JP2005146929A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 始動直後にリッチ空燃比で運転し、その後に空燃比フィードバック制御を開始する場合に、空燃比を速やかにストイキ点に収束させる。
【解決手段】 目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共にＴＦＢＹＡを徐々に減少させる。Ｏ２センサの活性（出力電圧＞RSL ）を検出した時点で、ＴＦＢＹＡによる増量分をカットすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗せした後、時間経過と共に、ＡＬＰＨＡを所定の積分定数に従って減少させる第１の制御と、空燃比センサの活性を検出した後も、引き続き、時間経過と共に、ＴＦＢＹＡを減少させる第２の制御と、を選択可能とする。そして、前記第１の制御でのストイキ収束時間ｔ(ALPHA) と、前記第２の制御でストイキ収束時間ｔ(TFBYA) と、を比較し、時間が短い方の制御に選択的に切換える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、エンジンの空燃比制御装置に関し、特に、始動直後にリッチ空燃比で運転し、その後に空燃比フィードバック制御を開始する場合に、空燃比を速やかにストイキ点に収束させることのできる空燃比制御装置に関する。

特許文献１には、始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように設定される目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡと、空燃比フィードバック制御条件にて空燃比センサからの信号に基づいて空燃比をストイキに収束させるように設定される空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡとを用いて、燃料噴射量を演算・制御するエンジンの空燃比制御装置において、空燃比センサの活性検出後、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分を０にすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗してから、空燃比フィードバック制御に移行することが開示されている。
特開２００１−２３４７７９号公報

重質燃料が使用された場合、特に冷間時に気化性の悪さから、壁流が増大し、筒内に吸入される燃料が不足するため、始動直後の空燃比は、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡにより重質燃料にマッチングさせてリッチ化し、その後の時間経過と共に徐々にストイキに収束させるようにする。そして、空燃比フィードバック制御の開始時に、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分が残っていた場合、その増量分をカットするが、空燃比が急にリーンになると、トルク段差が発生して、運転性が悪化するので、その分を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗せする。そして、時間経過と共に、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを空燃比フィードバック制御の積分定数に従って減少させる。

しかしながら、始動時の条件により目標空燃比補正係数の減少速度が変化することから、増量分を上乗せした空燃比フィードバック補正係数を空燃比フィードバック制御の積分定数に従って減少させる制御よりも、空燃比センサの活性を検出した後も引き続き目標空燃比補正係数を減少させる制御の方が、ストイキに達するまでの時間が早い場合があり、この場合には、かえってストイキへの収束が遅くなり、エミッション及び燃費が悪化するという問題点がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ストイキへの収束性を改善することを目的とする。

このため、本発明は、空燃比センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数による増量分をカットすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数に上乗せした後、時間経過と共に、空燃比をストイキに収束させるように空燃比フィードバック補正係数を空燃比フィードバック制御の積分定数に従って減少させる第１の制御と、空燃比センサの活性を検出した後も、引き続き、時間経過と共に、目標空燃比補正係数を減少させる第２の制御と、を選択可能とし、前記第１の制御で空燃比フィードバック補正係数がストイキ相当値になるまでの時間と、前記第２の制御で目標空燃比補正係数がストイキ相当値になるまでの時間と、を比較し、ストイキ相当値になるまでの時間が短い方の制御に選択的に切換える構成とする。

本発明によれば、始動時の条件が変わっても、常にストイキへの収束性が高い方の制御を選択できるので、ストイキへの収束性が向上し、エミッション及び燃費が向上する。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２から吸気ダクト３、スロットル弁４、吸気マニホールド５を経て空気が吸入される。吸気マニホールド５の各ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。但し、燃料噴射弁６は燃焼室内に直接臨ませる配置としてもよい。

燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁（インジェクタ）であって、後述するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１２からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に調整された燃料を噴射供給する。従って、駆動パルス信号のパルス幅により燃料噴射量が制御される。

エンジン１の各燃焼室には点火プラグ７が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。
エンジン１の各燃焼室からの排気は、排気マニホールド８を介して排出される。また、排気マニホールド８からＥＧＲ通路９が導出され、これによりＥＧＲ弁１０を介して排気の一部を吸気マニホールド５に還流している。

一方、排気通路には、排気マニホールド８の直下などに位置させて、排気浄化触媒１１が設けられている。
ＥＣＵ１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、後述のごとく演算処理して、燃料噴射弁６の作動を制御する。

