JP4269281B2 - Air-fuel ratio control device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置にかかり、特に空燃比センサにより検出される空燃比に基づいて空燃比フィードバック(F/B)制御を実施する空燃比制御装置に関するものである。 The present invention relates to an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to an air-fuel ratio control apparatus that performs air-fuel ratio feedback (F / B) control based on an air-fuel ratio detected by an air-fuel ratio sensor.
内燃機関の空燃比制御装置として、内燃機関の排気通路に配置した排気浄化用触媒装置の上流側と下流側とに各々空燃比センサを配置し、それら各空燃比センサの検出信号を用いて空燃比を制御し良好な排気浄化特性を得ようとする技術が知られている(例えば特許文献1参照)。また、内燃機関の排気通路において上流側及び下流側に並べて第1触媒装置と第2触媒装置とを配置すると共に、第1触媒装置の上流側及び下流側にそれぞれ第1空燃比センサ及び第2空燃比センサを配置し、これら第1,第2空燃比センサの検出値を用いて空燃比を制御し良好な排気浄化特性を得ようとする技術が知られている(例えば特許文献2参照)。 As an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine, air-fuel ratio sensors are respectively arranged on the upstream side and the downstream side of an exhaust purification catalyst device arranged in the exhaust passage of the internal combustion engine, and the air-fuel ratio sensor uses the detection signal of each air-fuel ratio sensor. A technique for controlling the fuel ratio and obtaining good exhaust gas purification characteristics is known (see, for example, Patent Document 1). In addition, the first catalyst device and the second catalyst device are arranged side by side on the upstream side and the downstream side in the exhaust passage of the internal combustion engine, and the first air-fuel ratio sensor and the second catalyst device are respectively provided on the upstream side and the downstream side of the first catalyst device. A technique is known in which an air-fuel ratio sensor is disposed and the air-fuel ratio is controlled using the detection values of the first and second air-fuel ratio sensors to obtain good exhaust purification characteristics (see, for example, Patent Document 2). .
しかしながら、上記特許文献1の技術では、単一の触媒装置にて十分な排気浄化効果を得るには触媒装置の大型化が不可欠であり、その触媒装置を挟んで上流側及び下流側に空燃比センサを配置する構成であるために制御の応答性が不十分になるおそれがあった。また、上記特許文献2の技術では、最終的な触媒装置(最下流触媒)から排出される排気を監視することができないため、排気エミッションを悪化させるおそれがあった。
However, in the technique of
また、上記の如く触媒装置を挟んで2つの空燃比センサを配置する構成において、高い排気浄化特性を維持するためには、下流側センサの検出信号を用いたフィードバック制御の応答性を高める必要があり、当該フィードバック制御において高周波帯域での制御ゲインを高くしなければならない。この場合、上流側センサの検出信号を用いたフィードバック制御は、元々高周波数帯域での制御ゲインが高いものとなっている。そのため、上流側センサの検出信号に基づくフィードバック制御と、下流側センサの検出信号に基づくフィードバック制御とが干渉してしまい、結果として排気エミッションが悪化する等の不都合を招くおそれがあった。 Further, in the configuration in which the two air-fuel ratio sensors are arranged with the catalyst device interposed as described above, it is necessary to improve the responsiveness of the feedback control using the detection signal of the downstream sensor in order to maintain high exhaust purification characteristics. There is a need to increase the control gain in the high frequency band in the feedback control. In this case, the feedback control using the detection signal of the upstream sensor originally has a high control gain in the high frequency band. Therefore, the feedback control based on the detection signal of the upstream sensor and the feedback control based on the detection signal of the downstream sensor interfere with each other, and as a result, there is a possibility that inconveniences such as deterioration of exhaust emission may occur.
また更に、内燃機関の排気通路において上流側及び下流側に並べて第1触媒装置と第2触媒装置とを配置すると共に、第1触媒装置の上流側、第1,第2触媒装置の間、第2触媒装置の下流側にそれぞれ第1,第2,第3空燃比センサを配置し、第1空燃比センサの出力に基づいて混合気の空燃比が目標空燃比になるようF/B制御を実施する第1のF/B制御手段と、第2空燃比センサの出力に基づいて第1のF/B制御定数を算出する第2のF/B制御手段と、第3空燃比センサの出力に基づいて第2のF/B制御定数を算出する第3のF/B制御手段とを備えた技術が知られている(例えば特許文献3参照)。これにより、最終的な排気特性が改善されるもとしていた。 Furthermore, the first catalytic device and the second catalytic device are arranged side by side on the upstream side and the downstream side in the exhaust passage of the internal combustion engine, and the upstream side of the first catalytic device, between the first and second catalytic devices, The first, second and third air-fuel ratio sensors are respectively arranged downstream of the two catalyst devices, and the F / B control is performed so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture becomes the target air-fuel ratio based on the output of the first air-fuel ratio sensor. First F / B control means to be implemented, second F / B control means for calculating the first F / B control constant based on the output of the second air-fuel ratio sensor, and the output of the third air-fuel ratio sensor There is known a technique including a third F / B control means for calculating a second F / B control constant based on (see, for example, Patent Document 3). As a result, the final exhaust characteristics are supposed to be improved.
しかしながら、上記特許文献3の技術は、3重のF/B制御を実施するものであるため、制御構成が煩雑化するといった問題があった。また、触媒装置の下流側における応答遅れ等に起因して第2のF/B制御と第3のF/B制御とが干渉してしまい、制御が不安定になるという問題もあった。つまり、例えば小刻みな空燃比変動が生じる場合等では、第2空燃比センサ出力がリッチ、第3空燃比センサ出力がリーンとなる状態も考えられ、かかる状態下では、第2,第3のF/B制御が干渉し、制御の安定性が低下するおそれがあった。故に、未だ改善の余地が残されていた。
本発明は、制御構成の簡素化を図り、しかも応答性や排気エミッションの適正化を実現することができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを主たる目的とするものである。 The main object of the present invention is to provide an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine that can simplify the control configuration and can realize responsiveness and optimization of exhaust emission.
