JP2010138791A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＣ及びＣＯの排出量の一層の低減を図る。
【解決手段】リアＯ₂センサの出力を判定値と比較してセンサ出力がリッチであるかリーンであるかを判定し、その判定結果に応じて空燃比の制御中心を変位させるための補正量ＦＡＣＦを算出する補正量算出部と、リアＯ₂センサの出力を判定値よりもリッチ側にある閾値と比較して、センサ出力がその閾値に達している場合に補正量ＦＡＣＦを減算値ＦＡＣＦＯＦＭだけ減じて制御中心をリーン側にシフトさせる補正量加減部と、フロントＯ₂センサの出力及び補正量ＦＡＣＦを基に空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部とを具備する空燃比制御装置を構成した。
【選択図】図５

Description

本発明は、触媒による排気ガス浄化能率を保つ目的で実施される空燃比の制御に関する。

一般に、自動車等の排気通路には、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xを酸化／還元して無害化する触媒が装着されている。ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xの全てを効率よく浄化するには、空燃比をウィンドウと称する理論空燃比近傍の一定範囲に収束させる必要がある。

そのために、触媒の上流及び下流にそれぞれＯ₂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築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）。従前の空燃比制御方法では、リアＯ₂センサの出力がリッチであるかリーンであるかを判定し、その判定結果に応じて補正量ＦＡＣＦを算出する。補正量ＦＡＣＦは、フロントＯ₂センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御における制御中心をリーン側あるいはリッチ側に変位させ、触媒内での空燃比をウィンドウ内に維持する役割を果たす。

近時では、強化された排気ガス規制に対応して、触媒のＯＳＣ（酸素吸蔵能力）が大きくなる傾向にある。ＯＳＣが大きいと、触媒の上流で空燃比が変動したとしても、リアＯ₂センサの出力信号にはすぐには変化が現れない。それ故、リアＯ₂センサの出力がリーンからリッチへの遷移を示したときには既に触媒内の酸素が不足してしまっており、ＨＣ及びＣＯの浄化能率が低下してこれらの排出量が増加することがあった。
特許第２７９０８９６号公報 特許第２９１２４７８号公報 特開２００７−１８７１１９号公報

上述の問題に鑑みてなされた本発明は、ＨＣ及びＣＯの排出量の一層の低減を図ることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の排気通路に装着された排気ガス浄化用の触媒の上流に設けられるフロントＯ₂センサと、前記触媒の下流に設けられるリアＯ₂センサと、前記リアＯ₂センサの出力を所定の判定値と比較してセンサ出力がリッチであるかリーンであるかを判定し、その判定結果に応じて空燃比の制御中心を変位させるための補正量を算出する補正量算出部と、前記リアＯ₂センサの出力を前記判定値よりもリッチ側にある閾値と比較して、センサ出力がその閾値に達しているときに、前記補正量を前記制御中心がリーン側に変位する方向に加減する補正量加減部と、前記フロントＯ₂センサの出力及び前記補正量を基に空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部とを具備する空燃比制御装置を構成した。

周知の通り、Ｏ₂センサは排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。Ｏ₂センサの出力特性は、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、非線形なＺ特性曲線を描く。

その上で、リアＯ₂センサの出力について詳細に調べると、空燃比リッチの状態が継続し、触媒内の酸素が不足してＨＣやＣＯの排出量が増大する状況では、リアＯ₂センサの出力がオーバーシュート的に高い値を示すことが確認された。このことを利用して、本発明では、リアＯ₂センサの出力がリッチ／リーンの判定値よりも高い閾値に到達した際に、補正量を加減して空燃比フィードバック制御の制御中心を即時にリーン側にシフトするようにした。これにより、ＨＣ及びＣＯの浄化能率の低下を抑制でき、特に触媒のＯＳＣが大きい場合におけるＨＣ、ＣＯの一時的な排出増を回避することが可能になる。

