JP3888838B2

JP3888838B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP3888838B2
Application number: JP2000235881A
Authority: JP
Inventors: 俊夫石井; 工三加藤木; 慎二中川; 豊高久
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: JP2002047995A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関わり、特に内燃機関の排気系に設置された排気成分センサ出力に基づいて、各気筒の空燃比を目標空燃比に制御する気筒別空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
気筒別空燃比制御装置として、例えば特開平１１−３０３６６４号公報に記載された「多気筒内燃機関の空燃比制御装置」がある。この技術は、ガス当たりの良い気筒の空燃比フィードバック制御を禁止し、ガス当たりの悪い気筒の空燃比フィードバック制御を実施することにより、ガス当たりの状態に拘わらず空燃比を目標空燃比に制御するものである。
【０００３】
すなわち、全気筒を酸素センサに対するガス当たりの良い気筒群とガス当たりの悪い気筒群とにグループ化し、空燃比フィードバック制御の実行中、ガス当たりの強い気筒群への燃料噴射に係る空燃比フィードバック制御を中止するとともに、ガス当たりの悪い気筒群への燃料噴射量に係る空燃比フィードバック制御を実行するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に記載の技術では、ガス当たりの良い気筒の空燃比フィードバック制御を禁止している最中にエンジン状態の変化などにより、ガス当たりの良い気筒の平均空燃比が目標空燃比からずれた場合には、そのずれ分がガス当たりの悪い気筒の空燃比補正量として誤って補正されてしまうという問題点があり、さらにこのずれ分が、全気筒制御を行った場合の空燃比補正値に反映され、学習制御を実施している場合には学習値にまで影響を与える可能性がある。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、全気筒の平均空燃比制御と気筒別の空燃比制御を同時に行い、空燃比の制御性を向上することができる空燃比制御装置を提供することにある。また、気筒別空燃比制御の制御定数設定が容易であり、安定した制御性能を維持することができる空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る空燃比制御装置は、複数の気筒を有する内燃機関の排気系に設置された排気成分センサの出力により、該内燃機関の空燃比を制御する制御装置であって、前記排気成分センサ出力により全気筒の平均的な空燃比を制御する手段、前記複数の気筒間の空燃比ばらつきを検出する手段、全気筒を二つの気筒群にわけ、第一の気筒群では検出された各気筒間の空燃比ばらつきに基づいた空燃比制御を行わず、前記全気筒に対する空燃比制御のみを実行する手段、第二の気筒群では全気筒に対する空燃比制御および検出された各気筒間の空燃比ばらつきに基づき該当気筒の空燃比を制御する手段を有することを特徴とする。
【０００９】
前記の空燃比制御装置において、前記第一の気筒群として所定の一気筒を選択することができる。また、前記排気成分センサは、周期的な変動の周期成分を抽出することにより前記複数の気筒間の空燃比ばらつきを検出することが好ましい。前記排気成分センサは、酸素濃度を検出するセンサであり、内燃機関のクランク軸の回転に同期した周期成分を抽出することにより、前記複数の気筒間の空燃比ばらつきを検出することを特徴とする。
【００１０】
前記の空燃比制御装置において、前記周期成分は内燃機関のクランク軸の一回転周期あるいは二回転周期のうち少なくとも一つにほぼ等しいものであると好適である。また、制御装置は内燃機関のクランク軸の基準回転角度を設定する手段を備え、前記排気成分センサは該基準回転角度を基準として、前記周期成分の位相角および信号強度のうち少なくとも一つを検出することが好ましい。
【００１１】
このように構成された本発明の空燃比制御装置は、排気成分センサからの出力を空燃比を制御する手段に入力し、各気筒間の空燃比のばらつきを検出し、リッチ気筒、リーン気筒を特定し、複数の気筒毎の燃料供給量補正係数を演算するので、全気筒の空燃比の気筒間ばらつきを少なくでき、空燃比の制御性を向上することができる。
【００１２】
さらに、全気筒を二つの気筒群にわけ、第一の気筒群では検出された各気筒間の空燃比ばらつきに基づいた空燃比制御を行わず、前記全気筒に対する空燃比制御のみを実行し、第二の気筒群では全気筒に対する空燃比制御および検出された各気筒間の空燃比ばらつきに基づき該当気筒の空燃比を制御することにより、気筒別空燃比補正が過剰に行われず、安定した制御が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る空燃比制御装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る空燃比制御装置が実施されるエンジン制御システムの全体図、図２は、図１に示すコントロールユニットの回りの構成図、図３は、図２における空燃比制御系の構成図、図４は、図３の全気筒の平均的な空燃比制御を行う空燃比フィードバック補正係数算出部の構成図である。
