JPH01151745A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、燃焼光から空燃比フィードバック補正値を求
めるエンジンの空燃比ａｉｌ制御装置に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする問題点１従来か
ら、電子制御式燃料噴射装置（ＥＧＩ）を装備するエン
ジンには、各運転領域での空燃比を最適な状態に維持す
べく、まず、各運転領域に応じた基本燃料噴０１ｉ）を
求め、次いで、この燃料噴射間を、エンジンの運転状態
のパラメータに応じた補正項にてフィードフォーワード
制御するとともに、空燃比センサからの出力信号により
フィードバック制御して、実際の出力燃料噴射量゛を求
める空燃比制御装置が設けられている。

従来の上記空燃′比センサには、 ■排気ガス中の成分（Ｃｏ、ＧＯ２、ＯＨなど）を分析
して空燃比を計測するもの ■排気ガス中の未燃成分が燃焼した後のＧＯ２を分析し
て空燃比を計測するもの ■排気ガス中の未燃成分が燃焼した後の０２を分析して
空燃比を計測するらの などがあり、例えば、特公昭６１−６９３４号公報には
、排気ガス中の０２成分を分析して空燃比を計測する技
術が開示されている。

ところで、いずれの測定手段を採用する空燃比センサで
も、上記排気ガス中に常時露呈しているものであるため
、経吋劣化が生じやすく耐用年数に限界がある。また、
測定ガスのサンプリングに要する時間だけ応答遅れが生
じる。

さらに、上記■の方式では、各成分を分析づる際の位相
遅れが応答遅れをさらに増長する。また、上記■、■の
方式では、未燃成分の酸化に要する時間遅れが上記応答
遅れをさらに増長する。

常用運転領域では空燃比の変動は少なく、上記空燃比セ
ンサに応答遅れがあっても、運転に直接支障が生じるこ
とはないが、急加速、急減速などの過渡時の空燃比制御
においては、ｏ、　ｌ５ｅｃ以下の時間分解能が要求さ
れるため問題が生じる。

この対策として、例えば、特開昭５８−４８７５１号公
報にみられるように、過渡時には、空燃比フィードバッ
ク制御を停止し、その間は空燃比フィードバック制御幅
の中心値に相当するレベル値でオープンループ制御する
ことも考えられるが、過渡時の運転条件に合った適切な
空燃比制御を行うことができず、走行安定性が低下し、
排気エミッションの悪化および燃費の増大を招くことに
なる。

［発明の目的］ 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、空燃比セ
ンサの応答性が良く、定常運転はもちろん、過渡時にも
空燃比を適切に制御することができ、走行安定性および
燃費の向上が図れるばかりでなく、排気エミッションの
改善が図れるな′ど、エンジン性能を大幅に向上させる
ことができ、その上、空燃比セン′すの経時劣化を防止
して、耐用年数の長期化を実現することのできるエンジ
ンの空燃比制御装置を提供することを目的としている。

［問題点を解決するための手段及び作用］本発明は、空
燃比センサの出力信号により空燃比フィードバック制御
を行うエンジンの空燃比制御装置において、前記空燃比
センサが燃焼光から放射されるラジカルの発光強度を測
定してそのラジカル係数に応じた信号を出力し、一方イ
ンジェクタに対りる出力燃料噴射量を演算する制御手段
には、上記空燃比センサの出力信号に基づいて当量比を
演算する当量比演算部と、この当量比演算部の出力信号
から空燃比フィードバック補正ａを演算するフィードバ
ック補正量演算部とが設けられているものである。

すなわち、空燃比センサにて、燃焼光から放射されるラ
ジカルの発光強度を測定し、このラジカル係数に応じた
信号を、制御手段の当量比演算部に出力する。すると、
この当量比演算部では、上記空燃比センサの出力信号に
基づいて当ｍ比を演詐し、その値に基づく出力信ｑをフ
ィードバック補正量演算部に出力する。このフィードバ
ック補正量演算部では、上記当量比演算部で演算された
当量比から、基本燃料噴射量に対する空燃比フィードバ
ック補正量を演算するものである。

