JP2014173575A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｏ₂センサの個体ごとの出力特性のばらつきを吸収し、より精度が高い空燃比制御を実現する。
【解決手段】内燃機関の制御装置に、内燃機関の排気通路に設けたＯ₂センサと、このＯ₂センサの素子温度を検知するための素子温度検知手段と、前記Ｏ₂センサを活性化させるためのヒータとを備えさせた上で、この制御装置が、前記Ｏ₂センサの出力値を検知し、検知したＯ₂センサの素子温度と前記センサ出力値検知手段が検知したＯ₂センサの出力値との関係を取得し、取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力値との関係を予め記憶してある基準値と比較し、これらの差異に基づき燃料噴射量を補正する制御を行うようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、排気通路にＯ₂センサが設けられた内燃機関の制御を行う内燃機関の制御装置に関する。

従来より、車両に用いられる内燃機関において、空燃比を理論空燃比近傍に保つべく、排気通路にＯ₂センサを設け、このＯ₂センサの出力値に基づき燃料噴射量を制御することが行われてきている。より具体的には、Ｏ₂センサからの出力電圧は、空燃比が理論空燃比前後である領域を境に大きく変化し、理論空燃比よりも十分リッチである領域での出力電圧は約１．０Ｖ、理論空燃比よりも十分リーンである領域での出力電圧は約０．０Ｖである。

ところが、Ｏ₂センサの出力電圧は経年劣化により変化するので、Ｏ₂センサの出力電圧に基づき空燃比制御を行うと、空燃比が実際よりもリッチ側又はリーン側であると誤判定されることにより実際に理論空燃比を実現するための燃料噴射量と比較して多すぎたり少なすぎたりして排気ガスが悪化する不具合や、空燃比が実際よりもリーン側であると誤判定されることにより実際に理論空燃比を実現するための燃料噴射量よりも多い量の燃料が噴射されて燃費が悪化する不具合が発生し得る。また、このような不具合は、Ｏ₂センサの経年劣化に限らず、Ｏ₂センサの個体差、より具体的には空燃比に対する個々のＯ₂センサの出力特性の誤差などによっても発生し得る。

加えて、Ｏ₂センサの劣化を診断すべく、燃料カット後のＯ₂センサの出力電圧に基づきＯ₂センサの異常の有無を判定し、又は理論空燃比よりも空燃比をリッチ側及びリーン側に強制的に変化させ、その際のＯ₂センサの出力電圧に基づきＯ₂センサの異常の有無を判定することが考えられている（例えば、特許文献１を参照）。しかし、この場合もＯ₂センサの個体差、より具体的には空燃比に対する個々のＯ₂センサの出力特性の誤差は考慮されておらず、また、前者の制御では燃料カット直後のタイミングを待つ必要があるため診断機会が制限され、後者の制御では診断の際に空燃比を強制的にリッチ側に制御する必要があるので燃費が悪化するという問題が存在する。

特開２００７−１６７１２号公報

本発明は以上の点に着目し、Ｏ₂センサの個体ごとの出力特性のばらつきを吸収し、より精度が高い空燃比制御を実現することを目的とする。

以上の課題を解決すべく、本発明に係る内燃機関の制御装置は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係る内燃機関の制御装置の一つは、内燃機関の排気通路に設けたＯ₂センサと、このＯ₂センサの素子温度を検知するための素子温度検知手段と、前記Ｏ₂センサを活性化させるためのヒータと、前記Ｏ₂センサの出力値を検知するためのセンサ出力値検知手段と、前記素子温度検知手段が検知したＯ₂センサの素子温度と前記センサ出力値検知手段が検知したＯ₂センサの出力値との関係を取得する温度出力値関係取得手段と、前記温度出力値関係取得手段が取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力値との関係を予め記憶してある基準値と比較しこれらの差異に基づき燃料噴射量を補正する制御を行う燃料噴射量補正手段とを備えている。

このようなものであれば、前記温度出力値関係取得手段が取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力値との関係を基準値と比較することによりＯ₂センサの出力特性を補正でき、空燃比制御の精度の向上を図ることができる。

また、本発明に係る内燃機関の制御装置の他の一つは、排気通路に設けたＯ₂センサと、このＯ₂センサの素子温度を検知するための素子温度検知手段と、前記Ｏ₂センサを活性化させるためのヒータと、前記Ｏ₂センサの出力の変動を検知するためのセンサ出力変動検知手段と、前記温度出力値関係取得手段が取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力の変動とに基づきＯ₂センサの診断を行う。

このようなものによれば、前記温度出力値関係取得手段が取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力値との関係の基準値からのずれが大きい場合にＯ₂センサが故障ないし大きく劣化したもの判定して運転者にＯ₂センサの交換を促すようにすることができる。

