JP2007023917A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】気筒間ばらつきを反映して気筒別空燃比を好適に算出し、該気筒別空燃比を基に高精度に空燃比制御を実施することを可能とする。
【解決手段】目標空燃比設定部24は、サブF/B部41と、目標空燃比リッチ化部42と、目標空燃比切替部43とを有している。サブF/B部41では、触媒下流側に設けたO2センサ17の検出信号に基づいて触媒上流側の目標空燃比を可変設定する。目標空燃比切替部43では、サブF/B部41で設定した目標空燃比がリッチであることなどを条件として、目標空燃比リッチ化部42で設定したリッチ目標空燃比を目標空燃比とする。そして、気筒別空燃比推定部25では、A/Fセンサ13によるセンサ検出値と目標空燃比とに基づいて気筒別空燃比を算出する。
【選択図】 図1
【解決手段】目標空燃比設定部24は、サブF/B部41と、目標空燃比リッチ化部42と、目標空燃比切替部43とを有している。サブF/B部41では、触媒下流側に設けたO2センサ17の検出信号に基づいて触媒上流側の目標空燃比を可変設定する。目標空燃比切替部43では、サブF/B部41で設定した目標空燃比がリッチであることなどを条件として、目標空燃比リッチ化部42で設定したリッチ目標空燃比を目標空燃比とする。そして、気筒別空燃比推定部25では、A/Fセンサ13によるセンサ検出値と目標空燃比とに基づいて気筒別空燃比を算出する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
従来から、内燃機関の排気空燃比を検出して目標の空燃比になるように燃料噴射量を制御する空燃比制御装置が提案されているが、多気筒内燃機関の場合、吸気マニホールド形状や吸気バルブの動作などにより、気筒間の吸入空気量にばらつきが生じる。また、気筒毎に燃料噴射弁を設けて個別に燃料噴射を行うMPI(マルチポイントインジェクション)方式の場合、燃料噴射装置の個体差などから気筒間の燃料量にばらつきが生じる。これらの気筒間ばらつきに起因して燃料噴射量制御の精度悪化が生じるため、例えば特許文献1では、空燃比センサによる空燃比検出時に、実際に検出対象となる排気がどの気筒のものかを特定し、その都度特定された気筒に対して個別に空燃比のフィードバック(F/B)制御を実施するようにしていた。
また、特許文献2では、空燃比センサを用いて排気集合部の空燃比を検出するとともに、該当する気筒の排気が空燃比センサに到達するまでの遅れを考慮して該当気筒の燃料供給量を補正するようにしていた。
上記のとおり気筒間ばらつきを解消するため先行技術が各種提案されているが、それら先行技術では以下の問題が生じる。すなわち、空燃比センサとして近年では、リッチからリーンまで広域の空燃比をリニアに検出可能とする、いわゆる全領域空燃比センサが実用化されているが、該空燃比センサでは、リッチ検出時とリーン検出時とで応答性が相違すると考えられる。故に、センサ出力として高応答のセンサ出力と低応答のセンサ出力とが混在し、その点を考慮せずに制御を実施すると気筒間ばらつきを確実に解消することができないといった問題が生じる。なお、センサ応答性を厳しく管理すると、空燃比センサの不具合品が過剰に多くなってしまい、製品コスト面での支障などが生じる。
特開平8−338285号公報
特公平3−37020号公報
本発明は、気筒間ばらつきを反映して気筒別空燃比を好適に算出し、該気筒別空燃比を基に高精度に空燃比制御を実施することを可能とする内燃機関の空燃比制御装置を提供することを主たる目的とするものである。
請求項1に記載の発明において、気筒別空燃比算出手段は、内燃機関の排気集合部に設けられた空燃比センサによるセンサ検出値に基づいて気筒別空燃比を算出する。この場合特に、空燃比センサの出力がリッチ出力となる状態下で気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比算出の実行を許可する。
要するに、空燃比センサは、リッチ検出時の応答性とリーン検出時の応答性とが相違し、一般にリッチ検出時の応答性の方が優れていると考えられる。そのため、リッチ検出時に限定して気筒別空燃比の算出を実行することにより、その算出精度の低下が抑制でき、気筒間ばらつきを反映して気筒別空燃比を好適に算出することが可能となる。したがって、その気筒別空燃比を基に高精度に空燃比制御を実施することができる。また、仮に応答性が低下傾向にある空燃比センサを用いる場合であっても、比較的応答性の良いリッチ側のセンサ出力を用いて気筒別空燃比を好適に算出することができる。
請求項2に記載の発明では、触媒装置の上流側に第1空燃比センサを設けるとともに、同下流側に第2空燃比センサを設けた内燃機関において、空燃比フィードバック制御手段は、第1空燃比センサにより検出された検出空燃比を目標空燃比に一致させるべく空燃比フィードバック制御を実施する。また、サブフィードバック制御手段は、第2空燃比センサの出力を目標出力値に一致させるべく目標空燃比を可変設定する。そして、サブフィードバック制御手段により設定した目標空燃比がリッチであるか否かを判定し、該目標空燃比がリッチである旨判定された場合に、前記気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比算出の実行を許可する。
つまり、サブフィードバック制御では、第2空燃比センサ(触媒下流側の空燃比センサ)の出力が目標出力値に対してリーンである場合に目標空燃比がリッチとされる。目標空燃比がリッチとされると、第1空燃比センサ(触媒上流側の空燃比センサ)の検出雰囲気がリッチ化され、前述のとおり気筒別空燃比の算出が行われる。この場合、第2空燃比センサは出力の変動が緩慢であり、そのセンサ出力に基づいて設定される目標空燃比はリッチ/リーン間の変動が緩慢なものとなる。故に、現実の触媒上流側の空燃比(第1空燃比センサ出力)を判定パラメータとして気筒別空燃比算出の実行可否を判定するよりも、サブフィードバック制御手段により設定した目標空燃比を判定パラメータとして気筒別空燃比算出の実行可否を判定する方が、気筒別空燃比を好適に算出することができると考えられる。
