(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系に排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側及び下流側に空燃比センサを備えた内燃機関において、
前記各空燃比センサのセンサ素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記検出された各センサ素子のインピーダンスに基づき、かつ、排気浄化触媒により近い空燃比センサのセンサ素子のインピーダンスの重み付けを大きくして推定する触媒温度推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする触媒温度検出装置。
【請求項２】
排気系に排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側及び下流側に空燃比センサを備えた内燃機関において、
前記各空燃比センサのセンサ素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記検出された各センサ素子のインピーダンスに基づき、かつ、上流側と下流側の空燃比センサにおけるセンサ素子のインピーダンスの差が所定以上大きいときは、上流側の空燃比センサのインピーダンスのみに基づいて、前記排気浄化触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする触媒温度検出装置。
【請求項３】
機関の始動後所定時間経過後から空燃比センサのインピーダンスに基づく前記排気浄化触媒の温度の推定検出を開始することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒温度検出装置。
【請求項４】
前記空燃比センサは、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備え、
前記ネルンストセル部に交流電圧を印加し、前記ネルンストセル部に流れる電流値よりセンサ素子である前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の触媒温度検出装置。
【請求項５】
前記空燃比センサは、センサ素子加熱用のヒータを備え、センサ素子のインピーダンスに基づいて、前記ヒータへの通電が制御されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の触媒温度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に装着された排気浄化触媒の温度を、間接的に推定して検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気浄化触媒の活性状態を示す触媒温度を検出するため、触媒に温度センサを設けて検出し、あるいは、排気から触媒への熱供給量を算出するなどして推定により検出することが行なわれている。前者の例としては、特開平５−２００２４９号公報に、後者の例としては、特開平９−１０８５４３号に開示がある。
【０００３】
しかしながら、温度センサを設けるとコスト高となり、推定では、十分な精度を確保することが難しいなどの問題があった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、温度センサを設けることなく、精度よく触媒温度を推定できる触媒温度推定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
排気系に排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側及び下流側に空燃比センサを備えた内燃機関において、
前記各空燃比センサのセンサ素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記検出された各センサ素子のインピーダンスに基づき、かつ、排気浄化触媒により近い空燃比センサのセンサ素子のインピーダンスの重み付けを大きくして推定する触媒温度推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【０００５】
また、請求項２に係る発明は、図１に示すように、
排気系に排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の上流側及び下流側に空燃比センサを備えた内燃機関において、
