JP5708609B2 - 内燃機関の気筒間の空燃比ばらつき異常検出装置 - Google Patents
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Description
[本実施の形態1の空燃比センサ及びその周辺機器の構成]
図1は、本発明の実施の形態1におけるシステムの全体構成について説明するための模式図である。図1のシステムは、車両等に搭載して用いられる。このシステムは内燃機関2を備えている。内燃機関2のクランクシャフト近傍にはクランク角センサ4が配置されている。クランク角センサ4はクランク角に応じた出力を発するセンサである。
本実施の形態1において、制御装置50が実行する制御には、空燃比センサ42の異常検出と、気筒間に生じる空燃比のばらつき異常(以下、気筒間の空燃比のばらつき異常を、単に「インバランス」とも称する)の有無を判定する制御が含まれる。
従来のシステムでは、例えば、インバランスを、空燃比センサの応答特性の指標の1つであるステップ応答に基づき検出するものがある。しかし、内燃機関の1サイクルの運転内の排気ガスの空燃比の変動周期は、一般に空燃比センサのステップ応答の変動周期よりも早い。具体的に、排気ガスの空燃比の変動周期が約1ms〜60msであるのに対し、ステップ応答の変動周期は100ms〜500ms程度であり、時間スケールが大きく異なる。従って、ステップ応答では、1サイクル中に起きる排気ガス空燃比の変化の異常を高い精度で検出することは難しいと考えられる。
ある時点iでのセンサ振幅は、脈動係数kiと、空燃比変動率ΔA/F、空気量等と相関を有し、次式(2)により算出される。式(2)において、Kは定数、NEは機関回転数である。また、脈動係数は、前回算出されて制御装置50に記憶されている値(脈動係数k(i−1))を用いるものとする。空燃比変動率ΔA/Fは、脈動係数ki算出制御中の1サイクルの中での空燃比センサ42の出力の単位時間(または単位クランク角)あたりの変化量を検出することで求められる。
ある時点iにおける脈動係数kiは、単位圧力脈動あたりのセンサ振幅の変化として求める。具体的には、次式(3)に示すように、空燃比が一定(あるいは変化のほとんどない環境下)において、圧力脈動が異なる2つのタイミングにおけるセンサ振幅と、そのタイミング間の圧力脈動の差から、脈動係数kiを算出される。
上記のように、圧力脈動が一定の状態であれば、インバランス率とセンサ振幅とは比例関係を示す。従って、センサ振幅から、圧力脈動の変動による影響を除去した値を、インバランス判定パラメータとすることで、高い精度でインバランスの有無を判定することができる。従って、式(4)に示されるように、インバランス判定パラメータは、センサ振幅に基準係数を掛け、更に、算出された脈動係数kiの逆数を掛けた値とする。なお、基準係数は、初期状態の空燃比センサ42の脈動係数の初期値k0や、後述するインバランスの判定閾値との関係で設定される値である。
ところで、上記により算出された脈動係数kiは、理論的には空燃比センサごとの固有値となる。しかし脈動係数kiは、拡散層18における抵抗により大きな影響を受ける。仮に、拡散層18にクラックが生じているような場合、拡散層18における抵抗は小さくなるため、脈動係数kiは大きくなる。一方、例えば、拡散層18が目詰まりを起こしている場合など、実際の拡散層の気孔率が大きく低下しているような場合には、拡散層18の抵抗は大きくなる。このため、脈動係数kiは小さな値となる。
図8は、本実施の形態1におけるインバランス判定と空燃比センサ42の異常検出とについて説明する図である。図8において横軸は脈動係数ki、縦軸はインバランス判定パラメータである。また、図8の例は実際のインバランス率が50%における例を表している。
なお、理論空燃比(以下「ストイキ」とも称する)を含んでストイキ近傍の基準範囲の空燃比で制御されている環境下においては、センサ出力自体が小さくなるため、高い精度で脈動係数kiやインバランス判定パラメータ等を算出することは難しい場合がある。従って、本実施の形態1では、より大きくセンサ出力等が変化する環境下で各値を検出又は算出するため、以下の検出タイミングで必要な検出値(機関回転数、吸入空気量、バルブタイミング等)を検出する。
(2)第1、第2検出時点ともフィードバック制御中でないとき、かつ空燃比が同一の環境であって、かつ第2検出時点は、第1振幅の検出時点とは圧力脈動が大きく異なるとき。
(3)第1、第2検出時点ともフィードバック制御中であり、空燃比が同一であり、かつリッチ又はリーン側のいずれかに振れているときであって、かつ、第2検出時点は、第1検出時点とは圧力脈動が大きく異なるとき。
(4)ストイキを含む基準範囲でのフィードバック制御中(以下、ストイキ運転中)である場合には、空燃比をリッチ側、リーン側の基準範囲外の一定の目標値に設定し、更に、圧力脈動が強制的に変動するようにバルブタイミングを制御する。この制御中を第1、第2検出時点とする。
図10は、本発明の実施の形態1において制御装置50が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図10のルーチンは内燃機関の運転中に一定周期で繰り返し実行されるルーチンである。図10のルーチンでは、まず、第1振幅の算出に必要となる検出値が検出される(S102)。具体的には、上記式(2)により、第1振幅を算出するために必要となる検出値であり、例えば、現在の内燃機関の回転数、バルブタイミング、吸入空気量、及びこれらにより推定される圧力脈動などが検出される。
なお、本実施の形態1では、脈動係数kiにより、センサ出力を補正する場合について説明した。しかし、本発明においては脈動係数kiによる補正対象はこれに限るものではなく、例えば、判定閾値を補正するものであってもよい。この場合、たとえば図9の例では、判定閾値が基準線上の点になるように、判定閾値に脈動係数kiと所定の係数とを掛けることで判定閾値を補正する。そして、センサ振幅と、脈動係数kiにより補正された判定閾値とを比較する。このように判定閾値を補正することでも、同様に、脈動影響を除いて、高い精度でインバランス判定を行うことができる。
実施の形態2のシステム及び空燃比センサは、図1、図2に示すシステム及び空燃比センサ42と同一の構成を有している。実施の形態1では、第1振幅と第2振幅と、圧力脈動の変化量とに応じて脈動係数Kiを求め、これにより判定値を補正し、補正後のインバランス判定パラメータに基づきインバランス判定を行う場合について説明した。
