(57)【要約】【課題】検知素子の加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサを排気管に配備している内燃機関において、機関始動直後において、ヒータの温度を適正に制御して、検知素子にクラック、破損等の不具合を生じさせることがないようにされた制御装置を提供する。【解決手段】機関始動時における検知素子の表面の水分付着状態を、機関水温等に基づいて推定し、素子表面に水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータの温度（加熱量）を急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子におけるヒータ近傍の内部とヒータから離れた表面との温度差が所定値を越えないように、ヒータの温度を制御するウォームアップ制御を行う。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知素子に加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサを排気管に配備している内燃機関の制御装置であって、機関始動直後においては、機関始動時の運転状態に応じて前記ヒータの温度を制御するウォームアップ制御を行うことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記検知素子表面の水分付着状態を推定し、推定された水分付着状態に応じて前記ウォームアップ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
機関の冷却水温、吸気温、及び排気管の温度のうちの少なくとも１つに基づいて前記検知素子表面の水分付着状態を推定するようにされていることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記検知素子における前記ヒータ近傍の部分と前記ヒータから離れた表面部分との温度差が所定値を越えないように、前記ウォームアップ制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載の制御装置。
【請求項５】
機関始動後の吸入空気量の積算値を算出し、この算出された積算値に基づいて、前記ウォームアップ制御の終了時期を設定するようにされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項６】
機関始動後の経過時間を計測し、経過時間がしきい値を超えるまで、前記ウォームアップ制御を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項７】
機関の繰り返し始動回数を計数し、この計数された始動回数に基づいて前記経過時間のしきい値を設定することを特徴とする請求項６に記載の制御装置。
【請求項８】
前記ヒータへの電力供給量を演算し、この演算された電力供給量に基づいて前記ヒータの温度を推定し、この推定されたヒータ温度に基づいて、前記ウォームアップ制御を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項９】
前記検知素子の温度が、０°Ｃ以上で３００°Ｃ未満の範囲内に収まるように、前記ウォームアップ制御を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の制御装置。。
【請求項１０】
前記ウォームアップ制御期間中は、燃焼に供せられる混合気の空燃比を通常運転時よりリッチ側に補正するようにされていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項１１】
前記ウォームアップ制御期間中は、点火時期を通常運転時より遅らせる補正を行うようにされていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項１２】
冷却水温、吸気温、吸入吸気量等のセンサ検出値のうちのいずれかが異常値を示している場合、正常値を示しているセンサ検出値に基づいて、前記異常値を示しているセンサ検出値についてのバックアップ値を算出し、この算出されたバックアップ値に基づいて前記ウォームアップ制御を行うことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項１３】
前記ヒータに印加される電圧値又は電流値に異常が検出されたとき、前記ヒータに対する制御を停止するようにされていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検知素子の加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサを排気管に配備している内燃機関の制御装置に係り、特に、前記検知素子が活性化されていない内燃機関の始動直後に、ヒータの温度（発熱量）を制御して、検知素子にクラック、破損等の不具合を生じさせないようにした内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境負荷軽減のため、内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を低減することが求められており、そのためには、内燃機関において燃焼に供せられる混合気の空燃比を適正な範囲に制御することが要求される。
