KR101781278B1

KR101781278B1 - 내연 기관의 제어 장치

Info

Publication number: KR101781278B1
Application number: KR1020157019952A
Authority: KR
Inventors: 고 하야시타; 게이이치로 아오키
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2017-09-22
Also published as: JPWO2014118896A1; CA2899221C; AU2013376230B2; JP5958561B2; BR112015018172A2; EP2952722A4; EP2952722B1; MX2015009717A; BR112015018172B1; US9745911B2; WO2014118896A1; KR20150099839A; US20160017828A1; MX355898B; CA2899221A1; RU2015131029A; CN104956057A; AU2013376230A1; CN104956057B; RU2617426C2

Abstract

내연 기관의 제어 장치는, 내연 기관의 배기 통로에 설치된 공연비 센서와, 공연비 센서의 출력에 따라서 내연 기관을 제어하는 기관 제어 장치를 구비한다. 공연비 센서는, 배기 가스가 유입되는 피측 가스실과, 펌프 전류에 따라서 상기 피측 가스실 내에 대하여 산소의 흡입 및 흡출을 행하는 펌프 셀과, 피측 가스실 내의 공연비에 따라서, 검출되는 기준 셀 출력 전류가 변화하는 기준 셀을 구비한다. 기준 셀은, 피측 가스실 내의 배기 가스에 노출되는 제1 전극과, 기준 분위기에 노출되는 제2 전극과, 전극 간에 배치된 고체 전해질층을 구비한다. 공연비 센서는, 전극 간에 센서 인가 전압을 인가하는 기준 셀 전압 인가 장치와, 전극 사이에 흐르는 전류를 상기 기준 셀 출력 전류로서 검출하는 기준 셀 출력 전류 검출 장치를 구비한다.

Description

내연 기관의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은, 공연비 센서의 출력에 따라서 내연 기관을 제어하는 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이다.

종래부터, 내연 기관의 배기 통로에 공연비 센서를 설치하고, 이 공연비 센서의 출력에 기초하여 내연 기관에 공급하는 연료량을 제어하는 내연 기관의 제어 장치가 널리 알려져 있다. 또한, 이러한 제어 장치에서 사용되는 공연비 센서도 널리 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 내지 6을 참조).

이러한 공연비 센서는, 크게 구별하면, 1 셀형의 공연비 센서(예를 들어, 특허문헌 2, 4)와 2 셀형의 공연비 센서(예를 들어, 특허문헌 1, 3, 5)로 나뉜다. 1 셀형의 공연비 센서에서는, 산소 이온을 통과시킬 수 있는 고체 전해질층과 그 양측면 상에 설치된 2개의 전극으로 이루어지는 셀이 하나만 설치되어 있다. 이 중 한쪽 전극이 대기에 노출되고, 다른 쪽 전극이 확산 율속층을 통해 배기 가스에 노출된다. 이와 같이 구성된 1 셀형의 공연비 센서에서는, 고체 전해질층의 양측면 상에 배치된 2개의 전극 간에 전압이 인가됨과 함께, 이에 수반하여 고체 전해질층의 양 측면 간에서는 이들 측면 간의 산소 농도비에 따라서 산소 이온의 이동이 발생한다. 이 산소 이온의 이동에 의해 발생하는 전류를 검출함으로써, 배기 가스의 공연비(이하, 「배기 공연비」라고도 함)가 검출된다(예를 들어, 특허문헌 2).

한편, 2 셀형의 공연비 센서에서는, 산소 이온을 통과시킬 수 있는 고체 전해질층과 그 양측면 상에 설치된 2개의 전극으로 이루어지는 셀이 2개 설치되어 있다. 이 중 한쪽의 셀(기준 셀)은, 피측 가스실 내의 배기 가스 중의 산소 농도에 따라서 검출 전압(기전력)이 변화하도록 구성된다. 또한, 다른 쪽 셀(펌프 셀)은 펌프 전류에 따라서 피측 가스실 내의 배기 가스에 대하여 산소의 흡입 및 흡출을 행한다. 특히, 펌프 셀의 펌프 전류는, 기준 셀에 있어서 검출된 검출 전압을 목표 전압값에 일치시키기 위해 산소의 흡입 및 흡출이 행해지도록 설정되고, 이 펌프 전류를 검출함으로써 배기 공연비가 검출된다.

일본 특허공개 제2002-357589호 공보 일본 특허공개 제2005-351096호 공보 일본 특허공개 제2004-258043호 공보 일본 특허공개 제2000-356618호 공보 일본 특허공개 평4-204370호 공보 일본 특허공개 소58-153155호 공보

여기서, 1 셀형의 공연비 센서와 2 셀형의 공연비 센서를 비교한다. 어느 쪽의 공연비 센서에 있어서도, 고체 전해질층은 직접 또는 간접적으로 배기 가스에 노출되기 때문에, 경년열화에 의해 고체 전해질층의 내부 저항은 변화된다. 또한, 고체 전해질층의 내부 저항은 그 온도에 따라 변동하는 점에서, 고체 전해질층의 온도 제어가 정확하게 행해지지 않는 경우에도 고체 전해질층의 내부 저항은 변화된다.

1 셀형의 공연비 센서에서는, 배기 공연비가 동일하여도 고체 전해질층의 내부 저항이 변화하면 그 출력 전류가 변화된다. 이로 인해, 온도 제어를 고정밀도로 행하지 않으면 공연비의 검출 정밀도가 저하되어버리는 동시에, 온도 제어를 고정밀도로 행하여도 경년열화에 의해 공연비의 검출 정밀도가 저하된다. 이에 반하여, 2 셀형의 공연비 센서의 펌프 셀에서는, 펌프 전류와 피측 가스실 내로의 산소의 흡입 유량 및 흡출 유량의 관계는 내부 저항이 변화하여도 일정하다. 이로 인해, 펌프 셀에 대해서는, 내부 저항이 변화하여도 출력에 영향은 없다. 또한, 기준 셀에 대해서는, 내부 저항에 따라 변화되지 않는 기전력만을 검출하고 있기 때문에, 내부 저항이 변화하여도 출력에 영향은 없다. 따라서, 2 셀형의 공연비 센서에서는, 1 셀형의 공연비 센서와 비교하여, 경년열화나 온도의 제어 불량에 의해 내부 저항이 변화하여도 높은 정밀도로 공연비의 검출을 행할 수 있다.

도 2는, 2 셀형의 공연비 센서 및 1 셀형의 공연비 센서에 있어서의 출력 특성을 나타내는 도면이다. 도 2의 (B)는, 1 셀형의 공연비 센서에 있어서, 셀을 구성하는 전극 간에 인가하는 전압 Vr과 출력 전류 Ir의 관계를 나타낸다. 도 2의 (B)로부터 알 수 있는 바와 같이, 배기 공연비에 따라서 한계 전류(인가 전압을 변화시켜도 출력 전류가 거의 변화되지 않을 때의 출력 전류)가 발생하는 전압 영역은 변화한다. 이로 인해, 인가 전압을 일정(예를 들어, 도면 중의 일점쇄선)하게 하고 있으면, 검출 가능한 공연비의 범위는 한정되어버린다. 한편, 광범위하게 걸쳐서 공연비를 검출하기 위해서는 출력 전류에 따라서 인가 전압을 변경할 필요가 있지만(예를 들어, 도면 중의 이점쇄선), 이와 같은 제어는 복잡하며, 또한 사전에 센서마다 한계 전류가 발생하는 전압 영역을 측정해야만 한다.

한편, 도 2의 (A)는, 2 셀형의 공연비 센서에 있어서, 펌프 전류를 설정할 때의 목표 전압값 Vt와, 펌프 전류(출력 전류) Ip의 관계를 나타낸다. 도 2의 (A)로부터 알 수 있는 바와 같이, 배기 공연비에 관계없이 한계 전류가 발생하는 전압 영역은 거의 일정하다. 이로 인해, 목표 전압값을 일정하게 해 두면, 넓은 범위에서 공연비의 검출을 행할 수 있다. 이와 같이, 2 셀형의 공연비 센서에 의하면, 1 셀형의 공연비 센서에 비하여, 광범위에서 공연비의 검출을 행할 수 있다.

한편, 2 셀형의 공연비 센서에서는, 피측 가스실 내의 배기 가스 중의 산소 농도와 대기 중의 산소 농도의 비에 따라서 기전력이 발생하는 기준 셀을 사용하고 있다. 이 기준 셀에서는, 배기 공연비가 농후로부터 희박으로 변화되었을 때와, 희박으로부터 농후로 변화되었을 때로 공연비와 출력 전압의 관계가 변화한다.

도 3은, 기준 셀에 있어서의 공연비와 검출 전압(기전력)의 관계를 나타낸 도면이다. 도 3에 실선 「농후→희박」으로 나타낸 바와 같이, 공연비를 이론 공연비보다도 농후(이하, 「농후 공연비」라고도 함)로부터 이론 공연비보다도 희박( 이하, 「희박 공연비」라고도 함)으로 변화시켰을 때에는, 실제의 공연비가 희박 공연비가 된 경우라도 잠시 기전력은 높은 상태를 유지한다. 한편, 도 3에 실선 「희박→농후」로 나타낸 바와 같이, 공연비를 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화시켰을 때에는, 실제의 공연비가 농후 공연비가 된 경우라도 잠시나마 기전력은 낮은 상태를 유지한다. 이와 같이, 기준 셀은, 공연비의 변화 방향에 따라서 히스테리시스를 갖는다. 이와 같이 기준 셀이 히스테리시스를 갖는 것은, 전극 상에서의 미연 가스나 산소의 반응성이 낮은 것에 의한 것이며, 실제로는 공연비에 대하여 기전력이 지연되어 추종하는 것에 의한 것이다.

이와 같이 기준 셀에 히스테리시스가 있는 결과, 도 4에 도시한 바와 같이, 2 셀형 공연비 센서의 출력 전류(펌프 전류)는, 동일한 공연비에 대하여, 공연비가 농후 방향으로 변화되었을 때(즉, 상대적으로 희박한 상태로부터 농후한 상태로 변화되었을 때)와, 공연비가 희박 방향으로 변화되었을 때(즉, 상대적으로 농후한 상태로부터 희박한 상태로 변화되었을 때)에서 서로 다른 것으로 되어버린다.

또한, 도 3 중의 실선은, 배기 가스 중에 포함되는 성분을 CO, NO로 한 경우, 파선은, 배기 가스 중에 포함되는 성분을 CO, O₂로 한 경우를 각각 나타내고 있다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실선과 파선의 사이에서 어긋남이 발생하고 있으며, 기준 셀에 있어서는 배기 가스 중의 성분에 따라서 공연비와 기전력의 관계가 바뀌어버린다고 할 수 있다. 이와 같이, 배기 가스 중에 포함되는 성분(CO, HC, NO_x, O₂ 등)의 조성에 따라서 공연비와 기전력의 관계가 변화하는 것은, 배기 가스 중의 성분마다 기준 셀의 전극 상에서의 반응성이 서로 다르고, 그 결과, 배기 가스 중의 성분마다 응답성이 서로 다른 것에 의한 것이다. 이 결과, 2 셀형의 공연비 센서에서는, 배기 공연비가 동일하여도, 배기 가스 중의 성분의 조성에 따라서 출력 전류(펌프 전류)가 변화하는 경우가 있다.

따라서, 상기 과제를 감안하여, 본 발명의 목적은, 종래의 1 셀형 공연비 센서 및 2 셀형 공연비 센서의 어느 쪽의 결점도 극복한 공연비 센서를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 제1 발명에서는, 내연 기관의 배기 통로에 설치된 공연비 센서와, 상기 공연비 센서의 센서 출력 전류에 따라서 내연 기관을 제어하는 기관 제어 장치를 구비하는, 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 상기 공연비 센서는, 공연비의 검출 대상인 배기 가스가 유입되는 피측 가스실과, 펌프 전류에 따라서 상기 피측 가스실 내의 배기 가스에 대하여 산소의 흡입 및 흡출을 행하는 펌프 셀과, 상기 피측 가스실 내의 공연비에 따라서, 검출되는 기준 셀 출력 전류가 변화되는 기준 셀을 구비하고, 상기 기준 셀은, 상기 피측 가스실 내의 배기 가스에 노출되는 제1 전극과, 기준 분위기에 노출되는 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 배치된 고체 전해질층을 구비하고, 상기 공연비 센서는, 상기 기준 셀의 제1 전극과 제2 전극의 사이에 센서 인가 전압을 인가하는 기준 셀 전압 인가 장치와, 상기 기준 셀의 제1 전극과 제2 전극의 사이에 흐르는 전류를 상기 기준 셀 출력 전류로서 검출하는 기준 셀 출력 전류 검출 장치와, 상기 기준 셀 출력 전류 검출 장치에 의해 검출된 기준 셀 출력 전류가 목표 전류값이 되도록 펌프 셀에서 흐르는 펌프 전류를 제어하는 펌프 전류 제어 장치와, 상기 펌프 전류를 상기 센서 출력 전류로서 검출하는 펌프 전류 검출 장치를 구비하고, 상기 펌프 전류 제어 장치에 있어서의 목표 전류는 0인, 내연 기관의 제어 장치가 제공된다.