【００１４】
図１に示すように、エンジン１６０回りには、吸入する空気の質量流量を計測する空気流量計１５１と、エンジン１６０が吸入する空気量を調整するスロットル弁１６５と、このスロットル弁１６５の弁開度を検出するスロットル開度センサ１５６と、エンジン１６０の回転数を検出するクランク角度センサ１５２と、エンジン１６０の冷却水の温度を測定する水温センサ１５４と、吸気管内の圧力を測定する圧力センサ１５３と、アイドリング時の回転数を制御するアイドリングコントロール弁１６３と、エンジン１６０に燃料を供給する燃料噴射弁１６２と、排気ガスを浄化する触媒１６４と、触媒１６４の上流に設置され排気ガス中の空燃比を検知する空燃比センサ１５５と、空気流量計１５１および各センサ１５２〜１５６からの信号でエンジン１６０の運転状態等を把握し、これらの情報により予め定められた手順でエンジン１６０が要求する燃料量を計算して燃料噴射弁１６２等のアクチュエータを駆動するコントロールユニット１００とが設けられている。
【００１５】
図２に示すように、コントロールユニット１００は、ハードウェアー的には、空気流量計１５１および各センサ１５２〜１５６等からの信号が入力し、これを増幅、または燃料噴射弁１６２等のアクチュエータへの駆動信号を増幅する増幅回路１０１と、入出力信号をデジタル演算処理を行えるようデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路１０２と、デジタル演算処理を行うマイクロコンピュータ、若しくはそれに準ずる演算回路１０３と、演算回路１０３の演算処理にも用いる定数、変数、及び演算手順等を格納するＲＯＭ１０４及びＲＡＭ１０５と、揮発性のＲＡＭ１０５の内容を保持するためのバックアップ回路１０６とを有している。なお、本実施形態のコントロールユニット１００には、空気流量計１５１、クランク角センサ１５２、圧力センサ１５３、水温センサ１５４、空燃比センサ１５５、スロットル開度センサ１５６及びＯ２センサ１５７からの信号が入力し、燃料燃料噴射弁１６２への噴射弁駆動信号、点火プラグ１６６への点火時期信号、アイドリングコントロール弁１６３へのアイドリングコントロール信号が出力されるようになっている。
【００１６】
図３は、空燃比を制御する手段として燃料を制御する場合の例を示している。空燃比センサ１５１の出力から検出した吸入空気量３０１と、クランク角度センサ１５２からの出力であるエンジン回転数３０２から、目標空燃比を実現するための基本燃料供給量を基本燃料供給量演算部３１０で演算する。空燃比センサ出力３０３は空燃比情報３６０に変換され、目標空燃比３７０との比較を行うことにより、空燃比フィードバック補正係数演算３８０で空燃比補正係数を演算する。この空燃比補正係数は、空燃比センサ１５５により空燃比を検出される全ての気筒に対する燃料供給量を補正する係数として、補正演算部II３３０で使用される。
【００１７】
空燃比センサ１５１の出力３０３は、さらに気筒別空燃比補正係数演算部３５０にて分析され、各気筒の空燃比ばらつきを検出すると共に、各気筒への個別の燃料補正量を演算し補正演算部Ｉ３２０へ供給する。基本燃料供給量は、補正演算部Ｉ３２０で気筒別空燃比補正係数による補正を受け、補正演算部II３３０で全気筒共通の空燃比補正を受け、気筒別の燃料噴射量３４０が決定される。
【００１８】
図４は、全気筒の平均的な空燃比フィードバック補正係数算出部４２０（図３のフロック３８０に相当）を示している。空燃比センサ１５５からの出力信号からノイズを除去する１次遅れフィルタ４２１と、空燃比センサ出力値から排気空燃比を演算する排気空燃比演算部４２３と、目標空燃比が記憶されている目標空燃比記憶部４２２と、排気空燃比演算部４２３からの出力と、目標空燃比記憶部４２２からの出力との差分を求める減算器４２４と、減算器４２４の出力から比例分利得ＫＰを求める比例分利得計算器４２５と、減算器４２４で求められた差分の積分利得ＫＩを求める積分利得計算器４２６と、積分利得を積分演算する積分分演算器４２７と、空燃比補正係数αの基本値ｄＢを記憶しておく基本値記憶部４２８と、比例分利得ＫＰと積分分演算器４２７の出力である積分値Iと基本値ｄＢとを加算して空燃比補正係数αを求める加算器４２９とを有して構成されている。また、酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）からの出力がＰＩＤ制御４３０により、比例分Ｐ、積分分Ｉ、微分分Ｄが計算され空燃比帰還係数として、前記算出部４２０に入力される。
【００１９】
