JP2005337080A - 内燃機関における空燃比制御装置及び空燃比制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 単気筒４サイクルエンジンから排出された排気ガス中の酸素濃度を適正なタイミングで測定することにより最適な空燃比制御を行う。
【課題手段】 排気ガス浄化のための触媒装置を備えた単気筒４サイクルエンジンにおいて、排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記エンジンのクランクシャフトの回転角を検出するクランク回転角センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて前記空燃比を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記酸素センサから出力される二値信号のサンプリングを前記クランク回転角に同期して得られた所定期間内のタイミングで行い、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が前記所定の閾値を中心に往復振動するように空燃比を制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内燃機関における空燃比制御装置及び空燃比制御方法に関し、特に、単気筒４サイクルエンジンから排出された排気ガス中の酸素濃度を適正なタイミングで測定し、その測定結果に基づいてエンジンに供給される空気量に対する燃料の含有比率を制御することにより触媒の浄化能力を最大限に引き出すための空燃比制御に関する。

地球温暖化防止等の近年における地球環境を保護する必要性から、二輪車を含む自動車等の内燃機関（以下、適宜「エンジン」という）における最重要課題として、エンジンの燃焼効率（燃費）の向上と排気ガス中の有害成分の低減が挙げられる。

エンジンの燃焼効率（燃費）を向上させるためには、燃料を完全燃焼させる必要がある。一方、排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の各種有害成分をバランスよく低減させるためには、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を最適化する必要がある。

エンジンから排出される排気ガスを浄化するためには、多くの場合触媒装置が使用される。排気ガス浄化のための触媒としては、排気ガス中のＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を同時に高い浄化率で浄化することが可能な３元触媒が使用されている。

３元触媒の効果を最大限に発揮させるためには、空燃比を所定値（理論空燃比）に維持する必要があることから、エンジンに供給する燃料ガスの正確な空燃比制御が必要となる。

一般に、燃料ガス中の酸素濃度が低い時、即ち燃料が濃くて酸素が不足している状態（リッチ状態）の時には、排気ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）が増加して燃費の低下と大気汚染の原因となる。これとは逆に、混合燃料ガス中の酸素濃度が高い時、即ち燃料が薄くて酸素が過剰の状態（リーン状態）の時には、余分な酸素によって窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加し、やはり大気汚染の原因となる。

このため、従来から、排気ガス中の酸素濃度を検知し、排気ガス中の酸素濃度が最適になるように、すなわち、エンジンの吸気側では燃料ガスが理論空燃比になるように、燃料ガスの空燃比を制御することが行われてきた。

排気ガス中の酸素濃度は、排気経路に設置された酸素センサを用いて検知することになるが、この酸素センサは、燃焼ガス中の空燃比が適正値であったか否かを検知することになることから空燃比センサとも呼ばれている。

空燃比センサとして使用する酸素センサの多くは、上記した理論空燃比においてその出力信号の電圧値が急激に変化する特性を有するように設計されている。この特性を利用して、エンジンの燃料噴射制御や点火時期制御等を司るＥＣＵ（Electric Control Unit）は、燃料ガスが理論空燃比よりも濃いか薄いかを判定し、濃い場合は燃料に対する供給空気量を増加させ、薄い場合は燃料に対する供給空気量を減少させるフィードバック補正制御をしている。

ところで、４サイクルエンジンは、吸気行程、圧縮行程、爆発行程（燃焼行程）及び排気行程の４つの行程を有し、エンジンの排気ガス経路を流れる排気ガス中の圧力は変動し、その酸素濃度は常に変動している。

多気筒エンジンの場合は、一つのエンジンサイクル内において、複数の気筒（シリンダ）から連続的に排気ガスが排出されるので各気筒からの排気管を統合する排気管マニホルド内を流れる排気ガスの流れの変動は大きくなく比較的安定している。このため、酸素センサの出力をサンプリングする（読み取る）タイミングにおいて、さほどの厳格性は要求されない。しかし、単気筒４サイクルエンジンにおいては、排気管内の排気ガスの流れは、一つのエンジンサイクル内において大きく変動するので、不適切なタイミングで酸素センサの出力をサンプリングすると排気ガス中の酸素濃度の検出において誤差を生じることとなる。