本発明によれば、Ｏ₂センサの個体ごとの出力特性のばらつきを吸収し、より精度が高い空燃比制御を実現することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置のハードウェア資源構成を示す図。 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。 リアＯ₂センサの素子温度と出力電圧との関係を示す図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフローチャート。 同実施形態のリアＯ₂センサの出力とその空燃比特性及び経時変化の一例を示す図。 同実施形態のリアＯ₂センサの出力とその空燃比特性及び経時変化の一例を示す図。 同実施形態のリアＯ₂センサの出力とその空燃比特性及び経時変化の一例を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

さらに、排気通路４における触媒４１の上流及び／または下流に、排気通路を流通する排気ガスの空燃比を検出するためのＯ₂センサ４３、４４を設置してある。本実施形態では、触媒４１の上流側及び下流側の各Ｏ₂センサ４３、４４は、いずれも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４３、４４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、いわゆるＺ特性曲線を描く。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有した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には、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出するＯ₂センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出するＯ₂センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、前記Ｏ₂センサ４４の素子温度を検出する温度センサから出力される素子温度信号ｈ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｉ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｊ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｋ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータ及びユーザの操作に対応した各種制御信号ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

以降、空燃比のフィードバック制御に関して詳記する。本実施形態のＥＣＵ０は、フィードバックコントローラとして機能し、気筒１に充填される混合気の空燃比を制御する。具体的には、まず、吸気圧及び吸気温、エンジン回転数等から吸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、触媒４１の上流側の空燃比に応じて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正し、さらには内燃機関の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋやインジェクタ３６の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（インジェクタ１１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。そして、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｊを入力、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

触媒４１の上流側の空燃比信号ｆを参照したフィードバック制御は、例えば、内燃機関の冷却水温が所定温度以上であり、燃料カット中でなく、パワー増量中でなく、内燃機関の始動から所定時間が経過し、触媒４１の上流側のＯ₂センサ４３が活性中、吸気圧が正常である、等の諸条件が全て成立している場合に行う。このことは、アイドル運転中においても同様である。

図２に示すように、ＥＣＵ０は、触媒４１の上流側のガスの空燃比を検出するセンサであるフロントＯ₂センサ４３の出力電圧ｆを、所定の電圧値（以下、電圧判定値と称する）と比較して、その値よりも高ければリッチ、その値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｆ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を所定時間あたりリーン積分値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ｆ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を所定時間あたりリッチ積分値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。

また、ＥＣＵ０は、触媒４１の下流側のガスの空燃比を検出するセンサであるリアＯ₂センサ４４の出力電圧ｇを電圧判定値と比較して、その値よりも高ければリッチ、その値よりも低ければリーンと判定する。そして、センサ出力ｇがリッチである間は、空燃比制御の目標をリーンへと向かうように制御し、逆に、センサ出力ｇがリーンである間は、空燃比制御の目標はリッチへと向かうように制御する。

ここで本実施形態では、ＥＣＵ０のプロセッサは、リアＯ₂センサ４４の補正及び診断を行うべく、以下に述べるようなＯ₂センサ補正診断プログラムを実行する。すなわち、車両の走行中に所定のタイミングでリアＯ₂センサ４４を活性化させるためのヒータを作動させ、前記素子温度信号ｈが示すリアＯ₂センサ４４の素子温度と前記空燃比信号ｇが示すリアＯ₂センサ４４の出力値との関係を取得する制御、及び前記素子温度と前記リアＯ₂センサ４４の出力値との関係を予め記憶してある基準値と比較しこれらの差異に基づき燃料噴射量を補正する制御を続けて行う。すなわち、ＥＣＵ０は、請求項中の素子温度検知手段、センサ出力値検知手段、温度出力値関係取得手段及び燃料噴射量補正手段として機能する。

ここで、リアＯ₂センサ４４の素子温度と出力電圧の関係は、図３のグラフにより概略的に示される。すなわち、図３の実線ａに示すように空燃比が理論空燃比にある場合と比較して、同図の実線ｂに示すように空燃比が理論空燃比よりリッチ側にある場合にはリアＯ₂センサ４４の出力電圧が高くなる。また、同図に示すように、リアＯ₂センサ４４の素子温度が高くなるにつれリアＯ₂センサ４４の出力電圧は低くなる。ここで、目詰まり等の原因によりリアＯ₂センサ４４が経年劣化すると、リーン状態での出力電圧は漸次高くなる。このとき、電圧判定値を変化させないままであれば、空燃比が実際よりリッチ側であると誤判定する不具合が起こり得る。そこで、各素子温度の測定値ごとに、空燃比が理論空燃比より十分リッチ側である場合及び十分リーン側である場合の出力値を測定し、後述する基準値マップに記憶した基準値と比較することにより、空燃比が理論空燃比より十分リッチ側である場合及び十分リーン側である場合の出力値の基準値とのズレをそれぞれ算出し、このズレの値を平均したものを電圧判定値に加算することにより補正を行う要にしている。なお、前記基準値マップは、リアＯ₂センサ４４が正常である場合の代表的な素子温度とリアＯ₂センサ４４の出力値との関係を実験により求めたものを、ＥＣＵ０のメモリの所定領域に基準値マップとして予め記憶したものである。

