JP3944720B2

JP3944720B2 - 内燃機関の排気空燃比制御装置

Info

Publication number: JP3944720B2
Application number: JP2002204555A
Authority: JP
Inventors: 保樹田村; 仁司戸田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP2004044511A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気空燃比制御装置に係り、詳しくは内燃機関の排気空燃比をリッチ側とリーン側とに周期的に変動させる排気空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
近年、ストイキオを境界として内燃機関の排気空燃比をリッチ側とリーン側とに周期的に変動させる強制変調を実施し、これにより排ガス中に酸素成分を存在させて触媒浄化を促進するようにした排気空燃比制御装置が提案されている。この種の強制変調を開ループ変調により実施した場合には、吸気量の検出誤差や燃料噴射弁の特性バラツキ等の影響を受けて、実際の排気空燃比が所望の値から外れて制御誤差を増大させる問題がある。係る問題を解決するために、触媒の上流に空燃比センサを設けて、当該空燃比センサの出力を閉ループ変調でフィードバック制御して強制変調を実施することが考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、閉ループ変調による強制変調では以下の問題が懸念される。即ち、図４に示すように、目標空燃比がリッチ側とリーン側との間で切換えられたとき、目標空燃比と実際の空燃比との偏差に応じて燃料噴射量がフィードバック制御されるが、この偏差には、排気通路内の排ガスが空燃比センサに到達するまでの所要時間（ガス移送時間）や空燃比センサ自体の応答遅れ（センサ応答遅れ）等が含まれるため、これらの要因も含めた偏差に基づいて燃料噴射量が過補正されてオーバシュートを引き起こす場合がある。リッチ側へのオーバシュートはＨＣやＣＯ増加、或いは点火プラグの燻りを発生し、リーン側へのオーバシュートはＮＯx増加、或いは失火を生じる上に、何れの場合もドライバビリティ悪化の要因となり得る。その対策として制御ゲインを縮小することも考えられるが、この場合には目標空燃比への実際の空燃比の収束が遅れるという別の問題が発生してしまう。
【０００４】
また、触媒浄化を効果的に促進するには、矩形波の波形が望ましいことが判明しているが、上記空燃比のオーバシュートや収束遅れにより、排気空燃比の波形は矩形波から多少外れた鈍った波形となる。一方、例えば特開平１０−４７１４１号公報に記載の技術のように、排気空燃比を強制変調させたときの触媒下流の空燃比変動幅に基づいて、触媒の劣化を判定することもあるが、この場合でも、排気空燃比を矩形波とした方が触媒下流の空燃比波形も矩形波に近づくため、より的確に触媒劣化を判定できる。よって、上記閉ループ変調により排気空燃比の波形が矩形波から外れることは、触媒の浄化促進や触媒の劣化判定の点からも避ける必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、閉ループ変調により排気空燃比を高い精度で強制変調できるとともに、閉ループ変調に起因するオーバシュートや収束遅れを防止して、これらの要因による種々の弊害を未然に防止することができる内燃機関の排気空燃比制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に触媒を設け、内燃機関の排気空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で一定の周期および所定の振幅で変調させる内燃機関の排気空燃比制御装置において、内燃機関の燃料噴射量を増加補正または減少補正して、内燃機関の排気空燃比をリッチ空燃比またはリーン空燃比に変調させる開ループ変調手段と、排気通路における触媒の上流側に設けられた空燃比検出手段と、内燃機関の燃料噴射量を増加補正または減少補正するとともに、リッチ空燃比またはリーン空燃比を目標値として空燃比検出手段の出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御する閉ループ変調手段と、リッチ空燃比とリーン空燃比との間で排気空燃比を変調させるときに、排気空燃比を開ループ変調手段により所定時間変調した後、閉ループ変調手段によりフィードバック制御するように、開ループ変調手段と閉ループ変調手段とを作動させる変調制御手段とを備えたものである。
【０００７】
従って、内燃機関の排気空燃比はリッチ空燃比とリーン空燃比との間で一定の周期および所定の振幅で変調されており、一方の空燃比から他方の空燃比に変調するには、まず、開ループ変調手段により内燃機関の燃料噴射量が増加補正または減少補正されて、排気空燃比がリッチ空燃比またはリーン空燃比に所定時間変調され、その後、閉ループ変調手段によりリッチ空燃比またはリーン空燃比を目標値として、空燃比検出手段の出力に基づいて排気空燃比がフィードバック制御される。
