JP2017008770A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気系に設けた空燃比センサ１０６による検出値（検出空燃比）に基づいて、空燃比をフィードバック制御するエンジン１において、スカベンジングに起因する空燃比の検出ずれを適切に補正して、制御性を高める。【解決手段】例えば排気マニホルド４０の集合部よりも下流側に空燃比センサ１０６が配設されている場合に、エンジン１の運転状態に基づいて、気筒１２内に吸入された吸気のうち、吸排気のバルブオーバーラップ期間において排気ポート１８に流出するものの割合（吸気吹き抜け率：スカベンジ率scart）を算出する（ステップＳＴ１０１：吹き抜け率算出手段）。このスカベンジ率scartに応じて検出空燃比を補正する（ステップＳＴ１０２〜１０４：検出空燃比補正手段）。【選択図】図６

Description

本発明は、車両などに搭載される内燃機関の制御装置に関し、特に、排気系に設けた空燃比センサによる検出値に基づいて、空燃比をフィードバック制御するようにしたものに係る。

従来より、自動車などの車両に搭載される内燃機関の排気系には、排気中の有害成分を浄化するための触媒が配設されており、この触媒の機能を十分に発揮させるために、排気の空燃比を理論空燃比近傍にフィードバック制御するようにしている。例えば特許文献１には、排気系に設けた空燃比センサによる検出値になまし処理を施した後に、目標空燃比との差分に応じて燃料噴射量を補正することによって、排気の空燃比を制御することが開示されている。

また、この特許文献１には、吸気バルブおよび排気バルブのオーバーラップ期間において、気筒内に流入した吸気の一部が排気通路に吹き抜けること（以下、スカベンジングともいう）に着目し、これによる空燃比の変動を抑えるために、スカベンジングの起きるような運転状態（スカベンジ領域）では、前記のなまし処理を行わず、空燃比センサによる検出値（瞬時値）に基づいて、燃料噴射量を補正することも開示されている。

特開２０１３−２３８１１１号公報

ところで、前記のようにスカベンジングが起きて、吸気の一部が排気通路に吹き抜けると、その分、気筒内に充填される吸気の量が少なくなるので、混合気の空燃比が目標空燃比からリッチ側にずれることがある。この場合、気筒の排気行程の前半で排気通路に流出する既燃ガス（排気）の空燃比はリッチになるが、排気行程終盤のオーバーラップ期間においては前記のように吸気が吹き抜けることよって、リーンに変化するようになる。

そして、車両に搭載される多気筒エンジンでは、複数の気筒からそれぞれ排出される排気の流れが排気マニホルドの集合部において混ざり合うものであるが、こうして混ざり合う排気の空燃比が前記のようにスカベンジングによってリッチ、リーンに大きく変化していると、それらの平均的な空燃比に対して空燃比センサによる検出値がリッチ側にずれることが分かった。

このように、空燃比センサによる検出値にリッチ側へのずれが生じると、この検出値に基づくフィードバック制御によって空燃比は、理論空燃比よりもリーンになってしまい、ＮＯｘの排出量が増大するといった不具合が起きることになる。なお、空燃比センサの種類や排気系のレイアウトによっては、その検出値がリーン側へずれることも考えられる。

かかる新規な知見に基づいて本発明は、スカベンジングに起因する排気空燃比の検出値のずれを適切に補正して、内燃機関における空燃比の制御性を高めることを目的とする。

前記の目的を達成するために本発明では、排気系に設けた空燃比センサによる検出値に基づいて、空燃比をフィードバック制御するようにした内燃機関の制御装置を対象として、前記内燃機関は複数の気筒を有し、その各気筒からの排気が流通する排気通路の集合部よりも排気の流れの下流側に、前記空燃比センサが配設されているものとする。

そして、前記内燃機関の運転状態に基づいて、吸気行程で前記気筒内に吸入された吸気のうち、吸排気のバルブオーバーラップ期間において排気通路に流出するものの割合である吸気吹き抜け率を算出する吹き抜け率算出手段と、その算出された吸気吹き抜け率に応じて、吸気吹き抜け率が高いほど補正の度合いが大きくなるように、前記空燃比センサによる検出値を補正する検出空燃比補正手段と、を備えたことを特徴とする。

前記のような内燃機関の運転中には、複数の気筒からの排気の流れが排気通路の集合部において合流し、その下流側の空燃比センサによる検出値に応じて、空燃比のフィードバック制御が行われる。そして、吸気の吹き抜けによって排気の空燃比がリッチ側およびリーン側に大きく変化し、それらが十分に混ざり合わない状態で空燃比センサに到達するようになると、この空燃比センサによる検出値にずれ（検出ずれ）が生じる。

