JP2008095626A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの出力特性のずれの影響で気筒別の空燃比ずれの検出精度が低下することを防止する。
【解決手段】複数の気筒の排出ガスが合流する排気管１９に空燃比センサ２０を設置し、この空燃比センサ２０の出力に基づいて気筒別の空燃比ずれを検出するシステムにおいて、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）を検出して、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれていると判断される場合には、エンジン１１に供給する空燃比（供給空燃比）を所定周期でリッチ／リーンに交互に所定割合ずつ振って気筒別の空燃比ずれを検出する。そして、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）が前記所定値以内であると判断される場合には、供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに気筒別の空燃比ずれを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流する排気合流部に設置した空燃比センサの出力に基づいて気筒別の空燃比ずれを検出する機能を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関する発明である。

近年、特許文献１（特開２００１−８２２２１号公報）に記載されているように、複数の気筒の排出ガスが合流する排気合流部に、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）を設置すると共に、この空燃比センサの下流側に排出ガス浄化用の触媒を設置し、前記空燃比センサが常時出力している信号のうち、気筒別に特定クランク角期間の信号のみを抽出し、抽出した信号に基づいて気筒別に燃料噴射量を制御する気筒別空燃比制御を行うことで、気筒別の空燃比ずれ（気筒間の空燃比ばらつき）を補正して触媒の排気浄化率を高めるようにしたものがある。
特開２００１−８２２２１号公報

ところで、図３に示すように、空燃比センサは、空燃比（空気過剰率λ）に応じて出力電流（限界電流値）がほぼリニアに変化する領域が存在する出力特性を持つことから、空燃比センサの出力電流を検出してその出力電流を空燃比（空気過剰率λ）に変換するようにしている。この空燃比センサの出力特性は、製造公差や経時変化等によってばらつきがあり、出力特性線の傾き（出力電流と空燃比との関係）が製造公差や経時変化等によって変化してくる。これにより、空燃比センサの出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向にずれていると、気筒別の空燃比ずれを検出する際に、空燃比センサの出力電流が相対的に小さくなり、気筒別の空燃比ずれの検出精度が低下して、気筒別空燃比制御の精度が悪くなるという欠点があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、空燃比センサの出力特性のずれの影響で気筒別の空燃比ずれの検出精度が低下することを回避できる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流する排気合流部に、該排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサを設置し、前記空燃比センサの出力に基づいて気筒別の空燃比ずれを検出する気筒別空燃比ずれ検出手段と、この気筒別空燃比ずれ検出手段で検出した気筒別の空燃比ずれを小さくするように気筒別の燃料噴射量を制御する空燃比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、前記空燃比センサの出力特性を検出する出力特性検出手段を備え、前記気筒別空燃比ずれ検出手段は、前記出力特性検出手段で検出した前記空燃比センサの出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれていると判断される場合に、内燃機関に供給する空燃比（以下「供給空燃比」という）をリッチ／リーンに振って気筒別の空燃比ずれを検出し、前記空燃比センサの出力特性のずれが前記所定値以内であると判断される場合に、供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに気筒別の空燃比ずれを検出するようにしたものである。

図３に示すように、空燃比がストイキ（空気過剰率λ＝１）付近の場合は、空燃比センサの出力電流が０付近であるため、空燃比センサの出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向にずれていると、気筒別の空燃比ずれを検出しにくくなるが、この場合でも、本発明のように、供給空燃比をリッチ／リーンに振れば、空燃比センサの出力電流が大きい領域で空燃比を検出できるため、気筒別の空燃比ずれを検出しやすくなる。しかも、供給空燃比をリッチ／リーンに交互に振ることで、触媒の状態をリッチ／リーンのいずれか一方に片寄らせることなく中立に保つことができ、触媒の排気浄化能力の低下を抑えることができる。

