(57)【要約】【課題】ディーゼル・エンジンの排気通路に、排出ガス浄化用フィルタの作用を監視するために設けられている空燃比センサの寿命を長くする。車両の定期保守により交換する部品を少なくし、保守を経済化する。【解決手段】排出ガス浄化用フィルタの再生工程が終了するに伴い、空燃比センサに供給するヒータ電流を自動的に停止させる。そして再生工程が必要になると見込まれるタイミングで、このヒータ電流を自動的に供給するように制御する。これにより、ヒータ電流を供給する時間は数百ｋｍを走行するごとに、数ｋｍを走行する時間のみになり、空燃比センサの寿命は飛躍的に向上する。【選択図】図１
2004052690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排出ガス浄化用フィルタの再生工程終了に伴い、前記フィルタの作用を監視する空燃比センサのヒータ電流を自動的に停止する手段を備えたことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
【請求項２】
前記排出ガス浄化用フィルタの再生工程開始を予測する手段と、この予測する手段の出力にしたがって前記ヒータ電流の供給を開始する手段とを備えた請求項１記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項３】
前記予測する手段は、再生工程終了後の走行距離積算値が所定値に達したことを識別する手段を含む請求項２記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項４】
前記予測する手段は、再生工程終了後のエンジンに対する燃料供給量積算値が所定値に達したことを識別する手段を含む請求項２記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項５】
前記ヒータ電流の供給を開始してから設定された時間を経過したのちに空燃比センサの出力値を有効な値として利用する手段を含む請求項２記載の空燃比センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル・エンジンの排出ガス浄化に利用する。本発明は、エンジンの排気通路に設けられた排出ガス浄化用フィルタの近傍に配置され、この浄化用フィルタの作用を監視する空燃比センサに対して供給するヒータ電流を制御する技術に関する。本発明は空燃比センサの寿命向上をはかるものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル・エンジンの排出ガス通路に浄化用フィルタを設けて、排出ガスに含まれる窒素酸化物およびススなどの微粒子を除去する装置が広く利用されるようになった。このための排出ガス浄化用装置として、多孔質セラミックス構造体を担体として窒素酸化物吸蔵還元触媒を装荷したものがある。このセラミックス構造体の内部をエンジンの排出ガスが定常的に通過するようにして利用される。この排出ガス浄化用フィルタは、ある時間にわたり使用するとその浄化作用が衰える性質がある。
【０００３】
このためにこの排出ガス浄化用フィルタの作用を監視して、フィルタの浄化作用がある段階まで衰えたことが検出されると、フィルタの再生工程を実行するようにして利用される。この再生工程は、硫黄破毒再生工程と呼ばれ、エンジンの排出ガスを一時的に高温に制御するとともに、排出ガス中の水素および炭素の成分濃度を一時的に高くすることにより実行される。これはエンジンに供給する燃料および空気の混合比を制御することにより行われる。さらに具体的には、エンジンに供給する燃料系の制御を行うエンジンＥＣＵに、硫黄破毒再生工程を実行するためのプログラムをインストールしておき、このプログラムを実行することにより硫黄破毒再生工程を実行する。
【０００４】
たとえば自動車用ディーゼル・エンジンを対象とするものであると、車両を２００ｋｍないし３００ｋｍ走行させる毎に、排出ガス浄化用フィルタの機能が低下することになり、つづく２ｋｍ程度を走行する期間に、硫黄破毒再生工程を実行するための制御が行われる。この硫黄破毒再生工程を実行している期間は、排出ガス浄化の能力は一時的に低下することになる。
【０００５】
この硫黄破毒再生工程を開始する時期を設定するために、各排出ガス浄化用フィルタの近傍に空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）を配置して、排出ガス浄化用フィルタの作用が良好に行われているか否かを監視する装置が設けられている。空燃比センサは、排出ガス通路の上記排出ガス浄化用フィルタの前後に一つずつ配置される構造が一般的であるが、排出ガス浄化用フィルタの一方側のみに配置する構造も知られている。このための空燃比センサは、酸素濃度を測定するための素子を含むので、測定時にはセンサ素子を加熱することが必要である。この加熱温度は素子の種類や構造によって異なるが、たとえばジルコニアを用いたセンサ素子では６００℃ないし９００℃である。このために自動車に搭載される装置では、空燃比センサに電気ヒータを設け、車両用電源（直流１２Ｖまたは２４Ｖ）を利用してセンサ素子を加熱するように構成されている。
