DE102020126837A1

DE102020126837A1 - System und verfahren zur steuerung des luft-kraftstoff-verhältnisses

Info

Publication number: DE102020126837A1
Application number: DE102020126837.8A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Ito; Yuki Saito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2021-04-22
Also published as: US20210115869A1; CN112664339A; JP7452975B2; JP2021063482A; CN112664339B; US11174808B2

Abstract

Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem (1) mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt (3) zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, einem Abgasreiniger (4), einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (5), dessen Ausgangssignal sich stark ändert, wenn λ in dem Abgas zwischen einer fetten und einer mageren Seite um ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis wechselt, einer Heizung (6) und einem Temperatursteuerungsabschnitt (7). Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt (3) steuert λ auf der Grundlage des Ausgangs des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5), der, als ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis verwendet, so dass 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, und wenn ein Änderungsbetrag Δλ, λ 0,008 ist, eine Ausgangsdifferenz ΔV 150 mV oder kleiner ist. Der Temperatursteuerungsabschnitt (7) regelt die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) auf eine vorbestimmte Zieltemperatur von 650° C oder höher.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem und ein Verfahren zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
Beschreibung der verwandten Kunst
Ein System zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist bekannt, das eine Rückkopplungsregelung unter Verwendung des Ausgangs eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors durchführt, der in einem Abgaskanal (Abgasrohr) vorgesehen ist, um eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung für einen Verbrennungsmotor durchzuführen. Bei dieser Art von System wird die Konzentration eines bestimmten Gases (z. B. Sauerstoff) im Abgas durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst, und die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung wird unter Verwendung der erfassten Konzentration durchgeführt.
Wie z. B. in JP H09 - 126015 A gezeigt, wird ein Vollbereichs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (A/F-Sensor) als Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet. Der A/F-Sensor liefert eine Sensorausgabe, der linear mit der Sauerstoffkonzentration im Abgas (dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Luft-Kraftstoff-Gemischs) in einem weiten Bereich von der mageren Seite zur fetten Seite variiert.
JP H09 - 126015 A ist die japanische Patentanmeldung Laid-Open (kokai) Nr. H09-126015 .
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
So ist es in manchen Fällen erforderlich, ein Ziel-Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf einen kleinen Bereich einzustellen, der vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ= 1) leicht zur fetten Seite hin versetzt ist (der kleine Bereich entspricht einem Erfassungsbereich, dessen Breite (Δλ) z. B. 0,008 beträgt), um z. B. die Effizienz der Abgasreinigung (Entfernung von HC, CO, NOx) durch einen Dreiwegekatalysator zu erhöhen. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ mit dem A/F-Sensor in einem so kleinen Bereich erfasst wird, ändert sich die Sensorausgabe des A/F-Sensors in diesem Bereich kaum. Wenn nämlich der Bereich, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ erfasst werden soll (im Folgenden als „Erfassungsbereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ“ bezeichnet), auf einen bestimmten kleinen Bereich eingestellt ist, wird die Ausgangsauflösung des A/F-Sensors unzureichend, und der A/F-Sensor kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ nicht mehr linear erfassen.
Insbesondere wird in JP H09 - 126015 A auch ein binärer Sensor als Sensor für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis verwendet. Der binäre Sensor gibt eine Spannung aus, die sich ändert, je nachdem, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der fetten Seite oder der mageren Seite in Bezug auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) liegt. JP H09 -126015 A besagt, dass sich die Ausgangsspannung des binären Sensors zwar stark ändert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) geht, der binäre Sensor aber das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ innerhalb eines kleinen Bereichs (λ = 0,996 bis 1,004) in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λ = 1) linear erfassen kann.
In JP H09 - 126015 A ist jedoch der Bereich, in dem das Luft-Kraftstoff- Verhältnis λ mit dem binären Sensor linear erfasst werden kann, auf den kleinen Bereich (λ = 0,996 bis 1,004) begrenzt, der zwischen der fetten Seite und der mageren Seite eingestellt ist, um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ= 1) einzuschließen. Daher ist z. B. in dem Fall, in dem der Erfassungsbereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ wie oben beschrieben auf einen kleinen Bereich eingestellt ist, der vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) leicht zur fetten Seite hin verschoben ist, die Ausgangsauflösung des binären Sensors nicht ausreichend, und es gibt Bedarf für Verbesserungen. Insbesondere ist der binäre Sensor im Vergleich zu Vollbereichssensoren für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kostengünstig, weshalb die Verwendung des binären Sensors als Sensor für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gewünscht ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsverfahren zur Steuerung oder Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf ein vorgegebenes Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines kleinen, auf der fetten Seite eingestellten Bereichs bereitzustellen, unter Verwendung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, dessen Ausgangsspannung sich sprunghaft ändert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen der fetten Seite und der mageren Seite durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bewegt.
