JP2017160845A - 内燃機関の空燃比制御装置及び空燃比制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明を適用する内燃機関の一態様を示す全体構成図である。
内燃機関100は車両用の4気筒直列機関であり、吸気ダクト110に設けた電制スロットル111により各気筒(#1気筒〜#4気筒)に流入する空気量が調整される。
また、排気マニホールド114の集合部に接続される排気管115には、三元触媒などの排気浄化触媒を内蔵する触媒コンバータ(マニ触媒)116が設けられている。
電子制御ユニット(ECU)120には、内燃機関100の吸入空気量QAを検出するエアフローセンサ130、内燃機関100の回転速度NEを検出する回転速度センサ131、触媒コンバータ116の上流側と下流側とに配置され排気成分から空燃比状態を検出するセンサ132,133などの各種センサの出力信号が入力される。
一方、触媒コンバータ116の下流側のセンサ133は、排気中の酸素濃度に感応し、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチになると出力電圧が高くなり、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンになると出力電圧が低くなり、理論空燃比(空気過剰率λ=1)を境に出力電圧値が急変する特性を有し、理論空燃比に対する排気空燃比のリッチ/リーンを検出する所謂ストイキセンサである。
なお、以下では、上流側のセンサ132を空燃比センサ132と称し、下流側のセンサ133を酸素センサ133と称する。
つまり、電子制御ユニット120は、上流側センサ132により検出される排気空燃比が制御空燃比に近づくように内燃機関100への燃料供給量を制御する手段(メインの空燃比フィードバック機能)をソフトウエアとして備えている。
つまり、電子制御ユニット120は、下流側センサ133により検出される排気空燃比が理論空燃比(基準空燃比)に近づくように制御空燃比を設定する手段(サブの空燃比フィードバック機能)をソフトウエアとして備えている。
そのため、電子制御ユニット120は、PI制御によって制御空燃比を設定する処理において、空燃比偏差に応じた比例項、積分項の設定を行わず、予め記憶された固定値である比例項,積分項、若しくは、機関運転条件に応じて可変に設定する比例項,積分項に基づき簡易型の比例積分制御を実施する。
図2のフローチャートは、電子制御ユニット120による制御空燃比の設定処理の一態様を示す。なお、電子制御ユニット120は、図2のフローチャートに示すルーチンを一定周期毎に割り込み実行する。
なお、上記のリーンフラグFL及び後述するリッチフラグFRの初期値は零である。
つまり、リーンフラグFLが立ち上がっている状態では、酸素センサ133の出力電圧がリッチ側閾値RTHを横切ってリッチ側閾値RTHよりも高くなるまで、制御空燃比をリッチ補正I分だけリッチ方向に変更する処理を繰り返し、制御空燃比を徐々にリッチ方向に変化させる。
次いで、電子制御ユニット120は、ステップS305に進み、そのときの制御空燃比(リッチピーク値)に基いて空燃比センサ132による空燃比検出値を補正するための補正値を更新設定する補正値学習を実施する。係る空燃比補正値の更新設定処理については、後で詳細に説明する。
なお、前記リセット空燃比は、例えば理論空燃比とすることができ、また、触媒コンバータ116の転換特性などに応じた、理論空燃比近傍の任意の値とすることができる。
ステップS308で電子制御ユニット120は、リッチフラグFRが立ち上がっているか否かを判定し、リッチフラグFRが立ち上がっている制御空燃比のリーン化処理中である場合は、ステップS309に進む。
つまり、リッチフラグFRが立ち上がっている状態では、酸素センサ133の出力電圧がリーン側閾値LTHを横切ってリーン側閾値LTHよりも低くなるまで、制御空燃比をリーン補正I分だけリーン方向に変更する処理を繰り返し、制御空燃比を徐々にリーン方向に変化させる。
次いで、電子制御ユニット120は、ステップS312に進み、そのときの制御空燃比(リーンピーク値)に基いて空燃比センサ132による空燃比検出値を補正するための補正値を更新設定する補正値学習を実施する。係る空燃比補正値の更新設定処理については、後で詳細に説明する。
