(57)【要約】【課題】  本発明は、ガスセンサのヒータ通電が必要な、比較的低い温度の環境下においても、温度センサを用いることなく、ガスセンサ周辺のガス温度を精度よく検出できる内燃機関制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】  ガス成分の濃度を検出するガスセンサと、該ガスセンサを加熱するヒータと、を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、前記ヒータに電力を供給するためのヒータ制御指令値を出力するＣＰＵを備え、前記CPUは前記ヒータ制御指令値に基づいて、前記ガスセンサの周辺のガス温度を算出する。【選択図】  図２
2020084897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス成分の濃度を検出するガスセンサと、該ガスセンサを加熱するヒータと、を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、
前記ヒータに電力を供給するためのヒータ制御指令値を出力するＣＰＵを備え、
前記CPUは、前記ヒータ制御指令値に基づいて、前記ガスセンサの周辺のガス温度を算出することを特徴とする内燃機関制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関制御装置において、
前記ＣＰＵは、前記ヒータ制御指令値とともに前記ガスセンサの抵抗に基づいて、前記ガスセンサの周辺のガス温度を算出することを特徴とする内燃機関制御装置。
【請求項３】
ガス成分の濃度を検出するガスセンサと、該ガスセンサを加熱するヒータと、を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、
前記ヒータに電力を供給するためのヒータ制御指令値を出力するＣＰＵを備え、
前記ＣＰＵは、前記ガスセンサの周辺のガス温度に基づいて、前記ヒータ制御指令値を補正することを特徴とする内燃機関制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の内燃機関制御装置において、
前記ガスセンサは、前記内燃機関の排気管に設置された触媒の上流の触媒上流空燃比センサ又は、下流の触媒下流空燃比センサであり、
前記ＣＰＵは、一方のガスセンサが異常である場合に、他方のガスセンサのヒータへのヒータ制御指令値に基づいて、当該他方のガスセンサの周辺のガス温度を算出した後、該ガス温度に基づいて、前記一方のガスセンサの周辺のガス温度を推定することを特徴とする内燃機関制御装置。
【請求項５】
請求項１〜３の何れかに記載の内燃機関制御装置において、
前記ガスセンサは、前記内燃機関の排気管に設置された触媒の上流の触媒上流空燃比センサ又は、下流の触媒下流空燃比センサであり、
前記ＣＰＵは、前記触媒上流空燃比センサのヒータに電力を供給するためのヒータ制御指令値から算出した上流ガス温度と、前記触媒下流空燃比センサのヒータに電力を供給するためのヒータ制御指令値から算出した下流ガス温度の温度差に基づいて、前記触媒での異常発生を検知することを特徴とする内燃機関制御装置。
【請求項６】
請求項１〜３の何れかに記載の内燃機関制御装置において、
前記ガスセンサは、前記内燃機関の吸気管に設置された吸気Ｏ２センサであることを特徴とする内燃機関制御装置。
【請求項７】
ガス成分の濃度を検出するガスセンサを排気管に備え、燃料を噴射する燃料噴射弁を燃焼室に備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、
アクセル操作量が変化したときに、該アクセル操作量に基づいて、前記ガスセンサの周辺のガス温度を予測し、予測したガス温度が部品劣化温度を超えるときには、前記燃料噴射弁からの燃料噴射量を増量させる制御信号を生成するＣＰＵを備えたことを特徴とする内燃機関制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサを備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気系には、内燃機関から排出されるガス成分の濃度を検出するガスセンサや、排気ガスを浄化する触媒などが設置されている。これらのガスセンサや触媒は、所定温度１以上でなければガス濃度の検出や排気ガスの浄化ができないが、一方で前記所定温度１よりも高い所定温度２よりも高温になると熱劣化が進み、故障するおそれが高まる。
【０００３】
そのため、排気系に温度センサを設置して排気温度を測定し、センサや触媒が前記所定温度２以上のときに燃料噴射量を増量するなどして、排気温度を下げる部品保護が行われている。
【０００４】
