JPH0461180B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業状利用分野） 本発明は、酸素センサを用いて自動車等内燃機
関の空燃比をフイードバツク制御する装置に関す
る。

（従来の技術） 一般に、エンジンにおける空燃比のフイードバ
ツク制御は、運転性、燃費、排気対策等の諸要求
を満たすために行われており、このような制御で
は排気中の酸素濃度をパラメータとして吸入混合
気の空燃比が検出される。

従来のこの種の空燃比制御装置としては、例え
ば「ニツサンサービス周報第517号」昭和59年10
月日産自動車(株)発行に記載されたものがある。こ
の装置では、まず吸入空気量Qaと回転数Ｎに基
づいて次式に従つて基本噴射量Tpを演算する。
Tp＝Ｋ・（Qa／Ｎ） …… 但し、Ｋ：定数 次いで、このTpを各種増量補正するとともに酸
素センサの出力に基づいて目標空燃比となるよう
に補正して次式で示す最終噴射量Tiを決定す
る。

Ti＝Tp×COEF×α＋Ts …… 式中、COEFは各種増量係数であり、例えば冷
却水温や絞弁開度等に基づいて基本噴射量Tpを
各種増量補正するものである。αは空燃比を目標
空燃比にフイードバツク制御するときのフイード
バツク補正係数であり、酸素センサの出力に基づ
いて演算される。また、Tsはインジエクタの応
答遅れを補正するための電圧補正分である。した
がつて、最終噴射量Tiの燃料が吸気ポート近傍
に設けたインジエクタから噴射され、空燃比が目
標空燃比に制御される。

また、酸素センサはその特性が温度に依存する
ので作動を安定化させるために、センサ本体（素
子部）を加熱するヒータを設けるとともに、エン
ジンの暖機が終了した時点からフイードバツク制
御を開始している。

一方、エンジンが過渡状態にあるときには空燃
比の検出に遅れを伴うことから一時的にオープン
制御に切換えて制御の追随性を確保している。こ
の場合、上記オープン制御を行う時間（以下、過
渡オープン時間ともいう）は運転状態に拘らず一
定値に固定される。これは以下の理由による。

例えば、第１０図ａに示すようにタイミングt₁
で噴射量Tiが急変して過渡状態に移行すると、
排気酸素濃度によつて検出される空燃比（以下、
排気空燃比という）は同図ｂに示すようにタイミ
ングt₁から少し遅れてリーン側に変化し、次いで
リツチ側に変化してタイミングt₂で目標空燃比に
一致する。これは、タイミングt₁直後はTiが増大
して噴射量は増大するが、壁流に噴射量がとられ
て空燃比はリーン側側になるからである。したが
つて、タイミングt₁〜t₂迄の間は酸素センサ情報
によらずオープン制御に切換えて排気性能を向上
させ、また暖機後にあつては機関温度の変動が小
さいことから実際上前記過渡オープン時間を一定
値としている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、近年、リツチからリーンまでリニア
に空燃比検出可能な酸素センサが開発され、この
酸素センサを利用してエンジンの始動直後から空
燃比をフイードバツク制御する空燃比制御装置の
提案が当出願人よりなされている（特願昭59−
82494号参照）。これにより、始動時、暖機時のよ
うに理論空燃比より要求空燃比の濃い運転領域も
目標とする空燃比にフイードバツク制御可能とな
り、運転性をより一層高めることができるもので
ある。

しかしながら、暖機中における過渡運転時も第
１０図で示したような空燃比のみだれが生じるこ
とになり、さらに、暖機中は吸気温やマニホール
ド、吸気ポートの温度が低く燃料の蒸発が暖機後
に比較して促進されず、いわゆる壁流が多くな
る。このため、暖機中過渡時にあつては特に供給
空燃比と排気空燃比との相関のずれが大きく、か
つ空燃比が安定するまでの時間が長くなる。一般
には、機関温度が低い程、その空燃比の安定に要
する時間Tmは長くなる傾向にある。したがつ
て、過渡オープン時間を一定値に固定した従来の
装置では、暖機後過渡時における効果は期待でき
るものの、暖機中過渡時には十分なオープン制御
時間が経過しないうちに、フイードバツク制御に
切換わることとなつてしまう。

（発明の目的） そこで本発明は、過渡状態時のオープン制御を
過渡状態の終了後まで継続するとともに、その過
渡終了後のオープン制御の時間をエンジンの冷却
水温相当値に応じて設定することにより、過渡終
了後に壁流の影響が残つている間はフイードバツ
ク制御に切換えないようにして、暖気中過渡時の
排気性能を向上させることを目的としている。

