JP3680178B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【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、機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の空燃比フィードバック制御としては、特開昭６０−２４０８４０号公報等に開示されるようなものがある。
このものは、機関吸入混合気の空燃比と密接な関係にある排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ（空燃比センサ）を設け、この酸素センサから排気中の酸素濃度に応じて出力される検出信号と目標空燃比である理論空燃比に相当するスライスレベルとの比較に基づいて、燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック補正係数を比例・積分制御などによって設定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、冷機始動時には、酸素センサの温度が低く非活性状態であるために、酸素濃度検出の応答性が悪くなる。このため、冷機始動時には、空燃比フィードバック制御における制御振幅が暖機状態に比べて大きくなり、たとえ排気浄化用に設けた三元触媒をヒータによって加熱して早期に充分な活性状態としても、三元触媒の転化率が最も良い理論空燃比付近に空燃比を安定させることが困難で、三元触媒による排気浄化効果を最大限に得ることができなかった。
【０００４】
また、酸素センサを早期に活性化するために、素子を加熱するヒータを酸素センサに付設させる場合があるが、かかるヒータは一般にイグニッションスイッチに連動して通電されるために、機関の非回転中でもセンサが加熱されることがある。このため、ヒータ無しの場合には、酸素センサの温度が機関温度に略連動して変化するのに対して、ヒータ付きの場合には、機関温度と共にヒータ通電時間によってもその温度状態が変化し、前記制御振幅の特性は、前記ヒータ通電開始からの経過時間によっても影響を受けることになる。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、空燃比を検出するセンサに付設されたヒータの通電に影響されずに、冷機始動時においても空燃比フィードバック制御の制御振幅を充分に小さくできる空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、空燃比センサは、機関吸入混合気の空燃比によって変化する排気中の特定成分の濃度に感応して出力値が変化するセンサであり、制御値設定手段は、空燃比センサの出力値に基づいて機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御するための制御値を設定する。
【０００７】
そして、空燃比制御手段は、制御値設定手段で設定された制御値に基づいて機関吸入混合気の空燃比を制御する。
また、機関温度検出手段は機関温度を検出する。
一方、操作量補正手段は、前記機関温度検出手段で検出される機関温度が低いほど前記制御値設定手段における制御値の操作量の絶対値を小さく補正する。
また、図１点線示のように、機関の始動状態を検知する機関始動検知手段を備え、前記操作量補正手段が、始動からの経過時間が短いほど、かつ、機関温度が低いほど、前記制御値設定手段における制御値の操作量の絶対値を小さく補正することがより好ましい。
【０００８】
ここで、空燃比センサが、センサ素子を加熱するためのヒータを備えると共に、該ヒータがイグニッションスイッチに同期して通電されるように構成される場合には、機関始動検知手段が、前記イグニッションスイッチのオフからオンへの切り換えを機関始動として検知するよう構成することが好ましい。
【０００９】
【作用】
かかる構成によると、空燃比センサの出力値に基づき、実際の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御するための制御値が設定されるが、かかる制御値の設定において用いられる操作量の絶対値が、空燃比センサの活性状態に関わる機関温度が低いほど小さく補正される。また、始動からの経過時間が短いほど、かつ、機関温度が低いほど、操作量の絶対値を小さく補正する。即ち、空燃比センサの不活性状態で応答性が不良であるときに、操作量の絶対値を小さく補正する。
【００１０】
ここで、イグニッションスイッチに同期して通電されるヒータが空燃比センサに備えられる場合には、イグニッションスイッチのオフからオンへの切り換えを機関始動として検知させれば、前記ヒータによる空燃比センサの加熱状態に応じて、空燃比フィードバック制御の特性を変更することができる。
【００１１】