請求項1に記載の発明では、フィードバック制御手段により、第1センサと第2センサで各々検出される空燃比に基づいて一つの制御パラメータが算出され、該制御パラメータに基づいてフィードバック制御が実施される。本構成によれば、触媒装置の前後に空燃比検出用の2つのセンサを設けた構成において、第1,第2センサの各検出値がひとまとめにして扱われるため、多重のフィードバック制御を実施する従来技術とは異なり、制御構成の簡素化を図ることができる。また、多重のフィードバック制御が各々干渉するといった不都合が解消できる。その結果、応答性や排気エミッションの適正化を実現することができる。 In the first aspect of the invention, the feedback control means calculates one control parameter based on the air-fuel ratio detected by each of the first sensor and the second sensor, and feedback control is performed based on the control parameter. The According to this configuration, in the configuration in which two sensors for air-fuel ratio detection are provided before and after the catalyst device, the detection values of the first and second sensors are handled together, so that multiple feedback control is performed. Unlike the prior art, the control configuration can be simplified. Also, the inconvenience that multiple feedback controls interfere with each other can be solved. As a result, it is possible to realize responsiveness and optimization of exhaust emission.
特に、第1センサと第2センサで各々検出される空燃比に基づいて、前記制御パラメータとして各センサ間の仮想空燃比が算出され、該仮想空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御が実施される。この場合、空燃比検出用のセンサを2つ用いる構成であっても、フィードバック制御系を1つに集約できる。なお、第1,第2センサ間には触媒装置が配されるため、前記仮想空燃比は触媒内部空燃比であるとも言える。 In particular, based on the air-fuel ratios detected by the first sensor and the second sensor, the virtual air-fuel ratio between the sensors is calculated as the control parameter, and feedback control is performed so that the virtual air-fuel ratio becomes the target air-fuel ratio. To be implemented. In this case, even if the configuration uses two sensors for detecting the air-fuel ratio, the feedback control system can be integrated into one. Since the catalyst device is disposed between the first and second sensors, it can be said that the virtual air-fuel ratio is the catalyst internal air-fuel ratio.
請求項2に記載の発明では、第1センサにより検出される空燃比と第2センサにより検出される空燃比とに所定の重み付けが行われて前記制御パラメータが算出される。例えば、触媒装置での排気浄化が十分である場合、主に第1センサの検出値に基づいて制御パラメータを算出し、触媒装置での排気浄化が十分でない場合、主に第2センサの検出値に基づいて制御パラメータを算出することが考えられる。このことは第1,第2センサの各検出値に対する重み付けを適宜変更することで対応でき、適正なる応答性を維持しつつ、排気エミッションを良好に管理することが可能となる。 In a second aspect of the invention, the control parameter is calculated by performing predetermined weighting on the air-fuel ratio detected by the first sensor and the air-fuel ratio detected by the second sensor. For example, when exhaust gas purification by the catalyst device is sufficient, the control parameter is calculated mainly based on the detection value of the first sensor. When exhaust gas purification by the catalyst device is not sufficient, the detection value of the second sensor is mainly used. It is conceivable to calculate the control parameter based on the above. This can be dealt with by appropriately changing the weights for the detection values of the first and second sensors, and it becomes possible to manage the exhaust emission satisfactorily while maintaining appropriate responsiveness.
請求項3に記載の発明では、運転状態検出手段により検出される内燃機関の運転状態に基づいて、第1センサにより検出される空燃比と第2センサにより検出される空燃比とに対する重み付けが設定される。つまり、内燃機関の運転状態によって触媒装置の浄化特性(反応特性)が変化するが、本請求項3によれば、かかる変化に対応した良好なる空燃比制御が実現できる。ここで言う内燃機関の運転状態には、回転速度、吸入空気量、負荷、排気温度、排気流量、触媒温度、空燃比が含まれる。 In the invention according to claim 3 , weighting is set for the air-fuel ratio detected by the first sensor and the air-fuel ratio detected by the second sensor based on the operating condition of the internal combustion engine detected by the operating condition detecting means. Is done. That is, although the purification characteristic (reaction characteristic) of the catalyst device changes depending on the operating state of the internal combustion engine, according to the third aspect of the invention, good air-fuel ratio control corresponding to such change can be realized. The operating state of the internal combustion engine mentioned here includes rotational speed, intake air amount, load, exhaust temperature, exhaust flow rate, catalyst temperature, and air-fuel ratio.
ここで、排気流量に応じて上流側触媒装置の浄化特性が変化することが考えられる。そのため、請求項4に記載したように、排気流量検出手段により検出される排気流量に基づいて第1センサにより検出される空燃比と第2センサにより検出される空燃比とに対する重み付けが設定されると良い。より具体的には、請求項5に記載したように、排気流量が大きいほど、第1センサにより検出される空燃比に対する重み付けを小さくし、第2センサにより検出される空燃比に対する重み付けを大きくすると良い。 Here, it is conceivable that the purification characteristics of the upstream side catalyst device change according to the exhaust gas flow rate. Therefore, as described in claim 4 , weighting is set for the air-fuel ratio detected by the first sensor and the air-fuel ratio detected by the second sensor based on the exhaust flow rate detected by the exhaust flow rate detecting means. And good. More specifically, as described in claim 5 , the larger the exhaust gas flow rate, the smaller the weighting for the air-fuel ratio detected by the first sensor and the larger the weighting for the air-fuel ratio detected by the second sensor. good.
