(57)【要約】【課題】  排気ガスセンサの暖機時の出力ずれを迅速に解消する。【解決手段】  センサ制御装置は、排気ガスセンサは酸素をポンピングする機能を有するセンサ素子を備え、内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサを制御する。また、このセンサ制御装置は、センサ素子の周辺の雰囲気を、リーン雰囲気にする雰囲気生成手段と、センサ素子の暖機過程において、センサ素子の周辺をリーン雰囲気に制御する雰囲気制御手段とを備える。【選択図】      図３
2007046462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に搭載される排気ガスセンサの制御装置であって、
前記排気ガスセンサは酸素をポンピングする機能を有するセンサ素子を備え、
前記センサ素子の周辺の雰囲気を、リーン雰囲気にする雰囲気生成手段と、
前記センサ素子の暖機過程において、前記センサ素子の周辺をリーン雰囲気に制御する雰囲気制御手段と、
を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
【請求項２】
前記センサ素子の温度を検出する温度検出手段と、
前記センサ素子の温度が活性温度に達したか否かを判定する活性判定手段と、を備え、
前記雰囲気制御手段は、前記センサ素子の暖機開始から、前記センサの素子の温度が活性温度に達したと判定されるまでの間、前記センサ素子の周辺の雰囲気をリーン雰囲気に制御することを特徴とする請求項１に記載のセンサ制御装置。
【請求項３】
前記雰囲気生成手段は、
前記排気通路に接続して、前記排気ガスが流入するように配置され、前記排気ガスセンサが設置されると共に、前記排気通路内の空間と、前記センサ素子の周辺の空間とを仕切るバイパス管と、
前記バイパス管の排気ガスの入口に配置され、前記バイパス管を開閉するバルブと、を備え、
前記雰囲気制御手段は、前記センサ素子の暖機過程に、前記バルブを閉じることにより、前記バイパス管内の雰囲気をリーン雰囲気に制御することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の暖機が完了したか否かを判定する暖機判定手段と、を備え、
前記雰囲気生成手段は、
前記排気通路に設置されたＨＣ吸着触媒と、
ＨＣ吸着触媒の下流側に配置された三元触媒と、
前記排気通路に接続して、前記排気ガスが流入するように配置され、前記排気ガスセンサが設置されると共に、前記ＨＣ吸着触媒と、前記センサ素子の周辺の空間とを仕切り、かつ、前記三元触媒に接続するバイパス管と、
前記バイパス管の入口に配置され、前記バイパス管を開閉するバルブと、を備え、
前記雰囲気制御手段は、前記内燃機関の始動開始から、前記内燃機関の暖機完了が判定されるまでの間、前記バルブを閉じることにより、前記バイパス管内の雰囲気をリーン雰囲気に制御することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ制御装置。
【請求項５】
内燃機関から排出される排気ガスの排気通路と、
前記排気通路に配置され、排気ガスセンサが設置されると共に、前記排気ガスセンサのセンサ素子周辺の空間と、前記排気通路内の空間とを仕切るバイパス管と、
前記バイパス管の前記排気ガスの入口を開閉するバルブと、
を備えることを特徴とするセンサ取付通路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はセンサ制御装置及びセンサ取付通路構造に関する。より具体的には内燃機関に接続する排気通路に搭載された排気ガスセンサを制御するセンサ制御装置ならびに排気ガスセンサを取り付ける取付通路構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開平１０−２８２０４５号公報には、内燃機関の空燃比制御において用いられる酸素センサが開示されている。この酸素センサは、センサ素子と、それを保護するカバーとを備える。センサ素子は、固体電解質膜と、これを挟んで両側にそれぞれ配置された電極とを有する。電極の一方は、基準ガスとしての大気に接し、他方の電極は検出ガスに接する。酸素センサの両電極間には大気と検出ガスとの酸素濃度差に応じた起電力が発生し電流が流れる。この起電力あるいは電流を検出し、検出値に基づいて検出ガスの酸素濃度を知ることができる。
【０００３】
ところで、内燃機関においては、排気ガス中のＮＯｘを低減させるため、例えば、ＥＧＲ装置（排気再循環装置）のように内燃機関から排出される排気ガスを循環して利用するシステムや、ＰＣＶ装置（ブローバイガス還元装置）のように、クランクケース内に漏出した排気や混合気等（ブローバイガス）を循環させて利用するシステムを用いる場合がある。このようなシステムにおいては、排気ガスやブローバイガスが吸気通路から内燃機関の各気筒内に大気と共に供給されることになる。しかし、排気ガスやブローバイガスには、硫酸ミストやオイルミスト（以下「ミスト」とする）が濃度不定に含有する。従って、排気ガスやブローバイガスを循環して再利用する場合、吸気側から供給されるガスは、大気よりもリッチで濃度不定なガスとなる。このため上記従来技術においては、酸素センサをＥＧＲ装置やＰＣＶ装置等の吸気通路に搭載して、吸気通路から供給される供給ガスの濃度検出に用いている。
【０００４】
吸気通路内を通過する供給ガスは排気通路内の排気ガスとは異なり低温となる。このため、循環した排気ガスやブローバイガス中のミストは、冷却されて粘性の高いものとなっている。従って、吸気通路に搭載された酸素センサにはミストが付着し堆積する場合がある。堆積したミストにより、例えば酸素センサのカバーの通気孔やセンサ素子表面の多孔質層に目詰まりが生じることが考えられる。その結果、カバー内外で排気ガスの濃度に差が生じ、あるいは、センサ素子表面の多孔質層での吸排気が困難となり、正確なセンサ出力を得ることができなくなる場合がある。
