JP2005146930A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 始動直後にリッチ空燃比で運転し、その後に空燃比フィードバック制御を開始する場合に、空燃比を速やかにストイキ点に収束させる。
【解決手段】 目標空燃比補正係数TFBYAの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共にTFBYAを徐々に減少させる。O2センサの活性(出力>RSL )を検出した時点で、TFBYAによる増量分をカットすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数ALPHAに上乗せする。この時点で、燃料性状(重軽質)を判定し、重質燃料の場合は、比較的小さな積分定数に従ってALPHAを減少させ、軽質燃料の場合は、ALPHA<ASLとなるまで、比較的大きな積分定数に従ってALPHAを減少させる。
【選択図】 図7

Description

本発明は、エンジンの空燃比制御装置に関し、特に、始動直後にリッチ空燃比で運転し、その後に空燃比フィードバック制御を開始する場合に、空燃比を速やかにストイキ点に収束させることのできる空燃比制御装置に関する。
特許文献1には、始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように設定される目標空燃比補正係数TFBYAと、空燃比フィードバック制御条件にて空燃比センサからの信号に基づいて空燃比をストイキに収束させるように設定される空燃比フィードバック補正係数ALPHAとを用いて、燃料噴射量を演算・制御するエンジンの空燃比制御装置において、空燃比センサの活性検出後、目標空燃比補正係数TFBYAによる増量分を0にすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数ALPHAに上乗してから、空燃比フィードバック制御に移行することが開示されている。
特開2001−234779号公報
重質燃料が使用された場合、特に冷間時に気化性の悪さから、壁流が増大し、筒内に吸入される燃料が不足するため、始動直後の空燃比は、目標空燃比補正係数TFBYAにより重質燃料にマッチングさせてリッチ化し、その後の時間経過と共に徐々にストイキに収束させるようにする。そして、空燃比フィードバック制御の開始時に、目標空燃比補正係数TFBYAによる増量分が残っていた場合、その増量分をカットするが、空燃比が急にリーンになると、トルク段差が発生して、運転性が悪化するので、その分を空燃比フィードバック補正係数ALPHAに上乗せする。そして、時間経過と共に、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを空燃比フィードバック制御の積分定数に従って減少させる。
しかしながら、始動直後の目標空燃比補正係数は、重質燃料に適合されており、軽質燃料の場合は、リッチ傾向となることから、増量分を上乗せした空燃比フィードバック補正係数を空燃比フィードバック制御の積分定数に従って減少させる間、リッチ状態が継続し、ストイキへの収束が遅くなって、エミッション及び燃費が悪化するという問題点があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ストイキへの収束性を改善することを目的とする。
このため、本発明は、空燃比センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数による増量分をカットすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数に上乗せした後、時間経過と共に、空燃比をストイキに収束させるように空燃比フィードバック補正係数を所定の減少速度に従って減少させる一方、使用燃料の性状を判定する手段を備え、判定された燃料性状に応じて、前記所定の減少速度の大きさを変化させる構成とする。
本発明によれば、使用燃料の性状を判定し、これに応じて空燃比フィードバック補正係数の減少速度を変化させることで、軽質燃料を使用している場合のストイキへの収束を早め、エミッション及び燃費を向上させることができる。
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態を示すエンジン(内燃機関)のシステム図である。
エンジン1の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ2から吸気ダクト3、スロットル弁4、吸気マニホールド5を経て空気が吸入される。吸気マニホールド5の各ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁6が設けられている。但し、燃料噴射弁6は燃焼室内に直接臨ませる配置としてもよい。
