JPS6045742A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ィードバッ
ク制御して運転性を確保し、高負荷（吸気管圧力が太）
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シ行っている。従って、
中負荷以外は開ループ制御となるため、センサやアクチ
ェータの精度や経時変化によシ、軽負荷では空燃比の過
大による失火、胃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ィードバック制御
を行うことによシ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〕

餓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はスロットルチャンバ、２は熱線式吸入空気量検出器
、３は噴射弁、４はスロットルアクチュエータ、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
ピュータ、１１は空燃火センサ７の制御回路、１２はヒ
ータ制御回路、１３は燃焼室であシ、本システムにおい
ては、空燃比をリッチ領域（λ〈１）からり一ン領域（
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で
ある。すなわち、回転数、負荷、水温等によシ制御した
い目標空燃比がマイクロコンピュータ１０で決定される
と、そのための制御信号が噴射弁３、スロットアクチュ
エータ４に出力され、吸入空気量検出器２で検出された
吸入空気量のフィードバック信号に基づき閉ループ制御
される。スロットルチャンバ１において形成された混合
気は、燃焼室１３に入って、点火プラグ５によ多点火さ
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によって実空燃比を検出し、その信号
をマイクロコンピュータ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を設けである。

第２図は第１図のマイクロコンピュータ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ＴＶ、スロットルアクチュ
エータ４からのスロットル開度信号などがあり、これら
の信号はマルテクプレツサ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
ィ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がちシ、これらは１ビツトのディ
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であシ、ＣＰＵ３３はディジタル
演算処理を行うプロセシングセントラルユニットでちり
、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。Ｉ１０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に送ったシ、ＣＰＵ３３
からの信号を噴射弁３の駆動回路３６、スロットルアク
チュエータ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／ヒシ、制御回路１１へ制御信
号１１ａを送る機能を持っている。

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
によシ得られた空気量はＱＡ、エンジン回路数をＮとす
ると、基本噴射時間Ｔ・はを演算することによってまる
。一般に基本噴射時間Ｔ、は、λ＝１となる値が採られ
ておシ、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Ｑ、よ
り決まる基本噴射量Ｔ、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
ロコンピュータのフローチャートノ一部である。なお第
４図では割込みルーチン入口よシ基本噴射量Ｔ、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、５２１２ではＴ、≧Ｔ　ａｌｌを判定し、Ｙ
　＠ｓの場合は５２２１に進み、閉ループ制御の目標値
をλ−０，８に設定し５２２４で設定値と実測値の偏差
値を計算した後、５２２５で補正量のセットを行い、ｓ
２３よシメイーンルーチンに復帰する。５２１２におけ
る判断結果がＮ、の場合は、５２１３に進んでＴ・≧Ｔ
ａａ’を判定しその判定結果がＹ６．の場合はさらに５
２２２に進み、閉ループ制御の目標値をλ；１に設定し
た後、８２２４．８２２５と進み８２３よシメイーンル
ーチンに復帰する。一方、Ｔ＆≧Ｔ、αの判断がＮｏの
場合は５２２３に進み、Ｔ、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８２３よシ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Ｔ、に対するフィードバ
ック制御の目標値λの関係を示したものである。第５図
において、Ｔ、は回転数Ｎが一定であれは、はぼ吸気管
圧力に比例するものである。

したがって、Ｔ、が大きい場合、すなわちＴ、≧Ｔ、。

の時はλ＝０．８に、Ｔ−α（Ｔａ≦Ｔａｎの範囲では
λ＝１．０．Ｔ、≦Ｔ、αの範囲ではＴ、の値に応じた
λ〉１の値になるようオープンループ制御の目標値が設
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図のフローチャートで説
明する。エンジンの始動直後、メイーンルーチンを起動
し、５６０１によシ初期値設定を行う。次に８６０２で
冷却水温ＴＶの測定を行い、ＴｗＯ値によって８６０３
で補正量の演算処理を行い、基本噴射量１゛、に重畳さ
せる。この補正演算の過程で、５６０４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８６０４よ多負荷
制御のフローチャートでＴ、≧Ｔ、αの場合は５２２１
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Ｔ。

＜Ｔ、αの場合（すなわち高負荷でない場合）はさらに
水温Ｔ７を参照し、水温Ｔ、かわる設定値ＸＣよシ低け
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Ｔ、≧ＸＣの場合はさらにＴＶの値がもう一段高い
水温設定値ＹＣと比較してＹｒよシ高ければ第４図のフ
ローチャートにおける５２１３に沿って制御し、Ｔ、＜
ＹＣの場合は５２２２に沿ったフローチャー１・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って混合気制御法を変更するフ
ローチャートを示したものでわゐ。すなわち５７０１で
エンジンの負荷状況を吸入負圧Ｐ、によってＰ、≧Ｔ　
ａＨ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Ｐ、＜Ｔ
、、の場合は部分負荷であることになるので、噴射時間
Ｔ１がある設定値Ｔ、α（負荷の割合を判別するのに使
う）よシ上、下の領域で設定空燃比の目標値をλ−１又
は負荷Ｐ、（吸入負圧）に応じてλ≧１の目標値に制御
する。したがって、Ｔ、αに対しＴ１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Ｐ、に応じた目標値に対して制
御される。

