(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた排出ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータを備え、内燃機関の始動から所定のヒータオフ時間が経過した後に前記ヒータによる前記センサ素子の加熱を開始する排出ガスセンサのヒータ制御装置において、
内燃機関の前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差に応じて前記ヒータオフ時間を補正するヒータオフ時間補正手段を備え、
前記ヒータオフ時間補正手段は、内燃機関の前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差が小さいほど前記ヒータオフ時間を短くするように補正することを特徴とする排出ガスセンサのヒータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排出ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータを制御する排出ガスセンサのヒータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子制御化された内燃機関では、排気管に排出ガスの空燃比やリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ（空燃比センサ、酸素センサ等）を配置し、この排出ガスセンサの出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように燃料噴射量等をフィードバック制御するようにしている。一般に、排出ガスセンサは、センサ素子の温度が活性温度まで昇温しないと検出精度が悪いため、排出ガスセンサに内蔵したヒータでセンサ素子を加熱して排出ガスセンサの活性化を促進するようにしている。
【０００３】
ところで、内燃機関の排出ガスには、燃料と空気の燃焼反応によって生成された水蒸気が含まれており、内燃機関の始動直後で排気管の温度が低いときには、水蒸気を含んだ排出ガスが排気管内で冷やされるため、排気管内で排出ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生じることがある。このため、始動直後に排気管内で生じた凝縮水が排出ガスセンサのセンサ素子に付着する可能性があり、始動直後からセンサ素子をヒータで加熱すると、ヒータで加熱された高温のセンサ素子が凝縮水の付着による局所冷却（熱歪み）によって割れてしまう“素子割れ”が発生することがある。
【０００４】
この対策として、特許文献１（特開２００３−３２８８２１号公報）に記載されているように、内燃機関の停止から始動までの停止時間が短い再始動時であると判定した場合（つまり始動時の排気管温度が高く排気管内で凝縮水がほとんど発生しないと判定した場合）には、始動時からヒータへの通電を開始し、再始動時ではないと判定した場合には、冷却水温に応じてヒータオフ時間を設定し、始動からヒータオフ時間が経過した時点で、排気管温度が排気管内で凝縮水が発生しない温度まで上昇したと判断して、ヒータへの通電を開始するようにしたものがある。
【０００５】
また、特許文献２（特公平６−９０１６７号公報）に記載されているように、排気管に温度センサを取り付け、この温度センサで検出した排気管温度が所定温度以下のときには、排気管内に凝縮水が存在すると判断して、ヒータによる排出ガスセンサの加熱を禁止するようにしたものがある。
【０００６】
更に、特許文献３（特開２００２−４８７４９号公報）に記載されているように、内燃機関の運転状態に基づいて排出ガス熱量（又は排出ガス温度）を算出し、この排出ガス熱量（又は排出ガス温度）と、排出ガスと排気管との間の熱伝達及び排気管と外気との間の熱伝達を数学的にモデル化した熱伝達モデルとに基づいて排気管温度を推定し、この排気管温度が排気管内で水分が結露しない温度まで上昇したときに、ヒータによる排出ガスセンサの加熱を開始するようにしたものもある。
【特許文献１】特開２００３−３２８８２１号公報（第２頁等）
【特許文献２】特公平６−９０１６７号公報（第１頁等）
【特許文献３】特開２００２−４８７４９号公報（第２頁等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、始動時の排気管温度が高いほど、始動後に排気管温度が凝縮水の発生しない温度まで上昇するのに必要な時間が短くなるため、排出ガスセンサの素子割れを防止するのに必要なヒータオフ時間も短くなる。
【０００８】
しかし、上記特許文献１の技術では、ヒータオフ時間を設定する際に、始動時の排気管温度を全く考慮せずに、単に冷却水温に応じてヒータオフ時間を設定するだけであるため、ヒータオフ時間を適正値に設定することができず、ヒータオフ時間が必要以上に長くなって、排出ガスセンサの活性化が遅れてしまう可能性があり、その分、空燃比フィードバック制御の開始が遅れて、排気エミッションが悪化するという欠点がある。
