JP2566880Y2

JP2566880Y2 - エンジンの空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2566880Y2
Application number: JP1988160181U
Authority: JP
Inventors: 正明内田; 国章沢本; 豊昭中川; 直樹仲田; 文雄勇川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1988-12-09
Filing date: 1988-12-09
Publication date: 1998-03-30
Anticipated expiration: 2003-12-09
Also published as: JPH0280742U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）この考案は自動車用等のエンジンの排気ガス成分から
空燃比を検出し、この検出信号によってエンジンに供給
する混合気の空燃比が目標空燃比となるようにフィード
バック制御する装置に関する。

（従来の技術）マイクロコンピュータ制御による燃料噴射システムが
ある（（株）鉄道日本社発行「自動車工学」・1985年10
月号第28頁〜第40頁，同1986年１月号第108頁〜第114
頁、また（株）大河出版発行「カーエレクトロニクス」
林田洋一著第47頁ないし第56頁参照）。

ここでは、とくに燃料噴射制御について説明すると、
各種センサからの入力信号によりマイクロコンピュータ
はそのメモリに記憶されたプログラムにしたがって最適
噴射量を演算し、その噴射量に対応して噴射弁のソレノ
イドコイルへの通電時間を決定することにより最適噴射
量を吸気マニホールド内に噴射する。この場合、通常時
の噴射タイミングは、たとえば全気筒同時噴射の場合エ
ンジンの１回転に１回であり、クランク角センサからの
基準位置信号（６気筒エンジンでは120°信号）に基づ
いて行われる。つまり、６気筒エンジンでは120°信号
の３回ごとの入力に対し１回の等間隔で噴射弁に駆動パ
ルスを出力する。

燃料噴射量の構成は“基本噴射量＋各種増量補正量”
である。ただし、噴射弁に作用する燃料圧力を一定に保
持させることで、噴射量は噴射弁の開弁パルス幅に対応
する。このため、通常運転時の噴射パルス幅（Ti）は、
次式（１）によって計算される。

Ti＝Tp×（１＋K_TW＋K_AS＋K_AI＋K_MR ×K_FC×α＋Ts …（１）ここで、基本パルス幅（Tp）は吸入空気量（Qa）とエ
ンジン回転速度（Ne）とから決定される値（基本噴射量
相当量）で、このTpで決まる空燃比がベース空燃比とい
われる。

１に加算される値（水温増量補正係数K_TW，始動及び
始動後増量補正係数K_AS，アイドル後増量補正係数K_AI，
混合比補正係数K_MR）は、エアフローメータ以外のセン
サから入力される各種運転条件に応じてTpを増量補正す
るための係数である（たとえばK_TWは冷却水温（Tw）の
低下に伴い混合気を濃くするために導入される）。これ
らの係数と１の総和は各種補正係数（Co）として表現さ
れる。K_FCはフュエルカット係数である。

αは空燃比のフィードバック補正係数で、三元触媒を
効率良く機能させるために導入される値である。三元触
媒にて排気三成分（CO,HC,NO_X）を一挙に浄化するため
には、混合気の空燃比を理論空燃比を中心としたある狭
い範囲内（この範囲はウインドウと呼ばれる）に収まる
ようにしなければならず、そのためには、制御精度の高
いフィードバック制御とすることが良いからである。第
７図にウインドウを示す。

第８図はαを計算するためのプログラムを示し、S1で
空燃比のフィードバック制御域（たとえば、空燃比セン
サが活性温度以上に上昇していること，始動やアイドル
時でないこと等を満足する場合である。なお、図では
「F/B制御域」で略記する。）であることが判定されて
より開始される。S1でフィードバック制御域でない場合
には、S15でαがクランプされる。同図のプログラムは
たとえば所定のクランク角ごとに実行されるものであ
る。

同図のプログラムでは、αの制御中心が1.0で、かつ
αが第９図に示すような周期的変化をする動作（比例積
分動作）の例を示し、この動作によれば１周期が次の４
つの場合（ｉ）〜（iv）から構成される。つまり、（ｉ）空燃比がリーンからリッチに反転した場合にステ
ップ的に比例分（P_R）だけリーン側に変化させる。

