JP5310102B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。

直噴式多気筒エンジンの各気筒の実空燃比を一つの空燃比センサ（酸素センサを含む）で検出する技術として、各気筒の燃焼間隔と空燃比センサに到達するまでの遅れ時間を考慮し、各気筒のサンプル周期に応じた空燃比センサの出力変化から実空燃比を推定するものが知られている（特許文献１）。

特開２０００−２２０４９２号公報

しかしながら、各気筒のサンプル周期に対して空燃比センサの応答速度が不足すると、最もリーンな気筒と最もリッチな気筒との間の気筒の検出値は前後のピーク値の影響により不正確となる。

本発明が解決しようとする課題は、多気筒内燃機関の各気筒の空燃比のばらつきを適切に判定し、適切に補正できる内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明は、空燃比センサの出力振幅に対する各気筒の空燃比ばらつきの関係を示す、互いに感度が異なる少なくとも２つの特性式を予め取得しておき、空燃比ばらつきが所定閾値より小さい場合は感度が高い特性式を用いて空燃比ばらつきを求め、空燃比ばらつきが所定閾値より大きい場合は感度が低い特性式を用いて空燃比ばらつきに応じた空燃比の補正量を求めることによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、予め取得した２つの特性式のうち感度が高い第１特性式を用いて空燃比ばらつきを検出するので、ばらつきの過小判定を抑制することができ、かつ、感度が低い第２特性式を用いて空燃比ばらつきを補正するので、空燃比ばらつきの過補正を抑制することができる。

本発明の一実施の形態を適用した内燃機関の制御装置を示すブロック図である。 図１の空燃比センサの出力の一例を示すグラフである。 図１のエンジンコントロールユニットに格納される特性式を示すグラフである。 図３の特性式を取得する際に観察された空燃比センサの出力の類型を示すグラフである。 図１のエンジンコントローラで実行される空燃比補正の一例を示すグラフである。 図１のエンジンコントローラで実行される空燃比補正において可変動弁機構による作動角との関係を示すグラフである。 図１のエンジンコントローラで実行される制御手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態を適用した直噴型多気筒エンジンＥＧを示すブロック図であり、エンジンＥＧの吸気通路１１１には、エアーフィルタ１１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１１４およびコレクタ１１５が設けられている。

スロットルバルブ１１４には、当該スロットルバルブ１１４の開度を調整するＤＣモータ等のアクチュエータ１１６が設けられている。このスロットルバルブアクチュエータ１１６は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、エンジンコントロールユニット１１からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１１４の開度を電子制御する。また、スロットルバルブ１１４の開度を検出するスロットルセンサ１１７が設けられて、その検出信号をエンジンコントロールユニット１へ出力する。なお、スロットルセンサ１１７はアイドルスイッチとしても機能させることができる。

燃料噴射バルブ１１８は、燃焼室１２３に臨ませて設けられている。燃料噴射バルブ１１８は、エンジンコントロールユニット１１において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図外の燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を筒内に直接噴射する。

シリンダ１１９と、当該シリンダ内を往復移動するピストン１２０の冠面と、吸気バルブ１２１及び排気バルブ１２２が設けられたシリンダヘッドとで囲まれる空間が燃焼室１２３を構成する。点火プラグ１２４は、各気筒の燃焼室１２３に臨んで装着され、エンジンコントロールユニット１１からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。

一方、排気通路１２５には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出することにより排気、ひいては吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ１２６が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。この空燃比センサ１２６は、リッチ・リーン出力する酸素センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい。

また、排気通路１２５には、排気を浄化するための排気浄化触媒１２７が設けられている。この排気浄化触媒１２７としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍において排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣの酸化を行う酸化触媒を用いることができる。

排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の下流側には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出し、リッチ・リーン出力する酸素センサ１２８が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。ここでは、酸素センサ１２８の検出値により、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を補正することで、空燃比センサ１２６の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（いわゆるダブル空燃比センサシステム採用のために）、下流側酸素センサ１２８を設けて構成したが、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行なわせるだけで良い場合には、酸素センサ１２８を省略することができる。

なお、図１において１２９はマフラである。

エンジンＥＧのクランク軸１３０にはクランク角センサ１３１が設けられ、エンジンコントロールユニット１１は、クランク角センサ１３１から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントすることで、又は、クランク基準角信号の周期を計測することで、機関回転速度Ｎｅを検出することができる。

