(57)【要約】【課題】排気通路に設けられたセンサ機器の保護と、エンジンの始動直後における排気特性の向上とを両立して図ることのできる装置を提供する。【解決手段】電子制御ユニット８０を主要構成要素とするエンジン１のセンサ保護装置は、機関始動前のデータ履歴も考量して排気通路５０内の酸素濃度センサ５５上流における滞留水量を逐次推定する。そして、滞留水量が基準値以上である場合には、酸素濃度センサ５５に付設されたヒータ５５Ｂへの通電を規制するとともに、滞留水量を効果的に減少させる制御を行い、滞留水量が基準値を下回った時点でヒータ５５Ｂへの通電を開始する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路で当該機関の排気特性に関連する信号を出力するセンサを保護する装置であって、
当該機関の排気通路における前記センサ上流に溜まっている水の量を推定する推定手段と、
前記推定される水の量に応じて前記センサを水から保護するための処理を行う処理手段と、
を備えることを特徴とするセンサ保護装置。
【請求項２】
前記推定手段は、当該機関の運転状態と当該機関の外部の温度とに基づいて、当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定することを特徴とする請求項１記載のセンサ保護装置。
【請求項３】
前記推定手段は、機関始動時に当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定する第１の推定手段と、当該機関の始動後に排気通路に加わる水の量を推定する第２の推定手段とを備え、
前記第１の推定手段によって推定される水の量と前記第２の推定手段によって推定される水の量とに基づき、当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ保護装置。
【請求項４】
前記第１の推定手段は、前回の機関停止時において当該機関の排気通路に溜まっていた水の量に基づき、今回の機関始動時に当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定する
ことを特徴とする請求項３記載のセンサ保護装置。
【請求項５】
前記第１の推定手段はさらに、前回の機関停止時において当該機関の排気通路に溜まっていた水のうち、今回の機関始動時までに蒸発する水の量に基づき、今回の機関始動時に当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定する
ことを特徴とする請求項４記載のセンサ保護装置。
【請求項６】
通電されることによって発熱し前記センサを加熱する加熱手段を備えて、且つ、
前記処理手段は、前記センサを水から保護するための処理として、前記加熱手段への通電を禁止する処理を行う
ことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のセンサ保護装置。
【請求項７】
前記処理手段は、前記センサを水から保護するための処理として、当該機関の排気通路に溜まっている水の少なくとも一部を除去する処理を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のセンサ保護装置。
【請求項８】
前記処理手段は、当該機関の排気通路に溜まっている水の少なくとも一部を除去する処理として、当該機関を搭載した車両の接地面に対する傾斜角度を変化させる処理を行う
ことを特徴とする請求項７記載のセンサ保護装置。
【請求項９】
前記処理手段は、前記センサを水から保護するための処理として、当該機関の排気通路に溜まった水の増量を抑制する処理を行う
ことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のセンサ保護装置。
【請求項１０】
前記処理手段は、当該機関の排気通路内の水蒸気濃度を低下させる
ことを特徴とする請求項７又は９記載のセンサ保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気通路に設けられ当該機関の排気特性に関連する信号を出力するセンサを保護する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関（以下、エンジンという）の排気通路で当該機関の排気特性に関連する信号を出力するセンサが知られている。例えば、この種のセンサとして周知の酸素濃度センサは、周囲の酸素濃度に応じた信号を出力する特性を有する。排気中の酸素濃度は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）或いは炭化水素（ＨＣ）等、排気中に含まれる有害成分の生成量に関連する。このため、エンジンに搭載される電子制御ユニットは、酸素濃度センサの特性を利用して排気中の酸素濃度を定量的に把握し、排気特性が最適化されるよう機関燃焼に供される燃料や空気の量を調整する（例えば、把握される酸素濃度が目標値となるようにフィードバック制御を行う）。酸素濃度センサが排気中の酸素濃度に応じた正確な信号を出力するためには、所定の温度条件（例えば２００℃以上）が満たされる必要がある。このため、一般に、内燃機関の排気通路に設けられる酸素濃度センサは、通電によって発熱するヒータをその検出素子と一体に備え、電子制御ユニットを通じてヒータへの通電制御を行うことにより、検出素子の温度管理を行う。
【０００３】
ところで、（１）エンジンの停止中、排気通路内のガスに含まれる水分が凝縮すること、或いは（２）エンジンの始動直後、温度が低くなっている排気通路内に排気が流れ込み排気中の水分が凝縮すること等によって、エンジンの排気通路内に水（水滴）が溜まる場合がある。エンジンの停止中から始動直後にかけて排気通路内に溜まった水（滞留水）が、エンジンの振動や排気の流れによって飛散し、その飛沫が加熱された酸素濃度センサ（検出素子）に接触すると、熱衝撃（サーマルショック）によって破損に至る懸念がある。
