JPS6134329A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、内燃機関の気筒内に供給する吸入空気と燃
料との混合気ア□空燃比を制御する空燃比制御装置に関
する。

〔従来の技術〕

近時、特に自動車用内燃機関における排気対策、運転性
及び燃費の向上等□の要求により、気筒に供給する混合
気の空燃比を精度よく理論空燃比に制御する空燃比制御
が行なわれており、そのための従来の空燃比制御装置と
しては、例えば１９７９年に日産自動車株式会妊で発行
された技術解説書ｒＥｃｃｓ’Ｌ系エンジν」□に記載
されているようなものがある。

このような従来の空燃比制御装置においては、例えば電
子制御燃料噴射装置（Ｅ’ＧＩ）を用いる内燃機関の場
合、吸入−気量と機関回転数とにより燃料め基本噴射量
を算出尤、それにその時の機関状態に応じて種々の増量
補正を行なうと共に、理論空燃比以外では転化率の低下
する三元触媒を有効に働かせるため、０２センサを用い
て機関排気通路内の酸素濃度を検出することによって実
際の空燃比が理論空燃比よりも濃いか薄いかを検出し、
その検出結果に応じた空燃比フィードバック補正係数に
よる補正を行なって燃料噴射量を制御することにより、
空燃比を理論空燃比に制御するようにしている。

しかしながら、このような従来の空燃比制御装置では、
殆んどの領域で混合気を理論空燃比にフィードバック制
御し、その他の空燃比に制御する必要がある時１例えば
始動時、暖機運転時、アフタアイドル時、高速高負荷運
転時等には上述のような０２センサを用いた空燃比のフ
ィードバック制御（クローズド制御）は行なわず（補正
係数を°　　　ｌに固定する）、予め記憶した燃料増量
補正係数によるオーブン制御のみを行なっていた。

（発明が解決しようとする問題点」 そのため、上述のような従来の空燃比制御装置は、理論
空燃比には精度よく制御できるが、その他の空燃比に制
御する時には１機関（エンジン）自体の性能のバラツキ
、特に燃料供給系の各部品の特性のバラツキや経時変化
等により、実際の空燃比がエンジンごとに異なったもの
となり、リッチすぎる場合は燃料を無駄に消費して燃費
の悪化゛１招き、リーンすぎる場合はエンジンの回転が
不安定になる等の不具合が生じ、運転状態によっては空
燃比制御の精度が十分とはいえない問題点があった。

この発明は、このような従来の空燃比制御装置における
問題点を解決するためになされたものであり、理論空燃
比以外の空燃比に制御する時にも、フィードバック制御
を行なって、常に高精度の空燃比制御を行なえるように
することを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

この発明による空燃比制御装置は、上記の問題点を解決
するため第１図に機能ブロック図として示すように構成
する。

すなわち１．基本の燃料供給量を決定する基本燃□、□
□１お、えゎ１ｏよ７□。。　　　１基本燃料供給量を
内燃機関Ｂの運転状態を示す１つ以上の信号によって補
正する第１の補正手段Ｃと、この第１の補正手段Ｃによ
る補正係数の変化を遅延させて伝達する遅蝉手段りと、
この遅延手段りを介し不伝達される補正係数に基いて空
燃比の目標値を決定する目標値決定手段Ｅと、内燃機関
Ｂに供給される吸入空気と燃料との混合気の空燃比を広
範囲に検出する空燃比検出手段Ｆと、該空燃比検出手段
Ｆによる検出値が目標値決定手段Ｅによって決定された
目標値と一致する＋うに。

上記第１の補正手段、Ｃによって補正された燃料供給量
をさらに補正する第２の補正手段Ｇとを備えており、こ
の第２の補正手段Ｇによｐて補正された燃料供給量で内
燃機関Ｂに燃料を供給するようにしたものである。

〔実施例〕

以下、この発明の詳細な説明するが、先ずこの発明を電
子制御燃料噴射装置ｆ（ＥａＩ）によって燃料を供給す
る内燃機関に適用また実施例の全体構成を第２図によ２
石説明する。

