JP5131255B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気流路の空燃比を検出する空燃比検出装置に関する。

従来、内燃機関（以下、「エンジン」とも言う。）の排気流路に設けられた空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の出力に基づいて排気流路の空燃比を検出し、検出された空燃比に基づいて種々の制御を行うことが知られている。例えば、排気処理においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap）に吸蔵されたＮＯｘを還元するために排気流路に未燃成分を添加するリッチスパイク制御、あるいはＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)に捕集されているパティキュレートが一気に燃焼しないように空燃比を制御する過昇温防止制御等がＡ／Ｆセンサにより検出される空燃比に基づいて実行される。

ところで、Ａ／Ｆセンサの出力は、排気流路中に未燃成分である炭化水素（ＨＣ）が含まれると、Ａ／Ｆセンサにより検出される空燃比が大きくなる方向、つまりリーン側にずれることが知られている。

そこで、特許文献１に開示される排気ガス浄化装置では、Ａ／Ｆセンサにより検出される空燃比とエアフローセンサによって検出される吸入空気量とに基づいて、排気流路に添加された還元剤（未燃成分）の添加量Ｑ_Cを算出し、この算出された添加量Ｑ_Cと実際に排気流路に添加された還元剤の添加量Ｑ_Rとの比較結果として、添加量Ｑ_Cと添加量Ｑ_Rとの割合であるＱ_C／Ｑ_Rに基づいて空燃比を補正しようとしている（特許文献１の段落［００１２］、［００３４］、図３参照。）。

特開２００８−１５１００２号公報

しかしながら、Ａ／Ｆセンサにより検出された空燃比と吸入空気量とから算出された添加量Ｑ_Cと実際の添加量Ｑ_Rとの割合を算出する方法では、算出された添加量Ｑ_Cにおいては、エアフローセンサの個体バラツキや耐久劣化によって生じる吸入空気量バラツキ、あるいはＥＧＲ弁の個体バラツキや耐久劣化によって生じるＥＧＲ量バラツキなど、各構成部品に起因するバラツキの影響が発生する。

また、算出された添加量Ｑ_Cと実際の添加量Ｑ_Rとの割合であるＱ_C／Ｑ_Rは、残存Ｏ₂濃度の影響が大きいので、残存Ｏ₂濃度の予測なしの場合、Ｑ_C／Ｑ_Rに基づいて空燃比を高精度に補正することはできない。

このように、Ａ／Ｆセンサにより検出された空燃比と吸入空気量とから算出された添加量Ｑ_Cと実際の添加量Ｑ_Rとの割合に基づいて空燃比を補正すると、空燃比を高精度に検出できないという問題が生じる。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、未燃成分が含まれる排気流路において、高精度に空燃比を検出する空燃比検出装置を提供することを目的とする。

請求項１から３に記載の発明によると、空燃比検出手段は、内燃機関の排気流路に設置されている空燃比センサの出力に基づいて排気流路における空燃比を検出し、未燃成分量推定手段は、内燃機関の運転状態に基づいて排気流路の未燃成分量を推定する。そして、空燃比補正手段は、未燃成分量推定手段が推定する未燃成分量に応じて空燃比検出手段が検出する空燃比を補正する。

これにより、空燃比センサの出力に基づいて検出される空燃比を排気流路中の未燃成分量に応じて高精度に補正できる。その結果、排気流路中の未燃成分量に応じて、排気流路における空燃比を高精度に検出できる。
さらに請求項１から３に記載の発明によると、未燃成分量推定手段は、排気流路の排気温度に基づいて排気流路の未燃成分量を推定する。
排気温度が高くなると、排気流路中の未燃成分が酸化され易くなるので未燃成分量は減少する。このように、排気温度に応じて排気流路中の未燃成分量が変化するので、排気流路の排気温度に基づいて排気流路の未燃成分量を推定することが望ましい。

請求項３に記載の発明によると、空燃比検出手段は、排気流路の排気ガス中の有害成分を処理する排気処理装置の排気上流側に設置されている空燃比センサの出力に基づいて排気流路における空燃比を検出する。