【０００９】
また、上記特許文献２の技術では、排気管温度を検出する温度センサを新たに設ける必要があり、その分、コストアップするという欠点がある。
【００１０】
更に、上記特許文献３の技術では、内燃機関の運転状態に基づいて排出ガス熱量（又は排出ガス温度）を算出すると共に、この排出ガス熱量（又は排出ガス温度）と熱伝達モデルとを用いて排気管温度を算出する必要があるため、排気管温度の演算処理が複雑化して制御装置の演算負荷が増大するという欠点がある。
【００１１】
本発明は、これらの事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、排出ガスセンサの素子割れを防止しながら、排出ガスセンサをできるだけ早期に活性化することができると共に、低コスト化及び制御装置の負荷軽減の要求を満たすことができる排出ガスセンサのヒータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排出ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータを備え、内燃機関の始動から所定のヒータオフ時間が経過した後にヒータによるセンサ素子の加熱を開始する排出ガスセンサのヒータ制御装置において、ヒータオフ時間補正手段によって内燃機関の前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差に応じてヒータオフ時間を補正するようにしたものであり、具体的には、内燃機関の前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差が小さいほど前記ヒータオフ時間を短くするように補正するようにしたものである。
【００１６】
内燃機関の停止時間が長くなるほど、始動時の排気通路の温度が低くなり、且つ、前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差が大きくなるため、前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差は、始動時の排気通路温度を反映した情報となる。従って、前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差に応じてヒータオフ時間を補正すれば、始動時の排気通路温度に応じてヒータオフ時間を変化させることができる。これにより、始動時の排気通路温度に応じて、始動後に排気通路温度が凝縮水の発生しない温度まで上昇するのに必要な時間（つまり排出ガスセンサの素子割れを防止するのに必要なヒータオフ時間）が変化するのに対応して、ヒータオフ時間を変化させて適正値に設定することができ、排気通路内の水分の付着による排出ガスセンサの素子割れを防止しながら、排出ガスセンサをできるだけ早期に活性化することができる。
【００１７】
本発明は、内燃機関の前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差が小さいほどヒータオフ時間を短くするように補正することを特徴とする。内燃機関の停止時間が短いほど、前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差が小さくなり、且つ、始動時の排気通路温度が高くなるため、前回の停止時の冷却水温と今回の始動時の冷却水温との差が小さくなるほどヒータオフ時間を短くするように補正すれば、始動時の排気通路温度が高くなるほど、始動後に排気通路温度が凝縮水の発生しない温度まで上昇するのに必要な時間が短くなるのに対応して、ヒータオフ時間を短くすることができ、その分、排出ガスセンサを早期に活性化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を２つの実施例１，２を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例１を図１乃至図３に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。
【００２０】
更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
【００２１】
一方、エンジン１１の排気管２３（排気通路）には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４には、センサ素子を加熱するヒータ（図示せず）が内蔵されている（又は外付けされている）。この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。
