KR100773276B1

KR100773276B1 - 내연 기관의 공연비 제어 장치

Info

Publication number: KR100773276B1
Application number: KR1020067022066A
Authority: KR
Inventors: 타로 오카자키
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2007-11-05
Also published as: JP4039380B2; US20080072884A1; CN100513760C; CN1934344A; WO2005090765A1; EP1734243A4; KR20070015176A; JP2005273524A; US7389174B2; EP1734243B1; EP1734243A1

Abstract

연소실 내부로 흡입된 실린더 내부 흡입 공기량이 일정하다는 가정 아래에서, 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 및 검출 공연비 (abyfs(k)) 의 곱이, 엔진의 실제 공연비가 목표 공연비 (abyfr(k)) 가 되도록 하기 위한 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset), 및 이 목표 공연비 (abyfr(k)) 의 곱과 동일하다는 관계에 근거하여, 본 공연비 제어 장치는, 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) (=(abyfs(k)/abyfr(k))·Fi(k-M)) 을 산출하고, 산출된 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 을 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 으로 나누어, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) (=Fbaset/Fbaseb(k)) 를 구한다. 다음번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 은 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 와 곱해져서, 다음번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 이 보정되어 간다.

내연기관, 공연비 제어 장치

Description

내연 기관의 공연비 제어 장치 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE AIR/FUEL RATIO CONTROLLER}

본 발명은 내연 기관의 배기 통로에 배치된 촉매 (3원 촉매) 의 상류측 및 하류측 배기 통로에 각각 공연비 센서를 형성하고 각각의 공연비 센서의 출력 값에 기초하여 엔진의 공연비를 피드백 (feedback) 제어하는 내연 기관의 공연비 제어 장치에 관한 것이다.

종래부터, 이런 종류의 공연비 제어 장치가 널리 알려져 왔다. 일반적으로 그러한 장치는, 내연 기관의 배기 통로에 배치된 촉매에 대하여 상류측 및 하류측의 배기 통로에 상류측 공연비 센서 및 하류측 공연비 센서를 각각 개재하고 있고, 하류측 공연비 센서의 출력값과 소정의 하류측 목표값 사이의 차이에 근거하여 (예를 들면, 그 차이를 비례·적분·미분 처리 (PID 처리) 하여) 서브 피드백 보정량을 산출하며, 상류측 공연비 센서의 출력값과 소정의 상류측 목표값 사이의 차이에 근거하여 (예를 들면, 그 차이를 비례·적분 처리 (PI 처리) 하여) 메인 피드백 보정량을 산출한다. 또한 그러한 장치는, 엔진의 운전 상태 (예를 들면, 가속기 개방도, 엔진 회전 속도 등) 에 근거하여 추정된 실린더 내부 흡입 공기량으로부터 취득한 목표 공연비 (지령 기본 연료 분사량) 를 얻기 위한 연료량을, 상기 메인 피드백 보정량 및 서브 피드백 보정량에 근거해 보정하는 방법에 의하여 얻어진 지령 최종 연료 분사량을 산출하고, 지령 최종 연료 분사량의 연료를 분사하도록 인젝터에 지시하여, 엔진에 공급되는 혼합물의 피드백 공연비를 제어한다.

그런데, 촉매 (3원 촉매) 는 통상, 촉매 내로 유입하는 배기 가스의 공연비가 희박 공연비인 경우, 배기 가스 중의 질소 산화물 (NOx) 을 환원하여, 질소 산화물로부터 빼앗은 산소를 저장하고, 촉매 내로 유입하는 배기 가스의 공연비가 풍부 공연비인 경우, 저장된 산소에 의해 배기 가스내의 연소되지 않은 성분 HC, CO 를 산화시키는 소위 "산소 흡장 기능" 을 가진다. 따라서, 촉매 상류의 배기 가스의 공연비 변동 (fluctuations) 에 있어서 비교적 높은 주파수의 고주파수 성분, 및비교적 낮은 주파수와 비교적 작은 진폭 (이론 공연비로부터의 편차량) 의 저주파수 성분은, 촉매가 가진 산소 흡장 기능에 의하여 완전히 흡수될 수 있어, 촉매 하류의 배기 가스의 공연비 변동으로 나타나지 않게 된다.

한편, 촉매 상류의 배기 가스의 공연비 변동에 있어서 비교적 낮은 주파수와 비교적 큰 진폭의 저주파수 성분은 촉매의 산소 흡장 기능에 의해 완전히 흡수되지 않고, 얼마 후에 촉매 하류의 배기 가스의 공연비 변동으로 나타난다. 그 결과, 상류측 공연비 센서의 출력값 및 하류측 공연비 센서의 출력값이 이론 공연비에 대하여 서로 반대 방향으로 편이되는 공연비를 나타내는 값이 되는 경우가 발생한다. 이러한 경우에, 메인 피드백 제어 (메인 피드백 보정량) 에 근거한 엔진 공연비 제어 및 서브 피드백 제어 (서브 피드백 보정량) 에 근거한 엔진 공연비 제어는 서로 간섭하게 되므로, 양호한 엔진 공연비 제어가 수행될 수 없다.

이상으로부터, 상류측 공연비 센서의 출력값의 변동에 있어서의 각 주파수 성분들 중에서, 촉매 하류의 공연비의 변동으로서 나타날 수 있는 정도의 주파수 성분(즉 소정의 주파수 이하의 저주파수 성분) 이 제거된 후의 상류측 공연비 센서의 출력값이 메인 피드백 제어에 사용되는 경우, 엔진의 공연비 제어의 간섭 현상을 피할 수 있다.

이러한 지견에 근거하여, 예를 들면, JP-A-5-187297 에 기재된 엔진 제어 장치 (공연비 제어 장치) 는, 상류측 공연비 센서의 출력값이 고주파 통과 필터 처리 (High-pass filtering) 된 후의 값과 하류측 공연비 센서의 출력값 (본 실시예에서는, 출력값이 저주파 통과 필터 처리 (Low-pass filtering) 된 후의 값) 에 근거하여 공연비 제어를 실시한다. 이에 따르면, 전술한 엔진의 공연비 제어의 간섭이 발생하는 것을 피할 수 있고, 촉매 하류의 공연비 변동으로 나타날 수 있는 소정의 주파수 이하에서의 공연비 변동 범위에 대한 공연비 제어 (실질적인 공연비 제어) 가 서브 피드백 제어에 의해 확실히 수행될 수 있다. 또한, 상류측 공연비 센서의 출력값의 변동에 있어서 소정의 주파수 이상의 고주파수 성분은 고주파 통과 필터를 통과하므로, 고주파 통과 필터 처리 후의 값으로서 나타난다. 따라서, 내연 기관이 과도 운전 상태에 있고 배기 가스의 공연비가 소정의 주파수 이상의 고주파수에서 크게 변동하는 경우, 소정의 주파수 이상의 공연비 변동에 대한 공연비 제어 (즉, 과도 운전 상태에 있어서의 공연비의 급격한 변화에 대한 보상) 는 메인 피드백 제어에 의해 신속하고 확실하게 수행될 수 있다.

그런데, 일반적으로, 지령 기본 연료 분사량을 취득하기 위해 추정되는 실린 더 내부 흡입 공기량과 실제 실린더 내부 흡입 공기량과의 차이, 및연료를 분사하는 인젝터에 대한 지령 연료 분사량과 실제 연료 분사량과의 차이 (이하, 일반적으로 "기본 연료 분사량의 오차" 라 총칭한다) 는 불가피하게 발생한다. 그러한 기본 연료 분사량의 오차가 보상되는 동안 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비가 목표 공연비에 수렴하도록 하기 위하여 (구체적으로는 공연비 센서의 출력값과 소정의 목표값 사이의 정상상태 편차가 "0" 이 되도록 하기 위하여), 메인 피드백 제어와 서브 피드백 제어 중 적어도 하나에 있어서, 공연비 센서의 출력값과 소정의 목표값 사이의 편차의 시간 적분값에 근거하여 피드백 보정량을 산출하는 처리 (즉, 적분 처리 (I 처리)) 가 실행될 필요가 있다.

그러나, 고주파 통과 필터 처리는 미분 처리 (D 처리) 와 동등한 기능을 달성하는 처리이다. 따라서, 상기 문헌에 기재된 장치에 있어서, 메인 피드백 제어가 적분 처리를 포함하는 처리 (예를 들어, 비례·적분 처리 (PI 처리)) 를 실행한다고 하더라도, 메인 피드백 제어에 있어서 적분 처리가 실질적으로 실행될 수 없다. 따라서, 이 경우, 서브 피드백 제어에서 적분 처리가 실행될 필요가 있다.

그러나, 전술한 촉매의 산소 흡장 기능의 영향에 의하여, 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비 변화는 얼마 후 촉매 하류의 배기 가스의 공연비 변화로서 나타난다. 따라서, 기본 연료 분사량의 오차가 급격히 증가하는 경우, 지령 기본 연료 분사량의 오차는 서브 피드백 제어만으로는 즉시 보상될 수 없어, 그 결과, 일시적으로 배출량이 증가하는 경우가 발생하는 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은, 내연 기관의 배기 통로에 배치된 촉매의 상류측 및 하류측의 배기 통로에 각각 상류측 공연비 센서와 하류측 공연비 센서를 형성하고, 상류측 공연비 센서의 출력값이 고주파 통과 필터 처리 후 얻은 값 및 하류측 공연비 센서의 출력값에 기초하여 엔진 내부에 공급되는 혼합물의 공연비를 피드백 제어하는 내연 기관의 공연비 제어 장치에 있어서, 엔진 내부에 공급되는 혼합물의 공연비가 목표 공연비를 향하도록 제어되는 동안 기본 연료 분사량의 오차를 신속하게 보상할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 특징은, 촉매, 상류측 공연비 센서, 하류측 공연비 센서 및 지시에 따라 연료를 분사하는 연료 분사 수단 (예를 들면, 인젝터 (injector)) 을 갖춘 내연 기관에 적용되는 내연 기관의 공연비 제어 장치가, 상기 내연 기관의 운전 상태 (예를 들면, 가속기 개방도, 엔진 회전 속도 등) 에 근거하여 추정되는 실린더 내부 흡입 공기량으로부터 목표 공연비 값을 얻기 위한 연료량을 지령 (command) 기본 연료 분사량으로서 취득하는 지령 기본 연료 분사량 취득 수단; 상기 상류측 공연비 센서의 출력값과 소정의 상류측 목표값 사이의 차이에 기초한 값이 소정의 고주파 통과 필터 처리된 후의 값, 또는 상기 상류측 공연비 센서의 출력값이 고주파 통과 필터 처리된 후의 값에 근거하여 하여 메인 피드백 보정량을 산출하는 메인 피드백 보정량 산출 수단; 상기 하류측 공연비 센서의 출력값과 미리 결정된 하류측 목표 값에 기초하여 서브 피드백 보정량을 산출하기 위한 서브 피드백 보정량 산출 수단; 연료 분사 수단이 상기 지령 기본 연료 분사량에 의한 연료 분사 지시를 받았을 때 실제로 분사하게 되는 연료량이 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비를 목표 공연비와 일치하도록 하기 위해 필요한 양이 될 수 있도록 하기 위하여 지령 기본 연료 분사량을 보정하기 위한 지령 기본 연료 분사량 보정 수단; 상기 지령 기본 연료 분사량이 메인 피드백 보정량 및 서브 피드백 보정량에 의하여 보정되는 방법에 의하여 지령 최종 연료 분사량을 산출하기 위한 지령 최종 연료 분사량 산출 수단; 상기 지령 최종 연료 분사량에 의한 연료 분사 지시가 연료 분사 수단에 내려지는 방법에 의하여 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비를 피드백 제어하기 위한 공연비 제어 수단을 포함한다.

여기서, 상기 소정의 상류측 목표값과 상기 소정의 하류측 목표값 모두는 목표 공연비 값에 따르는 값들이어야 하고, 엔진의 워밍업 운전 등의 특수한 경우를 제외하고는 이 목표 공연비는 이론 공연비 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 또한 상기 서브 피드백 보정량 산출 수단은 상기 하류측 공연비 센서의 출력값과 소정의 하류측 목표값 사이의 차이에 근거한 값에 기초해 서브 피드백 보정량을 산출하도록 구성되는 것이 적합하다.

여기서, "센서의 출력값과 목표값 사이의 차이에 기초한 값" 이란, 예를 들면, 센서의 출력값과 목표값 사이의 차이, 센서의 출력값에 따른 검출 공연비 (실제 공연비) 와 목표값에 따른 목표 공연비 사이의 차이, 및 실린더 내부 흡입 공기량을 센서 출력값에 따른 검출 공연비로 나누는 방법에 의하여 얻어진 값인 실제 실린더 내부 연료 공급량과, 실린더 내부 흡입 공기량을 목표값에 따른 목표 공연비로 나누는 방법에 의하여 얻어진 값인 목표 실린더 내부 연료 공급량 사이의 차이를 말하고, 이러한 차이에 한정되지는 않는다.

