JP4539211B2 - 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し、詳しくは、内燃機関の空燃比に基づいて吸入空気量を補正制御する技術に関する。

特許文献１には、内燃機関の目標空燃比がリーン側に設定されるときに、目標空燃比がリーンになるほど吸入空気量が増加するように、吸入空気量制御手段の制御量を補正する構成の開示がある。
特開２０００−２２０４９３号公報

ところで、上記従来技術は、目標空燃比に対して実際の空燃比がリーン側にずれていることによるトルク不足を補うものではない。
このため、例えば、燃料供給系・吸入空気計量系の故障や部品の接続不良などによって空燃比がリーン側にずれた運転状態から、アイドルに至る減速運転（ブレーキ操作による車両停止動作）がなされると、アイドル回転速度のフィードバック制御が間に合わずに、トルク不足により機関回転速度が異常に低下し、最悪エンストが発生してしまうことがあるという問題があった。

上記問題点を解決するために、空燃比の異常時を想定して減速時の吸入空気量を予め多く設定すると、正常な空燃比の場合は減速時の吸入空気量が過剰となって燃費が悪化するという問題が発生する。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、正常時における燃費の悪化を回避しつつ、空燃比異常時における機関回転速度の異常な低下を未然に防止できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明は、内燃機関の空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれている空燃比の異常発生時であるかを検出し、前記空燃比の異常発生時には、前記内燃機関の吸入空気量を増量補正する構成とした。

かかる構成によると、空燃比に異常が発生すると吸入空気量を増量補正し、空燃比異常（空燃比のリーン側へのずれ）によるトルクの低下分が補われ、アイドルに至る減速運転がなされても機関回転速度が異常に低下することを回避できると共に、空燃比の異常時に限って減速時の吸入空気量を増量補正するので、正常時の燃費性能に影響を与えることがない。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関のシステム構成図である。
図１において、内燃機関（ガソリンエンジン）１には、スロットルモータ２で駆動されるスロットルバルブ３を介して空気が吸引される一方、各気筒別に設けられる燃料噴射弁４によって燃料が噴射されることで、燃焼室内に混合気が形成される。

前記混合気は、図示省略した点火プラグの火花点火によって着火燃焼し、この混合気の燃焼・爆発によってピストンを往復動させることで、車両の駆動力を得る。
マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１は、各種センサからの検出信号を入力し、前記検出信号を演算処理することで、前記スロットルモータ２，燃料噴射弁４などに制御信号を出力する。

前記各種センサとしては、スロットルバルブ３の上流側でエンジン１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１２、前記スロットルバルブ３の開度を検出するスロットルセンサ１３、内燃機関１の回転速度を検出する回転センサ１４、内燃機関１の冷却水温度を検出する水温センサ１５、前記内燃機関１と組み合わされる変速機（図示省略）のシフト位置がニュートラルであるか否かを検出するニュートラルスイッチ１６、内燃機関１のアイドル運転状態（アクセル全閉）を検出するアイドルスイッチ１７、内燃機関１が搭載される車両の走行速度（車速）を検出する車速センサ１８が設けられている。

また、排気管１９に介装される触媒コンバータ２０の前に、排気中の酸素濃度に基づいて実際の空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンを検出する酸素センサ２１が設けられている。
前記エンジンコントロールユニット１１は、アイドル回転速度の制御機能が備えられており、内燃機関１のアイドル運転時に、実際の機関回転速度を、水温等に応じて設定される目標アイドル回転速度に一致させるべく、前記スロットルバルブ３の開度（アイドル運転時の吸入空気量）をフィードバック制御する。

また、前記エンジンコントロールユニット１１は、前記酸素センサ２１の検出結果に基づいて空燃比を目標空燃比（理論空燃比）にフィードバック制御する空燃比補正機能が備えられている。
具体的には、前記酸素センサ２１の出力から、理論空燃比に対する実際の空燃比のリッチ・リーンを判定し、該判定結果に基づく比例積分動作によって空燃比フィードバック補正係数（初期値＝１．０）を演算する一方、前記空燃比フィードバック補正係数による補正要求を複数に区分される運転領域毎に空燃比学習補正値として学習し、前記空燃比フィードバック補正係数と前記空燃比学習補正値との加算値によって燃料噴射量を補正することで、空燃比を理論空燃比に一致させる。

