JP3009668B2

JP3009668B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP3009668B2
Application number: JP63045910A
Authority: JP
Inventors: 広樹松岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-03-01
Filing date: 1988-03-01
Publication date: 2000-02-14
Anticipated expiration: 2015-02-14
Also published as: US4941318A; JPH01224433A

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の一方
もしくは両方に空燃比センサ（本明細書では、酸素濃度
センサ（O₂センサ））を設け、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関の空燃比制御装置に関
する。

〔従来の技術〕

O₂センサを用いた空燃比フィードバック制御として
は、単一のO₂センサにもとづくシングルO₂センサシステ
ムと、触媒の上流、下流に設けた２つのO₂センサにもと
づくダブルO₂センサシステムとがあり、さらに、シング
ルO₂センサシステムとしては、O₂センサを触媒上流に設
けた型式のもの、およびO₂センサを触媒下流に設けた型
式のものがある。これらのO₂センサの出力の入力回路と
しては、第2A図に示すプルダウン型入力回路がある。す
なわち、プルダウン型入力回路は、プルダウン抵抗R₁お
よびノイズ吸収用キャパシタC₁により構成されている。
素子温が低いときにはO₂センサOXの内部抵抗R₀が大き
く、従って、第3A図に示すごとく、ベース空燃比がリッ
チでO₂センサOXの起電力があってもO₂センサ出力電圧V
_OXはローレベルとなり、他方、素子温が高くなると、O₂
センサOXの内部抵抗R₀が小さくなり、ベース空燃比がリ
ッチの場合にはO₂センサ起電力によりO₂センサ出力電圧
V_OXは起電力×R₁/（R₀＋R₁）相当のハイレベルとなる。
このようなプルダウン型入力回路を用いた場合のO₂セン
サOXの活性判別は、O₂センサ出力電圧V_OXが所定値を超
えたか否かあるいは反転したか否かにより行うのが通常
であるが、ベース空燃比がリーンの場合にはたとえO₂セ
ンサOXが活性化していても活性と判断されない。

そこで、ベース空燃比のリッチ、リーンに関係なくO₂
センサOXの活性判別が可能な入力回路として、第2B図に
示すプルアップ型入力回路が提案されている。すなわ
ち、プルアップ型入力回路は、プルアップ抵抗R₂および
ノイズ吸収用キャパシタC₂により構成されている。素子
温が低いときにはO₂センサOXの内部抵抗R₀はプルアップ
抵抗R₂に比べて大きく、第3B図に示すごとく、O₂センサ
出力電圧V_OXはベース空燃比に関係なくほぼ電源電圧に
近い値（V_CC×R₀/（R₀＋R₂））までプルアップされ、他
方、素子温が高くなると、O₂センサOXの内部抵抗R₀がプ
ルアップ抵抗R₂に比べて小さくなり、ベース空燃比がリ
ッチの場合にはO₂センサ出力電圧V_OXは起電力＋V_CC×R₀
/（R₀＋R₂）相当のハイレベルとなり、また、ベース空
燃比がリーンの場合にはO₂センサ出力電圧V_OXはV_CC×R₀
/（R₀＋R₂）相当のローレベルとなる。従って、プルア
ップ型入力回路を用いた場合には、O₂センサOXの活性判
別はO₂センサ出力電圧V_OXが暖機後のリッチ出力レベル
より少し高いレベルたとえば第3B図に示す活性判別値V_A
より低いか否かによって行うことができる。

しかしながら、O₂センサの出力処理として上述のプル
アップ型入力回路を用いた空燃比フィードバック制御シ
ステムにおいては、O₂センサの配線が短絡した場合に
は、プルアップ型入力回路の出力は0Vとなるために、O₂
センサは活性と判別され、この結果、当該O₂センサの出
力による空燃比フィードバック制御が許可されてしま
い、しかも、O₂センサの出力はリーン出力を示すので、
制御空燃比はリッチ側に制御され、たとえば空燃比フィ
ードバック制御量がリッチ側ガード値に張り付き、この
結果、HC,COエミッションの悪化、燃費の悪化等を招く
という問題がある。

