JP3854040B2 - 内燃機関の空燃比検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広域型の空燃比センサを備え空燃比の検出値を用いて空燃比のフィードバック制御を行なう内燃機関において、空燃比の検出精度を向上する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の排気浄化性能向上、燃費向上要求の高まりに対応して、理論空燃比より極めて高い空燃比（例えば２０〜２４) を目標空燃比とするリーン燃焼機関が開発されており、広範囲な空燃比領域を検出できる広域型の空燃比センサが用いられるようになってきている。
【０００３】
一般的な広域型空燃比センサは、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備え、前記ポンプセル部における電流値に基づいて空燃比を検出するようになっている。
【０００４】
かかる広域型空燃比センサによる空燃比の検出精度を確保するため、排気通路に配設された排気浄化触媒の下流に空燃比のリーン・リッチに応じて出力電圧が変化する空燃比センサ（いわゆる酸素センサ）を設け、制御中心空燃比を補正するようにしたものがある（特開平７−１９７８３７号公報等参照）。
【０００５】
しかしながら、かかる補正方式では、下流側の酸素センサの劣化による特性変化により、正しく補正がされない場合があり、また、該特性変化の影響が小さいときのみ補正を行うようにしたものもあるが（特開平１０−３３１６９２号公報参照）、上流側の空燃比センサに対して下流側の酸素センサが離れているため、排気輸送遅れなどによる応答遅れの影響等を回避できず、良好な補正を確保できるものではなかった。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、広域型空燃比センサ自身の特性に基づいて空燃比検出値を補正することにより、高精度な補正が行われるようにした内燃機関の空燃比検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備え、該ポンプセル部における電流値に基づいて空燃比を検出する広域型の空燃比センサの前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測し、該インピーダンスの計測値を、異なる排気温度状態に対応した運転状態ごとに設定されたインピーダンスの理論値の中から選択した前記計測値と同一の運転状態における理論値と比較して、前記空燃比センサによる空燃比検出値の補正量を算出することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、
空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備えた広域型の空燃比センサと、
該空燃比センサの前記ポンプセル部における電流値に基づいて空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、
該インピーダンス計測手段で計測したインピーダンスの計測値を、異なる排気温度状態に対応した運転状態ごとに設定されたインピーダンスの理論値の中から選択した前記計測値と同一の運転状態における理論値と比較して、前記空燃比検出手段による空燃比検出値の補正量を算出する補正量算出手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項１または請求項２に係る発明によると、
広域型空燃比センサのネルンストセル部のインピーダンスが計測され、該計測値を理論値と比較して、空燃比センサのポンプセル部における電流値に基づく空燃比検出値の補正量が算出される。そして、前記空燃比検出値を前記補正量によって補正した検出値に基づいて、空燃比のフィードバック制御が行なわれる。
【００１０】
ここで、空燃比センサの検出誤差は、ネルンストセル部においてリッチ・リーンが反転する付近での空燃比変化に対する出力電圧の誤差に大きく起因することが判明した。そして、該ネルンストセル部の出力電圧は、該ネルンストセル部のインピーダンスに依存し、前記出力電圧の誤差は、ネルンストセル部の製造時に材料（ジルコニア等）の練り具合や焼成度合によって密度にバラツキを生じることなどにより、インピーダンスに誤差を生じるためであると考えられる。
【００１１】
さらに、前記ネルンストセル部の出力電圧に基づいてポンプセル部の印加電圧が制御され、該印加電圧に応じてポンプセル部に流れる電流に基づいて空燃比検出値が求められる。
【００１２】
