JP2016031039A - 内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内燃機関は、排気浄化触媒20と、排気浄化触媒の下流側に配置された下流側空燃比センサ41と、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御を行う空燃比制御装置とを具備する。空燃比制御装置は、下流側空燃比センサによって検出された空燃比がリッチ判定空燃比以下になった時に目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替え、目標空燃比をリーン設定空燃比に切り替えた後であって排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量以上になる前に目標空燃比を弱リーン設定空燃比に変更し、排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が切替基準吸蔵量以上になった時に目標空燃比をリッチ空燃比に切り替える。
【選択図】図5
Description
図1は、本発明に係る制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図1において、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダブロック2内で往復動するピストン、4はシリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド、5はピストン3とシリンダヘッド4との間に形成された燃焼室、6は吸気弁、7は吸気ポート、8は排気弁、9は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁6は吸気ポート7を開閉し、排気弁8は排気ポート9を開閉する。
上流側排気浄化触媒20及び下流側排気浄化触媒24は、いずれも同様な構成を有する。排気浄化触媒20、24は、酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。具体的には、排気浄化触媒20、24は、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する貴金属(例えば、白金(Pt))及び酸素吸蔵能力を有する物質(例えば、セリア(CeO2))を担持させたものである。排気浄化触媒20、24は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス(HCやCO等)と窒素酸化物(NOx)とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。
次に、図3及び図4を参照して、本実施形態における空燃比センサ40、41の出力特性について説明する。図3は、本実施形態における空燃比センサ40、41の電圧−電流(V−I)特性を示す図であり、図4は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ40、41周りを流通する排気ガスの空燃比(以下、「排気空燃比」という)と出力電流Iとの関係を示す図である。なお、本実施形態では、両空燃比センサ40、41として同一構成の空燃比センサが用いられる。
次に、本実施形態の内燃機関の制御装置における空燃比制御の概要を説明する。本実施形態の空燃比制御では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比に基づいて、上流側空燃比センサ40の出力空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁11からの燃料噴射量を制御するフィードバック制御が行われる。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力値に相当する空燃比を意味する。
OED=0.23・Qi/(AFup−AFR) …(1)
ここで、0.23は空気中の酸素濃度、Qiは燃料噴射量、AFupは上流側空燃比センサ40の出力空燃比、AFRは制御中心となる空燃比(本実施形態では、理論空燃比)をそれぞれ表している。
図5を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図5は、本実施形態の空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量AFC、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFup、上流側排気浄化触媒20の酸素吸蔵量OSA、積算酸素過不足量ΣOED、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwn及び上流側排気浄化触媒20から流出する排気ガス中のNOx濃度のタイムチャートである。
以上の説明から分かるように本実施形態によれば、上流側排気浄化触媒20からのNOx排出量を常に抑制することができる。すなわち、上述した制御を行っている限り、基本的には上流側排気浄化触媒20からのNOx排出量をほぼゼロとすることができる。また、積算酸素過不足量ΣOEDを算出する際の積算期間が短いため、長期間に亘って積算する場合に比べて算出誤差が生じにくい。このため、積算酸素過不足量ΣOEDの算出誤差によりNOxが排出されてしまうことが抑制される。
なお、上記実施形態では、時刻t1〜t2及び時刻t4〜t5において、目標空燃比は予め定められた一定のリーン設定空燃比に設定される。しかしながら、リーン設定空燃比は必ずしも一定の値でなくてもよく、変動してもよい。例えば、リーン設定空燃比は、下流側空燃比センサ41の現在の出力空燃比のリッチ度合いに応じて変化するように設定されてもよい。この場合、具体的には、下流側空燃比センサ41の現在の出力空燃比AFdwnのリッチ度合いが大きくなるほど、リーン設定空燃比のリーン度合いが大きくなるように設定される。この様子を図6に示す。図6に示した例では、時刻t1〜t2において、すなわち目標空燃比がリーン設定空燃比に設定される期間において、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが低くなるほど、空燃比補正量AFCが大きくされる。
