JP4107097B2

JP4107097B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

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Publication number: JP4107097B2
Application number: JP2003034237A
Authority: JP
Inventors: 伸基大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004245095A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路上に配設された空燃比センサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う空燃比制御手段を有する空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の車両用内燃機関においては空燃比フィードバック制御が行われている。空燃比フィードバック制御によって、排気ガス中の大気に放出すべきでない物質の生成自体を低減したり、排ガス中に含まれるこうした物質の排気浄化触媒での浄化が効果的に行われるようにされている。空燃比フィードバック制御は、燃費向上を図る上でも重要である。この空燃比フィードバック制御は、排気通路上に配設した空燃比センサの出力に基づいて行われている。
【０００３】
ここに言う空燃比センサとしては、排気ガス中の酸素濃度がリーン側であるかリッチ側であるかをオン−オフ的に検出する酸素センサや、排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出するリニア（全域）空燃比センサなどが含まれる。しかし、これらの空燃比センサは、ある程度の温度（活性化温度）に達しないと正確な検出を行えない。そこで、現在はヒータを内蔵して空燃比センサをより早期に活性化温度まで昇温させるのが一般的となっている。このような空燃比センサとしては、［特許文献１］に記載のものなどが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−８２２３５号公報
【０００５】
［特許文献１］に記載の装置では、内燃機関の始動時に空燃比を予測し、その予測に基づいて空燃比センサの活性判定レベルを変化させ、変化後の活性判定レベルに基づいて空燃比センサの活性を判定して空燃比フィードバック制御を開始させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、環境保全に対する関心がこれまで以上に高くなり、内燃機関の排気ガス浄化性能のさらなる改善が要望されている。しかし、上述した［特許文献１］に記載の装置では、空燃比センサの実測値と予め定められた活性判定レベル（どのように変化させるか決まっている）との比較であるので、内燃機関の運転履歴や運転状況が反映されにくく、更なる判定精度の向上が望まれていた。判定精度が向上すれば、空燃比センサの活性化後直ちに空燃比フィードバックを開始することができ、排気浄化性能や燃費性能を向上させることが可能となる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、空燃比センサの活性化をより高精度に判定することで、空燃比フィードバック制御をより正確に開始することできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置は、内燃機関の排気通路上に配設された空燃比センサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う空燃比制御手段と、内燃機関の回転数および内燃機関の負荷に基づいて内燃機関から排出される排気ガス成分の組成としてＯ _２の濃度及びＨ _２Ｏ，ＣＯ，ＣＯ _２，ＮＯ，Ｈ _２，Ｎ _２，ＣＨ _４，ＮＨ _３のうちの少なくとも一種の濃度を特定する成分特定手段と、成分特定手段によって特定された排気ガス成分の組成を入力パラメータとして含む演算モデルに基づいて空燃比センサの出力値を算出する出力値算出手段と、空燃比センサの実出力値および出力値算出手段によって算出された出力予測値の比較に基づいて、空燃比センサによる空燃比フィードバック制御の開始時期を決定する開始時期決定手段とを備えていることを特徴としている。