JP6380661B2 - 空燃比制御装置及び空燃比制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御に関する。

内燃機関の空燃比制御として、所定電圧を印加した場合の出力電流値が排気ガスの空燃比に対してリニアに変化する、いわゆる空燃比センサを用いた空燃比フィードバック制御が知られている。空燃比センサ内では、排気ガスが理論空燃比よりもリッチな空燃比の場合には、大気ダクト内の酸素が大気側電極でイオン化し、この酸素イオンが固体電解質層を介して排気側電極へ移動することによって、空燃比センサに電流が流れる。したがって、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな状態が続いて大気ダクト内の酸素が足りなくなると、空燃比センサの検出値が実際の空燃比よりもリーン側にずれてしまう。このようなズレを防止するため、上記のように空燃比センサの検出精度が低下する状況になった場合に、一時的に空燃比フィードバック制御を停止してオープンループ制御に切り替えることがＪＰ２００８−１４１７８Ａに記載されている。

しかしながら、上記文献のように空燃比フィードバック制御を停止してしまうと、燃料噴射弁等の部品の個体差による燃料噴射量のバラツキを吸収できなくなる。このため、オープンループ制御では、空燃比フィードバック制御に比べて制御の精度が低下するので、エンジン出力、燃費、排気エミッションの各性能が低下してしまう。

そこで本発明では、空燃比フィードバック制御をより広範囲で実行可能な空燃比制御装置及び空燃比制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、空燃比制御装置は、酸素濃度に応じて出力電流値がリニアに変化する空燃比センサと、空燃比センサの検出値に基づいて、内燃機関の排気ガスが所定空燃比になるように燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御を実行し得る空燃比フィードバック制御手段と、を備える。さらに、空燃比制御装置は、空燃比が所定のリッチ空燃比以上の場合にフィードバック制御を禁止する禁止手段を備える。ただし、空燃比制御装置は、空燃比が前記所定のリッチ空燃比以上になってから所定期間は前記フィードバック制御を許可する。

図１は、本発明の実施形態を適用する内燃機関システムの構成図である。 図２は、空燃比センサの断面図である。 図３は、空燃比センサの電圧−電流特性図である。 図４は、酸素供給量不足により検出精度が低下した場合の空燃比センサの電圧−電流特性図である。 図５は、空燃比制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図６は、排気ガスの空燃比と空燃比センサの計測可能時間との関係図である。 図７は、図５の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態を適用する内燃機関システムの構成図である。

内燃機関１の吸気通路２には、吸気流れの上流側から順に、エアクリーナ４、エアフローメータ５、ターボ過給機のコンプレッサ１０Ａ、スロットルチャンバ６、コレクタタンク７、燃料噴射弁８が配置されている。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆるポート噴射式であるが、いわゆる筒内直接噴射式であってもよい。

内燃機関１の排気通路には、排気流れの上流側から順に、空燃比センサ９、ターボ過給機のタービン１０Ｂ、マニホールド触媒１１、Ｏ₂センサ１２が配置されている。

なお、コンプレッサ１０Ａとタービン１０Ｂは、実際にはシャフトを介して連結されており、一体として回転する。また、図１では省略しているが、コンプレッサ１０Ａにより加圧されて温度上昇した空気を冷却するためのインタークラーをコンプレッサ１０Ａより下流側に配置してもよい。

空燃比センサ９は、電圧を印加した場合の出力電流が排気ガスの酸素濃度に応じてリニアに変化するセンサである。空燃比センサ９の構造及び特性については後述する。

マニホールド触媒１１は、三元触媒である。Ｏ₂センサ１２は排気ガスの酸素濃度に応じた起電力を発生する。Ｏ₂センサ１２の起電力は、排気ガスが理論空燃比よりリーンの場合（以下、単に「リーンの場合」ともいう）には約０Ｖ、理論空燃比よりリッチの場合（以下、単に「リッチの場合」ともいう）には約１Ｖとなり、理論空燃比近傍でその出力電圧が大きく変化するよう構成されている。つまり、Ｏ₂センサ１２は、排気ガスがリーンまたはリッチのいずれなのかを判断できる。