【０００６】
そしてこのための従来装置は、エンジンが回転している期間にわたり空燃比センサの電気ヒータを通電している状態に制御されている。これは、空燃比センサは排出ガス浄化用フィルタの作用を監視するために設けられたものであり、排出ガス浄化用フィルタが排出ガスの浄化を行っている期間にわたり、また排出ガス浄化用フィルタが硫黄破毒再生工程を実行している期間にわたり、空燃比センサは作動している必要があると考えられているからである。
【０００７】
空燃比センサの電気ヒータの制御については、特開平８−２２６９１２号公報および特開２０００−２４１３８１号公報（いずも出願人トヨタ）に開示がある。これらの公報に開示された技術は、いずれも空燃比センサの計測値が正しい値を示すように、センサの検出素子の温度を制御すること、あるいは、センサの寿命を長くするためにできるだけ小さい電流でセンサ素子を加熱する技術が説明されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者は、新しい規格で大型車両に適する排出ガス浄化用フィルタおよび空燃比センサを設計するに際して、従来から実績のある空燃比センサを利用することを第一に考えた。しかし大型車両用のディーゼル・エンジンはその排気通路の流量が大きく、空燃比センサの素子表面が小型車両のものより低温度に冷却されることになり、空燃比センサの検出素子を加熱するためのヒータ電流値を大きくしなければならないことがわかった。加熱電流が大きくなることにより、ヒータの劣化が早くなることが考えられる。さらに大型車両に適する新しい規格では、車両寿命の走行距離がきわめて大きく想定され、従来の空燃比センサの規格のままでは、空燃比センサを定期保守などでひんぱんに交換することが必要になることがわかった。
【０００９】
本発明はこのような背景に行われたものであり、空燃比センサの寿命をいちじるしく長くすることができる装置を提供することを目的とする。本発明は、従来から実績のある空燃比センサまたはその素子を利用して、寿命の長い排出ガス浄化装置を提供することを目的とする。本発明は、車両に利用する場合に、その交換周期を長くして定期保守を経済化することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排出ガス浄化用フィルタの再生工程終了に伴い、前記フィルタの作用を監視する空燃比センサのヒータ電流を自動的に停止する手段を備えたことを第一の特徴とする。排出ガス浄化用フィルタの再生工程が終了した時点では、排出ガス浄化用フィルタの機能は良好な状態に回復したのであり、一般にこの時点からしばらくの間は空燃比センサによる監視は必要がなくなる。排出ガス浄化用フィルタの再生工程が終了した時点からしばらくの間は、空燃比センサが作動しなくとも不都合はない。上記「再生工程終了に伴い」とは、ヒータ電流を停止するタイミングが再生工程終了とぴったり一致しなくともよいことを意味する。制御の都合によりヒータ電流を停止するタイミングを再生工程終了の少し後に設定してもよいし、少し前に設定してもよい。ヒータ電流を「停止する」とは、かならずしもヒータの電流値を厳密に零とする必要はない。空燃比センサとしての作用はなくなるが、その寿命を劣化させないていどの微弱電流を通電しておく状態をも含むものとする。
【００１１】
本発明は、前記排出ガス浄化用フィルタの再生工程開始を予測する手段と、この予測する手段の出力にしたがって前記ヒータ電流の供給を開始する手段とを備えたことを第二の特徴とする。車両に利用される装置では、この予測する手段として、再生工程の終了後の走行距離積算値が所定値に達したことを識別する手段を含む構成とすることができる。上記従来技術の欄で説明したように、一例としては、車両が２００ｋｍないし３００ｋｍ走行する毎に、排出ガス浄化用フィルタの機能が低下するので、排出ガス浄化用フィルタの再生工程が終了した時点から、２００ｋｍていどを走行したときに空燃比センサにヒータ電流の供給を開始するように構成すれば、排出ガス浄化用フィルタの機能を監視するために不都合はないことになる。この走行距離については、車両の特性にしたがって、１００ｋｍないし５００ｋｍ程度の適当な値を定めて実施することができる。
【００１２】
この予測する手段の別の構成として、上記のように走行距離によるのではなく、再生工程の終了後のエンジンに対する燃料供給量積算値が所定値に達したことを識別する手段を含む構成とすることができる。排出ガス浄化用フィルタの劣化は、走行距離によるよりエンジンで燃焼した燃料の量によるものと考えられるから、燃料供給量の積算値をヒータ電流供給の開始判定に利用することが正確な数値を得るためには合理的である。しかし、一般の車両には燃料流量を計測する手段は設けられていないから、流量センサを別に設ける必要がある点で不利である。
