JP2009180145A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比制御装置 Download PDF

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

【課題】触媒の下流の下流側空燃比センサ出力値に基づく空燃比フィードバック量の学習を短期間内にて完了す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。
【解決手段】この制御装置は、サブフィードバック(サブFB)量Vafsfbの学習値Vafsfbgが適値になったと判定されるまで(学習完了判定前)、下流側空燃比センサの出力値Voxsに対する下流側目標値Voxsrefを理論空燃比相当値Vstに設定し且つサブFB量の積分項Ki・SDVoxsの積分ゲインKiを第1積分ゲインKiLargeに設定する。これにより、下流側空燃比センサの出力値の反転回数が短期間内にて増大する。従って、学習値の更新回数が短期間内に増大するから学習値を早期に収束させられる。制御装置は、学習完了判定後、下流側目標値を目標リッチ空燃比相当値Vrich等の目標非理論空燃比に設定し且つ積分ゲインKiを第1積分ゲインより小さい第2積分ゲインKiSmallに設定する。
【選択図】図4

Description

本発明は、内燃機関の排気通路であって同排気通路に設けられた触媒(排気浄化触媒、三元触媒)の上流側及び下流側にそれぞれ配設された上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの出力値に基づき機関に供給される混合気の空燃比(以下、単に「機関の空燃比」と称呼することもある。)を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。
従来から、内燃機関の排気通路の上流から下流に向け上流側空燃比センサ、触媒及び下流側空燃比センサを備えるとともに、上流側空燃比センサの出力値と下流側空燃比センサの出力値とに基づいて機関の空燃比を制御する空燃比制御装置が広く採用されている。
より具体的に述べると、従来の空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力値を下流側目標値に一致させるためのサブフィードバック量を算出する。更に、従来の空燃比制御装置は、「前記算出されたサブフィードバック量に含まれる定常成分に応じた値」に基づいて学習値を更新する「学習」を行うとともに、そのサブフィードバック量を「更新した学習値」に応じて補正する学習制御を実行する。そして、従来の空燃比制御装置は、前記上流側空燃比センサの出力値と、サブフィードバック量と、学習値と、に基づいてメインフィードバック量を算出し、その算出したメインフィードバック量に基づき前記機関の空燃比(例えば、燃料噴射量)をフィードバック制御するようになっている。
なお、本明細書において、メインフィードバック量を新たに算出(更新)し、そのメインフィードバック量を機関の空燃比の制御に使用することをメインフィードバック制御を実行するとも言う。同様に、サブフィードバック量を新たに算出(更新)し、そのサブフィードバック量を機関の空燃比の制御に使用することをサブフィードバック制御を実行するとも言う。
上記学習値は、サブフィードバック量の定常成分に応じた値である。その学習値は、空燃比制御装置が備えるバックアップRAM(スタンバイRAM)に格納される。バックアップRAMには機関が搭載された車両のイグニッション・キー・スイッチの位置に拘らずバッテリから電力が供給される。バックアップRAMはバッテリから電力が供給されている限り「格納した値(データ)」を保持することができる。従って、例えば、下流側空燃比センサが活性化することに伴ってサブフィードバック制御が開始された時点からサブフィードバック量が定常値近傍に至る時点までの間、サブフィードバック量の定常値からのズレを学習値によって補償することができる。その結果、サブフィードバック制御の開始直後において、機関の空燃比が適正値近傍の空燃比となるように制御され得る。なお、学習値はEEPROM等の不揮発性メモリに記憶されてもよい。
ところが、例えば、バッテリが車両から取り外された場合及びバッテリが放電してしまった場合等において「バッテリからバックアップRAM」への給電が停止すると、バックアップRAMに格納されている学習値は消滅する(破壊される)。また、何らかの電気ノイズ等によりバックアップRAM内又は不揮発性メモリ内の学習値が破壊される場合もある。このような場合、学習値は初期値(デフォルト値)に戻されるから、学習値を早期に適正値に近づける(即ち、学習を早期に完了させる)ことが好ましい。
他方、従来の空燃比制御装置は、サブフィードバック制御中に「下流側空燃比センサの出力値が理論空燃比に相当する値を横切るように変化する回数」である「反転回数」が所定の閾値回数以上となったか否かを判定するとともに、その反転回数がその閾値回数以上となったと判定したとき前記学習が完了したと判定するようになっている。
即ち、従来の空燃比制御装置は、下流側空燃比センサの出力値が下流側目標値に相当する下流側目標空燃比(例えば、理論空燃比)よりもリーン側の空燃比に相当する値から下流側目標空燃比よりもリッチ側の空燃比に相当する値に変化する回数(以下、「リッチ反転の回数」とも称呼する。)、及び、下流側空燃比センサの出力値が下流側目標空燃比よりもリッチ側の空燃比に相当する値から下流側目標空燃比よりもリーン側の空燃比に相当する値に変化する回数(以下、「リーン反転の回数」とも称呼する。)、の和を反転回数としてカウントし、その反転回数が閾値回数以上となったときに、学習が完了したと判定している。反転回数は、学習値の更新回数に応じた回数であり、従って、学習値が適正値に近づいている程度、即ち、学習値の収束の程度を示すからである。
以上のことから、従来の空燃比制御装置は、学習が完了していないと判定される場合、サブフィードバック制御が実行される機会をできるだけ多くし、それにより、学習機会が増大するように(換言すると、上記反転回数が短期間内に閾値回数に到達するように)、例えば、燃料噴射を停止するフューエルカット制御を禁止している(特許文献1を参照。)。
特開2007−162626号公報
ところで、触媒の浄化性能を考慮し且つ窒素酸化物(NOx)の排出量を一層低減することを目的として、上記サブフィードバック制御に用いられる下流側目標値が理論空燃比よりもリッチ側の空燃比である目標リッチ空燃比に相当する値に設定される場合がある。この目標リッチ空燃比は、触媒の所謂「ウインドゥ」の範囲内の空燃比であって理論空燃比よりも僅かにリッチ側の空燃比である。目標リッチ空燃比は、理論空燃比とは相違する空燃比であって、本明細書において「目標非理論空燃比」とも称呼される。
このように下流側目標空燃値が目標リッチ空燃比に相当する値に設定されると、触媒に流入するガスの時間的平均値が理論空燃比よりも僅かにリッチ側の空燃比に制御される。このため、上記反転回数が減少するので学習が完了するまでの時間が長くなる。その結果、学習値によるサブフィードバック量の補償が適正に実行されない機会が増大し、更に、フューエルカット制御の機会が減少するので、エミッションが悪化する虞がある。
また、触媒の排気浄化特性及び機関から排出されるガスの排気臭等を低減すること等を目的として、上記サブフィードバック制御に用いられる下流側目標値が理論空燃比よりもリーン側の空燃比である目標リーン空燃比に相当する値に設定される場合がある。この目標リーン空燃比も、理論空燃比とは相違する空燃比であって、本明細書において「目標非理論空燃比」とも称呼される。このように下流側目標空燃値が目標リーン空燃比に相当する値に設定されると、下流側目標空燃値が目標リッチ空燃比に相当する値に設定された場合と同様、上記反転回数が減少するので学習が完了するまでの時間が長くなる。その結果、学習値によるサブフィードバック量の補償が適正に実行されない機会が増大し、更に、フューエルカット制御の機会が減少するので、エミッションが悪化する虞がある。
本発明は、上記課題に対処するためになされたものである。本発明の目的は、下流側目標値を目標リッチ空燃比及び目標リーン空燃比等の「目標非理論空燃比」に相当する値に設定してサブフィードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置であって、サブフィードバック量の学習を短期間に完了させることが可能であり、それにより、エミッションをより改善することが可能な空燃比制御装置を提供することにある。
具体的に述べると、本発明による内燃機関の空燃比制御装置は、
前記内燃機関の排気通路に配設された触媒と、
前記排気通路であって前記触媒よりも上流側の部位に配設されるとともに同配設された部位を流れるガスの空燃比に応じた出力値を出力する上流側空燃比センサと、
前記排気通路であって前記触媒よりも下流側の部位に配設されるとともに同配設された部位を流れるガスの空燃比に応じた出力値を出力する下流側空燃比センサと、
前記下流側空燃比センサの出力値を下流側目標値に一致させるためのサブフィードバック量を算出するサブフィードバック量算出手段と、
を備える。
更に、この空燃比制御装置は、
前記下流側空燃比センサの出力値が前記下流側目標値を横切るように変化する毎に前記サブフィードバック量に含まれる定常成分に応じた値に基づいてサブフィードバック量の学習値を更新する学習を行うとともに同サブフィードバック量を同更新した学習値(学習値の変化分等)に応じて補正する学習手段と、