これに対し、前記の特定事項により、まず、吹き抜け率算出手段によって、内燃機関の運転状態に基づいて、スカベンジングによる排気通路への吸気の吹き抜け率が算出され、この吸気吹き抜け率に応じて検出空燃比補正手段により、前記空燃比センサによる空燃比の検出値が補正される。この補正の度合いは、算出された吸気吹き抜け率に応じて、これが高いほど大きくされるので、スカベンジングに起因する空燃比の検出ずれを適切に補正して、空燃比の制御性を高めることができる。

より具体的に、従来一般的な空燃比センサの場合、上述したように検出値はリッチ側にずれることになるので、前記検出空燃比補正手段は、空燃比センサによる検出値を、吸気の吹き抜け率が高いほど、リーン側に補正するものとすればよい。こうすれば、検出値に基づいて行われるフィードバック制御によって空燃比がリーン側にずれることを抑制し、ＮＯｘ排出量の増大などの不具合を防止することができる。

ところで、近年の内燃機関は可変動弁機構を備えることが多くなっており、運転状態に応じて前記可変動弁機構が動作され、吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも一方の動弁時期が変更される。このとき、例えば吸気バルブの動弁時期が遅角されたり、排気バルブの動弁時期が進角されたりして、吸排気のバルブオーバーラップ期間が短くなると、スカベンジングが起き得なくなるので、前記のような空燃比の検出値の補正をする必要がなくなる。

そこで、好ましいのは、スカベンジングの起き得ない短い吸排気のバルブオーバーラップ期間を予め実験などによって調べて、これを閾値として設定しておき、内燃機関の運転中に吸排気のバルブオーバーラップ期間が前記閾値未満になれば、検出空燃比補正手段による補正を禁止することである。こうすれば、空燃比の検出値に不要な補正が行われてしまい、フィードバック制御によって却って空燃比がずれるという不具合を防止することができる。

より好ましくは前記の閾値を、機関回転数、吸気圧および大気圧の少なくとも１つに応じて変化するように設定することである。スカベンジングによる吸気の吹き抜けは、吸排気のバルブオーバーラップ期間に相当する時間が長いほど、また、排気圧に対して吸気圧が高いほど、発生しやすいので、前記の閾値を機関回転数や吸気圧、大気圧などに応じて適切に変化させるようにすれば、スカベンジングが起きるか否かをより適切に判定することができる。

以上、説明したように本発明に係る内燃機関の制御装置によると、スカベンジングによる吸気の吹き抜け率が高いときほど、空燃比センサによる空燃比の検出ずれが大きくなることに着目し、内燃機関の運転状態に基づいて算出した吸気吹き抜け率に応じて、空燃比の検出値を補正するようにしたので、スカベンジングに起因する空燃比の検出ずれを適切に補正し、フィードバック制御による空燃比の制御性を高めることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置が搭載された車両におけるエンジンの一例を示す概略構成図である。 図１のエンジンの１気筒のみを示す概略構成図である。 吸排気バルブのリフトカーブの一例を示す図である。 吸気の吹き抜けを模式的に示す図２相当図である。 スカベンジ率と空燃比の検出ずれとの相関を示す実験結果のグラフ図である。 検出空燃比の補正処理のフローチャート図である。 バルブオーバーラップ期間とスカベンジ率との相関を示す実験結果のグラフ図である。 変形例１に係る図６相当図である。 変形例１におけるバルブオーバーラップ期間と、スカベンジ率および出力電圧補正値との相関を示すイメージ図である。 変形例２において検出空燃比の補正禁止閾値を設定する処理を示すフローチャート図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、自動車などの車両に搭載された内燃機関（以下、エンジンともいう）に本発明を適用した場合について説明する。

−エンジンの概略構成−
図１に模式的に示すようにエンジン１には、それぞれピストン１１を収容する第１ないし第４の４つの気筒１２が並んで設けられている。図２には、シリンダブロック１ａに形成された１つの気筒１２について示すように、ピストン１１はコンロッド１３によってクランクシャフト１４に連結されており、シリンダブロック１ａの下部には、クランクシャフト１４の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ１０１が配設されている。