本発明によれば、ＨＣ及びＣＯの排出量の一層の低減を図り得る。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に１気筒の構成を概略的に示した内燃機関１００は、例えば自動車に搭載されるものである。内燃機関１００の吸気系１には、アクセルペダル（図示せず）の踏込量に応じて開閉するスロットルバルブ１１を設けており、スロットルバルブ１１の下流にはサージタンク１３を一体に有する吸気マニホルド１２を取り付けている。シリンダ２上部に形成される燃焼室２１の天井部には点火プラグ８を、吸気マニホルド１２の吸気ポート側端部には燃料噴射弁３を、それぞれ設けている。

内燃機関１００の排気系５には、排気マニホルド５１を取り付け、かつ排気ガス浄化用の三元触媒５２を装着している。そして、触媒５２の上流にフロントＯ₂センサ５３を、下流にリアＯ₂センサ５４を、それぞれ設けている。これらＯ₂センサ５３、５４は、排気ガスに接触して反応することにより、排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。

吸気系１と排気系５との間は、ＥＧＲ（排気ガス再循環）装置６を介して接続する。ＥＧＲ装置６は、始端が排気マニホルド５１に連通し終端がサージタンク１３に連通するＥＧＲ通路６１と、ＥＧＲ通路６１上に設けた外部ＥＧＲバルブ６２とを要素とする。

内燃機関１００の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）４は、中央演算装置４１、記憶装置４２、入力インタフェース４３、出力インタフェース４４等を有するマイクロコンピュータシステムである。入力インタフェース４３には、吸気負圧を検出する圧力センサ７１から出力される吸気負圧信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出する車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、アイドルスイッチ７４から出力されるＩＤＬ信号ｄ、冷却水温を検出する水温センサ７６から出力される水温信号ｆ、燃焼圧の変化によりノッキングの状態を検出するノッキングセンサ７５から出力されるノッキング信号ｅ、吸気カムシャフト９１の端部にあるタイミングセンサ９３から出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｇ、排気カムシャフト９２の端部にあるタイミングセンサ９４から２４０°ＣＡ（クランク角度）回転毎に出力される排気カム信号ｈ、フロントＯ₂センサ５３から出力される上流側空燃比信号ｉ、リアＯ₂センサ５４から出力される下流側空燃比信号ｊ等が入力される。

出力インタフェース４４からは、燃料噴射弁３に対して燃料噴射信号ｎ、点火プラグ８に対して点火信号ｍ、ＥＧＲバルブ６２に対してバルブ開度信号ｏ等を出力する。

中央演算装置４１は、予め記憶装置４２に格納されているプログラムを解釈、実行し、以て内燃機関１００の燃焼噴射制御、ＥＧＲ制御等を実行する。即ち、内燃機関１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊを入力インタフェース４３を介して取得し、それらに基づいて制御入力である燃料噴射量、点火時期、ＥＧＲバルブ６２の開度等を算出して、制御入力に対応した制御信号ｍ、ｎ、ｏを出力インタフェース４４を介して印加する。

空燃比制御に関して詳記する。本実施形態において、ＥＣＵ４は、プログラムに従い上記ハードウェア資源を作動し、図２に示す空燃比制御部４０１、補正量算出部４０２及び補正量加減部４０３としての機能を発揮する。

空燃比制御部４０１は、混合気の空燃比を制御する。具体的には、まず、吸気負圧信号ａ、回転数信号ｂ等から吸入空気量を算出して基本噴射量ＴＰを決定する。次いで、この基本噴射量ＴＰを、上流側空燃比信号ｉに応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正し、さらには内燃機関１００の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋや燃料噴射弁３の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（燃料噴射弁３に対する通電時間）Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶとなる。しかして、燃料噴射時間Ｔだけ燃料噴射弁３に信号ｎを入力、燃料噴射弁３を開弁して吸気系１に燃料を噴射させる。

空燃比制御部４０１による、上流側空燃比信号ｉを参照したフィードバック制御は、例えば冷却水温が所定温度以上で、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、内燃機関１００の始動から所定時間が経過し、フロントＯ₂センサ５３が活性中、圧力センサ７１が正常である、等の諸条件が全て成立している場合に行う。

図３に示すように、空燃比制御部４０１は、フロントＯ₂センサ５３の出力電圧ｉを所定の判定値と比較して、判定値よりも高ければリッチ、判定値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｉがリーンからリッチに切り替わったときには、リッチ判定遅延時間ＴＤＲの経過を待って、フィードバック補正係数ＦＡＦをスキップ値ＲＳＭだけ減少させる。その後、補正係数ＦＡＦを所定時間当たりリーン積分値ＫＩＭだけ逓減させる。補正係数ＦＡＦの減少に伴い、燃料噴射量が絞られて、混合気の空燃比がリーンへと向かう。

