JP2560303B2

JP2560303B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2560303B2
Application number: JP62009930A
Authority: JP
Inventors: 真人氏野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1987-01-21
Filing date: 1987-01-21
Publication date: 1996-12-04
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: JPS63179153A

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感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、上流側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、ダブルO₂センサシステムにおける下流
側O₂センサは触媒コンバータの下流に位置しているため
に、ある時間だけ遅れてリッチ，リーン出力を発生す
る。つまり、触媒コンバータ（三元触媒）のO₂ストレー
ジ効果により下流側O₂センサの出力は遅延する。従っ
て、下流側O₂センサの出力がリーンからリッチへ変化し
た時には、触媒コンバータ上流の空燃比は既に理論空燃
比より大きくリッチ側にずれており、この結果、CO,HC
エミッションの扱悪化および燃費の悪化を招き、逆に、
下流側O₂センサの出力がリッチからリーンへ変化した時
には、触媒コンバータ上流の空燃比は既に理論空燃比よ
り大きくリーン側にずれており、この結果、NO_Xエミッ
ションの悪化およびドライバビリティの悪化を招くとい
う問題点がある。

なお、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NO_X,CO,HCを同時に浄化するものであ
り、その浄化率ηを第３図の一点鎖線に示すように、理
論空燃比（λ＝１）よりリッチ側ではNO_Xの浄化率が大
きく、リーン側ではCO,HCの浄化率が大きい（HCは図示
しないが、COと同一傾向である）。この結果、要求浄化
率ηをη_０とすれば、制御可能な空燃比ウィンドウｗは
非常に狭く（ｗ＝w₁）、従って、理論空燃比に対する空
燃比フィードバック制御も、本来、この範囲（w₁）で行
わなければならない。しかし、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ストレージ効果を有し、空燃比フィ
ードバック制御はこのようなO₂ストレージ効果を積極的
に利用するため、最適な周波数、振幅で空燃比を制御さ
せるようにしている。この結果、第３図の実線に示すよ
うに、空燃比フィードバック制御時には浄化率ηは向上
し、制御可能な空燃比ウィンドウｗは実質的に広く（ｗ
＝w₂）なる。この場合、下流側O₂センサの出力は第4A図
に示すごとくたとえば周波数2Hzで変化する。

しかしながら、下流側O₂センサが劣化すると、酸素が
下流側O₂センサのジルコニア素子に入りにくくなり、こ
の結果、排気ガスがリッチ状態からリーン状態に変化し
た場合には、下流側O₂センサ出力のリッチ信号からリー
ン信号への変化は遅れ、つまり、下流側O₂センサ出力の
最大値から最小値への変化時間が長くなる。このとき、
出力電圧が十分低下する前に空燃比はリッチとなる。こ
の結果、第4B図に示すごとく、制御空燃比周波数は小さ
くなり、従って、O₂ストレージ効果も小さくなる。この
ように、O₂ストレージ効果が小さくなると、制御可能な
空燃比ウィンドウｗは狭くなり、たとえばｗ＝w₁（周波
数で1Hz）となり、下流側O₂センサ出力振幅も小さくな
る。

このように、下流側O₂センサが変化すると、空燃比フ
ィードバック制御が適正に行われなくなり、やはり、C
O,HC,NO_Xエミッションの悪化、燃費の悪化、ドライバビ
リティの悪化等を招くという問題点がある。

従って、本発明の目的は、下流側空燃比センサ（O₂セ
ンサ）の応答速度を実質的に上昇させることによりCO,H
C,NO_Xエミッションの悪化、燃費の悪化、ドライバビリ
ティの悪化等を防止することにある。

