JP4821703B2

JP4821703B2 - ガスセンサ制御装置

Info

Publication number: JP4821703B2
Application number: JP2007130140A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎青木; 悦弘井出
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: JP2008286572A

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関する。

従来より、内燃機関においては、排気通路内に空燃比センサや酸素センサなどのガスセンサが配置されている。このようなガスセンサは、センサ素子と、センサ素子を活性化させるヒータとを有している。

一方、内燃機関の始動時や、又は始動直後のように冷間時には、排気通路内に前回の機関停止後の排気通路内に排気ガスが凝縮して水が残っていたり、始動後に機関より排出される排気ガスが低温の排気通路の内壁に触れて凝縮水が発生する場合がある。

ヒータによりセンサが加熱状態にある場合に、この凝縮水がセンサにかかると、センサ素子の素子割れなどが発生するおそれがある。特許文献１乃至４には、このような問題への対策技術が開示されている。

特開平８−１５２１３号公報特開２００１−７３８２７号公報特開２００４−１０１２７４号公報特開２００１−３５５４９８号公報

ところで、このようなガスセンサは、センサ素子を覆うとともに排気ガスを通過させる通気孔を有したカバーを備えているものが知られている。センサ素子を覆うことにより、センサ素子に凝縮水が付着して破損することを防止することができる。
しかしながら、カバー内に配置されてセンサ素子を支持する絶縁硝子などの表面に、結露により凝縮水が生じる恐れがある。このカバー内に発生した凝縮水が、ヒータによって活性化されているセンサ素子に触れるとセンサ素子が破損する恐れがある。特許文献１乃至４に開示されている技術は、このような観点からの考察はなされていない。

したがって本発明の目的は、カバー内に発生する凝縮水の被水によるガスセンサの破損を防止するガスセンサ制御装置を提供することである。

上記目的は、内燃機関の排気通路に配置され、センサ素子と、前記センサ素子を活性化する加熱手段と、前記センサ素子を覆うと共に通気孔が形成されたカバーと、を含むガスセンサと、前記加熱手段を通電制御する加熱制御手段と、機関冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、前記機関冷却水の温度に基づいて前記カバー内に凝縮水が発生する条件下であるか否かを判定する凝縮水判定手段とを備え、前記加熱制御手段は、前記カバー内に凝縮水が発生する条件下では、前記センサ素子が凝縮水の被水によって破損する温度未満となるように前記加熱手段を制御し、前記カバー内に凝縮水が発生し得ない条件下では、前記センサ素子を活性化温度まで昇温させるように前記加熱手段を制御する、ことを特徴とするガスセンサ制御装置によって達成できる。

この構成により、カバー内に凝縮水が発生し得る条件下であると判定された場合には、センサ素子が凝縮水の被水によって破損するほどの高温状態にならないように加熱手段が制御される。カバー内に凝縮水が発生し得ない条件下であると判定された場合には、センサ素子を活性化温度まで昇温させるように加熱手段が制御される。これにより、カバー内に発生する凝縮水の被水によるセンサ素子の破損を防止できると共に早期にセンサ素子を活性化することができる。

本発明によれば、カバー内に発生する凝縮水の被水によるガスセンサの破損を防止するガスセンサ制御装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。

図１は、本実施例に係るエンジンシステムの構成を示した模式図であり、自動車に搭載された多気筒の筒内噴射型ガソリンエンジン（以下「エンジン」と略す）２及びその電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）４の概略構成を示している。図１では１つの気筒の構成を中心として示している。

ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、エンジン全体の作動を制御する。
エンジン２には、燃焼室１０内に燃料を直接噴射する燃料噴射バルブ１２と、この噴射された燃料に点火する点火プラグ１４とがそれぞれ設けられている。

燃焼室１０に接続している吸気ポート１６は吸気バルブ（図示略）の駆動により開閉される。吸気ポート１６に接続された吸気通路２０の途中にはサージタンク２２が設けられ、サージタンク２２の上流側にはスロットルモータ２４によって開度が調節されるスロットルバルブ２６が設けられている。

このスロットルバルブ２６の開度により吸気量が調整される。スロットル開度はスロットル開度センサ２８により検出され、サージタンク２２内の吸気圧は、吸気圧センサ３０により検出される。また、吸気通路２０にはエアフロメータ２１が配置されて、吸入空気量をＥＣＵ４に出力する。

