JP5679839B2 - Air-fuel ratio control device - Google Patents
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Description
本発明は、触媒による排気ガス浄化能率を高める目的で実施される空燃比の制御に関する。 The present invention relates to air-fuel ratio control performed for the purpose of increasing exhaust gas purification efficiency by a catalyst.
一般に、自動車等の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるHC、CO及びNOxを酸化/還元して無害化する三元触媒が装着されている。HC、CO及びNOxの全てを効率よく浄化するには、空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。 Generally, the exhaust passage such as an automobile, HC contained in the exhaust gas discharged, the three-way catalyst to harmless by oxidation / reduction of CO and NO x are mounted from the internal combustion engine. In order to efficiently purify all of HC, CO, and NO x , it is necessary to make the air-fuel ratio converge to a certain range near the theoretical air-fuel ratio called a window.
そのために、触媒の上流及び下流にそれぞれ空燃比センサを配し、空燃比センサの出力を目標値に制御するフィードバック制御を行うことが通例となっている(例えば、下記特許文献1ないし4を参照)。従来からある空燃比制御方法では、触媒下流の空燃比センサの出力がリッチであるかリーンであるかを判定し、その判定結果に応じて補正量を算定する。この補正量は、触媒上流の空燃比センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御における制御中心をリーン側あるいはリッチ側に変位させ、触媒内でのガスの空燃比をウィンドウ内に維持する役割を果たす。
For this purpose, it is customary to arrange an air-fuel ratio sensor upstream and downstream of the catalyst and perform feedback control to control the output of the air-fuel ratio sensor to a target value (see, for example,
近時では、強化された排気ガス規制に対応して、触媒の酸素吸蔵能(OSC)が大きくなる傾向にある。酸素吸蔵能が大きいと、触媒の上流で空燃比が変動したとしても、触媒下流の空燃比センサの出力信号にはすぐには変化が現れない。それ故、触媒下流の空燃比センサの出力がリーンからリッチへの遷移を示したときには、既に触媒内の酸素が不足してしまっており、HC及びCOの排出量が増加することがあり得た。逆に、触媒下流の空燃比センサの出力がリッチからリーンへの遷移を示したときには、既に触媒内が酸素過多であり、今度はNOxの排出量の増加を招いていた。 Recently, the oxygen storage capacity (OSC) of catalysts tends to increase in response to stricter exhaust gas regulations. If the oxygen storage capacity is large, even if the air-fuel ratio fluctuates upstream of the catalyst, the output signal of the air-fuel ratio sensor downstream of the catalyst does not change immediately. Therefore, when the output of the air-fuel ratio sensor downstream of the catalyst showed a transition from lean to rich, the oxygen in the catalyst was already insufficient, and the HC and CO emissions could increase. . On the contrary, when the output of the air-fuel ratio sensor downstream of the catalyst shows a transition from rich to lean, the inside of the catalyst is already excessive in oxygen, which in turn causes an increase in NO x emission.
そこで、本発明の発明者は、触媒内に吸蔵した酸素量と当該触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデルを構築し、モデル数式に則り、触媒から放出された酸素の量を推算して、その酸素放出量を目標値にフィードバック制御する空燃比制御装置を考案した(下記特許文献5、6を参照)。この空燃比制御装置によれば、触媒下流の空燃比センサの出力信号の変動が触媒内の空燃比の変動に対して遅延するという従前の問題を、有効に回避することができる。 Therefore, the inventor of the present invention constructed a model of the oxygen ratio, which is the ratio of the amount of oxygen stored in the catalyst and the oxygen storage capacity of the catalyst, and determined the amount of oxygen released from the catalyst according to the model formula. An air-fuel ratio control device that devised and feedback-controlled the oxygen release amount to a target value was devised (see Patent Documents 5 and 6 below). According to this air-fuel ratio control apparatus, it is possible to effectively avoid the conventional problem that the fluctuation of the output signal of the air-fuel ratio sensor downstream of the catalyst is delayed with respect to the fluctuation of the air-fuel ratio in the catalyst.
上掲の空燃比制御装置は優れて有用なものである。しかし、触媒の酸素吸蔵能は経年劣化により減少してゆく。そして、フィードバック制御の目標値を一定とした場合、触媒の酸素吸蔵能の減少に伴って目標値が触媒内に酸素を全く吸蔵していない状態にだんだん近づいてゆくことになるので、ガスの空燃比が過リッチとなる外乱を生じたときに触媒内の酸素が不足し、HC及びCOを排出してしまうおそれがあった。 The above-mentioned air-fuel ratio control apparatus is excellent and useful. However, the oxygen storage capacity of the catalyst decreases with age. If the feedback control target value is constant, the target value gradually approaches a state where no oxygen is stored in the catalyst as the catalyst's oxygen storage capacity decreases. When a disturbance in which the fuel ratio becomes excessively rich occurs, there is a risk that oxygen in the catalyst is insufficient and HC and CO are discharged.
本発明は、触媒による排気ガス浄化能率を恒常的に高く保ち、HC、CO及びNOxの排出量の一層の低減を図ることを所期の目的とする。 An object of the present invention is to keep the exhaust gas purification efficiency of the catalyst constantly high and to further reduce the emission amount of HC, CO and NO x .
