WO2005119037A1

WO2005119037A1 - 内燃機関における空燃比制御装置及び空燃比制御方法

Info

Publication number: WO2005119037A1
Application number: PCT/JP2005/010031
Authority: WO
Inventors: Shigeru Yamazaki; Kunihiko Hayakawa; Koon Chul Yang
Original assignee: Mikuni Corporation
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2005-12-15
Also published as: JP2005344621A

Abstract

　同一の空燃比状態が継続した場合に、素早く空燃比がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転させることにより触媒装置による排気ガスの浄化能力を最大限に維持させる。　排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて、前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御を行うことにより前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する制御装置においてと、前記空燃比制御において前記酸素センサの二値信号が所定のエンジンサイクル数を超えてリッチ状態又はリーン状態が連続した場合には前記補正量を増大させる。

Description

明細書

内燃機関における空燃比制御装置及び空燃比制御方法

技術分野

[0001] 本発明は、内燃機関から排出された排気ガス中の酸素濃度の測定結果に基づいてエンジンに供給される空気量に対する燃料の含有比率を制御するようにした空燃比制御に関する。

背景技術

[0002] 地球温暖化防止等の近年における地球環境を保護する必要性から、二輪車を含む自動車等の内燃機関（以下、適宜「エンジン」、う）における最重要課題として、エンジンの燃焼効率 (燃費)の向上と排気ガス中の有害成分の低減が挙げられる。

[0003] エンジンの燃焼効率 (燃費)を向上させるためには、燃料を完全燃焼させる必要がある。一方、排気ガスに含まれる CO (—酸ィ匕炭素）、 HC (炭化水素）、 NOx (窒素酸化物)等の各種有害成分をバランスよく低減させるためには、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を最適化する必要がある。特に、エンジンへの燃料噴射を電子制御する電子式燃料噴射制御方式にお!ヽては、車両の運転状況に応じてエンジンへの燃料噴射量を精緻に自動制御できることから、空燃比の最適化制御が可能になったのである。

[0004] 一方、エンジン力排出される排気ガスを浄ィ匕するためには、多くの場合触媒装置が使用される。排気ガス浄ィ匕のための触媒としては、排気ガス中の CO (—酸化炭素) 、 HC (炭化水素)及び NOx (窒素酸化物）を同時に高！ヽ浄ィヒ率で浄ィヒすることが可能な三元触媒が使用されている。

[0005] 三元触媒の効果を最大限に発揮させるためには、空燃比を所定値 (理論空燃比）に維持する必要があることから、エンジンに供給する燃料ガスの正確な空燃比制御が必要となる。

[0006] 一般に、燃料ガス中の酸素濃度が低い時、即ち燃料が濃く酸素が不足している状態 (リッチ状態)の時には、排気ガス中に一酸ィ匕炭素 (CO)や炭化水素 (HC)が増加して燃費の低下と大気汚染の原因となる。これとは逆に、混合燃料ガス中の酸素濃度が高い時、即ち燃料が薄くて酸素が過剰の状態 (リーン状態)の時には、余分な酸素によって窒素酸化物 (NOx)が増加し、やはり大気汚染の原因となる。

[0007] このため、従来から、排気ガス中の酸素濃度を検知し、排気ガス中の酸素濃度が最適になるように、すなわち、エンジンの吸気側では燃料ガスが理論空燃比になるように、燃料ガスの空燃比を制御することが行われてきた。

[0008] 排気ガス中の酸素濃度は、排気経路に設置された酸素センサを用いて検知することになるが、この酸素センサは、燃焼ガス中の空燃比が適正値であった力否かを検知することになることから空燃比センサとも呼ばれている。

[0009] 空燃比センサとして使用する酸素センサの多くは、上記した理論空燃比においてその出力信号の電圧値が急激に変化する特性を有するように設計されている。この特性を利用して、エンジンの燃料噴射制御や点火時期制御等を司る ECU (Electric Control Unit)は、酸素センサの出力信号に基づいて燃料ガスが理論空燃比よりも濃いか薄いかを判定し、濃い場合は燃料に対する供給空気量を増加させ、薄い場合は燃料に対する供給空気量を減少させるフィードバック補正制御 (以下、 ΓΟフィードバ

2 ック制御」という)をしている。

[0010] 尚、 4サイクルエンジンは、吸気行程、圧縮行程、爆発行程 (燃焼行程)及び排気行程の 4つの行程を有し、エンジンの排気ガス経路を流れる排気ガス中の圧力と酸素濃度は常に変動していることから、 ECUは排気行程において排気ガス力排気ガス経路内に設置された酸素センサの設置箇所を通過するタイミングで酸素センサの出力をサンプリングして上記した空燃比制御を行うようにして、る。

[0011] ところで、二輪車や四輪車等の車両は、頻繁に加速又は減速を繰り返して運転される。このような車両の急激な加速又は減速が生じその加速状態や減速状態が続ヽた場合にはエンジンへの燃料供給量と吸気量の変動時間が継続する。このような時に、 Oフィードバック制御でエンジンへの燃料供給量を一定の補正量だけ増大又は

