JPS6321338A - 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） 本発明は、自動車等の内燃機関において、排気中の酸素
濃度に応じて吸気アクチュエータのデユーティ値を設定
し、各気筒の空燃比を均一に維持する内燃機関の空燃比
制御装置に関する。

（従来の技術） 一般に、内燃機関の負荷変動に対しては応答性良く燃料
量を制御することが必要であり、この応答性の面で燃料
噴射装置（インジェクタ）は最適である。ところで、イ
ンジェクタはその作動に伴ってメカニカルノイズを発生
するため、インジェクタの設置個数が増すほど静粛性が
悪化するという問題があった。

このようなことから、近時、単一のインジェクタによる
、いわゆるシングルポイントインジェクション（ＳＰｉ
）方式のものが採用されている。

従来のこの種のＳＰｉ方式を適用した内燃機関の燃料供
給制御装置としては、例えば実開昭６０−４１５７７号
公報に記載されたものがある。この装置では、インテー
クマニホールドの集合部に連結されたスロットルチャン
バ内にスロットル弁を設け、そのスロットル弁の上流側
に単一のインジェクタが配設される。燃料は各気筒の点
火時期に対応した噴射信号によってインジェクタから噴
射され、スロットル弁の開度に応じた吸入空気量と混合
されて混合気となる。この混合気はインテークマニホー
ルドの各ブランチを介して各気筒に供給され、点火プラ
グにより着火、燃焼する。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の内燃機関の燃料供給制
御装置にあっては、スロットル弁の上流側から気筒毎の
タイミングで燃料が噴射され、この燃料はスロットル弁
の開度に応じた各気筒共通の吸入空気量と混合されて混
合気となり、インテークマニホールドのブランチ部を介
して各気筒に供給される構成となっていたため、例えば
、スロットル弁の開度が減少するエンジンのアイドル領
域にあっては燃料の微粒化が促進され、燃料は吸気追随
して挙動する。一方、スロットル弁の開度が増加したエ
ンジンの高負荷領域にあっては吸入負圧の減少から燃料
の一部が液状化する。

このように、スロットル弁の開度に応じて燃料の特性が
変化するため、インテークマニホールドを介して各気筒
へ供給される混合気の挙動がこの特性に応じて異なった
ものとなる。したがって、低負荷域では吸気挙動の影響
、また高負荷域では、液状燃料の影響が主因となって分
配特性が不均一となり、その結果、気筒毎の空燃比が変
動して、エンジンの運転性が悪化するという問題点があ
った。

（発明の目的） そこで本発明は、排気中の酸素濃度から気筒毎の空燃比
を検出し、その検出値に基づいて吸気アクチュエータの
デユーティ値を設定することにより、気筒毎の空燃比を
均一なものとし、エンジンの運転性を向上させることを
目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明による内燃機関の空燃比制御装置は上記目的達成
のため、その基本概念図を第１図に示すように、エンジ
ンの運転状態を検出する運転状態検出手段ａと、エンジ
ンのクランク角を検出するクランク角検出手段すと、排
気中の酸素濃度を検出する酸素センサＣと、クランク角
検出手段すおよび酸素センサＣの出力に基づいて各気筒
の空燃比を判別する空燃比判別手段ｄと、空燃比判別手
段ｄの出力に基づいて各気筒の空燃比が均一となるよう
に１燃焼サイクルに複数回駆動する吸気アクチュエータ
の駆動デユーティ値を設定するデユーティ設定手段ｅと
、エンジンの運転状態に基づいて１燃焼サイクルにエン
ジンに供給する燃料供給量を演算し、気筒毎のタイミン
グで供給信号を出力する供給量決定手段ｆと、供給量決
定手段ｆからの供給信号に基づいて気筒毎の供給タイミ
ングで吸気マニホールドの上流側に燃料を供給する燃料
供給手段ｇと、デユーティ設定手段ｅの出力に基づいて
吸気マニホールド上流側の吸入空気量を操作する吸気ア
クチュエータｈと、を備えている。

（作用） 本発明では、排気中の酸素濃度から検出された空燃比と
クランク角度により気筒毎の空燃比が求められ、これに
基づいて各気筒の空燃比が均一になるように気筒毎の吸
入空気量が補正される。したがって、各気筒への混合気
の分配が均一となり、エンジンの運転性が向上する。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜９図は本発明の第１実施例を示す図であり、本発
明をシングルポイントインジェクション（ＳＰｉ）方式
の４気筒エンジンに適用した例である。

