JP2586413B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は内燃機関の排ガス中の酸素濃度を酸素濃度
センサ（以下、O₂センサ）という）によって検出し、こ
の検出値に基いて内燃機関に供給する混合気の空燃比
を、例えば理論空燃比付近にフィードバック制御する内
燃機関の空燃比制御装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、内燃機関の排気系に設置したO₂センサの空燃比
に対する出力特性を考慮して、O₂センサ出力電圧に対応
したO₂センサ出力を積分し、この積分出力で燃料量を補
正するようにすることで、理論空燃比より実際の空燃比
が大きくずれているときには燃料量が急速に修正され、
又、理論空燃比に実際の空燃比が近づいたときには燃料
量がゆるやかに修正されるようにした空燃比制御が特開
昭51−140021号公報にて開示されている。又、実空燃比
に比例した電気信号を出力する空燃比センサを用いた空
燃比フィードバック制御において、アイドル運転状態を
安定化させるため、目標空燃比を中心とした所定範囲内
に制御の不感帯を設けるようにした制御方法が特開昭60
−79132号公報にて開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、目標空燃比が理論空燃比である場合、
排ガス中のエミッションの触媒浄化率を向上するため
に、空燃比補正係数をリッチ側・リーン側に所定幅で振
ると良いことが従来の経験より明らかになっている。

ところが、上記特開昭60−79132号公報に開示された
空燃比フィードバック制御では目標空燃比を中心とした
所定範囲内に制御の不感帯を設けるようにしているの
で、空燃比補正係数を所定幅で振ることができず、触媒
浄化率を向上させることは困難であった。

この発明は上記問題点を解決するためになされたもの
であって、その目的は目標空燃比と酸素濃度センサによ
る検出空燃比との偏差の絶対値が所定値未満である場
合、積分補正値を偏差の正負に応じて一定にして空燃比
制御量を所定幅でリッチ側・リーン側に振ることによ
り、触媒浄化率を向上させることができる内燃機関の空
燃比制御装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は上記目的を達成するため、第１図に示すよ
うに、内燃機関の排気系に設けられ、かつ、内燃機関の
排ガス中の酸素濃度を検出して機関に供給された混合気
の空燃比に応じた信号を出力する酸素濃度センサＡと、
機関に供給された混合気の空燃比に対する酸素濃度セン
サＡの出力特性に基いて、目標空燃比と前記供給された
混合気の空燃比の偏差と、前記酸素濃度センサＡの出力
との関係を予め記憶した記憶手段Ｂと、前記記憶手段Ｂ
に記憶した前記関係を用いて、前記酸素濃度センサＡの
出力に対応して空燃比偏差を求める空燃比偏差検出手段
Ｃと、前記空燃比偏差検出手段Ｃにより検出された偏差
の絶対値が所定値未満のときには偏差の正負に応じて定
められた一定の積分補正値に基いて、該偏差の絶対値が
所定値以上のときにはその偏差に応じた積分補正値に基
いて空燃比制御量を設定する制御量設定手段Ｄと、前記
制御量設定手段Ｄにより設定された空燃比制御量に基い
て機関に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制
御手段Ｅとを備えた内燃機関の空燃比制御装置をその要
旨とする。

又、前記記憶手段には目標空燃比と前記供給された混
合気の空燃比の偏差と、前記酸素濃度センサの出力との
関係が複数記憶されるとともに、内燃機関の運転状態又
は酸素濃度センサの劣化状態等に応じて前記記憶手段に
記憶した複数の関係よりいずれか１つを選択して前記空
燃比偏差検出手段に信号を出力する選択手段を備えたも
のとしてもよい。

［作用］ 上記空燃比制御装置の構成によれば、酸素濃度センサ
により内燃機関に供給された混合気の空燃比に応じた信
号が出力されると、その信号に対応して空燃比偏差検出
手段により記憶手段に記憶されている目標空燃比と供給
された混合気の空燃比の偏差と、酸素濃度センサの出力
との関係を用いて空燃比偏差が求められる。