請求項3に記載の発明では、気筒別空燃比の算出時において、目標空燃比を前記サブフィードバック制御手段による設定値よりもリッチにする。これにより、第1空燃比センサのガス雰囲気をより確実にリッチ状態とすることができる。つまり、気筒別空燃比の算出期間内において、第1空燃比センサの出力をリッチ出力のまま保持することができる。またこの場合、前述したように気筒別空燃比の算出は、目標空燃比(サブフィードバック制御における目標空燃比)がリッチである時に行われ、目標空燃比をより一層リッチ化したとしても排気エミッションへの悪影響はないと考えられる。
請求項4に記載の発明では、第1空燃比センサの応答性を判定する。そして、気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比の算出に際し、第1空燃比センサの応答性が低下していると判定された場合に目標空燃比をリッチ化する。応答性が低下した空燃比センサの場合、リーンでは検出精度が確保できないが、リッチでは検出精度が確保できることが考えられる。かかる場合において、センサ応答性の低下に伴いリーン空燃比の検出精度が低下していても、目標空燃比のリッチ化により空燃比センサの出力をリッチ出力とし、そのリッチ出力により気筒別空燃比を好適に算出することができる。
請求項5に記載したように、第2空燃比センサの出力がリッチ出力となった場合に、前記目標空燃比のリッチ化を中止すると良い。触媒下流側の空燃比がリッチとなり、それに伴い第2空燃比センサの出力がリッチ出力となった場合には、目標空燃比のリッチ化により排気エミッションが悪化するおそれがあるが、本請求項の発明によれば、排気エミッションの悪化が抑制できる。
請求項6に記載の発明では、空燃比フィードバック制御のための目標空燃比がリッチであるか否かを判定し、該目標空燃比がリッチである旨判定された場合に、前記気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比算出の実行を許可する。この場合、現実の空燃比(空燃比センサ出力)を判定パラメータとして気筒別空燃比算出の実行可否を判定するよりも、目標空燃比を判定パラメータとして気筒別空燃比算出の実行可否を判定する方が、気筒別空燃比を好適に算出することができると考えられる。
請求項7に記載の発明では、空燃比センサの応答性を判定する。そして、気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比の算出に際し、空燃比センサの応答性が低下していると判定された場合に目標空燃比をリッチ化する。応答性が低下した空燃比センサの場合、リーンでは検出精度が確保できないが、リッチでは検出精度が確保できることがあると考えられる。かかる場合において、センサ応答性の低下に伴いリーン空燃比の検出精度が低下していても、目標空燃比のリッチ化により空燃比センサの出力をリッチ出力とし、そのリッチ出力により気筒別空燃比を好適に算出することができる。
請求項8に記載の発明では、空燃比センサ(請求項2では第1空燃比センサ)のセンサ検出値を、排気集合部における流入ガスの気筒別空燃比の履歴と前記センサ検出値の履歴とにそれぞれ所定の重みを乗じて加算したものとしてモデル化し、該モデルをもとに気筒別空燃比を算出(推定)することとしている。かかる構成によれば、排気集合部におけるガスの流入及び混合に着目したモデルを用いることになるため、当該排気集合部のガス交換挙動を反映して気筒別空燃比が算出できる。また、センサ検出値をその過去の値から予測するモデル(自己回帰モデル)を用いることから、有限の燃焼履歴(燃焼空燃比)を用いる構成等とは異なり、精度向上を図る上で履歴を増やすことを要しない。その結果、簡単なモデルを用いることでモデリングの複雑さを解消し、しかも気筒別空燃比を精度良く算出することができるようになる。
排気集合部におけるガスの流入及び混合といったガス交換では、排気集合部におけるガス流入及び混合の一次遅れ要素と空燃比センサの応答による一次遅れ要素とが存在する。かかる場合、請求項9に記載したように、前記モデルを、排気集合部におけるガス流入及び混合の一次遅れ要素と、空燃比センサの応答による一次遅れ要素とを考慮したものとして構築することで、良好なるモデル化が可能となる。
請求項10に記載の発明では、カルマンフィルタ型のオブザーバを用い、該オブザーバにより前記気筒別空燃比の算出を実施することとしている。カルマンフィルタを用いることにより対ノイズ性能が向上し、気筒別空燃比の算出精度が向上する。
(第1の実施の形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、多気筒内燃機関である車載4気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築し、当該制御システムにおいてはエンジン制御用電子制御ユニット(以下、エンジンECUという)を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図1を用いて本制御システムの主要な構成を説明する。
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、多気筒内燃機関である車載4気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築し、当該制御システムにおいてはエンジン制御用電子制御ユニット(以下、エンジンECUという)を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図1を用いて本制御システムの主要な構成を説明する。
図1において、エンジン10の吸気ポート近傍には気筒毎に電磁駆動式の燃料噴射弁11が取り付けられている。燃料噴射弁11からエンジン10に燃料が噴射供給されると、各気筒の吸気ポートでは吸入空気と燃料噴射弁11による噴射燃料とが混合されて混合気が形成され、この混合気が吸気バルブ(図示略)の開放に伴い各気筒の燃焼室に導入されて燃焼に供される。