【０００５】
このため、上記従来技術において、酸素センサを取り付ける吸気通路の壁部には、絶縁体で絶縁された陰電極が貫通して配置されている。また、陰電極の対向側には陽電極が絶縁されて配置されている。酸素センサは陰電極に貫通し、センサ素子部がその陰電極から吸気通路内に突出するように配置されている。内燃機関の運転中は、陰電極と陽電極との間に所定の高電圧が印加される。これにより、吸気通路の陽電極と陰電極との間で電界が発生する。このとき酸素センサのセンサ素子周辺は陰極となる。一方、上記のミストは、静電気力により陽極側に引き付けられる性質を有する。従って、上記従来技術によれば、陰極側に配置された酸素センサ周辺のミストが陽極側に排除され、ミストの酸素センサへの付着が抑えられる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２８２０４５号公報
【特許文献２】特開２００３−２７８５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術においては、内燃機関の運転中、つまり酸素センサによる酸素濃度検出中、陰電極と陽電極との間に電圧が印加され、吸気通路内に常に電界が発生している状態となる。酸素センサがこのように電界中に配置される場合、電界の影響によりセンサ出力にずれが生じることが考えられる。このようなセンサ出力のずれは、より正確な空燃比を行う上では好ましいものではない。
【０００８】
また、上記従来技術は酸素センサが内燃機関の吸気通路に搭載されることを考慮したものである。一方、排気通路に搭載される排気ガスセンサにおいても、排気ガス中の成分の吸着によりセンサ出力にずれが生じることが考えられる。具体的に、排気通路の排気ガスセンサには、内燃機関の停止後素子温が低くなるにつれて、排気ガス中の成分が吸着する場合がある。この吸着種は、低温ではセンサ素子に付着するが、高温になると脱離する性質を有する。従って内燃機関の始動後センサ素子の暖機が進むに連れて、センサ素子に吸着した吸着種は再び脱離する。ここで脱離した吸着種はセンサ素子の排気側電極周辺にリッチガスを生成し、ポンピングされる酸素と反応して中和した後排出される。従って、内燃機関の始動開始後、吸着種が完全に中和されて放出されるまでの間、酸素センサの出力に吸着種に起因する出力ずれが発生することが考えられる。この出力ずれは、通常、排気ガスセンサが活性温度に達するまでに解消されるものと考えられる。しかし、何らかの原因で吸着種の量が多くなっている場合などは、センサ素子が活性温度に達しても吸着種の中和が続けられるため、正確な空燃比制御を実行することができないものとなる。この点、上記従来技術は、吸気通路に配置された酸素センサへのミスト等の付着を抑えるものであるが、内燃機関の始動時に、排気ガスセンサの吸着種を迅速かつ確実に中和、放出させることに関して寄与するものではない。
【０００９】
従ってこの発明は、上記の問題を解決することを目的として、排気ガスセンサに付着した吸着種の影響による排気ガスセンサの暖機時の出力ずれを、迅速に解消することができるように改良したセンサ制御装置およびセンサ取付通路構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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搭載される排気ガスセンサの制御装置であって、
前記排気ガスセンサは酸素をポンピングする機能を有するセンサ素子を備え、
前記センサ素子の周辺の雰囲気を、リーン雰囲気にする雰囲気生成手段と、
前記センサ素子の暖機過程において、前記センサ素子の周辺をリーン雰囲気に制御する雰囲気制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記センサ素子の温度を検出する温度検出手段と、
前記センサ素子の温度が活性温度に達したか否かを判定する活性判定手段と、を備え、
前記雰囲気制御手段は、前記センサ素子の暖機開始から、前記センサの素子の温度が活性温度に達したと判定されるまでの間、前記センサ素子の周辺の雰囲気をリーン雰囲気に制御することを特徴とする。
【００１２】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記雰囲気生成手段は、
前記排気通路に接続して、前記排気ガスが流入するように配置され、前記排気ガスセンサが設置されると共に、前記排気通路内の空間と、前記センサ素子の周辺の空間とを仕切るバイパス管と、
前記バイパス管の排気ガスの入口に配置され、前記バイパス管を開閉するバルブと、を備え、
前記雰囲気制御手段は、前記センサ素子の暖機過程に、前記バルブを閉じることにより、前記バイパス管内の雰囲気をリーン雰囲気に制御することを特徴とする。
【００１３】
また、第４の発明は、第１または第２の発明において、
前記内燃機関の暖機が完了したか否かを判定する暖機判定手段と、を備え、
前記雰囲気生成手段は、
前記排気通路に設置されたＨＣ吸着触媒と、
ＨＣ吸着触媒の下流側に配置された三元触媒と、
前記排気通路に接続して、前記排気ガスが流入するように配置され、前記排気ガスセンサが設置されると共に、前記ＨＣ吸着触媒と、前記センサ素子の周辺の空間とを仕切り、かつ、前記三元触媒に接続するバイパス管と、
前記バイパス管の入口に配置され、前記バイパス管を開閉するバルブと、を備え、
