(57)【要約】【課題】排気管壁面から飛散する水滴の付着による排気センサの素子割れを抑制しながらも、排気センサを早期に活性化することのできる排気センサのヒータ制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気管に設けられた排気センサについて、そのヒータの通電状態を制御する排気センサのヒータ制御装置は、内燃機関の吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上である状態が所定期間継続したことを条件にヒータの通電を許可する。一方、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になった状態から判定値ＧＡｓｔ未満にまで低下したことを条件にヒータの通電を禁止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に設けられた排気センサについてそのヒータの通電状態を制御する排気センサのヒータ制御装置において、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する検出手段と、前記検出手段により検出される吸入空気量が所定の判定値以上であることを条件に前記ヒータの通電を許可する一方、前記検出される吸入空気量が前記判定値以上になった状態から該判定値未満にまで低下したことを条件に前記ヒータの通電を禁止する通電状態制御手段とを
備える排気センサのヒータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排気センサのヒータ制御装置において、
前記通電状態制御手段は前記検出される吸入空気量が前記判定値未満にまで低下した時期と同期して前記ヒータの通電を禁止する
ことを特徴とする排気センサのヒータ制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の排気センサのヒータ制御装置において、
前記通電状態制御手段は前記検出される吸入空気量が前記判定値以上になったときから所定の判定期間が経過したことを条件に前記ヒータの通電を許可する
ことを特徴とする排気センサのヒータ制御装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の排気センサのヒータ制御装置において、
前記通電状態制御手段は前記検出される吸入空気量が前記判定値以上になってからの経過期間が長くなるほど前記ヒータの温度が高くなるようにその通電状態を制御する
ことを特徴とする排気センサのヒータ制御装置。
【請求項５】
請求項３に記載の排気センサのヒータ制御装置において、
前記排気管の内壁のデポジット付着の有無を推定する推定手段を更に備え、
前記通電状態制御手段は前記推定手段によるデポジット付着が無い旨の推定結果に基づいて前記判定期間を短く設定する
ことを特徴とする排気センサのヒータ制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の排気センサのヒータ制御装置において、
前記推定手段は検出される吸入空気量に基づいて排気管内壁の表面温度を監視し、該表面温度に基づいて前記デポジット付着の有無を推定する
ことを特徴とする排気センサのヒータ制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気センサのヒータ制御装置において、
前記排気センサは、排気中の酸素濃度に応じて連続して変化する信号を出力する空燃比センサである
ことを特徴とした排気センサのヒータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、センサ素子を加熱するヒータを備え、排気管に取り付けられる排気センサのヒータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関にあっては、排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物（以下それぞれＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘと記載する）を清浄化する三元触媒を排気通路に設け、これらの排出量低減を図っている。三元触媒にあっては、理論空燃比近傍の空燃比の混合気が燃焼した場合に、ＨＣ並びにＣＯと、ＮＯｘとの間の酸化還元反応が最も効率的に行われるため、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの３成分に対してともに高い浄化効率を示す。すなわち、三元触媒によって効率的に排気を清浄化するためには、混合気の空燃比を理論空燃比近傍に調整する必要がある。
【０００３】
そこで、こうした内燃機関にあっては、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する空燃比センサを排気管に設け、その出力信号に基づいて吸入空気量に対する燃料噴射量を増減することによって混合気の空燃比が理論空燃比近傍となるように調整する空燃比フィードバック制御を実行している。
【０００４】
ところで、空燃比センサは、約７００℃以上の温度下で活性化するまではセンサ特性が不安定であるため、内燃機関が始動してからセンサ素子が活性化するまでの期間は正確な空燃比フィードバック制御を実行することができない。そのため、こうした空燃比センサにあっては、センサ素子を加熱するためのヒータを設け、同ヒータによりセンサ素子を加熱することによって活性化に要する時間を短縮し、内燃機関始動後の極力早い時期から空燃比フィードバック制御を実行して排気性状の向上を図るようにしている。
【０００５】
ところが、例えば機関冷間始動時には低温の排気管壁面に接触した排気中の水蒸気が凝集して、水滴が発生することがある。そして、この水滴が排気の流通によって排気管内で飛散し空燃比センサに付着すると、高温に加熱されたセンサ素子が急激に冷却され熱応力によってセンサ素子が割れる、いわゆる素子割れが発生するおそれがある。
【０００６】
