JP2012062758A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気エミッションを良好に抑制することができる、内燃機関の空燃比制御装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の空燃比制御装置は、ヒステリシス判定手段と空燃比補正値調整手段とを備えている。前記ヒステリシス判定手段は、前記下流側空燃比センサの出力がヒステリシス領域内であるか否かを判定する。前記空燃比補正値調整手段は、前記下流側空燃比センサの出力が前記ヒステリシス領域内である場合に、機関負荷が所定値を超えるときは前記空燃比補正値を減量する一方、前記機関負荷が前記所定値を超えないときは前記空燃比補正値を増量する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、空燃比制御装置、すなわち、内燃機関の空燃比を制御する装置に関する。

この種の装置として、排気通路に設けら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に基づいて取得された空燃比補正値によって、内燃機関の空燃比を制御するものが、従来広く知られている（例えば、特開平５−１１８２１２号公報等参照。）。

かかる装置における前記下流側空燃比センサとしては、理論空燃比前後でステップ状の応答を示す、いわゆる酸素センサ（Ｏ_２センサ）が広く用いられている。一方、前記上流側空燃比センサとしては、出力が空燃比に対して比例的に変化する、いわゆるＡ／Ｆセンサ（リニアＯ_２センサ）が、広く用いられている（特開平６−３１７２０４号公報、特開２００３−３１４３３４号公報、特開２００４−１８３５８５号公報、特開２００５−２７３５２４号公報、等参照。）。

前記下流側空燃比センサは、理論空燃比前後の所定の領域において、リーン領域からリッチ領域に変化する場合と、その逆の場合とで、空燃比が同一であっても出力が異なるという、いわゆるヒステリシス応答を示すことが知られている（例えば、特開２００３−０４２００２号公報、特開２００９−１３３６７９号公報、等参照。）。

空燃比がこのようなヒステリシス領域内にある場合、前記下流側空燃比センサの出力は、排気の空燃比状態と一対一に対応する関係にはない。よって、このような場合、かえってエミッションを悪化させる方向に空燃比補正を行ってしまう可能性がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、排気エミッションをより良好に抑制することができる、内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。

本発明の空燃比制御装置は、排気通路に設けら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に基づいて取得された空燃比補正値によって、内燃機関の空燃比を制御するように構成されている。ここで、前記上流側空燃比センサは、気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒よりも、排気流動方向における上流側に設けられている。また、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒よりも、前記排気流動方向における下流側に設けられている。

本発明の特徴は、前記空燃比制御装置が、ヒステリシス判定手段と空燃比補正値調整手段とを備えたことにある。ここで、前記ヒステリシス判定手段は、前記下流側空燃比センサの出力がヒステリシス領域内であるか否かを判定するようになっている。また、前記空燃比補正値調整手段は、前記下流側空燃比センサの出力が前記ヒステリシス領域内である場合に、機関負荷が所定値を超えるときは前記空燃比補正値を減量する一方、前記機関負荷が前記所定値を超えないときは前記空燃比補正値を増量するようになっている。

上述のような構成を備えた本発明の空燃比制御装置においては、前記下流側空燃比センサの出力が前記ヒステリシス領域内であることが判定された場合、上述の通り、かかる出力は、排気の空燃比状態と一対一に対応してはいない。

このため、高負荷時（前記機関負荷が前記所定値を超えるとき）は、前記空燃比補正量が大きな値とされると、エミッションの悪化の懸念がある。そこで、高負荷時は、前記空燃比補正値が減量（補正）される。これにより、エミッションの悪化が可及的に抑制される。一方、低負荷時（前記機関負荷が前記所定値を超えないとき）は、前記空燃比補正値が増量（補正）される。これにより、空燃比状態を前記ヒステリシス領域内から可及的すみやかに脱出させることができる。

このように、本発明によれば、空燃比状態が前記ヒステリシス領域内にある場合に、不用意な空燃比補正によるエミッションの悪化を可及的に抑制することができるとともに、空燃比状態を前記ヒステリシス領域内から可及的すみやかに脱出させることができる。したがって、本発明によれば、排気エミッションを良好に抑制することができる、内燃機関の空燃比制御装置を提供することが可能になる。

本発明の適用対象である、ピストン往復動型の火花点火式複数気筒（４気筒）４サイクルエンジンと、本発明の一実施形態である制御装置と、を含むシステム（車両）の概略構成を示す図である。 図１に示されている上流側空燃比センサの出力と空燃比との関係を示したグラフである。 図１に示されている下流側空燃比センサの出力と空燃比との関係を示したグラフである。 図１に示されているＣＰＵによって実行される処理の一具体例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態に関する記載は、法令で要求されている明細書の記載要件（記述要件・実施可能要件）を満たすために、本発明の具体化の単なる一例を、可能な範囲で具体的に記述しているものにすぎない。