【００２２】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、エンジン１１のクランク軸２７が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２８が取り付けられている。このクランク角センサ２８の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。また、外気温センサ３０によって外気温が検出され、吸気温センサ３１によって吸気温が検出される。
【００２３】
これら各種センサの出力は、制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御する。
【００２４】
その際、ＥＣＵ２９は、排出ガスセンサ２４の出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように燃料噴射量等をフィードバック制御することで、排出ガスの空燃比が触媒２５の浄化ウインドの範囲内になるように制御して、触媒２５の排出ガス浄化効率を高めるようにしている。また、排出ガスセンサ２４は、センサ素子の温度が活性温度（例えば７５０℃）まで昇温しないと検出精度が悪いため、ＥＣＵ２９は、センサ素子の温度が活性温度になるように排出ガスセンサ２４のヒータの通電を制御してセンサ素子の加熱を制御する。
【００２５】
ところで、エンジン１１の排出ガスには、燃料と空気の燃焼反応によって生成された水蒸気が含まれており、エンジン１１の始動直後で排気管２３の温度が低いときには、水蒸気を含んだ排出ガスが排気管２３内で冷やされるため、排気管２３内で排出ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生じることがある。このため、始動直後に排気管２３内で生じた凝縮水が排出ガスセンサ２４のセンサ素子に付着する可能性があり、始動直後からセンサ素子をヒータで加熱すると、ヒータで加熱された高温のセンサ素子が凝縮水の付着による局所冷却（熱歪み）によって割れてしまう“素子割れ”が発生することがある。
【００２６】
この対策として、ＥＣＵ２９は、エンジン始動から所定のヒータオフ時間が経過したときに、排気管２３の温度が排気管２３内で凝縮水が発生しない温度まで上昇したと判断して、排出ガスセンサ２４のヒータによるセンサ素子の加熱を開始するようにしている。
【００２７】
その際、ＥＣＵ２９は、後述する図２のヒータオフ時間設定プログラムを実行することで、始動時の冷却水温と吸気温と外気温のうちで最も低い温度である最低温度ＴＰmin に応じてヒータオフ時間Ｔoff を算出すると共に、始動時の冷却水温ＴＰwstaと最低温度ＴＰmin との差ΔＴＰ1 に応じてヒータオフ補正時間Ｔofs1を算出し、最低温度ＴＰmin に応じたヒータオフ時間Ｔoff からヒータオフ補正時間Ｔofs1を差し引くことで最終的なヒータオフ時間Ｔoff を設定するようにしている。
【００２８】
以下、ＥＣＵ２９が実行する図２のヒータオフ時間設定プログラムの処理内容を説明する。図２に示すヒータオフ時間設定プログラムは、エンジン始動時に実行される。本プログラムが起動されると、まず、ステップ１０１で、始動時の冷却水温と吸気温と外気温のうちで最も低い温度を最低温度ＴＰmin として算出する。その際、前回のエンジン停止から今回のエンジン始動までのエンジン停止時間が比較的短い場合には、始動時の冷却水温が外気温や吸気温よりも高くなるため、外気温又は吸気温が最低温度ＴＰmin となる。
【００２９】
この後、ステップ１０２に進み、最低温度ＴＰmin に応じたヒータオフ時間Ｔoff をマップ又は数式等により算出する。一般に、最低温度ＴＰmin （始動時の冷却水温と吸気温と外気温のうちで最も低い温度）が低くなるほど、始動時の排気管温度が低くなって、始動後に排気管温度が凝縮水の発生しない温度まで上昇するのに必要な時間（つまり排出ガスセンサ２４の素子割れを防止するのに必要なヒータオフ時間）が長くなるため、ヒータオフ時間Ｔoff のマップ又は数式等は、最低温度ＴＰmin が低くなるほどヒータオフ時間Ｔoff が長くなるように設定されている。
【００３０】
この後、ステップ１０３に進み、始動時の冷却水温ＴＰwstaを読み込んだ後、ステップ１０４に進み、始動時の冷却水温ＴＰwstaと最低温度ＴＰmin との差ΔＴＰ1 を算出する。その際、エンジン停止時間が比較的短い場合には、外気温又は吸気温が最低温度ＴＰmin となるため、始動時の冷却水温ＴＰwstaと外気温又は吸気温との差ΔＴＰ1 を算出することになる。
【００３１】
この後、ステップ１０５に進み、図３に示すヒータオフ補正時間Ｔofs1のマップを参照して、始動時の冷却水温ＴＰwstaと最低温度ＴＰmin との差ΔＴＰ1 に応じたヒータオフ補正時間Ｔofs1を算出する。
【００３２】
