JP2009203919A - 空燃比制御方法、空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料カット実行後のＮＯ_x及びＨＣの排出を抑制する。
【解決手段】エンジン２の燃料カットが発生した際に、触媒５の下流に設けられたリアＯ₂センサ１２の出力を、燃料カットを続けた場合に計測され得る極小値よりも高く理論空燃比に対応した値よりも低い下棚の値を目標としてバックステッピング制御するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車等のエンジンにおける燃料カット実行後の空燃比の制御に関する。

一般に、自動車等の排気管には、エンジンから排出される排ガス中のＨＣ、ＮＯ_xを酸化／還元して無害化する触媒が装着されている。触媒による排ガス浄化効率を保つには、触媒下流での空燃比を理論空燃比近傍の一定範囲（ウィンドウと称する）に収束させる必要がある。そのために、触媒の上流側、下流側にそれぞれＯ₂センサまたは空燃比センサを配し、フロント、リア両センサの出力信号を用いる二重のフィードバックループを構成して空燃比を制御することが行われる（例えば、下記特許文献を参照）。
特開２００６−３２９００５号公報 特開２００６−３２９００６号公報

自動車等では、所定の条件の下でエンジンへの燃料供給を一時停止することがある。この燃料カットは例えば、エンジン回転数が所定の燃料カット設定回転数を上回っている状態で、運転者の足がアクセルペダルから離れて減速に入る際に発生する。燃料カットに伴い、触媒には燃料を含まない空気が満ちる。

その後、エンジン回転数が再供給回転数以下になると燃料供給が再開される。このとき、触媒下流の空燃比がリーンのままでなかなか復旧せず、燃料カット終了と同時にスパイク的にＮＯ_xが排出されたり、アイドル回転で少量のＮＯ_xの排出が続いたりすることがある。

これに対し、空燃比を速やかにウィンドウ内に制御しようとしてリッチ補正を行うと、却って過補正となりＨＣの排出という別の問題を招く。

以上に鑑みてなされた本発明は、燃料カット実行後のＮＯ_x及びＨＣの排出を抑制することを所期の目的とする。

上記の課題を解決するべく、エンジンの排気管に装着された触媒の下流側における空燃比を制御するにあたり、エンジンの燃料カットが発生した際に、触媒の下流に設けられたリアＯ₂センサの出力を、燃料カットを続けた場合に計測され得る極小値よりも高く理論空燃比に対応した値よりも低い値を目標として制御することとした。

Ｏ₂センサは、排ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力し、空燃比に対して非線形な出力特性を有する。図２に示すように、Ｏ₂センサの出力は、ウィンドウの範囲では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値に漸近する。

しかし、詳細には、リーン領域からウィンドウ領域に復帰するにあたり、低位飽和値よりもやや高い出力値で変化率の小さい棚状の値域（下棚と称する）を通過する。本発明では、燃料カットの実行後、触媒下流の空燃比即ちリアＯ₂センサの出力をこの下棚の値に速やかに追従させる制御を行う。これにより、再加速時やアイドリング時のＮＯ_xの排出を低減できる。のみならず、不必要なリッチ補正を行わないため、過補正に起因するＨＣの排出の問題をも回避できる。

普遍的なＬＱＩ制御系等では、積分器において制御出力とその目標値との偏差を積分する。そして、その積分の影響により、制御出力のオーバーシュート及びアンダーシュートが繰り返されるおそれがある。リアＯ₂センサの出力を可及的速やかに目標に追従させるためには、積分器を持たないバックステッピングコントローラを用いてこれを制御することが有効である。

本発明によれば、燃料カット実行後のＮＯ_x及びＨＣの排出を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の空燃比制御装置１は、エンジン２で燃料を燃焼させることにより発生する有害物質ＮＯ_x、ＨＣを無害化する触媒３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３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フロントＯ₂センサ１１と、触媒３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リアＯ₂センサ１２と、両センサ１１、１２の出力信号を検出する検出部１３と、両センサ１１、１２の出力信号をその目標値に制御する制御部１４とを具備する。

ハードウェア構成の概要を、図３に示す。エンジン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。エンジン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３を通じて大気中に放出される。フロントＯ₂センサ１１及びリアＯ₂センサ１２は、排ガスに接触して反応することにより、排ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。

フロントＯ₂センサ１１、リアＯ₂センサ１２は、吸気圧センサ、回転数センサ、車速センサ、水温センサ、カムポジションセンサ、スロットルセンサ等の各種センサ（図示せず）とともに、電子制御装置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。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、図１に示す検出部１３及び制御部１４としての機能を発揮する。

