JP2007056832A - 空燃比センサの活性判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 種々のばらつき要因に影響されることなく、空燃比センサが実際に活性化している状態を遅れなく判定する。
【解決手段】 空燃比センサのヒータがＯＮで、エンジン回転速度及び燃料噴射量が安定しているときに、燃料噴射量を周期的に増減変化させ、このときの空燃比センサの検出出力の振幅ΔＡ／Ｆ及び半周期Δｔから、応答パラメータＰ＝Δ（Ａ／Ｆ）／Δｔを算出する。そして、前記応答パラメータＰがｎ回連続して閾値を超えるようになった時点で、空燃比センサの活性を判定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エンジンの排気中の成分濃度に基づいて燃焼混合気の空燃比を検出する空燃比センサの活性判定装置に関する。

特許文献１には、外気温度に基づいて空燃比センサの基準活性化時間を算出する一方、ヒータの発熱量及び排気の発熱量に基づいて活性化の短縮時間を算出し、前記基準活性化時間から短縮時間を減算した結果を、空燃比センサが活性化されるまでの時間とする活性診断装置が開示されている。
特開２０００−１７９３９６号公報

ところで、上記のように、ヒータや排気の発熱量の見込みから空燃比センサの活性化を判断する場合、ヒータによる発熱量のばらつき等があるため、活性化時間を、前記ばらつきを見込んで長めに設定する必要があり、実際の活性化に対して判定が遅れる可能性があった。
更に、空燃比センサの温度に基づいて活性判定を行う場合、温度を精度良く判定できたとしても、センサばらつきや劣化等によって、本来の活性温度に達しているのに実際には活性化していない場合があり、温度推定に基づく活性判定は信頼性が低く、また、信頼性を高めようとすると、実際の活性化に対して判定が遅れることになってしまう。

空燃比センサの活性判定が遅れると、空燃比センサを用いた空燃比フィードバック制御の開始が遅れ、その分始動直後の排気性状が悪化する。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、種々のばらつき要因に影響されることなく、空燃比センサが実際に活性化している状態を遅れなく判定できる空燃比センサの活性判定装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明に係る空燃比センサの活性判定装置は、エンジンへの燃料噴射量を周期的に増減させ、該燃料噴射量の増減に対する空燃比センサの検出信号の変化に基づいて、空燃比センサの活性状態を判定することを特徴とする。

上記構成によると、燃料噴射量を周期的に増減させることで、燃焼混合気の空燃比の周期的に変化させ、係る空燃比変化に対する空燃比センサの検出信号の変化に基づいて、空燃比センサが活性化しているか否かを判断する。
空燃比センサは、非活性化状態では応答性が遅いため、実際の空燃比変化に対して検出信号の変化に遅れを生じることになるので、この遅れの状態から活性状態であるか（活性温度に達しているか）非活性状態であるか（活性温度に達していないか）を判断する。

従って、始動条件に大きなばらつきがあったり、空燃比センサのばらつきや劣化によって活性温度にばらつきがあったりしても、非活性状態から活性状態への移行を遅れなく、かつ、高精度に判断でき、空燃比センサの検出結果を用いる空燃比フィードバック制御を早期に開始して、始動時の排気性状を改善することができる。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における車両用エンジンのシステム図である。
図１において、エンジン（ガソリン機関）１の各気筒には、エアクリーナ２を通過した空気が、吸気ダクト３，吸気コレクタ４，吸気マニホールド５，吸気バルブ６を介して空気が吸引される。

エンジン１の吸入空気量は、前記吸気ダクト３に介装されるバタフライ式のスロットルバルブ７の開度ＴＶＯによって調整される。
前記スロットルバルブ７は、スロットルモータ（スロットルアクチュエータ）８で開閉駆動される電子制御式のバルブである。
各気筒の吸気ポート部には、燃料噴射弁９がそれぞれ設けられる。

そして、前記燃料噴射弁９から噴射される燃料（ガソリン）によって形成される混合気は、燃焼室１０内で図示省略した点火プラグによる火花点火により着火燃焼する。
尚、燃料噴射弁９が燃焼室１０内に直接燃料を噴射する構成とすることができる。
前記燃焼室１０内の燃焼排気は、排気バルブ１１，排気マニホールド１２，排気ダクト１３を介して大気中へ排出される。

前記排気ダクト１３には、排気中の有害成分を浄化するための触媒コンバータ１４が介装される。
前記スロットルモータ８，燃料噴射弁９及び図示省略した点火コイルへの通電を制御するパワートランジスタは、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１によって制御される。

