(57)【要約】  【課題】  ヒータによる酸素センサの過昇温を防止する  【解決手段】  酸素センサのヒータ制御装置は、自身の温度が上昇するのに伴ってその内部抵抗値が大きくなるヒータの内部抵抗値が酸素センサが活性化した際のヒータの内部抵抗値に基づいたヒータ基準内部抵抗値よりも小さくなると、ヒータによる酸素センサの加熱を行う。ヒータによって酸素センサが加熱されていない状態では、平衡状態でヒータ温度と酸素センサの温度とは略等しいといみなすことができる。これによって、高温状態の酸素センサがヒータによって更に加熱されてしまうことが防止される。  【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気中の酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサを活性化させるために加熱するヒータと、酸素センサが所定の温度に達した運転状態を判定する運転状態判定手段と、を有する酸素センサのヒータ制御装置において、
ヒータは、自身の温度が上昇するのに伴ってその内部抵抗値が大きくなるものであって、酸素センサの活性化判定を行う酸素センサ活性化判定手段と、ヒータの内部抵抗値を検出するヒータ内部抵抗検出手段と、酸素センサが活性化した際のヒータの内部抵抗値に基づいてヒータ基準内部抵抗値を算出するヒータ基準内部抵抗値算出手段と、を有し、運転状態判定手段で酸素センサが所定の温度に達した運転状態と判定されなかった際に、ヒータの内部抵抗値がヒータ基準内部抵抗値よりも小さくなると、ヒータによる酸素センサの加熱を行うことを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置。
【請求項２】
ヒータ基準内部抵抗値は、エンジン始動開始直後に最初に酸素センサが活性化した際のヒータの内部抵抗値よりも所定量大きい値となるよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
【請求項３】
排気中の酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサを活性化させるために加熱するヒータと、酸素センサが所定の温度に達した運転状態を判定する運転状態判定手段と、を有する酸素センサのヒータ制御装置において、
酸素センサのセンサ素子の内部抵抗値を検出するセンサ素子内部抵抗検出手段と、酸素センサが活性化した際のセンサ素子の内部抵抗値に基づいてセンサ素子基準内部抵抗値を算出するセンサ素子基準内部抵抗値算出手段と、を有し、センサ素子は、自身の温度が上昇するのに伴ってその内部抵抗値が小さくなるものであって、運転状態判定手段で酸素センサが所定の温度に達した運転状態と判定されなかった際に、センサ素子の内部抵抗値がセンサ素子基準内部抵抗値よりも大きくなると、ヒータによる酸素センサの加熱を行うことを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置。
【請求項４】
センサ素子基準内部抵抗値は、エンジン始動開始直後に最初に酸素センサが活性化した際のセンサ素子の内部抵抗値よりも所定量小さい値となるよう設定されていることを特徴とする請求項３に記載の酸素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、酸素センサのヒータ制御装置に関し、より詳しくは、内燃機関の排気系内で排気中の酸素濃度を検出する酸素センサを活性化させるためのヒータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気中の酸素濃度を検出するために用いられる酸素センサにおいては、酸素濃度を検出するために酸素センサの雰囲気温度をある程度まで高めておく必要があり、従来より酸素センサ内にヒータを組み込んで酸素センサのセンサ素子の温度を速やかに上昇させ、酸素センサが活性化（信号を出力する）するまでの時間を短縮し、酸素センサの出力に基づく空燃比制御により排出ガスの浄化を促進させる技術が広く知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、Ａ／Ｆセンサのセンサ素子の内部抵抗もしくは温度を測定し、センサ素子の内部抵抗もしくは