一方、シリンダブロック１ａの上部にはシリンダヘッド１ｂが組み付けられており、各気筒１２内に臨むように点火プラグ１５が配設されて、イグナイタ１６からの電力の供給により火花放電するようになっている。また、シリンダヘッド１ｂには、各気筒１２内の燃焼室に連通するように吸気ポート１７および排気ポート１８が形成され、それぞれの気筒１２内に臨む開口部が吸気バルブ１９および排気バルブ２０によって開閉されるようになっている。

これら吸気バルブ１９および排気バルブ２０を動作させる動弁系は、吸気および排気の２本のカムシャフト２１，２２を備えており、図示しないタイミングチェーンおよびスプロケットを介してクランクシャフト１４により回転されるようになっている。また、吸気カムシャフト２１の近傍には、特定の気筒１２が所定のクランク角位置（吸気、圧縮、膨張および排気の燃焼サイクルにおける所定位置）にあるときにパルス状の信号を発生するように、カム角センサ１０２が設けられている。

吸気カムシャフト２１（および排気カムシャフト２２）は、クランクシャフト１４の半分の速度で回転するので、クランクシャフト１４が２回転（クランク角で７２０°変化）する毎に、カム角センサ１０２が信号を発生する。よって、このカム角センサ１０２の信号と、前記クランク角センサ１０１の信号とに基づいて、各気筒１２それぞれの燃焼サイクルにおけるクランク角位置を認識することができる。

本実施の形態では吸気カムシャフト２１に、その回転角のクランク角に対する位相を連続的に変更可能な可変動弁機構２３（以下、ＶＶＴ２３という）が取り付けられている。詳しい説明は省略するがＶＶＴ２３は、電動式若しくは油圧動作式のもので、吸気カムシャフト２１とスプロケットとを相対的に回動させることにより、図３に模式的に示すように、吸気バルブ１９の動弁時期を進角側または遅角側に変更することができる。

すなわち、ＶＶＴ２３の動作によってスプロケットを、吸気カムシャフト２１の回転方向の後側に例えば１５°回動させると、吸気カムシャフト２１の位相はクランク角で３０°進角し、図３に仮想線で示すように吸気バルブ１９の動弁時期が３０°進角する。このとき、カム角センサ１０２からの信号は、クランク角で３０°、早く出力されるようになり、このことで吸気バルブ１９の動弁時期の進角を認識できる。

図１に表れているように、各気筒１２の吸気ポート１７の上流（吸気の流れの上流）には吸気マニホルド３０が接続され、その上流側の吸気通路３には上流側から順番に、エアクリーナ３１、エアフローメータ１０３、後述するターボ過給機５のコンプレッサ５２、インタークーラ３２、および、吸気量を調整するためのスロットルバルブ３３などが配置されている。スロットルバルブ３３はスロットルモータ３４によって駆動され、その開度はスロットルセンサ１０４によって検出される。

また、吸気マニホルド３０には吸気圧センサ１０５が配設され、ターボ過給機５によって過給された吸気の圧力を検出するようになっており、その下流側の分岐通路には、各気筒１２毎の吸気ポート１７に燃料を噴射するようにポートインジェクタ３５が配設されている。このポートインジェクタ３５に加えて、各気筒１２内に直接、燃料を噴射するように筒内噴射インジェクタ３６も配設されており、気筒１２の圧縮行程において吸気バルブ１９が閉じた後でも燃料を噴射することができる。

それらポートインジェクタ３５および筒内噴射インジェクタ３６は、それぞれ低圧デリバリパイプ３７および高圧デリバリパイプ３８に接続されており、図示しない燃料配管を介して燃料が供給される。そして、少なくとも一方のインジェクタ３５，３６によって燃料が噴射されると、気筒１２内に混合気が形成され、点火プラグ１５により点火されて燃焼する。こうして燃焼した混合気（既燃ガス）は、排気バルブ２０の開弁に伴い排気ポート１８に流出する。

図１に表れているように、各気筒１２の排気ポート１８の下流（排気の流れの下流）には排気マニホルド４０が接続されて、排気通路４の上流端部を構成しており、その下流側にはターボ過給機５のタービン５１が配設されている。タービン５１は、連結軸５３によって吸気側のコンプレッサ５２と連結されており、排気流によってタービン５１が回転すると、これと一体にコンプレッサ５２が回転し、吸気を圧縮して圧送するようになっている。

本実施の形態ではタービン５１は、ハウジング５４内の流路が２つに分かれたツインエントリ型（ツインスクロール型）のもので、その一方の流路には、排気マニホルド４０における第１の排気通路４１が連通し、また、ハウジング５４の他方の流路には、排気マニホルド４０における第２の排気通路４２が連通している。第１の排気通路４１の上流側は二股に分かれて、第１気筒１２および第４気筒１２に接続されており、第２の排気通路４２の上流側は二股に分かれて、第２気筒１２および第３気筒１２に接続されている。

