JP2555358B2 - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えばキヤブレター等を備えたエンジンの
空燃比制御装置に関する。

（従来の技術） 従来のこのような空燃比制御装置は、排気ガスセンサ
の出力をモニタし、吸気系の空燃比を理論値にフイード
バツク制御するようにしている。このような空燃比制御
装置、例えば、実開昭56−15436号等においては、アイ
ドリング状態において通常運転状態にあるときよりも制
御系の制御利得を小さくすることにより、制御系のハン
チングを防止している。即ち、エンジン運転状態の、通
常状態とアイドリング状態との間での変更に応じて、制
御利得を可変にしているわけである。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、実際の運転においては、運転状態の変化時
に限られず、定常走行，緩加速走行が維持されている状
態においてもサージングが発生したり、アイドル時にお
いてもエンジン振動が発生して安定性に欠けることがあ
る。

本願の発明者達はこの点について、エンジンの燃料供
給系の機械的な固有振動数の周期と、空燃比制御系の制
御周期とが一致して共振状態に陥り、予測以上の空燃比
変動が発生してトルク変動、車体振動につながつている
ことを突きとめた。

そこで、本発明は上述従来例の欠点を除去するために
提案されたものでその目的は、運転状態の余り変動がな
いような状態において、上記共振状態が発生したとき若
しくは発生する恐れのあるときに、フイードバツク制御
の制御利得を変更することにより、上記共振を抑制する
ようなエンジンの空燃比制御装置を提供するところにあ
る。

（問題点を解決するための手段） 上記課題を達成するための本発明の空燃比制御装置の
構成は、排気ガスセンサ100の出力に基づいて空燃比を
目標値にフイードバツク制御する空燃比制御装置101
と、運転状態の大きな変化がないことを検出する状態検
出手段103と、フイードバツク制御106が共振領域にある
ことを検出する領域検出手段104と、この状態検出手段1
04が運転状態の大きな変化のないことを検出している場
合に、領域検出手段104が検出する制御量106が前記共振
領域内に入つたと検出したときに、このフイードバツク
制御の制御利得を変更する利得変更手段102とを備えた
ことを特徴とする。

（作用） 上記構成の空燃比制御装置によると、運転状態に大き
な変化がなく、かつ制御量106が前記共振領域内に入つ
たときを共振状態と判断し、利得変更手段102が制御利
得を変更することにより、フイードバツク制御の周期が
変り、その結果、共振状態から脱却する。

（実施例） 以下添付図面を参照しつつ、本発明を気化器方式エン
ジンに適用した場合の実施例を詳細に説明する。

〈空燃比制御装置の全体構成〉 第２図はエンジン本体８を中心にしたエンジン制御の
ための実施例である。本実施例のエンジンの燃料供給は
気化器方式を用いたものである。４は気化器、５はチヨ
ーク弁、６はスロツトル弁、７は吸気管９内の負圧信号
Ｂを検出する負圧センサ、11は排気ガス中の酸素濃度
（信号V_S）を検出する排気ガスセンサ、１はエンジン制
御を行うコントロールユニット（ECU）、２は点火信号
によりエンジン回転数を知るためのイグニツシヨンコイ
ルである。混合気の空燃比制御は、コントロールユニッ
ト１からのデユーテイー比信号Ｄ（フイードバツク制御
量）により、フイードバツクソレノイド３を介して気化
器４中のエアブリードの開口面積を変える事により行な
われる。12は触媒浄化装置である。周知のように、この
浄化装置12はλ＝１で最もその浄化能力が発揮される。

コントロールユニツト１への入力信号としては酸素セ
ンサ11からの信号V_S、吸気管負圧を示す信号Ｂ、エンジ
ン回転数を知るためのIGパルス、エンジンの暖機状態を
知るための水温センサ（不図示）からの信号TH_W、アイ
ドル状態を示す信号IDLE等である。

第３図は一般的な排気ガスセンサ出力V_Sの空燃比に対
する静特性を示す。この図に示すように、センサ出力V_S
はλ＝１を境にして反転するから、空燃比がリツチにあ
るかリーンにあるかの判定はその出力V_Sから行なうこと
はできる。しかし、V_Sの値がλと比例関係にないため
に、排気ガスセンサからの出力V_Sによる目標空燃比λ＝
１へのフイードバツク制御は必ず、第4A図に示した如く
振動することになる。第4A図において、A/Fは実際の空
燃比を、V_Sはセンサ出力を、D_cは、前記フイードバツク
ソレノイド３のデユーテイー比信号Ｄのうち、λ＝１の
基本空燃比を得るための基本デユーテイ比（以下、D_Bと
する）に対する、空燃比制御のための補正制御量であ
る。

