(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、
前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、バッテリから電力が供給されることによって前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、
当該制御装置は、前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出部と、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記バッテリから前記ヒータに供給される電力を制御するヒータ制御部とを備え、
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記バッテリ電圧検出部によって検出された前記バッテリの電圧が所定電圧に回復するまで前記目標温度を第一温度に設定し、前記バッテリ電圧検出部によって検出された前記バッテリの電圧が前記所定電圧に回復したときに前記目標温度を前記第一温度から第二温度に切り替え、前記第一温度は前記電気化学セルの作動温度よりも低く且つ前記保護層の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度であり、前記第二温度は前記作動温度以上の温度である、排気センサの制御装置。
【請求項２】
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記目標温度を前記第一温度に設定する前に、前記目標温度が前記第一温度に設定されたときに前記ヒータに供給される電力よりも小さい電力を前記ヒータに供給する、請求項１に記載の排気センサの制御装置。
【請求項３】
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記目標温度を前記第一温度に設定する前に、前記目標温度を第三温度に設定し、該第三温度は水の沸点以上前記第一温度未満の温度である、請求項２に記載の排気センサの制御装置。
【請求項４】
前記排気センサは、排気流れ方向において最も上流側に配置された上流側排気センサと、該上流側排気センサの排気流れ方向下流側に配置された下流側排気センサとを含み、
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記バッテリ電圧検出部によって検出された前記バッテリの電圧が前記所定電圧に回復するまで、前記上流側排気センサにおける前記目標温度を前記第一温度に設定し、且つ、前記下流側排気センサにおける前記目標温度を前記最低温度未満の温度に設定し又は前記下流側排気センサの前記ヒータへの電力供給を停止する、請求項１から３のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
【請求項５】
前記排気センサ周りの排気管の温度を推定する温度推定部を更に備え、
前記ヒータ制御部は、前記バッテリ電圧検出部によって検出された前記バッテリの電圧が前記所定電圧に回復した後、前記温度推定部によって推定された前記排気管の温度が水の沸点以上の温度に達したときに前記目標温度を前記第二温度から第四温度に切り替え、前記第二温度は前記作動温度よりも高い温度であり、前記第四温度は前記作動温度である、請求項１から４のいずれか１項に記載の排気センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気センサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、排気ガス中の特定の成分を検出するために、内燃機関の排気通路に排気センサを配置することが知られている（例えば、特許文献１〜４を参照）。特許文献１、２に記載の排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層とを備える。排気センサは排気ガスに曝されるように排気管に固定され、排気ガスの一部は保護層を通過して素子本体内に流入する。また、排気センサは、電気化学セルが所定の作動温度以上となるように素子本体を加熱するヒータを備える。
【０００３】
ところで、排気管の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路に凝縮水が存在していると、凝縮水の水滴が排気ガスと共に排気センサの保護層に衝突する。保護層が撥水性を有しない場合、保護層に衝突した水滴は保護層内に浸透する。ヒータによる加熱によって保護層の温度が高温である場合には、保護層内に浸透した水滴は保護層内で蒸発する。この結果、保護層及び素子本体に熱衝撃が加えられ、素子割れが発生する場合がある。
【０００４】
そこで、特許文献１、２には、排気センサの素子割れを防止すべく、ライデンフロスト現象を利用して排気センサの保護層に撥水性を付与することが記載されている。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層に衝突したときに、保護層と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層からはじかれるため、保護層内に水が浸透することが抑制される。
【０００５】
特許文献１に記載の発明では、内燃機関の始動の際に、ライデンフロスト現象を用いて素子割れを防止すべく、排気センサの周囲温度が露点温度に達するまで、センサ表面の温度が、作動温度よりも高い衝撃対抗温度に保持される。その後、排気センサの周囲温度が露点温度に達すると、センサ表面の温度は衝撃対抗温度から作動温度に低下せしめられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５２９６９１号公報
【特許文献２】特開２０１２−０９３３３０号公報
【特許文献３】特開昭６０−００６０３８号公報
【特許文献４】特開２００７−０４１００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、内燃機関の始動後、ヒータによって素子本体及び保護層を加熱するとき、排気センサのヒータには、内燃機関を搭載した車両のバッテリから電力が供給される。しかしながら、内燃機関の始動の際には、内燃機関のクランキングのためにバッテリの負荷が増大し、バッテリの電圧が一時的に低下する。排気センサの素子本体及び保護層を加熱すべくバッテリ電圧の低下時にヒータの消費電力を増大させると、バッテリ電圧の回復が遅れ、燃料噴射量の制御等に悪影響を及ぼす。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ヒータの消費電力の増加を抑制しつつ、被水による排気センサの素子割れを防止することができる排気センサの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】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサを制御する、排気センサの制御装置であって、前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、バッテリから電力が供給されることによって前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、当該制御装置は、前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出部と、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記バッテリから前記ヒータに供給される電力を制御するヒータ制御部とを備え、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記バッテリ電圧検出部によって検出された前記バッテリの電圧が所定電圧に回復するまで前記目標温度を第一温度に設定し、前記バッテリ電圧検出部によって検出された前記バッテリの電圧が前記所定電圧に回復したときに前記目標温度を前記第一温度から第二温度に切り替え、前記第一温度は前記電気化学セルの作動温度よりも低く且つ前記保護層の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度であり、前記第二温度は前記作動温度以上の温度である、排気センサの制御装置が提供される。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記目標温度を前記第一温度に設定する前に、前記目標温度が前記第一温度に設定されたときに前記ヒータに供給される電力よりも小さい電力を前記ヒータに供給する。
