JP3922893B2 - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの空燃比制御装置に関し、詳しくは、触媒に貯蔵される酸素量に基づいて空燃比を制御する構成の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、触媒の上流側における排気ガス中の酸素濃度と排気ガス量とから、前記触媒に貯蔵されている酸素量を推定し、該貯蔵酸素量が目標値になるように、燃焼混合気の空燃比を制御する構成の空燃比制御装置が知られている（特開平６−２４９０２８号公報，特開平１０−１８４４２５号公報等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒における貯蔵酸素量の推定においては、上記のように、排気中の酸素濃度を知る必要があることから、従来では、排気空燃比を広域に検出できる所謂広域空燃比センサを触媒上流側の排気管に設けるようにしていた。
しかし、前記広域空燃比センサは、理論空燃比に対するリッチ・リーンを検出する酸素センサに比べて高価であり、システムコストが高くなってしまうという問題があった。
【０００４】
一方、前記酸素センサの出力値を空燃比のデータに変換することで簡易的に空燃比を求めることができるようにしたシステムが提案されている（特開平０７−１２７５０５号公報参照）。
上記のように酸素センサの出力値から空燃比を求める場合、理論空燃比付近では空燃比を求めることができるが、理論空燃比から離れた領域では、空燃比変化に対してセンサ出力が殆ど変化せず、空燃比の検出が不能になってしまう。
【０００５】
このため、広域空燃比センサを用いるシステムと同様にして酸素量を推定させることができず、広域空燃比センサに代えて酸素センサを用いることで、システムコストの低下を図ることができないという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、安価な酸素センサを用いて、触媒における貯蔵酸素量の推定を行えるエンジンの空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１記載の発明では、排気管に介装される触媒に貯蔵されている酸素量を推定し、該推定した酸素量に基づいて燃焼混合気の目標空燃比を算出して、エンジンの空燃比を制御するエンジンの空燃比制御装置において、前記触媒上流側の排気管に介装され、排気中の酸素濃度に感応して出力値が変化する酸素センサを備え、前記酸素センサの出力値が理論空燃比相当値を含む所定範囲内であるときに、前記酸素センサの出力値を空燃比のデータに変換して実際の空燃比を検出し、該検出した実際の空燃比に基づいて前記酸素量を推定する一方、前記酸素センサの出力値が前記所定範囲外であるときに、前記目標空燃比に基づいて前記酸素量を推定する構成とした。
【０００７】
かかる構成によると、触媒上流の酸素センサの出力値が理論空燃比相当値を含む所定範囲内であって、センサ出力から空燃比を求めることができるときには、触媒上流の酸素センサの出力値から求めた空燃比に基づき、触媒における貯蔵酸素量を推定するが、前記所定範囲外であって触媒上流の酸素センサの出力値から空燃比を求めることができないときには、前記酸素センサの検出結果を用いずに、目標空燃比に相当する酸素濃度の排気が触媒に流入するものとして触媒における貯蔵酸素量を推定する。
【０００８】
請求項２記載の発明では、排気管に介装される触媒に貯蔵されている酸素量を推定し、該推定した酸素量に基づいて燃焼混合気の目標空燃比を算出して、エンジンの空燃比を制御するエンジンの空燃比制御装置において、前記触媒上流側及び下流側の排気管にそれぞれ介装され、排気中の酸素濃度に感応して出力値が変化する第１，第２酸素センサを備え、前記触媒上流側の第１酸素センサの出力値が理論空燃比相当値を含む所定範囲内であるときに、前記第１酸素センサの出力値を空燃比のデータに変換して実際の空燃比を検出し、該検出した実際の空燃比に基づいて前記酸素量を推定する一方、前記第１酸素センサの出力値が前記所定範囲外であるときに、前記触媒下流側の第２酸素センサの出力値に基づいて判別される理論空燃比に対するリッチ・リーンと前記目標空燃比とに基づいて前記酸素量を推定する構成とした。
【０００９】