〈空燃比制御の概略〉 実際の空燃比A/Fが図のように例えば徐々にリーン側
に変動して、λ＝１以下になると、センサ出力V_Sはその
応答遅れ時間だけ遅れて、やがて閾値電圧α未満にな
る。ECU1は閾値電圧α未満を検知すると、空燃比がリー
ン側に変動したとして、空燃比制御をリツチ側にもつて
いく。この場合、D_cをリツチ側にもつていくわけである
が、前記センサの応答遅れ時間を補償するために、V_Sの
α未満を検知した時点で制御量D_cを△Ｐだけリツチ側に
振る（所謂、プラスＰ制御である）。そして、これ以
降、センサ出力V_Sの閾値α以上を検知するまで、時間の
経過と共に、D_cを△Ｉづつ漸増する（所謂、プラスＩ制
御である）。空燃比が漸増し、やがてセンサ出力V_Sが閾
値α以上を検知すると、リツチ状態になつたと判断し
て、前述の動作の逆を行なう。即ち、その時点で△Ｐだ
けD_cを即座に減らし（マイナスＰ制御）、△Ｉづつ漸減
する（マイナスＩ制御）ものである。このように、空燃
比制御はある周波数で振動する。この周期は、制御利得
である△Ｐと△Ｉの大きさで決まる。

ところが、例えば第２図の気化器４等では、吸気管内
の負圧変動により脈動が発生し、気化器内での燃料供給
に遅れが発生する。この遅れは、例えば信号Ｄを制御し
て、フイードバツクソレノイド３の開口率を燃料を増量
側に制御しようとしても増量遅れが発生し、逆に、燃料
を減量しようと制御しても減量遅れが発生することにな
る。

第4B図，第4C図夫々に、この増量遅れ及び減量遅れに
よる、制御系の共振状態発生を示す。破線はこの遅れが
無い場合の状態を示す。この遅れにより、実際の空燃比
の変化が遅れるために結果的にセンサ出力V_Sが閾値αに
達する時間も延びてしまい、信号D_cの周期が延る。その
結果、デユーテイ比Ｄの値は必要以上に増量側若しくは
減量側の値になる。このような状態のところに、燃料供
給の遅れが回復すると、オーバリツチ若しくはオーバリ
ーンになるのは明らかである。これが前述のトルクシヨ
ツク若しくはエンジン振動の原因になる。

そこで、第２図実施例の空燃比制御装置は、この共振
状態が制御信号D_cの振幅若しくは周期に反映されること
に着目する。即ち、この振幅若しくは周期が一定値以上
になつたら、共振状態に陥つたと判断して、現在の制御
周期を強制的に変更するようにするのである。この制御
周期の変更は、第２図実施例では、制御利得△Ｐ及び
（若しくは）△Ｉを増加させて、λ＝１の目標空燃比へ
の制御レスポンスを早め、結果的に燃料系の脈動周期と
ずらすことにより、共振状態から脱却するものである。

第５図に、上述した制御量P,Iに対するデユーテイ信
号D_cの変動幅の関係を示す。一般的には、PI値と変動幅
とは略比例関係にある。これらPI値が小さ過ぎると空燃
比制御の追従性が悪くなり、逆に大き過ぎるとリツチゾ
ーン，リーンゾーンに入り、排気ガス浄化にアクチユエ
ータ影響を与える。従つて、一般的な空燃比制御では、
上記PI値は妥協的な値に設定してある。このために、そ
こに燃料系の脈動等の他の変動要因があると、その周期
によつては、第4B図，第4C図，第５図に示したような共
振現象が起こつてしまうのである。

〈ECU〉 第６図にコントロールユニツト１の回路構成の一例を
示す。その概略構成はCPU20、そして信号B,V_STH_Wを入力
してデジタル値に変換するA/D変換器21、信号IDLEを入
力する入力ポート22、一定時間如に後述の割込みプログ
ラムを行なうためのタイマ割込みを発生するためのプロ
グラマブルタイマ23、第7A図，第7B図のフローチヤート
の如きプログラムを格納するROM24、計算データ等を格
納するRAM25、信号Ｄをラツチする出力ポート26、信号
Ｄに従つてフイードバツクソレノイド３を駆動する出力
ドライバ27等である。

