JPH02204649A - 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、内燃機関の空燃比を制御する装置に関し、特
に排気中の酸素濃度を酸化窒素（Ｎｏ。

）中の酸素成分を含めて感知し、該酸素濃度に応じた起
電力を発生する酸素センサを用いて空燃比フィードバッ
ク制御を行う装置における酸素センサの劣化対策技術に
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ＮＴｐ　　（＝Ｋ・Ｑ／Ｎ　、には
定数）を演算し、この基本燃料供給１’ｒ、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Ｔ、に相
当するパルス巾の駆動パルス信号を所定タイミングで出
力することにより、機関に所定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Ｇｏ、ＨＣ（炭化
水素）を酸化すると共にＮ　Ｏｘ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、酸素イオン伝導性固体電解質であるセラミ
ック管の排気と接触する外表面に排気中のＧｏ、ＨＣ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０□をＣｏ、ＨＣと
良好に反応させて０２濃度をゼロ近くにし、セラミック
管内表面に接触した大気の０□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ｏ２とが反応してもまだＯｌ
が余り、セラミック間内外表面の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■。と理論空燃比相当の基準電圧（スライスレベル）
ＳＬとを比較して混合気の空燃比が理論空燃比に対して
リッチかり−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Ｔｐ
に乗じる空燃比フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを
初回に大きな比例定数Ｐを増大（減少）した後、所定の
積分定数■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Ｎ　Ｏｘ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リーン側
に制御されるだけで転化率は大きく転化する特性を有し
ている（第９図参照）。

しかしながら、本来ＮＯｘ中の酸素骨は、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出来ないため、Ｎ　Ｏｘ濃度が高
くなるほど真の理論空燃比よりリーン側で起電力が反転
する傾向がある（第９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比例定数を大きく与えるこ
とで、制御域がリッチとなる状態を作りだしている（第
９図参照）。

しかしながら、このように大きな比例定数を与える方式
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、エミッション不良を引き起こす。

また、前記酸素イオン伝導性固体電解質により起電力を
発生して酸素濃度をＯＮ、　　ＯＦＦ的に検出する酸素
センサにあっては、劣化により応答速度が早められるこ
とが実験的に確かめられている。

応答バランスを見ると、酸素センサの劣化が進行すると
、リーン状態検出時間が短縮される結果、全体として応
答速度が早められる結果となっている。

このため、酸素センサの新品と劣化品とを比較すると、
第１０図に示すように劣化品はリッチ状態を検出する時
間が短くなるため、バランス的にリーン状態を検出する
時間割合が増大し、該検出結果に基づく空燃比フィード
バック制御において、燃料供給量を増量制御するリッチ
制御時間の割合が長引くので、排気中のＣｏ、ＨＣｌ度
が増大しエミッション不良を生じる。尚、実際には酸素
センサの新品のものでは、理論空燃比に対してリッチ状
態を検出している時間（リッチ側に制御される時間）が
、リーン状態を検出している時間（リーン側に制御され
る時間）に比較して長く、そのために予め理論空燃比対
応の燃料噴射量が濃い目となるように定数を調整して真
のリッチ、リーンの時間割合のバランスを採っているの
であるが、図では概念を明瞭にするため新品時のリッチ
、リーン時間割合を同等にしである。

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濃度に影響されない酸素センサを使用すると
共に、該酸素センサの劣化状態を検出して空燃比のフィ
ードバック制御を修正することにより空燃比のリッチ化
を抑制し、以てＣ０２ＨＣの濃度増加を長期的に抑制で
きるように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。

く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、相対する電極の
間隙に酸素イオン伝導性固体電解質を介在させると共に
窒素酸化物還元触媒層を介在させ、両電極間の酸素イオ
ン濃度差により生じる電位差から気体中の酸素濃度を検
出する酸素センサを内燃機関の排気系に備える一方、前
記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手段による機関への燃料供給量を増
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
ドバック制御時に燃料供給量の増減周期に基づいて酸素
センサの劣化状態を判定する劣化判定手段と、酸素セン
サの出力値が目標空燃比よりリーン側の値に反転した後
、燃料供給量の増量制御を前記劣化判定手段により判定
された酸素センサの劣化状態に応じて所定時間遅らせて
開始させる増量制御遅延手段と、を備えて構成した。

