JP6421864B2 - 排出ガスセンサのヒータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルを有するセンサ素子と該センサ素子を加熱するヒータとを備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置に関する発明である。

近年の電子制御化された内燃機関では、排気管に排出ガスセンサを設置し、この排出ガスセンサの出力に基づいて空燃比等を制御するようにしている。一般に、排出ガスセンサは、センサ素子の温度が活性温度まで昇温しないと検出精度が悪い（又は検出不能である）ため、内燃機関の始動後に排出ガスセンサに内蔵したヒータでセンサ素子を加熱して排出ガスセンサの活性化を促進するようにしている。

また、複数のセルを有するセンサ素子を備えた排出ガスセンサ（例えばＮＯ_X センサ）が知られている。このような排出ガスセンサを搭載したシステムにおいては、複数のセルのうちの一つの測定対象セルのインピーダンス（内部抵抗）を温度情報として検出し、この測定対象セルのインピーダンスが活性温度に相当する目標インピーダンスに到達するようにヒータの通電を制御するようにしたものがある。

しかし、複数のセルでそれぞれ活性温度が異なるため、測定対象セルのインピーダンスが目標インピーダンスに到達するようにヒータの通電を制御するだけでは、測定対象セル以外の他のセルの温度を活性温度まで昇温できない可能性がある。

そこで、例えば、特許文献１（特開２００９−６９１４０号公報）に記載されているように、測定対象セルの抵抗値が第１の所定抵抗値になるようにヒータの通電を制御し、その後、第１の所定抵抗値よりも大きい第２の所定抵抗値になるようにヒータの通電を制御するようにしたものがある。

特開２００９−６９１４０号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、測定対象セルの抵抗値が第１の所定抵抗値になるようにヒータの通電を制御した後、第１の所定抵抗値よりも大きい第２の所定抵抗値になるようにヒータの通電を制御する。つまり、第１の所定抵抗値に相当する温度よりも低い温度に相当する第２の所定抵抗値になるようにヒータの通電を制御するため、他のセルを早期に活性化させる（活性温度まで昇温させる）ことができない可能性がある。他のセルを十分に活性化できてない状態で、排出ガスセンサの出力が使われると、排出ガスセンサ（例えばＮＯ_X センサ）の出力に基づいた制御（例えば尿素噴射制御）や診断（例えば触媒劣化診断）を適正に実施できない可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、複数のセルを有するセンサ素子を備えた排出ガスセンサのセンサセルを早期に活性化させることができる排出ガスセンサのヒータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関（１１）の排出ガス通路（１２）に設置される排出ガスセンサ（１７）と、ヒータ通電制御手段（１８）と、備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置である。排出ガスセンサ（１７）は、排出ガスを導入する空間であるチャンバ（４０）と、チャンバ内の特定ガス濃度を検出するセンサセル（２２）と、センサセルのガス流れの上流側においてチャンバ内の酸素を排出又は汲み入れるポンプセル（２０）と、ポンプセル及びセンサセルを加熱するヒータ（３７）と、を備える。ヒータ通電制御手段（１８）は、ポンプセルのインピーダンスを検出して該ポンプセルのインピーダンスが目標インピーダンスに到達するまでヒータ（３７）の通電制御値を昇温用の通電制御値に設定してポンプセル及びセンサセルの温度を昇温させる昇温制御を実行する。ヒータは、排出ガスセンサの積層方向から見たときに、ポンプセル及びセンサセルそれぞれの少なくとも一部が重複すると共に、該ヒータの重複している投影面積がセンサセルよりもポンプセルの方が多く重複するように、設けられる。ヒータ通電制御手段は、ポンプセルのインピーダンスが目標インピーダンスに到達した後もセンサセルの温度が活性温度に到達するのに必要な延長期間が経過するまで昇温制御を継続する。

この構成では、排出ガスセンサのポンプセル及びセンサセルを活性化させる際に、まず、ポンプセルのインピーダンスが目標インピーダンス（例えばポンプセルの活性温度に相当する値）に到達するまで昇温制御を実行してポンプセル及びセンサセルの温度を昇温させる。更に、ポンプセルのインピーダンスが目標インピーダンスに到達した後も、センサセルの温度が活性温度に到達するのに必要な延長期間が経過するまで昇温制御を継続する。このようにすれば、ポンプセルの温度が活性温度に到達した後も、引き続きポンプセル及びセンサセルの温度を昇温させる昇温制御を継続して、センサセルの温度を早期に活性温度まで昇温させることができ、センサセルを早期に活性化させることができる。

