JP2004036396A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの劣化やバラツキにより、該センサ出力値と実際の空燃比の間で誤差が生じた場合でも、触媒の最大転換効率となる空燃比に制御できるようにする。
【解決手段】触媒上流の第１空燃比センサで検出された空燃比に基づいて触媒の酸素蓄積量Ｏｓを算出し、この算出値Ｏｓが適正範囲内にあるときに、触媒下流の第２空燃比センサで検出された空燃比が理論空燃比近傍でなく、空燃比がリッチと判定されたときは、前記酸素蓄積量の上限値を増大補正して目標値Ｏａを増大補正し、空燃比がリーンと判定されたときは、前記酸素蓄積量の下限値を減少補正して目標値Ｏａを減少補正する。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は三元触媒等の排気浄化用の触媒を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関し、詳しくは、前記触媒の酸素蓄積量を適正範囲に維持するように空燃比をフィードバック制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に備えた三元触媒等の排気浄化用触媒への酸素蓄積量が多すぎると、排気中のＮＯｘに対して還元処理機能が低下し、酸素蓄積量が少なすぎると、排気中のＨＣ，ＣＯを酸化処理機能が低下する。このため、触媒上流の空燃比センサの出力に基づいて触媒の酸素蓄積量を推定しつつ、該酸素蓄積量を目標値に維持するように空燃比をフィードバック制御するようにした技術がある（特開２００１−３１４３４２号）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空燃比センサの劣化やバラツキにより、該センサ出力値と実際の空燃比との間で誤差を生じた場合、空燃比センサ出力値に基づく酸素蓄積量の算出値が正確でなくなるため、該酸素蓄積量を適正範囲内に維持して目標値に収束させるフィードバック制御を行っても、触媒の最大転換効率となる空燃比に制御することができず、触媒下流の空燃比が悪化することがあった。
【０００４】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、酸素蓄積量の目標値を実際の値に見合って補正するように構成することにより、触媒による排気浄化性能が良好に維持されるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明は、排気浄化用の触媒の上流側に第１空燃比センサ、下流側に第２空燃比センサを配設し、前記第１空燃比センサの出力と前記触媒の酸素吸着／脱離特性とに基づいて該触媒の酸素蓄積量を算出し、該酸素蓄積量を目標値とするように空燃比をフィードバック制御する一方、前記酸素蓄積量の算出値が前記適正範囲内にあるときに、前記第２空燃比センサの出力値が基準値から外れている場合、前記酸素蓄積量の目標値を補正する構成としたので、触媒による排気浄化性能が良好に維持される。
【０００６】
また、前記触媒の酸素蓄積量が適正範囲内にあるときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリッチである場合は、酸素蓄積量の算出値が実際値より大きいためであると判断できるので、前記酸素蓄積量の目標値を大きい値に補正することにより、酸素蓄積量の目標値が実際値に見合った適正な値に増大補正される。
【０００７】
また、前記触媒の酸素蓄積量が適正範囲内にあるときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリーンである場合は、酸素蓄積量の算出値が実際値より小さいためであると判断できるので、前記酸素蓄積量の目標値を小さい値に補正することにより、酸素蓄積量の目標値が実際値に見合った適正な値に減少補正される。
【０００８】
また、前記酸素蓄積量の算出値が上限値を上回るときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリーンでない場合は、酸素蓄積量の算出値が大きすぎると判断できるので、酸素蓄積量の目標値を大きい値に補正することで適正値に補正できる。
また、前記酸素蓄積量の算出値が下限値を下回るときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリッチでない場合は、酸素蓄積量の算出値が小さすぎると判断できるので、酸素蓄積量の目標値を小さい値に補正することで適正値に補正できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比制御装置のシステム構成を示す。
【００１０】
図１において、エンジン（内燃機関）１の吸気通路１１には燃料噴射弁２が設けられており、該燃料噴射弁２から噴射される燃料と空気とが予混合し、シリンダ内に吸気弁３を介して吸引される。シリンダ内の燃焼混合気は、点火栓４による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、排気弁５を介して排気通路６に排出される。
【００１１】
