JP5630135B2

JP5630135B2 - 空燃比検出装置

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Publication number: JP5630135B2
Application number: JP2010177397A
Authority: JP
Inventors: 真会田; 山室　毅; 毅山室; 晋吾伊藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: JP2012036814A

Description

本発明は、内燃機関の排気空燃比を検出する空燃比検出装置に関する。

車両から排出される有害成分を低減するために、排気通路中には排気浄化用触媒が介装されている。そして、排気浄化用触媒の浄化性能を発揮させるために、内燃機関から排出される排気の空燃比を検出する空燃比センサを設け、この空燃比センサの検出値に基づいて空燃比フィードバック制御が行われている。

ところで、一般的に暖機終了後の通常運転時には、素子温度は、空燃比センサが精度良くかつ高い応答性を示す７００℃以上に制御される。このため、機関始動後は、素子温度を速やかにこの温度まで昇温すべく、ヒータ等による加熱が行われる。しかし、排気通路中に凝縮水がある場合には、昇温中の素子が凝縮水を被水し、被水した部位とその他の部位との温度差に起因する熱応力によって素子割れを生ずるおそれがある。

そこで、特許文献１では、始動直後の冷却水温が所定値以下の場合には、空燃比センサの活性温度よりも低い３００℃程度まで急速に昇温し、３００℃程度まで昇温したら空燃比フィードバック制御を開始し、冷却水温が所定値を超えた場合には７００℃以上の温度まで急速に昇温する技術が開示されている。これは、素子温度が３００℃程度になれば、空燃比に対してリニアな出力はできないまでも、理論空燃比を基準としてリーン、リッチのいずれなのかは検出可能になるという空燃比センサの特性を利用したものである。リーンかリッチかを検出できるようになったら直ちに空燃比フードバック制御を開始することで、被水による素子割れを防止しつつ、より早期に空燃比フィードバックを開始するための制御である。

特開２００３−１５５９５３号公報

ところで、素子割れの原因となる熱応力は、素子温度が高いほど大きくなるが、その他に、素子の昇温速度が高くなるほど大きくなるという特性もある。したがって、凝縮水はなくなったものの被水していた部位と他の部位との温度差がある状態で、冷却水温が所定値を超えた場合に、特許文献１のように急速に高温まで昇温すると、熱応力によって素子割れを生じるおそれがある。

そこで、本発明では、機関始動時に被水による素子割れを確実に防止しつつ、より早期に空燃比フィードバック制御を開始し得る空燃比検出装置を提供することを目的とする。

本発明の空燃比検出装置は、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、空燃比センサの素子を昇温させるヒータと、ヒータを制御する制御手段と、を備える。この制御手段は、内燃機関が始動したら素子の昇温を開始し、素子が活性温度に達したら素子の昇温速度を低下させて、活性温度より高くかつ凝縮水が無くなった後の運転時の目標温度より低い温度に達するまで昇温を継続し、当該温度に達したら、排気通路中に凝縮水が残っている期間中は当該温度を維持するようにヒータを制御する。

本発明によれば、活性温度までは速やかに昇温することができ、活性温度に達したら昇温速度を低下させることで、熱応力の発生を抑制することができる。すなわち、素子割れを防止しつつ早期に空燃比フィードバック制御を開始することができる。

本発明を適用する内燃機関システムの実施形態を示す図である。コントローラが実行する空燃比センサの素子昇温のための制御ルーチンを示すフローチャートである。素子の被水に対する強度と素子温度との関係を示す図である。空燃比センサの素子温度と検出精度との関係を示す図である。混合気の空燃比が変化した場合の素子温度と空燃比センサの応答性との関係を示す図である。図２の制御ルーチンを実行した場合のタイムチャートである。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用する内燃機関システムの概略構成図である。

吸気マニホールド２の入口に配置したスロットルバルブ３は、内燃機関１の吸入空気量を調整する。吸気マニホールド２から分岐して各気筒につながるブランチ部分に配置した燃料噴射弁５は、吸入空気量に応じた量の燃料を噴射する。スロットルバルブ３の開度及び燃料噴射量は、後述するコントロールユニット（ＥＣＵ）８により決定される。

