(57)【要約】【課題】排気管内の凝縮水の発生を正確に検出して排気管センサの加熱状態を制御することで排気管センサを保護する排気管センサの加熱制御装置を提供する。【解決手段】加熱手段22aで加熱されるセンサ素子22を備えた排気管センサ20と、排気管10の内壁面の温度を推定する壁面温度推定手段30と、推定内壁面温度に基づいて排気管10の内壁面に液水が付着しているか否かを判定する液水付着判定手段(S104,S106)と、エンジン始動後に液水付着判定手段(S104)で排気管内壁面に液水が付着していると判定したときは加熱手段22aを停止して(S105)、液水付着判定手段(S104)で排気管内壁面に液水が付着しなくなったら加熱手段22aを通常加熱モードにしてセンサ素子22を活性化する活性化手段(S107)と、通常加熱モードのときに液水付着判定手段(S106)で排気管内壁面に液水が付着するようになったら低加熱モードにして加熱手段の加熱量を低減する加熱量低減手段(S109)とを有する。【選択図】図３
2006299948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管に設けられ、加熱手段で加熱されるセンサ素子を備えた排気管センサと、
前記排気管の内壁面の温度を推定する壁面温度推定手段と、
前記壁面温度推定手段で推定した排気管内壁面温度に基づいて、前記排気管の内壁面に液水が付着しているか否かを判定する液水付着判定手段と、
エンジン始動後に、前記液水付着判定手段で排気管内壁面に液水が付着していると判定したときは、前記加熱手段を停止して、前記液水付着判定手段で排気管内壁面に液水が付着しなくなったことを判定したら、前記加熱手段を通常加熱モードにして前記センサ素子を活性化するセンサ活性化手段と、
前記通常加熱モードのときに、前記液水付着判定手段で排気管内壁面に液水が付着するようになったことを判定したときは、低加熱モードにして前記加熱手段の加熱量を低減するセンサ加熱量低減手段と、
を有する排気管センサの加熱制御装置。
【請求項２】
前記壁面温度推定手段は、前記排気管センサの直下の排気管外表面に設けられ、その排気管外表面の温度を検出する温度センサであって、その排気管外表面の温度に基づいて排気管内壁面の温度を推定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の排気管センサの加熱制御装置。
【請求項３】
前回のエンジン停止時の排気管内壁面が凝縮水発生温度以上であったか否かを記憶しておく記憶手段を備え、
前記センサ活性化手段は、前記記憶手段で前回のエンジン停止時の排気管内壁面が凝縮水発生温度以上であることを記憶しており、かつ前記壁面温度推定手段で今回エンジン始動時に排気管内壁面が凝縮水発生温度以上であることを推定したときは、直ちに前記加熱手段を通常加熱モードにして前記センサ素子を活性化する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気管センサの加熱制御装置。
【請求項４】
前記液水付着判定手段は、前記壁面温度推定手段で排気管内壁面が水の蒸発温度以上になったと推定したときには排気管内壁面に液水が付着していないと判定し、壁面温度推定手段で排気管内壁面が凝縮水発生温度以下になったことを推定したときには排気管内壁面に液水が付着していると判定する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気管センサの加熱制御装置。
【請求項５】
前記液水付着判定手段は、前記壁面温度推定手段で推定した温度が水の蒸発温度以上であって、その状態が所定時間以上継続したときには、排気管内壁面に液水が付着していないと判定する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気管センサの加熱制御装置。
【請求項６】
エンジンの排気管に設けられ、加熱手段で加熱されるセンサ素子を備えた排気管センサと、
前記排気管に形成され、排気凝縮水を貯留する水溜部と、
前記水溜部の外表面に設けられ、その水溜部外表面の温度を検出する水溜部温度センサと、
前記水溜部温度センサで検出した水溜部外表面温度の昇温速度に基づいて、排気管内壁面に液水が付着しているか否かを判定する液水付着判定手段と、
エンジン始動後に、前記液水付着判定手段で排気管内壁面に液水が付着していると判定したときは、前記加熱手段を停止して、前記液水付着判定手段で排気管内壁面に液水が付着しなくなったことを判定したら、前記加熱手段を通常加熱モードにして前記センサ素子を活性化するセンサ活性化手段と、
前記通常加熱モードのときに、前記液水付着判定手段で排気管内壁面に液水が付着するようになったことを判定したときは、低加熱モードにして前記加熱手段の加熱量を低減するセンサ加熱量低減手段と、
