JP4531664B2 - 吸入空気量検出手段の補正装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気量検出手段の出力を補正する装置に関する。

内燃機関の制御において、吸気管内に設けられたエアフローメータの検出精度が劣化すると、空燃比フィードバック制御が行われないスロットル全開時や、ECUが推定した触媒温度およびMAT温度（触媒保持マットの温度）が所定温度を越えている時などでは空燃比がリーン側になる。この現象を利用して、例えば特許文献１では、排気管内に設けられた空燃比センサの出力からリーンと判断した場合に、エアフローメータの出力を補正する技術が開示されている。
特開平2-11851号

しかし、特許文献１のような従来のエアフローメータの補正手法では、エアフローメータの劣化判定および出力補正の基準となる空燃比センサの初期バラツキや劣化については考慮されていない。空燃比センサの初期バラツキや劣化によりセンサの出力特性が変化するので、エアフローメータの劣化判別および出力補正処理にも影響を与える。

本発明の目的は、上記問題点を改善し、高精度なエアフローメータの劣化判別および出力補正処理が可能な装置を提供することである。

本発明は、内燃機関に吸入される空気量を制御するスロットル弁と、内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサと、スロットル弁または触媒に関連する温度が所定値を超えている時に、空燃比センサの出力に基づき吸入空気量検出手段の劣化を検知する劣化検知手段と、吸入空気量検出手段の出力を補正する補正手段と、を有する吸入空気量検出手段の補正装置において次のような構成をとる。この装置は、内燃機関の運転状態に応じて燃料供給が遮断されている時に、空燃比センサの出力の補正値を算出する算出手段を有する。劣化検知手段は、算出手段により空燃比センサの出力が補正された後、吸入空気量検出手段の劣化検知を行う。補正手段は、劣化検知の結果に基づいて吸入空気量検出手段の出力を補正する。

この発明により、空燃比センサの補正が行われた後に吸入空気量検出手段の補正が行われるので、空燃比センサのバラツキ、空燃比センサの劣化による特性変化などによる影響を回避することができ、吸入空気量検出手段の出力の補正の精度が向上する。

次に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という）およびその制御装置の構成を示す概略図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１３は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１３a、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１３ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１３ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１３ｄを備えるコンピュータである。メモリ１３ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。

本発明に従うエアフローメータの補正処理のためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ１３ｃのＲＯＭに格納されている。このＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ１３ｂによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。

ＥＣＵ１３に向けて送られたセンサ出力等の各種信号は入力インタフェース１３ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１３ｂは、変換されたデジタル信号をメモリ１３ｃに格納されているプログラムに従って処理して、制御信号を作り出す。出力インタフェース１３ｄは、これらの制御信号を車両の各部位へと送る。

エンジン１１は、例えば４気筒を備えるエンジンであり、吸気管１５が連結されている。

吸気管１５の上流側にはエアフローメータ１６が設置されており、吸入空気量を示す電気信号をＥＣＵ１３に出力する。

エアフローメータ１６の下流にはスロットル弁１７が設置されている。このスロットル弁１７は、モータなどのアクチュエータ（図示せず）によってスロットル開度を調節する電制スロットル弁である。また、スロットル弁開度センサ（θＴＨ）１９がスロットル弁１７に連結されており、スロットル弁１７の開度に応じた電気信号を出力してＥＣＵ１３に供給する。

エンジン１１とスロットル弁１７の間には、インジェクタ２１が気筒毎に設けられている。インジェクタ２１は、運転状態に応じたＥＣＵ１３からの制御信号によって開弁時間が制御され、最適なタイミングで燃料を噴射する。

エンジン１１には、クランク角センサ２３が設けられている。クランク角センサ２３は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ１３に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１３は、ＣＲＫ信号に応じ、エンジン１１の回転数ＮＥを算出する。

エンジン１１には、水温センサ２５が取り付けられている。水温センサ２５は、エンジン１１のシリンダブロックの冷却水が充満した気筒周壁（図示せず）に取り付けられている。水温センサ２５は、エンジン冷却水の温度ＴＷを検出し、その信号をＥＣＵ１３に送る。

エンジン１１には排気管２７が接続され、排気管２７の途中に設けられた排気ガス浄化装置を介して排気する。排気ガス浄化装置の上流に設けられたＬＡＦセンサ２９は広域空燃比センサであり、リーンからリッチにわたる範囲において排気ガス中の酸素濃度すなわち空燃比を検出し、その信号をＥＣＵ１３に送る。