さらに、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、成分特定手段は、内燃機関の回転数、内燃機関の負荷および内燃機関の筒内圧に基づいて内燃機関から排出される排気ガス成分の組成を特定することを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、開始時期決定手段が、空燃比センサの実出力値と出力値算出手段によって算出された出力予測値との差が所定値以下となったときに、空燃比センサによる空燃比フィードバック制御を開始させることを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、空燃比制御手段は、開始時期決定手段が空燃比センサによる空燃比フィードバック制御を開始させる以前に、出力値算出手段によって算出された出力予測値に基づいて空燃比フィードバック制御を行うことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の空燃比制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の空燃比制御装置を有する内燃機関の構成を図１に示す。本実施形態の空燃比制御装置は、図１に示される酸素センサ１が活性しているか否かを判定するものである。そして、この判定機能は、エンジン２の制御全体を司っている電子制御ユニット（ＥＣＵ）３の内部に組み込まれている。本実施形態の酸素センサ１は、排気通路４上に配設された排気浄化触媒５の上流側に配設されており、排気浄化触媒５に流入する排気ガス中の酸素濃度を検出している。
【００１２】
また、図１には図示されていないが、エンジン２は、吸気通路６上に吸入空気量を調節するスロット部バルブ、及び、このスロットルバルブの開度を検出するスロットルポジショニングセンサや、吸入空気量を検出するエアフロメータ、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジショニングセンサなどを有している。吸入空気量の検出には、質量流量を検出するエアフロメータではなく、吸気管内負圧を検出する負圧センサが用いられることもある。
【００１３】
ＥＣＵ３には、燃料を噴射する噴射ノズルや、混合気に点火する点火プラグ、エンジン回転数を検出するクランクポジショニングセンサ等も接続されている。これらのセンサ類等はＥＣＵ３に接続されており、ＥＣＵ３によって空燃比フィードバック制御が行われる。即ち、ＥＣＵ３のほかこれらのセンサ・アクチュエータ類が空燃比制御手段として機能する。酸素センサ１について、以下に詳しく説明する。
【００１４】
本実施形態の空燃比センサ１は、排気ガス中の酸素濃度がリーン側であるかリッチ側であるかをオン−オフ的に検出する酸素センサ１である。酸素センサ１の構造を模式的に図２に示す。図２に示される構造は、酸素センサとして一般的なものである。図２に示されるように、酸素センサ１は、その内部に筒状の検出部１００を有している。検出部１００の一端側は閉じられており、検出部１００の内部は大気と連通されている。一方、検出部１００の外側は排気通路４内の排気ガスと接している。なお、検出部１００のさらに外側には、金属（耐熱ステンレス）製のセンサカバー１０１が配設されている。センサカバー１０１は、検出部１００を排気ガス中のゴミ・水滴などから保護するものである。
【００１５】
検出部１００の拡大断面（図２中の点線丸部）を図３に示す。検出部１００は、ジルコニア固体電解質１０２の内外表面に白金電極１０３が形成されて構成されている。固体電解質１０２は、３００度以上の高温で酸素イオン導電体として働く。この温度がいわゆる活性温度となり、この温度以下であると固体電解質１０２が酸素イオン導電体として有効に機能しない。白金電極１０３は、メッキなどの方法で多孔質白金層を固体電解質１０２の内外表面に形成させたものである。排気通路４側の白金電極１０３のさらに外側には、白金電極１０３の保護のための多孔質セラミックのコーティング層（オーバーコート層ともいう）１０４が形成されている。
【００１６】
固体電解質１０２の内部は酸素イオンが自由に動ける状態であり、その両側に酸素濃度差（酸素分圧の差）があると、その濃度差を減らすように酸素イオンが一方側から他方側に移動する。その際、高濃度側の酸素は、多孔質白金電極１０３表面で受け取られて酸素イオン（Ｏ^2-）となり、固体電解質１０２中を低濃度側に移動して反対側の白金電極１０３に到達する。この酸素イオンの移動現象は、電子ｅ^-の移動となり、一対の白金電極１０３間に起電力を発生させる。この起電力によって酸素センサ１の出力電圧が決定される。
