JPH04132849A - エンジン用空燃比制御装置 - 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、エンジンへ供給される混合気の空燃比が理論
空燃比となるように燃料噴射量を制御するエンジン用空
燃比制御装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、触媒の浄化作用を向上させるためにエンジン
に供給される混合気の空燃比を所定の空燃比を中央値と
してリッチ側とり−ン側に振る所謂ディザ制御するもの
が開示されている（例えば特開昭６２−５６３３５号公
報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の空燃比をリッチ側とリーン側に振るディ
ザ制御を加減速時も行なうと応答性、燃費が悪くなると
いう問題がある。

というのは、燃料を多く必要な加速時に、上記のディザ
制御によって空燃比がリーン側に振れると過渡応答性が
悪化する。反対に燃料を多く必要でない減速時に上記の
ディザ制御によって空燃比がリッチ側に振れると燃料が
余分に消費され、燃費が悪化する。

本発明は上記課題を鑑みて、応答性及び燃費が優れたエ
ンジン用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〕 上記課題を解決する手段として本発明は、エンジンの排
気管に配設され、排気ガスを浄化するための触媒と、 この触媒の上流に配設され、前記エンジンに供給される
混合気の空燃比に対してリニアな検出信号が出力される
酸素濃度センサと、 前記混合気の目標空燃比を所定の周期でディザ制御する
ディザ制御手段と、 前記検出信号と前記目標空燃比とに応じて前記エンジン
へ供給する燃料噴射量を設定する燃料噴射手段とを備え
る空燃比制御装置において、前記エンジンの加減速を検
出する加減速検出手段と、 加減速時、前記ディザ制御を禁止する禁止手段と、 加減速時に目標空燃比を所定の値に設定する目標空燃比
設定手段と を備えることを特徴とするエンジン用空燃比制御装置を
提案する。

〔作用〕

これにより、加減速検出手段が加減速を検出するとディ
ザ制御は禁止される。そして目標空燃比は所定値に設定
され、この目標空燃比と酸素濃度センサの検出信号とに
応じてエンジンに供給される燃料噴射量は設定される。

〔発明の効果〕

本発明により、加減速時にディザ制御を禁止することに
より、加速時には応答性が向上し、減速時には燃費が向
上するという優れた効果がある。

〔実施例〕

以上説明した本発明の構成を一層明らかにする為に、以
下本発明の好適な実施例とし°このエンジン用空燃比制
御装置について説明する。第２図は、空燃比制御が行わ
れるエンジン１０とその周辺装置を示す概略構成図であ
る。図示するように本実施例では、エンジン１０の点火
時期１ｇ、燃料噴射量ＴＡＵの各々の制御が、電子制御
装置（ＥＣＵ）２０により行われる。

エンジン１０は、第２図に示すように、４気筒４サイク
ルの火花点火式のものであって、その吸入空気は上流よ
り、エアクリーナ１１、吸気管１２、スロットルバルブ
１３、サージタンク１４、吸気分岐管１５を介して各気
筒に吸入される。−方燃料は図示しない燃料タンクより
圧送されて吸気分岐管１５に設けられた燃料噴射弁１６
ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄから噴射・供給されるよう
構成されている。また、エンジン１０には、点火回路１
７から供給される高電圧の電気信号を各気筒の点火プラ
グ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、に分配するディス
トリビュータ１９、このディストリビュータ１９内に設
けられエンジン１０の回転数Ｎｅを検出する回転数セン
サ３０、スロットルバルブ１３の開度ＴＨを検出するス
ロットルセンサ３１、スロットルバルブ１３下流の吸気
圧ＰＭを検出する吸気圧センサ３２、エンジン１０の冷
却水温Ｔｈｗを検出する暖機センサ３３、吸気温Ｔａｍ
を検出する吸気温センサ３４、が備えられている。前述
の回転数センサ３０はエンジン１０のクランク軸と同期
して回転するりングギアに対向して設けられるもので、
回転数Ｎｅに比例してエンジン１０の２回転、即ち７２
０°ＣＡに２４発のパルス信号を出力する。スロットル
センサ３１はスロットル開度ＴＨに応じたアナログ信号
と共に、スロットルバルブ１３がほぼ全閉であることを
検出するアイドルスイッチからのオン−オフ信号も出力
する。