제2 발명에서는, 제1 발명에 있어서, 상기 공연비 센서는 확산 율속층을 더 구비하고, 상기 확산 율속층은, 상기 기준 셀의 제1 전극이 당해 확산 율속층을 통해 피측 가스실 내의 배기 가스에 노출되도록 배치된다.

제3 발명에서는, 제1 또는 제2 발명에 있어서, 상기 공연비 센서는 상기 제2 전극이 노출된 대기실을 더 구비하고, 상기 기준 분위기는 대기이며, 상기 대기실은 대기를 도입할 수 있도록 구성된다.

제4 발명에서는, 제1 내지 제3 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 펌프 셀은, 상기 피측 가스실 내의 배기 가스에 노출되는 제3 전극과, 상기 공연비 센서 주위의 배기 가스에 노출되는 제4 전극과, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극의 사이에 배치된 고체 전해질층을 구비하고, 상기 펌프 전류 제어 장치는, 상기 펌프 셀의 고체 전해질층을 통해 상기 제3 전극과 제4 전극의 사이에서 흐르는 펌프 전류를 제어한다.

제5 발명에서는, 제1 내지 제4 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 기준 셀은, 피측 가스실 내의 배기 가스의 공연비에 따라서 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 센서 인가 전압이 변화됨과 함께, 상기 배기 가스가 이론 공연비일 때 당해 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압을 증대시키면 이에 수반하여 기준 셀 출력 전류가 증대되도록 구성되어 있으며, 상기 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압은 일정 전압으로 고정되고, 상기 일정 전압은, 상기 피측 가스실 내의 배기 가스의 공연비가 이론 공연비일 때 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압이다.

제6 발명에서는, 제1 내지 제5 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 내연 기관은, 상기 공연비 센서보다도 배기 흐름 방향 상류측에 있어서 상기 배기 통로에 설치된 산소를 흡장 가능한 배기 정화 촉매를 구비하고, 상기 기관 제어 장치는, 상기 공연비 센서의 센서 출력 전류가 이론 공연비보다도 낮은 농후 판정 공연비에 대응하는 농후 판정 기준값 이하로 되었을 때, 상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량보다도 적은 소정의 흡장량으로 될 때까지, 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 하는 산소 흡장량 증가 수단과, 상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 상기 소정의 흡장량 이상으로 되었을 때, 상기 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량에 달하지 않고 0을 향해 감소하도록, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 하는 산소 흡장량 감소 수단을 구비한다.

제7 발명에서는, 제1 내지 제4 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 기준 셀은, 피측 가스실 내의 배기 가스의 공연비에 따라서 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 센서 인가 전압이 변화됨과 함께, 상기 배기 가스가 이론 공연비일 때 당해 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압을 증대시키면 이에 수반해서 기준 셀 출력 전류가 증대되도록 구성되어 있으며, 상기 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압은 일정 전압으로 고정되고, 상기 일정 전압은, 상기 피측 가스실 내의 배기 가스의 공연비가 이론 공연비일 때 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압과는 다른 전압이며 또한 상기 배기 가스의 공연비가 이론 공연비와는 다른 공연비일 때 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압이다.

제8 발명에서는, 제7 발명에 있어서, 상기 기준 셀은, 각 배기 공연비마다 상기 기준 셀 출력 전류가 한계 전류로 되는 전압 영역인 한계 전류 영역을 갖도록 구성되어 있으며, 상기 일정 전압은, 배기 공연비가 이론 공연비일 때의 상기 한계 전류 영역 내의 전압이다.

제9 발명에서는, 제7 또는 제8 발명에 있어서, 상기 내연 기관은, 상기 공연비 센서보다도 배기 흐름 방향 상류측에 있어서 상기 배기 통로에 설치된 산소를 흡장 가능한 배기 정화 촉매를 구비하고, 상기 일정 전압은, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후한 소정 공연비일 때 상기 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압으로 된다.

제10 발명에서는, 제9 발명에 있어서, 상기 기관 제어 장치는, 상기 공연비 센서의 센서 출력 전류가 0 이하로 되었을 때, 상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량보다도 적은 소정의 흡장량으로 될 때까지, 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 하는 산소 흡장량 증가 수단과, 상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 상기 소정의 흡장량 이상으로 되었을 때, 상기 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량에 달하지 않고 0을 향해 감소하도록, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 하는 산소 흡장량 감소 수단을 구비한다.

삭제

본 발명에 의하면, 종래 1 셀형 공연비 센서 및 2 셀형 공연비 센서의 어느 쪽의 결점도 극복한 공연비 센서를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 제어 장치가 사용되는 내연 기관을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 2 셀형의 공연비 센서 및 1 셀형의 공연비 센서에 있어서의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은, 종래의 기준 셀에 있어서의 공연비와 검출 전압(기전력)의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는, 종래 2 셀형의 공연비 센서에 있어서의 공연비와 센서 출력 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는, 공연비 센서의 개략적인 단면도이다.
도 6은, 공연비 센서의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은, 공연비 센서의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은, 기준 셀의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는, 기준 셀의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 10은, 기준 셀 전압 인가 장치 및 기준 셀 출력 전류 검출 장치를 구성하는 구체적인 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은, 상류측 배기 정화 촉매의 산소 흡장량 등의 타임차트이다.
도 12는, 본 발명의 제어 장치에 있어서의 기능 블록도를 나타내는 도면이다.
도 13은, 공연비 보정량의 산출 제어의 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 14는, 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압과 기준 셀 출력 전류의 관계를 나타낸 도면이다.
도 15는, 배기 공연비와 기준 셀 출력 전류와 관계를 나타낸 도면이다.
도 16은, 공연비 센서의 기준 셀에 있어서의 배기 공연비와 기준 셀 출력 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 17은, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc 등의 타임차트를 나타내는, 도 11과 마찬가지의 도면이다.
도 18은, 제3 실시 형태의 공연비 센서의 구성을 개략적으로 나타내는, 도 5와 마찬가지의 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내연 기관 제어 장치에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 부여한다. 도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 장치가 사용되는 내연 기관을 개략적으로 나타내는 도면이다.

<내연 기관 전체의 설명>

도 1을 참조하면, 1은 기관 본체, 2는 실린더 블럭, 3은 실린더 블럭(2) 내에서 왕복 이동하는 피스톤, 4는 실린더 블럭(2) 상에 고정된 실린더 헤드, 5는 피스톤(3)과 실린더 헤드(4)의 사이에 형성된 연소실, 6은 흡기 밸브, 7은 흡기 포트, 8은 배기 밸브, 9는 배기 포트를 각각 나타낸다. 흡기 밸브(6)는 흡기 포트(7)를 개폐하고, 배기 밸브(8)는 배기 포트(9)를 개폐한다.

도 1에 도시한 바와 같이 실린더 헤드(4)의 내벽면 중앙부에는 점화 플러그(10)가 배치되고, 실린더 헤드(4)의 내벽면 주변부에는 연료 분사 밸브(11)가 배치된다. 점화 플러그(10)는, 점화 신호에 따라서 불꽃을 발생시키도록 구성된다. 또한, 연료 분사 밸브(11)는, 분사 신호에 따라서, 소정량의 연료를 연소실(5) 내에 분사한다. 또한, 연료 분사 밸브(11)는, 흡기 포트(7) 내에 연료를 분사하도록 배치되어도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 연료로서 배기 정화 촉매에 있어서의 이론 공연비가 14.6인 가솔린이 사용된다. 그러나, 본 발명의 내연 기관은 다른 연료를 사용하여도 된다.

각 기통의 흡기 포트(7)는 각각 대응하는 흡기 지관(13)을 통해 서지 탱크(14)에 연결되고, 서지 탱크(14)는 흡기관(15)을 통해 에어 클리너(16)에 연결된다. 흡기 포트(7), 흡기 지관(13), 서지 탱크(14), 흡기관(15)은 흡기 통로를 형성한다. 또한, 흡기관(15) 내에는 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(18)가 배치된다. 스로틀 밸브(18)는, 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 의해 회전됨으로써, 흡기 통로의 개구 면적을 변경할 수 있다.

한편, 각 기통의 배기 포트(9)는 배기 매니폴드(19)에 연결된다. 배기 매니폴드(19)는, 각 배기 포트(9)에 연결되는 복수의 지부와 이들 지부가 집합된 집합부를 갖는다. 배기 매니폴드(19)의 집합부는 상류측 배기 정화 촉매(20)를 내장한 상류측 케이싱(21)에 연결된다. 상류측 케이싱(21)은, 배기관(22)을 통해 하류측 배기 정화 촉매(24)을 내장한 하류측 케이싱(23)에 연결된다. 배기 포트(9), 배기 매니폴드(19), 상류측 케이싱(21), 배기관(22) 및 하류측 케이싱(23)은, 배기 통로를 형성한다.

전자 제어 유닛(ECU)(31)은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍 방향성 버스(32)를 통해 상호 접속된 RAM(랜덤 액세스 메모리)(33), ROM(리드 온리 메모리)(34), CPU(마이크로프로세서)(35), 입력 포트(36) 및 출력 포트(37)를 구비한다. 흡기관(15)에는, 흡기관(15) 내를 흐르는 공기 유량을 검출하기 위한 에어 플로우미터(39)가 배치되고, 이 에어 플로우미터(39)의 출력은 대응하는 AD 변환기(38)를 통해 입력 포트(36)에 입력된다. 또한, 배기 매니폴드(19)의 집합부에는 배기 매니폴드(19) 내를 흐르는 배기 가스[즉, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스]의 공연비를 검출하는 상류측 공연비 센서(40)가 배치된다. 또한, 배기관(22) 내에는 배기관(22) 내를 흐르는 배기 가스[즉, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되어 하류측 배기 정화 촉매(24)에 유입되는 배기 가스]의 공연비를 검출하는 하류측 공연비 센서(41)가 배치된다. 이들 공연비 센서(40, 41)의 출력도 대응하는 AD 변환기(38)를 통해 입력 포트(36)에 입력된다. 또한, 이들 공연비 센서(40, 41)의 구성에 대해서는 후술한다.

또한, 액셀러레이터 페달(42)에는 액셀러레이터 페달(42)의 답입량에 비례한 출력 전압을 발생하는 부하 센서(43)가 접속되고, 부하 센서(43)의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기(38)를 통해 입력 포트(36)에 입력된다. 크랭크각 센서(44)는, 예를 들어 크랭크 샤프트가 15°회전할 때마다 출력 펄스를 발생하고, 이 출력 펄스가 입력 포트(36)에 입력된다. CPU(35)에서는 이 크랭크각 센서(44)의 출력 펄스로부터 기관 회전수가 계산된다. 한편, 출력 포트(37)는 대응하는 구동 회로(45)를 통해 점화 플러그(10), 연료 분사 밸브(11) 및 스로틀 밸브 구동 액추에이터(17)에 접속된다. 또한, ECU(31)는, 각종 센서 등의 출력에 기초하여 내연 기관을 제어하는 기관 제어 장치로서 기능한다.

<공연비 센서의 구성>

다음으로, 도 5를 참조하여, 본 실시 형태에 있어서의 공연비 센서(40, 41)의 구성에 대하여 설명한다. 도 5는, 공연비 센서(40, 41)의 개략적인 단면도이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 공연비 센서(40, 41)는, 고체 전해질층 및 한 쌍의 전극으로 이루어지는 셀이 2개인 2 셀형의 공연비 센서이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 공연비 센서(40, 41)는, 피측 가스실(51)과, 기준 가스실(52)과, 피측 가스실(51)의 양측에 배치된 2개의 고체 전해질층(53, 54)을 구비한다. 기준 가스실(52)은, 제2 고체 전해질층(54)을 사이에 두고 피측 가스실(51)의 반대측에 설치된다. 제1 고체 전해질층(53)의 피측 가스실(51)측의 측면 상에는 가스실측 전극(제3 전극)(55)이 배치되고, 제1 고체 전해질층(53)의 배기 가스측의 측면 상에는 배기측 전극(제4 전극)(56)이 배치된다. 이들 제1 고체 전해질층(53), 가스실측 전극(55) 및 배기측 전극(56)은, 펌프 셀(60)을 구성한다.

