エンジンの空燃比制御装置
【課題】燃料性状を自動的に判定して、燃料性状に応じた空燃比の最適制御を実行する装置を提供する。
【解決手段】エンジンの空燃比制御装置は、エンジンの排気通路（１２）に設けた、ヒータ（２２０）を内蔵する空燃比センサ（２０）と、空燃比センサ出力に基づいて排気ガス中の空燃比が最適値に収束するようにエンジン（１）の燃料噴射量を制御する制御手段（１０）と、基準燃料使用時の空燃比センサ（２０）の始動時出力特性を基準値として記憶する記憶手段（１０４）と、任意の性状を有する燃料の使用時において、空燃比センサの始動時出力特性を取得するセンサ出力取得手段と、センサ出力取得手段によって取得した始動時出力特性を記憶された基準値と比較して使用中の燃料の性状を判定する燃料性状判定手段と、燃料性状判定手段の判定結果に基づいて、制御手段（１０）における制御に補正を加える補正手段と、を備える。
【解決手段】エンジンの空燃比制御装置は、エンジンの排気通路（１２）に設けた、ヒータ（２２０）を内蔵する空燃比センサ（２０）と、空燃比センサ出力に基づいて排気ガス中の空燃比が最適値に収束するようにエンジン（１）の燃料噴射量を制御する制御手段（１０）と、基準燃料使用時の空燃比センサ（２０）の始動時出力特性を基準値として記憶する記憶手段（１０４）と、任意の性状を有する燃料の使用時において、空燃比センサの始動時出力特性を取得するセンサ出力取得手段と、センサ出力取得手段によって取得した始動時出力特性を記憶された基準値と比較して使用中の燃料の性状を判定する燃料性状判定手段と、燃料性状判定手段の判定結果に基づいて、制御手段（１０）における制御に補正を加える補正手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、限界電流式の空燃比センサを使用したエンジンの空燃比制御装置に関し、特に燃料性状の相違を自動的に検出し、検出した燃料性状に応じて最適制御を行うことが可能な、エンジンの空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、環境意識の高まりから、車両燃料としてアルコールとガソリンの混合燃料が注目されている。ガソリン燃料に混合するアルコール濃度は、１００％から３％程度と様々であり、従って、このような種々の性状の燃料に適応可能なエンジン、およびそのエンジンを使用する自動車の開発が急がれている。
【０００３】
燃料性状の相違は、エンジンの空燃比制御に大きな影響を及ぼす。例えば、ガソリン１００％の燃料では理論空燃比は１４．５であり、アルコール％の場合は８．９である。従って、ガソリン１００％の燃料に対して設計された空燃比制御システムに対し、アルコールが混合された燃料を使用すると、空燃比制御が最適化されず、エミッションが悪化しかつ燃費が低下する事態を発生させる。
【０００４】
従って、従来から燃料性状を自動的に検出して、検出した燃料性状に適応した空燃比制御を実施する試みが種々行われている。例えば、特許文献１に記載の発明では、燃料タンクに燃料の性状を検出する燃料性状センサを設け、このセンサの出力から燃料の性状、即ち、燃料が重質であるか軽質であるかを判定し、判定結果を空燃比制御に反映させるようにしている。
【０００５】
特許文献２に記載の発明では、燃料タンク内にアルコール濃度センサを設け、この濃度センサの出力によってガソリン燃料中のアルコール濃度を検出し、その結果を空燃比制御に反映させている。
【０００６】
しかしながら、これらの技術では、燃料性状の検出に特別のセンサを設ける必要があり、センサのコストが高くつく欠点がある。また、燃料性状センサでは、センサの構造によって決まる特定の燃料性状しか判定できないため、アルコール混合燃料のように幅広い混合比を有する燃料の場合、その全てを１個の燃料性状センサによって判定可能とすることは困難である。
【０００７】
特許文献３に記載の発明では、空燃比センサの活性化後、空燃比フィードバック制御が開始されてから空燃比がストイキに収束されるまでの間に、空燃比センサの出力状態に基づいて空燃比フィードバック制御の積分分を可変にすることにより、燃料性状センサを設けることなく燃料性状に応じた制御を可能としている。
【０００８】
しかしながら、特許文献３の技術では、空燃比センサが活性化し空燃比フィードバック制御が開始された後の処理であり、燃料性状の相違によるフィードバック制御開始タイミングのずれにまで対処することができない。
【０００９】
なお、エンジンの空燃比制御システムでは、排気ガス中のエミッションを低減するために、エンジン始動後直ちに空燃比フィードバック制御を開始することが重要であり、特許文献４では、そのために、エンジン始動時にヒータに通電して空燃比センサを早期に活性化する技術を開示している。
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２６４７９６
【特許文献２】特開２００４−３０８４２９
【特許文献３】特開２００６−０２９１１２
【特許文献４】特開２００５−２８２４５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明では、燃料性状の相違をエンジン始動時の早い段階で自動的に検出して、検出した燃料性状に合わせて空燃比の最適制御を選択することが可能な、エンジンの空燃比制御装置を提供することを、その課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために、エンジンの排気通路に設けた、ヒータを内蔵する空燃比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて排気ガス中の空燃比が最適値に収束するように前記エンジンの燃料噴射量を制御する制御手段と、基準燃料使用時の前記空燃比センサの始動時出力特性を基準値として記憶する記憶手段と、任意の性状を有する燃料の使用時において、前記空燃比センサの始動時出力特性を取得するセンサ出力取得手段と、前記センサ出力取得手段によって取得した始動時出力特性を前記記憶された基準値と比較して使用中の燃料の性状を判定する燃料性状判定手段と、前記燃料性状判定手段の判定結果に基づいて、前記制御手段における制御に補正を加える補正手段と、を備える、エンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１３】
上記エンジンの空燃比制御装置において、前記基準値は、前記空燃比センサの暖機開始時のコールドシュートにおける特性に基づいて決定しても良い。
【００１４】
また、前記基準値は、前記コールドシュートにおける出力リッチ期間の積分値、最大リッチ出力値、予め決定した所定出力までの回復期間、予め決定した所定時間における出力値、の少なくとも一つに基づいて決定しても良い。
【００１５】
さらに、エンジンの吸気温センサ、水温センサ、ソーク時間検出手段を設け、前記基準値は、これらのセンサによって検出されるエンジンの吸気温度、水温、ソーク時間、さらに初期Ａ／Ｆ値の関数として定義しても良い。
【００１６】
また、前記補正手段は、検出された燃料性状に基づいて、燃料噴射量の補正、空燃比センサ出力−λ特性の補正、前記ヒータによる加熱制御の補正、フィードバック制御開始タイミングの変更、の少なくとも一つを行うようにしても良い。
【００１７】
また、基準燃料としては、ガソリン１００％燃料としても良い。