【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の各ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁６が設けられている。この燃料噴射弁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からの駆動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て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、機関１に噴射供給する。
【００１２】
機関１の各燃焼室には点火栓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。そして、機関１からは、排気マニホールド８，排気ダクト９，三元触媒10及びマフラー11を介して排気が排出される。
コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等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入力信号を受け、後述の如く演算処理して燃料噴射弁６による燃料噴射量を設定して、該燃料噴射量に応じて燃料噴射弁６の開弁を制御する。
【００１３】
前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３中にエアフローメータ13が設けられていて、機関１の吸入空気流量Ｑに応じた信号を出力する。
また、クランク角センサ14が設けられていて、本実施例の４気筒の場合、クランク角180 °毎の基準信号ＲＥＦと、クランク角１°又は２°毎の単位信号ＰＯＳとを出力する。ここで、基準信号ＲＥＦの周期、或いは、所定時間内における単位信号ＰＯＳの発生数を計測することにより、機関回転速度Ｎを算出できる。
【００１４】
また、機関１のウォータジャケットの冷却水温度Ｔｗ（機関温度を代表する温度）を検出する機関温度検出手段としての水温センサ15が設けられている。
また、排気マニホールド８の集合部に空燃比センサとしての酸素センサ16が設けられており、この酸素センサ16の出力が排気中の酸素濃度に感応して変化することで機関吸入混合気の空燃比を検出できるようになっている。
【００１５】
前記酸素センサ16は、図２中に等価回路として示すように、例えば大気中の酸素濃度に対する排気中の酸素濃度の比に応じた起電力を発生する一種の濃淡電池であり、本実施例では、前記酸素センサ16に、センサ素子を加熱するためのヒータ16ａが付設されており、イグニッションスイッチ17（機関始動検知手段）を介して電源電圧が印加されるようになっている。
【００１６】
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〜図５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演算処理を行い、機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御するための制御値としての空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを設定する。そして、このフィードバック補正係数ＡＬＰＨＡに基づ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を設定し、噴射量をフィードバック制御することで、機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比に一致させる空燃比フィードバック制御機能を有している。
【００１７】
尚、本実施例において、制御値設定手段，空燃比制御手段，操作量補正手段，機関始動検知手段としての機能は、前記図３〜図５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が備えているものとする。
図３のフローチャートに示すプログラムは、始動時の冷却水温度Ｔｗに基づいて、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを補正する補正値ＫＬＭＤの初期値ＫＬＭＤφを設定するためのものである。
【００１８】
まず、ステップ１（図中ではＳ１としてある。以下同様）では、イグニッションスイッチがオフからオンへ切り換えられたか否かを判別する。そして、イグニッションスイッチがオンされたときには、機関始動と見做してステップ２へ進む。
ステップ２では、予め冷却水温度Ｔｗに対応する前記初期値ＫＬＭＤφを記憶したマップを参照し、現在の冷却水温度Ｔｗ、即ち、イグニッションスイッチがオフからオンへ切り換えられた時点での冷却水温度Ｔｗに対応する初期値ＫＬＭＤφを求める。
【００１９】
尚、前記初期値ＫＬＭＤφは、機関が充分に暖機された温度に相当するときには、実質的に補正を行わない1.0 に設定され、冷却水温度Ｔｗが低くなるほど、1.0 よりも小さな値に設定されるようになっている。
次いでステップ３では、前記初期値ＫＬＭＤφを補正値ＫＬＭＤにセットする。
【００２０】