前記学習値の収束の程度を表す学習完了指標値を取得するとともに同学習完了指標値に基づいて前記学習が完了したか否かを判定する学習完了判定手段と、
前記上流側空燃比センサの出力値と前記補正されたサブフィードバック量と前記更新された学習値とに基づき前記機関に供給される混合気の空燃比を上流側目標空燃比に一致させる空燃比フィードバック制御を実行する空燃比制御手段と、
を備える。
加えて、この空燃比制御装置は、
前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定される前の期間において前記下流側目標値を理論空燃比に相当する値に設定するとともに、前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定された後の期間において前記下流側目標値を理論空燃比以外の空燃比である目標非理論空燃比に相当する値に設定する下流側目標値設定手段を備える。目標非理論空燃比は、理論空燃比よりもリッチ側の空燃比である目標リッチ空燃比、及び、理論空燃比よりもリーン側の空燃比である目標リーン空燃比の何れかである。
これによれば、サブフィードバック量の学習値が比較的大きく変化していて学習値の収束の程度が小さいとき、即ち、前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定される前の期間、下流側目標値は理論空燃比に相当する値に設定される。従って、機関の空燃比の時間的平均値が略理論空燃比となるので、上流側触媒から流出するガスの空燃比は理論空燃比を中心に振動する。この結果、下流側目標値を目標非理論空燃比に相当する値に設定した場合よりも「リーン反転及びリッチ反転が発生する頻度」が増大する。即ち、反転回数が早期に増加することに伴って学習値の更新機会が増大するから、学習を早期に完了することができる。
この場合、
前記学習完了判定手段は、
前記下流側空燃比センサの出力値が理論空燃比に相当する値を横切るように変化する回数である反転回数を前記学習完了指標値として取得するとともに、同取得した反転回数が所定の閾値回数以上となったと判定したとき前記学習が完了したと判定するように構成されることが好適である。
上記反転回数は学習値の更新回数に応じて増大する。従って、上記構成によれば、学習値の収束の程度を表す学習完了指標値を精度良く且つ簡単に取得することができる。
更に、前記サブフィードバック量算出手段は、
前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定されたとき前記学習値を理論空燃比と前記目標非理論空燃比との差に応じた量だけ補正するように構成されることが好適である。
学習完了判定前において得られた学習値は、下流側目標値が理論空燃比に相当する値に設定された状態下で算出されたサブフィードバック量に基づく値である。一方、学習完了判定後においては下流側目標値が「目標リッチ空燃比及び目標リーン空燃比の何れかである目標非理論空燃比」に相当する値に設定された状態下でサブフィードバック制御が実行される。従って、学習完了判定前において得られた学習値そのものは「学習完了判定後の学習値」としては適切でない。そこで、上記構成のように、前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定されたとき、前記学習値を理論空燃比と前記目標非理論空燃比との差に応じた量だけ補正する。これによれば、学習完了判定前において得られた学習値を、学習完了判定後として適切な値を有する学習値へと変換することができる。
(好ましい態様)
なお、この内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記学習が完了したと判定される前にはサブフィードバック制御条件として第1条件を設定し、前記学習が完了したと判定された後には前記第1条件に更に条件が付加された第2条件を前記サブフィードバック制御条件として設定するサブフィードバック制御条件設定手段を備えるとともに、
前記サブフィードバック量算出手段は、前記サブフィードバック制御条件が成立しているときにのみサブフィードバック量を算出するように構成され、
前記学習手段は、前記サブフィードバック制御条件が成立しているときにのみ「前記学習及び前記サブフィードバック量の前記学習値に応じた補正」を行うように構成されていることが好適である。
これによれば、学習が完了するまでは学習完了後よりも緩和されたサブフィードバック制御条件(第1条件)が設定されるから、サブフィードバック制御が実行され易くなる。その結果、学習機会が増大するから、学習完了時期を早期化することができる。
更に、この内燃機関の空燃比制御装置は、
前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定される前の期間においては所定のフューエルカット条件が成立した場合であっても前記機関への燃料の供給を停止するフューエルカット制御を実行せず、前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定された後の期間においては同フューエルカット条件が成立した場合に同フューエルカット制御を実行するフューエルカット制御手段を備えることが好適である。
これによれば、学習が完了するまでフューエルカット制御が実行されないので、学習の機会を増大することができる。また、学習が完了した後はフューエルカット制御が実行されるので触媒の保護及びエミッションの改善を図ることができる。なお、この場合、サブフィードバック制御条件にはフューエルカット制御中でないことが含まれる。
以下、本発明による内燃機関の空燃比制御装置(以下、単に「制御装置」と称呼する。)の実施形態について図面を参照しながら説明する。この制御装置は、内燃機関の空燃比を制御するために燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御装置でもある。
(構成)
図1は、この制御装置を4サイクル火花点火式多気筒(4気筒)内燃機関10に適用したシステムの概略構成を示している。なお、図1は、特定気筒の断面のみを示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。
この内燃機関10は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部20と、シリンダブロック部20の上に固定されるシリンダヘッド部30と、シリンダブロック部20にガソリン混合気を供給するための吸気系統40と、シリンダブロック部20からの排ガスを外部に放出するための排気系統50と、を含んでいる。
シリンダブロック部20は、シリンダ21、ピストン22、コンロッド23及びクランク軸24を含んでいる。ピストン22はシリンダ21内を往復動し、ピストン22の往復動がコンロッド23を介してクランク軸24に伝達され、これにより同クランク軸24が回転するようになっている。シリンダ21の壁面及びピストン22の上面は、シリンダヘッド部30の下面とともに燃焼室25を形成している。
シリンダヘッド部30は、燃焼室25に連通した吸気ポート31、吸気ポート31を開閉する吸気弁32、吸気弁32を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに同インテークカムシャフトの位相角及びリフト量を連続的に変更する可変吸気タイミング装置33、可変吸気タイミング装置33のアクチュエータ33a、燃焼室25に連通した排気ポート34、排気ポート34を開閉する排気弁35、排気弁35を駆動するエキゾーストカムシャフト36、点火プラグ37、点火プラグ37に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ38及び燃料を吸気ポート31内に噴射するインジェクタ(燃料噴射手段)39を備えている。
吸気系統40は、吸気ポート31に連通し同吸気ポート31とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管41、吸気管41の端部に設けられたエアフィルタ42及び吸気管41内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットルバルブ43を備えている。スロットルバルブ43は、DCモータからなるスロットルバルブアクチュエータ43aにより吸気管41内で回転駆動されるようになっている。
排気系統50は、各気筒の排気ポート34に一端が接続された複数の枝部を含むエキゾーストマニホールド51、各エキゾーストマニホールド51の枝部の他端であって総ての枝部が集合している集合部に接続されたエキゾーストパイプ52、エキゾーストパイプ52に配設された上流側触媒53、及び、上流側触媒53よりも下流のエキゾーストパイプ52に配設された下流側触媒54を備えている。排気ポート34、エキゾーストマニホールド51及びエキゾーストパイプ52は、排気通路を構成している。
上流側触媒53及び下流側触媒54のそれぞれは、所謂、白金等の貴金属からなる活性成分を担持する三元触媒装置(排気浄化触媒)である。各触媒は、各触媒に流入するガスの空燃比が理論空燃比であるとき、HC,COなどの未燃成分を酸化するとともに窒素酸化物(NOx)を還元する機能を有する。この機能は触媒機能とも称呼される。更に、各触媒は、酸素を吸蔵(貯蔵)する酸素吸蔵機能を有し、この酸素吸蔵機能により空燃比が理論空燃比から偏移したとしても未燃成分及び窒素酸化物を浄化することができる。この酸素吸蔵機能は、触媒に担持されているセリア(CeO)によってもたらされる。