前記各空燃比センサのセンサ素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記検出された各センサ素子のインピーダンスに基づき、かつ、上流側と下流側の空燃比センサにおけるセンサ素子のインピーダンスの差が所定以上大きいときは、上流側の空燃比センサのインピーダンスのみに基づいて、前記排気浄化触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【０００６】
請求項１または請求項２に係る発明によると、
センサ素子の熱容量は小さいので、該センサ素子の温度は空燃比センサを通過する排気温度と略同一である。一方、センサ素子のインピーダンスは、センサ素子の温度が増大するにつれて減少する関係にあり、したがって、前記インピーダンスの検出によってセンサ素子の温度ひいては空燃比センサを流れる排気の温度を推定できる。
【０００７】
一方、前記排気浄化触媒の温度は、該触媒を流れる排気の温度に略一致し、該温度は、空燃比センサを流れる排気の温度に近い値であるので、結局、前記空燃比センサのインピーダンスの検出結果に基づいて触媒の温度を精度よく推定することができる。
【０００９】
また、排気浄化触媒の上流側と下流側とに設けられた空燃比センサにより検出された複数の空燃比検出値を用いて、空燃比を高精度にフィードバック制御するようにしたものにおいて、これら上流側と下流側の空燃比センサにおけるセンサ素子のインピーダンスによって、これら空燃比センサを通過する前記触媒の上流側と下流側の排気の温度を推定でき、該触媒の温度は、これら温度の中間の温度と推定される。
【００１０】
そこで、前記上流側と下流側の空燃比センサのセンサ素子のインピーダンスに基づいて、前記排気浄化触媒の温度をより高精度に推定して検出することができる。
【００１２】
また、前記上流側と下流側の空燃比センサの中、前記排気浄化触媒により近い方の空燃比センサを通過する排気の温度は、他方の空燃比センサを通過する排気の温度より、前記触媒を流れる排気の温度により近いと推定される。
【００１３】
そこで、請求項１に係る発明では、前記排気浄化触媒により近い空燃比センサのセンサ素子のインピーダンスの重み付けを大きくして、触媒温度を推定して検出することにより、検出精度をより高めることができる。
【００１５】
また、車両用内燃機関の場合、一般に下流側の空燃比センサは上流側の空燃比センサに比較して地面に近い個所に設置される。
【００１６】
このため、上流側と下流側の空燃比センサにおけるセンサ素子のインピーダンスの差が所定以上大きいときは、下流側の空燃比センサが地面から撥ねた水を受けるなどにより、インピーダンスの検出値が実際の値と異なっている可能性がある。
【００１７】
そこで、請求項２に係る発明では、上流側と下流側の空燃比センサにおけるセンサ素子のインピーダンスの差が所定以上大きいときは、上流側の空燃比センサのインピーダンスのみに基づいて、前記排気浄化触媒の温度を推定して検出することにより、触媒温度推定の信頼性を確保することができる。
【００２４】
また、請求項３に係る発明は、
機関の始動後所定時間経過後から空燃比センサのインピーダンスに基づく前記排気浄化触媒の温度の推定検出を開始することを特徴とする。
【００２５】
請求項３に係る発明によると、
始動開始後、しばらくの間は、排気の熱は排気浄化触媒に至るまでの排気管など熱容量が大きい部分に吸熱され、触媒自体の熱容量も大きいので、空燃比センサを通過する排気の温度に順じて触媒温度が上昇し始めるのに遅れを生じる。
【００２６】
そこで、空燃比センサのインピーダンスに基づく触媒温度の推定検出を、十分な相関が確保されるのに必要な時間の経過を待って、開始することにより、信頼性の高い推定検出を行なうことができる。
【００２７】
また、請求項４に係る発明は、
前記空燃比センサは、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備え、
前記ネルンストセル部に交流電圧を印加し、前記ネルンストセル部に流れる電流値よりセンサ素子である前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するものであることを特徴とする。
【００２８】
請求項４に係る発明によると、
空燃比センサとして、空燃比をリニアに検出する広域型のセンサを使用するものに適用され、センサ素子であるネルンストセル部に交流電圧を印加したときの電流値（振幅）が、ネルンストセル部のインピーダンスが大きくなるほど小さくなる関係を用いてインピーダンスを高精度に計測することができる。
【００２９】
また、請求項５に係る発明は、
前記空燃比センサは、センサ素子加熱用のヒータを備え、センサ素子のインピーダンスに基づいて、前記ヒータへの通電が制御されることを特徴とする。
【００３０】
請求項５に係る発明によると、
