JP3038490B2 - 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、２個の空燃比センサを用いてより適切な
空燃比制御を行うようにした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〉 制御定数マップと制御変数マップとを用い、触媒の上
流側に配置された空燃比センサの検出結果に応じてフィ
ードバック制御を行うようにした空燃比制御装置は周知
である（例えば特開昭60−201064号、特開平１−113565
号公報等参照。以下従来技術１とする）。上記公報の装
置あるいはこの発明の装置における制御定数マップは、
本出願の第３図に示すように機関の負荷と回転数をパラ
メータとし、その組み合わせに応じた各運転領域に対し
て所定の制御定数をそれぞれ設定したもの、また制御変
数マップは、各制御定数の値に基づいて流量制御弁を開
閉する制御量を制御定数ごとに設定したもの、具体的に
は開度のスキップ量Su,Sdと、このスキップに続く開度
の変化割合1/Cu,1/Cdとをそれぞれ設定したものであ
る。このような二段階のマップを使用することにより、
負荷と回転数を入力して流量制御弁の開度のスキップ量
と変化割合を直接求める演算方式の演算方式の場合に比
べてプログラムが簡単となり、三元触媒による適切な排
気浄化を容易に且つ応答性よく行うことが可能である。

また、触媒の上流側と下流側に配置された第１及び第
２の空燃比センサの検出結果に応じて、フィードバック
制御を行うようにした空燃比制御装置も知られている
（例えば特開昭61−234241号公報参照。以下従来技術２
とする）。

〈発明が解決しようとする課題〉 従来技術１では、空燃比センサの特性のバラツキを補
正して最適な制御を行えるようにするために、装置の据
付け時に触媒とのマッチング作業を行う必要がある。ま
た、空燃比センサの出力特性の変化や触媒性能の劣化な
ど経年変化の影響を受けやすく、排気ガスの浄化能力の
低下が早くなる等の問題点がある。

また、従来技術２は単に第２の空燃比センサの出力が
リッチであるかリーンであるかを判定し、これに応じて
フィードバック制御のためのスキップ量を演算して制御
中心のずれを補正するものである。従って、空燃比セン
サの出力特性の変化や触媒性能の劣化など経年変化の影
響を十分除くことが困難であり、また制御手順が複雑で
あると共に空燃比制御に伴って機関の回転数変動が生じ
やすく、発電機駆動用原動機のような用途には適さない
という問題点がある。

この発明はこのような問題点に着目し、触媒や空燃比
センサの特性の差や性能劣化等の影響を受けず、空燃比
制御を容易にしかも回転数変動のない安定した状態で行
うことのできる装置を提供することを目的としてなされ
たものである。

〈課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するために、この発明では、負荷及
び回転数の組み合わせに応じた各運転領域に対して所定
の制御定数をそれぞれあらかじめ設定した制御定数マッ
プと、空気あるいは燃料の追加供給路に設けられた流量
制御弁の開度のスキップ量及び変化率を上記各制御定数
ごとにあらかじめ設定した制御変数マップとを記憶手段
に記憶しておき、検出される負荷と回転数に応じて所定
の制御定数をマップから選択し、選択された制御定数に
対応した制御変数を用いて上記流量制御弁の開度を制御
することにより、排気路中の触媒コンバータの上流側に
配置された空燃比センサの検出結果に応じてフィードバ
ック制御を行うように構成された内燃機関の空燃比制御
装置において、触媒コンバータの下流側に配置された第
２の空燃比センサと、この第２の空燃比センサの出力が
上昇から下降へ、あるいは下降から上昇へ変化する状態
にあるか否かを判別する判別手段と、選択された制御定
数を判別手段の判別結果に応じて変更する制御変数決定
手段、とを備え、実際に適用される制御変数を第２の空
燃比センサの検出結果に応じて補正するようにしてい
る。

また、判別手段の判別結果が制御定数を変更するには
及ばない結果であった場合は、制御定数マップから選択
される制御定数は変更せず、判別手段の判別結果に応じ
た所定の乗率を制御定数に対応する弁開度のスキップ量
に乗ずることにより、弁開度のスキップ量の微調整を行
うようにしている。

更に、判別手段の判別結果が制御定数を変更するには
及ばない結果であった場合は、制御定数マップから選択
される制御定数は変更せず、判別手段の判別結果に応じ
た所定の乗率を制御定数に対応する弁開度の変化率に乗
ずることにより、弁開度の変化率の微調整を行うように
している。

