JPH04112938A - 内燃機関の空燃比フィードバック制御装置 - 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、内燃機関の空燃比フィードバック制御装置に
関する。

〈従来の技術〉 内燃機関においては、排気浄化対策として、排気系に排
気中のＣ○、ＨＣを酸化すると共に、ＮＯｘを還元して
浄化する三元触媒を介装したものか一般化している。

前記三元触媒は、転化効率（浄化効率）か理論空燃比燃
焼時の排気状態で在勤に機能するように設定されている
。

このため、排気系に設けた酸素センサにより、排気性状
から空燃比を検出し、該空燃比を理論空燃比近傍に制御
することか一般に行われている。

上記内燃機関の酸素センサの従来例としては、特開昭５
８−２０４３６５号公報に示されるようなものがある。

このものは、酸素イオン導電性のジルコニア（ＺｒＯ□
）よりなる有底円筒状体（以下、ジルコニアチューブと
いう）の内表面と外表面のそれぞれ一部に白金ペースト
を塗布した後、ジルコニアチューブと共に焼成すること
で、電圧取り出し用の電極を形成しである。更に、その
外側には、白金を蒸着して、排気中のＣｏ、ＨＣの酸化
反応を促進させる白金触媒層を形成し、その上から、マ
グネシアスピネル等の酸化金属を溶射して、白金触媒層
を保護するための保護層を形成している。

そして、内表面に大気（酸素濃度一定）を接触させ、外
表面に排気を接触させ、両気体中の酸素濃度の比に応じ
て発生する電圧を前記電極から取り出すことにより、排
気中の酸素濃度を検出する。

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、Ｈ
Ｃと良好に反応させて０２濃度をゼロ近くにし、ジルコ
ニアチューブ内表面に接触させた大気の０□濃度との濃
度比を大きくして、ジルコニアチューブ内外表面間に大
きな電圧を発生させる。例えば、９００ｍＶである。

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か残
存するため、Ｃｏ、ＨＣと０２とか反応しても未た０２
か余り、ジルコニアチューブ内外表面の０２濃度比は小
さく殆と電圧は発生しない。例えば、　１２０〜１３０
ｍＶである。

具体的には、第８図に示すような波形の電圧を発生する
。

このように、酸素センサの電圧は、理論空燃比近傍で急
変する特性を有しており、この起電圧をスライスレベル
ＳＬ（基準電圧；第８図では、直線で示したが、実際に
はハンチング防止のため、一定のヒステリシスを有して
いる。）と比較して、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
、機関の吸入空気流量Ｑ及び機関回転数Ｎ等に基づいて
設定された基本燃料噴射量Ｔｐを機関温度等により補正
したものに乗じる空燃比フィードバック補正係数αを、
リッチからリーンへの（リーンからリッチへの）反転時
には一度に比例分（Ｐ分）、またその後は所定の積分分
（１分）ずつ徐々に増大（減少）していき、燃料噴射量
Ｔｉを増量（減量）することて、空燃比を理論空燃比近
傍に制御するようにしている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、このような従来の内燃機関の空燃比フィ
ードバック制御装置にあっては、酸素センサの検出部の
温度によって、活性化状態か異なり、これにより、酸素
センサの出カバターンが変化し、以下のような問題点か
生じていた。

即ち、低温（低排気温）時には、酸化触媒としての白金
か不活性な状態にあるため、酸化反応か充分に進行せず
、リッチ状態で吸着したＨＣを酸化てきないで、吸着し
たまま、リーン状態になっても、ＨＣを離脱できないの
で、その分、電極付近の排気中の酸素濃度が低くなり、
ジルコニアチューブ内外表面間の酸素濃度比か小さくな
りきらず、もって、リーン状態でも、通常のリーン状態
より多い電圧か発生する。

すると、空燃比かりッチであると誤判定するので、第９
図に示すように、空燃比フィードバック制御により、空
燃比フィードバック補正係数αか減少して、空燃比はリ
ーン側に偏って制御されてしまい、排気中のＮＯｘか多
くなり、エミッションが悪化し、また、サージか発生す
るという問題点かあった。

そして、このような現象は、酸素センサにヒータを付設
して、白金触媒か活性化する温度にまて加熱するように
することて解消されるが、ヒータ付きとすると、コスト
が高くなるのて、軽自動車や低価格車には、このような
対応かできない。

具体的には、軽自動車のような少排気量機関において、
運転状態が低回転、低負荷域にあるときは、酸素センサ
の温度か低く、完全活性域にないので、空燃比かリーン
となる。

尚、酸素センサの温度か低ければ、低い程、上記の問題
点は助長されるが、酸素センサか完全非活性域にあると
きは、空燃比フィードバック制御はなされないため、問
題となるのは、酸素センサが不完全活性域にあるときで
ある。