そこでO₂センサが活性化する前に、即ち機関冷間始動
時にO₂センサが故障したか否か、例えばO₂センサの配線
が短絡したか否かを判別するようにした内燃機関が公知
である（特開昭61−65044号公報）。即ち、上述したよ
うにO₂センサの配線が短絡するとプルアップ型入力回路
の出力は0Vとなる。これに対してO₂センサの温度が低い
機関冷間始動時にはO₂センサの配線が短絡していなけれ
ばプルアップ型入力回路の出力は必ず電源電圧付近まで
プルアップされる。従って機関冷間始動時にプルアップ
型入力回路の出力が0Vであるか、或いは電源電圧付近に
なっているかを判別することによってO₂センサの配線が
短絡しているか否かを確実に判断することができ、O₂セ
ンサの配線が短絡している場合に空燃比のフィードバッ
ク制御が開始されないようにすればHC,COエミッション
の悪化、燃費の悪化等を回避することができることにな
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところでO₂センサは活性化すると空燃比がリーンのと
きには0.1（Ｖ）程度の出力電圧を発生し、空燃比がリ
ッチのときには0.9（Ｖ）程度の出力電圧を発生する。
そして上述の特開昭61−65044号公報に記載された内燃
機関ではプルアップ型入力回路の電源電圧がO₂センサ活
性時のリーン出力（0.1（Ｖ）程度）とリッチ出力（0.9
（Ｖ）程度）との中間の電圧、具体的には0.3（Ｖ）に
設定されている。しかしながらこのようにプルアップ型
入力回路の電源電圧をO₂センサ活性時のリーン出力とリ
ッチ出力との中間に設定しておくと、O₂センサの配線の
短絡は確実に検出できるもののO₂センサが活性化したか
否かを確実に検出することができないという問題があ
る。

即ち、O₂センサが活性化したときのO₂センサの出力電
圧はそのときの空燃比によって決まり、そのときの空燃
比がリーンになっていれば上述した如く0.1（Ｖ）程度
に、空燃比がリッチになっていれば上述した如く0.9
（Ｖ）程度になるがそのときの空燃比がほぼ理論空燃比
になっていると0.1（Ｖ）と0.9（Ｖ）の中間の電圧とな
る。このようにO₂センサが活性化したときに空燃比が理
論空燃比となる状況は特にダブルO₂システムを用いたと
きの三元触媒の下流側においてしばしば生ずる。即ち、
機関の運転が開始されるとまず初めに三元触媒上流に配
置された上流側O₂センサが活性化され、次いで暫らくす
ると三元触媒下流に配置された下流側O₂センサが活性化
する。上流側O₂センサが活性化すると空燃比のフィード
バック制御が開始され、斯くして空燃比が理論空燃比に
維持される。従って下流側O₂センサが活性化したときに
は空燃比が理論空燃比に維持されており、従って下流側
O₂センサが活性化したときには下流側O₂センサの出力電
圧が0.1（Ｖ）と0.9（Ｖ）との中間の電圧となる場合が
かなりある。

一方、上流側O₂センサについても上流側O₂センサが活
性化したときに空燃比がほぼ理論空燃比になっているこ
とがある。即ち、機関の運転が開始されると始動時およ
び始動直後は空燃比がリッチとされるが暫らくすれば空
燃比がほぼ理論空燃比とされる。従って上流側O₂センサ
が活性化したときにも空燃比がほぼ理論空燃比となって
おり、斯くして上流側O₂センサが活性化したときに上流
側O₂センサの出力電圧が0.1（Ｖ）と0.9（Ｖ）との中間
の電圧となる場合がある。