이것에 의하면, 지령 기본 연료 분사량의 연료 분사 지시를 받았을 때 연료 분사 수단이 실제로 분사하게 되는 연료량이, 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비를 목표 공연비와 일치하도록 하기 위해 필요한 양이 될 수 있도록 하기 위하여, 지령 기본 연료 분사량은 보정된다. 다시 말해서, 메인 피드백 보정량 및 서브 피드백 보정량 중 어느 값에도 영향을 받지 않고, 기본 연료 분사량이 즉시 보상될 수 있다.

또한, 연료 분사 수단은 기본 연료 분사량의 오차가 이러한 방식으로 보상된 후의 값인 상기 보정후 지령 기본 연료 분사량에 기초하여 산출된 지령 최종 연료 분사량의 연료 분사 지시를 받게 된다. 따라서, 예를 들어, 기본 연료 분사량의 오차가 갑자기 커지는 경우에 있어서도, 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비가 목표 공연비를 향하도록 제어되는 동안 기본 연료 분사량의 오차의 증가에 따른 배출 (emission) 의 증가가 억제될 수 있는 결과, 기본 연료 분사량의 오차는 신속히 보상될 수 있다.

이 경우, 지령 기본 연료 분사량 보정 수단은 상기 상류측 공연비 센서의 출력값, 지령 최종 연료 분사량, 목표 공연비, 및 지령 기본 연료 분사량에 기초하여 지령 기본 연료 분사량의 보정하기 위한 파라미터 (parameter) 값을 산출하고, 그 파라미터 값을 사용하여 지령 기본 연료 분사량을 보정하도록 구성되는 것이 적합하다.

일반적으로, 실린더 내부 (연소실 내부) 로 흡입되는 실린더 내부 흡입 공기량이 일정하다고 가정하면, 연료 분사량과 엔진 내부로 공급되는 혼합물의 공연비 (따라서, 배기 가스의 공연비) 사이의 곱은 일정하다. 따라서, 지령 최종 연료 분사량과 상류측 공연비 센서의 출력값에 상당하는 공연비 (이하, "검출 공연비"라고도 한다.) 사이의 곱은, 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비를 목표 공연비로 만들기 위하여 필요한 지령 기본 연료 분사량 (연료 분사 수단에 대한 분사 지령값. 이하 "목표 지령 기본 연료 분사량"이라고도 한다.) 과 목표 공연비 사이의 곱과 동일한 관계가 성립한다.

따라서, 기존의 지령 최종 연료 분사량, 검출 공연비 및 목표 공연비 값들과 상기의 관계에 기초하여 상기 목표 지령 기본 연료 분사량을 산출할 수 있다. 목표 지령 기본 연료 분사량이 산출되면, 이 목표 지령 기본 연료 분사량과 기존의 지령 기본 연료 분사량 (즉, 지령 기본 연료 분사량 취득 수단에 의해 취득한 값 자체) 을 비교한 결과에 기초하여 지령 기본 연료 분사량을 보정하기 위한 파라미터 값 (예를 들어 보정 계수) 을 산출할 수 있다.

이와 같이 산출될 수 있는 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값은, 지령 기본 연료 분사량에 의한 연료 분사 지시를 받는 경우 연료 분사 수단이 실제로 분사하는 연료량이 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비를 목표 공연비로 만들기 위해 필요한 양이 될 수 있도록 하기 위해, 지령 기본 연료 분사량을 보정하는 값 (즉, 지령 기본 연료 분사량을 목표 지령 기본 연료 분사량과 일치하도록 하는 값) 이 된다. 따라서, 상기 구성에서와 같이, 그와 같은 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 이용하여 지령 기본 연료 분사량을 보정하도록 본 발명의 장치를 구성하는 경우, 간단한 계산으로 또한 높은 정밀도에서, 지령 기본 연료 분사량이 목표 지령 기본 연료 분사량과 일치하도록 보정될 수 있고, 그 결과 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비가 목표 공연비를 향하여 제어되는 동안 기본 연료 분사량의 오차가 신속하고 정확히 보상된다.

지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 이용하여 지령 기본 연료 분사량을 보정하는 경우, 지령 기본 연료 분사량 보정 수단에 의해 산출되는 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값에는, 소정의 저주파 통과 필터 처리가 되고 있는 것이 바람직하다. 엔진이 과도 운전 상태에 있는 경우, 배기 가스의 공연비, 지령 기본 연료 분사량 취득 수단에 의해 취득된 지령 기본 연료 분사량, 및 지령 최종 연료 분사량 산출 수단에 의해 산출된 지령 최종 연료 분사량은 각각 독립적으로 소정의 주파수 이상으로 크게 변동할 수 있다.

그와 같은 경우에 있어서, 상기 관계가 유지되지 못하고 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값이 지령 기본 연료 분사량을 목표 지령 기본 연료 분사량과 일치시키기 위한 값과 다른 값으로 산출이 될 가능성이 있다. 반대로, 고주파수 변동에 의한 영향은, 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 전술한 소정의 저주파 통과 필터 처리함으로써 없앨 수 있고, 그 결과 엔진이 과도 운전 상태에 있게 되는 경우, 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값은 지령 기본 연료 분사량을 목표 지령 기본 연료 분사량과 일치시키기 위한 값으로 좀 더 정확하게 산출될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공연비 제어 장치에 있어서, 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 사용하여 지령 기본 연료 분사량을 보정하는 경우, 연료 분사 지시에 응하여 분사된 연료의 연소에 근거한 배기 가스의 공연비가 상류측 공연비 센서의 출력값으로 나타날 때까지의 지연시간을 취득하는 지연시간 취득 수단을 더 포함하고, 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값 산출에 있어서, 적어도 지령 최종 연료 분사량으로서 지연 시간 이전 시점에서 분사 지시 관련 값을 사용할 수 있도록, 지령 기본 연료 분사량 보정 수단이 구성되는 것이 적합하다.

일반적으로, 연료의 분사 (분사 지시) 는 흡기 행정 (또는 흡기 행정 이전 시점) 에서 수행되고, 분사된 연료는 그 후에 도래하는 압축 상사점 근방의 시점에서 연소실 내에서 발화 (연소) 된다. 그 결과 발생하는 배기가스는 배기 밸브를 통하여 연소실로부터 배기 통로로 배출되고, 그 후에 배기 통로 내부를 이동하여 상류측 공연비 센서(의 검출부) 에 도달하게 된다. 또한, 상류측 공연비 센서의 검출부에 도달한 배기 가스의 공연비 변화가 센서의 출력값 변화로 나타나기까지는 소정의 시간을 필요로 한다.

이상으로부터, 연료 분사 지시에 따라 분사된 연료의 연소에 근거한 배기 가스의 공연비가 상류측 공연비 센서의 출력값으로서 나타날 때까지는, 연소 행정에 관계되는 지연 (행정 지연), 배기 통로 내의 배기 가스의 이동과 관계되는 지연 (수송 지연), 및 상류측 공연비 센서의 응답과 관계되는 지연 (응답 지연) 으로 인한 지연 시간이 필요하게 된다. 다시 말해서, 상류측 공연비 센서의 출력값은 상기 지연 시간 이전에 수행된 연료 분사 지시에 근거해 발생한 배기 가스의 공연비를 나타내는 값이 된다.

한편, 전술한 행정 지연 및 수송 지연과 관계되는 시간은, 예를 들면 분사 시기, 점화 시기, 엔진의 제원, 엔진 회전 속도, 실린더 내부 흡입 공기량, 배기 통로의 단면적 등에 기초하여 취득할 수 있다. 또한, 응답 지연에 관계되는 시간은 미리 실험 등을 통하여 상류측 공연비 센서의 응답 특성을 얻는 방법에 의하여 취득할 수 있다. 따라서, 상기 지연 시간 취득 수단은 행정 지연, 수송 지연 및 응답 지연에 따른 지연 시간을 취득할 수 있게 된다.

이상으로부터, 상기와 같이, 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 산출할 때 (상류측 공연비 센서의 출력값에 현시점에서의 값을 사용함과 함께), 적어도 지령 최종 연료 분사량으로서 지연 시간 이전 시점에서의 분사 지시에 관계되는 값을 사용하도록 구성하면, 이번 상류측 공연비 센서의 출력값이 나타내는 공연비를 가지는 배기 가스의 발생과 관련되는 연료 분사 지시가 이루어진 시점과, 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값의 산출에 사용되는 지령 최종 연료 분사량에 근거한 연료 분사 지시 시점이 일치할 수 있다. 따라서, 상기 파라미터 값은 지령 기본 연료 분사량을 목표 지령 기본 연료 분사량과 일치시키기 위한 값으로 좀 더 정확히 산출될 수 있다.

이 경우, 상기 지연 시간 취득 수단은 내연 기관의 운전 상태에 따른 지연 시간을 변경하도록 구성되는 것이 적합하다. 전술한 바와 같이, 행정 지연 및 수송 지연과 관계되는 시간은, 예를 들면 엔진 회전 속도 또는 실린더 내부 흡입 공기량과 같은 엔진의 운전 상태에 따라 변화한다. 따라서, 상기 구성에 의하여, 지연 시간은 내연 기관의 운전 상태에 관계없이 정확하게 취득 가능하기 때문에, 이번 상류측 공연비 센서의 출력값이 나타내는 공연비를 가지는 배기 가스의 발생과 관련되는 연료 분사 지시가 이루어진 시점과, 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값의 산출에 사용되는 지령 최종 연료 분사량 및 지령 기본 연료 분사량에 근거한 연료 분사 지시 시점이 보다 정확하게 일치한다. 그 결과, 상기 파라미터 값은 지령 기본 연료 분사량을 목표 지령 기본 연료 분사량에 일치시키기 위한 값으로서 보다 정확하게 산출될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 공연비 제어 장치에 있어서, 상기 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 사용하여 지령 기본 연료 분사량이 보정되는 경우, 상기 지령 기본 연료 분사량 보정 수단에 의해 산출된 상기 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 기억하기 위한 기억 수단을 더 포함하는 것이 적합하다.

일반적으로, 엔진이 워밍업 운전 중이고 상류측 공연비 센서가 아직 충분히 활성화되지 않은 경우, 상류측 공연비 센서가 고장이 난 경우 등 (이하, "상류측 공연비 센서의 출력값이 정상적인 값이 되지 않는 경우" 로 총칭함) 에 있어서는, 상류측 공연비의 출력값은 배기 가스의 공연비를 정확히 나타내는 값이 되지 않는다. 그러한 경우, 상류측 공연비 센서의 출력값을 사용하여 산출되는 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값 역시 정확하게 산출될 수 없다. 따라서, 그러한 경우에 대해 산출되는 상기 파라미터 값은 지령 기본 연료 분사량 보정용으로 사용되어서는 안된다.

한편, 지령 기본 연료 분사량의 오차 크기는 어느 정도 시간 내에 있어서는 크게 변하지 않는 것으로 볼 수 있다. 이상으로부터, 상기와 같이 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 기억하기 위한 기억 수단을 더 포함하도록 구성되는 경우, 예를 들면 상류측 공연비 센서의 출력값이 정상적인 값이 되는 경우에 있어서의 그 출력값을 사용하여 산출된 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값은 기억 수단에 순서대로 기억 및 업데이트할 수 있다.

그렇게 되면, 상류측 공연비 센서의 출력값이 정상적인 값이 되지 않는 경우에도, 기억 수단에 미리 기억된 상기 파라미터 값을 사용하여 지령 기본 연료 분사량이 보정되어 지령 기본 연료 분사량은 목표 지령 기본 연료 분사량에 어느 정도 정확하게 일치시킬 수 있게 된다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 공연비 제어 장치가 적용되는 내연 기관의 개략도.

도 2 는 도 1 에 나타난 공기 유량계의 출력 전압과 측정된 흡입 공기 유량 사이의 관계를 나타낸 도면.

도 3 은 도 1 에 나타난 상류측 공연비 센서의 출력 전압과 공연비 사이의 관계를 나타낸 도면.

도 4 는 도 1 에 나타난 하류측 공연비 센서의 출력 전압과 공연비 사이의 관계를 나타낸 도면.

도 5 는 도 1 에 나타난 공연비 제어 장치가 공연비 피드백 제어를 수행하는 경우의 기능 블록 선도.

도 6 은 도 1 에 나타난 CPU 가 참조하는, 엔진 회전 속도 및 실린더 내부 흡입 공기량과 지연 시간에 따른 행정수 사이의 관계를 규정하는 테이블을 나타낸 도면.