第１図はこの発明の構成を示す図である。Ａは機関、
Ｂは触媒コンバータ、Ｃは第１の空燃比センサ、Ｄは流
量制御弁、Ｅは負荷検出手段、Ｆは回転数検出手段、Ｇ
は制御定数マップ及び制御変数マップを記憶する記憶手
段、Ｈは制御手段、Ｉは燃料、Ｊは空気、Ｋは燃料と空
気の混合部、Ｌはスロットル弁、Ｍは排気である。以上
は従来の空燃比制御装置の構成と同様であり、この発明
では、これに第２の空燃比センサＮ、第２の空燃比セン
サＮの出力波形を判別する判別手段Ｐ、実際に適用され
る制御変数を決定する制御変数決定手段Ｑが備えられて
いる。

〈作 用〉 第１の空燃比センサＣの検出結果に応じて流量制御弁
Ｄの開度が制御手段Ｈで制御され、周知の空燃比制御が
行われる。一方、第２の空燃比センサＮの出力波形は触
媒コンバータＢで浄化された後の排気Ｍの空燃比を示し
ており、その波形は触媒での浄化作用の適否を反映した
ものとなっているので、この波形の変化状態を判別手段
Ｐで判別して制御定数を変更することに伴って実際に適
用される制御変数が変更され、より適切な空燃比制御が
行われる。上記の第２の空燃比センサＮの出力波形の判
別は、例えば後述の実施例で述べているように、制御の
１周期内での出力値の変化状態と変化幅を見ることによ
って行うことができる。

また、判別手段の判別結果が制御定数を変更するのに
は及ばない結果であった場合に、弁開度のスキップ量や
変化率に所定の乗率を乗じて微調整することによってよ
り細かな制御が行われる。すなわち、制御定数が変更さ
れない場合は基本的には制御変数の変更も行われないの
であるが、この発明では判別結果に応じて制御変数をわ
ずかに変更するようにしているため、適切な空燃比制御
が可能となるのである。

〈実施例〉 次に、図示の一実施例について説明する。なお、この
実施例は火花点火式のガス機関におけるものであるが、
この発明は他の形式の機関にも適用することができる。

第２図において、１は機関本体、２は吸気マニホール
ド、３はスロットル弁、４はミキサー、５は空気供給
路、６は燃料供給路、７はガスレギュレータであり、燃
料８はガスレギュレータ７、燃料供給路６を経てミキサ
ー４に供給され、ここで空気供給路５から供給された空
気９と混合される。11は燃料供給路６の途中から分岐
し、ミキサー４とスロットル弁３の間に連通しているバ
イパス路、12はバイパス路11に設けられた空燃比制御用
の流量制御弁であり、この流量制御弁12にはステップモ
ータ12aを備えたアクチュエータバルブが用いられてい
る。13はガス圧を空気圧に応じて制御するためのバラン
スラインである。16は排気マニホールド、17は過給機、
18は三元触媒、19は三元触媒18の上流に配置されている
第１のO₂センサ、20は三元触媒18の下流に配置されてい
る第２のO₂センサ、21は排気ガス、22は吸気圧によって
負荷を検出する負荷検出センサ、23は回転検出センサで
ある。

25は例えば主要部をマイクロコンピュータによって構
成した制御部であって、入出力ポート25a,CPU25b、ROM2
5c、RAM25d等を備えている。各O₂センサ19、20及び負荷
検出センサ22、回転検出センサ23の検出出力は入出力ポ
ート25aを経て制御部25に入力され、また制御出力は入
出力ポート25aを経て流量制御弁12のステップモータ12a
に対して出力される。

制御部25のROM25cには、制御用のプログラムのほか、
第３図のような制御定数マップと第４図のような制御変
数マップが記憶されている。第３図の数値は制御定数で
あり、負荷及び回転数の組み合わせに応じた各運転領域
に対してそれぞれ設定されている。また、第４図のSuと
Sdは流量制御弁12の開度のスキップ量を、1/Cuと1/Cdは
開度の変化率をそれぞれ示しており、これらは第３図の
各制御定数ごとに設定されている。なお、このマップの
数値は機関の形式や定格等によって異なるものであり、
あらかじめ実験によって適正値が設定される。

