度（活性温度よりも低い温度）に抑えることが望ましい。
【００３３】
その一方で、素子温度Ｔａ／ｆが低過ぎると、検出素子７１の表面が十分に乾燥せずに水分が残存し得る。検出素子７１の表面の水分が残存した状態でエンジンが停止されると、検出素子７１の表面に残存している水分が凍結することによって検出素子７１が破損する現象（以下「凍結割れ」ともいう）が発生し得る。そのため、冷間時においては、素子温度Ｔａ／ｆを、被水割れが生じず、かつ検出素子７１の表面の水分が蒸発し得る（凍結割れが生じない）温度にすることが望ましい。
【００３４】
さらに、素子温度Ｔａ／ｆが低温領域に含まれる冷間時においては、素子温度Ｔａ／ｆと素子インピーダンスＺとの間の相関関係が崩れるため、素子インピーダンスＺから素子温度Ｔａ／ｆを算出すると素子温度Ｔａ／ｆの算出精度が低下してしまうという問題も生じ得る。
【００３５】
以上の点に鑑み、ＥＣＵ１００は、排気温度Ｔｇａｓがしきい値Ｔｔｈよりも低い場合には、排気に曝される検出素子７１の温度も低く素子温度Ｔａ／ｆが低温領域に含まれる冷間時であると考えられるため、上述の「通常通電制御」ではなく、「微通電デューティ制御」を実行する。
【００３６】
ここで、「微通電デューティ制御」とは、素子温度Ｔａ／ｆが、被水割れを回避可能で、かつ凍結割れを回避可能な微通電目標温度Ｔｔａｇ１となるように、ヒータ７２の通電デューティＤＵＴＹを制御する処理である。微通電目標温度Ｔｔａｇ１は、目標活性温度Ｔｔａｇ２よりも低い値に設定される。なお、通電デューティＤＵＴＹとは、ヒータ７２の通電と非通電とを交互に周期的に繰り返す際における、１周期内の通電時間と非通電時間との比である。
【００３７】
微通電デューティ制御は素子温度Ｔａ／ｆと素子インピーダンスＺとの間の相関関係が崩れる冷間時に実行されるため、微通電デューティ制御中においては素子インピーダンスＺから素子温度Ｔａ／ｆを算出することはできない。そのため、微通電デューティ制御中においては、素子温度Ｔａ／ｆをどのように把握して通電デューティＤＵＴＹに反映させるのかが問題となる。
【００３８】
たとえば、素子温度Ｔａ／ｆが排気温度Ｔｇａｓに相関することに鑑み、微通電デューティ制御中において単純に排気温度Ｔｇａｓの１次元マップ（排気温度Ｔｇａｓと通電デューティＤＵＴＹとの対応関係を規定するマップ）を用いて通電デューティＤＵＴＹを制御することも考えられる。しかしながら、この手法では、排気温度Ｔｇａｓがそれほど急速には変動しない定常状態においては有効であるが、排気温度Ｔｇａｓが急速に変動する過渡状態においては微通電目標温度Ｔｔａｇ１から大きく乖離してしまう場合がある。
【００３９】
図３は、定常状態において排気温度Ｔｇａｓの１次元マップを用いてヒータ７２の微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Ｔｇａｓと素子温度Ｔａ／ｆとの関係の一例を示す図である。図３の下段には、排気温度Ｔｇａｓの１次元マップの一例が示される。図３の上段には、定常状態における排気温度Ｔｇａｓと素子温度Ｔａ／ｆとの関係が示される。なお、図３は、本開示に対する比較例を示すものである。
【００４０】
図３の下段に示す１次元マップにおいては、排気温度Ｔｇａｓが低いほど通電デューティＤＵＴＹが高い値とされる。これにより、排気温度Ｔｇａｓが低い場合でも、早期に素子温度Ｔａ／ｆを微通電目標温度Ｔｔａｇまで上昇させるようにしている。その結果、定常状態では、図３の上段に示すとおり、排気温度Ｔｇａｓが低い場合であっても高い場合であっても、素子温度Ｔａ／ｆが微通電目標温度Ｔｔａｇに維持される。
