エンジンの制御装置
【課題】新たにセンサ類や加熱手段等を設けることを必要とせずに、排気管路に溜まる凝縮水量を正確に推定し得て、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することのできるエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】検知素子に加熱用ヒータ３０が付設された排気センサ１０が排気管路１０９に配備されているエンジンの制御装置であって、排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段１２２と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段１１５と、吸気温を検出する吸気温検出手段１２１と、前記エンジンが始動したときにおける前記排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温に基づいて前記排気管路内の凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、該凝縮水量推定手段により推定された凝縮水量に基づいて前記加熱用ヒータに対する通電制御を行うヒータ制御手段と、を備える。
【解決手段】検知素子に加熱用ヒータ３０が付設された排気センサ１０が排気管路１０９に配備されているエンジンの制御装置であって、排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段１２２と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段１１５と、吸気温を検出する吸気温検出手段１２１と、前記エンジンが始動したときにおける前記排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温に基づいて前記排気管路内の凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、該凝縮水量推定手段により推定された凝縮水量に基づいて前記加熱用ヒータに対する通電制御を行うヒータ制御手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知素子に加熱用ヒータが付設された排気センサを排気管路に配備したエンジンの制御装置に係り、特に、排気管路に溜まる凝縮水量を、新たにセンサ類を設けることを必要とせずに正確に推定し得て、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することができるようにしたエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷軽減のため、エンジン（内燃機関）から排出される排気ガスを浄化することが求められており、そのためには、燃焼に供せられる混合気の空燃比を適正な範囲に制御することが要求される。
【０００３】
従来より、空燃比を適正範囲に制御すべく、排気ガス中の酸素濃度を検出して、酸素量が略ゼロとなるように燃料供給量をフィードバック制御すること等が行われている。酸素濃度を検出するには、酸素濃度比率に応じて電圧を生じる酸素センサや、酸素濃度をリニアに検出できるリニア空燃比センサ等の排気センサが使用されている。
【０００４】
しかしながら、酸素センサ（の酸素濃度検知素子）が正常に動作（活性化）する温度は３００℃以上、リニア空燃比センサ（の酸素濃度検知素子）が正常に動作（活性化）する温度は６００℃以上であるので、センサの検知素子をヒータ等の加熱手段で強制加熱して活性温度を越えるまで昇温させる必要がある。
【０００５】
そのため、従来より、前記センサに検知素子加熱用のヒータを付設し（センサ内部の検知素子の近傍にヒータを配在するのが普通である）、検知素子をヒータで加熱することが行われている。
【０００６】
しかしながら、エンジン始動後において、できるだけ早くセンサの検知素子を活性化させるには、前記ヒータによる前記検知素子の急速加熱が必要となるが、急速加熱を行うと、そのときの温度上昇に伴う熱応力によって検知素子にクラックが発生する等の不具合が生じて適正に酸素濃度を検出することができなくなることがあり、最悪の場合は検知素子が破損して全く機能しなくなってしまうこともあった。
【０００７】
センサの検知素子にクラック、破損等の不具合が発生する原因としては以下のようなことが考えられる。
【０００８】
通常、エンジンにおいては、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気中に気化混合せしめられ、その混合気が燃焼室で燃焼して、その燃焼廃ガス（排気ガス）が排気管等で形成される排気管路に排出されるが、その際、排気ガスによって排気管路が暖められる。排気ガスの発熱量は、燃料噴射量、すなわち、吸入空気量に比例するので、吸入空気量の積算値が発熱量になる。
【０００９】
また、エンジンの排気ガスには、燃料と吸入空気の燃焼反応によって生成された水蒸気が含まれている。この水蒸気を含んだ排気ガスが排気管路内で冷やされると、排気管路内で排気ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生成される。より詳しくは、排気管路（壁面）温度が露点以上であれば水蒸気となって排出されるが、排気管路温度が露点以下であれば排気管路壁面に水滴となって結露する。
【００１０】
特に、排気管路が湾曲していて上部にガスが溜まりやすい構造であると、水蒸気は湾曲部の上部に溜まり、エンジン停止後、排気管路温度が低下してくると、その溜まった水蒸気は水分となって結露する。そのため、センサが湾曲部に取り付けられていると、検知素子表面にも水分が付着しやすい。この検知素子表面に付着した水分が前記クラック、破損等の不具合が発生する主たる原因であるが、それを説明する前に、現在実用に供されている検知素子加熱用ヒータが付設された排気センサの一例（後述の本発明の実施形態においても使用されているリニア空燃比センサ）を図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら説明する。
【００１１】
図３（Ａ）に示されるリニア空燃比センサ１０は、排気管路１０９に取り付けられた筒状のホルダ１１及び排気管路１０９内に挿入されたプロテクタ１２を有し、プロテクタ１２内に酸素濃度検知素子２０が配設されている。プロテクタ１２には幾つかの穴１４が形成されており、この穴１４から排気ガスが出入りするようになっている。
【００１２】
検知素子２０は、図３（Ｂ）に示される如くに、上下の保護層２３、２４を含む多層構造となっており、その下面側に電熱線式ヒータ３０を内蔵するヒータ部２９が配設されている。
【００１３】
検知素子２０は、検知電極２１と基準電極２２とを有し、これら検知電極２１と基準電極２２に挟まれた拡散層２５に、所定の電流を流して、排気管路１０９を流れる排気ガスの酸素濃度に応じて、検知電極２１側と基準電極２２側との酸素濃度比が一定となるように、酸素を移動させる。このときの電流値が排気管路１０９側の酸素濃度に比例することになるので、電流値を測定することで排気管路内（排気ガス）の酸素濃度を検出することができる。酸素濃度は、燃焼の際に反応しなかった酸素であり、空燃比に対応する。よって、空燃比に応じて図４に示される如くの電流特性を持つ。
【００１４】
前記検知素子２０が正常に機能するには、酸素がイオンとして移動できる温度（６００℃以上）まで加熱する必要がある。排気ガスが６００℃以上であれば、排気ガスによる加熱が可能であるが、通常の運転では排気ガス温度は６００℃以下であり、ヒータ３０による加熱が必要である。
【００１５】
一方、ヒータ３０による加熱は、検知素子２０に対して一様な温度分布にならず、ヒータ近傍部分（内部）２０ｉが高く、ヒータ３０から離れた表面部分２０ｓが低くなるため、その温度差によって熱応力が生じる。温度差は検知素子２０の熱抵抗に応じて変わる。熱抵抗が大きいと、熱は内部にたまり、温度差が大きくなる。よって、ヒータ３０の温度を一定とすると、図６に示される如くに、ヒータ３０への通電直後（エンジン始動直後）にヒータ近傍部分（内部）２０ｉの温度が高くなり、表面部分２０ｓとの温度差が最大となる。
【００１６】
