JP2518243B2

JP2518243B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2518243B2
Application number: JP62006052A
Authority: JP
Inventors: 信明栢沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1987-01-16
Filing date: 1987-01-16
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPS63176642A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は触媒コンバータの上流側および下流側に空燃
比センサ（本明細書では、酸素濃度センサ（O₂セン
サ））を設け、上流側のO₂センサによる空燃比フィード
バック制御に加えて下流側のO₂センサによる空燃比フィ
ードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕単なる空燃比フィードバック制御（シングルO₂センサ
システム）では、酸素濃度を検出するO₂センサをできる
だけ燃焼室に近い排気系の箇所、すなわち触媒コンバー
タにより上流である排気マニホールドの集合部分に設け
ているが、O₂センサの出力特性のばらつきのために空燃
比の制御精度の改善に支障が生じている。かかるO₂セン
サの出力特性のばらつきおよび燃料噴射弁等の部品のば
らつき、経時あるいは経年的変化を補償するために、触
媒コンバータの下流に第２のO₂センサを設け、下流側O₂
センサによる空燃比フィードバック制御に加えて下流側
O₂センサによる空燃比フィードバック制御を行うダブル
O₂センサシステムが既に提案されている（参照：特開昭
58−48756号公報）。このダブルO₂センサシステムで
は、触媒コンバータの下流側に設けられたO₂センサは、
上流側O₂センサに比較して、低い応答速度を有するもの
の、次の理由により出力特性のばらつきが小さいという
利点を有している。

（１）触媒コンバータの下流では、排気温が低いので熱
的影響が少ない。

（２）触媒コンバータの下流では、種々の毒が触媒にト
ラップされているので下流側O₂センサの被毒量は少な
い。

（３）触媒コンバータの下流では排気ガスは十分に混合
されており、しかも、排気ガス中の酸素濃度は平衡状態
に近い値になっている。

従って、上述のごとく、２つのO₂センサの出力にもと
づく空燃比フィードバック制御（ダブルO₂センサシステ
ム）により、上流側O₂センサの出力特性のばらつきを下
流側O₂センサにより吸収できる。実際に、第２図に示す
ように、シングルO₂センサシステムでは、O₂センサの出
力特性が悪化した場合には、排気エミッション特性に直
接影響するのに対し、ダブルO₂センサシステムでは、上
流側O₂センサの出力特性が悪化しても、排気エミッショ
ン特性は悪化しない。つまり、ダブルO₂センサシステム
においては、下流側O₂センサが安定な出力特性を維持し
ている限り、良好な排気エミッションが保証される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述のダブルO₂センサシステムにおい
ては、下流側O₂センサにより理論空燃比（λ＝１）を検
出して下流側O₂センサによる空燃比フィードバック制御
を行い、常に平均空燃比を理論空燃比近傍にしているた
めに、排気エミッションの低減および触媒排気異臭の低
減に最適な空燃比を得ることができないという問題点が
ある。

たとえば、高速、高負荷領域ではNOxエミッションが
増大するので、空燃比をリッチ側に変化させる必要があ
り、また、低速、低負荷領域では、HC,COエミッション
が増大且つ触媒排気異臭が増大するので、空燃比をリー
ン側にする必要がある。

従って、本発明の目的は、運転状態に適合した空燃比
が得られるダブルO₂センサシステムを提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上述の問題点を解決するための手段は第１図に示され
る。

第１図において、排気系に設けられた排気ガス浄化の
ための触媒コンバータの上流側、下流側には、それぞ
れ、排気ガス中の特定成分濃度を検出する第１、第２の
空燃比センサが設けられている。第１の比較手段は上流
側（第１の）空燃比センサの出力V₁を第１の比較電圧V
_R1と比較する。また、負荷検出手段は機関の負荷たとえ
ば吸入空気量Q_iを検出し、比較電圧演算手段はこの検出
された負荷Q_iが高負荷であるときに第２の比較電圧V_R2
をリッチ判定側に、他方、検出された負荷Q_iが低負荷で
あるときに該第２の比較電圧V_R2をリーン判定側に演算
する。この結果、第２の比較手段は下流側（第２の）空
燃比センサの出力V₂を第２の比較電圧V_R2と比較する。
また、空燃比制御量演算手段は検出された負荷Q_iの高負
荷または低負荷に応じて設けられた各空燃比制御量たと
えばスキップ量RSR_i,RSL_iを第２の比較手段の比較結果
に応じて演算し、そして、空燃比調整手段は第１の比較
手段の比較結果および検出された負荷Q_iに対応した空燃
比制御量RSR_i,RSL_iに応じて機関の空燃比を調整するも
のである。

〔作用〕

上述の手段によれば、機関の負荷に応じて下流側空燃
比センサの比較電圧V_R2が変化し、従って、平均空燃比
は機関の負荷に応じて変化する。さらに、機関の負荷が
異なる領域に遷移したときには、各負荷に対応して空燃
比制御量により空燃比調整が行われ、各負荷に対応した
最適空燃比にただちに移行する。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の実施例を説明する。

