(57)【要約】【課題】既存のＯ２センサを用いて空燃比を広範囲に検出できるようにする。【解決手段】当量比Φ（Φ＝１／λ  λ：空気過剰率）の変化に対してＯ２センサの出力値ＶＯ２が大きく変化するウインドウ幅の上限値ＶＯ２Ｈ、下限値ＶＯ２Ｌと出力値ＶＯ２とを比較し（Ｓ１３，Ｓ１５）、ＶＯ２＞ＶＯ２Ｈのときは、当量比補正値ｋ（Φ）を設定値ΔΦ１分だけリッチ側へ順次シフトさせ（Ｓ１４）、又ＶＯ２＜ＶＯ２Ｌのときは、当量比補正値ｋ（Φ）をΔΦ２分だけリーン側へ順次シフトさせ（Ｓ１６）、その当量比補正値ｋ（Φ）で、出力値ＶＯ２に対応する当量比マップに格納されている当量比Φ（ＶＯ２）を補正した値で更新する。その結果図４に示すように当量比マップのウインドウ幅から外れた領域（ＶＯ２＞ＶＯ２Ｈ，ＶＯ２＜ＶＯ２Ｌ）領域に格納されている当量比Φは、Ｏ２センサの出力値ＶＯ２の変化に対して当量比Φの変化が相対的に大きくなり、少ない誤差で当量比Φ（空燃比）を広範囲に検出することが可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中の酸素濃度に感応して出力値を出力する酸素センサと、
上記酸素センサの出力値に対応する空燃比を格納する空燃比マップと、
上記酸素センサの出力値が、空燃比の変化に対して大きく変化する設定領域から外れているか否かを調べる領域判定手段と、
上記領域判定手段で上記酸素センサの出力値が設定領域から外れていると判定した場合、上記酸素センサの出力値が設定領域から外れている時間に応じて変化する空燃比補正値を設定する空燃比補正値設定手段と、
上記酸素センサの出力値が設定領域から外れている場合上記酸素センサの出力値に対応する上記空燃比マップの領域に格納されている空燃比を上記空燃比補正値で補正した値で更新する空燃比マップ更新手段と、
を備えることを特徴とする空燃比検出装置。
【請求項２】
上記領域判定手段は、上記酸素センサの出力値が設定上限値よりも高いと判定した場合、上記酸素センサの出力値が設定上限値よりも高い状態の継続時間に対応して空燃比補正値をリッチ側へシフトさせることを特徴とする請求項１記載の空燃比検出装置。
【請求項３】
上記領域判定手段は、上記酸素センサの出力値が設定下限値よりも低いと判定した場合、上記酸素センサの出力値が設定下限値よりも低い状態の継続時間に対応して空燃比補正値をリーン側へシフトさせることを特徴とする請求項１或いは２記載の空燃比検出装置。
【請求項４】
上記領域判定手段は、上記酸素センサの出力値が設定領域にあると判定した場合、上記空燃比マップを初期化することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の空燃比検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス中の酸素濃度に感応して変化する酸素センサの出力値に基づいて空燃比を検出する空燃比検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば自動車の排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣを軽減するために、排気系に酸素センサを配置し、この酸素センサの出力値に基づいて、空燃比をフィードバック制御する技術が知られている。
【０００３】
通常の空燃比フィードバック制御では、酸素センサの出力値をスライスレベルと比較し、出力値がスライスレベルよりも高い場合或いは低い場合に空燃比がリッチ側或いはリーン側にあると判断して、燃料噴射量を減量或いは増量させることで、排ガス中の実際の空燃比を理論空燃比（λ＝１  λ：空気過剰率（空燃比／理論空燃比））等の目標空燃比に収束するようにしている。
【０００４】
しかし、この種の酸素センサは、理論空燃比（λ＝１）の近傍でその出力が大きく変化するため、λ＝１の近傍（いわゆるウインドウ幅）では、その電圧変化から空燃比を精度良く検出することができるが、このウインドウ幅を外れたリッチ領域或いはリーン領域では、空燃比の変化量に比し出力値の変化量が少ないため、酸素センサの出力値から空燃比を精度良く検出できないという問題がある。
【０００５】
この対策として、例えば特開平７−２００８８号公報には、いわゆる酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子と理論空燃比検出素子とを備え、理論空燃比はもとより、空燃比のリーン及びリッチの全領域で空燃比を検出できるようにした酸素センサが開示されている。
【０００６】