そして、空燃比偏差検出手段により検出された空燃比
偏差の絶対値が所定値未満のときには制御量設定手段に
より偏差の正負に対応した一定の積分補正値に基いて空
燃比制御量が設定され、又、該空燃比偏差の絶対値が所
定値以上のときにはその偏差に応じた積分補正値に基い
て空燃比制御量が設定される。そして、この空燃比制御
量に基いて空燃比制御手段により機関に供給される混合
気の空燃比が制御される。

又、記憶手段には目標空燃比及び前記供給された混合
気の空燃比の偏差と酸素濃度センサの出力との複数の関
係を記憶させるとともに、内燃機関の運転状態又は酸素
濃度センサの劣化状態等に応じて前記記憶手段に記憶し
た複数の関係よりいずれか１つを選択して前記空燃比偏
差検出手段に信号を出力する選択手段を備えたものとす
ることにより、内燃機関の運転状態又は酸素濃度センサ
の劣化状態等に応じた関係が選択され、制御中心のずれ
が少なくなる。

［実施例］ 以下、この発明を具体化した一実施例を第２〜14図に
従って説明する。

第２図は本実施例の空燃比制御装置が搭載された車両
用内燃機関（以下、エンジンという）及びその周辺装置
を示す概略系統図である。

エンジン１は大気より空気を吸入するとともに燃料噴
射弁２により噴射される燃料と空気とを混合して吸気ポ
ート３に導く吸気系４と、点火プラグ５にて点火された
混合気の燃焼エネルギをピストン６を介して回転運動と
して取り出す燃焼室７と、燃焼後のガスを排気ポート８
を介して排出する排気系９とを備えている。

吸気系４は、大気を取入れるエアクリーナ（図示
略）、吸入空気量を制御するスロットルバルブ10、吸入
空気の脈動を平滑化するサージタンク11等により構成さ
れ、サージタンク11には吸気管負圧を検出する吸気圧セ
ンサ12が設けられている。吸入空気量は、図示しないア
クセルペダルに連動したスロットルバルブ10の開度によ
って制御される。なお、吸気系４には吸気圧センサ12の
他に、前記スロットバルブ10の開度に応じた信号を出力
する開度センサ13a（第３図参照）と、エンジン１のア
イドリング時にオン状態となるアイドルスイッチ13b
（第３図参照）とを備えたスロットルポジションセンサ
13や、吸気温センサ14等が設けられている。

前記排気系９には、排気中の酸素濃度を検出する起電
力型の酸素濃度センサ（以下、O₂センサという）15が設
けられている。又、前記エンジン１の各気筒に設けられ
た点火プラグ５は、図示しないクランク軸の回転に同期
してイグナイタ16にて生成される高電圧を配電するディ
ストリビュータ17に接続されている。このディストリビ
ュータ17には、エンジン１の回転数NEに応じたパルスを
発生する回転数センサ18と、気筒判別センサ19とが設け
られている。なお、エンジン１のシリンダブロック1a
は、循環する冷却水によって冷却されており、エンジン
１の運転状態のひとつであるこの冷却水の温度は、シリ
ンダブロック1aに設けられた冷却水温センサ20により検
出される。

エンジン１の運転状態を検出する上記各センサ信号
は、電子制御回路（以下、ECUという）21に入力され、
前記燃料噴射弁２の燃料噴射量制御、点火プラグ５の点
火時期制御等に用いられる。ECU21は、第３図に示すよ
うに、中央処理装置（CPU）22a,リードオンリメモリ（R
OM）22b,ランダムアクセスメモリ（RAM）22c等を内蔵し
たワンチップマイクロコンピュータ22を中心に構成され
ている。このマイクロコンピュータ22の入出力ポートに
は、前記回転数センサ18、気筒判別センサ19、イグナイ
タ16が直接接続されるとともに、マイクロコンピュータ
22内部のA/D変換入力回路23と、バッテリ24を電源とし
て前記O₂センサ15の検出素子15aを加熱するためのヒー
タ15bに通電する電力を制御するヒータ通電制御回路25
と、燃料噴射弁２を駆動する駆動回路26とが接続されて
いる。