（ii）その後はリッチ継続中の積分分（I_R）にて徐々に
リーン側に変化させる。

これに対して、（iii）空燃比がリッチからリーンに反転した場合には
ステップ的に比例分（P_L）だけリッチ側に変化させる。

（iv）その後はリーン継続中の積分分（I_L）にて徐々に
リッチ側に変化させる。

というものである。

まず、上記（ｉ）〜（iv）の４つの場合分けの判定
は、S2,S3,S9で空燃比センサの出力値と基準レベル（理
論空燃比に対するセンサ出力値に相当する）との大小比
較と前回に行った大小比較との組み合わせにて行なわれ
る。S3,S9の「RL」は前回の大小比較の結果を格納して
いるフラグで、RL＝Ｒは前回リッチであったことを、RL
＝Ｌは前回リーンであったことをそれぞれ意味する。こ
れより、S2,S3,S4へと進むのは、リッチからリーンに反
転した場合である。同様にして、S2,S3,S7へと進むのは
リッチ継続である場合、S2,S9,S10へと進むのはリーン
からリッチに反転した場合、S2,S9,S13へと進むのはリ
ーン継続である場合である。なお、前記大小比較が反転
した直後にはそれぞれS4,S10でフラグが反転後の値に変
更されている。

こうして４つの場合分けがされると、S5,S7,S11,S13
で各場合分けに応じて比例分（P_RとP_L）と積分分（I_Rと
I_L）が次式により計算される。

P_R＝K_P×ERROR …（２） ΣI_R＝ΣI_R＋K_I×ERROR …（３） P_L＝K_P×ERROR …（４） ΣI_L＝ΣI_L＋K_I×ERROR …（５）ただし、ERRORは理論空燃比からの偏差、K_PとK_Iはフ
ィードバック定数（K_Pは比例定数，K_Iは積分定数）で、
フィードバック定数は（２）〜（５）式のようにリッチ
側とリーン側とで同じ値が採用されることが多い。

そして、S6,S8,S12,S14でこれら比例分や積分分を用
いてフィードバック補正係数（α）が計算される。上記
（ｉ）〜（iv）との対応でいえば、（ｉ）の場合α＝α
−P_R，（ii）の場合α＝α−I_R，（iii）の場合α＝α
＋P_L，（ivの場合α＝α＋I_Lである。ここに、これらの
数式の意味するところは、αとして格納されていた値を
読み出して、これに１回当たりの補正量（P_R，I_R，P_L，
I_L）を加減算し、加減算した値を改めてαとして格納す
るということである。

（考案が解決しようとする課題）ところで、第７図で示したウインドウの幅と第９図に
示すαの振幅とが対応するので、αの振幅がウインドウ
幅に相当する所定値を越えないようにすることが重要で
あり、そうできるかどうかが定常時の制御性を決定す
る。

ここで、一般に空燃比を検出するセンサはエンジンの
排気通路に設けられており、実際に燃焼が行われるシリ
ンダからは所定距離離れているので、燃焼ガス（排気）
がセンサ位置に到達して空燃比の検出が行われるまでに
は排気の流速に応じた遅れ時間が生じる。また、センサ
に排気が到達してからセンサが応答するまでの時間やセ
ンサ出力が次の燃料噴射量の算出に生かされるまでの時
間などに起因する制御遅れも生じる。

しかしながら、従来装置によると、上記の制御遅れ時
間（以下「αの制御周期」という。）が十分に考慮され
ていなかったために空燃比がウインドウを外れて有害成
分が増大することがある。たとえば、第９図において、
αの制御周期がT₁からT₂へと長くなる（αの波形が実線
から破線へと変化する）と、αの振幅がW₁からW₂へと大
きくなってしまう場合がある。第10図にはαの制御周期
と運転条件の関係について示す。

この考案はこのような従来の課題に着目してなされた
もので、運転条件の相違に伴ってαの制御周期が変化し
てもαの振幅を一定に保つようにした装置を提供するこ
とを目的としている。