°　　［発明の実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図〜第７図は本発明の第一実施例を示し、第１図は
エンジンの要部概略図、第２図は制御手段のブロック図
、第３図は空燃比センサの概略図、第４図は第３図の■
矢視正面図、第５図は空燃比センサを装着した点火プラ
グの断面図、第６図（ａ）はスロットルポジションセン
サによるスロットル開度（Ｔｒθ）を示す図、第６図（
ｂ）は吸入空気量センサによる測定吸入空気ｆｆ１（Ｑ
）を示す図、第６図（Ｃ）は実際の測定空燃比（Ａ／Ｆ
）を示す図、第７図は当量比（φ）とラジカル係数（Ｒ
）との関係を示す図である。　　“図中の符号１はエン
ジン本体であり、このエンジン本体１のクランクシャフ
ト１ａに＠着されたシグナルディスクプレート２に、ク
ランク角しンサを兼用する回転数センサ３が対設され、
また、ウォータジャケットに水温センサ４が臨まされて
いる。

さらに、上記エンジン本体１の吸気ボート１ｂにインジ
ェクタ５が臨まされ、また、この吸気ボート１ｂに連通
ずる吸気通路６の中途にスロットルバルブ７が介装され
、このスロットルバルブ７にスロットルポジションセン
サ８が連設されてぃる。また、上記吸気通路６の上流側
に吸入空気ｍセンサの一例であるホットワイＶ式エア７
０メータ９が設けられている。

また、上記エンジン本体１に装着されて燃焼室１Ｃに臨
まされた点火プラグ１０の主体金具１０ａに、空燃比セ
ンサ１１の集光部１１ａが装着されている。この集光部
１１ａの先端面がガスケット１２を介して上記主体金具
１０ａ内に掛止δれ、また、ＩＱ部が押え板１３および
シールリング１４を介して上記主体金具１０ａに緊密に
かしめ付けられている。さらに、上記受光部１１ａの集
光レンズ１５が、上記主体金具１０ａに装着固定された
ガラス窓１６を通して上記燃焼室１Ｃ方向に指向されて
いる。なお、上記ガラス窓１６は耐熱性、耐圧性を有す
る石英などを素材として形成されている。

また、上記空燃比センサ１１の集光部１１ａの出射面に
、可撓性を右する光ファイバー１７が接続され、さらに
、この光ファイバー１７の出射口にコリメータ１８が装
着されている。さらに、このコリメータ１８が、上記空
燃比センサ１１のラジカル係数変換部１１ｂに接続され
ている。

このラジカル係数変換部１１ｂには、回転軸１９′に軸
着されて高速回転するロータブレート２０を右りるヂ１
ツバ２１が設けられている。このチョッパ２１の上記ロ
ータブレート２０には、ＯＨ。

ＣｔＣＣ２用干渉フィルタ２２ａ、２２ｂ、２２Ｃを１
組とするＭ組（図においては３組）のフィルタ群２２が
等間隔に配設されている。　　゛燃焼時の火炎から放射
されるＯＨ，ＣＨ，Ｃ２ラジカルの発光強′痕と、空燃
比（あるいは当ｔｉｌ比）とは強い相関があることが知
られている（このことは、例えば、１９８４年度版、日
本自動車技術会論文集Ｎα２９研究論文（２）、および
、日本機械学会論文集（８編）５２巻４８１号（昭和６
１年９月発行）の論文Ｎｆｌ　８５−０６１１Ａに記述
されている）。

上記各干渉フィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、上記集
光部１１ａから出射されたラジカルから０２ラジカル（
λ＝５１６５人）、ＣＨラジカル（λ−４３１５人）、
ＯＨラジカル（λ−３０６４人）を選択するもので、非
金属多層膜フィルタなどでできている。