く作用〉 窒素酸化物還元触媒層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、出力値が反転・する制御点がＮ
Ｏｘ濃度に影響されず真の目標空燃比（理論空燃比）に
略固定される。

かかる特性を確保した上で、空燃比フィードバック制御
手段が比例定数を用いず積分定数のみを増減する積分制
御で設定したフィードバック補正係数を用いて空燃比を
フィードバック制御するため、目標空燃比からのずれの
小さい制御が行われる。

一方、酸素センサの劣化が進むと、リーン側からリッチ
側への変化が早められることにより、全体として応答速
度が増大する。このため、劣化判定手段により燃料供給
量の増減周期に基づいて酸素センサの劣化状態が判定さ
れる。

そして、酸素センサが劣化していると判定されると、増
量制御遅延手段は酸素センサの出力値が目標空燃比より
リーン側の値に反転した後、燃料供給量の増量制御を前
記劣化状態に応じて所定時間遅らせて開始させる。

従って、リーン側への制御時間が前記遅延時間分長引き
、劣化に伴う空燃比のリンチ化も抑制される。

〈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。

一実施例の構成を示す第２図において、機関１１の吸気
通路１２には吸入空気流量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
分には気筒毎に燃料供給手段としての電磁式の燃料噴射
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こコ
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が設けられると
共に、排気通路１８の排気中酸素濃度を検出することに
よって吸入混合気の空燃比を検出する酸素センサ１９が
設けられ、更に下流側の排気中のＣｏ、ＨＣの酸化とＮ
Ｏｘの還元を行って浄化する三元触媒２０が設けられる
。

ここで、前記酸素センサ１９は第３図に示すようなセン
サ部構造を存している。

図において、酸素イオン伝導性固体電解質である酸化ジ
ルコニウム（ＺｒＯ，）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ＧＯ，ＨＣの酸化反応を促進させる酸化
触媒層を構成する。

前記白金触媒層４の外表面に、酸化チタンＴｉＯ□や酸
化ランタンＬａ、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（ＮＯｘ）の還元反応を促
進させる触媒の粒子をこの組体に混在（例えば１％〜１
０％）させてＮｏや還元触媒層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Ｔｉ０ｔや酸化ランタンＬ
ａ、Ｏ□を用いることによりγアルミナ等を用いた場合
に比べてＮ　Ｏｘ還元反応が極めて効率良く行われるこ
とが確かめられている。また、ＮＯ８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ＮＯｘがＮＯｘ
還元触媒層５に達すると、ＮＯｘ還元触媒層５は、Ｎｏ
つと排気中の未燃成分であるＣ０５ＨＣとの次式に示す
反応を促進させる。

ＮＯｘ＋ＣＯ→Ｎ　ｚ　十ＣＯｔ Ｎ　Ｏｔ１　　＋　ＨＣ＝Ｎｘ　　＋　Ｈｚ　　Ｏ＋　
ＣＯｔこの結果、ＮＯｘ還元触媒層５より内側にある白
金触媒層４に達したＯ２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０２濃度が増大することとなる。

つまり、ＮＯｘ還元触媒層を有しない酸素センサでは検
出されないＮＯｘ中の酸素成分をも含めた形で排気中の
Ｏ２濃度を検出することができ、したがって、その検出
結果にもとづいて空燃比フィードバック制御を行うとＮ
Ｏ８濃度に影響されることなく、真の理論空燃比を制御
中心とする制御を行うことができる。

また、第２図で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単
位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準
角信号の周期を計測して機関回転数Ｎを検出する。

この他、車速を検出する車速センサ２２が設けられ、そ
の信号■。はコントロールユニット１６に入力され、本
発明に係る空燃比フィードバック制御の修正制御を実行
する運転条件の判断に用いられる。

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〜第６図のフローチャートに従って説明する
。第４図は燃料噴射量設定ルーチンを示し、このルーチ
ンは所定周期（例えば１０＋ｎｓ）毎に行われる。