【０００３】
従来より、空燃比を適正範囲に制御すべく、排気ガス中の酸素濃度を検出して、酸素量が略ゼロとなるように燃料供給量をフィードバック制御すること等が行われている。酸素濃度を検出するには、酸素濃度比率に応じて電圧を生じる酸素センサや、酸素濃度をリニアに検出できるリニア空燃比センサ等の排気ガスセンサが使用されている。
【０００４】
しかしながら、酸素センサ（の酸素濃度検知素子）が正常に動作（活性化）する温度は３００°Ｃ以上、リニア空燃比センサ（の酸素濃度検知素子）が正常に動作（活性化）する温度は６００°Ｃ以上であるので、センサの検知素子をヒータ等の加熱手段で強制加熱して活性温度を越えるまで昇温させる必要がある。
【０００５】
そのため、従来より、前記センサに検知素子の加熱用のヒータを付設し（センサ内部の検知素子の近傍にヒータを配在するのが普通である）、検知素子をヒータで加熱することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特許第２６２４７３１号公報（第１〜３頁、第１図〜第５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内燃機関始動後において、できるだけ早くセンサの検知素子を活性化させるには、前記ヒータによる前記検知素子の急速加熱が必要となるが、急速加熱を行うと、そのときの温度上昇に伴う熱応力によって検知素子にクラックが発生する等の不具合が生じて適正に酸素濃度を検出することができなくなることがあり、最悪の場合は検知素子が破損して全く機能しなくなってしまうこともあった。
【０００７】
センサの検知素子にクラック、破損等の不具合が発生する原因としては以下のようなことが考えられる。
通常、内燃機関においては、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気中に気化混合せしめられ、その混合気が燃焼室で燃焼して、該燃焼の排気ガスが排気管に排出されるが、その際、排気ガスによって排気管が暖められる。排気ガスの発熱量は、燃料噴射量、すなわち、吸入空気量に比例するので、吸入空気量の積算値が発熱量になる。その際、燃料は下記の如き反応をする。
ＣｍＨｎ＋（ｍ＋ｎ／４）Ｏ２  →  ｍＣＯ２＋ｎ／２Ｈ２Ｏ
【０００８】
燃焼によって生じる水分は、排気管温度が露点以上であれば水蒸気となって排出されるが、排気管温度が露点以下であれば排気管壁面に水滴となって結露する。
特に、排気管が湾曲していて上部にガスが溜まりやすい構造であると、水蒸気は湾曲部の上部に溜まり、機関停止後、排気管温度が低下してくると、その溜まった水蒸気は水分となって結露する。そのため、センサが湾曲部に取り付けられていると、検知素子表面にも水分が付着しやすい。この検知素子表面に付着した水分が前記クラック、破損等の不具合が発生する主たる原因であるが、それを説明する前に、現在実用に供されている検知素子加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサの一例（後述の本発明の実施形態においても使用されているリニア空燃比センサ）を図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら説明する。
【０００９】
図３（Ａ）に示されるリニア空燃比センサ１０は、排気管１０９に取り付けられた筒状のホルダ１１及び排気管１０９内に挿入されたプロテクタ１２を有し、プロテクタ１２内に酸素濃度検知素子２０が配設されている。プロテクタ１２には幾つかの穴１４が形成されており、この穴１４から排気ガスが出入りするようになっている。
【００１０】
検知素子２０は、図３（Ｂ）に示される如くに、上下の保護層２３、２４を含む多層構造となっており、その下面側に電熱線式ヒータ３０を内蔵するヒータ部２９が配設されている。
【００１１】
検知素子２０は、検知電極２１と基準電極２２とを有し、これら検知電極２１と基準電極２２に挟まれた拡散層２５に、所定の電流を流して、排気管１０９を流れる排気ガスの酸素濃度に応じて、検知電極２１側と基準電極２２側との酸素濃度比が一定となるように、酸素を移動させる。このときの電流値が排気管側の酸素濃度に比例することになるので、電流値を測定することで排気管内（排気ガス）の酸素濃度を検出することができる。酸素濃度は、燃焼の際に反応しなかった酸素であり、空燃比に対応する。よって、空燃比に応じて図４に示される如くの電流特性を持つ。
【００１２】
前記検知素子２０が正常に機能するには、酸素がイオンとして移動できる温度（６００°Ｃ以上）まで加熱する必要がある。排気ガスが６００°Ｃ以上であれば、排気ガスによる加熱が可能であるが、通常の運転では排気ガス温度は６００°Ｃ以下であり、ヒータ３０による加熱が必要である。
【００１３】
