JP2022070442A - 空気過剰率算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気過剰率を制御する際のＰＩＤ制御の中断を減らして制御を効率化できる空気過剰率算出装置を提供する。
【解決手段】空気過剰率算出装置は、内燃機関の排気中の酸素濃度を示す電圧値ＶＨＧを空気過剰率に対してリニアライズ変換したデータにより空気過剰率λを算出する過剰率算出部２５を備える。過剰率算出部２５は、電圧値ＶＨＧがリーン側閾値ＬＲＥＦ以下のときに、燃料噴射の実行時間Ｔｉ１、内燃機関のトルク値ＴＱ１、空気過剰率λｂを記憶し、リーン側閾値ＬＲＥＦを超えているときには、このときの燃料噴射の実行時間をＴｉ２、内燃機関のトルク値をＴＱ２として、次式により代替値Ｒを算出し、これを空気過剰λとみなす。
Ｒ＝（（Ｔｉ１÷Ｔｉ２）÷（ＴＱ１÷ＴＱ２））×λｂ
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気中の酸素濃度に基づいて空気過剰率を算出する空気過剰率算出装置に関する。

従来、内燃機関における燃料噴射量に空燃比若しくは空気過剰率をフィードバックして排気ガスの浄化や燃料消費率の低減を図るために、空燃比若しくは空気過剰率を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の技術では、空燃比若しくは空気過剰率を検出する排気ガスセンサとして、ジルコニアチューブを用いた酸素濃淡電池型の酸素センサを利用したものが用いられる。酸素センサの起電力は、空燃比に対して線形の特性を有するリニアライズデータに変換され、該リニアライズデータに基づいて空燃比が検出される。

このリニアライズデータに変換する変換式では、その係数が、該酸素センサの温度に相関する内部抵抗Ｒｉに応じて変更される。これによれば、温度変化によって酸素センサの出力特性が変化しても、空燃比が精度良く検出される。

一方、空燃比若しくは空気過剰率を検出する排気ガスセンサとして、酸素センサの内部抵抗に基づいて酸素を検出する抵抗型酸素センサを用いたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２の酸素センサでは、排気ガスの酸素含有量を示す第１の値が、酸素センサの酸素感知部分の抵抗に基づいて決定される。酸素センサの温度を示す第２の値が、酸素センサのヒータ部分の抵抗に基づいて決定される。そして、第１の値及び第２の値の関数としての空燃比が、第３の値として決定される。これによれば、温度変化によって抵抗型酸素センサの出力特性が変化しても、空燃比が精度良く検出される。

特開２００３－１４８２３５号公報 米国特許第８９５９９８７号公報

しかしながら、上記特許文献１、２の技術によれば、酸素センサの電圧のリーン側限界又はリッチ側限界域では、酸素センサの出力電圧を、空燃比に対して線形の特性を有するようにリニアライズすることが困難である。すなわち、両限界域での、空燃比に対する出力電圧の変化が急峻であるため、出力電圧を読み取るＡ／Ｄ変換器の分解能が不充分となる。

したがって、空燃比若しくは空気過剰率の検出値に基づくこれらの目標値への調整に好ましく用いられるＰＩＤ制御により排気ガスの浄化等を行う際には、出力電圧の変化が急峻な部分において制御を中断せざるを得ないという問題がある。

本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、空気過剰率を制御する際のＰＩＤ制御の中断を減らして制御を効率化できる空気過剰率算出装置を提供することにある。

本発明の空気過剰率算出装置は、
燃料噴射弁を備える内燃機関の排気に接するように設けられて排気中の酸素濃度を検出する検出部を有し、その検出部からの検出値が前記検出部の温度に応じて変化する温度特性を有する酸素センサと、前記検出部の温度を推定又は検出する温度検出部と、前記検出値及び温度に基づき、前記検出値を、前記温度特性を補償しつつ空気過剰率に対してリニアライズ変換したデータを用いて前記排気の空気過剰率λを算出する過剰率算出部とを備える空気過剰率算出装置において、
前記過剰率算出部は、
前記内燃機関のクランク角速度に基づいて該内燃機関のトルク値を算出するトルク演算部と、
前記リニアライズ変換についての変換限界閾値を設定する限界閾値設定部と、
前記検出値又は前記リニアライズ変換したデータが前記変換限界閾値以下のときの前記燃料噴射弁による燃料噴射の実行時間をＴｉ１、前記トルク値をＴＱ１、前記変換限界値に関する空気過剰率をλｂとして記憶する記憶部と、
前記検出値又は前記リニアライズ変換したデータが前記変換限界閾値を超えているときの前記燃料噴射の実行時間をＴｉ２、前記トルク値をＴＱ２として、次式により代替値Ｒを算出する代替値演算部とを備え、
Ｒ＝（（Ｔｉ１÷Ｔｉ２）÷（ＴＱ１÷ＴＱ２））×λｂ
前記検出値又は前記リニアライズ変換したデータが前記変換限界閾値を超えている場合には、前記リニアライズ変換したデータに代えて、前記代替値Ｒを前記排気の空気過剰率λとみなすことを特徴とする。