したがって、前記ネルンストセル部のインピーダンスの計測値を、異なる排気温度状態に対応した運転状態ごとに設定されたインピーダンスの理論値の中から選択した前記計測値と同一の運転状態における理論値と比較することにより求められるインピーダンスの誤差に応じて、空燃比検出値の補正量を高精度に算出することができ、以って、高精度な空燃比のフィードバック制御を行なうことができる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、
前記空燃比検出値の補正量は、前記インピーダンスの計測値／理論値の逆数であり、空燃比検出値に乗じられる補正係数であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明によると、
空燃比検出値は、インピーダンスの計測値／理論値の逆数である補正係数を乗じて補正される。
【００１５】
インピーダンスの誤差は、空燃比検出値の誤差と線形関係を有するので、上記補正により正しく補正される。
また、請求項４に係る発明は、
前記ネルンストセル部のインピーダンスを機関の所定の運転状態で計測し、該計測値を該計測時の運転状態に対応するインピーダンスの理論値と比較して空燃比検出値を補正することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明によると、
前記ネルンストセル部のインピーダンスは、温度や空燃比によっても変化するので、これらが決定される機関の所定の運転状態でインピーダンスを計測し、計測値を比較される理論値も該運転状態（における温度、空燃比）に対応して求められた値を用いる。
【００１７】
これにより、正確に空燃比検出値の補正量を算出することができる。
また、請求項５に係る発明は、
前記空燃比検出値の補正量を、前記空燃比センサの検出値を用いた空燃比のフィードバック制御を停止して空燃比をフィードフォワード制御する運転状態で算出することを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明によると、
高負荷・高回転時など、空燃比のフィードフォワード制御時に前記空燃比検出値の補正量を算出する。
【００１９】
これにより、空燃比の変動がなく排気温度が安定状態にあるネルンスト部のインピーダンスを、高精度に計測することができる。
【００２１】
また、請求項６に係る発明は、
前記ネルンストセル部に交流電圧を印加し、前記ネルンストセル部に流れる電流値によりネルンストセル部のインピーダンスを計測することを特徴とする。
【００２２】
請求項６に係る発明によると、
ネルンストセル部に交流電圧を印加したときの電流値（振幅）が、ネルンストセル部のインピーダンスが大きくなるほど小さくなる関係を用いてインピーダンスを高精度に計測することができる。
【００２３】
また、請求項７に係る発明は、
前記空燃比センサは、ネルンストセル部加熱用のヒータを備え、所定の空燃比のフィードバック制御時にネルンストセル部のインピーダンスに基づいて前記ヒータへの通電が制御されることを特徴とする。
【００２４】
請求項７に係る発明によると、
ネルンストセル部のインピーダンスに基づいて、該インピーダンスひいてはセンサ素子の温度を目標値に維持するようにヒータへの通電をフィードバック制御することなどにより、空燃比センサの空燃比検出精度を確保することができ、このようなヒータのフィードバック制御を行なうものに備えられたインピーダンスの計測手段を流用してインピーダンスを計測することができる。
【００２５】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比フィードバック制御装置のシステム構成を示している。
【００２６】
内燃機関（以下エンジンという）１には、各気筒毎に、吸気通路２又は燃焼室内に臨むように、燃料噴射弁３が設けられ、各燃料噴射弁３の燃料噴射はコントロールユニット４により制御される。
【００２７】
コントロールユニット４は、例えば、エアフローメータ５からの信号に基づいて検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ６からの信号に基づいて検出されるエンジン回転数Ｎｅとから、ストイキ（λ＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλの他、排気通路７に配置した空燃比センサ８からの信号に基づく空燃比フィードバック補正係数αにより補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αを演算し、このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン回転に同期して、各燃料噴射弁３に出力する。
【００２８】
