(57)【要約】【課題】内燃機関の空燃比フィードバック制御性能を向上する。【解決手段】排気マニホールド２１の各ブランチ管２１ａ下流に連結される導入管２１ｂに、アイドル運転時に排気空燃比検出感度が高い位置（導入管２１ｂ入口から離れた位置）に、アイドル運転時の空燃比フィードバック制御に使用される上流側空燃比センサ４を取り付けると共に、部分負荷運転時に排気空燃比検出感度が高い位置（導入管２２入口に近い位置）に、部分負荷運転時の空燃比フィードバック制御に使用される上流側空燃比センサ５を取り付け、各運転状態でそれぞれ高精度な空燃比フィードバック制御が行われるようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に、運転状態毎に異なる排気空燃比検出感度が高い位置にそれぞれ空燃比センサを配置し、運転状態毎に排気空燃比検出感度が高い位置に配置された空燃比センサの検出値に基づいて空燃比フィードバック制御を行うことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
アイドル運転時に排気空燃比検出感度が高い位置にアイドル用空燃比センサを設けると共に、部分負荷運転時に排気空燃比検出感度が高い位置に部分負荷運転用空燃比センサを設け、アイドル時は前記アイドル用空燃比センサの空燃比検出値に基づいて空燃比フィードバック制御を行い、部分負荷運転時は前記部分負荷運転用空燃比センサの空燃比検出値に基づいて空燃比フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記各空燃比センサの切り換えを、機関回転速度に基づいて行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記各空燃比センサの切り換えを、機関回転速度と負荷とに基づいて行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記各空燃比センサの取り付け位置を、排気通路内の排気密度のシミュレーション結果によって決定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記各空燃比センサを、排気マニホールドの各ブランチ管の下流に連結された導入管に取り付けることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に、空燃比フィードバック制御性能の改善技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空燃比フィードバック制御を行う内燃機関では、排気中の成分（酸素等）から空燃比を検出する空燃比センサ（酸素センサ、広域型空燃比センサ）を、排気マニホールドに装着している。
【０００３】
従来は、排気マニホールドの集合部に各気筒からの排気の流れが、まんべんなく検出できる位置に空燃比センサを配置して空燃比フィードバック制御を行っている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２４０４５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関運転状態によって空燃比センサの排気空燃比検出感度が高い適正な取付位置が異なり、特に、アイドル運転時には排気の流れが極めて弱いのに対し、アイドル時以外で空燃比フィードバック制御を行う部分負荷運転時には強い流れため、適正取付位置が大きく異なるという問題があった。
【０００６】
従来は、空燃比センサをパーシャル領域に適合した位置に配置して、アイドル領域での空燃比フィードバック制御を停止するか、これら２つの領域での検出感度を折衷した位置に空燃比センサを配置して、可能なかぎりアイドル領域でも空燃比フィードバック制御を行うようにしているが、良好な性能は得られず、排気浄化性能に影響を与えていた。
【０００７】
