JPH0713493B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比制御装置

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JPH0713493B2
JPH0713493B2 JP58153203A JP15320383A JPH0713493B2 JP H0713493 B2 JPH0713493 B2 JP H0713493B2 JP 58153203 A JP58153203 A JP 58153203A JP 15320383 A JP15320383 A JP 15320383A JP H0713493 B2 JPH0713493 B2 JP H0713493B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は自動車などの内燃機関の空燃比制御装置に関す
るものである。
〔発明の背景〕
従来における自動車の燃料供給装置の空燃比制御法は、
例えば特開昭58−41231号公報に示されているように、
軽負荷(吸気管圧力が小)では空燃比を大きくして燃費
を良くし、中負荷では理論空燃比にフイードバツク制御
して運転性を確保し、高負荷(吸気管圧力が大)では空
燃比を小さくして出力を確保するように制御している。
しかし、このような空燃比の設定制御は吸気管圧力より
燃料の補正量を算出してその算出値に応じて基本噴射量
を減量または増量することにより行つている。従つて、
中負荷以外は開ループ制御となるため、センサからの信
号遅れにより、軽負荷では空燃比の過大による失火、高
負荷では空燃比の過小によるCO排出量の増大が予測され
る。このため、軽負荷では空燃比を小さめに、高負荷で
は大きめに制御するようにしているが、末だ充分な効果
が得られていない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、従来装置の欠点を解消して軽負荷域で
の低燃費と高負荷域での高出力を確保し得る内燃機関の
空燃比制御装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、広い運転範囲で空燃比のフイードバツク制御
を行うことにより上記の目的を達成できるようにしたも
のである。
〔発明の実施例〕
第1図は、本発明を適用した自動車エンジンの制御シス
テムの一実施例を示す構成図である。第1図において、
1はスロツトルチヤンバ、2は熱線式吸入空気量検出
器、3は噴射弁、4はスロツトルアクチユエータ、5は
点火プラグ、6は水温センサ、7は空燃比センサ、8は
クランク角センサ、9は感応コイル、10はマイクロコン
ピユータ、11は空燃比センサ7の制御回路、12はヒータ
制御回路、13は燃焼室であり、本システムにおいては、
空燃比をリツチ領域(λ<1)からリーン領域(λ>
1)の広い範囲において検出可能な空燃比センサ7を用
いて空燃比を検出して空燃比制御を行うようにしてあ
る。すなわち、回転数、負荷、水温等により制御したい
目標空燃比がマイクロコンピユータ10で決定されると、
そのための制御信号が噴射弁3、スロツトルアクチユエ
ータ4に出力され、吸入空気量検出器2で検出された吸
入空気量のフイードバツク信号に基づき閉ループ制御さ
れる。スロツトルチヤンバ1において形成された混合気
は、燃焼室13に入つて、点火プラグ5により点火され、
その後、排気ガスが排気管14に流れる。このとき、空燃
比センサ7によつて実空燃比を検出し、その信号をマイ
クロコンピユータ10に入力して閉ループ制御を行う。な
お、空燃比センサ7は、使用している固体電解質の特性
上、高温に加熱しなければならないので、ヒータ駆動回
路12を設けてある。
第2図は第1図のマイクロコンピユータ10の詳細構成図
である。アナログの入力信号としては、熱線式吸入空気
量検出器2からの空気量信号AF、水温センサ6からの水
温信号TW、スロツトルアクチユエータ4からのスロツト
ル開度信号などがあり、これらの信号はマルチプレクサ
30に入力され、時分割的にセレクトされてADコンバータ