燃料噴射弁6は、ソレノイドに通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁(インジェクタ)であって、後述するエンジンコントロールユニット(以下ECUという)12からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に調整された燃料を噴射供給する。従って、駆動パルス信号のパルス幅により燃料噴射量が制御される。
エンジン1の各燃焼室には点火プラグ7が設けられており、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させる。
エンジン1の各燃焼室からの排気は、排気マニホールド8を介して排出される。また、排気マニホールド8からEGR通路9が導出され、これによりEGR弁10を介して排気の一部を吸気マニホールド5に還流している。
一方、排気通路には、排気マニホールド8の直下などに位置させて、排気浄化触媒11が設けられている。
ECU12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クロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、後述のごとく演算処理して、燃料噴射弁6の作動を制御する。
前記各種センサとしては、エンジン1のクランク軸又はカム軸回転よりクランク角度と共にエンジン回転数Neを検出可能なクランク角センサ13、吸気ダクト3内で吸入空気量Qaを検出するエアフローメータ14、スロットル弁4の開度TVOを検出するスロットルセンサ15(スロットル弁4の全閉位置でONとなるアイドルスイッチを含む)、エンジン1の冷却水温Twを検出する水温センサ16、排気マニホールド8の集合部にて排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力する空燃比センサとしてのO2センサ17などが設けられている。尚、O2センサ17はヒータを内蔵しており、始動時からヒータに通電して素子温度を上昇させることで早期活性化を図ることができる。ECU12には更にスタートスイッチ18などからも信号が入力されている。
図2はECU12にてエンジン始動後(スタートスイッチON→OFF後)に時間同期又は回転同期で実行される燃料噴射量演算ルーチンのフローチャートである。尚、始動時の燃料噴射量は別の方法で演算される。
S1では、エアフローメータにより検出される吸入空気量Qaと、クランク角センサにより検出されるエンジン回転数Neとを読込む。尚、吸入空気量Qaについては、検出信号に基づいて平滑化処理を行うが、フローでは省略した。
S2では、吸入空気量Qaとエンジン回転数Neとから、次式により、基本燃料噴射量(基本噴射パルス幅)Tpを演算する。
Tp=K×Qa/Ne 但し、Kは定数。
S3では、後述のごとく設定される目標空燃比補正係数(始動後空燃比リッチ化補正係数)TFBYA、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを読込み、次式により、最終的な燃料噴射量(噴射パルス幅)Tiを演算する。
Ti=Tp×TFBYA×ALPHA
目標空燃比補正係数TFBYA、空燃比フィードバック補正係数ALPHAは、共に、基準値(ストイキ相当値)を1とする。
尚、燃料噴射量(噴射パルス幅)Tiの演算には、この他、スロットル開度TVOの変化に基づく過渡補正や、バッテリ電圧に基づく無効噴射パルス幅の加算等がなされるが、ここでは省略した。
燃料噴射量Tiが演算されると、このTiに相当するパルス幅の駆動パルス信号がエンジン回転に同期して各気筒毎に所定のタイミングで燃料噴射弁6に出力されて、燃料噴射が行われる。
次に目標空燃比補正係数(始動後空燃比リッチ化補正係数)TFBYA、空燃比フィードバック補正係数ALPHAの設定について説明する。
図3はECU12にて実行される始動後の空燃比制御の流れを示すフローチャートであり、これにより始動後の目標空燃比補正係数TFBYA及び空燃比フィードバック補正係数ALPHAが設定される。
S11では、始動時の水温Twを検出し、これに応じて、始動後増量率の初期値KAS、及び、その後の単位減量率ΔKを設定する(次式参照)。
KAS=f1(Tw)
ΔK=f2(Tw)
具体的には、始動時水温Twが低いほど始動後増量率の初期値KASを大きく設定し、また、始動時水温Twが低いほど時間をかけて減量するように単位減量率ΔKを小さく設定する。
S12では、目標空燃比補正係数TFBYAを始動後増量率KASに基づいて設定し、空燃比フィードバック補正係数ALPHAは1に固定する(次式参照)。
TFBYA=1+KAS
ALPHA=1
ここでの設定値が始動後初回の燃料噴射量Tiの演算に用いられ、目標空燃比補正係数TFBYAにより、空燃比がリッチ化される。
その後、S13では、時間同期で、始動後増量率KASを単位減量率ΔK分ずつ減少させ(KAS=KAS−ΔK)、減少させた始動後増量率KASに基づいて、目標空燃比補正係数TFBYAを算出することで(TFBYA=1+KAS)、目標空燃比補正係数TFBYAを減少させる。但し、KAS≧0とし、TFBYA≧1とする。