【００４１】
しかしながら、排気温度Ｔｇａｓが急速に変動する過渡状態においては、排気温度Ｔｇａｓの変動に素子温度Ｔａ／ｆが追従しきれずに、素子温度Ｔａ／ｆが微通電目標温度Ｔｔａｇ１から大きく乖離してしまう場合がある。
【００４２】
図４は、過渡状態において排気温度Ｔｇａｓの１次元マップを用いてヒータ７２の微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Ｔｇａｓと素子温度Ｔａ／ｆの変化の一例を示す図である。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は温度を示す。また、図４において、実線は排気温度Ｔｇａｓを示し、破線は素子温度Ｔａ／ｆを示す。なお、図４も、図３と同様、本開示に対する比較例を示すものである。
【００４３】
排気温度Ｔｇａｓが急速に増加および減少する過渡状態において排気温度Ｔｇａｓの１次元マップを用いて微通電デューティ制御を行なうと、図４に示すように、排気温度Ｔｇａｓの変動に素子温度Ｔａ／ｆが追従しきれずに、素子温度Ｔａ／ｆが微通電目標温度Ｔｔａｇ１を含む目標温度制御範囲の上限を上回るオーバーシュートが生じたり、素子温度Ｔａ／ｆが目標温度制御範囲の下限を下回るアンダーシュートが生じたりする。
【００４４】
素子温度Ｔａ／ｆが目標温度制御範囲の上限を上回ると、素子温度Ｔａ／ｆが被水割れを回避可能な限界温度を超過し、被水割れが生じてしまうことが懸念される。また、素子温度Ｔａ／ｆが目標温度制御範囲の上限を下回ると、検出素子７１の表面の水分が蒸発せずに残存し、その後に凍結割れが生じてしまうことが懸念される。
【００４５】
上記のような問題を解消すべく、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、微通電デューティ制御において、排気温度Ｔｇａｓの１次元マップを用いるのではなく、排気と検出素子７１との間の熱収支を表わす熱モデル式を用いて素子温度Ｔａ／ｆを算出する。そして、ＥＣＵ１００は、熱モデル式を用いて算出された素子温度Ｔａ／ｆが微通電目標温度Ｔｔａｇ１となるようにヒータ７２の通電デューティＤＵＴＹを制御する。以下、この点について詳しく説明する。
【００４６】
排気と検出素子７１との間の熱収支は下記の式（１）のように定義することができる。
Ｑ＝α×Ｓ×（Ｔｇａｓ−Ｔａ／ｆ）  …（１）
式（１）において、「Ｑ」は排気から検出素子７１が受ける受熱量（単位：Ｗ）を示し、「α」は排気と検出素子７１との間の熱伝達率（単位：Ｗ／（ｍ２Ｋ））を示し、「Ｓ」は検出素子７１における排気に触れる部分の表面積（単位：ｍ２）を示す。排気温度Ｔｇａｓおよび素子温度Ｔａ／ｆの単位は、どちらも「Ｋ」（ケルビン）である。なお、受熱量Ｑが負の値である場合には、受熱量Ｑは、実質的に、検出素子７１が排気に放出する放熱量を示す値となる。
【００４７】
式（１）は、下記の式（２）のように変形することができる。
Ｔａ／ｆ＝Ｔｇａｓ−(Ｑ／α）／Ｓ  …（２）
上述の式（１）あるいは式（２）が、排気と検出素子７１との間の熱収支を表わす熱モデル式である。
【００４８】
式（２）において、排気温度Ｔｇａｓは排気温センサ６０によって検出可能であり、表面積Ｓは設計仕様によって予め決まる固定値である。そこで、本実施の形態においては、受熱量Ｑと熱伝達率αとの比率である「Ｑ／α」を適合定数とし、この適合定数と吸入空気量Ｇａと排気温度Ｔｇａｓとの対応関係が実験等によって予め求められ、その結果が適合定数マップとしてメモリ１０１に記憶されている。