このため、排気ガス中に含まれる酸素濃度を検知しその検知結果に基づくエンジンの空燃比制御においては、特に単気筒４サイクルエンジンの場合においては、排気ガス経路における酸素センサの設置場所と酸素センサ出力の読み出しのタイミングは重要である。

このような排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサの出力を検出する従来技術の第１の例として、特許文献１（特開２００２−４７９９５号公報）は、多気筒エンジンにおいて、触媒１６４の近傍に排気成分センサ（酸素センサ）１５５を設置し、当該排気成分センサの周期的な変動である周期成分を抽出することにより各気筒間の空燃比ばらつきを検出する手段を備え、変動する周期成分を多気筒エンジンのクランク軸の回転に同期して検出することにより、複数の気筒を二つの気筒郡に分けこの二つの気筒郡に対して異なる空燃比制御を行うようにした空燃比制御装置を開示している。

また、従来技術における第２の例として、特許文献２（特開２０００−１７９３８３号公報）は、排気ガスを浄化する触媒装置３３の上流に酸素濃度センサ３４を設けた単気筒４サイクルエンジンにおいて、クランクシャフト１９の回転に伴ってパルス信号を発生するパルス発生器の出力信号を観測し、パルス信号の間隔の大小からクランクシャフトの角速度を検出して、この角速度が比較的大きい時を排気行程と判断して、この間における酸素濃度を検出することにより排気ガスの脈動の影響を排除した酸素濃度検出方法を開示している。
特開２００２−４７９９５号公報 特開２０００−１７９３８３号公報

しかし、上記の特許文献１は、複数の気筒から排出される排気ガス中の排気成分のバラツキを検出するためにクランク軸の回転信号を利用し、一つのエンジンサイクル期間中に排気成分センサの出力を気筒数に応じた回数だけサンプリングするものであり、サンプリングするタイミングに関する記載がなく排気ガス中の酸素濃度を正確に検出するものではない。このため、一つのエンジンサイクル内において排気管内の排気ガスの流れが大きく変動する単気筒４サイクルエンジンには適用できない。

また、上記の特許文献２は、クランクシャフト１９の回転に伴って発生するパルス信号の間隔の比較的大きい時を排気行程と判断して、当該排気行程と判断した期間内に酸素センサの出力を読み取るものであり、特許文献１と同様に、排気行程におけるサンプリングするタイミングに関する記載がなく排気ガス中の酸素濃度を正確に検出するものではない。

本発明は、単気筒４サイクルエンジンから排出された排気ガス中の酸素濃度を適正なタイミングで測定することにより排気ガス中の酸素濃度を正確に測定し、この測定結果に基づいて空燃比制御することにより、燃焼効率を向上させると共に、触媒による排気ガス中の有害成分の浄化能力を最大限に引き出すことを可能にする空燃比制御装置及び空燃比制御方法を提供することを目的とする。

このため、本発明は、排気ガス浄化のための触媒装置を備えた単気筒４サイクルエンジンにおいて、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記エンジンのクランクシャフトの回転角を検出するクランク回転角センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて前記空燃比を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記酸素センサから出力される二値信号のサンプリングを前記クランク回転角に同期して得られた所定期間内のタイミングで行い、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が前記所定の閾値を中心に往復振動するように前記空燃比を制御することを特徴とする空燃比制御装置を提供するものである。

ここで、前記触媒装置は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する３元触媒であり、前記所定の閾値は、所定の理論空燃比に基づいて設定されるのである。

そして、前記サンプリングは、前記エンジンの排気行程における排気弁の開弁開始後ピストン上死点からクランク回転角が９０度回転するまでの期間に行うのである。

また、前記所定期間内におけるタイミングは、前記排気弁から排出された排気ガスが前記酸素センサの設置位置に至るまでの時間及び酸素センサの応答遅れ時間に鑑みて設定されるのである。

ここで、前記サンプリングは、前記サンプリングの期間内において複数回行われ、当該複数回のサンプリング時における前記酸素センサの出力に基づいて前記空燃比を制御するようにしてもよい。