しかし、排気系に温度センサを設置すると、製品コストが増加してしまうため、特許文献１では、排気系に設置されている空燃比センサを用いて、排気ガスの温度を推定する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２２１１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、同文献の段落００２６等で説明されるように、排気温度が高く、ガスセンサのヒータ通電を停止している状態でしか排気温度を検出できないため、ガスセンサのヒータに通電が必要な、排気温度の低い環境では、排気温度を検出できないといった課題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、ガスセンサのヒータ通電が必要な、比較的低い温度の環境下においても、温度センサを用いることなく、ガスセンサ周辺のガス温度を精度よく検出できる内燃機関制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の内燃機関制御装置は、ガス成分の濃度を検出するガスセンサと、該ガスセンサを加熱するヒータと、を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、前記ヒータに電力を供給するためのヒータ制御指令値を出力するＣＰＵを備え、前記CPUは前記ヒータ制御指令値に基づいて、前記ガスセンサの周辺のガス温度を算出するものとした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガスセンサのヒータ通電が必要な、比較的低い温度の環境下においても、温度センサを用いることなく、ガスセンサ周辺のガス温度を精度よく検出できる内燃機関制御装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施例の内燃機関の概略図。
【図２】一実施例の内燃機関制御装置の機能ブロック図。
【図３】一実施例の内燃機関制御装置の制御フロー。
【図４】ガス温度算出処理Ｓ１の制御フロー。
【図５】ガスセンサの素子温度とセンサ抵抗値の関係の一例。
【図６】素子温度が目標温度である場合の、ヒータ制御指令値とガス温度の関係。
【図７】各ヒータ制御指令値におけるガス温度とセンサ抵抗値の関係。
【図８】センサ異常時のガス温度推定処理Ｓ１４の制御フロー。
【図９】ヒータ制御指令値算出処理Ｓ２の制御フロー。
【図１０】ガス温度とヒータ制御指令値の関係。
【図１１】ガス温度予測による部品保護処理Ｓ３の制御フロー。
【図１２】ガス温度、燃料噴射量、アクセル操作量のタイミングチャート。
【図１３】触媒異常診断処理Ｓ４の制御フロー。
【図１４】ガス温度とガス温度差のタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例に係る内燃機関制御装置（Engine Control Unit、以下「ＥＣＵ１０」）について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１２】
図１に、一実施例の内燃機関１００の概略図を示す。この内燃機関１００は、気筒１の頂部に燃焼室が形成され、この燃焼室に、点火電圧が印加される点火プラグ２と、燃料を噴射する燃料噴射弁３が設置されている。
【００１３】
内燃機関１００の吸気系を構成する吸気管５には、スロットル弁４、スロットルポジションセンサ６ａ、吸気Ｏ２センサ６ｂ、吸気温度センサ６ｃ等が配設され、吸気弁５ａを介して燃焼室に空気が吸入される。
【００１４】
また、内燃機関１００の排気系を構成する排気管７には、触媒上流空燃比センサ６ｄ、排気ガス浄化触媒８、触媒下流空燃比センサ６ｅ等が配設され、排気弁７ａを介して燃焼室から排出された排気ガスの後処理が行われる。
【００１５】
さらに、排気管７と吸気管５を接続するＥＧＲ管９が配設されており、ＥＧＲ弁９ａを介して排気ガスが吸気管５へ環流する。
【００１６】
上述した各種のセンサ（スロットルポジションセンサ６ａ等）やアクチュエータ（スロットル弁４等）は、図１の破線で示すように、ＥＣＵ１０と接続されており、各種のセンサはＥＣＵ１０に信号を送信し、また、各種のアクチュエータはＥＣＵ１０により制御される。
【００１７】
次に、図２の機能ブロック図を用いて、触媒上流空燃比センサ６ｄ、触媒下流空燃比センサ６ｅを制御するＥＣＵ１０の構成の一例を説明する。なお、ＥＣＵ１０は、実際には、ＣＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、ハードディスク等の補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備えた計算機である。そして、主記憶装置にロードされたプログラムを演算装置が実行することで、後述する各機能を実現するが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら説明する。
【００１８】
図２に示すように、ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ１１と、触媒上流空燃比センサ６ｄ用の集積回路（以下、「上流用ＡＳＩＣ１２」）と、触媒下流空燃比センサ６ｅ用の集積回路（以下、「下流用ＡＳＩＣ１３」）を備えており、触媒上流空燃比センサ６ｄと触媒下流空燃比センサ６ｅを制御できるようになっている。
【００１９】
ＣＰＵ１１は、ガス温度算出部１１ａ、ヒータ制御部１１ｂ、触媒異常検出部１１ｃ、ガス温度予測部１１ｄ、および、燃料噴射制御部１１ｅを備えている。ガス温度算出部１１ａは、各空燃比センサの異常信号、センサ抵抗値、ヒータ制御指令値に基づいて各空燃比センサの周辺のガス温度Ｔｇを算出する。ヒータ制御部１１ｂは、ガス温度算出部１１ａが算出したガス温度Ｔｇ、各空燃比センサ（６ｄ、６ｅ）の異常信号、センサ抵抗値に基づいてヒータ（６ｄａ、６ｅａ）へ供給する電力のヒータ制御指令値を補正する。ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックから成りその内部にヒータ配線が配設されている。ヒータ制御部１１ｂは、センサ抵抗値計測部（１２ｂ、１３ｂ）により検出される各空燃比センサ（６ｄ、６ｅ）の抵抗値を、目標値に保つようヒータ（６ｄａ、６ｅａ）へ電力を印加し、各空燃比センサ（６ｄ、６ｅ）の温度を目標値に維持するように制御する。触媒異常検出部１１ｃは、触媒８の異常を検出する。ガス温度予測部１１ｄは、アクセルセンサ６ｆで計測するアクセル操作量などに基づいてガス予測温度を算出する。燃料噴射制御部１１ｅは、ガス予測温度や内燃機関の運転状態に基づいて燃料噴射弁３からの燃料噴射量を制御する制御信号を生成する。
