JP2008051003A - 多気筒エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、空燃比ずれの生じている気筒を特定できる多気筒エンジンの空燃比制御装置を実現することを目的としている。
【解決手段】このため、触媒と上流側空燃比検出手段と下流側空燃比検出手段とを備えた多気筒エンジンの空燃比制御装置において、クランク角検出手段と気筒識別手段と流量検出手段を備え、下流側空燃比検出手段の値を基にした算出値と、流量検出手段の通過流量とを用いて多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒を識別する気筒インバランス識別手段を備え、気筒インバランス識別手段によりインバランスしている気筒があると認識された場合には、気筒識別手段により各気筒の特定の工程を通過する時間を計測し、計測された時間を周波数分析することにより空燃比のインバランスしている気筒を特定するインバランス気筒特定手段を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は多気筒エンジンの空燃比制御装置に係り、特に空燃比ずれの生じている気筒を特定可能な多気筒エンジンの空燃比制御装置に関するものである。

車両に搭載されるエンジン、例えば多気筒エンジンの空燃比制御装置においては、触媒の上流側と下流側に、多気筒エンジンから排出される排気ガスの空燃比を検出するために、上流側空燃比検出手段（「フロント空燃比（Ａ／Ｆ）センサ」とも記載する。）と下流側空燃比検出手段（「リヤ酸素（Ｏ２）センサ」とも記載する。）とを設けている。
そして、前記上流側空燃比検出手段と触媒と下流側空燃比検出手段が活性化した状態では、前記多気筒エンジンの負荷状態に基づいて吸気量に対する燃料噴射量を補正制御し且つ空燃比を下流側空燃比検出手段に基づいて目標空燃比にフィードバック制御、つまり、リアＯ２フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を可能としている。

特開２００２−２０１９８４号公報 特開２００２−３３２８９５号公報 特開２００２−３７１９０６号公報 特開２００６−００９６７４号公報

ところで、従来の多気筒エンジンの空燃比制御装置において、米国法規を満たすために必要な気筒別空燃比インバランス診断検出方策は、検出方法が著しく難しくものである。
つまり、検出方法の要件は、
排気ガス規制値＊１．５となる１気筒以上の空燃比ずれ＝故障
と定義されている。
この結果、「排気ガス規制値＊１．５となる１気筒以上の空燃比ずれ」は、無限の組み合わせがあり、現実的にテストおよび／または故障検出閾（しきい）値の設定ができないという不都合がある。
そして、特に、特定の気筒を検出する際に、Ｖ型エンジンなどの両バンク同時に故障した場合には、気筒を特定することが不可能となってしまうという不都合がある。

この発明の目的は、空燃比ずれの生じている気筒を特定して空燃比ずれを解消するための有効な対策を立てることを可能とし、北米市場で販売するためのＯＢＤＩＩ法規（「排気ガスＯＢＤ規制」ともいう。）要件を満たすことのできる多気筒エンジンの空燃比制御装置を実現することにある。

そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、触媒の上流側と下流側に、多気筒エンジンから排出される排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比検出手段と下流側空燃比検出手段とを備えた多気筒エンジンの空燃比制御装置において、クランク角を検出するクランク角検出手段を設け、このクランク角検出手段により気筒を識別する気筒識別手段を備え、前記触媒内を通過する排気ガスの流量を検出する流量検出手段を備え、前記下流側空燃比検出手段により検出された値を基に算出された算出値と、前記流量検出手段により検出された通過流量とを用いて多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒があるかどうかを識別する気筒インバランス識別手段を備え、この気筒インバランス識別手段によりインバランスしている気筒があると認識された場合には、前記気筒識別手段により各気筒の特定の工程を通過する時間を計測し、計測された時間を周波数分析することにより空燃比のインバランスしている気筒を特定するインバランス気筒特定手段を備えていることを特徴とする。

