JP5003447B2 - 空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの空燃比を制御する空燃比制御装置に関する。

車両のエンジンから流出した排気を浄化する床下触媒は、エンジンから離れた位置の排気通路に設置すると、十分な浄化作用が得られるように活性するまでに時間が掛かる。また、この床下触媒を、エンジンに近い位置の排気通路に設置すると、熱劣化によって耐久性が低下するという問題がある。

特許文献１に記載の発明では、排気通路のメイン通路の下流側に床下触媒を設置し、床下触媒よりも上流側のバイパス通路にバイパス触媒を設置する。また、床下触媒よりも上流側のメイン通路には、排気の流れがメイン通路又はバイパス通路を通るように切り換える切換バルブを設ける。これにより、床下触媒が活性するまでの間は排気をバイパス通路に流し、早期に活性化するバイパス触媒によって排気を浄化することで、車両の排気の浄化効率を向上させることができる。
特開平５−３２１６４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、切換バルブが閉弁状態にある場合に、切換バルブの近傍のメイン通路の内部にエンジンからの排気の一部が滞留（以下「滞留ガス」という。）する。この滞留ガスは、切換バルブなどを介して放熱するので、エンジンからの排出直後の排気と比較して低温となる。このように滞留ガスが切換バルブで冷却されると、滞留ガス中の水分が凝縮して切換バルブに付着することが分かった。この水分が切換バルブの開弁時に下流に流され、メイン通路の下流に設置された空燃比センサに付着すると、この水分により空燃比センサが急激に冷却されて、空燃比センサのセンサ素子割れが発生するという問題があることが分かった。

そこで、本発明は、空燃比センサのセンサ素子割れを抑制できる空燃比制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、メイン触媒（３８）が配置される排気通路（３２）と、バイパス触媒（３５）が配置されメイン触媒上流側の排気通路（３２）の分岐部（３３）から分岐して、メイン触媒（３８）よりも上流側の合流部（３４）で再合流するバイパス通路（３１）とを流れる排気ガスを、排気通路（３２）の分岐部（３３）と合流部（３４）との間に設置される弁機構（３７）を開閉することで排気ガスの経路を切り換えるエンジンの空燃比制御装置において、弁機構（３７）よりも下流の排気通路（３２）に設置される第１空燃比センサ（３９）を備え、弁機構（３７）が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられた際に、切り替えタイミングから所定期間は、第１空燃比センサ（３９）の素子温度を所定温度以下にする、ことを特徴とする。

本発明によれば、弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられてから所定期間が経過するまでは、第１空燃比センサのセンサ素子を所定温度以下にするので、弁機構開弁時に流れる水分が第１空燃比センサを急激に冷却するのを抑制することができ、第１空燃比センサのセンサ素子割れを抑制することが可能となる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照にして本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１は、エンジン１の空燃比を制御する空燃比制御装置１００の第１実施形態を示す図である。

エンジン１は、吸気系２０及び排気系３０を備える。

エンジン１は、外部から取り込んだ吸気を流す吸気ポート１２と、エンジン１からの排気を流す排気ポート１３とをシリンダヘッド１０に備える。

シリンダヘッド１０は、図示しないピストンとシリンダブロックとによって、燃料を燃焼させる燃焼室１１を有する。このシリンダヘッド１０には、吸気ポート１２内に突出するように燃料噴射弁１４が設置される。また、燃焼室１１の天井面側のシリンダヘッド１０には、燃焼室１１の内部に突出するように点火プラグ１５が設置される。

燃料噴射弁１４は、車両の運転状態に応じて燃料を吸気ポート内に噴射する。そして、この燃料と外部から取り込まれた吸気とによって混合気が形成される。

点火プラグ１５は、所定のタイミングで火花放電することによって燃焼室１１の内部の混合気に点火し、混合気を燃焼させる。

シリンダヘッド１０に形成される吸気ポート１２には、外部から新気を取り込む吸気系２０の吸気通路２１が接続する。吸気通路２１は、その途中にスロットルチャンバ２２とコレクタタンク２３とを備える。

スロットルチャンバ２２は、吸気通路２１の上流側に設けられる。このスロットルチャンバ２２には、吸気通路２１を流れる吸気量を制御するためのスロットルバルブ２４が設置される。スロットルバルブ２４は、車両の運転状態に応じて、その開度を調整することで吸気量を制御する。

スロットルチャンバ２２の上流側の吸気通路２１には、エアフローメータ２５が設置される。エアフローメータ２５は、外部から取り込まれる新気の吸気量を検知する。また、スロットルバルブ２４の下流側の吸気通路２１にはコレクタタンク２３が設置される。このコレクタタンク２３は、上流から流れてきた吸気を一時的に蓄える。