ＥＧＩによる燃料供給系は、第１図の基本燃料供給量決
定手段Ａに相当する基本噴射量算出部１と、第１の補正
手段Ｃに相当する各種増量補正部２と、フューエルカン
ト補正部６と、空燃比補正部４と、バッテリ電圧補正部
５と、パワートランジスタ６と１機関に取付けたインジ
ェクタ７とからなる。

そして、空燃比をフイ、−ドパツク制御するために、機
関の排気管内に取付けた酸素センサ８と空燃比検出回路
９（空燃比検出手段Ｆに相当する）と、遅延手段りに相
当する遅延回路１０と、目標値決定手段Ｅに相当する目
標値決定部１１と、空燃比補正部４と共に第２の補正手
段Ｇを構成する差動増幅器１２及び空燃比補正係数算出
部１３とを設けている。

次に、この実施例の作用を説明する。

基本噴射量決定部１は、吸入空気流量Ｑａとエンジン回
転数Ｎにより、１回転ごとの燃料の基本噴射量Ｔｐを　
Ｔｐ７Ｋ”　Ｑａ／Ｎ　（Ｋは定数）の演算帽より算出
する。

各種増量補正部２は、エンジン冷却水温Ｔｗ。

エンジン回転数Ｎ、スロットルスイッチのオン・オフ信
号等により、各種増量補正（水温増量補正。

始動及び始動後増量補正、アイドル後増韻補正。

混合比増量補正等）を行ななうための補正係数Ｋｇを決
定して、Ｔ、＝ＴｐＸＫｇ　　の補正演算を行なう。

フューエルカット補正部３は、スロットルスイッチのオ
ン・オフ、エンジン回転数Ｎ、車速マｚ等により、フュ
ーエルカット係数（フューエルカット時はＯでそれ以外
は１となる）を求め、Ｔ１に乗じてＴ２とする。

空燃比補正部４は、空燃比補正係数算出部１６によって
算出された空燃比補正係数αをＴ２に乗じてＴ３として
出力する。

バッテリ電圧補正部５は、バッテリ電圧ＶＢに応じてＴ
３を補正して燃料噴射量に応じたパルスを出力し、それ
によってパワ ートランジスタ６ｃがインジェクタ７を駆動して噴射パ
ルスＴｉのパルス幅に応じた時間だけ燃料を噴射させる
。

このインジェクタフによって噴射された燃料（例えばカ
ッリン）が吸入空気と混合され、その混合気がエンジン
の気筒内に供給されて燃焼する。

この場合の１回の燃料噴射量に相当する噴射パルスＴｉ
のパルス幅を式で示すと次のようになる。

Ｔ　ｉ　”　Ｔ　ｐ　Ｘ　（１＋Ｋ　Ｔ　Ｗ　＋　−Ｋ
　Ａ　Ｓ　十Ｋ　Ａ　Ｉ＋ＫＭＲ）ＸＫＦＣＸα＋ＴＳ ここで、Ｔｐは基本噴射量、ＫＴ’Ｗは水温増量補正係
数＋１．ＲＡＳは始動及び始動機増量補正係数ＫＡＩは
アイドル後増量補正係数、ＫＭＲは混合比補正係数、Ｋ
ＦＣはフューエルカット係数。

αは空燃比フィードバック分補正係数、ＴＳは電圧補正
量である。

そして、補正係数ＫＴＷ、ＫＡ’Ｓ、ＫＡＩはエンジン
冷却水温に応じてそれぞれ第６図に示すように変化する
。なお、・第３図中に、ＴＷ、ＲＡＳはアイドル接点が
ＯＦＦの時、ＫＴ宙’　、ＫＡＳ’はアイドル接点がＯ
Ｎの時のそれぞオＬ水温増量補　　　　　　　　′１正
係数と始動及び始動機増量補正係数を示す。

