(57)【要約】【課題】排気系に存在する水分を高精度に検出できる排気ガス検出装置を提供することを課題とする。【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスが流れる排気系に設けられる排気ガスセンサ２と、当該排気ガスセンサ２のセンサ素子を加熱するヒータとを備える排気ガス検出装置１であって、排気系において排気ガスセンサ２の下流側に配置され、排気系内の水分を滞留させるための水分滞留部３と、水分滞留部３に滞留している水分を検出する水分検出手段４とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが流れる排気系に設けられる排気ガスセンサと、当該排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータとを備える排気ガス検出装置であって、
前記排気系において前記排気ガスセンサの下流側に配置され、前記排気系内の水分を滞留させるための水分滞留部と、
前記水分滞留部に滞留している水分を検出する水分検出手段と
を備えることを特徴とする排気ガス検出装置。
【請求項２】
前記ヒータの通電を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記水分検出手段における水分検出に基づいて前記水分滞留部に水分が滞留していると判定した場合には前記ヒータへの通電を制限することを特徴とする請求項１に記載する排気ガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータによってセンサ素子が加熱される排気ガスセンサを備える排気ガス検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガスを排出する内燃機関を搭載する車両では、排気ガス規制に適合するために、三元触媒等の触媒によって排気ガスに含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等）を浄化している。三元触媒は、理論空燃比近傍の狭い範囲で高い浄化率を有する。そのため、車両では、三元触媒に高い浄化能力を発揮させるために、空燃比制御を行っている。空燃比制御では、排気ガスの実際の空燃比を検出し、排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御している。そのため、車両には、排気ガスの空燃比を検出するために、排気管に酸素センサが設けられている。
【０００３】
酸素センサには、空燃比がリッチかあるいはリーンかを判定するＺ特性を有するラムダ型酸素センサや酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式酸素センサ等の様々なセンサがある。これら酸素センサは、ジルコニア等のセラミックのセンサ素子からなり、センサ素子が活性状態（活性温度）のときに酸素の検出が可能である。そのため、酸素センサは、素子温度を数１００℃の活性温度まで早期に上昇させるとともにその活性温度を維持するために、センサ素子をヒータによって加熱している。また、酸素センサは、保護カバーによってセンサ素子のセンシング部分が覆われており、その保護カバーに設けられた小孔から排気ガスを導入している。
【０００４】
内燃機関の始動時には、内燃機関が冷えた状態であり、排気温度も低い。そのため、排気管内も低温であり、排気管内に凝縮水が発生する場合がある。酸素センサでは、その凝縮水の一部が小孔を通って保護カバー内に浸入し、センサ素子が被水する場合がある。この際、このセンサ素子は、ヒータによる加熱によって数１００℃に達している。そのため、数１００℃のセンサ素子が凝縮水によって急冷されるので、サーマルショックによって、セラミックのセンサ素子が割れる恐れがある。このようなセンサ素子割れを防止するために、排気管内に水分が存在すると判断した場合にはセンサ素子を加熱するヒータの通電を制限する酸素濃度検出装置がある（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−４１９２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記酸素濃度検出装置では、外気温度や始動後のエンジンの運転条件等に基づいて酸素センサ近傍の排気温度を推定し、さらに、その推定した排気温度に基づいて凝縮水の有無を推定している。推定による排気温度には推定誤差が含まれているので、凝縮水が実際に発生しているにもかかわらず凝縮水が存在していないと推定したり、あるいは、実際に発生していないのに存在していると推定したりする場合がある。また、凝縮水が発生する条件は排気温度だけではないので、排気温度だけによる凝縮水の推定はその推定精度が低い。