リッチフラグFRが零にリセットされリーンフラグFLが立ち上げられたことで、次回の本ルーチン実行時に、電子制御ユニット120は、ステップS301でリーンフラグFLが立ち上がっていることを判定し、ステップS302に進む。
ステップS315で電子制御ユニット120は、酸素センサ133の出力電圧がリッチ側閾値RTHよりも低い値からリッチ側閾値RTHを横切ってリッチ側閾値RTHよりも高い値になったか否か、又は、酸素センサ133の出力電圧がリーン側閾値LTHよりも高い値からリーン側閾値LTHを横切ってリーン側閾値LTHよりも低い値になったか否かを検出する。
電子制御ユニット120は、酸素センサ133の出力電圧がリッチ側閾値RTHを横切ってステップS316に進んだときにはリッチフラグFRを立ち上げ、酸素センサ133の出力電圧がリーン側閾値LTHを横切ってステップS316に進んだときにはリーンフラグFLを立ち上げる。
また、制御空燃比のリセットタイミングの判定に用いるリッチ側閾値RTH,リーン側閾値LTHの間隔を拡げれば、触媒コンバータ116の下流に床下触媒コンバータが配置される構成において、床下触媒コンバータの入口における排気空燃比を周期的に振らせて床下触媒コンバータにおける排気浄化機能を向上させることができる。
酸素センサ133の出力電圧の閾値として、理論空燃比(空気過剰率λ=1)近傍の領域内にリッチ側閾値RTH及びリーン側閾値LTH(RTH>LTH)が設定され、例えば、時刻t1で酸素センサ133の出力電圧がリッチ側閾値RTHを横切ってリッチ方向に変化すると、制御空燃比はリセット空燃比にリセットされ、更に、リセット空燃比からリーン補正P分(リーンスキップ項)だけリーン方向にシフトされる。
そして、時刻t2のときに酸素センサ133の出力電圧がリーン側閾値LTHを横切ってリーン方向に変化すると、制御空燃比はリッチ方向にシフトされてリセット空燃比にリセットされ、更に、リセット空燃比からリッチ補正P分だけリッチ方向にシフトされる。
これにより、積分制御による制御空燃比の補正分が過剰に残ることが抑制され、その後の制御空燃比の収束性を高めることができる。
その後、時刻t2から時刻t3までの酸素センサ133の出力電圧がリッチ側閾値RTHよりも低い下流側排気空燃比のリーン状態では、制御空燃比はリッチ補正I分(リッチ積分項)によって周期的によりリッチ側に変更される。
電子制御ユニット120がステップS305に進んだタイミングが、図4のタイムチャートの時刻t4のタイミングであると仮定し、時刻t4のタイミングでリセット空燃比にリセットされる前の制御空燃比をリッチピーク(2)とする。
このとき、電子制御ユニット120は、空燃比センサ132による検出空燃比を補正するための補正値λHOSを、加重重みをW(W≦1.0)、リセット空燃比をRAF、補正値λHOSの前回値をλHOSoldとしたときに、今回のリセット前の制御空燃比であるピーク値(リッチピーク又はリーンピーク)と、前回のリセット前の制御空燃比であるピーク値(リーンピーク又はリッチピーク)とを用いて、下式に基いて算出する。
例えば、時刻t3のときに、リーンピーク(1)=16.00、リッチピーク(2)=12.50、W=1.0、リセット空燃比=14.5と仮定した場合、
λHOS={14.5−(16.00+12.50)/2}×1.0=0.25
となる。
λHOS={14.5−(16.00+12.00)/2}×1.0=0.50
となる。
λHOS={14.5−(16.50+12.00)/2}×1.0=0.25
となる。
時刻t3のリーンピーク(1)=16.00、リッチピーク(2)=12.50である場合、これらの平均値は(16.00+12.50)/2=14.25となり、制御空燃比をリセット空燃比よりも平均的にリッチ側にシフトさせている状態、換言すれば、空燃比センサ132の出力に基づく空燃比制御点をリッチ側に修正している状態である。
逆に、制御空燃比の平均がリセット空燃比よりもリーン側にシフトしていて、リーンピークとリッチピークとの平均がリセット空燃比よりも大きい場合は、空燃比補正値λHOSはマイナスの値に設定される。この場合、空燃比センサ132による検出空燃比がリッチ側に補正されることになり、これにより空燃比制御点がリーン化し、制御空燃比がリセット空燃比を中心に変動する安定した収束状態に戻ることになる。