本発明では、排気通路に排気ガス浄化用の触媒を直列に少なくとも二個装着した内燃機関における空燃比を制御するものであって、前記触媒のうちの上流側触媒の上流に設けられる第一の空燃比センサと、前記上流側触媒の下流に設けられる第二の空燃比センサと、少なくとも前記第二の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を推算して記憶する学習部と、少なくとも前記第一の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒内に吸蔵した酸素量と当該上流側触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、上流側触媒内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態から酸素を放出した量を推算して、その放出量を前記学習部で学習した酸素吸蔵能に所定の比率を乗じて得られる目標値にフィードバック制御する空燃比制御部とを具備する空燃比制御装置を構成した。 In the present invention, the air-fuel ratio is controlled in an internal combustion engine in which at least two exhaust gas purifying catalysts are mounted in series in the exhaust passage, the first of the catalysts provided upstream of the upstream catalyst. Referring to an air-fuel ratio sensor, a second air-fuel ratio sensor provided downstream of the upstream catalyst, and at least the output of the second air-fuel ratio sensor, the oxygen storage capacity of the upstream catalyst is estimated and stored. With reference to the learning unit and at least the output of the first air-fuel ratio sensor, in accordance with a model formula of the oxygen ratio, which is the ratio of the amount of oxygen stored in the upstream catalyst and the oxygen storage capacity of the upstream catalyst, Estimate the amount of oxygen released from the state of storing oxygen up to the oxygen storage capacity in the upstream catalyst, and multiply the released amount by the predetermined ratio to the oxygen storage capacity learned by the learning unit. Feedback control And configure the air-fuel ratio control apparatus comprising a fuel control unit.
また、前記学習部が、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を、エンジン回転数並びに気筒に充填される吸入空気量若しくは要求負荷によって規定される運転領域毎に学習し、前記空燃比制御部が、フィードバック制御において、その時の運転領域に対応した酸素吸蔵能に基づく目標値を用いるものとすることも好ましい。前記モデル数式は、例えば、下式(数1)の形で表される。 Further, the learning unit learns the oxygen storage capacity of the upstream catalyst for each operation region defined by the engine speed and the intake air amount or required load charged in the cylinder, and the air-fuel ratio control unit, In the feedback control, it is also preferable to use a target value based on the oxygen storage capacity corresponding to the operation region at that time. The model formula is expressed, for example, in the form of the following formula (Equation 1).
本発明によれば、触媒による排気ガス浄化能率を恒常的に高く保つことができ、HC、CO及びNOxの排出量の一層の低減を図り得る。 According to the present invention, the exhaust gas purification efficiency by the catalyst can be kept constantly high, and the emission amount of HC, CO and NO x can be further reduced.
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本空燃比制御装置1は、内燃機関2で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質HC、CO、NOxを無害化する触媒31における空燃比を制御するものであって、図1に示すように、触媒31の上流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第一の空燃比センサ11と、触媒31の下流側における空燃比または酸素濃度に応じた出力信号を出力する第二の空燃比センサ12と、両センサ11、12の出力信号を参照して空燃比制御を実施する空燃比制御部13と、この空燃比制御部13が参照する学習値(後述する)の学習を行う学習部14とを具備する。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The air-fuel
図2に、ハードウェア構成の概要を示す。内燃機関2は、例えば自動車用の多気筒の燃料噴射式エンジンである。内燃機関2で生成された燃焼ガスは、排気ポートから排気マニホルド41、排気管42及び触媒31、32を通じて大気中に排出される。本実施形態では、排気通路に複数の触媒31、32を直列に接続する、いわゆるタンデム触媒を採用している。基本的には、より上流側にある触媒31が主となって排気ガス中の有害物質を浄化する。より下流側にある触媒32は、上流側触媒31にて浄化されずに漏出した残余の有害物質を浄化する。
FIG. 2 shows an outline of the hardware configuration. The
空燃比センサ11、12は、排気ガスに接触して反応することにより、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。上流側触媒31の上流に設ける第一の空燃比センサ11は、排気ガスの空燃比に比例した信号を出力するリニアA/Fセンサとすることが好ましい。上流側触媒31の下流、下流側触媒32の上流に設ける第二の空燃比センサ12は、リニアA/Fセンサであってもよく、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するO2センサであってもよい。
The air-
第一の空燃比センサ11、第二の空燃比センサ12は、吸気管内圧力(吸気負圧または過給圧)センサ、エンジン回転数センサ、車速センサ、冷却水温センサ、カムポジションセンサ、アクセルペダルの踏込量センサ(または、スロットル開度を示すポジションセンサ)等の各種センサ(図示せず)とともに、電子制御装置(ECU)5に電気的に接続している。電子制御装置5は、プロセッサ51、RAM52、ROM(または、フラッシュメモリ)53、I/Oインタフェース54等を包有するマイクロコンピュータシステムである。I/Oインタフェース54は、各種センサの出力信号の受信や制御信号の送信を担うもので、A/D変換回路及び/またはD/A変換回路を含む。プロセッサ51が実行するべきプログラムはROM53に格納されており、その実行の際にROM53からRAM52へ読み込まれ、プロセッサ51によって解読される。しかして、電子制御装置5は、プログラムに従い、空燃比制御部13及び学習部14としての機能を発揮する。