S14では、O2センサの出力電圧VO2が予め定めたリッチ側活性判定スライスレベルRSLを超えたか否かを判定し、NOの場合は、S13へ戻って、目標空燃比補正係数TFBYAを減少させる。
従って、このような目標空燃比補正係数TFBYAの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるようにすることができる。
O2センサの出力電圧VO2がリッチ側活性判定スライスレベルRSLを超えた場合は、これによりO2センサの活性を検出したものとして、S14からS15へ進む。
S15では、目標空燃比補正係数TFBYAによる増量分(KAS)をカット、ここでは、0にすると共に、その増量分(KAS)を空燃比フィードバック補正係数ALPHAに上乗せする。
具体的には、
TFBYA=1
ALPHA=1+KAS
と操作する。
S16では、図4の燃料性状判定ルーチンにより、始動直後の運転状態に基づいてなされる重軽質判定の結果(使用燃料が重質燃料か軽質燃料か)を読込む。図4の燃料性状判定ルーチンについては後述する。
S17では、図5の積分分(I)設定サブルーチンにより、重軽質判定の結果等に基づいて、空燃比フィードバック制御の積分分(積分定数)Iを設定する。図5の積分分(I)設定ルーチンについては後述する。
その後、S18では、時間同期で、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを空燃比フィードバック制御の積分分(積分定数)I減少させる(次式参照)。
ALPHA=ALPHA−I
S19では、O2センサの出力電圧VO2が予め定めたストイキ判定スライスレベルSSLに達したか否かを判定し、NOの場合は、S17、S18へ戻って、必要により積分分Iを再設定し、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを減少させる。
O2センサの出力電圧VO2がストイキ判定スライスレベルSSLに達した場合は、S19から、後述する図6のルーチンによる通常の空燃比フィードバック制御(通常λ制御)へ移行する。
図4は燃料性状判定ルーチンのフローチャートである。
S21では、始動直後において、圧縮上死点(TDC)時の角速度ω1(deg/s )を検出する。すなわち、圧縮TDCのときに角速度を検出し、これを圧縮TDC時角速度ω1とする。
S22では、膨張行程での最大角速度ω2(deg/s )を検出する。尚、膨張行程での最大角速度を検出する他、膨張行程での最大角速度近傍の値として、膨張行程の中間位置付近の角速度を検出したり、膨張行程の下死点(BDC)付近の角速度を検出するようにしてもよい。
S23では、圧縮TDC時角速度ω1と膨張行程最大角速度ω2とから、角加速度Δω=ω2−ω1を算出する。
S24では、角加速度Δωと、予め定めたしきい値ΔωSLとを比較する。
比較の結果、Δω≧ΔωSLのときは、S25へ進んで軽質と判定する。逆に、Δω<ΔωSLのときは、S26へ進んで重質と判定する。
但し、燃料性状判定(重軽質判定)は、上記のようなエンジン回転数の変化度合(回転数の上昇率)による他、エンジン回転数の変動を検出し、変動が大きいほど重質と判定するなどしてもよい。
図5は積分分(I)設定ルーチンのフローチャートである。
S31では、重軽質判定の結果に基づいて、軽質燃料か否かを判定し、軽質燃料の場合にS32へ進む。
S32では、空燃比フィードバック補正係数ALPHAがストイキ相当値(1)より大きく設定された所定のしきい値ASL(例えば1.2)より大きいか否かを判定し、大きい場合にS33へ進む。
S33では、エンジン回転数Neが所定値(これ以下ではエンストの危険のある回転数)より大きいか否かを判定し、大きい場合にS34へ進む。
S34では、エンジン回転数Neの減少側への変化率ΔNeが所定値(これ以上ではエンストの危険のある値)未満か否かを判定し、未満の場合にS35へ進む。
従って、S31〜S34での判定で全てYES、すなわち、軽質燃料と判定されたときに、空燃比フィードバック補正係数ALPHAが所定のしきい値ASLより大きい間で、しかもエンジン回転数Neが所定値より大きく、エンジン回転数Neの減少側への変化率ΔNeが所定値未満のときに、S35へ進む。
S35では、増量分を上乗せした空燃比フィードバック補正係数ALPHAの減少速度である、空燃比フィードバック制御の積分分(I)を、通常値より大きい値IHに設定する。
一方、S31〜S34での判定のいずれかでNOの場合、すなわち、重質燃料と判定されたとき、空燃比フィードバック補正係数ALPHAが所定のしきい値ASL以下となったとき、エンジン回転数Neが所定値以下となったとき、又は、エンジン回転数Neの減少側への変化率が所定値以上となったときは、S36へ進む。
S36では、増量分を上乗せした空燃比フィードバック補正係数ALPHAの減少速度である、空燃比フィードバック制御の積分分(I)を、通常値、すなわち比較的小さい値ILに設定する。
図6は通常の空燃比フィードバック制御(通常λ制御)において時間同期で実行されるルーチンのフローチャートである。
