JP2014181599A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒による有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの浄化能率を高く保ち、これら有害物質の排出量の一層の削減を図る。
【解決手段】触媒の上流の空燃比センサの出力と比較するべき目標値を、触媒の下流の空燃比センサの出力に基づく空燃比の度合いを表す指標値ＦＡＣＦに応じて上下させる。その上で、前記指標値ＦＡＣＦの変化量に対する前記目標値の変化量の比を、前記指標値ＦＡＣＦが理論空燃比周辺の範囲内にあるときにはより小さく、前記指標値ＦＡＣＦが当該理論空燃比周辺の範囲からリーン側またはリッチ側に偏倚しているときにはより大きく設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関における燃料噴射量を制御する空燃比制御装置に関する。

一般に、内燃機関の排気通路には、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三元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、排気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フロントＯ₂センサ、リアＯ₂センサを配し、それらＯ₂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。

下記特許文献に記載の空燃比制御装置は、図５に示すように、触媒の上流側のガスの空燃比を検出するフロントＯ₂センサの出力電圧を目標となる電圧値（鎖線で表す）と比較して、その目標値よりも高ければリッチ、その目標値よりも低ければリーンと判定する。そして、フロントＯ₂センサの出力がリーンからリッチに切り替わったときに、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を所定時間あたりリーン積分値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。

フロントＯ₂センサの出力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を所定時間あたりリッチ積分値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、触媒の下流におけるガスの空燃比の度合いを表す指標値ＦＡＣＦに応じて増減する。下記特許文献に記載の空燃比制御装置は、図３に示すように、触媒の下流側のガスの空燃比を検出するリアＯ₂センサの出力電圧を目標となる電圧値（鎖線で表す）と比較して、その目標値よりも高ければリッチ、その目標値よりも低ければリーンと判定する。リアＯ₂センサの出力がリッチである間は、指標値ＦＡＣＦを所定時間あたりリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ逓減させる。図６に示すように、指標値ＦＡＣＦが大きくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲ（実線で表す）は延長し、リーン判定遅延時間ＴＤＬ（破線で表す）は短縮する。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、燃料噴射量が平均的に増すこととなり、空燃比の制御中心がリッチ側に変位する。

逆に、リアＯ₂センサの出力がリーンである間は、指標値ＦＡＣＦを所定時間あたりリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ逓増させる。指標値ＦＡＣＦが小さくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは短縮し、リーン判定遅延時間ＴＤＬは延長する。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、燃料噴射量が平均的に減ることとなり、空燃比の制御中心がリーン側に変位する。

下記特許文献に開示された制御手法では、リッチ判定遅延時間ＴＤＲ、またはリーン判定遅延時間ＴＤＬが長くなったときに、フィードバック補正係数ＦＡＦの振動の周期が延びることとなる。補正係数ＦＡＦの振動周期が延びることは、触媒の上流におけるガスの空燃比がウィンドウから外れている期間が長くなることを意味し、有害物質ＨＣ及びＣＯまたはＮＯ_xの一時的な排出増を招く懸念が残る。

加えて、遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬの増減調整による空燃比制御中心の変化のダイナミックレンジが小さい（空燃比制御中心の上下動が、理論空燃比に極近い狭小な範囲内に留まる）。それ故、リアＯ₂センサの出力が明らかなリッチまたはリーンを示した、即ち触媒に吸蔵していた酸素が枯渇したか触媒の最大酸素吸蔵能力まで酸素が充満したときに、ガスの空燃比をリーン化またはリッチ化するための補正制御の応答性が遅いと言える。これもやはり、ＨＣ及びＣＯまたはＮＯ_xの排出増につながる。

特開２０１３−００２４３０号公報

本発明は、触媒による有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの浄化能率を高く保ち、これら有害物質の排出量の一層の削減を図ることを所期の目的とする。

本発明では、内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の上流及び下流に設けられた空燃比センサの出力を参照して空燃比をフィードバック制御するものであって、触媒の上流の空燃比センサの出力と比較するべき目標値を、触媒の下流の空燃比センサの出力に基づく空燃比の度合いを表す指標値に応じて上下させることとし、前記指標値の変化量に対する前記目標値の変化量の比を、前記指標値が理論空燃比周辺の範囲内にあるときにはより小さく、前記指標値が当該理論空燃比周辺の範囲からリーン側またはリッチ側に偏倚しているときにはより大きく設定した空燃比制御装置を構成した。

