JP2008095627A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路に設置した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を補正する。
【解決手段】空燃比センサの出力特性を表すデータを検出する際に、内燃機関の各気筒に供給する空燃比（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％）ずつ所定回数振って、空燃比センサのリッチ／リーン側の検出λ（検出空気過剰率）の平均値をそれぞれ算出する。そして、ストイキからのリッチ／リーンの振り幅と空燃比センサの検出λ変化量との比を、空燃比センサの出力特性のばらつきを補正するための出力特性補正値として算出し、この出力特性補正値で空燃比センサの検出空燃比を補正することで、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を補正する。
【選択図】図５

Description

本発明は、空燃比センサ（Ａ／Ｆ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を補正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、気筒間の空燃比ばらつきを気筒別に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４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。このため、上記特許文献１のように、気筒別空燃比制御を行っても、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よって空燃比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、空燃比センサの製造公差や経時変化等による出力特性のばらつきを補正することができて、空燃比の検出精度を向上させることが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、内燃機関の排気通路に排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサを設置し、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する空燃比（以下「供給空燃比」という）を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特性を表すデータ（以下「出力特性データ」という）を検出する出力特性検出手段と、前記出力特性検出手段で検出した出力特性データに基づいて前記空燃比センサの出力又は検出空燃比を補正するセンサ出力補正手段とを備え、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を対比して前記出力特性データを検出するようにしたものである。

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、本発明のように、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すれば、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、この出力特性データに基づいて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を精度良く補正することができて、空燃比の検出精度を向上させることができる。

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２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。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
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。各排気管１９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（排気集合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し、全気筒の推定空燃比の平均値を算出して、その平均値を基準空燃比（全気筒の目標空燃比）に設定すると共に、各気筒の推定空燃比と基準空燃比との偏差を各気筒毎に算出して、その偏差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各気筒毎に補正して気筒間の空燃比ばらつきを少なくするように制御する“気筒別空燃比制御”を実行する。

ところで、図４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。従って、この空燃比センサ２０の製造公差や経時変化等による出力特性のばらつきを無視して、空燃比センサ２０の出力電流を空燃比に変換すると、空燃比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。

この対策として、本実施例では、空燃比センサ２０の出力特性を表すデータ（以下「出力特性データ」という）を検出して、この出力特性データに基づいて空燃比センサ２０の出力又は検出空燃比を補正するようにしている。具体的には、空燃比センサ２０の出力特性データを検出する際に、図５に示すように、エンジン１１の各気筒に供給する空燃比（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の平均値をそれぞれ算出する。

この場合、図４に示すように、空燃比がストイキ（λ＝１）の時には、空燃比センサ２０の出力電流が“０”となるため、リッチ／リーン側の空燃比センサ２０の出力電流の平均値は、供給空燃比をストイキからリッチ／リーンに振った時の出力電流変化量に相当する。

本実施例では、ストイキからのリッチ／リーンの振り幅と空燃比センサ２０の検出λ変化量（検出空気過剰率の変化量）との比を、空燃比センサ２０の出力特性のばらつきを補正するための出力特性補正値として算出し、この出力特性補正値で空燃比センサ２０の検出空燃比を補正する。この出力特性補正値は、リッチ側とリーン側とでそれぞれ算出される。

以上説明した本実施例の空燃比センサ２０の出力特性補正処理は、ＥＣＵ３４によって図２及び図３に示す各プログラムに従って実行される。以下、各プログラムの処理内容を説明する。

［出力特性補正値学習プログラム］
図２の出力特性補正値学習プログラムは、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、出力特性補正値を学習済み（算出済み）であるか否かを判定し、学習済みであば、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、まだ出力特性補正値を学習していないと判定されれば、次のようにして出力特性補正値を学習する。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、出力特性補正値を学習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、出力特性補正値を学習する運転領域は、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、出力特性補正値を学習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の出力特性のばらつき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、出力特性補正値を学習する前提条件が満たされて、次のようにして、出力特性補正値を学習する。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５に示すように、エンジン１１の各気筒に供給する空燃比（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（Ｘ％）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／リーン側の検出λ（検出空気過剰率）の平均値をそれぞれ算出する。この空燃比センサ２０の検出λの平均値の算出は、空燃比センサ２０の検出λのサンプリングデータを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、空燃比センサ２０のリッチ／リーン側の検出λ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、空燃比センサ２０の検出λのサンプリングデータを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サンプリング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、ストイキからリッチ側に振った時の「空燃比の振り幅」とリッチ側検出λの変化量である「リッチ側検出λの平均値−１」との比を、空燃比センサ２０の出力特性のリッチ側のばらつきを補正するためのリッチ側出力特性補正値として算出すると共に、ストイキからリーン側に振った時の「空燃比の振り幅」とリーン側検出λの変化量である「１−リーン側検出λの平均値」との比を、空燃比センサ２０の出力特性のリーン側のばらつきを補正するためのリーン側出力特性補正値として算出して、リッチ／リーン側の出力特性補正値をＥＣＵ３４のメモリに記憶する。