A/D変換入力回路23には、吸気圧センサ12、スロット
ルポジションセンサ13の開度センサ13a、吸気温センサ1
4、冷却水温センサ20等のアナログ信号を出力するセン
サが接続されている。従って、CPU22aはエンジン１の運
転状態を反映した種々のパラメータをA/D変換入力回路2
3を介して読み込み、逐次知ることができる。又、このA
/D変換入力回路23には、O₂センサ15のヒータ15bに電圧
を印加するヒータ通電制御回路25の出力、電流検出用抵
抗器28の端子電圧の出力及び検出素子15aの端子が接続
されており、ヒータ15bの印加電圧、検出素子15aで発生
する起電力及びヒータ15bに流れる電流を検出すること
ができる。

一方、マイクロコンピュータ22は、直接イグナイタ16
に駆動信号を出力したり、駆動回路26を介して燃料噴射
弁２に制御信号を出力するなどして、これらのアクチュ
エータを駆動する。

このように構成した本実施例のECU21においては、エ
ンジン１の運転状態を読み込んで種々の制御処理を実行
するが、燃料噴射量制御、空燃比制御等に用いるため、
エンジン１の排気中の酸素濃度の検出を行い、その検出
結果に基いて空燃比補正係数の算出を行うようになって
いる。

次に、このECU21により実行される空燃比補正係数算
出処理を第４図に示すフローチャートに基いて説明す
る。

この空燃比補正係数算出処理は所定時間（この実施例
では数ms）毎に実行されるものである。

まず、ステップ100にて今回のO₂センサ15の出力電圧O
Xを読み込み、次のステップ101では第５図（ｂ）に示す
ROM22b内に記憶したマップより目標空燃比（理論空燃比
（λ＝１））に対する実空燃比の空燃比偏差Δλを算出
する。なお、第５図（ｂ）に示すマップは第５図（ａ）
に示すO₂センサ出力と空燃比λとの関係を反転して得た
ものである。

続くステップ102ではROM22b内に記憶した第６図に示
す積分値マップ及び第７図に示す比例値マップより上記
空燃比偏差Δλに対応して積分補正値IN及び比例補正値
PRを求める。

ここで、この積分値マップは第６図見てもわかるよう
に空燃比偏差Δλ＝０を中心としてそれぞれ所定範囲
（±Δλ_０）内である場合には、つまり空燃比偏差Δλ
の絶対値｜Δλ｜が所定値未満である場合には、偏差Δ
λの正負に対応した一定の積分補正値（＝±I₀）となっ
ており、所定範囲（±Δλ_０）外である場合には、つま
り偏差Δλの絶対値｜Δλ｜が所定値以上である場合に
は、積分補正値が空燃比偏差Δλに対して一次関数的に
変化するようになっている。又、この積分値マップに定
められた積分補正値には空燃比偏差Δλが所定値（＝Δ
λ_１）以上、及び所定値（＝−Δλ_１）未満の場合に対
応してそれぞれ上限値（＝I₁）、及び下限値（＝−I₁）
が設定されている。

そして、ステップ103に進んでRAM22c内に記憶してい
る前回の空燃比補正係数FAFに前記ステップ102で求めた
比例補正値PR及び積分補正値INを加算するとともに、前
回の比例補正値PROを減算して今回の空燃比補正係数を
算出し、次回のルーチンで使用する空燃比補正係数FAF
としてRAM22c内に記憶させる。

次にステップ104にて前記ステップ102にて求めた比例
補正値PRを次回のルーチンで使用する比例値補正量PRO
としてRAM22c内に記憶させる。

そして、ECU21が上記の空燃比補正係数算出処理を実
行して算出した空燃比補正係数FAFに基いて燃料噴射弁
２から噴射される燃料噴射量を公知の燃料噴射量算出処
理において修正することにより、エンジン１に供給され
る混合気の空燃比は目標空燃比近傍にフィードバック制
御されるようになる。

