JPS6011216B2 - 空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエンジンの燃焼状態を検出し、燃焼状態に応じ
てエンジンに供給する混合気の空燃此を帰還制御する空
燃比制御装置に関する。

従来周知の空燃比制御装置としては例えば、酸素濃度検
出器を用いて理論空燃此付近に帰還制御するもの、或い
はエンジンの回転不調を検出して空燃比を帰還制御する
ものがある。

しかしながら、前者のものでは酸素濃度検出器は空燃此
が理論空燃此で出力が急変するので、制御は理論空燃此
付近に限られてしまう。

理論空燃比付近は、排気ガス中のＮＯ広の量が最大とな
り、そのため排気ガスの浄化には高価な３元触媒を使用
しなければならない。また酸素濃度検出器は排気ガス中
の酸素濃度を検出するため、検出遅れが大きく運転の過
渡時には正確な帰還制御がむずかしい等の欠点がある。
一方後者のエンジンの回転不調を検出する装置では、回
転不調と過渡時における加減遠の区別ができないため、
空燃比制御は開ループにしなければならないので正確な
空燃比制御ができず、運転性能の低下や排気ガスの悪化
をきたすという欠点がある。また、例えば、特関昭５１
−５４１２５号公報などに示されているように、エンジ
ンの燃焼室内におけるイオン電流を検出し、このイオン
電流発生タイミングを適正化してエンジンの燃焼動作を
最適化、例えば希薄化する方法が知られている。

しかしながら、上記公報の場合、点火トリガからイオン
電流検出器までの到達時間、つまり炎前面の平均走行時
間が設定値となるように混合気の空燃比を調整するもの
であり、その空燃比をエンジンの失火限界近くの非常に
希薄な空燃比まで適宜調整するには十分でない。そこで
本発明の目的は、上記点に鑑み、エンジンが完全燃焼し
かた杏かを判別する燃焼状態判別手段と、エンジンに与
える混合気の空燃比が理論空燃比より大きいか小さいか
を判別する空燃比判別手段とを組合せることにより、混
合気の空燃比をエンジンの失火限界近くの非常に希薄な
空燃比に制御でき、エンジン排気ガス中の有害成分を有
効に低減できる効果を発揮でき、また、空燃比が理論空
燃比より小さくなったときは常に理論空燃比より大きく
つまり希薄にして、混合気が濃過ぎて失火するといった
ことを防止し、制御系の発散を確実に防止できるように
することにある。

そのため本発明では、エンジンに取り付けられエンジン
内圧力を検出する圧力センサと、エンジン上死点及びそ
の前後のほぼ等しいクランク角度を検出する３個のクラ
ンク角センサと、前記圧力センサからの圧力信号を前記
クランク角センサの信号に従って上死点前後の所定期間
毎に積分し上死点前の第１の積分値と上死点後の第２の
積分値を比較することによってエンジンが完全燃焼した
か否かを判別する燃焼状態判別手段と、エンジンに供給
される混合気の空燃比を検出し理論空燃比より大きいか
小さいかを判別する空燃比判別手段と、前記両判別手段
からの信号が入力され、混合気の空燃比が理論空燃比よ
り小さい状態においては空燃比を大きくする方向に制御
し、かつ空燃比が理論空燃比より大きい状態においては
エンジンが完全燃焼したとき空燃比を大きくする方向に
制御し、他方エンジンが完全燃焼しないとき空燃比を小
さくする方向に制御する空燃比制御回路とを備えたこと
を特徴とする。以下本発明を図に示す一実施例につき説
明する。

第１図のブロック図において１は圧力センサでジルコン
酸チタン酸鉛磁器等からなる圧電素子を用いており、点
火プラグの座金の代わりにエンジンシリンダヘッドーこ
取り付けられている。２，３，４は上死点及びその前後
を所定の等角度で検出するクランク角センサでそれぞれ
上死点前の所定クランク角、上死点、上死点後の所定ク
ランク角を検出する。

これらのクランク角センサ２，３，４は公知の電磁ピッ
クアップ、あるいは光電式検出器を用いるものである。
５はクランク角センサ２，３，４の各出力が入力され、
後述の判別回路６のための動作タイミング信号を発生す
るタイミング制御回路である。判別回路６は圧力センサ
１の出力を上死点前及び後の所定クランク角において比
較し、燃焼状態を圧力比較によって判別し検出する。７
はエンジン１１の排気管に取り付けられた混合気の空燃
比を検出する酸素濃度検出器、８は酸素濃度検出器７の
出力を設定値と比較して空燃比が理論空燃比より大きい
か否かを判別する比較回路、９は比較回路８の出力と判
別回路６の出力とを入力として混合気の空燃比を制御す
る信号を出力する空燃比制御回路、１川まこの制御回路
９の出力に応じた空燃比となる混合気を供給する混合気
供給装置で、例えば電子制御燃料噴射装置、気化器等が
用いられる。