本発明は、上記の問題点に鑑み、酸素センサの検出部の
温度以下に係わらず、常に（白金触媒か不活性なときで
も）、安定した空燃比フィードバック制御を行って、エ
ミッションを良好に保つことのできる内燃機関の空燃比
フィードバック制御装置を提供することを目的とする。

〈課題を解決するだめの手段〉 上記の目的を達成するために、本発明では、第１図に示
すように、機関の排気中の酸素濃度に応答し、空燃比の
リッチ側で大、リーン側で小の電圧を出力する酸素セン
サ（ａ）と、空燃比が、所定のヒステリシスをもったス
ライスレベルを境として、リッチからリーンに、または
リーンからリッチに反転したときに、空燃比フィードバ
ック補正係数をそれぞれ所定の比例分増大または減少さ
せる空燃比フィードバック補正係数比例制御手段（ｂ）
と、空燃比の前記所定のヒステリシスをもったスライス
レベルを境とするリーン・リッチに応じ、空燃比フィー
ドバック補正係数を所定時間毎にそれぞれ所定の積分分
増大または減少させる空燃比フィードバック補正係数積
分制御手段（Ｃ）と、機関への燃料供給手段（ｄ）によ
る燃料供給量をそのときの空燃比フィードバック補正係
数で補正する燃料供給量補正手段（ｅ）と、を備えて、
空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する内燃機関
の空燃比フィードバック制御装置に、下記のげ）及び（
ｇ）の手段を設ける構成とする。

げ）機関の運転状態を検出する運転状態検出手段 （ｇ）　　機関の運転状態に応して、前記スライスレベ
ルのヒステリシスを設定するヒステリシス設定手段 〈作用〉 上記の構成によると、排気中の酸素濃度に応じた電圧を
出力する酸素センサにより、空燃比のリッチ側で大きい
電圧を、リーン側で小さい電圧を得て、空燃比フィード
バック補正係数比例制御手段により、所定のヒステリシ
スをもったスライスレベルを境として、空燃比かリッチ
からリーンに、リーンからリッチに反転したときに、空
燃比フィードバック補正係数を所定の比例分増減し、ま
た、空燃比フィードバック補正係数積分制御手段より、
空燃比のリッチ・リーンに応じて、空燃比フィードバッ
ク補正係数を所定時間毎にそれぞれ所定の積分分増減し
、燃料噴射量補正手段により、機関への燃料供給手段に
よる燃料供給量をそのときの空燃比フィードバック補正
係数で補正して、機関の空燃比を理論空燃比にフィード
バック制御する。

ここにおいて、運転状態検出手段により、機関の運転状
態を検出し、ヒステリシス設定手段により、機関の運転
状態に応じて、前記スライスレベルのヒステリシスを設
定する。

つまり、機関の運転状態から、酸素センサの検出部の温
度を推定することにより、検出部の活性化状態を知り、
活性化状態に応じたヒステリシスをスライスレベルに付
与しようとするものである。

これにより、機関の運転状態に応じたヒステリシスを有
するスライスレベルに基づいて、酸素センサの出力電圧
がら空燃比のリッチ・リーンを判定して、空燃比を理論
空燃比にフィードバック制御することか可能となる。

〈実施例〉 以下に、本発明の一実施例を第２図〜第７図に基ついて
説明する。

第２図を参照し、本実施例にかかるシステムを説明する
。

機関１には、エアクリーナ２．吸気ダクト３゜スロット
ルチャンバ４及び吸気マニホールド５を介して空気か吸
入される。

スロットルチャンバ４には、図示しないアクセルペダル
と連動するスロットルバルブ６か設けられており、吸入
空気流量Ｑを制御する。

吸気マニホールド５または機関１の吸気ポートには、各
気箭毎に燃料供給手段としての燃料噴射弁７が設けられ
ている。

この燃料噴射弁７は、電磁式燃料噴射弁であって、コン
トロールユニット８からの駆動パルス信号によりソレノ
イドに通電されて開弁し、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。

尚、本例のようなマルチポイントインジェクションシス
テムの他、全気筒共通に単一の燃料噴射弁を設けるシン
グルポイントインジェクションシステムであってもよい
。

機関１からは、排気マニホールド９を介して排気か排出
される。

コントロールユニット８は、各種のセンサから入力信号
を受け、内蔵のマイクロコンピュータにより後述の如く
演算処理し、燃料噴射量を定めて、これに対応するパル
ス幅をもつ駆動パルス信号を機関１の回転に同期して所
定のタイミングで燃料噴射弁７に出力する。

前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３に熱線式エア
フローメータ１０が設けられていて、吸入空気流量Ｑに
応じた電圧信号を出力する。