以上詳細に説明した如くこの本発明によれば、触媒の上流側と下流側に、多気筒エンジンから排出される排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比検出手段と下流側空燃比検出手段とを備えた多気筒エンジンの空燃比制御装置において、クランク角を検出するクランク角検出手段を設け、クランク角検出手段により気筒を識別する気筒識別手段を備え、触媒内を通過する排気ガスの流量を検出する流量検出手段を備え、下流側空燃比検出手段により検出された値を基に算出された算出値と、流量検出手段により検出された通過流量とを用いて多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒があるかどうかを識別する気筒インバランス識別手段を備え、気筒インバランス識別手段によりインバランスしている気筒があると認識された場合には、気筒識別手段により各気筒の特定の工程を通過する時間を計測し、計測された時間を周波数分析することにより空燃比のインバランスしている気筒を特定するインバランス気筒特定手段を備えている。
従いまして、特定の気筒のみ排気ガス規定値から大きくずれる「空燃比ずれ」が起こっている気筒を特定することが可能である。
これにより、空燃比ずれが生じている気筒を特定することができるので、空燃比ずれを解消するための有効な対策を立てることが可能である。

上述の如く発明したことにより、気筒インバランス識別手段によってインバランスしている気筒があると認識された場合には、気筒識別手段により各気筒の特定の工程を通過する時間を計測するとともに、計測された時間を周波数分析し、インバランス気筒特定手段によって空燃比のインバランスしている気筒、つまり、特定の気筒のみ排気ガス規定値から大きくずれる「空燃比ずれ」が起こっている気筒を特定し、ずれを解消するための有効な対策を立てることを可能としている。

以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。

図１〜図５はこの発明の実施例を示すものである。
図２において、１は多気筒エンジンの空燃比制御装置である。
この空燃比制御装置１は、図示しない触媒の上流側に多気筒エンジンから排出される排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比検出手段、例えばフロントＡ／Ｆセンサ（「ＬＡＦ Ｓｅｎｓｏｒ」とも記載する。）２を備えるとともに、触媒の下流側には下流側空燃比検出手段、例えばリヤＯ２センサ３を備えている。
また、前記空燃比制御装置１は、図２に示す如く、冷却水温度を検出可能な水温センサ４と、吸気温度を検出可能な吸気温センサ５と、カム角度を検出可能なカム角センサ６と、クランク角度を検出可能なクランク角検出手段、例えばパルスロータ付クランク角センサ７とを備えている。

更に、前記空燃比制御装置１は、制御ユニット８を備えている。
そして、この制御ユニット８は、リヤＯ２センサフィードバック制御手段（「リヤＯ２センサＦ／Ｂ制御手段」とも記載する。）９と、目標空燃比算出手段（「目標Ａ／Ｆ算出手段」とも記載する。）１０と、フロントＡ／Ｆセンサフィードバック制御手段（「フロントＡ／ＦセンサＦ／Ｂ制御手段」とも記載する。）１１と、インジェクタ噴射時間計算手段１２とを備えている。
前記リヤＯ２センサフィードバック制御手段９は、下流側空燃比検出手段であるリヤＯ２センサ３からの検出信号を入力し、前記多気筒エンジンの負荷状態に基づいて吸気量に対する燃料噴射量を補正制御し且つ空燃比を下流側空燃比検出手段であるリヤＯ２センサ３に基づいて目標空燃比にフィードバック制御、つまり、リアＯ２フィードバック制御を可能としている。
また、前記目標空燃比算出手段１０は、リヤＯ２センサフィードバック制御手段９に連絡し、目標空燃比を算出する機能を有している。
更に、前記フロントＡ／Ｆセンサフィードバック制御手段１１は、前記フロントＡ／Ｆセンサ２と目標空燃比算出手段１０とに連絡し、フロントＡ／Ｆセンサ２のフィードバック制御を可能としている。
更にまた、前記インジェクタ噴射時間計算手段１２は、フロントＡ／Ｆセンサフィードバック制御手段１１に連絡し、図示しないインジェクタからの燃料噴射時間を計算する機能を有している。

前記空燃比制御装置１の制御ユニット８は、クランク角検出手段であるパルスロータ付クランク角センサ７により気筒を識別する気筒識別手段１３と、前記触媒内を通過する排気ガスの流量を検出する流量検出手段１４を備え、前記下流側空燃比検出手段であるリヤＯ２センサ３により検出された値を基に算出された算出値と、前記流量検出手段１４により検出された通過流量（「触媒通過流量」または「触媒通過ガス流量」ともいう。）とを用いて多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒があるかどうかを識別する気筒インバランス識別手段１５を備え、この気筒インバランス識別手段１５によりインバランスしている気筒があると認識された場合には、前記気筒識別手段１３により各気筒の特定の工程を通過する時間を計測し、計測された時間を周波数分析することにより空燃比のインバランスしている気筒を特定するインバランス気筒特定手段１６を備えている。