【００２０】
上流用ＡＳＩＣ１２は、触媒上流空燃比センサ６ｄの異常を検出しＣＰＵ１１に異常信号を送信するセンサ異常検出部１２ａ、触媒上流空燃比センサ６ｄの抵抗値を測定するセンサ抵抗値計測部１２ｂ、ヒータドライバ１２ｃを備える。ヒータドライバ１２ｃは、ＣＰＵ１１から通知されるヒータ６ｄａへ供給する電力のヒータ制御指令値に基づいて触媒上流スイッチング素子１２ｄのオン・オフを制御する。これにより触媒上流空燃比センサ６ｄのヒータ６ｄａに印加されるバッテリ電圧VBのオン・オフが制御され、ヒータ６ｄａに供給される電力が制御される。ＣＰＵ１１は触媒上流スイッチング素子１２ｄのPWM(Pulse Width Modulation)ヒータ制御指令値としてデューティ比をヒータドライバ１２ｃに対し送信する。ここで、PWM制御パルスの周期をT、PWM制御パルスのHigh（オン）の時間をHとすると、 デューティ比  [%]  ＝  (Ｈ／Ｔ)×100  で求められる。
【００２１】
下流用ＡＳＩＣ１３は、触媒下流空燃比センサ６ｅの異常を検出しＣＰＵ１１に異常信号を送信するセンサ異常検出部１３ａ、センサ抵抗値を測定するセンサ抵抗値計測部１３ｂ、ヒータドライバ１３ｃを備える。ヒータドライバ１３ｃは、ＣＰＵ１１から通知されるヒータ６eａへ供給する電力のヒータ制御指令値に基づいて触媒下流スイッチング素子１３ｄのオン・オフを制御する。これにより触媒下流空燃比センサ６ｅのヒータ６ｅａに印加されるバッテリ電圧VBのオン・オフが制御され、ヒータ６ｅａに供給される電力が制御される。ＣＰＵ１１は触媒上流スイッチング素子１３ｄのPWM(Pulse Width Modulation)制御指令値としてデューティ比をヒータドライバ１３ｃに対し送信する。
＜本実施例のＥＣＵ１０の制御フロー＞
図３を用いて、本実施例のＥＣＵ１０による一連の制御フローを説明する。なお、以下では、ガスセンサが、排気管７に設置された触媒上流空燃比センサ６ｄ又は触媒下流空燃比センサ６ｅである場合を例に、本実施例の制御フローを説明するが、ガスセンサが、吸気管５に設置された吸気Ｏ２センサ６ｂであっても本実施例の制御フローを適用することができる。
【００２２】
Ｓ１では、ＣＰＵ１１のガス温度算出部１１ａは、各ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の周辺のガス温度Ｔｇを算出する。この詳細は図４を用いて後述する。
【００２３】
Ｓ２では、ＣＰＵ１１のヒータ制御部１１ｂは、各ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）のヒータ（６ｄａ、６ｅａ）に電力を供給するための各ヒータドライバ（１２ｃ、１３ｃ）へ送るヒータ制御指令値を算出する。この詳細は図９を用いて後述する。
【００２４】
Ｓ３では、ＣＰＵ１１のガス温度予測部１１ｄは、アクセル操作量などに基づいて排気温度を予測し、燃料噴射制御部１１ｅは、燃料噴射のタイミングを制御することで、部品保護を行う。この詳細は図１１を用いて後述する。
【００２５】
Ｓ４では、ＣＰＵ１１の触媒異常検出部１１ｃは、算出したガス温度Ｔｇに基づいて触媒８の異常を診断する。この詳細は図１３を用いて後述する。
＜ガス温度算出処理＞
図４は、ガス温度算出部１１ａにより実行される、ガス温度算出処理Ｓ１の制御フローである。
【００２６】
Ｓ１１では、ガス温度算出部１１ａは、上流用ＡＳＩＣ１２または下流用ＡＳＩＣ１３を介して、触媒上流空燃比センサ６ｄおよび触媒下流空燃比センサ６ｅの、センサ抵抗値、センサ異常信号を取得する。またガス温度算出部１１ａは、ヒータ制御部１１ｂが各ヒータドライバ（１２ｃ、１３ｃ）へ出力するヒータ制御指令値を取得する。
【００２７】
Ｓ１２では、センサ異常信号からガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の状態を判定し、全てのガスセンサ（６ｄ、６ｅ）が正常である場合にＳ１３に進み、少なくとも一つのガスセンサが異常である場合にＳ１４に進む。
【００２８】
Ｓ１３では、全てのガスセンサ（６ｄ、６ｅ）が正常である場合のガス温度算出処理を行う。この場合のガス温度算出方法は、図５、図６、図７を用いて説明する。
【００２９】
一方、Ｓ１４では、少なくとも一つのガスセンサが異常である場合のガス温度算出処理を行う。この場合のガス温度算出方法は、図８を用いて説明する。
＜センサ正常時のガス温度算出処理＞
まず、全てのガスセンサ（６ｄ、６ｅ）が正常である場合のガス温度算出処理Ｓ１３を説明する。
【００３０】
