(57)【要約】【課題】エンジンの排気通路に配置の排気ガスセンサを加熱するヒータへの通電を制御するヒータ制御において、エンジンの極低温始動時等における消費電力に無駄を低減する。【解決手段】極低温状態（例えば−２０〜−３０℃程度）でエンジンが始動する場合、エンジンの始動後に直ぐにヒータ通電を行うのではなく、エンジン冷却水温が空燃比フィードバック制御開始水温に近い温度に到達した時点でヒータへの通電を開始する。このようなヒータ制御により、空燃比フィードバック制御が開始されるタイミングに合わせて、排気ガスセンサのセンサ素子の活性化を完了することが可能になる。これによって、センサ素子の活性化が完了した時点から空燃比フィードバック制御が開始されるまでの時間を短くすることができ、不要なヒータ通電による無駄な電力消費を低減することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置した排気ガスセンサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関において、前記排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータへの通電を制御する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、
前記内燃機関の冷却水温を検出する水温検出手段と、前記内燃機関の始動時の冷却水温が［空燃比フィードバック制御開始水温−所定値］よりも低い場合、前記ヒータへの通電は行わず、当該冷却水温が［空燃比フィードバック制御開始水温−所定値］に達した時点で前記ヒータへの通電を開始する通電制御手段とを備えていることを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置において、
前記空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する所定値を、前記内燃機関の始動時の冷却水温に応じて決定することを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置において、
前記空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する所定値を、前記内燃機関の始動時の冷却水温及び積算吸入空気量に応じて決定することを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置において、
前記ヒータのフル通電に先立って前記センサ素子の暖機を実施するにあたり、前記センサ素子の素子温度に基づいて、当該センサ素子の暖機に必要な暖機時間を算出し、その暖機時間に基づいて前記ヒータの通電を制御することを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項５】
請求項４記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置において、
前記センサ素子の素子温度が、露点を考慮した設定値に達しているときには、前記センサ素子の暖機を実施せずにヒータのフル通電を開始することを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項６】
請求項４または５記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置において、
前記センサ素子のアドミタンスまたはインピーダンスを検出し、その検出値から前記センサ素子の素子温度を推定することを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項７】
請求項４または５記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置において、
前記内燃機関の積算吸入空気量から前記センサ素子の素子温度を推定することを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に配置された排気ガスセンサを加熱するヒータへの通電を制御する排気ガスセンサのヒータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）においては、通常、エンジンの排気通路に配置した触媒によって、排気ガスに含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等）を浄化するようにしている。この触媒による浄化作用は、混合気が理論空燃比で燃焼されるときに最も効率が高くなる。
【０００３】
そこで、エンジンの排気通路に配置した排気ガスセンサによって排気ガス中の酸素濃度を検出し、その検出した酸素濃度から得られる実際の空燃比が目標空燃比（理論空燃比）に一致するように燃料噴射量をフィードバック制御している。
【０００４】
このような空燃比フィードバック制御に用いる排気ガスセンサとして、例えば、固体電解質層（例えば部分安定化ジルコニア製）に、大気側電極（例えば白金電極）、排気側電極（例えば白金電極）及び拡散抵抗層を設けてセンサ素子を構成し、このセンサ素子の大気側電極を大気に解放するとともに、排気側電極を排気通路内の排気ガスに接触させる構造の空燃比センサや酸素センサが知られている。空燃比センサはエンジンからの排出ガスの空燃比に応じて出力値がリニアに変化するセンサである。酸素センサは出力値が理論空燃比付近でステップ状に変化するセンサである。
【０００５】