このようにO₂センサが活性化するとO₂センサの出力電
圧はそのときの空燃比によって0.1（Ｖ）程度となる
か、0.9（Ｖ）程度となるか、或いは0.1（Ｖ）と0.9
（Ｖ）の中間の電圧となる。即ち、O₂センサが活性化し
たときのO₂センサの出力電圧はほぼ0.1（Ｖ）からほぼ
0.9（Ｖ）の間のどのような電圧になるかはわからな
い。

ところで上述の特開昭61−65044号公報に記載された
プルアップ型入力回路におけるようにプルアップ入力回
路の電源電圧を0.1（Ｖ）と0.9（Ｖ）の中間の電圧に設
定して場合にはO₂センサが不活性のときにはプルアップ
入力回路の出力は0.1（Ｖ）と0.9（Ｖ）の中間の電圧と
なり、従ってプルアップ入力回路の出力が0.1（Ｖ）と
0.9（Ｖ）の中間の電圧であればO₂センサが不活性であ
ると判断される。

しかしながら上述したようにO₂センサが活性化したと
きに空燃比がほぼ理論空燃比であればプルアップ入力回
路の出力は0.1（Ｖ）と0.9（Ｖ）の中間の電圧となり、
斯くしてO₂センサが活性化しているにもかかわらずにO₂
センサが活性化していないと判断されることになる。従
ってこのようなプルアップ型入力回路を用いてもO₂セン
サが活性化したか否かを確実に検出することができない
という問題がある。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために本発明によれば第１図の
発明の構成図に示されるように、内燃機関の排気通路に
設けられた三元触媒CCROと、三元触媒の上流側または下
流側の排気通路に設けられ、機関の空燃比を検出する少
なくとも１つの空燃比センサと、空燃比センサ活性後の
空燃比センサのリッチ出力レベルよりも高い電圧の電圧
源から空燃比センサに微少電流を流し込むと共に空燃比
センサの出力電圧を入力するプルアップ型入力回路と、
プルアップ型入力回路の出力が空燃比センサ活性後の空
燃比センサのリッチ出力レベルよりも高い活性判別レベ
ルより低いか否かを判別する活性判別手段と、プルアッ
プ型入力回路の出力が活性判別レベルより低いと判別さ
れた後に空燃比センサの出力に応じた機関の空燃比の調
整を開始する空燃比調整手段と、機関の始動時で且つ機
関の冷間時に、プルアップ型入力回路の出力が所定値以
下のローレベルか否かを判別する出力判別手段とを具備
し、プルアップ型入力回路の出力がローレベルのときに
空燃比センサが故障していると判断するようにしてい
る。

〔作用〕

機関冷間始動時にプルアップ型入力回路の出力が所定
値以下のローレベルになれば空燃比センサが故障してい
ると判断される。一方、プルアップ型入力回路の出力が
空燃比センサ活性後の空燃比センサのリッチ出力レベル
よりも高い活性判定レベルよりも低くなれば空燃比セン
サが活性化したと判断される。即ち、空燃比センサが活
性化したときの空燃比がリーンであろうと、リッチであ
ろうと、ほぼ理論空燃比であろうと空燃比センサが活性
化したことを確実に判別することができる。

〔実施例〕

第４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４図においては、ダ
ブルO₂センサシステムを図示してある。すなわち、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30゜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つの有毒成分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13,15は空燃
比が理論空燃比に対してリーン側がリッチ側かに応じ
て、異なる出力電圧をプルアップ型入力回路111,112を
介して制御回路10のA/D変換器101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102、CPU103の
外に、ROM104,RAM105、バックアップRAM106、クロック
発生回路107等が設けられている。

また、吸気通路２のスロットル弁16には、スロットル
弁16が全閉か否かを検出するためのアイドルスイッチ17
が設けられており、この出力信号は制御回路10の入出力
インターフェイス102に供給される。

また、18はスタータスイッチであって、その出力は制
御回路10の入出力インターフェイス101に送出され、19
は下流側O₂センサ15の短絡が検出された場合に駆動させ
るアラームである。