ここで、空燃比センサ８は、排気通路７に配置されて、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力するもので、コントロールユニット４は、空燃比センサ８からの信号に基づいて、エンジン１に供給されている混合気の空燃比λを検出し、これが目標空燃比ｔλとなるように、空燃比フィードバック補正係数αを比例積分制御などにより増減設定することで、空燃比λを目標空燃比ｔλにフィードバック制御する。
【００２９】
また、空燃比センサ８としては、空燃比をリニアに検出可能ないわゆる広域型空燃比センサを用いる。
図３はかかる広域型空燃比センサ８のセンサ素子構造を示し、これについて説明する。
【００３０】
センサ素子の本体２０は、酸素イオン導電性を有するジルコニア等の固体電解質材料で多孔質層に形成されて、排気通路中に置かれる。
本体２０の内部には、図で下側から、ヒータ２１、大気室２２、ガス拡散室２３を備えている。
【００３１】
ヒータ２１は、これへの通電により、センサ素子を加熱することができる。
大気室２２は、排気通路外で、基準ガスである大気と連通するように形成されている。
【００３２】
ガス拡散室２３は、本体２０の図で上面側より形成した排気導入孔２４により、γアルミナ等の保護層２５を介して、排気と連通するように形成されている。
ここで、大気室２２の上壁に設けた電極２６Ａと、ガス拡散室２３の下壁に設けた電極２６Ｂとで、ネルンストセル部２６が構成される。
【００３３】
また、ガス拡散室２３の上壁に設けた電極２７Ａと、本体２０の上壁に設けて保護層２８で覆った電極２７Ｂとで、ポンプセル部２７が構成される。
ネルンストセル部２６は、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度（酸素分圧）によって影響されるネルンストセル部電極２６Ａ，２６Ｂ間の酸素分圧比に応じて、電圧を発生するようになっている。
【００３４】
従って、ネルンストセル部電極２６Ａ，２６Ｂ間の酸素分圧比によって発生する電圧を検出することで、空燃比がストイキ（λ＝１）に対してリーンであるかリッチであるかを検出することができる。
【００３５】
ポンプセル部２７は、これに前記ネルンストセル部電極２６Ａ，２６Ｂ間の出力電圧に応じた所定の電圧が印加されると、これによりガス拡散室２３内の酸素イオンが移動して、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ間に電流が流れるようになっている。
【００３６】
そして、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ間に所定の電圧を印加したときに、該電極間を流れる電流値（限界電流値）Ｉｐは、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度に影響されるので、電流値Ｉｐを検出すれば、排気の空燃比を検出することができる。
【００３７】
すなわち、図４（Ａ）に示すように、ポンプセル部２７の電圧−電流特性は、空燃比λに応じて変化し、所定の電圧Ｖｐを印加したときの電流値Ｉｐより排気の空燃比λを検出することができる。
【００３８】
また、ネルンストセル部２７でのリーン・リッチの出力に基づいて、ポンプセル部２７に対する電圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域において、図４（Ｂ）に示すように、ポンプセル部２７を流れる電流値Ｉｐに基づいて、広範囲な空燃比λの検出が可能となる。
【００３９】
上記のような構造と特性とを有するセンサ素子に対し、該空燃比センサの検出値を用いてフィードバック制御を行なうときには、ヒータ２１への通電制御のため、センサ素子の温度を検出すべく、センサ素子（特にネルンストセル部２６）に高周波の交流電圧を印加して、そのインピーダンスを計測する。
【００４０】
図５は空燃比センサのセンサ素子（ネルンストセル部及びポンプセル部）及びセンサ素子加熱用のヒータに対する制御回路を示している。
ネルンストセル部２６には、インピーダンスの検出のため、マイコン３０の制御の下に、交流電源３１より、高周波の交流電圧（周波数ｆ＝３ＫＨｚ、振幅1.75Ｖ）を印加し、これによりネルンストセル部２６に流れる電流値Ｉｓを電流検出用抵抗３２と検出アンプ３３とにより電圧変換する。
【００４１】
検出アンプ３３からの信号は、例えばハイパスフィルタと積分器とからなるインピーダンス検出回路３４に入力することで、交流成分のみを取出して、その振幅からインピーダンスＲｉを検出する。これにより、ネルンストセル部２６のインピーダンスＲｉを計測することができる。
【００４２】