また、図示しないディストリビュータに内蔵させる等し
てクランク角センサ１１か設けられていて、１°または
２°毎のポジション信号と、４気筒の場合１８００毎の
リファレンス信号とを出力する。

ここで、所定時間内におけるポジション信号の発生数或
いはリファレンス信号の周期を計測することにより機関
回転数Ｎを算出することか可能である。

また、機関１のウォータジャケットに水温センサ１２か
設けられていて、冷却水温Ｔｗに応じた信号を出力する
。

排気マニホールド９には、酸素センサ１３か設けられて
いる。この酸素センサ１３は、ジルコニアチューブの内
外に白金電極を設け、更に、外表面に酸化触媒としての
白金触媒層及び保護層を形成してなるもので、内表面側
の大気中の酸素濃度（−定）と外表面側の排気中の酸素
濃度との比に応じた電圧を出力し、混合気を理論空燃比
で燃焼させたときに出力電圧が急変する公知のセンサで
ある。

更に、コントロールユニット８には、その動作電源とし
て、また電源電圧の検出のためバッテリ１４の電圧かエ
ンジンキースイッチ１５を介して、印加されている。

コントロールユニット８内のマイクロコンピュータによ
る演算処理は、第３図〜第５図に示すフローチャート（
燃料噴射量演算ルーチン、比例・積分制御ルーチン、ヒ
ステリシスＨ設定ルーチン）に基づくプログラムに従っ
て行われる。

次に、第３図〜第５図を参照して、コントロールユニッ
ト８内のマイクロコンピュータによる演算処理について
説明する。

第３図の燃料噴射量演算ルーチンにおいて、ステップ１
　（図中、Ｓｌと記す。以下同様）では、エアフローメ
ータｌＯからの信号によって得られる吸入空気流量Ｑと
クランク角センサ１１からの信号によって得られる機関
回転数Ｎとから基本燃料噴射量Ｔｐ　（＝に−Ｑ／Ｎ　
；　Ｋは定数）を演算する。

ステップ２では、必要に応じ、冷却水温Ｔｗ等に基づく
各種補正係数Ｃ０ＦＦを設定する。

ステップ３では、バッチ１月５の電圧値に基づいて、電
圧補正分子ｓを設定する。

ステップ４では、後述する第４図の比例・積分制御ルー
チンによって設定されている現在の空燃比フィードバッ
ク補正係数αを読込む。

次のステップ５ては、燃料噴射量Ｔｉを次式に従って演
算する。

Ｔｉ＝Ｔｐ　−Ｃ０ＥＦ　・（２＋ＴＳこの演算におけ
る空燃比フィードバック補正係数αによる補正の部分が
燃料供給量補正手段に相当する。

燃料噴射量Ｔｉか演算されると、そのＴｉのパルス幅を
もつ駆動パルス信号か機関回転に同期した所定のタイミ
ングで出力されて、燃料噴射弁７に与えられ、燃料噴射
か行われる。

次に、第４図の比例・積分制御ルーチンについて説明す
る。

尚、このルーチンは、所定時間τ１毎にタイマ割り込み
により実行される。

ステップ１１では、空燃比フィードバック制御（ＦＢ）
条件か成立しているか否かを判定し、ＮＯのときは、ス
テップ１２て、空燃比フィードバック補正係数αを基準
値ｌ又は前回値にクランプし、このルーチンを終了する
。

また、ＹＥＳのときは、ステップ１３以降に進む。

ステップ１３では、酸素センサ１３の出力電圧Ｖとスラ
イスレベル（基準電圧）ＳＬとを比較することにより、
空燃比のリッチ・リーンを判定する。

尚、スライスレベルＳＬは、後述するステップ１７及び
ステップ２１によって設定される。

空燃比かリーン（Ｖ＜ＳＬ）のときは、ステップ１４に
進んで、リッチからリーンへの反転時（反転直後）であ
るか否かを判定し、反転時には、ステップ１５に進んで
、空燃比フィードバック補正係数αを前回値に対し、所
定のリーン側比例分ＰＬ増大させると共に、ステップ１
６で、第５図のフローチャートに示すヒステリシス設定
ルーチンによって設定されている現在のヒステリシスを
読込んで、理論空燃比相当の基準スライスレベルＳＬ。

に加算して、新たなスライスレベルＳＬを設定して、こ
のルーチンを終了する。

反転時以外のときは、ステップ１７に進んで、フィード
バック補正係数αを前回値に対し、所定のリーン側積分
分■、増大させて、このルーチンを終了する。

空燃比かリッチ（Ｖ≧ＳＬ）のときは、ステップ１８に
進んて、リーンからリッチへの反転時（反転直後）であ
るか否かを判定し、反転時には、ステップ１９に進んで
、空燃比フィードバック補正係数αを前回値に対し、所
定のリッチ側比例分ＰＲ減少させると共に、ステップ２
０て、スライスレベルＳＬを理論空燃比相当の基準スラ
イスレベルＳＬｏに戻して、このルーチンを終了する。