内燃機関１の排気は排気通路４へ排出され、排気通路４に介装した排気浄化用の触媒６にて浄化される。排気通路４の触媒６より上流側部分には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ７が配置される。なお、空燃比センサ７は、公知の空燃比センサと同様にジルコニアやチタニア等のセラミックスを素子として用い、理論空燃比を中心として、それよりリーン側及びリッチ側の広範囲にわたって、排気の空燃比に対してリニアな出力特性を示すものである。

また、空燃比センサ７は、加熱用ヒータを内蔵している。空燃比センサ７は素子温度が活性温度、つまり５５０℃程度、に達していないと空燃比を検出できず、また、空燃比検出精度や空燃比変化に対する応答性が十分に高くなるのは活性温度より高温の７００℃以上なので、冷機始動時等には加熱用ヒータにより空燃比センサ７の検出用の素子を昇温する。

空燃比センサ７の検出信号はＥＣＵ８に読み込まれる。ＥＣＵ８には、この他にクランク角センサ１０、アクセル開度センサ１１、冷却水温センサ１２、等の運転状態に関する各種センサの信号が読み込まれる。そして、ＥＣＵ８は、読み込んだ信号に基づいて、運転状態に応じた燃料噴射量や点火時期の設定、スロットル開度の設定、空燃比センサ７のヒータのオン、オフ、排気空燃比を理論空燃比に保持するための空燃比フィードバック制御、等を行う。

ＥＣＵ８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＵ８を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

ところで、内燃機関１の始動時には、排気通路４に凝縮水が存在する場合がある。凝縮水は、冷機始動時のように排気通路４の壁面温度が低い場合に、内燃機関１から排出された排気中の水分が、排気通路４の壁面等で冷却されて凝縮したり、前回の運転停止後に排気通路４内の空気が排気通路４の温度低下に伴って冷却されて凝縮したものである。

空燃比センサ７の検出用の素子が凝縮水を被水すると、被水した部位と被水していない部位との温度差によって素子内に熱応力が発生し、素子割れを生じるおそれがある。

素子割れの原因となる熱応力は、被水した部位と被水していない部位との温度差が大きいほど大きくなる。つまり、素子温度が高いほど被水に起因する熱応力も大きくなる。したがって、素子が高温になった状態で被水すると、素子割れを生じる可能性が高くなる。また、素子の昇温速度が高い場合も、被水した部位と被水していない部位の温度差が大きくなり、素子割れを生じる可能性が高くなる。このため、凝縮水がある期間中に素子を昇温することは得策ではない。

しかし、空燃比センサ７は、素子温度が活性温度より低いと空燃比の検出精度が著しく低下するので、排気性能向上の観点からは、機関始動後に速やかに昇温することが望まれる。

これらの相反する要求を満足するための制御として、特開２００３−１５５９５３号公報には、凝縮水があると判断した場合には、理論空燃比を基準としてリーン、リッチのいずれなのかを検出可能な温度、例えば３００℃程度、まで素子を昇温したら空燃比フィードバック制御を開始する制御が開示されている。一方、凝縮水が無いと判断した場合には、急速に昇温するよう制御している。

しかし、理論空燃比に対してリーンなのか又はリッチなのかがわかるだけでは、ＥＣＵ８は高精度の空燃比フィードバック制御ができない。また、後述するように３００℃程度の素子温度では、空燃比センサ７の空燃比の変化に対する応答性が、活性状態に比べて著しく低い。したがって、上述した特開２００３−１５５９５３号公報に開示された制御では、素子割れを確実に回避することも、排気性能の向上も望めない。さらに、凝縮水が無いと判断した場合には急速に昇温しているが、上述したように昇温速度が高すぎる場合にも素子割れを生じるおそれがある。

これに対して本実施形態では、以下に説明する制御によって、空燃比センサ７の素子割れを確実に防止し、かつ排気性能の向上を図る。

図２は、機関始動時にＥＣＵ８が実行する空燃比センサ７の昇温制御ルーチンの内容を示すフローチャートである。この制御ルーチンは、内燃機関始動時から一定の時間間隔、例えば１０ミリ秒、で繰り返し実行される。以下、フローチャートのステップにしたがって説明する。

