JP5111529B2 - 内燃機関の制御診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数気筒を有する内燃機関の制御装置に関する。

三元触媒を利用した排気浄化システムを備える内燃機関では、排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの浄化を触媒で行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比をＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの三成分を高効率にかつバランスよく浄化できる空燃比（中心空燃比）に制御することが行われる。こうした空燃比の制御は、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、これによって検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるフィードバック制御により実現している。

特開２００９−３０４５５号公報

しかしながら、複数気筒を有する内燃機関においては、気筒間空燃比（各気筒ごとの空燃比）がばらつくことが原因で内燃機関の排気性能が悪化するという課題がある。

本発明の目的は、気筒間空燃比ばらつきによる内燃機関の排気性能の悪化を防止することである。

複数気筒から排出される排気を浄化する触媒と、触媒に流入する排気の空燃比を検出する上流空燃比検出手段と、上流空燃比に基づいて複数気筒の燃料噴射量を制御する空燃比制御手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、制御装置は、複数気筒間の空燃比がばらついたときに、上流空燃比を複数気筒間の空燃比がばらつく前の上流空燃比よりリッチになるように複数気筒の燃料噴射量を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置である。

さらに本発明にかかる手段を応用すれば、空燃比ばらつきを積極的に増大させた場合の、触媒下流の空燃比センサ出力あるいは排気三成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）と排気中の酸素が過不足なく反応する空燃比（中心空燃比）に基づいて、気筒間空燃比ばらつき異常と異常気筒を特定することもできる。

本発明によれば、気筒間空燃比ばらつきによる内燃機関の排気性能の悪化を防止することができる。

内燃機関の全体構成図。 気筒間空燃比ばらつきの原理説明図。 気筒間空燃比ばらつきの影響（空燃比センサ出力と排気）。 気筒間空燃比ばらつきの影響（リア酸素センサ出力と排気）。 本発明の制御ブロック図の一例。 目標空燃比演算部の一例。 目標空燃比および中心空燃比の補正方法の一例。 空燃比ばらつき度合いと最適浄化空燃比の関係。 本発明を実施したときのタイムチャート（正常時）。 本発明を実施したときのタイムチャート（１番気筒リッチ異常時）。 正常時の中心空燃比変化量。 正常時のタイムチャート。 １番気筒リッチ異常時の中心空燃比変化量。 １番気筒リッチ異常時のタイムチャート。 １番気筒リーン異常時の中心空燃比変化量。 １番気筒リーン異常時のタイムチャート。

以下本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用する内燃機関の全体構成図の一例である。ＥＣＵ１０８では、スロットル１０４によって各気筒に流入する空気量を調整し、エンジンヘッド１０６内の各気筒の空燃比が所定値（目標空燃比）となるようにインジェクタ１０５の燃料噴射量を調整する制御が実行される。このインジェクタ１０５の燃料量を決めるために、空気流量センサ１０３で検知する空気量および回転数センサ（図示せず）から検知する回転数などからシリンダ内の空気量を推定して基本となるベース噴射量を決定する。このベース噴射量は、触媒１０７の上流に設置された空燃比センサ１０１が目標とする目標空燃比と一致するように燃料補正が行われる。さらに触媒１０７下流のリア酸素センサ１０２を用いて、触媒において排気三成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）と酸素が過不足なく反応する空燃比（中心空燃比）を演算する。そして目標空燃比を中心空燃比近傍に制御することで、空気量の推定値や空燃比センサの出力に多少誤差があっても内燃機関の排気性能は高く維持される。ところが、例えばインジェクタ１０５が劣化して各気筒の噴射量がばらつき、各気筒の空燃比がばらつく異常（気筒間空燃比ばらつき）が生じると、次に説明するようなメカニズムにより排気悪化が生じる。