<具体的な制御の説明>
次に、図7及び図8を参照して、上記実施形態における制御装置について具体的に説明する。本実施形態における制御装置は、機能ブロック図である図7に示したように、A1〜A9の各機能ブロックを含んで構成されている。以下、図7を参照しながら各機能ブロックについて説明する。これら各機能ブロックA1〜A8における操作は、基本的にECU31において実行される。
まず、燃料噴射量の算出について説明する。燃料噴射量の算出に当たっては、筒内吸入空気量算出手段A1、基本燃料噴射量算出手段A2、及び燃料噴射量算出手段A3が用いられる。
次に、目標空燃比の算出について説明する。目標空燃比の算出に当たっては、酸素過不足量算出手段A4、空燃比補正量算出手段A5、及び目標空燃比設定手段A6が用いられる。
次に、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupに基づいたF/B補正量の算出について説明する。F/B補正量の算出に当たっては、空燃比偏差算出手段A7、F/B補正量算出手段A8が用いられる。
DFi=Kp・DAF+Ki・SDAF+Kd・DDAF …(2)
図8は、空燃比補正量の算出制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
次に、図9及び図10を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態における制御装置の構成及び制御は基本的に上記第一実施形態と同様である。しかしながら、上記実施形態では、目標空燃比をリッチ空燃比に設定するときには、一定のリッチ設定空燃比に維持されているのに対して、本実施形態では、リッチ設定空燃比から弱リッチ設定空燃比に変更せしめられる。
図9を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図9は、本実施形態の空燃比制御を行った場合における、空燃比補正量AFC等の図5と同様なタイムチャートである。
なお、上記第二実施形態では、目標空燃比をリッチ空燃比に設定する際には、常に二段階に設定している(すなわち、リッチ設定空燃比と弱リッチ設定空燃比との二段階)。しかしながら、目標空燃比をリッチ空燃比に設定する際には、必ずしも常に二段階に設定しなくてもよい。この場合、例えば、一定の条件下においてはリッチ空燃比が二段階に設定され、それ以外の場合にはリッチ空燃比は弱リッチ設定空燃比のみに設定される(すなわち、図9の時刻t3〜t5において空燃比補正量AFCが一定の弱リッチ設定補正量AFCsrichに設定される)。
図10は、第二実施形態に係る空燃比補正量の算出制御における制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。なお、図10のステップS31〜S33はそれぞれ図7のステップS11〜S13と同様であり、図10のステップS37〜S44はそれぞれ図7のステップS15〜S22と同様であることから説明を省略する。
次に、図11〜図14を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態における制御装置の構成及び制御は、以下で説明する点を除いて、基本的に上記第一実施形態と同様である。
そこで、本実施形態では、機関運転状態が定常運転状態であって且つ低負荷運転状態にあるときには、機関運転状態が定常運転状態でなく且つ中高負荷運転状態である場合に比べて、目標空燃比をリッチ空燃比としているときのリッチ度合い及び目標空燃比をリーン空燃比としているときのリーン度合いを大きくするようにしている。なお、本明細書における低負荷、中負荷及び高負荷については、全機関負荷を三等分したときに、最も低い負荷領域を低負荷、中程度の負荷領域を中負荷、最も高い負荷領域を高負荷と称している。
なお、上記実施形態では、機関運転状態が定常運転状態であって且つ低負荷運転状態にあるときには、リッチ設定空燃比及び弱リッチ設定空燃比のリッチ度合い並びにリーン設定空燃比のリーン度合いが共に大きくされている。しかしながら、必ずしもリッチ度合い及びリーン度合いの両方を大きくする必要はなく、これらリッチ度合い及びリーン空燃比のリーン度合いのうちのいずれか一方のみを増大してもよい。
次に、図15〜図24を参照して、本発明の第四実施形態について説明する。第四実施形態における制御装置の構成及び制御は、以下で説明する点を除いて、基本的に上記第一実施形態と同様である。
ところで、機関本体1が複数の気筒を有する場合、各気筒から排出される排気ガスの空燃比には気筒間でずれが生じる場合がある。一方、上流側空燃比センサ40は排気マニホルド19の集合部に配置されるが、その配置位置に応じて各気筒から排出された排気ガスが上流側空燃比センサ40に曝される程度が気筒間で異なる。この結果、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は、或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比の影響を強く受けることになる。このため、この或る特定の気筒から排出された排気ガスの空燃比が全気筒から排出される排気ガスの平均空燃比とは異なる空燃比となっている場合、平均空燃比と上流側空燃比センサ40の出力空燃比との間にはずれが生じる。すなわち、上流側空燃比センサ40の出力空燃比は実際の排気ガスの平均空燃比よりもリッチ側又はリーン側にずれることになる。