かかる構成によると、触媒上流の酸素センサの出力値が理論空燃比相当値を含む所定範囲内であって、センサ出力から空燃比を求めることができるときには、触媒上流の酸素センサの出力値から求めた空燃比に基づき、触媒における貯蔵酸素量を推定するが、前記所定範囲外であって触媒上流の酸素センサの出力値から空燃比を求めることができないときには、触媒上流の酸素センサの検出結果を用いずに、触媒下流側の酸素センサの出力値に基づいて判別されるリッチ・リーンと目標空燃比とに基づいて触媒における貯蔵酸素量を推定する。
【００１０】
請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明において、前記第１酸素センサの出力値が前記所定範囲外であるときに、前記第２酸素センサの出力値に基づいて連続的にリッチ又はリーンであると判定された場合に前記目標空燃比に基づいて前記酸素量を推定する一方、前記第２酸素センサの出力値に基づいてリッチ・リーン反転時であると判定された場合に前記酸素量を所定値にリセットする構成とした。
【００１１】
かかる構成によると、触媒下流側の排気空燃比がリッチからリーン又はリーンからリッチに反転した場合には、触媒における酸素量が基準状態にあるものと判断して、酸素量の推定値を所定値にリセットさせ、触媒下流側の排気空燃比が継続的にリッチ又はリーンであるときには、目標空燃比に相当する酸素濃度の排気が触媒に流入するものとして触媒における貯蔵酸素量を推定する。
【００１２】
請求項４記載の発明では、請求項３記載の発明において、前記第２酸素センサの出力値に基づいてリッチからリーンへの反転時であると判定された場合に前記酸素量を所定の最大量にリセットし、前記第２酸素センサの出力値に基づいてリーンからリッチへの反転時であると判定された場合に前記酸素量を所定の最小量にリセットする構成とした。
【００１３】
かかる構成によると、触媒下流側の排気空燃比がリーン状態に反転した場合には、触媒が新たに酸素を貯蔵することができない状態になったために、過剰な酸素がそのまま触媒を通過しているものと判断し、触媒における貯蔵酸素量の推定値を最大量にリセットする。また、触媒下流側の排気空燃比がリッチ状態に反転した場合には、触媒が貯蔵していた酸素を脱離して不足分を補うことができない状態になったために、酸素不足のまま触媒を通過したものと判断し、触媒における貯蔵酸素量の推定値を最小量（０を含む）にリセットする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、酸素センサによって触媒上流での排気空燃比を求めることができる領域では、センサ出力から求めた空燃比に基づいて酸素量を推定し、センサ出力から空燃比を求めることができない領域では、目標空燃比相当の排気空燃比になるものとして、貯蔵酸素量の推定を継続させることができ、安価な酸素センサを用いつつ触媒の貯蔵酸素量を目標量に一致させるフィードバック制御を行わせることができるという効果がある。
【００１５】
請求項２記載の発明によると、酸素センサによって触媒上流での排気空燃比を求めることができる領域では、センサ出力から求めた空燃比に基づいて酸素量を推定し、空燃比を求めることができない領域では、目標空燃比及び触媒下流側のリッチ・リーン状態に基づき、貯蔵酸素量の推定を充分な精度で継続させることができ、安価な酸素センサを用いつつ触媒の貯蔵酸素量を目標量に一致させるフィードバック制御を行わせることができるという効果がある。
【００１６】
請求項３記載の発明によると、触媒下流側の排気空燃比のリッチ・リーン反転に基づいて、触媒における貯蔵酸素量が基準状態となったことを判断して、貯蔵酸素量を正しい値にリセットさせることができるという効果がある。
請求項４記載の発明によると、触媒が新たに過剰酸素を貯蔵できなくなっている状態、及び、触媒が酸素を脱離させて不足分を補うことができなくなっている状態を判断して、触媒における貯蔵酸素量を正しく最大量又は最小量にリセットさせることができるという効果がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は実施の形態におけるエンジンのシステム構成図である。
この図１において、車両に搭載されるエンジン１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２，吸気通路３，モータで開閉駆動される電子制御式スロットル弁４を介して空気が吸入される。
【００１８】
各気筒の燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁５が設けられており、該燃料噴射弁５から噴射される燃料と吸入空気とによって燃焼室内に混合気が形成される。
