(57)【要約】【課題】タービン上流の排気通路に空燃比センサを備えた内燃機関において、エミッションの制御性の低下やＯＢＤの検出精度の低下を防止することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】タービンと、ウエストゲートバルブと、空燃比センサと、を備えた内燃機関において、排気に含まれる酸素の濃度が所定値に制御され、かつ、ウエストゲートバルブの開度が第１開度のときに、空燃比センサのセンサ出力を第１センサ出力として記録する第１センサ出力記録手段と、排気に含まれる酸素の濃度が所定値に制御され、かつ、ウエストゲートバルブの開度が第１開度よりも大きい第２開度のときに、空燃比センサのセンサ出力を第２センサ出力として記録する第２センサ出力記録手段と、第１センサ出力と前記第２センサ出力とに基づいて、空燃比センサの圧力に対するセンサ出力の圧力特性を学習する学習手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に設けられるタービンと、
前記タービンをバイパスする通路に設けられるウエストゲートバルブと、
前記タービンよりも上流の排気通路に設けられる空燃比センサと、を備えた内燃機関において、
排気に含まれる酸素の濃度が所定値になるように燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
前記燃料噴射量制御手段によって排気に含まれる酸素の濃度が前記所定値に制御され、かつ、前記ウエストゲートバルブの開度が第１開度のときに、前記空燃比センサのセンサ出力を第１センサ出力として記録する第１センサ出力記録手段と、
前記燃料噴射量制御手段によって排気に含まれる酸素の濃度が前記所定値に制御され、かつ、前記ウエストゲートバルブの開度が前記第１開度よりも大きい第２開度のときに、前記空燃比センサのセンサ出力を第２センサ出力として記録する第２センサ出力記録手段と、
前記第１センサ出力と前記第２センサ出力とに基づいて、前記空燃比センサの圧力に対するセンサ出力の圧力特性を学習する学習手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、タービン上流の排気通路に設けられた空燃比センサのセンサ出力を補正する技術が知られている。例えば、特許文献１には、タービンの回転速度から排気圧力を推定し、その推定した排気圧力によって空燃比センサのセンサ出力を補正する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１４０２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、空燃比センサのセンサ出力は、空燃比センサの経時劣化によって変化することが知られている。経時劣化による影響をセンサ出力の補正に反映させなければ、エミッションの制御性の低下やＯＢＤ（On-board diagnostics）の検出精度の低下が引き起こされるおそれがある。この点について特許文献１の技術には改善の余地があった。
【０００５】
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、タービン上流の排気通路に空燃比センサを備えた内燃機関において、エミッションの制御性の低下やＯＢＤの検出精度の低下を防止することができる内燃機関の制御装置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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
排気通路に設けられるタービンと、
前記タービンをバイパスする通路に設けられるウエストゲートバルブと、
前記タービンよりも上流の排気通路に設けられる空燃比センサと、を備えた内燃機関において、
排気に含まれる酸素の濃度が所定値になるように燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
前記燃料噴射量制御手段によって排気に含まれる酸素の濃度が前記所定値に制御され、かつ、前記ウエストゲートバルブの開度が第１開度のときに、前記空燃比センサのセンサ出力を第１センサ出力として記録する第１センサ出力記録手段と、
前記燃料噴射量制御手段によって排気に含まれる酸素の濃度が前記所定値に制御され、かつ、前記ウエストゲートバルブの開度が前記第１開度よりも大きい第２開度のときに、前記空燃比センサのセンサ出力を第２センサ出力として記録する第２センサ出力記録手段と、
