生命科学関連特許情報
| タイトル： | 公開特許公報(A)_制御装置 |
| 出願番号： | 2012181804 |
| 年次： | 2014 |
| IPC分類： | G01N 27/409,G01N 27/04 |
特許情報キャッシュ
樋口 昌吾 安田 和也 JP 2014038072 公開特許公報(A) 20140227 2012181804 20120820 制御装置 ダイハツ工業株式会社 000002967 赤澤 一博 100085338 宮澤 岳志 100148910 樋口 昌吾 安田 和也 G01N 27/409 20060101AFI20140131BHJP G01N 27/04 20060101ALI20140131BHJP JPG01N27/58 BG01N27/04 P 1 2 ＯＬ 8 2G004 2G060 2G004BL06 2G060AA03 2G060AB05 2G060AE19 2G060AF04 2G060AF07 2G060BA01 2G060HB06 2G060KA02 本発明は、内燃機関の空燃比の制御を司る制御装置に関する。 一般に、自動車等の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを酸化／還元して無害化する触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの全てを効率よく浄化するには、排気ガスの空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。そのために、触媒の上流及び／または下流に空燃比センサを配し、空燃比センサの出力信号を用いるフィードバックループを構築して、空燃比をフィードバック制御することが行われている（例えば、下記特許文献を参照）。 空燃比センサの出力特性、換言すれば空燃比の検出の精度は、センサの温度に影響される。特に、空燃比センサがＺｒＯ2（ジルコニア素子）を用いたＯ2センサである場合、３００℃以上の温度にならないと適切に働かない。故に、空燃比センサに電熱線ヒータを付設し、ヒータにより空燃比センサを温めることで、空燃比センサを早期に活性化させるとともにその温度を維持することが通例となっている。 従前は、空燃比センサを温めるヒータに印加する電圧（または、電流）をオープン制御していた。即ち、内燃機関の冷間始動時には印加電圧を１００％の大きさとし、空燃比センサが昇温して活性化した後は、排気通路を流れるガスが低温となる状況（燃料カット中を含む）において印加電圧を３０％の大きさに操作し、排気通路を流れるガスが高温となる状況において印加電圧を０％の大きさに操作するというように、ヒータへの通電と遮断とを反復する制御をしていた。 しかし、このようなオープン制御では、必ずしも空燃比センサの温度が一定に保たれない。空燃比センサの温度がしばしば変動するようであると、排気ガスの空燃比の検出精度が低下してしまい、空燃比を理論空燃比近傍に収束させることが難しくなる。 空燃比センサの温度を安定させるには、空燃比センサの温度の目標値と実際の温度との偏差に応じてヒータへの印加電圧を操作するフィードバック制御を実施することが望ましい。そのためには、空燃比センサの温度を短時間で測定できなければならないが、空燃比センサに応答性の高い温度センサをさらに追加することはコストの騰貴を招く。特開２０１０−１３８８３８号公報 本発明は、空燃比センサの温度を短時間で測定できるようにすることを所期の目的としている。 本発明に係る制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサの温度を測定するものであって、空燃比センサを温めるヒータに電力を供給する電源がある大きさの電圧をヒータに印加している状態でこの電源から流れる電流を計測し、その後、ヒータに印加する電圧を低下させた上で前記電源から流れる電流を計測して、前者の電圧及び電流の値並びに後者の電圧及び電流の値からヒータの抵抗値を算出し、当該抵抗値を基に空燃比センサの温度を推定することを特徴とする。 本発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサの温度を短時間で測定することが可能である。本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。同実施形態における電装系の回路図。同実施形態におけるオルタネータのＩＣレギュレータの回路図。 本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。 吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。 