JP2022133865A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサが正常に機能せず空燃比フィードバック制御を適正に実施できない状況下における有害物質の排出増を抑制する。【解決手段】内燃機関の排気通路を流れるガスの空燃比を空燃比センサを介して検出し、その空燃比を目標空燃比に収束させるフィードバック制御を実施するものであり、前記空燃比センサが正常に機能せず前記空燃比フィードバック制御を適正に実施できない状況下において、気筒に吸入される空気量に応じた燃料噴射量の基本量に、エンジン回転数の上昇中には燃料噴射量を減量する補正を加え、エンジン回転数の下降中には燃料噴射量を増量する補正を加える内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図６

Description

本発明は、動力源として車両等に搭載される内燃機関の運転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、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、混合気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、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設置し、当該空燃比センサの出力信号を参照する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している。内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、気筒に吸入される空気（新気）の量に応じた基本噴射量に、排気通路を流れるガスの空燃比と目標空燃比との偏差を縮小する方向に変動するフィードバック補正係数を乗じて、インジェクタから噴射する燃料の量を決定する（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０２０－０８４９０２号公報

空燃比センサに故障が生じたり、空燃比センサとＥＣＵとの間の接続が断線したりして、空燃比センサが正常に機能しなくなると、空燃比センサの出力信号を参照したフィードバック制御を適正に実施できなくなる。

その場合のフェイルセーフ制御として、従来、吸入空気量に比例する基本噴射量を一律に（例えば、２％）減量し、混合気の空燃比を幾分リーン化して内燃機関の運転を継続するようにしていた。

しかしながら、このようなフェイルセーフ制御を実施すると、触媒内でのリッチ雰囲気による還元反応、及びリーン雰囲気による酸化反応の適度な反復が失われ、有害物質の浄化能率が低下して、特にＣＯの排出量が増加することがあった。

本発明は、以上の点に着目してなされたものであり、空燃比センサが正常に機能せず空燃比フィードバック制御を適正に実施できない状況下における有害物質の排出増を抑制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を流れるガスの空燃比を空燃比センサを介して検出し、その空燃比を目標空燃比に収束させるフィードバック制御を実施するものであり、前記空燃比センサが正常に機能せず前記空燃比フィードバック制御を適正に実施できない状況下において、気筒に吸入される空気量に応じた燃料噴射量の基本量に、エンジン回転数の上昇中には燃料噴射量を減量する補正を加え、エンジン回転数の下降中には燃料噴射量を増量する補正を加える内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、空燃比センサが正常に機能せず空燃比フィードバック制御を適正に実施できない状況下における有害物質の排出増を抑制することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 触媒の上流の空燃比センサの出力信号を参照した空燃比フィードバック制御の内容を示すタイミング図。 補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示する図。 触媒の下流の空燃比センサの出力信号を参照した空燃比フィードバック制御の内容を示すタイミング図。 同実施形態の内燃機関の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 同実施形態の内燃機関の制御装置によるフェイルセーフ制御の内容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、気筒１に対して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。

吸気通路３は、各気筒１の吸気ポートに至り、外部から取り入れた空気を各気筒１に向けて流通させ、気筒１に供給する。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。

排気通路４は、各気筒１の排気ポートを始端とし、各気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生する燃焼ガスを流通させて外部へと導く。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。触媒４１は、有害物質であるＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの酸化／還元反応を惹起してこれらを無害化する。