空燃比センサ等の排気ガスセンサでは、検出精度を維持するために、センサ素子を活性状態に保つ必要がある。そのため、センサ素子を加熱するヒータ（電気ヒータ）を設け、素子温度が所定の活性化温度となるようにヒータへの通電を制御している。ヒータへの通電制御としては、ヒータ通電時間と非通電時間との割合（デューティ比）を変化させることで、ヒータの発熱量を制御するデューティ比制御方式の通電制御が一般的に採用されている。このようなヒータの通電制御においては、従来、エンジンの始動と同時に排気ガスセンサのヒータをＯＮとしてセンサ素子の加熱を開始している。
【０００６】
また、排気ガスセンサのヒータ制御においては、センサ素子の突沸割れを防止する暖機制御が行われている。
【０００７】
センサ素子の突沸割れとは、エンジン停止中などにおいて大気中の水蒸気の一部が結露・液化してセンサ素子に付着し、その付着した液滴状の水分がセンサ素子の急激な加熱（１００％デューティ比通電での加熱）により突沸し、その水分の突沸による衝撃によってセンサ素子が割れる現象のことである。そして、このようなセンサ素子の突沸割れを防止するため、低いデューティ比（例えば５〜１５％）でヒータへの通電を実行し、センサ素子に付着の液滴状水分が突沸しないように水分を緩慢に蒸発させるいう暖機制御を行っている。
【０００８】
このようなセンサ素子の暖機制御では、従来、エンジン始動時の冷却水温をパラメータとして暖機時の通電デューティ比及び暖機時間（ヒータＯＮから１００％デューティ比通電を開始するまでの時間）を適合しており、エンジン始動時に冷却水温を検出し、その検出した冷却水温に応じて暖機時の通電デューティ比・暖機時間を決定している。
【特許文献１】特開２０００−３０４７２１号公報
【特許文献２】特開２００４−６９６４４号公報
【特許文献３】特開２００５−２１４６６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、空燃比フィードバック制御が実行されるエンジンにおいては、極低温状態（−２０〜−３０℃程度）でエンジン始動を行う場合、エンジンの冷却水温が低温域（例えば０℃以下）の状態にあるときには、排気ガスセンサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を実施せずに、燃料噴射量を多くして空燃比を僅かにリッチにする空燃比弱リッチ制御を行っている。この場合、エンジンの冷却水温が空燃比フィードバック制御開始水温（例えば０℃）に達した時点で、空燃比弱リッチ制御を停止し、排気ガスセンサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を開始している。このような極低温始動の場合であっても、従来のヒータ制御では、エンジン始動と同時に排気ガスセンサのヒータをＯＮとしてセンサ素子の加熱を開始している。
【００１０】
ここで、極低温状態でエンジンを始動した場合、エンジンの冷却水温が空燃比フィードバック制御開始水温に達するまでの時間（例えば４〜５ｍｉｎ程度）に対し、排気ガスセンサのセンサ素子が活性化温度に達するまでの時間は短い（例えば１０〜２５ｓｅｃ程度）。このため、エンジンの冷却水温が空燃比フィードバック制御開始水温に達する前の早い段階で、排気ガスセンサのセンサ素子が活性化する。このように、空燃比フィードバック制御を開始する前に、センサ素子の活性化が先に完了すると、センサ素子の活性化完了時から空燃比フィードバック制御開始までの間においてセンサ素子の素子温度を維持するための電力（ヒータへの通電時間）が余分に必要になり、その消費電力が無駄になる。
【００１１】
また、極低温状態でのエンジン始動と同時に、排気ガスセンサのセンサ素子の加熱を開始すると、エンジンの冷却水温が低い状態で排気ガス中に凝縮水が多く含まれている状態のときに、センサ素子が高温（例えば数百℃）に加熱される場合がある。このような状況になると、高温状態のセンサ素子表面への水分付着による熱衝撃（サーマルショック）によってセンサ素子の割れ（被水割れ）が発生するおそれがある。
【００１２】
本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、排気通路に配置した排気ガスセンサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関において、空燃比フィードバック制御を開始するタイミングに合わせて、排気ガスセンサのセンサ素子の活性化を完了することができ、内燃機関の極低温始動時等における消費電力の無駄を低減することが可能な排気ガスセンサのヒータ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】
【００１３】
本発明は、排気通路に配置した排気ガスセンサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関において、前記排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータへの通電を制御する排気ガスセンサのヒータ制御装置を前提としている。そして、このようなヒータ制御装置において、前記内燃機関の冷却水温を検出する水温検出手段と、前記内燃機関の始動時の冷却水温が、［空燃比フィードバック制御開始水温−所定値］よりも低い場合、前記ヒータへの通電は行わず、当該冷却水温が［空燃比フィードバック制御開始水温−所定値］に達した時点で前記ヒータへの通電を開始する通電制御手段とを備えている点に特徴がある。
【００１４】
