JP2007315193A - 内燃機関の空燃比検出装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】強制的に各気筒の空燃比を変化させることによってインジェクタの個体差や排出ガスのガス当たりの影響を考慮した各気筒の空燃比ずれを推定する。
【解決手段】多気筒エンジンにおいて、排気管に設置された空燃比センサによって各気筒の空燃比を算出するために、クランク角センサによって検出されたクランク角によって気筒判別を行い、排気管に設置された空燃比センサの出力信号と強制的に空燃比を変化させた変化量に基づいて、各気筒の空燃比ずれを検出する。
【選択図】図3

Description

本発明は、多気筒エンジンにおいて、排気管に設置された空燃比センサの信号に基づいて各気筒の排出ガスの空燃比を検出する内燃機関の空燃比検出装置に関する。
近年、エンジンから排出される排出ガスの規制を満足するために、排気浄化システムが構築されている。一般的に、このような排気浄化システムでは、三元触媒を排気管に設置し、この三元触媒によって排出ガスの浄化が行われている。この排気管に設置された三元触媒は、排出ガスの空燃比が理論空燃比に制御されている場合に、排出ガスの浄化を効率良く行うことができる。このため、空燃比センサを排気管に設置し、この空燃比センサの検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御を実行することで、排出ガスの空燃比が理論空燃比となるように制御されている。しかし、空燃比センサに対する排出ガスのガス当たりが一様でないために、特定気筒だけ実際とは異なる空燃比を検出することが考えられる。このような場合、エンジン全体としてみた空燃比と大きく異なることにより、理論空燃比から大きくずれる虞がある。
このため、更に精度良く空燃比を制御するために、各気筒の空燃比を検出する技術が知られている。例えば、特許文献1に開示されている技術では、クランク角度によって各気筒の空燃比を検出するタイミングを算出し、このタイミングで検出された空燃比を基に各気筒の空燃比を算出して、気筒毎に空燃比フィードバックを行うものである。
特開2001−82221号公報
しかし、気筒毎に検出された空燃比が同じであっても、例えば排気管の形状が異なるため、排気管の排気集合部に設置された空燃比センサにより検出された空燃比が実際の空燃比と異なる場合がある。
そこで、本発明は、このような課題を解決するために、空燃比センサによって検出された空燃比に基づいて、各気筒の空燃比ずれを検出できる内燃機関の空燃比検出装置を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明では、排気管に配置された触媒の上流に設けられ、排出気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、各気筒の空燃比を検出するタイミングを算出する気筒判別タイミング算出手段とを備えた多気筒エンジンの気筒間ばらつき検出装置において、各気筒の空燃比を強制的に変化させる空燃比変化手段と、空燃比変化手段によって空燃比が変化させられているときの、タイミング算出手段で算出されたタイミングで空燃比検出手段により検出された空燃比に基づいて、各気筒の空燃比ずれを推定する気筒空燃比ずれ推定手段とを備えた。このように、空燃比を強制的に変化させることで、排気管に設置された触媒の上流で検出された空燃比の変化により、各気筒の空燃比ずれを精度良く推定することができる。
また、請求項2に係る発明のように、空燃比変化手段によって変化させた空燃比量を算出する空燃比量算出手段を備え、気筒空燃比ずれ推定手段は、空燃比量算出手段によって算出された空燃比量と、空燃比変化手段によって強制的に空燃比を変化させる前後に前記空燃比検出手段により検出された空燃比とに基づいて各気筒の空燃比ずれを推定すると良い。
空燃比を強制的に変化させた際の空燃比量と、空燃比を強制的に変化させる前後の空燃比とは相関関係があるため、空燃比を強制的に変化させた際の空燃比量によって、各気筒より排出された排出ガスの空燃比がどれだけ変化したかを検出することで、空燃比を強制的に変化させる前の空燃比ずれを精度良く推定することができる。
また、請求項3に係る発明では、気筒空燃比ずれ推定手段は、空燃比量算出手段によって算出された空燃比変化量と、空燃比検出手段により検出された空燃比と基準空燃比との偏差とに基づいて各気筒の空燃比ずれを推定し、基準空燃比は、空燃比変化手段によって強制的に空燃比を変化させる前の空燃比検出手段により検出された全気筒の平均空燃比である。このように、各気筒の空燃比ずれを推定する際に排気管に設置された触媒の上流で検出された空燃比と基準空燃比との偏差を用い、更にこの基準空燃比を排気管で検出された全気筒の平均空燃比とすることで、空燃比を強制的に変化させる前の各気筒の空燃比が、排気管形状等の影響によりどの程度ずれているかを推定することが容易になる。