まず、構成を説明する。第２図において、■はエンジン
であり、吸入空気はエアクリーナ２からスロットルチャ
ンバ３を経て、ヒータ制御信号Ｓ□により０Ｎ１０ＦＦ
するＰＴＣヒータ４で加熱された後、インテークマニホ
ールド５の各ブランチより各気筒に供給され、燃料は噴
射信号Ｓｔ＋４こ基づきスロットル弁６の上流側に設け
られた単一のインジェクタ（燃料供給手段）７により噴
射される。

各気筒には点火プラグ１０が装着されており、点火プラ
グ１０にはディストリビュータ１１を介して点火コイル
１２からの高圧パルスＰＵＬＳＥが供給される。気筒内
の混合気は高圧パルスＰＵＬＳＥによる点火プラグ１０
の放電によって着火、爆発し、排気となって排気管１４
を通して触媒コンバータ１５で排気中の有害成分（Ｃｏ
、ＨＣ，Ｎ０ｘ）を触媒により清浄化してマフラ１６か
ら排出される。

ここで、吸入空気の流れはスロットルチャンバ３内のア
クセルペダルに連動するスロットル弁６により制御され
るとともに、バイパス通路２０内の開度信号５ＩＳＣに
より作動する吸気アクチュエータ（以下、ＩＳＣバルブ
：　Ｉｄｌｅ　５ｐｅｅｄ　ＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ
　　：アイドル制御弁）２１によっても制御される。

また、各気筒の吸気ポート近傍にはスワールコントロー
ル弁２２が配設されており、スワールコントロール弁２
２はロッド２３を介してサーボダイヤフラム２４に連結
される。サーボダイヤフラム２４には電磁弁２５から所
定の制御負圧が導かれており、電磁弁２５にはスワール
制御信号ｓ　ｓｃｖが入力され、電磁弁２５はこの信号
に基づいてインテークマニホールド５から供給される負
圧を大気に漏出（リーク）することによって、サーボダ
イヤフラム２４に導入する制御負圧を連続的に可変する
。サーボダイヤフラム２４はこの制御負圧に応動し、ロ
ッド２３を介してスワールコントロール弁２２の開度を
調整する。

スロットル弁６の開度ＴＶＯはスロットルセンサ３０に
より検出され、冷却水の温度Ｔｗは水温センサ３１によ
り検出される。また、エンジンのクランク角度はディス
トリビュータ１１に内蔵されたクランク角センサ３２に
より検出され、気筒判別信号（ＲＥＦ信号）およびクラ
ンク角信号（ＰＯ３信号）を出力する。ＲＥＦ信号は１
８０°毎に１つ変化するパルス信号であり、そのパルス
幅（立上りから立下りまでのクランク角度）は気筒毎に
異なる。一方、ＰＯ８信号は所定のクランク角度毎（例
えば、２°）に立上りまたは立下りを有するパルスであ
り、このパルスを計数することによりエンジン回転数Ｎ
を知ることができる。

なお、上記スロットルセンサ３０およびクランク角セン
サ３２は一体として運転状態検出手段の機能を有すると
ともにクランク角センサ３２はクランク角検出手段とし
ての機能も有する。

排気管１４には酸素センサ３３が取り付けられており、
酸素センサ３３は空燃比検出回路３４に接続される。空
燃比検出回路３４は酸素センサ３３にポンプ電流を供給
するとともに、このポンプ電流の値から排気中の酸素濃
度がリッチからリーンまで広範囲に亘って検出される。

この酸素濃度は空燃比と一義的に対応しており、空燃比
検出回路３４から空燃比信号１ｐとして出力される。

一方、変速機の操作位置は位置センサ３６により検出さ
れ、車両の速度Ｓ　ＶＳＦは車速センサ３７により検出
される。また、エアコンデッショナの作動はエアコンス
イッチ３８により検出され、パワステアリングの作動は
パワステ検出スイッチ３９により検出される。

上記各センサ３０．３１．３２．３４．３６．３７．３
８．３９からの信号はコントロールユニット５０に入力
されており、コントロールユニット５０はこれらのセン
サ情報に基づいてエンジンの燃焼制御（燃料供給制御、
点火時期制御等）を行う。

すなわち、コントロールユニット５０は空燃比判別手段
、デユーティ設定手段および供給量決定手段としての機
能を有し、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３および
Ｉ１０ポート５４により構成される。