前記各種センサとしては、エンジン１のクランク軸又はカム軸回転よりクランク角度と共にエンジン回転数Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１３、吸気ダクト３内で吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１５（スロットル弁４の全閉位置でＯＮとなるアイドルスイッチを含む）、エンジン１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、排気マニホールド８の集合部にて排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力する空燃比センサとしてのＯ２センサ１７などが設けられている。尚、Ｏ２センサ１７はヒータを内蔵しており、始動時からヒータに通電して素子温度を上昇させることで早期活性化を図ることができる。ＥＣＵ１２には更にスタートスイッチ１８などからも信号が入力されている。

図２はＥＣＵ１２にてエンジン始動後（スタートスイッチＯＮ→ＯＦＦ後）に時間同期又は回転同期で実行される燃料噴射量演算ルーチンのフローチャートである。尚、始動時の燃料噴射量は別の方法で演算される。
Ｓ１では、エアフローメータにより検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサにより検出されるエンジン回転数Ｎｅとを読込む。尚、吸入空気量Ｑａについては、検出信号に基づいて平滑化処理を行うが、フローでは省略した。

Ｓ２では、吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとから、次式により、基本燃料噴射量（基本噴射パルス幅）Ｔｐを演算する。
Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ 但し、Ｋは定数。
Ｓ３では、後述のごとく設定される目標空燃比補正係数（始動後空燃比リッチ化補正係数）ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを読込み、次式により、最終的な燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉを演算する。

Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×ＡＬＰＨＡ
目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは、共に、基準値（ストイキ相当値）を１とする。
尚、燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉの演算には、この他、スロットル開度ＴＶＯの変化に基づく過渡補正や、バッテリ電圧に基づく無効噴射パルス幅の加算等がなされるが、ここでは省略した。

燃料噴射量Ｔｉが演算されると、このＴｉに相当するパルス幅の駆動パルス信号がエンジン回転に同期して各気筒毎に所定のタイミングで燃料噴射弁６に出力されて、燃料噴射が行われる。
次に目標空燃比補正係数（始動後空燃比リッチ化補正係数）ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの設定について説明する。

図３はＥＣＵ１２にて実行される始動後の空燃比制御の流れを示すフローチャートであり、これにより始動後の目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ及び空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡが設定される。
Ｓ１１では、始動時の水温Ｔｗを検出し、これに応じて、始動後増量率の初期値ＫＡＳ、及び、その後の単位減量率ΔＫを設定する（次式参照）。

ＫＡＳ＝ｆ１（Ｔｗ）
ΔＫ＝ｆ２（Ｔｗ）
具体的には、始動時水温Ｔｗが低いほど始動後増量率の初期値ＫＡＳを大きく設定し、また、始動時水温Ｔｗが低いほど時間をかけて減量するように単位減量率ΔＫを小さく設定する。

Ｓ１２では、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを始動後増量率ＫＡＳに基づいて設定し、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは１に固定する（次式参照）。
ＴＦＢＹＡ＝１＋ＫＡＳ
ＡＬＰＨＡ＝１
ここでの設定値が始動後初回の燃料噴射量Ｔｉの演算に用いられ、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡにより、空燃比がリッチ化される。

その後、Ｓ１３では、時間同期で、始動後増量率ＫＡＳを単位減量率ΔＫ分ずつ減少させ（ＫＡＳ＝ＫＡＳ−ΔＫ）、減少させた始動後増量率ＫＡＳに基づいて、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを算出することで（ＴＦＢＹＡ＝１＋ＫＡＳ）、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを減少させる。但し、ＫＡＳ≧０とし、ＴＦＢＹＡ≧１とする。
Ｓ１４では、Ｏ２センサの出力電圧ＶＯ２が予め定めたリッチ側活性判定スライスレベルＲＳＬを超えたか否かを判定し、ＮＯの場合は、Ｓ１３へ戻って、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを減少させる。

従って、このような目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるようにすることができる。
Ｏ２センサの出力電圧ＶＯ２がリッチ側活性判定スライスレベルＲＳＬを超えた場合は、これによりＯ２センサの活性を検出したものとして、Ｓ１４からＳ１５へ進む。

Ｓ１５では、後述するＳ１７〜Ｓ１９での第１の制御のように、現在の増量分（始動後増量率ＫＡＳ）を上乗せした空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを空燃比フィードバック制御の積分分（積分定数）Ｉに従って減少させた場合に、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡが１（ストイキ相当値）になるまでの時間ｔ(ALPHA) と、後述するＳ２０〜Ｓ２１での第２の制御のように、現在の目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを引き続き単位減量率ΔＫに従って減少させた場合に、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡが１（ストイキ相当値）になるまでの時間ｔ(TFBYA) と、をそれぞれ計算する（図５参照）。