を有する排気管センサの加熱制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｏ2センサ、空燃比センサなどのように内燃機関の排気管に配置されるセンサ(以下「排気管センサ」という)の加熱状態を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気管センサはエンジン始動後短時間で作動できるように、内蔵ヒータの加熱によって早期活性化を図っている。
【０００３】
排ガスは高温であるので、通常排ガス中の水分は水蒸気として存在し、液体の水分(以下「液水」という)は存在しない。しかし例えば低温下でアイドル状態を継続した場合などは排ガス中の水蒸気が凝結して液水(凝縮水)になることがある。この凝縮水にセンサ素子が被水すると急激な温度変化が生じてセンサ素子が破損するおそれがある。
【０００４】
そこで例えば特許文献１では排気管内の水たまり部位に温度センサを取り付けて水温を測定することで、排気管内の液水の存在を推定している。
【特許文献１】実開平５−４７３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前述した従来装置では、排気管内の水たまり部位に溜まっている水温を測定するので、エンジン稼働中に水が発生し始める状況を判断することができない。そのためセンサ素子の破損を防ぎきることができない。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、排気管内の凝縮水の発生を正確に検出して排気管センサの加熱状態を制御することで排気管センサを破損から保護する排気管センサの加熱制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明は、エンジンの排気管（１０）に設けられ、加熱手段（２２ａ）で加熱されるセンサ素子（２２）を備えた排気管センサ（２０）と、前記排気管（１０）の内壁面の温度を推定する壁面温度推定手段（３０）と、前記壁面温度推定手段（３０）で推定した排気管内壁面温度に基づいて、前記排気管（１０）の内壁面に液水が付着しているか否かを判定する液水付着判定手段（ステップＳ１０４，Ｓ１０６）と、エンジン始動後に、前記液水付着判定手段（ステップＳ１０４）で排気管内壁面に液水が付着していると判定したときは、前記加熱手段（２２ａ）を停止して（ステップＳ１０５）、前記液水付着判定手段（ステップＳ１０４）で排気管内壁面に液水が付着しなくなったことを判定したら、前記加熱手段（２２ａ）を通常加熱モードにして前記センサ素子（２２）を活性化するセンサ活性化手段（ステップＳ１０７）と、前記通常加熱モードのときに、前記液水付着判定手段（ステップＳ１０６）で排気管内壁面に液水が付着するようになったことを判定したときは、低加熱モードにして前記加熱手段の加熱量を低減するセンサ加熱量低減手段（ステップＳ１０９）とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、排気管内壁面の温度を推定して、その温度に基づいて排気管の内壁面に液水が付着しているか否かを判定する液水付着判定手段を有し、エンジン始動後に排気管内壁面に液水が付着しなくなったことを判定したら加熱手段を通常加熱モードにしてセンサ素子を活性化し、通常加熱モードのときに排気管内壁面に液水が付着するようになったことを判定したときは低加熱モードにして加熱手段の加熱量を低減するようにした。このようにしたので、発生した液水にセンサ素子が万一被水しても温度変化を小さく抑えることができ、センサ素子の破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明による排気管センサの加熱制御装置の第１実施形態を示す図である。
【００１１】
排気管センサの加熱制御装置１は、測温センサ３０と、コントローラ４０とを有し、排気管１０に取り付けられた排気管センサ２０に内蔵されたヒータ線２２ａ(図２参照)の発熱量を制御する装置である。
【００１２】
ここで図２を参照して排気管センサ２０の構成について説明する。
【００１３】
排気管センサ２０は、ハウジング２１の中心に配置されたセンサ素子２２を有する。センサ素子２２の内部にはヒータ線２２ａが埋め込まれている。センサ素子２２はプロテクタ２３で保護されている。なおプロテクタ２３には排ガスを通流可能な通気孔２３ａが形成されている。排気管センサ２０は、この内蔵ヒータ２２ａの加熱によって早期活性化が図られるとともに、一旦活性化した後は活性状態を維持してセンサ精度を向上する。
【００１４】
再び図１に戻る。測温センサ３０は、排気管１０の外側であって排気管センサ２０の直下に取り付けられている。コントローラ４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。なおコントローラ４０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。コントローラ４０は、測温センサ３０の検出値に基づいて排気管センサ２０の内蔵ヒータ２２ａの発熱量を制御する。
【００１５】
ここでコントローラ４０の制御概要について説明する。
【００１６】