2

減少させても、酸素線センサの出力がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転せずに、同一の空燃比状態のエンジンサイクルが長く続くこととなる。その結果、この間は三元触媒装置による排気ガス中の有害ガスの浄化機能が低下することとなる。 [0012] このため、第 1の従来技術は、空燃比を理論空燃比に制御する理論空燃比制御と、空燃比を理論空燃比より希薄側に制御するリーン制御とをエンジンの運転状態において切り換えると共に、理論空燃比を境に反転した信号と理論空燃比より希薄域で排気ガス中の残留酸素濃度に比例した信号とを運転状態に応じて切り換えて出力させ、この出力信号に基づいて空燃比をフィードバック制御するための補正係数を定め、この補正係数を用いたフィードバック制御とこの補正係数を用いな、オープンループ制御とを運転状態に応じて切り換えるようにした空燃比制御を行ってヽる (特許文献 1)。

[0013] また、第 2の従来技術は、エンジンの冷却水温度を検知し、予め設定した基本燃料噴射量と実負荷燃料噴射量の差と冷却水温度とに基づヽて目標空燃比を定めこの目標空燃比に基づヽて空燃比制御を行うようにしてヽる (特許文献 2)。

特許文献 1：特公平 6— 58080号公報

特許文献 2：特公平 8 - 23326号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0014] しかし、上記第 1の従来技術の空燃比制御においては、予め用意されている複数の空燃比制御のパターンをエンジンの運転状態に応じて切り換えて使用するものであり、エンジンの運転状況に応じてその性能を最大限に発揮させるためのものであり

、排気ガス中の有害ガスを低下させる観点において劣る。また、ここで使用する酸素センサは、酸素濃度に応じてその出力値がアナログ値を示す比例出力タイプのものであることから、複数の空燃比制御パターンの切り替えと相俟って、その制御が複雑となり高コストとならざるを得ない。

[0015] また、上記第 2の従来技術に係る空燃比制御装置は、空燃比の制御に酸素センサの出力信号のみならず冷却水の温度に基づいて空燃比制御をするものであり、ェンジンの温度変動に拘らず燃焼安定ィ匕には寄与するものの、空燃比制御が複雑であり高コストとなる。

[0016] 本発明は、斯カゝる従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、空燃比制御を複雑ィ匕させることなぐ車両の急激な加速又は減速時におけるエンジンへの燃料供給量と吸気量が大きく変動した際に生じる同一の空燃比状態が継続した場合に、素早く空燃比がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転させることにより、三元触媒装置による排気ガスの浄ィ匕能力を最大限に維持させるようにした空燃比制御を実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0017] このため、本発明は、排気ガス浄ィ匕のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比 (以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越える力否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて、前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御を行うことにより前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記空燃比制御において前記酸素センサの二値信号が所定のエンジンサイクル数を超えてリッチ状態又はリーン状態が連続した場合には前記所定の補正量を増大させることを特徴とする空燃比制御装置を提供するものである。

[0018] ここで、前記制御装置は、前記空燃比制御にぉ、て、前記二値信号が変化した時に当該変化後の空燃比の状態を変転させるために空燃比制御量を大きくする比例制御を含むのである。

[0019] そして、前記所定のエンジンサイクル数は、少なくとも 3以上に設定される。また、前記所定の補正量の増大は、当該リッチ状態又はリーン状態が連続している時に 1回のみ行われる。

[0020] ところで、前記所定の補正量の増大は、最大で前記補正量の通常値の 150%に設定する。また、前記空燃比の制御は、燃料噴射量を増減することにより行われるのである。

[0021] 本発明は、さら〖こ、排気ガス浄ィ匕のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比 (以下、「空燃比」ヽぅ）を制御する空燃比制御方法であって、排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越える力否かを示す二値信号に基づいて前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させることにより、前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する空燃比制御行程において、前記二値信号の状態を監視して、前記二値信号がリッチ状態からリーン状態に又はリーン状態力もリッチ状態にその空燃比状態が変化したときにカウンタをスタートさせる行程と、前記変化した空燃比状態が次のェンジンサイクルにおいても当該空燃比状態を維持した場合に前記カウンタをインクリメントする行程と、前記インクリメントされたカウンタの計数値が予め設定されたサイクル数に達した否カゝを監視する行程と、前記カウンタの計数値が予め設定されたサイクル数に達した場合には、当該空燃比の状態を他方の状態に変転させるために前記所定の補正量を増大させる行程との各行程を含むことにより、前記空燃比が一方の状態力他方の状態に変転するまでのエンジンサイクル数を縮減することを特徴とする空燃比制御方法を提供するものである。

発明の効果

[0022] これにより、本発明は、車両の急激な加速又は減速時におけるエンジンへの燃料供給量と吸気量が大きく変動した際に生じる同一の空燃比状態が継続した場合に、素早く空燃比がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転させることにより、三元触媒装置による排気ガスの浄ィ匕能力を最大限に維持させるようにした空燃比制御を実現したのである。

[0023] また、本発明においては、制御をことさらに複雑ィ匕させることないので、空燃比制御の長期安定ィ匕を実現すると共に、制御の低コストィ匕を実現したのである。