また、空燃比補正値λHOSの演算に用いる重みWが1.0未満の値であれば、空燃比制御点がシフトしたときに、空燃比センサ132の検出空燃比の補正が徐々追従し、空燃比制御に用いる検出空燃比の急変を抑制できる。
まず、電子制御ユニット120は、ステップS401で、内燃機関100の吸入空気流量及び内燃機関100の回転速度に基づいて基本噴射パルス幅(基本燃料噴射量)TPを算出する。
また、電子制御ユニット120は、ステップS403で、空燃比補正値λHOS及び制御空燃比(目標空燃比)を読み込み、次のステップS404では、ステップS402で検出した空燃比に空燃比補正値λHOSを加算した結果を、触媒上流側の空燃比検出値とする補正処理を実施する。
次に電子制御ユニット120は、ステップS406で、基本噴射パルス幅TPを、空燃比フィードバック補正係数LAMBDAなどで補正して最終的な燃料噴射パルス幅(燃料供給量、燃料噴射量)TIを算出し、次のステップS407で、燃料噴射パルス幅TIの噴射パルス信号を燃料噴射弁113a〜113dに出力し、燃料噴射弁113a〜113dから燃料噴射パルス幅TIに比例する量の燃料を噴射させる。
空燃比補正値λHOSがプラス(λHOS>0)である場合は空燃比センサ132による検出空燃比をリーン方向に補正することになって、空燃比補正値λHOSによる補正は、燃料噴射量の制御において燃料噴射量を増やす方向(空燃比のリッチ化方向)に作用することになる。
一方、制御空燃比をリセット空燃比よりも平均的にリッチ側にシフトさせている状態、換言すれば、空燃比センサ132の出力に基づく空燃比制御点をリッチ側に修正している状態で、空燃比補正値λHOSはプラスの値に設定され、逆に、制御空燃比をリセット空燃比よりも平均的にリーン側にシフトさせている状態、換言すれば、空燃比センサ132の出力に基づく空燃比制御点をリーン側に修正している状態で、空燃比補正値λHOSはマイナスの値に設定される。
これにより、電子制御ユニット120は、空燃比制御点のずれが発生しても、酸素センサ133の出力と閾値RTH,LTHとの比較に基づき制御空燃比をリセット空燃比にリセットすることで、空燃比のハンチングを抑制しつつ、エラー時間を可及的に短くすることができる。
係るリセット周期が長くなることによる空燃比制御の安定性の低下を抑制する処理(以下では、タイムアウト処理ともいう)を付加した制御空燃比の設定処理の一態様を、図6のフローチャートに従って説明する。
つまり、図6のフローチャートに示す制御空燃比の設定処理では、図2のフローチャートに基づき説明した、制御空燃比の制御点の変化に応じて空燃比補正値λHOSを設定する処理(ステップS305,ステップS312)を実施し、更に、後述するタイムアウト処理を実施する。
ステップS303Bで電子制御ユニット120は、前回制御空燃比をリセットしてからの経過時間(リセット時間周期)、換言すれば、リッチ方向への積分制御の継続時間が、当該継続時間が空燃比制御の収束性を損なうほどに長いか否かを判定するための判定時間に達しているか否かを判別する。
一方、前記経過時間(リセット時間周期)が判定時間に達した場合、電子制御ユニット120は、ステップS303Cに進み、空燃比補正値λHOSをプラス方向に所定値だけ変更する。空燃比補正値λHOSをプラス方向にシフトさせる所定値は、固定値或いは内燃機関100の運転条件に応じて可変に設定される値である。
係る状態のときに、空燃比補正値λHOSがプラス方向にシフト変化すると、空燃比センサ132の空燃比検出値がリーン側に補正される結果、空燃比のリーン側へのエラー量が空燃比制御処理において拡大し、燃料供給量が増量補正される結果、リーン状態の早期解消が図られることになる。
つまり、電子制御ユニット120は、制御空燃比をリセット空燃比に一旦リセットした後に、制御空燃比をリッチ方向に比例積分制御で変化させる制御を再開する。
ステップS305Aで電子制御ユニット120は、直前のリーンフラグFLが立ち上がっていた期間(リッチ方向への積分制御期間)で、タイムアウト処理(積分制御の継続時間に基づく空燃比補正値λHOSのシフト補正)を実施したか否かによって、空燃比補正値λHOSを異なる処理で変更する。