よって、後述するように、本発明が、以下に説明する実施形態の具体的構成に何ら限定されるものではないことは、全く当然である。本実施形態に対して施され得る各種の変更（modification）は、当該実施形態の説明中に挿入されると、一貫した実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。

＜システムの構成＞
図１は、本発明の適用対象であるピストン往復動型の火花点火式複数気筒（４気筒）４サイクルエンジン１（以下、単に「エンジン１」と称する。）と、本発明の一実施形態であるエンジン制御装置２と、を含むシステムＳ（車両）の概略構成を示す図である。なお、図１には、エンジン１の特定の気筒における、気筒配列方向と直交する面による断面図が示されている（他の気筒における構成も同様であるものとする。）。

＜＜エンジン＞＞
エンジン１は、シリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、から構成されている。シリンダブロック１１の一端部（図中上端部）には、シリンダヘッド１２が接合されている。シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とは、図示しないボルト等によって互いに固定されている。また、エンジン１には、吸気通路１３及び排気通路１４が接続されている。

シリンダブロック１１には、略円柱形状の貫通孔であるシリンダ１１１が形成されている。上述の通り、シリンダブロック１１には、複数（４つ）のシリンダ１１１が、気筒配列方向に沿って一列に配置されている。各シリンダ１１１の内側には、ピストン１１２が、シリンダ１１１の中心軸（以下、「シリンダ中心軸」と称する。）に沿って往復移動可能に収容されている。

シリンダブロック１１内には、クランクシャフト１１３が、気筒配列方向と平行に配置されつつ、回転可能に支持されている。このクランクシャフト１１３は、ピストン１１２のシリンダ中心軸に沿った往復移動に基づいて回転駆動されるように、コンロッド１１４を介して、ピストン１１２と連結されている。

シリンダヘッド１２における、シリンダブロック１１側の端部（図中下端部）には、複数の凹部が、各シリンダ１１１の一端部（図中上端部）に対応する位置に設けられている。すなわち、シリンダヘッド１２がシリンダブロック１１に接合及び固定された状態における、ピストン１１２の頂面よりもシリンダヘッド１２側（図中上側）のシリンダ１１１の内側の空間と、上述の凹部の内側の空間と、によって、燃焼室ＣＣが形成されている。

シリンダヘッド１２には、吸気ポート１２１及び排気ポート１２２が、燃焼室ＣＣに連通するように形成されている。吸気ポート１２１は、インテークマニホールドやサージタンク等を含む吸気通路１３が接続されている。すなわち、吸気ポート１２１及び吸気通路１３によって、吸気管が構成されている。同様に、排気ポート１２２には、エキゾーストマニホールドを含む排気通路１４が接続されている。

シリンダヘッド１２には、吸気バルブ１２３と、排気バルブ１２４と、吸気バルブ制御装置１２５と、排気カムシャフト１２６と、点火プラグ１２７と、イグナイタ１２８と、インジェクタ１２９と、が装着されている。

吸気バルブ１２３は、吸気ポート１２１を開閉する（吸気ポート１２１と燃焼室ＣＣとの連通状態を制御する）ためのバルブである。排気バルブ１２４は、排気ポート１２２を開閉する（排気ポート１２２と燃焼室ＣＣとの連通状態を制御する）ためのバルブである。

吸気バルブ制御装置１２５は、吸気カム及び吸気カムシャフト（ともに不図示）、並びに両者の相対回転角度（位相角度）を油圧により調整・制御するための機構を備えていて、吸気バルブ１２３の開弁期間（開弁クランク角幅）を一定にしつつ開弁時期（吸気バルブ開弁時期）ＶＴを変更し得るように構成されている。かかる吸気バルブ制御装置１２５の具体的な構成については周知なので、本明細書においてはその説明を省略する。排気カムシャフト１２６は、排気バルブ１２４を駆動するように構成されている。

点火プラグ１２７は、その先端部の火花発生電極が燃焼室ＣＣ内に露出するように設けられている。イグナイタ１２８は、点火プラグ１２７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを備えている。インジェクタ１２９は、燃焼室ＣＣ内に供給するための燃料を、吸気ポート１２１内にて噴射するように、構成及び配置されている。

