JP2015218582A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射量の過補正を防止して空燃比制御の精度をより一層向上させる。
【解決手段】排気浄化用の触媒の上流に設けられた空燃比センサの出力信号を参照した空燃比をフィードバック制御において、空燃比センサの出力信号を目標空燃比に対応した目標値と比較し、その大小関係に応じて現在の空燃比が目標空燃比よりもリーンであるかリッチであるかを判定し、現在の空燃比が目標空燃比よりもリーンであると判定したときには燃料噴射量を増量補正する一方、現在の空燃比が目標空燃比よりもリッチであると判定したときには燃料噴射量を減量補正する。その上で、判定結果がリッチからリーンにまたはリーンからリッチに切り替わった際、その切り替わった時点と直近に判定結果が切り替わった時点との間の経過期間に応じて、増量補正による燃料噴射量の増加量または減量補正による燃料噴射量の減少量を調整することとした。
【選択図】図４

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、触媒の上流及び下流にそれぞれ空燃比センサを配し、それら空燃比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。

図５に、この空燃比フィードバック制御の内容を示している。内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、気筒に充填される吸気（新気）の量に比例する基本噴射量に、触媒に流入するガスの空燃比に応じて変動するフィードバック補正係数ＦＡＦを乗じることで、インジェクタからの燃料噴射量を決定する。

ＥＣＵは、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、目標空燃比に相当する電圧値（鎖線で表す）と比較して、その目標電圧値よりも低ければ空燃比リーン、その目標電圧値よりも高ければ空燃比リッチと判定する。但し、フロントＯ₂センサの出力電圧が目標電圧値を跨ぐように変動したとき、即時に空燃比の判定結果を反転させるのではなく、遅延時間の経過を待ってから判定結果を反転させる。即ち、フロントＯ₂センサの出力電圧がリッチからリーンに切り替わった（目標電圧値を下回った）ときには、リーン判定遅延時間ＴＤＬの経過の後、空燃比がリッチからリーンに反転したと判断する。並びに、フロントＯ₂センサの出力電圧がリーンからリッチに切り替わった（目標電圧値を上回った）ときには、リッチ判定遅延時間ＴＤＲの経過の後、空燃比がリーンからリッチに反転したと判断する。

ＥＣＵは、触媒の上流側のガスの空燃比の判定結果に基づき、フィードバック補正係数ＦＡＦを増減調整する。具体的には、空燃比がリーンであると判定している間、フィードバック補正係数ＦＡＦを単位時間あたりリッチ積分値ＫＩＰだけ逓増させる一方、空燃比がリッチであると判定している間は、フィードバック補正係数ＦＡＦを単位時間あたりリーン積分値ＫＩＭだけ逓減させる。

リーン判定遅延時間ＴＤＬ及びリッチ判定遅延時間ＴＤＲを設けているのは、Ｏ₂センサの出力信号にノイズが混入した場合に、空燃比のリーン／リッチの判定結果が短期間に複数回反転して燃料噴射量が振動するように増減するチャタリングを起こすことを予防する意図である（以上、下記特許文献を参照）。

特開２０１０−１３８７９１号公報

上掲の空燃比フィードバック制御によれば、フロントＯ₂センサの出力電圧がリーンからリッチに切り替わった直後のリッチ判定遅延時間ＴＤＲ中に、フィードバック補正係数ＦＡＦを増加させることになる。実際のガスの空燃比が既に目標空燃比に比してリッチであるにもかかわらず、燃料噴射量を増量補正することから、却って空燃比が目標から逸脱し、燃料の浪費とともに有害物質の排出量の増大を招く懸念がある。

同様に、フロントＯ₂センサの出力電圧がリッチからリーンに切り替わった直後のリーン判定遅延時間ＴＤＬ中には、フィードバック補正係数ＦＡＦを減少させてしまう。実際のガスの空燃比が既に目標空燃比に比してリーンであるにもかかわらず、燃料噴射量を減量補正することから、却って空燃比が目標から逸脱し、有害物質の排出量の増大を招くだけでなく、気筒の燃焼室内で失火が発生してドライバビリティを低下させる懸念がある。