次に、各気筒の空燃比を強制的に変化させる方法として、請求項4に係る発明のように、空燃比変化手段は、所定気筒の燃料噴射量を増減させることによって行うと良い。このように、各気筒の燃料噴射量を増減させて空燃比を強制的に変化させることで、応答性良く空燃比を変化させることができ、また、その空燃比の変化量の算出を容易に行うことができる。また、請求項5に係る発明のように、空燃比変化手段は、所定気筒の吸入空気量を増減させることによって強制的に空燃比を変化させても良い。各気筒の吸入空気量を可変にする機構を搭載している場合には、このように吸入空気量を変化させても良い。
また、請求項6に係る発明のように、気筒空燃比ずれ推定手段によって推定された各気筒の空燃比ずれに基づいて、異常診断を行う診断手段を備える。このように、気筒毎に精度良く検出された空燃比ずれに基づいて、インジェクタの経時劣化や噴口詰まり、EGRポートのデポジット、VVL,VVTの特性異常等による異常を検出すると良い。
次に、請求項7に係る発明では、気筒空燃比ずれ推定手段によって推定された各気筒の空燃比ずれによって補正された空燃比に基づいて、燃料噴射量および/または吸入空気量を制御する。このように、空燃比ずれによって補正された各気筒の空燃比に基づいて、燃料噴射量および/または吸入空気量を制御することによって、各気筒の空燃比を目標空燃比に精度良く制御することができる。
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態を図1乃至図4に基づいて説明する。まず、図1に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関である例えば直列4気筒のエンジン11の吸気管12の最上流部には、エアクリーナ13が設けられ、このエアクリーナ13の下流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ14が設けられている。このエアフローメータ14の下流側には、モータ等によって開度調節されるスロットルバルブ15とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ16とが設けられている。
更に、スロットルバルブ15の下流側にはサージタンク17が設けられ、このサージタンク17には吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ18が設けられている。また、サージタンク17には、エンジン11の気筒毎に空気を導入する吸気マニホールド19が設けられ、各気筒の吸気マニホールド19の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁20が取り付けられている。エンジン運転中は、燃料タンク21内の燃料が燃料ポンプ22によりデリバリパイプ23に送られ、各気筒の噴射タイミング毎に各気筒の燃料噴射弁20から燃料が噴射される。デリバリパイプ23には、燃料圧力(燃圧)を検出する燃圧センサ24が取り付けられている。
また、エンジン11には、吸気バルブ25と排気バルブ26の開閉タイミングをそれぞれ可変する可変バルブタイミング機構27,28が設けられている。更に、エンジン11には、吸気カム軸29と排気カム軸30の回転に同期してカム角信号を出力する吸気カム角センサ31と排気カム角センサ32が設けられ、エンジン11のクランク軸の回転に同期して所定クランク角毎(例えば30℃A毎)にクランク角信号のパルスを出力するクランク角センサ33が設けられている。
一方、エンジン11の各気筒の排気マニホールド35が集合する排気集合部36には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ37が設置され、この空燃比センサ37の下流側に排出ガス中のCO,HC,NOx等を浄化する三元触媒等の触媒38が設けられている。
上記空燃比センサ37等の各種センサの出力は、エンジン制御回路(以下「ECU」と表記する)40に入力される。このECU40は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたROM(記憶媒体)に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて各気筒の燃料噴射弁20の燃料噴射量や点火時期を制御する。
本第1の実施形態では、ECU40は、後述する図3乃至図5に示す気筒別空燃比制御の各ルーチンを実行することで、強制的に所定の気筒の空燃比を変化させる制御を実行させ、制御を実行する前後の空燃比(空燃比センサ37により検出された排気集合部36を流れる排出ガスの実空燃比)に基づいて、全気筒の空燃比の平均値である基準空燃比と各気筒の実空燃比との偏差(以下、「気筒間差」と呼ぶ)を気筒毎に算出し、補正を行う。
図3は、各気筒の気筒間差に基づいて各気筒の空燃比フィードバック制御する算出するフローチャートであり、図4は、各気筒の気筒間差を算出するフローチャートである。また、図5は、各気筒の気筒間差に基づいて空燃比を補正するフローチャートである。これらフローチャートは、所定クランク角毎に実行される。