一方、直前のリーンフラグFLが立ち上がっていた期間でタイムアウト処理を実施している場合、つまり、積分制御の継続時間が判定時間に達した時点で制御空燃比をリセット空燃比にリセットした後、酸素センサ133の出力がリッチ側閾値RTHよりも高いリッチ状態に移行し制御空燃比をリセットするタイミングであり、前回に続けて(2回連続して)制御空燃比をリーン方向にリセットすることになる場合、電子制御ユニット120は、下記のようにして空燃比補正値λHOSを更新する。
なお、下式において、RAFはリセット空燃比である。
上記演算式により、2回分のピーク値の偏差に重みを掛けた値に基づき空燃比補正値λHOSが変更され、タイムアウト処理において下流側排気空燃比を反転させるのに不足していた分だけ空燃比補正値λHOSが空燃比検出値を更にリーン側に補正する方向(増加方向)に変更され、リッチ方向への積分制御期間の短縮が図られる。
一方、リッチ制御期間が過剰に長くなった場合も、電子制御ユニット120は上記と同様な処理を実施する。
そして、リーン方向への積分制御の継続時間が判定時間に達すると、ステップS310Cに進み、空燃比補正値λHOSをマイナス方向に所定値だけ変更する。空燃比補正値λHOSをマイナス方向にシフトさせる所定値は、固定値或いは内燃機関100の運転条件に応じて可変に設定される値である。
係る状態のときに、空燃比補正値λHOSがマイナス方向にシフト変化すると、空燃比センサ132の空燃比検出値がリッチ側に補正される結果、空燃比のリッチ側へのエラー量が空燃比制御処理において拡大し、燃料供給量が増量補正される結果、リッチ状態の早期解消が図られることになる。
つまり、電子制御ユニット120は、制御空燃比をリセット空燃比に一旦リセットした後に、制御空燃比をリーン方向に比例積分制御で変化させる制御を再開する。
ステップS312Aで電子制御ユニット120は、直前のリッチフラグFRが立ち上がっていた期間(リーン方向への積分制御期間)で、タイムアウト処理(積分制御の継続時間に基づく空燃比補正値λHOSのシフト補正)を実施したか否かによって、空燃比補正値λHOSを異なる処理で変更する。
一方、直前のリッチフラグFRが立ち上がっていた期間でタイムアウト処理を実施している場合、つまり、積分制御の継続時間が判定時間に達した時点で制御空燃比をリセット空燃比にリセットした後、酸素センサ133の出力がリーン側閾値LTHよりも低いリーン状態に移行し制御空燃比をリセットするタイミングであり、前回に続けて(2回連続して)制御空燃比をリッチ方向にリセットすることになる場合、電子制御ユニット120は、下記のようにして空燃比補正値λHOSを更新する。
なお、下式において、RAFはリセット空燃比である。
上記演算式により、2回分のピーク値の偏差に重みW2を掛けた値に基づき空燃比補正値λHOSが変更され、タイムアウト処理において下流側排気空燃比を反転させるのに不足していた分だけ空燃比補正値λHOSが空燃比検出値を更にリッチ側に補正する方向(減少方向)に変更され、リーン方向への積分制御期間の短縮が図られる。
図7のタイムチャートの時刻t1の時点で空燃比のリーン状態が解消され、酸素センサ133の出力電圧がリッチ側閾値RTHよりも高くなると、制御空燃比はリセット空燃比にリセットされるが、リセット前の制御空燃比がリッチピーク(1)として記憶され、後の空燃比補正値λHOSの更新演算に用いることができるようにする。
この時刻t3で、リセット処理前の制御空燃比をリーンピーク(2)とし、このリーンピーク(2)と前回の経過時間に基づく強制的なリセット時のリーンピーク(1)との偏差に基づき、下式にしたがって空燃比補正値λHOSが変更される。
λHOS=λHOSold−{(リーンピーク(1)−リーンピーク(2))/2}×W2
例えば、電子制御ユニット120は、空燃比補正値λHOSを制御空燃比のピーク値に基づき変更する場合に、ピーク値や変更後の空燃比補正値λHOSが予め定めた範囲を逸脱する値であった場合に、空燃比補正値λHOSの変更をキャンセルしたり、空燃比補正値λHOSを初期値である零に戻したりすることができる。
Claims (9)
- 排気管に設置された排気浄化触媒の上流側と下流側とに、排気成分から空燃比状態を検出するセンサを備えた内燃機関に適用される空燃比制御装置であって、