前記雰囲気制御手段は、前記内燃機関の始動開始から、前記内燃機関の暖機完了が判定されるまでの間、前記バルブを閉じることにより、前記バイパス管内の雰囲気をリーン雰囲気に制御することを特徴とする。
【００１４】
また、第５の発明は、上記の目的を達成するため、
内燃機関から排出される排気ガスの排気通路と、
前記排気通路に配置され、排気ガスセンサが設置されると共に、前記排気ガスセンサのセンサ素子周辺の空間と、前記排気通路内の空間とを仕切るバイパス管と、
前記バイパス管の前記排気ガスの入口を開閉するバルブと、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、排気ガスセンサのセンサ素子の暖機過程において、センサ素子の周辺はリーン雰囲気に制御される。従って、センサ素子の暖機過程において、センサ素子から脱離した吸着種により生じるリッチガスを迅速に中和することができ、早期に排気ガスセンサの出力ずれを回復することができる。従って、センサ素子活性後、迅速に正確な空燃比制御を行うことができる。
【００１６】
また、第２の発明によれば、センサ素子の暖機開始からセンサの素子の温度が活性温度に達したと判定されるまでの間、センサ素子の周辺の雰囲気がリーン雰囲気に制御される。従って、吸着種の脱離が生じやすい温度域を通過する間、確実にセンサ素子周辺をリーン雰囲気に保つことができ、吸着種の脱離により生成されるリッチガスを確実に中和することができる。
【００１７】
また、第３の発明によれば、排気通路内の空間とセンサ素子の周辺の空間とを仕切るバイパス管内に排気ガスセンサを設置し、センサ素子の暖機過程に、バイパス管入口のバルブを閉じるように制御する。従って、センサ素子の暖機過程に内燃機関から排出される排気ガスがセンサ素子周辺に流入されるのを防ぎ、センサ素子周辺をリーン雰囲気に保つことができる。
【００１８】
また、第４の発明によれば、排気通路に配置されたＨＣ吸着触媒を有する触媒浄化装置のバイパス管内に、排気ガスセンサを設置し、内燃機関の暖機過程の間、バイパス管入口のバルブを閉じるように制御する。これにより、触媒浄化装置を利用した取付通路構造により、センサ素子暖機過程において、センサ素子周辺をリーン雰囲気に保つことができる。
【００１９】
また、第５の発明によれば、センサ素子周辺の空間と、排気通路内の空間とを仕切るバイパス管内と、バイパス管の排気ガスの入口を開閉するバルブとを有する取付通路構造により、センサ素子周辺の雰囲気を一時的に、排気通路内の排気ガスから隔離して、排気ガスとは異なる雰囲気に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２１】
実施の形態１．
[実施の形態１のシステム構成について]
図１は、この発明の実施の形態１におけるシステムを説明するための模式図である。図１に示すように、実施の形態１のシステムは内燃機関２を備える。内燃機関２は複数の気筒を備えるが、図１においては１の気筒の断面のみを表している。内燃機関２の各気筒の吸気ポート４には、吸気マニホルド６が接続されている。吸気マニホルド６には、燃料噴射弁８が設けられている。内燃機関２の各気筒の排気ポート１０は、排気マニホルド１２の枝管に接続されている。排気マニホルド１２の枝管は１本の主管に集合する。排気マニホルド１２の主管は、三元触媒１４を内蔵する触媒コンバータ１６に接続されている。触媒コンバータ１６は、排気管１８に接続されている。三元触媒１４の上流側において、排気マニホルド１２の主管には空燃比センサ２０が配置されている。空燃比センサ２０は、広い空燃比領域に渡って空燃比に対応した出力電圧を発生するセンサである。また、三元触媒１４の下流において、排気管１８には酸素センサ２２が配置されている。酸素センサ２２は、その出力値が理論空燃比付近でステップ状に変化するセンサである。燃料噴射弁８、空燃比センサ２０および酸素センサ２２は制御装置２４に接続されている。
【００２２】
図２は、実施の形態１のシステムにおいて用いる空燃比センサ２０について説明するための模式図である。図２に示すように、空燃比センサ２０は、センサ素子３０を備える。センサ素子３０は、一端が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は拡散抵抗層３２により覆われている。拡散抵抗層３２は、耐熱性の多孔質のセラミックス、例えば、アルミナを用いたスピネル型化合物（ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３）により構成され、排気ガスに含まれる被毒物をトラップする機能を有している。拡散抵抗層３２の内側には、排気側電極３４が設けられている。排気側電極３４は、拡散抵抗層３２を通過した排気ガスに接する状態となっている。排気側電極３４の内側には、固体電解質層３６が設けられている。固体電解質層３６の内側、即ち固体電解質層３６の排気側電極３４とは反対側の面には、大気側電極３８が設けられている。排気側電極３４および大気側電極３８は、Ｐｔのように触媒作用の高い金属で構成された電極ある。排気側電極３４および大気側電極３８は、制御回路（図示せず）を介して制御装置２４と電気的に接続されており、その制御回路に制御されることにより必要な電圧が印加される。固体電解質層３６は、ＺｒＯ２などを含む焼結体であり、酸素イオンを伝導させる特性を有している。
【００２３】
センサ素子３０の内側には、大気に開放された大気室４０が形成されている。大気側電極３８は大気室４０に導入された大気に接している。大気室４０内には、ヒータ４２が設置されている。ヒータ４２は制御回路（図示せず）を介して制御装置２４と電気的に接続されており、その制御回路に制御されることにより、センサ素子３０を適当な温度に加熱維持することができる。なお、センサ素子３０は、７００℃程度の活性温度において安定した出力特性を示す。また、空燃比センサ２０は、カバー４４を有する。センサ素子３０は、カバー４４により保護されて排気マニホルド１２に設置される。カバー４４には内部に排気ガスを導入するための複数の通気孔４６が設けられている。
