JP5084708B2 - 内燃機関の空燃比制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に設ける酸素センサの出力に基づいて空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御方法に関するものである。

従来、車両に搭載されるエンジンにおいて、アイドリング状態の運転の際に、空燃比を理論空燃比よりリーン側に保つように燃料供給量を制御するものが、例えば特許文献１により知られている。この特許文献１に記載のものでは、アイドリング状態になった後所定時間が経過した場合に空燃比をリーン側にするべく燃料供給量を変更することで、アイドリング時の実際のエンジン回転数が低下しないように、エンジン回転数を上昇させるように吸入空気量を制御する構成にしている。この特許文献１に記載のものにあっては、エンジンがアイドリング状態にある場合の燃費を向上させるために、空燃比をリーン側に制御するものである。
特開昭６３‐１１３１４９号公報

ところで、エンジンの排気ガスを浄化する触媒は、所定の温度まで上昇して活性化することにより、排気ガス中のＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する。したがって、一旦活性化された触媒が、アイドリング状態における比較的低温の排気ガスにさらされる場合は、徐々に冷やされる。このようなアイドリング状態では、空燃比が理論空燃比あるいはややリッチ側であると、排気ガスに含まれる酸素の量が少ないために触媒内部が酸素不足がちになる。その結果、ＣＯやＨＣが酸化されずに排出され、これらの浄化率が低下した。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の空燃比制御方法は、排気通路に設けられる触媒と、触媒の上流側に設けられる酸素センサとを備える内燃機関において、酸素センサが活性化したことを検出した後の酸素センサの出力に基づいて設定した空燃比補正定数を用いて空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御方法であって、酸素センサが活性化したことを検出した後に内燃機関の運転状態を判定し、判定した運転状態がアイドリング状態で、触媒を通過する排気ガス流量が所定値を超えた場合に、触媒の温度が低下するとともにＣＯ及びＨＣを浄化するための触媒内に吸蔵される酸素量が減少したことを推定して空燃比補正定数を空燃比がリーンになるように選択することを特徴とする。

このような構成によれば、内燃機関の運転状態がアイドリング状態である場合に、触媒の温度が所定値以下になって冷えた状態で空燃比がリーンになるように空燃比補正定数を選択することで、触媒内に酸素を多く含んだ排ガスが流入する。この結果、排気ガス中のＣＯ及びＨＣの排出量を低減することが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、内燃機関の運転状態がアイドリング状態で、触媒の温度が所定値以下になって冷えた場合に、触媒内に酸素を多く含んだ排ガスが流入させることにより、排気ガス中のＣＯ及びＨＣの排出量を低減することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は、その１気筒の構成を代表して図示する、自動車用の火花点火式４サイクル４気筒のものである。エンジン１００の吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、その燃料噴射弁５を、電子制御装置６により制御するようにしている。燃焼室７を形成するシリンダヘッド８には、吸気弁９及び排気弁１０が配設されるとともに、火花を発生するスパークプラグ１１が取り付けてある。また排気系１２には、図示しないマフラに至るまでの排気管路１３に触媒である三元触媒１４が配設され、排気ガス中の酸素濃度を測定して空燃比を制御するための信号を出力する酸素センサたる主Ｏ₂センサ１５が、その三元触媒１４の上流の位置に配設されているとともに、同じく空燃比を検出する検出手段たる副Ｏ₂センサ１６が三元触媒１４の下流に配設されている。主Ｏ₂センサ１５及び副Ｏ₂センサ１６は、排気ガス中の酸素濃度つまり空燃比に応じて２値の出力信号ｈを出力するものである。なお、この実施形態の主Ｏ₂センサ１５及び副Ｏ₂センサ１６はそれぞれ、活性化を促進するためにヒータを備えており、エンジン１００の始動と同時にヒータに通電されるように構成してある。

電子制御装置６は、中央演算処理装置１７と、記憶装置１８と、入力インターフェース１９と、出力インターフェース２０とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース１９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ２１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ２２から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ２３から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ２４から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ２５から出力される水温信号ｅ、上記した主Ｏ₂センサ１５から出力される出力信号（電圧信号）ｈ、副Ｏ₂センサ１６から出力される出力信号（電圧信号）ｋ等が入力される。一方、出力インターフェース２０からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、またスパークプラグ１１に対してイグニションパルスｇが出力されるようになっている。

電子制御装置６には、吸気圧センサ２１から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ２２から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間（基本噴射量）を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Ｔを決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。基本噴射量を補正する補正係数としては、吸気温度に応じた増量をするための吸気温度補正係数、空燃比をフィードバック制御する場合のフィードバック補正係数ＦＡＦ、出力を要求された場合のパワー増量補正係数などがある。

