JP2008286122A - 空燃比を検出する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの応答遅れを補償する。
【解決手段】排ガスの空燃比を検出する第１および第２の空燃比センサは、排ガス雰囲気の相違の無い互いに近接する２つの位置に設けられる。該空燃比センサの出力（Ip1,Ip2）が、所定区間においてサンプリングされる。第１の演算式は、第１の空燃比センサの応答遅れを示す第１の係数（τ1）を用いて第１の空燃比（LAF1）を表し、第２の演算式は、第２の空燃比センサの応答遅れを示す第２の係数（τ2）を用いて第２の空燃比（LAF2）を表す。これらの演算式に、サンプリングされた出力を適用し、該第１および第２の空燃比の間の偏差が最小になるよう該第１および第２の係数を算出する。第１および第２の演算式は、該算出された係数で補正される。この補正済み演算式によって、空燃比が検出される。
【選択図】図５

Description

この発明は、内燃機関の空燃比を検出する装置に関する。

内燃機関には、一般に空燃比センサが搭載され、そのセンサ検出値が、空燃比等の制御に用いられている。このような空燃比センサは、センサの個体バラツキにより、また内燃機関の運転状態に応じて、その応答特性が変化することがある。応答特性が変化すると、最適な空燃比制御が困難になるおそれがある。

下記の特許文献１には、空燃比センサの応答特性（無駄時間およびｎ次遅れ）を考慮して空燃比制御を行う装置が開示されている。この手法によると、空燃比センサの出力から、該空燃比センサの応答特性（無駄時間とｎ次の遅れ）を検出する。検出した応答特性が、ＥＣＵに実装された応答特性（実装応答特性）からずれている場合、該実装応答特性を補正し、補正後の実装応答特性で、空燃比センサの出力が最適挙動となる制御定数を算出する。
特開２００６−２６６０９４号公報

空燃比センサの応答特性は、排気管を流れるガスの速度に比して遅い。空燃比センサの応答は、排ガスの空燃比が実際に変化してから、たとえば約１００〜３００ミリ秒かかり、それに対し、ガスの速度は、エンジン回転数が約６０００ｒｐｍであるとき約１０ミリ秒である。このように、空燃比センサの応答がガス速度に比して相対的に遅いため、空燃比センサの応答に基づく制御を実行すると、１０サイクル程度の遅れが該制御に生じるおそれがある。こうした遅れが生じると、排気管を流れるガスの実際の空燃比を適切に該制御に反映させることができない。たとえば、このような遅れが空燃比制御に生じると、所望の空燃比を達成することが困難になるおそれがある。

また、上記のような従来の技術は、空燃比センサの応答特性を検出した後に、空燃比制御の制御定数を変更しており、空燃比制御を、実際の空燃比センサの応答特性に合わせる手法である。しかしながら、この手法では、実際の空燃比センサの応答特性を用いている以上、ガス速度に対する遅れが空燃比制御に生じ、よって上記のような課題は残りうる。

したがって、空燃比センサの応答のガス速度に対する遅れを補償して、ガス速度に追従するよう空燃比を検出することのできる手法が望まれている。

この発明は、一形態（請求項１）では、内燃機関の空燃比を検出する装置は、内燃機関の排気系において、排ガス雰囲気の相違の無い互いに近接する２つの位置に設けられ、排ガスの空燃比を検出する第１および第２の空燃比センサと、所定区間において、第１および第２の空燃比センサの出力（Ｉｐ１，Ｉｐ２）をサンプリングするサンプリング手段と、第１の空燃比センサの応答遅れを示す第１の係数（τ１）を用いて第１の空燃比（ＬＡＦ１）を表す第１の演算式に、上記サンプリングされた第１の空燃比センサの出力を適用すると共に、第２の空燃比センサの応答遅れを示す第２の係数（τ２）を用いて第２の空燃比（ＬＡＦ２）を表す第２の演算式に、上記サンプリングされた第２の空燃比センサの出力を適用し、該第１および第２の空燃比の間の偏差が最小になるよう該第１および第２の係数を算出する係数算出手段と、該算出した第１および第２の係数で、該第１および第２の演算式を補正する補正手段と、上記補正した第１および第２の演算式の少なくとも一方によって、上記内燃機関の空燃比を検出する検出手段と、を備える。