（課題を解決するための手段）この考案は、第１図に示すように、エンジンの負荷
（例えば吸入空気量Qa）と回転速度Neをそれぞれ検出す
るセンサ1,2と、これらの検出値に応じて基本噴射量Tp
（＝Ｋ×Qa/Ne、ただしＫは定数）を算出する基本噴射
量算出手段３と、エンジンの排気から実際の空燃比を検
出する空燃比センサ４と、検出された空燃比と予め定め
た目標空燃比との偏差ERRORを測定する偏差測定手段５
と、空燃比制御の制御遅れ量のうち負荷に無関係な遅れ
量に応じて予め定めた所定値OFSTと前記基本噴射量Tpと
を加算する加算手段６と、予め設定した積分定数Ｃに、
前記加算手段６によって算出された加算値Tp＋OFSTを乗
じて一定クランク角ごとに積分分I_RとI_L）を算出する積
分分算出手段７と、前記偏差ERRORが小さくなるよう
に、前記積分分を少なくとも含んで空燃比のフィードバ
ック補正量αを算出するフィードバック補正量算出手段
８と、このフィードバック補正量αにて前記基本噴射量
Tpを補正して燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手段
９とを備えた。

（作用）同一負荷において回転速度が低くなると、αの制御周
期が長くなるものの、積分分（I_RとI_L）が一定クランク
角で計算される場合には、回転速度が低くなる前と同じ
にαの振幅が保たれる。

同一回転速度において負荷が変動した場合、Tpのみで
積分分を算出しようとすると積分分は負荷が減少したと
きには過小となり、負荷が増大したときには過大となる
傾向を生じるが、この過小化または過大化は負荷に影響
されない遅れの要因に対応したOFSTにより補償されるの
で、αの振幅は負荷変動にかかわらずほぼ適正範囲内に
保たれる。

（実施例）第２図はこの考案を燃料噴射方式のエンジンに適用し
たシステム図を表している。同図において、24はスロッ
トル弁23の上流の吸気通路に設けられ、エアクリーナを
介し吸入される空気量（Qa）に応じた信号を出力するエ
アフローメータで、エンジン負荷センサとして機能す
る。25はクランク角の単位角度ごとの信号と基準位置ご
との信号を出力するセンサ（クランク角センサ）で、単
位角度こどの信号からはこれをコントロールユニット40
でカウントすることによりエンジン回転速度（Ne）が求
められる。

26は理論空燃比を境に急変する特性を有する酸素濃度
センサで、このセンサ26からの信号は空燃比のフィード
バック制御信号として扱われる。

27は水温センサ、28はアイドルスイッチ、29はノック
センサ、30はバッテリ、31は車速センサ、32はキースイ
ッチである。

40はこれらセンサ類（24〜29）からの信号が入力され
るコントロールユニットで、このユニット40では各種運
転変数に基づき、各気筒の吸気ポートに設けた燃料噴射
弁35からの燃料量を増減することにより、目標空燃比
（理論空燃比）が得られるように制御が行われる。たと
えば、基本パルス幅Tp（＝Ｋ×Qa/Ne、ただしＫは定
数）を各種係数（CoとTs）と空燃比フィードバック補正
係数（α）にて補正演算することにより、通常運転時の
噴射パルス幅（Ti）を次式にて決定する。

Ti＝Tp×Co×α＋Ts …（５）ただし、αは後述するプログラムで、また基本パルス
幅（Tp），各種補正係数（Co）中の各係数，電圧補正分
（Ts）といった値は第３図のメモリ（ROM43）に格納し
てあるテーブルを検索することによりそれぞれ求められ
る。

第３図はコントロールユニット40をマイクロコンピュ
ータで構成した場合のブロック構成図で、入出力インタ
ーフェース（I/O）41,CPU42,ROM43,RAM44,イグニッショ
ンキーをオフしても記憶情報を保持できるRAM（BURAM）
45および各種信号のうちアナログ信号をデジタル信号に
変換するA/Dコンバータ（ADC）46からなり、第１図の各
手段3,5〜11の機能を備える。

第４図は、空燃比のフィードバック補正係数（α）を
計算するためのプログラムを示し、一定のクランク角ご
とに実行される。同図は第８図に対応させており、第８
図と同一の部分には同一のステップ番号を付している。
なお、ステップ番号は操作の順に付けるものであるが、
第８図と相違する部分を明らかにするため、その部分に
大きな番号をつけてある。

第４図のS21あるいはSS22へと進むのはリッチ継続中
あるいはリーン継続中であるから、ここでは、１制御当
たりの積分分（I_RあるいはI_L）を計算することになる。

