JP5273060B2 - 内燃機関の空燃比ばらつき検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の空燃比ばらつき検出装置に係り、特に、車両に搭載される内燃機関について、気筒間の空燃比のばらつきを検出するのに好適な内燃機関の空燃比ばらつき検出装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、複数気筒に接続された排気通路の合流部より下流に設けられた空燃比センサを備えた内燃機関が知られている。また、本公報には、定常状態において空燃比センサにより検出される空燃比と気筒毎の燃料供給量との関係により定義されるモデルに基づいて、気筒間の空燃比ばらつきを検出することが開示されている。

特開２００４−３６４７３号公報 特開２００７−２１１６５４号公報

しかしながら、上記従来の内燃機関では、定常状態において空燃比センサにより検出される空燃比の変動幅が小さいストイキ周辺の領域においては、気筒間の空燃比ばらつきの検出精度が悪化してしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、定常状態において、全域で気筒間の空燃比ばらつきを精度高く検出できる内燃機関の空燃比ばらつき検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比ばらつき検出装置であって、
複数気筒に設けられた筒内圧センサと、
前記複数気筒に接続された排気通路の合流部より下流に設けられた空燃比センサと、
定常状態において検出された前記筒内圧センサの検出値から各気筒の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
定常状態において検出された前記空燃比センサの検出値から排気空燃比の変動幅を算出する変動幅算出手段と、
各気筒について燃焼速度が閾値よりも高いか否かを判定する判定手段と、
燃焼速度が前記閾値よりも高い場合に、排気空燃比の変動幅を用いて筒内の空燃比相当値を算出する第１算出手段と、
燃焼速度が前記閾値以下の場合に、燃焼速度を用いて筒内の空燃比相当値を算出する第２算出手段と、を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、各気筒について燃焼速度が閾値以下の場合に、燃焼速度を用いて気筒の空燃比相当値を算出することができる。筒内圧センサの検出値から算出される燃焼速度が低い領域（空燃比センサの検出値から算出される変動幅が小さいストイキ周辺の領域を含む）では、燃焼速度に対して空燃比がユニークに定まる。そのため、空燃比センサにより検出される変動幅が小さい領域であっても、各気筒の空燃比相当値を精度高く算出することができる。

一方で、燃焼速度は、上記閾値以上となるリッチ側の領域で最大速度となる放物線特性を有する。放物線特性を有するリッチ側の領域では、１つの燃焼速度に対して２つの空燃比が想定されるため空燃比の検出精度が悪化する。そこで、第１の発明によれば、各気筒について燃焼速度が閾値よりも高い場合には、排気空燃比の変動幅を用いて筒内の空燃比相当値を算出する。ある気筒がリッチとなる場合には、空燃比センサの検出値から算出される排気空燃比の変動幅が大きくなるため、筒内の空燃比を精度高く算出することができる。そのため、燃焼速度が放物線特性を有するリッチ側の領域であっても、筒内の空燃比相当値を精度高く算出することができる。

このため、本発明によれば、全域において気筒間の空燃比ばらつきを精度高く検出することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の筒内圧センサ２４及び空燃比センサ３７の特性を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における気筒間の空燃比ばらつきの検出性について説明するための図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において用いられる、高燃焼速度インバランス率マップについて説明するための図である。 本発明の実施の形態１において用いられる、中低燃焼速度インバランス率マップについて説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両の動力源として用いられる内燃機関（以下、単に「エンジン」という。）１０を備えている。エンジン１０には、吸気通路１２および排気通路１４が接続されている。

エンジン１０は、複数の気筒を有しており、図１には、そのうちの一つの気筒の断面が示されている。各気筒には、吸気通路１２に連通する吸気ポートと、排気通路１４に連通する排気ポートとが設けられている。吸気ポートには、その内部に燃料を噴射するためのインジェクタ１６が配置されている。なお、エンジン１０は、図示の構成に限らず、燃料を筒内に直接噴射する方式のものでもよい。

また、各気筒には、吸気ポートと燃焼室との間を開閉する吸気バルブ１８と、排気ポートと燃焼室との間を開閉する排気バルブ２０と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ２２と、筒内圧を検出する筒内圧センサ２４とが設けられている。筒内圧センサとして、例えばＣＰＳ（Combustion Pressure Sensor）が用いられる。

各気筒のピストンの往復運動は、クランク機構を介して、クランク軸２６の回転運動に変換される。クランク軸２６の近傍には、クランク軸２６の回転角を検出するためのクランク角センサ２８が取り付けられている。クランク角センサ２８の出力によれば、エンジン回転数を検出することもできる。

