JPH0452853B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、内燃機関の気筒内に供給する吸入
空気と燃料との混合気の空燃比を制御する空燃比
制御装置に関する。

〔従来の技術〕

近時、特に自動車用内燃機関における排気対
策、運転性及び燃費の向上等の要求により、気筒
に供給する混合気の空燃比を精度よく理論空燃比
に制御する空燃比制御が行なわれており、そのた
めの従来の空燃比制御装置としては、例えば1979
年に日産自動車株式会社で発行された技術解説書
「ECCS Ｌ系エンジン」に記載されているような
ものがある。

このような従来の空燃比制御装置においては、
例えば電子制御燃料噴射装置（EGI）を用いる内
燃機関の場合、吸入空気量と機関回転数とにより
燃料の基本噴射量を算出し、それにその時の機関
状態に応じて種々の増量補正を行なうと共に、理
論空燃比以外では転化率の低下する三元触媒を有
効に働かせるため、O₂センサを用いて機関排気
通路内の酸素濃度を検出することによつて実際の
空燃比が理論空燃比よりも濃いか薄いかを検出
し、その検出結果に応じた空燃比フイードバツク
補正係数による補正を行なつて燃料噴射量を制御
することにより、空燃比を理論空燃比に制御する
ようにしている。

しかしながら、このような従来の空燃比制御装
置では、殆んどの領域で混合気を理論空燃比にフ
イードバツク制御し、その他の空燃比に制御する
必要がある時、例えば始動時、暖機運転時、アフ
タアイドル時、高速高負荷運転時等には上述のよ
うなO₂センサを用いた空燃比のフイードバツク
制御（クローズド制御）は行なわず（補正係数を
１に固定する）、予め記憶した燃料増量補正係数
によるオープン制御のみを行なつていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そのため、上述のような従来の空燃比制御装置
は、理論空燃比には精度よく制御できるが、その
他の空燃比に制御する時には、機関（エンジン）
自体の性能のバラツキ、特に燃料供給系の各部品
の特性のバラツキや経時変化等により、実際の空
燃比がエンジンごとに異なつたものとなり、リツ
チすぎる場合は燃料を無駄に消費して燃費の悪化
を招き、リーンすぎる場合はエンジンの回転が不
安定になる等の不具合が生じ、運転状態によつて
は空燃比制御の精度が十分とはいえない問題点が
あつた。

これに対して、幅広い運転域において精度よく
空燃比を制御するためには、例えば実開昭58−
59330号公報に見られるように、排気中の酸素濃
度に比例した出力が得られるリーンセンサを使用
して空燃比フイードバツク制御を行うことが考え
られる。

しかしながら、一般にこの種のセンサでは燃焼
ガスが到達するまでの時間的遅れ及び化学反応が
完了するまでの応答遅れが避けられないので、広
範囲の空燃比について空燃比フイードバツク制御
を行おうとすると、機関運転状態の変化に応じて
目標空燃比が変化したときに目標値と検出値との
差が急増してしまい、この結果として燃料供給量
の制御量が過度になつてオーバーシユートを起こ
し燃焼が悪化するという問題が生じる。

この発明はこのような従来の問題点に着目して
なされたもので、理論空燃比以外の空燃比域にお
いてもオーバーシユート等の不都合を生じること
の無い、精度の高い空燃比フイードバツク制御を
行うことを目的としている。

