(57)【要約】【課題】本発明は排気ガスセンサのヒータ制御装置に関し、排気ガスセンサを取り巻く温度環境の変化に関わらず、排気ガスセンサの素子温度を目標温度に制御することを目的とする。【解決手段】内燃機関の排気通路に、ヒータによりセンサ素子が所定の活性温度になるように維持される空燃比センサを配置する。内燃機関への燃料噴射が実行される場合（非Ｆ／Ｃ中）には、制御目標インピーダンスとして、基本目標値ＲＮを用いる（ステップ１０２）。また、内燃機関への燃料噴射が停止される場合（Ｆ／Ｃ中）には、制御目標インピーダンスとして、基本目標値ＲＮに比して低く設定される高温目標値ＲＦＣを用いる（ステップ１０４）。それぞれの場合において、空燃比センサの素子インピーダンスが上記制御目標インピーダンスとなるようにヒータを駆動する（ステップ１０６）。【選択図】        図４
2005002974.tif 000002
【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排気ガスセンサの素子温度が所定の活性温度となるようにヒータを制御する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、
車両システムの作動中に、前記排気ガスセンサの素子インピーダンスが目標インピーダンスとなるように前記ヒータを駆動するヒータ駆動手段と、
車両システムの作動中、かつ、内燃機関への燃料噴射実行中に用いる第１の目標インピーダンスを設定する第１のインピーダンス設定手段と、
車両システムの作動中、かつ、内燃機関への燃料噴射停止中に用いる第２の目標インピーダンスを、前記第１の目標インピーダンスに比して低く設定する第２のインピーダンス設定手段と、
を備えることを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項２】
前記第２のインピーダンス設定手段は、吸入空気温度に基づいて、前記第２の目標インピーダンスを設定することを特徴とする請求項１記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスセンサのヒータ制御装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置される排気ガスセンサのヒータを制御するうえで好適な制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、特開平４−１４８８５６号公報に開示されているように、内燃機関の排気通路に、排気空燃比を検出するための空燃比センサを備えたシステムが知られている。上記空燃比センサは、ヒータを備えている。上記従来の装置は、空燃比センサの素子インピーダンスを算出し、一定の素子インピーダンスとなるようにヒータを制御する。このような構成によれば、空燃比センサの素子温度を所定の活性温度に保つことができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−１４８８５６号公報
【特許文献２】
特開平３−４２５６４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
排気通路に配置された空燃比センサは、その一部が排気通路を流通するガスに晒されている。このため、ヒータにより所定の温度に制御されていても、排気通路を流通するガスの温度如何では、空燃比センサの素子温度が目標温度から外れる事態が起こり得る。
【０００５】
すなわち、車両において、フューエルカット（以下、「Ｆ／Ｃ」とする）が実行された場合、排気通路には筒内で燃焼に付されなかったガスが排出される。この場合、そのガスで冷やされることで、空燃比センサの素子温度が低下してしまうため、センサ出力が低下する。その結果、Ｆ／Ｃから復帰した後の素子温度が所定の温度に戻るまでのしばらくの間は、センサ出力が安定しないという事態が生ずる。
【０００６】
また、エコラン車両やハイブリッド車両では、車両システムが作動中であっても内燃機関が停止状態となることがある。この場合、その停止状態から内燃機関が再始動した直後には、温度の低い排気ガスが排気通路を流通する。このため、Ｆ／Ｃ時と同様の原理で素子温度が低下してしまい、その後、素子温度が所定の温度に復帰するまでの間は、センサ出力が安定しないという事態が生ずる。
【０００７】
