(57)【要約】【課題】  酸素センサにおいて、三元触媒下流における低濃度の排ガスについても、正確な出力を得られるようにする。【解決手段】  三元触媒の下流側に配置される酸素センサにおいて、排ガスに晒される排ガス側電極と、酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準ガス側電極と、排ガス側電極と基準ガス側電極との間に配置された電解質とを備える。更に、排ガス側電極の表面側には、酸素センサ外部に流れる排ガスの量に対する排ガス側電極に導入される排ガスの量を、空燃比センサ外部に流れる排ガスの量に対する前記空燃比センサの電極に導入される排ガスの量よりも少なくする低減手段が備えられている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の三元触媒下流に配置される酸素センサであって、
排ガスに晒される排ガス側電極と、
酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準ガス側電極と、
前記排ガス側電極と前記基準ガス側電極との間に配置された電解質と、
前記排ガス側電極の表面側に配置され、前記酸素センサの出力が理論空燃比において出力急変点を有するように、前記排ガス側電極に到達する排ガス中のリッチガスの量を低減する低減手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
前記低減手段は、前記電解質とは反対側において前記排ガス側電極に接するように配置された、気孔率が１０％以下のコーティング層であることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項３】
前記低減手段は、前記電解質とは反対側において前記排ガス側電極に接するように配置された、厚さが３００μm以上のコーティング層であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサ。
【請求項４】
前記低減手段は、前記三元触媒の下流側の配管に、前記酸素センサを隔離して取り付けるカバーであって、
前記カバーは、前記コーティング層表面における排ガスの流速を、前記カバー外部の排ガスの流速に対して１/１０以下に低減させるように調整された通気穴を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の酸素センサ。
【請求項５】
内燃機関の排ガスを浄化する三元触媒の上流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する空燃比センサと、
前記三元触媒の下流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する酸素センサと、
前記酸素センサの出力により前記空燃比センサの出力を補正して、前記補正した空燃比センサの出力に応じて空燃比を制御する制御手段とを備え、
前記酸素センサは、
排ガスに晒される排ガス側電極と、
酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準ガス側電極と、
前記排ガス側電極と前記基準ガス側電極との間に配置された電解質と、
前記排ガス側電極の表面側に配置され、前記酸素センサ外部に流れる排ガスの量に対する前記排ガス側電極に導入される排ガスの量を、前記空燃比センサ外部に流れる排ガスの量に対する前記空燃比センサの電極に導入される排ガスの量よりも少なくする低減手段と、
を備えることを特徴とする空燃比制御システム。
【請求項６】
前記低減手段は、前記電解質とは反対側において前記排ガス側電極に接するように配置されたコーティング層であって、
前記コーティング層の気孔率を小さくすることにより、前記排ガス側電極に到達する排ガスの量を少なくすることを特徴とする請求項５に記載の空燃比制御システム。
【請求項７】
前記コーティング層の気孔率は、１０％以下であることを特徴とする請求項６に記載の空燃比制御システム。
【請求項８】
前記低減手段は、前記電解質とは反対側において前記排ガス側電極に接するように配置されたコーティング層であって、
前記コーティング層の厚さを厚くすることにより、前記排ガス側電極に到達する排ガスの量を少なくすることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の空燃比制御システム。
【請求項９】
前記コーティング層の厚さは、３００μm以上であることを特徴とする請求項８に記載の空燃比制御システム。
【請求項１０】
前記低減手段は、前記三元触媒の下流側の配管に、前記酸素センサを隔離して取り付けるカバーであって、
前記カバーは、前記コーティング層表面における排ガスの流速を、前記配管中の排ガスの流速よりも小さくするように調整する通気穴を有することを特徴とする請求項５から９のいずれか記載の空燃比制御システム。
【請求項１１】
前記通気穴は、前記コーティング層表面における排ガスの流速を、前記カバー外部の排ガスの流速の１/１０以下にすることを特徴とする請求項１０に記載の空燃比制御システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、
前記酸素センサの出力が、第１電圧以上であるかを判断する第１判断手段と、
前記第１電圧以上であると判断された場合に、前記目標電圧を前記第１電圧に設定する第１目標電圧設定手段と、
前記第１電圧以上でないと判断された場合に、前記酸素センサの出力が、前記第１電圧より小さい第２電圧以下であるか否かを判断する第２判断手段と、
前記第２電圧以下であると判断された場合に、前記目標電圧を第２電圧に設定する第２目標電圧設定手段と、
前記酸素センサの出力と前記目標電圧との偏差を求める偏差算出手段と、
前記偏差から、前記空燃比センサの補正値を算出する補正値算出手段と、
を備えることを特徴とする請求項５から１１のいずれかに記載の空燃比制御システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、
前記酸素センサの出力が、基準電圧以上であるか否かを判断する判断手段と、
前記基準電圧以上であると判断された場合に、前記目標電圧を第１電圧に設定し、前記基準電圧以上でないと判断された場合に、前記目標電圧を前記第１電圧よりも小さい第２電圧に設定する目標電圧設定手段と、
前記酸素センサの出力と前記目標電圧との偏差を求める偏差算出手段と、
前記偏差から、前記空燃比センサの補正値を算出する補正値算出手段と、
