JPH02130239A - 内燃機関の空燃比制御装置 - 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〉 本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に空燃
比を目標値からのズレ量を少なく制御できるようにした
技術に関する。

〈従来の技術〉 従来の内燃機関の空燃比制御装置としては例えば特開昭
６０−２４０８４０号公報に示されるようなものがある
。

このものの概要を説明すると、機関の吸入空気流量Ｑ及
び回転数Ｎを検出してシリンダに吸入される空気量に対
応する基本燃料供給量Ｔｐ（−Ｋ・Ｑ／Ｎ　、Ｎは定数
）を演算し、この基本燃料供給量を機関温度等により補
正したものを排気中酸素濃度の検出によって混合気の空
燃比を検出する酸素センサからの信号によってフィード
バック補正を施し、バッテリ電圧による補正等をも行っ
て最終的に燃料供給量Ｔ、を設定する。

そして、このようにして設定された燃料供給量ＴＩに相
当するパルス幅を持つ駆動パルス信号を電磁式の燃料噴
射弁に所定タイミングで出力することにより機関に所定
の量の燃料を噴射供給するようにしている。

ところで、上記酸素センサからの信号に基づく空燃比フ
ィードバック補正は空燃比を目標空燃比（理論空燃比）
付近に制御するように行われる。

これは、排気系に介装され、排気中のＣｏ、ＨＣ（炭化
水素）を酸化すると共にＮＯｘを還元して浄化する三元
触媒の転化効率（浄化効率）が理論空燃比燃焼時の排気
状態で有効に機能するように設定されているからである
。

このため、前記酸素センサとしては例えば特開昭５８−
２０４３６５号公報に示されるような周知のセンサ部構
造を有したものを用いている。

このものは、酸素イオン導電性を有したセラミック管の
排気と接触する外表面に排気中のＣ０２ＨＣの酸化反応
を促進させる白金触媒層を積層しである。そして、理論
空燃比よりリッチな混合気で燃焼させたときに白金触媒
層付近に残存する低濃度の０２をＣｏ、Ｆ（Ｃと良好に
反応させて０２濃度をゼロ近くにし、セラミック管内表
面に接触させた大気の０２濃度との濃度比を大きくして
、セラミック管内外表面間に大きな起電力を発生させる
。

一方、理論空燃比よりリーンな混合気で燃焼させたとき
には、排気中に高濃度の０２と低濃度のＣＯ，ＨＣが存
在するため、ＣＯ，ＨＣと０２とが反応してもまだ０□
が余り、セラミック管内外表面の０２濃度比は小さく殆
ど電圧は発生しない。

このように、酸素センサの発生起電力（出力電圧）は理
論空燃比近傍で急変する特性を有しており、この出力電
圧■。２を基準電圧（スライスレヘル）とを比較して混
合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかを
判定する。そして、例えば空燃比がリーン（リッチ）の
場合には、前記基本燃料供給量Ｔ、に乗じるフィードバ
ック補正係数ＬＡＭＢＤＡを所定の積分定数Ｉずつ徐々
に増大（減少）していき燃料供給量Ｔ、を増量（減量）
補正することで空燃比を理論空燃比近傍に制御する〈発
明が解決しようとする課題〉 ところで、前記三元触媒は総合的にみると理論空燃比制
御時にＣｏ、ＨＣ，ＮＯｘのいずれをも有効に低減でき
るのであるが、例えばＮＯｘの場合、理論空燃比近傍で
の転化率の変化が大きいため理論空燃比より少しリーン
側に制御されるだけで転化率は大きく低下する特性を有
している（第７図参照）。

しかしながら、本来ＮＯｘ中の酸素弁は、排気中酸素濃
度として検出されるべきものであるが前記酸素センサで
はこれを捉えることができないため、ＮＯｘ濃度が高く
なる程真の理論空燃比よりリーン側で起電力が判定する
傾向がある（第７図参照）。