この公報に開示されている酸素センサは、理論空燃比検出素子からの出力値に基づいて空燃比がリーン側にあるかリッチ側にあるかを判断すると共に、酸素濃淡電池素子の起電力、或いは酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を制御して得られる空燃比に対応した空燃比信号から空燃比がリーン域にある場合、或いはリッチ域にある場合の空燃比を検出する構成となっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２００８８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した公報に開示されている酸素センサは、全領域の空燃比を検出できるという利点はあるものの、構造が複雑であり、機械的強度や耐久性において通常の酸素センサには及ばず、しかもコスト高であるという問題がある。更に、特別な回路構成を必要とするため、既存のエンジンにそのまま採用することができず、汎用性に欠けるという難点がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑み、新たな構成部品を必用とせず、既存の装備で実現できて汎用性に優れるばかりでなく、構造が簡単で、機械的強度や耐久性に優れ、しかも空燃比を広範囲に検出することのできる空燃比検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明による空燃比検出装置は、排気ガス中の酸素濃度に感応して出力値を出力する酸素センサと、上記酸素センサの出力値に対応する空燃比を格納する空燃比マップと、上記酸素センサの出力値が、空燃比の変化に対して大きく変化する設定領域から外れているか否かを調べる領域判定手段と、上記領域判定手段で上記酸素センサの出力値が設定領域から外れていると判定した場合、上記酸素センサの出力値が設定領域から外れている時間に応じて変化する空燃比補正値を設定する空燃比補正値設定手段と、上記酸素センサの出力値が設定領域から外れている場合上記酸素センサの出力値に対応する上記空燃比マップの領域に格納されている空燃比を上記空燃比補正値で補正した値で更新する空燃比マップ更新手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成では、酸素センサから排気ガス中の酸素濃度に感応して出力される出力値が、空燃比の変化に対して大きく変化する設定領域から外れている場合、その時間に応じて空燃比補正値を設定し、酸素センサの出力値に対応する空燃比マップの領域に格納されている空燃比を上記空燃比補正値で補正した値で更新する。その結果、酸素センサの出力値が空燃比の変化に対してそれほど大きく変化することのない領域であっても、酸素センサから出力される出力値に基づいて設定される空燃比が空燃比補正されているため、当該領域の空燃比を検出することができる。
【００１２】
この場合、好ましくは、１）上記領域判定手段は、上記酸素センサの出力値が設定上限値よりも高いと判定した場合、上記酸素センサの出力値が設定上限値よりも高い状態の継続時間に対応して空燃比補正値をリッチ側へシフトさせることを特徴とする。
【００１３】
２）上記領域判定手段は、上記酸素センサの出力値が設定下限値よりも低いと判定した場合、上記酸素センサの出力値が設定下限値よりも低い状態の継続時間に対応して空燃比補正値をリーン側へシフトさせることを特徴とする。
【００１４】
３）上記領域判定手段は、上記酸素センサの出力値が設定領域にあると判定した場合、上記空燃比マップを初期化することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態を説明する。図１にエンジン制御系の概略構成図を示す。同図の符号１はエンジンで、本実施の形態においては水平対向式エンジンを示す。このエンジン１に吸気マニホルド２と排気マニホルド３とが各々連通されている。
【００１６】
又、吸気マニホルド２の上流側がエアチャンバ４に集合され、このエアチャンバ４の上流に吸気管５が連通され、この吸気管５がエアクリーナ（図示せず）に連通されている。又、吸気管５のエアチャンバ４の直上流にスロットル弁６が介装されている。尚、図示しないが、吸気管５のエアクリーナの直下流に、吸入空気量を検出する吸入空気量センサが介装されている。更に、吸気マニホルド２の各気筒の吸気ポートの直上流側にインジェクタ７が配設されている。
【００１７】
又、排気マニホルド３の集合部に排気管８が連通され、この排気管８の下流にマフラ９が連通されている。又、排気管８に上流側から、三元触媒等からなる触媒１０が配設され、触媒１０の下流に排気ガス中の酸素濃度に感応して出力値を出力する酸素（Ｏ２）センサ１３が配設されている。
【００１８】
又、エンジン１のクランクシャフト１ａに軸着するクランクロータ（図示せず）の外周に、このクランクロータの回転からエンジン回転数を検出するクランク角センサ１４が対設されている。
【００１９】
一方、符号２１は電子制御装置（ＥＣＵ）で、ＣＰＵ２２，ＲＯＭ（図示せず），ＲＡＭ（図示せず）、及びデータの書き換えが可能な不揮発性メモリ（例えば、ＥＥＰ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）ＲＯＭ、フラッシュメモリ）やバックアップＲＡＭ等を備えたマイクロコンピュータ等を主体に構成されている。ＣＰＵ２２では、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムに従い、各センサ類からの検出信号等を処理し、ＲＡＭに格納される各種データ、及び不揮発性メモリやバックアップＲＡＭに格納されている各種学習値データ等に基づき、燃料噴射量、点火時期等を演算し、燃料噴射制御、点火時期制御等のエンジン全体の制御を行う。