【００１１】
第３の発明では、第２の発明において、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記目標温度を前記第一温度に設定する前に、前記目標温度を第三温度に設定し、該第三温度は水の沸点以上前記第一温度未満の温度である。
【００１２】
第４の発明では、第１から第３のいずれか一つの発明において、前記排気センサは、排気流れ方向において最も上流側に配置された上流側排気センサと、該上流側排気センサの排気流れ方向下流側に配置された下流側排気センサとを含み、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後、前記バッテリ電圧検出部によって検出された前記バッテリの電圧が前記所定電圧に回復するまで、前記上流側排気センサにおける前記目標温度を前記第一温度に設定し、且つ、前記下流側排気センサにおける前記目標温度を前記最低温度未満の温度に設定し又は前記下流側排気センサの前記ヒータへの電力供給を停止する。
【００１３】
第５の発明では、第１から第４のいずれか一つの発明において、前記排気センサ周りの排気管の温度を推定する温度推定部を更に備え、前記ヒータ制御部は、前記バッテリ電圧検出部によって検出された前記バッテリの電圧が前記所定電圧に回復した後、前記温度推定部によって推定された前記排気管の温度が水の沸点以上の温度に達したときに前記目標温度を前記第二温度から第四温度に切り替え、前記第二温度は前記作動温度よりも高い温度であり、前記第四温度は前記作動温度である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ヒータの消費電力の増加を抑制しつつ、被水による排気センサの素子割れを防止することができる排気センサの制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、空燃比センサの拡大図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサのセンサ素子の断面図である。
【図４】図４は、保護層に衝突する水滴の量と保護層の温度とを変化させたときのライデンフロスト現象の発生の有無を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。
【図６】図６は、内燃機関を始動させるときの内燃機関のオンオフ等の概略的なタイムチャートである。
【図７】図７は、本発明の第一実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の第二実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図９】図９は、内燃機関を始動させるときの内燃機関のオンオフ等の概略的なタイムチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第二実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の第三実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。
【図１２】図１２は、本発明の第三実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図１３】図１３は、経過時間及び積算空気量と排気管の温度との関係を示すマップである。
【図１４】図１４は、内燃機関を始動させるときの内燃機関のオンオフ等の概略的なタイムチャートである。
【図１５】図１５は、本発明の第三実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１７】
＜第一実施形態＞
最初に図１〜図７を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
【００１８】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関１を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。
【００１９】
図１を参照すると、内燃機関１は、機関本体１００と、各気筒の燃焼室２と、燃焼室２内に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁３と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５とを備える。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ（過給機）７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置される。さらに、吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１３が配置される。図１に示した内燃機関１では機関冷却水が冷却装置１３内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。
【００２０】
一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２８を内蔵したケーシング２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒２８は、例えば、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）又はＮＯｘ吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されてもよい。
【００２１】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」という）通路１４を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２２】
燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９によって燃料タンク３３から燃料配管３４を介してコモンレール１８内に供給される。コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。
【００２３】
