JP2005076529A - 内燃機関の空燃比学習制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 始動後の燃料温度の変化に対して適正な燃料噴射量の補正を可能にする。
【解決手段】 始動後、最初にリーン燃焼に移行する前、及び、リーン燃焼に移行してから定期的に、繰り返し、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼を行わせ、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正値を学習する。リーン燃焼時には、直前のストイキ燃焼時に学習した学習値に基づいて燃料噴射量を補正する。また、最新の学習値と前回の学習値との偏差が所定値以内となって学習が収束したことを判定すると、学習の頻度を減少させるか、学習を行わないようにする。又は、学習を繰り返す毎に、学習の周期を長くする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関の空燃比学習制御装置に関し、特に空燃比フィードバック制御を行わないときに、始動後の燃料温度の変化に対して適正な燃料噴射量の補正を可能にする空燃比学習制御装置に関する。

内燃機関において、空燃比は適正な値に保たれなければならない。ストイキ燃焼を行う場合は空燃比フィードバック制御が可能であるが、リーン燃焼を行う場合は空燃比フィードバック制御が困難である。このため、燃料温度の変化による密度変化で、空燃比の誤差を生じてしまうという問題がある。
特許文献１には、内燃機関の燃料噴射制御装置において、燃料温度に応じて燃料噴射量を補正することが記載されている。これは、燃料温度が高い状態では燃料噴射弁の先端開口部に気泡が発生しやすくなることから、燃料温度が高いほど燃料噴射量に対する増量補正分を大きくするためである。
特開２００２−２２１０６１号公報

しかしながら、燃料温度により補正する場合、燃温センサを設けて燃料温度を計測することが最も確実な方法であるが、燃温センサを設けることはコストアップにつながる他、燃料噴射弁の先端の噴射直前の燃料温度を計測することは困難である。
そこで、冷却水温度から燃料温度を推定することが考えられるが、冷却水温度と燃料温度との間には比較的大きなずれがあり、冷却水温度から燃料温度を推定する方法では、高精度な制御は望めない。

本発明は、このような実情に鑑み、始動後の燃料温度の変化に対して適正な燃料噴射量の補正を可能にする空燃比学習制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、始動後、最初にリーン燃焼に移行する前、及び、リーン燃焼に移行してから定期的に、繰り返し、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼を行わせ、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正値を学習する。そして、リーン燃焼時に、直前のストイキ燃焼時に学習した学習値に基づいて燃料噴射量を補正する構成とする。

本発明によれば、始動後、燃料温度が次第に上昇していくときに、繰り返し、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼を行わせ、このときの燃料噴射量の補正値を学習することで、リーン燃焼時に、最新の学習値、すなわち現在の燃料温度にほぼ対応する学習値に基づいて、燃料噴射量を補正でき、空燃比制御精度を向上させることができる。また、学習時以外はリーン燃焼が可能であるので、燃費向上に有利となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には吸入空気量を制御する電制スロットル弁３が設置され、エンジン１の燃焼室４には点火プラグ５と共に燃料噴射弁６が設置されている。
燃料噴射弁５への燃料供給系について説明すると、燃料タンク７内の燃料は低圧燃料ポンプ８によって吸入され、この低圧燃料ポンプ８から吐出された低圧燃料は高圧燃料ポンプ９に供給される。低圧燃料ポンプ８から吐出されて高圧燃料ポンプ９に供給される燃料の圧力は、燃料タンク７に戻るリターン通路に介装された低圧プレッシャレギュレータ１０によって所定の低圧に調整される。高圧燃料ポンプ９から吐出された高圧燃料は、燃料噴射弁６に供給され、その燃料圧力は、高圧燃料ポンプ９の吸入側に戻るリターン通路に介装された高圧プレッシャレギュレータ１１によって所定の高圧に調整される。

燃料噴射弁６は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１２からエンジン回転に同期して出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。従って、噴射パルス信号のパルス幅により燃料噴射量が制御される。
ＥＣＵ１２には、アクセルペダルセンサ１３により検出されるアクセル開度Ａpo、クランク角センサ１４により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、エアフローメータ１３により検出される吸入空気量Ｑａ、水温センサ１６により検出されるエンジン冷却水温度（水温）Ｔｗが入力されている。更に、排気通路１７の排気浄化触媒１８上流に排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力する空燃比センサ（酸素センサ）１９が設けられ、この信号もＥＣＵ１２に入力されている。

ＥＣＵ１２による燃料噴射弁６の燃料噴射量の制御について説明すると、ＥＣＵ１２では、アクセル開度Ａpo、エンジン回転数Ｎｅ、水温Ｔｗ等に基づいて、ストイキ燃焼を行うか、リーン燃焼を行うかを決定し、これに合わせて目標空燃比を設定する。
そして、実際の吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとから、ストイキ相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これに目標空燃比に対応する目標当量比ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数α、燃温学習補正係数αＬを乗じることで、次式のごとく、最終的な燃料噴射量Ｔｉを演算する。

Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×α×αＬ
目標当量比ＴＦＢＹＡは、目標空燃比に対応するもので、空気過剰率λの逆数であり、ストイキ空燃比では１、リーン空燃比では１より小さな値をとる。
空燃比フィードバック補正係数αは、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正値であり、ストイキ燃焼時に、空燃比センサ１９からのリッチ・リーン信号に従って、増減設定される。リーン燃焼時は、空燃比フィードバック制御を行わないため、空燃比フィードバック補正係数αを１に固定することで、オープン制御となる。

燃温学習補正係数αＬは、燃料噴射弁６先端の燃料温度（燃温）の変化に対して燃料噴射量を適正に補正すべく、空燃比フィードバック制御による補正値を学習したもので、詳細については後述する。
燃料噴射量Ｔｉが演算されると、このＴｉに対応するパルス幅の噴射パルス信号により燃料噴射弁６を駆動する。尚、実際には、上記以外の各種補正係数が用いられるが、ここでは説明を省略する。

ところで、エンジンにおいて、空燃比は適正な値に保たれなければならない。特にリーン燃焼の場合は、空燃比フィードバック制御が困難であることから、オープン制御での空燃比制御精度の向上が求められる。
しかし、図２に燃温（密度）と空燃比との関係を示すように、燃温の変化による密度変化で空燃比の誤差を生じてしまうという問題がある。

そこで、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼時に、燃温別に、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正値（空燃比フィードバック補正係数α）を学習し、リーン燃焼時に、燃温別の学習値（燃温学習補正係数αＬ）に基づいて燃料噴射量を補正することが考えられる。
しかし、燃温別の学習のためには、燃温、特に燃料噴射弁先端の燃温を計測する必要があり、燃温センサを設けることはコストアップにつながり、燃料噴射弁先端の燃料温度を計測することは大変困難である。

そこで、水温センサを用い、水温から燃温を推定して、燃温別の学習を行うことが考えられる。
しかし、水温と燃温との間にズレが発生する場合があり、これが水温から燃温を推定する障害となる。特に、高圧燃料ポンプ９の吐出側から余剰燃料を燃料タンク７へ戻さないようにしたノンリターン型の燃料配管においては、図３に示すように、始動後の水温の上昇と燃温の上昇との乖離が大きく、また、水温が安定した後も、しばらく燃温の上昇が続き、安定するまでの時間が長くなる。従って、水温から燃温を推定して学習制御を行うことは困難であった。

また、リーン燃焼を行う際は、学習を実施してから行うことにより目標の空燃比が得られるが、水温と燃温との相関度が低いという理由で、水温から燃温を推定することを止め、経過時間に基づき、燃温が安定するのを待ってから、学習を実施するようにすると、燃温別の学習が実施できないだけでなく、燃温が安定するまでリーン燃焼に移行できず、燃費向上のメリットが得られなくなってしまうという問題があった。

そこで、本発明では、始動後、最初にリーン燃焼に移行する前、及び、リーン燃焼に移行してから定期的に、繰り返し、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼を行わせ、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正値（空燃比フィードバック補正係数α）を学習し、リーン燃焼時に、直前のストイキ燃焼時に学習した学習値（燃温学習補正係数αＬ）に基づいて燃料噴射量を補正する構成とする。

図４は学習制御のフローチャート（第１実施形態）であり、始動と同時に実行される。
Ｓ１では、始動直後のリーン燃焼を禁止し、空燃比フィードバック制御の可能なストイキ燃焼を行わせる。
Ｓ２では、水温センサにより検出される水温Ｔｗを読込み、これが所定の学習開始温度Ｔｗ０（例えば６０〜８０℃）以上となって、暖機が完了したか否かを判定する。水温Ｔｗ＜Ｔｗ０で、暖機中の場合は、Ｓ２の判定を繰り返して、ストイキ燃焼のまま暖機が完了するのを待つ。水温Ｔｗ≧Ｔｗ０で、暖機完了の場合は、Ｓ３へ進む。

Ｓ３では、学習が可能な運転領域、具体的には定常状態か否かを判定し、学習領域となるのを待ってＳ４へ進む。
Ｓ４では、最初にリーン燃焼に移行する前に、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼下で、空燃比フィードバック制御による補正値の学習を行う。
空燃比フィードバック制御においては、空燃比センサの信号がリッチからリーンに反転したときに、空燃比フィードバック補正係数α（初期値１）を所定の比例分Ｐ増大させ、その後のリーン継続中は、空燃比フィードバック補正係数αを単位時間毎に所定の積分分Ｉ増大させる（Ｉ<<Ｐ）。逆に、空燃比センサの信号がリーンからリッチに反転したときは、空燃比フィードバック補正係数α（初期値１）を所定の比例分Ｐ減少させ、その後のリッチ継続中は、空燃比フィードバック補正係数αを単位時間毎に所定の積分分Ｉ減少させる。