検出部１３は、フロントＯ２センサ１１、リアＯ２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を介して検出する。そして、制御部１４は、目標空燃比を実現するように燃料噴射量を算出し、その燃料噴射量に対応する制御信号をＩ／Ｏインタフェース５４を介して燃料噴射弁に入力、エンジン２の燃料噴射を制御する。燃料噴射量は、吸気管圧力や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温度（冷却水温）や要求量、並びに排ガスの空燃比等に応じた補正を加えて最終的に決定する。本実施形態では、図４に示すように、触媒３の前後に設けたＯ₂センサ１１、１２の出力信号を参照する二重のフィードバックループを構築し、触媒３の上流側の空燃比をフロントコントローラ１４１にて、下流側の空燃比をリアコントローラ１４２にて、それぞれ制御する。図４中、ＴＴＡＵＳは基本噴射量を表す。Ｆｒｏｎｔ Ａ／Ｆ、Ｒｅａｒ Ａ／Ｆはそれぞれ、触媒３の上流側、下流側における排ガスの空燃比である。フロントＯ₂センサ１１は電圧ＯＸＡＤを出力し、リアＯ₂センサ１２は電圧ＯＸ２ＡＤを出力する。フロントコントローラ１４１の出力ＦＡＦは燃料噴射補正量、即ち基本噴射量を何％補正するかを表す。リアコントローラ１４２の出力ＦＡＣＦは、フロントコントローラ１４１における制御誤差を補正する。ＯＸＡＤ^*はＯＸＡＤの目標値、ＯＸ２ＡＤ^*はＯＸ２ＡＤの目標値である。通常時、触媒後空燃比ＯＸ２ＡＤの目標値ＯＸ２ＡＤ^*は、ウィンドウ内の空燃比に相当する値に設定する。

本実施形態の空燃比制御は、リアコントローラ１４２に特徴がある。リアコントローラ１４２は、積分器を持たない制御の一であるバックステッピング制御を行うものである。リアコントローラ１４２は、ＯＸ２ＡＤ^*を目標としてセンサ出力ＯＸ２ＡＤを制御するべく、ＯＸＡＤ^*に加算する補正量ＦＡＣＦを出力する。つまり、フロントコントローラ１４１は、（ＯＸＡＤ^*＋ＦＡＣＦ）を目標としてセンサ出力ＯＸＡＤを制御することになる。リアコントローラ１４２によるＦＡＣＦの算出に関し、二つの状態量ｘ₁、ｘ₂を考える。
ｘ₁（ｉ）＝ＯＸ２ＡＤ（ｉ）−ＯＸ２ＡＤ^*
ｘ₂（ｉ）＝ＯＸ２ＡＤ（ｉ＋１）−ＯＸ２ＡＤ^*
リアコントローラ１４２は、これら状態量ｘ₁、ｘ₂を状態フィードバックを以て０にするように制御することを通じて、補正量ＦＡＣＦを算出する。

制御対象は、例えば２次線形状態方程式（数１）でモデル化することができる。

状態量ｘ₁（ｉ＋１）、ｘ₂（ｉ＋１）はそれぞれ、ｘ₁（ｉ）、ｘ₂（ｉ）とＦＡＣＦとの線形和となる。状態方程式（数１）は、二つのサブシステムに分割できる。即ち、
ｘ₁（ｉ＋１）＝ｘ₂（ｉ）
ｘ₂（ｉ＋１）＝ａ₁ｘ₁（ｉ）＋ａ₂ｘ₂（ｉ）＋ｂＦＡＣＦ（ｉ）
バックステッピング制御の第一段階では、ｘ₁が０となるように、ｘ₂を仮想入力αと考える。絶対値が１よりも小さい定数Ｋ_cを用い、
α（ｉ）＝Ｋ_cｘ₁（ｉ）
が成立するとすれば、ｘ₁を目標値０に好適に収束させることができる。

バックステッピング制御の第二段階では、ｘ₂を実際にαと等しくする。ｘ２とαとの偏差をσとおくと、
ｘ₁（ｉ＋１）＝ｘ₂（ｉ）＝α（ｉ）＋σ（ｉ）
σ（ｉ＋１）＝ａ₁ｘ₁（ｘ）＋ａ₂σ（ｉ）＋ｂＦＡＣＦ（ｉ）−α（ｉ＋１）＋ａ₂α（ｉ）
が成立する。上の二式はともに、ｘ₁（ｉ）及びσ（ｉ）の関数である。リアコントローラ１４２は、ｘ１、σ、σの積分値の三つの量を同時に０に収束させるよう、ＦＡＣＦを下式（数２）の如き線形和として演算する。