内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。負荷センサ１０１及びエアフロメータ１０２の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１５及び燃料ポンプ１９に接続されている。
【００２４】
負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ１０１は機関負荷を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる空気流量を検出する。さらに、入力ポート８５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ１０８が接続され、クランク角センサ１０８によって機関回転数が検出される。
【００２５】
なお、内燃機関１は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関であってもよい。また、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。
【００２６】
＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、排気センサの制御装置によって制御される排気センサとして、内燃機関１の排気通路に空燃比センサ１０が配置されている。空燃比センサ１０は、内燃機関１の排気通路を流れる排気ガス中の特定の成分を検出する。具体的には、空燃比センサ１０は、排気ガス中の酸素濃度を検出することで、排気ガスの空燃比をリニアに検出する。
【００２７】
本実施形態では、空燃比センサ１０は排気通路において排気浄化触媒２８の排気流れ方向上流側に配置されている。なお、空燃比センサ１０は、排気通路の他の位置、例えば排気浄化触媒２８の排気流れ方向下流側に配置されてもよい。
【００２８】
以下、図２及び図３を参照して、空燃比センサ１０の構成について説明する。図２は、空燃比センサ１０の拡大図である。図２では、空燃比センサ１０の先端側が断面図で示されている。空燃比センサ１０は、先端部１１が排気管２７内に挿入された状態で排気管２７に固定される。空燃比センサ１０は、その内部に、板状の形状を有するセンサ素子１２を備えている。
【００２９】
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサ１０のセンサ素子１２の断面図である。図３に示されるように、空燃比センサ１０のセンサ素子１２は、センサセル５１が設けられた素子本体５０と、素子本体５０の外面上に形成された保護層６０とを備える。
【００３０】
素子本体５０は被測ガス室３０及び基準ガス室３１を備えている。空燃比センサ１０が内燃機関１の排気通路に配置されたとき、被測ガス室３０には、排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。基準ガス室３１には基準ガスが導入される。基準ガスは例えば大気である。この場合、基準ガス室３１は大気に開放されている。
【００３１】
空燃比センサ１０は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。素子本体５０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第一不透過層２１、第二不透過層２２及び第三不透過層２３を備える。固体電解質層４０は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層４０は、例えば、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として添加した焼結体である。拡散律速層１６は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１６は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の多孔質セラミックから構成されている。不透過層２１〜２３は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む。
【００３２】
素子本体５０の各層は、図３の下方から、第一不透過層２１、第二不透過層２２、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第三不透過層２３の順に積層されている。被測ガス室３０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６及び第三不透過層２３によって区画形成されている。排気ガスは保護層６０及び拡散律速層１６を通って被測ガス室３０内に導入される。拡散律速層１６は被測ガスの拡散律速を行う。なお、被測ガス室３０は、固体電解質層４０に隣接し且つ被測ガスが導入されるように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
【００３３】
基準ガス室３１は固体電解質層４０及び第二不透過層２２によって区画形成されている。なお、基準ガス室３１は、固体電解質層４０に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
【００３４】
センサセル５１は、固体電解質層４０、第一電極４１及び第二電極４２を有する電気化学セルである。第一電極４１は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように固体電解質層４０の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第二電極４２は、基準ガス室３１内の基準ガスに曝されるように固体電解質層４０の基準ガス室３１側の表面上に配置されている。第一電極４１と第二電極４２とは、固体電解質層４０を挟んで互いに対向するように配置されている。第一電極４１及び第二電極４２は、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属から構成されている。例えば、第一電極４１及び第二電極４２は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。
【００３５】
保護層６０は、素子本体５０の外面全体を覆うように、素子本体５０の外面上に形成されている。保護層６０は、ガス透過性を有し、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化亜鉛等の多孔質セラミックから構成されている。
【００３６】
センサ素子１２はヒータ５５を更に備える。本実施形態では、ヒータ５５は、図３に示されるように、第一不透過層２１と第二不透過層２２との間に配置される。ヒータ５５は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミック（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ５５は素子本体５０及び保護層６０を加熱する。
【００３７】
センサセル５１の第一電極４１及び第二電極４２には、電気回路７０が接続されている。電気回路７０は電源７１及び電流検出器７２を備える。電源７１は、第二電極４２の電位が第一電極４１の電位よりも高くなるように電極間に電圧を印加する。ＥＣＵ８０の出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して電源７１に接続されている。したがって、ＥＣＵ８０は、電源７１を制御して、センサセル５１に印加される電圧を制御することができる。また、電流検出器７２は、センサセル５１に流れる電流をセンサセル５１の出力として検出する。電流検出器７２の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。したがって、ＥＣＵ８０は、電流検出器７２によって検出されたセンサセル５１の出力を電流検出器７２から取得することができる。