【００１７】
ここでは、この現象を物理則に従ってモデル化し、酸素センサ１が出力すると思われる値を演算によって算出する。算出した出力値と実際のセンサ出力値とを比較することで（ここでは特に、実出力値と推定値との差分に基づいて）酸素センサ１が活性しているか否かを判定する。以下、この酸素センサ１の出力値をモデルによって算出する行程について詳しく説明する。
【００１８】
なお、以下に説明するモデルの演算は、エンジン２に付随して設けられた電子制御ユニット（ＥＣＵ）３によって行われる。ＥＣＵは、ＣＰＵ・ＲＡＭ・ＲＯＭ（必要であればＨＤＤやＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体及びその読取ドライブ）などを有しており、以下の演算はＲＯＭ（あるいはＨＤＤや記録媒体）内に格納されたプログラムによって行われる。演算に必要なマップなどもＲＯＭ（あるいはＨＤＤや記録媒体）内に格納されている。
【００１９】
まず、エンジン２から排出される排気ガス成分をエンジン回転数とエンジン負荷とから推定する。エンジン回転数は、エンジン２のクランクシャフトの回転数を検出する回転数センサによって検出される。エンジン負荷は、吸入空気量やスロットル開度から算出される。吸入空気量は、上述したように吸気通路６上に設けた負圧センサやエアフロメータによって検出される。スロットル開度は、スロットルバルブに付随して設けられるスロットルポジショニングセンサによって検出される。
【００２０】
このとき、エンジン回転数及びエンジン負荷に加えて、燃焼圧（筒内圧）を参照してもよい。燃焼圧は、エンジン２の燃焼室近傍に配設された燃圧センサによって検出される。燃料性状が軽質か重質かによって燃焼後の排ガス組成は変化する。そこで、燃料性状が軽質か重質かによって変化する燃焼圧（筒内圧）に基づいて燃料性状を判断し、排ガス組成の推定に反映させる。燃焼圧には、燃焼状況（完全燃焼か一部不完全燃焼か）も反映されるので、燃焼状況による排ガス組成変化も反映されると考えることもできる。このようにして、酸素センサ１の部分に流れてくる排気ガスの組成を推定したら、次に、この推定されたガス組成に基づいて、酸素センサ１の出力値をモデルを用いて算出する。
【００２１】
ここでは、酸素センサ１が電圧を出力する行程を次の三段階に分解してモデル化している。
[1]コーティング層１０４内での酸素の拡散
[2]白金電極１０３上での反応
[3]酸素イオン濃度差による起電力発生
【００２２】
まず[1]コーティング層１０４内での酸素の拡散について説明する。上述したように排気通路内部側の白金電極１０３上には多孔質セラミックからなるコーティング層１０４が形成されている。排気ガス中の酸素は、このコーティング層１０４内部の細孔内を拡散して白金電極１０３に達する。なお、コーティング層１０４は、その細孔内に酸素分子を保持し、白金電極１０３上での反応が安定的に行われるようにする役割も負っている。コーティング層１０４の断面を図４に示す。
【００２３】
本実施形態では、酸素センサ１の出力電圧発生に関して、酸素Ｏ₂の濃度のみではなく、他のガス種（Ｈ₂Ｏ，ＣＯ，ＣＯ₂，ＮＯ，Ｈ₂，Ｎ₂，ＣＨ₄，ＮＨ₃など）の濃度も考慮している。酸素Ｏ₂濃度のみを考慮してセンサ出力値を推定することも可能であるが、これらの酸素Ｏ₂以外のガス種によっても一対の白金電極１０３間に電子の移動を生じさせ得るので（負の電圧を生成するものもある）、本実施形態では精度向上のためにこれらのガス種についても同時に考慮している。
【００２４】
ここで、図４に示されるように、時間Ｔ＝Ｔ_kであるときのコーティング層１０４の排気ガス側ガス種ｉの濃度（モル分率）をｘ_ik、コーティング層１０４の白金電極１０３側ガス種ｉの濃度（モル分率）をｘe_ikと表す。また、コーティング層１０４の厚さをＬとする。コーティング層１０４内のガス種ｉの拡散は、これらのｘ_ik，ｘe_ik，Ｌによって決まる。時間Ｔ＝Ｔ_kに対応する拡散後のガス種ｉの濃度をｘ'e_ikと表すこととする。さらに、時間Ｔ＝Ｔ_kから単位時間Δt経過した後の時間をＴ_(k+1)と表す。
【００２５】
コーティング層１０４内部の細孔径はサブミクロン程度と比較的大きいので、細孔内拡散ではなく自由拡散として捉えることが可能である。そこで、拡散現象に関するFickの第一法則から、時間Ｔ＝Ｔ_kにおける拡散に際しての流束J_ik[mol・m/s]は下記式(1)によって得られる。また、下記式(1)中の有効拡散係数Ｄ_ik,_eff[m²/s]は下記式(2)によって得られる。
【００２６】
【数１】