水分が検知素子表面２０ｓに付着していると、素子表面２０ｓは水分の潜熱があるので、加熱されても水分が蒸発する間は１００℃に維持され、そのため、温度差はさらに拡大する。水分蒸発中の検知素子表面２０ｓの温度上昇率は略ゼロであるが、水分が無くなった直後からは急速に上昇するので、温度上昇率が極めて大きくなる。このような検知素子２０の内部２０ｉと表面２０ｓとの間の温度差及び急速な温度上昇に伴う熱応力により、検知素子２０にクラック、破損等の不具合が発生すると考えられる。
【００１７】
このような排気センサ（の検知素子）にクラック、破損等の不具合が発生することの対策として、従来においては、例えば特許文献１に所載のように、排気管路の外部に温度センサを配設し、該温度センサにより排気管路内の温度を推定し、その温度に基づいて排気管路内に凝縮水が存在し得る状況か否かを判断し、凝縮水が存在し得る状況であれば、排気管路を燃焼バーナで熱せられた熱媒体によって加熱することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００４−３１６５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、前記従来技術のような対策では、温度センサや排気管路における排気センサより上流側部分を加熱する排気管路加熱手段等を新たに設ける必要があるため、その分製造コストが嵩んでしまうという問題があった。
【００２０】
本発明は、上記問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、新たにセンサ類や加熱手段等を設けることを必要とせずに、排気管路に溜まる凝縮水量を正確に推定し得て、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することのできるエンジンの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成すべく、本発明に係る排気センサの制御装置は、検知素子に加熱用ヒータが付設された排気センサが排気管路に配備されているエンジンにおいて、排気管路の温度を推定又は検出する排気管路温度取得手段と、排気ガスの温度を推定又は検出する排気ガス温度取得手段と、前記排気管路温度に基づいて燃焼により発生する水蒸気量を算出する水蒸気量算出手段と、前記排気管路温度、排気ガス温度、及び水蒸気量に基づいて前記排気管路内の凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、該凝縮水量推定手段により推定された凝縮水量に基づいて前記加熱用ヒータに対する通電制御を行うヒータ制御手段と、を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、通常エンジンに備えられている排気温センサ、エアフローセンサ、吸気温センサにより検出される、エンジンが始動したときにおける排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温（外気温）により排気管路温度、水蒸気量を推定し、この推定された排気管路温度及び水蒸気量を用いて排気管路内に溜まる凝縮水の量を推定し、この推定凝縮水量に基づいて排気センサの加熱用ヒータに対する通電制御を行うようにされるので、新たにセンサ類や加熱手段等を設けることを必要とせずに、排気管路に溜まる凝縮水量を正確に把握することができるとともに、排気センサの加熱用ヒータの通電制御を適切に行うことができ、その結果、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することができる。
上記した以外の、課題、構成、及び効果は、以下の実施形態により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るエンジンの制御装置の一実施形態を、それが適用された車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図。
【図２】図１に示される制御装置の主要部を構成するコントロールユニット周りの説明に供される図。
【図３】図１に示されるエンジンに用いられているリニア空燃比センサであって、（Ａ）はリニア空燃比センサの取り付け状態を示す全体側面図、（Ｂ）は検知素子の構造を示す部分切欠斜視図。
【図４】図３のリニア空燃比センサの出力特性を示す図。
【図５】図１に示されるコントロールユニット、リニア空燃比センサ、及びヒータの接続関係を示す図。
【図６】図３のリニア空燃比センサの始動直後における検知素子の温度上昇特性を示す図。
【図７】図１に示されるコントロールユニットが凝縮水量を推定する際に実行するプログラム（処理手順）の一例を示すブロック図。
【図８】主として図７のブロック２０１（排気管路温度推定に関わる部分）の説明に供される図。
【図９】主として図７のブロック２０１（排気管路温度推定に関わる部分）の説明に供される図。
【図１０】主として図７のブロック２０５（排気熱量推定に関わる部分）の説明に供される図。
【図１１】排気管路温度と蒸発量との関係を示すグラフ。
【図１２】排気管路温度と凝縮水量との関係を示すグラフ。
【図１３】エンジン運転中とエンジン停止（キーＯＦＦ）後の、（Ａ）エンジン回転速度、（Ｂ）推定排気ガス温度、（Ｃ）推定排気管路温度、（Ｄ）推定凝縮水量の変化を示すタイムチャート。
【図１４】図１に示されるコントロールユニットが凝縮水量を推定する際に実行するプログラム（処理手順）の他の例を示すブロック図。
【図１５】排気ガス流量と凝縮水飛散割合との関係を示すグラフ。
【図１６】図１に示されるコントロールユニットが凝縮水量を推定する際に実行するプログラム（処理手順）の別の例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る制御装置が適用されたヒータ付き排気センサを備えた車載用エンジンの概略構成図である。
【００２５】
図示のエンジン１００は、例えば直列４気筒ガソリンエンジンであって、水温センサ１１０が配設されたシリンダ１０７の頭部（燃焼室）に点火コイル１０３から点火電圧を印加される点火プラグ１０２が配設され、また、クランク軸及び吸排気動弁機構に関連してクランク角センサ１１１及びカム角センサ１１２が設けられ、吸気系（吸気通路１０８）には、燃料噴射弁１０１、電制スロットル弁１０４、スロットル（開度）センサ１１３、吸気管圧力センサ１１４、エアフローセンサ１１５、吸気温度（外気温とみなせる）を検出する吸気温センサ１２１等が配設され、排気系（排気管路１０９）には、前述した図３に示される如くのリニア空燃比センサ１０、排気ガス温度を検出する排気温センサ１２２、触媒１１８等が配在されている。前記燃料噴射弁１０１には、燃料タンク１２５から燃料ポンプ１１７及び燃圧制御弁１２６を介して一定圧に調圧された燃料が圧送されるようになっている。
【００２６】
そして、本実施形態の制御装置においては、前記リニア空燃比センサ１０内に設けられた検知素子加熱用ヒータ３０（図３参照）の温度（発熱量）の制御、前記燃料噴射弁１０１による燃料噴射量や燃料噴射時期の制御、前記点火プラグ１０２の点火時期の制御等を行うため、コントロールユニット１２０が備えられている。
【００２７】
コントロールユニット１２０は、図２に示される如くに、数値・論理演算を行うＣＰＵ４０１、ＣＰＵ４０１が実行するプログラム及びデータを格納したＲＯＭ４０２、データを一時的に記憶するＲＡＭ４０３、各センサ類からのアナログ信号を取り込んでデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４０４、運転状態をあらわすスイッチ類からの信号を取り込むデジタル入力回路４０５、パルス信号の時間間隔や所定時間内のパルス数を計数するパルス入力回路４０６、さらに、ＣＰＵ４０１の演算結果に基づきアクチュエータ（燃料ポンプ１１７や電制スロットル弁１０４等）の制御を行う、デジタル出力回路４０７、パルス出力回路４０８、そして、通信回路４０９を備えており、これらにより、データを外部に出力し、さらに、外部からの通信コマンドによって内部状態を変更できるようになっている。
【００２８】
図５は、コントロールユニット１２０、リニア空燃比センサ１０、ヒータ３０の接続関係を示しており、リニア空燃比センサ１０の検知素子２０から得られる酸素濃度をあらわす信号（図４参照）はセンサ信号処理回路２６を介してコントロールユニット１２０に入力される。また、ヒータ３０は、トランジスタ３６のＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）に応じてバッテリ３７から通電され、その通電量（時間）に応じて発熱し、検知素子２０を加熱する。この加熱温度を制御すべく、コントロールユニット１２０からトランジスタ３６をＯＮ／ＯＦＦするための制御信号（デューティ信号）が供給される。なお、トランジスタ３６の両端の電圧値（又は電流値）は、ヒータ３０の故障診断等に用いるため、コントロールユニット１２０に取り込まれるようになっている。