そこで、本発明の実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれを補償すべく、通常運転中(すなわち、上述したような目標空燃比に基づいてフィードバック制御を行っているとき)に学習制御が行われる。このうち、まず、通常学習制御について説明する。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k1・ΔΣOED …(3)
AFR=AFRbase+sfbg(n) …(4)
なお、上記式(3)において、nは計算回数又は時間を表している。したがって、sfbg(n)は今回の計算又は現在の学習値である。加えて、上記式(3)におけるk1は、過不足量誤差ΔΣOEDを制御中心空燃比AFRに反映させる程度を表すゲインである。ゲインk1の値が大きいほど制御中心空燃比AFRの補正量が大きくなる。さらに、上記式(4)において、基本制御中心空燃比AFRbaseは、基本となる制御中心空燃比であり、本実施形態では理論空燃比である。
ところで、図15に示した例では、上流側排気浄化触媒20の出力空燃比にずれが生じているが、その程度はそれほど大きくない場合を示している。したがって、図15の破線からもわかるように、目標空燃比がリッチ設定空燃比に設定されている場合において、実際の排気ガスの空燃比は、リッチ設定空燃比よりもリーンながらも、リッチ空燃比となっている。
そこで、本実施形態では、上流側空燃比センサ40の出力空燃比におけるずれが大きな場合であってもそのずれを補償すべく、上述した通常学習制御に加えて、理論空燃比張付き学習制御、リーン張付き学習制御及びリッチ張付き学習制御が行われる。
まず、理論空燃比張付き学習制御について説明する。理論空燃比張付き学習制御は、図17に示した例のように、下流側空燃比センサ41によって検出される空燃比が理論空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k2・AFC …(5)
なお、上記式(5)において、k2は、制御中心空燃比AFRを補正する程度を表すゲインである(0<k2≦1)。ゲインk2の値が大きいほど、制御中心空燃比AFRの補正量が大きくなる。また、式(5)におけるAFCには、現在の空燃比補正量AFCが代入され、図19の時刻t3の場合には、リッチ設定補正量AFCrichとされる。
なお、上記実施形態では、理論空燃比維持判定時間Tstoは予め定められた時間とされている。この場合、理論空燃比維持判定時間は、目標空燃比をリッチ空燃比に切り替えてからの積算酸素過不足量ΣOEDの絶対値が新品時の上流側排気浄化触媒20の最大吸蔵可能酸素量に到達するまでに通常かかる時間以上とされる。具体的には、その2倍〜4倍程度の時間とするのが好ましい。
次に、リーン張付き学習制御について説明する。リーン張付き学習制御は、図18に示した例のように、目標空燃比をリッチ空燃比にしているにもかかわらず、下流側空燃比センサ41によって検出される空燃比がリーン空燃比に張り付いてしまっている場合に行われる学習制御である。リーン張付き学習制御では、空燃比補正量AFCをリッチ設定補正量AFCrichに切り替えた後に、すなわち目標空燃比をリッチ空燃比に設定した状態で、下流側空燃比センサ41の出力空燃比AFdwnが予め定められたリーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されているかを判断する。そして、リーン空燃比維持判定時間以上に亘ってリーン空燃比に維持されている場合には、上流側排気浄化触媒20に流入する排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するように学習値sfbgが減少せしめられる。図20にこの様子を示す。
sfbg(n)=sfbg(n−1)+k3・(AFCrich−(AFdwn−14.6)) …(6)
なお、上記式(6)において、k3は、制御中心空燃比AFRを補正する程度を表すゲインである(0<k3≦1)。ゲインk3の値が大きいほど、制御中心空燃比AFRの補正量が大きくなる。
ところで、上流側空燃比センサ40の出力空燃比AFupに大きなずれが生じている場合には、このずれを迅速に解消するために、学習制御による学習値sfbgの更新を促進することが必要になる。
なお、上記実施形態では、第一実施形態の空燃比制御を行うことを前提としている。しかしながら、第二実施形態の空燃比制御を行うことを前提とした場合であっても同様な制御を行うことが可能である。この場合、学習促進制御実行中には、弱リッチ設定補正量AFCsrichの絶対値が増大せしめられる。すなわち、学習促進制御実行中には、弱リッチ設定空燃比のリッチ度合いが増大せしめられる。
図23は、通常学習制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
図24は、学習促進制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図24に示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。図24に示したように、まず、ステップS81において、学習促進フラグFaが1にセットされているか否かが判定される。学習促進フラグFaは、学習促進制御を行う場合に1にセットされ、それ以外の場合に0にセットされるフラグである。ステップS81において、学習促進フラグFaが0にセットされていると判定された場合には、ステップS82へと進む。
5 燃焼室
7 吸気ポート
9 排気ポート
19 排気マニホルド
20 上流側排気浄化触媒
24 下流側排気浄化触媒
31 ECU
40 上流側空燃比センサ
41 下流側空燃比センサ
Claims (12)
- 内燃機関の排気通路に配置されると共に酸素を吸蔵可能な排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の排気流れ方向下流側に配置されると共に該排気浄化触媒から流出する排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃比センサと、前記排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御を行う空燃比制御装置とを具備する内燃機関において、