【発明の効果】
【００１８】
限界電流式空燃比センサでは、エンジンが始動されセンサの暖機が開始されると、その出力が実際の排気ガスのＡ／Ｆ値（実Ａ／Ｆ）と比べてリッチ側にずれて出力される、いわゆるコールドシュートと呼ばれる現象を起こす。コールドシュートにおける出力のリッチずれは、暖機の進行と共に拡大し、その後回復して実Ａ／Ｆに収束する。コールドシュートの大きさ、回復時間などは、使用する燃料の性状によって大きく相違する。
【００１９】
従って、基準燃料使用時のリッチずれの大きさ、回復時間などを基準値として記憶しておき、任意の性状の燃料を使用してエンジンを駆動する場合に、暖機開始時の空燃比センサ出力をこの基準値と比較することによって、使用中の燃料の性状を自動的にかつ速やかに判定することができる。
【００２０】
燃料性状の判定後、空燃比制御において燃料性状に応じた適正な補正を加えることで、どのような性状の燃料を用いた場合であっても、燃費の低下およびエミッションの悪化を招くことなく、エンジンを最適駆動することが可能となる。
【００２１】
なお、コールドシュートは空燃比センサの暖機開始後の早期に発生し、空燃比センサのフィードバック制御の開始タイミングは、通常、コールドシュートの回復後である。従って本発明では、空燃比センサの暖機の早期、特にフィードバック制御の開始タイミング以前に燃料性状を知ることができるので、燃料性状に適した空燃比制御を早い段階から実施することが可能となり、エミッションの悪化、燃費の低下を効果的に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の空燃比制御装置を自動車用エンジンに適用した場合の全体構成を示す概略図である。図１において、１はエンジン、２は吸気通路、３はスロットル弁を示す。スロットル弁３の上流側にはエアクリーナ（図示せず）が設けられている。スロットル弁３の軸の一端にはスロットル弁３を駆動するアクチュエータ４が設けられており、他端にはスロットル弁３の開度を検出するスロットル開度センサ５が設けられている。また、吸気経路２にはエンジン１に導入する外気の温度を測定するための吸気温センサ６が設けられている。
【００２３】
７はスロットル弁３の下流側の吸気通路２に設けられたサージタンク、８はサージタンク７の下流側に設けられ、気筒毎に燃料供給系から加圧燃料を吸気ポートへ供給するための燃料噴射弁である。スロットル開度センサ５の出力と吸気センサ６の出力は、マイクロコンピュータを内蔵したＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）１０に入力される。
【００２４】
また、９はエンジン１のシリンダブロックの冷却水通路を示し、この通路９には冷却水の温度を検出するための水温センサ１１が設けられている。水温センサ１１は冷却水の温度に応じた電気信号を発生する。排気通路１２には、排気ガス中の３つの有害成分ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄化する三元触媒コンバータ（図示せず）が設けられており、この触媒コンバータの上流側の排気通路１２には、限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサ）２０が設けられている。
【００２５】
これら水温センサ１１、Ａ／Ｆセンサ２０の出力は、スロットル開度センサ５および吸気センサ６の出力と同様に、ＥＣＵ１０に入力される。なお、Ａ／Ｆセンサ２０には後述するようにヒータが内蔵されており、このヒータはＥＣＵ１０からの指令によって駆動されてＡ／Ｆセンサ２０を暖機し、一定の活性温度に維持する。
【００２６】
更に、このＥＣＵ１０には、アクセルペダルに取り付けられたアクセル踏込量センサ（図示せず）からのアクセル踏込量信号（アクセル開度信号）１４や、図示しないディストリビュータに取り付けられたクランク角センサからのエンジン回転数信号１５が入力される。
【００２７】
そして、エンジン１の燃焼室にはＥＣＵ１０によって点火制御される点火プラグ１６が設けられており、ＥＣＵ１０はエンジン１の運転状態に応じてこの点火プラグ１６の点火時期や点火時間を制御することができる。
【００２８】
以上のように構成されたエンジン１において、図示しないイグニッションスイッチがオンされると、ＥＣＵ１０が通電されてプログラムが起動し、各センサからの出力を取り込み、スロットル弁３を開閉するアクチュエータ４や燃料噴射弁８、或いはその他のアクチュエータを制御すると共に、Ａ／Ｆセンサ２０を暖機し活性温度に維持するためにヒータへの通電を制御する。
【００２９】
ＥＣＵ１０には、各種センサからのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）が含まれ、さらに、各種センサからの入力ディジタル信号や各アクチュエータを駆動する信号が入出力される入出力インタフェース１０１、演算処理を行うＣＰＵ１０２、演算結果を一時保管するためのＲＡＭ１０３、空燃比を最適制御するための各種プログラムを格納するＲＯＭ１０４、クロック１０５等が設けられており、これらはバス１０６で相互に接続されている。ＥＣＵ１０の構成については公知であるので、ここでは詳細に説明しない。
【００３０】
図２は、限界電流式Ａ／Ｆセンサ２０の構造を示す図であって、センサの軸方向に直交する方向の断面を示している。Ａ／Ｆセンサ２０は、ジルコニア等を材料とする酸素イオン伝導性の固体電解質層２０２と、固体電解質層２０２上に形成された多孔質の拡散層２０４、拡散層２０４上に形成されたアルミナ等を材料とする第１の遮蔽層２０６、さらに固体電解質層２０２の拡散層２０４が形成された表面とは反対側の表面上に形成されたアルミナ等を材料とする第２の遮蔽層２０８および遮蔽層２０８の下側に設けられた加熱基板２１０を備えている。
【００３１】
拡散層２０４には排気ガスを導入するための第１のチャンバ２１２を構成する空間が設けられ、第２の遮蔽層２０８には基準ガスとして大気を導入するための第２のチャンバ２１４を構成する空間が設けられている。従って、第１のチャンバ２１２は、固体電解質層２０２と拡散層２０４および第１の遮蔽層２０６によって区画される空間であり、第２のチャンバ２１４は、固体電解質層２０２と第２の遮蔽層２０８によって区画される空間となる。
【００３２】
第１のチャンバ２１２内の固体電解質層２０２の表面には、排気ガス測定用の第１の電極２１６が、第２のチャンバ２１４内の固体電解質２０２の表面には、基準ガス測定用の第２の電極２１８が設けられている。第１、第２の電極は通常、白金で構成される。また、加熱基板２１０上には通電によって発熱するヒータ２２０が適宜設けられている。
【００３３】
さらに、多孔質拡散層２０４の外表面には触媒金属を含むトラップ層２２２が設けられている。排気ガスはトラップ層２２２によってトラップされ、多孔質拡散層２０４を介して第１のチャンバ２１２に導入され、排気ガス測定用の第１の電極２１６に到達する。トラップ層２２２は触媒となる貴金属を含んでいるので、排気ガス中に含まれる水素ガスが酸素ガスと反応して燃焼し、その結果、第１のチャンバ２１２内に多量の水素ガスが導入されることが防止される。
【００３４】