また、検出アンプ３３からの信号は、ローパスフィルタ３５に入力することで、直流成分のみを取出して、酸素濃度に応じてネルンストセル部２６で発生する電圧を検出する。これにより、酸素濃度のリーン・リッチを検出することができる
ポンプセル部２７には、マイコン３０の制御の下に、直流電源３６より所定の電圧Ｖｐを印加するが、印加方向はネルンストセル部２６により検出される酸素濃度のリーン・リッチに応じて反転させ、これによりポンプセル部２７に流れる電流Ｉｐを電流検出用抵抗３７と検出アンプ３８とにより電圧変換して検出する。これにより、空燃比λを検出することができる。
【００４３】
ヒータ２１には、バッテリよりバッテリ電圧ＶＢを印加するが、通電回路中にスイッチング素子３９を設けてある。従って、このスイッチング素子３９のＯＮ・ＯＦＦをマイコン３０によりデューティ制御することにより、ヒータ２１への通電量を制御することができる。
【００４４】
このようにして、空燃比フィードバック制御を行なうものにおいて、本発明では、前記ネルンストセル部２６のインピーダンスを計測して理論値と比較することにより、該空燃比センサによる空燃比検出値の補正量を算出し、該補正量によって補正した空燃比検出値を用いることにより、空燃比のフィードバック制御精度を高精度に維持する。
【００４５】
図６は、エンジン始動後、マイコン３０により所定時間毎に実行される空燃比制御のフローチャートである。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、各種状態の検出値を読み込む。具体的には、エンジン回転速度Ｎｅ,基本燃料噴射量Ｔｐ等の運転状態、空燃比センサを含む各種センサの診断結果、空燃比センサの活性状態などを読み込む。
【００４６】
ステップ２では、前記読み込んだ各種状態に基づいて、空燃比フィードバック制御を許可する条件が満たされているかを判定する。具体的には、空燃比センサが活性化され、該空燃比センサを含む各種センサが正常であって、かつ、エンジン回転速度Ｎｅが所定値以下で、基本燃料噴射量Ｔｐが所定値以下の低中回転・低中負荷領域であるときに、空燃比フィードバック制御を許可する。
【００４７】
前記ステップ２で、空燃比フィードバック制御が許可されない運転状態であると判定されたときは、ステップ３へ進み、前記本発明に係る空燃比検出値の補正量の算出を許可する条件が満たされているかを判定する。具体的には、空燃比センサが活性化され、少なくとも空燃比センサが正常で、かつ、排気温度が所定範囲内の高温な高回転・高負荷運転領域であることを補正量算出の許可条件とする。
【００４８】
ステップ３で、空燃比検出値の補正量の算出を許可された場合は、ステップ４へ進み、空燃比をややリッチ目に設定してフィードフォワード制御すると共に、ヒータのデューティ制御を停止（デューティ値＝０）して、デューティ制御によりネルンストセル部２６の温度が変動するのを防止する。
【００４９】
ステップ４では、前記デューティ制御を停止する時間を計測し、ステップ５で、該停止時間が所定時間経過するのを待って、ステップ６へ移行する。該所定時間は、ヒータによる加熱停止後、ネルンストセル部２６の温度が排気温度と等しくなるのに要する時間に設定されている。
【００５０】
前記所定時間が経過してネルンストセル部２６の温度が排気温度と等しくなると、ステップ７へ進んで、ネルンストセル部２６のインピーダンスを既述のように交流電圧を印加して計測し、該計測値Ｒｉｒを記憶する。
【００５１】
ステップ８では、前記設定された空燃比の下で、現在の運転状態に対応した排気温度におけるネルンストセル部２６のインピーダンスの理論値Ｒｉｔを求める。具体的には、異なる排気温度状態に対応して複数設定された運転状態毎のインピーダンスの理論値を予め求めてテーブルマップを作成し、該テーブルマップから現在の運転状態に対応する理論値を検索すれば、容易に求めることができる。
【００５２】
ステップ９では、前記ステップ７で求められたインピーダンスの計測値Ｒｉｒと、ステップ８で求められたインピーダンスの理論値Ｒｉｔとに基づいて、次式により空燃比検出値の補正量（補正係数）ｋを算出する。
【００５３】
ｋ＝（Ｒｉｔ／Ｒｉｔ）^-1
一方、前記ステップ２で空燃比フィードバック制御が許可されたときは、ステップ１０以降へ進んで空燃比フィードバック制御を行なうが、その際に前記のようにして算出された補正係数ｋを用いて、空燃比センサ８による空燃比検出値を補正する。
【００５４】
まず、ステップ１０では、ヒータのデューティ制御を再開する。
ステップ１１では、空燃比センサ８による空燃比検出値（Ａ／Ｆ）ｒを読み込む。
【００５５】
ステップ１２では、前記ステップ９で算出された補正係数ｋを用いて、次式により前記空燃比検出値（Ａ／Ｆ）ｒを補正する。
補正空燃比（Ａ／Ｆ）ｈ＝ｋ・（Ａ／Ｆ）ｒ