第３図は本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の一
実施例を示す全体概略図である。第３図において、機関
本体１の吸気通路２にはエアフローメータ３が設けられ
ている。エアフローメータ３は吸入空気量を直接計測す
るものであって、ポテンショメータを内蔵して吸入空気
量に比例したアナログ電圧の出力信号を発生する。この
出力信号は制御回路10のマルチプレクサ内蔵A/D変換器1
01に供給されている。ディストリビュータ４には、その
軸がたとえばクランク角に換算して720゜毎に基準位置
検出用パルス信号を発生するクランク角センサ５および
クランク角に換算して30゜毎に基準位置検出用パルス信
号を発生するクランク角センサ６が設けられている。こ
れらクランク角センサ5,6のパルス信号は制御回路10の
入出力インターフェイス102に供給され、このうち、ク
ランク角センサ６の出力はCPU103の割込み端子に供給さ
れる。

さらに、吸気通路２には各気筒毎に燃料供給系から加
圧燃料を吸気ポートへ供給するための燃料噴射弁７が設
けられている。

また、機関本体１のシリンダブロックのウォータジャ
ケット８には、冷却水の温度を検出するための水温セン
サ９が設けられている。水温センサ９は冷却水の温度TH
Wに応じたアナログ電圧の電気信号を発生する。この出
力もA/D変換器101に供給されている。

排気マニホールド11より下流の排気系には、排気ガス
中の３つの有害成分HC,CO,NOxを同時に浄化する三元触
媒を収容する触媒コンバータ12が設けられている。

排気マニホールド11には、すなわち触媒コンバータ12
の上流側には第１のO₂センサ13が設けられ、触媒コンバ
ータ12の下流側の排気管14には第２のO₂センサ15が設け
られている。O₂センサ13,15は排気ガス中の酸素成分濃
度に応じた電気信号を発生する。すなわち、O₂センサ1
3,15は空燃比が理論空燃比に対してリーン側かリッチ側
かに応じて、異なる出力電圧を制御回路10でA/D変換器1
01に発生する。

また、各O₂センサ13,15はヒータ13a,15aを内蔵してお
り、これにより、O₂センサの素子温をたとえば350〜400
℃以上として活性化を図る。

16はスタータスイッチであって、その出力は制御回路
10の入出力インターフェイス102に供給される。

制御回路10は、たとえばマイクロコンピュータとして
構成され、A/D変換器101、入出力インターフェイス102,
CPU103、の外に、ROM104,RAM105、バックアップRAM10
6、クロック発生回路107等が設けられている。

また、制御回路10において、ダウンカウンタ108、フ
リップフロップ109、およびバッテリ電圧V_Bが印加され
た駆動回路110は燃料噴射弁７を制御するためのもので
ある。すなわち、後述のルーチンにおいて、燃料噴射量
TAUが演算されると、燃料噴射量TAUがダウンカウンタ10
8にプリセットされると共にフリップフロップ109もセッ
トされる。この結果、駆動回路110が燃料噴射弁７の付
勢を開始する。、他方、ダウンカウンタ108がクロック
信号（図示せず）を計数して最後にそのキャリアウト端
子が“1"レベルとなったときに、フリップフロップ109
がセットされて駆動回路110は燃料噴射弁７の付勢を停
止する。つまり、上述の燃料噴射量TAUだけ燃料噴射弁
７は付勢され、従って、燃料噴射量TAUに応じた量の燃
料が機関本体１の燃焼室に送り込まれることになる。

さらに、バッテリ電圧V_Bが印加された駆動回路111はO
₂センサ13,15のヒータ13a,15aを同時に駆動させるもの
である。

なお、CPU103の割込み発生は、A/D変換器101のA/D変
換終了時、入出力インターフェイス102がクランク角セ
ンサ６のパルス信号を受信した時、クロック発生回路10
7からの割込信号を受信した時、等である。

エアフローメータ３の吸入空気量データＱおよび冷却
水温データTHWは所定時間毎に実行されるA/D変換ルーチ
ンによって、取り込まれてRAM105の所定領域に格納され
る。つまり、RAM105におけるデータＱおよびTHWは所定
時間毎に更新されている。また、回転速度データNeはク
ランク角センサ６の30゜CA毎の割込みによって演算され
てRAM105の所定領域に格納される。

第４図は上流側O₂センサ13の出力にもとづいて空燃比
補正係数FAFを演算する第１の空燃比フィードバック制
御ルーチンであって、所定時間たとえば4ms毎に実行さ
れる。