【０００４】
加熱された酸素濃度センサに水の飛沫が接触することで生じるサーマルショックを回避するために、例えば特許文献１に記載された装置は、エンジンの始動後、排気温度が十分に高くなり排気通路内に水滴が発生しなくなる時期を推定し、その時期が過ぎた後に酸素濃度センサの加熱（ヒータへの通電）を開始する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１５２１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、酸素濃度センサの加熱を開始するタイミングが遅れると、その分、当該センサの出力する信号に基づいて行われる制御（エンジンの排気特性を最適するための制御）の開始も遅れることになる。この結果、エンジンの始動直後における排気特性の悪化を免れることができなかった。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気通路に設けられ排気特性に関連する信号を出力するセンサの保護と、エンジンの始動直後における排気特性の向上とを両立して図ることのできる装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、（１）内燃機関の排気通路で当該機関の排気特性に関連する信号を出力するセンサを保護する装置であって、当該機関の排気通路における前記センサ上流に溜まっている水の量を推定する推定手段と、前記推定される水の量に応じて前記センサを水から保護するための処理を行う処理手段と、を備えることを要旨とする。
【０００９】
ここで、内燃機関の排気特性には、例えば排気に含まれる酸素や窒素酸化物等、各種成分の濃度や、排気の温度等が含まれる。「推定される水の量に応じて処理を行う」とは、例えば「推定される水の量が所定値を上回った場合に処理を行う」といった意味や、「推定される水の量が所定値を上回らないように処理を行う」といった意味を含む。
【００１０】
同構成によれば、前記センサ上流に溜まっている水の量を定量的に把握した上で、センサを保護するための処理を実行することになるため、センサに対する滞留水の接触を確実に防止することができる。また、例えば同センサを水から保護するための処理について、その終了タイミングを正確に見積もることも容易となるため、同センサを早期に活性化させ、その検出信号に基づく排気特性の最適化制御を速やかに開始することも可能となる。
【００１１】
さらに、例えば、機関始動時において排気通路に溜まっている水の量を初期値として、機関始動後に変動する水の量を正確に推定することにより、機関の運転および停止が比較的短い周期で繰り返されても、排気通路内に溜まる水の累積的な増大を確実に防止することができる。
【００１２】
（２）また、前記推定手段は、当該機関の運転状態と当該機関の外部の温度とに基づいて、当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定するのが好ましい。
【００１３】
なお、例えば機関空燃比や排気通路内温度等、排気通路に溜まる水の量の変動に影響を与える如何なるパラメータをも、ここでいう機関の運転状態に該当し得る。同構成によれば、排気通路に溜まっている水の量の推定精度を高めることができる。
【００１４】
（３）また、前記推定手段は、機関始動時に当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定する第１の推定手段と、当該機関の始動後に排気通路に加わる水の量を推定する第２の推定手段とを備え、前記第１の推定手段によって推定される水の量と前記第２の推定手段によって推定される水の量とに基づき、当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定するのが好ましい。
【００１５】
同構成によれば、排気通路に溜まっている水の量の推定精度を高めることができる。とくに、露点が高い条件下や、短い周期で機関始動と機関停止とが繰り返されるような条件下であれ、滞留水量の推定に関し、高い精度が保証される。
【００１６】
（４）また、前記第１の推定手段は、前回の機関停止時において当該機関の排気通路に溜まっていた水の量に基づき、今回の機関始動時に当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定するのが好ましい。
【００１７】
（５）また、前記第１の推定手段はさらに、前回の機関停止時において当該機関の排気通路に溜まっていた水のうち、今回の機関始動時までに蒸発する水の量に基づき、今回の機関始動時に当該機関の排気通路に溜まっている水の量を推定するのが好ましい。
【００１８】
（６）また、当該センサ保護装置は、通電されることによって発熱し前記センサを加熱する加熱手段を備えて、且つ、前記処理手段は、前記センサを水から保護するための処理として、前記加熱手段への通電を禁止する処理を行うのが好ましい。
【００１９】
ここで、加熱手段は、センサと一体に形成されたものでもよいし、センサと物理的に分離したものであってもよい。
【００２０】
（７）また、前記処理手段は、前記センサを水から保護するための処理として、当該機関の排気通路に溜まっている水の少なくとも一部を除去する処理を行うのが好ましい。
【００２１】
（８）また、前記処理手段は、当該機関の排気通路に溜まっている水の少なくとも一部を除去する処理として、当該機関を搭載した車両の接地面に対する傾斜角度を変化させる処理を行ってもよい。なお、（８）の構成は、当該機関が車両に搭載されている場合に限り、採用可能になる。
【００２２】
（９）また、前記処理手段は、前記センサを水から保護するための処理として、当該機関の排気通路に溜まった水の増量を抑制する処理を行うのが好ましい。
【００２３】