詳述すれば、前記空燃比制御装置１の制御ユニット８は、前記フロントＡ／Ｆセンサ２やリヤＯ２センサ３、カム角センサ６、パルスロータ付クランク角センサ７を有する多気筒エンジンにおいて、この多気筒エンジンの個々の気筒に関連するインバランスを特定するものである。
つまり、エンジン回転数条件や負荷条件、リニア空燃比の条件に該当している期間のリヤＯ２センサ３の目標電圧と実電圧との差を算出し、その差からＰＩ制御（比例動作に積分動作を加えた制御）によりリヤＯ２センサ３の補正値である算出値を算出する（図３（ｂ）参照）。
また、このリヤＯ２センサ３の補正値である算出値と前記流量検出手段１４により検出された通過流量との算出し、図３（ｄ）に示す如く、この積をリニア空燃比の条件に該当している期間中に積算させる。
そして、図３（ｄ）に示す如く、この積算した値が閾値を越えて、Ｘ秒間保持した時に、前記気筒インバランス識別手段１５によって多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒があることを認識する。

また、前記気筒インバランス識別手段１５によりインバランスしている気筒があると認識された場合には、必ずリーン側のリヤＯ２補正燃料診断異常になるため、リーン側閾値を超えてから、カム角センサ６とパルスロータ付クランク角センサ７とにより気筒識別していることを利用し、前記インバランス気筒特定手段１６によって気筒の特定を行う。
つまり、図４に示す如く、パルスロータ付クランク角センサ７により、アイドル時にクランク角２回転時の各気筒の特定の工程である圧縮工程を通過する時間を各気筒夫々Ｎ回ずつ計測する。
そして、計測された時間を周波数分析（フーリエ変換によるパラメータ化）し、気筒間の成分強度の相対比較を行うことで、気筒の特定が可能となるものである。

ここで、周波数分析について記載する。
一般的な周波数分析法においては、時不変信号の周波数を調べるためにフーリエ変換が使用される。
このフーリエ変換は、時間軸信号を周波数軸信号に変換することができるものである。
例えば、今回の各気筒の特定の工程である圧縮工程の時間のように未知の周波数を持つｓｉｎ波をフーリエ変換することにより、その周波数を特定することが可能となる。
また、気筒間のインバランスが起きると、アイドル時の圧縮工程の時間幅がその気筒だけズレが生じることとなるが、そのズレに対して、そのまま変換せずに相対比較することは困難であり、異常と正常との区別がつき難い。
そこで、周波数分析を用いて、図５に示す如く、特定の帯域の信号を抽出して正常時と異常時との区別を行うものである。
特に、単気筒の異常を検出する場合には、クランク角２回転分の周波数帯域での相対比較がポイントであり、Ｖ６エンジンのような対向気筒の２気筒の異常を検出する場合には、１回転分の周波数帯域での比較がポイントとなる。
その他としては、車両振動との区別などもあるが、今回は単気筒のインバランス検出を行うため、説明は省略した。

次に、図１の多気筒エンジンの空燃比制御装置１の制御用フローチャートに沿って作用を説明する。

先ず、この多気筒エンジンの空燃比制御装置１の制御用フローチャートに関して記載すると、処理や判断の項目（１０２）〜（１０７）までは前記気筒インバランス識別手段１５によって気筒のインバランスを検出する部分であり、項目（１０８）〜（１１２）までは前記インバランス気筒特定手段１６によってインバランスしている気筒を特定する部分である。

前記多気筒エンジンの空燃比制御装置１の制御用プログラムがスタート（１０１）すると、インバランス検出用診断条件を満足するか否かの判断（１０２）に移行する。
このとき、判断（１０２）においては、インバランス検出用診断条件である以下の５つの項目の全てを満足する必要がある。
（１）リヤＯ２センサフィードバック制御が成立しているか否か？
（２）燃料エンリッチメント状態でないか否か？
（３）目標空燃比と実空燃比との差がある所定の範囲内にあるか否か？
（４）エンジン負荷及び吸入空気量がある所定の範囲内にあるか否か？
（５）フロントＡ／Ｆセンサ２、リヤＯ２センサ３、水温センサ４、吸気温センサ５、カム角センサ６、パルスロータ付クランク角センサ７が故障していないか否か？

