(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パティキュレートを含む排気ガスが通過する機関排気系に設けられたセンサと、前記センサを加熱するためのヒータとを具備し、機関始動後暫くは前記ヒータを作動させないようにする内燃機関の制御装置において、前記ヒータを作動開始する時点での前記センサへのパティキュレート付着を考慮して前記センサが正確な出力を提供するまでの前記ヒータの加熱時間を決定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記ヒータを作動開始する時点での前記センサへのパティキュレート付着量を推定し、前記加熱時間は、推定された前記パティキュレート付着量が多いほど長くされることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機関排気系には排気ガスの状態を検出するための種々のセンサが配置されている。例えば、燃焼空燃比を把握するために、機関排気系には排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサが配置される。酸素センサ等のある種のセンサは、比較的高温の活性化温度を有しており、機関始動から排気ガスの熱を利用して活性化するまでには長い時間が必要である。センサを早期に活性化して機関始動直後からセンサを利用した制御を可能とするために、センサに自身を加熱するヒータを設け、機関始動時からヒータを作動してセンサを早期に活性化することが提案されている。
【０００３】
機関始動時には機関排気系全体の温度が低くなっており、排気ガス中の水蒸気が機関排気系内で結露する。この結露した水分がヒータにより加熱されたセンサに付着すると、センサは、急激に冷却され、この急激な温度変化によって機械的に破損することがある。
【０００４】
特開２００１−４１９２３号公報には、機関始動時において機関排気系の温度が上昇して機関排気系内で結露した水分が蒸発するまでセンサに設けられたヒータを作動させないことを開示している。その後、ヒータを作動させてセンサを活性化するのに必要な所定時間の加熱が完了した時からセンサによる制御を実施するようになっている。その後、ヒータはセンサの活性状態を保つように通電制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術によって、確かに急激な温度変化によるセンサの機械的破損を防止することができる。しかしながら、ディーゼルエンジン及び直噴ガソリンエンジン等のような排気ガス中にパティキュレートが含まれる内燃機関においては、所定時間の加熱によってセンサを活性化しても正確な制御が実現されないことがある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、パティキュレートを含む排気ガスが通過する機関排気系に設けられたセンサと、センサを加熱するためのヒータとを具備し、機関始動後暫くはヒータを作動させないようにする内燃機関の制御装置において、ヒータ作動によってセンサを活性化させ、センサによる正確な制御を確実に実現可能とすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、パティキュレートを含む排気ガスが通過する機関排気系に設けられたセンサと、前記センサを加熱するためのヒータとを具備し、機関始動後暫くは前記ヒータを作動させないようにする内燃機関の制御装置において、前記ヒータを作動開始する時点での前記センサへのパティキュレート付着を考慮して前記センサが正確な出力を提供するまでの前記ヒータの加熱時間を決定することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記ヒータを作動開始する時点での前記センサへのパティキュレート付着量を推定し、前記加熱時間は、推定された前記パティキュレート付着量が多いほど長くされることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による制御装置が取り付けられるディーゼルエンジンであり、排気ガス中にはパティキュレートが含まれている。１は機関本体であり、２は吸気弁３を介して気筒内へ通じる機関吸気系であり、４は排気弁５を介して気筒内へ通じる機関排気系である。６はピストン７頂面に形成された燃焼室７ａ内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁である。機関排気系には、燃焼空燃比を把握するために排気ガス中の酸素濃度によって出力電圧が変化する酸素センサ８が配置されている。燃焼空燃比がリッチであるかリーンであるかだけを把握するためには、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の時に出力電圧が急変するステップ出力式酸素センサが使用される。また、燃焼空燃比のリッチ又はリーンの程度まで把握するには、排気ガスの空燃比に応じて出力電圧がリニアに変化するリニア出力式酸素センサが使用される。