さらに、凝縮水が存在すると推定後、その凝縮水が蒸発したりあるいは流出したりして無くなるタイミングを推定するのは、更に困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、排気系に存在する水分を高精度に検出できる排気ガス検出装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る排気ガス検出装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流れる排気系に設けられる排気ガスセンサと、当該排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータとを備える排気ガス検出装置であって、排気系において排気ガスセンサの下流側に配置され、排気系内の水分を滞留させるための水分滞留部と、水分滞留部に滞留している水分を検出する水分検出手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この排気ガス検出装置では、通常、排気ガスセンサのセンサ素子をヒータで加熱し、センサ素子が活性状態のときに排気ガスに含まれる成分を検出する。排気ガス検出装置では、凝縮水の発生等によって排気系内に水分が存在する場合、その水分が水分滞留部に滞留する。そして、排気ガス検出装置では、水分検出手段によってその水分滞留部に滞留している水分を検出する。そのため、この排気ガス検出装置では、排気ガスセンサの下流側に実際に存在する水分を直接検出できるので、排気系内の水分の発生及び消滅を正確に検出することができる。排気ガスセンサの下流側に水分滞留部を配置させるのは、上流側に水分滞留部を配置した場合、水分滞留部に滞留している水分が飛散すると、排気ガスセンサのセンサ素子が被水する可能性があるからである。また、排気系内は下流ほど温度が低いため、排気ガスセンサの上流側に水分が存在する場合にはその下流側に水分が存在し、排気ガスセンサの上流側に水分が存在しない場合でも下流側に水分が存在する可能性がある。したがって、排気ガスセンサの下流側に水分滞留部を配置させれば、排気系内の水分を確実に滞留させることができる。なお、水分滞留部は、排気管等に窪みを設けてもよいし、あるいは、排気管等の形状自体が湾曲形状や凹形状を有する場合にはその部分を水分滞留部としてもよい。
【００１０】
なお、排気系は、内燃機関から排出された排気ガスが流れる系であり、排気管のみならず、排気管の途中に設けられる触媒装置等の装置も含む。排気ガスセンサは、排気系を流れる排気ガスの各種成分を検出するセンサであり、例えば、各種酸素センサ、酸化物センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサである。センサ素子は、活性温度を有しており、活性状態において排気ガスの成分を検出可能である。そのため、排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するためのヒータが必要となる。
【００１１】
本発明の上記排気ガス検出装置では、ヒータの通電を制御する制御手段を備え、制御手段は、水分検出手段における水分検出に基づいて水分滞留部に水分が滞留していると判定した場合にはヒータへの通電を制限するように構成すると好適である。
【００１２】
この排気ガス検出装置では、水分検出手段による水分の検出結果を制御手段が取り入れ、制御手段がその検出結果に基づいて水分滞留部に水分が存在するか否かを判定する。そして、排気ガス検出装置では、制御手段が水分滞留部に水分が存在すると判定した場合にはヒータの通電を制限する。通電の制限には、通電を禁止する場合や通電量を低減する場合がある。この排気ガス検出装置では、排気系内に水分が存在する場合には、ヒータへの通電を制限してセンサ素子への加熱を抑制あるいは禁止するので、センサ素子の温度が高温度にならない。そのため、センサ素子が排気系内の水分で被水しても、素子割れが発生しない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る排気ガス検出装置の実施の形態を説明する。
【００１４】
本実施の形態では、本発明に係る排気ガス検出装置を、自動車のエンジンから排出される排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ装置に適用する。本実施の形態に係る酸素センサ装置は、排気管に形成された窪みを有し、その窪みに滞留する水分（特に、凝縮水）を検出するための水分検出部を備える。
【００１５】
図１を参照して、酸素センサ装置１の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る酸素センサ装置の構成図である。
【００１６】
酸素センサ装置１は、センサ素子をヒータによって加熱して活性化し、その活性状態のセンサ素子によって排気管Ｐを流れる排気ガスの酸素濃度を検出する。また、酸素センサ装置１は、排気管Ｐ内の水分を検出でき、その検出結果に基づいてヒータへの通電を禁止する場合がある。そのために、酸素センサ装置１は、酸素センサ２、窪み３、水分検出部４、エンジンＥＣＵ５を備える。
