JP2906205B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の空燃比制御装
置に関し、詳しくは、酸素ストレージ効果を有する排気
浄化触媒の上流側及び下流側それぞれで酸素濃度を検出
し、これらの検出値に基づいて空燃比フィードバック制
御を実行するよう構成された空燃比制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、排気浄化用に排気系に設けら
れる三元触媒の上流側と下流側とにそれぞれ酸素センサ
を設け、これらの２つの酸素センサの検出値を用いて空
燃比をフィードバック制御するものが種々提案されてい
る（特開平４−７２４３８号公報等参照）。

【０００３】例えば特開平４−７２４３８号公報に開示
される空燃比フィードバック制御装置では、上流側酸素
センサの検出に基づいて比例・積分制御により空燃比フ
ィードバック補正係数を設定する一方、下流側酸素セン
サで検出される目標空燃比に対するリッチ・リーンに基
づき、前記比例・積分制御における比例操作量（比例
分）を補正することにより、上流側酸素センサの検出結
果に基づく空燃比フィードバック制御の空燃比制御点の
ずれを補償できるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように２つの酸素センサを用いて空燃比フィードバック
制御を行う装置においては、燃料カット等のリーン化制
御により空燃比フィードバック制御が停止された後に、
リーン化制御が停止されて空燃比フィードバック制御が
再開されると、三元触媒の酸素ストレージ効果により下
流側酸素センサによる補正が過補正となり、排気性状が
悪化するという問題があった。

【０００５】前記酸素ストレージ効果とは、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を取り込んでリーンのときに取り込
まれたＯ₂ と反応せしめるという作用である。上記のよ
うな酸素ストレージ効果を有する排気浄化触媒では、燃
料カット等のリーン化制御中に触媒内に多量のＯ₂ が導
入されてこれが吸着保持されると、リーン化制御が終了
した後に仮にリッチ空燃比の排気（多量のＣＯ，ＨＣ）
が触媒内に導入されても、多量に吸着保持されていたＯ
₂ を消費するまでは、触媒下流側にはリッチ空燃比の排
気が排出されないことになり、下流側の酸素センサによ
る検出結果がリーン側に張りつく。このため、実際の空
燃比のリッチ側への反転に対して、下流側の酸素センサ
で検出される空燃比の反転が大幅に遅れ（図５参照）、
かかる遅れの間にリッチ方向へ過補正されることになっ
てしまう。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、酸素ストレージ効果を有する排気浄化触媒の上流
側及び下流側に酸素センサを設け、これらの酸素センサ
の出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う空燃
比制御装置において、下流側の酸素センサに基づいて過
補正がなされること回避できるようにすることを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そのため本発明にかかる
内燃機関の空燃比制御装置は、図１に示すように構成さ
れる。図１において、排気浄化触媒は、機関の排気通路
に設けられ、酸素ストレージ効果を有する触媒であり、
第１及び第２の酸素センサは、かかる排気浄化触媒の上
流側及び下流側にそれぞれ設けられ、排気中の酸素濃度
に感応して出力値が変化するセンサである。

【０００８】ここで、空燃比フィードバック補正値演算
手段は、前記上流側の第１酸素センサの出力値に基づい
て空燃比フィードバック補正値を演算し、また、フィー
ドバック特性変更手段は、前記下流側の第２酸素センサ
の出力値に基づいて前記空燃比フィードバック補正値演
算手段における空燃比フィードバック補正値の演算特性
を変更する。

【０００９】そして、燃料供給量補正手段は、前記空燃
比フィードバック補正値に基づいて機関への燃料供給量
を補正制御する。一方、下流側酸素センサ制御許可手段
は、前記空燃比フィードバック補正値演算手段における
制御周波数が所定値以上であって、かつ、前記制御周波
数が所定値以上の状態での前記下流側の第２酸素センサ
の出力値の反転回数が所定回数以上になっているときに
のみ、前記フィードバック特性変更手段による空燃比フ
ィードバック補正値の演算特性の変更を許可する。

【００１０】

【作用】かかる構成では、酸素ストレージ効果を有する
排気浄化触媒の上流側に設けられた酸素センサの出力値
を用いた空燃比フィードバック補正制御の特性が、前記
触媒の下流側に設けられた酸素センサの出力値によって
変更されるが、前記下流側の酸素センサを用いた制御
は、上流側の酸素センサによる空燃比フィードバック制
御の制御周波数が所定値以上であって、かつ、前記制御
周波数が所定値以上の状態での下流側の酸素センサの出
力値の反転回数が所定回数以上になっているときにのみ
行われる。