さらに、エンジン１０の排気管３５には、エンジン１０
から排出される排気ガス中の有害成分（Ｃｏ、ＨＣ，Ｎ
Ｏｘ等）を低減するための三元触媒３８が設けられてい
る。さらに、三元触媒３８の上流側にはエンジン１０に
供給された混合気の空燃比λに応じたリニアな検出信号
を出力する第１の酸素濃度センサである空燃比センサ３
６が設けられており、三元触媒３８の下流側にはエンジ
ン１０に供給された混合気の空燃比λが理論空燃比λ。

に対してリッチか、リーンかに応じた検出信号を出力す
る第２の酸素濃度センサである０２センサ３７が設けら
れている。

電子制御装置２０は、周知のＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、
ＲＡＭ２３、バックアツプＲＡＭ２４等を中心に算術論
理演算回路として構成され、上述した各センサからの入
力を行う入力ポート２５や各アクチュエータへ制御信号
を出力する出力ポート２６等と、バス２７を介して相互
に接続されている。電子制御装置２０は、入力ポート２
５を介して、吸気圧ＰＭ、吸気温Ｔａｍ、スロットル開
度ＴＨ１冷却水温Ｔｈｗ、空燃比λおよび回転数Ｎｅ等
を入力し、これらに基づいて燃料噴射量ＴＡＵ、点火時
期１ｇを算出し、出力ポート２６を介して燃料噴射弁１
６ａないし１６ｄ、点火回路１７の各々に制御信号を出
力する。これらの制御のうち、空燃比制御について以下
に説明する。

電子制御装置２０は、空燃比制御を行うために予め特開
昭６４−１１０８５３号公報に開示されている設定手法
を用いて設計されている。

■制御対象のモデリング 本実施例ではエンジン１０の空燃比λを制御するシステ
ムのモデルに、むだ時間Ｐ＝３を持つ次数１の自己回帰
移動平均モデルを用い、さらに外乱ｄを考慮して近似し
ている。

まず自己回帰移動平均モデルを用いた空燃比λを制御す
るシステムのモデルは、 λ（ｋ）＝ａ・λ（ｋ−１） ＋ｂ　−ＦＡＦ　（ｋ−３）　　　・・・　（１）で近
似できる。ここで、λは空燃比、ＦＡＦは空燃比補正係
数、ａ、ｂは定数、ｋは最初のサンプリング開始からの
制御回数を示す変数である。さらに外乱ｄを考慮すると
制御システムのモデルは、λ（ｋ）＝ａ・λ（ｋ−１） ＋ｂ−ＦＡＦ　（ｋ−３） ＋ｄ（ｋ−１）　　　　　　　　・・・　（２）と近似
できる。

以上のようにして近似したモデルに対し、ステップ応答
を用いて回転同期（３６０°ＣＡ）サンプリングで離散
化して定数ａ、ｂを定めること、即ち、空燃比λを制御
する系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。

■状態変数量　の表示方法 上式（２）を状態変数量　（ｋ）＝　（Ｘ、（ｋ）、Ｘ
、（ｋ）　、Ｘ３（ｋ）　、Ｘ４（ｋ））’を用いて書
き直すと、 を得る。

となる。

■レギュレータの設計 上記（５）、（６）式についてレギュレータを設計する
と、最適フィードバックゲイン ＊　＝　（Ｋｌ　、　Ｋ２　、Ｋ３　、Ｋ４　）と状態
変数量Ｘ’（ｋ）＝（λ（ｋ）、ＦＡＦ　（ｋ−３）、
ＦＡＦ　（ｋ−２）、ＦＡＦ　（ｋ−１））とを用いて
ＦＡＦ　　（ｋ）　　＝に−Ｘテ　　（ｋ）＝に、・λ
（ｋ）＋に、　　・ＦＡＦ　（ｋ−３）十に、　　・Ｆ
ＡＦ　（ｋ−２） ＋に、　　・ＦＡＦ　（ｋ−１）　　　　　　　　・・
・　（５）となる。更に、誤差を吸収させるための積分
項Ｚ１（ｋ）を加え、 ＦＡＦ　（ｋ）＝に、　　・λ（ｋ） ＋に２　　・ＦＡＦ　　（ｋ−３） ＋に、　　・　ＦＡＦ　　（ｋ−２） ＋に４　・ＦＡＦ　　（ｋ−１）＋Ｚｌ　　（ｋ）・・
・　（６）として、空燃比λ、補正係数ＦＡＦを求める
ことができる。