ステップ１３では、前記補正空燃比（Ａ／Ｆ）ｈを用いて、積分制御や比例積分制御などにより空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する。
【００５６】
このようにすれば、ネルンストセル部２６のインピーダンスの誤差（図７参照）に応じて補正された空燃比検出値を用いて、空燃比フィードバック制御を高精度に実行することができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、空燃比検出値を補正する運転状態を複数設定したので、補正頻度が増大し、更に精度を高めることができる。なお、最新の運転状態のみで補正する代わりに、過去複数回分の補正量を平均化処理（最新値の重みを大きくするなどして）した値を用いる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】 本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比フィードバック制御装置のシステム図
【図３】 空燃比センサのセンサ素子構造を示す図
【図４】 空燃比センサのセンサ素子の特性図
【図５】 空燃比センサのセンサ素子及びヒータに対する制御回路図
【図６】 空燃比制御のフローチャート
【図７】 空燃比センサの検出値の誤差を説明するための図
【符号の説明】
１ エンジン
３ 燃料噴射弁
４ コントロールユニット
８ 空燃比センサ
２１ ヒータ
２６ ネルンストセル部
２７ ポンプセル部
３０ マイコン
３１ 交流電源
３４ インピーダンス検出回路

Claims (7)

1. 空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備え、該ポンプセル部における電流値に基づいて空燃比を検出する広域型の空燃比センサの前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測し、該インピーダンスの計測値を、異なる排気温度状態に対応した運転状態ごとに設定されたインピーダンスの理論値の中から選択した前記計測値と同一の運転状態における理論値と比較して、前記空燃比センサによる空燃比検出値の補正量を算出することを特徴とする内燃機関の空燃比検出装置。
2. 空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備えた広域型の空燃比センサと、
   該空燃比センサの前記ポンプセル部における電流値に基づいて空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、
   該インピーダンス計測手段で計測したインピーダンスの計測値を、異なる排気温度状態に対応した運転状態ごとに設定されたインピーダンスの理論値の中から選択した前記計測値と同一の運転状態における理論値と比較して、前記空燃比検出手段による空燃比検出値の補正量を算出する補正量算出手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の空燃比検出装置。
3. 前記空燃比検出値の補正量は、前記インピーダンスの計測値／理論値の逆数であり、空燃比検出値に乗じられる補正係数であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
4. 前記ネルンストセル部のインピーダンスを機関の所定の運転状態で計測し、該計測値を該計測時の運転状態に対応するインピーダンスの理論値と比較して空燃比検出値を補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
5. 前記空燃比検出値の補正量を、前記空燃比センサの検出値を用いた空燃比のフィードバック制御を停止して空燃比をフィードフォワード制御する運転状態で算出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
6. 前記ネルンストセル部に交流電圧を印加し、前記ネルンストセル部に流れる電流値によりネルンストセル部のインピーダンスを計測することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
7. 前記空燃比センサは、センサ素子加熱用のヒータを備え、所定の空燃比のフィードバック制御時にセンサ素子のインピーダンスに基づいて前記ヒータへの通電が制御されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比検出装置。

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