このため、従来のシステムでは制御点がリーンになった
場合でも、ある程度ＮＯｘを浄化させるために、空燃比
フィードバック制御における積分制御の積分定数を大き
めに設定して、制御域がリッチとなる状態を作り出して
いる（第７図参照）。

しかしながら、このように積分定数を大きくする方式で
は、目標空燃比からの空燃比の変化が大きくなるため、
最終的にはＣｏ、ＨＣ，ＮＯｘ共にある程度大きくなっ
てしまい、エミッシゴン不良を引き起こす。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもの
で、ＮＯｘ中の酸素弁を検出可能な酸素センサを使用し
、積分定数を適正値に設定することによって上記問題点
を解決した内燃機関の空燃比制御装置を提供することを
目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 このため本発明は第１図に示すように、排気通路に三元
触媒を備えた機関に供給される混合気の空燃比に対応す
る排気中酸素濃度を検出するものであって、窒素酸化物
還元触媒を含んだ酸素センサを設けると共に、該酸素セ
ンサの出力値と目標空燃比相当の基準値とを比較しつつ
積分制御により設定したフィードバック補正係数によっ
て燃料供給量を増減制御して空燃比を目標空燃比に近づ
けるように制御する空燃比フィードバック制御手段と、
前記空燃比フィードバック制御手段における積分制御の
積分定数を当該積分制御によって振動するフィードパ・
ンク補正係数の振幅値の３パーセント以下の値に設定す
る積分定数設定手段とを備えた構成とする。

〈作用〉 窒素酸化物還元触媒を含んだ酸素センサを備えることに
より、ＮＯｘ中の酸素分が還元されて排気中の酸素分と
して検出されるので、起電力が反転する制御点をＮＯｘ
濃度に影響されず真の理論空燃比に略固定することがで
きる。

かかる特性を確保した状態で積分定数設定手段が積分定
数を３パーセント以下の小さな値に設定することにより
、空燃比フィードバック制御手段において真の理論空燃
比を制御中心値として小さな振れ幅で空燃比を制御でき
、三元触媒において各排気成分（Ｃｏ、ＨＣ，Ｎ０ｘ）
の転化率が共に高い所が集中的に使用されるため、浄化
性能が向上する。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は、本実施例に使用する酸素センサのセンサ部構
造を示す。

図において、酸素イオン導電性を有する固体電解質であ
る酸化ジルコニウム（ＺｒＯｚ）を主成分とする閉塞先
端部を有する基材としてのセラミック管１の内表面及び
外表面の一部に、夫々白金からなる内側電極２及び外側
電極３を形成してあり、更に、セラミック管１の外表面
には白金を蒸着して白金触媒層４を形成しである。該白
金触媒層４は、排気中のＣｏ、ＨＣの酸化反応を促進さ
せる酸化触媒層を構成する。

前記白金触媒Ｎ４の外表面に、酸化チタンＴｉＯ□や酸
化ランタンＬａｚ　Ｏ□等を担体とし、ロジウムＲｈや
ルテニウムＲｕ等の窒素酸化物Ｎ。

Ｘの還元反応を促進させる触媒の粒子をこの担体に混在
（例えば１％〜１０％）させてＮＯｘ還元触媒層５（例
えば膜厚０．１〜５μｍ）を形成しである。

尚、前記ロジウムＲｈやルテニウムＲｕは、窒素酸化物
ＮＯｘの還元触媒として一般に知られているものであり
、その担体として酸化チタンＴｉＯ２や酸化ランタンＬ
ａｇ　Ｏ□を用いることによりＴ−アルミナ等を用いた
場合に比べてＮＯｘ還元反応が極めて効率よく行われる
ことが実験により確かめられている。また、第２図に示
す酸素センサでは、ＮＯｘ還元触媒層５との間に保護層
６を設けるようにしてもよい。