도 7 은 도 5 에 나타난 기본 연료 분사량 보정 계수 설정 수단이 기본 연료 분사량 보정 계수를 설정하는 경우의 기능 블록 선도.

도 8 은 산출된 기본 연료 분사량 보정 계수가 백업 RAM 의 메모리에 기억되기 위해 실린더 내부 흡입 공기량에 따라 분류되는 상황을 나타낸 도면.

도 9 는 도 1 에 나타난 CPU 에 의해 실행되는, 지령 기본 연료 분사량을 산출하고 분사 지시를 내리기 위한 루틴을 나타낸 플로우차트.

도 10 은 도 1 에 나타난 CPU 에 의해 실행되는, 메인 피드백 보정량을 산출하기 위한 루틴을 나타낸 플로우차트.

도 11 은 도 1 에 나타난 CPU 에 의해 실행되는, 서브 피드백 보정량을 산출하기 위한 루틴을 나타낸 플로우차트.

도 12 는 도 1 에 나타난 CPU 에 의해 실행되는, 기본 연료 분사량 보정량을 산출하기 위한 루틴을 나타낸 플로우차트.

이하, 본 발명에 따른 내연 기관의 공연비 제어 장치의 각 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

(제 1 실시형태)

도 1 은 제 1 실시형태에 따른 공연비 제어 장치가 불꽃 점화식 다기통 (4기통) 내연 기관 (10) 에 적용된 시스템의 개략적인 구성을 나타내고 있다. 이 내연 기관 (10) 은 실린더 블록, 실린더 블록 하부 케이스, 오일팬 등을 포함하는 실린더 블록부 (20) 와, 실린더 블록부 (20) 위에 고정되는 실린더 헤드부 (30), 실린터 블록부 (20) 내부에 가솔린 혼합물를 공급하기 위한 흡기 시스템 (40), 및 실린더 블록부 (20) 로부터 외부로 배기 가스를 방출하기 위한 배기 시스템 (50) 을 포함하고 있다.

실린더 블록부 (20) 는 실린더 (21), 피스톤 (22), 커넥팅로드 (connecting rod) (23) 및 크랭크축 (24) 을 포함하고 있다. 피스톤 (22) 은 실린더 (21) 내부를 왕복운동하고, 피스톤 (22) 의 왕복운동은 커넥팅로드 (23) 을 통하여 크랭크축 (24) 에 전달되어, 이에 의해 크랭크축 (24) 이 회전하게 된다. 피스톤 (22) 의 헤드와 실린더 (21) 는 실린더 헤드부 (30) 와 함께 연소실 (25) 을 형성하고 있다.

실린더 헤드부 (30) 는 연소실 (25) 과 연통되어 있는 흡기구 (31), 흡기구 (31) 를 개폐하는 흡기 밸브 (32), 흡기 밸브 (32) 를 구동하기 위한 흡기 캠축을 포함하고 흡기 캠축의 위상각 (phase angle) 을 연속적으로 변경하는 가변 흡기 타이밍 장치 (33), 가변 흡기 타이밍 장치 (33) 의 액츄에이터 (33a), 연소실 (25) 과 연통되어 있는 배기구 (34), 배기구 (34) 를 개폐하는 배기 밸브 (35), 배기 밸브 (35) 를 구동하는 배기 캠축 (36), 점화플러그 (37), 점화플러그 (37) 에 적용되는 고전압 생성을 위한 점화코일을 포함하는 점화기 (38), 및 흡기구 (31) 내부로 연료를 분사하는 인젝터 (연료 분사 수단) (39) 를 형성하고 있다.

흡기 시스템 (40) 은 흡기구 (31) 와 연통되어 있고 흡기구 (31) 와 함께 흡 기 통로를 형성하는 흡기 매니폴드를 포함하는 흡기 관 (41), 흡기 관 (41) 의 단부에 배치된 공기 필터 (42), 흡기 관 (41) 내부에 있으면서 흡기 통로의 개구 단면적을 변화시키는 스로틀밸브 (43), 스로틀 밸브 구동 수단을 구성하고 DC 모터로 구성되는 스로틀밸브 액츄에이터 (43a), 스월 컨트롤 밸브 (swirl control valve) (이하, "SCV" 라 함) (44), 및 DC 모터로 구성되는 SCV 액츄에이터 (44a) 를 형성하고 있다.

배기 시스템 (50)은 배기구 (34) 와 연통된 배기 매니폴드 (51), 배기 매니폴드 (51) 에 연결된 배기 관 (52) (실제로는, 각 배기구 (34) 에 연통된 각각의 배기 매니폴드 (51) 가 집합한 집합부), 배기 관 (52) 에 배치된(삽입된) 상류측 3원 촉매 (53) ("상류측 촉매 컨버터" 또는 "시동 촉매 컨버터" 로도 불리며, 이하 "제 1 촉매 (53)" 라 함) 및 제 1 촉매 (53)의 하류의 배기 관 (52) 에 배치된(삽입된) 하류측 3원 촉매 (54) (차량의 플로어 하부에 배치되기 때문에 "언더 플로어 촉매 컨버터"로도 불리며, 이하 "제 2 촉매 (54)" 라 함) 를 형성하고 있다. 배기구 (34), 배기 매니폴드 (51) 및 배기 관 (52) 는 배기 통로를 구성한다.

한편, 이 시스템은 열선식 공기 유량계 (61), 스로틀 위치 센서 (62), 캠 위치 센서 (63), 크랭크 위치 센서 (64), 수온 센서 (65), 제 1 촉매 (53) 의 상류의 배기 통로 (본 실시예에서는, 각 배기 매니폴드 (51) 가 집합된 집합부) 에 배치된 공연비 센서 (66) (이하, "상류측 공연비 센서 (66)" 라 함), 제 1 촉매 (53) 의 하류 및 제 2 촉매 (54) 의 상류의 배기 통로에 배치된 공연비 센서 (67) (이하, "하류측 공연비 센서 (67)" 라 함), 및 가속기 개방도 센서 (68) 를 형성하고 있다.

열선식 공기 유량계 (61) 는 흡기 관 (41) 내를 흐르는 흡입 공기의 단위 시간당 질량 유량에 따른 전압 (Vg) 를 출력한다. 공기 유량계 (61) 의 그러한 출력값 (Vg) 과 측정된 흡입 공기량 (유량) (Ga) 사이의 관계는 도 2 에 나타난 바와 같다. 스로틀 위치 센서 (62) 는 스로틀 밸브 (43) 의 개방도를 검출하여 스로틀 밸브 개방도 (TA) 를 나타내는 신호를 출력한다. 캠 위치 센서 (63)는 흡기 캠축이 90°회전할 때마다 (즉, 크랭크축 (24) 이 180°회전할 때마다) 하나의 펄스를 가지는 신호 (G2 신호) 를 생성한다. 크랭크 위치 센서 (64) 는 크랭크축 (24) 이 10°회전할 때마다 좁은 폭의 펄스를 가지고, 크랭크축 (24) 이 360°회전할 때마다 넓은 폭의 펄스를 가지는 신호를 출력한다. 이 신호는 엔진 회전 속도 (NE) 를 나타낸다. 수온 센서 (65) 는 내연 기관 (10) 의 냉각수의 온도를 검출하여, 냉각수 온도 (THW) 를 나타내는 신호를 출력하게 된다.

상류측 공연비 센서 (66) 는 한계 전류식의 산소 농도 센서이며, 도 3 에 나타난 바와 같이 공연비 (A/F) 에 따른 전류를 출력하고, 이 전류에 따른 전압인 출력값 (vabyfs) 을 출력한다. 특히, 공연비가 이론 공연비인 경우, 출력값 (vabyfs) 은 상류측 목표값 (vstoich) 이 된다. 도 3 으로부터, 상류측 공연비 센서 (66) 에 따라, 넓은 범위에 걸친 공연비 (A/F) 를 정확하게 검출할 수 있게 된다.

하류측 공연비 센서 (67) 는 기전력식 (농도 전지식) 산소 농도 센서이며, 도 4 에 나타난 바와 같이 이론 공연비 근방에서 급격히 변하는 전압인 출력값 (Voxs) 을 출력한다. 구체적으로는, 하류측 공연비 센서 (67) 는 공연비가 이 론 공연비보다 희박할 때는 약 0.1 (V) 의 전압을 출력하고, 이론 공연비보다 풍부한 경우 약 0.9 (V) 의 전압을 출력하고, 그리고 공연비가 이론 공연비인 경우에는 약 0.5 (V) 의 전압을 출력하게 된다. 가속기 개방도 센서 (68) 는 운전자에 의해 조작되는 가속 페달 (81) 의 조작 변수를 검출하고, 가속 페달 (81) 의 조작 변수 (Accp) 를 나타내는 신호를 출력한다.

전기 제어 장치 (70) 는 CPU (71), CPU (71) 에 의하여 수행되는 루틴(프로그램), 테이블 (룩업 테이블 및 맵), 상수 등이 미리 기억된 ROM (72), CPU (71) 가 필요에 따라 데이터를 일시적으로 기억해두는 RAM (73), 전원이 공급되는 상태에서 데이터를 기억하고 전원이 차단되고 있는 동안에도 기억된 데이터를 유지하는 백업 RAM (74), A/D 컨버터를 포함하는 인터페이스 (75) 등의 구성 요소들이 버스 (bus) 들에 의해 교차 연결되어 있는 마이크로컴퓨터이다. 인터페이스 (75) 는 센서 (61) 내지 센서 (68) 와 연결되어 센서 (61) 내지 센서 (68) 로부터의 신호를 CPU (71) 에 공급하고, CPU (71) 의 지시에 따라 가변 흡기 타이밍 장치 (33) 의 액츄에이터 (33a), 점화기 (38), 인젝터 (39), 스로틀밸브 액츄에이터 (43a) 및 SCV 액츄에이터 (44a) 에 대해 구동 신호를 송출하게 된다.

(공연비 피드백 제어의 개요)

다음으로, 상기와 같이 구성된 공연비 제어 장치에 의해 수행되는 엔진의 공연비 피드백 제어의 개요에 대하여 설명하기로 한다.

제 1 촉매 (53) 에 유입되는 기체의 공연비가 이론 공연비인 경우, 제 1 촉매 (53) (제 2 촉매 (54) 에서도 마찬가지이다.) 는, HC 와 CO 를 산화시키고 NOx 를 환원시켜 이러한 유해 성분을 고효율로 정화하게 된다. 또한, 제 1 촉매 (53) 는 산소를 흡장, 방출하는 기능 (산소 흡장 기능 또는 산호 흡장·방출 기능) 을 가지고, 이러한 산소 흡장·방출 기능에 의해 공연비가 이론 공연비로부터 약간 벗어나 있는 경우에도 HC, CO 및 NOx 를 정화할 수 있게 된다. 좀 더 구체적으로, 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비 (이하, "엔진 공연비" 라고도 한다.) 가 제 1 촉매 (53) 내부로 유입되는 기체 속에 NOx 가 다량 포함될 때까지 희박하게 되면, 이 제 1 촉매 (53) 는 NOx 로부터 산소 분자를 빼앗아 산소 분자를 흡장하고 NOx 를 환원시켜, 이에 의해 NOx 를 정화하게 된다. 또한, 엔진의 공연비가 제 1 촉매 (53) 내로 유입되는 기체 속에 HC 및 CO 가 다량으로 포함될 때까지 풍부하게 되면, 3원 촉매는 흡장된 산소 분자를 HC 및 CO 에게 주어 (방출하여) 산화시키고 이에 의해 HC 및 CO 를 정화하게 된다.

따라서, 제 1 촉매 (53) 내부로 연속적으로 유입되는 다량의 HC 및 CO 를 효율적으로 정화하기 위해서, 제 1 촉매 (53) 는 다량의 산소를 포함하고 있어야 하는 반면, 제 1 촉매 (53) 내부로 연속적으로 유입되는 다량의 NOx 를 효율적으로 정화하기 위해서는, 제 1 촉매 (53) 는 산소를 충분히 저장할 수 있는 상태에 있어야 한다. 이러한 이유로, 제1 촉매 (53) 의 정화 능력은 제 1 촉매 (53) 가 저장할 수 있는 최대 산소량 (최대 산소 흡장량) 에 의해 결정된다.

한편, 연료 내에 포함되는 납, 황 등에 의하여, 또는 이러한 촉매에 가해지는 열에 의하여 제 1 촉매 (53) 와 같은 3원 촉매는 저하되며, 결과적으로 최대 산소 흡장량은 점점 감소한다. 최대 산소 흡장량이 이와 같이 저하되는 경우에 있어서도 배가 배출 (exhaust emission) 을 계속적으로 억제하기 위해서는, 제 1 촉매 (53) 로부터 배출되는 기체의 공연비 (따라서, 제 1 촉매 (53) 내로 유입되는 기체의 평균 공연비) 는 이론 공연비에 매우 가까운 상태로 제어될 필요가 있다.

