(57)【要約】      （修正有）【課題】排気ガス中の酸素センサの出力電圧値に基づいて、酸素センサの活性化判定と的確な空燃比制御を行う。【解決手段】燃料と空気の混合気における空気質量と燃料質量の比（空燃比）を制御する内燃機関の空燃比制御装置において、排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサと、前記酸素センサの信号に基づいて前記空燃比を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関の起動後前記酸素センサの出力値が第１の設定時間に亘って第１の基準設定値を下回った場合に当該酸素センサの出力値に基づいて第１の燃料噴射制御を行い、その後、前記酸素センサの出力値が第２の設定時間に亘って前記第１の基準設定値よりも低く設定された第２の基準設定値を下回った場合に当該酸素センサの出力値に基づいて第２の燃料噴射制御を行う。【選択図】図１
2010025077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気の混合気における空気質量と燃料質量の比（以下、「空燃比」という）を制御する内燃機関の空燃比制御装置において、
排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサの信号に基づいて前記空燃比を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記内燃機関の起動後前記酸素センサの出力値が第１の設定時間に亘って第１の基準設定値を下回った場合に当該酸素センサの出力値に基づいて第１の燃料噴射制御を行い、その後、前記酸素センサの出力値が第２の設定時間に亘って前記第１の基準設定値よりも低く設定された第２の基準設定値を下回った場合に当該酸素センサの出力値に基づいて第２の燃料噴射制御を行う、ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記第１の燃料噴射制御においては、前記酸素センサの出力値が所定の第１のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行い、
前記第２の燃料噴射制御においては、前記酸素センサの出力値が所定の第２のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
排気ガス中に含まれる酸素濃度に比例する信号を出力する酸素センサの出力値に基づいて、燃料と空気の混合気における空気質量と燃料質量の比（以下、「空燃比」という）を制御する内燃機関の空燃比制御方法において、
（ａ）前記内燃機関の起動時に前記酸素センサに通電する行程と、
（ｂ）前記酸素センサの出力値が第１の設定時間に亘って第１の基準設定値を下回ったことを確認する行程と、
（ｃ）前記酸素センサの出力値に基づいて第１の燃料噴射制御を行う行程と、
（ｄ）前記酸素センサの出力値が第２の設定時間に亘って前記第１の基準設定値よりも低く設定された第２の基準設定値を下回ったことを確認する行程と、
（ｅ）前記酸素センサの出力値に基づいて第２の燃料噴射制御を行う行程と、
の各工程を有することを特徴とする内燃機関の空燃比制御方法。
【請求項４】
前記第１の燃料噴射制御は、前記酸素センサの出力値が所定の第１のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行い、
前記第２の燃料噴射制御は、前記酸素センサの出力値が所定の第２のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行う、
ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出された排気ガス中における酸素濃度の測定結果に基づき空燃比の制御を行う内燃機関の空燃比制御装置及び空燃比制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関における燃料と空気の混合比（空燃比）を最適化する制御として、内燃機関より排出される排気ガス中の酸素濃度を酸素センサによって検出し、その検出値に基づいて燃料の噴射量を調整するフィードバック制御が行われている。
【０００３】
このような内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサは、一般に、ジルコニア素子（固体電解質）によりそのセンサ本体が構成されている。このジルコニア素子は、所定の温度（例えば３００℃）に達すると、排気ガスと大気間の酸素濃度差により起電力を発生し、その起電力は酸素濃度比によって決まる。即ち、ジルコニア素子による酸素センサの出力電圧は、理論空燃比（ガソリン内燃機関の場合、１４．７）より濃い混合気（リッチ状態）の時は高い電圧値を示し、理論空燃費より薄い混合気（リーン状態）の時は低電圧値を示す。そこで、この酸素センサの出力電圧値の中間付近に基準値を設定してリッチリーン判定を行い、このリッチリーン判定において酸素センサの出力電圧がこの基準設定値よりも高い場合はリッチ、低い場合はリーンと判定する。そして燃料噴射量を、リッチと判定した場合は減量し、リーンと判定された場合は増量することで、空燃比を理論空燃比に近づける制御を行うようにするのである。
【０００４】
しかし、上述の酸素センサは、センサ素子が所定温度以上に昇温しなければ活性化せず正確な酸素濃度の検出ができない。通常、酸素センサ素子は高温の排気ガスにより加熱され、所定の活性温度以上になるとその出力が安定化する。