〈空燃比制御の制御手順〉 第7A図，第7B図は第２図実施例の気化器式エンジンに
おけるフイードバツク制御プログラムのフローチヤート
である。このプログラムによるフイードバツク制御は、 ：λ＝１の目標空燃比へのフイードバツク制御と、 ：共振状態を制御信号D_cの振幅変動から判断する制御
と、 ：制御信号D_cの振幅変動を、運転状態の変化によるも
のか共振によるものかを区別する制御と、 ：共振状態を検出したときに、制御利得を変更する制
御と、 ：運転状態が変化したときに、制御利得を元の値に戻
す制御等を行なう。

共振状態の検出は次のようにして行なう。即ち、セン
サ出力V_Sが閾値αを横切るときは、それまで制御信号D_c
に対してはＩ制御が行なわれていたのであるから、その
横切つた時点のD_cの値は極大値若しくは極小値を示す。
即ち、第4A図に示すように、それまでリーン状態が維持
されていて、出力V_Sがαをリーン→リツチに横切つてリ
ツチ状態に反転したときは、その反転時のD_cの値は極大
値を示し、反対にリツチ状態が維持されていて、V_Sがα
をリツチ→リーンに横切つてリーン状態に反転したとき
は、その反転時のD_cの値は極小値を示す。後述の実施例
では、上記極大値をP_Lとしてセーブし、極小値をP_Rとし
てセーブする。この、 （P_R−P_L） という差が所定値以上であるときに共振状態と判断する
ものである。そこで、フローチヤートに即して制御を説
明する。

まず、ステツプS2で、エンジン回転数Ｎを演算する。
次にステツプS4で、負圧センサから負圧信号Ｂを検出す
る。ステツプS6では前回計測した負圧信号B_Pとステツプ
S4で計測した負圧信号の差△Ｂを演算する。この△Ｂは
運転条件が変化したか否かを判定するのに使われる。ス
テツプS8では、次回の負圧測定のために今回測定した負
圧をB_Pとしてセーブする。ステツプS10では、負圧Ｂと
エンジン回転数Ｎとに基づいた、例えば第８図に示した
ゾーン判断から、空燃比制御が必要な運転領域に現在あ
るか否かを判断する。

もし、そのような運転領域にないのならば、ステツプ
S12で、フイードバツクソレノイド３のデユーテイ比信
号Ｄの基本デユーテイ比成分D_Bを80％に設定し、ステツ
プS14では、信号Ｄの空燃比制御補正分D_cを“0"にし、
ステツプS16で最終デユーテイ比Ｄを、 Ｄ＝D_B＋D_c から演算して、ステツプS18で、ドライバ27を介してフ
イードバツクソレノイド３に出力する。フイードバツク
制御領域にないのならば、D_cは“0"であるが、フイード
バツク制御領域にあるのならば、Ｐ制御,I制御により、
D_cは可変の値となる。

運転状態がフイードバツク制御ゾーンにある場合を説
明する。このときは、ステツプS10から第7B図のステツ
プS20に制御が移る。ステツプS20では、ステツプS2,ス
テツプS4で測定した回転数Ｎ及び負圧Ｂに応じて、基本
空燃比が得られるような基本デユーテイ比D_Bを、例えば
ROM24内のマツプから検索する。ステツプS22でセンサ11
の出力V_Sを読み込み、ステツプS24で、このV_Sとリツチ
／リーンの判定基準となる閾値電圧αと比較する。

V_S≧α（リツチ状態検出）のとき ステツプS24→ステツプS26に進み、前記サイクルのと
きのリツチ／リーン状態を示すフラグＦを調べる。この
フラグＦは、第4A図にも示すように、リーン状態からリ
ツチ状態にV_Sが変化したときに“1"にセツトされ、リツ
チ状態からリーン状態に変化したときに“0"にリセツト
される。従つて、ステツプS26で、フラグＦが“0"であ
れば、前回がリーン状態であつたのであり、今リツチに
反転したのである。