このように、排気処理装置の排気上流側に空燃比センサが設置されている場合には、例えば排気処理装置を再生するために排気流路に未燃成分が添加されると、添加された未燃成分に空燃比センサが直接晒される。この場合にも、空燃比センサの出力に基づいて検出される空燃比を未燃成分量に応じて高精度に補正できる。その結果、排気流路中の未燃成分量に応じて、排気流路における空燃比を高精度に検出できる。

尚、本発明に備わる複数の手段の各機能は、構成自体で機能が特定されるハードウェア資源、プログラムにより機能が特定されるハードウェア資源、またはそれらの組み合わせにより実現される。また、これら複数の手段の各機能は、各々が物理的に互いに独立したハードウェア資源で実現されるものに限定されない。

本実施形態による排気浄化システムを示すブロック図。 （Ａ）はＡ／Ｆセンサを示す断面図、（Ｂ）はセンサ素子による検出を説明する模式図。 （Ａ）はポスト噴射量と未燃ＨＣ量との関係を示す特性図、（Ｂ）はポスト噴射量と未燃ＨＣ量との対応図。 （Ａ）は空燃比とセンサ出力との関係を示す特性図、（Ｂ）空燃比と未燃ＨＣ量によるずれ量を考慮したセンサ出力との関係を示す特性図。 （Ａ）は未燃ＨＣ量によるセンサ出力のずれを示す対応図、（Ｂ）は空燃比および未燃ＨＣ量とセンサ出力との関係を示す特性図。 Ａ／Ｆセンサ出力の補正ルーチンを示すフローチャート。 未燃ＨＣ量の推定ルーチンを示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１に、本発明の一実施形態による空燃比検出装置としてＥＣＵ(Electronic Control Unit)１００を適用した排気浄化システム１０を示す。

（排気浄化システム１０）
本実施形態の排気浄化システム１０は、エンジン２から排出される排気ガスを浄化するシステムである。本実施形態のエンジン２は、例えば４気筒のディーゼルエンジンである。

排気浄化システム１０は、エアフロメータ１２、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１４、アクセル開度センサ１６、排気温度センサ１８、ＥＧＲ弁２０、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）３０、ＬＮＴ３２、ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)３４、Ａ／Ｆセンサ４０、ＥＣＵ１００等から構成されている。エンジン２には、図示しないコモンレールにより蓄圧された燃料が燃料噴射弁４から噴射される。

エンジン２の各気筒に設置された燃料噴射弁４から噴射された燃料は気筒内で燃焼され、エンジン２から排気流路２１０に排気ガスが排出される。還流流路２２０は、エンジン２から排気流路２１０に排出される排気ガスを、排気流路２１０から吸気流路２００に還流する。

吸気流路２００に吸入された吸気はエアフロメータ１２により吸気量を検出される。エアフロメータ１２は、還流流路２２０が吸気流路２００に接続する位置よりも吸気上流側に設置されている。つまり、エアフロメータ１２が検出する吸気量は、排気側から吸気側に還流排気ガス（ＥＧＲガス）が還流される位置よりも吸気上流側の吸気量である。

還流流路２２０は吸気流路２００と排気流路２１０とを接続しており、還流流路２２０を通り排気側から吸気側に排気ガスが還流される。還流流路２２０は、排気処理装置としてのＤＯＣ３０、ＬＮＴ３２およびＤＰＦ３４よりも排気上流側の排気流路２１０と、エアフロメータ１２よりも吸気下流側の吸気流路２００とを接続している。

ＥＧＲ弁２０は、デューティ比または供給電力量により開度を制御される電磁弁である。ＥＧＲ弁２０の開度が制御されることにより、還流流路２２０を通り排気側から吸気側に還流される排気ガスの還流量であるＥＧＲガス量が調整される。