更に、本発明では、空燃比センサの出力特性のずれが前記所定値以内である判断される場合は、空燃比がストイキ（空気過剰率λ＝１）付近でも、空燃比センサによって空燃比を精度良く検出できるため、この場合は、本発明のように、供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに気筒別の空燃比ずれを検出しても、気筒別の空燃比ずれを精度良く検出することができる。しかも、供給空燃比をリッチ／リーンに振らないため、排気エミッションを増加させずに済み、低エミッション化の要求を満たすことができる。

この場合、請求項２のように、空燃比センサの出力特性を検出する際に、供給空燃比をリッチ／リーンに振り、そのリッチ／リーンの振り幅と空燃比センサの出力変化量との関係から空燃比センサの出力特性を検出するようにすると良い。要するに、供給空燃比をリッチ／リーンに振ったときに、空燃比センサの出力変化量を検出すると、空燃比センサの製造公差や経時変化等による出力特性のばらつきに応じて空燃比センサの出力変化量がばらつくため、リッチ／リーンの振り幅と空燃比センサの出力変化量との関係から空燃比センサの出力特性を精度良く検出することができる。

ところで、供給空燃比をリッチ／リーンに振る際に、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続行していると、そのフィードバック補正量に応じて空燃比センサの出力変化量も変動してしまう。

この対策として、請求項３のように、供給空燃比をリッチ／リーンに振る際に、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禁止するようにすると良い。このようにすれば、空燃比フィードバック制御により空燃比センサの出力変化量が変動することを防止することができ、空燃比センサの出力特性データを精度良く検出することができる。

但し、本発明は、供給空燃比をリッチ／リーンに振る際に空燃比フィードバック制御を禁止することを必須要件とするものではなく、空燃比フィードバック制御を続けながら、供給空燃比をリッチ／リーンに振り、そのリッチ／リーンの振り幅と空燃比センサの出力変化量とを対比して出力特性データを検出するようにしても良く、この場合でも、空燃比センサの出力変化量を空燃比フィードバック補正量に応じて補正すれば、空燃比センサの出力特性データの検出精度を確保することができる。

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。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２には、スロットルバルブ１３と、吸気量を検出する吸気量センサ１４等が設けられている。吸気管１２の下流側には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１５が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１５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１６が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ１７が取り付けられ、各点火プラグ１７の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気系は、例えば２系統に構成され、２本の排気管１９（排気通路）にそれぞれ半数の気筒の排気マニホールド１８が接続されている。各気筒の排気マニホールド１８を流れる排出ガスが合流する各排気管１９（排気合流部）には、それぞれ、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２０が設けられ、この空燃比センサ２０の下流側に排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２１が設けられている。尚、エンジン１１の排気系は２系統に限定されず、１系統であっても良いことは言うまでもない。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２２と、エンジン１１のクランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２３が取り付けられている。このクランク角センサ２３の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら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）２４に入力される。このＥＣＵ２４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１６の燃料噴射量や点火プラグ１７の点火時期を制御する。

このＥＣＵ３４は、気筒別空燃比制御プログラム（図示せず）を実行することで、所定の気筒別空燃比推定モデルを用いて空燃比センサ２０の検出空燃比（排気合流部を流れる排出ガスの実空燃比）に基づいて各気筒の空燃比を推定する。或は、前記特許文献１（特開２００１−８２２２１号公報）に記載されているように、空燃比センサ２０が常時出力している信号のうち、気筒別に特定クランク角期間の信号のみを抽出し、抽出した信号に基づいて各気筒の空燃比を検出（推定）するようにしても良い。そして、後述する方法で、気筒別の空燃比ずれを検出して、気筒別の空燃比ずれが小さくなるように各気筒の燃料補正量（燃料噴射量の補正量）を算出し、その算出結果に基づいて各気筒の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別に補正して気筒別の空燃比ずれ（気筒間の空燃比ばらつき）を小さくするように制御する“気筒別空燃比制御”を実行する。このＥＣＵ３４の気筒別空燃比制御機能が特許請求の範囲でいう空燃比制御手段に相当する。