本発明において、前記空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する所定値（ヒータ通電の開始を判定する判定値）は、排気ガスセンサのセンサ素子の素子温度が空燃比フィードバック制御開始水温付近から活性化温度に到達するまでの時間を考慮し、内燃機関の冷却水温が空燃比フィードバック制御開始水温に到達するタイミングに合わせて、センサ素子の活性化が完了するような値を設定する。なお、所定値（通電開始判定値）は例えば５〜１０℃程度である。
【００１５】
本発明によれば、極低温状態（例えば−２０〜−３０℃程度）のときに内燃機関が始動する場合、内燃機関の始動後に直ぐにヒータ通電を行うのではなく、内燃機関の冷却水温が［空燃比フィードバック制御開始水温−所定値］つまり空燃比フィードバック制御開始水温に近い温度に到達したときに、ヒータへの通電を開始するので、空燃比フィードバック制御が開始されるタイミングに合わせて、排気ガスセンサのセンサ素子の活性化を完了することが可能になる。これによって、センサ素子の活性化が完了した時点から空燃比フィードバック制御が開始されるまでの時間を短くすることが可能となり、不要なヒータ通電による無駄な電力消費を低減することができる。
【００１６】
しかも、内燃機関の冷却水温が空燃比フィードバック制御開始水温に近い温度に達したときにヒータの通電を開始することで、極低温状態でエンジンの始動と同時に排気ガスセンサのセンサ素子の加熱を開始する場合と比べて、排気ガス中に凝縮水が少ない状態のときにセンサ素子が高温に加熱されるので、センサ素子への水分付着による素子の被水割れを抑制することができる。
【００１７】
本発明において、前記空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する所定値（通電開始判定値）は一定値であってもよい。
【００１８】
また、空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する所定値（通電開始判定値）は、内燃機関の始動時の冷却水温に応じて決定してもよいし、あるいは、内燃機関の始動時の冷却水温及び積算吸入空気量に応じて決定してもよい。
【００１９】
このように空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する所定値つまりヒータの通電を開始する冷却水温をエンジンの運転状態に応じて決定することにより、排気ガスセンサのセンサ素子の活性化が完了する時期を空燃比フィードバック制御が開始されるタイミングに精度良く合わせることできる。
【００２０】
ここで、排気ガスセンサのヒータ制御においては、上記したように、排気ガスセンサのセンサ素子の突沸割れを防止する暖機制御が行われている。この暖機制御時の通電デューティ比・暖機時間はエンジン始動時の冷却水温をパラメータとして適合されているが、本発明のように、内燃機関始動後、直ぐにヒータ通電を行うのではなく、内燃機関の冷却水温が空燃比フィードバック制御開始水温に近い温度に到達したときにヒータの通電を開始する場合、突沸割れを防止する暖機制御のために、空燃比フィードバック制御の開始が遅れてしまう可能性がある。
【００２１】
例えば、本発明のヒータ制御では、極低温時に内燃機関が始動した場合、内燃機関始動時から、ある程度の時間（冷却水温が空燃比フィードバック制御水温に近い温度に達するまでの時間）が経過した後にヒータ通電開始（ヒータＯＮ）となる。そのため、ヒータ通電開始となるまでの間において、内燃機関の運転状態によって排気ガスセンサのセンサ素子の素子温度が上昇し、内燃機関始動時の冷却水温に対してヒータ通電開始時の素子温度が高くなる場合がある。こうした状況で、内燃機関始動時の冷却水温で規定した通電デューティ比・暖機時間に基づいて暖機制御を行うと、素子温度が露点よりも高い温度に上昇しているのにも関わらず、暖機制御が継続されるという状況が発生し、その過剰な暖機制御によって空燃比フィードバック制御の開始が遅れる場合がある。
【００２２】
そこで、本発明では、ヒータのフル通電に先立ってセンサ素子の暖機制御を実施する際に、内燃機関の始動時の冷却水温ではなく、センサ素子自体の温度（素子温度）に基づいて、当該センサ素子の暖機に必要な暖機時間を算出し、その暖機時間に基づいてヒータの通電を制御する。このようにセンサ素子の実際の素子温度を反映してヒータ制御を行うことで、無駄な暖機制御が継続されることを抑制することができ、空燃比フィードバック制御を適切なタイミングで開始することができる。
【００２３】
また、本発明では、ヒータ通電時にセンサ素子の素子温度が露点を考慮した設定値に達しているときには、センサ素子の暖機を実施せずにヒータのフル通電を開始する。このように、センサ素子に突沸割れが生じる可能性がない場合はフル通電を直ぐに開始することで、無駄な暖機制御が実施されることを防止することができ、空燃比フィードバック制御を適切なタイミングで開始することができる。
【００２４】
本発明において、排気センサのセンサ素子の素子温度を採取する具体的な方法として、センサ素子のアドミタンスまたはインピーダンスを検出し、その検出値から素子温度を推定するという方法や、内燃機関の積算吸入空気量（排気ガス温度の積算値）からセンサ素子の素子温度を推定するという方法を挙げることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、排気通路に配置した排気ガスセンサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う内燃機関において、極低温状態で内燃機関が始動する場合、内燃機関の始動後に直ぐにヒータ通電を行うのではなく、内燃機関の冷却水温が空燃比フィードバック制御開始水温に近い温度に到達したときにヒータの通電を開始するので、センサ素子の活性化が完了した時点から空燃比フィードバック制御が開始されるまでの時間を短くすることが可能となり、不要なヒータ通電による無駄な電力消費を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
