JP4736058B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気合流部に設置した空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する機能を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関する発明である。

近年の電子制御化された内燃機関では、排気通路に排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサを設け、この空燃比センサで検出した空燃比を目標空燃比に一致させるように各気筒の空燃比（例えば燃料噴射量）を一律にＦ／Ｂ（フィードバック）制御する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行するようにしたものが多い。

更に、空燃比制御精度を向上させるために、例えば、特許文献１（特開２００５−３３７１９４号公報）に記載されているように、複数の気筒の排出ガスが合流する排気合流部に設置した１つの空燃比センサの検出値（排気合流部の空燃比）と各気筒の空燃比とを関連付けたモデルを用いて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比の気筒間ばらつきが小さくなるように各気筒の空燃比（例えば燃料噴射量）を気筒別に制御する気筒別空燃比制御を実行するようにしたものがある。

また、空燃比センサの異常診断として、例えば、特許文献２（特開２００４−３５１３号公報）に記載されているように、内燃機関の燃料噴射カット開始から所定期間における空燃比センサの出力変化率を応答性検出値として算出し、この空燃比センサの出力変化率と異常判定値とを比較して、空燃比センサの異常（応答性劣化）の有無を判定するようにしたものがある。
特開２００５−３３７１９４号公報 特開２００４−３５１３号公報

一般に、空燃比センサの電気的接続の異常（断線、短絡等）は、内燃機関の始動後（例えばイグニッションスイッチのオン後）に直ちに判定可能であるが、空燃比センサの応答性等の異常は、所定の運転状態（例えば燃料噴射カット状態）になるまで判定することができない。このため、空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を一律に制御する空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行するシステムでは、内燃機関の始動後の早い時期から空燃比Ｆ／Ｂ制御を開始して排気エミッションを低減するために、空燃比センサの応答性等の異常の有無が判定される前であっても、所定の空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件（例えば空燃比センサが活性状態であること等）が成立した時点で空燃比Ｆ／Ｂ制御を開始し、その後、もし空燃比センサの応答性等の異常有りと判定された場合には、その時点で空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止するようにしている。

しかし、空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する気筒別空燃比制御では、空燃比センサの出力から各気筒の空燃比を逆演算等により精度良く推定するために、各気筒の燃焼に応じて変動する排気合流部の空燃比を空燃比センサで応答良く検出する必要があるため、一般の空燃比Ｆ／Ｂ制御よりも高いレベルの空燃比センサの応答性が要求される。従って、一般の空燃比Ｆ／Ｂ制御と同じように、空燃比センサの応答性等の異常の有無が判定される前から気筒別空燃比制御を開始すると、空燃比センサの応答性が要求レベル以下に劣化した状態で気筒別空燃比制御を実行してしまう可能性があり、その結果、気筒別空燃比制御の制御精度が悪化して、各気筒の空燃比の気筒間ばらつきが大きくなり、排気エミッションが悪化するという問題が発生する。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、空燃比センサの異常有りの状態で気筒別空燃比制御が実行されることを未然に防止することができ、気筒別空燃比制御を精度良く実行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にある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流する排気合流部に設置した空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を一律に制御する空燃比制御を実行する空燃比制御手段と、空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する気筒別空燃比制御を実行する気筒別空燃比制御手段と、空燃比センサの電気的接続異常及び応答性異常の有無をそれぞれ判定する空燃比センサ異常診断手段と、内燃機関の始動後に前記空燃比センサ異常診断手段により空燃比センサの電気的接続異常無しと判定された場合には、空燃比センサの応答性異常の有無が判定されるより前に空燃比制御手段による空燃比制御を許可する手段と、内燃機関の始動後に空燃比センサ異常診断手段により空燃比センサの電気的接続異常及び応答性異常のいずれの異常も無しと判定された場合に気筒別空燃比制御手段による気筒別空燃比制御を許可するようにしたものである。このようにすれば、空燃比センサの電気的接続と応答性の少なくとも一方が異常有りの状態で気筒別空燃比制御が実行されることを未然に防止して、空燃比センサが正常な状態（電気的接続・応答性の異常が無い状態）であることを確認してから気筒別空燃比制御を開始することができ、気筒別空燃比制御を精度良く実行することができる。