（発明の構成） 本発明による空燃比制御装置はその基本概念図
を第１図に示すように、排気中の酸素濃度に基づ
いて空燃比を検出する空燃比検出手段ａと、エン
ジンの冷却水温相当値を検出する暖機検出手段ｂ
と、エンジンが過渡状態にあることを検出する過
渡状態検出手段ｃと、冷却水温相当値に応じて過
渡終了後のオープン制御時間を設定する設定手段
ｄと、空燃比検出手段の出力に基づいて吸入混合
気の空燃比が所定空燃比となるように吸入空気あ
るいは燃料の供給量をフイードバツク制御すると
ともに、過渡状態検出手段および設定手段の出力
に基づき過渡状態の開始から過渡状態の終了まで
および過渡状態終了から前記過渡終了後のオープ
ン制御時間が経過するまでの間該供給量をオープ
ン制御する制御信号を出力する制御手段ｅと、制
御信号に基づいて吸入空気あるいは燃料の供給量
を操作する操作手段ｆと、を備えており、過渡状
態終了後に壁流の影響により排気空燃比が変動す
る間はフイードバツク制御に切換えないようにし
て、暖機中過渡時の排気性能を向上させるもので
ある。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜７図は本発明の一実施例を示す図であ
る。

まず、構成を説明すると、第２図において、１
はエンジンであり、吸入空気はエアクリーナ２よ
り吸気官３を通して各気筒に供給され燃料は噴射
信号Siに基づいてインジエクタ（操作手段）４に
より噴射される。気筒内で燃焼した排気は排気管
５を通して触媒コンバータ６に導入され、触媒コ
ンバータ６内で排気中の有害成分（CO、HC、
NOx）を三元触媒により清浄化して排出される。

吸入空気の流量Qaはエアフローメータ７によ
り検出され、吸気管３内の絞弁８によつて制御さ
れる。絞弁８の開度Cvは絞弁開度センサ９によ
り検出され、エンジン１の回転数Ｎはクランク角
センサ１０により検出される。またウオータジヤ
ケツトを流れる冷却水の温度Twは水温センサ
（暖機検出手段）１１により検出される。

排気管５には酸素センサ１２が取り付けられて
おり、酸素センサ１２は空燃比検出回路１３に接
続される。空燃比検出回路１３は酸素センサ１２
にポンプ電流Ipを供給するとともに、その電流値
を検出して排気酸素濃度に対応する電圧信号Vi
を出力する。各センサ７，９，１０，１３からの
信号はコントロールユニツト１４に入力されてお
り、コントロールユニツト１４はこれらのセンサ
情報に基づいて空燃比制御を行うもので、詳細な
構成は後述する。

第３，４図は、酸素センサ１２の分解斜視図お
よびその断面図である。これらの図において、２
１はアルミナからなる基板であり、基板２１上に
はヒータ２２を介してチヤンネル上の大気導入部
２３を形成した大気導入板２４が積層される。そ
の上に、酸素イオン伝導性の平板状の第１の固体
電解質２５が積層され、固体電解質２５の下面に
は大気に晒される電極であるセンサアノード（基
準電極）２６が、それに対応する上面には排気ガ
スに晒される電極であるセンサカソード（測定電
極）２７がそれぞれ印刷により設けられる。さら
に、この固体電解質２５の上に厚さＬ（Ｌ＝0.1mm
程度）のスペーサ板２８が積層され、その上に平
板状の第２の固体電解質２９が積層される。これ
らの固体電解質２５，２９およびスペーサ２８は
センサカソード２７を覆つてこのセンサカソード
２７の周りにガス導入部（酸素層）３０を画成す
る酸素画成部材３１を構成しており、酸素層画成
部材３１は排気とガス導入部３０との間の酸素分
子の拡散を制限する。上記センサアノード２６、
センサカソード２７および固体電解質２５はセン
サ部３２を構成しており、センサ部３２は大気導
入部２３とガス導入部３０との間の酸素分圧比に
応じた電圧（以下、センサ電圧という）Vsを出
力する。

また、第２の固体電解質２９の上、下面にはそ
れぞれポンプ電極としてのポンプアノード３３お
よびポンプカソード３４が設けられ、これらのポ
ンプアノード３３、ポンプカソード３４および固
体電解質２９はポンプ部３５を構成する。ポンプ
部３５はポンプ電極間に供給されるポンプ電流Ip
の値に応じてガス導入部３０の酸素分圧を制御す
る。上記センサ部３２、ポンプ部３５、酸素層画
成部材３１および大気導入板２４は排気中の酸素
濃度を検出する素子部３６を構成する。なお、ヒ
ータ２２は固体電解質２５，２９を適温に加熱
し、それらを活性化させる。また、４１，４２は
ヒータ２２のリード線、、４３〜４６はそれぞれ
センサアノード２６、センサカソード２７、ポン
プアノード３３、ポンプカソード３４のリード線
である。