ステップＳ１００で、ＥＣＵ８は機関始動時か否かを、イグニッションスイッチ等の状態に基づいて判定する。機関始動時であればステップＳ１１０の処理を実行し、そうでない場合は処理を終了する。

ステップＳ１１０で、ＥＣＵ８はヒータのデューティを１００％に設定する。つまり、ヒータの能力の上限値で加熱する。

ステップＳ１２０で、空燃比センサ７の素子の内部抵抗がＡ（Ω）以下であるか否かを判定し、判定の結果がＡ（Ω）以下の場合はステップＳ１３０の処理を実行し、Ａ（Ω）より大きい場合は処理を終了する。この処理は、空燃比センサ７が空燃比フィードバック制御可能な温度であるか否かを判定するものである。内部抵抗は素子温度が高くなるほど低下するという特性があるので、空燃比センサ７がフィードバック制御可能な下限の温度、つまり活性温度のときの素子の内部抵抗をＡ（Ω）として設定すれば、素子温度をセンサ等で測定することなく、空燃比フィードバック制御が可能な下限の温度か否かの判定が可能となる。空燃比フィードバック制御が可能な下限の素子温度、つまり活性温度は約５５０℃である。

ここで、空燃比フィードバック制御の開始温度を活性温度、つまり５５０℃に設定する理由について説明する。

図３は、素子の被水に対する強度と素子温度との関係を示す図であり、縦軸は素子の被水に対する強度、横軸は素子温度であり、破線Ｘは車両用に用いる場合に要求される強度（以下、要求強度という）の下限である。なお、要求強度は任意に設定可能な値である。

被水に対する強度とは、素子に対して徐々に増量させながら水を滴下し、素子割れが生じたときの滴下量で評価したものである。すなわち、図３の縦軸は滴下量に相当し、素子割れを生じたときの滴下量が多いほど、被水に対する強度が高いということになる。なお、図３の縦軸の上限は、一般的に想定しうる凝縮水量の上限値になっている。

図３をみると、素子温度が５００℃以下では一般的に想定し得る凝縮水量では素子割れのおそれはなく、５５０℃程度でも十分な強度を有することがわかる。

図４は、空燃比センサ７の素子温度と検出精度の関係を示す図であり、横軸は素子温度、縦軸は検出した空燃比である。図中の実線ａ−ｄは、それぞれＡ／Ｆ＝１３、１４．５及び１８に設定した各混合気、並びに大気の空燃比を各素子温度で計測した結果を示している。

図４に示すように、素子温度が６００℃を超えると、実線ａ−ｄはいずれも設定した空燃比と計測結果がほぼ一致している。６００℃以下では、Ａ／Ｆ＝１３、１４．５、つまり理論空燃比よりリッチ側の空燃比については設定値と計測結果がほぼ一致するが、Ａ／Ｆ＝１８及び大気、つまり理論空燃比よりリーン側の空燃比については設定値と計測結果のずれが大きくなる。ただし、５５０℃以上であれば素子は活性化しているため、各空燃比の違いは判別できる。

図５は、混合気の空燃比が変化した場合、ここではＡ／Ｆ＝１３からＡ／Ｆ＝１８に変化した場合、の素子温度と空燃比センサ７の応答性との関係を示す図であり、縦軸は応答性、横軸は素子温度である。なお、応答性は、空燃比の設定を変化させてから空燃比センサ７の検出値が変化するまでの時間（ミリ秒）である。図５から、素子温度が６００℃以下になると、応答性が著しく悪化し始めることがわかる。

上記のように、素子温度が５５０℃であれば被水に対する十分な強度を持っているので、この温度までであれば急速に昇温しても素子割れのおそれがない。また、機関始動時は始動時増量等を行うので理論空燃比よりリッチ側の空燃比の検出精度が重要になるところ、５５０℃であれば、空燃比センサ７は理論空燃比よりもリッチ側については十分な検出精度を有している。さらに、機関始動時であれば空燃比を大きく変化させるような制御も行わないので、５５０℃における応答性でも十分にフィードバック制御に使用できる。したがって、空燃比フィードバック制御を開始する素子温度を活性温度である５５０℃に設定する。