따라서, 본 실시형태에 의한 공연비 제어 장치는 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) (즉, 제 1 촉매 하류의 공연비) 에 따라 엔진의 공연비를 제어하여, 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값이 하류측 목표 공연비로서의 이론 공연비에 상응하는 하류측 목표값 (Voxsref (0.5 (V))) 이 되도록 한다.

보다 구체적으로, 이 공연비 제어 장치 (이하, "본 장치" 라고도 한다.) 는 도 5 에 나타난 바와 같이 각 수단 (A1) 내지 (A9) (각 수단 (A1) 내지 (A17) 의 일부) 를 포함하여 구성된다. 그러면, 도 5 를 참조하여 각 수단들을 설명하기로 한다.

<보정후 지령 기본 연료 분사량의 산출>

우선, 실린더 내부 흡입 공기량 산출 수단 (A1) 은, 공기 유량계 (61) 에 의해 측정된 흡입 공기 유량 (Ga), 크랭크 위치 센서 (64) 의 출력값에 기초해 얻어진 엔진 회전 속도 (NE) 및 ROM (72) 에 기억된 테이블 (MAPMc) 에 근거하여, 현재의 흡기 행정에서 유입되는 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 을 구한다. 여기서, 첨자 "(k)" 는 그 공기량이 이번 흡기 행정에 대한 값임을 나타낸다 (이하, 다른 물리량에 대해서도 같다.). 그러한 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 은 각 실린더의 흡기 행정과 관련하면서 RAM (73) 에 기억된다.

상류측 목표 공연비 설정 수단 (A2) 은, 내연 기관 (10) 의 운전 상태인 엔 진 회전 속도 (NE) 및 스로틀 밸브 개방도 (TA) 등에 근거하여 소정의 상류측 목표 공연비에 상응하는 상류측 목표 공연비 (abyfr(k)) 를 결정한다. 이 상류측 목표 공연비 (abyfr(k)) 는 예를 들면, 내연 기관 (10) 의 워밍업 종료 후에 특별한 경우를 제외하고는, 이론 공연비로 설정된다. 또한, 그러한 상류측 목표 공연비 (abyfr) 는 각 실린더의 흡기 행정과 관련하면서 RAM (73) 에 기억된다.

보정전 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A3) 은, 엔진의 공연비를 상류측 목표 공연비 (abyfr(k)) 로 바꾸기 위해, 실린더 내부 흡입 공기량 산출 수단 (A1) 에 의해 구한 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k))을 상류측 목표 공연비 설정 수단 (A2) 에 의해 설정된 상류측 목표 공연비 (abyfr(k)) 로 나누는 방법에 의하여, 이번 흡기 행정에 대한 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr(k)) (즉, 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 을 구한다. 그러한 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr) 및 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 은, 각 실린더의 흡기 행정과 관련하면서 RAM (73) 에 기억된다.

보정후 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A4) 은, 보정전 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A3) 에 의해 구한 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 을, 후술하는 기본 연료 분사량 보정 계수 설정 수단 (A17) 에 의해 구한 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 와 곱하는 방법에 의하여, 보정 후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 을 구한다. 기본 연료 분사량 보정 계수 설정 수단 (A17) 은 후에 상술하기로 한다.

이와 같이, 본 장치는, 실린더 내부 흡입 공기량 산출 수단 (A1), 상류측 목 표 공연비 설정 수단 (A2), 보정전 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A3), 보정후 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A4) 및 기본 연료 분사량 보정 계수 설정 수단 (A17) 을 이용하여 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 를 산출하게 된다. 후술하는 바와 같이 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 은, 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비가 이번 목표 공연비 (abyfr(k)) 가 되도록 하기 위하여 인젝터 (39) 에 지시가 내려질 지령 연료 분사량이다.

<지령 최종 연료 분사량의 산출>

지령 최종 연료분사량 산출 수단 (A5) 은, 아래에 주어진 식 (1) 에 근거하여, 후술할 메인 피드백 보정량 (DFimain) 및 서브 피드백 보정량 (DFisub) 이 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 에 더해지는 방법에 의하여, 현시점에서의 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 을 구한다. 그러한 지령 최종 연료 분사량 (Fbase) 은 각 실린더의 흡기 행정과 관련하면서 RAM (73) 에 기억되어 간다.

Fi(k) = Fbase(k) + DFimain + DFisub …(1)

이러한 방법으로 본 장치는, 지령 최종 연료 분사량 산출 수단 (A5) 에 의하여, 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 이 메인 피드백 보정량 (DFimain) 과 서브 피드백 보정량 (DFisub) 에 기초하여 보정되는 방법에 의하여, 이번 흡기 행정이 시작되는 실린더의 인젝터 (39) 에 대해 지령 최종 연료 분사량 Fi(k) 의 연료 분사 지시를 내리게 된다. 그 결과, 인젝터 (39) 로부터 실제로 분사된 그러한 연료량에는 전술한 "기본 연료 분사량의 오차" 가 포함되어 있다.

<서브 피드백 보정량의 산출>

먼저, 전술한 상류측 목표 공연비 설정 수단 (A2) 과 같이, 하류측 목표값 설정 수단 (A6) 은, 내연 기관 (10) 의 운전 상태인 엔진 회전 속도 (NE), 스로틀밸브 개방도 (TA) 등에 기초하여, 하류측 목표 공연비에 상응하는 하류측 목표값 (소정의 하류측 목표값) (Voxref) 을 결정한다. 하류측 목표값 (Voxsref) 은, 예를 들면, 내연 기관 (10) 의 워밍업 종료 이후에는 특별한 경우를 제외하고는 이론 공연비에 상응하는 값인 0.5 (V) 로 설정된다 (도 4 참조). 또한, 본 실시예에서 하류측 목표값 (Voxsref) 은, 하류측 목표값 (Voxsref) 에 따른 하류측 목표 공연비가 전술한 상류측 목표 공연비 (abyfr(k)) 와 일치하도록 설정된다.

출력 편차량 산출 수단 (A7) 은 아래에 주어진 식 (2) 에 근거하여, 하류측 목표값 설정 수단 (A6) 에 의해 설정된 이번 (구체적으로는, 이번 Fi(k) 의 분사 지시 개시 시점) 에서의 하류측 목표값 (Voxsref) 으로부터, 이번 하류측 공연비 센서 (67)의 출력값 (Voxs) 을 빼는 방법에 의하여 구한다.

DVoxs = Voxsref - Voxs …(2)

저주파 통과 필터 (A8) 는 아래 식 (3) 에 표시된 바와 같이 그 특성을 라플라스 연산자 "s" 를 이용해 나타낸 일차 필터이다. 식 (3) 에서 "τ1" 은 시간 정수 (time constant) 이다. 저주파 통과 필터 (A8) 는 주파수 (1/τ1) 이상의 고주파 성분이 통과하는 것을 실질적으로 막는다. 저주파 통과 필터 (A8) 는 출력 편차량 산출 수단 (A7) 에 의해 구한 출력 편차량 (DVoxs) 값을 입력하고, 출력 편차량 (DVoxs) 이 식 (3) 에 따라 저주파 통과 필터 처리된 값으로부터 얻은 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 을 출력한다.

1/(1 + τ1·s) …(3)

PID 제어기 (A9) 는, 저주파 통과 필터 (A8) 의 출력값인 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 이 비례·적분·미분 처리 (PID 처리) 를 거치는 방법에 의하여, 아래 주어진 식 (4) 에 근거하여 서브 피드백 보정량 (DFisub) 을 구한다.

DFisub = Kp·DVoxslow + Ki·SDVoxslow + Kd·DDVoxslow …(4)

상기 (4) 식에 있어서, "Kp" 는, 미리 설정된 비례 게인 (비례 상수) 이고, "Ki" 는 미리 설정된 적분 게인 (적분 상수) 이며, "Kd" 는 미리 설정된 미분 게인 (미분 상수) 이다. 또한, "SDVoxslow" 는 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 의 시간에 대한 적분 값이며, "DDVoxslow" 는 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 의 시간에 대한 미분 값이다.

이와 같이 본 장치는, 하류측 목표값 (Voxsref) 및 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) 간의 편차인 출력 편차량 (DVoxs) (실제로는, 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow)) 에 기초하여 서브피드백 보정량 (DFisub) 이 산출되고, 서브 피드백 보정량 (DFisub) 이 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 에 더해지는 방법에 의하여, 후술할 메인 피드백 제어에 의한 (메인 피드백 보정량 (DFimain) 에 의한) 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 의 보정과는 독립적으로, 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 을 보정한다.

예를 들면, 엔진의 평균 공연비가 희박하기 때문에 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) 이 이론 공연비보다 희박한 경우의 공연비에 상응하는 값에 대하여, 출력 편차량 산출 수단 (A7) 에 의하여 구한 출력 편차량 (DVoxs) 은 양의 값이 되므로 (도 4 참조), PID 제어기 (A9) 에 의해 산출된 서브 피드백 보정량 (DFisub) 은 양의 값이 된다. 따라서, 지령 최종 연료 분사량 산출 수단 (A5) 에 의해 구한 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 은 보정 후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 보다 커지게 되어, 엔진의 공연비는 연료 풍부 쪽으로 제어된다.

반대로, 엔진의 평균 공연비가 풍부하기 때문에 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) 이 이론 공연비보다 풍부한 경우의 공연비에 상응하는 값에 대하여, 출력 편차량 산출 수단 (A7) 에 의하여 구한 출력 편차량 (DVoxs) 은 음의 값이 되므로, PID 제어기 (A9) 에 의해 산출된 서브 피드백 보정량 (DFisub) 은 음의 값이 된다. 따라서, 지령 최종 연료 분사량 산출 수단 (A5) 에 의해 구한 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 은 보정 후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 보다 작아져서, 엔진의 공연비는 연료 희박 쪽으로 제어된다.

또한, PID 제어기 (A9) 는 적분항 Ki·SDVoxslow 를 포함하고 있으므로, 정상 상태에서 출력 편차량 (DVoxs) 이 0 이 될 것임이 보증된다. 다시 말해, 하류측 목표값 (Voxsref) 과 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) 사이의 정상 상태 편차가 0 이 된다. 또, 정상 상태에서, 출력 편차량 (DVoxs) 이 0 이 됨으로 인해 비례항 Kp·DVoxslow 및 미분항 Kd·DDVoxslow 은 모두 0 이 되어, 서브 피드백 보정량 (DFi) 는 적분항 Ki·SDVoxslow 의 값과 동일해진다. 이 값은 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) 과 하류측 목표값 (Voxsref) 간의 편차의 시간 적분 값에 근거한 값이다.

PID 제어기 (A9) 에서 그러한 적분 처리가 수행됨에 의해, 전술한 기본 연료 분사량의 오차가 보상될 수 있고, 정상 상태에서 제 1 촉매 (53) 의 하류의 공연비 (즉, 엔진의 공연비) 는 하류측 목표값 (Voxsref) 에 상응하는 하류측 목표 공연비 (즉, 이론 공연비) 에 수렴할 수 있다. 이상에서, 하류측 목표값 설정 수단 (A6), 출력 편차량 산출 수단 (A7), 저주파 통과 필터 (A8) 및 PID 제어기 (A9) 는 서브 피드백 보정량 산출 수단에 해당한다.

<메인 피드백 제어>

전술한 것처럼, 제 1 촉매 (53) 는 산소 흡장 기능을 가진다. 따라서, 제 1 촉매 (53) 의 상류의 배기 가스의 공연비 변동에 있어서, 비교적 높은 주파수 (예를 들면, 주파수 (1/τ1) 값 이상) 인 고주파 성분, 및 비교적 낮은 주파수 (예를 들면, 주파수 (1/τ1) 값 미만) 이고 비교적 작은 진폭 (이론 공연비로부터의 편차량) 인 저주파수 성분은, 제 1 촉매 (53) 가 가지는 산소 흡장 기능에 의해 완 전히 흡수되어 제 1 촉매의 하류의 배기 가스의 공연비 변동으로서 나타나지는 않는다. 따라서, 예를 들면, 내연 기관 (10) 이 과도 운전 상태에 있고 배기 가스의 공연비가 주파수 (1/τ1) 이상의 고주파에서 크게 변동하는 경우, 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) 에서 공연비의 변동은 나타나지 않게 되어, 주파수 (1/τ1) 이상에서의 공연비 변동에 대한 공연비 제어 (즉, 과도 운전 상태에서의 공연비의 급격한 변화에 대한 보상) 는 서브 피드백 제어에 의해 실행될 수가 없다. 따라서, 과도 운전 상태에서의 공연비의 급격한 변화에 대한 보상을 확실히 수행하기 위한 목적에서, 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 에 근거한 메인 피드백 제어를 수행할 필요가 있다.

