JP3119704B2 - 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】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。

【０００２】

【従来の技術】機関の排気路中に配置された三元触媒の
上流側に第１の空燃比センサを、下流側に第２の空燃比
センサをそれぞれ設け、これら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
制御装置は公知である。例えば特開昭６１−２３４２４
１号公報には、下流側の第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ことが提案されている。また上記の
ものでは、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るた
め、本出願人は下流側の第２の空燃比センサの出力波形
を判別するようにし、その結果に応じて空燃比を補正す
ることを特願平２−１９９６９７号で提案している。

【０００３】近年、悪臭の原因物質であるＮＨ₃に対す
る規制が厳しくなりつつあり、排気ガス中のＮＨ₃の低
減が強く求められている。しかしながら、上述の従来技
術はいずれもＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣの低減を目的とした
ものでＮＨ₃の排出量が多いリッチな平均空燃比で運転
されており、ＮＨ₃を低減することはできない。また、
下流側の第２の空燃比センサの出力に応じて排気系に空
燃比調整用の燃料を追加供給することにより、ＮＨ₃の
生成量を低減できることも知られているが、これは設備
が複雑で価格も高くなりやすいという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明はこの点に着
目し、比較的簡単な装置によりＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣと共
にＮＨ₃も低減できるようにすることを課題としてなさ
れたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、この出願の第１の発明では、機関の排気路中に三
元触媒を配置し、この三元触媒の上流側に設けられた第
１の空燃比センサと下流側に設けられた第２の空燃比セ
ンサの検出結果をフィードバックして三元触媒の上流側
における空燃比を三元触媒による浄化作用が良好に行わ
れる領域に制御するようにした装置において、第１の空
燃比センサの出力によって、三元触媒の上流側における
平均空燃比がＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣに対応した第１のウ
ィンドウ内に入るようにフィードバック制御を行うと共
に、第２の空燃比センサの出力が所定の目標値となるよ
うに上記フィードバック制御を補正することによって、
上記平均空燃比が上記第１のウィンドウ内において更に
ＮＨ３に対応した第２のウィンドウ内に入るように制御
し、且つ三元触媒の下流側に設けられた排気温度センサ
の検出結果に基づいて上記目標値を修正するようにして
いる。

【０００６】図１はこの発明の装置の基本的な構成を示
す図であり、Ａは燃料混合部、Ｂはスロットル弁、Ｃは
機関、Ｄは三元触媒、Ｅは空気、Ｆは燃料、Ｇは排気ガ
スである。空気Ｅと燃料Ｆは燃料混合部Ａで混合され、
スロットル弁Ｂを経て機関Ｃに供給され、三元触媒Ｄで
浄化された排気ガスＧが排出される。Ｈは負荷センサ、
Ｉは回転数センサ、Ｊは第１の空燃比センサ、Ｋは排気
温度センサ、Ｌは第２の空燃比センサ、Ｍは制御手段、
Ｎは記憶手段であり、制御手段Ｍは各センサからの信号
に応じて記憶手段Ｎに記憶させてあるプログラムに従っ
て空燃比を計算し、所定の空燃比となるように燃料混合
部Ａを制御するのである。

【０００７】

【作用】図２はこの発明による補正制御の説明図、図３
は従来の制御の説明図である。図の上段は空燃比に対す
る排出成分と空燃比センサの出力との関係を示すグラフ
であり、ＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣの排出量と第１の空燃比
センサの出力Ｓ₁は(b)のような変化となっており、ＮＨ
₃の排出量と第２の空燃比センサの出力Ｓ₂は(a)のよう
な変化となっている。ＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣに対するウ
ィンドウＷ₁はこれらの成分の排出量が全体として最も
少なくなる範囲を選んで図のように設定されている。
(c)は空燃比の変動の状態を例示したものである。周知
のように、従来の制御においては第１の空燃比センサの
出力Ｓ₁によるフィードバック制御によって空燃比ａ₁を
ウィンドウＷ₁をまたぐように変動させ、その平均値ｂ₁
がウィンドウＷ₁の中に入るようにしているが、この領
域はＮＨ₃が比較的多く生成される領域であるためにそ
の排出量を低減することができないのである。