第５図は空燃比検出回路１３の構成を示す回路
図であり、この図において、空燃比検出回路１３
は目標電圧−Vaを発生する電圧源４９、差動ア
ンプ５０、抵抗Ｒ１、電流供給回路５１および電
流検出回路５２により構成される。差動アンプ５
０はセンサ電圧Vsを目標電圧−Vaと比較してそ
の差値ΔV｛ΔV＝Vs−（−Va）｝を算出する。電
流供給回路５１は差値ΔVが零になるように素子
部３６のポンプカソード３４からのポンプ電流Ip
を流し出す（あるいは流し込む）。すなわちΔV
が正のときはIpを増やし、負のときはIpを減ら
す。電流検出回路５２は抵抗Ｒ１の両端間の電位
差によりポンプ電流Ipを電圧Vi（Vi∝Ip）に変換
して検出する。なお、ポンプ電流Ipは実線矢印で
示す方向を正（Viも正）、破線矢印で示す逆方向
を負とする。

そして、目標電圧−Vaを素子部３６のガス導
入部３０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２５の両面間の酸素分
圧比が所定値となるときのセンサ電圧Vsに相当
する値に設定しておくことより、電流検出回路５
２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６図に示すように空燃比と一義的
に対応するようになる。したがつて、この検出電
圧Viを利用すれば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精度よく検出する
ことができる。上記酸素センサ１２および空燃比
検出回路１３は空燃比検出手段１５を構成する。

再び第２図において、コントロールユニツト１
４は過渡状態検出手段、設定手段および制御手段
としての機能を有し、CPU５６、ROM５７、
RAM５８およびＩ／Ｏポート５９により構成さ
れる。CPU５６はROM５７に書き込まれている
プログラムに従つてＩ／Ｏポート５９より必要と
する外部データを取り込んだり、またRAM５８
との間でデータの授受を行つたりしながら演算処
理し、必要に応じて処理したデータをＩ／Ｏポー
ト５９へ出力する。Ｉ／Ｏポート５９には空燃比
検出回路１３およびセンサ群７，９，１０，１
１，１３からの信号が入力されるとともに、Ｉ／
Ｏポート５９から噴射信号Siが出力される。
ROM５７はCPU５６における演算プログラムを
格納しており、RAM５８は演算に使用するデー
タをマツプ等の形で記憶している。

次に、作用を説明する。

第７，８図はそれぞれROM５７に書き込まれ
ている過渡オープン時間設定および空燃比制御の
プログラムを示すフローチヤートであり、図中
P₁〜P₁₀はフローチヤートの各ステツプを示して
いる。これらのプログラムは所定時間毎に一度実
行される。

第７図において、まずP₁で冷却水温Twを読み
込み、P₂でこれを所定温度Th（例えば、Th＝50
〜90℃）と比較する。Tw≦Thのときは、暖機
が終了していないと判断して、P₃で第９図に示
すテーブルマツプから冷却水温Twに応じて過渡
終了後にオープン制御すべき時間TD（以下、こ
れをオープン制御時間TDという）をルツクアツ
プする。一方、Tw＞Thのときは既に暖機が終
了していると判断してP₄でオープン制御時間TD
を高温所定値TDhとして今回のルーチンを終わ
る。このように、暖機終了前であれば冷却水温
Twに応じて過渡終了後のオープン制御時間TD
が最適値に設定され、暖機終了後は一定値のオー
プン制御時間TDhに固定される。

次に、上記プログラムにより設定されたオープ
ン制御時間TDに基づく空燃比の切換制御につい
て説明する。

第８図において、P₁₁で過渡状態にあるか否か
判別する。これは、例えば絞弁開度Cv、吸入空
気量Qaあるいは燃料噴射量Tp等の急変化を判別
して行う。過渡状態にあるときはP₁₂で過渡フラ
グKFをセツト（KF＝１）した後、P₁₃でオープ
ンフラグOFをセツト（OF＝１）してリターンす
る。過渡フラグKFは過渡状態にあるか否かの判
別結果を表示するフラグであり、セツトされてい
るとき過渡状態にあり、リセツト（KF＝０）さ
れているとき該状態にないという判別結果を表
す。また、オープンフラグOFは後述のフイード
バツクフラグFBFとともに空燃比の制御方式を
表示するフラグであり、OF＝１のとき空燃比を
オープン制御する旨を、FBF＝１のとき空燃比
をフイードバツク制御する旨を表す。なお、OF
＝１あるいはFBR＝１という状態は択一的に切
換えられる。したがつて、上述のようにP₁₁−P₁₂
−P₁₃とフローが流れるときは空燃比がオープン
制御され（例えば、前記式のαを所定値にクラ
ンプする）、そのオープン制御時間は過渡状態の
開始から終了までの間となる。

