JP6644599B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、排気管に設けられた酸素センサの出力に基づいて内燃機関の空燃比を制御する、内燃機関の制御装置に関する。

この種の制御装置の一例が、特許文献１に開示されている。この文献によれば、排気ガス中の酸素濃度を検出する主酸素センサおよび補助酸素センサが、排気ガスを浄化する触媒コンバータの上流側および下流側にそれぞれ配設される。空燃比フィードバック補正係数は、主酸素センサの出力信号に基づいて変化されるとともに、補助酸素センサの出力信号に基づいて修正される。燃焼室に供給する混合気の空燃比は、こうして調整された空燃比フィードバック補正係数に基づいて、理論空燃比近傍にフィードバック制御される。

また、補助酸素センサによるフィードバック制御値と学習制御値との少なくとも一方の変動が、補助酸素センサの出力信号の値とともに検出される。それぞれの値の変動が停止した状態の継続時間が所定時間以上になると、主酸素センサが劣化したと判定される。

特開平５−２３１２１６号公報

しかし、特許文献１では、エンジンの運転条件によっては、主酸素センサの劣化を正確に判定できないおそれがある。また、特許文献１は、主酸素センサの劣化の検出に留まり、劣化の度合いを踏まえた空燃比の的確な制御まで想定していない。さらに、特許文献１では、補助酸素センサに不具合が発生すると、主酸素センサの状態を誤判定するおそれがある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、酸素センサの劣化を正確に検出して空燃比を的確に制御することができる、内燃機関の制御装置を提供することである。

この発明に係る内燃機関の制御装置は、排気管に設けられた酸素センサの出力に基づいて内燃機関の空燃比を制御する制御装置であって、燃料カットが開始された直後の、酸素センサの出力の変化を表す波形と吸気管圧力およびエンジン回転数とに依存する劣化前の前記酸素センサの出力の変化を表す理想波形とから、立ち上がりの遅延時間の誤差および傾きの誤差を検出する検出手段、検出手段によって検出された立ち上がりの遅延時間の誤差および傾きの誤差が低減されるように酸素センサの出力を補正する補正手段、および燃料カットが終了した後の燃料噴射量を補正手段によって補正された出力に基づいて調整する調整手段を備える。

酸素センサの出力は、燃料カットが開始された直後の酸素センサの出力の変化を示す波形と理想波形との誤差が解消されるように補正される。燃料カットが終了した後の燃料噴射量は、こうして補正された出力に基づいて調整される。

燃料カットが開始された直後の酸素センサの出力波形を理想波形と比較することで、酸素センサの劣化を正確に検出することができる。また、理想波形との誤差が解消されるように酸素センサの出力を補正し、補正後の出力に基づいて燃料カット終了後の燃料噴射量を調整することで、空燃比を的確に制御することができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

この実施例の車両の要部構成の一部を示すブロック図である。 この実施例の車両の要部構成の他の一部を示すブロック図である。 燃料噴射期間および燃料カット期間の各々における主酸素センサの出力波形の一例を示す波形図である。 （Ａ）は燃料カットが開始された直後に主酸素センサの出力波形に現れる多様な立ち上がりの遅延を示す波形図であり、（Ｂ）は燃料カットが開始された直後に主酸素センサの出力波形に現れる多様な傾きを示す波形図である。 エンジン回転数を横軸としかつ吸気管圧力を縦軸とした平面におけるマップＡ〜Ｄの配置状態の一例を示す図解図である。 （Ａ）はマップＡにおける理想波形の割り当て状態の一例を示す図解図であり、（Ｂ）はマップＢにおける理想波形の割り当て状態の一例を示す図解図であり、（Ｃ）はマップＣにおける理想波形の割り当て状態の一例を示す図解図であり、（Ｄ）はマップＤにおける理想波形の割り当て状態の一例を示す図解図である。 図１に示す補正制御回路の動作の一例を示すフロー図である。

図１および図２を参照して、この実施例の車両１０は、４ストローク型のエンジン（内燃機関）１２を動力源として備える。気筒１４に設けられた燃焼室１６には、吸気弁１８を介して吸気管３２が接続され、排気弁２０を介して排気管３６が接続される。なお、図１では単一の気筒１４しか示していないが、エンジン１２は複数の気筒１４を有する。吸気管３２は、吸気弁１８の上流の位置で各気筒１４に分岐する。

吸気管３２には、大気から粉塵を分離するエアクリーナ３４と、バルブモータ４２によって開度が調整される単一のスロットルバルブ３８と、吸気管３２に燃料を噴射するべく各気筒１４に割り当てられた燃料噴射装置４０とが設けられる。スロットルバルブ３８よりも下流でかつ燃料噴射装置４０よりも上流の位置（吸気管３２の分岐位置）には、空気流量を平準化するためのサージタンク４４が設けられる。なお、吸気管３２の圧力は、吸気管圧力センサ４８によって検知される。

イグニッションキー（図示せず）によってＩＧオン操作が行われると、ＥＣＵ６２は、エンジン１２を始動するべく図２に示すリレー７２をオンする。バッテリ７４の電力はオン状態のリレー７２を介してスタータ７６に供給され、スタータ７６はバッテリ７４の電力によってクランキングを実行する。これによって、エンジン１２が始動する。