エアフローメータ５、空燃比センサ９、Ｏ₂センサ１２の各検出信号はエンジンコントローラ（以下、ＥＣＵという）１３に読み込まれる。ＥＣＵ１３は、これらの検出信号や、図示しないアクセルペダル開度センサ、クランク角度センサ等の検出信号に基づいて、燃料噴射量及び点火時期の制御や、目標空燃比の設定、空燃比を目標空燃比に一致させるための空燃比フィードバック制御等を実行する。

なお、Ｏ₂センサ１２は、空燃比センサ９が正常に機能する状態では内燃機関１の制御に用いられない。ただし、空燃比センサ９に異常がある場合には、Ｏ₂センサ１２の検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御が行われる。

また、ＥＣＵ１３は、内燃機関１の気筒毎に空燃比フィードバック制御を行う。そこで、正確に気筒判別するために、空燃比センサ９はタービン１０Ｂより上流側、より具体的には、タービン１０Ｂより上流側で各気筒からの排気流路の合流部に近い部位に設置される。タービン１０Ｂより下流側に空燃比センサ９を設置すると、空燃比センサ９は合流してからタービン１０Ｂを通過するまでに混合が進んだ排気ガスの空燃比を検出することとなり、気筒判別が困難になるからである。

次に、空燃比センサ９について説明する。

図２は空燃比センサ９のセンサ素子２０の断面図である。なお、図２では、センサ素子２０を覆うカバー、センサ素子２０を加熱するためのヒータは省略している。

センサ素子２０は、固体電解質層２１と、固体電解質層２１の排気側に設けられる排気側電極２２と、固体電解質層２１の大気側に設けられる大気側電極２３と、拡散抵抗層２４と、を含んで構成される。

固体電解質層２１は、酸素イオンが移動可能な物質、例えばジルコニア等で形成されている。

排気側電極２２は、排気ガスダクト２７内に配置されている。排気通路３を流れる排気ガスの一部が、拡散抵抗層２４によって拡散された状態で排気ガスダクト２７に流入して、排気側電極２２に接触する。なお、拡散抵抗層２４は、例えば多孔質のセラミック等で形成されている。

大気側電極２３は、大気に連通する大気ダクト２５内に配置されている。大気ダクト２５に流入した大気が大気側電極２３に接触する。

なお、排気側電極２２及び大気側電極２３は、白金電極である。

上記のような構成の空燃比センサ９の排気側電極２２と大気側電極２３との間に、バッテリ（電圧印加手段）２８により検出用電圧Ｖを印加すると、空燃比センサ９には排気ガスの酸素濃度に応じた電流が流れる。

例えば、排気ガスの空燃比がリッチな場合には、大気ダクト２５内の酸素が大気側電極２３での電極反応によって、酸素イオンになり、この酸素イオンが図２に矢印で示したように固体電解質層２１内を大気側電極２３から排気側電極２２へ移動する。排気側電極２２側では、移動してきた酸素イオンと、排気ガスダクト２７内のＨＣ、ＣＯ、Ｈ２との反応により、二酸化炭素や水が生成される。

一方、排気ガスの空燃比がリーンな場合には、排気ガス中の余剰酸素が排気側電極２２での電極反応によって酸素イオンになり、この酸素イオンが固体電解質層２１内を排気側電極２２から大気側電極２３へ移動する。大気側電極２３に到達した酸素イオンは、電子が離脱して酸素に戻り、大気ダクト２５へ放出される。