第２図は第１図のタイミング制御回路５、判別回路６、
比較回路８、空燃比制御回路９の電気回路を示すもので
、以下この図を用いて作動を説明する。

５ｅ，５ｆ，５ｇは各クランク角センサ２，３，４の出
力を波形成形する波形成形回路で、第３図Ｃ，Ｄ，Ｅに
示すようにそれぞれ上死点前の所定クランク角Ｗ、上死
点×、上死点後の所定クランク角Ｙにおいてパルス信号
Ｃ，Ｄ，Ｅを出力する。

５ａ，５ｂはセットリセツトフリツプフロツプ（以下Ｓ
Ｒ−ＦＦ）で、ＳＲ−ＦＦ５ａは波形成形回路５ｅの信
号Ｃでセットされ波形成形回路５ｆの信号Ｄでリセツト
され、出力端Ｑからは第３図Ｆに示す信号Ｆつまり上死
点前所定クランク角Ｗから上死点Ｘに至るパルス幅の信
号Ｆを出力する。

ＳＲ−ＦＦ５ｂは波形成形回路５ｆの信号Ｄでセットさ
れ波形成形回路５ｇの信号Ｅでリセットされ、出力端Ｑ
からは第３図Ｇに示す信号Ｇつまり上死点×から上死点
後所定クランクＹに至るパルス幅の信号Ｇを出力する。
５ｃはＳＲ−ＦＦ５ｂに接続された単安定マルチパイプ
レータで信号Ｇのパルス立下り時にトリガされ第３図日
に示す信号日を出力する。

５ｄはノアゲートで信号Ｆ，Ｇ，日が出力されている期
間は「０」レベル、他の期間は「１」レベルとなる。

判別回路６の６ａは演算増幅器で抵抗６ｂ，６ｃとで圧
力センサ１からの信号電圧を非反転増幅し第３図Ａに示
す信号Ａを出力する。

この世力信号Ａはアナログスイッチ６ｅに接続されると
共に、演算増幅器６ｂ、抵抗６ｆ，６ｇから成る反転増
幅回路６１にも接続され、信号の極性が反転され第３図
Ｂに示す信号Ｂを出力する。抵抗６ｆと６ｇは同じ値に
設定されているので、両信号Ａ，Ｂの絶対値は同一とな
る。この反転増幅回路６１の出力Ｂはアナログスイッチ
６ｈに接続されている。アナログスイッチ６ｅと６ｈは
タイミング制御回路５により、開閉タイミングを制御さ
れる。アナログスイッチ６ｈは上死点前のクランク角セ
ンサ２の出力が出てから、上死点のクランク角センサ３
の出力が出るまでの期間つまりＳＲ−ＦＦ５ａの信号Ｐ
が出力されている期間はＯＮする。この期間、抵抗６ｉ
、コンデンサ６ｊからなる積分回路６２には負の電圧の
信号８が積分される。上死点通過後、上死点後のクラン
ク角センサ４の出力が出るまでの期間つまりＳＲ−ＦＦ
５ｂの信号６が出力されている期間アナログスイッチ６
ｅが○Ｎし、積分回路６２のコンデンサ６ｉは信号Ａを
正方向に積分する。エンジンが正常に燃焼している場合
は、第３図Ａに示す信号の左側の波形のように、吸気行
程終了時のクランク角Ｖにてシリンダ内の圧力が上昇し
始め、上死点×をやや過ぎたところで最大の圧力が発生
し排気行程終了時のクランク角Ｚにて圧力が低い値とな
る。

