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排気特性検出装置及び排気センサの加熱方法 - 日産自動車株式会社
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発明の名称 排気特性検出装置及び排気センサの加熱方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−16649(P2007−16649A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−197383(P2005−197383)
出願日 平成17年7月6日(2005.7.6)
代理人 【識別番号】100075513
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 政喜
発明者 阿部 浩
要約 課題
凝縮水の発生する時期を的確に予測し、凝縮水の発生時期を避けて排気センサの加熱を行うようにすることで、ヒートショックの発生を抑える。

解決手段
排気マニホールド(排気管)42の現在の温度Tが水蒸発温度TAよりも高い場合、及び、排気マニホールド42の現在の温度Tが水蒸発温度TAよりも低くても、排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TAより低い状態でのエンジン1の停止がそれまでに複数回繰り返されていない場合は、ヒータ(加熱装置)52により空燃比センサ51を活性温度まで加熱する。また、排気マニホールド42の温度が水蒸発温度TAよりも低く、かつ、排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TAより低い状態でのエンジン1の停止がそれまでに複数回繰り返されている場合は、ヒータ52の加熱能力を低下あるいは加熱を停止する。
特許請求の範囲
【請求項1】
エンジンの排気管に取り付けられて排気の特性を検出する排気センサと、
前記排気センサを加熱する加熱装置と、
前記排気管の現在の温度が水蒸発温度よりも高い場合、あるいは、前記排気管の現在の温度が水蒸発温度よりも低くても、前記排気管の温度が水蒸発温度よりも低い状態での前記エンジンの停止がそれまでに複数回繰り返されていない場合は、前記加熱装置により前記排気センサを活性温度まで加熱し、前記排気管の温度が水蒸発温度よりも低く、かつ、前記排気管の温度が水蒸発温度よりも低い状態での前記エンジンの停止がそれまでに複数回繰り返されている場合は、前記加熱装置の加熱能力を低下あるいは加熱を停止する加熱制御手段と、
を備えたことを特徴とする排気特性検出装置。
【請求項2】
前記加熱制御手段は、前記エンジンを停止したときの前記排気管の温度が水蒸発温度よりも高い場合は、前記エンジン停止後に前記排気管の温度が水蒸発温度より低くなっても前記加熱装置によって前記排気センサを活性温度まで加熱することを特徴とする請求項1に記載の排気特性検出装置。
【請求項3】
前記加熱制御手段は、前記排気管の現在の温度が水凝縮温度よりも低い場合は、常に前記加熱装置の加熱能力を低下あるいは加熱を停止することを特徴とする請求項1または2に記載の排気特性検出装置。
【請求項4】
エンジンの排気管に取り付けられて排気の特性を検出する排気センサの加熱方法であって、
前記排気管の現在の温度が水蒸発温度よりも高い場合、あるいは、前記排気管の現在の温度が水蒸発温度よりも低くても、前記排気管の温度が水蒸発温度よりも低い状態での前記エンジンの停止がそれまでに複数回繰り返されていない場合は、加熱装置により前記排気センサを活性温度まで加熱し、
前記排気管の温度が水蒸発温度よりも低く、かつ、前記排気管の温度が水蒸発温度よりも低い状態での前記エンジンの停止がそれまでに複数回繰り返されている場合は、前記加熱装置の加熱能力を低下あるいは加熱を停止する、
ことを特徴とする排気センサの加熱方法。
【請求項5】
前記エンジンを停止したときの前記排気管の温度が水蒸発温度よりも高い場合は、前記エンジン停止後に前記排気管の温度が水蒸発温度より低くなっても前記加熱装置により前記排気センサを活性温度まで加熱することを特徴とする請求項4に記載の排気センサの加熱方法。
【請求項6】
前記排気管の現在の温度が水凝縮温度よりも低い場合は、常に前記加熱装置の加熱能力を低下あるいは加熱を停止することを特徴とする請求項4または5に記載の排気センサの加熱方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、排気センサを活性温度まで加熱する加熱制御に関する。
【背景技術】
【0002】
