JP2009293466A - エンジンの空燃比センサ再生制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの出力異常を抑制する。
【解決手段】本発明は、排気が流れる排気通路と、排気通路に設けられて排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタと、ヒータを内蔵し、排気浄化フィルタよりも上流の排気通路に設けられて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、を備えるエンジンの空燃比センサ再生制御装置であって、エンジン運転中に空燃比センサに堆積した粒子状物質を、エンジン停止後にその空燃比センサのヒータに通電して燃焼除去するセンサ再生手段（Ｓ１４）を備えることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明はエンジンの空燃比センサ再生制御装置に関する。

従来のエンジンとして、排気通路に設けた空燃比センサの出力に応じて種々のフィードバック制御をするものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２３２２１３号公報

従来のエンジンは、排気浄化フィルタの下流に空燃比センサを設けていた。そのため、空燃比センサに粒子状物質（Particulate Matter；以下「ＰＭ」という）が堆積する心配はなかった。

ここで、リッチスパイク時の燃料補正量は空燃比センサの出力に応じてフィードバック制御されている。このとき、リッチスパイクが実施される時間は数秒間と短い。そのため、できるだけ排気通路の上流に空燃比センサを設けることが望ましい。

しかしながら、空燃比センサを排気浄化フィルタよりも上流に設けると、空燃比センサにＰＭが堆積し、センサが正常に出力しなくなるという問題点がある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、空燃比センサを排気浄化フィルタよりも上流に設けたときに、センサが正常に出力しなくなるのを抑制することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、排気が流れる排気通路（４）と、前記排気通路（４）に設けられて排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタ（８）と、ヒータを内蔵し、前記排気浄化フィルタ（８）よりも上流の前記排気通路（４）に設けられて排気の空燃比を検出する空燃比センサ（９ａ）と、を備えるエンジン（２）の空燃比センサ再生制御装置であって、エンジン運転中に前記空燃比センサ（９ａ）に堆積した粒子状物質を、エンジン停止後にその空燃比センサ（９ａ）のヒータに通電して燃焼除去するセンサ再生手段（Ｓ１４）を備えることを特徴とする。

エンジン運転中に前記空燃比センサに堆積した粒子状物質を、エンジン停止後にその空燃比センサのヒータに通電して燃焼除去するので、空燃比センサにＰＭが堆積し、センサが正常に出力しなくなるのを抑制できる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるディーゼルエンジンの排気浄化装置１のシステム概略図である。

ディーゼルエンジンの排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン２と、吸気通路３と、排気通路４と、ターボチャージャ５と、ディーゼル酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst；以下「ＤＯＣ」という）６と、ＮＯｘ吸着触媒（Lean NOx Trap；以下「ＬＮＴ」という）７と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下「ＤＰＦ」という）８と、空燃比センサ９と、排温センサ１０と、コントローラ１１と、を備える。

ディーゼルエンジン２は車両の駆動力を発生する。

吸気通路３及び排気通路４はディーゼルエンジン２に接続される。吸気通路３は、ディーゼルエンジン２に供給する空気（新気）が流れる通路である。排気通路４は、ディーゼルエンジン２から排出される排気が流れる通路である。

ターボチャージャ５は、コンプレッサとタービンとを備え、コンプレッサが吸気通路３に設けられ、タービンが排気通路４に設けられる。ターボチャージャ５は、排気のエネルギでタービンを回し、その回転力を利用して同軸上のコンプレッサを駆動し、多量の空気をディーゼルエンジン２に供給する。

ＤＯＣ６は、ターボチャージャ５よりも下流の排気通路４に設けられる。ＤＯＣ６は、パラジウム、白金などの触媒による酸化作用でＰＭを減少させる。

ＬＮＴ７は、ＤＯＣ６よりも下流の排気通路４に設けられる。ＬＮＴ７は、排気の空燃比がリーンであれば、排気中のＮＯｘを吸着する。一方、排気の空燃比がストイキ又はリッチであれば、吸着したＮＯｘを脱離して、その脱離したＮＯｘをそのときの排気中に含まれるＣＯ、ＨＣを還元剤として還元処理する。