一般に、内燃機関の排気管に設けられる酸素センサにより検出される酸素濃度に基づいて得られる空気過剰率に基づいて燃料噴射弁等をフィードバック制御する場合には、ＰＩＤ（比例積分微分）制御が好ましく用いられる。

その理由は、ＰＩＤ制御によれば、ＰＩ（比例積分）制御に比べて、ハンチングの小さい素早い制御により、制御対象を目標値に対して正確にフィードバック制御することができるという点にある。このように空気過剰率（空燃比）を正確に目標値に向けて制御することにより、内燃機関の排気ガスを清浄化することができる。なお、空気過剰率は、空燃比を理論空燃比で除した値に等しいので、本発明では、空気過剰率の概念には空燃比も含まれる。

ところで、ＰＩＤ制御は、通常、出力が入力に対してリニアに変化する線形システムを対象としている。したがって、出力電圧特性の一部が非線形特性を呈する酸素センサを入力側に用いる場合、その非線形領域（計測限界領域）では、安定してＰＩＤ制御を行うことができず、制御対象値である空気過剰率が目標値に収束せずに発散するという問題がある。

このため、たとえば、酸素センサの検出値が一時的に酸素センサの希薄側の計測限界領域を超えるリーンスパイクが生じた場合には、ＰＩＤ制御を一時的に停止する必要がある。

この点、本発明では、酸素センサの出力が変換限界閾値を超えて非線形となる場合には、酸素センサの検出値に基づく空気過剰率に代えて、代替値演算部により内燃機関のトルクの比及び燃料噴射量の比を用いて算出した代替値Ｒを空気過剰率とみなしている。これにより、ＰＩＤ制御の中断を抑制して制御精度を高め、排気ガス浄化等の効率化を図ることができる。

また、本発明において、前記記憶部は、前記燃料噴射の実行時間Ｔｉ１及び前記トルク値ＴＱ１として、それぞれの移動平均値を記憶してもよい。これによれば、実行時間Ｔｉ１、トルク値ＴＱ１の計測値をデジタル値に変換する際の量子化ノイズ（誤差）を低減することができる。

また、本発明において、前記過剰率算出部は、前記リニアライズ変換したデータの移動平均値を前記変換限界閾値に関する空気過剰率λｂとして記憶してもよい。これによれば、リニアライズ変換したデータをデジタル値に変換する際の量子化ノイズ（誤差）を低減することができる。

また、本発明において、前記過剰率算出部は、前記変換限界閾値に関する空気過剰率λｂとして、あらかじめ定めた値を用いてもよい。これによれば、空気過剰率λｂを求めるための演算処理が省略されるので、高回転域での制御を容易化することができる。

また、本発明において、前記限界閾値設定部は、前記検出部の温度と前記変換限界閾値とを対応付けたルックアップテーブルに基づき、前記変換限界値を前記検出部の温度に応じて設定してもよい。

酸素センサは、その検出部の温度が低下すると、出力値のダイナミックレンジ（センサ出力電圧の線形領域の最小値と最大値の比率）が変化する。このため、酸素センサの検出部の温度に応じて前記変換限界閾値を変化させる必要がある。この点、限界閾値設定部は、上記の限界閾値設定手段を備えるので、検出部の温度に応じた適切な変換限界値を設定することができる。

前記酸素センサは、酸素濃度で抵抗値が変化する抵抗型酸素センサであり、前記過剰率算出部は、前記抵抗型酸素センサの検出部の温度及び検出値と前記排気の空気過剰率λとを対応付けたデータマップを備え、該データマップを用いて前記リニアライズ変換されたデータを取得するとともに、前記検出値又は該リニアライズ変換されたデータが前記変換限界閾値以下のとき、該リニアライズ変換されたデータを前記排気の空気過剰率λとみなすものであってもよい。

これによれば、酸素センサによる検出値又はリニアライズ変換されたデータが変換限界閾値以下のとき、データマップにより得られるリニアライズ変換されたデータが空気過剰率λとみなされるので、温度に応じた適切な空気過剰率λを得ることができる。

本発明の一実施形態に係る空気過剰率算出装置を備える内燃機関の主要部の構成を模式的に示す模式図である。 図１の内燃機関のＥＣＵにおける主要な構成を示すブロック図である。 図２のＥＣＵにおいて過剰率算出部により空気過剰率を算出する過剰率算出処理を示すフローチャートである。 図３の処理において、ストイキ領域における空気過剰率を算出する様子を示すグラフである。 図３の処理において、リーン側閾値ＬＲＥＦ及びリッチ側閾値ＲＲＥＦを求めるためのルックアップテーブルに対応するグラフ、及び空気過剰率を算出するためのデータマップを示す図である。 図３の処理によって算出される空気過剰率λの変化の様子を模式的に示すグラフである。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る空気過剰率算出装置を備える４サイクル形式の内燃機関の主要部の構成を示す。同図に示すように、この内燃機関の機関本体１は、吸入ポートに設けられた吸気管２と、吸気管２内に設けられてエアクリーナ４から吸入ポートに供給される吸気の量を開度に応じて調整するスロットル弁３とを備える。

