特許 6443400 内燃機関の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6443400

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】内燃機関の制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 45/00 20060101AFI20181217BHJP

   F02D 41/14 20060101ALI20181217BHJP

   F02D 19/12 20060101ALI20181217BHJP

   F02B 47/02 20060101ALI20181217BHJP

   F02M 25/025 20060101ALI20181217BHJP

   G01N 27/41 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   F02D45/00 368H

   F02D41/14 310E

   F02D19/12 A

   F02B47/02

   F02M25/025 K

   G01N27/41 325Q

【請求項の数】6

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2016-118384(P2016-118384)

(22)【出願日】2016年6月14日

(65)【公開番号】特開2017-223149(P2017-223149A)

(43)【公開日】2017年12月21日

【審査請求日】2018年1月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100180194

【弁理士】

【氏名又は名称】利根 勇基

(74)【代理人】

【識別番号】100153729

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 有一

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(72)【発明者】

【氏名】林下 剛

【審査官】 比嘉 貴大

(56)【参考文献】

【文献】 特開平２−１８００６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２３２９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４９９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−７１１１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ ４１／００−４５／００

Ｆ０２Ｂ ４７／０２

Ｆ０２Ｄ １９／１２

Ｆ０２Ｍ ２５／０２５

Ｇ０１Ｎ ２７／４１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサと、吸気通路内又は燃焼室内に水を噴射する水噴射装置とを備えた内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、
前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、
当該制御装置は、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御するヒータ制御部を備え、
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動から所定時間が経過した後、前記水噴射装置による水噴射が要求されていないときには前記目標温度を第一温度に設定し、前記内燃機関の運転状態が、前記水噴射装置によって噴射された水が前記燃焼室において混合気の燃焼を経ることなく前記排気通路に到達する水流出状態にあるときには、前記目標温度を第二温度に設定し、該第二温度は前記第一温度よりも高い、内燃機関の制御装置。

【請求項2】

前記内燃機関は、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップの量を変更可能な可変バルブタイミング機構を備え、
前記水噴射装置は前記吸気通路内に水を噴射し、
前記内燃機関の運転状態が前記水流出状態にあるときとは、前記水噴射装置によって水が噴射され且つ前記バルブオーバーラップの量がゼロ以上の所定値よりも大きいときである、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項3】

前記水噴射装置は前記燃焼室内に水を噴射し、
前記内燃機関の運転状態が前記水流出状態にあるときとは、排気弁の開弁中に前記水噴射装置によって水が噴射されているときである、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項4】

前記水噴射装置によって噴射され且つ前記燃焼室において混合気の燃焼を経ることなく前記排気通路に到達する水の量を推定する水量推定部を更に備え、
前記ヒータ制御部は、前記水量推定部によって推定された水の量が相対的に多い場合に、該水量推定部によって推定された水の量が相対的に少ない場合に比べて前記第二温度を高く設定する、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項5】

前記ヒータ制御部は、前記水噴射装置によって水が噴射されているときには、前記目標温度を前記第二温度に設定する、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項6】

前記水噴射装置を制御する水噴射装置制御部を更に備え、
前記ヒータ制御部は、前記水噴射装置による水の噴射が要求されたときに前記目標温度を前記第二温度に設定し、
前記水噴射装置制御部は、前記電気化学セルの推定温度が前記第二温度に達した後、前記水噴射装置による水の噴射を開始する、請求項５に記載の内燃機関の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、排気ガス中の特定の成分を検出するために、内燃機関の排気通路に排気センサを配置することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。斯かる排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層とを備える。排気センサは排気ガスに曝されるように排気管に固定され、排気ガスの一部は保護層を通過して素子本体内に流入する。また、排気センサは、電気化学セルが所定の作動温度以上となるように素子本体を加熱するヒータを備える。

【0003】

ところで、排気管の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路に凝縮水が存在していると、凝縮水の水滴が排気ガスと共に排気センサの保護層に衝突する。保護層が撥水性を有しない場合、保護層に衝突した水滴は保護層内に浸透する。ヒータによる加熱によって保護層の温度が高温である場合には、保護層内に浸透した水滴は保護層内で蒸発する。この結果、保護層及び素子本体に熱衝撃が加えられ、素子割れが発生する場合がある。

【0004】

そこで、特許文献１には、排気センサの素子割れを防止すべく、ライデンフロスト現象を利用して排気センサの保護層に撥水性を付与することが記載されている。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層に衝突したときに、保護層と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層からはじかれるため、保護層内に水が浸透することが抑制される。

【0005】

特許文献１に記載の発明では、内燃機関の始動の際に、ライデンフロスト現象を用いて素子割れを防止すべく、排気センサの周囲温度が露点温度に達するまで、センサ表面の温度が、作動温度よりも高い衝撃対抗温度に保持される。その後、排気センサの周囲温度が露点温度に達すると、センサ表面の温度は衝撃対抗温度から作動温度に低下せしめられる。

【0006】

また、吸気通路内に水を噴射する水噴射装置を内燃機関に設けることが知られている（例えば、特許文献２を参照）。水噴射装置は、例えば、機関負荷が高いときに、混合気の温度を低下させてノッキングの発生を抑制すべく、吸気通路内に水を噴射する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特表２００９−５２９６９１号公報

【特許文献2】特開２００８−１３８５６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが発生しているときに吸気通路内に水が噴射されると、噴射された水は燃焼室において混合気の燃焼を経ることなく排気通路に到達する。この結果、排気センサの周囲温度が露点温度に達した後も、多量の水滴が保護層に衝突するおそれがある。このため、特許文献１に記載された制御では、センサ表面の温度を作動温度に低下させた後、水噴射装置によって噴射された水によって排気センサの素子割れが発生するおそれがある。一方、ライデンフロスト現象によって排気センサの素子割れを確実に防止すべく、内燃機関の始動後に長期間に亘ってセンサ素子を高温に維持することは、ヒータの消費電力を著しく増加させる。