図５は、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の素子温度Ｔｓとセンサ抵抗値の関係を示す図であり、横軸がガスセンサの素子温度Ｔｓ、縦軸がセンサ抵抗値である。ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）は、素子温度Ｔｓが活性温度Ｔａ以上である場合に、精度よくガス濃度を検出できる。また、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）は、図５に示すように、素子温度Ｔｓが上昇するとセンサ抵抗値が減少する特性を持つため、センサ抵抗値に基づいて素子温度Ｔｓを演算することができ、素子温度Ｔｓが活性温度Ｔａ以上になったかどうかの判定は、センサ抵抗値が活性抵抗値Ｒａ以下かどうかで判断可能である。また、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の素子温度Ｔｓは周辺のガス温度の影響を受けるため、周辺のガス温度が低温である場合であっても素子温度Ｔｓが活性温度Ｔａを下回ることがないよう、活性温度Ｔａよりも十分高い目標温度Ｔｏを維持するように、ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）でガスセンサ（６ｄ、６ｅ）を加熱できるようになっている。
＜素子温度Ｔｓが目標温度Ｔｏである場合＞
図６は、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の素子温度Ｔｓが目標温度Ｔｏを維持している場合の、ヒータ制御部１１ｂから各ヒータドライバ（１２ｃ、１３ｃ）へ出力されるヒータ制御指令値（デューティ比）と周辺のガス温度Ｔｇの関係の一例である。ヒータ制御指令値（デューティ比）が０の場合、ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）によるガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の加熱がないのであるから、素子温度Ｔｓは周辺のガス温度Ｔｇと等しくなる。従って、ヒータ制御指令値（デューティ比）が０の場合、周辺のガス温度Ｔｇは、素子温度Ｔｓと同じく、目標温度Ｔｏであると推定できる。
【００３１】
一方、ヒータ制御指令値（デューティ比）が０より大きい場合、ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）がガスセンサ（６ｄ、６ｅ）を加熱することで素子温度Ｔｓを目標温度Ｔｏに維持しているのであるから、周辺のガス温度Ｔｇは目標温度Ｔｏよりも低いことが分かる。従って、ヒータ制御指令値（デューティ比）とガス温度Ｔｇの関係は、ヒータ制御指令値（デューティ比）が大きいほどガス温度Ｔｇが低いという特性を持つことが分かる。この特性を理論式や実験で求め、ガス温度算出部１１ａに組み込むことにより、ヒータ制御指令値（デューティ比）からガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の周辺のガス温度Ｔｇを算出することができる。これにより、ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）の通電が必要な比較的低いガス温度領域においても、温度センサを利用することなく、ガス温度Ｔｇの算出が可能となる。例えば、図６のように、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）への（６ｄａ、６ｅａ）がＨ１であるときの周辺のガス温度ＴｇをＴ１と算出することができる。
＜素子温度Ｔｓが目標温度Ｔｏでない場合＞
ただし、前記したガス温度算出方法は、素子温度Ｔｓを目標温度Ｔｏに維持できている場合にのみ利用できるものであり、ガス温度Ｔｇの急変によって素子温度Ｔｓが下がり、素子温度Ｔｓが目標温度Ｔｏであるという前提が崩れた場合には、ガス温度推定の精度が劣化してしまう。このような場合においてもガス温度Ｔｇを精度よく算出可能な方法を以下に順を追って説明する。
【００３２】
ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の周辺のガス温度Ｔｇは、ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）がセンサ素子を温める熱量Ｑｈと、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）とガス間の熱移動Ｑｇの出入りによって算出できる。
【００３３】
ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）がヒータ（６ｄａ、６ｅａ）によって温められる熱量Ｑｈは、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）のヒータ（６ｄａ、６ｅａ）に印加されるヒータ電圧Ｖｈとヒータ抵抗値Ｒｈを用いて、以下の式１によって求めることができる。
【００３４】
【数１】
2020084897.tif 000003
【００３５】
ＡＳＩＣのヒータドライバ（１２ｃ、１３ｃ）が出力するヒータ制御指令値として、デューティ比を用いる場合、ヒータ電圧Ｖｈは、ヒータへの印加電圧Ｖとデューティ比の積によって算出することができる。また、ヒータ制御指令値としてデューティ比以外の電流値、又は電圧値を用いた場合においても、ヒータ制御指令値が大きいときに、熱量Ｑｈが大きくなるため、ヒータ制御指令値と熱量Ｑｈには相関があり、ヒータ制御指令値からＱｈを求めることが可能である。
【００３６】
また、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）とガス間の熱移動Ｑｇはガス温度Ｔｇと素子温度Ｔｓ、熱抵抗値Ｋを用いて以下の式２によって求めることができる。
【００３７】
【数２】
2020084897.tif 000004
【００３８】
