JPH0631155Y2

JPH0631155Y2 - エンジンの空燃比制御装置

Info

Publication number: JPH0631155Y2
Application number: JP135689U
Authority: JP
Inventors: 文雄勇川; 直樹仲田; 正明内田; 国章沢本; 豊昭中川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-01-10
Filing date: 1989-01-10
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2004-01-10
Also published as: JPH0292050U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）この考案は自動車用等のエンジンの排気ガス成分から空
燃比を検出し、この検出信号によってエンジンに供給す
る混合気の空燃比が目標空燃比となるようにフィードバ
ック制御する装置に関する。

（従来の技術）マイクロコンピュータ制御による燃料噴射システムがあ
る（（株）鉄道日本社発行「自動車工学」・１９８５年
１０月号第２８頁〜第４０頁、同１９８６年１月号第１
０８頁〜第１１４頁、また（株）大河出版発行「カーエ
レクトロニクス」林田洋一著第４７頁ないし第５６頁参
照）。ここでは、とくに燃料噴射制御について説明する
と、各種センサからの入力信号によりマイクロコンピュ
ータはそのメモリに記憶されたプログラムにしたがって
最適噴射量を演算し、その噴射量に対応して噴射弁のソ
レノイドコイルへの通電時間を決定することにより最適
噴射量を吸気マニホールド内に噴射する。この場合、通
常時の噴射タイミングは、たとえば全気筒同時噴射の場
合エンジンの１回転に１回であり、クランク角センサか
らの基準位置信号（６気筒エンジンでは１２０°信号）
に基づいて行われる。つまり、６気筒エンジンでは１２
０°信号の３回ごとの入力に対し１回の等間隔で噴射弁
に駆動パルスを出力する。

燃料噴射量の構成は“基本噴射量＋各種増量補正量”で
ある。ただし、噴射弁に作用する燃料圧力を一定に保持
させることで、噴射量は噴射弁の開弁パルス幅に対応す
る。このため、通常運転時の噴射パルス幅（Ｔｉ）は、
次式（１）によって計算される。

Ｔ_ｉ＝Ｔ_ｐ×（１＋Ｋ_ＴＷ＋Ｋ_ＡＳ＋Ｋ_ＡＩ＋Ｋ_ＭＲ） ×Ｋ_ＦＣ×α＋Ｔ_Ｓ…（１）ここで、基本パルス幅(Tp)は吸入空気量(Qa)とエンジン
回転速度(Ne)とから決定される値（基本噴射量相当量）
で、このTpで決まる空燃比がベース空燃比といわれる。

１に加算される値（水温増量補正係数K_TW，始動及び始
動後増量補正係数K_AS，アイドル後増量補正係数K_AI，混
合比補正係数K_MR）は、エアフローメータ以外のセンサ
から入力される各種運転条件に応じてTpを増量補正する
ための係数である（たとえばK_TWは冷却水温(T_W)の低下
に伴い混合気を濃くするために導入される）。これらの
係数と１との総和は各種補正係数(Co)として表現され
る。K_FCはフュエルカット係数である。

αは空燃比のフィードバック補正係数で、三元触媒を効
率良く機能させるために導入される値である。三元触媒
にて排気三成分（CO,HC,NO_X）を浄化するためには、混
合気の空燃比を理論空燃比を中心としたある狭い範囲内
（この範囲はウインドウと呼ばれる）に収まるようにし
なければならず、そのためには、制御精度の高いフィー
ドバック制御とすることが良いからである。

第８図はこの空燃比フィードバック補正係数αを計算す
るためのプログラムを示し、Ｓ１で空燃比フィードバッ
ク制御域（たとえば、空燃比センサが活性温度以上に上
昇していること、始動やアイドル時でないこと等を満足
する場合である。なお、図では「Ｆ／Ｂ制御域」で略記
する。）であることが判定されてより開始される。Ｓ１
でフィードバック制御域でない場合には、Ｓ１５でαが
クランプされる。同図のプログラムはたとえば所定のク
ランク角ごとに実行されるものである。

同図のプログラムでは、αの制御中心が１．０で、かつ
αが第１１図の下段に示すような周期的変化をする比例
積分動作の例を示し、この動作によれば１周期が次の４
つの場合（ｉ）〜（iv）から構成される。つまり、（ｉ）空燃比がリーンからリッチに反転した場合にステ
ップ的に比例分（P_R）だけリーン側に変化させる。

