JP2009079546A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温始動時に被水によるセンサ素子の損傷を防止しつつ、より早期に空燃比フィードバック制御を実行して排気エミッションを低減する。
【解決手段】低温始動時において（Ｓ１）、先ず下流側空燃比センサのヒータに対する通電を行って該下流側空燃比センサの出力に基づく第１空燃比フィードバック制御を実行し（Ｓ２〜Ｓ６）、その後、上流側空燃比センサのヒータに対する通電を行って前記第１空燃比フィードバック制御から前記上流側空燃比センサの出力に基づく第２空燃比フィードバック制御へと切り替える（Ｓ２、Ｓ７〜Ｓ９）。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、より詳しくは、低温始動時において早期に空燃比フィードバック制御を行えるようにした内燃機関の空燃比制御装置に関する。

従来の内燃機関の空燃比制御装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載の装置は、触媒の上流側に設けた空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の出力信号に基づいて機関の空燃比を制御するメインフィードバック制御を実行すると共に、触媒の下流側に設けた酸素センサ（Ｏ_２センサ）の出力信号に基づいてＡ／Ｆセンサの出力信号を補正するサブフィードバック制御を実行するようにしている。
特開２００６−３０７７０４号公報

ところで、排気規制の強化等に伴い、低温時から空燃比フィードバック制御を実行して排気を低減することが望まれている。この場合、非活性状態にあるＡ／Ｆセンサからは正常な出力を得られないので、センサ素子を加熱するヒータを設け、低温時にはこのヒータを動作させる（ＯＮする）ことで空燃比センサの早期活性化を図ることが必要となる。

しかし、低温時には凝縮水（機関から排出される凝縮水と排気中の蒸気が冷却された凝縮水の両方を含む）によってＡ／Ｆセンサのセンサ素子が被水するおそれがあり、被水した状態でヒータをＯＮするとセンサ素子に亀裂等の損傷が生じてしまうことになる。このため、低温始動時には早期に空燃比フィードバック制御を実行することができない、という問題がある。

ここで、Ａ／Ｆセンサに耐被水性を向上させたプロテクタを使用することも考えられるが、そうするとＡ／Ｆセンサの空燃比応答性が悪くなって空燃比フィードバック制御自体の精度低下を招くことになり、暖機後の排気性能や運転性が悪化してしまうことになる。

本発明は、このような実情に着目してなされたものであり、特に低温始動時において、被水によるセンサ素子の損傷を防止しつつ、より早期に空燃比フィードバック制御を実行して排気エミッションの低減を図ることを目的とする。

低温始動時において、排気中の蒸気が冷却されて排気管内に滞留した凝縮水がなくなる（排出される）までの時間よりも、機関（排気ポート）から凝縮水が排出されなくなるまでの時間の方が長いことが確認されている。また、機関から排出された凝縮水は触媒を通過する際に分散（拡散）等されるため、下流側空燃比センサは上流側空燃比センサに比べて機関から排出される凝縮水によって被水する可能性が低い。

そこで、本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置は、低温始動時に、先ず触媒下流側に配設される下流側空燃比センサのヒータへの通電を行って該下流側空燃比センサの出力に基づく第１空燃比フィードバック制御を実行し、その後、触媒上流側に配設される上流側空燃比センサのヒータへの通電を行って第１空燃比フィードバック制御から上流側空燃比センサの出力に基づく第２空燃比フィードバック制御に切り替えるようにしている。

本発明によると、低温始動時において、被水によるセンサ素子の損傷を防止しつつ、より早期に空燃比フィードバック制御を実行できるので、始動直後のＨＣ排出量を大幅に低減することができる。また、上流側空燃比センサの活性化をあまり早める必要がなくなることから、特に機関から排出される凝縮水による上流側空燃比センサの被水が防止され、センサ素子の損傷の危険性が低減する。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関のシステム構成を示している。図１において、機関１の各気筒の燃焼室２には、エアクリーナ３、吸気管４、電子制御式のスロットルバルブ５および吸気バルブ６を介して空気が吸入される。各気筒には燃焼室２内に燃料を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁７が設けられている。この燃料噴射弁７は、後述するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）20から出力される噴射パルス信号によって開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。燃料噴射弁７から噴射された燃料と上記吸入空気とによって燃焼室２内に混合気が形成される。

燃焼室２内に形成された混合気は点火栓８によって着火されて燃焼し、燃焼排気は排気バルブ９、排気管10を介して排出される。排気管10には排気浄化触媒（三元触媒）11が介装されている。この排気浄化触媒11の上流側には、排気中の酸素濃度（すなわち、空燃比）に応じてリニアに出力が変化するリニア空燃比センサ（本発明の「上流側空燃比センサ」に相当する）12が設けられている。また、排気浄化触媒11の下流側には、理論空燃比近傍で出力が急変する酸素濃度センサ（本発明の「下流側空燃比センサ」に相当する）13が設けられている。