【００１０】
いずれの酸素センサも比較的高い活性化温度（約６５０°Ｃ）を有しており、この活性化温度へ昇温するためのヒータが設けられている。機関始動時には、機関排気系全体が低温度となっており、酸素センサを使用する燃焼空燃比制御（燃料噴射量制御又は吸入空気量制御）を開始するためには、前述のヒータを作動しなければならない。２０は制御装置であり、酸素センサ８による空燃比を実施すると共にヒータの作動を制御する。機関排気系４における酸素センサ８位置近傍の温度を検出するための温度センサ９及び機関冷却水の温度を検出する水温センサ１０等が電気的に接続されている。
【００１１】
図２は、本制御装置によって機関始動直後にヒータを作動するために実施されるフローチャートである。本フローチャートは、機関始動完了と同時に開始され、所定時間毎に繰り返されるものである。先ず、ステップ１０１において、フラグＦが１であるか否かが判断される。フラグＦは機関停止と同時に０にリセットされており、機関始動完了当初においては、この判断は否定され、ステップ１０２へ進む。
【００１２】
ステップ１０２では、機関排気系の温度ＴＨが前述の温度センサ９によって検出される。次いで、ステップ１０３において、検出された温度ＴＨが設定温度ＴＨ１以上であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、排気ガス中の水蒸気が機関排気系内で結露すると考えられる。それにより、もし、ヒータを作動して酸素センサ８を加熱していると、機関排気系内で結露した水分が酸素センサ８に付着して酸素センサ８が急激に冷却され、この急激な温度変化によって酸素センサ８が機械的に破損してしまう。
【００１３】
これを防止するために、本フローチャートでは、ステップ１０３における判断が否定される時には、ヒータを作動させることなく、ステップ１０４においてパティキュレート付着量Ｓを設定量ａだけ増加させて終了する。前述したようにディーゼルエンジンの排気ガス中にはパティキュレートが含まれており、このパティキュレートは酸素センサ８に付着する。設定量ａは、本フローチャートの実行間隔で酸素センサに新たに付着するパティキュレートの量であり、パティキュレート付着量Ｓは、現時点で酸素センサに付着しているパティキュレート量を表わしている。このパティキュレート付着量Ｓは、機関停止によってもリセットされることなく記憶されるようになっている。
【００１４】
この一連の処理が繰り返されるうちに、通過する排気ガスにより加熱されて機関排気系の温度ＴＨが設定温度ＴＨ１以上となり、ステップ１０３における判断が肯定される。この時において、機関排気系内で結露した水分は蒸発してなくなっており、ステップ１０５においてヒータを作動する。もちろん、外気温度が高い時の始動又は機関停止直後の再始動では、当初からステップ１０３における判断が肯定され、ステップ１０５において直ちにヒータが作動される。
【００１５】
次いで、ステップ１０６において、ヒータ作動からの経過時間ｔが設定時間ｔ１以上となったか否かが判断される。当初、この判断は否定され、ステップ１０４において、酸素センサ８へのパティキュレート付着量Ｓを積算して終了する。酸素センサ８に付着するパティキュレートは、酸素センサ８の活性化温度（６５０°Ｃ）と同程度の温度にならないと着火燃焼しないために、ヒータによる酸素センサ８の加熱当初は、やはり、酸素センサ８へ排気ガス中のパティキュレートが新たに付着することとなる。
【００１６】
この一連の処理が繰り返されると、ヒータが設定時間ｔ１作動されてステップ１０６における判断が肯定される。この時において酸素センサ８は活性化温度となっている。しかしながら、この時には酸素センサ８に付着したＳＯＦの酸化及びパティキュレートの燃焼が開始されており、この時点で酸素センサによる内燃機関の燃焼空燃比制御を開始しても正確な制御は実現不可能である。なぜなら、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであっても、酸素センサ８回りではパティキュレートの燃焼に伴って酸素が消費されるために、酸素センサ８は、排気ガスの空燃比が真値よりリッチ側であると出力し、理論空燃比よりリーンであると出力するとは限らない。
【００１７】
本フローチャートでは、ステップ１０６における判断が肯定されると直ぐに、酸素センサ８による内燃機関の制御を開始するのではなく、ステップ１０７において、これまで積算された酸素センサ８へのパティキュレート付着量Ｓから設定量ｂを減少させ、ステップ１０８においてパティキュレート付着量Ｓが０以下となったか否かを判断する。この設定量ｂは、本フローチャートの実行間隔で酸素センサ８上において焼失されるパティキュレートの量である。
【００１８】
