JP2004150379A

JP2004150379A - 空燃比制御システム

Info

Publication number: JP2004150379A
Application number: JP2002318051A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Okabe; 健岡部
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】ＧＨＰ用のガスエンジンにおける空燃比制御システムに使用する酸素濃度センサとしてＵＥＧＯセンサを採用する場合に、その経時変化による悪影響を抑制し、高精度の空燃比制御を長期間に亘って安定的に維持することができる空燃比制御システムを提供する。
【解決手段】ＵＥＧＯセンサ３２をＧＨＰ用のガスエンジンに適用する。エンジンの停止後に大気校正動作を実行してＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを測定し、この経時変化度合いを考慮して実際の空気過剰率を応じた空燃比制御を行う。大気校正動作は、ＵＥＧＯセンサ３２の新品時から１０００時間経過までは１００時間毎に、この１０００時間経過後は５００時間毎に実行する。また、１回当たり１０ｓｅｃのクランキングを数秒間隔をおいて３回に亘って間欠的に行い、最終回のクランキング動作の終了時点で大気校正動作を実行する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン排気ガス中の酸素濃度を検出することによる混合気の空燃比の認識をリーン領域からリッチ領域まで広範囲に亘って行うことが可能な全領域空燃比センサ（以下、このセンサをＵＥＧＯセンサ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＡ／ＦＨｅａｔｅｄＥｘｈａｕｓｔＧａｓＯｘｙｇｅｎＳｅｎｓｏｒ）と呼ぶ）を備えた空燃比制御システムに係る。特に、本発明は、高精度の空燃比制御を長期間に亘って実現するための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車用その他のエンジンにあっては、排気系に酸素濃度センサを設けておき、排気ガス中の酸素濃度を検出することによって混合気の空燃比を認識し、それに応じて燃料供給量をフィードバック制御することが行われている。
つまり、検出した排気ガス中の酸素濃度に基づいて燃料供給量を調整して混合気の空燃比を目標値に制御し、これによって、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣの低減やエンジンの熱効率の向上を図っている。
【０００３】
また、上記酸素濃度センサとしては、λセンサ（下記の特許文献１参照）やＵＥＧＯセンサ（下記の特許文献２参照）が知られている。
【０００４】
λセンサは、特定の酸素濃度（特に理論空燃比で燃焼が行われている場合の排気ガス中の酸素濃度）付近で出力レベルが急峻に変化するものであって、混合気の空燃比が目標値であるか否かを判別することができる。
【０００５】
ＵＥＧＯセンサは、混合気のリーン領域からリッチ領域までの広範囲における排気ガス中の酸素濃度を検出することができるものであって、混合気の空燃比を連続的に広範囲に亘って認識することができる。尚、このＵＥＧＯセンサの動作原理については下記の特許文献２に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−８２４１６号公報
【特許文献２】
特開２０００−８１４１６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＵＥＧＯセンサは、その特性として、理論空燃比付近の混合気で燃焼が行われるエンジンに適用される場合には経時変化は殆どない。ところが、理論空燃比から大きく外れた空燃比の混合気で燃焼が行われるエンジンに適用される場合（例えばリーンバーン運転が行われるエンジンに適用される場合）には経時変化が生じてしまう。特に、使用初期時の変化は急激に進むといった特性を有している。
【０００８】
図３は、このＵＥＧＯセンサをリーンバーン運転が行われるエンジンに適用した場合の経時変化の状況を示している。この図３は、横軸に時間を、縦軸にＵＥＧＯセンサの出力レベル（電流値）をとり、一定の空燃比で希薄燃焼（リーンバーン）を行った場合のＵＥＧＯセンサの出力レベルの低下状態（経時変化に伴う出力レベルの低下状態）を示している。このように、リーンバーン運転を行うエンジンに適用した場合、ＵＥＧＯセンサは、使用初期時の変化は急激に進み、その後、変化の進行度は緩やかになるといった特性を有している。
【０００９】
これまで、この種のＵＥＧＯセンサは、自動車用エンジンに適用されている。
その理由は、ＵＥＧＯセンサが上記の経時変化特性を有することに起因する。つまり、一般的な自動車用エンジンにあっては、空燃比の目標値は理論空燃比（ガソリンエンジンにあっては約１５：１）に設定されるため、ＵＥＧＯセンサの経時変化は殆ど考慮する必要はない。また、自動車用エンジンに適用される酸素濃度センサに求められている耐久性（寿命）は、１０万マイルの保証でこれを時速４０ｋｍ平均で走行すると仮定し、時間換算すると４０００時間程度と比較的短く、この間に大きく経時変化する可能性も低い。
【００１０】
ところで、このＵＥＧＯセンサを自動車用以外のエンジンに適用しようとする場合、上記の経時変化を無視できない状況を招くことがある。特に、このＵＥＧＯセンサをＧＨＰ（ＧａｓＨｅａｔＰｕｍｐ）用のガスエンジンに適用した場合である。
つまり、このＧＨＰ用のガスエンジンは、排気系に三元触媒等の排気浄化装置を備えない構成を実現するためにリーンバーン運転が行われるのが一般的である。
つまり、リーンバーン運転を行うことで燃焼温度を抑えてＮＯｘの発生を抑制できるようにしている。例えば、都市ガス（１３Ａ）を使用するガスエンジンにあっては１８：１程度（理論空燃比は約１１：１）の空燃比が目標値として設定されて運転が行われる。また、このガスエンジンに適用される酸素濃度センサに求められている耐久性は３００００時間程度と長く、この間に大きく経時変化する可能性が考えられる。
【００１１】
図４は、空気過剰率（排気ガス中の酸素濃度に相関がある値）に応じたＵＥＧＯセンサのセンサ出力レベル（電流値）を示している。この図において、実線はＵＥＧＯセンサが新品（経時変化していないもの）である場合の空気過剰率とセンサ出力レベルとの関係を示し、破線はＵＥＧＯセンサに経時変化（例えば１０％程度の経時変化）が生じた場合の空気過剰率とセンサ出力レベルとの関係を示している。
【００１２】
この図から判るように、センサ出力レベルが同じであっても、ＵＥＧＯセンサが新品である場合と経時変化が生じている場合とでは、実際の空気過剰率は異なっている。つまり、例えば、ＵＥＧＯセンサが新品であるときにそのセンサ出力レベルが図中Ａであるときには空気過剰率はＢであると認識される。ＵＥＧＯセンサは経時変化していないので空気過剰率は正確に認識されており、排気管内の実際の空気過剰率もＢである。ところが、経時変化しているＵＥＧＯセンサのセンサ出力レベルが図中Ａであるとき、ＵＥＧＯセンサは空気過剰率がＢであると認識するものの、実際の空気過剰率はＣとなっている。このように、変化の状態によって空気過剰率の認識に誤差が生じてしまう。
【００１３】
今、空気過剰率がＢであるときに空燃比が目標値に達しており、且つ排気管内の実際の空気過剰率もＢとなっていると仮定する。この場合、ＵＥＧＯセンサが新品であるときには、センサ出力レベルはＡであり、空気過剰率がＢであると正確に認識される。この認識により、現在の空燃比は目標値に一致していると判断され、現在の燃料供給量が維持される。これに対し、ＵＥＧＯセンサが経時変化しているときには、センサ出力レベルはＤとなり（実際の空気過剰率はＢであるが、経時変化のためにセンサ出力が低下し、出力値はＤとなっている）、センサは空気過剰率がＥであると誤認識してしまう。この場合には、現在の空燃比は目標値に対してリッチであると判断し、燃料供給量を低減させる制御を実行してしまう。実際の現在の空燃比は目標値であり、これに対して燃料供給量を低減させる制御を実行してしまうことになるので、実際の空燃比は目標値から大きくリーン側に移行してしまうことになり、場合によっては、空燃比が失火限界に達してエンジンの運転が継続できなくなってしまう可能がある。
【００１４】
このように、ＵＥＧＯセンサを備えた空燃比制御システムをＧＨＰ用のガスエンジンに適用する場合、ＵＥＧＯセンサの経時変化の問題を解決せねば実用化することは困難である。
【００１５】
尚、この課題は、ＵＥＧＯセンサを備えた空燃比制御システムをＧＨＰ用のガスエンジンに適用する場合に限らず、リーンバーン運転を行うエンジンや、酸素濃度センサの寿命として長期間（数万時間程度）が要求されているエンジンにあっては共通に発生する。
【００１６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リーンバーン運転を行うエンジンや、酸素濃度センサの寿命として長期間が要求されているエンジンにおける空燃比制御システムに使用する酸素濃度センサとしてＵＥＧＯセンサを採用する場合に、その経時変化による悪影響を抑制し、高精度の空燃比制御を長期間に亘って安定的に維持することができる空燃比制御システムを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、ＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを予め認識しておくか、または定期的にその経時変化度合いを測定することにより、ＵＥＧＯセンサの経時変化に伴う出力レベルの変動を認識しておき、それを考慮して排気ガス中の空気過剰率を認識している。これにより、ＵＥＧＯセンサの経時変化度合いに拘わりなく常に目標の空気過剰率に空燃比制御できるようにしている。