【0009】

そこで、本発明の目的は、水噴射装置及び排気センサを備えた内燃機関において、排気センサのヒータの消費電力の増加を抑制しつつ、被水による排気センサの素子割れを防止することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、第１の発明では、排気通路に配置されると共に排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサと、吸気通路内又は燃焼室内に水を噴射する水噴射装置とを備えた内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、前記排気センサは、電気化学セルが設けられた素子本体と、該素子本体の外面上に形成されると共に多孔質セラミックから構成された保護層と、前記素子本体及び前記保護層を加熱するヒータとを備え、当該制御装置は、前記電気化学セルの目標温度を設定すると共に前記電気化学セルの温度が前記目標温度になるように前記ヒータを制御するヒータ制御部を備え、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動から所定時間が経過した後、前記水噴射装置による水噴射が要求されていないときには前記目標温度を第一温度に設定し、前記内燃機関の運転状態が、前記水噴射装置によって噴射された水が前記燃焼室において混合気の燃焼を経ることなく前記排気通路に到達する水流出状態にあるときには、前記目標温度を第二温度に設定し、該第二温度は前記第一温度よりも高い、内燃機関の制御装置が提供される。

【0011】

第２の発明では、第１の発明において、前記内燃機関は、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップの量を変更可能な可変バルブタイミング機構を備え、前記水噴射装置は前記吸気通路内に水を噴射し、前記内燃機関の運転状態が前記水流出状態にあるときとは、前記水噴射装置によって水が噴射され且つ前記バルブオーバーラップの量がゼロ以上の所定値よりも大きいときである。

【0012】

第３の発明では、第１の発明において、前記水噴射装置は前記燃焼室内に水を噴射し、前記内燃機関の運転状態が前記水流出状態にあるときとは、排気弁の開弁中に前記水噴射装置によって水が噴射されているときである。

【0013】

第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、前記内燃機関の制御装置は、前記水噴射装置によって噴射され且つ前記燃焼室において混合気の燃焼を経ることなく前記排気通路に到達する水の量を推定する水量推定部を更に備え、前記ヒータ制御部は、前記水量推定部によって推定された水の量が相対的に多い場合に、該水量推定部によって推定された水の量が相対的に少ない場合に比べて前記第二温度を高く設定する。

【0014】

第５の発明では、第１から第４のいずれか１つの発明において、前記ヒータ制御部は、前記水噴射装置によって水が噴射されているときには、前記目標温度を前記第二温度に設定する。

【0015】

第６の発明では、第５の発明において、前記内燃機関の制御装置は、前記水噴射装置を制御する水噴射装置制御部を更に備え、前記ヒータ制御部は、前記水噴射装置による水の噴射が要求されたときに前記目標温度を前記第二温度に設定し、前記水噴射装置制御部は、前記電気化学セルの推定温度が前記第二温度に達した後、前記水噴射装置による水の噴射を開始する。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、水噴射装置及び排気センサを備えた内燃機関において、排気センサのヒータの消費電力の増加を抑制しつつ、被水による排気センサの素子割れを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。

【図2】図２は、空燃比センサの拡大図である。

【図3】図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサのセンサ素子の断面図である。

【図4】図４は、保護層に衝突する水滴の量と保護層の温度とを変化させたときのライデンフロスト現象の発生の有無を示すグラフである。

【図5】図５は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。

【図6】図６は、排気弁及び吸気弁の開弁期間の例を概略的に示す図である。

【図7】図７は、内燃機関の始動後の機関負荷等の概略的なタイムチャートである。

【図8】図８は、本発明の第一実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図9】図９は、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。

【図10】図１０は、水噴射装置から単位時間当たり噴射される水の量及びバルブオーバーラップの量と流出水量との関係を示すマップである。

【図11】図１１は、本発明の第二実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図12】図１２は、流出水量と第二温度との関係を示すマップである。

【図13】図１３は、内燃機関の始動後の機関負荷等の概略的なタイムチャートである。

【図14】図１４は、本発明の第三実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図15】図１５は、本発明の第四実施形態に係る内燃機関の制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。

【図16】図１６は、内燃機関の始動後の機関負荷等の概略的なタイムチャートである。

【図17】図１７は、本発明の第四実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【図18】図１８は、本発明の第四実施形態における水噴射処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

【0019】

＜第一実施形態＞
最初に図１〜図８を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

【0020】

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用される内燃機関の概略図である。本実施形態では、内燃機関１は火花点火式内燃機関である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。

【0021】

内燃機関１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む機関本体１００を備える。シリンダブロック２の内部には、シリンダブロック２の内部で往復運動するピストン３が配置されている。燃焼室５がピストン３とシリンダヘッド４との間に形成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７及び排気ポート９が形成されている。吸気ポート７及び排気ポート９は燃焼室５に接続されている。吸気弁６が、吸気ポート７の端部に配置され、吸気ポート７を開閉可能に形成されている。排気弁８が、排気ポート９の端部に配置され、排気ポート９を開閉可能に形成されている。また、内燃機関１は、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｂと、排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｃとを備える。

【0022】

内燃機関１は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁３１と、燃焼室５において混合気を点火するための点火プラグ３０とを備える。点火プラグ３０はシリンダヘッド４に固定されている。燃料噴射弁３１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置されている。すなわち、内燃機関１は筒内噴射式内燃機関である。また、内燃機関１は、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンを用いる。しかしながら、内燃機関１では、他の燃料を用いてもよい。

【0023】

内燃機関１は、過給機であるターボチャージャ１０１を備える。ターボチャージャ１０１は、排気通路に配置されたタービン１０２と、吸気通路に配置されたコンプレッサ１０３と、タービン１０２とコンプレッサ１０３とを接続する軸とを含む。排気の流れによってタービン１０２が回転すると、コンプレッサ１０３も回転して吸入空気の圧力を高める。したがって、ターボチャージャ１０１は、排気ガスのエネルギーを用いて、吸入空気を圧縮して吸入空気量を増大させることができる。

【0024】

吸気ポート７は、それぞれ、対応する吸気枝管３３を介してサージタンク３４に連結されている。サージタンク３４は、吸気管３５を介してターボチャージャ１０１のコンプレッサ１０３の出口部に連結されている。サージタンク３４とコンプレッサ１０３とを接続する吸気管３５の内部には、スロットル弁駆動アクチュエータ３７によって駆動されるスロットル弁３８が配置されている。スロットル弁３８は、スロットル弁駆動アクチュエータ３７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。また、コンプレッサ１０３とスロットル弁３８との間の吸気管３５には、ターボチャージャ１０１によって圧縮された吸入空気を冷却する冷却器（インタークーラ）１０６が配置されている。