한편, 제 1 촉매 (53) 의 상류의 배기 가스의 공연비 변동에 있어서, 비교적 낮은 주파수 (예를 들면, 주파수 (1/τ1) 값 미만) 이고 비교적 큰 진폭인 저주파수 성분은, 제 1 촉매 (53) 의 산소 흡장 기능에 의해 완전히 흡수되지 않고, 얼마 후에 제 1 촉매 (53) 의 하류의 배기 가스의 공연비 변동으로서 나타난다. 그 결과, 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 및 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) 이 이론 공연비에 대해 서로 반대 방향으로 편이되는 공연비를 나타내는 값이 되는 경우가 존재한다. 따라서 이 경우, 메인 피드백 제어 (후술할 메인 피드백 보정량 (DFimain)) 에 근거한 엔진의 공연비 제어와 서브 피드백 제어 (즉, 전술한 서브 피드백 보정량 (DFisub)) 에 근거한 엔진의 공연비 제어가 동시에 수행되면, 두 공연비 제어는 서로 간섭하게 되어 양호한 엔진 공연비 제어가 수행될 수 없다.

이상으로부터, 상류측 공연비 센서 (66)의 출력값 (vabyfs) 의 변동에 있어서의 각 주파수 성분들 중에서, 제 1 촉매 (53) 의 하류의 공연비의 변동으로서 나타날 수 있는 주파수 성분으로서의 소정의 주파수 (본 실시예에서, 주파수 (1/τ1)) 미만의 저주파수 성분이 제거된 후의 상류측 공연비 센서 (66)의 출력값 (vabyfs) 이 메인 피드백 제어에 사용되는 경우, 엔진의 공연비 제어의 간섭 현상을 피할 수 있고, 과도 운전 상태에 있어서의 공연비의 급격한 변화에 대한 보상이 확실하게 수행될 수 있다.

그러므로, 본 장치는 전술한 도 5 에 나타난 각 수단 (A10) 내지 수단 (A16) 을 포함하여 구성된다. 이하, 도 5 를 참조하여 각 수단을 설명하기로 한다.

<메인 피드백 보정량의 산출>

먼저, 테이블 변환 수단 (A10) 은, 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 과, 전술한 도 3 에 나타난 바와 같이 상류측 공연비 센서의 출력값 (vabyfs) 및 공연비 (A/F) 사이의 관계를 규정하는 테이블에 근거하여, 상류측 공연비 센서 (66) 에 의해 검출되는 이번 시점 (구체적으로는, 이번 Fi(k) 의 분사 지시 개시 시점) 에서의 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 를 구한다.

실린더 내부 흡입 공기량 지연 수단 (A11) 은, 실린더 내부 흡입 공기량 산출 수단 (A1) 에 의해 각각의 흡기 행정마다 산출되고 RAM (73) 에 기억되는 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 가운데, 현시점으로부터 N 행정 (N 회의 흡기 행정) 이전에 흡기 행정이 시작된 실린더의 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 를 RAM (73) 으로부터 판독하여, 이 판독된 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 을 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k-N)) 으로 설정한다.

실린더 내부 연료 공급량 산출 수단 (A12) 은, 실린더 내부 흡입 공기량 지연 수단 (A11) 에 의해 구한 현시점으로부터 N 행정 이전의 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k-N)) 을, 테이블 변환 수단 (A10) 에 의해 구한 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 로 나누는 방법에 의하여, 현 시점으로부터 N 행정 이전의 실제 실린더 내부 연료 공급량 (Fc(k-N)) 을 구한다. 여기서, N 값은 내연 기관 (10) 의 배기량, 연료실 (25) 에서부터 상류측 공연비 센서 (66) 까지의 거리 등에 의해 달라지는 값이다.

이와 같이, 현시점으로부터 N 행정 이전의 실제 실린더 내부 연료 공급량 (Fc(k-N)) 을 산출하기 위하여, N 행정 이전의 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k-N)) 을 현시점에서의 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 로 나누는 이유는, 연소실 (25) 내에서 연소된 혼합물이 상류측 공연비 센서 (66) 에 도달하기까지 N 행정에 상당하는 시간 (L1) 이 필요하기 때문이다.

목표 실린더 내부 연료 공급량 지연 수단 (A13) 은, 보정전 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A3) 에 의해 흡기 행정마다 산출되고 RAM (73) 에 기억되는 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr) 가운데, 현시점으로부터 N 행정 이전의 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr) 을 RAM (73) 으로부터 판독하여, 이 판독된 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr) 을 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr(k-N)) 으로 설정한다.

실린더 내부 연료 공급량 편차 산출 수단 (A14) 은, 아래 주어진 식 (5) 에 근거하여, 실린더 내부 연료 공급량 산출 수단 (A12) 에 의해 구한 현시점으로부터 N 행정 이전의 실제 실린더 내부 연료 공급량 (Fc(k-N)) 을, 목표 실린더 내부 연료 공급량 지연 수단 (A13) 에 의해 설정된 현시점으로부터 N 행정 이전의 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr(k-N)) 으로부터 빼는 방법에 의하여, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 를 구한다. 이 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 는, N 행정 이전 시점에서 실린더 내부로 공급된 연료의 과부족을 나타내는 양이며, 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 과 상류측 목표값 (상류측 목표 공연비 (abyfr) 가 이론 공연비인 경우에는 도 3 에서 (vstoich)) 사이의 편차에 근거하는 값이다.

DFc = Fcr(k-N) - Fc(k-N) …(5)

고주파 통과 필터 (A15) 는 아래 식 (6) 에 표시된 바와 같이 그 특성을 라플라스 연산자 "s" 를 이용해 나타낸 일차 필터이다. 식 (6) 에서 "τ1" 은 저주파 통과 필터 (A8) 의 시간 정수 τ1 과 동일한 시간 정수이다. 고주파 통과 필터 (A15) 는 주파수 (1/τ1) 이하의 저주파수 성분이 통과하는 것을 실질적으로 막는다.

1 - 1/(1+τ1·s) …(6)

고주파 통과 필터 (A15) 는 상기 실린더 내부 연료 공급량 편차 산출 수단 (A14) 에 의해 구한 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 값을 입력하고, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 가 식 (6) 에 따라 고주파 통과 필터 처리된 값으로부터 얻은 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 를 출력한다. 따라서, 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 는, 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 과 상류측 목표값 사이의 편차에 근거한 값이 고주파 통과 필터 처리된 후 얻어진 값이다.

PI 제어기 (A16) 는, 아래에 주어진 식 (7) 에 근거하여, 고주파 통과 필터 (A15) 의 출력값인 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 가 비례·적분 처리 (PI 처리) 되는 방법에 의하여, N 행정 이전의 연료 공급량의 과잉 또는 부족(에 있어서의 주파수 (1/τ1) 이상의 고주파 성분만의 과잉 또는 부족)을 보상하기 위한 메인 피드백 보정량 (DFimain) 을 구한다.

DFimain = (Gphi·DFchi + Gihi·SDFchi)·KFB …(7)

상기 식 (7) 에서, "Gphi" 는 미리 설정된 비례 게인 (비례 상수) 이고, "Gihi" 는 미리 설정된 적분 게인 (적분 상수) 이다. "SDFchi" 는 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 의 시간 적분 값이다. 또한, 계수 (KFB) 는 엔진 회전 속도 (NE), 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 등에 의해 가변으로 하는 것이 적절하지만, 본 실시예에서는 "1" 로 설정되었다. 그러한 메인 피드백 보정량 (DFimain) 은 전술한 지령 최종 연료 분사량 산출 수단 (A5) 에 의한 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 의 산출에 사용된다.

이러한 방법으로, 본 장치는 내연 기관 (10) 에 병렬로 접속된 메인 피드백 제어 회로 및 서브 피드백 제어 회로를 가진다. 또한 본 장치는, 상류측 목표 공연비 (abyfr) 에 상당하는 상류측 목표값 및 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 사이의 편차에 기초한 값이 고주파 통과 필터 처리된 후 얻어지는, 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 에 근거하여 메인 피드백 보정량 (DFimain) 을 산출하고, 메인 피드백 보정량 (DFimain) 을 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 에 더하여, 전술한 서브 피드백 제어에 의하여 (서브 피드백 보정량 (DFisub) 에 의하여) 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 의 보정과는 독립적으로 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 을 보정하게 된다.

예를 들어 엔진의 공연비가 급격하게 변하여 희박해진 경우에, 테이블 변환 수단 (A10) 에 의해 산출되는 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 는, 상류측 목표 공연비 설정 수단 (A2) 에 의해 설정되어 있는, 현시점으로부터 N 행정 이전의 상류측 목표 공연비 (abyfr(k-N)) 보다 더 희박한 값 (더 큰 값) 으로서 구해진다. 따라서, 실린더 내부 연료 공급량 산출 수단 (A12) 에 의해 구한 실제 실린더 내부 연료 공급량 (Fc(k-N)) 은, 목표 실린더 내부 연료 공급량 지연 수단 (A13) 에 의해 구한 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr(k-N)) 보다 더 작은 값이 되고, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 는 큰 양의 값으로 구해진다. 또한, 엔진의 공연비의 급격한 변화로 인해, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 를 표시하는 신호에 주파수 (1/τ1) 이상의 고주파 성분이 존재하게 되어, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 를 표시하는 신호가 고주파 통과 필터 (A15) 처리된 후 얻어진 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 역시 큰 양의 값이 된다. 따라서, 메인 피드백 보정량 (DFimain) 은 큰 양의 값이 된다. 이에 의해, 지령 최종 연료 분사량 산출 수단 (A5) 에 의해 산출되는 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 은, 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 보다 커지게 되고, 엔진의 공연비는 연료 풍부 쪽으로 제어된다.

반면에, 엔진의 공연비가 급격하게 변하여 풍부가 되는 경우, 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 는 현시점으로부터 N 행정 이전의 상류측 목표 공연비 (abyfr(K-N) 보다 더 풍부한 값 (더 작은 값) 으로서 구해진다. 따라서, 실제 실린더 내부 연료 공급량 (Fc(k-N)) 은 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr(k-N)) 보다 큰 값이 되고, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 는 음의 값으로서 구해진다. 또한, 엔진의 공연비의 급격한 변화로 인해, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 를 나타내는 신호에 주파수 (1/τ1) 이상의 고주파 성분이 존재하게 되어, 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 역시 음의 값이 된다. 따라서, 메인 피드백 보정량 (DFimain)은 음의 값이 된다. 이에 의해, 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 은 보정후 지령 최종 연료 분사량 (Fbase) 보다 작아지고, 엔진의 공연비는 연료 희박 공연비 쪽으로 제어된다. 이상에서, 상기 지령 최종 연료 분사량 산출 수단 (A5), 테이블 변환 수단 (A10), 실린더 내부 흡입 공기량 지연 수단 (A11), 실린더 내부 연료 공급량 산출 수단 (A12), 목표 실린더 내부 연료 공급량 지연 수단 (A13), 실린더 내부 연료 공급량 편차 산출 수단 (A14), 고주파 통과 필터 (A15), 및 PI 제어기 (A16) 는 메인 피드백 제어 수단의 일부에 해당한다.

이와 같이, 제 1 촉매 (53) 의 하류에서의 공연비 변동으로서 나타날 수 있는 정도의 주파수 (1/τ1) 이하의 공연비 변동에 대한 실질적인 공연비 제어는 서브 피드백 제어에 의해 확실히 수행될 수 있는 동시에, 주파수 (1/τ1) 이하의 저주파수 성분은 고주파 통과 필터 (A15) 를 통과할 수 없고 PI 제어기 (A16) 에 입력되지 않는 결과, 전술한 엔진 공연비 제어의 간섭이 발생하는 것을 피할 수 있다. 또한, 엔진의 공연비 변동 (즉, 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 의 변동) 에 있어서의 주파수 (1/τ1) 이상의 고주파수 성분은 고주파 통과 필터 (A15) 를 통과하는 결과, 과도 운전 상태에 있어서의 공연비의 급격한 변화에 대한 보상은 메인 피드백 제어에 의해 신속하고 확실하게 수행될 수 있다.

<기본 연료 분사량 보정 계수의 설정>

전술한 바와 같이, 적분 처리는 PID 제어기 (A9) 에서 실행되며, 서브 피드백 제어에 있어서 전술한 기본 연료 분사량의 오차는 보상될 수 있다. 그러나, 전술한 제 1 촉매 (53) 의 산소 흡장 기능의 영향으로 얼마 후에 엔진의 공연비 변화가 제 1 촉매 (53) 의 하류의 배기 가스의 공연비 변화로서 나타나기 때문에, 기본 연료 분사량의 오차는 기본 연료 분사량의 오차가 급격히 증가하는 경우에 있어서는 서브 피드백 제어만으로는 즉시 보상될 수 없고, 결과적으로 배기 방출량이 일시적으로 증가하는 경우가 발생하는 문제가 있다.