排気通路６には、三元触媒７が介装されており、該三元触媒７は、排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときに酸素を吸着し、理論空燃比よりリッチのときに酸素を脱離しつつ、ＨＣ，ＣＯを酸化処理、ＮＯｘを還元処理して浄化する。
前記三元触媒７の上流側と下流側には、排気空燃比を検出する第１空燃比センサ８、第２空燃比センサ９が装着されている。
【００１２】
また、吸気通路１１には、吸入空気量を制御するスロットル弁１２が介装されると共に、該スロットル弁１２の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１３が設けられ、更にその上流には吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１４が設けられる。
この他、エンジン回転速度Ｎｅを検出するクランク角センサ１５、エンジン冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１６等が設けられる。
【００１３】
前記各センサの検出信号はコントロールユニット１０に入力され、該コントロールユニット１０は、上記センサ類からの信号に基づいて、前記三元触媒７に蓄積される酸素量（以下酸素蓄積量という）を算出し、該酸素蓄積量を目標値とするように、前記燃料噴射弁２からの燃料噴射量を制御して、空燃比をフィードバック制御する。
【００１４】
図２は、上記空燃比フィードバック制御のフローを示す。
ステップ１では、前記三元触媒７の酸素蓄積量Ｏｓを次式により算出する。
Ｏｓ＝｛（λｒ−λｔ）／λｔ｝×Ｑａ×ｏｓ＋Ｏｓ０
ただし、λｒ：第１空燃比センサ６で検出される実空燃比、λｔ：理論空燃比、Ｑａ：吸入空気量、ｏｓ：酸素吸着／脱離速度（λｒ＞λｔのときｏｓ＝ｏｓｓ＞０、λｒ＜λｔのときｏｓ＝ｏｐｓ＜０）、Ｏｓ０：酸素蓄積量の前回算出値
ステップ２では、上記酸素蓄積量の算出値Ｏｓと、目標値Ｏａとの偏差ΔＱｓ（＝Ｏａ−Ｏｓ）を算出する。ここで、前記酸素蓄積量の目標値Ｏａは、図３に示すように、排気中のＨＣ，ＣＯに対する酸化処理と、ＮＯｘに対する還元処理とをバランス良く行うように、適正範囲を規定する上限値と下限値の中間値に設定して、三元触媒７で蓄積しうる最大酸素蓄積量の半分程度に設定されるようにする。
【００１５】
ステップ３では、前記偏差ΔＱｓに基づき、比例積分微分制御による次式に従って、目標空燃比λａを算出する。
λａ＝［λｔ／｛１−ΔＱｓ・ＰＩＤ／Ｑａ｝−λｒ］／λｒ・ＰＩＤ
ただし、ＰＩＤ：比例積分微分のゲイン
ここで、三元触媒７の酸素蓄積量の算出値Ｏｓが目標値Ｏａより大きいとき（ΔＯｓ＜０）は、目標空燃比λｔはリッチとなり、算出値Ｏｓが目標値Ｏａより小さいとき（ΔＯｓ＞０）は、目標空燃比λｔはリーンとなる。
【００１６】
ステップ４では、燃料噴射量Ｔｉを算出する。
燃料噴射量Ｔｉは、エアフローメータ１４で検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ１０により検出されるエンジン回転速度Ｎｅ等から理論空燃比λｔ（＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を算出し、これに前記目標空燃比λａを乗算して次式のように算出する。
【００１７】
Ｔｉ＝Ｔｐ×λａ
このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン回転に同期して、燃料噴射弁３に出力する。
そして、本発明に関わる制御として、上記空燃比フィードバック制御による酸素蓄積量を適正な目標値に収束させるため、該目標値を補正する制御を、図３のフローチャートに従って説明する。
【００１８】
ステップ１１では、前記ステップ１での酸素蓄積量の算出値Ｏｓを読み込む。ステップ１２では、上記酸素蓄積量の算出値Ｏｓが、上限値以下で下限値以内の適正範囲内にあるかを判定する。
ステップ１２で適正範囲であると判定されたときは、ステップ１３へ進み、第２空燃比センサ８の出力が理論空燃比を示しているかを判定する。
【００１９】
ステップ１３で理論空燃比を示していると判定された場合は、目標値Ｏａの補正が不要と判断してフローを終了するが、理論空燃比を示していないと判定されたときは、ステップ１４へ進み、第２空燃比センサの出力がリッチを示しているかを判定する。
ステップ１４で第２空燃比センサの出力がリッチを示していると判定されたときは、ステップ１５へ進んで前記酸素蓄積量の下限値を減少補正する。すなわち、酸素蓄積量の算出値Ｏｓが適正であれば、第２空燃比センサ８の出力つまり三元触媒７下流の排気空燃比λｒｒは理論空燃比を示しているべきであるのに、リッチを示しているということは、実際の酸素蓄積量は適正範囲より小さく、酸素蓄積量の算出値Ｏｓが実際値より大きめに算出されているためと判断される。したがって、現状では、実際より大きめに算出される酸素蓄積量が目標値Ｏａとなるように空燃比フィードバック制御されるので、適正値より小さめの目標値Ｏａに収束するように制御されることになる。そこで、空燃比リッチ時に減少する酸素蓄積量の下限値を増大補正することにより、上限値との中間値である目標値Ｏａを実際の酸素蓄積量に見合うように増大方向に補正することができ、もって酸素蓄積量を適正に増大補正された目標値Ｏａに収束させることができる（図４（Ａ）参照）。また、上記下限値の増大補正の代わりに若しくは並行して上限値を増大補正するようにしてもよい。