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。

以下、第４図の制御回路の動作を説明する。

始めに、第５図〜第９図を参照してO₂センサ15の短絡
検出について説明する。

第５図は第１の実施例としてのメインルーチンの一部
である始動モードであって、この場合、下流側O₂センサ
15の短絡検出ルーチンを兼ねている。すなわち、ステッ
プ501では、スタータスイッチ18のオン（ST＝“1"）に
より機関が始動状態か否かを判別する。始動時のときの
み、ステップ502〜510が実行される。すなわち、ステッ
プ502にて始動時制御（たとえば燃料増量）を行い、ス
テップ503では、RAM値等のイニシャライズを行う。次
に、ステップ504にてRAM105より冷却水温データTHWを読
出し、THW＜THW₀（一定値）か否かを判別し、THW＜THW₀
のときのみステップ505に進み、下流側O₂センサ15の出
力V₂をA/D変換して取込み、V₂＜V₀（0Vに近いローレベ
ル）か否かを判別する。つまり、第６図に示すように、
始動時且つ冷間時にあっては、空燃比はリッチであり、
従って、下流側O₂センサ15の出力V₂（すなわち、プルア
ップ型入力回路112の出力）は、下流側O₂センサ15に短
絡がなければ、電源電圧V_CC（たとえば5V）に近いハイ
レベルとなり、他方、下流側O₂センサ15に短絡が発生す
れば、0Vに近いローレベルとなる。従って、ステップ50
6にて、下流側O₂センサ15の出力V₂がローレベル（短
絡）かハイレベル（正常）かを判別し、この結果、ロー
レベル（V₂＜V₀）であればステップ507〜509に進み、下
流側O₂センサ15の短絡検出後処理を行い、他方、ハイレ
ベル（V₂≧V₀）であればステップ510に進み、短絡フラ
グFBをリセットする（FB＝“0"）。

ステップ507〜509の短絡検出後処理について説明す
る。ステップ507では、アラーム19を付勢し、ステップ5
08では、下流側O₂センサ15の出力V₂による空燃比フィー
ドバック制御量、この場合、後述のリッチスキップ量RS
Rの学習値▲▼（バックアップRAM106の値）を初
期化する。たとえば▲▼←５％とする。次いで、
ステップ509にて異常フラグFBをセットする（FB←
“1"）。

そして、ステップ511にてこのルーチンは終了する。

このように、始動時且つ冷間時に下流側O₂センサ15の
出力V₂が0Vに近いローレベルにあるときには、下流側O₂
センサ15に短絡が発生したとみなす。

第７図は第２の実施例としての下流側O₂センサ15の短
絡検出ルーチンであって、所定時間たとえば1s毎に実行
される。第７図において、ステップ701にて、既に下流
側O₂センサ15が短絡状態（FB＝“1"）か否かを判別す
る。短絡状態であれば（FB＝“1"）、ステップ708〜710
に進み、短絡検出後処理を行い、他方、正常状態であれ
ばステップ702〜706を実行する。

ステップ702では、下流側O₂センサ15の出力V₂による
空燃比フィードバック制御中か否か、すなわち、O₂セン
サ15の出力V₂による空燃比フィードバック制御条件が成
立しているか否かを判別する。この空燃比フィードバッ
ク制御条件はたとえば後述の第12図のステップ1201〜12
05がすべて満足されたときである。この結果、下流側O₂
センサ15の出力V₂による空燃比フィードバック制御中で
なければ、ステップ706に進み、異常回数計測用カウン
タCLをクリアし、他方、下流側O₂センサ15の出力V₂によ
る空燃比フィードバッ制御中であれば、ステップ703に
進む。

ステップ703では、下流側O₂センサ15の出力V₂をA/D変
換し、ステップ704にて下流側O₂センサ15の出力V₂が所
定値V_L以下か否かを判別する。たとえばV_Lは第８図に示
すごとく、比較的高いローレベルである。この結果、V₂
＜V_Lであれば、ステップ705にて異常回数カウンタCLを
＋１カウントアップし、他方、V₂≧V_Lであれば、ステッ
プ706にて異常回数カウンタCLをクリアする。すなわ
ち、異常回数カンウタCLは、下流側O₂センサ15の出力V₂
が連続してV₂＜V_Lとなった回数を計数するものである。