を備えることを特徴とする請求項５から１１のいずれかに記載の空燃比制御システム。
【請求項１４】
内燃機関の排ガスを浄化する三元触媒の上流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する空燃比センサと、
前記三元触媒の下流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する酸素センサと、
前記酸素センサの出力により前記空燃比センサの出力を補正して、前記補正した空燃比センサの出力に応じて空燃比を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記酸素センサの出力が、第１電圧以上であるか否かを判断する第１判断手段と、
前記第１電圧以上であると判断された場合に、前記目標電圧を第１電圧に設定する第１目標電圧設定手段と、
前記第１電圧以上でないと判断された場合に、前記酸素センサの出力が、前記第１電圧より小さい第２電圧以下であるか否かを判断する第２判断手段と、
前記第２電圧以下であると判断された場合に、前記目標電圧を第２電圧に設定する第２目標電圧設定手段と、
前記酸素センサの出力と前記目標電圧との偏差を求める偏差算出手段と、
前記偏差から、前記空燃比センサの補正値を算出する補正値算出手段と、
を備えることを特徴とする空燃比制御システム。
【請求項１５】
内燃機関の排ガスを浄化する三元触媒の上流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する空燃比センサと、
前記三元触媒の下流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する酸素センサと、
前記酸素センサの出力により前記空燃比センサの出力を補正して、前記補正した空燃比センサの出力に応じて空燃比を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記酸素センサの出力が、基準電圧以上であるか否かを判断する判断手段と、
前記基準電圧以上であると判断された場合に、目標電圧を第１電圧に設定し、前記基準電圧以上でないと判断された場合に、前記目標電圧を前記第１電圧よりも小さい第２電圧に設定する目標電圧設定手段と、
前記酸素センサの出力と前記目標電圧との偏差を求める偏差算出手段と、
前記偏差から、前記空燃比センサの補正値を算出する補正値算出手段と、
を備えることを特徴とする空燃比制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸素センサ及び空燃比制御システムに関する。更に具体的には、内燃機関の触媒下流に配置される酸素センサ、及び、内燃機関の触媒の上流及び下流にそれぞれセンサを有し、下流側の酸素センサの出力により上流側の空燃比センサの出力を補正して、空燃比を制御する空燃比制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平１０−３０６７４２号公報には、内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒の上流に、空燃比センサを配置したシステムが開示されている。このシステムは、空燃比センサの出力により空燃比の制御のパラメータを算出し、このパラメータにより空燃比を目標空燃比となるように制御する。
【０００３】
しかしながら、空燃比センサの出力には、空燃比センサの出力特性のばらつきや経時劣化による出力特性の変化に起因して、誤差が生じる場合がある。制御のパラメータを、上流側の空燃比センサの出力によってのみ算出すると、空燃比センサの出力に誤差が生じた場合に、誤差が直接制御のパラメータに影響することとなる。その結果、空燃比制御の精度を悪化させることとなる。
【０００４】
このため上記システムにおいては、三元触媒上流側の空燃比センサに加えて、三元触媒の下流側に排ガスセンサを配置して、これを、上流側空燃比センサの出力の補正に用いている。具体的には、下流側センサの出力に応じて、上流側空燃比センサの出力を補正する補正値を算出する。上流側空燃比センサの出力は、この補正値により補正され、補正されたセンサ出力により、制御のパラメータが算出される。上記システムによれば、このパラメータにより空燃比が制御されるため、上流側空燃比センサの誤差による影響が抑えられる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３０６７４２号公報
【特許文献２】特開平１１−２３７３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
下流側の排ガスセンサとしては、一般に酸素センサが用いられる。酸素センサは、その出力がステップ状に変化する特性を有する。即ち、排ガス中の、ＣＨ４やＨ２等のリッチガス濃度が高い場合には、ある一定の高い電圧を出力し、排ガス中の酸素濃度が高くなりリーンな状態になると出力電圧は急激に低下する。この出力電圧が急激に変化する点が出力急変点である。空燃比制御を正確に行うためには、出力急変点が、理論空燃比付近、即ち、λ=１付近にあることが望ましい。
【０００７】
しかしながら、排ガス中にはＣＨ４やＨ２等のリッチガスやＯ２が含まれるが、ＣＨ４やＨ２はＯ２に比べて拡散速度が速い。したがって酸素センサを用いて排ガスの検出を行う場合、ＣＨ４やＨ２は、Ｏ２よりも先に、排ガス側電極表面に到達することになる。その結果、理論空燃比の状態にあっても、先に到達したリッチガスの影響を受けて、酸素センサの出力がリッチ側にずれる場合がある。
【０００８】
このように排ガス中の各分子の拡散速度に差があっても、検出する排ガス中の各分子の濃度が高いものであれば、大きな影響を受けることなく、ある程度正確な出力を出すことができる。しかしながら、三元触媒下流側に配置された酸素センサの場合、検出対象となるガスは、三元触媒により浄化された後の極低濃度のガスとなる。したがって、拡散速度の差による影響を顕著に受けやすく、出力急変点がリーン側にシフトし、リッチ出力を出しやすい。このように、下流側の酸素センサの出力にズレが生じると、正確に上流側の空燃比センサの出力を補正することができなくなる。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、三元触媒下流に配置された酸素センサにおいて、より正確な出力を得られるように改良した酸素センサ及び空燃比制御システム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】