温度が予め設定された所定の設定値となるように、酸素センサを加熱するヒータの通電量を制御する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３４４４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、センサの製造バラツキ及び経年劣化によるバラツキや、使用環境によるセンサ素子の内部抵抗の変化によって、センサ素子の内部抵抗及び温度の設定値が常に適正な値になっているとは限らず、精密制御には不向きという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明は、酸素センサのヒータ制御装置において、自身の温度が上昇するのに伴ってその内部抵抗値が大きくなるヒータの内部抵抗値が酸素センサが活性化した際のヒータの内部抵抗値に基づいたヒータ基準内部抵抗値よりも小さくなると、ヒータによる酸素センサの加熱を行うことを特徴としている。ヒータによって酸素センサが加熱されていない状態では、平衡状態でヒータ温度と酸素センサの温度とは略等しいといみなすことができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高温状態の酸素センサがヒータによって更に加熱されてしまうことが防止され、酸素センサの劣化を効果的に抑制することができ、酸素センサの耐用年数を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００８】
図１は、実施形態におけるエンジンのシステム構成図であり、エンジン１には、エアクリーナ２、吸気ダクト３、スロットルチャンバ４、吸気マニホールド５を介して空気が供給されている。
【０００９】
スロットルチャンバ４は、スロットルバルブ４ａをスロットルモータ４ａで開閉駆動する構成となっている。吸気マニホールド５のブランチ部には、各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられており、燃料噴射弁６から噴射される燃料によって混合気が形成されている。混合気は燃焼室で点火プラグ７による火花点火によって着火燃焼する。点火プラグ７には、それぞれイグニッションコイル８が設けられている。エンジン１から排出される排気ガスは、排気マニホールド９、触媒コンバータ１０、排気ダクト１１、マフラ１２を介して大気中に放出されている。
【００１０】
スロットルモータ４ｂ、燃料噴射弁６及びイグニッションコイル８は、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット２０（以下、ＥＣＵ２０と記す）によって制御されている。ＥＣＵ２０には、各種センサからの検出信号が入力されおり、ＥＣＵ２０はこれら検出信号に基づく演算処理を行い、燃料噴射弁６等に対して制御信号を出力する。
【００１１】
上記の各種センサとしては、スロットルチャンバ４の上流側でエンジン１に吸入空気量を検出するエアフローメータ２１、スロットル開度を検出するスロットルセンサ２２、エンジン１の冷却水温を温度を検出する水温センサ２３、シリンダブロックに設けられ、ノッキング振動を検出するノックセンサ２４、クラン角を検出するクランク角センサ２５、触媒コンバータ１０の上流側で燃焼混合気の空燃比と密接な関係にある排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ２７、エアフローメータ２１と一体的に設けられて吸気温度を検出する吸気温センサ２８等が設けられている。
【００１２】
酸素センサ２７は、図２に示すように、排気管内に突出して設けられるセンサ素子としてのジルコニアチューブ３０を有し、このジルコニアチューブ３０の外側の排気ガス中の酸素濃度と、内側の大気中の酸素濃度との差に応じた起電力を発生するものであって、ジルコニアチューブ３０の内側には、素子を加熱し酸素センサ２７を活性化させるためのロッド状のヒータ３１が配置されている。ジルコニアチューブ３０は、自身の温度が上昇するのに伴って、その内部抵抗値が小さくなるものである。また、ヒータ３１は、自身の温度が上昇するのに伴って、その内部抵抗値が大きくなるものである。
【００１３】