実際の空燃比が変化すると、空燃比センサの出力は、その応答特性に従い、遅れをともなって該実際の空燃比を示す値に到達する。この発明によれば、空燃比センサの応答遅れを示す係数を用いて空燃比を、演算式で表す。すなわち、該演算式は、空燃比センサの応答特性を表すこととなる。したがって、その時の空燃比センサの出力を該演算式に適用することにより、その時の実際の空燃比、すなわち応答遅れが補償された空燃比を推定することができる。この空燃比に基づくことにより、たとえば空燃比制御中に遅れが生じるおそれを回避することができる。

応答遅れは、センサ間のバラツキや内燃機関の運転状態によって変化するおそれがある。この発明によれば、応答遅れを示す係数を、２つのセンサを用いることで求める。２つのセンサを用いることにより、センサ間のバラツキを抑制した応答遅れを算出することができる。たとえば、センサ間の個体バラツキやセンサの劣化に起因する応答遅れの算出誤差を軽減することができる。さらに、所定の区間ごとに該係数を算出しなおすので、内燃機関の運転状態に適した応答遅れを算出することができる。

また、従来は、２値型の排ガス（Ｏ_２）センサを例えば触媒装置の下流に装着することにより、空燃比センサの応答の遅れを補償する手法も提案されているが、この発明によれば、このような排ガスセンサを用いることなく、空燃比センサの応答遅れを補償することができる。

この発明の一実施形態（請求項２）では、第１および第２の空燃比の間の偏差を所定区間にわたって積算し、該積算した偏差が最小となるように、最小二乗法を用いて第１および第２の係数を算出する。

この発明によれば、最小二乗法により応答遅れを算出するので、２つのセンサ間のバラツキを抑制するよう、より良好な精度で応答遅れを算出することができる。

次に図面を参照して、この発明の実施例を説明する。

図１は、この発明の一実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）およびその制御装置の全体的な構成図である。電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、入出力インターフェース、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、およびメモリを備えるコンピュータである。メモリには、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なデータを格納することができる。ＥＣＵ１は、車両の各部から送られてくるデータを入出力インターフェースを介して受け取って演算を行い、制御信号を生成し、これを、該入出力インターフェースを介してエンジンの各部を制御するために送る。

エンジン２は、たとえば４気筒（図示せず）を備えており、各気筒には、吸気管３および排気管４が接続されている。吸気管３には、スロットル弁６を介して吸気管３を通過する新気の量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）７が設けられている。このセンサの検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

スロットル弁６の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って制御される。スロットル弁６の開度を制御することにより、エンジン２に吸入される空気の量を制御することができる。スロットル弁６に代えて、各気筒の吸気バルブの開度を調整することにより吸気量を調整するようにしてもよい。

ＥＧＲ通路１０が、吸気管３と排気管４の間に接続されており、ＥＧＲ通路１０を介して、各気筒から排気管４に流出した排ガスを吸気管３に還流し、各気筒に供給することができる。還流する排ガスの量は、ＥＧＲ通路１０に設けられたＥＧＲバルブ１１により調整することができる。ＥＧＲバルブ１１の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って変更される。

排気管４には、たとえば種々の触媒によって実現されることのできる排ガス浄化装置１３が設けられており、各気筒から排気管４に流出される排ガスを浄化して、大気に放出する。

排ガス浄化装置１３の上流には、第１および第２の空燃比（ＬＡＦ）センサ２１および２２が、互いに近接した位置に設けられている。この図では、第１および第２の空燃比センサ２１および２２が、排気管４に沿って隣接して設けられている。しかしながら、第１および第２の空燃比センサは、排ガス雰囲気の相違の無い箇所に設けられればよい。したがって、排気管４を所定位置（排ガス浄化装置１３の上流の排気管の任意の位置でよい）でＡ−Ａ’で切断した断面図（ｂ）に示すように、排気管４の断面の円上の任意の位置に２つの空燃比センサを設けてもよい。図には、そのような位置の例として、左上位置、右上位置、左下位置、右下位置の４箇所が示されており、このうちの任意の２箇所に、２つの空燃比センサを配置することができる。図では、例として、左上位置および右上位置に、第１および第２の空燃比センサ２１，２２が配置されている。

