JP7651973B2 - エンジン制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に設置された空燃比センサの異常診断を行うエンジン制御装置に関する。

上記のような空燃比センサの異常診断を行うエンジン制御装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。同文献のエンジン制御装置は、排気通路における診断対象の空燃比センサよりも下流側の部分に、排気浄化用の触媒装置が設置されたエンジンに適用されている。そして、同エンジン制御装置は、燃焼室で燃焼する混合気の空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに切替えつつ、空燃比センサの異常診断を実施している。なお、リッチ空燃比は理論空燃比よりもリッチ側の空燃比を、リーン空燃比は理論空燃比よりもリーン側の空燃比を、それぞれ表している。なお、同エンジン制御装置では、触媒装置の触媒温度が一定の温度以上であることを条件に、空燃比センサの異常診断を行っている。

特開２０１８－３６０６号公報

リッチ空燃比／リーン空燃比での燃焼時には、理論空燃比での燃焼時に比べて排気の温度が低下して、その影響で触媒温度も低下する。このように空燃比は、触媒温度に影響する因子の一つとなっている。そのため、推定に用いるパラメータに空燃比を加えることで、触媒温度の推定精度を高められる。

ここで、上記のような空燃比センサの異常診断の実行条件の成否の判定に、空燃比センサによる空燃比の計測値を用いて推定した触媒温度を用いることを考える。このときの空燃比センサは、異常診断が未完了の状態であり、正常に機能していない可能性がある。一方、異常がある空燃比センサの計測値を用いると、触媒温度を適切に推定できない場合がある。そのため、空燃比センサの計測値を用いて触媒温度を推定するとともに、その触媒温度の推定値を異常診断の実施判定に用いた場合には、空燃比センサの異常診断が不適切な条件で実施される虞がある。

上記課題を解決するエンジン制御装置は、燃焼室での混合気の燃焼により生じた排気が流れる排気通路に空燃比センサと排気浄化用の触媒装置とが設置されたエンジンにおける空燃比センサの異常診断を実施する。また、同エンジン制御装置は、触媒装置の触媒装置の触媒温度を推定する処理として、空燃比センサによる空燃比の計測値を用いて前記触媒温度を推定する第１推定処理と、燃焼室での燃焼に供された吸気及び燃料のそれぞれの量から計算した空燃比を用いて触媒温度を推定する第２推定処理と、を備えている。そして、同エンジン制御装置は、第２推定処理による触媒温度の推定値が既定の診断下限温度以上であること、を、上記異常診断の実行条件に含めている。

上記エンジン制御装置が行う第１推定処理、第２推定処理のいずれにおいても、空燃比の影響を反映した触媒温度の推定が可能である。これらのうち、第２推定処理では、空燃比センサの計測値を用いていないため、空燃比センサの異常時にも、実値から大きく乖離した不適切な値となることがない。よって、第２推定処理で推定した触媒温度を用いて異常診断の実行条件の成否を判定すれば、空燃比センサに異常が有っても、不適切な状態で異常診断が実施され難くなる。

エンジン制御装置の一実施形態の構成を模式的に示す図である。 同エンジン制御装置が行う第１推定処理における第１触媒温度ＴＨＣ１の推定に係る処理の流れを示す制御ブロック図である。 同エンジン制御装置が行う第２推定処理における第２触媒温度ＴＨＣ２の推定に係る処理の流れを示す制御ブロック図である。

以下、エンジン制御装置の一実施形態を、図１～図３を参照して詳細に説明する。
＜エンジン１１の構成＞
まず、図１を参照して、本実施形態のエンジン制御装置１０が適用されるエンジン１１の構成を説明する。なお、エンジン１１は、車両に搭載されている。エンジン１１は、混合気の燃焼を行う燃焼室１２を備えている。また、エンジン１１は、燃焼室１２への吸気の導入路である吸気通路１３と、燃焼室１２からの排気の排出路である排気通路１４と、を備えている。吸気通路１３には、吸気の流量調整弁であるスロットルバルブ１５が設けられている。また、吸気通路１３におけるスロットルバルブ１５よりも下流側の部分には、吸気中に燃料を噴射するインジェクタ１６が設置されている。こうした吸気通路１３を通じて、燃料が混合された吸気、すなわち混合気が導入される燃焼室１２には、火花放電により混合気を点火する点火装置１７が設置されている。一方、排気通路１４には、排気浄化用の触媒装置１８が設けられている。また、排気通路１４における触媒装置１８よりも下流側の部分には、排気中の微粒子物質を捕集するためのフィルタ装置１９が設置されている。触媒装置１８及びフィルタ装置１９には、排気中のＨＣ、ＣＯの酸化とＮＯｘの還元とを同時に行う三元触媒が担持されている。また、触媒装置１８及びフィルタ装置１９には、三元触媒の触媒作用を高めるための助触媒として酸素吸蔵剤が担持されてもいる。