一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ61、スロットルポジションセンサ62、カムポジションセンサ63、クランクポジションセンサ64、水温センサ65、上流側空燃比センサ66、下流側空燃比センサ67及びアクセル開度センサ68を備えている。
エアフローメータ61は、吸気管41内を流れる吸入空気の質量流量Gaに応じた信号を出力するようになっている。
スロットルポジションセンサ62は、スロットルバルブ43の開度(スロットルバルブ開度)を検出し、スロットルバルブ開度TAを表す信号を出力するようになっている。
カムポジションセンサ63は、インテークカムシャフトが90°回転する毎に(即ち、クランク軸24が180°回転する毎に)一つのパルスを有する信号(G2信号)を発生するようになっている。
クランクポジションセンサ64は、クランク軸24が10°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸24が360°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、後述する電気制御装置70によって機関回転速度NEに変換される。
水温センサ65は、内燃機関10の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。
上流側空燃比センサ66は排気通路に配設されている。上流側空燃比センサ66の配設位置は、エキゾーストマニホールド51の枝部の集合部又はその集合部よりも下流側である。上流側空燃比センサ66は限界電流式の酸素濃度センサである。上流側空燃比センサ66は、図2に示したように、「被検出ガス」の空燃比A/Fに応じた電圧である出力値Vabyfsを出力するようになっている。従って、本例において、上流側空燃比センサ66は、排気通路であって上流側空燃比センサ66が配設されている部位を流れるガスの空燃比(従って、上流側触媒53に流入するガスの空燃比、及び、機関に供給される混合気の空燃比)に応じた出力値Vabyfsを発生するようになっている。
この出力値Vabyfsは、被検出ガスの空燃比が理論空燃比であるときに値Vstoichに一致する。出力値Vabyfsは、被検出ガスの空燃比が大きくなる(リーンとなる)ほど増大する。即ち、上流側空燃比センサ66は、被検出ガスの空燃比の変化に対して出力が連続的に変化する広域空燃比センサである。
後述する電気制御装置70は、図2に示したテーブル(マップ)Mapabyfsを記憶していて、そのテーブルMapabyfsに実際の出力値Vabyfsを適用することによって空燃比を検出する(検出空燃比abyfsを取得する)ようになっている。以下、上流側空燃比センサの出力値VabyfsとテーブルMapabyfsとによって取得される空燃比を、上流側空燃比abyfsとも称呼する。
下流側空燃比センサ67は、排気通路であって上流側触媒53よりも下流側であり且つ下流側触媒54よりも上流側(即ち、上流側触媒53と下流側触媒54との間の排気通路)に配設されている。下流側空燃比センサ67は、周知の起電力式の酸素濃度センサ(安定化ジルコニアを用いた周知の濃淡電池型の酸素濃度センサ)である。下流側空燃比センサ67は、排気通路であって下流側空燃比センサ67が配設されている部位を流れるガスである被検出ガスの空燃比(従って、下流側触媒54に流入するガスの空燃比、及び、機関に供給される混合気の空燃比の時間的平均値)に応じた出力値Voxsを発生するようになっている。
この出力値Voxsは、図3に示したように、被検出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチのとき最大出力値max(例えば、約0.9V)となり、被検出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンのとき最小出力値min(例えば、約0.1V)となり、被検出ガスの空燃比が理論空燃比であるとき最大出力値maxと最小出力値minの略中間の電圧Vst(中間電圧Vst、例えば、約0.5V)となる。更に、この出力値Voxsは、被検出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比からリーンな空燃比へと変化する際に最大出力値maxから最小出力値minへと急変し、被検出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比からリッチな空燃比へと変化する際に最小出力値minから最大出力値maxへと急変する。
再び、図1を参照すると、アクセル開度センサ68は、運転者によって操作されるアクセルペダルAPの操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
電気制御装置70は、互いにバスで接続されたCPU71、CPU71が実行するプログラム、テーブル(マップ、関数)及び定数等を予め記憶したROM72、CPU71が必要に応じてデータを一時的に格納するRAM73、及び、バックアップRAM74並びにADコンバータを含むインターフェース75等からなるマイクロコンピュータである。
バックアップRAM74は、機関10を搭載した車両の図示しないイグニッション・キー・スイッチの位置(オフ位置、始動位置及びオン位置等の何れか)に関わらず、車両に搭載されたバッテリから電力の供給を受けるようになっている。バックアップRAM74は、バッテリから電力の供給を受けている場合、CPU71の指示に応じてデータを格納する(データが書き込まれる)とともに、そのデータを読み出し可能となるように保持(記憶)する。バックアップRAM74は、バッテリが車両から取り外される等によりバッテリからの電力供給が遮断されると、データを保持することができない。そこで、CPU71は、バックアップRAM74への電力供給が再開されたとき、バックアップRAM74に保持されるべきデータを初期化(デフォルト値に設定)するようになっている。
インターフェース75は、前記センサ61〜68と接続され、CPU71にセンサ61〜68からの信号を供給するようになっている。更に、インターフェース75は、CPU71の指示に応じて可変吸気タイミング装置33のアクチュエータ33a、イグナイタ38、インジェクタ39及びスロットルバルブアクチュエータ43a等に駆動信号(指示信号)を送出するようになっている。
(制御概要)
次に、上記のように構成された制御装置の作動の概要について説明する。
この制御装置は、上流側空燃比センサ66の出力値Vabyfsに基づいて得られる上流側空燃比abyfsを上流側目標空燃比abyfrに一致させるメインフィードバック制御と、下流側空燃比センサ67の出力値Voxsを下流側目標値Voxsrefに一致させるサブフィードバック制御と、を含む空燃比フィードバック制御を実行する。実際には、制御装置は「上流側空燃比abyfs」を「下流側空燃比センサ67の出力値Voxsと下流側目標値Voxsrefとの出力偏差量Dvoxsを小さくするように算出されたサブフィードバック量Vafsfb及びその学習値Vafsfbg」により補正し、それによって「フィードバック制御用空燃比(補正検出空燃比)abyfsc」を算出し、そのフィードバック制御用空燃比abyfscを上流側目標空燃比abyfrに一致させる空燃比フィードバック制御を行う。
<メインフィードバック制御>
より具体的に述べると、制御装置は、フィードバック制御用出力値Vabyfcを下記(1)式に従って算出する。(1)式において、Vabyfsは上流側空燃比センサ66の出力値、Vafsfbは下流側空燃比センサ67の出力値Voxsに基づいて算出されるサブフィードバック量、Vafsfbgはサブフィードバック量の学習値である。これらの値は、何れも現時点において得られている値である。サブフィードバック量Vafsfb及び学習値Vafsfbgの算出方法は後述される。
Vabyfc=Vabyfs+Vafsfb+Vafsfbg …(1)
制御装置は、下記(2)式に示したように、フィードバック制御用出力値Vabyfcを図2に示したテーブルMapabyfsに適用することによりフィードバック制御用空燃比abyfscを得る。
abyfsc=Mapabyfs(Vabyfc) …(2)
一方、制御装置は、現時点にて気筒内に吸入される空気量である筒内吸入空気量Mc(k)を求める。筒内吸入空気量Mc(k)は、各気筒の吸気行程毎に、その時点のエアフローメータ61の出力Gaと機関回転速度NEとに基いて求められ(例えば、エアフローメータ61の出力Gaに対して一次遅れ処理を施した値を機関回転速度NEで除することにより求められ)、各吸気行程に対応されながらRAM73内に記憶される。筒内吸入空気量Mc(k)は、周知の空気モデル(吸気通路における空気の挙動を模した物理法則に従って構築されたモデル)により算出されてもよい。