【００１７】
なお、本実施の形態では酸素センサ装置１が特許請求の範囲に記載する排気ガス検出装置に相当し、酸素センサ２が特許請求の範囲に記載する排気ガスセンサに相当し、窪み３が特許請求の範囲に記載する水分滞留部に相当し、水分検出部４が特許請求の範囲に記載する水分検出手段に相当し、エンジンＥＣＵ５が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
【００１８】
図２も参照して、酸素センサ２について説明する。図２は、図１の酸素センサのセンシング部分の断面図である。
【００１９】
酸素センサ２は、限界電流式のセンサであり、センサ本体１０を有している。センサ本体１０は、その最外部に断面視してＵ字状の抵抗拡散層１１が配置され、その開口端部が排気管Ｐの管壁の孔に嵌め込まれた状態で固定されている。抵抗拡散層１１の内側には、固体電界質層１２（センサ素子）が外側電極層１３を挟んだ状態で配置され、固着されている。外側電極層１３の一端部には、電線１３ａが接続されている。固体電界質層１２の内側には、内側電極層１４が固着されている。内側電極層１４の一端部には、電線１４ａが接続されている。この電線１３ａ，１４ａ間にはセンサ回路（図示せず）が接続され、センサ回路から外側電極層１３と内側電極層１４との間に電圧が印加される。固体電界質層１２が活性状態の場合、排気ガス中の酸素濃度に比例して外側電極層１３と内側電極層１４との間に流れる電流が変化する。センサ回路では、その外側電極層１３と内側電極層１４との間に流れる電流を検出し、その検出した電流値及び印加電圧値をエンジンＥＣＵ５に送信する。
【００２０】
酸素センサ２は、固体電界質層１２の素子温度を早期に活性温度まで上昇させるとともにその活性化した固体電界質層１２の活性状態を維持するために、ヒータ１５を有している。ヒータ１５は、固体電界質層１２の内側に形成される空間に配設される。ヒータ１５は、電線１５ａを介してヒータ制御回路（図示せず）が接続され、ヒータ制御回路から電力が供給される。ヒータ制御回路は、エンジンＥＣＵ５によって制御され、エンジンＥＣＵ５からの制御信号に応じた電力をヒータ１５に供給する。
【００２１】
センサ本体１０の外側には、内側保護カバー１６が配設され、更に、その外側に外側保護カバー１７が配設されている。保護カバー１６，１７は、センサ本体１０が排気ガスと直接接触することを防止するとともに、センサ本体１０に対する保温性を確保する。また、保護カバー１６，１７は、センサ本体１０が排気管Ｐ内に存在する水分を被水するのを防止する。内側保護カバー１６は、円筒形状であり、開口端部が排気管Ｐの管壁に固着されている。内側保護カバー１６の側面には、排気ガスを導入するための小さいガス孔１６ａが複数個設けられている。外側保護カバー１７は、内側保護カバー１６よりも大径の円筒形状であり、開口端部が排気管Ｐの管壁に固着されている。外側保護カバー１７の側面にも、ガス孔１６ａとはセンタ本体１０を挟んで反対側の位置に、排気ガスを導入するための小さいガス孔１７ａが複数個設けられている。
【００２２】
窪み３は、酸素センサ２より下流側に存在する水分を滞留させるための窪みである。窪み３は、酸素センサ２より下流側に配置され、排気管Ｐ内において水が溜まる側に設けられる。下流側でも、酸素センサ２の周辺の水分の状況を高精度に検出するために、酸素センサ２に極力近いほうがよい。窪み３は、排気管Ｐの管壁を変形させることによって形成され、椀状である。窪み３は、水分が少ない状態でも検出できかつ溜まるまでの時間を短くするために、小径でかつ浅いほうがよい。
【００２３】
窪み３を酸素センサ２より下流側に配置させるのは、排気管Ｐでは下流ほど温度が低いので、下流ほど凝縮水が発生し易いからである。酸素センサ２の上流側で凝縮水が発生している場合にはその下流側では確実に凝縮水が発生しており、酸素センサ２の上流側で凝縮水が発生していない場合でも酸素センサ２より下流側では凝縮水が発生している可能性がある。したがって、窪み３を酸素センサ２より下流側に配置させることによって、酸素センサ２の周辺で発生している凝縮水を確実に検出することができる。また、窪み３を酸素センサ２より上流側に配置させた場合、窪み３に溜まった水分が飛散して、酸素センサ２が被水する可能性があるからである。
【００２４】
なお、水分滞留部を窪み３のように酸素センサ装置１用として特別に設けるのではなく、排気管Ｐの形状を利用したものでもよい。例えば、図４に示すように、排気管ＰにおいてＶ字状やＵ字状の湾曲形状がある場合には、その上流側に酸素センサ２を配置し、その湾曲形状を水分滞留部としてもよい。また、図５に示すように、排気管Ｐにおいて管全体が凹形状の箇所がある場合には、その上流側に酸素センサ２を配置し、その凹形状を水分滞留部としてもよい。
【００２５】