センサ素子のインピーダンスに基づいて、該インピーダンスひいてはセンサ素子の温度を目標値に維持するようにヒータへの通電をフィードバック制御することなどにより、空燃比センサの空燃比検出精度を確保することができ、このようなヒータのフィードバック制御を行なうものにおいて検出されるインピーダンスを流用して本発明に係る触媒温度の推定を行なうことができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比フィードバック制御装置のシステム構成を示している。
【００３２】
内燃機関（以下エンジンという）１には、各気筒毎に、吸気通路２又は燃焼室内に臨むように、燃料噴射弁３が設けられ、各燃料噴射弁３の燃料噴射はコントロールユニット４により制御される。
【００３３】
また、排気通路５には、排気マニホールドの合流部に上流側の空燃比センサ６が配設され、排気マニホールドの下流側に接続された排気管に排気浄化触媒７が介装され、その下流側の排気管に下流側の空燃比センサ８が配設される。
【００３４】
そして、前記コントロールユニット４は、例えば、吸気通路２の上流部に配設されたエアフローメータ９からの信号に基づいて検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ１０からの信号に基づいて検出されるエンジン回転数Ｎｅとから、ストイキ（λ＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλの他、前記上流側及び下流側の空燃比センサ６，７からの信号に基づき設定される空燃比フィードバック補正係数αにより補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αを演算し、このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン回転に同期して、各燃料噴射弁３に出力する。
【００３５】
ここで、前記空燃比センサ６、８は、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力するもので、コントロールユニット４は、空燃比センサ６、８からの信号に基づいて、エンジン１に供給されている混合気の空燃比λを検出し、これが目標空燃比ｔλとなるように、空燃比フィードバック補正係数αを比例積分制御などにより増減設定することで、空燃比λを目標空燃比ｔλにフィードバック制御する。
【００３６】
また、空燃比センサ６、８としては、空燃比をリニアに検出可能ないわゆる広域型空燃比センサを用いる。
図３はかかる広域型空燃比センサ６、８のセンサ素子構造を示し、これについて説明する。
【００３７】
センサ素子の本体２０は、酸素イオン導電性を有するジルコニア等の固体電解質材料で多孔質層に形成されて、排気通路中に置かれる。
本体２０の内部には、図で下側から、ヒータ２１、大気室２２、ガス拡散室２３を備えている。
【００３８】
ヒータ２１は、これへの通電により、センサ素子を加熱することができる。
大気室２２は、排気通路外で、基準ガスである大気と連通するように形成されている。
【００３９】
ガス拡散室２３は、本体２０の図で上面側より形成した排気導入孔２４により、γアルミナ等の保護層２５を介して、排気と連通するように形成されている。
ここで、大気室２２の上壁に設けた電極２６Ａと、ガス拡散室２３の下壁に設けた電極２６Ｂとで、ネルンストセル部２６が構成される。
【００４０】
また、ガス拡散室２３の上壁に設けた電極２７Ａと、本体２０の上壁に設けて保護層２８で覆った電極２７Ｂとで、ポンプセル部２７が構成される。
ネルンストセル部２６は、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度（酸素分圧）によって影響されるネルンストセル部電極２６Ａ，２６Ｂ間の酸素分圧比に応じて、電圧を発生するようになっている。
【００４１】
従って、ネルンストセル部電極２６Ａ，２６Ｂ間の酸素分圧比によって発生する電圧を検出することで、空燃比がストイキ（λ＝１）に対してリーンであるかリッチであるかを検出することができる。
【００４２】
ポンプセル部２７は、これに所定の電圧が印加されると、これによりガス拡散室２３内の酸素イオンが移動して、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ間に電流が流れるようになっている。
【００４３】
そして、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ間に所定の電圧を印加したときに、該電極間を流れる電流値（限界電流値）Ｉｐは、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度に影響されるので、電流値Ｉｐを検出すれば、排気の空燃比を検出することができる。