Der obige Zweck wurde erreicht, indem in einem ersten Aspekt der Erfindung (1) ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem bereitgestellt wurde, das Folgendes umfasst: einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt zum Steuern eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ eines einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches durch Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemisches derart, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ gleich einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird; einen Abgasreiniger, der an einer Abgasseite des Verbrennungsmotors vorgesehen ist und der von dem Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas reinigt, einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der auf der Abgasseite des Verbrennungsmotors vorgesehen ist und dessen Ausgabe sich stark ändert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas zwischen einer fetten Seite und einer mageren Seite in Bezug auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ändert, während es das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchläuft; eine Heizung zum Heizen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, und einen Temperatursteuerungsabschnitt, der die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors durch Einstellen der Temperatur der Heizung regelt. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf der Grundlage des Ausgangssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, wobei als das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines Bereichs verwendet wird, in dem eine Ungleichung von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, und wenn ein Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ 0,008 beträgt, eine Ausgangsdifferenz ΔV des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 150 mV oder kleiner ist. Der Temperatursteuerungsabschnitt steuert die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors so, dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gleich einer vorbestimmten Zieltemperatur von 650° C oder höher wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform (2) des obigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystems (1) beträgt die Ausgangsdifferenz ΔV innerhalb des Bereichs, in dem die Ungleichheit von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, 50 mV oder mehr, wenn ein Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ 0,008 beträgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (3) des obigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystems (1) oder (2) regelt der Temperatursteuerungsabschnitt die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors so, dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 850° C oder niedriger wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (4) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystems nach einem der obigen Punkte (1) bis (3) ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor im Abgasreiniger oder stromabwärts des Abgasreinigers vorgesehen.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung (5) ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsverfahren zum Steuern eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einem Verbrennungsmotor zugeführt wird, zur Verfügung, indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ des Luft-Kraftstoff-Gemisches so eingestellt wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ gleich einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, wobei ein Abgasreiniger, der das von dem Verbrennungsmotor abgegebene Abgas reinigt, auf einer Abgasseite des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor auf der Abgasseite des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, und ein Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors sich stark ändert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas zwischen einer fetten Seite und einer mageren Seite in Bezug auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis wechselt, während es das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchläuft. Das Verfahren umfasst: einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsschritt des Steuerns des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf der Grundlage des Ausgangssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, wobei als das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines Bereichs verwendet wird, in dem eine Ungleichung von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, und wenn ein Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ 0.008 ist, eine Ausgangsdifferenz ΔV des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 150 mV oder kleiner ist; und einen Temperatursteuerungsschritt des Einstellens der Temperatur einer Heizung zum Heizen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, sodass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gleich einer vorbestimmten Zieltemperatur von 650° C oder höher wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform (6) des obigen Verfahrens zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (5) beträgt die Ausgangsdifferenz ΔV innerhalb des Bereichs, in dem die Ungleichung von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, 50 mV oder mehr.
Wirkung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsverfahren zur Steuerung bzw. Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf ein vorgegebenes Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines kleinen Bereichs, der auf der fetten Seite eingestellt ist, unter Verwendung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, dessen Ausgang sich stark ändert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen der fetten Seite und der mageren Seite durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis hindurch verändert.
Figurenliste

1 ist ein erklärendes Diagramm, das schematisch die Konfiguration eines Verbrennungsmotors und seiner Peripheriegeräte zeigt, wobei der Verbrennungsmotor mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform versehen ist.
2 ist ein Diagramm, das schematisch die Ausgangscharakteristik eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt.
3 ist ein Diagramm, das in einem vergrößerten Maßstab einen in 2 angegebenen Bereich zeigt.
4 ist ein Diagramm, das schematisch die Ausgangscharakteristik des auf eine Zieltemperatur eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt.
5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Sensorausgabe für Fälle zeigt, in denen der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor unterschiedliche Elementtemperaturen hat.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Elementtemperatur (° C) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors und der Neigung einer Näherungsgeraden zeigt, die die Sensorausgabe innerhalb eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Bereichs von 0,990 bis 0,998 darstellt.
7 ist ein Diagramm, das schematisch die Ausgangscharakteristik eines LAF-Sensors zeigt.
8 ist ein Diagramm, das in einem vergrößerten Maßstab einen in 7 angegebenen Bereich zeigt.
9 ist ein erklärendes Diagramm, das schematisch die Konfiguration eines Verbrennungsmotors und seiner Peripheriegeräte zeigt, wobei der Verbrennungsmotor mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform versehen ist.

Bezugszeichenliste
Zur Kennzeichnung verschiedener Merkmale in den Zeichnungen werden die folgenden Referenznummern verwendet.

1, 1A: Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem,
2: Verbrennungsmotor;

3: Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt;
4: Dreiwege-Katalysator (Abgasreiniger);
5: Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor;
6: Heizung;
7, 7A: Temperatur-Steuerungsabschnitt;
8, 8A: ECU;
9: Ansaugrohr;
10: Abgasrohr;
11: Einspritzdüse;
12: Drosselklappe;
20: stromaufwärtiger Sensor;
21: zweite Sensorsteuerung;
51, 51A: erste Sensorsteuerung

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht als darauf beschränkt ausgelegt werden.