一方、シリンダヘッド１０に形成される排気ポート１３には、エンジン１から排出される排気を流す排気系３０のメイン通路３２が接続する。排気系３０は、バイパス通路３１及びメイン通路３２を備える。

バイパス通路３１は、メイン通路３２よりも小径の通路であって、メイン通路３２の上流側の分岐部３３で分岐して下流側の合流部３４で再びメイン通路３２に合流する。このバイパス通路３１は、バイパス触媒３５及び空燃比センサ（以下「第２空燃比センサ」という。）３６を備える。

バイパス触媒３５は、早期に活性するようにエンジン１に近いバイパス通路３１の上流に設置される。バイパス触媒３５は、後述する床下触媒３８よりも容量が小さい触媒であって、低温活性に優れた触媒等を用いる。

第２空燃比センサ３６は、バイパス触媒３５よりも上流のバイパス通路３１に設置される。この第２空燃比センサ３６は、バイパス通路３１の内部を流れる排気中の酸素濃度を検知し、酸素濃度に比例した出力を得ることができる。この第２空燃比センサ３６のセンサ素子は、ヒータ５１によって昇温される。

一方、メイン通路３２は、切換バルブ３７、床下触媒３８及び空燃比センサ（以下「第１空燃比センサ」という。）３９を備える。メイン通路３２は、バイパス通路３１よりも大径の通路であるため、バイパス通路３１よりも排気の流れを阻害する通路抵抗が小さい。

切換バルブ３７は、メイン通路３２の分岐部３３と合流部３４との間に設置される。この切換バルブ３７は、車両の運転状況に応じてメイン通路３２を開閉し、エンジン１から排出される排気が流れる通路を切り換える。

床下触媒３８は、合流部３４よりも下流のメイン通路３２に設置される。この床下触媒３８は、バイパス触媒３５よりも容量が大きい三元触媒であって、メイン通路３２を流れる排気を浄化する。また、床下触媒３８には、触媒温度を検出する触媒温度センサ３８ａが設置される。

第１空燃比センサ３９は、床下触媒３８の上流のメイン通路３２に設置される。この第１空燃比センサ３９は、バイパス通路３１に設置される第２空燃比センサ３６と同様に、メイン通路３２を流れる排気中の酸素濃度を検知する。この第１空燃比センサ３９のセンサ素子は、ヒータ５０によって昇温される。

コントローラ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを備える。
コントローラ４０には、エアフローメータ２５、触媒温度センサ３８ａ、第２空燃比センサ３６及び第１空燃比センサ３９等の車両の運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。

このコントローラ４０は、後述するように床下触媒３８の触媒温度に基づいて切換バルブ３７を開閉し、エンジン１から排出される排気が流れる通路を切り換える。また、コントローラ４０は、第２空燃比センサ３６及び第１空燃比センサ３９のセンサ素子抵抗値に基づいてヒータの印加電圧を制御し、センサ素子を所定温度まで昇温する。さらに、コントローラ４０は、第２空燃比センサ３６及び第１空燃比センサ３９からの出力値に基づいて、スロットルバルブ２４の開度や燃料噴射弁１４の燃料噴射量を制御し、エンジン１の空燃比を調整する。

図２は、エンジン１から排出される排気の流れを示す図である。図２（Ａ）は、切換バルブ３７が閉弁状態にあるときの排気の流れを示す。また、図２（Ｂ）は、切換バルブ３７が開弁状態にあるときの排気の流れを示す。なお、排気流れを図中の矢印で示し、排気の流量をその線の太さで示す。

エンジン１の始動直後など、エンジン温度や排気温度が低い場合には、図２（Ａ）に示すように、切換バルブ３７は閉弁されており、メイン通路３２は遮断されている。そのため、エンジン１から排出された排気は、その全量が分岐部３３からバイパス通路３１を通り、バイパス触媒３５で浄化される。バイパス触媒３５はエンジン１に近い位置に設置されているので、速やかに活性化し、早期に排気を浄化することができる。そして、バイパス触媒３５で浄化された排気は、バイパス通路３１の下流へ流れ、合流部３４からメイン通路３２に流れ込み、外部に放出される。

切換バルブ３７が閉弁状態にある場合には、排気はバイパス通路３１を流れるので、バイパス通路３１に設置された第２空燃比センサ３６がバイパス通路３１を流れる排気の酸素濃度を検出する。そして、コントローラ４０は、第２空燃比センサ３６の検出値に基づいてスロットルバルブ開度や燃料噴射量を制御し、エンジン１の運転状態に応じて空燃比を調整する。