更に、本発明では、空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を一律に制御する空燃比制御を実行する空燃比制御手段を設け、内燃機関の始動後に空燃比センサの電気的接続異常無しと判定された場合には、空燃比センサの応答性異常の有無が判定されるより前に空燃比制御手段による空燃比制御を許可するようにしている。このようにすれば、内燃機関の始動後に空燃比センサの電気的接続異常無しと判定された場合には、空燃比センサの応答性の異常の有無が判定される前に、空燃比制御を開始することができ、その後、空燃比センサの応答性の異常診断が実行されて空燃比センサの応答性の異常無し（正常）と判定された後に、気筒別空燃比制御を開始するようにできるため、気筒別空燃比制御が開始されるまでの期間は、空燃比制御によって各気筒の空燃比を制御して排気エミッションを低減することができる。

尚、気筒別空燃比制御の開始後は、空燃比制御と気筒別空燃比制御を両方とも実行するようにしても良いし、空燃比制御を停止して気筒別空燃比制御のみを実行するようにしても良い。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。

内燃機関である例えば直列４気筒のエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ等によって開度調節されるスロットルバルブ１５と、このスロットルバルブ１５の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。エンジン運転中は、燃料タンク２１内の燃料が燃料ポンプ２２によりデリバリパイプ２３に送られ、各気筒の噴射タイミング毎に各気筒の燃料噴射弁２０から燃料が噴射される。デリバリパイプ２３には、燃料圧力（燃圧）を検出する燃圧センサ２４が取り付けられている。

また、エンジン１１には、吸気バルブ２５と排気バルブ２６の開閉タイミングをそれぞれ可変する可変バルブタイミング機構２７，２８が設けられている。更に、エンジン１１には、吸気カム軸２９と排気カム軸３０の回転に同期してカム角信号を出力する吸気カム角センサ３１と排気カム角センサ３２が設けられていると共に、エンジン１１のクランク軸の回転に同期して所定クランク角毎（例えば３０℃Ａ毎）にクランク角信号のパルスを出力するクランク角センサ３３が設けられている。

一方、エンジン１１の各気筒の排気マニホールド３５が合流する排気合流部３６には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ３７が設置され、この空燃比センサ３７の下流側に排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒３８が設けられている。

上述した空燃比センサ３７等の各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）４０に入力される。このＥＣＵ４０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて各気筒の燃料噴射弁２０の燃料噴射量や点火時期を制御する。

また、ＥＣＵ４０は、図示しない各種の空燃比センサ異常診断ルーチンを実行することで、空燃比センサ異常診断手段として機能し、空燃比センサ３７（センサ素子及びヒータ）の電気的接続の異常（断線や短絡等）の有無を判定すると共に、空燃比センサ３７の応答性や活性時間（空燃比センサ３７が活性状態になるまでに要する時間）等の異常の有無を判定する。

空燃比センサ３７の応答性の異常診断は、例えば、空燃比センサ３７が活性状態になった後のアイドル運転中に、排出ガスの空燃比をリーン方向に変化させるリーン制御と、排出ガスの空燃比をリッチ方向に変化させるリッチ制御とを交互に実行して、リーン制御中の所定期間における空燃比センサ３７の出力変化量とリッチ制御中の所定期間における空燃比センサ３７の出力変化量をそれぞれ異常判定値と比較して、空燃比センサ３７の応答性の異常の有無を判定する。

或は、空燃比センサ３７が活性状態になった後に燃料噴射カットが実行されたときに、燃料噴射カット開始から所定期間における空燃比センサ３７の出力変化率を算出し、この空燃比センサの出力変化率を異常判定値と比較して、空燃比センサ３７の応答性の異常の有無を判定するようにしても良い。或は、燃料噴射カット開始から空燃比センサ３７の出力が所定値に達するまでの応答時間を計測して、この応答時間を異常判定値と比較して、空燃比センサ３７の応答性の異常の有無を判定するようにしても良い。

更に、ＥＣＵ４０は、後述する図２の空燃比制御ルーチンを実行することで、次のような空燃比制御を行う。

空燃比センサ３７の電気的接続の異常（断線や短絡等）無しと判定された場合には、空燃比センサ３７の活性時間の異常診断や空燃比センサ３７の応答性の異常診断の終了前（空燃比センサ３７の活性時間の異常の有無や空燃比センサ３７の応答性の異常の有無が判定される前）でも、所定の空燃比Ｆ／Ｂ（フィードバック）制御実行条件が成立した時点で、空燃比Ｆ／Ｂ制御を開始する。