次に工／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、スロットルチャンバ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ュータ１
０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ＵＣおよびこれよシ高い温度
ＶＣの二つの設定温度に対し、排気温度Ｔ、かどとにあ
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Ｔ、≧Ｔ、αでは目標値をλ−０，９とし、
Ｔ、（Ｔ・αではλ−１，０で制御される。排気温度Ｔ
、がＵＣより低い場合は触媒の変化が少ないため、Ｔｍ
の値に応じたλ≧１の目標値に従って噴射弁の噴射時間
Ｔ、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１
１図は基本噴射時間Ｔ１に対するエンジントルクの変化
を示したものである。同図においで てＴ、が小さい領域ではλ≧１で希薄混合云々るため、
トルクの立ち上が９は小さい。しかし、Ｔ、≧Ｔ１αで
はλ＝１となシ発生トルクは急に大きくなり、運転者に
ショックを与えることになる。従って、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Ｔ
１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図に示すとと（Ｔ、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Ｔ、に対するλのセットは第１４図に示すごと
くなる。この場合の具体的なフローチャートを第１５図
に示している。ここではり一ンフラグによってヒステリ
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。具体的なフローチャートを
第１７図に示している。第１７図において、５２１４で
Ｔ、の袈化率ΔＴ、がＺより太きい、すなわち刃口速度
が大きい場合は、Ｔａの小さい領域でもλ＝１にセット
する。しかし。

Ｔ、が大きい領域ではλく１にセットされる。前述の第
５図にはλ＝０．８にセットする場合を例示したが、Ｔ
、に対してλ＝１、λ＝０．８の間で段階的あるいは連
続的にλをセッ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Ｔ、の最大値が小さくなシ、
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Ｔ　ａａ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、Ｔ、の最大値が大きくなるのでＴ、、、’ｒａ
αを増大することができる。

さらに、車重に応じてＴ　１１１１　＋　Ｔ　＋１α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め、車重が小さいときはＴ、α
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。車重が太きいときＵ、Ｔ、αヲ小さ
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。

一方、λ〉１．λ＝１．λ〈１の全領域で閉ル−プ制御
する場合　ｐ、に対して第１８図のグラフに示すととく
λがセットされているとき、λは第１９図のごとく経過
時間ｔに対し変化する。また、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。

従って、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の遅れによる
誤動作を防ぐためのフローチャートである。

第２０図において　ｐ、に応じて目標値がそれぞれ与え
られ、このλ０を一時保管する。λの変化が大きい場合
は、目標値λ。で開ル−プ制御する。この後にの値に１
プラスしてλ１を更新する。

目標値λ。の変化が小さく、Ｋの値が小さい場合も、開
ループ制御にする。しかし、Ｋの値が大きい場合は、閉
ループ制御に入る。このようにして、空燃比ヤンサ７の
信号遅れによる誤動作を防止することができる。

第２１図において　ｐ、に応じてλＯをセットとし、λ
０を記憶するとともに圧力Ｐ１、回転数ｎに対する遅れ
時間Δｔを計算する。ここで、λ０の記憶値に基づきΔ
を前の値を読み出し、λＯ′とする。このλ０′を目標
値として閉ループ行う。このようにして、空燃比センサ
７の信号遅れによる誤動作を防止することができる。

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３７０両面に
は電極３８ａ、３８ｂが設けてあり、さらにガスの拡散
抵抗となるオリフィス３９を介して拡散室４０を設けて
おる。動作原理は次の通りである。

電源Ｖよシエ、の方向に電流を流すと、酸素が拡散室４
０よシ排ガス中に固体電解質３７を通って排出される（
固体電解質のポンプ作用）。一方排ガスよりオリフィス
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１．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ｐ１拡散室４０の酸素が濃度
分圧が小さくな、！１）（１ｏ−ｓｔ気圧）通常の酸素
センサのように起電力■、（約ＩＶ）が発生する。この
１、（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に流す電流を工、の
どとく逆方向に流すと排ガスよシ拡散室４０に向って固
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、ＩＩの方向
を負とすると、Ｉ、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シ濃くなる。ここで工、
の方向に電流を流すと拡散室４０の濃度の低下はＩ、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−　”気圧近くになる。すると、
起電力■、が発生する。この起電力■、の変化によりＩ
ｐ力方向電流を切替える。