制御装置は、下記(3)式に示したように、その筒内吸入空気量Mc(k)を現時点における上流側目標空燃比abyfr(k)によって除すことにより基本燃料噴射量Fbaseを求める。上流側目標空燃比abyfr(k)は、機関暖機中、フューエルカット復帰後増量中及び触媒過熱防止増量中等の特殊な場合を除き、理論空燃比に設定される。フューエルカット復帰後増量は、後述する燃料噴射停止(フューエルカット)が終了して燃料噴射が再開されてから所定期間(例えば、上流側触媒53の酸素吸蔵量が上流側触媒53の最大酸素吸蔵量Cmax1の半分程度以下にまで低下するまでの期間)、上流側目標空燃比abyfr(k)を理論空燃比よりもリッチ側の空燃比に設定することにより行われる。なお、上流側目標空燃比abyfr(k)も、各吸気行程に対応されながらRAM73内に記憶される。
Fbase=Mc(k)/abyfr(k) …(3)
制御装置は、下記(4)式に示したように、基本燃料噴射量Fbaseをメインフィードバック量DFiにより補正する(基本燃料噴射量Fbaseにメインフィードバック量DFiを加える)ことにより、最終燃料噴射量Fiを算出する。そして、制御装置は、最終燃料噴射量Fiの燃料を吸気行程を迎えている気筒のインジェクタ39から噴射する。
Fi=Fbase+DFi …(4)
上記(4)式におけるメインフィードバック量DFiは、以下のようにして求められる。制御装置は、下記(5)式に示したように、現時点よりもNサイクル(即ち、N・720°クランク角)前の時点における筒内吸入空気量Mc(k−N)を、上記フィードバック制御用空燃比abyfscにより除すことにより、現時点よりもNサイクル前の時点において燃焼室25に実際に供給された燃料の量である「筒内供給燃料量Fc(k−N)」を求める。
Fc(k−N)=Mc(k−N)/abyfsc …(5)
このように、現時点からNサイクル前の筒内燃料供給量Fc(k−N)を求めるために、現時点からNストローク前の筒内吸入空気量Mc(k−N)をフィードバック制御用空燃比abyfscで除すのは、燃焼室25内で燃焼された混合気が上流側空燃比センサ66に到達するまでにNストロークに相当する時間を要しているからである。
次に、制御装置は、下記(6)式に示したように、現時点からNストローク前の筒内吸入空気量Mc(k−N)を現時点からNストローク前の上流側目標空燃比abyfr(k−N)で除すことにより現時点からNストローク前の目標筒内燃料供給量Fcr(k−N)を求める。
Fcr(k−N)=Mc(k−N)/abyfr(k−N) …(6)
制御装置は、下記(7)式に示したように、目標筒内燃料供給量Fcr(k−N)から筒内燃料供給量Fc(k−N)を減じた値を筒内燃料供給量偏差DFcとして設定する。この筒内燃料供給量偏差DFcは、Nストローク前の時点で筒内に供給された燃料の過不足分を表す量となる。
DFc=Fcr(k−N)−Fc(k−N) …(7)
その後、制御装置は、下記(8)式に基いてメインフィードバック量DFiを求める。この(8)式において、Gpは予め設定された比例ゲイン、Giは予め設定された積分ゲインである。なお、(8)式の係数KFBは機関回転速度NE及び筒内吸入空気量Mc等により可変とすることが好適であるが、ここでは「1」としている。また、(8)式の値SDFcは筒内燃料供給量偏差DFcの積分値である。つまり、制御装置は、フィードバック制御用空燃比abyfscと上流側目標空燃比abyfrとに基づく比例積分制御によりメインフィードバック量DFiを算出する。このメインフィードバック量DFiは上記(4)式に示したように基本燃料噴射量Fbaseに加えられ、それにより、最終的な燃料噴射量Fiが算出される。
DFi=(Gp・DFc+Gi・SDFc)・KFB …(8)
<サブフィードバック制御>
制御装置は上述したサブフィードバック量Vafsfbを次のように算出する。
即ち、制御装置は、下記(9)式に示したように、下流側目標値Voxsrefから現時点の下流側空燃比センサ67の出力値Voxsを減じることにより出力偏差量DVoxsを求める。
DVoxs=Voxsref−Voxs …(9)
(9)式における下流側目標値Voxsrefは、上流側触媒53の浄化効率が良好となるように定められる。下流側目標値Voxsrefは、後述するように、学習制御によるサブフィードバック量Vafsfbの学習が完了してないと判定されている場合(以下、「学習完了判定前」、「学習完了前」又は「学習未完了時」とも表現する。)と、学習制御によるサブフィードバック量Vafsfbの学習が完了したと判定されている場合(以下、「学習完了判定後」又は「学習完了後」とも表現する。)と、において異なる値に設定される。
即ち、下流側目標値Voxsrefは、学習完了判定前、「下流側空燃比センサ67に理論空燃比のガスが定常的に到達している場合」に下流側空燃比センサ67が出力するであろう値(図3に示した理論空燃比相当値Vst)に設定される。これに対し、下流側目標値Voxsrefは、学習完了判定後、下流側空燃比センサ67に「触媒(上流側触媒53及び下流側触媒54)のウインドゥWの範囲内(理論空燃比を含む所定の空燃比幅内)であって理論空燃比よりも僅かにリッチ側の空燃比である目標リッチ空燃比のガス」が定常的に到達している場合に下流側空燃比センサ67が出力するであろう値(図3に示した目標リッチ空燃比相当値Vrich)に設定される。
制御装置は、下記(10)式に基いてサブフィードバック量Vafsfbを求める。(10)式において、Kpは予め設定された比例ゲイン(比例定数)、Kiは予め設定された積分ゲイン(積分定数)である。また、SDVoxsは、出力偏差量DVoxsの積分値である。積分ゲインKiは、後述するように、学習完了判定前において比較的大きい第1積分ゲインKiLargeに設定され、学習完了判定後において第1積分ゲインより小さい第2積分ゲインKiSmallに設定される(図4の(D)を参照。)。
Vafsfb=Kp・DVoxs+Ki・SDVoxs …(10)
このように、制御装置は、下流側空燃比センサ67の出力値Voxsと下流側目標値Voxsrefとに基づく比例積分制御によりサブフィードバック量Vafsfbを算出する。このサブフィードバック量Vafsfbは、上述した(1)式に示したように、フィードバック制御用出力値Vabyfcを算出するために使用される。
<サブフィードバック制御の学習>
制御装置は、学習完了判定前、下記(11)式に基づいてサブフィードバック量Vafsfbの学習値Vafsfbgを更新する。この学習値Vafsfbgの更新は、リッチ反転時及びリーン反転時に実行される。なお、(11)式の左辺Vafsfbgnewは更新後の学習値Vafsbfbgを表す。
(11)式から明らかなように、学習値Vafsfbgはサブフィードバック量Vafsfbの積分項Ki・SDVoxsにノイズ除去のためのフィルタ処理を施した値である。(11)式において、値αは0以上1未満の任意の値である。値αを「0」に設定することにより、積分項Ki・SDVoxsを学習値Vafsfbgとしてそのまま取り込んでも良い。学習値VafsfbgはバックアップRAM74に格納される。
Vafsfbgnew=α・Vafsfbg+(1−α)・Ki・SDVoxs …(11)
リーン反転とは、前述したように、下流側空燃比センサ67の出力値Voxsが下流側目標値Voxsrefよりも大きい値から下流側目標値Voxsrefよりも小さい値に変化することを言う。リッチ反転とは、下流側空燃比センサ67の出力値Voxsが下流側目標値Voxsrefよりも小さい値から下流側目標値Voxsrefよりも大きい値に変化することを言う。
<サブフィードバック制御の学習に伴うサブフィードバック量の補正>
上記(1)式に示したように、制御装置は、サブフィードバック量Vafsfb及び学習値Vafsfbgを上流側空燃比センサ66の出力値Vabyfsに加えることにより、フィードバック制御用出力値Vabyfcを得る。学習値Vafsfbgはサブフィードバック量Vafsfbの積分項Ki・SDVoxs(定常成分)の全部又は一部を取り込んだ値である。従って、学習値Vafsfbgを更新した場合、サブフィードバック量Vafsfbをその更新分に応じて補正しないと、更新後の学習値Vafsfbgとサブフィードバック量Vafsfbとにより二重の補正が行われる。従って、学習値Vafsfbgを更新した場合、サブフィードバック量Vafsfbをその学習値Vafsbfbgの更新分に応じて補正する必要がある。
そこで、制御装置は下記(12)及び下記(13)式に示したように、学習値Vafsfbgを変更量ΔGだけ増加するように更新したとき、サブフィードバック量Vafsfbを変更量ΔGだけ減少させる。(12)式において、Vafsfbg0は更新直前の学習値Vafsfbgである。従って、変更量ΔGは正の値及び負の値の何れともなる。
ΔG=Vafsfbg−Vafsfbg0 …(12)
Vafsfb=Vafsfb−ΔG …(13)
以上、説明したように、制御装置は、サブフィードバック量Vafsfbと学習値Vafsfbgとの和だけ上流側空燃比センサ66の出力値Vabyfsを補正し、その補正によって得られたフィードバック制御用出力値Vabyfcに基づいてフィードバック制御用空燃比abyfscを取得する。そして、制御装置は、取得したフィードバック制御用空燃比abyfscを上流側目標空燃比abyfrに一致させるように燃料噴射量Fiを制御する。その結果、上流側空燃比センサ66の出力値Vabyfsに相当する上流側空燃比abyfsは上流側目標空燃比abyfrに近づき、同時に、下流側空燃比センサ67の出力値Voxsは下流側目標値Voxsrefに近づく。即ち、制御装置は、上流側空燃比センサ66の出力値Vabyfsとサブフィードバック量Vafsfbと学習値Vafsfbgとに基づき機関の混合気の空燃比を上流側目標空燃比abyfrに一致させる空燃比フィードバック制御手段を備えている。