ＤＯＣ３０は、ハニカム構造体にプラチナ等の酸化触媒を担持した構造体であり、Ａ／Ｆセンサ４０の下流側に設置されている。ＤＯＣ３０は、燃料噴射弁４からのポスト噴射により排気流路２１０に添加された燃料を酸化反応させる。この反応熱により、排気流路２１０の排気温度が上昇し、ＤＰＦ３４に捕集されているパティキュレートが燃焼する。また、ＤＯＣ３０で酸化されなかった未燃成分によりリッチ状態となった排気ガスにより、ＬＮＴ３２に吸蔵されているＮＯｘが還元される。

尚、燃料噴射弁４からのポスト噴射以外にも、ＤＯＣ３０の上流側の排気流路２１０に設置された燃料添加弁から燃料を添加してもよい。燃料添加弁から燃料を添加する場合には、燃料添加弁は、ターボチャージャのタービンよりも排気下流側、かつＤＯＣ３０よりも排気上流側に設置される。この場合、Ａ／Ｆセンサ４０は、燃料添加弁とＤＯＣ３０との間の排気流路２１０に設置される。

ＬＮＴ３２は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒であり、ＤＯＣ３０の排気下流側に設置されている。排気が酸化雰囲気であるリーン時には排気ガス中のＮＯｘはＬＮＴ３２に吸蔵されて除去され、排気が還元雰囲気であるリッチ時にはＬＮＴ３２に吸蔵されているＮＯｘが排気ガス中のＨＣ、ＣＯ等により還元され浄化される。

ＤＰＦ３４は、ＤＯＣ３０の排気下流側に設置されている。ＤＰＦ３４は、多孔質のセラミックに白金等の酸化触媒が担持されたハニカム構造体で形成されている。ＤＰＦ３４のハニカム構造体の排気流れ方向に形成された流路の入口側および出口側は、互い違いに封止されている。排気ガス中の有害成分であるパティキュレートは、入口側が封止されておらず出口側が封止されている流路から流入し、流路を形成するハニカム構造体の隔壁を通過する際に隔壁の細孔に捕集される。そして、排気ガスは、入口側が封止されており出口側が封止されていない流路から流出する。

Ａ／Ｆセンサ４０は、ＤＯＣ３０、ＬＮＴ３２、およびＤＰＦ３４よりも排気上流側で、かつ図示しないターボチャージャのタービンよりも排気下流側に設置されており、排気流路２１０の空燃比（酸素濃度）に応じた信号を出力する。

図２に示すように、Ａ／Ｆセンサ４０のハウジングは碍子４６、４８および装着部材５０により構成されている。碍子４６、４８および装着部材５０は、センサ素子４２を貫挿して支持している。碍子４６は、筒状ハウジング５２により碍子４８と装着部材５０との間に挟持されている。碍子４８の内周側には、センサ素子４２と電気的に接続する金属端子５４が保持されている。金属端子５４はリード線５６によりセンサ素子４２の出力をＡ／Ｆセンサ４０の外部に取り出している。

センサ素子４２は、限界電流方式のセンサであり、排気ガス中のＯ₂分子やＨＣ分子等が拡散層４３を通って電極４４に到達する量に応じた信号を出力する。
センサ素子４２の排気流路２１０側の先端部は、外側カバー６０および内側カバー７０に覆われている。両カバーは、センサ素子４２が被水することを防止する。外側カバー６０および内側カバー７０の底部にはそれぞれ通気孔６２、７２が形成されている。また、外側カバー６０および内側カバー７０の側壁を貫通して通気孔６４、７４が形成されている。これら、通気孔６２、６４、７２、７４は、排気流路２１０の排気ガスが外側カバー６０および内側カバー７０を通ってセンサ素子４２の周囲を流通するように形成されている。

図１に示すＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、通信インタフェース等を有するマイクロコンピュータにより主に構成されている。ＥＣＵ１００は、ＥＣＵ１００のＲＯＭ、フラッシュメモリ等の記憶装置に記憶されている制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、エンジン運転状態を制御する。