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

[0025] 図 1は、本発明の実施形態に係る内燃機関における空燃比制御装置を含む単気筒 4サイクルエンジンの全体構成の例を示す。

図 1に示す全体構成の例において、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置及び排気ガス浄ィ匕装置は、エンジン 1に供給される燃料ガスの空燃比を最適化するための空燃比制御手段を含む制御装置 (ECU) 2と、エンジン 1から排出される排気ガスをマフラー 4に導く排気管 3と、排気管 3内において排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ 5と、マフラー 4内に設置されて外気に放出される前に排気ガスを浄化するため触媒装置 (以下、適宜「触媒」という） 6とにより構成され、エンジン 1に燃料を供給する燃料タンク 7と、エンジン 1に供給する空気量を調節する吸気スロットル 8 及びアイドル 'スピード 'コントロール装置（以下、「ISC」という） 19と、エンジン 1のクランク軸の回転角を検知するクランク回転角センサ 15とに関連する。

[0026] 図 1に示すように、酸素センサ 5は、マフラー 4内の触媒 6の入口近傍に設置するが、マフラーに接続される排気管 3に設置するようにしても良、。

[0027] 以下、図 1に示すエンジンの全体構成図の例を簡単に説明する。

最初に、エンジンの吸気行程において、エンジン 1の燃焼室（シリンダ又は気筒） 10 には、エアフィルタ 9により濾過されて塵や埃が除去された空気 (外気中の空気）が、燃焼室 10内のピストンの下降動作によって生じる負圧により供給される。このとき、吸気弁 17は開かれている。そして、吸引される空気供給量は、 ISC19によって制御される。これによつて決められた空気量に見合う推定燃料量を噴射する燃料噴射制御が行われるのである。

[0028] 一方、エンジン 1の燃焼室への空気の供給と同時に、インジェクタ 13の注入口から燃料が注入される。これによつて、燃焼室 10内に引き込まれる空気中に燃料が噴射された燃料ガスとなる。燃料は、燃料を貯蔵する貯蔵燃料タンク 7から燃料供給パイプ 16を経由してインジェクタ 13に供給される。インジェクタ 13から供給される燃料噴射量は、制御装置 (ECU) 2からの燃料供給指示パルス信号のパルス幅に応じて噴射動作するインジェクタ 13の燃料噴射時間により調節される。このようにして、供給空気量に対する燃料の含有比率である空燃比が制御される。エンジンの加速時にお!ヽては、空燃比を小さく（リッチ状態)なるように制御し、エンジンの定常走行時においては空燃比を大きく（リーン状態)なるように制御する。

[0029] 次に、エンジンの圧縮行程において、燃焼室 10内に供給される空気と燃料との混合体である燃料ガスは、ピストンの上昇動作により圧縮される。この際、吸気弁 17と排気弁 18は、閉じられている。

[0030] 次に、燃焼 (爆発)行程にぉ、て、上記の圧縮行程にお!、て圧縮された燃焼ガスは、制御装置 2からの所定のタイミングで点火指令を受けたイダ-ッシヨンコイル 12が高電圧を発生させ、当該高電圧をスパークプラグ 11に印加させることによりスパークプラグ 11を点火して圧縮された燃料ガスを爆発させ、その爆発力によってピストンを急激に押し下げるのである。

[0031] ところで、ピストンの上下運動に伴って回転するクランク軸の回転角は、クランク回転角センサ 15によって検知され、制御装置 2に送出される。また、このクランク軸は、 4サイクルエンジンの場合、上記した 4つの行程からなる一つのエンジンサイクルにおいて 2回転することとなる力 ECU2は、エンジンが如何なる行程にあるかを常に把握しているので、クランク軸の回転角を検出するクランク回転角センサ 15の出力により如何なる行程においてどの程度クランク軸が回転したかを検知することができるのである。

[0032] 次に、エンジンの排気行程にぉ、ては、燃焼行程にお!、て燃焼されたガスは、排気ガスとして外気中に放出される。燃焼室 10からの排気ガスの放出は、排気弁 18を開、た状態で、爆発行程にぉ、て押し下げられたピストンが上昇することにより行われる。排気ガスは、排気管 3を経由して、マフラー 4内へと導かれて、爆発音や排気音等のノイズを低下させた後に外気に放出されるのである。

[0033] 尚、図 1に示すように、吸気スロットル 8の周辺には、スロットル開度を検出するための開度センサ、吸気の温度を測定する温度センサ、吸気圧を測定するための圧力センサ等の各種センサが設置されて、制御装置 (ECU) 2に接続されている。さらに、この外にも、エンジンの温度を測定する温度センサ、外気圧を測定する圧力センサ等の各種センサやスィッチが配置され、制御装置 (ECU) 2に接続されている。制御装置 2は、これらのセンサやスィッチからのデータに基づいて、エンジンの最適制御を行うのである。