The first air-
空燃比制御部13たる電子制御装置5は、第一の空燃比センサ11、第二の空燃比センサ12やその他のセンサから出力される信号を、I/Oインタフェース54を介して受信する。そして、要求される燃料噴射量を算出し、この要求燃料噴射量に対応した制御信号をI/Oインタフェース54を介して燃料噴射弁21に入力、内燃機関2の燃料噴射を制御する。要求燃料噴射量は、吸気管内負圧及びエンジン回転数等を参照して基本噴射量を求め、その基本噴射量に、エンジン冷却水温等の環境条件に応じた環境補正、並びに下記フィードバック制御による補正を加えて、最終的に決定する。
The electronic control unit 5 as the air-fuel ratio control unit 13 receives signals output from the first air-
本実施形態では、空燃比の制御にあたり、第二の空燃比センサ12の出力信号を制御量(制御出力)とはしない。本実施形態では、上流側触媒31内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態を基準とし、その状態から酸素を放出した量をモデル数式によって推算する。そして、推算した酸素放出量を制御量として、これを所要の目標値(後述する)に到達させるフィードバック制御を実施する。
In the present embodiment, in controlling the air-fuel ratio, the output signal of the second air-
まず、上流側触媒31に吸蔵した酸素量は、上流側触媒31に流入する酸素の流量の時間積分に、反応速度係数を乗じたものと考えることができる。反応速度係数は、上流側触媒31が酸素を吸蔵する速度を示す。反応速度係数と酸素吸蔵能との比(反応速度係数/酸素吸蔵能)をモデルパラメータθ1とおけば、酸素濃度Oのモデル数式を下式(数2)の如く規定することができる。
First, it can be considered that the amount of oxygen stored in the
λは、排気ガスの空燃比の目標空燃比からの乖離を示す空気過剰率である。空気過剰率λは、原理的には、第一の空燃比センサ11を介して検出したガスの空燃比と、最終的に実現するべき目標空燃比との比(上流側実測空燃比/目標空燃比)である。目標空燃比は、通常は理論空燃比、ガソリンエンジンにあっては約14.7であるが、リーンバーン運転している最中等、理論空燃比よりも増減することがあり得る。
λ is an excess air ratio indicating a deviation of the air-fuel ratio of the exhaust gas from the target air-fuel ratio. In principle, the excess air ratio λ is a ratio of the air / fuel ratio of the gas detected via the first air /
上流側触媒31の酸素吸蔵能、酸素吸蔵速度、酸素放出速度は、おしなべて上流側触媒31の経時劣化の影響を受ける。であるから、モデルパラメータθ1もまた、上流側触媒31の経時劣化の影響を受ける。だが、酸素放出速度に対する酸素吸蔵速度の比である反応速度比は、上流側触媒31の経時劣化によらず一定であると見なすことが可能である。
The oxygen storage capacity, oxygen storage rate, and oxygen release rate of the
以降、反応速度比に関して補記する。図3は、上流側触媒31に流入するガスの空燃比を意図的に上下させる実験を行い、第一の空燃比センサ11の出力信号及び第二の空燃比センサ12の出力信号を観測したものである。第一の空燃比センサ11の出力は、上流側触媒31に流入するガスの空燃比をそのまま表示していると言える。一方で、第二の空燃比センサ12の出力は、第一の空燃比センサ11の出力、ひいては上流側触媒31に流入するガスの空燃比の変動に対して遅れている。
Hereinafter, the reaction rate ratio is additionally described. FIG. 3 shows an experiment in which the air-fuel ratio of the gas flowing into the
上流側触媒31に流入するガスの空燃比がリーンな期間では、上流側触媒31に酸素が吸蔵される。上流側触媒31に流入するガスの空燃比がリッチな期間では、上流側触媒31に吸蔵されていた酸素が放出される。図3中、空燃比リッチだった流入ガスが空燃比リーンとなった後、再び空燃比リッチとなるまでの期間T1が、上流側触媒31に酸素が吸蔵される期間である。そして、空燃比リーンだった流入ガスが空燃比リッチとなった後、第二の空燃比センサ12の出力信号がリーンからリッチへと反転するまでの期間T2が、上流側触媒31から酸素が放出される期間である。第二の空燃比センサ12の出力がリーンからリッチへと反転したことは、上流側触媒31からの酸素の放出が衰えたことを暗示している。
During the period when the air-fuel ratio of the gas flowing into the
図4は、流入空気量Gaを一定として上記実験を行い、酸素吸蔵期間T1と酸素放出期間T2とをそれぞれ計測してプロットしたものである。図4では、上流側触媒31に流入するガスの空燃比のリーン時の値とリッチ時の値との組合せを、三通りに変えて実験した結果を示している。流入ガスの空燃比の値によらず、酸素吸蔵期間T1と酸素放出期間T2との間には一定の比例関係が存在している。ここではその比例係数、即ち図4中に引いた直線の傾きを、反応速度比ということとする。反応速度比は、酸素放出速度に対する酸素吸蔵速度の比(T1/T2)を示す。
FIG. 4 is a graph in which the above experiment is performed with the inflow air amount G a constant, and the oxygen storage period T 1 and the oxygen release period T 2 are respectively measured and plotted. FIG. 4 shows the results of an experiment in which the combinations of the lean value and the rich value of the air-fuel ratio of the gas flowing into the
図5は、流入空気量Gaを変えて上記実験を行い、反応速度比を計測したものである。並びに、図6は、同様の実験を、新しい上流側触媒31と古い劣化した上流側触媒31とを用いてそれぞれ行った結果である。図6から明らかなように、反応速度比は上流側触媒31の経時劣化によらず一定であると見なすことができる。
Figure 5 performs the experiment by changing the inlet air amount G a, in which the reaction rate ratio were measured. FIG. 6 shows the result of the same experiment performed using the new
内燃機関2の気筒への燃料供給を一時中断する燃料カットを実行すると、上流側触媒31に燃料成分を含まない空気が流入し、上流側触媒31内に酸素が充満する。よって、燃料カットを終了して燃料供給を再開する直前の時点t1では、上流側触媒31内に酸素吸蔵能一杯まで酸素を吸蔵している。酸素吸蔵能は上流側触媒31の経時劣化とともに低下するため、時点t1において上流側触媒31に吸蔵している酸素の絶対量は不明である。だが、図7に示すように、燃料供給再開後に上流側触媒31から放出した酸素の量Oを考えれば、燃料供給再開時点t1における酸素放出量Oを常に0とすることができる。
When a fuel cut that temporarily interrupts the fuel supply to the cylinders of the
モデル数式(数2)を援用し、モデルパラメータθ1を酸素吸蔵速度または酸素放出速度を示すモデルパラメータθ2に置き換えると、酸素放出量Oのモデル数式として下式(数3)を得られる。 By substituting the model parameter θ 1 with the model parameter θ 2 indicating the oxygen storage rate or the oxygen release rate with the aid of the model formula (Equation 2), the following equation (Equation 3) can be obtained as a model formula for the oxygen release amount O.