【０００８】
開ループ変調手段による変調では、燃料噴射量が一義的に補正されるため、閉ループ変調手段によるフィードバック制御のように、排気空燃比の過補正によるオーバシュート、或いはオーバシュート対策として制御ゲインを縮小したときの排気空燃比の収束遅れ等を生じることなく、排気空燃比はリッチ空燃比またはリーン空燃比に切換えられる。
【０００９】
また、閉ループ変調手段による変調では、フィードバック制御により排気空燃比が目標値に的確に収束するため、高い精度で強制変調が実施される。
一方、オーバシュートや収束遅れが防止される結果、排気空燃比は触媒浄化の促進に好適な矩形波に近似する波形で変調される。その結果、触媒のＯ₂ストレージ機能を最大限に活かしてＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを良好に浄化可能となるとともに、排気空燃比の強制変調を利用して触媒の劣化判定を行う場合には、触媒下流の空燃比波形も矩形波に近づくため、触媒下流の排気空燃比の変動状況をより的確に判定できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る排気空燃比制御装置の概略構成図が示されており、以下、同図に基づいて本発明に係る排気空燃比制御装置の構成を説明する。
【００１７】
同図に示すように、エンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。
【００１８】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。
点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して低圧燃料ポンプ、高圧燃料ポンプ、及び燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。
【００１９】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
【００２０】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
同図に示すように、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４及び当該スロットル弁１４の開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１６が設けられており、さらに、スロットル弁１４の上流には、吸入空気量Ｑを計測するエアフローセンサ１８が介装されている。エアフローセンサ１８としては、カルマン渦式エアフローセンサが使用される。
【００２１】
一方、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）２０が接続されており、この排気管２０には、排気浄化触媒装置として三元触媒（触媒コンバータ）３０が介装されている。
この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐt）、パラジウム（Ｐd）、ロジウム（Ｒh）のいずれかを有している。
【００２２】
なお、活性貴金属は、酸素吸蔵機能（Ｏ₂ストレージ機能）を有しており、つまり、排気空燃比がリーン空燃比である酸化雰囲気中において酸素（Ｏ₂）を吸着すると、排気空燃比がリッチ空燃比となり還元雰囲気となってもそのＯ₂を吸着し、これにより、当該三元触媒３０は還元雰囲気状態においてもストレージＯ₂によりＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）を酸化除去可能である。即ち、当該三元触媒３０は、酸化雰囲気でＨＣ、ＣＯを浄化できるのは勿論のこと、吸蔵されたＯ₂により還元雰囲気中においてもＮＯxの浄化のみならずＨＣ、ＣＯを浄化可能である。但し、これらの活性貴金属は、セリア（Ｃｅ）等の酸素吸蔵物質ほどのＯ₂ストレージ能力は有していない。このような三元触媒３０を弱Ｏ₂ストレージ能力の触媒コンバータと呼ぶ。
【００２３】
また、排気管２０の三元触媒３０の上流には、リニア空燃比センサ２４（空燃比検出手段）が配設され、当該リニア空燃比センサ２４は、触媒上流の排ガスの空燃比に応じた電圧を出力する。
また、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた燃焼制御装置の総合的な制御が行われる。
【００２４】
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１６、エアフローセンサ１８、リニア空燃比センサ２４等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁６や点火コイル８等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。
【００２５】
以下、このように構成された本発明に係る排気空燃比制御装置の作用を説明する。
