JP2012167637A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関で生成される有害物質の排出量の一層の低減を図る。
【解決手段】排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ５３と、空燃比センサ５３で検出される排出ガスの空燃比の振幅と目標振幅との差、及び空燃比の変動の周期と目標周期との差の双方を減少させるようにフィードバック制御を行う空燃比制御部４とを具備する内燃機関１００の空燃比制御装置を構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒による排出ガス浄化能率を保つ目的で実施される空燃比の制御に関する。

一般に、自動車等の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xを酸化／還元して無害化する触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、排出ガスの空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。そのために、触媒の上流及び下流にそれぞれ空燃比センサを配し、フロント、リア両センサの出力信号を用いる二重のフィードバックループを構築して空燃比をフィードバック制御することが行われている（例えば、下記特許文献を参照）。

しかしながら、非定常運転時にはどうしても、空燃比がウィンドウから外れることが多くなる。具体的には、スロットルがゆっくり開かれる緩加速、逆にスロットルがゆっくり閉じられる緩減速、エアーコンディショナのＯＮ／ＯＦＦといった外乱発生時に、空燃比が目標値（理論空燃比）から大きく乖離してその収束が遅れることがあり、有害物質の排出量の削減に限界があった。

特開２０１０−１３８７９１号公報

本発明は、内燃機関で生成される有害物質の排出量の一層の低減を図ることを所期の目的としている。

本発明では、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサで検出される排出ガスの空燃比の振幅と目標振幅との差、及び、空燃比の変動の周期と目標周期との差のうちの少なくとも一方を減少させるようにフィードバック制御を行う空燃比制御部とを具備する空燃比制御装置を構成し、触媒が高い浄化能率を発揮できる範囲に空燃比の振幅及び変動周期を収束せしめることとした。

本発明によれば、内燃機関で生成される有害物質の排出量の一層の低減を図り得る。

本発明の一実施形態の空燃比制御装置のハードウェア資源構成を示す図。 同実施形態の空燃比制御装置のブロック線図。 フロントＯ₂センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。 制御中心補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示するグラフ。 空燃比の振幅及び変動周期を示すタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に１気筒の構成を概略的に示した内燃機関１００は、例えば自動車に搭載されるものである。内燃機関１００の吸気系１には、アクセルペダルの踏込量に応じて開閉するスロットルバルブ１１を設けており、スロットルバルブ１１の下流にはサージタンク１３を一体に有する吸気マニホルド１２を取り付けている。シリンダ２上部に形成される燃焼室２１の天井部には点火プラグ８を、吸気マニホルド１２の吸気ポート側端部には燃料噴射弁３を、それぞれ設けている。

内燃機関１００の排気系５には、排気マニホルド５１を取り付け、かつ排気ガス浄化用の三元触媒５２を装着している。そして、触媒５２の上流及び下流に、排出ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ５３、５４を設けている。空燃比センサ５３、５４は、排出ガスに接触して反応することにより、当該ガスの空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力するものである。フロントセンサ５３、リアセンサ５４はそれぞれ、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよく、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。

本実施形態では、フロントセンサ５３、リアセンサ５４ともにＯ₂センサを想定している。周知の通り、Ｏ₂センサの出力特性は、ウィンドウの範囲では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。

吸気系１と排気系５との間は、ＥＧＲ（排気ガス再循環）装置６を介して接続する。ＥＧＲ装置６は、始端が排気マニホルド５１に連通し終端がサージタンク１３に連通するＥＧＲ通路６１と、ＥＧＲ通路６１上に設けた外部ＥＧＲバルブ６２とを要素とする。