続いて、図２乃至図４を参照して、ＬＡＦセンサ２９を利用したエアフローメータ１６の劣化検知および出力補正処理の概略を説明する。

図２は、エアフローメータ１６が劣化したときの特性の変化を示す図である。グラフの横軸は空気流量Ｑ（ｇ/ｓ）を示しており、グラフの縦軸は空気流量Ｑに対するエアフローメータ１６の出力の特性変化量dQ/Q（％）を示している。

特性変化量dQ/Qは、正常なエアフローメータの出力を基準とする出力の変化の割合である。したがって、正常なエアフローメータの特性変化量ｄQ/Qは、０で一定となる。また、正常時の出力を下回った場合、特性変化量ｄQ/Qは負の値となる。

図２に示すように、エアフローメータ１６が劣化すると、空気流量Ｑに対してエアフローメータ１６の出力値が小さくなり、また、空気流量Ｑが大きいほどその度合いも大きくなるという特徴がある。つまり、空気流量が大きいほど、劣化したエアフローメータは実際の空気流量より少なく見積もるようになる。

エンジン１１の運転中、エアフローメータ１６の出力値から算出される吸入空気量と、ＬＡＦセンサ２９の出力から算出される実空燃比KACTとに基づいて、インジェクタ２１の燃料噴射量を調節することにより空燃比がフィードバック制御される。エアフローメータが劣化したとき、吸入空気量は実際より少なく算出されてしまうので、吸入空気量に基づいて決められる燃料噴射量は、実際に必要な量よりも少なくなる。このため、エアフローメータ１６の劣化時には、実際の空燃比は、設定された空燃比よりもリーン側となる。

図３は、エアフローメータ１６の劣化に伴う実空燃比KACTの平均値のなまし値KACTAMAVEと設定空燃比KCMDの比KACTAMAVE／KCMDの推移を示す図である。

ここで、なまし値KACTAMAVEとは、ＬＡＦセンサ２９の出力から求めた実空燃比KACTを所定の時間ステップ（例えば２０ステップ）分で平均化し、この平均値をなまし計算して平滑化した値である。なまし計算は、例えば、次式に示す１次ローパスフィルタを用いて実施される。
KACTAMAVE(k) ＝ (1.0−CKACT)×KACTAMAVE(k-1)＋CKACT×KACTAVE(k)
ここで、KACTAMAVE(k)は今回のなまし値を表し、KACTAMAVE（k-1）は前回のなまし値を表す。KACTAVE(k)は今回の平均値を表し、CKACTは係数を表す。ｋは時間ステップを表す。

図３のグラフの横軸はエアフローメータ１６の使用時間を示しており、時間が経過するにつれてエアフローメータ１６の劣化の度合いが高まる。グラフの縦軸は、スロットルが略全開のとき、またはECUが推定した触媒温度およびＭＡＴ温度（触媒保持マットの温度）が所定温度を超えているとき（これらの状態について、以降「WOT（wide open throttle）」という）におけるKACTAMAVE／KCMDを示す。

現在の車両のエンジン制御では、エンジンの通常運転時には、所望の空燃比を実現するために空燃比フィードバック制御が実行されており、エアフローメータ１６が劣化していても燃料噴射量を調整して所望の空燃比を実現してしまう。WOT中には空燃比のフィードバック制御が行われないので、WOT中のKACTAMAVE／KCMDは、エアフローメータ１６の劣化による影響を表すことができる。

図３より、エアフローメータ１６を使用する初期段階では、精度良く吸入空気量が計測できるので、実空燃比KACTは設定空燃比KCMDとほぼ等しく、KACTAMAVE／KCMDは１に近い値となる。そして、使用時間が経過してエアフローメータ１６の劣化が進むのに伴って、実空燃比KACTはリーン側へと移行していき、KACTAMAVE／KCMDは１以下に減少する。

したがって、空燃比フィードバック制御が行われないWOT中において、実空燃比KACT の平均値のなまし値KACTAMAVEと設定空燃比KCMDの比KACTAMAVE／KCMDに着目すれば、エアフローメータ１６の劣化の度合いを判定することが可能である。そして、KACTAMAVE／KCMDが所定のしきい値を下回ったとき（図３の時刻A）に、エアフローメータ１６の劣化によりリーンが発生していることを判定し、エアフローメータ１６の出力を補正する処理を実行する。

