JP5331931B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Description
ところで、減速運転時において燃料噴射を一時的に停止する所謂燃料カットが行われると、三元触媒に空気がそのまま流れ込み、酸素ストレージ能力によって三元触媒に吸蔵される酸素量が過大となり、燃料カット状態から燃料噴射を再開させたときに、触媒の浄化作用(NOxの還元能力)が低下する。
上記のように、燃料カットからの復帰直後に空燃比をリッチ化すれば、早期にNOxの還元能力を回復させることが可能となる。
例えば、燃料カット状態での酸素ストレージ量の増大が比較的少ない状態で、過大にリッチ化してしまうと、リッチ化によって三元触媒の酸素ストレージ量が過少になり、加速に伴って燃料カットから復帰させた場合には、HCの転換率が低下してしまう。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料カットからの復帰直後のリッチ化を過不足なく行わせることができるようにして、復帰直後における排気エミッションを低減することを目的とする。
図1は、本願発明に係る空燃比制御装置を含む車両用内燃機関のシステム図である。
図1において、内燃機関101の吸気管102には、スロットルモータ103aでバタフライ式のスロットルバルブ103bを開閉駆動する電子制御スロットル104が介装される。
各気筒の吸気バルブ105上流の吸気ポート130には、燃料噴射弁131がそれぞれ設けられている。尚、燃料噴射弁131が燃焼室106内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関であってもよい。
前記燃焼室106内に空気と混合して吸引された燃料は、点火プラグ151による火花点火によって着火燃焼する。
前記点火プラグ151には、それぞれパワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル152が直付けされており、前記コントロールユニット114から前記パワートランジスタのオン・オフを制御する点火制御信号を出力することで、各気筒の点火時期が制御される。
尚、上記のように、触媒コンバータを上下流に2つ備える機関に限定されるものではなく、触媒コンバータを1つだけ備える機関であっても良い。
前記吸気バルブ105及び排気バルブ107は、それぞれ吸気側カムシャフト111,排気側カムシャフト110に設けられたカムによって開閉駆動される。
燃料タンク135には、電動式の燃料ポンプ136が内蔵され、この燃料ポンプ136を駆動することで燃料タンク135内の燃料が前記燃料噴射弁131に向けて圧送される。
前記各種センサとしては、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ116、機関101の吸入空気流量Qを検出するエアフローメータ115(吸入空気量検出手段)、クランクシャフト120の回転位置を検出するクランク角センサ117、スロットルバルブ103bの開度TVOを検出するスロットルセンサ118、機関101の冷却水温度を検出する水温センサ119、前記フロント触媒108の上流側の排気管112に配置され排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を広域に検出する広域空燃比センサ121(空燃比検出手段)、前記リア触媒109の下流側の排気管112に配置され排気中の酸素濃度に基づいて理論空燃比に対するリッチ・リーン(酸素の有無)を検出する酸素センサ122などが設けられている。
また、前記広域空燃比センサ121は、理論空燃比よりもリッチ領域及びリーン領域の空燃比を広く検出できる公知の空燃比センサである。
また、触媒コンバータ108,109において酸化・還元の転化率が同時に高い値を示す実際の中心空燃比を、前記酸素センサ122の検出結果に基づき判断し、前記広域空燃比センサ121で検出された実際の空燃比と比較する中心空燃比(目標空燃比)を補正する。
そして、前記フィードバック制御点のずれによるリッチ状態が継続すれば、触媒の酸素ストレージ量が0にまで減り、リーン状態が継続すれば触媒の酸素ストレージ量が飽和し、酸素センサ122はリッチ又はリーンを検出するようになる。
例えば、前記広域空燃比センサ121が実際よりもリーンに検出することで、フィードバック制御の結果として得られる実際の空燃比がリッチとなる場合には、触媒の吸着酸素が消費されて実際の酸素ストレージ量が最終的に0となり、酸素センサ122がリッチ判定をするようになるが、酸素ストレージ量の演算値は、広域空燃比センサ121の出力がリーン側にずれている分だけ実際よりも多く計算される。
