JP2590823B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車等内燃機関の空燃比を制御する装置
に関する。

（従来の技術） 近時、自動車エンジンに対する要求が高度化してお
り、排出ガス低減、高出力、低燃費等の互いに相反する
課題について何れも高レベルでその達成が求められる傾
向にある。

また、特に省燃費の立場から比較的低負荷領域では空
燃比を理論空燃比から希薄空燃比に切換える部分リーン
制御が試みられており、従来のこの種の空燃比制御装置
としては、例えば特開昭59-51147号公報や特開昭59-774
1号公報に記載されたものが知られている。

これらの装置では、吸気管圧力、エンジン回転速度の
変化率（あるいは、車両の走行速度の変化率）およびス
ロットル開度の変化に基づいてエンジンの負荷および車
両の加速度を算出し、この負荷および加速度の算出結果
から所定条件下の運転領域においては希薄（リーン）空
燃比を選択することにより、エンジンの燃費性能の向上
を図って省燃費を実現しようとしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の空燃比制御装置にあ
っては、目標空燃比を切換えるとき、理論空燃比からリ
ーン空燃比に切換える場合とリーン空燃比から理論空燃
比に切換える場合とで切換速度が同一であったため、切
換えの際にショックが発生し、NOxの排出量が増加する
ことがある。

例えば、目標空燃比をリーン領域から三元領域に切換
える場合には三元領域からリーン領域に切換える場合よ
りもショックの割合が大きい（第10図（ａ）参照）。こ
こで、三元領域とは三元触媒本来の機能が有効に発揮さ
れる目標空燃比の領域をいいλ＝１の理論空燃比として
いる。

したがって、このようなリーン→三元領域に切換える
ときには切換速度を遅くしてゆっくり切換えるようにし
た方がショックを緩和する上で有利である。しかも、こ
のときのNOxの発生原因は三元触媒が実質的に働き出す
までの時間に大きく依存しており、その発生レベルは一
様に高水準（第10図（ｂ）参照）であって切換時の速度
には余り関係がないので、リーン→三元領域の切換えの
際にはショック低減の方を優先して切換速度を遅くす
る。

一方、三元→リーン領域に切換えるときには切換時の
ショックが比較的小さく、かつNOxの発生も少ない。ま
た、そのNOxの発生量も第10図（ｂ）に示すように切換
時の速度の上昇に従って次第に減少していくことが判明
している。したがって、このような三元→リーン領域の
切換えのときには切換速度を比較的速めるようにした方
がNOxの排出量をより低減させる点で望ましい。

このように、同じ空燃比の切換えであっても、リーン
から三元領域の場合と、三元からリーン領域の場合とで
は切換に要する速度の大きさはそれぞれ異なっており、
これを何れの切換時でも一律に設定している現行技術
（すなわち従来の装置）ではショックの緩和およびNOx
の低減の両方の点で問題がある。

（発明の目的） そこで本発明は、目標空燃比を切換えたとき、目標空
燃比に追随する現実の空燃比の切換速度を理論空燃比か
らリーン空燃比に切換える場合とその逆に切換える場合
とで変えることにより、NOxの低減を図りつつ切換時の
ショックを緩和して、運転性および排気エミッション特
性をより一層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
ジンの運転状態に応じて目標空燃比を設定し、少なくと
も定常走行の一部において該目標空燃比を理論空燃比よ
りリーン側に選択するとともに、目標空燃比を理論空燃
比からリーン空燃比に切換える場合には、切換速度を速
く設定し、また目標空燃比をリーン空燃比から理論空燃
比に切り換える場合には、切換速度を遅く設定する目標
設定手段ｂと、目標空燃比となるように吸入空気あるい
は燃料の供給量を制御する制御手段ｃと、制御手段ｃか
らの信号に基づいて吸入空気あるいは燃料の供給量を操
作する操作手段ｄと、を備えている。