燃料噴射弁５は、コントロールユニット２０から出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。
【００１９】
燃焼室内に形成される混合気は、点火栓６により着火燃焼する。
尚、エンジン１を上記の直接筒内噴射式ガソリンエンジンに限定するものではなく、吸気ポートに燃料を噴射する構成のエンジンであっても良い。
エンジン１からの排気は排気通路７より排出され、該排気通路７には排気浄化用の触媒８が介装されている。
【００２０】
前記触媒８は、酸素貯蔵能力を有する三元触媒であって、排気中の有害３成分である一酸化炭素ＣＯ及び炭化水素ＨＣを酸化すると共に、酸化窒素ＮＯｘを還元して、無害な二酸化炭素、水蒸気及び窒素に変換させるものである。
そして、該三元触媒８による浄化性能は、排気空燃比が理論空燃比であるときに最も高く、排気空燃比がリーンで酸素量が過剰であると、酸化作用は活発になるが還元作用が不活発となり、逆に、排気空燃比がリッチで酸素量が少ないと、酸化作用は不活発になるが還元作用が活発となる。
【００２１】
但し、前記三元触媒８は酸素を貯蔵する能力（酸素ストレージ効果）を有するため、排気空燃比が一時的にリッチになったときには、それまでに貯蔵されていた酸素を使用し、逆に、排気空燃比が一時的にリーンになったときには、余分な酸素を貯蔵することで、排気浄化性能を維持できるようになっている。
従って、空燃比が理論空燃比からリーン側にずれたときに酸化窒素ＮＯｘを還元でき、かつ、空燃比が理論空燃比からリッチ側にずれたときに一酸化炭素ＣＯ及び炭化水素ＨＣを酸化できるようにするためには、三元触媒８に貯蔵される酸素の量（貯蔵酸素量）を、貯蔵できる最大量の半分程度に維持し、余分な酸素を貯蔵し、かつ、酸化処理に必要な酸素を脱離して供給できる状態にしておくことが要求される。
【００２２】
そこで、前記コントロールユニット２０は、所定運転領域において、三元触媒８における貯蔵酸素量を推定し、該推定される貯蔵酸素量が目標量（最大貯蔵酸素量の半分程度）よりも少ないときには、空燃比をリーン化させて貯蔵酸素量を増大させ、逆に、推定される貯蔵酸素量が目標量よりも多いときには、空燃比をリッチ化させて余分な酸素を脱離させ貯蔵酸素量を減少させるように、前記燃料噴射弁５による燃料噴射量をフィードバック制御するようになっている。
【００２３】
前記コントロールユニット２０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイコンを備え、各種センサからの入力信号を受け、これらに基づいて演算処理して、電子制御式スロットル弁４の開度，燃料噴射弁５による噴射量・噴射時期，点火栓６による点火時期を制御する。
【００２４】
前記各種センサとして、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２１、カム軸から気筒判別信号を取り出すカムセンサ２２が設けられており、前記クランク角センサ２１からの信号に基づきエンジンの回転速度Ｎｅが算出される。
この他、吸気通路３のスロットル弁４上流側で吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ２３、アクセルペダルの踏込み量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ２４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ２５、エンジン１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ２６、触媒８の上流側及び下流側それぞれに設けられ、排気中の酸素濃度に感応して出力値が変化する第１，第２酸素センサ２７ａ，２７ｂ、車速ＶＳＰを検出する車速センサ２８などが設けられている。
【００２５】
前記第１，第２酸素センサ２７ａ，２７ｂは、特開平１１−３２６２６６号公報に開示されるように、排気管内に突出して設けられるジルコニアチューブを有してなり、このジルコニアチューブ外側の排気中の酸素濃度と、内側の大気中の酸素濃度との比に応じた起電力を発生するジルコニア酸素センサである。
前記第１，第２酸素センサ２７ａ，２７ｂの出力値Ｅｓ（起電力）は、図２に示すように、理論空燃比を境に急変し、理論空燃比よりもリッチ側では起電力が高く、理論空燃比よりもリーン側では起電力が低くなる特性を有するが、理論空燃比付近で空燃比に応じて出力値が変化するように、センサ素子を構成する保護層，触媒層，ジルコニアチューブを形成してある。
【００２６】
