(57)【要約】【課題】内燃機関に用いられる空燃比センサなどへの被水を防止し、かつドライバーに対する違和感も抑制する。【解決手段】空燃比センサの被水の可能性がある（Ｔｅｘｐ≦Ｔｄｐ）と判定された場合には（Ｓ１０８で「ＹＥＳ」）、スロットル開度更新量ガード値Δθによりスロットル開度の増加率を制限している（Ｓ１１０）。このため排気速度は急速に増加せず、排気通路内の水分が飛散する前に蒸発する余裕を持たせることができる。そして吸入空気量の増加自体は制限されていないので、ドライバーが加速操作を継続することで加速することは可能である。そして吸入空気量の増加により排気管壁温Ｔｅｘｐも着実に上昇するので、排気通路内の水分の蒸発も比較的早期に終了する。したがってドライバーに大きな違和感を与えることはない。こうして課題が達成される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に設けられて排気成分を検出するとともに、ヒータにより加熱されることにより活性化されるセンサの保護装置であって、
前記センサの被水の可能性を判定する被水判定手段と、
前記被水判定手段により被水の可能性があると判定された場合には、内燃機関の吸入空気量の増加率を制限する吸入空気量制限手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関排気成分検出用センサ保護装置。
【請求項２】
請求項１において、前記センサは、排気中の酸素濃度を検出するセンサであることを特徴とする内燃機関排気成分検出用センサ保護装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記被水判定手段は、排気温度に基づいて前記センサの被水の可能性を判定することを特徴とする内燃機関排気成分検出用センサ保護装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記吸入空気量制限手段は、内燃機関の吸入空気量調節手段による調節量の増加率を制限することにより吸入空気量の増加率を制限することを特徴とする内燃機関排気成分検出用センサ保護装置。
【請求項５】
請求項４において、前記吸入空気量調節手段は、スロットルバルブであることを特徴とする内燃機関排気成分検出用センサ保護装置。
【請求項６】
請求項４において、前記吸入空気量調節手段は、吸気バルブのリフト量調節手段であることを特徴とする内燃機関排気成分検出用センサ保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気管に設けられて排気成分を検出するとともに、低温時にはヒータにより加熱されることにより活性化されるセンサの保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関においては触媒により排気中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ  等）を最大限浄化するため、排気空燃比が目標空燃比、例えば理論空燃比になるようにフィードバック制御されている。この空燃比フィードバック制御に用いられる排気空燃比を検出するための空燃比センサとして、排気中に含まれる酸素濃度から排気空燃比がリッチかリーンを検出するＯ２  センサ、更に広範囲の空燃比を検出する空燃比センサが用いられている。
【０００３】
これらのセンサにおいては、検出精度を維持するため活性状態に保たれることが不可欠であり、通常、センサに設けられたヒータを内燃機関始動時に通電することによりこれらを加熱し、早期活性化させてこれらの活性状態を維持するようヒータの通電制御を行っている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
このようにヒータにより加熱されたセンサに対して、排気管の内壁面に付着した水分が飛散してセンサが被水すると、センサが急冷されてサーマルショックを引き起こし、このことによるセンサ割れが生ずるおそれがある。