ＣＰ　Ｕ５１はＲＯＭ５２に書き込まれているプログラ
ムに従ってＩ１０ポート５４より必要とする外部データ
を取り込んだり、またＲＡＭ５３との間でデータの授受
を行ったりしながらエンジンの燃焼制御に必要な処理値
を演算し、必要に応じて処理したデータをＩ１０ボート
５４へ出力する。Ｉ１０ポート５４には上記各センサ３
０．３１．３２．３４．３６．３７．３８．３９からの
信号が入力されるとともに、Ｉ１０ボート５４からは前
記各信号ＳＴｉ、５ｌｓｃ　−、５ＩＧＮ、Ｓ、。Ｖ　
、ＳＨが出力される。ＲＯＭ５２はＣＰＵ５１における
演算プログラムを格納しており、ＲＡＭ５３はその一部
が不揮発性メモリからなり、演算に使用するデータをマ
ツプ等の形で記憶している。

したがって、エンジン停止後もその記憶内容が保持され
る。

次に、作用を説明するが、最初に空気流量の算出システ
ムについて説明する。

本実施例では空気流量の検出に際して従来のようなエア
フローメータ等を設けておらず、スロットル開度ＴＶＯ
およびエンジン回転数Ｎをパラメータとしてインジェク
タ７部をｌｌ遇する空気量Ｑ＾Ｉ□（以下、インジェク
タ空気量という）を算出するという方式（以下、単にα
−Ｎシステムという）を採っている。

このようなα−Ｎシステムによってインジェクタ空気量
Ｑ　Ａ　ｒ　ｎ　＝を算出しているのは、次のような理
由による。

すなわち、上記従来のセンサによると、（イ）吸気脈動
によるセンサ出力の変動が大きく、これは燃料の噴射量
の変動を引き起こし、トルク変動を生じさせる、 （ロ）センサの応答性の面で過渡時に検出誤差が大きく
なる、 （ハ）上記センサはコストが比較的高い、という面があ
るためで、本実施例ではかかる観点から低コストで応答
性、検出精度に優れたα−Ｎシステムを採用している。

また、特にＳＰｉ方式のエンジンにあっては、このα−
Ｎシステムを採用することで、空燃比の制御精度が格段
と高められる。

以下、本システムによるインジェクタ空気量Ｑ４．７Ｊ
の算出を説明する。

第３図はシリンダ空気量ＱＡｃｙ、の算出プログラムを
示すフローチャートである。まず、ＰｏでＱＡｃｙ１′
に移し、Ｐ、で必要なデータ、すなわちスロットル開度
ＴＶＯ１ＩＳＣバルブ２１への開度信号５ＩＳＣのデユ
ーティ　（以下、ＩＳＯデユーティという）Ｄ＋ｓｃ、
エンジン回転数Ｎを読み込む。

次いで、Ｐ２でスロットル開度ＴＶＯに基づいてスロッ
トル弁６が装着されている部分における流路面積（以下
、スロットル弁流路面積という）ＡＴＶＯを算出する。

これは、例えば第４図に示すテーブルマツプから該当す
るＡαの値をルックアップして求める。Ｐ３では同様に
■ＳＣデユーティＩ）＋ｓｃに基づき第５図のテーブル
マツプからバイパス路面積Ａ、を算出し、Ｐ４で次式■
に従って総流路面積Ａを求める。

Ａ　＝　Ａ　Ｔ　Ｖ　Ｏ＋　Ａ　ｌｌ　　・・・・・・
■次いで、Ｐ５で定常空気量Ｑ□を算出する。この算出
は、まず総流路面積Ａをエンジン回転数Ｎで除してＡ／
Ｎを求め、このＡ／Ｎとエンジン回転数Ｎをパラメータ
とする第６図に示すようなテ−プルマツプから該当する
定常空気量Ｑ、の値をルックアップして行う。

次いで、Ｐ６でＡ、Ｎをパラメータとして第７図に示す
テーブルマツプからインテークマニホールド５の容積を
考慮した遅れ係数Ｋをルックアップし、Ｐ７で次式〇に
従ってシリンダ空気量ＱＡｃｙ１を算出しルーチンを終
了する。

ＱＡｃｙｔ＝ＱＡｃｙｔ’　Ｘ　（Ｉ　　Ｋ２＞　十Ｑ
ｕ　ＸＫ２・・・・・・■ 但し、ＱＡｃｙ１′：前回の値 このようにして求めたシリンダ空気量ＱＡｃｙＬは、例
えば吸気ボート近傍に燃料を噴射するＥＧｉ方式の機関
にはそのまま適用することができる。しかし、本実施例
はＳＰｉ方式であるから、インジェクタ空気量ＱＡ８ア
４を求める必要があり、この算出を第８図に示すプログ
ラムで行っている。同プログラムでは、まず、Ｐ、で次
式■に従って吸気管内空気変化量ＤＣＭを求める。この
ＤＣＭはシリンダ空気量ＱＡｃｙ、に対して過渡時にス
ロットルチャンバ３内の空気を圧力変化させるための空
気量を意味している。