第１および第２の空燃比センサ２１および２２は、リーンからリッチにわたる領域の空燃比をリニアに検出するセンサであり、これらセンサの検出値はＥＣＵ１に送られる。

ここで、本願発明の原理を説明する。図２の（ａ）を参照すると、実際の空燃比が変化したときの空燃比センサの応答特性の一例が示されている。一般に、空燃比センサは、空燃比の変化に対して応答遅れを有しており、一次遅れ要素と考えることができる。実際の空燃比が変化したことに応じて、空燃比センサは応答を開始するが、該空燃比センサの出力（後述の、ポンピング電流Ｉｐ）が、該変化後の実際の空燃比を表す値ＬＡＦ＿ｏｕｔ＿ｆを示すまでに、時間ｔ１かかる。このように、空燃比センサの応答には遅れがある。この遅れの大きさは、空燃比センサの個体ごとにばらつくおそれがあり、また、空燃比センサの劣化の度合いや、内燃機関の運転状態にも依存するおそれがある。

他方、空燃比センサは、図２の（ｂ）に示されるように、ジルコニア（Ｚｒ）固体電解質から構成されるセンサ素子３１の両端に、多孔層電極３２ａおよび３２ｂを備える形態を一般に有しており。該電極の一方３２ａは、排気管４内の排ガスにさらされ、他方３２ｂは、該排気管４外の大気にさらされる。両者の電極間に生じる酸素分圧比によって発生する内部起電力を一定に保つように、印加電圧Ｖを調整しながら、排ガス中の酸素分子をイオン化してポンピングさせる。このポンピングにより、ポンピング電流Ｉｐが流れる。

ここで、ポンピング電流Ｉｐは、たとえば式（１）のように近似されることができる。式中、Ｄｏ２は、多孔層の拡散係数を示し、Ｔは、センサ素子３１の温度を示し、これは、該センサ素子のインピーダンスで決まると共に、図示しないヒータによって一定に保たれるよう制御される。ｌ（エル）は、電極３２ａ、３２ｂの厚さを示し、Ｓは該電極の面積を示す。Ｐは、排気側の酸素分圧と大気側の酸素分圧とを加算した全圧を示し、Ｐｏ２は、排気側の酸素分圧を示す。式に示されるように、ポンピング電流Ｉｐは、排気側および大気側の酸素分圧比に応じて変化し、よってポンピング電流Ｉｐを計測することにより、排ガスの酸素濃度すなわち空燃比を、リーンからリッチにわたってリニアに検出することができる。

まず、本願発明では、図２の（ａ）に示すような空燃比センサの応答特性を、式（２）のような一次遅れの式で表す。ここで、ＬＡＦ＿ｏｕｔ＿ｆは、図２の（ａ）に示されるように、空燃比変化に対して空燃比センサの出力が最終的に到達する値（定常値と呼ぶ）であり、これは、応答遅れが補償された後の空燃比を示す。Ｉｐ（ｔ）は、時刻ｔにおけるポンピング電流を示し、空燃比センサの実際の出力である。τは、時定数を示す。時定数τは、ポンピング電流Ｉｐが定常値に対して（１−１／ｅ）＝６３．２％に達するまでの時間（秒）を表し、応答遅れを表す係数である。

式（２）に示されるように、時定数τが決定されていれば、その時に検出されたポンピング電流Ｉｐに基づいて、定常値ＬＡＦ＿ｏｕｔ＿ｆに実際に達する前に、該定常値ＬＡＦ＿ｏｕｔ＿ｆを推定することができる。本願発明は、この知見に基づいており、時定数τを、２つの空燃比センサを用いて所定の時間間隔で決定し、該決定した時定数τを用いて、定常値ＬＡＦ＿ｏｕｔ＿ｆ、すなわち応答遅れが補償された空燃比を推定するものである。