＜エンジン制御装置１０の構成＞
続いて、エンジン１１の制御を担うエンジン制御装置１０の構成を説明する。エンジン制御装置１０は、演算処理装置２０、及び記憶装置２１を備える電子制御ユニットとして構成されている。演算処理装置２０は、エンジン制御のための演算処理を実行する装置である。記憶装置２１は、エンジン制御用のプログラムやデータを記憶する装置である。

エンジン制御装置１０には、エンジン１１の運転状態を示す状態量を検出する各種センサが接続されている。そうしたセンサには、エアフローメータ２２、スロットル開度センサ２３、吸気圧センサ２４、クランク角センサ２５、フロント空燃比センサ２６、リア空燃比センサ２７が含まれる。さらに、アクセルペダルセンサ２８、車速センサ２９、外気温センサ３０、水温センサ３１も上記センサに含まれる。エアフローメータ２２は、吸気通路１３の吸気流量ＧＡを検出するセンサである。吸気圧センサ２４は、吸気通路１３におけるスロットルバルブ１５よりも下流側の部分の吸気の圧力である吸気圧ＰＭを検出するセンサである。スロットル開度センサ２３は、スロットルバルブ１５の開度であるスロットル開度ＴＡを検出するセンサである。クランク角センサ２５は、エンジン１１の出力軸であるクランク軸の回転角であるクランク角θを検出するセンサである。フロント空燃比センサ２６は、触媒装置１８に流入する排気の空燃比を検出するセンサである。リア空燃比センサ２７は、触媒装置１８から流出した排気の空燃比を検出するセンサである。アクセルペダルセンサ２８は、運転者のアクセルペダルの操作量であるアクセルペダル開度ＡＣＣを検出するセンサである。車速センサ２９は、車両の走行速度Ｖを検出するセンサである。外気温センサ３０は、車外の空気の温度である外気温ＴＨＡを検出するセンサである。水温センサ３１は、エンジン冷却水の温度であるエンジン水温ＴＨＷを検出するセンサである。なお、エンジン制御装置１０は、クランク角センサ２５によるクランク角θの検出結果からエンジン回転数ＮＥを求めている。また、エンジン制御装置１０は、吸気流量ＧＡやスロットル開度ＴＡ、エンジン回転数ＮＥ等からエンジン負荷率ＫＬを求めている。エンジン負荷率ＫＬは、燃焼室１２の吸気の充填率を表している。

エンジン制御装置１０は、これらセンサの検出結果から把握されるエンジン１１の運転状態に応じて、エンジン１１の各操作量を決定する。エンジン制御装置１０が決定するエンジン１１の操作量には、スロットル開度ＴＡ、インジェクタ１６の燃料噴射量Ｑ、点火装置１７による混合気の点火時期ＳＡが含まれる。そして、エンジン制御装置１０は、決定した操作量に応じて、スロットルバルブ１５、インジェクタ１６、点火装置１７などを駆動することで、エンジン制御を行っている。なお、エンジン制御装置１０は、エンジン制御の一環として、空燃比フィードバック制御を行っている。空燃比フィードバック制御においてエンジン制御装置１０は、フロント空燃比センサ２６の出力λｆが理論空燃比を示す値に近づくように、インジェクタ１６の燃料噴射量Ｑをフィードバック調整している。

＜フロント空燃比センサ２６の異常診断＞
エンジン制御装置１０は、エンジン制御の一環として、フロント空燃比センサ２６の異常診断を行っている。この異常診断に際してエンジン制御装置１０は、燃焼室１２で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比からリッチ空燃比、又はリーン空燃比に変更する。リッチ空燃比は理論空燃比よりもリッチ側の空燃比を、リーン空燃比は理論空燃比よりもリーン側の空燃比を、それぞれ表している。そして、エンジン制御装置１０は、空燃比の変化に対するフロント空燃比センサ２６の出力λｆの変化に基づき、異常診断を行っている。