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであり、燃料噴射量の過補正を防止して空燃比制御の精度をより一層向上させ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おける排気浄化用の触媒の上流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フィードバック制御する制御装置であって、前記空燃比センサの出力信号を目標空燃比に対応した目標値と比較し、その大小関係に応じて現在の空燃比が目標空燃比よりもリーンであるかリッチであるかを判定し、現在の空燃比が目標空燃比よりもリーンであると判定したときには燃料噴射量を増量補正する一方、現在の空燃比が目標空燃比よりもリッチであると判定したときには燃料噴射量を減量補正するものであり、判定結果がリッチからリーンに切り替わりまたはリーンからリッチに切り替わった際、その切り替わった時点と直近に判定結果が切り替わった時点との間の経過期間に応じて、前記増量補正による燃料噴射量の増加量または前記減量補正による燃料噴射量の減少量を調整する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、燃料噴射量の過補正を防止して空燃比制御の精度をより一層向上させることができる。

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。 同実施形態の制御装置が実施する空燃比フィードバック制御の例を示すタイミング図。 同実施形態の制御装置が実施する空燃比フィードバック制御の例を示すタイミング図。 同実施形態の制御装置が実施する空燃比フィードバック制御の例を示すタイミング図。 従来の空燃比フィードバック制御の模様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、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、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。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）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。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ０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、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１１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、フロントＯ₂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。

図２ないし図４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、目標空燃比に相当する目標電圧値（鎖線で表す）と比較して、その目標電圧値よりも高ければリッチ、その目標電圧値よりも低ければリーンと判定する。図５に示した従前の空燃比フィードバック制御とは異なり、本実施形態では、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆが目標電圧値を跨ぐように変動したとき、即時に空燃比の判定結果を反転させる。即ち、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆがリッチからリーンに切り替わった（目標電圧値を下回った）場合のリーン判定遅延時間ＴＤＬ、フロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆがリーンからリッチに切り替わった（目標電圧値を上回った）場合のリッチ判定遅延時間ＴＤＲを廃している（判定遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲが０である）。

そして、ＥＣＵ０は、上に述べた触媒４１の上流側のガスの空燃比の判定結果に基づき、フィードバック補正係数ＦＡＦを増減調整する。具体的には、空燃比がリーンであると判定している間、フィードバック補正係数ＦＡＦを単位時間（または、制御サイクル、演算サイクル）あたりリッチ積分値ＫＩＰだけ逓増させる一方、空燃比がリッチであると判定している間は、フィードバック補正係数ＦＡＦを単位時間あたりリーン積分値ＫＩＭだけ逓減させる。

加えて、ＥＣＵ０におけるガスの空燃比の判定結果がリッチからリーンに反転した時点で、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。並びに、ＥＣＵ０におけるガスの空燃比の判定結果がリーンからリッチに反転した時点で、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。

フィードバック補正量ＦＡＦが減少すると、インジェクタ１１による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。逆に、フィードバック補正量ＦＡＦが増加すると、インジェクタ１１による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。

まとめると、スキップ値ＲＳＰ及びリッチ積分値ＫＩＰがそれぞれ、現在の空燃比がリーンであると判定したときの燃料噴射量の増加量に該当し、スキップ値ＲＳＭ及びリーン積分値ＫＩＭがそれぞれ、現在の空燃比がリッチであると判定したときの燃料噴射量の減少量に該当する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、空燃比の判定結果がリッチからリーンに切り替わった際、その切り替わりの時点と、直近に判定結果がリーンからリッチに切り替わった時点との間の経過期間が短いほど、燃料噴射量の増量補正における増加量ＲＳＰ及び／またはＫＩＰを小さくする。

図２ないし図４中、時点ｔ₀、ｔ₂及びｔ₄がそれぞれ、空燃比の判定結果がリッチからリーンに切り替わった時点である。また、時点ｔ₁及びｔ₃がそれぞれ、空燃比の判定結果がリーンからリッチに切り替わった時点である。時点ｔ₂と時点ｔ₄とを比較すると、時点ｔ₄とその直前に判定結果が（リーンからリッチに）切り替わった時点ｔ₃との間の経過期間Ｔ₄よりも、時点ｔ₂とその直前に判定結果が切り替わった時点ｔ₁との間の経過期間Ｔ₂の方が短い。

このため、ＥＣＵ０は、経過期間Ｔ₂が比較的短い時点ｔ₂以後の燃料噴射量の増量補正制御において、燃料噴射量の瞬時的な増加量にかかわるスキップ値ＲＳＰを、経過期間Ｔ₄が比較的長い時点ｔ₄以後の増量補正制御におけるそれと比較して小さくする。及び／または、時点ｔ₂以後の増量補正制御において、燃料噴射量の単位時間（または、制御サイクル、演算サイクル）あたりの増加量にかかわる積分値ＫＩＰを、時点ｔ₄以後の増量補正制御におけるそれと比較して小さくする。図２は、スキップ値ＲＳＰのみを調整する制御例を示しており、図３は、積分値ＫＩＰのみを調整する制御例を示している。そして、図４は、スキップ値ＲＳＰ及び積分値ＫＩＰの双方を調整する制御例を示している。なお、経過期間Ｔ₂が極めて短い場合に、時点ｔ₂以後の増量補正制御におけるスキップ値ＲＳＰ及び／または積分値ＫＩＰを０とすることを妨げない。