図３のグラフは、限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）２０の暖機時の出力特性を示す。グラフの縦軸はセンサ出力Ａ／Ｆを、横軸は暖機開始時からの時間（Ｔ）をそれぞれ任意スケールで示している。曲線Ａはエンジンを駆動するための燃料がガソリン１００％である場合のＡ／Ｆセンサ２０の出力特性を、曲線Ｂはアルコール混合燃料の場合のＡ／Ｆセンサ２０の出力特性を示す。直線Ｃは、排気経路１２における実際のＡ／Ｆ値（実Ａ／Ｆ）のレベルを示し、曲線ＤはＡ／Ｆセンサ２０の素子温度の変化を示している。なお、素子温度Ｄの場合グラフの縦軸は温度を示している。
【００３５】
図３に示すように、Ａ／Ｆセンサ２０の出力は、エンジンの起動時において実Ａ／Ｆ値よりも低く（リッチ側）、Ａ／Ｆセンサの暖機に伴ってさらに低下し、その後回復して実Ａ／Ｆ値に収束する。図示するような暖機時センサ出力特性における出力の急激な落ち込みを、コールドシュートと呼んでいる。このようなコールドシュートは、自動車がエンジンを停止した間に、排気管中に残存した未然ガス中に含まれる有機物がセンサ素子に付着し、エンジンの始動時、センサの暖機開始に伴ってこのような有機物が電極周辺の酸素ガス（Ｏ２）と反応し雰囲気をリッチの状態とすることによって発生するものと考えられる。なお、コールドシュートの発生メカニズムについては、図７を参照して後述する。
【００３６】
このようなコールドシュートは、素子に付着した有機物が燃焼して消滅するまで続く。また、燃料性状の相違によって未然ガス中に含まれる有機物の種類、量が相違するので、コールドシュートにおける出力ずれ、回復までの時間は燃料性状の相違に対応して相違する。アルコール燃料では低成分ガスが多いために、ガソリン燃料の場合よりもコールドシュートにおける出力ずれが大きくなり、回復までの時間が長くなることが分かる。
【００３７】
その結果、センサ素子の温度は充分加熱され、活性温度に達しているにも関わらず、センサ素子出力は安定していない状況が発生する。このような場合、例えばセンサ素子の温度で活性状態を判定し、タイミングＴ１でＡ／Ｆセンサのフィードバック制御を開始するように設計された自動車では、これにアルコール混合燃料が補給された場合、コールドシュートにおける出力ずれの回復が遅くなるために、タイミングＴ１でフィードバック制御を開始すると空燃比制御がうまく実行されず、その結果、燃費およびエミッションが悪化する。
【００３８】
一方、アルコール混合燃料での出力ずれが充分回復したタイミングＴ２をフィードバック制御開始タイミングとして設計した場合、ガソリン燃料を補給するとフィードバック制御の開始が送れ、その分エミッションの悪い状態が長く続く。エンジンの空燃比制御を、燃料性状に合わせて適切に補正すれば、このような事態は避けることができる。
【００３９】
本発明の空燃比制御装置では、燃料性状の相違による上記のようなコールドシュートの相違を利用して燃料中のアルコール濃度を自動的に検出することで、燃料性状に応じた適切なフィードバック制御の実行を可能としている。即ち、本発明の一実施形態では、システムが、ガソリン１００％燃料によるコールドシュートの少なくとも一つの特徴を基本値Ｓとして記憶しておき、エンジンの起動時に求めた基本値に対応する値Ｓ’との比較において燃料性状を特定し、特定した燃料性状に適したフィードバック制御を行うようにしている。
【００４０】
なお、基本値Ｓを取得する燃料性状は予め任意に決定することが可能で、ガソリン１００％の燃料ではなく、例えばアルコール１００％の燃料であっても良い。ここでは、基本値Ｓを取得する燃料を基準燃料と呼ぶ。
【００４１】
なお、コールドシュートは、燃料性状が同じであってもエンジンのソーク期間、エンジン始動時の水温、外気温度等の環境要因、さらに始動時Ａ／Ｆ等をパラメータとして変化するので、基本値Ｓはこれらのパラメータに対応して特定する必要がある。具体的には、これらのパラメータのそれぞれの値に対して基本値Ｓを特定したマップを形成し、あるいは推定式を立てておく。このマップ、あるいは推定式は、ＥＣＵ１０のＲＯＭ１０６内に格納される。
【００４２】
図４は、ガソリン１００％の燃料において、基本値Ｓを特定するための種々のパラメータＰ１〜Ｐ４を示す。また、以下の表１は、パラメータＰ１〜Ｐ４の意味を示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
なお、図４に示す例では、パラメータＰ２は、コールドシュートの出力ずれの最大値とセンサ出力における初期Ａ／Ｆ値との差を示し、パラメータＰ３における所定出力は初期Ａ／Ｆ値であり、パラメータＰ４における所定時間は、センサ出力が初期Ａ／Ｆ値から低下してその後初期Ａ／Ｆ値に戻るまでの時間を示している。
【００４５】
なお、基本値Ｓを特定するパラメータは、パラメータＰ１〜Ｐ４のいずれか一つを用いても良いし、あるいはこれらのパラメータの適宜な組合せを用いても良い。また、燃料性状は、基準値Ｓに対応する測定値と燃料性状との関係を予め求めておくことで、容易に決定される。この関係は、ＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４等に記憶しておいても良い。
【００４６】
図５は、本発明の一実施形態にかかる空燃比センサの制御手順を示すフローチャートである。この制御手順は、ＥＣＵ１０に内蔵されるＲＯＭ１０４にプログラムとして書き込まれ、ＣＰＵ１０２において実行される。まず、ステップＳ１でエンジンが始動されたか否かが判定される。この判定は、例えばＥＣＵ１０においてイグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンとされたか否かを検出することによって行われる。エンジンの始動を検出しない場合（ステップＳ１のＮＯ）は、ステップＳ２以下の処理は実行されない。
【００４７】
ステップＳ１でＹＥＳの場合、即ちエンジンが始動される、ステップＳ２でエンジンのソーク時間、始動時水温、外気温度、初期Ａ／Ｆが取得される。ソーク時間は、ＥＣＵ１０内に設けたソーク時間タイマ（図示せず）によって検出される。始動時水温は、エンジン１のシリンダブロックの冷却水通路９に設けた水温センサ１１（図１参照）によって検出され、外気温度はエンジン１の吸気通路２に設けた吸気温センサ６（図１参照）によって検出される。初期Ａ／Ｆは、Ａ／Ｆセンサ２０の出力をＥＣＵ１０において監視していることによって検出される。
【００４８】
ステップＳ２でソーク時間、始動時水温、外気温度が取得されると、ステップＳ３でこれらの取得値に対応する基本値Ｓを取得する。基本値Ｓは、ＥＣＵ１０内のＲＯＭ１０４に記憶されているマップを参照することによって取得される。なお、表１を参照して説明したように、基本値ＳはパラメータＰ１〜Ｐ４のいずれか、あるいは複数の組合せである。基本値Ｓは、ＲＯＭ１０４内に記憶された推定式をＣＰＵ１０２において実行することにより求めるようにしても良い。
【００４９】
ステップＳ３で基本値Ｓが取得されると、ステップＳ４でＡ／Ｆセンサのヒータに通電し、センサの暖機を開始する。ステップＳ５ではＡ／Ｆセンサの出力を取り込む。Ａ／Ｆセンサの出力の取り込みは、ＥＣＵ１０においてＡ／Ｆセンサ２０の出力を監視することにより行われる。ステップＳ６で、取り込んだセンサ出力と基本値Ｓとを比較することによって、燃料性状を判定する。
【００５０】
