(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、
前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、
当該制御装置は、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御するヒータ制御部と、前記排気センサ周りの排気管の温度を推定する温度推定部とを備え、
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記温度推定部によって推定された前記排気管の推定温度が第一排気管温度に達するまで前記目標温度を第一目標温度に設定し、前記排気管の推定温度が前記第一排気管温度に達してから第二排気管温度に達するまで前記目標温度を第二目標温度に設定し、前記排気管の推定温度が前記第二排気管温度に達したときに前記目標温度を前記電気化学セルの作動温度に設定し、
前記第一排気管温度は水の露点以上水の沸点未満の温度であり、前記第二排気管温度は水の沸点以上の温度であり、前記第一目標温度は前記作動温度よりも高い温度であり、前記第二目標温度は前記作動温度よりも高く且つ前記第一目標温度よりも低い温度である、排気センサの制御装置。
【請求項２】
前記温度推定部は前記内燃機関の外気温を推定又は検出し、
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動時に前記温度推定部によって推定又は検出された外気温の温度が相対的に低い場合に、該外気温の温度が相対的に高い場合に比べて、前記第一目標温度を高く設定する、請求項１に記載の排気センサの制御装置。
【請求項３】
前記温度推定部は、前記内燃機関が始動してからの経過時間が第一経過時間に達したときに前記排気管の推定温度が前記第一排気管温度に達したと判定し、前記経過時間が前記第一経過時間よりも長い第二経過時間に達したときに前記排気管の推定温度が前記第二排気管温度に達したと判定し、
前記温度推定部は、前記内燃機関の外気温を推定又は検出し、前記内燃機関の始動時に推定又は検出した外気温の温度が相対的に低い場合に、該外気温の温度が相対的に高い場合に比べて、前記第一経過時間及び前記第二経過時間を長く設定する、請求項１又は２に記載の排気センサの制御装置。
【請求項４】
前記温度推定部は、前記内燃機関が始動してから該内燃機関の燃焼室に供給された吸入空気量の積算値が第一積算空気量に達したときに前記排気管の推定温度が前記第一排気管温度に達したと判定し、前記積算値が前記第一積算空気量よりも多い第二積算空気量に達したときに前記排気管の推定温度が前記第二排気管温度に達したと判定し、
前記温度推定部は、前記内燃機関の外気温を推定又は検出し、前記内燃機関の始動時に推定又は検出した外気温の温度が相対的に低い場合に、該外気温の温度が相対的に高い場合に比べて、前記第一積算空気量及び前記第二積算空気量を多く設定する、請求項１又は２に記載の排気センサの制御装置。
【請求項５】
前記排気センサは、上流側排気センサと、該上流側排気センサの排気流れ方向下流側に位置する下流側排気センサとを含み、
前記ヒータ制御部は、前記下流側排気センサにおける前記第一目標温度及び前記第二目標温度を前記上流側排気センサにおける前記第一目標温度及び前記第二目標温度よりも高く設定する、請求項１から４のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
【請求項６】
内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、
前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、
当該制御装置は、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御するヒータ制御部と、前記排気センサよりも排気流れ方向上流側の前記排気通路内の凝縮水の量を推定する水量推定部とを備え、
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記水量推定部によって推定された前記凝縮水の量が多くなるにつれて、前記目標温度を高くする、排気センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気センサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、排気ガス中の特定の成分を検出するために、内燃機関の排気通路に排気センサを配置することが知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。斯かる排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層とを備える。排気センサは排気ガスに曝されるように排気管に固定され、排気ガスの一部は保護層を通過して素子本体内に流入する。また、排気センサは、電気化学セルが所定の作動温度以上となるように素子本体を加熱するヒータを備える。
【０００３】
ところで、排気管の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路に凝縮水が存在していると、凝縮水の水滴が排気ガスと共に排気センサの保護層に衝突する。保護層が撥水性を有しない場合、保護層に衝突した水滴は保護層内に浸透する。ヒータによる加熱によって保護層の温度が高温である場合には、保護層内に浸透した水滴は保護層内で蒸発する。この結果、保護層及び素子本体に熱衝撃が加えられ、素子割れが発生する場合がある。
【０００４】
そこで、特許文献１、２には、排気センサの素子割れを防止すべく、ライデンフロスト現象を利用して排気センサの保護層に撥水性を付与することが記載されている。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層に衝突したときに、保護層と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層からはじかれるため、保護層内に水が浸透することが抑制される。
【０００５】
特許文献１に記載の発明では、内燃機関の始動の際に、ライデンフロスト現象を用いて素子割れを防止すべく、排気センサの周囲温度が露点温度に達するまで、センサ表面の温度が、作動温度よりも高い衝撃対抗温度に保持される。その後、排気センサの周囲温度が露点温度に達すると、センサ表面の温度は衝撃対抗温度から作動温度に低下せしめられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５２９６９１号公報
【特許文献２】特開２０１２−９３３３０号公報