エンジン10で燃焼に供された混合気は、排気バルブ(図示略)の開放に伴い排気として排気マニホールド12を介して排出される。排気マニホールド12は気筒毎に分岐した分岐部12aとそれら各分岐部12aを集合させた排気集合部12bとよりなり、排気集合部12bには混合気の空燃比を検出するためのA/Fセンサ13が設けられている。A/Fセンサ13は広域の空燃比をリニアに検出可能な、いわゆる全領域空燃比センサである。当該センサの構成については周知であるためここでは詳細な説明を省略するが、略述すれば、A/Fセンサ13はジルコニア等の固体電解質層とそれを挟むように配される一対の電極層(排気側電極、大気側電極)とを有しており、排気側電極の外側には拡散抵抗層が設けられている。そして、電極間を伝導する酸素イオン量に応じて排気中の酸素濃度(すなわち空燃比)が検出される。
また、排気マニホールド12の下流には排気管15が接続され、その排気管15には三元触媒16が設けられている。排気管15において三元触媒16の下流側にはO2センサ17が設けられている。O2センサ17は、排気管15を通過する排気中(ここでは特に触媒下流側の排気中)の酸素濃度に応じて起電力信号を出力するものであり、理論空燃比(ストイキ)を境として空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力する。具体的には、触媒下流側の空燃比がリッチであれば、起電力信号(O2センサ出力)は約1Vとなり、同空燃比がリーンであれば、起電力信号(O2センサ出力)は0Vとなる。なお、A/Fセンサ13は「第1空燃比センサ」に相当し、O2センサ17は「第2空燃比センサ」に相当する。
図示は省略するが、本制御システムでは、前記したA/Fセンサ13やO2センサ17以外にも吸気管負圧を検出する吸気管負圧センサ、エンジン水温を検出する水温センサ、エンジンの所定クランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサなど各種センサが設けられており、A/Fセンサ13やO2センサ17の検出信号と同様、各種センサの検出信号もエンジンECUに適宜入力されるようになっている。
本制御システムでは、A/Fセンサ13の検出信号に基づいて空燃比が算出され、その算出値が目標値に一致するよう気筒毎の燃料噴射量がF/B(フィードバック)制御される。空燃比F/B制御の基本構成を図1で説明すれば、空燃比偏差算出部21では、A/Fセンサ13の検出信号から算出した検出空燃比と別途設定した目標空燃比との偏差が算出され、空燃比F/B制御部22では、その偏差に基づいて空燃比補正係数が算出される。そして、噴射量算出部23では、エンジン回転数やエンジン負荷(例えば吸気管負圧)等に基づいて算出されたベース噴射量や前記空燃比補正係数などから最終噴射量が算出され、その最終噴射量により燃料噴射弁11が制御される。この制御の流れは従来の空燃比F/B制御と同様である。
また、空燃比F/B制御に際しては、いわゆるサブF/B制御が実施されるようになっている。このサブF/B制御は、触媒下流側の空燃比を目標値(例えば理論空燃比付近)に一致させるための制御であり、触媒下流側に設けたO2センサ17の検出信号に基づいて触媒上流側の目標空燃比を可変設定する。すなわち、目標空燃比設定部24では、O2センサ17の検出信号に基づいて触媒下流側の空燃比がリッチかリーンかを判定し、その判定結果に基づいて目標空燃比を適宜設定する。ただし、目標空燃比設定部24の詳細は後述する。
上述した空燃比F/B制御は、排気マニホールド12の排気集合部12bで検出した空燃比情報に基づいて各気筒の燃料噴射量(空燃比)を制御するものであるが、現実には気筒毎に空燃比がばらつくため、本実施の形態では、A/Fセンサ13の検出値から気筒別空燃比を求め、その気筒別空燃比に基づいて気筒別空燃比制御を実施する。その詳細を以下に説明する。
図1に示すように、空燃比偏差算出部21で算出した空燃比偏差は気筒別空燃比推定部25に入力され、この気筒別空燃比推定部25において気筒別空燃比が推定される。気筒別空燃比推定部25では、排気マニホールド12の排気集合部12bにおけるガス交換に着目して、A/Fセンサ13の検出値を、排気集合部12bにおける流入ガスの気筒別空燃比の履歴とA/Fセンサ13の検出値の履歴とにそれぞれ所定の重みを乗じて加算したものとしてモデル化し、該モデルをもとに気筒別空燃比を推定することとしている。また、オブザーバとしてはカルマンフィルタを用いている。
より具体的には、排気集合部12bにおけるガス交換のモデルを次の(1)式にて近似する。(1)式中、ysはA/Fセンサ13の検出値、uは排気集合部12bに流入するガスの空燃比、k1〜k4は定数である。
上記(1)式を状態空間モデルに変換すると、次の(2)式が得られる。(2)式中、A,B,C,Dはモデルのパラメータ、YはA/Fセンサ13の検出値、Xは状態変数としての気筒別空燃比、Wはノイズである。
また、基準空燃比算出部26では、気筒別空燃比推定部25で推定した気筒別空燃比に基づいて基準空燃比を算出する。ここでは、気筒別空燃比の全気筒平均(本実施の形態では第1〜第4気筒の平均値)を基準空燃比としており、新たに気筒別空燃比が算出される度に基準空燃比が更新される。気筒別空燃比偏差算出部27では、気筒別空燃比と基準空燃比との偏差(気筒別空燃比偏差)を算出する。
気筒別空燃比制御部28では、気筒別空燃比偏差算出部27で算出した偏差に基づいて気筒別補正量を算出し、その気筒別補正量により各気筒の最終噴射量を補正する。気筒別空燃比制御部28のより詳しい構成を図2で説明する。
図2において、気筒毎に算出された気筒別空燃比偏差(図1の気筒別空燃比偏差算出部27の出力)は、第1〜第4の各気筒毎の補正量算出部31,32,33,34にそれぞれ入力される。各補正量算出部31〜34では、気筒別空燃比偏差に基づいて気筒間の空燃比ばらつきが解消されるように、すなわち、該当する気筒の気筒別空燃比が基準空燃比に一致するようにして気筒別補正量を算出する。このとき、各気筒の補正量算出部31〜34で算出した気筒別補正量は全て補正量平均値算出部35に取り込まれ、第1気筒〜第4気筒の各気筒別補正量の平均値が算出される。そして、その補正量平均値により第1気筒〜第4気筒の各気筒別補正量が減量補正される。結果この補正後の気筒別補正量により各気筒の最終噴射量が補正される。
