JP2856986B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、触媒コンバータの上
流側及び下流側に空燃比センサ（本明細書では酸素濃度
センサ（Ｏ₂センサ）を用いる）を設けて、上流側及び
下流側の空燃比センサの出力により空燃比制御を実施す
る内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、通常の単なる空燃比フィード
バック制御（シングルＯ₂センサシステム）では、酸素
濃度を検出する空燃比センサを触媒コンバータの上流側
に設けているが、空燃比センサの出力特性のばらつきの
ために空燃比の制御精度の改善に支障が生じる。

【０００３】このため、空燃比センサの出力特性のばら
つき及び燃料噴射弁等の部品のばらつき、経時あるいは
経年的変化を補償するために、触媒コンバータの下流側
に第２の空燃比センサを設け、上流側空燃比センサによ
る空燃比フィードバック制御に加えて下流側空燃比セン
サによる空燃比フィードバック制御を行うデュアルＯ₂
センサシステムが既に提案されている（参照：米国特許
第3939654号明細書）。

【０００４】図３は、デュアルＯ₂ センサシステムに係
るもので、触媒コンバータの上流及び下流側でそれぞれ
空燃比センサを用いた空燃比制御装置の一例を示すブロ
ック図である。同図において、１はエンジン、２はエア
クリーナ、３は吸気管、４はインテークマニホールド、
５はインジェクタ、６は圧力センサ、７はスロットル
弁、８はスロットル開度センサ、９はアイドルスイッ
チ、１０は第１の空燃比センサ、１１は第２の空燃比セ
ンサ、１２は触媒コンバータ、１３は点火コイル、１４
はイグナイタ、１５は排気管、１６は水温センサ、２０
はバッテリ、２１はイグニッションキースイッチ、２２
は電子式制御ユニット、２３は警告ランプを示す。

【０００５】ここで、上記排気管１５には、触媒コンバ
ータ１２が設置されていて、その触媒コンバータ１２の
上流側及び下流側に第１の空燃比センサ１０と、第２の
空燃比センサ１１が設けられそれぞれ排気ガスの空燃比
を検出する。

【０００６】また、上記圧力センサ６は、吸気管３から
インテークマニホールド４を経てエンジン１へ吸入され
る空気量を測定するためのもので、半導体型の圧力セン
サである。そして、インジェクタ５はスロットル弁７の
上流に配置され燃料の噴射を行うものであり、このスロ
ットル弁７にはスロットル弁の開度を検出するためのス
ロットル開度センサ８が取り付けられている。

【０００７】さらに、水温センサ１６は、内燃機関の冷
却水温を検出するサーミスタ型のセンサである。また、
イグニッションコイル１３は、イグナイタ１４からの信
号により点火を行うと共に、発生した点火信号を電子式
制御ユニット２２へ送り出すものである。

【０００８】次に、電子式制御ユニット２２は、圧力セ
ンサ６や水温センサ１６、スロットル開度センサ８、点
火コイル１３及び空燃比を検出する空燃比センサ１０，
１１からの各信号を入力して空燃比制御を行うものであ
る。

【０００９】図４はこの電子式制御ユニット２２の詳細
なブロック図である。同図において、１００はマイクロ
コンピュータであり、所定のプログラムにしたがって空
燃比センサ１０，１１の出力に応じて空燃比制御量等を
算出するＣＰＵ２００、エンジン１の回転周期を計測す
るためのフリーランニングのカウンタ２０１、種々の制
御のために時間を計時するタイマ２０２、アナログ入力
信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２０３、
ワークメモリとして使用されるＲＡＭ２０５、プログラ
ムが記憶されているＲＯＭ２０６、駆動信号を出力する
ための出力ポート２０７及びコモンバス２０８等から構
成されている。

【００１０】また、１０１は第１入力インタフェース回
路で、点火コイル１３の一次側点火信号を波形整形して
割り込み信号にしてマイクロコンピュータ１００へ出力
する。そして、この割り込み信号が発生すると、ＣＰＵ
２００はカウンタ２０１の値を読み取るとともに、この
読み取った値と前回の読み取り値との差から内燃機関の
回転数の周期を算出してＲＡＭ２０５へ記憶する。

【００１１】また、１０２は第２入力インタフェース回
路であり、空燃比センサ１０，１１や圧力センサ６、ス
ロットル開度センサ８及び水温センサ１６等の各信号を
入力してＡ／Ｄ変換器２０３へ出力する。１０３はアド
ルスイッチ９９のＯＮ／ＯＦＦ信号を入力ポート２０４
へ出力する第３入力インタフェース回路、１０４は出力
インタフェース回路であり、出力ポート２０７からの駆
動出力を増幅してインジェクタ５や警告ランプ２３へ出
力するものである。