【００２９】
次に、コントロールユニット１２０が、エンジン始動直後において、ヒータ３０で検知素子２０を加熱するにあたり、検知素子２０にクラック、破損等の不具合を生じさせることがないようにするための制御例について図３から図６を参照しながら説明する。
【００３０】
前述したように、燃焼によって生じた水分は、排気管路（壁面）温度が露点以上であれば水蒸気となって排出されるが、排気管路温度が露点以下であれば排気管路１０９の内壁面に水滴となって結露し、検知素子２０の表面２０ｓにも水分（結露水）が付着する。
【００３１】
また、ヒータ３０による加熱は、検知素子２０に対して一様な温度分布にならず、ヒータ近傍部分（内部）２０ｉが高く、ヒータ３０から離れた表面部分２０ｓが低くなるため、その温度差によって熱応力が生じる。温度差は検知素子２０の熱抵抗に応じて変わる。熱抵抗が大きいと、熱は内部にたまり、温度差が大きくなる。
【００３２】
よって、ヒータ３０の温度（検知素子２０に対する加熱量）を一定とすると、図６に示される如くに、ヒータ３０への通電直後（機関始動直後）にヒータ近傍部分（内部）２０ｉの温度が高くなり、表面部分２０ｓとの温度差が最大となる。
【００３３】
水分が検知素子表面２０ｓに付着していると、素子表面２０ｓは水分の潜熱があるので、加熱されても水分が蒸発する間は１００℃に維持され、そのため、温度差はさらに拡大する。水分蒸発中の素子表面２０ｓの温度上昇率は略ゼロであるが、水分が無くなった直後からは急速に上昇する。
【００３４】
そこで、本実施形態においては、コントロールユニット１２０が、エンジン始動時における検知素子２０の表面２０ｓの水分付着状態を推定し、表面２０ｓに水分（凝縮水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータ３０の温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子２０におけるヒータ３０近傍の内部２０ｉとヒータ３０から離れた表面２０ｓとの温度差が所定値を越えないように、ヒータ３０の温度を制御するウォームアップ制御を行う。
【００３５】
そして、前記ウォームアップ制御を、素子表面２０ｓの水分が全て蒸発する時期（これも排気ガスの発熱量＝吸入空気量の積算値等に基づいて推定する）まで継続し、水分が全て蒸発したと推定された時期以後は、検知素子２０の温度を活性化温度（約６００℃以上）まで上昇させるセンサ活性促進制御を行い、検知素子２０が活性化温度に達した以降は、フィードバック制御により最適温度（例えば７５０〜７６０℃程度）で維持する。なお、フィードバック制御には、検知素子２０の実温度が必要であるが、検知素子２０の実温度は、それが４００℃〜５００℃に達すると、検知素子２０から得られる信号に基づいて求めることができる。
【００３６】
前記したエンジン始動時における素子表面２０ｓの水分付着状態は、エンジン始動時における排気管路１０９の温度に応じて異なるので、本実施形態においては、排気管路１０９の温度と略同じと見なすことができるエンジン冷却水温及び吸気温（いずれか一方だけでも可）に基づいて前記検知素子表面２０ｓの水分付着状態を推定するようにされている。
【００３７】
また、コントロールユニット１２０は、後述する図７（から図１２）の凝縮水量推定に関する処理を実行することで、排気管路１０９内で生じる凝縮水量Ｍｃｏｎを推定する。
【００３８】
以下、排気管路１０９内で生じる凝縮水量Ｍｃｏｎの推定方法について説明する。
図７に示される凝縮水量Ｍｃｏｎの推定方法（処理手順）においては、ブロック２０１の始動時排気管路壁面温度推定、ブロック２０５の排気（ガス）熱量推定、ブロック２０６の蒸発量推定、ブロック２０７の凝縮水量推定等の処理を行う。
【００３９】
図１０は、主として図７のブロック２０５の排気熱量推定に関わる部分を示し、ここでは、単位時間当りの吸入空気量Ｍａｉｒ［ｇ／ｓ］と点火時期Ｍａｄｖ［ｄｅｇＢＴＤＣ］とに基づいて、燃料と吸入空気の燃焼反応により発生する単位時間当りの基本排熱量Ｍｃａｌ［Ｊ］を算出する。
【００４０】
また、エンジン負荷、エンジン回転速度等に基づいて排気ガスの基本排熱量ＥＸＴｃａｌ（例えば排気ポート近傍における排気ガスの発生熱量）を補正する。なお、燃料カット中は、基本排熱量が持ち去られるため、その部分を考慮して排気熱量を決定する。エンジンから排出される排気熱量が判れば、排気管路１０９のヒートマスを考慮して排気管路温度を推定できる。
なお、排気熱量ＥＸＴｃａｌをセンサで検出するようにしても良い。
【００４１】
図８、図９は、図７のブロック２０１の、エンジンのイグニッションキーをＯＮにした際の排気管路（壁面）温度推定に関わる部分の説明図であり、ここでは、前記排気管路温度をエンジン停止時水温とエンジンのイグニッションキーをＯＮにした際の水温と吸気温（外気温）の関係から推定する。
【００４２】
始動時排気管路温度推定に関して、（始動時水温）−（吸気温）の値が小さいほど排気管路温度は平衡状態に近く、また、（前回キーＯＦＦ時水温）−（始動時水温）の値が大きいほど排気管路温度は平衡状態に近いことから、（始動時水温）−（吸気温）の値と（前回キーＯＦＦ時水温）−（始動時水温）の値の比を取り、排気管路温度のどの位置にあるかを求めることができる。
【００４３】
以上より、エンジンのイグニッションキーＯＮした際の排気管路温度は、エンジン停止時水温とエンジンのイグニッションキーをＯＮにした際の水温と吸気温の関係から推定することができる。
【００４４】
次に、図７の主としてブロック２０６の蒸発量推定（図１１）とブロック２０７の凝縮水量推定（図１２）に関わる部分を説明する。排気管路温度初期値とエンジンから排出される排気ガス温度を合わせて、排気管路温度Ｔｅｘｐ（例えば排気温センサ１２２近傍における排気管路温度）を推定する。
【００４５】
そして、推定した排気管路温度Ｔｅｘｐをパラメータとする凝縮水量を図１２に示す。排気管路温度Ｔｅｘｐから、排気管路壁面での単位時間当たり凝縮水量はテーブルを参照して、現在の排気管路温度Ｔｅｘｐに応じた単位時間あたりの凝縮水量を算出する。
【００４６】
ところで、推定した排気管路温度Ｔｅｘｐをパラメータとする凝縮水蒸発量を図１１に示す。排気管路温度Ｔｅｘｐから、排気管路壁面での単位時間当たり凝縮水量はテーブルを参照して、現在の排気管路温度Ｔｅｘｐに応じた単位時間あたりの凝縮水蒸発量を算出する。
【００４７】
この後、前回の凝縮水量推定値Ｍｃｏｎに今回の凝縮水変化量（発生分−蒸発分）ΔＭｃｏｎを加算して今回の凝縮水量推定値Ｍｃｏｎ［ｇ］を求める（次式）。
Ｍｃｏｎ ＝ Ｍｃｏｎ＋ΔＭｃｏｎ
【００４８】
この凝縮水量推定値Ｍｃｏｎは、コントロールユニット１２０のバックアップＲＡＭ（記憶手段）に記憶される。コントロールユニット１２０のバックアップＲＡＭの記憶データは、エンジンのイグニッションキーがＯＦＦにされたエンジン停止中も保持される。エンジン再始動時に凝縮水量Ｍｃｏｎを推定する際には、前回のエンジン停止直前に記憶した凝縮水量推定値Ｍｃｏｎ（つまり、エンジン停止中に排気管路１０９内に残留する凝縮水量の推定値）を初期値とする。
【００４９】
次に、排気管路温度Ｔｅｘｐの挙動について説明する。
図１３のタイムチャートに示されているように、コントロールユニット１２０は、エンジン運転中（エンジン始動からキースイッチのＯＦＦまでの）は、上記したエンジン運転中の推定方法で排気管路温度Ｔｅｘｐを推定し、エンジン停止中（キースイッチのＯＦＦから再度キースイッチＯＮまでのエンジン）は、エンジン停止中の推定方法で排気管路温度Ｔｅｘｐを推定する。
【００５０】
本実施例では、通常エンジンに備えられている排気温センサ１２２、エアフローセンサ１１５、吸気温センサ１２１により検出される、エンジンが始動したときにおける排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温（外気温）により排気管路温度、水蒸気量を推定し、この推定された排気管路温度及び水蒸気量を用いて排気管路内に溜まる凝縮水の量を推定し、この推定凝縮水量に基づいて排気センサの加熱用ヒータに対する通電制御を行うようにされるので、新たにセンサ類や加熱手段等を設けることを必要とせずに、排気管路１０９に溜まる凝縮水量を正確に把握することができるとともに、排気センサ（リニヤ空燃比センサ）１０の加熱用ヒータ３０の通電制御を適切に行うことができ、その結果、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することができる。