フローチャートの説明に戻る。ステップＳ１３０で、ＥＣＵ８は空燃比フィードバック制御を開始し、かつ、ヒータのデューティをＢ％に低下させる。Ｂ％は、例えば７０％程度の値を設定する。これにより素子温度の上昇速度が低下する。

ステップＳ１４０で、ＥＣＵ８は素子の内部抵抗がＣ（Ω）以下になったか否かを判定し、Ｃ（Ω）以下の場合はステップＳ１５０の処理を実行し、Ｃ（Ω）より大きい場合は処理を終了する。ステップＳ１５０で、ＥＣＵ８は、目標内部抵抗をＣ（Ω）とするヒータデューティのフィードバック制御を実行する。

Ｃ（Ω）は、ここでは素子温度が７００℃の場合の素子温度とする。ただし、６００℃〜７００℃の範囲内の所定温度となる内部抵抗値であればよく、例えば、上述した要求強度を図３に示したものより高く設定するのであれば、要求強度を満たすように７００℃より低い温度に設定してもよい。

図３に示すように、７００℃以下であれば、被水に対する強度は要求強度の下限よりも高くなる。また、図４、図５に示すように、素子温度が６００℃〜７００℃の範囲であれば、理論空燃比よりリーン、リッチを問わずに空燃比センサ７の検出精度を確保でき、空燃比の変化に対する応答性も確保できる。したがって、フィードバック制御の目標内部抵抗を、素子温度７００℃に相当する内部抵抗Ｃ（Ω）とする。

ステップＳ１５０で、ＥＣＵ８は、目標内部抵抗をＣ（Ω）とするヒータデューティのフィードバック制御を実行する。

ステップＳ１６０で、ＥＣＵ８は機関稼働時間が予め設定した閾値Ｄ（分）を経過したか否かを判定し、経過している場合はステップＳ１７０の処理を実行し、経過していない場合は処理を終了する。閾値Ｄは、排気通路４内から凝縮水がなくなるまでの時間であり、内燃機関１の仕様毎に実験等により求めて設定する。ここでは、４〜５（分）程度に設定する。

ステップＳ１７０で、ＥＣＵ８は、目標内部抵抗をＥ（Ω）とするヒータデューティのフィードバック制御を実行する。目標内部抵抗Ｅ（Ω）は、通常運転時の素子温度（以下、通常制御温度という）、例えば７３０（℃）、に相当する内部抵抗値である。

なお、ステップＳ１６０及び１７０は必須の処理ではない。図４、図５で示したように、素子温度が７３０℃になると、特に理論空燃比よりリーン側については空燃比センサ７の検出精度が向上している。また、空燃比センサ７の応答性は７００℃よりも７３０℃の方が勝っている。しかし、素子温度が７００℃であれば、十分な検出精度及び応答性ともに確保できるので、目標空燃比が理論空燃比から変化しないような場合には、７３０℃まで昇温する必要がない。一方、運転状態に応じて目標空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもリーンな空燃比に切り替える場合等には、応答性及び理論空燃比よりもリーンな空燃比の検出精度がより高い７３０℃まで昇温することで、より高精度の空燃比フィードバック制御が可能となる。そこで、要求される検出精度及び応答性に応じて、ステップＳ１６０、Ｓ１７０の要否を判断する。

次に、ＥＣＵ８が上記制御ルーチンを実行することによる効果について、図６のタイムチャートを参照して説明する。図６の実線は本実施形態の制御ルーチンを実行した場合を示しており、破線は素子温度が７３０℃に達するまでヒータデューティ１００％で昇温した場合を示している。

ｔ０で機関始動した後、ヒータデューティ１００％で素子を昇温する。これにより、素子温度が上昇し始め、熱応力も増大し始める。素子温度が５５０℃以下であれば、素子割れに対する強度は確保されているので、ヒータデューティ１００％で急速に昇温しても素子割れのおそれはない。また、素子を急速に昇温させることで、空燃比フィードバック制御開始までの時間を短縮することができる。