＜＜吸排気通路＞＞
吸気通路１３における、エアフィルタ１３１と吸気ポート１２１との間の位置には、吸気通路１３の開口断面積を可変とするためのスロットルバルブ１３２が介装されている。このスロットルバルブ１３２は、ＤＣモータからなるスロットルバルブアクチュエータ１３３によって回転駆動されるように構成されている。

排気通路１４には、上流側触媒コンバータ１４１及び下流側触媒コンバータ１４２が介装されている。上流側触媒コンバータ１４１及び下流側触媒コンバータ１４２は、酸素吸蔵機能を有する三元触媒を内部に備えていて、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘを浄化可能に構成されている。

＜＜制御装置＞＞
エンジン制御装置２は、本発明のヒステリシス判定手段及び空燃比補正値調整手段を構成する、電子制御ユニット２００（以下、「ＥＣＵ２００」と称する。）を備えている。

ＥＣＵ２００は、いわゆるマイクロコンピュータであって、ＣＰＵ２０１と、ＲＯＭ２０２と、ＲＡＭ２０３と、バックアップＲＡＭ２０４と、インターフェース２０５と、双方向バス２０６と、を備えている。ＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、バックアップＲＡＭ２０４、及びインターフェース２０５は、双方向バス２０６によって互いに接続されている。

ＲＯＭ２０２には、ＣＰＵ２０１が実行するルーチン（プログラム）、及びこのルーチンの実行時に参照されるテーブル（ルックアップテーブル、マップ）、等が、予め格納されている。ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１がルーチンを実行する際に、必要に応じてデータを一時的に格納し得るように構成されている。

バックアップＲＡＭ２０４は、電源が投入された状態でＣＰＵ２０１がルーチンを実行する際にデータが格納されるとともに、この格納されたデータが電源遮断後も保持され得るように構成されている。具体的には、バックアップＲＡＭ２０４は、取得（検出又は推定）されたエンジン運転パラメータの一部や、上述のテーブルの補正（学習）結果等を格納するようになっている。

インターフェース２０５は、後述する各種センサと電気的に接続されていて、これらのセンサからの信号をＣＰＵ２０１に伝達し得るように構成されている。また、インターフェース２０５は、吸気バルブ制御装置１２５、イグナイタ１２８、インジェクタ１２９、スロットルバルブアクチュエータ１３３、等の動作部と電気的に接続されていて、これらの動作部を動作させるための動作信号をＣＰＵ２０１からこれらの動作部に伝達し得るように構成されている。

すなわち、エンジン制御装置２は、インターフェース２０５を介して後述する各種センサからの信号を受け取るとともに、当該信号に応じたＣＰＵ２０１の演算結果に基づいて、上述の動作信号を各動作部に向けて送出するように構成されている。

＜＜各種センサ＞＞
システムＳには、冷却水温センサ２１１、筒内圧センサ２１２、カムポジションセンサ２１３、クランクポジションセンサ２１４、エアフローメータ２１５、上流側空燃比センサ２１６ａ、下流側空燃比センサ２１６ｂ、スロットルポジションセンサ２１７、及びアクセル開度センサ２１８、等が備えられている。

冷却水温センサ２１１及び筒内圧センサ２１２は、シリンダブロック１１に装着されている。冷却水温センサ２１１は、シリンダブロック１１内の冷却水温Ｔｗに対応する信号を出力するように構成されている。筒内圧センサ２１２は、燃焼室ＣＣ内の圧力（筒内圧Ｐｃ）に対応する信号を出力するように構成されている。

カムポジションセンサ２１３は、シリンダヘッド１２に装着されている。このカムポジションセンサ２１３は、吸気バルブ１２３を往復移動させるための上述の不図示の吸気カムシャフト（吸気バルブ制御装置１２５に含まれている）の回転角度に応じたパルスを有する波形の信号（Ｇ２信号）を出力するように構成されている。

クランクポジションセンサ２１４は、シリンダブロック１１に装着されている。このクランクポジションセンサ２１４は、クランクシャフト１１３の回転角度に応じたパルスを有する波形の信号を出力するように構成されている。

すなわち、クランクポジションセンサ２１４は、エンジン回転数Ｎｅに対応する信号を出力するようになっている。また、カムポジションセンサ２１３及びクランクポジションセンサ２１４は、これらからの信号に基づいて、各気筒の圧縮上死点を基準としたクランク角θがＣＰＵ２０１によって求められるようになっている。

エアフローメータ２１５は、吸気通路１３に装着されている。このエアフローメータ２１５は、吸気通路１３内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量である吸入空気流量Ｇａに対応する信号を出力するように構成されている。