素子温度Ｔｓが一定である場合、ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）で発生した熱量Ｑｈと熱移動Ｑｇが釣り合っており、Ｑｈ＝Ｑｇが成り立つ。従って、式１の右辺＝式２の右辺、とした等式を変形させた以下の式３により、ガス温度Ｔｇを求めることができる。
【００３９】
【数３】
2020084897.tif 000005
【００４０】
また、素子温度Ｔｓが変動する場合、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）のセンサ素子の熱容量Ｃと素子温度Ｔｓの変化量ｄＴを用いて、以下の式４が成り立つ。
【００４１】
【数４】
2020084897.tif 000006
【００４２】
これにより、以下の式５を用いてガス温度Ｔｇを求めることができる。
【００４３】
【数５】
2020084897.tif 000007
【００４４】
以上により、素子温度Ｔｓが目標温度Ｔｏでない場合であっても、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の周辺のガス温度Ｔｇを算出することが可能である。また、図５に示した素子温度Ｔｓとセンサ抵抗値の関係を用いることにより、センサ抵抗値とヒータ制御指令値からガス温度Ｔｇを算出することが可能となる。
【００４５】
図７はヒータ制御指令値の大きさに相当するデューティ比を１０％ずつ増加させた場合における、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の周辺のガス温度Ｔｇとセンサ抵抗値の関係である。ここに示す通り、デューティ比が一定であれば、ガス温度Ｔｇが高くなるほど、センサ抵抗値が低くなる特性がある。また、デューティ比が小さいほど、ガス温度Ｔｇの変化に対してセンサ抵抗値が大きく変化する特性があることが分かる。これは、デューティ比が小さいほど、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の素子温度Ｔｓに対するヒータ（６ｄａ、６ｅａ）の影響が小さくなり、素子温度Ｔｓに対するガス温度Ｔｇの影響が支配的になるためである。
【００４６】
式５または図７の特性を、ガス温度算出部１１ａに組み込むことにより、センサ抵抗値と、ヒータ制御指令値（デューティ比）の関係からガス温度Ｔｇを精度よく算出することが可能となる。例えば、図７のように、デューティ比が２０％であり、センサ抵抗値がＲ１であるときの周辺のガス温度ＴｇをＴ１２０と算出することができる。
【００４７】
以上の通り、本実施例の内燃機関制御装置（１０）はガス成分の濃度を検出するガスセンサ（６ｄ、６ｅ）と、該ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）を加熱するヒータ（６ｄａ、６ｅａ）と、を備えた内燃機関を制御する。そして内燃機関制御装置（１０）はヒータ（６ｄａ、６ｅａ）に電力を供給するためのヒータ制御指令値を出力するＣＰＵ（１１）を備え、前記CPUは前記ヒータ制御指令値に基づいて前記ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の周辺のガス温度Ｔｇを算出する。
【００４８】
また素子温度Ｔｓが目標温度Ｔｏでない場合において、ＣＰＵ（１１）はヒータ制御指令値とともにガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の抵抗値に基づいてガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の周辺のガス温度Ｔｇを算出することが望ましい。
＜センサ異常時のガス温度算出処理＞
次に、少なくとも一つのガスセンサ（６ｄ、６ｅ）が異常である場合のガス温度算出処理Ｓ１４を説明する。
【００４９】
ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）に異常がある場合、素子温度Ｔｓとセンサ抵抗値の関係が図５に示した特性でない可能性がある。また、ヒータ制御指令値どおりにヒータ（６ｄａ、６ｅａ）が加熱されない可能性もある。このため、ガス温度算出部１１ａは、センサ異常時にはセンサ正常時と同じ算出方法ではなく、図８に示すセンサ異常時のガス温度推定処理の制御フローに従ってガス温度Ｔｇを推定する。
【００５０】
まず、Ｓ１４ａでは、ガス温度算出部１１ａは、上流用ＡＳＩＣ１２のセンサ異常検出部１２ａ、下流用ＡＳＩＣ１３のセンサ異常検出部１３ａを介して、触媒上流空燃比センサ６ｄと触媒下流空燃比センサ６ｅの異常信号を取得する。
【００５１】
Ｓ１４ｂでは、ガス温度算出部１１ａは、各ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の異常信号をもとに、各ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の異常状態を判定する。触媒下流空燃比センサ６ｅのみが異常である場合はＳ１４ｃに進み、触媒上流空燃比センサ６ｄのみが異常である場合はＳ１４ｅに進み、両ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）が異常である場合はＳ１４ｇに進む。
【００５２】
Ｓ１４ｃでは、触媒上流空燃比センサ６ｄは正常であるため、ガス温度算出部１１ａは、Ｓ１３と同じ手法で上流ガス温度Ｔｕを算出する。そして、Ｓ１４ｄでは、Ｓ１４ｃで算出した上流ガス温度Ｔｕに基づいて、下流ガス温度Ｔｌを推定する。下流ガス温度Ｔｌは、触媒上流のガスと触媒８との熱交換の結果であると考えることができ、上流ガス温度Ｔｕと、触媒温度Ｔｃａｔから推定することが可能である。例えば、下流ガス温度Ｔｌは以下の式６で求められる。
