JP4992935B2 - 排気ガスセンサの活性化制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスセンサの活性化制御装置に関するものである。

排気ガス中のガス濃度を検出する排気ガスセンサとしては、排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ_２センサや、排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度からエンジン内の燃料空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ等がある。

さらに、このような排気ガスセンサには、電気ヒータによりセンサ素子を６００℃〜７００℃等の活性温度まで加熱することで、センサ素子を構成する固体電解質の酸素イオンの移動度を高めて、センサ素子を活性化させるものがある。

このようなセンサ素子を活性温度まで加熱する排気ガスセンサでは、通常、内燃機関の始動後に、この排気ガスセンサを使用可能な状態とするために、電気ヒータによりセンサ素子を加熱して、センサ素子を活性化させている。

ただし、排気ガス中に存在する液状の水分が排気ガスセンサに付着して内部に侵入し、６００℃等の高温に加熱されたセンサ素子に液状の水分が付着すると、水分が付着している部分と、付着していない部分では温度差が大きくなり、熱膨張差が大きくなる等の理由により、センサ素子の破損、いわゆる被水割れが生じる。このため、従来では、例えば、下記の特許文献１〜３に記載のように、被水割れの対策が種々検討されている。

特許文献１に記載の技術では、排気ガス中に液状の水分が存在しなくなるまで、ヒータによるセンサ素子の加熱を制限し、排気ガス中に液状の水分が存在しなくなってから、センサ素子をヒータで加熱することで、被水割れの防止を図っている。

また、特許文献２、３に記載の技術では、排気ガス中に液状の水分が存在する間は、ヒータの加熱温度をセンサ素子の活性温度よりも低くして、センサに付着した液状の水分を蒸発させ、排気ガス中に液状の水分が存在しなくなってから、センサ素子を活性化温度までヒータで加熱することで、被水割れの防止を図っている。

特開２００１−４１９２３号公報 特開２００４−６９６４４号公報 特開２００６−２２０５７３号公報

しかし、外気温が低い低温時に内燃機関が始動すると、内燃機関の温度も低いので内燃機関からの排気ガス中に液状の水分が多く含まれることとなり、内燃機関が暖まって十分な温度に達するまでは、排気ガス中に液状の水分が存在する。

このため、特許文献１に記載の技術では、内燃機関の低温始動時から内燃機関が暖まって排気ガス中に液状の水分が存在しなくなるまでの間、ヒータによるセンサ素子の加熱を待たなければならない。

また、特許文献２、３に記載の技術では、内燃機関の低温始動時から内燃機関が暖まって排気ガス中に液状の水分が存在しなくなるまでの間は、センサ素子の活性温度よりも低い温度でセンサ素子をヒータで加熱し続けなければならない。

このように、上述の特許文献１、２、３の技術は、排気ガス中に液状の水分が存在しなくなるまでの時間を短縮する技術ではないので、排気ガス中に液状の水分が存在しなくなるまでの間は、センサ素子を活性温度まで加熱できず、センサ素子の活性化が遅れてしまう。

本発明は上記点に鑑みて、上述の従来技術よりも、センサ素子を早期に活性化できる排気ガスセンサの活性化制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内燃機関（１）の始動時に水温センサ（６４）が検出した水温が、第１水温判定値よりも低いか否かを判定する第１水温判定手段（Ｓ１）と、
内燃機関（１）の始動時における水温センサ（６４）が検出した水温が、第１水温判定値よりも高く、かつ、第１水温判定値よりも高く設定された第２水温判定値よりも低いか否かを判定する第２水温判定手段（Ｓ５）と、
第１水温判定手段（Ｓ１）が第１水温判定値よりも低いと判定した場合に、燃料噴射手段（１１、１２）からの燃料噴射を実行することにより、捕集器（４０）の触媒に燃料を供給して、触媒で燃料を燃焼させるとともに、ＥＧＲバルブ（５１）を全閉とする駆動制御とスロットルバルブ（２２）を全開とする駆動制御の少なくとも一方を実行することにより、排気ガスの一部を吸気通路（２０、２１）に還流しないＥＧＲカットを実行することで、排気ガスの温度を上昇させる第１排気温上昇手段を実行する手段（Ｓ２）と、
第２水温判定手段（Ｓ５）が、第１水温判定値よりも高く、かつ、第２水温判定値よりも低いと判定した場合に、触媒への燃料供給を目的とした燃料噴射手段（１１、１２）からの燃料噴射を実行せず、ＥＧＲカットを実行することで、排気ガスの温度を上昇させる第２排気温上昇手段を実行する手段（Ｓ６）と、
第１排気温上昇手段もしくは第２排気温上昇手段を実行した後、排気温センサ（６３）が検出した排気温度が排気温判定値よりも高いか否かを判定する排気温判定手段（Ｓ７）と、
排気温判定手段（Ｓ７）が排気温判定値よりも高いと判定した場合に、電気ヒータ（７２）の通電を開始する通電制御手段（Ｓ９）とを備えることを特徴としている。