（１０）また、前記処理手段は、当該機関の排気通路内の水蒸気濃度を低下させる処理を行うようにしてもよい。当該機関の排気通路内の水蒸気濃度が低下すると、露点が低下する。すると、溜まっている水が蒸発し易くなる一方、排気通路内のガスに含まれる水蒸気は結露し難くなる。同構成によれば、当該機関の排気通路に水が溜まり難くなり、しかも、溜まった水は効果的に除去される。
【００２４】
なお、上記（１）〜（１０）の構成を可能な限り組み合わせて一のセンサ保護装置を構成してもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、車載内燃機関に適用した一実施の形態について説明する。
【００２６】
〔エンジンシステムの基本構造及び機能〕
図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンという）１は、複数のシリンダ（一本のシリンダのみ図示）を備え、吸入行程、圧縮行程、爆発行程及び排気行程の４サイクルを繰り返して出力を得るディーゼルエンジンである。
【００２７】
エンジン１の内部に形成されるシリンダ１１内には、ピストン１２が往復動可能に収容される。ピストン１２の頭頂面１２ａと、シリンダ１１の内壁と、シリンダ１１の天井１１ａに囲まれた空間は、燃焼室１３を形成する。ピストン１２に連結されたコンロッド１４は、シリンダ１１内におけるピストン１２の往復運動をエンジン１のクランクシャフト（図示略）の回転運動に変換する。
【００２８】
シリンダ１１の天井１１ａには、燃焼室１３にその噴孔を向ける燃料噴射弁６０が設けられている。燃料噴射弁６０は、高圧ポンプ（図示略）等によって加圧され、蓄圧室（図示略）に蓄えられた加圧燃料を、燃焼室１３内に適宜の量、適宜のタイミングで噴射供給する電磁駆動式開閉弁である。
【００２９】
また、シリンダ１１の天井１１ａには、燃焼室１３に連通し吸気通路４０の最下流部位をなす吸気ポート４１と、同じく燃焼室１３に連通し排気通路５０の最上流部位をなす排気ポート５１とが形成され、さらに、吸気ポート４１と燃焼室１３との境界を開放・閉塞する吸気弁１９や、排気ポート５１と燃焼室１３との境界を開放・閉塞する排気弁２０が設けられている。吸気弁１９は、基本的にはクランクシャフトの回転に同期して往復運動（開閉弁動作）を繰り返す。排気弁２０は、基本的にはクランクシャフトの回転に同期して往復運動（開閉動作）を繰り返す。
【００３０】
吸気通路４０は、外部から燃焼室１３内に吸入される空気（吸気）の通路である。吸気通路４０には、スロットル弁４２が設けられている。スロットル弁４２は、ステップモータ等を備えたアクチュエータ４２ａによってその開度が無段階に調節される電子制御式の開閉弁である。
【００３１】
排気通路５０は、燃焼室１３から排出される排気の通路である。排気通路５０には、エアインジェクタ５２、燃料添加弁５３、触媒ケーシング５４及び酸素濃度センサ５５が設けられている。エアインジェクタ５２は、電子制御式の開閉弁であり、適宜のタイミングで排気通路５０内に空気を供給する。燃料添加弁５３もまた電子制御式の開閉弁であり、適宜のタイミングで排気通路５０内に燃料を添加する。触媒ケーシング５４は、図示しない排気浄化用触媒（以下、単に触媒という）を内蔵する。触媒は、周囲の温度が所定値（例えば２００℃）を上回っている条件下で活性化し、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を浄化する。またとくに、触媒は、排気中の酸素濃度が高い条件下（リーン雰囲気）で一時的にＮＯｘを保持し、還元成分（例えば未燃の燃料成分）の濃度が高い条件下（リッチ雰囲気）で保持しているＮＯｘを放出・還元する性質を有する。
【００３２】
酸素濃度センサ５５は、排気通路５０内のガスに晒される検出素子５５Ａと、検出素子５５Ａに併設される電熱式ヒータ５５Ｂを備え、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する。この酸素濃度センサ５５の出力信号は、燃焼室１３において機関燃焼に供された酸素量及び燃料量の比率（空燃比）Ａ／Ｆや、排気中に含まれる酸化成分（例えば酸素）及び還元成分（例えば未燃燃料成分）の濃度比率と高い相関がある。
【００３３】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０は、本実施の形態にかかるセンサ保護装置の主要構成要素である。ＥＣＵ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ、エンジン１が運転している期間中に時間を計測するタイマーおよびエンジン１が停止している期間中（燃焼を停止している期間中）に時間を計測するソークタイマー等からなるメイン回路と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路と、外部出力回路とを備える。さらに、メイン回路と外部入力回路と内部入力回路とは、双方向性バスによって相互に接続されることにより論理演算回路を構成する。
【００３４】
このように構成されたＥＣＵ８０は、燃料噴射弁６０、スロットル弁４２、エアインジェクタ５２および燃料添加弁５３等を作動させることにより、エンジン１の運転状態の最適化や、排気特性の改善に関する各種制御を行う。
【００３５】
例えば、ＥＣＵ８０は、酸素濃度センサ５５の出力信号に基づき、燃料噴射弁６０を通じて噴射する燃料の量を調整し、空燃比Ａ／Ｆを所定の目標値に収束させるフィードバック制御を実施することができる。
【００３６】
また、ＥＣＵ８０は、酸素濃度センサ５５の出力信号に基づき、エアインジェクタ５２を通じて供給される空気の量や、燃料添加弁５３を通じて添加される燃料の量を調整し、排気中の酸化成分（例えば酸素）及び還元成分（例えば未燃燃料成分）の濃度比率を所定の目標値に収束させるフィードバック制御を実施することができる。
【００３７】
〔排気中酸素濃度の検出方法〕