ここにおいて、空燃比フィードバック補正係数αが所定回数反転する間の、空燃比フィードバック補正係数αの平均値αmeanを算出し、これを燃温学習補正係数αＬとして学習する（αＬ＝αmean）。
Ｓ５では、学習が行われたので、リーン燃焼を許可して、リーン燃焼に移行させる。リーン燃焼に移行した後は、空燃比フィードバック制御が停止されて（α＝１）、オープン制御となるが、燃温学習補正係数αＬによる燃料噴射量の補正がなされて、学習時点の燃温近傍での最適な燃料噴射量となる。

Ｓ６では、学習インターバルを比較的短い時間であるＬint1（例えば 120〜 180秒程度）に設定する。
Ｓ７では、学習インターバル（Ｌint1）が経過したか否かを判定し、学習インターバルが経過すると、Ｓ８へ進む。
Ｓ８では、学習が可能な運転領域、具体的には定常状態か否かを判定し、学習領域となるのを待ってＳ９へ進む。

Ｓ９では、学習の実行のため、空燃比フィードバックによるストイキ燃焼に強制的に切換える。
Ｓ１０では、リーン燃焼に移行してからの定期的な学習のため、Ｓ４と同様、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼下で、空燃比フィードバック制御による補正値の学習を行う。すなわち、空燃比フィードバック補正係数αが所定回数反転する間の、空燃比フィードバック補正係数αの平均値αmeanを算出し、これを燃温学習補正係数αＬとして学習し、更新する（αＬ＝αmean）。

Ｓ１１では、学習が行われたので、リーン燃焼を許可して、リーン燃焼に移行させる。リーン燃焼に移行した後は、再び空燃比フィードバック制御が停止されて（α＝１）、オープン制御となるが、更新された燃温学習補正係数αＬによる燃料噴射量の補正がなされて、学習更新時点の燃温近傍での最適な燃料噴射量となる。
Ｓ１２では、今回（最新）の学習値（燃温学習補正係数）αＬと前回の学習値（燃温学習補正係数）αＬold との偏差が所定値内となって、学習が収束したか否かを判定する。前記所定値（学習収束判定用の比較値）は、小さいほど判定精度が高まるが、誤差を考慮して、１％程度に設定する。

収束していない場合は、Ｓ７へ戻り、所定の学習インターバル（Ｌint1）で、繰り返し、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼を行わせて、学習を行わせる。
ここで、例えば図５に示すように、学習が収束する前に一定の周期（Ｌint1）で５回の学習が行われ、図６に示すように、各回での空燃比フィードバック補正係数αの平均値により学習値を更新した結果、５回目の学習で、前回（４回目）の学習値との差がなくなった場合、この時点で収束と判定される。収束した場合は、Ｓ１３へ進む。

Ｓ１３では、学習インターバルを比較的長い時間であるＬint2に設定する（Ｌint2＞Ｌint1）。
Ｓ１４では、学習インターバル（Ｌint2）が経過したか否かを判定し、学習インターバルが経過すると、Ｓ１５へ進む。
Ｓ１５では、学習が可能な運転領域、具体的には定常状態か否かを判定し、学習領域となるのを待ってＳ１６へ進む。

Ｓ１６では、学習の実行のため、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼に強制的に切換える。
Ｓ１７では、Ｓ４、Ｓ１０と同様、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼下で、空燃比フィードバック制御による補正値の学習を行う。すなわち、空燃比フィードバック補正係数αが所定回数反転する間の、空燃比フィードバック補正係数αの平均値αmeanを算出し、これを燃温学習補正係数αＬとして学習し、更新する（αＬ＝αmean）。

Ｓ１８では、学習が行われたので、リーン燃焼を許可して、リーン燃焼に移行させる。リーン燃焼に移行した後は、再び空燃比フィードバック制御が停止されて（α＝１）、オープン制御となるが、更新された燃温学習補正係数αＬによる燃料噴射量の補正がなされて、学習更新時点の燃温近傍での最適な燃料噴射量となる。
Ｓ１９では、エンジンが停止したか否かを判定する。エンジンが停止していない場合は、Ｓ１４へ戻り、所定の学習インターバル（Ｌint2）で、繰り返し、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼を行わせて、学習を行わせる。エンジンが停止した場合は、制御を終了する。