【0025】

コンプレッサ１０３の入口部は、吸気管３５を介してエアクリーナ４８に連結されている。エアクリーナ４８とコンプレッサ１０３との間の吸気管３５の内部には、吸入空気量を検出するエアフロメータ３６が配置されている。吸気ポート７、吸気枝管３３、サージタンク３４、吸気管３５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。

【0026】

一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホルド３９に連結されている。排気マニホルド３９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド３９の集合部は及びターボチャージャ１０１のタービン１０２の入口部に連結されている。タービン１０２の出口部は排気管２２を介してケーシング２１に連結されている。ケーシング２１は排気浄化触媒２０を内蔵する。ケーシング２１は排気管２３に連結されている。排気ポート９、排気マニホルド３９、排気管２２、２３等は、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを燃焼室５から排出する排気通路を形成する。

【0027】

タービン１０２の上流の排気マニホルド３９とタービン１０２の下流の排気管２２との間には、タービン１０２をバイパスするバイパス通路１０４が配置されている。バイパス通路１０４には、バイパス通路１０４を開閉するバイパス弁であるウエストゲートバルブ１０５が配置されている。ウエストゲートバルブ１０５の開度を調整することによって、タービン１０２を通過する排気ガスの量を調整することができる。したがって、ウエストゲートバルブ１０５を制御することによって吸入空気の圧力（過給圧）を制御することができる。

【0028】

また、内燃機関１は、吸気通路内に水を噴射する水噴射装置２５を更に備える。本実施形態では、水噴射装置２５は、吸気通路内のサージタンク３４に配置され、サージタンク３４内に水を噴射する。なお、水噴射装置２５は吸気通路の他の位置に配置されてもよい。

【0029】

内燃機関１は、デジタルコンピュータから成る電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０を備える。ＥＣＵ８０は、双方向性バス８１を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を含む。

【0030】

エアフロメータ３６の出力信号は、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。内燃機関１はアクセルペダル１２０を備え、アクセルペダル１２０には、負荷センサ１０７が接続されている。負荷センサ１０７は、アクセルペダル１２０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。負荷センサ１０７の出力電圧は、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。

【0031】

内燃機関１はクランク角センサ１０８を備える。クランク角センサ１０８は、クランクシャフトが例えば所定の角度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート８５に入力される。ＣＰＵ８４ではこのクランク角センサ１０８の出力パルスから機関回転速度が計算される。また、クランク角センサ１０８の出力により、クランク角度を検出することができる。

【0032】

ＥＣＵ８０の出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して点火プラグ３０、燃料噴射弁３１、スロットル弁駆動アクチュエータ３７、ウエストゲートバルブ１０５、水噴射装置２５及び可変バルブタイミング機構Ｂ、Ｃに接続されている。ＥＣＵ８０は、点火プラグ３０の点火時期、燃料噴射弁３１の燃料噴射時期及び燃料噴射量、スロットル弁３８の開度、ウエストゲートバルブ１０５の開度、水噴射装置２５の水噴射時期及び水噴射量、吸気弁６の開弁時期及び閉弁時期、並びに排気弁８の開弁時期及び閉弁時期を制御することができる。

【0033】

なお、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、内燃機関はポート噴射式内燃機関であってもよい。この場合、燃料噴射弁３１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置される。また、内燃機関１は圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。

【0034】

＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、排気ガス中の特定の成分を検出する排気センサとして、内燃機関１の排気通路に空燃比センサ１０が配置されている。空燃比センサ１０は、排気ガス中の酸素濃度を検出することで、排気ガスの空燃比をリニアに検出する。

【0035】

本実施形態では、空燃比センサ１０は排気通路において排気浄化触媒２０の排気流れ方向上流側に配置されている。なお、空燃比センサ１０は、排気通路の他の位置、例えば排気浄化触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されてもよい。

【0036】

以下、図２及び図３を参照して、空燃比センサ１０の構成について説明する。図２は、空燃比センサ１０の拡大図である。図２では、空燃比センサ１０の先端側が断面図で示されている。空燃比センサ１０は、先端部１１が排気管２２に挿入された状態で排気管２２に固定される。空燃比センサ１０は、その内部に、板状の形状を有するセンサ素子１２を備えている。

【0037】

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った空燃比センサ１０のセンサ素子１２の断面図である。図３に示されるように、空燃比センサ１０のセンサ素子１２は、センサセル５１が設けられた素子本体５０と、素子本体５０の外面上に形成された保護層６０とを備える。

【0038】

素子本体５０は被測ガス室９０及び基準ガス室９１を備えている。空燃比センサ１０が内燃機関１の排気通路に配置されたとき、被測ガス室９０には、排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。基準ガス室９１には基準ガスが導入される。基準ガスは例えば大気である。この場合、基準ガス室９１は大気に開放されている。

【0039】

空燃比センサ１０は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。素子本体５０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第一不透過層１３、第二不透過層１４及び第三不透過層１５を備える。固体電解質層４０は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層４０は、例えば、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として添加した焼結体である。拡散律速層１６は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１６は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の多孔質セラミックから構成されている。不透過層１３〜１５は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む。

【0040】

素子本体５０の各層は、図３の下方から、第一不透過層１３、第二不透過層１４、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第三不透過層１５の順に積層されている。被測ガス室９０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６及び第三不透過層１５によって区画形成されている。排気ガスは保護層６０及び拡散律速層１６を通って被測ガス室９０内に導入される。拡散律速層１６は被測ガスの拡散律速を行う。なお、被測ガス室９０は、固体電解質層４０に隣接し且つ被測ガスが導入されるように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。

【0041】

基準ガス室９１は固体電解質層４０及び第二不透過層１４によって区画形成されている。なお、基準ガス室９１は、固体電解質層４０に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。