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４を流通する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の上流及び下流の空燃比センサ４３、４４として、Ｏ₂センサを想定している。Ｏ₂センサ４３、４４の出力電圧ｆ、ｇは、触媒４１から流出するガスの空燃比がリーンであるほど低くなる。特に、理論空燃比近傍の一定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リーンである領域では低位飽和値に漸近し、それよりも空燃比がリッチである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。他方、リニアＡ／Ｆセンサの出力電圧は、触媒４１に流入するガスの空燃比がリーンであるほど高くなる。なお、排気通路４における触媒４１及び空燃比センサ４４の下流に、さらなる排気浄化用の触媒（図示せず）を付設することがある。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４と吸気通路３とを接続する外部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における触媒４１の下流の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の下流の箇所（特に、サージタンク３３若しくは吸気マニホルド３４）に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たる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。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラがＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の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、内燃機関の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クランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、運転者による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、内燃機関に要求されるエンジントルクまたはエンジン負荷率）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におけるスロットルバルブ３２の下流（特に、サージタンク３３若しくは吸気マニホルド３４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、内燃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、排気通路４の触媒４１の上流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、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３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、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に吸入される空気（新気）量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸入空気量等に基づき、要求燃料噴射量、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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、点火タイミング（一度の燃焼に対する火花点火の回数を含む）等といった各種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。

インジェクタ１１からの燃料噴射量を決定するに際して、ＥＣＵ０は、まず、気筒１に吸入される空気の量を求め、その吸入空気量に比例する、即ち吸入空気量に応じて理論空燃比またはその近傍の目標空燃比を実現できような燃料噴射量の基本量ＴＰを決定する。吸気量は、現在のエンジン回転数及び（サージタンク３３若しくは吸気マニホルド３４内の）吸気圧等を基に推算する。吸気量の推算値に、現在の吸気温や大気圧等に応じた補正を加えてもよい。この吸気量の推算の手法は、公知のものである。

次いで、この基本噴射量ＴＰを、触媒４１に流入するガスの空燃比とその目標値との偏差に応じたフィードバック補正係数ＦＡＦや、環境条件その他に応じて定まる各種補正係数Ｋにより補正する。フィードバック補正係数ＦＡＦ、Ｋはそれぞれ、１を中心に増減する正数である。さらに、インジェクタ１１を開弁しても燃料が噴出しない無効噴射時間ＴＡＵＶを加味して、最終的な燃料噴射時間Ｔ、即ちインジェクタ１１を開弁する時間を算定する。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶ
となる。ＥＣＵ０は、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に対して信号ｊを入力し、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所望の目標空燃比に収束させ、以て触媒４１における有害物質の浄化能率を最大化するものである。空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦは、触媒４１の上流の空燃比センサ４３の出力信号ｆに基づいて定める。図２に示すように、ＥＣＵ０は、触媒４１の上流のガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３の出力電圧ｆを、目標空燃比に相当する判定電圧値と比較して、その判定電圧値よりも高ければリッチ、判定電圧値よりも低ければリーンと判定する。そして、ＥＣＵ０は、触媒４１の上流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、触媒４１の上流の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（下記の遅延時間ＴＤＲが経過した）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。加えて、空燃比がリッチであると判定している間、フィードバック補正係数ＦＡＦを演算サイクル（制御サイクル）あたりリーン積分値ＫＩＭだけ逓減させる。演算サイクルの周期は、内燃機関が備える個々の気筒１が新たなサイクル（吸気行程－圧縮行程－膨脹行程－排気行程の一連）を迎える周期に等しい。なお、リーン積分値ＫＩＭ（フィードバック補正係数ＦＡＦの傾き）の絶対値を、判定電圧値と空燃比センサ４３の出力電圧値ｆとの差分または比の絶対値が大きいほど大きくすることも考えられる。

他方、触媒４１の上流の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（下記の遅延時間ＴＤＬが経過した）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。加えて、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を演算サイクルあたりリッチ積分値ＫＩＰだけ逓増させる。なお、リッチ積分値ＫＩＰ（フィードバック補正係数ＦＡＦの傾き）の絶対値を、空燃比センサ４３の出力電圧値ｆと判定電圧値との差分または比の絶対値が大きいほど大きくすることも考えられる。

基本噴射量ＴＰに乗ずるフィードバック補正係数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。フィードバック補正係数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。

