JP2007198246A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三元触媒装置の上流側の空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置において、三元触媒装置の下流側の酸素センサの出力に基づき空燃比センサの出力を補正して、正確な空燃比制御を可能とすることである。
【解決手段】空燃比センサ２の出力は、目標空燃比を理論空燃比とする運転時に、理論空燃比を基準とする酸素センサ３の出力の偏差の積算値に基づく積分項とにより補正され、積分項は更新時期毎に更新され、積分項が少なくとも一回更新されるまで目標空燃比を理論空燃比とする運転を継続するフューエルカット禁止期間を設ける。
【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。

機関排気系に排気ガスの空燃比に応じてリニアに出力が変化する空燃比センサを配置し、この空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御することが提案されている。機関排気系には、一般的に、排気ガスを浄化するための三元触媒装置が配置されている。三元触媒装置は、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である時に排気ガスを良好に浄化するものであるために、一般的に、三元触媒装置に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである時には余剰分の酸素を吸蔵し、三元触媒装置に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチである時には不足分の酸素を放出し、三元触媒装置内の排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍とするＯ₂ストレージ能力を有している。

それにより、燃焼空燃比を検出するための空燃比センサは、検出する排気ガスの空燃比が三元触媒装置のＯ₂ストレージ能力により影響されないように、三元触媒装置の上流側に配置されている。ところで、空燃比センサによる空燃比制御を正確なものとするためには、三元触媒装置の下流側に、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である時に出力が急変する酸素センサを配置し、Ｏ₂ストレージ能力によって変化が緩やかにされる酸素センサの出力に基づき、空燃比センサの出力のリッチ側又はリーン側へのずれを補正するようにしている。

酸素センサの出力に基づく空燃比センサの出力の補正は、一般的に、目標空燃比を理論空燃比とする運転において、酸素センサの理論空燃比に対応する基準出力と酸素センサの実際の出力との偏差に基づく比例項と、この偏差の積算値に基づく積分項とを使用するものである。積分項は、空燃比センサの出力の最近の傾向的なずれを補正するものであり、比例項は、積分項により補正された空燃比センサの出力の今回のずれを補正するものである。積分項は、例えば、設定回数の酸素センサの偏差が算出された時を更新時期とし、空燃比センサの現状に合うように更新される。

ところで、内燃機関において、燃料消費を低減するために、フューエルカットが機関減速時毎のように頻繁に行われるようになっている。フューエルカットが実施されると、三元触媒装置には、排気ガスとして空気が流入することとなり、空気中の多量の酸素がＯ₂ストレージ能力によって三元触媒装置に吸蔵されてしまう。排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンとなってもリッチとなっても排気ガスの良好な浄化を可能とするためには、三元触媒装置には、Ｏ₂ストレージ能力による最大吸蔵可能酸素量の約半分に相当する所望量の酸素を吸蔵しておくことが好ましい。それにより、一般的には、フューエルカット直後において、フューエルカット中に所望量を超えて吸蔵された酸素を放出させて所望量の酸素しか吸蔵されていないようにするために、燃焼空燃比をリッチにするリッチ化制御が実施される。

フューエルカット中及びリッチ化制御中には、理論空燃比を基準とした酸素センサの出力の偏差は、当然のごとく大きな絶対値を有し、意味のない値となる。フューエルカット中には空燃比制御は不必要であり、当然、酸素センサの出力の偏差を積算する積分項の更新も禁止される。また、リッチ化制御中には、燃焼空燃比を所望リッチ空燃比とする空燃比制御が必要であるが、この空燃比制御においては、酸素センサの出力の偏差に基づく比例項による空燃比センサの出力の補正を禁止すると共に、酸素センサの出力の偏差を積算する積分項の更新も禁止することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−６１３５６ 特開２０００−１０５８３４

前述の背景技術において、フューエルカット中及びその直後のリッチ化制御中において、積分項が更新されないために、機関始動からフューエルカットが頻繁に行われる場合には、今回の機関運転において全く積分項が更新されないこともあり、リッチ化制御中及びその後の理論空燃比の運転中において、空燃比センサの出力を現状に合った積分項により補正することができず、正確な空燃比制御が困難となる。