請求項１に記載の発明では、例えば、第１水温判定値を、排気ガス中に液状の水分が含まれる状態となるときの冷却水の上限温度に基づいて決定しておき、排気温判定値を、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態となるときの排気の下限温度に基づいて決定しておくことで、内燃機関の始動時の水温が低く、排気ガス中に液状の水分が含まれる状態となる場合に、第１、第２排気温上昇手段によって排気ガスの温度を上昇させて、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態にすることができる。

したがって、本発明によれば、内燃機関の始動時の水温が低く、排気ガス中に液状の水分が含まれる状態となる場合に、第１、第２排気温上昇手段によって排気ガスの温度を上昇させて、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態にしているので、上述の従来技術と比較して、内燃機関の始動後から電気ヒータの通電を開始してセンサ素子を活性温度まで加熱するまでの時間を短縮でき、センサ素子を早期に活性化できる。

また、請求項１に記載の発明では、内燃機関（１）の始動時における水温センサ（６４）が検出した水温が、第１水温判定値よりも高く、かつ、第２水温判定値よりも低い場合に、触媒への燃料供給を目的とした燃料噴射手段（１１、１２）からの燃料噴射を実行せず、内燃機関（１）の始動時における水温センサ（６４）が検出した水温が、第１水温判定値よりも低い場合にのみ、触媒への燃料供給を目的とした燃料噴射手段（１１、１２）からの燃料噴射を実行するようにしているので、どちらの場合にも、触媒への燃料供給を目的とした燃料噴射手段（１１、１２）からの燃料噴射を実行するときと比較して、燃費の悪化を抑制することができる。

請求項１に記載の発明において、請求項２に記載のように、第１、第２排気温上昇手段を実行する手段で、ＥＧＲバルブ（５１）を全閉とする駆動制御を実行することにより、ＥＧＲカットを実行することに加えて、スロットルバルブ（２２）の開度を全開よりも小さくする駆動制御を実行することにより、燃料を触媒に供給して、触媒で燃料を燃焼させることも可能である。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態におけるディーゼルエンジンの制御システムの全体構成を示す図である。 Ａ／Ｆセンサ７０の断面図である。 図１中のＥＣＵ８０が実行する排気ガスセンサの活性化制御処理の内容を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明の排気ガスセンサの活性化制御装置を、車両に搭載される内燃機関としてのディーゼルエンジンの制御システムに適用したものである。図１に、本実施形態におけるディーゼルエンジンの制御システムを示す。

図１に示すディーゼルエンジンの制御システムは、エンジン１と、高圧燃料を蓄える１つのコモンレール１１と、エンジン１に設けられ、コモンレール１１に連結された複数の燃料噴射弁１２とを有している。コモンレール１１および燃料噴射弁１２は、エンジン１のシリンダに燃料を噴射する燃料噴射手段を構成しており、コモンレール１１に蓄えられた高圧燃料を、燃料噴射弁１２からエンジン１のシリンダ内に噴射するようになっている。

エンジン１の吸気マニホールド２１は、吸気管２０に連結されており、その連結部にスロットルバルブ２２が設けられている。吸気管２０および吸気マニホールド２１は、エンジン１に吸入される空気、すなわち、吸気が流れる吸気通路を構成している。スロットルバルブ２２は、吸気通路の通路面積を調整することで吸気流量を調整するものである。

エンジン１の排気マニホールド３１は、排気管３０に連結されており、排気管３０の途中には、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭという）を捕集する捕集器４０が設置されている。排気管３０および排気マニホールド３１は、排気ガスが流れる排気通路を構成している。

捕集器４０は、触媒付きのフィルタを有している。この捕集器４０は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスによりハニカム構造体を形成し、多孔性の隔壁で区画された多数の排気流路４０１の入口または出口を互い違いに目封じしてなるものであり、このハニカム構造体に酸化触媒が担持されている。そして、エンジン１からの排気ガスは、入口側が開口している排気流路４０１内に入り、多孔性の隔壁を通過して隣の排気流路４０１に流入するようになっており、多孔性の隔壁を通過する際にＰＭが捕集される。

排気管３０における捕集器４０の上流側には、遠心過給機１３のタービン１４が設けられ、このタービン１４は、吸気管２０に設けられたコンプレッサ１５とタービン軸を介して連結されている。これにより、排気ガスの熱エネルギーを利用してタービン１４を駆動するとともに、タービン軸を介してコンプレッサ１５を駆動し、吸気管２０に導入される吸気をコンプレッサ１５内で圧縮する。

コンプレッサ１５よりも下流側で、スロットルバルブ２２よりも上流側の吸気管２０内には、インタークーラ２３が設けられ、コンプレッサ１５で圧縮されて高温となった吸気はインタークーラ２３で冷却される。