吸気通路１２には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３０が配置されている。エアフローメータ３０の下流には、スロットルバルブ３２が配置されている。スロットルバルブ３２は、後述するＥＣＵ５０からの指令に従い、スロットルモータ３４によって開閉駆動される電子制御式スロットルバルブである。スロットルバルブ３２の近傍には、スロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ３６が配置されている。

また、各気筒に連通する排気通路１４の合流部の下流には、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ３７が設けられている。空燃比センサ３７の下流の排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒３８が設置されている。触媒３８としては、例えば、三元触媒、ＮＯｘ触媒等が用いられる。

本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、上述の筒内圧センサ２４、クランク角センサ２８、エアフローメータ３０、スロットルポジションセンサ３６、空燃比センサ３７の他、エンジン１０の冷却水の温度を検出する冷却水温センサ５２等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、前述のインジェクタ１６、点火プラグ２２、スロットルモータ３４の他等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータを作動させることにより、エンジン１０の運転状態を制御する。なお、目標空燃比は理論空燃比（ストイキ）に設定されているものとする。

［実施の形態１における特徴的制御］
図２は、筒内圧センサ２４及び空燃比センサ３７の特性を説明するための図である。図２（Ａ）は筒内圧センサ２４の特性を表している。図２（Ａ）の横軸には１つの気筒についての空燃比が示されており、縦軸にはその空燃比に応じた燃焼速度が示されている。図２（Ａ）に示すように、筒内圧センサ２４の検出値に基づく燃焼速度は、燃焼特性上、リッチ側（領域ａ）で最大速度となる放物線特性を有する。

放物線特性を有する領域ａでは、１つの燃焼速度に対して２つの空燃比が想定される。そのため、燃焼速度のみで正確な空燃比を求めることはできず、空燃比の検出精度は低い。一方、領域ａよりも燃焼速度の低い領域、即ち、ストイキよりも僅かにリッチ側の弱リッチ領域〜リーン領域では、筒内の空燃比がリーンであるほど燃焼速度が小さい関係にあり、１つの燃焼速度に対して１つの空燃比が定まる。そのため、燃焼速度から筒内の空燃比を精度高く検出することができる。

図２（Ｂ）は空燃比センサ３７の特性を表している。図２（Ｂ）の横軸には１つの気筒についての空燃比が示されている。縦軸には排気通路１４の合流部の下流に設けられた空燃比センサ３７の検出値について１サイクル内の変動幅が示されている。全気筒の目標空燃比がストイキに設定されている場合に、吸気系の経年変化などによりある気筒の吸入空気量等にずれが生じ、図２（Ｂ）に示すようにリッチ側の領域ｂ又はリーン側の領域ｃで運転される場合には、空燃比センサ３７の検出値の変動幅は大きな値となる。変動幅は、リッチ側又はリーン側に大きくなるほど大きくなる。

本実施形態のシステムにおいて、一部の気筒の吸気系・動弁系の経年変化や、インジェクタ１６の経時劣化などにより、吸入空気量や燃料噴射量が目標量とずれる場合がある。この場合、気筒間に空燃比のばらつきが生じうる。空燃比にばらつきが生じると、触媒浄化性能が低下してエミッション性能の低下を招く。また、気筒間に大きなトルク差が生じるため、ドライバビリティの低下を招く。そのため、このような空燃比のばらつきを検出し、適切に吸入空気量や燃料噴射量を補正することが望まれる。

図３は、気筒間の空燃比ばらつき（以下、単にインバランスともいう。）の検出性について説明するための図である。図２（Ａ）で説明した通り、燃焼速度が領域ａよりも低い弱リッチ〜リーン領域においては、燃焼速度から各気筒の空燃比を精度高く推定することができる。そのため、図３に示すように、弱リッチ〜リーン領域においては、筒内圧センサ２４を用いてインバランスを精度高く検出することができる。

一方、図２（Ａ）で説明した通り、燃焼速度が高いリッチ側の領域ａにおいては、空燃比に対する燃焼速度が放物線を描くため空燃比の検出精度は悪化する。そのため、インバランスの検出性も悪くなる。これに対して、図２（Ｂ）で説明した通り、空燃比センサ３７の検出値の変動幅は、気筒の空燃比がリッチ側（領域ｂ）に大きいほど大きくなる。リッチ側の領域ｂでは、この変動幅から筒内の空燃比を精度高く推定することができる。また、領域ｂの範囲は領域ａの範囲に相当する（図２）。そのため、図３に示すように、領域ａにおいては、筒内圧センサ２４と空燃比センサ３７とを用いてインバランスを精度高く検出することができる。