ステップ１０８における判断が否定される時には、酸素センサ８にはパティキュレートが付着していて、このパティキュレートが燃焼している最中であり、この時にも排気ガス中のパティキュレートは新たに酸素センサ８に付着する。それにより、ステップ１０４においてパティキュレート付着量Ｓには前述の設定量ａが加えられて終了する。もちろん、単位時間当たりにおいて、酸素センサ８に新たに付着するパティキュレート量より酸素センサ上で焼失するパティキュレート量の方がかなり多く、この一連の処理が繰り返されれば、ステップ１０８における判断は確実に肯定される。
【００１９】
ステップ１０８における判断が肯定された時点で、ステップ１０９において、酸素センサ８を使用する内燃機関の燃焼空燃比制御が開始される。この時点において酸素センサ８上のパティキュレートは完全に焼失しているために、酸素センサの出力は正確なものであり、酸素センサ８を使用する正確な燃焼空燃比制御が可能となる。次いで、ステップ１１０のおいて前述したフラグＦは１にセットされる。その後は、ステップ１０１における判断が肯定されるために、機関停止によってフラグＦが０にリセットされない限り、これまで説明した本フローチャートの処理が繰り返されることはない。
【００２０】
本フローチャートによるヒータ作動制御に次いで、通常のヒータ作動制御が実施される。この通常のヒータ作動制御は、機関運転状態に基づき排気ガスの温度が低下したと判断される時にはヒータを作動する等して酸素センサを活性化温度近傍に維持するものである。こうして酸素センサ８は活性化温度に維持されるために、それ以降は、酸素センサ８に付着するパティキュレートは直ちに焼失される。この瞬間的な僅かな量のパティキュレートの焼失では、酸素センサ８回りの酸素濃度を殆ど変化させることはない。
【００２１】
前述したフローチャートにおいて、機関排気系内に水分が結露しているか否かの判断に、機関排気系の温度ＴＨを検出して利用したが、これは本発明を限定するものはなく、例えば、機関始動時に水温センサ１０によって機関冷却水温を検出して、又は、外気温度等を検出して、この検出温度に基づき機関排気系の温度ＴＨを推定して利用しても、又は、検出された冷却水温又は外気温度を直接的に利用しても良い。前述したように、機関停止直後の再始動では、機関排気系の温度が高く、機関排気系内に結露は発生しない。それにより、機関始動時に検出される機関冷却水温と外気温度との差が所定温度以上である時には、機関停止直後の再始動と判断して直ちにヒータを作動するようにしても良い。また、本フローチャートでは、機関排気系内で結露した水分が蒸発してなくなっているか否かを判断するのにも機関排気系の温度ＴＨを検出して利用したが、例えば、機関始動時に検出した機関冷却水温又は外気温度に基づき、機関始動直後の運転状態及び経過時間等を考慮して、機関排気系内で結露した水分が蒸発してなくなっているか否かを判断しても良い。ここで、機関冷却水温又は外気温度が低いほど、この判断が肯定されるまでの経過時間は長くなり、また、機関始動後の運転状態に基づく排気ガス温度が高いほど、この判断が肯定されるまでの経過時間は短くなる。また、機関冷却水温と外気温度との差が所定温度以上となった時に、機関排気系の温度が十分に高まって結露した水分が蒸発してなくなっていると判断しても良い。
【００２２】
本フローチャートにおいて、酸素センサ８が活性化温度となるまでのヒータの作動時間を設定時間ｔ１としたが、機関始動時において当初からステップ１０３における判断が肯定される場合には、機関排気系の温度ＴＨが高いほど、酸素センサ自身の温度も当初から高いために、設定時間ｔ１を短くしても良い。
【００２３】
また、本フローチャートにおいて、ヒータを作動開始する時点での酸素センサへのパティキュレート付着量Ｓは、もし、前回の機関始動時において酸素センサによる燃焼空燃比制御を開始する以前（ステップ１０８の判断が肯定される以前）に機関停止された場合には、この時点でのパティキュレート付着量Ｓが記憶されるために、この記憶されたパティキュレート付着量Ｓが今回の機関始動時において当初の値として使用される。それにより、このような場合においても、ステップ１０８における判断が肯定される時には、酸素センサ８にパティキュレートが付着していることはない。
【００２４】
このように、本フローチャートは、ヒータを作動開始する時点での酸素センサへのパティキュレート付着量を推定し、この推定されたパティキュレート付着量が多いほど、酸素センサが正確な出力を提供するまでのヒータの作動時間が長くなるように決定される。実際的には、本フローチャートにおいて、機関始動時から酸素センサのよる燃焼空燃比制御を開始するまでの各時間での酸素センサへのパティキュレート付着量を正確に把握するようにしている。しかしながら、酸素センサに付着するパティキュレートを焼失する時間はそれほど長くはならないために、例えば、ヒータを設定時間ｔ１作動する間は、パティキュレート付着量Ｓの積算を省略しても良い。すなわち、ステップ１０６における判断が否定されている間はそのまま終了するようにしても良い。
【００２５】
パティキュレート付着量の推定には、ステップ１０４においてフローチャートの実行間隔毎に新たに付着するパティキュレートの量を設定量ａとして、これを積算しているが、この設定量ａを機関運転状態に基づき燃焼室から排出されるパティキュレート排出量の違いを考慮して変化させるようにしても良い。
