(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気中の酸素濃度に感応して出力が変化する酸素センサであって、理論空燃比を含む所定空燃比範囲において前記出力が空燃比に対して線形性を有する酸素センサを備え、該酸素センサの出力に基づいて燃焼混合気の空燃比を広域に検出し、該検出結果に基づいて空燃比フィードバック制御信号を出力する構成であって、
前記酸素センサの出力が線形領域を外れているときに、線形領域内であるときよりも前記空燃比フィードバック制御信号の変化をより小さく制限すると共に、
前記酸素センサの出力が前記線形領域内であっても、前記出力の変化速度が所定以上であるときには、前記空燃比フィードバック制御信号の変化を制限することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項２】
前記空燃比フィードバック制御信号の絶対値を制限することで前記空燃比フィードバック制御信号の変化を制限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。
【請求項３】
前記空燃比フィードバック制御信号のステップ変化量を制限することで前記空燃比フィードバック制御信号の変化を制限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。
【請求項４】
前記空燃比フィードバック制御信号の制御ゲインを制限することで前記空燃比フィードバック制御信号の変化を制限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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサによって空燃比を広域に検出して、空燃比をフィードバック制御する構成のエンジンの空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、空燃比変化に対して起電力が線形性を示す酸素濃淡電池型の酸素センサを用いて、エンジン燃焼混合気の空燃比を広域に検出し、該検出した実際の空燃比と目標空燃比である理論空燃比との偏差に基づいて、空燃比制御信号をフィードバック制御する構成としたエンジンの空燃比制御装置が知られている（特開平０７−１２７５０５号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記酸素濃淡電池型の酸素センサは、一般には、理論空燃比を境に起電力が急変する特性を示すものであるため、広域に空燃比を検出できるように出力特性に線形性を持たせるようにする場合であっても、線形領域は理論空燃比付近の狭い領域に限られることになってしまう。
【０００４】
このため、線形領域内であれば、空燃比を精度良く検出して収束性・応答性良く空燃比をフィードバック制御することができるが、酸素センサの起電力が線形領域から外れると、空燃比の検出精度が低下し、空燃比フィードバック制御によってかえって空燃比エラーが拡大したり、大きなオーバーシュートが発生したりして、排気エミッションを大きく悪化させる可能性があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、酸素センサによって空燃比を広域に検出して、空燃比をフィードバック制御する構成のエンジンの空燃比制御装置において、空燃比変動時における排気エミッションの悪化を最小限に抑制できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１記載の発明は、エンジン排気中の酸素濃度に感応して出力が変化する酸素センサであって、理論空燃比を含む所定空燃比範囲において前記出力が空燃比に対して線形性を有する酸素センサを備え、該酸素センサの出力に基づいて燃焼混合気の空燃比を広域に検出し、該検出結果に基づいて空燃比フィードバック制御信号を出力する構成であって、酸素センサの出力が線形領域を外れているときに、線形領域内であるときよりも空燃比フィードバック制御信号の変化をより小さく制限すると共に、前記酸素センサの出力が前記線形領域内であっても、前記出力の変化速度が所定以上であるときには、前記空燃比フィードバック制御信号の変化を制限する構成とした。
【０００７】
上記構成によると、酸素センサの出力が線形領域を外れていて、空燃比の検出精度が低下するときには、センサ出力が線形領域内であって空燃比を精度良く検出できる場合に比べて、空燃比フィードバック制御信号の変化をより小さく制限し、空燃比の検出精度の低下による影響を抑制する。
【０００８】