【０００８】しかし、ウィンドウＷ₁の中でも比較的リ
ーンな領域では(a)から分かるようにＮＨ₃の生成量は少
なく、この領域ではＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ及びＮＨ₃のす
べてが少なくなっている。しかもこの領域は丁度第２の
空燃比センサの出力Ｓ₂が変化する領域であり、この発
明はこの点に着目してなされている。すなわち、図２の
(a)に示すようにＮＨ₃の生成量が少ない領域に対応させ
た第２のウィンドウＷ₂を設定すると共に、これに対応
するセンサ出力Ｓ₂の目標値Ｖ₀とその上下に±ΔＶ₁の
不感帯幅で基準範囲を設定し、センサ出力Ｓ₂がこの基
準範囲内になるようにセンサ出力Ｓ₁に応じて行われる
フィードバック制御を補正するのである。これによっ
て、図２の(c)に示すように平均空燃比ｂ₂が第２のウィ
ンドウＷ₂内に入るように制御され、ＮＨ₃の生成量が低
減されることになる。

【０００９】上述のように、比較的幅の狭い第２のウィ
ンドウＷ₂内に平均空燃比ｂ₂を入れるにはかなり精度の
高い制御が必要となるが、一般に空燃比センサは温度に
よって出力が変化する特性があり、特にリッチ側では温
度が低いほど出力が高くなる傾向が強く現われる。ま
た、排気温度は起動後を除けば主として負荷と機関回転
数によって変化し、浄化されるべき排気成分の生成量も
変動する。従って、排気温度に応じて上記のように目標
値Ｖ₀を修正することによって、平均空燃比ｂ₂を第２の
ウィンドウＷ₂内に入れることが容易となり、この発明
によれば空燃比の制御を適正に行うことができる。

【００１０】

【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。図４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。

【００１１】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、２
２は吸気圧によって負荷を検出する負荷検出センサ、２
３は回転検出センサ、２４は三元触媒１８の出口に配置
されている排気温度センサであり、Ｏ₂センサ２０と排
気温度センサ２４はほぼ同じ位置に配置されている。２
５は例えば主要部をマイクロコンピュータによって構成
した制御部であり、入出力ポート２５ａ、ＣＰＵ２５
ｂ、ＲＯＭ２５ｃ、ＲＡＭ２５ｄ等を備えている。Ｏ₂
センサ１９、２０及び負荷検出センサ２２、回転検出セ
ンサ２３、排気温度センサ２４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。

【００１２】制御部２５のＲＯＭ２５ｃには、制御用の
プログラムのほか、図５に示すような制御定数マップと
図６のような制御変数マップが記憶されている。図５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、図６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、これらは図５の各制御定数ごとに設定されてい
る。なお、これらの各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。

【００１３】図７及び図８は空燃比制御の一般的な動作
の説明図と制御手順のフローチャートである。図７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。

【００１４】図８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図５
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
／Ｃu，１／Ｃdが図６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。

【００１５】この発明は、上述の手順による制御内容を
第２のＯ₂センサ２０の検出結果によって補正し、更に
この補正のために設定されるＯ₂センサ２０の出力の目
標値Ｖ₀を排気温度センサ２４で検出される排気ガス２
１の温度に応じて修正するようにしたものである。図９
はＯ₂センサの出力特性図であり、特にリッチ側では温
度による変化が大きく低温ほど出力が高くなっている
が、温度に対する出力変化はほぼ一定の傾斜を持つ直線
状となるので、この実施例では傾斜に対応する修正係数
をα、基準温度Ｔ₀₀における基準電圧をＶ₀₀、排気温度
センサ２４による検出温度をＴ₀として、次式 目標値Ｖ₀＝Ｖ₀₀＋（Ｔ₀−Ｔ₀₀）×α で目標値Ｖ₀を算出している。図１０はこの関係を図示
したものである。