【００４９】
図５は、適合定数マップのイメージを示す図である。図５に示すように、適合定数マップには、吸入空気量Ｇａと排気温度Ｔｇａｓとをパラメータとして、適合定数（＝Ｑ／α）の値が予め規定されている。この適合定数マップは、実験等によって予め求められてメモリ１０１に記憶されている。
【００５０】
ＥＣＵ１００は、図５に示すような適合定数マップを参照して、エアフローメータ４０によって検出された吸入空気量Ｇａおよび排気温センサ６０によって検出された排気温度Ｔｇａｓに対応する適合定数（＝Ｑ／α）を算出する。
【００５１】
そして、ＥＣＵ１００は、適合定数マップを用いて算出された適合定数（＝Ｑ／α）と、排気温センサ６０によって検出された排気温度Ｔｇａｓとを、上述の式（２）に代入することによって、素子温度Ｔａ／ｆを算出する。
【００５２】
そして、ＥＣＵ１００は、算出された素子温度Ｔａ／ｆと微通電目標温度Ｔｔａｇ１との差（＝Ｔａ／ｆ−Ｔｔａｇ１）に基づいて、ヒータ７２の通電デューティＤＵＴＹの補正量ΔＤを算出する。
【００５３】
図６は、ヒータ７２の通電デューティＤＵＴＹの補正量ΔＤの算出に用いられるマップの一例を示す図である。図６において、横軸は素子温度Ｔａ／ｆと微通電目標温度Ｔｔａｇ１との差（＝Ｔａ／ｆ−Ｔｔａｇ１）を示し、縦軸は通電デューティＤＵＴＹの補正量ΔＤを示す。
【００５４】
図６に示す例では、素子温度Ｔａ／ｆが微通電目標温度Ｔｔａｇ１よりも高い場合（Ｔａ／ｆ−Ｔｔａｇ１＞０である場合）には、補正量ΔＤが負の値とされ、かつ、素子温度Ｔａ／ｆと微通電目標温度Ｔｔａｇ１との差の大きさ（絶対値）が大きいほど補正量ΔＤの大きさ（絶対値）が大きい値にされる。また、素子温度Ｔａ／ｆが微通電目標温度Ｔｔａｇ１よりも低い場合（Ｔａ／ｆ−Ｔｔａｇ１＜０である場合）には、補正量ΔＤが正の値とされ、かつ、素子温度Ｔａ／ｆと微通電目標温度Ｔｔａｇ１との差の大きさ（絶対値）が大きいほど補正量ΔＤの大きさ（絶対値）が大きい値にされる。
【００５５】
そして、ＥＣＵ１００は、ヒータ７２の通電デューティＤＵＴＹを下記の式（３）で算出する。
【００５６】
ＤＵＴＹ今回値＝ＤＵＴＹ前回値＋補正量ΔＤ  …（３）
式（３）において、「ＤＵＴＹ今回値」は今回の演算サイクルで算出される通電デューティＤＵＴＹを示し、「ＤＵＴＹ前回値」は前回の演算サイクルで算出された通電デューティＤＵＴＹを示す。すなわち、ＥＣＵ１００は、ＤＵＴＹ前回値に補正量ΔＤを加えた値を、ＤＵＴＹ今回値として算出する。そして、ＥＣＵ１００は、ヒータ７２の通電デューティＤＵＴＹをＤＵＴＹ今回値とする。
【００５７】
図７は、過渡状態において上述の熱モデル式（式（１）あるいは式（２））を用いてヒータ７２の微通電デューティ制御を行なった場合の排気温度Ｔｇａｓおよび素子温度Ｔａ／ｆの変化の一例を示す図である。
【００５８】
図７の上段において、実線は排気温度Ｔｇａｓを示し、一点鎖線は熱モデル式を用いた場合（本実施の形態）の素子温度Ｔａ／ｆを示す。なお、図７の上段に示す破線は排気温度Ｔｇａｓの１次元マップを用いた場合（比較例）の素子温度Ｔａ／ｆを示す。図７の上段に示す実線および破線は、上述の図４に示す実線および破線と同じ波形である。
【００５９】
図７の下段において、一点鎖線は熱モデル式を用いた場合（本実施の形態）の通電デューティＤＵＴＹを示す。なお、図７の下段において、破線は排気温度Ｔｇａｓの１次元マップを用いた場合（比較例）の通電デューティＤＵＴＹを示す。
【００６０】
