JPH07158487A - 内燃機関の空燃制御システム及び方法 - Google Patents

内燃機関の空燃制御システム及び方法

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JPH07158487A
JPH07158487A JP6239171A JP23917194A JPH07158487A JP H07158487 A JPH07158487 A JP H07158487A JP 6239171 A JP6239171 A JP 6239171A JP 23917194 A JP23917194 A JP 23917194A JP H07158487 A JPH07158487 A JP H07158487A
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air
transient
oxygen
engine
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JP6239171A
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Douglas R Hamburg
アール.ハンバーグ ダグラス
Robert G Delosh
ジー.デロッシュ ロバート
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Original Assignee
Ford Motor Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関用触媒コンバータの酸素吸蔵能力
を、その予備過渡状態でのそれに復帰させるべく、過渡
状態における空燃変動を補償することにより、前記機関
の排気放出物を最小化すると共に前記機関への燃料の送
出を順応的に制御する方法および機器を提供すること。 【構成】 内燃機関(11)の空燃制御システムにし
て、前記機関により生成される排気内の酸素レベルを検
出するセンサ装置、検出された酸素レベルに応答して空
燃フィードバック信号(116)を変更させる第一装
置、検出された前記酸素レベルの過渡変動を検出すべく
前記センサ装置に応答する第二装置、前記第二装置に応
答する第三装置等を主要構成要素としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関への燃料の送出
を適応制御する方法および機器に関し、特に、過渡条件
を検出し且つ、過渡条件に対して補償すべく、機関へ送
出される燃料の量を適応変更する装置に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】当今
の自動車用機関は、機関により生成される排気放出物を
低減すべく、一般に触媒コンバータを利用している。こ
の種のコンバータは、機関により生成される排気組成を
化学的に改変して、排気放出物に対する各種環境規制を
充分に満たすように作動する。一般に触媒コンバータ
は、コンバータへ入る空気および燃料の比率(A/F)
が化学量論を中心とする狭い範囲内にある場合、最高効
率で作動する。
【0003】機関の必要条件を変化させるに必要な燃料
の量を精確に計量すべく、内燃機関には、電子燃料制御
システムが多く使用されている。この種のシステムによ
り、スロットル角度や空気および燃料の燃焼により生成
される排気組成などの多重システム入力に応答して燃焼
用送出燃料の量が制御される。電子燃料制御システムは
主として化学量論値またはその付近にA/Fを維持すべ
く作動する。電子燃料制御システムは、始動、急加速、
不意の減速およびアイドリングなどの機関条件に応じ、
様々な態様で作動する。主要な作動モードは閉ループA
/F制御である。
【0004】閉ループA/F制御は、ある機関作動条件
が満たされた場合に利用される。閉ループA/F制御の
下では、送出された燃料の量が、主として質量空気装入
量の推定により定められる。次いで燃料の量が、排気内
の酸素の濃度に関連する値により修正されるが、この種
の濃度は、点火された空燃組成を与えるものである。こ
の結果機関内へ噴射された燃料量は、機関作動条件に正
確に対応し、より排気放出物が低減する。
【0005】閉ループA/F作動においては、排気内の
