JP2010209715A

JP2010209715A - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2010209715A
Application number: JP2009054361A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Suzuki; 秀幸鈴木; Tamiichi Kimura; 民一木村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】下流側の第２空燃比センサ１３の素子温度を直接に検出することなく第２ヒータ１５の簡易的な通電制御により第２空燃比センサ１３の素子温度を適切に維持する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路９に、プリ触媒装置１０上流側の第１空燃比センサ１２と下流側の第２空燃比センサ１３とを備え、各々、第１ヒータ１４、第２ヒータ１５を備える。上流側の第１空燃比センサ１２については、素子温度を検出し、検出温度が所定の温度範囲Ｔ１内となるように、第１ヒータ１４に対するＯＮデューティ比がフィードバック制御される。これに対し、下流側の第２空燃比センサ１３については、第１ヒータ１４のフィードバック制御のパラメータ、例えばＯＮデューティ比や素子温度を流用して、第２ヒータ１５のＯＮデューティ比が簡易的に制御される。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気通路における触媒装置の上流側および下流側に各々空燃比センサ（いわゆる広域型空燃比センサあるいは酸素センサ）を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に、下流側の空燃比センサの温度制御の改良に関する。

いわゆる排気空燃比を検出するための空燃比センサには、特許文献１に記載されているように、温度によって出力が変化する温度特性があり、従って、精度よく空燃比制御を達成するために、空燃比センサにヒータを付設し、所定の温度範囲に素子温度を維持することが広くなされている。

また、触媒装置の上流側および下流側に各々空燃比センサを設けた空燃比制御装置が公知であるが、この種の構成においては、コスト低減のために、上流側の空燃比センサのヒータのみを高精度にフィードバック制御し、下流側の空燃比センサのヒータは、機関運転条件などから単純にオープンループ制御するのが一般的である。

特開昭６３−１２８５５号公報

しかしながら、上記のように下流側の空燃比センサの温度補償を行わない場合には、それだけ空燃比制御の誤差が大きく生じ得る。なお下流側の空燃比センサについても、素子温度の検出に基づいてヒータのフィードバック制御を行うようにすると、コストの上昇を伴う。

この発明は、内燃機関の排気通路において触媒装置の上流側に配置された第１空燃比センサと、この第１空燃比センサに付設された第１ヒータと、触媒装置の下流側に配置された第２空燃比センサと、この第２空燃比センサに付設された第２ヒータと、上記第１空燃比センサの素子温度の検出に基づいて該素子温度が所定温度となるように上記第１ヒータの通電をフィードバック制御する第１ヒータ制御手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置を前提としている。そして、上記第１ヒータ制御手段による第１ヒータの通電制御に相関して上記第２ヒータの通電を制御することを特徴としている。

第１空燃比センサの第１ヒータは、第１空燃比センサの素子温度の検出に基づいて、その通電がフィードバック制御されるので、例えば排気温度が低ければ通電量が大となるように制御され、逆に排気温度が高くなれば、通電量が小となるように制御される。従って、例えば、このフィードバック制御に用いられるヒータの制御デューティ比は、ヒータを具備しない場合の第１空燃比センサの温度条件を示し、ひいては、その下流に位置する第２空燃比センサの温度条件や排気温度を代替的に示す。さらに、ヒータの通電に対し空燃比センサの素子温度の変化は応答遅れを有し、温度制御の上で、この応答遅れの影響は大きなものとなるが、第１ヒータの通電制御は、フィードバック制御によりこの応答遅れを含んだものとなる。そして、ヒータの通電に対する温度変化の応答は、２つの空燃比センサで同等であるとみなすことができる。従って、フィードバック制御される第１ヒータの通電制御に相関した形で第２ヒータの通電を制御することで、簡易的に第２空燃比センサの温度制御を実現できる。

この発明によれば、第２空燃比センサの素子温度を直接に検出することなく第１空燃比センサの素子温度に基づくフィードバック制御を利用して、第２空燃比センサの第２ヒータの通電をより精度良く制御でき、第２空燃比センサの素子温度を所望の温度範囲に維持することが可能となる。

この発明に係る空燃比制御装置の構成を示す構成説明図。空燃比センサの温度特性を示す特性図。第１実施例の制御の流れを示すフローチャート。第２実施例の制御の流れを示すフローチャート。第３実施例の制御の流れを示すフローチャート。第４実施例の制御の流れを示すフローチャート。