一方、床下触媒３８がエンジン１からの排気によって昇温され活性した場合には、図２（Ｂ）に示すように、切換バルブ３７が開弁する。切換バルブ３７が開弁すると、エンジン１から排出された排気のほとんどはメイン通路３２を流れる。排気の一部はバイパス通路３１にも流れ込むが、バイパス通路３１はメイン通路３２よりも通路断面積が小さいので、バイパス通路３１を流れる排気の排気流量はメイン通路３２よりも少なくなる。そのため、高温の排気がバイパス触媒３５を通過することによるバイパス触媒３５の熱劣化が抑制される。そして、メイン通路３２とバイパス通路３１とを流れた排気は、床下触媒３８で浄化されて、外部に放出される。

切換バルブ３７が開弁している場合には、メイン通路３２を流れる排気の排気流量がバイパス通路３１よりも大きくなるため、バイパス通路３１に設置された第２空燃比センサ３６からメイン通路３２に設置された第１空燃比センサ３９に切り換えることで排気中の酸素濃度を精度よく検出する。そして、第１空燃比センサ３９の検出値に基づいて、スロットルバルブ開度や燃料噴射量を制御し、エンジン１の運転状況に応じて空燃比を調整する。

切換バルブ３７の閉弁時には、切換バルブ３７の近傍のメイン通路３２の内部にエンジン１からの排気の一部が滞留する。滞留している排気（滞留ガス）は、その滞留時に切換バルブ３７を介して放熱するので、エンジン１からの排出直後の排気と比較して低温となる。滞留ガスが切換バルブ３７などで冷却されると、滞留ガス中の水分が凝縮して切換バルブ３７などに付着する。この水分は、切換バルブ３７の開弁時に下流に向かって流され、活性温度まで昇温している第１空燃比センサ３９に付着し、第１空燃比センサ３９を急激に冷却する。このように急激に冷却されると、第１空燃比センサ３９のセンサ素子割れが発生し、排気中の酸素濃度を正確に検出できないという問題が生じる可能性がある。

そこで、第１実施形態では、切換バルブ３７の閉弁時にはヒータ５０への印加電圧を制限して、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を活性温度よりも低い、素子割れを生じない所定温度（例えば１００℃）まで予熱する。そして、切換バルブ３７の開弁後に、ヒータ５０の印加電圧を増加して、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を活性温度まで昇温させる。

本実施形態では、第１空燃比センサ３９が素子割れを生じない所定温度までヒータ５０による予熱を行うこととしている。他の実施形態としては、閉弁中（開弁前）は、ヒータ５０による予熱をすることなく所定温度よりも十分に低い温度としておき、開弁後の所定時間経過後にヒータ５０による加熱を開始するようにしてもよい。この場合でも、もちろん第１空燃比センサ３９の素子割れを回避することができる。

それに加えて、開弁前に素子割れを生じない所定温度までヒータ５０による予熱を行うこととした場合には、切換バルブ３７の開弁前は素子割れを生じる温度まで素子温度が上昇することがないので第１空燃比センサ３９の素子割れを防止できるとともに、素子割れを生じない所定温度まで加熱しておくことで、切換バルブ開弁後の第１空燃比センサ３９のセンサ素子温度からセンサ活性温度まで上昇させる温度差を小さくしておくことができ、切換バルブ開弁後より素早くセンサ活性温度に到達させることができる。

第１実施形態では、ヒータ５０の印加電圧を制御することによって、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を昇温する。つまり、ヒータ５０の印加電圧を増加することによってヒータ温度を高くし、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を加熱する。そして、このセンサ素子温度は、第１空燃比センサ３９のセンサ素子抵抗値に基づいて設定される。

図３は、第１空燃比センサ３９におけるセンサ素子温度‐センサ素子抵抗値特性を示す図である。横軸は第１空燃比センサ３９のセンサ素子抵抗値を示し、縦軸はセンサ素子温度を示す。

図３に示すように、第１空燃比センサ３９のセンサ素子抵抗値は、センサ素子温度が高くなるにしたがって小さくなる。

そこで、切換バルブ３７の閉弁時には、第１空燃比センサ３９のセンサ素子抵抗値がＲ１となるようにヒータ５０への印加電圧を制御し、水分が付着しても第１空燃比センサ３９のセンサ素子が素子割れしない温度Ｔ１（センサ素子の種類に応じて設定される５０℃〜１５０℃程度の所定温度）に設定する。

そして、切換バルブ３７が開弁して水分が下流に流れ、その水分が第１空燃比センサ３９を通過した後に、センサ素子抵抗値がＲ２となるようにヒータ５０への印加電圧を増加させ、第１空燃比センサ３９が活性するセンサ素子温度Ｔ２（センサ素子の種類に応じて異なるが、例えば２００℃程度の温度）に達するように制御する。