図１は本発明の一実施例１におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図２はセンサ素子の概略構成を示す断面図である。 図３は図２のＡ−Ａ断面図である。 図４はヒータ通電制御の実行例を示すタイムチャートである。 図５はヒータ通電制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システムの概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の排気管１２（排出ガス通路）には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯ_X 等を浄化する三元触媒等の上流側触媒１３と下流側触媒１４が設けられている。また、上流側触媒１３の上流側には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１５が設けられ、上流側触媒１３の下流側（上流側触媒１３と下流側触媒１４との間）には、排出ガスのリッチ／リーンを検出する酸素センサ１６が設けられている。更に、下流側触媒１４の下流側には、排出ガス中のＮＯ_X 濃度を検出するＮＯ_X センサ１７が設けられている。

これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）１８に入力される。このＥＣＵ１８は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

次に、図２及び図３に基づいてＮＯ_X センサ１７のセンサ素子１９の概略構成を説明する。
ＮＯ_X センサ１７のセンサ素子１９は、ポンプセル２０とモニタセル２１とセンサセル２２とを有する３セル構造のセンサ素子である。このセンサ素子１９は、酸素イオン伝導性材料からなる第１及び第２の固体電解質体２３，２４が、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ２５を介して所定間隔を隔てて積層されている。

ポンプセル２０は、第２の固体電解質体２４と、この固体電解質体２４を挟む一対の電極２６，２７とから構成されている。また、モニタセル２１は、第１の固体電解質体２３と、この固体電解質体２３を挟む一対の電極２８，２９とから構成され、センサセル２２は、第１の固体電解質体２３と、この固体電解質体２３を挟む一対の電極２８，３０とから構成されている。

第１の固体電解質体２３には、ピンホール３１が形成され、この第１の固体電解質体２３のうちのポンプセル２０側の上面側には、多孔質拡散層３２が設けられている。また、第１の固体電解質体２３のうちのモニタセル２１及びセンサセル２２側の上面側には、絶縁層３３が設けられ、この絶縁層３３によって大気通路３４が形成されている。一方、第２の固体電解質体２４の下面側には、絶縁層３５が設けられ、この絶縁層３５によって大気通路３６が形成されている。また、絶縁層３５には、センサ素子１９を加熱するためのヒータ３７が埋設されている。

排気管１２内の排出ガスは、多孔質拡散層３２及び固体電解質体２３のピンホール３１を通って第１チャンバ３８内に導入される。そして、ポンプセル２０によって第１チャンバ３８内の排出ガス中の酸素が排出又は汲み込まれると共に排出ガス中の酸素濃度が検出される。この後、第１チャンバ３８を通過した排出ガスは、絞り部３９を通って第２チャンバ４０内に流れ込む。そして、モニタセル２１によって第２チャンバ４０内の排出ガス中の酸素濃度（残留酸素濃度）が検出されると共に、センサセル２２によって第２チャンバ４０内の排出ガス中のＮＯ_X 濃度が検出される。

一般に、ＮＯ_X センサ１７は、センサ素子１９（セル２０〜２２）の温度が活性温度まで昇温しないと検出精度が悪い（又は検出不能である）。そこで、ＥＣＵ１８は、後述する図５のヒータ通電制御ルーチンを実行することで、ＮＯ_X センサ１７に内蔵したヒータ３７の通電を制御してセンサ素子１９を加熱して活性化させるようにしている。

具体的には、図４に示すように、例えばエンジン１１の始動後に、排気管１２内が乾燥状態（排気管１２内の水分が蒸発した状態）であるか否かを判定する。排気管１２内が乾燥状態ではない（排気管内乾燥判定フラグがＯＦＦ）と判定された場合には、排気管１２やＮＯ_X センサ１７に水分が付着している可能性があるため、ＮＯ_X センサ１７のセンサ素子１９を被水による素子割れが発生しない温度範囲内で予熱するようにヒータ３７の通電を制御する予熱制御を実行する。この予熱制御では、ヒータ３７の通電デューティ（通電制御値）を予熱用の通電デューティ（例えば１０％）に設定してセンサ素子１９を予熱する。