【００５１】
また、上記以外に、次の方法でも凝縮水量を推定できる。
コントロールユニット１２０は、以下に述べる図１４、及び、図１４をより詳細に記した図１６の凝縮水量推定に関するプログラム（処理手順）を実行することで、排気管路１０９内で生じる凝縮水量Ｍｃｏｎを推定する。
【００５２】
以下、図１４、図１６を参照しながら排気管路１０９内で生じる凝縮水量Ｈ２ＯＭの他の推定方法について説明する。図１４に示される凝縮水推定処理手順では、ブロック３１１、３１２の排気ガス温度・流量推定手段と、ブロック３１５から３１７の排気管路温度演算手段と、ブロック３２１から３２６の凝縮水量演算手段とを備える。同様に、図１６に示される凝縮水推定処理手順では、ブロック６１１、６１２の排気ガス温度・流量推定手段と、ブロック６１３から６１７の排気管路温度演算手段と、ブロック６２１から６４２の凝縮水量演算手段とを備える。
【００５３】
エンジンの回転速度［ｒ／ｍｉｎ］と単位時間当りの吸入空気量ＧＡＳＭ［ｋｇ／ｓ］と単位時間当りの燃料噴射量ＦＵＥＬＭ［ｋｇ／ｓ］と燃焼を行うための点火時期ＦＡＤＶ［ｄｅｇＢＴＤＣ］とに基づいて、排気ガス温度ＧＡＳＴ［Ｋ］と排気ガスの質量流量［ｋｇ／ｓ］を算出する（図１４、図１６の排気ガス温度・流量推定手段）。
燃料と吸入した空気の燃焼により発生する単位時間当りの水蒸気量ＰＳＶＭ［ｋｇ／ｓ］を算出する。
【００５４】
また、吸入空気量、エンジン回転速度、吸気温、車速等に基づいて、排気ポート近傍において検出された排気ガス温度ＧＡＳＴから排気管路（壁面）温度ＷＡＬＬＴ［ｋ］を算出する（図１４、図１６の排気管路温度演算手段）。
なお、排気ガス温度ＧＡＳＴ及び排気管路温度ＷＡＬＬＴを温度センサで検出するようにしても良い。
【００５５】
そして、排気ガス流量ＧＡＳＭ及び／又は排気管路温度ＷＡＬＬＴをパラメータとする凝縮割合Ｃのマップ又はテーブルを参照して、現在の排気ガス流量ＧＡＳＭと排気管路温度ＷＡＬＬＴとに応じた凝縮割合Ｃを算出する。この凝縮割合Ｃは、燃料と吸入空気の燃焼反応により発生する排気ガス中水蒸気のうち排気管路１０９内で凝縮する割合である。凝縮割合Ｃのマップ又はテーブルは、予め、実験データや設計データ等に基づいて求めた排気ガス温度ＧＡＳＴ及び／又は排気管路温度ＷＡＬＬＴと凝縮割合Ｃとの関係を用いて作成され、コントロールユニット１２０のＲＯＭに記憶されている。
【００５６】
この後、水蒸気量ＰＳＶＭに凝縮割合Ｃとを乗算して単位時間当りの凝縮水増加量ｄＭｃｏｎ／ｄｔ［ｋｇ］を算出する（次式）。
ｄＭｃｏｎ／ｄｔ ＝ ＰＳＣＭ×Ｃ
【００５７】
この後、前回の凝縮水量推定値Ｍｃｏｎ［ｚ］に今回の凝縮水増加量ｄＭｃｏｎ／ｄｔを加算して今回の凝縮水量推定値Ｍｃｏｎ［ｋｇ］を求める。
Ｍｃｏｎ ＝ Ｍｃｏｎ［ｚ］＋ｄＭｃｏｎ／ｄｔ
【００５８】
この凝縮水量推定値Ｍｃｏｎは、コントロールユニット１２０のバックアップＲＡＭに記憶される。コントロールユニット１２０のバックアップＲＡＭの記憶データは、イグニッションスイッチがオフされたエンジン停止中も保持される。エンジン再始動時に凝縮水量Ｈ２ＯＭを推定する際には、前回のエンジン停止直前に記憶した凝縮水量推定値Ｈ２ＯＭ、つまり、エンジン停止中に排気管路１０９内に残留する凝縮水量の推定値を初期値とする（図１４、図１６の凝縮水量演算手段）。
【００５９】
ところで、アクセル踏み込み等により吸入空気量が増加して排気管路１０９内を流れる排気ガス量が増加すると、排気管路１０９内に蓄積された凝縮水が排気ガスによって吹き飛ばされて排気管路１０９外へ排出される（図１５に排気ガス流量と飛散割合との関係を示す）。
【００６０】
そこで、本実施例では、吸入空気量ＧＡＳＭをパラメータとする凝縮水量推定値Ｈ２ＯＭの減少割合のテーブルを参照して、排気管路１０９内に蓄積された凝縮水が排気ガスによって吹き飛ばされて排気管路１０９外へ排出されるのに対応して、凝縮水量推定値Ｍｃｏｎを減少させるようにされる。なお、この場合、前記吸入空気量ＧＡＳＭに代えて他のエンジン負荷パラメータ（例えばスロットル開度、吸気管圧力等）を用いても良い。
【００６１】
ところで、リニア空燃比センサ１０は、ヒータで加熱されて高温状態のときに凝縮水が付着して被水すると、センサ素子が割れてしまうことがある。
【００６２】
これらの事情を考慮して、本実施例では、凝縮水量推定値Ｍｃｏｎがしきい値Ｍ１を越えて被水する可能性が高くなったときに、リニア空燃比センサ１０のヒータ制御を禁止（又は制限）する。これにより、被水によるリニア空燃比センサ１０のセンサ素子が破損等未然に防止できる。
【００６３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施例では、排気センサとして活性化温度が高いリニア空燃比センサを例にとって説明したが、活性化温度の低い酸素センサにも同様に適用できるものである。
【符号の説明】
【００６４】
１…制御装置 １０…リニア空燃比センサ ２０…検知素子 ３０…加熱用ヒータ １００…エンジン １０１…燃料噴射弁 １０２…点火プラグ １０３…点火コイル １０４…スロットル弁 １１０…水温センサ １１１…クランク角センサ １１２…カム角センサ １１３…スロットルセンサ １１４…吸気管圧力センサ １１５…エアフローセンサ １１８…触媒 １２０…コントロールユニット １２１…吸気温センサ、１２２…排気温センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知素子に加熱用ヒータが付設された排気センサを排気管路に配備したエンジンの制御装置に係り、特に、排気管路に溜まる凝縮水量を、新たにセンサ類を設けることを必要とせずに正確に推定し得て、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することができるようにしたエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷軽減のため、エンジン（内燃機関）から排出される排気ガスを浄化することが求められており、そのためには、燃焼に供せられる混合気の空燃比を適正な範囲に制御することが要求される。
【０００３】
従来より、空燃比を適正範囲に制御すべく、排気ガス中の酸素濃度を検出して、酸素量が略ゼロとなるように燃料供給量をフィードバック制御すること等が行われている。酸素濃度を検出するには、酸素濃度比率に応じて電圧を生じる酸素センサや、酸素濃度をリニアに検出できるリニア空燃比センサ等の排気センサが使用されている。
【０００４】
しかしながら、酸素センサ（の酸素濃度検知素子）が正常に動作（活性化）する温度は３００℃以上、リニア空燃比センサ（の酸素濃度検知素子）が正常に動作（活性化）する温度は６００℃以上であるので、センサの検知素子をヒータ等の加熱手段で強制加熱して活性温度を越えるまで昇温させる必要がある。
【０００５】
そのため、従来より、前記センサに検知素子加熱用のヒータを付設し（センサ内部の検知素子の近傍にヒータを配在するのが普通である）、検知素子をヒータで加熱することが行われている。
【０００６】
しかしながら、エンジン始動後において、できるだけ早くセンサの検知素子を活性化させるには、前記ヒータによる前記検知素子の急速加熱が必要となるが、急速加熱を行うと、そのときの温度上昇に伴う熱応力によって検知素子にクラックが発生する等の不具合が生じて適正に酸素濃度を検出することができなくなることがあり、最悪の場合は検知素子が破損して全く機能しなくなってしまうこともあった。
【０００７】
センサの検知素子にクラック、破損等の不具合が発生する原因としては以下のようなことが考えられる。
【０００８】
通常、エンジンにおいては、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気中に気化混合せしめられ、その混合気が燃焼室で燃焼して、その燃焼廃ガス（排気ガス）が排気管等で形成される排気管路に排出されるが、その際、排気ガスによって排気管路が暖められる。排気ガスの発熱量は、燃料噴射量、すなわち、吸入空気量に比例するので、吸入空気量の積算値が発熱量になる。