排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。 さらに、排気通路４における触媒４１の上流及び／または下流に、排気通路を流通する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置してある。空燃比センサ４３、４４は、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ2センサであってもよいし、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。何れにせよ、空燃比センサ４３、４４には、これを温めるための電熱線ヒータ５が付随している。 自動車では、内燃機関の出力の一部を利用して発電を行い、その発電した電力を車載のバッテリ１２０に充電するとともに、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０、照明灯、エアコンディショナやラジエータを空冷するファンのモータ、デフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステムといった種々の電気負荷７に供給している。 図２に、電装系の回路図を示す。電気負荷７の各々は、電源であるバッテリ１２０及びオルタネータ１１０に対して並列に接続している。空燃比センサ４３、４４を温めるための電熱線ヒータ５も、同様である。 ヒータ５に関して補足すると、ヒータ５には、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等に代表されるパワーデバイス（電力用半導体素子）を用いた通電回路６を介して通電する。そして、パワーデバイスのスイッチ動作により、ヒータ５への通電をＯＮ／ＯＦＦする。ヒータ５に入力される電力の大きさ、つまりヒータ５による空燃比センサ４３、４４の加熱の度合いは、ヒータ５を流れる電流のＤＵＴＹ比（または、ヒータ５に印加される電圧）に比例して大きくなる。本実施形態の制御装置たるＥＣＵ０は、後述するように空燃比センサ４３、４４の現在の温度を推定するとともに、その温度を所要の目標温度に保つことができるよう、パワーデバイスのスイッチ動作を惹起する点弧信号ｑをパワーデバイスに入力して、ヒータ５に印加する電圧を調節するＰＷＭ制御を行う。 図３に、オルタネータ１１０及びレギュレータ１３０の等価回路を示す。オルタネータ１１０は、ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動機構等を介して内燃機関のクランクシャフトに接続しており、クランクシャフトの回転に従動して回転し発電する。オルタネータ１１０は、ステータに巻回されたステータコイル１１１と、ステータの内側に配置され回転するロータに巻回されたフィールドコイル１１２とを有する。ステータコイル１１１は三相コイルであり、三相交流の誘起電流を発電する。その誘起電流は、レクティファイヤ（整流器）１１３によって直流電流とした上でバッテリ１２０に蓄電する。 オルタネータ１１０が発電し出力する電圧の大きさは、レギュレータ１３０を介して制御される。レギュレータ１３０は、オルタネータ１１０に付帯するＩＣ式の既知のものであり、オルタネータ１１０の出力電圧を少なくとも二段階に切り替えることが可能である。 より詳しく述べると、レギュレータ１３０は、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等に代表されるパワーデバイスを用いた切換回路１３１を介してフィールドコイル１１２に通電する。そして、パワーデバイスのスイッチ動作により、フィールドコイル１１２への通電をＯＮ／ＯＦＦする。オルタネータ１１０の出力電圧、即ちステータコイル１１１に誘起される電圧は、フィールドコイル１１２を流れるフィールド電流のＤＵＴＹ比、即ちｆＤＵＴＹに比例して大きくなる。レギュレータ１３０の電圧制御回路１３２は、ＥＣＵ０からオルタネータ１１０の出力電圧を指令する信号ｌを受け付け、その指令された出力電圧を実現するようにｆＤＵＴＹを調節するＰＷＭ制御を行う。 上記のＰＷＭ制御により、オルタネータ１１０の出力電圧、つまりはオルタネータ１１０の発電電力を増減させることができる。オルタネータ１１０からバッテリ１２０への充電量、及び／または、オルタネータ１１０から種々の電気負荷７への給電量は、ｆＤＵＴＹが高いほど増加し、ｆＤＵＴＹが低いほど減少する。 広汎に普及している車両用オルタネータ１１０のレギュレータ１３０では、オルタネータ１１０の出力電圧を二段階、例えばＨＩ電位＝約１４．５ＶまたはＬＯ電位＝約１２．８Ｖに切り替えることができる。