JP5004935B2 - 内燃機関の空燃比制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に設ける酸素センサの出力に基づいて空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御方法に関するものである。

近年、例えば自動車用の内燃機関では、排気ガスを浄化するために排気ガス中のＮＯｘを吸蔵する能力を向上させた触媒であるＮＯｘ吸蔵型触媒（以下、触媒と略称する）を使用している。このような触媒を用いる内燃機関において、例えば特許文献１に記載のもののように、触媒の温度に基づいて触媒の活性状態を判別し、触媒が不活性であると判別した場合は空燃比がストイキオ或いはリッチ側にならないよう目標空燃比を補正するように構成した空燃比制御装置が知られている。
特開平１１‐３６９６８号公報

ところで、上述の構成のものであると、触媒が不活性である状態において、目標空燃比をストイキオ或いはリッチ側にならないように補正しても、ＮＯｘは触媒内に吸蔵されることなくその大部分が排出されるものである。そして、燃料の供給を中止する燃料カットをすることなく、このような空燃比制御状態で運転が継続されると、触媒内に吸蔵される酸素の量が十分ではない状態になる。この結果、排気ガス中のＨＣやＣＯの浄化率が低下することがあった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の空燃比制御方法は、排気通路に設けられる触媒と、触媒の上流側に設けられる酸素センサとを備える内燃機関において、酸素センサが活性化したことを検出した後の酸素センサの出力に基づいて設定した空燃比補正定数を用いて空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御方法であって、酸素センサが活性化したことを検出した後に燃料の供給を中止したことを燃料カット履歴として記録し、燃料カット履歴の記録がない場合は燃料カット履歴の記録がある場合よりも空燃比がリーンになるように予め定められた空燃比補正定数を選択することを特徴とする。

このような構成によれば、酸素センサの活性化後に燃料の供給を中止した場合には、そのことを燃料カット履歴として記録する。そして、酸素センサの活性後化に燃料カット履歴が記録されておらず、よって触媒内の酸素が極端に少なくなる状態が生じる場合に、空燃比補正定数を燃料カットの履歴がある場合よりも空燃比がリーンなるように選択することで、触媒を早期に活性化させることを促すことが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、酸素センサの活性後に燃料の供給を中止していないことで、触媒内の酸素が極端に少なくなる状態が生じる場合に、空燃比補正定数を燃料カットの履歴がある場合よりも空燃比がリーンなるように選択することで、触媒を早期に活性化させることを促すことができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は、その１気筒の構成を代表して図示する、自動車用の火花点火式４サイクル４気筒のものである。エンジン１００の吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、その燃料噴射弁５を、電子制御装置６により制御するようにしている。燃焼室７を形成するシリンダヘッド８には、吸気弁９及び排気弁１０が配設されるとともに、火花を発生するスパークプラグ１１が取り付けてある。また排気系１２には、図示しないマフラに至るまでの排気管路１３に触媒である三元触媒１４が配設され、排気ガス中の酸素濃度を測定して空燃比を制御するための信号を出力する酸素センサたる主Ｏ₂センサ１５が、その三元触媒１４の上流の位置に配設されているとともに、同じく空燃比を検出する検出手段たる副Ｏ₂センサ１６が三元触媒１４の下流に配設されている。主Ｏ₂センサ１５及び副Ｏ₂センサ１６は、排気ガス中の酸素濃度つまり空燃比に応じて２値の出力信号ｈを出力するものである。なお、この実施形態の主Ｏ₂センサ１５及び副Ｏ₂センサ１６はそれぞれ、活性化を促進するためにヒータを備えており、エンジン１００の始動と同時にヒータに通電されるように構成してある。

電子制御装置６は、中央演算処理装置１７と、記憶装置１８と、入力インターフェース１９と、出力インターフェース２０とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース１９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ２１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ２２から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ２３から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ２４から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ２５から出力される水温信号ｅ、上記した主Ｏ₂センサ１５から出力される出力信号（電圧信号）ｈ、副Ｏ₂センサ１６から出力される出力信号（電圧信号）ｋ等が入力される。一方、出力インターフェース２０からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、またスパークプラグ１１に対してイグニションパルスｇが出力されるようになっている。

電子制御装置６には、吸気圧センサ２１から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ２２から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間（基本噴射量）を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Ｔを決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。基本噴射量を補正する補正係数としては、吸気温度に応じた増量をするための吸気温度補正係数、空燃比をフィードバック制御する場合のフィードバック補正係数ＦＡＦ、出力を要求された場合のパワー増量補正係数などがある。