【０００５】
このようなセンサ割れを防止するために、上記従来例では排気管の壁面に水分が付着していると判断したときには、排気流速を抑制する処理を実行して、排気が高速であることによる水分の飛散を防止して、センサの被水を防止している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４１９２３号公報（第７−８頁、図１０）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記排気流速の抑制は、排気の流速を遅くするためにスロットルバルブの開度にガード値を設定しているため、ドライバーがアクセル操作をした場合に、スロットルバルブ開度がガード値に到達した時にスロットルバルブ開度が固定されてしまう。
【０００８】
このため排気管内壁への水分付着のおそれが無くなる排気管温度に上昇するまでは、ドライバーが加速操作を継続して実行しているにも関わらず、十分に加速されず、低車速状態を維持する場合がある。したがってドライバーに大きな違和感を与えるおそれがある。しかも排気管温度の上昇がかなり遅延するのでこの違和感が顕著になりやすい。
【０００９】
本発明は、前記センサの被水を防止して、かつドライバーに対する違和感も抑制することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の内燃機関排気成分検出用センサ保護装置は、内燃機関の排気管に設けられて排気成分を検出するとともに、ヒータにより加熱されることにより活性化されるセンサの保護装置であって、前記センサの被水の可能性を判定する被水判定手段と、前記被水判定手段により被水の可能性があると判定された場合には、内燃機関の吸入空気量の増加率を制限する吸入空気量制限手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
吸入空気量制限手段は、被水判定手段により被水の可能性があると判定された場合には、内燃機関の吸入空気量の増加率を制限している。
このように吸入空気量の増加率が制限されているため、排気速度についても急速に増加することが無く、排気管内壁の水分が飛散する前に蒸発する余裕を持たせることができる。
【００１２】
この場合、吸入空気量の増加率の制限であるため、吸入空気量の増加自体は可能であり、ドライバーが加速操作を継続していれば、低吸入空気量状態に維持されることはなく、加速ができないという事態は生じない。しかも吸入空気量の上昇により排気管温度は着実に上昇するので、排気管内壁の水分の蒸発も比較的早期に終了する。したがってドライバーには大きな違和感を与えることはない。
【００１３】
したがってセンサの被水を防止し、かつドライバーに対する違和感も抑制することができる。
請求項２に記載の内燃機関排気成分検出用センサ保護装置では、請求項１において、前記センサは、排気中の酸素濃度を検出するセンサであることを特徴とする。
【００１４】
ヒータにより加熱されることにより活性化されるセンサとしては、排気中の酸素濃度を検出するセンサを挙げることができる。このようなセンサにおいて、被水によるクラック発生等の故障を防止し、ドライバーに対する違和感も抑制することができる。
【００１５】
請求項３に記載の内燃機関排気成分検出用センサ保護装置では、請求項１又は２において、前記被水判定手段は、排気温度に基づいて前記センサの被水の可能性を判定することを特徴とする。
【００１６】
排気温度が低ければ露点に達し易く、結露により排気管内壁に水分が付着しやすくなる。このため排気温度に基づいてセンサの被水の可能性を判定することができる。
【００１７】
したがって被水判定手段により排気管内壁に水分が付着しやすくなったと判定された場合に、吸入空気量制限手段が内燃機関の吸入空気量の増加率を制限することで、センサの被水を防止し、かつドライバーに対する違和感も抑制することができる。
【００１８】