従って、本発明の目的は、三元触媒装置の上流側の空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置において、三元触媒装置の下流側の酸素センサの出力に基づき空燃比センサの出力を補正して、正確な空燃比制御を可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置は、機関排気系の三元触媒装置の上流側に配置されて排気ガスの空燃比に対応して出力が変化する空燃比センサと、機関排気系の前記三元触媒装置の下流側に配置されて排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の時に出力が急激に変化する酸素センサとを具備し、前記空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御する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は、目標空燃比を理論空燃比とする運転時に、理論空燃比を基準とする前記酸素センサの出力の偏差の積算値に基づく積分項により補正され、前記積分項は更新時期毎に更新され、前記積分項が少なくとも一回更新されるまで目標空燃比を理論空燃比とする運転を継続するフューエルカット禁止期間を設けることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、複数回の前記積分項の更新により前記積分項がほぼ収束するまで前記フューエルカット禁止期間を継続し、前記フューエルカット禁止期間の終了後には、目標空燃比を理論空燃比とする運転時においても前記積分項の更新を禁止するか、又は、目標空燃比を理論空燃比とする運転時において新たに算出された前記積分項と現在の積分項との差の絶対値が設定値より大きい時にだけ前記積分項を前記新たに算出された前記積分項に更新することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、フューエルカット禁止期間が設けられ、この期間中には目標空燃比を理論空燃比とする運転が継続的に実施され、理論空燃比を基準とする酸素センサの出力の偏差の積算値に基づき空燃比センサの出力の傾向的なずれを補正する積分項が少なくとも一回は算出されて更新されるために、フューエルカットが頻繁に実施されて積分項が更新されないようなことはなく、空燃比センサの出力を現状に合った積分項により補正することができ、燃焼空燃比を理論空燃比へ又はフューエルカット直後のリッチ化制御においては所望リッチ空燃比へ良好に制御することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置によれば、フューエルカット禁止期間において、複数回の積分項の更新により積分項をほぼ収束させて積分項を空燃比センサの現状に非常に合ったものとしており、それにより、フューエルカット禁止期間の終了後には、目標空燃比を理論空燃比とする運転時においても積分項の更新を禁止するか、又は、目標空燃比を理論空燃比とする運転時において新たに算出された積分項と現在の積分項との差の絶対値が設定値より大きい時にだけ積分項を新たに算出された積分項に更新するようにして、不必要に積分項が更新されないようにし、空燃比制御を安定化させることができる。

図１は機関排気系を示す概略図であり、１は三元触媒装置であり、２は三元触媒装置１の上流側に配置された空燃比センサであり、３は三元触媒装置１の下流側に配置された酸素センサである。空燃比センサ２及び酸素センサ３は、いずれも排気ガス中の酸素濃度に応じて出力電圧が変化するものであり、空燃比センサ２は排気ガスの空燃比に対応して出力がリニアに変化するリニア出力型であり、酸素センサ３は排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である時に出力が急激に変化するステップ出力型である。

本発明による空燃比制御装置は、空燃比センサ２の出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比にフィードバック制御するものである。空燃比センサ２は、三元触媒装置１の上流側に配置されて、常に未浄化の排気ガスに晒されているために、出力の信頼性がそれほど高くなく、出力がリッチ側又はリーン側へずれることがある。それにより、三元触媒装置１の下流側に配置されて、未浄化の排気ガスに晒されることなく、また、一般的に、排気ガスの空燃比がリッチであるかリーンであるかを検出するのに使用され、出力の信頼性の高い酸素センサ３の出力に基づき、空燃比センサの出力を補正するようにしている。

燃焼空燃比のフィードバック制御に使用される空燃比センサ２の出力Ｖは、目標燃焼空燃比を理論空燃比とする運転時において、以下のように補正されて出力Ｖ’とされる。
Ｖ’＝Ｖ＋Ｐ＋Ｉ
ここで、Ｐは理論空燃比に対する基準出力（例えば、０．５ボルト）と酸素センサ３の実際の出力との偏差ｄに所定ゲインＰｇを乗算した比例項であり、Ｉは設定回数の偏差ｄの積算値に所定ゲインＩｇを乗算した積分項である。こうして、積分項Ｉは、空燃比センサ２の出力の現在の傾向的なずれを補正するものとなり、比例項Ｐは、積分項Ｉにより補正された空燃比センサ２の出力の現在のずれを補正するものとなる。このように補正された空燃比センサ２の出力Ｖ’に基づき排気ガスの空燃比を正確に推定し、燃焼空燃比が理論空燃比となるように、エアフローメータにより検出される吸入空気量に対して燃料噴射量をフィードバック補正することとなる。