この場合のＥＣＵ０は、レギュレータ１３０に対し、オルタネータ１１０の出力電圧をＨＩ電位とするか、ＬＯ電位とするかを指令する信号ｌを入力する。 なお、レギュレータ１３０として、オルタネータ１１０の出力電圧を所定範囲、例えば１２Ｖ〜１５．５Ｖの間で連続的に変えることのできるリニアレギュレータを採用することもできる。この場合のＥＣＵ０は、レギュレータ１３０に対し、オルタネータ１１０の出力電圧を上記範囲内の何れの値にするかを指令する信号ｌを入力する。 内燃機関の運転及び補機の制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。 入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｈ、バッテリ１２０の充電状態を示唆するバッテリ電圧、バッテリ電流及びバッテリ温度を検出するセンサから出力されるバッテリ信号ｎ、オルタネータ１１０の出力電圧を検出する回路１３３から出力される出力電圧信号ｐ、並びに、照明灯、エアコンディショナ、デフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム等を稼働させることを要望するユーザの手によって操作される操作入力デバイス（操作スイッチ、ボタン、タッチパネル等）から与えられる信号ｏ等が入力される。 出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、レギュレータ１３０に対して出力電圧指令信号ｌ、ヒータ５の通電回路６上のパワーデバイスに対して点弧信号ｑ、並びに、照明灯、エアコンディショナ、ヒータ５、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム等を稼働させるための制御信号ｍ等を出力する。制御信号ｍには、内燃機関のクランクシャフトから冷媒圧縮用のコンプレッサへの回転駆動力の伝達を媒介するマグネットクラッチを断接切換するための信号や、照明灯、ファンモータ、デフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム等の各々への通電をＯＮ／ＯＦＦするための信号が含まれる。 ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｎ、ｏ、ｐを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。また、バッテリ１２０の充電状態や、エアコンディショナ、照明灯その他の電気負荷７の稼働状況を知得するとともに、オルタネータ１１０において供給するべき発電量を推算する。そして、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、オルタネータ１１０の出力電圧等といった運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータ及びユーザの操作に対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。 しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、空燃比センサ４３、４４による空燃比の検出精度の向上を図るために、空燃比センサ４３、４４の温度を所要の目標温度に収束させるフィードバック制御を実施する。 空燃比センサ４３、４４の温度をフィードバック制御するには、空燃比センサ４３、４４の温度を知る必要がある。本実施形態では、空燃比センサ４３、４４を加熱するヒータ５の電気抵抗Ｒを算出し、その電気抵抗Ｒからヒータ５ひいては空燃比センサ４３、４４の温度を推定することとしている。 ヒータ５に印加される電圧Ｅは、バッテリ１２０（または、オルタネータ１１０）の出力電圧に、通電回路６上のパワーデバイスの点弧時間の割合であるＤＵＴＹ比を乗ずることで求められる。出力電圧は、バッテリ電圧を検出するセンサの出力信号ｎ（または、オルタネータ電圧を検出するセンサの出力信号ｐ）を参照することで知得される。また、ＥＣＵ０はヒータ５を流れる電流をＰＷＭ制御することから、そもそもＤＵＴＹ比は既知である。 ヒータ５を流れる電流Ｉは、直接計測することができない。だが、ヒータ５に電力を供給する電源であるバッテリ１２０（または、オルタネータ１１０）から流れ出る電流ＩＢは、バッテリ電流を検出するセンサの出力信号ｎを参照することで知得される。この電流ＩＢは、ヒータ５に流れ込む電流Ｉに、ヒータ５以外の電気負荷７に流れ込む電流が加味されたものである。 ヒータ５の温度を推定するに際して、ＥＣＵ０は、ヒータ５にある大きさの電圧Ｅ1を印加している状態で、電源から流れる電流ＩＢ1を計測する。