【００１２】次に、以上のように構成された空燃比制御
装置のＣＰＵ２００の動作について、図５の制御ブロッ
ク図を基本にして、図６の空燃比制御の挙動を示したタ
イムチャートを参照しつつ説明する。

【００１３】まず、ブロック５０１は予め設定された第
２の所定信号（空燃比制御の目標値）で、比較器により
第２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ と比較され、その出
力偏差Ｖ_S2をもとにブロック５０２である第２のＰＩコ
ントローラにおいて、上記出力偏差をＰＩ制御し、所定
の補正出力Ｖ_2SH を出力する。

【００１４】次に、ブロック５０３はあらかじめ設定さ
れた第１の所定信号で、ブロック５０２の出力と加え合
わされ第１の空燃比センサ１０の判定値Ｖ_THとして使用
される。そして、第１の空燃比センサ１０の出力Ｖ₁と
上記加え合わせ値Ｖ_THとが比較器により比較され、その
出力比較値をもとにブロック５０４である第１のＰＩコ
ントローラで空燃比フィードバックの補正量Ｃ_FBを演算
する。

【００１５】次に、この補正量Ｃ_FBに対してブロック５
０５で圧力センサ６より検出した吸入空気量から演算さ
れた基本燃料量を掛け合わせる。掛け合わされた結果に
対し、ブロック５０６では、水温センサ１０の信号をも
とに演算した内燃機関の暖機状態に対応した補正量やス
ロットル開度センサ８の信号より加減速の状態を検出
し、加減速状態に対応した補正量等の燃料補正量を掛け
合わせて最終の燃料吐出量を演算する。そして、この燃
料量からインジェクタ５の駆動時間を算出するため、ブ
ロック５０７，５０８でそれぞれの演算を行う。

【００１６】以上の通り、第２の空燃比センサ１１の出
力を用いて、第１の空燃比センサ１０の判定値を補正す
ることにより空燃比制御を実施している。以上の制御動
作で、触媒コンバータ１２の下流側に設けた第２の空燃
比センサ１１の出力がリーンであれば、空燃比制御はリ
ッチ側に制御される。他方、上記第２の空燃比センサ１
１の出力がリッチであれば、空燃比制御はリーン側に制
御されることがわかる。

【００１７】ところで、過渡制御時、触媒コンバータ１
２の下流側に設けた第２の空燃比センサ１１の出力によ
って空燃比制御を実施すると、図７に示す通り、触媒コ
ンバータ１２の下流側に設けた第２の空燃比センサ１１
の出力Ｖ₂ が変化するまでの時間遅れがあるため、時間
遅れの影響で過渡制御後リッチ雰囲気下での空燃比制御
リーン化、すなわち第２の空燃比センサ１１による空燃
比フィードバック制御のリーン化行き過ぎが生じること
がわかる。このリーン化の行き過ぎにより、エミッショ
ンの悪化を招くことがあった。

【００１８】一方、触媒コンバータ１２の触媒は車両を
通常考えられる使用条件の範囲内で使用されている限
り、その機能が著しく低下しないように設計されてい
る。しかし、使用中に何らかの原因、例えば失火してし
まう場合には、触媒の機能は著しく低下することがあ
る。

【００１９】この結果、触媒コンバータ１２が充分に排
気ガスを浄化しないまま走行されることがある。する
と、ＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂ 等の未燃ガスの影響を受け、下流
側の第２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ の挙動が変化す
る。すなわち、下流側の第２の空燃比センサ１１の出力
Ｖ₂ の変化度合いが大きくなる。

【００２０】ここで、触媒正常時と劣化時について、上
述した空燃比制御を実施したとき、触媒コンバータ１２
の上流及び下流側に取り付けた第１及び第２の空燃比セ
ンサ１０，１１の挙動を図８と図９に示しそれぞれにつ
いて説明する。

【００２１】まず、図８（ａ）と（ｂ）は触媒正常時の
第１と第２の空燃比センサ１０と１１の出力を示す。図
８（ａ）は、第１の空燃比センサ１０の出力Ｖ₁ と第１
の所定値の関係を表し、第１の空燃比センサ１０の出力
Ｖ₁ は、上記空燃比フィードバック制御により適当な周
期で変化している。また、図８（ｂ）は、第２の空燃比
センサ１１の出力Ｖ₂ と第２の所定値の関係を表し、第
２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ は、触媒が正常である
ため触媒の浄化作用で略一定の出力Ａが得られる。

