JP5282854B2 - 空燃比制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、空燃比制御装置(内燃機関の空燃比を制御する装置)に関する。
この種の装置として、排気通路に設けられた上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比を制御するものが、従来広く知られている(例えば、特開平6−317204号公報、特開2003−314334号公報、特開2004−183585号公報、特開2005−273524号公報、等参照。)。前記上流側空燃比センサは、気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒(2つ以上設けられている場合は最上流のもの)よりも、排気流動方向における上流側に設けられている。また、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒よりも、前記排気流動方向における下流側に設けられている。
かかる装置における前記下流側空燃比センサとしては、理論空燃比前後でステップ状の応答(Z特性:理論空燃比よりもリッチ側とリーン側との間で出力が急変する態様でステップ的に出力が変化する特性)を示す、いわゆる酸素センサ(O2センサとも称される)が広く用いられている。一方、前記上流側空燃比センサとしては、上述の酸素センサや、出力が空燃比に対して比例的に変化する、いわゆるA/Fセンサ(リニアO2センサとも称される)が、広く用いられている。
かかる装置においては、前記上流側空燃比センサからの出力信号に基づいて、前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比が目標空燃比になるように、燃料噴射量がフィードバック制御される(以下、この制御を「メインフィードバック制御」と称する。)。また、このメインフィードバック制御と併せて、前記下流側空燃比センサからの出力信号を燃料噴射量にフィードバックする制御も行われる(以下、この制御を「サブフィードバック制御」と称する。)。
具体的には、メインフィードバック制御においては、前記上流側空燃比センサからの出力に対応する排気の空燃比と目標空燃比との偏差に応じて、フィードバック補正量が算出される。一方、サブフィードバック制御においては、前記下流側空燃比センサからの出力信号に基づいてサブフィードバック量(サブフィードバック補正量)が算出される。そして、このサブフィードバック量をメインフィードバック制御にさらにフィードバックすることで、前記上流側空燃比センサからの出力に対応する排気の空燃比と目標空燃比との偏差が補正される。
ところで、前記排気浄化触媒としては、排気中の一酸化炭素(CO)や水素炭化物(HC)等の未燃成分及び窒素酸化物(NOx)を同時に除去可能な、いわゆる三元触媒が広く用いられている。かかる三元触媒は、酸素吸蔵機能あるいは酸素貯蔵機能と称される機能を有している。この機能は、(1)燃料混合気の空燃比がリーンである場合に、排気中の窒素酸化物から酸素を奪うことで窒素酸化物を還元して、この奪った酸素を内部に吸蔵(貯蔵)するとともに、(2)燃料混合気の空燃比がリッチである場合に、吸蔵されている酸素を排気中の未燃成分の酸化のために放出する、という機能である。
この種の三元触媒の排気浄化能力である上述の酸素吸蔵機能は、酸素の吸蔵と放出との繰り返しによって触媒物質(貴金属)を活性化させることで、高く維持することができる。そこで、この種の装置において、前記三元触媒における酸素の吸蔵と放出との繰り返しを生じさせるために、排気の空燃比すなわち燃料混合気の空燃比を強制振動させる技術(パータベーション制御)が知られている(例えば、特開平8−189399号公報、特開2001−152913号公報、特開2005−76496号公報、特開2007−239698号公報、特開2007−56755号公報、特開2009−2170号公報、等参照。)。
この種の装置において、前記三元触媒の酸素吸蔵機能を最大限活用することで、効率的な排気浄化が行われる(特開2000−4930号公報参照)。また、前記下流側空燃比センサの出力の急変を可及的に抑制することで、エミッションを抑制することが可能になる。さらに、上述のような空燃比の強制振動制御は、適切な時期に行われないと、かえってエミッションの悪化が生じる懸念がある。これらの点において、従来のこの種の装置には、まだまだ改善の余地があった。
<構成>
本発明の空燃比制御装置は、排気通路に設けられた上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比を制御するように構成されている。ここで、前記上流側空燃比センサは、気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒よりも、排気流動方向における上流側に設けられている。また、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒よりも、前記排気流動方向における下流側に設けられている。かかる下流側空燃比センサとしては、理論空燃比前後でステップ状の応答を示す、起電力式(酸素濃淡起電力式あるいは濃淡電池式)の酸素濃度センサが用いられ得る。
本発明の空燃比制御装置は、排気通路に設けられた上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比を制御するように構成されている。ここで、前記上流側空燃比センサは、気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒よりも、排気流動方向における上流側に設けられている。また、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒よりも、前記排気流動方向における下流側に設けられている。かかる下流側空燃比センサとしては、理論空燃比前後でステップ状の応答を示す、起電力式(酸素濃淡起電力式あるいは濃淡電池式)の酸素濃度センサが用いられ得る。
本発明の特徴は、前記空燃比制御装置が、
・前記下流側空燃比センサの出力が、理論空燃比に対応する目標値を中心とした(振幅よりも小さい)所定範囲内にあるか否かを判定する、判定手段と、
・前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、当該出力によって要求される方向の補正(以下、「順方向補正」と称する。)とは逆方向の空燃比補正(以下、「逆方向補正」と称する。)を一時的に導入する、逆方向補正導入手段と、
を備えたことにある。