本発明によれば、触媒による有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの浄化能率を高く保ち、これら有害物質の排出量の一層の削減を図り得る。

本発明の一実施形態における内燃機関及び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による、フロントＯ₂センサの出力と補正量ＦＡＦとの相関を示すタイミング図。 同実施形態の空燃比制御装置による、リアＯ₂センサの出力と指標値ＦＡＣＦとの相関を示すタイミング図。 同実施形態の空燃比制御装置による、指標値ＦＡＣＦとフロントＯ₂センサの出力の目標値との関係を示すグラフ。 従来の空燃比フィードバック制御における、フロントＯ₂センサの出力と補正量ＦＡＦとの相関を示すタイミング図。 従来の空燃比フィードバック制御における、指標値ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を示すグラフ。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

さらに、排気通路４における触媒４１の上流及び／または下流に、排気通路を流通する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置してある。空燃比センサ４３、４４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、触媒４１の上流側及び下流側の各空燃比センサ４３、４４について、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力するＯ₂センサを想定している。Ｏ₂センサ４３、４４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。

本実施形態の空燃比制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有した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には、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータ及びユーザの操作に対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

以降、空燃比のフィードバック制御に関して詳記する。本実施形態のＥＣＵ０は、フィードバックコントローラとして機能し、気筒１に充填される混合気の空燃比を制御する。具体的には、まず、吸気圧及び吸気温、エンジン回転数等から吸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、触媒４１の上流側の空燃比に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正し、さらには内燃機関の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋやインジェクタ３６の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（インジェクタ１１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。そして、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｊを入力、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

触媒４１の上流側の空燃比信号ｆを参照したフィードバック制御は、例えば、内燃機関の冷却水温が所定温度以上であり、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、内燃機関の始動から所定時間が経過し、触媒４１の上流側の空燃比センサ４３が活性中、吸気圧が正常である、等の諸条件が全て成立している場合に行う。このことは、アイドル運転中においても同様である。

図２に示すように、ＥＣＵ０は、触媒４１の上流側の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４３の出力電圧ｆを、目標となる電圧値（鎖線で表す）と比較して、その目標値よりも高ければリッチ、その目標値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｆがリーンからリッチに切り替わったときには、遅延時間の経過を待つことなく、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を所定時間あたりリーン積分値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ｆがリッチからリーンに切り替わったときには、遅延時間の経過を待つことなく、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を所定時間あたりリッチ積分値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。

本実施形態において、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆと比較するべき目標値は常時一定ではなく、触媒４１の下流側のガスの空燃比に応じて上下する。本実施形態のＥＣＵ０は、空燃比のフィードバック制御中、触媒４１の下流側のガスの空燃比を検出するセンサであるリアＯ₂センサ４４の出力ｇを参照して、触媒４１の下流側のガスの空燃比の度合いを表す指標値ＦＡＣＦを算出し、当該指標値ＦＡＣＦを基にフロントＯ₂センサ４３の出力ｆの目標値を設定する。

触媒４１の下流側の空燃比信号ｇ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あり、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、リアＯ₂センサ４４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、アイドル状態で車速が０若しくは０に近い所定値以下であるかまたは非アイドル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３に示すように、ＥＣＵ０は、触媒４１の下流側のガスの空燃比を検出するセンサであるリアＯ₂センサ４４の出力電圧ｇを、目標となる電圧値（鎖線で表す）と比較して、その目標値よりも高ければリッチ、その目標値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｇがリッチである間は、指標値ＦＡＣＦを所定時間あたりリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ逓減させる。

センサ出力ｇがリーンである間は、指標値ＦＡＣＦを所定時間あたりリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ逓増させる。