排ガスは高温であるので、通常、排ガス中の水分は水蒸気として存在し、液水は存在しない。しかし例えば低温下でアイドル状態を継続した場合などは排ガス中の水蒸気が凝結水になることがある。この凝縮水に内蔵ヒータ２２ａで加熱されて活性状態の維持されているセンサ素子２２が被水すると急激な温度変化が生じてセンサ素子２２が破損するおそれがある。
【００１７】
そこで本発明は、液水の発生の有無を検出し、液水が発生するときには、その液水にセンサ素子２２が万一被水しても大きな温度変化が生じないように内蔵ヒータ２２ａによる加熱量を低下することで、センサ素子２２の破損を防止しようとするものである。
【００１８】
以下では、コントローラ４０の具体的な制御について図３のフローチャートに沿って説明する。なお本ルーチンはエンジン稼働中に一定時間ごとに(例えば１００ミリ秒ごとに)繰り返し実行されている。
【００１９】
ステップＳ１０１では、測温センサ３０の出力値である排気管温度Ｔを読み込む。
【００２０】
ステップＳ１０２では、内蔵ヒータ２２ａが低加熱モードであるか否かを判定する。
【００２１】
ステップＳ１０３では、内蔵ヒータ２２ａが通常加熱モードであるか否かを判定する。
【００２２】
ステップＳ１０４では、排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ１よりも大きいか否かを判定する。なお水分蒸発判定温度Ｔ１とは排気管１０の中の水分が蒸気になっていると判定できる温度である。これは排気管１０の大きさや材質等によっても変わるので、あらかじめ実験によって適合させておくことが必要であるが、例えば水の沸点よりも高温である１２０℃に設定しておく。
【００２３】
ステップＳ１０５では、内蔵ヒータ２２ａの通電を行わない。
【００２４】
ステップＳ１０６では、排気管温度Ｔが凝縮水発生温度Ｔ２よりも小さいか否かを判定する。なお凝縮水発生温度Ｔ２とは排気管１０の中の蒸気が凝縮水となると判定できる温度である。これは排気管１０の大きさや材質等によっても変わるので、あらかじめ実験によって適合させておくことが必要であるが、例えば図４に示した実験結果に基づいてＴ２＝７０℃としておく。
【００２５】
ステップＳ１０７では、内蔵ヒータ２２ａを通常加熱モードとして通電を行う。
【００２６】
ステップＳ１０８では、排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ１よりも大きいか否かを判定する。
【００２７】
ステップＳ１０９では、内蔵ヒータ２２ａを低加熱モードとして通電を行う。具体的にはセンサ素子２２の温度が２００℃程度以下になるように内蔵ヒータ２２ａの加熱量を低減する。
【００２８】
ステップＳ１１０では、内蔵ヒータ２２ａを通常加熱モードとして通電を行う。
【００２９】
次に本制御の作用について説明する。
【００３０】
エンジン始動後、測温センサ３０によって排気管温度Ｔを読み込み（ステップＳ１０１）、ヒータが低加熱モードであるか（ステップＳ１０２）、ヒータが通常加熱モードであるかを判定し（ステップＳ１０３）、排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ１よりも大きくなるまでは（ステップＳ１０４）、排ガス中に液水が存在する可能性があるので、ヒータをＯＦＦしておく（ステップＳ１０５）。そしてエンジン始動後排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ１よりも大きくなるまで、ステップＳ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１０３→Ｓ１０４→Ｓ１０５を繰り返す。
【００３１】
排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ１よりも大きくなったら（ステップＳ１０４にてＹ）、排ガス中に液水が存在しなくなったので、ヒータを通常加熱モードして通電する（ステップＳ１０７）。そして排気管温度Ｔが凝縮水発生温度Ｔ２よりも大きいときは、ステップＳ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１０３→Ｓ１０６→Ｓ１０７を繰り返す。
【００３２】
排気管温度Ｔが凝縮水発生温度Ｔ２よりも小さくなったら（ステップＳ１０６にてＹ）、排ガス中に凝縮水が存在する可能性があるので、ヒータを低加熱モードして通電する（ステップＳ１０９）。そして排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ１よりも小さいときは、ステップＳ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１０８→Ｓ１０９を繰り返す。
【００３３】
排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ１よりも大きくなったら（ステップＳ１０８にてＹ）、排ガス中に液水が存在しなくなったので、再度ヒータを通常加熱モードして通電する（ステップＳ１１０）。
【００３４】