【００２６】
また、各時間での酸素センサへのパティキュレート付着量を正確に把握するのではなく、機関始動後暫くはヒータを作動させない場合には、酸素センサへパティキュレートが付着しているとして、酸素センサが正確な出力を提供するまでのヒータの加熱時間を所定時間だけ単に長くするようにしても、この所定時間でパティキュレートを焼失させることができ、酸素センサによる良好な燃焼空燃比制御が実現可能となる。
【００２７】
本実施形態は、図３に示すタイムチャートのように、機関始動完了時である時期Ａからヒータの作動を停止して最短時間で機関排気系内での水分結露による酸素センサの機械的破損を防止し、これが実現された時期Ｂからヒータを作動して酸素センサを活性化すると共に酸素センサ上のパティキュレートを焼失させ、これが実現された時期Ｃから正確な酸素センサの出力に基づき燃焼空燃比制御を開始するものである。これに比較して従来では、酸素センサへのパティキュレート付着が考慮されていないために、時期Ｂからヒータを作動して酸素センサが活性化した時期Ｃ’において酸素センサの出力が不正確であるにも係わらずに酸素センサによる燃焼空燃比制御を開始していたのである。
【００２８】
また、もう一つの従来技術では、図４に示すタイムチャートのように、例えば、冷却水温が所定温度に達した時点で酸素センサによる燃焼空燃比制御を開始すると予め決定されている内燃機関の制御装置では、機関排気系内で結露した水分をなくすのに可能な限り長い時間を確保すべく、この燃焼空燃比制御開始（時期Ｃ）に合わせて酸素センサが活性化するように、燃焼空燃比制御開始時期から活性化に必要な時間だけ早くヒータを作動開始（時期Ｂ’）させるようになっている。このような内燃機関の制御装置に本発明を適用する場合には、正確な燃焼空燃比制御を可能とするために、燃焼空燃比制御の開始時期（時期Ｃ）から酸素センサの活性化に必要な時間と酸素センサに付着するパティキュレートを焼失するのに必要な時間との合計時間だけ早くヒータを作動開始（時期Ｂ）することとなる。
【００２９】
これまで、機関排気系に酸素センサが配置されている場合について説明した。しかしながら、これは本発明を限定するものではなく、例えば、機関排気系内において排気ガス中に晒される圧力センサ等の他のセンサが配置されている場合においても、このセンサが自身を活性化温度へ昇温するためのヒータを有し、結露水分による機械的破損を防止する等のために機関始動後暫くはこのヒータを作動させないようにされていて、このセンサへのパティキュレートの付着がセンサの正確な出力の提供を阻害するものであれば、同様にヒータを作動開始する時点でのセンサへのパティキュレート付着を考慮してセンサが正確な出力を提供するまでのヒータの加熱時間を決定することによってセンサによる正確な制御が可能となる。また、本発明が適用可能な内燃機関は、ディーゼルエンジンに限定されることなく、例えば、成層燃焼を可能な火花点火内燃機関のように排気ガス中にパティキュレートを含むものであれば良い。
【００３０】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の制御装置は、パティキュレートを含む排気ガスが通過する機関排気系に設けられたセンサと、このセンサを加熱するためのヒータとを具備し、機関始動後暫くはヒータを作動させないようにする内燃機関の制御装置において、ヒータを作動開始する時点でのセンサへのパティキュレート付着を考慮してセンサが正確な出力を提供するまでのヒータの加熱時間を決定するようになっている。ヒータが作動されていない間において、センサには排気ガス中のパティキュレートが付着し、このパティキュレートを焼失させるまではセンサが活性化しても正確な出力を提供することはできないが、前述の内燃機関の制御装置によれば、センサへのパティキュレートの付着が考慮されてヒータの加熱時間が決定されるために、この加熱時間後にはパティキュレートを焼失させることができ、センサによる正確な制御を確実に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。
【図２】本発明による制御装置により実施されるヒータの作動制御を示すフローチャートである。
【図３】本発明による制御装置でのヒータ作動制御と従来のヒータ作動制御とを比較するタイムチャートである。
【図４】本発明による制御装置でのヒータ作動制御と従来のヒータ作動制御とを比較するもう一つのタイムチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２…機関吸気系
３…機関排気系
８…酸素センサ
２０…制御装置
【図１】
0003990902.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003990902.tif 000004
【図４】
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