【特許文献３】特開２００６−２２００２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、排気センサの周囲温度が露点温度に達した後も、それまでに生成された凝縮水の一部は、排気管の温度が水の沸点に達するまで排気通路内に存在しうる。このため、特許文献１に記載された制御では、センサ表面の温度が作動温度に低下した後に、被水による排気センサの素子割れが発生するおそれがある。一方、ライデンフロスト現象によって排気センサの素子割れを確実に防止すべく、内燃機関の始動後に長期間に亘ってセンサ素子を高温に維持することは、ヒータの消費電力を著しく増加させる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ヒータの消費電力の増加を抑制しつつ、被水による排気センサの素子割れを防止することができる排気センサの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、当該制御装置は、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御するヒータ制御部と、前記排気センサ周りの排気管の温度を推定する温度推定部とを備え、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記温度推定部によって推定された前記排気管の推定温度が第一排気管温度に達するまで前記目標温度を第一目標温度に設定し、前記排気管の推定温度が前記第一排気管温度に達してから第二排気管温度に達するまで前記目標温度を第二目標温度に設定し、前記排気管の推定温度が前記第二排気管温度に達したときに前記目標温度を前記電気化学セルの作動温度に設定し、前記第一排気管温度は水の露点以上水の沸点未満の温度であり、前記第二排気管温度は水の沸点以上の温度であり、前記第一目標温度は前記作動温度よりも高い温度であり、前記第二目標温度は前記作動温度よりも高く且つ前記第一目標温度よりも低い温度である、排気センサの制御装置が提供される。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、前記温度推定部は前記内燃機関の外気温を推定又は検出し、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動時に前記温度推定部によって推定又は検出された外気温の温度が相対的に低い場合に、該外気温の温度が相対的に高い場合に比べて、前記第一目標温度を高く設定する。
【００１１】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記温度推定部は、前記内燃機関が始動してからの経過時間が第一経過時間に達したときに前記排気管の推定温度が前記第一排気管温度に達したと判定し、前記経過時間が前記第一経過時間よりも長い第二経過時間に達したときに前記排気管の推定温度が前記第二排気管温度に達したと判定し、前記温度推定部は、前記内燃機関の外気温を推定又は検出し、前記内燃機関の始動時に推定又は検出した外気温の温度が相対的に低い場合に、該外気温の温度が相対的に高い場合に比べて、前記第一経過時間及び前記第二経過時間を長く設定する。
【００１２】
第４の発明では、第１又は第２の発明において、前記温度推定部は、前記内燃機関が始動してから該内燃機関の燃焼室に供給された吸入空気量の積算値が第一積算空気量に達したときに前記排気管の推定温度が前記第一排気管温度に達したと判定し、前記積算値が前記第一積算空気量よりも多い第二積算空気量に達したときに前記排気管の推定温度が前記第二排気管温度に達したと判定し、前記温度推定部は、前記内燃機関の外気温を推定又は検出し、前記内燃機関の始動時に推定又は検出した外気温の温度が相対的に低い場合に、該外気温の温度が相対的に高い場合に比べて、前記第一積算空気量及び前記第二積算空気量を多く設定する。
【００１３】
第５の発明では、第１から第４のいずれか１つの発明において、前記排気センサは、上流側排気センサと、該上流側排気センサの排気流れ方向下流側に位置する下流側排気センサとを含み、前記ヒータ制御部は、前記下流側排気センサにおける前記第一目標温度及び前記第二目標温度を前記上流側排気センサにおける前記第一目標温度及び前記第二目標温度よりも高く設定する。
【００１４】
上記課題を解決するために、第６の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、当該制御装置は、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御するヒータ制御部と、前記排気センサよりも排気流れ方向上流側の前記排気通路内の凝縮水の量を推定する水量推定部とを備え、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記水量推定部によって推定された前記凝縮水の量に基づいて、前記電気化学セルの作動温度以上の温度に前記目標温度を設定する、排気センサの制御装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ヒータの消費電力の増加を抑制しつつ、被水による排気センサの素子割れを防止することができる排気センサの制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、空燃比センサの拡大図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサのセンサ素子の断面図である。
【図４】図４は、保護層に衝突する水滴の量と保護層の温度とを変化させたときのライデンフロスト現象の発生の有無を示すグラフである。
【図５】図５は、経過時間及び積算空気量と排気管の温度との関係を示すマップである。
【図６】図６は、内燃機関を始動させるときの機関負荷等の概略的なタイムチャートである。
【図７】図７は、本発明の第一実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の第三実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の第四実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第五実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図１１】図１１は、内燃機関を始動させるときの機関負荷等の概略的なタイムチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の第六実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチン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】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１８】
＜第一実施形態＞
最初に図１〜図７を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
【００１９】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関１を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。
【００２０】
図１を参照すると、内燃機関１は、機関本体１００と、各気筒の燃焼室２と、燃焼室２内に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁３と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５とを備える。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ（過給機）７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置される。さらに、吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１３が配置される。図１に示した内燃機関１では機関冷却水が冷却装置１３内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。
【００２１】