エンジンの排気通路には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ、酸素濃度を検出するO2センサ等の排気センサが取り付けられている。
【0003】
排気センサが正常な検出信号を出力するためには、排気センサの温度をその活性温度まで高める必要があるが、排気温で昇温していたのでは時間がかかるため、排気センサをヒータで加熱することが行われている。
【0004】
また、このように排気センサをヒータで加熱するものにおいては、加熱中の排気センサに排気管内の凝縮水が付着すると、排気センサが素子割れ(ヒートショック)を起こす可能性があるので、排気管内の凝縮水が加熱中の排気センサに付着しないようにする必要がある。この点に関し、特許文献1では、排気管の温度を推定し、排気管の温度が所定温度以上になったところでヒータの作動させることで、ヒートショックの発生を防ぐようにしている。
【特許文献1】特開2003−49700公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1の制御では、排気管の温度が所定温度以上になるまでヒータが作動しないので、エンジン始動直後は、しばらく排気特性を検出することができず、排気特性の検出結果を利用した制御(例えば、空燃比フィードバック制御)の開始がその分遅れてしまうという問題があった。
【0006】
また、エンジンの一時停止(アイドルストップ含む)を頻繁に繰り返すハイブリッド車両においては、エンジン停止時に凝縮水が発生する可能性があるが、特許文献1記載の制御では、このようなエンジン停止時に発生する凝縮水は考慮されていない。
【0007】
本発明は、このような従来技術の技術的課題を鑑みてなされたもので、凝縮水の発生する時期を的確に予測し、凝縮水の発生時期を避けて排気センサの加熱を行うようにすることで、ヒートショックの発生を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明によれば、排気管の現在の温度が水蒸発温度よりも高い場合、あるいは、排気管の現在の温度が水蒸発温度よりも低くても、排気管の温度が水蒸発温度よりも低い状態でのエンジンの停止がそれまでに複数回繰り返されていない場合は、加熱装置により排気センサを活性温度まで加熱する。また、排気管の温度が水蒸発温度よりも低く、かつ、排気管の温度が水蒸発温度よりも低い状態でのエンジンの停止がそれまでに複数回繰り返されている場合は、加熱装置の加熱能力を低下あるいは加熱を停止する。
【発明の効果】
【0009】
排気管の温度が水蒸発温度よりも低くても、凝縮水が発生するような状況でのエンジン停止がそれまでに繰り返されていないときは、排気センサに凝縮水が付着することによるヒートショックの可能性は低いと判断し、排気センサの加熱が行われる。これにより、ヒートショックの発生を抑えつつ、排気センサを加熱する機会を増やし、排気センサが活性温度に達するまでの時間を短縮することができる。
【0010】
逆に、凝縮水が発生するような状況でのエンジン停止が繰り返されており、発生した凝縮水が排気センサに付着することによるヒートショックの可能性が高いと判断されるときは、加熱装置の加熱能力を低下あるいは加熱が停止されるので、ヒートショックの発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【0012】
図1は本発明を適用したハイブリッド車両の概略構成を示している。エンジン1の出力回転はクラッチ2を介して変速機3の入力軸3iに入力され、変速機3の出力回転は出力ギヤ4、トランスファーユニット5、ドライブシャフト6を介して駆動輪7へと伝達される。
【0013】
変速機3は、一対の遊星歯車機構31、32を組み合わせて構成される。遊星歯車機構31、32は背中合わせに配置され、リングギヤRを共有している。リングギヤRの外周にはさらにギヤが形成され、これが出力ギヤ4と噛み合っている。
【0014】
第1の遊星歯車機構31は、サンギヤS1と、複数のピニオンギヤP1と、複数のピニオンギヤP1を回転自在に支持するキャリアC1と、リングギヤRとで構成される。変速機3の入力軸3iはサンギヤS1を軸方向に貫通する孔を通り、エンジン1と反対側に配置されるキャリアC1に接続されている。一方、第2の遊星歯車機構32は、サンギヤS2と、複数のピニオンギヤP2と、複数のピニオンギヤP2を回転自在に支持するキャリアC2と、リングギヤRとで構成される。キャリアC2には軸3fが接続されており、軸3fは変速機3のハウジング3hに固定され、これによってキャリアC2の回転が規制される。
【0015】
第1の遊星歯車機構31のサンギヤS1はモータ11によって駆動することができ、また、第2の遊星歯車機構32のサンギヤS2はモータ12によって駆動することができる。モータ11、12は図示しないインバータを介して図示しないバッテリに接続されている。