請求項４に記載の内燃機関排気成分検出用センサ保護装置では、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記吸入空気量制限手段は、内燃機関の吸入空気量調節手段による調節量の増加率を制限することにより吸入空気量の増加率を制限することを特徴とする。
【００１９】
より具体的には、吸入空気量制限手段は、内燃機関の吸入空気量調節手段による調節量の増加率を制限することにより吸入空気量の増加率を制限することができ、前述したごとくの作用・効果を生じさせることができる。
【００２０】
請求項５に記載の内燃機関排気成分検出用センサ保護装置では、請求項４において、前記吸入空気量調節手段は、スロットルバルブであることを特徴とする。
吸入空気量調節手段としてはスロットルバルブを挙げることができ、特に電子制御のスロットルバルブを用いることにより、吸入空気量制限手段は、容易に、吸入空気量の増加率を制限することができ、センサの被水を防止し、かつドライバーに対する違和感も抑制することができる。
【００２１】
請求項６に記載の内燃機関排気成分検出用センサ保護装置では、請求項４において、前記吸入空気量調節手段は、吸気バルブのリフト量調節手段であることを特徴とする。
【００２２】
吸入空気量調節手段としては吸気バルブのリフト量調節手段を挙げることができる。このように吸気バルブのリフト量調節によっても、吸入空気量制限手段は、容易に吸入空気量の増加率を制限することができ、センサの被水を防止し、かつドライバーに対する違和感も抑制することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１は、車両に搭載された内燃機関としてのガソリンエンジン（以下、「エンジン」と略す）２、及び制御装置としての電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）４の概略構成図を示している。尚、エンジン２は４気筒エンジンであるが、図１では１気筒のみ縦断面図にて示している。又、各気筒には吸気バルブ２ａと排気バルブ２ｂとはそれぞれ２つ設けられた４バルブエンジンである。気筒数は６気筒でも８気筒でも良く、更に２バルブエンジンでも５バルブエンジンでも良い。
【００２４】
エンジン２の出力は変速機を介して最終的に車輪に走行駆動力として伝達される。エンジン２には、燃焼室１０内の混合気に点火する点火プラグ１４が設けられている。この燃焼室１０に接続している吸気ポート１６は吸気バルブ２ａが駆動されることにより開閉される。この吸気ポート１６に接続された各吸気通路２０の途中には吸気ポート１６に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１２が気筒毎に設けられている。そして吸気通路２０はサージタンク２２に接続され、サージタンク２２の上流側にはモータ２４によって開度が調節されるスロットルバルブ２６が設けられている。このスロットルバルブ２６の開度（スロットル開度ＴＡ）により吸入空気量ＧＡが調節される。スロットル開度ＴＡはスロットル開度センサ２８により検出されＥＣＵ４に読み込まれている。吸入空気量ＧＡはスロットルバルブ２６の上流側に設けられた吸入空気量センサ３０により検出され、吸気温ＴＨＡはスロットルバルブ２６の上流側に設けられた吸気温センサ３１により検出されてＥＣＵ４に読み込まれている。
【００２５】
燃焼室１０に接続している排気ポート３２は排気バルブ２ｂが駆動されることにより開閉される。排気ポート３２に接続された排気通路３６の途中には２つの三元触媒コンバータ３８，４０が配置されている。この内、上流側の第１三元触媒コンバータ３８は電気ヒータの加熱により早期に活性可能な電気加熱式触媒であり、下流側の第２三元触媒コンバータ４０は排気温により活性化される主触媒である。第１三元触媒コンバータ３８の上流側の排気通路３６には排気中の酸素濃度から空燃比ＡＦを検出する空燃比センサ４２が設けられ、第２三元触媒コンバータ４０において主触媒の下流側には排気温センサ４４が設けられている。
【００２６】