【００１８】
−解決手段−
具体的に、先ず、ＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを予め認識しておくものとして以下の構成が掲げられる。つまり、排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力するＵＥＧＯセンサ（全領域空燃比センサ）を備えた空燃比制御システムを前提とする。この空燃比制御システムに対し、ＵＥＧＯセンサの経時変化特性が予め記憶された特性記憶手段と、エンジンの積算運転時間に対応するＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを上記特性記憶手段から読み出し、混合気の空燃比が目標空燃比となるように上記経時変化度合いに相当する補正量に基づいて空燃比を調整する空燃比調整手段とを備えさせている。
【００１９】
この解決手段により空燃比制御を行う具体的な手法としては、先ず、ＵＥＧＯセンサの耐久試験を試験室等において行ってＵＥＧＯセンサの経時変化特性を予め把握しておく。つまり、実際に適用しようとするエンジンと同条件で耐久試験を行って（空燃比の目標値等を、適用しようとするエンジンに一致させて耐久試験を行う）、その経時変化特性を把握する。ここで、例えば上記図３で示したような経時変化特性（積算運転時間と共に出力レベルが低下していく特性）が得られる。このようにしてエンジンの積算運転時間に対応するＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを把握しておき、その情報を特性記憶手段に記憶させておく。このため、実際のエンジン（製品）では、運転が行われると、その積算運転時間に応じて、この記憶された経時変化特性に沿って（図３のライン上に沿って）ＵＥＧＯセンサが変化していくことになる。つまり、積算運転時間をタイマ等によって認識しておけばＵＥＧＯセンサの経時変化度合い、つまり新品時からの出力レベルの低下割合を認識することが可能である。これを考慮して燃料供給量を調整するなどして混合気の空燃比が目標空燃比となるように制御する。言い換えると、タイマの積算時間に応じたＵＥＧＯセンサの出力レベルの低下分（経時変化に起因する低下分）だけ空燃比制御のためゲインを補正する。これにより、高精度の空燃比制御を長期間に亘って安定的に維持することが可能になる。
【００２０】
尚、この解決手段を適用可能なエンジンとしては、ＧＨＰ用、コージェネレーションシステム用、発電機用などの各種据え付け型のエンジンに適用可能である。また、自動車用などの移動体用エンジンにも適用することは可能である。
【００２１】
次に、定期的にＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを測定しながら空燃比制御を行うものとして以下の構成が掲げられる。つまり、排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力するＵＥＧＯセンサを備えた空燃比制御システムを前提とする。この空燃比制御システムに対し、大気雰囲気中で上記ＵＥＧＯセンサをセンシング動作させる大気校正動作を実行することによって、このＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを測定する測定手段と、この測定手段の測定結果を受け、混合気の空燃比が目標空燃比となるように上記経時変化度合いに相当する補正量に基づいて空燃比を調整する空燃比調整手段とを備えさせている。
【００２２】
この特定事項により、大気校正動作を実行する度にＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを正確に把握することができる。つまり、新品時からの出力レベルの低下割合を正確に認識することが可能であり、これを考慮して燃料供給量を調整するなどして混合気の空燃比が目標空燃比となるように制御することができる。即ち、大気中の酸素濃度は約２１％であるので、ＵＥＧＯセンサの新品時には検出酸素濃度２１％相当の出力レベルが得られるが、経時変化に伴い、大気中であっても検出酸素濃度２１％相当の出力レベルが得られなくなってくる。大気校正動作を実行することで、この出力レベルの低下割合を検知して変化度合いを認識し、それを考慮して燃料供給量を調整するなどして混合気の空燃比が目標空燃比となるように制御する。これにより、より高精度の空燃比制御を長期間に亘って安定的に維持することが可能になる。
【００２３】
上記大気校正動作を行う場合における更に具体的な構成としては以下の各手段が掲げられる。
【００２４】
先ず、燃料供給を禁止した状態でエンジンのクランキング動作を行うことで排気経路に大気を導入して大気校正動作を実行するよう測定手段を構成している。
【００２５】
また、この場合、エンジンのクランキング動作を複数回間欠的に実行し、最終回のクランキング動作の終了時点でＵＥＧＯセンサをセンシング動作させることによって大気校正動作を実行するよう測定手段を構成している。
【００２６】
また、大気校正動作の実行頻度として、ＵＥＧＯセンサの新品時から所定時間経過までの間の頻度よりも、その所定時間経過した以後の頻度の方が低く設定されるように測定手段を構成している。
【００２７】
更に、大気校正動作を、エンジンの停止直後に実行するように測定手段を構成している。
【００２８】
これら解決手段による作用を以下に述べる。
【００２９】
先ず、エンジンのクランキング動作によって排気経路に大気を導入して大気校正動作を実行するようにした場合には、ＵＥＧＯセンサを大気雰囲気中に置くための特別な手段が必要ない。つまり、排気経路に外気を取り入れるための特別な導入路を設けたり、この導入路を開閉するための弁手段やその駆動源を設けたり、この導入路に大気を導入するためのブロワ等の大気圧送手段を設けておく必要が無く、エンジン既存の手段でＵＥＧＯセンサを大気雰囲気中に晒すことができる。このため、システムの部品点数の大幅な増大や大型化を招くことなしに大気校正動作を実現することが可能になる。
【００３０】
また、上記クランキング動作によって大気校正動作を実行する場合、セルモータの駆動によりクランキングさせることになるが、排気経路内の排気ガスを全て排出してこの排気経路内を大気で満たすためには例えば数十秒程度のクランキング動作が必要になる。このとき、この数十秒間連続してセルモータを駆動させたのではセルモータに掛かる負荷が過大となり、セルモータの焼損等が懸念され耐久性が損なわれてしまう可能性がある。このため、上記解決手段の如く、クランキング動作を複数回間欠的に実行し、最終回のクランキング動作の終了時点で大気校正動作を実行するようにしている。これによれば、セルモータの長寿命化を維持することができる。この複数回間欠的に実行されるクランキング動作として具体的には、１回当たり１０ｓｅｃのクランキングを数秒間隔をおいて３回に亘って間欠的に行うことなどが掲げられる。例えば３０秒間連続してクランキングを行う場合に比べてセルモータに掛かる負荷が軽減でき、それでいて排気経路内を大気で十分に満たすことができる。尚、この１回当たりクランキング時間及びクランキング回数はこれに限るものではない。
【００３１】
更に、ＵＥＧＯセンサの経時変化特性は、上述した如く、使用初期時の変化は急激に進み、その後、変化の進行度は緩やかになる。この特性を考慮したものが上記の解決手段、つまり、ＵＥＧＯセンサの新品時から所定時間経過までの間の大気校正頻度よりも、その所定時間経過した以後の大気校正頻度の方を低く設定するといった手段である。使用初期時の変化は急激に進むため、比較的高い頻度で大気校正動作を実行することで、空燃比が目標値から大幅にずれてしまうといった状況を回避している。この動作を、ＵＥＧＯセンサの新品時から所定時間経過までの間（変化の進行度が高い期間）に行う。
【００３２】
そして、この所定時間経過後は、変化の進行度は緩やかになるため、大気校正動作の頻度を高くしなくても空燃比が目標値から大幅にずれてしまうといった状況は生じにくくなる。このため、この所定時間経過後は、大気校正動作の頻度を低く設定する。これにより、必要最小限の頻度で大気校正動作を実行し、且つ空燃比が目標値から大幅にずれてしまうといった状況を回避することができる。
【００３３】
特に、上述した如くエンジンのクランキング動作によって排気管中に大気のみを導入して大気校正動作を実行する場合には、大気校正動作の頻度を高いまま維持し続けるとセルモータの使用頻度も高くなって耐久性を損なってしまう可能性がある。このため、変化の進行度が緩やかである期間はセルモータの使用頻度を低下させることでその長寿命化が維持できるようにしている。この大気校正動作の頻度の切換動作として具体的には、ＵＥＧＯセンサの新品時から１０００時間経過までは１００時間毎に大気校正動作を実行し、この１０００時間経過後は５００時間毎に大気校正動作を実行することなどが掲げられる。この大気校正動作の頻度の切換動作はこれに限るものではないが、空燃比が目標値から大幅にずれてしまうといった状況が回避できる程度の頻度に設定する必要がある。また、大気校正動作の頻度の切り換えは２段階に限らず３段階以上であってもよい。
【００３４】