まず、本発明を適用するエンジン（内燃機関）について説明する。
【００２８】
−エンジン−
図１は本発明を適用するエンジン１の一例を示す概略構成を示す図である。なお、図１にはエンジン１の１気筒の構成のみを示している。
【００２９】
この例のエンジン１は、例えば４気筒ガソリンエンジンであって、燃焼室１ａを形成するピストン１ｂ及び出力軸であるクランクシャフト１５を備えている。ピストン１ｂはコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５に連結されており、ピストン１ｂの往復運動がコネクティングロッド１６によってクランクシャフト１５の回転へと変換される。
【００３０】
クランクシャフト１５には、外周面に複数の突起（歯）１７ａを有するシグナルロータ１７が取り付けられている。シグナルロータ１７の側方近傍にはクランクポジションセンサ（エンジン回転数センサ）２４が配置されている。クランクポジションセンサ２４は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１７の突起１７ａに対応するパルス状の信号（出力パルス）を発生する。
【００３１】
エンジン１のシリンダブロック１ｃには、エンジン１の冷却水温Ｔｈｗａを検出する水温センサ２１が配置されている。
【００３２】
エンジン１の燃焼室１ａには点火プラグ３が配置されている。点火プラグ３の点火タイミングはイグナイタ４によって調整される。イグナイタ４はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）３００によって制御される。
【００３３】
エンジン１の燃焼室１ａには吸気通路１１と排気通路１２とが接続されている。吸気通路１１と燃焼室１ａとの間に吸気バルブ１３が設けられており、この吸気バルブ１３を開閉駆動することにより、吸気通路１１と燃焼室１ａとが連通または遮断される。また、排気通路１２と燃焼室１ａとの間に排気バルブ１４が設けられており、この排気バルブ１４を開閉駆動することにより、排気通路１２と燃焼室１ａとが連通または遮断される。これら吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉駆動は、クランクシャフト１５の回転が伝達される吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの各回転によって行われる。
【００３４】
吸気通路１１には、エアクリーナ７、吸入空気量を検出する熱線式のエアフロメータ２２、吸気温センサ２３（エアフロメータ２２に内蔵）、及び、エンジン１の吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ５が配置されている。スロットルバルブ５はスロットルモータ６によって駆動される。スロットルバルブ５の開度はスロットル開度センサ２５によって検出される。
【００３５】
エンジン１の排気通路１２には三元触媒８が配置されている。三元触媒８の上流側の排気通路１２に空燃比センサ１０１が配置されている。空燃比センサ１０１は、空燃比に対してリニアな特性を示すセンサである。また、三元触媒８の下流側の排気通路１２には酸素センサ１０２が配置されている。酸素センサ１０２は、その出力値が理論空燃比付近でステップ状に変化する、いわゆるＺ特性を示すセンサである。なお、空燃比センサ１０１及び酸素センサ１０２の詳細については後述する。以下、空燃比センサ１０１、酸素センサ１０２を総称して「排気ガスセンサ１００」という場合もある。
【００３６】
そして、吸気通路１１には燃料噴射用のインジェクタ２が配置されている。インジェクタ２には、燃料タンクから燃料ポンプによって所定圧力の燃料が供給され、吸気通路１１に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となってエンジン１の燃焼室１ａに導入される。燃焼室１ａに導入された混合気（燃料＋空気）は点火プラグ３にて点火されて燃焼・爆発する。この混合気の燃焼室１ａ内での燃焼・爆発によりピストン１ｂが往復運動してクランクシャフト１５が回転する。以上のエンジン１は運転状態はＥＣＵ３００によって制御される。
【００３７】
−空燃比センサ・酸素センサ−
空燃比センサ１０１及び酸素センサ１０２の構造について図２を参照して説明する。この例に用いる空燃比センサ１０１と酸素センサ１０２とは基本的に同じ構造である。
【００３８】
図２に示す空燃比センサ１０１（または酸素センサ１０２）は、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する積層型のセンサであって、センサ素子１１０、通気性の内カバー１１６及び外カバー１１７などを備えている。また、空燃比センサ１０１（または酸素センサ１０２）にはヒータ２００が組み込まれている。ヒータ２００は、車載のバッテリ電源ＶＢ（図３参照）からの通電により発熱する線状の発熱体によって構成されており、その発熱体の発熱によってセンサ素子１１０の全体を加熱する。
【００３９】