具体的には、アクセル(スロットル)全閉でかつ機関回転速度がカット開始回転速度を超える場合に燃料カットを開始し、アクセル(スロットル)が開かれるか又は機関回転速度がリカバー回転速度を下回るようになると、燃料噴射を再開させる。
ここで、前記コントロールユニット114は、燃料カット状態から燃料噴射を再開させるときに、酸素ストレージ量を早期に適正値(最大量の半分程度)にまで低下させるために、空燃比を一時的にリッチ化するリッチスパイク制御を行う。
図2のフローチャートは、前記リッチ制御のメインルーチンを示す。尚、前記メインルーチンは、所定微小時間毎に実行されるものとする。
まず、ステップS100では、前記中心空燃比(目標空燃比)の補正制御に用いる酸素ストレージ量(酸素吸蔵量)OS1を算出する。
前記吸入空気量×(触媒上流側実空燃比−中心空燃比)なる演算では、触媒上流側実空燃比が中心空燃比よりもリッチになると、(触媒上流側実空燃比−中心空燃比)がマイナスの値になって酸素ストレージ量OS1を減少変化させることになるのに対し、触媒上流側実空燃比が中心空燃比よりもリーンになると、(触媒上流側実空燃比−中心空燃比)がプラスの値になって酸素ストレージ量OS1を増大変化させることになる。
また、前記酸素ストレージ量OS1を、酸素センサ122の出力が反転する毎に初期値(例えば最大酸素ストレージ量の半分)にリセットさせることができる。前記リセット処理によって、酸素ストレージ量の演算誤差(積算による演算誤差の増大)による演算値と実際の酸素ストレージ量のズレを防止できる。
尚、本実施形態では、フロント触媒コンバータ108とリア触媒コンバータ109とを一体と見なし、各触媒での酸素ストレージ量の総和を推定させるものとする。
ステップS400では、燃料噴射を再開させるときに実際にリッチスパイク制御を行わせるか否かを示すフラグの設定を行い、ステップS500では、リッチスパイク制御(リッチ化)を実現するための燃料増量係数KRSを算出する。
次に前記ステップS200〜ステップS800の各ステップにおける処理内容を、図3〜図9のフローチャートに従って詳細に説明する。
図3のフローチャートは、ステップS200における、燃料カット状態での酸素ストレージ量OS2の推定処理を示す。
ステップS201では、燃料カット状態であるか否かを判断する。
前記初期値は、例えば、酸素ストレージ量OS2の最小値に近い固定値とする。
但し、ステップS100における酸素ストレージ量OS1の推定が正確である場合には、燃料カットの開始時にこの推定値OS1を初期値として、燃料カット後の酸素ストレージ量OS2の増大変化を推定させることができる。
ステップS203では、本ルーチンの実行周期の間に内燃機関101に吸引された吸入空気量Qに、予め記憶したゲインGainを乗算して、本ルーチンの実行周期当たりの酸素ストレージ量の増大量を求め、これを燃料カット時の酸素ストレージ量OS2の前回値に加算し(積算手段)、該加算結果を酸素ストレージ量OS2に設定する。
尚、前記ゲインGainは、吸入空気量に対する触媒の酸素吸着能力に基づくものであり、実験結果などに基づき予め設定される。
前記最大値は、必ずしも実際に吸蔵できる酸素量の最大値とする必要はなく、リッチシフトの要求から適宜設定することができ、フロント触媒コンバータ108の最大酸素ストレージ量とリア触媒コンバータ109の最大酸素ストレージ量との合計値を前記最大値とすることができると共に、例えば、フロント触媒コンバータ108の最大酸素ストレージ量と、リア触媒コンバータ109の最大酸素ストレージ量の半分程度の量との合計値を前記最大値とすることができる。
更に、触媒コンバータ108,109の劣化状態(酸素ストレージ能力の劣化)を、例えば前記広域空燃比センサ121及び酸素センサ122の検出結果から判断し、触媒コンバータ108,109の劣化状態からそのときの最大ストレージ量を推定し、この最大ストレージ量を前記最大値とすることができる。
図4のフローチャートは、前記ステップS300におけるリッチシフト量の算出を詳細に示すものである。
そして、燃料カット中であれば、ステップS302へ進み、前記燃料カット時の酸素ストレージ量OS2から、リッチシフト量RSを設定する(リッチシフト量設定手段)。
ここで、燃料カット時の酸素ストレージ量OS2が多いほど、前記リッチシフト量RSの絶対値をより大きく設定し、よりリッチ化(空燃比を低下)させるようにする。