加えて、エンジンの停止後であって排気経路内が常温程度まで温度降下した場合、この排気経路内に存在していた水分（水蒸気）が結露する。一方、大気校正動作時にはＵＥＧＯセンサを活性化させるためにヒータによってセンシング部分が加熱（７００℃程度）される。このため、排気経路内が常温程度まで温度降下した際に大気校正動作を実行すると、排気経路内で結露した水滴が高温のセンシング部分に飛散し、このセンシング部分に割れなどの破損が生じる可能性がある。この点に鑑みられたのが上記解決手段、つまり、大気校正動作をエンジンの停止直後に実行するといった手段である。これによれば、排気経路内が常温程度まで温度降下する前に、つまり、排気経路内に結露が発生する前に大気校正動作を完了することができるため、上記水滴の飛散によるセンシング部分の破損を回避することができ、システムの信頼性の向上を図ることができる。また、このようにエンジンの停止直後に大気校正動作を実行する場合、エンジン停止後もＵＥＧＯセンサのヒータには通電しておき、大気校正動作を実行している間はＵＥＧＯセンサのセンシング部分を連続的に加熱しておく。ここでいうエンジンの停止直後とは、排気経路内に結露が発生しない時間を言い、例えばエンジン停止から３０ｓｅｃ経過後に大気校正動作を実行する場合なども含む。
【００３５】
大気校正動作時におけるセンサの経時変化度合いの決定手法としては以下のものが掲げられる。つまり、大気校正動作時、ＵＥＧＯセンサの複数のセンサ出力値を取得して移動平均処理を行い、その結果によりＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを決定するよう測定手段を構成している。
【００３６】
上述した如くクランキング動作によって大気校正動作を実行する場合、排気経路内には空気の脈動が生じている。つまり、この脈動の影響を受けてＵＥＧＯセンサのセンサ出力値はある程度の幅をもって変動している。このため、ある一点のセンサ出力値のみをもってＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを決定したのでは、正確な経時変化度合いが得られているか否かの信頼性が低い。このため、複数のセンサ出力値に対して移動平均処理を行い、その結果によりＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを決定している。これによれば、上記脈動の影響を殆ど受けない正確な経時変化度合いを得ることができる。また、この移動平均処理に使用するサンプリング数及びサンプリング間隔としては、上記脈動の影響を殆ど受けることなく且つ応答性を損なわないレベルに設定される。具体的には、例えば２０ｍｓ毎に１６ポイントのサンプリング（センサ出力値の取得）を行って、これらを移動平均処理することなどが掲げられる。尚、このＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを決定する演算処理としては移動平均処理に代えて荷重平均処理を行うことも可能であるが、移動平均処理の方が少ないサンプリング数で確実に平均化することが可能である。
【００３７】
また、上記大気校正動作を実行するタイミングとして、エンジン据え付け後の通常運転中の実行（上述した如く積算運転時間が所定時間に達する度の大気校正動作の実行）以外に、エンジン出荷前の試運転時や、エンジン据え付け後の試運転時に実行するようにしてもよい。
【００３８】
エンジン出荷前の試運転時に大気校正動作を実行した場合には、ＵＥＧＯセンサ製作時における種々の要因で生じているセンサの個体差の影響を無くすことができる。つまり、試運転時にこの個体差に起因するセンサ出力レベルのバラツキを補正した値を基準としてＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを測定していくことになるため、ＵＥＧＯセンサの初期の個体バラツキが解消された状態での空燃比制御を行うことができる。
【００３９】
また、エンジン据え付け後の試運転時に大気校正動作を実行した場合には、エンジンの据え付け機場の高度（標高）に応じて（大気圧力に応じて）変動するセンサ出力レベルを補正した値を基準としてＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを測定していくことになるため、高度の影響による誤認識を回避でき、据え付け機場の高度に拘わりなく常に実際の酸素濃度に対応した空燃比制御を実行することができる。
【００４０】
更なる高精度の空燃比制御を実現するための構成として以下の各手段が掲げられる。先ず、エンジン据え付け環境の絶対湿度及び大気圧力の少なくとも一方を検出し、その検出値に応じて大気校正時のセンサ出力値を補正して空燃比を調整する構成としたものである。また、エンジン据え付け環境の外気温度を検出し、その検出値に応じて大気校正時のセンサ出力値を補正して空燃比を調整する構成としたものである。
【００４１】
エンジン据え付け環境の絶対湿度や大気圧力の影響によってセンサ出力レベルは変動し、実際の酸素濃度に応じた適切な空燃比制御が行えない可能性がある。
具体的には、絶対湿度が高いほどセンサ出力レベルは低くなりやすい傾向があり、大気圧力が高いほどセンサ出力レベルは高くなりやすい傾向がある。これらの環境の影響を受けることなく、経時的な要因（経時変化）のみによるセンサ出力レベルの低下割合を正確に認識するべく、絶対湿度や大気圧力の検出値に応じてセンサ出力レベルを補正するようにしている。
【００４２】
また、エンジン据え付け環境の外気温度の変化はセンサ出力レベルを大きく変動させるものではないが、この外気温度を検出することによってエンジン据え付け環境の絶対湿度を推定することができる。特に、日本の気候のように季節によって温度と湿度との間に相関関係がある環境下にあっては、外気温度を検出することで絶対湿度を比較的高い精度で推定することが可能である。また、一般に湿度センサに比べて温度センサの方が検出精度が高いので、湿度センサを用いて絶対湿度を直接検出するよりも、温度センサによって外気温度を検出しそれに基づいて絶対湿度を推定する方が精度が高いことが考えられる。このため、上記解決手段では、外気温度の検出値に応じてセンサ出力値を補正するようにしている。
【００４３】
また、エンジンのメンテナンス時に大気校正動作の実行を禁止する禁止手段が備えられている。これによれば、メンテナンス時に大気校正動作つまりエンジンのクランキングが実行されてしまうといった状況を回避でき、メンテナンス動作に支障を来すことがなくなる。例えば、装置外板にその開閉を検知するためのスイッチを設けておき、装置外板が開放されているときにはメンテナンス動作が行われていると認識して大気校正動作の実行を禁止する。通常のメンテナンス動作はメインスイッチがＯＦＦされた状態で行われるので不用意なクランキングが実行されることはないが、本解決手段によればメンテナンスマンがこのメインスイッチのＯＦＦ操作を忘れた場合であってもメンテナンス中に大気校正動作が実行されることはなく、不用意なクランキングが回避できてメンテナンス動作に支障を来すことがない。
【００４４】
また、大気校正動作が実行された際の経時変化度合いに相当する補正量（校正値）を記憶しておく校正記憶手段が備えられている。これによれば、上記メンテナンス動作などによってメインスイッチがＯＦＦされた場合であっても上記補正量は記憶されているため、その後にメインスイッチがＯＮされてエンジンの運転が開始された際にはその記憶された補正量に基づいて空燃比制御を正確に行うことができる。つまり、メインスイッチがＯＮされた際に大気校正動作を再度実行する必要がなく、エンジンの再起動を迅速に行うことができる。
【００４５】
更に、ＵＥＧＯセンサの交換後には、それまでの経時変化度合いに相当する補正量（校正値）をクリアするよう構成されている。ＵＥＧＯセンサが交換されて新品のものになれば、それまで認識されていた経時変化度合いの情報は必要なくなるため、この情報を削除し、新規に大気校正を実行することで新たなＵＥＧＯセンサに適合した正確な空燃比制御を実行することができる。
【００４６】
また、経時変化度合いが所定レベルに達すると、ＵＥＧＯセンサの経時変化度合いに相当する補正量に基づく空燃比の調整動作を禁止するよう構成されている。経時変化度合いが著しく大きくなった場合には、既にそのＵＥＧＯセンサの検出精度は信頼性のないものである可能性が高い。この場合、経時変化度合いによる空燃比制御の信頼性も確保できていない可能性がある。従って、この場合には他の手法によって空燃比制御を行うべく、経時変化度合いによる空燃比の調整動作を禁止するようにしている。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の各実施形態では、本発明をＧＨＰ用のガスエンジンに適用した場合について説明する。
【００４８】
（第１実施形態）
先ず、第１実施形態について説明する。
【００４９】
−ガスエンジンの全体構成の説明−
図１は本実施形態に係るガスエンジン全体の概略構成を示す模式図である。この図１に示すように、本ガスエンジンは、エンジン本体１を構成するシリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２を備えており、このシリンダヘッド１２に吸気系２及び排気系３がそれぞれ接続されている。
【００５０】
先ず、吸気系２について説明する。この吸気系２の構成としては、吸気管２１の上流側から順に、外気温度センサ２２、ミキサ２３、スロットルバルブ２４が備えられている。
【００５１】
外気温度センサ２２は、図示しないエアクリーナを経て吸気管２１に導入される空気（外気）の温度を検出するものである。
