KR101484113B1 - 내연 기관의 제어 장치 - Google Patents

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다카노리 사사키
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

센서 소자의 배기 가스측 전극을 촉매층으로 피복한 배기 가스 센서를 가지는 내연 기관의 제어 장치에 관한 것으로, 스토이키 근방의 센서 출력 벗어남을 유효하게 보정한다.
배기 가스측 전극(42)을 피복하는 촉매층(38)을 가지는 공연비 센서(22)를 구비하는 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 공연비 센서(22)의 센서 출력에 의거하여, 촉매층(38)의 산소 흡장능을 취득한다(단계(102)). 산소 흡장능이 소정치보다 높고, 또한, 센서 출력이 이론 공연비 근방의 소정 범위일 경우에, 센서 출력을 보정한다(단계(114)). 바람직하게는, 산소 흡장능은, 이론 공연비에 대한 센서 출력의 벗어남량(ΔA/F)과 그 체재 시간의 승산치를 적산함으로써 산출된다. 또한, 산소 흡장능에 의거하여, 보정 동작에 따른 보정기간을 설정한다.

Description

내연 기관의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 제어 장치에 관련된 것이며, 특히, 센서 소자의 배기 가스측 전극을 촉매층으로 피복한 배기 가스 센서를 가지는 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이다.
종래, 예를 들면, 일본 공개특허 특개평11-247687호 공보에 개시된 바와 같이, 센서 소자의 배기 가스측 전극을 촉매층으로 피복한 O2 센서를 구비하는 공연비(空燃比) 제어 장치가 제안되어 있다. 이 공연비 제어 장치에서는, O2 센서의 센서 소자의 표면에 배기 가스측 전극이 형성됨과 함께, 이 배기 가스측 전극이, 수소를 촉매 반응에 의해 제거하는 촉매층에 의해 피복되어 있다.
촉매층이 없는 O2 센서에서는, 산소(O2) 및 수소(H2)가 배기 가스측 전극에 있어서 산화 반응이 생긴다. 이 때, O2 보다 가스 확산 속도가 빠른 H2는, O2 보다 많이 확산한다. 이 때문에, 배기 가스 성분은 스토이키이더라도, 전극 근방에서는 H2 리치(rich)가 되어버린다. 이러한 경우에 있어서는, O2 센서의 출력은, 배기 가스의 성분이 스토이키보다 린(lean)이 되지 않으면 급변하지 않기 때문에, 공기 정화율과 센서 출력의 관계가 린 측으로 시프트되어 버린다.
이 점으로, 상술한 촉매층을 구비하는 O2 센서에서는, 촉매층에서 O2와 H2가 반응하여 평형 가스로서 배기 가스측 전극에 도달하기 때문에, 센서 출력이 린 측으로 시프트하는 사태를 억제할 수 있다.
일본 공개특허 특개평11-247687호 공보 일본 공개특허 특개2009-180669호 공보
그런데, 촉매층을 설치한 한계 전류식의 배기 가스 센서는, 검출 정밀도가 매우 높고, 또한, 엔진 제어시의 로버스트성이 높기 때문에, 정밀한 공연비 제어를 행할 수 있다. 그러나, 한편으로, 센서 출력이 이론 공연비(스토이키)를 걸쳐 린으로부터 리치로, 혹은 리치로부터 린으로 이행할 경우에, 센서 출력이 이론 공연비 근방에서 정체해 버리는 현상이 일어날 경우가 있다. 이것은, 촉매층에 포함되는 세리아 등의 OSC재가 린 분위기 하에서 산소를 흡장하여 리치 분위기 하에서 방출되는 현상이나, 촉매층에 포함되는 귀금속이 린 분위기 하에서 산화하여 리치 분위기 하에서 환원되는 현상에 기인하는 것이다. 따라서, 이와 같은 센서 출력에 의거하여 공연비 제어를 실행하기로 하면, 이미션이나 OBD로의 악영향을 미칠 우려가 있다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 센서 소자의 배기 가스측 전극을 촉매층으로 피복한 배기 가스 센서에 있어서의 이론 공연비 근방의 출력 벗어남을 유효하게 보정할 수 있는 내연 기관의 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제 1 발명은, 상기의 목적을 달성하기 위해, 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
내연 기관의 배기 통로에 배치되어, 일방(一方)의 측면에 대기측 전극이 형성됨과 함께, 타방(他方)의 측면에 배기 가스측 전극이 형성된 고체 전해질로 이루어지는 센서 소자와, 상기 배기 가스측 전극을 피복하는 촉매층을 가지는 배기 가스 센서와,
상기 배기 가스 센서의 센서 출력에 의거하여, 상기 촉매층에 의한 산소의 흡장 또는 방출의 능력을 나타내는 산소 흡장능을 취득하는 산소 흡장능 취득 수단과,
상기 산소 흡장능이 소정치보다 높고, 또한 상기 센서 출력이 이론 공연비 근방의 소정 범위일 경우에, 상기 센서 출력을 보정하는 보정 동작을 실행하는 보정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
제 2 발명은, 제 1 발명에 있어서,
상기 산소 흡장능 취득 수단은, 이론 공연비에 대한 상기 센서 출력의 벗어남량과 그 체재 시간의 승산치(乘算値)를 적산한 값을, 상기 산소 흡장능으로서 취득하는 것을 특징으로 하고 있다.
제 3 발명은, 제 1 또는 제 2 발명에 있어서,
상기 센서 출력의 변화 속도를 취득하는 센서 출력 변화 속도 취득 수단을 더 구비하고,
상기 보정 수단은, 상기 산소 흡장능이 소정치보다 높고, 상기 센서 출력이 이론 공연비 근방의 소정 범위이며, 또한 상기 센서 출력 변화 속도가 소정치보다 작은 경우에, 상기 보정 동작을 실행하는 것을 특징으로 하고 있다.