Erste Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben. 1 ist eine erläuternde Darstellung, die schematisch den Aufbau eines Verbrennungsmotor 2 und dessen Peripheriegeräte zeigt. Für den Verbrennungsmotor 2 ist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem 1 ist ein System zum Steuern bzw. Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemisches, das dem in einem Fahrzeug montierten Verbrennungsmotor 2 zugeführt wird, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ gleich einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem 1 umfasst im Wesentlichen einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt 3, einen Dreiwege-Katalysator (ein Beispiel für einen Abgasreiniger) 4, einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5, eine Heizung 6 und einen Temperatursteuerungsabschnitt 7. Insbesondere werden der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt 3 und der Temperatursteuerungsabschnitt 7 von einer CPU (Engl.: Central Processing Unit) innerhalb einer ECU (Engl.: Electronic Control Unit) 8 zur Steuerung des Betriebs des Verbrennungsmotors 2 gebildet. Die ECU 8 umfasst die CPU, ein ROM, ein RAM usw. Die CPU führt ein im ROM gespeichertes Programm aus. Erfassungssignale von verschiedenen Arten von Sensoren, einschließlich des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, werden in die ECU 8 eingegeben.
Der Verbrennungsmotor 2 ist ein 4-Zylinder-Reihen-4-Takt-Motor vom Typ Funkenzündung. Ein Ansaugrohr 9, durch das von außen angesaugte Luft (Ansaugluft) strömt, ist mit der stromaufwärtigen Seite des Verbrennungsmotors 2 verbunden, und ein Abgasrohr 10, durch das Abgas (das als Ergebnis der Verbrennung von Kraftstoff entsteht) strömt, ist mit der stromabwärtigen Seite des Verbrennungsmotors 2 verbunden. Im Ansaugrohr 9 sind mehrere Einspritzventile (Kraftstoffeinspritzventile) 11 angeordnet. Die Einspritzventile 11 sind mit einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) verbunden und sind für entsprechende Zylinder auf der stromaufwärtigen Seite des Verbrennungsmotors 2 vorgesehen und spritzen Kraftstoff in Übereinstimmung mit Steuersignalen von der ECU 8 ein. Insbesondere ist eine Drosselklappe 12 zum Einstellen der in den Verbrennungsmotor 2 angesaugten Luftmenge im Ansaugrohr 9 vorgesehen, das sich auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Einspritzdüsen 11 befindet. Der Öffnungsgrad der Drosselklappe 12 wird in Übereinstimmung mit einem Steuersignal von der ECU 8 gesteuert.
Die von außen angesaugte Luft bewegt sich im Ansaugrohr 9, während sie durch einen nicht dargestellten Luftfilter, die Drosselklappe 12 usw. strömt, und wird mit dem von den Einspritzdüsen 11 eingespritzten Kraftstoff (Benzin) vermischt. Das resultierende Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird jedem Zylinder des Verbrennungsmotors 2 zugeführt. Insbesondere ist für jeden Zylinder eine Zündkerze vorgesehen. In Reaktion auf ein Steuersignal von der ECU 8 zündet jede Zündkerze zu einem vorgegebenen Zeitpunkt das jedem Zylinder zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch. Das durch die Verbrennung entstehende Abgas strömt durch das Abgasrohr 10 und wird nach außen abgeleitet.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt 3 steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt wird, indem er das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs so einstellt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs gleich dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa wird. Die Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt wird, wird durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt 3 durchgeführt, indem er beispielsweise die Menge des von den Injektoren 11 eingespritzten Kraftstoffs und/oder den Öffnungsgrad der Drosselklappe 12 einstellt. Das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa wird zuvor im ROM der ECU 8 gespeichert. Das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa wird im Folgenden näher beschrieben.
Insbesondere bezieht sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Allgemeinen auf das Mischungsverhältnis (Massenverhältnis) zwischen Luft und Benzin. In der vorliegenden Beschreibung wird jedoch der Einfachheit halber das Luftüberschussverhältnis λ (=das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis/das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis) als Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezeichnet, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ = 1 zeigt das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis an.
Der Drei-Wege-Katalysator 4 ist mittig in der Abgasleitung 10 angeordnet, die mit der Abgasseite (stromabwärts) des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist, und reinigt das aus dem Verbrennungsmotor 2 ausgestoßene und sich in der Abgasleitung 10 bewegende Abgas (entfernt z. B. Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx)).
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 wird z.B. von einem Sensor (Binärsensor) gebildet, der ein Zirkoniumdioxid-Sensorelement enthält, dessen Ausgangssignal (elektromotorische Kraft) sich entsprechend der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphären- und der Abgasseite derart ändert, dass sich das Ausgangssignal sprunghaft ändert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen der fetten Seite und der mageren Seite durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) hindurch ändert.