エンジン制御装置１０は、こうしたフロント空燃比センサ２６の異常診断を、既定の実行条件の成立に応じて実行している。実行条件は、予め設定された複数の要件のすべてが満たされている場合に成立する。こうした実行条件の成立の要件には、下記の要件（イ）～（ニ）が含まれている。要件（イ）は、現トリップにおいて触媒装置１８の異常診断が未完了であること、である。要件（ロ）は、エンジン１１の暖機が完了していること、である。要件（ハ）は、エンジン１１の運転条件が安定していること、すなわちエンジン回転数ＮＥやエンジン負荷率ＫＬの変化が小さいこと、である。要件（ニ）は、触媒装置１８の触媒温度が既定の診断下限温度以上であること、である。なお、診断下限温度には、触媒装置１８に担持された触媒、及び酸素吸蔵剤が十分に活性した状態となる触媒温度の範囲の下限値よりも高い温度が値として設定されている。

＜触媒温度の推定＞
続いて、エンジン制御装置１０が行う触媒温度の推定に係る処理の詳細を説明する。なお、エンジン制御装置１０は、第１触媒温度ＴＨＣ１、及び第２触媒温度ＴＨＣ２の２つの温度を触媒温度の推定値として求めている。第１触媒温度ＴＨＣ１は、フロント空燃比センサ２６が検出した空燃比を用いて推定した触媒温度である。これに対して第２触媒温度ＴＨＣ２は、燃焼室１２での燃焼に供された吸気及び燃料のそれぞれの量から計算した空燃比を用いて推定した触媒温度である。

図２には、第１触媒温度ＴＨＣ１の推定に係るエンジン制御装置１０の処理の流れが示されている。図３には、第２触媒温度ＴＨＣ２の推定に係るエンジン制御装置１０の処理の流れが示されている。図２及び図３に示すように、第１触媒温度ＴＨＣ１、及び第２触媒温度ＴＨＣ２のいずれも、エンジン出ガス温度推定処理Ｐ１、排気流量演算処理Ｐ２、触媒入ガス温度推定処理Ｐ３、及び触媒温度推定処理Ｐ４の４つの処理を通じて推定されている。

エンジン出ガス温度推定処理Ｐ１においてエンジン制御装置１０はまず、エンジン回転数ＮＥ、及びエンジン負荷率ＫＬに基づき定常エンジン出ガス温度Ｔ１を演算する。定常エンジン出ガス温度Ｔ１は、現在のエンジン回転数ＮＥ、及びエンジン負荷率ＫＬのもとでエンジン１１が定常運転されているとした場合の、燃焼室１２から排気通路１４に排出される排気の温度を表している。なお、ここでの定常運転は、下記の状態（い）～（に）のすべてに合致する運転状態をいう。状態（い）は、エンジン１１の暖機が完了した状態である。状態（ろ）は、外気温ＴＨＡが標準気温の状態である。状態（は）は、触媒装置１８の暖機促進等のための点火時期ＳＡの遅角制御が行われていない状態である。状態（に）は、燃焼室１２で燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比である状態である。エンジン制御装置１０は、こうした定常エンジン出ガス温度Ｔ１の演算を、記憶装置２１に予め記憶された演算マップＭ１を用いて行っている。演算マップＭ１には、予め実験等で求められたエンジン回転数ＮＥ及びエンジン負荷率ＫＬと、定常エンジン出ガス温度Ｔ１との関係が格納されている。

さらに、エンジン出ガス温度推定処理Ｐ１においてエンジン制御装置１０は、定常エンジン出ガス温度Ｔ１に対して、エンジン水温ＴＨＷ、外気温ＴＨＡ、点火時期ＳＡ、空燃比に基づく補正を施した値を、エンジン出ガス温度Ｔ２の値として演算している。

一方、排気流量演算処理Ｐ２においてエンジン制御装置１０は、燃焼室１２から排気通路１４に排出される排気の流量である排気流量ＧＥを演算する。排気流量ＧＥは、吸気流量ＧＡと燃料流量ＧＦとを足し合わせた値として演算されている。燃料流量ＧＦは、単位時間に噴射される燃料の総量である。燃料流量ＧＦの値は、燃料噴射量Ｑとエンジン回転数ＮＥとから求められている。

更に、触媒入ガス温度推定処理Ｐ３においてエンジン制御装置１０は、エンジン出ガス温度Ｔ２、排気流量ＧＥ、外気温ＴＨＡ、走行速度Ｖ等に基づき、触媒入ガス温度Ｔ４を演算する。触媒入ガス温度Ｔ４は、触媒装置１８に流入する排気の温度を表している。なお、エンジン制御装置１０は、排気通路１４とその内部を流れる排気との熱交換、及び排気通路１４とその周囲を流れる外気との熱交換についての熱収支モデルを用いて触媒入ガス温度Ｔ４を演算している。