【００２２】次に、図９（ａ）と（ｂ）に触媒劣化時の
第１と第２の空燃比センサ１０，１１の出力Ｖ₁とＶ₂を
示す。図９（ａ）は図８（ａ）と同様であり、図９
（ｂ）は、第２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ と第２の
所定値の関係を表し、第２の空燃比センサ１１の出力Ｖ
₂ は、触媒が劣化しているため触媒の浄化作用が低下
し、第２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ の変化が大きく
なっている。この結果、エミッションの低下等を招くと
いう問題点がある。このため、触媒コンバータ１２の劣
化の影響を受けにくい制御を実施することは重要であ
る。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】従来の内燃機関の空燃
比制御装置では、過渡制御時、触媒コンバータ１２の下
流側に設けた第２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ の時間
遅れにより触媒下流側の第２の空燃比センサ１１の出力
Ｖ₂ によるフィードバック制御が一時的に過大（行き過
ぎ）になり、また、触媒の劣化に伴い、触媒下流側の第
２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ の変化度合いが大きく
なる。このため、空燃比制御が過制御となり、この結
果、エミッションの低下を招くという問題点があった。

【００２４】この発明は、上述した従来例の問題点を解
決するためになされたもので、過渡運転時及び触媒劣化
時にも触媒上流及び下流側の空燃比センサの信号による
空燃比制御が適切に行われる内燃機関の空燃比制御装置
を得ることを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る内燃機関
の空燃比制御装置は、内燃機関の排気系に設けられた排
気ガス浄化のための触媒コンバータの上流側及び下流側
にそれぞれ設けられて排気ガス中の特定成分濃度を検出
する第１及び第２の空燃比センサと、空燃比センサへの
ノイズを除去する時定数より長く、空燃比制御が適性と
なるようフィルタ処理時定数が１００〜３００ｍｓｅｃ
に設定されていて上記第２の空燃比センサの出力偏差を
抑制すべくフィルタ処理するフィルタ処理手段と、この
フィルタ処理手段の出力に応じて空燃比制御量を演算す
る空燃比制御量演算手段と、上記第１の空燃比センサの
出力及び上記空燃比制御量に応じて内燃機関の空燃比を
制御する空燃比制御手段とを備えたことを特徴とするも
のである。

【００２６】

【作用】この発明による内燃機関の空燃比制御装置にお
いて、空燃比センサへのノイズを除去する時定数より長
く、空燃比制御が適性となるようフィルタ処理時定数が
１００〜３００ｍｓｅｃに設定されたフィルタ処理手段
は、第２の空燃比センサの出力偏差を抑制すべくこの第
２の空燃比センサの出力をフィルタ処理し、空燃比制御
量演算手段はそのフィルタ処理手段の出力に応じて空燃
比制御量を演算する。そして、空燃比制御手段により第
１の空燃比センサの出力及び上記空燃比制御量に応じて
内燃機関の空燃比が制御されることによって、空燃比制
御補正量が抑えられて過渡運転時及び触媒劣化時におけ
る空燃比変動を小さくして適正な空燃比制御が実施され
る。

【００２７】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図を参照して説
明する。図１は第２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ をフ
ィルタ処理でのなまし出力手段によりフィルタ処理を行
った後、そのフィルタ処理したセンサ出力を用いて空燃
比制御を実施する構成図を示しており、電子式制御ユニ
ット２２内のＣＰＵ２００により実施される。

【００２８】図１において、１０１は第２の空燃比セン
サ１１の出力Ｖ₂ をフィルタ処理するなまし出力手段、
１０２はフィルタ処理したセンサ出力に基づく空燃比制
御手段、１０３は第１の空燃比センサ１０の出力Ｖ₁ に
基づく空燃比制御手段、１０４は基本燃料量及び他の補
正係数を加えた出力をインジェクタ５に送出して空燃比
制御する出力手段である。

【００２９】すなわち、まず、第２の空燃比センサ１１
からの出力Ｖ₂ をフィルタ処理でのなまし出力手段１０
１によりフィルタ処理を行う。このときのフィルタ処理
時定数は、外来ノイズを除去する程度（数ｍＳｅｃ）で
なく、１００〜３００ｍＳｅｃ程度とする。

【００３０】このフィルタ処理したセンサ出力を用い
て、空燃比制御手段１０２により、例えば前述した従来
例と同様な触媒下流側第２の空燃比センサ１１による空
燃比制御を実施する。また、空燃比制御手段１０３によ
り触媒上流側第１の空燃比センサ１０による空燃比制御
も前述と同様に実施する。

【００３１】上記の通り、演算された結果に基づき、出
力手段１０４により、基本制御量及び他の補正項目を加
え、インジェクタ５を駆動して空燃比制御を実施するも
のである。すなわち、この実施例では、従来の空燃比制
御装置に対し、第２の空燃比センサ１１の出力Ｖ₂ をフ
ィルタ処理するなまし演算手段を設けたものである。

【００３２】以上のように第２の空燃比センサ１１の出
力Ｖ₂ にフィルタ処理を加えることにより、第２の空燃
比センサ１１の動きが抑えられる（小さくなる）。この
ため、図７中の点線に示す通り、過渡運転後の空燃比変
動が抑えられる。また、触媒の劣化についても、第２の
空燃比センサ１１の出力の変化度合いが抑えられるた
め、空燃比制御が抑えられる。このため、空燃比制御が
過制御と成らず、エミッションの悪化が抑えられる。従
って、従来より適正な空燃比制御が実施できる。