エンジン１００が暖機完了の状態となり、しかも主Ｏ₂センサ１５及び副Ｏ₂センサ１６が完全に活性化している状態において空燃比のフィードバック制御を実行する際には、実際の空燃比がほぼ理論空燃比近傍となるようにフィードバック補正係数ＦＡＦを主Ｏ₂センサ１５からの出力信号ｈに応じて、例えば図２に示すように変化させるものである。

すなわち、主Ｏ₂センサ１５の出力信号ｈが判定値を上回ってリッチ状態を検出している際には、フィードバック補正係数ＦＡＦを所定の積分定数ＫＩＭを用いて燃料を減量する方向に徐々に減少させていく。一方、主Ｏ₂センサ１５の出力信号ｈが判定電圧を下回ってリーン状態を検出している際には、出力信号ｈが判定電圧に達してから遅延時間ＴＤＬが経過した時点で、フィードバック補正係数ＦＡＦを一定のスキップ値ＲＳＰだけ燃料を増量する側にスキップし、その後にフィードバック補正係数ＦＡＦを所定の積分定数ＫＩＰを用いて燃料を増量する側に増加させていく。さらに、燃料を増量した結果、主Ｏ₂センサ１５がリッチ状態を検出した場合には、主Ｏ₂センサ１５の出力信号ｈが判定電圧を上回る時点から所定の遅延時間ＴＤＲが経過した後に、フィードバック補正係数ＦＡＦを一定のスキップ値ＲＳＭだけ燃料を減量する側にスキップし、その後にフィードバック補正係数ＦＡＦを所定の積分定数ＫＩＭを用いて燃料を減量する側に減量させていく。そして、フィードバック補正係数ＦＡＦに対して上述の操作を繰り返し実行することにより、実際の空燃比を理論空燃比に近づけるようにしている。

なお、この実施形態では、前述した各空燃比補正定数の内、積分定数ＫＩＭ、ＫＩＰとスキップ値ＲＳＰ、ＲＳＭとは一定値に設定しているが、主Ｏ₂センサ１５が完全に活性化した後は、以下に説明する空燃比制御プログラムの実行中をのぞいて、遅延時間ＴＤＲ，ＴＤＬは副Ｏ₂センサ１６の出力信号ｋに応じて変化させるようにしている。

そして、その空燃比制御プログラムにあっては、酸素センサである主Ｏ₂センサ１５が活性化したことを検出した後の主Ｏ₂センサ１５の出力に基づいて設定した空燃比補正定数を用いて空燃比を制御するものであって、主Ｏ₂センサ１５が活性化したことを検出した後に燃料の供給を中止したことを燃料カット履歴として記録し、燃料カット履歴の記録がない場合は燃料カット履歴の記録がある場合よりも空燃比がリーンになるように予め定められた空燃比補正定数を選択するものである。

この実施形態の空燃比制御プログラムを、図３を参照して説明する。なお、この空燃比制御プログラムは、エンジン１００を冷間時に始動した後、主酸素センサ１５が十分に活性化している状態から暖機完了となるまでの冷機状態にエンジン１００がある場合に実行されるものである。

まずステップＳ１では、主Ｏ₂センサ１５が十分に活性化しているか否かを判定する。主Ｏ₂センサ１５の活性化は、その出力信号ｈの状態に基づいて判定する。主Ｏ₂センサ１５が活性化した場合は、その出力信号ｈが活性化していない場合に比べて俊敏な反応を呈する。具体的には例えば、出力信号ｈの立ち上がり又は立ち下がりの傾き（速度）により主Ｏ₂センサ１５の活性化を判定する。主Ｏ₂センサ１５は、活性化判定直後から所定時間の間においても、完全に活性化した場合に比較して、出力信号ｈがやや緩慢な反応を示すものであるので、主Ｏ₂センサ１５が十分に活性化することは所定時間後となる。

ステップＳ１において、主Ｏ₂センサ１５が活性化したと判定した場合、ステップＳ２において、燃料の供給つまり噴射を中止する制御である燃料カットを実行したことを示す燃料カット履歴を記録しているか否かを判定する。すなわち、始動の後、エンジン１００が暖機完了となるまでの間に、燃料カットを実行した場合に燃料カット履歴を記録し、燃料カットを実行していない場合には燃料カット履歴は記録されない。

ステップＳ３では、燃料カット履歴が記録されていない、つまり燃料の供給を中止していないのと判断を受けて、空燃比補正定数を空燃比がリーンになるように選択する。この場合、具体的には、空燃比補正定数としての遅延時間ＴＤＬが長くなるように、選択する。遅延時間ＴＤＬのこの選択により、空燃比をリッチ側に切り替えるまでの時間が長くなり、その分、空燃比がリーンになる。一般的に、暖機運転完了前には、ドライバビリティを確保するため、空燃比をリッチ寄りに制御する。従って、このような実施形態において、三元触媒１４内の酸素が不足しがちである為、遅延時間ＴＤＬをリーン側になるように選択する。