【００１０】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の三元触媒下流に配置される酸素センサであって、
排ガスに晒される排ガス側電極と、
酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準ガス側電極と、
前記排ガス側電極と前記基準ガス側電極との間に配置された電解質と、
前記排ガス側電極の表面側に配置され、前記酸素センサの出力が理論空燃比において出力急変点を有するように、前記排ガス側電極に到達する排ガス中のリッチガスの量を低減する低減手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記低減手段は、前記電解質とは反対側において前記排ガス側電極に接するように配置された、気孔率が１０％以下のコーティング層であることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記低減手段は、前記電解質とは反対側において前記排ガス側電極に接するように配置された、厚さが３００μm以上のコーティング層であることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記低減手段は、前記三元触媒の下流側の配管に、前記酸素センサを隔離して取り付けるカバーであって、
前記カバーは、前記コーティング層表面における排ガスの流速を、前記カバー外部の排ガスの流速に対して１/１０以下に低減させるように調整された通気穴を有することを特徴とする。
【００１４】
第５の発明は、上記の目的を達成するため、
内燃機関の排ガスを浄化する三元触媒の上流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する空燃比センサと、
前記三元触媒の下流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する酸素センサと、
前記酸素センサの出力により前記空燃比センサの出力を補正して、前記補正した空燃比センサの出力に応じて空燃比を制御する制御手段とを備える空燃比制御システムであって、
前記酸素センサは、
排ガスに晒される排ガス側電極と、
酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準ガス側電極と、
前記排ガス側電極と前記基準ガス側電極との間に配置された電解質と、
前記排ガス側電極の表面に配置され、前記酸素センサ外部に流れる排ガスの量に対する前記排ガス側電極に導入される排ガスの量を、前記空燃比センサ外部に流れる排ガスの量に対する前記空燃比センサの電極に導入される排ガスの量よりも少なくする低減手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記低減手段は、前記電解質とは反対側において前記排ガス側電極に接するように配置されたコーティング層であって、
前記コーティング層の気孔率を小さくすることにより、前記排ガス側電極に到達する排ガスの量を少なくすることを特徴とする。
【００１６】
また、第７の発明は、第６の発明において、前記コーティング層の気孔率は、１０％以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、第８の発明は、第５から第７のいずれかの発明において、
前記低減手段は、前記電解質とは反対側において前記排ガス側電極に接するように配置されたコーティング層であって、
前記コーティング層の厚さを厚くすることにより、前記排ガス側電極に到達する排ガスの量を少なくすることを特徴とする。
【００１８】
また、第９の発明は、第８の発明において、前記コーティング層の厚さは、３００μm以上であることを特徴とする。
【００１９】
また、第１０の発明は、第５から第９のいずれかの発明において、
前記低減手段は、前記三元触媒の下流側の配管に、前記酸素センサを隔離して取り付けるカバーであって、
前記カバーは、前記コーティング層表面における排ガスの流速を、前記配管中の排ガスの流速よりも小さくするように調整する通気穴を有することを特徴とする。
【００２０】
また、第１１の発明は、第１０の発明において、前記通気穴は、前記コーティング層表面における排ガスの流速を、前記カバー外部の排ガスの流速の１/１０以下にすることを特徴とする。
【００２１】
また、第１２の発明は、第５から第１１のいずれかの発明において、
前記制御手段は、
前記酸素センサの出力が、第１電圧以上であるかを判断する第１判断手段と、
前記第１電圧以上であると判断された場合に、前記目標電圧を前記第１電圧に設定する第１目標電圧設定手段と、
前記第１電圧以上でないと判断された場合に、前記酸素センサの出力が、前記第１電圧より小さい第２電圧以下であるか否かを判断する第２判断手段と、
前記第２電圧以下であると判断された場合に、前記目標電圧を第２電圧に設定する第２目標電圧設定手段と、
前記酸素センサの出力と前記目標電圧との偏差を求める偏差算出手段と、
前記偏差から、前記空燃比センサの補正値を算出する補正値算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２２】
また、第１３の発明は、第５から第１１のいずれかの発明において、
前記制御手段は、
前記酸素センサの出力が、基準電圧以上であるか否かを判断する判断手段と、
前記基準電圧以上であると判断された場合に、前記目標電圧を第１電圧に設定し、前記基準電圧以上でないと判断された場合に、前記目標電圧を前記第１電圧よりも小さい第２電圧に設定する目標電圧設定手段と、
前記酸素センサの出力と前記目標電圧との偏差を求める偏差算出手段と、
前記偏差から、前記空燃比センサの補正値を算出する補正値算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２３】
また、第１４の発明は、上記目的を達成するため、
内燃機関の排ガスを浄化する三元触媒の上流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する空燃比センサと、
前記三元触媒の下流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する酸素センサと、
前記酸素センサの出力により前記空燃比センサの出力を補正して、前記補正した空燃比センサの出力に応じて空燃比を制御する制御手段とを備える空燃比制御システムであって、
前記制御手段は、
