JPS5912859B2 - 空気流量調整装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 自動車の排気ガス対策用として案出された改良エンジン
において、その効果を最大限に発揮させたい場合とか、
同じ（排気ガス対策用として排気ガス浄化用触媒を備え
るエンジンにおいて触媒による排気ガスの最適浄化を得
たい場合などには、エンジンに供給する混合気の空燃比
を常に適正に制御したり、もしくは触媒への２次空気量
を適正に制御する必要がある。

本発明はかかる必要に対し充分に対処し得る空気流量調
整装置に関する。

従来、この種の装置として、排気ガスの一成分である酸
素の濃度等により混合気の空燃比を検出するガスセンサ
とこのガスセンサの信号に応じて連続的に一定スピード
で駆動されるバイパス弁とを用い補正用空気通路から追
加供給する空気量を制御して混合気の空燃比を調整する
ものが提案されている。

しかし、この従来装置ではバイパス弁開度を漸減または
漸増させる積分制御方式のため、バイパス弁駆動スピー
ドを最適値に設定したとしても駆動スピードが一定であ
る以上、エンジンの加減速時等、空燃比変動が速い場合
には応答遅れが生じる。

また、逆にエンジンの低負荷、低回転領域では吸気系の
空燃比変動時から排気系においてガスセンサがそれを検
出するまでの系の遅れ時間が長くなって、これにより制
御の行き過ぎとなり、空燃比が大きく変動するという不
具合があった。

この結果、触媒コンバータが高効率で作用せず排気ガス
を十分に低減できなくなり、また自動車走行時にサージ
現象が生じてドライバビリティ−の悪化を招（という問
題を生じていた。

本発明は上記の点に鑑みなされてものであり、その目的
とするところは、ガスセンサの検出信号に同期して遅れ
時間に対応する指定量だけバイパス弁を速やかに駆動し
、その後再びガスセンサの検出信号が変化するまで遅い
スピードでバイパス弁を駆動することにより、制御の応
答遅れ、オーバーシュートを解消して追加空気量を追従
住良（制御し、例えば空燃比変動を小さく抑えることに
ある。

以下本発明を図に示す実施例について説明するシステム
構成を示す第１図において、エンジン１はガソリンもし
くはＬＰガスを燃料とする通常の４サイクルレシプロエ
ンジンであり、気化器２によって吸気マニホールド３を
介して混合気が供給される。

また、エンジン１は混合気を燃焼した後排気ガスを排気
マニホールド４に排出し、排気ガスは排気マニホールド
４の下流に設置された触媒コンバータ５、図示しないマ
フラーを通って大気に放出される。

触媒コンバータ５は排気ガス中の有害成分を浄化するも
ので、例えばＮＯｘ、ＣＯ，ＨＣを同時に浄化する３元
触媒が内蔵されている。

気化器２はエアクリーナｄからの空気と燃料を混合、霧
化する通常のもので、ベンチュリ部に開口している燃料
ノズルＩから吸入空気量にほぼ比例した量の燃料を噴出
し、また吸入空気量を燃料ノズル７下流部の任意に操作
されるスロットル弁８により調整するようになっている
。

また、燃料ノズル７とスロットル弁８とをバイパスして
エアクリーナ６とスロットル弁８の下流とを連通ずる追
加空気を供給するための補正用空気通路９が設げてあり
、この補正用空気通路９には通路面積を変えるバタフラ
イ型バイパス弁１０とこのバイパス弁１０に結合され、
これを開、閉駆動する駆動ユニットをなす４相パルスモ
ータ１１が設置されている。

全閉位置センサ１２はバイパス弁１０に結合され、これ
の全閉位置を検出するもので、バイパス弁１０が全閉位
置にあるときその接点を閉成し、それによる電気信号を
制御ユニット２０に入力している。

ガスセンサ１３はエンジン１の排気系、例えば排気マニ
ホールド４の集合部に設置されており排気ガス成分を検
出してこれと相関関係にある混合気の空燃比を検出する
もので、そのガス検知部は二酸化ジルコニウム、二酸化
チタニウム等の金属酸化物からなり、例えば二酸化ジル
コニウムを用いると第２図に示すようにエンジン１に理
論空燃比より濃い混合気が供給された場合はぼ１ｖ、理
論空燃比より薄い混合気が供給された場合はぼ１００
ｍＶの起電力を発生し、その起電力は理論空燃比付近に
てステップ状に変化する。