따라서 상기 제어 장치는, 산소 흡장 기능에 의한 지연의 영향을 받지 않는 메인 피드백 제어에서도 기본 연료 분사량의 오차가 즉시 보상될 수 있도록 구성될 것을 요한다. 그러나, 고주파 통과 필터 처리는 미분 처리 (D 처리) 와 동등한 기능을 달성하는 처리이기 때문에, 고주파 통과 필터 (A15) 통과 후의 값이 PI 제어기 (A16)의 입력 값으로 사용되는 메인 피드백 제어에는 사실상 적분 처리가 불가능하다. 따라서, 기본 연료 분사량의 오차는 메인 피드백 제어에서는 보상될 수 없다.

이상으로부터, 기본 연료 분사량의 오차는 메인 피드백 제어와 서브 피드백 제어에 의한 적분 처리에 의하지 않고 즉시 보상될 필요가 있다. 이러한 목적에서, 지령 최종 연료 분사량 (Fi) 을 결정하는 값들 중에서, 메인 피드백 보정량 (DFimain) 및 서브 피드백 보정량 (DFisub) 이외의 값인 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 은, 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비가 목표 공연비 (abyfr) 로 설정되도록 하기 위하여, 흡기 행정이 시작되는 실린더의 인젝터 (39) 에 분사 지시되어야 하는 연료 분사량 (이하, "목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset)" 이라 한다.) 과 일치하도록 보정될 필요가 있다.

그러기 위해서, 도 5 로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 과 전술한 기본 연료 분사량 보정 계수 설정 수단 (A17) 에 의해 설정된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 곱한 값이 상기 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 과 일치하도록 (근접하도록), 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 설정할 필요가 있다. 이하, 기본 연료 분사량 보정 계수 설 정 수단 (A17) 에 의해 그러한 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 설정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

일반적으로, 연소실 내로 흡입되는 실린더 내부 흡입 공기량이 일정하다는 가정 아래, 연료 분사량 과 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비 (즉, 배기 가스의 공연비) 의 곱은 일정해진다. 따라서 그러한 가정 아래에서는, 지령 최종 연료 분사량 (Fi) 과 상류측 공연비 센서 (66) 에 의한 검출 공연비 (abyfs) 의 곱은, 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비를 현재 목표 공연비 (abyfr(k)) 로 설정하기 위해 필요한 상기 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 과 목표 공연비 (abyfr(k)) 의 곱과 동일하다는 관계가 일반적으로 성립한다. 따라서, 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 은 일반적으로 아래에 주어진 식 (8) 에 의하여 나타낼 수가 있다.

Fbaset = (abyfs/abyfr(k))·Fi …(8)

여기서, 상술한 것처럼, 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 과 보정 계수 (KF) 를 곱한 값이 위 식 (8) 에 따라 산출되는 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 과 일치하도록 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 가 설정되는 결과, 보정 계수 (KF) 는 아래에 주어진 식 (9) 에 따라 설정될 수 있다.

KF = Fbaset/Fbaseb(k) …(9)

한편, 분사 지시에 의해 분사되는 연료의 연소에 의한 배기 가스의 공연비가 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 으로 나타날 때까지는, 상기 행정 지연, 수송 지연 및 응답 지연의 합으로서 나타나는 지연 시간 (L2) 이 필요하다. 다시 말해, 상류측 공연비 센서 (66) 에 근거한 검출 공연비 (abyfs) 는, 지연 시간 (L2) 이전에 내려진 연료 분사 지시에 근거하여 발생한 배기 가스의 공연비를 나타내는 값이 된다.

따라서, 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 이 위의 식 (8) 에 따라 산출될 때, 검출 공연비 (abyfs) 로 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 가 사용되는 한편, 지령 최종 연료 분사량 (Fi) 으로서는, 현시점 (구체적으로, 이번 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 의 분사 지시 개시 시점) 으로부터 지연 시간 (L2) 에 상당하는 M 행정 (M 회의 흡기 행정) 전에 행해진 연료 분사 지시에 따른 지령 최종 연료 분사량인, 현시점으로부터 M 행정 이전의 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 이 사용되는 것이 바람직하다.

더욱이, 엔진이 과도 운전 상태에 있게 되는 경우, 검출 공연비 (abyfs), 지령 최종 연료 분사량 (Fi) 및 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 은, 소정의 주파수 이상의 고주파수에서 각각 독립적으로 크게 변동할 수 있다. 이러한 경우, 위 식 (8) 및 식 (9) 에 나타난 관계는 유지되지 못할 가능성이 있다. 따라서, 그러한 고주파수에서의 변동으로 인한 영향을 없애기 위하여, 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 의 값, M 행정 이전의 지령 최종 연료 분사량 (Fi(K-M)) 의 값, 및 이번 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 의 값을 각각 소정의 저주파 통과 필터 처리한 후의 각 값들을 위 식 (8) 및 식 (9) 의 산출에 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 행정 지연 및 수송 지연에 관계되는 시간은 엔진 회전 속도 (NE) 의 상승에 따라 짧아지는 경향이 있으며, 수송 지연에 관계되는 시간은 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 의 증가에 따라 짧아지는 경향이 있다. 따라서, 상기 지연 시간 (L2) (즉, M 값) 은, 예를 들면, 엔진 회전 속도 (NE), 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)), 및 도 6 에 그래프로 나타낸 바와 같이 엔진 회전 속도 (NE) 및 실린더 내부 흡입 공기량과 행정수 (M) 사이의 관계를 규정하는 테이블 (MapM) 에 근거하여 산출될 수 있다.

이상으로부터, 기본 연료 분사량 보정 계수 설정 수단 (A17) 은, 도 7 에 기능 블록 선도로 나타낸 것처럼 수단 (A17a) 내지 수단 (A17f) 의 각 수단 등을 포함하여 구성된다. 저주파 통과 필터 (A17a) 는 아래의 식 (10)에 나타난 바와 같이 그 특성을 라플라스 연산자 "s" 를 이용해 나타낸 일차 필터이다. 식 (10) 에서 "τ2" 는 시간 정수이다. 저주파 통과 필터 (A17) 는 주파수 (1/τ2) 이상의 고주파 성분이 통과하는 것을 실질적으로 막는다.

1/(1 + τ2·s) …(10)

저주파 통과 필터 (A17a) 는 테이블 변환 수단 (A10) 에 의해 구한 이번 검 출 공연비 (abyfs(k)) 값을 입력하고, 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 값이 상기 식 (10) 에 따라 저주파 통과 필터 처리된 후의 값인 저주파 통과 필터 처리 후 검출 공연비 (abyfslow) 를 출력한다.

지령 최종 연료 분사량 지연 수단 (A17b) 은 ROM (72) 에 기억된 상기 테이블 (MapM), 현시점에서의 엔진 회전 속도(NE), 및 현재 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 에 근거하여 값 (M) 을 구한다. 또한, 지령 최종 연료 분사량 지연 수단 (A17b) 은, 지령 최종 연료 분사량 산출 수단 (A5) 에 의해 각 흡기 행정마다 산출되어 RAM (73) 에 기억되고 있는 지령 최종 연료 분사량 (Fi) 가운데, 현시점으로부터 M 행정 (M 회의 흡기 행정) 이전에 흡기 행정이 시작된 실린더의 값을 RAM (73) 으로부터 판독하여, 이것을 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 으로서 설정한다.

저주파 통과 필터 (A17c) 는 전술한 저주파 통과 필터 (A17a) 와 동일한 필터이며, 지령 최종 연료 분사량 지연 수단 (A17b) 에 의해 구한 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 을 입력하고, 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 값이 위 식 (10) 에 따라 저주파 통과 필터 처리된 후의 값인, 저주파 통과 필터 처리 후 지령 최종 연료 분사량 (Filow) 을 출력한다.

목표 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A17d) 은, 저주파 통과 필터 (A17a) 의 출력값인 저주파 통과 필터 처리 후 검출 공연비 (abyfslow) 를 위 식 (8) 에 대응하는 아래의 식 (11) 에 따른 이번 목표 공연비 (abyfr(k)) 로 나누고, 그렇게 얻어진 값을 저주파 통과 필터 (A17c) 의 출력값인 저주파 통과 필터 처리 후 지령 최종 연료 분사량 (Filow) 값과 곱하는 방법에 의하여, 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 을 구한다.

Fbaset = (abyfslow/abyfr(k))·Filow …(11)

저주파 통과 필터 (A17e) 는 전술한 저주파 통과 필터 (A17a) 와 동일한 필터이며, 보정전 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A3) 에 의해 구한 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 을 입력하고, 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 값이 위 식 (10) 에 따라 저주파 통과 필터 처리된 후의 값인, 저주파 통과 필터 처리 후 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseblow) 을 출력한다.

지령 기본 연료 분사량 보정 계수 설정 수단 (A17f) 은, 목표 지령 기본 연료 분사량 산출 수단 (A17d) 에 의해 구한 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 을, 위 식 (9) 에 대응하는 아래의 식 (12) 에 따라, 저주파 통과 필터 (A17e) 의 출력값인 저주파 통과 필터 처리 후 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseblow) 으로 나누는 방법에 의하여 지령 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 구한다.

KF = Fbaset/Fbaseblow …(12)

전술한 바와 같이, 기본 연료 분사량 보정 계수 설정 수단 (A17) 은, 연료 분사 시점 (보다 구체적으로, 분사 지시가 개시되는 시점) 이 도래할 때마다, 각 수단 (A17a) 내지 수단 (A17f) 을 이용하여 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 설정한다. 또한, 본 장치는 계속해서, 다음번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 에 이번 시점에 설정된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 곱하여 다음번의 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 을 보정해 나간다 (즉, 다음번의 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 을 계속하여 결정해 나간다). 따라서, 다음번 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 은, 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비가 목표 공연비 (abyfr) 로 설정되도록 하기 위해 분사 지시해야 할 연료 분사량과 일치하도록 (근접하도록) 계속적으로 결정된다. 그 결과, 기본 연료 분사량의 오차는, 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비가 목표 공연비 (abyfr) 를 향해 제어되면서, 신속하게 보상된다.

<기본 연료 분사량 보정 계수의 기억 처리>

전술한 바와 같이, 엔진의 워밍업 운전 중, 상류측 공연비 센서가 문제를 일으키는 등의 경우, 즉 " 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 이 정상적인 값이 되지 않는 경우" 에 있어서는, 검출 공연비 (abyfs) 는 배기 가스의 공연비를 정확히 나타내는 값이 되지 않는다. 이런 경우, 검출 공연비 (abyfs) 에 근거하는 저주파 통과 필터 처리 후 검출 공연비 (abyfslow) 값을 사용하여 위 식 (11) (및 위 식 (12)) 에 따라 산출되는 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 값 역시, 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 값을 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 으로 정확히 보정하는 값이 되지 않는다. 따라서 이런 경우, 위 식 (11) 및 식 (12) 에 따라 산출된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 는, 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 의 보정에 사용되어서는 안된다.

결국 본 장치는, "상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 이 정상적인 값이 되는 경우 (구체적으로, 후술할 메인 피드백 조건이 성립하는 경우)" 에 한하여, 위 식 (11) 및 식 (12) 에 따라 산출된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 사용하여 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 을 보정하게 되고, 산출된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 백업 RAM (74) 에 순서대로 기억하여 업데이트 된다.

이 경우, 기본 연료 분사량의 오차량이 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 에 따라 증가하려는 (즉, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 가 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 에 따라 증가하려는) 경향이 있다는 사실을 이용하여, 본 장치는 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc) 이 취할 수 있는 범위를, 도 8 에 나타난 바와 같이 여러 개 (본 실시예에서는 4 개) 의 분류로 구분한다. 또한 본 장치는, 새로운 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 산출할 때마다, 이번 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 이 속하는 분류를 선택하고, 선택된 분류에 따른 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF(m)(m: 1, 2, 3 또는 4) 의 값을, 새로 산출된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 값에 업데이트하여, 업데이트된 값을 계속 기억해 나간다.

한편 본 장치는, "상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 이 정상적인 값이 되지 않는 경우 (구체적으로, 후술할 메인 피드백 조건이 성립되지 않는 경우)" 에 있어서, 이번 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 이 속하는 분류를 선택하 고, 백업 RAM (74) 에 기억되어 있는 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF(m)(m: 1, 2, 3 및 4) 중에서 선택된 분류에 상응하는 값을 기본 연료 분사량 보정 계수 기억값 (KFmemory) 으로서 설정한다.