【００１６】次に、図１５以下により制御の手順を説明
する。図１５は全体の手順を示したフローチャートであ
り、まず、ステップＳ１１で検出温度Ｔ₀が入力され
る。Ｏ₂センサは活性温度以上でないとＯ₂濃度に応じた
正しい電圧を出力しないので、次のステップＳ１２では
温度Ｔ₀が活性温度以上であるか否かが判定される。そ
して否であればステップＳ１３に進み、負荷検出センサ
２２と回転検出センサ２３の検出信号が入力されて図５
の制御定数マップを用いた制御が行われる。一方、温度
Ｔ₀が活性温度以上であればこの発明によるＮＨ₃制御を
行うためにステップＳ１４に進み、上述の式により目標
値Ｖ₀が算出される。図１１は起動時における以上の動
作を説明した図であり、ＮＨ₃制御は排気温度が活性温
度に達した時刻ｔ₀から開始される。なお、フローチャ
ートには示してないが、暖機時間とＮＨ₃制御待機時間
が設定されており、これらの時間が経過しないうちに排
気温度が活性温度に達してもＮＨ₃制御は行われないよ
うにしてある。

【００１７】この実施例では図１２に示すようにＶ₀±
ΔＶ₁の幅で設定された基準範囲を第１水準とし、その
外側に±ΔＶ₂を限界値とする幅の判定範囲を第２水準
として設定してあり、Ｏ₂センサ２０の出力信号Ｓ₂が判
定範囲の外にある時には、出力信号Ｓ₂が目標値Ｖ₀に近
付く方向に空燃比を変化させる。更に、出力信号Ｓ₂が
判定範囲の限界値、基準範囲の限界値及び目標値を横切
る時の変化傾向を検出して、図の(a)のように出力信号
Ｓ₂が低下する方向に横切る時には出力が上昇する方向
に、また(b)のように出力信号Ｓ₂が上昇する方向に横切
る時には出力が低下する方向に空燃比を変化させるよう
にしている。ステップＳ１５はこの補正制御の手順のル
ーチンであり、その詳細は図１６及び１７で説明する。

【００１８】更にこの実施例では、図１３に示すように
出力信号Ｓ₂が判定範囲内でしかも基準範囲外にある時
には信号Ｓ₂の変化傾向を検出し、図の(a)のように出力
信号Ｓ₂が目標値Ｖ₀から離れる方向に変化しつつある時
には、出力信号Ｓ₂が目標値Ｖ₀に近付く方向に空燃比を
変化させる。また(b)のようにこの領域で上下に変動し
たり目標値Ｖ₀に近付く方向に変化しつつある時には、
空燃比を変化させないという制御を行っている。ステッ
プＳ１６はこの補正制御の手順のルーチンであり、その
詳細は図１８及び１９で説明する。

【００１９】次に、図１６及び１７によりステップＳ１
５の制御手順を説明する。まず、ステップＳ２１で出力
信号Ｓ₂の前回値が記憶されて今回値が入力されると、
次のステップＳ２２で今回値がＶ₀−ΔＶ₂、すなわち判
定範囲の下側の限界値より大きいか否かが判定され、大
きければ前回値が下側の限界値より大きいか否かが判定
される。ここで前回値が大きくない場合は出力信号Ｓ₂
が下側の限界値を上向きに横切ったことを意味している
ので、制御定数をリーン側にシフトして空燃比をリーン
側に補正する。