この波形からも理解されるように一般に上死点前所定ク
ランク角Ｗにおける圧力より上死点後所定クランク角Ｙ
における圧力の方がはるかに正常の燃焼時には大きい。
反対にエンジンが失火した場合は第３図Ａの右側の波形
のようにクランク角Ｗ並びにＹにおける両圧力はほぼ等
しい値となる。従って、コンデンサ６ｊは上記のように
上死点前所定クランク角Ｗから上死点×までの期間はシ
リンダ内の圧力に応じた値の電圧を負方向に積分し、上
死点×から上死点後所定クランク角Ｙまでの期間はシリ
ンダ内の圧力に応じた値の電圧を正万向に積分するため
、エンジンが正常に燃焼しているときは、コンデンサ６
ｊの積分出力１は第３図１に示すようにクランク角Ｙに
おいては正の電圧となるが、失火した場合は略零に近い
値となる。上死点後所定クランク角Ｙの時点にはタイミ
ング制御回路５の単安定マルチパイプレータ５ｃの出力
信号日によってアナログスイッチ６ｍはオンされ、演算
増幅器６１でインピーダンス変換されたコソデンサ６ｉ
の電圧がコンデンサ６ｎにサンプリングされる。

単安定マルチパイプレータ５ｃの信号日が終了するとア
ナログスイッチ６ｍがオフし、コンデンサ６ｎにサンプ
リングされた電圧がホールドされる。その後次のクラン
ク角Ｗまでの期間はタイミング制御回路５のノアゲート
５ｄの出力は「１」レベルでありこの世力によってアナ
ログスイッチ６ｋがオンして積分回路６２がリセットさ
れる。６ｇは比較器でその比較レベルＰは正常な燃焼か
失火かを判別できる正の所定電圧に設定されており、コ
ンデンサ６ｎにホールドされた電圧Ｊと比較される。

すなわち正常に燃焼されているときは、コンデンサ６ｎ
にホールドされる電圧Ｊは第３図Ｊに示すごとく正の電
圧で失火乃至不完全燃焼の場合は略零に近い亀氏となる
ため、比較器６ｇの出力Ｋは第３図Ｋの如く正常な燃焼
が行なわれているときは「１」レベル、失火の場合は「
０」レベルとなる。

一方酸素濃度検出器７の出力Ｌは空燃比が理論空燃比よ
り少さい場合は高レベル、大きいときは低レベルとなる
。

この出力Ｌは比較回路８の比較器８ａに入力され、高レ
ベルと低レベルの間の所定レベルに設定された比較レベ
ルＲと比較される。比較器８ａは第３図のＬ，Ｍに示す
ように出力Ｌが高レベルのとき「０」レベル、低レベル
のとき「１」レベルの信号Ｍを出力する。比較器８ａの
出力信号Ｍは空燃比制御回路９のアナログスイッチ９ｅ
に入力される。アナログスイッチ９ｅは一端が判別回路
６の比較器６ｇに、他端は演算増幅器ｇａ、コンデンサ
９ｂ、抵抗９ｃ，９ｄよりなる積分回路９１に接続され
る。この積分回路９１の出力Ｎは混合気制御装置１０１
こ入力される。比較器８ａの出力が「１」レベルのとき
つまり混合気の空燃比が理論空燃比より大きい（薄い）
ときはアナログスイッチ９ｅは閉じ判別回路６の出力が
積分回路９１に入力される。

この空燃比が理論空燃比より大きい状態において、判別
回路６の比較器６ｇの出力が「１」レベルのときつまり
エンジンが正常に燃焼しているときは、積分回路９１の
出力電圧Ｎは第３図Ｎに示す如く負方向に変化つまり低
下していき、公知の混合気供給装置１０から供給される
混合気を薄くつまり空燃比を大きくする方向に作用し、
混合気の希薄化を進めエンジン排気ガス中のＮＯ広排出
量をきわめて低く抑える。そして比較器６ｇの出力が「
０」レベルのときつまりエンジンの失火乃至不完全燃焼
時は積分回路９１の出力電圧Ｎは正万向に変化つまり上
昇していき、混合気の空燃比を小さくする方向に作用し
、混合気を濃くして失火乃至不完全燃焼の発生を防止す
る。反対に、通常は理論空燃比より希薄側になるよう混
合気は制御されているが仮に混合気の空燃比が理論空燃
比より小さい（濃い）といった状態となったときは比較
回路８の出力が「０」レベルとなり、アナログスイッチ
９ｅが開かれる。

このため判別回路６の出力に関係なく積分回路９１の出
力電圧Ｎは負方向に変化つまり低下していき、空燃比を
大きくする方向に作用し、混合気を薄くして理論空燃比
より大きく（薄く）する。なお混合気供給装置１０とし
て例えば電子制御燃料噴射装置を用いた場合は、空燃比
制御回路９の積分回路９１の出力Ｎが燃料量補正を行な
う公知の乗算回路に入力され、この乗算回路は積分回路
９１の出力Ｎの電圧の値が大きくなるほど燃料量を増量
する作用を、小さくなるほど燃料量を減量する作用を果
たし、上記のとおり空燃比を制御するものである。