即ち、取り込んだセンサ出力から、基本値Ｓを特定するパラメータに対応する値を検出し、その値を基本値Ｓと比較する。燃料中のアルコール濃度が増加すると、１）積分値Ｐ１、２）最大チッリ出力値Ｐ２、３）回復時間Ｐ３がそれぞれ増加し、４）所定時間での出力値Ｐ４はリッチ側出力となる。なお、センサ出力取り込み値と基本値Ｓとの差に対応するガソリン燃料中のアルコール濃度は、予めＲＯＭ１０４内に登録されているので、燃料性状はこの登録値を参照して決定される。
【００５１】
以上のようにして、取り込んだセンサ出力から燃料性状が判定されると、ステップＳ７において、燃料性状に応じた空燃比の最適制御を選択し、実行する。空燃比の最適制御実行は、具体的には、１）燃料噴射量の補正、２）センサ出力補正、３）センサ出力ずれ低減、および４）フィードバック開始タイミングの変更等を行う。これらは、単独で実行されても良く、あるいは適宜な組合せにおいて実行されても良い。
【００５２】
以下に、各補正について具体的に説明する。
【００５３】
［燃料噴射量の補正］
理論空燃比はガソリン１００％燃料の場合、約１４．５、アルコール１００％燃料の場合、約８．９となる。従って、燃料中のアルコール濃度が高くなる従って、燃料噴射量の増量補正を実施する。
【００５４】
［センサ出力補正］
燃料中のアルコール濃度が高くなるについて、排気ガス中の低成分ガス濃度が高くなるため、［センサ出力−λ］特性が変化する。図６は、起動時センサ出力特性を、センサ出力（横軸）とλ（縦軸）との関係で示したグラフである。なお、λは、目標空燃比と理論空燃比の比を示す。図６の実線Ｅはアルコール燃料の起動時センサ出力特性を示し、破線Ｆはガソリン燃料の起動時センサ出力特性を示す。図示するように、アルコール燃料の場合、ガソリン燃料に比べてλの値が高くなる傾向がある。従って、図５のフローチャートにおけるステップＳ６で燃料性状が判定されると、その燃料性状に応じた［センサ出力−λ］特性を選択し、その特性に従って空燃比の最適制御を実行する。
【００５５】
［センサ出力ずれ低減］
図４に示す何れのパラメータを用いる場合であっても、燃料中のアルコール濃度が上昇すると、燃料性状の判定後であってもセンサ出力のリッチずれが残っている。従って、センサ出力の早期安定化を狙うために、センサ素子の温度を瞬間的に上昇させる処理を行う。これによって、センサ内に付着した有機物の反応が促進され、リッチずれが早期に回復する。
【００５６】
［フィードバック制御開始タイミングの変更］
燃料性状によって、コールドシュートからの回復時間が異なるため、センサ出力以外でセンサの活性判断をしている場合、回復時間に合わせてフィードバック制御の実行タイミングを調整する。即ち、図３のグラフにおいて、ガソリン１００％燃料の場合、最適にはタイミングＴ２においてフィードバック制御を開始するが、アルコール濃度に応じて、例えばタイミングＴ３のように、フィードバック制御の開始タイミングを遅らせる。
【００５７】
なお、以下にコールドシュート発生のメカニズムについて、簡単に説明する。
【００５８】
図７は、エンジンのソーク時におけるＡ／Ｆセンサ２０の状態を示す図である。エンジンを停止した場合、排気管中の残存未然ガスに含まれる有機物３０がＡ／Ｆセンサ素子２０内部、即ち多孔質拡散層２０２中に付着する。エンジンの次の始動時にＡ／Ｆセンサ２０を活性化するために暖機する（ヒータ２２０（図２参照）によって加熱する）と、多孔質拡散層２０２中に残存した有機物３０と電極２１８周辺の酸素との反応が促進され、電極２１８の周辺は急速に、実雰囲気よりも酸素の少ない状態に落ち込む。その後、暖機の進行によって残存有機物３０が燃焼し消滅すると、リッチずれが解消され、Ａ／Ｆセンサ出力は実Ａ／Ｆ値に一致するようになる。
【００５９】
図３に示したコールドシュートの大きさおよび継続時間は、エンジンのソーク時間、エンジン始動時の水温、外気温度、初期Ａ／Ｆ値などによって変化するが、上述したように、燃料性状によっても大きく変化する。その理由は、次のように考えられる。即ち、ソーク時に多孔質拡散層２に付着した未然ガス中の有機物３０を燃焼によって消滅させるためには、酸素（Ｏ２）ガスが必要である。酸素ガスは水素（Ｈ２）ガスよりも拡散速度が遅いため、Ｈ２、ＣＯ等の低成分ガスを多く含むアルコール燃料では有機物３０のＯ２ガスによる燃焼が遅れ、電極２１８付近のリッチ出力が大きくなるとともに、リッチ状態からの回復時間が長くなり、コールドシュートを顕著にする。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態にかかるエンジンの空燃比制御装置を組み込んだエンジン全体を示す概略構成図。
【図２】限界電流式空燃比センサの構造を示す概略断面図。
【図３】限界電流式空燃比センサの起動時出力特性を示す図。
【図４】限界電流式空燃比センサの起動時出力特性におけるコールドシュートを特定するためのパラメータを説明するための図。
【図５】本発明の一実施形態にかかるエンジンの空燃比制御装置の動作手順を示すフローチャート。
【図６】燃料性状の相違による限界電流式空燃比センサの出力−λ特性の相違を説明するための図。
【図７】限界電流式空燃比センサにおけるコールドシュート発生原因の説明に供する図。
【符号の説明】
【００６１】
１ エンジン
２ 吸気通路
６ 吸気センサ
８ 燃料噴射弁
９ 冷却水通路
１０ ＥＣＵ
１１ 冷却水センサ
１２ 排気通路
２０ 限界電流式空燃比センサ
３０ 有機物
１０１ 入出力インタフェース
１０２ ＣＰＵ
１０３ ＲＡＭ
１０４ ＲＯＭ
１０５ クロック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、限界電流式の空燃比センサを使用したエンジンの空燃比制御装置に関し、特に燃料性状の相違を自動的に検出し、検出した燃料性状に応じて最適制御を行うことが可能な、エンジンの空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、環境意識の高まりから、車両燃料としてアルコールとガソリンの混合燃料が注目されている。ガソリン燃料に混合するアルコール濃度は、１００％から３％程度と様々であり、従って、このような種々の性状の燃料に適応可能なエンジン、およびそのエンジンを使用する自動車の開発が急がれている。
【０００３】
燃料性状の相違は、エンジンの空燃比制御に大きな影響を及ぼす。例えば、ガソリン１００％の燃料では理論空燃比は１４．５であり、アルコール％の場合は８．９である。従って、ガソリン１００％の燃料に対して設計された空燃比制御システムに対し、アルコールが混合された燃料を使用すると、空燃比制御が最適化されず、エミッションが悪化しかつ燃費が低下する事態を発生させる。
【０００４】
従って、従来から燃料性状を自動的に検出して、検出した燃料性状に適応した空燃比制御を実施する試みが種々行われている。例えば、特許文献１に記載の発明では、燃料タンクに燃料の性状を検出する燃料性状センサを設け、このセンサの出力から燃料の性状、即ち、燃料が重質であるか軽質であるかを判定し、判定結果を空燃比制御に反映させるようにしている。
【０００５】
特許文献２に記載の発明では、燃料タンク内にアルコール濃度センサを設け、この濃度センサの出力によってガソリン燃料中のアルコール濃度を検出し、その結果を空燃比制御に反映させている。
【０００６】