ステップ401では、上流側O₂センサ13による空燃比の
閉ループ（フィードバック）条件が成立しているか否か
を判別する。たとえば、冷却水温が所定値以下の時、機
関始動中、始動後増量中、暖機増量中、加速増量（非同
期噴射）中、パワー増量中、上流側O₂センサ13の出力信
号が一度も反転していない時、燃料カット中等はいずれ
も閉ループ条件が不成立であり、その他の場合が閉ルー
プ条件成立である。閉ループ条件が不成立のときには、
ステップ427に進んで空燃比補正係数FAFを1.0とする。
なお、FAFを閉ループ制御終了直前値としてもよい。こ
の場合には、ステップ428に直接進む。また、学習値
（バックアップRAM106の値）としてもよい。他方、閉ル
ープ条件成立の場合には、ステップ402に進む。

ステップ402では、上流側O₂センサ13の出力V₁をA/D変
換して取組み、ステップ403にてV₁が比較電圧V_R1たとえ
ば0.45V以下か否かを判別する、つまり、空燃比がリッ
チかリーンかを判別する。リーン（V₁≦V_R1）であれ
ば、ステップ404にてデイレイカウンタCDLYが正か否か
を判別し、CDLY＞０であればステップ405にてCDLYを０
とし、ステップ406に進む。ステップ406ではディレイカ
ウンタCDLYを１減算し、ステップ407,408では、デイレ
イカウンタCDLYを最小値TDLでガードし、この場合、デ
イレイカウンタCDLYが最小値TDLに到達したときにはス
テップ409にて空燃比フラグF1を“0"（リーン）とす
る。なお、最小値TDLは上流側O₂センサ13の出力におい
てリッチからリーンへの変化があってもリッチ状態であ
るとの判断を保持するためのリーン遅延時間であって、
負の値で定義される。他方、リッチ（V₁＞V_R1）であれ
ば、ステップ410にてデイレイカウンタCDLYが負か否か
を判別し、CDLY＜０であればステップ411にてCDLYを０
とし、ステップ412に進む。ステップ412ではディレイカ
ウンタCDLYを１加算し、ステップ413,414では、デイレ
イカウンタCDLYを最大値TDRでガードし、この場合、デ
イレイカウンタCDLYが最大値TDRに到達したときにはス
テップ415にて空燃比フラグF1を“1"（リッチ）とす
る。なお、最大値TDRは上流側O₂センサ13の出力におい
てリーンからリッチへの変化があってもリーン状態であ
るとの判断を保持するためのリッチ遅延時間であって、
正の値で定義される。

ステップ416では、空燃比フラグF1の符号が反転した
か否かを判別する、すなわち遅延処理後の空燃比が反転
したか否かを判別する。空燃比が反転していれば、ステ
ップ417にて、空燃比フラグF1の値により、リッチから
リーンへの反転か、リーンからリッチへの反転かを判別
する。リッチからリーンへの反転であれば、ステップ41
8にてFAF←FAF＋RSRとスキップ的に増大させ、逆に、リ
ーンからリッチへの反転であれば、ステップ419にてFAF
←FAF−RSLとスキップ的に減少させる。つまり、スキッ
プ処理を行う。ステップ416にて空燃比フラグF1の符号
が反転していなければ、ステップ420,421,422にて積分
処理を行う。つまり、ステップ420にて、F1＝“0"か否
かを判別し、F1＝“0"（リーン）であればステップ421
にてFAF←FAF＋KIRとし、他方、F1＝“1"（リッチ）で
あればステップ422にてFAF←FAF−KILとする。ここで、
積分定数KIR（KIL）はスキップ定数RSR,RSLに比して十
分小さく設定してあり、つまり、KIR（KIL）＜RSR（RS
L）である。従って、ステップ421はリーン状態（F1＝
“0"）で燃料噴射量を徐々に増大させ、ステップ422は
リッチ状態（F1＝“1"）で燃料噴射量を徐々に減少させ
る。ステップ418,419,421,422にて演算された空燃比補
正係数FAFはステップ423,424にて最大値たとえば1.2に
てガードされ、また、ステップ425,426にて最小値例え
ば0.8にてガードされる。これにより、何らかの原因で
空燃比補正係数FAFが小さくなり過ぎ、もしくは大きく
なり過ぎた場合に、その値で機関の空燃比を制御してオ
ーバリーン、オーバリッチになるのを防ぐ。

上述のごとく演算されたFAFをRAM105に格納して、ス
テップ428にてこのルーチンは終了する。

第５図は第４図のフローチャートによる動作を補足説
明するタイミング図である。上流側O₂センサ13の出力に
より第５図（Ａ）に示すごとくリッチ、リーン判別の空
燃比信号A/Fが得られると、デイレイカウンタCDLYは、
第５図（Ｂ）に示すごとく、リッチ状態でカウントアッ
プされ、リーン状態でカウントダウンされる。この結
果、第５図（Ｃ）に示すごとく、遅延処理された空燃比
信号A/F′（フラグF1に相当）が形成される。たとえ
ば、時刻t₁にて空燃比信号A/Fがリーンからリッチに変
化しても、遅延処理された空燃比信号A/F′はリッチ遅
延時間TDRだけリーンに保持された後に時刻t₂にてリッ
チに変化する。時刻t₃にて空燃比信号A/Fがリッチから
リーンに変化しても、遅延処理された空燃比信号A/F′
はリーン遅延時間（−TDL）相当だけリッチに保持され
た後に時刻t₄にてリーンに変化する。しかし、空燃比信
号A/Fが時刻t₅,t₆,t₇のごとくリッチ遅延時間TDRもしく
はリーン遅延時間（−TDL）より短い期間で反転する
と、デイレイカウンタCDLYが最大値TDRもしくは（−TD
L）に到達するのに時間を要し、この結果、時刻t₈にて
遅延処理後の空燃比信号A/F′が反転される。つまり、
遅延処理後の空燃比信号A/F′は遅延処理前の空燃比信
号A/Fに比べて安定となる。このように遅延処理後の安
定した空燃比信号A/F′にもとづいて第５図（Ｄ）に示
す空燃比補正係数FAFが得られる。