【００２０】
このようなエンジン制御系において、ＥＣＵ２１では、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２［Ｖ］に基づき、触媒１０下流の空燃比を検出し、この検出した空燃比を目標空燃比（λ＝１）等の目標空燃比に収束させる空燃比フィードバック制御を実行する。
【００２１】
尚、本実施の形態では、理論空燃比（λ＝１）を基準として空燃比を表す関係上、以下の説明では、空燃比を当量比Φ（Φ＝１／λ）で表すものとするが、空燃比、燃空比、空気過剰率の何れを用いて説明しても同じ結果が得られる。
【００２２】
ところで、図４（ａ）に示すように、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２と当量比Φとの間にはある相関があり、従って、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２と当量比Φとの関係を予め求めてマップ化しておくことで、出力値ＶＯ２から当量比Φを検出することが可能となる。
【００２３】
しかし、図４（ａ）に示すように、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２は、理論当量比（ＶＯ２＝ＶＯ２Ｎ，Φ＝１）近傍のウインドウ幅内（ＶＯ２Ｌ≦ＶＯ２≦ＶＯ２Ｈ）では、当量比Φの僅かな変化に比し大きく変化するため、出力値ＶＯ２から当量比Φを精度良く検出することができるが、ウインドウ幅（ＶＯ２Ｌ≦ＶＯ２≦ＶＯ２Ｈ）から外れた領域では、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が当量比Φの変化に対してそれほど大きく変化しないため、この領域（ＶＯ２＜ＶＯ２Ｌ，ＶＯ２＞ＶＯ２Ｈ）では、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２に基づいて当量比Φを設定した場合、誤差が大きくなってしまう。
【００２４】
そのため、本実施の形態では、ウインドウ幅から外れた領域（ＶＯ２＜ＶＯ２Ｌ，ＶＯ２＞ＶＯ２Ｈ）は、当量比マップに格納されている当量比Φを補正して、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２にほぼ対応した当量比Φを検出できるようにしたものである。
【００２５】
以下、ＥＣＵ２１によって実行される当量比マップの補正処理について、図２、図３のフローチャートに従って説明する。
【００２６】
先ず、イグニッションスイッチがＯＮされて、ＥＣＵ２１に電源が投入されると、システムがイニシャライズされた後、図２に示す当量比マップ読込みルーチンが起動され、ステップＳ１で、ＲＯＭに格納されている当量比マップを読込み、ＲＡＭの所定アドレスに格納した後、ルーチンを終了する。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、ＲＯＭに設けられている当量比マップの各領域には、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２と当量比Φとの関係を予め求め、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２に応じた当量比Φが格納されている。
【００２８】
しかし、Ｏ２センサ１３には固体差があるため、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が当量比Φの変化に対してそれほど大きく変化しない領域（ＶＯ２＜ＶＯ２Ｌ，ＶＯ２＞ＶＯ２Ｈ）では、出力値ＶＯ２に基づいて検出した当量比Φの検出誤差が大きいため、この当量比Φに基づいて空燃比フィードバック制御を行なった場合、制御性が損なわれてしまう。
【００２９】
Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２の出力から当量比Φを精度良く検出することのできるウインドウ幅（ＶＯ２Ｌ≦ＶＯ２≦ＶＯ２Ｈ）は、予め実験などから求められており、以下、本実施の形態では、ＶＯ２Ｈを設定上限値、ＶＯ２Ｌを設定下限値と称する。
【００３０】
図３に示す当量比補正ルーチンでは、先ず、ステップＳ１１で、Ｏ２センサ１３が活性しているか否かを、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２自体から、或いは空燃比フィードバック制御が開始されているか否か等に基づいて調べ、活性していないときは、そのままルーチンを抜け、Ｏ２センサ１３が活性するまで待機する。
【００３１】