また、混合比補正係数ＫＭＲは、エンジン回転数Ｎと基
本噴射量ＴＰに対応する補正係数であり、例えば第４図
に示すように運転領域ａ、ｂ、ｃの順で補正係数ＫＭＲ
が大きくなる（一般に高速。

高負荷程大きくなる）。

これらの各種増量補正係数の決定方法は従来の空燃比制
御装置におけるのと同様である。

なお、上述の補正係数Ｋｇとしては、例えば上記補正係
数ＫＲＩＩＲ（２次元のメ°モリに記憶されている）の
みを使用してもよい途、次式によって求められる各種増
量の和を使用するのが□よい。　゛Ｋｇ＝１＋ＫＴＷ＋
ＫＡＳ＋ＫＡ工＋ＫＭＲ従って、Ｋｇが大きぐなるほど
エンジンに供給される混合気の空燃比はリッチとなる。

このようにして、エンジンに供給される混合気の空燃比
は、エンジンの運転状態に応じて補正係数Ｋｇにより応
答性よく制御されるが、これだけでは、燃料供給系部品
のバラツキ等によって、制御の精度は十分とはいえない
ので、さらに次に説明するようにフィードバック制御（
クローズド制御）される。　　　　　　　　　　　　□
エンジン排気管内に取付けた酸素センサ（空燃比センサ
）８と空燃比検出回路９によって、実際の空燃比をリッ
チ域からリーン域まで広範囲に亘って連続的に検出し、
各時点の空燃比（Ａ／Ｆ）を示す検出電圧Ｖｉを出力す
る。なお、この酸素センサ８及び空燃比検出回路９の詳
細については後述する。

ところで、各種増量補正部２による補正係数Ｋｇが、例
えば第５図（イ）に示すように大きい値から小さい値に
変化した場合、その補正によってＡ／Ｆの目標値は同図
（ロ）に示すａからｂのように変化し、燃焼室入口のＡ
／Ｆはその目標値に直ちに追従して変化する。

しかしながら、排気管内の酸素センサ８の取付部付近の
Ａ／Ｆは、第５図（ハ）に示すように遅れて変化する。

この時間遅れは、インジェクタ７が燃料を噴射してから
、その混合気が燃焼して排気が酸素センサ８に触れてセ
ンシングされる位置まで到達するのに要する時間である
。

そこで、各種補正部２によって決定された補正係数Ｋｇ
を、遅延回路１０を通して遅延させて目標値決定部１１
へ伝達する。

この遅延時間は、簡便には固定値としてもよいが、精度
を向上にするためには上述のように燃料噴射からその結
果が検出されるまでに要する実際９時間に設定するのが
望ましく、エンジンの運転状態に応じて可変に設定する
のがよい。具体的には、個々のエンジンによって、また
排気管の酸素センサ取付位置によって異なるが、エンジ
ンの所定回転数分（例えば２〜６回転）に設定すればよ
い。あるいは同じエンジン回転数でも高負荷になる程酸
素センサまでの排気の到達量は増大するので、エンジン
回転と負荷状態の両方から決定してもよい。

また、さらに酸素センサ自体側５よる検出の応答遅れも
数十ｍ５ｅｃ程度あるので、これを加味すればより実際
の値に近くなる。

目標値決定部１１は、この遅延された補正係数Ｋｇ’　
に基づいて第５図（ニ）に示すように空燃比の目標値Ｔ
Ｌを決定して、空燃比検出回路Ｓによる検出電圧Ｖｉに
対応する電圧信号として出力する。前述したようシニ、
補正係数Ｋｇは直接空燃比Ａ／Ｆと対応するので、これ
を遅延させた補正係数Ｋｇ’も空燃比検出回路９による
検出電圧Ｖｉと対応するようにレベルを合わせることに
より、空燃比の目標値ＴＬとして決定されることになる
。