リッチ側出力特性補正値＝リッチ側空燃比振り幅／（リッチ側検出λ平均値−１）
リーン側出力特性補正値＝リーン側空燃比振り幅／（１−リーン側検出λ平均値）

［出力／空燃比変換プログラム］
図３の出力／空燃比変換プログラムは、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センサ出力補正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２０１で、出力特性補正値の学習を実行済みであるか否かを判定し、まだ実行されていなければ、ステップ２０３に進み、今回読み込んだ空燃比センサ２０の出力電流を、図４に示す標準出力特性（出力特性ばらつきの中央値）の変換テーブルを用いて検出空燃比に変換する。この場合は、出力特性の補正は行われない。

これに対して、上記ステップ２０１で、出力特性補正値の学習を実行済みと判定されれば、ステップ２０２に進み、今回読み込んだ空燃比センサ２０の出力電流を、上記標準出力特性の変換テーブルを用いて空燃比に変換し、この値に出力特性補正値を乗算して検出空燃比を求める。これにより、空燃比センサ２０の検出空燃比が出力特性補正値で補正される。

検出空燃比＝変換テーブル（空燃比センサ出力電流）×出力特性補正値
尚、前述したステップ１０７において、リッチ／リーン側の出力特性補正値を算出する式の分子と分母を入れ替えて、次式によりリッチ／リーン側の出力特性補正値を算出するようにしても良い。
リッチ側出力特性補正値＝（リッチ側検出λ平均値−１）／リッチ側空燃比振り幅
リーン側出力特性補正値＝（１−リーン側検出λ平均値）／リーン側空燃比振り幅
この場合は、空燃比センサ２０の出力電流を変換テーブルで空燃比に変換した値を出力特性補正値で割り算して空燃比センサ２０の検出空燃比を補正するようにすれば良い。

検出空燃比＝変換テーブル（空燃比センサ出力電流）÷出力特性補正値
或は、予め、空燃比振り幅と検出λ平均値とをパラメータとして出力特性補正値を算出するマップを作成しておき、空燃比振り幅と検出λ平均値に応じて当該マップにより出力特性補正値を算出するようにしても良い。

以上説明した本実施例によれば、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２０の出力変化量（出力電流の平均値）を検出すると、空燃比センサ２０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（出力電流の平均値）がばらつくという特性を考慮して、空燃比センサ２０の出力特性データを検出する際に、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（Ｘ％）ずつ所定回数振って、空燃比センサ２０のリッチ／リーン側の検出λの平均値をそれぞれ算出し、ストイキからのリッチ／リーンの振り幅と空燃比センサ２０の検出λ変化量との比を、空燃比センサ２０の出力特性のばらつきを補正するための出力特性補正値として算出し、この出力特性補正値で空燃比センサ２０の検出空燃比を補正するようにしたので、空燃比センサ２０の製造公差や経時変化等による出力特性のばらつきを精度良く補正することができて、空燃比の検出精度を向上させることができる。

尚、本発明は、ストイキからのリッチ／リーンの振り幅と空燃比センサ２０の出力電流変化量との比を、空燃比センサ２０の出力特性のばらつきを補正するための出力特性補正値として算出するようにしても良い。

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２０の出力に基づく空燃比Ｆ／Ｂ制御を続行していると、そのＦ／Ｂ補正量に応じて空燃比センサ２０の検出λ変化量（出力電流変化量）も変動してしまう。

この対策として、本実施例では、供給空燃比をリッチ／リーンに振る際に、空燃比センサ２０の出力に基づく空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止するようにしたので、空燃比Ｆ／Ｂ制御により空燃比センサ２０の検出λ変化量（出力電流変化量）が変動することを防止することができ、出力特性補正値を精度良く算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Ｆ／Ｂ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Ｆ／Ｂ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２０の検出λ変化量（出力電流変化量）とを対比して出力特性補正値を算出するようにしても良く、この場合でも、空燃比センサ２０の検出λ変化量（出力電流変化量）を空燃比Ｆ／Ｂ補正量に応じて補正すれば、出力特性補正値の精度を確保することができる。

また、上記実施例では、気筒別空燃比制御を行うようにしたが、これ以外の通常の空燃比Ｆ／Ｂ制御を行うシステムにも本発明を適用して実施できる。

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。 出力特性補正値学習プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 出力／空燃比変換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ばらつきを説明するための出力特性図である。 出力特性補正値の学習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（Ｘ％）ずつ振った時の空燃比センサの出力電流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（出力特性検出手段，センサ出力補正手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサを設置し、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する空燃比（以下「供給空燃比」という）を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特性を表すデータ（以下「出力特性データ」という）を検出する出力特性検出手段と、
   前記出力特性検出手段で検出した出力特性データに基づいて前記空燃比センサの出力又は検出空燃比を補正するセンサ出力補正手段とを備え、
   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を対比して前記出力特性データ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１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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