図3のフローチャートが実行されると、ステップ1(以下「S1」という)で、今回気筒間差を検出する対象の気筒であり、且つ実行条件が成立しているか否かを判断する。本実施例では、エンジン運転状態が定常で、且つ空燃比センサが活性しているときに気筒間差推定が実行される。エンジン運転状態が定常であるか否かの判断は、例えば、吸入空気量が所定値以下であるか、エンジン回転速度が所定範囲内であるか、エンジン負荷が所定範囲内であるか、エンジン冷却水温が所定値以上であるか否かによって判断する。このように、エンジン運転状態が定常状態であり、且つ空燃比センサが活性しているときに気筒間差推定を行うことで、運転状態の変化による空燃比の変動の小さい運転状態で推定を実行できるため、精度良く気筒間差を推定することが可能になる。
S1で、今回気筒間差を検出する対象の気筒ではない、または実行条件が成立していていないと判断されると、S5に進み、気筒間差推定が完了したか否かを判断する。また、今回気筒間差を検出する対象の気筒であり、且つ気筒間差推定が完了しており、その気筒間差に基づいて空燃比の補正が完了していない場合においても、S5に進む。S5における処理の詳細は後述する。
S1で上記の実行条件が成立すると、S2に進み、各気筒の空燃比推定タイミングを算出する。本実施形態では、各気筒から排出される排出ガスが空燃比センサ37付近に到達してその空燃比が検出されるまでの遅れがエンジン運転状態によって変化することを考慮して、エンジン運転状態(例えば、エンジン負荷、エンジン回転速度等)に応じてマップ等により各気筒の空燃比推定タイミングを設定する。一般に、エンジン負荷やエンジン回転速度が低下するほど、排気管の応答遅れが大きくなるため、各気筒の空燃比推定タイミングは、エンジン負荷やエンジン回転速度が低下するほど、遅角側にシフトするように設定されている。
S2で、気筒別の空燃比推定タイミングを算出した後、S3においてS2で算出された推定タイミングであるか否かを判断する。S3で、推定判定タイミングでないと判断された場合には、S5に進み、気筒間差推定が完了したか否かを判断する。
S3で推定判定タイミングであると判断された場合には、S4に進み、今回検出の対象となる気筒の気筒間差X1iを推定する処理が実行される。この処理が実行されると、S5に進み、気筒間差推定が完了したか否かを判断する。
S5では、今回検出の対象となる気筒の気筒間差の推定が完了しているか否かを判定し、完了していないと判断すると、気筒間差による空燃比の補正を行わずに、フローチャートを終了する。S5で、今回検出の対象となる気筒の気筒間差の推定が完了していると判断されると、S6に進み、S4で検出された気筒間差X1iを用いて空燃比を補正するサブフローチャートが実行される。これにより、排気集合部36に設置された空燃比センサ37により検出された空燃比に基づいて、各気筒の空燃比を補正することができる。S6で、対象となる気筒の空燃比の補正が完了するとこのフローチャートを終了する。
次に、気筒間差X1iを推定する処理を図4のフローチャートを用いて説明する。今回検出の対象となる気筒の気筒間差X1iは、強制的に空燃比を変化させる前の空燃比センサ37により出力された基準空燃比(空燃比センサ37により検出された排気集合部36を流れる排出ガスの実空燃比の平均値)との差である気筒間差Y1iと、空燃比を強制的に変化させた後の空燃比の変化量分である空燃比強制変化量X2iと空燃比センサ37により出力された基準空燃比との差である気筒間差Y2iとの関係により求めることができる。(図2参照)
この気筒間差X1iを推定するフローチャートが実行されると、S10に進み、今回検出の対象となる気筒の空燃比を強制的に変化させる制御が実行されていることを示す空燃比強制フラグがオンであるか否かを判定する。S10で、空燃比強制フラグがオフの場合は、空燃比を強制的に変化させる制御を実行していないため、S11で、空燃比を強制的に変化させる前の所定気筒の空燃比を空燃比センサ37により検出し、基準空燃比からの気筒間差Y1iを算出する。この基準空燃比とは、空燃比を強制的に変化させる前に空燃比センサ37によって検出された全気筒の空燃比の平均値を用いても良いし、所定の空燃比(例えば、14.7等の固定の空燃比)を用いても良い。
次に、S12では、インジェクタによる燃料噴射量を増減させるか、気筒毎にスロットルバルブが取り付けられている車両の場合では、気筒毎に取り付けられたスロットルバルブの開度を調節して吸入空気量を変化させることで、今回検出の対象となる気筒の空燃比を強制的に空燃比強制変化量X2iだけ変化させる。この際、インジェクタによる燃焼噴射量を増減させる場合において、吸入空気量を変化させないような同一の運転状態で行うと良い。これにより、空燃比強制変化量X2iを精度良く検出することができる。また、吸入空気量を変化させる際も同様に、各気筒の燃料噴射量を一定とし、且つ同一運転状態で行うと良い。S13では、今回検出の対象となる気筒の空燃比を強制的に変化させる制御が実行されていることを示す空燃比強制フラグをオンにする。このように、強制的に空燃比を変化させてから、その変化を空燃比センサ37で検出するまでは所定時間かかるため、S14では所定時間経過したか否かを判定する。S14で、所定期間経過していないと判断された場合は、気筒間差X1iの推定を行わず、このフローチャートを終了する。