その後、通電回路６に係るＰＷＭ制御のＤＵＴＹ比を操作して、ヒータ５に印加する電圧ＥをＥ1からＥ2へと低下させた上、同電源から流れる電流ＩＢ2を計測する。ここで、Ｅ1＞Ｅ2としているのは、Ｅ1＜Ｅ2として印加電圧Ｅを引き上げた場合に、ヒータ５に流れ込む電流Ｉの瞬時的な増加（突入電流）を誤って電流Ｉ2として計測してしまうおそれがあるからである。 Ｅ1、Ｅ2、ＩＢ1、ＩＢ2の計測は、ヒータ５以外の電気負荷７の変動（ＯＮ／ＯＦＦやパワーの増減調整）が少なく、車両が定常走行中（エンジン回転数の振動の振幅が所定以下、アクセル開度の振動の振幅が所定以下、かつ車速の振動の振幅が所定以下）であり、オルタネータの発電量に係るｆＤＵＴＹが一定、例えば１００％（ヒータ５に電力を供給する電源の電圧がＨＩ電位）に保たれている状況の下で行う。 そして、ヒータ５の通電回路６のＤＵＴＹ比を一定、例えば５０％とし、その状態を数秒間維持して、電圧Ｅ1及び電流ＥＢ1を計測する。しかる後、ヒータ５の通電回路６のＤＵＴＹ比を、例えば０％とし、その状態を数秒間維持して、電圧Ｅ2及び電流ＥＢ2を計測する。 ＥＣＵ０は、上記のＥ1、Ｅ2、ＩＢ1、ＩＢ2を用いて、現在のヒータ５の電気抵抗Ｒを、下式に則り推算する。Ｒ≒（Ｅ2−Ｅ1）／（ＩＢ2−ＩＢ1） なお、Ｅ1、Ｅ2、ＩＢ1、ＩＢ2の計測及びＲの演算を複数回繰り返し、それらＲの平均をとってヒータ５の電気抵抗の真値としてもよい。 ヒータ５の電気抵抗Ｒとヒータ５または空燃比センサ４３、４４の温度とは、概ね比例関係にあると考えられる。ＥＣＵ０は、予めメモリに格納されている電気抵抗Ｒと温度との関係を規定したマップデータを検索し、または電気抵抗Ｒと温度との関係を規定した関数式に電気抵抗Ｒを代入して、現在の温度の値を得る。 その上で、ＥＣＵ０は、空燃比センサ４３、４４の温度の目標値と実際の温度との偏差に応じて、ヒータ５への印加電圧を操作、即ち通電回路６のＤＵＴＹ比を制御する。 本実施形態では、内燃機関の排気通路４に設けられた空燃比センサ４３、４４の温度を測定するものであって、空燃比センサ４３、４４を温めるヒータ５に電力を供給する電源がある大きさの電圧Ｅ1をヒータ５に印加している状態でこの電源から流れる電流ＩＢ1を計測し、その後、ヒータ５に印加する電圧をＥ2に低下させた上で前記電源から流れる電流ＩＢ2を計測して、前者の電圧Ｅ1及び電流の値ＩＢ1値並びに後者の電圧Ｅ2及び電流の値ＩＢ2からヒータ５の抵抗値Ｒを算出し、当該抵抗値Ｒを基に空燃比センサ４３、４４の温度を推定することを特徴とする制御装置０を構成した。 本実施形態によれば、空燃比センサ４３、４４の温度を短時間で測定することができる。そして、空燃比センサ４３、４４の温度を目標温度に収束させるフィードバック制御が可能となり、排気ガスの空燃比の検出精度が向上し、排気ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯxの浄化能率が高まるとともに、燃費の一層の向上にも資する。 また、空燃比センサ４３、４４の温度の測定のために、温度センサ等の新たなハードウェアの追加は不要である。本実施形態の構成は、既存のハードウェアを用いて実現可能であるから、コスト面でも有利となる。 なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 本発明は、車両に搭載される内燃機関の制御に利用できる。 ０…制御装置（ＥＣＵ） ４…排気通路 ４３、４４…空燃比センサ ５…ヒータ ６…通電回路内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサの温度を測定するものであって、空燃比センサを温めるヒータに電力を供給する電源がある大きさの電圧をヒータに印加している状態でこの電源から流れる電流を計測し、その後、ヒータに印加する電圧を低下させた上で前記電源から流れる電流を計測して、前者の電圧及び電流の値並びに後者の電圧及び電流の値からヒータの抵抗値を算出し、当該抵抗値を基に空燃比センサの温度を推定することを特徴とする制御装置。 【課題】内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサの温度を短時間で測定する。【解決手段】空燃比センサを温めるヒータ５に電力を供給する電源がある大きさの電圧Ｅをヒータ５に印加している状態でこの電源から流れる電流ＩＢを計測し、その後、ヒータ５に印加する電圧Ｅを低下させた上で同電源から流れる電流ＩＢを計測して、前者の電圧Ｅ及び電流の値ＩＢ値並びに後者の電圧Ｅ及び電流の値ＥＢからヒータ５の抵抗値を算出し、当該抵抗値を基に空燃比センサの温度を推定する。【選択図】図２