(57)【要約】【課題】空燃比センサの素子温度にかかわらず触媒装置の浄化性能を適正に確保できる内燃機関を提供すること。【解決手段】この内燃機関１は、エンジン２と、エンジン２の排気通路４１上に配置されて排気ガスを浄化する触媒装置４２、４３と、エンジン２の排気ガスの空燃比を計測する第一空燃比センサ５２および第二空燃比センサ５３とを有する。この内燃機関１では、第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1と理論空燃比の目標電圧Ｖt1との偏差Ｅ1に基づいてエンジン２に供給される混合気の空燃比が制御される。また、第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2と理論空燃比の目標電圧Ｖt2との偏差Ｅ2に基づいてサブフィードバック制御定数Ｋが算出され、このサブフィードバック制御定数Ｋに基づいて第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1が補正される。また、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔの実測値あるいは推定値に基づいてサブフィードバック制御定数Ｋが補正される。【選択図】        図１
2008014212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、前記エンジンの排気通路上に配置されて排気ガスを浄化する触媒装置と、前記エンジンの排気ガスの空燃比を計測する第一空燃比センサおよび第二空燃比センサとを有する内燃機関であって、
前記第一空燃比センサの出力電圧Ｖo1と理論空燃比の目標電圧Ｖt1との偏差Ｅ1に基づいて前記エンジンに供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記第二空燃比センサの出力電圧Ｖo2と理論空燃比の目標電圧Ｖt2との偏差Ｅ2に基づいてサブフィードバック制御定数Ｋを算出すると共に当該サブフィードバック制御定数Ｋに基づいて前記第一空燃比センサの出力電圧Ｖo1を補正する出力電圧補正手段と、
前記第二空燃比センサの素子温度の実測値あるいは推定値に基づいて前記サブフィードバック制御定数Ｋを補正する制御定数補正手段とを含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第二空燃比センサの素子温度の実測値あるいは推定値に基づいて前記第二空燃比センサの出力電圧Ｖo2の目標電圧Ｖt2を補正する目標電圧補正手段を有する請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、空燃比センサの素子温度にかかわらず触媒装置の浄化性能を適正に確保できる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の内燃機関では、触媒装置による排気ガスの浄化性能を適正に確保するために、排気通路上であって触媒装置の前後に空燃比センサが配置され、この空燃比センサの出力電圧に基づいて空燃比制御が行われる。
【０００３】
ここで、空燃比センサは、その素子温度により、（１）同一の空燃比に対する定常時の出力電圧や、（２）空燃比の変化に対する応答速度が変化するという特性を有する。このため、空燃比センサの素子温度にかかわらず触媒装置の浄化性能を適正に確保すべき必要がある。
【０００４】
上記の（１）の課題に関する従来の内燃機関には、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の内燃機関（内燃機関の空燃比制御装置）は、内燃機関の排気通路に設けた触媒装置の下流側に配置され、該触媒装置を通過した排ガスに接触して該排ガス中の特定成分に感応する素子部を有する排ガスセンサを備え、該排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束させるように内燃機関から触媒装置に供給する排ガスの空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置において、前記排ガスセンサの素子部の温度を表す素子温度データを逐次取得する素子温度データ取得手段と、該素子温度データに応じて前記目標値を可変的に設定する目標値設定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６８７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、空燃比センサの素子温度にかかわらず触媒装置の浄化性能を適正に確保できる内燃機関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】
【０００７】