次に、下流側O₂センサ15による第２の空燃比フィード
バック制御について説明する。第２の空燃比フィードバ
ック制御としては、第１の空燃比フィードバック制御定
数としてのスキップ量RSR,RSL、積分定数KIR,KIL、遅延
時間TDR,TDL、もしくは上流側O₂センサ13の出力V₁の比
較電圧V_R1を可変にするシステムと、第２の空燃比補正
係数FAF2を導入するシステムとがある。

たとえば、リッチスキップ量RSRを大きくすると、制
御空燃比をリッチ側に移行でき、また、リーンスキップ
量RSLを小さくしても制御空燃比をリッチ側に移行で
き、他方、リーンスキップ量RSLを大きくすると、制御
空燃比をリーン側移行でき、また、リッチスキップ量RS
Rを小さくしてもリーン側に移行できる。従って、下流
側O₂センサ15の出力に応じてリッチスキップ量RSRおよ
びリーンスキップ量RSLを補正することにより空燃比が
制御できる。また、リッチ積分定数KIRを大きくする
と、制御空燃比をリッチ側に移行でき、また、リーン積
分定数KILを小さくしても制御空燃比をリッチ側に移行
でき、他方、リーン積分定数KILを大きくすると、制御
空燃比をリーン側に移行でき、また、リッチ積分定数KI
Rを小さくしても制御空燃比をリーン側に移行できる。
従って、下流側O₂センサ15の出力に応じてリッチ積分定
数KIRおよびリーン積分定数KILを補正することにより空
燃比が制御できる。リッチ遅延時間TDR＞リーン遅延時
間（−TDL）と設定すれば、制御空燃比はリッチ側に移
行でき、逆に、リーン遅延時間（−TDL）＞リッチ遅延
時間（TDR）と設定すれば、制御空燃比はリーン側に移
行できる。つまり、下流側O₂センサ15の出力に応じて遅
延時間TDR,TDLを補正することにより空燃比が制御でき
る。さらにまた、比較電圧V_R1を大きくすると制御空燃
比をリッチ側に移行でき、また、比較電圧V_R1を小さく
すると制御空燃比をリーン側に移行できる。従って、下
流側O₂センサ15の出力に応じて比較電圧V_R1を補正する
ことにより空燃比が制御できる。

これらスキップ量、積分定数、遅延時間、比較電圧を
下流側O₂センサによって可変とすることはそれぞれに長
所がある。たとえば、遅延時間は非常に微妙な空燃比の
調整が可能であり、また、スキップ量は、遅延時間のよ
うに空燃比のフィードバック周期を長くすることなくス
ポンスの良い制御が可能である。従って、これら可変量
は当然２つ以上組み合わされて用いられ得る。

第６図を参照して空燃比フィードバック制御定数とし
てのスキップ量を可変にしたダブルO₂センサシステムに
ついて説明する。

第６図は下流側O₂センサ15の出力にもとづいてスキッ
プ量RSR,RSLを演算する第２の空燃比フィードバック制
御ルーチンであって、所定時間たとえば1s毎に実行され
る。ステップ601では、下流側O₂センサ15による閉ルー
プ条件か否かを判別する。たとえば、上流側O₂センサ13
による閉ループ条件の不成立に加えて、下流側O₂センサ
15の出力信号が一度も反転していない時、等が閉ループ
条件が不成立であり、その他の場合が閉ループ条件成立
である。閉ループ条件でなければステップ631,632に進
み、スキップ量RSR,RSLを一定値RSR₀,RSL₀とする。たと
えば、 RSR₀＝５％ RSL₀＝５％なお、スキップ量RSR,RSLを閉ループ終了直前値に保
持することもできる。この場合は、ステップ633に直接
進む。また、スキップ量RSR,RSLを学習値（バックアッ
プRAM106の値）とすることもできる。