前記エンジンコントロールユニット２１には、各種センサからの検出信号が入力される。
前記各種センサとしては、前記スロットルバルブ７の上流側でエンジン１の吸入空気流量（質量流量）を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）２２、前記触媒コンバータ１４の上流側で排気中の酸素濃度（排気中の成分濃度）に基づいて排気空燃比を検出する空燃比センサ２３、エンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ２４、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２５、前記スロットルバルブ７の開度（回転角度）を検出するスロットルセンサ２６が設けられている。

前記空燃比センサ２３は、例えば特開平１１−２６４３４０号公報に開示されるように、ガス拡散層内における排気空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンを検出するセンシング電極と、前記ガス拡散層におけるリッチ・リーンの判別結果に応じて電圧が印加され、前記ガス拡散層内の酸素イオンを移動させる酸素ポンプ電極とを備え、前記酸素ポンプ電極に流れる電流（限界電流）に基づいて空燃比を広域に検出し得るセンサであり、本体にヒータが設けられている。

前記ヒータは、例えばエンジン１の冷却水温度やエンジン回転速度などに基づいて通電制御され、始動時及び始動後においてはヒータによる加熱によって空燃比センサ２３の温度上昇を促進し、また、排気温度の低い運転条件ではヒータによる加熱で活性温度を維持できるようにする。
但し、空燃比センサ２３は上記構成のものに限定されず、公知の種々のセンサを適用できる。

前記エンジンコントロールユニット２１は、前記燃料噴射弁９による燃料噴射量を以下のようにして制御する。
まず、エアフローメータ（ＡＦＭ）２２で検出される吸入空気流量と、回転速度センサ２４で検出されるエンジン回転速度とから、そのときのシリンダ吸入空気量において目標空燃比の混合気を形成するための基本燃料噴射量を算出する一方、前記空燃比センサ２３が活性化していることを前提条件に、空燃比センサ２３で検出される空燃比が目標空燃比に近づくように前記基本燃料噴射量をフィードバック補正する。

上記空燃比センサ２３の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御の実行判断のために、前記エンジンコントロールユニット２１は、空燃比センサ２３の活性判定を、図２のフローチャートに示すようにして行う。
図２のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１１では、空燃比センサ２３に設けられるヒータへの通電がなされているか否か、換言すれば、空燃比センサ２３が活性化していない可能性があるか否かを判断する。

尚、空燃比センサ２３がヒータを備えないセンサであっても良く、その場合には、始動時水温などから非活性状態でのエンジン始動を判断し、ステップＳ１２以降へ進むようにすれば良い。
ヒータへの通電が行われている場合には、ステップＳ１２へ進み、エンジン回転速度の単位時間当たりの変動量が所定値以内であるか否かを判別する。

上記エンジン回転速度の変動量の判断により、エンジン１の燃焼が安定している状態であるか否かを判断し、例えば始動時や始動直後などの燃焼が安定していない状態での活性判断を禁止する。
そして、エンジン回転速度の単位時間当たりの変動量が所定値以内であって、エンジン１の燃焼が安定していると判断される場合には、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、燃料噴射量の単位時間当たりの変動量が所定値以内であるか否かを判別することで、燃料噴射量が安定している定常状態であるか否かを判断する。
ステップＳ１３で燃料噴射量の単位時間当たりの変動量が所定値以内であると判断されると、ステップＳ１４へ進み、燃料噴射量を、通常の燃料噴射量を中心に予め定めた周期及び振幅で強制的に増減変化させることで（図３参照）、燃焼混合気の空燃比を周期的に変動させる。

尚、前記燃料噴射量の増減補正においては、運転者に不快感・違和感を与えないように、その周期・増減量を予め設定する。
次のステップＳ１５では、燃料噴射量を強制的に増減変化させる処理を開始してからの経過時間が一定時間以内であるか否かを判断する。
前記経過時間が一定時間以内であれば、ステップＳ１５からステップＳ１６へ進み、ｎ回連続して応答パラメータＰが、閾値を超えたか否かを判断する。

前記応答パラメータＰは、図４に示すように、空燃比センサ２３の検出空燃比の振幅をΔＡ／Ｆとし、前記検出空燃比の半周期をΔｔとしたときに、Ｐ＝Δ（Ａ／Ｆ）／Δｔとして算出される。
ここで、空燃比センサ２３の素子温度が低い非活性状態では、排気空燃比の変化に対する応答性が遅く、図４に示すように、素子温度が高い活性状態であるときに比べて、排気空燃比の変化に対して検出出力の周期Δｔが長く、また、振幅ΔＡ／Ｆが小さくなる。

従って、前記応答パラメータＰは、非活性時に小さく、活性化するにつれて大きな値に変化することになる。
前記閾値は、活性状態での空燃比センサの検出出力に基づいて予め設定されており、前記応答パラメータＰが閾値を超えたときには、空燃比センサ２３の検出出力が活性状態での応答を示していると判断される。