上記目的を達成するため、この発明にかかる内燃機関は、エンジンと、前記エンジンの排気通路上に配置されて排気ガスを浄化する触媒装置と、前記エンジンの排気ガスの空燃比を計測する第一空燃比センサおよび第二空燃比センサとを有する内燃機関であって、前記第一空燃比センサの出力電圧Ｖo1と理論空燃比の目標電圧Ｖt1との偏差Ｅ1に基づいて前記エンジンに供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、前記第二空燃比センサの出力電圧Ｖo2と理論空燃比の目標電圧Ｖt2との偏差Ｅ2に基づいてサブフィードバック制御定数Ｋを算出すると共に当該サブフィードバック制御定数Ｋに基づいて前記第一空燃比センサの出力電圧Ｖo1を補正する出力電圧補正手段と、前記第二空燃比センサの素子温度の実測値あるいは推定値に基づいて前記サブフィードバック制御定数Ｋを補正する制御定数補正手段とを含むことを特徴とする。
【０００８】
この内燃機関では、第二空燃比センサの素子温度Ｔ2が変化した場合に、その出力電圧Ｖo2が早期に定常値に収束するようにサブフィードバック制御定数Ｋが補正される。そして、この補正後のサブフィードバック制御定数Ｋに基づいて第一空燃比センサの出力電圧Ｖo1が補正されて、所定のメインフィードバック制御が行われる。これにより、第一触媒装置および第二触媒装置による排気ガスの浄化性能が適正に確保される利点がある。
【０００９】
また、この発明にかかる内燃機関は、前記第二空燃比センサの素子温度の実測値あるいは推定値に基づいて前記第二空燃比センサの出力電圧Ｖo2の目標電圧Ｖt2を補正する目標電圧補正手段を有する。
【００１０】
この内燃機関では、第二空燃比センサの素子温度Ｔ2が変化した場合に、その出力電圧Ｖo2の目標電圧Ｖt2の設定が変更され、この補正後の目標電圧Ｖt2に基づいてサブフィードバック制御定数Ｋが算出されて、所定のサブフィードバック制御が行われる。これにより、第一触媒装置および第二触媒装置による排気ガスの浄化性能がより適正に確保される利点がある。
【発明の効果】
【００１１】
この発明にかかる内燃機関では、第二空燃比センサの素子温度Ｔ2が変化した場合に、その出力電圧Ｖo2が早期に定常値に収束するようにサブフィードバック制御定数Ｋが補正される。そして、この補正後のサブフィードバック制御定数Ｋに基づいて第一空燃比センサの出力電圧Ｖo1が補正されて、所定のメインフィードバック制御が行われる。これにより、第一触媒装置および第二触媒装置による排気ガスの浄化性能が適正に確保される利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的同一のものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。
【実施例】
【００１３】
図１は、この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図２は、図１に記載した内燃機関の制御系統（ＥＣＵ）を示す機能ブロック図である。図３および図４は、図１に記載した内燃機関の空燃比センサの特性を示すグラフである。図５および図６は、図１に記載した内燃機関の空燃比制御を示すフローチャートである。図７および図８は、図１に記載した内燃機関の空燃比センサの特性を示すグラフである。
【００１４】
［内燃機関］
この内燃機関１は、エンジン２と、吸気系統３と、排気系統４と、制御系統５とを有する（図１参照）。
【００１５】
エンジン２は、ピストン２１と、ピストン２１を収容するシリンダ２２と、ピストン２１に連結されるクランクシャフト２３と、シリンダ２２に接続される吸気ポート２４および排気ポート２５と、燃料噴射用のインジェクタ２６と、点火プラグ２７とを有する。このエンジン２では、空気が吸気ポート２４からシリンダ２２内に吸入されて圧縮され、また、インジェクタ２６からシリンダ２２内に燃料が噴射されて混合気が形成される。そして、この混合気が点火プラグ２７により点火されてシリンダ２２（燃焼室）内で燃焼し、その燃焼エネルギーによりピストン２１が駆動されてシリンダ２２内を往復運動する。そして、このピストン２１の往復運動がクランクシャフト２３の回転運動に変換されて動力が発生する。また、シリンダ２２内の燃焼ガスが排気ポート２５を介してシリンダ２２の外部に排出される。
【００１６】
吸気系統３は、吸気通路（吸気管）３１と、この吸気通路３１上に配置されるエアフィルタ３２、スロットルバルブ３３およびサージタンク３４とを有する。吸気通路３１は、吸気マニホールドを介してエンジン２の吸気ポート２４に接続される。エアフィルタ３２は、吸気通路３１の入口部に配置されて吸入空気中のゴミや塵などを除去するフィルタである。スロットルバルブ３３は、吸気通路３１にて空気の流路断面積を調整する流量調整弁である。サージタンク３４は、吸入空気を一時的に溜めて吸気脈動を抑制するタンクである。
【００１７】