・前記下流側空燃比センサの出力が、理論空燃比に対応する目標値を中心とした(振幅よりも小さい)所定範囲内にあるか否かを判定する、判定手段と、
・前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、当該出力によって要求される方向の補正(以下、「順方向補正」と称する。)とは逆方向の空燃比補正(以下、「逆方向補正」と称する。)を一時的に導入する、逆方向補正導入手段と、
を備えたことにある。
具体的には、例えば、前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力がリッチ側となりリーン方向の前記順方向補正が要求される時に前記逆方向補正としてのリッチスパイクを導入する一方、前記下流側空燃比センサの出力がリーン側となりリッチ方向の前記順方向補正が要求される時に前記逆方向補正としてのリーンスパイクを導入するようになっていてもよい。なお、前記逆方向補正は、1回の前記順方向補正に対して、複数回導入され得る。
前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力が(前記所定範囲内であっても)リーン領域とリッチ領域との間で反転した後所定時間経過前は前記逆方向補正の導入を禁止し、前記所定時間経過後に前記逆方向補正の導入を実行するようになっていてもよい。すなわち、前記逆方向補正導入手段は、或る方向の前記順方向補正が開始されてから前記所定時間経過後であって、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、前記逆方向補正の導入を実行するようになっていてもよい。
また、前記逆方向補正導入手段は、急加速又は急減速時には、前記逆方向補正の導入を制限(具体的には禁止あるいはスパイク量を低減)するようになっていてもよい。
前記空燃比制御装置は、さらに、前記内燃機関の運転状態(具体的には温度や吸入空気流量)に応じて前記所定範囲を変更する範囲変更手段を備えていてもよい。
<作用・効果>
上述のような構成を備えた本発明の空燃比制御装置においては、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒から排出された(流出してきた)排気における酸素濃度に対応した出力を生じる。ここで、排気が前記排気浄化触媒に流入すると、酸素の吸蔵・放出反応は排気流動方向における上流端側(前端側あるいは排気流入側)から生じ、反応部位は徐々に下流端側(後端側あるいは排気流出側)に向けて移動する。
上述のような構成を備えた本発明の空燃比制御装置においては、前記下流側空燃比センサは、前記排気浄化触媒から排出された(流出してきた)排気における酸素濃度に対応した出力を生じる。ここで、排気が前記排気浄化触媒に流入すると、酸素の吸蔵・放出反応は排気流動方向における上流端側(前端側あるいは排気流入側)から生じ、反応部位は徐々に下流端側(後端側あるいは排気流出側)に向けて移動する。
そして、前記排気浄化触媒の全体にて(すなわち上流端から下流端まで)酸素の吸蔵又は放出反応が飽和して排気が処理しきれなくなったときに、当該排気浄化触媒における排気の吹き抜けが生じる。このとき、一般的には、前記下流側空燃比センサに達する排気中の酸素濃度が急変し、これにより前記下流側空燃比センサの出力も急変する。
これに対し、本発明の空燃比制御装置においては、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、前記逆方向補正が導入される。これにより、前記順方向補正に伴う前記下流側空燃比センサの出力の変化が緩やかにされるとともに、不用意な排気エミッションの悪化が良好に抑制される。
より詳細に説明すると、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲外(すなわちリッチ側あるいはリーン側の最大値の付近)である場合には、前記排気浄化触媒における酸素の吸蔵又は放出は、ほぼ飽和している。よって、この場合、前記逆方向補正が導入されることなく、前記順方向補正が通常通り行われる。これにより、前記排気浄化触媒の排気流動方向における上流端側にて、前記順方向補正に伴う排気が流入して酸素の吸蔵又は放出が行われることで上述の飽和状態が解消され、その後に前記逆方向補正が行われた際に、当該逆方向補正に伴う排気の浄化処理が可能となる。したがって、前記逆方向補正の導入に伴う排気エミッションの悪化が、良好に抑制される。
前記逆方向補正が導入されると、前記排気浄化触媒においては、当該逆方向補正に伴う排気が排気流動方向における上流部にて適宜浄化されつつ、中流部及び下流部にて前記順方向補正に伴う酸素の吸蔵又は放出反応が徐々に進行する。これにより、中流部及び下流部における、前記順方向補正に伴う排気の酸素濃度変化が、緩やかにされる。よって、前記順方向補正に伴う前記下流側空燃比センサの出力の変化が、緩やかにされる。さらに、空燃比変化に対する前記下流側空燃比センサの出力変化が(比較的)急峻な前記所定範囲内にて、前記逆方向補正が導入されることで、前記下流側空燃比センサの出力の急激な変化が良好に抑制される。
また、本発明の空燃比制御装置においては、前記排気浄化触媒における酸素吸蔵機能を最大限活用することで、より効率的な排気浄化が行われる。この理由は、以下の通り考えられる。
具体的には、例えば、前記下流側空燃比センサの出力がリッチ側からリーン側に反転すると、リッチ方向の前記順方向補正が要求される。この出力反転時点において、前記排気浄化触媒における酸素吸蔵は、完全に飽和している。
リッチ方向の前記順方向補正が開始されると、前記排気浄化触媒に流入する排気がリッチ化される。これにより、前記排気浄化触媒にて、リッチ空燃比の排気中の未燃成分の酸化に伴って、吸蔵酸素が放出される。かかる酸素放出(すなわち還元)は、当該排気浄化触媒の、排気流動方向における上流端側から生じる。排気流動方向における上流側にて酸素放出が飽和するにつれて、酸素放出部位は、徐々に下流側に移動していく。
ここで、本発明においては、前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合、前記下流側空燃比センサの出力に基づくリッチ要求の前記順方向補正とは逆の、リーン方向の前記逆方向補正が、一時的に(例えばリーンスパイクとして)導入される。すると、前記排気浄化触媒の排気流動方向における上流部(上流端部)にて、一時的に導入されたリーン空燃比の排気が浄化されるとともに、酸素が吸蔵される。一方、平均的な排気の空燃比は依然としてリッチであるので、酸素放出部位は、前記排気浄化触媒の排気流動方向における下流側に向けて徐々に移動していく。よって、前記排気浄化触媒においては、排気流動方向における上流部にて前記逆方向補正に伴う排気が適宜処理されつつ、中央部及び下流部における酸素放出能力が万遍なく活用される。
