JP2006029112A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料性状が変化しても、始動後安定した運転性を確保しつつ空燃比フィードバック制御開始時期をできるだけ早めて排気浄化性能、燃費を向上する。
【解決手段】 目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡのリッチ分を始動後徐々に減少させつつ、Ｏ２センサ活性判定後に、前記リッチ分を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに増量分として置き換えた後、Ｏ２センサ出力のリッチ度合い変化速度が小さいときは、積分分を大きくしてＡＬＰＨＡの減少速度（燃料噴射量増量分の減少速度）を大きくし、リッチ度合い変化速度が大きくなるにしたがって、積分分を小さくして滑らかにストイキに収束させた後、通常の空燃比フィードバック制御を開始する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、エンジンの空燃比制御装置に関し、特に、始動直後にリッチ空燃比で運転し、その後に空燃比フィードバック制御を開始する場合に、空燃比を速やかにストイキ点に収束させることのできる空燃比制御装置に関する。

特許文献１には、始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように設定される目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡと、空燃比フィードバック制御条件にて空燃比センサからの信号に基づいて空燃比をストイキに収束させるように設定される空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡとを用いて、燃料噴射量を演算・制御するエンジンの空燃比制御装置において、空燃比センサの活性検出後、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分を０にすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗してから、空燃比フィードバック制御に移行することが開示されている。
特開２００１−２３４７７９号公報

重質燃料が使用された場合、特に冷間時に気化性の悪さから、壁流が増大し、筒内に吸入される燃料が不足するため、始動直後の空燃比は、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡにより重質燃料にマッチングさせてリッチ化し、その後の時間経過と共に徐々にストイキに収束させるようにする。そして、空燃比フィードバック制御の開始時に、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分が残っていた場合、その増量分をカットするが、空燃比が急にリーンになると、トルク段差が発生して、運転性が悪化するので、その分を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗せする。そして、時間経過と共に、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを空燃比フィードバック制御の積分定数に従って減少させる。

しかしながら、始動直後の目標空燃比補正係数は、重質燃料に適合されており、軽質燃料の場合は、リッチ傾向となることから、増量分を上乗せした空燃比フィードバック補正係数を空燃比フィードバック制御の積分定数に従って減少させる間、リッチ状態が継続し、ストイキへの収束が遅くなって、エミッション及び燃費が悪化するという問題点があった。

このため、燃料の重軽質判定を行い、空燃比フィードバック制御開始後ストイキ点に収束するまでの間、燃料が軽質のときは初期の積分分を大きい値に設定して速やかに収束させるようにすることも提案されている。
しかし、燃料の重軽質判定は、燃料性状センサで行うものでは、センサのコストが高くつき、また、回転変動等をみて判定する方法もあるが、特に始動直後の回転が不安定な状態で短時間で十分な精度を確保することも難しく、さらに、重質、軽質の２段階程度の判別しか行えず、中間的な性状である場合に良好に適合できるものではなかった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、特別な重軽質判定を行うことなく燃料性状に応じてできるだけ速やかにストイキに収束させて排気浄化性能、燃費を改善することを目的とする。

このため、本発明は、始動後、空燃比センサの活性後に空燃比リッチ状態で前記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、空燃比センサの出力状態に基づいて該空燃比フィードバック制御の積分分を可変に設定する構成とした。

本発明によれば、活性後の空燃比センサの出力状態は、燃料性状（重軽質）を直接的に反映しており、軽質であるほど燃料が気化されやすく、同一の燃料増量に対して空燃比センサの出力がリッチ度合いが大きい状態となるため、かかる空燃比センサの出力状態に基づいてストイキに収束するまでの空燃比フィードバック制御時の積分分を設定することにより、燃料性状に適合して安定した燃焼性を確保しつつできるだけ速やかにストイキに収束させることができ、排気性状、燃費を十分に改善できる。

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の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２から吸気ダクト３、スロットル弁４、吸気マニホールド５を経て空気が吸入される。吸気マニホールド５の各ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。但し、燃料噴射弁６は燃焼室内に直接臨ませる配置としてもよい。

燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁（インジェクタ）であって、後述するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１２からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に調整された燃料を噴射供給する。従って、駆動パルス信号のパルス幅により燃料噴射量が制御される。

エンジン１の各燃焼室には点火プラグ７が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。
エンジン１の各燃焼室からの排気は、排気マニホールド８を介して排出される。また、排気マニホールド８からＥＧＲ通路９が導出され、これによりＥＧＲ弁１０を介して排気の一部を吸気マニホールド５に還流している。