ＤＣＭ＝ＫＭＡＮｉ　ＦＸ （ＱＡｃｙ【−ＱＡＣｙｔ′）／Ｎ・・・・・・■■式
において、ＫＭＡＮｉ　Ｆはインテークマニホールド５
の容積に応じて決定される定数であり、エンジン１の機
種等に応じて最適値が選定される。

次いで、Ｐ、□で次式■に従ってインジェクタ空気量Ｑ
　Ａ　ｉ　ｎ　ｊを算出する。

ｑＡ、、ｌｊ＝　ＱＡｃｙｔ　＋　Ｄ　ＣＭ　　−−■
このようにして求めたＱＡｉ、、ｊはスロットル弁開度
ＴＶＯを情報パラメータの一つとしていることから応答
性が極めて高く、また実験データに基づくテーブルマツ
プによって算出しているので、実際の値と正確に相関し
検出精度が高い（分解能が高い）。さらに、既設のセン
サ情報を利用し、マイクロコンピュータによるソフトの
対応のみでよいから低コストなものとなる。特に、ＳＰ
ｉ方式のようにスロットルチャンバ３の上流側で燃料を
噴射するタイプに適用することは極めて好都合である。

次に本題である問題点解決の作用について述べる。

一般に、シングルインジェクション（ＳＰｉ）方式等に
代表されるような燃料を一個所から供給して各気筒に分
配するタイプのものにあっては、その分配に伴う各気筒
の空燃比を均一に保つことが要求される。すなわち、各
気筒に供給される混合気の空燃比は、インジェクタから
噴射される燃料の量とスロットル弁の開度に応じた吸入
空気の量により決定される。

また、スロットル弁によって制御された空気の量は各気
筒に共通のものであり、さらに、燃料の状態はスロット
ル弁の開度により、微粒化状態から一部液状化状態まで
その特性が変化する。したがって、インテークマニホー
ルドの各ブランチ部の形状の相違から各気筒への燃料の
分配特性が不均一となり、空燃比が変動してエンジンの
運転性が悪化する。

そこで本実施例では、分配特性の悪化は各気筒の空燃比
の変動として表われることに着目し、排気中の酸素濃度
から気筒毎の空燃比を検出し、その検出値に基づいて各
気筒の吸入空気量を補正することで、気筒毎の空燃比（
すなわち分配特性）を均一なものとしている。

第９図は上記基本原理に基づく空燃比制御プログラムの
フローチャートである。まず、Ｐ２Ｉで現在のクランク
角度における空燃比信号Ｔｐを読込み、クランク角度に
対応したＲＡＭ５３内の所定アドレスに格納する。

次いで、Ｐ２□でクランク角度の累計が７２０°となっ
たとき、すなわち、エンジンの１燃焼サイクルを経過し
たとき、ＲＡＭ５３内に格納している１燃焼サイクル分
の空燃比信号Ｉｐを読出して、これの合計値を求め、さ
らにこの合計値をクランク角度の単位角度（例えば、２
°）で除して、１燃焼サイクル当りの空燃比平均値Ｉｐ
ａｖを求める。

次いで、ｐｚ３では、例えば気筒判別信号（ＲＥＦ信号
）が入力したときの空燃比信号１ｐが、その気筒の空燃
比１ｐｊ（ｊは気筒番号）としてＲＡＭ５３内の所定ア
ドレスに格納される。（第１０図（ａ）、（ｂ）参照）
。すなわち、ＲＡ　Ｍ５３内には気筒数分の格納エリア
が確保されており、仮に気筒判別信号が＃１気筒であれ
ば、そのときの空燃比信号１ｐはＩｐ＋　として＃１気
筒用の格納エリアに格納される。

ＰＩ３では気筒毎の補正ＩＳＣパルス幅Ｔ　１ｓｃｊ（
ｊは気筒番号）を、次式〇に従って演算する。

Ｔｉ５ｃｊ＝ｆ、（Ｔｐｊ　−１ｐａｖ）　　−−■す
なわち、各気筒の空燃比１ｐｊのそれぞれ（ｉｐ＋　、
Ｉｐｚ・・・・・・Ｉｐ、、）が示す値は、各気筒に吸
入される空気量の分配パターンを表している。したがっ
て、この分配パターンに基づいて各気筒の空気量を補正
することにより、空燃比の均一化を図ることができる。