〔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構成は第１図に示され
る。第１図において、排気ガス中の特定成分濃度を検出
する第1,2の空燃費センサが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、設けられている。変化方向判別手段
は下流側（第２の）空燃比センサの出力V₂がリッチ方向
に変化中かリーン方向に変化中かを判別する。この結
果、下流側空燃比センサの出力がリッチ方向に変化中か
リーン方向に変化中かに応じて、リッチ判別手段および
リーン判別手段のいずれか一方のみを動作させる。たと
えば、下流側空燃比センサの出力V₂が上昇中であれば、
変化方向判別手段は下流側空燃比センサの出力V₂がリッ
チ方向に変化中であると判別しリッチ判別手段を動作さ
せ、この結果、リッチ判別手段は下流側空燃比センサの
出力V₂を理論空燃比レベルよりリーン側の第１の判別レ
ベルV_RLたとえば0.3Vと比較することにより下流側空燃
比センサの出力のリッチ状態を判別する。下流側空燃比
センサの出力V₂が下降中であれば、変化方向判別手段は
下流側空燃比センサの出力V₂がリーン方向に変化中であ
ると判別しリーン判別手段を動作させ、この結果、リー
ン判別手段は下流側空燃比センサの出力を理論空燃比レ
ベルよりリッチ側の第２の判別レベルV_RRたとえば0.6V
と比較することにより下流側空燃比センサの出力V₂のリ
ーン状態を判別する。定数演算手段はリッチ判別手段に
よって判別された下流側空燃比センサの出力のリッチ状
態およびリーン判別手段によって判別された下流側空燃
比センサの出力のリーン状態に応じて空燃比フィードバ
ック制御に関与する定数、例えばスキップ制御定数RS
R、RSLを演算するが、リッチ判別手段によって判別され
た下流側空燃比センサの出力のリーン状態およびリーン
判別手段によって判別された下流側空燃比センサの出力
のリッチ状態のときには上記空燃比フィードバック制御
に関与する定数の更新を停止する。この結果、空燃比補
正量演算手段は空燃比フィードバック制御定数RSR,RSL
と上流側（第１の）空燃比センサの出力V₁とに応じて空
燃比補正量FAFを演算する。そして、空燃比調整手段は
空燃比補正量FAFに応じて機関の空燃比を調整するもの
である。

〔作用〕

上述の構成によれば、リッチ検出用の第１の判定レベ
ルV_RLはリーン側に設定され、リーン検出用の第２の判
定レベルV_RRはリッチ側に設定されているので、下流側
空燃比センサのリッチ，リーン変化点が迅速に検出され
ることになる。

〔実施例〕

第５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５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３゜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,NO_X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。

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10
2、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108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。

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RA
M105の所定領域に格納される。

第６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601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、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627に進んで空燃
比補正係数FAFを1.0とする。なお、この場合、FAFを閉
ループ制御終了直前のFAFの値もしくは平均値、あるい
は学習値とすることもできる。他方、閉ループ条件成立
の場合はステップ602に進む。

ステップ602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603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、つまり、空燃比がリッチかリ
ーン（V₁≦V_R1）であれば、ステップ604にてデイレイカ
ウンタCDLYが正か否かを判別し、CDDLY＞０であればス
テップ605にてCDLYを０とし、ステップ606に進む。ステ
ップ606では、デイレイカウンタCDLYを１減算し、ステ
ップ607,608にてデイレイカウンタCDLYを最小値TDLでガ
ードする。この場合、デイレイカウンタCDLYが最小値TD
Lに到達したときにはステップ609にて第１の空燃比フラ
グF1を“0"（リーン）とする。なお、最小値TDLは上流
値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610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611にてCDLYを０とし、ステップ612に進む。ステ
ップ612ではデイレイカウンタCDLYを１加算し、ステッ
プ613,614にてデイレイカウンタCDLYを最大値TDRでガー
ドする。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615にて第１の空燃比フラ
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616では、第１の空燃比フラグ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617にて、第１の空燃比フラグ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618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619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612にて第１の空燃比フラグF1の符号が反転
していなければ、ステップ620,621,622にて積分処理を
行う。つまり、ステップ620にて、F1＝“0"か否かを判
別し、F1＝“0"（リーン）であればステップ621にてFAF
←FAF＋KIとし、他方F1＝“1"（リッチ）であればステ
ップ622にてFAF←FAF＋KIとする。ここで、積分定数KI
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、KI＜RSR（RSL）である。従って、ステップ
621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6222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618,619,621,622にて演算された空燃比補正
係数FAFはステップ623,624にて最小値たとえば0.8にて
ガードされ、また、ステップ625,626にて最大値たとえ
ば1.2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が大きくなり過ぎ、もしくは小さく
なり過ぎた場合に、その値で機関の空燃比を制御してオ
ーバリッチ、オーバリーンになるのを防ぐ。