排気マニホールド３１と吸気マニホールド２１とは、ＥＧＲ通路５０によって連結されており、排気ガスの一部がＥＧＲ通路５０を介して吸気通路に還流させるようになっている。そして、ＥＧＲ通路５０と吸気マニホールド２１との連結部にはＥＧＲバルブ５１が設けられ、ＥＧＲバルブ５１によってＥＧＲ通路５０の通路面積が調整されて吸気通路へ還流される排気ガスの量が調整されるようになっている。

ＥＧＲ通路５０の途中には、還流される排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５２と、ＥＧＲクーラ５２をバイパスして排気ガスを還流させるＥＧＲバイパス通路５３とが、設けられている。また、ＥＧＲクーラ５２とＥＧＲバイパス通路５３が合流する部位には、還流される排気ガスの流れを切り替えるＥＧＲバイパスバルブ５４が設けられている。

排気管３０には、捕集器４０の前後差圧に応じた電気信号を出力する差圧センサ６１が設けられている。この差圧センサ６１の一端側は捕集器４０の上流側にて排気管３０に接続され、差圧センサ６１の他端側は捕集器４０の下流側にて排気管３０に接続されている。

また、排気管３０における捕集器４０の上流側には、捕集器４０に流入する排気ガスの温度に応じた電気信号を出力する第１排気温センサ６２が設置され、排気管３０における捕集器４０の下流側には、捕集器４０を通過した排気ガスの温度に応じた電気信号を出力する第２排気温センサ６３が設置されている。

さらに、排気管３０における捕集器４０および第２排気温センサ６３の下流側には、排気ガスセンサとしてのＡ／Ｆセンサ７０が設置されている。Ａ／Ｆセンサ７０は、排気ガス中の酸素濃度と未燃ガス濃度からエンジン内の燃焼空燃比をリッチ域からリーン域までの全域にわたって検出するものである。

ここで、図２にＡ／Ｆセンサ７０の断面図を示す。Ａ／Ｆセンサ７０としては、例えば、図２に示すような限界電流式の一般的なものが採用可能である。Ａ／Ｆセンサ７０は、図示しないカバーの内部に、センサ素子７１と、センサ素子を加熱する電気ヒータ７２とを有している。具体的には、基板７１１の上には、下から順に、電気ヒータ７２、絶縁層７１２、下側スペーサ７１３、ジルコニア等の固体電解質層７１４、上側スペーサ７１５、ガスが拡散する拡散層７１６、異物を排除するトラップ層７１７が形成されている。

下側スペーサ７１３によって、固体電解質層７１４と絶縁層７１２との間に、大気通路７３が形成されている。この大気通路７３は、排気管３０の外側で大気に開放されている。また、上側スペーサ７１５によって、固体電解質層７１４と拡散層７１６との間に、空洞７４が形成されている。そして、固体電解質層７１４のうち空洞７４面する部位と、その反対側の面に、電極７１８、７１９が形成されている。固体電解質層７１４および電極７１８、７１９等が、センサ素子７１を構成している。

電気ヒータ７２は、基板７１１に導電性の薄膜を印刷してパターン形成されたものである。電気ヒータ７２は、ＥＣＵ８０による通電制御によって、固体電解質層７１４の活性温度、例えば、６００〜７００℃までセンサ素子７１を加熱するようになっている。

また、エンジン１には、エンジン１を冷却するエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ６４が設けられている。

そして、差圧センサ６１、第１排気温センサ６２、第２排気温センサ６３、Ａ／Ｆセンサ７０、水温センサ６４からの信号がＥＣＵ８０に入力されるようになっており、さらに、スロットルバルブ２２の開度、ＥＧＲバルブ５１の弁開度、内燃機関回転数、車速、アクセル開度、クランク位置、燃料圧等を検出する各種センサから信号がＥＣＵ８０に入力されるようになっている。

ＥＣＵ８０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。ＥＣＵ８０は、この演算処理に従い、各種センサ類からの入力信号等に基づいて、燃料噴射の噴射量、噴射時期等を制御する燃料噴射制御や、排気ガスを吸気通路に還流させて排気ガス中のＮＯｘを低減させるＥＧＲ制御や、排気ガスセンサの活性化制御を実行して、燃料噴射弁１２、スロットルバルブ２２、ＥＧＲバルブ５１、Ａ／Ｆセンサ７０の電気ヒータ７２等の駆動を制御する。

次に、ＥＣＵ８０が実行する排気ガスセンサの活性化制御処理について説明する。０℃等よりも低い低温環境下でエンジン１を始動すると、エンジン１の温度が低いために、排気ガス中に液状の水分が多く含まれる。そこで、排気ガスセンサの活性化制御では、エンジン始動時のエンジン１の温度が排気ガス中に液状の水分が存在するような温度であれば、排気温上昇手段によって排気ガスの温度を上昇させることで、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態とした後に、Ａ／Ｆセンサ７０のセンサ素子７１を電気ヒータ７２で活性温度まで加熱する制御である。なお、この排気ガスセンサの活性化制御処理では、エンジン始動時のエンジン１の温度が排気ガス中に液状の水分が存在しない温度であれば、エンジン始動直後に、Ａ／Ｆセンサ７０のセンサ素子７１を電気ヒータ７２で活性温度まで加熱する。

