(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管に設置されて排気ガス中の粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルタと、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの出口に設置され排気ガスにおける空燃比を検出するラムダセンサと、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口出口間を繋ぐセンサ用バイパス管と、  前記センサ用バイパス管に設置され上流側下流側間の差圧を検出する差圧センサと、
前記センサ用バイパス管の前記差圧センサと前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口間に設置されて前記差圧センサの上流側を大気へ開放させるか前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口に連通させるか切り替え可能な三方弁と、
大気圧を検出する大気圧センサと、
前記三方弁により前記差圧センサの上流側が大気へ開放されているときに、前記大気圧センサが検出した大気圧と前記差圧センサが検出した差圧とから前記ラムダセンサの設置箇所である前記ディーゼルパティキュレートフィルタの出口の排気ガス圧力を推定する排気ガス圧力推定手段と、
前記排気ガス圧力推定手段が推定した排気ガス圧力と前記ラムダセンサの圧力特性とにより、前記ラムダセンサが検出した空燃比を補正する空燃比補正手段とを備え、
前記排気ガス圧力推定手段は、
前記エンジンが定常状態のとき、一時的に前記三方弁により前記差圧センサの上流側を大気へ開放させて、前記ラムダセンサの設置箇所の排気ガス圧力を推定し、
この排気ガス圧力を排気ガス圧力と大気圧と圧力ロス係数の関係式に代入して圧力ロス係数を算出し、この圧力ロス係数を記憶しておき、
前記三方弁により前記差圧センサの上流側が前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口に連通されているときには、前記大気圧センサが検出した大気圧と記憶されている圧力ロス係数を前記関係式に代入して排気ガス圧力を推定する
ことを特徴とする空燃比検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラムダセンサを用いた空燃比検出装置に係り、ラムダセンサが出力する空燃比の補正を新規に圧力センサを設けることなく実現できる空燃比検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気ガスや大気等の対象ガスにおける空燃比を検出するために広帯域ラムダセンサ（以下、ラムダセンサという）が用いられる。空燃比とは、空気に対する燃料の重量比である。ラムダセンサは、酸化ジルコニウムで形成されるセル室を設けたものである。対象ガス中の酸素濃度が理論空燃比における酸素濃度より高い場合は、空燃比はリーン（燃料リーン）となり、セル室内に酸化イオンが流入する。対象ガス中の酸素濃度が理論空燃比における酸素濃度より低い場合は、空燃比はリッチ（燃料リッチ）となり、セル室内から酸化イオンが流出する。このように、セル室内に酸化イオンが流入するか又はセル室内から酸化イオンが流出するときのポンピング電流によって空燃比が検出される。
【０００３】
ラムダセンサの検出精度を高めることで、エンジンにおける各種の制御の精度を高めることができる。例えば、ラムダセンサで検出した空燃比を用いて燃料流量を補正する制御を行うことができる。空燃比は、空気と燃料の重量比であるので、ラムダセンサで検出した空燃比とＭＡＦセンサで検出した吸入空気量から、流れている対象ガス中の燃料重量、すなわち実燃料流量を算出することができる。この燃料重量と燃料流量指示値との乖離を求める。その乖離を小さくして実燃料流量が所望する値となるように燃料流量指示値を補正する。また、ＥＧＲと可変ノズルターボの協調制御においては、吸入空気量とＥＧＲ量と燃料量を調整してラムダセンサで検出される空燃比を最適に制御することは、スモーク、動力性能、排気ガスの最適化に寄与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−５３０１５４号公報