前記酸素センサの出力が、第１電圧以上であるか否かを判断する第１判断手段と、
前記第１電圧以上であると判断された場合に、前記目標電圧を第１電圧に設定する第１目標電圧設定手段と、
前記第１電圧以上でないと判断された場合に、前記酸素センサの出力が、前記第１電圧より小さい第２電圧以下であるか否かを判断する第２判断手段と、
前記第２電圧以下であると判断された場合に、前記目標電圧を第２電圧に設定する第２目標電圧設定手段と、
前記酸素センサの出力と前記目標電圧との偏差を求める偏差算出手段と、
前記偏差から、前記空燃比センサの補正値を算出する補正値算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２４】
また、第１５の発明は、上記目的を達成するため、
内燃機関の排ガスを浄化する三元触媒の上流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する空燃比センサと、
前記三元触媒の下流に配置され、検出するガスの濃度に応じた出力を発する酸素センサと、
前記酸素センサの出力により前記空燃比センサの出力を補正して、前記補正した空燃比センサの出力に応じて空燃比を制御する制御手段とを備える空燃比制御システムであって、
前記制御手段は、
前記酸素センサの出力が、基準電圧以上であるか否かを判断する判断手段と、
前記基準電圧以上であると判断された場合に、目標電圧を第１電圧に設定し、前記基準電圧以上でないと判断された場合に、前記目標電圧を前記第１電圧よりも小さい第２電圧に設定する目標電圧設定手段と、
前記酸素センサの出力と前記目標電圧との偏差を求める偏差算出手段と、
前記偏差から、前記空燃比センサの補正値を算出する補正値算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
第１の発明によれば、排ガス側電極の表面側には、酸素センサの出力が理論空燃比において出力急変点を有するように、排ガス側電極に到達する排ガス中のリッチガスの量を低減する低減手段が備えられている。これにより、排ガス側電極に到達する排ガスを平均化することができ、拡散速度の速いリッチガスによる影響を低減することができる。これにより、第１の発明の酸素センサによれば、出力精度の向上を図ることができる。
【００２６】
また、第２の発明によれば、低減手段として、気孔率が１０％以下のコーティング層を排ガス側電極表面に設ける。これにより、より確実に、排ガス側電極に到達する排ガスを平均化することができる。
【００２７】
また、第３の発明によれば、低減手段として、厚さが３００μm以上のコーティング層を排ガス側電極表面に設ける。これにより、より確実に、排ガス側電極に到達する排ガスを平均化することができる。
【００２８】
また、第４の発明によれば、低減手段として、コーティング層表面における排ガスの流速を、カバー外部の排ガスの流速に対して１/１０以下に低減させるように調整された通気穴を有するカバーを用いる。これにより、より確実に、排ガス側電極に到達する排ガスを平均化することができる。
【００２９】
また、第５の発明によれば、三元触媒の下流側の酸素センサの出力により、上流側の空燃比センサの出力を補正して、補正した空燃比センサの出力に応じて空燃比を制御する。また、この下流側の酸素センサは、上流側の空燃比センサに比べて、酸素センサ外部に流れる排ガスの量に対する排ガス側電極に導入される排ガスの量を少なくする低減手段を有する。したがって、酸素センサの排ガス側電極に到達する排ガスを平均化することができ、拡散速度の速いリッチガスによる影響を低減することができる。これにより、三元触媒下流の極低濃度な排ガスを検出対象とする酸素センサにおいても、正確な出力を得ることができ、高精度に空燃比センサの出力を補正することができ。
【００３０】
また、第６〜第９の発明によれば、低減手段として、コーティング層を排ガス側電極表面に設ける。これにより、より確実に、排ガス側電極に到達する排ガスを平均化することができる。
【００３１】
また、第１０、第１１の発明によれば、低減手段として、酸素センサのカバーの通気穴を、コーティング層表面における排ガスの流速を低減するように調整して用いる。これにより、より確実に、排ガス側電極に到達する排ガスを平均化することができる。
【００３２】
また、第１２の発明によれば、制御手段は、酸素センサの出力が、第１電圧以上である場合に、目標電圧を、第１電圧に設定し、第２電圧以下である場合に、目標電圧を第２電圧に設定し、設定された目標電圧と、酸素センサの出力との偏差を求めて、この偏差から、空燃比センサの補正値を算出する。したがって、酸素センサの出力にヒステリシスが生じるのを考慮して、空燃比がリッチ/リーンに変動する場合のセンサ出力のズレを補正することができる。したがって、より正確な酸素センサの出力を得ることができる。
【００３３】
また、第１３の発明によれば、制御手段は、酸素センサの出力が、基準電圧以上の場合に、前記目標電圧を第１電圧に設定し、基準電圧未満である場合に、目標電圧を第１電圧よりも小さい第２電圧に設定する。また、設定された目標電圧と、酸素センサの出力との偏差を求めて、この偏差から、空燃比センサの補正値を算出する。したがって、酸素センサの出力にヒステリシスが生じるのを考慮して、空燃比がリッチ/リーンに変動する場合のセンサ出力のズレを補正することができる。したがって、より正確な酸素センサの出力を得ることができる。
【００３４】
また、第１４の発明によれば、制御手段は、酸素センサの出力が、第１電圧以上である場合に、目標電圧を、第１電圧に設定し、第２電圧以下である場合に、目標電圧を第２電圧に設定し、設定された目標電圧と、酸素センサの出力との偏差を求めて、この偏差から、空燃比センサの補正値を算出する。したがって、酸素センサの出力にヒステリシスが生じるのを考慮して、空燃比がリッチ/リーンに変動する場合のセンサ出力のズレを補正することができる。したがって、より正確な酸素センサの出力を得ることができる。
【００３５】
また、第１５の発明によれば、制御手段は、酸素センサの出力が、基準電圧以上の場合に、前記目標電圧を第１電圧に設定し、基準電圧未満である場合に、目標電圧を第１電圧よりも小さい第２電圧に設定する。また、設定された目標電圧と、酸素センサの出力との偏差を求めて、この偏差から、空燃比センサの補正値を算出する。したがって、酸素センサの出力にヒステリシスが生じるのを考慮して、空燃比がリッチ/リーンに変動する場合のセンサ出力のズレを補正することができる。したがって、より正確な酸素センサの出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００３７】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるシステムを説明するための模式図である。