リニア空燃比センサ12および酸素濃度センサ13は、検出部が排気管10内に突出して設けられる。両センサの構造は類似しており、図２にその要部を示すように、検出素子（センサ素子）100と、検出素子100の内側に配置されるヒータ101と、検出素子100の外側に配置されるプロテクタ102とを含んで構成される。なお、以下の説明では、リニア空燃比センサ12の構成要素ついては符号に「ａ」を付し、酸素濃度センサ13の構成要素については符号に「ｂ」を付すことにする。

検出素子（センサ素子）100は、排気中の酸素濃度に感応して所定の出力を発生する。リニア空燃比センサ12の検出素子100ａは、ジルコニア固体電解質の酸素ポンプ機能を利用するものであり、排気中の酸素濃度（排気空燃比）に応じてリニアに変化する出力を発生する。一方、酸素濃度センサ13の検出素子100ｂは、ジルコニア固体電解質の酸素濃淡電池機能を利用するものであり、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに起電力を発生するが、理論空燃比よりもリーンのときにはほとんど起電力を発生せず、理論空燃比を境にＯＮ・ＯＦＦ的に切り替わる出力を発生する。

ヒータ101は、ＥＣＵ20によって通電されて発熱し、検出素子100を加熱する。リニア空燃比センサ10のヒータ101ａは、機関１の始動時に検出素子100ａを加熱し、その温度を所定の作動温度（例えば700℃）まで昇温させて活性化させる。酸素濃度センサ11のヒータ101ｂは、機関１の始動時に検出素子100ｂを加熱し、その温度を所定の作動温度（例えば300℃）まで昇温させて活性化させる。

プロテクタ102は、検出素子100を取り囲むように設けられ、検出素子100の被毒や被水を低減（防止）して検出素子100を保護する。プロテクタ102には多数の通気孔103が形成され、この通気孔103を通過した排気が検出素子100に接触するようになっている。この通気孔103の孔径を小さくするほど、検出素子100の保護性能（耐被毒性、耐被水性）が高くなると言えるが、同時に、排気が内部に流入し難くなるため排気空燃比に対する応答性が悪くなる。

ここで、本実施形態においては、酸素濃度センサ13のプロテクタ102ｂに形成された通気孔103ｂの孔径を、リニア空燃比センサ12のプロテクタ102ａに形成された通気孔103ａの孔径よりも小さくしている。これは、酸素濃度センサ13がリニア空燃比センサ12ほど高い応答性を要求されないこと、後述するように低温始動時にリニア空燃比センサ12よりも先にヒータＯＮすること、を考慮したものである。これにより、リニア空燃比センサ12よりも酸素濃度センサ13の方がその検出素子100が被水し難い構造となっている（耐被水性を向上させている）。

図１に戻って、ＥＣＵ20は、各種センサから出力される検出信号を入力し、これら検出信号に基づいて所定の演算処理を実行し、スロットルバルブ５の開度、燃料噴射弁７による燃料噴射量（開弁期間）・燃料噴射時期（開弁時期）、点火栓８による点火時期等を制御する。また、機関１の始動時においては、リニア空燃比センサ12のヒータ101ａおよび／または酸素濃度センサ13のヒータ101ｂに対して通電を行って、リニア空燃比センサ12及び酸素濃度センサ13の少なくとも一方の出力に基づく空燃比フィードバック制御の早期実施を図り、排気エミッションを低減する。したがって、本実施形態においては、ＥＣＵ20が本発明の「ヒータ通電手段」および「空燃比制御手段」としての機能を有する。

なお、上記各種センサとして、リニア空燃比センサ12、酸素濃度センサ13の他に、機関１の回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ14、スロットルバルブ５の上流側で吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ15、アクセルペダルの踏込み量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ16、スロットルバルブ５の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ17、機関１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ18、排気浄化触媒11の温度Ｔｃを検出する触媒温度センサ19などが設けられている。

次に、本実施形態に係る機関始動時の制御について、図３のフローチャートにしたがって説明する。本フローは機関の始動により開始する。
図３において、Ｓ１では、低温条件（低温始動）であるか否かを判定する。低温条件であると判定した場合はＳ２に進み、そうでない場合はＳ７に進む。具体的には、エンジン冷却水温度Ｔｗを読込み、この読込んだエンジン冷却水温度Ｔｗがあらかじめ設定した温度Ｔｓよりも低いときに低温条件であると判定する。