一方、排気通路には、排気マニホールド８の直下などに位置させて、排気浄化触媒１１が設けられている。
ＥＣＵ１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、後述のごとく演算処理して、燃料噴射弁６の作動を制御する。

前記各種センサとしては、エンジン１のクランク軸又はカム軸回転よりクランク角度と共にエンジン回転速度Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１３、吸気ダクト３内で吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１５（スロットル弁４の全閉位置でＯＮとなるアイドルスイッチを含む）、エンジン１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、排気マニホールド８の集合部にて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としてのＯ２センサ１７などが設けられている。尚、Ｏ２センサ１７はヒータを内蔵しており、始動時からヒータに通電して素子温度を上昇させることで早期活性化を図ることができる。ＥＣＵ１２には更にスタートスイッチ１８などからも信号が入力されている。

図２は、ＥＣＵ１２にてエンジン始動後（スタートスイッチＯＮ→ＯＦＦ後）に時間同期または回転同期で実行される燃料噴射量演算ルーチンのフローチャートである。なお、始動時燃料噴射量は別の方法で演算される。
Ｓ１では、エアフローメータにより検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサにより検出されるエンジン回転速度Ｎｅとを読込む。尚、吸入空気量Ｑａについては、検出信号に基づいて平滑化処理を行うが、フローでは省略した。

Ｓ２では、吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅとから、次式により、基本燃料噴射量（基本噴射パルス幅）Ｔｐを演算する。
Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ 但し、Ｋは定数。
Ｓ３では、後述のごとく設定される目標空燃比補正係数（始動後空燃比リッチ化補正係数）ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを読込み、次式により、最終的な燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉを演算する。

Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×ＡＬＰＨＡ
目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは、共に、基準値（ストイキ相当値）を１とする。
尚、燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉの演算には、この他、スロットル開度ＴＶＯの変化に基づく過渡補正や、バッテリ電圧に基づく無効噴射パルス幅の加算等がなされるが、ここでは省略した。

燃料噴射量Ｔｉが演算されると、このＴｉに相当するパルス幅の駆動パルス信号がエンジン回転に同期して各気筒毎に所定のタイミングで燃料噴射弁６に出力されて、燃料噴射が行われる。
次に目標空燃比補正係数（始動後空燃比リッチ化補正係数）ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの設定について説明する。

図３はＥＣＵ１２にて実行される始動後の空燃比制御の流れを示すフローチャートであり、これにより始動後の目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ及び空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡが設定される。
Ｓ１１では、始動時の水温Ｔｗを検出し、これに応じて、始動後増量率の初期値ＫＡＳ、及び、その後の単位減量率ΔＫを設定する（次式参照）。

ＫＡＳ＝ｆ１（Ｔｗ）
ΔＫ＝ｆ２（Ｔｗ）
具体的には、始動時水温Ｔｗが低いほど始動後増量率の初期値ＫＡＳを大きく設定し、また、始動時水温Ｔｗが低いほど時間をかけて減量するように単位減量率ΔＫを小さく設定する。

Ｓ１２では、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを始動後増量率ＫＡＳに基づいて設定し、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは１に固定する（次式参照）。
ＴＦＢＹＡ＝１＋ＫＡＳ
ＡＬＰＨＡ＝１
ここでの設定値が始動後初回の燃料噴射量Ｔｉの演算に用いられ、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡにより、空燃比がリッチ化される。

その後、Ｓ１３では、時間同期で、始動後増量率ＫＡＳを単位減量率ΔＫ分ずつ減少させ（ＫＡＳ＝ＫＡＳ−ΔＫ）、減少させた始動後増量率ＫＡＳに基づいて、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを算出することで（ＴＦＢＹＡ＝１＋ＫＡＳ）、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを減少させる。但し、ＫＡＳ≧０とし、ＴＦＢＹＡ≧１とする。
Ｓ１４では、Ｏ２センサが活性したかを判定する。具体的な活性判定方式としては、Ｏ２センサの出力電圧ＶＯ２が予め定めたリッチ側活性判定スライスレベルＲＳＬを超えてから所定時間を経過したときに活性したと判定し、ＮＯの場合は、Ｓ１３へ戻って、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを減少させる。

従って、このような目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるようにすることができる。
Ｏ２センサが活性したと判定された場合は、Ｓ１４からＳ１５へ進み、Ｏ２センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を開始する。

Ｓ１５では、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分（ＫＡＳ）をカット、ここでは、０にすると共に、その増量分（ＫＡＳ）を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗せする。
具体的には、
ＴＦＢＹＡ＝１
ＡＬＰＨＡ＝１＋ＫＡＳ
と操作する。