[0034] 図 2は、本発明の実施形態に係る内燃機関における空燃比制御装置における制御構成図の例を示す。

制御装置 (ECU) 2は、マイクロプロセッサ手段、プログラムや固定データを格納する ROMや一時的なデータや演算結果を格納する RAM等のメモリ手段、各種センサやスィッチ等力入力信号を受け付けるための入力インターフェース、及びエンジンを動作される各種能動手段への出力インターフェース、水晶振動子を備える発振回路等、力も構成される。本発明で用いられるカウンタは、 RAMにより構成される。 [0035] これにより、制御装置 (ECU) 2は、エンジンの燃料噴射制御、吸気量制御、点火（時期）制御、アイドル回転制御等の各種制御を集中的に司る。そして、燃料噴射量と吸気量との比を制御することによって、本発明に係る空燃比制御が行われるのである

[0036] 上記のように、制御装置（ECU) 2には、酸素センサ 5、エンジン温度センサ 14、クランク回転角センサ 15の他、スロットル開度センサ、吸気温度センサ、吸気圧力センサや外気圧センサ等の各種センサの他、アクセルセンサや各種スィッチ類等力の入力信号に基づいて、燃料噴射を行うインジェクタ 13、吸気スロットル 8の開弁角度 (スロットル開度）、 ISC 19及びイダ-ッシヨンコイル 12等の各種能動手段の動作制御が行われるのである。

[0037] 制御装置 2 (図 1)は、排気経路の所定箇所に設置された酸素センサ 5の出力を受信し、当該設置箇所において酸素センサ 5の出力信号 (酸素濃度)が、理論空燃比を越える値を示した場合には、インジェクタ 13 (図 1)カゝら噴射される燃料の量を予め設定された所定量だけ低減させる。しかし、酸素センサ 5の出力信号が、酸素濃度が理論空燃比よりも低い値を示した場合には、インジェクタ 13 (図 1)から噴射される燃料の量を予め設定された所定量だけ増カロさせる。

[0038] 制御装置 2 (図 1)は、このような酸素センサ 5からの二値信号 (リーン状態かリッチ状態かを示す信号）に基づく Oフィードバック制御を繰り返すことにより、排気ガス中に

2

含まれる酸素濃度を、理論空燃比を挟んで上下動させることにより空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させるのである。

[0039] そして、本発明に係る Oフィードバック制御は、図 6において後述するように、酸素

2

センサ 5から出力された二値信号に基づいて、空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御と、酸素センサ 5の二値信号が変化した時にその変化後の空燃比の状態を変転させるために空燃比制御量を大きくする比例制御を含むのである。

[0040] 触媒装置 6は、排気ガスが理論空燃比に合致したままの状態が継続するとその浄化能力を低下させ、理論空燃比を挟んで常に上下動させることによりその浄ィ匕能力が活性化される特性を有している。ここで使用する触媒装置 6は、排気ガス中の CO、 HC及び NOxの 3成分を浄化する三元触媒である。

[0041] 図 3は、ある単気筒 4サイクルエンジンにおける、クランク軸の回転角（ピストンの動作位置に同期）と排気ガスの流量との関係を示すグラフであり、横軸にクランクの回転角を示し、縦軸に排気管 3を流れる排気ガスの単位時間毎の流量〔kgZs〕を示す。また、符号 A、 Cはピストンの気筒内における上死点を示し、符号 B、 Dはピストンの気筒内における下死点を示す。

[0042] 図 3に示すように、単気筒エンジンの場合は、排気ガスの単位時間当たりの流量がエンジンサイクルの中で大きく変化する。また、図 3に示した排気ガス流量の変化はエンジンの仕様によっても異なるが、単気筒エンジンの場合一般的に、排気弁の開期間 (EVO)の始時点カゝら排気ガスの流量は急激に増大するが、ピーク値を示した後は脈動的に漸次減衰するようになる。また、排気弁の開期間 (EVO)が終時点では、吸気行程に入って気筒内のピストンが降下し始めることから、排気ガスは一時的に負圧によってマイナスの流量を示す (すなわち逆流方向に流れる）、その後再び脈動することとる。

[0043] このため、本空燃比制御においては、酸素センサ 5のサンプリングは、エンジン 1の排気弁 18 (図 1)力も排出された排気ガスが酸素センサ 5の設置位置に至るまでの時間、及び後述する（図 8)酸素センサ 5の応答時間の遅れに鑑みて設定されるのである。

[0044] ところで、二輪車や四輪車等の車両は、頻繁に加速又は減速を繰り返して運転される。このような車両の急激な加速又は減速が生じその加速状態や減速状態が続ヽた場合にはエンジンへの燃料供給量と吸気量の変動時間が継続する。このような時に、 Oフィードバック制御でエンジンへの燃料供給量を一定の補正量だけ増大又は

2

減少させても、酸素線センサの出力がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転せずに、同一の空燃比状態のエンジンサイクルが長く続くこととなる。その結果、この間は三元触媒装置による排気ガス中の有害ガスの除去が低下することとなる。

[0045] このため、本発明に係る Oフィードバック制御は、酸素センサ 5から出力された二値

2

信号に基づいて、空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御にお、て、前記空燃比制御にお、て前記酸素センサの二値信号が所定のェンジンサイクル数を超えてリッチ状態又はリーン状態が連続した場合には状態を変化させるための所定の補正量を増大させるのである。