제 4 발명은, 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 발명에 있어서,
상기 산소 흡장능에 따라, 상기 보정 동작에 따른 보정기간을 설정하는 설정 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
제 5 발명은, 제 1 내지 제 4 중 어느 하나의 발명에 있어서,
상기 센서 소자를 소정의 활성 온도로 가열하기 위한 히터와,
상기 보정 동작을 실행하는 경우에는, 상기 센서 소자가 상기 소정의 활성 온도보다 높은 온도가 되도록, 상기 히터를 제어하는 가열 제어 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
제 6 발명은, 제 1 내지 제 5 중 어느 하나의 발명에 있어서,
상기 산소 흡장능에 따라, 상기 보정 동작에 따른 보정기간을 설정하는 설정 수단과,
상기 보정 동작을 개시하고 나서 상기 센서 출력이 실(實) 공연비 변화를 추종할 때까지의 출력 정체기간을 취득하는 출력 정체기간 취득 수단과,
상기 보정기간이 상기 출력 정체기간보다 길 경우에, 상기 배기 가스 센서에 있어서의 상기 촉매층의 열화를 판정하는 열화 판정 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
제 1 발명에 의하면, 센서 출력에 의거하여 산출된 촉매층의 산소 흡장능이 소정치보다 높고, 또한 센서 출력이 스토이키 근방의 소정 범위일 경우에, 센서 출력이 보정된다. 이 때문에, 본 발명에 의하면, 센서 출력이 정체되기 시작하는 시기를 유효하게 특정하여 보정 동작을 실행할 수 있으므로, 출력 벗어남이 발생하고 있는 센서 출력이 사용되는 사태를 유효하게 억제할 수 있다.
제 2 발명에 의하면, 산소 흡장능은, 이론 공연비에 대한 센서 출력의 벗어남량과 그 체재 시간의 승산치의 총합으로서 산출된다. 이 때문에, 본 발명에 의하면, 촉매층에 의한 산소의 흡장 또는 방출의 능력이 유효하게 반영된 값을 산소 흡장능으로서 산출할 수 있다.
제 3 발명에 의하면, 센서 출력에 의거하여 산출된 촉매층의 산소 흡장능이 소정치보다 높고, 또한, 센서 출력이 스토이키 근방의 소정 범위일 경우에 더해, 센서 출력의 변화 속도가 소정치보다 더 작아진 경우에 센서 출력이 보정된다. 이 때문에, 본 발명에 의하면, 센서 출력이 정체되기 시작하는 시기를 더욱 고정밀도로 특정할 수 있다.
제 4 발명에 의하면, 촉매층의 산소 흡장능에 따라, 보정 동작에 따른 보정기간이 설정된다. 산소 흡장능이 클수록 센서 출력의 정체기간이 길어지는 경향이 있다. 이 때문에, 본 발명에 의하면, 산소 흡장능에 의거하여, 센서 출력의 보정 동작의 종료 시기를 유효하게 판단할 수 있다.
제 5 발명에 의하면, 배기 가스 센서의 센서 출력의 보정을 실행하는 경우에, 당해 배기 가스 센서 소자가 소정의 활성 온도보다 높은 온도로 가열된다. 이 때문에, 본 발명에 의하면, 배기 가스 센서의 센서 출력 보정시에 센서 활성을 향상시킬 수 있으므로, 출력 정체를 빠른 시기에 회복시킬 수 있다.
제 6 발명에 의하면, 촉매층의 산소 흡장능으로부터 설정된 보정 동작에 따른 보정기간이, 센서 출력이 스토이키 근방에서 정체된 실제의 기간보다 길 경우에는, 실제의 산소 흡장능이 산출된 값보다 낮다는 것을 의미하고 있다. 이 때문에, 본 발명에 의하면, 보정 동작에 따른 보정기간과 출력 정체기간의 관계에 의거하여, 당해 배기 가스 센서의 열화를 유효하게 판정할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시형태 1의 하드웨어 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 실시형태 1에 있어서 이용되는 공연비 센서의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 촉매층을 구비하는 공연비 센서와 촉매층을 구비하고 있지 않은 공연비 센서의 센서 출력을 비교한 도면이다.
도 4는, 센서 출력의 보정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 실시형태 1에 있어서 실행되는 루틴의 플로우 차트이다.
도 6은, ΔA/F× 체재 시간의 적산치(積算値)에 대한 산소 흡장능의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은, 본 발명의 실시형태 2에 있어서 실행되는 루틴(routine)의 플로우 차트이다.
도 8은, 본 발명의 실시형태 3에 있어서 실행되는 루틴의 플로우 차트이다.
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 각도에 있어서 공통되는 요소에는, 동일한 부호를 붙여 중복하는 설명을 생략한다. 또한, 이하의 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시형태 1.
[실시형태 1의 구성]
도 1은, 본 발명의 실시형태 1의 하드웨어 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 시스템은 내연 기관(10)을 구비하고 있다. 내연 기관(10)에는, 흡기 통로(12) 및 배기 통로(14)가 연통하고 있다. 흡기 통로(12)에는, 흡입 공기량(Ga)을 검출하는 에어플로 미터(airflow meter)(16)가 배치되어 있다. 또한, 내연 기관(10)의 각 기통(氣筒)에는, 흡기 포트 내에 연료를 분사하기 위한 인젝터(18)가 배치되어 있다.
내연 기관(10)의 배기 통로(14)에는, 배기 정화 촉매(이하, 단순히 「촉매」라고도 칭함)(20)가 배치되어 있다. 촉매(20)는 삼원 촉매이며, 배기 가스 중의 유해 성분인 CO, HC(탄화 수소) 및 NOX를, 이론 공연비 근방에서 동시에 제거하는 것이다.