回転検出器１４はエンジン１のクランク軸回転と同期し
て、すなわちエンジン１０回転数に応じて信号を発生す
るもので、この実施例ではエンジン１０点火装置として
一般に用いられている点火コイルの一次側マイナス端子
の断続信号を利用しており、その出力信号は制御ユニッ
ト２０に入力される。

加減速スイッチ１５は吸気マニホールド３に設置されて
おり吸気負圧の変化により電気的にスイッチをオン、オ
フするもので、エンジン１の加速時、減速時のように吸
気負圧が急激に変化するときオンし、その出力信号は制
御ユニット２０に入力される。

この加減速スイッチ１５の構造は、第３図に示すように
ダイヤフラム式になっている。

以下第３図において説明すると、ケーシング１５ａとダ
イヤフラム１５ｂとにより２つの室１５ｃ、１５ｄが形
成されており、各室はダイヤフラム１５ｂの絞りジェノ
Ｈ５ｅを介して連通している。

また室１５ｃ、１５ｄにはダイヤフラム１５ｂを押圧す
るバックスプリング１５ｆ１，１５ｆ２が設けられてお
り、室１５ｃは吸気マニホールド３と連通している。

ダイヤフラム１５ｂには導電性のシャフト１５ｇが固定
されており、シャン）１５ｇの先端部には接点部１５ｈ
が形成しである。

そして、シャフト１５ｇに常に接触するように摺動用タ
ーミナル１５ｉが設置されており、シャン）１５ｇの所
定位置でのみ接触するようにターミナル１５ｊ、１５ｋ
が設置されている。

リレー１５ｍはターミナル１５ｇとターミナル１５ｊ、
１５にの導通、遮断により駆動され、ターミナル間が導
通すると接点１５ｍ１ と接点１５ｍ２とが導通し、遮
断すると接点１５ｍ１と１５ｍ３とが導通する。

こうしてエンジン１が加速、減速中であるかどうかによ
ってリレー１５ｍが切換わる。

なお、回転検出器１４と加減速スイッチ１５とでエンジ
ン１の作動状態、即ち追加空気により排気ガス成分が変
化してからガスセンサ１３がツレを検出するまでの遅れ
時間センサを構成している次に制御ユニット２０のブロ
ック図を示す第４図において説明する。

制御ユニット２０はガスセンサ１３により出力される混
合気の空燃比と密接した関係にある排気ガス成分に応じ
た空燃比信号と、回転検出器１４および加減速スイッチ
１５の出力信号と、全閉位置センサ１２の出力信号とを
入力信号としており、前記空燃比信号を判別するＡ／Ｆ
判別回路２０ａ、２種のクロックパルスな空燃比信号に
何期して発生するパルス発生回路２０ｂ、クロックパル
スを遅れ時間に対応してカウントレバイパス弁１０の駆
動指定量を設定するクロック回路２１ｅ、Ａ／Ｆ判別回
路２０ａとクロック回路２０ｃの出力信号を論理制御す
る指令回路２０ｄ、指令回路２０ｄからの信号によって
出力信号が順次シフトする可逆シフトレジスタ２０ｅ、
および可逆シフトレジスタ２０ｅの出力信号によって４
相パルスモータ１１の励磁を制御するスイッチング回路
２０ｆから構成されておりパルスモータ１１を適切に作
動させるようになっている。

次に制御ユニット２０を第５図により詳細に説明する。

第５図において、Ａ／Ｆ判別回路２０ａは入力抵抗１０
１、分圧抵抗１０２，１０３、差動演算増幅器（以下Ｃ
Ｐアンプとい５）１０４で構成される電圧比較回路で、
分圧抵抗１０２゜１０３にて決定する設定レベルは、ガ
スセンサ１３のほぼ理論空燃比における電圧Ｖａ（第２
図に設定される。