【００５３】
【数６】
2020084897.tif 000008
【００５４】
ここで、触媒温度Ｔｃａｔは公知手法によって既知であるものとする。内燃機関１００の運転状態や理論式からα１を求め、ガス温度算出部１１ａに組み込むことによって、触媒下流空燃比センサ６ｅに異常があっても、下流ガス温度Ｔｌを推定することが可能となる。
【００５５】
一方、Ｓ１４ｅでは、触媒下流空燃比センサ６ｅは正常であるため、ガス温度算出部１１ａは、Ｓ１３と同じ手法で下流ガス温度Ｔｌを算出する。そして、Ｓ１４ｆでは、Ｓ１４ｅで算出した下流ガス温度Ｔｌに基づいて、上流ガス温度Ｔｕを推定する。上流ガス温度Ｔｕは、Ｓ１４ｄでの説明と逆の関係となるため、以下の式７で求めることができる。
【００５６】
【数７】
2020084897.tif 000009
【００５７】
さらに、Ｓ１４ｇでは、触媒上流と下流ともガスセンサ（６ｄ、６ｅ）が異常であり、推定精度を保証できないため、ガス温度算出部１１ａは、ガス温度の推定を行わない。
【００５８】
以上により、複数のガスセンサ（６ｄ、６ｅ）が設置されている内燃機関において、異常状態のガスセンサが存在しても、正常なガスセンサを利用して算出したガス温度に基づいて、異常状態のガスセンサの周辺のガス温度Ｔｇを推定することが可能となる。
＜ヒータ制御指令値算出処理＞
図９は、ヒータ制御部１１ｂにより実行される、ヒータへ供給する電力のヒータ制御指令値算出処理Ｓ２の制御フローである。
【００５９】
まず、Ｓ２１では、ヒータ制御部１１ｂは、上流用ＡＳＩＣ１２または下流用ＡＳＩＣ１３を介して、触媒上流空燃比センサ６ｄおよび触媒下流空燃比センサ６ｅの、センサ抵抗値、センサ異常信号を取得する。また、自身が生成したヒータ制御指令値（デューティ比）を取得する。
【００６０】
Ｓ２２では、ヒータ制御部１１ｂは、各ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の異常信号に基づいて、ヒータ異常の有無の判定を行う。そして、ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）が正常である場合はＳ２３に進み、異常である場合はＳ２６に進む。
【００６１】
Ｓ２３では、ヒータ制御部１１ｂは、センサ抵抗値が設定値以下であるか判定を行う。ここで、設定値とは、例えば図５に例示した活性抵抗値Ｒａである。そして、センサ抵抗値が設定値以下である場合はＳ２４に進み、設定値より大きい場合はＳ２５に進む。
【００６２】
Ｓ２４では、ヒータ制御部１１ｂは、ガス温度算出部１１ａが算出したガス温度Ｔｇを踏まえて、適切なヒータ制御指令値（デューティ比）を算出する。図７に示すように、ヒータ制御指令値（デューティ比）をより小さくすると（例えば、２０％から１０％）、同等のセンサ抵抗値の変化（Ｒ１からＲ２）に対するガス温度Ｔｇの変化がより小さくなる（デューティ比２０％時の温度変化ΔＴ２０  ＞  デューティ比１０％時の温度変化ΔＴ１０）。換言すれば、ヒータ制御指令値（デューティ比）をより小さくすると、センサ抵抗値に対応する温度範囲が狭まり、ガス温度Ｔｇの推定精度がより向上する。すなわち、推定精度を向上させる観点からは、ヒータ制御指令値（デューティ比）は小さいほうが良い。
【００６３】
一方で、素子温度Ｔｓを活性温度Ｔａ以上に加熱する必要もあるため、単にヒータ制御指令値を小さくすればよいわけでもない。そこで、ガス温度Ｔｇの推定精度の向上に寄与しつつ、十分な加熱も実現するようなヒータ制御指令値を決定する必要がある。このようなヒータ制御指令値の具体的な決定方法は図１０にて後述する。
【００６４】
Ｓ２５では、ヒータ制御部１１ｂは、ヒータ制御指令値を最大とすることで、活性温度Ｔａに達していない素子温度Ｔｓを早期に活性温度Ｔａまで上昇させ、ガスセンサが所望の精度でガス濃度を検出できるようにする。
【００６５】
Ｓ２６では、ヒータ制御部１１ｂは、ヒータ（６ｄａ、６ｅａ）が異常状態であるため、ヒータ制御指令値を０とする。以上の通り本実施例の内燃機関制御装置（１０）はヒータ（６ｄａ、６ｅａ）に電力を供給するためのヒータ制御指令値を出力するＣＰＵ（１１）を備え、ＣＰＵ（１１）は、ガスセンサ（６ｄ、６ｅ）の周辺のガス温度に基づいて、ヒータ制御指令値を補正する。
【００６６】
また図８に示したように本実施例においてガスセンサ（６ｄ、６ｅ）は、内燃機関（１００）の排気管（７）に設置された触媒（８）の上流の触媒上流空燃比センサ（６ｄ）又は、下流の触媒下流空燃比センサ（６ｅ）である。そしてＣＰＵ（１０）は、一方のガスセンサ（６ｄ又は６ｅ）が異常である場合に、他方のガスセンサ（６ｄ又は６ｅ）のヒータ（６ｄａ又は６ｅａ）へのヒータ制御指令値に基づいて、当該他方のガスセンサ（６ｄ又は６ｅ）の周辺のガス温度を算出した後、該ガス温度に基づいて、前記一方のガスセンサ（６ｄ又は６ｅ）の周辺のガス温度を推定する。
【００６７】
図１０は、Ｓ２４でヒータ制御指令値（デューティ比）を算出する際に参照する、ガス温度Ｔｇとヒータ制御指令値の関係である。ここでは、ガス温度Ｔｇが高くなるにつれて、ヒータ制御指令値を階段状に小さくなるように設定する。ガス温度Ｔｇに基づいてヒータ制御指令値を算出することにより、素子温度Ｔｓが活性温度Ｔａを維持しつつ、ガス温度Ｔｇを精度よく算出することが可能となる。さらに、図１０の点線で囲ったヒータ制御指令値の切り替わりにおいて、図示したヒステリシスをもたせることにより、ヒータ制御指令値のチャタリングによるガス温度Ｔｇの振れを抑制できる。