一方、Ｏ２センサ１３が活性しているときは、ステップＳ１２へ進み、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２を読込み、ステップＳ１３で、この出力値ＶＯ２と設定上限値ＶＯ２Ｈとを比較し、ＶＯ２＞ＶＯ２Ｈのときは、ステップＳ１４へ進み、当量比補正値ｋ（Φ）を設定値ΔΦ１で加算した値、すなわち空燃比リッチ側へ補正した値で更新し（ｋ（Φ）←ｋ（Φ）＋ΔΦ１）、ステップＳ１７へ進む。
【００３２】
尚、この当量比補正値ｋ（Φ）の初期値は０であり、イグニッションスイッチがＯＮされた直後に初期値設定される。更に、設定値ΔΦ１は正値であり、予め実験などから求めた固定値である。
【００３３】
又、ＶＯ２≦ＶＯ２Ｈのときは、ステップＳ１５へ進み、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２と設定下限値ＶＯ２Ｌとを比較し、ＶＯ２＜ＶＯ２Ｌのときは、ステップＳ１６へ進み、当量比補正値ｋ（Φ）を設定値ΔΦ２で減算した値、すなわち空燃比リーン側へ補正した値で更新し（ｋ（Φ）←ｋ（Φ）−ΔΦ２）ステップＳ１７へ進む。尚、設定値ΔΦ２は正値であり、予め実験などから求めた固定値である。
【００３４】
一方、ＶＯ２Ｌ≦ＶＯ２≦ＶＯ２Ｈのときは、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が理論当量比（Φ＝１）近傍のウインドウ幅内にあるため、この出力値ＶＯ２に基づいて当量比Φを設定することが可能であり、ステップＳ１８へ分岐し、当量比補正値ｋ（Φ）をクリアした後（ｋ（Φ）←０）、ステップＳ１９で、ＲＡＭに格納されている当量比マップを初期化し、すなわち、この当量比マップをＲＯＭに登録されている当量比マップで書き換えた後、ルーチンを抜ける。
【００３５】
又、ステップＳ１４或いはステップＳ１６からステップＳ１７へ進むと、ＲＡＭに設けられている当量比マップの、ステップＳ１２で読込んだＯ２センサ１３の出力値ＶＯ２に対応する当量比Φ（ＶＯ２）を、この当量比Φ（ＶＯ２）に当量比補正値ｋ（Φ）を加算した値で更新し、ルーチンを抜ける。
【００３６】
その結果、図４（ｂ）に示すように、ＲＡＭに記憶されている当量比マップは、出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈよりも高い領域、或いは出力値ＶＯ２が設定下限値ＶＯ２Ｌ未満の領域では、当量比補正値ｋ（Φ）により、出力値ＶＯ２の変化に対して当量比Φを相対的に大きく変化するようにリッチ側、或いはリーン側へ補正されるため、当該出力値ＶＯ２から当量比Φを少ない誤差で検出することができる。
【００３７】
次に、図５、図６に示すタイムチャートに従い、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２と、この出力値ＶＯ２に基づいて検出する当量比Φとの関係について説明する。尚、図５はＯ２センサ１３の出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈを越えたときの当量比Φの検出例、図６はＯ２センサ１３の出力値ＶＯ２が設定下限値ＶＯ２Ｌを下回ったときの当量比Φの検出例である。
【００３８】
図５に示すように、Ｏ２センサ１３が活性して空燃比フィードバック制御が開始されると、当量比マップの更新が実行される。Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈと設定下限値ＶＯ２Ｌとの間のウインドウ幅内にあるときは、当量比マップの更新は行なわず、その後、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が上昇して設定上限値ＶＯ２Ｈを越えると、出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈを再び横切るまで、当量比補正値ｋ（Φ）が設定値ΔΦ１分だけ演算周期毎にリッチ側へ加算され（ｋ（Φ）←ｋ（Φ）＋ΔΦ１）、各出力値ＶＯ２に対応する当量比マップの領域に格納されている当量比Φ（ＶＯ２）が、当量比補正値ｋ（Φ）分だけリッチ側へシフトされた値で更新される（λ（ＶＯ２）←λ（ＶＯ２）＋ｋ（Φ））。
【００３９】
そして、出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈを横切ると、当量比補正値ｋ（Φ）がクリアされる（ｋ（Φ）←０）と共に、ＲＡＭに記憶されている当量比マップが初期化される。
【００４０】