かかる構成によれば、排気中に含まれる窒素酸化物ＮＯ
ｘがＮＯｘ還元触媒層５に達すると、ＮＯｘ還元触媒層
５はＮＯｘと排気中の未燃成分であるＣｏ、ＨＣとの次
式に示す反応を促進させる。

ＮＯｘ＋ＣＯ→Ｎｚ　＋Ｃ０ｚ ＮＯｘ＋ＨＣ−＋Ｎｚ　＋Ｈ２０＋ＣＯ□この結果、Ｎ
Ｏｘ還元触媒層５より内側にある白金触媒層４に達した
０２と反応する未燃成分ＣＯ，ＨＣが前記ＮＯｘ還元触
媒層５における反応によって減少しているため、その分
０□濃度が増大することとなる。

したがって、大気と接触するセラミック管ｌ内側の０２
濃度と排気側の０□濃度と濃度差が減少し、排気中のＮ
Ｏｘ濃度が低いときに比較してリッチ側で酸素センサの
起電力がスライスレベル以下に低下し、リーン検出がな
されることとなる。

排気中のＮＯｘ濃度が高いほどＮＯｘと反応する未燃成
分Ｃｏ、ＨＣの濃度は増大し、０２との反応が減少する
ため、よりリッチ側でリーン検出がなされる。

このため、この酸素センサの検出結果（吸入混合気のリ
ッチ・リーン判定）に基づいて空燃比フィードバック制
御を行うと、空燃比はＮＯｘ濃度が高いほど真の理論空
燃比に近いリッチ側に制御されることとなる。

尚、ＮＯｘ還元触媒層５は未燃成分Ｃｏ、ＨＣと０２と
の反応を促進する機能を併せ持っているのであるが、こ
れは、白金触媒層４の機能を代用しているだけであるか
ら、これによって排気側の０□濃度が減少することには
ならない。

次に、上記したようにＮＯｘ還元触媒層５を備えた酸素
センサを用いた本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置
の一実施例を説明する。

第３図において、機関１１の吸気通路１２は、吸入空気
流量Ｑを検出するエアフローメータ１３及びアクセルペ
ダルと連動して吸入空気流量Ｑを制御する絞り弁１４が
設けられ、下流のマニホールド部には気筒毎に電磁式の
燃料噴射弁１５が設けられる。

燃料噴射弁１５は、マイクロコンピュータを内蔵したコ
ントロールユニット１６からの噴射パルス信号によって
開弁駆動し、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圧力に制御された燃料を
噴射供給する。更に、機関１１の冷却ジャケット内の冷
却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１７が設けられにと
共に排気通路１８内の排気中酸素濃度を検出する酸素セ
ンサ１９　（センサ部構造は第２図参照）が設けられ、
更に、下流側に排気中のＣｏ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還
元を行って浄化する三元触媒２０が設けられる。また、
図示しないディストリビュータには、クランク角センサ
２１が内蔵されており、該クランク角センサ２１から機
関回転と同期して出力されるクランク角単位角度信号を
一定時間カウントして、又は、クランク角基準角度信号
の周期を計測して機関回転数が検出される。

次に、コントロールユニット６による空燃比制御ルーチ
ンを第４図に示したフローチャートに従って説明する。

第４図は、燃料噴射量演算ルーチンを示し、このルーチ
ンは所定周期（例えば１０１ＴＩｓ）毎に実行される。

ステップ（図ではＳと記す）１では、エアフローメータ
１３によって検出された吸入空気流量Ｑとクランク角セ
ンサ２１からの信号によって算出した機関回転数とに基
づき、単位回転当たりの吸入空気流量Ｑに相当する基本
燃料噴射ＮＴ、を次式により算出する。