<サブフィードバック制御の学習完了判定>
上述したように、制御装置は、リッチ反転毎及びリーン反転毎に学習値Vafsfbgを更新する。従って、リッチ反転回数及びリーン反転回数の和(単に「反転回数C」とも称呼する。)は、学習値Vafsfbgが適正値にどの程度近づいているかを示す値、即ち、学習値Vafsfbgの収束の程度を表す学習完了指標値である。
そこで、制御装置は、図4のタイムチャートに示したように、学習完了判定前、サブフィードバック制御中の反転回数Cをカウントし、そのカウントされた反転回数Cが閾値回数Cth以上となったか否かを判定する。そして、制御装置は、反転回数Cが閾値回数Cth以上となったと判定したとき、学習が完了した(学習値Vafsfbgが適正値に到達した)と判定する(図4の時刻t1を参照。)。このとき、制御装置は学習完了フラグXGKの値を「0」から「1」へと変更する。即ち、学習完了フラグXGKは、その値が「0」のとき学習が完了したと判定される前であることを示し、その値が「1」であるとき学習が完了したと判定された後であることを示す。なお、バックアップRAM74への電力供給が再開されたとき、即ち、バックアップRAM74に保持されるべき学習値Vafsfbgを含むデータが初期化されたとき、学習完了フラグXGKの値は「0」に設定される。
<サブフィードバック制御の学習完了判定に伴う処理>
<<下流側目標値の変更>>
図4に示したように、学習完了判定前(図4の時刻t1以前)において、制御装置は下流側目標値Voxsrefを理論空燃比に相当する値Vstに設定する。これにより、機関の空燃比の時間的平均値が略理論空燃比となるので、上流側触媒53から流出するガスの空燃比は理論空燃比を中心に振動する。従って、下流側目標値Voxsrefを目標リッチ空燃比に相当する値Vrichに設定した場合よりも「リーン反転及びリッチ反転が発生する頻度」が増大する。即ち、反転回数が早期に増加し、学習値Vafsfbgの更新が速やかに行われる。
ところで、上流側触媒53及び下流側触媒54等の三元触媒の「未燃物の浄化率」は機関の空燃比がウインドゥWより僅かにリッチ側に偏移しても比較的緩やかに低下するのに対し、三元触媒の「窒素酸化物の浄化率」は機関の空燃比がウインドゥWより僅かにリーン側に偏移すると急激に低下する。従って、制御装置は、学習完了判定後(図4の時刻t1以降)において、下流側目標値Voxsrefを理論空燃比よりもリッチな空燃比である「目標リッチ空燃比」に相当する値Vrichに変更する。これにより、機関の空燃比の時間的平均値が理論空燃比よりも僅かにリッチ側の空燃比(目標リッチ空燃比)となる。従って、機関の空燃比がリーン側に変位したとしても三元触媒の窒素酸化物の浄化率が低下し難くなるので、窒素酸化物の排出量が増大することを回避することができる。但し、三元触媒によっては、下流側目標値Voxsrefを理論空燃比よりもリーンな空燃比である「目標リーン空燃比」に相当する値に設定したほうが、排気浄化性能及び/又は排気臭等の観点から有利な場合もある。
<<学習値Vafsfbgの補正>>
更に、制御装置は、学習完了判定時(図4の時刻t1)、下記(14)式に示したように、学習値Vafsfbgを理論空燃比と目標リッチ空燃比(目標非理論空燃比)との差に応じた量βだけ補正(増大)する。
Vafsfb=Vafsfb+β …(14)
これは、学習完了判定前においては下流側目標値Voxsrefが理論空燃比に相当する値Vstに設定された状態にてサブフィードバック制御が実行され、その状態で学習値Vafsfbgが取得され、一方、学習完了判定後においては下流側目標値Voxsrefが目標リッチ空燃比に相当する値Vrichに設定された状態にてサブフィードバック制御が実行されるとともに学習値Vafsfbgが燃料噴射量Fiの決定に使用されるからである。即ち、制御装置は、学習完了判定時、その時点までに得られた学習値Vafsfbgに補正量βを加えることにより、その時点までに得られた学習値Vafsfbgをその時点以降の空燃比制御に適切な学習値へと変換する。
<<積分ゲインの変更>>
加えて、制御装置は、学習完了判定前(図4の時刻t1以前)において、サブフィードバック量Vafsfbの積分項Ki・SDVoxsを求める際の積分ゲインKiを比較的大きい値(第1積分ゲインKiLarge)に設定している。これにより、機関の空燃比が振動し易くなるので、リーン反転及びリッチ反転が発生する頻度が増大する。即ち、反転回数が早期に増加し、学習値Vafsfbgの更新が速やかに行われ、従って、学習の完了時期を早めることができる。
更に、制御装置は、学習完了判定後(図4の時刻t1以降)、積分ゲインKiを第1積分ゲインKiLargeより小さい第2積分ゲインKiSmallに設定する。これにより、学習完了判定後において機関の空燃比の変動が穏やかになるので、更新される学習値Vafsfbgがより安定する。その結果、エミッションをより改善することができる。
(実際の作動)
次に、上記のように構成された空燃比制御装置の実際の作動について説明する。
<燃料噴射量制御>
CPU71は、図5に示した最終燃料噴射量Fiの計算及び燃料噴射の指示を行うルーチンを、所定の気筒のクランク角が吸気上死点前の所定クランク角度(例えば、BTDC90°CA)となる毎に、その気筒(以下、「燃料噴射気筒」とも称呼する。)に対して繰り返し実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ500から処理を開始し、ステップ510に進んでフューエルカット制御条件が成立しているか否かを判定する。フューエルカット制御条件が成立しているとは、以下に述べるフューエルカット開始条件が成立した後にフューエルカット復帰条件が未成立であることを言う。
フューエルカット開始条件は、以下に述べる条件1及び条件2が共に成立したときにのみ成立する。
(条件1)スロットルバルブ開度TAが「0(又は所定開度以下)」である。即ち、スロットルバルブ43が全閉である。なお、CPU71は、スロットルバルブ43の開度を、アクセルペダルの操作量Accpが大きくなるほど大きくなるように制御している。
(条件2)機関回転速度NEがフューエルカット回転速度NEFC以上である。
フューエルカット復帰条件は以下に述べる条件3及び条件4の何れかが成立したときに成立し、条件3及び条件4の双方が不成立のとき不成立となる。
(条件3)スロットルバルブ開度TAが「0(前記所定開度)」より大きい。
(条件4)機関回転速度NEが、フューエルカット回転速度NEFCよりも所定回転数ΔNだけ小さいフューエルカット復帰回転速度NEFK(NEFK=NEFC−ΔN)より小さい。
いま、フューエルカット制御条件が成立していないと仮定する。この場合、CPU71はステップ510にて「No」と判定し、以下に述べるステップ520乃至ステップ550の処理を順に行い、ステップ595に進んで本ルーチンを一旦終了する。
ステップ520:CPU71は、エアフローメータ61により計測された吸入空気量Gaと機関回転速度NEとマップfとに基いて燃料噴射気筒に吸入される空気量である筒内吸入空気量Mc(k)を取得する。
ステップ530:CPU71は、上記(3)式に従って基本燃料噴射量Fbaseを求める。
ステップ540:CPU71は、上記(4)式に従って最終燃料噴射量Fiを求める。
ステップ550:CPU71は、最終燃料噴射量Fiの燃料を燃料噴射気筒に対応して設けられているインジェクタ39から噴射する。
以上により、メインフィードバック量DFiによりフィードバック補正された基本燃料噴射量Fbaseである最終燃料噴射量Fiの燃料が燃料噴射気筒に対して噴射される。
一方、フューエルカット制御条件が成立している場合、CPU71はステップ510にて「Yes」と判定してステップ560に進み、学習完了フラグXGKの値が「1」であるか否かを判定する。
いま、学習完了判定前であって学習完了フラグXGKの値が「0」であるとすると、CPU71はステップ560にて「No」と判定し、上述したステップ520乃至ステップ550の処理を順に行い、ステップ595に進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、ステップ550の処理が実行されるので、フューエルカット制御条件が成立している場合であっても学習完了判定前であれば、フューエルカット(燃料噴射の停止)は実行されない。
これに対し、CPU71がステップ560に進んだとき学習完了判定後であって学習完了フラグXGKの値が「1」であると、CPU71はそのステップ560にて「Yes」と判定し、ステップ595に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。この結果、ステップ550の処理が実行されないので、フューエルカットが実行される。
<メインフィードバック量の算出>
CPU71は図6にフローチャートにより示したメインフィードバック量算出ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ600から処理を開始し、ステップ605に進んでメインフィードバック制御条件(上流側空燃比フィードバック制御条件)が成立しているか否かを判定する。メインフィードバック制御条件は、例えば、フューエルカット中でなく、機関の冷却水温THWが第1所定温度以上であり、機関の一回転当りの吸入空気量(負荷)が所定値以下であり、且つ、上流側空燃比センサ66が活性化しているときに成立する。