過渡状態において、仮に排気温度Ｔｇａｓの１次元マップを用いて微通電デューティ制御を行なうと、破線に示すように、排気温度Ｔｇａｓの変動に通電デューティＤＵＴＹが追従しきれないため、素子温度Ｔａ／ｆが目標温度制御範囲の上限を上回ったり、素子温度Ｔａ／ｆが目標温度制御範囲の下限を下回ったりする。
【００６１】
一方、本実施の形態のように上述の熱モデル式を用いた場合には、一点鎖線に示すように、排気温度Ｔｇａｓの変動に通電デューティＤＵＴＹが追従するようになる。具体的には、素子温度Ｔａ／ｆが微通電目標温度Ｔｔａｇ１を上回る箇所あるいは下回る箇所で、微通電目標温度Ｔｔａｇ１に対する通電デューティＤＵＴＹの追従性が向上する。その結果、素子温度Ｔａ／ｆが目標温度制御範囲から外れることが抑制されるため、被水割れあるいは凍結割れを防止することができる。
【００６２】
＜空燃比センサのヒータ制御フロー＞
図８は、本実施の形態によるＥＣＵ１００が空燃比センサ７０のヒータ７２を制御する際に実行する処理の概要を示すフローチャートである。このフローチャートは、たとえばエンジン１０の作動中に所定条件が成立する毎に繰り返し実行される。
【００６３】
ＥＣＵ１００は、排気温度Ｔｇａｓがしきい値Ｔｔｈよりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０）。
【００６４】
排気温度Ｔｇａｓがしきい値Ｔｔｈよりも低い場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、素子温度Ｔａ／ｆが低温領域に含まれると考えられるため、ＥＣＵ１００は、上述の微通電デューティ制御を実行する（ステップＳ２０〜Ｓ２８）。
【００６５】
具体的には、まず、ＥＣＵ１００は、上述の適合定数マップ（図５）を参照して、エアフローメータ４０によって検出された吸入空気量Ｇａおよび排気温センサ６０によって検出された排気温度Ｔｇａｓに対応する適合定数（＝Ｑ／α）を算出する（ステップＳ２０）。
【００６６】
次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０で算出された適合定数（＝Ｑ／α）と、排気温センサ６０によって検出された排気温度Ｔｇａｓと、上述の熱モデル式（２）とを用いて、素子温度Ｔａ／ｆを算出する（ステップＳ２２）。
【００６７】
次いで、ＥＣＵ１００は、図６に示すマップを参照して、ステップＳ２２で算出された素子温度Ｔａ／ｆと微通電目標温度Ｔｔａｇ１との差（＝Ｔａ／ｆ−Ｔｔａｇ１）に対応する補正量ΔＤを算出する（ステップＳ２４）。
【００６８】
次いで、ＥＣＵ１００は、通電デューティＤＵＴＹ今回値を、上述の式（３）を用いて算出する（ステップＳ２６）。すなわち、ＥＣＵ１００は、ＥＣＵ１００は、ＤＵＴＹ前回値にステップＳ２４で算出された補正量ΔＤを加えた値（＝ＤＵＴＹ前回値＋補正量ΔＤ）を、ＤＵＴＹ今回値として算出する。
【００６９】
次いで、ＥＣＵ１００は、ヒータ７２の通電デューティＤＵＴＹをステップＳ２６で算出されたＤＵＴＹ今回値とする（ステップＳ２８）。
【００７０】
一方、排気温度Ｔｇａｓがしきい値Ｔｔｈよりも高い場合（ステップＳ１０においてＮＯ）、素子温度Ｔａ／ｆが高温領域に含まれると考えられるため、ＥＣＵ１００は、上述の通常通電制御を実行する（ステップＳ３０〜Ｓ３４）。すなわち、ＥＣＵ１００は、検出素子７１の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとの関係から素子インピーダンスＺ（＝ΔＶ／ΔＩ）を算出する（ステップＳ３０）。次いで、ＥＣＵ１００は、メモリ１０１に記憶されたＺ−Ｔａ／ｆマップを参照して、ステップＳ３０で算出された素子インピーダンスＺに対応する素子温度Ｔａ／ｆを算出する（ステップＳ３２）。そして、ＥＣＵ１００は、ステップＳ３２で算出された素子温度Ｔａ／ｆが目標活性温度Ｔｔａｇ２となるようにヒータ７２の通電量をフィードバック制御する（ステップＳ３４）。