燃焼室１０に接続している排気ポート３２は排気バルブ（図示略）の駆動により開閉される。排気ポート３２に接続された排気通路３６には、排気ガス中の未燃成分（ＨＣ，ＣＯ）の酸化と窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とを行い、酸素吸蔵、放出機能を有する三元触媒であるスタートキャタリスト３８が設けられている。また、排気通路３６には、スタートキャタリスト（以下、単に「触媒」という。）３８の下流にＮＯｘ吸蔵還元触媒４０が設けられている。

また、排気通路３６には、触媒３８の上流側に、第１酸素センサ６４が、触媒３８とＮＯｘ吸蔵還元触媒４０との間に第２酸素センサ７０が配置されている。

このＥＣＵ４は、スロットル開度センサ２８及び吸気圧センサ３０以外に、アクセルペダル４４の踏み込み量（アクセル開度ＡＣＣＰ）を検出するアクセル開度センサ５６からの信号を入力している。更に、ＥＣＵ４は、クランク軸５４の回転からエンジン回転数ＮＥを検出するエンジン回転数センサ５８、第１酸素センサ６４、第２酸素センサ７０からそれぞれ信号を入力している。また、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ４１が設けられ、検出したエンジン冷却水温度は、ＥＣＵ４に出力される。

ＥＣＵ４は、上述した各種センサからの検出内容に基づいて、エンジン２の燃料噴射時期、燃料噴射量、及びスロットル開度ＴＡを適宜制御する。

ＥＣＵ４は、触媒３８の酸化・還元能力を高めるために、触媒３８に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように、燃料噴射量を、第１酸素センサ６４の出力、或いはその出力と第２酸素センサ７０の出力とに基づいて空燃比フィードバック制御する。

次に、第１酸素センサ６４の構成について簡単に説明する。図２は、第１酸素センサ６４の模式図である。尚、第２酸素センサ７０も基本的な構造は第１酸素センサ６４と同様である。

図２に示すように、ハウジング６９ａと、ハウジング６９ａに絶縁碍子６９ｂを介して挿通した積層型のセンサ素子６５と、ハウジング６９ａの先端側に設けた２重構造となるアウタカバー６６ａ及びインナカバー６６ｂとを有する。また、図２においては図示されていないが、センサ素子６５には、センサ素子６５を活性化温度まで昇温させるためのヒータ（加熱手段）が内蔵されている。このヒータの作動は、ＥＣＵ４によって制御されている。

アウタカバー６６ａには、通気孔６７ａ、６８ａが形成され、インナカバー６６ｂには、通気孔６７ｂ、６８ｂが形成されている。
通気孔６７ａ、６７ｂは、それぞれアウタカバー６６ａ、インナカバー６６ｂの外周側面に形成され、通気孔６８ａ、６８ｂは、それぞれアウタカバー６６ａ、インナカバー６６ｂの下面に形成されている。
排気ガスは、通気孔６７ａ、通気孔６７ｂを介して、インナカバー６６ｂ内に流れ込んでセンサ素子６５と接触し、通気孔６８ｂ、６８ａを介して、排出されるように流動する。アウタカバー６６ａ、インナカバー６６ｂにより２重管構造とすることにより、センサ素子６５への凝縮水の被水を防止している。

次に、このようなカバーを有する酸素センサに起こり得る問題点について詳細に説明する。
図２に示すように、排気ガスが通気孔６７ａ、通気孔６７ｂを介して、排気ガスがインナカバー６６ｂ内へと流れ込むが、この際に、流れ込んだ排気ガスの大部分は、通気孔６８ｂ、６８ａを介してアウタカバー６６ａ外へと排出されるが、インナカバー６６ｂ内へ流れ込んだ排気ガスの一部は、センサ素子６５の根元部周辺で滞留する場合がある。この滞留したガスに含まれる水分が、絶縁硝子６９ｂの下面６９ｃと接触することにより、下面６９ｃに凝縮水が発生する恐れがある。センサ素子６５がヒータによって活性化温度（６５０℃程度）に維持されているときに、この凝縮水が被水すると、センサ素子６５が破損する。

このように、インナカバー６６ｂ内に発生した凝縮水によってセンサ素子６５が破損する恐れがある。しかしながらＥＣＵ４は、冷却水の温度に基づいてインナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件下であるか否かを判定し、その判定結果に応じて、ヒータへの通電状態を変更する。この処理について簡単に説明する。