【特許文献２】特開２００６−２４２０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図３に示されるように、ラムダセンサでは、対象ガスの圧力の影響を受けて出力が変動する。すなわち、対象ガスの圧力が中間的な値のときを基準にして誤差０パーセントとしたとき、対象ガスの圧力が高くなると誤差がプラス側に増加し、対象ガスの圧力が低くなると誤差がマイナス側に増加する。この結果、対象ガスの圧力が高いときにはラムダセンサの検出値が実際の空燃比より高くなり、対象ガスの圧力が低いときにはラムダセンサの検出値が実際の空燃比より低くなる。
【０００６】
対象ガスの圧力変動によって空燃比の検出精度が低下すると、空燃比を利用する各種の制御の精度も低下することになる。しかし、ラムダセンサの設置場所におけるガスの圧力が安定であることは期待できない。なぜなら、エンジンの場合、排気管には、排気ガスの圧力を利用して吸気を圧縮するターボチャージャ、排気ガス中の粒子状物質（Particurate Matter；以下、ＰＭという）を除去するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter；ディーゼルパティキュレートフィルタ）、触媒を用いた浄化器、サイレンサなどが設けられる。これらの部材が抵抗となって、配管内での排気ガスの圧力は場所により異なる。また、海抜高度の差異や気候の影響により大気圧が変動すると、排気ガスの圧力も変動する。
【０００７】
この対策として、ラムダセンサの設置箇所に対象ガスの圧力を検出する圧力センサを設置し、ラムダセンサの出力を対象ガスの圧力で補正することはできる。しかし、車両の場合、新規に圧力センサを設置することは、コストの増加を招くので、避けたいところである。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ラムダセンサが出力する空燃比の補正を新規に圧力センサを設けることなく実現できる空燃比検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設置されて排気ガス中の粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの出口に設置され排気ガスにおける空燃比を検出するラムダセンサと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口出口間を繋ぐセンサ用バイパス管と、前記センサ用バイパス管に設置され上流側下流側間の差圧を検出する差圧センサと、前記センサ用バイパス管の前記差圧センサと前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口間に設置されて前記差圧センサの上流側を大気へ開放させるか前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口に連通させるか切り替え可能な三方弁と、大気圧を検出する大気圧センサと、前記三方弁により前記差圧センサの上流側が大気へ開放されているときに、前記大気圧センサが検出した大気圧と前記差圧センサが検出した差圧とから前記ラムダセンサの設置箇所である前記ディーゼルパティキュレートフィルタの出口の排気ガス圧力を推定する排気ガス圧力推定手段と、前記排気ガス圧力推定手段が推定した排気ガス圧力と前記ラムダセンサの圧力特性とにより、前記ラムダセンサが検出した空燃比を補正する空燃比補正手段とを備え、前記排気ガス圧力推定手段は、前記エンジンが定常状態のとき、一時的に前記三方弁により前記差圧センサの上流側を大気へ開放させて、前記ラムダセンサの設置箇所の排気ガス圧力を推定し、この排気ガス圧力を排気ガス圧力と大気圧と圧力ロス係数の関係式に代入して圧力ロス係数を算出し、この圧力ロス係数を記憶しておき、前記三方弁により前記差圧センサの上流側が前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口に連通されているときには、前記大気圧センサが検出した大気圧と記憶されている圧力ロス係数を前記関係式に代入して排気ガス圧力を推定するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１２】
（１）ラムダセンサが出力する空燃比の補正を新規に圧力センサを設けることなく実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を示す空燃比検出装置の構成図である。
【図２】図１の空燃比検出装置における三方弁の動作状態を示す図であり、（ａ）は遮断時の構成図、（ｂ）は開放時の構成図である。