スロットル弁３には、スロットル弁３の開度を検出するスロットルセンサ５が設けられる。吸気管２の吸入ポート近傍には、燃料を噴射する燃料噴射弁６が設けられる。燃料噴射弁６には、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって燃料が圧送される。

吸気管２には、吸気管２における吸気圧を検出する吸気圧センサ７及び吸気管２内の吸入空気の温度を検出する吸気温センサ８が設けられる。

機関本体１の排気ポートに連結された排気管１０内には、排気管１０の排気中の未燃焼成分を低減させる触媒１１及び排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ１２が設けられる。
また、エンジン本体１には、点火装置１４に接続された点火プラグ１３が固着される。ＥＣＵ（電子制御ユニット）１５が点火装置１４に対して点火タイミングの指令を発することにより、機関本体１のシリンダ燃焼室内で火花放電が生じる。

ＥＣＵ１５には、スロットルセンサ５、吸気圧センサ７、吸気温センサ８、酸素センサ１２、冷却水温センサ１７、及び大気圧を検出する大気圧センサ２０のそれぞれの検出値を示すアナログ電圧が入力される。また、ＥＣＵ１５には、上記の燃料噴射弁６が接続される。

ＥＣＵ１５には、さらに、クランク角度センサ１９からのクランク軸１８の回転角度位置を示す信号が入力される。すなわち、クランク角度センサ１９は、クランク軸１８に連動して回転するロータ１９ａの外周に所定角度（例えば、１５度）毎に設けられた複数の凸部を、ロータ１９ａの外周近傍に配置されたピックアップ１９ｂによって磁気的あるいは光学的に検出し、ピックアップ１９ｂからクランク軸１８の所定角度の回転毎にパルス（クランク信号）を発生する。

具体的には、クランク角度センサ１９は、ピストン９が上死点に至る毎に、又はクランク軸１８が３６０度回転する毎に基準角度を示す信号をＥＣＵ１５に出力する。
図２は、ＥＣＵ１５における主要な構成を示す。同図に示すように、ＥＣＵ１５に排気中の酸素濃度の検出信号を供給する酸素センサ１２は、内燃機関の排気に接するように設けられて排気中の酸素濃度を検出する検出部としてのセンサ素子１２ａと、センサ素子１２ａに隣接して同センサ素子１２ａを加熱するセンサヒータ１２ｂとを備える。

センサ素子１２ａは、検出値がセンサ素子１２ａの温度に応じて変化する温度特性を有する。センサ素子１２ａとしては、本実施形態では、酸素濃度に応じて抵抗値が変化する抵抗型酸素センサであるチタニア型のセンサ素子が用いられる。

ＥＣＵ１５は、センサヒータ１２ｂを制御するヒータ制御器２２と、センサ素子１２ａの温度を示す温度値Ｔを算出する温度算出部２３と、センサ素子１２ａの出力信号を、排気中の酸素濃度を示す電圧値ＶＨＧに変換する電圧算出部２４とを備える。

ヒータ制御器２２によるセンサヒータ１２ｂの温度の制御は、不図示の電源（蓄電池）からセンサヒータ１２ｂに供給される通電電流量ＩをＥＣＵ１５でパルス幅変調（ＰＷＭ）制御することにより行われる。また、温度算出部２３による温度値Ｔの算出は、たとえば、センサヒータ１２ｂの抵抗値をＥＣＵ１５で読み取ることにより行われる。温度算出部２３及び電圧算出部２４における算出結果は、後述する過剰率算出部２５の代替値演算部２６に供給される。

また、ＥＣＵ１５は、クランク角度センサ１９の検出結果に基づいて内燃機関の回転速度ＮＥ及び角速度ＮＥＴＣを算出する回転速度演算部２７と、温度算出部２３からの温度値Ｔ、電圧算出部２４からの電圧値ＶＨＧ、及び回転速度演算部２７からの角速度ＮＥＴＣに基づいて空気過剰率λを算出する過剰率算出部２５とを備える。

さらに、ＥＣＵ１５は、目標とする空気過剰率λcmdを触媒１１における貯蔵酸素量の推定値等に基づいて算出する目標値演算部２８と、回転速度演算部２７からの回転速度ＮＥ、及び吸気圧センサ７からの吸気管２内の圧力ＰＭに基づいて基本噴射量ＢＪを算出する基本噴射量演算部２９と、過剰率算出部２５により算出された空気過剰率λを目標空気過剰率λcmdに一致させるべく、基本噴射量演算部２９が算出した基本燃料噴射量ＢＪを補正するためのフィードバック係数ｋを求めるフィードバック係数演算部３０と、フィードバック係数ｋ及び基本噴射量ＢＪに基づいて噴射量Ｔｉを算出するとともに、燃料噴射弁６を作動させる噴射量演算部３１とを備える。

フィードバック係数演算部３０においては、空気過剰率λと目標空気過剰率λcmdとの比較に基づいたＰＩＤ制御が行われてフィードバック係数ｋが演算される。噴射量演算部３１によりフィードバック係数ｋ及び基本噴射量ＢＪに基づいて算出される噴射量Ｔｉに基づき、これに対応する時間だけ、燃料噴射弁６が開弁され、而して、機関本体１のシリンダ燃焼室内には空気過剰率λと目標空気過剰率λcmdとの比較に基づいた上記ＰＩＤ制御のフィードバック係数ｋに応じた量の燃料が噴射される。