또한 본 장치는, 위 식 (11) 및 식 (12) 에 따라 산출된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 대신에 기본 연료 분사량 보정 계수 기억값 (KFmemory) 을 사용하여 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 을 보정해 나간다. 결국, "상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 이 정상적인 값이 되지 않는 경우" 에 있어서도, 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k))) 은 목표 지령 기본 연료 분사량에 어느정도 정확하게 일치시켜 가게 되고, 결과적으로 기본 연료 분사량의 오차는 어느 정도 보상되어 간다. 이상이 본 장치에 의한 엔진의 공연비 피드백 제어의 개요이다.

(실제의 작동)

다음으로, 상기 공연비 제어 장치의 실제 작동에 대해 설명한다.

<공연비 피드백 제어>

CPU (71) 는, 도 9 의 플로우차트에 나타난 바와 같이, 연료 분사량 (Fi) 을 산출하고 연료 분사 지시를 내리는 루틴을, 각 실린더의 크랭크각이 흡기 상사점 전의 소정의 크랭크각 (예를 들어 BTDC 90°CA) 이 될 때마다 반복적으로 실행한다. 따라서, 임의의 실린더의 크랭크각이 소정의 크랭크각이 될 때, CPU (71) 는 단계 (900) 에서 처리를 개시하여 단계 (905) 로 진행하고, 공기 유량계 (61) 에 의해 측정된 흡입 공기 유량 (Ga), 엔진 회전 속도 (NE), 및 전술한 테이블 (MapMc) 에 근거하여, 이번 흡기 행정을 시작하는 실린더 (이하, "연료 분사 실린더" 라고도 한다) 내부로 흡입된 이번 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 을 추정하고 결정한다.

다음으로, CPU (71) 는 단계 (910) 로 진행하여, 추정된 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 을 이번 목표 공연비 (abyfr(k)) 로 나눈 값을 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 으로서 결정한다. 그 다음에, CPU (71) 는 단계 (915) 로 진행하여, 메인 피드백 조건이 성립하는지 여부를 결정한다. 여기서, 메인 피드백 조건은, 예를 들면, 엔진의 냉각수 온도 (THW) 가 제 1 소정 온도 이상이고, 상류측 공연비 센서 (66) 이 정상이며 (활동 상태에 있을 때를 포함한다), 엔진의 회전당 흡입 공기량 (부하) 이 소정의 값 이하인 경우에 성립한다. 즉, 메인 피드백 조건이 성립한다는 사실은, 전술한 "상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 이 정상적인 값이 되는 경우" 에 대응한다.

메인 피드백 조건이 성립하고 있는 경우, CPU (71) 는 단계 (915) 에서 "예" 판정을 내리고 단계 (920) 로 진행하여, 상기 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 과, 후술하는 루틴에 의해 (전회의 연료 분사 시점에서) 산출되는 최신의 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 곱한 값을 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 으로 설정한다.

한편, 메인 피드백 조건이 성립하고 있지 않은 경우, CPU (71) 는 단계 (915) 에서 "아니오" 판정을 내리고 단계 (925) 로 진행하여, 백업 RAM (74) 에 기억된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF(m)(m: 1, 2, 3 및 4) 중에서, 앞선 단계 (905) 에서 결정된 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 값으로부터 선택된 실린더 내부 흡입 공기량 (KF(m)) 값을 기본 연료 분사량 보정 계수 기억값 (KFmemory) 으로 설정한다. 계속해서, CPU (71) 는 단계 (930) 으로 진행하여, 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 과, 단계 (925) 에서 설정된 기본 연료 분사량 보정 계수 기억값 (KFmemory) 을 곱한 값을 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 으로 설정한다.

다음으로, CPU (71) 는 단계 (935) 로 진행하여, 상기 식 (1) 에 따라, 위에서 구한 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 에, 후술할 루틴에 의해 (전회의 연료 분사 시점에서) 산출되는 최신의 메인 피드백 보정량 (DFimain) 과, 후술할 루틴에 의해 (전회의 연료 분사 시점에서) 산출되는 최신의 서브 피드백 보정량 (DFisub) 을 더한 값을, 이번 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 으로 구한다.

그리고, CPU (71) 는 단계 (940) 으로 진행하여, 상기 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 의 연료 분사 지시를 내린다. 구체적으로는, 도시하지 않은 루틴에 의해 별도로 산출된 연료 분사 개시 시점이 도래하면, CPU (71) 는 상기 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 에 상응하는 시간 동안 연료 분사 실린더의 인젝터 (39) 가 밸브를 개방하도록 지시하는 것으로서 연료가 분사된다. 그리고, CPU (71) 는 단계 (995) 로 진행하여, 본 루틴을 일단 종료한다.

이상에 의하여, 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 은 보정되어 전술한 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 과 일치하게 되고, 보정된 보정전 지령 기본 연료 분사량 (즉, 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase)) 이 메인 피드백 보 정 및 서브 피드백 보정을 거친 후 얻어진 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 의 분사 지시에 의해 연료는 연료 분사 실린더 내부로 분사된다.

(메인 피드백 보정량의 산출)

다음으로, 메인 피드백 제어에 있어서 메인 피드백 보정량 (DFimain) 을 산출하는 경우의 작동을 설명하기로 한다. CPU (71) 는, 도 10 의 플로우차트에 나타난 루틴을, 연료 분사 실린더에 대하여 연료 분사 개시 시점 (분사 지시 개시 시점) 이 도래할 때마다 반복적으로 실행한다. 따라서, 연료 분사 실린더에 대하여 연료 분사 개시 시점이 도래하면, CPU (71) 는 단계 (1000) 으로부터 처리를 개시하고 단계 (1005) 로 진행하여, 메인 피드백 조건이 성립하는지 여부를 결정한다. 이 메인 피드백 조건은 전술한 단계 (915) 에서의 메인 피드백 조건과 동일하다.

메인 피드백 조건이 성립한다는 가정하에 설명을 계속하기로 한다. CPU (71) 는 단계 (1005) 에서 "예" 판정을 내리고 단계 (1010) 로 진행하여, 현시점 (즉, 분사 지시 개시 시점) 에서의 상류측 공연비 센서 (66) 의 출력값 (vabyfs) 을 도 3 에 나타낸 테이블에 근거하여 변환하여, 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 를구한다.

다음으로, CPU (71) 는 단계 (1015) 로 진행하여, 현시점으로부터 N 행정 (N 회의 흡기 행정) 전에 흡기 행정을 시작한 실린더의 흡입 공기량인 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k-N)) 을, 위에서 구한 검출 공연비 (abyfs(k)) 로 나누는 방법에 의하여, 현시점으로부터 N 행정 이전의 실제 실린더 내부 연료 공급량 (Fc(k-N)) 이 구해진다.

계속하여, CPU (71) 는 단계 (1020) 로 진행하여, 현시점으로부터 N 행정 이전의 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k-N)) 을 현시점으로부터 N 행정 이전의 목표 공연비 (abyfr(k-N)) 로 나누는 방법에 의하여, 현시점으로부터 N 행정 이전의 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr(k-N)) 을 구한다.

그리고, CPU (71) 는 단계 (1025) 로 진행하여, 위 식 (5) 에 따라, 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr(k-N)) 으로부터 실린더 내부 연료 공급량 (Fc(k-N)) 을 뺀 값을 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 로 설정한다. 즉, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 는 N 행정 이전 시점에 실린더 내부로 공급된 연료의 과잉 또는 부족을 나타내는 양이 된다. 다음으로, CPU (71) 는 단계 (1030) 로 진행하여, 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 가 고주파 통과 필터 (A15) 에 의해 고주파 통과 필터 처리되는 방법에 의하여, 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 를 취득한다.

그 다음에, CPU (71) 는 단계 (1035) 로 진행하여, 상기 식 (7) 에 근거해 단계 (1035) 에 나타낸 식에 따라 메인 피드백 보정량 (DFimain) 이 구해진다. 이어지는 단계 (1040) 에서, 단계 (1030) 에서 산출된 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 는, 그 시점의 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFchi) 의 적분값 (SDFchi) 에 더해져서, 고주파 통과 필터 처리 후 실린더 내부 연료 공급량 편차의 새로운 적분값 (SDFchi) 을 구한다. 그 후에, CPU (71) 는 단계 (1095) 로 진행하여 본 루틴을 일단 종료한 다.

이상에 의해, 메인 피드백 보정량 (DFimain) 이 산출되고, 이 메인 피드백 보정량 (DFimain) 은 전술한 도 9 의 단계 (935) 에 의한 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 에 반영되어, 앞선 메인 피드백 제어에 근거한 엔진의 공연비 제어가 수행된다.

한편, 단계 (1005) 의 판정에서 메인 피드백 조건이 성립하지 않는 경우, CPU (71) 는 단계 (1005) 에서 "아니오" 판정을 내리고 단계 (1045) 로 진행하여, 메인 피드백 보정량 (DFimain) 값을 "0" 으로 설정한다. 그 후 CPU (71) 는 단계 (1095) 로 진행하여 본 루틴을 일단 종료한다. 이와 같이, 메인 피드백 조건이 성립하지 않는 경우에는, 메인 피드백 보정량 (DFimain) 은 "0" 으로 설정되고, 메인 피드백 제어에 근거한 엔진의 공연비의 보정은 이루어지지 않는다.

(서브 피드백 보정량의 산출)

다음으로, 서브 피드백 제어에 있어서 서브 피드백 보정량 (DFisub) 을 산출하는 경우의 작동을 설명하기로 한다. CPU (71) 는, 도 11 의 플로우차트에 나타난 루틴을, 연료 분사 실린더에 대하여 연료 분사 개시 시점 (분사 지시 개시 시점) 이 도래할 때마다 반복적으로 실행한다. 따라서, 연료 분사 실린더에 대하여 연료 분사 개시 시점이 도래하면, CPU (71) 는 단계 (1100) 으로부터 처리를 개시하고 단계 (1105) 로 진행하여, 서브 피드백 조건이 성립하는지 여부를 결정한다. 서브 피드백 조건은, 예를 들면, 전술한 단계 (915) (및 단계 (1005)) 에서의 메인 피드백 조건의 만족과 함께, 엔진의 냉각수 온도 (THW) 가 제 1 소정 온 도보다 높은 제 2 소정 온도 이상인 경우에 성립한다.

서브 피드백 제어 조건이 성립한다는 가정하에 설명을 계속하기로 한다. CPU (71) 는 단계 (1105) 에서 "예" 판정을 내리고 단계 (1110) 로 진행하여, 위 식 (2) 에 따라, 하류측 목표값 (Voxsref) 으로부터 현시점에서의 하류측 공연비 센서 (67) 의 출력값 (Voxs) 을 빼, 출력 편차량 (DVoxs) 을 구한다.

다음으로, CPU (71) 는 단계 (1115) 로 진행하여, 출력 편차량 (DVoxs) 이 저주파 통과 필터에 의해 저주파 통과 필터 처리되는 방법에 의하여, 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 을 취득한다. 이어지는 단계 (1120) 에서, 아래에 주어진 식 (13) 에 근거하여 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 의 미분값 (DDVoxslow) 이 구해진다.

DDVoxslow = (DVoxslow - DVoxslow1)/Δt …(13)

상기 식 (13) 에서 "DVoxslow1" 는, 전회의 본 루틴의 실행에 있어서, 후술하는 단계 (1135) 에서 설정된 (업데이트된) 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 의 전회 값이다. 또한, "Δt" 는 본 루틴의 전회 실시 시점으로부터 본 루틴의 이번 실시 시점까지 걸린 시간이다.

그 다음에, CPU (71) 은 단계 (1125) 로 진행하여, 위 식 (4) 에 따라 서브 피드백 보정량 (DFisub) 이 구해진다. 그 후에, CPU (71) 는 단계 (1130) 으로 진행하여, 단계 (1115) 에서 산출된 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 은 그 시점의 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량의 적분값 (SDVoxslow) 에 더해져서, 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량의 새로운 적분값 (SDVoxslow) 을 구한다. 이어지는 단계 (1135) 에서, 단계 (1115) 에서 산출된 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 은 저주파 통과 필터 처리 후 출력 편차량 (DVoxslow) 의 전회 값 (DVoxslow1) 으로 설정된다. 그 후에, CPU (71) 는 단계 (1195) 로 진행하여, 본 루틴을 일단 종료한다.

이상에 의해, 서브 피드백 보정량 (DFisub) 이 산출되고, 이 서브 피드백 보정량 (DFisub) 은 전술한 도 9 의 단계 (935) 에 의한 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k)) 에 반영되어, 앞서 서브 피드백 제어에 근거한 엔진의 공연비 제어가 수행된다.

한편, 단계 (1105) 의 판정에서 서브 피드백 조건이 성립하지 않는 경우, CPU (71) 는 단계 (1105) 에서 "아니오" 판정을 내리고 단계 (1140) 로 진행하여, 서브 피드백 보정량 (DFisub) 값을 "0" 으로 설정한다. 그 후 CPU (71) 는 단계 (1195) 로 진행하여 본 루틴을 일단 종료한다. 이와 같이, 서브 피드백 조건이 성립하지 않는 경우에는, 서브 피드백 보정량 (DFisub) 은 "0" 으로 설정되고, 서브 피드백 제어에 근거한 엔진의 공연비의 보정은 이루어지지 않는다.