また、上記回転輪１９は、Ｎ　＝　６０ｘ　１０００／
　Ｍ　ｔ（ｍｓｅｃ）の高速で回転するものであり、計
測に要づる時間分解能は、２（ｍｓｅｃ）以下であるが
、この計測分解能をより高くしたい場合は、回転ＭＩＮ
を高めるとともに、上記フィルタ群２２の組数Ｍをより
多くするとよい。

一方、上記ロータブレート２ｏの外周には、突起２０ａ
が、上記各フィルタ群２２に対応して等間隔（図におい
ては１２ｏ°ごと）に形成されている。ざらに、上記ロ
ータブレート２ｏの外周に、上記突起２０ａを検出して
同期信号を出力する同期信号検出器２３のピックアップ
が対設されており、この同期信号検出器２３からの出力
信号により、最初のラジカル（図においてはＣ２ラジカ
ル）が特定される。

また、上記コリメータ１８の光軸上に上記ロータブレー
ト２０のフィルタ群２２を挟んで、光電子増倍管２４が
臨まされ、さらに、この光電子倍増管２４に直流増幅器
２５を介して電圧比較器２６が接続されている。なお、
上記光電子増倍管２４には高圧電源２７が接続されてい
る。

上記電圧比較器２６では、上記同期信号検出器２３から
の出力信号に同期してラジカルを識別し、各ラジカルの
発光強度を測定し、この三成分のラジカル係数Ｒ３が算
出される。

一方、符号２８番よ制御手段であり、この制御手段２８
の入力側に上記各センサ３．４．８．’９゜１１が接続
されており、出力側に上記インジェクタ５が接続されで
いる。

上記空燃比制御手段２８には、基本燃料噴射量演算部２
９、空燃比補正係数演算部３０、当量比演算部３１、加
減速補正係数演算部３３、出力燃料噴１４ｆｆｉ演算部
３４、および、インジェクタ駆動部３５が設けられてい
る。なお、これらの動作については後述する。

次に、上記構成による実施例の作用について説明する。

エンジンが稼働すると、制御手段２８の基本燃料噴射量
演算部２９では、ホットワイヤ式エアフロメータ９から
の吸入空気舟を示す出力信号Ｑと、回転数センサ３から
のエンジン回転数を示す出力信号ＮとにＬ４づいて、基
本燃料噴射量（パルス幅）ＴＩ）が演算処理される（Ｔ
ｐ−に−Ｑ／Ｎ　　　Ｋ：定数）。

また、空燃比補正係数演算部３０では、上記回転数セン
サ３からの出力信号Ｎと、水ａｈランサ°からの冷却水
温を示づ出力信号Ｔｗと、スロットルポジションセンサ
８のスロットル開度を示す出力信号Ｔｒθとから、現運
転時のパラメータに応じた空燃比補正係数Ｃ０ＥＦを演
算する。

さらに、加減速補正係数演算部３３では、加減速時、上
記スロットルポジションセンサ８の出力信号Ｔｒθから
単位時間当たりのスロットル開度変化ΔＴｒθを求め、
その値と、上記水温センサ４の出力信号Ｔｗとから加速
補正係数ＫＡＣＣ，あるいは、減速補正係数Ｋｌ）Ｃを
演算する。

一方、エンジンが稼働すると、点火プラグ１０の主体金
具１０ａに装着されている空燃比センサ１１の集光部１
１ａに設けられた集光レンズ１５から、燃焼室１Ｃ内の
燃焼光が取り込まれる。

この取り込まれた燃焼光は、光ファイバー１７を通すコ
リメータ１８から、ラジカル係数変換部１１ｂの、回転
ｔｒ＊１９を介して高速回転するロータプレート２０に
装着されたＭ組（図においては３組）のフィルタ群２２
の各干渉フィルタ２２ａ。