図２は所定気筒の空燃比をリッチあるいはリーンに意図的にずらし、気筒間の空燃比ばらつきを発生させた際の触媒上流の空燃比センサ出力（測定値）と実際の排気空燃比（真値）の関係を模擬的に示したものである。気筒間の空燃比をばらつかせても空燃比センサ１０１で検知される測定値は目標値一定に制御される。これは前述のように測定値を目標値に保つフィードバック制御が働くためである。しかし、図２に示すように、実際に触媒に流入する排気空燃比は、所定気筒の空燃比がストイキから外れ気筒間の空燃比ばらつきが大きくなるほどリーンになる。言い換えれば、気筒間の空燃比ばらつきにより測定値は真値よりもリッチとなる。なお、ここに示す排気空燃比は触媒上流の排気成分濃度（ＨＣ，ＣＯ，ＣＯ₂）などから一般的な方法で計算できる空燃比で、例えば排気分析計の出力として算出されるものである。

図３に、気筒間空燃比ばらつきにより生じる空燃比センサ１０１出力のリッチずれを確認した実験結果の一例を示す。図３（ａ）は横軸に触媒上流の空燃比センサ出力値、縦軸に排気分析計で計測した触媒下流のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの測定値を示す。気筒間空燃比ばらつきが無いとＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの中心空燃比は１４.４５である。ところが１番気筒の空燃比を他の３気筒より２０％リッチにすると、この中心空燃比は１４.３５と０.１ほどリッチにシフトしている。すなわち、この実験結果は、気筒間空燃比ばらつきがあると、空燃比制御で空燃比センサ１０１の出力が一定に保たれていても排気空燃比がリーンとなり、ＮＯｘ排出量が増加することを示している。

測定値が真値よりもリッチとなる原因は、空燃比センサ１０１のリッチ応答がリーン応答よりも早いためである。従ってセンサのリッチ応答とリーン応答の差が大きいほどこの現象が顕著となる。その一方で触媒下流に設置されたリア酸素センサ１０２では、この差が小さく、前述のようなリッチシフトは起こらない。

図４はリア酸素センサと触媒下流の排気との関係の一例を示す。この実験では１番期気筒の空燃比を他の気筒と同じ（正常）、２０％リッチ，２０％リーンにしている。本実験ではＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘをもっとも良く浄化できる時のセンサ出力は気筒間空燃比ばらつきによらず約６００ｍVである。従ってリアＯ₂センサ出力の値が約６００ｍＶ一定になるように、空燃比制御の目標空燃比を設定すれば、気筒間空燃比ばらつきによる排気悪化を防止できる。

図５から図１０を用いて本発明の第１実施形態について説明する。

図５は本発明を実現する制御ブロック図の一例である。詳細は後述するが、目標空燃比演算部５０１は空燃比センサ出力、空気流量センサ出力から触媒内の酸素貯蔵量（ＯＳ量）を算出し、ＯＳ量が所定範囲に収まるような目標空燃比を演算する。ベース噴射量演算部５０３は空気流量センサ出力およびエンジン回転数センサ（図示せず）出力などからシリンダ空気量を推定し、目標空燃比に基づいてベース噴射量を算出する。空燃比制御演算部５０４は空燃比センサ出力を目標空燃比と一致させるようなベース噴射量の補正値（空燃比補正量）を演算する。そしてＩＮＪ噴射量設定部５０６では気筒毎にベース噴射量に空燃比補正量を反映した燃料パルス幅を設定する。本実施例においては各気筒の気筒ばらつきを実現するため気筒間ばらつき指令値を演算する気筒ばらつき制御演算部５０５、および気筒間のばらつき指令値と触媒下流空燃比センサ出力から気筒ばらつきを判定する気筒ばらつき判定部５０２を備える。ここで設定される気筒ばらつき設定値に応じて目標空燃比をリッチに補正することで、気筒間空燃比ばらつきによる排気悪化を防止できる。さらに気筒間ばらつきをおこなっている際のリア酸素センサ出力に基づいて気筒ばらつき異常を判定できる。

図６は目標空燃比演算部の一例を示す。酸素貯蔵量演算部６０２では空燃比センサ出力ＲＡＢＦ，空気流量センサ出力ＱＡおよび中心空燃比ＣＮＴＡＢＦから酸素貯蔵量ＯＳを以下の式１で算出する。

