JP3030040B2 - ラムダ制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関に供給される空気燃料混合気のラ
ムダ値を制御する方法及び装置に関するものである。

従来の技術 内燃機関の排ガス通路内に設けられている触媒の最適
な転化条件を得るために、空気燃料混合気のラムダ値の
制御が行われている。転化（コンバート）はラムダ値の
狭い範囲でしか行われない。範囲の中心をどこにおいた
ら良いかは、それぞれの運転条件に関係してくる。それ
は、運転条件が異なると発生する種々の有害物質、すな
わち一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物の濃度が異な
り、通常の触媒はラムダ値が異なるとこの有害物質の無
害な物質に効率よく転化しなくなるからである。すなわ
ちラムダ値が化学量論的な値よりも濃い場合には窒素酸
化物は最適に転化されるが、一酸化炭素と炭化水素は薄
い領域における方が良好に転化される。窒素酸化物の除
去が主要目標であるので、触媒は主にラムダ値のやや濃
い領域で使用される。

一酸化炭素の濃度は主として混合気の分布が不均一な
ことと混合気組成がサイクル毎に変動することにより影
響される。上述の効果によって炭化水素の生成も変化
し、炭化水素の生成はさらに燃焼温度にも著しく関係
し、燃焼温度が低下するにつれて増加する。それに対し
て窒素酸化物の生成は燃焼温度が低下するに従って減少
する。混合気の分布とその変動及びそれぞれの燃焼温度
は回転数と負荷に関係する。従って運転状態が異なると
有害物質の組成が変わるので、種々の運転状態において
ラムダ値を異なる値に調節することが必要になる。

オンオフ制御手段の少なくとも１つの制御パラメータ
を変化させることによって、異なるラムダ値を得ること
ができる。この手段はドイツ特許DE2545759A1（US42101
06）に記載されている。実際に使用する場合には、例え
ば濃い方向に長くなる積分時間を特性値発生器に格納し
ておき、運転パラメータを介して読み出すことにより積
分時間を長くしている。

ドイツ特許DE−A1−3224347によれば、触媒の前後に
それぞれ設けられたO2センサを用いて「内燃機関の排ガ
ス有害成分を減少させる装置」が開示されている。下流
側に設けられているセンサはガイドセンサであって、燃
料空気比の最適な組成から偏差が生じた場合に平均ラム
ダ値を再調節させるものである。これらは制御パラメー
タを補正することによって行うことができる。

実際には、上述した従来技術では、平均ラムダ値の目
標値が運転状態に従って形成されているわけではないの
で、必ずしもそのときの運転状態に対して種々の有害物
質を最適に転化することのできる平均ラムダ値を得てい
るわけではない。

本発明の課題は、すべての駆動条件に関してかなりの
精度で所望の平均ラムダ値を得ることができる、ラムダ
値の制御方法を提供することである。さらに本発明の課
題は、この種の方法を実施する装置を提供することであ
る。

発明の利点 本発明方法は請求の範囲第１項の特徴によって得ら
れ、本発明装置は請求の範囲第５項の特徴によって得ら
れる。好ましい実施例が請求の範囲従属項に記載されて
いる。

本発明方法は次のことを特徴としている。すなわち、
オンオフ制御（２位置制御）用の実際のラムダ実際値を
求めるだけでなく、ラムダ測定実際値として平均ラムダ
値を用い、この平均ラムダ値を所定のラムダ測定目標値
と比較し、その測定偏差に従って少なくとも１つの制御
パラメータを変化させ、上述の測定偏差を減少させるラ
ムダ測定実際値が得られるようにしている。従って制御
パラメータをそのときどきの運転状態における運転パラ
メータの値に従って求め、触媒を最適に反応させる所定
の平均ラムダ値を得るだけではなく、さらに所望の値が
実際に達成されたかどうかをチェックし、されていない
場合には所定の制御パラメータを変化させて、実際に最
適な転化に必要なラムダ測定実際値を得るようにしてい
る。

ラムダ測定実際値（平均ラムダ値）は、制御に用いる
ラムダセンサから供給される変動するラムダ値を平均す
ることによって、あるいは触媒の後方のラムダ値を第２
のセンサを用いて測定することによって得ることができ
る。

ラムダ測定実際値は、例えば触媒の活動度を監視する
センサが設けられている場合には、好ましくはこの種の
センサを用いて検出される。触媒の後方の第２のセンサ
にこの種のセンサが設けられていない場合には、好まし
くは一般に制御に用いるラムダ値を平均することによっ
てラムダ測定実際値が形成される。