図２には、検出素子５５Ａ及びヒータ５５Ｂからなる酸素濃度センサ５５の検出部について、その断面構造を示す。
【００３８】
同図２に示すように、酸素濃度センサ５５の検出素子５５Ａは、ジルコニア（ＺｒＯ２）等、酸素イオン伝導性及び耐熱性を有する多孔質絶縁材料（板材）５５ａ，５５ｂ，５５ｃを積層して形成される。これら板材５５ａ，５５ｂ，５５ｃの積層体内部には、大気と連通する大気導入空間Ｓ１が形成されている。また、板材５５ａの両面、すなわち検出素子５５Ａの外部空間（排気通路内の空間）Ｓ２に臨む板面と、検出素子５５Ａの内部に形成された大気導入空間Ｓ１に臨む板面とには、電極５５ｄ，５５ｅが取り付けられている。また、電極５５ｄと外部空間Ｓ２との間にガス拡散体５５ｈが設けられている。また、検出素子５５Ａの板材５５ｃ側には、電熱式のヒータ５５Ｂが張り合わされている。ヒータ５５Ｂは、板材５５ｆと、板材５５ｆに内蔵される電熱線５５ｇとを備えて構成され、検出素子５５Ａを加熱し、その温度を所定値に保持する役割を担う。両電極５５ｄ，５５ｅの間に所定電圧が印加されると、両電極５５ｄ，５５ｅ近傍に存在する酸素分子がイオン化され、矢指α方向に沿って板材５５ａを透過する。このとき両電極５５ｄ，５５ｅ間を流れる電流値は、空間Ｓ２における酸素濃度と電極５５ｄ近傍の酸素濃度（近似的にゼロ）との差と、定量的に関連する。これは、ガス拡散体５５ｄを透過する酸素ガスの流量が（ガス拡散体５５ｄの働きによって）制限されることにより、上記電流値と上記酸素濃度差との間に再現性の高い定量的な関係が保証されるからである。よって、両電極５５ｄ，５５ｅ間に所定電圧を印加したときに両電極５５ｄ，５５ｅ間を流れる電流値を観測することにより、空間Ｓ２内の酸素濃度（排気中の酸素濃度）を把握することができる。
【００３９】
例えば図３には、電極５５ｄ，５５ｅ間の印加電圧及び電流の関係を示すグラフである。なお、同グラフ中には、空間Ｓ２内（検出対象ガス中）の酸素濃度（酸素過剰率）が異なる複数の条件（酸素過剰率λ＝ａ，ｂ，ｃ，ｄ：ただし、ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）に対応する印加電圧及び電流間の関係が示されている。
【００４０】
同図３に示すように、印加電圧が高くなるほど電流値も高くなる傾向があるものの、印加電圧が特定範囲にある場合には、電流値がほとんど変化しないことがわかる。このような特定範囲における電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を、酸素過剰率λ＝ａ，ｂ，ｃ，ｄに対応する限界電流値という。そこで、電極５５ｄ，５５ｅ間を流れる電流値をこのような限界電流値に保持させるための印加電圧（例えば図中に示す電圧値Ｖｘ）を適宜設定し、限界電流値を測定することにより、検出対象ガス中の酸素濃度（酸素過剰率）を定量的に把握することができる。
【００４１】
図４は、空間Ｓ２内の酸素濃度と限界電流値との対応関係を概略的に示すグラフである。同図４に示すように、空間Ｓ２内の酸素濃度（排気中の酸素濃度）が高くなるほど限界電流値も高くなる。そこで、同図４中に示す点Ａ、点Ｂのように、排気中の酸素濃度と限界電流値との対応関係が明らかな２座標を予め決定しておけば、当該２座標を結ぶ線（特性線）を基に、酸素濃度センサ５５の検出信号（限界電流値）から、排気中の酸素濃度を定量することができる。
【００４２】
〔センサ保護制御の概要〕
酸素濃度センサ５５が排気中の酸素濃度に応じた正確な信号を出力するためには、所定の温度条件（例えば２００℃以上）が満たされる必要がある。このためＥＣＵ８０は、エンジン１の運転中にはヒータ５５Ｂに対する通電制御を行うことにより、検出素子５５Ａの温度管理を行う。
【００４３】
ところで、従来技術において説明したように、（１）エンジン１の停止中、排気通路内のガスに含まれる水分が凝縮すること、或いは（２）エンジン１の始動直後、温度が低くなっている排気通路内に排気が流れ込むことにより、排気中の水分が凝縮すること等により、エンジンの排気通路内に水（水滴）が溜まる場合がある。そして、エンジン１の停止中から始動直後にかけて排気通路内に溜まった水（滞留水）が、エンジン１の振動や排気の流れによって飛散し、その飛沫が加熱された酸素濃度センサ５５の検出素子５５Ａ又はヒータ５５Ｂに接触すると、これら検出素子５５Ａ又はヒータ５５Ｂが熱衝撃（サーマルショック）によって破損に至る懸念がある。
【００４４】
本実施の形態にかかるエンジン１のＥＣＵ８０は、このようなサーマルショックによる検出素子５５Ａ又はヒータ５５Ｂの破損を防止するための制御（センサ保護制御）を実施する。
【００４５】
図５には、センサ保護制御の具体的な制御手順（センサ保護制御ルーチン）を示す。このルーチンは、エンジン１が運転しているか、停止しているかに関わらず、ＥＣＵ８０通じて所定期間（例えば数ミリ秒）毎に繰り返し実行される。
【００４６】
本ルーチンにおいて、ＥＣＵ８０は先ずステップＳ１０１で、排気通路５０の酸素濃度センサ５５上流に滞留する水（滞留水）に関する情報の履歴（前回のルーチンで推定された滞留水の量Ｑｎ−１や状態）を認識する。
【００４７】
続くステップＳ１０２においては、エンジン１が運転中であるか否か、すなわちエンジン１の燃焼が行われているか否かを判断する。そして、その判断が肯定である場合、滞留水の状態や量に関する情報を更新する（ステップＳ１０３〜ステップＳ１０７）。一方、その判断が否定である場合、滞留水の量や状態に関する情報を更新し、更新された最新情報に基づき酸素濃度センサ５５を保護するための処理を行う（ステップＳ１０８，Ｓ１０９）。
【００４８】
すなわち、上記ステップＳ１０２での判断が肯定である場合、ＥＣＵ８０は先ずステップＳ１０３において、排気通路５０内における水蒸気の凝縮や、滞留水の蒸発等、滞留水量Ｑの変化に影響を及ぼす因子、例えば排気通路５０内の温度条件やエンジン１の運転状態に基づき、滞留水の変化量ΔＱを推定する。より具体的には、エンジン１の外気温度、燃料噴射弁６０を通じて燃焼室１３に供給される燃料量、吸気ポート４１を通じて燃焼室１３に供給される空気量等に基づいて、滞留水の変化量ΔＱを推定する。