この工、の電流値と流す時間を一定にすれば、拡散室４
０には排ガス中の酸素濃度に比例した酸素が供給できる
。このため工、を一定値とすれば、■、が発生するに要
する工、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９■、の実効電流百と比例する。

第２４図はその検出特性を示したものである。

■、を流さない場合、λはλ＝１よシ■、に比ｆｉｌし
て大きくなる。Ｉ、を流すと、■、の大きさに比例して
舊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。ナな愛りち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、■、に
よシ拡散室４０内の酸素分圧を１０−１２以上にして■
、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、このようにオリフィス、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って経時変
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、
スイッチング的な動作を示す従来の０２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。従って、λ＝１
の閉ループ制御は空燃比セ／す７の経時変化による影響
を受けない。

第２５図は空燃比セ／す７の経時変化対策のフローチャ
ートでちる。第２５図において、λ＝１の閉ループ制御
域において修正量ΔＴ、がまり、噴射パルス幅Ｔ、はＴ
　ｐ　””　Ｔｖ＋ΔＴ、となシ、燃射量が修正されて
λ＝１になる。このＴ、は例えばＰａ毎に一時保管され
る。λ〉１の閉ル−プ制御でも修正量ΔＴ１２がまるっ
これによパ噴射パルス幅は、Ｔ　、２　＝　Ｔ　ｐｚｏ
＋ΔＴ、２のごとく修正される。センサ７が経時変化し
てい永い場合は、Ｔｐｚ＝Ｔｐ／λの関係を満足するこ
とが予測される。

従って、ε＝　ｌ　’ｒ、２　Ｔｐ／λ１がε０よシ小
さい場合は、空燃比セ／す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υ大きい場合は、
空燃比セ／す７の経時変化が犬きくなったので、λ＝１
以外の閉ル−プ制御を停止する。この場合、第２６図に
示すごとく、Ｔ　、２　＝　ＴＰ／λでＴ、２をめ、こ
の値をベースに燃料噴射量をめるっ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Ｔ　ｐ２　＝Ｔ、２０　（Ｔ
い／Ｔｗｏ）でノくパルス幅を、閉ループ制御域の修正
率（’ｒｐ／’ｒｐｏ）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＝Ｔ９／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／＝にλ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
めることができる。センサ７の出力信号λ′に対し、λ
２＝λｌ／にの修正を構じることによって、このλ２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、＝Ｔ、２・λ／’ｒ
ｐでｋをめることもできる。

従来開示されている、フィードバック制御の保管値Ｔ、
を用い、Ｔ　ｐ２　：＝’ｐ、／λでＴ、２をめるいわ
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、広い運転榮件において、λを正しくセ
ットすることができる。本実施例の要点、効果を要約す
ると、 （、）　λ〉１、λ−１の運転域以外に、λく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を正しくセットできるの
で燃費低減、排気浄化、運転性の向上が両立するっ （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、目標値通シに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８
ｇ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って燃
費低減、排気浄化、運転性の向上を維持できるっ 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
ス空気弁によって任意にセッ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〕

以上の説明かし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
フローチャートである。 ７・・・空燃比センサ、１０・・・マイクロコ／ビコー
−り、−りに 第　１図 竿２０ 第’７１￥１ 第８図 ／３ 第９ｍ Ｎ　−＋ 第１０口 第１１口 拓／２０ ７氏 第１３１２１１１　牟／４０ 丁と　Ｔλ 第１５凹 垢　１６図 第１ｑ図 第１ｇ口　竿／′７図 ） 第２（邑 第２２０ ＩＰ 第２３０ 第２４図 Ｕ、５　１．Ｕ　Ｌｔ　１．４ 入 第２５国 Ｃ’ａ−）　（ｂ） 第２６図 （ｃｌ）　（ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、目標空燃比入を運転状態に応じてλ〉１．λ＝１．
   λ〈１にセットし、かつ空燃比センサの出力に基づき機
   関の空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置にお
   いて、空燃比センサの遅れ特性情報を記憶する記憶手段
   を設け、この記憶手段に記憶された遅れ特性情報を参照
   してλ＝１以外の運転状態における空燃比をフィードバ
   ック制御することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装
   置。 ２、機関負荷に対する目標空燃比λの設定値を変速比に
   よって変更することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の内燃機関の空燃比制御装置。 ３、目標空燃比スの設定値を車重によって変更すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関の空
   燃比制御装置。 ４、目標空燃比λの設定値を機関最大負荷によって変更
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の内燃
   機関の空燃比制御装置。 ５　λキ１以外の領移において空燃比センサ出力による
   閉ループ制御の他にλ＝１のときの閉ループ制御時の修
   正燃料量／λで開ループ制御することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。