測定偏差がある場合、種々の制御パラメータのうちど
の制御パラメータを変化させるかは、制御されるシステ
ム全体の振動特性に関係している。例えばラムダ値を濃
い方向に大きく移動させようとする場合には、さらに積
分時間を延長するか、あるいは濃い方向への比例成分を
増大させるようにする。第１の方法によれば、オンオフ
制御器の振動周期が長くなり、第２の方法では短くな
る。第２の方法によれば誤差を迅速になくすことができ
るが、振動が大きくなるという欠点がある。従って、変
化させようとする１つあるいは複数の制御パラメータを
選択するとき制御されるシステム全体の特性を考慮しな
ければならない。

また、本発明では、平均ラムダ値の目標値がそれぞれ
そのときの運転状態に対して形成されるので、平均ラム
ダ値をそのときの運転状態に応じた最適なものにするこ
とができ、種々の有害物質の触媒を用いて最適に転化す
ることが可能になる。

図面 以下、図面に示す実施例を用いて本発明を詳細に説明
する。

第１図ａ、ｂはオンオフ制御時の時間的に変動するラ
ムダ値と時間に関係した調節量の特性を示す線図、 第２図ａ、ｂは積分時間を長くすることにより調節量
を得るようにした、第１図と同様の線図、 第３図ａ、ｂは比例成分を増大させることにより調節
量を得るようにした、第１図と同様の線図、 第４図は、触媒の後方に設けたセンサによって測定し
た平均ラムダ値を用いて形成される測定偏差によって制
御パラメータを変化させる本発明方法を説明するブロッ
ク図、 第５図は、オンオフ制御に用いるラムダ値を平均する
ことによって平均ラムダ値を求める、第２図方法の他の
実施例を示すブロック図である。

実施例の説明 本発明の詳細に入る前に、まず本発明の課題を第４図
の上方部分と第１図〜第３図を用いて説明する。

第４図の下部には水平な一点鎖線が引かれている。こ
の線の上部の構成は従来技術から公知であって、線の下
方に記載されている構成は上部に達する線も含めて新規
である。

第４図の主要な構成は以下のごとくである。すなわ
ち、回転数ｎと負荷Ｌの値に従って信号発生回路10によ
り暫定的な燃料噴射時間TIVが形成される。この値は後
述する論理処理回路11において噴射時間TIに変換され
て、内燃機関13の吸気管12内に配置されている噴射装置
14に供給される。吸気された空気流内に噴射された所定
量の燃料によって所定のラムダ値が形成され、それが内
燃機関13の排ガス管15内に配置されているラムダセンサ
16によって測定される。このラムダ制御実際値は、目標
値を出力する手段17から出力されるラムダ制御目標値と
比較される。

第４図によれば、目標値が450mVの基準電圧UREFで示
されている。このことは、実際にはラムダ値が比較され
ることは余りなく、所定のラムダ値においてラムダセン
サから出力される電圧が比較されることを意味する。ラ
ムダ制御実際値とラムダ制御目標値との比較は、比較段
18において行われ、この比較段においては上記の値の差
が制御偏差として形成される。制御偏差に基づいてラム
ダ制御器19によって制御係数FRで示される調節量が形成
される。論理処理回路11において、この制御係数FRが差
し当り求めた噴射時間TIVに乗算される。ラムダ制御実
際値がラムダ制御目標値小さい場合には、内燃機関13内
で燃焼される混合気が薄いことを示している。その場合
には制御係数FR＞１が出力され、それによって差し当り
求めた噴射時間TIVからより長い実際の噴射時間TIが形
成される。

ラムダ制御実際値のカーブが第１図ａ〜第３図ａに示
され、それに対応する制御係数FRが第１図ｂ〜第３図ｂ
に示されている。

ラムダ制御実際値（以下においてセンサ電圧という）
が濃厚から希薄に、すなわち混合気が基準電圧UREFに対
応する混合気より濃いことを示す値から、希薄な混合気
に減少する時点から第１図の説明を開始する。センサ電
圧は基準電圧を飛躍的に通過する。同様に希薄から濃厚
への逆の変化も飛躍的に行われる。センサ電圧が濃厚か
ら希薄へ飛躍するときに基準電圧を通過するその瞬間
に、ラムダ制御器19が制御偏差に基づいて制御係数FRを
得る積分方向を反転させるので、制御係数は１より低い
値から上昇する。積分方向の反転から制御係数が１に達
するまでの時間が第１図ｂにTMで記載されている。しか
し１の値に達した後も積分は続けられる。というのは吸
気側では制御係数がすでに濃厚な混合気に達しているに
も拘らず、センサ電圧がまだ希薄な値を示しているから
である。