更に、前記エンジンコントロールユニット１１は、空燃比の異常発生時に、アイドルに至る減速運転が行なわれてもエンストが発生することがないように、吸入空気量を増量補正する機能を有しており、この吸入空気量の増量補正機能を図２のフローチャートに従って説明する。
図２のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１１では、車速，機関回転速度，酸素センサ出力，水温，アイドルスイッチなど各種信号を読み込む。

ステップＳ１２では、アイドル回転速度のフィードバック制御条件が成立しているか否かを判別する。
前記アイドル回転速度のフィードバック制御は、アクセル全閉で、かつ、変速機がニュートラルであるか又は車速が所定速度以下であることを条件に実行されるようになっている。

前記アイドル回転速度のフィードバック制御が行なわれるアイドル運転状態では、空燃比がリーン側にずれることで機関発生トルクが減少し、これによって回転速度が低下すると、該回転速度の低下を抑制すべく吸入空気量を増大させる制御が行なわれるので、別途吸入空気量を増量補正する必要性がない。
従って、ステップＳ１２で、アイドル回転速度のフィードバック制御条件が成立していると判断されたときには、本ルーチンをそのまま終了させる。

一方、ステップＳ１２で、アイドル回転速度のフィードバック制御条件が成立していないと判断された場合には、ステップＳ１３へ進む。
ステップＳ１３では、空燃比制御システムの自己診断において正常判定がなされているか否かを判別する。
前記空燃比制御システムとは、前記酸素センサ２１を含むシステムであり、この空燃比制御システムに異常があると、空燃比の異常を正確に判断することができない。

そこで、ステップＳ１３で、空燃比制御システムの自己診断において異常判定されていると判断されたときには、本ルーチンをそのまま終了させ、空燃比制御システムが正常であればステップＳ１４へ進む。
ステップＳ１４では、前記酸素センサ２１の出力に基づいて算出されている空燃比フィードバック補正係数（平均値）と空燃比学習補正値との加算値（燃料噴射量の補正要求量）が閾値（例えば１．２５）以上になっているか否かを判別する。

前記酸素センサ２１で検出される空燃比が目標よりもリーンであると、空燃比フィードバック補正係数を徐々に増大させることで燃料噴射量を増量してリーン状態の解消を図るので、空燃比フィードバック補正係数と空燃比学習補正値との加算値が閾値以上である場合には、燃料噴射量を空燃比フィードバック補正係数及び空燃比学習補正値で補正しない場合のベース空燃比が大幅にリーンになっている状態である。

ステップＳ１４で、空燃比フィードバック補正係数と空燃比学習補正値との加算値が閾値以上であると判断されると、ステップＳ１５へ進み、空燃比フィードバック補正係数と空燃比学習補正値との加算値が閾値以上である状態が所定時間（例えば５秒）以上継続しているか否かを判別する（図３参照）。
空燃比フィードバック補正係数と空燃比学習補正値との加算値が閾値以上である状態が所定時間以上継続している場合には、ベース空燃比が継続して大きくリーン側にずれている空燃比の異常時であると判断する。

このような空燃比の異常時にアイドル運転に至る減速運転がなされると、減速運転に伴って空燃比フィードバック制御がクランプされ、また、減速運転における運転条件では空燃比学習補正値の学習進行が遅いことから、減速運転時の空燃比（減速燃料カットからの復帰直後の空燃比）を目標空燃比に補正しきれずに空燃比がリーン化する。
そして、前記空燃比のリーン化によるトルク不足によって、アイドル回転速度のフィードバック制御が間に合わない回転の落ち込みが発生し、最悪エンストする可能性がある。