ＯＳ＝Σ（ＲＡＢＦ−ＣＮＴＡＢＦ）＊ＱＡ … 数１
目標空燃比補正部６０１では酸素貯蔵量ＯＳが所定範囲からはずれるか、あるいは触媒後ろに設置されたリア酸素センサ出力が所定範囲からはずれた場合に、酸素貯蔵量とリア酸素センサ出力が所定範囲に戻る方向に目標空燃比を変更する。さらに中心空燃比推定部６０３では、酸素貯蔵量が所定範囲内でかつリア酸素センサ出力が所定範囲から外れた場合に中心空燃比を補正する。空燃比補正部６０４では、これら目標空燃比や中心空燃比を気筒空燃比ばらつきに基づいて補正する。

図７で目標空燃比および中心空燃比の補正方法の一例を示す。例えば酸素貯蔵量ＯＳが増大した際は目標空燃比をリッチにする。これにより触媒に流入する排気の空燃比がリッチなって酸素貯蔵量が減るため、リア酸素センサでＮＯｘ浄化率の低下を検知するまえにＮＯｘ浄化率の低下を防止できる。また酸素貯蔵量が増大しているのにリア酸素センサ出力がリッチ判定基準を超えた際には、目標空燃比をリッチとするとともに、数１の酸素貯蔵量演算を修正するため、中心空燃比をリッチに補正する。これにより中心空燃比は触媒で排気三成分が酸素と過不足なく反応する空燃比に近づく。

図８は空燃比のばらつき度合いと最適浄化空燃比の関係を示す。本例では空燃比ばらつきを所定の１気筒の燃料パルス幅を増量させることで実現する。また最適浄化空燃比は、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘのすべてが触媒で最も高効率で浄化される際に検知された触媒上流の空燃比センサの出力値を表す。本発明では所定気筒の噴射パルス幅を増量すると共に、空燃比制御の目標値をリッチシフトする。特に図的に気筒間空燃比ばらつきを生じさせる場合は、リッチシフト量をあらかじめ実験により求めた最適空燃比より設定することにより、リア酸素センサ出力にもとづいて目標空燃比が最適浄化空燃比まで補正されるよりも早くなり、排気悪化を防止できる。

図９は本制御を実施した際のタイムチャートの一例である。１番気筒の燃料パルス幅を他の気筒より増量させることで気筒間空燃比ばらつきを開始し、増量を止めることで気筒間ばらつきを終了させている。本実施例では気筒間空燃比ばらつきを開始すると共に目標空燃比をリッチ方向に制御する。この結果、実際の触媒入り口空燃比は触媒の浄化効率が最適となる空燃比を維持しており、リア酸素センサ出力はリッチ判定しきい値とリーン判定しきい値の間に保たれる。一方、気筒間空燃比ばらつきを終了するときは、逆に目標空燃比をリーン方向に制御する。

図１０は本制御を気筒間空燃比ばらつき発生時に実施した際のタイムチャートの一例である。この場合、目標空燃比をリッチに制御してもリアＯ₂センサ出力がリーン判定を下回っている。これは燃料噴射増量前から１番気筒の空燃比が他の気筒よりもリッチであることを示す。この場合は１気筒ずつ他の気筒も増量してリアＯ₂出力がリッチあるいはリーンに外れるかを記録する。１番気筒増量のときリーン、他気筒増量のときリッチになれば、１番気筒がリッチ異常となっていると判定できる。その理由はリッチ気筒をリッチにすると気筒間空燃比ばらつきが想定よりも増加し、あらかじめ実験により求めたリッチ補正が不十分でリア酸素センサ出力がリーンとなるからである。逆にリッチ気筒とバランスさせるためリーンとなっている他の気筒をリッチとすると、想定よりも気筒間空燃比ばらつきが小さくなり、リッチ補正が大きいためリア酸素センサ出力はリッチになる。１番気筒がリーン異常となっている場合はこの逆であり、気筒間空燃比ばらつき制御をすべての気筒で行い、所定の１気筒だけリアＯ₂センサ出力がリッチになればその１気筒はリーン異常と判定できる。さらに酸素貯蔵量ＯＳ量が所定範囲から外れた場合には判定を禁止することで、外乱による誤判定を防止できる。なお本制御は触媒が十分活性化した後に実施することが好ましい。