下流側O₂センサ15による閉ループ条件成立であれば、
ステップ603〜605により吸入空気量Ｑを判別する。すな
わち、RAM105より吸入空気量Ｑを読出し、Ｑ≦25m³/h、
25m³/h＜Ｑ≦50m³/h、50m³/h＜Ｑ≦80m³/h、80m³/h＜Ｑ
≦120m³/h、Ｑ＞120m³/hのいずれの領域かを判別する。
なお、Ｑ≦25m³/hの領域では下流側O₂センサ15の素子温
が低下するため、また、Ｑ＞120m³/hの領域ではOTP増量
域のために、ステップ631,632に進み、オープンループ
制御とする。

他方、低吸入空気量域（25m³/h＜Ｑ≦50m³/h）であれ
ば、ステップ606〜613に進み、中吸入空気量域（50m³/h
＜Ｑ≦80m³/h）であれば、ステップ614〜621に進み、高
吸入空気量域（80m³/h＜Ｑ≦120m³/h）であれば、ステ
ップ622〜629に進み、各対応のスキップ量RSR₁,RSL₁;RS
R₂,RSL₂;RSR₃,RSL₃を更新する。

なお、上記スキップ量RSR_i,RSL_i（ｉ＝１〜３）の更
新は、排気ガスの輸送遅れ、三元触媒のO₂ストレージ効
果等による反応遅れを考慮して、吸入空気量Ｑの変化が
安定するまで禁止してもよい。ここで、三元触媒のO₂ス
トレージ効果について説明すると、三元触媒はNOx,CO,H
Cを同時に浄化するものであり、その浄化率ηを第７図
に示すように、理論空燃比（λ＝１）よりリッチ側では
NOxの浄化率が大きく、リーン側ではCO,HCの浄化率が大
きい。このとき、三元触媒は、空燃比がリーンのときに
はO₂を取込み、空燃比がリッチになったときにCO,HCを
取込んでリーンのときに取込まれたO₂と反応せしめると
いうO₂ストレージ効果を奏する。

ステップ606では、下流側O₂センサ15の出力V₂をA/D変
換して取込み、ステップ607にてV₂が比較電圧V_R2、この
場合、0.2V以下か否かを判別する、つまり、空燃比がリ
ッチ側かリーン側かを判別する。この場合、O₂センサの
出力特性は第８図のごとくなるので、比較電圧V_R2を小
さく設定して平均空燃比がリーン側になるようにする。
この結果、V₂≦V_R2（リーン側）であれば、ステップ608
にて、RAM105より低吸入空気量用リッチスキップ量RSR₁
を読出して、RSR₁←RSR₁＋ΔRSR（一定値）とし、つま
り、リッチスキップ量RSR₁を増大させて空燃比をリッチ
側に移行させ、また、ステップ609にて、RAM105より低
吸入空気量用リーンスキップ量RSL₁を読出して、RSL₁←
RSL₁−ΔRSL（一定値）とし、つまり、リッチスキップ
量RSL₁を減少させて空燃比をやはりリッチ側に移行させ
る。逆にV₂＞V_R2（リッチ側）であれば、ステップ610に
て、RSR₁←RSR₁−ΔRSRとし、つまり、リッチスキップ
量RSR₁を減少させて空燃比をリーン側に移行させ、ま
た、ステップ611にて、RSL₁←RSL₁＋ΔRSLとし、つま
り、リーンスキップ量RSL₁を増大させて空燃比をやはり
リーン側に移行させる。そして、ステップ612,613にてR
SR←RSR₁,RSL←RSL₁とする。

同様に、ステップ614では、下流側O₂センサ15の出力V
₂をA/D変換して取込み、ステップ615にてV₂が比較電圧V
_R2、この場合、0.5V以下か否かを判別する、つまり、空
燃比がリッチかリーンかを判別する。この場合、比較電
圧V_R2平均空燃比が理論空燃比（λ＝１）となるように
する。この結果、V₂≦V_R2（リーン）であれば、ステッ
プ615にて、RAM105より中吸入空気量用リッチスキップ
量RSR₂を読出して、RSR₂←RSR₂＋ΔRSRとし、つまり、
リッチスキップ量RSR₂を増大させて空燃比をリッチ側に
移行させ、また、ステップ617にて、RAM105より中吸入
空気量用リーンスキップ量RSL₂を読出して、RSL₂←RSL₂
−ΔRSLとし、つまり、リッチスキップ量RSL₂を減少さ
せて空燃比をやはりリッチ側に移行させる。逆に、V₂＞
V_R2（リッチ）であれば、ステップ618にて、RSR₂←RSR₂
−ΔRSRとし、つまり、リッチスキップ量RSR₂を減少さ
せて空燃比をリーン側に移行させ、また、ステップ619
にて、RSL₂←RSL₂＋ΔRSLとし、つまり、リーンスキッ
プ量RSL₂を増大させて空燃比をやはりリーン側に移行さ
せる。そして、ステップ620,621にてRSR←RSR₂,RSL←RS
L₂とする。