上記従来の装置は、内燃機関の運転状態に関わらず、素子インピーダンスが一定の目標値となるように制御しており、Ｆ／Ｃ時や、内燃機関の再始動時における空燃比センサの素子温度の変化に対する考慮がされていなかった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、排気ガスセンサを取り巻く温度環境の変化に関わらず、排気ガスセンサの素子温度を目標温度に制御するための排気ガスセンサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に配置される排気ガスセンサの素子温度が所定の活性温度となるようにヒータを制御する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、
車両システムの作動中に、前記排気ガスセンサの素子インピーダンスが目標インピーダンスとなるように前記ヒータを駆動するヒータ駆動手段と、
車両システムの作動中、かつ、内燃機関への燃料噴射実行中に用いる第１の目標インピーダンスを設定する第１のインピーダンス設定手段と、
車両システムの作動中、かつ、内燃機関への燃料噴射停止中に用いる第２の目標インピーダンスを、前記第１の目標インピーダンスに比して低く設定する第２のインピーダンス設定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記第２のインピーダンス設定手段は、吸入空気温度に基づいて、前記第２の目標インピーダンスを設定することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のヒータ制御装置を搭載した内燃機関１０を示す。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。排気通路１４には、触媒１６が配置されている。触媒１６の上流および下流には、空燃比センサ１８、２０が配置されている。
【００１３】
空燃比センサ１８、２０は、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサである。排気ガス中の酸素濃度は、排気空燃比と相関を有している。このため、空燃比センサ１８、２０によれば、触媒１６の上流および下流で、排気ガスの空燃比を検出することができる。空燃比センサ１８、２０には、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）３０が接続されている。
【００１４】
図２は、図１に示す空燃比センサ１８の内部構造を等価的に表した回路図である。尚、空燃比センサ２０は、空燃比センサ１８と同様の構造を有している。ここでは、それらの代表例として、空燃比センサ１８の構造のみを説明する。図２に示すように、空燃比センサ１８は、センサ素子３２を備えている。また、空燃比センサ１８には、ヒータ３４が組み込まれている。ＥＣＵ３０は、車両システムの作動開始後（車両のＩＧスイッチがオンとされた後）、空燃比センサ１８の素子温度を所定の活性温度に維持するための制御を行う。
【００１５】
空燃比センサ１８が正常に機能するためには、センサ素子３２が上記の活性温度に制御されることが必要である。センサ素子３２の温度は、素子インピーダンスと相関を有するため、素子インピーダンスを算出することで、素子温度を検知することができる。このため、ＥＣＵ３０は、素子インピーダンスの算出値が目標値となるようにヒータ３４への供給電力を制御することにより、センサ素子３２の温度を目標温度に制御することができる。より具体的には、ＥＣＵ３０は、素子インピーダンスが目標値より低い場合には、ヒータの供給電力を下げることで素子温度を低くすることができ、逆に、素子インピーダンスが目標値より高い場合には、ヒータの供給電力を上げることで素子温度を高くすることができる。
【００１６】
次に、図３を参照して、本実施形態の特徴的動作の概要を説明する。
図３は、ＥＣＵ３０がＦ／Ｃ中に目標インピーダンスを変更する動作を説明するためのタイミングチャートである。具体的には、図３（Ａ）は、Ｆ／Ｃ期間と非Ｆ／Ｃ期間を示す。また、図３（Ｂ）は、Ｆ／Ｃの実行状態に応じて設定されるセンサ素子３２の目標インピーダンスを示す。この図に示すように、本実施形態では、Ｆ／Ｃ中において、非Ｆ／Ｃ中に比して低い目標インピーダンスが設定される。以下、非Ｆ／Ｃ中に用いる目標インピーダンスを「基本目標値ＲＮ」と称し、Ｆ／Ｃ中に用いる目標インピーダンスを「高温目標値ＲＦＣ」と称する。
【００１７】