Ｓ２では、機関１から水分（機関１内部の凝縮水（液体））が排出されている状態であるか否かを判定する。機関１から凝縮水が排出されている状態であると判定した場合はＳ３に進み、そうでない場合はＳ７に進む。具体的には、上記低温条件において始動後に機関１から凝縮水が排出されなくなるまでの時間をあらかじめ計測しておき、この計測時間（100〜150(s)程度であることが確認されており、本発明の「第２所定時間」に相当する）ｔａよりも機関始動からの経過時間ｔの方が小さい場合には、機関１から凝縮水が排出されている状態であると判定する。

Ｓ３では、酸素濃度センサ13の上流側に位置する排気系部品（本実施形態では、排気管10および排気浄化触媒11）の温度が水分蒸発温度（通常は100℃）以上となったか否かを判定する。上記排気系部品の温度が水分蒸発温度以上となったと判定した場合にはＳ４に進む。具体的には、上記低温条件において始動から排気管10の温度が100℃に達するまでの時間をあらかじめ計測しておき、この計測時間（15〜30(s)程度であることが確認されており、本発明の第１所定時間に相当する）ｔｂ（＜ｔａ）よりも機関始動からの経過時間ｔの方が大きい場合に上記排気系部品の温度が水分蒸発温度以上となったと判定する。もちろん、触媒温度センサ19からの出力に基づいて排気浄化触媒11の温度が水分蒸発温度以上となったことを判定してもよい。この判定は、排気浄化触媒11を加熱するヒータ等を備える場合に特に有効である。

一方、上記排気系部品の温度が水分蒸発温度に達していないと判定した場合には本フローを終了する。この場合、空燃比フィードバック制御は実行されず、例えば排気空燃比をオープン制御によって目標空燃比（理論空燃比または目標リーン空燃比）へと制御する。

Ｓ４では、酸素濃度センサ13のヒータ101ｂへと通電を開始する。これにより、低温始動時においては、先ず酸素濃度センサ13の検出素子100ｂが加熱される。なお、排気系部品の温度が水分蒸発温度以上となっていることから、凝縮水によって酸素濃度センサ13の検出素子100ｂが被水することはなく、素子割れのおそれはない。

Ｓ５では、酸素濃度センサ13の検出素子100ｂの温度が所定の作動温度（例えば300℃）まで上昇したか否か（すなわち、酸素濃度センサ13が活性化したか否か）を判定する。そして、検出素子100ｂの温度がその作動温度まで上昇したと判定した場合にＳ６に進む。具体的には、ヒータ101ｂへの通電開始から検出素子100ａがその作動温度に上昇するまでの時間はあらかじめ分かっているので、ヒータ101ｂへの通電開始からの経過時間に基づいて作動温度まで上昇したか否かを判定する。もちろん、検出素子100ｂの温度を検出し、この検出温度が作動温度となったらＳ６に進むようにしてもよい。

Ｓ６では、酸素濃度センサ13が活性化したので、該酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御（本発明の「第１空燃比フィードバック制御」に相当する）を実行する。この酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御については後述する（図４参照）。

一方、Ｓ１で低温条件（低温始動）でないと判定した場合、Ｓ２で機関１から水分（凝縮水）が排出されない状態である（状態となった）と判定した場合には、Ｓ７において、リニア空燃比センサ12のヒータ101ａへの通電を開始する。これにより、リニア空燃比センサ12の検出素子100ａが加熱される。すでに機関１から水分が排出されないので、凝縮水によってリニア空燃比センサ12の検出素子100ａが被水することはなく、素子割れ等のおそれはない。

Ｓ８では、検出素子100ａが所定の作動温度（例えば700℃）まで上昇したか否か（すなわち、リニア空燃比センサ12が活性化したか否か）を判定する。検出素子100ａがその作動温度まで上昇していると判定した場合はＳ９に進み、そうでない場合はＳ６に進む。かかる判定も、Ｓ５における判定と同様、ヒータ101ａへの通電開始からの経過時間に基づいて作動温度まで上昇したか否かを判定すればよい。これにより、リニア空燃比センサ12が活性化するまでの間は、すでに実行され、または、先に活性化する酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御が継続（実行）されることになる。

Ｓ９では、リニア空燃比センサ12が活性化したので、該リニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御（本発明の「第２空燃比フィードバック制御」に相当する）を実行する。なお、すでに酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御が実行されていた場合には、該酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御からリニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御へと切り替えられることになる。そして、これ以降は、リニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御が実行される。このリニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御については後述する（図５参照）。

図４は、酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御（第１空燃比フィードバック制御）のフローチャートであり、図３のＳ６で実行される。
この酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御では、酸素濃度センサ13の出力と基準値（理論空燃比相当の値）との比較結果に応じて、比例項及び積分項を用いて空燃比フィードバック補正係数（本発明の「第１空燃比フィードバック補正係数」に相当する）α_Ｏ２を算出し、この空燃比フィードバック補正係数α_Ｏ２を用いて燃料噴射量（燃料噴射パルス幅Ｔｉ）を算出する。これにより、排気浄化触媒11の下流側の排気空燃比が理論空燃比近傍を維持するように制御される。