尚、空燃比センサ４２内には加熱用ヒータが設けられて、ＥＣＵ４による給電制御により活性化温度まで空燃比センサ４２は加熱される。
ＥＣＵ４はデジタルコンピュータを中心として構成されているエンジン制御回路である。このＥＣＵ４は、上述したスロットル開度センサ２８、吸入空気量センサ３０、吸気温センサ３１、空燃比センサ４２、排気温センサ４４以外にもエンジン２の運転状態を検出するセンサ類から信号を入力している。すなわちアクセルペダル４６の踏み込み量（アクセル開度ＡＣＣＰ）を検出するアクセル開度センサ４８、クランクシャフトの回転からエンジン回転数ＮＥを検出するエンジン回転数センサ５０、及び吸気カムシャフトの回転位相から基準クランク角を決定する基準クランク角センサ５２から信号を入力している。更にエンジン冷却水温ＴＨＷを検出する冷却水温センサ５４、及び車両の傾斜角Ｖｓを検出する車両傾斜角センサ５６からも信号を入力している。尚、このようなセンサ以外にも各種のセンサが必要に応じて設けられる。
【００２７】
ＥＣＵ４は、上述した各センサからの検出内容に基づいて、スロットルバルブ用モータ２４、燃料噴射弁１２あるいは点火プラグ１４に対する制御信号によりエンジン２のスロットル開度ＴＡ、燃料噴射時期、燃料噴射量及び点火時期等を適宜制御する。
【００２８】
次にＥＣＵ４により実行される制御の内、スロットル開速度制限制御について説明する。本処理のフローチャートを図２に示す。本処理は時間周期で繰り返し実行される処理である。尚、個々の処理内容に対応するフローチャート中のステップを「Ｓ〜」で表す。
【００２９】
本処理が開始されると、まずエンジン２の始動から待機時間Ｔ０以上経過したか否かが判定される（Ｓ１００）。始動においては、エンジン２が安定回転に至るまではエンジン出力トルクを高応答に制御する必要があり、このためにスロットルバルブ２６を迅速に駆動する必要がある。このため予め始動から安定回転に至る時間を測定して、ＥＣＵ４のＲＯＭ内に待機時間Ｔ０として記憶する。そして、ステップＳ１００にて、エンジン２の始動から、この待機時間Ｔ０の経過を判断することにより、エンジン回転の安定化を判断している。
【００３０】
待機時間Ｔ０を経過していなければ（Ｓ１００で「ＮＯ」）、このまま一旦本処理を終了する。
待機時間Ｔ０が経過すると（Ｓ１００で「ＹＥＳ」）、次に吸気温センサ３１により検出されている吸気温ＴＨＡ（℃）がＥＣＵ４のＲＡＭ内の作業領域に読み込まれる（Ｓ１０２）。更に吸入空気量センサ３０により検出されている吸入空気量ＧＡ（ｇ／ｓ）が同じく作業領域に読み込まれる（Ｓ１０４）。
【００３１】
そして吸気温ＴＨＡ及び吸入空気量ＧＡに基づいて空燃比センサ４２近傍の排気管壁温Ｔｅｘｐを推定する（Ｓ１０６）。この排気管壁温Ｔｅｘｐの推定は次のように行われる。
【００３２】
すなわち吸入空気量ＧＡが大きくなれば排気量と排気温度とが上昇して空燃比センサ４２近傍の排気通路３６の管壁に与える熱量が大きくなる。一方、外気温度を反映している吸気温ＴＨＡが低くなれば空燃比センサ４２近傍の排気通路３６の管壁から奪う熱量も大きくなる。このことから吸入空気量ＧＡと吸気温ＴＨＡとをパラメータとして排気管壁温Ｔｅｘｐを求めるマップを、予め実験値として求めて、ステップＳ１０２，Ｓ１０４にて読み込んだ吸気温ＴＨＡ及び吸入空気量ＧＡから排気管壁温Ｔｅｘｐを算出する。
【００３３】
尚、これ以外に、吸気温ＴＨＡと排気温センサ４４にて検出される排気温ＴＨＥｘを用いて、排気管壁温Ｔｅｘｐを求めても良い。すなわち、排気温センサ４４の位置では、排気通路３６の管壁を介する排気と外気との間の熱伝達により、検出された排気温ＴＨＥｘとなっていることから、排気通路３６の管壁を介する排気と外気との間の熱伝達率、吸気温ＴＨＡ及び排気温ＴＨＥｘから、排気管壁温Ｔｅｘｐを求めることができる。この場合、熱伝達率は一定であるとして、吸気温ＴＨＡと排気温ＴＨＥｘとをパラメータとして排気管壁温Ｔｅｘｐを求めるマップを実験値として求めて用いても良い。
【００３４】