【００１１】即ち、燃料カット後の空燃比フィードバッ
ク制御再開時のように、燃料カット中に触媒に吸着保持
された多量の酸素が吐き出され、下流側の酸素センサが
リーン状態を判定し続けるような状態のときに、下流側
の酸素センサを用いた制御が行われることのないように
するものである。そのため、上流側の酸素センサによる
空燃比フィードバック制御の制御周波数が所定値以上で
あって、かつ、前記制御周波数が所定値以上の状態での
下流側の酸素センサの出力値の反転回数が所定回数以上
になっているときに、前記燃料カットに影響された酸素
ストレージ効果が無くなり酸素ストレージ効果が収束し
ていると判断して、下流側の酸素センサを用いた制御を
開始させる。

【００１２】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。一実施例
を示す図２において、内燃機関１には、エアクリーナ２
から吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸気マニホール
ド５を介して空気が吸入される。吸気マニホールド５の
ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられてい
る。前記燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開弁
し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であっ
て、後述するコントロールユニット12からの噴射パルス
信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプか
ら圧送されプレッシャレギュレータにより所定の圧力に
調整された燃料を吸気マニホールド５内に噴射供給す
る。

【００１３】尚、本実施例では上記のようにマルチポイ
ントインジェクションシステム（ＭＰＩ方式）とした
が、スロットル弁４の上流などに全気筒共通に単一の燃
料噴射弁を設けるシングルポイントインジェクションシ
ステム（ＳＰＩ方式）であっても良い。機関１の燃焼室
にはそれぞれ点火栓７が設けられていて、これにより火
花点火して混合気を着火燃焼させる。

【００１４】そして、機関１からは、排気マニホールド
８，排気ダクト９，排気浄化用の三元触媒10（排気浄化
触媒）及びマフラー11を介して排気が排出される。前記
三元触媒10は、前述の酸素ストレージ効果を有するもの
であって、排気成分中のＣＯ，ＨＣを酸化し、また、Ｎ
Ｏx を還元して、他の無害な物質に転換する触媒であ
り、機関吸入混合気を理論空燃比で燃焼させたときに両
転換効率が最も良好なものとなる。

【００１５】コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスを
含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種の
センサからの検出信号を入力して、後述の如く演算処理
して、燃料噴射弁６の作動を制御する。前記各種のセン
サとしては、吸気ダクト３中に熱線式或いはフラップ式
などのエアフローメータ13が設けられていて、機関１の
吸入空気流量Ｑに応じた電圧信号を出力する。

【００１６】また、クランク角センサ14が設けられてい
て、所定ピストン位置毎の基準角度信号ＲＥＦと、単位
角度毎の単位角度信号ＰＯＳとを出力する。ここで、前
記基準角度信号ＲＥＦの発生周期、或いは、所定時間内
における前記単位角度信号ＰＯＳの発生数を計測するこ
とより、機関回転速度Ｎｅを算出することができる。ま
た、機関１のウォータジャケットの冷却水温度Ｔｗを検
出する水温センサ15が設けられている。

【００１７】更に、三元触媒10の上流側となる排気マニ
ホールド８の集合部に第１酸素センサ16が設けられてお
り、また、三元触媒10の下流側でマフラー11の上流側に
は第２酸素センサ17が設けられている。前記第１酸素セ
ンサ16及び第２酸素センサ17は、排気中の酸素濃度に感
応して出力値が変化する公知のセンサであり、理論空燃
比を境に排気中の酸素濃度が急変することを利用し、理
論空燃比に対する排気空燃比のリッチ・リーンを検出し
得るリッチ・リーンセンサである。

【００１８】また、機関１が搭載された車両の走行速度
（車速）ＶＳＰを検出する車速センサ18が設けられてい
る。ここにおいて、コントロールユニット12に内蔵され
たマイクロコンピュータのＣＰＵは、図３及び図４のフ
ローチャートにそれぞれ示すＲＯＭ上のプログラムに従
って空燃比フィードバック制御を行いながら機関への燃
料供給を電子制御する。

【００１９】尚、本実施例において、空燃比フィードバ
ック補正値演算手段，フィードバック特性変更手段，燃
料供給量補正手段，下流側酸素センサ制御許可手段とし
ての機能は、前記図３及び図４のフローチャートに示す
ようにコントロールユニット12がソフトウェア的に備え
ている。図３のフローチャートに示すプログラムは、空
燃比フィードバック補正係数ＬＭＤを比例・積分制御に
よって設定し、更に、該空燃比フィードバック補正係数
ＬＭＤを用いて燃料噴射量Ｔｉを設定するためのプログ
ラムである。