Ｓ１６では、第１の制御での時間ｔ(ALPHA) と第２の制御での時間ｔ(TFBYA) とを比較し、第１の制御での時間ｔ(ALPHA) の方が小さい場合は、第１の制御を実行すべく、Ｓ１７へ、第２の制御での時間ｔ(TFBYA) の方が小さい場合は、第２の制御を実行すべく、Ｓ２０へ進む。
Ｓ１７では、第１の制御を実行すべく、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分（ＫＡＳ）をカット、ここでは、０にすると共に、その増量分（ＫＡＳ）を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗せする。

具体的には、
ＴＦＢＹＡ＝１
ＡＬＰＨＡ＝１＋ＫＡＳ
と操作する。
その後、Ｓ１８では、時間同期で、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを空燃比フィードバック制御の積分分（積分定数）Ｉ減少させる（次式参照）。

ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ−Ｉ
Ｓ１９では、Ｏ２センサの出力電圧ＶＯ２が予め定めたストイキ判定スライスレベルＳＳＬに達したか否かを判定し、ＮＯの場合は、Ｓ１８へ戻って、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを減少させる。
Ｏ２センサの出力電圧ＶＯ２がストイキ判定スライスレベルＳＳＬに達した場合は、Ｓ１９から、通常の空燃比フィードバック制御（通常λ制御）へ移行する。

一方、Ｓ２０では、第２の制御を実行すべく、Ｓ１３と同様、引き続き、時間同期で、始動後増量率ＫＡＳを単位減量率ΔＫ分ずつ減少させ（ＫＡＳ＝ＫＡＳ−ΔＫ）、減少させた始動後増量率ＫＡＳに基づいて、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを算出することで（ＴＦＢＹＡ＝１＋ＫＡＳ）、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを減少させる。但し、ＫＡＳ≧０とし、ＴＦＢＹＡ≧１とする。このとき、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに１に保持される。

Ｓ２１では、Ｏ２センサの出力電圧ＶＯ２が予め定めたストイキ判定スライスレベルＳＳＬを達したか否かを判定し、ＮＯの場合は、Ｓ２０へ戻って、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを減少させる。
Ｏ２センサの出力がストイキ判定スライスレベルＳＳＬに達した場合は、Ｓ２１から、通常の空燃比フィードバック制御（通常λ制御）へ移行する。

図４は通常の空燃比フィードバック制御（通常λ制御）において時間同期で実行されるルーチンのフローチャートである。
Ｓ４１では、Ｏ２センサ出力に基づいてリーン／リッチを判定する。
リーンの場合は、Ｓ４２へ進み、リッチ→リーンへの反転時（前回リッチ）か否かを判定する。リッチ→リーンへの反転時の場合は、Ｓ４３へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを比較的大きく設定した比例分（比例定数）Ｐ増加させて、更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ＋Ｐ）。リーン状態継続中の場合は、Ｓ４４へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを微小の積分分（積分定数）Ｉ増加させて、更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ＋Ｉ）。

リッチの場合は、Ｓ４５へ進み、リーン→リッチへの反転時（前回リーン）か否かを判定する。リーン→リッチへの反転時の場合は、Ｓ４６へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを比較的大きく設定した比例分Ｐ減少させて、更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ−Ｐ）。リッチ状態継続中の場合は、Ｓ４７へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを微小の積分分Ｉ減少させて、更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ−Ｉ）。

図６は、始動時水温が低く、ｔ(ALPHA) ＜ｔ(TFBYA) の場合のタイムチャートである。
目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように制御している。
Ｏ２センサの出力がリッチ側活性判定スライスレベルＲＳＬを超えたことにより、Ｏ２センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分（ＫＡＳ）を０にすると共に、その増量分ＫＡＳを空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗せする。

その後、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは、空燃比フィードバック制御の積分分Ｉに基づいて減少させる。そして、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡがストイキ点（１）に達し、応答遅れの後、Ｏ２センサの出力がストイキ判定スライスレベルＳＳＬに達すると、その時点より、空燃比フィードバック制御が開始される。
この場合、ｔ(ALPHA) ＜ｔ(TFBYA) であるため、第１の制御を選択することで、ストイキへの収束性を高めることができる。また、空燃比を軟着陸させているので、運転性が悪化することもない。