反転時以外のときは、ステップ２１に進んで、空燃比フ
ィードバック補正係数αを前回値に対し、所定のリッチ
側積分分１．減少させて、このルーチンを終了する。

ここで、ステップ１３．１４．１８の判定に基づくステ
ップ１５．１９の実行が空燃比フィードバック補正係数
比例制御手段に相当し、また、ステップ１７．２１の実
行が空燃比フィードバック補正係数積分制御手段に相当
する。

次に、第５図のヒステリシスＨ設定ルーチンについて説
明する。

尚、このルーチンは所定時間τ２　（）τ１）毎にタイ
マ割り込みにより実行される。

ステップ２１では、機関回転数Ｎと、基本燃料噴射量Ｔ
ｐ（機関負荷）を入力する。

ステップ２２では、ステップ２１で入力した機関回転数
Ｎと基本燃料噴射量Ｔｐとに基づく運転状態から、マツ
プを参照して、運転状態に応じたヒステリシスＨを検索
して、設定し、このルーチンを終了する。

ここで、ステップ２１か運転状態検出手段に相当し、ス
テップ２２がヒステリシス設定手段に相当する。

つまり、機関運転状態（Ｎ、Ｔｐ）から、第６図に示す
ように、酸素センサ１３の検出部の温度を推定して、活
性化状態を知るのである。

例えば、具体的には、酸素センサ１３の検出部の温度か
３５０°Ｃのときは、ヒステリシスＨを１００ｍＶとし
、３７０°Ｃのときは、ヒステリシスＨを９０ｍＶとし
、４００°Ｃのときは、ヒステリシスＨを７０ｍＶとす
る。

更に、酸素センサ１３の検出部か充分に高温（５００°
Ｃ，６００°Ｃ）になり、完全に活性化状態にあるとき
においても、所定のヒステリシス（例えば、５０ｍＶ）
を設定して、比例分のチャタリングを防止するようにし
ている。

このような制御を行うことによって、第７図に示すよう
に、従来は、酸素センサの検出部の温度上昇が不十分て
、活性化状態が不十分な場合、破線のように、空燃比フ
ィードバック補正係数αの値か小さく、リーン側に制御
されていたが、実線の如く、正常な状態に補正すること
ができるようになる。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、機関の運転状態か
ら酸素センサの活性化状態を推定して、それに見合った
ヒステリシスをスライスレベルに設けるようにし、従来
のように、空燃比かリーン制御されることを回避できる
という効果か得られる。

もって、ヒータを有しない酸素センサにおいても、常に
、空燃比を良好に保つことかでき、低コストて、エミッ
ションが良好な機関を具現化することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示す機能ブロック図、第２図は
本発明の一実施例のシステム図、第３図は燃料噴射量演
算ルーチンのフローチャート、第４図は比例・積分制御
ルーチンのフローチャート、第５図はヒステリシス設定
ルーチンのフローチャート、第６図は機関運転状態と酸
素センサの検出部の温度との関係を示す線図、第７図は
本実施例にかかる制御の様子を示すタイムチャート、第
８図は正常時の制御の様子を示す線図、第９図は従来の
問題点を示す線図である。 １・・・機関　　７・・・燃料噴射弁 −ルユニット　　１３・・・酸素センサ８・・・コント
ロ 特許出願人　日本電子機器株式会社 代理人　弁理士　笹　島　　冨二雄 第６図 Ｎ 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 機関の排気中の酸素濃度に応答し、空燃比のリッチ側で
   大、リーン側で小の電圧を出力する酸素センサと、 空燃比が、所定のヒステリシスをもったスライスレベル
   を境として、リッチからリーンに、またはリーンからリ
   ッチに反転したときに、空燃比フィードバック補正係数
   をそれぞれ所定の比例分増大または減少させる空燃比フ
   ィードバック補正係数比例制御手段と、 空燃比の前記所定のヒステリシスをもったスライスレベ
   ルを境とするリーン・リッチに応じ、空燃比フィードバ
   ック補正係数を所定時間毎にそれぞれ所定の積分分増大
   または減少させる空燃比フィードバック補正係数積分制
   御手段と、 機関への燃料供給手段による燃料供給量をそのときの空
   燃比フィードバック補正係数で補正する燃料供給量補正
   手段と、 を備えて、空燃比を理論空燃比にフィードバック制御す
   る内燃機関の空燃比フィードバック制御装置において、 機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、機関の
   運転状態に応じて、前記スライスレベルのヒステリシス
   を設定するヒステリシス設定手段と、 を設けたことを特徴とする内燃機関の空燃比フィードバ
   ック制御装置。