そのため、特許文献１に記載のものにあっては、機関始動からの吸入空気の積算量に基づいて排気管温度を推定し、水滴が発生しない温度まで排気管温度が上昇したことをもって、ヒータ通電制御を開始するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−０４１９２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、こうしたヒータ通電制御によれば確かに排気センサの素子割れを抑制できるものの、排気管温度が十分に上昇して水滴の発生しない状態になるまでは、ヒータ通電制御を実行しセンサ素子を活性化することができないため、機関始動直後に空燃比フィードバック制御を早期に開始するという点では、なお改善の余地を残すものとなっていた。
【０００８】
なお、こうしたセンサの早期活性化にかかる課題は上記空燃比センサの他にもＯ２センサや、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ等、センサ素子を加熱するヒータを備え、排気管に配設される排気センサにあっては、おおむね共通するものである。
【０００９】
この発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気管壁面から飛散する水滴の付着による排気センサの素子割れを抑制しながらも、排気センサを早期に活性化することのできる排気センサのヒータ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】
【００１０】
以下、上記目的を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気管に設けられた排気センサについてそのヒータの通電状態を制御する排気センサのヒータ制御装置において、前記内燃機関の吸入空気量を検出する検出手段と、前記検出手段により検出される吸入空気量が所定の判定値以上であることを条件に前記ヒータの通電を許可する一方、前記検出される吸入空気量が前記判定値以上になった状態から該判定値未満にまで低下したことを条件に前記ヒータの通電を禁止する通電状態制御手段とを備えることをその要旨とする。
【００１１】
内燃機関の吸入空気量が多くなるほど、内燃機関から排出される排気の量は多くなるため、排気管を流れる排気流速は早くなる。また、排気管内に発生する水滴は、排気の流通によって飛散、あるいは排気管壁面に沿って流れるため、排気センサの下流側に移動する。そのため、排気管全体の温度が十分に上昇しておらず、排気管内に水滴が発生する場合であっても、十分な排気流速が確保されさえすれば排気管内に発生した水滴が成長してこれが排気センサに付着する可能性は極めて低い。すなわち、十分な排気流速が確保されていれば、飛散した水滴が高温の排気センサに付着したとしても、水滴が小さいため排気センサの温度低下は小さく熱応力による素子割れは発生しにくい。
【００１２】
そのため、上記構成によれば、検出される吸入空気量が所定の判定値以上であるか否かに基づいて素子割れの発生しやすさを推定し、素子割れの発生しにくいときにはヒータの通電を許可して排気センサを活性化する一方、素子割れの発生しやすいときにはヒータの通電を禁止することにより素子割れの発生を抑制することができるようになる。すなわち、排気管内に水滴が発生する状態であっても、素子割れの発生を抑制しながらヒータの通電機会を積極的に増やすことができ、排気センサを早期に活性化することができるようになる。
【００１３】
なお、吸入空気量の判定値を大きな値に設定するほど、水滴の除去作用が大きい状態になってからヒータの通電を許可するようになるため、素子割れの発生をより確実に抑制することができるが、ヒータの通電機会は少なくなるため、排気センサの早期活性化による排気性状の悪化を抑制する効果は小さくなる。このため、上記判定値は、排気センサの他熱衝撃性と活性化に要する時間とをそれぞれ考慮して設定される。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気センサのヒータ制御装置において、前記通電状態制御手段は前記検出される吸入空気量が前記判定値未満にまで低下した時期と同期して前記ヒータの通電を禁止することをその要旨とする。
【００１５】
ヒータの通電を禁止したあと、高温になった排気センサの温度が、水滴が付着しても素子割れの発生しにくい温度にまで低下するにはある程度の時間がかかる。上記請求項２に記載の発明によれば、検出される吸入空気量が判定値未満にまで低下した時期と同期してヒータの通電を禁止するため、吸入空気量が所定の判定値未満となってその後素子割れの発生しやすい状況に移行し得ることが推定されたときに速やかに排気センサの温度を下げることができるようになり、素子割れの発生をより好適に抑制することができるようになる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の排気センサのヒータ制御装置において、前記通電状態制御手段は前記検出される吸入空気量が前記判定値以上になったときから所定の判定期間が経過したことを条件に前記ヒータの通電を許可することをその要旨とする。
【００１７】
検出される吸入空気量が判定値以上であれば、前述のように排気の流通による水滴の除去作用が大きく素子割れの発生しにくい状態であると推定することができる。但し、吸入空気量が判定値以上になった直後には判定値未満の期間に発生した水滴がまだ排気管内壁に付着している可能性が高く、こうした水滴が飛散することにより素子割れが発生するおそれがある。
【００１８】
上記構成によれば、検出される吸入空気量が判定値以上になったときから所定の判定期間が経過したことを条件にヒータの通電を許可するようにしているため、吸入空気量が判定値未満の期間に発生した水滴の大部分が排気センサの下流側に移動してからヒータの通電が許可されるようになり、素子割れの発生を一層好適に抑制することができるようになる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の排気センサのヒータ制御装置において、前記通電状態制御手段は前記検出される吸入空気量が前記判定値以上になってからの経過期間が長くなるほど前記ヒータの温度が高くなるようにその通電状態を制御することをその要旨とする。
【００２０】
上記構成によれば、請求項１又は請求項２に記載の排気センサのヒータ制御装置において、前記通電状態制御手段は前記検出される吸入空気量が前記判定値以上になってからの経過期間が長くなるほど前記ヒータの温度が高くなるようにその通電状態を制御することをその要旨とする。
