JP4360294B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、空燃比検出装置に関する。

空燃比センサは温度によりその特性が変化するため、ヒータを内蔵して素子を加熱することで検出精度を確保している。

そして、内燃機関の排気温度に応じて空燃比センサのヒータへの供給電圧を変更し、これにより排気温度が変化しても素子温度を一定に保つ技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−１９４３３８号公報 特開２００３−１２０２７９号公報

ところで、内燃機関の運転状態によっては、クラックが十分になされていない未燃燃料が排気中に含まれることがある。また、ＮＯx触媒の被毒回復時等において排気中への燃
料添加がなされた場合でも、クラックが十分になされていない未燃燃料が排気中に含まれることがある。なお、ここでいうクラックとは、高分子の炭化水素をより低分子の炭化水素に分解することをいう。

このようなクラックが十分になされていない未燃燃料は空燃比センサの拡散抵抗層を通過することができないため、該空燃比センサにおいて燃料が実際よりも少なく測定される。そのため、空燃比センサにより検出される空燃比は、実際よりもリーン側へずれることになる。なお、このような空燃比のずれを以下、「リーンずれ」という。このリーンずれにより排気の空燃比を精度良く検出することが困難となる。

このようなリーンずれは、排気温度が低いために燃料がクラックされにくいディーゼルエンジンで特に発生しやすい。また、ディーゼルエンジンでは、排気中への燃料添加が行われることがあるという点においてもリーンずれが発生しやすい。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、空燃比検出装置において、排気中に未燃燃料が含まれている場合であっても排気の空燃比をより精度良く検出することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による空燃比検出装置は、以下の手段を採用した。すなわち、
内燃機関の排気通路に設けられ該排気通路を流通している排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記空燃比検出手段を加熱する加熱装置と、
前記空燃比検出手段よりも上流の排気の空燃比を一時的にストイキよりもリッチ空燃比とする空燃比低下手段と、
前記空燃比低下手段により排気の空燃比が低下されるときに、前記加熱装置により前記空燃比検出手段の温度を第１所定温度以上まで上昇させる第１昇温手段と、
を具備することを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、排気の空燃比が低下された場合には、排気中の燃料が十分にクラックされる温度まで空燃比検出手段の温度を上昇させることにより、該空燃比検出手段のリーンずれを抑制することにある。

ここで、空燃比検出手段の温度が高いと、その周辺の排気中に含まれる燃料のクラックが促進される。このようにクラックされた燃料は空燃比検出手段に取り込まれるので、該空燃比検出手段による空燃比の検出精度を向上させることができる。

ここで、第１所定温度とは、排気中の燃料を十分にクラックすることができる温度とすることができる。また、「リッチ空燃比」は、空燃比検出手段に到達する排気がリッチ空燃比となっていればよく、排気系に流通する排気全体でリッチ空燃比となっている必要はない。

本発明においては、前記第１昇温手段は、前記空燃比低下手段により低下される排気の空燃比が低いほど前記空燃比検出手段の温度を高くすることができる。

すなわち、クラックが十分になされていない燃料の含有量が多い場合であっても、空燃比検出手段の温度をより高くすることで燃料のクラックをより速やかに行うことが可能となり、該空燃比検出手段の検出精度を向上させることができる。また、加熱装置により空燃比検出手段の温度を上昇させると該空燃比検出手段の熱劣化が進行してしまうので、必要な分だけ空燃比検出手段の温度を上昇させることにより該空燃比検出手段の熱劣化の進行を抑制することが可能となる。

本発明においては、前記空燃比低下手段が排気の空燃比を一時的にストイキよりもリッチ空燃比としていないときには、前記加熱装置により空燃比検出手段の温度を前記第１所定温度よりも低い第２所定温度とする第２昇温手段をさらに備えることができる。

空燃比検出手段を高温状態で維持していると該空燃比検出手段の劣化が進行してしまうので、クラックが十分になされていない燃料が排気中に多く含まれているときにだけ該空燃比検出手段の温度を上昇させる。これにより、空燃比検出手段の劣化を抑制し空燃比の検出精度が低下することを抑制できる。