ここで、排気ガスの温度を上昇させる排気温上昇手段としては、ポスト噴射、ＥＧＲカット、吸気絞りの３つが挙げられる。

ポスト噴射は、燃料噴射弁１２による燃料噴射において、エンジン１のトルクを得るためのメイン噴射の後に行うメイン噴射よりも少量の燃料噴射である。このポスト噴射は、エンジン１の排気行程での燃料噴射なので、このポスト噴射で噴射された燃料は、シリンダ内で燃焼せずに未燃ＨＣのまま捕集器４０内に流入する。そして、この未燃ＨＣが捕集器４０に担持された触媒により燃焼することで、排気ガスの温度が上昇する。

これに対して、一般的なポスト噴射は、捕集器４０に担持された触媒の活性化のために行われる。すなわち、差圧センサ６１で検出した捕集器４０の前後差圧が大きくなったときに、捕集器４０にＰＭが堆積したと判断して、ポスト噴射することで、捕集器４０の触媒で未燃ＨＣを燃焼させ、ＰＭの自己燃焼温度まで触媒温度を上昇させる。これにより、堆積したＰＭが自己燃焼により除去され、捕集器４０のＰＭ捕集能力が回復する。

このように、一般的なポスト噴射は、差圧センサ６１で検出した捕集器４０の差圧に基づいて、ポスト噴射を実行するのに対して、本実施形態では、排気ガス中の液状の水分を存在させないために、エンジン始動時のエンジン１の温度に基づいて、ポスト噴射を実行する点で、一般的なポスト噴射と相違している。

ＥＧＲカットは、排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ制御を停止する制御である。ＥＧＲ制御では、ＥＣＵ８０は、ＥＧＲバルブ５１を開として、スロットルバルブ２２で吸気通路の通路面積を絞って負圧を発生させることにより、排気ガスの一部を吸気通路へ再循環させ、エンジン１での燃焼温度を下げている。なお、ＥＧＲ制御では、例えば、スロットルバルブ２２の開度を検出するスロットル開度センサ、吸気通路の吸気圧を検出する吸気圧センサからの入力信号に基づいて、所望の還流排気ガス量となるように、スロットルバルブ２２およびＥＧＲバルブ５１の開度が調整される。

したがって、ＥＧＲカットを実行すれば、ＥＧＲ制御を実行する場合と比較して、エンジン１での燃焼温度を上昇させることができる。このＥＧＲカットを実行する場合、ＥＣＵ８０は、例えば、ＥＧＲバルブ５１を全閉とする駆動制御と、スロットルバルブ２２を全開とする駆動制御の少なくとも一方を実行する。スロットルバルブ２２を全開とするだけでも、吸気通路内に負圧が発生しなくなるので、排気ガスが吸気通路へ流れなくなる。

吸気絞りは、スロットルバルブ２２で吸気通路の通路面積を絞ることで、スロットル開度が全開の場合よりも吸入空気量を減らすことであり、ＥＧＲカットと共に実行するものである。本実施形態でいう吸気絞りとは、上述のＥＧＲカットを実行するときでは、スロットルバルブ２２で吸気通路の通路面積を絞って負圧を発生させる必要がないので、スロットルバルブ２２を全開とするところをあえて、スロットルバルブ２２で吸気通路の通路面積を絞って吸入空気量を減らす制御である。この場合、吸入空気量が減ると、燃料が吸入空気量に対して相対的に増えるので、シリンダ内で燃焼しきらずに、未燃ＨＣとなって残り、この未燃ＨＣを捕集器４０の触媒に送ることで、触媒反応により排気温度が上昇する。

ただし、本実施形態では、これら３つの排気温上昇手段のうち、ポスト噴射は、燃費の悪化に繋がるので、エンジン１の温度が極低温時のみ実行し、極低温時よりも温度が高い低温時では実行しないようにする。なお、ここでいう極低温とは、例えば、−２０℃よりも低い温度を意味し、低温とは、例えば、−２０℃より高く０℃より低い温度を意味する。

図３は、この排気ガスセンサの活性化制御処理の内容を示すフローチャートである。図３に示す各ステップは、ＥＣＵ４０の一手段としての機能に相当する。また、この排気ガスセンサの制御処理は、例えば、エンジン始動後から停止までの間のうちのエンジン始動時のみに実行され、イグニッションスイッチがオンとなってエンジン１が始動した直後に実行される。

具体的には、ＥＣＵ８０は、まず、ステップＳ１で、水温センサ６４で検出したエンジン冷却水の水温が第１水温判定値Ｔ１よりも低いか否かを判定する。ここでは、エンジン１の温度の指標となるエンジン冷却水の温度からエンジン始動時におけるエンジン１の温度が極低温か否かを判定する。したがって、第１水温判定値は、例えば、−２０℃に設定され、水温が−３０℃のときであれば、−２０℃よりも低いので、ステップＳ２に進む。なお、ステップＳ１が、本発明の水温判定手段、第１水温判定手段に相当する。