【００４４】
すなわち、図４（Ａ）に示すように、ポンプセル部２７の電圧−電流特性は、空燃比λに応じて変化し、所定の電圧Ｖｐを印加したときの電流値Ｉｐより排気の空燃比λを検出することができる。
【００４５】
また、ネルンストセル部２７でのリーン・リッチの出力に基づいて、ポンプセル部２７に対する電圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域において、図４（Ｂ）に示すように、ポンプセル部２７を流れる電流値Ｉｐに基づいて、広範囲な空燃比λの検出が可能となる。
【００４６】
上記のような構造と特性とを有するセンサ素子に対し、ヒータ２１への通電制御のため、センサ素子（特にネルンストセル部２６）に高周波の交流電圧を印加して、そのインピーダンスが計測される。
【００４７】
図５は空燃比センサのセンサ素子（ネルンストセル部及びポンプセル部）及びセンサ素子加熱用のヒータに対する制御回路を示している。
ネルンストセル部２６には、インピーダンスの検出のため、マイコン３０の制御の下に、交流電源３１より、高周波の交流電圧（周波数ｆ＝３ＫＨｚ、振幅1.75Ｖ）を印加し、これによりネルンストセル部２６に流れる電流値Ｉｓを電流検出用抵抗３２と検出アンプ３３とにより電圧変換する。
【００４８】
検出アンプ３３からの信号は、例えばハイパスフィルタと積分器とからなるインピーダンス検出回路３４に入力することで、交流成分のみを取出して、その振幅からインピーダンスＲｉを検出する。これにより、ネルンストセル部２６のインピーダンスＲｉを計測することができる。
【００４９】
また、検出アンプ３３からの信号は、ローパスフィルタ３５に入力することで、直流成分のみを取出して、酸素濃度に応じてネルンストセル部２６で発生する電圧を検出する。これにより、酸素濃度のリーン・リッチを検出することができる
ポンプセル部２７には、マイコン３０の制御の下に、直流電源３６より所定の電圧Ｖｐを印加するが、印加方向はネルンストセル部２６により検出される酸素濃度のリーン・リッチに応じて反転させ、これによりポンプセル部２７に流れる電流Ｉｐを電流検出用抵抗３７と検出アンプ３８とにより電圧変換して検出する。これにより、空燃比λを検出することができる。
【００５０】
ヒータ２１には、バッテリよりバッテリ電圧ＶＢを印加するが、通電回路中にスイッチング素子３９を設けてある。従って、このスイッチング素子３９のＯＮ・ＯＦＦをマイコン３０によりデューティ制御することにより、ヒータ２１への通電量を制御することができる。
【００５１】
本発明では、上流側及び下流側の空燃比センサ６，８に対し、それぞれ上記のようにしてセンサ素子のインピーダンスを計測して、該インピーダンスに応じたセンサ素子温度、即ち、各空燃比センサ６，８を通過する排気の温度を推定し、これら推定された温度を平均化処理して、排気浄化触媒７の温度を推定する。
【００５２】
図６は、機関始動後、マイコン３０により所定時間毎に実行される触媒温度推定制御のフローチャートである。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、各種状態の検出値を読み込む。
【００５３】
ステップ２では、触媒温度推定の許可判定を行なう。具体的には、推定に使用する各空燃比センサ６，８の診断結果（インピーダンス検出用回路の診断結果を含む）が正常であり、かつ、始動後所定時間を経過したときを、触媒温度推定を許可する条件とする。前記所定時間の経過を条件とするのは、以下の理由による。機関の始動後、しばらくの間は、排気の熱は排気浄化触媒に至るまでの排気管など熱容量が大きい部分に吸熱され、触媒自体の熱容量も大きいので、空燃比センサを通過する排気の温度に順じて触媒温度が上昇し始めるのに遅れを生じる。
【００５４】
そこで、空燃比センサのインピーダンスに基づく触媒温度の推定検出を、排気温度との相関が確保されるのに必要な時間の経過を待って開始する。これにより、信頼性の高い推定検出を行なうことができる。なお、それ以前に、触媒温度の推定が必要な場合は、燃料噴射量の積算等による排気からの熱供給量と排気系からの放熱量の算出などによる公知の推定方式に基づいて推定することができる。
【００５５】
また、触媒温度推定の許可判定条件の中に、排気温度が大きく変化するときに温度推定を禁止する条件を含ませてもよい。この場合は、排気浄化触媒７を良好に推定することができないからである。
【００５６】
ステップ２で、上記触媒温度推定の許可条件が成立すると、ステップ３，４で順次上流側の空燃比センサ６、下流側の空燃比センサ８のインピーダンスＲｉｕ，Ｒｉｄが既述のようにして計測される。