本発明は、さらに、排気ガス浄化のための触媒装置を備えた単気筒４サイクルエンジンにおいて、酸素センサを用いて排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出することにより空燃比を制御する空燃比制御方法であって、前記エンジンのクランク軸の回転角を検出する行程と、検出された前記クランク回転角を示す信号に同期して得られた所定期間内のタイミングにて前記酸素センサの出力をサンプリングする行程と、前記酸素センサの出力が所定の閾値を越える酸素濃度を示す場合には前記空燃比をリッチ状態に制御し、前記酸素センサの出力が前記閾値以下の酸素濃度を示す場合には前記空燃比をリーン状態に制御する行程との各行程を有し、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が前記閾値を中心に往復振動するように前記空燃比を制御することを特徴とする空燃比制御方法を提供するものである。

本発明は、酸素センサの設置位置において排気ガスが流れているタイミングにおいて排気ガス中に含まれる酸素ガスの濃度を検知するので、触媒装置に入る直前の排気ガス中の酸素濃度を正確に測定でき、これによって空燃比制御を最適化できるので、単気筒４サイクルエンジンの燃焼効率を向上させると共に、触媒による排気ガス中の有害成分の浄化能力を最大限に引き出すことを可能にする空燃比制御を実現したのである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関における空燃比制御装置を含む単気筒４サイクルエンジンの全体構成の例を示す。

図１に示す全体構成の例において、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置及び排気ガス浄化装置は、エンジン１に供給される燃料ガスの空燃比を最適化するための空燃比制御手段２１（図２）を含む制御装置（ＥＣＵ）２と、エンジン１から排出される排気ガスをマフラー４に導く排気管３と、排気管３内において排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ５と、マフラー４内に設置されて外気に放出される前に排気ガスを浄化するため触媒装置（以下、適宜「触媒」という）６とにより構成され、エンジン１に燃料を供給する燃料タンク７と、エンジン１に供給する空気量を調節する吸気スロットル８及びアイドル・スピード・コントロール装置（以下、「ＩＳＣ」という）１９と、エンジン１のクランク軸の回転角を検知するクランク回転角センサ１５とに関連する。

図１に示すように、酸素センサ５は、マフラー４内の触媒６の入口近傍に設置するが、マフラーに接続される排気管３に設置するようにしても良い。

以下、図１に示すエンジンの全体構成図の例を簡単に説明する。

最初に、エンジンの吸気行程において、エンジン１の燃焼室（シリンダ又は気筒）１０には、エアフィルタ９により濾過されて塵や埃が除去された空気（外気中の空気）が、燃焼室１０内のピストンの下降動作によって生じる負圧により供給される。このとき、吸気弁１７は開かれている。この空気の供給量は、制御装置２からの制御指令を受けた吸気スロットル８の開弁角度（スロットル開度）又はＩＳＣ１９によって制御できる。これによって決められた空気量に見合う推定燃料量を噴射する燃料噴射制御が行われるのである。

一方、エンジン１の燃焼室への空気の供給と同時に、インジェクタ１３の注入口から燃料が注入される。これによって、燃焼室１０内に引き込まれる空気中に燃料が噴射された燃料ガスとなる。燃料は、燃料を貯蔵する貯蔵燃料タンク７から燃料供給パイプ１６を経由してインジェクタ１３に供給される。インジェクタ１３から供給される燃料噴射量は、制御装置（ＥＣＵ）２からの燃料供給指示パルス信号のパルス幅に応じて噴射動作するインジェクタ１３の燃料噴射時間により調節される。このようにして、供給空気量に対する燃料の含有比率である空燃比が制御される。エンジンの加速時においては、空燃比を小さく（リッチ状態）なるように制御し、エンジンの定常走行時においては空燃比を大きく（リーン状態）なるように制御する。

次に、エンジンの圧縮行程において、燃焼室１０内に供給される空気と燃料との混合体である燃料ガスは、ピストンの上昇動作により圧縮される。この際、吸気弁１７と排気弁１８は、閉じられている。