S14で所定期間経過したと判断された場合は、S15に進み、空燃比を強制的に変化させた後の空燃比を空燃比センサ37により検出し、前回までに算出された基準空燃比からの差である気筒間差Y2iを算出する。次に、S16では、S11乃至S15までに算出した値(強制的に空燃比を変化させる前に空燃比センサ37により検出された基準空燃比からの気筒間差Y1i、強制的に空燃比を変化させた後の空燃比強制変化量X2i及び空燃比センサ37により検出された基準空燃比からの気筒間差Y2i)を用いて、気筒間差X1iを推定する。例えば、気筒間差X1iを推定する式は、以下のように求めることができる。
X1i={Y1i/(Y2i−Y1i)}×X2i ‥ 式(1)
式(1)によって所定気筒の気筒間差X1iが推定されると、S17に進み空燃比強制フラグをオフにし、今回検出の対象となる気筒の気筒間差推定が終了したことを示す気筒間差推定完了フラグをセットする。このフローチャートが実行されることにより、排気管の形状により空燃比センサに対するガス当たりが異なるため検出された空燃比が実際の空燃比と異なる場合においても、各気筒の実際の空燃比ずれを精度良く推定することが可能になる。
次に、気筒間差X1iに基づいて気筒別の空燃比補正を行う処理を図5のフローチャートを説明する。このフローチャートが実行されると、まずS20で空燃比センサ37の出力(空燃比検出値)を読み込み、次のS21で、空燃比センサ37によって検出された全気筒の空燃比の平均値である基準空燃比(全気筒の目標空燃比)からの偏差Yを求める。S22では、今回補正の対象となる気筒の空燃比と基準空燃比との偏差Xを推定する。より具体的には、図4のフローチャートで用いた気筒間差X1iと空燃比センサY1iとを除算した値(X1i/Y1i)を、S22で算出された基準空燃比からの差に乗算することで求める。S23では、S22で算出された今回補正の対象となる気筒の空燃比と基準空燃比との偏差Xを算出して、その偏差Xが小さくなるように気筒別補正量を算出した後、S24に進み、気筒別補正量に基づいて気筒別燃料噴射量を補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比を気筒毎に補正して、気筒間の空燃比ばらつきが少なくまで制御を実行する。
以上説明した実施形態1によれば、強制的に空燃比を変化させることによって、全気筒の空燃比の平均値である基準空燃比(目標空燃比)と各気筒の実空燃比との気筒間差を気筒毎に精度良く推定することによって、従来技術に比べ早期に各気筒の空燃比を基準空燃比(目標空燃比)に合わせることができる。また、この目標空燃比を理論空燃比に設定することによって、触媒に入る排気ガス排出ガスを理論空燃比に制御することができ、排出ガスの浄化効率を向上させることができる。
[第2の実施形態]
次に、他の実施形態について図6を用いて説明する。このフローチャートが実行されると、算出された空燃比ずれによって、インジェクタの経時劣化や噴口詰まり、EGRポートのデポジット、VVL,VVTの特性異常等による異常有無の検出が行える。このフローチャートは、所定クランク角毎に実行される。
このフローチャートが実行されると、S31に進み、今回気筒間差を検出する対象の気筒であり、且つ実行条件が成立しているか否かを判断する。ここで、気筒間差推定判定の実行条件とは、前述と同様にエンジン運転状態が定常で、且つ空燃比センサが活性しているときである。エンジン運転状態が定常であるか否かの判断は、吸入空気量が所定値以下であるか、エンジン回転速度が所定範囲内であるか、エンジン負荷が所定範囲内であるか、エンジン冷却水温が所定値以上であるか否か等によって判断するとよい。S31で、今回気筒間差を検出する対象の気筒であり、且つ実行条件が成立していると判断されると、S32に進み、気筒別の空燃比推定タイミングを、エンジン回転速度とエンジン負荷に基づき算出する。
S32で空燃比推定タイミングが算出されると、S33に進み、今回のクランク角度が空燃比推定タイミングであるか否かが判断される。S33で、空燃比推定タイミングでないと判断された場合は、このフローチャートを終了する。S33で空燃比推定タイミングであると判断された場合は、S34に進み気筒間差推定X1iを推定するためのフローチャートを実行する(図4参照)。
S34で気筒間差X1iを算出し終えると、S35で推定された所定気筒の気筒間差X1iに基づき異常診断のサブフローチャートが実行される。このサブフローチャートが実行されることで、インジェクタの経時劣化や噴口詰まり、EGRポートのデポジット、VVL,VVTの特性異常等による異常有無の検出が行なわれる。S35で異常の有無を検出すると、このフローチュートを終了する。