モデルパラメータθ2は、上流側触媒31が酸素を放出する(λ≦1となる)期間と、上流側触媒31が酸素を吸蔵する(λ>1となる)期間とで相異する。しかしながら、反応速度比kは、上流側触媒31の経時劣化によらず一定であることが分かっている。図5に示している反応速度比k(Ga)を用いれば、モデルパラメータθ2を下式(数4)のように設定することができる。
The model parameter θ 2 is different between a period in which the
電子制御装置5は、酸素放出量Oに目標値を設定し、モデル数式に則って推算した酸素放出量Oをその目標値に収束させるフィードバック制御を実施する。即ち、推算した現在の酸素放出量Oとその目標値との偏差に基づいて燃料噴射量のフィードバック補正量を算出し、要求燃料噴射量に加味する。これにより、空燃比の振動を抑圧してウィンドウ内に維持する。 The electronic control unit 5 sets a target value for the oxygen release amount O, and performs feedback control for converging the oxygen release amount O estimated according to the model formula to the target value. That is, the feedback correction amount of the fuel injection amount is calculated based on the deviation between the estimated current oxygen release amount O and the target value, and is added to the required fuel injection amount. Thereby, the vibration of the air-fuel ratio is suppressed and maintained in the window.
因みに、上流側触媒31からの酸素放出量Oの推算精度を向上させるべく、酸素放出量Oの推算式(数3)及び(数4)に、推算誤差を補正、縮小するためのパラメータβを導入してもよい。
Incidentally, in order to improve the estimation accuracy of the oxygen release amount O from the
学習パラメータβを導入した酸素放出量Oの推算式は、下式(数5)となる。 The equation for calculating the oxygen release amount O with the learning parameter β introduced is as follows:
学習部14たる電子制御装置5は、燃料カットが発生したとき等に学習パラメータβを算定、その学習を実行する。電子制御装置5は、パラメータβの学習に際し、燃料カット開始から第二の空燃比センサ12の出力がリーンになったことを示す所定値(第二の空燃比センサ12がO2センサである場合、例えば出力電圧=0.5V)に到達するまでの経過時間と、燃料カット開始からモデル数式(数5)に則って推算される放出量Oが0となるまでの経過時間とを計数し、両者の時間差に応じて、当該時間差を減少させる方向にパラメータβを増減させる。後者の経過時間を計数するにあたり、モデル数式(数5)に適用する空気過剰率λとして、下記の式(数6)、式(数7)及び式(数8)の三つをそれぞれ用いる。
The electronic control unit 5 serving as the
図9に、パラメータβの学習処理の手順を示す。電子制御装置5は、内燃機関2における燃料カットが発生し、第二の空燃比センサ12の出力が非リーンを示しており(例えば、出力電圧>0.5V)、なおかつ、式(数6)、式(数7)、式(数8)に示す各空気過剰率λを適用して演算した酸素放出量O(数5)が何れも、前回の燃料カット終了から今回の燃料カット開始までの期間に一度も0になっていないことを条件として、パラメータβの学習を実施する。
FIG. 9 shows the procedure of the parameter β learning process. In the electronic control unit 5, a fuel cut occurs in the
パラメータβの学習では、燃料カットの開始から、式(数6)の空気過剰率λを適用した酸素放出量O(数5)が0になるまでの時間TA、式(数7)の空気過剰率λを適用した酸素放出量Oが0になるまでの時間TB、並びに、式(数8)の空気過剰率λを適用した酸素放出量Oが0になるまでの時間TCをそれぞれ算出する。さらに、燃料カットの開始から、第二の空燃比センサ12の出力がリーンに切り替わる(例えば、出力電圧≦0.5V)までの時間TDを計測する。図8に、燃料カット開始時点t2から計数される経過時間TA、TB、TC及びTDの例を示す。
In the learning of the parameter β, the time T A from the start of the fuel cut until the oxygen release amount O (Equation 5) applying the excess air ratio λ of Equation (Equation 6) becomes 0, The time T B until the oxygen release amount O to which the excess rate λ is applied becomes 0, and the time T C until the oxygen release amount O to which the air excess rate λ of the formula (Equation 8) is applied become 0, respectively. calculate. Furthermore, from the start of fuel cut, the output of the second air-
そして、経過時間TDと経過時間TAとの時間差を減少させるように、学習パラメータβを決定する。本実施形態では、TDとTAとの時間差を基に、補間法(内挿法)にて新たなパラメータβを算定する。即ち、TD>TAであるならばβを下式(数9)とし、TD<TAであるならばβを下式(数10)とする。 Then, the learning parameter β is determined so as to reduce the time difference between the elapsed time T D and the elapsed time T A. In the present embodiment, based on the time difference between T D and T A, it calculates a new parameter β by interpolation (interpolation). That, T D> T A at which if it the β following formula and (9), and T D <T A at which if it the β following formula (number 10).