＜部品保護処理＞
図１１は、ガス温度予測部１１ｄと燃料噴射制御部１１ｅにより実行される、排気温度予測による部品保護処理Ｓ３の制御フロー図を示す。
【００６８】
Ｓ３１では、ガス温度予測部１１ｄは、アクセルセンサ６ｆからアクセル操作の変化量を取得する。
【００６９】
Ｓ３２では、ガス温度予測部１１ｄは、アクセル操作の変化量ΔＡが設定値ΔＡ１以上であるか判定を行う。ここで、設定値ΔＡ１とは、例えば、アクセルオフの状態からアクセル全開までの変化量である。設定値ΔＡ１以上であればＳ３３に進み、設定値ΔＡ１未満であればＳ３６に進む。
【００７０】
アクセル操作の変化量ΔＡが設定値ΔＡ１以上であるとき、ガス温度予測部１１ｄは、Ｓ３３では、後述するＳ３６で使用するタイマーをリセットし、Ｓ３４では、タイマーをスタートさせる。そして、Ｓ３５では、アクセル操作の変化量ΔＡに基づいて、ガス予測温度の更新処理を行う。この処理は、後述する図１２の時刻ｔ１における処理である。ガス予測温度は、実験でアクセル操作量とガス温度Ｔｇの関係を求めておき、それを制御装置に組み込むことで算出する。
【００７１】
一方、アクセル操作の変化量ΔＡが設定値ΔＡ１未満であるとき、ガス温度予測部１１ｄは、Ｓ３６では、アクセル操作が変化してから所定時間以上経過した場合か、もしくは、アクセル操作の変化量ΔＡが設定値ΔＡ２以下である場合、Ｓ３７に進む。この条件は、後述するＳ３ａでの燃料噴射量増量処理（部品保護処理）の影響や、アクセル操作が戻された場合などを考慮している。そのため、所定時間には、例えば１００ｍｓなど後述する部品保護処理が確実に実施できる時間を設定する。また、設定値ΔＡ２には、例えば設定値ΔＡ１と−１の積など、アクセルが戻された状態を検知できる値を設定する。
【００７２】
Ｓ３６でＹｅｓの場合、ガス温度予測部１１ｄは、Ｓ３７では、タイマーをリセットし、Ｓ３８では、ガス予測温度の更新処理を行う。この処理は、後述する図１２の時刻ｔ２における処理である。
【００７３】
Ｓ３９では、ガス温度予測部１１ｄは、ガス予測温度が設定値以上であるかを判定する。ここで、設定値とは、例えば、触媒８やガスセンサが焼損してしまう温度である。ガス予測温度が設定値以上であれば、Ｓ３ａに進み、燃料噴射弁３からの燃料噴射量を増量させるなどの、ガス温度Ｔｇを下げるための部品保護処理を行う。
＜図１１の制御フロー実行による効果を示すタイミングチャート＞
図１２は、ガス温度Ｔｇ、燃料噴射量、アクセル操作量の時間変化を、従来制御による場合（破線）と本実施例の制御による場合（実線）を併記したものである。
【００７４】
時刻ｔ１において、アクセルが操作されると、本実施例では、図１１のＳ３５によって、ガス予測温度が一点鎖線で示すように更新される。ここで予測されたガス予測温度は、部品劣化温度（点線）以上となっているため、従来同等の制御を継続すると、部品の劣化が進む恐れがある。そこで、図１１のＳ３ａによって、ガス温度Ｔｇが下がるように燃料噴射量が増量する。
【００７５】
時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２（すなわち、図１１のＳ３６で所定時間経過が確認された時刻）では、図１１のＳ３８によって、燃料噴射量を増量した場合のガス予測温度に更新される。図１２の例では、燃料噴射量を増量することで、時刻ｔ２以降のガス予測温度が部品劣化温度以下となるため、時刻ｔ２以降では、燃料噴射量の増量を終了する。このように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間、燃料噴射量を増量する部品保護処理を実行したことにより、アクセル操作量が急増した場合であっても、ガス温度Ｔｇが部品劣化温度を越えることがない。
【００７６】
一方で、従来の制御方法では、ガス温度Ｔｇの実測値が部品保護温度を超える時刻ｔ３まで燃料噴射量の増量（部品保護処理）が行われない。そのため、ガス温度Ｔｇが部品劣化温度を超える期間が原理的に発生してしまう。また、ガス温度Ｔｇが部品劣化温度を超えた場合、なるべく早期にガス温度Ｔｇを下げる必要があるため、燃料噴射量および燃料噴射時間の双方が増加してしまい、排気性能が悪化してしまう。
【００７７】
ここでの比較から分かるように、アクセル操作量に基づいて排気のガス温度Ｔｇを予測する本実施例によって、従来の制御方法とは異なり、ガス温度Ｔｇが部品劣化温度を超えることを防ぐことができる。
＜触媒異常状態診断処理＞
図１３は、触媒異常検出部１１ｃにより実行される、触媒異常診断処理Ｓ４の制御フローである。
【００７８】
Ｓ４１では、触媒異常検出部１１ｃは、ガス温度算出部１１ａが算出した、上流ガス温度Ｔｕ、下流ガス温度Ｔｌを取得する。そして、Ｓ４２では、触媒異常検出部１１ｃは、触媒８の前後の温度差に相当する、上流ガス温度Ｔｕと下流ガス温度Ｔｌの温度差ｄＴｅｘｈを式８に従い算出する。
【００７９】
【数８】
2020084897.tif 000010
【００８０】
Ｓ４３では、触媒異常検出部１１ｃは、温度差ｄＴｅｘｈが設定範囲内であるか判定を行い、設定範囲内である場合は、Ｓ４４に進み触媒８が正常であると判定する。一方、設定範囲内でない場合にＳ４５に進み、触媒８が異常であると判定する。
【００８１】
ここで、図１４を用いて、温度差ｄＴｅｘｈが設定範囲内でない場合に、異常と判定する理由を説明する。図１４は、排気中の未燃ガスの後燃えが触媒８内で発生した場合のガス温度Ｔｇと温度差ｄＴｅｘｈの時間変化を示す。