【0016】
車両は、エンジン1、モータ11、12の駆動力を利用して走行することができ、発進加速時等のエンジン1の効率が低くなる運転状態や、バッテリの充電量に余裕があるときは、エンジン1を一時的に停止し、モータ11、12の駆動力のみで走行することもできる。また、信号待ちでの一時停止等でもエンジン1を一時的に停止し(アイドルストップ)、燃料消費量を抑制する。モータ11、12は、発電機としても機能し、エンジン1の出力の一部を利用して発電を行い、車両減速時のエネルギを回生することもできる。
【0017】
図2は、エンジン1の排気システムの概略構成を示したものであり、特に、本発明に関連する部分を中心に示している。
【0018】
エンジン1の排気ポート41には、排気マニホールド42が接続されており、排気マニホールド42には第1の触媒43(マニ触媒)が接続されている。第1の触媒43のさらに下流には第2の触媒44(床下触媒)が排気通路45を介して接続されている。触媒43、44は、例えば、三元触媒であるが、要求される排気性能に応じて触媒43、44をNOx吸蔵触媒等、三元触媒以外の触媒にしても構わない。
【0019】
排気マニホールド42の途中には、排気センサとして空燃比センサ51が取り付けられており、空燃比センサ51の出力はコントローラ60へと出力される。
【0020】
ここで、空燃比センサ51が正常な検出信号を出力するためには、空燃比センサ51の温度を活性温度まで昇温する必要がある。エンジン1の排気熱を利用しても空燃比センサ51を活性温度まで昇温することは充分可能であるが、活性温度に達するまでの時間を短縮するために、空燃比センサ51の近傍には加熱用のヒータ52(加熱装置)が取り付けられている。ヒータ52は通電抵抗加熱により熱を発生するヒータであるが、燃料を燃焼させて加熱を行うもの等、他の構成のヒータであっても構わない。
【0021】
コントローラ60には、図示しないセンサや他のコントローラから、外気温、エンジン1の回転速度、ラジエータファンの作動状態、車速、燃料カットに関する信号等が入力され、これらに基づき、排気マニホールド42の温度を推定する。そして、推定した排気マニホールド42の温度やそれまでのエンジン停止履歴等に基づいて、排気マニホールド42での凝縮水の発生を予測し、凝縮水の発生時期を避けるようにヒータ52による空燃比センサ51の加熱を行う。
【0022】
図3はコントローラ60が行う排気マニホールドの温度推定のプロセスの概要を示したものである。排気は図中左側を図面手前から奥側に流れているものとする。
【0023】
排気マニホールド42の温度Tは、排気マニホールド42内の排気から排気マニホールド42に伝わる熱量をQin、排気マニホールド42から外気に伝わる熱量をQoutとすると、Qinは次式(1)で演算される。
【0024】
Qin=hin×(Tin−Tz)・・・(1)
hinは、排気マニホールド42内の排気と排気マニホールド42の間の熱伝達率であり、エンジン1が回転しているときは、排気が流れているときの熱伝達率(例えば、30kcal/m2hK)とし、エンジン1が回転していないときは、排気が止まっているときの熱伝達率(例えば、4kcal/m2hK)とする。
【0025】
Tinは、排気マニホールド42内の排気の温度であり、エンジン1が回転しておりかつ燃料噴射中は、アイドル回転時相当の排温(一定値)とし、エンジン1が回転しておりかつ燃料カット中は吸気温に等しいとし、エンジン1が回転していないとき、初期値を吸気温として、エンジン停止時からの経過時間に応じて上昇する値とする。これは、排気マニホールド42から伝達される熱量により排気マニホールド42内の排気が加熱されるからである。Tzは排気マニホールド42の温度(前回値)である。
【0026】
また、Qoutは次式(2)で演算される。
【0027】
Qout=hout×(Tz−Tout) ・・・(2)
houtは、排気マニホールド42と外気との間の熱伝達率で、車両が走行中、あるいは、ラジエータファン回転中は、空気が止まっているときの熱伝達率(例えば、10kcal/m2hK)とし、車両が停車しており、かつ、ラジエータファンも停止しているときは、空気が止まっているときの熱伝達率(例えば、4kcal/m2hK)とする。また、Toutは外気温、Tzは排気マニホールド42の温度(前回値)である。
【0028】
以上のようにして排気マニホールド42内の排気から排気マニホールド42に伝わる熱量をQin、排気マニホールド42から外気に伝わる熱量をQoutを求めたら、排気マニホールド42の現在の温度は、排気マニホールド42の質量をM(例えば、5kg)、排気マニホールド42の構成材料(例えば、鉄)の比熱をC(例えば、0.442kJ/kgK)とし、排気マニホールド42の温度の前回値をTzとすれば、次式(3)により推定することができる。