次に、異常有無の検出を行う際の処理の一例を図7のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートが実行されると、S40に進み、算出された気筒間差X1iが所定値α以上であるか否かを判定する。S40で、気筒間差X1iが所定値α以上であると、S41に進み、異常有りと判断される。この場合の異常とは、インジェクタの経時劣化や噴口詰まり、EGRポートのデポジット、VVL,VVTの特性異常等が考えられる。S40で、気筒間差X1iが所定値α未満であると、S42に進み、正常であると判断される。つまり、排気管の形状等の原因によって検出された空燃比が実際の空燃比と異なっていると判断される。
このような、異常有無の検出を行う際に、例えばインジェクタの噴射詰まりが生じている場合は、その気筒のみリーンとなっているため、算出された気筒間差X1iが異常な値を示すと考えられる。このため、気筒間差推定X1iが所定値よりも大きくなった場合では、インジェクタの噴射詰まりによる異常であると判定しても良い。
本実施形態では、クランク角度センサによって検出されたクランク角度によって、各気筒を判別したが、排気カムに各気筒の排気タイミングに合わせて突起物を設け、その突起物をカム角センサによって検出して、各気筒を判別して良い。
本実施形態における構成図である。 所定気筒の気筒間差を検出する際のイメージ図である。 所定気筒の気筒間差に基づいて各気筒の空燃比の補正を行うフローチャートである 所定気筒の気筒間差を検出するフローチャートである。 各気筒の空燃比の補正を行うフローチャートである。 所定気筒の気筒間差に基づいて異常診断を行うフローチャートである。 異常診断を行う際のフローチャートである。
符号の説明
11 エンジン
20 燃料噴射弁
33 クランク角センサ
36 排気集合部
37 空燃比センサ
40 ECU

Claims (7)

  1. 排気管に配置された触媒の上流に設けられ、排出ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
    前記空燃比検出手段により各気筒の空燃比を検出するタイミングを算出する気筒判別タイミング算出手段とを備えた多気筒エンジンの空燃比検出装置において、
    各気筒の空燃比を強制的に変化させる空燃比変化手段と、
    前記空燃比変化手段によって空燃比が変化させられているときの、前記タイミング算出手段で算出されたタイミングで前記空燃比検出手段により検出された空燃比に基づいて各気筒の空燃比ずれを推定する気筒空燃比ずれ推定手段と
    を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比検出装置。
  2. 前記空燃比変化手段によって変化させた空燃比変化量を算出する空燃比量算出手段を備え、
    前記気筒空燃比ずれ推定手段は、前記空燃比量算出手段によって算出された空燃比変化量と、前記空燃比変化手段によって強制的に空燃比を変化させる前後に前記空燃比検出手段により検出された空燃比とに基づいて各気筒の空燃比ずれを推定することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の空燃比検出装置。
  3. 前記気筒空燃比ずれ推定手段は、前記空燃比量算出手段によって算出された空燃比変化量と、前記空燃比検出手段により検出された空燃比と基準空燃比との偏差とに基づいて各気筒の空燃比ずれを推定し、
    前記基準空燃比は、前記空燃比変化手段によって強制的に空燃比を変化させる前の前記空燃比検出手段により検出された全気筒の平均空燃比であることを特徴とする請求項2記載の内燃機関の空燃比検出装置。
  4. 前記空燃比変化手段は、所定気筒の燃料噴射量を増減させることによって強制的に空燃比を変化させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
  5. 前記空燃比変化手段は、所定気筒の吸入空気量を増減させることによって強制的に空燃比を変化させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
  6. 前記気筒空燃比ずれ推定手段によって推定された各気筒の空燃比ずれに基づいて異常診断を行う診断手段を備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
  7. 前記気筒空燃比ずれ推定手段によって推定された各気筒の空燃比ずれによって補正された空燃比に基づいて各気筒の燃料噴射量および/または吸入空気量を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比検出装置。
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