〔問題を解決するための手段〕

この発明による空燃比制御装置は、上記の問題
点を解決するため第１図に機能ブロツク図として
示すように構成する。

すなわち、基本の燃料供給量を決定する基本燃
料供給量決定手段Ａと、それによつて決定された
基本燃料供給量を内燃機関Ｂの運転状態を示す１
つ以上の信号によつて補正する第１の補正手段Ｃ
と、この第１の補正手段Ｃによる補正係数の値を
所定時間遅延させた遅延補正係数を演算する遅延
手段Ｄと、前記遅延補正係数の値に基づいて空燃
比の目標値を決定する目標値決定手段Ｅと、内燃
機関Ｂに供給される吸入空気と燃料との混合気の
空燃比を広範囲に検出する空燃比検出手段Ｆと、
該空燃比検出手段Ｆによる検出値が目標値決定手
段Ｅによつて決定された目標値と一致するよう
に、上記第１の補正手段Ｃによつて補正された燃
料供給量をさらに補正する第２の補正手段Ｇとを
備えており、この第２の補正手段Ｇによつて補正
された燃料供給量で内燃機関Ｂに燃料を供給する
ようにしたものである。

〔作 用〕

上記構成において、燃料供給量は広範囲の空燃
比値について空燃比検出手段Ｆからの信号に基づ
くフイードバツク制御により制御されるため目標
空燃比を問わず機関運転状態に対応した精度の高
い空燃比制御が行われる。

一方、機関運転状態の変化に伴つて目標空燃比
が変化する際には、機関運転状態を示す信号の入
力に伴い第１の補正手段Ｃにより基本燃料供給量
に関する補正係数が決定され、これにより内燃機
関Ｂに供給される燃料量は新たな目標空燃比値を
満足する方向に直ちに補正される。ただし前記第
１の補正手段Ｃによる補正係数は、遅延手段Ｄに
よつて演算された遅延補正係数として所定時間だ
け遅れて目標値決定手段Ｅに送られるため、第２
の補正手段Ｇによつて、空燃比検出手段Ｆからの
信号と目標値決定手段Ｅからの前記遅延補正係数
の値に基づいて決定された空燃比の目標値に相当
する信号との比較に基づくフイードバツク制御が
実行されることになる。すなわち、空燃比検出手
段Ｆの応答遅れ時間が補償されて、空燃比検出手
段Ｆの検出空燃比が前記遅延補正係数の値に基づ
いて決定された空燃比の目標値と比較されること
になり、この場合目標値と検出値との差が小さく
なつているので空燃比のオーバーシユートは回避
される。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を説明するが、先ずこ
の発明を電子制御燃料噴射装置（EGI）によつて
燃料を供給する内燃機関に適用した実施例の全体
構成を第２図によつて説明する。

EGIによる燃料供給系は、第１図の基本燃料供
給量決定手段Ａに相当する基本噴射量算出部１
と、第１の補正手段Ｃに相当する各種増量補正部
２と、フユーエルカツト補正部３と、空燃比補正
部４と、バツテリ電圧補正部５と、パワートラン
ジスタ６と、機関に取付けたインジエクタ７とか
らなる。

そして、空燃比をフイードバツク制御するため
に、機関の排気管内に取付けた酸素センサ８と空
燃比検出回路９（空燃比検出手段Ｆに相当する）
と、遅延手段Ｄに相当する遅延回路１０と、目標
値検出手段Ｅに相当する目標値決定部１１と、空
燃比補正部４と共に第２の補正手段Ｇを構成する
差動増幅器１２及び空燃比補正係数算出部１３と
を設けている。

次に、この実施例の作用を説明する。

基本噴射量決定部１は、吸入空気流量Qaとエ
ンジン回転数Ｎにより、１回転ごとの燃料の基本
噴射量TpをTp＝Ｋ・Qa／Ｎ（Ｋは定数）の演算
により算出する。

各種増量補正部２は、エンジン冷却水温Tw、
エンジン回転数Ｎ、スロツトルスイツチのオン・
オフ信号等により、各種増量補正（水温増量補
正、始動及び始動後増量補正、アイドル後増量補
正、混合比増量補正等）を行ななうための補正係
数Kgを決定して、T₁＝Tp×Kgの補正演算を行
なう。

フユーエルカツト補正部３は、スロツトルスイ
ツチのオン・オフ、エンジン回転数Ｎ、車速ν等
により、フユーエルカツト係数（フユーエルカツ
ト時は０でそれ以外は１となる）を求め、T₁に
乗じてT₂とする。