前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比以下になった時に前記目標空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比に切り替えた後であって前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が最大吸蔵可能酸素量よりも少ない所定の切替基準吸蔵量以上になる前の所定のリーン度合い変更時期に前記目標空燃比を前記リーン設定空燃比よりもリーン度合いが小さいリーン空燃比に変更し、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になった時に前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ空燃比に切り替える、内燃機関。 - 前記リーン度合い変更時期は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比以下から該リッチ判定空燃比よりも大きな空燃比に変化した時以降とされる、請求項1に記載の内燃機関。
- 前記リーン度合い変更時期は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になった時からの経過時間が予め定められた時間以上となった時以降とされる、請求項1又は2に記載の内燃機関。
- 前記リーン度合い変更時期から前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になる時までの前記目標空燃比は一定の値に維持される、請求項1から3のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記リーン設定空燃比は、前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比に応じて変更せしめられる、請求項1から4のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記目標空燃比がリッチ空燃比に切り替えられてから前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になるまで、前記目標空燃比は一定のリッチ設定空燃比に維持される、請求項1から5のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記空燃比制御装置は、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になった時に前記目標空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に切り替え、前記目標空燃比を該リッチ設定空燃比に切り替えた後であって前記下流側空燃比センサによって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比以下になる前の所定のリッチ度合い変更時期に前記目標空燃比を前記リッチ設定空燃比よりも理論空燃比からの差が小さいリッチ空燃比に変更する、請求項1から5のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記空燃比制御装置は、機関運転状態が定常運転状態であって且つ低負荷運転状態である場合には、機関運転状態が定常運転状態でなく且つ中高負荷運転状態である場合に比べて、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間の該目標空燃比の平均リーン度合い及び前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間の該目標空燃比の平均リッチ度合いの少なくとも何れか一方を増大させる、請求項6又は7に記載の内燃機関。
- 前記空燃比制御装置は、機関運転状態が定常運転状態であって且つ低負荷運転状態である場合には、機関運転状態が定常運転状態でなく且つ中高負荷運転状態である場合に比べて、前記リーン設定空燃比のリーン度合い及び前記リッチ設定空燃比のリッチ度合いの少なくとも何れか一方を増大させる、請求項8に記載の内燃機関。
- 前記リーン度合い変更時期後における前記目標空燃比の平均リーン度合いは、機関運転状態が定常運転状態であって且つ低負荷運転状態である場合と機関運転状態が定常運転状態でなく且つ中高負荷運転状態である場合との間で変更されない、請求項1から9のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記空燃比制御装置は、前記下流側空燃比センサの出力空燃比に基づいて前記フィードバック制御に関するパラメータを補正する学習制御を行い、
前記学習制御による前記パラメータの補正を促進する必要があるときに成立する学習促進条件が成立したときには、該学習促進条件が成立していないときに比べて、前記目標空燃比がリーン空燃比に設定されている間の目標空燃比の平均リーン度合い及び前記目標空燃比がリッチ空燃比に設定されている間の目標空燃比の平均リッチ度合いのうち少なくともいずれか一方を増大させる、請求項1から10のいずれか1項に記載の内燃機関。 - 前記学習促進条件が成立したときであっても、前記リーン度合い変更時期から前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量の推定値が前記切替基準吸蔵量以上になるまでの空燃比のリーン度合いは増大せしめられずにそのまま維持される、請求項11に記載の内燃機関。
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