JPH08189389A

JPH08189389A - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JPH08189389A
Application number: JP7002894A
Authority: JP
Inventors: Masahito Goto; 雅人後藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1995-01-11
Publication date: 1996-07-23

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】内燃機関の定常運転時には空燃比を希薄空燃
比に制御する内燃機関の空燃比制御装置に関し、ドライ
バビリティの低下を抑制しつつ広い領域で希薄空燃比に
基づく制御を行う。【構成】スロットル開度ＴＡがしきい値ＴＡＬＳを超
えた際には、内燃機関の負荷状態が高負荷状態であると
して目標空燃比を希薄空燃比から理論空燃比に切り換え
る。内燃機関の運転状態が今回ＴＡ＞ＴＡＬＳの成立す
る状態に変化したかを判別する（ステップ３００）。上
記条件が成立する場合はＴＡＬＳを高負荷側に徐変させ
るべくＴＡＬＳに１°を加算する（ステップ３０２）。
ＴＡＬＳが上限値ＴＡＬＳＭＸを超えない場合にはその
ＴＡＬＳを、ＴＡＬＳＭＸをこえる場合はＴＡＬＳＭＸ
を基準に目標空燃比の切り換えを判断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の空燃比制御
装置に係り、特に内燃機関の定常運転時には空燃比を希
薄空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば特開昭６０−２３３３
３２号公報に開示される如く、内燃機関の運転状態に応
じて、目標空燃比を理論空燃比または希薄空燃比の何れ
かに切り換えて制御する装置が知られている。

【０００３】すなわち、上記公報記載の装置は、内燃機
関に対してさほど高い出力トルクが要求されない定常運
転時には混合気を燃料リーンに制御し、一方、加速時、
高速運転時等内燃機関に対して高い出力トルクが要求さ
れる状況下では、混合気を理論空燃比に制御すること
で、優れた燃費特性と、良好なドライバビリティとを共
に実現しようとしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、内燃機関に
おいては、スロットル開度が大きいほど、すなわち内燃
機関に吸入される空気量が多量であるほど高い出力トル
クが発生するが、スロットル開度と出力トルクとの関係
は比例関係ではなく、スロットル開度が増すに連れて、
スロットル開度の変化に対する出力トルクの変化量は小
さくなる。

【０００５】また、上述した出力トルクの特性は、内燃
機関に供給される混合気の空燃比にも影響され、空燃比
が燃料リーンに制御されている場合には、空燃比が理論
空燃比近傍に制御されている場合に比して、スロットル
開度が小さい領域から出力トルクがフラット化する傾向
が表れる。

【０００６】このため、上記従来の装置において、目標
空燃比として希薄空燃比を用いるか、理論空燃比を用い
るかを判断するためのしきい値を比較的高負荷側に設定
すれば、内燃機関の中高負荷領域においてもたつきが生
じ、良好なドライバビリティが実現できない事態を生ず
る。

【０００７】しかしながら、上記従来の装置において、
何れの空燃比を目標空燃比とするかを判断するためのし
きい値を比較的低負荷側に設定すれば、内燃機関が僅か
に定常状態から外れただけで空燃比が理論空燃比とな
り、燃費特性の向上に関する効果がさほど得られなくな
る。

【０００８】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、内燃機関の始動後、目標空燃比を燃料リッチ側
に切り換えるためのしきい値を、徐々に高負荷側に変更
することにより、運転者に顕著なもたつき感を与えるこ
となく低燃費化を実現し得る内燃機関の空燃比制御装置
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、内燃機関
の負荷状態が所定の高負荷状態となると、目標空燃比を
燃料リッチ側に切り換える内燃機関の空燃比制御装置に
おいて、前記高負荷状態を判定するしきい値を、内燃機
関の始動後、所定の初期値から高負荷側に徐変させるし
きい値変更手段を備える内燃機関の空燃比制御装置によ
り達成される。

【００１０】

【作用】本発明において、内燃機関の負荷が前記しきい
値より小さい場合は、比較的希薄な空燃比が目標空燃比
として用いられる。この場合、空燃比が希薄であること
から、高出力が得にくい反面優れた燃費特性が得られ
る。一方、内燃機関の負荷が前記しきい値以上となる
と、目標空燃比が燃料リッチ側に切り換えられるため、
低燃費の実現は困難になる反面、高出力が得やすくな
る。

【００１１】ところで、前記しきい値変更手段は、内燃
機関の始動後、前記しきい値を所定の初期値から高負荷
側に徐変させる。従って、内燃機関の始動直後は、目標
空燃比が比較的燃料リッチ側に切り替わり易く、その後
徐々に目標空燃比が燃料リッチ側に切り替わり難くな
る。