従って、ガスセンサ１３にて検出された空燃比が理論空
燃比より小さいとき、即ち混合気が濃いときはＣＰアン
プ１０４から”１″レベル信を発生し、逆に理論空燃比
より大きいとき、即ち混合気が薄いときはＣＰアンプ１
０４から”０″レベルの信号を発生する。

パルス発生回路２０ｂは抵抗１０５，１０７、コンデン
サ１０６ 、１０８、インバータ１１０゜１１１、ＮＡ
ＮＤゲート１１２，１１３で形成される２個の単安定マ
ルチバイブレータ、インバータ１０９、ＮＡＮＤゲート
１１４から構成される第１トリガ回路と、抵抗１１５，
１１６、コンデンサ１１７、インバータ１１８，１１９
で形成される非安定マルチバイブレータ、バイナリ−カ
ウンタ１２０、インバータ１２１，１２２から構成され
る発振回路と抵抗１２３、コンデンサ１２４インバータ
１２５、ＮＯＲゲート１２６から構成される第２トリガ
回路とＮＯＲゲート１２７、インバータ１２８から形成
されるゲート回路とから構成されている。

そして、第１トリガ回路はＡ／Ｆ判別回路２０ａのｃｐ
アンプ１０４の出力信号（第６図Ａ図示）の反転、すな
わち立上り、立下りに同期して第６図Ｅに示すように端
子Ｂよりトリガパルスを発生する。

第２トリガ回路はクロック回路２０ｃの出力の立下り時
に同期して第６図Ｅに示すようにトリガパルスを発生す
る。

第１、第２トリガ回路のトリガパルスはゲート回路を介
してバイナリ−カウンタ１２０のリセット端子に入力さ
れ、バイナリ−カウンタ１２０のリセットを行う。

発振回路は非安定マルチバイブレータにより所定周波数
のクロックパルスを発生し、それをバイナリ−カウンタ
１２０により分周し、出力Ｑ１ より１／２に分周した
パルスを出力し出力Ｑ３より１／８に分周したパルスを
出力スル。

クロック回路２０ｃは抵抗１３０，１３１゜１３４．１
３５，１４０、コンデンサ１３２゜１３６．１３９、ト
ランジスタ１３３ 、１３８、ダイオード１３７で構成
されるＤ−Ａ変換回路とアナログ電圧を２進のディジタ
ル信号に変換するＡ−Ｄ変換器１４１と、Ａ−Ｄ変換器
１４１のディジタル信号を一時記憶保持するＤラッチ回
路１４２、ディジタル信号を比較するコンパレータ１４
３、クロックパルスを計数するバイナリ−カウンタ１４
４、ＮＡＮＤゲート１４５，１４７、インバータ１４６
、抵抗１４８で構成されるカウント回路とで構成されて
いる。

そして、Ｄ−Ａ変換回路は点火装置１４０点火コイルの
一次側断続信号を入力信号としてそれをアナログ電圧信
号に変換し、エンジン回転数の増加に比例して出力電圧
が上昇する。

この出力電圧はＡ−Ｄ変換器１４１に入力され、Ａ−Ｄ
変換器１４１は入力電圧値を２進のディジタル信号に変
換しそれを出力Ｑ１〜Ｑ４かも出力する。

Ｄラッチ回路１４２のＤ１〜Ｄ４端子はｔ−Ｄ変換器１
４１のＱ１〜Ｑ４端子にそれぞれ接続され、クロック端
子はパルス発生回路２０ｃの第１トリガ回路の出力端子
Ｂに接続されており、第１トリガ回路のトリガパルスの
立上り時にＡ−Ｄ変換器１４１の出力を読み込み、次の
トリガパルスが入力されるまで読み込み値を保持し出力
端子Ｑ１〜Ｑ４から出力する。