いま、メインフィードバック制御条件が成立しているものとして説明を続けると、CPU71はステップ605にて「Yes」と判定して以下に述べるステップ610乃至ステップ640の処理を順に行い、ステップ695に進んで本ルーチンを一旦終了する。
ステップ610:CPU71は、上記(1)式に従ってフィードバック制御用出力値Vabyfcを取得する。
ステップ615:CPU71は、上記(2)式に従ってフィードバック制御用空燃比abyfscを取得する。
ステップ620:CPU71は、上記(5)式に従って筒内燃料供給量Fc(k−N)を取得する。
ステップ625:CPU71は、上記(6)式に従って目標筒内燃料供給量Fcr(k−N)を取得する。
ステップ630:CPU71は、上記(7)式に従って筒内燃料供給量偏差DFcを取得する。
ステップ635:CPU71は、上記(8)式に従ってメインフィードバック量DFiを取得する。なお、本例において、係数KFBは「1」に設定されている。筒内燃料供給量偏差DFcの積分値SDFcは次のステップ640にて求められる。
ステップ640:CPU71は、その時点における筒内燃料供給量偏差DFcの積分値SDFcに上記ステップ630にて求められた筒内燃料供給量偏差DFcを加えることにより、新たな筒内燃料供給量偏差の積分値SDFcを取得する。
以上により、メインフィードバック量DFiが比例積分制御により求められ、このメインフィードバック量DFiが前述した図5のステップ540により最終燃料噴射量Fiに反映される。この結果、現時点からNストローク前の燃料供給量の過不足が補償されるので、機関の空燃比(従って、上流側触媒53に流入するガスの空燃比)の平均値が上流側目標空燃比abyfr(特殊な場合を除き、理論空燃比)と略一致せしめられる。
一方、ステップ605の判定時において、メインフィードバック制御条件が不成立であると、CPU71は同ステップ605にて「No」と判定してステップ645に進み、メインフィードバック量DFiの値を「0」に設定する。次いで、CPU71は、ステップ650にて筒内燃料供給量偏差の積分値SDFcに「0」を格納する。その後、CPU71は、ステップ695に進んで本ルーチンを一旦終了する。このように、メインフィードバック制御条件が不成立であるとき、メインフィードバック量DFiは「0」に設定される。従って、基本燃料噴射量Fbaseのメインフィードバック量DFiによる補正は行わない。
<サブフィードバック量及び学習値の算出>
CPU71は、サブフィードバック量Vafsfb及びサブフィードバック量Vafsfbの学習値Vafsfbgを算出するために、図7に示したルーチンを所定時間の経過毎に実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ700から処理を開始し、ステップ705に進んでサブフィードバック制御条件が成立しているか否かを判定する。サブフィードバック制御条件は、例えば、前述したステップ605でのメインフィードバック制御条件が成立し、上流側目標空燃比abyfrが理論空燃比に設定され、機関の冷却水温THWが前記第1所定温度よりも高い第2所定温度以上であり、且つ、下流側空燃比センサ67が活性化しているときに成立する。従って、フューエルカット中及びフューエルカット復帰増量中において、サブフィードバック制御は成立しない。
いま、サブフィードバック制御条件が成立していると仮定して説明を続ける。更に、機関10が搭載された車両のバッテリが車両から取り外される等の理由により、バッテリからバックアップRAM74への電力供給が一旦遮断され且つその後に電力供給が再開され、それにより、学習値Vafsfbgが初期値に戻された直後であると仮定して説明を続ける。なお、CPU71は、バッテリからバックアップRAM74への電力供給が再開されたとき、学習値Vafsfbg、学習完了フラグXGKの値及び反転回数を示すカウンタ(反転回数カウンタ)Cの値を何れも「0」に設定するようになっている。これらの値は何れもバックアップRAM74内に格納されるようになっている。
この場合、CPU71はステップ705にて「Yes」と判定し、以下に述べるステップ710乃至ステップ720の処理を順に行い、ステップ725に進む。
ステップ710:CPU71は、上記(9)式に従って下流側目標値Voxsrefと下流側空燃比センサ67の出力値Voxsとの差である出力偏差量DVoxsを取得する。なお、この時点における下流側目標値Voxsrefは、後述する図8のステップ810の処理により理論空燃比相当値Vstに設定されている。
ステップ715:CPU71は、上記(10)式に従ってサブフィードバック量Vafsfbを取得する。なお、この時点における積分ゲインKiは、後述する図8のステップ815の処理により第1積分ゲインKiLargeに設定されている。
ステップ720:CPU71は、その時点における出力偏差量の積分値SDVoxsに上記ステップ715にて求めた出力偏差量DVoxsを加えて、新たな出力偏差量の積分値SDVoxsを取得する。
CPU71は、ステップ725において、現時点が前述したリーン反転の直後又は前述したリッチ反転の直後であるか否かを判定する。即ち、CPU71は、現時点が「下流側空燃比センサ67の出力値Voxsが理論空燃比相当値Vstに設定されている下流側目標値Voxsrefを横切った直後の時点」であるか否かを判定する。そして、現時点が前述したリーン反転の直後又は前述したリッチ反転の直後でなければ、CPU71はステップ725にて「No」と判定し、ステップ795に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。
これに対し、現時点が前述したリーン反転の直後又は前述したリッチ反転の直後であると、CPU71はステップ725にて「Yes」と判定して以下に述べるステップ730乃至ステップ745の処理を順に行い、その後、ステップ795に進んで本ルーチンを一旦終了する。
ステップ730:CPU71は、その時点の学習値Vafsfbgを更新前学習値Vafsfbg0として格納する。
ステップ735:CPU71は、上記(11)式に従って学習値Vafsfbgを更新する。
ステップ740:CPU71は、上記(12)式に従って学習値Vafsfbgの変更量(更新量)ΔGを算出する。
ステップ745:CPU71は、上記(13)式に従ってサブフィードバック量Vafsfbを変更量ΔGにより補正する。
以上の処理により、所定時間の経過毎にサブフィードバック量Vafsfbが更新される。更に、リーン反転毎及びリッチ反転毎にサブフィードバック量の学習値Vafsfbgが更新され、サブフィードバック量Vafsfbが補正される。
ところで、CPU71は図8にフローチャートにより示した学習完了判定ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、CPU71はステップ800から処理を開始し、ステップ805に進んで学習完了フラグXGKの値が「0」であるか否かを判定する。即ち、CPU71は学習制御が未完了であるか否か(完了されたと判定されていないか否か)を判定する。
前述の仮定に従うと学習制御は未完了であるから、学習完了フラグXGKの値は「0」である。従って、CPU71はステップ805にて「Yes」と判定し、ステップ810に進んで下流側目標値Voxsrefに理論空燃比相当値Vstを格納・設定する。次に、CPU71はステップ815に進み、積分ゲインKiに第1積分ゲインKiLargeを格納・設定する。
この結果、学習完了判定がなされるまで、下流側目標値Voxsrefが理論空燃比相当値Vstに設定されるとともに積分ゲインKiが第1積分ゲインKiLargeに設定された状態にてサブフィードバック量Vafsfbが算出され且つ学習値Vafsfbgが更新されて行く。
次に、CPU71はステップ820に進み、現時点が前述したリーン反転の直後又は前述したリッチ反転の直後であるか否かを判定する。そして、現時点が前述したリーン反転の直後又は前述したリッチ反転の直後でなければ、CPU71はステップ820にて「No」と判定し、ステップ895に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。
これに対し、現時点が前述したリーン反転の直後又は前述したリッチ反転の直後であると、CPU71はステップ820にて「Yes」と判定してステップ825に進み、反転回数カウンタCを「1」だけ増大する。次に、CPU71はステップ830に進み、反転回数カウンタCの値が閾値回数Cth以上であるか否かを判定する。本例においては、学習値Vafsfbgは反転回数と同じ回数だけ更新される。従って、閾値回数Cthは「反転回数Cが閾値回数Cthに到達すれば学習値Vafsfbgが十分に更新されていて適値に到達している(学習値Vafsfbgが収束している)値」に設定されている。
いま、学習の開始直後であるとすると、反転回数カウンタCの値は閾値回数Cthより小さい。この場合、CPU71は学習は未だ完了していないと判定し、ステップ830からステップ895に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。
所定の時間が経過すると、図7のルーチンのステップ730乃至ステップ745の処理が繰り返し行われるから、学習値Vafsfbgが適値へと近づき、次第に収束する。また、図8のステップ825の処理が繰り返し行われるから、反転回数カウンタCの値は次第に増大して閾値回数Cthに到達する。