このようにして、目標値決定部１１によって決定された
目標値ＴＬは、差動増幅器１２の一方の入力端子に入力
される。

差動増幅器１２は、この目標値ＴＬと空燃比検出回路Ｓ
から入力する実−の空燃比を示す検出電圧Ｖｉとの差Δ
Ｖ　（ＡＶ＝Ｖ　１−ＴＬ）を検出して出力する。

そして、空燃比補正係数算出部１２は、この差動増幅器
１２によって検出された差ΔＶを積分しで空燃比補正係
数・を算出し、１燃比補正部４へｉ出力する。

それによって、前述のように空燃比補正部４がこの空燃
比補正係数αを予め決定されていた燃料供給量に相当す
るＴ２に乗じて燃料供給量を補正する（α＝１の時は補
正なし）ことによって、実際の空燃比が目標値と一致す
るようにフィードバック制御する。

このようにして、運転条件に応じて常に適切な空燃比に
制御することができる。

なお、この装置におけるパワートランジスタ６゜インジ
エクタフ、及び酸素センサ８を除く各部はコントロール
ユニット内に設けられ、実際にはＣＰＵ、ＲＯＭ、及び
ＲＡＭ等によって構成されるマイクロコンピュータによ
って実行させることができる。

以上、この発明をＥ、ＧＩ仕様のエンジンに適用した場
合の実施例について説明したが、この発明は公知の電子
制御気化器（ＥＣＣ）仕様（日産自動車（株）発行ｒＮ
ＡＰＳ三元触媒三元触媒方式１枝７ことができる。

その場合は、エンジンの運転状態に応じた基本燃料供給
量は気化器自体で決定され，空燃比のフィードバック制
御は、気化器のメーン系統及びスロー系統に設けた空燃
比補正用エアブリードに介装されるＦＣＣフィードバッ
ク・ソレノイドバルブを用いて、空燃比Ｉｌ！１年係数
算出部によって算出された空燃比補正係数αにより燃料
供給量を増減補正することによって行なわれる。

次に、第２図における酸素セン＋１″８及び空燃比検出
回路Ｓの具体例について説明する。

先ず、酸素センサ８の構成を第６図及び第７図によって
説明すると，加熱用ヒータ２１を設けた基板２０上に、
チャンネル状の大気導入部２３を形成した大気導入板２
２を積層し、その上に、酸素イオン伝導性，の第１の固
体電解質２４を積層しており，この第１．の固体電解質
２４上に厚さＬ（Ｌ　＝０．１＋ｓｍ程度）、のスペー
サ板２５を介して第２の固体電解質２６を積層して、排
気ガスを規制して導入する幅りの隙間であるガス導入部
２７を形成している。

そして、第１の固体電解質２４の両面に，大気導入部２
３内の大気に晒され〜る電極であるセンサアノード２８
とガス導入部２７内の排気ガスに晒される電極であるセ
ンサカソード２Ｓとを対向して設け、大気導入部２３と
ガス導入部２７との間の酸素分圧比に応じた電圧を出方
する酸素分圧比検出部（以下［センサセルＳＣＪと称す
）を構成している。

また、第２の固体電解質２６の両面に、ガス導入部２７
内の排気ガスに晒される電極であるポンプカソード３０
と排気ガスに直接側される電極であるポンプアノード３
１とを対向して設け、このポンプカソード３０とポンプ
アノード３１の間に供給される電流量に応じてガス導入
部２７の酸素分圧を制御する酸素分圧制御部（以下「ポ
ンプセルＰ　ＣＪと称す）を構成している。

また、各電極２８〜３１及びヒータ２１がらは、それぞ
れリード線３２〜，３７が引き出されている。

第１．第２の固体電解質２４，２６としては、例えばＺ
　ｒ　０２　＋　Ｈｒ’０２　、　Ｔ　ｈ０２．（する
イハＢ１２０２等の酸化物ニー　Ｃ２０＋　Ｍ　ｇ　Ｏ
＋又はＹ２０２　ｖ　Ｙ　Ｂ　２０３等を固溶させた焼
結体を用い、各電極２８〜３１は白金又は金を主成分と
する。