排気系統４は、排気通路（排気管）４１と、この排気通路４１上に配置される第一触媒装置４２および第二触媒装置４３とを有する。排気通路４１は、排気マニホールドを介してエンジン２の排気ポート２５に接続される。第一触媒装置４２および第二触媒装置４３は、排気通路４１内を通る有害ガス（ＣＯ、ＣＨ、ＮＯｘ）を無害なガス（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2）に浄化する機能を有する。
【００１８】
制御系統５は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５１と、第一空燃比センサ（メイン空燃比センサ）５２と、第二空燃比センサ（サブ空燃比センサ）５３とを有する。ＥＣＵ５１は、各センサ５２、５３から取得した計測値に基づいて、エンジン２、吸気系統３および排気系統４の駆動を制御する。このＥＣＵ５１は、後述する空燃比制御を行うための空燃比制御部５１１および出力電圧補正部５１２を有する（図２参照）。空燃比制御部５１１は、第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1と理論空燃比の目標電圧Ｖt1との偏差Ｅ1に基づいて、インジェクタ２６の燃料噴射量を補正するためのフィードバック補正量ＦＤを算出し、このフィードバック補正量ＦＤに基づいてインジェクタ２６の基本噴射量Ｆｂを補正する（メインフィードバック制御）。出力電圧補正部５１２は、第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2と理論空燃比の目標電圧Ｖt2との偏差Ｅ2に基づいてサブフィードバック制御定数Ｋを算出し、このサブフィードバック制御定数Ｋに基づいて第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1を補正する（サブフィードバック制御）。
【００１９】
また、第一空燃比センサ５２は、空燃比Ａ／Ｆに応じた電圧Ｖo1を出力するセンサであり、排気通路４１上であって第一触媒装置４２の上流側に配置される。この第一空燃比センサ５２は、例えば、限界電流式の酸素濃度センサであり、広範囲に渡る空燃比Ａ／Ｆを精度良く検出できる（図３参照）。第二空燃比センサ５３は、空燃比Ａ／Ｆに応じた電圧Ｖo2を出力するセンサであり、排気通路４１上であって第一触媒装置４２の下流側かつ第二触媒装置４３の上流側に配置される。この第二空燃比センサ５３は、例えば、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサであり、理論空燃比を境界として出力電圧Ｖo2を急変させる特性を有する（図４参照）。
【００２０】
［空燃比制御］
この内燃機関１では、エンジン２の稼働時にて、以下の空燃比制御が行われる（図５参照）。まず、第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1と理論空燃比に相当する目標電圧Ｖt1とが比較され、その偏差Ｅ1に基づいてエンジン２に供給される混合気の空燃比がフィードバック制御される（メインフィードバック制御）。例えば、第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1が取得され（ＳＴ１）、この出力電圧Ｖo1と目標電圧Ｖt1との偏差Ｅ1が算出される（ＳＴ３）。そして、この偏差Ｅ1に基づいて、インジェクタ２６の燃料噴射量を補正するためのフィードバック補正量ＦＤが算出される（ＳＴ４）。そして、このフィードバック補正量ＦＤに基づいてインジェクタ２６の基本噴射量Ｆｂ（エンジン２の一吸気行程における筒内吸入空気量に相当する値を理論空燃比で除した値に応じて決定される燃料噴射量）が補正される（ＳＴ５）。これにより、エンジン２に供給される混合気の空燃比が適正化されるので、第一触媒装置４２および第二触媒装置４３による排気ガスの浄化性能が好適に確保される。
【００２１】
また、このとき、第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1が第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2に基づいて補正される（ＳＴ２）（サブフィードバック制御）。このサブフィードバック制御では、例えば、第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2が取得され（ＳＴ２１）、この出力電圧Ｖo2と理論空燃比に相当する目標電圧Ｖt2との偏差Ｅ2が算出される（ＳＴ２３）（図６参照）。そして、この偏差Ｅ2に基づいて出力電圧Ｖo1を補正するためのサブフィードバック制御定数Ｋ（例えば、比例ゲイン、微分ゲイン、積分ゲインなど）が算出される（ＳＴ２４）。