また混合気供孫舎装置１０として気化器を用いたときは
、例えば積分回路９１の出力が大きくなるほど補正用空
気の量を減少させるか乃至は補正用燃料の量を増大させ
て空燃辻七を小さくさせ、積分回路９１の出力が小さく
なるほど補正用空気の量を増大させるか乃至は補正用燃
料の量を減少させて空燃比を大きくさせるものである。
上記実施例においては、燃焼状態判別手段としては、エ
ンジンに取り付けられシリング内圧力を検出する圧力セ
ンサと、エンジン上死点及びその前後のほぼ等しいクラ
ンク角度を検出する３個のクランク角センサと、前記圧
力センサからの圧力信号を前記クランク角センサの信号
に従って上死点前後で積分し上死点前の積分値と上死点
後の積分値を比較することによってエンジンが完全燃焼
したか杏かを判別する判別回路とからなる構成を用いて
おり、エンジンの燃焼圧力によって完全燃焼か否かを検
出するため空燃比帰還制御の応答性はきわめてよい利点
がある。

しかしながら燃焼状態を検出するものとしては他に例え
ば各シリンダ内の燃焼温度を検出するもの、或いはエン
ジンの各排気ボートにおける排気ガスの吐出脈動の状態
を検出するものでもよく、これらのものでも空燃比を検
出する酸素濃度検出器を用いて帰還制御する場合に比べ
制御応答遅れを小さくできる。また上記燃焼状態判別手
段は多気筒エンジンの場合し、は一個のシリンダに設け
て代表して検出判別させてもよいし、各シリンダ毎に設
けるか或いは各シリンダをグループに分けグループ毎に
設けてもよく、この場合は複数の燃焼状態判別手段の信
号の論理和信号によって空燃比制御回路を作動させれば
よい。以上のように本発明の空燃比制御装置は、エンジ
ンが完全燃焼したか杏かを検出し判別する燃焼状態判別
手段と、この燃焼状態判別手段からの信号が入力され、
エンジンが完全燃焼したときは混合気の空燃比を大きく
する方向に制御しかつエンジンが完全燃焼しないときは
混合気の空燃比を小さくする方向に制御する空燃比制御
回路とより構成したことを特徴としており、混合気の空
燃比をエンジンの失火限界近くの非常に希薄な領域に制
御できエンジン排気ガス中の有害成分を有効に低減でき
る効果を持ち、応答遅れも小さく、エンジン過渡運転時
でも帰還制御できる利点をも持つ。

上記驚成に加え混合気の空燃比を検出し理論空燃此より
大きいか小さいかを判別する空燃比判別手段を設け混合
気の空燃比が理論空燃比より小さい状態においては空燃
比を大きくする方向に制御するため、制御系の発散の問
題を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
第１図に示した主要部の電気回路図、第３図は第２図に
示した各部の信号波形図である。 １……圧力センサ、２，３，４……クランク角センサ、
６・…・・判別回路、９・・・・・・空燃比制御回路、
７及び８…・・・空燃比判別手段をなす酸素濃度検出器
及び比較回路。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エンジンに取り付けられシリンダ内圧力を検出する
   圧力センサと、エンジン上死点及びその前後のほぼ等し
   いクランク角度を検出する３個のクランク角センサと、
   前記圧力センサからの圧力信号を前記クランク角センサ
   の信号に従って上死点前後の所定期間毎に積分し上死点
   前の第１の積分値と上死点後の第２の積分値を比較する
   ことによってエンジンが完全燃焼したか否かを判別する
   燃焼状態判別手段と、エンジンに供給される混合気の空
   燃比を検出し理論空燃比より大きいか小さいかを判別す
   る空燃比判別手段と、前記両判別手段からの信号が入力
   され、混合気の空燃比が理論空燃比より小さい状態にお
   いては空燃比を大きくする方向に制御し、かつ空燃比が
   理論空燃比より大きい状態においてはエンジンが完全燃
   焼したとき空燃比を大きくする方向に制御し、他方エン
   ジンが完全燃焼しないとき空燃比を小さくする方向に制
   御する空燃比制御回路とを備えたことを特徴とする空燃
   比制御装置。