まず、ステツプS30で現在のD_cの値を前記極大値P_Lと
してセーブする。次に、ステツプS32で、マイナスＰ制
御を行なうために、デユーテイ補正量D_cを△Ｐだけ減ず
る。そして、ステツプS34で、リツチ状態に反転したの
で、V_Sがα以下に下がるまでマイナスＩ制御を行なうよ
うに、フラグＦを“1"にセツトする。

次にステツプS46で、共振状態を調べるために、 D_d＝P_L−P_R を演算する。ステツプS48では、運転状態が変更されて
いないかを調べる。これは、運転状態が変化したことに
よつても、上記（P_L−P_R）は大きな値となるからであ
る。運転状態の変更は、ステツプS6で演算した負圧の変
動△Ｂを所定の閾値βと比較して判断され、 △Ｂ≧β であれば運転状態の変更、 △Ｂ＜β であれば、非変更と判断する。

運転状態の変更でなければ、ステツプS50に進み、上
述のD_dと所定の閾値γとを比較する。

D_d≧γ であれば共振状態、 D_d＜γ であれば非共振状態と判断する。共振状態でなければ、
現在の制御利得△I,△Ｐを変更する必要がないので、そ
のままステツプS16（第7A図）に戻る。

このように、リーンからリツチに反転して、ステツプ
S18で、△ＰのＰ制御（ステツプS32）を行なつたデユー
テイ比で気化器４から燃料を供給する。再びステツプS2
4に来たときに、センサ出力がV_S≧αであれば、リツチ
状態に留まつているのであるから、フラグＦは“1"であ
り、ステツプS24→ステツプS26→ステツプS36に進ん
で、 D_c＝D_c−△Ｉ（マイナスＩ制御） を行なう。運転状態の変更もなく、また共振状態も検出
されなければ、ステツプS36→ステツプS46→ステツプS4
8→ステツプS50ステツプS16→……と進み、上記制御を
繰り返す。

V_S＜α（リーン状態）のとき マイナス側のＩ制御により空燃比はリーン側に移行す
るから、やがて、ステツプS24で、 V_S＜α を検出する。前回はリツチ状態であつたのだから、フラ
グＦは“1"であるから、ステツプS40に進み、リツチ→
リーンに反転したときの制御量D_cの値をP_Rにセーブす
る。そして、ステツプS42でプラス側のＰ制御を行な
う。ステツプS44でフラグＦをリセツトし、ステツプS46
以下で運転状態の変更の存否、共振状態の存否を調べて
前述の制御を行なう。再度ステツプS24に来て、リーン
状態が持続しているのであれば、ステツプS37→ステツ
プS38に進んで、プラス側のＩ制御を行なう。

このようにして、第4A図に示したのと同じように、第
７図のフローチヤートにより、リツチ状態であれば、マ
イナス側のＰ制御,I制御を行ない、リーン状態であれ
ば、プラス側のＰ制御,I制御を行なう。

共振状態 ステツプS50で共振状態と判断された場合を説明す
る。このときは、ステツプS52,ステツプS54で、制御利
得△I,△Ｐを夫々△Ｉ′，△Ｐ′に変更する。この△
Ｉ′，△Ｐ′は△I,△Ｐと異なればよいのであるが、例
えば、 と設定すれば、△Ｐ′によるＰ制御により、オーバリツ
チ若しくはオーバリーン状態は速やかに解消され、更に
△Ｉ′により制御系のレスポンスはよくなり、結果的に
制御系の制御周期が燃料供給系の脈動周期と速やかにず
れるので、素早く共振状態から脱し、それでD_cの変動は
速やかに小さくなる。逆に、 に設定すれば、共振状態からの脱却は上記の場合より若
干遅れるかもしれないが、共振状態から脱却することは
変わりない。また、制御利得が減少することにより、制
御系のハンチングの発生が抑えられ、将来的な共振状態
発生の防止が計られる。

運転状態変更 さて、運転状態の変更がステツプS48で検知されたと
きの説明を行なう。このときはステツプS56に進み、制
御利得△I,△Ｐを△Ｉ″，△Ｐ″に変更する。

