JP2009197771A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルコール濃度の推定を行うセンサが故障した場合でも、空燃比の急変に伴う不都合を解消し得る内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】空燃比を検出する空燃比検出部５１と、空燃比に基づきアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定部５４と、空燃比検出部５１がフェールしたか否かを判定するフェール判定部５７と、フェールが検出された場合にアルコール濃度推定部５４によるアルコール濃度の推定を中止して、アルコール濃度の推定値を出力するアルコール濃度設定部５８とを有するとともに、アルコール濃度設定部５８は、フェール時点のアルコール濃度推定値に対して一次遅れ処理を２回繰り返すことにより所定の濃度へ移行させるように構成した。
【選択図】 図３

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関し、特にガソリン燃料とアルコール燃料との何れも使用可能な車両（以下、ＦＦＶと称する）における空燃比センサのフェール時に適用して有用なものである。

最近低公害燃料としてエタノール等のアルコールが注目されており、このアルコールをガソリンと混合して燃料とするＦＦＶの開発が進んでいる。この種のＦＦＶにおいても、酸素センサやＬＡＦＳ（リニア空燃比センサ）を設けて排気中の酸素濃度から空燃比を検出し、運転時には前記空燃比が目標空燃比に近づくように燃料供給量をフィードバック補正する制御を行っている。この際、ＦＦＶにおいてはガソリンとアルコールとの理論空燃比の相違等、両燃料の特性の相違を考慮して燃料噴射量の制御を適正に行う必要がある。すなわち、アルコール混合燃料のアルコール濃度を的確に把握し、このアルコール濃度に応じた的確な燃料供給量制御を行う必要がある。ここで、アルコール濃度は、排気ガスの状態を表わすデータに基づき推定できることが知られている。そこで、アルコール濃度をアルコールセンサで直接検出する方式（例えば特許文献１参照）に代わり、排気空燃比を検出するための空燃比センサである酸素センサやＬＡＦＳの出力信号に基づいてＦＦＶにおけるアルコール濃度の推定を行なう方式が提案されている。この場合、アルコール推定値に基づいて所定の空燃比になるように燃料噴射量の制御を行う。

特公平７−６４３０号公報

上述の如く、アルコール混合燃料中のアルコール濃度を推定する場合には、酸素センサやＬＡＦＳ等のセンサが故障した場合の対策を講じておかなければならない。この場合、センサの故障と同時にアルコール濃度を所定の設定値に階段状に変化させることが考えられる。

しかしながら、この場合には空燃比の急変に伴う排気ガスやドライバビリティの悪化を生起する可能性がある。

ちなみに、アルコール濃度の変化は、デリバリーパイプ及び燃料配管から形成された所定の容積におけるアルコール燃料の移動量と混合量、及びインジェクタからの燃料噴射量というパラメータによって決まる。したがって、アルコール濃度の変化は通常想定される広範囲な運転条件において、例えばエンジン回転数と負荷により変化する燃料噴射量に応じて異なる。このため、瞬時のアルコール濃度の切替や、固定されたゲインによるテーリング等ではアルコール濃度が変化する軌跡を正しくトレースできない。

なお、特許文献１では、アルコールセンサが故障した場合、アルコールセンサの出力を設定値に固定するか、又は固定した設定値によるテーリングにより対処している。

本発明は、上記従来技術に鑑み、アルコール濃度の推定を行うセンサが故障した場合でも、空燃比の急変に伴う上述の如き不都合を解消して排気ガスやドライバビリティの悪化を抑制し得る内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は次の知見を基礎とするものである。図１はアルコール濃度をａからｂに変化させたときの特性の一例を示す図で、（a）は排気空燃比、（ｂ）はアルコール濃度を推定するための酸素センサのフィードバック係数（空燃比を所定の値に制御するための補正係数）、同図（ｃ）は燃料消費量積算値の経時的な変化をそれぞれ示している。すなわち、横軸が時間軸となっている。

図１を参照すると、燃料消費量積算値（図１（ｃ））が時間とともに直線的に上昇しているのに対し、フィードバック係数（図１（ｂ））は時間ｔ１までは殆ど変化せず、時間ｔ１から時間ｔ２の間で当量比変化に追従して上昇するとともに時間ｔ２以降では一定値に飽和していることが分る。なお、この間、排気空燃比（図１（ａ））は当量比が変わっても安定している。