（ii）その後はリッチ継続中の積分分（I_R）にて徐々に
リーン側に変化させる。

これに対して、（iii）空燃比がリッチからリーンに反転した場合には
ステップ的に比例分（P_L）だけリッチ側に変化させる。

（iv）その後はリーン継続中の積分分（I_L）にて徐々に
リッチ側に変化させる。

というものである。

まず、上記（ｉ）〜（iv）の４つの場合分けの判定は、
Ｓ２、Ｓ３、Ｓ９で空燃比センサの出力値と基準レベル
（理論空燃比に対するセンサ出力値に相当する）との大
小比較と前回に行った大小比較との組み合わせにて行わ
れる。Ｓ３、Ｓ９の「RL」は前回の大小比較の結果を格
納しているフラグで、RL＝Ｒは前回リッチであったこと
を、RL＝Ｌは前回リーンであったことをそれぞれ意味す
る。これにより、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４へと進むのは、リッ
チからリーンに反転した場合である。同様にして、Ｓ
２、Ｓ３、Ｓ７へと進むのはリッチ継続である場合、Ｓ
２、Ｓ９、Ｓ１０へと進むのはリーンからリッチに反転
した場合、Ｓ２、Ｓ９、Ｓ１３へと進むのはリーン継続
である場合である。なお、前記大小比較が反転した直後
にはそれぞれＳ４、Ｓ１０でフラグが反転後の値に変更
されている。

こうして４つの場合分けがされると、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ１
１、Ｓ１３で各場合分けに応じて比例分（P_RとP_L）と積
分分（I_RとI_L）が次式により計算される。

Ｐ_Ｒ＝Ｋ_Ｐ×ＥＲＲＯＲ…（２） ΣＩ_Ｒ＝ΣＩ_Ｒ＋Ｋ_Ｉ×ＥＲＲＯＲ…（３）Ｐ_Ｌ＝Ｋ_Ｐ×ＥＲＲＯＲ…（４） ΣＩ_Ｌ＝ΣＩ_Ｌ＋Ｋ_Ｉ×ＥＲＲＯＲ…（５）ただし、ERRORは理論空燃比からの偏差、K_PとK_Iはフィ
ードバック定数（K_Pは比例定数、K_Iは積分定数）で、フ
ィードバック定数（２）〜（５）式のようにリッチ側と
リーン側とで同じ値が採用されることが多い。

そして、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１２、Ｓ１４でこれら比例分や
積分分を用いてフィードバック補正係数（α）が計算さ
れる。上記（ｉ）〜（iv）との対応でいえば、（ｉ）の
場合α＝α−P_R、（ii）の場合α＝α−I_R、（iii）の
場合α＝α＋P_L、（iv）の場合α＝α＋I_Lである。ここ
に、これらの数式の意味するところは、αとして格納さ
れていた値を読み出して、これにフィードバック補正量
を加減算し、加減算した値を改めてαとして格納すると
いうことである。

（考案が解決しようとする課題）ところで、このような装置では、前記の積分定数
（Ｋ_Ｉ）がエンジン回転速度、エンジン負荷、冷却水温
等に応じて定まる一定値であり、定常時と過渡時とでは
異なる値が採用されていないため、定常時にハンチング
気味になったり、過渡時に空燃比の変動を吸収しきれず
に排気有害成分を低減する上で限界が生じたりする。

たとえば、第９図に、システム誤差の集積であるベース
燃空比（空燃比の逆数）がリッチ側からリーン側へとほ
ぼステップ的に変化した場合（つまり過渡時）にαがど
う変化するかを示すと、αにも１点鎖線で示すようにベ
ース燃空比の変化に対応したステップ的変化となること
が要求される。すなわち、１点鎖線がαの要求値を与え
る。

ところが、実線で示す実際のαは積分定数のもとに変化
するので、その要求値に対してＢの区間で応答遅れを生
じている。これは、積分定数が右上がりと右下がりの各
線分の傾きを定めるので、積分定数を大きくすれば、α
を急激に変化させて応答性を改善することができるので
あるが、過渡時と同じ値の積分定数にて定常時の制御を
行うと、今度はハンチングが生じてしまうので、むやみ
に積分定数を大きくすることができないからである。つ
まり、空燃比制御には定常時の安定性と過渡時の応答性
が同時に求められるところ、１つの積分定数でこれらの
要求をバランスさせるには、いずれにも偏らない値が選
択されるので、いずれかの運転時をとってみれば十分な
値が与えられているとはいえないのである。

