JP5594068B2 - 内燃機関において空燃比検出手段のばらつきを判定する方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関において空燃比検出手段のばらつきを判定する方法および装置に関する。

内燃機関において、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）によって空燃比（Ａ／Ｆ）を検出し、検出された空燃比を制御に用いる構成が知られている。たとえば、検出された空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて、燃焼室内への燃料噴射量のズレを補正したり、触媒のＰＭ再生やＳ再生時の燃料添加量を補正するという制御が実施されている。

しかしながら、これらの制御ではＡ／Ｆセンサの出力値が正しいものとして扱うため、Ａ／Ｆセンサに個体差によるばらつきや劣化によるばらつきがあった場合には、燃焼室内への燃料噴射量や排気への燃料添加量の補正量が過大または過小となる可能性があり、排気悪化、失火、触媒ＯＴ、触媒制御性悪化等につながる恐れがある。したがって、噴射量や添加量を高精度に補正するためには、Ａ／Ｆセンサのばらつきの有無を検出する必要がある。

このようなＡ／Ｆセンサのばらつきを判定する装置の例は、特許文献１に記載される。特許文献１の装置は、Ａ／Ｆセンサの内部抵抗値を検出し、これを予め設定された劣化判定値と比較してＡ／Ｆセンサの劣化を判定する。

特開平６−３４７４３７号公報

しかしながら、従来の技術では、Ａ／Ｆセンサのばらつきを必ずしも的確に判定することができない場合があるという問題があった。たとえば特許文献１の装置は、Ａ／Ｆセンサの劣化によるばらつきは検出することができるが、それ以外の原因によるばらつき（たとえばＡ／Ｆセンサの個体差によるばらつき）は検出することができない。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、Ａ／Ｆセンサのばらつきを的確に判定することができる方法および装置を提供することを目的とする。

この発明に係る、内燃機関において空燃比検出手段のばらつきを判定する方法は、内燃機関の機関回転数を取得するステップと、燃料噴射量を指示する指令噴射量と、機関回転数とに基づいて、目標空気量を決定するステップと、指令噴射量と、目標空気量とに基づいて、目標空燃比を決定するステップと、空燃比検出手段によって実空燃比を検出するステップと、目標空燃比および実空燃比に基づいて、空燃比偏差を算出するステップと、指令噴射量と、機関回転数とに基づいて、目標排気温を決定するステップと、実排気温を検出するステップと、目標排気温および実排気温に基づいて、排気温偏差を算出するステップと、空燃比偏差および排気温偏差に基づいて、空燃比検出手段のばらつきを判定するステップとを含む。

この構成によれば、Ａ／Ｆセンサの出力に応じて算出される空燃比偏差と、Ａ／Ｆセンサの出力とは直接の関連なく算出される排気温偏差とに基づいて、Ａ／Ｆセンサのばらつきが判定される。

空燃比検出手段のばらつきを判定するステップにおいて、空燃比偏差の絶対値が所定の空燃比偏差閾値より大きく、かつ、排気温偏差の絶対値が所定の排気温偏差閾値より小さい場合には、空燃比検出手段のばらつきがあると判定し、空燃比偏差の絶対値が空燃比偏差閾値より小さいか、または、排気温偏差の絶対値が排気温偏差閾値より大きい場合には、空燃比検出手段のばらつきがないと判定してもよい。

目標空気量は、指令噴射量および機関回転数から目標空気量を求める空気量マップを参照して決定され、目標排気温は、指令噴射量および機関回転数から目標排気温を求める排気温マップを参照して決定されてもよい。

この発明に係る、内燃機関において空燃比検出手段のばらつきを判定する方法および装置によれば、実排気温と目標排気温との偏差に基づいてＡ／Ｆセンサのばらつきを判定するので、Ａ／Ｆセンサのばらつきを的確に判定することができる。