【００２１】
検出される吸入空気量が判定値以上になってからの経過期間が長いほど排気管内に付着している水滴の量は少なくなるため、素子割れの発生する可能性は低くなる。そのため、上記構成によるように検出される吸入空気量が判定値以上になってからの経過期間が長くなるほどヒータの温度が高くなるように通電状態を制御することによって素子割れの発生する可能性に応じたより的確なヒータ通電制御を実行することができる。
【００２２】
なお、具体的にヒータの温度を制御する通電制御態様としては、
・検出される吸入空気量が判定値以上になってからの経過期間が長くなるほどヒータに印加する電圧を高くする
・ヒータの通電時間をデューティ制御する場合には、検出される吸入空気量が判定値以上になってからの経過期間が長くなるほどデューティ比を大きくする
・目標ヒータ温度を設定してヒータ温度をフィードバック制御する場合には、検出される吸入空気量が判定値以上になってからの経過期間が長くなるほど目標ヒータ温度を高くする
等々を挙げることができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の排気センサのヒータ制御装置において、前記排気管の内壁のデポジット付着の有無を推定する推定手段を更に備え、前記通電状態制御手段は前記推定手段によるデポジット付着が無い旨の推定結果に基づいて前記判定期間を短く設定することをその要旨とする。
【００２４】
排気管内壁には、排気中に含まれる煤、燃料、オイル等のデポジットが付着することがある。このように排気管内壁にデポジットが付着すると、そのデポジットの凹凸により水滴の流れが阻害され水滴同士が集まって水滴が大きくなりやすく、また、排気管内壁の撥水性が高くなり、同排気管内壁に付着した水滴が凝集して大きな水滴となりやすい。この点、上記請求項５に記載の発明によれば、上記デポジットの付着が無い旨の判定に基づいて判定期間を短くするようにしているため、素子割れの原因となるような大きな水滴の飛散する可能性をより的確に推定し、それに基づいて判定期間を適切に設定することができるようになる。このため、例えばこうしたデポジットの付着による大きな水滴の飛散を予め見込んで上記判定期間を設定するようにした場合とは異なり、吸入空気量が判定値以上になってからヒータの通電を許可するまでの期間を極力短くすることができ、排気センサを早期に活性化することができるようになる。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の排気センサのヒータ制御装置において、前記推定手段は検出される吸入空気量に基づいて排気管内壁の表面温度を監視し、該表面温度に基づいて前記デポジット付着の有無を推定することをその要旨とする。
【００２６】
排気管内壁の表面温度は、排気から排気管内壁に伝達される熱量に応じて変動する。また、排気の熱量は主に吸入空気量によって決まる内燃機関の燃焼熱に比例するため、吸入空気量に基づいて排気管内壁の表面温度を推定することができる。そして、排気管の内壁に付着した煤、燃料、オイル等のデポジットは、排気管内壁の表面温度が高温になると燃焼するため、その量は減少する。そのため請求項６に記載の発明によるように推定手段は吸入空気量に基づいて排気管内壁の表面温度を監視することによって、該表面温度に基づいてデポジット付着の有無を推定することができる。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気センサのヒータ制御装置において、前記排気センサは、排気中の酸素濃度に応じて連続して変化する信号を出力する空燃比センサであることをその要旨とする。
【００２８】
空燃比センサは、活性化温度が比較的高温であるため、活性化温度まで過熱する際に比較的長い時間を要する。そのため、こうした空燃比センサのヒータ制御装置として、上記請求項１〜６に記載の発明を適用することにより、その早期活性化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、この発明にかかる排気センサのヒータ制御装置を車両用エンジンの排気管に設けた空燃比センサのヒータ制御装置に具現化した一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００３０】
図１は、この実施形態にかかる空燃比センサの制御装置を備えたエンジンの概略構成を示している。図１に示されるようにエンジン１０には、吸気管２０と排気管３０とが接続されている。排気管３０には、排気に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを酸化還元反応によって清浄化する三元触媒４０が設けられている。
【００３１】
電子制御装置５０は、エンジン１０に設けられた各種センサの出力信号に基づいて、エンジン１０を統括的に制御する。例えば、運転者のアクセル操作量を検出する図示しないアクセルポジションセンサの出力信号に基づいて負荷要求の度合いを推定し、推定された負荷要求に応じた出力を得るべくエンジン１０の吸入空気量を調節する。
【００３２】
その他上記各種センサとして、水温センサ５１、エアフロメータ５２、空燃比センサ５３等が設けられている。水温センサ５１は、エンジン１０に設けられ機関冷却水温ＴＨＷに基づいた信号を出力する。エアフロメータ５２は、吸気管２０に設けられエンジン１０に導入される空気の量である吸入空気量ＧＡと吸気温ＴＨＡとを検出する。空燃比センサ５３は、排気管３０の三元触媒４０上流側近傍に設けられ排気中の酸素濃度に応じて連続して変化する信号を出力する。なお、空燃比センサ５３は、活性化温度（例えば７００℃）においてセンサ素子（図示略）が活性化し安定した検出特性を示すため、センサ素子を加熱して早期活性化を図るためのヒータ（図示略）が内蔵されている。
【００３３】
三元触媒４０にあっては、理論空燃比近傍の空燃比の混合気が燃焼したときに、上記の酸化還元反応が最も効率的に行われるため、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの３成分に対してともに高い浄化効率を示す。電子制御装置５０は、空燃比センサ５３の出力信号に基づいて吸入空気量ＧＡに対する燃料噴射量を増減することによって混合気の空燃比が理論空燃比近傍となるように調整する空燃比フィードバック制御を実行している。こうした空燃比フィードバック制御を通じて、混合気の空燃比が理論空燃比近傍となるように燃料噴射量が調整され、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの排出が抑制される。