次に、燃焼（爆発）行程において、上記の圧縮行程において圧縮された燃焼ガスは、制御装置２からの所定のタイミングで点火指令を受けたイグニッションコイル１２が高電圧を発生させ、当該高電圧をスパークプラグ１１に印加させることによりスパークプラグ１１を点火して圧縮された燃料ガスを爆発させ、ピストンを急激に押し下げるのである。

ところで、ピストンの上下運動に伴って回転するクランク軸の回転角は、クランク回転角センサ１５によって検知され、制御装置２に送出される。また、このクランク軸は、４サイクルエンジンの場合、上記した４つの行程からなる一つのエンジンサイクルにおいて２回転することとなるが、ＥＣＵ２は、エンジンが如何なる行程にあるかを常に把握しているので、クランク軸の回転角を検出するクランク回転角センサ１５の出力により如何なる行程においてどの程度クランク軸が回転したかを検知することができるのである。

次に、エンジンの排気行程においては、燃焼行程において燃焼されたガスは、排気ガスとして外気中に放出される。燃焼室１０からの排気ガスの放出は、排気弁１８を開いた状態で、爆発行程において押し下げられたピストンが上昇することにより行われる。排気ガスは、排気管３を経由して、マフラー４内へと導かれて、爆発音や排気音等のノイズを低下させた後に外気に放出されるのである。

尚、図１に示すように、吸気スロットル８の周辺には、スロットル開度を検出するための開度センサ、吸気の温度を測定する温度センサ、吸気圧を測定するための圧力センサ等の各種センサが設置されて、制御装置（ＥＣＵ）２に接続されている。さらに、この外にも、エンジンの温度を測定する温度センサ、外気圧を測定する圧力センサ等の各種センサやスイッチが配置され、制御装置（ＥＣＵ）２に接続されている。制御装置２は、これらのセンサやスイッチからのデータに基づいて、エンジンの最適制御を行うのである。

図２は、本発明の実施形態に係る内燃機関における空燃比制御装置における制御構成図の例を示す。

制御装置（ＥＣＵ）２は、マイクロプロセッサ手段、プログラムや固定データを格納するＲＯＭや一時的なデータや演算結果を格納するＲＡＭ等のメモリ手段、各種センサやスイッチ等から入力信号を受け付けるための入力インターフェース、及びエンジンを動作される各種能動手段への出力インターフェースと、から構成される。

これにより、制御装置（ＥＣＵ）２は、エンジンの燃料噴射制御、吸気量制御、点火（時期）制御、アイドル回転制御等の各種制御を集中的に司る。そして、燃料噴射量と吸気量との比を制御することによって、本発明に係る空燃比制御が行われるのである。

上記のように、制御装置（ＥＣＵ）２には、酸素センサ５、エンジン温度センサ１４、クランク回転角センサ１５の他、スロットル開度センサ、吸気温度センサ、吸気圧力センサや外気圧センサ等の各種センサの他、アクセルセンサや各種スイッチ類等からの入力信号に基づいて、燃料噴射を行うインジェクタ１３、吸気スロットル８の開弁角度（スロットル開度）、ＩＳＣ１９及びイグニッションコイル１２等の各種能動手段の動作制御が行われるのである。

制御装置２（図１）は、排気経路の所定箇所に設置された酸素センサ５の出力を受信し、当該設置箇所において酸素センサ５の出力信号（酸素濃度）が、理論空燃比を越える値を示した場合には、インジェクタ１３（図１）から噴射される燃料の量を予め設定された所定量だけ低減させる。しかし、酸素センサ５の出力信号が、酸素濃度が理論空燃比よりも低い値を示した場合には、インジェクタ１３（図１）から噴射される燃料の量を予め設定された所定量だけ増加させる。

制御装置２（図１）は、このような空燃比制御を繰り返すことにより、排気ガス中に含まれる酸素濃度を、理論空燃比を挟んで、常時上下動させることにより空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させるのである。

触媒装置６は、排気ガスが理論空燃比に合致した状態が継続すると浄化能力を低下させ、理論空燃比を挟んで常に上下動させることによりその浄化能力が活性化される特性を有しているのである。ここで使用する触媒装置６は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する３元触媒である。