そして、上述のインバランス検出用診断条件を満足するか否かの判断（１０２）において、５つの項目を有するインバランス検出用診断条件のいずれか１つを満足しない、つまり判断（１０２）がＮＯの場合には、この判断（１０２）がＹＥＳとなるまで判断（１０２）を繰り返し行う。
５つの項目を有するインバランス検出用診断条件の全てを満足する、つまり判断（１０２）がＹＥＳの場合には、リヤＯ２補正が所定の範囲内にあるか否かの判断（１０３）に移行する。

このリヤＯ２補正が所定の範囲内にあるか否かの判断（１０３）において、判断（１０３）がＹＥＳの場合には、前記リヤＯ２センサ３の補正値である算出値と前記流量検出手段１４により検出された通過流量との積をリセットする処理（１０４）に移行し、上述のインバランス検出用診断条件を満足するか否かの判断（１０２）に戻る。
また、判断（１０３）がＮＯの場合には、前記リヤＯ２センサ３の補正値である算出値と前記流量検出手段１４により検出された通過流量との積を算出し、指数の算出を行う処理（１０５）に移行し、その後に、積算指数がある閾値を越え、Ｘ秒間保持したか否かの判断（１０６）に移行する。

そして、この積算指数がある閾値を越え、Ｘ秒間保持したか否かの判断（１０６）において、判断（１０６）がＮＯの場合には、上述のインバランス検出用診断条件を満足するか否かの判断（１０２）に戻る。
また、判断（１０６）がＹＥＳの場合には、気筒のインバランス異常検出、つまり前記気筒インバランス識別手段１５によって多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒があることを認識する処理（１０７）に移行する。

この気筒のインバランス異常検出、つまり前記気筒インバランス識別手段１５によって多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒があることを認識する処理（１０７）の後には、インバランス気筒特定用診断条件の全てを満足するか否かの判断（１０８）に移行する。
このとき、判断（１０８）においては、インバランス気筒特定用診断条件である以下の４つの項目の全てを満足する必要がある。
（１）アイドル条件が成立しているか否か？
（２）完全暖機条件が成立しているか否か？
（３）回転数条件が成立しているか否か？
（４）吸入空気流量条件が成立しているか否か？

そして、上述のインバランス気筒特定用診断条件を満足するか否かの判断（１０８）において、４つの項目を有するインバランス気筒特定用診断条件のいずれか１つを満足しない、つまり判断（１０８）がＮＯの場合には、この判断（１０８）がＹＥＳとなるまで判断（１０８）を繰り返し行う。
４つの項目を有するインバランス気筒特定用診断条件の全てを満足する、つまり判断（１０８）がＹＥＳの場合には、アイドル点火補正の中止及び点火時期固定、そしてＩＳＣ（「アイドル・スピード・コントロール」ともいう。）の回転数フィードバックの中止がされているか否かの判断（１０９）に移行する。

このアイドル点火補正の中止及び点火時期固定、そしてＩＳＣ（「アイドル・スピード・コントロール」ともいう。）の回転数フィードバックの中止がされているか否かの判断（１０９）において、判断（１０９）がＮＯの場合には、この判断（１０９）がＹＥＳとなるまで判断（１０９）を繰り返し行う。
また、判断（１０９）がＹＥＳの場合には、各気筒の特定の工程である圧縮工程を通過する時間（「ＷＩＮＤＯＷ時間」ともいう。）を各気筒夫々Ｎ回ずつ計測する処理（１１０）に移行し、その後に、周波数分析による判断（１１１）に移行する。

このとき、周波数分析による判断（１１１）は、前記インバランス気筒特定手段１６によって計測された時間を周波数分析し、気筒間の成分強度の相対比較により、特定気筒がある所定の閾値を越えているか否かを判断するものである。
そして、この判断（１１１）がＮＯの場合には、上述のインバランス気筒特定用診断条件を満足するか否かの判断（１０８）に戻る。
また、判断（１１１）がＹＥＳの場合には、気筒間インバランスの原因の気筒を特定する処理（１１２）に移行し、その後に、前記多気筒エンジンの空燃比制御装置１の制御用プログラムのエンド（１１３）に移行する。
以上によって、排気ガスＯＢＤ規制を満足し、「気筒別空燃比インバランス診断検出方法」を確実することが可能である。

