(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気空燃比に応じて比例的に出力が変化する空燃比センサの出力に基づいて空燃比を検出する内燃機関の空燃比検出装置において、
内燃機関の運転状態を検出する手段と、
冷機時の炭化水素濃度を推定する手段と、
暖機時の炭化水素濃度を推定する手段と、
排気還流状態を検出する手段と、
運転状態に応じて選択した冷機時と暖機時の推定炭化水素濃度を排気還流状態に応じて補正する炭化水素濃度補正手段と、
この補正した炭化水素濃度に基づいて前記空燃比センサの出力を補正する前記空燃比センサの出力を補正する空燃比補正手段とを備えることを特徴とする内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項２】
前記空燃比補正手段は推定炭化水素濃度が高いほど大きくなる補正量で空燃比センサ出力を補正する請求項１に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項３】
吸気弁開時期を検出する手段を備え、前記炭化水素濃度補正手段が、吸気弁開時期にも基づいて前記推定炭化水素濃度を補正するように構成されている請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【請求項４】
前記冷機時と暖機時の推定炭化水素濃度の選択は燃料噴射量と冷却水温とに基づいて推定した気筒内壁温度に応じて行われる請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の空燃比検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関に供給する燃料量を正確に目標値に制御するために、排気の空燃比を検出するセンサを設け、このセンサ検出値に応じて燃料供給量をフィードバック制御することが広く知られている。
【０００３】
この空燃比を検出するセンサとして、特開昭５９−１００８５４号、特公平３−２８５７７号公報にもあるように、排気中の酸素濃度に応じてセンサ出力がリニアに変化し、これにより理論空燃比域のみならず、幅広い範囲の空燃比を検出可能とした空燃比センサがある。
【０００４】
この空燃比センサにあっては、同一の空燃比に対しても、排気中の炭化水素（ＨＣ）濃度に応じてセンサ出力が変動する現象があり、このため上記公報では、排気中のＨＣ濃度を検出する手段を設け、検出したＨＣ濃度によって補正を行い、空燃比の制御精度を高めるようにしている。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
しかし、この場合には、正確な空燃比の検出のために、ＨＣ濃度を検出するセンサが余分に必要となるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題に着目し、ＨＣ濃度センサを用いることなく、正確にＨＣ濃度を推定し、これに基づいて精度のよい空燃比検出を可能とした空燃比検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、排気空燃比に応じて比例的に出力が変化する空燃比センサの出力に基づいて空燃比を検出する内燃機関の空燃比検出装置において、内燃機関の運転状態を検出する手段と、冷機時の炭化水素濃度を推定する手段と、暖機時の炭化水素濃度を推定する手段と、排気還流状態を検出する手段と、運転状態に応じて選択した冷機時と暖機時の推定炭化水素濃度を排気還流状態に応じて補正する炭化水素濃度補正手段と、この補正した炭化水素濃度に基づいて前記空燃比センサの出力を補正する前記空燃比センサの出力を補正する空燃比補正手段とを備える。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記空燃比補正手段は推定炭化水素濃度が高いほど大きくなる補正量で空燃比センサ出力を補正する。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２の発明において、吸気弁開時期を検出する手段を備え、前記炭化水素濃度補正手段が、吸気弁開時期にも基づいて前記推定炭化水素濃度を補正するように構成されている。
【００１１】