一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２８を内蔵したケーシング２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒２８は、例えば、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）又はＮＯｘ吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されてもよい。
【００２２】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」という）通路１４を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２３】
燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９によって燃料タンク３３から燃料配管３４を介してコモンレール１８内に供給される。コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。
【００２４】
内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。負荷センサ１０１、エアフロメータ１０２、外気温センサ１０３及び水温センサ１０４の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１５及び燃料ポンプ１９に接続されている。
【００２５】
負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ１０１は機関負荷を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる空気流量を検出する。外気温センサ１０３は、例えば、内燃機関１が搭載される車両に配置され、内燃機関１の外気温を検出する。水温センサ１０４は、内燃機関１の冷却水路に配置され、内燃機関１の冷却水の水温を検出する。さらに、入力ポート８５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ１０８が接続され、クランク角センサ１０８によって機関回転数が検出される。
【００２６】
なお、内燃機関１は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関であってもよい。また、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。
【００２７】
＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、排気センサの制御装置によって制御される排気センサとして、内燃機関１の排気通路に空燃比センサ１０が配置されている。空燃比センサ１０は、内燃機関１の排気通路を流れる排気ガス中の特定の成分を検出する。具体的には、空燃比センサ１０は、排気ガス中の酸素濃度を検出することで、排気ガスの空燃比をリニアに検出する。
【００２８】
本実施形態では、空燃比センサ１０は排気通路において排気浄化触媒２８の排気流れ方向上流側に配置されている。なお、空燃比センサ１０は、排気通路の他の位置、例えば排気浄化触媒２８の排気流れ方向下流側に配置されてもよい。
【００２９】
以下、図２及び図３を参照して、空燃比センサ１０の構成について説明する。図２は、空燃比センサ１０の拡大図である。図２では、空燃比センサ１０の先端側が断面図で示されている。空燃比センサ１０は、先端部１１が排気管２７に挿入された状態で排気管２７に固定される。空燃比センサ１０は、その内部に、板状の形状を有するセンサ素子１２を備えている。
【００３０】
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサ１０のセンサ素子１２の断面図である。図３に示されるように、空燃比センサ１０のセンサ素子１２は、センサセル５１が設けられた素子本体５０と、素子本体５０の外面上に形成された保護層６０とを備える。
【００３１】
素子本体５０は被測ガス室３０及び基準ガス室３１を備えている。空燃比センサ１０が内燃機関１の排気通路に配置されたとき、被測ガス室３０には、排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。基準ガス室３１には基準ガスが導入される。基準ガスは例えば大気である。この場合、基準ガス室３１は大気に開放されている。
【００３２】
空燃比センサ１０は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。素子本体５０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第一不透過層２１、第二不透過層２２及び第三不透過層２３を備える。固体電解質層４０は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層４０は、例えば、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として添加した焼結体である。拡散律速層１６は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１６は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の多孔質セラミックから構成されている。不透過層２１〜２３は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む。
【００３３】
素子本体５０の各層は、図３の下方から、第一不透過層２１、第二不透過層２２、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第三不透過層２３の順に積層されている。被測ガス室３０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６及び第三不透過層２３によって区画形成されている。排気ガスは保護層６０及び拡散律速層１６を通って被測ガス室３０内に導入される。拡散律速層１６は被測ガスの拡散律速を行う。なお、被測ガス室３０は、固体電解質層４０に隣接し且つ被測ガスが導入されるように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
【００３４】
基準ガス室３１は固体電解質層４０及び第二不透過層２２によって区画形成されている。なお、基準ガス室３１は、固体電解質層４０に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
【００３５】
センサセル５１は、固体電解質層４０、第一電極４１及び第二電極４２を有する電気化学セルである。第一電極４１は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように固体電解質層４０の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第二電極４２は、基準ガス室３１内の基準ガスに曝されるように固体電解質層４０の基準ガス室３１側の表面上に配置されている。第一電極４１と第二電極４２とは、固体電解質層４０を挟んで互いに対向するように配置されている。第一電極４１及び第二電極４２は、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属から構成されている。例えば、第一電極４１及び第二電極４２は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。
【００３６】