内燃機関１００の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）４は、中央演算装置４１、記憶装置４２、入力インタフェース４３、出力インタフェース４４等を有するマイクロコンピュータシステムである。入力インタフェース４３には、吸気管内圧力を検出する吸気圧センサ７１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出する車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、アイドルスイッチ７４から出力されるＩＤＬ信号ｄ、冷却水温を検出する水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、燃焼圧の変化によりノッキングの状態を検出するノッキングセンサ７５から出力されるノッキング信号ｅ、吸気カムシャフト９１の端部にあるタイミングセンサ９３から出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｇ、排気カムシャフト９２の端部にあるタイミングセンサ９４から２４０°ＣＡ（クランク角度）回転毎に出力される排気カム信号ｈ、フロントＯ₂センサ５３から出力される上流側空燃比信号ｉ、リアＯ₂センサ５４から出力される下流側空燃比信号ｊ等が入力される。

出力インタフェース４４からは、燃料噴射弁３に対して燃料噴射信号ｎ、点火プラグ８に対して点火信号ｍ、ＥＧＲバルブ６２に対してバルブ開度信号ｏ等を出力する。

中央演算装置４１は、予め記憶装置４２に格納されているプログラムを解釈、実行し、以て内燃機関１００の燃焼噴射制御、ＥＧＲ制御等を実行する。即ち、内燃機関１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊを入力インタフェース４３を介して取得し、それらに基づいて制御入力である燃料噴射量、点火時期、ＥＧＲバルブ６２の開度等を算出して、制御入力に対応した制御信号ｍ、ｎ、ｏを出力インタフェース４４を介して印加する。

空燃比制御に関して詳記する。本実施形態において、空燃比制御部たるＥＣＵ４は、プログラムに従い上記ハードウェア資源を作動し、図２に示す噴射量補正部４０１、制御中心設定部４０２及び補正定数設定部４０３としての機能を発揮する。

噴射量補正部４０１は、混合気の空燃比を制御する。具体的には、まず、吸気圧信号ａ、回転数信号ｂ等から吸入空気量を算出して基本噴射量ＴＰを決定する。次いで、この基本噴射量ＴＰを、上流側空燃比信号ｉに応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正し、さらには内燃機関１００の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋや燃料噴射弁３の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（燃料噴射弁３に対する通電時間）Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶとなる。しかして、燃料噴射時間Ｔだけ燃料噴射弁３に信号ｎを入力、燃料噴射弁３を開弁して吸気系１に燃料を噴射させる。

噴射量補正部４０１による、上流側空燃比信号ｉを参照したフィードバック制御は、例えば冷却水温が所定温度以上で、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、内燃機関１００の始動から所定時間が経過し、フロントＯ₂センサ５３が活性中、圧力センサ７１が正常である、等の諸条件が全て成立している場合に行う。

図３に示すように、噴射量補正部４０１は、触媒５２を流れるガスの空燃比を検出するセンサであるフロントＯ₂センサ５３の出力電圧ｉを、所定の判定値と比較して、判定値よりも高ければリッチ、判定値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｉがリーンからリッチに切り替わったときには、リッチ判定遅延時間ＴＤＲの経過を待って、フィードバック補正係数ＦＡＦをスキップ値ＲＳＭだけ減少させる。その後、補正係数ＦＡＦを所定時間当たりリーン積分値ＫＩＭだけ逓減させる。補正係数ＦＡＦの減少に伴い、燃料噴射量が絞られて、混合気の空燃比がリーンへと向かう。

あるいは、センサ出力ｉがリッチからリーンに切り替わったときには、リーン判定遅延時間ＴＤＬの経過を待って、フィードバック補正係数ＦＡＦをスキップ値ＲＳＰだけ増加させる。その後、補正係数ＦＡＦを所定時間当たりリッチ積分値ＫＩＰだけ逓増させる。補正係数ＦＡＦの増加に伴い、燃料噴射量が上積みされて、混合気の空燃比がリッチへと向かう。

遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬは、制御中心補正量ＦＡＣＦに応じて増減する。図４に、補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示する。補正量ＦＡＣＦが大きくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは延長され、リーン判定遅延時間ＴＤＬは短縮される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が遅れ、減少から増加に転じる時期が早まる。結果として、燃料噴射量が平均的に増すこととなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリッチ側に変位する。