酸素が酸素センサにより検出される。酸素センサの出力
に応じて送出される燃料の量は電子燃料制御システムに
より調整される。濃厚な空燃混合物(化学量論値を下回
るA/F)を表示するセンサ出力により、送出される燃
料の量の減少がもたらされる。希薄な空燃混合物(化学
量論値を上回るA/F)を表示するセンサ出力により、
送出される燃料の量の増大がもたらされる。
【0006】切換え型の酸素センサを使用する在来の閉
ループ電子燃料制御システムにおいては、システムの特
性によって定められるリミットサイクル周波数で、A/
Fが化学量論値を上下して振動する。この種の作動によ
り触媒コンバータは、一般に、その最高効率で作動して
いるままに保たれ、それにより、排気放出物が低減され
る。しかし、周知された燃料制御システムにA/F過渡
誤差が課せられると、排気A/Fは、フィードバック信
号が誤差を修正し得るまで若干時間の間、化学量論値か
ら偏移する。A/Fが化学量論値から偏移されている時
間中、触媒コンバータの効率は低減され、機関により生
成された排気を化学的に改変するその能力は縮小され
る。その結果、排気放出物は、触媒コンバータが、化学
量論値の周りでの希薄および濃厚排気の振動を伴う、そ
の全能力をその後に回復するまで増大する。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の主目的は、触媒
コンバータの酸素吸蔵能力をその予備過渡状態に復帰さ
せるべく、過渡空燃変動を補償することにより、内燃機
関の排気放出物を最小化することにある。本発明の主目
的に従い、内燃機関により生成される排気の酸素含量が
監視されて機関燃料制御器へフィードバックされ、それ
により、化学量論値の周りでの排気の酸素含量の周期振
動が生成される。振動の周期が監視され、酸素含量の過
渡変位が検出されると、検出された過渡変位に対し、大
きさおよび時間がほぼ等しいが逆方向のA/Fを有する
排気修正を生成する様態でA/Fが変更される。その
後、A/Fの周期振動が回復される。
【0008】特に本発明のある好適な実施例の利点は、
排気放出物を低減すること、特に、A/F過渡現象によ
って生ずる排気放出物を低減することである。A/F過
渡現象に応答することにより、本発明の好適な実施例
は、機関により生成された排気を化学的に改変する触媒
コンバータの能力を迅速に回復させ、それにより、A/
F過渡現象に伴う排気放出物を低減することができる。
本発明のこれらおよびその他の諸特徴および諸利点は、
本発明の好適な実施例の、以下の詳細な説明を考察する
ことにより更に良く理解できる。この説明中、添付図面
を頻繁に参照されたい。
【0009】
【実施例】図面の図1には、本発明の原理を具体するシ
ステムが示されている。燃料ポンプ12は、燃料タンク
10から、内燃機関11内へ燃料を噴射する一連の燃料
噴射器14へ、燃料管路13を介して燃料をポンプ輸送
する。燃料噴射器14は在来の設計で、それらの関連す
るシリンダへ燃料を精確な量を以て送出すべく位置付け
られている。燃料タンク10は、ガソリン、メタノー
ル、または各種燃料の組合せを都合良く包有している。
【0010】機関11の排気系統31に位置付けられた
加熱排気酸素(HEGO)センサ30は、機関11によ
り生成される排気の酸素含量を検出し、代表信号8を電
子機関制御器(EEC)100へ伝送する。好適な実施
例には、HEGO型酸素センサが利用されている。但
し、非加熱排気酸素センサ(FGO)や一般排気酸素セ
ンサ(UEGO)も使用できる。全体として101で表
示される更に別のセンサによれば、クランク軸位置、ス
ロットル位置ならびに、特に信号線路51を経由する機
関角速度および信号線路52を経由する空気(負荷)の
質量流量のような、EEC100に対する機関作動につ
いての付加的な情報が得られる。これらのセンサからの
情報は、機関作動を制御するため、EEC100によっ
て用いられる。
【0011】機関11の空気取入口に位置する質量空気
流量検出器15により、燃焼のためシリンダへ供給され
る空気の量が検出される。図1の被線内にブロック図の
形態で示された諸機能がEEC100により実行され
る。EECの諸機能は、望ましくは、プロセッサ、構成
データやプロセッサで実行されるプログラムを記憶する
読出し専用記憶装置(ROM)、周辺データ・ハンドリ
ング回路および動的に変化するデータを記憶するランダ