次に、図４、図５を参照して、全気筒の平均空燃比フィードバック動作について説明する。まず、空燃比フィードバック補正係数算出部４２０における空燃比補正係数αの算出について、図４の空燃比フィードバック補正係数算出部の構成図、及び図５に示すジェネラルフローチャートにしたがって説明する。
【００２０】
空燃比センサ１５５から出力信号を取り込む（ステップ５０１）。この信号は、１次遅れフィルタ４２１を通って、ノイズが除去される。フィルタリングされた値は、排気空燃比演算部４２３の変換テーブルにおいて空燃比に変換される。減算器４２４で変換テーブルの出力である実空燃比（Ａ／Ｆ）_ｆと目標値空燃比（Ａ／Ｆ）_ｆｔとの差分が求められる（ステップ５０２）。この差分と比例分利得ＫＰに基づいて比例分計算器４２５で比例分Ｐが求められる（ステップ５０３）。さらに、差分と積分利得ＫＩに基づいて積分値計算器４２６で積分分Ｉが求められる（ステップ５０４）。そして、比例分Ｐと積分分Ｉの積分値と基本値ｄＢとが加算器４２９で加算され、これが空燃比補正係数αとして出力される（ステップ５０５）。
【００２１】
図６は図３の気筒別空燃比補正係数演算部３５０の内容を示している。空燃比センサ１５５の出力６００は、エンジン回転に同期した周波数成分分析を行う（６１０）。空燃比がリッチ、あるいはリーンに傾いている気筒は、抽出された周波数成分の位相として、図７に示すように現れる。また、リッチあるいはリーンの度合いは抽出された周波数成分の信号の強度として現れる（６２０）。抽出された周波数成分の信号強度に基づいて、そのリッチ度あるいはリーン度を打ち消す補正量を該当気筒に加えることで、各気筒の空燃比を均一にすることが可能である（６３０）。また、別法として、抽出された周波数成分の位相情報に基づいて、リッチあるいはリーンとなっている気筒の情報を抽出し、周波数成分の信号強度に基づかない所定の補正量を、逐次該当気筒に加えて行く方法でも同様の効果が得られる。
【００２２】
図７は図６のブロック６１０の内容を示している。図７は４気筒エンジンの例を示しており、▽印は位相を検出するための基準回転角度位置を示している。図７の横軸は点火される順序を示しており、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、気筒の空燃比にばらつきがある場合の空燃比センサ出力を示している。点火位置１の気筒がリッチの時には、図７（ｄ）のように空燃比センサ出力は遅れを持ってリッチ方向に変化し、その後、他の気筒の排気の影響を受け、比較的リーン出力を示す。この傾向は点火位置１のリッチな排気ガスが流れて来る度に繰り返されるため、ほぼエンジンのクランク軸の２回転に等しい周期で繰り返される。
【００２３】
点火位置２の気筒がリッチの時は、図７（ａ）のような変化が現れ、点火位置３の気筒がリッチの時は、図７（ｂ）のような変化が現れ、点火位置４の気筒がリッチの時は、図７（ｃ）のような変化が現れる。また、それぞれの気筒がリーンの場合には、上記信号を上下反転した信号の傾向を持った変化が現れる。従って、▽位置を基準とした場合の各信号の位相を検出することで、空燃比がリッチあるいはリーンになっている気筒を特定することが可能である。
【００２４】
さらに信号（ａ）〜（ｄ）は気筒のリッチ度あるいはリーン度が大きければその振幅が大きくなる傾向があるため、各信号の強度を検出することで、空燃比のリッチ度あるいはリーン度を検出することができる。なお、本実施形態ではエンジンのクランク軸の２回転成分に同期した信号成分についてのみ言及したが、各気筒のリッチ傾向、リーン傾向のパターンによっては１回転成分、あるいはその他のエンジン回転にほぼ同期した周波数成分を解析することが必要である。
【００２５】
以上述べた装置により、各気筒の空燃比ばらつきを補正することが可能であるが、補正が収束したかどうかを判定する判定レベルの設定が必須となる。すなわち、本実施形態であれば、空燃比センサ出力の周波数成分強度が所定値以下になったことにより収束と判定するが、この時、気筒全体の平均空燃比が目標空燃比と完全に一致するとは限らず、ある程度のオフセットを持った値に収束する可能性がある。あるいは、補正係数を求める制御定数の設定によっては、気筒間空燃比ばらつきがハンチングする可能性がある。
【００２６】
すなわち、リッチと判定された気筒をリーン化していく結果として、他の気筒が相対的にリッチになってしまい、今度はその気筒をリーン化していくというように、全気筒がリーン化してしまう可能性がある。本実施形態では、図６の気筒別の空燃比制御と、図４の全気筒の平均空燃比フィードバック制御を同時に行うので、上記のような場合でも全気筒の平均空燃比は目標空燃比となるように制御されるが、気筒毎の補正は全気筒リーンとなり、平均値の補正がリッチになっているという状況は好ましくない。このような状況を避けるために、気筒毎の補正量および平均補正量それぞれにリミッタを設け、上記のような相反する補正が無限に繰り返されることを防ぐことができるが、気筒別の補正量がこのリミッタに到達してしまうということは、つまり、気筒別補正が効いていないという状況になってしまうため、好ましくない。
【００２７】