尚、酸素センサ２７は、ジルコニアチューブ型のセンサに限定されるものではなく、例えば特開２００１−１３１０７号公報に開示されるように、ヒータを備えたプレート型のセンサであってもよい。また、クランク角センサ２５の検出信号に基づき、ＥＣＵ２０においてエンジン回転速度が算出される。
【００１４】
ＥＣＵ２０は、ヒータ３１への通電を制御する機能を有しており、以下、ＥＣＵ２０によるヒータ３１への通電制御を、図３のフローチャートも用いて説明する。尚、本実施形態において、運転状態判定手段、酸素センサ活性化判定手段、ヒータ内部抵抗検出手段、ヒータ基準内部抵抗算出手段、としての機能は、図３に示すフローチャートに示すように、ＥＣＵ２０がソフトウエア的に備えている。運転状態判定手段に関して補足すれば、運転状態が高負荷運転状態であれば、酸素センサ２７が所定の温度に達した運転状態であると判定し、運転状態が高負荷運転状態でなければ（運転状態が中・低負荷運転状態であれば）、酸素センサ２７が所定の温度に達した運転状態ではないと判定する。
【００１５】
図３に示すフローチャートは、エンジン運転中の所定時間毎（例えば２０ｍｓ毎）に実施されるものであって、ステップ（以下、単にＳと記す）２では、エンジンスタート時であるか否かを判定し、エンジンスタート時の場合にはＳ４へ進み、すでに運転中であればＳ１６へ進む。ここで、エンジンスタート時であるか否かの判断は、例えば、運転者のエンジンキー操作によりクランキングのためスタータモータに電流が流れている状態の際にはエンジンスタート時と判定し、スタータモータに電流が流れていない状態でクランクシャフトが回転している場合にはエンジンスタート時ではないと判定する。
【００１６】
Ｓ４では、水温センサ２３からエンジン１の冷却水温度Ｔｗを読み込み、Ｓ６へ進む。
【００１７】
Ｓ６では、Ｓ４で読み込んだ冷却水温度Ｔｗが、予め設定されたしきい値α以上であるか否かを判定し、Ｔｗがしきい値α以上であればＳ８へ進み、Ｔｗがしきい値α以上でなければＳ４へ戻り、冷却水温度Ｔｗを再検出する。つまり、Ｔｗがしきい値α以上となるまでＳ８へは進まない。
【００１８】
Ｓ８では、ヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を行い（ヒータＯＮ）、Ｓ１０へ進む。
【００１９】
Ｓ１０では、ヒータ３１の内部抵抗値を読み込み、Ｓ１２へ進む。
【００２０】
Ｓ１２では、酸素センサ２７のセンサ出力値が、予め設定されたしきい値β以上であるか否かを判定し、センサ出力値がしきい値β以上とであればＳ１４へ進み、センサ出力値がしきい値β以上でなければＳ１０へ戻り、ヒータ内部抵抗値を再検出する。つまり、センサ出力値がしきい値β以上となるまでＳ１４へは進まない。ここで、しきい値βは、酸素センサ２７が活性化したか否かを判定する定数である。
【００２１】
Ｓ１４では、酸素センサ２７が活性化したときのヒータ内部抵抗値をｒ０とし、このヒータ内部抵抗値ｒ０に基づいてヒータ基準内部抵抗値Ｒを算出し、今回のルーチンを終了する。ｒ０は、Ｓ１４でセンサ出力値がしきい値β以上となった際に読み込まれているヒータ内部抵抗値である。また、ヒータ基準内部抵抗値Ｒは、Ｓ１０で検出された最新の内部抵抗値、すなわちヒータ内部抵抗値ｒ０に余裕代として予め設定された所定値Δｒを加えた値である。換言すれば、エンジン１始動後に初めて酸素センサ２７が活性化したときのヒータ内部抵抗値ｒ０に予め設定された所定値Δｒを加えた値がヒータ基準内部抵抗値Ｒである。
【００２２】
Ｓ１６では、エンジン１が高負荷運転状態であるか否かを判定し、エンジン１が高負荷運転中である場合にはＳ１８へ進み、エンジン１が高負荷運転中ではない場合、すなわち中・低負荷運転中である場合にはＳ２６へ進む。このＳ１２におけるエンジン１の運転状態の判定は、具体的には、エンジン回転数と吸入吸気量とを用いてＥＣＵ２０内部に記憶させてあるマップから運転状態を判定することで実行される。
【００２３】
Ｓ１８では、ヒータ３１への通電を停止し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を中断（ヒータＯＦＦ）し、Ｓ２０へ進む。つまり、ヒータ３１への通電が行われていれば、ヒータ３１へ通電を停止、ヒータＯＦＦとする。
【００２４】
Ｓ２０では、ヒータ内部抵抗値ｒを読み込み、Ｓ２２へ進む。