【００３４】
なお、電子制御装置５０は、上記空燃比センサ５３のセンサ素子を活性化温度近傍に保持するヒータの通電制御を実行しており、空燃比センサ５３のヒータ制御装置を兼ねている。
【００３５】
機関始動直後の機関冷間時等に排気管３０に発生した水滴は、排気の流通によって排気管３０内で飛散するため、こうした水滴が空燃比センサ５３に付着することがある。空燃比センサ５３のようにヒータによる加熱を必要とする排気センサにあっては、高温に加熱された空燃比センサ５３に水滴が付着すると、センサ素子が急激に冷却され熱応力によってセンサ素子が割れる、いわゆる素子割れが発生するおそれがある。
【００３６】
そのため、この実施形態かかるヒータ制御装置にあっては、機関始動からの吸入空気の積算量に基づいて排気管温度ＴＨＥＸを推定し、水滴が発生しにくい温度まで排気管温度ＴＨＥＸが上昇した場合には、ヒータの通電を許可するようにしている。
【００３７】
更に、この実施形態においては、仮に、排気管温度ＴＨＥＸが十分に上昇しておらず排気管３０に水滴が発生する場合であっても、素子割れの発生しやすさを推定し素子割れの発生しにくい状態である場合には、ヒータの通電を許可するようにしている。
【００３８】
以下、図２及び図３を参照して、上記ヒータ通電制御の具体的な処理手順について説明する。
図２は、ヒータの通電を許可するか否かを判定する処理の流れを示すフローチャートである。この処理はエンジン１０の始動後、電子制御装置５０により所定の制御周期で繰り返し実行される。
【００３９】
この処理が開始されると、まず、ステップＳ１００において、機関始動時の機関冷却水温ＴＨＷと、現在の吸気温ＴＨＡ及び吸入空気量ＧＡとに基づいて空燃比センサ５３近傍の排気管３０の温度である排気管温度ＴＨＥＸを推定する。この排気管温度ＴＨＥＸの推定は具体的には次のように行われる。
【００４０】
まず、機関始動時の機関冷却水温ＴＨＷに基づいて機関始動時の排気管温度ＴＨＥＸについてその初期値を算出する。そして、吸入空気量ＧＡが大きくなれば排気流量と排気温度とが上昇して排気から空燃比センサ５３近傍の排気管３０の内壁面に伝達される熱量が大きくなる。一方、外気温度を反映している吸気温ＴＨＡが低くなれば空燃比センサ５３近傍の排気管３０の外壁面から外部に伝達される熱量も大きくなる。このため、吸入空気量ＧＡと吸気温ＴＨＡとをパラメータとして温度上昇量ｄＴＨを算出する。そして、これら機関始動時の排気管温度ＴＨＥＸと温度上昇量ｄＴＨの積算値とから現在の排気管温度ＴＨＥＸを推定する。
【００４１】
次に、ステップＳ１１０において、排気管温度ＴＨＥＸが基準温度ＴＨｓｔ未満であるか否かを判定する。基準温度ＴＨｓｔは、排気中の水蒸気が凝集して水滴が発生する上限温度である露点、或いはこの露点近傍の温度に設定されている。ステップＳ１１０では、排気管温度ＴＨＥＸがこのように設定された基準温度ＴＨｓｔ未満であるか否かの判定を通じて、排気管３０に水滴が付着する状態であるか否かを推定する。
【００４２】
このステップＳ１１０において、排気管温度ＴＨＥＸが基準温度ＴＨｓｔ以上である旨判定された（ステップＳ１１０：ＮＯ）場合、すなわち排気管温度ＴＨＥＸが上昇し、排気管３０の内壁に水滴が付着しない温度になっている場合には、ステップＳ１４５へと進む。そして、ステップＳ１４５において、空燃比センサ５３のヒータの通電を許可して、ステップＳ１００へと戻り、この処理を繰り返す。
【００４３】
一方、排気管温度ＴＨＥＸが基準温度ＴＨｓｔ未満であり、排気管３０の内壁に水滴が付着する可能性が有る場合であっても、所定の条件が満たされた場合には、ヒータの通電が一時的に許可されるようになる。以下、この場合について説明する。
【００４４】
ステップＳ１１０において、排気管温度ＴＨＥＸが基準温度ＴＨｓｔ未満である旨判定された場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、すなわち排気管３０に水滴が付着する状態であることが推定された場合には、ステップＳ１２０へと進み、エアフロメータ５２によって検出される吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上であるか否かを判定する。
【００４５】
吸入空気量ＧＡが大きいほどエンジン１０から排出される排気の排気流速は大きくなる。そして、排気流速が大きいほど排気管３０に付着している水滴は大きく成長する前に、空燃比センサ５３より下流側に移動するようになる。判定値ＧＡｓｔは、このように排気管３０に発生する水滴が素子割れの原因となる大きさまで成長する前に移動するようになる吸入空気量ＧＡの下限値としてあらかじめ実験等の結果に基づいて設定されている。
【００４６】
ステップＳ１２０では、吸入空気量ＧＡがこうして設定された判定値ＧＡｓｔ以上であるか否かの判定を通じて、排気管３０から飛散する水滴が素子割れの原因となる大きさにまで成長するか否か、すなわち水滴が飛散することにより素子割れが発生しやすい状態であるか否かを推定する。
【００４７】
ステップＳ１２０において、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上である旨判定された場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、ステップＳ１３０に進み判定期間カウント値ＣＨＴ（以下、カウント値ＣＨＴとする）に所定値ＫＨＴを加えて、その加算値を新たなカウント値ＣＨＴとして設定する。なお、この所定値ＫＨＴは、後述するデポジット付着量推定処理を通じて設定される値である。
【００４８】
ステップＳ１３０において、カウント値ＣＨＴを新たに設定すると、次にステップＳ１４０において、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ未満であるか否かを判定する。この処理では、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上の状態が、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮに到達するまでの所定期間継続したことに基づいて、排気管３０の水滴が空燃比センサ５３より下流側に移動し素子割れの発生しにくい状態になった旨を判定する。閾値ＫＯＮは、上記所定期間が経過したか否かを判定する閾値であり、あらかじめ実験等の結果に基づいて適切な値が設定されている。また、このカウント値ＣＨＴは、閾値ＫＯＮよりもある程度大きな値になるとそれ以上増大しないようにガードがかけられている。