【００５２】
ミキサ２３は、上記吸気管２１に導入される空気と、燃料としてのガス（例えば１３Ａ等の都市ガス）とを混合して所定空燃比の混合気を生成するものである。尚、使用される燃料としては都市ガスに限らずプロパンガス等の種々のガスが使用可能である。
【００５３】
また、このミキサ２３にはガス供給管２５が接続されている。このガス供給管２５には、ゼロガバナ２６及び空燃比制御バルブ２７が備えられている。ゼロガバナ２６はガス供給管２５の上流側である一次側の圧力変化及び流量変化に関係なくガス供給管２５の下流側である二次側のガス圧力を一定に維持するためのものである。空燃比制御バルブ２７は、ステップモータ２８により開度調整されてミキサ２３へのガス供給量を調節し、これによって燃料ガスと空気との混合比（空燃比）を調整し、この空燃比調整された混合気が燃焼室へ供給されるようになっている。
【００５４】
スロットルバルブ２４は、燃焼室への混合気の吸気量を調整することによりエンジン回転数及び発生トルクを制御するものである。
【００５５】
次に、排気系３について説明する。この排気系３の構成としては、排気管３１の上流側から順に、ＵＥＧＯセンサ（全領域空燃比センサ）３２、排気ガス熱交換器３３が備えられている。
【００５６】
ＵＥＧＯセンサ３２は、上述した如く、混合気のリーン領域からリッチ領域までの広範囲における排気ガス中の空気過剰率を測定することができるものであって、混合気の空燃比を連続的に広範囲に亘って認識することが可能なセンサである。つまり、このＵＥＧＯセンサ３２は、排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号（電流値）を出力可能となっている。そして、本形態に係る空燃比制御システムは、このＵＥＧＯセンサ３２によって認識された空燃比に基づき、後述する制御系により空燃比制御バルブ２７を開度調整して燃料供給量をフィードバック制御するようになっている。
【００５７】
排気ガス熱交換器３３は、エンジンの排熱を、空調対象室内を暖房するための熱源として使用するべく、図示しないエンジン冷却水配管が接続されて、排気ガスの熱をエンジン冷却水を介して冷媒に与えるものである。
【００５８】
また、多気筒（例えば３気筒）レシプロエンジンとして構成されているエンジン本体１は、図示しないクランク軸と回転一体に配設されたクランク軸端円盤１３、図示しないカム軸と回転一体に配設されたカム軸端円盤１４をそれぞれ備えている。また、これらの回転を検知するための電磁ピックアップ１５，１６が配設されている。
【００５９】
また、上記クランク軸にはセルモータ１７の出力軸が連結されており、このセルモータ１７の回転駆動によってクランク軸の回転（クランキング）が行われるようになっている。
【００６０】
次に、本ガスエンジンの制御系の構成について説明する。本ガスエンジンは、エンジン制御を統括的に行うコントロールユニット４を備えており、このコントロールユニット４には、上記外気温度センサ２２、ＵＥＧＯセンサ３２、電磁ピックアップ１５，１６の各検出信号が入力されるようになっている。また、このコントロールユニット４には、エンジン負荷信号、ＧＨＰ装置の外板の開閉を検知する外板開閉スイッチ５１の検知信号、リセットスイッチ５２のリセット信号等も入力されるようになっている。更に、このコントロールユニット４は、ステップモータ２８、セルモータ１７へ制御信号を送信するようになっており、この制御信号を受けて、ステップモータ２８は空燃比制御バルブ２７の開度制御を、セルモータ１７はクランキング動作を実行するようになっている。
【００６１】
−空燃比制御システムの構成−
次に、本形態の特徴部分である空燃比制御システムの構成について説明する。
図２は本空燃比制御システムの概略構成を示すブロック図である。この図２に示すように、本空燃比制御システムは、上記コントロールユニット４、ＵＥＧＯセンサ３２、λマップ４２、ゲイン付与部４３を備えている。
【００６２】
上記コントロールユニット４は、信号処理部４４、ベース開度マップ記憶部４５、経時変化特性マップ記憶部４６、開度補正信号出力部４７を備えている。それぞれについて以下に説明する。
【００６３】
信号処理部４４は、ＵＥＧＯセンサ３２からの出力信号（電流値）Ｉｐ１を受け、その出力信号Ｉｐ１に応じた処理信号Ｉｐ２を出力する。この処理信号Ｉｐ２は、後述する比較器４８による比較演算処理が可能な信号形態となるように出力信号Ｉｐ１から変換されたものである。ここで、ＵＥＧＯセンサ３２に経時変化が生じている場合には、その経時変化度合いに応じて出力信号Ｉｐ１は本来出力すべき出力レベル（新品時の出力レベル）よりも低い値となる。図中のＵＥＧＯセンサ３２内のゲインは、この経時変化によって出力レベルが低下する場合の低下ゲインを示している。
【００６４】
ベース開度マップ記憶部４５は、エンジン回転数及びエンジン負荷の各信号を受け、これら信号に基づいて空燃比制御バルブ２７の基本開度を決定するものである。つまり、このベース開度マップ記憶部４５からの出力信号は、混合気の空燃比を目標値に設定するために予め記憶されたテーブル等に基づいて出力される信号となっている。
【００６５】
経時変化特性マップ記憶部４６は、本発明でいう特性記憶手段であって、ＵＥＧＯセンサ３２の経時変化特性が予め記憶されている。つまり、図３で既に示したＵＥＧＯセンサ３２の出力の低下状態（経時変化による出力レベルの低下状態）を経時変化特性として記憶している。尚、この経時変化特性は、予め、ＵＥＧＯセンサ３２の耐久試験を試験室等において行っておくことにより求められている。
【００６６】
そして、この経時変化特性マップ記憶部４６から読み出される経時変化特性情報は、エンジンの積算運転時間に応じたものとなる。例えばＵＥＧＯセンサ３２が新品である場合には図３におけるポイントＩの経時変化特性情報が読み出される。また、エンジンの積算運転時間が経過すると、例えば図３におけるポイントＩＩの経時変化特性情報が読み出される。これにより、ＵＥＧＯセンサ３２が新品であったときに比べてどの程度の経時変化が生じているかをマップ上で認識することができる。尚、この経時変化特性マップ記憶部４６に記憶される経時変化特性の情報としては、図３で示すマップ情報に代えてテーブル情報であってもよい。
【００６７】
開度補正信号出力部４７は、混合気の空燃比を目標値に設定するための開度補正信号を出力する。具体的には、後述するλマップ４２及びゲイン付与部４３を経て出力される経時変化レベル信号Ｉｐ３（この信号については後述する）と、上記信号処理部４４から出力される処理信号Ｉｐ２との差に応じて決定される開度補正信号を出力するようになっている。そして、この開度補正信号に基づく開度補正量が上記ベース開度マップ記憶部４５からの出力信号（基本開度信号）に対して加算又は減算されることにより空燃比制御バルブ２７の開度信号が得られるようにしている。このような動作が行われるため、上記ゲイン付与部４３、比較器４８、開度補正信号出力部４７によって本発明でいう空燃比調整手段が構成されている。
【００６８】
上記λマップ４２は、空気過剰率の目標値が格納されており、この目標値信号をゲイン付与部４３に向けて発信する。
【００６９】
ゲイン付与部４３は、上記特性記憶部手段４６に記憶されているＵＥＧＯセンサ３２の経時変化特性情報から現在の経時変化度合いを読み出し、この経時変化度合いに応じた経時変化レベル信号Ｉｐ３を生成し、これを比較器４８に発信するようになっている。つまり、このゲイン付与部４３では、上記経時変化特性情報を取得することで、上記ＵＥＧＯセンサ３２内のゲイン（経時変化により生じているゲイン）と同等のゲインを目標値信号に与え、この信号を比較器４８に発信するようになっている。例えば、排気管３１内の空気過剰率が目標値に達しているとき（混合気の空燃比が目標値に一致しているとき）には、ゲイン付与部４３から出力される経時変化レベル信号Ｉｐ３のレベルとＵＥＧＯセンサ３２から出力される出力信号ＩＰ１のレベルとが一致するようになっている。
【００７０】
上記比較器４８では、上記信号処理部４４からの処理信号Ｉｐ２と、ゲイン付与部４３において生成された経時変化レベル信号Ｉｐ３とが比較され、その差分に相当する補正信号を開度補正信号出力部４７に向けて送信するようになっている。
【００７１】
そして、上述した如く、この補正信号を受けた開度補正信号出力部４７からの開度補正信号に基づく開度補正量によって上記ベース開度マップ記憶部４５からの出力信号（基本開度信号）が補正されることにより、開度信号がステップモータ２８に出力されるようになっている。これにより、空燃比制御バルブ２７の開度を調整するための開度信号が適切に得られ、混合気の空燃比が目標値に設定されることになる。
【００７２】
−空燃比制御動作の説明−
以下、本空燃比制御システムによる空燃比制御動作について具体的な数値を掲げて説明する。
【００７３】
ここでは、都市ガスの理論空燃比（約１１：１）を「１」とした場合に空燃比の目標値を「１．６」、つまり空燃比約１８：１を目標とするリーンバーン運転を行うエンジンに本空燃比制御システムを適用した場合について説明する。
【００７４】
また、以下の動作説明では、理解を容易にするために、ＵＥＧＯセンサ３２に経時変化が生じていない新品のときに排気管３１内の実際の空燃比が目標値の「１．６」である際の空気過剰率を「１．６」として表し、このときのセンサ出力レベルも「１．６」として表す。つまり、ＵＥＧＯセンサ３２に経時変化が生じている場合には、排気管３１内の実際の空気過剰率が目標値の「１．６」であったとしてもセンサ出力レベルは「１．４」などの低い値となる。
【００７５】