【００２５】
Ｓ２２では、Ｓ２０で読み込んだヒータ内部抵抗値ｒがヒータ基準内部抵抗値Ｒ以上であるか否かを判定し、ヒータ内部抵抗値ｒがヒータ基準内部抵抗値Ｒ以上であればＳ２４へ進み、ヒータ内部抵抗値ｒがヒータ基準内部抵抗値Ｒ未満であればＳ２０へ戻り、ヒータ内部抵抗値ｒを再検出する。つまり、ヒータ内部抵抗値ｒがヒータ基準内部抵抗値Ｒ以上となるまでＳ２２からＳ２４へは進まない。
【００２６】
Ｓ２４では、ヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を行い（ヒータＯＮ）い、今回のルーチンを終了する。
【００２７】
一方、Ｓ２６では、ヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を行い（ヒータＯＮ）、今回のルーチンを終了する。
【００２８】
図４は、上述した図３の制御の流れを模式的に示したものである。基本的には、エンジン１が高負荷運転状態の場合にヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を中断し（ヒータＯＦＦ）、エンジンが中・低負荷運転の場合にヒータ３１によって酸素センサ２７を加熱する（ヒータＯＮ）ものであるが、エンジン１が高負荷運転状態となり一旦ヒータＯＦＦとなると、ヒータ内部抵抗値ｒがヒータ基準内部抵抗値Ｒ未満となるまで、エンジン１の運転状態に関わらずヒータＯＦＦの状態が維持される。
【００２９】
ヒータＯＦＦの状態では、平衡状態でヒータ３１の温度とセンサ素子としてのジルコニアチューブ３０の温度とは略等しい温度とみなすことができる。ヒータ３１の内部抵抗値ｒは、ヒータ３１自身の温度が低下するに従い増大するものであるが、ヒータ３１の内部抵抗値ｒが酸素センサ２７が活性化したときのヒータ内部抵抗値ｒ０よりも大きい場合には、酸素センサ２７は活性化していると判断できる。そこで、ヒータ内部抵抗値ｒが、ヒータ内部抵抗値ｒ０よりも大きいヒータ基準内部抵抗値Ｒ未満となるまでヒータＯＦＦとすることで、エンジン１の運転状態が高負荷から中・低負荷に切り替わった際に、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱開始時期を遅延させ、ヒータＯＦＦ領域の実質的な拡大を行っている。
【００３０】
尚、ヒータ内部抵抗値ｒがヒータ基準内部抵抗値Ｒ未満となりヒータＯＮとなると、エンジン１の運転状態が高負荷運転となるまでヒータＯＮの状態が維持される。
【００３１】
以上説明してきたように、本実施形態においては、高負荷運転によりセンサ各部位の温度が高温状態となっているときに、運転状態が中・低負荷運転に切り替わった際には、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱開始時期を遅延させているので、高温状態の酸素センサ２７がヒータ３１によって更に加熱されてしまうことが防止され、酸素センサ２７の劣化を効果的に抑制することができ、酸素センサ２７の耐用年数を増加させることができる。
【００３２】
また、酸素センサ２７は素子温度が一定以上に保たれていれば、酸素濃度を精度良く検出することができるため、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を遅延させることにより、消費電力を低減することができる。
【００３３】
尚、上述した実施形態においては、ヒータ基準内部抵抗値Ｒをｒ０＋Δｒと定義しているが、酸素センサ２７が活性化した時のヒータ内部抵抗値ｒ０をヒータ基準内部抵抗値としてもよい。
【００３４】
そして、上述した実施形態において、酸素センサ２７が活性化した時のジルコニアチューブ３０の内部抵抗値（センサ素子の内部抵抗値）からセンサ素子基準内部抵抗値を算出し、エンジン運転中に、ジルコニアチューブ３０の内部抵抗値がセンサ素子基準内部抵抗値よりも大きくなったときにもヒータＯＮとなるよう制御すれば、一層精度の高いヒータＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことができる。この場合のセンサ素子基準内部抵抗値としては、具体的には、酸素センサ２７が活性化した時のジルコニアチューブ３０の内部抵抗値よりも所定量小さい値や、酸素センサ２７が活性化した時のジルコニアチューブ３０の内部抵抗値そのものが用いられる。