センサ素子１１０は、板状の固体電解質層（例えば部分安定化ジルコニア製）１１１、この固体電解質層１１１の一方の面に形成された大気側電極（白金電極）１１２、固体電解質層１１１の他方の面に形成された排気側電極（白金電極）１１３、及び、拡散抵抗層（例えば多孔質のセラミック）１１４などによって構成されている。
【００４０】
センサ素子１１０の大気側電極１１２は大気ダクト１１５内に配置されている。大気ダクト１１５内は大気に開放されており、この大気ダクト１１５内に流入した大気が大気側電極１１２に接触する。
【００４１】
排気側電極１１３の表面は拡散抵抗層１１４にて覆われており、排気通路１２を流れる排気ガスの一部が、拡散抵抗層１１４によって拡散された状態で排気側電極１１３に接触する。なお、排気ガスは、外カバー１１７の小孔１１７ａ及び内カバー１１６の小孔１１６ａを通過してセンサ素子１１０（排気側電極１１３）に達する。
【００４２】
以上の構造の空燃比センサ１０１において、大気側電極１１２と排気側電極１１３との間に空燃比検出用電圧が印加され、この電圧印加によって空燃比センサ１０１に排気ガス中の酸素濃度に応じた電流（センサ）が流れる。そのセンサ電流の増減は、空燃比の増減（リーン・リッチの程度）に対応しており、排気ガスの空燃比がリーン側になるほどセンサ電流は増大し、空燃比がリッチ側になるほどセンサ電流は減少する。なお、空燃比センサ１０１に流れるセンサ電流は後述する検出回路１２０にて検出される。
【００４３】
また、以上の構造の酸素センサ１０２において、センサ素子１１０の内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質層１１１を通過し、酸素分圧の低い側（通常は排気側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で電子を大気側電極１１２から受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で電子を排気側電極１１３に放出する。このような酸素分子の移動に伴って排気側電極１１３から大気側電極１１２に向かう電子の移動が生じ、その結果として、大気側電極１１２と排気側電極１１３との間に起電力が発生する。この起電力（センサ出力電圧）の大小によって空燃比がリッチかリーンかを判定することができる。なお、酸素センサ１０２の出力電圧は後述する検出回路１２０にて検出される。
【００４４】
−ＥＣＵ−
ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び、バックアップＲＡＭなどを備えている。ＲＯＭは、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ３０１は、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。また、ＲＡＭはＣＰＵ３０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭはエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
【００４５】
ＥＣＵ３００には、図１に示すように、水温センサ２１、エアフロメータ２２、吸気温センサ２３、クランクポジションセンサ２４、スロットル開度センサ２５、空燃比センサ１０１、及び、酸素センサ１０２などの各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ３００には、インジェクタ２、点火プラグ３のイグナイタ４、及び、スロットルバルブ５のスロットルモータ６などが接続されている。
【００４６】
さらに、ＥＣＵ３００には、図３に示すように、検出回路１２０及びヒータ制御回路２１０が組み込まれている。これら検出回路１２０及びヒータ制御回路２１０は、空燃比センサ１０１及び酸素センサ１０２の各々に設けられている。
【００４７】
検出回路１２０は、空燃比センサ１０１、酸素センサ１０２の各出力信号（空燃比センサ１０１の場合はセンサ素子１１０に流れるセンサ電流、酸素センサ１０２の場合は出力電圧）を検出してＣＰＵ３０１に出力する。また、検出回路１２０は、後述するアドミタンスの検出時に、空燃比センサ１０１、酸素センサ１０２の各々の大気側電極１１２と排気側電極１１３との間にアドミタンス検出用電圧を印加し、その電圧印加によりセンサ素子１１０に流れる電流を検出してＣＰＵ３０１に出力する。なお、空燃比センサ１０１に適用する検出回路１２０は、上記した空燃比検出用電圧を空燃比センサ１０１に印加する機能も備えている。
【００４８】
ヒータ制御回路２１０はトランジスタ２１１によって構成されている。トランジスタ２１１のベースはＣＰＵ３０１に接続されており、そのＣＰＵ３０１からのヒータ制御信号に応じてトランジスタ２１１がＯＮ／ＯＦＦすることによってヒータ２００の通電がデューティ制御される。
【００４９】
そして、ＥＣＵ３００は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。
【００５０】
例えば、エンジン１の排気通路１２（三元触媒８の上流側）に配置した空燃比センサ１０１の出力に基づいてメインの空燃比フィードバック制御を実行する。また、エンジン１の排気通路１２（三元触媒８の下流側）に配置した酸素センサ１０２の出力に基づいてサブの空燃比フィードバック制御を実行する。
【００５１】