過剰率算出部２５は、温度算出部２３からの電圧値ＶＨＧ及び温度算出部２３からの温度値Ｔに基づき、電圧値ＶＨＧを、その温度特性を補償しつつ空気過剰率に対してリニアライズ変換したデータＬＤを用いて排気の空気過剰率λを算出するものである。ただし、この算出は、後述するように、電圧値ＶＨＧがリーン側閾値ＬＲＥＦ以下の場合に適用され、電圧値ＶＨＧがリーン側閾値ＬＲＥＦより大きいときには、別の方法で空気過剰率λが求められる。

過剰率算出部２５は、内燃機関のクランク角速度ＮＥＴＣに基づいて内燃機関のトルク値ＴＱを算出するトルク演算部３２と、上述のリニアライズ変換についての変換限界閾値を設定する限界閾値設定部３３と、空気過剰率λの代替値Ｒを算出するのに必要なデータを記憶する記憶部３４と、代替値Ｒを算出する代替値演算部２６とを備える。

限界閾値設定部３３は、変換限界閾値として、リーン側の変換限界域値であるリーン側閾値ＬＲＥＦ及びリッチ側の変換限界値であるリッチ側閾値ＲＲＥＦを、電圧算出部２４からの電圧値ＶＨＧについて設定する。ただし、チタニア型のセンサ素子１２ａは、温度が変化すると、出力値のダイナミックレンジ（センサ出力電圧の線形領域の最小値と最大値の各値）が変化するため、温度算出部２３からの温度値Ｔに応じて変換限界閾値を変化させる必要がある。

図５を併せて参照して、該図５は、温度算出部２３が算出する温度値Ｔに対応する図５において左右方向の横軸目盛値と、電圧算出部２４が算出する電圧値ＶＨＧに対応する図５において上下方向の縦軸目盛値とを有するとともに、電圧値ＶＨＧ及び温度値Ｔを座標として対応付けられた複数個の前記データＬＤの数値が設定されているデータマップを掲出したものであり、しかも、リーン側閾値ＬＲＥＦ及びリッチ側閾値ＲＲＥＦを求めるためのグラフ３５、３６に対応するルックアップテーブルの各一例をデータマップ上に夫々重ね合わせた図として示している。

このようなデータマップと、グラフ３５、３６に対応するルックアップテーブルとをＥＣＵ１５内に予め記憶しておくことにより、これらを用いて電圧値ＶＨＧをリニアライズ変換したデータＬＤと、リーン側閾値ＬＲＥＦ及びリッチ側閾値ＲＲＥＦとを容易に取得して設定することができる。

グラフ３５は、例えば、リーン領域とストイキ領域との境界としての空気過剰率λを１．０２とし、この値となるような電圧値ＶＨＧ及び温度値Ｔを座標とした上記データマップ上の点を複数点求め、これら複数の点の間をそれぞれ線補間で結んだグラフである。またグラフ３６は、例えば、ストイキ領域とリッチ領域との境界としての空気過剰率λを０．９８と設定し、この値に対応する電圧値ＶＨＧ及び温度値Ｔを座標とした上記データマップ上の複数の点を求め、これら複数の点の相互間をそれぞれ線補間で結んだグラフである。

例えば、限界閾値設定部３３は、グラフ３５に対応するルックアップテーブルからは、温度算出部２３からの温度値Ｔがｔ０である場合、その座標ｔ０から導かれる電圧値ｖ０を、リーン領域とストイキ領域との境界についてのリーン側閾値ＬＲＥＦとして設定することができる。同様に、グラフ３６に対応するルックアップテーブルからは、温度算出部２３からの温度値Ｔがｔ０である場合、その座標ｔ０から導かれる電圧値ｖ１を、ストイキ領域とリッチ領域との境界についてのリッチ側閾値ＲＲＥＦとして設定することができる。

記憶部３４は、代替値Ｒの算出に必要なデータとして、電圧算出部２４からの電圧値ＶＨＧが変換限界閾値ＬＲＥＦ以下のとき、燃料噴射弁６による燃料噴射の実行時間Ｔｉ１、トルク値ＴＱ１、変換限界閾値ＬＲＥＦに関する空気過剰率λｂを記憶する。

代替値演算部２６は、電圧値ＶＨＧが変換限界閾値ＬＲＥＦを超えているとき、直前の燃料噴射の実行時間をＴｉ２、直前のトルク値をＴＱ２として、次式（１）により代替値Ｒを算出する。
Ｒ＝（（Ｔｉ１÷Ｔｉ２）÷（ＴＱ１÷ＴＱ２））×λｂ （１）

そして、過剰率算出部２５は、電圧値ＶＨＧが変換限界閾値ＬＲＥＦを超えている場合には、上述のリニアライズ変換したデータＬＤとしての空気過剰率λに代えて、代替値Ｒを排気の空気過剰率λとみなす。