本実施例の排気空燃比制御装置では、三元触媒３０の能力を十分発揮するために、通常運転時には、ＥＣＵ４０によってストイキオを境界として排気空燃比をリッチ側とリーン側とに周期的に変動させる強制変調を実施している。つまり、ここでは、図３に示すように、排気空燃比を一定期間に亘りリッチ空燃比とした後に一定期間に亘ってリーン空燃比とし、この処理を繰り返してリッチ空燃比とリーン空燃比の間で周期的に切換えて、排気空燃比を矩形波の波形で変調させている。
【００２６】
これにより、排気空燃比がリーン空燃比のときにはＨＣ、ＣＯが良好に浄化されるとともに三元触媒３０のＯ₂ストレージ機能によりＯ₂が吸蔵され、排気空燃比がリッチ空燃比のときにはＮＯxが良好に浄化されるとともに吸蔵されたＯ₂によってＨＣ、ＣＯが継続的に浄化され続ける。
本実施形態では、排気空燃比の強制変調を実行するために開ループ変調と閉ループ変調とを併用しており、以下、その詳細を説明する。
【００２７】
ＥＣＵ４０は図２に示す排気空燃比変調ルーチンを所定の制御インターバルで実行し、まず、ステップＳ２で排気空燃比をリッチ側に変調させるべきリッチ期間か否かを判定する。判定がＹＥＳ（肯定）のときにはステップＳ４に移行して、排気空燃比をリッチ側に変調させるための開ループ変調を実行する。即ち、図３に示すように、強制変調時の排気空燃比はストイキオを基準としてリッチ側に変動量α、リーン側に変動量βで変調されるが、ステップＳ４ではリッチ側への空燃比変動量αに相当する燃料量を基本燃料噴射量に加算し、加算後の燃料噴射量を燃料噴射制御に適用する（開ループ変調手段）。
【００２８】
ＥＣＵ４０は続くステップＳ６で、排気空燃比のリーン側からリッチ側への変調後に、所定のリッチ閉ループ禁止時間ＴRが経過したか否かを判定する。判定がＮＯ（否定）のときにはルーチンを終了し、リッチ閉ループ禁止時間ＴRの経過によりステップＳ６の判定がＹＥＳになると、ステップＳ８で排気空燃比のリッチ側への制御において閉ループ変調を実行する（変調制御手段）。
【００２９】
閉ループ変調では、上記した空燃比変動量αに相当する燃料噴射量の増加補正を継続する一方、エンジン１の運転状態から求めた目標空燃比に基づいてリニア空燃比センサ２４の出力電圧から求めた実空燃比をフィードバック制御する。即ち、目標空燃比と実空燃比との偏差から求めたＦ／Ｂ補正量により燃料噴射量を補正することで、実空燃比を目標空燃比に収束させる（閉ループ変調手段）。
【００３０】
一方、リッチ期間ＴRが経過して、排気空燃比をリーン側に変調させるべきリーン期間になると、ＥＣＵ４０は上記ステップＳ２でＮＯの判定を下し、ステップＳ１０で排気空燃比をリーン側に変調させるための開ループ変調を実行し、リーン側への空燃比変動量βに相当する燃料量を基本燃料噴射量から減算し、減算後の燃料噴射量を燃料噴射制御に適用する（開ループ変調手段）。
【００３１】
所定のリーン閉ループ禁止時間ＴLの経過により、続くステップＳ１２の判定がＹＥＳになると、ステップＳ１４で排気空燃比のリーン側への制御において閉ループ変調を実行し（変調制御手段）、空燃比変動量βに相当する燃料噴射量の減少補正を継続する一方、目標空燃比に基づいて実空燃比をフィードバック制御する（閉ループ変調手段）。
【００３２】
なお、リッチ側とリーン側の空燃比変動量α，βは、三元触媒３０のＯ₂ストレージ機能が良好に発揮される値とすることが望ましく、双方の値は同一値でも異なる値でもよい。
また、リッチ閉ループ禁止時間ＴRとリーン閉ループ禁止時間ＴLは、図３に破線で示すように、リッチ側やリーン側への排気空燃比の変調に対してリニア空燃比センサ２４の出力電圧が追従する過渡状態を経た後、出力電圧が変調後の排気空燃比に相当する値付近に平衡するまでの所要時間以上に設定されている。リッチ閉ループ禁止時間ＴRとリーン閉ループ禁止時間ＴLは同一値でもよいし、センサ応答特性がリッチ側とリーン側で異なる場合には、それぞれの特性に対応して異なる値に設定してもよい。
【００３３】
そして、リッチ閉ループ禁止時間ＴRとリーン閉ループ禁止時間ＴLが適切に設定されることで、リニア空燃比センサ２４の出力電圧が過渡状態にあるときには、閉ループ変調によるフィードバック制御が禁止されるため、過渡状態にある不適切なリニア空燃比センサ２４の出力電圧に基づいて閉ループ変調のフィードバック制御が行われる事態が未然に防止される。その結果、平衡後の正確なリニア空燃比センサ２４の出力電圧に基づいて、閉ループ変調により高い精度で強制変調が実施される。
【００３４】
以上のＥＣＵ４０の制御により、図３に示すように内燃機関の排気空燃比はリッチ期間に亘ってリッチ空燃比（ストイキオ−α）に保たれた後、リーン期間に亘ってリーン空燃比（ストイキオ＋β）に保たれ、この処理が繰り返されることによりリッチ側とリーン側との間で周期的に切換えられる。