한편, 제2 고체 전해질층(54)의 피측 가스실(51)측의 측면 상에는 가스실측 전극(제1 전극)(57)이 배치되고, 제2 고체 전해질층(54)의 기준 가스실(52)측의 측면 상에는 기준측 전극(제2 전극)(58)이 배치된다. 이들 제2 고체 전해질층(54), 가스실측 전극(57) 및 기준측 전극(58)은, 기준 셀(61)을 구성한다.

2개의 고체 전해질층(53, 54)의 사이에는, 펌프 셀(60)의 가스실측 전극(55) 및 기준 셀(61)의 가스실측 전극(57)을 둘러싸도록 확산 율속층(63)이 형성된다. 따라서, 피측 가스실(51)은, 제1 고체 전해질층(53), 제2 고체 전해질층(54) 및 확산 율속층(63)에 의해 구획 형성된다. 피측 가스실(51)에는, 확산 율속층(63)을 통해 배기 가스가 유입되게 할 수 있다. 따라서, 피측 가스실(51) 내에 배치된 전극, 즉 펌프 셀(60)의 가스실측 전극(55) 및 기준 셀(61)의 가스실측 전극(57)은, 확산 율속층(63)을 통해 배기 가스에 노출되게 된다. 또한, 확산 율속층(63)은, 반드시 피측 가스실(51)에 유입되는 배기 가스가 통과하도록 설치될 필요는 없다. 기준 셀(61)의 가스실측 전극(57)에 도달되는 배기 가스가 확산 율속층을 통과한 배기 가스가 되면, 확산 율속층은 어떠한 형태로 배치되어도 된다.

또한, 제2 고체 전해질층(54)의 기준 가스실(52)측의 측면 상에는, 기준 가스실(52)을 둘러싸도록 히터부(64)가 설치된다. 따라서, 기준 가스실(52)은, 제2 고체 전해질층(54) 및 히터부(64)에 의해 구획 형성된다. 이 기준 가스실(52) 내에는 기준 가스가 도입된다. 본 실시 형태에서는, 기준 가스실(52)은 대기에 개방되어 있어, 따라서 기준 가스실(52) 내에는 기준 가스로서 대기가 도입된다.

또한, 히터부(64)에는 복수의 히터(65)가 설치되어 있으며, 이들 히터(65)에 의해 공연비 센서(40, 41)의 온도, 특히 고체 전해질층(53, 54)의 온도를 제어할 수 있다. 히터(65)는, 고체 전해질층(53, 54)을 활성화할 때까지 가열하기에 충분한 발열 용량을 갖고 있다. 또한, 제1 고체 전해질층(53)의 배기 가스측의 측면 상에는, 보호층(66)이 형성된다. 보호층(66)은, 배기 가스 중의 액체 등이 배기측 전극(56)에 직접 부착되는 것을 방지하면서 배기 가스가 배기측 전극(56)에 도달되도록 다공질 재료로 형성된다.

고체 전해질층(53, 54)은, ZrO₂(지르코니아), HfO₂, ThO₂, Bi₂O₃ 등에 CaO, MgO, Y₂O₃, Yb₂O₃ 등을 안정제로서 배당한 산소 이온 전도성 산화물의 소결체에 의해 형성되어 있다. 또한, 확산 율속층(63)은, 알루미나, 마그네시아, 규석질, 스피넬, 멀라이트 등의 내열성 무기 물질의 다공질 소결체에 의해 형성되어 있다. 또한, 전극(55 내지 58)은, 백금 등의 촉매 활성이 높은 귀금속으로 형성되어 있다.

기준 셀(61)의 가스실측 전극(57)과 기준측 전극(58)의 사이에는, ECU(31)에 탑재된 기준 셀 전압 인가 장치(70)에 의해 센서 인가 전압 Vr이 인가된다. 또한, ECU(31)에는, 기준 셀 전압 인가 장치(70)에 의해 센서 인가 전압 Vr을 인가했을 때 제2 고체 전해질층(54)을 통해 이들 전극(57, 58) 사이에 흐르는 기준 셀 출력 전류 Ir을 검출하는 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)가 설치된다.

또한, 펌프 셀(60)의 가스실측 전극(55)과 배기측 전극(56)의 사이에는, ECU(31)에 탑재된 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 펌프 전압 Vp가 인가된다. 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 인가되는 펌프 전압 Vp는, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된 기준 셀 출력 전류 Ir에 따라서 설정된다. 구체적으로는, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된 기준 셀 출력 전류 Ir과 미리 설정된 그 목표 전류(예를 들어, 0)의 차에 따라서, 펌프 전압 Vp가 설정된다. 또한, ECU(31)에는, 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 펌프 전압 Vp를 인가했을 때 제1 고체 전해질층(53)을 통해 이들 전극(55, 56) 사이에 흐르는 펌프 전류 Ip를 검출하는 펌프 전류 검출 장치(73)가 설치된다.

또한, 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 펌프 전압 Vp를 변화시키면, 전극(55, 56) 사이에 흐르는 펌프 전류 Ip가 변화된다. 다시 말하자면, 펌프 전압 인가 장치(72)는 펌프 전류 Ip를 제어하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 펌프 전압 인가 장치(72)는, 펌프 전류 Ip를 제어하는 펌프 전류 제어 장치로서 작용한다. 또한, 펌프 전류 Ip는 예를 들어 펌프 전압 인가 장치(72)와 직렬로 가변 저항을 배치하고, 이 가변 저항을 변경함으로써도 변화된다. 따라서, 펌프 전류 제어 장치로서는 가변 저항 등, 펌프 전압 인가 장치(72) 이외의 수단을 사용하는 것도 가능하다.

<공연비 센서의 동작>

다음으로, 도 6을 참조하여, 이와 같이 구성된 공연비 센서(40, 41)의 동작의 기본적인 개념에 대하여 설명한다. 도 6은, 공연비 센서(40, 41)의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다. 사용 시에 있어서, 공연비 센서(40, 41)는, 보호층(66) 및 확산 율속층(63)의 외주면이 배기 가스에 노출되도록 배치된다. 또한, 공연비 센서(40, 41)의 기준 가스실(52)에는 대기가 도입된다.

전술한 바와 같이, 고체 전해질층(53, 54)은, 산소 이온 전도성 산화물의 소결체로 형성된다. 이로 인해, 고온에 의해 활성화된 상태에서 고체 전해질층(53, 54)의 양 측면 간에 산소 농도의 차가 발생하면, 농도가 높은 측면측으로부터 농도가 낮은 측면측으로 산소 이온을 이동시키려고 하는 기전력 E가 발생하는 성질(산소 전지 특성)을 갖고 있다.

반대로, 고체 전해질층(53, 54)은, 양 측면 간에 전위차가 부여되면, 이 전위차에 따라서 고체 전해질층의 양 측면 간에서 산소 농도비가 발생하도록, 산소 이온의 이동을 일으키려고 하는 특성(산소 펌프 특성)을 갖는다. 구체적으로는, 양 측면 간에 전위차가 부여된 경우에는, 정극성이 부여된 측면에 있어서의 산소 농도가, 부극성이 부여된 측면에 있어서의 산소 농도에 대하여 전위차에 따른 비율로 높아지도록, 산소 이온의 이동이 야기된다.

따라서, 펌프 셀(60)에서는, 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 가스실측 전극(55)과 배기측 전극(56)의 사이에 펌프 전압 Vp가 인가되면, 이에 따라서 산소 이온의 이동이 발생한다. 이러한 산소 이온의 이동에 수반하여, 배기 가스 중으로부터 피측 가스실(51) 내로 산소를 흡입하거나 흡출하거나 한다.

한편, 본 실시 형태의 기준 셀(61)은, 전술한 바와 같은 제2 고체 전해질층(54)의 성질에 의해, 후술하는 메커니즘에 기초하여, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비가 이론 공연비일 때에는 전극(57, 58) 사이에 흐르는 기준 셀 출력 전류가 0으로 된다. 한편, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비가 농후 공연비일 때에는 전극(57, 58) 사이에 흐르는 기준 셀 출력 전류가 부의 전류로 되고, 그 크기는 이론 공연비로부터의 차에 비례한다. 반대로, 피측 가스실 내의 배기 공연비가 희박 공연비일 때에는 전극(57, 58) 사이에 흐르는 기준 셀 출력 전류가 정의 전류로 되고, 그 크기는 이론 공연비로부터의 차에 비례한다.

공연비 센서(40, 41) 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 희박할 때에는, 도 6의 (A)에 도시한 바와 같이, 피측 가스실(51) 내에는 확산 율속층(63)을 통해 희박 공연비의 배기 가스가 유입된다. 이와 같이 다량의 산소를 포함하는 희박 공연비의 배기 가스가 유입되면, 후술하는 메커니즘에 의해, 기준 셀(61)의 전극(57, 58) 사이에는 이론 공연비로부터의 차에 비례하여 정의 기준 셀 출력 전류가 흐르고, 이러한 기준 셀 출력 전류는, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된다.

기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 기준 셀 출력 전류가 검출되면, 이것에 기초하여 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 펌프 셀(60)의 전극(55, 56)에 펌프 전압이 인가된다. 특히, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 정의 기준 셀 출력 전류가 검출되면, 배기측 전극(56)을 정전극, 가스실측 전극(55)을 부전극으로 하여, 펌프 전압이 인가된다. 이와 같이 펌프 셀(60)의 전극(55, 56)에 펌프 전압을 인가함으로써, 펌프 셀(60)의 제1 고체 전해질층(53)에서는 부전극으로부터 정전극을 향하여, 즉 가스실측 전극(55)으로부터 배기측 전극(56)을 향하여 산소 이온의 이동이 발생한다. 이로 인해, 피측 가스실(51) 내의 산소가 공연비 센서(40, 41) 주위의 배기 가스 중에 흡출된다.

피측 가스실(51) 내로부터 공연비 센서(40, 41) 주위의 배기 가스 중으로 흡출되는 산소의 유량은, 펌프 전압에 비례하고 또한 펌프 전압은 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된 정의 기준 셀 출력 전류의 크기에 비례한다. 따라서, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비의 희박 정도가 클수록, 즉, 피측 가스실(51) 내의 산소 농도가 높을수록, 피측 가스실(51) 내로부터 공연비 센서(40, 41) 주위의 배기 가스 중으로 흡출되는 산소의 유량이 많아진다. 이 결과, 확산 율속층(63)을 통해 피측 가스실(51)에 유입되는 산소 유량과, 펌프 셀(60)에 의해 흡출되는 산소 유량과는 기본적으로 일치하고, 피측 가스실(51) 내는 기본적으로 거의 이론 공연비로 유지되게 된다.

펌프 셀(60)에 의해 흡출되는 산소 유량은, 펌프 셀(60)의 제1 고체 전해질층(53) 내를 이동한 산소 이온의 유량과 동등하다. 그리고, 이 산소 이온의 유량은, 펌프 셀(60)의 전극(55, 56) 사이에서 흐른 전류와 동등하다. 따라서 전극(55, 56) 사이에서 흐른 펌프 전류를 공연비 센서(40, 41)의 출력 전류(이하, 「센서 출력 전류」라고 함)로서 펌프 전류 검출 장치(73)에 의해 검출함으로써, 확산 율속층(63)을 통해 피측 가스실(51)에 유입되는 산소 유량을, 따라서, 피측 가스실(51) 주위의 배기 가스 희박 공연비를 검출할 수 있다.

한편, 공연비 센서(40, 41) 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후할 때에는, 도 6의 (B)에 도시한 바와 같이, 피측 가스실(51) 내에는 확산 율속층(63)을 통해 농후 공연비의 배기 가스가 유입된다. 이와 같이 다량의 미연 가스를 포함하는 농후 공연비의 배기 가스가 유입되면, 후술하는 메커니즘에 의해, 기준 셀(61)의 전극(57, 58) 사이에는 이론 공연비로부터의 차에 비례하여 부의 기준 셀 출력 전류가 흐르고, 이러한 기준 셀 출력 전류는, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된다.