しかしこの濃厚な混合気は遅延時間TTだけ遅延されて
ラムダセンサ16により検出される。この遅延時間TTが経
過した後にセンサ電圧は希薄から濃厚へ飛躍する。この
飛躍によって新たに積分方向が反転される。すると制御
係数FRは減少するので、飛躍から時間TFが経過すると再
び１に達する。さらに制御係数FRが減少すると、吸気側
では希薄な混合気が形成されるが、ラムダセンサ16の測
定信号にこの飛躍（今度は濃厚から希薄へ）が現れるの
は遅延時間TTが経過してからである。第１図ｂにおいて
は（第２図ｂと第３図ｂにおいても）、上昇方向への積
分を行う積分時間TAUFと下降方向の積分を行う積分時間
TABは同じ大きさである。すなわち、時間TM＋TTとTF＋T
Tは同じ大きさになるので、制御係数は値１を中心に対
称であって、センサ電圧は基準電圧を中心にして対称に
変動する。

なお、基準電圧が実際に使用される約400mV〜550mVで
ある場合には、制御係数は値１を中心に対称にではな
く、１より少し小さい値を中心に対称に変動する。従っ
て平均ラムダ値はやや希薄になる。さらに、センサの飛
躍特性により混合気が希薄から濃厚へ飛躍的に変化する
場合に、その逆に変化する場合より測定値が急速に飛躍
することによっても、希薄の方向へずれる。

従って上述の効果によって希薄になる。しかしそれに
対してすでに説明したように、排ガス内の窒素酸化物の
成分を減少させるためには、平均でやや濃いラムダ値が
存在することが望ましい。それに対応してラムダ制御器
19を駆動することが必要である。このためには種々の方
法が使用できるが、そのうちの２つを第２図と第３図を
用いて説明する。

第２図ｂに示す第１の方法によれば、センサ電圧が希
薄から濃厚へ飛躍した場合に、積分方向が即座に濃厚か
ら希薄へ反転するのではなく、さらに所定の遅延時間TV
だけ濃厚化が続いた後に、制御方向の飛躍がセンサ電圧
の飛躍に追従する。その場合には、センサ電圧の飛躍の
時点から制御係数が１を通過する時点までの時間はTFだ
けではなく、2TV＋TFとなる。従って制御係数FRはTT＋2
TV＋TFの間は＞１の値の領域にある。それに対して＜１
の値の領域は変わらず、TT＋TMである。この方法によっ
て平均の制御係数＞１が得られ、これが第２図ｂに一点
鎖線で示されている。異なる遅延時間TVを選択すること
によって、平均の制御係数と平均のラムダ値を濃厚な方
向に種々にずらすことができる。多くずらすほど、制御
振動の周期は大きくなる。

また、第３図ａとｂに示すような方法によって制御振
動の周期を小さくすることによっても、濃厚な方向へ移
動させることができる。すなわちセンサ電圧が濃厚から
希薄へ飛躍すると、制御係数FRが比例成分PAUFだけ飛躍
的に増大した後に、積分時間TAUFで濃厚方向への積分が
行われる。飛躍的に濃厚方向に変化したことによって、
センサ電圧が濃厚から希薄へ変化した時点から制御係数
FRがより小さい値から１に達する時点までにわずかな時
間TM′しか経過しない。従って制御係数FRの値が＜１で
あるのはTT＋TM′の間だけであって、これは第１図ｂに
示す方法による時間TT＋TMより小さい。時間TT＋TFは変
化しない。濃厚化への比例成分PAUFが大きいほど、平均
制御係数は＞１の値の方向へ移動し、それによってより
濃厚な平均ラムダ値が得られる。オンオフ制御の振動周
期はそれに対応して減少する。

第４図の一点鎖線の上方部分には、上述の知識を用い
てそれぞれの運転状態について有害物質を最適に転化す
る平均ラムダ値を得る方法が示されている。すなわち回
転数ｎと負荷Ｌの値に従って遅延時間TVを設定する手段
20が設けられている。それによって遅延時間TVを駆動点
に応じて変化させることができ、従って第２図ａとｂに
示す方法を利用することができる。