第５図は空燃比制御の一般的な動作の説明図、第６図
は制御手順のフローチャートである。第５図の（ａ）は
第１のO₂センサ19が配置されている部分の排気ガスの空
燃比の変化状況を、（ｂ）はO₂センサ19の検出出力を、
また（ｃ）は流量制御弁12の開度の変化状況をそれぞれ
示しており、（ａ）のような空燃比の変化に応じてO₂セ
ンサ19の検出出力は（ｂ）のように若干の応答遅れを伴
って変化する。第６図に示すように、まず検出出力が読
み込まれ、リーンからリッチへ反転したことが確認され
ると（ステップS1）、負荷検出センサ22と回転検出セン
サ23で検出された負荷と回転数に応じた制御定数が第３
図の制御定数マップから読み出され、その制御定数に対
応した制御変数、すなわちスキップ量Su,Sdと変化率1/C
u,1/Cdが第４図の制御変数マップから読み出される（ス
テップS2）。流量制御弁12は閉状態からスキップ量Suで
開方向に駆動され、引き続いて変化率1/Cuで開方向に駆
動される（ステップS3）。同様に検出出力がリッチから
リーンへ反転すると、流量制御弁12は開状態からスキッ
プ量Sdで閉方向に駆動され、引き続いて変化率1/Cdで閉
方向に駆動されるという制御が繰り返される。こうして
空燃比は全体として所定の値に保たれるのである。

この発明は、上述のステップS2における制御定数と制
御変数の決定ルーチンの改善に係るものであり、次にこ
れについて詳述する。第７図は第２のO₂センサ20の検出
出力の変化の一例を示す図、第８図は制御手順のフロー
チャートであり、この手順は例えば数msecという短いイ
ンタバルで繰り返され、制御定数と制御変数を決定する
処理はO₂センサ19の検出出力の１周期を単位として行わ
れる。

まず、ステップS11において負荷と回転数が入力さ
れ、第３図の制御定数マップのどの運転領域に位置して
いるかが演算され、前回と同じ領域であれば前回と同じ
制御定数が選択され、異なる領域であれば今回の領域に
対応した制御定数が選択される（ステップS12）。続い
て第２のO₂センサ20の検出出力Xnが入力され（ステップ
S13）、次のステップS14でこれまでの最小検出値Xmin及
び最大検出値Xmaxと比較され、今回の値XnがXmin以下ま
たはXmax以上であれば値Xnがこれらと置き換えられる。
この値は次のステップS15で前回のデータXn−１と比較
され、Xnが上昇または下降の状態であるか否かが確認さ
れ、その状態が記憶される。ステップS16では第１のO₂
センサ19の検出出力がリッチからリーンへの変化点にあ
るか否かが判定され、否であればステップS11に戻り、
変化点であれば次のステップS17に進む。すなわち、こ
のステップで上述した制御定数と制御変数を決定する１
周期の起算点が求められるのである。

周期の起算点が確認されると、ステップS17で第２のO
₂センサ20の検出出力Xnの変化状態が判定され、ステッ
プS15での結果から上昇または下降の状態が継続してい
ると判断されればステップS11に戻り、上昇から下降
へ、または下降から上昇への変化があったと判断されれ
ばその時の値が確認されてステップS18に進む。

発明者らの研究によれば、第２のO₂センサ20の検出出
力Xnの上昇または下降が続いている場合には制御定数の
変更は不要であり、Xnが上昇から下降、あるいは下降か
ら上昇に反転した時には１周期内の最大値と最小値の差
に応じて制御定数を変更すると良好な結果が得られるこ
とが判明した。そしてこのような検出出力の波形に応じ
た処理によると、前記従来技術２のように単に第２のO₂
センサの検出出力がリッチ側にあるかリーン側にあるか
によって制御する場合、あるいは検出出力の絶対値に応
じて制御する場合とは異なり、空燃比の適切な制御が可
能であることが確認されている。これに従って、ステッ
プS18ではXmaxとXminの差を定数ａと比較し、またステ
ップS19では定数ｂと比較し、ａ以上でなければ制御定
数をステップS2で選択された制御定数よりリッチ側（第
４図の右側）のものに移行し、ｂ以下でなければ逆にリ
ーン側（第４図の左側）のものに移行し、ａとｂの間に
あれば制御定数を変更せず、それぞれの制御定数に対応
した制御変数Su、Sd、1/Cu及び1/Cdによって流量制御弁
12の開度が制御されるのである。上記の定数ａ及びｂは
ａ＜ｂの関係となっており、あらかじめ実験によって適
正値に設定されるものである。