ここで、目標空燃比設定部24について説明する。目標空燃比設定部24は、サブF/B部41と、目標空燃比リッチ化部42と、目標空燃比切替部43とを有している。サブF/B部41では、触媒下流側に設けたO2センサ17の検出信号(O2センサ出力)に基づいて触媒上流側の目標空燃比を可変設定することとしており、その概要を図3のタイムチャートで説明する。なお以下の説明では便宜上、サブF/B制御により設定される目標空燃比を「サブF/B目標空燃比」と称する。図3において、VthはO2センサ出力のリッチ/リーン判定値である。
図3に示すように、O2センサ出力は周期的にリッチ出力とリーン出力とで切り替わり、その切り替わりに応じてサブF/B目標空燃比のスキップ処理と積分処理とが行われる。例えば、タイミングt1でO2センサ出力がリッチ→リーンに切り替わると、サブF/B目標空燃比がリッチ側にスキップされ、その後リッチ化方向への積分処理が行われる。また、タイミングt2でO2センサ出力がリーン→リッチに切り替わるとサブF/B目標空燃比がリーン側にスキップされ、その後リーン化方向への積分処理が行われる。
ところで、A/Fセンサ13は、リッチ検出時とリーン検出時とで応答性が相違し、一般にはリッチ検出時の方が応答性が良いものとなっている。そのため本実施の形態では、気筒別空燃比制御の精度を高めるべく、A/Fセンサ13によるリッチ検出時にのみ気筒別空燃比の算出を実施することとし、さらにその気筒別空燃比の算出に際し、目標空燃比をあらかじめ定めたリッチ目標空燃比に切り替えるようにしている。そのための構成として、目標空燃比リッチ化部42と目標空燃比切替部43とを設けている。
この場合、目標空燃比切替部43では、
(1)エンジンの暖機が完了していること、
(2)エンジン運転状態が所定の実行条件成立状態にあること、
(3)サブF/B部41で設定したサブF/B目標空燃比がリッチであること、
などを条件として、それら各条件が全て成立するか否かを判定する。そして、それら全条件が成立した場合において、目標空燃比リッチ化部42で設定したリッチ目標空燃比を目標空燃比とする。また、上記の各条件のいずれかが不成立の場合、サブF/B部41で設定したサブF/B目標空燃比を目標空燃比とする。
(1)エンジンの暖機が完了していること、
(2)エンジン運転状態が所定の実行条件成立状態にあること、
(3)サブF/B部41で設定したサブF/B目標空燃比がリッチであること、
などを条件として、それら各条件が全て成立するか否かを判定する。そして、それら全条件が成立した場合において、目標空燃比リッチ化部42で設定したリッチ目標空燃比を目標空燃比とする。また、上記の各条件のいずれかが不成立の場合、サブF/B部41で設定したサブF/B目標空燃比を目標空燃比とする。
ちなみに、サブF/B制御により目標空燃比がリッチ側及びリーン側に振られる振幅量はストイキに対して約1%程度(目標λ=1±0.01程度)であるのに対し、リッチ目標空燃比はストイキに対して2〜3%程度(目標λ=1±0.02〜0.03程度)となっている。
なお、目標空燃比リッチ化部42においてリッチ目標空燃比をエンジン回転速度や負荷等に基づいて可変設定することも可能である。この場合、高回転又は高負荷であるほどリッチ度合を小さくすると良い。また、エンジン運転状態等に基づいて目標空燃比のベース値を設定するベース目標空燃比設定部を設け、サブF/B部41では、目標空燃比のベース値に対してO2センサ出力に基づく補正を実施する構成であっても良い。
上述した空燃比偏差算出部21、空燃比F/B制御部22、噴射量算出部23、目標空燃比設定部24、気筒別空燃比推定部25、基準空燃比算出部26、気筒別空燃比偏差算出部27及び気筒別空燃比制御部28は、エンジンECU内のマイクロコンピュータにより実現される。
次に、エンジンECUによる気筒別空燃比推定処理の一連の流れを説明する。図4は、気筒別空燃比推定処理を示すフローチャートであり、本処理は所定のクランク角度毎(本実施の形態では30°CA毎)にエンジンECUにより実行される。
図4において、まずステップS110では、気筒別空燃比推定を許可又は禁止するための実行条件判定処理を実施する。実行条件判定処理を図5に基づいて詳しく説明すれば、ステップS111では、A/Fセンサ13が使用可能な状態であるか否かを判定する。具体的には、A/Fセンサ13が活性化していること、フェイルしていないこと等を判定する。また、ステップS112では、エンジン水温が所定温度(例えば70℃)以上であるか否かを判定する。そして、A/Fセンサ13が使用可能であり且つエンジン水温が所定温度以上であれば、ステップS113に進む。
ステップS113,S114では、回転速度とエンジン負荷(例えば吸気管負圧)とをパラメータとする運転領域マップを参照し、今現在のエンジン運転状態が実行領域にあるかどうかを判定する。このとき、高回転域又は低負荷域では気筒別空燃比の推定が困難である、又は推定値の信頼性が低いと考えられるため、かかる運転領域で気筒別空燃比推定が禁止されるようにして、図示の如く実行領域が設定されている。
今現在のエンジン運転状態が実行領域にあれば、ステップS115に進む。ステップS115では、サブF/B目標空燃比(O2センサ出力のリッチ/リーンに基づいて設定された目標空燃比)がリッチであるか否かを判定する。そして、サブF/B目標空燃比がリッチであればステップS116に進み、気筒別空燃比推定の実行を許可又は禁止するための実行フラグをONする。
また、A/Fセンサ13が使用不可の場合、エンジン水温が所定温度未満である場合、エンジン運転状態が所定領域にない場合、又はサブF/B目標空燃比がリッチでない場合にはステップS117に進み、実行フラグをOFFする。こうして実行フラグをON又はOFFした後元の図4のルーチンに戻る。なお、上記の各条件に加えて、エンジン回転速度の変動量が所定範囲内であること、エンジン負荷の変動量が所定範囲内であることを判定し、その判定結果に応じて実行フラグをセットすることも可能である。
図4の説明に戻り、ステップS120では、実行フラグがONであるか否かを判定し、実行フラグがOFFであればステップS130に進む。ステップS130では、サブF/B目標空燃比を目標空燃比として設定する。また、実行フラグがONであればステップS140に進む。ステップS140では、所定のリッチ空燃比であるリッチ目標空燃比を目標空燃比として設定する。