そこで、ステップＳ１５で、空燃比フィードバック補正係数と空燃比学習補正値との加算値が閾値以上である状態が所定時間以上継続していると判定されると、ステップＳ１６へ進み、機関１の吸入空気量を減速運転に備えて予め増量補正する（図３参照）。
一方、空燃比フィードバック補正係数と空燃比学習補正値との加算値が閾値未満である場合には、減速運転が行なわれても大幅に空燃比がリーン側にずれることがないものと判断され、又、閾値以上であってもその継続時間が所定時間未満であれば、ベース空燃比のずれが一時的なものである可能性があるので、ステップＳ１６を迂回してそのまま本ルーチンを終了させる。

前記ステップＳ１６における吸入空気量の増量補正は、スロットル開度制御における目標空気量を、一定量（Ｌ／min）だけ増量して行なわれる。
前記スロットル開度制御における目標空気量は、アクセル開度と機関回転速度とに応じた目標吸入空気量に、アイドル補正空気量を加算して設定され、前記アイドル補正空気量は、目標回転速度要求量，水温等に基づくフリクション要求量，エアコン等による補機負荷要求量，フィードバック制御条件成立時に目標アイドル回転速度に制御するためのフィードバック補正分などを含んで算出される。

そして、ステップＳ１６へ進んだときには、前記目標吸入空気量に一定の空燃比異常時補正量を付加することで、空燃比が正常であるときに比べて吸入空気量を増量する。
アイドルに至るような減速運転がなされない状態では、前記吸入空気量の増量補正は不要であるが、減速運転を検出してからの増量補正では応答遅れによって機関回転速度の異常な低下を安定的に抑止できないので、減速運転に備えるべく予め吸入空気量を増量しておくものである。

吸入空気量を通常時よりも増量してあれば、その後に減速運転され、空燃比がリーンになったとしても、吸入空気量の増量によるトルクの増大分で空燃比のリーン化によるトルクの落ち込み分を補うことができ、以って、減速運転に伴う機関回転速度の異常な落ち込み，エンストの発生を回避できる。
また、吸入空気量の増量は、空燃比の異常検出がなされたときにのみ行なわれ、空燃比の正常時には無用に吸入空気量が増量されることがないので、燃費性能の低下を回避できる。

ここで、前記空燃比異常時補正量分だけ前記フィードバック補正分（積分分）を補正し、目標アイドル回転速度と実アイドル回転速度との偏差に応じて前記空燃比異常時補正量を増減変化させるようにしても良く、係る構成とすると、アイドルに至る減速時の吸入空気量の変化を滑らかにして、目標アイドル回転速度に至る前の機関回転速度の吹き上がりを防止できる。

尚、１トリップ中（イグニッションスイッチがＯＮされてからＯＦＦされるまでの間）に空燃比の異常が１回でも検出されると、その後は、前記空燃比異常時補正量による吸入空気量の増量補正状態を継続させ、機関の再始動は、前記空燃比異常時補正量による吸入空気量の増量補正がなされない状態で行なわせる。
また、エンストに対する耐力をより増加させるために、空燃比異常の検出時に目標アイドル回転速度を増大修正し、及び／又は、減速燃料カットのリカバリー回転速度（燃料噴射を再開させる機関回転速度）を増大修正しても良い。

更に、スロットルバルブをバイパスするバイパス通路にアイドル制御弁を備えるシステムにおいて、前記アイドル制御弁を介して機関に供給される吸入空気量を、空燃比の異常検出時に増大補正しても良い。
また、空燃比学習補正値の学習を行なわないシステムでは、前記空燃比フィードバック補正係数のみのレベルに基づいて、空燃比の異常を検出することができる。

ところで、空燃比を検出する手段として、前記リッチ・リーンセンサである酸素センサ２１に代えて、空燃比を広域に検出できる空燃比センサ３１を備えるシステムとすることができる。
そして、空燃比センサ３１を備える場合には、空燃比のずれ代を直接的に検出することができるので、空燃比のずれ代に応じた適正量だけ吸入空気量を増量補正することが可能である。