ステップＳ２では、エンジン１が極低温状態で始動しているので、第１排気温上昇手段として、ポスト噴射、吸気絞り、ＥＧＲカットの３つを全て実行する。これら３つ全てを実行するのは、エンジン始動時の水温が極低温であり、排気ガス中に液状の水分が多く含まれる状態なので、これら３つのうちの吸気絞りとＥＧＲカットの２つのみを実行する場合よりも、排気ガスの温度上昇効果を高めるためである。このステップＳ２が、本発明の排気温上昇手段を実行する手段に相当する。

具体的には、燃料噴射弁１２の駆動制御において、エンジン１に燃料を噴射するメイン噴射の後の排気行程で、燃料を噴射させることで、未燃燃料を排気ガスと共に捕集器４０に供給するポスト噴射を実行する。また、ＥＧＲバルブ５１を全閉とすることでＥＧＲカットを実行し、スロットルバルブ２２の開度を全開よりも小さくすることで吸気絞りを実行する。なお、これら３つの実行時間は、エンジン１が極低温状態のときに排気ガスの温度が所望の温度に到達するまで時間を予め実験により調べておき、その実験データに基づいて設定される。

続いて、ステップＳ３では、第２排気温センサ６３で検出した排気ガスの温度が第１排気温判定値よりも高いか否かを判定する。これは、ポスト噴射、吸気絞り、ＥＧＲカットの３つを実行したことで、排気ガスの温度がある程度上昇したかどうかを判断するためである。第１排気温判定値は、排気ガス中に存在する液状の水分が少ないときの排気ガス温度に設定され、例えば、１００℃よりも高い１２０℃に設定される。水の蒸発温度である１００℃よりもわずかに高い温度に設定するのは、排気管３０を流れる排気ガスの温度分布を考慮して、排気ガスの温度分布における最低温度が１００℃付近にするためである。

そして、排気ガスの温度が第１排気温判定値よりも低いと判定した場合、高いと判定するまで、繰り返しステップＳ３を実行する。すなわち、排気ガスの温度が上昇して、排気ガス中の液状の水分が減少するまで、ポスト噴射、吸気絞り、ＥＧＲカットの３つを実行し続ける。一方、排気ガスの温度が第１排気温判定値よりも高いと判定したとき、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、排気ガスの温度がある程度上昇して、排気ガス中の液状の水分が減少したと判断して、ポスト噴射を停止し、ＥＧＲカットと吸気絞りとを実行し続ける。なお、これら２つの実行時間についても、排気ガスの温度が第１排気温判定値を超えてから、排気ガスの温度が所望の温度に到達するまで時間を予め実験により調べておき、その実験データに基づいて設定される。その後、ステップＳ７に進む。

続いて、ステップＳ７では、第２排気温センサ６３で検出した排気ガスの温度が第２排気温判定値よりも高いか否かを判定する。これは、ＥＧＲカットと吸気絞りとを実行したことで、排気ガスの温度が上昇して、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態になったかを判断するためである。第２排気温判定値は、排気ガス中に液状の水分が存在しないときの排気ガス温度に設定され、例えば、第１排気温判定値よりも高い１４０℃に設定される。このステップＳ７が本発明の排気温判定手段に相当する。

その結果、排気ガスの温度が第２排気温判定値よりも低ければ、高いと判定するまで、ステップＳ７を繰り返し実行する。すなわち、排気ガスの温度が上昇して、排気ガス中の液状の水分が存在しない状態になるまで、ＥＧＲカットと吸気絞りとを実行し続ける。一方、ステップＳ７で、排気ガスの温度が第２排気温判定値よりも高ければ、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態になったと判断して、ＥＧＲカットと吸気絞りとを停止し、通常のＥＧＲ制御に応じて、ＥＧＲバルブ５１とスロットルバイブ２２の開度を制御する。

続いて、ステップＳ９では、電気ヒータ７２の通電を開始して、電気ヒータ７２によってＡ／Ｆセンサ７０のセンサ素子７１を活性温度まで加熱する。このステップＳ９が本発明の通電制御手段に相当する。

一方、エンジン１の始動時の水温が例えば−２０℃よりも高いときは、ステップＳ１で、エンジン冷却水の水温が第１水温判定値よりも高いと判定し、ステップＳ５に進む。

さらに、ステップＳ５で、エンジン冷却水の水温が第２水温判定値よりも低いか否かを判定する。このステップＳ５が本発明の水温判定手段、第２水温判定手段に相当する。ここでは、エンジン始動時におけるエンジン１の温度が低温か否かを判定する。したがって、第２水温判定値は、例えば０℃に設定される。そして、エンジン冷却水が−１０℃であれば、０℃よりも低いので、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、エンジン１が極低温よりも高い低温状態で始動しているので、第２排気温上昇手段として、ポスト噴射、吸気絞り、ＥＧＲカットの３つのうちＥＧＲカットと吸気絞りのみを実行する。これら２つの実行時間についても、エンジン１が低温状態のときに排気ガスの温度が所望の温度に到達するまで時間を予め実験により調べておき、その実験データに基づいて設定される。このステップＳ６が、本発明の排気温上昇手段を実行する手段に相当する。