【0042】

センサセル５１は、固体電解質層４０、第一電極４１及び第二電極４２を有する電気化学セルである。第一電極４１は、被測ガス室９０内の被測ガスに曝されるように固体電解質層４０の被測ガス室９０側の表面上に配置されている。一方、第二電極４２は、基準ガス室９１内の基準ガスに曝されるように固体電解質層４０の基準ガス室９１側の表面上に配置されている。第一電極４１と第二電極４２とは、固体電解質層４０を挟んで互いに対向するように配置されている。第一電極４１及び第二電極４２は、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属から構成されている。例えば、第一電極４１及び第二電極４２は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。

【0043】

保護層６０は、素子本体５０の外面全体を覆うように、素子本体５０の外面上に形成されている。保護層６０は、ガス透過性を有し、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化亜鉛等の多孔質セラミックから構成されている。

【0044】

センサ素子１２はヒータ５５を更に備える。本実施形態では、ヒータ５５は、図３に示されるように、第一不透過層１３と第二不透過層１４との間に配置される。ヒータ５５は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミック（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ５５は素子本体５０及び保護層６０を加熱する。

【0045】

センサセル５１の第一電極４１及び第二電極４２には、電気回路７０が接続されている。電気回路７０は電源７１及び電流検出器７２を備える。電源７１は、第二電極４２の電位が第一電極４１の電位よりも高くなるように電極間に電圧を印加する。ＥＣＵ８０の出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して電源７１に接続されている。したがって、ＥＣＵ８０は、電源７１を制御して、センサセル５１に印加される電圧を制御することができる。また、電流検出器７２は、センサセル５１に流れる電流をセンサセル５１の出力として検出する。電流検出器７２の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。したがって、ＥＣＵ８０は、電流検出器７２によって検出されたセンサセル５１の出力を電流検出器７２から取得することができる。

【0046】

空燃比センサ１０は、センサセル５１に所定の電圧を印加したときにセンサセル５１に流れる限界電流を検出することによって排気ガスの空燃比を検出する。したがって、本実施形態における空燃比センサ１０は、いわゆる限界電流式空燃比センサである。

【0047】

＜ライデンフロスト現象＞
ところで、排気管２２の温度が水の露点温度以下である場合、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路に凝縮水が存在していると、凝縮水の水滴が排気ガスと共に空燃比センサ１０の保護層６０に衝突する。保護層６０が撥水性を有しない場合、保護層６０に衝突した水滴は保護層６０内に浸透する。ヒータ５５による加熱によって保護層６０の温度が高温である場合には、保護層６０内に浸透した水滴は保護層６０内で蒸発する。この結果、保護層６０及び素子本体５０に熱衝撃が加えられ、センサ素子１２の素子割れが発生する場合がある。

【0048】

保護層６０は、その温度が高温であるときに撥水性を有する。この特性は、ライデンフロスト現象を発生させることによって得られる。ライデンフロスト現象とは、水滴が高温の保護層に衝突したときに、保護層と水滴との間に蒸気膜が形成されることで保護層と水滴との間の熱伝導が抑制される現象である。ライデンフロスト現象が発生すると、水滴が保護層６０からはじかれるため、保護層６０内に水が浸透することが抑制される。

【0049】

ライデンフロスト現象が発生する温度は、一般的には、物体に衝突する液体の種類によって決定されると言われている。しかしながら、本願の発明者は、空燃比センサ１０の保護層６０のように熱容量が小さい物体では、ライデンフロスト現象が発生する温度が液体の量に応じて変化することを新たに見出した。

【0050】

図４は、保護層６０に衝突する水滴の量と保護層６０の温度とを変化させたときのライデンフロスト現象の発生の有無を示すグラフである。図中のバツ印は、ライデンフロスト現象が発生しなかったことを示す。一方、図中の丸印は、ライデンフロスト現象が発生したことを示す。図４から分かるように、ライデンフロスト現象が発生する温度は水滴量に応じて変化している。具体的には、ライデンフロスト現象が発生する温度は、水滴量が多いほど高くなる。この理由は、熱容量が小さい保護層６０では、蒸気膜の形成時に保護層６０の温度が低下し、保護層６０の温度の低下量が水滴量に比例するからであると考えられている。

【0051】

＜内燃機関の制御装置の説明＞
以下、本実施形態に係る内燃機関１の制御装置について説明する。図５は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関１の制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。内燃機関１の制御装置はヒータ制御部８０ａを備える。本実施形態では、ヒータ制御部８０ａはＥＣＵ８０の一部である。

【0052】

ヒータ制御部８０ａは、センサセル５１の目標温度を設定し、センサセル５１の温度が目標温度になるようにヒータ５５を制御する。ヒータ制御部８０ａはヒータ制御回路５６を介してヒータ５５を制御する。具体的には、ヒータ制御部８０ａは、センサセル５１の温度をセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出し、算出した温度が目標温度になるように、ヒータ制御回路５６を介してヒータ５５に供給する電力をフィードバック制御する。なお、センサセル５１のインピーダンスは、電源７１からセンサセル５１に高周波の電圧が印加されたときに電流検出器７２によって検出されるセンサセル５１の出力から算出される。

【0053】

ヒータ５５によってセンサセル５１が加熱されるとき、保護層６０も同様にヒータ５５によって加熱される。このため、保護層６０の温度はセンサセル５１の温度と相関する。したがって、上述したフィードバック制御によって、ヒータ制御部８０ａはセンサセル５１の温度だけでなく保護層６０の温度も制御することができる。

【0054】

ヒータ制御部８０ａは、内燃機関１の始動から所定時間が経過した後、以下のようにセンサセル５１の目標温度を設定する。所定時間は、例えば、内燃機関１の始動後の暖機によって排気管２２の温度が水の露点温度に達するのに要する時間である。

【0055】

本実施形態では、例えば、内燃機関１の機関負荷が所定値以上になったときに、水噴射装置２５による水噴射が要求される。水噴射が要求されると、水噴射装置２５によって吸気通路内に水が噴射される。言い換えれば、水噴射が要求されていないときには、水噴射装置２５は水を噴射しない。このため、水噴射が要求されていないときには、水噴射装置２５から噴射される水が空燃比センサ１０の保護層６０に衝突することはない。また、排気管２２の温度が水の露点温度に達した後には、排気通路内に新たな凝縮水が生成されないため、保護層６０に多量の水滴が衝突する可能性は小さい。