エンジン１００が暖機完了の状態となり、しかも主Ｏ₂センサ１５及び副Ｏ₂センサ１６が完全に活性化している状態において空燃比のフィードバック制御を実行する際には、実際の空燃比がほぼ理論空燃比近傍となるようにフィードバック補正係数ＦＡＦを主Ｏ₂センサ１５からの出力信号ｈに応じて、例えば図２に示すように変化させるものである。

すなわち、主Ｏ₂センサ１５の出力信号ｈが判定値を上回ってリッチ状態を検出している際には、フィードバック補正係数ＦＡＦを所定の積分定数ＫＩＭを用いて燃料を減量する方向に徐々に減少させていく。一方、主Ｏ₂センサ１５の出力信号ｈが判定電圧を下回ってリーン状態を検出している際には、出力信号ｈが判定電圧に達してから遅延時間ＴＤＬが経過した時点で、フィードバック補正係数ＦＡＦを一定のスキップ値ＲＳＰだけ燃料を増量する側にスキップし、その後にフィードバック補正係数ＦＡＦを所定の積分定数ＫＩＰを用いて燃料を増量する側に増加させていく。さらに、燃料を増量した結果、主Ｏ₂センサ１５がリッチ状態を検出した場合には、主Ｏ₂センサ１５の出力信号ｈが判定電圧を上回る時点から所定の遅延時間ＴＤＲが経過した後に、フィードバック補正係数ＦＡＦを一定のスキップ値ＲＳＭだけ燃料を減量する側にスキップし、その後にフィードバック補正係数ＦＡＦを所定の積分定数ＫＩＭを用いて燃料を減量する側に減量させていく。そして、フィードバック補正係数ＦＡＦに対して上述の操作を繰り返し実行することにより、実際の空燃比を理論空燃比に近づけるようにしている。

なお、この実施形態では、前述した各空燃比補正定数の内、積分定数ＫＩＭ、ＫＩＰとスキップ値ＲＳＰ、ＲＳＭとは一定値に設定しているが、主Ｏ₂センサ１５が完全に活性化した後は、以下に説明する空燃比制御プログラムの実行中をのぞいて、遅延時間ＴＤＲ，ＴＤＬは副Ｏ₂センサ１６の出力信号ｋに応じて変化させるようにしている。

そして、その空燃比制御プログラムにあっては、酸素センサである主Ｏ₂センサ１５が活性化したことを検出した後の主Ｏ₂センサ１５の出力に基づいて設定する空燃比補正定数を用いて空燃比を制御するものであって、主Ｏ₂センサ１５が活性化したことを検出した後にエンジン１００の運転状態を判定し、判定した運転状態がアイドリング状態で、触媒を通過する排気ガス流量が所定値を超えた場合に触媒の温度が低下したことを推定して空燃比補正定数を空燃比がリーンになるように選択するものである。

この実施形態の空燃比制御プログラムを、図３を参照して説明する。なお、この空燃比制御プログラムは、エンジン１００を冷間時に始動した後のアイドリング状態にある場合に実行されるものである。

まずステップＳ１では、主Ｏ₂センサ１５が十分活性化しているか否かを判定する。主Ｏ₂センサ１５の活性化は、その出力信号ｈの状況に基づいて判定する。主Ｏ₂センサ１５が活性化した場合は、その出力信号ｈが活性化していない場合に比べて俊敏な反応を呈する。具体的には例えば、出力信号ｈの立ち上がり又は立ち下がりの傾き（速度）により主Ｏ₂センサ１５の活性化を判定する。主Ｏ₂センサ１５は、活性化判定直後から所定時間の間においても、完全に活性化した場合に比較して、出力信号ｈがやや緩慢な反応を示すものであるので、主Ｏ₂センサ１５が十分に活性化することは一定時間後となる。

ステップＳ１において、主Ｏ₂センサ１５が活性化したと判定した場合、ステップＳ２において、暖機完了か否かを判定する。暖機完了の判定は、エンジン温度、例えば冷却水温により判定する。エンジン温度は、潤滑油温度や吸入空気温度を採用するものであってもよい。ステップＳ２において、暖機中で未だ暖機完了となっていない場合はこの空燃比制御プログラムを終了する。これとは逆に、暖機完了であると判定した場合は、ステップＳ３にて、アイドリング状態になってから所定時間が経過したか否かを判定する。

ステップＳ３では、アイドリング状態になってからの経過時間を判定することにより、三元触媒１４の温度を推定するものである。経過時間が一定時間内であれば三元触媒１４は、アイドリング状態になるまでのエンジン１００からの排気ガスにより、温度が所定値を上回って上昇しており活性化された状態になっている。これに対して、アイドリング状態で所定時間が経過すると、アイドル運転における排気ガス温度は他の運転状態に比較して高くないので、三元触媒１４内は活性化に要する温度より低くなっている。つまり、アイドリング状態での経過時間が所定時間経過することにより、アイドリング状態における温度の低い排気ガス流量が所定値を超えて三元触媒１４を通過するので、触媒の温度が低下したことを推定しえるものである。