この考案はこのような問題点を解決することを目的とし
ている。

（課題を解決するための手段）この考案は、第１図に示すように、エンジンの排気ガス
成分により空燃比を検出する空燃比センサ１と、空燃比
センサ１の検出値に応じて少なくとも積分処理によりフ
ィードバック制御量を算出する補正演算手段２と、フィ
ードバック制御量に応じて空燃比を目標空燃比に制御す
る空燃比制御手段３と、フィードバック制御量と所定の
基準値との差分を算出する差分算出手段４と、この差分
の大中小を判定する判定手段５と、この判定が小なると
きは小、中なるときは大、大なるときは小の値を前記積
分処理の積分定数として設定する積分定数設定手段６と
を設ける。また、前記積分定数設定手段６は、空燃比が
リッチ側にあるときよりもリーン側にあるときのほうが
差分の増大に対して早期に積分定数が大となるように設
定する。

（作用）空燃比の変動が小さい定常時には、フィードバック制御
量と基準値との差分が小さいので、小さな積分定数が設
定され、したがって積分分が小さいため、定常時のハン
チングが抑えられる。

他方、過渡時になると、フィードバック制御量と基準値
との差分が大きくなるが、この場合大きな積分定数が設
定され、したがって積分分が大きくなるため、過渡時の
応答遅れが防止される。

また、過渡時に限らずフィードバック制御量と基準値と
の差分が所定以上大きくなると、小さな積分定数が設定
され、したがって積分分が小さくなるため、オーバシュ
ートが防止される。

さらには、過渡後期には、フィードバック制御量と基準
値との差分が小さくなり、したがって再び小さな積分定
数となるため、定常時へのつなぎも滑らかとなる。

一方、積分定数は、空燃比がリッチ側にあるときよりも
リーン側にあるときのほうが差分の増大に対して早期に
大きくなるので、空燃比がリーン側にあるときにはリッ
チへの反転が早められ、これにより冷間時におけるサー
ジや失火等がより確実に防止される。

（実施例）第２図はこの考案を燃料噴射方式のエンジン２１に適用
したシステム図を表している。同図において、２４はス
ロットル弁２３の上流の吸気通路２２に設けられ、エア
クリーナを介し吸入される空気量（Ｑａ）に応じた信号
を出力するエアフローメータで、エンジン負荷センサと
して機能する。２５はクランク角の単位角度ごとの信号
と基準位置ごとの信号を出力するセンサ（クランク角セ
ンサ）で、単位角度ごとの信号からはこれをコントロー
ルユニット４０でカウントすることによりエンジン回転
速度（Ｎｅ）が求められる。

２６は理論空燃比を境に急変する特性を有する空燃比セ
ンサ（酸素濃度センサ）で、このセンサ２６からの信号
は空燃比のフィードバック制御信号として扱われる。

２７は水温センサ、２８はアイドルスイッチ、２９はノ
ックセンサ、３０はバッテリ、３１は車速センサ、３２
はキースイッチである。

４０はこれらセンサ類（２４〜２９）からの信号が入力
されるコントロールユニットで、このユニット４０では
各種運転変数に基づき、各気筒の吸気ポートに設けた燃
料噴射弁３５からの燃料量を増減することにより、目標
空燃比（理論空燃比）が得られるように制御が行われ
る。たとえば、基本パルス幅Ｔｐ（＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ、
ただしＫは定数）を各種係数（ＣｏとＴｓ）と空燃比の
フィードバック補正係数αにて補正演算することによ
り、通常運転時の噴射パルス幅（Ｔｉ）を次式にて決定
する。

Ｔｉ＝Ｔｐ×Ｃｏ×α＋Ｔｓ…（６）ただし、αは後述するプログラムで、基本パルス幅（Ｔ
ｐ）、各種補正係数（Ｃｏ）中の各係数（たとえば水温
増量補正係数Ｋ_ＴＷやアイドル後増量補正係数
Ｋ_ＡＩ）、電圧補正分（Ｔｓ）といった値はメモリ（Ｒ
ＯＭ４３）に格納してあるテーブルを検索することによ
りそれぞれ求められる。

なお、コントロールユニット４０は点火時期制御とアイ
ドルスピードコントロール（ＩＳＣ）用のバルブ３７の
開度制御も同時に行う。

第３図はコントロールユニット４０をマイクロコンピュ
ータで構成した場合のブロック構成図で、入出力インタ
ーフェース（Ｉ／Ｏ）４１、ＣＰＵ４２、ＲＯＭ４３、
ＲＡＭ４４、イグニッションキーをオフしても記憶情報
を保持できるＲＡＭ（ＢＵＲＡＭ）４５および各種信号
のうちアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコ
ンバータ（ＡＤＣ）４６からなり、第１図の各手段２〜
６の機能を備える。