なお、これらの一連の手順中に負荷や回転数が大きく
変動した場合には、その運転領域に対応した制御定数が
ステップS12で選択され、その制御定数をベースとして
それ以後の制御定数移行の手順が実施されることにな
る。従って新しい運転領域への対応は速やかに行われ、
追従が遅れるようなことはない。

上述の一連の手順は数msecのインタバルで繰り返さ
れ、その都度XmaxとXminの差が定数a,bと比較されてい
る。このため、場合によっては頻繁に制御変数が変化し
て流量制御弁12の開閉状態も変化する。また一時的なノ
イズ信号によっても制御変数が変化する可能性が大き
く、これらは機関回転数の変動の一つの要因となり得る
ので好ましいことではない。

第９図はこのような不具合を改善した手順のフローチ
ャートであり、ステップS16までは第８図と同じである
ので後半の異なる部分のみを示している。

すなわち、ステップS16で第１のO₂センサ19の検出出
力がリッチからリーンに変化したと判定されるとステッ
プS17に進み、第２のO₂センサ20の検出出力Xnの変化状
態が判定され、上昇または下降の状態が継続していると
判断されればステップS22に進む。また、上昇から下降
へ、または下降から上昇への変化があったと判断されれ
ば、その時の値が確認されてステップS18に進む。そし
てステップS18でXmaxとXminの差を定数ａと比較し、ａ
以上でなければステップS22に進み、ａ以上であればス
テップS21に進み、ステップS21ではOKカウンタをインク
リメントしてステップS22に進む。このステップS22で
は、一連の手順の繰り返し回数と経過時間が別に定めた
基準値に達しているか否かが判定され、基準値に達して
いなければステップS11に戻り、達していれば次のステ
ップS23に進む。ステップS23ではOKカウンタの値を定数
Ａと比較し、またステップS24では定数Ｂと比較し、Ａ
以上でなければ制御定数をリッチ側に変更し、Ｂ以下で
なければ逆にリーン側に変更し、ＡとＢの間にあれば制
御定数を変更しないのである。

このような処理によって実質的な制御の感度は低くな
り、必要以上に頻繁に制御変数が変化することが防止さ
れる。このため、流量制御弁12の開度制御の状態の変化
が緩やかなものとなり、また一時的なノイズ信号の影響
を受けることもなくなって機関回転数が安定するのであ
る。なお、上記の定数Ａ及びＢは前記の定数a,bとは異
なるものでＡ＜Ｂの関係となっており、あらかじめ実験
によって適正値に設定される。

上記の第８図あるいは第９図の処理は、定数a,bまた
はA,Bとの比較の結果により制御定数を変更するかしな
いかのいずれかであるが、より適切に空燃比を制御する
ためには制御定数を変更するほどではない場合でも制御
変数を若干変化させて微調整した方がよい場合がある。

第10図はこのような要求に対応できる制御手順を示し
たものであり、第９図と異なる後半部分のみを示してい
る。すなわち、定数A,Bの間に更にC,D（Ｃ＜Ｄ）を設定
し、OKカウンタの値がＣ以下であれば現状のスキップ量
Su,Sdに別に設定された乗率ksを乗じ（ステップS25）、
またＤ以下であれば現状の変化率1/Cu,1/Cdに別に設定
された乗率kcを乗ずる（ステップS26）ことにより、制
御変数を補正するのである。

なお、ステップS25と26はいずれか一方のみでもよ
く、また第10図は第９図の手順の一部を変更した例であ
るが、OKカウンタを用いない第８図の手順に同様な変更
を加えることも可能である。更に上記の乗率ks,kcの値
は全運転領域において一律とせず、各制御定数に対応す
るスキップ量Su,Sd及び変化率1/Cu,1/Cdごとに第４図に
準じたマップの形で適宜最適値を設定したものとしても
よい。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、この発明は、検出さ
れる負荷と回転数に対応する制御定数をマップから選択
し、選択された制御定数に対応してマップで設定されて
いる制御変数を用いて流量制御弁の開度を制御すること
により、触媒コンバータの上流側に配置された第１の空
燃比センサの検出結果に応じてフィードバック制御を行
うようにしたものにおいて、触媒コンバータの下流側に
第２の空燃比センサを設け、その出力波形の変化状態の
判別結果に応じて制御定数を変更することによって実際
に適用される制御変数を補正するようにしたものであ
る。