第９図は上記の処理を行った結果を示すものであり、
通常の運転状態において空燃比偏差Δλが所定範囲（±
Δλ_０）内である場合に、その偏差Δλの正負に応じて
積分補正値を「I₀」又は「−I₀」とすることにより、空
燃比補正係数FAF中の時間経過にともなう積分処理によ
り積分補正値を累積して得られる積分量ΣINは同図
（ｂ）に示すように所定幅で周期的に振れ、これに伴っ
て同図（ｃ）に示すように空燃比補正係数FAFも所定幅
Ｗで振動し、この空燃比補正係数FAFの振動に伴って同
図（ａ）に示すようにO₂センサ出力電圧OXも所定幅で振
動する結果を得た。そして、このときの触媒浄化率は第
11図に示すように、窒素酸化物（NOx）は実線で示すよ
うにリッチ側にずれ、一酸化炭素（CO）は実線で示すよ
うにリーン側にずれ、浄化域の幅が広がり触媒浄化率を
向上していることがわかる。

一方、第10図は、第８図に示すような空燃比偏差Δλ
に対応して変化する積分補正値を用いた場合の空燃比制
御方法による空燃比補正係数FAF中の時間経過にともな
う積分処理により、積分補正値を累積して得られる積分
量ΣINと空燃比補正係数FAFとの変化を示したものであ
る。即ち、積分量ΣINは第10図（ｂ）に示すように変化
し、空燃比補正係数FAFは第10図（ｃ）に示すように所
定幅Ｗで振れず、第10図（ａ）に示すようにO₂センサ出
力電圧OXも所定幅で振動しないという結果を得た。そし
て、このときの触媒浄化率は第11図に示すように、窒素
酸化物（NOx）及び一酸化炭素（CO）はそれぞれ鎖線で
示すようになっており、浄化域の幅が狭く触媒浄化率が
低いものであった。

又、第12図は第６図の積分値マップを用いた処理を行
った場合における加速後の空燃比補正係数FAFの変化を
示したものであり、空燃比偏差Δλが所定値（＝Δ
λ_１）以上又は所定値（＝−Δλ_１）未満となる場合に
第６図に示すように積分値マップにおける積分補正値IN
に上限値（＝I₁）及び下限値（＝−I₁）を設定したこと
により、空燃比補正係数の増加を抑制してその後の変動
を小さくでき、エンジンのハンチングを防止できた。

一方、第13図は第８図の積分値マップを用いた空燃比
制御による加速後の空燃比補正係数FAFの変化を示した
ものであり、この場合には積分補正値に上限及び下限を
設定していないため、加速時に空燃比補正係数が激増
し、その後の変動が大きくなって、エンジンのハンチン
グを起こしている。

なお、前記実施例では第６図に示すように積分値マッ
プにおける積分補正値INに上限値（＝I₁）及び下限値
（＝−I₁）を設けたが、第14図に示すように比例値マッ
プに上限値（＝P₁）及び下限値（＝−P₁）を設定して、
加速時における空燃比補正係数FAFの急増を抑制してそ
の後のハンチングを防止するようにしてもよい。

次に本発明の第２の実施例を第15〜18図に従って説明
する。

前記実施例はO₂センサ15により検出される検出空燃比
と目標空燃比との空燃比偏差Δλが「０」、即ち、目標
（理論）空燃比におけるO₂センサ15の出力電圧OXが変化
しないことを前提としたものである。

しかしながら、第17図に示すように実際の空燃比がリ
ッチからリーンに変化する場合におけるO₂センサ15の出
力電圧OXがリッチからリーンに変わる反応時間ＴλＬ
と、実際の空燃比がリーンからリッチに変化する場合に
おけるO₂センサ15の出力電圧OXがリーンからリッチに変
わる反応時間ＴλＲとには差があったり、O₂センサ15の
劣化前と劣化品とでは第18図に示すように、同一空燃比
に対して出力電圧OXが異なったり、O₂センサ15の空燃比
特性にヒステリシスがあったりすることや、検出素子15
aの温度によっても出力電圧OXが変化したりするため、
第16図に示すように制御中心、即ち、空燃比偏差Δλが
「０」となる出力電圧OXがずれて、エミッションが悪化
するという問題点がある。