また、ＥＣＵ０は、前記Ｏ₂センサ補正診断プログラムにより、素子温度の変化に伴う前記Ｏ₂センサの出力の変動、より具体的には出力電位の変化や応答時間を検知し、前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力の変動とに基づきＯ₂センサの劣化診断も行う。すなわち、ＥＣＵ０は、請求項中のセンサ出力変動検知手段及びセンサ出力変動検知手段としても機能する。

以下、プロセッサがこのＯ₂センサ補正診断プログラムを実行することにより行われる制御の手順を、フローチャートである図３を参照しつつ以下に示す。

まず、ヒータを作動させてリアＯ₂センサ４４の素子温度を上昇させる（ステップＳ１）。次いで、素子温度信号ｈが示すリアＯ₂センサ４４の素子温度及び前記空燃比信号ｇが示すリアＯ₂センサ４４の出力値をそれぞれ取得する（ステップＳ２）。リアＯ₂センサ４４の素子温度が所定の補正制御終了温度に達した後は（ステップＳ３）、各素子温度におけるリアＯ₂センサ４４の出力値と各素子温度に対応する前記基準値との差を算出し（ステップＳ４）、この基準値との差に基づき電圧判定値を変更する（ステップＳ５）。また、この差が所定値以上である場合には（ステップＳ６）、リアＯ₂センサ４４が劣化したものと見なしてそのことを示す情報をメモリの所定領域に書き込む（ステップＳ７）。

すなわち、図５に示すように、リッチ側の出力値が低電圧側となり、リーン側の出力値が変化していない場合には、電圧判定値を低電圧側すなわち同図の破線ｘに示す値に変更する。また、図６に示すように、リッチ側の出力値は変化しておらず、リーン側の出力値が高電圧側となっている場合には、電圧判定値を高電圧側すなわち同図の破線ｙに示す値に変更する。そして、図７に示すように、リッチ側の出力値が低電圧側となり、リーン側の出力値が高電圧側となっている場合で、リッチ側の出力値の変化とリーン側の出力値の変化とが同程度である場合には、電圧判定値は変更しない。

そして、前記電圧判定値を変更することにより、燃料噴射量も変更される。

以上に述べたように、本実施形態によれば、素子温度と前記Ｏ₂センサの出力値との関係を基準値と比較することによりＯ₂センサの出力特性を補正するので、空燃比制御の精度の向上を図ることができる。また、前記温度出力値関係取得手段が取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力値との関係の基準値からのずれが大きい場合には、Ｏ₂センサが故障ないし大きく劣化したもの判定して運転者にＯ₂センサの交換を促すようにすることができる。そして、このようなＯ₂センサの診断を、一時的な強制燃料噴射を実施することなく行うことができるので、無駄な燃料消費を削減でき、燃費の低減を図ることができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、上述した実施形態では、触媒の上流側における排気ガスの空燃比を検出するフロントＯ₂センサ及び触媒の下流側における排気ガスの空燃比を検出するリアＯ₂センサを備えた内燃機関において、リアＯ₂センサの出力値を検知し、リアＯ₂センサの素子温度と出力値との関係を取得するようにしているが、フロントＯ₂センサの出力値を検知し、フロントＯ₂センサの素子温度と出力値との関係を取得するようにしてもよく、さらに、フロントＯ₂センサのみを有する内燃機関に本発明を適用してもよい。

また、上述した実施形態では、Ｏ₂センサの素子温度と前記Ｏ₂センサの出力値との関係を予め記憶してある基準値と比較して燃料噴射量を補正する制御を行う制御及び前記温度出力値関係取得手段が取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力の変動とに基づきＯ₂センサの診断を行う制御の双方を行っているが、一方のみを行ってもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

０…制御装置（ＥＣＵ）
４４…Ｏ₂センサ
ｈ…素子温度信号

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けたＯ₂センサと、このＯ₂センサの素子温度を検知するための素子温度検知手段と、前記Ｏ₂センサを活性化させるためのヒータと、前記Ｏ₂センサの出力値を検知するためのセンサ出力値検知手段と、前記素子温度検知手段が検知したＯ₂センサの素子温度と前記センサ出力値検知手段が検知したＯ₂センサの出力値との関係を取得する温度出力値関係取得手段と、前記温度出力値関係取得手段が取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力値との関係を予め記憶してある基準値と比較しこれらの差異に基づき燃料噴射量を補正する制御を行う燃料噴射量補正手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 排気通路に設けたＯ₂センサと、このＯ₂センサの素子温度を検知するための素子温度検知手段と、前記Ｏ₂センサを活性化させるためのヒータと、前記Ｏ₂センサの出力の変動を検知するためのセンサ出力変動検知手段と、前記センサ出力変動検知手段が取得した前記素子温度と前記Ｏ₂センサの出力の変動とに基づきＯ₂センサの診断を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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