また、空燃比Ｉｐｊ　と空燃比平均値１ｐａｖの差をと
った理由は、例えば失火等による他の気筒の異常運転時
を考慮したものである。

なお、各気筒の補正ＩＳＣパルス幅Ｔ　１ｓｃｊは、次
式〇に示すように１燃焼サイクルの合計値が気筒数−ｍ
となるように、それぞれが設定される。

’Ｅ、　ｆｘ　　（Ｉｐｊ　−１ｐａｖ）　＝ｍ　　　
−−・・−■次いで、Ｐ２Ｓで所定の運転条件（例えば
アイドル運転）に基づいた基本ＩＳＣパルス幅Ｔ　ｉｓ
ｃをルックアップするとともに、次式〇に従って各気筒
のＩＳＣパルス幅Ｔｉ５ｃｋを演算する。

Ｔｉ５ｃｋ＝ＴｉｓｃｊＸＴｉｓｃ　　＋＋＋＋■但し
、ｋ：駆動順序 このようにして求められた■ＳＣパルス幅Ｔｉ５ｃｋに
基づき、図示しないメインルーチンプログラムから開度
信号Ｓ＋ｓｃがＩＳＣバルブ２１に出力される。これに
より、ＩＳＣパルプ２１が開度信号５ＩＳＣのデユーテ
ィ値に応じて開弁し、スロ・ノトル弁６の下流側にその
気筒の空燃比に対応した補正空気量を供給する。したが
って、気筒毎に適宜必要な補正空気量が供給されること
となって、分配特性が均一なものとなる。その結果、気
筒毎の空燃比が適切に制御されて、空燃比の均一化が図
られる。

（効果） 本発明によれば、排気中の酸素濃度から気筒毎の空燃比
を検出して、吸気アクチュエータのデユーティ値を設定
しているので、気筒毎の空燃比を均一なものとでき、エ
ンジンの運転性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜１０図は本発明の
一実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第
３図はそのシリンダ空気量ＱＡｃｙＬの算出プログラム
を示すフローチャート、第４図はそのスロットル弁流路
面積ＡＴＶＯのテーブルマツプ、第５図はそのバイパス
路面積ＡＢのテーブルマツプ、第６図は総流路面積Ａを
エンジン回転数Ｎで除したＡ／Ｎとエンジン回転数Ｎと
をパラメータとする定常空気量ＱＨのテーブルマツプ、
第７図はその遅れ係数に２のテーブルマツプ、第８図は
そのインジェクタ空気量ＱＡｔ、、ｊの算出プログラム
を示すフローチャート、第９図はその空燃比制御プログ
ラムを示すフローチャート、第１０図（ａ）はその気筒
判別信号のタイミングチャート、第１０図（ｂ）はその
酸素センサ出力のタイミングチャートである。 ７・・・・・・インジェクタ（燃料供給手段）、２１・
・・・・・吸気アクチュエータ、３０・・・・・・スロ
ットルセンサ（運転状態検出手段）、３２・・・・・・
クランク角センサ（運転状態検出手段、クランク角検出
手段）、 ３３・・・・・・酸素センサ、 ５０・・・・・・コントロールユニット（空燃比判別手
段、デユーティ設定手段、供給量決定手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と
   、 ｂ）エンジンのクランク角を検出するクランク角検出手
   段と、 ｃ）排気中の酸素濃度を検出する酸素センサと、ｄ）ク
   ランク角検出手段および酸素センサの出力に基づいて各
   気筒の空燃比を判別する空燃比判別手段と、 ｅ）空燃比判別手段の出力に基づいて各気筒の空燃比が
   均一となるように１燃焼サイクルに複数回駆動する吸気
   アクチュエータの駆動デューティ値を設定するデューテ
   ィ設定手段と、 ｆ）エンジンの運転状態に基づいて１燃焼サイクルにエ
   ンジンに供給する燃料供給量を演算し、気筒毎のタイミ
   ングで供給信号を出力する供給量決定手段と、 ｇ）供給量決定手段からの供給信号に基づいて気筒毎の
   供給タイミングで吸気マニホールドの上流側に燃料を供
   給する燃料供給手段と、 ｈ）デューティ設定手段の出力に基づいて吸気マニホー
   ルド上流側の吸入空気量を操作する吸気アクチュエータ
   と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。