以上の実施形態を実施すれば以下のような効果を得ることができる。意図的に気筒間空燃比ばらつきを実施したときの排気悪化を防止できる。このため本制御は、空燃比を最適浄化空燃比近傍でチャタリングさせて触媒の浄化効率向上や触媒活性化促進させることができ、排気性能が向上する。さらに気筒間空燃比ばらつきを行った際のリア酸素センサ出力にもとづいて気筒間空燃比ばらつき異常を検知し、かつ空燃比が他と異なる異常気筒を特定できる。

図１１から図１６を用いて第２実施形態について説明する。第２の実施形態では中心空燃比を用いて異常判定を行う。本実施例では図１１（ａ）に示すように特定の気筒を割合Ｘだけリッチに制御した際に、目標空燃比と中心空燃比をＹ０リッチにシフトする。このＸとＹ０の関係は前述の最適浄化空燃比によって決める。図１１（ｂ）は診断前後での中心空燃比の変化量を示す。正常時では気筒間空燃比がそろう。図１１（ａ）のＡからＢへ中心空燃比を補正しているため中心空燃比の変化量はどの気筒をリッチにしてもＹ０となる。

図１２に、正常時のタイムチャートを示す。本実施例では診断開始時に１番気筒のみをリッチ割合Ｘ分リッチに制御し、リッチ分Ｘに応じて目標空燃比と中心空燃比をＹ０リッチにする。ここに示すＸとＹ０は図１１（ａ）で説明したように最適浄化空燃比を維持するためのリッチ割合と空燃比リッチシフト量である。この結果、触媒は最適浄化空燃比から外れることなく、触媒下流の空燃比を検知するリアＯ₂センサ出力電圧は所定範囲（６００〜８００ｍＶ）の範囲に保たれる。

次に１気筒がリッチで気筒間空燃比ばらつきが発生している場合について述べる。図１３（ａ）は１気筒がリッチである異常ケースにおける、気筒間空燃比ばらつき制御を実施した際の最適空燃比を示す。Ａｒが気筒ばらつき制御実施前の空燃比であり、Ｘｒｅだけ１番気筒がリッチである。すると他の気筒は空燃比を目標空燃比に保つためにＸｒｅ／（ｎ−１）だけリーンになる。ここでｎは気筒数を表す。リッチ異常である１番気筒をＸだけリッチにした結果がＢｒであり、１番気筒以外の正常気筒をＸだけリッチにした結果がＢｌである。このようにリッチ異常が発生している気筒は想定したＹ０よりもさらにリッチになる。その一方、他の正常気筒をリッチにすると想定したＹ０よりもリーンになる。図１３（ｂ）は各気筒をＸだけリッチにした際の中心空燃比変化量の記録であり、リッチ異常の気筒だけ大きくリッチに中心空燃比が変化する。従って中心空燃比変化量の記録値が図１３（ｂ）のようになれば、中心空燃比異常と判定でき、かつ１気筒だけＹ０よりもリッチになっていることでリッチ異常と判定できる。

図１４は１番気筒がリッチ異常であるときのタイムチャートの一例である。１番気筒をＸだけリッチにするとともに、目標空燃比と中心空燃比をリッチに制御する。ところが図１３（ａ）に示すように、このときの最適浄化空燃比はさらにリッチなので、ＮＯｘが浄化できず、それと共に触媒下流のリア酸素センサ出力がリーンとなる。またこの際、酸素貯蔵量は所定範囲から外れていないので、目標空燃比と中心空燃比がリッチに補正される。この補正により、リア酸素センサ出力が所定の範囲一定に収まったときの中心空燃比と診断前の中心空燃比の変化量から異常気筒を特定する。

最後に１気筒が他の気筒よりリーンとなる気筒間空燃比ばらつきが発生している場合について述べる。図１５（ａ）は１番気筒がＸｌｅだけ空燃比がリーンになっており、他の気筒はＸｌｅ／（ｎ−１）だけ空燃比がリッチとなっている。最適浄化空燃比はリッチ気筒の空燃比で決まる。Ａｌが診断前の目標空燃比であり、リーン異常気筒をリッチにした結果がＢｌ、残りの正常気筒をリッチにした結果がＢｒである。図１５（ｂ）にも示すようにリーン異常気筒では中心空燃比の変化量が想定したＹ０よりも小さく（リーン）、正常気筒ではＹ０よりもおおきく（リッチ）になっている。この場合も一つだけ傾向が違う、中心空燃比の変化量が少ない１番気筒をリーン異常と判定できる。