前記第１センサ出力と前記第２センサ出力とに基づいて、前記空燃比センサの圧力に対するセンサ出力の圧力特性を学習する学習手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１の発明によれば、空燃比センサの経時劣化による圧力特性の変化を、センサ出力の補正に反映することができる。このため、過補正による制御発散や補正不足による応答遅れなどを抑制して、空燃比センサの補正精度の低下を防止できる。この結果、エミッションの制御性の低下やＯＢＤ検出精度の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】空燃比センサの圧力特性について説明する図である。
【図２】図１で示したセンサの圧力特性を対数軸で表した図である。
【図３】ウエストゲートバルブの開度と空燃比センサ周辺の圧力との関係を表す図である。
【図４】吸入空気量Ｇａとウエストゲートバルブの開度変化幅とからタービン上流圧の圧力変化幅を算出するマップについて表した図である。
【図５】実施の形態１の制御フローである。
【図６】実施の形態２の制御フローである。
【図７】実施の形態３の制御フローである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
実施の形態１のエンジンは、吸気通路に設けられるコンプレッサと排気通路に設けられるタービンとを連結したターボ過給機を備えた火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。ターボ過給機は、筒内で発生した排気を利用して吸入空気を過給する。また、エンジンは、過給のために利用する排気量を調節するウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶともいう。）を備えている。ウエストゲートバルブは、排気通路において、タービンをバイパスする通路に設けられている。
【００１０】
実施の形態１のエンジンにおいて、タービンより上流の排気通路には、空燃比センサが設けられている。空燃比センサは、１セル型の限界電流式のセンサであり、検出対象となる排気の空燃比に応じたセンサ出力として、限界電流（ＩＬ）を出力する。空燃比センサの限界電流（ＩＬ）は、下記式（１）で表される。ここで、Ｄは拡散係数であり、Ｐは排気の全圧力であり、Ｓは電極表面積であり、Ｔは絶対温度であり、Ｌは拡散通路の長さであり、Ｐｏは排気中の酸素分圧である。さらに、下記式（１）の拡散係数Ｄは、下記式（２）によって表される。ここで、Ｄｋはクヌーセン拡散係数であり、Ｄｏは分子拡散係数である。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
実施の形態１のエンジンは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵの入力部には、空燃比センサやエアフローメータなどのセンサが接続されている。ＥＣＵは、空燃比センサのセンサ出力によってフィードバック制御を行い、空燃比を調整する。ＥＣＵは、エアフローメータの出力に基づいて、吸入空気量を算出する。また、ＥＣＵの出力部には、ウエストゲートバルブなどのアクチュエータが接続されている。ＥＣＵは、ウエストゲートバルブに信号を出力することで、ウエストゲートバルブの開度を調節する。
【００１３】
ところで、空燃比センサは、排気通路内の高温化での使用によって拡散層のセラミックが焼き固められ、経時劣化が生じる。このため、温度に依存するクヌーセン拡散係数Ｄｋと圧力に依存する分子拡散係数Ｄｏとの割合に変化が生じる。この結果、空燃比センサの圧力に対してセンサ出力が変化する度合い（以下、圧力特性という。）が変化する。
【００１４】
また、タービンの上流の排気通路における圧力は、タービンの下流の排気通路における圧力に比べて高いことが知られている。従って、タービンの上流に空燃比センサを取り付ける場合、タービンの下流に空燃比センサを取り付ける場合に比べて、圧力による影響が空燃比センサのセンサ出力に生じやすい。これについて、図１を参照して説明する。
【００１５】
図１は、空燃比センサの圧力特性について説明する図である。図１の縦軸はセンサ出力の圧力に対する変化率を示す出力変化率（％）を示しており、横軸は排気通路内のゲージ圧を示すタービン上流圧（ｋＰａ）を示している。図１には、Ｘで示す菱型の点で表されるデータ（以下、センサ１データと称する。）と、Ｙで示す四角い点で表されるデータ（以下、センサ２データと称する。）との２つのデータが示されている。センサ１データは、空燃比センサの初期状態におけるデータである。センサ２データは、経時劣化によってセンサ出力が変化したデータである。センサ１データ及びセンサ２データは、空燃比が一定の条件、つまり酸素の濃度がある一定の濃度になる条件におけるデータである。センサ１データ及びセンサ２データが示すように、タービン上流圧が高いほど出力変化率も高くなる。このように、タービンの上流に空燃比センサを取り付ける場合には、タービン上流圧が高いほど空燃比センサのセンサ出力に影響が生じる。