この発明の実施の形態１に係るディーゼルエンジンを含む構成の概略を示す図である。 図１のＥＣＵの学習制御の大まかな流れを示すフローチャートである。 図２のステップＳ１の内容をより詳細に説明するフローチャートである。 図２のステップＳ２の内容をより詳細に説明するフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明に係る内燃機関であるディーゼルエンジン１００を含む構成を示す。ディーゼルエンジン自体の構成は周知であるため、図１では概略のみ示している。吸気口１０から吸入された空気は、エアクリーナ１２によって浄化された後、ターボチャージャ１４によって圧縮される。そしてインタークーラ１６によって冷却され、インレットマニホールド１８を介して燃焼室２０に流入する。
また、燃焼室２０には燃料噴射装置２２から燃料が噴射され燃焼する。燃焼後、燃焼室２０からエキゾーストマニホールド２４に排気ガスが排出される。排気ガスは、ターボチャージャ１４において吸気の圧縮に用いられた後、触媒２６によって浄化され、排気口２８から排出される。

エアクリーナ１２の上流側にはエアフローメーター４２が設けられる。エアフローメーター４２はディーゼルエンジン１００に吸入される空気の量を検出する。
触媒２６の上流側には排気温センサ４４が設けられる。排気温センサ４４は温度センサであり、排気温検出手段である。また、触媒２６の下流にはＡ／Ｆセンサ４６が設けられる。Ａ／Ｆセンサ４６は空燃比検出手段であり、触媒２６を介してディーゼルエンジン１００から排出される排気ガスにおいて空燃比（Ａ／Ｆ）を表す情報を検出する。

また、ディーゼルエンジン１００における機関回転数を検出する回転数検出手段として、回転数センサ４８が設けられる。
なお、エアフローメーター４２、排気温センサ４４、Ａ／Ｆセンサ４６および回転数センサ４８の具体的な構成については、当業者に周知であるため説明を省略する。

ディーゼルエンジン１００には、ディーゼルエンジン１００の動作を制御するＥＣＵ４０が取り付けられる。ＥＣＵ４０は、エアフローメーター４２、排気温センサ４４、Ａ／Ｆセンサ４６および回転数センサ４８と電気的に通信可能であり、これらのセンサから伝達される情報を受信する。また、ＥＣＵ４０は、燃料噴射装置２２と電気的に通信可能であり、燃料噴射量を指示する指令噴射量を燃料噴射装置２２に送信することによって、ディーゼルエンジン１００における燃料噴射量を制御する。

ＥＣＵ４０は周知の電子制御装置としての構成を有する。ＥＣＵ４０は、回転数センサ４８および図示しないアクセル開度センサから受信する情報に基づいて指令噴射量を決定し、これを燃料噴射装置２２に送信して燃料噴射量を制御する。なお、指令噴射量はオイル温度や冷却水温度に基づく機関温度、吸入空気温度、大気圧など周知のパラメータによって補正してもよい。

ＥＣＵ４０は記憶装置（図示せず）を備える。記憶装置には、指令噴射量および機関回転数から吸入空気量を求める空気量マップと、吸入空気量および指令噴射量から空燃比を求める空燃比マップと、指令噴射量および機関回転数から排気温を求める排気温マップとが記憶されている。これらのマップは２次元の表形式となっており、たとえば空気量マップにおいて、指令噴射量の値および機関回転数の値が特定されれば、これらの値に対応する吸入空気量の値が決定される。

上述のＥＣＵ４０、エアフローメーター４２、排気温センサ４４および回転数センサ４８が、ディーゼルエンジン１００においてＡ／Ｆセンサ４６のばらつきを判定する装置を構成する。ばらつきとは、Ａ／Ｆセンサ付近の空燃比の実際の値と、Ａ／Ｆセンサ（たとえばＡ／Ｆセンサ４６）によって測定される空燃比の値との隔たりを意味し、Ａ／Ｆセンサの劣化、個々のＡ／Ｆセンサの個体差、またはその他の原因によって発生する。

次に、図２〜図４を参照して、実施の形態１に係るＥＣＵ４０が実行する制御について説明する。
図２は、Ａ／Ｆセンサ４６のばらつきを検出するための検出モードにおいて、ＥＣＵ４０が実行する制御の大まかな流れを示すフローチャートである。図２のフローチャートの実行は、排気温をある程度安定して測定できる状態で開始される。なお、ここで「排気温をある程度安定して測定できる状態」とは、たとえば定常走行時であるが、この状態の具体的な判断基準は当業者が適宜設計することができるため詳細な定義は省略する。

まずＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ４６によって検出される実空燃比と、Ａ／Ｆセンサ４６以外からの情報に基づいて決定される目標空燃比との偏差を算出する（ステップＳ１）。

図３は、図２のステップＳ１の内容をより詳細に説明するフローチャートである。図２のステップＳ１は、図３のステップＳ１１〜Ｓ１６を含む。
まずＥＣＵ４０は指令噴射量を取得する（ステップＳ１１）。ＥＣＵ４０はたとえば周知の方法によって指令噴射量を随時決定しており、単にその値を参照することによってこれを取得することができる。
次に、ＥＣＵ４０はディーゼルエンジン１００の機関回転数を取得する（ステップＳ１２）。これはたとえば回転数センサ４８が検出した機関回転数を表す値を受信することによって行われる。

次に、ＥＣＵ４０は目標空気量を決定する（ステップＳ１３）。これは、ステップＳ１１およびＳ１２において取得された指令噴射量および機関回転数に基づき、上述の空気量マップを参照することによって行われる。ここで、目標空気量は空気量マップによって求められる吸入空気量に相当する値であり、また、この値は機関回転数に対応して求められる値である。したがって、目標空気量も、機関回転数も、いずれも吸入空気量相当値として扱うことができる。

次に、ＥＣＵ４０は目標空燃比を決定する（ステップＳ１４）。これは、ステップＳ１１において取得された指令噴射量と、ステップＳ１３において決定された吸入空気量相当値（目標空気量または機関回転数）とに基づき、上述の空燃比マップを参照することによって行われる。このように、目標空燃比は、Ａ／Ｆセンサ４６から受信する情報を参照することなく決定される。

次に、ＥＣＵ４０は実空燃比を検出する（ステップＳ１５）。これはたとえばＡ／Ｆセンサ４６が検出した空燃比を表す値を受信することによって行われる。
次に、ＥＣＵ４０は空燃比偏差を算出する（ステップＳ１６）。これは、上記のように取得された実空燃比と目標空燃比との偏差を算出することによって行われる。偏差はたとえば差として求められる。

このようにして、ステップＳ１において、ＥＣＵ４０は空燃比偏差を算出する。ここで、空燃比偏差がゼロである場合は、Ａ／Ｆセンサ４６によって検出される実空燃比と、Ａ／Ｆセンサ４６以外からの情報に基づいて決定される目標空燃比とが一致していることになる。一方、空燃比偏差がゼロでない場合は、その原因として、指令噴射量と実際の噴射量との間の誤差（噴射量ズレ）や、Ａ／Ｆセンサ４６が検出した実空燃比と、実際の空燃比との間の検出誤差（ばらつき）が考えられる。

図２に戻り、ステップＳ１の後、ＥＣＵ４０は、排気温センサ４４によって検出される実排気温と、排気温センサ４４以外からの情報に基づいて決定される目標排気温との偏差を算出する（ステップＳ２）。
図４は、図２のステップＳ２の内容をより詳細に説明するフローチャートである。図２のステップＳ２は、図４のステップＳ２１〜Ｓ２５を含む。
まずＥＣＵ４０は指令噴射量および機関回転数を取得する（ステップＳ２１およびＳ２２）。これらの処理は図３のステップＳ１１およびＳ１２と同様である。また、これらの処理を省略し、ステップＳ１１およびＳ１２において取得した値を用いてもよい。

次に、ＥＣＵ４０は目標排気温を決定する（ステップＳ２３）。これは、指令噴射量および機関回転数（すなわち吸入空気量相当値）に基づき、上述の排気温マップを参照することによって行われる。このように、目標排気温は、排気温センサ４４から受信する情報を参照することなく決定される。 次に、ＥＣＵ４０は実排気温を検出する（ステップＳ２４）。これはたとえば排気温センサ４４が検出した温度を表す値を受信することによって行われる。