この実施例は上記問題点をも解決するものであり、空
燃比の変化が最も少ないO₂センサ15の出力電圧OXが、例
えば0.4ボルト〜0.65ボルトの範囲内において、エンジ
ン１の運転状態に応じて制御中心のずれが少なくなるよ
うに空燃比偏差Δλ＝０を示す出力電圧OXを変化させる
ことにより、エミッションの悪化を防止できるようにし
たものである。

第15図はこの例における処理を示すフローチャートで
あり、所定時間毎に実行される。

まず、ステップ110にて今回のO₂センサ15の出力電圧O
Xを読み込む。次のステップ111では、例えばエンジン回
転数に基いて制御中心を0.4ボルト,0.45ボルト又は0.65
ボルトのいずれにすべき運転状態かを判断する。即ち、
例えばエンジン回転数NE＜1000rpmである場合には制御
中心を0.4ボルトにすべき運転状態と判断し、1000rpm≦
エンジン回転数NE＜2000rpmである場合には制御中心を
0.45ボルトにすべき運転状態と判断し、さらにエンジン
回転数NE≦2000rpmである場合には制御中心を0.65ボル
トにすべき運転状態と判断する。そして、このステップ
111にて制御中心を0.4ボルトにすべき運転状態と判断す
ると、ステップ112に進んで第16図にで示すROM22b内
に記憶したマップに基いて空燃比偏差Δλを算出する。
又、制御中心を0.45ボルトにすべき運転状態と判断する
と、ステップ113に進んで第16図にで示すROM22b内に
記憶したマップに基いて空燃比偏差Δλを算出する。さ
らに、制御中心を0.65ボルトにすべき運転状態と判断す
ると、ステップ114に進んで第16図にで示すROM22b内
に記憶したマップに基いて空燃比偏差Δλを算出する。

次に、ステップ115では前記各ステップ112〜114のい
ずれかで算出した空燃比偏差Δλに基いて、ROM22b内に
記憶した第７図に示す比例値マップにおける空燃比偏差
Δλに対応した比例補正値PRを求め、続くステップ116
で第６図に示す積分値マップにおける空燃比偏差Δλに
対応した積分補正値INを求めて、ステップ117に進む。

ステップ117,118は前記実施例におけるステップ103,1
04と同様の処理である。

なお、前記第２の実施例ではO₂センサ15の出力電圧OX
の範囲が0.4ボルト〜0.65ボルトの範囲内において制御
中心を0.4ボルト,0.45ボルト又は0.65ボルトの３つ変化
させるようにしたが、0.4ボルト〜0.65ボルトの範囲内
において制御中心を例えば0.05ボルト毎に変化させるよ
うにしてもよい。

又、前記第２の実施例ではエンジン回転数に基いて制
御中心を0.4ボルト,0.45ボルト又は0.65ボルトのいずれ
にすべき運転状態かを判断するようにしたが、エンジン
回転数と吸入空気圧との組合わせや、エンジン回転数と
吸入空気量との組合わせ等により、制御中心を変更する
運転状態を判断するようにしてもよい。

又、減速時における燃料カット時の空燃比が完全なリ
ーン状態や、高負荷時における燃料増量時の空燃比が完
全なリッチ状態でのO₂センサ出力電圧をモニタし、その
モニタ電圧からO₂センサ15の劣化度合を判断して制御中
心の変更を行ってもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明による空燃比制御装置に
よれば、目標空燃比と酸素濃度センサによる検出空燃比
との偏差の絶対値が所定値未満である場合、積分補正値
を偏差の正負に対応した一定の値にして空燃比制御量を
求めることで、該制御量を所定幅でリッチ側・リーン側
に振ることができ、これにより触媒浄化率を向上させる
ことができる。