Wie in 1 dargestellt, ist der Sensor für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis 5 an dem Abgasrohr 10 vorgesehen, das mit der Abgasseite des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist. Insbesondere ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 an einem Abschnitt des Abgasrohrs 10 vorgesehen, der sich auf der stromabwärtigen Seite des Dreiwegekatalysators 4 befindet.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 wird von einer ersten Sensorsteuerung 51 gesteuert. Die erste Sensorsteuerung 51 wird durch einen ASIC (Engl.: Application Specific Integrated Circuit), einen Mikrocomputer oder ähnliches gebildet. Die erste Sensorsteuerung 51 ist so konfiguriert, dass sie über eine Kommunikationsleitung Daten an die ECU 8 sendet und Daten von der ECU 8 empfängt.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 enthält eine Heizung 6 zum Heizen des Sensorelements usw. (der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5). Die Heizung 6 besteht aus einem Material, dessen Hauptbestandteil Aluminiumoxid ist, und enthält ein Heizwiderstandselement, das aus einem Material gebildet ist, dessen Hauptbestandteil Platin ist. Die gegenüberliegenden Enden des Heizwiderstandselements sind über der ersten Sensorsteuerung 51 elektrisch mit der ECU 8 (dem Temperatursteuerungsabschnitt 7) verbunden. Die Heizung 6 erzeugt Wärme bei Zufuhr von elektrischer Energie von der ersten Sensorsteuerung 51 in Übereinstimmung mit einer Anweisung vom Temperatursteuerungsabschnitt 7 und wird so gesteuert, dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 (das Sensorelement) gleich einer vorbestimmten Zieltemperatur T wird, wie unten beschrieben wird. Wenn das Sensorelement infolge der Erwärmung durch die Heizung 6 aktiv wird, tritt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 (Sensorelement) in einen Zustand ein, in dem er das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ innerhalb eines bestimmten kleinen Bereichs, wie später beschrieben wird, linear erfassen kann.
Der Temperatursteuerungsabschnitt 7 regelt die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 so, dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 gleich der vorgegebenen Zieltemperatur T von 650° C oder höher wird. Die Zieltemperatur T wird zuvor im ROM der ECU 8 gespeichert. Die Zieltemperatur T wird so eingestellt, dass sie in den Bereich (Temperaturbereich) gleich oder höher als 650 °C fällt. Wenn die Temperatur des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 5 auf die Zieltemperatur T geregelt wird, verbessert sich die Auflösung der Ausgangsspannung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5. Insbesondere, wenn die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 850° C überschreitet, kann ein Problem mit der Haltbarkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 auftreten, obwohl sich die Auflösung der Ausgangsspannung verbessert. Daher ist die obere Grenze der Zieltemperatur T vorzugsweise 850° C oder niedriger.
Die Ausgangscharakteristik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben. 2 ist ein Diagramm, das die Ausgangscharakteristik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 schematisch darstellt. Wie in 2 gezeigt, ändert sich der Ausgang (Spannung) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 stark, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen der fetten Seite und der mageren Seite durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) hindurch ändert. Insbesondere zeigt 2 die Ausgangscharakteristik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, dessen Temperatur auf 600° C eingestellt ist (eine Temperatur, die niedriger ist als die Zieltemperatur T). 3 ist ein Diagramm, das einen in 2 angegebenen Bereich S1 (λ = 0,990 bis 0,998) in einem vergrößerten Maßstab zeigt. 3 zeigt den Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ von 0,990 auf 0,998 ändert. 3 zeigt die Differenz (ΔV1) zwischen dem Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ 0,990 ist, und dem Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ 0,998 ist.
4 ist ein Diagramm, das schematisch die Ausgangscharakteristik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 zeigt, dessen Temperatur auf die Zieltemperatur T (λ = 0,990 bis 0,998) eingestellt ist. 4 zeigt die Ausgangskennlinien des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 in einem Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ, der dem in 3 dargestellten Bereich entspricht. Wie in 4 gezeigt, ist, wenn die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 gleich der oben beschriebenen Zieltemperatur T ist, die Differenz (ΔV2) zwischen dem Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ 0,990 ist, und dem Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ 0.998, ist größer als die Differenz (ΔV1) in dem Fall, in dem die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 600° C beträgt. Wenn nämlich die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 auf die Zieltemperatur T eingestellt ist, hat der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 eine verbesserte Ausgangsspannungsauflösung und kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ in einem vorbestimmten Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ (einem unten beschriebenen leicht fetten Bereich) linear erfassen.
Das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa wird so eingestellt, dass es in einen kleinen Bereich fällt, der leicht vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) in Richtung der fetten Seite verschoben ist (im Folgenden als „leicht fetter Bereich“ bezeichnet), um beispielsweise die Effizienz der Abgasreinigung (Entfernung von HC, CO und NOx) durch den Dreiwegekatalysator 4 zu erhöhen. Insbesondere ist das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines Bereichs, in dem eine Ungleichung von 0,980 ≤ λ < 1.000 erfüllt ist, der Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ (die Breite des Erfassungsbereichs des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) 0,008 beträgt und die Ausgangsdifferenz ΔV des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 150 mV oder weniger beträgt. Die Information bezüglich des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λa wird zuvor im ROM der ECU 8 gespeichert.