ステップ707では、下流側O₂センサ15の出力V₂が連続
してV₂＜V_Lとなった回数CLがCL₀に到達したか否かを判
別する。CL＞CL₀であれば、下流側O₂センサ15の短絡が
検出されたものとみなし、ステップ708〜710にて短絡検
出後処理を行う。なお、ステップ708〜710の処理は第５
図のステップ507〜509の処理と同一である。

そして、ステップ711にてこのルーチンは終了する。

このように、下流側O₂センサ15の出力V₂による空燃比
フィードバック制御条件成立後、第８図に示すごとく、
下流側O₂センサ15の出力V₂を所定時間Δｔ毎に時刻t₀,t
₁,t₂,…にてレベルV_Lと比較し、その結果であるV₂＜V_L
が連続してCL₀回現われた場合には、下流側O₂センサ15
の短絡が検出されたものとみなす。

第９図は第３の実施例としての下流側O₂センサ15の短
絡検出ルーチンであって、所定時間毎に実行される。ス
テップ901では、増量値ΔTAUを、たとえば、 ΔTAU←FPOWER＋FOTP ただし、FPOWERは高負荷時に出力を増大させるパワー
増量値、FOTPは触媒過熱防止のための増量値、により演
算する。なお、他の増量値を付加してもよい。次に、ス
テップ902にて、ΔTAU＞T₀（一定値）か否かを判別し、
ΔTAU＞T₀であれば、ステップ903にて増量中カウンタCR
に所定値CRmaxセットし、他方、ΔTAU≦T₀であればステ
ップ904にて増量中カウンタCRを−１カウントダウン
し、ステップ905,906にて０でガードする。つまり、増
量中カウンタCRを設けた理由は、演算された燃料が増量
中であれば、その増量が停止された後にあっても、一定
期間（CR_maxに相当する時間）だけ機関は燃料増量状態
を維持するからである。

ステップ907では、増量中カウンタCRが０か否かによ
り燃料増量中であるか否かを判別する。燃料増量中でな
ければ（CR＝０）、ステップ914に直接進み、他方、燃
料増量中であれば（CR≠０）、ステップ908〜913に進
む。なお、ステップ908〜913は第５図のステップ505〜5
10と同一である。

そしてステップ914にてこのルーチンは終了する。

第９図のルーチンによれば、燃料増量中にあって、下
流側O₂センサ15が正常であれば、その出力V₂は必ずリッ
チ信号（ハイレベル）を示し、他方、下流側O₂センサ15
に短絡が発生していればその出力V₂はリーン信号（ロー
レベル）を示すことに着目し、燃料増量時に、下流側O₂
センサ15の出力V₂が0Vに近いローレベルにあるときに
は、下流側O₂センサに短絡が発生したものとみなす。

次に、空燃比制御について説明する。

第10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、所定時時間たとえば4ms毎に実行
される。

ステップ1001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、
触媒過熱防止のためOTP増加中、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1027に進む。なお、空燃比補正係数FAFを
1.0と初期化してもよい。他方、閉ループ条件成立の場
合はステップ1002に進む。