【００１３】
前記ヒータ電流の供給を開始してから設定された時間を経過したのちに空燃比センサの出力値を有効な値として利用する手段を含む構成とすることが望ましい。すなわち、空燃比センサはそのヒータ電流が供給されて、ただちに計測に適当な温度になるわけではなく、装置構造によって数十秒ないし数分の立ち上がり時間を必要とする。したがって、ヒータ電流の供給を開始してから、この時間が経過するまではその計測値を利用しない構成とすることが望ましいことになる。上記説明のように再生工程を終了するに伴い、ヒータ電流の供給を零にするのではなく、センサの寿命に影響のないていどにヒータ電流を供給しておき、この立ち上がり時間を短縮するように構成することもできる。
【００１４】
本発明により、エンジンが回転中の空燃比センサに対するヒータ電流の通電時間を数十分の１ないし数百分の１に短縮できる。すなわち空燃比センサは、その大部分の時間はヒータ電流が通電されていない冷えた状態にあり、空燃比センサの素子寿命をいちじるしく大きくすることができる。ヒータ電流が通電されていなくとも、その期間には実質的にセンサによる計測をほとんど必要としないのであるから、硫黄破毒再生工程の実行制御には大きい影響はない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図面を利用して、本発明の実施例についてさらに詳しく説明する。図１は本発明実施例装置の構造を示すブロック構成図である。この例は本発明を自動車用ディーゼル・エンジン１に実施したものである。ディーゼル・エンジン１の燃料噴射装置２は、エンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）３により制御される。エンジンＥＣＵ３は、プログラム制御回路および各入出力装置との接続インターフエイスにより構成されている。この燃料噴射装置２はコモンレール型であり、エンジンＥＣＵ３と燃料噴射装置２との間は制御バスにより接続されている。
【００１６】
このディーゼル・エンジン１の排気通路４には、排出ガス浄化用フィルタ５が設けられている。ディーゼル・エンジン１の排出ガスは、その大部分が定常的にこの排出ガス浄化用フィルタ５の内部を通過して浄化されるようにその流路が構成されている。この排出ガス浄化用フィルタ５の温度は温度センサ８により検出され、その検出出力はエンジンＥＣＵ３に入力する。この排出ガス浄化用フィルタ５を通過する排出ガスの成分および酸素濃度を検出するために、排出ガス浄化用フィルタ５の前後に一対の空燃比センサ６および７が配置されている。この一対の空燃比センサ６および７の検出出力は、空燃比センサ・ユニット９に取り込まれる。空燃比センサ・ユニット９はプログラム制御回路および接続インターフエイスを含む構成である。
【００１７】
この空燃比センサ・ユニット９は、エンジンＥＣＵ３と制御バスにより接続され、エンジンの動作にしたがって空燃比センサ６および７の検出出力により、排出ガス浄化用フィルタ５の作用を監視する。空燃比センサ６および７の検出情報は、空燃比センサ・ユニット９から制御バスを介してエンジンＥＣＵ３に送出される。エンジンＥＣＵ３ではこの空燃比センサ６および７の情報と前記温度センサ８の情報から、排出ガス浄化用フィルタ５の動作状態を監視する。
【００１８】
排出ガス浄化用フィルタ５について説明すると、このフィルタ５は多孔質セラミックス構造体を担体として窒素酸化物吸蔵還元触媒を装荷したものであり、このセラミックス構造体の内部を排出ガスが通過する。そして、この排出ガス浄化用フィルタは、ある時間にわたり使用すると、硫黄破毒再生工程を実行しないとその浄化作用が衰えてしまう性質がある。この硫黄破毒再生工程は、エンジンＥＣＵ３の制御により実行される。このときエンジンＥＣＵ３は、このディーゼル・エンジン１に供給する燃料の燃料混合濃度を一時的に増大させる。これにより排出ガス中の水素および炭素の成分濃度を高くするとともに排出ガスを高温に制御することができる。
【００１９】
硫黄破毒再生工程の開始タイミングは、二つの空燃比センサ６および７の検出出力により、排出ガス浄化用フィルタ５の作用が衰えたことを空燃比センサ・ユニット９により判定される。そしてこの空燃比センサ６および７は、空気および燃料の混合比率を適正に計測するために、その素子をヒータにより加熱して所定の温度に維持しておくことが必要である。この温度はセンサの種類および構造により異なるが、一例を示すと約６００℃であり、一般には数百℃である。
【００２０】
このディーゼル・エンジン１には、ターボチャージャ１１が設けられていて、吸気は排気気流により加圧されるとともに、インタークーラ１２により冷却されて吸気通路１３に供給される。また、排気通路４に排出される排気の一部は、ＥＧＲクーラ（Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｇａｓ　Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｃｏｏｌｅｒ）１４を介して、ＥＧＲバルブ１５から吸気通路１３に還流される。