【００３５】
また、上述した実施形態においては、ヒータ内部抵抗値ｒをモニタしてヒータのＯＮ／ＯＦＦを制御を行っているが、ヒータ内部抵抗値ｒをモニタする換わりにジルコニアチューブ３０の内部抵抗値（センサ素子の内部抵抗値）をモニタし、エンジン運転中に、ジルコニアチューブ３０の内部抵抗値（センサ素子の内部抵抗値）が上述したセンサ素子基準内部抵抗値よりも大きくなったときにヒータＯＮとなるよう制御することも可能である。
【００３６】
上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。
【００３７】
（１）  排気中の酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサを活性化させるために加熱するヒータと、酸素センサが所定の温度に達した運転状態を判定する運転状態判定手段と、を有する酸素センサのヒータ制御装置において、ヒータは、自身の温度が上昇するのに伴ってその内部抵抗値が大きくなるものであって、酸素センサの活性化判定を行う酸素センサ活性化判定手段と、ヒータの内部抵抗値を検出するヒータ内部抵抗検出手段と、酸素センサが活性化した際のヒータの内部抵抗値に基づいてヒータ基準内部抵抗値を算出するヒータ基準内部抵抗値算出手段と、を有し、運転状態判定手段で酸素センサが所定の温度に達した運転状態と判定されなかった際に、ヒータの内部抵抗値がヒータ基準内部抵抗値よりも小さくなると、ヒータによる酸素センサの加熱を行う。ヒータによって酸素センサが加熱されていない状態では、平衡状態でヒータ温度と酸素センサの温度とは略等しいといみなすことができる。これによって、高温状態の酸素センサがヒータによって更に加熱されてしまうことが防止され、酸素センサの劣化を効果的に抑制することができ、酸素センサの耐用年数を増加させることができる。
【００３８】
（２）  上記（１）に記載の酸素センサのヒータ制御装置は、より具体的には、ヒータ基準内部抵抗値が、エンジン始動開始直後に最初に酸素センサが活性化した際のヒータの内部抵抗値よりも所定量大きい値となるよう設定されている。
【００３９】
（３）  排気中の酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサを活性化させるために加熱するヒータと、酸素センサが所定の温度に達した運転状態を判定する運転状態判定手段と、を有する酸素センサのヒータ制御装置において、酸素センサのセンサ素子の内部抵抗値を検出するセンサ素子内部抵抗検出手段と、酸素センサが活性化した際のセンサ素子の内部抵抗値に基づいてセンサ素子基準内部抵抗値を算出するセンサ素子基準内部抵抗値算出手段と、を有し、センサ素子は、自身の温度が上昇するのに伴ってその内部抵抗値が小さくなるものであって、運転状態判定手段で酸素センサが所定の温度に達した運転状態と判定されなかった際に、センサ素子の内部抵抗値がセンサ素子基準内部抵抗値よりも大きくなると、ヒータによる酸素センサの加熱を行う。これによって、高温状態の酸素センサがヒータによって更に加熱されてしまうことが防止され、酸素センサの劣化を効果的に抑制することができ、酸素センサの耐用年数を増加させることができる。
【００４０】
（４）  上記（３）に記載の酸素センサのヒータ制御装置は、より具体的には、センサ素子基準内部抵抗値が、エンジン始動開始直後に最初に酸素センサが活性化した際のセンサ素子の内部抵抗値よりも所定量小さい値となるよう設定されている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態におけるシステム構成を示す説明図。
【図２】酸素センサの断面図。
【図３】本発明の一実施形態における制御の流れを示すフローチャート。
【図４】本発明の一実施形態における作用を模式的に示した説明図。
【符号の説明】
【００４２】
１…エンジン
２０…エンジンコントロールユニット
２７…酸素センサ
３１…ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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