ステップ1002では、上流側O₂センサ13の出力V₁をA/D
変換して取込み、ステップ1003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
リッチがリーンかを判別する、つまり、空燃比がリーン
（V₁≦V_R1）であれば、ステップ1004にてディレイカウ
ンタCDLYが正か否かを判別し、CDLY＞０であればステッ
プ1005にてCDLYを０とし、ステップ1006に進む。ステッ
プ1006では、ディレイカウンタCDLYを１減算し、ステッ
プ1007,1008にてディレイカウンタCDLYを最小値TDLでガ
ードする。この場合、ディレイカウンタCDLYが最小値TD
Lに到達したときにはステップ1009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
流側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
のリーン遅延状態であって、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1010にてデ
ィレイカウンタCDLYが負か否かを判別し、CDLY＜０であ
ればステップ1011にてCDLYを０とし、ステップ1012に進
む。ステップ1012ではディレイカウンタCDLYを１加算
し、ステップ1013,1014にてディレイカウンタCDLYを最
大値TDRでガードする。この場合、ディレイカウンタCDL
Yが最大値TDRに到達したときにはステップ1015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別を保
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1016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1017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1018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1019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1016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1020,1021,1022にて積分処理
を行う。つまり、ステップ1020にて、F1＝“0"か否かを
判別し、F1＝“0"（リーン）であればステップ1021にて
FAF←FAF＋KIRとし、他方、F1＝“1"（リッチ）であれ
ばステップ1022にてFAF←FAF−KILとする。ここで、積
分定数KIR,KILはスキップ量RSR,RSLに比して十分小さく
設定してあり、つまり、KIR（KIL）＜RSR（RSL）であ
る。従って、ステップ1021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1022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1018,1019,1021,1022にて演算された空燃比
補正係数FAFはステップ1023,1024にて最小値たとえば0.
8にてガードされ、また、ステップ1025,1026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1027にてこのルーチンは終了する。

第11図は第10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11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、ディレイカウンタCDLYは、
第11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11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の短い期
間で反転すると、ディレイカウンタCDLYが最大値TDR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11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定
数としてのスキップ量RSR,RSL、積分定数KIR,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り空燃
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、これら可変
量は当然２つ以上組み合わされて用いられ得る。

次に、空燃比フィードバック制御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12図は下流側O₂センサ15の出力にもどづいてスキッ
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512ms毎に実行
される。ステップ1201〜1205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、下流側
O₂センサ13による閉ループ条件の不成立（ステップ120
1）に加えて、冷却水温THWが所定値（たとえば70℃）以
下のとき（ステップ1202）、スロットル弁16が全閉（LL
＝“1"）のとき（ステップ1203）、軽負荷のとき（Ｑ＝
Ne＜X₁）（ステップ1204）、下流側O₂センサ15が活性化
していないとき（ステップ1205）等が閉ループ条件が不
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1215,1216に進む。

閉ループ条件が満たされていればステップ1206〜1214
に進む。すなわち、ステップ1206では、異常フラグFBが
“0"否かを判別する。この結果、正常であれば（FB＝
“0"）、ステップ1207に進み、下流側O₂センサ15が短絡
であれば（FB＝“1"）、ステップ1215,1216に進む。

ステップ1207では、下流側O₂センサ15の出力V₂をA/D
変換して取込み、ステップ1208にてV₂が比較電圧V_R2た
とえば0.55V以下か否かを判別する、つまり、空燃比が
リッチがリーンかを判別する。なお、比較電圧V_R2は触
媒コンバータ12の上流、下流で生ガスの影響による出力
特性が異なることおよび劣化速度が異なること等を考慮
して上流側O₂センサ13の出力の比較電圧V_R1より高く設
定されているが、この設定は任意でよい。

ステップ1208にてV₂≦V_R2（リーン）であればステッ
プ1209に進み、RAM105よりリッチスキップ量RSRを読出
し、RSR←RSR＋ΔRSとし、つまり、リッチスキップ量RS
Rを増大させて空燃比をリッチ側に移行させ、他方、V₂
＞V_R2（リッチ）であればステップ1210に進み、RSR←RS
R−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1211では、
演算されたリッチスキップ量RSRを最小値MIN、最大値MA
Xにてガードする。なお、最小値MINたとえば2.5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MAXたとえば7.5は空燃比変動によりドライバビリティ
の悪化が発生しないレベルの値である。そして、ステッ
プ1212にて、リーンスキップ量RSLを、RSL←10％−RSR
により演算する。