その後、排気管１２内が乾燥状態である（排気管内乾燥判定フラグがＯＮ）と判定された時点ｔ1 で、センサ素子１９の温度を速やかに昇温させるようにヒータ３７の通電を制御する昇温制御を実行する。この昇温制御では、ヒータ３７の通電デューティを昇温用の通電デューティ（例えば１００％）に設定してセンサ素子１９を加熱する。

また、ポンプセル２０（測定対象セル）のインピーダンスＺp が目標インピーダンスＺp1（ポンプセル２０の活性温度に相当する値）よりも小さくなったか否かによってポンプセル２０が活性化した（活性温度まで昇温した）か否かを判定する。

その後、ポンプセル２０のインピーダンスＺp が目標インピーダンスＺp1よりも小さくなってポンプセル２０が活性化したと判定された時点ｔ2 で、センサセル２２（他のセル）の温度が活性温度に到達するのに必要な延長時間Ｔ1 を設定する。そして、ポンプセル２０が活性化したと判定された時点ｔ2 から延長時間Ｔ1 が経過するまで昇温制御を継続して実行する。これにより、センサセル２２の温度を早期に活性温度まで昇温させる。

その後、ポンプセル２０が活性化したと判定された時点ｔ2 から延長時間Ｔ1 が経過した時点ｔ3 で、センサセル２２の温度が活性温度まで昇温したと判断して、昇温制御を終了して、センサ素子１９を活性状態に維持するようにヒータ３７の通電を制御するインピーダンス制御を実行する。このインピーダンス制御では、ポンプセル２０のインピーダンスＺp と目標インピーダンスＺp1との偏差を小さくするようにヒータ３７の通電デューティをフィードバック制御する。このインピーダンス制御の目標インピーダンスＺp1は、ポンプセル２０の活性温度に相当する値に設定しても良いし、或は、センサセル２２の温度を活性温度に維持できる値に設定しても良い。

以下、ＥＣＵ１８が実行する図５のヒータ通電制御ルーチンの処理内容を説明する。
図５に示すヒータ通電制御ルーチンは、ＥＣＵ１８の電源オン期間中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいうヒータ通電制御手段としての役割を果たす。

本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、排気管１２内が乾燥状態（排気管１２内の水分が蒸発した状態）であるか否かを、例えば、冷却水温Ｔhwが所定値Ｔhw1よりも高いか否かによって判定する。

このステップ１０１で、排気管１２内が乾燥状態ではない（Ｔhw≦Ｔhw1 ）と判定された場合には、排気管１２やＮＯ_X センサ１７に水分が付着している可能性があると判断して、ステップ１０２に進み、予熱制御を実行する。この予熱制御では、ヒータ３７の通電デューティを予熱用の通電デューティ（例えば１０％）に設定してセンサ素子１９を予熱する。

その後、上記ステップ１０１で、排気管１２内が乾燥状態である（Ｔhw＞Ｔhw1 ）と判定された場合には、ステップ１０３に進み、ポンプセル２０のインピーダンスＺp を検出する。この後、ステップ１０４に進み、ポンプセル２０が活性化した（活性温度まで昇温した）か否かを、ポンプセル２０のインピーダンスＺp が目標インピーダンスＺp1よりも小さくなったか否かによって判定する。この目標インピーダンスＺp1は、ポンプセル２０の活性温度に相当する値に設定されている。

このステップ１０４で、ポンプセル２０が活性化していない（Ｚp ≧Ｚp1）と判定された場合には、ステップ１０８に進み、昇温制御を実行する。この昇温制御では、ヒータ３７の通電デューティを昇温用の通電デューティ（例えば１００％）に設定してセンサ素子１９を加熱する。

その後、上記ステップ１０４で、ポンプセル２０が活性化した（Ｚp ＜Ｚp1）と判定された場合には、ステップ１０５に進み、センサセル２２の温度が活性温度に到達するのに必要な延長時間Ｔ1 を設定する。具体的には、エンジン１１の運転条件と環境条件とに応じた延長時間Ｔ1 をマップ又は数式等により算出する。ここで、運転条件としては、例えば、冷却水温、排出ガス温度、回転速度、負荷等のうちの少なくとも一つを用いる。また、環境条件としては、例えば、外気温等を用いる。この延長時間Ｔ1 のマップ又は数式等は、予め試験データや設計データ等に基づいて作成され、ＥＣＵ１８のＲＯＭに記憶されている。