なお、積分項ｚ、（ｋ）は目標空燃比λＴＧと実際の空
燃比λ（ｋ）との偏差と積分定数Ｋａとから決まる値で
あって、次式により求められる。

ｚｓ　　（ｋ）＝ｚ、（ｋ−ｉ） ＋Ｋａ−（λＴＧ−λ（ｋ）　）−（７）■最適フィー
ドバックゲインＫ及び積分定数Ｋａの決定 最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋａは、例え
ば、次式で示される評価関数Ｊを最小とすることで設定
できる。

＋Ｒ（ＦＡＦ　（ｋ）−ＦＡＦ　　（ｋ−１））”　）
・・・　（８） ここで、評価関数Ｊとは空燃比補正係数ＦＡＦ（ｋ）の
動きを制約しつつ、空燃比λ（ｋ）と目標空燃比λ、Ｇ
との偏差を最小にしようと意図したものであり、空燃比
補正係数ＦＡＦ　（ｋ）に対する制約の重み付けは、重
みのパラメータＱ、Ｒの値によって変更することができ
る。したがって、重みパラメータＱ、Ｒの値を種々換え
て最適な制御特性かえられるまでシュミレーションを繰
り返し、最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋａ
を定めればよい。

さらに、最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋａ
はモデル定数ａ、ｂに依存している。よって、実際の空
燃比λを制御する系の変動（パラメータ変動）に対する
システムの安定性（ロバスト性）を保証するためには、
モデル定数ａ、ｂの変動分を見込んで最適フィードバッ
クゲインＫ及び積分定数Ｋａを設計する必要がある。よ
って、シュミレーションはモデル定数ａ、ｂの現実に生
じ得る変動を加味して行ない、安定性を満足する最適フ
ィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋａを定める。

以上、■制御対象のモデリング、■状態変数量の表示方
法、■レギュレータの設計、■最適フィードバックゲイ
ン及び積分定数の決定について説明したが、これらは予
め決定されており、電子制御装置２０ではその結果即ち
、前述の（６）、（７）式のみを用いて制御を行う。

以下、第３図、第７図に示すフローチャートに基づいて
空燃比制御について説明する。

第３図は燃料噴射量ＴＡＵを設定する処理であり、回転
に同期（３ｅｏ°ＣＡ毎）して実行されるものである。

まず、ステップ１０１で吸気圧ＰＭ、回転数Ｎｅ等に応
じて基本燃料噴射量ＴＰが演算される。

続くステップ１０２で空燃比λのフィードバック条件が
成立しているか否かを検出する。ここで、フィードバッ
ク条件とは周知のとおり、冷却水温Ｔｈｗが所定値以上
であって、高負荷、高回転でないことである。ステップ
１０２で空燃比λのフィードバック条件が成立していな
い時は、ステップ１０３で空燃比補正係数ＦＡＦが１に
設定され、ステップ１０６へ進む。

また、ステップ１０２で空燃比λのフィードバック条件
が成立している時は、ステップ１０４で目標空燃比λＴ
６が設定される（詳細は後述）。そして、ステップ１０
５で空燃比λが目標空燃比λ７Ｇとなるように空燃比補
正係数ＦＡＦが設定される。