請求項6に記載の発明では、劣化検出手段により検出される触媒装置の劣化度合に基づいて第1センサにより検出される空燃比と第2センサにより検出される空燃比とに対する重み付けが設定される。つまり、触媒装置の劣化が進行すると当該触媒装置の浄化機能が低下するが、本請求項6によれば、触媒装置の劣化が進行したとしてもそれに対応した良好なる空燃比制御が実現できる。 In the sixth aspect of the invention, weighting is set for the air-fuel ratio detected by the first sensor and the air-fuel ratio detected by the second sensor based on the degree of deterioration of the catalyst device detected by the deterioration detecting means. . That is, as the deterioration of the catalyst device proceeds, the purification function of the catalyst device decreases. However, according to the sixth aspect , even if the deterioration of the catalyst device progresses, good air-fuel ratio control corresponding to the deterioration can be realized.
具体的には、請求項7に記載したように、触媒装置の劣化度合が大きいほど、第1センサにより検出される空燃比に対する重み付けを小さくし、第2センサにより検出される空燃比に対する重み付けを大きくすると良い。 Specifically, as described in claim 7 , the greater the degree of deterioration of the catalyst device, the smaller the weighting for the air-fuel ratio detected by the first sensor and the weighting for the air-fuel ratio detected by the second sensor. It is good to enlarge.
請求項8に記載の発明では、第1センサにより検出される空燃比を入力、第2センサにより検出される空燃比を出力としたモデルを用い、該モデルの状態推定器により入力から出力の間の状態量が推定されて前記制御パラメータとしての仮想空燃比が算出される。この場合、モデルを用いることで制御精度の向上を図ることができる。 In the invention according to claim 8 , a model is used in which the air-fuel ratio detected by the first sensor is input, and the air-fuel ratio detected by the second sensor is output, and the state estimator of the model determines the interval between input and output. And the virtual air-fuel ratio as the control parameter is calculated. In this case, control accuracy can be improved by using a model.
(第1の実施の形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、多気筒内燃機関である車載4気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築し、当該制御システムにおいてエンジン制御用電子制御ユニット(以下、エンジンECUという)を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図1を用いて本制御システムの主要な構成を説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an engine control system is constructed for an in-vehicle four-cylinder gasoline engine that is a multi-cylinder internal combustion engine, and the fuel injection amount is centered on an engine control electronic control unit (hereinafter referred to as engine ECU) in the control system. Control and ignition timing control are performed. First, the main configuration of the present control system will be described with reference to FIG.
図1において、エンジン10の吸気ポート近傍には気筒毎に電磁駆動式の燃料噴射弁11が取り付けられている。燃料噴射弁11からエンジン10の各気筒に燃料が噴射供給されると、各気筒の吸気ポートでは吸入空気と燃料噴射弁11による噴射燃料とが混合されて混合気が形成され、この混合気が吸気バルブ(図示略)の開放に伴い各気筒の燃焼室に導入されて燃焼に供される。
In FIG. 1, an electromagnetically driven
エンジン10で燃焼に供された混合気は、排気バルブ(図示略)の開放に伴い排気として排気マニホールド12及び排気管13を介して排出される。排気管13には、上流側及び下流側に2つの触媒装置15,16が配設されている。これら各触媒装置15,16は何れも排気中のCO,HC,NOx等を低減させる三元触媒等を有するものとして構成されている。以下、上流側の触媒装置15を上流側触媒、下流側の触媒装置16を下流側触媒とも言う。
The air-fuel mixture used for combustion in the
排気管13において上流側触媒15の上流側、上流側触媒15と下流側触媒16との間、下流側触媒16の下流側にはそれぞれ、第1空燃比センサ21、第2空燃比センサ22、第3空燃比センサ23が配設されている。第1空燃比センサ21は、排気中の酸素濃度を検出することにより広域の空燃比をリニアに検出する、いわゆるA/Fセンサにて構成され、第2,第3空燃比センサ22,23は、理論空燃比を境にリッチ側、リーン側で各々異なる起電力信号を出力する、いわゆるO2センサにて構成される。但しこれら触媒や空燃比センサの構成は一例に過ぎず、第1〜第3空燃比センサ21〜23を全てA/Fセンサ、又はO2センサにて構成する等、構成の変更は可能である。また、酸素濃度以外に排気中のNOx濃度も検出可能な複合型ガスセンサ(NOxセンサ)を用いることも可能である。
A first air-fuel ratio sensor 21, a second air-
図示は省略するが、本制御システムでは、前記空燃比センサ21〜23以外にも吸入空気量を検出するエアフロメータ、吸気管負圧を検出する吸気管負圧センサ、エンジン水温を検出する水温センサ、エンジンの所定クランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサなど各種センサが設けられており、各空燃比センサ21〜23の検出信号と同様、各種センサの検出信号もエンジンECU30に適宜入力されるようになっている。
Although not shown, in this control system, in addition to the air-fuel ratio sensors 21 to 23, an air flow meter that detects the intake air amount, an intake pipe negative pressure sensor that detects the intake pipe negative pressure, and a water temperature sensor that detects the engine water temperature Various sensors such as a crank angle sensor that outputs a crank angle signal at every predetermined crank angle of the engine are provided, and the detection signals of the various sensors are appropriately input to the
エンジンECU30は、各空燃比センサ21〜23の検出信号に基づいて空燃比F/B制御を実施する。なお以下の説明では、第1空燃比センサ21の検出信号を第1センサ出力、第2空燃比センサ22の検出信号を第2センサ出力、第3空燃比センサ23の検出信号を第3センサ出力とも言う。つまり、エンジンECU30は、F/B制御部31、サブF/B制御部32及びサブF/Bパラメータ算出部33を有しており、F/B制御部31では、第1センサ出力に基づいて実空燃比を求め、その実空燃比と目標空燃比との偏差に基づいてF/B制御を実施する。これが「第1フィードバック制御手段」に相当する。サブF/B制御部32では、後述するサブF/Bパラメータにより目標空燃比を補正する、いわゆるサブF/B制御を実施する。また、サブF/Bパラメータ算出部33では、第2センサ出力及び第3センサ出力に基づいて補正パラメータとしてのサブF/Bパラメータを算出する。サブF/B制御部32及びサブF/Bパラメータ算出部33が「第2フィードバック制御手段」に相当する。本実施の形態では、下流側触媒16の内部空燃比に対応する仮想センサ出力を求め、これをサブF/BパラメータとしてサブF/B制御に用いることとしている。具体的には、第2センサ出力、第3センサ出力に対する重み付け量(係数)k1,k2を設定し、各出力に重み付け量k1,k2を乗じて加算したものを仮想センサ出力として算出する。すなわち、
仮想センサ出力=k1×第2センサ出力+k2×第3センサ出力
としている。
The
Virtual sensor output = k1 × second sensor output + k2 × third sensor output.