前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内であっても、前記下流側空燃比センサの出力がリーン領域とリッチ領域との間で反転した後前記所定時間経過前は、前記排気浄化触媒における酸素の吸蔵又は放出が、ほぼ飽和している。このため、前記所定時間経過前は前記逆方向補正の導入を禁止して当該所定時間経過後に前記逆方向補正の導入を実行することで、前記逆方向補正の導入に伴う排気エミッションの悪化が、良好に抑制される。
急加速又は急減速時には、排気の空燃比に対して大きな外乱が生じる。そこで、このとき、前記逆方向補正の導入を制限(禁止あるいはスパイク量を低減)することで、前記逆方向補正の導入に伴う排気エミッションの悪化が、良好に抑制される。
前記下流側空燃比センサは、前記内燃機関の運転状態に応じて出力特性が変化する。具体的には、前記下流側空燃比センサは、高温になるほど、理論空燃比に対応する基準電圧(前記目標値に対応する)を中心とした出力電圧の振幅が小さくなる。また、前記下流側空燃比センサは、吸入空気流量が大きいほど、上述の振幅が小さくなる。そこで、前記内燃機関の運転状態に応じて前記所定範囲を変更することで、より良好な空燃比制御が行われ得る。
以上の通り、本発明によれば、前記順方向補正に伴う前記下流側空燃比センサの出力の変化が緩やかにされるとともに、不用意な排気エミッションの悪化が良好に抑制される。また、本発明によれば、前記排気浄化触媒における酸素吸蔵機能を最大限活用することで、より効率的な排気浄化が行われる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態に関する記載は、法令で要求されている明細書の記載要件(記述要件・実施可能要件)を満たすために、本発明の具体化の単なる一例を、可能な範囲で具体的に記述しているものにすぎない。
よって、後述するように、本発明が、以下に説明する実施形態の具体的構成に何ら限定されるものではないことは、全く当然である。本実施形態に対して施され得る各種の変更(変形例:modification)は、当該実施形態の説明中に挿入されると、一貫した実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。
<システムの構成>
図1は、本発明の適用対象であるピストン往復動型の火花点火式複数気筒4サイクルエンジン1(以下、単に「エンジン1」と称する。)と、本発明の空燃比制御装置の一実施形態であるエンジン制御装置2と、を含むシステムS(車両)の概略構成を示す図である。なお、図1には、エンジン1の特定の気筒における、気筒配列方向と直交する面による断面図が示されている(他の気筒における構成も同様であるものとする。)。
図1は、本発明の適用対象であるピストン往復動型の火花点火式複数気筒4サイクルエンジン1(以下、単に「エンジン1」と称する。)と、本発明の空燃比制御装置の一実施形態であるエンジン制御装置2と、を含むシステムS(車両)の概略構成を示す図である。なお、図1には、エンジン1の特定の気筒における、気筒配列方向と直交する面による断面図が示されている(他の気筒における構成も同様であるものとする。)。
<<エンジン>>
図1を参照すると、エンジン1は、シリンダブロック11と、シリンダヘッド12と、を備えている。シリンダブロック11の一端部(図中上端部)には、シリンダヘッド12が接合されている。シリンダブロック11とシリンダヘッド12とは、図示しないボルト等によって互いに固定されている。また、エンジン1には、吸気通路13及び排気通路14が接続されている。
図1を参照すると、エンジン1は、シリンダブロック11と、シリンダヘッド12と、を備えている。シリンダブロック11の一端部(図中上端部)には、シリンダヘッド12が接合されている。シリンダブロック11とシリンダヘッド12とは、図示しないボルト等によって互いに固定されている。また、エンジン1には、吸気通路13及び排気通路14が接続されている。
シリンダブロック11には、略円柱形状の貫通孔であるシリンダ111が形成されている。上述の通り、シリンダブロック11には、複数のシリンダ111が、気筒配列方向に沿って一列に配置されている。各シリンダ111の内側には、ピストン112が、シリンダ111の中心軸(以下、「シリンダ中心軸」と称する。)に沿って往復移動可能に収容されている。
シリンダブロック11内には、クランクシャフト113が、気筒配列方向と平行に配置されつつ、回転可能に支持されている。クランクシャフト113は、ピストン112のシリンダ中心軸に沿った往復移動に基づいて回転駆動されるように、コンロッド114を介してピストン112と連結されている。
シリンダヘッド12における、シリンダブロック11側の端面には、複数の凹部が、各シリンダ111に対応する位置に設けられている。すなわち、シリンダヘッド12がシリンダブロック11に接合及び固定された状態における、ピストン112の頂面よりもシリンダヘッド12側(図中上側)のシリンダ111の内側の空間と、上述の凹部の内側の空間と、によって、燃焼室CCが形成されている。
シリンダヘッド12には、吸気ポート121及び排気ポート122が、燃焼室CCに連通するように設けられている。吸気ポート121には、インテークマニホールドやサージタンク等を含む吸気通路13が接続されている。同様に、排気ポート122には、エキゾーストマニホールドを含む排気通路14が接続されている。
また、シリンダヘッド12には、吸気バルブ123と、排気バルブ124と、吸気バルブ制御装置125と、排気カムシャフト126と、点火プラグ127と、イグナイタ128と、インジェクタ129と、が装着されている。
吸気バルブ123は、吸気ポート121を開閉する(すなわち吸気ポート121と燃焼室CCとの連通状態を制御する)ためのバルブである。排気バルブ124は、排気ポート122を開閉する(すなわち排気ポート122と燃焼室CCとの連通状態を制御する)ためのバルブである。
吸気バルブ制御装置125は、図示しない吸気カム及び吸気カムシャフトの回転角度(位相角度)を制御するための機構を備えていて、吸気バルブ123の開弁期間(開弁クランク角幅)を一定にしつつ開弁時期(吸気バルブ開弁時期)VTを変更し得るように構成されている。かかる吸気バルブ制御装置125の具体的な構成については周知なので、本明細書においてはその説明を省略する。排気カムシャフト126は、排気バルブ124を駆動するように構成されている。