(기본 연료 분사량 보정 계수의 산출 및 기억)

다음으로, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 산출하는 경우의 동작에 대해 설명하기로 한다. CPU (71) 는, 도 12 의 플로우차트에 나타난 루틴을, 연료 분사 실린더에 대하여 연료 분사 개시 시점 (분사 지시 개시 시점) 이 도래할 때마다 반복적으로 실행한다. 따라서, 연료 분사 실린더에 대하여 연료 분사 개시 시점이 도래하면, CPU (71) 는 단계 (1200) 으로부터 처리를 개시하고 단계 (1205) 로 진행하여, 메인 피드백 조건이 성립하는지 여부를 결정한다. "아니오" 판정을 내리는 경우, CPU (71) 는 즉시 단계 (1295) 로 진행하여, 본 루틴을 일단 종료한다. 이 경우, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 및 보정 계수 (KF) 값의 백업 RAM (74) 내부로의 기억 처리 모두 실행되지 않는다. 이 메인 피드백 조건은 앞선 단계 (915) (및 단계(1005)) 에서의 메인 피드백 조건과 동일하다.

메인 피드백 조건이 성립한다는 가정하에 설명을 계속하기로 한다. CPU (71) 는 단계 (1205) 에서 "예" 판정을 내리고 단계 (1210) 으로 진행하여, 앞선 도 10 의 단계 (1005) 에서 산출된 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 가 저주파 통과 필터 (A17a) 에 의해 저주파 통과 필터 처리되는 방법에 의하여, 저주파 통과 필터 처리 후 검출 공연비 (abyfslow) 를 취득한다.

그 다음에, CPU (71) 는 단계 (1215) 로 진행하여, 현시점에서의 엔진 회전 속도 (NE), 앞선 도 9 의 단계 (905) 에서 산출된 이번 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)), 및 도 6 의 테이블 (MapM) 에 근거하여 M 값이 산출되고, 현시점으로부터 M 행정 이전의 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 이 저주파 통과 필터 (A17c) 에 의해 저주파 통과 필터 처리되는 방법에 의하여, 저주파 통과 필터 처리 후 지령 최종 연료 분사량 (Filow) 을 취득한다.

계속해서, CPU (71) 는 단계 (1220) 로 진행하여, 앞서 도 9 의 단계 (910)에서 산출된 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 이 저주파 통과 필터 (A17e) 에 의해 저주파 통과 필터 처리되는 방법에 의하여, 저주파 통과 필터 처리 후 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseblow) 을 취득한다.

다음으로, CPU (71) 는 단계 (1225) 로 진행하여, 상기 취득한 저주파 통과 필터 처리 후 검출 공연비 (abyfslow), 상기 취득한 저주파 통과 필터 처리 후 지령 최종 연료 분사량 (Filow), 앞선 도 9 의 단계 (910) 에서 사용된 이번 목표 공연비 (abyfr(k)), 및 위 식 (11) 에 근거하여, 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 이 구해진다. 이어지는 단계 (1230) 에서, 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset), 상기 취득한 저주파 통과 필터 처리 후 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseblow), 및 상기 식 (12) 에 근거하여, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 가 구해진다.

그리고, CPU (71) 는 단계 (1235) 로 진행하여, 도 9 의 단계 (905) 에서 결정되는 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 값에 따라 선택된 KF(m)(m: 1 - 4) 값이, 위에서 상기 산출된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 값에 업데이트되고, 업데이트된 KF(m) 값은 백업 RAM (74) 의 대응하는 메모리에 기억된다. 그 후에, CPU (71) 는 단계 (1295) 로 진행하여 본 루틴을 일단 종료한다.

이와 같이, 메인 피드백 조건이 성립하는 경우에 있어서, 연료 분사 실린더에 대해 연료 분사 개시 시기가 도래할 때마다, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 의 산출 (업데이트) 및 보정 계수 (KF) 값의 백업 RAM (74) 에의 기억 처리가 실행된다. 그리고, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 가 다음번 연료 분사 실린더에 대해 실행되는 앞선 도 9 의 루틴에서의 단계 (920) 에서 사용되어, 다음번 보 정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 은 이번에 산출된 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 에 따라 보정되어 간다.

이상 설명한 것처럼, 본 발명에 따른 엔진 공연비 제어 장치의 실시 형태에 따르면, 연소실 내부로 흡입된 실린더 내부 흡입 공기량이 일정하다는 가정 아래에서, 지령 최종 연료 분사량 (Fi) (실제로는 Fi(k-M)) 및 상류측 공연비 센서 (66) 의 검출 공연비 (abyfs(k)) 의 곱이, 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비가 목표 공연비 (abyfr(k)) 가 되도록 하기 위해 필요한 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset), 및 이 목표 공연비 (abyfr(k)) 와의 곱과 동일하다는 관계로부터, 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) (=(abyfs(k)/abyfr(k))·Fi(k-M)) 이 산출되고, 산출된 목표 지령 기본 연료 분사량 (Fbaset) 은 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 로 나누어져, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) (=Fbaset/Fbaseb(k)) 를 구한다 (실제로는, 저주파 통과 필터 처리가 아울러 실행된다).

그리고, 다음번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 에 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 가 곱해져서, 다음번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb) 이 보정되어 간다 (즉, 다음번 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 이 결정되어 간다). 따라서, 다음번 보정후 지령 기본 연료 분사량 (Fbase) 이, 엔진에 공급되는 혼합물의 실제 공연비가 목표 공연비 (abyfr) 가 되도록 하기 위하여 분사 지시가 내려져야 하는 연료 분사량과 일치하도록 (근접하도록) 결정되어, 결과적으로 엔진에 공급되는 혼합물의 공연비가 목표 공연비 (abyfr) 쪽으로 제어되면서, 기본 연료 분사량의 오차는 신속하게 보상되어 간다.

본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 범위 내에서 여러가지의 변형된 실시형태를 채용할 수 있다. 예를 들면, 상기 실시형태들에서, 도 7 (도 12 의 단계 (1210) 내지 단계 (1220)) 에 나타난 것처럼, 검출 공연비 (abyfs(k)), 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 및 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 이 각각 저주파 통과 필터에 의해 저주파 통과 필터 처리된 후 얻어진 값들을 이용하여, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 가 산출될 수 있다. 그러나 본 장치는, 검출 공연비 (abyfs(k)), 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 및 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k)) 값들 자체로부터 저주파 통과 필터 처리 전 기본 연료 분사량 보정 계수 (KFb) (=(abyfs(k)·Fi(k-M))/(abyfr(k)·Fbaseb(k))) 가 산출되고, 저주파 통과 필터 처리 전 기본 연료 분사량 보정 계수 (KFb) 가 저주파 통과 필터에 의해 저주파 통과 필터 처리되는 방법에 의하여, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 산출하도록 구성될 수도 있다.

또한, 상기 실시형태에서, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 의 산출에 사용되는, 현시점으로부터 M 행정 이전의 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)) 에 대한 M 값 (지연 시간에 상당하는 값) 은, 엔진 회전 속도 (NE), 실린더 내부 흡입 공기량 (Mc(k)) 및 도 6 에 나타낸 테이블 (MapMc) 에 근거하여 산출되지만, M 값은 소정의 상수값으로 설정할 수도 있다.

또한, 상기 실시형태에서, 도 7 에 나타난 것처럼, 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 는, 이번 검출 공연비 (abyfs(k)), 현시점으로부터 M 행정 이전의 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)), 이번 목표 공연비 (abyfr(k)), 및 이번 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbase(k)) 에 근거하여 구해진다. 그러나 본 장치는, 이번 검출 공연비 (abyfs(k)), 현시점으로부터 M 행정 이전의 지령 최종 연료 분사량 (Fi(k-M)), 현시점으로부터 M 행정 이전의 목표 공연비 (abyfr(k-M)), 및 현시점으로부터 M 행정 이전의 보정전 지령 기본 연료 분사량 (Fbaseb(k-M)) 을 근거로 기본 연료 분사량 보정 계수 (KF) 를 산출하도록 구성될 수도 있다.

또한, 상기 실시형태에서, 메인 피드백 제어의 경우, 현시점으로부터 N 행정 이전의 목표 실린더 내부 연료 공급량 (Fcr(k-N)) 으로부터, 현시점으로부터 N 행정 이전의 실제 실린더 내부 연료 공급량 (Fc(k-N)) 을 빼는 방법에 의하여 얻어지는 실린더 내부 연료 공급량 편차 (DFc) 에 근거하여, 메인 피드백 보정량 (DFimain) 이 구해진다. 그러나 본 장치는, 상류측 공연비 센서 (66) 에 의한 이번 검출 공연비 (abyfs(k)) 로부터, 현시점으로부터 N 행정 이전의 목표 공연비 (abyfr(k-N)) 를 빼는 방법에 의하여 얻어진 값에 근거하여, 메인 피드백 보정량 (DFimain) 을 산출하도록 구성할 수도 있다.

Claims

내연 기관의 배기 통로에 배치된 촉매, 그 촉매의 상류에 놓여 있는 그 배기 통로의 일부에 배치된 상류측 공연비 센서, 그 촉매의 하류에 놓여 있는 그 배기 통로의 일부에 배치된 하류측 공연비 센서, 및 지시에 응하여 연료를 분사하는 연료 분사 수단을 갖춘 내연 기관에 적용되는 내연 기관의 공연비 제어 장치에 있어서,

상기 내연 기관의 운전 상태에 근거하여 추정되는 실린더 내부 흡입 공기량으로부터 목표 공연비를 얻기 위한 연료량을 지령 기본 연료 분사량으로서 취득하는 지령 기본 연료 분사량 취득 수단,

상기 상류측 공연비 센서의 출력값과 미리 결정된 상류측 목표값 사이의 차에 근거한 값이 소정의 고주파 통과 필터 처리된 후의 값, 또는 상기 상류측 공연비 센서의 출력값이 소정의 고주파 통과 필터 처리된 후의 값에 근거하여 메인 피드백 보정량을 산출하는 메인 피드백 보정량 산출 수단,

상기 하류측 공연비 센서의 출력값과 미리 결정된 하류측 목표값에 근거하여 서브 피드백 보정량을 산출하는 서브 피드백 보정량 산출 수단,

상기 지령 기본 연료 분사량의 연료 분사 지시를 받았을 때 상기 연료 분사 수단이 실제로 분사하는 연료량이, 상기 내연 기관에 공급되는 혼합물의 실제 공연비가 목표 공연비가 되는 데 필요한 양이 되도록 하기 위하여, 상기 지령 기본 연료 분사량을 보정하는 지령 기본 연료 분사량 보정 수단,

상기 보정후 지령 기본 연료 분사량이 상기 메인 피드백 보정량 및 상기 서브 피드백 보정량에 의해 보정되는 것에 의하여 지령 최종 연료 분사량을 산출하는 지령 최종 연료 분사량 산출 수단, 및

상기 지령 최종 연료 분사량의 연료 분사 지시가 상기 연료 분사 수단에 내려지는 것에 의하여, 상기 내연 기관에 공급되는 혼합물의 공연비를 피드백 제어하는 공연비 제어 수단을 포함하고,

상기 지령 기본 연료 분사량 보정 수단은, 상기 상류측 공연비 센서의 출력값, 상기 지령 최종 연료 분사량, 상기 목표 공연비 및 상기 지령 기본 연료 분사량에 근거하여 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 산출하고 또한 그 파라미터 값을 이용하여 지령 기본 연료 분사량을 보정하도록 되어 있는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 지령 기본 연료 분사량 보정 수단에 의해 산출되는 상기 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값은, 소정의 저주파 통과 필터 처리되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 연료 분사 지시로부터, 그 분사 지시에 의해 분사된 연료의 연소에 의한 배기 가스의 공연비가 상기 상류측 공연비 센서의 출력값으로 나타날 때까지의 지연 시간을 취득하는 지연 시간 취득 수단을 더 포함하며,

상기 지령 기본 연료 분사량 보정 수단은, 상기 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값의 산출에 있어서, 적어도 상기 지령 최종 연료 분사량으로서, 지연 시간 이전 시점에서의 분사 지시에 관계되는 값을 사용하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 지연 시간 취득 수단은 내연 기관의 운전 상태에 따라 지연 시간을 변경할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 공연비 제어 장치.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지령 기본 연료 분사량 보정 수단에 의해 산출된 상기 지령 기본 연료 분사량 보정용 파라미터 값을 기억하는 기억 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 내연 기관의 공연비 제어 장치.