あるいは空燃比センサ４２近傍の排気通路３６の管壁の温度を検出する排気管壁温度センサを設けて、直接、排気管壁温Ｔｅｘｐを測定しても良い。
このようにして排気管壁温Ｔｅｘｐが算出されると、次に排気管壁温Ｔｅｘｐが判定温度Ｔｄｐ以下か否かが判定される（Ｓ１０８）。ここで判定温度Ｔｄｐは排気の露点あるいはこの露点近傍の温度を表しており、例えば「６０℃」が設定されている。
【００３５】
ここでＴｅｘｐ≦Ｔｄｐであれば（Ｓ１０８で「ＹＥＳ」）、次にスロットル開度更新量ガード値Δθが設定される（Ｓ１１０）。このスロットル開度更新量ガード値Δθは、スロットル開度ＴＡの上昇率を制限するものである。
【００３６】
スロットル開度ＴＡは、ＥＣＵ４によるスロットル開度制御により、アクセル開度ＡＣＣＰに基づいて求められるスロットル開度目標値ＴＡｔとなるように、スロットルバルブ用モータ２４によりスロットルバルブ２６が回転されることで調節されている。このスロットル開度ＴＡ調節時のスロットルバルブ２６の単位時間当たりの回転量（°／ｓ）が、開く方向においてスロットル開度更新量ガード値Δθ以下となるようにスロットルバルブ用モータ２４に対する給電量が調節される。このことでスロットル開度更新量が制限される。
【００３７】
スロットル開度更新量ガード値Δθは、具体的には図３のマップに示すごとく排気管壁温Ｔｅｘｐに基づいて設定されている。排気管壁温Ｔｅｘｐの低温側ではスロットル開度更新量ガード値Δθは小さくなり、スロットルバルブ２６の開速度が低温ほど低くされることを示している。尚、６０℃以上では開速度の制限が無くなるので、スロットル開度更新量ガード値Δθは一定の値としている。
【００３８】
こうして一旦本処理を終了する。
このようにスロットル開度更新量ガード値Δθが設定されると（Ｓ１１０）、ＥＣＵ４が別途実行しているスロットルバルブ２６の回転速度制御により、開く方向の回転速度がスロットル開度更新量ガード値Δθを上限とするように制限されることになる。
【００３９】
そしてＴｅｘｐ≦Ｔｄｐである限り（Ｓ１０８で「ＹＥＳ」）、排気管壁温Ｔｅｘｐの値に応じて設定されるスロットル開度更新量ガード値Δθによりスロットルバルブ２６の開速度は制限される。
【００４０】
その後、Ｔｅｘｐ＞Ｔｄｐとなれば（Ｓ１０８で「ＮＯ」）、スロットル開度更新量ガード値Δθの設定（Ｓ１１０）はなされなくなり、スロットルバルブ２６の回転速度に制限はなくなる。
【００４１】
次にスロットル開速度制限処理（図２）のステップＳ１０６にて求められた排気管壁温Ｔｅｘｐを利用した空燃比センサ用ヒータ通電制御処理（図４）について説明する。本処理はスロットル開速度制限処理（図２）の次に実行される処理である。
【００４２】
本処理が開始されると、まずＴｅｘｐ≦Ｔｄｐか否かが判定される（Ｓ２００）。この処理は前記ステップＳ１０８と同じ処理である。ここでＴｅｘｐ≦Ｔｄｐであれば（Ｓ２００で「ＹＥＳ」）、車両傾斜角センサ５６にて検出されている車両傾斜角Ｖｓを読み込む（Ｓ２０２）。車両傾斜角センサ５６は、例えば、車両に固定された軸にワイヤを介して錘などの可動体を吊り下げて構成されており、車両が坂道などの傾斜面に停車している時や前後の加速度を受けた時の可動体の変位量を機械的あるいは電気的に読み取るものである。
【００４３】
次にこの車両傾斜角Ｖｓが傾斜基準値Ｋｓ以上か否かを判定する（Ｓ２０４）。この傾斜基準値Ｋｓは、これ以上に車両が傾斜すると排気通路３６が傾斜することにより結露した水分が排気通路３６内に滞留して、大量の滞留水により空燃比センサ４２が被水するおそれのある傾斜角を表している。
【００４４】
Ｖｓ＜Ｋｓの場合には（Ｓ２０４で「ＮＯ」）、被水のおそれ無しとして空燃比センサ４２内のヒータへの通電を許可する（Ｓ２０８）。この場合にはヒータ通電により空燃比センサ４２は活性化温度まで加熱される。
【００４５】
一方、Ｖｓ≧Ｋｓの場合には（Ｓ２０４で「ＹＥＳ」）、被水のおそれ有りとして空燃比センサ４２内のヒータへの通電を禁止する（Ｓ２０６）。