【００２１】
ここで本発明の装置では、空燃比センサ６および７のヒータ電流供給回路に開閉スイッチ１０が設けらているところに特徴がある。この開閉スイッチ１０は、空燃比センサ・ユニット９の制御出力により開閉制御される。空燃比センサ・ユニット９には、この車両の走行距離情報が入力する。
【００２２】
この空燃比センサ６および７の検出出力により、排出ガス浄化用フィルタ５の硫黄破毒再生工程の実行が開始されると、この空燃比センサ６および７はその空気および燃料の混合比率の計測をつづけ、その計測値が所定範囲に回復すると、エンジンＥＣＵ３からの指令により硫黄破毒再生工程を終了する。本発明の装置は、排出ガス浄化用フィルタ５の硫黄破毒再生工程終了に伴い、空燃比センサ６および７のヒータ電流供給回路の開閉スイッチ１０をオフ状態に制御するところにその特徴がある。このヒータ電流の供給を遮断してから、空燃比センサ・ユニット９は、この車両の走行距離情報を監視し、ヒータ電流の供給を遮断した後の走行距離が、あらかじめ設定された値に達するまでこのヒータ電流を遮断した状態に維持する。
【００２３】
排出ガス浄化用フィルタ５の硫黄破毒再生工程が終了した時点では、排出ガス浄化用フィルタ５は良好な浄化作用を実行できる状態にあり、この時点では空燃比センサ６および７による監視は必要ではない。この監視が必要になるのは、このあと車両がある程度走行を継続してからであり、この監視が必要になるころを見計らって空燃比センサ６および７を起動すればよいわけである。さらに詳しくは車両走行距離により、あるいは燃料消費量により、空燃比センサの計測値が必要となるころ合いを推定して、空燃比センサ６および７のヒータ電流を供給する。
【００２４】
このような装置では、車両を数百ｋｍ、さらに具体的には２００ないし４００ｋｍ程度走行させたときに、排出ガス浄化用フィルタの作用が劣化して、硫黄破毒再生工程を実行することが必要になる。そしてこの硫黄破毒再生工程は車両を２ｋｍ程度走行させる時間で終了することができる。これに伴い、空燃比センサはそのヒータ電流をオンオフ制御して、数百ｋｍ走行するごとに数ｋｍ走行する区間だけオン状態に制御すればよいことになる。
【００２５】
図２に、この空燃比センサに対するヒータ電流のオン・オフ制御について、制御フローチャートを示す。本発明の実施例装置は、エンジンが始動されると、空燃比センサのヒータ電流は遮断された状態にあり、前回の硫黄破毒再生工程終了時からの車両走行距離の積算値を取り込む。そしてこの値が設定された値に達したときに空燃比センサのヒータ電流を通電状態とする。通電後に空燃比センサの温度が定常状態になるまで、たとえば数十秒待って、空燃比センサの出力を取り込み、判断にしたがって硫黄破毒再生工程を実行する。そして、その硫黄破毒再生工程が終了するに伴い空燃比センサのヒータ電流を遮断状態に制御する。
【００２６】
この図２に示す実施例は、車両走行距離積算値に基づいて空燃比センサのヒータ電流を通電状態に制御するものであるが、上記のように、空燃比センサに対するヒータ電流を遮断した後の燃料消費量を積算して、それが所定値に達したときに、このヒータ電流の通電を開始するように構成することができる。また、上記説明では、硫黄破毒再生工程の終了は、空燃比センサの検出値に基づいて判定するとしたが、これは一定時間にわたり硫黄破毒再生工程を実行することにより、硫黄破毒再生工程の実行を停止するように制御することができる。この場合には、空燃比センサに対するヒータ電流は、硫黄破毒再生工程の終了よりいくぶん前に遮断することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明により、空燃比センサはその大部分の時間についてヒータ電流が通電されていない状態になるので、その寿命をいちじるしく長くすることができる。その寿命についてはまだ正確なデータがないが、通電時間が従来装置の数十分の一から数百分の一になることから、十倍以上の寿命が得られるものと推定される。本発明により、従来から実績のある空燃比センサまたはその素子を利用して、寿命の長い排出ガス浄化装置を提供することができる。本発明を車両のエンジンに実施する場合に、空燃比センサの交換周期を長くして定期保守を経済化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例装置のブロック構成図。
【図２】本発明実施例装置の要部制御フローチャート。
【符号の説明】
１　ディーゼル・エンジン
２　燃料噴射装置
３　エンジンＥＣＵ
４　排気通路
５　排出ガス浄化用フィルタ
６　空燃比センサ
７　空燃比センサ
８　温度センサ
９　空燃比センサ・ユニット
１０　開閉スイッチ
１１　ターボチャージャ
１２　インタークーラ
１３　吸気通路
１４　ＥＧＲクーラ
１５　ＥＧＲバルブ
【図１】
2004052690.tif 000003
【図２】
2004052690.tif 000004