前記上流側センサにより検出される上流側排気空燃比が制御空燃比に近づくように前記内燃機関への燃料供給量を制御する制御手段と、
前記下流側センサにより検出される下流側排気空燃比が基準空燃比に近づくように前記制御空燃比を設定する手段であって、前記下流側センサの出力が前記基準空燃比近傍の閾値を横切って変化したときに、前記制御空燃比を所定のリセット空燃比にリセットする設定手段と、
前記設定手段によりリセットされるときの前記制御空燃比に基づき、前記制御手段が制御に用いる上流側排気空燃比の検出値を補正する補正手段と、
を含む、内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記設定手段は、前記下流側センサの出力がリッチ側の前記閾値とリーン側の前記閾値とで挟まれる空燃比範囲内から前記空燃比範囲外に変化したときに前記制御空燃比を前記リセット空燃比にリセットする、請求項1記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記補正手段は、前記下流側センサの出力が前記リッチ側の閾値を横切って前記空燃比範囲外に変化したときの前記制御空燃比と、前記下流側センサの出力が前記リーン側の閾値を横切って前記空燃比範囲外に変化したときの前記制御空燃比との平均値に基づき、前記上流側の排気空燃比の検出値を補正する、請求項2記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記補正手段は、前記平均値が前記リセット空燃比よりもリッチ側であるときに上流側の排気空燃比の検出値をリーン側に補正し、前記平均値が前記リセット空燃比よりもリーン側であるときに上流側の排気空燃比の検出値をリッチ側に補正する、請求項3記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記設定手段は、前記下流側センサの出力が前記閾値を横切って変化したとき、及び、前記リセット後の経過時間が所定時間に達したときに、前記制御空燃比を前記リセット空燃比にリセットする、請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記補正手段は、前記リセット後の経過時間が前記所定時間に達し前記制御空燃比を前記リセット空燃比にリセットしたときに、それまでの制御空燃比の制御方向とは逆方向に上流側の排気空燃比の検出値を補正する、請求項5記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記補正手段は、前記制御空燃比が連続して同一方向にリセットされたときに、当該リセット前の前記制御空燃比間での偏差に基づき前記上流側の排気空燃比の検出値を補正する、請求項5又は請求項6に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 前記下流側センサは、排気空燃比が前記基準空燃比よりもリッチであるかリーンであるかを検出するセンサであり、
前記設定手段は、前記閾値と前記下流側センサの出力との比較に基づくリッチ/リーンの判別結果に応じて前記制御空燃比を比例積分制御で変化させる、請求項1から請求項7のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。 - 排気管に設置された排気浄化触媒の上流側と下流側とに、排気成分から空燃比状態を検出するセンサを備えた内燃機関に適用される空燃比制御方法であって、
前記上流側センサにより検出される上流側排気空燃比が制御空燃比に近づくように前記内燃機関への燃料供給量を制御するステップと、
前記下流側センサにより検出される下流側排気空燃比が基準空燃比に近づくように前記制御空燃比を設定するステップと、
前記下流側センサの出力が前記基準空燃比近傍の所定範囲の閾値を横切って変化したときに、前記制御空燃比を所定のリセット空燃比にリセットするステップと、
前記リセット空燃比にリセットされるときの前記制御空燃比に基づき前記燃料供給量の制御に用いる上流側の排気空燃比の検出値を補正するステップと、
を含む、内燃機関の空燃比制御方法。
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