【００２７】
【数２】

【００２８】
上記式(1)中の「コーティング層１０４のガス種ｉの白金電極１０３側モル分率ｘe_ik」は、「白金電極１０３上のガス種ｉの平衡後モル分率の前回値ｘ"e_i(k-1)」に等しい。即ち、ｘe_ik＝ｘ"e_i(k-1)である。また、ｘ"e_ikの初期値は、任意の数値が与えられる。初期値が任意であっても、ここで説明するモデルの計算を継続して行うことでｘ"e_ikは正確な値に収束する。白金電極１０３上のガス種ｉの平衡後モル分率ｘ"e_i(k-1)については後述する。
【００２９】
また、上記式(2)で示される有効拡散係数Ｄ_ik,_effの値が大きいほど拡散しやすい。上記式(2)中のＤ_ijは、ガス種ｉのガス種ｊに対する相互拡散係数であり、ガス種ｉとガス種ｊとの組み合わせで固有の値である。即ち、Ｄ_ij＝Ｄ_jiであり、ここでは、自己拡散（Ｄ_ii）については考慮していない。このため、上記式(2)中の右辺分母（Σ）においては、ｉ＝ｊとなる場合を和に加えていない。即ち、上記式(2)中の右辺分母（Σ）は、ガス種ｉ以外のすべてのガス種ｊ毎に算出した［（ガス種ｊのモル分率）／（ガス種ｊとの相互拡散係数）］の総和である。なお、本実施形態では、空気及び排気ガス中の多くを窒素が占めていることを考慮して、各ガス種ｉ毎に対する窒素Ｎ₂との相互拡散係数（Ｄ_iN2）のみを演算に用いることとしている。
【００３０】
なお、相互拡散係数Ｄ_ijは、温度依存性があるので温度に基づいてマップ化され、ＥＣＵ３内のＲＯＭやＲＡＭなどの記録部に格納されている。なお、このときに用いる温度は、温度センサを設けて検出してもよいが、通常の酸素センサ１は活性化温度への早期昇温のためのヒータを内蔵しているので、このヒータ温度を用いてもよい。次に、上述したように求めた流束J_ikを用いて、排気ガス中のモル分率ｘ_ikのガス種ｉがコーティング層１０４内に拡散した後のモル分率ｘ'e_ikを下記式(3)によって算出する。このモル分率ｘ'e_ikは、上述したガス種毎に算出される。
【００３１】
【数３】

【００３２】
このようにして、上述したステップ[1]の算出が終了する。そして、このステップ[1]で算出したｘ'e_ikが、次のステップ[2]の入力となる。次に、[2]白金電極１０３上での反応について説明する。白金電極１０３上では、白金の触媒作用によってモル分率ｘ'e_ikのガス種ｉは平衡状態に達してモル分率ｘ"e_ikとなる。白金電極１０３上での反応を各ガス種ｉ毎に個別に算出することによって、平衡後のモル分率（濃度）ｘ"e_ikを求める方法もあるが、これらの現象は複雑であるし、演算量も多くなることから、ここでは系全体のGibbsエネルギーＧ^tを用いて平衡後のモル分率ｘ"e_ikを求める。
【００３３】
GibbsエネルギーＧ^tを用いて平衡後のモル分率ｘ"e_ikを求めるに際して、まず、平衡前のモル分率ｘ'e_ikを各ガス種ｉ毎に並べた行列Ｘ’と平衡後のモル分率ｘ"e_ikを同様に各ガス種ｉ毎に並べた行列Ｘ”を下記式(4),(5)のように規定する。また、各ガス種ｉの分子内の各元素数に注目して、各ガス種ｉ分子の構成を示す行列Ａも下記式(6)のように規定する。行列Ａの各行は、行列Ｘ₀，Ｘの各ガス種ｉに対応している。また、行列Ａの各列は、左から、各ガス種ｉ分子中の炭素Ｃ・水素Ｈ・酸素Ｏ・窒素Ｎの各元素数に対応している。
【００３４】
【数４】