その結果、図５（ｃ）に実線で示すように、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２に基づいて、ＲＡＭに記憶されている当量比マップを参照して設定される当量比Φが、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈを越えた後、設定上限値ＶＯ２Ｈを再び横切るまでリッチ側へシフトされる。出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈを越えた領域では、当該出力値ＶＯ２に対応する当量比マップの領域に格納されている当量比Φ（ＶＯ２）が、当量比補正値ｋ（Φ）で当量比補正されているため、出力値ＶＯ２の変化に対して当量比Φの変化を相対的に大きくすることができ、従って、出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈを越えた領域であっても、出力値ＶＯ２に基づいて当量比Φを少ない誤差で検出することが可能となる。
【００４１】
一方、図６に示すように、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が低下して設定下限値ＶＯ２Ｌを下回ると、出力値ＶＯ２が上昇して設定下限値ＶＯ２Ｌを再び横切るまで、当量比補正値ｋ（Φ）が設定値ΔΦ２分だけ演算周期毎に減算され（ｋ（Φ）←ｋ（Φ）−ΔΦ２）、各出力値ＶＯ２に対応する当量比マップの領域に格納されている当量比Φ（ＶＯ２）が、当量比補正値ｋ（Φ）分だけリーン側へシフトされた値（但し、当量比補正値ｋ（Φ）は負値）で更新される（Φ（ＶＯ２）←Φ（ＶＯ２）＋ｋ（Φ））。
【００４２】
そして、出力値ＶＯ２が上昇して設定下限値ＶＯ２Ｌを横切ると、当量比補正値ｋ（Φ）がクリアされる（ｋ（Φ）←０）と共に、ＲＡＭに記憶されている当量比マップが初期化される。
【００４３】
その結果、図６（ｃ）に実線で示すように、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２に基づいて、ＲＡＭに記憶されている当量比マップを参照して設定される当量比Φが、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が設定下限値ＶＯ２Ｌを下回った後、設定下限値ＶＯ２Ｌを再び横切るまでリーン側へシフトされる。出力値ＶＯ２が設定下限値ＶＯ２Ｌを下回る領域では、当該出力値ＶＯ２に対応する当量比マップの領域に格納されている当量比Φ（ＶＯ２）が、当量比補正値ｋ（Φ）で当量比補正されているため、出力値ＶＯ２の変化に対して当量比Φの変化を相対的に大きくすることができ、従って、出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈを越えた領域であっても、出力値ＶＯ２に基づいて当量比Φを少ない誤差で検出することが可能となる。
【００４４】
その結果、従来のＯ２センサ１３を用いて空燃比を広範囲に検出することが可能となり、空燃比フィードバック制御時の収束性が良くなり、良好な空燃比制御性を得ることができる。
【００４５】
因みに、当量比補正を行なった当量比Φは、図５（ｃ）、図６（ｃ）に二点鎖線で示す実際の当量比に比し、Ｏ２センサ１３の出力値ＶＯ２が設定上限値ＶＯ２Ｈ或いは設定下限値ＶＯ２Ｌを再び横切るやや手前まで、ほぼ沿った値を示している。これに対して、同図に破線で示すように、当量比補正を行なわない場合は、、出力値ＶＯ２の僅かな変化で当量比Φが大きく変動してしまうため、空燃比（当量比）の検出精度にばらつきが生じる。
【００４６】
このように、本実施の形態では、既存のＯ２センサ１３をそのまま採用しているため、耐久性や機械的強度を低下させることがなく、当量比を広範囲に検出することが可能となる。更に、既存の装備で対処することができ、従って、製品コストの高騰が抑制され、しかも高い汎用性を得ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、新たな構成部品を必要とせず、既存の酸素センサからの出力値に基づいて空燃比を広範囲に検出することが可能で、汎用性に優れているばかりでなく、構造が簡単で、機械的強度や耐久性に優れており、高い信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジン制御系の概略構成図
【図２】当量比マップ読込みルーチンを示すフローチャート
【図３】当量比補正ルーチンを示すフローチャート
【図４】（ａ）当量比マップの説明図、（ｂ）当量比補正後の当量比マップの説明図
【図５】Ｏ２センサの出力値が設定上限値を超えたときの当量比補正と当量比との関係を示すタイムチャート
【図６】Ｏ２センサの出力値が設定下限値を下回ったときの当量比補正と当量比との関係を示すタイムチャート
【符号の説明】
１  エンジン
１３  酸素センサ
ｋ（Φ）  当量比補正値
ＶＯ２  出力値
ＶＯ２Ｈ  設定上限値
ＶＯ２Ｌ  設定下限値
ΔΦ１  設定値
ΔΦ２  設定値
λ  空気過剰率
Φ  当量比
【図１】
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【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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