本発明に係る空燃比検出装置では、排気中に未燃燃料が含まれている場合であっても、空燃比検出手段の温度を上昇させて燃料をクラックさせることにより、排気の空燃比をより精度良く検出することができる。

以下、本発明に係る空燃比検出装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る空燃比検出装置を適用する内燃機関１とその排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、燃焼室へ通じる排気通路２が接続されている。この排気通路２は、下流にて大気へと通じている。

前記排気通路２の途中には、酸化触媒３、及び吸蔵還元型ＮＯx触媒４（以下、ＮＯx触媒４という。）が内燃機関１側から順に備えられている。

ＮＯx触媒４は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低く且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能
を有する。

また、酸化触媒３よりも下流で且つＮＯx触媒４よりも上流の排気通路２には、該排気
通路２を流通する排気の空燃比を検出する上流側空燃比センサ５が取り付けられている。一方、ＮＯx触媒４よりも下流の排気通路２には、該排気通路２を流通する排気の温度を
検出する排気温度センサ６、及び該排気通路２を流通する排気の空燃比を検出する下流側空燃比センサ７が取り付けられている。

ここで、上流側空燃比センサ５及び下流側空燃比センサ７について説明する。

図２は、上流側空燃比センサ５の概略構成図である。なお、下流側空燃比センサ７は、上流側空燃比センサ５と同一の構成である。

上流側空燃比センサ５はハウジング５１を備えている。このハウジング５１は、中央部にセンサ素子５２が保持される貫通穴を有し、外周部に形成されたねじにて排気通路２に固定される。

センサ素子５２は、基端部がハウジング５１の貫通穴内に保持固定され、先端部はハウジング５１より突出して図の下方に延び、被測定ガスである内燃機関１からの排気の流通する排気通路２内に位置している。センサ素子５２は、円管状に形成した安定化ジルコニア等の酸素イオン導電性固体電解質５０１の内周面及び外周面に、夫々白金等の電極５０２、５０３を配設してなり、外周面の電極５０３の表面には多孔質層よりなる拡散抵抗層５０４が形成されている。また、内部にはセンサ素子５２の温度を例えば７００℃に維持する電気ヒータ５０５が備えられている。

センサ素子５２の外表面は一部を除いてコーティング層で被覆されており、このコーティング層を形成しない先端よりの一部が被測定ガス中の特定成分濃度を検出するガス濃度検出部として機能する。

次に、前記構成の上流側空燃比センサ５の作動について説明する。

センサ素子５２の温度は電気ヒータ５０５により、例えば７００℃に加熱されているため、センサ素子５２周辺の温度は数百℃になっている。そのため、排気中の可燃性ガスと酸素とが反応し、酸素が消費される。さらに、残りの可燃性ガスと酸素とが拡散抵抗層５０４内で反応し、可燃性ガスが消費される。残りの酸素は外部電極５０３に到達してイオン化する。このようにしてイオン化した酸素は、酸素イオン導電性固体電解質５０１内を移動して内部電極５０２で電子を放出する。この結果、排気中の酸素濃度に比例した電流が流れる。この電流は、可燃性ガスと反応した酸素の分だけ少なくなるので、この電流により得られた酸素濃度により排気の空燃比を検出することが可能となる。

ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯx触媒４のＮＯx吸蔵能力が飽和する前に、ＮＯx触媒４に吸蔵されたＮＯxを還元させる必要がある。

そこで、本実施例では、ＮＯx触媒４より上流の排気通路２を流通する排気中に還元剤
たる燃料（軽油）を添加する燃料添加弁８を備えている。ここで、燃料添加弁８は、後述
するＥＣＵ９からの信号により開弁して燃料を噴射する。燃料添加弁８から排気通路２内へ噴射された燃料は、排気通路２の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させると共に、ＮＯx触媒４に吸蔵されていたＮＯxを還元する。