重み付け量k1,k2の設定には、例えば図4(a),(b)の特性を用いる。図4(a)は、その都度の吸入空気量をパラメータとしてk1,k2を算出する場合の特性を表しており、吸入空気量が少ないほどk1の比率を大きく、逆にk2の比率を小さくしている。そして、吸入空気量が増えるにつれ、k1の比率を小さく、逆にk2の比率を大きくしている。これは、吸入空気量に応じて排気流量が相違し、ひいては上流側触媒15の浄化特性が変化することを考慮したものである。より具体的に説明すると、吸入空気量が比較的少なく排気流量が少ない場合には、上流側触媒15で排気が十分に浄化されるため、主に第2センサ出力に基づくサブF/B制御を実施することとし、吸入空気量の増加により排気流量が増加する場合には、上流側触媒15で排気浄化が十分に行えず未浄化の排気が上流側触媒15の下流側領域に流れるため、第3センサ出力の重み付けを大きくしてサブF/B制御を実施することとする。吸入空気量に代えて、エンジン回転数、負荷、排気流量をパラメータとして用いることが可能であり、更に排気温度、触媒温度、空燃比を加味して重み付け量を設定することも可能である。要は、排気流量が直接的又は間接的に検出できるものであればよい。
For example, the characteristics shown in FIGS. 4A and 4B are used for setting the weighting amounts k1 and k2. FIG. 4A shows characteristics when k1 and k2 are calculated using the intake air amount as a parameter in each case. The smaller the intake air amount, the larger the ratio of k1 and vice versa. ing. As the amount of intake air increases, the ratio of k1 is decreased, and conversely, the ratio of k2 is increased. This takes into account that the exhaust flow rate differs depending on the intake air amount, and consequently the purification characteristics of the
また、図4(b)は、上流側触媒15の劣化係数をパラメータとしてk1,k2を設定する場合の特性を表しており、劣化係数が小さいほど(すなわち劣化が進行していない場合ほど)k1の比率を大きく、逆にk2の比率を小さくしている。そして、劣化係数が大きくなるにつれ(すなわち劣化が進行するほど)k1の比率を小さく、逆にk2の比率を大きくしている。つまり、上流側触媒15の劣化が進行すると、当該触媒15の浄化機能が低下し、それに伴い未浄化の排気が上流側触媒15の下流側領域に流れることが考えられるため、第3センサ出力の重み付けを大きくしてサブF/B制御を実施することとしている。
FIG. 4B shows characteristics when k1 and k2 are set using the deterioration coefficient of the
図4(a),(b)の何れか一方のみを用いて重み付け量k1,k2を設定することもできるが、本実施の形態では両方を用いて最終的な重み付け量を設定することとしている。 Although the weighting amounts k1 and k2 can be set using only one of FIGS. 4A and 4B, in this embodiment, the final weighting amount is set using both. .
因みに、上流側触媒15の劣化係数は任意の劣化判定手法にて求められれば良く、ここでは詳細な説明は省略するが、例えば、周知のように触媒の上流側センサと下流側センサの各出力の周波数比や振幅比等に基づいて触媒劣化係数が求められる。
Incidentally, the deterioration coefficient of the
図2は、空燃比F/B制御を実現するための燃料噴射制御処理を示すフローチャートであり、本処理は所定の時間周期でエンジンECU30により実行される。
FIG. 2 is a flowchart showing a fuel injection control process for realizing the air-fuel ratio F / B control. This process is executed by the
図2において、先ずステップS101では、例えば基本噴射量マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷等の運転状態パラメータに基づいて基本燃料噴射量TPを算出する。続くステップS102では、空燃比F/Bの実行条件が成立しているか否かを判別する。かかる実行条件は、エンジン冷却水温が所定温度以上であること、エンジン運転状態が高回転・高負荷領域ではないこと等であり、これらの条件を全て満たしたときにF/B実行条件が成立する。実行条件不成立の場合、ステップS103に進み、空燃比補正係数FAFを1.0とする。この場合、空燃比のF/B補正は行われないこととなる。 In FIG. 2, first, in step S101, a basic fuel injection amount TP is calculated based on operating state parameters such as engine speed and load each time using, for example, a basic injection amount map. In the subsequent step S102, it is determined whether or not an execution condition for the air-fuel ratio F / B is satisfied. Such execution conditions include that the engine cooling water temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, and that the engine operating state is not in a high rotation / high load region. The F / B execution condition is satisfied when all of these conditions are satisfied. . If the execution condition is not satisfied, the process proceeds to step S103, and the air-fuel ratio correction coefficient FAF is set to 1.0. In this case, the air-fuel ratio F / B correction is not performed.
