JP4072412B2

JP4072412B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP4072412B2
Application number: JP2002288816A
Authority: JP
Inventors: 秀和吉澤; 重男大隈
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: JP2004124790A

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し、詳しくは、空燃比センサの検出空燃比を補正する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に介装された三元触媒等の排気浄化用触媒（以下、触媒という）への酸素ストレージ量が多すぎると、排気中のＮＯｘに対する還元処理性能が低下し、酸素蓄積量が少なすぎると、排気中のＨＣ、ＣＯに対する酸化処理性能が低下する。このため、触媒の上流側に設けた空燃比センサの出力に基づいて触媒の酸素ストレージ量を推定し、この酸素ストレージ量が目標酸素ストレージ量となるように空燃比制御するようにした技術がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３１４３４２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように空燃比制御を行うものにあっては、部品バラツキや経時劣化等によって前記空燃比センサの出力特性にずれが生じると、触媒の酸素ストレージ量の推定誤差が大きくなってしまい、排気浄化性能を維持できなくなるおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、空燃比センサの出力特性のずれを修正し、空燃比を精度よく検出できる内燃機関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、本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置は、機関の排気通路に介装され、酸素ストレージ機能を有する触媒と、前記触媒の上流側に設けられ、空燃比に対して出力がリニアに変化する第１空燃比センサと、前記触媒の下流側に設けられ、理論空燃比近傍で出力が急変する第２空燃比センサと、目標空燃比を設定し、該目標空燃比と前記第１空燃比センサの検出空燃比とに基づいて空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、前記空燃比フィードバック制御手段による空燃比フィードバック制御が実行中で、かつ、前記触媒が未活性であるときに、前記目標空燃比にかかわらず、実空燃比が理論空燃比となるように制御し、前記第２空燃比センサの出力を基準として前記第１空燃比センサの検出空燃比を補正するための補正量を算出する補正量算出手段と、を含んで構成され、前記空燃比フォードバック制御手段は、前記触媒が活性状態にあるときには、前記第１空燃比センサの検出空燃比を前記補正量で補正した補正後空燃比に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量を算出し、算出した酸素ストレージ量に基づいて目標空燃比を設定することを特徴とする。
【０００７】
このようにすれば、空燃比制御における目標空燃比が理論空燃比以外に設定されているときでも、実空燃比を理論空燃比へと制御したうえで、熱等による影響が少なく、この理論空燃比を精度よくかつ安定して検出できる第２空燃比センサの出力（検出空燃比）を基準として第１空燃比センサの出力特性のずれを修正するための（検出空燃比を補正するための）補正量を算出することができる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、前記第２空燃比センサの出力を空燃比に変換した触媒下流側空燃比と理論空燃比との偏差と、前記目標空燃比と理論空燃比との偏差と、に基づいて前記補正量を算出するようにした。
このようにすれば、目標空燃比がどのように設定されていても、第１空燃比センサの検出空燃比に基づく空燃比制御が触媒上流側空燃比を理論空燃比へと制御することになり、この状態において第２空燃比センサの検出空燃比が理論空燃比でないときは、第１空燃比センサの出力特性がずれているとして、前記第２空燃比センサの検出空燃比と理論空燃比との偏差に基づいて、前記第２空燃比センサの検出空燃比が理論空燃比となるように前記第１空燃比センサの検出空燃比が修正（補正）される。
【０００９】
これにより、空燃比制御における目標空燃比が理論空燃比以外に設定されているときでも、理論空燃比を基準として第１空燃比センサの出力特性のずれを修正するための（検出空燃比を補正するための）補正量を算出することができる。
請求項３に係る発明は、第２空燃比センサの出力が理論空燃比相当値を含む所定範囲内となるまで前記補正量を変化させるようにした。
【００１０】