第４図にはさらに、遅延時間TVを設定する手段20の他
に、濃厚方向への飛躍の大きいPAUFを設定する手段21、
希薄方向への飛躍の大きさPABを設定する手段22、濃厚
方向への積分時間IAUFを設定する手段23及び希薄方向へ
の積分時間IABを設定する手段24が図示されている。飛
躍の大きさを設定する手段21と22とラムダ制御器19との
間は点線で図示されている。これは、実際においては遅
延時間TVと同時にこの大きさが変化されるのは例外的で
あるという理由による。このことは制御系全体の振動特
性と関係する。第２図と第３図を用いて説明したよう
に、遅延時間を導入することによって振動周期は増大す
るが、濃厚及び希薄方向への飛躍を導入することによっ
て振動周期は減少する。通常、所定タイプの内燃機関に
おいては、平均ラムダ値を濃厚方向へ移動させる２つの
方法のうち１つを使用するだけで十分である。その方向
に移動させるために、種々の積分時間IAUFとIABを使用
することもできる。しかし通常この積分時間は回転数に
従って変化され、すべての運転状態において制御振動の
振幅をほぼ一定に保つのに利用される。

以上説明した機能の他に、第４図にはさらに適応制御
回路25と補償回路26が図示されている。補償回路は測定
量、例えばバッテリー電圧が噴射時間に与える影響を補
償するのに用いられる。それに対して適応制御回路は外
乱量の影響、例えば空気圧あるいは温度の変動を補償す
るのに用いられる。

すでに説明したように、オンオフ制御器においては調
節量、例えば制御係数FRとラムダ値がそれぞれの平均値
を中心に変動する。少なくとも１つの制御パラメータ、
例えば遅延時間TVがそれぞれその時の運転状態に従って
変化されて、有害物質を最適に転化するための平均ラム
ダ値が形成される。しかし、実際においては必ずしもう
まく行かず、排ガス特性が予測より悪くなってしまう場
合がある。

触媒27の後方に配置されたラムダセンサ28、測定目標
値出力手段29、測定値比較手段30及び適応制御装置31を
用いれば、すべての運転状態においてきわめて良好な排
ガス特性を得ることができる。測定値比較手段30におい
て、ラムダ測定センサ28から供給されたラムダ測定実際
値が、測定目標値出力手段29から出力されるラムダ測定
目標値と比較されて、測定偏差が形成される。測定偏差
がマイナスである場合、従ってラムダ測定実際値がラム
ダ測定目標値より大きい場合には、触媒27の後方に生じ
る平均ラムダ値が濃厚であることを示している。このこ
とは、第４図に下降矢印で示すように、遅延時間TVを減
少させればよいことを意味している。この減少幅は所定
のステップ幅にしても良いし、あるいは所定の計算処理
によって決まるステップ幅、例えば測定偏差に比例する
ステップ幅にすることもできる。どのぐらいの幅が最適
であるかは、実験によって制御工程全体の振動特性に従
って定められる。

第４図においては、適応制御装置31から遅延時間TVを
設定する手段20へ与えられる信号が実線で示されている
他に、適応制御装置31と濃厚化方向への飛躍PAUFを設定
する手段21、希薄化方向への飛躍PABを設定する手段2
2、濃厚化方向への積分時間IAUFを設定する手段23、希
薄化方向への積分時間IABを設定する手段24及び測定目
標値出力を設定する手段17との間にも点線が引かれてい
る。点線で示したのは種々の理由に基づくものである。
例えば、濃厚化方向への飛躍を設定する手段21に至る線
は点線で示されている。というのは、実施例においては
所望の平均ラムダ値を求めるために遅延時間TVを変化さ
せているからである。すでに説明したように、通常運転
パラメータの値に従ってのみ調節を行わせる従来の方法
においては、種々の制御パラメータのうち１つだけを変
更することが多かった。従って本発明による閉ループ制
御による調節の場合も、それぞれ１つの制御パラメータ
だけを変えるようにするのが望ましい。

積分時間IAUFとIABは、好ましくは所望の平均ラムダ
値を求めるのには使用しない。というのはこの量はすで
に説明したように、回転数が異なる場合制御振動の振幅
が一定になるために変化させることが多く、この量が異
なる値に従って変化された場合には、制御の見通しが困
難になるからである。しかし特殊な条件が存在する場合
には、測定偏差に従って積分時間を変更することも重要
である。