배기 통로(14)에는, 촉매(20)의 상류에, 촉매부의 공연비 센서(A/F 센서)(22)가 배치되어 있다. 공연비 센서(22)는, 배기 가스 중의 산소 농도를 리니어로 검출하는 센서이며, 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중의 산소 농도에 의거하여 내연 기관(10)에서 연소에 첨부된 혼합기의 공연비를 검출하는 것이다. 공연비 센서(22)의 구성에 대해서는, 상세를 후술한다.
본 실시형태의 장치는, ECU(Electronic Control Unit)(30)를 구비하고 있다. ECU(30)에는, 상술한 공연비 센서(22) 등의 각종 센서 및 인젝터(18) 등이 접속되어 있다. ECU(30)는, 그들의 센서 출력에 의거하여 내연 기관(10)의 운전 상태를 제어한다.
[공연비 센서의 구성]
도 2는, 본 발명의 실시형태 1에 있어서 이용되는 공연비 센서(22)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 나타낸 공연비 센서(22)는, 상술한 바와 같이, 내연 기관(10)의 배기 통로(14)에 배치되며, 내연 기관(10)으로부터 배기되는 배기 가스의 공연비를, 촉매(20)의 상류측에 있어서 검출하기 위해 이용되는 센서이다. 공연비 센서(22)는, 커버(32)를 구비하고 있고, 이 커버(32)가 배기 가스에 노출되도록 배기 통로(14)에 장착된다.
커버(32)에는, 그 내부에 배기 가스를 유도하기 위한 구멍(도시 생략)이 설치되어 있다. 커버(32)의 내부에는, 센서 소자(34)가 배치되어 있다. 센서 소자(34)는, 일단(一端)(도 2에 있어서의 하단(下端))이 닫혀진 관 형상의 구조를 가지고 있다. 관 형상 구조의 외측 표면은, 확산 저항층(36)으로 덮여 있다. 확산 저항층(36)은, 알루미나 등의 내열성의 다공질 물질이며, 센서 소자(34)의 표면 부근에 있어서의 배기 가스의 확산 속도를 다루는 기능을 가지고 있다.
확산 저항층(36)의 외측 표면은, 촉매층(38)으로 덮여 있다. 촉매층(38)은, 알루미나 등의 기재에 백금 로듐 등의 촉매 금속을 담지한 것이다. 또한, 촉매층(38)은, 당해 촉매층(38)을 보호하기 위한 보호층(40)으로 덮여 있다. 보호층(40)은, 알루미나 등의 내열성의 다공질 물질로 구성되어 있다.
확산 저항층(36)의 내측에는 배기 가스측 전극(42), 고체 전해질층(44) 및 대기측 전극(46)이 설치되어 있다. 배기 가스측 전극(42) 및 대기측 전극(46)은, Pt와 같이 촉매 작용이 높은 귀금속으로 구성된 전극이며, 각각 후술하는 제어 회로와 전기적으로 접속되어 있다. 고체 전해질층(44)은, ZrO2 등을 포함하는 소결체이며, 산소 이온을 전도시키는 특성을 가지고 있다.
센서 소자(34)의 내측에는, 대기에 개방된 대기실(48)이 형성되어 있다. 대기실(48)에는, 센서 소자(34)를 가열하기 위한 히터(50)가 배치되어 있다. 센서 소자(34)는, 400℃ 정도의 활성 온도에 있어서 안정된 출력 특성을 나타낸다. 히터(50)는, 제어 회로와 전기적으로 접속되어 있고, 센서 소자(34)를 적당한 온도로 가열 유지할 수 있다.
[실시형태 1의 동작]
본 실시형태 1의 내연 기관(10)에서는, 공연비의 피드백 제어가 행해진다. 보다 구체적으로는, 공연비 센서(22)의 출력 신호에 의거하여, 실제의 공연비가 목표 공연비에 일치하도록 인젝터(18)로부터 분사되는 연료 분사량을 제어하는 메인 피드백 제어가 행해진다. 메인 피드백 제어가 정상으로 행해져 있으면, 실 공연비를 항상 목표 공연비 근방에 제어할 수 있어, 이미션의 악화를 효과적으로 억제할 수 있다.
여기에서, 촉매층이 없는 공연비 센서에서는, 산소(O2) 및 수소(H2)가 확산 저항층 내를 확산하여, 배기 가스측 전극에 있어서 산화 반응이 생긴다. 이 때, 산소보다 가스 확산 속도가 빠른 수소는, 산소보다 많이 확산한다. 이 때문에, 배기 가스 성분은 스토이키이더라도, 당해 배기 가스측 전극 근방에서는 수소 리치가 되어버린다. 이러한 경우에 있어서는, 공연비 센서의 출력이 리치 출력측으로 벗어나버리기 때문에, 결과적으로 공연비가 리치측으로 벗어나버린다.
이 점으로, 상술한 촉매층(38)을 구비하는 공연비 센서(22)에서는, 촉매층(38)에서 산소와 수소가 반응하여 평형 가스로서 배기 가스측 전극(42)에 도달한다. 이 때문에, 센서 출력이 잘못하여 리치 출력측으로 벗어나는 사태를 효과적으로 억제할 수 있다.
그러나, 촉매층(38)을 구비하는 공연비 센서(22)에서는, 이론 공연비(스토이키)근방의 센서 출력에 있어서 잠재적인 과제를 가지고 있다. 도 3은, 촉매층을 구비하는 공연비 센서와, 촉매층을 구비하고 있지 않은 공연비 센서의 센서 출력을 비교한 도면이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 촉매층을 구비하는 공연비 센서에서는, 센서 출력이 이론 공연비(스토이키)를 걸쳐 린으로부터 리치로 이행할 경우에, 센서 출력이 이론 공연비 근방에서 일시적으로 정체되어 있다. 이것은, 촉매층(38)에 포함되는 세리아 등의 OSC재가 린 분위기 하에서 산소를 흡장하여 리치 분위기 하에서 방출되는 것이나, 린 분위기 하에서 산화된 귀금속이 리치 분위기 하에서 환원되기 때문이며, 이 센서 출력에 의거하여 공연비 제어를 실행하기로 하면, 이미션이나 OBD로의 악영향을 미칠 우려가 있다.