【００２０】図３のフローチャートにおいて、まず、ス
テップ１（図中ではＳ１としてある。以下同様）では、
上流側の第１酸素センサ16の出力電圧を読み込む。次の
ステップ２では、前記ステップ１で読み込んだ出力電圧
と目標空燃比（理論空燃比）相当の所定値とを比較する
ことで、目標空燃比に対する実際の空燃比のリッチ・リ
ーンを判別する。

【００２１】出力電圧が所定値よりも大きく空燃比がリ
ッチであると判別されたときには、ステップ３へ進み、
かかるリッチ判別が初回であるか否かを判別する。リッ
チ判別の初回でるときには、ステップ４へ進み、前回ま
での空燃比フィードバック補正係数ＬＭＤから、後述す
るようにして設定される比例分Ｐ_R を減算する比例制御
を行って、空燃比フィードバック補正係数ＬＭＤを更新
する。

【００２２】一方、リッチ判別の初回でないとステップ
３で判別されたときには、ステップ５へ進み、前回まで
の空燃比フィードバック補正係数ＬＭＤから所定の積分
分Ｉを減算する積分制御を行って、空燃比フィードバッ
ク補正係数ＬＭＤを更新する。前記空燃比フィードバッ
ク補正係数ＬＭＤの減少制御は、燃料噴射量Ｔｉの減量
補正に相当するから、前記ステップ５における積分制御
を繰り返すことで、空燃比がリーンに反転するようにな
る。

【００２３】空燃比がリーンに反転したことがステップ
２で判別されると、ステップ６へ進み、リーン判別の初
回であるか否かを判別する。リーン判別の初回であると
きには、ステップ７へ進み、前回までの空燃比フィード
バック補正係数ＬＭＤに対して、後述するようにして設
定される比例分Ｐ_Lを加算する比例制御を行って、空燃
比フィードバック補正係数ＬＭＤを更新する。

【００２４】リーン判別の初回でない場合には、ステッ
プ８へ進み、前回までの空燃比フィードバック補正係数
ＬＭＤに所定の積分分Ｉを加算する積分制御を行って、
空燃比フィードバック補正係数ＬＭＤを更新する。この
ようにして、上流側の第１酸素センサ16で検出される実
際の空燃比を、目標空燃比に近づける方向に空燃比フィ
ードバック補正係数ＬＭＤを比例積分制御すると、ステ
ップ９へ進み、前記空燃比フィードバック補正係数ＬＭ
Ｄを用いて基本燃料噴射量Ｔｐを補正して、最終的な燃
料噴射量Ｔｉを設定する。

【００２５】具体的には、吸入空気流量Ｑと機関回転速
度Ｎｅとに基づいて基本燃料噴射量Ｔｐ（←Ｋ×Ｑ／Ｎ
ｅ：Ｋは定数）を演算する一方、冷却水温度Ｔｗ等の運
転条件に基づいた各種補正係数ＣＯＥＦ、バッテリ電圧
に応じた電圧補正分Ｔｓを演算する。そして、前記基本
燃料噴射量Ｔｐを、前記空燃比フィードバック補正係数
ＬＭＤ，各種補正係数ＣＯＥＦ，電圧補正分Ｔｓで補正
し、該補正結果を最終的な燃料噴射量Ｔｉ（←Ｔｐ×Ｃ
ＯＥＦ×ＬＭＤ＋Ｔｓ）として設定する。

【００２６】コントロールユニット12は、最新に演算さ
れた前記燃料噴射量Ｔｉに相当するパルス幅の噴射パル
ス信号を所定の噴射タイミングで燃料噴射弁６に出力し
て、燃料噴射弁６による噴射量を制御し、以て、目標空
燃比の混合気を形成させる。ここで、前記空燃比フィー
ドバック補正係数ＬＭＤの比例・積分制御に用いる比例
分Ｐ_R ，Ｐ_L は、図４のフローチャートに示すプログラ
ムに従って設定される。

【００２７】図４のフローチャートにおいて、まず、ス
テップ21〜ステップ23では、車速ＶＳＰ，機関回転速度
Ｎｅ，基本燃料噴射量Ｔｐ（機関負荷）が、それぞれ所
定範囲内であるか否かを判別することによって、機関の
中速・定常運転状態を判別する。前記機関の中速・定常
運転状態は、前記三元触媒10における酸素ストレージ効
果が収束し易い条件に対応する。

【００２８】前記ステップ21〜ステップ23による判別
で、所定の中速・定常運転状態が判別されたときには、
ステップ24へ進み、前記図３のフローチャートに従って
行われる空燃比フィードバック制御中であるか否かを判
別する。空燃比フィードバック制御中であることが判別
されたときには、更に、ステップ25へ進み、前記空燃比
フィードバック制御における周波数、即ち、フィードバ
ック制御に基づき第１酸素センサ16で検出される空燃比
のリッチ・リーン反転周期をモニタする。