ステップ1213では、学習値としてのなまし値▲
▼を、ただし、ｎはたとえば15,31等の整数により演算する。
そして、ステップ1214にてバックアップRAM106に格納さ
れ、ステップ1217に進む。

他方、閉ループでないときには、前述のごとく、ステ
ップ1215,1216が実行される。すなわち、ステップ1215
では、バックアップRAM106より学習値▲▼を読出
してRSRとし、ステップ1216では、リーンスキップ量RSL
を、 RSL←10％−RSR により演算する。

そして、ステップ1217にてこのルーチンは終了する。

このように、下流側O₂センサ15が短絡している場合に
は、バックアップRAM106に格納されている学習値▲
▼により空燃比フィードバック制御が実行される。な
お、この場合、第５図、第７図、もしくは第９図のルー
チンにより学習値▲▼は５％に初期化されてい
る。

第13図は噴射量演算ルーチンであって、所定クランク
角毎たとえば360゜CA毎に実行される。ステップ1301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（αは定数）とする。ステップ1302にてRAM1
05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1303では、高負荷時のパワー増量値FPOWERをス
ロットル弁16の開度TA等に応じて演算し、ステップ1304
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を読出して触媒過熱防止のためのOTP増量値FOTP
を演算し、ステップ1305では、最終噴射量TAUを、TAU←
TAUP・FAF・（FWL＋FPOWER＋FOTP＋β）＋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1306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1307にてこのルーチンは終了する。

なお、上述のごとく、噴射量TAUに相当する時間が経
過すると、ダウンカウンタ108のキャリアウト信号によ
ってフリップフロップ109がリセットされて燃料噴射は
終了する。

また、上流側O₂センサによる空燃比フィードバック制
御における他の制御定数、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、上述の実施例では、ダブルO₂センサシステムに
おける下流側O₂センサ15の出力のみに短絡検出処理を行
っているが、プルアップ型入力回路111を用いた上流側O
₂センサ13の短絡検出処理にも本発明を適用し得る。さ
らに、触媒上流もしくは下流の一方のみにO₂センサを設
けたシングルO₂センサシステムにおいても、O₂センサ出
力をプルアップ型入力回路を用いた場合には、本発明を
適用し得る。

さらに、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512ms毎
に行なわれるのは、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として行い、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、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1301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1303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、空燃比センサが
故障しているか否かを確実に検出することができ、しか
も空燃比センサが活性化したか否かを確実に判別するこ
とができる。

【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2A図、第2B図はO₂センサ出力処理の入力回路の例を示
す回路図、第3A図、第3B図は第2A図、第2B図の回路の出力特性図、第４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５図、第７図、第９図、第10図、第12図、第13図は第
４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６図は第５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８図は第７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11図は第10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、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O₂センサ、 15……下流側O₂センサ、 17……アイドルスイッチ、 18……スタータスイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−65044（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−151770（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−217733（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−159742（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−8246（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−156261（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に設けられた三元触媒
と、該三元触媒の上流側または下流側の排気通路に設けら
れ、前記機関の空燃比を検出する少なくとも１つの空燃
比センサと、空燃比センサ活性後の空燃比センサのリッチ出力レベル
よりも高い電圧の電圧源から空燃比センサに微少電流を
流し込むと共に該空燃比センサの出力電圧を入力するプ
ルアップ型入力回路と、該プルアップ型入力回路の出力
が空燃比センサ活性後の空燃比センサのリッチ出力レベ
ルよりも高い活性判別レベルより低いか否かを判別する
活性判別手段と、前記プルアップ型入力回路の出力が前記活性判別レベル
より低いと判別された後に該空燃比センサの出力に応じ
た前記機関の空燃比の調整を開始する空燃比調整手段
と、前記機関の始動時で且つ該機関の冷間時に、前記プルア
ップ型入力回路の出力が所定値以下のローレベルか否か
を判別する出力判別手段とを具備し、該プルアップ型入力回路の出力が前記ローレベルのとき
に該空燃比センサが故障していると判断するようにした
内燃機関の空燃比制御装置。