但し、空燃比センサ４３の出力電圧ｆが判定電圧値を跨ぐように変動したときには、即時に触媒４１の上流のガスの空燃比の判定結果を反転させるのではなく、遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲの経過を待ってから判定結果を反転させる。即ち、空燃比センサ４３の出力電圧ｆがリッチからリーンに切り替わった（判定電圧値を下回った）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、空燃比センサ４３の出力電圧ｆがリーンからリッチに切り替わった（判定電圧値を上回った）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。

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、空燃比センサ４３の出力信号ｆ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。

なお、図２に示しているように、リーン判定遅延時間ＴＤＬ中のリーン積分値ＫＩＭの絶対値を、当該遅延時間ＴＤＬ前のそれよりも小さく設定してもよい。並びに、リッチ判定遅延時間ＴＤＲ中のリッチ積分値ＫＩＰの絶対値を、当該遅延時間ＴＤＲ前のそれよりも小さくして設定してもよい。

遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲは、補正量ＦＡＣＦに応じて増減する。図３に、補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲとの関係を例示する。図３中、リーン判定遅延時間ＴＤＬを破線で表し、リッチ判定遅延時間ＴＤＲを実線で表している。補正量ＦＡＣＦが大きくなるほど、リーン判定遅延時間ＴＤＬは短縮され、リッチ判定遅延時間ＴＤＲ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、空燃比フィードバック制御により収束させるべき触媒４１に流入するガスの空燃比の目標がリッチ側に変位する。

逆に、補正量ＦＡＣＦが小さくなるほど、リーン判定遅延時間ＴＤＬは延長され、リッチ判定遅延時間ＴＤＲ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、触媒４１に流入するガスの空燃比の目標がリーン側に変位する。

ＥＣＵ０は、空燃比フィードバック制御中、上記の補正量ＦＡＣＦをも算出する。図４に示すように、ＥＣＵ０は、補正量ＦＡＣＦを算定するにあたり、触媒４１の下流のガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４の出力電圧ｇを、理論空燃比またはその近傍の目標空燃比に相当する判定電圧値と比較して、その判定電圧値よりも高ければリッチ、判定電圧値よりも低ければリーンと判定する。この判定電圧値は、空燃比センサ４３の出力信号ｆと比較される判定電圧値とは必ずしも一致しない。その上で、触媒４１の下流のガスの空燃比の判定結果に基づき、補正量ＦＡＣＦを増減調整する。

具体的には、触媒４１の下流のガスの空燃比がリッチであると判定している間、補正量ＦＡＣＦを演算サイクルあたりリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ逓減させる一方、空燃比がリーンであると判定している間は、補正量ＦＡＣＦを演算サイクルあたりリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ逓増させる。なお、リーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭの絶対値を、判定電圧値と空燃比センサ４４の出力電圧値ｇとの差分または比の絶対値が大きいほど大きくしてもよく、リッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰの絶対値を、空燃比センサ４４の出力電圧ｇと判定電圧値との差分または比の絶対値が大きいほど大きくしてもよい。既に述べた通り、補正量ＦＡＣＦが減少すると、触媒４１に流入するガスの目標空燃比がリーンへと向かい、補正量ＦＡＣＦが増加すると、触媒４１に流入するガスの目標空燃比がリッチへと向かう。

上述した空燃比フィードバック制御は、当然ながら、空燃比センサ４３が正常に機能し、排気通路４を流れ触媒４１に流入するガスの空燃比を精確に検出できることを前提としている。空燃比センサ４３に故障が生じたり、空燃比センサ４３とＥＣＵ０との間の接続が断線したりして、触媒４１に流入するガスの空燃比を精確に検出できなくなると、空燃比フィードバック制御を適正に実施できなくなる。

図５に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、排気通路４における触媒４１の上流に設置された空燃比センサ４３が正常に機能しないことを感知した場合（ステップＳ１）、平常の空燃比フィードバック制御を停止し、これに代わるフェイルセーフ制御（ステップＳ２）として、エンジン回転数の瞬時的な変動に基づいた燃料噴射量の補正、換言すればエンジン回転数の瞬時的な変動を打ち消すような燃料噴射量の増減調整を行う。