このようにすれば、第１空燃比センサの検出空燃比の補正が徐々に行われることになるので、過補正を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンのシステム構成図である。図１において、エンジン１の吸気通路２には、吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ３が設けられ、吸入空気量Ｑａはスロットルバルブ４により制御される。
【００１２】
吸気マニホールド５に設けられた燃料噴射弁６は、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）２０からの噴射信号によって開弁駆動され、燃料を噴射供給する。
エンジン１の燃焼室７には火花点火を行う点火栓８が設けられており、吸気バルブ９を介して吸入された混合気を火花点火によって着火する。燃焼排気は、排気バルブ１０、排気マニホールド１１を介して排気通路１２に排出され、三元触媒１３、マフラー１４を通過した後、大気中の放出される。
【００１３】
前記三元触媒１３は、酸素ストレージ能力を有し、排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときに酸素を吸着し、理論空燃比よりリッチのときに酸素を脱離しつつ、理論空燃比近傍で排気中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元して他の無害な成分（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂、Ｎ₂）に転換する。
また、前記三元触媒１３の上流側には、空燃比に対して出力がリニアに変化する、いわゆる広域型酸素濃度センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）１５が設けられており、三元触媒１３の下流側には、理論空燃比近傍で出力値が急変するストイキ型の酸素濃度センサ（以下、Ｏ₂センサという）１６が設けられている。
【００１４】
コントロールユニット２０には、前記エアフローメータ３、Ａ／Ｆセンサ１５及びＯ₂センサ１６の他、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ（クランク角センサ）１７、エンジン冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１８、三元触媒１３の温度を検出する温度センサ１９等の各種センサからの検出信号が入力される。
【００１５】
そして、コントロールユニット２０は、前記三元触媒１３が未活性状態にあるときは、その活性化促進等を図るために所定の目標空燃比ＴＧＬＭＤを設定し、前記Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比が目標空燃比ＴＧＬＭＤとなるように空燃比をフィードバック制御（以下、触媒活性前の空燃比フィードバック制御という）すると共に、前記Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比を補正するための補正量ＣＯＬＤＨＯＳを算出する（図２、３参照）。
【００１６】
一方、前記三元触媒１３が活性状態にあるときは、その目標酸素ストレージ量を設定し、酸素ストレージ量が前記目標酸素ストレージ量となるように空燃比をフィードバック制御（以下、酸素ストレージ量に基づく空燃比フィードバック制御という）する（図５参照）。
図２は、前記触媒活性前の空燃比フィードバック制御を示すフローチャートである。図２において、ステップ１（図中Ｓ１と記す。以下同じ）では、前記各種センサの検出信号を読み込む。
【００１７】
ステップ２では、触媒活性前の空燃比フィードバック制御の実行許可条件を判定する。具体的には、前記Ａ／Ｆセンサ１５が活性状態であること、前記三元触媒１３が未活性状態であること等、を実行許可条件とする。なお、Ａ／Ｆセンサ１５が活性状態にあるか否かは、例えば、始動後の経過時間により判定し、三元触媒１３が未活性状態にあるか否かは、例えば、温度センサ１９により検出される触媒温度により判定する。
【００１８】
ステップ３では、目標空燃比ＴＧＬＭＤを設定する。なお、本実施形態において、かかる目標空燃比ＴＧＬＭＤは、前記三元触媒１３の活性化を促進等するために、まず理論空燃比（λ＝１）よりもリッチな値が設定され、時間の経過と共に徐々に理論空燃比に近づくようになっている（図４参照）。
ステップ４では、前記エアフローメータ３からの信号に基づいて検出される吸入空気流量Ｑａと、前記回転センサ１７からの信号に基づいて検出されるエンジン回転速度Ｎｅとから、次式のようにして理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｔｐを算出する。
【００１９】
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）
ステップ５では、次式のようにして最終的な燃料噴射量Ｔｉを算出する。
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＧＬＭＤ×α（αは空燃比フィードバック補正係数）
そして、コントロールユニット２０は、算出された燃料噴射量Ｔｉに相当する噴射パルス信号をエンジン回転に同期した所定のタイミングで燃料噴射弁６に出力し、燃料噴射を実行する。