【００２０】
また、ステップ１４で第２空燃比センサの出力がリーンを示していると判定されたときは、ステップ１６へ進んで酸素蓄積量の上限値を減少補正する。すなわち、三元触媒７下流の排気空燃比λｒｒがリーンと検出されているということは、実際の酸素蓄積量は適正範囲より大きく、酸素蓄積量の算出値Ｏｓが小さめに算出されているためと判断されるので、上記とは反対に酸素蓄積量の上限値を減少補正することにより、下限値との中間値である目標値Ｏａを実際の酸素蓄積量に見合うように減少補正することができる（図４（Ｂ）参照）。また、上記上限値の減少補正の代わりに若しくは並行して下限値を減少補正するようにしてもよい。
【００２１】
また、ステップ１２で、上記酸素蓄積量の算出値Ｏｓが適正範囲内に無いと判断されたときは、ステップ１７へ進んで算出値Ｏｓが上限値を上回っているかを判定し、上回っていると判定されたときはステップ１８へ進んで第２空燃比センサ８の出力がリーンであるかを判定する。
ステップ１８で第２空燃比センサ８の出力がリーンと判定されたときは、酸素蓄積量の過大な算出値Ｏｓに見合って、三元触媒７下流の排気空燃比がリーンになっているので、目標値Ｏａの補正は不要と判断し、このフローを終了する。
【００２２】
一方、ステップ１８で第２空燃比センサ８の出力（排気空燃比λｒｒ）がリーンと判定されなかったときは、酸素蓄積量の算出値Ｏｓが実際値より大きめに算出されていると判断し、ステップ１９で酸素蓄積量の上限値を増大補正することにより、目標値Ｏａを実際の酸素蓄積量に見合った値に減少補正することができる（図４（Ｃ）参照）。また、上記上限値の増大補正の代わりに若しくは並行して下限値を増大補正するようにしてもよい。
【００２３】
また、ステップ１７へ進んで算出値Ｏｓが上限値を上回っていない、つまり、下限値を下回っていると判定されたときはステップ２０へ進んで第２空燃比センサ８の出力がリッチであるかを判定し、リッチと判定されたときは、酸素蓄積量の過小な算出値Ｏｓに見合って、三元触媒７下流の排気空燃比λｒｒがリッチになっているので、酸素吸着／脱離速度ｏｓの補正は不要と判断し、このフローを終了する。
【００２４】
一方、ステップ２０で第２空燃比センサ８の出力がリッチと判定されなかったときは、酸素蓄積量の算出値Ｏｓが実際値より小さめに算出されていると判断し、ステップ２１で酸素蓄積量の下限値を減少補正することにより、実際の酸素蓄積量に見合った目標値Ｏａに修正することができる（図４（Ｄ）参照）。また、上記下限値の減少補正の代わりに若しくは並行して上限値を減少補正するようにしてもよい。
【００２５】
以上示したように、酸素蓄積量の算出値Ｏｓを、第２空燃比センサ８により検出される三元触媒７下流の排気空燃比と照合しつつ酸素蓄積量の目標値Ｏａを補正することにより、酸素蓄積量を正しく設定された目標値Ｏａ目標値に収束させて目標空燃比λａに高精度にフィードバック制御させることができ、排気浄化性能を良好に維持することができる。
【００２６】
なお、触媒上流の第１空燃比センサは、基本的な空燃比フィードバック制御に供するので、広域型空燃比センサを用いることで高精度な制御を行え、触媒下流の第２空燃比センサも広域型空燃比センサを用いれば、精度を高められるが、簡易的にはリッチ・リーン反転型のいわゆる酸素センサを用いてコスト削減を図れる。ただし、上記図３のステップ１３において該酸素センサで理論空燃比近傍を判定する必要があるため、該理論空燃比近傍の出力特性をリニアライズするのが好ましい。
【００２７】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記酸素蓄積量の目標値を、前記適正範囲を規定する上限値と下限値との中間値に設定し、該目標値の補正は、上限値と下限値の少なくとも一方を補正することにより行うことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【００２８】
この構成によれば、適正範囲を補正しながら目標値を補正でき、再度目標値を補正する際の適正範囲と触媒下流排気空燃比を比較する際の判定精度を良好に維持できる。
（ロ）前記（イ）項に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記酸素蓄積量の算出値が前記適正範囲内にあるときに、前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリッチである場合は、酸素蓄積量の下限値または上限値の少なくとも一方を増大補正することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【００２９】
この構成によれば、前記酸素蓄積量の算出値が前記適正範囲内にあるときに、前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリッチである場合は、酸素蓄積量の算出値が大きすぎると判断できるので、酸素蓄積量の下限値または上限値の少なくとも一方を増大補正することで、上限値と下限値の中間値で設定される酸素蓄積量の目標値を増大補正して、該目標値を実際の酸素蓄積量に見合った適正値に補正できる。
【００３０】