Insbesondere ist die Ausgangsdifferenz ΔV in dem oben beschriebenen Bereich vorzugsweise 50 mV oder größer. Wenn die Ausgangsdifferenz ΔV in dem oben beschriebenen Bereich 50 mV oder größer ist, kann die Ausgangsauflösung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 im leicht fetten Bereich einfach gesichert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der stromaufwärts gelegene Gassensor 20 an einem Abschnitt des Abgasrohrs 10 vorgesehen, der sich auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Drei-Wege-Katalysators 4 befindet. Der stromaufwärts gelegene Gassensor 20 ist ein A/F-Sensor (Sauerstoffsensor vom Typ Grenzstrom) und gibt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Signal aus, indem er die Sauerstoffkonzentration im Abgas, das vom Verbrennungsmotor 2 ausgestoßen wird, in einem breiten Bereich, der sich von der fetten Seite zur mageren Seite erstreckt, linear erfasst. Als stromaufwärts gelegener Gassensor 20 kann ein LAF-Sensor (Engl.: Lean Air Fuel Sensor) verwendet werden. Der stromaufwärts gelegene Gassensor 20 umfasst ein Sensorelement, eine Heizung, um das Sensorelement auf seiner Aktivierungstemperatur zu halten, usw. Wenn eine vorgegebene Spannung an den stromaufwärts gelegenen Gassensor 20 angelegt wird, gibt der stromaufwärts gelegene Gassensor 20 einen Begrenzungsstrom ab, der sich linear mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ändert. Der λ-Erfassungsbereich des stromaufwärtigen Gassensors 20 beträgt etwa 0,8 bis etwa 1,2. Insbesondere wird der stromaufwärtige Gassensor 20 durch die zweite Sensorsteuerung 21 gesteuert. Die zweite Sensorsteuerung 21 ist z. B. durch einen ASIC oder einen Mikrocomputer gebildet. Die zweite Sensorsteuerung 21 ist so konfiguriert, dass sie über eine Kommunikationsleitung Daten an die ECU 8 sendet und Daten von der ECU 8 empfängt.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsprozess (Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsschritt) und ein Temperatursteuerungsprozess (Temperatursteuerungsschritt), die von der ECU 8 ausgeführt werden, werden beschrieben. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsprozess und der Temperatursteuerungsprozess werden gestartet, wenn der Verbrennungsmotor 2 (insbesondere das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem 1) gestartet wird, und werden fortgesetzt, bis der Verbrennungsmotor 2 (das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem 1) stoppt. Insbesondere wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsprozess ausgeführt, nachdem die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 als Ergebnis der Ausführung des Temperatursteuerungsprozesses gleich der vorbestimmten Zieltemperatur T wird.
Der Temperatursteuerungsprozess ist ein Prozess zum Einstellen der Temperatur der Heizung 6 zum Erwärmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, so dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 gleich der vorgegebenen Zieltemperatur T von 650° C oder höher wird. Dieser Vorgang wird durch den Temperatursteuerungsabschnitt 7 ausgeführt. Der Temperatursteuerungsabschnitt 7 berechnet die Wärmeerzeugungsmenge der Heizung 6, die erforderlich ist, um die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 auf der zuvor eingestellten Zieltemperatur T zu halten. Der Temperatursteuerungsabschnitt 7 berechnet das Tastverhältnis der elektrischen Leistung, die der Heizung 6 zugeführt wird, basierend auf der berechneten Wärmeerzeugungsmenge der Heizung 6, und veranlasst die Heizung 6, Wärme in Übereinstimmung mit einem PWM-Steuersignal (Plus-BreitenModulation) mit dem berechneten Tastverhältnis zu erzeugen.
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsverfahren ist ein Verfahren zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemisches, das dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt wird, basierend auf dem Ausgangssignal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ gleich dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa wird, das ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb des oben beschriebenen Bereichs ist, in dem eine Ungleichung von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, der Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ 0,008 beträgt und die Ausgangsdifferenz ΔV des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 150 mV oder weniger beträgt. Dieser Vorgang wird durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt 3 ausgeführt.
Bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird insbesondere die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf der Grundlage der Sensorausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 erfasst, die erfasste Sauerstoffkonzentration wird mit einem Regelungsreferenzwert (einem Wert, der der Sauerstoffkonzentration bei dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht) verglichen, und ein Rückkopplungskoeffizient wird auf der Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs berechnet. Anschließend werden die Menge des von den Einspritzdüsen 11 eingespritzten Kraftstoffs und der Öffnungsgrad der Drosselklappe 12 in Übereinstimmung mit dem Rückkopplungskoeffizienten berechnet. Bei dem Verfahren zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches durch Einstellen der von den Einspritzdüsen 11 eingespritzten Kraftstoffmenge und des Öffnungsgrads der Drosselklappe 12 auf der Grundlage der Sensorausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 gesteuert, wodurch eine Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ auf der Grundlage der Sensorausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 durchgeführt wird.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5, der auf der stromabwärtigen Seite des Drei-Wege-Katalysators 4 angeordnet ist, muss das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ im Abgas präzise so regeln, dass es in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses liegt. Der Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, der aus einem binären Sensor gebildet ist, ändert sich in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λ = 1) sprunghaft, und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 hat eine hohe Ausgangsauflösung in dem oben beschriebenen leicht fetten Bereich. Daher ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 vorzugsweise auf der stromabwärtigen Seite des Dreiwegekatalysators 4 angeordnet. Außerdem können die Kosten des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystems 1 gesenkt werden, indem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5, der kein LAF-Sensor oder ähnliches ist, sondern ein binärer Sensor, auf der stromabwärtigen Seite des Dreiwegekatalysators 4 angeordnet wird.
Insbesondere führt die ECU 8 in der vorliegenden Ausführungsform auch eine Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ basierend auf der Sensorausgabe des stromaufwärts gelegenen Gassensors 20 durch. Der stromaufwärts gelegene Gassensor 20 wird benötigt, um den Grad der Abweichung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ im Abgas auf der stromaufwärts gelegenen Seite (der Vorderseite) des Dreiwegekatalysators 4 vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erfassen. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ schnell dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert, wodurch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ im Abgas auf der stromabwärts gelegenen Seite (der Rückseite) des Dreiwegekatalysators 4 präzise bis in die Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses geregelt werden kann. Die ECU 8 (der Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Steuerungsabschnitt auf der stromaufwärts gelegenen Seite) stellt die Menge des von den Einspritzdüsen 11 usw. eingespritzten Kraftstoffs auf der Grundlage der Sensorausgabe des stromaufwärts gelegenen Gassensors 20 ein.
Insbesondere wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf der Grundlage der Sensorausgabe des stromaufwärts gelegenen Gassensors 20 erfasst, die erfasste Sauerstoffkonzentration wird mit einem Regelungsreferenzwert (einem Wert, der einer Sauerstoffkonzentration bei dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht) verglichen, und ein Rückkopplungskoeffizient wird auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses berechnet. Eine von den Einspritzdüsen 11 eingespritzte, dem Rückkopplungskoeffizienten entsprechende Kraftstoffmenge und/oder ein dem Rückkopplungskoeffizienten entsprechender Öffnungsgrad der Drosselklappe 12 werden berechnet, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs wird auf der Grundlage der berechneten Kraftstoffeinspritzmenge und des berechneten Öffnungsgrads gesteuert.
Wie oben beschrieben, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ so steuern, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ gleich dem vorbestimmten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa innerhalb eines kleinen Bereichs wird, der auf der fetten Seite eingestellt ist, durch Verwendung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, dessen Ausgang sich stark ändert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen der fetten Seite und der mageren Seite ändert, während es das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchläuft.
Die (gemessene) Beziehung zwischen der Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 (die Elementtemperatur: die Temperatur des Sensorelements) und der Sensorausgabe (elektromotorische Kraft) wird als nächstes beschrieben. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ und der Sensorausgabe (mV) für Fälle zeigt, in denen der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 unterschiedliche Elementtemperaturen aufweist. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ und der Sensorausgabe für Fälle, in denen die Elementtemperatur 620° C, 660° C, 700° C, 750° C, 800° C und 850° C beträgt. 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Elementtemperatur (°C) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 und der Neigung einer geraden Linie zeigt, die ungefähr die Sensorausgabe innerhalb des Bereichs des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ von 0,990 bis 0,998 darstellt.
Wie in 5 gezeigt, nimmt z. B. im oben beschriebenen Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ (0,990 bis 0,998) die Sensorausgabe (mV) ab, wenn die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 (die Elementtemperatur) steigt. Wie in 6 gezeigt, zeigt jedoch eine Regressionsgleichung, die die Beziehung zwischen der Elementtemperatur und der Neigung der Näherungsgeraden darstellt, die die Sensorausgabe im oben beschriebenen Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ (0,990 bis 0,998) darstellt, dass die Neigung der Näherungsgeraden umso größer ist, je höher die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 (die Elementtemperatur) ist. Wenn die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 (die Elementtemperatur) steigt, wird die Dissoziation von Wasser (H₂O) beschleunigt, und die Neigung der Näherungsgeraden im oben beschriebenen leicht fetten Bereich nimmt zu. Dies ist ein Phänomen, das als Folge einer Erhöhung der Elementtemperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 auftritt. Die Gleichgewichtsreaktion von H₂O ⇔ H₂ + 1/2 · O₂ läuft nämlich so ab, dass die Reaktion von der linken Seite zur rechten Seite stärker abläuft als die Reaktion von der rechten Seite zur linken Seite, und die Menge an Sauerstoff (O₂) steigt. Selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ gleich ist, steigt bei einer hohen Elementtemperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 der Sauerstoffpartialdruck in der Nähe des Elements, und die Sensorleistung nimmt ab. Wenn nämlich die Elementtemperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 auf eine hohe Temperatur (insbesondere 650° C oder höher) eingestellt ist, erscheint anstelle einer steilen Linie in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λ = 1) für den Fall, dass die Elementtemperatur niedrig ist (niedriger
als 650° C), eine sanft geneigte Linie in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, so dass die Neigung der Näherungsgeraden im leicht fetten Bereich wie oben beschrieben zunimmt.