図３は、過剰率算出部２５における空気過剰率λを算出する過剰率算出処理を示す。なお、この過剰率算出処理を含むＥＣＵ１５による制御は、クランク角度センサ１９からのクランク軸１８の回転角度位置を示すパルス信号に基づき、内燃機関の行程に同期して実行される。

過剰率算出処理が開始されると、ステップＳ１において、トルク演算部３２により、回転速度演算部２７からのクランク角速度ＮＥＴＣに基づいて内燃機関のトルクＴＱを算出する。

なお、トルクＴＱの算出に際しては、内燃機関における吸気、圧縮、燃焼膨張、排気の各行程を有する内燃機関の連続する２つの行程の各々に対応した内燃機関のクランク軸の２つの角速度が算出され、これに基づき、内燃機関が発生する発生トルクが精度よく算出される（特許第６２５４６３３号公報参照）。

次に、ステップＳ２において、温度算出部２３からの温度値Ｔに基づき、限界域値設定部３３により、図５のグラフ３５、３６に対応するルックアップテーブルを用いて、リーン側閾値ＬＲＥＦ及びリッチ側閾値ＲＲＥＦを設定する。

次に、ステップＳ３において、電圧算出部２４から電圧値ＶＨＧを取得する。

次に、ステップＳ４において、ステップＳ２で取得した温度値Ｔ、ステップＳ３で取得した電圧値ＶＨＧに基づき上述のデータマップ（図５）が走査され、かくして、電圧値ＶＨＧの値をその温度特性を補償しつつ空気過剰率λへとリニアライズ変換したデータＬＤが取得される。

次に、ステップＳ５において、ステップＳ３で取得した電圧値ＶＨＧが、ステップＳ２で設定したリッチ側閾値ＲＲＥＦよりも小さいか否かを判定する。小さいと判定した場合には、続くステップＳ６においてフラグＦ＿ＤＥＴＥＣＴをゼロに設定しつつステップＳ１６に進み、上記データＬＤの値を空気率過剰率λ値ＬＡＭＢＤＡとして設定し、図３の過剰率算出処理を終了する。

ステップＳ５において、電圧値ＶＨＧがリーン側閾値ＲＲＥＦよりも小さくはないと判定した場合には、ステップＳ７において、ステップＳ３で取得した電圧値ＶＨＧが、ステップＳ２で設定したリーン側閾値ＬＲＥＦよりも大きいか否かを判定する。

ステップＳ７において、上記電圧値ＶＨＧが大きくはないと判定した場合には、ステップＳ８において、ステップＳ２で取得したリーン側閾値ＬＲＥＦの電圧値ｌｒｅｆ及びリッチ側閾値ＲＲＥＦの電圧値ｒｒｅｆと、電圧値ｌｒｅｆに対応する所定のストイキ領域とリーン領域との境界としての空気過剰率λ値（この実施の形態においては、λ＝１．０２）と、電圧値ｒｒｅｆに対応する所定のリッチ領域とストイキ領域との境界としての空気過剰率λ値（この実施の形態においては、λ＝０．９８）と、ステップＳ３で取得した電圧値ＶＨＧとに基づき、電圧算出部２４からの電圧値ＶＨＧを、酸素センサ１２の温度特性を補償しつつ空気過剰率に対してリニアライズ変換したデータＬＤとしての空気過剰率λを算出し、ステップＳ９に進む。

図４を併せて参照して、上記ステップＳ８におけるリニアライズ変換したデータＬＤとしての空気過剰率λは、前記所定のストイキ領域とリーン領域との境界としての空気過剰率λを予め数値設定することが可能な変数＃ＬＬＭＤ(たとえば１．０２）、及び、前記所定のリッチ領域とストイキ領域との境界としての空気過剰率λを予め設定することが可能な変数＃ＲＬＭＤ（たとえば０．９８）であるとすれば、図４に示すようなグラフで表すことができる。該グラフの、図４において左右方向の横軸は電圧値ＶＨＧであり、図４において上下方向の縦軸は空気過剰率λである。したがって、例えば電圧値ＶＨＧがｖｈｇ１である場合、これに対応する空気過剰率λの値λ１は、次式（２）により算出することができる。
λ1=(((vhg1-rref)÷(lref-rref))×(#LLMD-#RLMD))＋＃RLMD （２）

ステップＳ９では、燃料噴射弁６による直前の燃料噴射の実行時間Ｔｉ、ステップＳ１で算出したトルクＴＱをそれぞれＴｉ１、ＴＱ１とし、リーン側閾値ＬＲＥＦに関する空気過剰率λをλｂとして記憶部３４により記憶する。ほぼ同時に、前記記憶の有効時間を示すカウントダウンタイマー値ＴＩＭＥＲをその所定の初期値である＃ＴＭＩＮＩＴでリセットする。続いて、フラグＦ＿ＤＥＴＥＣＴを１に設定するとともにステップＳ１６に進み、上記ステップＳ８で取得したデータＬＤの値を、空気率過剰率λ値ＬＡＭＢＤＡとして設定し、図３の過剰率算出処理を終了する。