（ハ）前記（イ）項または（ロ）項に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記酸素蓄積量の算出値が前記適正範囲内にあるときに、前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリーンである場合は、酸素蓄積量の上限値または下限値の少なくとも一方を減少補正することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【００３１】
この構成によれば、前記酸素蓄積量の算出値が前記適正範囲内にあるときに、前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリーンである場合は、酸素蓄積量の算出値が小さすぎると判断できるので、酸素蓄積量の上限値または下限値の少なくとも一方を減少補正することで、上限値と下限値の中間値で設定される酸素蓄積量の目標値を減少補正して、該目標値を実際の酸素蓄積量に見合った適正値に補正できる。
【００３２】
（ニ）請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記酸素蓄積量の算出値が上限値を上回るときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリーンでない場合は、前記酸素蓄積量の目標値を上下限値の中間値に設定し、該上下限値の一方を増大補正することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
この構成によれば、酸素蓄積量の算出値が大きすぎると判断できるので、目標値を上限値と下限値の中間値で設定し、上下限値の一方を増大補正することで目標値を増大補正することができる。
【００３３】
（ホ）請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記酸素蓄積量の算出値が下限値を下回るときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリッチでない場合は、前記酸素蓄積量の目標値を上下限値の中間値に設定し、該上下限値の一方を減少補正することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
この構成によれば、酸素蓄積量の算出値が小さすぎると判断できるので、目標値を上限値と下限値の中間値で設定し、上下限値の一方を減少補正することで目標値を減少補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるエンジンのシステム構成を示す図。
【図２】実施形態の空燃比フィードバック制御を示すフローチャート。
【図３】実施形態における触媒の酸素蓄積量の算出パラメータを補正する制御を示すフローチャート。
【図４】実施形態における触媒の酸素蓄積量の目標値を補正するときの様子を示す図。
【符号の説明】
１…エンジン　　２…燃料噴射弁　　６…排気通路　　７…三元触媒　　８…第１空燃比センサ　　９…第２空燃比センサ　　１０…コントロールユニット
１４…エアフローメータ　　１５…クランク角センサ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に介装される排気浄化用の触媒の上流側に第１空燃比センサ、下流側に第２空燃比センサを配設し、前記第１空燃比センサの出力と前記触媒の酸素吸着／脱離特性とに基づいて該触媒の酸素蓄積量を算出し、該酸素蓄積量を目標値とするように空燃比をフィードバック制御する一方、前記酸素蓄積量の算出値と前記第２空燃比センサの出力値とが適合した関係から外れる場合、前記酸素蓄積量の目標値を補正することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記酸素蓄積量の算出値が適正範囲内にあるときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリッチである場合は、前記酸素蓄積量の目標値を大きい値に補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記酸素蓄積量の算出値が適正範囲内にあるときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリーンである場合は、前記酸素蓄積量の目標値を小さい値に補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 前記酸素蓄積量の算出値が上限値を上回るときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリーンでない場合は、前記酸素蓄積量の目標値を大きい値に補正することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 前記酸素蓄積量の算出値が下限値を下回るときに前記第２空燃比センサの出力値が基準値よりリッチでない場合は、前記酸素蓄積量の目標値を小さい値に補正することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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