水分検出部４は、窪み３に水分が滞留しているか否かを検出するための検出部であり、２枚の電極２０，２１、電源２２、電流計２３を備えている。２枚の電極２０，２１は、窪み３の中央部で互いに向かい合うように配置される。電極２０，２１は、窪み３の底部から排気管Ｐ内に突出し、窪み３の深さ程度の高さを有する。電極２０は、電線２０ａを介して電源２２のプラス側に接続する。電極２１は、電線２１ａ，２１ｂ及び電流計２３を介して電源２２のマイナス側に接続する。電線２１ａ，２１ｂ間には、電流計２３が設けられる。電流計２３は、電線２１ａ，２１ｂ間に接続する電気抵抗（図示せず）を有し、その電気抵抗の両端電圧値をエンジンＥＣＵ５に送信する。
【００２６】
水分検出部４では、電源２２から電極２０，２１間に電圧を印加する。電極２０，２１間に水分が存在する場合、電極２０，２１間に電流が流れないので、電流計２３の電気抵抗には電流が流れない。したがって、電気抵抗の両端電圧値はゼロである。電極２０，２１間に水分が存在する場合、電極２０，２１間に電流が流れるので、電流計２３の電気抵抗には電流が流れる。したがって、電気抵抗の両端電圧値はその流れる電流に応じた電圧値となる。電極２０，２１間に流れる電流量は、電極２０，２１間の水分量が多いほど増加する。また、電流計２３の電気抵抗に流れる電流量は、電極２０，２１間に流れる電流量に比例する。したがって、電流計２３の電気抵抗の両端電圧値は、電極２０，２１間の水分量が多いほど増加する。
【００２７】
エンジンＥＣＵ５は、ＣＰＵ［Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ］、ＲＯＭ［Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ］、ＲＡＭ［Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ］等からなる電子制御ユニットである。エンジンＥＣＵ５は、各種センサが接続され、各種センサからの検出値に基づいて各種制御値等を設定し、エンジン及びエンジンに関する各部を制御する制御装置である。さらに、エンジンＥＣＵ５は、酸素センサ装置１の制御装置でもあり、酸素センサ装置１のセンサ回路、ヒータ制御回路、水分検出部４から各種検出値を取り入れ、センサ回路、ヒータ制御回路、水分検出部４を制御する。
【００２８】
エンジンＥＣＵ５では、エンジン始動時に、水分検出部４の電流計２３の電気抵抗の両端電圧値から電流値を検出し、その検出電流値が判定電流値以上か否かを判定する。判定電流値は、窪み３に水分が滞留しているか否かを判定するための電流値であり、電源２２による印加電圧や電流計２３の電気抵抗の抵抗値等に基づいて設定される。エンジンＥＣＵ５では、検出電流値が判定電流値以上の場合にはヒータ１５への通電を禁止し、検出電流値が判定電流値未満の場合にはヒータ１５への通電を許可する。
【００２９】
ヒータ１５への通電を許可した場合、エンジンＥＣＵ５では、ヒータ１５に供給する電力量を設定し、その電力量を供給するための制御信号をヒータ制御回路に送信する。設定する電力量は、酸素センサ２のセンサ素子（固体電界質層１２）が活性状態になるまではヒータ制御回路で発生できる最大電力量又はそれに近い電力量であり、活性状態になった場合にはその活性状態を維持するために必要な電力量である。センサ素子が活性状態か否かは、センサ素子の抵抗がセンサ素子の温度に依存するので、センサ素子の抵抗値に基づいて判定する。そのために、エンジンＥＣＵ５では、外側電極層１３と内側電極層１４との間に流れる電流及び印加電圧からセンサ素子の抵抗値を検出する。センサ素子が活性状態になると、エンジンＥＣＵ５では、外側電極層１３と内側電極層１４との間に流れる電流値から排気ガスの酸素濃度を検出する。
【００３０】
図１、図２を参照して、エンジンの始動時の酸素センサ装置１における凝縮水検出制御を図３のフローチャートに沿って説明する。図３は、図１の酸素センサ装置における凝縮水検出制御を示すフローチャートである。
【００３１】
エンジンが、ドライバによる操作に応じて始動する（Ｓ１）。この際、エンジンＥＣＵ５も起動し、水分検出部４では電源２２から電極２０，２１間に電圧を印加する。エンジン始動時には、エンジンが暖まっておらず、排気温度も低く、排気管Ｐ内も低温である。
【００３２】
エンジン始動後、エンジンＥＣＵ５では、凝縮水検知待ち時間が経過するまで凝縮水の検出を行わない（Ｓ２）。というのは、凝縮水はエンジン始動直後から発生するが、単位時間当たりの発生量は極僅かである。そのため、始動直後は電極２０，２１間が導通するほど凝縮水が窪み３に滞留している可能性が低い。そこで、エンジン始動後から凝縮水検出待ち時間が経過するまでは凝縮水の検出を見合わせ、確実に検出できる状態になってから検出を開始する。凝縮水検出待ち時間は、エンジン条件を考慮しないで定数として設定してもよいし、あるいは、始動時の水温や吸気温度等の条件に基づいて算出してもよい。
【００３３】
凝縮水検出待ち時間が経過すると、エンジンＥＣＵ５では、水分検出部４の電流計２３の電気抵抗の電圧値から電流値を検出し、電極２０，２１間に電流が流れているか否かの検出を開始する（Ｓ３）。エンジンＥＣＵ５では、検出電流値が判定電流値以上か否かを判定する（Ｓ４）。