このとき、CPU71が図8のステップ830の処理を実行すると、CPU71はそのステップ830にて「Yes」と判定し(即ち、学習が完了したと判定し)、以下に述べるステップ835及びステップ840の処理を順に行った後、ステップ895に進んで本ルーチンを一旦終了する。
ステップ835:CPU71は、学習完了フラグXGKの値を「1」に設定する。
ステップ840:CPU71は、上記(14)式に従ってサブフィードバック量Vafsfbを上述した補正量βだけ補正(増大)する。
以上により、学習完了フラグXGKの値は「1」に設定されるので、CPU71は図8のステップ805にて「No」と判定するようになる。この場合、CPU71は以下に述べるステップ845及びステップ850の処理を順に行い、ステップ895に進んで本ルーチンを一旦終了する。
ステップ845:CPU71は、下流側目標値Voxsrefに目標リッチ空燃比相当値Vrich(目標非理論空燃比に対応する値)を格納・設定する。
ステップ850:CPU71は、積分ゲインKiに第2積分ゲインKiSmallを格納・設定する。
この結果、学習完了判定がなされた時点以降、下流側目標値Voxsrefが目標リッチ空燃比相当値Vrichに設定されるとともに積分ゲインKiが第2積分ゲインKiSmallに設定された状態にてサブフィードバック量Vafsfbが算出されるとともに学習値Vafsfbgが更新されて行く(図7のステップ710乃至ステップ745を参照。)。
なお、サブフィードバック制御条件が成立していない場合、CPU71は図7のステップ705にて「No」と判定し、以下に述べるステップ750及びステップ755の処理を順に行い、ステップ795に進んで本ルーチンを一旦終了する。
ステップ750:CPU71はサブフィードバック量Vafsfbの値を「0」に設定する。
ステップ755:CPU71は出力偏差量の積分値SDVoxsの値を「0」に設定する。
これにより、上記(1)式から明らかなように、フィードバック制御用出力値Vabyfcは、上流側空燃比センサ66の出力値Vabyfs及び学習値Vafsfbgの和となる。即ち、この場合、サブフィードバック量Vafsfbの更新及び最終燃料噴射量Fiへの反映は停止される。但し、少なくとも、サブフィードバック量Vafsfbの積分項に対応する学習値Vafsfbgは最終燃料噴射量Fiに反映される。
以上、説明したように、本発明よる内燃機関の空燃比制御装置の実施形態は、
内燃機関の排気通路に配設された触媒(53)と、
上流側空燃比センサ(66)と、
下流側空燃比センサ(67)と、
前記下流側空燃比センサの出力値を下流側目標値に一致させるためのサブフィードバック量を算出するサブフィードバック量算出手段(図7のステップ710乃至ステップ720)と、
前記下流側空燃比センサの出力値が前記下流側目標値を横切るように変化する毎に前記サブフィードバック量に含まれる定常成分に応じた値に基づいてサブフィードバック量の学習値を更新する学習を行う(図7のステップ725及びステップ735)とともに同サブフィードバック量を同更新した学習値に応じて補正する(図7のステップ730、ステップ740及びステップ745)学習手段と、
前記学習値の収束の程度を表す学習完了指標値を取得するとともに同学習完了指標値に基づいて前記学習が完了したか否かを判定する学習完了判定手段(図8のステップ820乃至ステップ835)と、
前記上流側空燃比センサの出力値Vabyfsと前記補正されたサブフィードバック量Vafsfbと前記更新された学習値Vafsfbgとに基づき前記機関に供給される混合気の空燃比を上流側目標空燃比abyfrに一致させる空燃比フィードバック制御を実行する空燃比制御手段と(図6のステップ610乃至ステップ640、図5のステップ520乃至ステップ550)、
を備えた空燃比制御装置である。
また、前記空燃比制御手段は、
前記上流側空燃比センサの出力値Vabyfsと、前記補正されたサブフィードバック量Vafsfbと、前記更新された学習値Vafsfbgと、に基づいて機関の空燃比を上流側目標空燃比abyfrに一致させるためのメインフィードバック量DFiを算出し、そのメインフィードバック量DFiに基づいて前記機関に供給される混合気の空燃比を制御する手段(図6のステップ610乃至ステップ640、図5のステップ520乃至ステップ550)であると表現することもできる。
更に、上記制御装置は、
前記上流側空燃比センサの出力値Vabyfsに基づいて得られるフィードバック制御用空燃比abyfscを上流側目標空燃比abyfrに一致させるためのメインフィードバック量DFiを算出するメインフィードバック量算出手段(図6のステップ610乃至ステップ640)と、
前記下流側空燃比センサの出力値を下流側目標値に一致させるためのサブフィードバック量を算出するサブフィードバック量算出手段(図7のステップ710乃至ステップ720)と、
上記学習手段(図7のステップ725乃至ステップ735、図7のステップ740及びステップ745)と、
上記学習完了判定手段(図8のステップ820乃至ステップ835)と、
前記算出されたメインフィードバック量と前記補正されたサブフィードバック量と前記更新された学習値とに基づき前記機関に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段(図6のステップ610、図5のステップ520乃至ステップ550)と、
前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定される前の期間において前記下流側目標値を理論空燃比に相当する値Vstに設定するとともに、前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定された後の期間において前記下流側目標値を理論空燃比とは相違する空燃比である目標非理論空燃比(例えば、目標リッチ空燃比Vrich)に相当する値に設定する下流側目標値設定手段(図8のステップ805、ステップ810及びステップ845)と、
を備えた空燃比制御装置であると言うこともできる。
このように構成された制御装置によれば、学習値Vafsfbgの学習が完了したと判定される前の期間、下流側目標値Voxsrefは理論空燃比に相当する値Vstに設定される。従って、機関の空燃比の時間的平均値が略理論空燃比となるので、上流側触媒53から流出するガスの空燃比は理論空燃比を中心に振動する。この結果、下流側目標値を目標リッチ空燃比に相当する値Vrich(目標非理論空燃比に相当する値)に設定した場合よりも「リーン反転及びリッチ反転が発生する頻度」が増大する。即ち、反転回数Cが早期に増加することに伴って学習値の更新機会が増大するから、学習を早期に完了することができる。
また、前記学習完了判定手段は、
前記下流側空燃比センサの出力値が理論空燃比に相当する値を横切るように変化する回数である反転回数Cを前記学習完了指標値として取得するとともに、同取得した反転回数Cが所定の閾値回数Cth以上となったと判定したとき前記学習が完了したと判定するように構成されている(図8のステップ820乃至ステップ835)。
上記反転回数Cは学習値Vafsfbgの更新回数に応じて増大する。従って、上記制御装置によれば、学習値の収束の程度を表す学習完了指標値を精度良く且つ簡単に取得することができる。
更に、前記サブフィードバック量算出手段は、
前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定されたとき前記学習値を理論空燃比と前記目標非理論空燃比(本例において、目標リッチ空燃比)との差に応じた量βだけ補正するように構成されている(図8のステップ830及びステップ840)。
従って、下流側目標値Voxsrefが理論空燃比相当値Vstである学習完了判定前において得られた学習値を、下流側目標値Voxsrefが目標非理論空燃比相当値としての目標リッチ空燃比相当値Vrichである学習完了判定後において適切な値を有する学習値へと変換することができる。
更に、上記制御装置は、前記学習が完了したと判定される前にはサブフィードバック制御条件として第1条件を設定し、前記学習が完了したと判定された後には前記第1条件に更に条件(本例では、フューエルカット制御条件が成立していないという条件)が付加された第2条件を前記サブフィードバック制御条件として設定するサブフィードバック制御条件設定手段を備えている。
即ち、上記制御装置においては、学習完了判定前のフューエルカット制御条件は、事実上、学習完了判定後のフューエルカット制御条件に学習が完了したという条件を付加してなる条件であり(図5のステップ510及びステップ560を参照。)、サブフィードバック制御条件はフューエルカット中でないという条件を含んでいる。従って、学習完了判定後のサブフィードバック制御条件は、学習完了判定前のサブフィードバック制御条件に事実上フューエルカット制御条件が成立していないという条件を付加したものとなっている。
そして、前記サブフィードバック量算出手段は、前記サブフィードバック制御条件が成立しているときにのみサブフィードバック量を算出するように構成され(図7のステップ705を参照。)、
前記学習手段は、前記サブフィードバック制御条件が成立しているときにのみ「前記学習及び前記サブフィードバック量の前記学習値に応じた補正」を行うように構成されている(図7のステップ705を参照。)。
これによれば、学習完了前においては学習完了後のサブフィードバック制御条件(第2条件)よりも緩和されたサブフィードバック制御条件(第1条件)が事実上設定されるから、サブフィードバック制御が実行され易くなる。その結果、学習機会が増大するから、学習完了時期を早期化することができる。