【０００９】
また、エンジンの排気ガスには、燃料と吸入空気の燃焼反応によって生成された水蒸気が含まれている。この水蒸気を含んだ排気ガスが排気管路内で冷やされると、排気管路内で排気ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生成される。より詳しくは、排気管路（壁面）温度が露点以上であれば水蒸気となって排出されるが、排気管路温度が露点以下であれば排気管路壁面に水滴となって結露する。
【００１０】
特に、排気管路が湾曲していて上部にガスが溜まりやすい構造であると、水蒸気は湾曲部の上部に溜まり、エンジン停止後、排気管路温度が低下してくると、その溜まった水蒸気は水分となって結露する。そのため、センサが湾曲部に取り付けられていると、検知素子表面にも水分が付着しやすい。この検知素子表面に付着した水分が前記クラック、破損等の不具合が発生する主たる原因であるが、それを説明する前に、現在実用に供されている検知素子加熱用ヒータが付設された排気センサの一例（後述の本発明の実施形態においても使用されているリニア空燃比センサ）を図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら説明する。
【００１１】
図３（Ａ）に示されるリニア空燃比センサ１０は、排気管路１０９に取り付けられた筒状のホルダ１１及び排気管路１０９内に挿入されたプロテクタ１２を有し、プロテクタ１２内に酸素濃度検知素子２０が配設されている。プロテクタ１２には幾つかの穴１４が形成されており、この穴１４から排気ガスが出入りするようになっている。
【００１２】
検知素子２０は、図３（Ｂ）に示される如くに、上下の保護層２３、２４を含む多層構造となっており、その下面側に電熱線式ヒータ３０を内蔵するヒータ部２９が配設されている。
【００１３】
検知素子２０は、検知電極２１と基準電極２２とを有し、これら検知電極２１と基準電極２２に挟まれた拡散層２５に、所定の電流を流して、排気管路１０９を流れる排気ガスの酸素濃度に応じて、検知電極２１側と基準電極２２側との酸素濃度比が一定となるように、酸素を移動させる。このときの電流値が排気管路１０９側の酸素濃度に比例することになるので、電流値を測定することで排気管路内（排気ガス）の酸素濃度を検出することができる。酸素濃度は、燃焼の際に反応しなかった酸素であり、空燃比に対応する。よって、空燃比に応じて図４に示される如くの電流特性を持つ。
【００１４】
前記検知素子２０が正常に機能するには、酸素がイオンとして移動できる温度（６００℃以上）まで加熱する必要がある。排気ガスが６００℃以上であれば、排気ガスによる加熱が可能であるが、通常の運転では排気ガス温度は６００℃以下であり、ヒータ３０による加熱が必要である。
【００１５】
一方、ヒータ３０による加熱は、検知素子２０に対して一様な温度分布にならず、ヒータ近傍部分（内部）２０ｉが高く、ヒータ３０から離れた表面部分２０ｓが低くなるため、その温度差によって熱応力が生じる。温度差は検知素子２０の熱抵抗に応じて変わる。熱抵抗が大きいと、熱は内部にたまり、温度差が大きくなる。よって、ヒータ３０の温度を一定とすると、図６に示される如くに、ヒータ３０への通電直後（エンジン始動直後）にヒータ近傍部分（内部）２０ｉの温度が高くなり、表面部分２０ｓとの温度差が最大となる。
【００１６】
水分が検知素子表面２０ｓに付着していると、素子表面２０ｓは水分の潜熱があるので、加熱されても水分が蒸発する間は１００℃に維持され、そのため、温度差はさらに拡大する。水分蒸発中の検知素子表面２０ｓの温度上昇率は略ゼロであるが、水分が無くなった直後からは急速に上昇するので、温度上昇率が極めて大きくなる。このような検知素子２０の内部２０ｉと表面２０ｓとの間の温度差及び急速な温度上昇に伴う熱応力により、検知素子２０にクラック、破損等の不具合が発生すると考えられる。
【００１７】
このような排気センサ（の検知素子）にクラック、破損等の不具合が発生することの対策として、従来においては、例えば特許文献１に所載のように、排気管路の外部に温度センサを配設し、該温度センサにより排気管路内の温度を推定し、その温度に基づいて排気管路内に凝縮水が存在し得る状況か否かを判断し、凝縮水が存在し得る状況であれば、排気管路を燃焼バーナで熱せられた熱媒体によって加熱することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００４−３１６５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、前記従来技術のような対策では、温度センサや排気管路における排気センサより上流側部分を加熱する排気管路加熱手段等を新たに設ける必要があるため、その分製造コストが嵩んでしまうという問題があった。
【００２０】
本発明は、上記問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、新たにセンサ類や加熱手段等を設けることを必要とせずに、排気管路に溜まる凝縮水量を正確に推定し得て、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することのできるエンジンの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成すべく、本発明に係る排気センサの制御装置は、検知素子に加熱用ヒータが付設された排気センサが排気管路に配備されているエンジンにおいて、排気管路の温度を推定又は検出する排気管路温度取得手段と、排気ガスの温度を推定又は検出する排気ガス温度取得手段と、前記排気管路温度に基づいて燃焼により発生する水蒸気量を算出する水蒸気量算出手段と、前記排気管路温度、排気ガス温度、及び水蒸気量に基づいて前記排気管路内の凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、該凝縮水量推定手段により推定された凝縮水量に基づいて前記加熱用ヒータに対する通電制御を行うヒータ制御手段と、を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、通常エンジンに備えられている排気温センサ、エアフローセンサ、吸気温センサにより検出される、エンジンが始動したときにおける排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温（外気温）により排気管路温度、水蒸気量を推定し、この推定された排気管路温度及び水蒸気量を用いて排気管路内に溜まる凝縮水の量を推定し、この推定凝縮水量に基づいて排気センサの加熱用ヒータに対する通電制御を行うようにされるので、新たにセンサ類や加熱手段等を設けることを必要とせずに、排気管路に溜まる凝縮水量を正確に把握することができるとともに、排気センサの加熱用ヒータの通電制御を適切に行うことができ、その結果、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することができる。
上記した以外の、課題、構成、及び効果は、以下の実施形態により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るエンジンの制御装置の一実施形態を、それが適用された車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図。
【図２】図１に示される制御装置の主要部を構成するコントロールユニット周りの説明に供される図。
【図３】図１に示されるエンジンに用いられているリニア空燃比センサであって、（Ａ）はリニア空燃比センサの取り付け状態を示す全体側面図、（Ｂ）は検知素子の構造を示す部分切欠斜視図。
【図４】図３のリニア空燃比センサの出力特性を示す図。
【図５】図１に示されるコントロールユニット、リニア空燃比センサ、及びヒータの接続関係を示す図。
【図６】図３のリニア空燃比センサの始動直後における検知素子の温度上昇特性を示す図。
【図７】図１に示されるコントロールユニットが凝縮水量を推定する際に実行するプログラム（処理手順）の一例を示すブロック図。
【図８】主として図７のブロック２０１（排気管路温度推定に関わる部分）の説明に供される図。
【図９】主として図７のブロック２０１（排気管路温度推定に関わる部分）の説明に供される図。
【図１０】主として図７のブロック２０５（排気熱量推定に関わる部分）の説明に供される図。