更に、酸素センサの出力が線形領域内であって、現時点では空燃比を精度良く検出できる状態であっても、出力の変化速度が大きいときには、線形領域を飛び出す可能性があるので、予め空燃比フィードバック制御信号の変化を小さく制限しておく。請求項２記載の発明では、空燃比フィードバック制御信号の絶対値を制限することで前記空燃比フィードバック制御信号の変化を制限する構成とした。
【０００９】
上記構成によると、酸素センサの出力が線形領域外であるとき、及び、酸素センサの出力が線形領域内であっても、出力の変化速度が大きいときには、空燃比フィードバック制御信号の設定範囲をより狭める。請求項３記載の発明では、空燃比フィードバック制御信号のステップ変化量を制限することで前記空燃比フィードバック制御信号の変化を制限する構成とした。
【００１０】
上記構成によると、酸素センサの出力が線形領域外であるとき、及び、酸素センサの出力が線形領域内であっても、出力の変化速度が大きいときには、空燃比フィードバック制御信号のステップ変化量がより小さく制限される。請求項４記載の発明では、空燃比フィードバック制御信号の制御ゲインを制限することで前記空燃比フィードバック制御信号の変化を制限する構成とした。
【００１１】
上記構成によると、酸素センサの出力が線形領域外であるとき、及び、酸素センサの出力が線形領域内であっても、出力の変化速度が大きいときには、空燃比フィードバック制御信号の制御ゲインがより小さく制限される。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、空燃比の検出精度が低下する線形領域外において、空燃比フィードバック制御信号の変化をより小さく制限するので、空燃比検出精度の低下が排気エミッションに与える影響を抑制でき、更に、酸素センサの出力が線形領域外に飛び出しそうなときに、予め空燃比フィードバック制御信号の変化をより小さく制限するので、空燃比検出精度の低下が排気エミッションに与える影響をより確実に抑制できるという効果がある。
【００１３】
請求項２記載の発明によると、空燃比フィードバック制御信号の設定範囲をより狭く制限することで、線形領域外で空燃比の検出精度が低下するときの排気エミッションの悪化を抑制できるという効果がある。請求項３記載の発明によると、空燃比フィードバック制御信号のステップ変化量をより小さく制限することで、線形領域外で空燃比の検出精度が低下するときの排気エミッションの悪化を抑制できるという効果がある。
【００１４】
請求項４記載の発明によると、空燃比フィードバック制御のゲインをより小さく制限することで、線形領域外で空燃比の検出精度が低下するときの排気エミッションの悪化を抑制できるという効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は実施の形態におけるエンジンのシステム構成図である。
この図１において、車両に搭載されるエンジン１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２，吸気管３，モータで開閉駆動される電子制御式スロットル４を介して空気が吸入される。
【００１６】
各気筒の燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁５が設けられており、該燃料噴射弁５から噴射される燃料と吸入空気とによって燃焼室内に混合気が形成される。
燃料噴射弁５は、コントロールユニット２０から出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。
【００１７】
燃焼室内に形成される混合気は、点火栓６により着火燃焼する。
尚、エンジン１を上記の直接筒内噴射式ガソリンエンジンに限定するものではなく、吸気ポートに燃料を噴射する構成のエンジンであっても良い。
エンジン１からの排気は排気管７より排出され、該排気管７には排気浄化用の触媒８が介装されている。
【００１８】
前記触媒８は、酸素貯蔵能力を有する三元触媒であって、排気中の有害３成分である一酸化炭素ＣＯ及び炭化水素ＨＣを酸化すると共に、酸化窒素ＮＯｘを還元して、無害な二酸化炭素、水蒸気及び窒素に変換させるものである。
そして、該三元触媒８による浄化性能は、排気空燃比が理論空燃比であるときに最も高く、排気空燃比がリーンで酸素量が過剰であると、酸化作用は活発になるが還元作用が不活発となり、逆に、排気空燃比がリッチで酸素量が少ないと、酸化作用は不活発になるが還元作用が活発となる。
【００１９】