S41では、O2センサ出力に基づいてリーン/リッチを判定する。
リーンの場合は、S42へ進み、リッチ→リーンへの反転時(前回リッチ)か否かを判定する。リッチ→リーンへの反転時の場合は、S43へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを比較的大きく設定した比例分(比例定数)P増加させて、更新する(ALPHA=ALPHA+P)。リーン状態継続中の場合は、S44へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを微小の積分分(積分定数)I増加させて、更新する(ALPHA=ALPHA+I)。
リッチの場合は、S45へ進み、リーン→リッチへの反転時(前回リーン)か否かを判定する。リーン→リッチへの反転時の場合は、S46へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを比較的大きく設定した比例分P減少させて、更新する(ALPHA=ALPHA−P)。リッチ状態継続中の場合は、S47へ進んで、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを微小の積分分I減少させて、更新する(ALPHA=ALPHA−I)。
図7は始動後の空燃比制御のタイムチャートである。
目標空燃比補正係数TFBYAの設定により、始動直後に空燃比をリッチ化し、その後の時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように制御している。
O2センサの出力がリッチ側活性判定スライスレベルRSLを超えたことにより、O2センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数TFBYAによる増量分(KAS=KAS1)を0にすると共に、その増量分(KAS=KAS1)を空燃比フィードバック補正係数ALPHAに上乗せする。
その後、空燃比フィードバック補正係数ALPHAは、空燃比フィードバック制御の積分分Iに基づいて減少させるが、これに先立って、重軽質判定を行い、重質燃料の場合は通常の比較的小さな積分分I=ILに基づいて減少させ、軽質燃料の場合は通常に比べ大きな積分分I=IHに基づいて減少させる。
但し、軽質燃料の場合に、空燃比フィードバック補正係数ALPHAが所定のしきい値ASL(例えば1.2)以下になったときは、空燃比フィードバック制御の積分分Iを比較的小さな値ILに戻して、急激にリーンになることによる回転落ちを防止する。空燃比フィードバック補正係数ALPHAに増量分を上乗せした時点で、初めからALPHA≦ASLの場合は、空燃比フィードバック制御の積分分Iを初めから比較的小さな値ILに設定して、回転落ちを防止する。
そして、空燃比フィードバック補正係数ALPHAがストイキ点(1)に達し、応答遅れの後、O2センサの出力がストイキ判定スライスレベルSSLに達すると、その時点より、空燃比フィードバック制御が開始される。
このように、O2センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数ALPHAによる増量分を0にすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数ALPHAに上乗せした後、時間経過と共に、空燃比フィードバック補正係数ALPHAを所定の減少速度に従って減少させることにより、空燃比フィードバック補正係数ALPHAの減少速度(I)は、目標空燃比補正係数TFBYAの減少速度(ΔK)より大きいので、ストイキ収束時間をt(TFBYA) からt(ALPHA1)へ短くすることができる。
また、重軽質判定を行って、軽質燃料の場合は、空燃比フィードバック補正係数の減少速度(I=IH)を、重質燃料の場合の減少速度(I=IL)より大きくするので、軽質燃料の場合は、ストイキ収束時間をt(ALPHA1)からt(ALPHA2)へ更に短くすることができ、エミッション及び燃費を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、空燃比フィードバック補正係数ALPHAが所定のしきい値ASL以下になったときは、空燃比フィードバック補正係数ALPHAの減少速度(I)を小さい側に変化させることにより、空燃比のリーン側へのオーバーシュートによる回転落ちを防止することができる。
また、本実施形態によれば、エンジン回転数Neが所定値以下となったとき、及び/又は、エンジン回転数Neの減少側への変化率ΔNeが所定値以上となったときは、空燃比フィードバック補正係数ALPHAの減少速度(I)を小さい側に変化させることにより、回転落ちを確実に防止することができる。
また、本実施形態によれば、空燃比センサの出力が所定のリッチ側活性判定スライスレベルRSLを超えたときに、空燃比センサの活性を検出することにより、活性を確実かつ簡易に検出することができる。