空燃比補正部４は、空燃比補正係数算出部１３
によつて算出された空燃比補正係数αをT₂に乗
じてT₃として出力する。

バツテリ電圧補正部５は、バツテリ電圧VBに
応じてT₃を補正して燃料噴射量に応じたパルス
幅の噴射パルスTiを出力し、それによつてパワ
ートランジスタ６がインジエクタ７を駆動して噴
射パルスTiのパルス幅に応じた時間だけ燃料を
噴射させる。

このインジエクタ７によつて噴射された燃料
（例えばガソリン）が吸入空気と混合され、その
混合気がエンジンの気筒内に供給されて燃焼す
る。

この場合の１回の燃料噴射量に相当する噴射パ
ルスTiのパルス幅を式で示すと次のようになる。

Ti＝Tp×（１＋KTW＋KAS＋KAI＋KMR）
×KFC×α＋TS ここで、Tpは基本噴射量、KTWは水温増量
補正係数＋１、KASは始動及び始動後増量補正
係数KAIはアイドル後増量補正係数、KNRは混
合比補正係数、KFCはフユーエルカツト係数、
αは空燃比フイードバツク分補正係数、TSは電
圧補正量である。

そして、補正係数KTW、KAS、KAIはエンジ
ン冷却水温に応じてそれぞれ第３図に示すように
変化する。なお、第３図中KTW、KASはアイド
ル接点がOFFの時、KTW′、KAS′はアイドル接
点がONの時のそれぞれ水温増量補正係数と始動
及び始動後増量補正信号を示す。

また、混合比補正係数KMRは、エンジン回転
数Ｎと基本噴射量Tpに対応する補正係数であり、
例えば第４図に示すように運転領域ａ，ｂ，ｃの
順で補正係数KMRが大きくなる（一般に高速、
高負荷程大きくなる）。

これらの各種増量補正係数の決定方法は従来の
空燃比制御におけるのと同様である。

なお、上述の補正係数Kgとしては、例えば上
記補正係数KMR（２次元のメモリに記憶されて
いる）のみを使用してもよいが、次式によつて求
められる各種増量の和を使用するのがよい。

Kg＝１＋KTW＋KAS＋KAI＋KMR 従つて、Kgが大きくなるほどエンジンに供給
される混合気の空燃比はリツチとなる。

このようにして、エンジンに供給される混合気
の空燃比は、エンジンの運転状態に応じて補正係
数Kgにより応答性よく制御されるが、これだけ
では、燃料供給系部品のバラツキ等によつて、制
御の精度は十分とはいえないので、さらに次に説
明するようにフイードバツク制御（クローズド制
御）される。

エンジン排気管内に取付けた酸素センサ（空燃
比センサ）８と空燃比検出回路９によつて、実際
の空燃比をリツチ域からリーン域まで広範囲に亘
つて連続的に検出し、各時点の空燃比（Ａ／Ｆ）
を示す検出電圧Viを出力する。なお、この酸素
センサ８及び空燃比検出回路９の詳細については
後述する。

ところで、各種増量補正部２による補正係数
Kgが、例えば第５図イに示すように大きい値か
ら小さい値に変化した場合、その補正によつて
Ａ／Ｆの目標値は同図ロに示すａからｂのように
変化し、燃焼室入口のＡ／Ｆはその目標値に直ち
に追従して変化する。