これにより、閉弁時に切換バルブ３７に付着していた水分が開弁時に下流に流れても、第１空燃比センサ３９はセンサ素子割れしない程度に暖められているので、第１空燃比センサ３９のセンサ素子割れが抑制される。

ここで、水分が第１空燃比センサ３９を通過したか否かは、例えば予め設定されたエンジン１の始動時水温と水分の通過時間との関係を示すマップに基づいて設定する。

図４は、エンジン１の始動時水温と水分の通過時間との関係を示す図である。横軸は、エンジン１の冷却水の始動時水温を示す。また、縦軸は、水分が第１空燃比センサ３９を通過する通過時間を示す。

図４に示すように、通過時間は、始動時水温が高くなるにしたがって短くなるように設定する。つまり、エンジン１の冷間時など、エンジン始動時の水温が低い場合には、切換バルブ３７の温度は低く、滞留ガスが冷却されやすいので、切換バルブ３７に付着する水分量が多くなる。そのため、始動時水温が低い場合には、切換バルブ３７の開弁時の水分の通過時間を長く設定する。

これに対して、エンジン始動時の水温が高い場合には、滞留ガスも切換バルブ３７によってあまり冷却されないので、切換バルブ３７に付着する水分も少なくなる。そのため、水分が第１空燃比センサ３９を通過する通過時間を、始動時水温が低い場合と比較して短く設定する。

ここで、コントローラ４０で行われる第１実施形態の空燃比制御装置１００の制御内容について、図５に基づいて説明する。

図５は、第１実施形態の空燃比制御装置１００の制御ルーチンを示すフローチャートである。この制御はエンジン１の運転開始ともに実行され、一定周期、例えば１０ミリ秒周期のもとで、第１空燃比センサ３９による空燃比制御を開始するまで実施される。

ステップＳ１において、コントローラ４０は、切換バルブ３７がメイン通路３２を閉弁しているか否かを判断する。ここで、切換バルブ３７が閉弁状態にある場合にはステップＳ２に移り、切換バルブ３７が開弁状態にある場合にはステップＳ７に移る。

ステップＳ２において、コントローラ４０は、第２空燃比センサ３６及び第１空燃比センサ３９のセンサ素子を昇温するヒータ５０、５１に電圧を印加する。そして、第２空燃比センサ３６のセンサ素子は活性温度まで昇温される。第１空燃比センサ３９のセンサ素子は、ヒータの印加電圧が制限され、切換バルブ３７が開弁して水分が第１空燃比センサ３９に付着してもセンサ素子割れが発生しない温度（例えば１００℃）まで昇温される。

ステップＳ３において、コントローラ４０は、第２空燃比センサ３６が活性したか否かを判断する。この活性判定は、第２空燃比センサ３６のセンサ素子温度に基づいて判断する。第２空燃比センサ３６が活性していると判断した場合には、ステップＳ４に移る。第２空燃比センサ３６が活性していないと判断した場合には、この処理を一旦抜ける。

ステップＳ４において、コントローラ４０は、第２空燃比センサ３６の検出値に基づいてエンジン１の空燃比を制御する。つまり、切換バルブ３７が閉弁している場合には、燃焼室１１からの排気はバイパス通路３１を流れるので、ステップＳ４ではバイパス通路３１に設置された第２空燃比センサ３６によって、バイパス通路３１を流れる排気の酸素濃度を検出し、この検出値に基づいてエンジン１の運転状態に応じた空燃比に制御する。

ステップＳ５において、コントローラ４０は、床下触媒３８が活性しているか否かを、触媒温度センサ３８ａで検出した触媒温度に基づいて判断する。

バイパス通路３１を流れた排気は、バイパス触媒３５で浄化されて、合流部３４でメイン通路３２に流れ込む。そして、メイン通路に流れ込んだ排気は、メイン通路３２の下流に設置された床下触媒３８を通過するので、床下触媒３８は触媒活性温度まで徐々に昇温される。ここで、床下触媒３８が活性温度にまで達している場合にはステップＳ６に移り、床下触媒３８が活性温度にまで達していない場合には、この処理を一旦抜ける。床下触媒３８が活性している場合には、ステップＳ６において、コントローラ４０は、切換バルブ３７を閉弁状態から開弁し、排気が流れる通路を切り換える。

なお、床下触媒３８の活性判定前であっても、運転者がアクセル操作によってトルク要求して排気量が増加する場合に切換バルブ３７を開弁するようにしてもよい。

ステップＳ７において、コントローラ４０は、第２空燃比センサ３６でエンジン１の空燃比を制御する第２空燃比センサ制御モードであるのか、第１空燃比センサ３９でエンジン１の空燃比を制御する第１空燃比センサ制御モードであるのかを判定する。この制御モード判定の詳細については後述する。