ＤＰＦ８は、ＬＮＴ７よりも下流の排気通路４に設けられる。ＤＰＦ８は、排気中のＰＭを捕集する。

空燃比センサ９は、排気通路４に２箇所設けられる。以下では、この２つの空燃比センサ９を特に区別する必要があるときには、ターボチャージャ５とＤＯＣ６との間の排気通路４に設けられた空燃比センサ９を「第１空燃比センサ９ａ」という。一方、ＤＰＦ８よりも下流の排気通路４に設けられた空燃比センサ９を「第２空燃比センサ９ｂ」という。

空燃比センサ９は、ジルコニア固体電解質素子（以下「素子」という）を用いて排気の空燃比を検出するセンサである。空燃比センサ９によって空燃比を検出するためには、センサ自体が十分に暖まり、素子の温度が数百度まで上がっている必要がある。そのため、空燃比センサ９は、センサを早期に活性化させるヒータを内蔵している。

排温センサ１０は、ＤＰＦ８の上流と下流の排気通路４にそれぞれ１つずつ設けられる。排温センサ１０は、排気温度を検出する。

コントローラ１１は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

ＤＰＦ８はＰＭを捕集し続けると、やがて目詰まりを起こす。そのため、ＤＰＦ８のＰＭ堆積量が所定量より多くなったときは、ＤＰＦ８を再生する必要がある。

そこで、コントローラ１１は、予め定められたマップを参照して、運転状態に応じて演算周期ごとのディーゼルエンジン２のＰＭ排出量を算出し、そのＰＭ排出量に基づいてＤＰＦ８のＰＭ堆積量を推定している。なお、ディーゼルエンジン２のＰＭ排出量は、空燃比によって変動する。そのため、本実施形態では、第２空燃比センサ９ｂで検出した空燃比によって、ディーゼルエンジン２のＰＭ排出量を修正している。これにより、精度良くＤＰＦ８のＰＭ堆積量の推定することができる。

また、ディーゼルエンジン２は、通常リーンで運転している。そのため、通常運転時には、ＬＮＴ７はＮＯｘを吸着する。

そこで、コントローラ１１は、排気の空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイクを実施して、ＬＮＴ７に吸着したＮＯｘを還元処理して排気を浄化する。リッチスパイク時には、燃料補正量が過多又は過小とならないように、排気の空燃比に応じてその燃料補正量をフィードバック制御する必要がある。

しかしながら、リッチスパイクの時間は数秒間（例えば２、３秒）と短い。そのため、ＤＰＦ８の下流に設けられた第２空燃比センサ９ｂの検出値に応じてフィードバック制御していたのでは、燃料補正量をフィードバック制御する前にリッチスパイクが終了するおそれがある。

したがって、リッチスパイク時の燃料補正量をフィードバック制御するには、応答性の観点から、できるだけ排気通路４の上流に設けた空燃比センサによって行うことが望ましい。そこで、本実施形態では、ＤＰＦ８の下流に設けた第２空燃比センサ９ｂとは別に、ＤＰＦ８よりも上流であって、ターボチャージャ５の下流に設けた第１空燃比センサ９ａの検出値に応じて、燃料補正量をフィードバック制御している。

ところが、ターボチャージャ５の下流、かつＤＰＦ８の上流に空燃比センサ９を設けると、次のような問題が生じる。

まず、ターボチャージャ５の下流に空燃比センサ９を設けると、空燃比センサ９のヒータをＯＮ（通電）しているときに、ターボチャージャ５に溜まった排気凝縮水が、タービンの回転によって飛散してヒータで暖められた素子に当たり、熱衝撃によって素子が割れるおそれがある。そのため、ターボチャージャ５に排気凝縮水が溜まっている可能性のある運転状態のときは、第１空燃比センサ９ａのヒータをＯＮにすることができない。

ディーゼルエンジン２はガソリンエンジンと比べて排気温度が低い（通常２００℃〜３００℃）。そのため、ディーゼルエンジン２の場合は特に、低負荷走行が連続するような運転条件のときには排気凝縮水が溜まっている状態が長く続くおそれがある。そうすると、空燃比センサ９のヒータをＯＦＦしたままの状態が長期間に及ぶおそれがある。