【００３４】
エンジンＥＣＵ５では、検出電流値が判定電流値以上の場合、水分が窪み３に滞留していると判定し（ひいては、酸素センサ２の周辺に水分が存在すると判定し）、ヒータ１５への通電を禁止する（Ｓ５）。この場合、酸素センサ２のセンサ素子は、ヒータ１５によって加熱されてないので、低温である。そのため、排気管Ｐ内に発生している凝縮水がガス孔１６ａ，１７ａから浸入し、酸素センサ２のセンサ素子が被水した場合でも、センサ素子の割れが発生することはない。
【００３５】
また、エンジンＥＣＵ５では、検出電流値が判定電流値未満の場合、水分が窪み３に滞留していないと判定し（ひいては、酸素センサ２の周辺に水分が存在しないと判定し）、ヒータ１５への通電を許可する（Ｓ６）。これによって、エンジン始動後から凝縮水が発生していなかったこと又は凝縮水が発生していたが、エンジンの暖気に伴って蒸発しあるいは流出し、凝縮水が無くなったことを確実に検出することができるので、ヒータ１５への通電開始の最適なタイミングを検出できる。
【００３６】
続いて、エンジンＥＣＵ５ではヒータ１５に供給する電力量の設定を開始し、ヒータ制御回路によるヒータ１５への通電を開始する（Ｓ７）。この場合、酸素センサ２の周辺には凝縮水が存在しないので、酸素センサ２のセンサ素子が高温になっても、被水によるセンサ素子割れが発生することはない。
【００３７】
この酸素センサ装置１では、酸素センサ２の下流側に窪み３を設けることによって、排気管Ｐ内における酸素センサ２の周辺の水分（特に、凝縮水）の有無を窪み３内の水分の有無で確実に検出することができる。さらに、酸素センサ装置１では、窪み３の水分の有無を水分検出部４によって直接検出するので、排気管Ｐ内に水分が存在するか否かの検出精度が非常に高い。特に、酸素センサ装置１では、凝縮水が発生していることだけでなく、凝縮水が蒸発して無くなった時期も正確に検出することができる。そのため、酸素センサ装置１では、被水によるセンサ素子割れを確実に防止することができる。
【００３８】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００３９】
例えば、本実施の形態では本発明に係る排気ガス検出装置を酸素センサ装置に適用したが、酸化物センサ装置、ＮＯｘセンサ装置等の他の排気ガス検出装置に適用してもよい。また、酸素センサとしては限界電流式の酸素センサに適用したが、ラムダ型酸素センサ等の他の酸素センサにも適用可能である。
【００４０】
また、本実施の形態では自動車のエンジンに適用したが、その燃料や噴射形式については特に限定するものでなく、自動車エンジン以外の他の内燃機関にも適用可能である。
【００４１】
また、本実施の形態では排気ガスセンサ（酸素センサ）を排気管に設ける場合に適用したが、排気ガスセンサを触媒装置内に設けるなど排気系の他の箇所に設ける場合にも適用できる。
【００４２】
また、本実施の形態では制御手段をエンジンＥＣＵとしたが、排気ガス検出装置の専用のＥＣＵであってもよいし、あるいは、他の装置のＥＣＵに組み込まれてもよい。
【００４３】
また、本実施の形態ではエンジンの始動時においてのみ凝縮水を検出する構成としたが、寒冷地等においてエンジンの始動時以外にも凝縮水が発生する可能性がある場合には始動時以外にも凝縮水を検出する構成としてもよい。
【００４４】
また、本実施の形態では水分を検出した場合にはヒータへの通電を禁止する構成としたが、センサ素子割れが発生しない程度にヒータに供給する電力量を抑制する構成でもよい。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、排気系に存在する水分を高精度に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る酸素センサ装置の構成図である。
【図２】図１の酸素センサのセンシング部分の断面図である。
【図３】図１の酸素センサ装置における凝縮水検出制御を示すフローチャートである。
【図４】排気管の湾曲形状を利用した水分滞留部である。
【図５】排気管の凹形状を利用した水分滞留部である。
【符号の説明】
１…酸素センサ装置、２…酸素センサ、３…窪み、４…水分検出部、５…エンジンＥＣＵ、１０…センサ本体、１１…抵抗拡散層、１２…固体電界質層、１３…外側電極層、１３ａ…電線、１４…内側電極層、１４ａ…電線、１５…ヒータ、１５ａ…電線、１６…内側保護カバー、１６ａ…ガス孔、１７…外側保護カバー、１７ａ…ガス孔、２０，２１…電極、２０ａ，２１ａ，２１ｂ…電線、２２…電源、２３…電流計
【図１】
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【図２】
2004360563.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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