JP2505399B2

JP2505399B2 - 空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2505399B2
Application number: JP59074566A
Authority: JP
Inventors: 剛北原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-04-12
Filing date: 1984-04-12
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JPS60216044A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、エンジンの空燃比制御装置、詳しくは、酸
素センサを用いた空燃比のフィードバック制御装置に関
する。

（従来技術）近時、エンジンの吸入混合気の空燃比を精度よく目標
値に制御するために、排気系に酸素センサを設けて、空
燃比と相関関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて燃料供
給量をフィードバック制御している。

このような酸素センサとしては、例えば、本出願人が
先に特許出願した「空燃比検出方法」（特開昭56-89051
号）に記載されたものがあり第１図のように示される。
第１図において、１は酸素センサであり、酸素センサ１
は酸素濃度に応じて起電力を発生する一種の酸素濃淡電
池の原理を応用したものである。２はアルミナ基板であ
り、アルミナ基板２上には内側電極（基準電極）３が設
けられている。内側電極３は酸素イオン伝導性の固体電
解質４で包持されており、この固体電解質４を挾さんで
内側電極３と対向する位置に外側電極（酸素測定電極）
５が積層されている。そして、これらアルミナ基板２、
内側電極３、固体電解質４および外側電極５は酸素分子
の拡散を制限する多孔質保護層６によって被覆されてお
り、アルミナ基板２内には固体電解質４の活性を保つよ
うに適温に加熱するヒータ７が内蔵されている。内側電
極３には流し込み電流Isが供給されており、この流し込
み電流Isは酸素イオンを移動させることにより内側電極
３に基準酸素分圧Paを発生させる。一方、酸素電極にお
ける酸素分圧Pbは被測定ガスの有する酸素分圧であり、
これらの酸素分圧Pa、Pbに基づいて両電極間に、Ｅ＝（RT/4F）・ln（Pa/Pb） …… 但し、R:気体定数、T:絶対温度、F:ファラディ定数な
るネルンストの式によって表わされる起電力Ｅが発生す
る。そして、この起電力Ｅは、所定の空燃比を境として
希薄側から過濃側に切り換わったとき、プラス側へ大き
く急変化し、その切り換り空燃比は前記流し込み電流Is
の値により変化する。また、酸素センサ１は内部抵抗Rs
を有しており、この内部抵抗Rsは酸素センサ１の活性状
態に応じて変化する。

そして、このような酸素センサ１を用いて、構成した
空燃比制御装置としては前述した公報に開示されてい
る。この装置は目標空燃比において酸素センサ１の出力
Vsが急変化するように流し込み電流Isの大きさを変えて
おり、この出力Vsの急変化に基づいて空燃比を目標空燃
比に制御している。

しかしながら、このような従来の空燃比制御装置にあ
っては、酸素センサ出力を比較基準値よりリッチである
かリーンであるかを判別して空燃比を制御する構成とな
っており、目標からずれの大きさを判別することができ
ない。したがって、ずれの程度に応じた補正割合で空燃
比を制御することができず応答性に欠けていた。