（作用） 本発明では、目標空燃比が切換えられ、それに追随す
る現実の空燃比の切換速度が理論空燃比からリーン空燃
比に切換わる場合とその逆の場合とで適切に変えられ
る。したがって、NOxの発生が低減されるとともに切換
時のショックが緩和され、運転性および排気エミッショ
ン特性の向上が図られる。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜10図は本発明の一実施例を示す図であり、本発
明をSPi（Single Point Injection）方式のエンジンに
適用した例である。

まず、構成を説明する。第２図において、１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_HによりON/OFFするPT
C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S_T
iに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（操作手段）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。これらの点火プラ
グ10、ディストリビュータ11および点火コイル12は混合
気に点火する点火手段13を構成しており、点火手段13は
点火信号S_IGNに基づいて高圧パルスPULSEを発生し放電
させる。そして、気筒内の混合気は高圧パルスPULSE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、NO
x）を三元触媒により清浄化されてマフラ16から排出さ
れる。

ここで、吸入空気の流れはアクセルペダルに連動する
スロットルチャンバ３内のスロットル弁６により制御さ
れ、アイドリング時にはスロットル弁６はほとんど閉じ
ている。アイドリング時の空気の流れはバイパス通路20
を通り、開度信号S_ISCに基づいてISCバルブ（Idle Spee
d Control Valve:アイドル制御弁）21により適宜必要な
空気が確保される。

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22
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はデューティ値D_SCVを有
するスワール制御信号S_SCV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らす（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
負圧を連続的に変える。サーボダイヤフラム24は制御負
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。

上記スワールコントロール弁22、ロッド23、サーボダ
イヤフラム24および電磁弁25は全体としてスワール操作
手段26を構成する。

スロットル弁６の開度α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Ca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、クランク角Caを表す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。

吸気管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Ipを供給し、この
ポンプ電流Ip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。酸素センサ33およ
び空燃比検出回路34は空燃比検出手段35を構成する。

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_VSPは車速センサ37により検出される。また、
エアコンの作動はエアコンスイッチ38により検出され、
パワステ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、38、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（点火時期制御、燃料噴射制御等）を
行う。

すなわち、コントロールユニット50は目標設定手段お
よび制御手段としての機能を有し、CPU51、ROM52、RAM5
3およびI/Oポート54により構成される。

CPU51はROM52に書き込まれているプログラムに従って
I/O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I/Oポート54へ出力する。I/Oポ
ート54には上記各センサ30、31、32、34、36、37、38、
39からの信号が入力されるとともに、I/Oポート54から
は前記各信号S_Ti、S_IGN、S_ISC、S_SCV、S_H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は演算に使用するデータをマップ等の形で記
憶している。なお、RAM53の一部は不揮発性メモリから
なり、エンジン１停止後もその記憶内容を保持する。

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α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の部分を通過する空気量（以下、インジェクタ部空気
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部通
過空気量Q_Ainj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、かかる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。

以下に、本システムによるインジェクタ部通過空気量
Q_Ainjの算出を説明する。

第３図はシリンダ空気量Q_Acy_Lの算出プログラムを示
すフローチャートである。まず、P₁で前回のQ_Acy_Lをオ
ールド値Q_Acy_L′としてメモリに格納する。ここで、Q_Ac
y_Lはシリンダ部を通過する吸入空気量であり、従来の装
置（例えば、EGi方式の機関）での吸入空気量Qa（エン
ジン負荷Tp）に相当するもので、後述する第８図に示す
プログラムによってインジェクタ部における空気量Q_Ain
jを演算するときの基礎データとなる。次いで、P₂で必
要なデータ、すなわちスロットル開度α、ISCバルブ21
への開度信号S_ISCのデューティ（以下、ISCデューティ
という）D_ISC、エンジン回転数Ｎを読み込む。

P₃ではスロットル開度α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）Ａαを算出する。これは、例えば
第４図に示すテーブルマップから該当するＡαの値をル
ックアップして求める。P₄では同様にISCデューティD
_ISCに基づき第５図のテーブルマップからバイパス路面
積A_Bを算出し、P₅で次式に従って総流路面積Ａを求め
る。

Ａ＝Ａα＋A_B …… 次いで、P₆で定常空気量Q_H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図に示すようなテーブルマップから該当する定常空気
量Q_Hの値をルックアップして行う。