そこで、ステップＳ１６で、ｎ回連続して前記応答パラメータＰが閾値を超えていると判断された場合には、ステップＳ１７へ進んで、空燃比センサ２３の活性判定を行う。
上記活性判定に基づいて、前述の空燃比フィードバック制御が開始される。
尚、１回でも応答パラメータＰが閾値を超えたときに、活性判定を行わせるようにしても良いが、ノイズ等の影響で応答パラメータＰが一時的に閾値を超える可能性があるので、複数回連続を条件とすることで精度の良い活性判定を行わせることができる。従って、前記ｎは２以上とすることが好ましい。

また、周期Δｔと振幅ΔＡ／Ｆとのいずれか一方を応答パラメータＰとして活性判定させることが可能であるが、周期Δｔと振幅ΔＡ／Ｆとの双方から活性判断した方が、より信頼性の高い活性判定を行える。
一方、ステップＳ１５で、燃料噴射量を強制的に増減変化させる処理を開始してからの経過時間が一定時間以上になったと判断されたときには、一定時間になっても空燃比センサ２３が活性化しなかったことになるので、ステップＳ１８へ進み、車両の運転席付近（例えばメーターパネル）に設けた警告灯を点灯させる。

上記活性判定処理では、たとえ素子温度と活性状態との相関にばらつきがあったとしても、活性状態における検出応答を示すか否かを判断するので、活性状態を精度良く判断できる。
更に、温度や発熱量の推定を行わないので、温度推定誤差や発熱量ばらつき等を見込んで活性化判定レベルをより高い温度に設定する必要がない。

従って、空燃比センサ２３が活性状態になったことを精度よく、かつ、遅れなく判断でき、これにより、空燃比フィードバック制御を早期に開始させて、始動直後の排気性状を改善できる。
また、エンジン回転速度が安定していて、エンジンの燃焼が安定していることを条件に、燃料噴射量を増減変化させて活性判定を行わせるので、活性判定のためにエンジンの燃焼安定性を大きく損なわせ、失火等を発生させてしまうことを回避できる。

また、通常の制御により設定される燃料噴射量の安定状態で、燃料噴射量を増減変化させて活性判定を行わせるので、通常制御による燃料噴射量の変化に活性判定のための増減補正が重なることで、過剰に燃料噴射量が振れて燃焼安定性を低下させたり、本来の応答性とは異なる検出信号の変化を示すことで、活性状態を誤判定したりすることを回避できる。

実施形態における車両用エンジンのシステム図。 実施形態における空燃比センサの活性判定処理を示すフローチャート。 実施形態における燃料噴射量の増減補正の様子を示すタイムチャート。 実施形態における空燃比センサの活性時における検出出力と非活性時における検出出力とを示すタイムチャート。

符号の説明

１…エンジン，２…エアクリーナ，３…吸気ダクト，４…吸気コレクタ，５…吸気マニホールド，６…吸気バルブ，７…スロットルバルブ，８…スロットルモータ，９…燃料噴射弁，１０…燃焼室，１１…排気バルブ，１２…排気マニホールド，１３…排気ダクト，１４…触媒コンバータ，２１…エンジンコントロールユニット，２２…エアフローメータ，２３…空燃比センサ，２４…回転速度センサ，２５…アクセル開度センサ，２６…スロットルセンサ

Claims (6)

1. エンジンの排気中の成分濃度に基づいて燃焼混合気の空燃比を検出する空燃比センサの活性判定装置であって、
   前記エンジンへの燃料噴射量を周期的に増減させ、該燃料噴射量の増減に対する前記空燃比センサの検出信号の変化に基づいて、前記空燃比センサの活性状態を判定することを特徴とする空燃比センサの活性判定装置。
2. 空燃比センサがヒータを備え、前記空燃比センサの活性状態の判定を、前記ヒータのＯＮ状態で行わせることを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの活性判定装置。
3. 前記空燃比センサの検出信号の振幅及び／又は周期に基づいて、前記空燃比センサの活性状態を判定することを特徴とする請求項１又は２記載の空燃比センサの活性判定装置。
4. 前記空燃比センサの検出信号の振幅を周期で除算した値を活性判定パラメータとし、該活性判定パラメータと閾値との比較に基づいて、前記空燃比センサの活性状態を判定することを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの活性判定装置。
5. 前記エンジンの回転速度の変動が所定値以上であるときに、前記燃料噴射量の周期的な増減を禁止することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の空燃比センサの活性判定装置。
6. 前記燃料噴射量の変動が所定値以上であるときに、前記燃料噴射量の周期的な増減を禁止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の空燃比センサの活性判定装置。

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