上流側空燃比センサ２１６ａ及び下流側空燃比センサ２１６ｂは、排気通路１４に介装されている。上流側空燃比センサ２１６ａは、上流側触媒コンバータ１４１よりも排気ガスの流動方向における上流側に配置されている。下流側空燃比センサ２１６ｂは、上流側触媒コンバータ１４１と下流側触媒コンバータ１４２との間の位置に配置されている。上流側空燃比センサ２１６ａ及び下流側空燃比センサ２１６ｂは、酸素濃度センサであって、通過する排気ガスの酸素濃度（空燃比）に対応する信号をそれぞれ出力するように構成されている。

具体的には、上流側空燃比センサ２１６ａは、限界電流式の酸素濃度センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）であって、図２Ａに示されているように広範囲にわたる空燃比に対してほぼリニアな出力を生じるようになっている。

一方、下流側空燃比センサ２１６ｂは、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサ（いわゆるＯ₂センサ）であって、図２Ｂに示されているように理論空燃比近傍において急変する出力を生じるようになっている。さらに、この下流側空燃比センサ２１６ｂは、理論空燃比付近において、排気の空燃比がリッチ側からリーン側に向かう場合（図中破線で示されている矢印参照）の方がその逆の場合（図中実線で示されている矢印参照）よりも出力電圧が高くなるような、ヒステリシス応答を生じるようになっている。

スロットルポジションセンサ２１７は、スロットルバルブ１３２に対応する位置に配置されている。このスロットルポジションセンサ２１７は、スロットルバルブ１３２の実際の回転位相（すなわちスロットルバルブ開度ＴＡ）に対応する信号を出力するように構成されている。

アクセル開度センサ２１８は、運転者によるアクセルペダル２２０の操作量（アクセル操作量ＰＡ）に対応する信号を出力するように構成されている。

＜実施形態の構成による動作＞
図３は、図１に示されているＣＰＵ２０１によって実行される処理の一具体例を示すフローチャートである。以下、本実施形態の構成による動作の概要について、その作用・効果とともに、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図３のフローチャートにおいて、「ステップ」は「Ｓ」と略記されている。

図２Ｂに示されているように、下流側空燃比センサ２１６ｂは、ヒステリシス応答を生じる。よって、ＣＰＵ２０１は、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがヒステリシス領域内であるか否かを判定する（ステップ３１０）。

ここで、「ヒステリシス領域」は、排気の空燃比がリッチ側からリーン側に向かう場合とその逆の場合とにおける、同一空燃比間の出力電圧の差が大きい領域である（図２Ｂにおける一点鎖線で示されている領域参照）。かかる「ヒステリシス領域」の範囲を規定する出力電圧値Ｖoxs_h1［Ｖ］及びＶoxs_h2［Ｖ］の具体的な値は、下流側空燃比センサ２１６ｂの出力特性（ヒステリシス曲線の形状）に応じて適宜設定される。

現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがヒステリシス領域内ではない場合（ステップ３１０＝Ｎｏ）、ステップ３２０以降の処理がスキップされる。よって、ここでは、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがヒステリシス領域内である（ステップ３１０＝Ｙｅｓ）ものとして、以下説明する。

現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがヒステリシス領域内である場合（ステップ３１０＝Ｙｅｓ）、かかる出力は、排気の空燃比状態と一対一に対応してはいない。そこで、処理がステップ３２０に進行し、機関負荷ＫＬが所定値ＫＬ０を超えるか否かが判定される。なお、機関負荷ＫＬは、周知の通り、例えば、上述のエンジン回転数Ｎｅと吸入空気流量Ｇａとからマップ等を用いて取得される筒内吸入空気量Ｍｃに基づいて取得され得る。

機関負荷ＫＬが所定値ＫＬ０を超える場合（ステップ３２０＝Ｙｅｓ）、処理がステップ３３０に進行し、係数ξが１より小さな高負荷時の値ξ_Ｈに設定される。一方、機関負荷ＫＬが所定値ＫＬ０を超えない場合（ステップ３２０＝Ｎｏ）、処理がステップ３４０に進行し、係数ξが１より大きな低負荷時の値ξ_Ｌに設定される。

ステップ３３０又は３４０における処理の後、処理がステップ３５０に進行する。ステップ３５０においては、予め（すなわちステップ３１０の実行の前に）取得されていた空燃比フィードバック補正値ΔＦｉが、上述の係数ξによって補正される（なお、空燃比フィードバック補正値ΔＦｉの取得については、周知であって（上述の各公報参照）、本発明の本質的部分ではないため、その詳細な説明は省略する。）。