[0046] 図 4は、本発明の空燃比制御の内容を説明するフローチャートの例を示す。

本空燃比制御（S11)は、排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す酸素センサ 5の二値信号に基づ、て、空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御について行われるものであるが、二値信号が変化した時に当該変化後の空燃比の状態を変転させるために空燃比制御量を大きくする比例制御を含む。

[0047] ここで、 ECU2は、エンジンサイクルが進む毎に（S12)、酸素センサ 5の出力 (リッチ状態 Zリーン状態の別を示す二値信号)を検知する（S13)。ここで、当該エンジンサイタルに先行するエンジンサイクル時における二値信号を比較して、状態変化があつた力否かを検知する（S 14)。

[0048] リッチ状態からリーン状態又はリーン状態からリッチ状態への状態変化があった場合は、カウンタ (状態継続カウンタ)をタリヤー (0にセット)する（S15)。状態変化が無く同一の状態が «続していた場合は、カウンタのインクリメント (「 + 1」の加算演算)を行う（S16)。

[0049] 続いて、カウンタの内容が読み取られ、予め設定された値 (後述する図 5の例では「 3」)と比較し、当該設定値に満たない場合は、通常の空燃比制御（S11)を続行する。ここで、もしも、カウンタ値が設定値を上回った場合は、当該継続状態において、既に燃料噴射量を補正量の増大が行われて、な力つた場合は (S 19)、燃料供給量を「基本補正量 +追加補正量」だけ増大させるのである（S20)。そして、カウンタ値が設定値を上回った場合でも、当該継続状態において、既に燃料噴射量を補正量の増大が行われて、た場合は、更なる燃料供給量の増大は行わな、ようにして、る (S 19→S11)。

[0050] 次に、このような Oフィードバック制御がディセーブル状態にならない限り（S21)、

2

上記の空燃比制御が継続されるのである。

[0051] 図 5は、図 4で説明した本空燃比制御が実施された場合のタイムチャートの例を示す。

図 5に示した例においては、理解し易いように、排気ガス中の酸素濃度が所定の閾値よりも低、 (即ち燃料が濃、）リッチ状態が、後続のエンジンサイクルを跨って続ヽた場合のサイクル数をカウントする「リッチ継続カウンタ」と、排気ガス中の酸素濃度が所定の閾値よりも高ヽ (即ち燃料が薄、）リーン状態が、後続するエンジンサイクルを跨って続、た場合のサイクル数をカウントする「リーン継続カウンタ」の 2つのカウンタを記載している力 ECUは、常に何れの常態かを把握しているので一つの状態継続カウンタとすることが可能である。

[0052] 図 5において、エンジンサイクルが「n」の時、内燃機関の排気経路に設置されている酸素センサ (Oセンサ） 5が、先行するエンジンサイクル力も継続してリッチ状態を

2

示していたとすると、「リッチ継続カウンタ」は「1」を示す。このため、 ECU2は、空燃比の積分制御において、空燃比をリーン状態に変転させるベく燃料供給量を所定の補正量 (基本補正量)だけ減少させてヽるのである。

[0053] 次に、エンジンサイクルが「n+ l」になると、直前のエンジンサイクル「n」において燃料供給量が基本補正量だけ減少された結果、酸素センサ 5は、リーン状態に変転したことを示している。このため、「リッチ継続カウンタ」がタリヤーされると共に、 ECU2 は、空燃比を今度はリッチ状態に変転させるベく燃料供給量を予め設定された基本補正量だけ増大させる。

[0054] 同様に、エンジンサイクル「n+ 2」においては、直前のエンジンサイクル「n+ l」にて燃料供給量が基本補正量だけ増大された結果、酸素センサ 5は、リッチ状態を示している。このため、 ECU2は、空燃比を今度はリーン状態に変転させるベく燃料供給量を基本補正量だけ減少させる。

[0055] エンジンサイクル「n+ 3」においては、直前のエンジンサイクル「n+ 2」にて燃料供給量が基本補正量だけ減少されたにも拘らず、酸素センサ 5は、リッチ状態を継続している。このため、 ECU2は、空燃比をリーン状態に変転させるベく燃料供給量を基本補正量だけさらに減少させる。このとき、「リッチ継続カウンタ」はインクリメントされ「 1」を示す。

[0056] エンジンサイクル「n+4」においては、直前のエンジンサイクル「n+ 3」にて燃料供給量が基本補正量だけ減少されたにも拘らず、酸素センサ 5は、さらにリッチ状態を継続している。このため、 ECU2は、空燃比をリーン状態に変転させるベく燃料供給量を基本補正量だけさらに減少させる。このとき、「リッチ継続カウンタ」はインクリメントされ「2」を示す。

[0057] 次に、エンジンサイクルが「n+ 5」になると、直前のエンジンサイクル「n+ 4」において燃料供給量が基本補正量だけ減少された結果、酸素センサ 5は、リーン状態に変転したことを示している。このため、「リッチ継続カウンタ」がタリヤーされると共に、 EC U2は、空燃比を今度はリッチ状態に変転させるベく燃料供給量を予め設定された基本補正量だけ増大させる。