この△Ｉ″，△Ｐ″の値としては、例えば、△Ｉ′，
△Ｐ′以外の値の△I,△Ｐの初期値であるようにする。
このような値に設定すると、共振状態が検知されて、ス
テツプS52,ステツプS54で制御利得が変更されても、運
転状態が変更されれば、そのエンジンを空燃比制御する
のに最適な筈のものとして初期的に設定された△Ｉ″，
△Ｐ″に戻るので、最適な制御状態でエンジンが運転さ
れることになる。もし、△Ｉ″，△Ｐ″で、共振状態が
発生したら、制御利得を△Ｉ′，△Ｐ′に変更する。

〈変形例〉 尚、上記実施例では、共振状態の判断をD_dの大きさで
行なつていたが、信号D_cの周期の長さにより行なつても
よい。これは、制御利得△P,△Ｉが既知であれば、その
利得でもつて共振を起こしていない状態での周期の長さ
は前もつて知ることができるから、その長さをもつて共
振状態発生の区別ができるからである。

また、上記実施例では、気化器式エンジンでの実施例
でもつて本発明を説明したが、本発明は所謂燃料噴射式
エンジンにおける共振防止にも適用できる。燃料供給系
統を含むインジエクタ周辺の機械的固有振動数による燃
料脈動は、程度は少ないにしても気化器式の場合と同じ
ように発生するからである。

また、共振状態の検出は、上記実施例のような信号D_c
のピーク−ピーク値の大きさによる判断ではないもので
あつてもよい。即ち、エンジンの回転あるいは負荷等の
状態から、予め共振を起こす恐れのある領域を設定して
おき、この運転領域になったときに、上述の制御利得変
更の手順を実行するようにしてもよい。

また、上記実施例では制御利得はＰもＩも変更するよ
うにしたが、いずれか一方であつても、制御周期は変わ
る。

（発明の効果） 以上説明したように本発明のエンジンの空燃比制御装
置によれば、エンジンの運転状態の変更がない場合に発
生する（又は発生の恐れのある）燃料脈動と制御系の振
動とによる共振を検知し、かつ平均空燃比を最適に保つ
たかたちで、その共振を抑えることができ、そのために
空燃比の大幅な変動の防止と運転性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を説明した図、 第２図は本発明を気化器式エンジンに適用した実施例の
構成図、 第３図は排気ガスセンサの静特性を示す図、 第4A図はフイードバツク制御の動作を説明する図、 第4B図，第4C図及び第５図は共振発生の原因を説明する
図、 第６図は実施例のエンジンコントロールユニツトユニツ
トの回路の一例の図、 第7A図，第7B図は実施例に係る制御手順のフローチヤー
ト、 第８図は空燃比のフイードバツク制御を行なうべきゾー
ンを示す図である。 図中、 １……コントロールユニツト（ECU）、２……イグニツ
シヨンコイル、３……フイードバツクソレノイド、４…
…気化器、５……チヨーク弁、６……スロツトル弁、７
……負圧センサ、８……シリンダ、９……吸気管、10…
…排気管、11……排気ガスセンサ、12……触媒浄化装
置、20……CPU、21……A/D変換器、22……入力ポート、
23……タイマ、24……ROM、25……RAM、26……出力ポー
ト、27……出力ドライバである。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−71575（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−255546（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−119138（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−23037（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−174550（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−128137（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−120050（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−166150（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気ガスセンサの出力に基づいて空燃比を
   目標値にフイードバツク制御する空燃比制御装置におい
   て、 運転状態の大きな変化がないことを検出する状態検出手
   段と、 上記フイードバツク制御における制御量が共振領域にあ
   ることを検出する領域検出手段と、 前記状態検出手段が運転状態の大きな変化のないことを
   検出している場合に、上記領域検出手段が検出する制御
   量が共振領域に入つたことを検出すると、このフイード
   バツク制御の制御利得を変更する利得変更手段とを備え
   たことを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 【請求項２】前記領域検出手段は、フイードバツク制御
   の制御信号の制御幅から制御領域を検出し、 前記利得変更手段は、この領域検出手段が検出した制御
   信号の制御幅が共振振幅値以上であるときに、前記制御
   利得を変更する事を特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のエンジンの空燃比制御装置。
3. 【請求項３】前記フイードバツク制御の制御信号は、排
   気ガスセンサの出力がリツチ状態とリーン状態との間で
   夫々変動したときにおける、燃料供給制御信号である事
   を特徴とする特許請求の範囲第２項に記載のエンジンの
   空燃比制御装置。