【００２０】
図３は、Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比を補正するための補正量ＣＯＬＤＨＯＳを算出するフローチャートである。
このフローは、前記三元触媒１３の下流側に設けられるＯ₂センサ１６が、上流側に設けられるＡ／Ｆセンサ１５に比べて熱等による影響が少なく、また、理論空燃比を精度よくかつ安定して検出できることから、前記目標空燃比ＴＧＬＭＤにかかわらず実空燃比を理論空燃比へと変化させ、このときのＯ₂センサ１６の出力（検出空燃比）を基準として前記Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比を補正するための補正量ＣＯＬＤＨＯＳを算出するものである。
【００２１】
図３において、ステップ１１では、前記補正量ＣＯＬＤＨＯＳ算出の許可条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、前記Ａ／Ｆセンサ１５及び前記Ｏ₂センサ１６が活性状態にあること、触媒活性前の空燃比フィードバック制御が実行中であること等を、許可条件とする。
ステップ１２では、前記三元触媒１３の下流側の空燃比（触媒下流側空燃比）ＦＬＴＯ２ＡＦＬを検出する。具体的には、あらかじめ設定したテーブルを補間計算付きで参照することで、前記Ｏ₂センサ１６の出力電圧ＦＬＴＯ２を空燃比に変換する（Ａ／Ｆ値化する）。
【００２２】
ステップ１３では、前記触媒下流側空燃比ＦＬＴＯ２ＡＦＬと理論空燃比との偏差（以下、これを第１の偏差という）ＦＬＴＯ２ＥＲＲ（＝ＦＬＴＯ２ＡＦＬ−１）を算出する。
ステップ１４では、前記第１の偏差ＦＬＴＯ２ＥＲＲに基づく比例積分制御によって前記Ａ／Ｆセンサ１５のシフト補正量ＳＦＴＨＯＳを算出する。具体的には、比例（Ｐ分）ゲインＡＦＳＨＳＰＧ及び積分（Ｉ分）ゲインＡＦＳＨＳＩＧに基づいて、次式のようにしてシフト補正量ＳＦＴＨＯＳを算出する。
【００２３】
ＳＦＴＨＯＳ＝ＡＦＳＨＳＰＧ×ＦＬＴＯ２ＥＲＲ＋Σ（ＡＦＳＨＳＩＧ×ＦＬＴＯ２ＥＲＲ）
ここで、前記比例ゲインＡＦＳＨＳＰＧ及び積分ゲインＡＦＳＨＳＩＧは、それぞれ前記Ｏ₂センサ１６の出力電圧ＦＬＴＯ２に基づいて、あらかじめ設定したテーブルを補間計算付きで参照することにより設定する。
【００２４】
ステップ１５では、前記目標空燃比ＴＧＬＭＤと理論空燃比（λ＝１）との偏差ＤＬＴＴＧ（＝ＴＧＬＭＤ−１）を算出する。
ステップ１６では、前記シフト補正量ＳＦＴＨＯＳから前記第２の偏差ＤＬＴＴＧを減算して、Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比を補正するための補正量ＣＯＬＤＨＯＳ（＝ＳＦＴＨＯＳ−ＤＬＴＴＧ）を算出する。
【００２５】
ステップ１７では、前記補正量ＣＯＬＤＨＯＳにより前記Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比を補正する。
そして、ステップ１８において、前記補正量ＣＯＬＤＨＯＳ算出の終了条件が成立するまで、前記ステップ２〜１７までの処理を繰り返す。なお、前記終了条件は、前記Ｏ₂センサ１６の出力電圧が理論空燃比相当値を含む所定範囲内（例えば、６００〜６５０ｍＶ）であること及びその状態が所定時間継続したことである。前記終了条件が成立した場合は、ステップ１９に進み、前記補正量ＣＯＬＤＨＯＳをメモリに格納する。
【００２６】
前記第２の偏差ＤＬＴＴＧによって、目標空燃比ＴＧＬＭＤにかかわらず、前記Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比に基づく空燃比制御が、触媒上流側空燃比を理論空燃比へと制御することになる一方、この状態において前記Ｏ₂センサ１６の検出空燃比が理論空燃比でないときは、前記Ａ／Ｆセンサ１５の出力特性にずれが生じていると判断できることから、このずれを補正するように前記シフト補正量ＳＦＴＨＯＳが算出される。
【００２７】
従って、前記終了条件が成立するまで前記ステップ２〜１７までの処理を繰り返すことにより、空燃比制御における目標空燃比ＴＧＬＭＤにかかわらず、実空燃比を理論空燃比に制御して、理論空燃比を精度よくかつ安定して検出できるＯ₂センサ１６の出力を基準として前記Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比を補正できることになる。
【００２８】
一方、前記補正量ＣＯＬＤＨＯＳ算出の許可条件が成立していない場合（ステップ１１）及び前記補正量ＣＯＬＤＨＯＳ算出の終了条件の成立前に触媒活性化時間が経過した場合（ステップ２０）は、前記補正量ＣＯＬＤＨＯＳを０として終了する（ステップ２１）。なお、図４は、以上説明した補正量ＣＯＬＤＨＯＳの算出のタイミングチャートである。
【００２９】
図５は、前記三元触媒１３の酸素ストレージ量に基づく空燃比フィードバック制御（ＯＳＣ制御）を示すフローチャートである。
図５において、ステップ３１では、前記各種センサの検出信号を読み込む。
ステップ３２では、酸素ストレージ量に基づく空燃比フィードバック制御の実行許可条件を判定する。具体的には、前記Ａ／Ｆセンサ１５等に故障がないこと、前記三元触媒１３が活性状態にあること等、を実行許可条件とする。