これにより、第１気筒１２および第４気筒からそれぞれ排出される排気が第１の排気通路４１において合流し、タービン５１のハウジング５４の一方の流路に流入する。一方、第２気筒１２および第３気筒からそれぞれ排出される排気は第２の排気通路４２において合流し、ハウジング５４の他方の流路に流入する。つまり、点火順の連続しない２つの気筒２の排気が合流するようになっているので、気筒１２間の排気干渉を抑制でき、過給の応答性が高くなる。

そして、そのタービン５１よりも下流側の排気通路４には、排気を浄化するための三元触媒４３が設置されており、後述するように排気の空燃比がフィードバック制御されて、理論空燃比近傍に維持されていれば、排気中のＣＯ、ＨＣを酸化しつつＮＯｘを還元して、高い排気浄化性能を示すようになる。この空燃比フィードバック制御のために三元触媒４３の上流側には、排気の空燃比に対して概ねリニアな出力特性を示す空燃比センサ１０６が配置されている。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ５は公知の電子制御ユニット（Electronic Control Unit）からなり、図示は省略するが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびバックアップＲＡＭなどを備えている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭは、ＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶し、バックアップＲＡＭは例えばエンジン１の停止時に保存すべきデータ等を記憶する。

ＥＣＵ５には、前記したクランク角センサ１０１、カム角センサ１０２、エアフローメータ１０３、スロットルセンサ１０４、吸気圧センサ１０５、空燃比センサ１０６などが接続されている。また、図２に示すようにＥＣＵ５には、大気圧センサ１０７と、車両の乗員によるアクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ１０８とが接続されている。

これらの各種センサ１０１〜１０８などから入力する信号に基づいてＥＣＵ５は、種々の制御プログラムを実行することにより、イグナイタ１６による点火時期の制御、スロットルモータ３４によるスロットル開度の制御（即ち、吸気量の制御）、ポートインジェクタ３５および筒内噴射インジェクタ３６による燃料噴射制御などを実行する。例えばＥＣＵ５は、前記の点火時期、吸気量および燃料噴射の制御を、エンジン１への要求トルクを実現するように行う。

その際にＥＣＵ５は、排気の空燃比を理論空燃比近傍に維持するために、燃料噴射量をフィードバック制御する。すなわち、まず、前記の要求トルクを生成し得るような吸気量の制御を行いながら、エアフローメータ１０３によって検出される吸気の流量とエンジン回転数とに基づいて、気筒１２の吸気充填効率を算出し、これに対応して理論空燃比となるように基本的な燃料噴射量を算出する。そして、空燃比センサ１０６による検出値（検出空燃比）と理論空燃比との差分に応じて、燃料噴射量を補正するためのフィードバック補正係数を算出し、このフィードバック補正係数と前記基本的な燃料噴射量とによって、燃料噴射量の制御目標値を算出する。

また、ＥＣＵ５は、エンジン１の運転状態に応じてＶＶＴ２３を動作させ、必要に応じて吸気バルブ１９の動作時期を変更する。例えば低負荷側の運転状態では吸気バルブ１９の閉時期を遅角させて、ポンピングロスの低減を図る一方、高負荷側では吸気バルブ１９の閉時期を進角させて、気筒１２への吸気の充填効率を高め、出力の向上を図る。このときには吸気バルブ１９の開時期も進角するので、吸排気のバルブオーバーラップ期間が長くなって、既燃ガスの掃気性が向上する。

−スカベンジングによる空燃比の検出ずれ−
ところで、本実施の形態ではターボ過給機５によって吸気を過給するようにしているので、吸気圧が排気圧よりも高くなることがあり、前記のように吸排気のバルブオーバーラップ期間が長くなると、図４に模式的に矢印Ａとして示すように、気筒１２内に流入した吸気の一部が排気ポート１８に吹き抜けること（スカベンジング）が起こる。こうして吹き抜けた分は、気筒１２内に充填される吸気の量が少なくなるので、その後、筒内噴射インジェクタ３６によって燃料が噴射されると、混合気の空燃比は目標空燃比からリッチ側にずれることになる。