この空燃比Ｆ／Ｂ制御では、エンジン運転中に空燃比センサ３７で検出した空燃比を目標空燃比に一致させるように空燃比Ｆ／Ｂ補正量を算出し、この空燃比Ｆ／Ｂ補正量で各気筒の燃料噴射量を一律に補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比を一律に補正する。

この後、空燃比センサ３７の活性時間の異常診断及び空燃比センサ３７の応答性の異常診断が終了して、空燃比センサ３７が正常（空燃比センサ３７の活性時間の異常無し且つ空燃比センサ３７の応答性の異常無し）であると判定された場合には、所定の気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立した時点で、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を開始する。

この気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御では、エンジン運転中に空燃比センサ３７の検出値（排気合流部３６を流れる排出ガスの空燃比）と各気筒の空燃比とを関連付けたモデルを用いて空燃比センサ３７の検出値に基づいて各気筒の空燃比を推定し、各気筒の推定空燃比と基準空燃比（全気筒の推定空燃比の平均値又は制御目標値）との偏差を算出することで、各気筒の空燃比の気筒間ばらつきを算出する。そして、各気筒の空燃比の気筒間ばらつきが小さくなるように各気筒毎に空燃比Ｆ／Ｂ補正量を算出し、その算出結果に基づいて各気筒の燃料噴射量を気筒別に補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比を気筒別に補正して各気筒の空燃比の気筒間ばらつきを小さくするように制御する。

尚、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御の開始後は、空燃比Ｆ／Ｂ制御と気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を両方とも実行するようにしても良いし、空燃比Ｆ／Ｂ制御を停止して気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御のみを実行するようにしても良い。

以上説明した本実施例の空燃比制御は、ＥＣＵ４０によって図２の空燃比制御ルーチンに従って実行される。以下、このルーチンの処理内容を説明する。

図２に示す空燃比制御ルーチンは、ＥＣＵ４０の電源オン中に所定周期で実行され、特許請求の範囲でいう空燃比制御手段及び気筒別空燃比制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度や負荷等）に基づいて基本燃料噴射量を算出する。

この後、ステップ１０２に進み、空燃比センサ３７の電気的接続の異常（断線や短絡等）が有るか否かを判定し、空燃比センサ３７の電気的接続の異常有りと判定さた場合には、空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止すると共に、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止する（ステップ１０７，１１２）。

一方、上記ステップ１０２で、空燃比センサ３７の電気的接続の異常（断線や短絡等）無しと判定された場合には、ステップ１０３に進み、空燃比センサ３７の活性時間の異常診断及び空燃比センサ３７の応答性の異常診断が終了したか否かを判定し、これらの異常診断が終了したと判定されれば、ステップ１０４に進み、空燃比センサ３７が正常（空燃比センサ３７の活性時間の異常無し且つ空燃比センサ３７の応答性の異常無し）であるか否かを判定する。

上記ステップ１０３で空燃比センサ３７の活性時間の異常診断や空燃比センサ３７の応答性の異常診断の終了前（空燃比センサ３７の活性時間の異常の有無や空燃比センサ３７の応答性の異常の有無が判定される前）であると判定された場合、又は、上記ステップ１０４で空燃比センサ３７が正常（空燃比センサ３７の活性時間の異常無し且つ空燃比センサ３７の応答性の異常無し）であると判定された場合には、ステップ１０５に進み、空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立しているか否かを判定し、空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立したと判定されたときに、ステップ１０６に進み、空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。

一方、上記ステップ１０３で空燃比センサ３７の活性時間の異常診断及び空燃比センサ３７の応答性の異常診断が終了したと判定され、且つ、上記ステップ１０４で空燃比センサ３７の異常有り（空燃比センサ３７の活性時間と応答性の少なくとも一方の異常有り）と判定された場合には、空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止すると共に、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止する（ステップ１０７，１１２）。

また、ステップ１０８で、空燃比センサ３７の活性時間の異常診断及び空燃比センサ３７の応答性の異常診断が終了したか否かを判定し、空燃比センサ３７の活性時間の異常診断及び空燃比センサ３７の応答性の異常診断が終了したと判定されれば、ステップ１０９に進み、空燃比センサ３７が正常（空燃比センサ３７の活性時間の異常無し且つ空燃比センサ３７の応答性の異常無し）であるか否かを判定する。

上記ステップ１０８で空燃比センサ３７の活性時間の異常診断や空燃比センサ３７の応答性の異常診断の終了前（空燃比センサ３７の活性時間の異常の有無や空燃比センサ３７の応答性の異常の有無が判定される前）であると判定された場合、又は、上記ステップ１０９で空燃比センサ３７の異常有り（空燃比センサ３７の活性時間と応答性の少なくとも一方の異常有り）と判定された場合には、ステップ１１２に進み、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止する。