【００２４】
制御装置２４は、センサ素子３０の排気側電極３４と大気側電極３８とに印加する電圧の大きさを制御する。センサ素子３０は、両電極間に印加される印加電圧が十分に低い領域では、印加電圧に対してほぼ比例的にセンサ電流を変化させ、印加電圧が増えるに連れて、そのセンサ電流を、排気ガスの酸素濃度と大気の酸素濃度との差に応じた限界電流値に収束させる特性を有している。この特性を利用して、センサ素子３０に所定の電圧を印加して限界電流値を検出することにより、排気ガスの酸素濃度を求めることができる。
【００２５】
[実施の形態１の空燃比センサの取付通路構造について]
図３及び図４は、この発明の実施の形態１における空燃比センサ２０を排気マニホルド１２に取り付けるための取付通路構造を説明するための模式図である。図３（ａ）は、排気マニホルド１２内のガスの流れる方向に垂直な断面を表し、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ´方向の断面であって、バルブが閉じた状態を表す。図４は、図３（ｂ）と同じ断面であって、バルブが開いた状態を表している。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、排気マニホルド１２内の主管の一部には、空燃比センサ２０取り付け用のバイパス管５０が設けられている。バイパス管５０は、排気マニホルド１２内の中央部に設置されている。空燃比センサ２０は、センサ素子３０のカバー４４に保護された部分がバイパス管５０内に突出するようにして、バイパス管５０に組み付けられている。バイパス管５０の排気ガスの入口には、バルブ５２が配置されている。バルブ５２は、制御装置２４に接続され、制御装置２４からの開閉信号を受けてバイパス管５０を開閉する。一方、バイパス管５０の下流側の出口は、排気マニホルド１２内に向けて開口している。
【００２６】
図３（ｂ）に示すように、バルブ５２が閉じた状態になると、排気ガスはバイパス管５０内には流入せず、バイパス管５０の外部の排気マニホルド１２内を通過する。一方、図４に示すように、バルブ５２が開いた状態となると、排気ガスはバイパス管５０内に流入するようになっている。
【００２７】
[吸着のメカニズムについて]
図５（ａ）は、内燃機関２の停止後に、センサ素子３０に吸着種５４が吸着する様子を説明するための図である。また、図５（ｂ）は、吸着した吸着種５４が内燃機関２の始動後にセンサ素子３０の出力に与える影響を説明するための図である。センサ素子３０は、上述したように排気側電極３４が排気ガスに接する状態で用いられる。排気ガス中には、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、さらには、酸素（Ｏ２）などの種々の成分が含まれている。センサ素子３０が活性状態の高温にあるときには、これらの成分は排気側電極３４に吸着しない。しかし内燃機関２の停止後、センサ素子３０の温度が低下する過程で、これらの成分と排気側電極３４との間で化学的な吸着が生ずることがある。
【００２８】
本願発明者の知見によれば、この吸着反応は、センサ素子３０の温度がある程度低下しているときに起きやすい。内燃機関２の停止後は、ヒータ４２への通電が停止されることから、センサ素子３０の温度は必然的に吸着種５４が吸着を開始する吸着温度域まで低下する。このため、センサ素子３０の表面には、内燃機関２の停止後不可避的に、図５（ａ）に示すように吸着種５４が吸着することになるものと考えられる。
【００２９】
一方、センサ素子３０に吸着した吸着種５４は、センサ素子３０が吸着温度域の下限を越える程度にまで加熱されることにより、センサ素子３０表面からの脱離を開始する。つまり、内燃機関２が始動されてヒータ４２への通電が開始されると、次第にセンサ素子３０の温度が上昇する。そして、センサ素子３０の温度が吸着温度域の下限に達すると、図５（ｂ）に示すように吸着種５４の脱離が開始する。吸着種５４が脱離し始めると、排気側電極３４の表面付近で還元物質である水素（Ｈ２）が生成される。生成された水素は、排気側電極３４の表面付近をリッチ雰囲気にすると共に、排気側電極３４の反応サイト（反応点）を塞いで排気側電極３４と酸素との反応を妨げる。その結果、センサ素子３０の出力は、センサ素子３０の温度を活性温度に上昇させる過程で、一時的にリッチ側にシフトする。その後、センサ素子３０の昇温とともに吸着種５４の脱離が進み、吸着種５４の中和が完了すると、空燃比センサ２０のリッチずれが解消される。
【００３０】
[実施の形態１の課題と解決原理]
以上のように、内燃機関２の始動直後の排気ガス雰囲気が仮にリーン状態であったとしても、脱離した吸着種５４の影響により、空燃比センサ２０の出力がリッチ側へずれて検出される場合がある。内燃機関２の始動後迅速に、正確な空燃比制御を開始するためには、このような吸着種５４の影響による出力ずれが生ずる期間は短いことが好ましい。以下、上記の要求を満たすために、この実施の形態１において用いられる原理を説明する。図６はバルブ５２の開閉タイミングと空燃比センサ２０の出力との関係を表すタイミングチャートである。
【００３１】