ム・アクセス読み書き作業記憶装置を備えた1組以上の
集積回路で各々が構成される1組以上のマイクロコント
ローラにより実行される。これらのマイクロコントロー
ラには一般に、センサからのアナログ信号などをディジ
タルに表現され値に変換するために有用な、組込みアナ
ログ・ディジタル変換能力、ならびに時限割込みを生成
する計時器/計数器が包含されている。
【0012】EEC100内のマイクロコントローラは
更に、比例素子121、積分素子122ならびに比例素
子121と積分素子122との出力を合計するための加
算器素子120で構成される、107に見られる比例積
分(P−I)制御器が付与されている。HEGO信号8
はHEGOセンサが化学量論値の濃厚なA/Fを表示す
る際に値+1を、またHEGOセンサにより表示される
A/Fの化学量論値が希薄な際に値−1を有する(化学
量論値が濃厚、は、化学量論値より少ないA/Fと解釈
され、化学量論値が希薄、は、化学量論値より多いA/
Fと解釈される)。P−I制御器107はLAMBSE
と称される空燃フィードバック信号を供給することによ
り、二進のHEGO信号8に応答して噴射器14により
送出される燃料の量を制御する。すなわち相対的なA/
Fの所望の変化を示すこの空燃フィードバック信号が別
の制御モジュール129へ送られ修正空燃フィードバッ
ク信号LAMBSEや機関の角速度および負荷に応答し
て燃料送出値を計算し且つ、得られた燃料送出値17を
噴射器14へ供給するようになっている。
【0013】ベース燃料制御器129はまた、機関セン
サ101からセンサ信号51、52を介し、機関角速度
(rpm)や標準化された質量空気流量(負荷)に関す
るデータを受信する。これらの信号は組み合って、機関
の各シリンダに対する推定給気値を表示する(シリンダ
給気)。機関のシリンダ給気値の推定値を定めるため、
好適な実施例には、機関角速度および質量空気が用いら
れている。あるいはまた、機関のシリンダ給気値の推定
値を定めるために、マニホルド圧力と機関角速度との組
合せのような、別の指標も使用できる。
【0014】P−I制御器107は、HEGO信号8に
従って、HEGOセンサ30がそれぞれ化学量論値の上
方または下方の何れに酸素レベルを表示するかに応じ
て、噴射器14における燃料送出率を増大すべきか、減
少すべきかを定める。この種の制御器は、SAE論文の
ハンバーグ(HAMBURG)およびシュルマン(Schu
lman) 両氏により説明された形態をとることができる。
【0015】急速なスロットル運動から生ずるA/Fの
過渡変動は、HEGO信号8の変化に応答して128の
空燃フィードバック信号LAMBSEを変更することに
よって、127の過渡補償モジュールにより有利に補償
される。後段で説明するが、この種の補償により、触媒
コンバータ32の酸素吸蔵能力はA/F過渡現象以前に
存在した状態に回復する。
【0016】図2の(a)および図2の(b)には、内
燃機関により排出される放出物を低減すべく触媒コンバ
ータが作動する様態が概念的に示されている。図2の
(a)には、化学量論値の濃厚な空燃組成物が機関内で
点火された状況が表現されており、図2の(b)には、
化学量論値の希薄な空燃組成物が点火された逆の状況が
表現されている。触媒コンバータには、図2の(a)に
示す如くに濃厚空燃組成物に酸素を供給でき且つ、図2
の(b)に示す如くに希薄空燃組成物から酸素を吸収し
得る酸素吸蔵設備が包有されている。希薄空燃組成物か
ら酸素を吸収し且つ濃厚空燃組成物へ酸素を供給するこ
とにより、触媒コンバータは、触媒作用を受けない希薄
排気または触媒作用を受けない濃厚排気の何れと比較し
て望ましくない排出物が可成り少ない、触媒作用を受け
る排気を生成する。
【0017】正常な作動中、触媒コンバータは、触媒の
酸素吸蔵能力を低下させ且つ回復させる希薄および濃厚
排気の周期的振動にさらされる。しかし、A/F過渡現
象が生じた場合、吸収または供給される必要のある酸素
の量は、触媒の酸素吸蔵能力を超過し若しくは消耗す
る。これが生ずると、不随的な排気放出物の増大と共
に、触媒の漏出がもたらされる。
【0018】図4の(a)には、時間に対するA/Fの
変動の例、ならびに周知された燃料制御方法での過渡空
燃条件が示されている。わかるように、A/Fは、約3
ないし6秒から、化学量論値の周りに、最大および最小