그래서, 본 실시형태의 시스템에서는, 스토이키 근방에 있어서 센서 출력이 정체할 경우에 당해 센서 출력을 보정하는 것이다. 도 4는, 센서 출력의 보정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 이하의 설명에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 센서 출력이 린으로부터 리치로 스토이키를 걸쳐 이행할 경우를 예로 들어 설명하였으나, 센서 출력이 리치로부터 린으로 스토이키를 걸쳐 이행할 경우에는, 이하의 설명에 있어서의 리치와 린을 교체한 제어를 실행하면 된다.
스토이키 근방에 있어서의 센서 출력의 정체를 보정하기 위해서는, 먼저, 센서 출력이 정체되기 시작하는 시기를 특정할 필요가 있다. 상술한 바와 같이, 스토이 근방의 센서 출력의 정체는, 촉매층(38)이 산소를 흡장하고 있는 경우, 바꿔 말하면 촉매층(38)의 귀금속이 산화하고 있는 경우에 발생한다. 이 귀금속의 산화 정도는 촉매층(38)이 노출된 분위기의 린 정도 및 그 체재 시간이 영향을 준다. 그래서, 본 실시형태의 시스템에서는, 촉매층(38)의 산소 흡장정도(리치 분위기의 경우에는 산소 방출 정도)를 나타내는 양으로서, 이론 공연비로부터의 센서 출력의 벗어남량(ΔA/F)과 그 체재 시간의 승산치를 적산한 값을 산소 흡장능으로서 규정하고, 당해 산소 흡장능을 센서 출력의 정체가 발생할 것인지의 여부의 지표로서 사용하기로 한다. 구체적으로는, 예를 들면, 촉매층(38)의 산소 흡장능이 소정치 이상의 상태에서 센서 출력이 린으로부터 스토이키 근방으로 변화하였을 때를, 센서 출력이 정체되기 시작하는 시기로서 특정할 수 있다.
또한, 센서 출력의 정체 개시 시기를 특정할 때에는, 상기 산소 흡장능에 의한 판정에 더해, 센서 출력(Otn)의 출력 변화 속도가 소정치보다 작아진 것인지의 여부를 더 판정하기로 해도 된다. 또한, 상기 판정에 있어서, 출력 변화 속도의 상관치인 센서 출력(Otn)의 소정 기간의 출력 변화량(ΔOtn)(＝Otn-Otn-1)이나 출력 변화량(ΔOtn)의 변화 비율(＝ΔOtn/ΔOtn-1)을 판정에 이용하기로 해도 된다. 이것에 의해, 센서 출력의 정체 개시 시기를 더욱 정밀도 좋게 특정할 수 있다.
센서 출력의 정체 개시 시기를 특정한 후에는, 센서 출력(Otn)의 보정이 실행된다. 이 보정 방법으로서는, 예를 들면, 센서 출력의 정체 개시 시기까지의 센서 출력에 의거하여, 실 공연비 변화를 동정(同定)하고, 이것을 동정 출력(Ptn)으로서 사용할 수 있다.
상기 보정 동작의 실행 중에 있어서, 센서 출력이 반전된 경우(즉, 리치 방향으로 변화하기 시작한 경우)나, 출력 변화량(ΔOtn)이 소정치보다 커진 경우에는, 센서 출력의 정체가 종료하였다고 판단할 수 있다. 그래서, 보정 동작의 실행 중에 이와 같은 센서 출력을 검출한 경우에는 보정 동작을 종료하고, 동정 출력(Ptn)으로부터 센서 출력(Otn)으로 전환하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 불필요한 보정이 계속되는 것을 유효하게 회피할 수 있다. 이와 같이, 본 실시형태 1의 시스템에 의하면, 스토이키 근방에서의 센서 출력의 정체를 유효하게 보정할 수 있다.
[실시형태 1에 있어서의 구체적 처리]
다음으로, 도 5를 참조하여, 본 실시형태 1의 구체적 처리에 대하여 설명한다. 도 5는, 본 실시형태 1에 있어서, ECU(30)가 실행하는 루틴의 플로우 차트이다. 도 5에 나타낸 루틴에서는, 먼저, 공연비 센서(22)의 센서 출력(Otn)(공연비)이 취득된다(단계(100)). 다음으로, 촉매층(38)의 산소 흡장능이 산출된다(단계(102)). 여기에서는, 구체적으로는, 린 혹은 리치 공연비의 기간 중에 있어서, 센서 출력(Otn)의 이론 공연비로부터의 벗어남량(ΔA/F)과 그 체재 시간의 승산치가 적산되어, 이 적산치가 산소 흡장능으로서 산출된다.
다음으로, 산소 흡장능이 소정치 이상인지의 여부가 판정된다(단계(104)). 소정치는, 스토이키 근방에 있어서 센서 출력의 정체가 일어날 정도로 촉매층(38)에 산소가 흡장된 것을 나타내는 값으로서, 미리 설정된 값이 사용된다. 그 결과, 산소 흡장능≥소정치의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 가령 센서 출력이 스토이키 근방이 되었다고 하더라도 센서 출력의 정체는 발생하지 않는다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 센서 출력(Otn)이 공연 비율 제어에 사용된다(단계(106)).
한편, 상기 단계(104)에 있어서, 산소 흡장능≥소정치의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력의 정체가 발생할 정도로 촉매층(38)에 산소가 흡장되어 있다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 센서 출력의 소정 기간의 출력 변화량(ΔOtn)(＝Otn-Otn-1)이 산출된다(단계(108)).