また、図３（Ｃ）は、センサ素子３２の素子温度の変化を示す。図３（Ｃ）中に破線で示す曲線は、目標インピーダンスが常に基本目標値ＲＮに維持された場合の素子温度を示し、一方、実線で示す曲線は、非Ｆ／Ｃ中において、基本目標値ＲＮが目標値として用いられ、Ｆ／Ｃ中において、高温目標値ＲＦＣが目標値として用いられた場合の素子温度を示す。
【００１８】
フューエルカット中は、非Ｆ／Ｃ中に比して温度の低いガスが排気通路１４に排出される。空燃比センサ１８は、排気ガスに晒されるように配置されている。このため、排気温度の低下するＦ／Ｃ中は、センサ素子３２からの放熱量が増大する。従って、Ｆ／Ｃ中および非Ｆ／Ｃ中において、目標インピーダンスが基本目標値ＲＮで一定のままヒータが制御された場合には、センサ素子３２の温度が低下し易い。このような状況下では、目標インピーダンスを低く設定（目標温度を高く設定）すれば、素子温度の低下を回避することができる。そこで、本実施形態では、既述した通り、Ｆ／Ｃ中と非Ｆ／Ｃ中とで目標インピーダンスを変更することとした。このような構成によれば、図３（Ｃ）中に実線で示すように、Ｆ／Ｃ中か非Ｆ／Ｃ中かに関わらず、センサ素子３２の温度を一定に保持することができる。
【００１９】
次に、図４を参照して、本実施形態において、ＥＣＵ３０が実行する処理の内容を具体的に説明する。
図４は、図１に示すＥＣＵ３０が上記の機能を実現するために実行する制御ルーチンのフローチャートである。尚、図４に示すルーチンは、車両システムが作動中、常時、所定間隔毎に実行されるものとする。
【００２０】
図４に示すルーチンでは、先ず、Ｆ／Ｃ中であるか否かが判定される（ステップ１００）。
その結果、上記ステップ１００において、Ｆ／Ｃ中でないと判定された場合は、排気通路１４に高温の排気ガスが排出される状況にあると判断することができる。この場合、基本目標値ＲＮが制御目標インピーダンスとして用いられる（ステップ１０２）。基本目標値ＲＮは、燃料噴射が行われている状況下で、センサ素子３２の温度を活性温度とするための目標値として、適合等により予め設定された値である。
【００２１】
次に、センサ素子３２の素子インピーダンスが算出され、その算出値が制御目標インピーダンスとなるようにヒータが制御される（ステップ１０６）。ここでは、上記ステップ１０２において、目標インピーダンスが基本目標値ＲＮとされているため、本ステップの処理により、センサ素子３２のインピーダンスが基本目標値ＲＮとなるようにヒータ制御が行われる。
【００２２】
一方、上記ステップ１００において、Ｆ／Ｃ中であると判定された場合は、高温目標値ＲＦＣが制御目標インピーダンスとして用いられる（ステップ１０４）。高温目標値ＲＦＣは、Ｆ／Ｃ中において、センサ素子３２の温度を活性温度とするための目標値として、適合等により予め設定された値である。また、高温目標値ＲＦＣは、ＲＦＣ＜ＲＮの関係を満たしている。
【００２３】
次いで、上記ステップ１０６の処理が実行される。ここでは、上記ステップ１０４において、目標インピーダンスが高温目標値ＲＦＣとされているため、本ステップの処理により、センサ素子３２のインピーダンスが高温目標値ＲＦＣとなるようにヒータ制御が行われる。
【００２４】
上記ルーチンの処理によれば、Ｆ／Ｃ中であっても、センサ素子３２の素子温度を一定に保持することができる。その結果、Ｆ／Ｃ中か非Ｆ／Ｃ中かに関わらず、センサ素子３２の素子温度が一定に保持されるので、ＥＣＵ３０は常に安定したセンサ出力を取得することができる。
【００２５】
ところで、上述した実施の形態１においては、Ｆ／Ｃ中に用いる高温目標値ＲＦＣを一定値としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、Ｆ／Ｃ中におけるセンサ素子３２の温度は、吸入空気が低温であるほど大きく低下し易い。このため、高温目標値ＲＦＣは、吸入空気温度に基づいて設定してもよい。
【００２６】
尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「ヒータ駆動手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１のインピーダンス設定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２のインピーダンス設定手段」が、それぞれ実現されている。また、基本目標値ＲＮが前記第１の発明における「第１の目標インピーダンス」に、高温目標値ＲＦＣが前記第１の発明における「第２の目標インピーダンス」に、それぞれ相当している。