いま、一定クランク角ごとにI_RあるいはI_Lを求めるこ
とを考えると、このときのαの波形は、第５図と第６図
の実線で示すように、階段状の波形で与えられる。この
場合、定常時（負荷と回転速度が一定）であれば、１つ
１つの階段の横幅は総じて同じであるし、積分定数K
_I（一定値）と空燃比偏差（ERROR）とから計算されるI_R
あるいはI_Lが各階段の縦幅に相当するので、各階段の縦
幅も同じである。

この場合において、（ｉ）同一負荷において回転速度
が低くなった場合と、（ii）同一回転速度において負荷
が小さくなった場合に分けて、αの制御周期が長くなっ
た場合のαの振幅への影響を調べる。

（ｉ）の場合：この場合には、一定クランク角を経過
するに要する時間が長くなるので、αの波形が第５図の
実線から同図の破線へと変化する。つまり、１階段当た
りの横幅は長くなるけれども、１階段当たりの縦幅（I_R
とI_L）が変わらないため、αの振幅がW₁より大きくなる
ものではない。このことは、一定クランク角でI_RとI_Lを
計算するのであれば、回転速度の高い低いに拘わらず、
αの振幅が一定に保たれることを意味する。

（ii）の場合：この場合には、αの波形が第６図の実
線から同図の破線へと変化する。つまり、１階段当たり
の横幅，縦幅ともに変化することはないが、空燃比の反
転が遅くなるので、その分だけ階段の数が増えており、
この階段数の増加分だけαの振幅がW₁からW₂へと大きく
なっている。そこで、負荷が小さくなってもαの振幅が
大きくならないようにするためには、１階段当たりの縦
幅が実線の場合よりも小さくなれば良い。たとえば、仮
に１階段当たりの縦幅を第６図の１点鎖線で示すように
1/2の大きさにすれば、αの振幅をW₃（W₁にほぼ等し
い）へと抑えることができる。

ここに、１階段当たりの縦幅を負荷に応じて修正する
ためには、次式のように負荷に対する補正項を入れて計
算することである。

I_R＝C_R×Tp …（6A） I_L＝C_L×Tp …（6B）ただし、式（6A），（6B）において、Tpは基本パルス
幅（負荷相当量）、C_R，C_Lは予め設定された積分定数で
ある。

しかし、実際の制御では予め定める所定値（オフセッ
ト量）（OFST）を加えた次式とする。

I_R＝C_R×（Tp＋OFST） …（7A） I_L＝C_L×（Tp＋OFST） …（7B）これは、この場合の負荷は次式で示すデッドタイム
（τ）に対応している必要があるからである。

τ＝τ₁＋τ₂＋τ₃＋τ₄＋τ₅ …（８）ただし、 τ₁：噴射弁から噴射された燃料がシリンダに吸入され
るまでに要する時間 τ₂：吸入，圧縮，爆発，排気に要するむだ工程 τ₃：排気がシリンダから酸素濃度センサに到達するま
での遅れ時間（排気到達遅れ時間） τ₄：酸素濃度センサに排気が到達してからセンサが応
答して出力するまでの時間（センサ応答時間） τ₅：センサからの信号を受けて演算処理を行い噴射す
るまでの時間（演算処理待ち時間）である。

ここに、Tpに対応するのは主に（８）式中のτ₃であ
るため、他の項（τ₁，τ₂，τ₄，τ₅）に対応する値と
してOFSTを組み込む必要がある。つまり、積分分（I_R，
I_L）を負荷（Tp）のみに応じて求めるものとすると、あ
る負荷点にて適切な積分分が得られるように定数（C_R，
C_L）を設定したときに、その点よりも負荷が小さいとき
積分分が小さくなりすぎ、負荷が大きいときに積分分が
大きくなりすぎるようなことが起こってαの振幅が多少
変化してしまう。そこで負荷によって変化しない遅れの
要因に対応するOFSTを組み込んでαの振幅をほぼ一定に
するのである。すなわちTpにOFSTを組み込むことによ
り、ある負荷点に対して適切な積分分を付与するための
定数の値は前述のTpのみによる場合よりもおのずと小さ
なものとなるので、負荷変化に対する積分分の変化特性
も緩やかなものとなり、つまり負荷減少時の積分分の過
小化または負荷増大時の積分分の過大化が抑制されるこ
とになる。なお、負荷によって変化しない遅れの要因の
うち、主なもの（τ₁，τ₂，τ₅）は回転数の影響だけ
をうける遅れの要因であるため、一定クランク角で積分
分を計算するのであれば、OFSTを所定の固定値とするこ
とができる。