31に送られ、ここでデイジタル信号に変換される。ま
た、オン−オフ信号として入力される情報としては、空
燃比センサ7の制御回路11からの信号11bがあり、これ
らは1ビツトのデイジタル信号として扱う。さらに、ク
ランク角センサ8からのパルス列信号CRP,CPPも入力さ
れる。32はROM、33はCPUであり、CPU33はデイジタル演
算処理を行うプロセシングセントラルユニツトであり、
ROM32は制御プログラムおよび固定データを格納する記
憶素子である。RAM34は、読み出しおよび書き込み可能
な記憶素子である。I/O回路35はADコンバータ31および
各センサからの信号をCPU33に送つたり、CPU33からの信
号を噴射弁3の駆動回路36、スロツトルアクチユエータ
4、点火コイル9および空燃比センサ7のヒータ駆動回
路12に送つたり、制御回路11へ制御信号11aを送る機能
を持つている。
このようなシステムにおいて、燃料はエンジンの吸気行
程に同期して間欠的に供給されるため、空気量信号AFに
より得られた空気量はQa、エンジン回路数をNとする
と、基本噴射時間Taは を演算することによつて求まる。一般に基本噴射時間Ta
は、λ=1となる値が採られており、本システムでもそ
のように設定している。
第3図は本システムのエンジン回転数Nと空気量Qaより
決まる基本噴射量Taの関係を示すグラフである。
第4図は本発明の一実施例の空燃比制御法を示すマイク
ロコンピユータのフローチヤートの一部である。なお第
4図では割込みルーチン入口より基本噴射量Taの計算ま
での処理は省略して「負荷制御」としている。第4図に
おいて、S212ではTa≧Tanを判定し、Yesの場合はS221に
進み、閉ループ制御の目標値をλ=0.8に設定しS224で
設定値と実測値の偏差値を計算した後、S225で補正量の
セツトを行い、S23よりメイーンルーチンに復帰する。S
212における判断結果がNoの場合は、S213に進んでTa≧T
aαを判定しその判定結果がYesの場合はさらにS222に進
み、閉ループ制御の目標値をλ=1に設定した後、S22
4,S225と進みS23よりメイーンルーチンに復帰する。一
方、Ta≧Taαの判断がNoの場合はS223に進み、Taに応じ
たλ≧1の目標値を計算し、この計算結果を閉ループ制
御の目標値とし、閉ループ制御後S23よりメイーンルー
チンに復帰する。
第5図は第4図の基本噴射時間Taに対するフイードバツ
ク制御の目標値λの関係を示したものである。第5図に
おいて、Taは回転数Nが一定であれば、ほぼ吸気管圧力
に比例するものである。したがつて、Taが大きい場合、
すなわちTa≧Tanの時はλ=0.8に、Taα<Ta≦Tanの範
囲ではλ=1.0,Ta≦Taαの範囲ではTaの値に応じたλ>
1の値になるようフイードバツク制御の目標値が設定さ
れる。
次に本発明の実施例でエンジンの始動から暖機過程にお
ける空燃比制御法について第6図のフローチヤートで説
明する。エンジンの始動直後、メイーンルーチンを起動
し、S601により初期値設定を行う。次にS602で冷却水温
Twの測定を行い、Twの値によつてS603で補正量の演算処
理を行い、基本噴射量Taに重畳させる。この補正演算の
過程で、S604の割込みルーチンを起動して、エンジンの
負荷に応じて適宜の空燃比制御を行う。すなわち、割込
みルーチンS604より負荷制御のフローチヤートでTa≧Ta
nの場合はS221に進み、直ちに閉ループ制御の目標値を
λ=0.8として負帰環制御を行う。もしTa<Taαの場合
(すなわち高負荷でない場合)はさらに水温Twを参照
し、水温Twがある設定値X℃より低ければ第6図の破線
で示すようにλの値が小さくなるよう、すなわち混合気
を濃くして、燃焼の安定を図る。
もしTw≧X℃の場合はさらにTwの値がもう一段高い水温
設定値Y℃と比較してY℃より高ければ第4図のフロー
チヤートにおけるS213に沿つて制御し、Tw<Y℃の場合
はS222に沿つたフローチヤートで制御する。
次に過度運転時の空燃比制御法について述べる。
第7図はギヤの位置によつて混合気制御法を変更するフ