保護層６０は、素子本体５０の外面全体を覆うように、素子本体５０の外面上に形成されている。保護層６０は、ガス透過性を有し、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化亜鉛等の多孔質セラミックから構成されている。
【００３７】
センサ素子１２はヒータ５５を更に備える。本実施形態では、ヒータ５５は、図３に示されるように、第一不透過層２１と第二不透過層２２との間に配置される。ヒータ５５は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミック（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ５５は素子本体５０及び保護層６０を加熱する。
【００３８】
センサセル５１の第一電極４１及び第二電極４２には、電気回路７０が接続されている。電気回路７０は電源７１及び電流検出器７２を備える。電源７１は、第二電極４２の電位が第一電極４１の電位よりも高くなるように電極間に電圧を印加する。ＥＣＵ８０の出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して電源７１に接続されている。したがって、ＥＣＵ８０は、電源７１を制御して、センサセル５１に印加される電圧を制御することができる。また、電流検出器７２は、センサセル５１に流れる電流をセンサセル５１の出力として検出する。電流検出器７２の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。したがって、ＥＣＵ８０は、電流検出器７２によって検出されたセンサセル５１の出力を電流検出器７２から取得することができる。
【００３９】
空燃比センサ１０は、センサセル５１に所定の電圧を印加したときにセンサセル５１に流れる限界電流を検出することによって排気ガスの空燃比を検出する。したがって、本実施形態における空燃比センサ１０は、いわゆる限界電流式空燃比センサである。
【００４０】
＜ライデンフロスト現象＞
ところで、排気管２７の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路に凝縮水が存在していると、凝縮水の水滴が排気ガスと共に空燃比センサ１０の保護層６０に衝突する。保護層６０が撥水性を有しない場合、保護層６０に衝突した水滴は保護層６０内に浸透する。ヒータ５５による加熱によって保護層６０の温度が高温である場合には、保護層６０内に浸透した水滴は保護層６０内で蒸発する。この結果、保護層６０及び素子本体５０に熱衝撃が加えられ、センサ素子１２の素子割れが発生する場合がある。
【００４１】
保護層６０は、その温度が高温であるときに撥水性を有する。この特性は、ライデンフロスト現象を発生させることによって得られる。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層に衝突したときに、保護層と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層６０からはじかれるため、保護層６０内に水が浸透することが抑制される。
【００４２】
ライデンフロスト現象が発生する温度は、一般的には、物体に衝突する液体の種類によって決定されると言われている。しかしながら、本願の発明者は、空燃比センサ１０の保護層６０のように熱容量が小さい物体では、ライデンフロスト現象が発生する温度が液体の量に応じて変化することを新たに見出した。
【００４３】
図４は、保護層６０に衝突する水滴の量と保護層６０の温度とを変化させたときのライデンフロスト現象の発生の有無を示すグラフである。図中のバツ印は、ライデンフロスト現象が発生しなかったことを示す。一方、図中の丸印は、ライデンフロスト現象が発生したことを示す。図４から分かるように、ライデンフロスト現象が発生する温度は水滴量に応じて変化している。具体的には、ライデンフロスト現象が発生する温度は、水滴量が多いほど高くなる。この理由は、熱容量が小さい保護層６０では、蒸気膜の形成時に保護層６０の温度が低下し、保護層６０の温度の低下量が水滴量に比例するからであると考えられている。
【００４４】
＜排気センサの制御装置の説明＞
本実施形態に係る排気センサの制御装置は、排気センサ（本実施形態では、空燃比センサ１０）の素子割れを防止すべく、上述した新たな知見に基づいて、内燃機関１の始動の際に以下の制御を実行する。
【００４５】
本実施形態に係る排気センサの制御装置はヒータ制御部及び温度推定部を備える。ヒータ制御部は、センサセル５１の目標温度を設定し、センサセル５１の温度が目標温度になるようにヒータ５５を制御する。例えば、ヒータ制御部は、センサセル５１の温度をセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出し、算出された温度が目標温度になるように、ヒータ５５への印加電圧をフィードバック制御する。ヒータ５５によってセンサセル５１が加熱されるとき、保護層６０も同様にヒータ５５によって加熱される。このため、保護層６０の温度はセンサセル５１の温度と相関する。したがって、上述したフィードバック制御によって、センサセル５１の温度だけでなく保護層６０の温度も制御することができる。本実施形態では、ＥＣＵ８０の一部がヒータ制御部として機能する。
【００４６】
温度推定部は、空燃比センサ１０周りの排気管２７の温度（以下、単に「排気管２７の温度」という）を推定する。例えば、温度推定部は、排気通路において空燃比センサ１０の近傍に配置された排気温度センサ１０５の出力から排気管２７の温度を推定する。本実施形態では、図１に示されるように、排気温度センサ１０５は、排気通路においてタービン７ｂと排気浄化触媒２８との間に配置され、排気管２７の温度を検出する。排気温度センサ１０５の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。
【００４７】
なお、温度推定部は、排気温度センサ１０５を用いることなく、排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、内燃機関１において、空燃比センサ１０の近傍に排気温度センサ１０５を設けなくてもよい。例えば、温度推定部は、内燃機関１が始動してからの経過時間に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、内燃機関１が始動してからの経過時間が長いほど、温度推定部によって推定される排気管２７の温度が高くされる。また、温度推定部は、内燃機関１が始動してから燃焼室２に供給された吸入空気量の積算値（以下、「積算空気量」という）に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。積算空気量は例えばエアフロメータ１０２の出力に基づいて算出される。この場合、積算空気量が多いほど、温度推定部によって推定される排気管２７の温度が高くされる。また、温度推定部は、内燃機関１が始動してからの経過時間及び積算空気量に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、温度推定部は、例えば、図５に示したようなマップを用いて排気管２７の温度を推定する。このマップでは、排気管２７の温度ＰＴが経過時間ＥＴ及び積算空気量ΣＭｃの関数として示される。本実施形態では、ＥＣＵ８０の一部が温度推定部として機能する。
【００４８】
ヒータ制御部は、内燃機関１の始動後、保護層６０の表面においてライデンフロスト現象が発生するように、温度推定部によって推定された排気管２７の推定温度が第一排気管温度に達するまでセンサセル５１の目標温度を第一目標温度に設定する。第一排気管温度は水の露点以上水の沸点未満の温度である。水の露点は大気圧（１気圧）において５４℃であり、水の沸点は大気圧（１気圧）において１００℃である。また、第一目標温度はセンサセル５１の作動温度よりも高い温度である。センサセル５１の作動温度は、センサセル５１の活性温度以上であり、例えば６００℃〜６５０℃である。