【００１２】この際、運転者は、内燃機関が高出力を得
やすい状態から高出力が得にくい状態に徐変する過程
で、徐々にその特性に慣らされるため、希薄空燃比によ
る運転領域が拡大しても、さほど内燃機関のもたつきを
感ずることがない。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である内燃機関の
空燃比制御装置の全体構成図を示す。同図において、内
燃機関１０の吸気通路１２のサージタンク１４には、吸
気通路１２の吸入空気の絶対圧（以下、吸気圧と称す）
ＰＭを検出する圧力センサ１６が設けられている。

【００１４】内燃機関１０の吸気通路１２に設けられた
スロットルバルブ１８の近傍には、スロットルバルブ１
８の開度（以下、スロットル開度と称す）ＴＡを検出す
るスロットルセンサ２０が設けられている。更に、内燃
機関１０の排気通路２２には、リーンミクスチャセンサ
（以下、単にリーンセンサと称す）２４が設けられてい
る。このリーンセンサ２４は、所定の活性化温度領域に
昇温されていることを条件に、排気ガス中の酸素濃度に
基づいて、内燃機関１０に供給された混合気の空燃比Ａ
／Ｆに応じた電流信号を出力するセンサである。

【００１５】内燃機関１０の周囲には、冷却水が循環す
るウォータジャケット２６が設けられており、その壁面
には、冷却水温度ＴＨＷを検出する水温センサ２８が配
設されている。また、吸気通路１２には、図示しない燃
料ポンプから供給された加圧燃料を各気筒の吸気ポート
に噴射するインジェクタ３０が設けられている。

【００１６】更に、ディストリビュータ３２には、その
軸が例えばクランク角に換算して７２０°回転する毎に
基準位置検出用パルスを発生するクランク角センサ３
４、及びクランク角に換算して３０°毎に角度位置検出
用パルス信号を発生するクランク角センサ３６が設けら
れている。

【００１７】ここで、上述した圧力センサ１６、スロッ
トルポジションセンサ２０、リーンセンサ２４、水温セ
ンサ２８、インジェクタ３０、クランク角センサ３４，
３６は、車速を検出する車速センサ３８と共に電子制御
ユニット（ＥＣＵ）４０に接続されている。

【００１８】ＥＣＵ４０は、本実施例の空燃比制御装置
の要部であり、内燃機関１０の運転状態に応じて、適宜
希薄空燃比又は理論空燃比を目標空燃比として選択し、
その目標空燃比が実現されるように燃料噴射量を制御す
るユニットである。以下、図２乃至図５を参照して、本
実施例の空燃比制御装置の動作を説明する。

【００１９】図２は、ＥＣＵ４０が燃料噴射量を演算す
るにあたって実行するメインルーチンである噴射量演算
ルーチンの一例のフローチャートを示す。同図に示すル
ーチンが起動すると、先ずステップ１００において、吸
気圧ＰＭ、機関回転数ＮＥ、冷却水温度ＴＨＷ、混合気
の空燃比Ａ／Ｆ等の各種パラメータを読み込む。尚、機
関回転数ＮＥは、クランク角センサ３２，３４の出力に
基づいて演算する。

【００２０】上記の如く各種パラメータを読み込む処理
を終えたら、次にステップ１０２において、吸入空気量
ＧＮを演算する処理を行う。ここで、吸入空気量ＧＮ
は、例えば機関回転数ＮＥと吸気圧ＰＭの２次元マップ
として予め設定しておいたマップを検索することにより
求めることができる。

【００２１】ステップ１０４では、今回処理時における
目標空燃比を読み込む処理を行う。すなわち、ＥＣＵ４
０は、上述の如く、目標空燃比として希薄空燃比、又は
理論空燃比の何れかを選択して燃料噴射量を制御するこ
ととしており、本ステップは、後述の如く選択される目
標空燃比を燃料噴射量に反映すべく実行するステップで
ある。

【００２２】ステップ１０６は、上記ステップ１０２で
求めた吸入空気量ＧＮと、上記ステップ１０４で読み込
んだ目標空燃比とに基づいて、基準噴射量を演算するス
テップである。ここで、基準噴射量は、ＧＮを目標空燃
比で除算することにより求めることができる。