ここで、時間ｔ１と時間ｔ２との間のフィードバック係数に着目してさらに詳細に検討してみると、この間の軌跡は一次遅れ処理を２回行った場合の軌跡で良好に近似できることが分った。このことは、アルコール濃度推定制御で使用するセンサがフェールした場合に、アルコール濃度の推定を中止して設定した所定濃度にするため、フェール時のアルコール濃度推定値と前記所定濃度に対して一次遅れ処理を２回行った軌跡で近似すれば、実際にアルコール濃度が変化する軌跡（燃料消費量に応じた軌跡）に良好に追従させ得ることを意味している。

さらに、この際、フィードバック開始から時間ｔ１に至る迄、すなわち燃料消費量積算値が閾値Ａに至る迄はアルコール濃度推定値が変化せず、同様に時間ｔ２以降、すなわち燃料消費量積算値が閾値Ｂを超えた後もアルコール濃度推定値は変化していないことが分る。前者は閾値Ａの時点でインジェクタ部の燃料の置換が開始され、後者は閾値Ｂの時点でほぼ置換が完了したためと考えられる。

そこで、閾値Ａ≧燃料消費量積算値、Ａ＜燃料消費量積算値≦閾値Ｂ、閾値Ｂ＜燃料消費量積算値の３つの領域に分けてアルコール濃度推定値を求めた場合に最適な推定結果を得ることが分る。

かかる知見に基づく本発明の第１の態様は、アルコール含有燃料により運転可能な内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の排気系の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記空燃比検出手段で検出された空燃比に基づきアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定手段と、前記空燃比検出手段がフェールしたか否かを判定するフェール判定手段と、前記フェール判定手段で前記空燃比検出手段がフェールしたと判定された場合に前記アルコール濃度推定手段によるアルコール濃度の推定値に代えて、所定のアルコール濃度値を設定するアルコール濃度設定手段とを有し、前記アルコール濃度設定手段は、前記フェール判定手段で前記空燃比検出手段がフェールしたと判定された時点のアルコール濃度推定値に一次遅れ処理を２回施して前記所定の濃度へ移行させるように構成したことを特徴とする内燃機関の制御装置にある。

本態様によれば、フェール時点のアルコール濃度推定値と所定の濃度に対して一次遅れ処理を２回行うことにより所定の濃度へ移行させるようにしたので、実際にアルコール濃度が変化する軌跡で所定の濃度へフェール時のアルコール濃度推定値を移行させることができる。この結果、アルコール濃度推定値の切替時における空燃比の急変に起因する排気ガスやドライバビリティの悪化を抑制して的確な内燃機関の駆動制御を行うことができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する内燃機関の制御装置において、給油されたか否かを判定する給油判定手段をさらに備え、前記アルコール濃度設定手段は、前記給油判定手段が給油されたことを判定した時点から所定期間が経過した後に前記所定のアルコール濃度値への移行を開始するように構成したことを特徴とする内燃機関の制御装置にある。

本態様によれば、センサフェール時のアルコール濃度の推定に給油結果を反映させることができるので、さらに的確な内燃機関の制御を行うことができる。

本発明によれば、アルコール濃度推定の基礎となる空燃比センサがフェールした場合、燃料消費量に応じて実際にアルコール濃度が変化する軌跡で所定の濃度へ移行させることができるので、前記空燃比センサのフェール時にアルコール濃度推定値を所定の固定値にステップ的に設定する場合や、所定の固定値に基づきテーリング処理する場合に生じる空燃比の急変に起因する排気ガスやドライバビリティの悪化を抑制して的確なアルコール濃度推定制御を継続することができる。

以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態に係るＦＦＶのエンジン及びその制御装置を示すブロック線図である。同図に示すように、ＦＦＶに搭載された内燃機関であるエンジン１のシリンダヘッド２には気筒毎に点火プラグ３が取り付けられ、点火プラグ３には高電圧を出力する点火コイル４が接続されている。シリンダヘッド２には気筒毎に吸気ポート５が形成され、吸気ポート５の燃焼室６側には吸気弁７がそれぞれ設けられている。吸気弁７はエンジン回転に応じて回転するカムシャフト８のカムに倣って開閉作動され、吸気ポート５と燃焼室６との連通・遮断を行なう。

吸気ポート５には吸気マニホールド９の一端がそれぞれ接続されて連通している。吸気マニホールド９には各気筒に対応して電磁式の燃料噴射弁１０が取り付けられ、燃料噴射弁１０は燃料パイプ１１に接続されている。この燃料パイプ１１は図示しない燃料供給装置に接続され、燃料タンク１４からアルコール（エタノール）とガソリンとを含む混合燃料が供給される。燃料タンク１４内の燃料量は燃料センサ２１で検出される。