点火プラグ127は、その先端部の火花発生電極が、燃焼室CC内に露出するように設けられている。イグナイタ128は、点火プラグ127に与える高電圧を発生するためのイグニッションコイルを備えている。インジェクタ129は、燃焼室CC内に供給するための燃料を、吸気ポート121内にて噴射するように、構成及び配置されている。
<<吸排気通路>>
吸気通路13における、エアフィルタ131と吸気ポート121との間の位置には、吸気通路13の開口断面積を可変とするためのスロットルバルブ132が装着されている。このスロットルバルブ132は、DCモータからなるスロットルバルブアクチュエータ133によって回転駆動されるように構成されている。
吸気通路13における、エアフィルタ131と吸気ポート121との間の位置には、吸気通路13の開口断面積を可変とするためのスロットルバルブ132が装着されている。このスロットルバルブ132は、DCモータからなるスロットルバルブアクチュエータ133によって回転駆動されるように構成されている。
排気通路14には、上流側触媒コンバータ141及び下流側触媒コンバータ142が装着されている。本発明の「排気浄化触媒」に相当する、上流側触媒コンバータ141は、燃焼室CCから排気ポート122に排出された排気が最初に流入する排気浄化触媒装置であって、下流側触媒コンバータ142よりも排気流動方向における上流側に設けられている。上流側触媒コンバータ141及び下流側触媒コンバータ142は、酸素吸蔵機能を有する三元触媒を内部に備えていて、排気中の一酸化炭素(CO)や水素炭化物(HC)等の未燃成分及び窒素酸化物(NOx)を同時に浄化可能に構成されている。
<<制御装置>>
エンジン制御装置2は、本発明の判定手段や逆方向補正導入手段等の各手段を構成する、電子制御ユニット200(以下、「ECU200」と称する。)を備えている。ECU200は、CPU201と、ROM202と、RAM203と、バックアップRAM204と、インターフェース205と、双方向バス206と、を備えている。CPU201、ROM202、RAM203、バックアップRAM204、及びインターフェース205は、双方向バス206によって互いに接続されている。
エンジン制御装置2は、本発明の判定手段や逆方向補正導入手段等の各手段を構成する、電子制御ユニット200(以下、「ECU200」と称する。)を備えている。ECU200は、CPU201と、ROM202と、RAM203と、バックアップRAM204と、インターフェース205と、双方向バス206と、を備えている。CPU201、ROM202、RAM203、バックアップRAM204、及びインターフェース205は、双方向バス206によって互いに接続されている。
ROM202には、CPU201が実行するルーチン(プログラム)や、このルーチンの実行時に参照されるテーブル(ルックアップテーブルやマップを含む)、等が、予め格納されている。RAM203は、CPU201がルーチンを実行する際に、必要に応じてデータを一時的に格納し得るようになっている。
バックアップRAM204は、電源が投入された状態でCPU201がルーチンを実行する際にデータを格納するとともに、格納したデータを電源遮断後も保持するようになっている。具体的には、バックアップRAM204は、取得(検出又は推定)されたエンジン運転パラメータの一部や、上述のテーブルの補正(学習)結果等を、上書き可能に格納するようになっている。
インターフェース205は、後述する各種センサからの検出信号をCPU201に伝達するとともに、吸気バルブ制御装置125、イグナイタ128、インジェクタ129、スロットルバルブアクチュエータ133、等の動作部を駆動するためにCPU201から発せられた駆動信号をこれらの動作部に伝達するように、後述する各種センサや上述の動作部と電気的に接続されている。
このように、エンジン制御装置2は、インターフェース205を介して後述する各種センサからの検出信号を受け取るとともに、当該検出信号に応じたCPU201の演算結果に基づいて、上述の駆動信号を各動作部に向けて送出するように構成されている。
<<各種センサ>>
システムSには、冷却水温センサ211、カムポジションセンサ213、クランクポジションセンサ214、エアフローメータ215、上流側空燃比センサ216a、下流側空燃比センサ216b、スロットルポジションセンサ217、及びアクセル開度センサ218、等が備えられている。
システムSには、冷却水温センサ211、カムポジションセンサ213、クランクポジションセンサ214、エアフローメータ215、上流側空燃比センサ216a、下流側空燃比センサ216b、スロットルポジションセンサ217、及びアクセル開度センサ218、等が備えられている。
冷却水温センサ211は、シリンダブロック11に装着されている。冷却水温センサ211は、シリンダブロック11内の冷却水温Twに対応する信号を出力するように構成されている。
カムポジションセンサ213は、シリンダヘッド12に装着されている。このカムポジションセンサ213は、吸気バルブ123を往復移動させるための上述の不図示の吸気カムシャフト(吸気バルブ制御装置125に含まれている)の回転角度に応じたパルスを有する波形の信号(G2信号)を出力するように構成されている。
クランクポジションセンサ214は、シリンダブロック11に装着されている。このクランクポジションセンサ214は、クランクシャフト113の回転角度に応じたパルスを有する波形の信号を出力するように構成されている。
エアフローメータ215は、吸気通路13に装着されている。このエアフローメータ215は、吸気通路13内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量である吸入空気流量Gaに対応する信号を出力するように構成されている。
上流側空燃比センサ216a及び下流側空燃比センサ216bは、排気通路14に装着されている。上流側空燃比センサ216aは、上流側触媒コンバータ141よりも排気流動方向における上流側に配置されている。下流側空燃比センサ216bは、上流側触媒コンバータ141と下流側触媒コンバータ142との間の位置に配置されている。上流側空燃比センサ216a及び下流側空燃比センサ216bは、酸素濃度センサであって、通過する排気の酸素濃度(空燃比)に対応する信号をそれぞれ出力するように構成されている。
具体的には、上流側空燃比センサ216aは、限界電流式の酸素濃度センサ(いわゆるA/Fセンサ)であって、図2に示されているように、広範囲にわたる空燃比に対してほぼリニアな出力を生じるようになっている。
一方、下流側空燃比センサ216bは、起電力式(濃淡電池式)の酸素濃度センサ(いわゆるO2センサ)であって、図3に示されているように、理論空燃比近傍において急変する出力を生じるようになっている。さらに、この下流側空燃比センサ216bは、理論空燃比付近において、排気の空燃比がリッチ側からリーン側に向かう場合(図中破線で示されている矢印参照)の方がその逆の場合(図中実線で示されている矢印参照)よりも出力電圧が高くなるような、ヒステリシス応答を生じるようになっている。