【００４９】
ヒータ制御部は、保護層６０の表面においてライデンフロスト現象が発生するように、排気管２７の推定温度が第一排気管温度に達してから第二排気管温度に達するまでセンサセル５１の目標温度を第二目標温度に設定する。また、ヒータ制御部は、排気管２７の推定温度が第二排気管温度に達したときにセンサセル５１の目標温度をセンサセル５１の作動温度に設定する。第二排気管温度は水の沸点以上の温度である。また、第二目標温度はセンサセル５１の作動温度よりも高く且つ第一目標温度よりも低い温度である。
【００５０】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図６のタイムチャートを参照して、内燃機関１を始動させるときの制御について具体的に説明する。図６は、内燃機関１を始動させるときの、機関負荷、排気管２７の温度及びセンサセル５１の温度の概略的なタイムチャートである。センサセル５１の温度のグラフでは、センサセル５１の目標温度が細線で示される。図示した例では、排気管２７の温度は排気温度センサ１０５の出力から算出されている。また、センサセル５１の温度はセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出されている。
【００５１】
図示した例では、時刻ｔ０において内燃機関１が始動される。内燃機関１が始動されると、センサセル５１の目標温度が第一目標温度ＴＴ１に設定される。この結果、時刻ｔ０の後、ヒータ５５による加熱によってセンサセル５１の温度は第一目標温度ＴＴ１に向かって上昇する。第一目標温度ＴＴ１は例えば７５０℃以上の温度である。時刻ｔ１において、センサセル５１の温度が第一目標温度ＴＴ１に達する。時刻ｔ１の後、センサセル５１の温度は第一目標温度ＴＴ１に維持される。
【００５２】
時刻ｔ２において、排気管２７の温度が第一排気管温度ＰＴ１に達する。第一排気管温度ＰＴ１は例えば水の露点（５４℃）である。時刻ｔ２において、センサセル５１の目標温度が第一目標温度ＴＴ１から第二目標温度ＴＴ２に切り替えられる。この結果、時刻ｔ２の後、センサセル５１の温度が第二目標温度ＴＴ２に向かって低下する。第二目標温度ＴＴ２は、第一目標温度ＴＴ１よりも低い温度であり、例えば６５０℃〜７００℃の温度である。センサセル５１の温度は、第二目標温度ＴＴ２に達した後、第二目標温度ＴＴ２に維持される。
【００５３】
時刻ｔ３において、排気管２７の温度が第二排気管温度ＰＴ２に達する。第二排気管温度ＰＴ２は例えば水の沸点（１００℃）である。時刻ｔ３において、センサセル５１の目標温度が第二目標温度ＴＴ２からセンサセル５１の作動温度ＯＴに切り替えられる。この結果、時刻ｔ３の後、センサセル５１の温度が作動温度ＯＴに向かって低下する。作動温度ＯＴは、第二目標温度よりも低い温度であり、例えば６００℃〜６５０℃の温度である。センサセル５１の温度は、作動温度ＯＴに達した後、作動温度ＯＴに維持される。
【００５４】
排気管２７の温度が水の露点以上になると、排気管２７内において排気ガスから新たな凝縮水は生成されない。しかしながら、排気管２７の温度が水の露点に達した後も、それまでに生成された凝縮水の一部は、排気管２７の温度が水の沸点に達するまで排気管２７内に存在しうる。このため、排気管２７の温度が水の露点に達する時刻ｔ２において、センサセル５１の目標温度を作動温度ＯＴに設定すると、被水によって空燃比センサ１０の素子割れが発生するおそれがある。一方、空燃比センサ１０の素子割れを確実に防止すべく、時刻ｔ２以降もセンサセル５１の目標温度を第一目標温度ＴＴ１に維持すると、ヒータ５５の消費電力が著しく増加し、内燃機関１の燃費を悪化させる。
【００５５】
排気管２７の温度が水の露点以上になると、排気管２７内の凝縮水の一部は気化する。また、排気管２７内の凝縮水は排気ガスによって排気流れ方向下流側に流される。このため、図示した例では、排気管２７の温度が水の露点に達する時刻ｔ２以降、空燃比センサ１０の保護層６０に衝突する水の量が減少する。この結果、図４から分かるように、保護層６０においてライデンフロスト現象が発生する温度は低下する。このため、時刻ｔ２において、センサ素子１２の撥水性を保持しつつ、センサセル５１の目標温度を第一目標温度ＴＴ１から第二目標温度ＴＴ２に低下させることができる。このことによって、本実施形態では、ヒータ５５の消費電力の増加を抑制しつつ、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。
【００５６】
＜目標温度設定処理＞
以下、図７のフローチャートを参照して、センサセル５１の目標温度を設定するための制御について説明する。図７は、本発明の第一実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００５７】
最初に、ステップＳ１０１において、温度推定部が、排気管２７の温度ＰＴが第一排気管温度ＰＴ１よりも低いか否かを判定する。排気管２７の温度ＰＴは、上述したいずれかの方法を用いて温度推定部によって推定される。第一排気管温度ＰＴ１は、水の露点以上水の沸点未満の温度であり、例えば水の露点である。
【００５８】
ステップＳ１０１において排気管２７の温度ＰＴが第一排気管温度ＰＴ１よりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、ヒータ制御部がセンサセル５１の目標温度ＴＴを第一目標温度ＴＴ１に設定する。第一目標温度ＴＴ１は、センサセル５１の作動温度ＯＴよりも高い温度であり、例えば７５０℃以上の温度である。ステップＳ１０２の後、本制御ルーチンは終了する。
【００５９】
一方、ステップＳ１０１において排気管２７の温度ＰＴが第一排気管温度ＰＴ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、温度推定部が、排気管２７の温度ＰＴが第二排気管温度ＰＴ２よりも低いか否かを判定する。第二排気管温度ＰＴ２は、水の沸点以上の温度であり、例えば水の沸点である。
【００６０】
ステップＳ１０３において排気管２７の温度ＰＴが第二排気管温度ＰＴ２よりも低いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、ヒータ制御部が目標温度ＴＴを第二目標温度ＴＴ２に設定する。第二目標温度ＴＴ２は、センサセル５１の作動温度ＯＴよりも高く且つ第一目標温度ＴＴ１よりも低い温度であり、例えば６５０℃〜７００℃の温度である。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６１】
一方、ステップＳ１０３において排気管２７の温度ＰＴが第二排気管温度ＰＴ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、ヒータ制御部が目標温度ＴＴを作動温度ＯＴに設定する。作動温度ＯＴは、センサセル５１の活性温度以上の温度であり、例えば６００℃〜６５０℃の温度である。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６２】
＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６３】
第二実施形態では、温度推定部は、排気管２７の温度に加えて、内燃機関１の外気温を推定又は検出する。例えば、温度推定部は水温センサ１０４の出力から外気温を推定し又は外気温センサ１０３によって外気温を検出する。
【００６４】