【００２０】以下同様に、今回値と前回値をステップＳ
２３ではＶ₀−ΔＶ₁、すなわち基準範囲の下側の限界値
と比較し、ステップＳ２４ではＶ₀、すなわち目標値と
比較し、ステップＳ２５ではＶ₀＋ΔＶ₁、すなわち基準
範囲の上側の限界値と比較し、ステップＳ２６ではＶ₀
＋ΔＶ₂、すなわち判定範囲の上側の限界値と比較し、
それぞれ出力信号Ｓ₂が上向きに横切った場合には空燃
比をリーン側に補正するのである。ステップＳ２７で
は、以上の手順によりリーン側への補正が行われたか否
かが判定され、否の場合には次のステップＳ２８〜３２
に進む。これらのステップは上述のステップＳ２２〜２
６に準じて各限界値や目標値を出力信号Ｓ₂が下向きに
横切ったか否かを判定するものであり、下向きに横切っ
た場合には空燃比がリッチ側に補正されるのである。更
にステップＳ３３では、ステップＳ２８〜３２において
リッチ側への補正が行われたか否かが判定され、否の場
合には次のステップＳ１６に進むのである。

【００２１】次に、図１８及び１９によりステップＳ１
６の制御手順を説明する。まず、ステップＳ４１で今回
値が目標値Ｖ₀と比較されて大きければステップＳ４２
に、大きくなければステップＳ４３に進み、ステップＳ
４２及びステップＳ４３では今回値が判定範囲の外にあ
るか否かが判定され、外にあればステップＳ４４または
ステップＳ４５に進む。ステップＳ４４ではリーン側に
補正する場合の時間待ちを行い、所定の時間が経過する
と制御定数をリーン側に１段階シフトした後、時間待ち
タイマをセットし、ステップＳ４５ではリッチ側に補正
する場合の時間待ちを行い、所定の時間が経過すると制
御定数をリッチ側に１段階シフトした後、時間待ちタイ
マをセットする。

【００２２】また、ステップＳ４２及びステップＳ４３
で今回値が判定範囲の外にない場合にはそれぞれステッ
プＳ４６あるいはステップＳ４７に進み、今回値が基準
範囲の外にあるか否かが判定されて外になければステッ
プＳ４８またはステップＳ４９に進む。ステップＳ４８
では前回値が今回値より小さければ制御定数をリーン側
にシフトして空燃比がリーン側に補正され、ステップＳ
４９では前回値が今回値より大きければ制御定数をリッ
チ側にシフトして空燃比がリッチ側に補正され、そうで
ない場合には空燃比は変化させない。

【００２３】一方、ステップＳ４６あるいはステップＳ
４７で今回値が基準範囲の外にある場合には、まずステ
ップＳ５０に進んで出力信号Ｓ₂の前回値と今回値が比
較され、今回値が大きければステップＳ５１に進んで出
力が一定時間継続して上昇していれば空燃比がリーン側
に補正され、今回値が大きくなければステップＳ５２に
進み、出力が一定時間継続して低下していれば空燃比が
リッチ側に補正されるのである。なお、ステップＳ５１
及びステップＳ５２での待ち時間はステップＳ４４ある
いは４５の待ち時間より長い時間である。