一方、ヒータ３０による加熱は、検知素子２０に対して一様な温度分布にならず、ヒータ近傍部分（内部）２０ｉが高く、ヒータ３０から離れた表面部分２０ｓが低くなるため、その温度差によって熱応力が生じる。温度差は検知素子２０の熱抵抗に応じて変わる。熱抵抗が大きいと、熱は内部にたまり、温度差が大きくなる。よって、ヒータ３０の温度を一定とすると、図６に示される如くに、ヒータ３０への通電直後（機関始動直後）にヒータ近傍部分（内部）２０ｉの温度が高くなり、表面部分２０ｓとの温度差が最大となる。温度差を所定値以下とするには、実験の結果、温度上昇率が５５°Ｃ／秒以下であればよいことが明らかになっている。
【００１４】
水分が検知素子表面２０ｓに付着していると、素子表面２０ｓは水分の潜熱があるので、加熱されても水分が蒸発する間は１００°Ｃに維持され、そのため、温度差はさらに拡大する。水分蒸発中の検知素子表面２０ｓの温度上昇率は略ゼロであるが、水分が無くなった直後からは急速に上昇するので、温度上昇率が５５°Ｃ／秒を越えてしまう。このような検知素子２０の内部２０ｉと表面２０ｓとの間の温度差及び急速な温度上昇に伴う熱応力により、検知素子２０にクラック、破損等の不具合が発生すると考えられる。
【００１５】
本発明は、前記した如くの問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、検知素子の加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサを排気管に配備している内燃機関において、機関始動直後において、ヒータの温度を適正に制御して、検知素子にクラック、破損等の不具合を生じさせることがないようにされた制御装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る内燃機関の制御装置は、検知素子に加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサを排気管に配備している内燃機関の制御装置であって、内燃機関の始動直後においては、該機関の始動時の機関運転状態に応じて前記検知素子に対する前記ヒータの温度を制御するウォームアップ制御を行うことを特徴としている。
【００１７】
好ましい態様では、前記検知素子の表面の水分付着状態を推定し、推定された水分付着状態に応じて前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
この場合、具体的には、機関の冷却水温、吸気温、及び排気管の温度のうちの少なくとも１つに基づいて前記検知素子の表面の水分付着状態を推定するようにされる。
【００１８】
より具体的な好ましい態様では、前記検知素子における前記ヒータ近傍の部分と前記ヒータから離れた表面部分との温度差が所定値を越えないように、前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
他の好ましい態様では、機関始動後の吸入空気量の積算値を算出し、この算出された積算値に基づいて、前記ウォームアップ制御の終了時期を設定するようにされる。
【００１９】
他の別の好ましい態様では、機関始動後の経過時間を計測し、経過時間がしきい値を超えるまで、前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
この場合、好ましくは、機関の繰り返し始動回数を計数し、この計数された始動回数に基づいて前記経過時間についてのしきい値を設定するようにされる。
【００２０】
さらに他の好ましい態様では、前記ヒータへの電力供給量を演算し、この演算された電力供給量に基づいて前記ヒータの温度を推定し、この推定されたヒータ温度に基づいて、前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
【００２１】
前記の他、前記検知素子の温度が、好ましくは、０°Ｃ以上で３００°Ｃ未満の範囲内に収まるように、前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
一方、本発明の制御装置は、前記ヒータに対する制御の他、前記ウォームアップ制御期間中は、燃焼に供せられる混合気の空燃比を通常運転時よりリッチ側に補正するようにされる。
また、前記ウォームアップ制御期間中は、点火時期を通常運転時より遅らせる補正を行うようにされる。
【００２２】
さらに好ましい態様では、冷却水温、吸気温、吸入吸気量等のセンサ検出値のうちのいずれかが異常値を示している場合、正常値を示しているセンサ検出値に基づいて、前記異常値を示しているセンサ検出値についてのバックアップ値を算出し、この算出されたバックアップ値に基づいて前記ウォームアップ制御を行うようにされる。
他の好ましい態様では、前記ヒータに印加される電圧値又は電流値に異常が検出されたとき、前記ヒータに対する制御を停止するようにされる。
【００２３】