기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 기준 셀 출력 전류가 검출되면, 이에 기초하여 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 펌프 셀(60)의 전극(55, 56) 사이에 펌프 전압이 인가된다. 특히, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 부의 기준 셀 출력 전류가 검출되면, 가스실측 전극(55)을 정전극, 배기측 전극(56)을 부전극으로 하여, 펌프 전압이 인가된다. 이와 같이 펌프 전압을 인가함으로써, 펌프 셀(60)의 제1 고체 전해질층(53)에서는 부전극으로부터 정전극을 향하고, 즉 배기측 전극(56)으로부터 가스실측 전극(55)을 향해 산소 이온의 이동이 발생한다. 이로 인해, 공연비 센서(40, 41) 주위의 배기 가스 중의 산소가 피측 가스실(51) 내에 흡입된다.

공연비 센서(40, 41) 주위의 배기 가스 중으로부터 피측 가스실(51) 내로 흡입되는 산소의 유량은, 펌프 전압에 비례하고 또한 펌프 전압은 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된 부의 기준 셀 출력 전류의 크기에 비례한다. 따라서, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비의 농후 정도가 클수록, 즉, 피측 가스실(51) 내의 미연 가스 농도가 높을수록, 공연비 센서(40, 41) 주위의 배기 가스 중으로부터 피측 가스실(51) 내로 흡입되는 산소의 유량이 많아진다. 이 결과, 확산 율속층(63)을 통해 피측 가스실(51)에 유입되는 미연 가스의 유량과, 펌프 셀(60)에 의해 흡입되는 산소 유량은 화학당량비로 되고, 따라서 피측 가스실(51) 내는 기본적으로 거의 이론 공연비로 유지되게 된다.

펌프 셀(60)에 의해 흡입되는 산소 유량은, 펌프 셀(60) 내의 제1 고체 전해질층(53) 내를 이동한 산소 이온의 유량과 동등하다. 그리고, 이 산소 이온의 유량은, 펌프 셀(60)의 전극(55, 56) 사이에서 흐른 전류와 동등하다. 따라서 전극(55, 56) 사이에서 흐른 펌프 전류를 센서 출력 전류로서 펌프 전류 검출 장치(73)에 의해 검출함으로써, 확산 율속층(63)을 통해 피측 가스실(51)에 유입되는 미연 가스의 유량을, 따라서, 피측 가스실(51) 주위의 배기 가스 농후 공연비를 검출할 수 있다.

또한, 공연비 센서(40, 41) 주위에 있어서의 배기 공연비가 이론 공연비일 때에는, 도 6의 (C)에 도시한 바와 같이, 피측 가스실(51) 내에 확산 율속층(63)을 통해 이론 공연비의 배기 가스가 유입된다. 이와 같이 이론 공연비의 배기 가스가 유입되면, 후술하는 메커니즘에 의해, 기준 셀(61)의 전극(57, 58) 사이에 흐르는 기준 셀 출력 전류는 0으로 되고, 이러한 기준 셀 출력 전류는, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된다.

기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된 기준 셀 출력 전류가 0이면, 이에 수반하여 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 인가되는 펌프 전압도 0으로 된다. 이로 인해 펌프 셀(60)의 제1 고체 전해질층(53)에서는 산소 이온의 이동은 발생하지 않고, 따라서 피측 가스실(51) 내는 기본적으로 거의 이론 공연비로 유지되게 된다. 그리고, 펌프 셀(60)의 제1 고체 전해질층(53)에 있어서 산소 이온의 이동이 발생하지 않기 때문에, 펌프 전류 검출 장치(73)에 의해 검출되는 펌프 전류도 0으로 된다. 따라서, 펌프 전류 검출 장치(73)에 의해 검출되는 펌프 전류가 0일 때에는, 피측 가스실(51) 주위의 배기 가스 공연비가 이론 공연비임을 알 수 있다.

이와 같이 구성된 공연비 센서(40, 41)는, 도 7에 도시한 출력 특성을 갖는다. 즉, 공연비 센서(40, 41)에서는, 배기 공연비가 커질수록(즉, 희박하게 될수록), 펌프 전류(센서 출력 전류) Ip가 커진다. 또한, 본 실시 형태에서는, 공연비 센서(40, 41)는, 배기 공연비가 이론 공연비일 때 펌프 전류(센서 출력 전류) Ip가 0으로 되도록 구성된다.

<기준 셀의 동작>

전술한 바와 같이, 기준 셀(61)에서는, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비가 이론 공연비일 때에는 전극(57, 58) 사이에 흐르는 기준 셀 출력 전류가 0으로 되고, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비가 이론 공연비와는 다른 공연비가 되었을 때에는 그 배기 공연비에 따라서 기준 셀 출력 전류가 변화된다. 이하에서는, 도 8을 참조하여 기준 셀(61)의 동작의 기본적인 개념에 대하여 설명한다. 도 8은, 기준 셀(61)의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다. 사용 시에 있어서는, 전술한 바와 같이, 피측 가스실(51)에는 확산 율속층(63)을 통해 배기 가스가 도입되고, 기준 가스실(52)에는 대기가 도입된다. 또한, 도 5 및 도 8에 도시한 바와 같이, 공연비 센서(40, 41)에서는, 기준측 전극(58)이 정극성, 가스실측 전극(57)이 부극성이 되도록, 이들 전극(57, 58) 사이에 일정한 센서 인가 전압 Vr이 인가되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 양 공연비 센서(40, 41)에 있어서의 센서 인가 전압 Vr은 동일한 전압으로 되어 있다.

피측 가스실(51) 내의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 희박할 때에는, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간에서의 산소 농도의 비는 그다지 크지 않다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간에서는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비보다도 실제의 산소 농도비 쪽이 작아진다. 이로 인해, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비를 향해 커지도록, 도 8의 (A)에 도시한 바와 같이, 가스실측 전극(57)으로부터 기준측 전극(58)을 향해 산소 이온의 이동이 일어난다. 그 결과, 센서 인가 전압 Vr을 인가하는 기준 셀 전압 인가 장치(70)의 정극으로부터, 기준측 전극(58), 제2 고체 전해질층(54) 및 가스실측 전극(57)을 통해 기준 셀 전압 인가 장치(70)의 부극으로 전류가 흐른다.

이 때 흐르는 전류(기준 셀 출력 전류) Ir의 크기는, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 배기 중으로부터 확산 율속층(63)을 통과하여 피측 가스실(51)에 확산에 의해 유입되는 산소 유량에 비례한다. 따라서, 이 전류 Ir의 크기를 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출함으로써, 피측 가스실(51) 내의 산소 농도를 알 수 있고, 나아가서는 희박 영역에서의 공연비를 알 수 있다.

한편, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후할 때에는, 배기 중으로부터 확산 율속층(63)을 통해 미연 가스가 피측 가스실(51) 내로 유입되기 때문에, 가스실측 전극(57) 상에 산소가 존재하여도, 미연 가스와 반응하여 제거된다. 이로 인해, 피측 가스실(51) 내에서는 산소 농도가 극히 낮아지고, 그 결과, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간에서의 산소 농도의 비는 크게 된다. 이로 인해, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간에서는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비보다도 실제의 산소 농도비 쪽이 커진다. 이로 인해, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비를 향해 작아지도록, 도 8의 (B)에 도시한 바와 같이, 기준측 전극(58)으로부터 가스실측 전극(57)을 향해 산소 이온의 이동이 일어난다. 그 결과, 기준측 전극(58)으로부터, 센서 인가 전압 Vr을 인가하는 기준 셀 전압 인가 장치(70)를 통해 가스실측 전극(57)으로 전류가 흐른다.

이 때 흐르는 전류(기준 셀 출력 전류) Ir의 크기는, 센서 인가 전압 Vr을 적절한 값으로 설정하면, 제2 고체 전해질층(54) 중을 기준측 전극(58)으로부터 가스실측 전극(57)으로 이동되는 산소 이온의 유량에 의해 결정된다. 그 산소 이온은, 배기 중으로부터 확산 율속층(63)을 통해 피측 가스실(51) 내로 확산에 의해 유입되는 미연 가스와 가스실측 전극(57) 상에서 반응(연소)한다. 따라서, 산소 이온의 이동 유량은 피측 가스실(51) 내에 유입된 배기 가스 중의 미연 가스의 농도에 대응한다. 따라서, 이 전류 Ir의 크기를 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출함으로써, 피측 가스실(51) 내의 미연 가스 농도를 알 수 있고, 나아가서는 농후 영역에서의 공연비를 알 수 있다.

또한, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비가 이론 공연비일 때에는, 피측 가스실(51) 내의 산소 및 미연 가스의 양이 화학당량비로 되어 있다. 이로 인해, 가스실측 전극(57)의 촉매 작용에 의해 양자는 완전히 연소하고, 피측 가스실(51) 내의 산소 및 미연 가스의 농도에 변동은 발생하지 않는다. 이 결과, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간의 산소 농도비는, 변동하지 않고, 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비인 채로 유지된다. 이로 인해, 도 8의 (C)에 도시한 바와 같이, 산소 펌프 특성에 의한 산소 이온의 이동은 일어나지 않고, 그 결과, 회로를 흐르는 전류는 발생하지 않는다.

<공연비 센서의 작용 효과>

이와 같이 구성된 기준 셀(61)은, 도 9에 도시한 출력 특성을 갖는다. 즉, 기준 셀(61)에서는, 배기 공연비가 커질수록(즉, 희박하게 될수록), 기준 셀 출력 전류 Ir이 커진다. 또한, 기준 셀(61)은, 배기 공연비가 이론 공연비일 때에 기준 셀 출력 전류 Ir이 0으로 되도록 구성된다.

또한, 기준 셀(61)에서는, 전극(57, 58) 사이에 센서 인가 전압 Vr을 인가하고 있기 때문에, 가스실측 전극(57) 및 기준측 전극(58) 상에서 산화 반응이나 환원 반응이 강제적으로 행해진다. 이로 인해, 피측 가스실(51) 내에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로부터 희박 공연비로 변화될 때이더라도, 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화될 때이더라도, 피측 가스실(51) 내의 배기 가스가 동일하면 전극(57, 58) 사이에 흐르는 기준 셀 출력 전류 Ir은 동일해진다. 이 결과, 종래 2 셀형 공연비 센서에 있어서 발생하고 있던 히스테리시스의 문제가 발생하지 않는다.

또한, 기준 셀(61)에서는, 전극(57, 58) 사이에 센서 인가 전압 Vr을 인가하고 있기 때문에, 가스실측 전극(57)에서의 반응이 촉진되고, 따라서 배기 가스 중의 각 성분은 그 반응성에 관계없이 강제적으로 산화 또는 환원된다. 이로 인해, 가스실측 전극(57) 상에서의 산화 반응 및 환원 반응이, 배기 가스 중에 포함되는 성분의 조성 영향을 받기 어려워져서, 배기 가스 중의 서로 다른 성분이어도 거의 동일한 응답성으로 반응한다. 이 결과, 종래 2 셀형 공연비 센서에 있어서 발생하고 있던 배기 가스 중의 성분의 조성에 따른 반응성에 관한 문제가 발생하지 않는다.

즉, 본 실시 형태의 공연비 센서(40, 41)에 의하면, 종래 2 셀형 공연비 센서에 있어서 발생하고 있던 문제를 해결할 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 공연비 센서(40, 41)는, 2 셀측의 공연비 센서이기 때문에, 종래 1 셀형의 공연비 센서에서 발생하고 있던 문제가 발생하지 않는다. 즉, 공연비 센서(40, 41)에서는, 경년열화에 수반하는 내부 저항의 변화에 따라 출력 전류가 변화하는 것은 없고, 또한 넓은 범위에서 공연비의 검출을 행할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 공연비 센서(40, 41)에 의하면, 종래 1 셀형의 공연비 센서 및 2 셀형의 공연비 센서에 발생하고 있었던 결점을 모두 극복할 수 있다.

<전압 인가 장치 및 전류 검출 장치의 회로>

도 10에, 기준 셀 전압 인가 장치(70) 및 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)를 구성하는 구체적인 회로의 일례를 나타낸다. 도시한 예에서는, 산소 전지 특성에 의해 발생하는 기전력을 E, 제2 고체 전해질층(54)의 내부 저항을 Ri, 양 전극(57, 58) 간의 전위차를 Vs로 나타내고 있다.

도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 기준 셀 전압 인가 장치(70)는, 기본적으로, 산소 전지 특성에 의해 발생하는 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr에 일치하도록, 부귀환 제어를 행하고 있다. 다시 말하자면, 기준 셀 전압 인가 장치(70)는, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간의 산소 농도비의 변화에 의해 양 전극(57, 58) 간의 전위차 Vs가 변화했을 때에도, 이 전위차 Vs가 센서 인가 전압 Vr이 되도록 부귀환 제어를 행하고 있다.

