JP4496775B2

JP4496775B2 - 酸素センサのヒータ制御装置

Info

Publication number: JP4496775B2
Application number: JP2003428671A
Authority: JP
Inventors: 裕次郎諏訪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP2005189018A

Description

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。

内燃機関の排気中に含まれるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを三元触媒によって浄化する場合に、その転換効率を最大にするため、酸素センサにより排気中の酸素濃度を検出し、この排気中の酸素濃度をもとに算出された実際の空燃比を用いて、空燃比が理論空燃比となるように制御している。

ところで、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。

また、一方で、ヒータによって酸素センサの素子温度が上がり過ぎると酸素センサの劣化を早めることになるので、例えば特許文献１のように、酸素センサの雰囲気温度が高くなる条件下では、加熱を中断するようにヒータを制御する技術も知られている。
特開平１０−３３２６２８号公報

しかしながら、ヒータを用いて酸素センサへの加熱を断続する従来の技術は、基本的には、エンジン回転及び負荷等の運転状態に状態によって、ヒータにより加熱を行う（ヒータＯＮ）領域と、加熱を行わない（ヒータＯＦＦ）領域とを設定しておき、ヒータＯＮ領域からヒータＯＦＦ領域に運転状態が移行するとヒータによる加熱を中断し、ヒータＯＦＦ領域からヒータＯＮ領域に運転状態が移行するとヒータによる加熱を行っている。

そのため、酸素センサの雰囲気温度が高くなる運転状態が長時間続いた後に、酸素センサの雰囲気温度が相対的に低くなる運転状態に移行した場合、すなわち長時間ヒータＯＦＦ領域にあった運転状態がヒータＯＮ領域となる運転状態に移行した場合、運転状態がヒータＯＦＦ領域にある間に酸素センサは十分に高温となっているので、運転状態がヒータＯＮ領域に移行した際に、即座にヒータにより酸素センサを加熱すると、高温状態の酸素センサを更に加熱することになり、酸素センサの劣化を促進させる虞がある。

そこで、本発明の酸素センサのヒータ制御装置は、エンジン高負荷運転状態の継続時間を検知する高負荷運転継続時間検出手段と、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中止し、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、直前の高負荷運転の継続時間に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させ、上記遅延させる時間を、上記継続時間が予め設定されたリミット値以下の場合には概ね上記継続時間に比例して長くなるように設定し、上記継続時間が上記リミット値よりも大きい場合には上記継続時間に関わらず略一定に設定することを特徴としている。

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２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。

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。

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。

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に設けられており、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。

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。

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。

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。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。

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、高負荷運転継続時間検出手段、運転負荷切替判定手段、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。

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Ｓ１０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。

Ｓ４では、ヒータＯＦＦフラグ＝０とし、Ｓ６に進んでヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始する。つまり、ヒータＯＦＦフラグ＝０となった場合には、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱が開始される。

Ｓ８では、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝０としてＳ１０へ進む。

Ｓ１０では、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝１となっているか否かを判定し、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝１となっている場合にはＳ３７へ進み、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝１となっていない場合にはＳ１２へ進む。

Ｓ１２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Ｓ１４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Ｓ２２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。

一方、Ｓ３７においても、Ｓ１２と同様に、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Ｓ３９へ進み、エンジン１が高負荷運転中ではない場合にはＳ３８へ進む。

Ｓ３９では、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝０とし、ディレイ時間カウントをクリアし、タイマーカウント開始し、今回のルーチンを終了する。このＳ３９にて開始されるタイマーのカウントは、実質的には、高負荷運転状態の継続時間を測定するものであり、後述するＳ２４のタイミングでタイマーのカウントを終了するまで続けられる。

Ｓ１４では、ヒータＯＦＦフラグ＝１となっているか否かを判定し、ヒータＯＦＦフラグ＝１となっている場合には今回のルーチンを終了し、ヒータＯＦＦフラグ＝１ではない場合にはＳ１６へ進む。

Ｓ１６では、ヒータＯＦＦフラグ＝１とし、Ｓ１８に進んでヒータ３１への通電を停止し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を中断し、Ｓ２０へ進む。つまり、ヒータＯＦＦフラグ＝１となった場合には、ヒータ３１による酸素センサ２７の中断される。

Ｓ２０では、ＥＣＵ２０内の内部タイマーによるカウントを開始し、今回のルーチンを終了する。尚。Ｓ２０にて開始されるタイマーのカウントは、実質的には、高負荷運転状態の継続時間を測定するものであり、後述するＳ２４のタイミングでタイマーのカウントを終了するまで続けられる。

Ｓ２２では、ヒータＯＦＦフラグ＝１となっているか否かを判定し、ヒータＯＦＦフラグ＝１となっている場合にはＳ２４へ進み、ヒータＯＦＦフラグ＝１ではない場合には今回のルーチンを終了する。ここで、Ｓ２２に関して詳述すれば、Ｓ２２においてヒータＯＦＦフラグ＝１となっている場合とは、エンジンの運転状態が中・低負荷状態にも関わらずヒータ３１に通電されていない状態であり、換言すれば、このＳ２２において、高負荷状態から中・低負荷状態への切り替ったかどうかを判定している。

Ｓ２４では、上述したＳ２０で開始されたタイマーのカウントを終了し、タイマーカウント値を算出する。このタイマーカウント値は、エンジンの高負荷運転状態の持続時間に相当するものである。

Ｓ２６では、Ｓ２４で算出されたタイマーカウント値が、予め設定された所定値以上の値であるか否かを判定し、所定値以上の場合にはＳ３２へ進み、所定値未満の場合にはＳ２８へ進む。尚、このＳ２６における判定処理後にタイマーカウント値はクリアされる。