【0056】

このため、ヒータ制御部８０ａは、内燃機関１の始動から所定時間が経過した後、水噴射装置２５による水噴射が要求されていないときにはセンサセル５１の目標温度を第一温度に設定する。所定時間は、例えば、内燃機関１の始動後の暖機によって排気管２２の温度が水の露点温度に達するのに要する時間である。排気管２２の温度が水の沸点に達すると、排気管２２内の凝縮水のほとんどが蒸発する。このため、所定時間は、内燃機関１の始動後の暖機によって排気管２２の温度が水の沸点に達するのに要する時間であってもよい。

【0057】

第一温度は、センサセル５１の作動温度であり、例えばセンサセル５１の活性温度以上の６００℃〜６５０℃である。このような制御によって、センサセル５１の目標温度を過度に高く設定することによるヒータ５５の消費電力の増加を抑制することができる。

【0058】

一方、水噴射装置２５による水噴射が要求され、水噴射装置２５から水が噴射されると、噴射された水が燃焼室５において混合気の燃焼を経ることなく排気通路に到達する場合がある。この場合、水噴射装置２５から噴射された水の一部が空燃比センサ１０の保護層６０に衝突し、空燃比センサ１０の素子割れが発生するおそれがある。

【0059】

図４に示されるように、保護層６０に衝突する水滴の量が多い場合には、保護層６０においてライデンフロスト現象を発生させるために保護層６０の温度を高くする必要がある。このため、ヒータ制御部８０ａは、内燃機関１の始動から上記所定時間が経過した後、内燃機関１の運転状態が、水噴射装置２５によって噴射された水が燃焼室５において混合気の燃焼を経ることなく排気通路に到達する水流出状態にあるときには、センサセル５１の目標温度を第二温度に設定する。第二温度は、第一温度、すなわちセンサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、例えば７５０℃〜８５０℃である。このような制御によって、水噴射装置２５から噴射された水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。

【0060】

吸気弁６と排気弁８とのバルブオーバーラップが発生しているときに水噴射装置２５から吸気通路内に水が噴射されると、噴射された水は燃焼室５において混合気の燃焼を経ることなく排気通路に到達する。このため、内燃機関１の運転状態が水流出状態にあるときとは、水噴射装置２５によって水が噴射され且つバルブオーバーラップの量がゼロ以上の所定値よりも大きいときである。所定値は例えばゼロである。また、バルブオーバーラップの量が小さいときには、排気通路に到達する水の量が少ないため、被水による空燃比センサ１０の素子割れが発生する可能性は低い。このため、所定値は、ゼロよりも大きな値にされてもよい。

【0061】

なお、吸気弁６と排気弁８とのバルブオーバーラップとは、吸気弁６の開弁期間と排気弁８の開弁期間とが部分的に重なっていることを意味する。可変バルブタイミング機構Ｂ及び可変バルブタイミング機構Ｃの少なくともいずれか一方によってバルブオーバーラップを発生させると共にバルブオーバーラップの量（すなわち、吸気弁６と排気弁８とが共に開弁されている期間）を変更することができる。具体的には、バルブオーバーラップの量は、可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁６の開弁時期を変更すること及び可変バルブタイミング機構Ｃによって排気弁８の閉弁時期を変更することの少なくともいずれか一方によって変更される。

【0062】

図６は、排気弁８及び吸気弁６の開弁期間の例を概略的に示す図である。図６（Ａ）に示した例では、排気弁８の閉弁時期と吸気弁６の開弁時期とが排気上死点において一致しており、バルブオーバーラップが発生していない。図６（Ｂ）に示した例では、排気弁８の開弁期間と吸気弁６の開弁期間とが重なっており、バルブオーバーラップが発生している。

【0063】

なお、ヒータ制御部８０ａは、内燃機関１の始動から上記所定時間が経過するまで、センサセル５１の目標温度を第三温度に設定してもよい。第三温度は、第一温度、すなわちセンサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、例えば７５０℃〜８５０℃である。第三温度は第二温度と同じ温度であってもよい。このような制御によって、内燃機関１の始動直後に排気通路内で生成される凝縮水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。

【0064】

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図７のタイムチャートを参照して、内燃機関１の制御について具体的に説明する。図７は、内燃機関１の始動後の機関負荷、内燃機関１の水温、バルブオーバーラップの有無、水噴射の要求の有無、水噴射量及びセンサセル５１の目標温度の概略的なタイムチャートである。なお、内燃機関１の水温は、内燃機関１の冷却水路に配置された水温センサによって検出される。

【0065】

図示した例では、時刻ｔ０において内燃機関１が始動される。内燃機関１が始動されると、センサセル５１の目標温度が第三温度Ｔ３に設定される。第三温度Ｔ３は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、この例では８００℃である。

【0066】

内燃機関１の始動から所定時間が経過した時刻ｔ１において、センサセル５１の目標温度が第三温度Ｔ３から第一温度Ｔ１に切り替えられる。第一温度Ｔ１は、センサセル５１の作動温度であり、この例では６００℃である。なお、時刻ｔ１において、水噴射装置２５による水噴射は要求されていない。

【0067】

時刻ｔ１の後、時刻ｔ２において、水噴射装置２５による水噴射が要求される。この結果、水噴射装置２５による水噴射が開始され、水の噴射量が所定値まで増加する。時刻ｔ２において、バルブオーバーラップはゼロに設定されている。このため、センサセル５１の目標温度は第一温度Ｔ１に維持される。

【0068】

時刻ｔ２の後、時刻ｔ３において、バルブオーバーラップが発生せしめられる。このとき、水噴射の要求は保持されている。このため、噴射された水による空燃比センサ１０の素子割れを防止すべく、時刻ｔ３において、センサセル５１の目標温度が第一温度Ｔ１から第二温度Ｔ２に切り替えられる。第二温度Ｔ２は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、この例では８００℃である。この例では、第二温度Ｔ２は第三温度Ｔ３と等しい。

【0069】

時刻ｔ３の後、時刻ｔ４において、水噴射の要求が停止される。この結果、水噴射装置２５による水噴射が停止され、水の噴射量がゼロになる。このため、時刻ｔ４にいて、センサセル５１の目標温度が、第二温度Ｔ２から第一温度Ｔ１に切り替えられる。