ステップＳ４では、燃料カット履歴が記録されていると判定された場合であるので、遅延時間ＴＤＬをほぼストイキオ又はわずかにリーン側になるように選択する。この後、ステップＳ５において、暖機運転が完了したか否かを判定し、完了していない場合は、ステップＳ２に戻る。

このような構成において、エンジン１００を始動し、主Ｏ₂センサ１５が十分に活性化した後、自動車を停止させたままの状態つまりエンジン１００はアイドル運転状態のままの状態にある場合を説明する。このようにエンジン１００がアイドル運転状態のままで、暖機運転が完了するまでの間に燃料の供給を中止しない場合は、燃料カット履歴は記録されない。そして、この間、空燃比はストイキより若干リッチ側に設定してあるので、三元触媒１４の内部の酸素は、ＣＯ及びＨＣとの酸化反応により減少する。

したがって、ステップＳ１、ステップＳ２及びステップＳ３をこの順に実行して、空燃比補正定数を選択して、空燃比がストイキオ又はわずかにリーン側にする。これにより、三元触媒１４内は酸素が増加する状態になる。このようにして、三元触媒１４内の酸素が増加すると、酸化反応が促進され、三元触媒１４の温度が上昇する。この温度上昇に伴って、アイドル運転状態にあるエンジン１００であっても、三元触媒１４の活性化を早めることが可能になる。それゆえ、活性化前の三元触媒１４の浄化能率を向上させることができ、自動車の発進時に、ＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣが排出されることを抑制することができる。

これに対して、主Ｏ₂センサ１５が十分に活性化した後、暖機運転が完了するまでつまり冷機状態にエンジン１００がある場合に自動車を走行し、減速などで燃料の供給を停止する運転状態が生じた場合、燃料を供給しないことでその間に空気が大量に三元触媒１４内に流入する。このため、始動又は冷機状態の運転による酸素欠乏状態が解消されわずかにリーン側のストイキオ近傍に保つことが可能になる。このようにして、三元触媒１４内の酸素が増加し、酸化反応が促進されて三元触媒１４の活性化が促進される。

このように、停車している間は、空燃比がリーン側になるように遅延時間ＴＤＬを選択し、一旦走行して燃料カットを実施した場合では空燃比がややリーンもしくはストイキオになるように遅延時間ＴＤＬを選択することにより、エンジン１００が暖機運転完了の状態となるまでの間の三元触媒１４の浄化能力を向上させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態にあっては、空燃比補正定数としての遅延時間ＴＤＲ、ＴＤＬを説明したが、フィードバック補正係数ＦＡＦを制御するスキップ値ＲＳＰ、ＲＳＭ又は積分定数ＫＩＭ、ＫＩＰであってもよい。この場合、スキップ値ＲＳＰはその値を小さく、スキップ値ＲＳＭはその値を大きくするように選択（調整）し、積分定数ＫＩＰはその変化の割合を小さく、積分定数ＫＩＭはその変化の割合を大きくするように選択する。このように、フィードバック補正係数ＦＡＦのスキップ値ＲＳＰ、ＲＳＭ又は積分定数ＫＩＭ、ＫＩＰを選択することにより、フィードバック補正係数ＦＡＦの可変範囲つまり振幅が小さくなり、上述の実施形態と同等の効果を奏するものである。

又、以上においては、触媒の前後にＯ₂センサを配したエンジンを説明したが、上述の実施形態における主Ｏ₂センサ１５のみを有するエンジンに適用するものであってよい。

加えて、主Ｏ₂センサ１５の活性化判定は、エンジン１００の始動からの経過時間により判定するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本発明の実施形態の概略的構成図。 同実施形態の基本的な空燃比制御の作用を示すタイミングチャート。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

６…電子制御装置
１４…三元触媒
１５…主Ｏ₂センサ
１６…副Ｏ₂センサ
１７…中央演算処理装置
１８…記憶装置
１９…入力インターフェース
２０…出力インターフェース

Claims (1)

1. 排気通路に設けられる触媒と、触媒の上流側に設けられる酸素センサとを備える内燃機関において、酸素センサが活性化したことを検出した後の酸素センサの出力に基づいて設定した空燃比補正定数を用いて空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御方法であって、
   酸素センサが活性化したことを検出した後に燃料の供給を中止したことを燃料カット履歴として記録し、
   燃料カット履歴の記録がない場合は燃料カット履歴の記録がある場合よりも空燃比がリーンになるように予め定められた空燃比補正定数を選択する内燃機関の空燃比制御方法。

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