【００８２】
触媒８内での後燃えがない場合、排気は触媒８により加熱されるもののその加熱の程度は小さく、下流ガス温度Ｔｌと上流ガス温度Ｔｕの温度差ｄＴｅｘｈは後燃え検知閾値に達しない。一方、触媒８内で未燃ガスの後燃えが発生すると、後燃えによって下流ガス温度Ｔｌが大きく上昇するため、温度差ｄＴｅｘｈが大きくなる。そのため、触媒異常検出部１１ｃは、温度差ｄＴｅｘｈが後燃え検知温度を超えた時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間において、後燃えが発生していると判断することができる。
【００８３】
図１３に示したように本実施例においてガスセンサ（６ｄ、６ｅ）は、内燃機関（１００）の排気管（７）に設置された触媒（８）の上流の触媒上流空燃比センサ（６ｄ）又は、下流の触媒下流空燃比センサ（６ｅ）である。そしてＣＰＵ（１０）は、触媒上流空燃比センサ（６ｄ）のヒータ（６ｄａ）に電力を供給するためのヒータ制御指令値から算出した上流ガス温度と、触媒下流空燃比センサ（６ｅ）のヒータ（６ｅａ）に電力を供給するためのヒータ制御指令値から算出した下流ガス温度の温度差に基づいて、触媒（８）での異常発生を検知する。
【００８４】
このように、触媒異常検出部１１ｃは、上流ガス温度Ｔｕと下流ガス温度Ｔｌの温度差ｄＴｅｘｈに基づいて、触媒８での異常発生を検知することが可能となる。
【００８５】
なお、以上においてはガスセンサとして触媒上流空燃比センサ（６ｄ）又は、下流の触媒下流空燃比センサ（６ｅ）を一例として説明したが、本発明はこれらのガスセンサに限定されるわけではなく、記内燃機関（１００）の吸気管（５）に設置された吸気Ｏ２センサ（６ｂ）に対しても同様に適用可能である。
【００８６】
また上記したように内燃機関制御装置（１０）はガス成分の濃度を検出するガスセンサ（６ｄ、６ｅ）を排気管（７）に備え、燃料を噴射する燃料噴射弁（３）を燃焼室（１）に備えた内燃機関を制御する。そして内燃機関制御装置（１０）は、アクセル操作量が変化したときに、該アクセル操作量に基づいて、前記ガスセンサの周辺のガス温度を予測し、予測したガス温度が部品劣化温度を超えるときには、前記燃料噴射弁からの燃料噴射量を増量させる制御信号を生成する（図１２）、ＣＰＵを備えた。
【００８７】
以上で説明したように、本実施例の内燃機関制御装置は、ガスセンサのセンサ抵抗値とヒータ制御指令値からガス温度Ｔｇを算出し、ガス温度Ｔｇに応じてヒータ制御指令値を制御する構成とした。これによれば、ガス温度センサを設置することなく、精度よくガス温度を算出することが可能となる。また、本発明を内燃機関の触媒上流空燃比センサ６ｄや触媒下流空燃比センサ６ｅに適用し、排気温度を算出することで、排気管７に温度センサを設置することなく、部品保護処理や触媒の異常検知を行うことができ、コスト低下や排気性能の向上が可能となる。また、本発明を吸気Ｏ２センサに適用し、吸気温度を算出することで、吸気管５に設置されている吸気温度センサ６ｃを外すことが可能となり、コストを低減することができる。
【００８８】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、本実施例のある構成の一部を本実施例の別の構成に置き換えることが可能であり、また、本実施例のある構成に本実施例の別の構成を加えることも可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１  気筒、
２  点火プラグ、
３  燃料噴射弁、
４  スロットル弁、
５  吸気管、
５ａ  吸気弁、
６ａ  スロットルポジションセンサ、
６ｂ  吸気Ｏ２センサ、
６ｃ  吸気温度センサ、
６ｄ  触媒上流空燃比センサ、
６ｅ  触媒下流空燃比センサ、
６ｆ  アクセルセンサ、
７  排気管、
７ａ  排気弁、
８  触媒、
９  ＥＧＲ管、
９ａ  ＥＧＲ弁、
１０  ＥＣＵ、
１１  ＣＰＵ、
１１ａ  ガス温度算出部、
１１ｂ  ヒータ制御部、
１１ｃ  触媒異常検出部、
１１ｄ  ガス温度予測部、
１１ｅ  燃料噴射制御部、
１２  上流用ＡＳＩＣ、
１２ａ  センサ異常検出部、
１２ｂ  センサ抵抗値計測部、
１２ｃ  ヒータドライバ、
１３  下流用ＡＳＩＣ、
１３ａ  センサ異常検出部、
１３ｂ  センサ抵抗値計測部、
１３ｃ  ヒータドライバ
１００  内燃機関
【図１】
2020084897.tif 000011
【図２】
2020084897.tif 000012
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020084897.tif 000016
【図７】
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【図８】
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【図９】
2020084897.tif 000019
【図１０】
2020084897.tif 000020
【図１１】
2020084897.tif 000021
【図１２】
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【図１３】
2020084897.tif 000023
【図１４】
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