例えば、第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2が理論空燃比の目標電圧Ｖt2よりもリーン側（リッチ側）にある場合には、この出力電圧Ｖo2と目標電圧Ｖt2との偏差Ｅ2が比例・積分処理（ＰＩ処理）されてサブフィードバック制御定数Ｋが算出される。そして、このサブフィードバック制御定数Ｋに基づいて第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1が補正され（ＳＴ２６）、エンジン２の実際の空燃比が第一空燃比センサ５２の実測値よりもリーン側（リッチ側）にあるように設定変更される。これにより、インジェクタ２６の基本噴射量Ｆｂの設定精度が向上して、第一触媒装置４２および第二触媒装置４３による排気ガスの浄化性能がより適正に確保される。
【００２２】
［サブフィードバック制御定数の補正］
一般に、空燃比センサは、その素子温度Ｔにより、空燃比の変化に対する出力電圧の応答速度が変動するという特性を有する（図７参照）。例えば、エンジン２の稼働時にて排気ガスの温度が上昇して空燃比センサの素子温度Ｔが上昇すると、これに伴って出力電圧Ｖoの応答速度が増加する。このとき、上記のサブフィードバック制御係数Ｋが一定値に固定された状態では、出力電圧Ｖoの応答速度に応じた適切なサブフィードバック制御が行われない。すなわち、出力電圧Ｖoの応答速度の変化により、制御系が不安定になり或いは安定となり過ぎて出力電圧Ｖoの収束が遅くなる場合がある。このため、空燃比制御では、空燃比センサの素子温度Ｔの変化に応じて、その出力電圧Ｖoを早期に定常値に収束させるための制御が必要となる。
【００２３】
この点において、この内燃機関１では、制御系統５のＥＣＵ５１が制御定数補正部５１３を有する（図２参照）。この制御定数補正部５１３は、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔ2の実測値あるいは推定値に基づいてサブフィードバック制御定数Ｋを補正する。かかる構成では、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔ2が変化した場合に、その出力電圧Ｖo2が早期に定常値に収束するようにサブフィードバック制御定数Ｋが補正される。具体的には、エンジン２の稼働時には、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔ2の実測値あるいは推定値が取得されており、この素子温度Ｔ2と既存の実験データあるいは算出式とに基づいてサブフィードバック制御定数Ｋが補正される（ＳＴ２５）（図６参照）。そして、この補正後のサブフィードバック制御定数Ｋに基づいて第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1が補正されて（ＳＴ２６）、上記のメインフィードバック制御が行われる（ＳＴ３〜ＳＴ５）（図５参照）。かかる構成とすれば、インジェクタ２６の基本噴射量Ｆｂの設定精度が向上して、第一触媒装置４２および第二触媒装置４３による排気ガスの浄化性能が適正に確保される利点がある。
【００２４】
例えば、素子温度Ｔ2が上昇して出力電圧Ｖo2の応答速度が増加した場合には、制御系が不安定となり難いため早期に出力電圧Ｖo2が収束する。そこで、サブフィードバック制御定数Ｋのゲインを増加させる補正が行われる。逆に、素子温度Ｔ2が下降して出力電圧Ｖo2の応答速度が減少した場合には、制御系が不安定となり安いため出力電圧Ｖo2が収束し難い。そこで、サブフィードバック制御定数Ｋのゲインを減少させる補正が行われる。これらにより、より早期に第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2を収束させ得る。
【００２５】
なお、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔ2は、設置された温度センサ（図示省略）による実測値、または、第二空燃比センサ５３を加温するためのヒータ（図示省略）の通電状態、車両の走行状態（例えば、エンジン２の吸入空気量、エンジン２の回転数、エンジン２の吸入空気温度、第一触媒装置４２に流入する排気ガスの空燃比、エンジン２の点火時期など）、第二空燃比センサ５３の素子のインピーダンスなどから推定される推定値などに基づいて判断される。
【００２６】
［目標電圧の補正］
また、一般に、空燃比センサは、その素子温度Ｔにより、同一の空燃比Ａ／Ｆに対する出力電圧Ｖoの定常時が変動するという特性を有する（図８参照）。例えば、エンジン２の稼働時にて排気ガスの温度が上昇して空燃比センサの素子温度Ｔが上昇すると、これに伴って出力電圧Ｖoの定常値が変化する。すると、不正確な出力電圧Ｖoに基づいて上記のサブフィードバック制御係数Ｋが設定されて、適切な空燃比制御が行われないおそれがある。このため、空燃比制御では、空燃比センサの素子温度Ｔの変化に応じて、その目標電圧Ｖtが適切な設定値に変更されることが好ましい。