但し、前記三元触媒８は酸素を貯蔵する能力（酸素ストレージ効果）を有するため、排気空燃比が一時的にリッチになったときには、それまでに貯蔵されていた酸素を使用し、逆に、排気空燃比が一時的にリーンになったときには、余分な酸素を貯蔵することで、排気浄化性能を維持できるようになっている。
従って、空燃比が理論空燃比からリーン側にずれたときに酸化窒素ＮＯｘを還元でき、かつ、空燃比が理論空燃比からリッチ側にずれたときに一酸化炭素ＣＯ及び炭化水素ＨＣを酸化できるようにするためには、三元触媒８に貯蔵される酸素の量（貯蔵酸素量）を、貯蔵できる最大量の半分程度に維持し、余分な酸素を貯蔵し、かつ、酸化処理に必要な酸素を脱離して供給できる状態にしておくことが要求される。
【００２０】
そこで、前記コントロールユニット２０は、所定のフィードバック制御条件が成立しているときに、三元触媒８における貯蔵酸素量を推定し、該推定される貯蔵酸素量を目標量（最大貯蔵酸素量の半分程度）に一致させるべく、前記燃料噴射弁５による燃料噴射量をフィードバック制御するようになっている。
前記コントロールユニット２０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コンを備え、各種センサから出力される検出信号を入力し、これらに基づいて演算処理して、電子制御式スロットル４におけるスロットル開度，燃料噴射弁５による噴射量・噴射時期，点火栓６による点火時期を制御する。
【００２１】
前記各種センサとして、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２１、カム軸から気筒判別信号を取り出すカムセンサ２２が設けられており、前記クランク角センサ２１からの信号に基づきエンジンの回転速度Ｎｅが算出される。
この他、電子制御式スロットル４上流側で吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ２３、アクセルペダルの踏込み量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ２４、電子制御式スロットル４におけるスロットル開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ２５、冷却水温度を検出する水温センサ２６が設けられている。
【００２２】
更に、触媒８の上流側には、エンジン排気中の酸素濃度と大気中の酸素濃度との比によって起電力を発生する酸素濃淡電池型の酸素センサであって、図２に示すように、理論空燃比を含む所定空燃比範囲において前記起電力が空燃比に対して線形性を有する酸素センサ２７が設けられる。
コントロールユニット２０は、前記酸素センサ２７の起電力を、空燃比のデータに変換することで空燃比を広域に検出し、該検出した空燃比に基づいて、三元触媒８における貯蔵酸素量を推定する。
【００２３】
ここで、前記コントロールユニット２０による貯蔵酸素量に基づく空燃比制御の様子を、図３のブロック線図に従って説明する。
図３のブロック線図において、エアフローメータ２３で検出された排気ガス量に相当する吸入空気量Ｑに、理論空燃比（空気過剰率λ＝１）と酸素センサ２７の起電力から求めた空燃比との偏差Δλが乗算される。
【００２４】
前記空燃比偏差Δλは、燃焼混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンであれば正の値となり、リッチであれば負の値になり、燃焼混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンであれば、触媒８における貯蔵酸素量が増大変化し、燃焼混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチであれば、触媒８における貯蔵酸素量が減少変化することに対応する。
【００２５】
前記吸入空気量Ｑと空燃比偏差Δλとの乗算結果には定数Ｋが乗算されて、今回の触媒流入酸素量が求められ、今回の触媒流入酸素量が積分器１０１で逐次積分されることで、触媒８における貯蔵酸素量が求められる。
次いで、前記積分器１０１から出力される貯蔵酸素量の推定値と最大貯蔵酸素量の半分程度の値である目標値との偏差が演算される。
【００２６】
そして、前記貯蔵酸素量の偏差のデータが入力される空燃比フィードバック補正係数設定部１０２では、貯蔵酸素量の推定値を目標値に一致させるべく、燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正係数（空燃比フィードバック制御信号）を演算する。
即ち、貯蔵酸素量が目標量よりも少ないときには、空燃比をリーン化させて貯蔵酸素量を増大させ、逆に、貯蔵酸素量が目標量よりも多いときには、空燃比をリッチ化させて余分な酸素を脱離させ貯蔵酸素量を減少させるように、空燃比フィードバック補正係数を設定する。