たとえば、図２の（ａ）の場合、空燃比センサの出力（ポンピング電流）が定常値ＬＡＦ＿ｏｕｔ＿ｆに達する前に、上記式（２）を用いて該定常値ＬＡＦ＿ｏｕｔ＿ｆを推定し、該推定値を、検出された空燃比として空燃比制御等に用いることができる。該推定値は、応答遅れが補償された空燃比であるので、実際の空燃比を空燃比制御等に反映させることができ、よって制御精度を高めることができる。

次に、時定数τを求める具体的な手法を説明する。

図１における第１の空燃比センサ２１および第２の空燃比センサ２２について、式（２）の演算式を適用すると、それぞれ、式（３）および（４）のように表される。

ここで、図３の（ａ）を参照すると、排気管４を流れる排ガスの空燃比が実際に変化したことに対する、第１の空燃比センサ２１の応答特性５１および第２の空燃比センサ２２の応答特性５２の一例が示されている。式（３）および（４）のＩｐ１およびＩｐ２は、第１および第２の空燃比センサ２１および２２のポンピング電流を示す。τ１およびτ２は、第１および第２の空燃比センサ２１および２２の時定数を示す。時定数には、センサ間にバラツキがあり、この例では、第２の空燃比センサの時定数の方が、第１の空燃比センサの時定数より大きくなっている。また、時定数の大きさは、エンジンの運転状態にも影響されるおそれがあり、図に示される時定数の相対的な大きさは一例である。ＬＡＦ１およびＬＡＦ２は、空燃比が変化した時の空燃比センサの最終的な出力値（定常値）を示し、応答遅れが補償された後の空燃比を示す。

図に示されるように、排ガスの空燃比が実際に変化した時の、第１および第２の空燃比センサ２１，２２の応答遅れは相違する。しかしながら、該２つの空燃比センサの定常値ＬＡＦ１およびＬＡＦ２は、該２つの空燃比センサが同じ排ガス雰囲気となる近接位置に設けられているので、図のように、最終的には同じ値に到達すべきである。

しかしながら、実際には、空燃比センサの個体バラツキ等の種々の要因により、両者の定常値の間には偏差が生じるおそれがある。そこで、この実施例では、該偏差を最小にするように、時定数τ１およびτ２を算出する。

この実施例では、周知の最小二乗法を用いる。まず、式（５）のように偏差ｅを求める。偏差ｅは、両センサの定常値の差の二乗を所定区間にわたって積算した値を平均したものである。Ｎは、該所定区間において計測したデータ数を示し、ｉは、演算時刻を示す。

周知の最小二乗法を用いて、偏差ｅを最小にするような時定数τ１およびτ２を求めると、式（６）および（７）のようになる。

こうして、所定区間の間に計測されたポンピング電流Ｉｐ１およびＩｐ２を用いて、時定数τ１およびτ２を算出することができる。算出された時定数τ１およびτ２を、式（３）および（４）に代入することにより、該式（３）および（４）を補正する。その後、該補正された式に従い、第１および第２の空燃比センサについて、応答遅れが補償された後の空燃比ＬＡＦ１およびＬＡＦ２を算出する。該算出された空燃比が、実際の空燃比を示す値として出力され、たとえば空燃比制御に用いられる。ここで、上記のように偏差ｅが最小になるよう時定数を求めたので、補正された式（３）および（４）により算出される空燃比ＬＡＦ１およびＬＡＦ２は、ほぼ同じ値を呈することとなる。したがって、これらの式の一方のみを用いて空燃比を算出してもよい。

次に、図３の（ｂ）を参照して、演算タイミングを説明する。時間ｔ０でイグニッションがオンされた時、第１の演算サイクルが開始する。時定数τ１およびτ２の初期値を式（３）および（４）に適用して、空燃比ＬＡＦ１および（または）ＬＡＦ２を算出する。時定数τ１およびτ２の初期値は、任意の手法で決定されることができる。たとえば、シミュレーション等を介して決めておくことができる。他方、第１の演算サイクルで計測されたポンピング電流を式（６）および（７）に適用して、時定数τ１およびτ２が更新される。