【００２９】そして、次のステップ26では、前記空燃比
フィードバック制御の周波数が、所定値以上であるか否
かを判別する。上記のようにして、空燃比フィードバッ
ク制御中であって、然も、上流側の第１酸素センサ16で
検出されるリッチ・リーン反転の周波数が所定以上であ
るときを判別させることによって、三元触媒10における
酸素ストレージ効果が収束していれば、下流側の第２酸
素センサ17の出力が確実に変化する状態を条件として後
述する制御がなされるようにする。

【００３０】尚、前記酸素ストレージ効果の収束状態と
は、上流側の第１酸素センサ16の検出結果を用いた空燃
比フィードバック制御状態で、三元触媒10における酸素
を吸着保持する作用による酸素吸着量が安定している状
態を示すものとする。ステップ26でリッチ・リーンの反
転周波数が所定以上であると判別されたときには、ステ
ップ27へ進み、下流側の酸素センサ17で検出されるリッ
チ・リーン反転の回数をモニタさせる。

【００３１】次のステップ28では、前記ステップ21〜26
で判別される各条件が成立してから、下流側の第２酸素
センサ17で検出されるリッチ・リーンが反転した回数が
所定回数（例えば２回、好ましくは５〜６回）以上にな
ったか否かを判別する。そして、所定回数以上の反転が
モニタされていない場合には、ステップ29以降の比例分
Ｐ_R ，Ｐ_L 補正制御に進まずに、ステップ21へ戻って条
件判別を繰り返させ、反転回数が所定以上になって初め
てステップ29へ進む。即ち、上流側の第１酸素センサ16
の出力に基づく空燃比フィードバック制御の開始に対し
て、下流側の第２酸素センサ17の出力に基づく制御特性
の変更を遅れて開始させることになる（図６参照）。

【００３２】例えば、燃料カット等のリーン化制御の実
行に伴って空燃比フィードバック制御をクランプさせて
いる状態から、前記リーン化制御を停止させて空燃比フ
ィードバック制御を開始した直後においては、三元触媒
10にリーン化制御中に多量に吸着捕集された酸素が吐き
出されるまでの間は、たとえリッチ空燃比が触媒内に取
り込まれても、下流側の第２酸素センサ17で検出される
排気はリーンに張りつく。

【００３３】従って、かかる状態で下流側の第２酸素セ
ンサ17によるリーン検出に基づき、前記図３に示す空燃
比フィードバック制御の制御点をリッチ側に修正する補
正を行うと、過補正となってしまうことになる。一方、
前記リーン化制御中において多量に吸着捕集された酸素
が吐き出されて安定状態に近づくと、上流側の第１酸素
センサ16を用いた空燃比フィードバック制御によってリ
ッチ・リーンを繰り返す触媒10上流側における排気空燃
比の変動に対応して、三元触媒10下流において第２酸素
センサ17で検出される排気空燃比が反転するようにな
り、反転を繰り返すうちに前記リーン化制御中における
酸素ストレージ効果の影響が薄くなって酸素吸着量が安
定してきて、一定の周期でリッチ・リーン反転するよう
になる（酸素ストレージ効果の収束状態）。

【００３４】ここで、前記ステップ28では、下流側の第
２酸素センサ17で検出されるリッチ・リーンの判定回数
が所定回数以上であることを判別し、反転回数が所定回
数未満の状態では、後述する比例分Ｐ_R ，Ｐ_L 補正制
御、即ち、上流側の第１酸素センサ16による空燃比フィ
ードバック制御における制御点の修正を行わせない。従
って、リーン化制御を終了して空燃比フィードバック制
御を再開させた直後で、リーン化制御中における酸素ス
トレージ効果に影響されて第２酸素センサ17で検出され
る空燃比がリーンに張りついている状態での過補正を回
避できる。

【００３５】また、所定回数以上の反転を条件とするこ
とで、触媒10における酸素ストレージ効果の安定状態
（収束状態）を見極めるから、たとえ第２酸素センサ17
がリッチ検出を行うようになっても、リーン化制御中に
おける酸素ストレージ効果の影響が残っていて大きな応
答遅れを生じるときに、誤制御されることを回避でき
る。