実施の形態3のシステム及び空燃比センサ42の構成は、図1、図2に説明したものと同一である。実施の形態3のシステムは、補正係数算出完了後から一定時間経過した場合に、補正係数をクリアし再度算出する点を除き、実施の形態2のシステムの制御と同一の制御を行う。
実施の形態4のシステム及び空燃比センサは、図1及び図2のシステム及び空燃比センサ42と同一の構成を有している。実施の形態4のシステムでは、FC中振幅率に与える吸入空気量の影響を考慮して補正係数を算出する点においてのみ、実施の形態2のシステムと異なる制御を実行する。
4 クランク角センサ
10 センサ素子
12 固体電解質
14 排気側電極
16 大気側電極
18 拡散層
20 絶縁基材
22 大気室
30 吸気経路
32 スロットルバルブ
34 エアフロメータ
40 排気経路
42 空燃比センサ
44 触媒
50 制御装置
Claims (14)
- 内燃機関の排気通路に配置され、電極上に拡散層を備える空燃比センサを用いて、内燃機関の気筒間の空燃比ばらつき異常を検出する空燃比ばらつき異常検出装置であって、
各気筒の空燃比が一定あるいは空燃比の変化がごく少ない内燃機関の回転数が十分に低下した燃料カット中における、前記空燃比センサの、前記内燃機関からの排気の圧力脈動の影響による出力変化量を推定又は検出する推定手段と、
前記空燃比センサの実際の出力から前記出力変化量を除去した判定値に応じて前記空燃比ばらつき異常を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする空燃比ばらつき異常検出装置。 - 前記推定手段は、前記出力変化量として、前記空燃比センサの出力の振幅又は振幅に応じた値を推定又は検出することを特徴とする請求項1に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記推定手段は、前記内燃機関の燃料カット運転中における空燃比センサの出力に応じて、前記出力変化量を推定又は検出することを特徴とする請求項1又は2に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記内燃機関からの排気の圧力脈動により、前記空燃比センサのセンサ素子が受ける圧力脈動を推定又は検知する手段と、
前記空燃比センサの出力の振幅である第1振幅を推定又は検出し、前記第1振幅の推定又は検出時とは圧力脈動が異なるタイミングで、前記空燃比センサの出力の振幅である第2振幅を推定又は検出する手段と、を更に備え、
前記推定手段は、
前記第1振幅と第2振幅との差異と、前記第1振幅検出時の圧力脈動と前記第2振幅検出時の圧力脈動との差異とに応じて、前記出力変化量を推定することを特徴とする請求項1に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。 - 前記推定手段は、前記内燃機関の燃料カット運転中における空燃比センサの出力に応じて、前記出力変化量を推定又は検出することを特徴とする請求項4に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記第1振幅の検出タイミング及び前記第2振幅の検出のタイミングは、
共に、前記内燃機関の燃料カット運転中、及び、
共に、空燃比フィードバック制御の停止中であって、同一の目標空燃比のとき、及び、
共に、空燃比フィードバック制御中であって、目標空燃比が理論空燃比を含む基準範囲内にない、同一の空燃比のとき、
のうちいずれかであることを特徴とする請求項4に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。 - 前記内燃機関の空燃比フィードバック制御運転中であって、前記目標空燃比が理論空燃比を含む準範囲内に設定されている場合に、前記目標空燃比を基準範囲外のリッチ又はリーン空燃比に設定する手段と、
前記目標空燃比をリッチ又はリーン空燃比とするフィードバック制御運転中に圧力脈動を強制的に変動させる制御を行う手段と、
を、更に備え、
前記第1振幅及び前記第2振幅の検出タイミングは、前記圧力脈動を強制的に変動させる制御中であることを特徴とする請求項4に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。 - 前記出力変化量が所定範囲外である場合に、前記空燃比センサの異常有りの判定をする手段を、更に備えることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記判定値は、前記空燃比ばらつき異常の検出時の、前記内燃機関の1サイクル中の前記空燃比センサの出力の振幅であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記判定値は、前記空燃比センサの出力の単位クランク角あたりの変化の割合であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記検出手段は、前記判定値を前記出力変化量に応じて補正した値が、基準値を越えている場合に、空燃比ばらつき異常を検出することを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記検出手段は、前記判定値が、基準値を前記出力変化量に応じて補正した値を超えている場合に、空燃比ばらつき異常を検出することを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記推定手段は、前記出力変化量の推定又は検出がされた後、前記内燃機関の運転時間が基準時間を越えた場合、あるいは、前記内燃機関を搭載する車両の走行距離が基準距離を越えた場合、前記出力変化量を、再度、推定又は検出することを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
- 前記検出手段は、前記出力変化量と、前記出力変化量を推定又は検出する期間中の吸入空気量と、前記判定値とに応じて、前記空燃比ばらつき異常を検出することを特徴とする請求項3に記載の空燃比ばらつき異常検出装置。
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