図１に示すように、実施の形態１のシステムは、内燃機関２を備える。内燃機関２の各気筒の吸気ポート４には、吸気枝管６が接続されている。吸気枝管６には、燃料噴射弁８が設けられている。また、吸気枝管６は、共通のサージタンク１０に接続されている。
【００３８】
一方、内燃機関２の各気筒の排気ポート１２は、共通の排気マニホルド１４に接続されている。排気マニホルド１４は、三元触媒１６を内蔵する触媒コンバータ１８に接続されている。触媒コンバータ１８は、排気管２０を介して、マフラー（図示せず）に接続されている。排気マニホルド１４、即ち、三元触媒１６の上流には、上流側センサ２２が配置されている。上流側センサ２２は、広い空燃比領域に渡って、空燃比に対応した出力電圧を発生するいわゆる全域空燃比センサである。また、排気管２０、即ち三元触媒１６の下流には、下流側センサ２４が配置されている。下流側センサ２４は、その出力値が理論空燃比付近でステップ状に変化する酸素センサである。
【００３９】
また、この制御システムは、制御装置３０を備える。制御装置３０は、マイクロコンピュータ３２を有する。マイクロコンピュータ３２の入力ポート３４は、Ａ/Ｄ変換器３６、３８を介して、それぞれ、上流側センサ２２、下流側センサ２４に接続されている。また、マイクロコンピュータ３２の出力ポート４０は、駆動回路４２を介して、燃料噴射弁８に接続されている。
【００４０】
図２は、実施の形態１のシステムにおいて用いる下流側センサ２４について説明するための模式図である。
図２に示すように、下流側センサ２４は、カバー５０を備える。カバー５０は、排ガスに晒されるように、排気管２０内の排ガス通路中に取り付けられている。カバー５０にはその内部に排ガスを導くための複数の通気穴５２が設けられている。
【００４１】
カバー５０内には、センサ素子５４が配置されている。センサ素子５４は、一端が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、触媒層５６で覆われている。触媒層５６の内側には、コーティング層５８が配置されている。コーティング層５８は、耐熱性の多孔質のセラミックス、例えば、アルミナを用いたスピネル型化合物（ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３）により構成され、センサ素子５４の表面における排ガスの拡散速度を律する働きを有している。
【００４２】
コーティング層５８の内側には、排ガス側電極６０が設けられている。排ガス側電極６０は、コーティング層５８を通過した排ガスに晒される状態となっている。排ガス側電極６０の、コーティング層５８と接する面とは反対側の面には、固体電解質層６２が設けられている。固体電解質層６２の、排ガス側電極６０とは反対側の面には、大気側電極６４が設けられている。排ガス側電極６０及び大気側電極６４は、Ｐｔのように触媒作用の高い金属で構成された電極である。
【００４３】
センサ素子５４の内側には、大気室６６が形成されている。大気室６６内には、大気が導かれる構造となっている。したがって、大気側電極６４は、大気に晒されている。大気室６６内には、ヒータ６８が配置されている。ヒータ６８は、ヒータ制御回路（図示せず）と電気的に接続されており、その制御回路に制御されることにより、センサ素子５４を適切な温度に加熱する。なお、センサ素子５４は、７００℃程度の活性温度に加熱されることにより、安定した出力特性を示す。
【００４４】
また、上流側センサ２２は、従来の空燃比センサと同様の構造を有する。即ち、上記下流側センサ２４のコーティング層５８及び触媒層５６に代えて、拡散防止層を備える。また、上流側センサ２２において、各電極には所定の電圧が供給されるようになっている。
【００４５】
また、下流側センサ２４のコーティング層５８は、上流側空燃比センサ２２の拡散防止層よりも、緻密度が高い材料により構成されている。具体的には、コーティング層５８の気孔率が３〜８％に調整されている。なお、「気孔率」は、コーティング層５８全体の体積に対する空間の比率であり、空間/体積で表させる。また、コーティング層５８の厚さは、従来の空燃比センサに比して厚く、３００μmとなっている。これにより、下流側センサ２４においては、上流側空燃比センサ２２に比べて、排ガス側電極６０に到達する排ガスを緩やかに平均化することができる。
【００４６】
また、下流側センサ２４の通気穴５２の直径は、上流側センサ２２のカバーの通気穴よりも小さく形成されている。また、通気穴５２の個数は、上流側センサ２２のカバーの通気穴の個数よりも少なくなっている。この通気穴５２の小径化及び少数化により、下流側センサ２４のセンサ素子５４の表面に到達するガスの流速は、上流側センサ２２に比べて遅くなっている。具体的には、通常のエンジン運転域における排ガスの最低流速時、即ち、暖気後のアイドル時の流速時において、センサ素子５４表面での排ガスの流速が、排気管２０内の流速に対して、１/１０以下となるように設定されている。したがって、センサ素子５４に、平均的な排ガスを送ることができる。なお、最低流速時には、排気管２０内の流速は１〜２m/s程度であり、センサ素子５４表面では、この流速の１/１０程度となる。
【００４７】
このような構成にすることにより、下流側センサ２４における下流側センサ２４外部の排気管２４の排ガスの量に対する排ガス側電極６０に到達するガスの量は、上流側センサ２２外部の排気マニホルド１４の排ガス量に対する上流側センサ２２の電極に到達するガスの量に対して、小さく抑えられている。したがって、下流側センサ２４においては、排ガス側電極６０へ緩やかにガスを送ることができる。したがって、Ｈ２やＣＨ４等のリッチガスと、Ｏ２との拡散速度の差を、小さく低減して、平均的な排ガスを排ガス側電極６０に送ることができる。また、三元触媒１６において発生する微量なリッチガスが排ガス中に混入した場合にも、リッチガスの混入を平均化して排ガス側電極６０に送ることができる。したがって、拡散速度の速いリッチガスによる影響を抑えて、正確なセンサ出力を得ることができる。
【００４８】