ヒータ制御部は、内燃機関１の始動時に温度推定部によって推定又は検出された外気温（以下、「始動時外気温」という）が相対的に低い場合に、始動時外気温が相対的に高い場合に比べて、第一目標温度を高く設定する。言い換えれば、ヒータ制御部は、始動時外気温が高くなるにつれて第一目標温度を段階的に（ステップ状に）又はリニアに高くする。
【００６５】
このため、第二実施形態では、図７のステップＳ１０２において、ヒータ制御部は、温度推定部から始動時外気温を取得し、始動時外気温に基づいてセンサセル５１の目標温度ＴＴを設定する。具体的には、ヒータ制御部は、始動時外気温が相対的に低い場合に、始動時外気温が相対的に高い場合に比べて、第一目標温度ＴＴ１を高く設定する。なお、この場合も、第一目標温度ＴＴ１は第二目標温度ＴＴ２及びセンサセル５１の作動温度ＯＴよりも高い温度に設定される。
【００６６】
始動時外気温が低い場合には、内燃機関１の始動直後に生成される凝縮水の量が多くなり、センサ素子１２が被水する水の量も多くなることが予想される。これに対して、第二実施形態では、始動時外気温が相対的に低い場合には、センサセル５１の目標温度を相対的に高くすることで、被水による空燃比センサ１０の素子割れを確実に防止することができる。一方、始動時外気温が高い場合には、内燃機関１の始動直後に生成される凝縮水の量が少なくなり、センサ素子１２が被水する水の量も少なくなることが予想される。これに対して、第二実施形態では、始動時外気温が相対的に高い場合には、センサセル５１の目標温度を相対的に低くすることで、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止しつつ、ヒータ５５の消費電力の増加を抑制することができる。
【００６７】
＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６８】
第三実施形態では、温度推定部は、内燃機関１が始動してからの経過時間が第一経過時間に達したときに排気管２７の推定温度が第一排気管温度に達したと推定し、内燃機関１が始動してからの経過時間が第二経過時間に達したときに排気管２７の推定温度が第二排気管温度に達したと推定する。第二経過時間は第一経過時間よりも長い。温度推定部は、第二実施形態と同様に、排気管２７の温度に加えて、内燃機関１の外気温を推定又は検出する。温度推定部は、始動時外気温が相対的に低い場合に、始動時外気温が相対的に高い場合に比べて、第一経過時間及び第二経過時間を長く設定する。このことによって、排気管２７の温度を精度良く推定することができ、ひいては、センサセル５１の目標温度を適切に設定することができる。
【００６９】
＜目標温度設定処理＞
図８は、本発明の第三実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００７０】
最初に、ステップＳ２０１において、温度推定部が始動時外気温に基づいて第一経過時間ＥＴ１及び第二経過時間ＥＴ２を設定する。具体的には、温度推定部は、始動時外気温が相対的に低い場合に、始動時外気温が相対的に高い場合に比べて、第一経過時間ＥＴ１及び第二経過時間ＥＴ２を長く設定する。例えば、温度推定部は、始動時外気温が低いほど、第一経過時間ＥＴ１及び第二経過時間ＥＴ２を長く設定する。
【００７１】
次いで、ステップＳ２０２において、温度推定部が、内燃機関１が始動してからの経過時間ＥＴが第一経過時間ＥＴ１よりも短いか否かを判定する。経過時間ＥＴが第一経過時間ＥＴ１よりも短いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。この場合、排気管２７の推定温度が第一排気管温度未満であると推定されるため、ステップＳ２０３では、ヒータ制御部がセンサセル５１の目標温度ＴＴを第一目標温度ＴＴ１に設定する。第一目標温度ＴＴ１は、センサセル５１の作動温度ＯＴよりも高い温度であり、例えば７５０℃以上の温度である。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【００７２】
一方、ステップＳ２０２において経過時間ＥＴが第一経過時間ＥＴ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、温度推定部が、経過時間ＥＴが第二経過時間ＥＴ２よりも短いか否かを判定する。経過時間ＥＴが第二経過時間ＥＴ２よりも短いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。この場合、排気管２７の推定温度が第一排気管温度以上第二排気管温度未満であると推定されるため、ステップＳ２０５では、ヒータ制御部がセンサセル５１の目標温度ＴＴを第二目標温度ＴＴ２に設定する。第二目標温度ＴＴ２は、センサセル５１の作動温度ＯＴよりも高く且つ第一目標温度ＴＴ１よりも低い温度であり、例えば６５０℃〜７００℃の温度である。ステップＳ２０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００７３】
一方、ステップＳ２０４において経過時間ＥＴが第二経過時間ＥＴ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。この場合、排気管２７の推定温度が第二排気管温度以上であると推定されるため、ステップＳ２０６では、ヒータ制御部が目標温度ＴＴを作動温度ＯＴに設定する。作動温度ＯＴは、センサセル５１の活性温度以上の温度であり、例えば６００℃〜６５０℃の温度である。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。なお、経過時間ＥＴは、内燃機関１の停止時にリセットされてゼロにされる。
【００７４】
＜第四実施形態＞
第四実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７５】
第四実施形態では、温度推定部は、積算空気量が第一積算空気量に達したときに排気管２７の推定温度が第一排気管温度に達したと推定し、積算空気量が第二積算空気量に達したときに排気管２７の推定温度が第二排気管温度に達したと推定する。第二積算空気量は第一積算空気量よりも多い。温度推定部は、第二実施形態と同様に、排気管２７の温度に加えて、内燃機関１の外気温を推定又は検出する。温度推定部は、始動時外気温が相対的に低い場合に、始動時外気温が相対的に高い場合に比べて、第一積算空気量及び第二積算空気量を多く設定する。例えば、温度推定部は、始動時外気温が低いほど、第一積算空気量及び第二積算空気量を多く設定する。このことによって、排気管２７の温度を精度良く推定することができ、ひいては、センサセル５１の目標温度を適切に設定することができる。
【００７６】
＜目標温度設定処理＞
図９は、本発明の第四実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００７７】
最初に、ステップＳ３０１において、温度推定部が始動時外気温に基づいて第一積算空気量Ｍｃ１及び第二積算空気量Ｍｃ２を設定する。具体的には、温度推定部は、始動時外気温が相対的に低い場合に、始動時外気温が相対的に高い場合に比べて、第一積算空気量Ｍｃ１及び第二積算空気量Ｍｃ２を多く設定する。
【００７８】
次いで、ステップＳ３０２において、温度推定部が、積算空気量ΣＭｃが第一積算空気量Ｍｃ１よりも少ないか否かを判定する。積算空気量ΣＭｃが第一積算空気量Ｍｃ１よりも少ないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３に進む。この場合、排気管２７の推定温度が第一排気管温度未満であると推定されるため、ステップＳ３０３では、ヒータ制御部がセンサセル５１の目標温度ＴＴを第一目標温度ＴＴ１に設定する。第一目標温度ＴＴ１は、センサセル５１の作動温度ＯＴよりも高い温度であり、例えば７５０℃以上の温度である。ステップＳ３０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【００７９】