そして、触媒温度推定処理Ｐ４においてエンジン制御装置１０は、触媒入ガス温度Ｔ４、排気流量ＧＥ、外気温ＴＨＡ、走行速度Ｖ、空燃比等に基づき、第１触媒温度ＴＨＣ１を演算している。エンジン制御装置１０は、触媒装置１８とその内部を流れる排気との熱交換、触媒装置１８とその周囲を流れる外気との熱交換、及び触媒装置１８内での未燃燃料成分の燃焼による発熱についての熱収支モデルを用いて触媒温度を演算している。

図２に示すように、第１触媒温度ＴＨＣ１の推定に際してエンジン制御装置１０は、フロント空燃比センサ２６の出力λｆから空燃比の計測値である計測空燃比ＡＦＭを求めている。そして、エンジン制御装置１０は、エンジン出ガス温度推定処理Ｐ１でのエンジン出ガス温度Ｔ２の演算に用いる空燃比として、計測空燃比ＡＦＭを入力している。また、エンジン制御装置１０は、触媒温度推定処理Ｐ４での触媒温度の演算に用いる空燃比として計測空燃比ＡＦＭを入力している。そして、エンジン制御装置１０は、触媒温度推定処理Ｐ４において、計測空燃比ＡＦＭを用いて演算した触媒温度を、第１触媒温度ＴＨＣ１の値として求めている。本実施形態では、図２に示される一連の処理が第１推定処理に対応している。

一方、図３に示すように、第２触媒温度ＴＨＣ２の推定に際してエンジン制御装置１０は、エンジン負荷率ＫＬ、燃料噴射量Ｑから燃焼室１２で燃焼する混合気の空燃比を計算している。具体的には、エンジン負荷率ＫＬから燃焼室１２での燃焼に供される吸気の量であるシリンダ流入空気量を求めるとともに、燃料噴射量Ｑに対するシリンダ流入空気量の比を、空燃比の計算値である計算空燃比ＡＦＣの値として求めている。そして、エンジン制御装置１０は、エンジン出ガス温度推定処理Ｐ１でのエンジン出ガス温度Ｔ２の演算に用いる空燃比として、計算空燃比ＡＦＣを入力している。また、エンジン制御装置１０は、触媒温度推定処理Ｐ４での触媒温度の演算に用いる空燃比として計算空燃比ＡＦＣを入力している。そして、エンジン制御装置１０は、触媒温度推定処理Ｐ４において、計算空燃比ＡＦＣを用いて演算した触媒温度を、第２触媒温度ＴＨＣ２の値として求めている。本実施形態では、図３に示される一連の処理が第２推定処理に対応している。

エンジン制御装置１０は、こうして演算した第２触媒温度ＴＨＣ２を用いて、触媒装置１８の異常診断の実行条件の成否を判定している。すなわち、上述した実行条件成立の要件（ニ）は、実際には、第２触媒温度ＴＨＣ２が診断下限温度以上であるか否かによりその成否が判定されている。

これに対して、エンジン制御装置１０は、それ以外のエンジン制御で参照する触媒温度としては、第１触媒温度ＴＨＣ１を使用している。例えば第１触媒温度ＴＨＣ１は、触媒暖機促進制御、及び触媒ＯＴ防止制御の実施判定に用いられている。触媒暖機促進制御は、エンジン１１の冷間始動直後のような触媒装置１８の触媒が不活性な状態にあるときに、点火時期ＳＡの遅角等により排気温度を高めて触媒装置１８の暖機を促進する制御である。触媒ＯＴ防止制御は、触媒装置１８の温度が高くなり過ぎたときにエンジン１１の出力制限を行なって触媒装置１８の過昇温を防止する制御である。また、エンジン制御装置１０は、上述の酸素吸蔵量ＯＳＡの演算用の触媒温度としても、第１触媒温度ＴＨＣ１を使用している。

＜実施形態の作用、効果＞
上述のように、本実施形態では、第１触媒温度ＴＨＣ１及び第２触媒温度ＴＨＣ２との２つの温度を触媒温度ＴＨＣの推定値として求めている。第１触媒温度ＴＨＣ１は、フロント空燃比センサ２６による空燃比の計測値である計測空燃比ＡＦＭを用いて推定されている。これに対して、第２触媒温度ＴＨＣ２は、燃焼室１２での燃焼に供された吸気及び燃料のそれぞれの量から計算した空燃比である計算空燃比ＡＦＣを用いて推定されている。