前記の如くの構成とされた本発明に係る内燃機関の制御装置の好ましい態様においては、機関始動時における検知素子の表面の水分付着状態を、機関水温等に基づいて推定し、素子表面に水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータの温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子におけるヒータ近傍の内部とヒータから離れた表面との温度差が所定値を越えないように、ヒータの温度を制御するウォームアップ制御を行うようにされているので、排気ガスセンサの検知素子にクラック、破損等の不具合が生じることを確実に防止でき、信頼性が向上する。この場合、センサに改造を加えることなく、ヒータの温度制御のみで、前記効果を奏するので、コストアップを招かずに済む等の利点も得られる。
【００２４】
また、始動時水温が低いとき等においても、検知素子に不具合を発生させることなく、検知素子を早期に活性化させることができるので、空燃比のフィードバック制御を行える領域を拡大でき、そのため、内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分の低減化等にも寄与する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る制御装置が適用されたヒータ付き排気ガスセンサを備えた内燃機関を示す。
【００２６】
図示の内燃機関１００は、水温センサ１１０が配設された気筒１０７の頭部（燃焼室）に点火コイル１０３から点火電圧を印加される点火プラグ１０２が配設され、また、クランク軸及び吸排気動弁機構に関連してクランク角センサ１１１及びカム角センサ１１２が設けられ、吸気系（吸気管１０８）には、燃料噴射弁１０１、スロットル弁１０４、スロットルポジションセンサ１１３、吸気管圧力センサ１１４、吸入空気流量計１１５、吸気温センサ１２１等が配設され、排気系（排気管１０９）には、前述した図３に示されるリニア空燃比センサ１０、排気温センサ１２２、触媒１１８等が配在されている。前記燃料噴射弁１０１には、燃料タンク１２５から燃料ポンプ１１７及び燃圧制御弁１２６を介して一定圧に調圧された燃料が圧送されるようになっている。
【００２７】
そして、本実施形態の制御装置１においては、前記リニア空燃比センサ１０内に設けられた検知素子加熱用ヒータ３０（図３Ａ参照）の温度（発熱量）の制御、前記燃料噴射弁１０１による燃料噴射量や燃料噴射時期の制御、前記点火プラグ１０２の点火時期の制御等を行うため、コントロールユニット１２０が備えられている。
【００２８】
コントロールユニット１２０は、図２に示される如くに、数値・論理演算を行うＣＰＵ４０１、ＣＰＵ４０１が実行するプログラム及びデータを格納したＲＯＭ４０２、データを一時的に記憶するＲＡＭ４０３、各センサ類からのアナログ信号を取り込んでデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４０４、運転状態を示すスイッチ類からの信号を取り込むデジタル入力回路４０５、パルス信号の時間間隔や所定時間内のパルス数を計数するパルス入力回路４０６、さらに、ＣＰＵ４０１の演算結果に基づきアクチュエータ（図示せず）のオン・オフを行う、デジタル出力回路４０７、パルス出力回路４０８、そして、通信回路４０９を備えており、これらにより、データを外部に出力し、さらに、外部からの通信コマンドによって内部状態を変更できるようになっている。
【００２９】
図５は、コントロールユニット１２０、リニア空燃比センサ１０、ヒータ３０の接続関係を示しており、リニア空燃比センサ１０の検知素子２０から得られる酸素濃度をあらわす信号はセンサ信号処理回路２６を介してコントロールユニット１２０に入力される。また、ヒータ３０は、トランジスタ３６のＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）に応じてバッテリ３７から通電され、その通電量（時間）に応じて発熱し、検知素子２０を加熱する。この加熱温度を制御すべく、コントロールユニット１２０からトランジスタ３６をＯＮ／ＯＦＦするための制御信号（デューティ信号）が供給される。なお、トランジスタ３６の両端の電圧値（又は電流値）は、ヒータ３０の故障診断等に用いるため、コントロールユニット１２０に取り込まれるようになっている（後述）。
【００３０】
次に、コントロールユニット１２０が、機関始動直後において、ヒータ３０で検知素子２０を加熱するにあたり、検知素子２０にクラック、破損等の不具合を生じさせることがないようにするための制御例を説明する。
【００３１】
前述したように、燃焼によって生じた水分は、排気管温度が露点以上であれば水蒸気となって排出されるが、排気管温度が露点以下であれば排気管１０９の壁面に水滴となって結露し、検知素子２０の表面２０ｓにも水分（結露水）が付着する。
【００３２】
また、ヒータ３０による加熱は、検知素子２０に対して一様な温度分布にならず、ヒータ近傍部分（内部）２０ｉが高く、ヒータ３０から離れた表面部分２０ｓが低くなるため、その温度差によって熱応力が生じる。温度差は検知素子２０の熱抵抗に応じて変わる。熱抵抗が大きいと、熱は内部にたまり、温度差が大きくなる。よって、ヒータ３０の温度（検知素子２０に対する加熱量）を一定とすると、図６に示される如くに、ヒータ３０への通電直後（機関始動直後）にヒータ近傍部分（内部）２０ｉの温度が高くなり、表面部分２０ｓとの温度差が最大となる。
