JP4371027B2 - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの空燃比制御装置に関し、特に、始動直後にリッチ空燃比で運転し、その後に空燃比フィードバック制御を開始する場合に、空燃比を速やかにストイキ点に収束させることができる空燃比制御装置に関する。

エンジンの空燃比制御装置では、始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように漸減設定される目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡと、空燃比フィードバック制御条件にて空燃比センサからの信号に基づいて空燃比をストイキに収束させるように設定される空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡとを用いて、燃料噴射量を演算・制御している（特許文献１、２参照）。

ここで、空燃比センサの活性検出後、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ中の安定性増量値ＫＳＴＢを０にすると共に、その減量分（ＫＳＴＢ）を空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに増量分として上乗せしてから、空燃比フィードバック制御を開始し、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡには新たに未燃分補正値（未燃分平衡値）ＫＵＢを付加している。この未燃分補正値ＫＵＢは重質燃料が使用された場合に安定性を確保するためのもので、重質燃料でλ＝１となるように適合されている。
特開平９−１７７５８０号公報 特開平１０−１１０６４５号公報

しかしながら、空燃比センサ活性前は、空燃比保証のため、安定性増量値ＫＳＴＢによりリッチに適合されており、空燃比フィードバック制御を開始すると、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡにてλ＝１とするが、安定性増量値ＫＳＴＢが大きかった場合には、空燃比フィードバック制御を開始してから収束するまで空燃比がリッチとなり、さらにフィードバックで吸収できた場合でも、空燃比センサ応答遅れ、フィードバック応答遅れ等により空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡがリーン側に過補正となる場合がある。

また、空燃比フィードバック制御開始後に付加される未燃分補正値ＫＵＢは、安定性確保の観点から重質燃料で適合されているため、軽質燃料を入れた場合はリッチとなり、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡでλ＝１となるまで排気が悪化する。
本発明は、このような実状に鑑み、空燃比を速やかにストイキ点に収束させることのできるエンジンの空燃比制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、空燃比センサの活性を検出した後に、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの減少速度を、活性検出前に比べて大きくし、その後、空燃比センサの出力がリッチ相当値を示している間、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを基準値に維持し、空燃比センサの出力がストイキ相当値に達したときに、空燃比フィードバック制御を開始することを特徴とする。

本発明によれば、通常領域での空燃比フィードバック制御のゲインによらず、運転性要求上限のスピードでλ＝１とすることができる。また、リッチ領域からの制御でも空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの過補正でオーバーシュートすることを防止できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２から吸気ダクト３、スロットル弁４、吸気マニホールド５を経て空気が吸入される。吸気マニホールド５の各ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。但し、燃料噴射弁６は燃焼室内に直接臨ませる配置としてもよい。

燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁（インジェクタ）であって、後述するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１２からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、図示しない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調整された燃料を噴射供給する。従って、駆動パルス信号のパルス幅により燃料噴射量が制御される。

エンジン１の各燃焼室には点火プラグ７が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。
エンジン１の各燃焼室からの排気は、排気マニホールド８を介して排出される。また、排気マニホールド８からＥＧＲ通路９が導出され、これによりＥＧＲ弁１０を介して排気の一部を吸気マニホールド５に還流している。

一方、排気通路には、排気マニホールド８の直下などに位置させて、排気浄化触媒１１が設けられている。
ＥＣＵ１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、後述のごとく演算処理して、燃料噴射弁６の作動を制御する。

前記各種センサとしては、エンジン１のクランク軸又はカム軸回転よりクランク角度と共にエンジン回転数Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１３、吸気ダクト３内で吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１５（スロットル弁４の全閉位置でＯＮとなるアイドルスイッチを含む）、エンジン１の冷却水温ＴＷを検出する水温センサ１６、排気マニホールド８の集合部にて排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力する空燃比センサ（Ｏ２センサ）１７などが設けられている。尚、空燃比センサ１７としては、通常のＯ２センサの他、空燃比の変化に対し比例的な信号を出力可能な広域型Ａ／Ｆセンサを用いてもよい。また、空燃比センサ１７はヒータを内蔵しており、始動時からヒータに通電して素子温度を上昇させることで早期活性化を図ることができる。ＥＣＵ１２には更にスタートスイッチ１８などからも信号が入力されている。

次にＥＣＵ１２による燃料噴射量Ｔｉの演算について説明する。
エアフローメータ１４により検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ１３により検出されるエンジン回転数Ｎｅとを読込み、吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとから、次式により、ストイキ相当の基本燃料噴射量（基本噴射パルス幅）Ｔｐを演算する。
Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ 但し、Ｋは定数。