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からの信号に基づいて算出した機関回転数Ｎと
に基づき、単位回転当たりの吸入空気量に相当する基本
燃料噴射ｉｔ　Ｔ　Ｐを次式によって演算する。

ＴＦ　＝ＫＸＱ／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ＬＡ月ＢＤＡを読み込
む。

ステップ４では、バッテリ電圧値に基づいて電圧補正分
子３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ＴＩを次式に従っ
て演算する。

Ｔ１冨Ｔｔ　Ｘ　ＣＯＥ　Ｆ　ＸＬＡＭＢＤＡ　＋　Ｔ
ｓステップ６では、演算された燃料噴射弁Ｔ１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≦ングになると、演算した燃料噴射量Ｔ、のパルス巾
をも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、空燃比フィードバック制御ルーチンを第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、空燃比のフィードバック制御を行う
運転条件であるか否かを判定する。運転条件を満たして
いないときには、このルーチンを終了する。この場合、
フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡは全開のフィード
バック制御終了時の値若しくは一定の基準値にクランプ
され、フィードバック制御は停止される。

ステップ１２では、酸素センサ１９からの信号電圧■。

２を人力する。

ステップ１３では、ステップ１１で入力した信号電圧Ｖ
。！と目標空燃比（理論空燃比）相当の基準値ＳＬとを
比較する。

そして、空燃比がリッチ（Ｖｏｗ＞ＳＬ）のときはステ
ップ１４へ進んでリーンからリッチへの反転時か否かを
判定し、反転時にはステップ１５へ進んで後述する制御
反転回数計測用のカウンタＣｃをカウントアツプした後
ステップ１６へ進み、反転時以外は、ステップ１５をジ
ャンプしてステップ１６へ進む。

ステップ１６では、フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤ
Ａを積分定数ＩＬ分減少させる。

また、ステップ１３でクランク角センサがリーン（Ｖａ
ｔ＜ＳＬ）と判定されたときは、ステップ１７へ進んで
リッチからリーンへの反転時か否かを判定し、反転時に
はステップ１８へ進んで前記カウンタＣｃをカウントア
ツプした後ステップ１９へ進み、反転時以外はステップ
１８をジャンプしてステップ１９へ進む。

ステップ１９では、後述するリッチ制御遅延判別ルーチ
ンによって設定される遅延制御判定用のフラグＦ＋＋が
１にセットされているか否かを判定し、１にセットされ
ていないときには遅延制御を行わないので、ステップ２
０へ進んでフィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを積分
定数り分増大させる。

一方、前記フラグＦ１が１にセットされているときは、
ステップ１６へ進んで前回同様リッチ検出時のフィード
バック補正係数ＬＡＭＢＤＡを積分定数■。

分減少させる制御を継続する。

次に、リッチ制御遅延判別ルーチンを第６図に従って説
明する。このルーチンは、前記酸素センサ１９の反転回
数つまり燃料供給量の増減反転回数（増減周期）を判別
するために設定された周期毎に実行される。

ステップ３１では、車速センサ２２によって検出される
車速Ｖｃが、燃料供給量の増減周期つまりフィードバッ
ク補正係数ＬＡＭＢＤＡの増減周期が安定する条件の範
囲（例えば２０〜４０ｋｍ／ｈ）であるか否かを判定す
る。

前記範囲以外のときには、ステップ３２へ進んで前記カ
ウンタＣｃ及び前記燃料増量遅延判定用のフラグＦｏを
夫々０にリセットしてこのルーチンを終了する。

また、車速ｖｃが前記範囲内にあるときには、ステップ
３３に進んで現在のカウンタＣｃの値、つまり、このル
ーチンの実行周期内での燃料供給量の増減反転回数を読
み込んだ後ステップ３４に進み、該カウント値Ｃｃを、
酸素センサ１９の劣化状態に応じて設定された設定値Ｃ
ｃｏと比較する。