ＥＣＵ１００は、エアフロメータ１２、エンジン回転数センサ１４、アクセル開度センサ１６、排気温度センサ１８、Ａ／Ｆセンサ４０ならびにその他の各種センサの出力信号からエンジン運転状態を取得する。そして、ＥＣＵ１００は、取得したエンジン運転状態に基づき、燃料噴射弁４の噴射時期および噴射量を制御する。また、ＥＣＵ１００は、エンジン運転状態に基づいて、エンジンの主なトルクを発生するメイン噴射を含み、メイン噴射の前のパイロット噴射、メイン噴射の後のポスト噴射等の多段噴射を実施する。

パイロット噴射は、メイン噴射による着火の前に空気と微少量の燃料とを予め混合させておくために実施される。ポスト噴射は、微少量の燃料を噴射してＬＮＴ３２に吸蔵されているＮＯｘを還元するとともに、ＤＰＦ３４が捕集しているパティキュレートを燃焼するために実施される。

また、ＥＣＵ１００は、前述した各種センサの出力信号から取得するエンジン運転状態に基づいてＥＧＲ弁２０の開度を制御することにより、排気側から吸気側に還流するＥＧＲガス量を調整する。

（空燃比のずれ量）
次に、未燃成分によるＡ／Ｆセンサ４０の出力のずれについて説明する。通常、ポスト噴射時の排気流路２１０にはＯ₂とＨＣとが同時に存在する。さらに、ポスト噴射時に排気流路２１０に存在するＨＣは分子量の大きなものが多く含まれている。このように、ＨＣはＯ₂よりも分子量が大きいので、Ａ／Ｆセンサ４０のセンサ素子４２において、Ｏ₂分子の方が拡散層４３を通って電極４４に到達する量が多くなる。その結果、未燃成分量が多くなるほど、Ａ／Ｆセンサ４０の出力に基づいて検出される空燃比は実際の空燃比よりも高くなる。つまり、リーン側にずれることになる。

排気流路２１０中の未燃成分（未燃ＨＣ）量は、燃料噴射弁４からのポスト噴射量によって主に変化する。図３にポスト噴射量と未燃成分量との関係を示し、その関係を次式（１）に示す。

未燃ＨＣ量［ｐｐｍＣ］
＝７００＋１０２５×ポスト噴射量［ｍｍ³／ｓｔ］ ・・・（１）
尚、排気温度、エンジン回転数によっても未燃ＨＣ量は変化する。例えば、排気温度が高くなると、排気流路２１０中の未燃ＨＣが酸化され易くなるので未燃ＨＣ量は減少する。また、エンジン回転数が低下し排気流速が遅くなると、排気流路２１０中の未燃ＨＣが酸化され易くなるので未燃ＨＣ量は減少する。そこで、式（１）にパラメータとしてエンジン回転数、排気温度を加えて、次式（２）に基づいて未燃ＨＣ量を算出してもよい。式（２）においてａ、ｂはエンジン回転数、排気温度をパラメータとして未燃ＨＣ量を算出するための係数である。

未燃ＨＣ量［ｐｐｍＣ］
＝７００＋１０２５×ポスト噴射量［ｍｍ³／ｓｔ］×（ａ×回転数［ｒｐｍ］）
×（ｂ×排気温度［℃］） ・・・（２）
Ａ／Ｆセンサ４０の出力は、式（１）または式（２）から算出された未燃ＨＣ量に応じて、図４の（Ａ）に示す未燃ＨＣ量が０のときのＡ／Ｆセンサ４０の基本出力から、図４の（Ｂ）に示すようにずれる。Ａ／Ｆセンサ４０の出力のずれ量は、次式（３）で表される。

センサ出力ずれ量［ｍＡ］
＝（０．７／１００００）×未燃ＨＣ量［ｐｐｍＣ］ ・・・（３）
そして、図４の（Ｂ）および図５の（Ａ）に示すように未燃ＨＣ量に応じてセンサ出力がずれるので、図５の（Ｂ）に示す未燃ＨＣ量が０のときのＡ／Ｆセンサ４０の基本出力３００に対し、未燃ＨＣ量が増加するにしたがい、Ａ／Ｆセンサ４０の実出力３０２、３０４は上昇する方向にずれる。したがって、Ａ／Ｆセンサ４０の実出力に対して、式（３）から算出されるセンサ出力ずれ量を減算して補正すれば、未燃ＨＣ量に関わらず、Ａ／Ｆセンサ４０の基本出力３００の特性を取得することができる。これにより、補正されたＡ／Ｆセンサ４０の出力に基づいて、排気流路２１０の空燃比を高精度に検出できる。