この後、ステップ１０６に進み、ポンプセル２０が活性化したと判定されてから延長時間Ｔ1 が経過したか否かを判定する。
このステップ１０６で、ポンプセル２０が活性化したと判定されてから延長時間Ｔ1 が経過していないと判定された場合には、ステップ１０７に進み、ヒータ３７の温度又はポンプセル２０の温度が許容上限温度を越える可能性があるか否かを判定する。

この場合、例えば、ヒータ３７の積算電力量や抵抗等に基づいてヒータ３７の温度を推定（算出）し、このヒータ３７の温度が所定温度（ヒータ３７の許容上限温度よりも少し低い温度）以上であるか否かによって、ヒータ３７の温度が許容上限温度を越える可能性があるか否かを判定する。

また、ポンプセル２０のインピーダンス等に基づいてポンプセル２０の温度を推定（算出）し、このポンプセル２０の温度が所定温度（ポンプセル２０の許容上限温度よりも少し低い温度）以上であるか否かによって、ポンプセル２０の温度が許容上限温度を越える可能性があるか否かを判定する。或は、ポンプセル２０のインピーダンスが所定値以下であるか否かによってポンプセル２０の温度が許容上限温度を越える可能性があるか否かを判定するようにしても良い。

このステップ１０７で、ヒータ３７の温度とポンプセル２０の温度が両方とも許容上限温度を越える可能性がないと判定された場合には、ステップ１０８に進み、昇温制御を継続して実行する。

その後、上記ステップ１０６で、ポンプセル２０が活性化したと判定されてから延長時間Ｔ1 が経過したと判定された場合には、センサセル２２の温度が活性温度に昇温したと判断して、ステップ１１０に進み、インピーダンス制御を実行する。このインピーダンス制御では、ポンプセル２０のインピーダンスＺp と目標インピーダンスＺp1との偏差を小さくするようにヒータ３７の通電デューティをフィードバック制御する。このインピーダンス制御の目標インピーダンスＺp1は、ポンプセル２０の活性温度に相当する値に設定しても良いし、或は、センサセル２２の温度を活性温度に維持できる値に設定しても良い。

尚、上記ステップ１０６で、延長時間Ｔ1 が経過したと判定される前（つまり昇温制御の実行中）に、上記ステップ１０７で、ヒータ３７の温度又はポンプセル２０の温度が許容上限温度を越える可能性があると判定された場合には、ステップ１０９に進み、昇温制御を中止して過熱防止制御を実行する。この過熱防止制御では、ヒータ３７の通電デューティを昇温用の通電デューティよりも低い値（例えば３０％）に設定してセンサ素子１９の昇温を抑制する。

以上説明した本実施例では、ＮＯ_X センサ１７のセンサ素子１９を活性化させる際に、まず、ポンプセル２０のインピーダンスが目標インピーダンスに到達するまで昇温制御を実行してセンサ素子１９の温度を昇温させる。更に、ポンプセル２０のインピーダンスが目標インピーダンスに到達した後も、センサセル２２の温度が活性温度に到達するのに必要な延長時間が経過するまで昇温制御を継続する。このようにすれば、ポンプセル２０のインピーダンスが目標インピーダンスに到達した時点ｔ2 で昇温制御を終了する場合（図４の破線参照）に比べて、センサセル２２の温度を早期に活性温度まで昇温させることができ、センサセル２２を早期に活性化させることができる。

また、本実施例では、昇温制御の実行中にヒータ３７の温度又はポンプセル２０の温度が許容上限温度を越える可能性があると判定した場合には、昇温制御を中止して過熱防止制御（ヒータ３７の通電デューティを昇温用の通電デューティよりも低い値に設定する制御）を実行するようにしている。このようにすれば、昇温制御の継続（延長）によるヒータ３７の過熱やポンプセル２０の過熱を未然に防止することができる。