ステップＳ３においてアイドリング状態になってから所定時間が経過していないつまり三元触媒１４が活性化されている状態であると判定した場合はステップＳ４を実行する。ステップＳ４では、三元触媒１４が活性化状態にあるので、空燃比補正定数すなわち遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲを空燃比がストイキオになるように選択する。すなわち、主Ｏ₂センサ１５が十分に活性化している状態において、暖機完了している運転状態における設定の遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲを選択するものである。

一方、ステップＳ３において所定時間が経過したと判定した場合は、ステップＳ５において、遅延時間ＴＤＬを、空燃比がリーンになるように選択する。この場合、具体的には、遅延時間ＴＤＬが長くなるように、選択する。遅延時間ＴＤＬのこの選択により、空燃比をリッチ側に切り替えるまでの時間が長くなり、その分、空燃比がリーンになる。その後、ステップＳ６において、アイドリング状態が継続している否かを判定し、継続していると判定した場合はステップＳ２に戻り、他の運転状態に移行していると判定した場合はこの空燃比制御プログラムを終了する。

以上の構成において、冷間始動あるいは暖機後の再始動からアイドリング状態になった場合において、冷えていた主Ｏ₂センサ１５が十分に活性化し、かつエンジン１００が暖機完了の運転状態になった場合は、三元触媒１４の温度に応じて、つまりアイドリング状態を継続している時間に応じて、遅延時間ＴＤＬを調整するものである。

具体的には、エンジン１００がアイドリング状態となった後に所定時間が経過していない場合は、ステップＳ３を実行した後ステップＳ４を実行して、空燃比をストイキオに維持するように遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲを選択する。この場合、アイドリング状態になるまでの運転状態において三元触媒１４内に吸蔵された酸素があるので、ＣＯ及びＨＣの排出量は他の運転状態に比較しても増加しない。

これに対して、アイドリング状態になった後、所定時間以上が経過した場合は、三元触媒１４の温度が低下するとともに吸蔵する酸素の量が減少する。すなわち、アイドリング状態にあっては、排気ガス量が他の運転状態に比較して少ない。このため、排出されるＮＯｘの量も少ないため、ＣＯ及びＨＣを浄化するための三元触媒１４内に吸蔵される酸素量が減少する。このような状況において、ステップＳ５を実行して遅延時間ＴＤＬ、ＴＤＲを空燃比がリーンになるように選択することにより、酸素量が豊富な排気ガスが三元触媒１４に流入することになる。この結果、増加した酸素とＣＯ及びＨＣが反応することにより、両者の排出量を低減することができ、よって両者の浄化率を向上させることができるものである。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態にあっては、空燃比補正定数としての遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬを説明したが、フィードバック補正係数ＦＡＦを制御するスキップ値ＲＳＰ、ＲＳＭ又は積分定数ＫＩＭ、ＫＩＰであってもよい。この場合、スキップ値ＲＳＰはその値を小さく、スキップ値ＲＳＭはその値を大きくするように選択（調整）し、積分定数ＫＩＰはその変化の割合を小さく、積分定数ＫＩＭはその変化の割合を大きくするように選択する。このように、フィードバック補正係数ＦＡＦのスキップ値ＲＳＰ、ＲＳＭ又は積分定数ＫＩＭ、ＫＩＰを選択することにより、フィードバック補正係数ＦＡＦの可変範囲つまり振幅が小さくなり、上述の実施形態と同等の効果を奏するものである。

又、以上においては、触媒の前後にＯ₂センサを配したエンジンを説明したが、上述の実施形態における主Ｏ₂センサ１５のみを有するエンジンに適用するものであってよい。

加えて、主Ｏ₂センサ１５の活性化判定は、エンジン１００の始動からの経過時間により判定するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態の概略的構成図。 同実施形態の基本的な空燃比制御の作用を示すタイミングチャート。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

６…電子制御装置
１４…三元触媒
１５…主Ｏ₂センサ
１６…副Ｏ₂センサ
１７…中央演算処理装置
１８…記憶装置
１９…入力インターフェース
２０…出力インターフェース

Claims (1)

1. 排気通路に設けられる触媒と、触媒の上流側に設けられる酸素センサとを備える内燃機関において、
   酸素センサが活性化したことを検出した後の酸素センサの出力に基づいて設定した空燃比補正定数を用いて空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御方法であって、
   酸素センサが活性化したことを検出した後に内燃機関の運転状態を判定し、
   判定した運転状態がアイドリング状態で、触媒を通過する排気ガス流量が所定値を超えた場合に、触媒の温度が低下するとともにＣＯ及びＨＣを浄化するための触媒内に吸蔵される酸素量が減少したことを推定して空燃比補正定数を空燃比がリーンになるように選択する内燃機関の空燃比制御方法。

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