アイドル状態では、スロットルバルブ３８は、アイドル状態を維持できる開度を示すように、バルブモータ４２によって調整される。エアクリーナ３４を経た吸入空気の量は、スロットルバルブ３８によって規定され、燃料噴射装置４０の燃料噴射量は、理論空燃比を示す混合気が生成されるように調整される。

この状態からアクセルペダル（図示せず）が踏み込まれると、ＥＣＵ６２は、バルブモータ４２を駆動する。スロットルバルブ３８はバルブモータ４２によって開かれ、これによって、理論空燃比を保ちつつ吸入空気量および燃料噴射装置４０の燃料噴射量が増大する。

混合気は、吸気弁１８が開かれたときに燃焼室１６に供給される。供給された混合気は、コンロッド２４を介してクランクシャフト２６と結合されたピストン２２が上死点に達する直前に、点火プラグ３０によって点火される。ピストン２２は、混合気の爆発によって上下動し、これによってクランクシャフト２６が回転する。クランクシャフト２６にはフライホイール２８が装着され、クランクシャフト２６の回転数つまりエンジン１２の回転数のぶれはフライホイール２８によって抑制される。また、エンジン１２の回転数は、ロータリエンコーダ４６によって検知される。

クランクシャフト２６の回転力は、図２に示すトルクコンバータ６４および無段変速機６６を介して、ドライブシャフト（図示せず）に伝達される。これによって、車両１０が前進または後進する。クランクシャフト２６の回転力はまた、ベルト６８を介してオルタネータ７０の回転軸７０ｓに伝達される。回転軸７０ｓの回転力は電力に変換され、変換された電力はバッテリ７４に蓄えられる。

図１に戻って、混合気を燃焼した後の空気つまり燃焼ガスは、排気弁２０が開かれたときに燃焼室１６から排出され、排気管３６を介してマフラー５０に供給される。マフラー５０に設けられた触媒５２は、燃焼ガスに含まれる一酸化炭素，炭化水素および窒素酸化物を酸化・還元し、水，二酸化炭素および窒素を生成する。車両１０からは、こうして浄化されたガスが排出される。ただし、一酸化炭素，炭化水素および窒素酸化物を完全に酸化・還元できる訳ではなく、一酸化炭素，炭化水素および窒素酸化物の各々の一部は浄化ガスに混在する。

排気管３６のうち触媒５２の上流側の位置には主酸素センサ５４が設けられ、排気管３６のうち触媒５２の下流側の位置には補助酸素センサ５６が設けられる。ＥＣＵ６２は、主酸素センサ５４および補助酸素センサ５６の各々によって検知された酸素濃度に基づいて、燃料噴射量を理論空燃比に対応する量に調整する。

車両１０が坂を下り始めたときや交差点で減速するときにアクセルペダルから足が離されると、ＥＣＵ６２は、燃料カット条件が満足されたとみなし、燃料カットを実行する。これによって、燃料噴射装置４０からの燃料の噴射が停止される。車両１０が停止する前にアクセルペダルが再度踏み込まれると、ＥＣＵ６２は、燃料噴射条件が満足されたとみなし、燃料噴射を再開する。燃料噴射装置４０は燃料を噴射し、これによって車両１０が加速する。

図３を参照して、燃料噴射モードでは、主酸素センサ５４の出力（酸素濃度）は、理論空燃比に対応する濃度値を中心として上昇・低下を繰り返す。詳しくは、混合気に占める空気の割合が増大すると、主酸素センサ５４の出力が上昇する。このとき、ＥＣＵ６２は、混合気に占める空気の割合を低減するべく燃料噴射量を増大させる。主酸素センサ５４の出力は燃料噴射量の増大に伴って低下するため、ＥＣＵ６２は、混合気に占める空気の割合を増大させるべく燃料噴射量を低減させる。このような制御が繰り返されることで、主酸素センサ５４の出力は、理論空燃比に対応する濃度値を中心として上昇・低下を繰り返す。

これに対して、燃料カットモードでは、燃料噴射が停止されるため、主酸素センサ５４の出力は継続的に高い濃度値を維持する。詳しくは、主酸素センサ５４の出力は、燃料カットが開始された直後に急激に立ち上がる。燃料カットが終了すると、主酸素センサ５４の出力は急激に立ち下がり、その後は理論空燃比に対応する濃度値を中心として上昇・低下を繰り返す。

ただし、主酸素センサ５４が劣化すると、主酸素センサ５４の出力が立ち上がるまでの遅延時間が増大し、或いは立ち上がりに要する時間つまり傾きが減少する。具体的には、遅延時間は、主酸素センサ５４の劣化に伴って、ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３，ＤＬ４の順で増大する（図４（Ａ）参照）。また、傾きは、主酸素センサ５４の劣化に伴って、ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４の順で減少する（図４（Ｂ）参照）。