図４において、Ｓ１１では、吸入空気量Ｑ、機関回転速度Ｎｅを読込む。
Ｓ１２では、基本燃料噴射量（基本燃料噴射パルス幅）Ｔｐを、次式により算出する。Ｔｐ＝Ｋ・Ｑ／Ｎｅ（Ｋ：定数）
Ｓ１３では、空燃比フィードバック補正係数α_Ｏ２を算出する。すなわち、酸素濃度センサ13の出力に基づき、排気空燃比がリッチ／リーン反転した直後であるときは比例分（Ｐα）を付加し、その後、排気空燃比が再びリッチ／リーン反転するまでの間は積分分（Ｉα）を付加することによって、空燃比フィードバック補正係数「α_Ｏ２＝比例項（Ｐα）＋積分項（Σ（Ｉα））」を算出する。具体的には、排気空燃比がリーンからリッチに反転したときは比例分（Ｐα）を減算し、その後、排気空燃比がリッチからリーンに反転するまでの間（すなわち、リッチ継続時）は積分分（Ｉα）を減算する。一方、排気空燃比がリッチからリーンに反転したときは比例分（Ｐα）を加算し、その後、排気空燃比がリーンからリッチに反転するまでの間（すなわち、リーン継続時）は積分分（Ｉα）を加算する。

Ｓ１４では、上記空燃比フィードバック補正係数α_Ｏ２を用いて、燃料噴射弁７に出力する噴射パルス信号（燃料噴射パルス幅Ｔｉ）を次式により算出する。
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×α_Ｏ２×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ
但し、ＴＦＢＹＡは目標燃空比（目標空気過剰率λの逆数であって、理論空燃比では１．０、リーン空燃比では１より小さな値となる。ここでは、ＴＦＢＹＡ＝１．０である。）、ＣＯＥＦは各種補正係数、Ｔｓは無効パルス幅である。

図５は、リニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御（第２空燃比フィードバック制御）のフローチャートであり、図３のＳ９で実行される。
このリニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御では、目標空気過剰率（目標空燃比）λ_ｔｇとリニア空燃比センサ12によって検出された実空気過剰率（実空燃比）λ_ｒとの偏差（λ_ｔｇ−λ_ｒ）に基づき、比例項、積分項及び微分項を用いて空燃比フィードバック補正係数（本発明の「第２空燃比フィードバック補正係数」に相当する）α_Ａ／Ｆを算出し、この空燃比フィードバック補正係数α_Ａ／Ｆを用いて燃料噴射量（燃料噴射パルス幅Ｔｉ）を算出する。これにより、排気浄化触媒11の上流側の排気空燃比が理論空燃比へと制御される。

図５において、Ｓ２１では、図４のＳ１１と同様に、吸入空気量Ｑ、機関回転速度Ｎｅを読込む。
Ｓ２２では、図４のＳ１２と同様、基本燃料噴射量（基本燃料噴射パルス幅）Ｔｐ（＝Ｋ・Ｑ／Ｎｅ）を算出する。

Ｓ２３では、空燃比フィードバック制御の切り替え直後であるか否かを判定する。すなわち、酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御からリニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御に切り替えられた直後であるか否かを判定する。直前に酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御が実行されていた場合にはＳ２４に進み、それ以外はＳ２７に進む。

Ｓ２４では、切り替え時用のフィードバックゲインを設定する。本実施形態におけるフィードバックゲインは、空燃比フィードバック補正係数α_Ａ／Ｆの比例項を求めるための比例ゲインＫ_Ｐ、積分項を求めるための積分ゲインＫ_Ｉおよび微分項を求めるための微分ゲインＫ_Ｄである。ここでは、比例ゲインＫ_Ｐ＝Ｋ_Ｐ１、積分ゲインＫ_Ｉ＝Ｋ_Ｉ１、微分ゲインＫ_Ｄ＝Ｋ_Ｄ１とする。後述するように、本ステップで設定される、切り替え時用の比例ゲインＫ_Ｐ１、積分ゲインＫ_Ｉ１および微分ゲインＫ_Ｄ１は、それぞれ通常時用の比例ゲインＫ_Ｐ２、積分ゲインＫ_Ｉ２および微分Ｋ_Ｄ２よりも小さくなっている。