次に、ＥＣＵ４０は排気温偏差を算出する（ステップＳ２５）。これは、上記のように取得された実排気温と目標排気温との偏差を算出することによって行われる。偏差はたとえば差として求められる。
このようにして、ステップＳ２において、ＥＣＵ４０は排気温偏差を算出する。ここで、排気温偏差がゼロである場合は、排気温センサ４４によって検出される実排気温と、排気温センサ４４以外からの情報に基づいて決定される目標排気温とが一致していることになる。

なお、この例ではステップＳ１の後にステップＳ２が実行されるが、これらの実行順序は逆であってもよく、また並列的に実行されてもよい。

図２に戻り、ステップＳ２の後、ＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサのばらつきがあるか否かを判定する（ステップＳ３）。この判定は、空燃比偏差および排気温偏差に基づいて行われる。
ステップＳ３は、より詳細なステップＳ３１およびステップＳ３２を含む。まずＥＣＵ４０は、空燃比偏差の絶対値が、所定の閾値（空燃比偏差閾値）より大きいか否かを判定する（ステップＳ３１）。空燃比偏差閾値はたとえば０．３であるが、他の値であってもよい。空燃比偏差の絶対値が空燃比偏差閾値より大きい場合には、ＥＣＵ４０はさらに、排気温偏差の絶対値が、所定の閾値（排気温偏差閾値）より大きいか否かを判定する（ステップＳ３２）。排気温偏差閾値はたとえば２０℃であるが、他の値であってもよい。

ステップＳ３１において空燃比偏差の絶対値が空燃比偏差閾値より小さい場合には、ＥＣＵ４０は処理を終了する。これは、空燃比偏差が小さいことからＡ／Ｆセンサ４６のばらつきがないと判定することに相当する。
また、ステップＳ３２において排気温偏差の絶対値が排気温偏差閾値より大きい場合も同様にＥＣＵ４０は処理を終了する。この場合には、空燃比偏差は大きいが排気温偏差も大きいので、これらの偏差の原因としてはＡ／Ｆセンサ４６のばらつきだけでなく、燃料の噴射量ズレや、吸気管や排気管の詰まり等による排気管を流れる空気量にズレがある等も考えられる。このため、Ａ／Ｆセンサ４６のばらつきがあるとは断定できず、よってＥＣＵ４０はＡ／Ｆセンサ４６のばらつきはないと判定する。

なお、この例ではステップＳ３１の後にステップＳ３２が実行されるが、これらの実行順序は逆であってもよく、また並列的に実行されてもよい。また、ステップＳ３１およびＳ３２の判定において等号が成立する場合の分岐については当業者が適宜設計することができる。

ステップＳ３２において排気温偏差の絶対値が排気温偏差閾値より小さいと判定された場合、ＥＣＵ４０はＡ／Ｆセンサ４６にばらつきがあると判定する。この場合には、ＥＣＵ４０はＡ／Ｆセンサ４６にばらつきがある旨を運転者に通知する（ステップＳ４）。この通知はたとえばＭＩＬランプを点灯させることによって行われる。さらに、ＥＣＵ４０はＡ／Ｆセンサ４６の出力（実空燃比）に基づくすべての制御を停止する（ステップＳ５）。これにより、実空燃比に基づく燃料噴射量の補正や排気への燃料添加量の補正が停止される。

以上説明されるように、実施の形態１に係るディーゼルエンジン１００およびＥＣＵ４０によれば、実排気温と目標排気温との偏差に基づいてＡ／Ｆセンサ４６のばらつきの有無を判定するので、Ａ／Ｆセンサ４６のばらつきを的確に判定することができる。

また、Ａ／Ｆセンサ４６のばらつきがあると判定された場合にはＭＩＬを点灯させるとともにＡ／Ｆセンサ４６に基づく制御を停止するので、大きなばらつきを含む実空燃比に基づいて制御が続けられることがない。したがって、結果的に噴射量の学習（補正）精度が向上し、失火および排気悪化を防止することができる。また、触媒制御性が向上するため、触媒ＯＴを防止し、燃費を改善することができる。