本実施形態によれば、排気管温度Ｔが凝縮水発生温度Ｔ２よりも低下したときには、内蔵ヒータ２２ａによる加熱量を低下するようにしたので、凝縮水が発生して、その凝縮水に万一センサ素子２２が被水しても、センサ素子２２に大きな温度変化は生じない。そのため、センサ素子２２の破損を防止することができるのである。
【００３５】
また測温センサ３０は排気管１０の外側に取り付けられている。したがって構成が簡単であり、コストを安価に抑えることができる。
【００３６】
（第２実施形態）
図５は本発明による排気管センサの加熱制御装置の第２実施形態の制御ロジックのフローチャートである。
【００３７】
なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３８】
本実施形態では、排気管内に液水が存在しないときに立てる液水不存在フラグを導入し、そのフラグをエンジン停止中もメモリしておくようにした。このようにすることで、今回エンジン始動時にヒータを迅速に加熱するようにした。
【００３９】
以下では、本実施形態におけるコントローラ４０の具体的な制御について図５のフローチャートに沿って説明する。なお本ルーチンはエンジン稼働中に一定時間ごとに(例えば１００ミリ秒ごとに)繰り返し実行されている。
【００４０】
なお液水不存在フラグは、例えば、図３のセンサ保護制御１(Ｓ１００ルーチン)において、ステップＳ１０５，ステップＳ１０９でオフし(すなわち液水は存在する)、ステップＳ１０７，ステップＳ１１０でオンする(すなわち液水は不存在である)、というようにすればよい。
【００４１】
ステップＳ２０１では、今回がエンジン始動初回時であるか否かを判定し、今回がエンジン始動初回時であればステップＳ２０２へ進み、今回がエンジン始動初回時でなければステップＳ１００のセンサ保護制御１(図３)へ進む。
【００４２】
ステップＳ２０２では、コントローラのメモリに基づいて前回エンジン停止前に液水不存在フラグがＯＮであるか否かを判定する。液水不存在フラグがＯＦＦのとき(すなわち前回エンジンは液水が存在する状態で停止したとき)は、ステップＳ１００のセンサ保護制御１(図３)へ進む。
【００４３】
ステップＳ２０３では、測温センサ３０の出力値である排気管温度Ｔを読み込む。
【００４４】
ステップＳ２０４では、排気管温度Ｔが凝縮水発生温度Ｔ２よりも大きいか否かを判定する。大きいときは、エンジンは前回液水が存在しない状態で停止し、かつ現在も排気温度が凝縮水を発生しない温度のままであるので、ステップＳ２０５へ進んで内蔵ヒータ２２ａを通常加熱モードとして通電を行う。
【００４５】
本実施形態によれば、液水不存在フラグを導入し、そのフラグをエンジン停止中もメモリしておくようにしたので、今回エンジン始動時にヒータを迅速に加熱できるようになったのである。
【００４６】
（第３実施形態）
図６は本発明による排気管センサの加熱制御装置の第３実施形態の制御ロジックのフローチャートである。なお本ルーチンはエンジン稼働中に一定時間ごとに(例えば１００ミリ秒ごとに)繰り返し実行されている。
【００４７】
上記実施形態においては、液水不存在フラグを、図３のセンサ保護制御１(Ｓ１００ルーチン)において、ステップＳ１０５，ステップＳ１０９でオフし、ステップＳ１０７，ステップＳ１１０でオンしたが、これとは別ルーチンで液水不存在フラグを設定してもよい。本実施形態は、この液水不存在フラグ設定するためのルーチンである。
【００４８】
ステップＳ３０１では、測温センサ３０の出力値である排気管温度Ｔを読み込む。
【００４９】
ステップＳ３０２では、排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ３以上であるか否かを判定する。なお水分蒸発判定温度Ｔ３とは所定時間継続したときに排気管１０の中の水分が蒸気になっていると判定できる温度である。これは排気管１０の大きさや材質等によっても変わるので、あらかじめ実験によって適合させておくことが必要であるが、例えば水の沸点よりも高温である１１０℃に設定しておく。排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ３よりも小さい間はステップＳ３０３へ進み、ステップＳ３０３でカウンタをリセットしてゼロにし、ステップＳ３０４で液水不存在フラグをオフにする。
【００５０】
排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ３よりも大きくなったらステップＳ３０２からステップＳ３０５へ進み、カウントアップする。本ルーチンは、エンジン稼働中に一定時間ごとに(例えば１００ミリ秒ごとに)繰り返し実行されているので、このカウンタ値は、排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ３以上である状態の継続時間を示す。
【００５１】
ステップＳ３０６では、カウンタCounterが所定値Count0よりも大きいか否かを判定し、大きければステップＳ３０７で液水不存在フラグをオンにする。なおこの所定値Count0は、水分蒸発判定温度Ｔ３が継続することで排気管１０の中の水分が蒸気になっていると判定できる時間である。具体的には予備実験によって水分蒸発判定温度Ｔ３とともに決定しておく。