メイン空燃比フィードバック制御では、三元触媒８に流入する排気ガスの空燃比が制御目標空燃比に一致するように、インジェクタ２から吸気通路１１に噴射する燃料噴射量を制御する。また、サブ空燃比フィードバック制御では、三元触媒８の下流に流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、より具体的には、三元触媒８の下流側に配置された酸素センサ１０２の出力がストイキ出力となるように、メイン空燃比フィードバック制御の内容を補正する。これらの空燃比フィードバック制御を実行することにより、三元触媒８の下流側における空燃比を理論空燃比の近傍値に精度よく維持することができ、優れたエミッション特性を実現することができる。
【００５２】
さらに、ＥＣＵ３００は、下記の「素子温度推定」、及び、「エンジン始動時のヒータ制御」を実行する。
【００５３】
−素子温度推定−
まず、図１０に示すように、排気ガスセンサ１００のセンサ素子１１０の素子温度とアドミタンスとの間には相関関係がある。この温度特性を利用し、アドミタンスを下記の方法で検出し、その検出したアドミタンスに基づいて素子温度を推定する。なお、エアフロメータ２２の出力信号から算出される吸入空気量の積算値（排気ガス温度の積算値）からセンサ素子１１０の素子温度を推定するようにしてもよい。
【００５４】
・アドミタンスの検出
排気ガスセンサ１００のセンサ素子１１０の大気側電極１１２と排気側電極１１３との間にアドミタンス検出用の電圧Ｖを印加し、この電圧Ｖの印加によってセンサ素子１１０に流れる電流Ｉを検出する。これら印加電圧Ｖとセンサ素子１１０に流れる電流Ｉとの間には［Ｖ＝（１／アドミタンス）×Ｉ］→［アドミタンス＝Ｉ／Ｖ］の関係が成立するので、その関係に基づいてアドミタンスを検出（算出）することができる。
【００５５】
−エンジン始動時のヒータ制御−
エンジン始動時のヒータ制御の具体的な例を図４及び図５を参照して説明する。図４に示す始動時ヒータ制御ルーチンはＥＣＵ３００によって実行される。
【００５６】
ステップＳＴ１において、エンジン１が始動したか否かを判定し、その判定結果が否定判定である場合（エンジン１が始動していない場合）、このルーチンを一旦終了する。ステップＳＴ１が肯定判定である場合（エンジン１が始動した場合）はステップＳＴ２に進む。
【００５７】
ステップＳＴ２では、水温センサ２１の出力信号からエンジン１の冷却水温Ｔｈｗａを読み込み、その冷却水温Ｔｈｗａが、［空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）−α（通電開始判定値）］よりも低いか否かを判定する。その判定結果が肯定判定である場合（Ｔｈｗａ＜Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）−α）、図５に示すように、エンジン１の始動時にヒータ２００への通電は行わない（通電待ち）。
【００５８】
ここで、ステップＳＴ２の判定処理に用いる空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）及び通電開始判定値α［℃］について説明する。
【００５９】
まず、この例では、空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）を０℃としている。また、通電開始判定値αについては、エンジン１の冷却水温Ｔｈｗａが空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）に到達するタイミングに合わせて、センサ素子１１０の活性化が完了するような値を設定する。
【００６０】
具体的には、例えば、空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）付近における冷却水温Ｔｈｗａの上昇率［℃／ｓｅｃ］と、排気ガスセンサ１００のセンサ素子１１０の素子温度が空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）付近から活性化温度に到達するまでの到達時間［ｓｅｃ］とを予め実験・計算等によって求めておき、それら冷却水温Ｔｈｗａの上昇率［℃／ｓｅｃ］と活性化温度到達時間［ｓｅｃ］に基づいて、センサ素子１１０の活性化が完了する時期を、エンジン１の冷却水温Ｔｈｗａが空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）に到達するタイミングに合わせるには、センサ素子１１０の加熱（ヒータＯＮ）をどのくらいの温度（冷却水温Ｔｈｗａ）で開始すればよいのか経験的に求め、その結果を基に通電開始判定値α［℃］を設定する。
【００６１】
この例では通電開始判定値αを５℃（固定値）としており、また、上記したように空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）を０℃としている。従って、極低温状態（例えば−２０℃）でエンジン１が始動した場合、［Ｔｈｗａ＜Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）−α］となるので、エンジン１の冷却水温Ｔｈｗａが−５℃に到達するまではヒータ２００は通電待ちの状態となる（図５参照）。なお、エンジン１の始動時の水温が比較的高い場合（例えば０℃以上である場合）は、［Ｔｈｗａ≧Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）−α］であるので、エンジン１の始動後に直ぐにステップＳＴ３に進む。
【００６２】
次に、エンジン１の始動後、エンジン１の冷却水温Ｔｈｗａが上昇して、冷却水温Ｔｈｗａが［Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）−α］に到達した時点（ステップＳＴ２の判定結果が肯定判定となった時点）で、ステップＳＴ３においてヒータ２００の通電を開始する（ヒータＯＮ）。このとき、ヒータ２００の通電デューティ比は例えば５〜１５％（暖機制御用）とする。