その後、ステップS150では、気筒別空燃比推定を行うための基準クランク角度を設定する。具体的には、エンジン負荷(例えば吸気管負圧)をパラメータとするマップを参照し、その都度のエンジン負荷に応じて基準クランク角度を設定する。当該マップでは、低負荷域で基準クランク角度が遅角側にシフトされるようになっている。つまり、低負荷域では排気流速が遅くなることが考えられ、故にその遅延分に合わせて基準クランク角度が設定される。
基準クランク角度は、気筒別空燃比の推定に用いるA/Fセンサ値を取得するための基準角度位置であり、これはエンジン負荷に応じて変動する。図6で説明すれば、A/Fセンサ値は気筒間の個体差等により変動し、クランク角に同期した所定パターンとなる。この変動パターンはエンジン負荷が小さい場合に遅角側にシフトする。例えば図6のa,b,c,dの各タイミングでA/Fセンサ値を取得したい場合に、負荷変動が生じるとA/Fセンサ値が本来欲しい値からずれるが、上記の通り基準クランク角度が可変設定されることにより最適なタイミングでA/Fセンサ値が取得できる。ただし、A/Fセンサ値を取り込むこと(例えばA/D変換すること)自体は、必ずしも上記基準クランク角度のタイミングに限定されず、この基準クランク角度よりも短い間隔で実施される構成であっても良い。
その後、基準クランク角度であること(ステップS160がYESであること)を条件にステップS170に進み、気筒別空燃比を推定する。このとき、A/Fセンサ13の検出信号から算出された空燃比(実空燃比)を読み込むとともに、該読み込んだ空燃比に基づいて気筒別空燃比を推定する。気筒別空燃比の推定手法については既述の通りである。
気筒別空燃比の推定が完了すると、図1等で説明したように、全気筒分の気筒別空燃比の推定値を基にその平均値が算出され、その平均値が基準空燃比とされる。そして、気筒別空燃比と基準空燃比との差に応じて気筒毎に気筒別補正量が算出されるとともに、この気筒別補正量を用いて気筒毎に最終噴射量が補正される。
図7は、気筒別空燃比推定の実施態様をより具体的に説明するためのタイムチャートである。図7において、(a)はO2センサ出力を、(b)はサブF/B目標空燃比を、(c)は最終の目標空燃比を、(d)は気筒別空燃比の推定実行条件の成否を、それぞれ示している。なお前記図3で説明したように、O2センサ出力は周期的にリッチ出力とリーン出力とで切り替わり、その切り替わりに応じてサブF/B目標空燃比がリッチ側及びリーン側に切り替えられるようになっている。
さて、図7では、タイミングt11でO2センサ出力がリーン出力に切り替わり、サブF/B目標空燃比がリッチに移行する。その後、タイミングt12では気筒別空燃比の推定実行条件が成立し、タイミングt12〜t13の期間において気筒別空燃比が推定される。この推定実行条件は、前述したとおりエンジン運転状態が所定の条件成立状態にあること、サブF/B目標空燃比がリッチであることなどを含むものである。実行条件成立の期間(t12〜t13)では、目標空燃比がサブF/B目標空燃比よりもリッチ化され、その状態で気筒別空燃比の推定が行われる。その後、タイミングt13で前記実行条件が不成立になると、気筒別空燃比の推定が停止される。タイミングt14では、O2センサ出力がリッチ出力に切り替わり、それに伴いサブF/B目標空燃比がリーンに移行する。
その後、タイミングt15では再びO2センサ出力がリーン出力に切り替わり、サブF/B目標空燃比がリッチに移行する。そして、タイミングt15以降も同様に、気筒別空燃比の推定実行条件が成立する期間内において目標空燃比がリッチ化され、その状態で気筒別空燃比の推定が行われる。
目標空燃比がリッチ化された状態では、A/Fセンサ13によりリッチガスが検出される。このとき、仮にA/Fセンサ13として応答性が低下していても、比較的応答性の高いリッチ出力のみを用いて気筒別空燃比の推定が行われる。故に、気筒別空燃比の算出精度の低下が抑制される。
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
サブF/B目標空燃比がリッチである旨判定された場合に気筒別空燃比算出の実行を許可する構成としたため、A/Fセンサ13のリーン側の出力応答性が低下しても、気筒間ばらつきを反映して気筒別空燃比を好適に算出することができる。したがって、その気筒別空燃比を基に高精度に空燃比制御を実施することができる。また、仮に応答性が低下傾向にあるA/Fセンサ13を用いる場合であっても、比較的応答性の良いリッチ側のセンサ出力を用いることにより気筒別空燃比を好適に算出することができる。
本実施の形態の場合、少なくともリッチ側のセンサ応答性が確保されていれば、気筒別空燃比が好適に算出できるため、規格外として破棄されるA/Fセンサ13を減らすことができる。故に、コストの削減も可能となる。
また、触媒下流側のO2センサ出力は変動が比較的緩慢であり、そのO2センサ出力に基づいて設定されるサブF/B目標空燃比はリッチ/リーン間の変動が緩慢なものとなる。故に、A/Fセンサ13の出力(検出空燃比)を判定パラメータとして気筒別空燃比算出の実行可否を判定するよりも、サブF/B目標空燃比を判定パラメータとして気筒別空燃比算出の実行可否を判定する方が、気筒別空燃比を好適に算出することができると考えられる。
気筒別空燃比の算出時には、目標空燃比をサブF/B目標空燃比よりもリッチにするようにしたため、A/Fセンサ13のガス雰囲気をより確実にリッチ状態とすることができる。つまり、気筒別空燃比を算出する期間内において、A/Fセンサ13の出力をリッチ出力のまま保持することができる。このとき、本来リッチ化すべき状態であるため、目標空燃比をより一層リッチ化したとしても排気エミッションへの悪影響はないと考えられる。
排気集合部12bにおけるガス流入及び混合に基づき構築したモデルを用いて気筒別空燃比を推定するようにしたため、当該排気集合部12bのガス交換挙動を反映して気筒別空燃比が算出できる。また、当該モデルは、A/Fセンサ13の検出値をその過去の値から予測するモデル(自己回帰モデル)であることから、有限の燃焼履歴(燃焼空燃比)を用いる従来構成とは異なり、精度向上を図る上で履歴を増やすことを要しない。その結果、簡単なモデルを用いることでモデリングの複雑さを解消し、しかも気筒別空燃比を精度良く算出することができるようになる。その結果、ひいては空燃比制御の制御性が向上する。