【００３５】
【数５】

【００３６】
【数６】

【００３７】
ここで、炭素Ｃ・水素Ｈ・酸素Ｏ・窒素Ｎの各元素のモル濃度を示す行列をＤとすれば、平衡の前後で各元素の総数は保存されるので下記式(7)が成立する。なお、行列Ａ^Tは行列Ａの転置行列である。また、系の全GibbsエネルギーＧ^tは下記式(8)のように表される。下記式(8)中のμ_iはガス種ｉの化学ポテンシャルである。
【００３８】
【数７】

【００３９】
【数８】

【００４０】
白金電極１０３上で平衡状態に達したということは、上記式(7)が成立し、かつ、上記式(8)で示される全Gibbsエネルギーが最小値を持つということに等しい。上述したように、上記式(7)は平衡前後で各元素総数が保存されることを示している。一方、上記式(8)で示される全Gibbsエネルギーが最小値を持つということは、反応が収束した、即ち、平衡状態に達したことを示す。即ち、上記式(7)を成立させ、かつ、上記式(8)の全Gibbsエネルギーが最小値を持つｘ"e_ikを求めることで、平衡後の各ガス種ｉの濃度（モル分率）を求めることとなり、これを演算によって算出する。
【００４１】
なお、上述したように、この白金電極１０３上のガス種ｉの平衡後モル分率ｘ"e_ikが、次回のコーティング層１０４のガス種ｉの白金電極１０３側モル分率ｘe_i(k+1)となる。このようにして、上述したステップ[2]の算出が終了する。そして、このステップ[2]で算出したｘ"e_ikを用いて、次のステップ[3]で酸素センサ１の出力を算出する。次に、[3]酸素イオン濃度差による起電力発生について説明する。
【００４２】
上述したように、複数のガス種ｉによってそれぞれ起電力が生じ、それらを合算したものが酸素センサ１の出力電圧となる。そこで、まず、三相（白金電極１０３、固体電解質１０２、及び、これらの間に達した各ガス種ｉを含む排気ガス）の境界に吸着する各ガス種ｉの占有率θ_ikを求める。占有率θ_ikは、各ガス種ｉ毎に異なり、Langmuirの吸着等温式によって下記式(9)のように計算される。なお、下記式(9)中のＫ_iは吸着平衡定数であり、吸着のしやすさ（吸着・脱離平衡時）を表している。吸着平衡定数Ｋ_iは、ガス種ｉ毎に異なり、温度依存性を持つ。このため、吸着平衡定数Ｋ_iは温度に基づいてマップ化され、ＥＣＵ内のＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部に格納されている。このときに用いる温度は、上述したように酸素センサ１のヒータ温度を用いてもよい。
【００４３】
【数９】

【００４４】
下記式(9)の分母は、各ガス種ｉ毎の吸着平衡定数Ｋ_iとモル分率ｘ"e_ikとの積の総和に１を加えたものであり、分子は、当該ガス種ｉの吸着平衡定数Ｋ_iとモル分率ｘ"e_ikとの積である。ここで用いているモル分率ｘ"e_ikがステップ[2]で算出したモル分率である。各ガス種ｉ毎の占有率θ_ikを算出する一方で、各ガス種ｉによって発生される基準電位を算出する。ここでは、酸素Ｏ₂に加えて、水素Ｈ₂、一酸化炭素ＣＯが、酸素センサ１の出力電圧に影響を与えるガス種ｉとして考慮されている。酸素Ｏ₂による基準電位は下記式(10)によって得られる。同様に、一酸化炭素ＣＯによる基準電位は下記式(11)、水素Ｈ₂による基準電位は下記式(12)によって得られる。
【００４５】
【数１０】