同様に、ステップ622では、下流側O₂センサ15の出力V
₂をA/D変換して取込み、ステップ623にてV₂が比較電圧V
_R2、この場合、0.8V以下か否かを判別する、つまり、空
燃比がリッチ側かリーン側かを判別する。この場合、比
較電圧V_R2、を大きく設定して平均空燃比がリッチ側に
なるようにする。この結果、V₂≦V_R2（リーン側）であ
れば、ステップ624にて、RAM105より高吸入空気量用リ
ッチスキップ量RSR₃を読出して、RSR₃←RSR₃＋ΔRSRと
し、つまり、リッチスキップ量RSR₃を増大させて空燃比
をリッチ側に移行させ、また、ステップ625にて、RAM10
5より高吸入空気量用リーンスキップ量RSL₃を読出し
て、RSL₃←RSL₃−ΔRSLとし、つまり、リッチスキップ
量RSLを減少させて空燃比をやはりリッチ側に移行させ
る。逆に、V₂＞V_R2（リッチ側）であれば、ステップ626
にて、RSR₃←RSR₃−ΔRSRとし、つまり、リッチスキッ
プ量RSR₃を減少させて空燃比をリーン側に移行させ、ま
た、ステップ627にて、RSL₃←RSL₃＋ΔRSLとし、つま
り、リーンスキップ量RSL₃を増大させて空燃比をやはり
リーン側に移行させる。そして、ステップ628,629にてR
SR←RSR₃,RSL←RSL₃とする。

上述のごとく演算されたスキップ量RSR,RSLはステッ
プ630にて最大値たとえば7.5％および最小値たとえば2.
5％によりガードされる。

上述のごとく演算されたRSR,RSLはRAM105に格納され
た後に、ステップ633にてこのルーチンは終了する。

なお、空燃比フィードバック中に演算されたFAF,RSR,
RSLは一旦他の値FAF′,RSR′,RSL′に変換してバックア
ップRAM106に格納することもでき、これにより、再始動
時等における運動性向上にも役立つものである。また、
第６図のステップ630における最小値は過渡追従性がそ
こなわれないレベル値であり、また最大値は空燃比変動
によりドライバビリティの悪化が発生しないレベルの値
である。

また、スキップ量RSR,RSLは負荷たとえば吸入空気量
Ｑによってブロック分割されているので、吸入空気量Ｑ
が異なる領域に遷移したときには、その領域に適したス
キップ量RSR_i,RSL_i（ｉ＝１〜３）を各スキップ量RSR,R
SLとして用いるので、ただちに要求スキップ量RSR,RSL
が得られる。なお、上述の実施例では、Ｑによるブロッ
ク分割数は３であるが、他の数になし得ることは言うま
でもない。また、ブロック分割間隔は不等間隔、等間隔
のいずれでもよい。さらに、各領域で１回のスキップ量
の補正量ΔRSR,ΔRSLを異なる値にして制御性を向上さ
せることもできる。たとえば、第６図のステップ608,61
0のΔRSRを ΔRSR1とし、ステップ609,611のΔRSLを ΔRSL1とし、ステップ616,618のΔRSRを ΔRSR2とし、ステップ617,619のΔRSLを ΔRSL2とし、ステップ624,626のΔRSRを ΔRSR3とし、ステップ625,627のΔRSLを ΔRSL3とし、 ΔRSR1＜ΔRSR2＜ΔRSR3 ΔRSL1＜ΔRSL2＜ΔRSL3 等としてやればよい。

第９図は噴射量演算ルーチンであって、所定クランク
角度たとえば360゜CA毎に実行される。ステップ901では
RAM105より吸入空気量データＱおよび回転速度データNe
を読出して基本噴射量TAUPを演算する。たとえばTAUP←
α・Q/Ne（αは定数）とする。ステップ902にてRAM105
より冷却水温データTHWを読出してROM104に格納された
１次元マップにより暖機増量値FWLを補間計算する。ス
テップ903では、最終噴射量TAUを、 TAU←TAUP・FAF・（FWL＋β＋１）＋γ により演算する。なお、β，γは他の運転状態パラメー
タによって定まる補正量である。次いで、ステップ904
にて、噴射量TAUをダウンカウンタ108にセットすると共
にフリップフロップ109をセットして燃量噴射を開始さ
せる。そして、ステップ905にてこのルーチンは終了す
る。なお、上述のごとく、噴射量TAUに相当する時間が
経過すると、ダウンカウンタ108のキャリアウト信号に
よってフリップフロップ109がリセットされて燃料噴射
は終了する。

このようにして、吸入空気量Ｑに応じて比較電圧V_R2
は変化し、従って、吸入空気量Ｑに応じて平均空燃比は
変化する。さらに、吸入空気量Ｑに応じてブロック分割
されたリッチスキップ量RSR_iおよびリーンスキップ量RS
L_i（ｉ＝１〜３）が演算され、これらをリッチスキップ
量RSRおよびリーンスキップ量RSLとして用いるので、吸
入空気量Ｑに対応した平均空燃比がただちに得られるこ
とになる。