【図１１】排気管路温度と蒸発量との関係を示すグラフ。
【図１２】排気管路温度と凝縮水量との関係を示すグラフ。
【図１３】エンジン運転中とエンジン停止（キーＯＦＦ）後の、（Ａ）エンジン回転速度、（Ｂ）推定排気ガス温度、（Ｃ）推定排気管路温度、（Ｄ）推定凝縮水量の変化を示すタイムチャート。
【図１４】図１に示されるコントロールユニットが凝縮水量を推定する際に実行するプログラム（処理手順）の他の例を示すブロック図。
【図１５】排気ガス流量と凝縮水飛散割合との関係を示すグラフ。
【図１６】図１に示されるコントロールユニットが凝縮水量を推定する際に実行するプログラム（処理手順）の別の例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る制御装置が適用されたヒータ付き排気センサを備えた車載用エンジンの概略構成図である。
【００２５】
図示のエンジン１００は、例えば直列４気筒ガソリンエンジンであって、水温センサ１１０が配設されたシリンダ１０７の頭部（燃焼室）に点火コイル１０３から点火電圧を印加される点火プラグ１０２が配設され、また、クランク軸及び吸排気動弁機構に関連してクランク角センサ１１１及びカム角センサ１１２が設けられ、吸気系（吸気通路１０８）には、燃料噴射弁１０１、電制スロットル弁１０４、スロットル（開度）センサ１１３、吸気管圧力センサ１１４、エアフローセンサ１１５、吸気温度（外気温とみなせる）を検出する吸気温センサ１２１等が配設され、排気系（排気管路１０９）には、前述した図３に示される如くのリニア空燃比センサ１０、排気ガス温度を検出する排気温センサ１２２、触媒１１８等が配在されている。前記燃料噴射弁１０１には、燃料タンク１２５から燃料ポンプ１１７及び燃圧制御弁１２６を介して一定圧に調圧された燃料が圧送されるようになっている。
【００２６】
そして、本実施形態の制御装置においては、前記リニア空燃比センサ１０内に設けられた検知素子加熱用ヒータ３０（図３参照）の温度（発熱量）の制御、前記燃料噴射弁１０１による燃料噴射量や燃料噴射時期の制御、前記点火プラグ１０２の点火時期の制御等を行うため、コントロールユニット１２０が備えられている。
【００２７】
コントロールユニット１２０は、図２に示される如くに、数値・論理演算を行うＣＰＵ４０１、ＣＰＵ４０１が実行するプログラム及びデータを格納したＲＯＭ４０２、データを一時的に記憶するＲＡＭ４０３、各センサ類からのアナログ信号を取り込んでデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４０４、運転状態をあらわすスイッチ類からの信号を取り込むデジタル入力回路４０５、パルス信号の時間間隔や所定時間内のパルス数を計数するパルス入力回路４０６、さらに、ＣＰＵ４０１の演算結果に基づきアクチュエータ（燃料ポンプ１１７や電制スロットル弁１０４等）の制御を行う、デジタル出力回路４０７、パルス出力回路４０８、そして、通信回路４０９を備えており、これらにより、データを外部に出力し、さらに、外部からの通信コマンドによって内部状態を変更できるようになっている。
【００２８】
図５は、コントロールユニット１２０、リニア空燃比センサ１０、ヒータ３０の接続関係を示しており、リニア空燃比センサ１０の検知素子２０から得られる酸素濃度をあらわす信号（図４参照）はセンサ信号処理回路２６を介してコントロールユニット１２０に入力される。また、ヒータ３０は、トランジスタ３６のＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）に応じてバッテリ３７から通電され、その通電量（時間）に応じて発熱し、検知素子２０を加熱する。この加熱温度を制御すべく、コントロールユニット１２０からトランジスタ３６をＯＮ／ＯＦＦするための制御信号（デューティ信号）が供給される。なお、トランジスタ３６の両端の電圧値（又は電流値）は、ヒータ３０の故障診断等に用いるため、コントロールユニット１２０に取り込まれるようになっている。
【００２９】
次に、コントロールユニット１２０が、エンジン始動直後において、ヒータ３０で検知素子２０を加熱するにあたり、検知素子２０にクラック、破損等の不具合を生じさせることがないようにするための制御例について図３から図６を参照しながら説明する。
【００３０】
前述したように、燃焼によって生じた水分は、排気管路（壁面）温度が露点以上であれば水蒸気となって排出されるが、排気管路温度が露点以下であれば排気管路１０９の内壁面に水滴となって結露し、検知素子２０の表面２０ｓにも水分（結露水）が付着する。
【００３１】
また、ヒータ３０による加熱は、検知素子２０に対して一様な温度分布にならず、ヒータ近傍部分（内部）２０ｉが高く、ヒータ３０から離れた表面部分２０ｓが低くなるため、その温度差によって熱応力が生じる。温度差は検知素子２０の熱抵抗に応じて変わる。熱抵抗が大きいと、熱は内部にたまり、温度差が大きくなる。
【００３２】
よって、ヒータ３０の温度（検知素子２０に対する加熱量）を一定とすると、図６に示される如くに、ヒータ３０への通電直後（機関始動直後）にヒータ近傍部分（内部）２０ｉの温度が高くなり、表面部分２０ｓとの温度差が最大となる。
【００３３】
水分が検知素子表面２０ｓに付着していると、素子表面２０ｓは水分の潜熱があるので、加熱されても水分が蒸発する間は１００℃に維持され、そのため、温度差はさらに拡大する。水分蒸発中の素子表面２０ｓの温度上昇率は略ゼロであるが、水分が無くなった直後からは急速に上昇する。
【００３４】
そこで、本実施形態においては、コントロールユニット１２０が、エンジン始動時における検知素子２０の表面２０ｓの水分付着状態を推定し、表面２０ｓに水分（凝縮水）が付着している可能性があるときは、始動直後においてヒータ３０の温度（加熱量）を従来のように急速に上げないで比較的低い温度に抑え、検知素子２０におけるヒータ３０近傍の内部２０ｉとヒータ３０から離れた表面２０ｓとの温度差が所定値を越えないように、ヒータ３０の温度を制御するウォームアップ制御を行う。
【００３５】
そして、前記ウォームアップ制御を、素子表面２０ｓの水分が全て蒸発する時期（これも排気ガスの発熱量＝吸入空気量の積算値等に基づいて推定する）まで継続し、水分が全て蒸発したと推定された時期以後は、検知素子２０の温度を活性化温度（約６００℃以上）まで上昇させるセンサ活性促進制御を行い、検知素子２０が活性化温度に達した以降は、フィードバック制御により最適温度（例えば７５０〜７６０℃程度）で維持する。なお、フィードバック制御には、検知素子２０の実温度が必要であるが、検知素子２０の実温度は、それが４００℃〜５００℃に達すると、検知素子２０から得られる信号に基づいて求めることができる。
【００３６】
前記したエンジン始動時における素子表面２０ｓの水分付着状態は、エンジン始動時における排気管路１０９の温度に応じて異なるので、本実施形態においては、排気管路１０９の温度と略同じと見なすことができるエンジン冷却水温及び吸気温（いずれか一方だけでも可）に基づいて前記検知素子表面２０ｓの水分付着状態を推定するようにされている。
【００３７】
また、コントロールユニット１２０は、後述する図７（から図１２）の凝縮水量推定に関する処理を実行することで、排気管路１０９内で生じる凝縮水量Ｍｃｏｎを推定する。
【００３８】
以下、排気管路１０９内で生じる凝縮水量Ｍｃｏｎの推定方法について説明する。
図７に示される凝縮水量Ｍｃｏｎの推定方法（処理手順）においては、ブロック２０１の始動時排気管路壁面温度推定、ブロック２０５の排気（ガス）熱量推定、ブロック２０６の蒸発量推定、ブロック２０７の凝縮水量推定等の処理を行う。
【００３９】
図１０は、主として図７のブロック２０５の排気熱量推定に関わる部分を示し、ここでは、単位時間当りの吸入空気量Ｍａｉｒ［ｇ／ｓ］と点火時期Ｍａｄｖ［ｄｅｇＢＴＤＣ］とに基づいて、燃料と吸入空気の燃焼反応により発生する単位時間当りの基本排熱量Ｍｃａｌ［Ｊ］を算出する。
【００４０】
また、エンジン負荷、エンジン回転速度等に基づいて排気ガスの基本排熱量ＥＸＴｃａｌ（例えば排気ポート近傍における排気ガスの発生熱量）を補正する。なお、燃料カット中は、基本排熱量が持ち去られるため、その部分を考慮して排気熱量を決定する。エンジンから排出される排気熱量が判れば、排気管路１０９のヒートマスを考慮して排気管路温度を推定できる。
なお、排気熱量ＥＸＴｃａｌをセンサで検出するようにしても良い。
【００４１】