そして、排気空燃比のリッチ側或いはリーン側への切換は開ループ変調により行われ、閉ループ禁止時間ＴR,ＴLが経過した後に閉ループ変調が実行される。開ループ変調では、予め設定された空燃比変動量α，βに相当する燃料量により燃料噴射量が一義的に補正されるため、閉ループ変調で発生する不具合、つまり、ガス移送時間やセンサ応答遅れ等に起因して排気空燃比が過補正されたときのオーバシュート、或いはオーバシュート対策として制御ゲインを縮小したときの排気空燃比の収束遅れ等を発生することなく、排気空燃比が瞬時にリッチ側或いはリーン側の所定の空燃比に切換えられる。よって、ＨＣやＣＯ増加、点火プラグ４の燻りや失火、ドライバビリティの悪化等のような閉ループ変調による弊害を未然に防止することができる。
【００３５】
また、その後の閉ループ変調では、実空燃比が目標空燃比にフィードバック制御されるため、吸気量の検出誤差や燃料噴射弁６の特性バラツキ等に影響されることなく、排気空燃比は目標空燃比に的確に収束し、もって強制変調の精度を向上させることができる。
一方、上記のように排気空燃比のオーバシュートや収束遅れが防止されることで、排気空燃比は触媒浄化の促進に好適な矩形波に近似する波形で変調される。その結果、三元触媒３０のＯ₂ストレージ機能を最大限に活かしてＨＣ、ＣＯ、ＮＯxを良好に浄化でき、高い浄化性能を発揮させることができる。
【００３６】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、筒内噴射型のエンジン１の排気空燃比制御装置に具体化して、三元触媒３０の浄化性能を向上させるために排気空燃比の強制変調を実施したが、対象となるエンジンの種別や強制変調の目的はこれに限ることはない。例えば吸気管噴射型エンジンに適用してもよいし、或いは、三元触媒３０等のように排気管２０に設けられた触媒の劣化判定に強制変調を利用してもよい。
【００３７】
以下、触媒の劣化判定に用いた場合について簡単に述べると、触媒の劣化は、排気空燃比の強制変調に対応して、触媒下流に設けた図示しないリニア空燃比センサの出力電圧（即ち、触媒下流の排気空燃比）が変動したときの変動幅に基づいて判定される。上記実施形態で述べたように触媒上流の排気空燃比が矩形波に近似すると、リニア空燃比センサの出力電圧も矩形波に近づくため、その変動幅を検出し易くなる。従って、一般的な強制変調に比較して触媒の劣化判定を的確に実施することができる。
【００３８】
また、上記実施形態では、空燃比変調の波形を矩形波としたが、これに限るものではなく、例えば台形波であってもよく、矩形波、台形波或いはこれら組合せに近い任意の波形でもよい。また、開ループ変調手段による変調幅と閉ループ変調手段による変調幅は同一であってもよいし、異なる値であってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気空燃比制御装置によれば、閉ループ変調により排気空燃比を高い精度で強制変調できるとともに、閉ループ変調に起因するオーバシュートや収束遅れを防止して、これらの要因による種々の弊害を未然に防止することができる。
【００４０】
更に、請求項１の発明の内燃機関の排気空燃比制御装置は、過渡状態にある不適切な空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御を防止して、閉ループ変調手段による高い精度の強制変調を確実に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る排気空燃比制御装置の概略構成図である。
【図２】ＥＣＵが実行する排気空燃比変調ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】実施形態の強制変調の実行状態を示すタイムチャートである。
【図４】従来技術の強制変調の実行状態を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１エンジン
２０排気管（排気通路）
２４空燃比センサ（空燃比検出手段）
３０三元触媒
４０ＥＣＵ（開ループ変調手段、閉ループ変調手段、変調制御手段）

Claims

内燃機関の排気通路に触媒を設け、該内燃機関の排気空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比との間で一定の周期および所定の振幅で変調させる内燃機関の排気空燃比制御装置において、
上記内燃機関の燃料噴射量を増加補正または減少補正して、該内燃機関の排気空燃比を上記リッチ空燃比またはリーン空燃比に変調させる開ループ変調手段と、
上記排気通路における上記触媒の上流側に設けられた空燃比検出手段と、
上記内燃機関の燃料噴射量を増加補正または減少補正するとともに、上記リッチ空燃比またはリーン空燃比を目標値として上記空燃比検出手段の出力に基づいて上記排気空燃比をフィードバック制御する閉ループ変調手段と、
上記リッチ空燃比とリーン空燃比との間で上記排気空燃比を変調させるときに、該排気空燃比を上記開ループ変調手段により所定時間変調した後、上記閉ループ変調手段によりフィードバック制御するように、上記開ループ変調手段と上記閉ループ変調手段とを作動させる変調制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気空燃比制御装置。