【図３】ラムダセンサの雰囲気圧力対誤差特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１に示されるように、本発明に係る空燃比検出装置１は、エンジン２の排気管３に設置されて排気ガス中の粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）４と、ＤＰＦ４の出口に設置され排気ガスにおける空燃比を検出するラムダセンサ５と、ＤＰＦ４の入口出口間を繋ぐセンサ用バイパス管６と、センサ用バイパス管６に設置され上流側下流側間の差圧を検出する差圧センサ７と、センサ用バイパス管６の差圧センサ７とＤＰＦ４の入口間に設置されて差圧センサ７の上流側を大気へ開放させるかＤＰＦ４の入口に連通させるか切り替え可能な三方弁８と、大気圧を検出する大気圧センサ９と、三方弁８により差圧センサ７の上流側が大気へ開放されているときに、大気圧センサ９が検出した大気圧と差圧センサ７が検出した差圧とからラムダセンサ５の設置箇所であるＤＰＦ４の出口の排気ガス圧力を推定する排気ガス圧力推定手段１０と、排気ガス圧力推定手段１０が推定した排気ガス圧力とラムダセンサ５の圧力特性とにより、ラムダセンサ５が検出した空燃比を補正する空燃比補正手段１１とを備えたものである。
【００１６】
エンジン２は、例えば、ディーゼルエンジンであり、ここではターボチャージャ１２を具備している。ターボチャージャ１２は、排気マニホールド１３から排気管３に流れる排気ガスでタービンを駆動して吸気管１４から取り入れられる空気をコンプレッサで圧縮して吸気マニホールド１５へと供給するものである。吸気管１４には、空気流量センサ（以下、ＭＡＦ）１６が設けられる。
【００１７】
ＤＰＦ４は、ＰＭを除去して排気ガスを浄化するためのものである。ＤＰＦ４は、酸化触媒部材（Diesel Oxidation Catalyst；以下、ＤＯＣという）とキャタライズド・スート・フィルタ（Catalyzed Soot Filter）とから構成される。
【００１８】
ラムダセンサ５は、すでに述べたように、セル室に対する酸化イオンの流入・流出におけるポンピング電流によって空燃比を検出するものであるが、対象ガスの圧力の影響を受けて出力が変動する。なお、図１には示さなかったが、排気管３にはラムダセンサ５よりも下流に、触媒を用いた浄化器、サイレンサなどの部材が設置される。
【００１９】
センサ用バイパス管６は、従来より差圧センサ７のために設けられている。差圧センサ７は、差圧センサ７の上流側下流側間の差圧を検出するものであり、センサ用バイパス管６がＤＰＦ４の入口出口間を繋ぐようにすることで、差圧センサ７によって、ＤＰＦ４の入口出口間の差圧が検出できる。ＤＰＦ４にＰＭが堆積していくと、排気ガスの流れが抵抗を受けるようになるため、ＤＰＦ４の入口の圧力に対する出口の圧力が低下する。これを解消するため、ＤＰＦ４に堆積したＰＭを燃焼させて除去することを再生と言うが、ＤＰＦ再生時期は、ＤＰＦ４の入口出口間の差圧が閾値に達したら再生を行うという方法で決定される。
【００２０】
三方弁８は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、２つの入口に対し１つの出口を有し、図示しない内部の弁体を電磁力などで開閉することにより、出口に連通する入口を切り替えることができる。１つの入口をＤＰＦ４の入口側に繋ぎ、別の入口を大気に開放し、出口を差圧センサ７側に繋ぐ。これにより、三方弁８の開放時は、差圧センサ７の上流側が大気へ開放され、三方弁８の遮断時は差圧センサ７の上流側がＤＰＦ４の入口に連通される。
【００２１】
図１の大気圧センサ９は、従来より高地における諸制御量の補正用として車両に搭載されている。大気圧センサ９は、例えば、燃料噴射制御やＤＰＦ再生制御を含む車両の各部を制御する電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）１７の筐体内に設置される。
【００２２】
排気ガス圧力推定手段１０、空燃比補正手段１１は、ＥＣＵ１７にプログラムとして組み込まれる。
【００２３】
以下、本発明の空燃比検出装置１の動作を説明する。
【００２４】
通常、車両の走行時は、ＤＰＦ再生制御を行う必要があるため、三方弁８は遮断されており、差圧センサ７の上流側がＤＰＦ４の入口に連通される。よって、差圧センサ７では、ＤＰＦ４の入口出口間の差圧が検出される。
【００２５】
排気ガス圧力推定手段１０は、エンジン２が定常状態のとき、定期的に、一時的に三方弁８を開放することにより、差圧センサ７の上流側を大気へ開放させる。エンジン２の定常状態とは、エンジン２が安定に運転されている状態のことであり、燃料増加率、アクセル開度変化率等により判断することができる。
【００２６】