다음으로, 출력 변화량(ΔOtn)의 변화 비율을 나타낸 (ΔOtn/ΔOtn-1)이 소정치(K) 보다 작은지의 여부가 판정된다(단계(110)). 출력 변화량(ΔOtn)의 변화 비율이 작은 경우에는, 센서 출력(Otn)의 변화가 완만해진 것을 나타내고 있다. 여기에서는, 구체적으로는, (ΔOtn/ΔOtn-1)과 소정치(K)의 대소 관계가 비교된다. 그 결과, (ΔOtn/ΔOtn-1)＜K의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 센서 출력의 변화가 아직 완만해져 있지 않다고 판단되어, 상기 단계(106)로 이행하고, 계속하여 센서 출력(Otn)이 공연 비율 제어에 사용된다.
한편, 상기 단계(110)에 있어서, (ΔOtn/ΔOtn-1)＜K의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력의 변화가 완만해져 있다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 센서 출력(Otn)이 스토이키 근방의 공연비인지의 여부가 판정된다(단계(112)). 그 결과, 14.5＜Otn＜14.7의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 센서 출력의 정체가 발생할 공연비 영역은 아니라고 판단되어, 상기 단계(106)로 이행하고, 계속하여 센서 출력(Otn)이 공연비 제어에 사용된다.
한편, 상기 단계(112)에 있어서, 14.5＜Otn＜14.7의 성립이 인정된 경우에는, 스토이키 근방에 있어서의 센서 출력의 정체가 발생한다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 센서 출력(Otn)이 동정 출력(Ptn)으로 보정된다(단계(114)). 여기에서는, 구체적으로는, 당해 출력 보정을 실행하기 직전까지의 센서 출력으로부터 스토이키 근방에서의 실 공연비 변화를 동정하고, 이것에 대응하는 출력이 동정 출력(Ptn)으로서 산출된다.
다음으로, 센서 출력이 리치측으로의 변화로부터 린측으로의 변화로 바뀌었는지의 여부가 판정된다(단계(116)). 여기에서는, 구체적으로는, ΔOtn/ΔOtn-1＜0의 성립이 판정된다. 그 결과, ΔOtn/ΔOtn-1＜0의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력이 린을 향해 변화하기 시작한 것을 의미하고 있으므로, 센서 출력의 보정을 종료해야 한다고 판단된다. 이 경우, 상기 단계(106)로 이행하고, 동정 출력(Ptn)을 바꾸어 다시 센서 출력(Otn)이 공연비 제어에 사용된다.
한편, 상기 단계(116)에 있어서, ΔOtn/ΔOtn-1＜0의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 다음 단계로 이행하고, 출력 변화량(ΔOtn)이 소정치(K2)보다 큰지의 여부가 판정된다(단계(118)). 소정치(K2)는, 센서 출력의 정체가 해소된 것을 나타내는 값으로서, 미리 설정된 값이 사용된다. 그 결과, ΔOtn＞K2의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력의 변화가 개시되었다고 판단되어, 상기 단계(106)로 이행하고, 동정 출력(Ptn)을 바꾸어 다시 센서 출력(Otn)이 공연비 제어에 사용된다. 한편, 상기 단계(118)에 있어서, ΔOtn＞K2의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 아직도 센서 출력이 정체되어 있다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 동정 출력(Ptn)이 보정된 공연비로서 공연비 제어에 사용된다(단계(120)).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태 1의 시스템에 의하면, 센서 출력(Otn)이 스토이키 근방에서 정체된 경우에, 동정 출력(Ptn)을 이용하여 센서 출력을 유효하게 보정할 수 있다.
그런데, 상술한 실시형태 1에 있어서는, 산소 흡장능이 소정치 이상이며, 센서 출력이 스토이키 근방이고, 또한 출력 변화량(ΔOtn)의 변화 비율(ΔOtn/ΔOtn-1)이 소정치(K)보다 작을 경우에, 센서 출력을 보정하기로 하였으나, 산소 흡장능의 조건이 있으면, 출력 변화량(ΔOtn)의 변화 비율의 조건은 없어도 된다. 또한, 출력 변화량(ΔOtn)의 변화 비율(ΔOtn/ΔOtn-1)을 바꾸어, 출력 변화 속도를 센서 출력(Otn)의 변화가 완만해진 것을 나타내는 지표로서 이용하기로 해도 된다.
또한, 상술한 실시형태 1에 있어서는, ECU(30)가, 상기 단계(102)의 처리를 실행함으로써 상기 제 1 발명에 있어서의 「산소 흡장능 취득 수단」이, 상기 단계(114)의 처리를 실행함으로써 상기 제 1 발명에 있어서의 「보정 수단」이, 각각 실현되어 있다.
또한, 상술한 실시형태 1에 있어서는, ECU(30)가, 상기 단계(108)의 처리를 실행함으로써 상기 제 3 발명에 있어서의 「센서 출력 변화 속도 취득 수단」이, 상기 단계(114)의 처리를 실행함으로써 상기 제 3 발명에 있어서의 「보정 수단」이, 각각 실현되어 있다.
실시형태 2.
[실시형태 2의 특징]
다음으로, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시형태 2에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 시스템은, 도 1에 나타낸 하드웨어 구성을 이용하여, ECU(30)에 후술하는 도 7에 나타낸 루틴을 실행시킴으로써 실현할 수 있다.