[0058] エンジンサイクルが「n+ 6」になると、直前のエンジンサイクル「n+ 5」にて燃料供給量が基本補正量だけ増大されたにも拘らず、酸素センサ 5は、リーン状態を継続している。このため、 ECU2は、リッチ状態に変転させるベく燃料供給量をさらに基本補正量だけ増大させると共に、「リーン継続カウンタ」をインクリメントし、「1」を示す。

[0059] 同様に、エンジンサイクルが「n+ 7」になると、直前のエンジンサイクル「n+ 6」にて燃料供給量が基本補正量だけ増大されたにも拘らず、酸素センサ 5は、リーン状態を継続している。このため、 ECU2は、リッチ状態に変転させるベく燃料供給量をさらに基本補正量だけ増大させると共に、「リーン継続カウンタ」をインクリメントし、「2」を示す。

[0060] さらに、エンジンサイクルが「n+ 8」になると、直前のエンジンサイクル「n+ 7」にて燃料供給量が基本補正量だけ増大されたにも拘らず、酸素センサ 5は、相変わらずリーン状態を継続している。このため、 ECUは、「リーン継続カウンタ」は「3」を示すこととなる。

[0061] 本空燃比制御の例においては、同一の状態がエンジンサイクル数で 4回連続した場合 (即ち、状態継続カウンタが「3」を示した時）には、「基本補正量」に「追加補正量」を加えた補正量を用いて空燃比の状態変化を速めることとしている。従って、 EC U2は、エンジンサイクル「n+ 8」において、リーン状態からリッチ状態に変転させるベく、燃料供給量の補正量を「基本補正量 +追加補正量」だけ増大させるのである。

[0062] このような補正量の増大の結果、エンジンサイクル「n+ 9」にお!/、て、酸素センサ 5 は、リッチ状態を示すこととなる。 ECUは、今度は空燃比をリーン状他にするベぐ燃料供給量を基本補正量だけ減少させると共に、「リーン継続カウンタ」をタリヤーするのである。

[0063] 尚、本発明においては、上記の「追加補正量」は、「基本補正量」の 50%を超えないようにしている。また、「追加補正量」をカ卩えることによる補正量の増大は、空燃比がリッチ状態又はリーン状態を継続して時に 1回に限って行うこととしている。

[0064] 図 6は、図 4に示した空燃比制御において、エンジンサイクルが進展するに伴って変化する酸素センサ出力とエンジンへの燃料供給量の関係を示す。但し、図 6では、図 5に示した同一の状態が連続した場合に、「基本補正量」に「追加補正量」を加える補正量の増大を行うに必要なエンジンサイクル数の設定等は相違させて、る。

[0065] 図 6に示した本空燃比制御においては、エンジンサイクル「1」において、酸素センサ 5がリーン状態を示したので、 ECU2は、後続するエンジンサイクル「2乃至 6」の間に、燃料供給量を各エンジンサイクル毎に所定量 (基本補正量)だけ増加し続ける積分制御（I制御： Integration Control)を行っている。この結果、エンジンサイクル「6」に至って、酸素センサ 5がリーン状態に変転することとなり、 ECU2は、当該変転後のリツチ状態を再びリーン状態になるべく速く変転させるために、エンジンサイクル「7」にぉ、て燃料供給量を大きく減少させる比例制御（P制御： Proportional

Control)を行っている。

[0066] しかし、その後エンジンサイクル「10」に至るまで、酸素センサ 5は、リッチ状態を継続していたので、 ECU2は、積分制御に基づいてこの間燃料供給量を基本補正量だけ連続して減少させ続け、その結果、エンジンサイクル「11」において酸素センサ 5 はリーン状態を示すに至る。

[0067] ここで、 ECU2は、当該変転後のリーン状態を再びリッチ状態に変転させるために、エンジンサイクル「 12」にお、て燃料供給量を大きく増カロさせる比例制御（P制御： Pr oportional control) ίτつ一し Vヽる。

[0068] し力し、その後エンジンサイクル「15」に至るまで、酸素センサ 5は、リーンを継続し、このリーン状態が予め設定されたエンジンサイクル数を越えた (即ち、「状態継続カウンタ値」が「設定値」に至った)ことから、 ECU2は、リーン状態力もリッチ状態になるベく速く変転させるベぐエンジンサイクル「16において」、太い破線でしめす制御曲線で示すとおり、燃料供給量の補正量を「基本補正量 +追加補正量」だけ増大させたのである。この結果、本発明に係る空燃比制御においては、エンジンサイクル「21」において、空燃比カ^ーン状態からリッチ状態に変転したのである。

[0069] 一方、本発明に係る空燃比制御を行わない場合は、細い実線で示すとおり、空燃比がリーン状態力リッチ状態に変転するのはエンジンサイクル「23」となり、この間触媒装置による排気ガス中の有害ガスの浄ィ匕作用は低下することとなるのである。