そこで、本実施形態のシステムでは、燃焼速度が高いリッチ側の領域ａでは筒内圧センサ２４と空燃比センサとを用いて、領域ａよりも燃焼速度が低い領域では筒内圧センサ２４を用いて、全域において気筒間の空燃比ばらつきを検出し、適切に吸入空気量や燃料噴射量を補正することとした。

図４は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、まず、ステップ１１０において、気筒間の空燃比ばらつきを検出するための条件が成立しているか否かが判定される。例えば、エンジン回転数、スロットル開度、冷却水の温度等に基づいて、暖機後かつ中負荷定常状態であることを判定条件とする。条件不成立と判定された場合には、本ルーチンの処理は終了される。

一方、条件成立と判定された場合には、次にステップ１２０において、気筒毎に燃焼速度ＣＳが算出される。燃焼速度ＣＳは、例えば式（１）と式（２）から算出される。式（１）に示すｋは比熱比、Ｖは筒内の容積であり予めＥＣＵ５０に記憶されている。Ｐは筒内の燃焼圧であり、筒内圧センサ２４により気筒毎に検出される。また、式（２）に示すｆは予め実験により求められた関数であり、熱発生率ｄＱ、点火時期Ｔｓａ、エンジン回転数Ｎｅをパラメータとする。
熱発生率 ｄＱ(θ)＝１/(ｋ-１)*(ｋ*Ｐ(θ)ｄＶ(θ)+Ｖ(θ)ｄＰ(θ) …（１）
燃焼速度 ＣＳ＝ｆ(ｄＱ,Ｔｓａ,Ｎｅ) …（２）

続いて、ステップ１３０において、全気筒が１サイクルする間に、空燃比センサ３７により検出された空燃比の変動幅ＡＦａを算出する。変動幅ＡＦａは、例えば式（３）から算出される。式（３）に示すＡＦｍａｘとＡＦｍｉｎは、それぞれ１サイクル内の最大空燃比と最小空燃比である。なお、全気筒が１サイクルする間のクランク角２６の回転角は、クランク角センサ２８により検出される。
変動幅 ＡＦａ＝ＡＦｍａｘ−ＡＦｍｉｎ …（３）

ステップ１４０において、所定のサイクル数が経過しているか否かが判定される。サイクル数として例えば５０サイクルを設定する。所定のサイクル数が未だ経過していないと判定された場合には、本ルーチンの処理は終了され、ステップ１１０の処理から再度実行される。

所定のサイクル数が経過していると判定された場合には、ステップ１２０及びステップ１３０において、所定サイクル数分の燃焼速度ＣＳ及び変動幅ＡＦａが算出されている。ステップ１５０では、燃焼速度ＣＳの平均値である平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅが気筒毎に算出される。また、変動幅ＡＦａの平均値である平均変動幅ＡＦａ_ａｖｅが算出される。

ステップ１６０において、各気筒について平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅが閾値よりも大きいか否かが判定される。閾値は、上述した図２（Ａ）に示す領域ａ（異なる空燃比で同一の燃焼速度となるリッチ領域）とそれ以外の領域の境界を示す値である。

平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅが閾値よりも大きいと判定される場合には、次に、ステップ１７０において、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅと平均変動幅ＡＦａ_ａｖｅからインバランス率が気筒毎に算出される。具体的には、ＥＣＵ５０は、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅと平均変動幅ＡＦａ_ａｖｅとに応じたインバランス率を定めた「高燃焼速度インバランス率マップ」を記憶している。

図５は、「高燃焼速度インバランス率マップ」について説明するための図である。図５（Ａ）に示すように、高燃焼速度インバランス率マップには、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅ（ｘ１、ｘ２、・・・）と平均変動幅ＡＦａ_ａｖｅ（ｙ１、ｙ２、・・・）とに応じたインバランス率（ｚ１１、ｚ１２、ｚ２１、ｚ２２、・・・）が定められている。インバランス率は実験等により予め定められている。

図５（Ｂ）を用いて、インバランス率を求める具体例を挙げる。図５（Ｂ）において、領域ａでは放物線特性により１つの平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅの値ｘ２に対して２つの空燃比が想定される（図２（Ａ））。ここで、平均変動幅ＡＦａ_ａｖｅを用いることで１つのインバランス率を求めることができる。例えば、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅがｘ２のとき平均変動幅ＡＦａ_ａｖｅがｙ４ならばインバランス率はｚ４２に一意に定まる。