【００４９】
ステップＳ１０４においては、前回推定した滞留水量Ｑｎ−１に今回推定した変化量ΔＱを加算し、滞留水量の最新値Ｑｎを算出する。
【００５０】
続くステップＳ１０５においては、滞留水量の最新値Ｑｎが、予め設定された基準値β以上であるか否かを判断する。そして、その判断が肯定である場合（Ｑｎ≧β）、酸素濃度センサ５５の検出素子５５Ａ（ヒータ５５Ｂ）を保護するための処理を実行、或いは継続する（ステップＳ１０６）。一方、その判断が否定である場合（Ｑｎ＜β）、ヒータ５５Ｂへの通電、すなわち酸素濃度センサ５５の検出素子５５Ａの加熱を開始、或いは継続する（Ｓ１０７）。ステップＳ１０６又はステップＳ１０７での処理を経た後、ＥＣＵ８０は、本ルーチンを一旦抜ける。
【００５１】
他方、先のステップＳ１０２において否定の判断、すなわちエンジン１が停止中である旨の判断を行った場合、ＥＣＵ８０は先ずステップＳ１０８において、排気通路５０内における水蒸気の凝縮や、滞留水の蒸発等、滞留水量Ｑの変化に影響を及ぼす因子に基づき、滞留水の変化量ΔＱを推定する。このとき、エンジン１が停止中であるため、排気通路５０内における水蒸気の凝縮や、滞留水の蒸発等、滞留水量Ｑの変化に影響を及ぼす因子としては、専ら排気通路５０内の温度条件に関するもの（例えば外気温度）が選ばれる。
【００５２】
続くステップＳ１０９においては、前回推定した滞留水量Ｑｎ−１に今回推定した変化量ΔＱを加算し、滞留水量の最新値Ｑｎを算出する。ステップＳ１０９での処理を経た後、ＥＣＵ８０は、特段を処理を行うことなく本ルーチンを一旦抜ける。
【００５３】
〔滞留水量の推定の詳細〕
ここで、上記センサ保護制御における滞留水量Ｑの推定方法（ステップＳ１０４，Ｓ１０９）について、その詳細な内容を例示する。
【００５４】
図６には、エンジン１を比較的短時間（例えば５分）運転し、比較的長時間（例えば１時間以上）停止し、再始動して短時間（例えば５分）運転するといった操作を繰り返した場合、排気通路５０内の滞留水量Ｑがどのように変化するのか、その傾向を例示する。同図６に示すように、エンジン１の再始動が繰り返される度に、滞留水量Ｑは累積的に増大し、所定の上限値（最大滞留水量）ＱＭＡＸに達する。この上限値ＱＭＡＸが、排気通路５０の酸素濃度センサ５５上流に滞留し得る水の最大値（最大滞留水量）ということになる。
【００５５】
ちなみに、排気通路５０内の滞留水は、エンジン１の始動直後から発生し、増大するが、排気通路５０内の温度が所定値（露点）を上回ると逆に蒸発して、やがては消失することになる。また、エンジン１の停止時において排気通路５０内に残された滞留水は、排気通路５０内の温度や湿度等に関する環境条件にもよるが、その後、徐々に蒸発し、減少する。このため、エンジン１の各回の運転時間若しくは停止期間が十分長ければ、エンジン１の始動が繰り返される毎に排気通路５０内の滞留水量Ｑが累積的に増大することはない。
【００５６】
図７には、排気通路５０内雰囲気が水分を含んでいない場合、排気通路内温度ＴＥＸと滞留水の減少速度ＤＥＲとがどのような関係にあるのかを例示する。同図７に示すように、排気通路内温度ＴＥＸが高くなるほど滞留水の温度も高くなり、滞留水の蒸発が速くなるため、滞留水の減少速度ＤＥＲも高まる。ちなみに、排気通路５０内の温度が０℃以下である場合には、滞留水が凍り、ほとんど蒸発しないため、滞留水の減少速度ＤＥＲは極めて低くなる。
【００５７】
図８（ａ）には、外気温度ＴＯＵＴが異なることにより、エンジン１の始動後、排気通路内温度ＴＥＸが上昇して露点Ｔ１に達するまでに要する時間（露点到達時間）がどのように変化するのか、その傾向を例示する。同図８（ａ）に示すように、排気通路内温度ＴＥＸが高くなるほど、露点到達時間は短くなる傾向がある。また、排気通路内温度ＴＥＸが露点Ｔ１を上回ると、露点到達時間はほぼ０秒となる。すなわち、排気通路内温度ＴＥＸが露点Ｔ１より低いと、排気通路５０内のガスに含まれる水分が排気通路５０の内壁に結露し、滞留水となる。その逆に、排気通路内温度ＴＥＸが露点Ｔ１より高いと、排気通路５０内の滞留水は蒸発しやすくなる。このため、排気通路内温度ＴＥＸが露点Ｔ１を上回っている条件下では、滞留水量Ｑが増大することはなく、既に存在する滞留水は速やかに蒸発することになるのである。例えば図８（ｂ）には、排気通路内温度ＴＥＸが異なることにより、エンジン１の始動後、滞留水の増大速度ＩＮＲがどのように変化するのか、その傾向を例示する。排気通路内温度ＴＥＸが上昇するにつれ、滞留水の増大速度ＩＮＲは徐々に低くなり、排気通路内温度ＴＥＸが露点Ｔ１を上回ると、滞留水は逆に減少する。
【００５８】
図９には、エンジン始動時における排気通路内温度ＴＥＸと、同じくエンジン始動時におけるエンジン冷却水の温度（冷却水温）ＴＷと、滞留水が消失するまでに要する時間との関係を示す。なお、ここでいう滞留水が消失するまでに要する時間（以下、乾燥時間という）とは、エンジン始動時には排気通路５０内に滞留水が存在しない条件の下、エンジン始動後に滞留水が出現・増大し、その後、排気温度の上昇に伴って消失するまでの全期間を意味する。また、同図９において、エンジン１の始動時に冷却水温ＴＷが排気通路内温度ＴＥＸを下回る状況（斜線部）は想定していない。同図９に示すように、エンジン始動時における排気通路内温度ＴＥＸが高くなるほど、エンジン始動後、滞留水が消失するまでに要する時間は短くなる。また、冷却水温ＴＷは、排気通路内温度ＴＷほど直接的には乾燥時間の長さに影響を与えない。また、エンジン始動時における排気通路内温度ＴＥＸが−２０℃を下回り、冷却水温ＴＷが２０℃程度である場合に、乾燥時間が最も長くなることが認められる。排気通路内温度ＴＥＸと、冷却水温ＴＷと、乾燥時間との間にみられるこのような関係は、エンジンのハードウエア特性や、冷却水温ＴＷに応じた燃料噴射量や吸気量の制御内容（ソフトウエア）の特性によって決定づけられるものと考えられる。