第８図は・、この酸素センサ８を用いた空燃比検出回路
Ｓの一例を示す回路図である。

この空燃比検出回路９は、差動アンプ４０．目標電圧Ｖ
ａを発生する電圧源４１．ポンプ電流供給回路４２．抵
抗４３及びその両端電圧がらポンプ電流を検出する差動
アンプ４４によって構成されている。

そして、差動アンプ４０は、前述した酸素センサ８のセ
ンサカソード２日に対するセンサアノード２８の電位Ｖ
ｓを目標電圧Ｖａと比較して、その差Δ■（ΔＶ　−Ｖ
　ａ　−Ｖ　ｓ　）を算出する。

ポンプ電流供給回路４２は、この差動アンプ゛４０の出
力ΔＶがゼロ（’Ｖｓ＝Ｖａ）になるように、酸素セン
サ８のポンプセルＰＣにポンプ電流ｒｐを流し込む（あ
るいは流し出す）。すなわち、ΔＶが正の時はＩｐを増
やし、ΔＶが負の時はＩＰを減らす。

なお、第７図に示した酸素センサ８のポンプセルＰＣ内
でのポンプ電流による酸素イオンの移動方向は、酸素イ
オンが負斗オンであるため、工Ｒ及びＩＬで示すポンプ
電−の方向とは逆になる。

差動アンプ４４は、抵抗４３の両端間の電位差ニヨリポ
ンプ電流Ｉｐを電圧Ｖｉ（ＶｉａｃＩｐ）に変換して検
出する。なお、ポンプ電流Ｉｐは第８図に実線矢印で示
す方向を正とし、その時検出電圧Ｖｉも正になり、破線
矢印で示す逆方向の時は検出電圧Ｖｉが負になる。

そして、目標電圧Ｖａを、酸素センサ８のガス導入部２
７内の酸素濃度が所定値に維持されているとき、すなわ
ち固体電解質２４の両面間の酸素分圧比が所定値になっ
ているときにセンサカソード２日とセンサアノード２８
の間に発生される電圧Ｖｓに相当する値に設定しておく
と、この空燃比検出回路９によって検出されるポンプ電
流Ｉｐに比例した検出電圧Ｖｉは、第９図に示すように
空燃比と一意的に対応する。

したがって、この検出電圧Ｖｉによって現空燃比をリッ
チ域からリーン域まで広範囲に亘って精度よく検出する
ことができる。

第１０図は、この発明に使用する酸素センサの他の例を
示す縦断面図であり、第７図と対応するには同一符号を
付してあり、それらの説明は省略する。

この酸素センサ８′が前述の酸素センサ８と相違する点
は、第１の固体電解質２４と第２の固体電解質２６′と
を、窓孔ＳＯを設けたスペーサ板２５′を介挿して積層
゛し、閉鎖されたガス導入部２７′を形成すると共に、
第２の固体電解質２６′に透孔５１を設けて、この透孔
５１を通して排気ガスを導入２７′内へ規制しながら導
入するようにした点だけである。

このような酸素センサを使用しても、第８図に示したよ
うな空燃比検出回路によって、センサカソード２日に対
するセンサアノード２８の電位を所定値に保つようにポ
ンプアノード３１にポンプ電流を供給し、そのポンプ電
流ＩＰを電圧Ｖｉに変換して検出することにより、第９
図に示したようなＶｉ−Ａ／Ｆ特性が得られ、空燃比を
リッチ域からリーン域まで広い範囲に亘って連続的に精
度よく検出できる。

この発明に使用する酸素センサは上述した各側に限られ
るものではなく一空燃比を広範囲に検出できるものであ
ればよく、例えば特開昭５７−７６４５０号公報あるい
は特開昭５８−１５３１５５号公報等に記載されている
ような酸素センサを使用することもできる。