詳しくは、目標空燃比λ、Ｇと空燃比センサ３６で検出
される空燃比λ（ｋ）に応じて、前述の（６）、（７）
式により空燃比補正係数ＦＡＦが演算される。

そして、ステップ１０６で基本燃料噴射ＩＴｐに対して
空燃比補正係数ＦＡＦ及び他の補正係数ＦＡＬＬに応じ
て次式により補正され、燃料噴射量ＴＡＵが設定される
。

ＴＡＵ＝ＦＡＦＸＴｐＸＦＡＬＬ 以上のようにして設定された燃料噴射量ＴＡＵに応じた
作動信号が燃料噴射弁１６ａないし１６ｄへ出力される
。

次に目標空燃比λＴ６の設定について第５図に示すフロ
ーチャートに基づいて説明する。

ステップ３０１ではエンジン１０が定常運転中か否かを
例えば吸気圧変化率ΔＰＭより判別する。

吸気圧変化率ΔＰＭの絶対値１ΔＰＭＩが所定値Ｐ１よ
り大きいとき、即ち定常状態ではないときステップ３０
２に進んで加速中であるかまたは、減速中であるかの判
別を吸気圧変化が正であるか負であるかにより行なう。

吸気圧変化ΔＰＭが正であるときは加速中とまた負であ
る時は減速中と判別する。加速中と判別するとステップ
３０３に進んで目標空燃比λ、６を加速時目標空燃比λ
ＡＣに設定する。λ、は出力トルク及びエミッションを
考慮して１２．５〜１４．０程度に設定しである。また
、ステップ３０２で減速中と判別するとステップ３０４
に進んで目標空燃比λ７Ｇを減速時目標空燃比λＤＣに
設定する。λ、Ｃは減速時のドライバビリティや失火の
有無を考慮して１６．０程度に設定しである。

以上の様に加減速時には目標空燃比λＴ６を加速時及び
減速時目標空燃比λ１．λＤＣに設定し、後述するディ
ザ制御は行わない。

ステップ３０１で定常状態と判別したときはステップ３
０５に進んで定常時目標空燃比λ、アの設定処理を実行
する。

上記処理においてはまず、０２センサ３７の検出信号に
基づいて実際の空燃比と空燃比センサ３６の検出信号と
のずれを補正するように目標空燃比の中央値λアＧＣが
設定される。詳しくは、０□センサ３７の検出信号がリ
ッチの時は、中央値λＴＧＣを所定値λ９だけリーンに
設定する。逆に、０□センサ３７の検出信号がリーンの
時は、中央値λＴＧＣを所定値λ、だけリッチに設定す
る。ここで、三元触媒３８の浄化率ηの空燃比λに対す
る特性は第４図に示す。後述するように第４図に示す触
媒ウィンドウＷ　（図中斜線部）の範囲内で制御される
。触媒ウィンドウＷは１％程度であるため、前述の所定
値λ８としては、この値よりも小さく設定する。

また、実際の空燃比と空燃比センサの検出信号とのずれ
は回転数Ｎｅ、吸気圧ＰＭによっても異なる。即ち、浄
化率ηが最大となる空燃比が回転数Ｎｅ、吸気圧ＰＭに
より異なる。よって、中央値λＴＧＣの初期値として、
予め回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとにより浄化率ηが最大と
なる空燃比を求めておき、ＲＯＭ２２に記憶しておく。

そして、フィードバック開始時に、ＲＯＭ２２から読み
出すようにすればよい。この中央値λＴＧＣの初期値は
、回転数Ｎｅ、吸気圧ＰＭが大きくなる程、リッチとな
る特性を有している。

次に前述のようにして設定される中央値λＴＧＣに対し
て、触媒ウィンドウＷ範囲内で、所定の振幅（ディザ振
幅）λ。、２で周期的（ディザ周期ＴＤＺＡ）に目標空
燃比λア。を変化させる（ディザ制御）。ここで、ディ
ザ振幅λ０，２、ディザ周期ＴＤｚ＾についても、浄化
率ηが最大となる最適値が回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭによ
り異なる。よって、ディザ振幅λＤＴ２　、ディザ周期
’ｒｏｚａの最適値を予め回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとに
より求めておき、ＲＯＭ２２に記憶しておく。そして、
逐次、ＲＯＭ２２から読み込むようにすればよい。