他方、補正量ＦＡＣＦが小さくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは短縮され、リーン判定遅延時間ＴＤＬは延長される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が早まり、減少から増加に転じる時期が遅れる。結果として、燃料噴射量が平均的に減ることとなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリーン側に変位する。

制御中心設定部４０２は、上記の制御中心補正量ＦＡＣＦを算出する。制御中心設定部４０２による、下流側空燃比信号ｊを参照したフィードバック制御は、例えば冷却水温が所定温度以上で、噴射量補正部４０１による空燃比フィードバック制御の開始から所定時間が経過し、フロントＯ₂センサ５３が活性してから所定時間が経過し、過渡期の燃料補正量が所定値を下回り、アイドリング状態で車速が０または非アイドリング状態で所定の運転領域にある、等の諸条件が全て成立している場合に行う。

図５に示すように、制御中心設定部４０２は、リアＯ₂センサ５４の出力電圧ｊを所定の判定値と比較して、判定値よりも高ければリッチ、判定値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｊがリッチである間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを所定時間当たりリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ逓減させる。既に述べたように、補正量ＦＡＣＦの減少に伴い、空燃比フィードバック制御の制御中心はリーンへと向かう。

逆に、センサ出力ｊがリーンである間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを所定時間当たりリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ逓増させる。補正量ＦＡＣＦの増加に伴い、空燃比フィードバック制御の制御中心はリッチへと向かう。

その上で、補正定数設定部４０３は、噴射量補正部４０１にてフィードバック補正係数ＦＡＦを算出する際に用いられるリーンスキップ値ＲＳＭ、リーン積分値ＫＩＭ、リッチスキップ値ＲＳＰ、リッチ積分値ＫＩＰを設定する。

噴射量補正部４０１による燃料噴射量の補正を伴う空燃比制御の結果、触媒５２を流れるガスの空燃比は、目標空燃比たる理論空燃比（例えば、１４．７）の周囲で上下に振動する。補正定数設定部４０３は、この空燃比の振動の振幅及び周期を、触媒５２が高い浄化能率を発揮し得る範囲に収束せしめるために働くものである。空燃比の振幅を所要範囲内に抑制することが望ましいのは勿論だが、空燃比の変動の周期を最適化することもまた排出ガスの浄化に有意義である。空燃比の変動の周期が短すぎる（早すぎる）と、却って有害物質の酸化還元反応がうまく進まないからである。

図５に示すように、本実施形態では、空燃比の出力信号ｉの極大値と極小値との差分、またはその差分の半分を、空燃比の振幅として計測する。並びに、空燃比の出力信号ｉのｐｅｅｋ−ｔｏ−ｐｅｅｋ即ち前回の極大値から今回の極大値までの経過時間、及び／または、前回の極小値から今回の極小値までの経過時間を、空燃比の変動の周期として計測する。尤も、空燃比センサ５３たるＯ₂センサの非線形な出力特性により、実際にセンシングする出力信号ｉは図５に示しているような波形にはならず、より矩形波に近くなる。

そして、計測した振幅と目標振幅との差に基づき、スキップ値ＲＳＭ、ＲＳＰを算定する。具体的には、
スキップ値＝基本値×（目標振幅／実測振幅）
とし、計測した空燃比信号ｉの振幅が目標を上回っているときはスキップ値ＲＳＭ、ＲＳＰをより小さくし、下回っているときはスキップ値ＲＳＭ、ＲＳＰをより大きくする。スキップ値ＲＳＭ、ＲＳＰの基本値は、例えば、目標振幅に係数（１でもよい）を乗ずることにより定める。

加えて、計測した周期と目標周期との差に基づき、積分値ＫＩＭ、ＫＩＰを算定する。具体的には、
積分値＝基本値×（目標周期／実測周期）
とし、計測した空燃比信号ｉの変動の周期が目標を上回っているときは積分値ＫＩＭ、ＫＩＰをより小さくし、下回っているときは積分値ＫＩＭ、ＫＩＰをより大きくする。積分値ＫＩＭ、ＫＩＰの基本値は、例えば、目標周期に係数を乗ずることにより定める。