図３のヒータオフ補正時間Ｔofs1のマップは、始動時の冷却水温ＴＰwstaと最低温度ＴＰmin との差ΔＴＰ1 （エンジン停止時間が比較的短い場合には、始動時の冷却水温ＴＰwstaと外気温又は吸気温との差ΔＴＰ1 ）が大きくなるほど、ヒータオフ補正時間Ｔofs1が大きくなって、ヒータオフ時間Ｔoff が短くなるように設定されている。
【００３３】
エンジン停止時間が比較的短い場合には、エンジン停止時間が短いほど、始動時の冷却水温ＴＰwstaと外気温又は吸気温との差ΔＴＰ1 が大きくなると共に、始動時の排気管温度が高くなるため、始動時の冷却水温ＴＰwstaと外気温又は吸気温との差ΔＴＰ1 が大きくなるほどヒータオフ時間Ｔoff を短くするように補正すれば、始動時の排気管温度が高くなるほど、始動後に排気管温度が凝縮水の発生しない温度まで上昇するのに必要な時間が短くなるのに対応して、ヒータオフ時間Ｔoff を短くすることができる。
【００３４】
この後、ステップ１０６に進み、最低温度ＴＰmin に応じたヒータオフ時間Ｔoff からヒータオフ補正時間Ｔofs1を差し引くことで、ヒータオフ時間Ｔoff を補正して最終的なヒータオフ時間Ｔoff を設定する。
Ｔoff ＝Ｔoff −Ｔofs1
これらのステップ１０５，１０６の処理が特許請求の範囲でいうヒータオフ時間補正手段としての役割を果たす。
【００３５】
以上説明した本実施例１では、始動時の冷却水温ＴＰwstaと外気温（又は吸気温）との差ΔＴＰ1 が、始動時の排気管温度を反映した情報となることに着目して、始動時の冷却水温ＴＰwstaと外気温（又は吸気温）との差ΔＴＰ1 に応じてヒータオフ時間Ｔoff を補正するようにしたので、始動時の排気管温度に応じてヒータオフ時間Ｔoff を変化させることができる。これにより、始動時の排気管温度が高くなるほど、始動後に排気管温度が凝縮水の発生しない温度まで上昇するのに必要な時間（つまり排出ガスセンサ２４の素子割れを防止するのに必要なヒータオフ時間）が短くなるのに対応して、ヒータオフ時間Ｔoff を短くすることができる。これにより、排気管２３内の水分の付着による排出ガスセンサ２４の素子割れを防止しながら、排出ガスセンサ２４をできるだけ早期に活性化して早期に空燃比フィードバック制御を開始することができ、排気エミッションを向上させることができる。
【００３６】
しかも、始動時の冷却水温と外気温（又は吸気温）との差を始動時の排気管温度の情報として用いるため、排気管温度を検出する温度センサを新たに設ける必要がなく、低コスト化できると共に、排気管温度を算出するための複雑な演算処理を行う必要もなく、ＥＣＵ２９の演算負荷を軽減することができるという利点もある。
【００３７】
尚、上記実施例１では、始動時の冷却水温と吸気温と外気温のうちで最も低い温度を最低温度ＴＰmin とし、始動時の冷却水温ＴＰwstaと最低温度ＴＰmin との差ΔＴＰ1 に応じてヒータオフ補正時間Ｔofs1を算出するようにしたが、始動時の冷却水温ＴＰwstaと外気温との差ΔＴＰ1 に応じてヒータオフ補正時間Ｔofs1を算出するようにしたり、或は、始動時の冷却水温ＴＰwstaと吸気温との差ΔＴＰ1 に応じてヒータオフ補正時間Ｔofs1を算出するようにしても良い。
【実施例２】
【００３８】
次に、図４及び図５を用いて本発明の実施例２を説明する。
前記実施例１では、始動時の冷却水温ＴＰwstaと最低温度ＴＰmin との差ΔＴＰ1 に応じてヒータオフ補正時間Ｔofs1を算出するようにしたが、本実施例２では、後述する図４のヒータオフ時間設定プログラムを実行することで、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpと今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaとの差ΔＴＰ2 に応じてヒータオフ補正時間Ｔofs2を算出するようにしている。
【００３９】
図４に示すヒータオフ時間設定プログラムでは、まず、ステップ２０１で、始動時の冷却水温と吸気温と外気温のうちの最低温度Ｔmin を算出した後、ステップ２０２に進み、最低温度ＴＰmin に応じたヒータオフ時間Ｔoff をマップ又は数式等により算出する。
【００４０】
この後、ステップ２０３に進み、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpを読み込む。このエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpは、前回のエンジン停止直前に検出した冷却水温であり、エンジン停止中でも記憶値を保持できるバックアップＲＡＭ等の書き換え可能な不揮発性メモリに記憶したものである。
【００４１】