Ｓ２８では、ヒータＯＦＦフラグ＝０とし、Ｓ３０に進んでヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始して今回のルーチンを終了する。ここで、エンジンの高負荷運転状態の持続時間が短い場合には、酸素センサ２７はそれほど高温状態にはなっていないと考えられる。そこで、Ｓ２６では、高負荷運の持続時間が短い場合、すなわちタイマーカウント値が所定値以下の場合には、Ｓ２８へ進み、直ちにヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始しているのである。

Ｓ３２では、タイマーカウント値に基づいてディレイ時間Ｔを算出する。このディレイ時間Ｔは、タイマーカウント値と一義的に関連づけられた値であって、ＥＣＵ２０内部に記憶させてあるテーブルから算出されるものである。詳述すれば、ディレイ時間Ｔは、タイマーカウント値がＳ２６における所定値以上で、かつ予め設定されたリミット値以下の場合には、概ねタイマーカウンタ値に比例して長くなるよう設定され、タイマーカウント値が上記リミット値よりも大きい場合には、タイマーカウンタ値の値に関わらず略一定となる。これは、酸素センサ２７の温度は、高負荷運転状態が有る程度持続すると平衡状態となって昇温しなくなると考えられるからである。尚、上記リミット値は、実験適合等によって設定されるものとする。

Ｓ３４では、Ｓ３２で算出されたディレイ時間Ｔの間、ヒータ３１による酸素センサ２７への加熱開始時期を遅延させるべく、このディレイ時間Ｔのカウントを開始する。

Ｓ３６では、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝１としＳ３８へ進む。つまり、ディレイ時間継続カウント中フラグが「１」となっている状態は、運転状態が中・低負荷運転にも関わらず敢えてモータ３１による酸素センサ２７の加熱の開始時期を遅延させていること意味している。

Ｓ３８では、Ｓ３２で算出されたディレイ時間Ｔが経過したか否かを判定し、ディレイ時間Ｔが経過している場合にはＳ４０へ進み、ディレイ時間Ｔが経過していない場合には今回のルーチンを終了する。

Ｓ４０では、Ｓ３２で算出されたディレイ時間Ｔが経過したことに伴い、ディレイ時間継続カウント中フラグ＝０とし、ディレイ時間カウントをクリアして、Ｓ４２へ進む。

Ｓ４２では、ヒータＯＦＦフラグ＝０とし、Ｓ４４に進んでヒータ３１への通電を開始し、ヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始する。

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１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、負荷がヒータＯＦＦ領域からヒータＯＮ領域に移行した際には、直前のヒータＯＦＦ領域に負荷が連続して留まっていた時間、すなわち直前の高負荷運転の継続時間、に応じて決定されるディレイ時間Ｔの経過後にヒータ３１による酸素センサ２７の加熱を開始する。すなわち、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ることで、ヒータＯＦＦ領域の実質的な拡大を行っている。

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。

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。

尚、上述した実施形態においては、ディレイ時間Ｔを、直前の高負荷運転の継続時間に応じて決定しているが、直前の高負荷運転の継続時間と、エンジン回転数を用いて酸素センサ２７の温度を推定し、推定された酸素濃度センサ２７の温度に応じてディレイ時間Ｔを決定するようにしてもよい。

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。

（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、エンジン運転状態を判定する運転状態判定手段と、を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱する酸素センサのヒータ制御装置において、エンジン高負荷運転状態の継続時間を検知する高負荷運転継続時間検出手段と、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、直前の高負荷運転の継続時間に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させることを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置。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２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。また、酸素センサ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、ヒータによる酸素センサ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。

（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、高負荷運転の継続時間と高負荷運転中のエンジン回転数とを用いて高負荷運転終了時における酸素センサの温度を推定する酸素センサ温度推定手段を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、酸素センサ温度推定手段により推定された酸素センサの温度に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させる。

（３）上記（１）または（２）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、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、エンジンの吸入空気量を検出する吸気量検出手段を有し、運転状態判定手段は、エンジン回転数と吸入空気量とを用いてエンジンの運転状態を判定している。

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。酸素センサの断面図。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。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

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

Claims

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、エンジン運転状態を判定する運転状態判定手段と、を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱する酸素センサのヒータ制御装置において、
エンジン高負荷運転状態の継続時間を検知する高負荷運転継続時間検出手段と、
エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段を有し、
エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、直前の高負荷運転の継続時間に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させ、
上記遅延させる時間を、上記継続時間が予め設定されたリミット値以下の場合には概ね上記継続時間に比例して長くなるように設定し、上記継続時間が上記リミット値よりも大きい場合には上記継続時間に関わらず略一定に設定する
ことを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置。
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、エンジン運転状態を判定する運転状態判定手段と、を有し、エンジンの運転状態が高負荷運転の際には、ヒータによる酸素センサの加熱を中断し、エンジンの運転状態が中・低負荷運転の際には、ヒータにより酸素センサを加熱する酸素センサのヒータ制御装置において、
エンジン高負荷運転状態の継続時間を検知する高負荷運転継続時間検出手段と、
エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わったことを判定する運転負荷切替判定手段と、
高負荷運転の継続時間と高負荷運転中のエンジン回転数とを用いて高負荷運転終了時における酸素センサの温度を推定する酸素センサ温度推定手段を有し、
エンジンの運転状態が高負荷運転から中・低負荷運転に切り替わった際には、酸素センサ温度推定手段により推定された酸素センサの温度に応じて、ヒータによる酸素センサの加熱開始時期を遅延させることを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置。
エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、エンジンの吸入空気量を検出する吸気量検出手段を有し、運転状態判定手段は、エンジン回転数と吸入空気量とを用いてエンジンの運転状態を判定していることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサのヒータ制御装置。