図４に、触媒４１の下流におけるガスの空燃比の指標値ＦＡＣＦと、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆと比較するべき目標値との関係を示している。基本的に、指標値ＦＡＣＦが大きいほど、即ち触媒４１の下流側のガスの空燃比がリーンの傾向にあるほど、上記の目標値を引き上げて燃料噴射量を増加させ、触媒４１に流入するガスの空燃比をリッチ化する。逆に、指標値ＦＡＣＦが小さいほど、即ち触媒４１の下流側のガスの空燃比がリッチの傾向にあるほど、上記の目標値を引き下げて燃料噴射量を減少させ、触媒４１に流入するガスの空燃比をリーン化する。

その上で、図４に示しているように、指標値ＦＡＣＦが理論空燃比周辺、換言すればウィンドウを含む所定範囲（網点で表す）内にあるときには、指標値ＦＡＣＦの変化量に対する上記の目標値の変化量の比（指標値ＦＡＣＦを横軸に、上記の目標値を縦軸にとったときの特性曲線の傾き）を小さくする。これにより、触媒４１の下流側のガスの空燃比が理論空燃比に近い状況における、燃料噴射量の補正量ＦＡＦの変動を抑制し、空燃比を安定化させる。

翻って、指標値ＦＡＣＦが理論空燃比周辺の所定範囲外にあるときには、補正量ＦＡＣＦが当該範囲内にある場合と比較して、指標値ＦＡＣＦの変化量に対する上記の目標値の変化量の比をより大きくする。これにより、触媒４１の下流側のガスの空燃比が理論空燃比から乖離している状況における、燃料噴射量の補正量ＦＡＦの変動を促進し、速やかに空燃比を補正できるようにする。

本実施形態では、内燃機関の排気通路４に装着される排気ガス浄化用の触媒４１の上流及び下流に設けられた空燃比センサ４３、４４の出力を参照して空燃比をフィードバック制御するものであって、触媒４１の上流の空燃比センサ４３の出力ｆと比較するべき目標値を、触媒４１の下流の空燃比センサ４４の出力ｇに基づく空燃比の度合いを表す指標値ＦＡＣＦに応じて上下させることとし、前記指標値ＦＡＣＦの変化量に対する前記目標値の変化量の比を、前記指標値ＦＡＣＦが理論空燃比周辺の範囲内にあるときにはより小さく、前記指標値ＦＡＣＦが当該理論空燃比周辺の範囲からリーン側またはリッチ側に偏倚しているときにはより大きく設定する空燃比制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、触媒４１による有害物質ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xの浄化能率を高く保ち、これら有害物質の排出量の一層の削減を図ることができる。

特に、遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬを調整する従来の制御手法のように、フィードバック補正係数ＦＡＦの振動の周期が徒に延びることはなく、触媒４１の上流におけるガスの空燃比がウィンドウから外れている期間が長くならない。

加えて、触媒４１の上流の空燃比センサ４３の出力ｆの目標値自体を上下させるものとしているので、そのダイナミックレンジを大きくとることができる。従って、触媒４１の下流の空燃比センサ４４の出力ｇが明らかなリッチまたはリーンを示したときに、ガスの空燃比をリーン化またはリッチ化するための補正制御の応答性を速めることが可能である。空燃比の制御中心をややリーンに位置付けることも容易となる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。各部の具体的構成は、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。

０…空燃比制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
４…排気通路
４１…触媒
４３…触媒の上流の空燃比センサ（Ｏ₂センサ）
４４…触媒の下流の空燃比センサ（Ｏ₂センサ）
ｆ…触媒の上流の空燃比センサの出力（電圧）
ｇ…触媒の下流の空燃比センサの出力（電圧）

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に装着される排気ガス浄化用の触媒の上流及び下流に設けられた空燃比センサの出力を参照して空燃比をフィードバック制御するものであって、
   触媒の上流の空燃比センサの出力と比較するべき目標値を、触媒の下流の空燃比センサの出力に基づく空燃比の度合いを表す指標値に応じて上下させることとし、
   前記指標値の変化量に対する前記目標値の変化量の比を、前記指標値が理論空燃比周辺の範囲内にあるときにはより小さく、前記指標値が当該理論空燃比周辺の範囲からリーン側またはリッチ側に偏倚しているときにはより大きく設定した空燃比制御装置。

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