【００３３】
水分が検知素子表面２０ｓに付着していると、素子表面２０ｓは水分の潜熱があるので、加熱されても水分が蒸発する間は１００°Ｃに維持され、そのため、温度差はさらに拡大する。水分蒸発中の素子表面２０ｓの温度上昇率は略ゼロであるが、水分が無くなった直後からは急速に上昇する。
【００３４】
そこで、本実施形態においては、コントロールユニット１２０が、機関始動時における検知素子２０の表面２０ｓの水分付着状態を推定し、表面２０ｓに水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータ３０の温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子２０におけるヒータ３０近傍の内部２０ｉとヒータ３０から離れた表面２０ｓとの温度差が所定値を越えないように、ヒータ３０の温度を制御するウォームアップ制御を行う。
【００３５】
そして、前記ウォームアップ制御を、素子表面２０ｓの水分が全て蒸発する時期（これも排気ガスの発熱量＝吸入空気量の積算値等に基づいて推定する）まで継続し、水分が全て蒸発したと推定された時期以後は、検知素子２０の温度を活性化温度（約６００°Ｃ以上）まで上昇させるセンサ活性促進制御を行い、検知素子２０が活性化温度に達した以降は、フィードバック制御により最適温度（例えば７５０〜７６０°Ｃ程度）で維持する。なお、フィードバック制御には、検知素子２０の実温度が必要であるが、検知素子２０の実温度は、それが４００°Ｃ〜５００°Ｃに達すると、検知素子２０から得られる信号に基づいて求めることができる。
【００３６】
前記した機関始動時における素子表面２０ｓの水分付着状態は、機関始動時における排気管１０９の温度に応じて異なるので、本実施形態においては、排気管１０９の温度と略同じと見なすことができる機関の冷却水温及び吸気温（いずれか一方だけでも可）に基づいて前記検知素子表面２０ｓの水分付着状態を推定するようにされている。
【００３７】
そして、コントロールユニット１２０は、推定された水分付着状態に応じて、制御態様を、第１ウォームアップ制御、第２ウォームアップ制御、及び、センサ活性化促進制御の三通りに切り換えるようにされる。
【００３８】
第１ウォームアップ制御は、素子表面２０ｓに水分が付着している可能性が高いとき（下記条件［１］成立時）に行い、第２ウォームアップ制御は、素子表面２０ｓに多少は水分が付着している可能性があるとき（下記条件［２］成立時）に行い、センサ活性化促進制御は、素子表面２０ｓに水分が付着していないと推定されるとき行う。
【００３９】
以下、上記制御を、図７のフローチャート及び図８のタイムチャート（素子表面２０ｓに水分が付着している可能性が高いときの例）を参照しながら説明する。
第１ウォームアップ制御を行う条件［１］は、水温（ＴＷＮ）が所定値（ＫＴＷＨＥＡＴＯＮ）より低いこととされ、ここでは、ＫＴＷＨＥＡＴＯＮ＝１０°Ｃ程度に設定されている。
【００４０】
このときは、水分が蒸発する温度程度に素子表面２０ｓ温度を維持する。水分は０°Ｃ以上であれば水蒸気として徐々に蒸発する。１００°Ｃ以上であれば蒸発が促進される。しかし、水分が付着している素子表面２０ｓは１００°Ｃに維持されるので、ヒータ３０の温度を１００°Ｃ以上に上げると検知素子２０内部で温度差が生じて熱応力が発生する。熱応力の限界値（クラック、破損等の不具合が発生する上限値）未満にするためには、検知素子２０の内部２０ｉの温度が３００°Ｃ程度を越えないようにすることが要求される。ここでは、ヒータ３０の目標温度ＫＡＦＴＨＷＲＭ（定数）を１００°Ｃ程度に設定して、検知素子２０の温度を１００°Ｃ程度に維持することによって、水分を蒸発させる（図７のフローチャートにおいてステップ５００、５０１、５０２）。
【００４１】
第１ウォームアップ制御により、水温（ＴＷＮ）が所定値（ＫＴＷＨＥＡＴＯＮ＝１０°Ｃ）以上になると、図８に示されているように、第１ウォームアップ制御から第２ウォームアップ制御に切り換えられる。
【００４２】
第２ウォームアップ制御を行う条件［２］は、下記（Ａ）および（Ｂ）を満たしていることとされる。
（Ａ）下記（ａ）〜（ｃ）のいずれかを満たしている場合。
（ａ）始動時水温（ＴＷＳ）が所定値（ＫＴＷＷＵＬ）よりも低い場合。ここでは、ＫＴＷＷＵＬは、例えば１５°Ｃ程度に設定される。
（ｂ）始動時吸入空気温（ＴＡＳ）が所定値（ＫＴＡＷＵＬ）よりも低い場合。
（ｃ）繰り返し始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）が所定値（ＫＣＡＦＴＷＲＭ）よりも大きい場合。
【００４３】
（Ｂ）下記（ｅ）又は（ｆ）を満たしている場合。
（ｅ）始動後の吸入空気量積算値（ＳＵＭＱＡＳ）が所定値（ＳＵＭＱＡＳＬ（ＴＷＳと繰り返し始動回数に応じて検索する値の和））よりも小さいとき。ここで、所定値（ＳＵＭＱＡＳＬ）は、始動時水温（ＴＷＳ）に応じたＳＵＭＱＡＢＳと、繰り返し始動回数に応じたＳＵＭＱＡＳＴの和とする。なお、吸入空気量積算値は単位時間あたりの吸入空気量を積算したものでもよいし、吸入空気量に応じてテーブル値から換算した加算値（ＱＡＳＬＸ）を検索して、次式のように加算してもよい。