しかしながら、これらの技術では、燃料性状の検出に特別のセンサを設ける必要があり、センサのコストが高くつく欠点がある。また、燃料性状センサでは、センサの構造によって決まる特定の燃料性状しか判定できないため、アルコール混合燃料のように幅広い混合比を有する燃料の場合、その全てを１個の燃料性状センサによって判定可能とすることは困難である。
【０００７】
特許文献３に記載の発明では、空燃比センサの活性化後、空燃比フィードバック制御が開始されてから空燃比がストイキに収束されるまでの間に、空燃比センサの出力状態に基づいて空燃比フィードバック制御の積分分を可変にすることにより、燃料性状センサを設けることなく燃料性状に応じた制御を可能としている。
【０００８】
しかしながら、特許文献３の技術では、空燃比センサが活性化し空燃比フィードバック制御が開始された後の処理であり、燃料性状の相違によるフィードバック制御開始タイミングのずれにまで対処することができない。
【０００９】
なお、エンジンの空燃比制御システムでは、排気ガス中のエミッションを低減するために、エンジン始動後直ちに空燃比フィードバック制御を開始することが重要であり、特許文献４では、そのために、エンジン始動時にヒータに通電して空燃比センサを早期に活性化する技術を開示している。
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２６４７９６
【特許文献２】特開２００４−３０８４２９
【特許文献３】特開２００６−０２９１１２
【特許文献４】特開２００５−２８２４５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明では、燃料性状の相違をエンジン始動時の早い段階で自動的に検出して、検出した燃料性状に合わせて空燃比の最適制御を選択することが可能な、エンジンの空燃比制御装置を提供することを、その課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために、エンジンの排気通路に設けた、ヒータを内蔵する空燃比センサと、前記空燃比センサ出力に基づいて排気ガス中の空燃比が最適値に収束するように前記エンジンの燃料噴射量を制御する制御手段と、基準燃料使用時の前記空燃比センサの始動時出力特性を基準値として記憶する記憶手段と、任意の性状を有する燃料の使用時において、前記空燃比センサの始動時出力特性を取得するセンサ出力取得手段と、前記センサ出力取得手段によって取得した始動時出力特性を前記記憶された基準値と比較して使用中の燃料の性状を判定する燃料性状判定手段と、前記燃料性状判定手段の判定結果に基づいて、前記制御手段における制御に補正を加える補正手段と、を備える、エンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１３】
上記エンジンの空燃比制御装置において、前記基準値は、前記空燃比センサの暖機開始時のコールドシュートにおける特性に基づいて決定しても良い。
【００１４】
また、前記基準値は、前記コールドシュートにおける出力リッチ期間の積分値、最大リッチ出力値、予め決定した所定出力までの回復期間、予め決定した所定時間における出力値、の少なくとも一つに基づいて決定しても良い。
【００１５】
さらに、エンジンの吸気温センサ、水温センサ、ソーク時間検出手段を設け、前記基準値は、これらのセンサによって検出されるエンジンの吸気温度、水温、ソーク時間、さらに初期Ａ／Ｆ値の関数として定義しても良い。
【００１６】
また、前記補正手段は、検出された燃料性状に基づいて、燃料噴射量の補正、空燃比センサ出力−λ特性の補正、前記ヒータによる加熱制御の補正、フィードバック制御開始タイミングの変更、の少なくとも一つを行うようにしても良い。
【００１７】
また、基準燃料としては、ガソリン１００％燃料としても良い。
【発明の効果】
【００１８】
限界電流式空燃比センサでは、エンジンが始動されセンサの暖機が開始されると、その出力が実際の排気ガスのＡ／Ｆ値（実Ａ／Ｆ）と比べてリッチ側にずれて出力される、いわゆるコールドシュートと呼ばれる現象を起こす。コールドシュートにおける出力のリッチずれは、暖機の進行と共に拡大し、その後回復して実Ａ／Ｆに収束する。コールドシュートの大きさ、回復時間などは、使用する燃料の性状によって大きく相違する。
【００１９】
従って、基準燃料使用時のリッチずれの大きさ、回復時間などを基準値として記憶しておき、任意の性状の燃料を使用してエンジンを駆動する場合に、暖機開始時の空燃比センサ出力をこの基準値と比較することによって、使用中の燃料の性状を自動的にかつ速やかに判定することができる。
【００２０】
燃料性状の判定後、空燃比制御において燃料性状に応じた適正な補正を加えることで、どのような性状の燃料を用いた場合であっても、燃費の低下およびエミッションの悪化を招くことなく、エンジンを最適駆動することが可能となる。
【００２１】
なお、コールドシュートは空燃比センサの暖機開始後の早期に発生し、空燃比センサのフィードバック制御の開始タイミングは、通常、コールドシュートの回復後である。従って本発明では、空燃比センサの暖機の早期、特にフィードバック制御の開始タイミング以前に燃料性状を知ることができるので、燃料性状に適した空燃比制御を早い段階から実施することが可能となり、エミッションの悪化、燃費の低下を効果的に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の空燃比制御装置を自動車用エンジンに適用した場合の全体構成を示す概略図である。図１において、１はエンジン、２は吸気通路、３はスロットル弁を示す。スロットル弁３の上流側にはエアクリーナ（図示せず）が設けられている。スロットル弁３の軸の一端にはスロットル弁３を駆動するアクチュエータ４が設けられており、他端にはスロットル弁３の開度を検出するスロットル開度センサ５が設けられている。また、吸気経路２にはエンジン１に導入する外気の温度を測定するための吸気温センサ６が設けられている。
【００２３】
７はスロットル弁３の下流側の吸気通路２に設けられたサージタンク、８はサージタンク７の下流側に設けられ、気筒毎に燃料供給系から加圧燃料を吸気ポートへ供給するための燃料噴射弁である。スロットル開度センサ５の出力と吸気センサ６の出力は、マイクロコンピュータを内蔵したＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）１０に入力される。
【００２４】
また、９はエンジン１のシリンダブロックの冷却水通路を示し、この通路９には冷却水の温度を検出するための水温センサ１１が設けられている。水温センサ１１は冷却水の温度に応じた電気信号を発生する。排気通路１２には、排気ガス中の３つの有害成分ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄化する三元触媒コンバータ（図示せず）が設けられており、この触媒コンバータの上流側の排気通路１２には、限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサ）２０が設けられている。
【００２５】
これら水温センサ１１、Ａ／Ｆセンサ２０の出力は、スロットル開度センサ５および吸気センサ６の出力と同様に、ＥＣＵ１０に入力される。なお、Ａ／Ｆセンサ２０には後述するようにヒータが内蔵されており、このヒータはＥＣＵ１０からの指令によって駆動されてＡ／Ｆセンサ２０を暖機し、一定の活性温度に維持する。