【００６３】
また、ヒータ２００への通電開始（ヒータＯＮ）と同時に、排気ガスセンサ１００のセンサ素子１１０の素子温度を推定する。例えば、センサ素子１１０のアドミタンスを上記した処理により検出し、そのアドミタンスに基づいてセンサ素子１１０の素子温度を推定する。なお、エアフロメータ２２の出力信号から算出される吸入空気量の積算値（排気ガス温度の積算値）からセンサ素子１１０の素子温度を推定するようにしてもよい。
【００６４】
ステップＳＴ４では、ステップＳＴ３で推定した素子温度が設定値βよりも低いか否かを判定し、その判定結果が肯定判定である場合（推定素子温度＜β）、ステップＳＴ５において、センサ素子１１０の突沸割れを防止する暖機制御を行う暖機時間（ヒータＯＮからフル通電を開始するまでの時間）を算出する。具体的には、ステップＳＴ３で推定したセンサ素子１１０の素子温度に基づいて図６のマップを参照して暖機時間［ｍｓ］を算出する。なお、図６に示すマップにおいて、暖機時間［ｍｓ］は、素子温度が高いほど短くなるように設定されている。
【００６５】
ここで、ステップＳＴ４の判定処理に用いる設定値βは、露点を考慮した温度（例えば６０〜７０℃）とする。また、暖機時間を算出するマップ（図６）は、センサ素子１１０の素子温度及びヒータ２００の発熱量（通電デューティ比５〜１５％）をパラメータとして、センサ素子１１０に付着した水分が十分に蒸発するまでの時間を、実験・計算等によって経験的に求めてマップ化したものであって、ＥＣＵ３００のＲＯＭ内に記憶されている。
【００６６】
次に、ステップＳＴ６において、ヒータ２００への通電を開始した後、前記暖機時間が経過したか否かを判定し、その判定結果が肯定判定となった時点でヒータ２００の通電デューティ比を１００％としてヒータ２００のフル通電を開始する（ステップＳＴ７）。
【００６７】
一方、ステップＳＴ４の判定結果が否定判定である場合（推定素子温度≧βである場合）は、センサ素子１１０に突沸割れが生じる可能性がないと判断し、暖機制御は実行せずに、ヒータ２００の通電開始後、直ぐにフル通電（通電デューティ比１００％）を開始する（ステップＳＴ７）。
【００６８】
そして、排気ガスセンサ１００のセンサ素子１１０の素子温度が活性化温度に到達するまでヒータ２００のフル通電を継続し、センサ素子１１０の素子温度が活性化温度に達した時点（ステップＳＴ８の判定結果が肯定判定となった時点）で、センサ素子１１０の素子温度が目標値（活性化温度）に一致するように、ヒータ２００の通電デューティ比をフィードバック制御する（図５参照）。
【００６９】
以上のように、この例の始動時ヒータ制御によれば、極低温状態（例えば−２０〜−３０℃程度）でエンジン１が始動する場合、エンジン１の始動後に直ぐにヒータ２００の通電を開始するのではなく、エンジン１の冷却水温Ｔｈｗａが、空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）に近い温度（空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）−５℃）に到達した時点で、ヒータ２００への通電を開始するので、センサ素子１１０の活性化が完了した時点から空燃比フィードバック制御が開始されるまでの時間を短くすることが可能となり、ヒータ通電による無駄な電力消費を低減することができる。
【００７０】
しかも、エンジン１の冷却水温Ｔｈｗａが空燃比フィードバック制御開始水温Ｔｈｗ（Ｆ／Ｂ）に近い温度でヒータ２００の通電を開始しているので、極低温状態のときにヒータ２００の通電開始（センサ素子１１０の加熱開始）を行う場合と比べて、排気ガス中に凝縮水が少ない状態のときにセンサ素子１１０が高温に加熱されるので、センサ素子１１０への水分付着による素子の被水割れを抑制することができる。
【００７１】
また、この例の始動時ヒータ制御では、ヒータ２００の通電開始時（暖機時）にセンサ素子１１０の素子温度を推定し、その推定素子温度に基づいて当該センサ素子１１０の暖機に必要な暖機時間を算出しているので、無駄な暖機制御が継続されることを抑制することができ、空燃比フィードバック制御を適切なタイミングで開始することができる。さらに、ヒータ２００の通電開始時にセンサ素子１１０の素子温度が、露点を考慮した設定値βに達しているときには、センサ素子１１０の暖機を実施せずに、ヒータ２００のフル通電を開始しているので、この場合も、無駄な暖機制御が実施されることを防止することができ、空燃比フィードバック制御を適切なタイミングで開始することができる。
【００７２】
−他の実施形態−
以上の例では、ヒータ２００の通電開始の判定に用いる通電開始判定値α（空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する通電開始判定値α）を一定の値としているが、これに限られることなく、通電開始判定値αはエンジン１の運転状態に応じて変更するようにしてもよい。
【００７３】
例えば、図７に示すように、エンジン１の始動時冷却水温と通電開始判定値αとの関係を、予め実験・計算等によって求めてマップ化しておき、エンジン１の始動時に読み込んだ冷却水温Ｔｈｗａに基づいて、図７のマップを参照して通電開始判定値αを算出するようにしてもよい。
【００７４】