（センサ出力補正ルーチン）
図６に、Ａ／Ｆセンサ４０のセンサ出力補正ルーチンを示し、図７に、未燃ＨＣ量の推定ルーチンを示す。図６および図７のルーチンは常時実行される。図６および図７において「Ｓ」はステップを表している。

図６のＳ４００において、ＥＣＵ１００は、Ａ／Ｆセンサ４０により検出される空燃比に基づく制御を実行中か否かを判定する。空燃比に基づく制御としては、ＬＮＴ３２に吸蔵されているＮＯｘを還元するためのリッチスパイク制御、ＤＰＦ３４に捕集されているパティキュレートが一気に燃焼しないように空燃比を制御する過昇温防止制御等である。

空燃比に基づく制御を実行中か否かは、エンジン２が始動してアイドル回転数に達したか、エンジン２が暖機され水温が所定温度以上になったか、制御に使用する各種センサに故障がないか等の条件が成立しているか否かにより判定する。制御を実行中でない場合（Ｓ４００：Ｎｏ）、ＥＣＵ１００は本ルーチンを終了する。

空燃比に基づく制御を実行中の場合（Ｓ４００：Ｙｅｓ）、Ｓ４０２においてＥＣＵ１００は、排気流路２１０中に未燃ＨＣが添加されているリッチスパイク中か否かを判定する。Ｓ４０２における判定は、燃料噴射弁４にポスト噴射が指令されているか否かで行う。燃料添加弁から燃料を添加する場合には、燃料添加弁に燃料添加が指令されているか否かで行う。

リッチスパイク中ではない場合（Ｓ４０２：Ｎｏ）、未燃ＨＣによるＡ／Ｆセンサ４０の出力のずれはないと判断し、ＥＣＵ１００は本ルーチンを終了する。
リッチスパイク中の場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）、Ｓ４０４においてＥＣＵ１００は、未燃ＨＣ量を推定する。Ｓ４０４の処理を実行する図７に示すルーチンについては後述する。

Ｓ４０４において未燃ＨＣ量が推定されると、Ｓ４０６においてＥＣＵ１００は、式（３）からＡ／Ｆセンサ４０の出力ずれ量を算出する。このずれ量に基づいてＡ／Ｆセンサ４０の出力を補正することにより、図５の（Ｂ）に示す基本出力３００の特性を得ることができる。そして、この基本出力３００に基づいて、排気流路２１０の空燃比（酸素濃度）を確定する。

Ｓ４０８においてＥＣＵ１００は、補正により確定した空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、排気流路２１０の空燃比を目標空燃比に近づけるフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を実行する。

（未燃ＨＣ量推定ルーチン）
図７に、排気流路２１０中の未燃ＨＣ量の推定ルーチンを示す。
ＥＣＵ１００は、燃料噴射弁４に対する噴射指令量からポスト噴射量を検出し（Ｓ４１０）、エンジン回転数を検出し（Ｓ４１２）、排気温度を検出する（Ｓ４１４）。そして、Ｓ４１６においてＥＣＵ１００は、検出したこれらパラメータに基づいて、式（２）から未燃ＨＣ量を算出する。燃料添加弁から排気流路２１０に燃料を添加する場合は、燃料添加弁から添加される燃料量に基づいて未燃ＨＣ量を算出する。

本実施形態では、ＥＣＵ１００が本発明の空燃比検出装置に相当し、ＤＯＣ３０、ＬＮＴ３２、ＤＰＦ３４が排気処理装置に相当する。また、図６のＳ４０４および図７のＳ４１０からＳ４１６の処理が本発明の未燃成分量推定手段が実行する機能に相当し、図６の４０６の処理が本発明の空燃比検出手段および空燃比補正手段が実行する機能に相当する。