【００２３】そして、上記の如く基準噴射量を演算した
ら、次にステップ１０８において、冷却水温度ＴＨＷ、
空燃比Ａ／Ｆ等に基づく種々の補正を基準噴射量に施
し、その結果を最終的な燃料噴射量として記憶して今回
の処理を終了する。次に、ＥＣＵ４０が、希薄空燃比、
又は理論空燃比の何れかを目標空燃比として選択すべく
実行する処理について説明する。図３は、ＥＣＵ４０が
かかる機能を実現すべく実行する目標空燃比選択ルーチ
ンの一例のフローチャートである。

【００２４】本ルーチンが起動すると、先ずステップ２
００において、内燃機関１０が既に十分な暖機状態にあ
るかを判別する。目標空燃比として希薄空燃比を用いた
場合、理論空燃比を目標空燃比とする場合に比して内燃
機関１０の出力トルクが低下し、その結果、運転状態が
不安定となることから、暖機が十分な場合に限って希薄
空燃比を選択を許容するためである。

【００２５】内燃機関１０の暖機が十分である場合は、
次にステップ２０２において、リーンセンサ２４が十分
に活性化しているかが判別される。目標空燃比として希
薄空燃比を用いる場合、理論空燃比を目標空燃比とする
場合に比して高精度に空燃比Ａ／Ｆを検出する必要があ
り、一方、リーンセンサ２４は、上記の如く活性化温度
領域まで昇温されていることを条件に、精度良く空燃比
Ａ／Ｆを検出するセンサであることから、リーンセンサ
２４が活性化されている場合にのみ希薄空燃比の選択を
許容するためである。

【００２６】尚、リーンセンサ２４は、活性化されてい
ない場合継続的に空燃比が燃料リッチであることを表す
信号を出力することから、リーンセンサ２４の出力信号
が、適当に燃料リッチと燃料リーンとの間で反転してい
る場合には、適当な活性化がなされていると判断するこ
とができる。

【００２７】また、ステップ２０４では、リーンセンサ
２４がフェイル状態でないかを判別する。上記ステップ
２０２の判別と同様の趣旨から、リーンセンサ２４から
適正な空燃比Ａ／Ｆ信号が供給されている場合にのみ目
標空燃比として希薄空燃比の選択を許容するためであ
る。

【００２８】そして、ステップ２０６では、車速センサ
３８の出力、スロットルポジションセンサ２０の出力等
に基づいて、内燃機関１０を搭載する車両が発進状態か
否かを判別する。車両の発進時には、比較的大きな出力
トルクが要求されるため、かかる状況下では目標空燃比
を希薄空燃比とすべきでないからである。

【００２９】このため、上記ステップ２００において内
燃機関１０の暖機が不十分であると判別された場合、上
記ステップ２０２においてリーンセンサ２４が未だ活性
化されていないと判別された場合、上記ステップ２０４
においてリーンセンサ２４にフェイルが生じていると判
別された場合、及び上記ステップ２０６において車両が
発進状態にあると判別された場合は、何れもその後ステ
ップ２１２へ進み、目標空燃比として理論空燃比を選択
して今回の処理を終了する。

【００３０】一方、上記ステップ２００〜２０６の判別
の結果、何れの条件についても目標空燃比として希薄空
燃比の選択が可能であると判断された場合は、ステップ
２０８へ進み、現在のスロットル開度ＴＡが所定のしき
い値ＴＡＬＳを超えているか否かの判別を行う。

【００３１】スロットル開度ＴＡは、運転者によって高
出力が要求されている場合に大きな値となる変数である
ため、ＴＡ＞ＴＡＬＳが成立するか否かを基準に、運転
者の要求を判断しようとしたものである。従って、上記
ステップ２０８においてＴＡ＞ＴＡＬＳが成立すると判
断された場合は、以後ステップ２１２において理論空燃
比を目標空燃比として選択し、一方、ＴＡ＞ＴＡＬＳが
不成立であると判断された場合には、以後ステップ２１
０において、希薄空燃比を目標空燃比として選択して今
回の処理を終了する。

【００３２】ところで、上記ステップ２０８の条件を設
定する場合、しきい値ＴＡＬＳを如何なる値に設定する
かは、内燃機関１０の特性を決定するうえで極めて重要
である。すなわち、図４は、スロットル開度ＴＡと内燃
機関１０の出力トルクとの関係を、目標空燃比として希
薄燃料を用いた場合、及び理論空燃比を用いた場合につ
いて表したものであるが、同図に示すように、目標空燃
比を希薄空燃比とした場合、理論空燃比を目標空燃比と
した場合に比して出力トルクが小さく、かつ、比較的Ｔ
Ａの小さい領域から出力トルクの傾きがフラットになる
特性を示す。