吸気マニホールド９の上流側の吸気管には、吸気通路を開閉するスロットルバルブ１２が設けられ、スロットルバルブ１２の弁開度（スロットル開度）を検出するスロットルポジションセンサ１３が設けられている。

一方、シリンダヘッド２には気筒毎に排気ポート１５が形成され、排気ポート１５の燃焼室６側には排気弁１７がそれぞれ設けられている。排気弁１７はエンジン回転に応じて回転するカムシャフト１８のカムに倣って開閉作動され、排気ポート１５と燃焼室６との連通・遮断を行なう。そして、排気ポート１５には排気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続され、排気ポート１５に排気マニホールド１６が連通している。

排気マニホールド１６の他端には排気管（排気通路）２０が接続され、排気管２０には排気浄化触媒２３が設けられている。排気浄化触媒２３の上流側の排気管２０には酸素センサ２２が設けられている。

制御装置である電子制御ユニットＩ（以下，ＥＣＵＩと称する）は、エンジン１を含めた総合的な制御をおこなうもので、その入力側には、スロットルポジションセンサ１３、燃料センサ２１、酸素センサ２２、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２５等の各種センサ類が接続され、これらセンサ類からの検出情報が入力される。一方、ＥＣＵＩの出力側には、燃料噴射弁１０、点火コイル４、スロットルバルブ１２等の各種出力デバイスが接続されている。これら各種出力デバイスには、各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵＩで演算された燃料噴射時間、点火時期，スロットル開度等の運転パラメータがそれぞれ出力される。すなわち、各種センサ類からの検出情報に基づき、混合燃料のアルコールの濃度に応じた空燃比が適正な目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）に設定され、酸素センサ２２からの情報に基づきフィードバック制御される。

図３は本形態に係るＥＣＵＩの詳細な構成を示すブロック線図（なお、センサ類は酸素センサ２２及び燃料センサ２１のみを示している。）である。同図に示すように、本形態におけるＥＣＵＩは、空燃比検出部５１、フィードバック補正量設定部５２、目標空燃比設定部５３、アルコール濃度推定部５４、運転パラメータ制御部５５、燃料消費量積算部５６、フェール判定部５７及びアルコール濃度設定部５８を有している。

これらのうち、空燃比検出部５１は酸素センサ２２の出力信号を処理して空燃比を検出し、この空燃比をフィードバック補正量設定部５２に出力する。フィードバック補正量設定部５２は実測空燃比と目標空燃比設定部５３に予め設定されている目標空燃比とを比較し、目標空燃比になるように空燃比フィードバック補正量をアルコール濃度推定部５４及び運転パラメータ制御部５５に出力する。アルコール濃度推定部５４は、通常時にはフィードバックループ系を構成しており、前記空燃比フィードバック補正量に基づきアルコール濃度を推定してアルコール濃度推定値を生成し、これを運転パラメータ制御部５５に出力する。

アルコール濃度設定部５８は、アルコール濃度推定部５４及びフェール判定部５７からの出力を基に、フェール時点のアルコール濃度推定値から実際に濃度が変化する軌跡を辿って所定の濃度へ移行するような特性のアルコール濃度推定値を運転パラメータ制御部へ出力する。この場合の「所定の濃度」は、例えばフェール時点のアルコール濃度推定値に基づき予めマップ化されている濃度を用いれば良い。ここで、燃料消費量に応じた軌跡である実際に濃度が変化する軌跡は、前述の過渡領域（Ａ＜燃料消費量積算値≦Ｂ）では、図１に基づく知見で述べた通り、一次遅れ処理を２回行うことにより良好に近似できる。

さらに、本形態に係るアルコール濃度設定部５８は、燃料消費量積算部５６が出力する燃料消費量の積算値に基づき設定の方法を変えている。すなわち、図１（ｃ）に示すように、燃料消費量積算値に応じて閾値Ａ，Ｂで区分されるフィードバック係数が殆ど変化しない初期領域（Ａ≧燃料消費量積算値）、所定の変化をする過渡領域（Ａ＜燃料消費量積算値≦Ｂ）及び飽和領域（Ｂ＜燃料消費量積算値）の３領域が存在することを考慮して設定処理を行っている。なお、燃料消費量積算部５６は燃料量を計測する燃料センサ２１の出力に基づいて所定の演算を行うことにより積算値を求めている。