一方、ステップＳ３０２において積算空気量ΣＭｃが第一積算空気量Ｍｃ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、温度推定部が、積算空気量ΣＭｃが第二積算空気量Ｍｃ２よりも少ないか否かを判定する。積算空気量ΣＭｃが第二積算空気量Ｍｃ２よりも少ないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。この場合、排気管２７の推定温度が第一排気管温度以上第二排気管温度未満であると推定されるため、ステップＳ３０５では、ヒータ制御部がセンサセル５１の目標温度ＴＴを第二目標温度ＴＴ２に設定する。第二目標温度ＴＴ２は、センサセル５１の作動温度ＯＴよりも高く且つ第一目標温度ＴＴ１よりも低い温度であり、例えば６５０℃〜７００℃の温度である。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００８０】
一方、ステップＳ３０４において積算空気量ΣＭｃが第二積算空気量Ｍｃ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。この場合、排気管２７の推定温度が第二排気管温度以上であると推定されるため、ステップＳ３０６では、ヒータ制御部が目標温度ＴＴを作動温度ＯＴに設定する。作動温度ＯＴは、センサセル５１の活性温度以上の温度であり、例えば６００℃〜６５０℃の温度である。ステップＳ３０６の後、本制御ルーチンは終了する。なお、積算空気量ΣＭｃは内燃機関１の停止時にリセットされてゼロにされる。
【００８１】
＜第五実施形態＞
第五実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第五実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８２】
図１０は、本発明の第五実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関１’を概略的に示す図である。内燃機関１’には、二つの空燃比センサ１０ａ、１０ｂと、二つの排気浄化触媒２８ａ、２８ｂが設けられている。上流側排気管２７ａが機関本体１００と上流側ケーシング２９ａとを連結する。下流側排気管２７ｂが上流側ケーシング２９ａと下流側ケーシング２９ｂとを連結する。上流側ケーシング２９ａは上流側排気浄化触媒２８ａを内蔵する。下流側ケーシング２９ｂは下流側排気浄化触媒２８ｂを内蔵する。また、上流側排気温度センサ１０５ａが上流側排気管２７ａにおいて上流側空燃比センサ１０ａの近傍に配置され、下流側排気温度センサ１０５ｂが下流側排気管２７ｂにおいて下流側空燃比センサ１０ｂの近傍に配置される。
【００８３】
上流側空燃比センサ１０ａは上流側排気浄化触媒２８ａよりも排気流れ方向上流側の上流側排気管２７ａに配置され、下流側空燃比センサ１０ｂは上流側排気浄化触媒２８ａよりも排気流れ方向下流側の下流側排気管２７ｂに配置されている。したがって、下流側空燃比センサ１０ｂは上流側空燃比センサ１０ａよりも排気流れ方向下流側に位置する。例えば、上流側空燃比センサ１０ａは、内燃機関１’が搭載された車両のエンジンルームに配置され、下流側空燃比センサ１０ｂは、内燃機関１’が搭載された車両の床下に配置される。
【００８４】
下流側排気管２７ｂが上流側排気管２７ａよりも燃焼室２から離れているため、内燃機関１’の始動後、排気ガスによる下流側排気管２７ｂの温度上昇は上流側排気管２７ａの温度上昇よりも遅くなる。このため、下流側排気管２７ｂにおいて生成される凝縮水の量は、上流側排気管２７ａにおいて生成される凝縮水の量よりも多くなる。したがって、排気ガスと共にセンサ素子１２に衝突する水滴の量は上流側空燃比センサ１０ａよりも下流側空燃比センサ１０ｂにおいて多くなる。また、排気通路内で生成された凝縮水は車両のエンジンルームよりも車両の床下に溜まりやすい。このため、下流側空燃比センサ１０ｂが車両の床下に配置されている場合には、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサ素子に衝突する水滴の量は更に多くなる。
【００８５】
そこで、第五実施形態では、ヒータ制御部は、下流側空燃比センサ１０ｂにおける第一目標温度及び第二目標温度を上流側空燃比センサ１０ａにおける第一目標温度及び第二目標温度よりも高く設定する。このことによって、内燃機関に複数の空燃比センサが設けられている場合にも、より効果的に、ヒータの消費電力の増加を抑制しつつ、被水による空燃比センサの素子割れを防止することができる。
【００８６】
なお、排気通路に配置される排気浄化触媒の数は二以外であってもよい。また、排気通路に配置される空燃比センサの数は二つよりも多くてもよい。この場合、センサセルの目標温度は、排気流れ方向下流側に位置する空燃比センサほど高く設定される。
【００８７】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図１１のタイムチャートを参照して、第五実施形態における制御について具体的に説明する。図１１は、内燃機関１を始動させるときの、機関負荷、上流側空燃比センサ１０ａ周りの上流側排気管２７ａの温度、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル温度、下流側空燃比センサ１０ｂ周りの下流側排気管２７ｂの温度及び下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル温度の概略的なタイムチャートである。センサセル温度のグラフでは、センサセルの目標温度が細線で示される。図示した例では、空燃比センサ１０ａ、１０ｂ周りの排気管２７ａ、２７ｂの温度は、それぞれ、排気温度センサ１０５ａ、１０５ｂの出力から算出されている。また、センサ素子１２の温度はセンサセルのインピーダンスに基づいて算出されている。
【００８８】
図示した例では、時刻ｔ０において内燃機関１が始動される。内燃機関１が始動されると、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセルの目標温度が第一目標温度ＴＴｕ１に設定され、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセルの目標温度が第一目標温度ＴＴｄ１に設定される。下流側空燃比センサ１０ｂにおける第一目標温度ＴＴｄ１は上流側空燃比センサ１０ａにおける第一目標温度ＴＴｕ１よりも高い。この結果、時刻ｔ０の後、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル温度は第一目標温度ＴＴｕ１に向かって上昇し、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル温度は第一目標温度ＴＴｄ１に向かって上昇する。
【００８９】
時刻ｔ１において、上流側空燃比センサ１０ａ周りの上流側排気管２７ａの温度が第一排気管温度ＰＴ１に達する。第一排気管温度ＰＴ１は例えば水の露点（５４℃）である。時刻ｔ２において、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセルの目標温度が第一目標温度ＴＴｕ１から第二目標温度ＴＴｕ２に切り替えられる。この結果、時刻ｔ２の後、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル温度が第二目標温度ＴＴｕ２に向かって低下する。