先ず、ＵＥＧＯセンサ３２に経時変化が生じていない新品である場合について説明する。今、排気管３１内の実際の空気過剰率が「１．６」となっていると仮定する。このとき、ＵＥＧＯセンサ３２が新品であるので、センサ出力レベルは「１．６」であり、空気過剰率が「１．６」であると正確に認識される。そして、経時変化特性マップ記憶部４６からは、ＵＥＧＯセンサ３２が新品であるときの経時変化特性情報（図３におけるポイントＩの情報）がゲイン付与部４３に読み出される。ここで読み出される経時変化特性情報により、このゲイン付与部４３から出力される経時変化レベル信号Ｉｐ３は「１．６」となる。つまり、比較器４８に入力される各信号（Ｉｐ２，Ｉｐ３）には差がないことになる。このため、比較器４８からは補正値「０」の補正信号が開度補正信号出力部４７に向けて送信される。このため、現在の空燃比は目標値に一致しているとして、空燃比制御バルブ２７の開度を変更せず、現在の燃料供給量が維持される。
【００７６】
次に、ＵＥＧＯセンサ３２に経時変化が生じている場合について説明する。ＵＥＧＯセンサ３２が経時変化しているときには、排気管中３１の実際の空燃比が目標値の「１．６」であるにも拘わらずセンサ出力レベルとしては「１．４」などの低い値となる。このため、信号処理部４４からの処理信号Ｉｐ２も、この「１．４」に相当したレベルとなる。このとき、経時変化特性マップ記憶部４６からは、ＵＥＧＯセンサ３２が経時変化しているときの経時変化特性情報（図３における例えばポイントＩＩの情報）がゲイン付与部４３に読み出される。ここで読み出される経時変化特性情報は、エンジンの積算運転時間に対応したものであり、その値は「１．４」である。つまり、経時変化特性情報により、ＵＥＧＯセンサ３２のセンサ出力レベルが「１．４」であるときに、排気管３１内の実際の空気過剰率が目標値「１．６」となっているとされる。このように、ゲイン付与部４３から出力される経時変化レベル信号Ｉｐ３は「１．４」となるため、この場合にも比較器４８に入力される各信号（Ｉｐ２，Ｉｐ３）には差がないことになる。従って、比較器４８からは補正値「０」の補正信号が開度補正信号出力部４７に向けて送信される。このため、現在の空燃比は目標値に一致しているとして、空燃比制御バルブ２７の開度を変更せず、現在の燃料供給量が維持される。
【００７７】
次に、ＵＥＧＯセンサ３２に経時変化が生じている場合であって、現在の空燃比が目標値からずれている場合の動作について説明する。ここでは、上述した如く、排気管３１内の実際の空気過剰率が目標値「１．６」となっているときにＵＥＧＯセンサ３２のセンサ出力レベルが「１．４」となる経時変化が生じている場合において、排気管３１内の実際の空気過剰率が目標値からずれているためにＵＥＧＯセンサ３２のセンサ出力レベルが「１．５」となっている状況での空燃比制御動作について説明する。
【００７８】
このようにＵＥＧＯセンサ３２のセンサ出力レベルが「１．５」となっている状況では、信号処理部４４からの処理信号Ｉｐ２も、この「１．５」に相当したレベルとなる。このとき、経時変化特性マップ記憶部４６からは、ＵＥＧＯセンサ３２が経時変化しているときの経時変化特性情報がゲイン付与部４３に読み出される。ここで読み出される経時変化特性情報は、エンジンの積算運転時間に対応したものであり、その値は「１．４」である。つまり、排気管３１内の実際の空気過剰率が目標値「１．６」となっているときにはＵＥＧＯセンサ３２のセンサ出力レベルは「１．４」となるべき状況であるといった情報が読み出される。
このため、比較器４８に入力される各信号（Ｉｐ２，Ｉｐ３）には差が生じており、ＵＥＧＯセンサ３２のセンサ出力レベルの方が「０．１」だけ大きくなっている。本来、排気管３１内の実際の空気過剰率が目標値「１．６」となっているときにはＵＥＧＯセンサ３２のセンサ出力レベルは「１．４」であるはずなので、このセンサ出力レベルが「１．５」であるということは空気過剰率が高すぎることを示している。この場合、比較器４８からは補正値「−０．１」の補正信号が開度補正信号出力部４７に向けて送信される。このため、この補正値「−０．１」の開度補正量で上記ベース開度マップ記憶部４５からの出力信号（基本開度信号）が補正（上記０．１分だけ減算）されることにより空燃比制御バルブ２７の開度信号が得られる。この場合、空気過剰率を上記「０．１」に相当する分だけ低くするために空燃比制御バルブ２７の開度を大きくして燃料供給量を増大させることになる。
【００７９】
以上説明したように、本形態では、ＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを考慮し、このＵＥＧＯセンサ３２の出力レベルが経時変化によってどの程度低下しているのかを認識しながら空燃比制御バルブ２７の開度信号を適切に得ることができる。このため、高精度の空燃比制御を長期間に亘って安定的に維持することが可能である。
【００８０】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態では、経時変化特性マップによってＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを認識するようにしていた。本形態では、それに代えて、大気雰囲気中でＵＥＧＯセンサ３２をセンシング動作させる大気校正動作によってＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを測定するものである。この大気校正動作を実行するための構成及びその動作以外は上述した第１実施形態のものと同様であるので、ここでは第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００８１】
図５は、本実施形態に係る空燃比制御システムの概略構成を示すブロック図である。この図５に示すように、本空燃比制御システムは、コントロールユニット４、ＵＥＧＯセンサ３２、λマップ４２、ゲイン付与部４３を備えている。尚、上記第１実施形態のものと共通する部分については同符号を付してその説明を省略する。
【００８２】
上記第１実施形態のものに対する本第２実施形態の差異としては、コントロールユニット４に備えられていた経時変化特性マップ記憶部４６に代えて大気校正値記憶部４９が備えられている点、校正値測定部６０が備えられている点が掲げられる。
【００８３】
この大気校正値記憶部４９は、後述するように定期的に実行されるＵＥＧＯセンサ３２の大気校正動作により得られた校正値を記録更新していくものであって、空燃比制御動作においては、この校正値がゲイン付与部４３に与えられるようになっている。つまり、この大気校正値記憶部４９から取得された校正値に基づいてゲイン付与部４３が経時変化レベル信号Ｉｐ３を出力し、この経時変化レベル信号Ｉｐ３と、信号処理部４４からの処理信号Ｉｐ２とが比較器４８において比較され、上記第１実施形態の場合と同様の動作によって混合気の空燃比が制御されるようになっている。
【００８４】
尚、上記大気校正値記憶部４９は、本発明でいう校正記憶手段に相当しＥＥＰＲＯＭで構成されている。このため、メンテナンス動作などによってＧＨＰのメインスイッチがＯＦＦされた場合であっても上記校正値は記憶され続けるため、その後にメインスイッチがＯＮされてエンジンの運転が再開された際にはその記憶された補正量（校正値）に基づいて空燃比制御を正確に行うことができる。つまり、メインスイッチがＯＮされた際に大気校正動作を再度実行する必要がなく、エンジンの再起動を迅速に行うことができるようにしている。
【００８５】
また、上記校正値測定部６０は、本発明でいう測定手段に相当し、大気校正動作を実行することによって、その実行時のＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを測定するものである。つまり、この校正値測定部６０によって大気校正動作が実行され、その結果として得られた校正値が大気校正値記憶部４９に入力され、この大気校正値記憶部４９において校正値を記録更新されていく。
【００８６】
以下、この校正値測定部６０により実行される大気校正動作及びこの校正値測定部６０の機能について説明する。
【００８７】
＜大気校正動作実行機能＞
校正値測定部６０は、大気校正動作を実行する際に、以下の動作をエンジンに実行させる。つまり、ステップモータ２８を駆動して空燃比制御バルブ２７を全閉状態にして燃料供給を禁止した状態で、セルモータ１７への通電を行ってエンジンのクランキング動作を行わせる。これにより、排気管３１内に大気を導入して大気校正動作を実行する。
【００８８】
より詳しくは、エンジンのクランキング動作を複数回間欠的に実行し、最終回のクランキング動作の終了時点でＵＥＧＯセンサ３２をセンシング動作させることによって大気校正動作を実行する。具体的には、１回当たり１０ｓｅｃのクランキングを３回に亘って間欠的に行い、この３回目のクランキング動作の終了時点でＵＥＧＯセンサ３２をセンシング動作させることによって大気校正動作を実行する。
【００８９】
図６は、このクランキング動作時におけるＵＥＧＯセンサ３２の出力レベルの変化状態を示している。３回目のクランキング動作の終了時点ではＵＥＧＯセンサ３２出力レベルは略安定状態にあり、排気管３１内は大気で満たされた状態となっていることが判る。この時のセンサ出力レベルを認識することで現時点でのＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを測定することができる。つまり、このときのセンサ出力レベルと、ＵＥＧＯセンサ３２が新品であるときのセンサ出力レベルとを比較することでＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを測定することができる。