図１は、この発明に係る空燃比制御装置のシステム構成を概略的に示しており、ガソリン機関である内燃機関１は、ピストン２により形成される燃焼室３に点火プラグ４を備えるとともに、吸気通路５の吸気弁直前に燃料噴射弁６を備え、かつ吸入空気量を検出するエアフロメータ７およびスロットル弁８を吸気通路５に備えている。また、排気通路９には、比較的容量の小さな上流側のプリ触媒装置１０と比較的容量の大きな下流側のメイン触媒装置１１とが介装されている。上記プリ触媒装置１０は、例えば排気マニホルドの出口部に装着され、上記メイン触媒装置１１は、例えば車両の床下に配置されている。そして、プリ触媒装置１０の上流側には第１空燃比センサ１２が配置され、プリ触媒装置１０の下流側つまりプリ触媒装置１０とメイン触媒装置１１との間には第２空燃比センサ１３が配置されている。

これらの２つの空燃比センサ１２，１３は、いわゆる広域型空燃比センサあるいは出力がステップ的に変化する酸素センサのいずれであってもよいが、この実施例では、２つの空燃比センサ１２，１３の双方が酸素センサからなる。そして、これらの空燃比センサ１２，１３は、その素子を加熱するセラミックスヒータ等のヒータを各々備えている。ここでは、第１空燃比センサ１２のヒータを第１ヒータ１４とし、第２空燃比センサ１３のヒータを第２ヒータ１５とする。これらのヒータ１４，１５は、その通電量が、ＯＮデューティ比の可変制御によって制御される。

これらの２つの空燃比センサ１２，１３を用いた空燃比制御そのものは本発明の要部ではないので、その詳しい説明は省略するが、コントロールユニット１６において、公知の種々の態様で２つの空燃比センサ１２，１３の検出信号が利用される。例えば、上流側の第１空燃比センサ１２の検出信号を主に用いて燃料噴射量をフィードバック制御するとともに、下流側の第２空燃比センサ１３の検出信号を、そのフィードバック制御の片寄りの学習補正や触媒の劣化判定等に利用する、等の制御がなされる。

上記の空燃比センサ１２，１３においては、例えば図２に例示するような温度特性があり、排気空燃比に対する正しい出力を得るためには、ある温度範囲Ｔ１（例えば６００℃〜６５０℃の範囲）に素子温度を維持する必要がある。

そのため、空燃比制御に主に利用される上流側の第１空燃比センサ１２については、素子温度を例えば熱電対等を用いて検出し、この検出温度が上記の温度範囲Ｔ１内となるように、第１ヒータ１４に対するＯＮデューティ比がフィードバック制御される。

これに対し、下流側の第２空燃比センサ１３については、上記の第１ヒータ１４のフィードバック制御のパラメータを流用して、第２ヒータ１５のＯＮデューティ比が簡易的に制御される。

図３は、この制御の具体的な第１実施例を示すフローチャートであって、まずステップ１で、上流側の第１空燃比センサ（フローチャート中ではＦｒ酸素センサと記す）１２の第１ヒータ１４のＯＮデューティ比を読み込み、ステップ２で、このＯＮデューティ比を用いて、下流側の第２空燃比センサ（フローチャート中ではＲｒ酸素センサと記す）１３の素子温度を推定する。これは下記の論理式による。

Ｒｒ酸素センサ素子温度＝Ｃ２＋Ｃ１＊ｅｘｐ（−ｔ／τ１）
ここで、Ｃ１およびＣ２は適宜な定数である。「ｅｘｐ（−ｔ／τ１）」は、第１ヒータ１４のＯＮデューティ比の一次応答遅れを表すものであり、τ１は第１ヒータ１４のＯＮデューティ比の時定数である。

このようにして推定した第２空燃比センサ１３の素子温度を用いて、ステップ３で、第２ヒータ１５のＯＮデューティ比を算出し、ステップ４で、このＯＮデューティ比に沿って第２ヒータ１５の通電を行う。これにより、第２空燃比センサ１３の素子温度が、上述の温度範囲Ｔ１内に維持される。

ここで、一つの実施例では、ステップ３で算出したＯＮデューティ比が所定の上限値を越えている場合には、実際に出力するＯＮデューティ比をその上限値に制限するようにしている。そして、ステップ３で算出された要求デューティ比を所定のテーブルを用いて要求熱量に換算し、上限値のＯＮデューティ比での通電による熱量を積算していって、この積算熱量が上記要求熱量に達するまで通電を行う。