【００３８】
空燃比センサ１０は、センサセル５１に所定の電圧を印加したときにセンサセル５１に流れる限界電流を検出することによって排気ガスの空燃比を検出する。したがって、本実施形態における空燃比センサ１０は、いわゆる限界電流式空燃比センサである。
【００３９】
＜ライデンフロスト現象＞
ところで、排気管の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路に凝縮水が存在していると、凝縮水の水滴が排気ガスと共に空燃比センサ１０の保護層６０に衝突する。保護層６０が撥水性を有しない場合、保護層６０に衝突した水滴は保護層６０内に浸透する。ヒータ５５による加熱によって保護層６０の温度が高温である場合には、保護層６０内に浸透した水滴は保護層６０内で蒸発する。この結果、保護層６０及び素子本体５０に熱衝撃が加えられ、センサ素子１２の素子割れが発生する場合がある。
【００４０】
保護層６０は、その温度が高温であるときに撥水性を有する。この特性は、ライデンフロスト現象を発生させることによって得られる。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層６０に衝突したときに、保護層６０と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層６０と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層６０からはじかれるため、保護層６０内に水が浸透することが抑制される。
【００４１】
ライデンフロスト現象が発生する温度は、一般的には、物体に衝突する液体の種類によって決定されると言われている。しかしながら、本願の発明者は、空燃比センサ１０の保護層６０のように熱容量が小さい物体では、ライデンフロスト現象が発生する温度が液体の量に応じて変化することを新たに見出した。
【００４２】
図４は、保護層６０に衝突する水滴の量と保護層６０の温度とを変化させたときのライデンフロスト現象の発生の有無を示すグラフである。図中のバツ印は、ライデンフロスト現象が発生しなかったことを示す。一方、図中の丸印は、ライデンフロスト現象が発生したことを示す。図４から分かるように、ライデンフロスト現象が発生する温度は水滴量に応じて変化している。具体的には、ライデンフロスト現象が発生する温度は、水滴量が多いほど高くなる。この理由は、熱容量が小さい保護層６０では、蒸気膜の形成時に保護層６０の温度が低下し、保護層６０の温度の低下量が水滴量に比例するからであると考えられている。
【００４３】
＜内燃機関の始動の際にセンサ素子を加熱することの問題点＞
ところで、内燃機関１の始動後、ヒータ５５によって素子本体５０及び保護層６０を加熱するとき、空燃比センサ１０のヒータ５５には、内燃機関１を搭載した車両のバッテリから電力が供給される。しかしながら、内燃機関１の始動の際には、内燃機関１のクランキングのためにバッテリの負荷が増大し、バッテリの電圧が一時的に低下する。空燃比センサ１０の素子本体５０及び保護層６０を加熱すべくバッテリ電圧の低下時にヒータの消費電力を増大させると、バッテリ電圧の回復が遅れ、燃料噴射量の制御等に悪影響を及ぼす。
【００４４】
このため、内燃機関１の始動時には、ヒータ５５の消費電力の増加を抑制しつつ、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することが望まれている。
【００４５】
＜排気センサの制御装置の説明＞
そこで、本実施形態に係る排気センサの制御装置は、内燃機関１の始動の際に以下の制御を実行する。図５は、本発明の第一実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。排気センサの制御装置はバッテリ電圧検出部８０ａ及びヒータ制御部８０ｂを備える。本実施形態では、バッテリ電圧検出部８０ａ及びヒータ制御部８０ｂはＥＣＵ８０の一部である。
【００４６】
バッテリ電圧検出部８０ａはバッテリ９０の電圧を検出する。ヒータ制御部８０ｂは、ヒータ制御回路５６を介してヒータ５５を制御することによって、センサ素子１２（素子本体５０及び保護層６０）の温度、特にセンサセル５１の温度を制御する。具体的には、ヒータ制御部８０ｂは、センサセル５１の目標温度を設定し、センサセル５１の温度が目標温度になるようにバッテリ９０からヒータ５５に供給される電力を制御する。例えば、ヒータ制御部８０ｂは、センサセル５１の温度をセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出し、算出された温度が目標温度になるように、ヒータ５５への供給電力をフィードバック制御する。センサセル５１のインピーダンスは、電源７１からセンサセル５１に高周波の電圧が印加されたときに電流検出器７２によって検出されるセンサセル５１の出力に基づいて算出される。
【００４７】
ヒータ制御部８０ｂによってバッテリ９０からヒータ制御回路５６を介してヒータ５５に電力が供給されると、素子本体５０及び保護層６０が加熱される。このとき、保護層６０の温度はセンサセル５１の温度と相関する。したがって、上述したフィードバック制御によって、センサセル５１の温度だけでなく保護層６０の温度も制御することができる。
【００４８】
上述したように、内燃機関１の始動時には、内燃機関１のクランキングのためにバッテリ９０の負荷が増大し、バッテリ９０の電圧が一時的に低下する。このため、ヒータ制御部８０ｂは、ヒータ５５の消費電力の増加を抑制すべく、内燃機関１の始動後、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が所定電圧に回復するまで目標温度を第一温度に設定する。所定電圧は、バッテリ９０の定格電圧未満の電圧であり、例えば１０．５Ｖである。
【００４９】
第一温度は、センサセル５１の作動温度よりも低く且つ保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度である。センサセル５１の作動温度は、センサセル５１の活性温度以上の温度であり、例えば７５０℃である。保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度とは、極めて少量の水滴が保護層６０に衝突したときにライデンフロスト現象が発生する温度の下限値であり、例えば４００℃である。第一温度は、例えば、ライデンフロスト現象が発生する最低温度である４００℃にされる。
【００５０】
内燃機関１の始動後、排気管２７に到達した排気ガスから生成された凝縮水が空燃比センサ１０に向かって飛散するまでには、或る程度の時間がかかる。このため、内燃機関１の始動直後には、空燃比センサ１０のセンサ素子１２が被水によって割れる可能性は非常に低い。また、内燃機関１の始動直後には、凝縮水の水滴が保護層６０に衝突したとしても、水滴量は非常に少ないと推測される。図４から分かるように、ライデンフロスト現象が発生する最低温度は、水滴量が少なくなるほど低くなる。このため、内燃機関１の始動後にバッテリ９０の電圧が一時的に低下しているときに、センサセル５１の目標温度を作動温度未満の温度に設定したとしても、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。