【００９０】
このように、本形態では、エンジンのクランキング動作によって排気管３１内に大気を導入して大気校正動作を実行するようにしているため、ＵＥＧＯセンサ３２を大気雰囲気中に置くための特別な手段は必要ない。つまり、排気管３１内に外気を取り入れるための特別な導入路を設けたり、この導入路を開閉するための弁手段やその駆動源を設けたり、この導入路に大気を導入するためのブロワ等の大気圧送手段を設けておく必要が無く、エンジン既存の手段でＵＥＧＯセンサ３２を大気雰囲気中に晒すことができる。このため、空燃比制御システムの部品点数の大幅な増大や大型化を招くことなしに大気校正動作を実現することが可能であり、本空燃比制御システムの実用性の向上を図ることができる。
【００９１】
また、上述の如くクランキング動作によって大気校正動作を実行する場合、排気管３１内の排気ガスを全て排出してこの排気管３１内を大気で満たすためには、排気系の構成やガスエンジンの大きさなどによって異なるが、一般的には３０秒程度のクランキング動作が必要になる。このとき、この３０秒間連続してセルモータ１７を駆動させたのではセルモータ１７に掛かる負荷が過大となり、セルモータ１７の焼損等が懸念され耐久性が損なわれてしまう可能性がある。
【００９２】
このため、本実施形態では、上述の如くクランキング動作を複数回間欠的に実行し、最終回のクランキング動作の終了時点で大気校正動作を実行するようにしている。これによれば、セルモータ１７に対して長時間連続的に通電されるといった状況を回避でき、その長寿命化を維持することが可能になる。上述した如く１回当たり１０ｓｅｃのクランキングを３回に亘って間欠的に行った場合には、３０秒間連続してクランキングを行う場合に比べてセルモータ１７に掛かる負荷が大幅に軽減でき、それでいて排気管３１内を大気で十分に満たすことができる。尚、この１回当たりクランキング時間及びクランキング回数はこれに限るものではなく、１回当たり６ｓｅｃのクランキングを５回に亘って間欠的に行うなど任意に設定可能である。
【００９３】
＜大気校正動作頻度調整機能＞
また、校正値測定部６０は大気校正動作頻度調整機能を備えている。この機能は、エンジンの積算運転時間に応じて大気校正動作の実行間隔を変更していく機能である。つまり、大気校正動作の実行頻度として、ＵＥＧＯセンサ３２の新品時から所定時間経過までの間の頻度よりも、その所定時間経過した以後の頻度の方が低く設定されるようにしている。具体的には、ＵＥＧＯセンサ３２の新品時から１０００時間経過までは１００時間毎に大気校正動作を実行し、この１０００時間経過後は５００時間毎に大気校正動作を実行するようになっている。その理由について以下に述べる。
【００９４】
ＵＥＧＯセンサ３２の経時変化特性は、上述した如く、使用初期時の変化は急激に進み、その後、変化の進行度は緩やかになる（図３参照）。このため、使用初期時にあっては比較的高い頻度で大気校正動作を実行することにより、空燃比が目標値から大幅にずれてしまうといった状況を回避することができる。そして、この所定時間経過後は、変化の進行度は緩やかになるため、大気校正動作の頻度を高くしなくても空燃比が目標値から大幅にずれてしまうといった状況は生じにくくなる。このため、この所定時間経過後は、大気校正動作の頻度を低く設定している。これにより、必要最小限の頻度で大気校正動作を実行し、且つ空燃比が目標値から大幅にずれてしまうといった状況を回避することができることになる。このように大気校正動作の頻度を変更していくことにより、セルモータ１７の使用頻度を低下させることができ、これによってもセルモータ１７の長寿命化を維持することができる。
【００９５】
この大気校正動作の実行頻度の切換動作は上述した時間に限るものではないが、空燃比が目標値から大幅にずれてしまうといった状況が回避できる程度の頻度に設定する必要がある。また、大気校正動作の頻度の切り換えは２段階に限らず３段階以上であってもよい。
【００９６】
更に、校正値測定部６０は、大気校正動作を、エンジンの停止直後に実行するようにしている。図７は、この大気校正動作が実行させる際のタイミングチャートを示している。このタイミングチャートは、上段から順に、大気校正動作実行タイミング、エンジンの運転／停止の切り換えタイミング、ＧＨＰの室内機のサーモＯＮ／全室内機のサーモＯＦＦ切り換えタイミング、大気校正ＦＧ（フラグ）を示している。
【００９７】
今、エンジン運転中にその積算運転時間が大気校正動作実行タイミングになった場合（ＵＥＧＯセンサ３２の新品時から１０００時間経過までにあっては前回の大気校正動作からの積算運転時間が１００時間に達した場合、この１０００時間経過後にあっては前回の大気校正動作からの積算運転時間が５００時間に達した場合）に大気校正ＦＧが「１」となる（図中タイミングＴ１）。この大気校正ＦＧが「１」となる継続時間は例えば１５時間程度に設定される。または、この大気校正ＦＧは大気校正動作が開始されるまで「１」の状態が継続されるようにしてもよい。その後、エンジンが停止され且つ全室内機がサーモＯＦＦされると（図中タイミングＴ２）、その直後に、空燃比制御バルブ２７が全閉とされ且つエンジンがクランキングされて大気校正動作が実行される。実際には、エンジンが停止されてから３０ｓｅｃ経過後にクランキング動作が開始されて大気校正動作を実行すことになる。
【００９８】
このようにエンジンの停止直後に大気校正動作を実行する理由について以下に述べる。
【００９９】
エンジンの停止後であって排気管３１内が常温程度まで温度降下した場合、この排気管３１内に存在していた水分（水蒸気）が結露する。一方、大気校正動作時にはＵＥＧＯセンサ３２を活性化させるために図示しないヒータによってセンシング部分が７００℃程度まで加熱される。このため、排気管３１内が常温程度まで温度降下した際に大気校正動作を実行したのでは、排気管３１内で結露した水滴が高温のセンシング部分に飛散し、このセンシング部分に割れなどの破損が生じる可能性がある。この点に鑑み、本実施形態では、大気校正動作をエンジンの停止直後に実行している。つまり、エンジンの停止直後にあっても上記ＵＥＧＯセンサ３２のヒータには通電しておき、センシング部分を加熱したまま大気校正動作を実行する。これによれば、排気管３１内が常温程度まで温度降下する前に、つまり、排気管３１内に結露が発生する前に大気校正動作を完了することができるため、上記水滴の飛散によるセンシング部分の破損を回避することができ、システムの信頼性の向上を図ることができる。
【０１００】
＜大気校正値演算機能＞
校正値測定部６０における大気校正値演算動作は以下のようにして行われる。つまり、大気校正動作時、ＵＥＧＯセンサ３２の複数のセンサ出力値を取得して移動平均処理を行い、その結果によりＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを決定してそれを現時点での校正値として設定し、その情報を大気校正値記憶部４９に記憶させる。
【０１０１】
図８は、ＵＥＧＯセンサ３２の出力レベルを示すグラフであり、図中のＡはセンサ出力レベルの生データ、図中のＢは出力レベルの１６ポイントの荷重平均、図中のＣは出力レベルの３２ポイントの荷重平均、図中のＤは出力レベルの１６ポイントの移動平均をそれぞれ示している。また、図９は、図８に示すグラフの一部分を拡大して示すものである。
【０１０２】
上述した如くクランキング動作によって大気校正動作を実行する場合、排気管３１内には空気の脈動が生じている。つまり、この脈動の影響を受けてＵＥＧＯセンサ３２のセンサ出力値はある程度の幅をもって変動している（図８及び図９のＡ参照）。このため、ある一点のセンサ出力値のみをもってＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを決定したのでは、正確な経時変化度合いが得られているかどうかの信頼性が低い。このため、複数のセンサ出力値に対して移動平均処理を行い、その結果によりＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを決定している。これによれば、上記脈動の影響を殆ど受けない正確な経時変化度合いを得ることができる。また、この移動平均処理に使用するサンプリング数及びサンプリング間隔としては、上記脈動の影響を殆ど受けることなく且つ応答性を損なわないレベルに設定される。具体的には、例えば２０ｍｓ毎に１６ポイントのサンプリング（センサ出力値の取得）を行って、これらを移動平均処理することなどが掲げられる。尚、複数のセンサ出力値に対して荷重平均処理を行うことも可能であるが、図８及び図９からも判るように、移動平均処理の方が少ないサンプリング数で確実に平均化することが可能である。
【０１０３】
以下の表１は、１６回荷重平均、３２回荷重平均、１６区間移動平均の計算一般式を示しており、図１０はそれぞれにおいて得られた標準偏差を比較したグラフである。
【０１０４】
【表１】

【０１０５】
＜大気校正タイミング設定機能＞
更に、校正値測定部６０は大気校正タイミング設定機能を備えている。この機能は、大気校正動作を実行するタイミングとして、エンジン据え付け後の通常運転中の実行（上述した如く積算運転時間が所定時間に達する度の大気校正動作の実行）以外に、エンジン出荷前の試運転時や、エンジン据え付け後の試運転時にも実行するものである。
【０１０６】