一方、上記ステツプP₁₁で過渡状態にないとき
はP₁₄で前回のルーチンにおける過渡フラグKFの
状態を判別する。KF＝１のときはP₁₅で過渡フラ
グKFをリセツトするとともにオープンカウンタ
をクリアしてそのカウント値ＴをＴ＝０とした
後、P₁₃に進む。オープンカウンタは過渡終了後
のオープン制御時間TDの計測を行うものであ
る。P₁₄でKF＝０のときはP₁₆でオープンカウン
タのカウント値Ｔを設定された過渡終了後のオー
プン制御時間TDと比較し、Ｔ≦TDのときはP₁₇
でカウント値Ｔを〔１〕だけインクリメントして
P₁₃に進む。また、Ｔ＞TDのときは既に過渡終
了後のオープン制御時間TDが経過したと判断し
てP₁₈で空燃比制御をフイードバツク制御に復帰
させる。

このように、過渡状態に移行すると直ちに空燃
比がオープン制御されるとともに、そのオープン
制御期間は過渡フラグKFの切換（１→０）時点
（過渡状態の終了時点）から過渡終了後のオープ
ン制御時間TDだけ延長される。したがつて、厳
密には全体のオープン制御期間は〔過渡状態の判
別期間、すなわち過渡状態の開始から終了までの
間〕＋〔過渡終了後のオープン制御時間TD〕とな
る。この場合、過渡終了後のオープン制御時間
TDはエンジン１の暖機程度に応じた設定値であ
るため、壁流の増加・減少の影響により排気空燃
比が変動する間は確実にオープン制御を実行する
ようにして排気性能を高めることができる。すな
わち、本装置によれば、エンジン１の始動直後か
らの暖機中における空燃比の精密な制御が可能に
なつて近時の要求に沿うことができる。

なお、過渡終了後のオープン制御時間TDは過
渡時の形態、すなわち加速あるいは減速によつて
それぞれ別個の値に設定してもよく、また別個の
値とせずに冷却水温Twに基づくTDのルツクア
ツプ値を加速あるいは減速の程度に応じて補正す
るようにしてもよい。そのようにすれば空燃比制
御をより一層精密に行うことができる。

さらに、暖機状態の検出は冷却水温に限らず、
例えばマニホールド、吸気ポート、シリンダヘツ
ドの各温度（冷却水温相当値）をパラメータとし
て行つてもよい。

（効果） 本発明によれば、暖機中における空燃比制御の
精度を高めることができ、暖機中過渡時の排気性
能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜９図は本
発明に係る空燃比制御装置の一実施例を示す図で
あり、第２図はその全体構成図、第３図はその酸
素センサの分解斜視図、第４図はその酸素センサ
の断面図、第５図はその空燃比検出回路の回路
図、第６図はその空燃比と検出電圧との関係を示
す図、第７図はその過渡オープン時間設定のプロ
グラムを示すフローチヤート、第８図はその空燃
比制御のプログラムを示すフローチヤート、第９
図はその冷却水温と過渡オープン時間との関係を
示す図、第１０図ａ，ｂは過渡状態における空燃
比制御の作用を説明するためのタイミングチヤー
トである。 １……エンジン、４……インジエクタ（操作手
段）、１１……水温センサ（暖機検出手段）、１４
……コントロールユニツト（過渡状態検出手段、
設定手段、制御手段）、１５……空燃比検出手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ａ 排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検
   出する空燃比検出手段と、 ｂ エンジンの冷却水温相当値を検出する暖機検
   出手段と、 ｃ エンジンが過渡状態にあることを検出する過
   渡状態検出手段と、 ｄ 冷却水温相当値に応じて過渡終了後のオープ
   ン制御時間を設定する設定手段と、 ｅ 空燃比検出手段の出力に基づいて吸入混合気
   の空燃比が所定空燃比となるように吸入空気あ
   るいは燃料の供給量をフイードバツク制御する
   とともに、過渡状態検出手段および設定手段の
   出力に基づき過渡状態の開始から過渡状態の終
   了までおよび過渡状態終了から前記過渡終了後
   のオープン制御時間が経過するまでの間該供給
   量をオープン制御する制御信号を出力する制御
   手段と、 ｆ 制御信号に基づいて吸入空気あるいは燃料の
   供給量を操作する操作手段と、 を備えたことを特徴とする空燃比制御装置。