Ｄラッチ回路１４２の出力端子Ｑ１〜Ｑ３はそれぞれコ
ンパレータ１４３の入力端子Ａ。

−Ａ２に接続され、出力端子Ｑ４は加減速スイッチ１５
を介して入力端子Ａ３に接続されている。

しかして、エンジン１０通常運転時には加減速スイッチ
１５の接点１５ｍ１．１５ｍ３が接続され端子Ｑ４ と
端子Ａ２が接続される。

また、エンジン１の加、減速時のような過渡時には接点
１５ｍ１ と接点１５ｍ２が接続され端子Ａ３には抵抗
１４８を介して゛１パレベル信号が入力される。

コンパレータ１４３の入力端子Ｂ。

−Ｂ３はそれぞれバイナリ−カウンタ１４４の出力端子
Ｑ１〜Ｑ４に接続されており、コンパレータ１４３の出
力端子（Ａ＞Ｂ）はＮＡＮＤゲート１４５、インバータ
１４６に接続されている。

このコンパレータ１４３の出力端子（Ａ＞Ｂ）からはＡ
端子側に入力される指定個数ＡとＢ端子側に入力される
カウント数ＢとがＡ＞Ｂなる状態で゛１″レベル信号が
出力され、Ａ≦Ｂなる状態になると出力は１”レベルか
ら０“レベルに反転し第６図りに示すようなものとなる
。

しかして、ＮＡＮＤゲート１４５からバイナリ−カウン
タ１４４へ入力されるクロックパルスがＤラッチ回路１
４２によって設定される指定個数になると端子（Ａ＞Ｂ
）の出力によりＮＡＮＤゲート１４５は閉じられバイナ
リ−カウンタ１４４はカウントを停止し、逆にＮＡＮＤ
ゲート１４７が開かれる。

この作動はバイナリ−カウンタ１４４のリセット端子Ｒ
にトリガパルスが入力されるごとに繰返される。

こうして、クロック回路２０Ｃは出力端子Ｆから第６図
Ｆに示すようにガスセンサ１３の検出信号の変化、即ち
第６図Ａに示す空燃比信号に同期して所定のパルス数だ
け周期の短い高周波のクロックパルスを出力し、その後
出力端子Ｇから第６図Ｇに示すように空燃比信号が再び
変化するまで周期の長い低周波のクロックパルスを出力
する。

全閉位置センサ１２は抵抗１２ａと接点１２ｂとからな
りバイパス弁１２が全閉になると接点１２ｂが閉成して
、その出力端子Ｉから０”ルベル信号を出力する。

指令回路２０ｄはインバータ１５０、ＮＡＮＤゲート１
５１．１５２，１５３からなり、クロック回路２０ｃの
クロックパルスをＡ／Ｆ判別回路２０ａの空燃比信号と
全閉位置センサ１２の全閉信号とに応じてゲート処理す
る。

可逆シフトレジスタ２０ｅは入力端子Ｐにクロックパル
スが入力されると出力端子Ｑｔ 、Ｃ２。

Ｃ３，Ｃ４の順に順次シフトが行われ、また入力端子Ｃ
にクロックパルスが入力されると出力端子Ｑ４．Ｑ３．
Ｑ２．Ｑ１の順に順次シフトが行われる公知のものであ
る。

この出力端子は抵抗１７０゜１７１．１７２，１７３、
トランジスタ１７４゜１７５．１７６．１７７、逆起電
力吸収用ダイオード１７８．１７９．１８０．１８１よ
り構成されるスイッチング回路２０ｆにそれぞれ接続さ
れ、さらにこのスイッチング回路２０ｆはパルスモータ
１１の界磁コイルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に接続されて
いる。

しかして、可逆シフトレジスタ２０ｅの入力端子Ｐにク
ロックパルスが入力されると、トランジスタ１７４〜１
７７が順次導通し、パルスモータ１１の励磁コイルＣ１
，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が２相ずつ励磁されて、パルスモー
タ１１のロータが第５図図示の矢印方向に回転しバイパ
ス弁１０を開（方向に回転させる。

逆に入力端子Ｃにクロックパルスが入力されると、パル
スモータ１１は第５図図示の反矢印方向に回転してバイ
パス弁１０を閉じる方向に回転させる。

なお、制御ユニット２０およびパルスモータ１１は、エ
ンジン１のキースイッチに連動するスイッチ１５０を介
してバッテリ１５１により電力を供給されている。

上記構成において、気化器２は通常の燃料調量を行なう
もので、特別に公知の気化器と異なるところはないが、
ただ制御して得ようとする結果の空気と燃料の空燃比よ
りやや燃料が濃い状態に保たれるよう調整されており、
通常の主なる空気は気化器２を経て、これに相当する燃
料と混合気をなしエンジン１に供給される。