エンジンＥＧの冷却ジャケット１３２には、水温センサ１３３が当該冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット１３１内の冷却水温度Ｔｗを検出し、これをエンジンコントロールユニット１１へ出力する。

図２は排気通路１２５に設けられた空燃比センサ１２６の出力の一例を示すグラフであり、Ｖ型６気筒エンジンの一方の排気通路に設けられた空燃比センサにより第１気筒（＃１）、第３気筒（＃３）及び第５気筒（＃５）の空燃比（酸素濃度）出力信号を示す。

背景技術の欄で触れたとおり、同図の横軸に示すサンプル周期に対し空燃比センサは少なからず応答速度の遅れなどを含んでいるが、本発明者らが探求したところ以下の事項が判明した。

図３は、上記Ｖ型６気筒エンジンの一方の排気通路１２５に空燃比センサ１２６を設け、種々の運転条件を設定することで３つの気筒、すなわち第１気筒（＃１）、第３気筒（＃３）及び第５気筒（＃５）間に故意に空燃比ばらつきを生じさせ、そのときの空燃比センサ１２６の出力振幅ΔPeak（図２の最大出力と最小出力との長さ）をプロットしたものである。

これによると、図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように３つの気筒のうち１つの気筒の空燃比が他の２つの気筒の空燃比に比べて異なる類型は、図３に示す第１特性式に従った。これに対し、３つの気筒の空燃比の差が互いに近似して極端に大きくなく、同図（Ｃ）に示すように徐々に増加するか、同図（Ｄ）に示すように徐々に減少するかといった類型は、図３に示す第２特性式に従った。

すなわち、図４（Ａ）に示すようにリーンな気筒＃１とリッチな気筒＃５との間の気筒＃３や、同図（Ｂ）に示すようにリーンな気筒＃１とリッチな気筒＃３との間の気筒＃５の検出値は、前後のピーク値の影響により不正確となりがちであるが、図３の結果から、同図（Ａ）及び（Ｂ）に示すような類型であっても空燃比センサ１２６の出力振幅ΔPeakは空燃比ばらつきΔＡ／Ｆに対して感度が高いことが判明した。

したがって、図３のように予めその内燃機関の各気筒間の空燃比ばらつきΔＡ／Ｆに対する空燃比センサ１２６の出力振幅ΔPeakの関係を実験やシミュレーションにより求め、これを制御マップとして利用すれば、空燃比センサ１２６の出力振幅ΔPeakから各気筒間の空燃比ばらつきΔＡ／Ｆを正確に求めることが可能となる。

次に制御手順を説明する。

図７は本例の制御手順を示すフローチャートであり、吸気バルブ１２１の作動角を可変とする可変動弁機構を備える内燃機関であるとして説明する。なお、可変動弁機構は作動角、リフト量、位相等を連続的に変更可能な公知の機構を採用することができる。

ステップＳ１では、気筒別空燃比の検出を許可するか否かを判定する。許可条件としては、たとえばアイドルスイッチがＯＮ（アイドル状態である）または加速状態ではない、エンジン回転数が所定値以下、吸排気弁の作動角が所定範囲内、空燃比のλコントロール実行中、キャニスタからの燃料パージが非作動、および失火判定なし等の条件が全て成立したときに許可を出すことができる。

ステップＳ２では、図６に示すように可変動弁機構を駆動して吸気バルブ１２１の作動角を初期位置に設定する。この初期位置は作動角が相対的に大きい位置である。

ステップＳ３では、空燃比センサ１２６からの信号を取り込み、図２に示すようにその出力波形から出力振幅ΔPeakを算出する。

ステップＳ４では、ステップＳ３で算出された出力振幅ΔPeakを図３の第１特性式に代入することで気筒間の空燃比ばらつきΔＡ／Ｆを算出する。

ステップＳ５では、ステップＳ４で算出されたΔＡ／Ｆが所定閾値αより小さいか否かを判定し、小さい場合はステップＳ６〜Ｓ９の空燃比補正をすることなくステップＳ１０へ進む。

ステップＳ５にてΔＡ／Ｆが所定閾値αより大きい場合はステップＳ６へ進み、ステップＳ３にて算出した出力振幅ΔPeakを図３に示す第２特性式に代入することで気筒間の空燃比ばらつきΔＡ／Ｆを算出する。