図３は、ある単気筒エンジンにおける、クランク軸の回転角（ピストンの動作位置に同期）と排気ガスの流量との関係を示すグラフであり、横軸にクランクの回転角を示し、縦軸に排気管３を流れる排気ガスの単位時間毎の流量〔ｋｇ／ｓ〕を示す。また、符号Ａ，Ｃはピストンの気筒内における上死点を示し、符号Ｂ，Ｄはピストンの気筒内における下死点を示す。

図３に示すように、単気筒エンジンの場合は、排気ガスの単位時間当たりの流量がエンジンサイクルの中で大きく変化する。また、図３に示した排気ガス流量の変化はエンジンの仕様によっても異なるが、単気筒エンジンの場合一般的に、排気弁の開期間（ＥＶＯ）の始時点から排気ガスの流量は急激に増大するが、ピーク値を示した後は脈動的に漸次減衰するようになる。また、排気弁の開期間（ＥＶＯ）が終時点では、吸気行程に入って気筒内のピストンが降下し始めることから、排気ガスは一時的に負圧によってマイナスの流量を示す（すなわち逆流方向に流れる）、その後再び脈動することとる。

このように単気筒エンジンにおいては、エンジンサイクルの排気行程及びその後の吸気行程の初期期間において排気ガスの流量が大きく変動しており、排気ガス内の酸素濃度を検出する酸素センサ５のサンプリングが不適切なタイミング行われると、排気ガス中の酸素濃度の検出結果に誤差が生じることになり、適正な空燃比制御ができないこととなる。例えば、排気ガスの単位時間毎の流量が小さい時のタイミングで酸素濃度のサンプリングが行われることになると、排気ガス中の酸素濃度を正確に読み取ることができず、結果的に次のエンジンサイクルの中での空燃比制御が適切に行われなくなり、燃費の悪化とより多くの有害ガスの大気中への放出する事態を招来することになるのである。

従来技術においては、排気ガス中の酸素濃度の検出を排気行程の任意のタイミングで行っていたことから、必ずしも適正な空燃比制御が行われていたとは言えなかったのである。

本発明においては、図３に示した排気ガス流量の変化に着目し、酸素センサ５から出力される二値信号のサンプリングをエンジン１のクランク回転角に同期して得られた所定のタイミングで行い、排気ガス中に含まれる酸素濃度が予め設定された閾値を中心に往復振動するように前記空燃比を制御するのである。

このタイミングは、後に詳しく説明するように、エンジン１の排気行程における排気弁１８の開弁開始後ピストン上死点からクランク回転角が９０度回転するまでの期間であり、排気弁から排出された排気ガスが酸素センサ５の設置位置に至るまでの時間に鑑みて設定するのである。

図４は、本発明に係る空燃比制御における酸素センサのサンプリングのタイミングを説明するためのタイミングチャートを示す。

前述のとおり、ピストンの上下運動に伴って回転するクランク軸の回転角は、クランク回転角センサ１５によって検知され、制御装置２に送出される。また、クランク軸は、４サイクルエンジンの場合、上記した４つの行程からなる一つのエンジンサイクルにおいて２回転することとなるが、制御装置２は、エンジンが如何なる行程にあるかを常に把握しているので、クランク軸の回転角を検出するクランク回転角センサ１５の出力により如何なる行程においてどの程度クランク軸が回転したかを検知することができる。

従って、制御装置２は、クランク回転角センサ１５の出力信号を検出することにより、圧縮行程、爆発行程、排気行程及び吸気行程を夫々区分けするピストンの下死点Ｂ，Ｄ及び上死点Ａ，Ｃを認識すると共に、各下死点Ｂ，Ｄ又は上死点Ａ，Ｃからどの程度（角度）回転したかを把握することができるのである。

図４に示した例では、クランク回転角センサ１５は、クランク軸の１回転毎に２２個のパルスを発生するように構成されている。そして、第２２番目のパルスを発生した後次の第１番目のパルスを発生する間は、所定の間隔（図４の例では１パルス周期）を空けるようにすることによりノイズ等の影響によるパルス計数の誤りの累積をリセットするようにしている。ところで、図４に示す例では、下死点Ｂ，Ｄは、第２１番目パルスの立ち上がりと一致し、上死点Ａ，Ｃは、第９番目パルスの立ち上がりと一致するように設定している。