エアフローメータ１６の出力をどの程度補正するかは、空気流量（吸入空気量）に応じて決められる。エアフローメータが劣化すると、流量に応じてどの程度誤差が生じるかは、図２に示した特性などを利用して予め設定できる。図４は、空気流量に対するエアフローメータ１６の検出誤差の最大値を例示した図である。グラフの横軸は、エアフローメータ１６の出力AFMCRK（ｖ）を示しており、この値は空気流量と対応している。グラフの縦軸は、エアフローメータの劣化時における空気流量の誤差の最大値DVGAIR（ｇ/ｓ）を示す。

図４を参照すると、まずエアフローメータ１６の出力AFMCRKから検出誤差の最大値DVGAIRを求める。続いて、DVGAIRに補正係数KVGを乗じて補正量DVGAIRAFMを求める。補正係数KVGは、実空燃比のなまし値と設定空燃比の比KACTAMAVE／KCMDに基づいて設定される。この設定プロセスは後に図１０を参照して説明する。

続いて、図５乃至図１０を参照して、本実施形態によるエアフローメータ１６の出力補正処理について説明する。この処理は、ＥＣＵ１３に記憶されたソフトウェアプログラムによって実行される。

図５は、エアフローメータ１６の出力を補正して空気流量を算出する処理のフローチャートである。このフローチャートは、所定の時間間隔で実施される。

ステップＳ１０１において、エアフローメータ１６の出力AFMCRKから、空気流量の誤差の最大値DVGAIRを検索する。エアフローメータ１６の劣化時には、空気流量が大きいほどエアフローメータ１６の出力が低下してしまうので、エアフローメータの出力誤差が増大する。そこで、例えば図４に示したような空気流量に応じた最大誤差のマップを予め作成しておき、現在の空気流量における出力誤差の最大値DVGAIRを検索する。

ステップＳ１０３において、嵩上げ量DVGAIRAFMを算出する。出力誤差の最大値DVGAIRに補正係数ＫＶＧを乗じた値を嵩上げ量DVGAIRAFMとする。補正係数KVGは、KACTAMAVE／KCMDに応じて設定される値であり、エアフローメータの劣化によりリーンが発生していると判定されるたびに更新される。KVGの更新については後に図１０を参照して説明する。

ステップＳ１０５において、エアフローメータ１６の出力AFMCRKから、空気流量VGAIRを検索する。エアフローメータ１６が正常な場合の出力AFMCRKと空気流量VGAIRとの変換マップを予め作成しておき、このマップを用いてVGAIRを求める。エアフローメータ１６の劣化時には、エアフローメータの出力は減少しているので、ここで求められる空気流量VGAIRは、実際の空気流量より少なくなる。

ステップＳ１０７において、出力補正された空気流量VGAIRFを算出する。ステップＳ１０５で求めた空気流量VGAIRに、ステップＳ１０３で求めた嵩上げ量DVGAIRAFMを加算して、出力補正処理済みの空気流量VGAIRFを求める。

図６は、エアフローメータ１６の劣化によるリーン判断処理のフローチャートである。このフローチャートは、所定の時間間隔で実施される。

ステップＳ２０１において、エアフローメータ１６の劣化を判別するための検知領域かどうかを確認する。本実施形態では、以下の条件を満たしたときに検知領域と判定する。条件の１つ目は水温ＴＷである。ＬＡＦセンサ２９の出力KACTが安定した状態でエアフローメータ１６の劣化判別を実施するため、水温センサ２５により計測される水温ＴＷは所定値より高い温度を検知領域とする。2つ目の条件はエンジン回転数ＮＥである。エンジンの低回転領域では、吸入空気量に脈動が起こる。脈動領域を避けて安定した計測を実施するため、クランク角センサ２３により計測されるエンジン回転数ＮＥは所定値より大きい回転数を検知領域とする。3つ目の条件は、エンジンの運転状態がＷＯＴ中であることである。上述のように、現行のエンジン制御では、ＷＯＴ中には空燃比フィードバック制御は実施されないので、ＷＯＴ中、つまりスロットル開度が略全開のとき、またはECUが推定した触媒温度とＭＡＴ温度が所定温度を超えているときを検知領域とする。現在の運転状態が上述のような所定の検知領域であれば、処理は継続されステップＳ２０５に進む。検知領域外であれば、今回の処理を終了する。

