JP2015086745A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの空燃比制御に使用される空燃比センサの出力を適切に較正する。【解決手段】イグニッションスイッチをＯＮにしたときの空燃比センサの出力を予め計測しておき、気筒への燃料供給を一時中断する燃料カット中の空燃比センサの出力から、先に計測したイグニッションスイッチＯＮ時の空燃比センサの出力を減じたものに基づき、空燃比センサの出力の縮小率を求める。そして、気筒に燃料を供給して運転している際の空燃比センサの出力を、当該縮小率を用いて較正する。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関における燃料噴射量を調整して空燃比を制御する制御装置に関する。

一般に、内燃機関の排気通路には、内燃機関の気筒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める必要がある。そのために、従来より、触媒の上流及び下流にそれぞれ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ことが行われている（例えば、下記特許文献を参照）。

Ｏ₂センサの出力電圧は、理論空燃比近傍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。Ｏ₂センサは事実上、空燃比がリッチであるかリーンであるかを示す二値信号を出力するものとなっている。

ガスの空燃比をより精確に目標空燃比に追従させ、かつフィードバック制御の遅延を縮小するためには、非線形な入出力特性を有するＯ₂センサに代えて、リニアＡ／Ｆセンサを用いることが望ましい。リニアＡ／Ｆセンサの出力電圧または出力電流は、空燃比にほぼ比例して大きくなる。従って、リニアＡ／Ｆセンサを用いれば、ガスの実空燃比と目標空燃比との偏差を定量的に把握することが可能となり、フィードバック制御の精度が向上する。

特開２０１０−１３８７９１号公報

リニアＡ／Ｆセンサの出力電圧または出力電流は、当該センサの経年劣化等により徐々に減退してゆく。センサ出力が減退することは、空燃比の実測値に誤差が含まれるようになることを意味する。ガスの空燃比を正しく見積もることができなければ、ガスの空燃比を目標空燃比に制御することも困難となる。

ガスの空燃比が目標空燃比から逸脱すると、触媒による有害物質の浄化能率が低下する。特に、目標空燃比を一時的に理論空燃比よりもリッチ化またはリーン化している時期において、エミッションの顕著な悪化を招くおそれがある。

本発明は、リニアＡ／Ｆセンサに代表される空燃比センサの出力を適切に較正することを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサの出力信号を参照して空燃比を制御するものであって、イグニッションスイッチをＯＮにしたときの空燃比センサの出力を予め計測しておき、気筒への燃料供給を一時中断する燃料カット中の空燃比センサの出力から、先に計測したイグニッションスイッチＯＮ時の空燃比センサの出力を減じたものに基づき、空燃比センサの出力の縮小率を求め、気筒に燃料を供給して運転している際の空燃比センサの出力を前記縮小率を用いて較正する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、空燃比制御に使用される空燃比センサの出力を適切に較正することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 Ｏ₂センサ及びリニアＡ／Ｆセンサのそれぞれの入出力特性を例示する図。 リニアＡ／Ｆセンサの出力の縮小率と（燃料カット中のセンサ出力−イグニッションスイッチＯＮ時のセンサ出力）との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、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、火花点火式の４ストロークエンジンであり、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。

排気通路４における触媒４１の上流及び下流には、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を設置する。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、少なくとも触媒４１の上流側のセンサ４３について、リニアＡ／Ｆセンサを採用することとしている。図２に、Ｏ₂センサ及びリニアＡ／Ｆセンサのそれぞれの入出力特性の一例を示す。図２中、Ｏ₂センサの入出力特性を破線で描画し、リニアＡ／Ｆセンサの入出力特性を実線で描画している。

本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たる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（いわば、要求負荷）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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ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、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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、気筒１に充填される混合気の空燃比、ひいては気筒１から排出され触媒４１へと導かれる排気ガスの空燃比をフィードバック制御する。ＥＣＵ０は、まず、吸気圧及び吸気温、エンジン回転数、要求ＥＧＲ率等から、気筒１に充填される新気の量を算出し、これに見合った基本噴射量ＴＰを決定する。次いで、この基本噴射量ＴＰを、空燃比センサ４３、４４を介して計測されるガスの実空燃比と目標空燃比との偏差に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正する。さらに、内燃機関の状況や環境条件等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。

空燃比フィードバック制御に使用する上流側空燃比センサ４３であるリニアＡ／Ｆセンサは、ガスの空燃比に比例した電圧または電流ｆを出力する。しかしながら、その出力ｆの大きさは、経年劣化等によって徐々に小さく、弱くなってゆく。リニアＡ／Ｆセンサ４３の出力が減退すると、当該センサ４３を介して計測されるガスの空燃比が真の空燃比よりもリッチ寄りとなって、空燃比フィードバック制御の精度を低下させる。空燃比フィードバック制御の精度の低下は、触媒４１における有害物質の酸化／還元能率を低下させ、有害物質の排出量を増加させることにつながる。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、燃料カット中にリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力ｆの縮小率を求め、気筒１に燃料を供給して運転する際のリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力ｆを当該縮小率を用いて較正する処理を行う。

ＥＣＵ０は、内燃機関の運転状況に応じて、インジェクタ１１からの燃料噴射を一時的に停止する燃料カットを実施する。通常、アクセルペダルの踏込量が０または０に近い閾値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あるときに、燃料カットを開始する。その後、アクセルペダルの踏込量が閾値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数まで低下した等の何れかの条件が成立したときに、燃料カットを終了、インジェクタ１１からの燃料噴射を再開する。