これによって、制御装置２は、エンジンサイクルにおける排気行程が爆発行程（点火プラグ作動）後の下死点Ｂを示す第２１パルスの立ち上がりから始まり、上死点Ｃを示す次のクランク軸回転の第９パルスの立ち上がりまでの期間であることが判断できる。一方、排気弁１８の開期間（ＥＶＯ）を、この排気行程の前後において夫々１パルス分広くしている。

このため、酸素センサ５の出力をサンプリングする可能期間は、図３に示した排気ガス流量のデータと排気弁から排出された排気ガスが酸素センサ５の設置位置に至るまでの時間に鑑みて、エンジン１の排気行程における排気弁１８の開弁開始後ピストン上死点からクランク回転角が９０度回転するまでの期間となるのである。

このように、本発明では、制御装置（ＥＣＵ）２は、酸素センサ５における酸素濃度（二値信号で伝達される）のサンプリングを、クランク回転角センサ１５が検出するクランク回転角に同期して得られた期間内のタイミングで行うのである。そして、この酸素センサ５によるサンプリングのタイミングは、排気弁１８の開閉のタイミングから、排気ガスが、酸素センサ５（図１に示す例では、マフラー内）に到達するまでの排気ガスの到達遅れ時間を考慮して行われるものとする。より具体的には、制御装置２が、酸素センサ５の出力信号を読み取るタイミングを、排気管３の排気弁１８の出口から酸素センサ５までの長さと流速に鑑みてクランク軸の回転角センサ１５（図１）からの信号パルスを所定数計数した時点で行うのである。

また、この酸素センサ５によるサンプリングは、前記サンプリングの期間内において複数回行われ、この複数回のサンプリング時における前記酸素センサの出力に基づいて前記空燃比を制御するようにすると、より正確で適切な空燃比制御を実現することができるのである。この場合、空燃比のリーン／リッチ状態の判定を、酸素センサ５のより多い回数の２値信号に基づいて行うのである。

制御装置（ＥＣＵ）２は、この酸素センサ５による酸素濃度の測定結果から、実空燃比を算出し、さらに目標空燃比とこの実空燃比との差を算出して、この差に基づいてエンジンの空燃比制御を行うのである。

ところで、本装置において使用する酸素センサ５としては、ジルコニア素子又はチタニア磁器を利用したタイプのものが利用可能である。ジルコニア素子を用いた酸素センサ５は、ジルコニアを試験管状に焼結した素子の内面外面の両面に多孔質の白金電極をコーティングした構造とし、素子外面を排気ガスに接触させ、酸素濃度に応じてジルコニアの固体電池作用により電圧を発生する特性を利用している。また、チタニア磁器を用いた酸素センサ５は、チタニア（ＴｉＯ_２）がｎ型半導体であることから、その抵抗値がガス中の酸素分圧に依存する性質を利用している。

図５は、本発明に係る空燃比制御方法のフローチャートの例を示すものである。

最初に、燃料噴射制御が開始されると（Ｓ１１）、制御装置２は、クランク回転角センサ１５から出力されるパルス信号（図４）に基づいてクランク軸の回転角を常時検出する（Ｓ１２）。

そして、クランク軸の回転角が排気行程における所定期間内のタイミングに至るのを待って（Ｓ１３）、酸素センサ５の出力をサンプリングする（Ｓ１４）。ここで、この酸素センサ５によるサンプリングは、前記サンプリングの期間内において１回又は複数回行われる。そして複数回のサンプリングを行う場合は、当該複数回サンプリングされた酸素センサの出力に基づいて前記空燃比を制御するようにすると、より正確で適切な空燃比制御を実現することができるのである。

次に、酸素センサ５の出力が所定の閾値を越える酸素濃度を示すか否かを判断し（Ｓ１５）、超えている場合には空燃比をリッチ状態し（Ｓ１６）、酸素センサ５の出力が当該閾値以下の酸素濃度を示す場合には前記空燃比をリーン状態にして（Ｓ１７）、燃料噴射を行う（Ｓ１８）のである。