実施の形態１のシステムは、空燃比を制御する。より具体的には、上流側センサ２２の出力電圧を、下流側センサ２４の出力電圧に応じて補正した電圧から、制御のパラメータが求められる。下流側センサ２４の出力により算出される補正値は、空燃比センサの出力から求められる空燃比が、目標空燃比に一致するように、ＰＩＤ制御によって設定される。この実施の形態１においては、目標空燃比を、理論空燃比とする。なお、実施の形態１において、制御装置３０は、空燃比が理論空燃比と一致する場合の、下流側センサ２４の出力を、目標電圧Ｖrefとして記憶する。以下、具体的に実施の形態１における空燃比の制御について説明する。
【００４９】
図３は、この発明の実施の形態１のシステムにおいて制御装置３０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
図３に示すように、まず、制御装置３０は、下流側センサ２４の出力Ｖ２４を読み取る（ステップＳ１０２）。下流側センサ２４の出力はＡ/Ｄ変換器３８を介して、入力ポート３４からマイクロコンピュータ３２に読み込まれる。
【００５０】
次に、読み取った出力Ｖ２４から、上流側センサ２２の出力に対する補正値を算出する（ステップＳ１０４）。制御装置３０は、下流側センサ出力Ｖ２４と目標電圧Ｖrefとの偏差ΔＶ２４を算出し、ΔＶ２４から補正値ΔＶを、次式（１）に基づいて算出する。
ΔＶ＝ＫＰΔＶ２４＋ＫＩ（ΣΔＶ２４）＋ＫＤ（ｄΔＶ２４）    ・・・・（１）
なお、式（１）において、ＫＰΔＶ２４は比例項、ＫＩ（ΣΔＶ２４）は積分項、ＫＤ（ｄΔＶ２４）は微分項を表す。また、ＫＰ、ＫＩ、ＫＤは、各項に対するゲイン係数である。この補正値において、微分項及び比例項は過渡的変動を補正する値であり、積分項は定常的なズレを補正する値である。
【００５１】
次に、上流側センサ２２の出力Ｖ２２を読み取る（ステップＳ１０６）。上流側センサ２２の出力Ｖ２２はＡ/Ｄ変換器３６を介して、入力ポート３４からマイクロコンピュータ３２に読み込まれる。その後、上流側センサ２２の出力Ｖ２２を補正した補正電圧*Ｖ２２を算出する（ステップＳ１０８）。制御装置３０は、上流側センサ２２の出力Ｖ２２から、補正電圧*Ｖ２２を次式（２）により算出する。
*Ｖ２２＝Ｖ２２＋ΔＶ        ・・・・（２）
これにより、補正電圧*Ｖ２２は、下流側センサ２２の出力から算出された補正値ΔＶを加味した値となる。即ち、求められた補正電圧*Ｖ２２は、上流側センサ２２の経時劣化や出力のばらつきが補正された値となっている。
【００５２】
次に、燃料噴射量を算出する（ステップＳ１１０）。燃料噴射量は、補正電圧*Ｖ２２を用いて算出される。制御装置３０には、例えば、特開平１０−３０６７４２号に示されるような現代制御を用いて行う算出方法が記憶されており、これに基づいて燃料噴射量を算出する。
【００５３】
次に、設定された燃料噴射量に基づいて、燃料噴射を制御する（ステップＳ１１２）。制御装置３０は、出力ポート４０から駆動回路４２を介して、燃料噴射弁８を制御することにより、設定された燃料噴射量の燃料が噴射されるように制御する。これにより、空燃比が制御される。
【００５４】
以上のような制御のルーチンはクランクシャフトの一回転ごとに行われ、各回転における燃料噴射量が、常に上流側センサ２２及び下流側センサ２４の出力に基づいて、ＰＩＤ制御されるようになっている。
【００５５】
以上の制御において、実施の形態１において下流側センサ２４の出力Ｖ２４の検出に用いる下流側センサ２４は、排ガス側電極６０に到達する排ガスを平均化することができるように改良されたものである。したがって、拡散速度の速いリッチガスの影響や、あるいは、三元触媒から発生する微量なリッチガスの影響を抑えて、平均化されたガスによるセンサ出力Ｖ２４を得ることができる。したがって、下流側センサ２４によれば、リッチガスの強い影響が抑えて、高精度な出力を得ることができる。これにより、実施の形態１のシステムによれば、高精度に空燃比を制御することができ、例えば、下流側センサ２４の出力Ｖ２４が空燃比に１対１に対応して変化する理論空燃比近傍の僅かな範囲においても、その出力を利用して、高精度に空燃比の制御を行うことができる。
【００５６】
なお、この発明において、補正値の算出方法は、実施の形態１に説明したＰＩＤ制御によるものに限るものではない。この発明において補正値の算出方法は、例えば、条件によって、上記（１）式における積分項ＫＩ（ΣΔＶ２４）のなまし値のみを用いるものや、急激なリッチ/リーンの変動に対しては、下流側センサ２４の出力電圧の経時的変化を考慮して算出する方法等、他の方法を用いてもよい。これらの何れの方法においても、用いられる下流側センサ２４の出力が正確であるため、より正確に空燃比の制御を行うことができる。
【００５７】
また、実施の形態１においては、コーティング層５８の厚さと気孔率、及びカバー５０の通気穴５２の数と径の４つの要素を用いて、排ガス側電極６０に到達するガスを平均化する場合について説明した。しかし、この発明において、排ガスを平均化する方法はこれに限るものではなく、上記いずれか１の要素を用いて排ガス中のリッチガスの電極への到達量を調整するものであっても良い。
【００５８】
実施の形態１においては、コーティング層５８の厚さを３００μmとして説明した。しかし、この発明においてコーティング層５８の厚さはこれに限るものではない。コーティング層５８の厚さは、排ガスを平均化して排ガス側電極６０に到達させる機能を考慮すると、３００μm以上であることが好ましく、更に、下流側センサ２４の安定性や応答性を考慮すると５００μm以下であることが好ましい。しかしながら、コーティング層５８の厚さは、この範囲に限るものではなく、コーティング層５８の気孔率やカバー５０の通気穴５２の数及び径を考慮して、排ガスが平均化して排ガス側電極６０に到達するように設定すればよい。
【００５９】
また、実施の形態１においては、コーティング層５８の気孔率は３〜８％として説明した。しかし、この発明においてコーティング層５８の気孔率はこれに限るものではない。コーティング層５８は、好ましくは、１０％以下の気孔率を有するものがよいが、これに限られるものでもなく、コーティング層５８の厚さやカバー５０の通気穴５２の数及び径を考慮して、排ガスが平均化して排ガス側電極６０に到達するように設定すればよい。
【００６０】
また、実施の形態１においては、カバー５０の通気穴５２の穴径が従来の空燃比センサに比してすくなく、通気穴５２の数も従来の空燃比センサに比して少ない場合について説明した。更に具体的に、この通気穴の穴径及び数により、通常のエンジン運転域における排ガスの最低流速時、即ち、暖気後のアイドル時の流速時において、センサ素子５４表面での排ガスの流速が、排気管２０内の流速に対して、１/１０以下となるように設定されている場合について説明した。しかし、この発明において、カバー５０の通気穴５２の穴径や個数はこれに限るものではなく、コーティング層５８の厚さや気孔率を考慮して、排ガスが平均化して排ガス側電極６０に到達するように設定すればよい。