따라서, 피측 가스실(51) 내의 배기 공연비가 이론 공연비로 되어 있으며, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간에 산소 농도비의 변화가 발생하지 않는 경우에는, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간의 산소 농도비는 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비로 되어 있다. 이 경우, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr에 일치하고, 양 전극(57, 58) 간의 전위차 Vs도 센서 인가 전압 Vr로 되어 있으며, 그 결과, 전류 Ir은 흐르지 않는다.

한편, 배기 공연비가 이론 공연비와는 다른 공연비로 되어 있으며, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간에 산소 농도비의 변화가 발생하는 경우에는, 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간의 산소 농도비가 센서 인가 전압 Vr에 대응한 산소 농도비로 되지 않는다. 이 경우, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr과는 다른 값으로 된다. 이로 인해, 부귀환 제어에 의해, 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr과 일치하도록 제2 고체 전해질층(54)의 양 측면 간에서 산소 이온의 이동을 시키기 위해, 양 전극(57, 58) 간에 전위차 Vs가 부여된다. 그리고, 이때의 산소 이온의 이동에 따라 전류 Ir이 흐른다. 이 결과, 기전력 E는 센서 인가 전압 Vr에 수렴되고, 기전력 E가 센서 인가 전압 Vr에 수렴되면, 결국 전위차 Vs도 센서 인가 전압 Vr에 수렴되게 된다.

따라서, 기준 셀 전압 인가 장치(70)는, 실질적으로 양 전극(57, 58) 간에 센서 인가 전압 Vr을 인가하고 있다고 할 수 있다. 또한, 기준 셀 전압 인가 장치(70)의 전기 회로는 반드시 도 10에 도시한 바와 같은 것일 필요는 없으며, 양 전극(57, 58) 간에 센서 인가 전압 Vr을 실질적으로 인가할 수 있으면, 어떠한 형태의 장치이어도 된다.

또한, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)는, 실제로 전류를 검출하는 것이 아니라, 전압 E₀을 검출하여 이 전압 E₀으로부터 전류를 산출하고 있다. 여기서, E₀은, 하기 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

(식 1)

여기서, V₀은 오프셋 전압(E₀이 부의 값이 되지 않도록 인가해 두는 전압이며, 예를 들어 3V), R은 도 10에 도시한 저항의 값이다.

식 (1)에 있어서, 센서 인가 전압 Vr, 오프셋 전압 V₀ 및 저항값 R은 일정하기 때문에, 전압 E₀은 전류 Ir에 따라서 변화한다. 이로 인해, 전압 E₀을 검출하면, 그 전압 E₀으로부터 전류 Ir을 산출하는 것이 가능하다.

따라서, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)는, 실질적으로 양 전극(57, 58) 사이에 흐르는 전류 Ir을 검출하고 있다고 할 수 있다. 또한, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)의 전기 회로는 반드시 도 10에 도시한 바와 같은 것일 필요는 없으며, 양 전극(57, 58) 사이를 흐르는 전류 Ir을 검출할 수 있으면, 어떠한 형태의 장치이어도 된다.

<공연비 제어의 개요>

다음으로, 전술한 바와 같은 공연비 센서(40, 41)를 사용하여 본 발명의 내연 기관 제어 장치에 의해 행해지는 공연비 제어의 개요를 설명한다. 본 실시 형태에서는, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup에 기초하여 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류[즉, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비] Ipup가 목표 공연비에 상당하는 값이 되도록 피드백 제어가 행해진다.

상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비는, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn에 기초하여 설정된다. 구체적으로는, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref 이하로 되었을 때, 목표 공연비는 희박 설정 공연비로 되고, 그 공연비로 유지된다. 여기서, 농후 판정 기준값 Iref는, 이론 공연비보다도 약간 농후한 미리 정해진 농후 판정 공연비(예를 들어, 14.55)에 상당하는 값이다. 또한, 희박 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 어느 정도 희박한 미리 정해진 공연비이며, 예를 들어 14.65 내지 20, 바람직하게는 14.68 내지 18, 보다 바람직하게는 14.7 내지 16 정도로 된다.

목표 공연비가 희박 설정 공연비로 변경되면, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 추정된다. 산소 흡장량 OSAsc의 추정은, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup 및 에어 플로우미터(39) 등에 기초하여 산출되는 연소실(5) 내로의 흡입 공기량의 추정값 또는 연료 분사 밸브(11)로부터의 연료 분사량 등에 기초하여 행해진다. 그리고, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 미리 정해진 판정 기준 흡장량 Cref 이상이 되면 그때까지 희박 설정 공연비였던 목표 공연비가, 약 농후 설정 공연비로 되고, 그 공연비로 유지된다. 약 농후 설정 공연비는, 이론 공연비보다도 약간 농후한 미리 정해진 공연비이며, 예를 들어 13.5 내지 14.58, 바람직하게는 14 내지 14.57, 보다 바람직하게는 14.3 내지 14.55 정도로 된다. 그 후, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 다시 농후 판정 기준값 Iref 이하로 되었을 때, 다시 목표 공연비가 희박 설정 공연비로 되고, 그 후, 마찬가지의 조작이 반복된다.

이와 같이 본 실시 형태에서는, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비가 희박 설정 공연비와 약 농후 설정 공연비로 교대로 설정된다. 특히, 본 실시 형태에서는, 희박 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차는, 약 농후 설정 공연비의 이론 공연비로부터의 차보다도 크다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 목표 공연비는, 단기간의 희박 설정 공연비와, 장기간의 약 농후 설정 공연비로 교대로 설정되게 된다.

<타임차트를 이용한 제어의 설명>

도 11을 참조하여, 전술한 바와 같은 조작에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 11은, 본 발명의 내연 기관 제어 장치에 있어서의 공연비 제어를 행한 경우에 있어서의, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn, 공연비 보정량 AFC, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup 및 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스 중의 NO_x 농도의 타임차트이다.

또한, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup는, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비일 때 0으로 되고, 당해 배기 가스의 공연비가 농후 공연비일 때가 부의 값으로 되고, 당해 배기 가스의 공연비가 희박 공연비일 때 정의 값으로 된다. 또한, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비 또는 희박 공연비일 때에는, 이론 공연비로부터의 차가 커질수록, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup의 절댓값이 커진다. 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn도, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비에 따라서, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup와 마찬가지로 변화한다. 또한, 공연비 보정량 AFC는, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비에 관한 보정량이다. 공연비 보정량 AFC가 0일 때에는 목표 공연비는 이론 공연비로 되고, 공연비 보정량 AFC가 정의 값일 때에는 목표 공연비는 희박 공연비로 되고, 공연비 보정량 AFC가 부의 값일 때에는 목표 공연비는 농후 공연비로 된다.

도시한 예에서는, 시각 t₁이전의 상태에서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있다. 약 농후 설정 보정량 AFCrich는, 약 농후 설정 공연비에 상당하는 값이며, 0보다도 작은 값이다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup가 부의 값으로 된다. 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 되므로, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 감소되어 간다. 그러나, 배기 가스 중에 포함되어 있는 미연 가스는, 상류측 배기 정화 촉매(20)로 정화되기 때문에, 하류측 공연비 센서의 센서 출력 전류 Ipdwn은 거의 0(이론 공연비에 상당)으로 된다. 이때, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x 배출량은 억제된다.

상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 서서히 감소되면, 산소 흡장량 OSAsc는 시각 t₁에 있어서 하한 흡장량을 초과해 감소된다. 산소 흡장량 OSAsc가 하한 흡장량보다도 감소되면, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입된 미연 가스의 일부는 상류측 배기 정화 촉매(20)로 정화되지 않고 유출된다. 이로 인해, 시각 t₁이후, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 감소하는 데 수반하여, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 서서히 저하된다. 이때도, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x배출량은 억제된다.

그 후, 시각 t₂에 있어서, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 공연비에 상당하는 농후 판정 기준값 Iref에 도달한다. 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref가 되면, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc의 감소를 억제하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 전환된다. 희박 설정 보정량 AFClean은, 희박 설정 공연비에 상당하는 값이며, 0보다도 큰 값이다. 따라서, 목표 공연비는 희박 공연비로 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref에 도달되고 나서, 즉 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비보다도 약간 농후한 농후 판정 공연비에 도달되고 나서, 공연비 보정량 AFC의 전환을 행하고 있다. 이것은, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 충분하더라도, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로부터 매우 근소하게 어긋나버리는 경우가 있기 때문이다. 즉, 가령 센서 출력 전류 Ipdwn이 0(이론 공연비에 상당)으로부터 약간 어긋난 경우에도 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해 감소되고 있다고 판단해버리면, 실제로는 충분한 산소 흡장량이 있어도 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해 감소하였다고 판단될 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비에 도달해서 처음으로 산소 흡장량이 하한 흡장량을 초과해 감소되었다고 판단되도록 하고 있다. 반대로 말하자면, 농후 판정 공연비는, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 충분할 때에는 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 도달하는 일이 없는 공연비로 된다.

시각 t₂에 있어서, 목표 공연비를 희박 공연비로 전환하여도, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 바로 희박 공연비로 되지 않고, 어느 정도의 지연이 발생한다. 그 결과, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 시각 t₃에 있어서 농후 공연비로부터 희박 공연비로 변화된다. 또한, 시각 t₂∼t₃에 있어서는, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 이 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 된다. 그러나, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x배출량은 억제된다.

시각 t₃에 있어서, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비로 변화되면, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 증대된다. 또한, 이에 수반하여 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비로 변화되고, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn도 0으로 수렴된다. 이때, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비로 되어 있지만, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장 능력에는 충분한 여유가 있기 때문에, 유입되는 배기 가스 중의 산소는 상류측 배기 정화 촉매(20)에 흡장되고, NO_x는 환원 정화된다. 이로 인해, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x 배출량은 억제된다.

그 후, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 증대되면, 시각 t₄에 있어서 산소 흡장량 OSAsc는 판정 기준 흡장량 Cref에 도달된다. 본 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc가 판정 기준 흡장량 Cref로 되면, 상류측 배기 정화 촉매(20)에의 산소의 흡장을 중지하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich(0보다도 작은 값)로 전환된다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 된다.

단, 전술한 바와 같이, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 실제로 변화될 때까지는 지연이 발생한다. 이로 인해, 시각 t₄에서 전환을 행하여도, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 어느 정도 시간이 경과한 시각 t₅에 있어서 희박 공연비로부터 농후 공연비로 변화된다. 시각 t₄∼t₅에 있어서는, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 희박 공연비이기 때문에, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 증대되어 간다.

그러나, 판정 기준 흡장량 Cref는 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량보다도 충분히 낮게 설정되어 있기 때문에, 시각 t₅에 있어서도 산소 흡장량 OSAsc는 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량에는 도달되지 않는다. 반대로 말하자면, 판정 기준 흡장량 Cref는, 목표 공연비를 전환하고 나서 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 실제로 변화될 때까지 지연이 발생하여도, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량에 도달되지 않도록 충분히 적은 양으로 된다. 예를 들어, 판정 기준 흡장량 Cref는, 최대 산소 흡장량 Cmax의 3/4 이하, 바람직하게는 1/2 이하, 보다 바람직하게는 1/5 이하로 된다. 따라서, 시각 t₄∼t₅에 있어서도, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x 배출량은 억제된다.

시각 t₅ 이후에 있어서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되어 있다. 따라서, 목표 공연비는 농후 공연비로 되고, 이에 수반하여 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup가 부의 값으로 된다. 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스 중에는 미연 가스가 포함되게 되기 때문에, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc는 서서히 감소되어 가고, 시각 t₆에 있어서, 시각 t₁과 마찬가지로, 산소 흡장량 OSAsc가 하한 흡장량을 초과해 감소된다. 이때에도, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 되어 있기 때문에, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x 배출량은 억제된다.

계속해서, 시각 t₇에 있어서, 시각 t₂와 마찬가지로, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 공연비에 상당하는 농후 판정 기준값 Iref에 도달된다. 이에 의해, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 공연비에 상당하는 값 AFClean으로 전환된다. 그 후, 전술한 시각 t₁∼t₆의 사이클이 반복된다.

또한, 이러한 공연비 보정량 AFC의 제어는, ECU(31)에 의해 행해진다. 따라서, ECU(31)는, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 검출된 배기 가스의 공연비가 농후 판정 공연비 이하로 되었을 때, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 판정 기준 흡장량 Cref로 될 때까지, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 희박 설정 공연비로 하는 산소 흡장량 증가 수단과, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 판정 기준 흡장량 Cref 이상으로 되었을 때, 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax를 초과하지 않고 0을 향해 감소하도록, 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 약 농후 설정 공연비로 하는 산소 흡장량 감소 수단을 구비한다고 할 수 있다.