Ｓ２５では、空燃比フィードバック制御の切り替えからの所定時間ｔｃが経過しているか否かを判定する。そして、所定時間ｔｃが経過していなければ（すなわち、切り替えからの経過時間が所定時間ｔｃ未満であれば）Ｓ２６に進み、所定時間ｔｃが経過していれば（すなわち、切り替えからの経過時間が所定時間ｔｃ以上であれば）Ｓ２７に進む。この所定時間ｔｃは、空燃比フィードバック制御の切り替え、すなわち、酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御からリニア空燃比センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御への切り替えによってハンチングが生じない程度の時間として設定されるものであり、あらかじめ実験等により求めておいたものである。

Ｓ２６では、フィードバックゲインＫ_Ｐ１，Ｋ_Ｉ１，Ｋ_Ｄ１を用いて、切り替え時用の空燃比フィードバック補正係数α_Ａ／Ｆ１を次式により算出する。
α_Ａ／Ｆ１＝Ｋ_Ｐ１・（λ_ｔｇ−λ_ｒ）＋Ｋ_Ｉ１・Σ（λ_ｔｇ−λ_ｒ）＋Ｋ_Ｄ１・｛ｄ（λ_ｔｇ−λ_ｒ）／ｄｔ｝
但し、λ_ｔｇは目標空気過剰率（目標空燃比）であり（ここでは理論空燃比）、λ_ｒはリニア空燃比センサ12によって検出された実空気過剰率（実空燃比）である。

ここで、本実施形態の特徴の１つとして、切り替え直前の空燃比フィードバック補正係数α_Ｏ２の積分値（ΣＩα）を、上記空燃比フィードバック補正係数α_Ａ／Ｆ１の積分値「Σ（λ_ｔｇ−λ_ｒ）」の初期値として設定する。換言すれば、切り替え前の積分値を制御の切り替え直後の積分値としてそのまま引継ぐようにしている。これは、空燃比フィードバック制御の切り替えに伴う空燃比段差（トルク段差）を抑制するためである。

なお、通常は酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御により実空燃比が目標空燃比（理論空燃比）近傍となっているため、空燃比段差の抑制という観点からは、上記積分値の引継ぎで十分であると考えられる。但し、より好ましくは、上記空燃比フィードバック補正係数α_Ａ／Ｆ１の比例項「Ｋ_Ｐ１・（λ_ｔｇ−λ_ｒ）」を算出し、制御の切り替え直前の空燃比フィードバック補正係数α_Ｏ２の積分値（ΣＩα）から上記算出した比例項「Ｋ_Ｐ１・（λ_ｔｇ−λ_ｒ）」を減算した値を、積分値「Σ（λ_ｔｇ−λ_ｒ）」の初期値として設定する。このようにすれば、制御の切り替えに伴う空燃比段差（トルク段差）をより確実に抑制することができる。

一方、Ｓ２３で空燃比フィードバック制御の切り替え直後ではないとき、または、Ｓ２５で空燃比フィードバック制御の切り替えから所定時間ｔｃが経過しているときは、Ｓ２７において、通常時用のフィードバックゲインを設定する。すなわち、比例ゲインＫ_Ｐ＝Ｋ_Ｐ２（＞Ｋ_Ｐ１）、積分ゲインＫ_Ｉ＝Ｋ_Ｉ２（＞Ｋ_Ｉ１）、微分ゲインＫ_Ｄ＝Ｋ_Ｄ２（＞Ｋ_Ｄ１）とする。

Ｓ２８では、フィードバックゲインＫ_Ｐ２，Ｋ_Ｉ２，Ｋ_Ｄ２を用いて、通常時用の空燃比フィードバック補正係数α_Ａ／Ｆ２を次式により算出する。
α_Ａ／Ｆ２＝Ｋ_Ｐ２・（λ_ｔｇ−λ_ｒ）＋Ｋ_Ｉ２・Σ（λ_ｔｇ−λ_ｒ）＋Ｋ_Ｄ２・｛ｄ（λ_ｔｇ−λ_ｒ）／ｄｔ｝
そして、Ｓ２９では、上記空燃比フィードバック補正係数α_Ａ／Ｆ（すなわち、α_Ａ／Ｆ１またはα_Ａ／Ｆ２）を用いて、図４のＳ１４と同様、燃料噴射弁７に出力する噴射パルス信号（燃料噴射パルス幅Ｔｉ）を次式により算出する。
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×α_Ａ／Ｆ×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ
図６は、本実施形態の機関始動時の制御タイミングチャートである。

低温始動時において、始動開始から所定時間（第１所定時間）ｔｂが経過すると、排気系部品（排気管10又は排気浄化触媒11）の温度が水分蒸発温度に達したと判断し、酸素濃度センサ13のヒータ101ｂへの通電が開始される（ｔｂ）。これにより、酸素濃度センサ13が速やかに活性化し、活性化後に該酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御が開始される（ｔ１）。このときの空燃比フィードバック補正係数α_Ｏ２は、上述したように、リッチ／リーン（リーン／リッチ）反転時に付加される比例分（Ｐα）と、リッチ（リーン）継続時に付加される積分分（Ｉα）とにより算出される。