また、図８に示すように、エンジン１の始動時冷却水温及び積算吸入空気量と通電開始判定値αとの関係を、予め実験・計算等によって求めてマップ化しておき、エンジン１の始動時に読み込んだ冷却水温Ｔｈｗａに基づいて、図８のマップを参照して通電開始判定値αを算出するようにしてもよい。
【００７５】
以上の例では、排気ガスセンサ１００のセンサ素子１１０のアドミタンスを、素子温度を検出して素子温度を推定しているが、本発明は、これに限られることなく、センサ素子１１０のインピーダンスを検出し、そのインピーダンスからセンサ素子１１０の素子温度を推定し、その推定素子温度に基づいて当該センサ素子１１０の暖機に必要な暖機時間を算出するようにしてもよい。また、エンジン１の積算吸入空気量（排気ガス温度の積算値）からセンサ素子１１０の素子温度を推定し、その推定素子温度に基づいて当該センサ素子１１０の暖機に必要な暖機時間を算出するようにしてもよい。
【００７６】
以上の例では、積層型の排気ガスセンサ（空燃比センサ・酸素センサ）に本発明の制御装置を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、コップ型の排気ガスセンサにも適用可能である。コップ型の排気ガスセンサの一例を図９に示す。
【００７７】
この図９に示す排気ガスセンサ４００はセンサ素子４１０及びカバー４１６を備えている。カバー４１６には、その内部に排気ガスを導くための孔（図示せず）が設けられている。センサ素子４１０はカバー４１６の内部に配置されている。
【００７８】
センサ素子４１０は一端が閉じられた管状（コップ状）の構造を有している。センサ素子４１０は、固体電解質層（例えば部分安定化ジルコニア製）４１１、この固体電解質層４１１の内側の面に形成された大気側電極（例えば白金電極）４１２、固体電解質層４１１の外側の面に形成された排気側電極（例えば白金電極）４１３、及び、多孔質保護層（例えば多孔質のセラミック）４１４などによって構成されている。
【００７９】
センサ素子４１０の内側には、大気に開放された大気室４１５が形成されている。この大気室４１５に流入した大気が大気側電極４１２に接触する。大気室４１５には、センサ素子４１０を加熱するためのヒータ４０２が配置されている。また、排気側電極４１３の表面は多孔質保護層４１４にて覆われており、排気通路１２を流れる排気ガスの一部が多孔質保護層４１４を通じて排気側電極４１３に接触する。
【００８０】
そして、この例の排気ガスセンサ４００においても、排気ガスの酸素濃度に応じて出力信号が変化し、その出力信号の大小により空燃比がリッチかリーンかを判定することができる。
【００８１】
以上の例では、排気通路に空燃比センサ及び酸素センサが配置されたエンジンに本発明のヒータ制御を適用した例を示したが、これに限られることなく、排気通路に酸素センサのみが配置されたエンジンにも本発明のヒータ制御を適用することができる。
【００８２】
以上の例では、４気筒ガソリンエンジンに搭載される排気ガスセンサのヒータ制御に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、例えば筒６気筒ガソリンエンジンなど、他の任意の気筒数の多気筒ガソリンエンジンに搭載される排気ガスセンサのヒータ制御にも適用できる。
【００８３】
また、本発明はＶ型多気筒ガソリンエンジンや縦置き式多気筒ガソリンエンジンに搭載される排気ガスセンサのヒータ制御にも適用できる。
【００８４】
また、ポート噴射型ガソリンエンジンに限られることなく、筒内直噴型ガソリンエンジン搭載される排気ガスセンサのヒータ制御にも適用可能である。さらに、ガソリンエンジンに限られることなく、ディーゼルエンジンに搭載される排気ガスセンサのヒータ制御にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明を適用するエンジンの一例を示す概略構成図である。
【図２】排気ガスセンサの一例を模式的に示す断面図である。
【図３】ＥＣＵに組み込まれる検出回路及びヒータ制御回路の構成を示すブロック図である。
【図４】エンジン始動時のヒータ制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】ヒータの通電デューティ比を示す図である。
【図６】暖機時間を求めるマップの一例を示す図である。
【図７】空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する通電開始判定値αを求めるマップの一例を示す図である。
【図８】空燃比フィードバック制御開始水温に対して設定する通電開始判定値αを求めるマップの他の例を示す図である。
【図９】排気ガスセンサの他の例を模式的に示す断面図である。
【図１０】排気ガスセンサのセンサ素子の温度特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１  エンジン
２  インジェクタ
８  三元触媒
１１  吸気通路
１２  排気通路
２１  水温センサ
２２  エアフロメータ
１０１  空燃比センサ（排気ガスセンサ）
１０２  酸素センサ（排気ガスセンサ）
１１０  センサ素子
１１１  固体電解質層
１１２  大気側電極
１１３  排気側電極
１２０  検出回路
２００  ヒータ
２１０  ヒータ制御回路
３００  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】
2008286116.tif 000010
【図９】
2008286116.tif 000011
【図１０】
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