第２の演算サイクルにおいて、第１の演算サイクルにおいて決定された時定数τ１およびτ２を式（３）および（４）に代入して、空燃比ＬＡＦ１および（または）ＬＡＦ２を算出する。他方、第２の演算サイクルで計測されたポンピング電流を式（６）および（７）に適用して、時定数τ１およびτ２を更新する。

こうして、所定の時間間隔で時定数が更新されると共に、該更新された時定数は、次の演算サイクルにおいて空燃比を算出するのに用いられる。内燃機関の運転状態やセンサの劣化度合い等によって、応答遅れにバラツキが生じるおそれがあるが、所定の時間間隔で時定数を更新することにより、その時の応答遅れを適切に反映するよう時定数を決定することができる。

この実施例では、第１の演算サイクルのみを、他の演算サイクルに比べて時間的に長くなるよう設定しているが（たとえば、前者は約１０秒であり、後者は約５秒）、これは、空燃比センサが活性化されるための時間を考慮したものである。しかしながら、第１の演算サイクルも含め、すべての演算サイクルを同じ時間長さにしてもよい。演算サイクルの時間間隔は、空燃比センサの応答特性や算出される時定数を考慮して、シミュレーション等を介して決めることができる。

図４は、シミュレーション結果の一例を示す。符号６１は、本願発明が適用される前の第１の空燃比センサの出力（ポンピング電流）により示される空燃比の挙動を示し、符号６２は、本願発明が適用される前の第２の空燃比センサの出力により示される空燃比の挙動を示す。

符号６３は、本願発明に従って算出した空燃比ＬＡＦ１により示される空燃比の挙動を示し、符号６４は、本願発明に従って算出した空燃比ＬＡＦ２により示される空燃比の挙動を示し、両者は、ほぼ同じ値を呈するので、グラフが重なって示されている。

符号６１と６３の比較および符号６２と６４の比較から明らかなように、本願発明に従って算出した空燃比について、応答遅れが改善されていることがわかる。これは、式（３）および（４）のような、空燃比センサの応答特性を表す演算式に従って、空燃比ＬＡＦ１およびＬＡＦ２を算出しているからである。そして、符号６３と６４のグラフに示されるように、第１および第２の空燃比センサに基づく推定値ＬＡＦ１およびＬＡＦ２はほぼ同じ値を示している。これは、両センサに基づく空燃比の偏差が最小になるよう、演算式（３）および（４）の係数（時定数）を決定しているからである。こうして、２つのセンサを用いることにより、センサ間のバラツキを抑制するよう、より適切な係数を用いた演算式（３）および（４）を決定することができる。

図５は、本願発明の一実施形態に従う、空燃比検出装置のブロック図である。これらの機能ブロックは、ＥＣＵ１において実現される。

サンプリング部７１は、各演算サイクル中、第１および第２の空燃比センサ２１および２２のポンピング電流Ｉｐ１およびＩｐ２について、Ｎ個のデータを所定の時間間隔でサンプリングし、これをメモリに記憶する。時定数演算部７２は、該サンプリングしたデータを用いて、式（６）および（７）に従い、時定数τ１およびτ２を演算する。

補正部７３は、該演算した時定数τ１およびτ２を式（３）および（４）に代入することにより、式（３）および（４）を補正する。空燃比算出部７４は、検出されたポンピング電流Ｉｐ１およびＩｐ２を、該補正した式（３）および（４）に代入し、空燃比ＬＡＦ１およびＬＡＦ２を算出する。前述したように、空燃比算出部７４は、式（３）および（４）のいずれか一方のみを用いて空燃比を求めるようにしてもよい。その場合、どちらの式を用いるかに対応して、時定数τ１およびτ２のいずれかによる補正を行えばよく、また、ポンピング電流Ｉｐ１およびＩｐ２のいずれかを検出すればよい。

図６の（ａ）は、本願発明の一実施例に従う、時定数算出プロセスのフローを示す。該プロセスは、所定の時間間隔で実行され、図５のサンプリング部７１および時定数算出部７２により、より具体的にはＥＣＵ１のＣＰＵにより実行されることができる。