スロットルポジションセンサ217は、スロットルバルブ132に対応する位置に配置されている。このスロットルポジションセンサ217は、スロットルバルブ132の実際の回転位相(すなわちスロットルバルブ開度TA)に対応する信号を出力するように構成されている。
アクセル開度センサ218は、運転者によるアクセルペダル220の操作量(アクセル操作量PA)に対応する信号を出力するように構成されている。
<実施形態の構成による動作の概要>
本実施形態のECU200は、上流側空燃比センサ216a及び下流側空燃比センサ216bの出力に基づいて、エンジン1の空燃比制御、すなわち、インジェクタ129における燃料噴射量(噴射時間)の制御を行う。
本実施形態のECU200は、上流側空燃比センサ216a及び下流側空燃比センサ216bの出力に基づいて、エンジン1の空燃比制御、すなわち、インジェクタ129における燃料噴射量(噴射時間)の制御を行う。
具体的には、上流側空燃比センサ216aからの出力信号に基づいて、上流側触媒コンバータ141に流入する排気の空燃比が目標空燃比(要求空燃比)になるように、燃料噴射量がフィードバック制御される(メインフィードバック制御)。また、このメインフィードバック制御と併せて、下流側空燃比センサ216bからの出力信号を燃料噴射量にフィードバックする制御も行われる(サブフィードバック制御)。このサブフィードバック制御においては、下流側空燃比センサ216bからの出力信号に基づいて、上流側触媒コンバータ141に流入する排気の空燃比すなわち燃焼室CCに供給される燃料混合気の空燃比(要求空燃比)が決定される。
図4は、本実施形態において実行される制御の内容を示したタイミングチャートである。
図4において、下側の「Voxs」は、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsの経時変化を示し、上側の「要求A/F」は、かかる出力Voxsに基づいて設定される要求空燃比(「ストイキ」との偏差が上述のサブフィードバック補正量に相当する)を示す。
図4を参照すると、時刻t1より前においては、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーン側である(すなわち理論空燃比に対応する目標値Voxs_refよりも低い)。このため、時刻t1より前においては、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsに基づき、要求空燃比がリッチ側に設定されている(リッチ要求)。
リッチ要求の空燃比補正(順方向補正に相当する)の実行中は、リッチ空燃比の排気が、上流側触媒コンバータ141に流入する。これにより、上流側触媒コンバータ141に備えられた三元触媒(以下、単に「三元触媒」と称する。)においては、リッチ空燃比の排気を浄化(酸化)処理するために、酸素放出が生じている。かかる酸素放出が三元触媒の全体にて飽和すると、リッチ空燃比の排気が上流側触媒コンバータ141を吹き抜けることで、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーン側からリッチ側に反転する。
下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーン側からリッチ側に反転した時点t1から、当該出力に基づき、要求空燃比がリーン側に設定される(リーン要求:順方向補正に相当する)。この時刻t1の直後は、三元触媒においては、上述のように、酸素放出がほぼ飽和している。このため、時刻t1にてリーン要求が開始した直後からリッチスパイクが行われると、当該リッチスパイクに伴うリッチ空燃比の排気を浄化(酸化)処理することが困難である可能性がある。
そこで、本実施形態においては、時刻t1から所定時間経過した時点t2までは、リッチスパイクが待機(禁止)される。この時刻t2は、本実施形態においては、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが、理論空燃比に対応する目標値Voxs_refを中心としたリッチ側の振幅に相当する値(リッチ側最大値あるいはリッチ側極値)Voxs_Rmaxよりも若干電圧が低下してリッチスパイク開始値Voxs_RSに達した時点である。
時刻t1からt2までの間は、リーン要求に伴うリーン空燃比の排気が三元触媒に流入することで、当該三元触媒の排気流動方向における上流端側から、酸素吸蔵が開始される。三元触媒の排気流動方向における上流端部にて酸素吸蔵が飽和すると、酸素吸蔵部位は、次第に下流側に向かって移動する。このようにして、当該三元触媒の上流端側から順に、酸素放出の飽和状態が解消され、後のリッチスパイクに伴うリッチ空燃比の排気の処理が可能になる。
なお、時刻t1からt2までの間、リッチスパイクが禁止されることで、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリッチ側極値Voxs_Rmaxからすみやかに低下してリッチスパイク開始値Voxs_RSに達することができる。
時刻t2以降にリッチスパイクが許可され、リッチスパイクが実行されると、当該リッチスパイクに伴うリッチ空燃比の排気は、三元触媒の排気流動方向における上流端側にて適宜処理される。一方、平均的な排気の空燃比は、依然としてリーンであるため、酸素吸蔵部位は、三元触媒の排気流動方向における中流部から下流端側に向かって移動する。これにより、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsの変化が図4に示されているように緩やかにされつつ、三元触媒における酸素吸蔵能力が万遍なく活用される。このリッチスパイクは、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリッチ側からリーン側に反転する時点t3以前まで許可される。なお、リッチスパイクは、例えば、1回が0.1〜0.5秒であり、1〜5秒間に1回実行される(後述するリーンスパイクも同様である)。
同様に、三元触媒における酸素吸蔵が飽和して、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが時刻t3にてリッチ側からリーン側に反転すると、リッチ要求が開始する。このとき、リッチ要求が開始した時刻t3から所定時間経過するまでは、リーンスパイクが禁止される。これにより、三元触媒の排気流動方向における上流端部にて、時刻t4以降のリーンスパイクに対応可能な、酸素吸蔵可能部位が生じる。また、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが後述するリーン側極値Voxs_Lmaxからすみやかに上昇してリーンスパイク開始値Voxs_LSに達することができる。