空燃比を正確に検出するためには、O₂センサの素子温
を350〜400℃以上にする必要がある。O₂センサの素子温
は、第10図、第11図に示すように、排気系の上流に位置
する程、高くなる。しかし、上流側O₂センサ13を排気系
のより上流に配置すると、高速、高負荷域では耐久性、
特性変化という点で問題となる。他方、下流側O₂センサ
15を排気系のより下流に配置すると、素子温の低下と共
に外部からの飛石、水等により破壊を招くという点で問
題となる。従って、O₂センサ13,15は触媒コンバータ12
の上、下流の適切場所に配置されるが、上述のごとく、
これらに内蔵されたヒータにより目標の素子温を確保す
ることが好ましい。また、ヒータ13a,15aの容量は、各O
₂センサにさらされる排気ガス温度にも影響するので、
これらの点を考慮の上、各ヒータ13a,15aの容量は異な
る値に設定される。また、ヒータ供給電力と素子温ある
いはヒータ温度との関係は、第12図あるいは第13図に示
すように、機関回転速度Ne（あるいは負荷）に依存す
る。従って、本発明においては、負荷たとえば吸入空気
量Ｑに応じてヒータ13a,15aを制御する。以下、ヒータ
制御を第14図を参照して説明する。

第14図はヒータ制御ルーチンであって、所定時間毎に
実行される。ステップ1401では、スタータスイッチ16が
オン（STA＝“1"）か否かを判別し、この結果、始動時S
TA＝“1"にはステップ1408に進み、ヒータ13a,15aをオ
フにする。つまり、始動時は始動時増量をO₂センサの出
力に関係なく行うので、ヒータ通電制御を停止する。ま
た、ステップ1402では、バッテリ電圧V_BをA/D変換して
取込み、ステップ1403では、V_B≧11.5Vか否かを判別す
る。この結果、V_B＜11.5Vであれば、ステップ1408に進
み、ヒータ13a,15aをオフにする。つまり、バッテリ電
圧V_Bが低いときには、ヒータ通電制御を停止してバッテ
リ電圧V_Bの低下を防止する。

ステップ1404では、RAM105より冷却水温データTHWを
読出してTHW≧60℃か否かを判別する。つまり、排気ガ
ス温度が高いか低いかを推定する。排気ガス温度が高け
れば（THW≧60℃）、ヒータ13a,15aのオン、オフ切替点
をＱ＝50m³/hとし、逆に、排気ガス温度が低ければ（TH
W＜60℃）、ヒータ13a,15aのオン、オフ切替点をＱ＝70
m³/hとする。つまり、THW≧60℃であれば、ステップ140
5に進み、RAM105より吸入空気量データＱを読出してＱ
≦50m³/hか否かを判別し、この結果、Ｑ≦50m³/hであれ
ばステップ1407にてヒータ13a,15aをオンにし、他方、
Ｑ＞50m³/hであればステップ1408にてヒータ13a,15aを
オフにする。同様に、THW＜60℃であれば、ステップ140
6に進み、RAM105より吸入空気量データＱを読出してＱ
≦70m³/hか否かを判別し、この結果Ｑ≦70m³/hであれば
ステップ1407にてヒータ13a,15aをオンにし、他方、Ｑ
＞70m³/hであればステップ1408にてヒータ13a,15aをオ
フにする。

そして、ステップ1409にてこのルーチンは終了する。

このように、第14図のルーチンによれば、容量の異な
るO₂センサ13,15のヒータ13a,15aは負荷たとえばＱに応
じて同時にオン、オフ制御される。

第15図は第14図の変更例であって、ヒータ13a,15aの
容量を同一にした場合である。この場合には、ヒータ13
aのオン、オフ条件とヒータ15aのオン、オフ条件を異な
らせて冷え易い下流側O₂センサ15のヒータ15aの通電時
間を多くしたものである。すなわち、THW＜60℃であれ
ば、ヒータ13a,15aを共にオンにするが、THW≧60℃であ
れば、吸入空気量Ｑに応じてオン、オフされるヒータ13
a,15aは異なる。つまり、Ｑ≦40m³/hであれば、ヒータ1
3a,15aは共にオンにされ、40＜Ｑ≦70m³/hであれば、ヒ
ータ13aはオフに、ヒータ15aはオンにされ、Ｑ＞70m³/h
であれば、ヒータ13a,15aは共にオフとされる。

このように、第15図の変更例によれば、ヒータ13a,15
aの容量を同一にした場合にも負荷たとえばＱに応じて
オン、オフ制御されるが、ヒータ13a,15aのオン、オフ
制御条件は異ならせれば、第14図の場合と同様の効果が
得られる。

なお、第１の空燃比フィードバック制御は4ms毎に、
また、第２の空燃比フィードバック制御は1s毎に行われ
るのは、空燃比フィードバック制御は応答性の良い上流
側O₂センサによる制御を主にして行い、応答性の悪い下
流側O₂センサによる制御を従にして行うためである。