Insbesondere der oben beschriebene Bereich, in dem das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa eingestellt ist (der Bereich, in dem die Ungleichung 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, der Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ 0,008 beträgt und die Ausgangsdifferenz ΔV des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 150 mV oder weniger beträgt), spezifiziert den leicht fetten Bereich und wird auf der Grundlage des in 5 gezeigten Diagramms bestimmt. Der oben beschriebene Bereich, in dem das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λa festgelegt wird, spezifiziert einen Bereich, in dem die Neigung der Näherungslinie sanft ist, während ein Bereich eliminiert wird, in dem die Neigung der Näherungslinie steil ist.
Als nächstes werden die Ausgangscharakteristiken eines typischen LAF-Sensors mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben. 7 ist ein Diagramm, das schematisch die Ausgangscharakteristik eines LAF-Sensors zeigt, und 8 ist ein Diagramm, das in einem vergrößerten Maßstab einen in 7 angegebenen Bereich S2 zeigt. Wie 3 zeigt 8 die Sensorausgabe (Ausgangskennlinien) für den oben beschriebenen Bereich des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses (λ = 0,990 bis 0,998). Bekanntlich kann der LAF-Sensor die Sauerstoffkonzentration (das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ) im Abgas in einem weiten Bereich, der von der fetten Seite bis zur mageren Seite reicht, linear erfassen. Wenn jedoch der Erfassungsbereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ auf den oben beschriebenen leicht fetten Bereich begrenzt ist, hat der LAF-Sensor eine unzureichende Ausgangsauflösung. Die Sensorausgabe, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ = 0,990 ist, und die Sensorausgabe, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ = 0,998 ist, sind nämlich fast gleich, und die Differenz (ΔI) dazwischen ist sehr klein. In dem Fall, in dem der Erfassungsbereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ auf einen bestimmten leicht fetten Bereich begrenzt ist, kann der oben beschriebene binäre Sensor (der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit größerer Linearität erfassen als der LAF-Sensor oder dergleichen.
Zweite Ausführungsform
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem 1A gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. In dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem 1A der vorliegenden Ausführungsform wird ein Temperatursteuerungsabschnitt 7A durch einen Mikrocomputer einer ersten Sensorsteuerung 51A zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 gebildet. Insbesondere wird, wie bei der ersten Ausführungsform, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt 3 durch die CPU einer ECU 8A gebildet. Die Strukturen der übrigen Komponenten des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystems 1A sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Daher werden die übrigen Komponenten mit den gleichen Referenznummern wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet, und ihre detaillierte Beschreibung wird nicht wiederholt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Temperatursteuerungsprozess (Temperatursteuerungsschritt) durch den Temperatursteuerungsabschnitt 7A ausgeführt. Wie bei der ersten Ausführungsform ist der Temperatursteuerungsprozess ein Prozess zum Einstellen der Temperatur der Heizung 6 zum Erwärmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5, so dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 gleich der vorbestimmten Zieltemperatur T von 650 °C oder höher wird. Der Temperatursteuerungsabschnitt 7A berechnet die Wärmeerzeugungsmenge der Heizung 6, die erforderlich ist, um die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 auf der zuvor eingestellten Zieltemperatur T zu halten. Der Temperatursteuerungsabschnitt 7A berechnet das Tastverhältnis der elektrischen Leistung, die der Heizung 6 zugeführt wird, basierend auf der berechneten Wärmeerzeugungsmenge der Heizung 6, und veranlasst die Heizung 6, Wärme in Übereinstimmung mit einem PWM-Steuersignal (Plus-BreitenModulation) mit dem berechneten Tastverhältnis zu erzeugen.
Insbesondere ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsprozess (der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsschritt) der vorliegenden Ausführungsform derselbe wie bei der ersten Ausführungsform und wird von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt 3 ausgeführt.
Wie oben beschrieben, kann der Temperatursteuerungsabschnitt 7A durch den Mikrocomputer der ersten Sensorsteuerung 51A anstelle der CPU der ECU 8A gebildet werden.
Andere Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und zum Beispiel fallen die folgenden Ausführungsformen in den technischen Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung.