[0070] 尚、図中、 A点と C点は、積分制御で所定量だけ燃料供給量を増カロしてきたが、当該点でリッチ状態からリーン状態に切り替わる点を示し、 B点と D点は、積分制御で所定量だけ燃料供給量を減少させてきたが、当該点でリーン状態力リッチ状態に切り替わる点を示す。図 6に示すように、現実の空燃比制御においては燃料供給量の補正から酸素センサ 5が排気ガス中の酸素濃度を検出するまで、エンジンサイクル数で数サイクルのタイムラグが生じている。これは、エンジンの排気弁 18(図 1)から排出された排気ガス力酸素センサの設置位置に至るまでに時間遅れが生じること、及び図 8で説明するように酸素センサ 5に応答時間に遅れが生じるからである。このために、酸素センサ 5の出力が、リーンからリッチへ、又はリッチからリーンへその出力が変化した時 (A、 B、 C及び D点）には、上記した比例制御により、一度大きく燃料供給量を増加又は減少させて、るのである。

[0071] 本燃料噴射制御装置において使用される触媒装置は、排気ガス中の CO、 HC及び NOxの 3成分を浄化する三元触媒である。そして、この触媒装置はマフラー内に設置され、前記酸素センサは前記触媒装置の入口近傍に設置される。そして、この酸素センサ 5としては、ジルコユア素子又はチタ-ァ磁器を利用したタイプのものが利用可能である。ジルコユア素子を用いた酸素センサ 5は、ジルコユアを試験管状に焼結した素子の内面外面の両面に多孔質の白金電極をコ一ティングした構造とし、素子外面を排気ガスに接触させ、酸素濃度に応じてジルコユアの固体電池作用により電圧を発生する特性を利用している。また、チタ-ァ磁器を用いた酸素センサ 5は、チタ-ァ (TiO )が11型半導体であることから、その抵抗値がガス中の酸素分圧に依

2

存する性質を利用している。 [0072] 図 7は、酸素センサの出力電圧値〔mV〕と空燃比との関係をグラフで示す。

図 7に示すように、酸素センサ 5の出力（電圧値）は、空燃比が、理論空燃比を挟む許容幅力変位する時に、この変位を実質的に二値的な信号として示すものであり、この酸素センサ 5の出力を実質的に二値的な信号として制御装置 2に送出することによって、空燃比の標準的な幅を、「理論空燃比 ±0. 3」の幅に制御することが可能となる。

[0073] 図 8は、酸素センサの応答時間を示し、図 8 (a)は、実際の空燃比がリーンからリツチになった時に酸素センサ 5の出力が変化するまでの時間の例を示し、図 8 (b)は、実際の空燃比がリッチ力リーンになった時に酸素センサ 5の出力が変化するまでの時間の例を示す。従って、酸素線センサ 5のサンプリングのタイミングは、この応答時間をも考慮して設定されるのである。

[0074] 図 9は、空燃比と触媒の浄化効率との関係を示すグラフである。

図 9において、横軸 (X軸）は空燃比を示し、縦軸 (Y軸）は触媒 6の浄化効率〔％〕を示す。図示のように、中心の理論空燃比 14. 60 (±0. 3)の幅で示される領域 (制御の許容幅)よりも空燃比が小さ!、左側の領域は酸素量が不足するリッチの領域を示す。このリッチの領域では燃料に比べて酸素が不足するので、窒素酸化物 (NOx)の発生は抑えられるが、 HC (炭化水素）と CO (—酸化炭素）の発生量が増加する。

[0075] また、中心の理論空燃比 14. 60 (±0. 3)の幅で示される領域 (制御の許容幅)よりも空燃比が大きい右側の領域はリーンの領域を示す。このリーンの領域では十分な酸素量によって HC (炭化水素）と CO (—酸化炭素）の発生は抑えられるが、余分な酸素によって窒素酸化物 (NOx)の発生量が増加する。

[0076] なお、エンジン排気ガス中に HC (炭化水素）、 CO (—酸ィ匕炭素）、及び窒素酸ィ匕物 (NOx)が発生する理由を以下で説明する。

[0077] エンジン内で、燃料が完全燃焼する時の反応は、

CxHy + O +N → CO +H O + N (但し、平衡反応を示すものではない）で

2 2 2 2 2

示される。

[0078] これに対し、燃料が不完全燃焼する時の反応は、

CxHy + O +N → CO +H O + N +CO + HC + O /H (但し、空燃比に依存し、また、平衡反応を示すものではない）で示される。

[0079] 図 10は、過剰率と各種の排気ガス濃度との関係を示すグラフである。図 10のグラフにおいて、横軸 (X軸）は、空気過剰率え（実測空燃比 Z理論空燃比)を示し、縦軸（ Y軸）は排気ガスの窒素酸化物 (NOx)、 CO (一酸化炭素）、及び HC (炭化水素）の濃度を示す。

[0080] 図 10に示すように、 CO (—酸化炭素）は、空気過剰率えが増大するに従って低下する（但し、えが 1. 0を少し越えたところで低下率は大幅に低下)ものの、窒素酸ィ匕物 (NOx)は、空気過剰率えが、 1. 0を少し超えたところで最大となり、 HC (炭化水素）は、空気過剰率えが 1. 2近辺で最小になる。