ステップＳ８において、コントローラ４０は、第１空燃比センサ制御モードか否かを判断する。ここで、第２空燃比センサ制御モードの場合にはステップＳ１０に移り、ステップＳ１０において、コントローラ４０は第２空燃比センサ３６の検出値に基づいてエンジン１の空燃比を制御し、この処理を抜ける。また、第１空燃比センサ制御モードである場合には、ステップＳ９に移る。

ステップＳ９において、コントローラ４０は、第１空燃比センサ３９の検出値に基づいてスロットルバルブ開度及び燃料噴射量に調整し、エンジン１の運転状態に応じて空燃比を制御し、ステップＳ１１に移る。

第１空燃比センサ３９によってエンジン１の空燃比制御を開始した後は、ステップＳ１１において、第２空燃比センサ３６を昇温するヒータへの電圧の印加をやめて、処理を終了する。

次に、図６に従って制御モード判定について説明する。

図６は、ステップＳ７における制御モード判定の制御ルーチンを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ７１において、コントローラ４０は、閉弁時の切換バルブ３７に付着していた水分が開弁時に下流に流され、その水分が第１空燃比センサ３９を通過したか否かを判断する。この判断は、切換バルブ３７が開弁してからの時間ｔ_aが、所定の基準値である通過時間ｔ_bを経過したか否かで判断する。基準値となる通過時間ｔ_bは、図４に示したように、予め実験などによって得られた始動時水温‐通過時間特性から設定する。例えば、排気量２０００ｃｃのエンジンで始動時水温が１０℃の場合には、０．３秒から０．５秒程度の通過時間ｔ_bを設定する。そして、ｔ_a≧ｔ_bの場合には、水分が第１空燃比センサ３９を通過したと判断し、ステップＳ７２に移る。また、ｔ_a＜ｔ_bの場合には、水分がまだ第１空燃比センサ３９の上流に残留していると判断し、ステップＳ７５に移る。

そして、ｔ_a≧ｔ_bの場合には、ステップＳ７２において、コントローラ４０は、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を昇温するヒータへの印加電圧の制限を解除する。つまり、ヒータ５０の印加電圧を増加して、第１空燃比センサ３９が活性温度になるまで昇温する。

ステップＳ７３において、コントローラ４０は、第１空燃比センサ３９が活性しているか否かを判断する。第１空燃比センサ３９の活性は、センサ素子温度に基づいて判断する。そして、第１空燃比センサ３９が活性している場合には、ステップＳ７４に移る。また、活性していない場合には、ステップＳ７５に移る。

ステップＳ７４において、コントローラ４０は、第１空燃比センサ３９の検出値に基づいてエンジン１の空燃比を制御する第１空燃比制御モードに設定する。

ステップＳ７５において、コントローラ４０は、第２空燃比センサ３６の検出値に基づいてエンジン１の空燃比を制御する第２空燃比制御モードに設定する。

そして、ステップＳ７１からステップＳ７５において制御モード判定を実行した後に、図５に示すステップＳ８に移る。

図７は、第１実施形態の空燃比制御装置１００の動作を示すタイムチャートである。

エンジン１の始動後、時刻ｔ₁において第２空燃比センサ３６及び第１空燃比センサ３９のセンサ素子を昇温するヒータ５０、５１に電圧を印加する（図７（Ｄ）及び図７（Ｅ））。第２空燃比センサ３６のセンサ素子は、活性温度まで昇温させる。また、第１空燃比センサ３９のセンサ素子は、ヒータ５０の印加電圧を制限して（図７（Ｅ））、水分が付着してもセンサ素子割れが発生しない温度まで昇温させる。そして、メイン通路３２に設置された床下触媒３８が活性温度Ｔ₀まで昇温すると（図７（Ａ））、時刻ｔ₂において切換バルブ３７を開弁し（図７（Ｂ））、排気の通路を切り換る。

切換バルブ３７が開弁すると、切換バルブ３７に付着していた水分が、メイン通路３２の下流に設置されている第１空燃比センサ３９に向かって流れる。そこで、切換バルブ３７が開弁してから通過時間ｔ_bが経過した時刻ｔ₃で、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を昇温させるヒータ５０の印加電圧を増加し、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を活性温度まで昇温させる（図７（Ｅ））。このように、切換バルブ３７の開弁後、水分が通過するのを待って第１空燃比センサ３９を昇温することで、第１空燃比センサ３９の素子割れを抑制する。

そして、第１空燃比センサ３９が活性温度に達していることを確認した後に、時刻ｔ₄において第２空燃比センサ３６のヒータ５１への電圧の印加をやめて（図７（Ｄ））、第２空燃比センサ３６から第１空燃比センサ３９に切り換えて、第１空燃比センサ３９の検出値に基づいてエンジン１の空燃比を制御する。