エンジン出荷前の試運転時に大気校正動作を実行した場合、ＵＥＧＯセンサ製作時における種々の要因で生じているセンサの個体差の影響を無くすことができる。つまり、試運転時にこの個体差に起因するセンサ出力レベルのバラツキを補正した値を基準としてＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを測定していくことになるため、ＵＥＧＯセンサ３２の初期の個体バラツキが解消された状態での空燃比制御を行うことができる。
【０１０７】
また、エンジン据え付け後の試運転時に大気校正動作を実行した場合には、エンジンの据え付け機場の高度（標高）に応じて変動するセンサ出力レベルを補正した値を基準としてＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを測定していくことになるため、高度の影響による誤認識を回避でき、据え付け機場の高度に拘わりなく常に実際の酸素濃度に対応した空燃比制御を実行することができる。
【０１０８】
以上説明したように、本形態では定期的に大気校正動作を実行してＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを測定しながら空燃比制御動作を行っているため、新品時からの出力レベルの低下割合を正確に認識することが可能であり、空燃比を高い精度で長期間に亘って安定的に目標空燃比に維持することが可能になる。
【０１０９】
尚、この第２実施形態の構成は上述した第１実施形態のものと組み合わせることも可能である。つまり、第１実施形態のように、経時変化特性マップ記憶部４６を備えさせ、これに図３に示したようなＵＥＧＯセンサ３２の経時変化特性を予め記憶させておく一方で、定期的に大気校正動作を実行することによってこの経時変化特性を補正（図３の特性ラインを変更）していきながら実際の空気過剰率を求めていくものである。これによれば、実際の空燃比が目標値から外れている状況が継続したことが原因でＵＥＧＯセンサ３２の経時変化の進行度合いが変化した場合であってもそれに追従してＵＥＧＯセンサ３２の経時変化度合いを正確に且つ連続的に認識することが可能になる。
【０１１０】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態は、更なる高精度の空燃比制御を実現するための変形例である。図１１は、本実施形態に係る空燃比制御システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態においても、上記第１実施形態のものと共通する部分については同符号を付してその説明を省略する。
【０１１１】
本形態に係る空燃比制御システムは、湿度センサ７１及び大気圧センサ７２を備えており、これらセンサ７１，７２の検出信号がコントロールユニット４内の信号処理部４４に入力されるようになっている。つまり、空燃比制御動作時には、エンジン据え付け環境の絶対湿度及び大気圧力を各センサ７１，７２によって検出し、それに応じてＵＥＧＯセンサ３２の出力信号Ｉｐ１を補正して処理信号Ｉｐ２を生成するようになっている。
【０１１２】
以下、具体的に説明する。エンジン据え付け環境の絶対湿度や大気圧力の影響によってＵＥＧＯセンサ３２の出力レベルは変動し、実際の酸素濃度に応じた適切な空燃比制御が行えない可能性がある。例えば、図１２に示すように絶対湿度が高いほどセンサ出力レベルは低くなりやすい傾向があり、図１３に示すように大気圧力が高いほどセンサ出力レベルは高くなりやすい傾向がある。これらの環境の影響を受けることなく、経時的な要因（経時変化）のみによるセンサ出力レベルの低下割合を正確に認識するべく、絶対湿度や大気圧力の検出値に応じてセンサ出力レベルを補正するようにしている。つまり、絶対湿度が高いほど出力信号Ｉｐ１を高くする補正を行って処理信号Ｉｐ２を生成する一方、大気圧力が高いほど出力信号Ｉｐ１を低くする補正を行って処理信号Ｉｐ２を生成することになる。
【０１１３】
また、上記湿度センサによる絶対湿度の検出に代えて、エンジン据え付け環境の外気温度を温度センサによって検出する構成としてもよい。
【０１１４】
エンジン据え付け環境の外気温度の変化はセンサ出力レベルを大きく変動させるものではないが、この外気温度を検出することによってエンジン据え付け環境の絶対湿度を推定することができる。特に、日本の気候のように季節によって温度と湿度の間に相関関係がある環境下にあっては、外気温度を検出することで絶対湿度を比較的高い精度で推定することが可能である。また、一般に湿度センサに比べて温度センサの方が検出精度が高いので、湿度センサを用いて絶対湿度を直接検出するよりも、温度センサによって外気温度を検出しそれに基づいて絶対湿度を推定する方が精度が高いことが考えられる。このため、本実施形態では、外気温度の検出値に応じてセンサ出力値を補正するようにしている。
【０１１５】
（その他の実施形態）
次に、上述した各実施形態に対して適用可能なその他の構成について説明する。
【０１１６】
＜大気校正動作禁止のための構成＞
エンジンのメンテナンス時に大気校正動作の実行を禁止するための禁止手段が備えられている。具体的には、ＧＨＰ装置の外板の開閉を検知するために設けられた上記外板開閉スイッチ５１の出力信号に応じて、大気校正動作の実行の禁止及び許可を切り換えるようにしている。
【０１１７】
そして、外板開閉スイッチ５１の出力信号により装置外板が開放されていると判断されるときにはメンテナンス動作が行われていると認識して大気校正動作の実行を禁止するようにしている。通常のメンテナンス動作はメインスイッチがＯＦＦされた状態で行われるので不用意なクランキングが実行されることはないが、本実施形態によればメンテナンスマンがこのメインスイッチのＯＦＦ操作を忘れた場合であってもメンテナンス中に大気校正動作が実行されることはなく、不用意なクランキングが回避できてメンテナンス動作に支障を来すことがなくなり、メンテナンス作業の作業を効率良く行うことができる。
【０１１８】
＜校正値クリアのための構成＞
更に、ＵＥＧＯセンサ３２の交換後には、それまでの経時変化度合いに相当する補正量をクリアするよう構成されている。つまり、上記大気校正値記憶部４９に記憶されていた校正値を削除する構成である。この校正値を削除動作は、ＵＥＧＯセンサ３２の交換後にメンテナンスマンが上記リセットスイッチ５２を押すことによって実行される。または、ＵＥＧＯセンサ３２の交換を自動認識できる構成を採用した場合には、この校正値の削除動作も自動で行われることになる。
【０１１９】
このように、それまでの校正値の情報を削除し、新規に大気校正動作を実行することで新たなＵＥＧＯセンサ３２に適合した正確な空燃比制御を実行することができる。
【０１２０】
＜センサによる空燃比制御動作禁止のための構成＞
また、経時変化度合いが所定レベルに達すると、ＵＥＧＯセンサの経時変化度合いに相当する補正量に基づく空燃比の調整動作を禁止するよう構成されている。例えば、経時変化度合いが新品であるときの４割程度に達した場合、つまり、本来出力すべきセンサ出力レベルの６割程度しか出力レベルが得られなくなった場合には、既にそのＵＥＧＯセンサ３２の検出精度は信頼性のないものである可能性が高い。この場合、経時変化度合いによる空燃比制御の信頼性も確保できていない可能性がある。従って、この場合には、上記ベース開度マップ記憶部４５から出力される基本開度信号のみに基づいて（この基本開度信号を補正することなく）空燃比制御を行うことができるようにしている。
【０１２１】
この動作を実現するための具体構成としては、例えば開度補正信号出力部４７の出力側に開閉スイッチを備えさせておき、この開閉スイッチをＯＦＦすることで開度補正信号の出力を禁止するなどといったことが掲げられる。
【０１２２】
（実験例）
次に、上述の如く大気校正動作を実行することでＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを測定しながら空燃比制御を行った場合の実験例について説明する。
【０１２３】
本実験では、ＵＥＧＯセンサが新品である場合（センサ出力が変化しておらず本来の１００％の出力レベルが得られている場合）、ＵＥＧＯセンサが僅かに経時変化（１０％変化）している場合（センサ出力として本来の９０％の出力レベルが得られている場合）、ＵＥＧＯセンサが大きく経時変化（２９％変化）している場合（センサ出力として本来の７１％の出力レベルしか得られていない場合）のそれぞれについて、センサ出力レベルの目標値を変更させながら、そのときの空燃比制御バルブの開度を計測した。ここで、センサ出力レベルの目標値を変更させるということは、空燃比の目標値を変更したことに相当する。
【０１２４】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれの実験結果を示す。図１４（ａ）はＵＥＧＯセンサが新品である場合の実験結果である。図１４（ｂ）はＵＥＧＯセンサが１０％変化している場合の実験結果である。図１４（ｃ）はＵＥＧＯセンサが２９％変化している場合の実験結果である。各図における上段は、センサ出力レベルであり、破線が目標値、実線が実測値である。目標値を途中で変更することでセンサ出力レベル及び空燃比制御バルブの応答性を確認できるようにしている。
【０１２５】
尚、ＵＥＧＯセンサの経時変化度合いが大きくなるに従って、センサ出力レベルの目標値も低下させている。つまり、図１４（ａ）における目標値に比べて図１４（ｂ）における目標値の方が低く設定され、図１４（ｂ）における目標値に比べて図１４（ｃ）における目標値の方が低く設定されている。これは、ＵＥＧＯセンサの経時変化が進むに伴い、目標空燃比を達成するためのセンサ出力レベルが次第に低下していくことに対応させるためである。
【０１２６】