一方、図４のフローチャートに示すプログラムは、前記初期設定された補正値ＫＬＭＤを、イグニッションスイッチがオフからオンへ切り換えられた時点（機関始動）からの経過時間に応じて、徐々に1.0 にまで収束させるためのものである。
まず、ステップ11では、前回までの補正値ＫＬＭＤ_OLD に固定値ＤＫＬＭＤを加算して、この加算結果を今回の新たな補正値ＫＬＭＤにセットする。
【００２１】
そして、次のステップ12では、前記加算演算により、補正値ＫＬＭＤが1.0 を越えるようになったか否かを判別する。
ここで、補正値ＫＬＭＤが1.0 を越えている場合には、ステップ13へ進み、補正値ＫＬＭＤに1.0 をセットし、1.0 を越える値が補正値ＫＬＭＤとして設定されないようにしてある。
【００２２】
一方、補正値ＫＬＭＤが1.0 を越えていない場合には、そのままステップ11へ戻ることにより、イグニッションスイッチがオフからオンへ切り換えられた時点の冷却水温度Ｔｗに応じた初期値から、補正値ＫＬＭＤを時間経過と共に1.0 にまで徐々に収束させる。ここで、イグニッションスイッチがオフからオンへ切り換えられると、酸素センサ16におけるヒータ16ａへの通電が開始されるから、前記経過時間は、ヒータ通電時間に一致する。
【００２３】
前述のように、イグニッションスイッチがオフからオンへ切り換えられた時点の冷却水温度Ｔｗに応じた初期値を、時間経過と共に1.0 に収束させるように設定される前記補正値ＫＬＭＤは、図５のフローチャートにおける空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの比例積分制御に用いられる。
図５のフローチャートにおいて、まず、ステップ21では、酸素センサ16からの出力値と、該出力値の目標空燃比に相当する基準レベルとの比較に基づいて、比例分ｐと積分分ｉとの２つの操作量を設定する。
【００２４】
そして、次のステップ22では、前記比例分ｐに前記補正値ＫＬＭＤを乗算して補正設定し、最終的な比例分Ｐを設定すると共に、前記積分分ｉに前記補正値ＫＬＭＤを乗算した値に前回の積分分Ｉ_OLDを加算して、最終的な積分分Ｉを設定する。
ここで、前記補正値ＫＬＭＤが 1.0 よりも小さい場合には、前記比例分Ｐ及び積分分Ｉの絶対値が小さく補正されることになる。
ステップ23では、補正係数ＡＬＰＨＡの基準値＝1.0 に前記比例分Ｐ及び積分分Ｉを加算して、実際の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御するための補正係数ＡＬＰＨＡを設定する。
【００２５】
前記補正係数ＡＬＰＨＡは、エアフローメータ13で検出される吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎとに基づいて演算される基本燃料噴射量Ｔｐ（＝Ｋ×Ｑ／Ｎ；Ｋは定数）に乗算され、燃料噴射量のフィードバック制御によって目標空燃比が得られるようになっている。
ここで、前記補正係数ＡＬＰＨＡ（空燃比制御値）の比例積分制御における比例分Ｐ及び積分分Ｉ（操作量）を補正する補正値ＫＬＭＤは、前述のように始動時の機関温度に応じた初期値にから時間経過と共に変化して、最終的には実質的に補正を行わない基準値1.0 に収束し、かつ、始動時の温度が低いときほど、小さな値に設定される。然も、前記始動時は、機関のクランキング開始ではなく、酸素センサ16のヒータ16ａに通電が開始された時点を示すので、前記補正値ＫＬＭＤは、酸素センサ16の温度状態、換言すれば、活性状態に対応する値であり、酸素センサ16が不活性となる低温時ほど、補正係数ＡＬＰＨＡの操作量を大きく減少補正する。
【００２６】
従って、冷機始動時で酸素センサ16の温度が低く、かつ、機関始動からの経過時間が短く、ヒータ16ａによる加熱により充分な温度上昇が得られていないとき、即ち、酸素センサ16の応答性が不良であるときには、補正係数ＡＬＰＨＡの操作量が完暖時に比して小さく設定される。
これにより、酸素センサ16の応答が鈍いときに、補正係数ＡＬＰＨＡが敏感に反応して空燃比を大きな振幅で制御してしまうことを回避でき、以て、実際の空燃比を目標空燃比（理論空燃比）を中心とする狭い範囲に安定制御でき、運転性及び触媒における排気浄化性能を向上させることができる。
【００２７】
ところで、上記実施例では、冷却水温度Ｔｗ（機関温度）を補正係数ＫＬＭＤの初期値設定に用いたが、図６及び図７のフローチャートに示すように、固定値Ａを初期値とする補正値ＫＬＭＤＡを、イグニッションスイッチがオンされてから経過時間に応じて徐々に1.0 にまで増大させる一方、そのときの冷却水温度Ｔｗに応じて前記補正値ＫＬＭＤＡを補正するようにしても良い。
【００２８】
図６のフローチャートにおいて、ステップ31では、イグニッションスイッチのオフからオンへの切り換えを判別し、イグニッションスイッチがオンされたときには、ステップ32へ進み、補正値ＫＬＭＤＡに固定値Ａをセットする。
一方、図７のフローチャートにおいては、まず、ステップ41では、補正値ＫＬＭＤＡに、経過時間に応じて増大補正するための固定値ＤＫＬＭＤＡを加算し、該加算結果を新たな補正値ＫＬＭＤＡにセットする。
【００２９】