【０００５】
図４は、酸素センサの温度特性を示すものである。図４は、酸素センサの出力電圧は低温（未活性）の状態では高く、始動開始後徐々に下がり、ある程度センサ素子温度が上昇したところでリッチとリーンの電圧差が生じ始め（不完全活性）、その後リッチとリーンの明確な電圧差を保って一定に落ち着く（完全活性）ことを示している。そのため、内燃機関の空燃比制御においてリッチリーン判定を正確に行うには、先ず酸素センサが十分に活性化したか否かを判定する必要がある。
【０００６】
図５は、従来の内燃機関の空燃比制御における酸素センサの活性化判定方法の第１の例を示すものである。図５に示すように、酸素センサの活性化を判定するためには先ず、（１）酸素センサの出力値が、予め設定した活性化判定電圧以下であるかをチェックする。そして、（２）酸素センサの出力値が予め設定した活性化判定電圧以下の状態が、所定時間に亘って連続して経過したかをチェックする。そして、上記（１）及び（２）のチェックが共に「ＹＥＳ」の判定であった場合に、酸素センサが活性化したものと判断し、空燃比制御のリッチリーン判定に移行するようにしていた。
【０００７】
また、従来の空燃比制御における酸素センサの活性化判定の第２の例として、燃料カット中であると判断された時に酸素センサの出力が予め設定した第１の活性判定値以上であるか否かを判断し、次に上記酸素センサの出力が上記第１の活性化判定値を下回る第２の活性判定値以上であるか否かを継続して判断された時に、上記酸素センサの活性を判断するようにした酸素センサの活性化判断装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特許第２７４５７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、近年では、酸素センサをすばやく活性化させるため、センサ素子を加熱するヒータを内蔵した酸素センサが用いられている。しかし、このヒータに通電する電源は通常、バッテリー又は発電機を使用しているため、バッテリーの充電不足や発電機の起電力不足等の要因により電源電圧が低くなった場合、ヒータの発熱量が低下することになる。この場合、センサ素子は十分に加熱されず、その昇温が緩慢になる。また、雨中走行等の場合も同様に、センサ素子の昇温が遅くなる。センサ素子の昇温が緩慢になれば、図４に示す酸素センサの出力電圧の降下も緩慢になり、酸素センサが活性化と判断されてもリッチリーン判定で誤判定が生じてしまう危険性がある。
【０００９】
図６は、上記した従来の内燃機関の空燃比制御におけるリッチリーン判定の誤判定を説明するための模式図である。図６に示すように、酸素センサ素子の温度上昇が遅くセンサ出力電圧がなかなか下降しない場合、活性化判定により完全活性と判断されたとしても、実際には未だ不完全活性の状態にある可能性がある。このような場合、空燃比状態がリーンであるにも関わらず、酸素センサの出力電圧はリッチリーン判定電圧以上となっているため、リッチと誤判定してしまう。さらに、この誤判定に基づいて燃料の噴射量を減量すれば、オーバーリーンによる内燃機関停止等の内燃機関運転制御の不良を招来することになる。このように、従来の活性化判定及びリッチリーン判定では、センサ素子の昇温が緩慢な場合にはその判定精度が劣化するという問題があったのである。
【００１０】
なお、従来において、センサ素子の温度（素子内部抵抗）に基づいて活性化判定を行う空燃比制御が開発されている。この装置によれば、早く正確な判定が可能となるが、コストが高くなるという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、酸素センサの活性化判定とリッチリーン判定をそれぞれ二段階に亘って行うことにより、正確で安定性に優れた空燃比制御を行うことができる内燃機関の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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このため、本発明は、上記課題を解決するために、燃料と空気の混合気における空気質量と燃料質量の比（空燃比）を制御する内燃機関の空燃比制御装置において、排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサと、前記酸素センサの信号に基づいて前記空燃比を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関の起動後前記酸素センサの出力値が第１の設定時間に亘って第１の基準設定値を下回った場合に当該酸素センサの出力値に基づいて第１の燃料噴射制御を行い、その後、前記酸素センサの出力値が第２の設定時間に亘って前記第１の基準設定値よりも低く設定された第２の基準設定値を下回った場合に当該酸素センサの出力値に基づいて第２の燃料噴射制御を行う、ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置を提供する。
【００１３】
ここで前記制御装置は、前記第１の燃料噴射制御においては、前記酸素センサの出力値が所定の第１のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行い、前記第２の燃料噴射制御においては、前記酸素センサの出力値が所定の第２のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行う。