また、空燃比センサ９を、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ８よりも上流に設けた場合には、空燃比センサ９を通過する排気中に多くのＰＭが含まれるため、空燃比センサ９の素子に多くのＰＭが付着する。また、排気中の被毒物（硫黄酸化物など）も空燃比センサ９に付着する。

空燃比センサ９に付着したＰＭや被毒物は、ヒータをＯＮすることで燃焼除去することができるが、ヒータがＯＦＦのときには素子の表面に堆積していく。

前述したように、空燃比センサ９をターボチャージャ５の下流に設けたときは、空燃比センサ９のヒータがＯＦＦのままの状態が長期間に及ぶことがある。そのため、ヒータの素子にＰＭや被毒物が堆積しやすい。

素子に被毒物が堆積していくと、素子と接する排気電極が不活性化してセンサが正常に出力しなくなる。

図２は、正常時の空燃比センサ９の出力特性（図２（Ａ））と、センサ被毒時の空燃比センサ９の出力特性（図２（Ｂ））と、を示した図である。

図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、空燃比センサ９は、所定の印加電圧をかけたときのセンサ出力を見て空燃比を検出しているが、センサ被毒時には、センサ出力が安定しなくなることがわかる。

また、素子に所定量以上のＰＭが堆積したときも、センサが正常に出力しなくなる。これは、素子に堆積したＰＭ量が所定量以下になるまでは、素子に堆積したＰＭが、素子での電極反応を阻害するためである。以下では、ヒータをＯＮにして、素子に堆積したＰＭの燃焼除去を開始してから、素子に堆積したＰＭが所定量以下になるまでの時間、すなわち空燃比センサ９の出力が正常に回復するまでの時間のことを、「センサ出力回復時間」という。

図３は、素子に所定量以上のＰＭが堆積しているとき（実線）と、堆積していないとき（破線）と、の空燃比センサ９の出力値を示した図である。

図３に実線で示すように、素子に所定量以上のＰＭが堆積しているときは、センサ出力回復時間が経過した後に、センサ出力が正常に回復する。

図４は、空燃比センサ９の素子に堆積したＰＭ量と、センサ出力回復時間と、の関係を示した図である。

図４に示すように、素子に堆積したＰＭが所定量より少ないときは、センサ出力回復時間は０秒だが、所定量より多くなると、ＰＭ堆積量に比例してセンサ出力回復時間が長くなる。

そこで、本実施形態では、このようなセンサ出力異常を抑制するため、まずディーゼルエンジン２の運転中に第１空燃比センサ９ａのＰＭ堆積量を算出し、ディーゼルエンジン２の停止後にそのＰＭ堆積量に応じて、以下で説明する空燃比センサ再生制御を実施する。空燃比センサ再生制御は、排気凝縮水の飛散による素子割れのおそれがないディーゼルエンジン２の停止後に、第１空燃比センサ９ａのヒータをＯＮにして、素子に堆積したＰＭや被毒物を燃焼除去する制御である。

図５は、第１空燃比センサ９ａの素子に堆積するＰＭ量を算出するセンサＰＭ堆積量推定制御について説明するフローチャートである。コントローラ１１は、本ルーチンをディーゼルエンジン２の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ１１は、ヒータＯＮフラグが１にセットされているか否かを判定する。ヒータＯＮフラグは、第１空燃比センサ９ａのヒータがＯＮのときに１にセットされるフラグである。コントローラ１１は、ヒータＯＮフラグが１にセットされているときは、ステップＳ５に処理を移行する。コントローラ１１は、ヒータＯＮフラグが０にセットされているときは、ステップＳ２に処理を移行する。

ステップＳ２において、コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａのＰＭ堆積量（以下「センサＰＭ堆積量」という）Ｍ_PMを算出する。具体的には、予め定められたマップを参照して運転状態に応じて算出される演算周期ごとのＰＭ排出量に基づいて、第１空燃比センサ９ａの素子に付着するＰＭ付着量ΔＭ_PM1を算出し、そのＰＭ付着量ΔＭ_PMをセンサＰＭ堆積量Ｍ_PMに積算して算出する。