次のステップ42では、前記ステップ41における加算により補正値ＫＬＭＤＡが1.0 を越えたか否かを判別する。
そして、補正値ＫＬＭＤＡが1.0 を越えている場合には、ステップ43で補正値ＫＬＭＤＡに1.0 をセットした後にステップ44へ進む。一方、補正値ＫＬＭＤＡが1.0 を越えていない場合には、ステップ43をジャンプしてステップ44へ進む。
【００３０】
ステップ44では、水温センサ15で検出された冷却水温度Ｔｗを読み込む。そして、次のステップ45では、前記補正値ＫＬＭＤＡを冷却水温度Ｔｗに応じて補正するための補正値ＫＬＭＤＴＷを、前記ステップ44で読み込んだ冷却水温度Ｔｗに応じて設定する。ここで、前記補正値ＫＬＭＤＴＷは、冷却水温度Ｔｗが高いときには1.0 に設定されるが、冷却水温度Ｔｗが低いときには、1.0 よりも小さい値に設定され、前記補正値ＫＬＭＤＡを冷機時ほど減少補正するようになっている。
【００３１】
そして、ステップ46では、経過時間に応じて設定した前記補正値ＫＬＭＤＡを、冷却水温度Ｔｗに応じて設定した補正値ＫＬＭＤＴＷで補正し、該補正結果をフィードバック補正係数ＡＬＰＨＡの操作量を補正するための補正値ＫＬＭＤにセットする。
即ち、標準温度状態で始動させた場合の酸素センサ16のヒータ16ａによる活性化に対応させて補正値ＫＬＭＤＡが設定されるようにし、機関温度（冷却水温度）による前記酸素センサ16の温度状態の変化を前記補正値ＫＬＭＤＴＷで補正するようにしてある。
【００３２】
前記補正値ＫＬＭＤは、前記図５のフローチャートにおいて、空燃比フィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを比例・積分制御する際の比例分ｐ及び積分分ｉを補正するのに用いられる。
尚、本実施例では、空燃比フィードバック補正制御を、比例・積分制御によって行わせるようにしたが、積分制御のみ、または、比例・積分・微分制御によってフィードバック補正制御を行うものであっても良い。
【００３３】
また、本実施例では、空燃比センサとしての酸素センサ16が、酸素濃度比に応じた起電力を発生するタイプのものであったが、排気中の酸素濃度に応じて抵抗値が変化するタイプのものであっても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、機関温度が低いほど制御値の操作量の絶対値を小さく補正することで、空燃比センサが非活性状態で応答の悪い状態で、空燃比制御に大きな振幅が発生することを回避でき、機関始動時の空燃比を目標空燃比付近に安定させて、排気性状及び運転性を改善できるようにな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】操作量補正値の初期値設定を示すフローチャート。
【図４】操作量補正値の時間経過に基づく設定を示すフローチャート。
【図５】フィードバック制御値の設定を示すフローチャート。
【図６】操作量補正値の初期値設定を示すフローチャート。
【図７】操作量補正値の水温による補正を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ 機関
６ 燃料噴射弁
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 酸素センサ（空燃比センサ）
16ａ ヒータ
17 イグニッションスイッチ

Claims (3)

1. 機関吸入混合気の空燃比によって変化する排気中の特定成分の濃度に感応して出力値が変化する空燃比センサと、
   該空燃比センサの出力値に基づいて機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御するための制御値を設定する制御値設定手段と、
   該制御値設定手段で設定された制御値に基づいて機関吸入混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
   機関温度を検出する機関温度検出手段と、
   前記機関温度検出手段で検出される機関温度が低いほど前記制御値設定手段における制御値の操作量の絶対値を小さく補正する操作量補正手段と、
   を含んで構成された内燃機関の空燃比制御装置。
2. 機関の始動状態を検知する機関始動検知手段を備え、
   前記操作量補正手段が、始動からの経過時間が短いほど、かつ、機関温度が低いほど、前記制御値設定手段における制御値の操作量の絶対値を小さく補正することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記空燃比センサが、センサ素子を加熱するためのヒータを備えると共に、該ヒータがイグニッションスイッチに同期して通電されるように構成される一方、前記機関始動検知手段が、前記イグニッションスイッチのオフからオンへの切り換えを機関始動として検知することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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