２２ｂ、２２Ｃを透過し、Ｃ２ラジカル、ＯＨラジカル
、ＯＨラジカルの三成分が取り出される。

その後、この各ラジカルがｎ５ｅｃオーダの応答性を有
する光電子増倍管２４に入力されて各ラジカルの発光強
度が電気的に測定される。

そして、この光電子増倍管２４から出力された各ラジカ
ル発光強度に相応する出力信号が直流増幅器２５にて増
幅された後、電圧比較器２６に入力される。この電圧比
較器２６では、まず、上記直流増幅器２５から入力され
た信号が上記ロータプレート２０の外周に対設する同期
信号検出器２３からの同期信号によりどのラジカルに相
当するものかを特定する。次いで、この各ラジカルの発
光強度からラジカル係数Ｒ３を、次式に従って算出する
。

Ｒ３−１０ｇ＋ｏ　　［（Ｃ２／ＣＨ）　　・　（Ｃ２
１０）ｌ）　　］Ｃ２：Ｃ２ラジカルの発光強度 ＣＨ：ＯＨラジカルの発光強度 ＯＨ：ＯＨラジカルの発光強度 なお、この空燃比センサ１１の応答後れは、２ｎ＋ｓｅ
ｃ以下である。

そして、このラジカル係数Ｒ３に相応する出力信号が上
記制御手段２８の当は比ＦＡｎ部３１に入力する。この
当量比演算部３１では次式から、当量比φを演算する。

φ−０，１６Ｒ３３−０，１１Ｒ３２ ＋０，２４Ｒ３＋１．００　　・・・・・・■なお、上
記空燃比センサ１１から取出されるラジカルが二成分（
例えば、Ｃ２ラジカル、ＣＨラジカル）のみの場合は、
上記電圧比較器２６では、ラジカル係数Ｒ２を Ｒ２＝　　ＩｏａｌＯ（Ｃ２／ＣＨ） で求め、また、当量比φは φ＝１．７ＯＲ２３＋０．３０Ｒ２２ ＋　０，５８Ｒ２＋　１．２０　　・・・・・・■で求
める。

なお、上記０式、■式は、第７図に示すような、上記ラ
ジカル係￥！ｌＲ３（あるいは、Ｒ２）と当量比φとの
関係から、三次の多項式で最小二乗近似して求めたもの
である。

次いで、上記当量比演算部３１の出力信号φがフィード
バック補正吊演諒部３２に入力され・る。

このフィードバック補正量演算部３２では、上記当量比
演算部３１−の出力信号φに基づき空燃比フィードバッ
ク補正量ＫＦＢを演算する。

すなわち、上記当量比ψは であり、上記当量比φからフィードバック補正ωＫＦＢ
を導きだす。

上記空燃比セン＃ｊ１１の応答遅れが２１１Ｉｓｅｃ以
下であるため、このフィードバック補正量演算部３２で
は、２　ｍ５ｅｃ程度の時間分解能でフィードバッり補
正１［ＦＢを割出すことができる。

一方、上記制御手段２８の出力燃料噴射量演算部３４で
は、上記基本燃料噴割量演篩部２９の出力信号Ｔｐを上
記空燃比補正係数演綿部３０の出力信号Ｃ０ＥＦ、およ
び、上記加減速補正係数演算部３３の出力信号ＫＡＣＣ
／ＫＤＣでフィードフォワード補正するとともに、上記
フィードバック補正量演算部１７の出力信号ＫＦＢにて
フィードバック補正して、上記インジェクタ５に対する
実際の出力燃料噴射量（パルス幅）Ｔｉを演算する。