【００２７】
実施の形態２．
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態では、エコラン車両（アイドリングストップ機能を有する車両）やハイブリッド（ＨＶ）車両に、本発明を適用した例を示す。本実施形態の装置は、実施の形態１の構成を用いて、ＥＣＵ３０に図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００２８】
図５は、ＥＣＵ３０が内燃機関の運転停止中に目標インピーダンスを変更する動作を説明するためのタイミングチャートである。具体的には、図５（Ａ）は、内燃機関の停止期間と運転期間を示す。また、図５（Ｂ）は、センサ素子３２の目標インピーダンスを変更するタイミングを示す。更に、図５（Ｃ）は、センサ素子３２の素子温度の変化を示す。
【００２９】
エコラン車両やＨＶ車両では、車両システムが作動中（車両のキースイッチがオンとされている状態）であっても、燃料噴射が停止され、内燃機関１０が停止状態とされることがある（以下、このような運転状態を「内燃機関停止運転」と称す）。図５（Ｂ）に示すように、本実施形態では、内燃機関停止運転中に、内燃機関の運転中に用いられる基本目標値ＲＮに比して低い目標インピーダンスが用いられる。以下、その目標インピーダンスを「高温目標値ＲＳＴＰ」と称する。
【００３０】
図５（Ｃ）中に破線で示す曲線は、内燃機関停止運転中においても目標インピーダンスＲＮが変更されず一定のままでヒータが駆動された場合の素子温度の変化を示している。内燃機関停止運転中は、センサ素子３２が大気に晒される。つまり、この場合、センサ素子３２は低温環境下に置かれる。しかし、内燃機関停止運転中は、排気通路１４内の大気が流動していないため、センサ素子３２からの放熱量は、通常の内燃機関の運転中と比して大きく変わらない。このため、目標インピーダンスが一定でも内燃機関停止運転中は、センサ素子３２の温度が通常時に比して大きく低下することはない。
【００３１】
内燃機関１０が停止状態から再始動した直後は、排気通路１４に温度の低い排気ガスが流通する。低温の排気ガスが多量に流通すると、センサ素子３２からの放熱量が急激に増大し、図５（Ｃ）中に破線で示すように、素子温度が低下する事態が生じ得る。そこで、本実施形態では、内燃機関の再始動に伴う素子温度の低下を見越して、内燃機関停止運転中の素子温度を予め通常時の素子温度より高くしておくために、内燃機関停止運転中と内燃機関の運転中とで目標インピーダンスを変更することとした。このような構成によれば、図５（Ｃ）中に実線で示すように、停止状態にあった内燃機関が再始動した直後に、センサ素子３２の温度が目標温度を大きく下回るのを有効に回避することができる。
【００３２】
次に、図６を参照して、本実施形態において、ＥＣＵ３０が実行する処理の内容を具体的に説明する。
図６は、図１に示すＥＣＵ３０が上記の機能を実現するために実行する制御ルーチンのフローチャートである。尚、図６に示すルーチンは、車両システムが作動中、常時、所定間隔毎に実行されるものとする。
【００３３】
図６に示すルーチンでは、先ず、内燃機関停止運転中であるか否かが判定される（ステップ１０８）。
その結果、上記ステップ１０８において、内燃機関停止運転中でないと判定された場合は、排気通路１４に高温の排気ガスが排出される状況にあると判断することができる。この場合、基本目標値ＲＮが制御目標インピーダンスとして用いられる（ステップ１０２）。
【００３４】
次に、センサ素子３２の素子インピーダンスが算出され、その算出値が制御目標インピーダンスとなるようにヒータが制御される（ステップ１０６）。ここでは、上記ステップ１０２において、目標インピーダンスが基本目標値ＲＮとされているため、本ステップの処理により、センサ素子３２のインピーダンスが基本目標値ＲＮとなるようにヒータ制御が行われる。
【００３５】
一方、上記ステップ１０８において、内燃機関停止運転中であると判定された場合は、高温目標値ＲＳＴＰが制御目標インピーダンスとして用いられる（ステップ１１０）。高温目標値ＲＳＴＰは、内燃機関１０の再始動後に、センサ素子３２の温度が目標温度に収束できるようにするための目標値として、適合等により予め設定された値である。また、高温目標値ＲＳＴＰは、ＲＳＴＰ＜ＲＮの関係を満たしている。
【００３６】