ＥＣＵ４は、まず、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件下であるかどうかを判断する。
インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件とは、インナカバー６６ｂの内壁を含む、インナカバー６６ｂによって囲まれる部材の表面（絶縁硝子６９ｂの下面６９ｃや、インナカバー６６ｂ内に露出するハウジング６９ａの表面）の温度が、標準大気圧下での露点温度の最上限値以下（標準大気圧下での水の沸点以下）の場合をいう。具体的には、インナカバー６６ｂ内で凝縮水が発生する条件とは、インナカバー６６ｂの内壁及び、絶縁硝子６９ｂの下面６９ｃの温度等が、１００℃以下での状態をいう。この状態では、インナカバー６６ｂ及び絶縁硝子６９ｂの下面６９ｃに触れた排気ガスが、結露を起こし、凝縮水がインナカバー６６ｂの内壁又は絶縁硝子６９ｂの下面６９ｃに発生するおそれがある。

ＥＣＵ４は、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件下の場合には、センサ素子６５が凝縮水の被水によって破損する温度未満となるようにヒータを制御し、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生し得ない条件下では、センサ素子６５を活性化温度まで昇温させるようにヒータを制御する。これにより、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生し得る条件下であると判定された場合には、センサ素子６５が凝縮水の被水によって破損するほどの高温状態にならないようにヒータが制御される。インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生し得ない条件下であると判定された場合には、センサ素子６５を活性化温度まで昇温させるようにヒータが制御される。これにより、インナカバー６６ｂ内に発生する凝縮水の被水によるセンサ素子６５の破損を防止できると共に早期にセンサ素子６５を活性化することができる。

ＥＣＵ４は、この条件下であるか否かの判断を、エンジン冷却水の水温に基づいて判定する。エンジン冷却水の水温は、エンジン始動後徐々に上昇し始める。一方、インナカバー６６ｂの内壁及び絶縁硝子６９ｂの下面６９ｃの温度は、排気ガスから受ける熱量と、ヒータから受ける熱量とにより、徐々に温度上昇をし始める。従って、エンジン冷却水の温度上昇と、インナカバー６６ｂの内壁及び絶縁硝子６９ｂの下面６９ｃの温度上昇とは一定の相関関係を有しているといえる。

次に、ＥＣＵ４が実行するヒータの制御処理について具体的に説明する。
図３は、ＥＣＵ４が実行するヒータの制御処理の一例を示したフローチャートである。図４は、エンジン冷却水の水温や、センサ素子６５の温度、インナカバー６６ｂの温度の変化を示したチャート図である。尚、図４のチャートは、本願発明者が実験によって得られたものであり、エンジン始動時から所定期間における水温変化などを示している。尚、図４において、曲線Ａは、インナカバー６６ｂの温度を示し、曲線Ｂは、センサ素子６５の温度を示し、曲線Ｃは、冷却水温を示し、曲線Ｄは、ヒータに対するデューティ比を示している。

まず、ＥＣＵ４は、水温センサ４１からの出力により、エンジン始動時のエンジン冷却水の水温と、現在のエンジン冷却水の水温を検出する（ステップＳ１）。図４に示すように、エンジン冷却水の水温曲線Ｃは、エンジンの始動と共に緩やかに上昇する。

次に、ＥＣＵ４は、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件下であるか否かの判定をするための判定値を算出する（ステップＳ２）。この判定値は、以下の式により算出される。
判定値＝始動時の水温＋（上昇分の温度×係数）……（１）
上昇分の温度とは、始動時の温度から現在の温度までの上昇分の温度をいう。尚、係数は、第１酸素センサ６４の取付位置などにより適宜変更可能に設定される。

次に、ＥＣＵ４は、判定値が基準値よりも大きいか否かの判定する（ステップＳ３）。この判定値が基準値に満たない場合には、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件下であるとして、ＥＣＵ４はヒータに対して低電力制御を実行する（ステップＳ４、※１）。具体的には、デューティ比を１０パーセント程度に制御する。これにより、センサ素子６５の温度は緩やかに温度上昇することになる（※２）。また、インナカバー６６ｂの曲線は、緩やかに上昇する（※３）。