そして、時刻t3から所定時間経過した時刻t4以降、リーンスパイクが許可される。この時刻t4は、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが、理論空燃比に対応する目標値Voxs_refを中心としたリーン側の振幅に相当する値(リーン側最大値あるいはリーン側極値)Voxs_Lmaxよりも若干電圧が上昇してリーンスパイク開始値Voxs_LSに達した時点である。これにより、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsの変化が図4に示されているように緩やかにされつつ、三元触媒における酸素放出能力が万遍なく活用される。その後、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーン側からリッチ側に反転する時点t5以前まで、リーンスパイクが許可される。
本実施形態においては、リッチスパイクにおける要求空燃比AFRSは、リッチ要求における要求空燃比AFRよりも、よりリッチ側に設定されている。また、リーンスパイクにおける要求空燃比AFLSは、リーン要求における要求空燃比AFLよりも、よりリーン側に設定されている。
さらに、本実施形態においては、リッチスパイクが許可される範囲を規定するリッチスパイク開始値Voxs_RSは、下流側空燃比センサ216bにおける「ヒステリシス領域」を規定するVoxs_h1(図3参照)と一致するように設定されている。同様に、リーンスパイクが許可される範囲を規定するリーンスパイク開始値Voxs_LSは、下流側空燃比センサ216bにおける「ヒステリシス領域」を規定するVoxs_h2(図3参照)と一致するように設定されている。
ここで、「ヒステリシス領域」は、排気の空燃比がリッチ側からリーン側に向かう場合とその逆の場合とにおける、同一空燃比間の出力電圧の差が大きい領域である(図3における一点鎖線で示されている領域参照)。かかる「ヒステリシス領域」の範囲を規定する出力電圧値Voxs_h1[V]及びVoxs_h2[V]の具体的な値は、下流側空燃比センサ216bの出力特性(ヒステリシス曲線の形状)に応じて適宜変化する。
<動作の具体例>
図5〜図7は、図1に示されているCPU201によって実行される処理の一具体例を示すフローチャートである。なお、各図のフローチャートにおいて、「ステップ」は「S」と略記されている。
図5〜図7は、図1に示されているCPU201によって実行される処理の一具体例を示すフローチャートである。なお、各図のフローチャートにおいて、「ステップ」は「S」と略記されている。
まず図5を参照すると、ステップ510にて、現在フィードバック制御が行われているか否かが判定される。フィードバック制御中でない場合(ステップ510=No)、以降の処理がすべてスキップされる。フィードバック制御中である場合(ステップ510=Yes)、処理がステップ520に進行し、現在の下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが、理論空燃比に対応する目標値Voxs_refよりも高いか否かが判定される。
現在の下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが、理論空燃比に対応する目標値Voxs_refよりも高い場合(ステップ520=Yes)、処理が図6のステップ610に進行し、リーン要求が開始される。次に、処理がステップ620に進行し、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが下降中であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが下降し始めるまでは、処理は続くステップ630には進行しない。
下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが下降し始めると(ステップ620=Yes)、現在の下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリッチスパイク開始値Voxs_RSよりも低くなったか否かが判定される(ステップ630)。下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリッチスパイク開始値Voxs_RSよりも低くなるまでは(ステップ630=No)、リッチスパイク制御が待機(禁止)される。
下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリッチスパイク開始値Voxs_RSよりも低くなると(ステップ630=Yes)、処理がステップ640に進行し、リッチスパイク制御が開始(許可)される。これにより、図4に示されているように、リッチスパイクが適宜実行される。
続いて、現在の下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが、理論空燃比に対応する目標値Voxs_refよりも低くなったか否かが判定される(ステップ650)。下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが目標値Voxs_refよりも低くなるまでは(ステップ650=No)、リッチスパイク制御が許可される。下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが目標値Voxs_refよりも低くなると(ステップ650=Yes)、処理がステップ660に進行し、リッチスパイク制御が終了する。
図5のステップ520における判定が「No」である場合、又は、図6のステップ660を経た場合、処理が図7におけるステップ710に進行し、リッチ要求が開始される。次に、処理がステップ720に進行し、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが上昇中であるか否かが判定される。下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが上昇し始めるまでは、処理は続くステップ730には進行しない。