このとき、λｂとしては、ステップＳ８で取得したデータＬＤの値が記憶される。その際に、データＬＤの値の移動平均をλｂとして記憶するのが好ましい。例えば、次式（３）で求められる空気過剰率λ（データＬＤ）の指数移動平均λａがλｂとして記憶される。
λａ＝ＬＤ×ｋ１＋λａｂ×（１－ｋ１） （３）

ここで、ｋ１は移動平均係数であり、λａｂは記憶部３４が記憶している前回制御周期での移動平均値である。移動平均係数ｋ１としては、例えば０．３４が用いられる。

また、このとき、記憶部３４は、燃料噴射の実行時間Ｔｉ１及び前記トルク値ＴＱ１として、それぞれ移動平均値を記憶するのが好ましい。例えば、燃料噴射の実行時間Ｔｉの指数移動平均ＴｉＦＬＴが次式（４）で求められてＴｉ１として記憶されるとともに、前記トルク値ＴＱの指数移動平均ＴＱＦＬＴが次式（５）で求められてＴＱ１として記憶される。
ＴｉＦＬＴ＝Ｔｉ×ｋ２＋ＴｉＦＬＴｂ×（１－ｋ２） （４）
ＴＱＦＬＴ＝ＴＱ×ｋ３＋ＴＱＦＬＴｂ×（１－ｋ３） （５）

ここで、ｋ２、ｋ３は移動平均係数であり、ＴｉＦＬＴｂ、ＴＱＦＬＴｂは記憶部３４が記憶している前回制御周期での移動平均値である。この実施の形態においては、移動平均係数ｋ１、ｋ２、及びｋ３として、それぞれ異なる値を用いることができる。

次に、ステップＳ７において、ステップＳ３で取得した電圧値ＶＨＧがリーン側閾値ＬＲＥＦよりも大きいと判定した場合には、ステップＳ１０において、上述のカウントダウンタイマー値ＴＩＭＥＲがゼロに到達しているか否かを判定する。そして、ＴＩＭＥＲがゼロに到達しているならば、フラグＦ＿ＤＥＴＥＣＴを０にリセットする（ステップＳ１１）。

次に、ステップＳ１２に進み、フラグＦ＿ＤＥＴＥＣＴ＝１であるか否かを判定する。Ｆ＿ＤＥＴＥＣＴ＝１であるならば、記憶部３４にリーン側閾値ＬＲＥＦに関する空気過剰率λｂ、燃料噴射の実行時間Ｔｉ１、及び、トルク値ＴＱ１が記憶されていることを示すので、ステップＳ１３に進み、代替値演算部２６において、上述の式（１）により代替値Ｒを算出するとともに、データＬＤの値を代替値Ｒに設定する。

次に、ステップＳ１４において、ステップＳ１３で設定したデータＬＤの値が所定の上限値＃ＬＬＭＴよりも大きいか否かを判定する。ステップＳ１３で設定したデータＬＤの値が上限値＃ＬＬＭＴよりも大きい場合には、データＬＤの値を上限値＃ＬＬＭＴに設定する（ステップＳ１５）。この場合、上限値＃ＬＬＭＴとして、例えば１．２５を用いることができる。

なお、上記ステップＳ１２において、Ｆ＿ＤＥＴＥＣＴ＝０であるならば、記憶部３４にリーン側閾値ＬＲＥＦに関する空気過剰率λｂ、燃料噴射の実行時間Ｔｉ１、及び、トルク値ＴＱ１に関する有効な値が記憶されていないことを示すので、代替値Ｒを算出することができない。この場合も、データＬＤの値は上記上限値＃ＬＬＭＴに設定される（ステップＳ１５）。

而して、上記ステップＳ１３又はステップＳ１５で設定されたデータＬＤの値は空気率過剰率λ値ＬＡＭＢＤＡとして設定され(ステップＳ１６）、これにより、図３の過剰率算出処理を終了する。

図３の過剰率算出処理が終了すると、ＥＣＵ１５は、図３の過剰率算出処理で算出された空気過剰率λ値ＬＡＭＢＤＡを、上述のように、目標値演算部２８からの目標とする空気過剰率λcmdに一致させるべく、フィードバック係数演算部３０のＰＩＤ制御により、燃料噴射弁６による燃料の噴射量を制御する。

図６は、図３の過剰率算出処理によって算出される空気過剰率λ値ＬＡＭＢＤＡの変化の様子を模式的に示すグラフである。グラフの横軸は時間経過を示す数値であり、縦軸は空気過剰率λである。

図６におけるグラフ３７は、図６において左右方向の横軸の、左端側から中央付近までの範囲において、実際の排気の空気過剰率λを一定の変化率で徐々に増加させ、且つ、続く上記横軸の中央付近から右端側までの範囲において、実際の排気の空気過剰率λを一定の変化率で徐々に減少させた場合において、それをＥＣＵ１５の電圧算出部２４で読み取った電圧値ＶＨＧを、その温度特性を補償しつつ空気過剰率λに対して直接的にリニアライズ変換したデータを用いて空気過剰率λ値を算出した場合の空気過剰率λ値の数値変化を示す。