이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이 상기 실시 형태에 의하면, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x 배출량을 항상 억제할 수 있다. 즉, 전술한 제어를 행하고 있는 한, 기본적으로는 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x 배출량을 적은 것으로 할 수 있다.

또한, 일반적으로, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup 및 흡입 공기량의 추정값 등에 기초하여 산소 흡장량 OSAsc를 추정한 경우에는 오차가 발생할 가능성이 있다. 본 실시 형태에 있어서도, 시각 t₃∼t₄에 걸쳐서 산소 흡장량 OSAsc를 추정하고 있기 때문에, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값에는 다소의 오차가 포함된다. 그러나, 이러한 오차가 포함되어 있었다고 해도, 판정 기준 흡장량 Cref를 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량보다도 충분히 낮게 설정해 두면, 실제의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량 Cmax나 상한 흡장량으로까지 도달되는 것은 거의 없다. 따라서, 이러한 관점에서도 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터의 NO_x배출량을 억제할 수 있다.

또한, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 일정하게 유지되면, 그 배기 정화 촉매의 산소 흡장 능력이 저하된다. 이에 반하여, 본 실시 형태에 의하면, 산소 흡장량 OSAsc는 항상 상하로 변동되고 있기 때문에, 산소 흡장 능력이 저하되는 것이 억제된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 시각 t₂∼t₄에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 희박 설정 보정량 AFClean으로 유지된다. 그러나, 이러한 기간에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 반드시 일정하게 유지되어 있을 필요는 없고, 서서히 감소시키는 등, 변동되도록 설정되어도 된다. 마찬가지로, 시각 t₄∼t₇에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 유지된다. 그러나, 이러한 기간에 있어서, 공연비 보정량 AFC는 반드시 일정하게 유지되어 있을 필요는 없으며, 서서히 감소시키는 등, 변동되도록 설정되어도 된다.

단, 이 경우에도, 시각 t₂∼t₄에 있어서의 공연비 보정량 AFC는, 당해 기간에 있어서의 목표 공연비의 평균값과 이론 공연비와의 차가, 시각 t₄∼t₇에 있어서의 목표 공연비의 평균값과 이론 공연비와의 차보다도 커지도록 설정된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup 및 연소실(5) 내로의 흡입 공기량의 추정값 등에 기초하여, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 추정되어 있다. 그러나, 산소 흡장량 OSAsc는 이들 파라미터에 추가해서 다른 파라미터에 기초하여 산출되어도 되고, 이들 파라미터와는 다른 파라미터에 기초하여 추정되어도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 산소 흡장량 OSAsc의 추정값이 판정 기준 흡장량 Cref 이상으로 되면 목표 공연비가 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환된다. 그러나, 목표 공연비를 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환되는 타이밍은, 예를 들어 목표 공연비를 약 농후 설정 공연비로부터 희박 설정 공연비로 전환하고 나서의 기관 운전 시간 등, 다른 파라미터를 기준으로 하여도 된다. 단, 이 경우에도, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 최대 산소 흡장량보다도 적다고 추정되는 동안에, 목표 공연비를 희박 설정 공연비로부터 약 농후 설정 공연비로 전환하는 것이 필요해진다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 시각 t₄∼t₇에 있어서 공연비 보정량 AFC를 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 고정하고 있지만, 이 동안에 있어서도 일시적으로 공연비 보정량 AFC를 이론 공연비 또는 희박 공연비로 하여도 된다. 마찬가지로, 상기 실시 형태에서는, 시각 t₁∼t₄에 있어서 공연비 보정량 AFC를 희박 설정 보정량 AFClean으로 고정하고 있지만, 이 동안에 있어서도 일시적으로 공연비 보정량 AFC를 이론 공연비 또는 농후 공연비로 하여도 된다.

<구체적인 제어의 설명>

다음으로, 도 12 및 도 13을 참조하여, 상기 실시 형태에 있어서의 제어 장치에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 제어 장치는, 기능 블록도인 도 12에 도시한 바와 같이, A1 내지 A9의 각 기능 블록을 포함하여 구성되어 있다. 이하, 도 12를 참조하면서 각 기능 블록에 대하여 설명한다.

<연료 분사량의 산출>

우선, 연료 분사량의 산출에 대하여 설명한다. 연료 분사량의 산출에 있어서는, 통 내 흡입 공기량 산출 수단 A1, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2 및 연료 분사량 산출 수단 A3이 사용된다.

통 내 흡입 공기량 산출 수단 A1은, 에어 플로우미터(39)에 의해 계측되는 흡입 공기 유량 Ga와, 크랭크각 센서(44)의 출력에 기초하여 산출되는 기관 회전수 NE와, ECU(31)의 ROM(34)에 기억된 맵 또는 계산식에 기초하여, 각 기통으로의 흡입 공기량 Mc를 산출한다.

기본 연료 분사량 산출 수단 A2는, 통 내 흡입 공기량 산출 수단 A1에 의해 산출된 통 내 흡입 공기량 Mc를, 후술하는 목표 공연비 설정 수단 A6에 의해 산출된 목표 공연비 AFT로 제산함으로써, 기본 연료 분사량 Qbase를 산출한다(Qbase=Mc/AFT).

연료 분사량 산출 수단 A3은, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2에 의해 산출된 기본 연료 분사량 Qbase에, 후술하는 F/B 보정량 DQi를 가함으로써 연료 분사량 Qi를 산출한다(Qi=Qbase+DQi). 이와 같이 하여 산출된 연료 분사량 Qi의 연료가 연료 분사 밸브(11)로부터 분사되도록, 연료 분사 밸브(11)에 대하여 분사 지시가 행해진다.

<목표 공연비의 산출>

다음으로, 목표 공연비의 산출에 대하여 설명한다. 목표 공연비의 산출에 있어서는, 산소 흡장량 산출 수단 A4, 목표 공연비 보정량 산출 수단 A5 및 목표 공연비 설정 수단 A6이 사용된다.

산소 흡장량 산출 수단 A4는, 연료 분사량 산출 수단 A3에 의해 산출된 연료 분사량 Qi 및 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup에 기초하여 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정값 OSAest를 산출한다. 예를 들어, 산소 흡장량 산출 수단 A4는, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup에 대응하는 공연비와 이론 공연비의 차분에 연료 분사량 Qi를 승산함과 함께, 구한 값을 적산함으로써 산소 흡장량의 추정값 OSAest를 산출한다. 또한, 산소 흡장량 산출 수단 A4에 의한 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량의 추정은, 항상 행해지지 않아도 된다. 예를 들어, 목표 공연비가 농후 공연비로부터 희박 공연비로 실제로 전환되었을 때(도 10에 있어서의 시각 t₃)로부터, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달할 때(도 10에 있어서의 시각 t₄)까지의 동안에만 산소 흡장량을 추정하여도 된다.

목표 공연비 보정량 산출 수단 A5에서는, 산소 흡장량 산출 수단 A4에 의해 산출된 산소 흡장량의 추정값 OSAest와, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn에 기초하여, 목표 공연비의 공연비 보정량 AFC가 산출된다. 구체적으로는, 공연비 보정량 AFC는, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref(농후 판정 공연비에 상당하는 값) 이하로 되었을 때, 희박 설정 보정량 AFClean으로 된다. 그 후, 공연비 보정량 AFC는, 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달될 때까지, 희박 설정 보정량 AFClean으로 유지된다. 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref에 도달되면, 공연비 보정량 AFC는 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 된다. 그 후, 공연비 보정량 AFC는, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref(농후 판정 공연비에 상당하는 값)로 될 때까지, 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 유지된다.

목표 공연비 설정 수단 A6은, 기준이 되는 공연비, 본 실시 형태에서는 이론 공연비 AFR에, 목표 공연비 보정량 산출 수단 A5에 의해 산출된 공연비 보정량 AFC를 가산함으로써, 목표 공연비 AFT를 산출한다. 따라서, 목표 공연비 AFT는, 이론 공연비 AFR보다도 약간 농후한 약 농후 설정 공연비(공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich의 경우)나, 또는 이론 공연비 AFR보다도 어느 정도 희박한 희박 설정 공연비(공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean의 경우) 중 어느 하나로 된다. 이와 같이 하여 산출된 목표 공연비 AFT는, 기본 연료 분사량 산출 수단 A2 및 후술하는 공연비 차 산출 수단 A8에 입력된다.

도 13은, 공연비 보정량 AFC의 산출 제어의 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다. 도시한 제어 루틴은 일정 시간 간격의 인터럽트에 의해 행해진다.

도 13에 도시한 바와 같이, 먼저, 스텝 S11에 있어서 공연비 보정량 AFC의 산출 조건이 성립되어 있는지 여부가 판정된다. 공연비 보정량의 산출 조건이 성립되어 있는 경우란, 예를 들어 연료 커트 제어 중이 아닌 점 등을 들 수 있다. 스텝 S11에 있어서 목표 공연비의 산출 조건이 성립되어 있다고 판정된 경우에는, 스텝 S12로 진행된다. S12에서는, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn, 연료 분사량 Qi가 취득된다. 계속해서 스텝 S13에서는, 스텝 S12에서 취득된 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup 및 연료 분사량 Qi에 기초하여 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 산출된다.

계속해서 스텝 S14에 있어서, 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되어 있는지의 여부가 판정된다. 희박 설정 플래그 Fr은, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 설정되면 1로 되고, 그 이외의 경우에는 0으로 된다. 스텝 S14에 있어서 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되어 있는 경우에는, 스텝 S15로 진행된다. 스텝 S15에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref 이하인지 여부가 판정된다. 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref보다도 크다고 판정된 경우에는 제어 루틴이 종료된다.

한편, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc가 감소하여, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 저하되면, 스텝 S15에서 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref 이하라고 판정된다. 이 경우에는, 스텝 S16으로 진행되고, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 보정량 AFClean으로 된다. 계속해서, 스텝 S17에서는, 희박 설정 플래그 Fr이 1로 설정되고, 제어 루틴이 종료된다.

다음 제어 루틴에 있어서는, 스텝 S14에 있어서, 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 설정되어 있지 않다고 판정되어, 스텝 S18로 진행된다. 스텝 S18에서는, 스텝 S13에서 산출된 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref보다도 적은지 여부가 판정된다. 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref보다도 적다고 판정된 경우에는 스텝 S19로 진행되고, 공연비 보정량 AFC가 계속해서 희박 설정 보정량 AFClean으로 된다. 한편, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량이 증대되면, 결국 스텝 S18에 있어서 산소 흡장량의 추정값 OSAest가 판정 기준 흡장량 Cref 이상이라고 판정되어 스텝 S20으로 진행된다. 스텝 S20에서는, 공연비 보정량 AFC가 약 농후 설정 보정량 AFCrich로 되고, 계속해서, 스텝 S21에서는, 희박 설정 플래그 Fr이 0으로 리셋되고, 제어 루틴이 종료된다.

다시 도 12로 되돌아가서, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup에 기초한 F/B 보정량의 산출에 대하여 설명한다. F/B 보정량의 산출에 있어서는, 수치 변환 수단 A7, 공연비 차 산출 수단 A8, F/B 보정량 산출 수단 A9가 사용된다.

수치 변환 수단 A7은, 상류측 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup와, 공연비 센서(40)의 센서 출력 전류 Ipup와 공연비의 관계를 규정한 맵 또는 계산식(예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같은 맵)에 기초하여, 센서 출력 전류 Ipup에 상당하는 상류측 배기 공연비 AFup를 산출한다. 따라서, 상류측 배기 공연비 AFup는, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비에 상당한다.

공연비 차 산출 수단 A8은, 수치 변환 수단 A7에 의해 구해진 상류측 배기 공연비 AFup로부터 목표 공연비 설정 수단 A6에 의해 산출된 목표 공연비 AFT를 감산함으로써 공연비 차 DAF를 산출한다(DAF=AFup-AFT). 이 공연비 차 DAF는, 목표 공연비 AFT에 대한 연료 공급량의 과부족을 나타내는 값이다.

F/B 보정량 산출 수단 A9는, 공연비 차 산출 수단 A8에 의해 산출된 공연비 차 DAF를, 비례·적분·미분 처리(PID 처리)함으로써, 하기 식 (1)에 기초하여 연료 공급량의 과부족을 보상하기 위한 F/B 보정량 DFi를 산출한다. 이와 같이 하여 산출된 F/B 보정량 DFi는, 연료 분사량 산출 수단 A3에 입력된다.