この場合、気筒１２の排気行程の前半において排気ポート１８に流出する既燃ガス（排気）の空燃比はリッチになるが、排気行程の終盤から吸気行程にかけて吸排気のバルブオーバーラップ期間においては、前記のように吸気が吹き抜けることよって空燃比は急激にリーンに変化する。そして、そうして各気筒１２からの排気の空燃比がリッチ、リーンに大きく変動すると、それらの平均的な空燃比に対して空燃比センサ１０６による検出空燃比がリッチ側にずれることが分かった。

図５には、前記のようなスカベンジングに起因する検出空燃比のずれについて調べた実験結果の一例を示し、同図の横軸に示すスカベンジ率が高いほど、検出空燃比のずれがリッチ側に大きくなることが分かる。スカベンジ率は、気筒１２内に充填される吸気量を分母として、排気側に吹き抜ける吸気量の割合（吸気の吹き抜け率）を表したものであり、前記のような排気空燃比のリッチ、リーンの変動の大きさに対応すると考えられる。

また、図５における黒三角および黒丸のデータは、参考のためにターボ過給機のタービンよりも上流側に空燃比センサを設けた場合の実験データであり、白三角および白丸のデータは、本実施の形態のようにタービン５１よりも下流側に空燃比センサ１０６を設けた場合の実験データである。各気筒１２からの排気はタービン５１において攪拌され、混合するので、上流側に空燃比センサを設けた場合（黒三角および黒丸）に比べて空燃比の変動は小さくなり、その検出ずれも小さくなっていると考えられる。

つまり、スカベンジングによる排気空燃比の変動幅が大きいほど、空燃比センサによる検出空燃比のリッチ側へのずれも大きくなっている。なお、このように検出空燃比がずれるのは、一般的な空燃比センサの出力特性によるものであり、排気中の酸素濃度に対応するジルコニア固体電解質の飽和電流値が排気空燃比の変化に対して非線形に変化するとともに、その変化の度合いが空燃比のリッチなときに、リーンなときよりも急峻になることによると考えられる。

そして、そのように空燃比センサ１０６による検出空燃比がリッチ側にずれると、これに応じて行われる空燃比のフィードバック制御において燃料噴射量が減らされる結果として、実際の空燃比がリーン側にずれてしまい、ＮＯｘの排出量が増大するといった不具合の生じるおそれがあった。これに対して本実施の形態では、前記のようなスカベンジングに起因する検出空燃比のずれを以下のように適切に補正して、空燃比のフィードバック制御を行うようにしている。

−検出空燃比の補正−
以下に、ＥＣＵ５において実行される検出空燃比の補正について図６のフローチャートを参照して具体的に説明する。なお、図示の処理ルーチンは、ＥＣＵ５において所定のタイミングで繰り返し実行される。

まず、スタート後のステップＳＴ１０１では、エンジン１の運転状態に基づいてスカベンジ率scartを算出する。図４を参照して上述したように、気筒１２内に流入した吸気の一部が排気ポート１８に吹き抜ける要因としては、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の双方のリフト量、並びにリフト期間（バルブオーバーラップ期間）や吸排気の圧力差などが考えられる。

すなわち、まず、吸気側の圧力が排気側に比べて所定以上、高い状態において、吸気バルブ１９および排気バルブ２０の双方のリフト量が所定量以上になって、吸排気の圧力差によるガス流動が起き得る有効開口面積になる必要がある。吸気バルブ１９および排気バルブ２０のリフトカーブは、エンジンの仕様として決まっているので、双方のリフト量が所定量以上になる期間は、エンジン１の仕様にＶＶＴ３の動作も考慮して予め特定することができる。

また、そうして吸気側から排気側へのガス流動が起きたとしても、その初期には気筒１２内の既燃ガスが掃気されるだけであり、その後に吸気の吹き抜けが発生することから、バルブオーバーラップ期間（厳密には前記のガス流動が起き得る期間）が時間に換算して或る程度以上、長い必要がある。つまり、吸排気の圧力差が大きいほど、また、吸気の吹き抜ける有効開口面積が大きいほど、そして、その時間が長いほど、吹き抜ける吸気の量が多くなるので、本実施の形態では、エンジン回転数、吸排気のバルブオーバーラップ期間、吸気圧（過給圧）および排気圧（大気圧で近似）などにより、予め設定した変数ないしマップを用いてスカベンジ率を算出する。

そして、そのように算出したスカベンジ率scartに対応する出力電圧補正値αを、ステップＳＴ１０２において算出する。好適な出力電圧補正値αは、前記図５に示したスカベンジ率と検出空燃比のずれとの相関に基づいて設定することができるので、例えば、実験・計算等によって前記の相関関係を表すように予め設定したテーブル（図６のステップＳＴ１０２を参照）を参照して、スカベンジ率scartに対応する出力電圧補正値αを算出する。