下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが上昇し始めると(ステップ720=Yes)、現在の下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーンスパイク開始値Voxs_LSよりも高くなったか否かが判定される(ステップ730)。下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーンスパイク開始値Voxs_LSよりも高くなるまでは(ステップ730=No)、リーンスパイク制御が待機(禁止)される。
下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーンスパイク開始値Voxs_LSよりも高くなると(ステップ730=Yes)、処理がステップ740に進行し、リーンスパイク制御が開始(許可)される。これにより、図4に示されているように、リーンスパイクが適宜実行される。
続いて、現在の下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが、理論空燃比に対応する目標値Voxs_refよりも高くなったか否かが判定される(ステップ750)。下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが目標値Voxs_refよりも高くなるまでは(ステップ750=No)、リーンスパイク制御が許可される。下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが目標値Voxs_refよりも高くなると(ステップ750=Yes)、処理がステップ760に進行し、リーンスパイク制御が終了する。その後、処理が図6におけるステップ610に進行し、リーン要求が開始される。
<実施形態による作用・効果>
以上詳述した通り、本実施形態においては、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーン側からリッチ側に反転した場合に、この出力に基づいて、要求空燃比が大きくリーン側に設定される。同様に、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリッチ側からリーン側に反転した場合に、この出力に基づいて、要求空燃比が大きくリッチ側に設定される。これにより、三元触媒における酸素の吸蔵及び放出の速度が増加し、当該触媒における酸素吸蔵能力が高められる。
以上詳述した通り、本実施形態においては、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーン側からリッチ側に反転した場合に、この出力に基づいて、要求空燃比が大きくリーン側に設定される。同様に、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリッチ側からリーン側に反転した場合に、この出力に基づいて、要求空燃比が大きくリッチ側に設定される。これにより、三元触媒における酸素の吸蔵及び放出の速度が増加し、当該触媒における酸素吸蔵能力が高められる。
また、本実施形態においては、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsに基づく要求空燃比の方向とは逆方向のスパイクが、出力反転から所定時間経過後に行われる。
これにより、三元触媒における酸素吸蔵能力が万遍なく活用されつつ、下流側空燃比センサ216bの過渡的な出力(出力の急変)が抑制される。また、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsが極値(Voxs_LmaxやVoxs_Rmax)の近傍である時間が可及的に短くなるため、下流側空燃比センサ216bを可及的に良好な応答性の領域で使用することができる。特に、上述のように、下流側空燃比センサ216bは、出力がヒステリシス特性を有するために、過度の酸化還元雰囲気に曝されると応答性が悪化してしまう。この点、本実施形態によれば、このような応答性の悪化が可及的に抑制される。
このように、本実施形態の構成は、単なるパータベーション制御を行っていたに止まる従来のこの種の装置に比して、三元触媒の酸素吸蔵機能をよりいっそう活用することができるものであるとともに、エミッション抑制性能も優れている。したがって、本実施形態の構成によれば、フィードバック制御の良好な応答性が確保される。
<変形例の例示列挙>
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、複数の変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。
本発明(特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの)は、上述の実施形態や、下記変形例の記載に基づいて限定解釈されてはならない。このような限定解釈は、(先願主義の下で出願を急ぐ)出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、許されない。
(A)本発明は、上述の実施形態にて開示された具体的な装置構成に限定されない。例えば、本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、メタノールエンジン、バイオエタノールエンジン、その他任意のタイプの内燃機関に適用可能である。気筒数、気筒配列方式(直列、V型、水平対向)、燃料供給方式、着火方式も、特に限定はない。
インジェクタ129とともに、あるいはこれに代えて、燃焼室CC内に燃料を直接噴射するための筒内噴射弁が設けられていてもよい(例えば特開2007−278137号公報等参照)。かかる構成に対しても、本発明は好適に適用される。
(B)本発明は、上記の実施形態にて開示された具体的な処理に限定されない。例えば、センサで取得(検出)された運転状態パラメータは、他のセンサで取得(検出)された他の運転状態パラメータを用いたオンボード推定値に代用され得る。
図6のステップ620及び630の処理に代えて、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリーン側からリッチ側に反転してから所定時間経過したか否かの判定が行われてもよい。図7のステップ720及び730についても同様に、これらに代えて、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsがリッチ側からリーン側に反転してから所定時間経過したか否かの判定が行われてもよい。また、出力反転後の吸入空気流量Gaの積算値も、スパイク開始判定に用いられ得る。