上述のごとく演算されたFAFをRAM105に格納して、ス
テップ628にてこのルーチンは終了する。

第７図は第６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７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７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７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TD
R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７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に
関与する定数としてのスキップ量RSR,RSL、積分定数KI
R,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
空燃比をリーン側に移行でき、また、リッチスキップ量
RSR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KIR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る空燃
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レ
スポンスの良い制御が可能である。従って、これらの可
変量は当然２つ以上組み合わされて用いられ得る。

第８図を参照して空燃比フィードバック制御に関与す
る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８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801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ない時、下流側O₂センサ15が
故障している時、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
プ条件でなければステップ822,823に進みスキップ量RS
R,RSLを一定値RSR₀,RSL₀とする。たとえば、 RSR₀＝５％ RSL₀＝５％である。なお、この場合、RSR,RSLは閉ループ制御終了
直前の値もしくは平均値、または学習値とすることもで
きる。

閉ループであれば、ステップ802に進み、下流側O₂セ
ンサ15の出力V₂をA/D変換して取込む。次いで、ステッ
プ803では、下流側O₂センサ15の出力の前回値V₂₀と今回
取込まれた値V₂との比較を行う。すなわち、 V₂＞V₂₀ か否かを判別する。V₂＞V₂₀（上昇中）であればステッ
プ804,805に進み、他方、V₂≦V₂₀（下降中）であればス
テップ806,807に進む。

ステップ804では、 V₂＞V_RL か否かを判別する。ただし、V_RLはリーンからリッチへ
の変化点を判別する比較電圧であって、理論空燃比相当
レベル（0.5V）よりリーン側のレベルたとえば0.3Vで
ある。V₂＞V_RLのときのみステップ805に進んで第２の空
燃比フラグF2を“1"（リッチ）とする。他の場合にはス
テップ808′にてV₂をV₂₀としてからステップ824に直接
進み、第２の空燃比フラグF2は変更されず、しかも、ス
キップ量RSR,RSLも更新されない。

他方、ステップ806では、 V₂＞V_RR か否かを判別する。ただし、V_RRはリッチからリーンへ
の変化点を判別する比較電圧であって、理論空燃比相当
レベルよりリッチ側のレベルたとえば0.6Vである。V₂＞
V_RRのときのみステップ807に進んで第２の空燃比フラグ
F2を“0"（リーン）とする。他の場合にはステップ80
8′にてV₂をV₂₀としてからステップ824に直接進み、第
２の空燃比フラグF2は変更されず、しかも、スキップ量
RSR,RSLも更新されない。このようにして、２つの比較
電圧V_RL,V_RRを用いて下流側O₂センサ15の出力状態を判
別することにより第２の空燃比フラグF2が設定されるこ
とになる。

ステップ808では次の実行に備えてV₂をV₂₀とする。

次に、ステップ809にて第２の空燃比フラグF2が“0"
か否かが判別れ、この結果、F2＝“0"（リーン）であれ
ばステップ810〜815に進み、他方、F2＝“1"（リッチ）
であればステップ816〜821に進む。

ステップ810では、RSR←RSR＋ΔRS（一定値たとえば
0.08％）とし、つまり、リッチスキップ量RSRを増大さ
せて空燃比をリッチ側に移行させる。ステップ811,812
では、RSRを最大値MAXたとえば7.5％にてガードする。
さらに、ステップ813にてRSL←RSU−ΔRSとし、つま
り、リーンスキップ量RSLを減少させて空燃比をリッチ
側に移行させる。ステップ814,815では、RSLを最小値MI
Nたとえば2.5％にてガードする。