一方、前記ステップＳＴ１０１、ＳＴ１０２と並行してステップＳＴ１０３では、空燃比センサ１０６の出力（電圧）を読み込み、この出力電圧をステップＳＴ１０４において、前記の出力電圧補正値αにより補正する（例えば電圧値から出力電圧補正値αを減算する）。そして、そうして補正した後の電圧値から空燃比を算出して（ステップＳＴ１０５）、処理を終了する。なお、この算出においては、空燃比センサ１０６の温度の変化を考慮して、例えば補正後の電圧値とアドミタンスとに基づき、図示しないマップを参照して空燃比を算出すればよい。

前記図５のフローのステップＳＴ１０１を実行することによってＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に基づいて、吸排気のバルブオーバーラップ期間における吸気の吹き抜け率（スカベンジ率scart）を算出する吹き抜け率算出手段を構成する。また、ステップＳＴ１０２〜１０４を実行することによってＥＣＵ１００は、前記のスカベンジ率scartに応じて、空燃比センサ１０６による検出空燃比を補正する検出空燃比補正手段を構成する。この検出空燃比補正手段は、スカベンジ率scartが高いほど、検出空燃比をリーン側に補正するものである。

したがって、本実施形態に係るエンジン１の制御装置によると、前記のようにスカベンジ率に応じて補正した検出空燃比と、目標空燃比（理論空燃比）との差分に応じて、ＥＣＵ５において燃料噴射量のフィードバック補正係数が算出され、これにより燃料噴射量が補正されることになる。そして、前記の如く検出空燃比の補正は、エンジン１の運転状態に基づいて算出したスカベンジ率に応じて、このスカベンジ率が高いときほど、検出空燃比をリーン側に補正するようにしているので、スカベンジングに起因する空燃比の検出ずれを適切に補正し、フィードバック制御による空燃比の制御性を高めることができる。

−変形例１−
次に、前記実施の形態の変形例について説明する。変形例１は、図６を参照して説明した検出空燃比の補正についての変形例であって、吸排気のバルブオーバーラップ期間が短いときには、検出空燃比を補正しないようにしたものである。その他の構成および動作については上述した実施の形態と同じなので、以下では主に相違点について説明する。

まず、図７には、エンジン回転数や吸気圧が異なる４つの運転状態において、それぞれバルブオーバーラップ期間を変更しながら、スカベンジ率の変化について調べた実験結果の一例を示す。同図の左上のグラフは、アイドルに近い低回転で吸気圧は比較的高い高負荷の状態を示し、左下のグラフは、同じ低回転で吸気圧がさらに少し高くなった状態を示す。また、右上のグラフは、その高くなった吸気圧でエンジン回転数も少し高くなった状態を示し、右下のグラフは、さらに吸気圧が高くなった状態を示す。

これらのグラフにおいて横軸に示すバルブオーバーラップ期間が短い範囲（矢印で示す範囲）では、スカベンジ率がかなり低くなっており、しかも、バルブオーバーラップ期間が変化しても、スカベンジ率には変化がない。スカベンジング（吸気の吹き抜け）が起きていなくても、排気中には未燃の空気が含まれることを考慮すれば、前記の範囲ではスカベンジングは起きていないと考えられる。

前記図７のような実験結果に基づいて、この変形例１では、吸排気のバルブオーバーラップ期間が所定の閾値（前記の例では、例えばクランク角で４０°）未満であれば、検出空燃比の補正を禁止するようにしている。すなわち、図８のフローチャートに示すように、スタート後のステップＳＴ２０１では、図６のフローのステップＳＴ１０１と同じくスカベンジ率scartを算出し、その後のステップＳＴ２０２において、吸排気のバルブオーバーラップ期間ovrpが前記の閾値Ｘ（以下、補正禁止閾値Ｘという）以上か否か判定する。

ここで、吸排気のバルブオーバーラップ期間ovrpは、上述したようにＥＣＵ５によって行われるＶＶＴ２３の動作制御において、クランク角センサ１０１およびカム角センサ１０２からの信号に基づいて算出できる。そして、そのバルブオーバーラップ期間ovrpが補正禁止閾値Ｘ以上で肯定判定（ＹＥＳ）されれば、後述のステップＳＴ２０４に進む一方、バルブオーバーラップ期間ovrpが補正禁止閾値Ｘ未満で否定判定（ＮＯ）されれば、ステップＳＴ２０３に進んで出力電圧補正値αを零（０）とし、後述のステップＳＴ２０６に進む。