エンジン１が燃焼を完了した後、排気ガスは排気マニホ
ールド４、触媒コンバータ５を通して大気に放出される
カーこの排気マニホールド４の排気通路中の一部に設け
られたガスセンサ１３により空燃比が検出される。

ガスセンサ１３の出力信号は制御ユニット２０に入り混
合気が理論空燃比よりも濃いか、薄いかを判断し、濃い
状態にあるときはパルスモータ１１が補正用空気通路９
に設けたバイパス弁１０を開く方向に駆動し、薄い状態
にあるときは閉じる方向に駆動し、追加空気によって補
正を行い理論空燃比になるよう制御する。

この作動中、バイパス弁１０が全閉位置にきても混合気
が要求空燃比にならず、Ａ／Ｆ判別回路２０ａがバイパ
ス弁１０をさらに回動させ、バイパス弁１０が”行き過
ぎ″状態になることを防止するように、全閉位置センサ
１２がバイパス弁１０の全閉を検出した時はＮＡＮＤゲ
ート１５３を閉じ可逆シフトレジスタ２０ｅへのクロッ
クパルスの供給を停止して、パルスモータ１１がバイパ
ス弁１０を閉じる方向へ、駆動するのを停止する。

次にパルスモータ１１、バイパス弁１０の制御を第６図
により説明する。

気化器２で生成される混合気は種々の要因により変動す
るが、その変動に応じてガスセンサ１３は第２図に示す
ようにその起電力Ｖが変化する。

したがって、これに応じてＡ／Ｆ判別回路２０ａは第６
図Ａで示すようにｊｊ １１１もしくは゛０″レベルの
信号を出力する。

この出力信号の変化により第１トリガ回路は第６図Ｂに
示すようなトリガパルスを発生し、これによりバイナリ
−カウンタ１２０，１４４はリセットされ、Ｄラッチ回
路１４２はＡ−Ｄ変換器１４１のエンジン回路に応じた
出力を読み込む。

クロック回路２０ｃのバイナリ−カウンタ１４４はクロ
ックパルスのカウントを開始し、Ｄラッチ回路１４２で
設定される遅れ時間に対応した指定個数になるまで第６
図Ｆに示す高周波のクロックパルスを指令回路２０ｄに
伝送し、指定個数以上になると第６図Ｇに示す低周波の
クロックパルスを指令回路２０ｄに伝送する。

しかして、このクロックパルスがＡ／Ｆ判別回路２０ａ
の出力信号に応じて指令回路２０ｄによりゲート処理さ
れ、可逆シフトレジスタ２０ｅ、スイッチング回路２０
ｆを介して上記クロックパルスによりパルスモータ１１
が１駆動される。

このクロックパルスは第６図Ｆかられかるように比較的
高周波であり、Ｄラッチ回路１４２で設定されたパルス
数だけ出力され、この結果バイパス弁１１は速やかに指
定量（指定開度）だけ駆動され、バイパス弁１１の開度
は第６図Ｈの太線部のように比較的速（変化する。

ここで、上記パルス数は、空燃比信号変化時のエンジン
回転に応じたものとなり、またエンジン１の加、減速時
には加減速スイッチ１５によりコンパレータ１４３のＡ
３端子を゛１゛ルベルにして強制的に８を加算して指定
偶数が増加され、その結果遅れ時間に対応したものとな
っている。

クロックパルスが指定数カウントされると、コンパレー
タ１４３はＮＡＮＤゲート１４５を閉じ、同時にＮＡＮ
Ｄゲート１４７を開きバイナリ−カウンタ１２０を第２
トリガ回路を介してリセットし第６図Ｇに示す低周波の
クロックパルスを出力し、今度はこのクロックパルスに
よりパルスモータ１１を駆動する。