上記のように空燃比センサ２０はバイパス管５０に組み付けられている。バイパス管５０の入口にはバルブ５２が取り付けられている。図６に示すように、バルブ５２は内燃機関２の始動開始からセンサ素子が活性温度に達するまでの間以外は、開かれた状態とされる。バルブ５２開放状態では、バイパス管５０内には排気マニホルド１２内と同様に排気ガスが流入する。この状態においてはセンサ出力に基づく空燃比制御を行うため、空燃比センサ２０は通常通り排気ガスの酸素濃度を検出する。バルブ５２開放状態で、内燃機関２が停止すると、排気マニホルド１２から徐々に排気ガスが排出されて、排気マニホルド１２内全体が空気に置換される。このときバイパス管５０のバルブ５２は開放されているため、バイパス管５０内も同様に空気に置換される。
【００３２】
一方、内燃機関２の始動直後からセンサ素子３０が活性温度に達するまでの間はバルブ５２が閉じられる。バイパス管５０内は内燃機関２の停止中に空気に置換されてリーン雰囲気となっている。従って、バルブ５２が閉じられている間、バイパス管５０内はリーン雰囲気に保たれる。ここで、一般に、内燃機関２の始動開始後暖機過程においては、空燃比はリッチに制御される。従って、暖気過程の排気ガスは、リッチ雰囲気となっている。しかし、バルブ５２を閉じることにより、内燃機関２から排出されるリッチな排気ガスはバイパス管５０には流入せず、バイパス管５０外の排気マニホルド１２を通過して触媒コンバータ１６に排出される。これにより、バイパス管５０内は、リーンな状態に維持される。
【００３３】
内燃機関２の始動直後からセンサ素子３０が活性温度に加熱されるまでのセンサ素子３０暖機過程で、センサ素子３０の温度が吸着温度域の下限にまで達すると、センサ素子３０に付着した吸着種５４は脱離を開始する。この吸着種５４は脱離すると、排気側電極３４表面にリッチガスである水素を発生させる。発生した水素は、センサ素子３０周辺のリーンガスとの反応により中和される。センサ素子３０が排気マニホルドに直接設置された場合、暖機過程のリッチな排気ガスに接することとなるため、吸着種５４の脱離により発生したリッチガスの中和にはある程度の時間を要する。しかし、この実施の形態１によれば、バイパス管５０内を大気に近いリーン雰囲気に保つことで、脱離した吸着種５４との中和反応が促進される。その結果、センサ素子３０が活性温度に達するまでのより早い段階で、センサ素子３０から脱離した吸着種５４とバイパス管５０内のリーンガスとを反応させて中和を完了することができる。
【００３４】
図６に示すように、空燃比センサ２０の出力は、内燃機関２の始動後、センサ素子３０から脱離した吸着種５４により生成されるリッチガスの影響を受けて、バイパス管５０内の実際のリーンガスよりもリッチ側にずれたものとなる。このリッチ側への出力ずれは、リッチガスとバイパス管５０内のリーンガスとの中和反応が進むにつれて徐々に相殺される。センサ素子３０周辺は、リーン雰囲気に保たれているため、この中和反応は促進され、活性温度に至るまでには脱離した吸着種５４の中和は完了する。従って、センサ素子３０が活性温度に達し、バルブ５２が開放されると、バイパス管５０内を通過する排気ガスに応じた正確なセンサ出力が得られるようになっている。
【００３５】
図７は、この発明の実施の形態１において制御装置２４が実行するバルブ５２開閉制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図７に示すルーチンは、内燃機関２の始動時に毎回実行されるルーチンである。図７のルーチンでは、まず、内燃機関２の始動開始直後であるか否かが判定される（ステップＳ１０２）。内燃機関２が始動していない場合あるいは始動後十分な時間が経過している場合には、このルーチンによる処理が終了する。
【００３６】
一方、内燃機関２の始動開始直後であることが認められると、次に、バルブ５２が閉じられる（ステップＳ１０４）。これによりバイパス管５０の入口が閉鎖される。内燃機関２の始動開始直後はリッチ運転となるように制御される。従って、排気ガス中には多くのリッチガスが含まれリッチな雰囲気となっている。ここでは、バイパス管５０の入口を閉鎖することにより、内燃機関２から排出されるリッチな排気ガスのバイパス管５０内への流入が抑えられ、バイパス管５０内は内燃機関２停止時に置換されたリーン雰囲気に保たれる。次に、センサ素子３０の加熱が開始される（ステップＳ１０６）。センサ素子３０の加熱は、制御装置２４によりヒータ４２に印加する電圧を制御することにより実行される。
【００３７】
次に、センサ素子３０が活性温度に達したか否かが判定される（ステップＳ１０８）。センサ素子３０の温度はセンサ素子３０のインピーダンスと相関を有し、センサ素子３０の温度が上昇するにつれてセンサ素子３０のインピーダンスは低下する。この性質を利用して、ここでは、センサ素子３０のインピーダンスを検出し、そのインピーダンスが所定の活性判定値にまで低下したか否かを判定することにより、センサ素子３０の活性判定が実行される。センサ素子３０が活性温度に達していない場合には引き続きセンサ素子３０が加熱される（ステップＳ１０６）。
【００３８】
一方、ステップＳ１０８において、センサ素子３０の活性が認められた場合、バルブ５２が開放される（ステップＳ１１０）。これによりバイパス管５０の入口が開放される。その結果、内燃機関２から排出される排気ガスがバイパス管５０内にも流入し始め、空燃比センサ２０のセンサ素子３０表面にも実際の排気ガスが供給される。従って、空燃比センサ２０により実際の排気ガスの空燃比が検出され、空燃比センサ２０の出力に基づく内燃機関２の空燃比のフィードバック制御が開始される。その後このルーチンが終了される。
【００３９】