上述した構成において、空燃比センサ４２がヒータにより加熱されることにより活性化されるセンサに、スロットルバルブ２６が吸入空気量調節手段に相当する。又、スロットル開速度制限処理（図２）のステップＳ１０２〜Ｓ１０８が被水判定手段としての処理に、ステップＳ１１０が吸入空気量制限手段としての処理に相当する。
【００４６】
以上説明した本実施の形態１によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．空燃比センサ４２への被水の可能性がある状態、すなわち排気管壁温Ｔｅｘｐが露点温度より低く排気中の水蒸気の凝縮により空燃比センサ４２近傍の排気通路３６内に水分が付着した状態にあると判定された場合には（Ｓ１０８で「ＹＥＳ」）、スロットル開度ＴＡの増加率を制限している（Ｓ１１０）。
【００４７】
このように空燃比センサ４２の被水の可能性がある状態では吸入空気量の増加率が制限されているため、排気速度についても急速に増加することが無く、排気通路３６内の水分が飛散する前に蒸発する余裕を持たせることができる。
【００４８】
そしてＥＣＵ４は吸入空気量の増加を制限しているのではなく、吸入空気量の増加率を制限しているため、吸入空気量の増加自体は可能であり、ドライバーが加速操作を継続することで加速することは可能である。そして吸入空気量の増加により排気管壁温Ｔｅｘｐも着実に上昇するので、排気通路３６内の水分の蒸発も比較的早期に終了する。したがってドライバーに大きな違和感を与えることはない。
【００４９】
このようにして空燃比センサ４２の被水を防止することでクラック発生等の故障を防止し、かつドライバーに対する違和感も抑制することができる。
（ロ）．本実施の形態では排気流速のみでなく車両の傾斜を考慮して、車両傾斜角Ｖｓ≧Ｋｓの場合には（Ｓ２０４で「ＹＥＳ」）、空燃比センサ４２に被水のおそれ有りとして、ヒータ通電を禁止している（Ｓ２０６）。このため車両の傾斜により被水しても空燃比センサ４２は急冷されることが無く、クラック等の故障を防止することができる。
【００５０】
［その他の実施の形態］
（ａ）．前記実施の形態に示したような燃料噴射弁１２から吸気ポート１６へ噴射するタイプのガソリンエンジンでなく、直接、燃焼室１０内に噴射する筒内噴射タイプのガソリンエンジンにも本発明は適用できる。
【００５１】
（ｂ）．吸入空気量調節手段としては、スロットルバルブ２６を用いずに吸気バルブ２ａのリフト量を調節する可変動弁機構（リフト量調節手段に相当）を用いることもできる。この場合には、前記ステップＳ１１０におけるガード値はリフト量増加率のガード値とする。このことにより、前記実施の形態１と同様な効果を生じることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１としてのエンジン及びＥＣＵの概略構成図。
【図２】上記ＥＣＵが実行するスロットル開速度制限処理のフローチャート。
【図３】上記スロットル開速度制限処理で用いられる排気管壁温Ｔｅｘｐからスロットル開度更新量ガード値Δθを求めるマップを表すグラフ。
【図４】上記ＥＣＵが実行する空燃比センサ用ヒータ通電制御処理のフローチャート。
【符号の説明】
２…エンジン、２ａ…吸気バルブ、２ｂ…排気バルブ、４…ＥＣＵ、１０…燃焼室、１２…燃料噴射弁、１４…点火プラグ、１６…吸気ポート、２０…吸気通路、２２…サージタンク、２４…スロットルバルブ用モータ、２６…スロットルバルブ、２８…スロットル開度センサ、３０…吸入空気量センサ、３１…吸気温センサ、３２…排気ポート、３６…排気通路、３８…第１三元触媒コンバータ、４０…第２三元触媒コンバータ、４２…空燃比センサ、４４…排気温センサ、４６…アクセルペダル、４８…アクセル開度センサ、５０…エンジン回転数センサ、５２…基準クランク角センサ、５４…冷却水温センサ、５６…車両傾斜角センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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