あるいは、センサ出力ｉがリッチからリーンに切り替わったときには、リーン判定遅延時間ＴＤＬの経過を待って、フィードバック補正係数ＦＡＦをスキップ値ＲＳＰだけ増加させる。その後、補正係数ＦＡＦを所定時間当たりリッチ積分値ＫＩＰだけ逓増させる。補正係数ＦＡＦの増加に伴い、燃料噴射量が上積みされて、混合気の空燃比がリッチへと向かう。

遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬは、制御中心補正量ＦＡＣＦに応じて増減する。図４に、補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示する。補正量ＦＡＣＦが大きくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは延長され、リーン判定遅延時間ＴＤＬは短縮される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が遅れ、減少から増加に転じる時期が早まる。結果として、燃料噴射量が平均的に増すこととなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリッチ側に変位する。

他方、補正量ＦＡＣＦが小さくなるほど、リッチ判定遅延時間ＴＤＲは短縮され、リーン判定遅延時間ＴＤＬは延長される。さすれば、フィードバック補正係数ＦＡＦが増加から減少に転じる時期が早まり、減少から増加に転じる時期が遅れる。結果として、燃料噴射量が平均的に減ることとなり、空燃比フィードバック制御の制御中心がリーン側に変位する。

補正量算出部４０２は、上記の制御中心補正量ＦＡＣＦを算出する。補正量算出部４０２による、下流側空燃比信号ｊを参照したフィードバック制御は、例えば冷却水温が所定温度以上で、空燃比制御部４０１による空燃比フィードバック制御の開始から所定時間が経過し、フロントＯ₂センサ５３が活性してから所定時間が経過し、過渡期の燃料補正量が所定値を下回り、アイドリング状態で車速が０または非アイドリング状態で所定の運転領域にある、等の諸条件が全て成立している場合に行う。

図５に示すように、補正量算出部４０２は、リアＯ₂センサ５４の出力電圧ｊを所定の判定値と比較して、判定値よりも高ければリッチ、判定値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｊがリッチである間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを所定時間当たりリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ逓減させる。既に述べたように、補正量ＦＡＣＦの減少に伴い、空燃比フィードバック制御の制御中心はリーンへと向かう。

逆に、センサ出力ｊがリーンである間は、制御中心補正量ＦＡＣＦを所定時間当たりリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ逓増させる。補正量ＦＡＣＦの増加に伴い、空燃比フィードバック制御の制御中心はリッチへと向かう。

その上で、補正量加減部４０３は、リアＯ₂センサ５４の出力電圧ｊを上記の判定値よりも高い閾値と比較し、センサ出力ｊがその閾値に達しているときに、制御中心補正量ＦＡＣＦを加減して空燃比フィードバック制御の制御中心をリーン側にシフトさせる。

図５に示しているように、空燃比リッチの状態が継続し、触媒５２内の酸素が不足してＨＣやＣＯの排出量が増大する状況では、リアＯ₂センサ５４の出力ｊがオーバーシュート的に高い値を示す。その出力電圧値は、リーン／リッチの判定値（図示例では、０．７Ｖ）を超越する。このような状況に際して、本実施形態では、制御中心補正量ＦＡＣＦを減算値ＦＡＣＦＯＦＭだけ減算する。減算値ＦＡＣＦＯＦＭは、リアＯ₂センサ５４の出力ｊの多寡に応じて増減する。具体的には、出力電圧ｊが高くなるほど、減算値ＦＡＣＦＯＦＭは大きくなり、故に制御中心補正量ＦＡＣＦは減少する。出力電圧ｊが閾値（図示例では、０．８Ｖ）を下回るとき、減算値ＦＡＣＦＯＦＭは０となる。