また、学習部14たる電子制御装置5は、上流側触媒31の酸素吸蔵能を推算してこれを学習する。上流側触媒31の酸素吸蔵能の学習値は、空燃比制御部13によるフィードバック制御の目標値の決定に用いられる。
Further, the electronic control unit 5 serving as the
触媒31の酸素吸蔵能力は、既知の任意の手法を採用して推算することができる。ここでは、その一典型例を示す。内燃機関2の気筒に空燃比リーンの混合気を供給して触媒31の酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵している状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リッチに操作する。すると、第一の空燃比センサ11の出力信号は即座に空燃比リッチを示す。これに対し、第二の空燃比センサ12の出力信号は、第一の空燃比センサ11の出力信号に遅れて空燃比リッチを示す。第一の空燃比センサ11の出力信号が空燃比リッチを示してから(または、混合気を空燃比リッチに操作してから)第二の空燃比センサ12の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間、触媒31に吸蔵していた酸素が放出されて酸素の不足が補われるためである。
The oxygen storage capacity of the
第一の空燃比センサ11の出力信号が空燃比リッチを示してから、第二の空燃比センサ12の出力信号が空燃比リッチを示すまでの間に経過した時間をTRとおき、このTRの間に供給した燃料の総重量をGF、理論空燃比とリッチ時の空燃比との差分をΔA/FRとおくと、TRの間に触媒31中で不足した酸素量は、
(α・ΔA/FR・GF)
となる。αは、空気中に占める酸素の重量割合(≒0.23)である。
From shows the output signal is the air-fuel ratio rich first air-
(Α ・ ΔA / F R・ G F )
It becomes. α is a weight ratio (≈0.23) of oxygen in the air.
上式は、TRの時点までに触媒31が放出した酸素の量を表している。供給した燃料の総重量GFは、電子制御装置5において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリッチな(14.6よりも小さい)所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数(エンジン回転数に比例)を乗じれば、単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間TRを乗じれば、供給した燃料の総重量GFとなる。要するに、第二の空燃比センサ12の出力信号が空燃比リッチを示した時点での経過時間TRに基づいて、触媒31の最大酸素放出能力を算出することが可能である。この最大酸素放出能力は、最大酸素吸蔵能力と同義である。
The above equation, the
厳密には、TRの期間において、運転者のアクセル操作等に起因して単位時間当たりの燃料供給量(または、一回の噴射量)は増減し得る。故に、TRの期間中の供給燃料の総重量GFは、単位時間当たりの供給量gF(t)をTRで時間積分して求めることが好ましい。また、本実施形態では、触媒31の上流にリニアA/Fセンサ11を配しており、触媒31に流入するガスの空燃比を実時間で計測することが可能である。よって、ΔA/FR(t)を理論空燃比とA/Fセンサ11を介して計測した実測空燃比との差分として、触媒31の最大酸素吸蔵能力を、TRの期間の時間積分として求めることができる。即ち;
α∫{ΔA/FR(t)・gF(t)}dt
あるいは、内燃機関2の気筒に空燃比リッチの混合気を供給して触媒31に酸素を全く吸蔵していない状態から、気筒に供給する混合気を意図的に空燃比リーンに操作する。すると、第一の空燃比センサ11の出力信号は即座に空燃比リーンを示す。これに対し、第二の空燃比センサ12の出力信号は、第一の空燃比センサ11の出力信号に遅れて空燃比リーンを示す。第一の空燃比センサ11の出力信号が空燃比リーンを示してから(または、混合気を空燃比リーンに操作してから)第二の空燃比センサ12の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間、過剰な酸素が触媒31に吸着するためである。
Strictly speaking, in the period T R, the fuel supply amount per unit due to the accelerator operation or the like of the driver's time (or, a single injection quantity) may increase or decrease. Thus, the total weight G F of the fuel supplied during the T R is preferably determined supply amount g F per unit time (t) by time integration by T R. In this embodiment, the linear A /
α∫ {ΔA / F R (t) · g F (t)} dt
Alternatively, the air-fuel ratio rich mixture is supplied to the cylinder of the
第一の空燃比センサ11の出力信号が空燃比リーンを示してから、第二の空燃比センサ12の出力信号が空燃比リーンを示すまでの間に経過した時間をTLとおき、このTLの間に供給した燃料の総重量をGF、リーン時の空燃比と理論空燃比との差分をΔA/FLとおくと、TLの間に触媒31中で過剰となった酸素量は、
(α・ΔA/FL・GF)
となる。
The time elapsed from when the output signal of the first air-
(Α ・ ΔA / F L・ G F )
It becomes.