その後、上述の通り、ステップＳ７で、第２排気温センサ６３で検出した排気ガスの温度が第２排気温判定値よりも高くなったか否かを判定する。そして排気ガスの温度が第２排気温判定値よりも高くなったら、ステップＳ８で、ＥＧＲカットと吸気絞りとを停止し、ステップＳ９で、電気ヒータ７２の通電を開始する。

また、エンジン１の始動時のエンジン冷却水が例えば１０℃であれば、ステップＳ５で、エンジン冷却水が０℃よりも高いと判定し、エンジン１の温度が排気ガス中に液状の水分が存在しない温度であると判断して、ステップＳ９に進み、電気ヒータ７２の通電を開始する。この場合では、ＥＣＵ８０は、通常のＥＧＲ制御を実行し、捕集器４０にＰＭが堆積していない限り、ポスト噴射を実行しない。

以上のように、電気ヒータ７２によってセンサ素子７１を活性温度まで加熱して、センサ素子７１を活性化させることで、排気ガスセンサの活性化制御処理が終了する。

上述の通り、本実施形態では、エンジン始動時の水温が−２０℃より低い極低温の場合、ステップＳ２で、ポスト噴射、ＥＧＲカット、吸気絞りの３つを実行することにより、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態まで、排気ガスの温度を上昇させた後、電気ヒータ７２によってセンサ素子７１を活性温度まで加熱している。

一方、エンジン始動時の水温が−２０℃よりも高く０℃よりも低い低温の場合、ステップＳ６で、ＥＧＲカットと吸気絞りの２つを実行することにより、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態まで、排気ガスの温度を上昇させた後、電気ヒータ７２によってセンサ素子７１を活性温度まで加熱している。

このように、本実施形態では、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態になってから、電気ヒータ７２によってセンサ素子７１を活性温度まで加熱しているので、電気ヒータ７２での加熱中にＡ／Ｆセンサ７０に液状の水分が付着することを防止でき、センサ素子７１の被水割れを防止できる。

そして、本実施形態によれば、エンジン始動時の水温が低温、極低温のどちらの場合においても、積極的に、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態まで、排気ガスの温度を上昇させて、電気ヒータ７２によってセンサ素子７１を加熱できる状態にしているので、上述の従来技術と比較して、排気ガス中に液状の水分が存在しなくなるまでの時間を短縮でき、センサ素子７１を早期に活性化できる。

ところで、Ａ／Ｆセンサ７０の内部に浸透した液状の水分がセンサ素子７１に付着した状態で、電気ヒータ７２による加熱を開始すると、水分が一気に蒸発して、センサ素子７１が破損する、いわゆる突沸割れが生じる。これに対して、本実施形態によれば、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態まで、排気ガスの温度を上昇させているので、センサ素子７１に液状の水分が付着していても、その水分を排気ガスによって蒸発させることができるので、センサ素子７１の突沸割れも防止できる。

（他の実施形態）
（１）上述の実施形態では、排気ガス中の液状の水分が減少したか、もしくは、排気ガス中に液状の水分が存在しないかを判定するために、ステップＳ３で、排気ガスの温度が第１排気温判定値よりも高いか否かを判定し、ステップＳ７で、排気ガスの温度が第２排気温判定値よりも高いか否かを判定していた。これに対して、排気ガスが所定温度に到達した後の経過時間を基準にして、排気ガス中の液状の水分が減少したか、もしくは、排気ガス中に液状の水分が存在しないかを判定しても良い。例えば、ステップＳ３で、排気ガスの温度が１００℃等の第１温度を超えてから２０秒等の第１所定時間が経過したかを判定し、ステップＳ７で、排気ガスの温度が１２０℃等の第２温度を超えてから５０秒等の第２所定時間が経過したかを判定しても良い。

（２）上述の実施形態では、ステップＳ７で排気温度が第２排気温判定値よりも高いかを判定し、ＹＥＳと判定した場合に、ステップＳ８でＥＧＲカット、吸気絞りを停止した後、ステップＳ９で電気ヒータ７２に通電して加熱を開始していたが、ステップＳ８とステップＳ９とを入れ替え、ＥＧＲカット、吸気絞りを停止する前に、電気ヒータ７２に通電して加熱を開始しても良い。

また、ステップＳ７で排気温度が第２排気温判定値よりも高く、かつ、エンジン冷却水の水温が第２水温判定値よりも高いかを判定し、ＹＥＳと判定した場合に、ステップＳ８でＥＧＲカット、吸気絞りを停止するようにしても良い。このように、エンジン１が暖まって、排気ガス中に液状の水分が存在しない状態になったかどうかを判定した後に、排気温上昇手段を停止するようにしても良い。