図１６は１番気筒がリーン異常時のタイムチャートを示す。１番気筒の空燃比をＸだけリッチに制御すると共に目標空燃比と中心空燃比をＹ０だけリッチに制御する。この場合は図１５（ａ）に示したように最適浄化空燃比はよりリーンなのでＣＯやＨＣが増加し、触媒下流のリア酸素センサ出力はリッチになる。このため目標空燃比および中心空燃比がリーン補正される。

以上の実施形態を実施すれば以下のような効果を得ることができる。所定気筒をリッチに制御し、意図的に気筒空燃比ばらつきを発生させた際の中心空燃比から気筒間空燃比ばらつきの異常気筒を検知できる。なお上流空燃比センサの異常は、どの気筒を増量しても空燃比ばらつき度合いは同じであるため中心空燃比の変化量は殆ど同じになる。このため中心空燃比の変化量をもちいることで本実施例によれば気筒間空燃比ばらつきだけを検知できる。

また、気筒間空燃比ばらつきによる上流空燃比検知手段の検知誤差を保障するため、気筒間空燃比を意図的にばらつかせても排気性能が悪化しない。さらに気筒間空燃比がばらついている異常時においては異常検知だけでなく、異常気筒を特定できる。この結果、排気性能のロバスト性が向上すると共に故障時のメンテナンス性も改善できる。

１０１ 空燃比センサ
１０２ リア酸素センサ
１０３ 空気流量センサ
１０４ スロットル
１０５ インジェクタ
１０６ エンジンヘッド
１０７ 触媒
１０８ ＥＣＵ

Claims (7)

1. 複数気筒から排出される排気を浄化する触媒と、
   前記触媒に流入する排気の空燃比を検出する上流空燃比検出手段と、
   前記上流空燃比に基づいて前記複数気筒の燃料噴射量を制御する空燃比制御手段と、
   を備えた内燃機関の制御装置において、
   前記制御装置は、
   前記複数気筒間の空燃比をばらつかせるときに、
   前記上流空燃比検出手段によって検出される空燃比が前記複数気筒間の空燃比をばらつかせる前に前記上流空燃比検出手段によって検出される空燃比よりリッチになるように前記複数気筒の燃料噴射量を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記複数気筒間の空燃比ばらつき度合いに応じて、前記上流空燃比をリッチに制御する度合いを大きくすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関は、前記触媒から流出する排気の空燃比を検出する下流空燃比検出手段を備え、
   前記制御装置は、前記複数気筒間の空燃比がばらついた後の前記下流空燃比に基づいて前記複数気筒間の空燃比ばらつき異常を判定することを特徴とする請求項１，２記載の内燃機関の制御装置。
4. 少なくとも一つの気筒の燃料噴射量を他の気筒の燃料噴射量よりも所定割合、増量または減量することで前記複数気筒間の空燃比ばらつきを増加させる手段を有することを特徴とする請求項１〜３記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記複数気筒間の空燃比をばらつかせた後の前記下流空燃比が所定範囲から外れることで、気筒間の空燃比ばらつき異常と判定することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
6. 少なくとも前記上流空燃比と前記触媒でＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘからなる排気三成分と排気中の酸素が過不足なく反応する中心空燃比との差の積算値から前記触媒に貯蔵される酸素貯蔵量を推定し、前記酸素貯蔵量があらかじめ定めた所定範囲になるように前記上流空燃比を制御する内燃機関の制御装置において、前記複数気筒間の空燃比ばらつきに応じて前記中心空燃比をリッチに補正することを特徴とする請求項１〜３記載の内燃機関の制御装置。
7. 特定の１気筒だけ燃料パルス幅を増量あるいは減量して前記気筒間の空燃比ばらつきを増加させ、前記下流空燃比があらかじめ定めた所定範囲よりもリッチになる場合は前記中心空燃比をリッチに補正し、前記下流空燃比があらかじめ定めた所定範囲よりもリーンになる場合には前記中心空燃比をリーンに補正し、前記気筒間の空燃比ばらつきが増加中の中心空燃比の変化量に基づいて前記複数気筒間の空燃比ばらつき異常を判定することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の制御装置。

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