補正定数設定部４０３は、空燃比の振幅及び変動周期を恒常的にフィードバックし、スキップ値ＲＳＭ、ＲＳＰ及び積分値ＲＳＭ、ＲＳＰを反復演算する。但し、目標振幅及び目標周期は常に一定とせず、内燃機関１００の運転領域に応じて変えることが望ましい。即ち、エンジン回転数及び吸気圧（または、要求負荷）毎に予め定められた目標振幅及び目標周期を記憶装置４２に記憶しておき、現在の回転数信号ａ及び吸気圧信号ｂに対応した目標振幅及び目標周期を検索して読み出し、それら目標と空燃比信号ｉの振幅及び周期とからスキップ値ＲＳＭ、ＲＳＰ及び積分値ＲＳＭ、ＲＳＰを算出する。噴射量補正部４０１は、このスキップ値ＲＳＭ、ＲＳＰ及び積分値ＲＳＭ、ＲＳＰを用いて、燃料噴射量補正係数ＦＡＦを演算する。

本実施形態によれば、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ５３と、前記空燃比センサ５３で検出される排出ガスの空燃比の振幅と目標振幅との差、及び空燃比の変動の周期と目標周期との差の双方を減少させるようにフィードバック制御を行う空燃比制御部４とを具備する空燃比制御装置を構成したため、触媒５２が高い浄化能率を発揮できる範囲に空燃比の振幅及び変動周期を収束せしめることができる。スロットルがゆっくり開かれる緩加速、逆にスロットルがゆっくり閉じられる緩減速、エアーコンディショナのＯＮ／ＯＦＦといった外乱発生時にも、排出ガスの空燃比が理論空燃比から大きく乖離することが少なくなる。ひいては、内燃機関１００で生成される有害物質の排出量の一層の低減を図り得る。

触媒５３の性能を最大限に発揮できることから、触媒５３の寸法の小形化、貴金属使用量の削減によるコスト減にも寄与する。排出ガスの空燃比が過リッチ化しないことは、余分な燃料噴射の削減、燃費の向上に資することにもなる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、空燃比センサ５３、５４としてＯ₂センサを採用していたが、これをリニアＡ／Ｆセンサに置き換えることは当然に可能である。リニアＡ／Ｆセンサを採用し、当該センサが出力する空燃比信号を参照して、空燃比の振幅及び変動周期を各目標に収束させる制御を行う場合には、上記実施形態の如くスキップ値ＲＳＭ、ＲＳＰや積分値ＲＳＭ、ＲＳＰを操作する態様をとるとは限られない。実測振幅と目標振幅との偏差、実測周期と目標周期との偏差の多寡に応じて燃料噴射量の補正量を演算するようなコントローラ（特に、現代制御理論を利用したコントローラ）を設計し、これを主体とした空燃比制御装置を構成することも考えられる。

上記実施形態では、排出ガスの空燃比の振幅と目標振幅との差、及び変動の周期と目標周期との差の双方を減少させるよう制御を行うこととしていたが、空燃比の振幅と目標振幅との差のみを減少させるように制御を行ってもよく（変動周期を考慮に入れない）、あるいは、空燃比の変動周期と目標周期との差のみを減少させるように制御を行ってもよい（振幅を考慮に入れない）。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

１００…内燃機関
４…空燃比制御部
４０１…噴射量補正部
４０３…補正定数設定部
５３…空燃比センサ

Claims (1)

1. 排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記空燃比センサで検出される排出ガスの空燃比の振幅と目標振幅との差、及び、空燃比の変動の周期と目標周期との差のうちの少なくとも一方を減少させるようにフィードバック制御を行う空燃比制御部と
   を具備する内燃機関の空燃比制御装置。

Images