【００２６】
更に、このＥＣＵ１０には、アクセルペダルに取り付けられたアクセル踏込量センサ（図示せず）からのアクセル踏込量信号（アクセル開度信号）１４や、図示しないディストリビュータに取り付けられたクランク角センサからのエンジン回転数信号１５が入力される。
【００２７】
そして、エンジン１の燃焼室にはＥＣＵ１０によって点火制御される点火プラグ１６が設けられており、ＥＣＵ１０はエンジン１の運転状態に応じてこの点火プラグ１６の点火時期や点火時間を制御することができる。
【００２８】
以上のように構成されたエンジン１において、図示しないイグニッションスイッチがオンされると、ＥＣＵ１０が通電されてプログラムが起動し、各センサからの出力を取り込み、スロットル弁３を開閉するアクチュエータ４や燃料噴射弁８、或いはその他のアクチュエータを制御すると共に、Ａ／Ｆセンサ２０を暖機し活性温度に維持するためにヒータへの通電を制御する。
【００２９】
ＥＣＵ１０には、各種センサからのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）が含まれ、さらに、各種センサからの入力ディジタル信号や各アクチュエータを駆動する信号が入出力される入出力インタフェース１０１、演算処理を行うＣＰＵ１０２、演算結果を一時保管するためのＲＡＭ１０３、空燃比を最適制御するための各種プログラムを格納するＲＯＭ１０４、クロック１０５等が設けられており、これらはバス１０６で相互に接続されている。ＥＣＵ１０の構成については公知であるので、ここでは詳細に説明しない。
【００３０】
図２は、限界電流式Ａ／Ｆセンサ２０の構造を示す図であって、センサの軸方向に直交する方向の断面を示している。Ａ／Ｆセンサ２０は、ジルコニア等を材料とする酸素イオン伝導性の固体電解質層２０２と、固体電解質層２０２上に形成された多孔質の拡散層２０４、拡散層２０４上に形成されたアルミナ等を材料とする第１の遮蔽層２０６、さらに固体電解質層２０２の拡散層２０４が形成された表面とは反対側の表面上に形成されたアルミナ等を材料とする第２の遮蔽層２０８および遮蔽層２０８の下側に設けられた加熱基板２１０を備えている。
【００３１】
拡散層２０４には排気ガスを導入するための第１のチャンバ２１２を構成する空間が設けられ、第２の遮蔽層２０８には基準ガスとして大気を導入するための第２のチャンバ２１４を構成する空間が設けられている。従って、第１のチャンバ２１２は、固体電解質層２０２と拡散層２０４および第１の遮蔽層２０６によって区画される空間であり、第２のチャンバ２１４は、固体電解質層２０２と第２の遮蔽層２０８によって区画される空間となる。
【００３２】
第１のチャンバ２１２内の固体電解質層２０２の表面には、排気ガス測定用の第１の電極２１６が、第２のチャンバ２１４内の固体電解質２０２の表面には、基準ガス測定用の第２の電極２１８が設けられている。第１、第２の電極は通常、白金で構成される。また、加熱基板２１０上には通電によって発熱するヒータ２２０が適宜設けられている。
【００３３】
さらに、多孔質拡散層２０４の外表面には触媒金属を含むトラップ層２２２が設けられている。排気ガスはトラップ層２２２によってトラップされ、多孔質拡散層２０４を介して第１のチャンバ２１２に導入され、排気ガス測定用の第１の電極２１６に到達する。トラップ層２２２は触媒となる貴金属を含んでいるので、排気ガス中に含まれる水素ガスが酸素ガスと反応して燃焼し、その結果、第１のチャンバ２１２内に多量の水素ガスが導入されることが防止される。
【００３４】
図３のグラフは、限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）２０の暖機時の出力特性を示す。グラフの縦軸はセンサ出力Ａ／Ｆを、横軸は暖機開始時からの時間（Ｔ）をそれぞれ任意スケールで示している。曲線Ａはエンジンを駆動するための燃料がガソリン１００％である場合のＡ／Ｆセンサ２０の出力特性を、曲線Ｂはアルコール混合燃料の場合のＡ／Ｆセンサ２０の出力特性を示す。直線Ｃは、排気経路１２における実際のＡ／Ｆ値（実Ａ／Ｆ）のレベルを示し、曲線ＤはＡ／Ｆセンサ２０の素子温度の変化を示している。なお、素子温度Ｄの場合グラフの縦軸は温度を示している。
【００３５】
図３に示すように、Ａ／Ｆセンサ２０の出力は、エンジンの起動時において実Ａ／Ｆ値よりも低く（リッチ側）、Ａ／Ｆセンサの暖機に伴ってさらに低下し、その後回復して実Ａ／Ｆ値に収束する。図示するような暖機時センサ出力特性における出力の急激な落ち込みを、コールドシュートと呼んでいる。このようなコールドシュートは、自動車がエンジンを停止した間に、排気管中に残存した未然ガス中に含まれる有機物がセンサ素子に付着し、エンジンの始動時、センサの暖機開始に伴ってこのような有機物が電極周辺の酸素ガス（Ｏ２）と反応し雰囲気をリッチの状態とすることによって発生するものと考えられる。なお、コールドシュートの発生メカニズムについては、図７を参照して後述する。
【００３６】
このようなコールドシュートは、素子に付着した有機物が燃焼して消滅するまで続く。また、燃料性状の相違によって未然ガス中に含まれる有機物の種類、量が相違するので、コールドシュートにおける出力ずれ、回復までの時間は燃料性状の相違に対応して相違する。アルコール燃料では低成分ガスが多いために、ガソリン燃料の場合よりもコールドシュートにおける出力ずれが大きくなり、回復までの時間が長くなることが分かる。
【００３７】
その結果、センサ素子の温度は充分加熱され、活性温度に達しているにも関わらず、センサ素子出力は安定していない状況が発生する。このような場合、例えばセンサ素子の温度で活性状態を判定し、タイミングＴ１でＡ／Ｆセンサのフィードバック制御を開始するように設計された自動車では、これにアルコール混合燃料が補給された場合、コールドシュートにおける出力ずれの回復が遅くなるために、タイミングＴ１でフィードバック制御を開始すると空燃比制御がうまく実行されず、その結果、燃費およびエミッションが悪化する。
【００３８】
一方、アルコール混合燃料での出力ずれが充分回復したタイミングＴ２をフィードバック制御開始タイミングとして設計した場合、ガソリン燃料を補給するとフィードバック制御の開始が送れ、その分エミッションの悪い状態が長く続く。エンジンの空燃比制御を、燃料性状に合わせて適切に補正すれば、このような事態は避けることができる。
【００３９】
本発明の空燃比制御装置では、燃料性状の相違による上記のようなコールドシュートの相違を利用して燃料中のアルコール濃度を自動的に検出することで、燃料性状に応じた適切なフィードバック制御の実行を可能としている。即ち、本発明の一実施形態では、システムが、ガソリン１００％燃料によるコールドシュートの少なくとも一つの特徴を基本値Ｓとして記憶しておき、エンジンの起動時に求めた基本値に対応する値Ｓ’との比較において燃料性状を特定し、特定した燃料性状に適したフィードバック制御を行うようにしている。
【００４０】
なお、基本値Ｓを取得する燃料性状は予め任意に決定することが可能で、ガソリン１００％の燃料ではなく、例えばアルコール１００％の燃料であっても良い。ここでは、基本値Ｓを取得する燃料を基準燃料と呼ぶ。
【００４１】