【0070】

＜目標温度設定処理＞
以下、図８のフローチャートを参照して、センサセル５１の目標温度を設定するための制御について説明する。図８は、本発明の第一実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

【0071】

最初に、ステップＳ１０１において、ヒータ制御部８０ａが、内燃機関１が始動してからの経過時間ＥＴが所定時間Ｔｒｅｆ未満であるか否かを判定する。所定時間Ｔｒｅｆは、例えば、内燃機関１の始動後の暖機によって排気管２２の温度が水の露点温度に達するのに要する時間である。

【0072】

ステップＳ１０１において経過時間ＥＴが所定時間Ｔｒｅｆ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、ヒータ制御部８０ａがセンサセル５１の目標温度ＴＴを第三温度Ｔ３に設定する。第三温度Ｔ３は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、例えば７５０℃〜８５０℃である。ステップＳ１０２の後、本制御ルーチンは終了する。

【0073】

一方、ステップＳ１０１において経過時間ＥＴが所定時間Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、ヒータ制御部８０ａが、水噴射装置２５による水噴射が要求されているか否かを判定する。

【0074】

ステップＳ１０３において水噴射装置２５による水噴射が要求されていないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、ヒータ制御部８０ａが目標温度ＴＴを第一温度Ｔ１に設定する。第一温度Ｔ１は、センサセル５１の作動温度であり、例えば６００℃〜６５０℃である。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンは終了する。

【0075】

一方、ステップＳ１０３において水噴射装置２５による水噴射が要求されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、ヒータ制御部８０ａが、吸気弁６と排気弁８とのバルブオーバーラップの量ＶＯＡが所定値Ａｒｅｆよりも大きいか否かを判定する。所定値Ａｒｅｆは、ゼロ以上の値であり、例えばゼロである。バルブオーバーラップの量ＶＯＡは可変バルブタイミング機構Ｂ及び可変バルブタイミング機構Ｃの少なくともいずれか一方によって変更される。

【0076】

ステップＳ１０５においてバルブオーバーラップの量ＶＯＡが所定値Ａｒｅｆ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、ヒータ制御部８０ａが目標温度ＴＴを第一温度Ｔ１に設定する。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンは終了する。

【0077】

一方、ステップＳ１０５においてバルブオーバーラップの量ＶＯＡが所定値Ａｒｅｆよりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、ヒータ制御部８０ａが目標温度ＴＴを第二温度Ｔ２に設定する。第二温度Ｔ２は、第一温度Ｔ１よりも高い温度であり、例えば７５０℃〜８５０℃である。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。

【0078】

ところで、保護層６０の温度が低温である場合には、保護層６０の温度が高温である場合に比べて、保護層６０内で水が蒸発したときに保護層６０及び素子本体５０に加えられる熱衝撃は小さくなる。このため、ステップＳ１０２における第三温度Ｔ３は、保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度未満の温度であってもよい。保護層６０の外面においてライデンフロスト現象が発生する最低温度は例えば４００℃であり、第三温度Ｔ３は例えば３００℃に設定される。また、ヒータ制御部８０ａは、ステップＳ１０２において、ヒータ５５をオフにしてもよい。このような制御によっても内燃機関１の始動直後に排気通路内で生成される凝縮水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。

【0079】

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0080】

図９は、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。内燃機関１の制御装置は水量推定部８０ｂを更に備える。水量推定部８０ｂは、水噴射装置２５によって噴射され且つ燃焼室５において混合気の燃焼を経ることなく排気通路に到達する水の量（以下、「流出水量」とする）を推定する。本実施形態では、水量推定部８０ｂはＥＣＵ８０の一部である。

【0081】

水量推定部８０ｂは、例えば、水噴射装置２５から単位時間当たり噴射される水の量に基づいて流出水量を推定する。この場合、水噴射装置２５から単位時間当たり噴射される水の量が多いほど、水量推定部８０ｂによって推定される流出水量が多くされる。また、水量推定部８０ｂはバルブオーバーラップの量に基づいて流出水量を推定してもよい。この場合、バルブオーバーラップの量が大きいほど、水量推定部８０ｂによって推定される流出水量が多くされる。

【0082】

また、水量推定部８０ｂは、水噴射装置２５から単位時間当たり噴射される水の量及びバルブオーバーラップの量に基づいて流出水量を推定してもよい。この場合、水量推定部８０ｂは、例えば、図１０に示したようなマップを用いて流出水量を推定する。このマップでは、流出水量ＷＡが水噴射装置２５から単位時間当たり噴射される水の量ＪＷＡ及びバルブオーバーラップの量ＶＯＡの関数として示される。

【0083】

流出水量が多いほど、保護層６０に衝突する水滴の量は多くなる。図４から分かるように、保護層６０に衝突する水滴の量が多いほど、ライデンフロスト現象を発生させるために必要な保護層６０の温度が高くなる。このため、第二実施形態では、ヒータ制御部８０ａは、内燃機関１の運転状態が水流出状態にあるときには目標温度を第二温度に設定し、水量推定部８０ｂによって推定された流出水量が相対的に多い場合に、水量推定部８０ｂによって推定された流出水量が相対的に少ない場合に比べて第二温度を高く設定する。言い換えれば、ヒータ制御部８０ａは、推定された流出水量が多くなるにつれてセンサセル５１の目標温度を段階的に（ステップ状に）又はリニアに高くする。このような制御によって、第二実施形態では、より効果的に、ヒータ５５の消費電力の増加を抑制しつつ、被水による空燃比センサ１０の素子割れを防止することができる。

【0084】

＜目標温度設定処理＞
図１１は、本発明の第二実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１１におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０５は、図８におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同様であることから説明を省略する。

【0085】

本制御ルーチンは、ステップＳ２０５においてバルブオーバーラップの量ＶＯＡが所定値Ａｒｅｆよりも大きいと判定された場合、ステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、ヒータ制御部８０ａが、水量推定部８０ｂによって推定された流出水量を水量推定部８０ｂから所得する。