（７発明の効果〕 以上、実施例について説明してきたように、この発明に
よる空燃比制御装置は、内燃機関の空燃比を理論空燃比
に制御する場合に限らず、運転条件に適した目標値を設
定してフィードバック制御を行なうようにしたので、定
常及び過渡状態のいずれにおいても空燃比を常に最適値
に保つことができる。

しかも、燃料噴射量が変化した時の燃料噴射位置と酸素
センサ取付位置の差による空燃比の検出遅れ分だけフィ
ードバック制御用の目標値の変化を遅延させるようにし
たので、過渡状態におけるオーバシュート等が起るこも
なくなる。

したがって、運転状態に対して空燃比がリッチすぎて燃
費が悪化したり、あるいはリーンすぎて燃焼不良を起し
て回転が不安定になるようなことがなく、常に最適な運
転を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による空燃比制御装置の基本構成を
示す機能ブロック図。 第２図は、この発明をＥＧＩ仕様の内燃機関に適用した
実施例を示すブロック構成図、 第３図は、各種増量補正係数とエンジン冷却水温、　と
の関係を示す線図、 第４図は、混合比補正係数ＫＭＲの２次元マツプ図、 第５図は、補正係数Ｋｇの変化に対する目標空燃比及び
実際の空燃比ならびに検出電圧Ｖｉ等の変化例を示す線
図、　　　　　　　　　　　　　　　　１第６図は、第
２図における酸素センサ８の一例を示す分解斜視図。 第７図は、同じくその完成状態における電極形成部の模
式的横断面図。 第８図は、第２図における空燃比検出回路の一例を示す
ブロック回路図、 第９図は、同じくその空燃比検出回路の検出電圧と空燃
比との関係を示す線図、 第１０図は、この発明に使用する空燃比センサの他の例
を示す模式的断、面図である。　　　。 １・・・基本噴射量算出部（基本燃料供給量決定手段）
２・・・各種増量補正部（第１の補正手段）４・・空燃
比補正部（第２の補正手段）７・・・インジェクタ　　
　　８・・・空燃比センサＳ・・・空燃比検出回路　１
０・・・遅延回路（遅延手段）１１・・・目標値決定部
（目標値決定手段）１２・・・差動増幅器　１３・・・
空燃比補正係数算出部７−　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　’−−１■ ■　　　　ロ　　　　　　− 叩　　　　　　　１ 飯　　　　匡 −）ｌＩ Ｉ　　　　七Ｈ鄭　　　　　　１ ■ 電 ・　　　　　　　　１）　　　　１ 、　　　　　　　　ニ ー〇Ｉ 固　　　　　　　　　　　　弗　　　１リ　、−１ ■ 区、０Ｏ１ｎｔ１ 一　　　　　　　　　　　槻叱　　　　　　　　１味　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１゜
偏　　　　ＰＪＨｔｈ　　　　　　　　＋叩 濾）！　　ｌ、！！ＭＰＪＩ″′１１１６＋＊Ｏ１＋’
　　　　“章 第３図　　　　　　第４図 第５図 −一一中時間 第６図 第７図 第８図 □　第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　内燃機関の気筒内に供給する混合気の空燃比を制御
   する空燃比制御装置において、基本の燃料供給量を決定
   する基本燃料供給量決定手段と、機関の運転状態を示す
   １つ以上の信号により前記基本燃料供給量決定手段によ
   つて決定された基本燃料供給量を補正する第１の補正手
   段と、実際の空燃比を広範囲に検出する空燃比検出手段
   と、前記第１の補正手段による補正係数の変化を遅延さ
   せて伝達する遅延手段と、該遅延手段を介して伝達され
   る補正係数に基いて空燃比の目標値を決定する目標値決
   定手段と、前記空燃比検出手段による検出値が前記目標
   値決定手段によつて決定された目標値と一致するように
   、前記第１の補正手段によつて補正された燃料供給量を
   さらに補正する第２の補正手段とを設けたことを特徴と
   する内燃機関の空燃比制御装置。