【００１４】
また、本発明は、上記課題を解決するために、排気ガス中に含まれる酸素濃度に比例する信号を出力する酸素センサの出力値に基づいて、燃料と空気の混合気における空気質量と燃料質量の比（空燃比）を制御する内燃機関の空燃比制御方法において、
（ａ）前記内燃機関の起動時に前記酸素センサに通電する行程と、
（ｂ）前記酸素センサの出力値が第１の設定時間に亘って第１の基準設定値を下回ったことを確認する行程と、
（ｃ）前記酸素センサの出力値に基づいて第１の燃料噴射制御を行う行程と、
（ｄ）前記酸素センサの出力値が第２の設定時間に亘って前記第１の基準設定値よりも低く設定された第２の基準設定値を下回ったことを確認する行程と、
（ｅ）前記酸素センサの出力値に基づいて第２の燃料噴射制御を行う行程と、の各工程を有することを特徴とする内燃機関の空燃比制御方法を提供する。
【００１５】
ここで前記第１の燃料噴射制御は、前記酸素センサの出力値が所定の第１のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行い、前記第２の燃料噴射制御は、前記酸素センサの出力値が所定の第２のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行う。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、酸素センサの活性化判定とリッチリーン判定をそれぞれ二段階に亘って行うことにより、酸素センサ内部に配設されているヒータに通電する電源電圧が低電圧の場合、もしくは雨中走行等の場合でも、リッチリーン判定の精度を向上させることができる。
【００１７】
また、従来の酸素センサ活性化判定に比較して、センサ素子の出力電圧が高い状態から活性化判定及びリッチリーン判定を行うことができる。そのため、判定までの時間を短縮することができるのである。
【００１８】
さらに、センサ素子の温度を基にした活性化判定ではなく、酸素センサの出力値と時間から判定を行うため、コストを低減できたのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の空燃比制御装置及び方法における酸素センサ１２（図２）の活性化判定及びリッチリーン判定を説明するためのグラフ（模式図）を示す。
図１に示すグラフおいて、縦軸はジルコニア素子による酸素センサの出力電圧を示し、横軸は内燃機関を起動した後の経過時間を示す。ところで、上述したように、ジルコニア素子による酸素センサ１２は、内燃機関がリッチ状態で運転されている（排気ガス中の酸素濃度が薄い）時には高い出力値を示し、内燃機関がリーン状態で運転されている（排気ガス中の酸素濃度が濃い）時には低い出力値を示す特性を有するものである。
【００２１】
図１に示すように、内燃機関の始動後暫らくの間は、酸素センサ１２は活性化しておらず又は活性化した状態であっても内燃機関がリッチ状態で始動されることにより排気ガス中の酸素濃度が薄く、酸素センサ１２は高い出力値を示す。その後、酸素センサ１２の温度が徐々に上昇すると共に内燃機関の起動時のリッチ状態の運転が解消されるに従って酸素センサ１２の出力電圧は低下する。
【００２２】
そして、内燃機関の起動後所定時間経過した時点（図１の例では、２３秒後）において、酸素センサ１２の出力値が第１の設定時間（図１の例では、２乃至３秒間）に亘って第１の基準設定値（図１の例では、１０００ｍＶ）を下回ったことを確認して、酸素センサ１２の出力値に基づいて第１の燃料噴射制御を行う。
【００２３】
ここで、この第１の設定時間は、第１のリッチリーン判定電圧と第２のリッチリーン判定電圧の差に基づいて決められる。そして、当該第１の燃料噴射制御は、酸素センサ１２の出力値が所定の第１のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行うのである。
【００２４】
その後、酸素センサ１２の出力値が第２の設定時間（図１の例では、１乃至２秒間）に亘って前記第１の基準設定値よりも低く設定された第２の基準設定値（図１の例では、６００ｍＶ）を下回ったことを確認して、酸素センサ１２の出力値に基づいて第２の燃料噴射制御を行う。ここで、この第２の設定時間は、より正確な判定を行うためには長い方が望ましいが、判定を迅速に行うには酸素センサの電圧特性に基づいて適切な時間を設定する。そして、当該第２の燃料噴射制御は、酸素センサ１２の出力値が所定の第２のリッチリーン判定電圧を超えたか否かに基づいて行うのである。
【００２５】
図２は、本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本発明の空燃比制御装置１０は、制御部１１と酸素センサ１２とから構成される。制御部１１は、酸素センサ１２の出力値をモニタリングし、これに基づき酸素センサ１２の活性化判定、及び内燃機関２１における空燃比のリッチリーン判定を行う。さらにこのリッチリーン判定に基づく燃料噴射制御を行う。酸素センサ１２は、内燃機関２１の排気ガス経路に設置され、例えば排気ガスを排出する排気管２１Ａ内又は内燃機関を搭載する車両のマフラー内（図示せず）に配置され、その排気ガス内の酸素濃度に応じた電圧を出力する。この酸素センサ１２はヒータ１２Ａを内蔵している。
【００２６】
制御部１１は、酸素センサ１２から出力されるアナログ値をディジタル変換するためのＡ／Ｄ変換器、上記した第１の基準設定値、第２の基準設定値、第１の設定時間、第２の設定時間等の固定値や制御プログラムを記憶するＲＯＭと、変数値等を記憶するＲＡＭとから構成されるメモリ及び演算処理を行うＣＰＵ等を含む。