ここで、実施例の作用を説明すると、同一負荷におい
て回転速度が低くなる場合には、第５図で示したよう
に、αの制御周期がT₁からT₂へと長くなるものの、１制
御当たりの積分分（I_RとI_L）が一定クランク角ごとに計
算される場合には、αの振幅が変化することがない。つ
まり、一定クランク角ごととすることで、回転速度の高
低に拘わらず、αの制御周期が一定に保たれる。

また、同一回転速度において負荷が小さくなるとαの
制御周期が長くなるのであるが、この場合には、負荷が
小さくなるのに応じて１制御当たりの積分分（I_RとI_L）
が小さくされると共に、前記積分分の過小化がOFSTによ
り適度に抑制されるので、第６図に１点鎖線で示したよ
うに、αの振幅が実線の場合とほぼ同じに保たれる。

また、同一回転速度において負荷が大きくなる場合に
も、Tpによる積分分の過大化がOFSTにより補償されてα
の振幅が小さくなりすぎるような不具合が回避される。

このように、運転条件の相違によりαの制御周期がど
う変化してもαの振幅がほぼ一定に保たれ、したがって
定常時の排気エミッション特性を良好にすることができ
る。

なお、上述したように負荷を代表するTpと負荷と無関
係な所定値OFSTとの加算結果を積分定数に乗じて積分分
を算出する構成によると、実際のエンジンへの適用にあ
たっては積分定数とOFSTの記憶及びマッチングを図るだ
けでよく、したがってメモリの記憶領域を節約できると
共にマッチング作業を容易にすることができる。

（考案の効果）この考案は、積分分の算出を所定クランク角ごとに行
うとともに、基本燃料噴射量に所定値を加えた値により
前記積分分として適正な量を与えるようにしたので、α
の振幅をαの制御周期によらず適正範囲に保持して、定
常時の排気エミッション特性を良好にできると共に当該
所定値の記憶及びマッチング作業の簡略化が図れるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案のクレーム対応図、第２図はこの考案
の一実施例のシステム図、第３図はこの実施例の制御系
のブロック図、第４図この実施例の演算内容を説明する
ための流れ図、第５図と第６図は一定クランク角ごとに
積分分を算出する場合のαの波形図である。第７図は三元触媒の転化率についての特性図、第８図は
従来例の演算内容を説明するための流れ図、第９図は従
来例の作用を説明するためのαの波形図、第10図は従来
例のαの制御周期の特性図である。１…エンジン負荷センサ、２…エンジン回転速度セン
サ、３…基本噴射量算出手段、４…空燃比センサ、５…
偏差測定手段、６…積分定数設定手段、７…積分分算出
手段、８…空燃比フィードバック補正量算出手段、９…
燃料噴射量決定手段、10…加算手段、11…補正手段、24
…エアフローメータ、25…クランク角センサ、26…酸素
濃度センサ（空燃比センサ）、35…燃料噴射弁、40…コ
ントロールユニット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者中川豊昭神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)考案者仲田直樹神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)考案者勇川文雄神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭60−186715（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−26745（ＪＰ，Ｕ) 実開昭51−144616（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】エンジンの負荷と回転速度をそれぞれ検出
するセンサと、これらの検出値に応じて基本噴射量を算
出する基本噴射量算出手段と、エンジンの排気から実際
の空燃比を検出する空燃比センサと、検出された空燃比
と予め定めた目標空燃比との偏差を測定する偏差測定手
段と、空燃比制御の制御遅れ量のうち負荷に無関係な遅
れ量に応じて予め定めた所定値と前記基本噴射量とを加
算する加算手段と、予め設定した積分定数に、前記加算
手段によって算出された加算値を乗じて一定クランク角
ごとに積分分を算出する積分分算出手段と、前記偏差が
小さくなるように、前記積分分を少なくとも含んで空燃
比のフィードバック補正量を算出するフィードバック補
正量算出手段と、このフィードバック補正量にて前記基
本噴射量を補正して燃料噴射量を決定する燃料噴射量決
定手段とを備えるエンジンの空燃比制御装置。