また、空燃比F/Bの実行条件成立の場合、ステップS104では目標空燃比λtgの算出処理を実行し、続くステップS105では、第1センサ出力に基づいて算出した実空燃比(上流側触媒15に流入する排気空燃比)と目標空燃比λtgとの偏差に応じて空燃比補正係数FAFを算出する。なお、空燃比補正係数FAFの算出には任意のF/B手法を用いることができ、例えばPID等、周知の手法を用いて空燃比補正係数FAFが算出される。
If the execution condition of the air-fuel ratio F / B is satisfied, the target air-fuel ratio λtg is calculated in step S104, and in the subsequent step S105, the actual air-fuel ratio (
空燃比補正係数FAFの算出後、ステップS106では、FAF以外の各種の補正係数FALL(例えば冷却水温補正係数、学習補正係数、加減速時の補正係数等)を算出すると共に、基本燃料噴射量TP、空燃比補正係数FAF及び他の各種補正係数FALLを用いて要求燃料噴射量TAUを算出し、その後本処理を終了する(TAU=TP×FAF×FALL)。 After calculating the air-fuel ratio correction coefficient FAF, in step S106, various correction coefficients FALL other than FAF (for example, a cooling water temperature correction coefficient, a learning correction coefficient, a correction coefficient during acceleration / deceleration, etc.) are calculated, and the basic fuel injection amount TP is calculated. Then, the required fuel injection amount TAU is calculated using the air-fuel ratio correction coefficient FAF and other various correction coefficients FALL, and then this process is terminated (TAU = TP × FAF × FALL).
次に、前記ステップS104における目標空燃比λtgの算出処理を図3に基づいて説明する。図3において、先ずステップS201では、例えばベース目標空燃比マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷に応じてベース目標空燃比λbaseを算出する。続くステップS202では、サブF/B制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。かかる実行条件は、第2,第3空燃比センサ22,23が共に活性状態にあること等を含む。実行条件不成立であればステップS203に進み、目標空燃比補正係数ktgを1.0とする。この場合、目標空燃比の補正は行われないこととなる。
Next, the calculation process of the target air-fuel ratio λtg in step S104 will be described with reference to FIG. In FIG. 3, first, in step S201, the base target air-fuel ratio λbase is calculated according to the engine speed and load each time, for example, using a base target air-fuel ratio map. In a succeeding step S202, it is determined whether or not an execution condition of the sub F / B control is satisfied. Such execution conditions include that both the second and third air-
また、サブF/Bの実行条件成立の場合、ステップS204では第2センサ出力及び第3センサ出力を取得し、続くステップS205ではサブF/Bパラメータとしての仮想センサ出力を算出する。このとき、前述したとおり第2,第3センサ出力に対する重み付け量k1,k2を設定すると共に、その重み付け量を乗じて加算することにより仮想センサ出力を算出する。その後、ステップS206では、前記算出した仮想センサ出力に対してガード処理を実施する。このガード処理により、予め定めた所定範囲から外れるような異常値が排除される。 If the sub F / B execution condition is satisfied, the second sensor output and the third sensor output are acquired in step S204, and the virtual sensor output as the sub F / B parameter is calculated in the subsequent step S205. At this time, as described above, the weighting amounts k1 and k2 for the second and third sensor outputs are set, and the virtual sensor output is calculated by multiplying and adding the weighting amounts. Thereafter, in step S206, a guard process is performed on the calculated virtual sensor output. This guard process eliminates abnormal values that deviate from a predetermined range.
ステップS207では、前記算出した仮想センサ出力と目標センサ出力(例えば0.45V)との偏差に基づいて目標空燃比補正係数ktgを算出する。このとき、例えばPID等、周知のF/B手法を用いて目標空燃比補正係数ktgが算出される。最後に、ステップS208では、ベース目標空燃比λbase及び目標空燃比補正係数ktgにより目標空燃比λtgを算出する(λtg=λbase×ktg)。 In step S207, a target air-fuel ratio correction coefficient ktg is calculated based on the deviation between the calculated virtual sensor output and the target sensor output (for example, 0.45V). At this time, the target air-fuel ratio correction coefficient ktg is calculated using a well-known F / B method such as PID. Finally, in step S208, the target air-fuel ratio λtg is calculated from the base target air-fuel ratio λbase and the target air-fuel ratio correction coefficient ktg (λtg = λbase × ktg).
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。 According to the embodiment described above in detail, the following excellent effects can be obtained.
第2,第3センサ出力に基づいて仮想センサ出力(補正パラメータ)を算出し、その仮想センサ出力をサブF/B制御に用いることにより、第2,第3センサ出力をひとまとめに扱うことができ、従来技術のように3重にF/B制御を実施する構成に比べて構成の簡素化を図ることができる。また、下流側触媒16前後の空燃比センサ出力(第2,第3センサ出力)を好適に用いて空燃比制御が実施できることから、応答性の改善を図りつつ、最終的な排気エミッションを良好な状態で保持することができるようになる。
By calculating the virtual sensor output (correction parameter) based on the second and third sensor outputs and using the virtual sensor output for sub F / B control, the second and third sensor outputs can be handled together. Thus, the configuration can be simplified as compared with the configuration in which the F / B control is performed in a triple manner as in the prior art. In addition, since the air-fuel ratio control can be performed by suitably using the air-fuel ratio sensor outputs (second and third sensor outputs) before and after the
仮想センサ出力の算出に用いる重み付け量k1,k2をエンジン運転状態や上流側触媒15の劣化状態に基づいて適宜設定する構成としたため、エンジン運転状態や上流側触媒15の劣化状態が変化したとしても、適正なる応答性を維持しつつ排気エミッションを良好に管理することが可能となる。この場合、長期にわたって排気エミッションが良好に管理できる。