更に、この内燃機関の空燃比制御装置は、
前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定される前の期間においては所定のフューエルカット条件が成立した場合であっても前記機関への燃料の供給を停止するフューエルカット制御を実行せず、前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定された後の期間においては同フューエルカット条件が成立した場合に同フューエルカット制御を実行するフューエルカット制御手段を備える(図5のステップ510及びステップ560を参照。)。
これによれば、学習完了前の期間においてフューエルカット制御が実行されず、更には、フューエルカット復帰後増量制御も実行されない。従って、学習の機会を増大することができる。また、学習完了後においてはフューエルカット制御が実行されるので触媒の保護及びエミッションの改善を図ることができる。
本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記制御装置は、目標筒内燃料供給量Fcr(k−N)から筒内燃料供給量Fc(k−N)を減じた値である筒内燃料供給量偏差DFcに基づいて基本燃料噴射量Fbaseを補正するメインフィードバック量DFiを算出していた。これに対し、フィードバック制御用空燃比abyfscと上流側目標空燃比abyfrとの空燃比差から基本燃料噴射量Fbaseを補正するメインフィードバック量を算出してもよい。
更に、上記制御装置のサブフィードバック制御は、下流側空燃比センサ67の出力値Voxsが下流側目標値Voxsrefに一致するように、上流側空燃比センサ66によって検出される空燃比abyfsを見かけ上補正するような態様であった(上記(1)式を参照。)。これに対し、サブフィードバック制御は、特開平6−010738号公報に開示されているように、上流側空燃比センサ66の出力値に基づいて作成される空燃比補正係数を下流側空燃比センサ67の出力値Voxsを比例積分して求めたサブフィードバック量に基づいて変更する態様であってもよい。
また、本発明による空燃比制御装置は、特開2007−77869号公報、特開2007−146661号公報及び特開2007−162565号公報等に開示されているように、上流側空燃比センサ66の出力値Vabyfsに基づいて得られる上流側空燃比abyfsと上流側目標空燃比abyfrとの差をハイパスフィルタ処理してメインフィードバック量KFmainを算出するとともに、下流側空燃比センサ67の出力値Voxsと下流側目標値Voxsrefとの偏差に対してローパスフィルタ処理を施した値を比例積分処理することによりサブフィードバック量Fisubを求めてもよい。この場合、下記(15)式に示したように、それらのフィードバック量を互いに独立させた形態にて基本燃料噴射量Fbaseの補正に用い、それにより、最終燃料噴射量Fiを求めるように構成されていても良い。
Fi=KFmain・Fbase+Fisub …(15)
更に、図8に示したルーチンは、サブフィードバック制御条件成立中(サブフィードバック量Vafsfbが更新されるサブフィードバック制御中)にのみ実行されるように構成されてもよい。また、図7のルーチンにおいて、ステップ720とステップ725との間に「学習完了フラグXGKの値が「0」であるか否か」を判定するステップを挿入し、学習完了フラグXGKの値が「0」である場合にのみステップ730乃至ステップ745に進んで学習値Vafsfbgの更新を行うように構成することもできる。即ち、学習完了フラグXGKの値が「1」に設定された時点以降、次に学習完了フラグXGKの値が「0」に設定されるまで、学習値Vafsfbgの更新は停止されてもよい。
加えて、上記実施形態に係る制御装置は、学習が完了したと判定された後の期間において下流側目標値Voxsrefを目標リッチ空燃比に相当する値Vrichに設定していた。これに代え、本発明は、触媒の排気浄化特性及び機関から排出されるガスの排気臭等を低減すること等を目的として、学習が完了したと判定された後の期間において、下流側目標値Voxsrefを理論空燃比よりもリーン側の目標リーン空燃比に相当する値に設定する装置にも適用され得る。即ち、本発明は、学習が完了したと判定された後の期間において下流側目標値Voxsrefを理論空燃比以外の空燃比である目標非理論空燃比に対応する値に設定する装置に適用される。
また、本発明による制御装置は、例えば、図7のステップ725乃至ステップ745による学習値Vafsbfbgの変更及びサブフィードバック量Vafsfbの補正(即ち、学習)を、サブフィードバック制御条件が所定遅延時間Ta以上継続して成立している時点以降において行うように構成されることもできる。この場合、学習が完了したと判定される前には、学習が完了したと判定された後よりも、前記所定遅延時間Taを短い時間に設定することにより、学習機会(学習値Vafsbfbgを変更する機会)を増大することが望ましい。
本発明の実施形態に係る空燃比制御装置を適用した内燃機関の概略図である。 空燃比と図1に示した上流側空燃比センサの出力値の関係を示したグラフである。 空燃比と図1に示した下流側空燃比センサの出力値の関係を示したグラフである。 図1に示した制御装置の作動を示すタイムチャートである。 図1に示したCPUが実行する燃料噴射制御ルーチンを示したフローチャートである。 図1に示したCPUがメインフィードバック量を算出するために実行するルーチンを示したフローチャートである。 図1に示したCPUがサブフィードバック量及び学習値を算出するために実行するルーチンを示したフローチャートである。 図1に示したCPUが学習完了判定を行うために実行するルーチンを示したフローチャートである。
符号の説明
10…内燃機関、20…シリンダブロック部、21…シリンダ、22…ピストン、25…燃焼室、30…シリンダヘッド部、31…吸気ポート、32…吸気弁、34…排気ポート、35…排気弁、37…点火プラグ、39…インジェクタ、40…吸気系統、41…吸気管、43…スロットルバルブ、50…排気系統、51…エキゾーストマニホールド、52…エキゾーストパイプ、53…上流側触媒、54…下流側触媒、61…熱線式エアフローメータ、66…上流側空燃比センサ、67…下流側空燃比センサ、70…電気制御装置、71…CPU、74…バックアップRAM。

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に配設された触媒と、
    前記排気通路であって前記触媒よりも上流側の部位に配設されるとともに同配設された部位を流れるガスの空燃比に応じた出力値を出力する上流側空燃比センサと、
    前記排気通路であって前記触媒よりも下流側の部位に配設されるとともに同配設された部位を流れるガスの空燃比に応じた出力値を出力する下流側空燃比センサと、
    前記下流側空燃比センサの出力値を下流側目標値に一致させるためのサブフィードバック量を算出するサブフィードバック量算出手段と、
    前記下流側空燃比センサの出力値が前記下流側目標値を横切るように変化する毎に前記サブフィードバック量に含まれる定常成分に応じた値に基づいてサブフィードバック量の学習値を更新する学習を行うとともに同サブフィードバック量を同更新した学習値に応じて補正する学習手段と、
    前記学習値の収束の程度を表す学習完了指標値を取得するとともに同学習完了指標値に基づいて前記学習が完了したか否かを判定する学習完了判定手段と、
    前記上流側空燃比センサの出力値と前記補正されたサブフィードバック量と前記更新された学習値とに基づき前記機関に供給される混合気の空燃比を上流側目標空燃比に一致させる空燃比フィードバック制御を実行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であって、
    前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定される前の期間において前記下流側目標値を理論空燃比に相当する値に設定するとともに、前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定された後の期間において前記下流側目標値を理論空燃比とは相違する空燃比である目標非理論空燃比に相当する値に設定する下流側目標値設定手段を備えた空燃比制御装置。
  2. 請求項1に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
    前記学習完了判定手段は、
    前記下流側空燃比センサの出力値が理論空燃比に相当する値を横切るように変化する回数である反転回数を前記学習完了指標値として取得するとともに、同取得した反転回数が所定の閾値回数以上となったと判定したとき前記学習が完了したと判定するように構成された空燃比制御装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、
    前記サブフィードバック量算出手段は、
    前記学習完了判定手段によって前記学習が完了したと判定されたとき前記学習値を理論空燃比と前記目標非理論空燃比との差に応じた量だけ補正するように構成された空燃比制御装置。
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