そして、カウント値Ｃｃが設定値Ｃｃｏ以下のときは、
酸素センサ１９が正常（劣化の程度が小さい）と判断し
、ステップ３２へ進んでこのルーチンを終了するが、設
定値ＣＣＯより大と判定されたときは、酸素センサ１９
の劣化が進んでいると判断し、ステップ３５へ進み、前
記フラグＦ０を１にセットした後、ステップ３６に進み
所定時間経過後に、ステップ３２に進みこのルーチンを
終了する。

尚、前記燃料増量制御を遅延させる所定時間Ｔ０は、酸
素センサ１９の新品時の応答時間Ｔ□０に対して劣化時
の応答遅れ時間Ｔ。Ｌｔｌで決定（例えばＴ０＝Ｔ−ｔ
−ＴＯＬＤ　）すればよい。

かかる構成により、まず、酸素センサ１９がＮＯ３還元
触媒Ｎ５を有しているため、ＮＯＸ濃度によって出力値
が反転する空燃比が理論空燃比からシフトすることがな
く、この条件を満たした上で、反転時に比例定数を与え
ず、積分制御のみにより設定されるフィードバック補正
係数ＬＡＭＢＤＡを用いて空燃比フィードバック制御を
行うことにより、理論空燃比からのずれ幅を可及的に小
さくすることができるのでＣｏ、ＨＣ，Ｎｏ、濃度を総
合的に低減できる（第７図参照）。

また、酸素センサ１９が劣化してリーン検出時間が相対
的に長引くようになっても、リーン検出直後から所定時
間Ｔ０はフィードバック補正係数ＬＡＮ０ＤＡの減少を
継続して燃料供給量の増量制御を遅らせることにより、
空燃比のリッチ制御時間とリーン制御時間とをバランス
させることができ、以てＣｏ、ＨＣの濃度増大を抑制で
きるのである（第８図参照）。

尚、上記構成において、第４図で示した空燃比フィード
バック制御ルーチンが、空燃比フィードバック制御手段
に相当し、第６図のステップ３４の分が劣化判定手段に
相当し、第６図のステップ３５３６の部分と第５図のス
テップ１９の部分とが増量制御遅延手段に相当する。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、両電極間に酸素イ
オン伝導性固体電解質とＮＯｘ還元触媒層を有した酸素
センサを使用し、積分制御で設定されたフィードバック
補正係数を用いて空燃比フィードバック制御を行うこと
により、目標空燃比からのズレ幅を小さくでき、且つ、
酸素センサの劣化を検出して空燃比フィードバック制御
時におけるリッチ制御の開始を遅延させる構成としたこ
とにより、リッチ時間割合とリーン時間割合とを同等と
してＣＯ，ＨＣ，Ｎｏ□を長期的に抑制でき浄化機能を
向上できるという効果が得られる。

【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、
本発明の一実施例の構成を示す図、第３図〜第６図は、
同上実施例の空燃比制御のための各種ルーチンを示すフ
ローチャート、第７図は、同上実施例の各部の状態を示
す線図、第８図は、同上実施例の酸素センサ劣化時の制
御状態を示すタイムチャート、第９図は従来例の各部の
状態を示す図、第１０図は、従来例の酸素センサ劣化時
の制御状態を示すタイムチャートである。 １・・・セラミック管　　２・・・内側電極　　３・・
・外側電極　　５・・・ＮＯｘ還元触媒層　　１１・・
・機関１５・・・燃料噴射弁　　１６１・・コントロー
ルユニット１９・・・酸素センサ 第１図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　相対する電極の間隙に酸素イオン伝導性固体電解質を
   介在させると共に窒素酸化物還元触媒層を介在させ、両
   電極間の酸素イオン濃度差により生じる電位差から気体
   中の酸素濃度を検出する酸素センサを内燃機関の排気系
   に備える一方、前記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手段による機関へ
   の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時に燃料供給量の増減周
   期に基づいて酸素センサの劣化状態を判定する劣化判定
   手段と、酸素センサの出力値が目標空燃比よりリーン側
   の値に反転した後、燃料供給量の増量制御を前記劣化判
   定手段により判定された酸素センサの劣化状態に応じて
   所定時間遅らせて開始させる増量制御遅延手段と、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。