以上により、第１実施形態の空燃比制御装置１００は下記の効果を得ることができる。

第１実施形態の制御モード判定では、ステップＳ７１において、切換バルブ３７が開弁してから所定の通過時間ｔ_bを経過したか否かを判定し、第１空燃比センサ３９の上流に残留している水分が第１空燃比センサ３９を通過した後に、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を活性温度まで加熱させる。そのため、水分が第１空燃比センサ３９を急激に冷却するのを抑制することができ、第１空燃比センサ３９のセンサ素子割れを抑制することが可能となる。

また、第１空燃比センサ３９は、切換バルブ３７の開弁後にセンサ素子割れが発生しない温度から活性温度まで昇温するので、早期に第１空燃比センサ３９の活性化を図ることが可能となる。

さらに、制御モード判定のステップＳ７３では、第１空燃比センサ３９が活性しているか否かを判定し、第１空燃比センサ３９が活性している場合に、第２空燃比センサ３６から第１空燃比センサ３９に切り換える。そのため、活性状態にある第１空燃比センサ３９の検出値に基づいてエンジン１の空燃比を正確に制御することができる。

（第２実施形態）
図８及び図９に従って、空燃比制御装置１００の第２実施形態を説明する。

第２実施形態の構成は、第１実施形態と基本構成はほぼ同様であるが、制御モード判定において一部相違する。つまり、第１空燃比センサ３９の上流に残留する水分量を推定するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

図８は、第２実施形態における制御モード判定の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、ステップＳ７２からＳ７５の制御は、第１実施形態と同様であるため説明の便宜上省略する。

ステップＳ７６、Ｓ７７において、コントローラ４０は、第１空燃比センサ３９の昇温判定を実施する。

まず、ステップＳ７６において、コントローラ４０は、切換バルブ３７の開弁後に第１空燃比センサ３９の上流に残留している水分の水分量Ｗ₁を、切換バルブ３７の閉弁時に発生する水分の水分量Ｗ₂と切換バルブ３７の開弁時に蒸発する水分の水分蒸発量Ｗ₃とから（１）式に基づいて算出する。

ここで、切換バルブ３７に付着した水分は、その一部がエンジン１から排出された高温の排気によって蒸発したり、下流に流されたりするので、水分量Ｗ₁は時間の経過とともに徐々に変化する。
Ｗ₁＝Ｗ₂−Ｗ₃・・・（１）
Ｗ₁：第１空燃比センサ３９の上流に残留する水分量
Ｗ₂：切換バルブ３７の閉弁時に発生する水分量
Ｗ₃：切換バルブ３７の開弁時に蒸発する水分蒸発量
なお、切換バルブ３７の閉弁時に発生する水分量Ｗ₂は、エンジン１の始動時水温や回転速度、負荷から推定される切換バルブ３７の温度と、吸気通路２１の上流に設置される湿度センサが検出する吸気の湿度とから推定する。また、切換バルブ３７の開弁時に蒸発する水分蒸発量Ｗ₃は、切換バルブ３７の開弁時におけるメイン通路３２を流れる排気の流速と、その排気が水分に与える供給熱量とから推定する。

ステップＳ７６において、コントローラ４０は、水分量Ｗ₁が、車両の運転状態に応じて設定される所定値Ｗ₀以下となっているか否かを判断する。つまり、第１空燃比センサ３９の上流に残留している水分が、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を急激に冷却しない程度まで減少しているか否かを判断する。

そして、Ｗ₁≦Ｗ₀の場合には、十分に水分量Ｗ₁が減少したと判断して、ステップＳ７２に移り、ヒータ５０の印加電圧を増加させて第１空燃比センサ３９のセンサ素子を活性温度まで昇温する。その後の処理は、第１実施形態と同様である。一方、Ｗ₁＞Ｗ₀の場合には、水分量が十分に減少しておらず、このまま第２空燃比センサ３６から第１空燃比センサ３９に切り換えると、第１空燃比センサ３９に素子割れが発生すると判断し、ステップＳ７５に移って第２空燃比センサ制御モードに設定する。

図９は、第２実施形態の空燃比制御装置１００の動作を示すタイムチャートである。

エンジン１の始動後、時刻ｔ₁において第２空燃比センサ３６及び第１空燃比センサ３９のセンサ素子を昇温するヒータ５０、５１に電圧を印加する（図９（Ｄ）及び図９（Ｅ））。第２空燃比センサ３６のセンサ素子は活性温度まで昇温させる。一方、第１空燃比センサ３９のセンサ素子は、ヒータ５０の印加電圧を制限して（図９（Ｅ））、水分が付着してもセンサ素子割れが発生しない温度まで昇温させる。そして、メイン通路３２に設置された床下触媒３８が活性温度Ｔ₀まで昇温すると（図９（Ａ））、時刻ｔ₂において切換バルブ３７が開弁する（図９（Ｂ））。