次に、前記コントロールユニット２０による貯蔵酸素量に基づく空燃比制御の様子を、図３及び図４のフローチャートに従って説明する。
図３のフローチャートにおいて、ステップＳ１では、冷却水温Ｔｗ，酸素センサ２７ａ,７ｂの出力値Ｅｓなどを読み込む。
ステップＳ２では、貯蔵酸素量の推定結果に基づくフィードバック制御の実行許可条件を判定する。
【００２７】
具体的には、触媒８及び第１，第２酸素センサ２７ａ，２７ｂが活性状態で、かつ、酸素センサ２７ａ，２７ｂや燃料噴射弁５などに故障がないことなどを、実行許可条件とする。
ステップＳ３では、前記実行許可条件が成立しているか否かを判別する。
ステップＳ３で、前記実行許可条件が成立していると判別されると、ステップＳ４へ進み、前記触媒８における貯蔵酸素量ＯＳＣの推定を行う。
【００２８】
次のステップＳ５では、前記貯蔵酸素量ＯＳＣと目標酸素量との偏差に基づき、目標当量比（理論空燃比相当の基本燃料噴射量の補正係数）を設定する。
次のステップＳ６では、理論空燃比相当の基本燃料噴射量を、前記目標当量比で補正することで、前記目標当量比相当の燃料噴射量を演算する。
前記ステップＳ４における貯蔵酸素量ＯＳＣの推定演算の詳細は、図４のフローチャートに示してある。
【００２９】
図４のフローチャートにおいて、ステップＳ４０１では、前記酸素センサ２７の出力値Ｅｓが所定範囲内であるか否かを判別する。
前記所定範囲は、センサ出力の理論空燃比相当値を含む範囲であって、かつ、空燃比変化に対して出力値Ｅｓが変化する領域であり、換言すれば、理論空燃比よりも大幅にリッチ又はリーンであって空燃比変化に対して出力値Ｅｓが殆ど変化しない領域を除く理論空燃比付近の領域である。
【００３０】
尚、図２に示すような出力特性の第１，第２酸素センサ２７ａ，２７ｂを用いる本実施形態では、理論空燃比相当値が略0.5（Ｖ）であり、前記所定範囲を、0.3（Ｖ）≦Ｅｓ≦0.8（Ｖ）の領域としてある。
ステップＳ４０１で、0.3（Ｖ）≦Ｅｓ≦0.8（Ｖ）であると判別されたときには、ステップＳ４０２へ進み、前記上流側の第１酸素センサ２７ａの出力値Ｅｓから求めた空燃比に基づいて、今回の触媒流入酸素量を算出する。
【００３１】
具体的には、まず、第１酸素センサ２７ａの出力値Ｅｓを、空燃比を示す空気過剰率λに変換する処理を行う。
前記変換は、前記出力値Ｅｓと空気過剰率λとの相関を示すテーブルに基づき行わせても良いが、より分解能を上げるべく、前記出力値Ｅｓを予め設定された計算式に基づき別の変数に置き換えた後、前記変数から空気過剰率を求めるようにしても良い。
【００３２】
そして、前記出力値Ｅｓから求めた空気過剰率λと、排気ガス量に相当する吸入空気量と、変換用の定数ｋ１とに基づき、下式に従って今回の触媒流入酸素量を算出する。
今回の触媒流入酸素量＝（実際の空気過剰率λ−１）×吸入空気量×ｋ１
上記「今回の触媒流入酸素量」は、実際の空燃比が理論空燃比よりもリーンであれば、酸素過剰状態を示すプラスの値となり、逆に、実際の空燃比が理論空燃比よりもリッチであれば、酸素不足状態を示すマイナスの値となる。
【００３３】
一方、ステップＳ４０１で、0.3（Ｖ）≦Ｅｓ≦0.8（Ｖ）ではないと判別されたときには、ステップＳ４０３へ進み、前記下流側の第２酸素センサ２７ｂの出力値Ｅｓに基づいて判別される理論空燃比に対するリッチ・リーン状態が継続しているか、それともリッチ→リーン又はリーン→リッチの反転時であるかを判別する。
【００３４】
前記リッチ・リーンの判別は、第２酸素センサ２７ｂの出力値Ｅｓと理論空燃比相当値との大小関係に基づいて判断される。
リッチ又はリーン状態が継続しているときには、ステップＳ４０４へ進み、前回における目標当量比，吸入空気量及び変換用の定数ｋ２に基づいて「今回の触媒流入酸素量」の算出を行わせる。
【００３５】
今回の触媒流入酸素量＝（１／目標当量比−１）×吸入空気量×ｋ２
上式で、１／目標当量比は目標当量比を目標空気過剰率に変換する処理であり、目標当量比相当の混合気が形成され、前記目標当量比相当の酸素濃度の排気が触媒８に流入するものとして「今回の触媒流入酸素量」が算出されることになる。
【００３６】
前記ステップＳ４０２又はステップＳ４０４で、「今回の触媒流入酸素量」を算出すると、ステップＳ４０５へ進み、貯蔵酸素量ＯＳＣを下式に従って算出する。
貯蔵酸素量ＯＳＣ＝前回のＯＳＣ＋今回流入酸素量
一方、ステップＳ４０３で、第２酸素センサ２７ｂで検出されるリッチ・リーン状態の反転時であると判別されると、ステップＳ４０６へ進む。
【００３７】