上述のように、ＥＣＵ６２は、主酸素センサ５４の出力に基づいて、燃料噴射量を理論空燃比に対応する量に調整する。しかし、主酸素センサ５４の劣化によって主酸素センサ５４の出力に誤差が生じると、燃料噴射量を的確に調整することができない。ここで、誤差は、遅延時間および傾きの組み合わせによって異なり、さらにはエンジン１２の回転数または吸気管３２の圧力によって異なる。

そこで、この実施例では、エンジン１２の回転数を横軸としかつ吸気管３２の圧力を縦軸とする平面上に図５に示す要領でマップＡ〜Ｄを割り当て、遅延時間に関する４つの値（ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３，ＤＬ４）と傾きに関する４つの値（ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４）の合計１６個の組み合わせにそれぞれ対応する１６個の補正値（各補正値は遅延時間補正値および傾き補正値によって構成）を図６（Ａ）〜図６（Ｄ）に示す要領でマップＡ〜Ｄの各々に割り当てるようにしている。

この実施例ではさらに、主酸素センサ５４の出力に補正値を加算する加算器５８を主酸素センサ５４とＥＣＵ６２との間に設け、加算器５８に設定される補正値を補正制御回路６０によって適応的に制御するようにしている。

補正制御回路６０は、図７に示すフロー図を繰り返し実行して、加算器５８に設定する補正値を制御する。なお、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）に示すマップＡ〜Ｄに相当するデータ、および図７に示すフロー図に対応する制御プログラムは、補正制御回路６０に設けられたメモリ（図示せず）に記憶される。

図７を参照して、ステップＳ１では動作モードが燃料噴射モードから燃料カットモードに遷移したか否かを判別する。判別結果がＮＯであれば処理を終了し、判別結果がＹＥＳであればステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、主酸素センサ５４の出力波形（燃料カットが開始された直後の出力の変化を示す波形）をサンプリングする。ステップＳ５では、サンプリングされた出力波形が立ち上がるまでの遅延時間（燃料カットの開始時点から出力波形の立ち上がり時点までの時間）を算出する。ステップＳ７では、サンプリングされた出力波形の立ち上がりの傾きを算出する。

ステップＳ９では、吸気管圧力センサ４８およびロータリエンコーダ４６の出力に基づいて現時点の吸気管圧力およびエンジン回転数を検知する。ステップＳ１１では、検知された吸気管圧力およびエンジン回転数に対応するマップをマップＡ〜Ｄの中から選択する。ステップＳ１３では、ステップＳ５および７で算出された遅延時間および傾きに対応する理想の遅延時間および傾きを、ステップＳ１１で選択したマップを参照して算出する。

ステップＳ１５では、ステップＳ５で算出された遅延時間とステップＳ１３で算出された理想の遅延時間との誤差を算出し、さらにステップＳ７で算出された傾きとステップＳ１３で算出された理想の傾きとの誤差を算出する。

ステップＳ１７では、こうして算出された誤差を解消するための補正値を算出し、算出された補正値を加算器５８に設定する。主酸素センサ５４の出力はステップＳ１５で算出された誤差が低減されるように補正され、ＥＣＵ６２は加算器５８の出力に基づいて燃料噴射量を調整する。

ステップＳ１９では、ステップＳ１５で算出された誤差が許容値を上回るか否かを判別し、判別結果がＮＯであればそのまま処理を終了する一方、判別結果がＹＥＳであればステップＳ２１で警告を出力してから処理を終了する。

以上の説明から分かるように、補正制御回路６０は、燃料カットが開始された直後の主酸素センサ５４の出力の変化を表す波形と理想波形との誤差を検出し(S3~S15)、検出された誤差が低減されるように主酸素センサ５４の出力を補正する(S17)。ＥＣＵ６２は、燃料カットが終了した後の燃料噴射量つまり空燃比を主酸素センサ５４の補正出力に基づいて調整する。

燃料カットが開始された直後の主酸素センサ５４の出力波形を理想波形と比較することで、主酸素センサ５４の劣化を正確に検出することができる。また、理想波形との誤差が解消されるように主酸素センサ５４の出力を補正し、補正後の出力に基づいて燃料カット終了後の燃料噴射量を調整することで、空燃比を的確に制御することができる。

１０ …車両
１２ …エンジン
１６ …燃焼室
３２ …吸気管
３６ …排気管
５２ …触媒
５４ …主酸素センサ
５６ …補助酸素センサ
５８ …加算器
６０ …補正制御回路
６２ …ＥＣＵ

Claims (1)

1. 排気管に設けられた酸素センサの出力に基づいて内燃機関の空燃比を制御する制御装置であって、
   燃料カットが開始された直後の、前記酸素センサの出力の変化を表す波形と吸気管圧力およびエンジン回転数とに依存する劣化前の前記酸素センサの出力の変化を表す理想波形とから、立ち上がりの遅延時間の誤差および傾きの誤差を検出する検出手段、
   前記検出手段によって検出された立ち上がりの遅延時間の誤差および傾きの誤差が低減されるように前記酸素センサの出力を補正する補正手段、および
   前記燃料カットが終了した後の燃料噴射量を前記補正手段によって補正された出力に基づいて調整する調整手段を備える、内燃機関の制御装置。

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