ＳＵＭＱＡＳ＝ＳＵＭＱＡＳ＋ＱＡＳＬＸ
（ｆ）始動後経過時間が所定値（ＴＭＡＦＷＲＭ）＝水温（ＴＷＮ）と繰り返し始動回数に応じて検索する値の和に達するまで。ここで、ＴＭＡＦＷＲＭは、始動時水温（ＴＷＳ）に応じたＴＭＡＦＴＨと、繰り返し始動回数に応じたＴＭＡＦＳＴの和とする。
【００４４】
上記条件［２］を満たしているとき（第１ウォームアップ制御終了後）は、素子表面２０ｓの水分付着量は少ないと推定されるので、始動時水温（ＴＷＳ）に応じてヒータ３０の目標温度ＴＣＡＦＴ１ＳＴ（ここでは第１ウォームアップ制御時と同じ１００°Ｃ）を設定し、素子表面２０ｓに付着している水分の蒸発を促進させる（図７のフローチャートのステップ５０３、５０４）。
【００４５】
なお、繰り返し始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）は、以下のようにして求める（図９参照）。
下記、（ａ）又は（ｂ）の何れかが満たされたとき、機関始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）を所定値（ＫＣＡＷＭＸ）とする。
（ａ）機関が初めて始動されるとき（バックアップＲＡＭが初期化されたとき）（ｂ）機関始動回数が所定値（ＫＣＡＷＭＸ）を超えているとき。
【００４６】
ウォームアップ制御中にイグニッションキーをオンからオフにしたとき、繰り返し始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）をインクリメントする。ただし、インクリメントは所定値（ＫＣＡＷＭＸ）を上限とする。繰り返し始動回数（ＣＡＦＴＷＲＭ）は、第２ウォームアップ制御終了時にゼロにリセットされる。
前記条件［２］を満たさなくなったとき（図８では、吸入吸気量の積算値が所定値（ＳＵＭＱＡＳＬ）を越えたとき）、第２ウォームアップ制御を終了する。
【００４７】
なお、図１０に示すように、ヒータ３０への電力供給量（通電電流と印加電圧）からヒータ３０の発熱量を算出して、ヒータ３０の温度を推定して、ウォームアップ制御を終了する時期を設定してもよい。
【００４８】
前記条件［１］及び［２］が成立しないとき行うセンサ活性化促進制御は、素子表面２０ｓに水分が付着していないと推定されるときなので、ヒータ３０の目標温度ＴＣＡＦＴ２ＮＤを高く設定して、検知素子２０を迅速に活性化温度（６００°Ｃ程度）に昇温させる（図７のフローチャートのステップ５０５、５０６）。
【００４９】
前記センサ活性化促進制御により検知素子２０が活性化温度に達した後は、前記したようにヒータ温度フィードバック制御を行い、検知素子２０を適正温度で維持する（図７のフローチャートにおいてステップ５０７）。
【００５０】
以上のように、本実施形態の制御装置１では、機関始動時における検知素子２０の表面２０ｓの水分付着状態を、機関水温等に基づいて推定し、表面２０ｓに水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータ３０の温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子２０におけるヒータ３０近傍の内部２０ｉとヒータ３０から離れた表面２０ｓとの温度差が所定値を越えないように、ヒータ３０の温度を制御するウォームアップ制御を行うようにされているので、ヒータ付きリニア空燃比センサ１０の検知素子にクラック、破損等の不具合が生じることを確実に防止でき、信頼性が向上する。また、リニア空燃比センサ１０に改造を加えることなく、ヒータ３０の温度制御のみで、前記効果を奏するので、コストアップを招かず済む等の利点も得られる。
【００５１】
また、始動時水温が低いとき等においても、検知素子２０に不具合を発生させることなく、検知素子２０を早期に活性化させることができるので、空燃比のフィードバック制御を行える領域を拡大でき、そのため、機関から排出される排気ガス中の有害成分の低減化等にも寄与する。
【００５２】
前記したヒータ３０に対する制御の他、本実施形態の制御装置１では、前記ウォームアップ制御期間中は、空燃比のフィードバック制御を行えないので、空燃比がリーン寄りとなって燃焼が不安定になる場合等があることから、燃料噴射量と点火時期を以下のように補正するようにされている。
【００５３】
すなわち、コントロールユニット１２０は、吸気管圧力センサ１１４または吸入空気流量計１１５の出力を取り込み、センサ電圧を所定のテーブル変換により、実際の単位時間当りの吸入空気量Ｑａを算出する。同時に、クランク角センサ１１１のパルス信号を計測し、所定時間内のパルス数またはパルスの時間間隔に応じて機関の回転数ＮＤＡＴＡを計算する。前記、単位時間当りの吸入空気量ＱａをＮＤＡＴＡで割り算し、さらに気筒数で割ることにより、１気筒の１回毎の吸入空気量Ｑａｃｙｌを計算する。Ｑａｃｙｌに所定の計数ＫＴＩを乗ずることにより、Ｑａｃｙｌで燃焼できる燃料噴射量量ＴＩが求められ、後述の空燃比制御補正量を含む補正係数を乗じることにより燃料噴射弁１０１を所定の機関だけ開弁することにより、必要とする燃料量を噴射して、一燃焼サイクル毎の混合気を生成する。