【００５１】
また、ヒータ制御部８０ｂは、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が上記所定電圧に回復したときに目標温度を第一温度から第二温度に切り替える。第二温度は、センサセル５１の作動温度以上の温度である。例えば、第二温度は、センサセル５１の作動温度である７５０℃にされる。このことによって、凝縮水の飛散量が多くなった後も、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。したがって、本実施形態に係る排気空燃比の制御装置によってヒータ５５の消費電力の増加を抑制しつつ、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。
【００５２】
また、内燃機関１の始動直後にセンサ素子１２の温度を第一温度まで急激に上昇させると、センサ素子１２内に残っていた水が突沸し、センサ素子１２が割れるおそれがある。このため、本実施形態では、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１の始動後、センサセル５１の目標温度を第一温度に設定する前に、目標温度が第一温度に設定されたときにヒータ５５に供給される電力よりも小さい電力をヒータ５５に供給する。例えば、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１の始動後、センサセル５１の目標温度を第一温度に設定する前に、所定時間、ヒータ５５の通電デューティ比を、目標温度が第一温度に設定されたときの通電デューティ比よりも低くする。このことによって、センサ素子１２の急激な温度上昇を抑制することができ、センサ素子１２内の水を緩やかに蒸発させることができる。この結果、突沸による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。
【００５３】
なお、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１の始動後、センサセル５１の目標温度を第一温度に設定する前に、センサセル５１の目標温度を第三温度に設定してもよい。第三温度は、水の沸点以上第一温度未満の温度であり、例えば１２０℃である。センサセル５１の目標温度が第三温度に設定されたときにヒータ５５に供給される電力は、センサセル５１の目標温度が第一温度に設定されたときにヒータ５５に供給される電力よりも小さい。内燃機関１の始動直後の目標温度を第一温度よりも低くすることによって、センサ素子１２の急激な温度上昇を抑制することができる。
【００５４】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図６のタイムチャートを参照して、内燃機関１を始動させるときの制御について具体的に説明する。図６は、内燃機関１を始動させるときの、内燃機関１のオンオフ、バッテリ９０の電圧、センサセル５１の目標温度及びセンサセル５１の温度の概略的なタイムチャートである。図示した例では、センサセル５１の温度はセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出されている。
【００５５】
図示した例では、時刻ｔ１において内燃機関１が始動される。内燃機関１が始動されると、内燃機関１のクランキングのためにバッテリ９０の負荷が増大し、バッテリ９０の電圧が１４Ｖから急激に低下する。また、内燃機関１が始動されると、センサセル５１の目標温度が１２０℃に設定される。この結果、センサセル５１の温度は１２０℃に向かって上昇する。
【００５６】
時刻ｔ２において、センサセル５１の温度が１２０℃に到達すると、センサセル５１の目標温度が１２０℃から４００℃に切り替えられる。この結果、センサセル５１の温度は４００℃に向かって上昇する。センサセル５１の温度が４００℃に達した後、センサセル５１の温度は、バッテリ９０の電圧が回復するまで、４００℃に維持される。
【００５７】
時刻ｔ３において、バッテリ９０の電圧が１０．５Ｖまで回復する。このため、時刻ｔ３において、センサセル５１の目標温度が４００℃から７５０℃に切り替えられる。この結果、センサセル５１の温度は７５０℃に向かって上昇する。センサセル５１の温度が７５０℃に達した後、センサセル５１の温度は７５０℃に維持される。
【００５８】
＜目標温度設定処理＞
以下、図７のフローチャートを参照して、センサセル５１の目標温度を設定するための制御について説明する。図７は、本発明の第一実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００５９】
最初に、ステップＳ１０１において、ヒータ制御部８０ｂが、センサセル５１の温度Ｔｓが第三温度Ｔ３未満であるか否かを判定する。センサセル５１の温度Ｔｓはセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出される。第三温度Ｔ３は、水の沸点以上第一温度Ｔ１未満の温度であり、例えば１２０℃である。
【００６０】
ステップＳ１０１においてセンサセル５１の温度Ｔｓが第三温度Ｔ３未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、センサセル５１の目標温度ＴＴが第三温度Ｔ３に設定される。ステップＳ１０２の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６１】
一方、ステップＳ１０１においてセンサセル５１の温度Ｔｓが第三温度Ｔ３以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、バッテリ電圧検出部８０ａがバッテリ９０の電圧ＢＶを検出する。
【００６２】
次いで、ステップＳ１０４において、ヒータ制御部８０ｂが、バッテリ９０の電圧ＢＶが所定電圧Ｖｒ未満であるか否かを判定する。所定電圧Ｖｒは、バッテリ９０の定格電圧未満の電圧であり、例えば１０．５Ｖである。
【００６３】
ステップＳ１０４においてバッテリ９０の電圧ＢＶが所定電圧Ｖｒ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを第一温度Ｔ１に設定する。第一温度Ｔ１は、センサセル５１の作動温度よりも低く且つ保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度であり、例えば４００℃である。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６４】
一方、ステップＳ１０４においてバッテリ９０の電圧ＢＶが所定電圧Ｖｒ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを第二温度Ｔ２に設定する。第二温度Ｔ２は、センサセル５１の作動温度以上の温度であり、例えば７５０℃である。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【００６５】
なお、本実施形態では、センサセル５１の温度Ｔｓが第三温度Ｔ３に達したときに目標温度ＴＴを第三温度Ｔ３から第一温度Ｔ１に切り替えているが、センサセル５１の温度Ｔｓが第三温度Ｔ３に所定時間維持された後に目標温度ＴＴが第三温度Ｔ３から第一温度Ｔ１に切り替えられてもよい。また、ステップＳ１０２において、ヒータ制御部８０ｂは、目標温度ＴＴを第三温度Ｔ３に設定することなく、目標温度が第一温度に設定されたときにヒータ５５に供給される電力よりも小さい電力をヒータ５５に供給してもよい。例えば、ヒータ制御部８０ｂは、ヒータ５５の通電デューティ比を、目標温度が第一温度に設定されたときの通電デューティ比よりも低くする。この場合、ステップＳ１０１において、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１が始動してからの経過時間が所定時間未満であるか否かを判定してもよい。