本実施形態では、全気筒を二つの気筒群にわけ、第一の気筒群では気筒別補正を行わないことで、上記問題点を回避している。すなわち、図７において、例えば点火位置１の気筒が、リッチあるいはリーンと判定されたときには、該当気筒の空燃比を補正するのではなく、他の気筒の空燃比を補正することで全気筒の空燃比を一定に保つ。すなわち、点火位置１の気筒がリッチと判定された場合には、点火位置２〜４の気筒の空燃比をリッチ化し、また、点火位置１の気筒がリーンと判定された場合には、点火位置２〜４の気筒の空燃比をリーン化することで、点火位置１の気筒の空燃比補正係数を変化させることなく、気筒別の空燃比を一定にする。
【００２８】
この場合、気筒別の空燃比補正は、点火位置１の気筒の空燃比を中心として実行されるので、各気筒がどんどんリーン化あるいはリッチ化してしまうという問題を防止することができる。この時、気筒別の空燃比補正を行わない気筒として、全気筒中最も排気成分センサによる空燃検出感度の低い気筒を選択することで、気筒別空燃比補正全体の検出感度を高く維持することができる。
【００２９】
なお、前記した実施形態では、第一の気筒群として点火位置１の気筒を採用し、第二の気筒群として点火位置２〜４の気筒を採用したが、これに限られるものでない。また、本実施形態では排気成分センサとして空燃比センサを用いているが、ＨＣセンサやＮＯｘセンサ等、他の排気成分センサを用いた制御系においても、本発明を適用することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明によれば、全気筒の平均空燃比制御と気筒別の空燃比制御を同時に実行できるため、空燃比の制御性を向上することが可能である。また、気筒別空燃比制御の補正係数が、リーン側やリッチ側に過剰に補正されることが防止されるため、気筒別空燃比制御の制御定数設定が容易であると共に、エンジンの耐久変化による気筒別空燃比制御定数のミスマッチが発生した場合にも、安定した制御を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空燃比制御装置が実施されるエンジン制御システムの全体図。
【図２】図１に示すコントロールユニットの回りの構成図。
【図３】図２における空燃比制御系の構成図。
【図４】図３の全気筒の平均的な空燃比制御を行う空燃比フィードバック補正係数算出部の構成図。
【図５】本発明における全気筒の平均的な空燃比制御の制御フローを示すジェネラルフローチャート。
【図６】本発明の気筒別空燃比制御を示す構成図。
【図７】本発明における気筒間の空燃比ばらつき検出の説明図。
【符号の説明】
１００…コントロールユニット、１５１…空気流量計、１５２…クランク角度センサ、１５５…空燃比センサ、１５７…Ｏ_２センサ、１６０…エンジン、１６２…燃料噴射弁、３１０…基本燃料供給量演算部、３２０、３３０…補正演算部、３４０…気筒別燃料噴射量、３５０…気筒別空燃比比例係数演算部（空燃比ばらつき検出手段）、３８０…空燃比フィードバック補正係数演算部

Claims

複数の気筒を有する内燃機関の排気系に設置された排気成分センサの出力により、該内燃機関の空燃比を制御する制御装置であって、
該制御装置は、前記排気成分センサ出力により全気筒の平均的な空燃比を制御する手段、前記複数の気筒間の空燃比ばらつきを検出する手段、全気筒を二つの気筒群にわけ、第一の気筒群では検出された各気筒間の空燃比ばらつきに基づいた空燃比制御を行わず、前記全気筒に対する空燃比制御のみを実行する手段、第二の気筒群では全気筒に対する空燃比制御および検出された各気筒間の空燃比ばらつきに基づき該当気筒の空燃比を制御する手段を有することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記第一の気筒群は、所定の一気筒であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記排気成分センサは、周期的な変動の周期成分を抽出することにより前記複数の気筒間の空燃比ばらつきを検出することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記排気成分センサは、酸素濃度を検出するセンサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記排気成分センサは、内燃機関のクランク軸の回転に同期した前記周期成分を抽出することにより、前記複数の気筒間の空燃比ばらつきを検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記周期成分は、内燃機関のクランク軸の一回転周期あるいは二回転周期のうち少なくとも一つにほぼ等しいものであることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記制御装置は、内燃機関のクランク軸の基準回転角度を設定する手段を備え、前記排気成分センサは該基準回転角度を基準として、前記周期成分の位相角および信号強度のうち少なくとも一つを検出することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。