（３）上述の実施形態では、ステップＳ１で、水温が第１水温判定値Ｔ１よりも低いか否かを判定し、ステップＳ１でＮＯと判定された場合に、ステップＳ５で、水温が第２水温判定値Ｔ２よりも低いか否かを判定していたが、ステップＳ１とステップＳ５の順番を入れ替えても良い。

すなわち、先に、ステップＳ５のように、水温が第２水温判定値Ｔ２よりも低いか否かを判定し、水温が第２水温判定値Ｔ２よりも低いと判定したときに、さらに、ステップＳ１のように、水温が第１水温判定値よりも低いか否かを判定するようにしても良い。要するに、水温が第１水温判定値よりも低い場合と、水温が第１水温判定値よりも高く、かつ、第２水温判定値よりも低い場合と、水温が第２水温判定値よりも高い場合とに、場合分けできるようになっていれば良い。

（４）上述の実施形態では、ステップＳ５で、水温が第２水温判定値よりも高いと判定された場合、ステップＳ２、Ｓ６の排気温上昇手段を実行せず、ステップＳ９で、電気ヒータの通電を開始していたが、この場合、ステップＳ９を実行する前に、さらに、第２水温判定値よりも高い第３水温判定値を設け、水温が第３水温判定値よりも低いか否かを判定しても良い。そして、水温が第３水温判定値よりも低ければ、例えば、ＥＧＲカットのみを実行し、水温が第３水温判定値よりも高ければ、ステップＳ９に進むようにしても良い。

（５）上述の実施形態では、エンジン始動時のエンジン冷却水が極低温の場合に、第１排気温上昇手段として、「ＥＧＲカット」＋「吸気絞り」＋「ポスト噴射」を実行し、エンジン始動時のエンジン冷却水が低温の場合に、第２排気温上昇手段として、「ＥＧＲカット」＋「吸気絞り」を実行したが、「吸気絞り」を省略して、第１排気温上昇手段として「ＥＧＲカット」＋「ポスト噴射」を実行し、第２排気温上昇手段として「ＥＧＲカット」を実行しても良い。この場合、ＥＧＲカットを実行する際、ＥＧＲバルブ５１を全閉とし、スロットルバルブ２２を全開とする。

また、上述の実施形態では、エンジン始動時のエンジン冷却水が極低温と低温の場合で、排気温上昇手段の内容が異なっていたが、同じ内容であっても良い。この場合、排気温上昇手段として、「ＥＧＲカット」、「吸気絞り」、「ポスト噴射」の３つのうち、「ＥＧＲカット」のみを実行したり、「ポスト噴射」のみを実行したり、「ＥＧＲカット」＋「吸気絞り」を実行したり、「ＥＧＲカット」＋「ポスト噴射」を実行したり、「ＥＧＲカット」＋「吸気絞り」＋「ポスト噴射」を実行したりすることができる。なお、「吸気絞り」は「ＥＧＲカット」を実行する場合に併用することが好ましい。ＥＧＲバルブ５１が開いた状態で、吸気絞りを実行すると、ＥＧＲ量が変わってしまうためである。

（６）上述の実施形態では、排気温上昇手段として、「ＥＧＲカット」、「吸気絞り」、「ポスト噴射」の３つを挙げていたが、他の排気温上昇手段を実行しても良い。

例えば、上述の実施形態では、燃料噴射弁１２の駆動制御において、エンジン１に燃料を噴射するメイン噴射の後の排気行程で、燃料を噴射させることで、未燃燃料を排気ガスと共に捕集器４０に供給するポスト噴射を実行していたが、ポスト噴射の代わりに、ポスト噴射よりもメイン噴射に近接した少量の後噴射であるアフター噴射を実行しても良い。このアフター噴射は、エンジン１の排気行程の前での燃料噴射であり、アフター噴射で噴射された燃料がシリンダ内で燃焼することで、アフター噴射を実行しない場合と比較して、排気ガスの温度が上昇する。

また、ポスト噴射、アフター噴射の代わりに、内燃機関の効率を下げて廃熱を増大させるために、メイン噴射における噴射時期の遅角を行う制御を実行しても良い。

また、燃料噴射弁１２を用いる代わりに、捕集器４０よりも排気流れ上流側の排気管３０もしくは排気マニホールド３１に設けた排気燃料添加弁を用いて、未燃燃料を排気ガスと共に捕集器４０に供給しても良い。

（７）上述の実施形態は、本発明の排気ガスセンサの活性化制御装置を、ディーゼルエンジンの制御システムに適用したものであったが、ガソリンエンジンの制御システムに適用しても良い。

この場合、触媒を排気通路に設け、この触媒に対して燃料を噴射させることで、ディーゼルエンジンにおけるポスト噴射に相当する制御をＥＣＵが実行すればよい。また、吸気絞りについては、ガソリンエンジンでは実行しない方が好ましい。これは、ガソリンエンジンでは、スロットルバルブの開度がアクセルペダルの挙動に連動しているため、アクセルペダルと無関係にスロットル開度を変更してしまうと、運転者の意思に反してしまうからである。