続いてステップＳ２０５からステップＳ２０７において、ＬＡＦセンサ２９の補正処理が完了しているかを確認する。本実施形態では、ＬＡＦセンサ２９の出力に基づいてエアフローメータ１６の補正処理を行うので、補正精度の向上のためには、ＬＡＦセンサ２９の検出精度が要求され、予めＬＡＦセンサ２９の出力の補正が完了していることが望ましい。ＬＡＦセンサ２９の補正処理はエアフローメータ１６の補正処理と並行してＥＣＵ１３によって実施されている。

ここで、図７乃至図９を参照して、ＬＡＦセンサ２９の補正処理の概略について説明する。

図７は、ＬＡＦセンサの出力の特性を示すグラフである。グラフの横軸は空燃比を表しており、正方向がリーン側、原点が理論空燃比、負方向がリッチ側となる。グラフの縦軸はＬＡＦセンサの出力を表す。点線で表された直線７１は、正常なＬＡＦセンサの特性を示している。実線で表された直線７３は、初期バラツキのある、または経年劣化したＬＡＦセンサの特性である。図７の特性グラフでは、ＬＡＦセンサの出力の特性は、センサの初期バラツキや劣化に伴い原点（理論空燃比）を中心に回転するような挙動となる。

ＬＡＦセンサの補正処理は、劣化時のＬＡＦセンサ２９の特性直線７３が、正常なＬＡＦセンサの特性直線７１となるように、特性直線７３の傾きを補正する係数KVLFFCを用いてＬＡＦセンサ２９の出力を補正する。

まず、エンジン１１の運転状態が燃料カット中（以下「Ｆ／Ｃ」という）に、ＬＡＦセンサ２９の出力を計測する。燃料カット中では排気に燃料が含まれないので、空燃比が明確であり、ＬＡＦセンサ２９の取るべき値が明確であるためである。

続いて、Ｆ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の所定の時間ステップ分の平均値VLAFFCを算出し、この平均値VLAFFCをなまし計算してなまし値VLFFCRを算出する。なまし計算は、例えば、次式に示す１次ローパスフィルタを用いて実施される。
VLFFCR(k) ＝ (1.0−CVLAF)×VLFFCR(k-1)＋CVLAF×VLAFFC(k)
ここで、VLFFCR(k)は今回のなまし値を表し、VLFFCR(k-1)は前回のなまし値を表す。VLAFFC(k)は今回の平均値を表し、CVLAF は係数を表す。ｋは時間ステップを表す。

そして、なまし値VLFFCRに基づいて補正係数KVLFFCを求め、この補正係数KVLFFCでＬＡＦセンサ２９の出力の傾きを補正する。

図９は、Ｆ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値のなまし値VLFFCRに基づく傾き補正係数KVLFFCの設定を示した図である。グラフの横軸はなまし値VLFFCR、グラフの縦軸は傾き補正係数KVLFFCを示す。Ｆ／Ｃ中のＬＡＦセンサ２９の出力が補正処理によって正常なＬＡＦセンサのＦ／Ｃ時の出力になるように、補正係数KVLFFCが設定されている。

再び図６に戻り説明を続けると、ステップＳ２０５において、Ｆ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値VLAFFCと、この平均値VLAFFCから算出されたなまし値VLFFCRとの差分DVLAFFCを求める。

図８は、Ｆ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値のなまし値VLFFCRの推移を示した図である。グラフの横軸は経過時間を示し、グラフの縦軸はＬＡＦセンサ出力を示す。直線８１がＦ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値のなまし値VLFFCRの推移、点線８２がＦ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値VLAFFCの推移である。差分DVLAFFCがある場合、ＬＡＦセンサの補正処理を繰り返す事で、Ｆ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値のなまし値VLFFCRがＦ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値VLAFFCに近付いていき、DVLAFFCが小さくなる。

ステップＳ２０７において、差分DVLAFFCが所定のしきい値より大きいかどうかを確認する。しきい値より小さいとき、ＬＡＦセンサ２９の出力の補正が完了している、またはＬＡＦセンサ２９が正常に機能していると判断され、ステップＳ２０９に進む。しきい値より大きいとき、ＬＡＦセンサ２９は出力の補正が十分に行われていないと判断され、エアフローメータ１６の劣化によるリーン判断を実施せずに今回の処理を終了する。このように、本実施形態では、ＬＡＦセンサ２９の出力の補正処理が実施されている間には、エアフローメータ１６の劣化によるリーン判断を実施せず、ＬＡＦセンサの出力補正が完了してから以下のステップに進む。