ステップS301で燃料カット中でないと判断されると、ステップS303へ進み、リッチシフト量RSの前回値が0よりも小さいか否か、換言すれば、燃料カットからの燃料噴射再開直後であるか否かを判断する。
上記のように、燃料カット状態では吸入空気流量Qの積算値に応じて逐次燃料カット時の酸素ストレージ量OS2を更新すると共に、該酸素ストレージ量OS2に応じてリッチシフト量RSを逐次更新する。
従って、酸素過剰状態を速やかに解消することで還元能力が回復し、燃料噴射再開直後にNOx排出量が増大することを回避でき、また、過剰なリッチ化によってHC排出量を増大させてしまうことを防止できる。
また、例えば、リッチ化しているときに、加速によって吸入空気量が増大すると、リッチシフト量RSがより速い速度で0に近づくから、リッチシフトと加速に伴う増量分とが重なることで、オーバーリッチになることを防止することができ、これによってもHCの排出量を抑制できる。
ステップS303で、リッチシフト量RSの前回値が0以上であると判断された場合には、ステップS305へ進み、リッチシフト量RSを0にリセットして、リッチシフト量RSによって逆にリーン補正されてしまうことを防止すると共に、リッチスパイク制御を停止させる。
ステップS401では、燃料カット中であるか否かを判断し、燃料カット中でなく燃料噴射が行われている通常状態であれば、ステップS402へ進む。
ステップS402では、前回燃料カット状態であったか否かを判断し、前回燃料カットを行っていて今回燃料カット中でないと判断されると、ステップS403へ進み、前記リッチシフト量RSが0よりも小さいリッチスパイク制御要求状態であるか否かを判断する。
一方、ステップS401で燃料カット中であると判断された場合、ステップS402で前回も燃料カット中でなかったと判断された場合、ステップS403でリッチシフト量RSが0以上であると判断された場合には、ステップS405へ進む。
燃料増量フラグ=0であれば、そのまま本ルーチンを終了させることで、燃料増量フラグ=0の状態を保持させる。
一方、燃料増量フラグ=1であれば、ステップS406へ進み、リッチシフト量RSが0であるか否かを判断する。
一方、燃料増量フラグ=1であるが、リッチシフト量RSが0である場合には、リッチスパイク制御を開始させてから、リッチシフト量RSを酸素ストレージ量OS2に応じたマイナス値から吸入空気量に応じた速度で0に近づけた結果、リッチシフト量RSが0にまで戻り(リッチ化が停止し)、もはやリッチスパイク制御の必要性は無くなったものと判断し、ステップS407へ進んで、前記燃料増量フラグを0にリセットする(図10参照)。
ステップS501では、前記燃料増量フラグに1がセットされているか否かを判断する。
そして、前記燃料増量フラグ=0であれば、リッチスパイク制御の必要はないので、ステップS503へ進んで、燃料増量係数KRSに0をセットすることで、燃料増量係数KRSを用いて燃料噴射量を演算しても、燃料増量係数KRSによって増量(リッチシフト)が行われないようにする。
前記中心空燃比は、前述のように、三元触媒式のフロント触媒コンバータ108及びリア触媒コンバータ109において、酸化・還元の転化率が同時に高い値を示す空燃比であって、広域空燃比センサ121の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御の目標空燃比であり、かつ、酸素ストレージ量OS1の推定に用いられる値であり、前述のように、酸素センサ122の出力と酸素ストレージ量OS1との相関から修正される値である。
図7のフローチャートは、ステップS600における中心空燃比(目標空燃比)の設定処理を詳細に示す。
一方、リッチシフト量RSが0でない場合には、ステップS603へ進み、中心空燃比にリッチシフト量RSを加算して、中心空燃比(目標空燃比)をリッチ補正する(図10参照)。
図8のフローチャートは、ステップS700におけるオープン制御とフィードバック制御との切り換えを詳細に示す。
ステップS702では、燃料増量フラグの判別を行い、燃料増量フラグ=1であれば、ステップS703へ進んで、空燃比制御をオープン制御(フィードホワード制御)とし、広域空燃比センサ121の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を停止させ、空燃比フィードバック補正係数をクランプする。