【００５９】
図１０（ａ）には排気通路５０の屈曲部位に水が滞留する様子を示し、図１０（ｂ）には屈曲した排気通路５０の傾斜角度θと、最大滞留水量ＱＭＡＸ（図６参照）との関係を示す。酸素濃度センサ５５の設置部位Ａより上流において排気通路５０が屈曲しており、且つ、排気通路５０が酸素濃度センサ５５の設置部位から屈曲部位Ｂに向かって上向きに傾斜していると、屈曲部位Ｂ近傍に水が溜まりやすくなる。そして、その傾斜角度θが大きいほど、屈曲部位Ｂに溜まった水（滞留水）は、排気通路５０の下流に流れ難くなる（外部に排出され難くなる）。
【００６０】
図１１には、排気通路５０内のガスの流速（排気流速）ＦＲと、最大滞留水量ＱＭＡＸとの関係を示す。排気流速ＦＲが高くなると、排気通路５０内に結露した水が下流（外部）に吹送されやすくなり、特定の部位に滞留し難くなる。
【００６１】
このように、排気通路５０内の滞留水量Ｑは、（１）エンジン始動後、比較的短期間において顕著に増大し、（２）排気通路内温度が露点を上回れば減少する。（３）エンジン停止時において排気通路５０内に残る滞留水も、比較的長いエンジン停止期間が存在すれば徐々に減少する。（４）またとくに、エンジン始動時において排気通路５０内に滞留水が残っていると、始動回数を重ねる毎、滞留水が累積的に増大する場合もある。
【００６２】
ＥＣＵ８０は、例えば図６〜図１１に示す内容に対応するデータを予め記憶しておき、排気通路５０内における滞留水の変化量ΔＱを定量的に見積もることにより（図５のステップＳ１０３）、排気通路５０内の滞留水量Ｑを積算値として逐次推定する（図５のステップＳ１０４）。
【００６３】
なお、各種のパラメータＴＥＸ、ＴＯＵＴ、ＴＷは、温度センサ等を用いて直接観測してもよいし、エンジン１の運転状態等に基づいて間接的に推定してもよい。
【００６４】
また、上述したように、エンジン停止時において排気通路５０内に残る滞留水は、エンジン停止期間中において徐々に減少するため、ＥＣＵ８０は、エンジン１の運転中に限らず、エンジンの停止期間中にも上記センサ保護制御ルーチンの実行を継続する方が好ましい。しかし、エンジン１の停止期間中、エンジン１の搭載機器の機能によって各種のパラメータＴＥＸ、ＴＯＵＴ、ＴＷを継続的に把握するのが、電力消費等の問題から好ましくない場合もあり得る。このような場合、例えばグローバル・ポジショニング・システム（ＧＰＳ）を通じて人工衛星から取得される情報（例えば外気温や日射量）を活用し、エンジン１の停止期間中における滞留水の変化量ΔＱを補間するようにしてもよい。
【００６５】
この場合、ＥＣＵ８０は、前回のエンジン停止時における滞留水量Ｑおよび停止期間中における環境条件（外気温や日射量の推移）等から機関始動時に当該機関の排気通路に留まっている水の量を滞留水量Ｑの初期値として算出し、エンジン１の始動後に変動する滞留水量（変化量ΔＱ）と併せて滞留水量の最新値Ｑｎを逐次更新する制御ロジックを採用するのが好ましい。
【００６６】
〔酸素濃度センサの保護処理の詳細〕
次に、上記センサ保護制御における酸素濃度センサ５５の検出素子５５Ａ（ヒータ５５Ｂ）を保護するための処理方法（ステップＳ１０６）について、その詳細な内容を例示する。
【００６７】
図１２及び図１３には、排気通路５０の傾斜角度θと、最大滞留水量ＱＭＡＸと、排気流速ＦＲとの関係を示す。なお、図１２中に示す各特性線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４は、排気流速ＦＲを一定とする条件下で、排気通路５０の傾斜角度θと最大滞留水量ＱＭＡＸとの関係を示す。特性線Ｌ１１が最も小さな排気流速ＦＲに対応し、特性線Ｌ１４が最も大きな排気流速ＦＲに対応する。また、図１３中に示す各特性線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４は、排気通路５０の傾斜角度を一定とする条件下で、排気流速ＦＲと最大滞留水量ＱＭＡＸとの関係を示す。特性線Ｌ２１が最も大きな傾斜角度θに対応し、特性線Ｌ２４が最も小さな傾斜角度に対応する。図１２に示すように、排気流速ＦＲが増すと、排気通路５０内に結露した水が下流（外部）に吹送されやすくなり、最大滞留水量ＱＭＡＸは減少する。また、図１３に示すように、傾斜角度θが増すと、排気通路５０の屈曲部位Ｂに溜まりやすくなり、最大滞留水量ＱＭＡＸは増大する。
【００６８】
ＥＣＵ８０は、例えば図１２や図１３の特性図に表される各パラメータＱＭＡＸ，θ，ＦＲ間の関係を予め記憶しておくことにより、上記センサ保護制御ルーチンのステップＳ１０６において、例えば以下の処理を行うことができる。
【００６９】
ステップＳ１０５において、滞留水量の最新値Ｑｎが基準値β以上であると判断した場合、最大滞留水量ＱＭＡＸが基準値βを下回るように、所定期間、排気流速ＦＲを高める制御を実行すればよい。
【００７０】
なお、排気流速ＦＲを高める方法としては、例えばエアインジェクタ５２を通じて供給される空気の量を増大させる制御を実行することができる。エアインジェクタ５２は、本来、冷間始動時等、触媒の温度が活性温度に達していない条件下で機関燃焼に供する混合気をリッチ化する場合（燃料噴射弁６０を通じて燃焼室１３内に供給する燃料の量を増量する場合）、燃焼室１３から排出された直後の排気ガスに空気（二次空気）を供給するために用いられる。排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応を促し、触媒ケーシング５４の上流における未燃燃料成分の浄化促進、その反応熱による触媒の早期活性化を図るためである。排気流速ＦＲを高める制御を行うために、このようなエアインジェクタ５２の機能を流用すれば、コスト的にも有利な装置構成を構築して、且つ、被水による酸素濃度センサ５５の破損を効果的に防止することができる。もちろん、二次空気供給用のインジェクタの機能を流用するのではなく、排気通路５０内の特定部位（水の溜まりやすい部位の近傍）に専用のエアインジェクタを設けるようにしてもよい。この場合、例えば滞留水に直接送風を行い、これを吹き飛ばすことができるため、滞留水の効率的な除去といった観点からは、より顕著な効果を期待することができる。