【0086】

次いで、ステップＳ２０７では、ヒータ制御部８０ａが、ステップＳ２０６において取得した流出水量に基づいて第二温度Ｔ２を算出する。ヒータ制御部８０ａは、流出水量が相対的に多い場合に、流出水量が相対的に少ない場合に比べて第二温度Ｔ２を高くする。例えば、ヒータ制御部８０ａは、図１２に示したようなマップを用いて第二温度Ｔ２を算出する。このマップでは、第二温度Ｔ２が流出水量ＷＡの関数として示される。第二温度Ｔ２の下限値は第一温度Ｔ１よりも高い温度に設定される。なお、第二温度Ｔ２は、図１２に破線で示したように、流出水量ＷＡが多くなるにつれて段階的（ステップ状）に高くされてもよい。

【0087】

次いで、ステップＳ２０８では、ヒータ制御部８０ａが、ステップＳ２０７において算出された第二温度Ｔ２に目標温度ＴＴを設定する。ステップＳ２０８の後、本制御ルーチンは終了する。

【0088】

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0089】

センサセル５１の目標温度を第一温度から第二温度に切り替えてからセンサセル５１の実際の温度が第二温度に達するまでには、或る程度の時間がかかる。このため、第一実施形態のように内燃機関１の運転状態が水流出状態にあるときにセンサセル５１の目標温度を第二温度に設定したとしても、センサセル５１の実際の温度が第二温度に達する前に、水噴射装置２５から噴射された水が保護層６０に衝突するおそれがある。

【0090】

このため、第三実施形態では、ヒータ制御部８０ａは、水噴射装置２５によって水が噴射されているときには、センサセル５１の目標温度を第二温度に設定する。このことによって、被水による空燃比センサ１０の素子割れをより確実に防止することができる。

【0091】

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図１３のタイムチャートを参照して、第三実施形態における内燃機関１の制御について具体的に説明する。図１３は、内燃機関１の始動後の機関負荷、内燃機関１の水温、バルブオーバーラップの有無、水噴射の要求の有無、水噴射量及びセンサセル５１の目標温度の概略的なタイムチャートである。

【0092】

図示した例では、時刻ｔ０において内燃機関１が始動される。内燃機関１が始動されると、センサセル５１の目標温度が第三温度Ｔ３に設定される。第三温度Ｔ３は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、この例では８００℃である。

【0093】

内燃機関１の始動から所定時間が経過した時刻ｔ１において、センサセル５１の目標温度が第三温度Ｔ３から第一温度Ｔ１に切り替えられる。第一温度Ｔ１は、センサセル５１の作動温度であり、この例では６００℃である。なお、時刻ｔ１において、水噴射装置２５による水噴射は要求されていない。

【0094】

時刻ｔ１の後、時刻ｔ２において、水噴射装置２５による水噴射が要求される。この結果、水噴射装置２５による水噴射が開始され、水の噴射量が所定値まで増加する。また、時刻ｔ２において、センサセル５１の目標温度が第一温度Ｔ１から第二温度Ｔ２に切り替えられる。第二温度Ｔ２は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、この例では８００℃である。なお、時刻ｔ２において、バルブオーバーラップの量はゼロに設定されている。このため、内燃機関１の運転状態が水流出状態になる前に予めセンサセル５１の温度を第二温度Ｔ２に上昇させることができる。

【0095】

時刻ｔ２の後、時刻ｔ３において、水噴射の要求が停止される。この結果、水噴射装置２５による水の噴射が停止され、水の噴射量がゼロになる。このため、時刻ｔ３にいて、センサセル５１の目標温度が、第二温度Ｔ２から第一温度Ｔ１に切り替えられる。

【0096】

＜目標温度設定処理＞
図１４は、本発明の第三実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１４におけるステップＳ３０１及びステップＳ３０２は、図８におけるステップＳ１０１及びステップＳ１０２と同様であることから説明を省略する。

【0097】

本制御ルーチンは、ステップＳ３０１において経過時間ＥＴが所定時間Ｔｒｅｆ以上であると判定された場合、ステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３では、ヒータ制御部８０ａが、水噴射装置２５から水が噴射されているか否かを判定する。

【0098】

ステップＳ３０３において、水噴射装置２５から水が噴射されていないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、ヒータ制御部８０ａが目標温度ＴＴを第一温度Ｔ１に設定する。第一温度Ｔ１は、センサセル５１の作動温度であり、例えば６００℃〜６５０℃である。ステップＳ３０４の後、本制御ルーチンは終了する。

【0099】

一方、ステップＳ３０３において水噴射装置２５から水が噴射されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、ヒータ制御部８０ａが目標温度ＴＴを第二温度Ｔ２に設定する。第二温度Ｔ２は、第一温度Ｔ１よりも高い温度であり、例えば７５０℃〜８５０℃である。ステップＳ３０５の後、本制御ルーチンは終了する。

【0100】

＜第四実施形態＞
第四実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0101】

図１５は、本発明の第四実施形態に係る内燃機関の制御装置等の構成を概略的に示すブロック図である。内燃機関１の制御装置は水噴射装置制御部８０ｃを更に備える。水噴射装置制御部８０ｃは水噴射装置２５を制御する。本実施形態では、水噴射装置制御部８０ｃはＥＣＵ８０の一部である。

【0102】

水噴射装置２５による水噴射が要求されたときに、バルブオーバーラップの量が所定値以上の値に設定されている場合がある。このため、第三実施形態のように水噴射装置２５によって水が噴射されているときにセンサセル５１の目標温度を第二温度に設定したとしても、センサセル５１の実際の温度が第二温度に達する前に、水噴射装置２５から噴射された水が保護層６０に衝突するおそれがある。

【0103】

このため、第四実施形態では、ヒータ制御部８０ａは、水噴射装置２５による水の噴射が要求されたときにセンサセル５１の目標温度を第二温度に設定する。また、水噴射装置制御部８０ｃは、センサセル５１の推定温度が第二温度に達した後、水噴射装置２５による水の噴射を開始する。このことによって、被水による空燃比センサ１０の素子割れを最も確実に防止することができる。

【0104】

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図１６のタイムチャートを参照して、第四実施形態における内燃機関１の制御について具体的に説明する。図１６は、内燃機関１の始動後の機関負荷、内燃機関１の水温、バルブオーバーラップの有無、水噴射の要求の有無、水噴射量、センサセル５１の温度及びセンサセル５１の目標温度の概略的なタイムチャートである。なお、センサセル５１の温度はセンサセル５１のインピーダンスから算出される。