なお、コールドシュートは、燃料性状が同じであってもエンジンのソーク期間、エンジン始動時の水温、外気温度等の環境要因、さらに始動時Ａ／Ｆ等をパラメータとして変化するので、基本値Ｓはこれらのパラメータに対応して特定する必要がある。具体的には、これらのパラメータのそれぞれの値に対して基本値Ｓを特定したマップを形成し、あるいは推定式を立てておく。このマップ、あるいは推定式は、ＥＣＵ１０のＲＯＭ１０６内に格納される。
【００４２】
図４は、ガソリン１００％の燃料において、基本値Ｓを特定するための種々のパラメータＰ１〜Ｐ４を示す。また、以下の表１は、パラメータＰ１〜Ｐ４の意味を示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
なお、図４に示す例では、パラメータＰ２は、コールドシュートの出力ずれの最大値とセンサ出力における初期Ａ／Ｆ値との差を示し、パラメータＰ３における所定出力は初期Ａ／Ｆ値であり、パラメータＰ４における所定時間は、センサ出力が初期Ａ／Ｆ値から低下してその後初期Ａ／Ｆ値に戻るまでの時間を示している。
【００４５】
なお、基本値Ｓを特定するパラメータは、パラメータＰ１〜Ｐ４のいずれか一つを用いても良いし、あるいはこれらのパラメータの適宜な組合せを用いても良い。また、燃料性状は、基準値Ｓに対応する測定値と燃料性状との関係を予め求めておくことで、容易に決定される。この関係は、ＥＣＵ１０のＲＯＭ１０４等に記憶しておいても良い。
【００４６】
図５は、本発明の一実施形態にかかる空燃比センサの制御手順を示すフローチャートである。この制御手順は、ＥＣＵ１０に内蔵されるＲＯＭ１０４にプログラムとして書き込まれ、ＣＰＵ１０２において実行される。まず、ステップＳ１でエンジンが始動されたか否かが判定される。この判定は、例えばＥＣＵ１０においてイグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンとされたか否かを検出することによって行われる。エンジンの始動を検出しない場合（ステップＳ１のＮＯ）は、ステップＳ２以下の処理は実行されない。
【００４７】
ステップＳ１でＹＥＳの場合、即ちエンジンが始動される、ステップＳ２でエンジンのソーク時間、始動時水温、外気温度、初期Ａ／Ｆが取得される。ソーク時間は、ＥＣＵ１０内に設けたソーク時間タイマ（図示せず）によって検出される。始動時水温は、エンジン１のシリンダブロックの冷却水通路９に設けた水温センサ１１（図１参照）によって検出され、外気温度はエンジン１の吸気通路２に設けた吸気温センサ６（図１参照）によって検出される。初期Ａ／Ｆは、Ａ／Ｆセンサ２０の出力をＥＣＵ１０において監視していることによって検出される。
【００４８】
ステップＳ２でソーク時間、始動時水温、外気温度が取得されると、ステップＳ３でこれらの取得値に対応する基本値Ｓを取得する。基本値Ｓは、ＥＣＵ１０内のＲＯＭ１０４に記憶されているマップを参照することによって取得される。なお、表１を参照して説明したように、基本値ＳはパラメータＰ１〜Ｐ４のいずれか、あるいは複数の組合せである。基本値Ｓは、ＲＯＭ１０４内に記憶された推定式をＣＰＵ１０２において実行することにより求めるようにしても良い。
【００４９】
ステップＳ３で基本値Ｓが取得されると、ステップＳ４でＡ／Ｆセンサのヒータに通電し、センサの暖機を開始する。ステップＳ５ではＡ／Ｆセンサの出力を取り込む。Ａ／Ｆセンサの出力の取り込みは、ＥＣＵ１０においてＡ／Ｆセンサ２０の出力を監視することにより行われる。ステップＳ６で、取り込んだセンサ出力と基本値Ｓとを比較することによって、燃料性状を判定する。
【００５０】
即ち、取り込んだセンサ出力から、基本値Ｓを特定するパラメータに対応する値を検出し、その値を基本値Ｓと比較する。燃料中のアルコール濃度が増加すると、１）積分値Ｐ１、２）最大チッリ出力値Ｐ２、３）回復時間Ｐ３がそれぞれ増加し、４）所定時間での出力値Ｐ４はリッチ側出力となる。なお、センサ出力取り込み値と基本値Ｓとの差に対応するガソリン燃料中のアルコール濃度は、予めＲＯＭ１０４内に登録されているので、燃料性状はこの登録値を参照して決定される。
【００５１】
以上のようにして、取り込んだセンサ出力から燃料性状が判定されると、ステップＳ７において、燃料性状に応じた空燃比の最適制御を選択し、実行する。空燃比の最適制御実行は、具体的には、１）燃料噴射量の補正、２）センサ出力補正、３）センサ出力ずれ低減、および４）フィードバック開始タイミングの変更等を行う。これらは、単独で実行されても良く、あるいは適宜な組合せにおいて実行されても良い。
【００５２】
以下に、各補正について具体的に説明する。
【００５３】
［燃料噴射量の補正］
理論空燃比はガソリン１００％燃料の場合、約１４．５、アルコール１００％燃料の場合、約８．９となる。従って、燃料中のアルコール濃度が高くなる従って、燃料噴射量の増量補正を実施する。
【００５４】
［センサ出力補正］
燃料中のアルコール濃度が高くなるについて、排気ガス中の低成分ガス濃度が高くなるため、［センサ出力−λ］特性が変化する。図６は、起動時センサ出力特性を、センサ出力（横軸）とλ（縦軸）との関係で示したグラフである。なお、λは、目標空燃比と理論空燃比の比を示す。図６の実線Ｅはアルコール燃料の起動時センサ出力特性を示し、破線Ｆはガソリン燃料の起動時センサ出力特性を示す。図示するように、アルコール燃料の場合、ガソリン燃料に比べてλの値が高くなる傾向がある。従って、図５のフローチャートにおけるステップＳ６で燃料性状が判定されると、その燃料性状に応じた［センサ出力−λ］特性を選択し、その特性に従って空燃比の最適制御を実行する。
【００５５】
［センサ出力ずれ低減］
図４に示す何れのパラメータを用いる場合であっても、燃料中のアルコール濃度が上昇すると、燃料性状の判定後であってもセンサ出力のリッチずれが残っている。従って、センサ出力の早期安定化を狙うために、センサ素子の温度を瞬間的に上昇させる処理を行う。これによって、センサ内に付着した有機物の反応が促進され、リッチずれが早期に回復する。
【００５６】
［フィードバック制御開始タイミングの変更］
燃料性状によって、コールドシュートからの回復時間が異なるため、センサ出力以外でセンサの活性判断をしている場合、回復時間に合わせてフィードバック制御の実行タイミングを調整する。即ち、図３のグラフにおいて、ガソリン１００％燃料の場合、最適にはタイミングＴ２においてフィードバック制御を開始するが、アルコール濃度に応じて、例えばタイミングＴ３のように、フィードバック制御の開始タイミングを遅らせる。
【００５７】
なお、以下にコールドシュート発生のメカニズムについて、簡単に説明する。
【００５８】
図７は、エンジンのソーク時におけるＡ／Ｆセンサ２０の状態を示す図である。エンジンを停止した場合、排気管中の残存未然ガスに含まれる有機物３０がＡ／Ｆセンサ素子２０内部、即ち多孔質拡散層２０２中に付着する。エンジンの次の始動時にＡ／Ｆセンサ２０を活性化するために暖機する（ヒータ２２０（図２参照）によって加熱する）と、多孔質拡散層２０２中に残存した有機物３０と電極２１８周辺の酸素との反応が促進され、電極２１８の周辺は急速に、実雰囲気よりも酸素の少ない状態に落ち込む。その後、暖機の進行によって残存有機物３０が燃焼し消滅すると、リッチずれが解消され、Ａ／Ｆセンサ出力は実Ａ／Ｆ値に一致するようになる。
【００５９】