ステップＳ２０９において、ＬＡＦセンサ２９の出力から算出される実空燃比の平均値のなまし値KACTAMAVEと、設定空燃比KCMDとの比KACTAMAVE／KCMDを計算する。

ステップＳ２１１において、KACTAMAVE／KCMDがしきい値より小さいかどうかを判定する。しきい値より小さい場合、実空燃比KACTが許容範囲を超えてリーン側となっていると判断し、ステップＳ２１３に進んでエアフローメータ１６の劣化によりリーンであると判断する。しきい値より大きい場合、空燃比に影響を与えるほどにはエアフローメータ１６の劣化が進んでいない、またはエアフローメータ１６の劣化によるリーンを補正できていると判断して、今回の処理を終了する。

図１０は、エアフローメータ１６の出力補正処理における補正係数KVGを設定する処理のフローチャートである。このフローチャートは、イグニッションオンからイグニッションオフまでのドライビングサイクル（Driving Cycle、以下「Ｄ／Ｃ」という）において、始めの一度だけ実施される。

ステップＳ３０１において、前回Ｄ／Ｃ終了時のエアフローメータ１６の劣化によるリーン判断をしたかどうかを確認する。リーンと判断していれば、処理は継続されステップＳ３０３に進む。リーンが無いと判断した場合は、この処理は終了する。

ステップＳ３０３において、補正係数KVGを更新する。補正係数KVGは、例えばKACTAMAVE／KCMDの大きさによって所定の複数の更新幅から今回の更新幅が選択され、この選択された更新幅を前回のKVGに加算することによって更新される。または、補正係数KVGは、一定の更新幅を前回のKVGに加算する形式でも良い。この処理は１回のＤ／Ｃ中に１度だけ実行される処理であり、補正係数KVGの更新が実行された後の同一のＤ／Ｃ中では、更新された補正係数KVGの値は維持し続ける。

以上にこの発明を特定の実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る内燃機関およびその制御装置の構成を示す概略図である。 エアフローメータが劣化したときの特性の変化を示す図である。 エアフローメータの劣化に伴う実空燃比KACTと設定空燃比KCMDの比KACTAMAVE／KCMDの推移を示す図である。 空気流量に対するエアフローメータの検出誤差の最大値を例示した図である。 エアフローメータの出力を補正して空気流量を算出する処理のフローチャートである。 エアフローメータの補正処理における補正係数KVGを設定する処理のフローチャートである。 ＬＡＦセンサの出力特性を示す図である。 Ｆ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値のなまし値VLFFCRの推移を示した図である。 Ｆ／Ｃ中のＬＡＦセンサ出力の平均値のなまし値VLFFCRに基づく傾き補正係数KVLFFCの設定を示した図である。 エアフローメータの出力補正処理における補正係数KVGを設定する処理のフローチャートである。

符号の説明

１１ エンジン
１３ ＥＣＵ
１６ エアフローメータ
１７ スロットル弁
２９ ＬＡＦセンサ

Claims (1)

1. 内燃機関に吸入される空気量を制御するスロットル弁と、前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、前記内燃機関の排気系に設けられた空燃比センサと、前記スロットル弁開度または触媒に関連する温度が所定値を超えている時に、前記空燃比センサの出力に基づき前記吸入空気量検出手段の劣化を検知する劣化検知手段と、前記吸入空気量検出手段の出力を補正する補正手段と、を有する吸入空気量検出手段の補正装置において、
   前記内燃機関の運転状態に応じて燃料供給が遮断されている時に、前記空燃比センサの出力の補正値を算出する算出手段を有し、
   前記劣化検知手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて燃料供給が遮断されている状態での、前記空燃比センサ出力の所定時間分の平均値と、該平均値をなまし計算して平滑化した値であるなまし値との差分が所定のしきい値より小さい場合に、前記算出手段により前記空燃比センサの出力が補正された後、前記吸入空気量検出手段の劣化検知を行い、
   前記補正手段は、前記劣化検知の結果に基づいて前記吸入空気量検出手段の出力を補正する、
   ことを特徴とする吸入空気量検出手段の補正装置。

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