ステップＳ４０６では、反転後の空燃比がリッチであるかリーンであるかを判別する。
リッチからリーンへの反転時であるときには、ステップＳ４０７へ進み、前記貯蔵酸素量ＯＳＣを最大量にリセットする。
触媒下流側の排気空燃比がリッチからリーンに反転した場合には、触媒８が新たに過剰酸素を貯蔵することができない状態になったために、過剰な酸素がそのまま触媒を通過しているものと推定されるので、前記貯蔵酸素量ＯＳＣを最大量にリセットする。
【００３８】
一方、リーンからリッチへの反転時であるときには、ステップＳ４０８へ進み、前記貯蔵酸素量ＯＳＣを最小量にリセットする。
触媒下流側の排気空燃比がリーンからリッチに反転した場合には、触媒８が貯蔵していた酸素を脱離して排気における酸素不足分を補うことができない状態になったために、排気が酸素不足のまま触媒８を通過したものと推定し、前記貯蔵酸素量ＯＳＣを最小量（＝０）にリセットする。
【００３９】
これにより、触媒８における実際の貯蔵酸素量が最大量又は最小量になる毎に、前記貯蔵酸素量ＯＳＣが正しい値にリセットされることになり、目標当量比に基づくそれまでの推定誤差がキャンセルされ、正しい値を初期値として推定を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態におけるエンジンのシステム構成図。
【図２】実施形態における酸素センサの出力特性図。
【図３】実施形態における空燃比制御のメインルーチンを示すフローチャート。
【図４】実施形態における貯蔵酸素量の推定演算を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジン
４…スロットル弁
５…燃料噴射弁
６…点火栓
８…触媒
２０…コントロールユニット
２１…クランク角センサ
２３…エアフローメータ
２７ａ，２７ｂ…酸素センサ

Claims (4)

1. 排気管に介装される触媒に貯蔵されている酸素量を推定し、該推定した酸素量に基づいて燃焼混合気の目標空燃比を算出して、エンジンの空燃比を制御するエンジンの空燃比制御装置において、
   前記触媒上流側の排気管に介装され、排気中の酸素濃度に感応して出力値が変化する酸素センサを備え、
   前記酸素センサの出力値が理論空燃比相当値を含む所定範囲内であるときに、前記酸素センサの出力値を空燃比のデータに変換して実際の空燃比を検出し、該検出した実際の空燃比に基づいて前記酸素量を推定する一方、
   前記酸素センサの出力値が前記所定範囲外であるときに、前記目標空燃比に基づいて前記酸素量を推定することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 排気管に介装される触媒に貯蔵されている酸素量を推定し、該推定した酸素量に基づいて燃焼混合気の目標空燃比を算出して、エンジンの空燃比を制御するエンジンの空燃比制御装置において、
   前記触媒上流側及び下流側の排気管にそれぞれ介装され、排気中の酸素濃度に感応して出力値が変化する第１，第２酸素センサを備え、
   前記触媒上流側の第１酸素センサの出力値が理論空燃比相当値を含む所定範囲内であるときに、前記第１酸素センサの出力値を空燃比のデータに変換して実際の空燃比を検出し、該検出した実際の空燃比に基づいて前記酸素量を推定する一方、
   前記第１酸素センサの出力値が前記所定範囲外であるときに、前記触媒下流側の第２酸素センサの出力値に基づいて判別される理論空燃比に対するリッチ・リーンと前記目標空燃比とに基づいて前記酸素量を推定することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
3. 前記第１酸素センサの出力値が前記所定範囲外であるときに、
   前記第２酸素センサの出力値に基づいて連続的にリッチ又はリーンであると判定された場合に前記目標空燃比に基づいて前記酸素量を推定する一方、
   前記第２酸素センサの出力値に基づいてリッチ・リーン反転時であると判定された場合に前記酸素量を所定値にリセットすることを特徴とする請求項２記載のエンジンの空燃比制御装置。
4. 前記第２酸素センサの出力値に基づいてリッチからリーンへの反転時であると判定された場合に前記酸素量を所定の最大量にリセットし、
   前記第２酸素センサの出力値に基づいてリーンからリッチへの反転時であると判定された場合に前記酸素量を所定の最小量にリセットすることを特徴とする請求項３記載のエンジンの空燃比制御装置。

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