その後、始動開始から所定時間（第２所定時間）ｔａが経過すると、機関１から水分（凝縮水）が排出されなくなったと判断し、リニア空燃比センサ12のヒータ101ａへの通電が開始される。これにより、リニア空燃比センサ12が速やかに活性化し、活性化後に該リニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御が開始される（ｔ２）。このときの空燃比フィードバック補正係数α_Ａ／Ｆは、上述したように、目標空気過剰率（目標空燃比）λ_ｔｇと実空気過剰率（実空燃比）λ_ｒとの偏差に基づいて算出される。ここで、リニア空燃比センサ12が活性化するまでの間は上記酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御が継続される。

酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御からリニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御への切り替え時には、当該切り替え直前における空燃比フィードバック補正係数α_Ｏ２における積分値（ΣＩα）を引継ぎ（すなわち、α_Ａ／Ｆの積分値（Σ（λ_ｔｇ−λ_ｒ））の初期値とし）、切り替えから所定時間ｔｃが経過するまではフィードバックゲインを通常時よりも低下させる（Ｋ_Ｐ＝Ｋ_Ｐ１，Ｋ_Ｉ＝Ｋ_Ｉ１，Ｋ_Ｄ＝Ｋ_Ｄ１）。そして、制御の切り替えから所定時間ｔｃが経過すると、フィードバックゲインを通常時の値（Ｋ_Ｐ＝Ｋ_Ｐ２，Ｋ_Ｉ＝Ｋ_Ｉ２，Ｋ_Ｄ＝Ｋ_Ｄ２）に戻す（ｔ３）。

本実施形態によれば、次のような効果を有する。
低温始動時において、先ず排気浄化触媒11の下流側の酸素濃度センサ13のヒータ101ｂに対する通電を行って酸素濃度センサ13を活性化させ、該酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御を実行するので、より早くかつ精度よく排気空燃比を理論空燃比へと制御することが可能となる。したがって、従来のようなオープン制御に比べて、低温始動時におけるＨＣ排出量を大幅に低減することができる。

ここで、始動開始後に酸素濃度センサ13の上流側の排気系部品、具体的には、排気管10及び排気浄化触媒11の少なくとも一方の温度が水分蒸発温度に達してから酸素濃度センサ13のヒータ101ｂへの通電を開始するようにしており、酸素濃度センサ13の検出素子100ｂが被水して破損することが確実に防止される。

そして、上記排気系部品の温度が水分蒸発温度に達したか否かの判定は、始動開始からの経過時間と、あらかじめ求めておいた計測時間ｔｂとを比較することで行われるので容易である。ただし、これに限るものではなく、上述したように、触媒温度センサ19の出力に基づいて判定してもよい。また、始動開始から総排出ガス量（総吸入空気量Ｑとしてもよい）があらかじめ設定した第１所定量を超えたときや始動開始からの燃焼回数（点火回数としてもよい）があらかじめ設定した第１所定回数を超えたときに、上記排気系部品の温度が水分蒸発温度に達したと判定し、酸素濃度センサ13のヒータ101ｂへの通電を開始するようにしてもよい。

ところで、本実施形態では、酸素濃度センサ13のプロテクタ102ｂに形成された通気孔103ｂの孔径を、リニア空燃比センサ12のプロテクタ102ａに形成された通気孔103ａの孔径よりも小さくしており、酸素濃度センサ13の耐被水性を向上させている。また、低温時に機関１から排出される水分（凝縮水）は、排気浄化触媒11を通過する際に分散等して酸素濃度センサ13には付着し難くなる。したがって、必ずしも上記排気系部品の温度が水分蒸発温度まで上昇するのを待つ必要はなく、始動開始からある程度の時間が経過した時点（例えば、排気浄化触媒11の下流側での水分量がある程度減少したと判断できる時点）で、酸素濃度センサ13のヒータ101ｂへの通電を開始するようにしてもよい。

そして、酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御を実行した後に、リニア空燃比センサ12のヒータ102ａへの通電を行ってリニア空燃比センサ12を活性化させ、該リニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御に切り替える。これにより、低温始動時において、まず酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御を実行して始動直後におけるＨＣ排出量を低減し、その後は、リニア空燃比センサ12の出力に基づく高応答の空燃比フィードバック制御へと切り替えることができる。

ここで、機関１から凝縮水が排出されなくなってから、リニア空燃比センサ12のヒータ101ａに対する通電を開始するようにしており、機関１から排出された凝縮水によってリニア空燃比センサ12の検出素子100ａが被水して破損することが確実に防止される。