値の間で周期的に振動している。3ないし9秒の間に、
周期振動に示された最大値よりも可成り大きいA/F振
幅を有する過渡現象が生ずる。9秒には周知された燃料
制御方法が周期振動を継続する。
【0019】図4の(a)に示されるA/F波形の燃焼
の排出生成物を受容する触媒コンバータは、3秒と6秒
との間に示されたA/F機能による燃焼生成物のため、
酸素を交互に吸い込みまたは吹き出す。6ないし9秒間
のA/F機能による燃焼生成物のため、触媒は過剰量の
酸素を吸収する(吸い込む)。しかし、このような大規
模の吸収は酸素吸蔵の低下をもたらす可能性があり、9
秒先から生じ得る、次の何れかの希薄A/F変位に対し
て触媒が酸素を吸収し得ないことが、ここに特徴付けら
れている。従って、フィートバック・システムならびに
その化学量論値の周りに周期的な濃厚/希薄振動により
触媒の酸素の余剰量が回復されるまで、9秒先から生ず
る何れのわずかなA/F変位に対しても増大された排気
放出物が生ずる可能性がある。
【0020】図4の(b)には、類似の状況に対する本
発明の好適な実施例の作動の例が示されている。3ない
し6秒から、A/Fが化学量論値の周りに、最大および
最小値で周期的に振動している。6秒には、周期振動に
示された最大値よりも可成り大きいA/F振幅を有する
過渡現象が生ずる。9秒には好適な実施例が、正常な周
期的空燃振動を回復するのではなく、ほぼ同様でしか
も、化学量論値から過渡現象と逆の方向の大きさまで、
A/Fを減少させることにより過渡現象に応答する。過
渡現象に応答した後、好適な実施例は、最大および最小
値間のA/Fの周期振動を継続する。この周期振動は、
過渡現象への応答のそれと逆の方向の振動と共に開始さ
れる。従って、図4の(b)に示す過渡現象に対する応
答は濃厚方向であったので、第一周期振動は希薄方向で
ある。
【0021】図4の(b)に示されたA/F波形の燃焼
の排出生成物を受容する触媒コンバータは、3ないし6
秒間に示されたA/F機能による燃焼生成物のため、酸
素を交互に吸い込みまたは吹き出す。6ないし9秒間の
A/F機能による燃焼生成物のため、触媒は過剰量の酸
素を吸収する(吸い込む)。9ないし約20秒間に触媒
コンバータは、6ないし9秒間に吸収された量にほぼ等
しい量の酸素を供給する(吹き出す)。従って、本発明
の好適な実施例により生成されるA/F機能による燃焼
の排出生成物を受容する触媒コンバータが、上述の酸素
吸蔵の低下に苦しむことはない。従って、20秒の直後
に生ずるわずかなA/F変位に対してテールパイプ放出
物が増大することはない。
【0022】図面の図3には、本発明の好適な実施例の
作動中の諸段階の一般的シーケンスが示されている。図
3の諸段階は、閉ループ作動方法の下にEEC100が
機関を作動させる際に遂行され、望ましくは、EEC1
00内のマイクロコントローラにより遂行される。段階
は、301、302で開始され、機関吸気マニホルド内
への空気の質量流量(負荷)と共に、機関角速度が毎分
回転数(機関毎分回転数(RPM))で測定される。段
階302、303を含むループは、rpmおよび負荷が
安定であると確認されるまで遂行される。その後、30
4においてRPM値が記憶され且つ、LAMBSEの振
動周波数、リミットサイクル周波数、が測定されて、E
EC100に包有された記憶装置に記憶される。305
ではRPMが再び測定され、HEGOセンサ30の切換
周期が測定される。空燃フィードバック信号LAMBS
Eの値が306で、且つ307で生成され、HEGOセ
ンサの切換周期(または逆に切換周波数)が、センサが
予定の時点に切り換わるか否かを確認すべくチェックさ
れる。この種の確認は、HEGOセンサの切換周期に関
連する記憶されたリミットサイクル周波数から都合良く
計算され、従って、センサがいつ切り換わるかを予測す
るために利用できる。HEGOセンサが予定の時点で切
り換わることを検出されれば、周期的な燃料供給値がR
PM、負荷およびLAMBSEの関数として、313に
一般的に示される。HEGOセンサが予定の時点に切り
換わることに失敗すれば、過渡現象の発生が想定され
る。
【0023】検出された過渡現象に応答して、HEGO
センサが切り換わるに必要な付加的時間が308で定め
られる。閉ループ作動中に用いられた空燃フィードバッ
ク・ループが、次いで309で開かれる。この作動は過