図８、図９は、図７のブロック２０１の、エンジンのイグニッションキーをＯＮにした際の排気管路（壁面）温度推定に関わる部分の説明図であり、ここでは、前記排気管路温度をエンジン停止時水温とエンジンのイグニッションキーをＯＮにした際の水温と吸気温（外気温）の関係から推定する。
【００４２】
始動時排気管路温度推定に関して、（始動時水温）−（吸気温）の値が小さいほど排気管路温度は平衡状態に近く、また、（前回キーＯＦＦ時水温）−（始動時水温）の値が大きいほど排気管路温度は平衡状態に近いことから、（始動時水温）−（吸気温）の値と（前回キーＯＦＦ時水温）−（始動時水温）の値の比を取り、排気管路温度のどの位置にあるかを求めることができる。
【００４３】
以上より、エンジンのイグニッションキーＯＮした際の排気管路温度は、エンジン停止時水温とエンジンのイグニッションキーをＯＮにした際の水温と吸気温の関係から推定することができる。
【００４４】
次に、図７の主としてブロック２０６の蒸発量推定（図１１）とブロック２０７の凝縮水量推定（図１２）に関わる部分を説明する。排気管路温度初期値とエンジンから排出される排気ガス温度を合わせて、排気管路温度Ｔｅｘｐ（例えば排気温センサ１２２近傍における排気管路温度）を推定する。
【００４５】
そして、推定した排気管路温度Ｔｅｘｐをパラメータとする凝縮水量を図１２に示す。排気管路温度Ｔｅｘｐから、排気管路壁面での単位時間当たり凝縮水量はテーブルを参照して、現在の排気管路温度Ｔｅｘｐに応じた単位時間あたりの凝縮水量を算出する。
【００４６】
ところで、推定した排気管路温度Ｔｅｘｐをパラメータとする凝縮水蒸発量を図１１に示す。排気管路温度Ｔｅｘｐから、排気管路壁面での単位時間当たり凝縮水量はテーブルを参照して、現在の排気管路温度Ｔｅｘｐに応じた単位時間あたりの凝縮水蒸発量を算出する。
【００４７】
この後、前回の凝縮水量推定値Ｍｃｏｎに今回の凝縮水変化量（発生分−蒸発分）ΔＭｃｏｎを加算して今回の凝縮水量推定値Ｍｃｏｎ［ｇ］を求める（次式）。
Ｍｃｏｎ ＝ Ｍｃｏｎ＋ΔＭｃｏｎ
【００４８】
この凝縮水量推定値Ｍｃｏｎは、コントロールユニット１２０のバックアップＲＡＭ（記憶手段）に記憶される。コントロールユニット１２０のバックアップＲＡＭの記憶データは、エンジンのイグニッションキーがＯＦＦにされたエンジン停止中も保持される。エンジン再始動時に凝縮水量Ｍｃｏｎを推定する際には、前回のエンジン停止直前に記憶した凝縮水量推定値Ｍｃｏｎ（つまり、エンジン停止中に排気管路１０９内に残留する凝縮水量の推定値）を初期値とする。
【００４９】
次に、排気管路温度Ｔｅｘｐの挙動について説明する。
図１３のタイムチャートに示されているように、コントロールユニット１２０は、エンジン運転中（エンジン始動からキースイッチのＯＦＦまでの）は、上記したエンジン運転中の推定方法で排気管路温度Ｔｅｘｐを推定し、エンジン停止中（キースイッチのＯＦＦから再度キースイッチＯＮまでのエンジン）は、エンジン停止中の推定方法で排気管路温度Ｔｅｘｐを推定する。
【００５０】
本実施例では、通常エンジンに備えられている排気温センサ１２２、エアフローセンサ１１５、吸気温センサ１２１により検出される、エンジンが始動したときにおける排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温（外気温）により排気管路温度、水蒸気量を推定し、この推定された排気管路温度及び水蒸気量を用いて排気管路内に溜まる凝縮水の量を推定し、この推定凝縮水量に基づいて排気センサの加熱用ヒータに対する通電制御を行うようにされるので、新たにセンサ類や加熱手段等を設けることを必要とせずに、排気管路１０９に溜まる凝縮水量を正確に把握することができるとともに、排気センサ（リニヤ空燃比センサ）１０の加熱用ヒータ３０の通電制御を適切に行うことができ、その結果、凝縮水による排気センサの損傷を、大きなコストアップを招くことなく確実に防止することができる。
【００５１】
また、上記以外に、次の方法でも凝縮水量を推定できる。
コントロールユニット１２０は、以下に述べる図１４、及び、図１４をより詳細に記した図１６の凝縮水量推定に関するプログラム（処理手順）を実行することで、排気管路１０９内で生じる凝縮水量Ｍｃｏｎを推定する。
【００５２】
以下、図１４、図１６を参照しながら排気管路１０９内で生じる凝縮水量Ｈ２ＯＭの他の推定方法について説明する。図１４に示される凝縮水推定処理手順では、ブロック３１１、３１２の排気ガス温度・流量推定手段と、ブロック３１５から３１７の排気管路温度演算手段と、ブロック３２１から３２６の凝縮水量演算手段とを備える。同様に、図１６に示される凝縮水推定処理手順では、ブロック６１１、６１２の排気ガス温度・流量推定手段と、ブロック６１３から６１７の排気管路温度演算手段と、ブロック６２１から６４２の凝縮水量演算手段とを備える。
【００５３】
エンジンの回転速度［ｒ／ｍｉｎ］と単位時間当りの吸入空気量ＧＡＳＭ［ｋｇ／ｓ］と単位時間当りの燃料噴射量ＦＵＥＬＭ［ｋｇ／ｓ］と燃焼を行うための点火時期ＦＡＤＶ［ｄｅｇＢＴＤＣ］とに基づいて、排気ガス温度ＧＡＳＴ［Ｋ］と排気ガスの質量流量［ｋｇ／ｓ］を算出する（図１４、図１６の排気ガス温度・流量推定手段）。
燃料と吸入した空気の燃焼により発生する単位時間当りの水蒸気量ＰＳＶＭ［ｋｇ／ｓ］を算出する。
【００５４】
また、吸入空気量、エンジン回転速度、吸気温、車速等に基づいて、排気ポート近傍において検出された排気ガス温度ＧＡＳＴから排気管路（壁面）温度ＷＡＬＬＴ［ｋ］を算出する（図１４、図１６の排気管路温度演算手段）。
なお、排気ガス温度ＧＡＳＴ及び排気管路温度ＷＡＬＬＴを温度センサで検出するようにしても良い。
【００５５】
そして、排気ガス流量ＧＡＳＭ及び／又は排気管路温度ＷＡＬＬＴをパラメータとする凝縮割合Ｃのマップ又はテーブルを参照して、現在の排気ガス流量ＧＡＳＭと排気管路温度ＷＡＬＬＴとに応じた凝縮割合Ｃを算出する。この凝縮割合Ｃは、燃料と吸入空気の燃焼反応により発生する排気ガス中水蒸気のうち排気管路１０９内で凝縮する割合である。凝縮割合Ｃのマップ又はテーブルは、予め、実験データや設計データ等に基づいて求めた排気ガス温度ＧＡＳＴ及び／又は排気管路温度ＷＡＬＬＴと凝縮割合Ｃとの関係を用いて作成され、コントロールユニット１２０のＲＯＭに記憶されている。
【００５６】
この後、水蒸気量ＰＳＶＭに凝縮割合Ｃとを乗算して単位時間当りの凝縮水増加量ｄＭｃｏｎ／ｄｔ［ｋｇ］を算出する（次式）。
ｄＭｃｏｎ／ｄｔ ＝ ＰＳＣＭ×Ｃ
【００５７】
この後、前回の凝縮水量推定値Ｍｃｏｎ［ｚ］に今回の凝縮水増加量ｄＭｃｏｎ／ｄｔを加算して今回の凝縮水量推定値Ｍｃｏｎ［ｋｇ］を求める。
Ｍｃｏｎ ＝ Ｍｃｏｎ［ｚ］＋ｄＭｃｏｎ／ｄｔ
【００５８】
この凝縮水量推定値Ｍｃｏｎは、コントロールユニット１２０のバックアップＲＡＭに記憶される。コントロールユニット１２０のバックアップＲＡＭの記憶データは、イグニッションスイッチがオフされたエンジン停止中も保持される。エンジン再始動時に凝縮水量Ｈ２ＯＭを推定する際には、前回のエンジン停止直前に記憶した凝縮水量推定値Ｈ２ＯＭ、つまり、エンジン停止中に排気管路１０９内に残留する凝縮水量の推定値を初期値とする（図１４、図１６の凝縮水量演算手段）。
【００５９】
ところで、アクセル踏み込み等により吸入空気量が増加して排気管路１０９内を流れる排気ガス量が増加すると、排気管路１０９内に蓄積された凝縮水が排気ガスによって吹き飛ばされて排気管路１０９外へ排出される（図１５に排気ガス流量と飛散割合との関係を示す）。
【００６０】
そこで、本実施例では、吸入空気量ＧＡＳＭをパラメータとする凝縮水量推定値Ｈ２ＯＭの減少割合のテーブルを参照して、排気管路１０９内に蓄積された凝縮水が排気ガスによって吹き飛ばされて排気管路１０９外へ排出されるのに対応して、凝縮水量推定値Ｍｃｏｎを減少させるようにされる。なお、この場合、前記吸入空気量ＧＡＳＭに代えて他のエンジン負荷パラメータ（例えばスロットル開度、吸気管圧力等）を用いても良い。
【００６１】
ところで、リニア空燃比センサ１０は、ヒータで加熱されて高温状態のときに凝縮水が付着して被水すると、センサ素子が割れてしまうことがある。
【００６２】
これらの事情を考慮して、本実施例では、凝縮水量推定値Ｍｃｏｎがしきい値Ｍ１を越えて被水する可能性が高くなったときに、リニア空燃比センサ１０のヒータ制御を禁止（又は制限）する。これにより、被水によるリニア空燃比センサ１０のセンサ素子が破損等未然に防止できる。