ローチヤートを示したものである。すなわちS701でエン
ジンの負荷状況を吸入負圧PaによつてPa≧Tanの場合は
直ちに空燃比λの目標値を0.8とした負帰環制御に入
る。一方、エンジンの負荷判定がPa<Tanの場合は部分
負荷であることになるので、噴射時間Taがある設定値Ta
α(負荷の割合を判別するのに使う)より上,下の領域
で設定空燃比の目標値をλ=1又は負荷Pa(吸入負圧)
に応じてλ≧1の目標値に制御する。したがつて、Taα
に対しTaの値を判別した後、ギヤ位置が第1速の場合は
直ちに空燃比の目標値をλ=1として噴射幅制御を行
い、第1速でない場合は従来通りのλ≧1の吸入負圧Pa
に応じた目標値に対して制御される。
次にエンジン運転中に排気温度が高温になり、エンジ
ン,周辺機器に悪影響を及ぼすことを回避する方策とし
て第8図〜第10図に示す実施例で具体的手法を説明す
る。第8図〜第10図において、スロツトルチヤンバ1の
下流の噴射弁3より噴射された燃料は燃焼室13へ導入さ
れ、ここで燃焼された後排気管14から排出される。空燃
比センサ7、及び触媒コンバータ50の下流に設けた温度
センサ51の出力信号はマイクロコンピユータ10に導入さ
れる。このようにして常に排気温度は監視され、第9図
のグラフに示すごとく、エンジン回転数Nが高まるにつ
れて排気温度をU℃およびこれより高い温度V℃の二つ
の設定温度に対し、排気温度Toがどこにあるかで、空燃
比λの目標値が変更される。すなわち、負荷が大きいTa
≧Taαでは目標値をλ=0.9とし、Ta<Taαではλ=1.0
で制御される。排気温度ToがU℃より低い場合は触媒の
変化が少ないため、Taの値に応じたλ≧1の目標値に従
つて噴射弁の噴射時間Taは制御される。
次に、加減速時の空燃比制御法について説明する。第11
図は基本噴射時間Taに対するエンジントルクの変化を示
したものである。同図においてTaが小さい領域ではλ≧
1で希薄混合気であるため、トルクの立ち上がりは小さ
い。しかし、Ta≧Taαではλ=1となり発生トルクは急
に大きくなり、運転者にシヨツクを与えることになる。
従つて、第11図で破線を施こした領域ではトルク増加法
を段階的にすると運転性が良くなる。そこで、第12図の
グラフに示すように、基本噴射量Taに対する空燃比の制
御目標値λを破線のごとく段階的に小さいλにすれば良
い。
また、第13図に示すごとくTaに対するトルクの変化にヒ
ステリシスを設けることができる。この際のTaに対する
λのセツトは第14図に示すごとくなる。この場合の具体
的なフローチヤートを第15図に示している。ここではリ
ーンフラグによつてヒステリシスの条件を判別してい
る。
一方、第16図の破線で示しているように加速時のトルク
を設定することもできる。具体的なフローチヤートを第
17図に示している。第17図において、S214でTaの変化率
ΔTaがZより大きい、すなわち加速度が大きい場合は、
Taの小さい領域でもλ=1にセツトする。しかし、Taが
大きい領域ではλ<1にセツトされる。前述の第5図に
はλ=0.8にセツトする場合を例示したが、Taに対して
λ=1、λ=0.8の間で段階的あるいは連続的にλをセ
ツトすることもできる。また、大気圧が低下した場合
は、エンジンのTaの最大値が小さくなり、λ<1の領域
が少なくなる。このときは、大気圧力に応じてλ=1か
らλ<1に切換する点のTanの値を変更することができ
る。またターボ過給が付加されている場合は、Taの最大
値が大きくなるのでTan,Taαを増大することができる。
さらに、車重に応じてTan,Taαを増減し、運転性を確保
することができる。また支持ばねの変位を測定して車重
を求め、車重が小さいときはTaαを大きくしてλ>1の
運転域を広め、燃料経済性を高めるように制御する。車
重が大きいときは、Taαを小さくしてλ>1の運転域を
狭くし、加速性を確保するように制御する。
ところで、λ>1,λ=1,λ<1の全領域で閉ループ制御
する場合、吸気負圧Paに対して、第18図のグラフに示す
ごとく目標空燃比λが設定され、目標空燃比λが第19図
のごとく経過時間tに対して変化するとき、空燃比セン