また、上記の点を解決すべく排気管長や合流部形状を変更することも考えられるが、機関の出力性能に影響を来たすこととなってしまう。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、運転領域が変化しても高精度な空燃比検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行え、排気浄化性能を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、内燃機関の排気通路に、運転状態毎に異なる排気空燃比検出感度が高い位置にそれぞれ空燃比センサを配置する。そして、運転状態毎に排気空燃比検出感度が高い位置に配置された空燃比センサの検出値に基づいて空燃比フィードバック制御を行う構成とした。
【０００９】
これにより、運転状態毎、例えばアイドル運転時と部分負荷運転時とで、それぞれ排気空燃比を高感度に検出できる位置に配置された空燃比センサを用いて空燃比フィードバック制御を行えるので、常に高精度に空燃比を検出して空燃比フィードバック制御を行え、排気浄化性能を高めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１において、エンジン（内燃機関）１の排気通路２には、排気中の有害成分ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ  を同時に浄化する三元触媒を収納する触媒コンバータ３が設けられている。
【００１１】
この触媒コンバータ３の上流側と下流側の排気通路２には、上流側空燃比センサ４，５及び下流側空燃比センサ６が設けられている。これら空燃比センサ４〜６は排気中の酸素成分濃度に応じた電気信号を夫々発生し、この信号をエンジン制御装置７の入力回路８を介してＡ／Ｄ変換器９に夫々出力する。なお、空燃比センサとしては、空燃比が理論空燃比に対してリーン側かリッチ側かに応じてステップ的に変化する簡易型の酸素センサか、空燃比を連続的に検出できる広域型空燃比センサのいずれであってもよく、また、上流側空燃比センサのみ、広域型空燃比センサとし下流側空燃比センサは酸素センサとするような構成としてもよい。
【００１２】
エンジン制御装置７の入出力回路１０には、吸気通路１１のスロットル弁１２の上流側に取り付けられたエアフローメータ１３からの吸入空気量検出信号、クランク角センサ１４からのエンジン回転速度検出信号及び水温センサ１５からのエンジン冷却水温度検出信号の他に種々のエンジン運転条件検出センサからの検出信号が入力され、燃料噴射弁１６による燃料噴射量を制御する信号（空燃比フィードバック信号を含む）を前記燃料噴射弁１６に出力するようになっている。
【００１３】
尚、上記エンジン制御装置７は、例えばマイクロコンピュータとして構成され、上述した入力回路８、Ａ／Ｄ変換器９、入出力回路１０の他に、ＣＰＵ１７、ＲＯＭ１８、ＲＡＭ１９等が設けられている。
【００１４】
そして、本発明にかかる構成として、２つの上流側空燃比センサ４，５が、後述するようにして決定された異なる位置に配置される。
図２は、上流側空燃比センサ４，５の取付位置周辺の詳細を示す。図示では４気筒エンジンにおいて、前記排気通路２の一部を構成する排気マニホールド２１は、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続するブランチ管２１ａの下流端部相互を横断面十字状に接合されて接合し溶接結合して一体に形成され、その下流側には、ディフューザ状の導入管２１ｂを介して前記触媒コンバータ５の入口側に溶接結合されている。なお、導入管２１ｂに装着される上流側空燃比センサ４，５に向けて排気の流れを導くように前記ブランチ管２１ａの下流端部に整流板を連結する構成としてもよい。
【００１５】
そして、本実施形態では、前記導入管２１ｂのブランチ管２１ａ出口から離れた側に、アイドル運転時に用いられる上流側空燃比センサ（アイドル運転用空燃比センサ）４を配置し、導入管２１ｂのブランチ管２１ａ出口に近い側に、部分負荷運転時に用いられる上流側空燃比センサ（部分負荷運転用空燃比センサ）５を配置する。
【００１６】
具体的には、上記上流側空燃比センサ４，５の配置は、図２，３に示した排気密度分布のシミュレーション結果に基づいて決定される。