ところで、図３に示すように、空燃比センサ２０は、空燃比（空気過剰率λ）に応じて出力電流（限界電流値）がほぼリニアに変化する領域が存在する出力特性を持つことから、空燃比センサ２０の出力電流を検出してその出力電流を空燃比（空気過剰率λ）に変換するようにしている。この空燃比センサ２０の出力特性は、製造公差や経時変化等によってばらつきがあり、出力特性線の傾き（出力電流と空燃比との関係）が製造公差や経時変化等によって変化してくる。これにより、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向にずれていると、気筒別の空燃比ずれを検出する際に、空燃比センサ２０の出力電流が相対的に小さくなり、気筒別の空燃比ずれの検出精度が低下して、気筒別空燃比制御の精度が悪くなるという欠点があった。

この対策として、本実施例では、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）を検出して、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれていると判断される場合には、図４に示すように、エンジン１１に供給する空燃比（以下「供給空燃比」という）を所定周期でリッチ／リーンに交互に所定割合（Ｘ％）ずつ振って気筒別の空燃比ずれを検出し、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）が前記所定値以内であると判断される場合には、図５に示すように、供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに気筒別の空燃比ずれを検出するようにしている。

図３に示すように、空燃比がストイキ（空気過剰率λ＝１）付近の場合は、空燃比センサの出力電流が０付近であるため、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向にずれていると、気筒別の空燃比ずれを検出しにくくなるが、この場合でも、本実施例のように、供給空燃比をリッチ／リーンに振れば、空燃比センサ２０の出力電流が大きい領域で空燃比を検出できるため、気筒別の空燃比ずれを検出しやすくなる。しかも、供給空燃比をリッチ／リーンに交互に振ることで、触媒２１の状態をリッチ／リーンのいずれか一方に片寄らせることなく中立に保つことができ、触媒２１の排気浄化能力の低下を抑えることができる。

更に、本実施例では、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）が前記所定値以内である判断される場合は、空燃比がストイキ（空気過剰率λ＝１）付近でも、空燃比センサ２０によって空燃比を精度良く検出できるため、この場合は、本実施例のように、供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに気筒別の空燃比ずれを検出しても、気筒別の空燃比ずれを精度良く検出することができる。しかも、供給空燃比をリッチ／リーンに振らないため、排気エミッションを増加させずに済む。

また、本実施例では、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）を検出する際に、図６に示すように、エンジン１１の各気筒の供給空燃比（目標空燃比）を所定周期でリッチ／リーンに交互に所定割合（Ｙ％）ずつ所定回数振って、空燃比センサ２０のリッチ／リーン側の出力電流を検出してリッチ／リーン側の検出空燃比の平均値をそれぞれ算出する。そして、リッチ／リーンに振った時の供給空燃比（目標空燃比）と検出空燃比の平均値との差分を、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）として算出する。或は、ストイキからのリッチ／リーンの振り幅（供給空燃比の変化量）と空燃比センサ２０の検出空燃比変化量の平均値との差分を、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）として算出するようにしても良い。本実施例では、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）をリッチ側とリーン側でそれぞれ算出するようにしているが、いずれか一方側のみで算出するようにしても良い。

以上説明した本実施例の気筒別空燃比ずれの検出処理は、ＥＣＵ３４によって図２の気筒別空燃比ずれ検出プログラムに従って次のようにして実行される。

図２の気筒別空燃比ずれ検出プログラムは、エンジン運転中に所定周期で実行され、特許請求の範囲でいう出力特性検出手段及び気筒別空燃比ずれ検出手段としての役割を果たす。本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、気筒別空燃比ずれを検出済みであるか否かを判定し、検出済みであば、以降の処理を行うことなく、本プログラムを終了する。