一方、燃料カット中ではなく、かつ、燃料増量フラグ=0であってリッチ化が停止されていれば、図10に示すように、広域空燃比センサ121の検出結果を中心空燃比に近づける空燃比フィードバック制御を実行させる(フィードバック開始手段)。
ステップS801では、基本燃料噴射量に前記燃料増量係数KRSを乗算して求めた増量補正分を燃料噴射量に加算することで、前記燃料増量係数KRSがKRS>0であれば、燃料噴射量が増量補正され、リッチスパイクが実行されるようにする。
図10は、上記実施形態における燃料カットの有無、酸素ストレージ量、空燃比、リッチシフト量RS、増量係数KRSなどの相関を示すタイミングチャートである。
そして、前記酸素ストレージ量OS2が大きくなるほど、リッチシフト量RSの絶対値をより大きくし、燃料カットが終了されて燃料噴射を再開させるときに、そのときのリッチシフト量RSに応じた増量係数KRSで燃料噴射量を増量補正することで、燃料カット中に過大になった酸素ストレージ量を適切な量に速やかに戻すことができる。
そして、リッチシフト量RSが0に戻ると、広域空燃比センサ121の検出結果に基づくフィードバック制御が再開され、広域空燃比センサ121で検出される空燃比が中心空燃比(目標空燃比)に近づくように、燃料噴射量が補正される。
尚、酸素センサ122の上流側には、酸素ストレージ能力を有するフロント触媒コンバータ108とリア触媒コンバータ109とが存在するため、酸素センサ122は、燃料カットの開始に対して遅れてリーン状態を検出し、燃料噴射の再開直後の期間は、引き続きリーン状態を検出することになる。
ステップS711では、燃料カット中であるか否かを判断し、燃料カット中でない場合に、ステップS712へ進む。
ステップS712では、燃料増量フラグの判別を行い、燃料増量フラグ=1でリッチシフト量RSに応じたリッチスパイク制御中であれば、ステップS713へ進む。
一方、ステップS712で燃料増量フラグ=0でリッチシフト量RSが0にまで収束された後(リッチ化停止後)であると判断されると、ステップS715へ進み、広域空燃比センサ121の検出結果を中心空燃比に近づける空燃比フィードバック制御を実行させる(フィードバック開始手段)。
上記のように、広域空燃比センサ121の検出空燃比が判定値未満にまで低下してから空燃比フィードバック制御を再開させるようにすれば、広域空燃比センサ121の雰囲気に燃料カット中の影響が残っている状態で空燃比フィードバック制御が開始されることを回避できる。
ここで、リッチシフト量RSが0になる前に空燃比フィードバック制御が開始されることになるが、ステップS603で中心空燃比がリッチシフト量RSで補正されることで、リッチシフト要求に対応する中心空燃比(目標空燃比)に向けてフィードバック制御が行われることになり、触媒コンバータ108,109の酸素ストレージ量を速やかに低下させるためのリッチ化は継続されることになる。
尚、図11のフローチャートに示すオープン制御・フィードバック制御の切り替えでは、燃料増量フラグと、広域空燃比センサ121で検出される触媒上流側での実空燃比との双方を判断したが、図13のフローチャートに示す第3実施形態のように、燃料増量フラグの判断を省略することができる。
そして、広域空燃比センサ121の検出空燃比が判定値未満であれば、ステップS723(フィードバック開始手段)へ進んで、広域空燃比センサ121の検出結果を中心空燃比に近づける空燃比フィードバック制御を実行させる(図14参照)。
また、燃料カット中であるときにも、ステップS724へ進んで、空燃比制御をオープン制御(フィードホワード制御)とし、広域空燃比センサ121の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を停止させ、空燃比フィードバック補正係数をクランプする。
前記所定時間は、燃料噴射の再開後、広域空燃比センサ121で検出される触媒上流側での実空燃比が判定値未満にまで低下するものと推定される所定時間であり、換言すれば、広域空燃比センサ121の雰囲気が燃料カット中の超リーン状態から燃料噴射開始後の燃焼排気雰囲気に入れ替わるまでの時間である。
Claims (1)
- 排気管に排気浄化触媒を備えた内燃機関に適用される空燃比制御装置であって、
燃料カット状態からアクセルが開くことによって燃料供給が再開されるときに空燃比をリッチ化すると共に、前記リッチ化中の吸入空気量が多いほど速い速度でリッチ化が小さくなる方向に変化させる、内燃機関の空燃比制御装置。
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