この後、ステップ２０４に進み、今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaを読み込んだ後、ステップ２０５に進み、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpと今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaとの差ΔＴＰ2 を算出する。
【００４２】
この後、ステップ２０６に進み、図５に示すヒータオフ補正時間Ｔofs2のマップを参照して、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpと今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaとの差ΔＴＰ2 に応じたヒータオフ補正時間Ｔofs2を算出する。
【００４３】
図５のヒータオフ補正時間Ｔofs2のマップは、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpと今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaとの差ΔＴＰ2 が小さくなるほど、ヒータオフ補正時間Ｔofs2が大きくなって、ヒータオフ時間Ｔoff が短くなるように設定されている。
【００４４】
エンジン停止時間が短いほど、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpと今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaとの差ΔＴＰ2 が小さくなると共に、始動時の排気管温度が高くなるため、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpと今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaとの差ΔＴＰ2 が小さくなるほどヒータオフ時間Ｔoff を短くするように補正すれば、始動時の排気管温度が高くなるほど、始動後に排気管温度が凝縮水の発生しない温度まで上昇するのに必要な時間が短くなるのに対応して、ヒータオフ時間Ｔoff を短くすることができる。
【００４５】
この後、ステップ２０７に進み、最低温度ＴＰmin に応じたヒータオフ時間Ｔoff からヒータオフ補正時間Ｔofs2を差し引くことで、ヒータオフ時間Ｔoff を補正して最終的なヒータオフ時間Ｔoff を設定する。
Ｔoff ＝Ｔoff −Ｔofs2
これらのステップ２０６，２０７の処理が特許請求の範囲でいうヒータオフ時間補正手段としての役割を果たす。
【００４６】
以上説明した本実施例２では、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpと今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaとの差ΔＴＰ2 が、始動時の排気管温度を反映した情報となることに着目して、前回のエンジン停止時の冷却水温ＴＰwstpと今回のエンジン始動時の冷却水温ＴＰwstaとの差ΔＴＰ2 に応じてヒータオフ時間Ｔoff を補正するようにしたので、始動時の排気管温度に応じてヒータオフ時間Ｔoff を変化させることができ、前記実施例１とほぼ同じ効果を得ることができる。
【００４７】
尚、上記各実施例１，２では、始動時の冷却水温と吸気温と外気温のうちで最も低い温度を最低温度ＴＰmin とし、この最低温度ＴＰmin に応じたヒータオフ時間Ｔoff を算出するようにしたが、始動時の冷却水温と外気温のうちの低い方の温度を最低温度ＴＰmin とするようにしたり、或は、始動時の冷却水温と吸気温のうちの低い方の温度を最低温度ＴＰmin とするようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例１におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。
【図２】実施例１のヒータオフ時間設定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】実施例１のヒータオフ補正時間のマップの一例を概念的に示す図である。
【図４】実施例２のヒータオフ時間設定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】実施例２のヒータオフ補正時間のマップの一例を概念的に示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管（排気通路）、２４…排出ガスセンサ、２６…冷却水温センサ、２９…ＥＣＵ（ヒータオフ時間補正手段）、３０…外気温センサ、３１…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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