ｔ１で素子の内部抵抗がＡ（Ω）になったら、つまり素子温度が活性温度である５５０℃になったら、ヒータデューティをＢ％、つまり本実施形態では７０％、に低下させ、空燃比フィードバック制御を開始する。なお、ｔ１が４秒程度になるような昇温能力を有するヒータを使用する。

そして、素子の内部抵抗がＣ（Ω）に、つまり素子温度が７００℃になるｔ３までは、ヒータデューティは７０％を維持する。ヒータデューティを低下させることで、素子温度の上昇速度が低下し、これに伴って熱応力の上昇速度も低下する。これにより、素子割れを回避しつつ、素子を昇温させることができる。

これに対して、素子を７３０℃までヒータデューティ１００％で昇温させると、ｔ３より前のｔ２で素子温度が７３０℃に達するが、ヒータデューティを低下させた場合に比べて、熱応力が大きな値まで急速に増大し、ｔ２よりも前にピークを迎える。そして、この期間中は、凝縮水量が増大している。したがって、被水によって素子割れが生じる可能性が高い。

なお、ヒータデューティＢ％は、ヒータデューティ１００％と後述するヒータデューティフィードバック制御時の目標ヒータデューティである４０％との中間の値であればよく、７０％に限られないので、例えば６０％や８０％に設定してもよい。

ｔ３で素子の内部抵抗がＣ（Ω）、つまり素子温度が７００℃に達したら、凝縮水がなくなるｔ４まで、それを維持するようヒータデューティをフィードバック制御する。なお、この際のヒータデューティの目標値は約４０％である。

これにより、空燃比フィードバック制御を高精度で実行しつつ、被水による素子割れを防止できる。なお、ｔ４は上述した制御ルーチンのステップＳ１６０で判定用の閾値として用いたＤ（秒）である。

ｔ４で凝縮水が無くなったら、ヒータデューティを増大させて、素子を７３０℃まで昇温させる。これによって、より高精度な空燃比フィードバック制御が可能になる。

なお、ヒータデューティを７０％、４０％と段階的に低下させているが、素子温度が５５０℃に達したら一気に４０％まで低下させてもかまわない。ヒータデューティ４０％であれば、素子温度はいずれ７００℃に達するからである。ただし、空燃比フィードバック制御開始から７００℃に達するまでの時間は長くなる。

本実施形態の効果をまとめると、次のようになる。

（１）ＥＣＵ８は、内燃機関１が始動したら素子の昇温を開始し、素子が活性温度に達したら素子の昇温速度を低下させるので、被水による素子割れのおそれがない活性温度までは早期に昇温することができ、活性温度以上になったら発生する熱応力を低減することができる。つまり、素子割れを防止しつつ、早期に空燃比フィードバック制御を開始することができる。

（２）ＥＣＵ８は、排気通路４に凝縮水が残っている期間中は、素子が活性温度に達した後、素子温度が活性温度より高くかつ通常制御温度より低くなるようにヒータを制御するので、凝縮水が残っている期間中も被水による素子割れを防止しつつ、空燃比フィードバック制御を十分な精度及び応答性で行うことができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１内燃機関
２吸気通路
３スロットルバルブ
４排気通路
５燃料噴射弁
６触媒
７空燃比センサ
８コントロールユニット
１０クランク角センサ
１１アクセル開度センサ
１２冷却水温センサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、
前記空燃比センサの素子を昇温させるヒータと、
前記ヒータを制御する制御手段と、
を備える空燃比検出装置において、
前記制御手段は、前記内燃機関が始動したら前記素子の昇温を開始し、前記素子が活性温度に達したら素子の昇温速度を低下させて、前記活性温度より高くかつ凝縮水が無くなった後の運転時の目標温度より低い温度に達するまで昇温を継続し、当該温度に達したら、排気通路中に凝縮水が残っている期間中は当該温度を維持するように前記ヒータを制御することを特徴とする空燃比検出装置。