他方、ステップ809にてF2＝“1"（リッチ）のときに
は、ステップ816にてRSR←RSR−ΔRSとし、つまり、リ
ッチスキップ量RSRを減少させて空燃比をリーン側に移
行させる。ステップ817,818では、RSRを最小値MINにて
ガードする。さらに、ステップ819にてRSL←RSU−ΔRS
とし、つまり、リーンスキップ量RSLを増大させて空燃
比をリーン側に移行させる。ステップ820,821では、RSL
を最小値MAXにてガードする。

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824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RAF,RSR,
RSLは一旦他の値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転
性向上にも役立つものである。第８図における最小値MI
Nは過渡追従性がそこなわれないレベルの値であり、ま
た、最大値MINは空燃比変動による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。

このように、第８図のルーチンによれば、下流側O₂セ
ンサ15の出力がリーンであれば、リッチスキップ量RSR
が徐々に増大され、且つリーンスキップ量RSLが徐々に
減少され、これにより、空燃比はリッチ側へ移行され
る。また、下流側O₂センサ15の出力がリッチであれば、
リッチスキップ量RSRが徐々に減少され、且つリーンス
キップ量RSLが徐々に増大され、これにより、空燃比は
リーン側へ移行される。

第９図は第８図のフローチャートによって得られるス
キップ量RSR,RSLのタイミング図である。第９図（Ａ）
に示すごとく、下流側O₂センサの出力V₂が変化して、時
刻t₁,t₅,…にて出力V₂が判定レベルV_RRを横切ると、リ
ッチ状態と判別され、時刻t₃,…にて出力V₂が判定レベ
ルV_RLを横切ると、リーン状態と判別される。この結
果、第９図（Ｂ），（Ｃ）に示すごとく、時間t₁〜t₂,t
₅〜t₆,…においては、リッチスキップ量RSRは減少し、
リーンスキップ量RSLは増大し、他方、時間t₃〜t₄にお
いては、リッチスキップ量RSRは増大し、リーンスキッ
プ量RSLは減少する。また、時間t₂〜t₃,t₄〜t₅,…で
は、スキップ量RSR,RSLは固定される。

このように下流側O₂センサ15の出力V₂の比較判定レベ
ルをV_RL,V_RRの２つ設け且つ下流側O₂センサ15の出力V₂
の上昇中、下降中に応じて判定レベル区別すると、従来
のごとく、比較判定レベルを１つたとえばV_R2（0.5
V）に設定した場合に比較して、リーンからリッチへま
たはその逆の変化点の検出が時間Δt₁,ΔT₂,Δt₃,…だ
け早くなる。つまり、時間Δt₁,Δt₂,Δt₃,…だけ早く
見込み制御を行っていることになる。なお、第９図
（Ｂ），（Ｃ）のRSR′,RSL′は比較判定レベルを１つ
にした場合を示す。

第10図は噴射量演算ルーチンであって、所定クンラク
角毎たとえば360゜CA毎に実行される。ステップ1001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（Ｋは定数）とする。ステップ1002にてRAM1
05に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1003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1204
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をセットして燃料噴射を開始さ
せる。そして、ステップ100にてこのルーチンは終了す
る。

なお、上述の実施例においては、空燃比センサのリー
ン出力およびリッチ出力が、それぞれ、ローレベルおよ
びハイレベルの場合を示したが、空燃比センサのリーン
出力およびリッチ出力が、それぞれ、ハイレベルおよび
ローレベルの場合にも本発明を適用し得ることは言うま
でもない。この場合には、判別レベルV_RLはリーン判別
レベルV_RRより低く設定され、また、第８図のステップ8
04,806の不等号は逆となる。