【００４６】
【数１１】

【００４７】
【数１２】

【００４８】
上記式(10)〜(12)中のＶ⁰ _iは各ガス種ｉ毎に定められる標準セルポテンシャルである。標準セルポテンシャルＶ⁰ _iは、ガス種ｉ毎に決定される定数で、あらかじめ実験等によって求められ、ＥＣＵ内のＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部に格納されている。Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度（上述したように酸素センサ１のヒータ温度を利用してもよい）である。また、ｘa_iは、大気側の各ガス種ｉのモル分率であり、本実施形態では定数としてＥＣＵ内のＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部に格納されている。
【００４９】
そして最終的に、算出された各ガス種ｉ毎の占有率θ_ik及び基準電位Ｖ_iを用いて、ノートンの定理により下記式(13)によって酸素センサ１の出力電圧Ｖ’を算出する。なお、本実施形態の場合、下記式(13)に対して適用するガス種ｉは、上述したように酸素Ｏ₂、水素Ｈ₂、一酸化炭素ＣＯのみである。
【００５０】
【数１３】

【００５１】
なお、ここでは、各種センサやＥＣＵ等が成分特定手段や出力値算出手段として機能している。以上説明したように、酸素センサ１の内部現象をモデル化し、このモデルを用いて算出した酸素センサ１の出力電圧（出力予測値）Ｖ’と酸素センサ１の実際の出力電圧（実出力値）Ｖとを比較し、その差が所定値以下となった場合に、酸素センサ１が活性化したと判断して酸素センサ１に基づく空燃比フィードバック制御が開始される。出力電圧（出力予測値）Ｖ’と酸素センサ１の実際の出力電圧（実出力値）Ｖとの間の差が所定値以下となったということは、酸素センサ１が活性化して予想される電圧を出力できるようになった状態、即ち、酸素センサ１が活性化したと判断できる。
【００５２】
このように、モデルを用いて算出した出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとを比較することで、より正確に酸素センサ１の活性化を判定することができる。従来のように、あらかじめ決められた所定値と酸素センサの実出力値とを比較する場合、あらかじめ決められた所定値には十分に内燃機関の状態が反映されないので判定精度に不満があった。しかし、本実施形態のように、モデルを用いて算出した、内燃機関の状態が十分に反映された出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとに基づいて活性化しているか否かを判定し、これに基づいて空燃比フィードバック制御を開始させることで、排気浄化性能や燃費性能をより一層向上させることができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、モデルを用いて算出した出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとの比較に際しては、両者の差分に基づいて活性化判定を行ったが、両者の比などに基づいて判定を行ってもよい。ここでは、ＥＣＵなどが空燃比フィードバック制御の開始時期を決定する開始時期決定手段として機能している。なお、本実施形態では、酸素センサ１の実出力値に基づく空燃比フィードバック制御が行われる以前は、モデルによって算出された酸素センサ１の出力予測値に基づいて空燃比フィードバックを行っている。
【００５４】
このようにすることで、酸素センサ１が活性化する以前も出力推定値に基づいてではあるが空燃比フィードバック制御を行うことができる。この結果、酸素センサ１が活性化する以前の排気浄化性能や燃費性能をより一層向上させることができる。また、酸素センサ１が活性化し、その実出力値に基づく空燃比フィードバック制御に移行する際に、実出力値と出力推定値との差が小さい状態となっているから速やかに移行することができ、制御が荒れてしまうようなことがない。なお、実出力値と出力推定値との比に基づいて酸素センサ１の活性を判定する場合も同様である。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、エンジン２の排気通路４上に設置された排気浄化触媒５の上流側に配置された酸素センサ１に基づく空燃比フィードバック制御の開始を決定する（即ち、排気浄化触媒５の上流側に配置された酸素センサ１の活性化を判定する）ものであった。しかし、図５に示されるように、排気浄化触媒５の上流側と下流側とに酸素センサ１ａ，１ｂが配設されるような場合に、下流側の酸素センサ１ｂに基づく空燃比フィードバック制御の開始を決定する（即ち、排気浄化触媒５の下流側に配置された酸素センサ１ｂの活性化を判定する）ものに対しても本発明は適用し得る。
【００５６】
この場合は、排気浄化触媒５の内部での現象をも物理則に従ってモデル化し（触媒モデル）、エンジン２から排出される燃焼後の排気ガスの排ガス組成に基づいて排気浄化触媒５から排出される排気ガスの排ガス組成を求め、これに基づいて上述した手法によって酸素センサ１ｂの出力値を算出すればよい。そして、その後算出した出力値と実際のセンサ出力値とを比較することで、あるいは、算出した出力値に基づくモデルパラメータ修正量に基づいて、酸素センサ１ｂの劣化を診断することができる。
【００５７】
また、上述した実施形態では、エンジン２から排出される排気ガスの排ガス組成をエンジン回転数及びエンジン負荷（さらに燃焼圧）に基づいて決定していた。しかし、吸入空気量や燃料噴射量、その他の燃焼条件（点火時期やバルブタイミング、吸気温、ＥＧＲ量など）に基づいて、エンジン２内部での燃焼現象を物理則に従ってモデル化し（燃焼モデル）、このモデルによって算出された排ガス組成に基づいて上述した手法によって酸素センサ１の出力値を算出して酸素センサ１の劣化を診断してもよい。
【００５８】
また、上述した実施形態においては、排気ガスセンサが酸素センサ１であり、この酸素センサ１に基づいて空燃比フィードバック制御が行われる場合であった。しかし、酸素センサ１以外の排気センサ（例えば、リニア（全域）空燃比センサ、HCセンサ、NOxセンサなど）に基づいて空燃比フィードバック制御を行う場合にも本発明は適用し得る。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置では、空燃比センサ内部の現象をモデル化して空燃比センサが出力すると思われる値を演算によって算出し、算出した出力値と実際のセンサ出力値とを比較することで、空燃比センサの活性状態を見極め、空燃比センサが活性化していると判定できる場合に空燃比センサの実出力値に基づく空燃比フィードバック制御が開始される。このため、モデルを用いて算出した、内燃機関の状態が十分に反映された出力電圧（出力予測値）と実際の出力電圧（実出力値）とに基づいて空燃比フィードバック制御が開始されることになり、排ガス浄化性能や燃費性能をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空燃比制御装置の一実施形態を有する内燃機関の構成図である。
【図２】酸素センサ（空燃比センサ）の構造を示す断面図である。
【図３】酸素センサ（空燃比センサ）の検出部を拡大して示す断面図である。
【図４】酸素センサ（空燃比センサ）のコーティング層を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明の空燃比制御装置の他の実施形態を適用した内燃機関の構成図である。
【符号の説明】
１，１ｂ…酸素センサ（空燃比センサ）、２…エンジン（内燃機関）、３…ＥＣＵ（成分特定手段・出力値算出手段・劣化診断手段・モデル修正手段）、４…排気通路、５…排気浄化触媒、１００…検出部、１０１…センサカバー、１０２…固体電解質、１０３…白金電極、１０４…コーティング層。