第４図は、空燃比のフィードバック補正係数αを計算す
るためのプログラムを示し、所定のクランク角ごとに実
行される。同図は第８図に対応させており、第８図と同
一の部分には同一のステップ番号を付している。なお、
ステップ番号は操作の順につけるものであるが、第８図
と相違する部分を明らかにするため、その部分に大きな
番号をつけてある。

そこで、相違する部分を主に述べることにする。

第４図のＳ２１へ進むのはリッチ継続中（空燃比センサ
２６の検出値がリッチ側）またＳ２２へ進むのはリーン
継続中（空燃比センサ２６の検出値がリーン側）である
から、Ｓ２１ではリッチ継続中の積分分Ｉ_ＲがまたＳ２
２ではリーン継続中の積分分Ｉ_Ｌが計算されるのである
が、この場合前回のフィードバック補正係数αを加味し
て積分分Ｉ_ＲならびにＩ_Ｌが計算される。

即ち、Ｓ２１，Ｓ２２ではまず前回のフィードバック補
正係数αとその制御中心となる基準値１．０との差分Ａ
＝｜α−１．０｜が算出され、この差分Ａに応じて第５
図に示すように積分定数Ｋ_Ｉは差分Ａが小さいときには
小さく、中くらいのときには大きく、大きいときは再び
小さくなるように設定される。そして、この積分定数Ｋ
_Ｉに一定値を乗算することで積分分Ｉ_Ｒ，Ｉ_Ｌが求めら
れる。ただし、図示したように積分定数Ｋ_Ｉはリーン域
（α＜１．０）での差分Ａの増加に比較してリッチ域
（α＞１．０）での差分Ａの増加に対して早期に大きく
なるように設定されている。なお、このような積分定数
Ｋ_Ｉの可変設定には、例えばファジイ制御の手法を利用
することができ、具体的には差分Ａが小、中、大に属す
る度合い（グレード）に応じて第６図に示すようなメン
バシップ関数を与え、前記小、中、大に対して定めた値
Ｓ，Ｍ，Ｌと対応するグレードａ，ｂ，ｃを、次式
（７）のように掛け合わせることにより積分定数Ｋ_Ｉを
設定することができる。

ＫＩ＝ａ×Ｓ＋（ｂ＋ｃ）×Ｍ＋（ｄ＋ｅ）×Ｌ…（７）そして、第４図のＳ８、Ｓ１４では、Ｓ２１、Ｓ２２で
算出した積分分Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｌを前回のフィードバック補正
係数αに加減算して今回のフィードバック補正係数αが
求められる。

ところで、フィードバック補正係数αと基準値１．０と
の差分Ａが小さいときに小さな積分定数Ｋ_Ｉつまり積分
分Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｌを小さくするのは、定常時であるか過渡時
であるかを判別していないので、定常時に適した積分分
とするためである。つまり、定常時には差分Ａが小さい
範囲にて空燃比が反転するので、小さな積分分Ｉ_Ｒ、Ｉ
_Ｌを与えることで制御の安定性が保たれる。一方、差分
Ａが中くらいのときに積分定数Ｋ_Ｉつまり積分分Ｉ_Ｒ、
Ｉ_Ｌを大きくするのは、差分Ａにより過渡時と判別でき
るからであり、過渡時に大きな積分分Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｌを与え
ることで、制御の応答性が高まる。また、差分Ａが大き
くなったときは、積分定数Ｋ_Ｉつまり積分分Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｌ
を小さくするが、これによりオーバシュートを防止す
る。

次に作用を第７図に基づいて説明する。第７図はベース
空燃比がリッチ側からリーン側に変動した場合のフィー
ドバック補正係数αの変化特性を示すもので、定常時で
あるＤの区間では、空燃比の変動が小さくフィードバッ
ク補正係数αと基準値１．０との差分Ａが小さい範囲に
て空燃比が反転するため、小さな積分定数Ｋ_Ｉにより小
さな積分分Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｌが与えられる。ここに、各積分分
は図に示す右上がりあるいは右下がりの線分の傾きを決
めることから、小さな積分分によれば、その線分の傾き
が緩くなり、反転周期が短くなりすぎることによるハン
チングが防止される。