【００２７】
噴射量演算部１０３では、前記空燃比フィードバック補正係数を用いて基本燃料噴射量を補正して最終的な燃料噴射量を演算し、該燃料噴射量に相当する噴射パルス信号を、燃料噴射弁５に対して所定タイミングにて出力する。
図４のフローチャートは、前記空燃比フィードバック補正係数設定部１０２の制御内容を詳細に示すものである。
【００２８】
ステップＳ１では、前記酸素センサ２７の起電力Ｅｓが、線形領域内であるか否かを判別する。
例えば、酸素センサ２７が図２に示すような出力特性であって、０．３Ｖから０．８Ｖまでの範囲が線形領域であるとすれば、センサ起電力Ｅｓが、０．３Ｖ≦Ｅｓ≦０．８Ｖである場合を、線形領域内であると判断する。
【００２９】
０．３Ｖ＞Ｅｓ又はＥｓ＞０．８Ｖであって線形領域外であるときには、ステップＳ３へ進み、前記フィードバック補正係数の最大ステップ変化量ＭＡＸに所定値Ａをセットする。
一方、０．３Ｖ≦Ｅｓ≦０．８Ｖであって線形領域内であると判断されたときには、ステップＳ２へ進む。
【００３０】
ステップＳ２では、酸素センサ２７の起電力Ｅｓの変化速度を、｜前回値−今回値｜／今回値として演算し、これが、所定値Ｘよりも小さいか否かを判別する。
｜前回値−今回値｜／今回値＜所定値Ｘであれば、線形領域内に安定しているものと判断して、ステップＳ４へ進み、最大ステップ変化量ＭＡＸに所定値Ｂをセットする。
【００３１】
前記所定値Ｂは、前記所定値Ａよりも大きな値であり、線形領域内に安定しているときには、線形領域外であるときに比べてフィードバック補正係数のより大きなステップ変化が許容されるようにしてある。
一方、｜前回値−今回値｜／今回値≧所定値Ｘであるときには、現在は線形領域内であるものの、線形領域外に飛び出す可能性が高いものと判断し、ステップＳ１で線形領域外であると判断されたときと同様に、ステップＳ３へ進む。
【００３２】
ステップＳ５では、貯蔵酸素量の推定値と目標値との偏差を読み込み、ステップＳ６では、前記偏差に基づく比例・積分・微分制御などによって空燃比フィードバック補正係数を演算する。
尚、空燃比フィードバック補正係数の演算は、比例・積分・微分制御の他、スライディングモード制御などを用いる構成であっても良い。
【００３３】
ステップＳ７では、前記空燃比フィードバック補正係数の今回値と前回値との偏差の絶対値（ステップ変化量）が前記最大ステップ変化量ＭＡＸを超えているか否かを判別する。
そして、今回値と前回値との偏差の絶対値が前記最大ステップ変化量ＭＡＸを超えている場合には、ステップＳ８へ進んで、前回値からのステップ変化量を前記最大ステップ変化量ＭＡＸとするフィードバック補正係数を設定させる。
【００３４】
ここで、前記最大ステップ変化量ＭＡＸは、酸素センサ２７の起電力が線形領域外であるとき、及び、線形領域内ではあるが線形領域外に飛び出しそうなときには、線形領域内に安定しているときに比べてより小さく制限される。
酸素センサ２７の起電力が線形領域外であるときには、空燃比の検出精度が低下するから、空燃比フィードバック補正係数のステップ変化量をより小さく制限することで、エラーの拡大や大きなオーバーシュートの発生を抑制でき、以って、排気エミッションの悪化を抑制できる。
【００３５】
尚、上記実施形態では、線形領域外で空燃比フィードバック補正係数のステップ変化量をより小さく制限する構成としたが、空燃比フィードバック補正係数のエラーに対するゲインを変更することで、空燃比検出誤差の影響を抑止することができ、係る構成とした第２の実施形態を図５のフローチャートに従って説明する。
【００３６】
図５のフローチャートにおいて、ステップＳ１１，１２では、前記ステップＳ１，２と同様に、酸素センサ２７の起電力が線形領域内であるか否か、線形領域内で安定しているか否かを判別する。
そして、酸素センサ２７の起電力が線形領域外であるとき、及び、現在は線形領域内であるものの、線形領域外に飛び出す可能性が高いときには、ステップＳ１３へ進む。
【００３７】
ステップＳ１３では、空燃比フィードバック補正係数の制御ゲインとして、線形領域外であるときに適合させた比較的小さいゲインをセットする。
一方、酸素センサ２７の起電力が線形領域内であって、かつ、線形領域内に安定しているときには、ステップＳ１４へ進み、空燃比フィードバック補正係数の制御ゲインとして、線形領域内であるときに適合させた比較的大きなゲインをセットする。
【００３８】