【００２４】図１４は負荷が増加した時の排気温度Ｔ₀
の変化に対して目標値Ｖ₀が修正される状態を例示した
ものである。このようにこの実施例では排気温度に応じ
て目標値Ｖ₀を修正しているが、更に基準範囲の外側に
判定範囲を設定し、出力信号Ｓ₂が各限界値や目標値を
横切る方向と各範囲内での大きさ及び変化傾向に応じて
空燃比を補正している。従って、起動後や負荷あるいは
機関回転数の変化に応じてきめの細かい空燃比の制御を
行うことができて、ＮＨ₃制御の期間では確実に平均空
燃比ｂ₂を第２のウィンドウＷ₂内に入れることが容易と
なり、種々の運転条件においてＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣと共
にＮＨ₃も確実に低減することが可能となるのである。
なお、実施例では図５に示すような制御定数マップと図
６のような制御変数マップを使用し、制御定数を変更す
ることによって空燃比を制御しているが、この発明はこ
のような制御定数と制御変数を使用しない方式の制御に
も適用することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明は、三元触媒の上流側に配置された第１の空燃比セン
サの出力によって、平均空燃比がＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣ
に対応した第１のウィンドウ内に入るようにフィードバ
ック制御すると共に、平均空燃比がＮＨ₃に対応した第
２のウィンドウ内にも入るように第２の空燃比センサの
出力によって上記フィードバック制御を補正し、更にこ
の補正に用いる第２の空燃比センサの出力目標値を排気
温度に応じて修正するようにしたものである。従って、
負荷あるいは機関回転数等の運転条件の変化に応じて広
い運転域で空燃比を適切に制御し、ＮＯｘ，ＣＯ及びＨ
Ｃの排出量を低減すると同時にＮＨ₃の排出量も低減す
ることができ、また第２の空燃比センサの出力による補
正により、触媒や空燃比センサの劣化等の影響も自動的
に除去されて各成分の排出が長期間にわたって低レベル
に維持され、比較的少ない費用による小改造で既設の設
備の空燃比制御の性能を向上することが可能となるので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の装置の基本的な構成を示す図であ
る。

【図２】この発明の動作原理の説明図である。

【図３】従来例の装置の動作の説明図である。

【図４】この発明の一実施例の概略構成図である。

【図５】同実施例における制御定数マップの説明図であ
る。

【図６】同実施例における制御変数マップの説明図であ
る。

【図７】同実施例の基本的な制御動作の説明図である。

【図８】同実施例の基本的な制御手順のフローチャート
である。

【図９】Ｏ₂センサの出力特性図である。

【図１０】排気温度と目標値との関係を示す図である。

【図１１】起動時における制御動作を説明した図であ
る。

【図１２】実施例における制御動作を説明した図であ
る。

【図１３】同じく実施例における制御動作を説明した図
である。

【図１４】負荷増加時の排気温度と目標値の変化を示す
図である。

【図１５】実施例の全体の制御手順を示したフローチャ
ートである。

【図１６】同実施例の補正制御の手順を示したフローチ
ャートである。

【図１７】同じく補正制御の手順を示したフローチャー
トである。

【図１８】同じく補正制御の手順を示したフローチャー
トである。

【図１９】同じく補正制御の手順を示したフローチャー
トである。

【符号の説明】

１ 機関本体 ８ 燃料 ９ 空気 １１ バイパス路 １２ 流量制御弁 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 ２４ 排気温度センサ ２５ 制御部 ２５ｂ ＣＰＵ ２５ｃ ＲＯＭ Ｓ₂ 出力信号 Ｖ₀ 目標値 Ｗ₁ 第１のウィンドウ Ｗ₂ 第２のウィンドウ Ｔ₀ 排気温度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/14 310 F01N 3/24 F02D 45/00 322 F02D 45/00 360

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機関の排気路中に三元触媒を配置し、こ
   の三元触媒の上流側に設けられた第１の空燃比センサと
   下流側に設けられた第２の空燃比センサの検出結果をフ
   ィードバックして三元触媒の上流側における空燃比を三
   元触媒による浄化作用が良好に行われる領域に制御する
   ようにした装置であって、 第１の空燃比センサの出力によって、三元触媒の上流側
   における平均空燃比がＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣに対応した
   第１のウィンドウ内に入るようにフィードバック制御を
   行うと共に、第２の空燃比センサの出力が所定の目標値
   となるように上記フィードバック制御を補正することに
   よって、上記平均空燃比が上記第１のウィンドウ内にお
   いて更にＮＨ３に対応した第２のウィンドウ内に入るよ
   うに制御し、且つ三元触媒の下流側に設けられた排気温
   度センサの検出結果に基づいて上記目標値を修正するこ
   とを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。