【００５２】
本実施形態によれば、水分蒸発判定温度が継続している時間をも考慮して液水不存在フラグを設定するようにしたので、一層正確に液水の不存在を判定することができる。
【００５３】
（第４実施形態）
図７は本発明による排気管センサの加熱制御装置の第４実施形態を示す図である。
【００５４】
本実施形態では排気管１０は、下方に凸状に曲げられた屈曲部１１を有する。したがって排気管内で凝縮水が発生した場合は、この屈曲部１１に溜まる。すなわちこの屈曲部１１が水溜まり部位となっている。測温センサ３０はこの屈曲部１１に取り付けられている。
【００５５】
ここで図８を参照して本実施形態の基本的な考え方について説明する。
【００５６】
屈曲部１１のような水溜まり部位のエンジン稼働後の温度変化は、図８に示すようになる。すなわち屈曲部１１に液水が存在する場合は、液水が存在しない場合に比べて昇温速度が遅い。これは熱が液水の気化熱として奪われるためである。そして液水がすべて蒸気となった後は、昇温速度が速くなる。したがって或る温度Ｔ(例えば液水の沸点である１００℃。ただし排気管の熱伝達率等に影響されるので、具体的には予備実験に基づいて決定しておくとよい。)において、液水があるときの昇温速度ｄＴ／ｄｔと、液水がないときの昇温速度ｄＴ／ｄｔとをあらかじめ実験的に求めておけば、昇温速度ｄＴ／ｄｔに基づいて液水の有無を判定することができる。
【００５７】
本実施形態では、このように昇温速度ｄＴ／ｄｔに基づいて液水の有無を判定する。
【００５８】
図９は具体的な制御ロジックを示すフローチャートである。なお本ルーチンはエンジン稼働中に一定時間ごとに(例えば１００ミリ秒ごとに)繰り返し実行されている。
【００５９】
ステップＳ４０１では、測温センサ３０の出力値である排気管温度Ｔを読み込む。
【００６０】
ステップＳ４０２では、排気管温度Ｔが水分蒸発判定温度Ｔ１以上であるか否かを判定し、水分蒸発判定温度Ｔ１以上のときはステップＳ４０６に進んで液水不存在フラグをオンにし、水分蒸発判定温度Ｔ１よりも小さいときはステップＳ４０３に進む。
【００６１】
ステップＳ４０３では、排気管温度の前回値と今回値とに基づいて温度変化速度dT/dtを算出する。
【００６２】
ステップＳ４０４では、温度変化速度dT/dtが基準値以上であるか否かを判定し、基準値以上であるときはステップＳ４０６に進んで液水不存在フラグをオンにし、基準値よりも小さいときはステップＳ４０５に進んで液水不存在フラグをオフにする。
【００６３】
ここで基準値とは、液水が存在しないことを判定するための基準値であり、或る液水温度のときに昇温速度ｄＴ／ｄｔがその基準値よりも速いときには昇温速度が速いので液水は存在しないと判断できる基準値であり、あらかじめ実験的に求めておく。
【００６４】
本実施形態によっても、液水の有無を正確に判定することができる。
【００６５】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明による排気管センサの加熱制御装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】排気管センサの構成を示す図である。
【図３】コントローラの具体的な制御を示すフローチャートである。
【図４】排気管温度と凝縮水の発生量との関係を示す図である。
【図５】本発明による排気管センサの加熱制御装置の第２実施形態の制御ロジックのフローチャートである。
【図６】本発明による排気管センサの加熱制御装置の第３実施形態の制御ロジックのフローチャートである。
【図７】本発明による排気管センサの加熱制御装置の第４実施形態を示す図である。
【図８】エンジン稼働時間と排気管温度との関係を示す図である。
【図９】第４実施形態の具体的な制御ロジックを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
１  排気管センサの加熱制御装置
１０  排気管
１１  屈曲部(水溜部)
２０  排気管センサ
２２  センサ素子
２２ａ  ヒータ線(加熱手段)
３０  測温センサ(壁面温度推定手段，水溜部温度センサ)
４０  コントローラ
ステップＳ１０４，Ｓ１０６，Ｓ１０８，Ｓ３０６，Ｓ４０４  液水付着判定手段
ステップＳ１０７，Ｓ２０５  センサ活性化手段
ステップＳ１０９  センサ加熱量低減手段
【図１】
2006299948.tif 000003
【図２】
2006299948.tif 000004
【図３】
2006299948.tif 000005
【図４】
2006299948.tif 000006
【図５】
2006299948.tif 000007
【図６】
2006299948.tif 000008
【図７】
2006299948.tif 000009
【図８】
2006299948.tif 000010
【図９】
2006299948.tif 000011