上記のように、酸素イオンの移動によって排気側電極２２と大気側電極２３との間に電流が流れ、このとき流れる電流値は排気ガスの空燃比に応じて変化する。

図３は、上述した空燃比センサ９の電圧−電流特性を示す図である。横軸は印加電圧、縦軸は出力電流である。

図３に示すように、空燃比がリーン、リッチのいずれの場合でも、印加電圧を変化させても出力電流の値が変化しない領域が存在する。このように出力電流値が変化しない印加電圧の領域を「限界電流領域」、限界電流領域での出力電流値を「限界電流値」という。

この限界電流値は、排気ガスの空燃比に比例するので、限界電流値の大きさに基づいて空燃比を検出することができる。

このようにして検出した空燃比に基づいて、ＥＣＵ１３は、排気ガスの空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）となるように、燃料噴射量をフィードバック制御する。

ところで、上述したように、空燃比センサ９で排気ガスの空燃比を検出できるのは、酸素イオンが固体電解質層２１を移動するからである。したがって、排気ガスの空燃比がリッチな場合に、大気側電極２３への酸素供給量が不足すると、酸素イオンの移動量が空燃比に応じた移動量よりも少なくなり、空燃比センサ９の検出値が実際の空燃比よりもリーンな値になってしまう。そして、空燃比センサ９には、大気ダクト２５の容量や、大気を導入する経路等、構造上の制約があり、これによって大気ダクト２５に大気が流入する速度は制限される。このため、排気ガスの空燃比がリッチになるほど、大気側電極２３への酸素供給量が不足する状況が生じ易くなる。

図４は、大気側電極２３への酸素供給量が不足した場合の電圧−電流特性を示す図である。図示するように、リッチ側で出力電流値が印加電圧に比例して増大している。このように限界電流値がフラットでなくなることにより、空燃比検出精度が低下してしまう。

そこで、空燃比センサ９の検出精度の低下に伴う空燃比制御の精度低下を抑制する為、ＥＣＵ１３は以下に説明する制御ルーチンを実行する。

図５は、ＥＣＵ１３が実行する空燃比制御の制御ルーチンである。

ステップＳ１０で、ＥＣＵ１３は、全域空燃比制御中であるか否かを判定し、全域空燃比制御中でない場合はそのまま今回のルーチンを終了し、全域空燃比制御中である場合はステップＳ２０の処理を実行する。「全域空燃比制御」とは、空燃比センサ９の検出値に基づいた空燃比フィードバック制御であり、運転条件に応じて設定した目標空燃比を実現するように燃料噴射量を制御するものである。なお、ここでの目標空燃比は、理論空燃比に限らない。例えば、加速時には、より高いトルクを発生させるためにリッチな目標空燃比を設定することもある。

全域空燃比制御を実行するためには、空燃比センサ９が活性状態にあることが必要となる。そこで本ステップでは、冷機始動後の暖機運転中のように、空燃比センサ９が活性状態になっていない場合に、全域空燃比制御でないと判定する。

ステップＳ２０で、ＥＣＵ１３は、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が閾値Ａ／Ｆ１より小さいか否かを判定し、閾値Ａ／Ｆ１以上の場合はステップＳ３０の処理を実行し、閾値Ａ／Ｆ１より小さい場合はステップＳ４０の処理を実行する。本ステップで用いる閾値Ａ／Ｆ１は、その空燃比での運転が継続しても前記空燃比センサの大気側電極への酸素供給量が不足することのない空燃比、つまり空燃比センサ９の検出精度が低下しない空燃比である。この閾値Ａ／Ｆ１は、大気ダクト２５の容量や大気導入経路等といった空燃比センサ９の構造に応じて設定する。本実施形態では、後述する検出可能Ａ／Ｆを閾値Ａ／Ｆ１とする。