また、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
御における空燃比フィードバック制御に関与する他の定
数、たとえば遅延時間、積分定数、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、遅
延時間、積分定数のうちの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、スキップ量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、
遅延時間TDR,TDLのうちの一方を固定し他方のみを可変
とすることも、あるいはリッチ積分定数KIR、リーン積
分定数KIL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1001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1003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、下流側空燃比セ
ンサの応答速度を実質的に上昇させることができるの
で、触媒コンバータ上流の空燃比の大きなずれを防止す
ることができ、従って、エミッションの悪化、燃費の悪
化、ドライバビリティ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ク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図は三元触媒のO₂ストレージ効果を説明するグラ
フ、第4A図，第4B図はO₂センサの出力波形の例を示すタイミ
ング図、第５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６図，第８図，第10図は第５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７図は第６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９図は第８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。

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２の空燃比センサの出力がリッチ方向に変化中かリ
ーン方向に変化中かを判別する変化方向判別手段と、該第２の空燃比センサの出力がリッチ方向に変化中のと
きに該第２の空燃比センサの出力を理論空燃比レベルよ
りリーン側の第１の判別レベルと比較することにより前
記第２の空燃比センサの出力のリッチ状態を判別するリ
ッチ判別手段と、該第２の空燃比センサの出力がリーン方向に変化中のと
きに該第２の空燃比センサの出力を前記理論空燃比レベ
ルよりリッチ側の第２の判別レベルと比較することによ
り前記第２の空燃比センサの出力のリーン状態を判別す
るリーン判別手段と、前記リッチ判別手段によって前記第２の空燃比センサ出
力がリッチ状態と判別されたときに第２の空燃比センサ
出力のリッチ状態に応じて空燃比フィードバック制御に
関与する定数の値を更新するとともに、前記リーン判別
手段によって前記第２の空燃比センサ出力がリーン状態
と判別されたときに前記第２の空燃比センサ出力のリー
ン状態に応じて空燃比フィードバック制御に関与する定
数の値を更新する定数演算手段と、前記第１の空燃比センサの出力および前記空燃比フィー
ドバック制御に関与する定数に応じて空燃比補正量を演
算する空燃比補正量演算手段と、該空燃比補正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。
【請求項２】前記第２の空燃比センサの出力がリーン状
態のときにローレベルであり且つリッチ状態のときにハ
イレベルである場合には、前記第１の判別レベルは前記
第２の判別レベルより低く設定されると共に、前記変化
方向判別手段は、前記第２の空燃比センサの出力が上昇
中のときに第２の空燃比センサ出力がリッチ方向に変化
中であると判別して前記リッチ判別手段を動作させ、前
記第２の空燃比センサの出力が下降中のときに第２の空
燃比センサ出力がリーン方向に変化中であると判別して
前記リーン判別手段を動作さるようにした特許請求の範
囲第１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】前記第２の空燃比センサの出力がリーン状
態のときにハイレベルであり且つリッチ状態のときにロ
ーレベルである場合には、前記第１の判別レベルは前記
第２の判別レベルより高く設定されると共に、前記変化
方向判別手段は、前記第２の空燃比センサの出力が下降
中のときに第２の空燃比センサ出力がリッチ方向に変化
中であると判別して前記リッチ判別手段を動作させ、前
記第２の空燃比センサの出力が上昇中のときに第２の空
燃比センサ出力がリーン方向に変化中であると判別して
前記リーン判別手段を動作させるようにした特許請求の
範囲第１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】前記空燃比フィードバック制御に関与する
定数がスキップ制御定数である特許請求の範囲第１項に
記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】前記空燃比フィードバック制御に関与する
定数が積分制御定数である特許請求の範囲第１項に記載
の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】前記空燃比フィードバック制御に関与する
定数が遅延時間である特許請求の範囲第１項に記載の内
燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】前記空燃比フィードバック制御に関与する
定数が前記第１の空燃比センサ出力の比較電圧である特
許請求の範囲第１項に記載の内燃機関の空燃比制御装
置。