【００３３】図２は、上述した第２の空燃比センサ１１
のなまし出力手段１０１の動作を表すフローチャート
で、本演算は、所定時間毎、例えば１０ｍＳ毎に実行さ
れる。ステップＳ２０１では、第２の空燃比センサ１１
の出力Ｖ₂ を読み込む。次に、ステップＳ２０２では、
電源投入後はじめてのセンサ出力読み込みか否かを判定
し、はじめての読み込みであれば、ステップＳ３０３に
てなまし出力（フィルタ値）を初期化しなまし処理を終
了する。

【００３４】上記ステップＳ２０２において、はじめて
の読み込みでなければ、ステップＳ３０４に進み、フィ
ルタ値（今回）＝フィルタ値（前回）×（１−Ｋ_f） ＋センサ出力（今回）×Ｋ_f Ｋ_fは係数 の一次フィルタ演算を実行する。ここで、時定数は、空
燃比センサへのノイズを除去する時定数より長くし、空
燃比制御が適正となるよう１００〜３００ｍＳｅｃ程度
に設定する。以上の処理によって第２の空燃比センサ１
１の出力Ｖ₂ をなまし演算処理する。

【００３５】このことにより、図５に示すように、従来
では、第２の所定信号（触媒下流目標値）と第２の空燃
比センサの出力Ｖ₂ との偏差で実施していた空燃比制御
が第２の所定信号（触媒下流目標値）と空燃比センサな
まし出力の出力偏差Ｖ_S2で空燃比制御が実施されること
になる。このため、過渡運転時の出力偏差が小さくな
り、結果として、空燃比制御量が抑えられて、過渡運転
時の空燃比変動が抑えられる。触媒劣化時についても、
なまし出力を用いることで第２の所定信号との出力偏差
が小さくなり、結果として、空燃比変動が抑えられる。
なお、第２の空燃比センサ１１がリニアＯ₂ センサでも
同様の効果が得られる。

【００３６】実施例２．以上の実施例では、第２の空燃
比センサ１１の出力Ｖ₂ で第１の空燃比センサ１０の判
定値を変更する方法について述べたが、第２の空燃比セ
ンサ１１の出力Ｖ₂ で第１空燃比センサ１０の出力Ｖ₁
を用いた空燃比制御量を変更する方法（フィードバック
補正のＰ値、Ｉ値、ディレイ時間）でも同様である。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、空燃
比センサへのノイズを除去する時定数より長く、空燃比
制御が適性となるようフィルタ処理時定数が１００〜３
００ｍｓｅｃに設定されたフィルタ処理手段によって第
２の空燃比センサの出力偏差を抑制すべくフィルタ処理
して得た出力に基づいて空燃比制御を実施するので、触
媒劣化に拘わらずデュアル０ ₂ 制御を正確に行うことが
でき、空燃比制御補正量を抑えられて過渡運転時及び触
媒劣化時における空燃比変動を小さくして適正な空燃比
制御を実施できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による空燃比制御装置の構
成図である。

【図２】図１のなまし出力手段の演算処理フローチャー
トである。

【図３】空燃比制御装置の全体を示すシステム構成図で
ある。

【図４】電子式制御装置の構成図である。

【図５】従来の空燃比制御のブロック図である。

【図６】従来の空燃比制御時の空燃比センサ挙動例を示
す波形図である。

【図７】従来とこの発明における過渡運転時の触媒上下
流の空燃比の挙動を示す波形図である。

【図８】従来の触媒正常時の空燃比センサの挙動を示す
波形図である。

【図９】従来の触媒劣化時の空燃比センサの挙動を示す
波形図である。

【符号の説明】

１０ 第１の空燃比センサ １１ 第２の空燃比センサ １２ 触媒コンバータ １５ 排気管 １０１ なまし出力手段（フィルタ処理手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気系に設けられた排気ガス
   浄化のための触媒コンバータの上流側及び下流側にそれ
   ぞれ設けられて排気ガス中の特定成分濃度を検出する第
   １及び第２の空燃比センサと、空燃比センサへのノイズ
   を除去する時定数より長く、空燃比制御が適性となるよ
   うフィルタ処理時定数が１００〜３００ｍｓｅｃに設定
   されていて上記第２の空燃比センサの出力偏差を抑制す
   べくフィルタ処理するフィルタ処理手段と、このフィル
   タ処理手段の出力に応じて空燃比制御量を演算する空燃
   比制御量演算手段と、上記第１の空燃比センサの出力及
   び上記空燃比制御量に応じて内燃機関の空燃比を制御す
   る空燃比制御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。