上記制御フローは、燃料噴射制御が終了するまで（Ｓ１９）、エンジンサイクル毎に行われ、これにより排気ガス中に含まれる酸素濃度が前記閾値を中心に往復振動するように前記空燃比を制御することが達成されるのである。

図６は、酸素センサの出力電圧値〔ｍＶ〕と空燃比との関係をグラフで示す。

図６に示すように、酸素センサ５の出力（電圧値）は、空燃比が、理論空燃比を挟む許容幅から変位する時に、この変位を実質的に２値的な信号として示すものであり、この酸素センサ５の出力を実質的に２値的な信号として制御装置２に送出することによって、空燃比の標準的な幅を、「理論空燃比±０．３」の幅に制御することが可能となる。

図７は、酸素センサの応答時間を示し、図７（ａ）は、実際の空燃比がリーンからリッチになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示し、図７（ｂ）は、実際の空燃比がリッチからリーンになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示す。従って、酸素線センサ５のサンプリングのタイミングは、この応答時間をも考慮して設定されるのである。

図８は、空燃比と触媒の浄化効率との関係を示すグラフである。

図８において、横軸（Ｘ軸）は空燃比を示し、縦軸（Ｙ軸）は触媒６の浄化効率〔％〕を示す。図示のように、中心の理論空燃比１４．６０（±０．３）の幅で示される領域（制御の許容幅）よりも空燃比が小さい左側の領域は酸素量が不足するリッチの領域を示す。このリッチの領域では燃料に比べて酸素が不足するので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生は抑えられるが、ＨＣ（炭化水素）とＣＯ（一酸化炭素）の発生量が増加する。

また、中心の理論空燃比１４．６０（±０．３）の幅で示される領域（制御の許容幅）よりも空燃比が大きい右側の領域はリーンの領域を示す。このリーンの領域では十分な酸素量によってＨＣ（炭化水素）とＣＯ（一酸化炭素）の発生は抑えられるが、余分な酸素によって窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が増加する。

なお、エンジン排気ガス中にＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する理由を以下で説明する。

エンジン内で、燃料が完全燃焼する時の反応は、
ＣｘＨｙ＋Ｏ_２＋Ｎ_２ → ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋Ｎ_２ （但し、平衡反応を示すものではない）で示される。

これに対し、燃料が不完全燃焼する時の反応は、
ＣｘＨｙ＋Ｏ_２＋Ｎ_２ → ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋Ｎ_２＋ＣＯ＋ＨＣ＋Ｏ_２／Ｈ_２ （但し、空燃比に依存し、また、平衡反応を示すものではない）で示される。

図９は、空気過剰率と各種の排気ガス濃度との関係を示すグラフである。図９のグラフにおいて、横軸（Ｘ軸）は、空気過剰率λ（実測空燃比／理論空燃比）を示し、縦軸（Ｙ軸）は排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＨＣ（炭化水素）の濃度を示す。

図９に示すように、ＣＯ（一酸化炭素）は、空気過剰率λが増大するに従って低下する（但し、λが１．０を少し越えたところで低下率は大幅に低下）ものの、窒素酸化物（ＮＯｘ）は、空気過剰率λが、１．０を少し超えたところで最大となり、ＨＣ（炭化水素）は、空気過剰率λが１．２近辺で最小になる。

本発明は、内燃機関から排出された排気ガス中の酸素濃度を測定して内燃機関に供給される空気量に対する燃料の含有比率を制御することにより、触媒の働きを最大限に引き出すための空燃比制御装置、及び空燃比制御方法に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。