図３は、アイドル運転時の導入管２１ｂ内の排気密度分布を示し、（Ａ）は、排気流れ方向に沿った縦断面、（Ｂ）は導入管２１ｂ入口の横断面、（Ｃ）は導入管２１ｂ入口の横断面の状態を示す。（Ａ）に示されるように、流れ方向で見ると導入管２１ｂの出口に近い側で密度が高く、（Ｂ），（Ｃ）に示されるように、流れ方向と直角な横断面で見ると、上流側のブランチ管２１ａの湾曲の外側（曲率中心から離れた側）で密度が濃い分布となっている。
【００１７】
これは、流れ方向については、アイドル運転時は排気の流れが弱いので、導入管２１ｂの横断面積が流れ方向に減少する入口形状により各ブランチ管２１ａから流出した排気が中心に向かって集合するベクトルの作用が小さく、導入管２１ｂの入口から離れた側で密度が最も高くなり、それより下流側では導入管２１ｂの横断面積が流れ方向に増大する出口形状により中心から外側に拡散するベクトルにより密度が減少するものと推定される。
【００１８】
一方、流れ方向と直角な横断面については、上流側でのブランチ管２ａ内で遠心力によって湾曲の外側に偏って排気が流れるため、導入管２１ｂ内に流入後も同一側の密度が大きくなるものと推定される。
【００１９】
図４は、部分負荷運転時の導入管２１ｂ内の排気密度分布を示し、（Ａ）は、排気流れ方向に沿った縦断面、（Ｂ）は導入管２１ｂ入口の横断面、（Ｃ）は導入管２１ｂ入口の横断面の状態を示すことは同様である。（Ａ）の流れ方向で見ると導入管２１ｂの入口に近い側で密度が高く、（Ｂ），（Ｃ）の流れ方向と直角な横断面で見ると、図示上流で密度が濃い分布となっている。
【００２０】
これは、流れ方向については、部分負荷運転時は排気の流れが強くなっているので、前記排気が中心に向かって集合するベクトルの作用が大きく生じ、導入管２１ｂの入口に近い側で密度が最も高くなるものと推定される。
【００２１】
一方、流れ方向と直角な横断面については、各ブランチ管２ａの湾曲の外側に偏って流れる排気流同士が、導入管２１ｂ内で合流するとそれぞれの流れが強いため中心軸周りに旋回する流れも生じるなど複雑な流れとなり、結果として図示上側で密度が大きくなるものと推定される。
【００２２】
図５は、上記シミュレーション結果に基づき、２つの空燃比センサを導入管の断面積一定のストレート部入口から所定距離Ｌ（例えば２２ｍｍ）離れた位置（第１位置）と、導入管ストレート部の入口（第２位置）とに配置したときの、運転状態（回転速度、負荷＝吸気負圧）毎の各センサの検出感度バラツキを示す。
【００２３】
第１位置に配置した空燃比センサは部分負荷運転時の一部の領域で感度バラツキが基準値を超えるが、アイドル運転時は感度バラツキが基準値以下となって良好な検出感度を得られ、第２位置に配置した空燃比センサはアイドル運転時で感度バラツキが基準値を超えるが、部分負荷運転時は全ての領域で感度バラツキが基準値以下となって良好な検出感度を得られることが明らかである。
【００２４】
以上の結果は、上流側のブランチ管２１ａの形状や導入管２１ｂの形状によって異なるものであり、上記シミュレーション結果が一例であることは勿論のことである。
【００２５】
このようにしてシミュレーションにより得られた結果に基づいて、上流側空燃比センサ４，５をそれぞれアイドル運転時、部分負荷運転時に排気密度が高くなる位置つまり排気空燃比検出感度が高くなる位置に配置する。上記の例ではアイドル運転時用の上流側空燃比センサ４は、アイドル運転時に排気密度が高くなる導入管２１ｂの入口から離れた位置に配置し、部分負荷運転時用の上流側空燃比センサ５は、部分負荷運転時に排気密度が高くなる導入管２１ｂの入口に近い位置に配置する。
【００２６】
なお、各上流側空燃比センサ４，５の導入管２１ｂの周方向の取付位置についてもそれぞれ排気密度が高くなる位置、上記の例ではアイドル運転時用の上流側空燃比センサ４は、図２（Ｂ），（Ｃ）で右側、部分負荷運転時用の上流側空燃比センサ５は、図３（Ｂ），（Ｃ）で上側とするのが望ましいが、２つの空燃比センサの配線レイアウトを考慮して同一側（図で右側、上側、それらの間等）に並べて配置してもよい