Ｓ１６では、図４に示す積分分（Ｉ０）設定サブルーチンにより、空燃比フィードバック制御を開始後、ストイキ収束までのＯ２センサの出力状態に基づいて、該空燃比フィードバック制御における積分分を設定する。図４の積分分（Ｉ０）設定サブルーチンについては後述する。
その後、Ｓ１７では、時間同期で、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを空燃比フィードバック制御の積分分（積分定数）Ｉ０減少させる（次式参照）。

ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ−Ｉ０
Ｓ１８では、Ｏ２センサの出力電圧ＶＯ２が予め定めたストイキ判定スライスレベルＳＳＬに達したか否かを判定し、ＮＯの場合は、Ｓ１６、Ｓ１７へ戻って、必要により積分分Ｉを再設定し、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを減少させる。
Ｏ２センサの出力電圧ＶＯ２がストイキ判定スライスレベルＳＳＬに達した場合は、Ｓ１８から、後述する図５のルーチンによる通常の空燃比フィードバック制御（通常λ制御）へ移行する。

図４は積分分（Ｉ０）設定ルーチンのフローチャートである。
Ｓ２１では、Ｏ２センサ出力のリッチ度合い減少方向の変化量ΔＶＯ２を次式のように算出する。
ΔＶＯ２＝ＶＯ２（ｎ−１）−ＶＯ２（ｎ）
ＶＯ２（ｎ−１）：Ｏ２センサ出力の前回値
ＶＯ２（ｎ）：Ｏ２センサ出力の今回値
Ｓ２２では、前記変化量ΔＶＯ２に基づいて、積分分ゲインＤＶＯ２Ｋを以下のように設定する。

ΔＶＯ２＜ΔＶＳＬ１→ＤＶＯ２Ｋ＝２．０
ΔＶＳＬ１≦ΔＶＯ２＜ΔＶＳＬ２→ＤＶＯ２Ｋ＝１．５
ΔＶＯ２≧ΔＶＳＬ２→ＤＶＯ２Ｋ＝１．０
なお、ΔＶＳＬ１は０に近い値、ΔＶＳＬ２は実際に起こり得る最大の変化量に近い値に設定されている。また、ΔＶＳＬ１＝０、ΔＶＳＬ２＝最大変化量として、これらに対応する積分分ゲインＤＶＯ２Ｋを設定し（例えば、２．０，１．０）、実変化量ΔＶＯ２と、ΔＶＳＬ１、ΔＶＳＬ２との偏差に応じてＤＶＯ２Ｋを補間演算して算出するようにしてもよい。

Ｓ２３では、Ｓ２２で設定された積分分ゲインＤＶＯ２Ｋを用いて、空燃比フィードバック開始からストイキに収束するまでの積分分ＬＭＰＩＤを次式により算出する。
Ｉ０＝Ｉ×ＤＶＯ２Ｋ
Ｉ：通常λ制御時の積分分
図５は通常の空燃比フィードバック制御（通常λ制御）において時間同期で実行されるルーチンのフローチャートである。

Ｓ３１では、Ｏ２センサ出力に基づいてリーン／リッチを判定する。
リーンの場合は、Ｓ３２へ進み、リッチ→リーンへの反転時（前回リッチ）か否かを判定する。リッチ→リーンへの反転時の場合は、Ｓ３３へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを比較的大きく設定した比例分（比例定数）Ｐ増加させて、更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ＋Ｐ）。リーン状態継続中の場合は、Ｓ３４へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを微小の積分分（積分定数）Ｉ増加させて、更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ＋Ｉ）。

リッチの場合は、Ｓ３５へ進み、リーン→リッチへの反転時（前回リーン）か否かを判定する。リーン→リッチへの反転時の場合は、Ｓ３６へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを比較的大きく設定した比例分Ｐ減少させて、更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ−Ｐ）。リッチ状態継続中の場合は、Ｓ３７へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを微小の積分分Ｉ減少させて、更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ−Ｉ）。

図６は始動後の空燃比制御のタイムチャートである。
目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように制御している。
Ｏ２センサの出力がリッチ側活性判定スライスレベルＲＳＬを超えてから所定時間経過して、Ｏ２センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分（ＫＡＳ＝ＫＡＳ１）を０にすると共に、その増量分（ＫＡＳ＝ＫＡＳ１）を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗せする。

その後、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは、Ｏ２センサの出力状態に基づいて設定される空燃比フィードバック制御の積分分Ｉ０に基づいて減少させる。
ここで、重質燃料使用時は燃料の気化性が低いので、空燃比フィードバック制御開始時点での空燃比のリッチ度合いが低く、引き続く、燃料増量分の減少によって短時間でストイキに収束しようとする。この場合、積分分Ｉ０が大きいと増量分の減少速度が早すぎてストイキよりリーン側に大きくアンダーシュートを生じてしまい、安定した運転性が得られなくなってしまう。本発明では、Ｏ２センサの出力状態に基づいて、前記したようにリッチ度合い減少方向の変化量が大きくなるほど積分分Ｉ０を小さい値に設定することにより、空燃比のリーン化速度が緩やかとなり、大きなアンダーシュートを生じることなくストイキに収束し、安定した通常λ制御を開始できる。

一方、軽質燃料使用時は燃料の気化性が高いので、空燃比フィードバック制御開始時点での空燃比のリッチ度合いが高く、通常λ制御の小さな積分分Ｉではリッチ状態が長引き通常λ制御の開始が遅れてしまうが、本発明では、Ｏ２センサの出力変化が小さいときは積分分Ｉ０が大きい値に設定されてに基づいて、増量分が速やかに減少されるため、短時間でＯ２センサの出力変化（減少）が大きくなり、通常λ制御の開始を早めることができる。

このように、燃料の重軽質性状に応じて適切な積分分すなわち燃料増量分の減少速度に設定されるので、過度にリーン化されることなく安定した運転性能を確保しながら通常λ制御の開始をできるだけ早めて、排気浄化性能（特にＨＣ排出量低減）と燃費を向上できる。
また、上記ストイキ収束までの制御を、特別燃料性状を検出するセンサを設けることなく、Ｏ２センサの出力状態をモニターするだけで低コストで行える。

さらに、通常の重軽質判定は、重質と軽質を２段階に弁別する程度が一般的であるのに対し、本発明では、燃料の重軽質の度合い（重質成分と軽質成分との混合割合）がＯ２センサの出力状態に反映されるので、該出力状態に基づき最適な積分分を設定しつつ、制御性能を十分に高めることができる。
また、上記実施形態のように空燃比がリッチからリーンに移行するときの積分分ゲインＤＶＯ２Ｋを１．０として、積分分Ｉ０が通常λ制御時と同一の積分分Ｉとなるようにしたので、通常λ制御に移行後も速やかにストイキへに収束させることができ、より排気浄化性能を向上できる。

なお、上記実施形態では、Ｏ２センサの出力変化のみに応じて積分分Ｉ０（のゲイン）を変更するようにしたので制御も簡易であるが、出力値も加味して変更するような構成とすることもでき、例えば、同一の出力変化時でも出力値が大きいときは積分分を大きくし、
出力値が小さいときは積分分を小さくするような構成とすることもできる。

また、上記実施形態では、空燃比センサとして出力値がリッチ，リーンで大きく変化するＯ２センサ（酸素センサ）を用いて安価に実施できるが、空燃比変化をリニアに検出するタイプの空燃比センサを用いてもよいことは勿論であり、より高精度な制御を行える。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 燃料噴射量演算ルーチンのフローチャート 始動後の空燃比制御の流れを示すフローチャート 空燃比フィードバック制御開始後、ストイキに収束するまでの積分分ゲインを算出するフローチャート 通常の空燃比フィードバック制御ルーチンのフローチャート 始動後の空燃比制御のタイムチャート

符号の説明

１ エンジン
６ 燃料噴射弁
１２ ＥＣＵ
１７ Ｏ２センサ

Claims (6)

1. 始動直後に空燃比をリッチ化し、空燃比センサの活性後に該空燃比センサの出力に基づく空燃比フィードバック制御を開始するエンジンの制御装置であって、空燃比リッチ状態で前記空燃比フィードバック制御が開始されたとき、空燃比がストイキに収束されるまでの間、空燃比センサの出力状態に基づいて該空燃比フィードバック制御の積分分を可変に設定することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 前記空燃比センサ出力値のリッチ度合い減少方向の変化量が小さいときは、前記積分分を大きくし、前記変化量が大きいときは前記積分分を小さくすることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの空燃比制御装置。
3. 前記空燃比センサ出力値のリッチ度合い減少方向の変化量が小から大になるにしたがって前記積分分を大きい値から小さい値に切り換えることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの空燃比制御装置。
4. 前記空燃比がストイキに収束されるまでに設定される積分分の最小値を、ストイキ収束後の空燃比フィードバック制御における積分分と同一値に設定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のエンジンの空燃比制御装置。
5. 前記空燃比センサ出力値のリッチ度合いが大きいときは、同一のリッチ度合い減少方向の変化量に対し積分分を大きくすることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの空燃比制御装置。
6. 前記空燃比センサは、排気中の酸素濃度に感応する酸素センサであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの空燃比制御装置。

Images