Ｋ₁、Ｋ₂、Ｋ₃はフィードバックゲインである。フィードバックゲインは、例えばエンジン２の運転状態及び／または触媒３の状態を基に、予めＲＡＭ５１またはＲＯＭ５２に格納しているマップを参照して決定することができる。尤も、最適レギュレータを用いてフィードバックゲインを算出するようにしても構わない。

その上で、本実施形態では、燃料カットの実行後に触媒３下流の空燃比、換言すればリアＯ₂センサ１２の出力ＯＸ２ＡＤの目標値ＯＸ２ＡＤ^*を、燃料カットを続けた場合に計測され得る極小値よりも高く理論空燃比に対応した値よりも低い値に設定することとしている。

Ｏ₂センサの出力特性を、図２に例示する。Ｏ₂センサの出力は、ウィンドウの範囲（約０．６Ｖの周辺）では空燃比に対する出力の変化率が大きく急峻な傾きを示し、それよりも空燃比が大きいリーン領域では低位飽和値（約０Ｖ）に漸近し、空燃比が小さいリッチ領域では高位飽和値（約１Ｖ）に漸近する、いわゆるＺ特性曲線を描く。加えて、リーン領域からウィンドウ領域へと復帰する際には、低位飽和値よりもやや高い出力値（約０．１〜０．２Ｖ）で変化率の小さい棚状の値域、下棚を経由する。

燃料カットが発生すると、触媒３には燃料を含まない空気が満ちる。その後、燃料供給が再開されたとしても、触媒３下流の空燃比はリーンのままですぐには復旧しない。さすれば、ＮＯ_xが排出されてしまうことになる。これに対し、従来は、目標値ＯＸ２ＡＤ^*を理論空燃比に対応した値よりもやや高い値（約０．６〜０．７Ｖ）に設定するリッチ補正を行うことで、触媒３下流の空燃比を速やかにウィンドウ内に制御しようとしていた。だが、却って過補正となり、ＨＣの排出を招くことがあった。

本実施形態にあって、制御部１４（のリアコントローラ１４２）は、燃料カットの実行後、リアＯ₂センサ１２の出力ＯＸ２ＡＤを、低位飽和値と理論空燃比対応値との間にある下棚を目標として制御する。このようなものであれば、燃料供給を再開した後の再加速時やアイドリング時のＮＯ_xの排出を十分に低減できる。のみならず、不必要なリッチ補正を行わないため、過補正に起因するＨＣの排出の問題をも回避できる。しかも、制御部１４は、積分器を持たないバックステッピングコントローラ１４２を用いてリアＯ₂センサ１２の出力ＯＸ２ＡＤを制御するので、リアＯ₂センサ１２の出力ＯＸ２ＡＤを速やかに下棚に追従させることが可能であり、ＮＯ_x及びＨＣの排出抑制に資する。

なお、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。特に、バックステッピングコントローラの設計手法はあくまで一例に過ぎない。制御対象を、むだ時間等を加味した３次以上の高次状態方程式でモデル化することも、当然に可能である。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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。

本発明の一実施形態の空燃比制御装置の構成説明図。 リアＯ₂センサの出力特性を例示する図。 同空燃比制御装置のハードウェア資源構成図。 バックステッピング制御系のブロック線図。

符号の説明

１…空燃比制御装置
１３…検出部
１４…制御部
１４２…バックステッピングコントローラ（リアコントローラ）

Claims (3)

1. エンジンの排気管に装着された触媒における空燃比を制御するものであって、
   エンジンの燃料カットが発生した際に、触媒の下流に設けられたリアＯ₂センサの出力を、燃料カットを続けた場合に計測され得る極小値よりも高く理論空燃比に対応した値よりも低い値を目標として制御することを特徴とする空燃比制御方法。
2. リアＯ₂センサの出力を積分器を持たないバックステッピングコントローラを用いて制御する請求項１記載の空燃比制御方法。
3. エンジンの排気管に装着された触媒の下流に設けられたリアＯ₂センサの出力信号を検出する検出部と、
   エンジンの燃料カットが発生した際に、リアＯ₂センサの出力を、燃料カットを続けた場合に計測され得る極小値よりも高く理論空燃比に対応した値よりも低い値を目標として制御する制御部とを具備する空燃比制御装置。

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