また、機関１から凝縮水が排出されなくなったか否かの判定は、上記排気系部品が水分蒸発温度に達したか否かの判定と同様に、始動開始からの経過時間と、あらかじめ求めておいた計測時間ｔａとを比較することで行われるので容易である。ただし、これに限るものではなく、この場合においても始動開始からの総排出ガス量（総吸入空気量Ｑとしてもよい）があらかじめ設定した第２所定量（＞第１所定量）を超えたときや始動開始からの燃焼回数（点火回数としてもよい）があらかじめ設定した第２所定回数（＞第１所定回数）を超えたときに機関１から凝縮水が排出されなくなったと判定し、リニア空燃比センサ12のヒータ101ａへの通電を開始するようにしてもよい。

また、酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック補正からリニア空燃比センサ12の出力の基づく空燃比フィードバック制御へと切り替える際に、空燃比フィードバック補正係数の積分値を引継ぐと共に、該制御の切り替えからの所定期間はフィードバックゲインを低下させるようにしている。これにより、空燃比フィードバック制御の切り替えに伴うハンチングや空燃比段差（トルク段差）を抑制できる。

さらに、低温始動時にはまず酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御が実行されることから、リニア空燃比センサ12の活性化を無理に早める必要がない。このため、リニア空燃比センサ12のプロテクタ102ａの耐被水性を相対的に低下させることが可能となり、リニア空燃比センサ12の応答性を高くすることも可能である。この結果、その後の上流側空燃比センサの出力に基づく第２空燃比フィードバック制御の精度を向上できる。

なお、以上説明した実施形態では、排気浄化触媒11の上流側と下流側とで異なるセンサ（リニア空燃比センサ12、酸素濃度センサ13）を設けているが、両センサを同じもの（例えば、リニア空燃比センサ）としてもよい。この場合においても、本実施形態と同様、下流側センサのプロテクタに形成された孔径を上流側センサのプロテクタに形成された孔径よりも小さくする。

また、低温始動時において、先ず酸素濃度センサ13の出力に基づく空燃比フィードバック制御を実行し、その後、リニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御を実行しているが、リニア空燃比センサ12の出力に基づく空燃比フィードバック制御に切り替えた後においては、これをメインフィードバック制御とし、酸素濃度センサ13の出力に基づいてリニア空燃比センサ12の出力を補正するフィードバック制御（サブフィードバック制御）を実行するようにしてもよい。

具体的には、リニア空燃比センサ12の出力に基づいて排気空燃比を理論空燃比へとフィードバック制御しているときに、次式によりリニア空燃比センサ12の出力値、すなわち、実空気過剰率（実空燃比）λ_ｒを調整するための調整量ＨＯＳＲＡＭＢＤＡを算出し、リニア空燃比センサ12によって検出された実空気過剰率（実空燃比）λ_ｒを上記調整量ＨＯＳＲＡＭＢＤＡで補正する（すなわち、「λ_ｒ＋ＨＯＳＲＡＭＢＤＡ」を制御に用いる実空気過剰率とする）。
ＨＯＳＲＡＭＢＤＡ＝Ｋ_Ｐ３・ΔＶ_Ｏ２＋Ｋ_Ｉ３・Σ（ΔＶ_Ｏ２）＋Ｋ_Ｄ３・ｄ（ΔＶ_Ｏ２）／ｄｔ
但し、ΔＶ_Ｏ２は、酸素濃度センサ13の基準値（理論空燃比相当の値）と、酸素濃度センサ13の出力との偏差であり、Ｋ_Ｐ３，Ｋ_Ｉ３，Ｋ_Ｄ３はあらかじめ設定された比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインである。

このようにすると、リニア空燃比センサ12の出力特性のずれ等による空燃比フィードバック制御のずれが補正され、より高精度な空燃比制御が可能となる。

本発明の実施形態に係る内燃機関のシステム構成図である。 リニア空燃比センサ、酸素濃度センサの要部を示す図である。 本実施形態の機関始動時の制御フローチャートである。 酸素濃度センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御のフローチャートである。 リニア空燃比センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御のフローチャートである。 本実施形態の機関始動時の制御タイミングチャートである。

符号の説明

１…内燃機関、10…排気管、11…排気浄化触媒、12…リニア空燃比センサ（上流側空燃比センサ）、13…酸素濃度センサ（下流側空燃比センサ）、14…回転速度センサ、15…エアフローメータ、18…水温センサ、20…ＥＣＵ（ヒータ通電手段）、100…検出（センサ）素子、101…ヒータ（素子加熱用ヒータ）、102…プロテクタ、103…通気孔

Claims (11)