そこで、本発明の出願人は先に「空燃比制御装置」
（特願昭58-190129号参照）を出願しており、第２図の
ように示される。第２図において、１は酸素センサであ
り、酸素センサ１は空燃比検出回路11に接続されてい
る。空燃比検出回路11は第３図に詳細を示すように電流
供給回路12および電流値検出回路13により構成されてい
る。電流供給回路12は起電力Ｅと内部抵抗Rsにより示さ
れる酸素センサ１に抵抗Rxを介して流し込み電流Isを供
給しており、この流し込み電流込みIsの値は抵抗Rxの両
端間の電圧降下として電流値検出回路13により検出され
る。電流値検出回路13はオペアンプOP1、OP2および抵抗
R1、R2、R3、R4より構成されており、流し込み電流Isの
値を抵抗Rxの両端間の電圧降下として測定し電圧信号Vi
を出力している。電流供給回路12はオペアンプOP3、OP4
および抵抗R5、R6、R7、R8、R9より構成されており、酸
素センサ出力Vsが目標電圧Vaとなるように流し込み電流
Isの値を設定している。この目標電圧Vaは基準電圧Voに
電流値検出回路13の出力Viを定数（ｋ倍）した電圧を加
算した値、すなわちVa＝Vo＋kViに設定されており、こ
れは酸素センサ出力Vsの切り換わり空燃比における急変
電圧の略中間値である。また、定数ｋはVa＝Vo＋ｋ・Vi
＝Vo＋Is・Rsとなるように設定される。ここで基準電圧
VoにIs・Rsを加えて目標電圧Vaとしているのは、酸素セ
ンサ１の内部抵抗Rsによる電圧降下を補償するためであ
る。そして、電流供給回路12は酸素センサ出力Vsが目標
電圧Vaとなるように、流し込み電流Isの値をオペアンプ
OP3により制御している。この場合、電流値検出回路13
の出力Viは流し込み電流Isの値に対応しており、流し込
み電流Isの値は第４図に示すように酸素センサ１の切り
換わり空燃比に対応している。（以下、これらの関係を
Vi−A/F特性という。）そして、この切り換わり空燃比
は流し込み電流Isの増加に伴って理論空燃比よりリーン
側に移行する。したがって酸素センサ出力Vsを目標電圧
Vaとして設定し、酸素センサ出力Vsがこの目標電圧Vaと
なるように、流し込み電流Isを供給するとこの流し込み
電流Isは現在の空燃比に応じた値となる。そして、電流
値検出回路13はこの流し込み電流Isの値を検出し、現空
燃比を表わす電圧信号Viを出力する。再び第２図におい
て、電圧信号Viは差値演算手段14に入力されており、差
値演算手段14にはさらに目標値設定手段15からの基準電
圧Vfが入力されている。目標値設定手段15は運転状態に
応じて目標空燃比を設定し、この目標空燃比に対応する
基準電圧Vfを出力する。目標空燃比は理論空燃比のみな
らずリッチからリーンまでの広範囲な空燃比に設定され
る。差値演算手段14は差動アンプにより構成されてお
り、電圧信号Viから基準電圧Vfを減算して差値ΔＶ（Δ
Ｖ＝Vi-Vf）を補正係数設定回路16に出力している。こ
の差値ΔＶは現空燃比の目標空燃比からのずれの大きさ
を表している。補正係数設定回路16は積分回路により構
成されており、差値ΔＶを所定の積分定数Ｃ（C:一定
値）で積分して空燃比を目標空燃比に補正する補正係数
αを演算している。補正係数αは燃料量演算回路17に入
力されており、燃料量演算回路17はまず、機関の運転状
態に基づいて燃料供給量Tpを演算し、この燃料供給量Tp
に補正係数αを乗じて最終燃料供給量Toを算出して燃料
供給手段18に出力している。燃料供給手段18は例えば、
機関の吸気管に取り付けられたインジェクタであり、燃
料量演算回路17からの信号に基づいて作動して最終燃料
供給量Toの燃料を機関に供給している。

したがって、目標空燃比からのずれの大きさに基づい
て補正係数αが設定され、このずれの大きさに応じた速
度で空燃比が目標空燃比に制御される。

ところで、このような先願の空燃比制御装置にあって
は、目標空燃比の値に関係なくフィードバック制御ゲイ
ンとしての積分定数Ｃの大きさが所定値に固定されてい
るため、目標空燃比の値により空燃比制御の応答性ある
いは機関の安定性が悪化して運転性が損なわれるという
おそれがある。

すなわち、積分定数Ｃの値を大きくすると、応答性は
速くなるが、リーン域での安定性が悪くなる。一方、積
分定数Ｃの値を小さくすると、リーン域での安定性は良
くなるが、パワーを必要とするリッチ域での応答性が悪
くなる。したがって、目標空燃比が広範囲な空燃比に設
定される場合、積分定数Ｃの値が固定されていれば上記
応答性あるいは安定性の何れかが悪化して運転性が損な
われる。

（発明の目的）そこで本発明は、目標空燃比の値が理論空燃比より大
きい領域とそれ以下の領域との間で変化するときに応じ
て補正係数を変化させることにより、空燃比制御の応答
性および機関の安定性を適切なものとして、機関の運転
性を向上させることを目的としている。