【００１６】
このため、タービンの上流の排気通路に取り付けた空燃比センサのセンサ出力の補正を行う際に、経時劣化による圧力特性の変化について反映させないと、過補正による制御の発散、補正不足による応答遅れなどが生じるおそれがある。この結果、補正精度が低下するおそれがある。
【００１７】
そこで、実施の形態１では、空燃比センサの経時劣化による影響を補正に反映させるための制御が行われる。この制御では、まず、ウエストゲートバルブを開閉させ、タービン上流圧を変化させる。次に、その圧力変化時のセンサ出力の変化から圧力特性の学習制御を行う。以下、この学習制御について、図２、図３、図４を参照して説明する。
【００１８】
図２は、図１で示したセンサの圧力特性を対数軸で表した図である。図２は、図１における排気通路内の圧力（ｋＰａ）を対数で整理した片対数グラフである。図２には、センサ１データ及びセンサ２データの近似曲線の式が表されている。センサ１データの近似曲線の式は、ｙ＝α１ｌｎ（ｘ）−β１であり、センサ２データの近似曲線の式はｙ＝α２ｌｎ（ｘ）−β２である。
【００１９】
実施の形態１では、ウエストゲートバルブの開度を変化させた際におけるセンサ出力の変化率と、予め実験によって得られているウエストゲートバルブの開度を変化させた際のタービン上流圧の圧力変化幅とから、上記の近似曲線における傾きを学習値として算出する。この学習値を算出する手法について、図３及び図４を参照して説明する。
【００２０】
図３は、ウエストゲートバルブの開度と空燃比センサ周辺の圧力との関係を表す図である。図３の縦軸は、タービン上流圧が示されており、横軸にはウエストゲートバルブの開度が示されている。図３の実線は、ウエストゲートバルブの開度とタービン上流圧との関係を示している。この実線が示すように、ウエストゲートバルブの開度とタービン上流圧との関係は線形性を示す。このため、図３の矢印が示すように、ウエストゲートバルブの開度変化幅がわかればタービン上流圧の圧力変化幅を求めることができる。実施の形態１では、上記関係が予め実験により求められる。
【００２１】
図４は、吸入空気量Ｇａとウエストゲートバルブの開度変化幅とからタービン上流圧の圧力変化幅を算出するマップについて表した図である。図４のマップにおいて、Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・、またＢ１、Ｂ２、Ｂ３、・・・で示す数値は圧力変化幅である。図４に示すように、ウエストゲートバルブ開度変化幅と吸入空気量Ｇａとの関係から、タービン上流圧の圧力変化幅を算出することができる。このマップは、予め実験により作成されて、ＥＣＵに記憶されている。
【００２２】
実施の形態１では、ウエストゲートバルブの開度を変化させることで、図４のマップに基づいて算出されたタービン上流圧の圧力変化幅が算出される。さらに、ウエストゲートバルブの開度を変化させた際の空燃比センサのセンサ出力の変化率を算出する。このセンサ出力の変化率とは、例えば、ウエストゲートバルブの開度を小さくした際のセンサ出力を第１センサ出力Ｖ１とし、また、ウエストゲートバルブの開度を大きくした際のセンサ出力を第２センサ出力Ｖ２とすると、第１センサ出力Ｖ１を第２センサ出力Ｖ２で除算した数値（Ｖ１／Ｖ２）となる。そして、このセンサ出力の変化率を圧力変化幅で除算した数値が学習値として算出される。この学習値を図２で説明した近似曲線における傾きに代入することによって圧力特性の学習制御を行う。
【００２３】
以下、実施の形態１の具体的な制御内容について、図５を参照して説明する。
【００２４】
図５は、実施の形態１の制御フローである。ＥＣＵは、図５に示すフローをメインルーチンとして制御を実行する。
【００２５】
まず、ＥＣＵは、前提条件の成立を判定する（Ｓ１００）。ＥＣＵは、前提条件の成立を、サブルーチンを実行することで判定する。このサブルーチンでは、空燃比センサに故障が生じていないか、空燃比センサが活性化しているか等のフラグが成立しているか否かによって前提条件の成立の可否が判定される。
【００２６】
次に、ＥＣＵは、燃料カット中か否かを判定する（Ｓ１０２）。燃料カットが行われていれば、排気に含まれる酸素の濃度を、ある一定の酸素の濃度である所定値とすることができる。これにより、酸素の濃度がある一定の濃度になる条件において、空燃比センサのセンサ出力を記録することができる。燃料カット中ではないと判定された場合、本制御フローは終了する。
【００２７】
一方、ＥＣＵは、燃料カット中であると判定した場合、ウエストゲートバルブの開度を第１開度にする（Ｓ１０４）。ウエストゲートバルブの開度を第１開度になるようにＥＣＵが制御することで、タービン上流圧が高くなる。なお、Ｓ１０４において、ウエストゲートバルブは、必ずしも全閉にされるわけではない。