渡補償ブロック127が経路125を介してスイッチ1
17を作動させる図1の117で行われるものであり、
128でLAMBSEに適用される過渡補償を空燃フィ
ードバック・ループが取り消すことを防止するために必
要である。空燃フィードバック・ループは、過渡補償の
期間中、開いたままである。従ってLAMBSEは、都
合良く、過渡現象が終わった際にそれが備えていた値の
ままである。310では、センサが切り換わるに必要な
付加的時間およびLAMBSEの変化率から過渡現象の
大きさが計算される。過渡補償値が311で一般的に示
され、312では、図1の128に示す如くにLAMB
SEを修正すべく用いられる。過渡補償値は、過渡現象
が濃厚または希薄方向の何れであるかに応じて、正また
は負の値の何れかになる。
【0024】313で発生される燃料供給値は、望まし
くは、検出された過渡現象に対し、期間および大きさが
等しくあり、しかして逆方向のA/F値となる。この種
の方法によれば、機関トルクの変動を最小化しつつ、触
媒コンバータの酸素吸蔵能力が有利に回復される。ある
いはまた、大きさを増大させつつ過渡応答の時間を短縮
することにより、吸蔵能力をさらに迅速に回復させるこ
とができる。しかし、この種の方法により、更に大きな
機関トルクの変動がもたらされる。
【0025】上述の好適な実施例には、濃厚および希薄
値の間で切り換わるHEGOセンサが利用されている。
しかし本発明の諸原理もまた、線形酸素センサを利用し
たシステムに利用できる。この種のセンサについては、
過渡現象の実際の振幅および時間を、センサの出力から
直接に定めることができる。従って、本発明によれば、
線形酸素センサを利用するシステムにおいては、先ず高
周波雑音変動をろ過して除去し、次いで、センサがいか
に長時間、その正常な安定値の上方または下方にあった
かを定めることにより、過渡現象が検出される。過渡現
象の大きさは、過渡現象中のセンサ出力の最大振幅を測
定することにより定められる。次いで、上述の如く、適
正な応答を計算できる。
【0026】説明された特定の機構や技法が、本発明の
原理の一応用の例示に過ぎないことは理解されるべきで
ある。本発明の真の精神および範囲を逸脱することな
く、説明された諸方法および諸機器に対し、数多くの修
正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体化する内燃機関および電子燃料制
御システムの概略線図。
【図2】(a)は触媒コンバータの作動を概念的に示す
線図。(b)は触媒コンバータの作動を概念的に示す線
図。
【図3】本発明の好適な実施例の作動を示す流れ図。
【図4】(a)は周知された燃料制御方法を利用する機
関の、時間に対するA/Fの変動を示すグラフ。(b)
は本発明の好適な実施例を利用する機関の、時間に対す
るA/Fの変動を示すグラフ。
【符号の説明】
10 燃料タンク 11 内燃機関 12 燃料ポンプ 15 質量空気流量検出器 17 燃料送出値信号 30 加熱排出酸素(HEGO)センサ 100 電子機関制御器(EEC) 116 空燃フィードバック信号

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の空燃制御システムにして、前
    記機関により生成される排気内の酸素レベルを検出する
    センサ装置、 前記センサ装置に応答し、前記の検出された酸素レベル
    に応答して空燃フィードバック信号を変更する第一装
    置、 前記センサ装置に応答し前記の検出された酸素レベルの
    過渡変動を検出する第二装置、および前記第二装置に応
    答し前記過渡変動に応答して前記空燃フィードバック信
    号を変更する、第三装置を含む空燃制御システム。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の発明において、第三装
    置が更に、大きさが前記過渡変動とほぼ比例し且つ逆方
    向の値で前記空燃フィードバック信号を変更する装置を
    含むようにした発明。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の発明において、空燃フ
    ィードバック信号がリミットサイクル周波数を特徴と
    し、検出された酸素レベルが周期変動を特徴とし且つ、