一方、ＮＯx触媒４には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯx）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放
出されにくく、ＮＯx触媒４内に蓄積される。そして、ＳＯxが吸蔵されている分、ＮＯx
を吸蔵できる量が減少し、ＮＯx触媒４のＮＯx吸蔵力が低下する。これを硫黄被毒（ＳＯx被毒）といい、適宜の時期に硫黄被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。
この被毒回復処理は、ＮＯx触媒４を高温（例えば６００乃至６５０℃程度）にしつつ燃
料添加弁８からの燃料添加により酸素濃度を低下させた排気をＮＯx触媒４に流通させて
行われている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９が併設されている。このＥＣＵ９は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ９には、各種センサ等が電気配線を介して接続され、該センサ等の出力信号が入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ９には、燃料添加弁８が電気配線を介して接続され、該ＥＣＵ９により燃料添加弁８が制御される。また、電気ヒータ５０５はＥＣＵ９によりその温度が制御される。

ところで、ＮＯx触媒４は、経年変化や熱劣化によりＮＯxの吸蔵能力が低下する。この吸蔵能力の低下を、ＮＯx触媒４前後の空燃比センサ５、７を用いて検出する方法が知ら
れている。これは、ＮＯx触媒４へ燃料を添加したときに下流側空燃比センサ７により検
出されるストイキ継続時間に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うものである。ここで
、ＮＯx触媒４の劣化の度合いを判定するときには、該ＮＯx触媒４に流入する排気の空燃比をストイキ若しくは、ストイキよりも若干リッチ側とする必要がある。従って、上流側空燃比センサ５には高い検出精度が求められる。

また、前述したＮＯx触媒４に吸蔵されていたＮＯxを還元する場合、および被毒回復処理を行う場合においても、ＮＯx触媒４に流入する排気の空燃比を所定の空燃比に精度良
く合わせる必要がある。従って、上流側空燃比センサ５には高い検出精度が求められる。

しかし、燃料添加弁８からの燃料添加が行われると、前記上流側空燃比センサ５に高分子ＨＣを多く含んだ排気が到達する。ここで、高分子ＨＣは、拡散抵抗層５０４を通過することができない燃料成分であり、例えば、ＣｎＨｍで表される燃料成分のうちｎが６以上のものを指す。この高分子ＨＣは、酸化触媒３においてある程度クラックすることができるが、燃料の添加量が多い場合や、酸化触媒３の温度が低い場合、排気中の酸素濃度が低い場合には、クラックが十分になされないことがある。

なお、排気中に高分子ＨＣが多く存在する場合として、ＥＧＲガス量を煤の発生量が最大となるよりも増加させる低温燃焼、内燃機関１の気筒内への燃料噴射時期や燃料噴射回数の変更する副噴射等が行われている場合を例示することができる。そして、低温燃焼や副噴射等が行われている場合においても精度良く排気の空燃比を検出することが重要である。

ここで、排気中に高分子ＨＣが多く含まれると、上流側空燃比センサ５では、拡散抵抗
層５０４内で反応する燃料が少なくなり、外部電極５０３に到達してイオン化する酸素が多くなる。その結果、上流側空燃比センサ５から出力される空燃比は、実際の空燃比よりも酸素量が多い値となる。すなわちリーン側へずれた値が上流側空燃比センサ５から出力されるリーンずれが生じる。

このように、上流側空燃比センサ５がリーンずれを起こしていると、排気の空燃比の正確な検出が困難となる。

その点、本実施例においては、排気中に高分子ＨＣが含まれているときにセンサ素子５２の温度を例えば８００℃まで上昇させて高分子ＨＣのクラックを促進し、リーンずれを抑制する。

また、本実施例においては、排気中に高分子ＨＣが含まれなくなったときにセンサ素子５２の温度を例えば７００℃に戻すことによりセンサ素子５２の熱劣化を抑制する。

次に、本実施例による電気ヒータ５０５の制御フローについて説明する。

図３は、本実施例による電気ヒータ５０５の制御フローを示したフローチャート図である。本フローは所定の時間毎に繰り返し行われる。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ９は、排気の空燃比がリッチ雰囲気とされる制御が行われているか否か判定する。具体的には、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxの還元処理、ＮＯx触媒４の劣化判定、硫黄被毒回復処理、低温燃焼、若しくは副噴射等が行われてい
るか否か判定する。このような制御が行われている場合には、排気中に高分子ＨＣが含まれていると推定されるため、センサ素子５２の温度が上昇される。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ９は、センサ素子５２の目標温度を８００℃に設定する。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ９は、センサ素子５２の温度が８００℃となるように電気ヒータ５０５の通電制御を行う。これにより、高分子ＨＣのクラックが促進される。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ９は、リッチ雰囲気での制御が完了したか否か判定する。

ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ９は、センサ素子５２の目標温度を７００℃に設定する。

ステップＳ１０６では、ＥＣＵ９は、センサ素子５２の温度が７００℃となるように電気ヒータ５０５の通電制御を行う。

このようにして、燃料添加弁８からの燃料添加等が行われていることにより高分子ＨＣが排気中に多く含まれていると推定される場合には、センサ素子５２の温度を８００℃まで上昇させる。これにより、高分子ＨＣのクラックを促進させることができ、以て排気の
空燃比の検出精度を向上させることができる。また、排気中に高分子ＨＣが多く含まれていない場合には、センサ素子５２の温度を７００℃とする（７００℃に戻す）ことによりセンサ素子５２の熱劣化を抑制することができる。

なお、本実施例においては、燃料添加弁８からの燃料添加時等にセンサ素子５２の温度を例えば８００℃まで上昇させたが、これに代えて、燃料添加弁８からの燃料添加量に応じて、若しくは排気中の高分子ＨＣ量に応じてセンサ素子５２の温度を変更してもよい。例えば、低温燃焼時と硫黄被毒回復処理時とでは、硫黄被毒回復時のほうが排気中の高分子ＨＣ濃度が高いため、硫黄被毒回復時のセンサ素子５２の温度が高くなるように設定しても良い。同様に、ＮＯx触媒４のＮＯx還元時よりも硫黄被毒回復時のほうがセンサ素子５２の温度が高くなるように設定してもよい。また、内燃機関１の運転状態（例えば、機関回転数、機関負荷）や燃料添加弁８からの燃料添加量から、排気の空燃比を概算し、この空燃比が低いほどセンサ素子５２の温度が高くなるように設定してもよい。

このように、排気中の高分子ＨＣ濃度に基づいてセンサ素子５２の温度を変更することにより、センサ素子５２を過剰に温度上昇させることを抑制し、センサ素子５２の劣化を抑制することが可能となる。

また、センサ素子５２の上昇後の温度は８００℃に限らず、該センサ素子５２の熱劣化との関係を考慮しつつ可及的に高くするようにしてもよい。

実施例に係る空燃比検出装置を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 空燃比センサの概略構成図である。 実施例による電気ヒータの制御フローを示したフローチャート図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 酸化触媒
４ 吸蔵還元型ＮＯx触媒
５ 上流側空燃比センサ
６ 排気温度センサ
７ 下流側空燃比センサ
８ 燃料添加弁
９ ＥＣＵ
５１ ハウジング
５２ センサ素子
５０１ 酸素イオン導電性固体電解質
５０２ 内部電極
５０３ 外部電極
５０４ 拡散抵抗層
５０５ 電気ヒータ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ該排気通路を流通している排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記空燃比検出手段を加熱する加熱装置と、
   前記空燃比検出手段よりも上流の排気の空燃比を一時的にストイキよりもリッチ空燃比とする空燃比低下手段と、
   前記空燃比低下手段により排気の空燃比が低下されて前記空燃比検出手段に高分子ＨＣが到達する時期に、前記加熱装置により前記空燃比検出手段の温度を第１所定温度以上まで上昇させる第１昇温手段と、
   を具備することを特徴とする空燃比検出装置。
2. 前記第１昇温手段は、前記空燃比低下手段により低下される排気の空燃比が低いほど前記空燃比検出手段の温度を高くすることを特徴とする請求項１に記載の空燃比検出装置。
3. 前記空燃比低下手段が排気の空燃比を一時的にストイキよりもリッチ空燃比としていないときには、前記加熱装置により空燃比検出手段の温度を前記第１所定温度よりも低い第２所定温度とする第２昇温手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の空燃比検出装置。

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