본 실시형태 2에서는, 센서 출력의 보정을 실행하는 보정기간을 산소 흡장능에 따라 설정한다는 점에 특징이 있다. 즉, 실시형태 1에 있어서 싱술한 바와 같이, 산소 흡장능은, 배기 분위기(공연비)와 그 체재시간에 의해 변화한다. 도 6은, ΔA/F× 체재시간의 적산치에 대한 산소 흡장능의 관계를 나타낸 도면이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 촉매층(38)이 산소로 포화될 때까지는, 산소 흡장능이 ΔA/F× 체재시간의 적산치에 대략 비례하여 증가하고 있다. 여기에서, 스토이키 근방에서의 센서 출력의 정체는, 린 분위기 하에서 촉매층(38)에 흡장된 산소가 배기 가스와 반응함으로써 생기는 출력 특성이다. 이 때문에, 도 6에 나타낸 바와 같이, 센서 출력의 출력 정체 시간은, 촉매층(38)의 산소 흡장능과 동일하게, 촉매층(38)이 산소로 포화될 때까지는 ΔA/F× 체재시간의 적산치에 대략 비례하여 증가하고 있다.
그래서, 본 실시형태 2의 시스템에서는, 이 도 6에 나타낸 경향을 이용하여, ΔA/F× 체재시간의 적산치가 클수록, 바꿔 말하면 산소 흡장능이 높을수록 장기간 이 되도록 보정기간을 설정하기로 한다. 이것에 의해, 보정의 종료시기를 적절하게 설정할 수 있으므로, 불필요한 보정이 계속되는 사태를 유효하게 회피할 수 있다.
[실시형태 2에 있어서의 구체적 처리]
다음으로, 도 7을 참조하여, 본 실시형태 2의 구체적 처리에 대하여 설명한다. 도 7은, 본 실시형태 2에 있어서, ECU(30)가 실행하는 루틴의 플로우 차트이다. 도 7에 나타낸 루틴에 있어서의 단계(200∼214)에서는, 상기 단계(100∼114)와 동일한 처리가 실행된다. 단계(214)에 있어서 센서 출력이 동정 출력(Ptn)으로 보정되면, 다음으로, 센서 출력(Otn)이 동정 출력(Ptn)을 추종하였는지의 여부가 판정된다(단계(216)). 여기에서는, 구체적으로는, 동정 출력(Ptn)으로부터 센서 출력(Otn)을 뺀 값이 0(제로)보다 작은지의 여부가 판정된다. 그 결과, Ptn-Otn＜0의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력(Otn)이 동정 출력(Ptn)을 추종하였다고 판단되어, 상기 단계(206)로 이행하고, 센서 출력(Otn)이 진정한 공연비로서 사용된다.
한편, 상기 단계(216)에 있어서, Ptn-Otn＜0의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 아직 센서 출력(Otn)이 동정 출력(Ptn)을 추종하고 있지 않다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 센서 출력이 리치측으로의 변화로부터 린측으로의 변화로 바뀌었는지의 여부가 판정된다(단계(218)). 여기에서는, 구체적으로는, 상기 단계(116)와 동일한 처리가 실행된다. 그 결과, ΔOtn/ΔOtn-1＜0의 성립이 인정된 경우에는, 스토이키 근방에서 센서 출력이 린을 향하여 변화하기 시작한 것을 의미하고 있으므로, 센서 출력의 보정을 종료해야 한다고 판단되어, 상기 단계(206)로 이행하고, 동정 출력(Ptn)을 바꾸어 센서 출력(Otn)이 진정한 공연비로서 사용된다.
한편, 상기 단계(218)에 있어서, ΔOtn/ΔOtn-1＜0의 성립이 인정되지 않은경우에는, 다음 단계로 이행하고, 보정기간이 출력 정체 시간(T)을 초과하였는지의 여부가 판정된다(단계(220)). 여기에서는, 구체적으로는, 먼저, 상기 단계(202)에 있어서 산출된 산소 흡장능에 의거하여, 출력 정체 시간(T)이 설정된다. 보다 구체적으로는, 도 6에 나타낸 관계에 따라, 산소 흡장능이 높을수록 출력 정체 시간(T)이 큰 값으로 설정된다. 이어서, 상기 단계(214)에 있어서의 센서 출력의 보정 동작이 개시되고 나서의 보정기간이 출력 정체 시간(T)을 초과하였는지의 여부가 판정된다. 그 결과, 보정기간＞출력 정체 시간(T)의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력의 정체가 종료하였다고 판단되어, 상기 단계(206)로 이행하고, 동정 출력(Ptn)을 바꾸어 센서 출력(Otn)이 진정한 공연비로서 사용된다. 한편, 상기 단계(220)에 있어서, 보정기간＞출력 정체 시간(T)의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 아직 센서 출력이 스토이키 근방에 있어서 정체되어 있다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 동정 출력(Ptn)이 보정된 공연비로서 사용된다(단계(222)).
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태 2의 시스템에 의하면, 산소 흡장능에 의거하여 출력 정체 시간(T)이 설정되므로, 센서 출력의 정체 시간을 정밀도 좋게 파악하여 센서 출력의 보정 종료 시기를 적절하게 판단할 수 있다.