【００３３】従って、広い運転領域で希薄空燃比が選択
されるように、ＴＡＬＳを大きな値とすると、運転者が
大きくスロットルバルブ１８を開弁しているにも関わら
ず、なかなか出力トクルが上昇せず、その結果、運転者
が車両のもたつきを感ずる事態が生ずる。一方、そのＴ
ＡＬＳが小さいと、運転者が車両のもたつきを感ずるこ
とはないが、希薄空燃比が選択される運転領域が狭小と
なり、燃費の改善効果が得られなくなる。

【００３４】これに対して、本実施例の内燃機関の空燃
比制御装置は、内燃機関１０が始動した後、比較的小さ
く設定した初期値を始点として、ＴＡＬＳを徐々に高め
ることで、運転者に不快なもたつき感を与えることな
く、希薄空燃比が選択される運転領域を徐々に拡大する
点に特徴を有している。

【００３５】図５は、かかる機能を実現すべくＥＣＵ４
０が実行するＴＡＬＳ変更ルーチンの一例のフローチャ
ートを示す。尚、本ルーチンは、上記図３に示す目標空
燃比選択ルーチンが終了する毎に起動するルーチンであ
る。図５に示すルーチンが起動すると、先ずステップ３
００において、上記図３中ステップ２０８の判別結果
が、今回ＴＡ＞ＴＡＬＳに変化したか否かを判別する。
その結果、継続的にＴＡがＴＡＬＳ以下であった場合、
及び継続的にＴＡがＴＡＬＳを超えていた場合は、以後
何ら処理を行うことなく今回の処理を終了する。

【００３６】一方、前回の処理時にはＴＡ＞ＴＡＬＳは
不成立であったのに対して、今回ＴＡ＞ＴＡＬＳが成立
していた場合は、上記ステップ３００の条件が成立して
いると判断し、ステップ３０２においてしきい値ＴＡＬ
Ｓに１°加算する処理を行う。尚、本実施例において
は、内燃機関１０の始動直後に、予め初期値として５°
をＴＡＬＳにセットしている。

【００３７】従って、ＴＡＬＳの値は、内燃機関１０の
始動後５°を始点として、運転者によって比較的大きく
（ＴＡ＞ＴＡＬＳが成立する程度に）スロットルバルブ
１８が開弁される度に１°ずつ増加することになる。上
記ステップ３０２の処理を終えたら、次にステップ３０
４へ進み、ＴＡＬＳ＞ＴＡＬＳＭＸが成立するか否かを
判別する。ここで、ＴＡＬＳＭＸは、ＴＡＬＳの上限を
ガードする最大値であり、本実施例においては、下記表
１に示す如く、機関回転数ＮＥの関数として設定してい
る。

【００３８】

【表１】

【００３９】そして、上記ステップ３０４において、Ｔ
ＡＬＳ＞ＴＡＬＳＭＸが不成立であれば、以後ステップ
３０６へ進み、上記ステップ３０２で更新したＴＡＬＳ
をそのまま出力して今回の処理を終了し、一方、上記条
件が成立する場合は、以後ステップ３０８でＴＡＬＳＭ
ＸをＴＡＬＳとして出力した後今回の処理を終了する。

【００４０】従って、内燃機関１０の運転が長期間継続
して実行され、その結果、上記ステップ３０２の処理が
繰り返し実行された場合においても、ＴＡＬＳは、確実
にＴＡＬＳＭＸ以下に限定されることになる。尚、表１
において、ＮＥが大きいほどＴＡＬＳＭＸを大きくして
いるのは、ＮＥが大きいほど全体に内燃機関１０の出力
トルクが大きく、広い領域で希薄空燃比を目標空燃比と
して使用し得ることに鑑みたものである。

【００４１】この結果、本実施例の内燃機関の空燃比制
御装置によれば、内燃機関１０の始動直後は比較的ＴＡ
＞ＴＡＬＳが成立し易く、すなわち目標空燃比が希薄空
燃比から理論空燃比に切り替わり易く、加速が繰り返さ
れるに従って、徐々にＴＡ＞ＴＡＬＳが成立し難い、す
なわち目標空燃比が希薄空燃比から理論空燃比に切り替
わり難い状態が形成される。

【００４２】この場合、内燃機関１０の出力特性は、そ
の始動後加速が繰り返されるに連れて、スロットル操作
に対して鈍感な特性となるが、その変化が徐々に進行す
ることから、運転者はその特性に慣れることができる。
このため、ＴＡＬＳが十分に大きな値に増加された状
態、すなわち、希薄空燃比で運転し得る領域が比較的広
範に確保された状態においても、運転者が内燃機関１０
の特性に対してさほどもたつき感を覚えることはない。