気筒別空燃比の推定にカルマンフィルタ型のオブザーバを用いたため、対ノイズ性能が向上し、気筒別空燃比の推定精度が向上する。
また、空燃比F/B制御において、気筒別空燃比(推定値)に基づいて気筒間の空燃比ばらつき量としての気筒別空燃比偏差を算出し、該算出した気筒別空燃比偏差に応じて該当する気筒毎に気筒別補正量を算出する構成としたため、気筒間の空燃比ばらつき量による空燃比制御誤差を減じることができ、精度の良い空燃比制御が実現できる。
気筒別補正量の算出においては、気筒別補正量の全気筒平均値を算出してこの全気筒平均値だけ各気筒毎の気筒別補正量を減算補正するようにしたため、通常の空燃比F/B制御との干渉が回避できる。つまり、通常の空燃比F/B制御では、排気集合部12bにおける空燃比検出値が目標値に一致するよう空燃比制御が実施されるのに対し、気筒別空燃比制御では気筒間の空燃比ばらつきを吸収するよう空燃比制御が実施される。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態について上記第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。本実施の形態は、気筒別空燃比の算出に際し、A/Fセンサ13の応答性を検出しその検出結果に基づいて目標空燃比の設定を行うものである。
次に、第2の実施の形態について上記第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。本実施の形態は、気筒別空燃比の算出に際し、A/Fセンサ13の応答性を検出しその検出結果に基づいて目標空燃比の設定を行うものである。
図8は、本実施の形態におけるエンジン制御システムの概要を示す図面である。図8では、前記図1との相違点として、センサ応答性検出部51を設けており、このセンサ応答性検出部51によりA/Fセンサ13の応答性が検出される。ここで、センサ応答性検出部51では、目標空燃比をステップ的に変化させた時に所定の応答変化が現れるまでの経過時間(応答時間)を計測し、その経過時間に基づいてセンサ応答性が早いか遅いかを判定する。そして、目標空燃比切替部43では、応答性検出部51による検出結果に基づいて目標空燃比の切替を実行する。
図9は、本実施の形態における気筒別空燃比推定処理を示すフローチャートであり、本処理は前記図4に置き換えてエンジンECUにより実行される。
図9において、まずステップS210では、気筒別空燃比推定を許可又は禁止するための実行条件判定処理を実施する。実行条件判定処理を図10に基づいて説明する。なお図10のステップS211〜S214は、前記図5のステップS111〜S114と同様の処理である。つまり、ステップS211では、A/Fセンサ13が使用可能な状態であるか否かを判定する(活性化判定、フェイル判定を行う)。また、ステップS212では、エンジン水温が所定温度(例えば70℃)以上であるか否かを判定する。ステップS213,S214では、回転速度とエンジン負荷(例えば吸気管負圧)とをパラメータとする運転領域マップを参照し、今現在のエンジン運転状態が実行領域にあるかどうかを判定する。
そして、A/Fセンサ13が使用可能状態であること、エンジン暖機後であること、エンジン運転状態が実行領域にあることの各条件が全て成立した場合にステップS215に進み、気筒別空燃比推定の実行を許可又は禁止するための実行フラグをONする。上記の各条件のいずれかが不成立の場合にはステップS216に進み、実行フラグをOFFする。こうして実行フラグをON又はOFFした後元の図9のルーチンに戻る。
図9の説明に戻り、ステップS220では、実行フラグがONであるか否かを判定し、実行フラグがOFFであればステップS230に進む。ステップS230では、サブF/B目標空燃比を目標空燃比として設定する。
また、実行フラグがONであればステップS240に進む。ステップS240では、A/Fセンサ13の応答性検出が完了しているか否かを判定する。センサ応答性検出が完了していない場合、ステップS250に進み、センサ応答性検出処理を行うべく応答性検出用の目標空燃比を設定する。この応答性検出用の目標空燃比は、あらかじめ定められた空燃比の設定パターンに基づいて設定され、例えばリッチ空燃比→弱リーン空燃比→強リーン空燃比の順に切り替えられるようになっている。
センサ応答性検出が完了している場合にはステップS260に進む。ステップS260では、センサ応答性検出の結果に基づき、A/Fセンサ13の応答性が低下しているか否かを判定する。A/Fセンサ13の応答性が低下していない場合、ステップS230に進み、サブF/B目標空燃比を目標空燃比として設定する。また、A/Fセンサ13の応答性が低下している場合、ステップS270に進み、今現在のO2センサ出力がリーン出力であるか否かを判定する。そして、O2センサ出力がリッチ出力であればステップS230に進み、サブF/B目標空燃比を目標空燃比として設定する。
つまり、A/Fセンサ13の応答性が低下していない場合には、センサ出力がリッチ出力/リーン出力のいずれであっても気筒別空燃比が好適に算出できるため、目標空燃比のリッチ化が行われない。また、O2センサ出力がリッチ出力である場合には、排気エミッション悪化を防止するため、目標空燃比のリッチ化が行われない。
O2センサ出力がリーン出力であればステップS280に進み、所定のリッチ空燃比であるリッチ目標空燃比を目標空燃比として設定する。このとき、リッチ目標空燃比は、ストイキに対して2〜3%リッチ化した空燃比値である。
その後、ステップS290では、気筒別空燃比推定を行うための基準クランク角度を設定する(前記図4のステップS150と同様)。そして、基準クランク角度であること(ステップS300がYESであること)を条件にステップS310に進み、気筒別空燃比を推定する。このとき、A/Fセンサ13の検出信号から算出された空燃比(実空燃比)を読み込むとともに、該読み込んだ空燃比に基づいて気筒別空燃比を推定する。気筒別空燃比の推定手法については既述の通りである。