Claims

内燃機関の排気通路上に配設された空燃比センサの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う空燃比制御手段を有する空燃比制御装置であって、
前記内燃機関の回転数および前記内燃機関の負荷に基づいて前記内燃機関から排出される排気ガス成分の組成としてＯ _２の濃度及びＨ _２Ｏ，ＣＯ，ＣＯ _２，ＮＯ，Ｈ _２，Ｎ _２，ＣＨ _４，ＮＨ _３のうちの少なくとも一種の濃度を特定する成分特定手段と、
前記成分特定手段によって特定された排気ガス成分の組成を入力パラメータとして含む演算モデルに基づいて前記空燃比センサの出力値を算出する出力値算出手段と、
前記空燃比センサの実出力値および前記出力値算出手段によって算出された出力予測値の比較に基づいて、前記空燃比センサによる空燃比フィードバック制御の開始時期を決定する開始時期決定手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記成分特定手段は、前記内燃機関の回転数、前記内燃機関の負荷および前記内燃機関の筒内圧に基づいて前記内燃機関から排出される排気ガス成分の組成を特定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。
前記開始時期決定手段は、前記空燃比センサの実出力値と前記出力値算出手段によって算出された出力予測値との差が所定値以下となったときに、前記空燃比センサによる空燃比フィードバック制御を開始させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記空燃比制御手段は、前記開始時期決定手段が前記空燃比センサによる空燃比フィードバック制御を開始させる以前に、前記出力値算出手段によって算出された出力予測値に基づいて空燃比フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。