サ7の信号は、排気系の流動遅れ等によって、第19図の
破線のλ′のごとく遅れる。従つて、閉ループ制御にお
いてはこの遅れを考慮しないと、λの目標値が変化する
場合に誤動作する。
第20図および第21図は空燃比センサ7からの信号遅れに
よる誤動作を防ぐためのフローチヤートである。
第20図において、吸気負圧Paに応じて、目標値λがセ
ットされると(ステップ221,222,223)、この目標値λ
を一時的にRAM34内に保管する(ステップ231)。次
に、この目標値λと先にセットした目標値λとの差
を比較する(ステップ232)。目標値λと先にセット
した目標値λとの差が特定の値Δλより大きい場合に
は、この目標値λで開ループ制御(フィードフォワー
ド制御)し(ステップ233,234)、開ループ制御回数K
に1を加えた後(ステップ235)、λをλとして
(ステップ236)、メインルーチンに復帰する。また、
目標値λと先にセットした目標値λとの差が特定の
値Δλより小さい場合には、開ループ制御回数Kが特定
の回数Mよりも大きいか否かを判断する(ステップ23
7)。ここで、特定の回数Mは、空気比センサ7からの
信号遅れ時間Δtの間に開ループ制御を実施できる回数
であるとする。開ループ制御回数Kが特定の回数Mより
も大きい場合には、λで閉ループ制御(フィードバッ
ク制御)し(ステップ239,240)、開ループ制御回数K
を0にした後(ステップ241)、ステップ236に進む。ま
た、開ループ制御回数Kが特定の回数M以下である場合
には、開ループ制御回数Kが0であるか否かの判断をし
(ステップ238)、開ループ制御回数Kが0である場合
には、ステップ239に進み閉ループ制御をし、開ループ
制御回数Kが0でない場合には、ステップ233に進み開
ループ制御をする。このように、空燃比センサ7からの
信号遅れ時間Δtによる影響が大きいときには、開ルー
プ制御を実行して、この影響を受けないようにし、この
影響がないと判断できるとき、すなわち、目標値が変化
してから遅れ時間Δtが経過してからは、閉ループ制御
を実行しているので、空燃比センサ7からの信号遅れに
よる誤動作を防止することができる。
吸気負圧Paに応じて、目標値λがセットされると(ス
テップ221,222,223)、この目標値λを一時的にRAM34
内に保管する(ステップ231)。次に、この時のエンジ
ン状態を考慮して、空燃比センサ7からの信号遅れ時間
Δtを計算する(ステップ251)。遅れ時間Δtは、流
速に影響を与える吸気負圧Paと、エンジン回転数nと、
固定的な遅れ因子とから求める。そして、求めた遅れ時
間Δt前のλ′=λ (t−Δt)をRAM34から呼び
出し(ステップ252)、この目標値λ′で閉ループ制
御を実行する(ステップ253,254)。例えば、ある目標
値をセットする時刻に調度目標値が変化し、それ以前は
一定時間目標値λ′の変化が無かったとすると、Δt
前にフィードバック制御する目標値は、Δtよりさらに
Δt前のλ″であるが、この間においては目標値が変
化していないので、λ′=λ″となる。従って、目
標値を変化させる場合、遅れ時間Δt前に目標値として
λ″=λ′がセットされた結果得られる空燃比セン
サ7からの信号値と、目標値λ′とを比較できるの
で、遅れ時間による誤動作を防止することができる。な
お、第20図のフローにおいて、開ループ制御回数Kと比
較する特定の回数Mは、第21図のフローにおけるステッ
プ251のように、遅れ時間Δtを演算した後、この遅れ
時間Δtの間に開ループ制御を実施できる回数として、
計算でも求めている。
第22図に、本発明で採用した空燃比センサ7の一実施例
を示す。第22図において、固体電解質37の両面には電極
38a,38bが設けてあり、さらにガスの拡散抵抗となるオ
リフイス39を介して拡散室40を設けてある。動作原理は
次の通りである。
電源VよりIsの方向に電流を流すと、酸素が拡散室40よ
り排ガス中に固体電解質37を通つて排出される(固体電
解質のポンプ作用)。一方排ガスよりオリフイス39を通
して酸素が拡散室40にその濃度差により拡散流入してく