【００７１】
また、周知の電動アシスト付きターボチャージャを搭載したエンジンでは、排気通路に設けられるタービンを電力によって回転させ、排気流速を高めるようにしてもよい。また、これも周知のスーパーチャージャを搭載したエンジンでは、燃焼室に供給される空気の圧力を高めることにより、排気流速を高めるようにしてもよい。また、これも周知の可変ターボチャージャを搭載したエンジンでは、排気通路に設けられるタービンによる流路抵抗を低下させ、実質的に排気流速を高めるようにしてもよい。このように、本来他の目的に用いられる電動アシスト付きターボチャージャ、スーパーチャージャ、可変ターボチャージャ等の機能を流用することによっても、コスト的にも有利な装置構成を構築して、且つ、被水による酸素濃度センサ５５の破損を効果的に防止することができる。
【００７２】
燃料噴射弁６０を通じて行う燃焼室１３への燃料噴射のタイミングを遅らせること等によって排気の温度を上昇させ、滞留水の蒸発を促すようにしてもよい。
【００７３】
また同じく、燃料噴射弁６０を通じて行う燃焼室１３への燃料噴射量を増大させたり、燃料添加弁５３を通じて燃料を添加すること等により、触媒ケーシング５４内に積極的に未燃燃料を供給し、触媒ケーシング５４内で反応熱を発生させることにより、滞留水の蒸発を促すようにしてもよい。
【００７４】
また、アクチュエータ４２ａを操作してスロットル弁４２の開度を大きくする制御を行ってもよい。
【００７５】
また、とくに、エンジン１がアイドル状態にある場合には、ドライバビリティ等の観点から制約を受けることがないため、単にエンジン回転数を高める制御を行うことで、簡易且つ効果的に排気流速を高めることができる。
【００７６】
また、滞留水量Ｑ（最大滞留水量ＱＭＡＸ）を制御する方法として、排気流速ＦＲを変更するばかりでなく、排気通路５０の傾斜角度θを変更することも可能である。
【００７７】
例えば図１４には、車高制御システムを活用したセンサ保護制御の実施態様を示す。同図１４に示すように、周知の車高制御システムを構成する油圧アクチュエータ等の駆動力を用い、上記センサ保護制御ルーチンの一工程（ステップＳ１０６）として、エンジン１の搭載車両１０の接地面Ｒに対する傾斜角度σを大きくすることによって排気通路５０の傾斜角度θを所定期間変更し、最大滞留水量ＱＭＡＸを低下させる（滞留水を排気通路５０の下流（外部）に流出させる）こともできる。このとき、滞留量Ｑが大きいほど、また傾斜角度θが大きいほど傾斜角度θを大きく変更したり（傾斜角度σを大きく設定したり）、その変更期間を長く設定することにより、より効率的に滞留水量Ｑを減少させることができる（滞留水量Ｑの増大を抑制することができる）。
【００７８】
また、滞留水量Ｑ（最大滞留水量ＱＭＡＸ）を制御する方法として、排気通路５０内の露点を変化させる（低下させる）制御を行うこともできる。例えば、燃焼室１３内において機関燃焼に供される混合気の空燃比を一時的に高くする（リーン傾向にする）制御を行えば、機関燃焼の結果として生じる水蒸気成分が排気ガス全体に占める割合（水蒸気濃度）が低下する。この結果、排気通路５０内の露点が低下し、滞留水が蒸発する（或いは滞留水量Ｑの増大が抑制される）ようになる。また同じく、例えばエアインジェクタ５２を通じて排気通路５０内に空気を導入し、排気ガス中に占める水蒸気の濃度を低下させることにより、排気通路５０内の露点を制御する（低下させる）こともできる。
【００７９】
以上説明したように、本実施の形態にかかるセンサ保護装置は、排気通路５０内の酸素濃度センサ５５上流における滞留水量Ｑを逐次推定する。そして、滞留水量Ｑが基準値β以上である場合には、酸素濃度センサ５５に付設されたヒータ５５Ｂへの通電を規制するとともに、滞留水量Ｑを効果的に減少させる制御を行い、滞留水量Ｑが基準値βを下回った時点でヒータ５５Ｂへの通電を開始する。
【００８０】
ここで、従来の装置構成では、エンジン始動前から排気通路５０内に留まっている滞留水量を考量することがなかったために、エンジンが短い周期で運転と停止を繰り返した場合等、滞留水量が累積的に増大し、遂には排気通路内の排気流によって飛散し、酸素濃度センサの検出素子やヒータに接触して損傷（サーマルショック）を与えることになっていた。
【００８１】
このようなサーマルショックを回避するために、酸素濃度センサ５５の検出素子５５Ａの加熱を十分に長い時間遅らせる制御を行う方法も考えられる。しかし、エンジン１の始動後、酸素濃度センサ５５の検出素子５５Ａの加熱開始時間が遅れると、必然的に検出素子５５Ａの活性化が遅れることになる。ここで、酸素濃度センサ５５の検出信号は、例えば排気浄化用触媒の機能を最適化するために排気中の還元成分量や酸化成分量を緻密に調整するフィードバック制御（例えば燃料噴射弁６０を通じて噴射される燃料量を調整する制御や、燃料添加弁５３を通じて添加される燃料量を調整する制御等）にとって不可欠である。このため検出素子５５Ａの活性化が遅れると、その分、そのようなフィードバック制御の実行開始が遅れて排気特性が悪化する。
【００８２】
この点、本実施の形態にかかるセンサ保護装置によれば、エンジンの運転期間や停止期間の長さに関わらず、エンジン始動後における排気通路５０内の滞留水量を正確に推定し、滞留水量Ｑを減少させる処理を行う。さらに、センサ保護処理ルーチンを周期的に繰り返す過程の中で、滞留水量Ｑを減少させる処理の結果は、滞留水量Ｑの変化量ΔＱとして次回ルーチンに反映（フィードバック）されることになる（図５参照）。この結果、エンジン１の始動後、短期間で滞留水の全部若しくは一部を確実に除去し（サーマルショックが発生しない量まで減少させ）、しかも、滞留水の除去後には速やかに酸素濃度センサ５５の検出素子５５Ａを活性化させることができる。