燃料噴射量ＴＩの計算には、以下の補正係数が乗算される。
ＴＩ＝ＣＯＥＦ×ＫＴＩ×Ｑａｃｙｌ×ＧＡＭＭＡ＋補正項
【００５４】
ここでは、ウォームアップ制御中は、燃料補正係数ＧＡＭＭＡに、空燃比補正係ＡＬＰＨＡの他に、ウォームアップ制御時燃料補正を下記のように追加し、燃料噴射量をリッチ側に補正する。
ＧＡＭＭＡ＝ＡＬＰＨＡ＋ＫＡＦＷＲＭ（増量補正項）＋ＫＬ（空燃比制御学習値）
【００５５】
上記増量補正量は下記（１）〜（３）がすべて成立時に水温と機関制御状態に応じて切り替える。
（１）水温（ＴＷＮ）が所定値以上（ＫＴＷＨＥＡＴＯＮ）。
【００５６】
（２）始動時条件として下記（ａ）〜（ｄ）の何れかを満たしている場合。
（ａ）始動時水温（ＴＷＳ）が所定値（ＫＴＷＷＵＬ）よりも低い場合。
（ｂ）始動時水温（ＴＷＳ）が所定値（ＫＴＷＷＵＨ）よりも高い場合。
（ｃ）始動時吸入空気量（ＴＡＳ）が所定値（ＫＴＡＷＵＬ）よりも低い場合。
（ｄ）始動時吸入空気量（ＴＡＳ）が所定値（ＫＴＡＷＵＨ）よりも高い場合。
（３）空燃比制御がオープンループ状態のとき。
【００５７】
ウォームアップ制御を行っていない場合は、ＫＡＦＷＡＭ＝０とする。
増量補正項ＫＡＦＷＲＭはアイドルスイッチとニュートラルスイッチに応じて検索テーブルを切り替える。アイドルスイッチがＯＮでニュートラルスイッチがＯＮのとき、ＫＡＦＷＡＭ＝ＴＡＦＷＲＭＯＮＮ（ＴＷＮ）。アイドルスイッチがＯＮでニュートラルスイッチがＯＦＦのとき、ＫＡＦＷＡＭ＝ＴＡＦＷＲＭＯＮＤ（ＴＷＮ）。アイドルスイッチがＯＦＦのとき、ＫＡＦＷＡＭ＝ＴＡＦＷＲＭＯＦＦ（ＴＷＮ）。
【００５８】
前記燃料噴射量の増量補正と同時に、排気ガス温度上昇を促進するために、点火時期を通常よりも遅らせて、排気温度を高める。
すなわち、点火時期（ＡＤＶ）は通常の点火マップ値（ＡＤＶＳ）とウォームアップ補正値（ＡＤＶＷＲＭ）の和とする。ウォームアップ補正値（ＡＤＶＷＲＭ）は増量補正値（ＫＡＦＷＡＭ）の設定と同じく、３つのテーブル値とする。
【００５９】
アイドルスイッチがＯＮでニュートラルスイッチがＯＮのとき、ＡＤＶＷＡＭ＝ＴＡＤＷＲＭＯＮＮ（ＴＷＮ）。アイドルスイッチがＯＮでニュートラルスイッチがＯＦＦのとき、ＡＤＶＷＡＭ＝ＴＡＤＷＲＭＯＮＤ（ＴＷＮ）。アイドルスイッチがＯＦＦのとき、ＡＤＶＷＡＭ＝ＴＡＤＷＲＭＯＦＦ（ＴＷＮ）。ウォームアップ制御を行っていないときは、ＡＤＶＷＡＭ＝０とする。
【００６０】
一方、本実施形態の制御装置１では、上記した制御の他、水温センサ１１０、吸気温センサ１２１、吸入空気流量計１１５等が故障した場合のバックアップが必要であり、以下のようにフェイルセーフを行ってバックアップする。
【００６１】
（１）水温センサ１１０が異常と診断されたとき、つまり、水温センサ１１０からの信号があらわす水温値（センサ検出値）が上限しきい値を越えているか、又は、下限しきい値を下回っているときは、水温センサ１１０が故障したと診断して、図１１（Ａ）に示される如くに、吸入空気量の積算値から水温を換算（推定）し、これをバックアップ水温値として使用する。
【００６２】
（２）吸気温センサ１２１が異常と診断されたとき、つまり、吸気温センサ１２１からの信号があらわす吸気温（センサ検出値）が上限しきい値を越えているか、又は、下限しきい値を下回っているときは、吸気温センサ１２１が故障したと診断して、図１１（Ｂ）に示される如くに、吸気温を無難な固定値（例えば３０°Ｃ）に設定して使用する。
【００６３】
（３）吸入空気流量計１１５が異常と診断されたとき、つまり、吸入空気流量計１１５からの信号があらわす吸入空気量（センサ検出値）が上限しきい値を越えているか、又は、下限しきい値を下回っているときは、吸入空気流量計１１５が故障したと診断して、図１１（Ｃ）に示される如くに、スロットル開度と機関回転数から推定される吸入空気量をバックアップ吸入吸気量として用いる。あるいは、吸気管圧力センサ１１４からの信号があらわす吸入空気管負圧に機関回転数を乗じて、おおよその吸入空気量を算出してこれをバックアップ吸入空気量として用いる。
【００６４】
一方、リニア空燃比センサ１０が異常と診断されたとき、つまり、該センサ１０からの信号があらわす空燃比（酸素濃度）が上限しきい値を越えているか、又は、下限しきい値を下回っているときは、ヒータ３０の温度制御で使用するバックアップ空燃比を所定の値（例えば理論空燃比）に設定する。センサ１０の診断は、センサ電圧が上下限しきい値外にあるとき、および、機関の運転状態が変化しても、センサ電圧が変化しないときに異常と診断される。
【００６５】
次に、ヒータ３０の自己診断について、図５を参照しながら説明する。
前述したように、ヒータ３０の温度を制御すべく、コントロールユニット１２０からはトランジスタ３６をＯＮ／ＯＦＦするためのデューティ信号である制御信号（ＣＰＵ出力が１ｏｒ０）が供給される。前記トランジスタ３６の両端の電圧値（又は電流値）は、ヒータ３０の故障診断等に用いるため、モニタ入力及び電流モニタとしてコントロールユニット１２０に取り込まれる。