【００６６】
＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６７】
図８は、本発明の第二実施形態に係る排気センサの制御装置が用いられる内燃機関１’を概略的に示す図である。内燃機関１’には、二つの空燃比センサ１０ａ、１０ｂと、二つの排気浄化触媒２８ａ、２８ｂが設けられている。第一排気管２７ａが機関本体１００と上流側ケーシング２９ａとを連結する。第二排気管２７ｂが上流側ケーシング２９ａと下流側ケーシング２９ｂとを連結する。上流側ケーシング２９ａは上流側排気浄化触媒２８ａを内蔵する。下流側ケーシング２９ｂは下流側排気浄化触媒２８ｂを内蔵する。
【００６８】
上流側空燃比センサ１０ａは上流側排気浄化触媒２８ａよりも排気流れ方向上流側の第一排気管２７ａに配置され、下流側空燃比センサ１０ｂは上流側排気浄化触媒２８ａよりも排気流れ方向下流側の第二排気管２７ｂに配置されている。したがって、上流側空燃比センサ１０ａは排気流れ方向において最も上流側に配置され、下流側空燃比センサ１０ｂは上流側空燃比センサ１０ａの排気流れ方向下流側に配置されている。例えば、上流側空燃比センサ１０ａは、内燃機関１’が搭載された車両のエンジンルームに配置され、下流側空燃比センサ１０ｂは、内燃機関１’が搭載された車両の床下に配置される。
【００６９】
第二排気管２７ｂが第一排気管２７ａよりも燃焼室２から離れているため、内燃機関１’が始動してから凝縮水が生成されるまでの時間は、第二排気管２７ｂにおいて第一排気管２７ａよりも長くなる。このため、第二排気管２７ｂに配置された下流側空燃比センサ１０ｂにおいて、バッテリ９０の電圧が回復した後にセンサセル５１及び保護層６０の加熱を開始したとしても、保護層６０の表面においてライデンフロスト現象が発生する前にセンサ素子１２が被水によって割れる可能性は非常に低い。
【００７０】
そこで、本実施形態では、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１’の始動後、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が所定電圧に回復するまで、下流側空燃比センサ１０ｂのヒータ５５への電力供給を停止する。また、ヒータ制御部８０ｂは、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が所定電圧に回復したときに下流側空燃比センサ１０ｂにおけるセンサセル５１の目標温度を第三温度に設定する。第三温度は、水の沸点以上第一温度未満の温度であり、例えば１２０℃である。さらに、ヒータ制御部８０ｂは、センサセル５１の温度が第三温度に達したときに下流側空燃比センサ１０ｂにおけるセンサセル５１の目標温度を第三温度から第二温度に切り替える。第二温度は、センサセル５１の作動温度以上の温度であり、例えば７５０℃である。
【００７１】
一方、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１’の始動後、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が所定電圧に回復するまで、上流側空燃比センサ１０ａにおけるセンサセル５１の目標温度を第一温度に設定する。第一温度は、センサセル５１の作動温度よりも低く且つ保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度以上の温度であり、例えば４００℃である。
【００７２】
本実施形態では、上述した制御を行うことによって、内燃機関に複数の空燃比センサが配置されている場合に、被水による空燃比センサの素子割れを防止しつつ、ヒータの消費電力の増加をより効果的に抑制することができる。
【００７３】
なお、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１’の始動後、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が所定電圧に回復するまで、下流側空燃比センサ１０ｂにおけるセンサセル５１の目標温度をライデンフロスト現象が発生する最低温度未満の温度に設定してもよい。例えば、ヒータ制御部８０ｂは、内燃機関１’の始動後、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が所定電圧に回復するまで、下流側空燃比センサ１０ｂにおけるセンサセル５１の目標温度を第三温度に設定してもよい。この場合、ヒータ制御部８０ｂは、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が所定電圧に回復したときに下流側空燃比センサ１０ｂにおけるセンサセル５１の目標温度を第三温度から第二温度に切り替える。
【００７４】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図９のタイムチャートを参照して、内燃機関１’を始動させるときの制御について具体的に説明する。図９は、内燃機関１’を始動させるときの、内燃機関１’のオンオフ、バッテリ９０の電圧、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル５１の目標温度、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル５１の温度、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の目標温度及び下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の温度の概略的なタイムチャートである。
【００７５】
図示した例では、時刻ｔ１において内燃機関１’が始動されると、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル５１の目標温度が１２０℃に設定される。この結果、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル５１の温度は１２０℃に向かって上昇する。時刻ｔ２において、センサセル５１の温度が１２０℃に到達すると、センサセル５１の目標温度が１２０℃から４００℃に切り替えられる。この結果、センサセル５１の温度は４００℃に向かって上昇する。センサセル５１の温度が４００℃に達した後、センサセル５１の温度は、バッテリ９０の電圧が回復するまで、４００℃に維持される。
【００７６】
一方、内燃機関１’が始動された後も、下流側空燃比センサ１０ｂのヒータ５５はオフにされたままである。下流側空燃比センサ１０ｂのヒータ５５は、バッテリ９０の電圧が回復するまで、オフにされる。
【００７７】
時刻ｔ３において、バッテリ９０の電圧が１０．５Ｖまで回復する。このため、時刻ｔ３において、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル５１の目標温度が４００℃から７５０℃に切り替えられる。この結果、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル５１の温度は７５０℃に向かって上昇する。上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル５１の温度が７５０℃に達した後、上流側空燃比センサ１０ａのセンサセル５１の温度は７５０℃に維持される。