そして、Ｄの区間を過ぎてＥの区間に入りベース燃空比
がリーン側に変動すると、その変動開始よりＴ_１の間は
リーン継続中の小さな積分分Ｉ_Ｌ１が与えられるが、こ
の場合Ｔ_１を過ぎても空燃比は反転しないので、差分Ａ
が大きくなり、過渡時と判別されると共に、差分Ａに応
じて大きな積分定数Ｋ_Ｉにより大きな積分分Ｉ_Ｌ２が与
えられる。このため、図に示す右上がりの線分の傾きが
急になり、αが要求値に追従し、過渡時の高い応答性が
確保される。

そして、Ｔ_２からＴ_３に入り差分Ａが所定以上に大きく
なると、即ちαが所定値以上になると、再び小さな積分
定数Ｋ_Ｉにより小さな積分分Ｉ_Ｌ３が与えられる。この
ため、αが過大となることはなく、オーバシュートが防
止される。

なお、過渡後期には差分Ａが小さくなり、このため小さ
な積分定数Ｋ_Ｉによる小さな積分分となるので、定常時
へ戻る際の空燃比のつながりも滑らかとなる。

このように、定常時と過渡時とでそれぞれ最適な積分分
を与えるように積分定数を設定したので、定常時のハン
チングを防止できると共に、過渡時に制御の高い応答性
を確保することができ、運転性能ならびに排気性能の一
層の向上が図れる。

一方、リーン域ではリッチ域に比較して差分Ａが小さい
領域で積分定数Ｋ_Ｉが大となるので、空燃比がリーン側
に変動した場合のリッチ側への反転を早めて冷間時にお
けるサージや失火を回避することができる。なお、リッ
チ側での比較的遅れて積分定数Ｋ_Ｉが大となる設定によ
り定常状態での安定性は確保される。

（考案の効果）以上のように本考案によれば、エンジンの排気ガス成分
により空燃比を検出する空燃比センサと、空燃比センサ
の検出値に応じて少なくとも積分処理によりフィードバ
ック制御量を算出する補正演算手段と、フィードバック
制御量に応じて空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制
御手段と、フィードバック制御量と所定の基準値との差
分を算出する差分算出手段と、この差分の大中小を判定
する判定手段と、この判定が小なるときは小、中なると
きは大、大なるときは小の値を前記積分処理の積分定数
として設定する積分定数設定手段とを備えたので、定常
時の制御の安定性を確保しつつ過渡時の制御の高い応答
性やオーバシュートの防止を図ることができ、したがっ
て運転性能ならびに排気性能の一層の向上を図れる。ま
た特に本考案では、前記積分定数設定手段を空燃比がリ
ッチ側にあるときよりもリーン側にあるときのほうが差
分の増大に対して早期に積分定数が大となるように設定
したので、リーン域でのリッチ側への空燃比の反転を促
して冷間時におけるサージや失火等の不具合を回避して
運転の安定性と排気性能の一層の改善を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の構成図、第２図、第３図は本考案の実
施例を示す構成断面図と制御系のブロック構成図、第４
図は前記実施例の制御内容を示すフローチャート、第５
図、第６図は同じく積分定数の設定例を示す特性図とメ
ンバシップ関数の特性図、第７図は同じく動作状態の説
明図である。第８図、第９図は従来例のフローチャート
と動作状態の説明図である。２４……エアフローメータ、２５……クランク角セン
サ、２６……空燃比センサ、２７……水温センサ、３５
……燃料噴射弁、４０……コントロールユニット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者沢本国章神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)考案者中川豊昭神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭63−180527（ＪＰ，Ａ) 特公昭44−9777（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】エンジンの排気ガス成分により空燃比を検
出する空燃比センサと、空燃比センサの検出値に応じて
少なくとも積分処理によりフィードバック制御量を算出
する補正演算手段と、フィードバック制御量に応じて空
燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、フィー
ドバック制御量と所定の基準値との差分を算出する差分
算出手段と、この差分の大中小を判定する判定手段と、
この判定が小なるときは小、中なるときは大、大なると
きは小の値を前記積分処理の積分定数として設定する積
分定数設定手段とを備え、かつ前記積分定数設定手段は
空燃比がリッチ側にあるときよりもリーン側にあるとき
のほうが差分の増大に対して早期に積分定数が大となる
ように設定されていることを特徴とするエンジンの空燃
比制御装置。