(식 1)

또한, 상기 식 (1)에 있어서, Kp는 미리 설정된 비례 게인(비례 상수), Ki는 미리 설정된 적분 게인(적분 상수), Kd는 미리 설정된 미분 게인(미분 상수)이다. 또한, DDAF는, 공연비 차 DAF의 시간 미분값이며, 금회 갱신된 공연비 차 DAF와 전회 갱신되어 있던 공연비 차 DAF의 차를 갱신 간격에 대응하는 시간으로 제산함으로써 산출된다. 또한, SDAF는, 공연비 차 DAF의 시간 적분값이며, 이 시간 적분값 DDAF는 전회 갱신된 시간 적분값 DDAF에 금회 갱신된 공연비 차 DAF를 가산함으로써 산출된다(SDAF=DDAF+DAF).

또한, 상기 실시 형태에서는, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 상류측 공연비 센서(40)에 의해 검출하고 있다. 그러나, 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입되는 배기 가스의 공연비 검출 정밀도는 반드시 높을 필요는 없기 때문에, 예를 들어 연료 분사 밸브(11)로부터의 연료 분사량 및 에어 플로우미터(39)의 출력에 기초하여 이 배기 가스의 공연비를 추정하도록 해도 된다.

<제2 실시 형태>

다음으로, 도 14 내지 도 17을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 내연 기관의 제어 장치에 대하여 설명한다. 제2 실시 형태에 따른 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어는, 기본적으로, 상기 실시 형태에 따른 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어와 마찬가지이다. 그러나, 상기 실시 형태에서는, 상류측 공연비 센서 및 하류측 공연비 센서에서는 동일한 센서 인가 전압이 인가되어 있는 데 비하여, 본 실시 형태에서는, 이들 공연비 센서(75, 76)의 사이에서 서로 다른 센서 인가 전압이 인가된다.

<기준 셀의 이론 공연비 근방에 있어서의 미시적 특성>

그런데, 센서 인가 전압 Vr과 기준 셀 출력 전류 Ir의 관계나 배기 공연비와 기준 셀 출력 전류 Ir의 관계를, 이론 공연비 근방에서 미시적으로 보면 도 14 및 도 15와 같아진다.

도 14는, 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압 Vr과 기준 셀 출력 전류 Ir의 관계를 나타낸 도면이다. 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 한계 전류 영역(인가 전압을 변화시켜도 기준 셀 출력 전류가 거의 변화되지 않는 전압 영역)에 있어서도, 배기 공연비를 일정하게 했을 때, 센서 인가 전압 Vr이 증대하는 데 수반하여 기준 셀 출력 전류 Ir도 극히 근소하게 증대된다. 예를 들어, 배기 공연비가 이론 공연비(14.6)인 경우를 예로 들어 보면, 센서 인가 전압 Vr이 0.45V 정도일 때에는 기준 셀 출력 전류 Ir은 0으로 된다. 이에 반하여, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V보다도 어느 정도 낮게(예를 들어, 0.2V) 하면, 기준 셀 출력 전류 Ir은 0보다도 낮은 값으로 된다. 한편, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V보다도 어느 정도 높게 (예를 들어, 0.7V) 하면, 기준 셀 출력 전류 Ir은 0보다도 높은 값으로 된다.

도 15는, 배기 공연비와 기준 셀 출력 전류 Ir의 관계를 나타낸 도면이다. 도 15로부터는, 이론 공연비 근방의 영역에서는, 동일한 배기 공연비에 대한 기준 셀 출력 전류 Ir이 센서 인가 전압 Vr마다 약간 다른 점을 알 수 있다. 예를 들어, 도시한 예에서는, 배기 공연비가 이론 공연비인 경우, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V로 했을 때 기준 셀 출력 전류 Ir이 0으로 된다. 그리고, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V보다도 크게 하면 기준 셀 출력 전류 Ir도 0보다 커지고, 센서 인가 전압 Vr을 0.45V보다도 작게 하면 기준 셀 출력 전류 Ir도 0보다 작아진다.

또한, 도 15로부터는, 센서 인가 전압 Vr마다, 기준 셀 출력 전류 Ir이 0으로 될 때의 배기 공연비(이하, 「전류 0일 때의 배기 공연비」라고 함)가 서로 다르다는 사실을 알 수 있다. 도시한 예에서는, 센서 인가 전압 Vr이 0.45V인 경우에는 배기 공연비가 이론 공연비일 때 기준 셀 출력 전류 Ir이 0으로 된다. 이에 반하여, 센서 인가 전압 Vr이 0.45V보다도 큰 경우에는, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후할 때 기준 셀 출력 전류 Ir이 0으로 되고, 센서 인가 전압 Vr이 커질수록 전류 0일 때의 배기 공연비는 작아진다. 반대로, 센서 인가 전압 Vr이 0.45V보다도 작은 경우에는, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 희박할 때 기준 셀 출력 전류 Ir이 0으로 되고, 센서 인가 전압 Vr이 작아질수록 전류 0일 때의 배기 공연비는 커진다. 즉, 센서 인가 전압 Vr을 변화시킴으로써, 전류 0일 때의 배기 공연비를 변화시킬 수 있다.

여기서, 도 9에 있어서의 기울기, 즉, 기준 셀에 있어서의, 배기 공연비의 증가량에 대한 기준 셀 출력 전류의 증가량의 비율(이하, 「기준 셀 출력 전류 변화율」이라고 함)은, 마찬가지의 생산 공정을 거쳐도 반드시 동일하게는 되지 않으며, 동일 형식의 공연비 센서이더라도 개체 간에서 편차가 발생해버린다. 또한, 동일한 공연비 센서에 있어서도, 경년열화 등에 의해 기준 셀 출력 전류 변화율은 변화한다.

이 모습을 도 16에 도시하였다. 도 16은, 공연비 센서의 기준 셀에 있어서의 배기 공연비와 기준 셀 출력 전류의 관계를 나타내는 도면이다. 예를 들어 도 16에 실선 A로 나타낸 출력 특성을 갖도록 구성되어 있는 동일 형식의 기준 셀을 사용하여도, 사용한 센서나 사용 기간 등에 의해, 도 16에 파선 B로 나타낸 바와 같이 기준 셀 출력 전류 변화율이 작아지거나, 일점쇄선 C로 나타낸 바와 같이 기준 셀 출력 전류 변화율이 커지거나 한다.

이로 인해, 동일 형식의 공연비 센서를 사용하여 동일한 공연비의 배기 가스 계측을 행하여도, 사용한 센서나 사용 기간 등에 의해, 기준 셀의 기준 셀 출력 전류는 서로 다른 것으로 되어버린다. 예를 들어, 기준 셀이 실선 A로 나타낸 바와 같은 출력 특성을 갖는 경우에는, 공연비가 af₁인 배기 가스의 계측을 행했을 때의 기준 셀 출력 전류는, I₂가 된다. 그러나, 기준 셀이 파선 B나 일점쇄선 C로 나타낸 바와 같은 출력 특성을 갖는 경우에는, 공연비가 af₁인 배기 가스의 계측을 행했을 때의 기준 셀 출력 전류는, 각각 I₁ 및 I₃이 되고, 전술한 I₂와는 다른 기준 셀 출력 전류로 되어버린다.

그러나, 도 16으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 공연비 센서의 개체 간에서 편차가 발생하거나, 동일한 공연비 센서에 있어서 경년열화 등에 의해 편차가 발생하거나 했다고 하여도, 전류 0일 때의 배기 공연비(도 16의 예에서는 이론 공연비)는 거의 변화되지 않는다. 즉, 기준 셀 출력 전류 Ir이 0 이외의 값을 취할 때에는, 그때의 배기 공연비의 절댓값은 반드시 일정한 것은 아니지만, 기준 셀 출력 전류 Ir이 0으로 될 때에는, 그때의 배기 공연비의 절댓값(도 16의 예에서는 이론 공연비)은 일정하다.

그리고, 도 15를 이용하여 설명한 바와 같이, 공연비 센서(75, 76)에서는, 센서 인가 전압 Vr을 변화시킴으로써, 전류 0일 때의 배기 공연비를 변화시킬 수 있다. 그리고, 기준 셀 출력 전류 검출 장치(71)에 의해 검출된 기준 셀 출력 전류가 0이면, 펌프 전압 인가 장치(72)에 의해 인가되는 펌프 전압도 0으로 되고, 펌프 전류(센서 출력 전류) Ip도 0으로 된다. 따라서, 공연비 센서(75, 76)에 의하면, 센서 인가 전압 Vr을 변화시킴으로써, 이론 공연비 이외의 배기 공연비의 절댓값을 정확하게 검출할 수 있다.

특히, 센서 인가 전압 Vr을 후술하는 「특정 전압 영역」내에서 변화시킨 경우에는, 전류 0일 때의 배기 공연비를 이론 공연비(14.6)에 대하여 약간만[예를 들어, ±1%의 범위(약 14.45 내지 약 14.75) 내] 조정할 수 있다. 따라서, 센서 인가 전압 Vr을 적절하게 설정함으로써, 이론 공연비와는 약간 다른 공연비의 절댓값을 정확하게 검출할 수 있도록 된다.

또한, 전술한 바와 같이, 센서 인가 전압 Vr을 변화시킴으로써, 전류 0일 때의 배기 공연비를 변화시킬 수 있다. 그러나, 센서 인가 전압 Vr을 어떤 상한 전압보다도 크게 하거나 또는 어떤 하한 전압보다도 작게 하면, 센서 인가 전압 Vr의 변화량에 대한 전류 0일 때의 배기 공연비의 변화량이 커진다. 따라서, 이러한 전압 영역에서는, 센서 인가 전압 Vr이 약간 어긋나면, 전류 0일 때의 배기 공연비가 크게 변화해버린다. 따라서, 이러한 전압 영역에서는, 배기 공연비의 절댓값을 정확하게 검출하기 위해서는, 센서 인가 전압 Vr을 정밀하게 제어할 필요가 있게 되어, 그다지 실용적이지 않다. 이로 인해, 배기 공연비의 절댓값을 정확하게 검출하는 관점에서는, 센서 인가 전압 Vr은 어떤 상한 전압과 어떤 하한 전압 사이의 「특정 전압 영역」내의 값으로 할 필요가 있게 된다.

여기서, 도 14에 도시한 바와 같이, 공연비 센서(75, 76)는, 각 배기 공연비마다, 기준 셀 출력 전류 Ir이 한계 전류로 되는 전압 영역인 한계 전류 영역을 갖는다. 본 실시 형태에서는, 배기 공연비가 이론 공연비일 때의 한계 전류 영역이 「특정 전압 영역」으로 된다.

<각 공연비 센서에 있어서의 인가 전압>

본 실시 형태에서는, 전술한 미시적 특성에 감안하여, 상류측 공연비 센서(75)에 의해 배기 가스의 공연비를 검출할 때에는, 상류측 공연비 센서(75)에 있어서의 센서 인가 전압 Vrup는, 배기 공연비가 이론 공연비(본 실시 형태에서는 14.6)일 때에 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압(예를 들어, 0.45V)으로 고정된다. 다시 말하자면, 상류측 공연비 센서(75)에서는 전류 0일 때의 배기 공연비가 이론 공연비가 되도록 센서 인가 전압 Vrup가 설정된다.

한편, 하류측 공연비 센서(76)에 의해 배기 가스의 공연비를 검출할 때에는, 하류측 공연비 센서(71)에 있어서의 센서 인가 전압 Vr은, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 약간 농후한 미리 정해진 농후 판정 공연비(예를 들어, 14.55)일 때 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 일정 전압(예를 들어, 0.7V)으로 고정된다. 다시 말하자면, 하류측 공연비 센서(76)에서는, 전류 0일 때의 배기 공연비가 이론 공연비보다도 약간 농후한 농후 판정 공연비가 되도록 센서 인가 전압 Vrdwn이 설정된다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(76)에 있어서의 센서 인가 전압 Vrdwn이 상류측 공연비 센서(75)에 있어서의 센서 인가 전압 Vrup보다도 높은 전압으로 된다.

따라서, 양 공연비 센서(75, 76)에 접속된 ECU(31)는, 상류측 공연비 센서(75)의 센서 출력 전류 Ipup가 0으로 되었을 때 상류측 공연비 센서(75) 주위의 배기 공연비는 이론 공연비라고 판단한다. 한편, ECU(31)는, 하류측 공연비 센서(76)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 0으로 되었을 때에는 하류측 공연비 센서(76) 주위의 배기 공연비는 농후 판정 공연비, 즉, 이론 공연비와는 다른 미리 정해진 공연비라고 판단한다.