【００４９】
そしてこのステップＳ１４０において、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ未満である旨が判定された場合には（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、ステップＳ１５０において、ヒータの通電を禁止して、ステップＳ１００へと戻り、この処理を繰り返す。
【００５０】
一方、ステップＳ１４０において、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ以上である旨が判定された場合には（ステップＳ１４０：ＮＯ）、ステップＳ１４５において、ヒータの通電を許可して、ステップＳ１００へと戻り、この処理を繰り返す。
【００５１】
また、ステップＳ１１０を通じて排気管温度ＴＨＥＸが基準温度ＴＨｓｔ未満である旨判定され、ステップＳ１２０において、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ未満である旨判定された場合には（ステップＳ１２０：ＮＯ）、ステップＳ１３５に進みカウント値ＣＨＴを「０」にリセットする。すなわち、一旦カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ以上となった場合であっても、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ未満となった場合には、カウント値ＣＨＴが「０」になり、ステップＳ１４０において、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ未満である旨の判定が行われてヒータの通電が禁止される。
【００５２】
上記のようにステップＳ１１０において、排気管温度ＴＨＥＸが基準温度ＴＨｓｔ未満である旨判定されている間は、ステップステップＳ１２０〜ステップＳ１４０を繰り返す。こうして吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になったときからカウント値ＣＨＴに所定値ＫＨＴを加え始め、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ以上となるまでの期間として、あらかじめ設定された判定期間が経過したことを条件に前記ヒータの通電を許可するようにしている。
【００５３】
次に、排気管３０へのデポジットの付着の有無を推定し、それに基づいて上記カウント値ＣＨＴの所定値ＫＨＴを設定するデポジット付着推定処理の流れを、図３を参照して説明する。
【００５４】
図３は、上記所定値ＫＨＴを設定するデポジット付着推定処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、図２を参照して説明した上記通電を許可するか否かを判定する処理と並行して電子制御装置５０にて所定の制御周期で繰り返し実行される。
【００５５】
まず、ステップＳ２００において、排気管３０内壁の表面温度ＴＨＳを推定する。排気管３０内壁の表面は、高温の排気に曝されるため高温になりやすいものの、機関冷間時にあっては排気管３０外壁側への熱伝導、並びに排気管３０外壁側からの放熱により熱が奪われる、また熱容量も小さいため、排気から伝達される熱量が低下するとすぐにその温度が低下する。そのため、機関冷間時の排気管３０内壁の表面温度ＴＨＳは、排気から排気管３０内壁に伝達される熱量に応じて変動する。排気の熱量は、主に吸入空気量ＧＡによって決まるエンジン１０の燃焼熱に比例するため、排気管温度ＴＨＥＸ、吸入空気量ＧＡ及び吸気温ＴＨＡに基づいてこれを推定することができる。
【００５６】
ステップＳ２００において、排気管３０の表面温度ＴＨＳが推定されると、ステップＳ２１０において、表面温度ＴＨＳがデポジットの燃焼推定温度ＴＨｄｅｐ未満であるか否かが判定される。なお、燃焼推定温度ＴＨｄｅｐは、デポジットが燃焼処理される排気管３０の表面温度の下限値近傍の値であり、予め実験等を通じて設定されている。
【００５７】
ステップＳ２１０において、表面温度ＴＨＳが燃焼推定温度ＴＨｄｅｐ未満である旨判定された場合には（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、ステップＳ２２０へと進む。そして、ステップＳ２２０において、デポジット付着量と相関を有して増減するデポジット付着量カウント値ＣＰＭ（以下カウント値ＣＰＭと記載する）に所定値ＫＵＰを加え、その加算値を新たなカウント値ＣＰＭとして設定し、ステップＳ２３０へと進む。
【００５８】
一方、ステップＳ２１０において、表面温度ＴＨＳが燃焼推定温度ＴＨｄｅｐ以上である旨推定された場合には（ステップＳ２１０：ＮＯ）、ステップＳ２２５へと進み、カウント値ＣＰＭから所定値ＫＤＮを減じて、その減算値を新たなカウント値ＣＰＭとして設定し、ステップＳ２３０へと進む。
【００５９】
なお、デポジットが排気管３０に付着する速度よりも燃焼して付着量が減少する速度が早いため、カウント値ＣＰＭに加算される所定値ＫＵＰと、カウント値ＣＰＭから減算される所定値ＫＤＮとでは、所定値ＫＤＮが所定値ＫＵＰよりも大きな値に設定されている。これら各所定値ＫＵＰ，ＫＤＮは、カウント値ＣＰＭが実際のデポジットの付着態様に即した増減特性となるように、実験等の結果に基づいてその値を適宜変更してもよい。
【００６０】
次に、ステップＳ２３０では、カウント値ＣＰＭが閾値ＫＨｉよりも小さいか否かが判定される。なお、閾値ＫＨｉは、カウント値ＣＰＭがこの値以上となった場合には、排気管３０の内壁にデポジットが付着している状態であることを推定する値として適切な大きさの値があらかじめ設定されている。
【００６１】