【００３６】上記のようにして、三元触媒10における酸
素ストレージ効果の収束状態が判別され、リーン化制御
中の酸素ストレージ効果の影響で下流側の第２酸素セン
サ17を用いて誤制御されることがないことが確認される
と、ステップ29へ進む。そして、ステップ29では、前述
の第１酸素センサ16の出力電圧に基づく空燃比フィード
バック補正係数ＬＭＤの比例積分制御と同様にして、第
２酸素センサ17の出力電圧に基づく比例積分制御によっ
て、基本比例分Ｐ_RB，Ｐ_LBを補正するための補正値ＰＨ
ＯＳ（初期値＝０）を、第２酸素センサ17による検出空
燃比が目標空燃比に近づく方向に設定する。

【００３７】ステップ30では、基本比例分Ｐ_RBから前記
補正値ＰＨＯＳを減算し、該減算結果を比例分Ｐ_R （←
Ｐ_RB−ＰＨＯＳ）にセットすると共に、前記基本比例分
Ｐ_LBに前記補正値ＰＨＯＳを加算して、該加算結果を比
例分Ｐ_L （←Ｐ_LB＋ＰＨＯＳ）にセットする。前記比例
分Ｐ_R は前述のようにリッチ判別の初回に空燃比フィー
ドバック補正係数ＬＭＤの減少補正に用いられる比例分
であり、また、前記比例分Ｐ_L は前述のようにリーン判
別の初回に空燃比フィードバック補正係数ＬＭＤの増大
補正に用いられる比例分であり、更に、補正値ＰＨＯＳ
は、第２酸素センサ17によるリッチ検出時には減少設定
されるから、第２酸素センサ17でリッチ検出されている
ときには、前記比例分Ｐ_R によるリーン方向への制御が
増大し、逆に、前記比例分Ｐ_L によるリッチ方向への制
御が減少するから、第２酸素センサ17で検出されるリッ
チ空燃比を目標空燃比に近づける方向に空燃比フィード
バック補正係数ＬＭＤの比例制御特性が変更されること
になる。

【００３８】従って、第１酸素センサ16の検出結果を用
いた空燃比フィードバック制御における空燃比制御点の
ずれが、第２酸素センサ17を用いて設定される補正値Ｐ
ＨＯＳによって補償されることになる。尚、第２酸素セ
ンサ17の検出結果を用いた補正制御は、上記の比例分の
補正制御に限定されず、例えば、第１酸素センサ16の出
力に基づいてリッチ・リーンを判定するときに用いるス
レッシュホールドレベルの変更や、第１酸素センサ16の
リッチ・リーン検出に対して比例制御の実行を強制的に
遅らせる時間の変更などによって、空燃比フィードバッ
ク制御の特性を変更する構成であっても良い。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、酸
素ストレージ効果を有する排気浄化触媒の上流側及び下
流側に酸素センサを設け、これらの酸素センサの出力に
基づいて空燃比フィードバック制御を行う空燃比制御装
置において、燃料カットなどのリーン化制御の直後にお
ける空燃比フィードバック制御において、酸素ストレー
ジ効果の影響によって下流側の酸素センサに基づく空燃
比制御が過補正となることを回避できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の一実施例を示すシステム概略図。

【図３】空燃比フィードバック制御を示すフローチャー
ト。

【図４】下流側の酸素センサを用いた補正制御を示すフ
ローチャート。

【図５】酸素ストレージ効果による応答遅れ特性を示す
タイムチャート。

【図６】同上実施例の制御特性を示すタイムチャート。

【符号の説明】

１ 機関 ６ 燃料噴射弁 10 三元触媒（排気浄化触媒） 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 16 第１酸素センサ 17 第２酸素センサ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の排気通路に設けられ、酸素ストレー
   ジ効果を有する排気浄化触媒と、 該排気浄化触媒の上流側及び下流側にそれぞれ設けら
   れ、排気中の酸素濃度に感応して出力値が変化する第１
   及び第２の酸素センサと、 前記上流側の第１酸素センサの出力値に基づいて空燃比
   フィードバック補正値を演算する空燃比フィードバック
   補正値演算手段と、 前記下流側の第２酸素センサの出力値に基づいて前記空
   燃比フィードバック補正値演算手段における空燃比フィ
   ードバック補正値の演算特性を変更するフィードバック
   特性変更手段と、 前記空燃比フィードバック補正値に基づいて機関への燃
   料供給量を補正制御する燃料供給量補正手段と、前記空燃比フィードバック補正値演算手段における制御
   周波数が所定値以上であって、かつ、前記制御周波数が
   所定値以上の状態での前記下流側の第２酸素センサの出
   力値の反転回数が所定回数以上になっているときにの
   み、 前記フィードバック特性変更手段による空燃比フィ
   ードバック補正値の演算特性の変更を許可する下流側酸
   素センサ制御許可手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の空燃比
   制御装置。