そして、別途設定される目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを読込み、次式により、最終的な燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉを演算する。
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×ＡＬＰＨＡ
目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは、共に、基準値（ストイキ相当値）を１とする。

尚、燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉの演算には、この他、スロットル開度ＴＶＯの変化に基づく過渡補正や、バッテリ電圧に基づく無効噴射パルス幅の加算等がなされるが、ここでは省略した。
燃料噴射量Ｔｉが演算されると、このＴｉに相当するパルス幅の駆動パルス信号がエンジン回転に同期して各気筒毎に所定のタイミングで燃料噴射弁６に出力されて、燃料噴射が行われる。

次に目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの設定について説明する。
目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡは、次式のように、基本目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ０に、補正係数ＴＨＯＳを乗じて、算出される。
ＴＦＢＹＡ＝ＴＦＢＹＡ０×ＴＨＯＳ
基本目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ０は、エンジン回転数と負荷（例えば目標トルク）とをパラメータとするマップにより、エンジン回転数と負荷とから定まる運転領域毎に目標空燃比を定めたもので、ストイキ運転領域では、ＴＦＢＹＡ０＝１、リッチ運転領域（ＫＭＲ領域）では、ＴＦＢＹＡ０＞１に設定される。

補正係数ＴＨＯＳは、次式のように、基準値１に、安定性増量値ＫＳＴＢ、未燃分補正値ＫＵＢなどを加算して算出される。
ＴＨＯＳ＝１＋ＫＳＴＢ＋ＫＵＢ＋…
安定性増量値ＫＳＴＢは、始動直後に低水温時ほど空燃比をリッチ化し、その後時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように漸減設定されるものである。

未燃分補正値ＫＵＢは、安定性増量値ＫＳＴＢを０にした後に、重質燃料が使用されている場合でも安定性を確保できるように設定されるもので、重質燃料でλ＝１となるように適合されている。
次に空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの設定について説明する。
空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは、次のように増減設定される。空燃比フィードバック制御条件（少なくとも空燃比センサが活性状態であることを前提とする）において、空燃比センサ出力に基づいてリーン／リッチを判定し、リッチ→リーンへの反転時（前回リッチで今回リーンの時）に、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを比較的大きく設定した比例分（比例ゲイン）Ｐ増加させて更新し（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ＋Ｐ）、リーン状態継続中の時は、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを微小の積分分（積分ゲイン）Ｉ増加させて更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ＋Ｉ）。

逆に、リーン→リッチへの反転時（前回リーンで今回リッチの時）は、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを比較的大きく設定した比例分Ｐ減少させて更新し（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ−Ｐ）、リッチ状態継続中の時は、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを微小の積分分Ｉ減少させて更新する（ＡＬＰＨＡ＝ＡＬＰＨＡ−Ｉ）。
空燃比フィードバック制御条件でない場合、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは基準値１（又は空燃比フィードバック制御終了時の最後の値）に保持される。

図２は、エンジン始動後（スタートスイッチＯＮ→ＯＦＦ後）、空燃比フィードバック制御が開始されるまでの空燃比制御の流れを示すフローチャートである。また、図５に本制御のタイムチャートを示す。
Ｓ１では、始動後に、空燃比センサの活性判定を行う。
活性判定は、図３のフローチャートに従って行われる。Ｓ１０１では、空燃比センサの出力ＶＯ２が予め定めたリッチ側活性判定レベルＳＲ＃以上になったか否かを判定する。Ｓ１０１での判定でＹＥＳの場合は、Ｓ１０２へ進み、上記Ｓ１０１のＶＯ２≧ＳＲ＃の条件で、所定時間Ｔ１＃経過したか否かを判定する。Ｓ１０２での判定でＹＥＳの場合は、Ｓ１０３へ進み、スタートスイッチ（ＳＴ／ＳＷ）のＯＦＦ後、所定時間Ｔ２＃経過したか否かを判定する。Ｓ１０３での判定でＹＥＳの場合、すなわち、Ｓ１０１〜Ｓ１０３での判定で全てＹＥＳの場合は、Ｓ１０４へ進み、空燃比センサが活性したものとみなして、活性検出フラグＦ１を１にセットする。