一方、本実施形態では、燃焼室１２で燃焼する空燃比を理論空燃比からそれ以外の空燃比に変更してフロント空燃比センサ２６の異常診断を行っている。こうした異常診断が完了して異常が無いことが確認されるまでは、フロント空燃比センサ２６に異常があることを否定できない状態にある。一方、第１触媒温度ＴＨＣ１は、フロント空燃比センサ２６の空燃比の計測値である計測空燃比ＡＦＭを用いて求められている。そのため、フロント空燃比センサ２６に異常がある場合には、実際の触媒温度から乖離した値が第１触媒温度ＴＨＣ１の値として求められる虞がある。よって、第１触媒温度ＴＨＣ１を用いて実行条件成立の有無を判定すれば、実際の触媒温度が診断下限温度未満の状態でフロント空燃比センサ２６の異常診断が実施される可能性がある。これに対して本実施形態では、フロント空燃比センサ２６の異常診断の実行条件成立の有無を、計算空燃比ＡＦＣを用いて判定している。そのため、フロント空燃比センサ２６に異常があっても、適切な条件のもとで異常診断が実施されることになる。

以上の本実施形態のエンジン制御装置１０によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、計算空燃比ＡＦＣを用いて求められた第２触媒温度ＴＨＣ２を用いて、フロント空燃比センサ２６の異常診断の実行条件成立の有無を判定している。そのため、フロント空燃比センサ２６に異常がある場合にも、適切な条件の下でフロント空燃比センサ２６の異常診断を実施できる。

（２）フロント空燃比センサ２６の異常診断中は、空燃比が理論空燃比からそれ以外の空燃比に変更される。そのため、触媒装置１８の触媒の活性が不十分な状態で異常診断が実施されると、外気放出される排気の性状が悪化する虞がある。その点、本実施形態では、フロント空燃比センサ２６に異常があっても、触媒温度が診断下限温度未満の状態では異常診断が実施されなくなる。そのため、異常診断中の排気性状の悪化を適切に抑えられる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・第１触媒温度ＴＨＣ１の演算には計測空燃比ＡＦＭを、第２触媒温度ＴＨＣ２の演算には計算空燃比ＡＦＣを、それぞれ用いるのであれば、それらの推定ロジックの詳細は適宜に変更してもよい。

・フロント空燃比センサ２６の異常診断の実行条件成立の有無の判定以外の用途にも、第２触媒温度ＴＨＣ２を使用するようにしてもよい。例えば異常診断の完了迄は、第２触媒温度ＴＨＣ２を用いてエンジン制御を行う。そして、異常診断が完了してフロント空燃比センサ２６が正常に機能していることが確認されて以降は、第１触媒温度ＴＨＣ１を用いてエンジン制御を行うことが考えられる。

１０…エンジン制御装置
１１…エンジン
１２…燃焼室
１３…吸気通路
１４…排気通路
１５…スロットルバルブ
１６…インジェクタ
１７…点火装置
１８…触媒装置
１９…フィルタ装置
２０…演算処理装置
２１…記憶装置
２２…エアフローメータ
２３…スロットル開度センサ
２４…吸気圧センサ
２５…クランク角センサ
２６…フロント空燃比センサ
２７…リア空燃比センサ
２８…アクセルペダルセンサ
２９…車速センサ
３０…水温センサ

Claims (1)

1. 燃焼室での混合気の燃焼により生じた排気が流れる排気通路に空燃比センサと排気浄化用の触媒装置とが設置されたエンジンにおける前記空燃比センサの異常診断を実施するエンジン制御装置であって、
   当該エンジン制御装置は、前記触媒装置の触媒温度を推定する処理として、
   前記空燃比センサによる空燃比の計測値を用いて前記触媒温度を推定する第１推定処理と、
   前記燃焼室での燃焼に供された吸気及び燃料のそれぞれの量から計算した空燃比を用いて前記触媒温度を推定する第２推定処理と、
   を備えており、かつ前記空燃比センサの異常診断の実行条件には、前記エンジンの暖機が完了していること、及び前記第２推定処理による前記触媒温度の推定値が既定の診断下限温度以上であること、を共に満たすことが含まれている
   エンジン制御装置。

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