図７は、始動時水温が高く、ｔ(TFBYA) ＜ｔ(ALPHA) の場合のタイムチャートである。
目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように制御している。
Ｏ２センサの出力がリッチ側活性判定スライスレベルＲＳＬを超えたことにより、Ｏ２センサの活性を検出すると、その後も、引き続き、時間経過と共に、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡをもとの減少速度（単位減量率ΔＫ）で減少させる。空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは１に保持する。

その後、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡがストイキ点（１）に達し、応答遅れの後、Ｏ２センサの出力がストイキ判定スライスレベルＳＳＬに達すると、その時点より、空燃比フィードバック制御が開始される。
この場合、ｔ(TFBYA) ＜ｔ(ALPHA) であるため、第２の制御を選択することで、ストイキへの収束性を高めることができる。また、空燃比を軟着陸させているので、運転性が悪化することもない。

本実施形態によれば、空燃比センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡによる増量分をカットすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに上乗せした後、時間経過と共に、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを予め定められている積分定数に従って減少させる第１の制御と、空燃比センサの活性を検出した後も、引き続き、時間経過と共に、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡを減少させる第２の制御と、を選択可能とし、前記第１の制御で空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡがストイキ相当値になるまでの時間ｔ(ALPHA) と、前記第２の制御で目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡがストイキ相当値になるまでの時間ｔ(TFBYA) と、を比較し、ストイキ相当値になるまでの時間が短い方の制御に選択的に切換えることにより、始動時の条件（始動時の水温により定められる目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの減少速度）が変わっても、常にストイキへの収束性が高い方の制御を選択できるので、ストイキへの収束性が向上し、エミッション及び燃費が向上する。また、いずれにしても空燃比はストイキに軟着陸するので運転性の悪化は防止できる。

また、本実施形態によれば、空燃比センサの出力が所定のリッチ側活性判定スライスレベルＲＳＬを超えたときに、空燃比センサの活性を検出することにより、活性を確実かつ簡易に検出することができる。
また、本実施形態によれば、空燃比センサの活性を検出した後、空燃比センサの出力が最初にストイキ判定スライスレベルＳＳＬに達した時点から、空燃比フィードバック制御を開始することにより、始動後制御から空燃比フィードバック制御へなめらかにつなぐことができる。

尚、図４のフローでは、ストイキ収束時間ｔ(ALPHA) 、ｔ(TFBYA) を計算により求めているが、始動時水温により目標空燃比補正係数の減少速度（ΔＫ）が決まるとすれば、ストイキ収束時間ｔ(ALPHA) 、ｔ(TFBYA) のうち、いずれが短くなるかは、始動時水温によって決まるので、始動時水温からいずれの制御を選択するかを決定することも可能であり、このようにすれば、計算という余分な制御が不要となる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 燃料噴射量演算ルーチンのフローチャート 始動後の空燃比制御の流れを示すフローチャート 空燃比フィードバック制御ルーチンのフローチャート ストイキ収束時間の説明図 第１の制御の場合のタイムチャート 第２の制御の場合のタイムチャート

符号の説明

１ エンジン
６ 燃料噴射弁
１２ ＥＣＵ
１７ Ｏ２センサ

Claims (4)

1. 始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように設定される目標空燃比補正係数と、空燃比フィードバック制御条件にて空燃比センサからの信号に基づいて空燃比をストイキに収束させるように設定される空燃比フィードバック補正係数とを用いて、燃料噴射量を演算・制御するエンジンの空燃比制御装置において、
   空燃比センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数による増量分をカットすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数に上乗せした後、時間経過と共に、空燃比をストイキに収束させるように空燃比フィードバック補正係数を空燃比フィードバック制御の積分定数に従って減少させる第１の制御と、空燃比センサの活性を検出した後も、引き続き、時間経過と共に、目標空燃比補正係数を減少させる第２の制御と、を選択可能とし、
   前記第１の制御で空燃比フィードバック補正係数がストイキ相当値になるまでの時間と、前記第２の制御で目標空燃比補正係数がストイキ相当値になるまでの時間と、を比較し、ストイキ相当値になるまでの時間が短い方の制御に選択的に切換えることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 目標空燃比補正係数の始動直後の初期値及びその後の減少速度は、始動時の冷却水温に応じて定めることを特徴とする請求項１記載のエンジンの空燃比制御装置。
3. 空燃比センサの出力が所定のリッチ側活性判定スライスレベルを超えたときに、空燃比センサの活性を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエンジンの空燃比制御装置。
4. 空燃比センサの活性を検出した後、空燃比センサの出力が最初にストイキ判定スライスレベルに達した時点から、空燃比フィードバック制御を開始することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの空燃比制御装置。

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