これに対して、上記ステップ１０１で、まだ気筒別空燃比ずれを検出していないと判定されれば、次のようにして気筒別空燃比ずれを検出する。まず、ステップ１０２で、空燃比センサ２０のストイキ学習を実行済みであるか否かを判定する。このストイキ学習は、ストイキ時に空燃比センサ２０の出力電流が“０”となるように０点調整するための学習であり、空燃比センサ２０が未活性の状態（活性温度領域より低い温度状態）のときに空燃比センサ２０の出力電流がストイキ相当値“０”になるという特性を利用して、空燃比センサ２０が未活性の状態の時に空燃比センサ２０の出力電流をＥＣＵ３４に取り込み、その出力電流により０点のずれを学習する。このストイキ学習が未実施であれば、以降の処理を行うことなく、本プログラムを終了する。

このストイキ学習が実施されていれば、ステップ１０３に進み、出力特性公差を検出する運転領域で空燃比フィードバック制御（以下、「フィードバック」を「Ｆ／Ｂ」と表記する）のＦ／Ｂ補正量の学習を実行済みであるか否かを判定する。このＦ／Ｂ補正量の学習は目標空燃比をストイキに設定して行われる。ここで、出力特性公差を検出する運転領域は、例えば暖機完了後でエンジン回転速度が所定範囲内に収まる定常運転領域である。もし、Ｆ／Ｂ補正量の学習が未実施であれば、以降の処理を行うことなく、本プログラムを終了する。

上記ステップ１０２と１０３の判定処理により、出力特性公差を検出する前提条件として、ストイキ学習とＦ／Ｂ補正量の学習が要求される理由は、空燃比センサ２０の出力特性の公差以外の製品公差を先に学習しておくためである。

上記ステップ１０２と１０３の判定処理で、共に「Ｙｅｓ」と判定されれば、出力特性公差を検出する前提条件が満たされて、次のようにして出力特性公差を検出する。まず、ステップ１０４で、空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止してオープンループ制御で空燃比を制御する。但し、このオープンループ制御においてもＦ／Ｂ補正量の学習値は反映させておく。

この後、ステップ１０５に進み、図６に示すように、エンジン１１の各気筒の供給空燃比（目標空燃比）を所定周期でリッチ／リーンに交互に所定割合（Ｙ％）ずつ所定回数振る。この際、リッチ／リーンの振り幅は、予め決められた所定値とする。そして、次のステップ１０６で、空燃比センサ２０のリッチ／リーン側の出力電流を検出してリッチ／リーン側の検出空燃比の平均値をそれぞれ算出する。この検出空燃比の平均値の算出は、検出空燃比のデータをＥＣＵ３４のメモリに蓄積して相加平均値を算出するようにしても良いし、或は、リッチ／リーン側の検出空燃比をそれぞれなまし処理して近似的に平均値を求めるようにしても良い。

この際、供給空燃比をリッチ／リーンに２回以上振る場合は、リッチ／リーンに振幅させる毎に検出空燃比の平均値を算出して、その振幅動作を終了してから、各振幅毎の平均値を相加平均するようにしても良いし、或は、振幅動作を終了するまで、平均化処理を行わずに、検出空燃比のデータをＥＣＵ３４のメモリに蓄積しておき、振幅動作の終了後にメモリに蓄積されている検出空燃比のデータの相加平均値を算出するようにしても良い。

この後、ステップ１０７に進み、リッチ／リーンに振った時の供給空燃比（目標空燃比）と検出空燃比の平均値との差分を、空燃比センサ２０の出力特性の公差（ずれ）として算出する。
リーン側出力特性公差＝リーン側供給空燃比−リーン側検出空燃比平均値
リッチ側出力特性公差＝リッチ側検出空燃比平均値−リッチ側供給空燃比

上式を用いてリーン側とリッチ側の出力特性公差を算出すれば、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向にずれるほど、出力特性公差が大きな値となる。

この後、ステップ１０８に進み、リーン側とリッチ側のいずれか一方の出力特性公差が所定値を越えているか否かを判定することで、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれているか否かを判定する。或は、リーン側とリッチ側の両方の出力特性公差が所定値を越えているか否かを判定することで、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれているか否かを判定するようにしても良い。