また、上流側O₂センサによる空燃比フィードバック制
御における他の制御定数、たとえば積分定数、遅延時
間、上流側O₂センサの比較電圧V_R1等を下流側O₂センサ
の出力により補正するダブルO₂センサシステムにも、ま
た、第２の空燃比補正係数を導入するダブルO₂センサシ
ステムにも本発明を適用し得る。また、スキップ量、積
分定数、遅延時間のうちの２つを同時に制御することに
より制御性を向上できる。さらに、スキプ量RSR,RSLの
うちの一方を固定し、他方のみを可変とすることも、積
分定数KIR,KILのうちの一方を固定し他方のみを可変と
することも、あるいは遅延時間TDR,TDLの一方を固定し
他方を可変とすることも可能である。

また、吸入空気量センサとして、エアフローメータの
代りに、カルマン渦センサ、ヒートワイヤセンサ等を用
いることもできる。

さらに、上述の実施例では、吸入空気量および機関の
回転速度に応じて燃料噴射量を演算しているが、吸入空
気圧および機関の回転速度、もしくはスロットル弁開度
および機関の回転速度に応じて燃料噴射量を演算しても
よい。

さらに、上述の実施例では、燃料噴射弁により吸気系
への燃料噴射量を制御する内燃機関を示したが、キャブ
レタ式内燃機関にも本発明を適用し得る。たとえば、エ
レクトリック・エア・コントロールバルブ（EACV）によ
り機関の吸入空気量を調整して空燃比を制御するもの、
エレクトリック・ブリード・エア・コントロールバルブ
によりキャブレタのエアブリード量を調整してメイン系
通路およびスロー系通路への大気の導入により空燃比を
制御するもの、機関の排気系へ送り込まれる２次空気量
を調整するもの、等に本発明を適用し得る。この場合に
は、ステップ901における基本噴射量TAUP相当の基本燃
料噴射量がキャブレタ自身によって決定され、すなわ
ち、吸入空気量に応じた吸気管負圧と機関の回転速度に
応じて決定され、ステップ903にて最終燃料噴射量TAUに
相当する供給空気量が演算される。

さらに、上述の実施例では、空燃比センサとしてO₂セ
ンサを用いたが、COセンサ、リーンミクスチャセンサ等
を用いることもできる。

さらに、上述の実施例はマイクロコンピュータすなわ
ちディジタル回路によって構成されているが、アナログ
回路により構成することもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、機関の負荷によ
り平均空燃比を変化させ、つまり、高負荷時には平均空
燃比をリッチ側にし、他方、低負荷時には平均空燃比を
リーン側にしているので、エミッションの低減および触
媒排気異臭の低減に役立つものであり、しかも、機関の
負荷に応じて空燃比制御量たとえばRSR,RSLをブロック
分割しているので、機関の負荷が異なる領域に遷移した
ときにも要求空燃比に迅速に近づけることができ、この
結果、制御遅れによる燃費の悪化、ドライバビリティの
悪化、エミッションの悪化等を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を説明するための全体ブロック
図、第２図はシングルO₂センサシステムおよびダブルO₂セン
サシステムを説明する排気エミッション特性図、第３図は本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の一実
施例を示す全体概略図、第４図、第６図、第９図、第14図、第15図は第３図の制
御回路の動作を説明するためのフローチャート、第５図は第４図のフローチャートを補足説明するための
タイミング図、第７図は三元触媒の排気エミッションの特性を示すグラ
フ、第８図はO₂センサの出力特性を示すグラフ、第10図はO₂センサの配置位置を示す機関の概観図、第11図は第10図の配置位置に対応する素子温を示すグラ
フ、第12図はヒータ供給電力と素子温との関係を示すグラ
フ、第13図はヒータ供給電力とヒータ温度との関係を示すグ
ラフである。１……機関本体、３……エアフローメータ、４……ディストリビュータ、 5,6……クランク角センサ、 10……制御回路、12……触媒コンバータ、 13……上流側（第１の）O₂センサ、 15……下流側（第２の）O₂センサ、 16……スタータスイッチ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系に設けられた排気ガス浄
化のための触媒コンバータの上流側、下流側に、それぞ
れ設けられ、排気ガス中の特定成分濃度を検出する第
１、第２の空燃比センサと、該第１の空燃比センサの出力を第１の比較電圧と比較す
る第１の比較手段と、前記機関の負荷を検出する負荷検出手段と、該検出された負荷が高負荷であるときに第２の比較電圧
をリッチ判定側に、他方、該検出された負荷が低負荷で
あるときに第２の比較電圧をリーン判定側に演算する比
較電圧演算手段と、前記第２の空燃比センサの出力を前記第２の比較電圧と
比較する第２の比較手段と、前記検出された負荷の高負荷または低負荷に応じて設け
られた各空燃比制御量を前記第２の比較手段の比較結果
に応じて演算する空燃比制御量演算手段と、前記第１の比較手段の比較結果および前記検出された負
荷に対応した空燃比制御量に応じて前記機関の空燃比を
調整する空燃比調整手段と、を具備する内燃機関の空燃
比制御装置。