しかしながら、排気管内の酸素センサ８の取付
部付近のＡ／Ｆは、第５図ハに示すように遅れて
変化する。

この時間遅れは、インジエクタ７が燃料を噴射
してから、その混合気が燃焼して排気が酸素セン
サ８に触れてセンシングされる位置まで到達する
のに要する時間である。

そこで、各種補正部２によつて決定された補正
係数Kgを、遅延回路１０を通して所定時間遅延
させた遅延補正係数を演算して目標値決定部１１
へ伝達する。

この遅延時間は、簡便には固定値としてもよい
が、精度を向上にするためには上述のように燃料
噴射からその結果が検出されるまでに要する実際
の時間に設定するのが望ましく、エンジンの運転
状態に応じて可変に設定するのがよい。具体的に
は、個々のエンジンによつて、また排気管の酸素
センサ取付位置によつて異なるが、エンジンの所
定回転数分（例えば２〜６回転）に設定すればよ
い。あるいは同じエンジン回転数でも高負荷にな
る程酸素センサまでの排気の到達量は増大するの
で、エンジン回転と負荷状態の両方から決定して
もよい。

また、さらに酸素センサ自体による検出の応答
遅れも数十msec程度あるので、これを加味すれ
ばより実際の値に近くなる。

目標値決定部１１は、この遅延された遅延補正
係数Kg′に基づいて第５図ニに示すように空燃比
の目標値TLを決定して、空燃比検出回路９によ
る検出電圧Viに対応する電圧信号として出力す
る。前述したように、補正係数Kgは直接空燃比
Ａ／Ｆと対応するので、これを遅延させた遅延補
正係数Kg′も空燃比検出回路９による検出電圧Vi
と対応するようにレベルを合わせることにより、
空燃比の目標値TLとして決定されることになる。

このようにして、目標値決定部１１によつて決
定された目標値TLは、差動増幅器１２の一方の
入力端子に入力される。

差動増幅器１２は、この目標値TLと空燃比検
出回路９から入力する実際の空燃比を示す検出電
圧Viとの差△Ｖ（△Ｖ＝Vi−TL）を検出して出
力する。

そして、空燃比補正係数算出部１２は、この差
動増幅器１２によつて検出された差△Ｖを積分し
て空燃比補正係数αを算出し、空燃比補正部４へ
出力する。

それによつて、前述のように空燃比補正部４が
この空燃比補正係数αを予め決定されていた燃料
供給量に相当するT₂に乗じて燃料供給量を補正
する（α＝１の時は補正なし）ことによつて、実
際の空燃比が目標値と一致するようにフイードバ
ツク制御する。

このようにして、運転条件に応じて常に適切な
空燃比に制御することができる。

なお、この装置におけるパワートランジスタ
６、インジエクタ７、及び酸素センサ８を除く各
部はコントロールユニツト内に設けられ、実際に
はCPU、ROM、及びRAM等によつて構成され
るマイクロコンピユータによつて実行させること
ができる。

以上、この発明をEGI仕様のエンジンに適用し
た場合の実施例について説明したが、この発明は
公知の電子制御気化器（ECC）仕様（日産自動
車(株)発行「NAPS三元触媒方式1978年技術解説明
書」参照）のエンジンにも同様に適用することが
できる。

その場合は、エンジンの運転状態に応じた基本
燃料供給量は気化器自体で決定され、空燃比のフ
イードバツク制御は、気化器のメーン系統及びス
ロー系統に設けた空燃比補正用エアブリードに介
装されるECCフイードバツク・ソレノイドバル
ブを用いて、空燃比補正係数算出部によつて算出
された空燃比補正係数αにより燃料供給量を増減
補正することによつて行なわれる。

次に、第２図における酸素センサ８及び空燃比
検出回路９の具体例について説明する。

先ず、酸素センサ８の構成を第６図及び第７図
によつて説明すると、加熱用ヒータ２１を設けた
基板２０上に、チヤンネル状の大気導入部２３を
形成した大気導入部２２を積層し、その上に、酸
素イオン伝導性の第１の固体電解質２４を積層し
ており、この第１の固体電解質２４上に厚さＬ
（Ｌ＝0.1mm程度）のスペーサ板２５を介して第２
の固体電解質２６を積層して、排気ガスを規制し
て導入する幅Ｌの隙間であるガス導入部２７を形
成している。