【００７１】
以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、排気温度Ｔｇａｓがしきい値Ｔｔｈよりも低い場合には、排気に曝される検出素子７１の温度も低く検出素子７１の表面に水分が付着している可能性がある（すなわち素子温度Ｔａ／ｆを目標活性温度Ｔｔａｇ２まで上昇させると被水割れが生じ易い）ことに鑑み、素子温度Ｔａ／ｆが目標活性温度Ｔｔａｇ２よりも低い微通電目標温度Ｔｔａｇ１となるようにヒータ７２の通電デューティを制御する「微通電デューティ制御」を実行する。
【００７２】
この微通電デューティ制御において、ＥＣＵ１００は、素子温度Ｔａ／ｆを、排気と検出素子７１との間の熱収支を表わす熱モデル式（上述の式（１）あるいは式（２））を用いて算出する。この熱モデル式においては、排気温度Ｔｇａｓだけでなく、排気から検出素子７１が受ける受熱量Ｑ、排気と検出素子７１との間の熱伝達率αが考慮されている。そのため、単純に排気温度Ｔｇａｓだけを考慮する場合に比べて、素子温度Ｔａ／ｆがより精度よく算出される。これにより、素子温度Ｔａ／ｆを微通電目標温度Ｔｔａｇ１に素早く追従させることができる。その結果、排気温度Ｔｇａｓが急速に変動する過渡状態においても、素子温度Ｔａ／ｆが微通電目標温度Ｔｔａｇ１から大きく乖離することを防止することができる。
【００７３】
さらに、本実施の形態においては、排気から検出素子７１が受ける受熱量Ｑが、排気温度Ｔｇａｓだけでなく排気流量によっても変化し得る点に鑑み、ＥＣＵ１００は、微通電デューティ制御において、受熱量Ｑと熱伝達率αとの比率である適合定数（＝Ｑ／α）を、排気温度Ｔｇａｓだけでなく、吸入空気量Ｇａ（排気流量に相当する値）をも用いて算出する。そして、ＥＣＵ１００は、このように算出された適合定数を用いて、素子温度Ｔａ／ｆを算出する。そのため、素子温度Ｔａ／ｆを精度よく算出することができる。
【００７４】
さらに、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、排気温度Ｔｇａｓがしきい値Ｔｔｈよりも高い場合には、排気に曝される検出素子７１の温度も高く検出素子７１の表面に水分が付着している可能性は低い（すなわち素子温度Ｔａ／ｆを目標活性温度Ｔｔａｇ２まで上昇させると被水割れが生じ難い）ことに鑑み、素子温度Ｔａ／ｆが目標活性温度Ｔｔａｇ２となるようにヒータ７２の通電量を制御する「通常通電制御」を実行する。これにより、素子温度Ｔａ／ｆが目標活性温度Ｔｔａｇ２に維持されるため、空燃比センサ７０によって空燃比Ａ／Ｆを精度よく検出することができる。
【００７５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７６】
１０  エンジン、１１  吸気通路、１２  排気通路、２０  燃料噴射弁、４０  エアフローメータ、５０  エンジン回転速度センサ、６０  排気温センサ、７０  空燃比センサ、７１  検出素子、７２  ヒータ、１００  ＥＣＵ、１０１  メモリ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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