そして、ステップＳ１５で貯蔵酸素量のエラーを読み込み、ステップＳ１６では、前記ステップＳ１３又はステップＳ１４で設定したゲインを用いて、空燃比フィードバック補正係数を演算する。
ここで、前記線形領域外であるときに用いるゲインは、線形領域内であるときに用いるゲインよりも小さい値に設定されるから、空燃比検出精度が低下する線形領域外において、小さいゲインで空燃比フィードバック制御が行なわれることになり、空燃比検出誤差の影響を抑制できる。
【００３９】
尚、ゲインは、比例ゲイン・積分ゲイン・微分ゲインのいずれか１つ又は複数について変更する構成とすれば良い。
図６のフローチャートは、前記空燃比フィードバック補正係数設定部１０２の第３の実施形態を示すものである。
図６のフローチャートにおいて、ステップＳ２１，２２では、前記ステップＳ１，２と同様に、酸素センサ２７の起電力が線形領域内であるか否か、線形領域内で安定しているか否かを判別する。
【００４０】
そして、酸素センサ２７の起電力が線形領域外であるとき、及び、現在は線形領域内であるものの、線形領域外に飛び出す可能性が高いときには、ステップＳ２３へ進む。
ステップＳ２３では、フィードバック補正係数の最大値ｍａｘ及び最小値ｍｉｎに、線形領域外であるときに適合させた値ｍａｘＡ，ｍｉｎＡをセットする。
【００４１】
一方、酸素センサ２７の起電力が線形領域内であって、かつ、線形領域内に安定しているときには、ステップＳ２４へ進み、前記最大値ｍａｘ及び最小値ｍｉｎに、線形領域内であるときに適合させた値ｍａｘＢ，ｍｉｎＢ（ｍａｘＢ＞ｍａｘＡ，ｍｉｎＢ＜ｍｉｎＡ）をセットする。
ここで、線形領域外であるときに適合させた最大値ｍａｘＡ及び最小値ｍｉｎＡは、空燃比フィードバック補正係数の設定範囲を基準値（＝1.0）近傍の狭い範囲内に限定すべく設定され、線形領域内であるときに用いる最大値ｍａｘＢ及び最小値ｍｉｎＢで挟まれる設定領域内に、前記線形領域外における設定範囲が包含されるようになっている。
【００４２】
ステップＳ２５では、貯蔵酸素量のエラーを読み込み、ステップＳ２６では、前記貯蔵酸素量のエラーに基づいてフィードバック補正係数を演算する。
ステップＳ２７では、前記ステップＳ２６で演算した空燃比フィードバック補正係数が、ステップＳ２３又はステップＳ２４で設定された最大値ｍａｘ及び最小値ｍｉｎで挟まれる設定範囲内であるか否かを判別し、設定範囲を逸脱しているときには、ステップＳ２８へ進む。
【００４３】
ステップＳ２８では、空燃比フィードバック補正係数が前記最大値ｍａｘを上回る場合には、空燃比フィードバック補正係数に最大値ｍａｘをセットし、空燃比フィードバック補正係数が前記最小値ｍｉｎを下回る場合には、空燃比フィードバック補正係数に最小値ｍｉｎをセットして、最大値ｍａｘ及び最小値ｍｉｎで挟まれる設定範囲内に空燃比フィードバック補正係数を制限する。
【００４４】
ここで、酸素センサ２７の起電力が線形領域外であれば、空燃比フィードバック補正係数が基準値付近の狭い範囲内に制限されるから、空燃比の検出誤差によって空燃比フィードバック補正係数が基準値から大きく離れた値に設定されることが回避され、空燃比検出誤差の影響を抑制できる。
尚、上記実施形態では、酸素センサ２７で検出した空燃比に基づいて推定した酸素貯蔵量を目標に一致させるべく、燃料噴射量をフィードバック制御する構成としたが、酸素センサ２７で検出した空燃比を目標空燃比に一致させるべく燃料噴射量をフィードバック制御する構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態におけるエンジンのシステム構成図。
【図２】実施形態における酸素センサの出力特性を示す線図。
【図３】実施形態における貯蔵酸素量の推定に基づく空燃比フィードバック制御の全体構成を示すブロック線図。
【図４】フィードバック補正係数演算の第１の実施形態を示すフローチャート。
【図５】フィードバック補正係数演算の第２の実施形態を示すフローチャート。
【図６】フィードバック補正係数演算の第３の実施形態を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジン
４…電子制御式スロットル
５…燃料噴射弁
６…点火栓
８…三元触媒
２０…コントロールユニット
２１…クランク角センサ
２３…エアフローメータ
２７…酸素センサ
【図１】
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【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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