【００２７】
図３は、本発明に係る内燃機関の空燃比制御方法における処理の流れを示すフローチャートである。
【００２８】
本発明では、上述したように、酸素センサ１２の活性化判定とリッチリーン判定を、それぞれ二段階に亘って行う。具体的には、図３に示すように、内燃機関２１の始動後、一段目活性化判定を行う。まず、内燃機関２１を始動とともにヒータ１２Ａに通電する（ステップＳ１）。次いで、制御部１１は現在の酸素センサ出力電圧値が予め設定した一段目活性化判定電圧値より低い値か否かを判定する（ステップＳ２）。
【００２９】
ここで酸素センサ出力電圧値が一段目活性化判定電圧値より低い値の場合は、その状態が所定時間Ｔ１時間（例えば、３秒）持続しているか否かを判定する（ステップＳ３）。持続している場合は、制御部１１は一段目活性化判定において活性と判断し、次のステップに進む。
【００３０】
第一段目活性化判定において活性と判断されると、一段目リッチリーン判定に移行する。即ち、制御部１１は現在の酸素センサ出力電圧値が一段目リッチリーン判定電圧値より高い値か否かを判定する（ステップＳ４）。高い値の場合、制御装置はリッチと判断し、燃料噴射量を減量する制御を行う（ステップＳ５）。一方、低い値の場合は、制御部１１はリーンと判断して燃料噴射量を増量する制御を行う（ステップＳ６）ようにする。
【００３１】
次いで、第二段目活性化判定に移行する。この第二段目活性化判定においては、制御部１１は現在の酸素センサ出力電圧値が予め設定した二段目活性化判定電圧値より低い値か否かを判定する（ステップＳ７）。このとき、二段目活性化判定電圧値は一段目活性化判定電圧値よりも低い値に設定されている。酸素センサ出力電圧値が二段目活性化判定電圧値より低い値の場合は、その状態が所定時間Ｔ２時間（例えば、３秒）持続しているか否かを判定する（ステップＳ８）。持続している場合は、制御部１１は二段目活性化判定において活性と判断し、次のステップに進む。
【００３２】
第二段目活性化判定において活性と判断されると、二段目リッチリーン判定に移行する。即ち、制御部１１は現在の酸素センサ出力電圧値が二段目リッチリーン判定電圧値より高い値か否かを判定する（ステップＳ９）。このとき、二段目リッチリーン判定電圧値は一段目リッチリーン判定電圧値よりも低い値に設定されている。酸素センサ出力電圧値が二段目リッチリーン判定電圧値より高い値の場合、制御装置はリッチと判断し、燃料噴射量を減量する制御を行う（ステップＳ１０）。一方、低い値の場合は、制御部１１はリーンと判断して燃料噴射量を増量する制御を行う（ステップＳ１１）。この二段階の活性化判定及びリッチリーン判定は、内燃機関２１の駆動中繰り返され、その都度これに基づく燃料噴射制御が行われる。
【００３３】
尚、上記実施形態ではヒータ内蔵型の酸素センサを用いる場合の処理について示したが、ヒータレスの酸素センサを用いた場合でも同様の流れで内燃機関の空燃比制御が可能である。ヒータレスの酸素センサの場合は、排気ガスにより加熱され活性化する。
【００３４】
上記のように構成したため、本発明によれば、酸素センサの活性化判定とリッチリーン判定をそれぞれ二段階に亘って行うことにより、酸素センサ内部に配設されているヒータに通電する電源電圧が低電圧の場合、もしくは雨中走行の場合でも、リッチリーン判定精度を向上させることができる。
【００３５】
また、従来の酸素センサ活性化判定に比較して、センサ素子の出力電圧が高い状態から活性化判定及びリッチリーン判定を行うことができる。そのため、判定までの時間を短縮することができる。
【００３６】
さらに、センサ素子の温度を基にした活性化判定ではなく、酸素センサの出力値と時間から判定を行うため、コストを低減できるのである。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、内燃機関から排出された排気ガス中における酸素濃度の測定結果に基づき空燃比の制御を行う内燃機関の空燃比制御装置及び空燃比制御方法に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の空燃比制御装置及び方法における酸素センサの活性化判定及びリッチリーン判定を説明するためのグラフ（模式図）を示す。
【図２】本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る内燃機関の空燃比制御方法における処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を測定する一般的な酸素センサの温度特性図である。
【図５】従来の内燃機関の空燃比制御における酸素センサの活性化判定の概略を示す模式図である。
【図６】従来の内燃機関の空燃比制御におけるリッチリーン判定の誤判定を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０      空燃比制御装置
１１      制御部
１２      酸素センサ
１２Ａ    ヒータ
２１      内燃機関
２１Ａ    排気管
【図１】
2010025077.tif 000003
【図２】
2010025077.tif 000004
【図３】
2010025077.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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