従って、第１の空燃比センサによる空燃比制御の状態
を第２の空燃比センサの出力波形の変化状態に応じて補
正することが可能となるので、装置の据付け時に触媒と
空燃比センサのマッチング作業を行う必要がなくなり、
また例えば触媒出口側を常にリッチに維持してNOxの低
減効果を高めるような制御も可能となる。また、空燃比
センサの出力特性の変化や触媒性能の劣化など経年変化
の影響を十分に除くことができて空燃比制御を適切に実
施することが可能となり、排気ガス浄化能力を長期間維
持することができる。更にマップ方式であるから制御手
順が簡単で応答性もよく、広い運転領域での空燃比制御
が容易となり、またスキップ量と変化率の両方を制御し
ているので、機関の回転数変動に対する影響を少なくす
ることができる。

また、第２の空燃比センサの出力波形の判別結果が制
御定数を変更するには及ばない結果であった場合に、所
定の乗率を弁開度のスキップ量と変化率の少なくともい
ずれか一方に乗ずることにより、弁開度の制御変数を補
正して微調整を行うようにしたものでは、空燃比をより
きめ細かく制御して精度を高めると共に、回転数変動に
対する影響をより少なくすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示す図、第２図は一実施例の
概略構成図、第３図は制御定数マップの説明図、第４図
は制御変数マップの説明図、第５図は基本的な制御動作
の説明図、第６図は基本的な制御手順のフローチャー
ト、第７図は第２の空燃比センサの出力波形の例を示す
図、第８図は具体的な制御手順のフローチャート、第９
図及び第10図は制御手順の変形例のフローチャートであ
る。 １……機関本体、４……ミキサー、５……空気供給路、
６……燃料供給路、７……ガスレギュレータ、８……燃
料、９……空気、11……バイパス路、12……流量制御
弁、16……排気マニホールド、18……三元触媒、19……
第１のO₂センサ、20……第２のO₂センサ、21……排気ガ
ス、22……負荷検出センサ、23……回転検出センサ、25
……制御部、25b……CPU、25c……ROM。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−113565（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−212643（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−211634（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−212743（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/14 310

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の排気路中に設けられた排気ガス浄化
   用の触媒コンバータと、この触媒コンバータの上流側に
   配置された第１の空燃比センサと、空気あるいは燃料の
   追加供給路に設けられた流量制御弁と、機関の負荷を検
   出する負荷検出手段と、機関の回転数を検出する回転数
   検出手段と、検出される負荷及び回転数の組み合わせに
   応じた各運転領域に対して所定の制御定数をそれぞれあ
   らかじめ設定した制御定数マップ、及び上記流量制御弁
   の開度のスキップ量と変化率とを上記各制御定数ごとに
   あらかじめ設定した制御変数マップを記憶する記憶手
   段、とを備え、制御手段によって、検出される負荷と回
   転数に対応する制御定数をマップから選択し、選択され
   た制御定数に対応した制御変数を用いて上記流量制御弁
   の開度を制御することにより、空燃比センサの検出結果
   に応じたフィードバック制御を行うように構成された内
   燃機関の空燃比制御装置において、 上記触媒コンバータの下流側に配置された第２の空燃比
   センサと、第２の空燃比センサの出力が上昇から下降
   へ、あるいは下降から上昇へ変化する状態にあるか否か
   を判別する判別手段と、選択された制御定数を判別手段
   の判別結果に応じて変更する制御変数決定手段、とを備
   え、第２の空燃比センサの検出結果に応じて実際に適用
   される制御変数を補正することを特徴とする内燃機関の
   空燃比制御装置。
2. 【請求項２】判別手段の判別結果が制御定数を変更する
   には及ばない結果であった場合は、制御定数マップから
   選択される制御定数は変更せず、判別手段の判別結果に
   応じた所定の乗率を制御定数に対応する弁開度のスキッ
   プ量に乗じてスキップ量の微調整を行うようにした請求
   項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 【請求項３】判別手段の判別結果が制御定数を変更する
   には及ばない結果であった場合は、制御定数マップから
   選択される制御定数は変更せず、判別手段の判別結果に
   応じた所定の乗率を制御定数に対応する弁開度の変化率
   に乗じて変化率の微調整を行うようにした請求項１記載
   の内燃機関の空燃比制御装置。