以上の定常時目標空燃比λ３丁の設定について、第６図
に示すフローチャートに基づいて説明する。

ステップ２０１〜ステツプ２０３は、前述の目標空燃比
の中央値λア０．を設定する処理である。

まず、ステップ２０１で０□センサ３７からの検出信号
がリッチかリーンかを検出する。ここで、０□センサ３
７からの検出信号がリッチの場合は、ステップ２０２で
中央値λ７０．を所定値λ、だけ大きく、即ちリーンに
設定する（λｔｃｃ←λＴＧＣ＋λ、４）。また、ステ
ップ２０１で、０□センサ３７からの検出信号がリーン
の場合は、ステップ２０３で中央値λ？ＧＣを所定値λ
、だけ小さく、即ちリーンに設定する（λＴＧＣ←λＴ
ＧＣ−λ、４）。

ステップ２０４〜ステツプ２１３は、前述のディザ制御
である。ステップ２０４で、カウンタＣＤＺＡがディザ
周期Ｔ　ｏｚＡ以上か否かを検出する。

ここで、カウンタＣＤＺＡはディザ周期Ｔ　Ｄ２Ａをカ
ウントするものである。ここで、カウンタＣＤＺＡがデ
ィザ周期Ｔ　０２４未満の場合は、ステップ２０５でカ
ウンタＣＤＺＡをカウントアツプ（ＣＤＺＡ−ＣＤＺＡ
＋１）Ｌ、ステップ２１３へ進む。

また、ステップ２０４でカウンタＣＤＺＡがディザ周期
Ｔ　０２Ａ以上の場合は、ステップ２０６〜ステツプ２
１２で定常時目標空燃比λ、７をステップ的に変化させ
るための処理を行う。まず、ステップ２０６でカウンタ
ＣＤＺＡをリセット（ＣＤＺＡ＝Ｏ）する。ステップ２
０７でディザ振幅λ。２Ａを設定する。詳しくは、前述
のようにディザ振幅λＤＺＡは、回転数Ｎｅと吸気圧Ｐ
Ｍとに応じた最適値を予め求めておき、回転数Ｎｅと吸
気圧ＰＭとの二次元マツプとしてＲＯＭ２２に記憶して
おく。

そして、逐次ＲＯＭ２２からディザ振幅λｎｚＡを読み
込む。続く、ステップ２０８でディザ周期Ｔ　ＤＺＡを
設定する。ディザ周期Ｔ　０２Ａについても：ディザ振
幅λＤ２Ａと同様に、回転数Ｎｅと吸気圧ＰＭとの二次
元マツプとしてＲＯＭ２２に記憶しておく。そして、逐
次ＲＯＭ２２からディザ周期Ｔ　ＤＺＡを読み込む。

次に、ステップ２０９でフラグＸＤＺＲがセットされて
いるか否かを判定する。ここで、フラグＸＤＺＲがセッ
トされている（ＸＤＺＲ＝１）場合は、定常時目標空燃
比λ、Ｔが中央値λ７６、に対してリッチに設定しであ
ることを示す。ステップ２０９でフラグＸＤＺＲがセッ
トされている（ＸＤＺＲ＝１）と判定された場合、即ち
前回の制御タイミングまで定常時目標空燃比λ、アが中
央値λＴＧＣに対してリッチに設定されていた場合は、
ステップ２１０で定常時目標空燃比λ、Ｔを中央値λＴ
ＧＣに対して、ディザ振幅λＤ２Ａだけリーンに設定さ
れるように、フラグＸＤＺＲをリセットする（ＸＤＺＲ
←０）。また、ステップ２０９でフラグＸＤＺＲがリセ
ットされている（ＸＤＺＲ＝１）と判定された場合、即
ち前回の制御タイミングまで定常時目標空燃比λ、Ｔが
中央値λＴＧＣに対してリーンに設定されていた場合は
、ステップ２１１で目標空燃比λア。を中央値λＴＧＣ
に対して、ディザ振幅λＤＺＡだけリッチに設定される
ように、フラグＸＤＺＲをセットする（ＸＤＺＲ４−１
）。続くステップ２１２でディザ振幅λＤＺＡを負の数
にし、ステップ２１３で進む。