判定値が基準値よりも大きい場合には、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生しない条件下であるとして、ＥＣＵ４はヒータに対してセンサ素子６５が活性化温度に至るように電力制御する（ステップＳ５、※４）。具体的には、デューティ比を６０パーセント程度に制御する。これにより、センサ素子６５の温度は緩やかに急上昇して早期に活性化温度へと到達することになる（※５）。また、インナカバー６６ｂの温度についても急上昇する（※６）。

次に、基準値について説明する。この基準値は、エンジン始動時からヒータを前述した低電力通電により制御した場合に、インナカバー６６ｂの温度が、標準大気圧下での露点温度の最上限値（標準大気圧下での水の沸点）を超え、このときのセンサ素子６５の温度が、センサ素子６５が被水によって破損する温度未満となる状態での、エンジン冷却水の温度から規定されている。具体的には、基準値は、インナカバー６６ｂの温度が１００℃にまで上昇し（※７）、この際のセンサ素子６５の温度が３００℃未満（※８）となる状態での、エンジン冷却水の温度から規定されている。尚、インナカバー６６ｂの温度が１００℃以上の場合には、絶縁硝子６９ｂの下面６９ｃの温度も１００℃以上であると推定される。従って、この基準値に基づいて算出された判定値を判断することにより、現在の状態が、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件かであるかどうかを判断することができる。

このようにＥＣＵ４は、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件下では、センサ素子６５が凝縮水の被水によって破損する温度未満となるようにヒータを制御し（※１）、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生し得ない条件下では、センサ素子６５を活性化温度まで昇温させるようにヒータを制御する（※４）。これにより、インナカバー６６ｂ内に発生する凝縮水の被水によるセンサ素子６５の破損を防止できると共に早期にセンサ素子６５を活性化することができる。

また、インナカバー６６ｂ内に凝縮水が発生する条件下であるか否かを、冷却水の温度に基づいて判定するので、例えば、排気通路の内壁に温度に基づいて判定するような場合には、機関運転状態の変動によっては、一度露点以上の温度になったにもかかわらず、再度露点以下の温度となる恐れもあるが、このような問題を防止できる。即ち、冷却水の温度に基づいて判定することにより、上記の判定をエンジンの運転状態の変動に影響されずに正確に行うことができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本実施例に係るエンジンシステムの構成を示した模式図である。第１酸素センサの模式図である。ＥＣＵが実行するヒータの制御処理の一例を示したフローチャートである。エンジン冷却水の水温や、センサ素子の温度等の変化を示したチャート図である。

符号の説明

２エンジン
４ＥＣＵ（加熱制御手段、凝縮水判定手段）
１０燃焼室
１２燃料噴射バルブ
１４点火プラグ
１６吸気ポート
２０吸気通路
２２サージタンク
２４スロットルモータ
２６スロットルバルブ
２８スロットル開度センサ
３０吸気圧センサ
３２排気ポート
３６排気通路
３８触媒
４０ＮＯｘ吸蔵還元触媒
４４アクセルペダル
５４クランク軸
５６アクセル開度センサ
５８エンジン回転数センサ
６４第１酸素センサ
６５センサ素子
６６ａアウタカバー
６６ｂインナカバー
７０第２酸素センサ

Claims

内燃機関の排気通路に配置され、センサ素子と、前記センサ素子を活性化する加熱手段と、前記センサ素子を覆うと共に通気孔が形成されたカバーと、を含むガスセンサと、
前記加熱手段を通電制御する加熱制御手段と、
機関冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
前記機関冷却水の温度に基づいて前記カバー内に凝縮水が発生する条件下であるか否かを判定する凝縮水判定手段とを備え、
前記加熱制御手段は、前記カバー内に凝縮水が発生する条件下では、前記センサ素子が凝縮水の被水によって破損する温度未満となるように前記加熱手段を制御し、前記カバー内に凝縮水が発生し得ない条件下では、前記センサ素子を活性化温度まで昇温させるように前記加熱手段を制御し、
前記凝縮水判定手段は、前記内燃機関の始動時での冷却水の温度と現在の冷却水の温度との差である上昇分の温度に係数を乗算した値に、前記内燃機関の始動時での冷却水の温度を加算した値を判定値とし、
前記判定値が基準値よりも大きい場合には、前記カバー内に凝縮水が発生する条件下ではないと判定し、
前記判定値が前記基準値に満たない場合には、前記カバー内に凝縮水が発生する条件下であると判定する、ことを特徴とするガスセンサ制御装置。