【００６６】
そして、コントロールユニット１２０は、ヒータ３０に印加される電圧値又は電流値に異常が検出されたとき（下記ケース１〜５）、ヒータ３０に対する制御を停止するようにされる。
【００６７】
ケース１：  ＣＰＵ出力（ヒータ出力）が１（ＯＮ）であっても電流モニタ（ヒータ電流）がゼロの場合、ヒータ３０またはヒータ配線が断線の可能性があり、このときは、ヒータ３０に印加される電圧はゼロなのでヒータが過熱となることはない。
ケース２：  ＣＰＵ出力（ヒータ出力）が０（ＯＦＦ）でモニタ入力がゼロの場合も、ヒータ３０またはヒータ配線が断線している可能性がある。
【００６８】
ケース３：  ヒータ出力をＯＦＦしてもヒータ電流がゼロにならない場合、出力トランジスタ３６の故障が考えられる。
ケース４：  ヒータ出力をＯＮにしたときモニタ入力が１の場合、ヒータ出力がＶＢにショートしている可能性があり、ヒータ電流が過大となることを防止するためヒータ３０に対する制御を停止する。
【００６９】
ケース５：  ヒータ出力をＯＮにしたとき、ヒータ電流がゼロではないが、過小の場合で、ヒータ抵抗値が増加していることになり、リニア空燃比センサ１０が不適合またはヒータの発熱不良の可能性がある。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のヒータ付き排気ガスセンサを備えた内燃機関の制御装置は、機関始動時における排気ガスセンサの検知素子の表面の水分付着状態を、機関水温等に基づいて推定し、素子表面に水分（結露水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータの温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子におけるヒータ近傍の内部とヒータから離れた表面との温度差が所定値を越えないように、ヒータの温度を制御するウォームアップ制御を行うようにされているので、排気ガスセンサの検知素子にクラック、破損等の不具合が生じることを確実に防止でき、信頼性が向上する。この場合、センサに改造を加えることなく、ヒータの温度制御のみで、前記効果を奏するので、コストアップを招かず済む等の利点も得られる。
【００７１】
また、始動時水温が低いとき等においても、検知素子に不具合を発生させることなく、検知素子を早期に活性化させることができるので、空燃比のフィードバック制御を行える領域を拡大でき、そのため、機関から排出される排気ガス中の有害成分の低減化等にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の制御装置の一実施形態を示す全体構成図。
【図２】図１に示される制御装置の主要部を構成するコントロールユニットの構成を示す図。
【図３】図１の内燃機関のリニア空燃比センサであって、（Ａ）はリニア空燃比センサの取り付け状態を示す全体側面図、（Ｂ）は検知素子の構造を示す部分切欠斜視図。
【図４】図３のリニア空燃比センサの出力特性を示す図。
【図５】図１の制御装置のコントロールユニット、リニア空燃比センサ、及びヒータの接続関係を示す図。
【図６】図３のリニア空燃比センサの始動直後における検知素子の温度上昇特性を示す図。
【図７】図１の制御装置のコントロールユニットがヒータの温度制御に際して実行するプログラムの一例を示すフローチャート。
【図８】図１の制御装置の始動直後に行われるヒータの温度制御の一例の説明に供されるタイムチャート。
【図９】図１の制御装置のウォームアップ制御を行う際の終了条件の一つの説明に供されるタイムチャート。
【図１０】ヒータの温度を推定する場合の説明に供される図。
【図１１】図１の制御装置であって、（Ａ）は水温センサが異常と診断されたとき、バックアップ水温値を求める場合の説明に供される図、（Ｂ）は吸気温センサが異常と診断されたとき、バックアップ吸気温値をどのように設定するかの説明に供される図、（Ｃ）は吸入空気流量計が異常と診断されたとき、バックアップ吸入吸気量値を求める場合の説明に供される図。
【記号の説明】
１…制御装置  １０…リニア空燃比センサ  ２０…検知素子  ３０…ヒータ  １００…内燃機関  １０１…燃料噴射弁  １０２…点火プラグ  １０３…点火コイル  １０４…スロットル弁  １１０…水温センサ  １１１…クランク角センサ  １１２…カム角センサ  １１３…スロットルポジションセンサ  １１４…吸気管圧力センサ  １１５…吸入空気流量計  １１８…触媒  １１９…リアＯ２センサ１２０…コントロールユニット  １２１…吸気温センサ
【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】
2004360526.tif 000009
【図８】
2004360526.tif 000010
【図９】
2004360526.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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