そして、第１の固体電解質２４の両面に、大気
導入部２３内の大気に晒される電極であるセンサ
アノード２８とガス導入部２７内の排気ガスに晒
される電極であるセンサカソード２９とを対向し
て設け、大気導入部２３とガス導入部２７との間
の酸素分圧比に応じた電圧を出力する酸素分圧比
検出部（以下「センサセルSC」と称す）を構成
している。

また、第２の固体電解質２６の両面に、ガス導
入部２７内の排気ガスに晒される電極であるポン
プカソード３０と排気ガスに直接晒される電極で
あるポンプアノード３１とを対向して設け、この
ポンプカソード３０とポンプアノード３１の間に
供給される電流量に応じてガス導入部２７の酸素
分圧を制御する酸素分圧制御部（以下「ポンプセ
ルPC」と称す）を構成している。

また、各電極２８〜３１及びヒータ２１から
は、それぞれリード線３２〜３７が引き出されて
いる。

第１、第２の固体電解質２４，２６としては、
例えばZrO₂、HrO₂、ThO₂、あるいはBi₂O₂等の
酸化物に、C₂O、MgO、又はY₂O₂、YB₂O₃等を
固溶させた焼結体を用い、各電極２８〜３１は白
金又は金を主成分とする。

第８図は、この酸素センサ８を用いた空燃比検
出回路９の一例を示す回路図である。

この空燃比検出回路９は、差動アンプ４０、目
標電圧Vaを発生する電圧源４１、ポンプ電流供
給回路４２、抵抗４３及びその両端電圧からポン
プ電流を検出する差動アンプ４４によつて構成さ
れている。

そして、差動アンプ４０は、前述した酸素セン
サ８のセンサカソード２９に対するセンサアノー
ド２８の電位Vsを目標電圧Vaと比較して、その
差△Ｖ（△Ｖ＝Va−Vs）を算出する。

ポンプ電流供給回路４２は、この差動アンプ４
０の出力△Ｖがゼロ（Vs＝Va）になるように、
酸素センサ８のポンプセルPCにポンプ電流Ipを
流し込む（あるいは流し出す）。すなわち、△Ｖ
が正の時はIpを増やし、△Ｖが負の時はIpを減ら
す。

なお、第７図に示した酸素センサ８のポンプセ
ルPC内でのポンプ電流による酸素イオンの移動
方向は、酸素イオンが負イオンであるため、IR
及びILで示すポンプ電流の方向とは逆になる。

差動アンプ４４は、抵抗４３の両端間の電位差
によりポンプ電極Ipを電圧Vi（Vi∝Ip）に変換し
て検出する。なお、ポンプ電流Ipは第８図に実線
矢印で示す方向を正とし、その時検出電圧Viも
正になり、破線矢印で示す逆方向の時は検出電圧
Viが負になる。

そして、目標電圧Vaを、酸素センサ８のガス
導入部２７内の酸素濃度が所定値に維持されてい
るとき、すなわち固体電解質２４の両面間の酸素
分圧比が所定値になつているときにセンサカソー
ド２９とセンサアノード２８の間に発生される電
圧Vsに相当する値に設定しておくと、この空燃
比検出回路９によつて検出されるポンプ電流Ipに
比例した検出電圧Viは、第９図に示すように空
燃比と一意的に対応する。

したがつて、この検出電圧Viによつて現空燃
比をリツチ域からリーン域まで広範囲に亘つて精
度よく検出することができる。

第１０図は、この発明に使用する酸素センサの
他の例を示す縦断面図であり、第７図と対応する
には同一符号を付してあり、それらの説明は省略
する。

この酸素センサ８′が前述の酸素センサ８と相
違する点は、第１の固体電解質２４と第２の固体
電解質２６′とを、窓孔５０を設けたスペーサ板
２５′を介挿して積層し、閉鎖されたガス導入部
２７′を形成すると共に、第２の固体電解質２
６′に透孔５１を設けて、この透孔５１を通して
排気ガスを導入２７′内へ規制しながら導入する
ようにした点だけである。