上式は、TLの時点で触媒31が吸蔵している酸素の量を表している。供給した燃料の総重量GFはやはり、電子制御装置5において演算することができる。即ち、一回の燃料噴射機会における燃料噴射量は、空燃比を理論空燃比よりもリーンな(14.6よりも大きい)所定値とするために必要な量であり、その噴射量に単位時間当たりの膨張行程回数を乗じれば単位時間当たりの燃料供給量となる。そして、単位時間当たりの燃料供給量に経過時間TLを乗じれば、供給した燃料の総重量GFとなる。要するに、第二の空燃比センサ12の出力信号が空燃比リーンを示した時点での経過時間TLに基づいて、触媒31の最大酸素吸蔵能力を算出することが可能である。
The above formula represents the amount of oxygen stored in the
厳密には、TLの期間において、運転者のアクセル操作等に起因して単位時間当たりの燃料供給量(または、一回の噴射量)は増減し得る。故に、TLの期間中の供給燃料の総重量GFは、単位時間当たりの供給量gF(t)をTLで時間積分して求めることが好ましい。ΔA/FL(t)を理論空燃比とA/Fセンサ11を介して計測した実測空燃比との差分とすれば、触媒31の最大酸素吸蔵能力を、TLの期間の時間積分として求めることができる。即ち;
α∫{ΔA/FL(t)・gF(t)}dt
電子制御装置5は、所定の条件を満たしたときに、空燃比のフィードバック制御を一時停止し、混合気の空燃比を意図的に振動させる「アクティブ制御」に移行して上流側触媒31の酸素吸蔵能の推定を実施する。
Strictly speaking, during the period of TL , the fuel supply amount (or injection amount per time) per unit time can increase or decrease due to the driver's accelerator operation or the like. Thus, the total weight G F of the fuel supplied during the T L, it is preferable to determine the supply amount per unit time g F a (t) and the time integral in T L. If ΔA / F L (t) is the difference between the stoichiometric air-fuel ratio and the actually measured air-fuel ratio measured via the A /
α∫ {ΔA / F L (t) · g F (t)} dt
When the predetermined condition is satisfied, the electronic control unit 5 temporarily stops the feedback control of the air-fuel ratio, shifts to “active control” that intentionally vibrates the air-fuel ratio of the air-fuel mixture, and shifts the oxygen of the
図9に示しているように、アクティブ制御では、第二の空燃比センサ12の出力電圧が所定のリッチ判定値に到達した、即ち第二空燃比センサ12の出力がリーンからリッチへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリーン側の所定空燃比に設定し、第一の空燃比センサ11の出力電圧が当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒31に流入するガスの空燃比を強制的にリーン化する。そして、第一の空燃比センサ11の出力電圧が前記制御目標に対応した値に到達してから、第二の空燃比センサ12の出力電圧が所定のリーン判定値に到達するまでの期間TL、即ち第二の空燃比センサ12の出力が再度リーンへと切り替わるまでの経過期間TLにおける最大酸素吸蔵能力α∫{ΔA/FL(t)・gF(t)}dtを積算する。TLは、酸素を吸蔵していない触媒31が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵するのに要した時間である。リッチ判定値とリーン判定値とは、相異なる値であってもよく、同一の値であってもよい。
As shown in FIG. 9, in the active control, the output voltage of the second air-
並びに、第二の空燃比センサ12の出力がリッチからリーンへと切り替わったタイミングで、制御目標空燃比をリッチ側の所定空燃比に設定し、第一の空燃比センサ11の出力電圧が当該制御目標に対応した値をとるように燃料噴射量を補正する。これにより、触媒31に流入するガスの空燃比を強制的にリッチ化する。そして、第一の空燃比センサ11の出力電圧が前記制御目標に対応した値に到達してから、第二の空燃比センサ12の出力電圧が所定のリッチ判定値に到達するまでの期間TR、即ち第二の空燃比センサ12の出力が再度リッチへと切り替わるまでの経過期間TRにおける最大酸素吸蔵能力α∫{ΔA/FR(t)・gF(t)}dtを積算する。TRは、酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していた触媒31がその酸素の全てを放出するのに要した時間である。
In addition, at the timing when the output of the second air-
しかして、最大酸素吸蔵能力α∫{ΔA/FR(t)・gF(t)}dt、α∫{ΔA/FL(t)・gF(t)}dtをそれぞれ一回以上算出し、それらの平均値を求めて、触媒31の酸素吸蔵能の学習値とする。
Therefore, the maximum oxygen storage capacity α∫ {ΔA / F R (t) · g F (t)} dt and α∫ {ΔA / F L (t) · g F (t)} dt are each calculated once or more. Then, an average value thereof is obtained and used as a learning value for the oxygen storage capacity of the
但し、アクティブ制御は燃料の浪費を招く。よって、上流側触媒31の酸素吸蔵能の学習は必要最小限かつ適時に限って行うことが望ましい。そこで、学習部14たる電子制御装置5は、上流側触媒31内に酸素が充満したか、あるいは上流側触媒31内の酸素が欠乏したことを示す所定の条件が成立したときに、アクティブ制御を開始する。
However, active control causes waste of fuel. Therefore, it is desirable that learning of the oxygen storage capacity of the