【0105】

図示した例では、時刻ｔ０において内燃機関１が始動される。内燃機関１が始動されると、センサセル５１の目標温度が第三温度Ｔ３に設定される。第三温度Ｔ３は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、この例では８００℃である。

【0106】

内燃機関１の始動から所定時間が経過した時刻ｔ１において、センサセル５１の目標温度が第三温度Ｔ３から第一温度Ｔ１に切り替えられる。第一温度Ｔ１は、センサセル５１の作動温度であり、この例では６００℃である。なお、時刻ｔ１において、水噴射装置２５による水噴射は要求されていない。

【0107】

時刻ｔ１の後、時刻ｔ２において、水噴射装置２５による水の噴射が要求される。このため、時刻ｔ２において、センサセル５１の目標温度が第一温度Ｔ１から第二温度Ｔ２に切り替えられる。第二温度Ｔ２は、センサセル５１の作動温度よりも高い温度であり、この例では８００℃である。

【0108】

図示した例では、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間にバルブオーバーラップが発生せしめられている。この場合、時刻ｔ２において水噴射装置２５による水噴射を開始すると、センサセル５１の温度が第二温度Ｔ２に達する前に、噴射された水が保護層６０に衝突するおそれがある。このため、時刻ｔ３においてセンサセル５１の温度が第二温度Ｔ２に達した後、水噴射装置２５による水噴射を開始する。

【0109】

時刻ｔ３の後、時刻ｔ４において、水噴射の要求が停止される。この結果、水噴射装置２５による水の噴射が停止され、水の噴射量がゼロになる。このため、時刻ｔ４にいて、センサセル５１の目標温度が、第二温度Ｔ２から第一温度Ｔ１に切り替えられる。

【0110】

＜目標温度設定処理＞
図１７は、本発明の第四実施形態における目標温度設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１７におけるステップＳ４０１〜ステップＳ４０４は、図８におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０４と同様であることから説明を省略する。

【0111】

本制御ルーチンは、ステップＳ４０３において水噴射装置２５による水噴射が要求されていると判定された場合、ステップＳ４０５に進む。ステップＳ４０５では、ヒータ制御部８０ａが目標温度ＴＴを第二温度Ｔ２に設定する。第二温度Ｔ２は、第一温度Ｔ１よりも高い温度であり、例えば７５０℃〜８５０℃である。ステップＳ４０５の後、本制御ルーチンは終了する。

【0112】

＜水噴射処理＞
以下、図１８のフローチャートを参照して、水噴射装置２５による水噴射の制御について説明する。図１８は、本発明の第四実施形態における水噴射処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

【0113】

最初に、ステップＳ５０１において、水噴射装置制御部８０ｃが、水噴射装置２５による水噴射が要求されているか否かを判定する。水噴射装置２５による水噴射は、例えば、内燃機関１の機関負荷が所定値以上になったときに要求される。

【0114】

ステップＳ５０１において水噴射装置２５による水噴射が要求されていないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０２に進む。ステップＳ５０２では、水噴射装置制御部８０ｃが水噴射装置２５による水噴射を実行しない。ステップＳ５０２の後、本制御ルーチンは終了する。

【0115】

一方、ステップＳ５０１において水噴射装置２５による水噴射が要求されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０３に進む。ステップＳ５０３では、水噴射装置制御部８０ｃが、センサセル５１の温度Ｔｃｅｌｌが第二温度Ｔ２以上であるか否かを判定する。センサセル５１の温度Ｔｃｅｌｌは例えばセンサセル５１のインピーダンスから算出される。第二温度Ｔ２は、図１７のステップＳ４０５において設定されるセンサセル５１の目標温度である。

【0116】

ステップＳ５０３においてセンサセル５１の温度Ｔｃｅｌｌが第二温度Ｔ２未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０２に進む。この場合、図１７のステップＳ４０５においてセンサセル５１の目標温度ＴＴが第二温度Ｔ２に設定された後、センサセル５１の温度Ｔｃｅｌｌがまだ第二温度Ｔ２に達していない。このため、ステップＳ５０２では、水噴射装置制御部８０ｃが水噴射装置２５による水噴射を実行しない。ステップＳ５０２の後、本制御ルーチンは終了する。

【0117】

一方、ステップＳ５０３においてセンサセル５１の温度Ｔｃｅｌｌが第二温度Ｔ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０４に進む。ステップＳ５０４では、水噴射装置制御部８０ｃが水噴射装置２５による水噴射を実行する。ステップＳ５０４の後、本制御ルーチンは終了する。

【0118】

＜その他の態様＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。

【0119】

例えば、水噴射装置２５は、燃焼室５の温度を低下させるべく、燃焼室５内に水を噴射してもよい。この場合、水噴射装置２５は例えばシリンダヘッド４に固定される。また、排気弁８の開弁中に水噴射装置２５から燃焼室５内に水が噴射されると、噴射された水は燃焼室５において混合気の燃焼を経ることなく排気通路に到達する。このため、水噴射装置２５が燃焼室５内に水を噴射する場合、内燃機関の運転状態が水流出状態にあるときとは、排気弁８の開弁中に水噴射装置２５によって水が噴射されているときである。

【0120】

また、内燃機関が備える排気センサは、排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。また、排気センサは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）、排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）濃度を検出する硫黄酸化物センサ（ＳＯｘセンサ）等であってもよい。

【0121】

また、排気センサの素子本体には、センサセルに加えて、他の電気化学セルが設けられていてもよい。他の電気化学セルは、例えば、被測ガス中の酸素を被測ガス室から排出するポンプセル、被測ガス中の特定の成分の濃度を検出するモニタセル等である。この場合、ヒータ制御部は、ポンプセル又はモニタセルの目標温度を設定すると共にポンプセル又はモニタセルの温度が目標温度になるようにヒータを制御してもよい。ポンプセル又はモニタセルの温度は例えばそのインピーダンスから算出される。

【符号の説明】

【0122】

１ 内燃機関
１０ 空燃比センサ
１２ センサ素子
５０ 素子本体
５１ センサセル
５５ ヒータ
６０ 保護層
８０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８０ａ ヒータ制御部
８０ｂ 水量推定部
８０ｃ 水噴射装置制御部

【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17】

【図18】