これにより、触媒の上流側と下流側に、多気筒エンジンから排出される排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比検出手段であるフロントＡ／Ｆセンサ２と下流側空燃比検出手段であるリヤＯ２センサ３とを備えた多気筒エンジンの空燃比制御装置１において、この空燃比制御装置１は、クランク角検出手段であるパルスロータ付クランク角センサ７と気筒識別手段１３と流量検出手段１４とを備えるとともに、前記下流側空燃比検出手段であるリヤＯ２センサ３により検出された値を基に算出された算出値と、前記流量検出手段１４により検出された通過流量とを用いて多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒があるかどうかを識別する気筒インバランス識別手段１５を備え、この気筒インバランス識別手段１５によりインバランスしている気筒があると認識された場合には、前記気筒識別手段１３により各気筒の特定の工程を通過する時間を計測し、計測された時間を周波数分析することにより空燃比のインバランスしている気筒を特定するインバランス気筒特定手段１６を備えている。
従いまして、特定の気筒のみ排気ガス規定値から大きくずれる「空燃比ずれ」が起こっている気筒を特定することが可能である。
これにより、空燃比ずれが生じている気筒を特定することができるので、空燃比ずれを解消するための有効な対策を立てることが可能である。

また、各気筒の特定の工程を圧縮工程とした。
従いまして、各気筒の特定の工程を圧縮工程とすることにより、クランク角検出手段であるパルスロータ付クランク角センサ７による検出精度、及び前記気筒識別手段１３による各気筒の特定の工程を通過する時間の計測精度の向上に寄与し得る。

この発明の実施例を示す多気筒エンジンの空燃比制御装置の制御用フローチャートである。 多気筒エンジンの空燃比制御装置ののシステム図である。 多気筒エンジンの空燃比制御装置のタイムチャートを示し、（ａ）はリヤＯ２センサ出力を示すタイムチャート、（ｂ）はリヤＯ２センサ補正値（実電圧と目標の差）を示すタイムチャート、（ｃ）は触媒通過ガス流量（ＭＦＡより）を示すタイムチャート、（ｄ）は補正値＊触媒通過ガス流量を示すタイムチャートである。 多気筒エンジンの空燃比制御装置のカム角センサとクランク角センサとの出力状態を示すタイムチャートである。 周波数強度と周波数との関係から一般的な周波数分析を説明する図である。

符号の説明

１ 多気筒エンジンの空燃比制御装置
２ フロントＡ／Ｆセンサ
３ リヤＯ２センサ
４ 水温センサ
５ 吸気温センサ
６ カム角センサ
７ パルスロータ付クランク角センサ
８ 制御ユニット
９ リヤＯ２センサフィードバック制御手段
１０ 目標空燃比算出手段
１１ フロントＡ／Ｆセンサフィードバック制御手段
１２ インジェクタ噴射時間計算手段
１３ 気筒識別手段
１４ 流量検出手段
１５ 気筒インバランス識別手段
１６ インバランス気筒特定手段

Claims (2)

1. 触媒の上流側と下流側に、多気筒エンジンから排出される排気ガスの空燃比を検出可能な上流側空燃比検出手段と下流側空燃比検出手段とを備えた多気筒エンジンの空燃比制御装置において、クランク角を検出するクランク角検出手段を設け、このクランク角検出手段により気筒を識別する気筒識別手段を備え、前記触媒内を通過する排気ガスの流量を検出する流量検出手段を備え、前記下流側空燃比検出手段により検出された値を基に算出された算出値と、前記流量検出手段により検出された通過流量とを用いて多気筒の中で空燃比のインバランスを起こしている気筒があるかどうかを識別する気筒インバランス識別手段を備え、この気筒インバランス識別手段によりインバランスしている気筒があると認識された場合には、前記気筒識別手段により各気筒の特定の工程を通過する時間を計測し、計測された時間を周波数分析することにより空燃比のインバランスしている気筒を特定するインバランス気筒特定手段を備えていることを特徴とする多気筒エンジンの空燃比制御装置。
2. 各気筒の特定の工程は、圧縮工程であることを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジンの空燃比制御装置。

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