図11は、本実施の形態における気筒別空燃比推定の実施態様をより具体的に説明するためのタイムチャートである。図11において、(a)は気筒別空燃比の推定実行条件の成否を、(b)はセンサ応答性処理の実施状態を、(c)はセンサ応答性の検出結果を、(d)はO2センサ出力を、(e)は空燃比の挙動を、それぞれ示している。図11では、A/Fセンサ13の応答性が低下した場合の制御動作を示しており、(e)の空燃比の挙動として、目標空燃比の推移を二点鎖線で、応答性が低下したA/Fセンサによる検出空燃比の推移を実線で示している。また比較のために、応答性が低下していないA/Fセンサによる検出空燃比の推移を点線で示している。このとき、元々リッチ出力よりもリーン出力の方が応答性が低いものとなっているが、特に本事例ではリーン出力のみ応答性がより低下したものとなっている。
図11において、タイミングt21では気筒別空燃比の推定実行条件が成立し、その時点でA/Fセンサ13の応答性検出が未完であるため、センサ応答性検出処理が実行される。タイミングt21〜t23の期間がセンサ応答性検出処理の実行期間であり、当該期間内において所定の設定パターンにより目標空燃比の設定が行われる。つまり、タイミングt21以降、目標空燃比がリッチ空燃比→弱リーン空燃比→強リーン空燃比の順に切り替えられる。このとき、目標空燃比が弱リーン空燃比→強リーン空燃比にステップ的に切り替えられるタイミングt22を起点として、A/Fセンサ13による検出空燃比が所定の応答性判定レベル(図のKA)に到達するまでの応答時間が計測され、その計測結果に基づいてセンサ応答が早いか遅いかが判定される。図示の事例では、応答性が低下していないA/Fセンサの場合、応答時間がT1であるのに対し、応答性が低下したA/Fセンサの場合、応答時間がT2となっている。
タイミングt23では、センサ応答性検出処理が完了し、その時点でセンサ応答性が遅いと判定される。また、同タイミングt23では、O2センサ出力がリーン出力となっている。これにより、目標空燃比がリッチ目標空燃比に切り替えられ、タイミングt23〜t24の期間において気筒別空燃比が推定される。
以上詳述した第2の実施の形態によれば、気筒別空燃比の算出に際し、A/Fセンサ13の応答性が低下していると判定された場合に目標空燃比をリッチ化するようにした。つまり、応答性が低下したA/Fセンサの場合、リーンでは検出精度が確保できないが、リッチでは検出精度が確保できることがあると考えられる。かかる場合において、センサ応答性の低下に伴いリーン空燃比の検出精度が低下していても、目標空燃比のリッチ化によりA/Fセンサ出力をリッチ出力とし、そのリッチ出力により気筒別空燃比を好適に算出することができる。
O2センサ出力がリッチ出力となった場合に目標空燃比のリッチ化を中止するようにしたため、排気エミッションの悪化が抑制できる。
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
上記実施の形態では、目標空燃比設定部24の目標空燃比切替部43において(図1参照)、気筒別空燃比の推定実行条件に基づいてサブF/B部41によるサブF/B目標空燃比と目標空燃比リッチ化部42によるリッチ目標空燃比とを択一的に切り替える構成としたが、これを変更する。例えば、気筒別空燃比の推定実行条件に基づいてサブF/B部41によるサブF/B目標空燃比をリッチ側に補正する目標空燃比補正部を設け、該補正部により目標空燃比をリッチ化するようにしても良い。
上記第1の実施の形態では、空燃比の制御手法としてサブF/B制御を採用し、サブF/B目標空燃比がリッチかどうかを判定するとともに、該サブF/B目標空燃比がリッチである場合に気筒別空燃比の算出を実行する構成としたが、これを変更する。例えば、サブF/B制御を実施しない構成とする。そして、エンジン運転状態に応じて目標空燃比を設定し、その目標空燃比がリッチかどうかを判定するとともに、該目標空燃比がリッチである場合に気筒別空燃比の算出を実行する。この場合、現実の空燃比(A/Fセンサ出力)を判定パラメータとして気筒別空燃比算出の実行可否を判定するよりも、目標空燃比を判定パラメータとして気筒別空燃比算出の実行可否を判定する方が、気筒別空燃比を好適に算出することができる。
また、上記のようにサブF/B制御を実施しない構成において、A/Fセンサ13の応答性が低下していると判定された場合に目標空燃比をリッチ化し、その状態で気筒別空燃比の算出を実行すると良い。かかる場合において、センサ応答性の低下に伴いリーン空燃比の検出精度が低下していても、比較的応答性の良いセンサリッチ出力により気筒別空燃比を好適に算出することができる。
上記第2の実施の形態では、A/Fセンサ13の応答性検出の手法として、目標空燃比がステップ的に変化した時のセンサ出力の応答時間を計測し、その応答時間に基づいて応答性が早いか遅いかを判定したが、これを他の手法に変更しても良い。例えば、目標空燃比がステップ的に変化した時の空燃比補正係数(FAF)に基づいて応答性が早いか遅いかを判定しても良い。
A/Fセンサ13について、リッチ側及びリーン側の応答性をそれぞれ検出し、リッチ側及びリーン側のいずれかでセンサ応答性が低下したと判定された場合に、応答性が低下していない方のセンサ出力を用いて気筒別空燃比の算出を実施する構成としても良い。例えば、応答性検出の結果、リーン側の応答性が低下していれば、A/Fセンサ13のリッチ出力により気筒別空燃比を算出し、逆にリッチ側の応答性が低下していれば、A/Fセンサ13のリーン出力により気筒別空燃比を算出する。この場合、A/Fセンサ13においてリッチ出力、リーン出力のいずれの応答性が低下したとしても、応答性の良いセンサ出力のみを用いて気筒別空燃比の算出を実施することができる。
又は、A/Fセンサ13のリッチ出力とリーン出力のうちいずれが応答性が良いかを判定し、応答性が良い方のセンサ出力を用いて気筒別空燃比の算出を実施する構成としても良い。なお、センサ応答性は、目標空燃比をリッチ側及びリーン側に所定のパターンで変化させた時の応答時間に基づいて検出されれば良い。A/Fセンサの個体差や経時変化等によってリッチ側/リーン側の応答性が任意に低下したとしても、それに好適に対処できる。