1. 排気管に介装された触媒と、
   前記触媒の上流側に配設され、素子加熱用のヒータを備えた上流側空燃比センサと、
   前記触媒の下流側に配設され、素子加熱用のヒータを備えた下流側空燃比センサと、
   前記上流側空燃比センサのヒータと前記下流側空燃比センサのヒータとのそれぞれに対して通電を行って発熱させるヒータ通電手段と、
   前記上流側空燃比センサ及び前記下流側センサの少なくとも一方の出力に基づいて排気空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、
   低温始動時に、先ず前記下流側空燃比センサのヒータに対する通電を行って該下流側空燃比センサの出力に基づく第１空燃比フィードバック制御を実行し、その後、前記上流側空燃比センサのヒータに対する通電を行って前記第１空燃比フィードバック制御から前記上流側空燃比センサの出力に基づく第２空燃比フィードバック制御へと切り替えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記排気管の温度又は前記触媒の温度が水分蒸発温度以上となってから、前記下流側空燃比センサのヒータに対する通電を開始することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 始動からの経過時間が第１所定時間を超えたとき、始動からの機関の排出ガス量が第１所定量を超えたとき、または、始動からの機関の燃焼回数が第１所定回数を超えたときに、前記下流側空燃比センサのヒータに対する通電を開始することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 機関から凝縮水が排出されなくなってから、前記上流側空燃比センサのヒータに対する通電を開始することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 始動からの経過時間が第２所定時間（＞第１所定時間）を超えたとき、始動からの機関の排出ガス量が第２所定値（＞第１所定値）を超えたとき、または、始動からの機関の燃焼回数が第２所定回数（＞第１所定回数）を超えたときに、前記上流側空燃比センサのヒータに対する通電を開始することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の内燃機関の空燃比制御装置。
6. 前記上流側空燃比センサは、排気中の酸素濃度に応じた出力を発生するリニア空燃比センサであり、前記下流側空燃比センサは、理論空燃比近傍で出力が急変する酸素濃度センサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
7. 前記第１空燃比フィードバック制御は、前記酸素濃度センサの出力と基準値との比較結果に応じて、比例項および積分項を用いて第１空燃比フィードバック補正係数を算出し、該第１空燃比フィードバック補正係数を用いて燃料噴射量を制御するものであり、
   前記第２空燃比フィードバック制御は、目標空燃比と前記リニア空燃比センサの検出空燃比との偏差に基づいて、比例項および積分項を用いて第２空燃比フィードバック補正係数を算出し、該第２空燃比フィードバック補正係数を用いて燃料噴射量を制御するものであって、
   前記第１空燃比フィードバック制御から前記第２空燃比フィードバック制御へと切り替える際に、該切り替え直前の前記第１空燃比フィードバック補正係数における積分値を前記第２空燃比フィードバック補正係数における積分値の初期値として設定することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の空燃比制御装置。
8. 前記第１空燃比フィードバック制御は、前記酸素濃度センサの出力と基準値との比較結果に応じて、比例項および積分項を用いて第１空燃比フィードバック補正係数を算出し、該第１空燃比フィードバック補正係数を用いて燃料噴射量を制御するものであり、
   前記第２空燃比フィードバック制御は、目標空燃比と前記リニア空燃比センサの検出空燃比との偏差に基づいて、比例項および積分項を用いて第２空燃比フィードバック補正係数を算出し、該第２空燃比フィードバック補正係数を用いて燃料噴射量を制御するものであって、
   前記第１空燃比フィードバック制御から前記第２空燃比フィードバック制御へと切り替える際に、前記第２空燃比フィードバック補正係数における比例項の値を算出し、該切り替え直前の前記第１空燃比フィードバック補正係数における積分値から前記算出した比例項の値を減算した値を該第２空燃比フィードバック補正係数における積分値の初期値として設定することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の空燃比制御装置。
9. 前記第１空燃比フィードバック制御から前記第２空燃比フィードバック制御に切り替わってからの所定期間、前記第２空燃比フィードバック補正係数を算出するためのフィードバックゲインを低下させることを特徴とする請求項７又は請求項８記載の内燃機関の空燃比制御装置。
10. 前記上流側空燃比センサおよび前記下流側空燃比センサは、センサ素子を取り囲んで設けられ複数の通気孔が形成されたプロテクタをそれぞれ有し、
    前記下流側空燃比センサのプロテクタに形成された通気孔の孔径が、前記上流側空燃比センサのプロテクタに形成された流通孔の孔径よりも小さいことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
11. 前記第１空燃比フィードバック制御から前記第２空燃比フィードバック制御に切り替わった後は、該第２空燃比フィードバック制御をメインフィードバック制御とし、これと併せて、前記下流側空燃比センサの出力に基づいて前記上流側空燃比センサの出力を補正するサブフィードバック制御を実行することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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