切換バルブ３７が開弁すると、切換バルブ３７に付着していた水分が、メイン通路３２の下流に設置されている第１空燃比センサ３９に向かって流れる。そこで、第２実施形態では、第１空燃比センサ３９の上流に残留している水分の水分量Ｗ₁を推定する。そして、その水分量Ｗ₁が所定値Ｗ₀よりも小さくなった後に（図９（Ｃ））、時刻ｔ₃で第１空燃比センサ３９のセンサ素子を活性温度まで昇温させる。これにより、第１空燃比センサ３９の素子割れを抑制する。

そして、第１空燃比センサ３９が活性温度に達していることを確認した後に、時刻ｔ₄において第２空燃比センサ３６のヒータ５１への電圧の印加をやめて（図９（Ｄ））、第２空燃比センサ３６から第１空燃比センサ３９に切り換えて、第１空燃比センサ３９の検出値に基づいてエンジン１の空燃比を制御する。

以上により、第２実施形態の空燃比制御装置１００は、下記の効果を得ることができる。

第２実施形態の制御モード判定では、切換バルブ３７の開弁後、第１空燃比センサ３９の上流に残留する水分の水分量Ｗ₁が所定値Ｗ₀よりも小さくなった場合に、第１空燃比センサ３９が活性温度になるようにヒータ５０の印加電圧を制御する。このように、第１空燃比センサ３９の上流に残留する水分の水分量Ｗ₁が十分に少なくなった後に第１空燃比センサ３９のセンサ素子を昇温するので、より確実に第１空燃比センサ３９のセンサ素子割れを抑制することが可能となる。

本発明は上記した実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。

例えば、第１実施形態及び第２実施形態において、第２空燃比センサ３６や第１空燃比センサ３９ではなく、酸素センサによって排気中の酸素濃度を検出し、その検出値に基づいてエンジン１の空燃比を制御するようにしてもよい。

また、切換バルブ３７の閉弁時にはヒータに電圧を印加せず、切換バルブ３７の開弁後にヒータに電圧を印加して、第１空燃比センサ３９のセンサ素子を活性温度まで昇温するようにしてもよい。

エンジンの空燃比を制御する空燃比制御装置の第１実施形態を示す図である。 エンジンから排出される排気の流れを示す図である。 空燃比センサのセンサ素子温度とセンサ素子抵抗値との関係を示す図である。 エンジンの始動時水温と水分の通過時間との関係を示す図である。 第１実施形態の空燃比制御装置の制御ルーチンを示すフローチャートである。 第１実施形態の制御モード判定の制御ルーチンを示すフローチャートである。 第１実施形態の空燃比制御装置の動作を示すタイムチャートである。 第２実施形態の制御モード判定の制御ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態の空燃比制御装置の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１００ 空燃比制御装置
１ エンジン
２１ 吸気通路
３１ バイパス通路
３２ メイン通路（排気通路）
３３ 分岐部
３４ 合流部
３５ バイパス触媒
３６ 第２空燃比センサ
３７ 切換バルブ（弁機構）
３８ 床下触媒（メイン触媒）
３９ 第１空燃比センサ
４０ コントローラ
５０ ヒータ
５１ ヒータ
ステップＳ４ 第２空燃比制御手段
ステップＳ７３ 活性判定手段
ステップＳ９ 第１空燃比制御手段

Claims (13)