ステップＳ２３０において、カウント値ＣＰＭが閾値ＫＨｉ以上である旨判定されたには（ステップＳ２３０：ＮＯ）、ステップＳ２３５へと進み、先に説明したステップＳ１３０の処理においてカウント値ＣＨＴに加算される所定値ＫＨＴを所定値ＫＳに設定し、ステップＳ２００へと戻り、この処理を繰り返す。
【００６２】
一方、ステップＳ２３０において、カウント値ＣＰＭが閾値ＫＨｉよりも小さい旨判定された場合には（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、ステップＳ２４０へと進み、ステップＳ２４０において、カウント値ＣＰＭが閾値ＫＬｏよりも大きいか否かを判定する。なお、閾値ＫＬｏは、カウント値ＣＰＭがこの値以下となった場合には、排気管３０の内壁に付着していたデポジットが燃焼処理されデポジットの付着が無い状態であることを推定する値として適切な大きさの値があらかじめ設定されている。
【００６３】
ステップＳ２４０において、カウント値ＣＰＭが閾値ＫＬｏ以下である旨判定された場合には（ステップＳ２４０：ＮＯ）、ステップＳ２４５へと進み、先に説明したステップＳ１３０の処理においてカウント値ＣＨＴに加算される所定値ＫＨＴを所定値ＫＬに設定し、ステップＳ２００へと戻り、この処理を繰り返す。なおここで、上記所定値ＫＳ，ＫＬについてはＫＳ＜ＫＬなる大小関係が設定されている。
【００６４】
一方、ステップＳ２４０において、カウント値ＣＰＭが閾値ＫＬｏ未満である旨判定された場合（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、すなわちカウント値ＣＰＭが閾値ＫＬｏと閾値ＫＨｉとの間の値である場合には、所定値ＫＨＴをそのまま保持し、ステップＳ２００へと戻り、この処理を繰り返す。
【００６５】
上記説明したデポジット付着推定処理を繰り返し実行することにより、排気管３０の表面温度ＴＨＳに基づいてデポジットの付着の有無を推定し、それに対応した所定値ＫＨＴを設定するようにしている。
【００６６】
なお、カウント値ＣＰＭには、閾値ＫＨｉよりも所定量大きな上限値と閾値ＫＬｏよりも所定量小さな下限値が設定されており、上限値以上の値、下限値以上の値とはならないようにガードがかけられている。ちなみに、機関始動直後のカウント値ＣＰＭは、この上限値に設定されている。すなわち、機関始動直後には、デポジットが付着している旨の推定されるようにカウント値ＣＰＭの初期値が設定されている。
【００６７】
またこのデポジット付着判定処理では、排気管３０に付着しているデポジットの量を推定し、デポジットが付着している場合には所定値ＫＨＴを小さな所定値ＫＳに設定する一方、デポジットが付着していない場合には所定値ＫＨＴを大きな所定値ＫＬに設定するようにしている。すなわち、デポジットの付着の有無を推定し、デポジットの付着していない旨の推定結果に基づいて、カウント値ＣＨＴに加算する所定値ＫＨＴを大きな所定値ＫＬに設定することを通じて、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮに到達するまでの期間として設定される上記判定期間を実質的に短くするようにしている。これは以下の理由による。すなわち、排気管３０内壁にデポジットが付着すると、そのデポジットの凹凸により水滴の流れが阻害され水滴同士が集まって水滴が大きくなりやすくなる。また、排気３０管内壁の撥水性が高くなり、同排気管３０内壁に付着した水滴が凝集して大きな水滴となって飛散しやすくなる。このためデポジットが付着している場合には、大きな水滴が飛散しやすく素子割れの発生する可能性が高くなる。一方、デポジットが付着していない場合には、上述したような水滴の凝集が生じにくいため、素子割れの発生する可能性も小さくなる。このため本実施形態では、所定値ＫＨＴを大きさの異なる各所定値ＫＳ，ＫＬとに切り替えることにより、上記判定期間をデポジットの付着状況に応じて変更するようにしている。
【００６８】
以下、図２及び図３を参照して説明したこの実施形態にかかるヒータ制御装置における一連の処理態様について、図４を参照して説明する。
図４は、機関運転に伴って徐々に上昇する排気管温度ＴＨＥＸと、車両の運転状態に応じて増減する吸入空気量ＧＡ、並びに吸入空気量ＧＡの増減に追従して変化する各種パラメータの値と、ヒータの通電の禁止、許可の切り替えタイミングとの関係を示すタイミングチャートである。
【００６９】
まず、時刻ｔ０において、エンジン１０が始動されるとエンジン１０はアイドル状態となり、車両の走行に伴って吸入空気量ＧＡは増大する。このとき排気管温度ＴＨＥＸは、機関始動直後であるため、基準温度ＴＨｓｔよりも小さな値を示しており、機関運転に伴って徐々に上昇し始める。排気管３０の表面温度ＴＨＳは、吸入空気量ＧＡの変化に応じて上昇し始める。このときカウント値ＣＰＭは、上限値の値に設定されている。カウント値ＣＨＴは、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ未満であるため「０」にリセットされている。
【００７０】
そして、排気管温度ＴＨＥＸが基準温度ＴＨｓｔ未満であり、且つカウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ未満であるため、このとき空燃比センサ５３のヒータの通電は禁止されている。
【００７１】
時刻ｔ１において、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔに到達すると、カウント値ＣＨＴが増大し始める。このとき表面温度ＴＨＳは燃焼推定温度ＴＨｄｅｐ未満であり、カウント値ＣＰＭは、閾値ＫＨｉよりも大きな上限値のままであるため、所定値ＫＨＴは小さい所定値ＫＳに設定されており、カウント値ＣＨＴが増加する際の傾きは小さい。
【００７２】
そして、時刻ｔ２において、表面温度ＴＨＳが燃焼推定温度ＴＨｄｅｐに到達するとカウント値ＣＰＭから所定値ＫＤＮを減らし始める。更に、時刻ｔ３において、カウント値ＣＰＭが閾値ＫＬｏ以下になると、カウント値ＣＨＴの所定値ＫＨＴが所定値ＫＳから所定値ＫＬに変更され、カウント値ＣＨＴが増加する際の傾きが大きくなる。
【００７３】
時刻ｔ４において、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ以上になると、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上の状態が判定期間を超えて継続し、排気管３０に付着した水滴が排気センサの下流側に移動して素子割れの発生しにくい状態になった旨が推定され、空燃比センサ５３のヒータの通電が許可される。