【００３０】
ステップ３３では、前記Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比に前記補正量ＣＯＬＤＨＯＳを加算して触媒上流側の実空燃比λｒを検出する。
ステップ３４では、前記三元触媒１３の酸素ストレージ量Ｏｓを次式により算出する。
Ｏｓ＝（λｒ−１）×Ｑａ×ｏｓ＋Ｏｓ０
ただし、Ｑａ：吸入空気量、ｏｓ：酸素吸着／脱離速度（λｒ＞１のときｏｓ＝ｏｓｓ＞０、λｒ＜１のときｏｓ＝ｏｐｓ＜０）、Ｏｓ０：酸素ストレージ量の前回算出値
ステップ３５では、算出した酸素ストレージ量Ｏｓと目標酸素ストレージ量ＯＳＣとの偏差ΔＯｓ（＝Ｏｓ−ＯＳＣ）を算出する。なお、前記目標酸素ストレージ量ＯＳＣは、通常、最大酸素ストレージ量の５０％として設定されるが、運転状態に応じて設定するようにしてもよい。
【００３１】
ステップ３６では、前記偏差ΔＯｓに基づく所定の処理（例えば、比例積分微分制御）によって触媒上流側の目標空燃比λｔを算出する。
ここで、前記三元触媒１３の酸素ストレージ量の算出値Ｏｓが目標酸素蓄積量ＯＳＣより大きいとき（ΔＯｓ＜０）は、目標空燃比λｔはリッチとなり、算出値Ｏｓが目標酸素蓄積量ＯＳＣより小さいとき（ΔＯｓ＞０）は、目標空燃比λｔはリーンとなる。
【００３２】
ステップ３７では、理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｔｐ（＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ）に前記目標空燃比λｔを乗算して燃料噴射量Ｔｉ（Ｔｐ×λｔ）を算出する。そして、コントロールユニット２０は、算出された燃料噴射量Ｔｉに相当する噴射パルス信号をエンジン回転に同期した所定のタイミングで燃料噴射弁６に出力し、燃料噴射を実行する。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、三元触媒１３が未活性状態において、Ａ／Ｆセンサ１５の検出空燃比を補正するため（出力特性のずれを修正するため）の補正量ＣＯＬＤＨＯＳを算出するので、三元触媒１３の活性化後に実行される酸素ストレージ量に基づく空燃比フィードバック制御において、三元触媒１３の酸素ストレージ量を精度よく推定することができ、もって、排気浄化性能を高く維持することができる。
【００３４】
なお、本実施形態においては、三元触媒１３の下流側には、理論空燃比近傍で出力値が急変するストイキ型の酸素濃度センサ（Ｏ₂センサ）を設けているが、これに限定するものではなく、上流側と同様に、空燃比に対して出力がリニアに変化する、いわゆる広域型酸素濃度センサ（Ａ／Ｆセンサ）を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジンのシステム構成図。
【図２】触媒活性前の空燃比制御を示すフローチャート。
【図３】検出空燃比の補正量ＣＯＬＤＨＯＳの算出を示すフローチャート。
【図４】検出空燃比の補正量ＣＯＬＤＨＯＳの算出を示すタイミングチャート。
【図５】酸素ストレージ量に基づく空燃比制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジン、３…エアフローメータ、６…燃料噴射弁、１２…排気通路、１３…三元触媒、１５…Ａ／Ｆセンサ、１６…Ｏ₂センサ、２０…コントロー
ルユニット

Claims

機関の排気通路に介装され、酸素ストレージ機能を有する触媒と、
前記触媒の上流側に設けられ、空燃比に対して出力がリニアに変化する第１空燃比センサと、
前記触媒の下流側に設けられ、理論空燃比近傍で出力が急変する第２空燃比センサと、
目標空燃比を設定し、該目標空燃比と前記第１空燃比センサの検出空燃比とに基づいて空燃比をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御手段と、
前記空燃比フィードバック制御手段による空燃比フィードバック制御が実行中で、かつ、前記触媒が未活性であるときに、前記目標空燃比にかかわらず、実空燃比が理論空燃比となるよう制御し、前記第２空燃比センサの出力を基準として前記第１空燃比センサの検出空燃比を補正するための補正量を算出する補正量算出手段と、
を含んで構成され、
前記空燃比フィードバック制御手段は、前記触媒が活性状態にあるときには、前記第１空燃比センサの検出空燃比を前記補正量で補正した補正後空燃比に基づいて前記触媒の酸素ストレージ量を算出し、算出した酸素ストレージ量に基づいて目標空燃比を設定することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
前記補正量算出手段は、前記第２空燃比センサの出力を空燃比に変換した触媒下流側空燃比と理論空燃比との偏差と、前記目標空燃比と理論空燃比との偏差と、に基づいて前記補正量を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
前記補正量算出手段は、第２空燃比センサの出力が理論空燃比相当値を含む所定範囲内となるまで前記補正量を変化させていくことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置。