このような酸素センサを使用しても、第８図に
示したような空燃比検出回路によつて、センサカ
ソード２９に対するセンサアノード２８の電位を
所定値に保つようにポンプアノード３１にポンプ
電流を供給し、そのポンプ電流Ipを電圧Viに変
換して検出することにより、第９図に示したよう
なVi−Ａ／Ｆ特性が得られ、空燃比をリツチ域
からリーン域まで広い範囲に亘つて連続的に精度
よく検出できる。

この発明に使用する酸素センサは上述した各例
に限られるものではなく、空燃比を広範囲に検出
できるものであればよく、例えば特開昭57−
76450号公報あるいは特開昭58−153155号公報等
に記載されているような酸素センサを使用するこ
ともできる。

〔発明の効果〕

以上、実施例について説明してきたように、こ
の発明による空燃比制御装置は、内燃機関の空燃
比を理論空燃比に制御する場合に限らず、運転条
件に適した目標値を設定してフイードバツク制御
を行なうようにしたので、定常及び過渡状態のい
ずれにおいても空燃比を常に最適値に保つことが
できる。

しかも、特に機関運転状態に応じて空燃比域が
変化したときに、燃料噴射位置と酸素センサ取付
位置の差による空燃比の検出遅れ分だけフイード
バツク制御用の目標値の変化を遅延させるように
したので、過渡状態におけるオーバシユート等が
起こることもなくなる。

したがつて、運転状態に対して空燃比がリツチ
すぎて燃費が悪化したり、あるいはリーンすぎて
燃焼不良を起して回転が不安定になるようなこと
がなく、常に最適な運転を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による空燃比制御装置の基
本構成を示す機能ブロツク図、第２図は、この発
明をEGI仕様の内燃機関に適用した実施例を示す
ブロツク構成図、第３図は、各種増量補正係数と
エンジン冷却水温との関係を示す線図、第４図
は、混合比補正係数KMRの２次元マツプ図、第
５図は、補正係数Kgの変化に対する目標空燃比
及び実際の空燃比ならびに検出電圧Vi等の変化
例を示す線図、第６図は、第２図における酸素セ
ンサ８の一例を示す分解斜視図、第７図は、同じ
くその完成状態における電極形成部の模式的横断
面図、第８図は、第２図における空燃比検出回路
の一例を示すブロツク回路図、第９図は、同じく
その空燃比検出回路の検出電圧と空燃比との関係
を示す線図、第１０図は、この発明に使用する空
燃比センサの他の例を示す模式的断面図である。 １…基本噴射量算出部（基本燃料供給量決定手
段）、２…各種増量補正部（第１の補正手段）、４
…空燃比補正部（第２の補正手段）、７…インジ
エクタ、８…空燃比センサ、９…空燃比検出回
路、１０…遅延回路（遅延手段）、１１…目標値
決定部（目標値決定手段）、１２…差動増幅器、
１３…空燃比補正係数算出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関の気筒内に供給する混合気の空燃比
   を制御する空燃比制御装置において、基本の燃料
   供給量を決定する基本燃料供給量決定手段と、機
   関の運転状態を示す１つ以上の信号により前記基
   本燃料供給量決定手段によつて決定された基本燃
   料供給量を補正する第１の補正手段と、実際の空
   燃比を広範囲に検出する空燃比検出手段と、前記
   第１の補正手段による補正係数の値を所定時間遅
   延させた遅延補正係数を演算する遅延手段と、前
   記遅延補正係数の値に基づいて空燃比の目標値を
   決定する目標値決定手段と、前記空燃比検出手段
   による検出値が前記目標値決定手段によつて決定
   された目標値と一致するように、前記第１の補正
   手段によつて補正された燃料供給量をさらに補正
   する第２の補正手段とを設け、該第２の補正手段
   の出力に基づいて燃料を供給するようにしたこと
   を特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。