【0029】
T=(Qin−Qout)/{M×C}+Tz ・・・(3)
図4は、コントローラ60が行うセンサ加熱制御の内容を示したフローチャートであり、コントローラ60において、所定時間ごと(例えば10msec毎)に実行される。
【0030】
これによると、まず、ステップS1では、エンジン1の回転速度がゼロよりも高いかどうかを判断することでエンジン1が回転しているかどうかを判断する。エンジン1が回転していると判断されるときはフラグENGRUNに1をセットし、停止しているときはフラグENGRUNに0をセットする。
【0031】
次に、ステップS4からS7では、エンジン1の停止直後かどうかを判断し、エンジン停止直後でかつ、排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TA(例えば、100℃)よりも低い場合は、カウンタCOUNTをインクリメントする。エンジン1の停止直後かどうかは、フラグENGRUNが1から0に切り換わることをもって判断する。カウンタCOUNTは排気マニホールド42内での水の凝縮水の発生の程度を示しており、カウンタCOUNTが増大するほど排気マニホールド42内での水の凝縮量が増大する。この実施形態では、カウントCOUNTが所定値C0に達すると発生した凝縮水によってヒートショックが発生する可能性が高いと判断する。
【0032】
一方、排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TAよりも高い状態でエンジン1の停止されたときは、ステップS6からステップS8へと進み、カウンタCOUNTがインクリメントされないようにしている。
【0033】
ステップS8、S9では、排気マニホールド42の温度Tが、水蒸発温度TA、水凝縮温度TB(例えば、0℃)と比較される。水蒸発温度TAよりも高い場合は、凝縮水が発生することがなく、仮に発生しても直ちに蒸発するので、ステップS10に進んでカウンタCOUNTに0をセットする。
【0034】
一方、水凝縮温度TBよりも低い場合は、排気マニホールド42内の空気や排気の水分が結露し、排気マニホールド42内に凝縮水が非常に発生しやすい状態にあるといえるので、ステップS11に進んでカウンタCOUNTにC0をセットする。
【0035】
ステップS12では、カウンタCOUNTがC0以上になっているかどうかを判断する。C0は例えば3前後の値に設定される。カウンタCOUNTは、排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TAよりも低い状態でエンジン1の停止を繰り返した場合、あるいは、排気マニホールド42の温度Tが水凝縮水温度TBよりも低い場合にC0となる。
【0036】
カウンタCOUNTがC0以上になっているときは、排気マニホールド42内に発生した凝縮水によって空燃比センサ51のヒートショックが起こる可能性があるので、ステップS13に進んでヒータ52を停止する。これは、活性温度まで昇温した空燃比センサ51に凝縮水が付着すると素子割れ(ヒートショック)を起こす可能性があり、これを防止するためである。
【0037】
なお、ここでは、ヒータ52を停止させているが、ヒータ52の供給電力を調整することで加熱能力を調整できる場合は、供給電力を下げてヒータ52による空燃比センサ51の加熱能力を下げ、空燃比センサ51を凝縮水が付着してもヒートショックを起こさない程度に加熱するようにしてもよい。
【0038】
一方、カウンタCOUNTがC0以上になっていないときは、排気マニホールド42内にヒートショックを起こすほどの凝縮水は発生していないと考えられるので、ステップS14に進んでヒータ52を動作させ、空燃比センサ51を目標温度まで昇温させる。
【0039】
図5は、上記ハイブリッド車両において、エンジン1の始動、停止が繰り返されたときの様子を示したタイムチャートである。
【0040】
時刻t1でエンジン1を停止すると、その後、排気マニホールド42の温度Tは時間の経過と共に徐々に低下する。そして、排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TAを下回ったところでエンジン1の始動、停止が行われると(時刻t2、t3)、エンジン1が停止されるタイミングでカウンタCOUNTが1だけ増加する。
【0041】
その後、エンジン1の始動、停止が繰り返し行われることでカウンタCOUNTが増大し(時刻t4〜t7)、時刻t7のエンジン1の停止でカウンタCOUNTが所定値C0に到達する。
【0042】