オンオフ制御器の基準電圧を移動させることによっ
て、平均のラムダ値を変化させることができる。しかし
ラムダセンサ16の飛躍特性によってわずかしか移動させ
ることができない。

コストを考えて第２の測定センサ28を使用しない場合
には、第５図に示す方法が効果的である。この方法によ
れば、平均のラムダ値は触媒27の後方における測定から
求めるのではなく、平均化回路32においてラムダセンサ
16からのラムダ制御実際値から平均値を形成することに
よって、ラムダ測定実際値を求めている。平均値の形成
は、例えばラムダ制御実際値の全振動を平均することに
よって求められ、従って例えば希薄から濃厚への飛躍か
ら希薄から濃厚への次の飛躍までを平均することによっ
て求められる。その際好ましくは平均化の前に非線形特
性曲線Ｕλ＝ｆ（λ）に従って測定値の線形化が行われ
る。

測定目標値を出力する手段29には好ましくはメモリが
設けられており、このメモリにラムダ測定目標値が運転
パラメータに従ってアドレス可能に格納される。目標値
は、それぞれその時の運転状態において有害物質を最適
に転化させることができる平均ラムダ値が形成されるよ
うに決定される。アドレス用運転パラメータは、好まし
くは回転数ｎと、負荷Ｌに関係する量、例えばアクセル
ペダル位置に、絞り弁角度あるいは吸気量などである。
しかし目標値は特性曲線を用いて、あるいは所定の式に
基づく計算によって決定することもできる。

上述のすべての手段、処理手順及びメモリは、主とし
て自動車エレクトロニクスにおいて用いられているよう
に、好ましくはマイクロコンピュータのハードウエアと
ソフトウエアによって形成される。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の制御パラメータを有するオンオフ制
   御手段（18、19）を用い、この制御手段に飛躍特性を有
   する制御用ラムダセンサからの信号を入力して制御偏差
   を形成し、内燃機関に供給される空気燃料混合気のラム
   ダ値を制御する方法において、 それぞれのときの運転状態に対して前記制御用ラムダセ
   ンサからの信号の平均値の目標値であるラムダ測定目標
   値（29）を求め、 前記制御用ラムダセンサからの信号の平均値をラムダ測
   定実際値として用い、 ラムダ測定目標値とラムダ測定実際値間の測定偏差（3
   0）を計算し、 少なくとも１つの制御パラメータを測定偏差に従って変
   化させ前記測定偏差を減少させるラムダ測定実際値が得
   られるようにし、 前記少なくとも１つの制御パラメータとしてオンオフ制
   御時制御偏差が反転した後に作用する遅延時間を用い、 前記遅延時間を非対称に形成することを特徴とするラム
   ダ制御方法。
2. 【請求項２】触媒の後方に設けられた測定ラムダセンサ
   （28）による測定を介して前記平均値を求めることを特
   徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 【請求項３】制御パラメータを測定偏差に比例するステ
   ップ幅で変化させることを特徴とする請求の範囲第１項
   あるいは第２項に記載の方法。
4. 【請求項４】制御パラメータを所定のステップ幅で変化
   させることを特徴とする請求の範囲第１項あるいは第２
   項に記載の方法。
5. 【請求項５】所定の制御パラメータを有するオンオフ制
   御手段（18、19）を用い、この制御手段に飛躍特性を有
   する制御用ラムダセンサからの信号を入力して制御偏差
   を形成し、内燃機関に供給される空気燃料混合気のラム
   ダ値を制御する装置において、 それぞれそのときの運転状態に対して前記制御用ラムダ
   センサからの信号の平均値の目標値であるラムダ測定目
   標値を形成する手段（29）と、 前記制御用ラムダセンサからの信号の平均値からラムダ
   測定実際値を形成する手段（28、32）と、 ラムダ測定目標値とラムダ測定実際値間の測定偏差を計
   算する手段（30）と、 少なくとも１つの制御パラメータを測定偏差に従って変
   化させ前記測定偏差を減少させるラムダ測定実際値を発
   生させる手段とを有し、 前記少なくとも１つの制御パラメータとしてオンオフ制
   御時制御偏差が反転した後に作用する遅延時間を用い、 また前記遅延時間を非対称に形成する手段を設けること
   を特徴とするラムダ制御装置。
6. 【請求項６】ラムダ測定目標値を形成する手段（29）は
   メモリを有し、前記メモリ内にラムダ測定目標値が運転
   パラメータの値を介してアドレス可能に格納されること
   を特徴とする請求の範囲第５項に記載の装置。