空燃比が閾値Ａ／Ｆ１以上の場合に実行するステップＳ３０では、ＥＣＵ１３は全域空燃比制御をそのまま継続する。

空燃比が閾値Ａ／Ｆ１より小さい場合には、ＥＣＵ１３はステップＳ４０でタイマを作動させ、ステップＳ５０で予め設定した所定時間が経過したか否かを判定する。

ここで、所定時間について説明する。

図６は、本発明の発明者によって見出された、排気ガスの空燃比と、空燃比センサ９による当該空燃比の計測可能時間との関係を示す図である。計測可能時間は、空燃比センサ９が空燃比を正確に検出できる時間である。

排気ガスの空燃比がリッチな場合には、空燃比センサ９は、上述したように大気ダクト２５の容量等の制約によって大気側電極２３への酸素供給量が不足すると、空燃比を正確に検出できなくなる。

空燃比の検出中に大気側電極２３への酸素供給量が不足することのないリッチ側の限界の空燃比を検出限界Ａ／Ｆとすると、検出限界Ａ／Ｆよりもリーン側の空燃比であれば、空燃比センサ９の計測可能時間は理論上無限大となる。

一方、空燃比が検出限界Ａ／Ｆよりリッチ側の場合でも、空燃比センサ９の検出精度がただちに低下するわけではない。例えば、空燃比が検出限界Ａ／Ｆよりリーン側からリッチ側へ変化する場合には、変化直後の大気ダクト２５には大気が充満しているので、大気側電極２３へ供給する酸素がただちに不足することはない。つまり、大気ダクト２５内にある空気で大気側電極２３への酸素供給を賄っている間は、空燃比センサ９は精度良く空燃比を検出できる。換言すると、排気ガスの空燃比が検出限界Ａ／Ｆよりリッチの場合には、リッチになるほど空燃比センサ９の計測可能時間は短くなる。

発明者は、上述した特性、すなわち、空燃比が検出限界Ａ／Ｆよりもリッチ側になった場合でも空燃比センサ９の検出精度がただちに低下するわけではなく、低下するまでの時間（計測可能時間）は空燃比に応じて定まるという特性を見出した。

そして、上記特性に基づいて、本実施形態では空燃比に応じて所定時間を設定することとし、空燃比Ａ／Ｆ２のときの計測可能時間ＳＴ１を、所定時間として設定する。このように所定時間ＳＴ１を設定すると、所定時間ＳＴ１の間は、空燃比Ａ／Ｆ２よりリーン側の空燃比を精度良く検出できる。所定時間ＳＴ１は、具体的には空燃比センサ９の構造や本実施形態を適用する車種に応じて設定するが、概ね数十秒から数分程度になる。

フローチャートの説明に戻る。

ＥＣＵ１３は、ステップＳ５０で所定時間ＳＴ１が経過していないと判定した場合にはステップＳ６０の処理を実行し、経過していると判定した場合にはステップＳ７０の処理を実行する。

ステップＳ６０で、ＥＣＵ１３は全域空燃比制御を継続する。これは、所定時間ＳＴ１経過前であれば、空燃比センサの計測可能時間内であるからである。

一方のステップＳ７０では、ＥＣＵ１３は全域空燃比制御を禁止して、目標空燃比に基づくオープンループ制御を実行する。これは、空燃比センサ９の検出精度が低下した状態で全域空燃比制御を実行すると、空燃比の制御精度が低下してしまうからである。

ステップＳ８０で、ＥＣＵ１３は空燃比Ａ／Ｆが閾値Ａ／Ｆ１以上に戻ったか否かを判定し、戻っている場合はステップＳ９０の処理を実行し、戻っていない場合はステップＳ５０の処理を実行する。

ステップＳ９０で、ＥＣＵ１３は全域空燃比制御の再開を決定し、ステップＳ３０の処理を実行する。なお、ステップＳ６０からステップＳ８０を経由してステップＳ９０に到達した場合は、そのまま全域空燃比制御の実行を決定することとなる。