本実施形態において、所定の条件とは、第二の空燃比センサ12の出力電圧が基準値(例えば、0.7V)から所定以上(例えば、0.2V以上)大きくなること、または第二の空燃比センサ12の出力電圧が基準値から所定以下(例えば、0.2V以下)小さくなることをいう。上流側触媒31が吸蔵していた酸素が空とならず、上流側触媒31が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵しない限り、上流側触媒31を通過したガスの空燃比は理論空燃比近傍に調整され、第二の空燃比センサ12の出力電圧は理論空燃比に対応した基準値を中心とする所定範囲内(0.5V〜0.9Vの範囲内)に収まるはずである。
In the present embodiment, the predetermined condition is that the output voltage of the second air-
第二の空燃比センサ12の出力電圧が当該範囲を超えたならば、上流側触媒31が吸蔵していた酸素が空、または上流側触媒31が酸素吸蔵能力一杯まで酸素を吸蔵していることが示唆されるので、その瞬間からアクティブ制御及び触媒31の酸素吸蔵能の計測を始める。これにより、無駄な燃料消費を抑制することができる。
If the output voltage of the second air-
具体的には、第二の空燃比センサ12の出力電圧が空燃比リッチを表す0.9V以上となったとき、即ち上流側触媒31内の吸蔵酸素が0になったときに、混合気を意図的に空燃比リーンに操作して最大酸素吸蔵能力(TLの期間の時間積分)α∫{ΔA/FL(t)・gF(t)}dtの計測を開始する。あるいは、第二の空燃比センサ12の出力電圧が空燃比リーンを表す0.5V以下となったとき、即ち上流側触媒31内の吸蔵酸素が満杯になったときに、混合気を意図的に空燃比リッチに操作して最大酸素吸蔵能力(TRの期間の時間積分)α∫{ΔA/FR(t)・gF(t)}dtの計測を開始するのである。
Specifically, when the output voltage of the second air-
推算した上流側触媒31の酸素吸蔵能は、RAM52またはROM53に記憶保持する。この酸素吸蔵能は、今回のアクティブ制御の終了後の空燃比制御において、次回のアクティブ制御機会が発生するまでの間、空燃比制御部13で反復演算する酸素放出量O(数3または数5)を追従させる目標値に適用される。制御部13たる電子制御装置5は、学習した上流側触媒31の酸素吸蔵能に所定の比率(例えば、0.5)を乗じてフィードバック制御の目標値とする。要するに、触媒31内に酸素を充満させた状態と触媒31内の酸素が空になった状態との中間の状態に目標値を設定する。
The estimated oxygen storage capacity of the
なお、上述した酸素吸蔵能は、エンジン回転数及び気筒に充填される吸入空気量(または、要求負荷)によって規定される運転領域毎に学習することが好ましい。何故ならば、触媒31の酸素吸蔵能力は触媒31の温度による影響を受けるからである。触媒31の温度は、熱電対等の触媒温度センサを触媒31に付設して直接計測してもよいのであるが、この種の温度センサは比較的高コストである。故に、本実施形態では、温度センサを採用する替わりに、アクティブ制御の実行の際の運転領域[エンジン回転数,吸気量]と関連づけて上流側触媒31の酸素吸蔵能の学習値(または、学習値に所定の比率を乗じて得られる目標値)を記憶するとともに、フィードバック制御において、その時々の運転領域[エンジン回転数,吸気量]に対応した学習値に基づく目標値を用いた制御を実施する。
The oxygen storage capacity described above is preferably learned for each operation region defined by the engine speed and the intake air amount (or required load) charged in the cylinder. This is because the oxygen storage capacity of the
本実施形態によれば、内燃機関2の排気通路に装着された排気ガス浄化用の上流側触媒31の上流に設けられる第一の空燃比センサ11と、前記上流側触媒31の下流に設けられる第二の空燃比センサ12と、少なくとも前記第二の空燃比センサ12の出力を参照し、前記上流側触媒31の酸素吸蔵能を推算して記憶する学習部14と、少なくとも前記第一の空燃比センサの出力11を参照し、前記上流側触媒31内に吸蔵した酸素量と当該上流側触媒31の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、上流側触媒31内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態から酸素を放出した量Oを推算して、その放出量Oを前記学習部14で学習した酸素吸蔵能に所定の比率を乗じて得られる目標値にフィードバック制御する空燃比制御部13とを具備する空燃比制御装置1を構成したため、フィードバック制御の目標値を固定化せず、触媒31の経年劣化に応じて適切に設定することが可能となる。従って、長期に亘って排気ガス浄化能率を高く保つことができ、有害物質HC、CO及びNOxの排出量の一層の低減を図り得る上、触媒31、32に使用する貴金属量の削減にも資する。
According to the present embodiment, the first air-
下流側触媒32は、アクティブ制御の際等に上流側触媒31の下流に漏出する有害物質HC、CO及びNOxを浄化する。
酸素放出量Oは、上流側触媒31内に酸素が充満した状態を基準(O=0)とする値であり、燃料カットを実行する都度0にリセットされ、推算誤差もリセットされることから、高精度のフィードバック制御が実現される。
The oxygen release amount O is a value based on the state where the
さらに、前記学習部14が、前記第二の空燃比センサ12の出力電圧が基準値から所定以上大きくなった、または所定以下小さくなったことを条件として前記上流側触媒31の酸素吸蔵能の学習を実行することから、アクティブ制御に起因する無駄な燃料消費を抑制できる。
Further, the
本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、学習パラメータβの算定式は、式(数9)及び式(数10)には限定されない。例えば、TD>TAならばβを所定量γ(例えば、γ=0.001)だけ増加させ、TD<TAならばβを所定量γだけ減少させる、というように、TDとTAとの大小関係に応じてβを増減させるようにしても構わない。 The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. For example, the calculation formula for the learning parameter β is not limited to the formula (formula 9) and the formula (formula 10). For example, T D> T a A if β predetermined amount gamma (e.g., gamma = 0.001) only increases, decreases the β if T D <T A predetermined amount gamma, and so, and T D Β may be increased or decreased according to the magnitude relationship with T A.