以上のように実施の形態１によれば、センサ素子３０の加熱が開始され、センサ素子３０表面に吸着した吸着種５４が脱離する吸着温度域を通過し、活性温度に達するまでの間、センサ素子３０の周辺を大気に近いリーン雰囲気に保つことができる。このようにセンサ素子３０周辺をリーンガスの濃度が濃い状態にすることにより、センサ素子３０表面から脱離する吸着種５４により生成されるリッチガスをより早く中和することができる。従って、内燃機関２始動後の早い段階で吸着種５４の影響を解消することができ、迅速に、空燃比センサ２０の出力に基づく空燃比制御を開始することができる。
【００４０】
また、実施の形態１によれば、内燃機関２の始動開始からセンサ素子３０の活性判定が行われるまでの間、バイパス管５０内には排気ガスが流入せず、センサ素子３０表面は排気ガスに接しないようになっている。従って、内燃機関の始動時においてセンサ素子３０表面が被水するのを防止することができる。また、このバイパス管５０とバルブ５２との取付通路構造を利用して、センサ素子３０が被水するような状態となった場合に、バルブ５２を閉鎖することにより、センサ素子３０が被水するのを防ぐことができる。この場合、センサ素子３０の被水発生条件が回避された時点で、バルブ５２を開放することにより、再び空燃比センサ２０を正常に動作させて、排気ガスの酸素濃度を検出することができる。
【００４１】
なお、実施の形態１においては、排気マニホルド１２内の中央部にバイパス管５０を設置する場合について説明した。しかしこの発明においては、このように配置されたバイパス管５０に限らず、センサ素子３０周辺の雰囲気を隔離し、一時的にセンサ素子３０の周辺の雰囲気を、その外部の雰囲気よりもリーンにすることができるものであればよい。
【００４２】
図８〜図１１は、実施の形態１における他の取付通路構造の例を説明するための模式図である。図８に示す第１の例では、排気マニホルド１２は、空燃比センサ２０の取り付け位置において、排気マニホルド１２から分岐した分岐管１５０を有する。分岐管１５０の入口付近には、バルブ１５２が設けられている。空燃比センサ２０はバルブ１５２設置位置よりも下流側の分岐管１５０内に、カバー４４に保護されたセンサ素子３０が分岐管１５０内に露出するようにして組み付けられている。このような取付通路構造においても、図６のタイムチャートのように、内燃機関２の始動開始直後からセンサ素子３０の活性判定の間のみ、バルブ１５２を閉鎖するように制御される。これにより内燃機関２の始動開始直後から活性判定までの間、すなわち、センサ素子３０の温度が、吸着種５４が脱離する吸着温度域を通過する間、センサ素子３０の周辺はリーン雰囲気に保たれる。従って、図８のような構造としても、センサ素子３０の活性までの間に放出される吸着種５４より生成される水素を早い段階で確実に中和することができる。
【００４３】
図９〜図１１は、実施の形態１における他の取付構造の、ガスの流れる方向に垂直な断面を表している。図９に示す第２の例では、排気マニホルド１２内の、空燃比センサ２０取り付け位置において、排気マニホルド１２から分離したバイパス管２５０が設けられている。バイパス管２５０は、図９の断面において縦長の楕円形の形状に形成され、図９における上下の位置で排気マニホルド１２の内壁に接触するように配置されている。空燃比センサ２０は、この接触位置にセンサ素子３０がバイパス管２５０内に突出するようにして組み付けられている。バイパス管２５０入口にはバルブ２５２が備えられ、実施の形態１に説明したように開閉の制御がされる。このような構造によっても図３、図８に示す取付通路構造と同様の効果を得ることができる。また、空燃比センサ２０のセンサ素子３０上部の部分は、実際には大気中にでる構成となることが好ましく、この構造によれば、センサ素子３０上部の部分を大気中に配置することができる。
【００４４】
図１０に示す第３の例では、排気マニホルド１２内の空燃比センサ２０取り付け位置において、排気マニホルド１２から分離したバイパス管３５０が設けられている。バイパス管３５０は、図１０の断面において縦長の円形の形状に形成され、図１０における上方の位置で排気マニホルド１２の内壁に接触するように配置されている。空燃比センサ２０は、この接触位置に、センサ素子３０内部がバイパス管３５０内に突出するように組みつけられている。バイパス管３５０入口にはバルブ３５２が備えられ、実施の形態１に説明したように開閉の制御がされる。このような構造によっても図３、図８に示す取付通路構造と同様の効果を得ることができる。また、空燃比センサ２０のセンサ素子３０上部の部分は、実際には大気中にでる構成となることが好ましく、この構造によっても、センサ素子３０上部の部分を大気中に配置することができる。
【００４５】
図１１に示す第４の例では、排気マニホルド１２内の空燃比センサ２０取り付け位置において、排気マニホルド１２は、空燃比センサ２０取り付け位置において分岐した分岐管４５０を備えている。分岐管４５０は、排気マニホルド１２の中心部に設けた分岐壁面により分岐された半円形状の管である。空燃比センサ２０は、この分岐管４５０に、センサ素子３０内部が分岐管４５０内に突出し、センサ素子３０の上部の部分が突出するように組み付けられている。バイパス管４５０入口にはバルブ４５２が備えられ、実施の形態１に説明したように開閉の制御がされる。このような構造によっても図３、図８に示す取付通路構造と同様の効果を得ることができるとともに、空燃比センサ２０のセンサ素子３０上部の部分が配管内に露出しないような構造とすることができる。
【００４６】
また、空燃比センサ２０の取付通路構造は、図３や図８〜図１１に示すものに限るものではない。取付通路構造は、少なくともセンサ素子３０周辺の雰囲気を隔離して、始動開始直後から活性判定までの間、センサ素子３０周辺の雰囲気を排気ガスから隔離することができるものであれば、他の取付通路構造を用いてもよい。また、このとき、好ましくは図９〜図１１に示すように、空燃比センサ２０のセンサ素子３０上部の部分が、排気ガス中に晒されないような構造としたものがよい。また、このようにセンサ素子３０周辺の雰囲気を隔離する取付通路構造に限るものではなく、例えばセンサ素子３０の周辺に一時的にリーン雰囲気を作りだすことができるものであれば他の手法を用いても良い。