上記のように、空燃比センサ９の構造上の制約によって、排気ガスの空燃比の検出精度が低下し得る状況になった場合には、空燃比センサ９が精度良く空燃比を検出できる所定時間は全域空燃比制御を継続する。そして、所定時間が経過したら全域空燃比制御を禁止してオープンループ制御に切り替える。また、オープンループ制御に切り替えた後、空燃比が閾値Ａ／Ｆ１以上になったら全域空燃比制御を再開する。

図７は、図５の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートの一例である。空燃比フィードバック制御のチャートにおいて、破線は本実施形態による制御を実行した場合を示し、実線は上述した従来技術による制御を実行した場合を示している。

タイミングＴ１より前は、空燃比センサ９が活性状態になっていないため、全域空燃比制御（空燃比フィードバック制御）は行われていない。

タイミングＴ１で空燃比センサ９が活性状態になると、全域空燃比制御が開始される。また、タイミングＴ１から車両が加速を開始したため、エンジン負荷は増大し、空燃比はリッチになる。空燃比がリッチになるのは、より高いトルクを発生させるために、目標空燃比がいわゆる出力空燃比または出力空燃比に近い値に切り替わったためである。

タイミングＴ２で目標空燃比が閾値Ａ／Ｆ１よりリッチになると、タイマを作動させた状態で全域空燃比制御を継続する。

タイマを作動させてから所定時間ＳＴ１が経過したタイミングＴ３になると、全域空燃比制御からオープンループ制御に切り替わっている。切り替わりの際、空燃比がステップ的に変化しているが、これは、オープンループ制御に切り替わったことで、燃料噴射弁等の部品の個体差による燃料噴射量のバラツキを吸収できなくなったからである。したがって、上記のバラツキの大きさ次第では、タイミングＴ３におけるステップ的な変化は生じない。

オープンループ制御に切り替わった後、タイミングＴ４で排気ガスの空燃比がＡ／Ｆ１を超えると、オープンループ制御から全域空燃比制御へ切り替わっている。

上記のように、本実施形態では、大気側電極２３への酸素供給量が不足して空燃比センサ９の検出精度が低下し得る空燃比、例えば出力空燃比またはこれに近い空燃比においても、所定時間は空燃比をフィードバック制御することが可能となる。その結果、同領域に入ったらただちにオープンループ制御に切り替える場合に比べて、出力、燃費、及び排気エミッションのすべての面で改善効果が得られる。

次に、本実施形態による作用効果についてまとめる。

本実施形態の空燃比制御装置は、酸素濃度に応じて出力電流値がリニアに変化する空燃比センサ９と、空燃比センサ９の検出値に基づいて空燃比をフィードバック制御し、空燃比が所定のリッチ空燃比以上の場合にフィードバック制御を禁止するＥＣＵ１３（空燃比フィードバック手段、禁止手段）とを備える。そして、空燃比制御装置は、空燃比が所定のリッチ空燃比以上になってから所定時間はフィードバック制御を許可する。ここで、所定のリッチ空燃比は、その空燃比での運転が継続すると空燃比センサの大気側電極への酸素供給量が不足する空燃比である。

これにより、例えば出力空燃比のようにリッチな目標空燃比が要求される場合のように、空燃比センサ９の構造上の制約により大気側電極２３への酸素供給量が不足して空燃比の検出精度が低下し得る状況においても、空燃比フィードバック制御を実行することができる。その結果、同状況でオープンループ制御を行う場合に比べて出力、燃費、及び排気エミッションの面で改善を図ることができる。

本実施形態では、空燃比フィードバック制御を禁止したら、所定空燃比を目標値とするオープンループ制御を実行する。これにより、空燃比センサ９の検出精度が低下した状態でも、実際の空燃比と目標空燃比との乖離を抑制できる。

本実施形態における所定時間は、空燃比センサの大気側電極への酸素供給量が不足して空燃比の検出精度が低下するまでの時間より短く設定される。これにより、検出精度の低い状態で検出した空燃比に基づいて空燃比フィードバック制御が実行されることを防止できる。