    第一装置が更に、前記リミットサイクル周波数を検出し
    記憶する装置を含むようにした発明。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の発明において、第二装
    置が更に、前記の記憶されたリミットサイクル周波数に
    応答するようにした発明。
  5. 【請求項5】 内燃機関へ送出され燃料の量を制御する
    方法にして、前記機関により排出される燃焼生成物の酸
    素含量を検出し酸素含量が化学量論的に濃厚な空燃組成
    を示す場合に濃厚表示を、酸素含量が化学量論的に希薄
    な空燃組成を示す場合に希薄表示を、そして酸素含量が
    前記空燃組成の過渡変化を示す場合に過渡表示を呈示す
    る酸素信号を生成する段階、 前記機関へ送出される燃料の量を減少させることにより
    前記濃厚表示に応答する段階、 前記機関へ送出される燃料の量を増大させることにより
    前記希薄表示に応答する段階、および大きさが前記過渡
    変動に対してほぼ比例し且つ逆方向の値で、送出される
    燃料の量を突然に変更することにより前記過渡変動に応
    答する段階を含む方法。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載の方法にして、過渡変動
    への応答の段階を遂行した後、前記濃厚表示への前記応
    答と前記希薄表示段階への応答とを継続させる付加的段
    階を含む方法。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の方法において、前記濃
    厚表示への前記応答と前記希薄表示への前記応答とを継
    続させる段階が、化学量論的に濃厚な過渡空燃組成が過
    渡変動により表示されれば濃厚表示への応答によって開
    始され、化学量論的に希薄な空燃組成が過渡変動により
    表示されれば希薄表示への応答によって開始されるよう
    にする方法。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載の方法において、前記機
    関へ送出される燃料の量を減少させ、増大させもしくは
    突然に変更する諸段階が、大きさが前記減少、増大また
    は突然の変更に対してほぼ比例し且つ逆方向の値で空燃
    フィードバック信号を変更する段階を含み、前記空燃フ
    ィードバック信号が前記酸素信号へ応答するようにする
    方法。
  9. 【請求項9】 請求項8に記載の方法において、前記機
    関へ送出される燃料の量を減少させ、増大させもしくは
    突然に変更する諸段階が、閉ループの作動方法の下に遂
    行されるようにする方法。
  10. 【請求項10】 請求項9に記載の方法にして、前記機
    関の角速度および前記空燃フィードバック信号の周波数
    を監視し且つ記憶する付加的段階を含む方法。
  11. 【請求項11】 請求項10に記載の方法において、前
    記酸素信号の振動周波数を監視し、前記振動周波数を前
    記空燃フィードバック信号の、前記の記憶された周波数
    と比較することにより過渡表示が検出されるようにする
    方法。
  12. 【請求項12】 請求項11に記載の方法において、前
    記過渡表示が、前記空燃フィードバック信号と、前記酸
    素信号の振動周波数との関数として計算されるようにす
    る方法。
  13. 【請求項13】 排気を生成する内燃機関、 排気内の酸素の濃度を検出する酸素センサ、ならびに、
    燃料制御器にて、 前記酸素センサに応答し排気の酸素含量の周期変動を前
    記酸素センサが検出する際に周期表示を生成し且つ、排
    気の酸素含量の過渡変動を前記酸素センサが検出する際
    に過渡表示を生成する、第一装置、 前記周期表示に応答し前記周期表示に対し、ほぼ時間が
    等しく大きさが逆の様態で空燃比を変更する、第二装
    置、および前記過渡表示に応答し前記過渡表示に対し、
    ほぼ時間が等しく大きさが逆方向の様態で前記空燃比を
    突然に変更する、第三装置を含む燃料制御器の組合せ。
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