上記のように配置した２つの上流側空燃比センサ４，５を運転状態に応じて切り換えて使用しつつ空燃比フィードバック制御を行う。
【００２７】
上記空燃比フィードバック制御を、図６〜図８に示したフローチャートに基づいて説明する。
図６は、運転状態に応じて使用する上流側空燃比センサを切り換える制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００２８】
ステップ（図ではＳと記す。以下同様）１では、クランク角センサ１４からの信号に基づいてエンジン回転速度Ｎｅを検出する。
ステップ２では、前記エンジン回転速度Ｎｅをセンサ切換判定しきい値Ｎ０（例えば７００ｒｐｍ）と比較して大小を判定する。
【００２９】
ステップ２でエンジン回転速度ＮｅがＮ０未満と判定されたときは、アイドル運転時と判定してステップ３へ進み、前記アイドル運転時用の上流側空燃比センサ４を使用するため、フラグＦＳ＝１にセットする。
【００３０】
また、ステップ２でエンジン回転速度ＮｅがＮ０以上と判定されたときは、部分負荷運転時と判定してステップ３へ進み、前記部分負荷運転時用の上流側空燃比センサ５を使用するため、フラグＦＳ＝０にセットする。
【００３１】
本実施形態ではエンジン回転速度Ｎｅのみで使用する上流側空燃比センサを選択するようにしたが、エンジン負荷も考慮して選択する構成としてもよい。例えば、図７に示すように、エンジン回転速度ＮｅがＮ０未満でかつ、負荷がアイドル相当のしきい値Ｎ／Ｌ以下の成立を条件として上流側空燃比センサ４を使用するアイドル運転時と判定し、かつ、空燃比フィードバック制御を行う部分負荷運転は、負荷が増大するほど高速に設定されたしきい値Ｎ０以上の成立を条件として上流側空燃比センサ５を使用する部分負荷運転時と判定する。
【００３２】
図８は、空燃比補正係数αを演算するルーチンのフローチャートである。
ステップ１１では、上流側酸素センサ４，５による空燃比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。条件不成立の時は、ステップ１２に進んで空燃比補正係数αを１．０  とする。
【００３３】
ステップ１１で空燃比フィードバック制御条件が成立の時は、ステップ１３に進み、図６で設定されたフラグＦＳの値を判別する。
そして、ＦＳ＝１のときつまりアイドル運転時は、ステップ１４へ進んで上流側空燃比センサ４の出力ＯＳＲＩをＡ／Ｄ変換して読み込んでＯＳＲ１とし、ＦＳ＝０のときつまり部分負荷運転時は、ステップ１５へ進んで上流側空燃比センサ５の出力ＯＳＲＰをＡ／Ｄ変換して読み込んでＯＳＲ１とする。
【００３４】
次いで、ステップ１６においてＯＳＲ１がスライスレベル電圧ＳＬＦ以下か否かを判別する。つまり、空燃比がリッチかリーンかを判別する。
リッチが判別されたならば、ステップ１７に進んで空燃比フラグＦ１を１（リッチ）とする。リーンが判別されたならば、ステップ１８に進んで空燃比フラグＦ１を０（リーン）とする。
【００３５】
ステップ１９においては、前記空燃比フラグＦ１の符号が反転したか否かを判別する。即ち、空燃比が反転したか否かを判別する。
空燃比が反転していれば、ステップ２０に進んで、前記空燃比フラグＦ１の値により、リッチからリーンへの反転か、リーンからリッチへの反転かを判別する。
【００３６】
リッチからリーンへの反転であれば、ステップ２１に進んで別ルーチンで算出される下流側空燃比センサ６の出力ＯＳＲ２に基づいた比例分補正量ＰＨＯＳを読み込んだ後にステップ２２に進んで、αを、前回値にリッチ比例分ＰＬと前記比例分補正量ＰＨＯＳとを加算した値で更新し、スキップ的に増大させる。
【００３７】
逆にリーンからリッチへの反転であれば、ステップ２３に進んで同様に比例分補正量ＰＨＯＳを読み込んだ後にステップ２４に進んで、αを、前回値からリーン比例分ＰＲを減算し、前記比例分補正量ＰＨＯＳを加算した値で更新し、スキップ的に増大させる。
【００３８】
ここで、前記補正量ＰＨＯＳの演算の詳細は省くが、下流側空燃比センサ６の出力ＯＳＲ２がリッチのときは、リーンからリッチへの反転時に大きく減少しその後徐々に減少させ、ＯＳＲ２がリーンのときは、リッチからリーンへの反転時に大きく増大しその後徐々に増大させるように算出され、この補正量ＰＨＯＳで比例分ＰＬ，ＰＲを補正することにより上流側空燃比センサの劣化による出力値のずれを補償できる。