【００４７】
また、この発明においては、空燃比センサ２０を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば図３や図８〜図１１の取付通路構造を排気管１８内に設けて、酸素センサ２２に適用するもの等、他の排気ガスセンサに適用するものであってもよい。
【００４８】
なお、例えば、実施の形態１において、バイパス管５０およびバルブ５２により、この発明の「雰囲気生成手段」が実現する。また、実施の形態１において、ステップ１０４を実行することにより、この発明の「雰囲気制御手段」が実現する。また、ステップＳ１０８を実行することにより、この発明の「温度検出手段」と「活性判定手段」とが実現する。また、例えば、実施の形態１において、排気マニホルド１２は、この発明の「排気通路」に該当し、空燃比センサ２０、センサ素子３０は、それぞれこの発明の「排気ガスセンサ」、「センサ素子」に該当し、バイパス管５０、バルブ５２は、それぞれこの発明の「バイパス管」、「バルブ」に該当する。
【００４９】
実施の形態２．
図１２は、この発明の実施の形態２におけるセンサの取付通路構造を説明するための模式図ある。図１２は、ＨＣ吸着触媒を有する触媒浄化装置を利用して空燃比センサ２０を取り付けた構造を表す。実施の形態２におけるシステムは、図１のシステムの触媒コンバータ１６に代えて、図１２に示す触媒浄化装置６０を接続し、触媒浄化装置６０内に空燃比センサ２０を設置した点を除き、図１のシステムと同じものである。
【００５０】
具体的に、図１２に示すように、触媒浄化装置６０は、触媒コンバータ１６に代えて、排気マニホルド１２の一端に接続されている。触媒浄化装置６０内の上流側には、冷却フィン６２が配置されている。冷却フィン６２の下流側には、ＨＣ吸着触媒６４が設置されている。また、ＨＣ吸着触媒６４の下流側には、三元触媒６６が内蔵されている。冷却フィン６２及びＨＣ吸着触媒６４を、排気ガスの流れる方向に貫通し、三元触媒６６に接続するバイパス管６８が配置されている。バイパス管６８の上流側入口にはバルブ７０が設けられている。バイパス管６８内のバルブ７０の下流側には、空燃比センサ２０が設置されている。空燃比センサ２０とバルブ７０とは制御装置２４に接続されている。
【００５１】
触媒浄化装置６０において、ＨＣ吸着触媒６４は低温時にＨＣを吸着し、高温時にＨＣを脱離する性質を有する。従って、排気ガス中のＨＣを確実に除去するためには、低温時にＨＣを吸着すると共に、吸着したＨＣが脱離しないようにＨＣ吸着触媒６４の温度をＨＣ脱離温度以下に保つ必要がある。このため、ＨＣ吸着触媒６４上流側には冷却フィン６２が設置され、ＨＣ吸着触媒６４に供給される排気ガスが冷却されるようにしている。また、ＨＣは、内燃機関２の暖機過程において多量に排出されるが、内燃機関２の暖気完了後の排出量は少ない。従って、内燃機関２の暖機完了までの間はバルブ７０を閉鎖して全排気ガスがバイパス管６８の外側、すなわち冷却フィン６２とＨＣ吸着触媒６４とを通過するようにする。内燃機関２暖機中は、ある程度排気ガスの温度は低いため、排気ガスは冷却フィン６２を通過することで、ＨＣ脱離温度以下にまで確実に冷却できる。従って、暖機過程において排気ガス中のＨＣは高い浄化率で除去される。
【００５２】
一方、ＨＣの排出が少なくなった内燃機関２の暖機完了後は、バルブ７０が開かれる。これにより、排気ガスの多くはバイパス管６８内に導入され、直接三元触媒６６に導かれる。三元触媒６６は暖気後の高い排気ガス温度において、排気ガスを浄化することができる。このときバイパス管６８の外側、すなわちＨＣ吸着触媒６４にも少量の排気ガスが流入する。しかし、少量の排気ガスであれば冷却フィン６２により十分に冷却することができる。従って、排気ガス流入によるＨＣ吸着触媒６４の温度上昇を抑えることができ、ＨＣ吸着触媒６４に吸着したＨＣが脱離するのを防止できる。また、排気ガスが少量であるため、ＨＣ吸着触媒６４通過後の温度の低い排気ガスが三元触媒６６に流入しても、三元触媒６６の温度低下を小さく抑えることができる。従って、三元触媒６６による高い浄化率を保つことができる。
【００５３】
上記のように触媒浄化装置６０のバイパス管６８のバルブ７０の開閉は、内燃機関２の暖機に連動して実行される。また、内燃機関２の暖機完了とセンサ素子３０の活性判定とはほぼ同期して実現する。つまり内燃機関２の始動開始後、暖機が判断されるまでの間と始動開始後、センサ素子３０の活性が判定されるまでの間とは、ほぼ同程度の時間である。従って、実施の形態２においては、触媒浄化装置６０のバイパス管６８内に空燃比センサ２０を組み付けて用いる。このとき、バルブ７０は内燃機関２の暖機過程の間に加えて、内燃機関２の始動開始直後からセンサ素子３０の活性判定までの間、閉じられるように制御される。このようにバルブ７０を制御することにより、触媒浄化装置６０による排気ガス浄化のためのバルブ７０の開閉制御を実行しつつ、内燃機関２の暖機過程の必要な時にセンサ素子３０周辺をリーン雰囲気に保つことができる。従って、触媒浄化装置６０による高い浄化率を実現すると共に、空燃比センサ２０の吸着種５４による影響を早期に回復し、迅速に正確な空燃比制御を実行することができる。
【００５４】