一方、上記ステップ１０８で空燃比センサ３７の活性時間の異常診断及び空燃比センサ３７の応答性の異常診断が終了したと判定され、且つ、上記ステップ１０９で空燃比センサ３７が正常（空燃比センサ３７の活性時間の異常無し且つ空燃比センサ３７の応答性の異常無し）であると判定された場合には、ステップ１１０に進み、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立しているか否かを判定し、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立したと判定されたときに、ステップ１１１に進み、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行する。この場合、空燃比Ｆ／Ｂ制御と気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を両方とも実行するようにしても良いし、空燃比Ｆ／Ｂ制御を停止して気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御のみを実行するようにしても良い。

この後、ステップ１１３に進み、空燃比Ｆ／Ｂ制御の空燃比Ｆ／Ｂ補正量を用いて各気筒の基本燃料噴射量を一律に補正すると共に、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御の各気筒の空燃比Ｆ／Ｂ補正量を用いて各気筒の基本燃料噴射量を気筒別に補正して、最終的な燃料噴射量を気筒別に算出する。

以上説明した本実施例では、空燃比センサ３７の電気的接続の異常（断線や短絡等）無しと判定されれば、空燃比センサ３７の活性時間の異常診断及び空燃比センサ３７の応答性の異常診断が終了して、空燃比センサ３７が正常（空燃比センサ３７の活性時間の異常無し且つ空燃比センサ３７の応答性の異常無し）であると判定された後に、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立した時点で、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を開始するようにしたので、空燃比センサ３７の異常有りの状態で気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御が実行されることを未然に防止して、空燃比センサ３７が正常な状態であることを確認してから気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を開始することができ、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を精度良く実行することができる。

しかも、本実施例では、空燃比センサ３７の電気的接続の異常（断線や短絡等）無しと判定されれば、空燃比センサ３７の活性時間の異常診断や空燃比センサ３７の応答性の異常診断の終了前（空燃比センサ３７の活性時間の異常の有無や空燃比センサ３７の応答性の異常の有無が判定される前）でも、空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立した時点で、空燃比Ｆ／Ｂ制御を開始するようにしたので、気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御が開始されるまでの期間は、空燃比Ｆ／Ｂ制御によって各気筒の空燃比を制御して排気エミッションを低減することができる。

尚、上記実施例では、空燃比センサ３７の活性時間と応答性の少なくとも一方が異常有りと判定された場合に、空燃比Ｆ／Ｂ制御や気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を禁止するようにしたが、例えば、空燃比センサ３７のヒータが故障して空燃比センサ３７の活性時間が異常になった場合でも、空燃比センサ３７の応答性が正常であれば、排気熱により空燃比センサ３７が活性化した後に、空燃比Ｆ／Ｂ制御や気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を精度良く実行できるようになるため、このような場合には、空燃比センサ３７の活性時間の異常の有無に拘らず、活性化した空燃比センサ３７の応答性が正常であると判定された場合に、空燃比Ｆ／Ｂ制御や気筒別空燃比Ｆ／Ｂ制御を実行するようにしても良い。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 空燃比制御ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１５…スロットルバルブ、２０…燃料噴射弁、３５…排気マニホールド、３６…排気合流部、３７…空燃比センサ、４０…ＥＣＵ（気筒別空燃比制御手段，空燃比センサ異常診断手段，空燃比制御手段）

Claims (1)

1. 内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流する排気合流部に設置した空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を一律に制御する空燃比制御を実行する空燃比制御手段と、
   前記空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する気筒別空燃比制御を実行する気筒別空燃比制御手段と、
   前記空燃比センサの電気的接続異常及び応答性異常の有無をそれぞれ判定する空燃比センサ異常診断手段と、
   内燃機関の始動後に前記空燃比センサ異常診断手段により前記空燃比センサの電気的接続異常無しと判定された場合には、前記空燃比センサの応答性異常の有無が判定されるより前に前記空燃比制御手段による空燃比制御を許可する手段と、
   内燃機関の始動後に前記空燃比センサ異常診断手段により前記空燃比センサの電気的接続異常及び応答性異常のいずれの異常も無しと判定された場合に前記気筒別空燃比制御手段による気筒別空燃比制御を許可する手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。

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