【００７８】
一方、時刻ｔ３において、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の目標温度が１２０℃に設定される。この結果、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の温度は１２０℃に向かって上昇する。時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の温度が１２０℃に到達すると、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の目標温度が１２０℃から７５０℃に切り替えられる。この結果、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の温度は７５０℃に向かって上昇する。下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の温度が７５０℃に達した後、下流側空燃比センサ１０ｂのセンサセル５１の温度は７５０℃に維持される。
【００７９】
＜目標温度設定処理＞
上流側空燃比センサ１０ａについては、センサセル５１の目標温度を設定するために、図７に示した制御ルーチンが実行される。一方、下流側空燃比センサ１０ｂについては、センサセル５１の目標温度を設定するために、図１０に示した制御ルーチンが実行される。図１０は、本発明の第二実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１’の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００８０】
最初に、ステップＳ２０１において、バッテリ電圧検出部８０ａがバッテリ９０の電圧ＢＶを検出する。次いで、ステップＳ２０２において、ヒータ制御部８０ｂが、バッテリ９０の電圧ＢＶが所定電圧Ｖｒ未満であるか否かを判定する。所定電圧Ｖｒは、バッテリ９０の定格電圧未満の電圧であり、例えば１０．５Ｖである。
【００８１】
ステップＳ２０２においてバッテリ９０の電圧ＢＶが所定電圧Ｖｒ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、ヒータ５５がオフにされる。すなわち、バッテリ９０からヒータ５５への電力供給が停止される。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。
【００８２】
一方、ステップＳ２０３においてバッテリ９０の電圧ＢＶが所定電圧Ｖｒ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、ヒータ制御部８０ｂが、センサセル５１の温度Ｔｓが第三温度Ｔ３未満であるか否かを判定する。センサセル５１の温度Ｔｓはセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出される。第三温度Ｔ３は、水の沸点以上第一温度Ｔ１未満の温度であり、例えば１２０℃である。
【００８３】
ステップＳ２０４においてセンサセル５１の温度Ｔｓが第三温度Ｔ３未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５では、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを第三温度Ｔ３に設定する。第三温度Ｔ３は、水の沸点以上第一温度Ｔ１未満の温度であり、例えば１２０℃である。ステップＳ２０５の後、本制御ルーチンは終了する。
【００８４】
一方、ステップＳ２０４においてセンサセル５１の温度Ｔｓが第三温度Ｔ３以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを第二温度Ｔ２に設定する。第二温度Ｔ２は、センサセル５１の作動温度以上の温度であり、例えば７５０℃である。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【００８５】
なお、ステップＳ２０３において、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを第三温度Ｔ３に設定してもよい。また、内燃機関１’に３つ以上の排気センサが設けられていてもよい。この場合、最も上流側に配置された排気センサについては、図７に示した制御ルーチンが実行され、その他の排気センサについては、図１０に示した制御ルーチンが実行される。
【００８６】
＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る排気センサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８７】
図１１は、本発明の第三実施形態に係る排気センサの制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。排気センサの制御装置は温度推定部８０ｃを更に備える。本実施形態では、温度推定部８０ｃはＥＣＵ８０の一部である。
【００８８】
温度推定部は、空燃比センサ１０周りの排気管２７の温度（以下、単に「排気管２７の温度」という）を推定する。例えば、温度推定部は、排気通路において空燃比センサ１０の近傍に配置された排気温度センサ１０５の出力から排気管２７の温度を推定する。本実施形態では、図１２に示されるように、排気温度センサ１０５は、空燃比センサ１０の近傍に配置され、排気管２７の温度を検出する。排気温度センサ１０５の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。
【００８９】
なお、温度推定部８０ｃは、排気温度センサ１０５を用いることなく、排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、内燃機関１において、空燃比センサ１０の近傍に排気温度センサ１０５を設けなくてもよい。例えば、温度推定部８０ｃは、内燃機関１が始動してからの経過時間に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、内燃機関１が始動してからの経過時間が長いほど、温度推定部８０ｃによって推定される排気管２７の温度が高くされる。
【００９０】
また、温度推定部８０ｃは、内燃機関１が始動してから燃焼室２に供給された吸入空気量の積算値（以下、「積算空気量」という）に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。積算空気量は例えばエアフロメータ１０２の出力に基づいて算出される。この場合、積算空気量が多いほど、温度推定部８０ｃによって推定される排気管２７の温度が高くされる。また、温度推定部８０ｃは、内燃機関１が始動してからの経過時間及び積算空気量に基づいて排気管２７の温度を推定してもよい。この場合、温度推定部８０ｃは、例えば、図１３に示したようなマップを用いて排気管２７の温度を推定する。このマップでは、排気管２７の温度ＰＴが経過時間ＥＴ及び積算空気量ΣＭｃの関数として示される。
【００９１】
バッテリ９０の電圧が回復した後、排気管２７内には多くの凝縮水が生成されるが、排気管２７の温度が水の沸点に達すると、生成された凝縮水が蒸発する。また、図４から分かるように、保護層６０に衝突する水滴の量が多いほど、ライデンフロスト現象を発生させるために保護層６０の温度を高温にする必要がある。このため、排気管２７の温度が水の沸点に達するまで、センサセル５１の目標温度を作動温度よりも高くすることが好ましい。