그런데, 상술한 실시형태 2에 있어서는, 산소 흡장능에 의거하여 출력 정체 시간(T)을 설정하기로 하였으나, 실제의 출력 정체 시간은, 센서 출력이 정체되어 있는 동안의 공연비가 스토이키로부터 벗어나 있을수록 단기간이 된다. 그래서, 예를 들면, 출력이 정체되어 있는 동안의 공연비의 스토이키로부터의 벗어남량을, 출력 정체 시간(T)을 설정할 때의 파라미터로서 가함으로써, 출력 정체 시간을 더욱 정밀도 좋게 설정할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 2에 있어서는, 배기 가스의 공연비가 린으로부터 스토이키를 걸쳐 리치로 변화한 경우를 예를 들어 설명하였으나, 이것과는 반대로 공연비가 리치로부터 스토이키를 걸쳐 린으로 변화한 경우에는, 상기 설명에 있어서의 린과 리치를 치환함으로써, 동일하게 실행할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 2에 있어서는, 보정 동작을 실행하는 기간 동안의 센서 소자(34)의 목표 온도를, 통상의 목표 온도보다 높게 올리기로 해도 된다. 즉, 상술한 바와 같이, 스토이키 근방에서의 센서 출력의 정체는, 린 분위기 하에서 촉매층(38)에 흡장된 산소가 배기 가스와 반응함으로써 생기는 출력 특성이다. 이 때문에, 관련된 센서 출력의 정체기간에 센서 소자(34)의 목표 온도를 높게 올려 센서 활성을 향상시키기로 하면, 촉매층(38)에 있어서의 산소 흡장능(환원능)을 유효하게 높일 수 있으므로, 센서 출력의 정체로부터 빠른 시기에 회복시키는 것이 가능하다. 또한, 당해 제어를 실행할 경우에는, 센서 소자(34)의 목표 온도를 높게 올리는 것에 따른 출력 정체 시간의 단축분을 고려하여, 출력 정체 시간(T)을 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 실시형태 2에 있어서는, ECU(30)가, 상기 단계(202)의 처리를 실행함으로써 상기 제 1 발명에 있어서의 「산소 흡장능 취득 수단」이, 상기 단계(214)의 처리를 실행함으로써 상기 제 1 발명에 있어서의 「보정 수단」이, 각각 실현되어 있다.
또한, 상술한 실시형태 2에 있어서는, ECU(30)가, 상기 단계(208)의 처리를 실행함으로써 상기 제 3 발명에 있어서의 「센서 출력 변화 속도 취득 수단」이, 상기 단계(214)의 처리를 실행함으로써 상기 제 3 발명에 있어서의 「보정 수단」이, 각각 실현되어 있다.
또한, 상술한 실시형태 2에 있어서는, ECU(30)가, 상기 단계(220)의 처리를 실행함으로써 상기 제 4 발명에 있어서의 「설정 수단」이 실현되어 있다.
또한, 상술한 실시형태 2에 있어서는, ECU(30)가, 상기 단계(214)의 처리를 실행함으로써 상기 제 4 발명에 있어서의 「가열 제어 수단」이 실현되어 있다.
실시형태 3.
[실시형태 3의 특징]
다음으로, 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시형태 3에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 시스템은, 도 1에 나타낸 하드웨어 구성을 이용하여, ECU(30)에 후술하는 도 8에 나타낸 루틴을 실행시킴으로써 실현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 스토이키 근방에서의 센서 출력의 정체는, 린 분위기 하에서 촉매층(38)에 흡장된 산소가 배기 가스와 반응함으로써 생기는 출력 특성이다. 이 때문에, 산출된 산소 흡장능에 의거하여 설정된 출력 정체 기간(T)과 실제의 출력 정체 기간에 차이가 생긴 경우에는, 촉매층(38)의 열화가 진행되고 있을 가능성이 높다.
그래서, 본 실시형태 3에서는, 산출된 출력 정체 시간(T)과 실제의 출력 정체 시간을 비교함으로써, 촉매층(38)의 열화 유무를 판정하기로 한다. 이하, 플로우 차트에 따라, 공연비 센서(22)의 촉매층(38)의 열화 유무를 판정하는 구체적 처리에 대하여 설명한다.
[실시형태 3에 있어서의 구체적 처리]
도 8은, 본 실시형태 3에 있어서, ECU(30)가 실행하는 루틴의 플로우 차트이다. 도 8에 나타낸 루틴에서는, 먼저, 공연비 센서(22)의 센서 출력(Otn)(공연비)이 취득된다(단계(300)). 다음으로, 촉매층(38)의 산소 흡장능이 산출된다(단계(302)). 다음으로, 산소 흡장능이 소정치 이상인지의 여부가 판정된다(단계(304)). 여기에서는, 구체적으로는, 상기 단계(100∼104)와 동일한 처리가 실행된다. 그 결과, 산소 흡장능≥소정치의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 만약 센서 출력이 스토이키 근방이 되었다고 하더라도 센서 출력의 정체는 발생하지 않는다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 촉매층(38)의 열화 판정이 종료된다(단계(306)).
한편, 상기 단계(304)에 있어서, 산소 흡장능≥소정치의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력의 정체가 발생할 정도로 촉매층(38)에 산소가 흡장되어 있다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 센서 출력의 소정기간의 출력 변화량(ΔOtn)(＝Otn-Otn-1)이 산출된다(단계(308)). 다음으로, 출력 변화량(ΔOtn)의 변화 비율을 나타낸 (ΔOtn/ΔOtn-1)이 소정치(K) 보다 작은지의 여부가 판정된다(단계(310)). 여기에서는, 구체적으로는, 상기 단계(108)와 동일한 처리가 실행된다. 그 결과, (ΔOtn/ΔOtn-1)＜K의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 센서 출력의 변화가 아직도 완만해져 있지 않다고 판단되어, 상기 단계(306)로 이행하고, 촉매층(38)의 열화 판정이 종료된다.
한편, 상기 단계(310)에 있어서, (ΔOtn/ΔOtn-1)＜K의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력의 변화가 완만해져 있다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 센서 출력(Otn)이 스토이키 근방의 공연비인지의 여부가 판정된다(단계(312)). 여기에서는, 구체적으로는, 상기 단계(108)와 동일한 처리가 실행된다. 그 결과, 14.5＜Otn＜14.7의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 센서 출력의 정체가 발생할 공연비 영역은 아니라고 판단되어, 상기 단계(306)로 이행하고, 촉매층(38)의 열화 판정이 종료된다.