産業上の利用可能性

[0081] 本発明は、内燃機関から排出された排気ガス中の酸素濃度を測定して内燃機関に供給される空気量に対する燃料の含有比率を制御する空燃比制御において、同一の空燃比状態が継続した場合に、素早く空燃比がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転させることにより触媒装置による排気ガスの浄ィ匕能力を最大限に維持させるものであり、産業上の利用可能性を有する。

図面の簡単な説明

[0082] [図 1]本発明に係る内燃機関における空燃比制御装置を含むエンジンの全体構成の例を示す。

[図 2]本発明に係る内燃機関における空燃比制御装置における制御構成図の例を示す。

[図 3]単気筒 4サイクルエンジンのクランク回転角と排気ガスの単位時間毎の流量との関係を示すグラフの例を示す。

[図 4]本発明の空燃比制御の内容を説明するフローチャートを示す。

[図 5]本空燃比制御が実施された場合のタイムチャートの例を示す。

[図 6]空燃比制御において、エンジンサイクルが進展するに伴って変化する酸素センサ出力とエンジンへの燃料供給量の関係を示す。

[図 7]酸素センサの出力電圧値〔mV〕と空燃比との関係をグラフで示す。

[図 8]酸素センサの応答時間を示し、（a)部は、実際の空燃比がリーンからリッチになつた時に酸素センサ 5の出力が変化するまでの時間の例を示し、（b)部は、実際の空燃比がリッチからリーンになった時に酸素センサ 5の出力が変化するまでの時間の例を示す。

圆 9]空燃比と触媒の浄ィ匕効率との関係を示すグラフである。

圆 10]空気過剰率と各種の排気ガス濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

1 ：内燃機関（単気筒 4サイクルエンジン)

2 ：制御装置 (ECU)

3 ：排気管

4 ：マフラー

5 ：酸素センサ

6 ：触媒装置 (三元触媒）

7 ：燃料タンク (ポンプ）

8 ：吸気スロットル

9 ：エアフィルタ

10: ：燃焼室 (シリンダ、気筒）

11: ：スパークプラグ

12: ：ィグニッシヨンコィノレ

13: ：インジ工クタ

14: ：エンジン温度センサ

15: ：クランク回転角センサ

16: ：燃料管 (燃料供給パイプ）

17: ：吸気弁

18: ：排気弁

19: :ISC (アイドル 'スピード 'コントロール）

Claims

請求の範囲

[1] 排気ガス浄ィ匕のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」、う）を制御する空燃比制御装置であって排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるカゝ否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、

前記酸素センサ力出力された前記二値信号に基づいて、前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御を行うことにより前記空燃比がリツチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する制御装置と、を備え、

前記制御装置は、前記空燃比制御にお!、て前記酸素センサの二値信号が所定のエンジンサイクル数を超えてリッチ状態又はリーン状態が連続した場合には前記所定の補正量を増大させることを特徴とする空燃比制御装置。

[2] 前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記二値信号が変化した時に当該変化後の空燃比の状態を変転させるために空燃比制御量を大きくする比例制御を含むことを特徴とする請求項 1に記載の空燃比制御装置。

[3] 前記所定のエンジンサイクル数は、少なくとも 3以上に設定される請求項 1又は 2に記載の空燃比制御装置。

[4] 前記所定の補正量の増大は、当該リッチ状態又はリーン状態が連続している時に 1 回のみ行われることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の空燃比制御装置。

[5] 前記所定の補正量の増大は、最大で前記補正量の通常値の 150%に設定することにより行われることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の空燃比制御装置。

[6] 前記空燃比の制御は、燃料噴射量を増減することにより行われる請求項 1又は 2に記載の空燃比制御装置。

[7] 排気ガス浄ィ匕のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」、う）を制御する空燃比制御方法であって排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるカゝ否かを示す二値信号に基づいて前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させることにより、前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する空燃比制御行程において、

前記二値信号の状態を監視して、前記二値信号がリッチ状態からリーン状態に又はリーン状態からリッチ状態にその空燃比状態が変化した場合にはカウンタをクリャ一する行程と、

前記変化した空燃比状態が次のエンジンサイクルにおいても当該空燃比状態を維持した場合に前記カウンタをインクリメントする行程と、

前記インクリメントされたカウンタの計数値が予め設定されたサイクル数に達した否かを監視する行程と、

前記カウンタの計数値が予め設定されたサイクル数に達した場合には、当該空燃比の状態を他方の状態に変転させるために前記所定の補正量を増大させる行程と、の各行程を含むことにより、前記空燃比が一方の状態から他方の状態に変転するまでのエンジンサイクル数を縮減することを特徴とする空燃比制御方法。

[8] 前記所定のエンジンサイクル数は、少なくとも 3以上に設定される請求項 7に記載の空燃比制御方法。

[9] 前記所定の補正量の増大は、当該リッチ状態又はリーン状態が連続している時に 1 回のみ行われることを特徴とする請求項 7に記載の空燃比制御方法。

[10] 前記所定の補正量の増大は、最大で前記補正量の通常値の 150%に設定することにより行われることを特徴とする請求項 7に記載の空燃比制御方法。

[11] 前記空燃比の制御は、燃料噴射量を増減することにより行われる請求項 7乃至 10 の何れかの項に記載の空燃比制御方法。