この出力燃料噴射量（パルス幅）Ｔｉは、Ｔｉ　＝Ｔｐ
　、−ＫＦＢ・（ＣＯＥＦ＋ＫＡＣＣ−ＫＤＣ） で求めることができる。

インジェクタ駆動部３５では、上記出力燃料噴射量演算
部３４の出力信号に基づきインジェクタ５に対し、吸入
空気量に合う最適燃料噴射パルス幅Ｔ＋を出力する。

上述の如く、上記空燃比センサ１１は、燃焼光を測定し
、且つ、その応答遅れが２１ｓｅｃ以下であるため、第
６図に示すように、急加速などの過渡時にも、−点鎖線
で示す従来のような応答遅れ＜ｎ適時間ｔ２）がなく、
上記フィードバック補正量演算部３２では、リーン状態
（経過時間ｔｌ）を実時間的に計測し、正確なフィード
バック制御を行うことができる。

また、第８図はラジカル係数変換部の具体的構成図であ
る。なお、図においては空燃センサ１１から取出される
ラジカルが０２　、ＯＨの２成分の場合について説明す
る。

チョッパ２１が１えばノイズの少ないエアモータ２１ｄ
で駆動する場合は、コンプレッサ２１ａより高圧タンク
２１ｂに溜められた高圧空気をレギュレータ２１ｃで調
圧して導く。

燃焼光がロータプレート２０のＣＨ，Ｃ２用干渉フィル
タを通過して光電子倍増管２４により変換された電流は
電流電圧変換回路２５ａにより電圧に変換され、バンド
パスフィルタ２５ｂにより高周波成分が除去され、さら
に、ＡＤ変換器２５Ｇにより、図に示すようなディジタ
ル信号とじて原波形複酸回路２６ａに入力する。

一方、ロータブレート２０の外周に対設するＣ１−１ラ
ジ力ル用同期信号検出器２３ａと０２ラジ力ル用同期信
号検出ｉ１？ｊ２３ｂからの出力信号がパルスコンディ
ショナ２３ｃを経由して遅延時間計測回路２３ｄに入力
する。遅延時間計測回路２３ｄではＣＨおよびＣ２相互
の同期信号の遅延時間ΔＴｉ、ΔＴｉ　ｌ　を計測し、
遅延時間比較回路２３ｅで、その差（ΔＴｉ−ΔＴｉ′
）と基準値とを比較し、基準値以内であれば、遅延時間
判定回路２３ｆに出力して、ΔＴ　ｉｈＡ’ｌ”　ｔ’
　と判定する。

また、（ΔＴｉ−１ＵＴｉ’　）の差が基準値を越えて
いる場合は、回転変動があると判断し警報装置２３ｇを
作動させると共に計測を中止する。

また、上記原波形複酸回路２６ａでは、上記ＡＤ変換器
２５ｃの出力波形と同一の波形を複数生成し、そのひと
つを遅延回路２６ｂにおいて、上記遅延時間判定回路２
３ｆからの遅延時間ｚＴｉ分だけ遅延さ竹、原波形と同
じＣＨＩと、それを遅延させたＣＩ−（２を得る。

そして、演算回路２６ｃでは、同期した波形ＣＨ１とＣ
１１２とから前記ラジカル係数Ｒ２を演算し、前記制御
手段２８へ出力する。

なお、空燃比ヒンサ１１に複数光電子増信管方式を採用
すれば、より高精度な時間分解能でフィードバック補正
量を割出すことができる。

また、第９図（ａ）はラジカル係数変換部の伯の実施例
による要部正面図、第９図（ｂ）は第９図（ａ）のＢ−
８断面図である。

各気筒の燃焼光採取用点火プラグから光フアイバケーブ
ル４０に′より光を取出し、複数気ｎ（例えば４気筒）
エンジンの場合は、各気筒からの燃焼光が上記光フアイ
バケーブル４０により合成される。そして、エンジンの
クランク軸４１と同期して回転するスリット円盤４２（
箱４３により密閉されている）に導びかれる。

上記スリット円ａａ４２には、上死点検出用の突起４４
が設けられており、上死点センサー４５と突起位置が一
致している場合、反対側に設けられた、光電子倍増管２
４に光を伝える光ファイバケ−プル４０ａに導びかれる
光は、点火順序を＃１−３−２−４とりると、＃１及び
＃２の気筒の燃焼光であり、上死点センサーと突起がπ
ｒａｄずれている場合は、＃３及び＃４の気筒の燃焼光
であることを示している。