図５中、実線は補正量ＦＡＣＦを減じた場合を示し、破線は補正量ＦＡＣＦを減じなかった場合を示している。後者に比して前者の方が、ＨＣ、ＣＯの排出が少なくなる。

図６に、制御中心補正量ＦＡＣＦの算定処理の手順を示す。ＥＣＵ４は、リアＯ₂センサ５４の出力ｊがリッチであるかリーンであるかを判定し（ステップＳ１）、リッチであれば補正量ＦＡＣＦをリーン積分値ＦＡＣＦＫＩＭだけ減算し（ステップＳ２）、リーンであれば補正量ＦＡＣＦをリッチ積分値ＦＡＣＦＫＩＰだけ加算する（ステップＳ３）。さらに、リアＯ₂センサ５４の出力ｊが閾値を上回っているならば（ステップＳ４）、その出力値ｊの多寡に応じた減算値ＦＡＣＦＯＦＭを決定して（ステップＳ５）、補正量ＦＡＣＦを減算値ＦＡＣＦＯＦＭだけ減算する（ステップＳ６）。ＥＣＵ４は、以上のステップＳ１ないしＳ６を反復的に実行する。

本実施形態によれば、内燃機関１００の排気通路５に装着された触媒５２の上流に設けられるフロントＯ₂センサ５３と、前記触媒５２の下流に設けられるリアＯ₂センサ５４と、前記リアＯ₂センサ５４の出力ｊを所定の判定値と比較してセンサ出力ｊがリッチであるかリーンであるかを判定し、その判定結果に応じて空燃比の制御中心を変位させるための補正量ＦＡＣＦを算出する補正量算出部４０２と、前記リアＯ₂センサ５４の出力ｊを前記判定値よりもリッチ側にある閾値と比較して、センサ出力ｊがその閾値に達しているときに、前記補正量ＦＡＣＦを前記制御中心がリーン側に変位する方向に加減する補正量加減部４０３と、前記フロントＯ₂センサ５３の出力ｉ及び前記補正量ＦＡＣＦを基に空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部４０１とを具備する空燃比制御装置を構成したため、触媒５２のＯＳＣが大きくなったことに付随するリアＯ₂センサ５４の出力ｊの変化の遅れの問題を有効に回避でき、ＨＣ及びＣＯの排出量の低減に資する。触媒５２のＯＳＣが大きくなれば、その分だけ混合気の空燃比の上下動に対するロバスト性が向上し、排気ガス浄化能率を高く保つことが可能となる。

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。例えば、上記実施形態では、リアＯ₂センサ５４の出力電圧ｊが所定閾値以上にリッチとなったとき、制御中心補正量ＦＡＣＦ（ひいては、遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＮ）を加減するようにしていたが、これ以外に、リッチ積分ＫＩＰ及び／またはリーン積分ＫＩＭを加減することによってフィードバック制御中心をリーン側にシフトするということも考えられる。並びに、スキップ値ＲＳＰ及び／またはＲＳＭを加減することによってフィードバック制御中心をリーン側にシフトするということも考えられる。

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ハードウェア資源構成を示す図。 同実施形態の空燃比制御装置のブロック線図。 フロントＯ₂センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。 制御中心補正量ＦＡＣＦと遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬとの関係を例示するグラフ。 リアＯ₂センサの出力を参照した空燃比フィードバック制御の模様を示すタイミング図。 ＥＣＵが実行する処理の手順を示すフロー図。

符号の説明

４０１…空燃比制御部
４０２…補正量算出部
４０３…補正量加減部
５３…フロントＯ₂センサ
５４…リアＯ₂センサ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に装着された排気ガス浄化用の触媒の上流に設けられるフロントＯ₂センサと、
   前記触媒の下流に設けられるリアＯ₂センサと、
   前記リアＯ₂センサの出力を所定の判定値と比較してセンサ出力がリッチであるかリーンであるかを判定し、その判定結果に応じて空燃比の制御中心を変位させるための補正量を算出する補正量算出部と、
   前記リアＯ₂センサの出力を前記判定値よりもリッチ側にある閾値と比較して、センサ出力がその閾値に達しているときに、前記補正量を前記制御中心がリーン側に変位する方向に加減する補正量加減部と、
   前記フロントＯ₂センサの出力及び前記補正量を基に空燃比のフィードバック制御を行う空燃比制御部と
   を具備する空燃比制御装置。

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