第４の発明は、第１または第２の発明において、前記冷機時と暖機時の推定炭化水素濃度の選択は燃料噴射量と冷却水温とに基づいて推定した気筒内壁温度に応じて行われる。
【００１２】
【作用、効果】
第１、第２の発明において、内燃機関の冷機時と暖機時とでは、同一排気流量でも、発生する排気中の炭化水素量は大きく変化するが、冷機時と暖機時とでそれぞれ炭化水素濃度を推定し、これを運転状態に応じて選択し、この推定炭化水素濃度に基づいて空燃比センサの出力を補正することにより、排気中の炭化水素濃度のいかんにかかわらず常に正確に排気空燃比を検出することができる。
【００１３】
そして、これらは炭化水素濃度検出センサを用いずに行うことができ、空燃比検出システムの簡略化、低コスト化が図れる。
【００１４】
ところで、厳密には排気中の炭化水素濃度はシリンダ内の残留排気量によっても変化する。そこで、第３の発明では、排気還流量に対応して推定される炭化水素濃度を修正し、また、第４の発明ではシリンダ内残留排気量に相関のある吸気弁開時期に応じて同じく炭化水素濃度を修正することで、排気中の炭化水素濃度をより正確に推定することができ、これによりそれだけ精度のよい空燃比の補正を可能としている。
【００１５】
第５の発明では、冷機時と暖機時の推定炭化水素濃度の切換を、燃料噴射量と冷却水温に基づいて判断しているので、正確な判定が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１において、１はエンジン、２は吸気通路、３は排気通路、４はエンジン１に供給する燃料の制御装置である。
【００１８】
エンジン１には吸入空気量に比例した燃料量が供給され、吸入空気量は吸気通路２のスロットル弁５の開度に応じて制御される。スロットル弁５は図示しないアクセルペダルの開度に対応して変化し、アクセルペダルが大きく踏み込まれたときには吸入空気量が増え、これに応じて増量される燃料により、エンジンの出力が大きくなる。
【００１９】
エンジン１に供給される燃料と空気の比率、つまり空燃比が運転状態に応じて決まる目標とする空燃比となるように、コントローラ１０からの信号により燃料供給量が制御される。
【００２０】
また、排気の一部が排気還流通路８を介して吸気中に還流され、排気還流量はコントローラ１０からの信号により運転状態に応じて制御される。
【００２１】
このため、コントローラ１０には、吸入空気量を測定するエアフローメータ１１、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ１２、スロットル開度を検出するスロットルセンサ１３の各検出信号が入力し、さらに排気の空燃比をリニアに検出するために排気通路３に設けた排気センサ１４からの信号も入力する。
【００２２】
排気通路３には三元触媒６が設置され、空燃比がほぼ理論空燃比の状態で排気中の未燃成分、ＨＣ、ＣＯを酸化すると同時にＮＯｘを還元する。
【００２３】
この触媒６は触媒担体がセリア等の酸素ストレージ材で被覆されていて、流入する排気の空燃比に応じて酸素の吸収あるいは放出を行う機能（酸素ストレージ機能）があり、排気の空燃比が理論空燃比から変動し、排気中の酸素が過剰なときは酸素を吸収し、逆に酸素が不足するときは酸素を放出し、これにより触媒酸化機能と還元機能を常時良好に維持する。
【００２４】
このため、前記コントローラ１０では、触媒６の酸素ストレージ量を運転状態と実際の排気空燃比に基づいて演算し、このストレージ量に対応して空燃比を理論空燃比を中心に微調整することにより、酸素ストレージ量を過不足の無い状態に制御し、触媒６が常に良好に作動できるようにしている。つまり、排気中の酸素量が不足するときは酸素を放出し、また過剰のときは吸収し、常に未燃成分の酸化と窒素酸化物の還元とを行えるように制御する。
【００２５】
触媒６での酸素ストレージ量（触媒に吸収される酸素量と放出される酸素量の差量）は、排気中の積算酸素濃度、すなわち運転状態とその間の排気空燃比に基づいて演算することができ、そのため上記の排気空燃比を検出するリニア排気センサ１４が備えられている。
【００２６】
このリニア排気センサ１４は排気空燃比に略比例した電圧を出力する特性をもつが、このリニア特性はそのとき排気中に含まれる炭化水素濃度によって変動し、正確に排気空燃比を求めるにはセンサ出力を炭化水素濃度に応じて補正する必要がある。