図１３は、この発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図１３のルーチンは、ステップＳ１０８の後、ステップＳ１１０の前に、ステップＳ２０２を実行する点を除き、図７のルーチンと同じである。具体的に、ステップＳ１０８においてセンサの活性が判定された後、内燃機関２の暖機が完了しているか否かが判定される（ステップＳ２０２）。暖機完了したか否かは、例えば積算吸入空気量が所定値以上となっているか否により判定される。ステップＳ２０２において暖機が完了していないと判定された場合には、引き続き暖機の判定を行い、暖機の完了が確認されるまでバルブ７０が閉じた状態で維持される。一方、暖機の完了が認められた場合には、バルブ７０が開放される（ステップＳ１１０）。これにより、バイパス管６８内への排気ガスの流入が開始し、空燃比センサ２０により、実際の排気ガスの濃度の検出が開始される。排気ガスの多くは、バイパス管６８内を通り直接三元触媒６６に送られるため、三元触媒６６において確実に排気ガスを浄化できると共に、ＨＣ吸着触媒に吸着したＨＣが高温の排気ガスの流入により脱離するのを防止することができる。
【００５５】
また、実施の形態２によれば、触媒浄化装置６０のバイパス管６８を利用して、空燃比センサ２０を設置する。これにより、別途バイパス管６８等の取付通路構造を設けることなく、容易に、空燃比センサ２０の吸着種５４による出力ずれを早期に解消することができると共に、触媒浄化装置６０による浄化率向上を図ることができる。
【００５６】
なお、図１３のルーチンでは、内燃機関２の暖機完了とセンサ素子３０の活性判定との両方が成立した場合にのみ、バルブ７０を開放する制御について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、例えば、ＨＣ吸着触媒６４と三元触媒６６とによる浄化を優先させる場合には、暖機完了の条件成立のみにより、バルブ７０を開放することとしてもよい。一方、センサ素子３０の活性完了と空燃比制御の早期の安定化を優先する場合には、センサ素子３０の活性判定のみによりバルブ７０を開放することとしてもよい。
【００５７】
なお、ＨＣ吸着触媒６４とバイパス管６８の配置位置はこれに限るものではない。この発明においては、内燃機関２の始動直後から一定期間の間バルブ７０を閉鎖することにより閉鎖するバイパス管を有するものであれば、他の配置構造であってもよい。
【００５８】
なお、例えば、実施の形態２においてステップＳ２０２を実行することにより、この発明の「暖機判定手段」が実現する。また、例えば、ＨＣ吸着触媒６４、三元触媒６６は、それぞれこの発明の「ＨＣ吸着触媒」、「三元触媒」に該当し、バイパス管６８、バルブ７０は、それぞれこの発明の「バイパス管」、「バルブ」に該当する。
【００５９】
以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の実施の形態１におけるシステム構成を説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における空燃比センサを説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１における空燃比センサの取付通路構造を説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１における空燃比センサの取付通路構造を説明するための模式図である。
【図５】センサ素子に吸着する吸着種の吸着のメカニズムを説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態１においてバルブ開閉タイミングについて説明するためのタイムチャートである。
【図７】この発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図８】この発明の実施の形態１における空燃比センサの他の取付通路構造を説明するための模式図である。
【図９】この発明の実施の形態１における空燃比センサの他の取付通路構造を説明するための模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態１における空燃比センサの他の取付通路構造を説明するための模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態１における空燃比センサの他の取付通路構造を説明するための模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態２における触媒浄化装置の構造を説明するための模式図である。
【図１３】この発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
２  内燃機関
４  吸気ポート
６  吸気マニホルド
８  燃料噴射弁
１０  排気ポート
１２  排気マニホルド
１４  三元触媒
１６  触媒コンバータ
１８  排気管
２０  空燃比センサ
２２  酸素センサ
２４  制御装置
３０  センサ素子
３２  拡散抵抗層
３４  排気側電極
３６  固体電解質層
３８  大気側電極
４０  大気室
４２  ヒータ
４４  カバー
４６  通気孔
５０、２５０、３５０  バイパス管
１５０、４５０  分岐管
５２、１５２、２５２、３５２、４５２  バルブ
５４  吸着種
６０  触媒浄化装置
６２  冷却フィン
６４  ＨＣ吸着触媒
６６  三元触媒
６８  バイパス管
７０  バルブ
【図１】
2007046462.tif 000003
【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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