また、本実施例では、エンジン１１の運転条件と環境条件とに応じて延長時間を設定するようにしている。このようにすれば、エンジン１１の運転条件（例えば冷却水温）や環境条件（例えば外気温）に応じて、センサセル２２の温度が活性温度に到達するまでに要する時間が変化するのに対応して、延長時間を変更して延長時間を適正値に設定することができる。

尚、上記実施例では、エンジン１１の運転条件と環境条件の両方に応じて延長時間を設定するようにしたが、これに限定されず、エンジン１１の運転条件と環境条件のうちの一方のみに応じて延長時間を設定するようにしても良い。或は、延長時間を予め設定した固定値としても良い。

また、上記実施例では、昇温制御の延長期間を時間で設定するようにしたが、これに限定されず、昇温制御の延長期間を、例えば、ヒータ３７の積算電力量、エンジン１１の積算排気流量（又は積算吸気流量）、燃料噴射回数、点火回数等のうちのいずれかで設定するようにしても良い。

その他、本発明は、ＮＯ_X センサに限定されず、複数のセルを有するセンサ素子を備えた種々の排出ガスセンサ（例えば空燃比センサ）に適用して実施できる。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…排気管（排出ガス通路）、１７…ＮＯ_X センサ（
排出ガスセンサ）、１８…ＥＣＵ（ヒータ通電制御手段）、１９…センサ素子、２０…ポ
ンプセル、２１…モニタセル、２２…センサセル、３７…ヒータ

Claims (2)

1. 内燃機関（１１）の排出ガス通路（１２）に設置されると共に、排出ガスを導入する空間であるチャンバ（４０）と、前記チャンバ内の特定ガス濃度を検出するセンサセル（２２）と、前記センサセルのガス流れの上流側において前記チャンバ内の酸素を排出又は汲み入れるポンプセル（２０）と、前記ポンプセル及び前記センサセルを加熱するヒータ（３７）と、を備えた、排出ガスセンサ（１７）と、
   前記ポンプセルのインピーダンスを検出して該ポンプセルのインピーダンスが目標インピーダンスに到達するまで前記ヒータ（３７）の通電制御値を昇温用の通電制御値に設定して前記ポンプセル及び前記センサセルの温度を昇温させる昇温制御を実行するヒータ通電制御手段（１８）と、
   を備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置において、
   前記ヒータは、前記排出ガスセンサの積層方向から見たときに、前記ポンプセル及び前記センサセルそれぞれの少なくとも一部が重複すると共に、該ヒータの前記重複している投影面積が前記センサセルよりも前記ポンプセルの方が多く重複するように、設けられており、
   前記ヒータ通電制御手段は、前記ポンプセルのインピーダンスが前記目標インピーダンスに到達した後も前記センサセルの温度が活性温度に到達するのに必要な延長期間が経過するまで前記昇温制御を継続することを特徴とする排出ガスセンサのヒータ制御装置。
2. 内燃機関（１１）の排出ガス通路（１２）に設置されると共に、排出ガスを導入する空間であるチャンバ（４０）と、前記チャンバ内の特定ガス濃度を検出するセンサセル（２２）と、前記センサセルのガス流れの上流側において前記チャンバ内の酸素を排出又は汲み入れるポンプセル（２０）と、前記ポンプセル及び前記センサセルを加熱するヒータ（３７）と、を備えた、排出ガスセンサ（１７）と、
   前記ポンプセルのインピーダンスを検出して該ポンプセルのインピーダンスが目標インピーダンスに到達するまで前記ヒータ（３７）の通電制御値を昇温用の通電制御値に設定して前記ポンプセル及び前記センサセルの温度を昇温させる昇温制御を実行するヒータ通電制御手段（１８）と、
   を備えた排出ガスセンサのヒータ制御装置において、
   前記ヒータは、前記排出ガスセンサの積層方向から見たときに、前記ポンプセル及び前記センサセルそれぞれの少なくとも一部が重複しており、
   前記ポンプセルは、前記積層方向から見たときに前記センサセルよりも前記ヒータに近い箇所に設けられており、
   前記ヒータ通電制御手段は、前記ポンプセルのインピーダンスが前記目標インピーダンスに到達した後も前記センサセルの温度が活性温度に到達するのに必要な延長期間が経過するまで前記昇温制御を継続することを特徴とする排出ガスセンサのヒータ制御装置。

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