【００２７】
そのため、コントローラ１０の一部として構成される空燃比検出装置が、図２にも示すように構成されている。
【００２８】
まず、リニア空燃比センサ１４の出力はＡ／Ｄ変換器３０によりデジタル信号に変化され、このＡ／Ｄ変換器３１の出力に基づいて空燃比変換回路３１においてセンサ出力に基づいて空燃比信号に変換される。
【００２９】
排気中の炭化水素濃度（ＨＣ）を推定するため、吸入空気量を測定するエアフローメータ１１と、エンジン回転速度を検出するエンジン回転速度センサ１２からの信号に基づいてＨＣ濃度を推定し、これに対応した換算値を出力するＨＣ濃度換算回路（マップ）３２と３３が備えられる。
【００３０】
エンジンの暖機が十分に行われた暖機時と、暖機が終了していない冷機時とでは同一の吸入空気量、回転速度であっても、排気中のＨＣ濃度は相違し、冷機時にはＨＣ発生量が相対的に多く、したがって２つの換算回路３２と３３は暖機時と冷機時とに対応した出力特性に設定されている。
【００３１】
図５と図６は、暖機時と冷機時とにおいて、エンジン負荷（吸入空気量）とエンジン回転速度に対応しての、それぞれのＨＣ濃度特性を示すものであり、ＨＣ濃度を等高線で表しており、ＨＣ濃度は中速、中負荷の中央部分で最も低く、低負荷側、及び高負荷側となる周辺にいくにしたがって濃度が高くなる。また、暖機時に比べて冷機時の濃度が相対的に高く、このため暖機時に比較すると冷機時は中央部分でも中程度のＨＣ濃度となっている。
【００３２】
これら換算回路３２と３３の出力を冷機時と暖機時とで切換える切換回路３５が設けられる。このため、冷却水温センサ１５の検出する冷却水温と、エンジンの単位時間当たりの発熱量演算回路３６からの信号とに基づいて気筒内壁温度を推定し、暖機の状態を判定する暖機判定回路３７が備えられ、この暖機判定回路３７の出力に基づいて切換回路３５を切換える。
【００３３】
そして、３８はＨＣ濃度換算回路３２、３３からの出力に応じて空燃比センサ１４の出力の補正量を演算する補正量演算回路であり、ＨＣ濃度に応じた補正量を出力する。補正量演算回路３８では、エンジンの暖機時と冷機時とに対応したＨＣ濃度により空燃比の補正量を演算し、減算回路４０において前記した空燃比変換回路３１の空燃比出力からこの補正量を減算する。
【００３４】
このようにして空燃比センサ出力が補正量に基づいて補正され、この補正された空燃比信号が空燃比出力回路４１から出力される。
【００３５】
図７は空燃比とセンサ出力電圧の関係を示す特性図である。図にもあるように、排気中のＨＣ濃度がゼロのときは、センサ出力はノーマル状態となり、そのまま正確に空燃比に対応した値となるが、ＨＣ濃度が高くなると、センサ出力はＨＣシフトし、同一の空燃比について、相対的に出力電圧が大きくなり、この傾向はＨＣ濃度が高まるほど増大する。
【００３６】
ＨＣシフトしたセンサ出力は空燃比を正確に表すことができず、同一空燃比（例えば理論空燃比＝１４．７）でも、ノーマル状態のときよりも大きな出力電圧となるため（電圧Ｖ１→Ｖ２）、そのままでは空燃比が見かけ上は、大きくなったものと見なされ、誤差がでてしまう。
【００３７】
しかし、空燃比センサ出力は、補正量演算回路３８から出力に基づいて、そのときのＨＣ濃度に応じて減算補正され、この補正量ΔＶは、ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２に相当しているため、補正後の空燃比信号としてはノーマル状態と同じ出力値であるＶ１となるのである。
【００３８】
排気中のＨＣ濃度はエンジン負荷、回転速度で代表される運転条件よって異なるほか、エンジンの暖機状態によっても大きく変動し、暖機が終了する前の冷機時には相対的にＨＣ濃度が高くなる。ＨＣ濃度換算回路３２と３３は暖機時と冷機時とのＨＣ濃度をそれぞれ算出しているので、それぞれに対応して正確にＨＣ濃度を検出でき、これらは暖機状態に応じて切り換わる切換回路３５により選択的に補正量演算回路３８に出力されるので、ＨＣ濃度に基づく空燃比の補正量を常に正確に算出できる。
【００３９】
このようにして、ＨＣ濃度に基づく空燃比の補正は、特別なＨＣ検出センサを用いることなく、精度よく行うことが可能となり、空燃比検出装置の簡略化、低コスト化が実現できる。
【００４０】