<제2 실시 형태에 있어서의 공연비 제어>

제2 실시 형태에 있어서의 공연비 제어는, 기본적으로 상기 실시 형태에 있어서의 공연비 제어와 마찬가지이다. 그러나, 제1 실시 형태에서는, 시각 t₂에 있어서 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 농후 판정 기준값 Iref 이하로 되었을 때 목표 공연비를 희박 설정 공연비로 전환하고 있다. 이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 0 이하로 되었을 때 목표 공연비를 희박 설정 공연비로 전환되어 있다.

도 17은, 도 11과 마찬가지의 도면이며, 본 실시 형태에 있어서의 제어를 행한 경우의 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc 등의 타임차트이다. 이하에서는, 도 11에 있어서의 제어와 다른 부분에 대해서만 설명한다.

도 17로부터 알 수 있는 바와 같이, 시각 t₁이전, 즉, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비인 경우, 하류측 공연비 센서(76)의 센서 출력 전류 Ipdwn은 0보다도 큰 값으로 되어 있다. 그 후, 시각 t₁로부터 상류측 배기 정화 촉매(20)에 유입된 배기 가스 중의 미연 가스의 일부는 상류측 배기 정화 촉매(20)로 정화되지 않고 유출되기 시작한다. 이에 수반하여 하류측 공연비 센서(76)의 센서 출력 전류 Ipdwn은 0을 향해 작아지고, 시각 t₂에 있어서 0으로 된다. 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(76)의 센서 출력 전류 Ipdwn이 0 이하로 되면, 상류측 배기 정화 촉매(20)의 산소 흡장량 OSAsc의 감소를 억제하기 위해, 공연비 보정량 AFC가 희박 설정 공연비에 상당하는 값 AFClean으로 전환된다. 그 후의 제어는, 기본적으로, 도 11에 도시한 예와 마찬가지이다.

본 실시 형태에 의하면, 전술한 바와 같이, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 농후 판정 공연비에 있어서의 절댓값을 정확하게 검출할 수 있다. 도 16을 이용하여 설명한 바와 같이, 종래의 공연비 센서에서는, 이론 공연비 이외의 공연비에 대해서 그 절댓값을 정확하게 검출하는 것은 곤란하였다. 이로 인해, 종래의 공연비 센서에 있어서 경년열화나 개체차 등에 의해 그 출력 전류에 오차가 발생하면, 상류측 배기 정화 촉매(20)로부터 유출되는 배기 가스의 실제 공연비는 농후 판정 공연비와는 다른 경우에도, 공연비 센서의 출력 전류가 농후 판정 공연비에 상당하는 값으로 되어버린다. 이 결과, 공연비 보정량 AFC의 약 농후 설정 보정량 AFCrich로부터 희박 설정 보정량 AFClean으로의 전환 타이밍이 지연되거나, 혹은 전환 불필요한 타이밍에 이러한 전환이 행해지거나 한다. 이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 하류측 공연비 센서(41)에 의해 농후 판정 공연비에 있어서의 절댓값을 정확하게 검출할 수 있다. 이로 인해, 공연비 보정량 AFC의 약 농후 설정 보정량 AFCrich로부터 희박 설정 보정량 AFClean으로의 전환 타이밍에 있어서의 지연이나, 전환 불필요한 타이밍에서의 전환을 억제할 수 있다.

<제3 실시 형태>

다음으로, 도 18을 참조하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 내연 기관의 제어 장치에 대하여 설명한다. 제3 실시 형태에 따른 내연 기관의 제어 장치 구성은, 기본적으로, 상기 실시 형태에 따른 내연 기관의 제어 장치 구성 및 제어와 마찬가지이다. 단, 본 실시 형태의 제어 장치에서는, 공연비 센서의 기준 셀의 가스실측 전극 주위에 확산 율속층이 형성된다.

도 18은, 제3 실시 형태의 상류측 공연비 센서(80) 및 하류측 공연비 센서(81)의 구성을 개략적으로 나타내는, 도 5와 마찬가지의 단면도이다. 도 18로부터 알 수 있는 바와 같이, 공연비 센서(80, 81)는, 피측 가스실(51) 내에 설치된 기준 셀용 확산 율속층(82)을 갖는다. 기준 셀용 확산 율속층(82)은, 기준 셀(61)의 가스실측 전극(57)을 둘러싸도록 배치된다. 따라서, 가스실측 전극(57)은 기준 셀용 확산 율속층(82)을 통해 피측 가스실(51)에 노출된다.

이와 같이, 가스실측 전극(57)의 주위에 기준 셀용 확산 율속층(82)을 형성함으로써, 가스실측 전극(57) 주위에 유입되는 배기 가스를 확산 율속시킬 수 있다. 여기서, 가스실측 전극(57) 주위에 유입되는 배기 가스를 충분히 확산 율속 시키지 않으면, 배기 공연비, 센서 인가 전압 Vr 및 기준 셀 출력 전류 Ir의 관계가 도 14 및 도 15에 도시한 바와 같은 경향으로 되기 어려워, 그 결과, 이론 공연비와는 다른 공연비의 절댓값을 적절하게 검출할 수 없는 경우가 있다. 본 실시 형태에서는, 기준 셀용 확산 율속층(82)에 의해 가스실측 전극(57) 주위에 유입되는 배기 가스를 충분히 확산 율속시킴으로써, 보다 확실하게, 이론 공연비와는 다른 공연비의 절댓값을 검출할 수 있다.

또한, 본 명세서에 있어서, 배기 정화 촉매의 산소 흡장량은, 최대 산소 흡장량과 0 사이에서 변화되는 것으로서 설명하고 있다. 이러한 점은, 배기 정화 촉매에 의해 또한 흡장 가능한 산소의 양이, 0(산소 흡장량이 최대 산소 흡장량인 경우)과 최댓값(산소 흡장량이 0인 경우)의 사이에서 변화되는 것을 의미하는 것이다.

5: 연소실
6: 흡기 밸브
8: 배기 밸브
10: 점화 플러그
11: 연료 분사 밸브
13: 흡기 지관
15: 흡기관
18: 스로틀 밸브
19: 배기 매니폴드
20: 상류측 배기 정화 촉매
21: 상류측 케이싱
22: 배기관
23: 하류측 케이싱
24: 하류측 배기 정화 촉매
31: ECU
39: 에어 플로우미터
40: 상류측 공연비 센서
41: 하류측 공연비 센서

Claims

내연 기관의 배기 통로에 설치된 공연비 센서와, 상기 공연비 센서의 센서 출력 전류에 따라서 내연 기관을 제어하는 기관 제어 장치를 구비하는, 내연 기관의 제어 장치에 있어서,
상기 공연비 센서는, 공연비의 검출 대상인 배기 가스가 유입되는 피측 가스실과, 펌프 전류에 따라서 상기 피측 가스실 내의 배기 가스에 대하여 산소의 흡입 및 흡출을 행하는 펌프 셀과, 상기 피측 가스실 내의 공연비에 따라서, 검출되는 기준 셀 출력 전류가 변화되는 기준 셀을 구비하고,
상기 기준 셀은, 상기 피측 가스실 내의 배기 가스에 노출되는 제1 전극과, 기준 분위기에 노출되는 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 배치된 고체 전해질층을 구비하고,
상기 공연비 센서는, 상기 기준 셀의 제1 전극과 제2 전극의 사이에 센서 인가 전압을 인가하는 기준 셀 전압 인가 장치와, 상기 기준 셀의 제1 전극과 제2 전극의 사이에 흐르는 전류를 상기 기준 셀 출력 전류로서 검출하는 기준 셀 출력 전류 검출 장치와, 상기 기준 셀 출력 전류 검출 장치에 의해 검출된 기준 셀 출력 전류가 목표 전류값이 되도록 펌프 셀에서 흐르는 펌프 전류를 제어하는 펌프 전류 제어 장치와, 상기 펌프 전류를 상기 센서 출력 전류로서 검출하는 펌프 전류 검출 장치를 구비하고,
상기 펌프 전류 제어 장치에 있어서의 목표 전류는 0인, 내연 기관의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 공연비 센서는 확산 율속층을 더 구비하고, 상기 확산 율속층은, 상기 기준 셀의 제1 전극이 당해 확산 율속층을 통해 피측 가스실 내의 배기 가스에 노출되도록 배치되는, 내연 기관의 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 공연비 센서는 상기 제2 전극이 노출된 대기실을 더 구비하고, 상기 기준 분위기는 대기이며, 상기 대기실은 대기를 도입할 수 있도록 구성되는, 내연 기관의 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 펌프 셀은, 상기 피측 가스실 내의 배기 가스에 노출되는 제3 전극과, 상기 공연비 센서 주위의 배기 가스에 노출되는 제4 전극과, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극의 사이에 배치된 고체 전해질층을 구비하고, 상기 펌프 전류 제어 장치는, 상기 펌프 셀의 고체 전해질층을 통해 상기 제3 전극과 제4 전극의 사이에서 흐르는 펌프 전류를 제어하는, 내연 기관의 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기준 셀은, 피측 가스실 내의 배기 가스의 공연비에 따라서 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 센서 인가 전압이 변화됨과 함께, 상기 배기 가스가 이론 공연비일 때 당해 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압을 증대시키면 이에 수반하여 기준 셀 출력 전류가 증대되도록 구성되어 있으며,
상기 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압은 일정 전압으로 고정되고, 상기 일정 전압은, 상기 피측 가스실 내의 배기 가스의 공연비가 이론 공연비일 때 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압인, 내연 기관의 제어 장치.
제5항에 있어서,
상기 내연 기관은, 상기 공연비 센서보다도 배기 흐름 방향 상류측에 있어서 상기 배기 통로에 설치된 산소를 흡장 가능한 배기 정화 촉매를 구비하고,
상기 기관 제어 장치는, 상기 공연비 센서의 센서 출력 전류가 이론 공연비보다도 낮은 농후 판정 공연비에 대응하는 농후 판정 기준값 이하로 되었을 때, 상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량보다도 적은 소정의 흡장량으로 될 때까지, 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 하는 산소 흡장량 증가 수단과, 상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 상기 소정의 흡장량 이상으로 되었을 때, 상기 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량에 달하지 않고 0을 향해 감소하도록, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 하는 산소 흡장량 감소 수단을 구비하는, 내연 기관의 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기준 셀은, 피측 가스실 내의 배기 가스의 공연비에 따라서 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 센서 인가 전압이 변화됨과 함께, 상기 배기 가스가 이론 공연비일 때 당해 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압을 증대시키면 이에 수반하여 기준 셀 출력 전류가 증대되도록 구성되어 있으며,
상기 기준 셀에 있어서의 센서 인가 전압은 일정 전압으로 고정되고, 상기 일정 전압은, 상기 피측 가스실 내의 배기 가스의 공연비가 이론 공연비일 때에 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압과는 다른 전압이며 또한 상기 배기 가스의 공연비가 이론 공연비와는 다른 공연비일 때 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압인, 내연 기관의 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 기준 셀은, 각 배기 공연비마다 상기 기준 셀 출력 전류가 한계 전류로 되는 전압 영역인 한계 전류 영역을 갖도록 구성되어 있으며,
상기 일정 전압은, 배기 공연비가 이론 공연비일 때의 상기 한계 전류 영역 내의 전압인, 내연 기관의 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 내연 기관은, 상기 공연비 센서보다도 배기 흐름 방향 상류측에 있어서 상기 배기 통로에 설치된 산소를 흡장 가능한 배기 정화 촉매를 구비하고,
상기 일정 전압은, 배기 공연비가 이론 공연비보다도 농후한 소정 공연비일 때 상기 기준 셀 출력 전류가 0으로 되는 전압으로 되는, 내연 기관의 제어 장치.
제9항에 있어서,
상기 기관 제어 장치는, 상기 공연비 센서의 센서 출력 전류가 0 이하로 되었을 때, 상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량보다도 적은 소정의 흡장량으로 될 때까지, 상기 배기 정화 촉매에 유입되는 배기 가스의 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 희박하게 하는 산소 흡장량 증가 수단과, 상기 배기 정화 촉매의 산소 흡장량이 상기 소정의 흡장량 이상으로 되었을 때, 상기 산소 흡장량이 최대 산소 흡장량에 달하지 않고 0을 향해 감소하도록, 상기 목표 공연비를 계속적 또는 단속적으로 이론 공연비보다도 농후하게 하는 산소 흡장량 감소 수단을 구비하는, 내연 기관의 제어 장치.
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