한편, 상기 단계(312)에 있어서, 14.5＜Otn＜14.7의 성립이 인정된 경우에는, 스토이키 근방에 있어서의 센서 출력의 정체가 발생한다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 출력 정체의 개시가 판정된다(단계(314)). 다음으로, 센서 출력(Otn)이 동정 출력(Ptn)을 추종하였는지의 여부가 판정된다(단계(316)). 여기에서는, 구체적으로는, 상기 단계(216)와 동일한 처리가 실행된다. 그 결과, Ptn-Otn＜0의 성립이 인정되지 않은 경우에는, 아직도 센서 출력의 정체가 계속되고 있다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 출력 정체 시간이 적산된다(단계(318)). 여기에서는, 구체적으로는, 적산된 후의 출력 정체 시간이, 출력 정체 시간의 실측치로서 저장된 후, 다시 상기 단계(314)로 이행한다.
한편, 상기 단계(316)에 있어서, Ptn-Otn＜0의 성립이 인정된 경우에는, 센서 출력(Otn)이 동정 출력(Ptn)을 추종한, 즉 센서 출력의 정체가 종료하였다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, 촉매층(38)의 열화 판정이 실행된다(단계(320)). 여기에서는, 구체적으로는, 먼저, 상기 단계(302)에 있어서 산출된 산소 흡장능에 의거하여, 출력 정체 시간(T)이 산출된다. 보다 구체적으로는, 도 6에 나타낸 관계에 따라, 산소 흡장능이 높을수록 출력 정체 시간(T)이 큰 값으로서 산출된다. 그리고, 관련된 출력 정체 기간(T)이, 상기 단계(318)에 있어서 저장된 출력 정체 시간의 실측치보다 큰지의 여부가 판정된다. 그 결과, 출력 정체 시간(T)이 실측치를 초과하고 있는 경우에는, 실제의 산소 흡장능이 공연비와 그 체재시간으로부터 산출되는 산소 흡장능보다 낮다고 판단되어, 다음 단계로 이행하고, MIL이 점등되어 촉매층(38)이 열화하고 있다는 취지가 고지(告知)된다(단계(322)). 한편, 상기 단계(320)에 있어서, 출력 정체 시간(T)이 실측치를 초과하고 있지 않은 경우에는, 촉매층(38)이 열화하고 있지 않다고 판단되어, 상기 단계(306)로 이행하고, 촉매층(38)의 열화 판정이 종료된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태 3의 시스템에 의하면, 특정한 조건하에서 발생하는 센서 출력의 특성을 이용하여, 공연비 센서(22)의 촉매층(38)의 열화를 유효하게 판정할 수 있다.
그런데, 상술한 실시형태 3에 있어서는, 배기 가스의 공연비가 린으로부터 스토이키를 걸쳐 리치로 변화한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이것과는 반대로 공연비가 리치로부터 스토이키를 걸쳐 린으로 변화한 경우에는, 상기 설명에 있어서의 린과 리치를 치환함으로써, 동일하게 실행할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 3에 있어서는, ECU(30)가, 상기 단계(318)의 처리를 실행함으로써 상기 제 6 발명에 있어서의 「출력 정체 시간 취득 수단」이, 상기 단계(320)의 처리를 실행함으로써 상기 제 6 발명에 있어서의 「설정 수단」 및 「열화 판정 수단」이 각각 실현되어 있다.
10: 내연 기관 12: 흡기 통로
14: 배기 통로 16: 에어플로 미터
18: 인젝터 20: 배기 정화 촉매
22: 공연비 센서
30: ECU(Electronic Control Unit)
32: 커버 34: 센서 소자
36: 확산 저항층 38: 촉매층
40: 보호층 42: 배기 가스측 전극
44: 고체 전해질층 46: 대기측 전극
48: 대기실 50: 히터

Claims (6)

  1. 내연 기관의 배기 통로에 배치되어, 일방의 측면에 대기측 전극이 형성됨과 함께, 타방의 측면에 배기 가스측 전극이 형성된 고체 전해질로 이루어지는 센서 소자와, 상기 배기 가스측 전극을 피복하는 촉매층을 가지는 배기 가스 센서와,
    상기 배기 가스 센서의 센서 출력에 의거하여, 상기 촉매층에 의한 산소의 흡장 또는 방출의 능력을 나타내는 산소 흡장능을 취득하는 산소 흡장능 취득 수단과,
    상기 산소 흡장능이 소정치보다 높고, 또한, 상기 센서 출력이 이론 공연비 근방의 소정 범위일 경우에, 상기 센서 출력을 보정하는 보정 동작을 실행하는 보정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산소 흡장능 취득 수단은, 이론 공연비에 대한 상기 센서 출력의 벗어남량과 그 체재 시간의 승산치를 적산한 값을, 상기 산소 흡장능으로서 취득하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 센서 출력의 변화 속도를 취득하는 센서 출력 변화 속도 취득 수단을 더 구비하고,
    상기 보정 수단은, 상기 산소 흡장능이 소정치보다 높고, 상기 센서 출력이 이론 공연비 근방의 소정 범위이며, 또한, 상기 센서 출력 변화 속도가 소정치보다 작을 경우에, 상기 보정 동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 산소 흡장능에 따라, 상기 보정 동작에 따른 보정기간을 설정하는 설정 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 센서 소자를 소정의 활성 온도로 가열하기 위한 히터와,
    상기 보정 동작을 실행하는 경우에는, 상기 센서 소자가 상기 소정의 활성 온도보다 높은 온도가 되도록, 상기 히터를 제어하는 가열 제어 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 산소 흡장능에 따라, 상기 보정 동작에 따른 보정기간을 설정하는 설정 수단과,
    상기 보정 동작을 개시하고 나서 상기 센서 출력이 실(實) 공연비 변화를 추종할 때까지의 출력 정체기간을 취득하는 출력 정체기간 취득 수단과,
    상기 보정기간이 상기 출력 정체기간보다 길 경우에, 상기 배기 가스 센서에 있어서의 상기 촉매층의 열화를 판정하는 열화 판정 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
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