本実施形態によれば、始動後、最初にリーン燃焼に移行する前、及び、リーン燃焼に移行してから定期的に、繰り返し、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼を行わせ、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正値（空燃比フィードバック補正係数α）を学習することで、リーン燃焼時に、その時点の燃温にほぼ対応する最新の学習値（燃温学習補正係数αＬ）に基づいて、燃料噴射量を補正でき、空燃比制御精度を向上させることができる。また、学習時以外はリーン燃焼が可能であるので、燃費向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、最新の学習値と前回の学習値との偏差が所定値以内となって学習が収束したことを判定する手段（Ｓ１２）を備え、収束前に比べ、収束後の学習の頻度を減少させる（学習インターバルを長くする）ことにより、学習のためにリーン燃焼からストイキ燃焼に切換える頻度を減らすので、燃費向上に有利となる。学習が収束した後は、頻繁に学習する必要はないからである。

また、本実施形態によれば、エンジンの暖機完了を判定する手段（Ｓ２）を備え、暖機完了前は、リーン運転を禁止し、暖機完了後、最初にリーン燃焼に移行する前に、最初の学習を行わせることで、学習の正確化を図ることができる。
図７は第２実施形態での学習制御のフローチャートであり、第１実施形態（図４）と異なる点を説明する。

Ｓ１２での判定で、学習が収束したと判定された場合、その時点で制御を終了する。すなわち、学習の収束後は、燃温が安定し、それ以上変化しないとみなして、学習の頻度を０にするのである。
本実施形態によれば、学習の収束後は、学習の頻度を０とすることにより、学習のためにリーン燃焼からストイキ燃焼に切換えることをなくして、更なる燃費向上を図ることができる。

図８は第３実施形態での学習制御のフローチャートであり、第１実施形態（図４）と異なる点を説明する。
Ｓ１２での判定で、学習が収束していないと判定された場合、Ｓ２０で学習インターバルを長期化した後に、Ｓ７へ戻る。前回の学習インターバルをＬint-old とすると、今回の学習インターバルＬint ＝Ｌint-old ＋ΔＴ（ΔＴは予め定めた時間）とする。従って、図９に示すようなタイミングで学習が行われる。そして、学習が収束したと判定された場合、その時点で制御を終了する。

特に本実施形態によれば、学習を繰り返す毎に、学習の周期（学習インターバル）を長くすることにより、燃温の上昇と共に、燃温の変化が少なくなることを考慮して、できるだけリーン燃焼を継続して燃費を向上できる。言い換えれば、学習は回を重ねる毎に収束に向かい、前回値との差は少なくなるので、収束に向かえば、頻繁に学習する必要はないからである。

また、本実施形態では、学習の収束後は、学習を行わないようにしているが、学習を繰り返す毎に学習インターバルを長くしていくだけでもよい。この場合は、Ｓ１２を省略し、常に、Ｓ１１からＳ２０を経てＳ７へ戻るようにすればよい。
尚、以上の実施形態において、学習値（燃温補正係数αＬ）は、全運転領域共通の単一の学習値であることを前提として説明したが、例えばエンジン回転数、負荷を格子軸とする２×２程度の運転領域別の学習値としてもよい。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 燃温と空燃比との関係を示す図 始動後の水温及び燃温の変化を示す図 学習制御のフローチャート（第１実施形態） 学習タイミングの説明図 学習値算出のイメージ図 第２実施形態の学習制御のフローチャート 第３実施形態の学習制御のフローチャート 第３実施形態での学習タイミングの説明図

符号の説明

１ エンジン
６ 燃料噴射弁
１２ ＥＣＵ
１６ 水温センサ
１９ 空燃比センサ

Claims (5)

1. 空燃比センサを用いて空燃比フィードバック制御を行うストイキ燃焼と、空燃比フィードバック制御を行わないリーン燃焼とを切換え可能な内燃機関において、
   始動後、最初にリーン燃焼に移行する前、及び、リーン燃焼に移行してから定期的に、繰り返し、空燃比フィードバック制御によるストイキ燃焼を行わせ、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正値を学習する学習手段と、
   リーン燃焼時に、直前のストイキ燃焼時に学習した学習値に基づいて燃料噴射量を補正する補正手段と、
   を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の空燃比学習制御装置。
2. 最新の学習値と前回の学習値との偏差が所定値以内となって学習が収束したことを判定する手段を備え、収束前に比べ、収束後の学習の頻度を減少させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比学習制御装置。
3. 収束後は、学習の頻度を０にすることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の空燃比学習制御装置。
4. 学習を繰り返す毎に、学習の周期を長く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学習制御装置。
5. 機関の暖機完了を判定する手段を備え、暖機完了前は、リーン運転を禁止し、暖機完了後、最初にリーン燃焼に移行する前に、最初の学習を行わせ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学習制御装置。

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