Since the weighting amounts k1 and k2 used for calculating the virtual sensor output are appropriately set based on the engine operation state and the deterioration state of the
(第2の実施の形態)
上記実施の形態では、排気管13に上流側及び下流側の2つの触媒装置15,16を設け、それら各触媒装置15,16の前後に第1〜第3空燃比センサ21〜23を配置した制御システムについて説明したが、本実施の形態では、上流側触媒装置15の前後に2つの空燃比センサを配置した制御システムについて説明する。
(Second Embodiment)
In the above embodiment, the
図5は、本実施の形態における制御システムを示す構成図である。図5の構成は、前記図1の一部を変更したものであり、その構成を簡単に説明する。排気管13には上流側触媒15及び下流側触媒16が配設されており、上流側触媒15の上流側及び下流側にはそれぞれ、第1空燃比センサ21、第2空燃比センサ22が配設されている。前述のとおり第1空燃比センサ21は、広域の空燃比をリニアに検出する、いわゆるA/Fセンサであり、第2空燃比センサ22は、理論空燃比を境にリッチ側、リーン側で各々異なる起電力信号を出力する、いわゆるO2センサである。
FIG. 5 is a configuration diagram showing a control system in the present embodiment. The configuration of FIG. 5 is a modification of part of FIG. 1, and the configuration will be briefly described. The
エンジンECU30は、各空燃比センサ21,22の検出信号(第1センサ出力、第2センサ出力)に基づいて空燃比F/B制御を実施する。この場合、エンジンECU30は、仮想センサ出力算出部41とF/B制御部42とを備えている。仮想センサ出力算出部41は、各空燃比センサ21,22の検出信号を取り込み、これら検出信号に基づいて上流側触媒15の内部空燃比に対応する仮想センサ出力を算出する。F/B制御部42は、仮想センサ出力算出部41により算出した仮想センサ出力が目標空燃比に一致するよう空燃比F/B制御を実施する。
The
仮想センサ出力算出部41について具体的には、第1センサ出力、第2センサ出力に対する重み付け量(係数)k1,k2を設定し、各出力に重み付け量k1,k2を乗じて加算したものを仮想センサ出力として算出する。すなわち、
仮想センサ出力=k1×第1センサ出力+k2×第1センサ出力
としている。
Specifically, the virtual sensor
Virtual sensor output = k1 × first sensor output + k2 × first sensor output.
重み付け量k1,k2の設定には、例えば前述した図4(a),(b)の特性を用いることができる。前述したとおり、図4(a)は、その都度の吸入空気量をパラメータとしてk1,k2を算出する場合の特性を表しており、吸入空気量が少ないほどk1の比率を大きく、逆にk2の比率を小さくしている。そして、吸入空気量が増えるにつれ、k1の比率を小さく、逆にk2の比率を大きくしている。なお、吸入空気量に代えて、エンジン回転数、負荷、排気流量をパラメータとして用いることが可能であり、更に排気温度、触媒温度、空燃比を加味して重み付け量を設定することも可能である。要は、排気流量が直接的又は間接的に検出できるものであればよい。 For example, the characteristics shown in FIGS. 4A and 4B described above can be used to set the weighting amounts k1 and k2. As described above, FIG. 4A shows characteristics when k1 and k2 are calculated using the intake air amount as a parameter. The smaller the intake air amount, the larger the ratio of k1, and vice versa. The ratio is reduced. As the amount of intake air increases, the ratio of k1 is decreased, and conversely, the ratio of k2 is increased. In place of the intake air amount, the engine speed, the load, and the exhaust flow rate can be used as parameters, and the weighting amount can be set in consideration of the exhaust temperature, the catalyst temperature, and the air-fuel ratio. . The point is that the exhaust flow rate can be detected directly or indirectly.
また、図4(b)は、上流側触媒15の劣化係数をパラメータとしてk1,k2を設定する場合の特性を表しており、劣化係数が小さいほど(すなわち劣化が進行していない場合ほど)k1の比率を大きく、逆にk2の比率を小さくしている。そして、劣化係数が大きくなるにつれ(すなわち劣化が進行するほど)k1の比率を小さく、逆にk2の比率を大きくしている。図4(a),(b)の何れか一方のみを用いて重み付け量k1,k2を設定することもできるが、本実施の形態では両方を用いて最終的な重み付け量を設定することとしている。
FIG. 4B shows characteristics when k1 and k2 are set using the deterioration coefficient of the
図6は、空燃比F/B制御を実現するための燃料噴射制御処理を示すフローチャートであり、本処理は所定の時間周期でエンジンECU30により実行される。
FIG. 6 is a flowchart showing a fuel injection control process for realizing the air-fuel ratio F / B control. This process is executed by the
図6において、先ずステップS301では、例えば基本噴射量マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷等の運転状態パラメータに基づいて基本燃料噴射量TPを算出する。続くステップS302では、空燃比F/Bの実行条件が成立しているか否かを判別する。実行条件不成立の場合、ステップS303に進み、空燃比補正係数FAFを1.0とする。この場合、空燃比のF/B補正は行われないこととなる。 In FIG. 6, first, in step S301, for example, a basic injection amount map is used, and a basic fuel injection amount TP is calculated based on operation state parameters such as engine speed and load each time. In the subsequent step S302, it is determined whether or not an execution condition for the air-fuel ratio F / B is satisfied. If the execution condition is not satisfied, the process proceeds to step S303, and the air-fuel ratio correction coefficient FAF is set to 1.0. In this case, the air-fuel ratio F / B correction is not performed.
また、空燃比F/Bの実行条件成立の場合、ステップS304では、目標空燃比マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷に応じて目標空燃比λtgを算出する。続くステップS305では、第1センサ出力と第2センサ出力とを取得する。なおこのとき、第1センサ出力はA/Fセンサ出力(空燃比に対して比例的に変化する電圧出力)、第2センサ出力はO2センサ出力(ストイキを境に急変する起電力出力)であり、それらが異なるセンサ出力であるため、少なくとも一方(ここでは第2センサ出力)を換算して両センサ出力を直接対比できるようにする。 If the execution condition of the air-fuel ratio F / B is satisfied, in step S304, the target air-fuel ratio λtg is calculated according to the engine speed and load each time using a target air-fuel ratio map or the like. In subsequent step S305, the first sensor output and the second sensor output are acquired. At this time, the first sensor output is an A / F sensor output (voltage output that changes proportionally with respect to the air-fuel ratio), and the second sensor output is an O2 sensor output (electromotive force output that changes suddenly at the stoichiometric boundary). Since these are different sensor outputs, at least one (here, the second sensor output) is converted so that both sensor outputs can be directly compared.