気筒別空燃比の算出手法は上記手法に限定されるものではなく、他に変更することも可能である。
気筒別空燃比に関するデータを学習値としてEEPROM等のバックアップ用メモリに記憶保持するようにしても良い。
上記実施の形態では、気筒別空燃比の推定値に基づいて燃料噴射量を制御したが、これに代えて吸入空気量を制御するようにしても良い。いずれにしても空燃比が精度良くF/B制御されるものであれば良い。
上記実施の形態のシステムでは、三元触媒の上流側に全領域空燃比センサ(リニア検出式のA/Fセンサ)を設けるとともに、下流側に酸素濃度センサ(起電力出力型のO2センサ)を設けたが、この構成を変更し、三元触媒の上流側及び下流側にいずれも全領域空燃比センサを設けることも可能である。
複数の気筒ずつで排気通路が集合される構成とした多気筒内燃機関であれば、任意の型式のエンジンに本発明が適用できる。例えば、6気筒エンジンにおいて3気筒ずつ二つに分けて排気系が構成される場合、各排気系の集合部に空燃比センサがそれぞれ配設されるとともに、各排気系でそれぞれ上記の通り気筒別空燃比が算出されると良い。
10…エンジン、12…排気マニホールド、12a…分岐部、12b…排気集合部、13…A/Fセンサ、17…O2センサ、22…空燃比F/B制御部、24…気筒別空燃比推定部、25…基準空燃比算出部、27…気筒別空燃比制御部。
Claims (10)
- 各気筒に通じる複数の排気通路を集合させ、その排気集合部に空燃比センサを配設した多気筒内燃機関に適用され、前記空燃比センサによるセンサ検出値に基づいて気筒別空燃比を算出する気筒別空燃比算出手段を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記空燃比センサの出力がリッチ出力となる状態下で前記気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比算出の実行を許可する実行制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 - 排気系を流れる排気を浄化するための触媒装置を設け、該触媒装置の上流側に前記空燃比センサを第1空燃比センサとして設けるとともに、同触媒装置の下流側に第2空燃比センサを設けた内燃機関に適用され、
前記第1空燃比センサにより検出された検出空燃比を目標空燃比に一致させるべく空燃比フィードバック制御を実施する空燃比フィードバック制御手段と、
前記第2空燃比センサの出力を目標出力値に一致させるべく前記目標空燃比を可変設定するサブフィードバック制御手段と、を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記実行制御手段は、前記サブフィードバック制御手段により設定した目標空燃比がリッチであるか否かを判定し、該目標空燃比がリッチである旨判定された場合に、前記気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比算出の実行を許可する請求項1に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比の算出に際し、前記目標空燃比を、前記サブフィードバック制御手段による設定値よりもリッチにすることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記第1空燃比センサの応答性を判定するセンサ応答性判定手段を備え、
前記気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比の算出に際し、前記第1空燃比センサの応答性が低下していると判定された場合に前記目標空燃比をリッチ化する手段を備えたことを特徴とする請求項2又は3に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記第2空燃比センサの出力がリッチ出力となった場合に、前記目標空燃比のリッチ化を中止することを特徴とする請求項3又は4に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記空燃比センサにより検出された検出空燃比を目標空燃比に一致させるべく空燃比フィードバック制御を実施する内燃機関の空燃比制御装置において、
前記実行制御手段は、前記目標空燃比がリッチであるか否かを判定し、該目標空燃比がリッチである旨判定された場合に、前記気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比算出の実行を許可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。 - 前記空燃比センサの応答性を判定するセンサ応答性判定手段を備え、
前記気筒別空燃比算出手段による気筒別空燃比の算出に際し、前記空燃比センサの応答性が低下していると判定された場合に前記目標空燃比をリッチ化する手段を備えたことを特徴とする請求項6に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記気筒別空燃比算出手段は、前記排気集合部に設けた空燃比センサのセンサ検出値を、前記排気集合部における流入ガスの気筒別空燃比の履歴と前記センサ検出値の履歴とにそれぞれ所定の重みを乗じて加算したものとしてモデル化し、該モデルをもとに気筒別空燃比を算出することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記モデルを、前記排気集合部におけるガス流入及び混合の一次遅れ要素と、前記空燃比センサの応答による一次遅れ要素とを考慮したものとして構築したことを特徴とする請求項8に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- カルマンフィルタ型のオブザーバを用い、該オブザーバにより前記気筒別空燃比の算出を実施する請求項8又は9に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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