【００２８】
次に、第１センサ出力Ｖ１が記録される（Ｓ１０６）。Ｓ１０６で記録される第１センサ出力Ｖ１は、Ｓ１０４でウエストゲートバルブの開度を第１開度にした際の空燃比センサのセンサ出力である。なお、第１センサ出力Ｖ１を記録する際に、圧力が安定するまで１秒程度マスク時間を設けて一定期間の第１センサ出力Ｖ１の平均値を算出してもよい。
【００２９】
次に、ＥＣＵは、ウエストゲートバルブの開度を第２開度にする（Ｓ１０８）。ウエストゲートバルブの開度を第２開度になるようにＥＣＵが制御することで、タービン上流圧が低くなる。ここで、第２開度は、第１開度よりも大きい開度になる。なお、Ｓ１０８において、ウエストゲートバルブは、必ずしも全開にされるわけではない。
【００３０】
次に、第２センサ出力Ｖ２が記録される（Ｓ１１０）。Ｓ１１０で記録される第２センサ出力Ｖ２は、Ｓ１０８でウエストゲートバルブの開度を第２開度にした際の空燃比センサのセンサ出力である。なお、第２センサ出力Ｖ２を記録する際に、圧力が安定するまで１秒程度マスク時間を設けて一定期間の第２センサ出力Ｖ２の平均値を算出してもよい。
【００３１】
次に、センサ出力の学習値が算出される（Ｓ１１２）。Ｓ１１２において、まず、ＥＣＵは、ウエストゲートバルブの開度の変化からタービン上流圧の圧力変化幅を図５で説明したマップに基づいて算出する。次に、ＥＣＵは、Ｓ１０６及びＳ１１０で記録した第１センサ出力Ｖ１及び第２センサ出力Ｖ２から、センサ出力の変化率（Ｖ１／Ｖ２）を算出する。そして、ＥＣＵは、センサ出力の変化率をタービン上流圧の圧力変化幅で除算することによって、学習値を算出する。
【００３２】
次に、圧力特性が学習される（Ｓ１１４）。ＥＣＵは、Ｓ１１２で算出した学習値を下記式（３）の傾きαに代入する。この式（３）は、図２で説明したセンサの圧力特性を対数軸で整理したデータの近似曲線の式である。ここで、ｙは空燃比センサの補正値であり、ｘはタービン上流圧であり、βは定数である。ＥＣＵは、下記式（３）によって補正値を算出し、空燃比センサのセンサ出力の補正を行う。その後、本制御は終了する。
【００３３】
ｙ＝α＊ｌｎ（ｘ）＋β  ・・・（３）
【００３４】
実施の形態１によれば、空燃比センサの経時劣化による圧力特性の変化を、センサ出力の補正に反映することができる。このため、過補正による制御発散や補正不足による応答遅れなどを抑制して、空燃比センサの補正精度の低下を防止できる。この結果、エミッションの制御性の低下やＯＢＤ検出精度の低下を防止できる。
【００３５】
実施の形態２．
実施の形態２と実施の形態１との相違点は、燃料カット中ではなく、アイドリング中に空燃比センサの圧力特性の学習を行う点である。以下、これについて、図６を参照して説明する。
【００３６】
図６は、実施の形態２の制御フローである。ＥＣＵは、前提条件が成立している場合（Ｓ１００）、アイドリング中か否かについて判定する（Ｓ２００）。ＥＣＵは、エンジンがアイドリング中ではないと判定した場合には、本フローは終了する。
【００３７】
一方、ＥＣＵは、Ｓ２００において、アイドリング中であると判定した場合、燃料のフィードフォワード制御を実行する（Ｓ２０２）。ここでいうフィードフォワード制御は、アイドリング中の排気に含まれる酸素の濃度を所定値にするために、燃料を増量又は減量させる制御である。
【００３８】
実施の形態３．
実施の形態３と実施の形態１との相違点は、燃料カット中ではなく、高負荷増量中に空燃比センサの圧力特性の学習が行われる点である。以下、これについて、図７を参照して説明する。
【００３９】
図７は、実施の形態３の制御フローである。ＥＣＵは、前提条件が成立している場合（Ｓ１００）、高負荷増量中か否かについて判定する（Ｓ３００）。ＥＣＵは、Ｓ３００において、現在の運転状態が高負荷運転であり、かつ、燃料噴射量が増量中であるか否かを判定する。ＥＣＵは、エンジンが高負荷増量中ではないと判定した場合には、本フローは終了する。
【００４０】
一方、ＥＣＵは、Ｓ３００において、高負荷増量中であると判定した場合、燃料のフィードフォワード制御を実行する（Ｓ３０２）。ここでいうフィードフォワード制御は、高負荷運転時に排気に含まれる酸素の濃度を所定値にするために、燃料を増量又は減量させる制御である。
【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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【図７】
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