グラフ３８は、同様に、上記横軸の左端から右端まで実際の排気の空気過剰率λを一定の変化率で徐々に増加乃至減少させた場合において、電圧算出部２４からの電圧値ＶＨＧがリーン側域値ＬＲＥＦの電圧値ｌｒｅｆ以下であるときは、上述のデータマップ（図５）又は式（２）で電圧値ＶＨＧを直接的にリニアライズ変換したデータを用いて空気過剰率λ値を算出しているが、電圧算出部２４からの電圧値ＶＨＧがリーン側域値ＬＲＥＦの電圧値ｌｒｅｆ（空気過剰率λの値１．０２０に対応）を超える場合には、上記電圧値ＶＨＧをリニアライズ変換したデータに代えて上述の数式（１）により取得した代替値Ｒを空気過剰率λ値としたときのその空気過剰率λ値の数値変化を示している。

斯くして、実際の排気の空気過剰率λが１．０２０以下の場合には、それに応答する電圧算出部２４からの電圧値ＶＨＧは上記実際の排気の空気過剰率λに対して比例的（線形）に変化するため、実際の排気の空気過剰率λが１．０２０以下の場合には、グラフ３７およびグラフ３８は共に、上記実際の排気の空気過剰率λの上記一定変化に追従して直線的に推移しているが、排気の空気過剰率λが１．０２０を超える場合には、その状況下での非線形性を呈する電圧値ＶＨＧが急激に増加方向に変化するため、電圧値ＶＨＧを直接的にリニアライズ変換したデータに基づく空気過剰率λ値を示すグラフ３７も同じく増加方向へと急峻且つ非線形に変化する。一方、グラフ３８では、排気の空気過剰率λが１．０２０（上記＃ＬＬＭＤ）を超える場合にも空気過剰率λ値ＬＡＭＢＤＡが排気の空気過剰率λ（空燃比）に対して直線状に変化しており、実際の排気の空気過剰率λと連動している。

したがって、過剰率算出処理により、電圧値ＶＨＧがリーン側閾値ＬＲＥＦ以下の場合には、上述のリニアライズ変換したデータを用いて空気過剰率λを算出し、電圧値ＶＨＧがリーン側閾値ＬＲＥＦを超える場合には、上述の数式（１）で空気過剰率λを算出する（グラフ３８）ことにより、過剰率算出部２５は、図６のグラフの全範囲にわたって実際の排気の空気過剰率λと連動し比例的に変化する空気過剰率λ値をフィードバック係数演算部３０に供給できることがわかる。これにより、フィードバック係数演算部３０によるＰＩＤ制御の中断が抑制される。

以上のように、本実施形態によれば、空気過剰率λに基づいてＰＩＤ制御により燃料噴射量Ｔｉを制御するに際して、排気中の酸素濃度を示す電圧値ＶＨＧがリーン側閾値ＬＲＥＦを超える場合には、上述の数式（１）により計算した代替値Ｒが空気過剰率λとみなされるので、ＰＩＤ制御の中断を抑制して制御精度を高め、排気ガス浄化等の効率化を図ることができる。

また、記憶部３４に記憶する燃料噴射の実行時間Ｔｉ１、トルク値ＴＱ１、空気過剰率λｂとして、それぞれの移動平均値を記憶するので、これらの計測値をデジタル値に変換する際の量子化ノイズ（誤差）を低減することができる。

また、図５に示すようなグラフ３５、３６に対応するルックアップテーブルを用いてリーン側閾値ＬＲＥＦ及びリッチ側閾値ＲＲＥＦが設定されるので、酸素センサ１２の温度に応じた適切なリーン側閾値ＬＲＥＦ及びリッチ側閾値ＲＲＥＦを設定することができる。

また、酸素センサ１２として、抵抗型酸素センサを用い、その温度及び検出値と排気の空気過剰率λとを対応付けた図５のようなデータマップを用いてリニアライズ変換されたデータとしての空気過剰率λが取得されるので、空気過剰率λを迅速に得ることができる。

また、図３の過剰率算出処理は、内燃機関の行程に同期して空気過剰率λの算出を行うので、かかる算出はタイマで一定周期で行われる場合が多いところ、内燃機関の回転速度ＮＥが高くなって制御周期が短くなっても、制御周期に合わせて、燃料噴射量やトルク値ＴＱを支障なく取得することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、リーン側閾値ＬＲＥＦの電圧値ｌｒｅｆ、及びリッチ側閾値ＲＲＥＦの電圧値ｒｒｅｆをグラフ３５、３６に対応するルックアップテーブルを用いてそれぞれ設定する（ステップＳ２）とともに、ステップＳ８において上記リーン側の電圧値ｌｒｅｆ及びリッチ側の電圧値ｒｒｅｆを含む式（２）によってリニアライズ変換したデータＬＤを算出するように構成しているが、このステップＳ８を省略して、上述のステップＳ４でデータマップ（図５）を走査して取得したデータＬＤの値に設定してもよい。