【００７４】
こうしてヒータの通電が許可されると電子制御装置５０は、空燃比センサ５３を活性化温度に保持するヒータ通電制御を実行する。
その後、時刻ｔ５において、例えばエンジン１０がアイドル状態となって吸入空気量ＧＡが低下し、判定値ＧＡｓｔ未満になると、カウント値ＣＨＴは「０」にリセットされ、それと同期してヒータの通電が禁止される。
【００７５】
時刻ｔ６において、吸入空気量ＧＡの減少に追従して低下する表面温度ＴＨＳが燃焼推定温度ＴＨｄｅｐ未満になると、カウント値ＣＰＭが所定値ＫＵＰずつ増大し始める。
再びエンジン１０の負荷の増大に伴って吸入空気量ＧＡが増大し、時刻ｔ７において、判定値ＧＡｓｔ以上になるとカウント値ＣＨＴが増大し始める。このとき、カウント値ＣＰＭは、閾値ＫＬｏと閾値ＫＨｉとの間の値であるため、カウント値ＣＨＴに加算される所定値ＫＨＴは所定値ＫＬに保持されており、カウント値ＣＨＴが増大する際の傾きは大きい。そして、時刻ｔ８において、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮ以上になると、ヒータの通電が再び許可される。このときカウント値ＣＨＴが増大し始めてから閾値ＫＯＮに到達するまでの判定期間Ｔ２（時刻ｔ７〜時刻ｔ８までの時間に相当）は、デポジットの付着がある旨推定されているときの判定期間Ｔ１（時刻ｔ１〜時刻ｔ４までの時間に相当）よりも短くなる。
【００７６】
そして、時刻ｔ９において、排気管温度ＴＨＥＸが機関運転の継続に伴って徐々に上昇し基準温度ＴＨｓｔ以上になると、排気管３０に水滴が発生しない状態になった旨推定され、ヒータの通電が許可される。
【００７７】
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）排気管温度ＴＨＥＸが十分に上昇しておらず、排気管３０に水滴が発生する場合であっても、十分な排気流速が確保されていれば、飛散した水滴が高温の空燃比センサ５３に付着したとしても、水滴が小さいため空燃比センサ５３の温度低下は小さく熱応力による素子割れは発生しにくい。本実施形態では、上述した一連の処理を通じて、排気流速と相関をもつ吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上であるか否かに基づいて素子割れの発生しやすさを推定し、素子割れの発生しにくいときにはヒータの通電を許可して空燃比センサ５３を活性化する一方、素子割れの発生しやすいときにはヒータの通電を禁止することにより素子割れの発生を抑制することができるようになる。すなわち、排気管３０に水滴が発生する状態であっても、素子割れの発生を抑制しながらヒータの通電機会を積極的に増やすことができ、空燃比センサ５３を早期に活性化することができるようになる。
【００７８】
（２）ヒータの通電を禁止したあと、高温になった空燃比センサ５３の温度が、水滴が付着しても素子割れの発生しにくい温度にまで低下するにはある程度の時間がかかる。本実施形態では、上述した一連の処理を通じて、エアフロメータ５２により検出される吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ未満にまで低下した時期と同期してヒータの通電を禁止するようにしている。このため、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ未満となってその後素子割れの発生しやすい状況に移行し得ることが推定されたときに速やかに空燃比センサ５３の温度を下げることができるようになり、素子割れの発生をより好適に抑制することができるようになる。
【００７９】
（３）吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になった直後には判定値ＧＡｓｔ未満の期間に発生した水滴が排気管３０内壁に付着している可能性が高く、こうした水滴が飛散することにより素子割れが発生するおそれがある。本実施形態では、上述した一連の処理を通じて、エアフロメータ５２により検出される吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になったときから所定の判定期間が経過したことを条件にヒータの通電を許可するようにしている。このため、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ未満の期間に発生した水滴の大部分が空燃比センサ５３の下流側に移動してからヒータの通電が許可されるようになり、素子割れの発生を一層好適に抑制することができるようになる。
【００８０】
（４）前述したように排気管３０内壁にデポジットが付着すると、同排気管内壁に付着した水滴が凝集して大きな水滴となって飛散することがある。この点、本実施形態では、上述した一連の処理を通じて、デポジットの付着が無い旨の判定に基づいて判定期間を短くするようにしているため、素子割れの原因となるような大きな水滴の飛散する可能性をより的確に推定し、それに基づいて判定期間を適切に設定することができるようになる。このため、例えばこうしたデポジットの付着による大きな水滴の飛散を予め見込んで上記判定期間を設定するようにした場合とは異なり、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になってからヒータの通電を許可するまでの期間を極力短くすることができ、空燃比センサ５３を早期に活性化することができるようになる。
【００８１】
（５）空燃比センサ５３は、活性化温度が比較的高温であるため、活性化温度まで過熱する際に比較的長い時間を要する。そのため、こうした空燃比センサ５３のヒータ制御を上記一連の処理を通じて行うことにより、その早期活性化を図ることができる。
【００８２】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・吸気温ＴＨＡ、吸入空気量ＧＡに基づいて排気管３０の表面温度ＴＨＳを推定する構成に替えて、排気温を検出する排気温センサを設け、排気温センサにて検出される排気温に基づいて、排気管３０の表面温度ＴＨＳを求めてもよい。また、排気管３０の内壁に温度センサを設け、表面温度ＴＨＳを直接検出する構成とすることもできる。その他、燃料噴射量に基づいて排気管３０の表面温度ＴＨＳを算出するようにしてもよい。