【００６１】
実施の形態２．
実施の形態２において用いるシステムの構成は、実施の形態１において説明したシステムの構成と同様である。ただし、制御装置３０は、下流側センサ２４の出力Ｖ２４から偏差を算出する際の目標電圧として、２つの目標電圧Ｖref1、Ｖref2を記憶する。
図４は、実施の形態２における下流側センサ２４の出力と、２つの目標電圧Ｖref1、Ｖref2との関係について説明するためのグラフである。
【００６２】
図４に示すように、下流側センサ２４においては、低濃度ガス雰囲気下では空燃比のリッチ/リーン変化時の出力特性にヒステリシスが生じる。即ち、空燃比がリッチからリーンへ変動する場合と、リーンからリッチへ変動する場合とで、下流側センサ２４の出力が異なっている。具体的に、空燃比がリッチからリーンへ切り替わる場合、下流側センサ２４の出力急変点はリーン側へずれている。したがって、理論空燃比（λ＝１）における出力電圧は、高い値（Ｖ１）にずれている。一方、空燃比がリーンからリッチへ切り替わる場合には、下流側センサ２４の出力急変点は、リッチ側へずれている。したがって、理論空燃比（λ＝１）における出力電圧Ｖ２４は、低い値（Ｖ２）にずれている。
【００６３】
実施の形態２では、上記のヒステリシスを考慮して、センサ出力Ｖ２４がリッチからリーンへ切り替わる場合には、目標電圧を、ヒステリシスを考慮しない場合の理論空燃比における目標電圧（以下、「基準電圧Ｖref」と称する）よりも高い電圧Ｖref1とする。一方、センサ出力Ｖ２４がリーンからリッチへ切り替わる場合には、目標電圧を、基準電圧Ｖrefよりも低い電圧Ｖref2とする。制御装置３０は、この目標電圧Ｖref1とＶref2を記憶し、空燃比の変化の状況に応じて、これらの目標電圧を選択して用いる。このように、目標電圧を変化させることにより、ヒステリシスを持ったセンサ出力を正確に制御することができる。
【００６４】
制御装置３０が実行する制御のルーチンは、図３に示すルーチンと、用いる目標電圧が異なる点を除き、同じものである。図５は、実施の形態２において制御装置３０が、目標電圧の設定のためのフラグ設定の際に実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。このルーチンは、図３におけるステップＳ１０２に続いて実行される。図６は、実施の形態２において制御装置３０が、目標電圧設定の際に実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。このルーチンは、図５におけるルーチンに引き続き実行される。
【００６５】
まず、フラグ設定のための制御が実行される。図５に示すように、ステップＳ１０２において読み取られた下流側センサ２４の出力電圧Ｖ２４が、目標電圧Ｖref1よりも大きいか否か判定する（ステップＳ２０２）。制御装置３０は、予め記憶された目標電圧Ｖref1と、読み取られたＶ２４とを比較して、出力電圧Ｖ２４が目標電圧Ｖref1よりも大きいか否かを判断する。Ｖref1よりも大きい場合、空燃比を理論空燃比に戻す制御において、空燃比は、リッチからリーンに移動すると考えられる。即ち、ここでは、空燃比制御を行う場合の空燃比の出力変化が、リッチからリーンに移動するものか否かが判断される。ステップＳ２０２において、出力電圧Ｖ２４が、目標電圧Ｖref1よりも大きいと判断された場合には、フラグをONにし（ステップＳ２０４）、フラグ操作のルーチンを終了する。
【００６６】
一方、出力電圧Ｖ２４が目標電圧Ｖref1よりも小さいと判断された場合には、出力電圧Ｖ２４が、目標電圧Ｖref2よりも小さいか否かが判断される（ステップＳ２０６）。制御装置３０は、予め記憶された目標電圧Ｖref2と、出力電圧Ｖ２４とを比較して、出力電圧Ｖ２４が目標電圧Ｖref2よりも小さいか否かを判断する。出力電圧Ｖ２４がＶref2よりも小さい場合、空燃比を理論空燃比に戻す制御において、空燃比はリーンからリッチに移動すると考えられる。即ち、ここでは、空燃比制御を行う場合の出力変化が、リーンからリッチに移動するものか否かが判断される。
【００６７】
ステップＳ２０６において、センサ出力Ｖ２４が目標電圧Ｖref2より大きいと判断された場合には、フラグ操作のルーチンを終了する。一方、ステップＳ２０６において、センサ出力Ｖ２４が目標電圧Ｖref2よりも小さいと判断された場合には、フラグをOFFにし（ステップＳ２０８）、フラグ操作のルーチンを終了する。
【００６８】
以上のステップＳ２０２〜Ｓ２０８の制御により、出力電圧Ｖ２４が一旦目標電圧Ｖref1よりも大きくなった場合、次に目標電圧Ｖref2よりも小さくなるまでは、フラグはONにされたままとなる。一方、一旦出力電圧Ｖ２４が目標電圧Ｖref2よりも小さくなると、次に目標電圧Ｖref1よりも大きくなるまでは、フラグはOFFにされたままとなる。即ち、図４における太実線で示すライン１のエリアでは、フラグはONとされ、太点線で示すライン２のエリアではフラグはOFFとされている。
【００６９】
次に、目標電圧設定のための制御が実行される。まず、ステップＳ２１０において、フラグが、ONになっているか否かを判断する。即ち、空燃比がリッチからリーンに変化するように制御されるものであるか否かが判断される。フラグがONになっている場合、下流側センサ２４の目標電圧をＶref1に設定して（ステップＳ２１２）、目標電圧設定のルーチンを終了する。フラグがONになっている場合、空燃比はリッチからリーンに移動するものと判断されるが、リッチからリーンに移動する場合には、理論空燃比におけるセンサ出力が基準電圧Ｖrefよりも大きな値（Ｖ１）を示すものと考えられる。したがって、目標電圧は基準電圧Ｖrefよりも高いＶref1に設定する。
【００７０】
一方、フラグがONになっていないと判断された場合、下流側センサ２４の目標電圧をＶref2に設定し（ステップＳ２１４）、目標電圧設定のルーチンを終了する。フラグがOFFになっている場合、空燃比はリーンからリッチに移動するものと判断されるが、リーンからリッチに移動する場合には、理論空燃比におけるセンサ出力が基準電圧Ｖrefよりも小さな値（Ｖ２）を示すものと予想される。したがって、目標電圧を基準電圧Ｖrefよりも低いＶref2に設定する。
【００７１】