次いで、上記ステップ１０６の処理が実行される。ここでは、上記ステップ１１０において、目標インピーダンスが高温目標値ＲＳＴＰとされているため、本ステップの処理により、センサ素子３２のインピーダンスが高温目標値ＲＳＴＰとなるようにヒータ制御が行われる。
【００３７】
上記ルーチンの処理によれば、内燃機関停止運転中のセンサ素子３２の温度を通常の内燃機関運転時の目標温度よりも高くすることができる。このため、内燃機関１０が再始動された後に多量に流通する低温の排気ガスにより、センサ素子３２の温度が低下しても、その素子温度を目標温度に制御することができる。このため、内燃機関１０の再始動後に、ＥＣＵ３０は安定したセンサ出力を取得することができる。
【００３８】
ところで、上述した実施の形態２においては、基本目標値ＲＮから高温目標値ＲＳＴＰに変更するタイミングを、内燃機関停止運転の開始時となるように設定しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ＨＶ車両においては、事前に次回の内燃機関の再始動時を予測できる場合がある。この場合、内燃機関停止運転中のセンサ素子３２の温度は、再始動後の素子温度が所定の目標温度となる程度に、事前に高くなっていればよい。つまり、必ずしも内燃機関停止運転中の全域に渡って素子温度を高めておく必要はない。従って、事前に内燃機関の再始動時を予測できる場合には、高温目標値ＲＳＴＰへの変更開始タイミングを、内燃機関１０の再始動時点から適当な期間遡った時点に設定してもよい。
【００３９】
尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２のインピーダンス設定手段」が実現されている。また、高温目標値ＲＳＴＰが前記第１の発明における「第２の目標インピーダンス」に相当している。
【００４０】
ところで、上述した実施の形態１および２においては、ＥＣＵ３０の制御対象がヒータを備える空燃比センサ（排気ガス中の酸素濃度に応じた出力を発するセンサ）に限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、ヒータを備えていれば空燃比センサに限らず、排気空燃比がリッチであるかリーンであるかに応じた出力を発する酸素センサに適用することとしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、排気ガスセンサの素子温度の目標値を、車両システムの作動状態に適した目標値とすることができる。このため、本発明によれば、排気ガスセンサを取り巻く温度環境の変化に関わらず、排気ガスセンサの素子温度を目標温度に制御することができる。
【００４２】
第２の発明によれば、吸入空気温度に基づいて、内燃機関への燃料噴射停止中に用いる第２の目標インピーダンスを適宜変更することができる。このため、本発明によれば、Ｆ／Ｃ中およびＦ／Ｃから復帰した直後において、吸入空気温度に影響されることなく、より正確に排気ガスセンサの素子温度を目標温度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のヒータ制御装置を搭載した内燃機関を示す図である。
【図２】図１に示す空燃比センサの内部構造を等価的に表した回路図である。
【図３】図１に示すＥＣＵがＦ／Ｃ中に目標インピーダンスを変更する動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１において実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】図１に示すＥＣＵが内燃機関停止運転中に目標インピーダンスを変更する動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２において実行される制御ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０  内燃機関
１４  排気通路
１８、２０  空燃比センサ
３０  ＥＣＵ
３２  センサ素子
３４  ヒータ
【図１】
2005002974.tif 000003
【図２】
2005002974.tif 000004
【図３】
2005002974.tif 000005
【図４】
2005002974.tif 000006
【図５】
2005002974.tif 000007
【図６】
2005002974.tif 000008