運転パラメータ制御部５５はアルコール濃度推定値乃至空燃比フィードバック補正量等に基づき燃料噴射弁１０に対する燃料噴射時間等、エンジンの運転に関連するパラメータを制御する。

かかる本形態によれば、通常時には酸素センサ２２の出力により空燃比検出部５１及びフィードバック補正量設定部５２で検出した空燃比フィードバック補正量に基づきアルコール濃度推定部５４でアルコール濃度を推定するとともに、このアルコール濃度推定値及び空燃比フィードバック補正量に基づき運転パラメータ制御部５５で設定した所定の運転パラメータでエンジン１を制御する。

一方、アルコール濃度設定部５８からは、空燃比センサのフェール時に、アルコール濃度推定部５４で推定したアルコール濃度に変えて、所定のアルコール濃度推定値が出力される。この結果、運転パラメータ制御部５５ではアルコール濃度設定部５８を介して供給されるアルコール濃度推定値及び空燃比フィードバック補正量に基づく所定の運転パラメータでエンジン１を制御する。

ここで、上述のフェール時におけるアルコール濃度推定値の計算方法に関して詳述する。すなわち、図１に示す初期領域（Ａ≧燃料消費量積算値）、過渡領域（Ａ＜燃料消費量積算値≦Ｂ）及び飽和領域（Ｂ＜燃料消費量積算値）に分けて各領域毎に次式によるアルコール濃度推定値の計算を行っている。なお、次式中における符号は、ＡＬＣｅｓｔ（ｎ）；アルコール濃度推定値、ＡＬＣｅｓｔ_ｆａｉｌ； センサフェール時のアルコール濃度推定値、Ｋ；フィルタゲインをそれぞれ示している。

１）初期領域（Ａ≧燃料消費量積算値）
ＡＬＣｅｓｔ（ｎ）＝ＡＬＣｅｓｔ（ｎ−１） ・・・（１）
当該領域では推定値の変化はないので、前回の値をそのまま用いる。

２）過渡領域（Ａ＜燃料消費量積算値≦Ｂ）
ＡＬＣｅｓｔ_ｄｓ（ｎ）＝Ｋ_ｄｓ×ＡＬＣｅｓｔ_ｄｓ（ｎ−１）＋
（１−Ｋ_ｄｓ）×ＡＬＣｅｓｔ_ｆａｉｌ ・・・（２）
ＡＬＣｅｓｔ（ｎ）＝Ｋ×ＡＬＣｅｓｔ（ｎ−１）＋（１−Ｋ）
×ＡＬＣｅｓｔ_ｄｓ（ｎ）・・・（３）

当該領域においては、上式（２）で センサフェール時のアルコール濃度推定値（現在値）に基づき一次遅れ処理を行ってアルコール濃度推定値を求めている。さらに、上式（３）では式（２）の結果を基に再度一次処理を行って出力となるアルコール濃度推定値を求めている。かかる２回の一次遅れ処理を予め定めた所定濃度になるまで繰り返す。

上式（２）、（３）で表わされる２回の一次処理を模式的に示すと図４のようになる。同図中、左半分のブロックが１回目の一次処理に対応する部分であり、右半分のブロックが２回目の一次処理に対応する部分である。また、「１／Ｚ」は前回値に戻す処理を意味している。

３）飽和領域（Ｂ＜燃料消費量積算値）
ＡＬＣｅｓｔ（ｎ）＝ＡＬＣｅｓｔ_ｆａｉｌ ・・・・・（４）
当該領域では推定値の変化はないので、 センサフェール時（現在の値）に固定して、この値をそのまま用いる。

図５は本形態に係るＥＣＵＩにおける処理手順を示すフローチャートである。同図（ａ）に示すように、キーオフ時には現在推定濃度ＡＬＣｅｓｔ（ｎ）を記憶しておく（ステップＳ１参照）。