急加速又は急減速時には、リッチスパイクやリーンスパイクの導入の制限(禁止又はスパイク量の低減)が行われてもよい。図8は、かかる変形例の動作を示すフローチャートである。図8を参照すると、急加速又は急減速時には(ステップ810=Yes)、ステップ820にて、スパイク制御が制限される。これにより、不用意なリッチスパイクやリーンスパイクの導入による排気エミッションの悪化が、良好に抑制される。
リッチスパイクにおける要求空燃比AFRSは、リッチ要求における要求空燃比AFRと同一であってもよい。リーンスパイクにおける要求空燃比AFLSも、リーン要求における要求空燃比AFLと同一であってもよい。すなわち、AFRは13.5〜14.4、AFRSは12.5〜14.2、AFLは14.7〜15、AFLSは15〜17に、それぞれ設定され得る。また、三元触媒における酸素吸蔵能力(の劣化)に応じて、これらの値は適宜変更され得る。
また、リッチスパイク開始値Voxs_RSは、下流側空燃比センサ216bにおける「ヒステリシス領域」を規定するVoxs_h1(図3参照)と一致していなくてもよい。同様に、リーンスパイク開始値Voxs_LSは、下流側空燃比センサ216bにおける「ヒステリシス領域」を規定するVoxs_h2(図3参照)と一致していなくてもよい。
さらに、リッチスパイク開始値Voxs_RS及びリーンスパイク開始値Voxs_LSは、運転状態に応じて変更されてもよい。図9は、かかる変形例の動作を示すフローチャートである。
図9を参照すると、吸入空気流量Ga、及び下流側空燃比センサ216bの温度Toxsが取得される(ステップ910)。具体的には、吸入空気流量Gaは、上述の通り、エアフローメータ215の出力に基づいて取得される。また、下流側空燃比センサ216bの温度Toxsは、熱電対等を用いて直接的に測定され得る。
次に、吸入空気流量Ga及び下流側空燃比センサ216bの温度Toxsに基づいて、リッチスパイク開始値Voxs_RS及びリーンスパイク開始値Voxs_LSが、テーブルを用いて取得される(このテーブルは、実験等によって予め求められ、ROM202あるいはバックアップRAM204に格納されている。)。これにより、リッチスパイク開始値Voxs_RS及びリーンスパイク開始値Voxs_LSは、取得された吸入空気流量Ga及び下流側空燃比センサ216bの温度Toxsに応じた値となる。
具体的には、吸入空気流量Gaが大きいほど、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsの振幅が小さくなるので、リッチスパイク開始値Voxs_RS及びリーンスパイク開始値Voxs_LSが理論空燃比に対応する目標値Voxs_refに近い値となる。また同様に、下流側空燃比センサ216bの温度Toxsが高いほど、下流側空燃比センサ216bの出力Voxsの振幅が小さくなるので、リッチスパイク開始値Voxs_RS及びリーンスパイク開始値Voxs_LSが理論空燃比に対応する目標値Voxs_refに近い値となる。
なお、下流側空燃比センサ216bの温度Toxsとして、クランクポジションセンサ214の出力に基づいて取得されるエンジン回転数Ne、エアフローメータ215の出力に基づいて取得される機関負荷KL、等を用いてオンボード推定される、排気温度(例えば、特開2009−68398号公報等参照。)が代用され得る。
また、リッチスパイク開始値Voxs_RS及びリーンスパイク開始値Voxs_LSは、吸入空気流量Ga及び下流側空燃比センサ216bの温度Toxsのうちのいずれか一方に基づいて取得されてもよい。さらに、リッチスパイク開始値Voxs_RS及びリーンスパイク開始値Voxs_LSは、他の運転状態パラメータ(例えば、吸入空気流量Ga等を用いてオンボード推定される上流側触媒コンバータ141の温度である触媒床温、等。)に基づいて取得されてもよい。
(C)その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の範囲内に含まれることは当然である。
また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。さらに、本明細書にて引用した各公報の内容(明細書及び図面を含む)は、本明細書の一部を構成するものとして援用され得る。
また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。さらに、本明細書にて引用した各公報の内容(明細書及び図面を含む)は、本明細書の一部を構成するものとして援用され得る。
Claims (5)
- 気筒からの排気を浄化するための排気浄化触媒よりも排気流動方向における上流側の排気通路に設けられた上流側空燃比センサ及び前記排気浄化触媒よりも前記排気流動方向における下流側の前記排気通路に設けられた下流側空燃比センサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比を制御する、空燃比制御装置であって、
前記下流側空燃比センサの出力が、理論空燃比に対応する目標値を中心とした所定範囲内にあるか否かを判定する、判定手段と、
前記下流側空燃比センサの出力が前記所定範囲内である場合に、当該出力によって要求される方向とは逆方向の空燃比補正を一時的に導入する、逆方向補正導入手段と、
を備え、
前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力がリッチ側となりリーン方向の空燃比補正が要求される時にリッチスパイクを導入する一方、前記下流側空燃比センサの出力がリーン側となりリッチ方向の空燃比補正が要求される時にリーンスパイクを導入することを特徴とする、空燃比制御装置。 - 請求項1に記載の、空燃比制御装置であって、
前記逆方向補正導入手段は、前記下流側空燃比センサの出力がリーン領域とリッチ領域との間で反転した後所定時間経過前は前記逆方向の空燃比補正の導入を禁止し、前記所定時間経過後に前記逆方向の空燃比補正の導入を実行することを特徴とする、空燃比制御装置。 - 請求項1又は請求項3に記載の、空燃比制御装置であって、
前記逆方向補正導入手段は、急加速又は急減速時には、前記逆方向の空燃比補正の導入を制限することを特徴とする、空燃比制御装置。 - 請求項1、請求項3、請求項4のうちのいずれか1項に記載の、空燃比制御装置において、
前記内燃機関の運転状態に応じて前記所定範囲を変更する、範囲変更手段をさらに備えたことを特徴とする、空燃比制御装置。 - 請求項1、請求項3、請求項4、請求項5のうちのいずれか1項に記載の、空燃比制御装置であって、
前記下流側空燃比センサは、理論空燃比前後でステップ状の応答を示す、起電力式の酸素濃度センサであることを特徴とする、空燃比制御装置。
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