ステップＳＴ２０４〜ＳＴ２０７においては、図６のステップＳＴ１０２〜ＳＴ１０５と同様の手順で検出空燃比の補正処理を行う。すなわち、ステップＳＴ２０４では、ステップＳＴ１０２と同じく、予め設定したテーブルを参照して、スカベンジ率scartに対応する出力電圧補正値αを算出する。但し、このテーブルにおいては、ステップＳＴ１０２において用いるテーブルに対して、出力電圧補正値αが所定値α１だけ大きめの値に設定されている。

これは、前記のように算出されるスカベンジ率scartには、各種センサの個体ばらつきや経年劣化などによる誤差が含まれることを考慮して、そのばらつきなどを補償するために、スカベンジ率scartに対応する出力電圧補正値αを大きめに設定したものである。詳しくは、図９にバルブオーバーラップ期間と、スカベンジ率scartおよび出力電圧補正値αとの相関を示すように、横軸のバルブオーバーラップ期間が長いほど、縦軸のスカベンジ率scartが大きくなり、これに応じて算出される出力電圧補正値αも大きくなる。

すなわち、スカベンジ率scartに対応する過不足のない出力電圧補正値αは、図９の上段に一点鎖線で示すようにスカベンジ率scartに比例するものとなるが、前記のように大きめに設定した出力電圧補正値αは、実線で示すように所定値α１だけ大きめの値になる。この結果、図９に斜線を入れて示す範囲では、バルブオーバーラップ期間ovrpが補正禁止閾値Ｘ未満でスカベンジングは起きないにもかかわらず、大きめに設定された出力電圧補正値αによる無用な補正が行われるおそれがあった。

これに対し、この変形例１では、前記の如くバルブオーバーラップ期間ovrpが補正禁止閾値Ｘ未満のときには（ステップＳＴ２０２でＮＯ）、強制的に出力電圧補正値αを零（０）にしている（ステップＳＴ２０３）ので、図９の上段に実線で示すようになって、スカベンジングが起きないにもかかわらず、無用な補正が行われることはなくなる。よって、この場合はステップＳＴ２０６では空燃比センサ１０６の出力電圧が補正されず、ステップＳＴ２０７では、補正されない電圧値から空燃比が算出されるようになる。

この変形例１においてＥＣＵ１００は、図８のフローのステップＳＴ２０１を実行することによって、吹き抜け率算出手段を構成し、また、ステップＳＴ２０４〜ＳＴ２０６を実行することによって、検出空燃比補正手段を構成する。さらに、ステップＳＴ２０２、ＳＴ２０３を実行することによってＥＣＵ１００は、吸排気のバルブオーバーラップ期間ovrpが補正禁止閾値Ｘ未満であれば、検出空燃比の補正を禁止する補正禁止手段を構成する。

したがって、この変形例１によると、吸排気のバルブオーバーラップ期間ovrpが補正禁止閾値Ｘ以上であり、スカベンジングによる排気の空燃比の変動が発生している場合には、これによる検出空燃比のリッチ側へのずれの増大に応じて、出力電圧補正値αも増大し、前記の実施形態と同じく空燃比の検出ずれを適切に補正して、フィードバック制御による空燃比の制御性を高めることができる。一方、バルブオーバーラップ期間ovrpが補正禁止閾値Ｘ未満であれば、実際にはスカベンジングが起きていないにもかかわらず、無用の補正が行われてしまい、却って空燃比がずれることを防止できる。

−変形例２−
続いて変形例２について説明する。この変形例２は、前記の変形例１における検出空燃比の補正禁止閾値Ｘを、エンジン回転数、吸気圧および大気圧によって変更するようにしたものである。その他の構成および動作は上述した変形例１と同じなので、以下では主に相違点について説明する。

図１０のフローチャートには、この変形例２において検出空燃比の補正禁止閾値Ｘを設定する処理を示し、まず、スタート後のステップＳＴ３０１では、エンジン回転数、吸気圧および大気圧を読み込む。なお、エンジン回転数は、ＥＣＵ５によって行われるエンジン１の運転制御において、クランク角センサ１０１からの信号に基づいて算出されている。また、吸気圧および大気圧についてもエンジン１の運転制御に用いられる値を読み込んでもよいし、吸気圧センサ１０５、大気圧センサ１０７からの信号を適宜、入力するようにしてもよい。