【００２７】
この点において、この内燃機関１では、制御系統５のＥＣＵ５１が目標電圧補正部５１４を有する（図２参照）。この目標電圧補正部５１４は、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔ2の実測値あるいは推定値に基づいて、第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2の目標電圧Ｖt2（理論空燃比の電圧。出力電圧Ｖo2を収束させる目標点となる電圧。）を補正する。かかる構成では、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔ2が変化した場合に、その出力電圧Ｖo2の目標電圧Ｖt2の設定が変更される。
【００２８】
例えば、エンジン２の稼働時には、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔ2の実測値あるいは推定値が取得されており、この素子温度Ｔ2と既存の実験データあるいは算出式とに基づいて第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2の目標電圧Ｖt2が補正される（ＳＴ２２）（図６参照）。そして、この補正後の目標電圧Ｖt2に基づいてサブフィードバック制御定数Ｋが算出され（ＳＴ２５）、第一空燃比センサ５２の出力電圧Ｖo1が補正されて（ＳＴ２６）、上記のメインフィードバック制御が行われる（ＳＴ３〜ＳＴ５）（図５参照）。これにより、サブフィードバック制御定数Ｋが適正化されてインジェクタ２６の基本噴射量Ｆｂの設定精度が向上し、第一触媒装置４２および第二触媒装置４３による排気ガスの浄化性能が適正に確保される利点がある。
【００２９】
特に、この目標電圧Ｖt2の補正（ＳＴ２２）と上記のサブフィードバック制御定数Ｋの補正（ＳＴ２５）とが併用されることにより、第二空燃比センサ５３の素子温度Ｔ2が変動する場合にも適正にサブフィードバック制御（ＳＴ２１〜ＳＴ２６）が行われる。例えば、目標電圧Ｖtのみが補正されてサブフィードバック制御定数Ｋが補正されない構成では、素子温度Ｔの変動に伴う空燃比センサの応答速度の変動が加味されないため出力電圧Ｖoの収束が遅くなり、結果として、サブフィードバック制御が適切に行われない場合がある。
【００３０】
なお、上記の構成では、（１）第二空燃比センサ５３の出力電圧Ｖo2の目標電圧Ｖt2を所定の一定電圧に補正する（移動させる）構成のみならず、（２）この目標電圧Ｖt2を所定の電圧領域（電圧範囲）に設定変更する構成が採用されても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上のように、本発明にかかる内燃機関は、空燃比センサの素子温度にかかわらず触媒装置の浄化性能を適正に確保できる点で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。
【図２】図１に記載した内燃機関の制御系統（ＥＣＵ）を示す機能ブロック図である。
【図３】図１に記載した内燃機関の空燃比センサの特性を示すグラフである。
【図４】図１に記載した内燃機関の空燃比センサの特性を示すグラフである。
【図５】図１に記載した内燃機関の空燃比制御を示すフローチャートである。
【図６】図１に記載した内燃機関の空燃比制御を示すフローチャートである。
【図７】図１に記載した内燃機関の空燃比センサの特性を示すグラフである。
【図８】図１に記載した内燃機関の空燃比センサの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１    内燃機関
２    エンジン
２１  ピストン
２２  シリンダ
２３  クランクシャフト
２４  吸気ポート
２５  排気ポート
２６  インジェクタ
２７  点火プラグ
３    吸気系統
３１  吸気通路
３２  エアフィルタ
３３  スロットルバルブ
３４  サージタンク
４    排気系統
４１  排気通路
４２  第一触媒装置
４３  第二触媒装置
５    制御系統
５１  ＥＣＵ
５１１      空燃比制御部
５１２      出力電圧補正部
５１３      制御定数補正部
５１４      目標電圧補正部
５２  第一空燃比センサ
５３  第二空燃比センサ
【図１】
2008014212.tif 000003
【図２】
2008014212.tif 000004
【図３】
2008014212.tif 000005
【図４】
2008014212.tif 000006
【図５】
2008014212.tif 000007
【図６】
2008014212.tif 000008
【図７】
2008014212.tif 000009
【図８】
2008014212.tif 000010