ステップＳ１にて、ＥＣＵ０は、例えば、空燃比センサ４３の出力電圧ｆが判定電圧値よりも高い値に張り付いたままである、出力電圧ｆが判定電圧値よりも低い値に張り付いたままである、出力電圧ｆが判定電圧値を跨ぐことなく（常に判定電圧値よりも高位の範囲内で、または常に判定電圧値よりも低位の範囲内で）上下に振動し続けている、出力電圧ｆの振動の周期がある限度を超えて長すぎる、等を条件として、空燃比センサ４３が正常に機能していないと判断する。

ステップＳ２のフェイルセーフ制御では、まず、空燃比センサ４３の出力電圧ｆを参照せずにフィードバック補正係数ＦＡＦを１に固定した上で、気筒１への吸入空気量に比例する基本噴射量ＴＰに一定比率の減量補正を加える。例えば、基本噴射量ＴＰを一律に２％削減（平常の基本噴射量ＴＰの９８％に減量）する。

そして、図６に示すように、エンジン回転数の単位時間あたりまたは演算サイクルあたりの上昇量（加速度）の絶対値が閾値を上回る加速期間中ＮＡは、その基本噴射量ＴＰにさらなる減量補正を加える。例えば、平常に比して２％削減した基本噴射量ＴＰをさらに５％削減する。

翻って、エンジン回転数の単位時間あたりまたは演算サイクルあたりの下降量（減速度）の絶対値が閾値を上回る減速期間中ＮＢは、その基本噴射量ＴＰに増量補正を加える。例えば、平常に比して２％削減した基本噴射量ＴＰを５％増量する。

上記のフェイルセーフ制御により、エンジン回転数の瞬時的な変動の幅を縮小するとともに、排気通路４を通じて触媒４１に流入するガスの空燃比を、平常の空燃比フィードバック制御と同程度の振幅及び周期にて振動させることが可能となる。つまり、触媒４１に流れ込むガスの空燃比が、目標空燃比または理論空燃比よりもリッチである状態とリーンである状態とを繰り返すようになる。結果、触媒４１内でのリッチ雰囲気による還元反応、及びリーン雰囲気による酸化反応の適度な反復が維持されて、有害物質の浄化能率が高く保たれるのである。

因みに、ＥＣＵ０は、触媒４１の上流に設置された空燃比センサ４３は正常に機能しているが、触媒４１の下流に設置された空燃比センサ４４が正常に機能しないことを感知した場合、空燃比センサ４４の出力電圧ｇを参照せずにリーン判定遅延時間ＴＤＬ及びリッチ判定遅延時間ＴＤＲを１：１に設定して、空燃比フィードバック制御を継続する。

本実施形態では、内燃機関の排気通路４を流れるガスの空燃比を空燃比センサ４３を介して検出し、その空燃比を目標空燃比に収束させるフィードバック制御を実施するものであり、前記空燃比センサ４３が正常に機能せず前記空燃比フィードバック制御を適正に実施できない状況下において、気筒１に吸入される空気量に応じた燃料噴射量の基本量ＴＰに、エンジン回転数の上昇中には燃料噴射量を減量する補正を加え、エンジン回転数の下降中には燃料噴射量を増量する補正を加え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が正常に機能しなくなったとしても、触媒４１による有害物質の浄化性能を悪化させず、有害物質特にＣＯの排出量が増加することを有効に防止できる。

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）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
４…排気通路
４１…触媒
４３…空燃比センサ
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｆ…空燃比信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…スロットルバルブの開度操作信号

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路を流れるガスの空燃比を空燃比センサを介して検出し、その空燃比を目標空燃比に収束させるフィードバック制御を実施するものであり、
   前記空燃比センサが正常に機能せず前記空燃比フィードバック制御を適正に実施できない状況下において、気筒に吸入される空気量に応じた燃料噴射量の基本量に、エンジン回転数の上昇中には燃料噴射量を減量する補正を加え、エンジン回転数の下降中には燃料噴射量を増量する補正を加える内燃機関の制御装置。

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