また、各図における下段は、空燃比制御バルブの開度を示している。
【０１２７】
これら実験結果から明らかなように、ＵＥＧＯセンサが経時変化していったとしても空燃比制御バルブの開度は目標開度に略維持されている。つまり、ＵＥＧＯセンサの経時変化の影響を受けることなく、空燃比が目標値に維持されていることが判る。
【０１２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、ＵＥＧＯセンサの経時変化度合いを予め認識しておくか、または定期的にその経時変化度合いを測定することにより、ＵＥＧＯセンサの経時変化に伴う出力レベルの変動を認識しておき、それを考慮して排気ガス中の酸素濃度を認識している。このため、ＵＥＧＯセンサの経時変化度合いに拘わりなく常に実際の酸素濃度に対応した空燃比制御を実行することができ、高精度の空燃比制御を長期間に亘って安定的に維持することが可能になる。その結果、空燃比が目標値から大きくリーン側に移行してしまって空燃比が失火限界に達してエンジンの運転が継続できなくなってしまったり、空燃比が目標値から大きくリッチ側に移行してしまってＮＯｘの発生量が著しく多くなってしまうといった状況を回避することができる。
【０１２９】
また、ＵＥＧＯセンサの大気校正動作をエンジンのクランキングによって実行するようにした場合において、エンジンのクランキング動作を複数回間欠的に実行するようにしたり、ＵＥＧＯセンサ新品時から所定時間経過した以後の頻度を低く設定するようにした場合には、セルモータの負荷を軽減することができて、その長寿命化を維持することが可能となる。
【０１３０】
また、大気校正動作をエンジンの停止直後に実行するようにした場合には、排気経路内に結露が発生する前に大気校正動作を完了することができるため、水滴の飛散によるＵＥＧＯセンサの破損を回避することができ、システムの信頼性の向上及びＵＥＧＯセンサの交換頻度の削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るガスエンジン全体の概略構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態に係る空燃比制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】ＵＥＧＯセンサの経時変化特性を説明するための図である。
【図４】空気過剰率とＵＥＧＯセンサのセンサ出力との関係を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る空燃比制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図６】クランキング回数とＵＥＧＯセンサの出力レベルとの関係を示す図である。
【図７】大気校正動作が実行させる際のタイミングチャートを示す図である。
【図８】ＵＥＧＯセンサの出力レベルデータ及び複数データを平均化処理した値をグラフ化した図である。
【図９】図８に示すグラフの一部分を拡大して示す図である。
【図１０】データ平均化処理として、１６回荷重平均、３２回荷重平均、１６区間移動平均それぞれにおいて得られた標準偏差をグラフ化した図である。
【図１１】第３実施形態に係る空燃比制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】絶対湿度とＵＥＧＯセンサの出力レベルとの関係を示す図である。
【図１３】大気圧力とＵＥＧＯセンサの出力レベルとの関係を示す図である。
【図１４】実験例におけるセンサ出力レベル及び空燃比制御バルブの開度の変化状態を示す図である。
【符号の説明】
４３ゲイン付与部
４６経時変化特性マップ記憶部（特性記憶部）
４７開度補正信号出力部
４８比較器
４９大気校正値記憶部（校正記憶手段）
６０校正値測定部（測定手段）

Claims

排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力する全領域空燃比センサを備えた空燃比制御システムであって、
上記全領域空燃比センサの経時変化特性が予め記憶された特性記憶手段と、
エンジンの積算運転時間に対応する全領域空燃比センサの経時変化度合いを上記特性記憶手段から読み出し、混合気の空燃比が目標空燃比となるように上記経時変化度合いに相当する補正量に基づいて空燃比を調整する空燃比調整手段とを備えていることを特徴とする空燃比制御システム。
排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力する全領域空燃比センサを備えた空燃比制御システムであって、
大気雰囲気中で上記全領域空燃比センサをセンシング動作させる大気校正動作を実行することによって、この全領域空燃比センサの経時変化度合いを測定する測定手段と、
上記測定手段の測定結果を受け、混合気の空燃比が目標空燃比となるように上記経時変化度合いに相当する補正量に基づいて空燃比を調整する空燃比調整手段とを備えていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２記載の空燃比制御システムにおいて、
測定手段は、燃料供給を禁止した状態でエンジンのクランキング動作を行うことで排気経路に大気を導入して大気校正動作を実行するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項３記載の空燃比制御システムにおいて、
測定手段は、エンジンのクランキング動作を複数回間欠的に実行し、最終回のクランキング動作の終了時点で全領域空燃比センサをセンシング動作させることによって大気校正動作を実行するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２、３または４記載の空燃比制御システムにおいて、測定手段は、大気校正動作の頻度として、全領域空燃比センサの新品時から所定時間経過までの間の頻度よりも、その所定時間経過した以後の頻度の方を低く設定するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２〜５のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
測定手段は、大気校正動作を、エンジンの停止直後に実行するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２〜６のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
測定手段は、大気校正動作時、全領域空燃比センサの複数のセンサ出力値を取得して移動平均処理を行い、その結果により全領域空燃比センサの経時変化度合いを決定するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２〜７のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
測定手段は、エンジン出荷前の試運転時にも大気校正動作を実行するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２〜８のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
測定手段は、エンジン据え付け後の試運転時にも大気校正動作を実行するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項１〜９のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
エンジン据え付け環境の絶対湿度及び大気圧力の少なくとも一方を検出し、その検出値に応じて大気校正時のセンサ出力値を補正して空燃比を調整するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項１〜１０のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
エンジン据え付け環境の外気温度を検出し、その検出値に応じて大気校正時のセンサ出力値を補正して空燃比を調整するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２〜１１のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
エンジンのメンテナンス時に大気校正動作の実行を禁止する禁止手段が備えられていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２〜１２のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
大気校正動作が実行された際の経時変化度合いに相当する補正量を記憶しておく校正記憶手段が備えられていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２〜１３のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
全領域空燃比センサの交換後には、それまでの経時変化度合いに相当する補正量をクリアするよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。
請求項２〜１３のうち何れか一つに記載の空燃比制御システムにおいて、
経時変化度合いが所定レベルに達すると、全領域空燃比センサの経時変化度合いに相当する補正量に基づく空燃比の調整動作を禁止するよう構成されていることを特徴とする空燃比制御システム。