従って、Ｓ１では、この活性検出フラグＦ１が１になっているか否かを判定する。
活性検出フラグＦ１＝０の間、すなわち、始動後、空燃比センサの活性が検出されるまでの間、安定性増量値ＫＳＴＢは、始動直後に低水温時ほど空燃比をリッチ化し、その後時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように漸減設定される。そして、この安定性増量値ＫＳＴＢによって目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡが定まる（ＫＵＢ＝０）ので、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡも同様に設定される。この間、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは基準値１に保持される。

活性検出フラグＦ１＝１になった場合、すなわち、空燃比センサの活性を検出した場合は、Ｓ２へ進む。
Ｓ２では、安定性増量値ＫＳＴＢの減少速度を、活性検出前に比べて大きくし、単位時間毎に、所定の減少率（ＤＫＳＳＴＢ＃）で、安定性増量値ＫＳＴＢを減少させる（次式参照）。

ＫＳＴＢ＝ＫＳＴＢ−ＤＫＳＳＴＢ＃
Ｓ３では、空燃比フィードバック制御（λコン）開始条件か否かを判定する。
空燃比フィードバック制御（λコン）開始条件か否かの判定は、図４のフローチャートに従って行われる。Ｓ２０１では、空燃比センサの活性検出フラグＦ１＝１を否かを判定する。Ｓ２０１での判定でＹＥＳの場合は、Ｓ２０２へ進み、空燃比センサの出力ＶＯ２がストイキ相当値ＳＳＴ＃に到達した（ＶＯ２≦ＳＳＴ＃）か否かを判定する。

Ｓ２０２での判定でＹＥＳの場合は、空燃比フィードバック制御（λコン）の開始条件であると判定して、Ｓ２０４へ進み、λコン開始フラグＦ２を１にセットする。
一方、Ｓ２０２での判定でＮＯの場合は、Ｓ２０３へ進み、活性検出（Ｆ１＝１）後、所定時間Ｔ３＃経過したか否かを判定する。ここで、ＹＥＳの場合も、空燃比フィードバック制御（λコン）の開始条件であると判定して、Ｓ２０４へ進み、λコン開始フラグＦ２を１にセットする。

従って、Ｓ３では、このλコン開始フラグＦ２が１になっているか否かを判定する。
λコン開始フラグＦ２＝０の間、すなわち、活性検出後、空燃比フィードバック制御を開始するまでの間、安定性増量値ＫＳＴＢは、活性前の減少速度に比べて、大きな減少速度（ＤＫＳＳＴＢ＃）で、０となるまで、減少せしめられる。そして、この安定性増量値ＫＳＴＢによって目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡが定まる（ＫＵＢ＝０）ので、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡも同様に減少せしめられる。この間も、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡは基準値１に保持される。

λコン開始フラグＦ２＝１になった場合、すなわち、空燃比フィードバック制御の開始条件となった場合は、Ｓ４〜Ｓ６へ進む。
Ｓ４では、安定性増量値ＫＳＴＢを強制的に０にする（ＫＳＴＢ＝０）。
Ｓ５では、未燃分補正値ＫＵＢに所定値（重質燃料用の適合値）をセットする。尚、ＴＦＢＹＡ＝ＴＦＢＹＡ０×（１＋ＫＳＴＢ＋ＫＵＢ＋…）であり、ＴＦＢＹＡ０＝１である限り、ＴＦＢＹＡ≒１＋ＫＵＢとなる。

Ｓ６では、空燃比フィードバック制御（λコン）を開始する。すなわち、空燃比センサ信号に従って、比例・積分制御により、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを増減設定するようにする。
次に、図６に示す従来の始動後の空燃比制御のタイムチャートとの比較で、本制御（図５）について説明する。

従来の始動後の空燃比制御（図６）では、設定定数によってはエミッション低減代が十分でない動きをする場合がある。
第１に、空燃比フィードバック制御（λコン）開始時に空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの初期値にＫＳＴＢを付加するため、ＫＳＴＢに未燃分補正値も含まれている場合は、空燃比フィードバック制御開始時に未燃分補正値ＫＵＢを付加すると、空燃比が過補正となる。これはＫＵＢを０とすることで回避できるが、ＡＬＰＨＡ収束後オープンループとなった場合は補正量がなくなるため問題がある。

第２に空燃比フィードバック制御開始時のＫＳＴＢをＡＬＰＨＡ初期値とするため、ＫＳＴＢ量が多い場合はＡＬＰＨＡのリミッタで制限され、補正量が十分に得られない可能性があり、空燃比がリーン化してしまう恐れがある。
第３に空燃比フィードバック制御開始からのＡＬＰＨＡの動きが積分ゲイン（Ｉ分）に支配されるため、他領域からの要求で積分ゲインが小さい場合は、ＫＳＴＢ、ＫＵＢの傾きより小さくならず、増量の収束が遅くなる場合がある。