Ｔ、＝Ｋ　−Ｑ／Ｎ　　　（Ｋは定数）ステップ２では
、水温センサ１７によって検出された冷却水温度Ｔｗ等
に基づいて各種補正係数Ｃ０ＥＦを設定する。

ステップ３では、後述するフィードバック補正係数設定
ルーチンにより酸素センサ１９からの信号に基づいて設
定されたフィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを読み込
む。

ステップ４では、バッテリの電圧値に基づいて電圧補正
分子５を設定する。これはバッテリ電圧変動による燃料
噴射弁１５の噴射流量変化を補正するためのものである
。

ステップ５では、最終的な燃料噴射量Ｔ＋を次式に従っ
て演算する。

ステップ６では、演算された燃料噴射量Ｔ、を出力用レ
ジスタにセットする。

これにより、予め定められた機関回転同期の燃料噴射タ
イミングになると、演算した燃料噴射量Ｔ、のパルス幅
を持つ駆動パルス信号が燃料噴射弁１５に与えられて燃
料噴射が行われる。

次に、前記ルーチンで使用されるフィードバック補正係
数ＬＡ？ＩＢＤＡを、比例・積分制御によって設定する
ルーチンを第５図に従って説明する。このルーチンは機
関回転に同期して実行される。

ステップ１１では、酸素センサ１９からの信号電圧ＶＯ
Ｚを入力する。

ステップ１２では、現在の機関回転数Ｎと基本燃料噴射
量Ｔ、との最新データに基づき、ＲＯＭに記憶されたマ
ツプからフィードバック制御定数（比例定数又は積分定
数）を検索する。ここで、フィードバック制御定数は燃
料供給量増量補正用として、後述するように空燃比がリ
ッチからリーンに反転した直後に加算される比例定数Ｐ
Ｒと反転直後以外で加算される積分定数■８とを有し、
また、燃料供給量減量補正用として空燃比がリーンから
リッチに反転した直後に減算される比例定数ＰＬと反転
直後以外で減算される積分定数ＩＬとの計４種類有する
。そして、本発明においては、前記積分定数１．、ｌＬ
とを夫々係るフィードバック制御において振動するフィ
ードバック補正係数ＬＡ？ＩＢＤＡの振幅値、つまり、
反転時の値と振幅中心値である平均値との偏差値（絶対
値）に対して３％以下の値に設定しである。このステッ
プ１２の部分が積分定数設定手段を含む。但し、簡易の
ため、これら定数を全運転領域共通の値に設定したり、
リーンとリッチとで同一の値としたりする構成であって
もよい。

次にステップ１３に進みステップ１１で入力した信号電
圧■。２と目標空燃比（理論空燃比）相当の基単価ＳＬ
とを比較する。

そして、空燃比がリッチ（Ｖｏｚ＞ＳＬ）のときはステ
ップ１４へ進み、リーンからリッチへの反転時か否かを
判定し、反転時にはフィードバック補正係数ＬＡＭＢＤ
Ａをステップ１２で検索された比例定数ＰＬ分減少させ
る。反転時以外は、ステップ１６へ進み、フィードバッ
ク補正係数ＬＡＭＢＤＡを前回値に対し、検索された積
分定数ＩＬ分減少させる。

また、ステップ１３で空燃比がリーン（ＶＯ２＜ＳＬ）
と判定された時はステップ１７へ進んで同様にリッチか
らリーンへの反転時か否かを判定し、反転時はステップ
１８へ進んでフィードバック補正係数ＬＡＭＢＤ＾を検
索された比例定数Ｐｉ分増大させ、反転時以外はステッ
プ１９へ進み前回値に対して検索された積分定数■え分
増大させる。

こうして、フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを所定
の傾きで増減させる。尚、Ｉ＋＋、ｔ　＜＜ＰＲ，Ｌで
ある。