ステップＳ７では、点火プラグ１２４の点火タイミングと空燃比センサ１２６の出力タイミングとから補正すべき気筒を判定する。

ステップＳ８では、算出されたΔＡ／Ｆから補正すべき燃料量に相当するΔパルス幅を気筒ごとに算出し、ステップＳ９にて各気筒に対しパルス補正を加える。

このとき、図５に示すように、検出された空燃比ばらつきΔＡ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリーン側である場合は補正量の変化率を大きくして、できる限り短時間で目標Ａ／Ｆに達するように制御する。これに対し、検出された空燃比ばらつきΔＡ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリッチ側である場合は補正量の変化率を相対的に小さくしてリーン側へのオーバーシュートを回避することが望ましい。

以上により、図６に示す作動角が初期位置における空燃比の補正処理が終了するので、ステップＳ１０にて作動角が目標値に達していなければステップＳ１１へ進み、図６に第２学習で示すように作動角を減少させたのちステップＳ３へ戻り、以上の処理を繰り返す。

以上のとおり、本例によれば、既存の空燃比センサ１２６をそのまま利用して気筒毎の空燃比ばらつきを精度良く検出することができる。その結果、燃焼安定度および触媒転換率を改善することができる。

特に出力振幅ΔPaekに対して各気筒の空燃比ばらつきの感度が高い第１特性式を用いて空燃比ばらつきを検出するので、ばらつきの過小判定を抑制することができる。

一方で、出力振幅ΔPaekに対して各気筒の空燃比ばらつきの感度が低い第２特性式を用いて空燃比ばらつきを補正するので、過補正を抑制することができる。

また、ステップＳ９にて空燃比を補正する場合には、検出された空燃比ばらつきΔＡ／Ｆが補正目標値よりリッチ側である場合は、リーン側である場合に比べ、補正量の変化率を小さく設定する。これにより、空気量が少なく燃焼耐力が弱いリーン側へオーバーシュートさせないので、失火を防止することができる。

また、可変動弁機構を有する場合には、気筒別の空燃比判定を作動角が大きい方から段階的に実施する。これにより、空燃比ばらつきが大きい極小作動角から開始したときの失火を防止することができる。

なお、本例のエンジンコントロールユニット１１が、本発明の記憶手段、ばらつき検出手段、ばらつき補正手段に相当する。

ＥＧ…エンジン（内燃機関）
１１…エンジンコントローラ
１１１…吸気通路
１１２…エアーフィルタ
１１３…エアフローメータ
１１４…スロットルバルブ
１１５…コレクタ
１１６…スロットルバルブアクチュエータ
１１７…スロットルセンサ
１１８…燃料噴射バルブ
１１９…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…吸気バルブ
１２２…排気バルブ
１２３…燃焼室
１２４…点火プラグ
１２５…排気通路
１２６…空燃比センサ
１２７…排気浄化触媒
１２８…酸素センサ
１２９…マフラ
１３０…クランク軸
１３１…クランク角センサ
１３２…冷却ジャケット
１３３…水温センサ
１３４…温度センサ

Claims (4)

1. 排気通路に空燃比センサが設けられた多気筒内燃機関の制御装置において、
   予め取得された、前記空燃比センサの出力振幅に対する前記各気筒の空燃比ばらつきの関係を示す第１特性式と、各気筒の空燃比ばらつきに対する感度が前記第１特性式より低い第２特性式とを記憶した記憶手段と、
   前記空燃比センサの出力から出力振幅を求め、前記第１特性式を用いて空燃比ばらつきを求めるばらつき検出手段と、
   前記ばらつき検出手段による空燃比ばらつきが所定閾値より大きい場合は、前記第２特性式により空燃比ばらつきを求め、当該空燃比ばらつきに応じて空燃比の補正量を求めるばらつき補正手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記ばらつき補正手段は、ばらつき検出手段により検出された空燃比ばらつきが補正目標値よりリッチ側である場合は、リーン側である場合に比べ、補正量の変化率を小さく設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関は吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の作動角を可変とする可変動弁機構を備え、
   前記空燃比ばらつきの検出及び前記空燃比ばらつきの補正を、前記作動角を段階的に変化させながら実行する制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記制御手段は、前記作動角を大きい方から小さい方へ段階的に変化させながら実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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