実施の形態１において、ディーゼルエンジン１００は他の内燃機関であってもよく、たとえばガソリンエンジンであってもよい。
また、ディーゼルエンジン１００は、排気管内の燃焼ガスを吸気管内に還流させるＥＧＲ装置が設けられていてもよく、この場合、指令噴射量及び機関回転数などから求められるＥＧＲ量に応じて目標空気量、目標Ａ／Ｆ、目標排気温を補正し、各種センサの値と偏差を算出すればよい。
各種センサの配置は、実施の形態１に示される配置以外であってもよい。たとえば、排気管に設置されるＡ／Ｆセンサや排気温センサは排気管に設置されていればよく、ターボチャージャ１４の上流側の排気管、触媒２６の上流側の排気管や触媒２６の下流側排気管に配置されていればよい。なお、実施の形態１に示される配置は、各種センサが設置されることが多い配置となっており、この場合、新たに各種センサを設置する必要がない。
空気量マップ、空燃比マップおよび排気温マップは、たとえば各センサから特性中央品として選択されたものを使用して決定することができる。

また、これらのマップは、実施の形態１に示される変数以外の情報を考慮に入れたものであってもよい。たとえば、空燃比マップは、環境条件（外気温、水温、大気圧、等）、触媒モード（通常燃焼モードであるか、または再生燃焼モードであるか）等に基づいて空気量の補正を行ってもよい。また、排気温マップは、空気量、ＥＧＲ量、環境条件（外気温、水温、大気圧、等）、触媒モード（通常燃焼モードであるか、または再生燃焼モードであるか）等に基づいて排気温の補正を行ってもよい。

また、排気温検出手段は排気温センサ４４でなくともよく、触媒の温度を検出する温度センサであってもよい。
また、実施の形態１では、目標空燃比を指令噴射量と吸入空気量相当値（目標空気量または機関回転数）とから決定したが、これに限らず、指令噴射量とエアフローメーター４２によって検出される実空気量とから求めてもよい。この場合、指令噴射量と実空気量とから目標排気温度を求めるマップをＥＣＵに備えておき、該マップより目標排気温度を算出すればよい。

４０ ＥＣＵ、４２ エアフローメーター、４４ 排気温センサ（排気温検出手段）、４６ Ａ／Ｆセンサ（空燃比検出手段）、４８ 回転数センサ（回転数検出手段）、１００ ディーゼルエンジン（内燃機関）。

Claims (3)

1. 内燃機関において空燃比検出手段のばらつきを判定する方法であって、
   前記内燃機関の機関回転数を取得するステップと、
   燃料噴射量を指示する指令噴射量と、前記機関回転数とに基づいて、目標空気量を決定するステップと、
   前記指令噴射量と、前記目標空気量とに基づいて、目標空燃比を決定するステップと、
   前記空燃比検出手段によって実空燃比を検出するステップと、
   前記目標空燃比および前記実空燃比に基づいて、空燃比偏差を算出するステップと、
   前記指令噴射量と、前記機関回転数とに基づいて、目標排気温を決定するステップと、
   実排気温を検出するステップと、
   前記目標排気温および前記実排気温に基づいて、排気温偏差を算出するステップと、
   前記空燃比偏差および前記排気温偏差に基づいて、前記空燃比検出手段のばらつきを判定するステップと
   を含む方法。
2. 前記目標空気量は、前記指令噴射量および前記機関回転数から前記目標空気量を求める空気量マップを参照して決定され、
   前記目標排気温は、前記指令噴射量および前記機関回転数から前記目標排気温を求める排気温マップを参照して決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記空燃比検出手段のばらつきを判定する前記ステップにおいて、
   前記空燃比偏差の絶対値が所定の空燃比偏差閾値より大きく、かつ、前記排気温偏差の絶対値が所定の排気温偏差閾値より小さい場合には、前記空燃比検出手段のばらつきがあると判定し、
   前記空燃比偏差の絶対値が前記空燃比偏差閾値より小さいか、または、前記排気温偏差の絶対値が前記排気温偏差閾値より大きい場合には、前記空燃比検出手段のばらつきがないと判定する、請求項１または２に記載の方法。

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