すなわち、ヒステリシス領域内における高負荷運転時は、予め求められた空燃比フィードバック補正値ΔＦｉが減量される。これにより、不用意な空燃比補正によるエミッションの悪化を可及的に抑制することができる。一方、ヒステリシス領域内における低負荷運転時は、予め求められた空燃比フィードバック補正値ΔＦｉが増量される。これにより、空燃比状態をヒステリシス領域内から可及的すみやかに脱出させることができる。

なお、上述のように、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがヒステリシス領域内ではない場合（ステップ３１０＝Ｎｏ）、ステップ３３０〜３５０における処理はスキップされる。すなわち、この場合、上述の係数ξによる空燃比フィードバック補正値ΔＦｉの調整は行われず、ステップ３１０の実行以前に取得されていた空燃比フィードバック補正値ΔＦｉが、そのまま空燃比フィードバック制御に用いられる。

＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。

以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、複数の変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

本発明（特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの）は、上述の実施形態や、下記変形例の記載に基づいて限定解釈されてはならない。このような限定解釈は、（先願主義の下で出願を急ぐ）出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、許されない。

（Ａ）本発明は、上述の実施形態にて開示された具体的な装置構成に限定されない。例えば、本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、メタノールエンジン、バイオエタノールエンジン、その他任意のタイプの内燃機関に適用可能である。気筒数、気筒配列方式（直列、Ｖ型、水平対向）、燃料供給方式も、特に限定はない。

インジェクタ１２９とともに、あるいはこれに代えて、燃焼室ＣＣ内に燃料を直接噴射するための筒内噴射弁が設けられていてもよい（例えば特開２００７−２７８１３７号公報等参照）。かかる構成に対しても、本発明は好適に適用される。

（Ｂ）本発明は、上記の実施形態にて開示された具体的な処理に限定されない。例えば、係数ξは、機関負荷ＫＬの関数であってもよい（ξ＝ξ（ＫＬ））。また、係数ξは、空燃比フィードバック補正値ΔＦｉに対して乗算されるのではなく、加減算されるものであってもよい。

機関負荷（負荷率）ＫＬの取得も、クランクポジションセンサ２１４及びエアフローメータ２１５の出力（吸入空気流量Ｇａ、エンジン回転数Ｎｅ、筒内吸入空気量Ｍｃ）に基づくものに限定されない。例えば、スロットル弁開度ＴＡや、アクセル開度センサによるアクセル操作量Ａccpに基づいて、機関負荷ＫＬが取得され得る。

上述の動作例において、現在の下流側空燃比センサ２１６ｂの出力Ｖoxsがヒステリシス領域内ではない場合（ステップ３１０＝Ｎｏ）、かかる出力は、排気の空燃比状態と一対一に対応している。すなわち、かかる出力は、排気の空燃比状態を良好に反映しているといえる。そこで、この場合、空燃比フィードバック補正値ΔＦｉを増量する処理が行われてもよい。

（Ｃ）その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の範囲内に含まれることは当然である。

また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。さらに、本明細書にて引用した各公報の内容（明細書及び図面を含む）は、本明細書の一部を構成するものとして援用され得る。

Ｓ …システム ＣＣ …燃焼室
１ …エンジン １１１…シリンダ １２９…インジェクタ
１３ …吸気通路 １４ …排気通路
２ …エンジン制御装置 ２００…電子制御ユニット ２０１…ＣＰＵ
２１６ａ…上流側空燃比センサ ２１６ｂ…下流側空燃比センサ

特開平６−３１７２０４号公報 特開平１１−３１１１４１号公報 特開２００３−３１４３３４号公報 特開２００４−１８３５８５号公報 特開２００５−２７３５２４号公報 特開２００３−０４２００２号公報 特開２００９−１３３６７９号公報

Claims (1)

1. 気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒よりも排気流動方向における上流側の排気通路に設けられた上流側空燃比センサ及び前記排気浄化触媒よりも前記排気流動方向における下流側の前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサの出力に基づいて取得された、空燃比補正値によって、内燃機関の空燃比を制御する、空燃比制御装置であって、
   前記下流側空燃比センサの出力がヒステリシス領域内であるか否かを判定する、ヒステリシス判定手段と、
   前記下流側空燃比センサの出力が前記ヒステリシス領域内である場合に、機関負荷が所定値を超えるときは前記空燃比補正値を減量する一方、前記機関負荷が前記所定値を超えないときは前記空燃比補正値を増量する、空燃比補正値調整手段と、
   を備えたことを特徴とする、空燃比制御装置。

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