こうして、バイパス弁１０の開度は第６図Ｈの細線部の
ように変化する。

このクロックパルスによるバイパス弁１０の１駆動はＡ
／Ｆ判別回路２０ａの出力信号が変化するまで行なわれ
、Ａ／Ｆ判別回路２０ａの出力信号が反転すると、ＮＡ
ＮＤゲート１４７が閉じられＮＡＮＤゲー＋１４５が開
いて端子Ｆから再び高周波のクロックパルスが指令回路
２０ｄに入力される。

このようにして、ガスセンサ１３の出力信号の変化に同
期してパルスモータ１１を系の遅れ時間に対応した指定
量だけ速やかに１駆動し、その後比較的遅いスピードで
パルスモータ１１を１駆動する。

したがって、エンジン１０通常（定常）運転時のバイパ
ス弁１０の制御の行き過ぎ、即ちオーバーシュートが解
消され混合気の空燃比変動が小さく抑えられる。

例えば、エンジン１の低速回転領域では高周波のクロッ
クパルスで速（運転する時間が短かくなってバイパス弁
１０の駆動スピードが全体として遅（なり系の応答遅れ
時間に対応し、制御のオーバーシュートが解消され、こ
の結果オーバーシュートによる追加空気の過剰供給が防
止され空燃比変動が小さくなって、エンジン１のサージ
現象が防止される。

また、エンジン１の加、減速特等過渡時には加、減速ス
イッチ１５により高周波のクロックパルスで速（運転す
る時間が長（なってバイパス弁１０の駆動スピードが全
体として速くなり、速い空燃比変動に十分追従して空燃
比補正が行われる。

こうして、混合気の空燃比変動は小さく抑えられ、触媒
コンバータ５は高効率で排気ガスを浄化し、また自動車
のドライバビリティ−も向上する。

なお、上記実施例では吸気系の空気流量制御に適用した
が、排気係−の２次空気制御に適用しても良い。

また、遅れ時間センサとして、回転検出器１４と加減速
スイッチ１５を用いたが、他にエンジン１の吸入空気量
、スロットル開度、自動車の車速等のセンサを適用する
ようにしてもよい。

以上述べたように本発明によれば、追加空気の流量制御
において、エンジン運転の過渡時である加減速時に応答
遅れが生じることなく制御でき、また低速時においても
制御のオーバーシュートを解消でき、エンジンの広範な
運転状態に応じて追従性を向上できるという優れた効果
を奏する。

また、適切なる空燃比制御により触媒コンバータを高効
率で作用させることができ排気ガスを十分に低減でき、
ドライバビリティ−も向上できるという優れた効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図はガスセ
ンサの出力特性図、第３図は第１図図示の加減速スイッ
チの構造を示す断面構成図、第４図、第５図はそれぞれ
第１図に示した制御ユニットのブロック図、電気回路図
、第６図は作動説明に供する波形図である。 １・・・・・・エンジン、２・・・・・・気化器、３・
・・・・・吸気マニホールド、９・・・・・・補正用空
気通路、４・・・・・・排気マニホールド、２０・・・
・・・制御ユニット、１１・・・・・・駆動ユニットを
なスハルスモータ、１０・・・・・・バイパス弁、１４
，１５・・・・・・遅れ時間センサをなす回転検出器、
加減速スイッチ、１３・・・・・・ガスセンサ０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エンジンの排気系に設置され排気ガス中の成分を検
   出するガスセンサと、このガスセンサの上流におけるエ
   ンジンの吸気系もしくは排気系に空気を追加供給するた
   めの補正用空気通路と、この補正用空気通路に設置され
   この空気通路の通路面積を変えるバイパス弁と、このバ
   イパス弁を開、閉駆動する駆動ユニットとを備え、ガス
   センサの検出信号に応じて追加空気量を調整するように
   した空気流量調整装置において、追加空気により排気ガ
   ス成分が変化してから前記ガスセンサがそれを検出する
   までの遅れ時間を検出する遅れ時間センサと、前記ガス
   センサの検出信号の変化に同期して前記遅れ時間が小さ
   い程大きい量だけ速いスピードで前記駆動ユニットを駆
   動し、その後前記スピードより遅（駆動ユニットを１駆
   動する制御ユニットとを備えることを特徴とする空気流
   量調整装置。