次に、図４は、第２ヒータ１５の制御の第２実施例を示すフローチャートであって、ステップ１では、上記と同様に第１空燃比センサ１２の第１ヒータ１４のＯＮデューティ比を読み込むが、ステップ２では、このＯＮデューティ比を用いて、下流側の第２空燃比センサ１３周囲の雰囲気温度つまりプリ触媒装置１０通過後の排気温度を推定する。これは下記の論理式による。

Ｒｒ酸素センサ雰囲気温度＝Ｃ４＋Ｃ３＊ｅｘｐ（−ｔ／τ１）
ここで、Ｃ４およびＣ３は適宜な定数である。上述したように、「ｅｘｐ（−ｔ／τ１）」は、第１ヒータ１４のＯＮデューティ比の一次応答遅れを表しており、τ１は第１ヒータ１４のＯＮデューティ比の時定数である。

このようにして推定した第２空燃比センサ１３周囲の雰囲気温度を用いて、ステップ３で、第２ヒータ１５のＯＮデューティ比を算出し、ステップ４で、このＯＮデューティ比に沿って第２ヒータ１５の通電を行う。これにより、第２空燃比センサ１３の素子温度が、やはり上述の温度範囲Ｔ１内に維持される。

次に、図５は、第２ヒータ１５の制御の第３実施例を示すフローチャートであって、この実施例では、ステップ１で、第１空燃比センサ１２の素子温度を読み込み、ステップ２で、この第１空燃比センサ１２の素子温度を用いて、下流側の第２空燃比センサ１３の素子温度を推定する。これは下記の論理式による。

Ｒｒ酸素センサ素子温度＝Ｃ６＋Ｃ５＊ｅｘｐ（−ｔ／τ２）
ここで、Ｃ５およびＣ６は適宜な定数である。「ｅｘｐ（−ｔ／τ２）」は、第１空燃比センサ１２の素子温度の一次応答遅れを表しており、τ２は第１空燃比センサ１２の素子温度の時定数である。

次に、図６は、第２ヒータ１５の制御の第４実施例を示すフローチャートであって、ステップ１では、図５と同様に第１空燃比センサ１２の素子温度を読み込むが、ステップ２では、この素子温度を用いて、下流側の第２空燃比センサ１３周囲の雰囲気温度つまりプリ触媒装置１０通過後の排気温度を推定する。これは下記の論理式による。

Ｒｒ酸素センサ雰囲気温度＝Ｃ８＋Ｃ７＊ｅｘｐ（−ｔ／τ２）
ここで、Ｃ８およびＣ７は適宜な定数である。上述したように、「ｅｘｐ（−ｔ／τ２）」は、第１空燃比センサ１２の素子温度の一次応答遅れを表しており、τ２は第１空燃比センサ１２の素子温度の時定数である。

１…内燃機関
９…排気通路
１０…プリ触媒装置
１２…第１空燃比センサ
１３…第２空燃比センサ
１４…第１ヒータ
１５…第２ヒータ
１６…コントロールユニット

Claims

内燃機関の排気通路において触媒装置の上流側に配置された第１空燃比センサと、
この第１空燃比センサに付設された第１ヒータと、
触媒装置の下流側に配置された第２空燃比センサと、
この第２空燃比センサに付設された第２ヒータと、
上記第１空燃比センサの素子温度の検出に基づいて該素子温度が所定温度となるように上記第１ヒータの通電をフィードバック制御する第１ヒータ制御手段と、
を備えてなる内燃機関の空燃比制御装置において、
上記第１ヒータ制御手段による第１ヒータの通電制御に相関して上記第２ヒータの通電を制御することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
上記第１ヒータ制御手段による第１ヒータの制御デューティ比の一次遅れを用いて第２空燃比センサの素子温度を推定し、この推定素子温度に基づき上記第２ヒータを通電制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
上記第１ヒータ制御手段による第１ヒータの制御デューティ比の一次遅れを用いて触媒装置下流側の排気温度を推定し、この推定排気温度に基づき上記第２ヒータを通電制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
検出した第１空燃比センサの素子温度の一次遅れを用いて第２空燃比センサの素子温度を推定し、この推定素子温度に基づき上記第２ヒータを通電制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
検出した第１空燃比センサの素子温度の一次遅れを用いて触媒装置下流側の排気温度を推定し、この推定排気温度に基づき上記第２ヒータを通電制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。