並びに、本実施形態のＥＣＵ０は、空燃比の判定結果がリーンからリッチに切り替わった際、その切り替わりの時点と、直近に判定結果がリッチからリーンに切り替わった時点との間の経過期間が短いほど、燃料噴射量の減量補正における減少量ＲＳＭ及び／またはＫＩＭ（の絶対値）を小さくする。

図２ないし図４にあって、時点ｔ₁と時点ｔ₃とを比較すると、時点ｔ₃とその直前に判定結果が（リッチからリーンに）切り替わった時点ｔ₂との間の経過期間Ｔ₃よりも、時点ｔ₁とその直前に判定結果が切り替わった時点ｔ₀との間の経過期間Ｔ₁の方が短い。

このため、ＥＣＵ０は、経過期間Ｔ₁が比較的短い時点ｔ₁以後の燃料噴射量の減量補正制御において、燃料噴射量の瞬時的な減少量にかかわるスキップ値ＲＳＭを、経過期間Ｔ₃が比較的長い時点ｔ₃以後の減量補正制御におけるそれと比較して小さくする。及び／または、時点ｔ₁以後の減量補正制御において、燃料噴射量の単位時間（または、制御サイクル、演算サイクル）あたりの減少量にかかわる積分値ＫＩＭを、時点ｔ₃以後の減量補正制御におけるそれと比較して小さくする。図２は、スキップ値ＲＳＭのみを調整する制御例を示しており、図３は、積分値ＫＩＭのみを調整する制御例を示している。そして、図４は、スキップ値ＲＳＭ及び積分値ＫＩＭの双方を調整する制御例を示している。なお、経過期間Ｔ₁が極めて短い場合に、時点ｔ₁以後の減量補正制御におけるスキップ値ＲＳＭ及び／または積分値ＫＩＭを０とすることを妨げない。

本実施形態では、内燃機関の排気通路４における排気浄化用の触媒４１の上流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フィードバック制御する制御装置０であって、前記空燃比センサ４３の出力信号ｆを目標空燃比に対応した目標値と比較し、その大小関係に応じて現在の空燃比が目標空燃比よりもリーンであるかリッチであるかを判定し、現在の空燃比が目標空燃比よりもリーンであると判定したときには燃料噴射量を増量補正する一方、現在の空燃比が目標空燃比よりもリッチであると判定したときには燃料噴射量を減量補正するものであり、判定結果がリッチからリーンに切り替わりまたはリーンからリッチに切り替わった際、その切り替わった時点と直近に判定結果が切り替わった時点との間の経過期間に応じて、前記増量補正による燃料噴射量の増加量ＲＳＰ、ＫＩＰまたは前記減量補正による燃料噴射量の減少量ＲＳＭ、ＫＩＭを調整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、従前の空燃比フィードバック制御のような判定遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲを設けずとも、空燃比の判定結果が短期間に複数回反転して燃料噴射量が振動するように増減するチャタリングを抑止することができる。従って、判定遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲの存在に起因した空燃比の目標空燃比からの逸脱（いわば、燃料噴射量の過補正）が抑制され、空燃比制御の精度が向上し、有害物質の排出量の削減、燃料噴射量の低減に伴う燃費性能の改善及びドライバビリティの向上が実現される。

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。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。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１１…インジェクタ
４…排気通路
４１…触媒
４３…空燃比センサ（フロントＯ₂センサ）
ｆ…空燃比センサの出力信号

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路における排気浄化用の触媒の上流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フィードバック制御する制御装置であって、
   前記空燃比センサの出力信号を目標空燃比に対応した目標値と比較し、その大小関係に応じて現在の空燃比が目標空燃比よりもリーンであるかリッチであるかを判定し、現在の空燃比が目標空燃比よりもリーンであると判定したときには燃料噴射量を増量補正する一方、現在の空燃比が目標空燃比よりもリッチであると判定したときには燃料噴射量を減量補正するものであり、
   判定結果がリッチからリーンに切り替わりまたはリーンからリッチに切り替わった際、その切り替わった時点と直近に判定結果が切り替わった時点との間の経過期間に応じて、前記増量補正による燃料噴射量の増加量または前記減量補正による燃料噴射量の減少量を調整する内燃機関の制御装置。

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