本空燃比制御装置は、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比（ストイキ）に制御するものであるが、図２のタイムチャートに示すように、機関減速時等に燃料消費を低減するためにフューエルカットＦ／Ｃが実施される時には、もちろん、燃料噴射が停止されるために空燃比制御は実施されない。フューエルカットＦ／Ｃ中には、酸素を多量に含む空気が排気ガスとして三元触媒装置１へ流入するために、三元触媒装置１には、Ｏ₂ストレージ能力の最大吸蔵可能酸素量の約半分を超える酸素が吸蔵されてしまう（フューエルカットＦ／Ｃ時間が長ければほぼ最大吸蔵可能酸素量まで酸素が吸蔵される）。それにより、そのままでは、フューエルカット後において、燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとなった時には、三元触媒装置１は余剰の酸素を良好に吸蔵することができず、ＮＯ_Xの浄化能力が低下してしまう。

従って、フューエルカットＦ／Ｃ直後には、燃焼空燃比を所望リッチ空燃比に制御し、フューエルカット中に三元触媒装置１に吸蔵された酸素を最大吸蔵可能酸素量の約半分まで放出させ、その後に、燃焼空燃比がリーンとなってもリッチとなっても三元触媒装置１内の排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍とすることを可能とし、ＮＯ_Xの浄化能力と、ＣＯ及びＨＣの浄化能力とをいずれも高く維持することが好ましい。このフューエルカットＦ／Ｃ直後のリッチ化制御が完了すれば、目標燃焼空燃比を理論空燃比とするストイキ制御が開始される。リッチ化制御として、三元触媒装置１に吸蔵されている酸素をほぼ全て放出させるようにしても良い。

酸素センサ３の理論空燃比に対する基準出力と酸素センサ３の実際の出力との偏差ｄは、フューエルカット中及びその直後のリッチ化制御中においては、算出することができず、必然的に、リッチ化制御において、空燃比センサ２の出力を比例項Ｐにより補正することはできない。また、リッチ化制御中において、空燃比センサ２の出力を積分項Ｉにより補正して燃焼空燃比を所望リッチ空燃比に制御することが好ましいが、前述の偏差ｄが算出されないために積分項Ｉを更新することはできない。

こうして、機関始動からフューエルカットが頻繁に行われると、積分項Ｉを更新することができず、リッチ化制御及びストイキ制御において、空燃比センサ２の出力補正に現状に合った積分項Ｉを使用することができない。本空燃比制御装置は、図３に示す第一フローチャートにより空燃比センサ２の現状に合った積分項Ｉを算出して、リッチ化制御及びストイキ制御において空燃比センサ２の出力を良好に補正し、燃焼空燃比を所望空燃比に制御可能としている。

先ず、ステップ１０１において、フラグＦが１であるか否かが判断される。フラグＦは機関停止と共に０にリセットされるもの、もしくは、更新及び学習完了履歴としてバックアップＲＡＭに記憶されるものであり、当初は、ステップ１０１の判断は否定されてステップ１０２へ進み、フューエルカットが禁止される。次いで、ステップ１０４では、理論空燃比に対する基準出力と酸素センサ３の現在の出力との偏差ｄを算出する条件が成立しているか否かが判断される。フューエルカットが禁止されている場合には、始動直後の酸素センサ３を含む機関暖機中等を除いて、ステップ１０４の判断は肯定され、偏差ｄを算出してステップ１０５へ進む。もちろん、偏差ｄが算出されれば、この偏差ｄに基づき算出される比例項Ｐと、積分項としては前回の機関停止時の積分項Ｉとを使用して、空燃比センサ２の出力を補正し、フューエルカット禁止中のストイキ制御を実施する。

ステップ１０５では、設定回数の偏差ｄが算出されて、これら偏差ｄの積算値に基づく積分項Ｉの更新時期であるか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、積分項Ｉの更新時期である時には、ステップ１０６へ進む。ステップ１０６では、新たに算出された積分項Ｉの絶対値が設定値ａより大きいか否かが判断され、この判断が否定される時には、新たに算出された積分項Ｉは非常に小さいために、更新の必要はなく、そのまま終了する。一方、ステップ１０６の判断が肯定される時には、ステップ１０７の判断においてフラグＦは０であるために、ステップ１０８において積分項を新たに算出された積分項Ｉに更新する。ステップ１０８において、積分項Ｉが更新されれば、それ以降においては、新たに算出される比例項Ｐと、更新された積分項Ｉとを使用して空燃比センサ２の出力を補正し、フューエルカット禁止中のストイキ制御を実施する。

次いで、ステップ１０９において、更新された積分項Ｉ_iと更新される前の積分項Ｉ_i-1との差の絶対値が設定値ｂより小さいか否かが判断される。この判断が肯定される時には、積分項Ｉは空燃比センサの現状に合わせて十分に収束していることとなる。それにより、ステップ１０９の判断が否定される時には、そのまま終了するが、肯定される時には、積分項Ｉの学習は完了したとして、ステップ１１０においてフラグＦを１にセットする。