本発明に係る内燃機関における空燃比制御装置を含むエンジンの全体構成の例を示す。 本発明に係る内燃機関における空燃比制御装置における制御構成図の例を示す。 単気筒エンジンのクランク回転角と排気ガスの単位時間毎の流量との関係を示すグラフの例を示す。 本発明に係る空燃比制御における酸素センサのサンプリングのタイミングを示すタイミングチャートの例を示す。 本発明に係る空燃比制御方法のフローチャートの例を示す。 酸素センサの出力電圧値〔ｍＶ〕と空燃比との関係をグラフで示す。 酸素センサの応答時間を示し、（ａ）部は、実際の空燃比がリーンからリッチになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示し、（ｂ）部は、実際の空燃比がリッチからリーンになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示す。 空燃比と触媒の浄化効率との関係を示すグラフである。 空気過剰率と各種の排気ガス濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１：内燃機関（単気筒４サイクルエンジン）
２：制御装置（ＥＣＵ）
３：排気管
４：マフラー
５：酸素センサ
６：触媒装置（３元触媒）
７：燃料タンク（ポンプ）
８：吸気スロットル
９：エアフィルタ
１０：燃焼室（シリンダ、気筒）
１１：スパークプラグ
１２：イグニッションコイル
１３：インジェクタ
１４：エンジン温度センサ
１５：クランク回転角センサ
１６：燃料管（燃料供給パイプ）
１７：吸気弁
１８：排気弁
１９：ＩＳＣ（アイドル・スピード・コントロール）

Claims (10)

1. 排気ガス浄化のための触媒装置を備えた単気筒４サイクルエンジンにおいて、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、
   排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、
   前記エンジンのクランクシャフトの回転角を検出するクランク回転角センサと、
   前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて前記空燃比を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記酸素センサから出力される二値信号のサンプリングを前記クランク回転角に同期して得られた所定期間内のタイミングで行い、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が前記所定の閾値を中心に往復振動するように前記空燃比を制御することを特徴とする空燃比制御装置。
2. 前記触媒装置は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する３元触媒であり、前記所定の閾値は、所定の理論空燃比に基づいて設定される請求項１に記載の空燃比制御装置。
3. 前記所定期間内のタイミングは、エンジンの排気行程における排気弁の開弁開始後ピストン上死点からクランク回転角が９０度回転するまでの期間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の空燃比制御装置。
4. 前記所定期間内のタイミングは、前記排気弁から排出された排気ガスが前記酸素センサの設置位置に至るまでの時間及び酸素センサの応答遅れ時間に鑑みて設定されることを特徴とする請求項３に記載の空燃比制御装置。
5. 前記触媒装置はマフラー内に設置され、前記酸素センサは前記触媒装置の入口近傍に設置されたことを特徴とする請求項４に記載の空燃比制御装置。
6. 前記サンプリングは、前記サンプリングの期間内において複数回行われ、当該複数回のサンプリング時における前記酸素センサの出力に基づいて前記空燃比を制御することを特徴とする請求項１に記載の空燃比制御装置。
7. 排気ガス浄化のための触媒装置を備えた単気筒４サイクルエンジンにおいて、酸素センサを用いて排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出することにより、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御方法であって、
   前記エンジンのクランク軸の回転角を検出する行程と、
   検出された前記クランク回転角を示す信号に同期して得られた所定期間内のタイミングにて前記酸素センサの出力をサンプリングする行程と、
   前記酸素センサの出力が所定の閾値を越える酸素濃度を示す場合には前記空燃比をリッチ状態に制御し、前記酸素センサの出力が前記閾値以下の酸素濃度を示す場合には前記空燃比をリーン状態に制御する行程と、
   の各行程を有し、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が前記閾値を中心に往復振動するように前記空燃比を制御することを特徴とする空燃比制御方法。
8. 前記サンプリングする行程における前記所定期間内のタイミングは、前記エンジンの排気行程における排気弁の開弁開始後ピストン上死点からクランク回転角が９０度回転するまでの期間であることを特徴とする請求項７に記載の空燃比制御方法。
9. 前記サンプリングする行程における前記所定期間内のタイミングは、前記排気弁から排出された排気ガスが前記酸素センサの設置位置に至るまでの時間及び酸素センサの応答遅れ時間に鑑みて設定されることを特徴とする請求項８に記載の空燃比制御方法。
10. 前記サンプリングする行程における前記サンプリングは、前記サンプリングの期間内において複数回行われ、当該複数回のサンプリング時における前記酸素センサの出力に基づいて前記空燃比を制御することを特徴とする請求項８に記載の空燃比制御方法。

Images