ステップＳ３において、コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａのヒータがＯＮになっているか否かを判定する。コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａのヒータがＯＮになっていればステップＳ４に処理を移行し、ＯＦＦのままであれば今回の処理を終了する。

ステップＳ４において、コントローラ１１は、ヒータＯＮフラグを１にセットする。

ステップＳ５において、コントローラ１１は、センサＰＭ堆積量Ｍ_PMを算出する。具体的には、センサＰＭ堆積量Ｍ_PMから、演算周期ごとに燃焼除去されるＰＭ除去量ΔＭ_PM2を減算して算出する。

ステップＳ６において、コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａがＯＦＦになっているか否かを判定する。コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａのヒータがＯＦＦになっていれば、ステップＳ７に処理を移行し、ＯＮのままであれば今回の処理を終了する。

図６は、第１空燃比センサ９ａのセンサ再生制御について説明するフローチャートである。コントローラ１１は、本ルーチンをディーゼルエンジン２の停止後に、ヒータがＯＦＦにされるまでの間、所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１１において、コントローラ１１は、センサ再生フラグが１にセットされているか否かを判定する。センサ再生フラグは、ディーゼルエンジン２の停止後に第１空燃比センサ９ａのヒータがＯＮになっているときに１にセットされるフラグである。コントローラ１１は、センサ再生フラグが１にセットされているときはステップＳ１６に処理を移行し、０にセットされているときはステップＳ１２に処理を移行する。

ステップＳ１２において、コントローラ１１は、センサＰＭ堆積量Ｍ_PMが所定量より多いが否かを判定する。コントローラ１１は、センサＰＭ堆積量Ｍ_PMが所定量より多ければステップＳ１３に処理を移行し、少なければ今回の処理を終了する。

ステップＳ１３において、コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａに堆積したＰＭを燃焼除去するのに必要な時間（以下「ＰＭ除去時間」という）を算出する。具体的な算出方法については、図７を参照して後述する。

ステップＳ１４において、コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａのヒータをＯＮにする。このとき、コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａの内部インピーダンスに基づいて、第１空燃比センサ９ａの温度を、ＰＭの燃焼に必要な一定温度（約６００℃）になるように制御する。なお、通常のエンジン運転中にヒータがＯＮされるときは約７５０℃に制御される。

ステップＳ１５において、コントローラ１１は、センサ再生フラグを１にセットする。

ステップＳ１６において、コントローラ１１は、ＰＭ除去時間が経過したか否かを判定する。コントローラ１１は、ＰＭ除去時間が経過していればステップＳ１７に処理を移行し、経過していなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ１７において、コントローラ１１は、第１空燃比センサ９ａのヒータをＯＦＦにする。

ステップＳ１８において、コントローラ１１は、センサ再生フラグを０にセットする。

図７は、ＰＭ除去時間を算出するテーブルである。

図７に示すように、ＰＭ除去時間は、ＰＭ堆積量に基づいて算出される。ＰＭ除去時間はＰＭ堆積量が多いほど長くなる。

以上説明した本実施形態によれば、ＤＰＦ８の上流に設けた第１空燃比センサ９ａに堆積するＰＭ量（センサＰＭ堆積量）を算出する。そして、エンジン停止後にセンサＰＭ堆積量が所定量より多いときには、エンジン停止後に第１空燃比センサ９ａのヒータをＯＮにして堆積したＰＭ及び被毒物を燃焼除去して第１空燃比センサ９ａを再生する。

これにより、冷間始動の繰り返しが続いた場合や、低負荷走行が続いた場合などの排気凝縮水の影響によって第１空燃比センサ９ａのヒータをＯＮにできない運転状態が続いたときでも、第１空燃比センサ９ａの出力異常を抑制することができる。

また、排気通路４の上流に第１空燃比センサ９ａを設けたので、リッチスパイク時の燃料補正量のフィードバック制御を精度よく実施できる。

これにより、燃料補正量が過多又は過小になるのを抑制できるので、燃費が向上するとともに、エミッションの悪化を防止できる。

また、排気凝縮水が存在している運転状態のときには、第１空燃比センサ９ａのヒータをＯＮにしないので、第１空燃比センサ９ａをターボチャージャ５の下流に設けた場合でも、第１空燃比センサ９ａの素子割れを防ぐことができる。