次いで、P₇でＡとＮとをパラメータとして第８図に示
すテーブルマッ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K2をルックアップし、P₇で次式に
従ってシリンダ空気量Q_Acy_Lを算出してルーチンを終了
する。

Q_Acy_L＝Q_Acy_L′×（１−K2）＋Q_H×K2 …… 但し、Q_Acy_L′:P₁で格納した値 このようにして求めた空気量Q_Acy_Lは本実施例のよう
なSpi方式でなく、例えば吸気ポ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
クタ部空気量Q_Ainj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、P₁₁で次式に従って吸気
管内空気変化量ΔCMを求める。このΔCMはシリンダ空気
量Q_Acy_L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。

ΔCM＝K_M×（Q_Acy_L−Q_Acy_L′）/N …… 式において、K_M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、P₁₂で次式に従っ
てインジェクタ部空気量Q_Ainjを算出する。

Q_Ainj＝Q_Acy_L＋ΔCM …… このようにして求めたQ_Ainjはスロットル弁開度α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ップによっ
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、SPi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
イプに適用して極めて好都合である。

次に、本論の作用を説明する。

第９図は空燃比制御のプログラムを示すフローチャー
トである。本プログラムは所定時間もしくは所定クラン
ク角毎に一度実行される。

まず、P₂₁で今回の運転領域がリーン空燃比を目標値
とするリーン運転領域にあるか否かを判別する。この判
定は、例えば機関の冷却水温や車速、エンジン回転数お
よび負荷等の運転条件が所定範囲内にあるか否かで行
う。

運転領域がリーン運転領域にあるときはP₂₂でリーン
マップからリーンの目標空燃比の目標値TFBYA0をルック
アップする。一方、運転領域がリーン運転領域にないと
きはP₂₃で三元マップから理論空燃比の目標値TFBYA0を
ルックアップする。すなわち、P₂₁〜P₂₃のステップでは
現在の運転領域における目標空燃比の値をそのときの目
標値TFBYA0として採用しているので、例えば運転領域が
リーン領域に切換わった場合にはリーンの目標値がすぐ
に採用されることになり、目標値の選択が的確に行われ
る。

次いで、P₂₄で上記P₂₂あるいはP₂₃でルックアップし
た目標値TFBYA0と現在の空燃比の値（以下、現在値とい
う）TFBYAとを比較する。このように、目標値と現在値
とを比較することにより、現実の空燃比が目標とする空
燃比よりも大きいか否かを判別している。小さい場合に
は次のP₂₅のステップで増加による補正を行い、大きい
場合にはP₂₉のステップで減少による補正を行う。

TFBYA＜TFBYA0のときは現在値が目標値よりも小さ
く、現在の空燃比がリーン領域から三元領域に向かうと
判断し、P₂₅で現在の空燃比を目標値と一致させる（リ
ーン空燃比から理論空燃比に切換える）ように増加分DR
による補正を加える。すなわち、現在値TFBYAに増加分D
Rを加えた値（現在値補正値と呼ぶ）Ｍを補正後の現実
の空燃比としてメモリにストアする。ここに、増加分DR
はリーンから三元領域に切換える際の速度を示す値であ
り、P₂₉で後述する減少分DLとともに、現実の現在値を
次第に増加（あるいは減少）させることによって目標値
に一致させる（目標空燃比に切換える）。

次いで、P₂₆では現在値補正値Ｍが目標値TFBYA0に達
したか（Ｍ≧TFBYA0か）否かを判別する。

Ｍ≧TFBYA0のときは現在値補正値Ｍが目標値に達した
（すなわち、空燃比の切換えが完了した）と判断し、P
₂₇での現在値TFBYAに目標値TFBYA0を採用して、今回の
処理を終了する。

また、Ｍ＜TFBYA0のときは現在値補正値Ｍが未だ目標
値に達していない（すなわち、空燃比の切換が完了して
いない）と判断し、P₂₈で現在値TFBYAに現在値補正値Ｍ
の値を採用する。