こうして、フラグＦが１にセットされれば、ステップ１０１の判断が肯定されるために、ステップ１０３において、フューエルカットの禁止が解除される。それにより、機関減速時等にはフューエルカットが実施され、その直後には、前述のリッチ化制御が実施される。このような場合には、ステップ１０４において、フューエルカット中、リッチ化制御中、及び、リッチ化制御の完了直後において、三元触媒装置１からストイキ制御により目標空燃比を理論空燃比とした排気ガスが流出しない間は、偏差ｄの算出条件が成立しないこととなる。

また、ステップ１０６の判断が肯定される新たな積分項Ｉが算出されても、ステップ１０７の判断においてフラグＦは１であるために、ステップ１１１において、新たに算出された積分項Ｉ_iと現在の積分項Ｉ_i-1との差の絶対値が設定値ｃより大きいか否かが判断される。この判断が肯定される時にだけ、ステップ１１２において積分項は新たに算出された積分項Ｉに更新される。

すなわち、現在の積分項Ｉ_i-1は、ステップ１０９において、空燃比センサ２の現状に合わせて十分に収束されたことが確認されたものであり、この積分項Ｉ_i-1に対して新たに算出された積分項Ｉ_iの差の絶対値が大きければ、空燃比センサ２の現状が変化したとして、積分項を更新するが、差の絶対値が僅かである時には、空燃比センサ２の現状は変化していないとして、積分項を更新せず、空燃比制御を安定化させるようになっている。

このように、複数回の積分項Ｉが更新されて、積分項Ｉが空燃比センサ２の現状に合ったものに収束するまでは、フューエルカットを禁止するフューエルカット禁止期間を設けており、それにより、積分項Ｉは確実に空燃比センサ２の現状に合ったものに更新され、フューエルカット直後のリッチ化制御及びストイキ制御において、空燃比センサ２の出力を良好に補正することができる。

図４は、図３の第一フローチャートに代えて実施される第二フローチャートを示している。本フローチャートは、第一フローチャートと同様に、更新された積分項Ｉが空燃比センサ２の現状に合った積分項Ｉに収束した時（ステップ２０８）には、フラグＦが１にセットされ（ステップ２０９）、フューエルカットの禁止が解除される（ステップ２０３）が、この時には、積分項Ｉの更新を禁止するようにし、空燃比制御を安定化させるようにしている。

前述の第一及び第二フローチャートにおいて、機関始動と共にフューエルカット禁止期間が開始されるようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、機関運転中において任意に積分項Ｉを更新するためのフューエルカット禁止期間を開始するようにしても良い。また、第一及び第二フローチャートにおいては、複数回の更新により収束して空燃比センサ２の現状に十分に合った積分項となるまで、フューエルカットを禁止するようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、少なくとも一回の積分項が更新されれば、この積分項は空燃比センサの現状に合ったものであり、この積分項が以降のストイキ制御及びリッチ化制御に使用可能であるために、この積分項の更新によりフューエルカットの禁止を解除するようにしても良い。

本発明による空燃比制御装置が制御する内燃機関の排気系を示す概略図である。 本発明による空燃比制御装置の目標空燃比を示すタイムチャートである。 本発明による空燃比制御装置により実施される第一フローチャートである。 本発明による空燃比制御装置により実施される第二フローチャートである。

符号の説明

１ 三元触媒装置
２ 空燃比センサ
３ 酸素センサ

Claims (2)

1. 機関排気系の三元触媒装置の上流側に配置されて排気ガスの空燃比に対応して出力が変化する空燃比センサと、機関排気系の前記三元触媒装置の下流側に配置されて排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍の時に出力が急激に変化する酸素センサとを具備し、前記空燃比センサの出力に基づき燃焼空燃比を所望空燃比に制御する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は、目標空燃比を理論空燃比とする運転時に、理論空燃比を基準とする前記酸素センサの出力の偏差の積算値に基づく積分項により補正され、前記積分項は更新時期毎に更新され、前記積分項が少なくとも一回更新されるまで目標空燃比を理論空燃比とする運転を継続するフューエルカット禁止期間を設けることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 複数回の前記積分項の更新により前記積分項がほぼ収束するまで前記フューエルカット禁止期間を継続し、前記フューエルカット禁止期間の終了後には、目標空燃比を理論空燃比とする運転時においても前記積分項の更新を禁止するか、又は、目標空燃比を理論空燃比とする運転時において新たに算出された前記積分項と現在の積分項との差の絶対値が設定値より大きい時にだけ前記積分項を前記新たに算出された前記積分項に更新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。

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