（発明の構成）本発明により空燃比制御装置は、その全体構成図を第
５図に示すように、排気中の酸素濃度に対応して空燃比
を連続的に検出する空燃比検出手段30と、運転状態に応
じて目標空燃比を設定する目標値設定手段15と、前記空
燃比検出手段30からの出力に基づいて現空燃比の目標空
燃比からのずれの大きさを演算する差値演算手段14と、
該差値演算手段の出力に基づいて空燃比を目標空燃比に
補正する補正係数を算出し、この補正係数に基づいて空
燃比をフィードバック制御する空燃比制御手段31と、を
備えた空燃比制御装置において、前記補正係数のフィー
ドバック制御ゲインを、目標空燃比が理論空燃比より大
きな値に設定されている時の方が理論空燃比以下の値に
設定されている時よりも小さくなるように設定し、空燃
比制御の応答性および機関の安定性を常に適切に調整す
るものである。

（実施例）以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第６〜８図は本発明の一実施例を示す図であり、本実
施例の説明にあたり第２図に示した先願例と同一構成部
分には同一符号を付し、その説明を省略する。

まず、構成を説明すると、第６図において、21は積分
定数設定回路であり、積分定数設定回路21は比較器22、
23、マルチプレクサ24および基準電源25〜29により構成
されている。比較器22、23の各プラス端子には目標値設
定手段15からの基準電圧Vfが入力され、各マイナス端子
には基準電圧V₁、V₂がそれぞれ入力されている。基準電
圧V₁、V₂は所定の目標空燃比にそれぞれ対応しており
（後述する第７図参照）、V₁＞V₂なる関係で基準電源2
5、26により設定される。したがって、比較器22はVf≧V
₁のとき〔Ｈ〕となりVf＜V₁のとき〔Ｌ〕となる信号S₁
を出力し、比較器23はVf＞V₂のとき〔Ｈ〕となりVf≦V₂
のとき〔Ｌ〕となる信号S₂を出力する。これらの信号
S₁、S₂はマルチプレクサ24に入力されており、マルチプ
レクサ24にはさらにフィードバック制御ゲインとしての
所定の積分定数C₁〜C₃が入力されている。これらの積分
定数C₁〜C₃はC₁＞C₂＞C₃なる関数で基準電源27〜29によ
り設定される。マルチプレクサ24は積分定数C₁〜C₃のう
ちいずれか１つを信号S₁、S₂のレベルに応じて次の表で
示すように選択し、補正係数設定回路16に出力する。

上記の表で示す相互の関係は第７図のよりに示され
る。したがって、マルチプレクサ24は目標空燃比の値が
大きい程、積分定数Ｃの値を小さくする。補正係数設定
回路16は差値ΔＶを積分定数設定回路21から択一的に入
力される積分定数Ｃ（Ｃ＝C₁〜C₃）で積分して補正係数
αを演算する。

上記酸素センサ１および空燃比検出回路11は空燃比検
出手段30を構成しており、積分定数設定回路21、補正係
数設定回路16および燃料量演算回路17は空燃比制御手段
31を構成している。

次に作用を説明する。

一般に、機関の安定度は空燃比によって変化してお
り、理論空燃比よりやや濃い空燃比の近傍を頂点として
その前後で低下する。詳しくは、A/F＝12.5において最
も安定する。これは、この空燃比付近では最も点火しや
すく、燃焼速度も大きいためである。したがって、近時
試みられているリーン空燃比への制御では安定度の低下
を考慮する必要がある。一方、フィードバック制御の応
答性は積分定数Ｃの値により一義的に決まる。そして、
リッチ域では出力要求を重視するため応答性の速いこと
が望まれ、リーン域では安定度の低下を考慮して応答性
は多少遅くてもハンチングがなく制御幅の小さいことが
望まれる。先願では積分定数Ｃの値が固定されており、
上記両域での要求を満たすことは困難である。

そこで本実施例では、第７図に示すように目標空燃比
の値に応じて積分定数Ｃの値を３段階に切り換えること
で、上述した要求を満たしている。

第８図は空燃比制御のタイミングチャートを示してい
る。いま、同図に示すようにタイミングt₁で目標空燃比
がリーン域からリッチ域に変化すると、第７図に示すよ
うに積分定数設定手段21が積分定数ＣをC₁からC₃なる大
きい値に選択し、この積分定数C₃に基づいて補正係数設
定回路16が補正係数αを演算するので、補正係数αは大
きくなる。したがって、空燃比制御の応答性が高まり制
御幅も大きくなる。このため、第８図に示すように制御
目標である目標空燃比に素速く制御される。このとき、
制御幅は多少大きくなるが、リッチ域では機関の安定度
が高く支障はない。そして、これにより機関のパワー要
求を応答性よく満たすことができる。