【００９２】
そこで、第三実施形態では、ヒータ制御部８０ｂは、バッテリ電圧検出部８０ａによって検出されたバッテリ９０の電圧が所定電圧に回復した後、温度推定部８０ｃによって推定された排気管２７の温度が水の沸点以上の温度に達したときにセンサセル５１の目標温度を第二温度から第四温度に切り替える。水の沸点は大気圧（１気圧）において１００℃である。第二温度は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、例えば８００℃である。第四温度は、センサセル５１の作動温度であり、例えば７５０℃である。この制御によって、第三実施形態では、被水による空燃比センサ１０の素子割れをより確実に防止することができる。
【００９３】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図１４のタイムチャートを参照して、内燃機関１を始動させるときの制御について具体的に説明する。図１４は、内燃機関１を始動させるときの、内燃機関１のオンオフ、バッテリ９０の電圧、排気管２７の温度、センサセル５１の目標温度及びセンサセル５１の温度の概略的なタイムチャートである。図示した例では、排気管２７の温度は排気温度センサ１０５の出力から算出されている。また、センサセル５１の温度はセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出されている。
【００９４】
図示した例では、時刻ｔ１において内燃機関１が始動されると、センサセル５１の目標温度が１２０℃に設定される。この結果、センサセル５１の温度は１２０℃に向かって上昇する。時刻ｔ２において、センサセル５１の温度が１２０℃に到達すると、センサセル５１の目標温度が１２０℃から４００℃に切り替えられる。この結果、センサセル５１の温度は４００℃に向かって上昇する。センサセル５１の温度が４００℃に達した後、センサセル５１の温度は、バッテリ９０の電圧が回復するまで、４００℃に維持される。
【００９５】
時刻ｔ３において、バッテリ９０の電圧が１０．５Ｖまで回復する。このため、時刻ｔ３において、センサセル５１の目標温度が４００℃から８００℃に切り替えられる。この結果、センサセル５１の温度は８００℃に向かって上昇する。センサセル５１の温度が８００℃に達した後、センサセル５１の温度は、排気管２７の温度が水の沸点（１００℃）に達するまで、８００℃に維持される。
【００９６】
時刻ｔ４において、排気管２７の温度が１００℃に達する。このため、時刻ｔ４において、センサセル５１の目標温度が８００℃から７５０℃に切り替えられる。この結果、センサセル５１の温度は７５０℃に向かって低下する。センサセル５１の温度が７５０℃に達した後、センサセル５１の温度は７５０℃に維持される。
【００９７】
＜目標温度設定処理＞
図１５は、本発明の第三実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１５におけるステップＳ３０１〜ステップＳ３０５は、図７におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同様であることから説明を省略する。
【００９８】
ステップＳ３０４においてバッテリ９０の電圧ＢＶが所定電圧Ｖｒ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、ヒータ制御部８０ｂが、排気管２７の温度ＰＴが基準温度Ｔｒ未満であるか否かを判定する。基準温度Ｔｒは、水の沸点以上の温度であり、例えば水の沸点である。排気管２７の温度ＰＴは、上述したいずれかの方法を用いて温度推定部８０ｃによって推定される。
【００９９】
ステップＳ３０６において排気管２７の温度ＰＴが基準温度Ｔｒ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０７に進む。ステップＳ３０７では、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを第二温度Ｔ２に設定する。第二温度Ｔ２は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、例えば８００℃である。ステップＳ３０７の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１００】
一方、ステップＳ３０６において排気管２７の温度ＰＴが基準温度Ｔｒ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０８８に進む。ステップＳ３０８では、ヒータ制御部８０ｂがセンサセル５１の目標温度ＴＴを第四温度Ｔ４に設定する。第四温度Ｔ４は、センサセル５１の作動温度であり、例えば７５０℃である。ステップＳ３０８の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１０１】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、排気センサの制御装置によって制御される排気センサは、排気ガス中の酸素を検出することで排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。また、排気センサは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）、排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）濃度を検出する硫黄酸化物センサ（ＳＯｘセンサ）等であってもよい。
【０１０２】
また、ヒータ制御部は、内燃機関の始動後、センサセルの目標温度を第三温度に設定することなく、バッテリ電圧検出部によって検出されたバッテリの電圧が所定電圧に回復するまでセンサセルの目標温度を第一温度に設定してもよい。
【０１０３】
また、排気センサの素子本体には、センサセルに加えて、他の電気化学セルが設けられていてもよい。他の電気化学セルは、例えば、被測ガス中の酸素を被測ガス室から排出するポンプセル、被測ガス中の特定の成分の濃度を検出するモニタセル等である。この場合、ヒータ制御部は、ポンプセル又はモニタセルの目標温度を設定すると共にポンプセル又はモニタセルの温度が目標温度になるようにヒータを制御してもよい。ポンプセル又はモニタセルの温度はそのインピーダンスから算出される。
【０１０４】
また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、図１０のステップＳ２０６の代わりに、図１５のステップＳ３０６〜ステップＳ３０８が実行されてもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１、１’    内燃機関
１０    空燃比センサ
１２    センサ素子
５０    素子本体
５１    センサセル
５５    ヒータ
６０    保護層
８０    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８０ａ    バッテリ電圧検出部
８０ｂ    ヒータ制御部
８０ｃ    温度推定部
９０    バッテリ
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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