図４のフローチャートは、前記空燃比センサ３１を備える場合の、空燃比の異常検出及び吸入空気量の増量補正処理を示す。
図４のフローチャートにおいて、ステップＳ２１では、前記空燃比センサ３１の出力を含む各種信号を読み込み、ステップＳ２２〜ステップＳ２３では、前記ステップＳ１２〜ステップＳ１３と同様な処理を行なう。

ステップＳ２４では、空燃比センサ３１で検出される空燃比と目標空燃比との偏差が閾値以上であるか否か、即ち、目標空燃比に対して実際の空燃比が所定以上にリーンであるか否かを判定する。
空燃比センサ３１で検出される空燃比と目標空燃比との偏差が閾値以上であると判別されると、ステップＳ２５へ進み、前記空燃比偏差が閾値以上である状態が所定時間以上継続しているか否かを判別する。

そして、前記空燃比偏差が閾値以上である状態が所定時間以上継続している場合には、空燃比の異常時であると判断してステップＳ２６へ進む。
前記空燃比偏差が閾値以上である状態が所定時間以上継続している状態は、空燃比補正（フィードバック補正及び／又は学習補正）によって空燃比を目標空燃比に補正できずに、実際の空燃比が目標よりもリーン側にずれている状態であり、この状態のまま、アイドルに至る減速が行なわれると、トルク不足によって機関回転速度が異常に低下する可能性がある。

そこで、ステップＳ２６へ進んで、機関１の吸入空気量を増量補正するが、ステップＳ２６では、前記空燃比偏差に応じて空燃比異常時補正量を可変に設定する。
具体的には、図５に示すように、前記空燃比偏差が大きい程、換言すれば、目標に対する実際の空燃比のリーン側へのずれ代が大きい程、空燃比異常時補正量をより大きな値に設定する。

これは、空燃比がリーン化するほどトルク不足量が大きくなり、これを補うための吸入空気量の増量要求が大きくなるためである。
上記のように、空燃比のリーン側へのずれ代に応じて空燃比異常時補正量を可変に設定すれば、リーン化によるトルク不足を補うのに過不足ない量だけ吸入空気量を増量補正することができ、耐エンスト性を高くできると共に、目標アイドル回転速度への収束応答性を維持できる。

尚、図２のフローチャートに示す実施形態において、空燃比フィードバック補正係数と空燃比学習補正値との加算値のレベルに応じて空燃比異常時空気量を変化させることが可能であるが、空燃比センサ３１を用いる場合に比べて、空燃比異常時空気量の設定精度は低下することになる。
また、空燃比センサ３１の検出結果に応じて設定される空燃比フィードバック補正係数，空燃比学習補正値に基づいて、空燃比の異常を検出することができる。

実施形態における内燃機関のシステム図。 酸素センサを用いて空燃比異常を検出し、吸入空気量の増量補正を施す実施形態を示すフローチャート。 図２のフローチャートによる制御特性を示すタイムチャート。 空燃比センサを用いて空燃比異常を検出し、吸入空気量の増量補正を施す実施形態を示すフローチャート。 図４のフローチャートによる制御における空燃比異常時補正量の特性を示す線図。

符号の説明

１…内燃機関、２…スロットルモータ、３…スロットルバルブ、４…燃料噴射弁、１１…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、１２…エアフローメータ、１３…スロットルセンサ、１４…回転センサ、１５…水温センサ、１６…ニュートラルスイッチ、１７…アイドルスイッチ、１８車速センサ、１９…排気管、２０…触媒コンバータ、２１…酸素センサ、３１…空燃比センサ

Claims (5)

1. 内燃機関の空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれている空燃比の異常発生時であるかを検出し、
   前記空燃比の異常発生時には、前記内燃機関の吸入空気量を増量補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関の実際の空燃比を目標空燃比に一致させるべく燃料噴射量を補正する手段を備え、
   前記燃料噴射量の補正要求量に基づいて前記空燃比の異常を検出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関の空燃比を検出する空燃比センサを備え、
   前記空燃比センサで検出される空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて空燃比の異常を検出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記偏差に応じて吸入空気量の増量補正量を可変に設定することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記空燃比の異常状態が所定時間以上継続したときに、吸入空気量を増量補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

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