なお、本発明は上記の実施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。

例えば、上記実施形態では、エンジン停止後のセンサＰＭ堆積量が所定量より多ければ、エンジン停止後にヒータをＯＮにしていた。

しかしこれに限らず、センサＰＭ堆積量が所定量より多いか否かにかかわらず、エンジン停止後に毎回空燃比センサ９の再生を実施してもよい。また、１トリップ（エンジン始動からエンジン停止までの間）中に第１空燃比センサ９ａのヒータが１度もＯＮにならなかったときに、空燃比センサ９の再生を実施することにしてもよい。

これらによっても、第１空燃比センサ９ａにＰＭが堆積するのを抑制できるので、第１空燃比センサ９ａの出力異常を抑制することができる。

また、上記実施形態では、ディーゼルエンジン２を例にして説明したが、これに限らずガソリンエンジンに適用してもよい。

また、エンジン運転中にリッチスパイクを実施する場合、第１空燃比センサ９ａが活性していなければヒータをＯＮにして活性させる必要がある。このとき、第１空燃比センサ９ａに堆積したＰＭ量が所定量より大きいときは、活性後すぐにリッチスパイクを実施せずに、第１空燃比センサ９ａに堆積したＰＭ量が所定量より少なくなるまでリッチスパイクを遅らせる制御を加えても良い。

ディーゼルエンジンの排気浄化装置のシステム概略図である。 正常時の空燃比センサの出力特性と、センサ被毒時の空燃比センサの出力特性と、示した図である。 素子に所定量以上のＰＭが堆積しているときと、堆積していないときと、の空燃比センサの出力値を示した図である。 空燃比センサの素子に堆積したＰＭ量と、センサ出力回復時間と、の関係を示した図である。 第１空燃比センサの素子に堆積するＰＭ量を算出するセンサＰＭ堆積量推定制御について説明するフローチャートである。 第１空燃比センサのセンサ再生制御について説明するフローチャートである。 ＰＭ除去時間を算出するテーブルである。

符号の説明

２ ディーゼルエンジン（エンジン）
４ 排気通路
５ ターボチャージャ
８ ＤＰＦ（排気浄化フィルタ）
９ａ 第１空燃比センサ（空燃比センサ）
Ｓ２ 粒子状物質堆積量算出手段
Ｓ４ 粒子状物質堆積量算出手段
Ｓ１３ センサ再生手段
Ｓ１４ センサ再生手段

Claims (5)

1. 排気が流れる排気通路と、
   前記排気通路に設けられて排気に含まれる粒子状物質を捕集する排気浄化フィルタと、
   ヒータを内蔵し、前記排気浄化フィルタよりも上流の前記排気通路に設けられて排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
   を備えるエンジンの空燃比センサ再生制御装置であって、
   エンジン運転中に前記空燃比センサに堆積した粒子状物質を、エンジン停止後にその空燃比センサのヒータに通電して燃焼除去するセンサ再生手段を備える
   ことを特徴とするエンジンの空燃比センサ再生制御装置。
2. エンジン運転中に前記空燃比センサに堆積した粒子状物質堆積量を算出する粒子状物質堆積量算出手段を備え、
   前記センサ再生手段は、エンジン停止後の前記粒子状物質堆積量が所定量よりも大きければ、エンジン停止後に前記空燃比センサのヒータに通電して、その空燃比センサを再生する
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの空燃比センサ再生制御装置。
3. 前記センサ再生手段は、前記粒子状物質堆積量に応じて前記空燃比センサの再生時間を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの空燃比センサ再生制御装置。
4. 前記センサ再生手段は、１トリップ中に１度も前記空燃比センサのヒータが通電されなければ、エンジン停止後に前記空燃比センサのヒータに通電して、その空燃比センサを再生する
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの空燃比センサ再生制御装置。
5. 前記排気浄化フィルタよりも上流の前記排気通路に設けられたターボチャージャを備え、
   前記空燃比センサは、前記ターボチャージャの下流の前記排気通路に設けられる
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載のエンジンの空燃比センサ再生制御装置。

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