【００３９】
ステップ１９において、空燃比フラグＦ１の符号が反転していなければ、ステップ２５，２６，２７にて積分処理を行う。つまり、ステップ２７において、Ｆ１＝０か否かの判定を行う。Ｆ１＝０（リーン）であれば、ステップ２８において、α＝α＋ＩＬ（リッチ積分分）とし、Ｆ１＝１（リッチ）であれば、ステップ２９において、α＝α−ＩＲ（リーン積分分）とする。
【００４０】
ここで、上記の積分分ＩＬ，ＩＲは、前記比例分ＰＬ，ＰＲに比して充分に小さく設定してある。従って、ステップ２６はリーン状態（Ｆ１＝０）で燃料噴射量を徐々に増大させ、ステップ２７はリッチ状態（Ｆ１＝１）で燃料噴射量を徐々に減少させる。
【００４１】
上述のようにして演算された空燃比補正係数αを図２のＲＡＭ１９に格納してこのルーチンを終了する。
図９は、上記のようにして設定された空燃比補正係数αを用いて空燃比をフィードバック制御するルーチンのフローチャートである。
【００４２】
ステップ３１では、前記図８で設定した空燃比補正係数αを読み込む。
ステップ３２では、前記空燃比補正係数αを用いて次式のように、燃料噴射量Ｔｉを算出する。
【００４３】
Ｔｉ＝Ｔｐ・ＣＯＥＦ・α＋Ｔｓ
Ｔｐは基本燃料噴射量であり、前記エアフロメータ１３により検出された吸入空気流量Ｑａとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいてシリンダ吸入空気量に比例する値（Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎｅ、Ｋ：定数）として算出される。ＣＯＥＦは水温センサ１５によって検出されるエンジン冷却水温度Ｔｗ等によって算出される各種補正係数、Ｔｓはバッテリ電圧に応じて算出される無効噴射パルス分である。
【００４４】
ステップ３３では、ステップ３２で算出された燃料噴射量Ｔｉ相当の噴射パルス信号を燃料噴射弁１６に出力して駆動することにより、燃料噴射量Ｔｉ分の燃料を吸気通路１１に噴射させる。
【００４５】
このようにして、アイドル運転時と部分負荷運転時とで、それぞれ排気空燃比検出感度の高い上流側空燃比センサ４，５を選択して使用しつつ空燃比フィードバック制御を行うことにより、アイドル運転時及び部分負荷運転時でそれぞれ高精度に空燃比フィードバック制御を行うことができ、排気浄化性能を可及的に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる内燃機関の空燃比制御装置のシステム構成図。
【図２】同上装置の排気マニホールドの一部を示す正面図及び斜視図。
【図３】同上装置のアイドル運転時の空燃比センサ取付部周辺の排気密度分布を示す図。
【図４】同上装置の部分負荷運転時の空燃比センサ取付部周辺の排気密度分布を示す図。
【図５】２つの異なる位置に取り付けた空燃比センサの空燃比検出感度のバラツキを示す図。
【図６】同上実施形態の運転状態に応じて使用する上流側空燃比センサを切り換える制御ルーチンを示すフローチャート。
【図７】同上実施形態において、２つの上流側空燃比センサの使用運転領域を示す図。
【図８】同上実施形態の空燃比補正係数αを演算するルーチンのフローチャート。
【図９】同上実施形態の空燃比をフィードバック制御するルーチンのフローチャート。
【符号の説明】
１    エンジン
２    排気通路
３    触媒コンバータ
４    上流側空燃比センサ
５    上流側空燃比センサ
７    エンジン制御装置
１３    エアフロメータ
１４    クランク角センサ
１５    水温センサ
１６    燃料噴射弁
２１    排気マニホールド
２１ａ  ブランチ管
２１ｂ  導入管
【図１】
2004308566.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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