かかる構成とすれば、ＮＯｘ還元触媒層５を有した酸素
センサ１９によって空燃比を検出しているため、ＮＯｘ
？ｌＪ度に影響されることなく略正確に理論空燃比近傍
でリッチ、リーン間の反転が行われ、従って制御中心値
を理論空燃比近傍に保持できる。したがって、ＮＯｘ濃
度還元触媒層を有しない通常型の酸素センサで空燃比制
御を行う場合には、ＮＯｘ濃度が高い時にリーン側にシ
フトされたときでもある程度のリッチ制御期間を確保し
てＮＯｘ低減を図るため、積分定数を最低５％以上とし
ていたのを、前記リーン側へのシフトが無くなることに
よって、３％以下まで減少することができ、これにより
空燃比の理論空燃比からのズレ量を十分に小さくするこ
とができ、高精度な空燃比フィードバック制御が行える
（第６図の点線は従来の大きさ、例えば積分定数Ｉ　Ｉ
Ｉ、　Ｌ′を５％以上の値としてフィードバック制御を
行った場合、実線は積分定数１つ、Ｌを３％以下の値と
してフィードバック制御を行った場合を示す）。この結
果、三元触媒においても、あらゆる運転条件でＮＯｘ。

Ｃｏ、ＨＣ共に転化率の高い理論空燃比近傍の狭い範囲
で使用されることになるから、これらＮＯｘＣｏ、ＨＣ
の排出量を可及的に減少した良好なエミッション特性が
得られることとなる。

尚、例えば、Ｖ型内燃機関等で気筒から酸素センサまで
の距離が気筒間で大きく異なるような場合には、積分定
数を余り小さくし過ぎると酸素センサから離れた気筒の
空燃比が理論空燃比からずれたまま保持されて修正され
ない場合があるので、ある程度以上の大きさ（例えば２
％以上）は確保するのが好ましいであろう。これに対し
、直列気筒機関のように気筒間の排気通路長さが大きく
違わない機関では、積分定数をより小さな値（例えば１
％）まで減少させることが可能であろう。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、ＮＯｘ中の酸素分
を排気中の酸素分として検出できる酸素センサを用いて
、空燃比の制御中心値をＮＯｘ？ａ度に影響されること
なく理論空燃比近傍に保持した上で、空燃比フィードバ
ック制御における積分定数を３％以下の値に設定したた
め、空燃比の理論空燃比からの振れ幅を可及的に減少さ
せることができ、以て高精度な空燃比フィードバック制
御が行え、排気エミッション特性を大幅に改善すること
ができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の構成を示すブロック図、第２図は、
本発明の一実施例に使用する酸素センサの構成を示す断
面図、第３図は、同上実施例の全体構成を示す図、第４
図は同上実施例の燃料噴射量演算ルーチンを示すフロー
チャート、第５図は、同上実施例のフィードバック補正
係数設定ルーチンを示すフローチャート、第６図は、同
上実施例の各部の状態を示す線図、第７図は、従来例の
各部の状態を示す線図である。 ５・・・ＮＯｘ還元触媒層　　１１・・・機関　　１５
・・・燃料噴射弁　　１６・・・コントロールユニット
　　１８・・・排気通路　　１９・・・酸素センサ　　
２０・・・三元触媒特許出願人　　　日本電子機器株式
会社代理人　弁理士　笹　島　　富二雄 第１ 図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　排気通路に三元触媒を備えた機関に供給される混合気
   の空燃比に対応する排気中酸素濃度を検出するものであ
   って、窒素酸化物還元触媒を含んだ酸素センサを設ける
   と共に、該酸素センサの出力値と目標空燃比相当の基準
   値とを比較しつつ積分制御により設定したフィードバッ
   ク補正係数によって燃料供給量を増減制御して空燃比を
   目標空燃比に近づけるように制御する空燃比フィードバ
   ック制御手段と、前記空燃比フィードバック制御手段に
   おける積分制御の積分定数を当該積分制御によって振動
   するフィードバック補正係数の振幅値の３パーセント以
   下の値に設定する積分定数設定手段とを備えて構成した
   ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。