(1) In der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5, der aus einem binären Sensor gebildet ist, an einem Abschnitt des Abgasrohrs 10 angeordnet, wobei sich der Abschnitt auf der stromabwärtigen Seite des Dreiwege-Katalysators 4 befindet. In einer anderen Ausführungsform kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 jedoch an einer beliebigen anderen Stelle als auf der stromabwärtigen Seite des Dreiwege-Katalysators 4 angeordnet sein (z. B. innerhalb des Dreiwege-Katalysators 4 oder an einer Stelle auf der stromaufwärtigen Seite des Dreiwege-Katalysators 4), solange der Zweck der vorliegenden Erfindung erreicht wird. Auch kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 in der Nähe eines anderen Abgasreinigers (NOx-Speicher-Reduktionskatalysator usw.) als dem Drei-Wege-Katalysator 4 angeordnet sein.
(2) In den oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 als Sauerstoffsensor verwendet. In anderen Ausführungsformen kann jedoch auch ein Gassensor zum Erfassen eines anderen Gases als Sauerstoff als Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet werden, solange der Zweck der vorliegenden Erfindung erreicht wird.
(3) In anderen Ausführungsformen kann ein Teil der durch Software realisierten Konfiguration durch Hardware ersetzt werden.
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die obigen Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden. Die Erfindung sollte jedoch nicht so ausgelegt werden, dass sie hierauf beschränkt ist. Es sollte ferner für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail der Erfindung, wie oben gezeigt und beschrieben, gemacht werden können. Es ist beabsichtigt, dass solche Änderungen innerhalb des Geistes und des Umfangs der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-189346 , die am 16. Oktober 2019 eingereicht wurde und deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in vollem Umfang enthalten ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H09126015 A [0003, 0004, 0006, 0007]
JP H09126015 [0004]
JP 2019189346 [0055]

Claims

Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem, aufweisend: einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt (3) zum Steuern eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einem Verbrennungsmotor (2) zugeführt wird, durch Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemisches derart, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ gleich einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird; einen Abgasreiniger (4), der an einer Abgasseite des Verbrennungsmotors (2) vorgesehen ist und der zum Reinigen von aus dem Verbrennungsmotor (2) ausgestoßenem Abgas dient; einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (5), der auf der Abgasseite des Verbrennungsmotors (2) vorgesehen ist und dessen Ausgang sich sprunghaft ändert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas zwischen einer fetten Seite und einer mageren Seite in Bezug auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis wechselt, während er das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchläuft; einer Heizung (6) zum Heizen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5); und einen Temperatursteuerungsabschnitt (7), der die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) durch Einstellen der Temperatur der Heizung (6) steuert, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsabschnitt (3) so konfiguriert ist, dass er das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf der Grundlage des Ausgangssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) steuert, wobei er als das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines Bereichs verwendet, in dem eine Ungleichung von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, und wenn ein Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ 0,008 ist, eine Ausgangsdifferenz ΔV des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) 150 mV oder kleiner ist; und der Temperatursteuerungsabschnitt (7) so konfiguriert ist, dass er die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) so regelt, dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) gleich einer vorbestimmten Zieltemperatur von 650° C oder höher wird.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsdifferenz ΔV innerhalb des Bereichs, in dem die Ungleichheit von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, 50 mV oder mehr beträgt, wenn ein Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ 0,008 beträgt.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei der Temperatursteuerungsabschnitt (7) so konfiguriert ist, dass er die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) so regelt, dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) 850° C oder niedriger wird.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (5) in der Abgasreinigungseinrichtung (4) oder stromabwärts der Abgasreinigungseinrichtung (4) vorgesehen ist.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsverfahren zum Steuern eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einem Verbrennungsmotor (2) zugeführt wird, durch Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemisches, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ wird, wobei an einer Abgasseite des Verbrennungsmotors (2) ein Abgasreiniger (4) vorgesehen ist, der das von dem Verbrennungsmotor (2) abgegebene Abgas reinigt; ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (5) auf der Abgasseite des Verbrennungsmotors (2) vorgesehen ist, wobei sich ein Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) sprunghaft ändert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas zwischen einer fetten Seite und einer mageren Seite in Bezug auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert, während es das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchläuft; und das Verfahren umfasst: einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsschritt des Steuerns des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemisches auf der Grundlage des Ausgangs des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) unter Verwendung, als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, eines vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb eines Bereichs, in dem eine Ungleichung von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist und wenn ein Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ 0,008 ist, eine Ausgangsdifferenz ΔV des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) 150 mV oder kleiner ist; und einen Temperatursteuerungsschritt zum Einstellen der Temperatur einer Heizung (6) zum Heizen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5), so dass die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (5) gleich einer vorbestimmten Zieltemperatur von 650° C oder höher wird.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsverfahren nach Anspruch 5, wobei die Ausgangsdifferenz ΔV innerhalb des Bereichs, in dem die Ungleichung von 0,980 ≤ λ < 1,000 erfüllt ist, 50 mV oder mehr beträgt, wenn der Änderungsbetrag Δλ, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses 0,008 beträgt.