そして、本実施形態では、ＲＯＭまたはフラッシュメモリに記憶されている制御プログラムを実行することにより、ＥＣＵ１００は、空燃比検出手段、未燃成分量推定手段、および空燃比補正手段として機能する。

以上説明した本実施形態では、排気流路２１０中の未燃成分（未燃ＨＣ）量を推定し、推定した未燃成分量に基づいてＡ／Ｆセンサ４０の出力を補正することにより、Ａ／Ｆセンサ４０の出力に基づいて検出される空燃比を補正した。前述したように、Ａ／Ｆセンサ４０の出力は未燃成分量に応じて変化するので、未燃成分量に基づいてＡ／Ｆセンサ４０の出力を高精度に補正できる。これにより、高精度に補正されたＡ／Ｆセンサ４０の出力に基づいて空燃比を高精度に検出できる。

［他の実施形態］
上記実施形態では、排気処理装置としてのＤＯＣ３０、ＬＮＴ３２、およびＤＰＦ３４の排気上流側にＡ／Ｆセンサ４０を設置した。これに対し、いずれかの排気処理装置の排気下流側にＡ／Ｆセンサ４０を設置してもよい。この場合にも、各排気処理装置で酸化されなかった未燃成分がＡ／Ｆセンサ４０の設置位置に到達することがあるので、本発明の空燃比検出装置により空燃比を高精度に検出することができる。

また、上記実施形態では、ディーゼルエンジン２の排気流路２１０における空燃比をＡ／Ｆセンサ４０で検出するために本発明の空燃比検出装置を適用した。これ以外にも、Ａ／Ｆセンサで空燃比を検出し、例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＬＮＴ）に対するリッチスパイク制御を実施するのであれば、直噴式のガソリンエンジンに本発明の空燃比検出装置を適用してもよい。この場合にも、排気流路中に未燃成分が含まれている状態において、空燃比を高精度に検出することができる。

上記実施形態では、空燃比検出手段、未燃成分量推定手段、および空燃比補正手段の機能を制御プログラムにより機能が特定されるＥＣＵ１００により実現している。これに対し、上記手段の機能の少なくとも一部を、回路構成自体で機能が特定されるハードウェアで実現してもよい。

このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

２：ディーゼルエンジン（内燃機関）、４：燃料噴射弁、３０：ＤＯＣ（排気処理装置）、３２：ＬＮＴ（排気処理装置）、３４：ＤＰＦ（排気処理装置）、４０：Ａ／Ｆセンサ（排気センサ）、１００：ＥＣＵ（空燃比検出装置、空燃比検出手段、未燃成分量推定手段、空燃比補正手段）、２１０：排気流路

Claims (3)

1. 内燃機関の排気流路に設置されている空燃比センサの出力に基づいて前記排気流路における空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記内燃機関の運転状態として、前記内燃機関の気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁によりメイン噴射の後に噴射されるポスト噴射量と前記排気流路の排気温度とエンジン回転数とに基づいて前記排気流路の未燃成分量を推定する未燃成分量推定手段と、
   前記未燃成分量推定手段が推定する前記未燃成分量に応じて前記空燃比検出手段が検出する空燃比を補正する空燃比補正手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比検出装置。
2. 内燃機関の排気流路に設置されている空燃比センサの出力に基づいて前記排気流路における空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記内燃機関の運転状態として、前記排気流路に設置された燃料添加弁により前記排気流路に添加される燃料量と前記排気流路の排気温度とエンジン回転数とに基づいて前記排気流路の未燃成分量を推定する未燃成分量推定手段と、
   前記未燃成分量推定手段が推定する前記未燃成分量に応じて前記空燃比検出手段が検出する空燃比を補正する空燃比補正手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比検出装置。
3. 前記空燃比検出手段は、前記排気流路の排気ガス中の有害成分を処理する排気処理装置の排気上流側に設置されている前記空燃比センサの出力に基づいて前記排気流路における空燃比を検出す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。