図３の空燃比検出装置は、エンジンの排気還流状態に基づいてＨＣ濃度の推定量を補正するようにしたもので、より精度のよい空燃比補正を可能とするものである。
【００４１】
このため、図２の空燃比検出装置に対し、さらに排気還流率を検出するセンサ１６と、このセンサ出力に基づいてＨＣ濃度補正量を算出するＨＣ補正量演算回路４２とを備えている。
【００４２】
図８に示すように、排気還流率が大きくなるほどシリンダ内残留排気濃度が高まり、排気ガス濃度が高くなるほど排気中のＨＣ濃度が高まる。
【００４３】
センサ１６で排気還流率を検出することで、シリンダ内残留排気濃度が求められ、ＨＣ補正量演算回路４２により残留排気濃度に応じてＨＣ濃度の補正量が演算される。このＨＣ濃度補正量は、加算回路４３により、前記した切換回路３５の出力に加算され、エンジンの暖機状態に応じて推定されたＨＣ濃度にこのＨＣ補正量を加えた値に基づいて補正量演算回路３８において空燃比の補正量が演算される。
【００４４】
このようにして、排気還流状態に応じて推定ＨＣ濃度が補正されるので、より実際の排気中のＨＣ濃度に正確に対応したものとなり、それだけ空燃比の補正精度を高められる。
【００４５】
さらに図４の空燃比検出装置は、図３の空燃比検出装置に加えて吸気弁の開時期に基づくＨＣ濃度の補正を行うことで、さらに精度の高い空燃比補正を実現するものである。
【００４６】
図９に示すように、吸気弁の開時期を早めると、吸排気弁のオーバラップが大きくなり、吸気系に逆流する排気が増え、その逆流排気が吸気行程で再度シリンダ内に吸い戻されるため、シリンダ内排気ガス濃度が高くなる。したがって吸気弁の開時期を判定することで、さらに正確にシリンダ内残留排気濃度が把握できる。
【００４７】
このため、吸気弁開時期を検出するセンサ１７が備えられ、このセンサ出力に基づいてシリンダ内残留排気濃度を演算する演算回路４４により、吸気弁開時期に対応する残留排気濃度が算出される。
【００４８】
この残留排気濃度は、加算回路４５において、排気還流率を検出するセンサ１６の出力であるシリンダ内排気ガス濃度に加算され、この加算値がＨＣ補正量演算回路４２に供給される。
【００４９】
したがって、ＨＣ補正量演算回路４２では排気還流率と、吸気弁開時期に対応したＨＣ濃度に基づくＨＣ濃度の補正量が求まり、エンジン運転状態に応じて推定したＨＣ濃度をさらに正確に補正することができ、それだけ精度のよい空燃比の補正が実現可能となる。
【００５０】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の全体的な構成図である。
【図２】本発明の空燃比検出装置の実施形態のブロック図である。
【図３】空燃比検出装置の他の実施形態のブロック図である。
【図４】空燃比検出装置の更に他の実施形態のブロック図である。
【図５】エンジン暖機時の排気中の炭化水素濃度の特性図である。
【図６】エンジン冷機時の排気中の炭化水素濃度の特性図である。
【図７】空燃比センサの出力特性を正常時と炭化水素濃度に応じてシフトしたときとを比較して示す説明図である。
【図８】シリンダ内残留ガス濃度と排気中の炭化水素濃度の関係を示す特性図である。
【図９】吸気弁開時期とシリンダ内残留ガス濃度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１  エンジン
２  吸気通路
３  排気通路
４  燃料制御装置
６  三元触媒
１０  コントローラ
１１  エアフローメータ
１２  回転速度センサ
１４  排気（空燃比）センサ
３１  空燃比変換回路
３２，３３  ＨＣ濃度換算回路
３５  切換回路
３６  発熱量演算回路
３７  暖機判定回路
３８  補正量演算回路
４２  ＨＣ補正量演算回路
４４  シリンダ内残留排気濃度演算回路
【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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【図８】
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【図９】
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