なお、上記スリット円盤４２に設けられたスリット幅の
関係から、これが同期回転することにより、各気筒の上
死点後１０〜５０ｄｅｑ、における燃焼光のみ（正確に
は、気筒＃１の燃焼光と気筒＃４の排気工程時の光、気
筒＃２の燃焼光と気筒＃３の排気工程時の光、気筒＃３
の燃焼光と気筒＃１の排気工程時の光、気筒＃４の燃焼
光と気筒＃２の排気工程時の光）が取出される。こうし
て取出された光は、ファイバケーブル４０ａにより分光
され、各々Ｃ２及びＣＨラジカル用干渉フィルター２２
ａ、２２ｂを経で、２台の光電子増倍管２４．２４によ
りラジカルの発光強度が連続計測され、コンピュータに
よりそれぞれ積分され、前述のラジカル係数Ｒ２の式に
より空燃比が瞬時に計算される。

こうして、＃１と＃２．＃３と＃４の各気筒の空燃比の
時間経過や、平均空燃比が得られる。

さらに、各シリンダの空燃比を分離しで求める場合は、
点火信号を入力すればよい。

また、燃焼室１Ｃから採取する燃焼光を絞れば、その光
路中における局所的な空燃比を火炎伝播に従って実時間
計測することができる。さらに、この実時間計測した空
燃比を時間積分するか、あるいは、広範な燃焼光を採取
すれば、上記燃焼室１Ｃに供給された空燃比を計測する
ことができる。

［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、
燃焼光から放射されるラジカルの発光強度によって空燃
比を測定するものであるため、実時間的に空燃比をフィ
ードバック制御Ｉ′！Ｊることができ、応答性が良く、
定常運転はもちろん、過渡時の走行安定性および燃費の
向上が図れるばかりでなく、排気エミッションの改善が
図れるなど、エンジン性能を大幅に向上させることがで
きる。

また、非接触式に空燃比を測定することができるので、
経時劣化が少なく耐用年数の長期化を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の第一実施例を示し、第１図は
エンジンの要部概略図、第２図は制御手段のブロック図
、第３図は空燃比センサの概略図、第４図は第３図の■
矢視正面図、第５図は空燃比センサを装着した点火プラ
グの断面図、第６図（ａ）はスロットルポジションセン
サによるスロットル開度（Ｔｒθ）を示す図、第６図（
ｂ）は吸入空気量センサによる測定吸入空気ｆｆ１（Ｑ
）を示す図、第６図（Ｃ）は実際の測定空燃比（Ａ／Ｆ
）を示す図、第７図は当量比（φ）とラジカル係数（Ｒ
）との関係を示１図、第８図はラジカル係数変換部の具
体的構成図、第９図（ａ）はラジカル係数変換部の他の
実施例による要部正面図、第９図（ｂ）は第９図（ａ）
のＢ−８断面図である。 ５・・・インジェクタ、１１・・・空燃比センサ、２８
・・・制御手段２８．３１・・・当酪比演算部１，３２
・・・フィードバック補正量演算部。 ｒノー、− 第４図 第５図 第６図 第７図 （ａ） Ｈｅ ９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 空燃比センサの出力信号により空燃比フィードバック制
   御を行うエンジンの空燃比制御装置において、前記空燃
   比センサが燃焼光から放射されるラジカルの発光強度を
   測定してそのラジカル係数に応じた信号を出力し、一方
   インジェクタに対する出力燃料噴射量を演算する制御手
   段には、上記空燃比センサの出力信号に基づいて当量比
   を演算する当量比演算部と、 この当量比演算部の出力信号から空燃比フィードバック
   補正量を演算するフィードバック補正量演算部とが設け
   られていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置
   。