【００８３】
ちなみに、本実施の形態にかかるセンサ保護装置は、上記センサ保護制御ルーチンに従うことで、滞留水量Ｑが基準値β以上にならないように滞留水量Ｑを適宜減少させる他、滞留水量Ｑが基準値β以上にならないように滞留水量Ｑの増大を抑制する機能を併せ有することになる。
【００８４】
なお、酸素濃度センサ５５に限らず、滞留水の接触によってサーマルショックの弊害を被る如何なるセンサ機器（例えば窒素酸化物の濃度に対応する検出信号を出力するセンサ等）を保護する目的にも、本実施の形態にかかるセンサ保護装置、或いは制御構造を適用し、これと同等若しくはこれに準ずる効果を奏することができる。
【００８５】
また、上記実施の形態では、本発明をディーゼルエンジンのセンサ保護装置に適用することとした。ディーゼルエンジンの排気温度は、ガソリンエンジンと比べて低い傾向があるため、排気中に含まれる水分が排気通路の内壁に結露しやすく、本発明の作用効果が顕著に現れることとなる。しかし、ガソリンエンジンをはじめとする他の内燃機関のセンサ保護装置に本発明を適用しても、少なくとも上記実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。
【００８６】
また、ＥＣＵ８０は、上記センサ保護制御ルーチンのステップＳ１０６における処理の効率を、同ステップＳ１０６以前に取得された情報に応じて変更するようにしてもよい。例えば、ステップＳ１０３で推定される滞留水量の最新値Ｑｎと基準値βとの偏差が大きいほど、排気流速の上昇率（又は量）、排気通路内温度の上昇量（又は率）、或いは車高制御システムによる傾斜角度θ（σ）の変更量（又は率）を大きく設定することにより、滞留水量の減少速度（処理効率）を高めるといった制御ロジックを採用してもよい。
【００８７】
また、本実施の形態におけるセンサ保護処理ルーチンを採用した場合、周期的に繰り返す過程の中で、逐次更新される滞留水量Ｑ等に応じて、滞留水量Ｑを減少させる処理の内容を変更することになる。しかし、これに限らず、例えばエンジン始動時までに取得された情報の履歴のみに基づいて、酸素濃度センサをの検出素子を保護するための処理内容を設定してもよい。この場合、例えば、エンジン始動時に設定される処理内容を完了次第、酸素濃度センサ５５のヒータ５５Ｂへの通電を開始すればよい。このような制御構造を採用しても、本実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、内燃機関の排気特性を検出するための検出素子に対する滞留水の接触の防止と、同検出素子の早期活性化に基づく排気特性の最適化とを、両立して図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるエンジンを概略的に示す構成図。
【図２】酸素濃度センサの検出素子主要部の断面構造を示す略図。
【図３】酸素濃度センサの二電極間の印加電圧及び電流の関係を示すグラフ。
【図４】酸素濃度センサの限界電流値と酸素濃度との対応関係を概略的に示すグラフ。
【図５】センサ保護制御の具体的な制御手順を示すフローチャート。
【図６】エンジンの始動回数と排気通路の滞留水量との関係を示す図。
【図７】外気温度と滞留水の蒸発速度との関係を示す図。
【図８】（ａ）外気温度と排気通路内温度の露点到達時間との関係を示す図。（ｂ）排気通路内温度と滞留水の増大速度との関係を示す図。
【図９】排気通路内の温度と、冷却水温と、滞留水が消失するまでに要する時間との関係を示す図。
【図１０】（ａ）排気通路の屈曲部位に水が滞留する様子を示す図。（ｂ）排気通路の傾斜角度と滞留水量との関係を示す図。
【図１１】排気流速と最大滞留水量との関係を示す図。
【図１２】排気通路の傾斜角度と、滞留水量と、排気流速との関係を示す図。
【図１３】排気通路の傾斜角度と、滞留水量と、排気流速との関係を示す図。
【図１４】車高制御システムを活用したセンサ保護制御の実施態様を示す図。
【符号の説明】
１  エンジン
１０  車両
１１  シリンダ
１１ａ  天井
１２  ピストン
１２ａ  頭頂面
１３  燃焼室
１４  コンロッド
１９  吸気弁
２０  排気弁
４０  吸気通路
４１  吸気ポート
４２  スロットル弁
４２ａ  アクチュエータ
５０  排気通路
５１  排気ポート
５２  エアインジェクタ
５３  燃料添加弁
５４  触媒ケーシング
５５  酸素濃度センサ
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｆ  板材
５５ｄ，５５ｅ  電極
５５ｇ  電熱線
５５ｈ  ガス拡散体
５５Ａ  検出素子
５５Ｂ  電熱式ヒータ
６０  燃料噴射弁
８０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
2004225617.tif 000003
【図２】
2004225617.tif 000004
【図３】
2004225617.tif 000005
【図４】
2004225617.tif 000006
【図５】
2004225617.tif 000007
【図６】
2004225617.tif 000008
【図７】
2004225617.tif 000009
【図８】
2004225617.tif 000010
【図９】
2004225617.tif 000011
【図１０】
2004225617.tif 000012
【図１１】
2004225617.tif 000013
【図１２】
2004225617.tif 000014
【図１３】
2004225617.tif 000015
【図１４】
2004225617.tif 000016