【００８３】
・機関始動直後のカウント値ＣＰＭ、すなわちカウント値ＣＰＭの初期値がＫＨｉよりも所定量大きな上限値に設定されており、機関始動直後には、デポジットが付着している旨判定される構成を示したが、カウント値ＣＰＭの初期値はこれに限定されない。例えば、ＫＬｏよりも所定量小さな下限値に設定されており、機関始動直後にはデポジットが付着していない旨判定されるようにしてもよい。また、これら上限値と下限値との中間値をカウント値ＣＰＭの初期値に設定する等、適宜変更することができる。また、前回の機関運転終了時のカウント値ＣＰＭの値を不揮発性メモリ等の記憶装置に記憶し、次回機関始動時にはこの値を初期値として設定することもできる。
【００８４】
・カウント値ＣＰＭが閾値ＫＬｏ以下になり、デポジットの付着が無い旨推定された場合には、所定値ＫＨＴをデポジットの付着が有る場合よりも大きい所定値ＫＬに設定することにより判定期間を実質的に短くする構成を示した。このようにカウント値ＣＨＴに加算する所定値ＫＨＴを２つの所定値ＫＳ，ＫＬで切り替える構成に替えて、カウント値ＣＰＭが小さいほど所定値ＫＨＴを徐々に大きくする構成としてもよい。また、デポジットが無い旨判定された場合には閾値ＫＯＮを小さくするといった構成やカウント値ＣＰＭが小さいほど閾値ＫＯＮを小さくするといった構成を採用してもよい。すなわち、デポジットの付着が無い場合に判定期間が短くなる構成であれば、その制御手順については適宜変更することができる。
【００８５】
・また、上記実施形態では、カウント値ＣＨＴを設けて、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上となっているときにカウント値ＣＨＴに所定値ＫＨＴを加え、カウント値ＣＨＴが閾値ＫＯＮに到達したことをもって判定期間が経過した旨を判定する構成とした。これに対して、タイマを設け吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上となっている時間を計測し、この時間が所定の時間継続したことをもって判定期間が経過した旨を判定する構成としてもよい。
【００８６】
・更に、デポジットの有無に基づいて判定期間を短くする処理を省略し、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上である状態が一定の判定期間を超えて継続した場合には、ヒータの通電を許可する構成としてもよい。
【００８７】
・また、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ未満になったことを条件にヒータの通電を禁止する構成であれば、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ未満になった時期とヒータの通電を禁止する時期とが同期していなくてもよい。例えば、判定値ＧＡｓｔ未満の状態が所定期間継続したことに基づいてヒータの通電を禁止する構成とすれば、吸入空気量ＧＡの一時的な変動（エアフロメータ５２の検出値の変動やごく短い期間の吸入空気量ＧＡの落ち込み等）によるヒータの通電の禁止を抑制することもできる。
【００８８】
・上記実施形態では、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上となった状態が所定期間継続したことを条件にヒータの通電を許可する構成としたが、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上となった時期と、同期して通電を許可する構成としてもよい。また、こうした構成とする場合には、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になってからの経過期間が長くなるほどヒータの温度が高くなるようにその通電状態を制御するといった構成を採用することにより、素子割れの発生する可能性に応じたより的確なヒータ通電制御を実行することができる。
【００８９】
なお、具体的にヒータの温度を制御する通電制御態様としては、
・吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になってからの経過期間が長くなるほどヒータに印加する電圧を高くする
・ヒータの温度をデューティ制御する場合には、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になってからの経過期間が長くなるほどデューティ比を大きくする
・目標ヒータ温度を設定してヒータ温度をフィードバック制御する場合には、吸入空気量ＧＡが判定値ＧＡｓｔ以上になってからの経過期間が長くなるほど目標ヒータ温度を高くする
等々を挙げることができる。
【００９０】
・上記実施形態では、この発明を車両用エンジンの排気管に設けられた空燃比センサのヒータ制御装置として具現化した例を示したが、これに限定されるものではない。空燃比センサ以外にも、Ｏ２センサ、ＨＣセンサ、ＮＯｘセンサ等、センサ素子を活性化するためのヒータを備えた排気センサのヒータ制御装置として具現化することができる。また、車両用エンジンの排気センサに限らず、その他の内燃機関に設けられる排気センサにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】この発明の一実施形態にかかる排気センサのヒータ制御装置を備えたエンジンの概略構成を示す模式図。
【図２】同実施形態における排気センサのヒータの通電を許可するか否かを判定する処理の流れを示すフローチャート。
【図３】同実施形態におけるデポジット付着推定処理の流れを示すフローチャート。
【図４】同実施形態におけるデポジット付着推定処理の処理態様を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
【００９２】
１０…エンジン、２０…吸気管、３０…排気管、４０…三元触媒、５０…電子制御装置、５１…水温センサ、５２…エアフロメータ、５３…空燃比センサ。
【図１】
2008014235.tif 000003
【図２】
2008014235.tif 000004
【図３】
2008014235.tif 000005
【図４】
2008014235.tif 000006