（８）上述の実施形態では、排気ガスセンサとしてのＡ／Ｆセンサ７０を用いていたが、Ｏ_２センサや、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の他のガス濃度を検出する排気ガスセンサであっても、センサ素子を電気ヒータで加熱する構成であれば、本発明の適用が可能である。

（９）上述の各実施形態を実施可能な範囲で組み合わせても良い。

１ エンジン
１２ 燃料噴射弁
２０ 吸気管
２１ 吸気マニホールド
２２ スロットルバルブ
３０ 排気管
３１ 排気マニホールド
４０ 捕集器
５０ ＥＧＲ通路
５１ ＥＧＲバルブ
６３ 第２排気温センサ
６４ 水温センサ
７０ Ａ／Ｆセンサ
７１ センサ素子
７２ 電気ヒータ
８０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関（１）の排気ガスが流れる排気通路（３０、３１）に設けられ、排気ガス中のガス濃度を検出するセンサ素子（７１）および前記センサ素子（７１）を活性温度まで加熱する電気ヒータ（７２）を有する排気ガスセンサ（７０）と、
   前記内燃機関（１）を冷却する冷却水の水温を検出する水温センサ（６４）と、
   前記排気通路（３０、３１）のうち前記排気ガスセンサ（７０）よりも排気ガス流れ上流側に設けられ、前記排気通路（３０、３１）を流れる排気ガスの温度を検出する排気温センサ（６３）と、
   前記排気通路（３０、３１）のうち前記排気ガスセンサ（７０）および前記排気温センサ（６３）よりも排気ガス流れ上流側に設けられ、排気ガス中の粒子状物質を捕集するとともに触媒が担持された捕集器（４０）と、
   前記内燃機関（１）もしくは前記排気通路（３０、３１）に設けられ、燃料を噴射する燃料噴射手段（１１、１２）と、
   前記内燃機関（１）に吸い込まれる空気が流れる吸気通路（２０、２１）と前記排気通路（３０、３１）とを連通し、排気ガスの一部を前記吸気通路（２０、２１）に還流させるＥＧＲ通路（５０）と、
   前記ＥＧＲ通路（５０）に設けられ、前記吸気通路（２０、２１）に還流する排気ガスの流量を調整するＥＧＲバルブ（５１）と、
   前記吸気通路（２０、２１）に設けられ、前記吸気通路（２０、２１）を流れる空気の流量を調整するスロットルバルブ（２２）と、
   前記内燃機関（１）の始動時に前記水温センサ（６４）が検出した水温が、第１水温判定値よりも低いか否かを判定する第１水温判定手段（Ｓ１）と、
   前記内燃機関（１）の始動時における前記水温センサ（６４）が検出した水温が、前記第１水温判定値よりも高く、かつ、前記第１水温判定値よりも高く設定された第２水温判定値よりも低いか否かを判定する第２水温判定手段（Ｓ５）と、
   前記第１水温判定手段（Ｓ１）が前記第１水温判定値よりも低いと判定した場合に、前記燃料噴射手段（１１、１２）からの燃料噴射を実行することにより、前記捕集器（４０）の前記触媒に燃料を供給して、前記触媒で燃料を燃焼させるとともに、前記ＥＧＲバルブ（５１）を全閉とする駆動制御と前記スロットルバルブ（２２）を全開とする駆動制御の少なくとも一方を実行することにより、排気ガスの一部を前記吸気通路（２０、２１）に還流しないＥＧＲカットを実行することで、排気ガスの温度を上昇させる第１排気温上昇手段を実行する手段（Ｓ２）と、
   前記第２水温判定手段（Ｓ５）が、前記第１水温判定値よりも高く、かつ、前記第２水温判定値よりも低いと判定した場合に、前記触媒への燃料供給を目的とした前記燃料噴射手段（１１、１２）からの燃料噴射を実行せず、前記ＥＧＲカットを実行することで、排気ガスの温度を上昇させる第２排気温上昇手段を実行する手段（Ｓ６）と、
   前記第１排気温上昇手段もしくは前記第２排気温上昇手段を実行した後、前記排気温センサ（６３）が検出した排気温度が排気温判定値よりも高いか否かを判定する排気温判定手段（Ｓ７）と、
   前記排気温判定手段（Ｓ７）が前記排気温判定値よりも高いと判定した場合に、前記電気ヒータ（７２）の通電を開始する通電制御手段（Ｓ９）とを備えることを特徴とする排気ガスセンサの活性化制御装置。
2. 前記吸気通路（２０、２１）に設けられ、前記吸気通路（２０、２１）を流れる空気の流量を調整するスロットルバルブ（２２）を備え、
   前記第１、第２排気温上昇手段は、前記ＥＧＲバルブ（５１）を全閉とする駆動制御を実行することにより、前記ＥＧＲカットを実行することに加えて、前記スロットルバルブ（２２）の開度を全開よりも小さくする駆動制御を実行することにより、燃料を前記触媒に供給して、前記触媒で燃料を燃焼させることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサの活性化制御装置。

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