又、記憶手段には目標空燃比及び機関に供給された混
合気の空燃比の偏差と酸素濃度センサの出力との複数の
関係を記憶させるとともに、内燃機関の運転状態又は酸
素濃度センサの劣化状態等に応じて記憶手段に記憶した
複数の関係よりいずれか１つを選択して空燃比偏差検出
手段に信号を出力する選択手段を設けることにより、内
燃機関の運転状態又は酸素濃度センサの劣化状態等に応
じた関係を選択して、制御中心のずれが少なくなるよう
に空燃比偏差が零となる酸素濃度センサの出力電圧を変
化させ、空燃比制御を行うことができ、これによりエミ
ッションの悪化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクレーム対応図、第２図は本発明を具
体化した一実施例による空燃比制御装置を搭載したエン
ジン及びその周辺装置を示す構成図、第３図は電気的構
成を示すブロック図、第４図は空燃比補正係数算出処理
を示すフローチャート、第５図（ａ）は酸素濃度センサ
出力と空燃比との関係を示すマップ、第５図（ｂ）は第
５図（ａ）の酸素濃度センサ出力と空燃比偏差との関係
を示すマップ、第６図は空燃比偏差にて規定した積分値
マップ、第７図は空燃比偏差にて規定した比例値マッ
プ、第８図は従来例における積分値マップ、第９図は作
用を説明するためのグラフであって、同図（ａ）は酸素
濃度センサの出力を示すグラフ、同図（ｂ）は積分量Σ
INの変化を示すグラフ、同図（ｃ）は空燃比補正係数の
変化を示すグラフ、第10図は従来の方法における作用を
説明するためのグラフであって、同図（ａ）は酸素濃度
センサの出力を示すグラフ、同図（ｂ）は積分量ΣINの
変化を示すグラフ、同図（ｃ）は空燃比補正係数の変化
を示すグラフ、第11図は触媒浄化率と空燃比との関係を
示すグラフ、第12図は加速後の空燃比補正係数の変化を
示すグラフ、第13図は従来例における加速後の空燃比補
正係数の変化を示すグラフ、第14図は別の比例値マッ
プ、第15図は第２の実施例においてマイクロコンピュー
タが実行する処理を示すフローチャート、第16図はこの
例における酸素濃度センサ出力と空燃比偏差との関係を
示すマップ、第17図は実際の空燃比と酸素濃度センサの
出力とを示すグラフ、第18図は酸素濃度センサの劣化前
と劣化後における出力特性を示すグラフである。 図中、Ａは酸素濃度センサ、Ｂは記憶手段、Ｃは空燃比
偏差検出手段、Ｄは制御量設定手段、Ｅは空燃比制御手
段、１は内燃機関としてのエンジン、４は吸気系、９は
排気系、15は酸素濃度センサ、15aは検出素子、15bはヒ
ータ、21は空燃比偏差検出手段，制御量設定手段，選択
手段及び空燃比制御手段としての電子制御回路、22bは
記憶手段としてのROMである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木下 和紀 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 昭51−136035（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−60338（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−203951（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−94049（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−26746（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気系に設けられ、かつ、内燃
   機関の排ガス中の酸素濃度を検出して機関に供給された
   混合気の空燃比に応じた信号を出力する酸素濃度センサ
   と、 機関に供給された混合気の空燃比に対する酸素濃度セン
   サの出力特性に基いて、目標空燃比と前記供給された混
   合気の空燃比の偏差と、前記酸素濃度センサの出力との
   関係を予め記憶した記憶手段と、 前記記憶手段に記憶した前記関係を用いて、前記酸素濃
   度センサの出力に対応して空燃比偏差を求める空燃比偏
   差検出手段と、 前記空燃比偏差検出手段により検出された偏差の絶対値
   が所定値未満のときには偏差の正負に応じて定められた
   一定の積分補正値に基いて、該偏差の絶対値が所定値以
   上のときにはその偏差に応じた積分補正値に基いて空燃
   比制御量を設定する制御量設定手段と、 前記制御量設定手段により設定された空燃比制御量に基
   いて機関に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比
   制御手段と を備えた内燃機関の空燃比制御装置。
2. 【請求項２】前記記憶手段には目標空燃比と前記供給さ
   れた混合気の空燃比の偏差と、前記酸素濃度センサの出
   力との関係が複数記憶されるとともに、内燃機関の運転
   状態又は酸素濃度センサの劣化状態等に応じて前記記憶
   手段に記憶した複数の関係よりいずれか１つを選択して
   前記空燃比偏差検出手段に信号を出力する選択手段を備
   えた請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。