1. メイン触媒が配置される排気通路と、バイパス触媒が配置され前記メイン触媒上流側の前記排気通路の分岐部から分岐して、前記メイン触媒よりも上流側の合流部で再合流するバイパス通路とを流れる排気ガスを、前記排気通路の分岐部と合流部との間に設置される弁機構を開閉することで排気ガスの経路を切り換えるエンジンの空燃比制御装置において、
   前記弁機構よりも下流の排気通路に設置される第１空燃比センサを備え、
   前記弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられた際に、切り替えタイミングから所定期間は、前記第１空燃比センサの素子温度を所定温度以下にする、
   ことを特徴とする空燃比制御装置。
2. 前記弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられる直前の前記弁機構閉弁中に、前記所定温度まで前記第１空燃比センサを予熱する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比制御装置。
3. 前記所定温度は、前記第１空燃比センサの活性温度よりも低い温度であって、前記第１空燃比センサの素子割れを生じることを回避可能な上限温度である、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空燃比制御装置。
4. 前記バイパス通路に設置される第２空燃比センサと、
   前記弁機構の開弁時に、前記第１空燃比センサの出力に基づいて空燃比を制御する第１空燃比制御手段と、
   前記弁機構の閉弁時に、前記第２空燃比センサの出力に基づいて空燃比を制御する第２空燃比制御手段と、を備え、
   前記弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられたときは、切り換えから前記所定期間経過後に前記第１空燃比センサへの加熱量を大きくするとともに、前記第２空燃比制御手段による空燃比の制御から前記第１空燃比制御手段による空燃比の制御へと制御モードを切り換える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比制御装置。
5. 前記バイパス通路に設置される第２空燃比センサと、
   前記弁機構の開弁時に、前記第１空燃比センサの出力に基づいて空燃比を制御する第１空燃比制御手段と、
   前記弁機構の閉弁時に、前記第２空燃比センサの出力に基づいて空燃比を制御する第２空燃比制御手段と、
   前記弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられ、かつ前記所定期間経過後に前記第１空燃比センサの活性判定を行う活性判定手段と、を備え、
   前記弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられたときは、切り換えから前記所定期間経過後に前記第１空燃比センサへの加熱量を大きくし、かつ前記第１空燃比センサが活性したときに前記第２空燃比制御手段による空燃比の制御から前記第１空燃比制御手段による空燃比の制御へと制御モードを切り換える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比制御装置。
6. 前記所定期間は、前記弁機構閉弁時に前記分岐部から前記弁機構までの排気通路部分にあるガスが、前記弁機構開弁後、前記第１空燃比センサを通過するまでに要する時間に基づいて設定される期間である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の空燃比制御装置。
7. 前記所定期間は、前記弁機構閉弁時に前記分岐部から前記弁機構までの排気通路部分で生じる凝縮水が、前記弁機構開弁後、前記第１空燃比センサを通過するまでに要する時間に基づいて設定される期間である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の空燃比制御装置。
8. 前記所定期間は、前記エンジンの始動時の冷却水温度に基づいて設定される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の空燃比制御装置。
9. 前記所定期間は、前記弁機構の開弁後に前記第１空燃比センサの上流に残留する水分の水分量が所定値以下となるまでの期間である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の空燃比制御装置。
10. 前記所定値は、車両の運転状態に基づいて設定される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の空燃比制御装置。
11. メイン触媒が配置される排気通路と、バイパス触媒が配置され前記メイン触媒上流側の前記排気通路の分岐部から分岐して、前記メイン触媒よりも上流側の合流部で再合流するバイパス通路とを流れる排気ガスを、前記排気通路の分岐部と合流部との間に設置される弁機構を開閉することで排気ガスの経路を切り換えるエンジンの空燃比を制御する方法において、
    前記弁機構よりも下流の排気通路に設置される第１空燃比センサの素子温度を、弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられたタイミングから所定期間は、所定温度以下に制限する工程を有する、
    ことを特徴とする空燃比制御方法。
12. メイン触媒が配置される排気通路と、バイパス触媒が配置され前記メイン触媒上流側の前記排気通路の分岐部から分岐して、前記メイン触媒よりも上流側の合流部で再合流するバイパス通路とを流れる排気ガスを、前記排気通路の分岐部と合流部との間に設置される弁機構を開閉することで排気ガスの経路を切り換えるエンジンにおいて、
    前記弁機構よりも下流の排気通路に設置される第１空燃比センサと、
    前記弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられた際に、切り替えタイミングから所定期間は、前記第１空燃比センサの素子温度を所定温度以下に制限する手段と、
    を備えることを特徴とするエンジン。
13. メイン触媒が配置される排気通路と、バイパス触媒が配置され、前記メイン触媒上流側の前記排気通路の分岐部から分岐して、前記メイン触媒上流側の前記排気通路の合流部に合流するバイパス通路と、前記排気通路の分岐部と合流部との間に設置される弁機構と、を備え、前記弁機構を開閉することで排気ガスの経路を切り換えるエンジンの空燃比制御装置において、
    前記弁機構の開弁時に、前記弁機構よりも下流の排気通路に設置される第１空燃比センサの出力に基づいて空燃比を制御する第１空燃比制御手段と、
    前記弁機構の閉弁時に、前記バイパス通路に設置される第２空燃比センサの出力に基づいて空燃比を制御する第２空燃比制御手段と、を備え、
    前記弁機構が閉弁状態から開弁状態へと切り換えられたときは、切り換えから所定期間経過後に前記第１空燃比センサへの加熱量を大きくするとともに、前記第２空燃比制御手段による空燃比の制御から前記第１空燃比制御手段による空燃比の制御へと制御モードを切り換える、
    ことを特徴とする空燃比制御装置。

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