【００６３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施例では、排気センサとして活性化温度が高いリニア空燃比センサを例にとって説明したが、活性化温度の低い酸素センサにも同様に適用できるものである。
【符号の説明】
【００６４】
１…制御装置 １０…リニア空燃比センサ ２０…検知素子 ３０…加熱用ヒータ １００…エンジン １０１…燃料噴射弁 １０２…点火プラグ １０３…点火コイル １０４…スロットル弁 １１０…水温センサ １１１…クランク角センサ １１２…カム角センサ １１３…スロットルセンサ １１４…吸気管圧力センサ １１５…エアフローセンサ １１８…触媒 １２０…コントロールユニット １２１…吸気温センサ、１２２…排気温センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知素子に加熱用ヒータが付設された排気センサが排気管路に配備されているエンジンの制御装置であって、
排気管路の温度を推定又は検出する排気管路温度取得手段と、
排気ガスの温度を推定又は検出する排気ガス温度取得手段と、
前記排気管路温度に基づいて燃焼により発生する水蒸気量を算出する水蒸気量算出手段と、
前記排気管路温度、排気ガス温度、及び水蒸気量に基づいて前記排気管路内の凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、
該凝縮水量推定手段により推定された凝縮水量に基づいて前記加熱用ヒータに対する通電制御を行うヒータ制御手段と、を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項２】
検知素子に加熱用ヒータが付設された排気センサが排気管路に配備されているエンジンの制御装置であって、
排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、
吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
吸気温を検出する吸気温検出手段と、
前記エンジンが始動したときにおける前記排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温に基づいて前記排気管路内の凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、
該凝縮水量推定手段により推定された凝縮水量に基づいて前記加熱用ヒータに対する通電制御を行うヒータ制御手段と、を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項３】
前記凝縮水量推定手段は、前記排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温に基づいて、前記排気管路の壁温を推定するとともに、前記吸入空気量と燃料噴射量とから求められる混合気の空燃比に基づいて前記排気管路の露点温度を算出し、前記推定壁温と前記露点温度とから相対壁温を求め、該相対壁温及び前記吸入空気量から凝縮水増加量を算出し、該凝縮水増加量を前回の凝縮水量の推定値に加算して今回の凝縮水量の推定値を求めることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの制御装置。
【請求項４】
前記凝縮水量推定手段は、前記凝縮水量として、前記排気管路内における前記排気センサより上流側に溜まる凝縮水量及び／又は下流側に溜まる凝縮水量を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項５】
前記凝縮水量推定手段は、エンジンの停止中も記憶データを保持可能な記憶手段に前記凝縮水量の推定値を記憶させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項６】
前記凝縮水量推定手段は、吸入空気量又はそれに相関するエンジン負荷パラメータに応じて前記凝縮水量の推定値を減少させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項７】
前記ヒータ制御手段は、前記推定凝縮水量が所定値を越える場合は、前記加熱用ヒータに対する通電を禁止又は制限することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項１】
検知素子に加熱用ヒータが付設された排気センサが排気管路に配備されているエンジンの制御装置であって、
排気管路の温度を推定又は検出する排気管路温度取得手段と、
排気ガスの温度を推定又は検出する排気ガス温度取得手段と、
前記排気管路温度に基づいて燃焼により発生する水蒸気量を算出する水蒸気量算出手段と、
前記排気管路温度、排気ガス温度、及び水蒸気量に基づいて前記排気管路内の凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、
該凝縮水量推定手段により推定された凝縮水量に基づいて前記加熱用ヒータに対する通電制御を行うヒータ制御手段と、を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項２】
検知素子に加熱用ヒータが付設された排気センサが排気管路に配備されているエンジンの制御装置であって、
排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、
吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
吸気温を検出する吸気温検出手段と、
前記エンジンが始動したときにおける前記排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温に基づいて前記排気管路内の凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、
該凝縮水量推定手段により推定された凝縮水量に基づいて前記加熱用ヒータに対する通電制御を行うヒータ制御手段と、を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項３】
前記凝縮水量推定手段は、前記排気ガス温度、吸入空気量、及び吸気温に基づいて、前記排気管路の壁温を推定するとともに、前記吸入空気量と燃料噴射量とから求められる混合気の空燃比に基づいて前記排気管路の露点温度を算出し、前記推定壁温と前記露点温度とから相対壁温を求め、該相対壁温及び前記吸入空気量から凝縮水増加量を算出し、該凝縮水増加量を前回の凝縮水量の推定値に加算して今回の凝縮水量の推定値を求めることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの制御装置。
【請求項４】
前記凝縮水量推定手段は、前記凝縮水量として、前記排気管路内における前記排気センサより上流側に溜まる凝縮水量及び／又は下流側に溜まる凝縮水量を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項５】
前記凝縮水量推定手段は、エンジンの停止中も記憶データを保持可能な記憶手段に前記凝縮水量の推定値を記憶させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項６】
前記凝縮水量推定手段は、吸入空気量又はそれに相関するエンジン負荷パラメータに応じて前記凝縮水量の推定値を減少させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【請求項７】
前記ヒータ制御手段は、前記推定凝縮水量が所定値を越える場合は、前記加熱用ヒータに対する通電を禁止又は制限することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のエンジンの制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１７２５３５（Ｐ２０１２−１７２５３５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３２５００（Ｐ２０１１−３２５００）
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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