カウンタCOUTNが所定値C0に達すると、エンジン1の停止を繰り返したことで排気マニホールド42の内部に発生した凝縮水によってヒートショックが起こる可能性が高いので、ヒータ52への通電を停止し、凝縮水が加熱中の空燃比センサ51に付着してヒートショックが起こるのを防止する。
【0043】
続いて、上記制御を行うことによる作用効果について説明する。
【0044】
本発明によれば、排気マニホールド(排気管)42の現在の温度Tが水蒸発温度TAよりも高い場合、あるいは、排気マニホールド42の現在の温度Tが水蒸発温度TAよりも低くても、排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TAよりも低い状態でのエンジン1の停止がそれまでに複数回繰り返されていない場合は、ヒータ(加熱装置)52により空燃比センサ(排気センサ)51を活性温度まで加熱する。また、排気マニホールド42の温度が水蒸発温度TAよりも低く、かつ、排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TAよりも低い状態でのエンジン1の停止がそれまでに複数回繰り返されている場合は、ヒータ52の加熱能力を低下あるいは加熱を停止する。
【0045】
このような加熱制御を行うことにより、排気マニホールド42の温度Tが高いときや、凝縮水が発生しうる状況でのエンジン停止がそれまでに繰り返されていないときは、空燃比センサ51に凝縮水が付着することによるヒートショックの可能性は低いと判断し、ヒータ52による加熱が行われる。したがって、ヒートショックの発生を抑えつつ、空燃比センサ51を加熱する機会を増やし、空燃比センサ51を活性温度まで昇温するのに要する時間を短縮することができる。
【0046】
逆に、凝縮水が発生しうる状況でのエンジン停止が繰り返されているときは、ヒートショックが起こる可能性が高いと判断し、ヒータ52による加熱能力を低下あるいは加熱を停止するので、凝縮水が加熱中の空燃比センサ51に付着することによるヒートショックを抑えることができる。
【0047】
また、エンジン1を停止したときの排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度TAよりも高い場合は、その後に水蒸発温度TAよりも低くなったとしても、ヒータ52により空燃比センサ51を活性温度まで加熱するようにした。これは、エンジン1を停止したときの排気マニホールド42の温度が水蒸発温度TAよりも高い場合は、カウンタCOUNTが増大されず、その後、排気マニホールド42の温度Tが水凝縮温度TBよりも低くならない限り、C0に達しないようにしたことによるものである。
【0048】
これにより、エンジン停止時の排気マニホールド42の温度Tが水蒸発温度よりも高く、その後に排気マニホールド42の温度が低下しても凝縮水が発生しない状況では、ヒータ52による加熱が継続され、空燃比センサ51を加熱する機会をさらに増やすことができる。
【0049】
また、排気マニホールド42の現在の温度Tが水凝縮温度TBよりも低い状態は、それまでにエンジン1の停止が繰り返されたか等と関係なく、常にヒータ52の加熱能力を低下あるいは加熱を停止するようにした。これにより、凝縮水が確実に発生するような状況では、ヒータ52による加熱能力を低下あるいは加熱が確実に停止され、凝縮水によるヒートショックの発生を抑えることができる。
【0050】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用範囲を上記実施形態の構成に限定する趣旨ではない。
【0051】
例えば、センサの種類、取付け位置は適宜変更することができる。排気マニホールド42の温度を推定するようにしているが、排気マニホールド42に温度センサを取り付け、温度を直接検出するようにしても構わない。また、ここではハイブリッド車両に適用した場合を例にとって説明したが、本発明はエンジンの一時停止(アイドルストップ含む)を行う車両に広く適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】本発明を適用したハイブリッド車両の概略構成図である。
【図2】排気システムの概略構成である。
【図3】排気マニホールドの温度推定のプロセスの概要を示した図である。
【図4】センサ加熱制御の内容を示したフローチャートである。
【図5】エンジンの始動、停止が繰り返されるときの様子を示したタイムチャートである。
【符号の説明】
【0053】
1 エンジン
3 変速機
11、12 モータ
42 排気マニホールド
43、44 触媒
51 空燃比センサ(排気センサ)
52 ヒータ(加熱装置)
60 コントローラ(加熱制御手段)




 

 


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