この場合さらに、上記ステップＳ２を省略して、ステップＳ３で取得されたデータＬＤが、図３のステップＳ５、Ｓ７において、それぞれ、リーン側閾値ＬＲＥＦに対応する所定の空気過剰率λとしてあらかじめ定めた値、例えば１．０２（リーン側閾値ＬＲＥＦの空気過剰率λ値＃ＬＬＭＤ）、リッチ側閾値ＲＲＥＦに対応する所定の空気過剰率λとしてあらかじめ定めた値、例えば０．９８（リッチ側閾値ＲＲＥＦの空気過剰率λ値＃ＲＬＭＤ）と比較されるように構成することができる。これによれば、上記ルックアップテーブルを走査する演算（ステップＳ２）及び上記式（２）の演算（ステップＳ８）を省略した分だけ、ＥＣＵ１５の高回転での制御を容易化することができる。

また、変換限界閾値に関する空気過剰率λｂとして、あらかじめ定めた値、例えば１．０２を用いてもよい。これによれば、空気過剰率λｂについての上述の移動平均を求める演算を要しない分だけ、高回転での制御を容易化することができる。

１…機関本体、２…吸気管、３…スロットル弁、４…エアクリーナ、５…スロットルセンサ、６…燃料噴射弁、７…吸気圧センサ、８…吸気温センサ、９…ピストン、１０…排気管、１１…触媒、１２…酸素センサ、１２ａ…センサ素子、１２ｂ…センサヒータ、１３…火プラグ、１４…点火装置、１５…ＥＣＵ（電子制御ユニット）、１７…冷却水温センサ、１８…クランク軸、１９…クランク角度センサ、１９ａ…ロータ、１９ｂ…ピックアップ、２０…大気圧センサ、２２…ヒータ制御器、２３…温度算出部、２４…電圧算出部、２５…過剰率算出部、２６…代替値演算部、２７…回転速度演算部、２８…目標値演算部、２９…基本噴射量演算部、３０…フィードバック係数演算部、３１…噴射量演算部、３２…トルク演算部、３３…限界閾値設定部、３４…記憶部、３５～３８…グラフ。

Claims (6)

1. 燃料噴射弁を備える内燃機関の排気に接するように設けられて排気中の酸素濃度を検出する検出部を有し、その検出部からの検出値が前記検出部の温度に応じて変化する温度特性を有する酸素センサと、前記検出部の温度を推定又は検出する温度検出部と、前記検出値及び温度に基づき、前記検出値を、前記温度特性を補償しつつ空気過剰率に対してリニアライズ変換したデータを用いて前記排気の空気過剰率λを算出する過剰率算出部とを備える空気過剰率算出装置において、
   前記過剰率算出部は、
   前記内燃機関のクランク角速度に基づいて該内燃機関のトルク値を算出するトルク演算部と、
   前記リニアライズ変換についての変換限界閾値を設定する限界閾値設定部と、
   前記検出値又は前記リニアライズ変換したデータが前記変換限界閾値以下のときの前記燃料噴射弁による燃料噴射の実行時間をＴｉ１、前記トルク値をＴＱ１、前記変換限界域値に関する空気過剰率をλｂとして記憶する記憶部と、
   前記検出値又は前記リニアライズ変換したデータが前記変換限界閾値を超えているときの前記燃料噴射の実行時間をＴｉ２、前記トルク値をＴＱ２として、次式により代替値Ｒを算出する代替値演算部とを備え、
   Ｒ＝（（Ｔｉ１÷Ｔｉ２）÷（ＴＱ１÷ＴＱ２））×λｂ
   前記検出値又は前記リニアライズ変換されたデータが前記変換限界閾値を超えている場合には、前記リニアライズ変換されたデータに代えて、前記代替値Ｒを前記排気の空気過剰率λとみなすことを特徴とする空気過剰率算出装置。
2. 前記記憶部は、前記燃料噴射の実行時間Ｔｉ１及び前記トルク値ＴＱ１として、それぞれの移動平均値を記憶することを特徴とする請求項１に記載の空気過剰率算出装置。
3. 前記記憶部は、前記リニアライズ変換したデータの移動平均値を前記変換限界閾値に関する空気過剰率λｂとして記憶することを特徴とする請求項１又は２に記載の空気過剰率算出装置。
4. 前記過剰率算出部は、前記変換限界閾値に関する空気過剰率λｂとして、あらかじめ定めた値を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気過剰率算出装置。
5. 前記限界閾値設定部は、前記検出部の温度と前記変換限界閾値とを対応付けたルックアップテーブルに基づき、前記変換限界域値を前記検出部の温度に応じて設定することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の空気過剰率算出装置。
6. 前記酸素センサは、酸素濃度で抵抗値が変化する抵抗型酸素センサであり、
   前記過剰率算出部は、前記抵抗型酸素センサの検出部の温度及び検出値と前記排気の空気過剰率λとを対応付けたデータマップを備え、
   該データマップを用いて前記リニアライズ変換されたデータを取得するとともに、前記検出値又は前記リニアライズ変換されたデータが前記変換限界閾値以下のとき、前記リニアライズ変換されたデータを前記排気の空気過剰率λとみなすものであることを特徴とする請求項５に記載の空気過剰率算出装置。
   

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