【００９０】
時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ１０ｂ周りの下流側排気管２７ｂの温度が第一排気管温度ＰＴ１に達する。時刻ｔ２において、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセルの目標温度が第一目標温度ＴＴｄ１から第二目標温度ＴＴｄ２に切り替えられる。下流側空燃比センサ１０ｂにおける第二目標温度ＴＴｄ２は上流側空燃比センサ１０ａにおける第二目標温度ＴＴｕ２よりも高い。この結果、時刻ｔ２の後、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル温度が第二目標温度ＴＴｄ２に向かって低下する。
【００９１】
時刻ｔ３において、上流側空燃比センサ１０ａ周りの上流側排気管２７ａの温度が第二排気管温度ＰＴ２に達する。第二排気管温度ＰＴ２は例えば水の沸点（１００℃）である。時刻ｔ３において、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセルの目標温度が第二目標温度ＴＴｕ２からセンサセルの作動温度ＯＴに切り替えられる。この結果、時刻ｔ３の後、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル温度が作動温度ＯＴに向かって低下する。
【００９２】
時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ１０ｂ周りの下流側排気管２７ｂの温度が第二排気管温度ＰＴ２に達する。時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセルの目標温度が第二目標温度ＴＴｄ２からセンサセルの作動温度ＯＴに切り替えられる。この結果、時刻ｔ４の後、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル温度が作動温度ＯＴに向かって低下する。
【００９３】
＜目標温度設定処理＞
第五実施形態では、図７に示した制御ルーチンが、上流側空燃比センサ１０ａ及び下流側空燃比センサ１０ｂについて、それぞれ実行される。このとき、下流側空燃比センサ１０ｂにおける第一目標温度及び第二目標温度は上流側空燃比センサ１０ａにおける第一目標温度及び第二目標温度よりも高くされる。なお、第五実施形態において、図７に示した制御ルーチンの代わりに、図８又は図９に示した制御ルーチンが実行されてもよい。この場合も、下流側空燃比センサ１０ｂにおける第一目標温度及び第二目標温度は上流側空燃比センサ１０ａにおける第一目標温度及び第二目標温度よりも高くされる。
【００９４】
＜第六実施形態＞
第六実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第六実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００９５】
第六実施形態では、排気センサの制御装置は、空燃比センサ１０の排気流れ方向上流側の排気通路内の凝縮水の量を推定する水量推定部を備える。ヒータ制御部は、内燃機関１の始動後、水量推定部によって推定された凝縮水の量に基づいて、センサセル５１の作動温度以上の温度にセンサセル５１の目標温度を設定する。具体的には、ヒータ制御部は、凝縮水の推定量が相対的に多い場合に、凝縮水の推定量が相対的に少ない場合に比べて、センサセル５１の目標温度を高く設定する。言い換えれば、ヒータ制御部は、凝縮水の推定量が多くなるにつれてセンサセル５１の目標温度を段階的に（ステップ状に）又はリニアに高くする。
【００９６】
上述したように、ライデンフロスト現象が発生する温度は、センサ素子１２に衝突する水滴の量が多いほど高くなる（図４参照）。また、センサ素子１２に衝突する水滴の量は、排気通路内の凝縮水の量が多いほど多くなる。このため、凝縮水の推定量に基づいてセンサセル５１の目標温度を設定することによって、より効果的に、ヒータの消費電力の増加を抑制しつつ、被水による排気センサの素子割れを防止することができる。
【００９７】
水量推定部は、例えば、特許文献３に記載されたような公知の方法によって、空燃比センサ１０の排気流れ方向上流側の排気通路内の凝縮水の量を推定する。以下、凝縮水の推定方法について簡単に説明する。
【００９８】
水量推定部は、燃焼室２における混合気の燃焼によって単位時間当たりに生成される水蒸気量と、凝縮割合とに基づいて、凝縮水の増加量を算出し、凝縮水の増加量を積算することで排気通路内の凝縮水の量を推定する。凝縮割合は、排気ガス中の水蒸気が排気通路内で凝縮する割合である。
【００９９】
単位時間当たりに生成される水蒸気量は単位時間当たりの吸入空気量と単位時間当たりの燃料噴射量とに基づいて算出される。凝縮割合は、排気ガス温度（例えば排気ポート近傍における排気ガス温度）と、空燃比センサ１０近傍における排気管２７の温度とに基づいて算出される。排気ガス温度は、例えば、吸入空気量、機関回転数等に基づいて算出される。排気管２７の温度は例えば排気温度センサ１０５の出力から算出される。また、排気管２７の温度は、第一実施形態の説明に記載したように、内燃機関１が始動してからの経過時間又は積算空気量に基づいて算出されてもよい。
【０１００】
＜目標温度設定処理＞
図１２は、本発明の第六実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【０１０１】
最初に、ステップＳ４０１において、水量推定部が空燃比センサ１０の排気流れ方向上流側の排気通路内の凝縮水の量を推定する。次いで、ステップＳ４０２において、ヒータ制御部が、ステップＳ４０１において推定された凝縮水の量に基づいて、センサセル５１の目標温度を推定する。ステップＳ４０２の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１０２】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、排気センサの制御装置によって制御される排気センサは、排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。また、排気センサは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）、排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）濃度を検出する硫黄酸化物センサ（ＳＯｘセンサ）等であってもよい。
【０１０３】
また、排気センサの素子本体には、センサセルに加えて、他の電気化学セルが設けられていてもよい。他の電気化学セルは、例えば、被測ガス中の酸素を被測ガス室から排出するポンプセル、被測ガス中の特定の成分の濃度を検出するモニタセル等である。この場合、ヒータ制御部は、ポンプセル又はモニタセルの目標温度を設定すると共にポンプセル又はモニタセルの温度が目標温度になるようにヒータを制御してもよい。ポンプセル又はモニタセルの温度はそのインピーダンスから算出される。
【符号の説明】
【０１０４】
１    内燃機関
１０    空燃比センサ
１２    センサ素子
５０    素子本体
５１    センサセル
５５    ヒータ
６０    保護層
８０    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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