差圧センサ７の上流側が大気へ開放されたことにより、差圧センサ７には大気圧Ｐ2とＤＰＦ４の出口圧力Ｐ1との差圧が検出される。排気ガス圧力推定手段１０は、差圧センサ７が検出する差圧と大気圧センサ９が検出する大気圧Ｐ2とから、ＤＰＦ４の出口圧力Ｐ1、すなわちラムダセンサ５の設置箇所の排気ガス圧力を推定することができる。排気ガス圧力推定手段１０は、推定した排気ガス圧力Ｐ1を図示しないメモリに記憶する。このとき同時に、排気ガス圧力推定手段１０は、ＭＡＦ１６で検出される空気流量、図示しない温度センサで検出される排気ガス温度、ラムダセンサ５で検出される空燃比、大気圧センサ９で検出される大気圧Ｐ2などを記録する。
【００２７】
さらに、排気ガス圧力推定手段１０は、この推定した排気ガス圧力Ｐ1を関係式（１）に代入する。
【００２８】
【数１】
0005434685.tif 000002
【００２９】
関係式（１）は、ラムダセンサ５の設置箇所の排気ガス圧力Ｐ1と、大気圧Ｐ2と、大気に対するラムダセンサ５の設置箇所における圧力ロス係数ｋとの関係式である。ラムダセンサ５の設置箇所の排気ガス流量Ｗ12は、ＭＡＦ１６で検出される空気流量と燃料噴射制御により与えられた燃料流量とから算出される。ラムダセンサ５の設置箇所の気体密度ρ1は、図示しない温度センサが検出する排気ガス温度と、排気ガス圧力Ｐ1とから求めることができる。
【００３０】
排気ガス圧力推定手段１０は、関係式（１）により圧力ロス係数ｋを算出する。排気ガス圧力推定手段１０は、この圧力ロス係数ｋを、学習値として図示しないメモリに記憶しておく。その後、排気ガス圧力推定手段１０は、三方弁８を遮断する。
【００３１】
三方弁８が遮断されたことにより、差圧センサ７の上流側がＤＰＦ４の入口に連通され、差圧センサ７でＤＰＦ４の入口出口間の差圧が検出されるようになり、ＤＰＦ再生制御への利用が再開される。
【００３２】
一方、このときには差圧センサ７の出力から直接、排気ガス圧力Ｐ1を推定できないので、排気ガス圧力推定手段１０は、逐次、大気圧センサ９が検出した大気圧Ｐ2と、記憶されている圧力ロス係数ｋを関係式（１）に代入して排気ガス圧力Ｐ1を推定する。
【００３３】
次に、空燃比補正手段１１は、排気ガス圧力推定手段１０が推定した排気ガス圧力Ｐ1をラムダセンサ５が検出した空燃比の補正に使用する。具体的には、図３の特性に基づいて、排気ガス圧力Ｐ1に対する補正値のマップを作成しておき、排気ガス圧力推定手段１０が推定した排気ガス圧力Ｐ1でマップを参照して補正値を引き当てる。
【００３４】
補正された空燃比を使用し、その空燃比と空気流量から実燃料流量を算出することができる。実燃料流量と指示燃料流量とから、燃料流量補正係数Ｋｆが得られるので、その後は、
燃料流量補正係数Ｋｆ×指示燃料流量＝補正後燃料流量
を算出して、指示燃料流量を更新することができる。その結果、例えば、ＥＧＲと可変ノズルターボの協調制御において、吸入空気量とＥＧＲ量と燃料量を調整してラムダセンサ５で検出される空燃比を最適に制御することができるようになり、スモーク、動力性能、排気ガスの最適化に寄与する。
【００３５】
以上説明したように、本発明の空燃比検出装置１によれば、三方弁８によって差圧センサ７の上流を大気開放とすることで、差圧センサ７の出力からラムダセンサ５の設置箇所の排気ガス圧力が推定できることになる。三方弁８を設置することは、ラムダセンサ５の設置箇所に対象ガスの圧力を検出する圧力センサを設置することよりも、低コストで可能である。よって、ラムダセンサ５が出力する空燃比の補正が低コストで可能となる。
【００３６】
また、本発明の空燃比検出装置１によれば、差圧センサ７の上流が大気開放時に得ておいた圧力ロス係数ｋを学習値として記憶するようにしたので、差圧センサ７の出力が利用できない通常走行時でも、圧力ロス係数ｋを関係式（１）に代入して排気ガス圧力Ｐ1を推定することができる。よって、差圧センサ７の上流を大気開放する回数や時間を少なく限定でき、差圧センサ７の本来の利用目的であるＤＰＦ再生時期の検出には、支障を及ぼすことがない。
【符号の説明】
【００３７】
１  空燃比検出装置
２  エンジン
３  排気管
４  ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
５  ラムダセンサ
６  センサ用バイパス管
７  差圧センサ
８  三方弁
９  大気圧センサ
１０  排気ガス圧力推定手段
１１  空燃比補正手段
【図１】
0005434685.tif 000003
【図２】
0005434685.tif 000004
【図３】
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