【００５７】
ステップ５では、ステップ３，４で計測された空燃比センサ６、８のインピーダンスＲｉｕ，Ｒｉｄの差が所定値以上大きいかを判定する。インピーダンスＲｉｕ，Ｒｉｄの差が所定値以上大きい場合は、下流側の空燃比センサ８に水がかかるなどして急激な温度変化に伴ないインピーダンスＲｉｄが大きく変化したことなどが考えられるので、上流側の空燃比センサ６のインピーダンスＲｉｕのみを用いて触媒温度Ｔｓを推定する。
【００５８】
すなわち、ステップ６へ進んで、上流側の空燃比センサ６のインピーダンスＲｉｕを用いて素子温度ひいては該空燃比センサ６を通過する排気の温度Ｔｕを推定する。該温度Ｔｕは、インピーダンスＲｉｕが小さくなるほど大きくなるので、そのように設定したテーブル(１５０Ωで６５０°Ｃ、１００Ωで７５０°Ｃのように設定）からの検索などにより推定する（以下同様）。
【００５９】
さらにステップ７へ進んで、前記推定された素子温度乃至排気温度Ｔｕから排気浄化触媒７の温度Ｔｓを推定する。具体的には、空燃比センサ６から排気浄化触媒７に至るまでの排気管からの放熱量、排気浄化触媒７での反応熱などを考慮して、温度Ｔｕに対し所定の補正を行なって推定する。
【００６０】
一方、ステップ５で、ステップ３，４で計測された空燃比センサ６、８のインピーダンスの差が所定値未満と判定された場合は、上記のような問題は発生しなかったと判断し、上流側及び下流側の空燃比センサ６、８のインピーダンス計測値に基づく排気浄化触媒７の温度推定を行う。
【００６１】
すなわち、ステップ８，９で順次上流側及び下流側の空燃比センサ６、８のインピーダンスに基づき素子温度乃至空燃比センサ６、８通過部の排気温度Ｔｕ、Ｔｄを推定する。
【００６２】
そして、ステップ１０で前記推定された触媒上流側及び下流側の素子温度乃至排気温度を次式のように平均化処理して排気浄化触媒７の温度Ｔｓを推定する。
Ｔｓ＝（ｍ・Ｔｕ＋ｎ・Ｔｄ）／(ｍ＋ｎ）
ここで、簡易的には、ｍ＝ｎ＝１として単純平均してもよいが、一般的には下流側の空燃比センサ８の方が上流側の空燃比センサ６より排気浄化触媒７に近い個所に設けられ、また、排気浄化触媒７による反応熱を受けた排気が流れるため、下流側の空燃比センサ８の温度Ｔｄの方が、上流側の空燃比センサ６の温度Ｔｕより、排気浄化触媒７の温度をより反映しているといえる。したがって、下流側の空燃比センサ８の温度Ｔｄに対する重みｎを、上流側の空燃比センサ６の温度Ｔｕより大きく設定して推定精度の向上を図るようにしてもよい。
【００６３】
排気浄化触媒の上流側と下流側とに空燃比センサを備えた内燃機関において、上記実施の形態より簡易に触媒温度を推定する実施の形態として、上流側と下流側との一方の空燃比センサのみを用いて推定する構成とすることもでき、演算負荷を軽減できる。
【００６４】
その場合、例えば、一般的には下流側の空燃比センサの方が、排気浄化触媒に近く、かつ、該触媒による反応熱を受けた排気の温度を推定できるので、該下流側の空燃比センサのインピーダンスを用いれば、精度よく触媒温度を推定できる。特に、下流側の空燃比センサを排気浄化触媒の上側に迂回させた排気通路に配設したり、防水壁で覆ったりして地面から撥ねる水の影響を対策したものでは、この方式が推奨される。一方、該防水対策が万全でないような場合には、上流側の空燃比センサのインピーダンスを用いれば、常に信頼性を確保することができる。
【００６５】
また、排気浄化触媒の上流側のみに１個の空燃比センサを設けて空燃比フィードバック制御を行なうものにも適用でき、該空燃比センサのインピーダンスのみに基づいて、排気浄化触媒の温度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】  本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比フィードバック制御装置のシステム図
【図３】  空燃比センサのセンサ素子構造を示す図
【図４】  空燃比センサのセンサ素子の特性図
【図５】  空燃比センサのセンサ素子及びヒータに対する制御回路図
【図６】  インピーダンス計測及びヒータ制御のフローチャート
【符号の説明】
１  エンジン
４  コントロールユニット
６  上流側の空燃比センサ
７  排気浄化触媒
８  上流側の空燃比センサ
２１  ヒータ
２６  ネルンストセル部
２７  ポンプセル部
３０  マイコン
３１  交流電源
３４  インピーダンス検出回路
【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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