一方、ステップ１６０において、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅが閾値以下であると判定される場合には、次に、ステップ１８０において、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅからインバランス率が算出される。具体的には、ＥＣＵ５０は、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅに応じたインバランス率を定めた「中低燃焼速度インバランス率マップ」を記憶している。

図６は、「中低燃焼速度インバランス率マップ」について説明するための図である。図６に示すように、中低燃焼速度インバランス率マップには、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅ（ｘｃ１、ｘｃ２、・・・）に応じたインバランス率（ｚ１、ｚ２、・・・）が定められている。インバランス率は実験等により予め定められている。

ステップ１７０又はステップ１８０において算出された各気筒のインバランス率に応じてインバランス補正処理が実施される。インバランス補正処理として、例えば、燃料噴射量や吸入空気量の増減処理が実施される。上述したインバランス率は、例えば、各気筒のリッチ・リーンの程度に応じて定められており、図２に示すリッチ側に大きいほど燃料噴射量を減少させる値が定められており、リーン側に大きいほど燃料噴射量を増大させる値が定められている。

以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅが閾値よりも大きい場合には、筒内圧センサ２４の検出値から算出される燃焼速度に応じた各気筒の空燃比を精度高く算出することができる。そのため、インバランス率も精度高く算出することができる。一方、平均燃焼速度ＣＳ_ａｖｅが閾値以下の場合には、筒内圧センサ２４の検出値から算出される燃焼速度と、空燃比センサ３７により検出される空燃比の変動幅とに応じた各気筒の空燃比を精度高く算出することができる。そのため、インバランス率も精度高く算出することができる。

これらより、本実施形態のシステムによれば、全域において気筒間の空燃比ばらつきを精度高く検出することができる。また、気筒間の空燃比ばらつきに応じて、適切にインバランス補正処理を実施することができる。その結果、エミッション性能の低下を抑止し、好適なドライバビリティを維持することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、ステップ１１０における条件を、特定の運転領域であることとしているが、この条件はこれに限定されるものではない。例えば、定常状態において常時検出することとしても良い。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、燃焼速度ＣＳと変動幅ＡＦａとについて所定のサイクル数の平均値を用いてインバランス率を算出することとしているが、インバランス率の算出方法はこれに限定されるものではない。例えば、ステップ１４０、ステップ１５０の処理を省略し、サイクル毎の燃焼速度ＣＳと変動幅ＡＦａとに基づいてインバランス率を算出することとしてよい。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、燃焼速度ＣＳを用いてインバランス率を算出することとしているが、筒内圧センサ２４を用いた筒内状態を表現する状態量でありさえすればよい。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、変動幅ＡＦａを用いてインバランス率を算出することとしているが、空燃比センサ３７の検出値を情報処理したもので、インバランス率と相関のある状態量・変数でありさえすればよい。

尚、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ２４が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に、空燃比センサ３７が前記第１の発明における「空燃比センサ」に、それぞれ相当している。

また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃焼速度算出手段」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「変動幅算出手段」が、上記ステップ１６０の処理を実行することにより前記第１の発明における「判定手段」が、上記ステップ１７０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１算出手段」が、上記ステップ１８０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２算出手段」が、それぞれ実現されている。

更に、実施の形態２においては、上記ステップ１７０及びステップ１８０において算出されるインバランス率が前記第１の発明における「空燃比相当値」に対応している。

１０ エンジン
１４ 排気通路
１６ インジェクタ
２２ 点火プラグ
２４ 筒内圧センサ
２６ クランク軸
２８ クランク角センサ
３０ エアフローメータ
３２ スロットルバルブ
３６ スロットルポジションセンサ
３７ 空燃比センサ
３８ 触媒
５２ 冷却水温センサ
５０ ＥＣＵ
ａ、ｂ、ｃ 領域
ＡＦａ 変動幅
ＡＦａ_ａｖｅ 平均変動幅
ＣＳ 燃焼速度
ＣＳ_ａｖｅ 平均燃焼速度

Claims (1)

1. 複数気筒に設けられた筒内圧センサと、
   前記複数気筒に接続された排気通路の合流部より下流に設けられた空燃比センサと、
   定常状態において検出された前記筒内圧センサの検出値から各気筒の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
   定常状態において検出された前記空燃比センサの検出値から排気空燃比の変動幅を算出する変動幅算出手段と、
   各気筒について燃焼速度が閾値よりも高いか否かを判定する判定手段と、
   燃焼速度が前記閾値よりも高い場合に、排気空燃比の変動幅を用いて筒内の空燃比相当値を算出する第１算出手段と、
   燃焼速度が前記閾値以下の場合に、燃焼速度を用いて筒内の空燃比相当値を算出する第２算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比ばらつき検出装置。

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