燃料カット中には、燃料成分を含まない新気が気筒１を経由して排気通路４に流入する。燃料カット中におけるリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力電圧または出力電流ｆは、燃料成分を含まない新気に接触した結果発生するものである。新気の「空燃比」は、その時々で増減することはないと捉えることができる。仮に、リニアＡ／Ｆセンサ４３が全く経年劣化せず、その出力性能に衰えがないとすれば、燃料カット中のリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力ｆの大きさは恒常的に一定であるはずである。

だが、現実のリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力性能は徐々に衰えてゆき、その出力ｆの大きさもまた時を経るに従って低下してゆく。燃料カット中における現在のリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力ｆを計測し、その出力値ｆを基準となる値、例えば製品出荷時の出力値や新品の規格値（カタログ値）等と比較すれば、リニアＡ／Ｆセンサ４３の出力性能がどの程度衰えたかを把握することが可能である。例えば、製品出荷時のセンサ４３が新気に接触したときに出力する電圧または電流ｆの値を１０とし、現在のセンサ４３が新気に接触したときに出力する電圧または電流ｆの値を９とすれば、現在のセンサ４３の出力性能は製品出荷時の９割に衰えており、センサ出力ｆの縮小率は１０％ということになる。

尤も、燃料カット中に計測されたリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力ｆには、バックグラウンドノイズが含まれる。よって、現在のリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力性能を調査するにあたり、直近のイグニッションスイッチＯＮ時のリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力電圧または出力電流ｆを予め計測してメモリに記憶しておくとともに、燃料カット運転中において計測したリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力電圧または出力電流ｆの値から、このイグニッションスイッチＯＮ時の出力電圧または出力電流ｆの値を減算して、バックグラウンドノイズを除去する。イグニッションスイッチＯＮ時、換言すれば内燃機関の始動直前（イグニッションスイッチＯＮにより、ＥＣＵ０やその他最小限の電装系には通電がされている）のセンサ４３の出力ｆは、燃料カット運転中にも存在するバックグラウンドノイズを主成分とする。

なお、リニアＡ／Ｆセンサ４３が、内燃機関の運転中の排気ガスの空燃比に比例した電流ｆを出力するものである場合、イグニッションスイッチＯＮ時には出力電流ｆが微弱であるために、ＥＣＵ０においてその電流値を直接に取得できないことがあり得る。この場合には、イグニッションＯＮ時におけるセンサ４３の出力ｆの電圧値（端子電圧値）をＥＣＵ０において取得し、当該電圧値を電流値に換算（換算用のマップデータまたは関数式をＥＣＵ０のメモリに格納しておき、電圧値をキーとして当該マップを検索して対応する電流値を知得するか、電圧値を当該関数式に代入して対応する電流値を算出する）した上で、これを燃料カット中に計測されるセンサ４３の出力電流値ｆから減算するようにする。

図３に、リニアＡ／Ｆセンサの出力の縮小率と、燃料カット中のセンサ４３の出力ｆからイグニッションスイッチＯＮ時のセンサ４３の出力ｆを減じたもの、即ちバックグラウンドノイズを除いた出力ｆとの関係を示している。燃料カット中のセンサ出力ｆとイグニッションスイッチＯＮ時のセンサ出力ｆとの差分が小さいほど、当該センサ４３の出力ｆの縮小率が大きいといえる。

しかして、ＥＣＵ０は、燃料カット中に把握したセンサ出力ｆの縮小率を以て、燃料噴射運転中のリニアＡ／Ｆセンサ４３の出力ｆを較正する。即ち、センサ出力ｆの縮小率がｘ％であるならば、燃料噴射運転中にリニアＡ／Ｆセンサ４３から出力された電圧値または電流値ｆを１００／（１００−ｘ）倍したものを、真の空燃比に対応した出力電圧値または電流値であると見なして、ガスの実空燃比を知得する。例えば、縮小率が１０％であるときには、現在のリニアＡ／Ｆセンサの出力ｆの１０／９倍が本来の（経年劣化のない）センサの出力ｆであり、これを根拠としてガスの実空燃比を推定する。

本実施形態では、内燃機関の排気通路４に設けられた空燃比センサ４３の出力信号ｆを参照して空燃比を制御するものであって、イグニッションスイッチをＯＮにしたときの空燃比センサ４３の出力ｆを予め計測しておき、気筒１への燃料供給を一時中断する燃料カット中の空燃比センサ４３の出力ｆから、先に計測したイグニッションスイッチＯＮ時の空燃比センサ４３の出力ｆを減じたものに基づき、空燃比センサ４３の出力ｆの縮小率を求め、気筒１に燃料を供給して運転している際の空燃比センサ４３の出力ｆを前記縮小率を用いて較正する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、空燃比センサ４３の経年劣化如何によらず、排気通路４を流通するガスの空燃比を正しく見積もることができるようになり、空燃比フィードバック制御の精度が向上し、エミッション及び燃費性能の良化に寄与し得る。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。例えば、触媒４１の下流側の空燃比センサ４４がリニアＡ／Ｆセンサである場合に、そのセンサ出力ｇの較正に本発明を適用することが可能であることはいうまでもない。

その他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…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
４…排気通路
４３、４４…空燃比センサ
ｆ、ｇ…空燃比センサの出力信号

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサの出力信号を参照して空燃比を制御するものであって、
   イグニッションスイッチをＯＮにしたときの空燃比センサの出力を予め計測しておき、
   気筒への燃料供給を一時中断する燃料カット中の空燃比センサの出力から、先に計測したイグニッションスイッチＯＮ時の空燃比センサの出力を減じたものに基づき、空燃比センサの出力の縮小率を求め、
   気筒に燃料を供給して運転している際の空燃比センサの出力を前記縮小率を用いて較正する内燃機関の制御装置。

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