続いてステップＳＴ３０２では、エンジン回転数および吸気圧に対応して予め設定されているマップを参照して、補正禁止閾値Ｘを読み込む。このマップは、エンジン機種毎に標準機を用いた実験・計算等によって適合した値を設定したものであり、エンジン回転数が高いほど、バルブオーバーラップ期間が短時間になることから、補正禁止閾値Ｘが大きな値に設定されるとともに、吸気圧が高いほど、吸気が吹き抜けやすくなることから、補正禁止閾値Ｘは小さな値に設定される。

そうして算出した補正禁止閾値Ｘを、ステップＳＴ３０３において大気圧に応じて補正する。これは一例として、大気圧に応じた補正係数を乗算するようにすればよく、その補正係数の値は例えば平地では１とされ、５０００ｍの高地では０．５とされている。すなわち、高地のように大気圧が低いということは、排気圧も低いということであり、吸気が吹き抜けやすくなることから、補正禁止閾値Ｘを小さな値に補正するのである。

こうしてエンジン回転数、吸気圧および大気圧に応じて適切に補正した補正禁止閾値Ｘを、ステップＳＴ３０４でＥＣＵ５のＲＡＭに記憶し、処理を終了する（エンド）。この値が前記図８のフローのステップＳＴ２０２において、ＥＣＵ５のＲＡＭから読み込まれ、吸排気のバルブオーバーラップ期間ovrpが補正禁止閾値Ｘ以上か否かの判定に用いられるようになり、これにより、スカベンジングが起きているか否か、より適切に判定することができる。

−他の実施形態−
以上、説明した実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成や用途などについても限定することを意図しない。例えば前記実施の形態（変形例を含む）においては、空燃比センサ１０６による検出空燃比を、スカベンジ率が高いほどリーン側に補正するようにしているが、これに限らず、空燃比センサの構造や排気系のレイアウトによっては、検出空燃比がリーン側にずれることも考えられるので、この場合は検出空燃比をリッチ側に補正するようにすればよい。

また、前記実施の形態の変形例２においては、検出空燃比を補正するか否かの閾値（補正禁止閾値Ｘ）をエンジン回転数、吸気圧および大気圧によって変更するようにしているが、これに限らず、それらの少なくとも１つによって変更するようにしてもよい。

さらに、前記実施の形態は、一例としてガソリンエンジン１に本発明を適用した場合について説明したが、これにも限定されず本発明は、ディーゼルエンジン等の他のエンジンに対しても適用可能であり、ハイブリッド車両（駆動力源としてエンジンおよび電動モータを搭載した車両）のエンジンにも適用可能である。

本発明は、吸排気のオーバーラップ期間における吸気の吹き抜け（スカベンジング）に起因する排気空燃比の検出ずれを適切に補正して、空燃比の制御性を高めることができるので、特に自動車に搭載される内燃機関に適用して効果が高い。

１ エンジン（内燃機関）
１２ 気筒
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート（排気通路）
１９ 吸気バルブ
２０ 排気バルブ
２３ ＶＶＴ（可変動弁機構）
１００ ＥＣＵ（吹き抜け率算出手段、検出空燃比補正手段、補正禁止手段
１０６ 空燃比センサ

Claims (4)

1. 排気系に設けた空燃比センサによる検出値に基づいて空燃比をフィードバック制御するようにした内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関は複数の気筒を有し、その各気筒からの排気が流通する排気通路の集合部よりも排気の流れの下流側に、前記空燃比センサが配設され、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて、吸気行程で前記気筒内に吸入された吸気のうち、吸排気のバルブオーバーラップ期間において排気通路に流出するものの割合である吸気吹き抜け率を算出する吹き抜け率算出手段と、
   前記算出された吸気吹き抜け率に応じて、吸気吹き抜け率が高いほど補正の度合いが大きくなるように、前記空燃比センサによる検出値を補正する検出空燃比補正手段と、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記載の内燃機関の制御装置において、
   前記検出空燃比補正手段は空燃比センサによる検出値を、前記吸気吹き抜け率が高いほどリーン側に補正する、内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関は、吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも一方の動弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、
   前記可変動弁機構によって吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも一方の動弁時期が変更されて、吸排気のバルブオーバーラップ期間が予め設定した閾値未満になれば、前記検出空燃比補正手段による補正を禁止する補正禁止手段を備える、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、
   前記閾値が、機関回転数、吸気圧および大気圧の少なくとも１つに応じて変化するように設定されている、内燃機関の制御装置。

Images