次いで、タイミングt₂で目標空燃比がリッチ域からリ
ーン域に変化すると、積分定数ＣがC₃からC₁なる小さい
値となり、補正係数αは小さくなる。したがって、空燃
比制御の応答性が遅くなり制御幅は小さくなる。このた
め、第８図に示すように空燃比が目標空燃比に緩やかに
制御される。そして、目標空燃比に達した後も小さい制
御幅でフィードバック制御が繰り返えされる。その結
果、リーン域における機関の安定性を高めることができ
る。

このように、目標空燃比の値がリーン側からリッチ側
に変更したか、またはその逆側に変更したかに応じて積
分定数Ｃの値を変えることにより補正係数αの値を変化
させているため、機関のパワー要求と安定性要求とを共
に適切に満足させることができ、機関の運転性を向上さ
せることができる。

目標空燃比がリーン領域に設定される場合には、上述
したように穏やかに空燃比が変化し、そして、このリー
ン領域に目標空燃比を切換えた時の機関出力の急変によ
るトルクショックを防止することができ、運転者に対し
て運転性の大幅な向上を図ることができる。

逆に、目標空燃比がリッチ領域に設定される場合に
は、機関のパワー要求時であるため、このリッチ領域へ
目標空燃比を切換えた時のトルクショックの体感は比較
的小さくなって問題にはならず、むしろ運転者の応答性
要求を満足させることができる。

したがって、運転者に対しても運転性の大幅な向上と
応答性要求を共に適切に満足させることができる。

第９、10図は本発明の第２実施例を示す図であり、本
実施例では積分定数Ｃの値を連続的に変化させている。
第９図において、41は積分定数設定回路であり、積分定
数設定回路41はオペアンプOP5、基準電源42および抵抗R
9、R10により構成されている。基準電源42は基準電圧V3
を設定している。そして、積分定数設定回路41は反転増
幅回路を構成し、第10図に示すように目標値設定手段15
からの出力Vfに対して大きさが逆方向に連続的に変化す
る積分定数Ｃを出力する。

したがって、第１実施例に比してより細かく積分定数
Ｃの値を変化させることができ、機関の運転性をより一
層向上させることができる。

なお、上記各実施例において、補正係数設定回路16と
燃料量演算回路17との間に比例制御回路あるいは微分制
御回路を設け、補正係数αの値をＰ（比例）制御あるい
はＤ（微分）制御により変化させるようにしてもよく、
その場合にはより精密に空燃比制御を行うことができ
る。

また、本発明は第１図に示した酸素センサを用いる場
合に限ることなはい。要は現空燃比を広範囲に亘り連続
的に検出できるものであれば、すべてに適用が可能であ
る。

（効果）本発明によれば、目標空燃比の値に応じて空燃比制御
の応答性および制御幅を適切なものとすることができ、
機関のパワー要求と安定性を共に適切に満足させること
ができる。その結果、機関の運転性を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素センサの断面図、第２図〜４図は先願の空
燃比制御装置を示す図であり、第２図はその回路構成
図、第３図はその空燃比検出回路の詳細な回路図、第４
図はそのVi−A/F特性を示す図、第５図は本発明の全体
構成図、第６図〜第８図は本発明の第１実施例を示す図
であり、第６図はその回路構成図、第７図はその目標空
燃比と積分定数との関係を示す図、第８図はその作用を
説明するためのタイミングチャート、第９図〜第10図は
本発明の第２実施例を示す図であり、第９図はその回路
構成図、第10図はその目標空燃比と積分定数との関係を
示す図である。 14……差値演算手段、15……目標値設定手段、30……空
燃比検出手段、31……空燃比制御手段。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】排気中の酸素濃度に対応して空燃比を連続
的に検出する空燃比検出手段と、運転状態に応じて目標
空燃比を設定する目標値設定手段と、前記空燃比検出手
段からの出力に基づいて現空燃比の目標空燃比からのず
れの大きさを演算する差値演算手段と該差値演算手段の
出力に基づいて空燃比を目標空燃比に補正する補正係数
を算出し、この補正係数に基づいて空燃比をフィードバ
ック制御する空燃比制御手段と、を備えた空燃比制御装
置において、前記補正係数のフィードバック制御ゲイン
を、目標空燃比が理論空燃比より大きな値に設定されて
いる時の方が理論空燃比以下の値に設定されている時よ
りも小さくなるように設定したことを特徴とする空燃比
制御装置。