その後、設定された目標電圧を用いて、図３のステップＳ１０４の補正値の算出を行い、引き続き、ステップＳ１０６〜Ｓ１１４の制御を行う。これにより、空燃比のＰＩＤ制御が実行される。
【００７２】
以上のように、実施の形態２においては、下流側センサ２４の出力がヒステリシスを持った値となることを考慮して、目標電圧を決定する。したがって、下流側センサ２４の出力のずれをより正確に修正して、空燃比のＰＩＤ制御を行うことができる。
【００７３】
なお、実施の形態２においては、フラグのON/OFFの判断を、目標電圧Ｖref1、Ｖref2を用いて行う場合について説明した。しかし、この発明において、フラグのON/OFFの判断値はこれに限るものではない。例えば、図７に実施の形態２における制御のルーチンの他の例を示す。
【００７４】
図７に示すルーチンは、図５に示すルーチンのステップＳ２０４、Ｓ２０８に代えて、ステップＳ２２４を実行する点を除き、図５に示すルーチンと同じものである。即ち、図５のルーチンにおいて、ステップＳ２０４、Ｓ２０８においては、それぞれ、Ｖref1、Ｖref2を判断値として、Ｖ２４が、Ｖref1より大きいか、あるいは、Ｖref2より小さいかを比較している。
【００７５】
これに対して、図７に示すルーチンにおいては、ステップＳ２２４においても、基準電圧Ｖrefを判断値として、フラグのON/OFFを決定する。具体的にステップＳ２２４においては、出力電圧Ｖ２４が、基準電圧Ｖrefより大きいか否かが判断され、大きいと判断された場合には、ステップＳ２０４においてフラグがONにされる。一方、大きいと判断されなかった場合には、ステップＳ２０８において、フラグがOFFにされる。その後、フラグのON/OFFに基づいて、図６に示すルーチンを同様に実行して、リッチ/リーンへの切り替わりおいて、それぞれ適切な目標電圧を設定する。
【００７６】
図７のルーチンにおいて、下流側センサ２４の出力電圧Ｖ２４が基準電圧Ｖrefよりも大きい場合、リッチ状態であると考えることができる。したがって、空燃比は、リッチからリーンに移動するように制御されるものと考えられるため、フラグをONにして目標電圧がＶref1に設定されるようにする。一方、下流側センサ２４の出力電圧Ｖ２４が基準電圧Ｖrefより小さい場合、リーン状態であると考えられる。したがって、空燃比はリーンからリッチに移動するように制御されると考えられるため、フラグをOFFにして目標電圧がＶref2に設定されるようにする。このように、基準電圧ＶrefをフラグON/OFFの判断の基準値としても、目標電圧の設定をすることができる。
【００７７】
なお、実施の形態２においては、実施の形態１と同様の下流側センサ２４を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、下流側センサ２４に代えて、従来の酸素センサを用いて、実施の形態２において説明した制御を行うものであってもよい。このようにしても、実施の形態２における制御により、ある程度の出力ズレを補正することができるため、正確な空燃比制御を行うことができる。
【００７８】
以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００７９】
なお、例えば、実施の形態１、２において、下流側センサ２４、排ガス側電極６０、大気側電極６４、固体電解質層６２は、それぞれ、この発明の「酸素センサ」、「排ガス側電極」、「大気側電極」「電解質」に該当し、コーティング層５８、カバー５０は、それぞれ、この発明の「コーティング層」、「カバー」に該当する。
【００８０】
また、例えば、実施の形態１において、ステップＳ１０２〜Ｓ１１２が実行されることにより、この発明の「制御手段」が実現する。また、例えば、実施の形態２において、Vref1、Vref2は、それぞれ、この発明の「第１電圧」及び「第２電圧」に該当し、Vrefは、「基準電圧」に該当する。また、例えば、図５及び図６において、ステップＳ２０２を実行することにより、この発明の「第１判断手段」が実現し、ステップＳ２０４、Ｓ２１０及びＳ２１２を実行することにより、この発明の「第１目標電圧設定手段」が実現し、ステップＳ２０６を実行することにより、この発明の「第２判断手段」が実現し、ステップＳ２０８、Ｓ２１０及びS２１４を実行することにより、この発明の「第２目標電圧設定手段」が実現する。また、例えば、図７において、ステップＳ２２２を実行することにより、この発明の「判断手段」が実現し、ステップＳ２０４、Ｓ２０８を実行することにより、この発明の「目標電圧設定手段」が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】この発明の実施の形態１におけるシステムを説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における下流側センサについて説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
【図４】この発明の実施の形態２における下流側センサの出力と、目標電圧との関係について説明するためのグラフである。
【図５】この発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
【図６】この発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
【図７】この発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御の他の例について説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【００８２】
２  内燃機関
４  吸気ポート
６  吸気枝管
８  燃料噴射弁
１０  サージタンク
１２  排気ポート
１４  排気マニホルド
１６  三元触媒
１８  触媒コンバータ
２０  排気管
２２  上流側センサ
２４  下流側センサ
３０  制御装置
３２  マイクロコンピュータ
３４  入力ポート
３６、３８  Ａ/Ｄ変換器
４０  出力ポート
４２  駆動回路
５０  カバー
５２  通気穴
５４  センサ素子
５６  触媒層
５８  コーティング層
６０  排ガス側電極
６２  固体電解質層
６４  大気側電極
６６  大気室
６８  ヒーター
【図１】
2006291893.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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