その後、ステップS306では、前述したとおり第1,第2センサ出力に対する重み付け量k1,k2を設定すると共に、その重み付け量を乗じて加算することにより仮想センサ出力を算出する。ステップS307では、前記算出した仮想センサ出力に対してガード処理を実施する。このガード処理により、予め定めた所定範囲から外れるような異常値が排除される。 Thereafter, in step S306, as described above, the weighting amounts k1 and k2 for the first and second sensor outputs are set, and the virtual sensor output is calculated by multiplying and adding the weighting amounts. In step S307, a guard process is performed on the calculated virtual sensor output. This guard process eliminates abnormal values that deviate from a predetermined range.
ステップS308では、前記算出した仮想センサ出力に基づいて算出した仮想空燃比(上流側触媒15の内部空燃比)と目標空燃比λtgとの偏差に応じて空燃比補正係数FAFを算出する。FAF算出後、ステップS309では、FAF以外の各種の補正係数FALL(例えば冷却水温補正係数、学習補正係数、加減速時の補正係数等)を算出すると共に、基本燃料噴射量TP、空燃比補正係数FAF及び他の各種補正係数FALLを用いて要求燃料噴射量TAUを算出し、その後本処理を終了する(TAU=TP×FAF×FALL)。 In step S308, an air-fuel ratio correction coefficient FAF is calculated according to the deviation between the virtual air-fuel ratio (the internal air-fuel ratio of the upstream catalyst 15) calculated based on the calculated virtual sensor output and the target air-fuel ratio λtg. After calculating the FAF, in step S309, various correction coefficients FALL (for example, a cooling water temperature correction coefficient, a learning correction coefficient, a correction coefficient during acceleration / deceleration, etc.) other than the FAF are calculated, and the basic fuel injection amount TP and the air-fuel ratio correction coefficient are calculated. The required fuel injection amount TAU is calculated using the FAF and other various correction coefficients FALL, and then this processing is terminated (TAU = TP × FAF × FALL).
以上第2の実施の形態によれば、第1,第2センサ出力に基づいて仮想センサ出力を算出し、その仮想センサ出力を用いて空燃比F/B制御を実施する構成とした。つまり、2つのセンサ出力をひとまとめに扱うようにした。これにより、多重のF/B制御を実施する従来技術とは異なり、制御構成の簡素化を図ることができる。また、多重のフィードバック制御が各々干渉するといった不都合が解消できる。その結果、応答性や排気エミッションの適正化を実現することができる。 As described above, according to the second embodiment, the virtual sensor output is calculated based on the first and second sensor outputs, and the air-fuel ratio F / B control is performed using the virtual sensor output. In other words, the two sensor outputs are handled together. Thereby, unlike the prior art which implements multiple F / B control, the control configuration can be simplified. Also, the inconvenience that multiple feedback controls interfere with each other can be solved. As a result, it is possible to realize responsiveness and optimization of exhaust emission.
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。 In addition, this invention is not limited to the content of description of the said embodiment, For example, you may implement as follows.
前記第1の実施の形態において、上流側触媒15の活性状態を検出し、その都度の活性状態に応じて第2,第3センサ出力に対する重み付け量k1,k2を設定しても良い。この場合、触媒活性化が完了していない状態(暖機途中)であっても良好な空燃比F/B制御が実施できる。第2の実施の形態についても同様であり、上流側触媒15の活性状態に応じて第1,第2センサ出力に対する重み付け量k1,k2を設定しても良い。
In the first embodiment, the active state of the
前記第1の実施の形態では、第2,第3センサ出力に対する重み付け量k1,k2を設定し、その重み付け量を用いてサブF/Bパラメータ(補正パラメータ)としての仮想センサ出力を算出したが、この構成を以下のように変更する。第2,第3センサ出力に基づいて下流側触媒16の内部空燃比を推定し、これをサブF/BパラメータとしてサブF/B制御に用いる。すなわち、第2センサ出力と第3センサ出力とを関連づけたモデルにおいて下流側触媒16の内部空燃比(触媒内部空燃比)を状態変数とするオブザーバを構築し、該オブザーバの観測結果から触媒内部空燃比を推定する。図7にはカルマンフィルタ式オブザーバのブロック線図を示す。
In the first embodiment, the weighting amounts k1 and k2 for the second and third sensor outputs are set, and the virtual sensor output as the sub F / B parameter (correction parameter) is calculated using the weighting amounts. The configuration is changed as follows. The internal air-fuel ratio of the
この場合、第2センサ出力をu、第3センサ出力をy、状態量としての触媒内部空燃比をXとすると、以下のモデルが得られる。次の数式中、A,B,Cは定数行列、v、wはノイズである。 In this case, if the second sensor output is u, the third sensor output is y, and the catalyst internal air-fuel ratio as the state quantity is X, the following model is obtained. In the following equation, A, B, and C are constant matrices, and v and w are noises.