また、本実施形態によれば、空燃比センサの活性を検出した後、空燃比センサの出力が最初にストイキ判定スライスレベルSSLに達した時点から、空燃比フィードバック制御を開始することにより、始動後制御から空燃比フィードバック制御へなめらかにつなぐことができる。
本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 燃料噴射量演算ルーチンのフローチャート 始動後の空燃比制御の流れを示すフローチャート 燃料性状(重軽質)判定ルーチンのフローチャート 積分分(I)設定サブルーチンのフローチャート 空燃比フィードバック制御ルーチンのフローチャート 始動後の空燃比制御のタイムチャート
符号の説明
1 エンジン
6 燃料噴射弁
12 ECU
17 O2センサ

Claims (9)

  1. 始動直後に空燃比をリッチ化し、時間経過と共に空燃比を徐々にストイキに収束させるように設定される目標空燃比補正係数と、空燃比フィードバック制御条件にて空燃比センサからの信号に基づいて空燃比をストイキに収束させるように設定される空燃比フィードバック補正係数とを用いて、燃料噴射量を演算・制御するエンジンの空燃比制御装置において、
    空燃比センサの活性を検出した時点で、目標空燃比補正係数による増量分をカットすると共に、その増量分を空燃比フィードバック補正係数に上乗せした後、時間経過と共に、空燃比をストイキに収束させるように空燃比フィードバック補正係数を所定の減少速度に従って減少させる一方、
    使用燃料の性状を判定する手段を備え、判定された燃料性状に応じて、前記所定の減少速度の大きさを変化させることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
  2. 軽質燃料と判定されたときに、重質燃料と判定されたときと比べ、前記所定の減少速度を大きく設定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。
  3. 空燃比フィードバック補正係数がストイキ相当値より大きく設定された所定のしきい値以下になったときは、前記所定の減少速度を小さい側に変化させることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のエンジンの空燃比制御装置。
  4. 軽質燃料と判定されたときに、空燃比フィードバック補正係数がストイキ相当値より大きく設定された所定のしきい値より大きい間、前記所定の減少速度を大きく設定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。
  5. エンジン回転数が所定値以下となったときは、前記所定の減少速度を小さい側に変化させることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載のエンジンの空燃比制御装置。
  6. エンジン回転数の減少側への変化率が所定値以上となったときは、前記所定の減少速度を小さい側に変化させることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つにエンジンの空燃比制御装置。
  7. 軽質燃料と判定されたときに、空燃比フィードバック補正係数がストイキ相当値より大きく設定された所定のしきい値より大きい間で、しかもエンジン回転数が所定値より大きく、エンジン回転数の減少側への変化率が所定値未満のときに、前記所定の減少速度を大きく設定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。
  8. 空燃比センサの出力が所定のリッチ側活性判定スライスレベルを超えたときに、空燃比センサの活性を検出することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載のエンジンの空燃比制御装置。
  9. 空燃比センサの活性を検出した後、空燃比センサの出力が最初にストイキ判定スライスレベルに達した時点から、空燃比フィードバック制御を開始することを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1つに記載のエンジンの空燃比制御装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009167894A (ja) * 2008-01-16 2009-07-30 Hitachi Ltd エンジン制御装置
JP2010037976A (ja) * 2008-08-01 2010-02-18 Nissan Motor Co Ltd 空燃比センサの切替制御装置
US10221793B2 (en) 2016-06-09 2019-03-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Controller for internal combustion engine

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