これに対し、本制御（図５）では、以下のごとくとなる。
空燃比フィードバック制御（λコン）の開始を空燃比センサの活性検出より遅らせ、空燃比センサの活性検出後、空燃比フィードバック制御を開始するまで、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを１にクランプしたままで、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡ（実際は安定性増量値ＫＳＴＢ）の減量をλ＝１になるまで行うため、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡのゲインによらず高速に空燃比をストイキにもっていくことが可能となる。

また、空燃比フィードバック制御の開始は、空燃比センサの出力がλ＝１となったとき、又は、空燃比センサの活性から所定時間経過した時とする。このとき、安定性増量値ＫＳＴＢを０にするが、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの初期値に安定性増量値ＫＳＴＢを０とする直前の値を足し込むことは行わない。これは空燃比フィードバック制御がストイキ相当となってから開始され、かつ空燃比フィードバック制御開始時に未燃分補正値ＫＵＢが付加される構成であるためである。

本実施形態によれば、空燃比センサの活性を検出した後に、目標空燃比補正係数ＴＦＢＹＡの減少速度を、活性検出前に比べて大きくし、その後、所定期間、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを基準値（１）に維持し、前記所定期間経過後に、空燃比フィードバック制御を開始することにより、通常領域での空燃比フィードバック制御のゲインによらず、運転性要求上限のスピードでλ＝１とすることができる。言い換えれば、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡで収束させる場合は、ＡＬＰＨＡのゲインを大きくする必要があり、他の領域との整合性をとる必要があるが、本制御では始動直後の領域で独自に傾きを設定できる。また、リッチ領域からの制御でも空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの過補正でオーバーシュートすることを防止できる。

また、本実施形態によれば、空燃比センサの活性は、空燃比センサの出力（ＶＯ２）と始動後経過時間（Ｔ２＃）とに基づいて検出することにより、的確に検出できる。
また、本実施形態によれば、空燃比フィードバック制御は、空燃比センサの出力がストイキ相当値（ＳＳＴ＃）に達したときに開始することにより、リッチ領域からストイキまではフィードフォワードで高速に移行させ、λ＝１近傍となった場合に空燃比フィードバック制御を開始することで、ＡＬＰＨＡのオーバーシュート等を防止し、排気エミッションを低減することができる。

また、本実施形態によれば、空燃比フィードバック制御は、空燃比センサの出力がストイキ相当値（ＳＳＴ＃）に達しない場合でも、空燃比センサの活性検出後、所定時間（Ｔ３＃）経過したときに開始することにより、何らかの原因でリッチ状態が続く場合であってもフィードバック制御によりストイキ相当にでき、確実にフィードバック制御を開始できる。

本発明の一実施形態を示すシステム図 始動後の空燃比制御の流れを示すフローチャート 空燃比センサ活性判定ルーチンのフローチャート λコン開始判定ルーチンのフローチャート 始動後の空燃比制御のタイムチャート 従来の始動後の空燃比制御のタイムチャート

符号の説明

１ エンジン
６ 燃料噴射弁
１２ ＥＣＵ
１７ 空燃比センサ

Claims (4)

1. 始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように漸減設定される目標空燃比補正係数と、空燃比フィードバック制御条件にて空燃比センサからの信号に基づいて空燃比をストイキに収束させるように設定される空燃比フィードバック補正係数とを用いて、燃料噴射量を演算・制御するエンジンの空燃比制御装置において、
   空燃比センサの活性を検出した後に、前記目標空燃比補正係数の減少速度を、活性検出前に比べて大きくし、
   その後、空燃比センサの出力がリッチ相当値を示している間、前記空燃比フィードバック補正係数を基準値に維持し、空燃比センサの出力がストイキ相当値に達したときに、空燃比フィードバック制御を開始することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 空燃比センサの活性は、空燃比センサの出力と始動後経過時間とに基づいて検出することを特徴とする請求項１記載のエンジンの空燃比制御装置。
3. 前記目標空燃比補正係数は、始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように漸減設定される安定性増量値を含んで設定されるものであり、
   空燃比センサの活性を検出した後に、前記安定性増量値を予め定めた減少速度で減少させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエンジンの空燃比制御装置。
4. 空燃比フィードバック制御は、空燃比センサの出力がストイキ相当値に達しない場合でも、空燃比センサの活性検出後、所定時間経過したときに開始することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの空燃比制御装置。