本実施形態では、内燃機関１はターボ式過給機１０を備え、空燃比センサ９は、タービン１０Ｂよりも上流側の排気通路３に設けられる。これにより、空燃比センサ９はミキシングが進む前の排気ガスの空燃比を検出することとなり、気筒判別が容易になる。その結果、気筒間での燃料噴射量等のバラツキに対応した空燃比制御が可能となる。

本実施形態では、空燃比センサ９は酸素イオンの移動を可能とする固体電解質層２１と、固体電解質層２１の排気側に設けられ、内燃機関１の排気通路３内に晒される排気側電極２２と、固体電解質層２１の大気側に設けられ、大気に晒される大気側電極２３と、排気側電極２２と大気側電極２３との間に電圧を印加する電圧印加手段２８と、を含んで構成される。これにより、空燃比センサ９は出力電流値が排気ガスの酸素濃度に応じてリニアに変化することとなるので、幅広い範囲で空燃比を検出することができる。

本実施形態における所定時間の長さは、空燃比に応じて設定される。これにより、空燃比毎に異なる計測可能時間に対応して適切な所定時間を設定することが可能となるので、空燃比フィードバック制御をより長い時間継続することができる。

なお、上記説明では、いわゆる大気導入型の空燃比センサ９を用いたが、素子２０内に設けた酸素ポンプ層で酸素を生成するタイプを用いる場合にも本実施形態は適用可能である。酸素ポンプ層を有するタイプの空燃比センサ９であっても、空燃比がリッチになった場合に酸素の生成が追い付かずに、大気側電極２３への酸素供給量が不足する事態が起こり得るからである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims (8)

1. 酸素濃度に応じて出力電流値がリニアに変化する空燃比センサと、
   前記空燃比センサの検出値に基づいて空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
   空燃比が所定のリッチ空燃比より小さい場合に前記フィードバック制御を禁止する禁止手段と、
   を備え、
   空燃比が前記所定のリッチ空燃比より小さくなってから所定時間は前記フィードバック制御を許可する空燃比制御装置。
2. 請求項１に記載の空燃比制御装置において、
   前記所定のリッチ空燃比は、その空燃比での運転が継続すると前記空燃比センサの大気側電極への酸素供給量が不足する空燃比である空燃比制御装置。
3. 請求項１または２に記載の空燃比制御装置において、
   前記空燃比フィードバック制御を禁止したら、所定空燃比を目標値とするオープンループ制御を実行する空燃比制御装置。
4. 請求項２に記載の空燃比制御装置において、
   前記所定時間は、前記空燃比センサの大気側電極への酸素供給量が不足することにより空燃比の検出精度が低下するまでの時間より短く設定されている空燃比制御装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の空燃比制御装置において、
   内燃機関はターボ式過給機を備え、
   前記空燃比センサは、前記ターボ式過給機のタービンよりも上流側の排気通路に設けられている空燃比制御装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の空燃比制御装置において、
   前記空燃比センサは、
   酸素イオンの移動を可能とする固体電解質層と、
   前記固体電解質層の排気側に設けられ、内燃機関の排気通路内に晒される排気側電極と、
   前記固体電解質層の大気側に設けられ、大気に晒される大気側電極と、
   前記排気側電極と前記大気側電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
   を含んで構成される空燃比制御装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の空燃比制御装置において、
   前記所定時間の長さを空燃比に応じて設定する空燃比制御装置。
8. 酸素濃度に応じて出力電流値がリニアに変化する空燃比センサの検出値に基づいて、内燃機関の排気ガスが所定空燃比になるように燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御を実行し、
   空燃比が所定のリッチ空燃比より小さい場合には、空燃比が前記所定のリッチ空燃比より小さくなってから所定時間は前記フィードバック制御を許可し、前記所定時間が経過したら前記フィードバック制御を禁止する空燃比制御方法。

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