そしてステップ２１３で定常時目標空燃比λ３７を次式
により設定する。

λ、アーλア。。＋λＤハ したがって、定常時目標空燃比λ、７を中央値λア。Ｃ
に対してディザ振幅λ、２．だけリーンに設定する場合
は、ステップ２１３で次式により定常時目標空燃比λ８
．が設定される。

λ、ア＝　７丁、　＋　λＤ２Ａ また、定常時目標空燃比λ、１を中央値λア。Ｃに対し
てディザ振幅λＤＺＡだけリッチに設定する場合は、ス
テップ２１２でディザ振幅Ｊ　ＤＺＡが負の数に設定さ
れるため、ステップ２１３で次式により定常時目標空燃
比λ、Ｔが設定される。

λｓｙ＝　λ丁ＧＣ−λｔｌＺＡ 定常時目標空燃比λ、Ｔが求まると第５図に戻って、ス
テップ３０６で目標空燃比λ７Ｇに上記のλ、Ｔを設定
する。

第７図は本実施例において、加減速時の補正係数ＦＡＦ
、目標空燃比λ？Ｇ＋実際の空燃比λの動作、及びＮｏ
、、Ｃｏの発生状況を示したタイムチャートである。加
速時初期においては、空燃比λはリーン側に移行するが
、加速時には目標空燃比λ７６がリッチ側（λＡＣ）に
設定され、さらにディザ制御が停止するためリーン側に
振られることなくすぐにλ１．に収束する。従って、加
速時にオーバーリーンになることが抑制され、従来加速
時に発生していたＮＯｘを低減することができ、また加
速性も向上する。

減速時初期においては空燃比λはリッチ側に移行するが
減速時には目標空燃比λＴＧがリーン側（λ０．）に設
定され、さらにディザ制御が停止するためリッチ側に振
られることなくすぐにリーン側（λゎ、）に収束する。

よって、減速時にオーバーリッチになることが抑制され
、従来減速時に発生していたＣＯを低減することができ
、燃費も向上する。

以上説明したように実施例においては、加減速時には目
標空燃比を予め求めておいた加速時目標空燃比λＡＣ及
び減速時目標空燃比λ。、に設定したが、第９図に示す
フローチャートの如く加速時には定常状態時の目標空燃
比λ７．から所定値αだけ減算することにより目標空燃
比λ７．をリッチ側に設定（ステップ４０１）、減速時
には所定値βだけ減算することにより目標空燃比λＴ６
をリーン側に設定（ステップ４０２）するようにしても
よい。

さらに他の実施例として加減速時上述のディザ制御を停
止して目標空燃比を理論空燃比に固定するようにしても
よい。

また本実施例では、加減速時、目標空燃比λＴ６を方形
波状に変化させているが、第８図のＢ、　Ｃに示す様に
加速時中及び減速中に目標空燃比λ７゜を加減速前の目
標空燃比に徐々にまたは急激に戻すようにしてもよい。

供するフローチャートである。

１６ａ〜１６ｄ・・・燃料噴射弁、２０・・・ＥＣＵ３
６・・・空燃比センサ、３８・・・三元触媒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 エンジンの排気管に配設され、排気ガスを浄化するため
   の触媒と、 この触媒の上流に配設され、前記エンジンに供給される
   混合気の空燃比に対してリニアな検出信号が出力される
   酸素濃度センサと、 前記混合気の目標空燃比を所定の周期でディザ制御する
   ディザ制御手段と、 前記検出信号と前記目標空燃比とに応じて前記エンジン
   へ供給する燃料噴射量を設定する燃料噴射手段とを備え
   る空燃比制御装置において、前記エンジンの加減速を検
   出する加減速検出手段と、 加減速時、前記ディザ制御を禁止する禁止手段と、 加減速時に目標空燃比を所定の値に設定する目標空燃比
   設定手段と を備えることを特徴とするエンジン用空燃比制御装置。