その他各部の具体的構成は、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。 Other specific configurations of each part can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、自動車等に搭載される内燃機関の制御に利用することができる。 The present invention can be used for control of an internal combustion engine mounted on an automobile or the like.
1…空燃比制御装置
11…第一の空燃比センサ
12…第二の空燃比センサ
13、5…空燃比制御部(電子制御装置)
14、5…学習部(電子制御装置)
2…内燃機関
31…上流側触媒
32…下流側触媒
DESCRIPTION OF
14, 5 ... Learning unit (electronic control unit)
2 ...
Claims (2)
前記触媒のうちの上流側触媒の上流に設けられる第一の空燃比センサと、
前記上流側触媒の下流に設けられる第二の空燃比センサと、
少なくとも前記第二の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を推算して記憶する学習部と、
少なくとも前記第一の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒内に吸蔵した酸素量と当該上流側触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、上流側触媒内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態から酸素を放出した量を推算して、その放出量を前記学習部で学習した酸素吸蔵能に所定の比率を乗じて得られる目標値にフィードバック制御する空燃比制御部と
を具備し、
前記学習部が、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を、エンジン回転数並びに気筒に充填される吸入空気量若しくは要求負荷によって規定される運転領域毎に学習し、
前記空燃比制御部が、フィードバック制御において、その時の運転領域に対応した酸素吸蔵能に基づく目標値を用いる空燃比制御装置。 Controlling an air-fuel ratio in an internal combustion engine having at least two exhaust gas purification catalysts mounted in series in an exhaust passage,
A first air-fuel ratio sensor provided upstream of the upstream catalyst among the catalysts;
A second air-fuel ratio sensor provided downstream of the upstream catalyst;
A learning unit that estimates and stores the oxygen storage capacity of the upstream catalyst with reference to at least the output of the second air-fuel ratio sensor;
Refer to at least the output of the first air-fuel ratio sensor, and in accordance with the model formula of the oxygen ratio, which is the ratio of the amount of oxygen stored in the upstream catalyst and the oxygen storage capacity of the upstream catalyst, The amount of released oxygen is estimated from the state in which oxygen has been occluded to the oxygen occlusion capacity, and the release amount is feedback-controlled to a target value obtained by multiplying the oxygen occlusion capacity learned by the learning unit by a predetermined ratio. A fuel ratio control unit ,
The learning unit learns the oxygen storage capacity of the upstream catalyst for each operating region defined by the engine speed and the intake air amount or required load charged in the cylinder,
An air-fuel ratio control device in which the air-fuel ratio control unit uses a target value based on an oxygen storage capacity corresponding to the operation region at that time in feedback control .
前記触媒のうちの上流側触媒の上流に設けられる第一の空燃比センサと、
前記上流側触媒の下流に設けられる第二の空燃比センサと、
少なくとも前記第二の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒の酸素吸蔵能を推算して記憶する学習部と、
少なくとも前記第一の空燃比センサの出力を参照し、前記上流側触媒内に吸蔵した酸素量と当該上流側触媒の酸素吸蔵能との比である酸素割合のモデル数式に則り、上流側触媒内に酸素吸蔵能まで酸素を吸蔵した状態から酸素を放出した量を推算して、その放出量を前記学習部で学習した酸素吸蔵能に所定の比率を乗じて得られる目標値にフィードバック制御する空燃比制御部と
を具備し、前記モデル数式が、式(数11)の形で表される空燃比制御装置。
A first air-fuel ratio sensor provided upstream of the upstream catalyst among the catalysts;
A second air-fuel ratio sensor provided downstream of the upstream catalyst;
A learning unit that estimates and stores the oxygen storage capacity of the upstream catalyst with reference to at least the output of the second air-fuel ratio sensor;
Refer to at least the output of the first air-fuel ratio sensor, and in accordance with the model formula of the oxygen ratio, which is the ratio of the amount of oxygen stored in the upstream catalyst and the oxygen storage capacity of the upstream catalyst, The amount of released oxygen is estimated from the state in which oxygen has been occluded to the oxygen occlusion capacity, and the release amount is feedback-controlled to a target value obtained by multiplying the oxygen occlusion capacity learned by the learning unit by a predetermined ratio. With the fuel ratio controller
Comprising a said model equation is an air-fuel ratio control system which is represented in the form of equation (11).
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