【００４３】従って、本実施例の内燃機関の空燃比制御
装置によれば、運転者に対して著しいドライバビリティ
の悪化を感じさせることなく、広い領域で希薄空燃比に
基づく燃料噴射制御を実行することができ、多大に燃費
向上効果を得ることができる。

【００４４】ところで、上記実施例は、内燃機関の出力
トルクとスロットル開度ＴＡとの間に、上記図４に示す
如き一定の関係が成立することから、内燃機関１０に要
求される出力トルクの程度を、すなわち、内燃機関１０
の負荷の大きさを、スロットル開度ＴＡを用いて判断す
る構成である。

【００４５】これに対して、内燃機関の出力トルクと吸
入空気量ＧＮ、及び内燃機関の出力トルクと吸気圧ＰＭ
との間には、それぞれ図６又は図７に示す如き比例関係
が成立する。従って、内燃機関１０の負荷の大きさは、
スロットル開度ＴＡに限らず、ＧＮ，ＰＭを用いて判断
することも可能である。

【００４６】つまり、図６又は図７中に示す如く、吸入
空気量ＧＮ、又は吸気圧ＰＭについて適当なしきい値Ｇ
ＮＬＳ，ＰＭＬＳを設定し、それぞれＧＮ＞ＧＮＬＳ、
又はＰＭ＞ＰＭＬＳが成立する場合に目標空燃比を理論
空燃比に切り換え、かつ、上記条件が成立する度に、Ｇ
ＮＬＳ，ＰＭＬＳを適当に高負荷側に徐変させることと
すれば、上述した実施例と同様の効果を得ることができ
る。

【００４７】また、上記実施例は、運転者の運転状況を
適切に内燃機関１０の特性変化に反映させるため、ＴＡ
＞ＴＡＬＳが成立する度に、ＴＡＬＳを高負荷側に徐変
させる構成としているが、車両の運転中は通常適当に加
減速が行われることから、単に時間の関数としてＴＡＬ
Ｓを徐変させる構成とすることも可能である。

【００４８】更に、上記実施例は、目標空燃比として希
薄空燃比、又は理論空燃比を選択することとしている
が、その空燃比はこれに限るものではなく、比較的燃料
リーンな空燃比と、比較的燃料リッチな空燃比との間
で、目標空燃比が切り換えられる構成の装置については
広く適用が可能である。

【００４９】以上、本発明の実施例について説明した
が、この本発明の実施例には特許請求の範囲に記載した
技術的事項以外に次の様な技術的事項の実施態様を有す
ることを付記しておく。 (1) 請求項１記載のしきい値変更手段が、目標空燃比
が燃料リッチ側に切り換わった回数を記憶する切り換え
回数記憶手段と、目標空燃比の切り換え回数に応じて高
負荷状態を判定するしきい値を増加するしきい値増加手
段とからなることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装
置。

【００５０】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、目標空燃
比の切り換えを判断するためのしきい値が内燃機関の始
動後に徐変されるため、運転者にさほどドライバビリテ
ィの悪化を認識させることなく、広い運転領域で希薄空
燃比による運転を行うことができる。このため、本発明
に係る内燃機関の空燃比制御装置によれば、ドライバビ
リティを犠牲にすることなく、大幅な燃費特性の向上が
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である内燃機関の空燃比制御
装置の全体構成図である。

【図２】本実施例において電子制御ユニットが実行する
噴射量演算ルーチンの一例のフローチャートである。

【図３】本実施例において電子制御ユニットが実行する
目標空燃比選択ルーチンの一例のフローチャートであ
る。

【図４】スロットル開度と内燃機関の出力トルクとの関
係を表す特性図である。

【図５】本実施例において電子制御ユニットが実行する
しきい値ＴＡＬＳ変更ルーチンの一例のフローチャート
である。

【図６】吸入空気量と内燃機関の出力トルクとの関係を
表す特性図である。

【図７】吸気圧と内燃機関の出力トルクとの関係を表す
特性図である。

【符号の説明】

１０内燃機関１６圧力センサ１８スロットルバルブ２０スロットルポジションセンサ２４リーンミクスチャセンサ２８水温センサ３０インジェクタ３４，３６クランク角センサ４０電子制御ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の負荷状態が所定の高負荷状態
となると、目標空燃比を燃料リッチ側に切り換える内燃
機関の空燃比制御装置において、前記高負荷状態を判定するしきい値を、内燃機関の始動
後、所定の初期値から高負荷側に徐変させるしきい値変
更手段を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御
装置。