一方、アルコール濃度推定は同図（ｂ）に示すように次の処理手順で行う。
１）給油がされたか否かを判定する（ステップＳ２）。
２）ステップＳ２の判定結果がＹｅｓの場合、給油後の燃料消費量を積算しておく（ステップＳ３参照）。
３）燃料積算値が所定量２（飽和領域の値）であるか否かを判定する（ステップＳ４参照）。
４）ステップＳ４の判定結果がＮｏの場合、飽和領域にあるので、上式（４）に基づく値を設定する（ステップＳ５参照）。
５）ステップＳ４の判定結果がＹｅｓの場合、過渡領域（Ａ＜燃料消費量積算値≦Ｂ）か、又は初期領域（Ａ≧燃料消費量積算値）にあるので、燃料積算値が所定量１（初期領域の値）であるか否かを判定する（ステップＳ６参照）。
６）ステップＳ６の判定結果がＮｏの場合、初期領域にあるので、上式（１）に基づく値を設定する（ステップＳ７参照）。
７）ステップＳ６の判定結果がＹｅｓの場合、過渡領域（Ａ＜燃料消費量積算値≦Ｂ）にあるので、フェール時アルコール濃度推定値ＡＬＣｅｓｔ_ＢＵ（ｎ）を計算する。これは上式（２）、（３）に基づく演算を行うことにより実行する（ステップＳ８参照）。すなわち、一次処理を２回行うことにより所定のアルコール濃度推定値にもっていく。また、ステップＳ２の判定結果がＮｏの場合にも同様の処理（ステップＳ８の処理）を行う。
８）空燃比センサがフェールか否かを判定する（ステップＳ９参照）。
９）ステップＳ９の判定結果がＮｏの場合、正常状態であるので、通常の演算によりアルコール濃度推定値ＡＬＣｅｓｔ（ｎ）を更新する（ステップＳ１０参照）。
１０）ステップＳ９の判定結果がＹｅｓの場合、異常状態であるので、フェール時アルコール濃度推定値ＡＬＣｅｓｔ_ＢＵ（ｎ）でフェール時の濃度推定値を更新する（ステップＳ１０参照）。この際、飽和領域（Ｂ＜燃料消費量積算値）乃至初期領域（Ａ≧燃料消費量積算値）にある場合はステップ４乃至ステップＳ６における設定値を使用する。すなわち、直前の値（初期領域の場合）乃至フェール時の値（飽和領域）に固定する。

なお、図３に示す上記実施の形態の構成に、さらに給油されたか否かを判定する給油判定手段を追加しておき、フェール判定部５７がフェール状態であると判定している場合、アルコール濃度設定部５８が給油の結果を加味した所定のバックアップ濃度を所定の濃度の代わりに用いるようにしても良い。この場合には給油結果を反映した推定乃至制御を行うことができる。

本発明は自動車産業、特にＦＦＶに関連する産業分野で有効に利用することができる。

アルコール濃度をａからｂに変化させたときの特性の一例を示す図で、（ａ）は排気空燃比、（ｂ）はアルコール濃度を推定するための酸素センサのフィードバック係数、（ｃ）は燃料消費量積算値の経時的な変化をそれぞれ示している。 本発明の実施の形態に係るＦＦＶのエンジン及びその制御装置を示すブロック線図である。 本発明の実施の形態に係るＥＣＵの詳細な構成を示すブロック線図である。 本発明の実施の形態における２回の一次遅れ処理を模式的に示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るＥＣＵにおける処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｉ ＥＣＵ
１ エンジン
１０ 燃料噴射弁
２１ 燃料センサ
２２ 酸素センサ
５１ 空燃比検出部
５２ フィードバック補正量設定部
５４ アルコール濃度推定部
５５ 運転パラメータ制御部
５６ 燃料消費量積算部
５７ フェール判定部
５８ アルコール濃度設定部

Claims (2)

1. アルコール含有燃料により運転可能な内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の排気系の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記空燃比検出手段で検出された空燃比に基づきアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定手段と、
   前記空燃比検出手段がフェールしたか否かを判定するフェール判定手段と、
   前記フェール判定手段で前記空燃比検出手段がフェールしたと判定された場合に前記アルコール濃度推定手段によるアルコール濃度の推定値に代えて、所定のアルコール濃度値を設定するアルコール濃度設定手段とを有し、
   前記アルコール濃度設定手段は、前記フェール判定手段で前記空燃比検出手段がフェールしたと判定された時点のアルコール濃度推定値に一次遅れ処理を２回施して前記所定の濃度へ移行させるように構成したことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載する内燃機関の制御装置において、
   給油されたか否かを判定する給油判定手段をさらに備え、
   前記アルコール濃度設定手段は、前記給油判定手段が給油されたことを判定した時点から所定期間が経過した後に前記所定のアルコール濃度値への移行を開始するように構成したことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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