そして、このステップ１０８で、出力特性公差が所定値を越えていると判定されれば、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれていると判断して、ステップ１０９に進み、図４に示すように、エンジン１１の供給空燃比（目標空燃比）を所定周期でリッチ／リーンに交互に所定割合（Ｘ％）ずつ振って気筒別の空燃比ずれを検出する。

一方、上記ステップステップ１０８で、出力特性公差が所定値以下であると判定されれば、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれていないと判断して、ステップ１１０に進み、図５に示すように、供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに、通常の空燃比制御を行って、空燃比センサ２０の出力波形の細かなゆれから気筒別の空燃比ずれを検出する。

以上説明した本実施例によれば、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれていると判断される場合は、エンジン１１の供給空燃比（目標空燃比）を所定周期でリッチ／リーンに交互に所定割合（Ｘ％）ずつ振って気筒別の空燃比ずれを検出するようにしたので、空燃比センサ２０の出力電流が大きい領域で空燃比を検出でき、気筒別の空燃比ずれを検出しやすくなる。しかも、供給空燃比をリッチ／リーンに交互に振ることで、触媒２１の状態をリッチ／リーンのいずれか一方に片寄らせることなく中立に保つことができ、触媒２１の排気浄化能力の低下を抑えることができる。

一方、空燃比センサ２０の出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれていないと判断される場合は、供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに気筒別の空燃比ずれを検出するようにしたので、気筒別の空燃比ずれを精度良く検出しながら、排気エミッションの増加を回避することができみ、低エミッション化の要求を満たすことができる。

尚、本実施例では、空燃比センサ２０の出力特性公差を、リッチ／リーンに振った時の供給空燃比（目標空燃比）と検出空燃比の平均値との差分から算出するようにしたが、両者の比から空燃比センサ２０の出力特性公差を算出するようにしても良い。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の構成を概略的に示す図である。 気筒別空燃比ずれ検出プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 空燃比センサの出力特性の公差（ばらつき）を説明するための出力特性図である。 供給空燃比をリッチ／リーンに振って気筒別の空燃比ずれを検出する処理を説明するタイムチャートである。 供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに気筒別の空燃比ずれを検出する処理を説明するタイムチャートである。 空燃比センサの出力特性公差の検出期間中に供給空燃比を所定周期でリッチ／リーンに所定割合（Ｙ％）ずつ振った時の空燃比センサの検出空燃比の変化の一例を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１７…点火プラグ、１８…排気マニホールド、１９…排気管（排気通路）、２０…空燃比センサ、２１…触媒、２４…ＥＣＵ（空燃比制御手段，出力特性検出手段，気筒別空燃比ずれ検出手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流する排気合流部に、該排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサを設置し、前記空燃比センサの出力に基づいて気筒別の空燃比ずれを検出する気筒別空燃比ずれ検出手段と、この気筒別空燃比ずれ検出手段で検出した気筒別の空燃比ずれを小さくするように気筒別の燃料噴射量を制御する空燃比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、
   前記空燃比センサの出力特性を検出する出力特性検出手段を備え、
   前記気筒別空燃比ずれ検出手段は、前記出力特性検出手段で検出した前記空燃比センサの出力特性が実空燃比の変化に対して出力電流の変化が小さくなる方向に所定値以上ずれていると判断される場合に、内燃機関に供給する空燃比（以下「供給空燃比」という）をリッチ／リーンに振って気筒別の空燃比ずれを検出し、前記空燃比センサの出力特性のずれが前記所定値以内である判断される場合に、供給空燃比をリッチ／リーンに振らずに気筒別の空燃比ずれを検出することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記出力特性検出手段は、供給空燃比をリッチ／リーンに振り、そのリッチ／リーンの振り幅と前記空燃比センサの出力変化量との関係から前記空燃比センサの出力特性を検出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。
3. 前記出力特性検出手段は、供給空燃比をリッチ／リーンに振る際に前記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禁止する手段を備えてい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。

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