図３に示したコールドシュートの大きさおよび継続時間は、エンジンのソーク時間、エンジン始動時の水温、外気温度、初期Ａ／Ｆ値などによって変化するが、上述したように、燃料性状によっても大きく変化する。その理由は、次のように考えられる。即ち、ソーク時に多孔質拡散層２に付着した未然ガス中の有機物３０を燃焼によって消滅させるためには、酸素（Ｏ２）ガスが必要である。酸素ガスは水素（Ｈ２）ガスよりも拡散速度が遅いため、Ｈ２、ＣＯ等の低成分ガスを多く含むアルコール燃料では有機物３０のＯ２ガスによる燃焼が遅れ、電極２１８付近のリッチ出力が大きくなるとともに、リッチ状態からの回復時間が長くなり、コールドシュートを顕著にする。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態にかかるエンジンの空燃比制御装置を組み込んだエンジン全体を示す概略構成図。
【図２】限界電流式空燃比センサの構造を示す概略断面図。
【図３】限界電流式空燃比センサの起動時出力特性を示す図。
【図４】限界電流式空燃比センサの起動時出力特性におけるコールドシュートを特定するためのパラメータを説明するための図。
【図５】本発明の一実施形態にかかるエンジンの空燃比制御装置の動作手順を示すフローチャート。
【図６】燃料性状の相違による限界電流式空燃比センサの出力−λ特性の相違を説明するための図。
【図７】限界電流式空燃比センサにおけるコールドシュート発生原因の説明に供する図。
【符号の説明】
【００６１】
１ エンジン
２ 吸気通路
６ 吸気センサ
８ 燃料噴射弁
９ 冷却水通路
１０ ＥＣＵ
１１ 冷却水センサ
１２ 排気通路
２０ 限界電流式空燃比センサ
３０ 有機物
１０１ 入出力インタフェース
１０２ ＣＰＵ
１０３ ＲＡＭ
１０４ ＲＯＭ
１０５ クロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に設けた、ヒータを内蔵する空燃比センサと、
前記空燃比センサ出力に基づいて排気ガス中の空燃比が最適値に収束するように前記エンジンの燃料噴射量を制御する制御手段と、
基準燃料使用時の前記空燃比センサの始動時出力特性を基準値として記憶する記憶手段と、
任意の性状を有する燃料の使用時において、前記空燃比センサの始動時出力特性を取得するセンサ出力取得手段と、
前記センサ出力取得手段によって取得した始動時出力特性を前記記憶された基準値と比較して使用中の燃料の性状を判定する燃料性状判定手段と、
前記燃料性状判定手段の判定結果に基づいて、前記制御手段における制御に補正を加える補正手段と、を備える、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記基準値は、前記空燃比センサの暖機開始時のコールドシュートにおける特性に基づいて決定されることを特徴とする、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
前記基準値は、前記コールドシュートにおける出力リッチ期間の積分値、最大リッチ出力値、予め決定した所定出力までの回復期間、予め決定した所定時間における出力値、の少なくとも一つに基づいて決定されることを特徴とする、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の装置において、
さらに、エンジンの吸気温センサ、水温センサ、ソーク時間検出手段を有し、前記基準値は、これらのセンサによって検出されるエンジンの吸気温度、水温、ソーク時間、さらに初期Ａ／Ｆ値の関数として定義される、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の装置において、
前記補正手段は、検出された燃料性状に基づいて、燃料噴射量の補正、空燃比センサ出力−λ特性の補正、前記ヒータによる加熱制御の補正、フィードバック制御開始タイミングの変更、の少なくとも一つを行うことを特徴とする、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置において、
前記基準燃料はガソリン１００％燃料であることを特徴とする、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項１】
エンジンの排気通路に設けた、ヒータを内蔵する空燃比センサと、
前記空燃比センサ出力に基づいて排気ガス中の空燃比が最適値に収束するように前記エンジンの燃料噴射量を制御する制御手段と、
基準燃料使用時の前記空燃比センサの始動時出力特性を基準値として記憶する記憶手段と、
任意の性状を有する燃料の使用時において、前記空燃比センサの始動時出力特性を取得するセンサ出力取得手段と、
前記センサ出力取得手段によって取得した始動時出力特性を前記記憶された基準値と比較して使用中の燃料の性状を判定する燃料性状判定手段と、
前記燃料性状判定手段の判定結果に基づいて、前記制御手段における制御に補正を加える補正手段と、を備える、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記基準値は、前記空燃比センサの暖機開始時のコールドシュートにおける特性に基づいて決定されることを特徴とする、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
前記基準値は、前記コールドシュートにおける出力リッチ期間の積分値、最大リッチ出力値、予め決定した所定出力までの回復期間、予め決定した所定時間における出力値、の少なくとも一つに基づいて決定されることを特徴とする、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の装置において、
さらに、エンジンの吸気温センサ、水温センサ、ソーク時間検出手段を有し、前記基準値は、これらのセンサによって検出されるエンジンの吸気温度、水温、ソーク時間、さらに初期Ａ／Ｆ値の関数として定義される、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の装置において、
前記補正手段は、検出された燃料性状に基づいて、燃料噴射量の補正、空燃比センサ出力−λ特性の補正、前記ヒータによる加熱制御の補正、フィードバック制御開始タイミングの変更、の少なくとも一つを行うことを特徴とする、エンジンの空燃比制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置において、
前記基準燃料はガソリン１００％燃料であることを特徴とする、エンジンの空燃比制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１１４９９２（Ｐ２００９−１１４９９２Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８９８９１（Ｐ２００７−２８９８９１）
【出願日】平成１９年１１月７日（２００７．１１．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月７日（２００７．１１．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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