前記第2の実施の形態についても、第1センサ出力と第2センサ出力とを関連づけたモデルを用い、各センサ間の仮想空燃比を推定するようにしても良い。すなわち、第1空燃比センサ21により検出される空燃比を入力、第2空燃比センサ22により検出される空燃比を出力としたモデルを用い、該モデルの状態推定器により入力から出力の間の状態量を推定して制御パラメータとしての仮想空燃比(上流側触媒15の内部空燃比)を算出する。この場合、モデルを用いることで制御精度の向上を図ることができる。
Also in the second embodiment, a virtual air-fuel ratio between the sensors may be estimated using a model in which the first sensor output and the second sensor output are associated with each other. In other words, a model in which the air-fuel ratio detected by the first air-fuel ratio sensor 21 is input and the air-fuel ratio detected by the second air-
前記第1の実施の形態では、第2,第3センサ出力に基づいて算出した補正パラメータ(サブF/Bパラメータ)を用いて目標空燃比λtgを補正したが、これを変更し、前記補正パラメータにより空燃比補正係数FAFを補正する構成としても良い。 In the first embodiment, the target air-fuel ratio λtg is corrected using the correction parameter (sub F / B parameter) calculated based on the second and third sensor outputs. The air-fuel ratio correction coefficient FAF may be corrected by the above.
また、補正パラメータ(サブF/Bパラメータ)を算出せずに、第2,第3センサ出力に基づいて目標空燃比λtg、空燃比補正係数FAF等の制御パラメータを補正するようにしても良い。 Further, the control parameters such as the target air-fuel ratio λtg and the air-fuel ratio correction coefficient FAF may be corrected based on the second and third sensor outputs without calculating the correction parameter (sub F / B parameter).
上記実施の形態では、エンジン排気管の上流側及び下流側に2つの触媒装置15,16を設置すると共に、各触媒装置15,16の前後に第1〜第3空燃比センサ21〜23を配置したが、この構成を以下のように変更する。エンジン排気管に3つ以上の触媒装置を並べて設置すると共に、各触媒装置の前後にそれぞれ空燃比センサを配置する。つまり、触媒装置を少なくとも3つ、空燃比センサを少なくとも4つ設けた構成とする。この構成において、最も上流側の触媒装置を「上流側触媒装置」、その下流側の2つ以上の触媒装置(触媒群)を「下流側触媒装置」とすれば、前記実施の形態と同様に第1フィードバック制御手段、第2フィードバック制御手段の実現が可能となる。つまり、第2フィードバック制御手段を実現する上で、上流から見て2番目以降の各空燃比センサ(第2,第3空燃比センサに相当)の出力値に基づいて補正パラメータ(サブF/Bパラメータ)を算出し、その補正パラメータをサブF/B制御に用いる。この場合、2番目以降の各空燃比センサ出力に対して重み付け量を設定し、各センサ出力にそれぞれ重み付け量を乗じて加算したものを補正パラメータとすれば良い。例えば、2番目以降の空燃比センサが3つある場合(すなわち合計4つの空燃比センサを設けた場合)、各センサ出力に対応させて3つの重み付け量ka1,ka2,ka3を設定する。このとき、上流側触媒装置の浄化状況に応じて各重み付け量を設定すると良い。
In the above embodiment, the two
10…エンジン、13…排気管、15…上流側触媒、16…下流側触媒、21…第1空燃比センサ、22…第2空燃比センサ、23…第3空燃比センサ、30…エンジンECU、31…F/B制御部、32…サブF/B制御部、33…サブF/Bパラメータ算出部、41…仮想センサ出力算出部、42…F/B制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記排気通路において触媒装置の上流側に配設され排気の空燃比を検出する第1センサと、
前記排気通路において触媒装置の下流側に配設され排気の空燃比を検出する第2センサと、
前記第1センサと前記第2センサで各々検出される空燃比に基づいて一つの制御パラメータを算出し、該制御パラメータに基づいてフィードバック制御を実施するフィードバック制御手段と、
を備え、
前記フィードバック制御手段は、前記第1センサと前記第2センサで各々検出される空燃比に基づいて、前記制御パラメータとして各センサ間の仮想空燃比を算出し、該仮想空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御を実施することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 A catalyst device disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine;
A first sensor that is disposed upstream of the catalyst device in the exhaust passage and detects an air-fuel ratio of the exhaust;
A second sensor that is disposed downstream of the catalyst device in the exhaust passage and detects an air-fuel ratio of the exhaust;
Feedback control means for calculating one control parameter based on the air-fuel ratio detected by each of the first sensor and the second sensor and performing feedback control based on the control parameter;
Equipped with a,
The feedback control means calculates a virtual air-fuel ratio between the sensors as the control parameter based on the air-fuel ratio detected by the first sensor and the second sensor, and the virtual air-fuel ratio is calculated as a target air-fuel ratio. An air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine , wherein feedback control is performed as described above .
前記フィードバック制御手段は、前記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて前記第1センサにより検出される空燃比と前記第2センサにより検出される空燃比とに対する重み付けを設定することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 Comprising an operating state detecting means for detecting the operating state of the internal combustion engine;
The feedback control means sets weights for the air-fuel ratio detected by the first sensor and the air-fuel ratio detected by the second sensor based on the operating condition detected by the operating condition detecting means. The air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to claim 2 .
前記フィードバック制御手段は、前記排気流量検出手段により検出される排気流量に基づいて前記第1センサにより検出される空燃比と前記第2センサにより検出される空燃比とに対する重み付けを設定することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 The operating state detecting means includes an exhaust flow rate detecting means for detecting an exhaust flow rate,
The feedback control means sets weights for the air-fuel ratio detected by the first sensor and the air-fuel ratio detected by the second sensor based on the exhaust flow rate detected by the exhaust flow rate detection means. The air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to claim 3 .
前記フィードバック制御手段は、前記劣化検出手段により検出される前記触媒装置の劣化度合に基づいて前記第1センサにより検出される空燃比と前記第2センサにより検出される空燃比とに対する重み付けを設定することを特徴とする請求項2乃至請求項5のいずれか一つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。 The operating state detecting means includes deterioration detecting means for detecting the degree of deterioration of the catalyst device,
The feedback control means sets weights for the air-fuel ratio detected by the first sensor and the air-fuel ratio detected by the second sensor based on the degree of deterioration of the catalyst device detected by the deterioration detection means. The air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 2 to 5, wherein
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