ステップＳ１において、計測したデータ数がＮ個に達したかどうかを判断する。この判断がＮｏならば、ステップＳ２に進み、第１および第２の空燃比センサ２１および２２のポンピング電流Ｉｐ１およびＩｐ２を検出してメモリに記憶する。ステップＳ３において、ポンピング電流Ｉｐ１およびＩｐ２の微分値を算出する。たとえば、今回値Ｉｐ１（ｉ）と前回値Ｉｐ１（ｉ−１）との差を算出することにより、微分値を求めることができる。こうして、データ数Ｎが収集されたならば、ステップＳ４において、式（６）および（７）に従い、時定数τ１およびτ２を算出する。算出された時定数τ１およびτ２は、メモリに記憶される。

図６の（ｂ）は、本願発明の一実施例に従う、空燃比検出プロセスのフローを示す。該プロセスは、所定の時間間隔で実行され、図５の補正部７３および空燃比算出部７４により、より具体的にはＥＣＵ１のＣＰＵにより実行されることができる。

ステップＳ１１において、第１の空燃比センサ２１のポンピング電流Ｉｐ１を検出する。ステップＳ１２において、図６の（ａ）のステップＳ４で演算された時定数τ１をメモリから読み込み、式（３）を補正する。ステップＳ１３において、補正した式（３）に従って空燃比ＬＡＦ１を算出する。代替的に、または追加として、第２の空燃比センサ２２のポンピング電流Ｉｐ２を検出し、ステップＳ４で演算された時定数τ２をメモリから読み込み、該時定数τ２で式（４）を補正し、該補正した式（４）に従って空燃比ＬＡＦ２を算出してもよい。こうして、ＬＡＦ１および（または）ＬＡＦ２が、空燃比検出値として出力され、様々な制御に用いられることができる。代替的に、ＬＡＦ１およびＬＡＦ２の平均値を求め、これを、空燃比検出値として出力してもよい。

以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものでなく、また、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれに対しても使用することができる。

この発明の一実施形態に従う、エンジンおよびその制御装置の全体的な構成を示す図。 空燃比センサの応答特性および概略的な構成の一例を示す図。 この発明の一実施例に従う、第１および第２の空燃比センサの応答特性の一例および演算タイミングを示す図。 この発明が適用される前の空燃比およびこの発明が適用された後の空燃比のシミュレーション結果の一例を示す図。 この発明の一実施例に従う、空燃比検出装置の機能ブロック図。 この発明の一実施例に従う、時定数を算出するプロセスおよび空燃比を算出するプロセスのフローチャート。

符号の説明

１ 電子制御ユニット（ECU）
２ エンジン
２１ 第１の空燃比センサ
２２ 第２の空燃比センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の空燃比を検出するための装置であって、
   前記内燃機関の排気系において、排ガス雰囲気の相違の無い互いに近接する２つの位置に設けられ、排ガスの空燃比を検出する第１および第２の空燃比センサと、
   所定区間にわたり、第１および第２の空燃比センサの出力をサンプリングするサンプリング手段と、
   前記第１の空燃比センサの応答遅れを示す第１の係数を用いて第１の空燃比を表す第１の演算式に、前記サンプリングされた第１の空燃比センサの出力を適用すると共に、前記第２の空燃比センサの応答遅れを示す第２の係数を用いて第２の空燃比を表す第２の演算式に、前記サンプリングされた第２の空燃比センサの出力を適用し、該第１の空燃比および第２の空燃比の間の偏差が最小になるよう該第１および第２の係数を算出する係数算出手段と、
   前記算出した第１および第２の係数で、前記第１および第２の演算式を補正する補正手段と、
   前記補正した第１および第２の演算式の少なくとも一方によって、前記内燃機関の空燃比を検出する空燃比検出手段と、を備える、
   空燃比検出装置。
2. 前記係数算出手段は、さらに、前記第１空燃比および第２の空燃比の間の偏差を前記所定区間にわたって積算し、該積算した偏差が最小となるように、最小二乗法を用いて前記第１および第２の係数を算出する、
   請求項１に記載の空燃比検出装置。

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