したがって、このP₂₅〜P₂₈のステップにより現在値TF
BYAは増加分DRづつの比較的ゆっくりとした切換速度で
リーン→三元領域に切換わることになる。

一方、P₂₄でTFBYA≧TFBYA0のときは現在値が目標値よ
りも大きく、現在の空燃比が三元領域からリーン領域に
向かいつつあると判断し、P₂₉で現在の空燃比を目標空
燃比と一致させる（理論空燃比からリーン空燃比に切換
える）ために減少分DLによる補正を加える。すなわち、
現在値TFBYAから減少分DLを差引いた値Ｍを補正後の現
実の空燃比としてメモリにストアする。

次いで、P₃₀で現在値補正値Ｍが目標値TFBYA0に達し
たか（Ｍ≧TFBYA0か）否かを判別する。

Ｍ＜TFBYA0のときは現在値補正値Ｍが目標値に達した
（すなわち、空燃比の切換えが完了した）と判断し、P
₂₇で現在値TFBYAに目標値TFBYA0を採用して、今回の処
理を終了する。

一方、Ｍ≧TFBYA0のときは現在値補正値Ｍが未だ目標
値に達していない（空燃比の切換が完了していない）と
判断し、P₂₈で現在値TFBYAに現在値補正値Ｍを採用す
る。

したがって、このP₂₇〜P₃₀のステップでは上述のP₂₅
〜P₂₈のステップと同様に、現在値TFBYAが減少分DLづつ
の比較的速い切換速度で三元→リーン領域に切換わるこ
とになる。

このように、本実施例では目標値に追随する現実の空
燃比の切換速度を理論空燃比からリーン空燃比に切換え
る場合とリーン空燃比から理論空燃比に切換える場合と
で変えているので、NOxの低減を図りつつ切換時のショ
ックを緩和することができる。例えば、リーン→三元領
域に切換えるときには切換速度を比較的遅くしているの
で、NOxの発生の増加を招くことなしに切換時のショッ
クを抑制することができる。また、三元→リーン領域に
切換えるときにはショックを起こさない範囲で切換速度
を速くし、切換時間を短くしているので、切換の途中で
発生するNOxの量を著しく低減することができる。

このように、切換えの場合に応じて最適な切換速度で
切換ができるので、運転性と排気エミッション特性をと
もに向上させることができる。

（効果） 本発明によれば、目標値に追随する現実の空燃比の切
換速度を理論空燃比からリーン空燃比に切換える場合と
その逆に切換える場合とで適切に変えているので、NOx
の低減を図りつつ切換時のショックを緩和することがで
き、運転性と排気エミッション特性をともに向上するこ
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２〜９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Q_Acy_L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Ａ
αのテーブルマップ、第５図はそのバイパス路面積A_Bの
テーブルマップ、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Q_Hのテーブルマップ、第７図はその遅れ
係数K2のテーブルマップ、第８図はそのインジェクタ部
空気量Q_Ainj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のプログラムを示すフローチャ
ート、第10図は従来の空燃比の切換速度を説明するため
の図であり、第10図（ａ）はその空燃比切換時のショッ
クの大きさを切換速度との関係で示す図、第10図（ｂ）
はその切換時のNOxの排出量を切換速度との関係で示す
図である。 １……エンジン、７……インジェクタ（操作手段）、50
……コントロールユニット（目標設定手段、制御手
段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三分一 寛 横浜市神奈川区宝町２番地 日産自動車 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−159549（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−211737（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−637（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−232347（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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）エンジンの運転状態に応じて目標空燃比を設定し、
   少なくとも定常走行の一部において該目標空燃比を理論
   空燃比よりリーン側に選択するとともに、目標空燃比を
   理論空燃比からリーン空燃比に切換える場合には、切換
   速度を速く設定し、また目標空燃比をリーン空燃比から
   理論空燃比に切り換える場合には、切換速度を遅く設定
   する目標設定手段と、 ｃ）目標空燃比となるように吸入空気あるいは燃料の供
   給量を制御する制御手段と、 ｄ）制御手段からの信号に基づいて吸入空気あるいは燃
   料の供給量を操作する操作手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。