る。ここでIsを増加するとポンプ作用により排出される
酸素が多くなり、拡散室40の酸素が濃度分圧が小さくな
り(10-12気圧)通常の酸素センサのように起電力Vs
(約1V)が発生する。このIs(限界電流)と排ガス中の
酸素濃度の関係は広く知られている。ここで固体電解質
37に流す電流をIpのごとく逆方向に流すと排ガスより拡
散室40に向つて固体電解質37のポンプ作用が働く。第23
図に示すように、Ipの方向に流れる電流を正方向とし、
Isの方向を負とすると、Ipの方向に一定時間電流を流す
と、拡散室40の酸素濃度は排ガスより濃くなる。ここで
Isの方向に電流を流すと拡散室40の濃度の低下はIpによ
り拡散室40の濃度が高められた分だけ遅れ、拡散室40の
酸素濃度は10-12気圧近くになる。すると、起電力Vsが
発生する。この起電力Vsの変化によりIp方向に電流を切
替える。このIpの電流値と流す時間を一定にすれば、拡
散室40には排ガス中の酸素濃度に比例した酸素が供給で
きる。このためIsを一定値とすれば、Vsが発生するに要
するIsの供給時間が排ガス中の酸素濃度に比例して変化
する。つまりIsの実効電流 と比例する。
第24図はその検出特性を示したものである。Ipを流さな
い場合、λはλ=1より に比例して大きくなる。Ipを流すと、Ipの大きさに比例
して が平行移動して大きくなる。この方式はλ<1の範囲に
ついても検出できる。すなわちλ<1以下でも実際のエ
ンジンの排ガス中には酸素が残存しており、Ipにより拡
散室40内の酸素分圧を10-12以上にしてVsの発生を中断
することは容易である。このようにすれば、λがλ<1
からλ>1の広い範囲で空燃比の測定が可能である。
しかし、このようにオリフイス、多孔質等の拡散抵抗を
利用するセンサは、排ガス中のダスト等によつて経時変
化しやすい。本発明においては、以下に述べる手段でこ
の経時変化を防止している。すなわち、空燃比センサ7
の性質上、λ=1の点の出力信号は経時変化を受けな
い。また、λ=1の点で、スイツチング的な動作を示す
従来のO2センサ(例えば、特開昭58−48749号公報の第
1図に開示されている)もλ=1の点は経時変化しな
い。従つて、λ=1の閉ループ制御は空燃比センサ7の
経時変化による影響を受けない。
第25図は空燃比センサ7の経時変化対策のフローチヤー
トである。第25図において、λ=1の閉ループ制御域に
おいて修正量ΔTpが求まり、噴射パルス幅TpはTp+ΔTp
となり、熱射量が修正されてλ=1になる。このTpは例
えばPB毎に一時保管される。λ>1の閉ループ制御でも
修正量ΔTp2が求まる。これにより、噴射パルス幅は、T
p2=Tp20+ΔTp2のごとく修正される。センサ7が経時
変化していない場合は、Tp2=Tp/λの関係を満足するこ
とが予測される。従つて、ε=|Tp2−Tp/λ|がε
り小さい場合は、空燃比センサ7の経時変化が小さく、
制御動作をそのまま続行する。εがεより大きい場合
は、空燃比センサ7の経時変化が大きくなつたので、λ
=1以外の閉ループ制御を停止する。この場合、第26図
に示すごとく、Tp2=Tp/λでTp2を求め、この値をベー
スに燃料噴射量を求める。λ=1の閉ループ制御で誤差
が修正されているので、この方法でも、噴射量は正確で
ある。λ=1の閉ループ制御が行われない運転域では、
基本噴射パルス幅Tp2=Tp20(Tp/Tp0)でパルス幅を、
閉ループ制御域の修正率(Tp/Tp0)を外挿して修正する
ことができる。
また、閉ループ制御系では、Tp2=Tp/λで燃料噴射量を
制御した場合、空燃比センサ7の信号がλに対しλ′を
示しているとすると、λ′=kλとなる。実際のセンサ
7の出力信号λ′と目標値λの値とからkの値を求める
ことができる。センサ7の出力信号λ′に対し、λ
λ′/kの修正を構じることによつて、このλを用いて
閉ループ制御すれば、空燃比センサ7の経時変化の影響
を回避することができる。第25図において、閉ループ制
御値Tp2を用いて、k=Tp2・λ/Tpでkを求めることも
できる。
従来開示されている、フイードバツク制御の保管値Tpを
用い、Tp2=Tp/λでTp2を求めるいわゆる学習制御は、
噴射弁のヒステリシス等の影響に弱い。これに対し、空
燃比センサ7による閉ループ制御は、ヒステリシスの影
響を回避することができるが、空燃比センサ7の経時変
化に弱い。本実施例では、学習制御と閉ループ制御を効
果的に組合わせているので、広い運転条件において、λ
を正しくセツトすることができる。本実施例の要点、効
果を要約すると、 (a) λ>1、λ=1の運転域以外に、λ<1の領域
でも閉ループ制御を行うので、始動、暖機時、高負荷、
高速運転時の燃費が低減する。
(b) 運転状態において、λを正しくセツトできるの
で燃費低減、排気浄化、運転性の向上が両立する。
(c) 空燃比センサの遅れを考慮して閉ループ制御す
るので、λが時々刻々変化しても、目標値通りにλを追
従できるので、λの目標値からのずれが小さくなり、触
媒容量を低減することができる。
(d) 学習制御と閉ループ制御を効果的に組合せてい
るので、経時変化が少なく、長い走行距離にわたつて燃
費低減、排気浄化、運転性の向上を維持できる。
第1図の実施例では噴射装置の場合を例示したが、気化
器の場合にも適用することができる。またλは、バイパ
ス空気弁によつて任意にセツトすることができる。さら
に、空燃火センサとしては、第22図の実施例に限定され
ず、他の方式のもの、例えば特開昭58−48749号公報に
開示されている切換えてλを求めるセンサを用いること
ができる。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように本発明によれば、軽負荷
領域での低燃費と、高負荷領域での高出力を確保するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の一実施例を示す構成図、
第3図〜第26図は動作を説明するためのグラフおよびフ
ローチヤートである。 7……空燃比センサ、10……マイクロコンピユータ、13
……燃焼室、6……水温センサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−49550(JP,A) 特開 昭58−48748(JP,A) 特開 昭53−1220(JP,A)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の空燃比を検出する空燃比検出手
    段と、 運転状態に応じた目標空燃比を算出する目標空燃比算出
    手段と、 前記目標空燃比算出手段が算出した目標空燃比を一時的
    に記憶しておく記憶手段と、 目標空燃比になるよう制御を実行してから、その結果が
    前記空燃比検出手段の出力に現われるまでの遅れ時間を
    求める遅れ時間算出手段と、 前記記憶手段に記憶されている前記遅れ時間前の目標空
    燃比を呼び出し、該目標空燃比と前記空燃比検出手段か
    らの出力との偏差に基づき、前記内燃機関の空燃比が該
    目標空燃比になるようフィードバック制御を実行するフ
    ィードバック制御手段と、 を備えていることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装
    置。
  2. 【請求項2】前記目標空燃比算出手段が参照する前記運
    転状態は、変速比であることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  3. 【請求項3】前記目標空燃比算出手段が参照する前記運
    転状態は、積載物も含めた車輌重量であることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項に記載の内燃機関の空燃比制
    御装置。
  4. 【請求項4】前記目標空燃比算出手段が参照する前記運
    転状態は、機関最大負荷であることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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