JP2866468B2 - 内燃機関の空燃比制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、触媒コンバータの上流側と下流側にO₂セン
サを備えた自動車等に適用される内燃機関の空燃比制御
方法に関する。

［従来の技術］ 排気ガス浄化手段の一つとして広く利用されている三
元触媒は、混合気の空燃比が理論空燃比を中心とした狭
い領域（三元触媒のウィンドウ）内に維持されていない
と、排気ガス中に含まれているCO、HC、NO_xの全てを効
率よく浄化することができない。そのため、インジェク
タを備えたエンジンでは、触媒コンバータの上流側に配
置したO₂センサの出力電圧が空燃比リッチ状態を示した
場合には、燃料噴射量を絞って混合気の空燃比を理論空
燃比側に変化させるようにしている。また、前記出力電
圧が空燃比リーン状態を示した場合には、燃料噴射量を
増加させて混合気の空燃比を理論空燃比側に変化させる
ようにしている。

ところが、単一のO₂センサを利用して空燃比のフィー
ドバック制御を行うと、O₂センサの出力特性のばらつき
や経時変化、インジェクタの燃料噴射量のばらつき等に
より所期の空燃比制御が行われず、空燃比の制御中心が
三元触媒のウィンドウ内からずれてしまうことがある。
また、触媒活性化温度が確保し易いエキゾーストマニホ
ールドに触媒コンバータを連結し、その上流におけるエ
キゾーストマニホールドの集合部にO₂センサが配置され
ている場合には、特定の気筒から排出された排気ガスに
よりO₂センサの出力電圧が左右されたり、高熱等によっ
て劣化が早められてしまうこともある。

このような不具合を回避するために、触媒コンバータ
の上流側に配置した第１のO₂センサの出力電圧に基づい
て空燃比のフィードバック制御を行いつつ、触媒コンバ
ータの下流側に配置した第２のO₂センサの出力電圧に基
づいて空燃比の制御中心を三元触媒のウィンドウ内に補
正するようにしたものがある。詳述すると、触媒コンバ
ータの下流側では、各気筒から排出された排気ガスが十
分に撹拌された状態になるため、第２のO₂センサの出力
電圧は、第１のO₂センサよりも緩慢な変化を示す。すな
わち、第１のO₂センサの出力電圧に基づいてフィードバ
ック制御が行われている際に、空燃比の制御中心がリッ
チ側にあって混合気が全体としてリッチよりの場合に
は、第２のO₂センサの出力電圧が連続的にリッチ状態を
示し、逆に、空燃比の制御中心がリーン側にあって混合
気が全体としてリーンよりの場合には、第２のO₂センサ
の出力電圧が連続的にリーン状態を示すことになる。そ
こで、第２のO₂センサの出力電圧に基づいて燃料噴射量
をさらに微調節するようにしている。

一方、加速応答性を向上させるために、本発明の先行
技術として、例えば、特開平２−199244号公報に示され
るように、エンジン回転や吸気管圧力等の変化から加速
状態を検出し、その検出結果に基づいて燃料の加速増量
を行うようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような構成では、エンジンやイン
ジェクタの個体差、吸気弁に付着したデポジット等、過
渡時の空燃比に影響を与えるこれらの要素を考慮した燃
料制御が行われていないため、過渡時に空燃比が乱れて
エミッションが悪化するという問題がある。

例えば、第７図に概略的に示すように、エンジン回転
や吸気管負圧の急変によって加速が検出され、その検出
結果に基づいて加速増量が行われた場合、吸気弁にデポ
ジットが殆ど付着していない状態では、インジェクタか
ら噴射された燃料が円滑に燃焼室に導入される。このた
め、そのエンジンE/Gにおける混合気の空燃比A/Fは、殆
ど乱れることがなく、エミッションも悪化し難い。

他方、吸気弁にデポジットが付着している場合には、
インジェクタから噴射された燃料が前記デポジットに邪
魔されて速やかに燃焼室に入り難くなる。ところが、こ
のような不具合が存在している場合でも、検出された加
速度合いが同じであれば、初期の設定時と同じ割合で燃
料が供給される。その結果、そのエンジンF/Gにおける
混合気の空燃比A/Fは一時的に大きく乱れ、エミッショ
ンが悪化してしまう。このような不具合は、経時変化に
よってインジェクタが劣化し、燃料噴射量にずれが生じ
た場合にも生じ易くなる。

本発明は、このような不具合を解消することを目的と
している。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、次のような構
成を採用している。

すなわち、本発明にかかる内燃機関の空燃比制御方法
は、排気ガスを浄化する触媒コンバータの上流側と下流
側に排気ガス中の酸素濃度が高い場合には低い電圧を、
かつ排気ガス中の酸素濃度が低い場合には高い電圧を二
値的に発生し得る第１のO₂センサと第２のO₂センサを各
別に配置し、それらの出力電圧に基づいて燃焼室に供給
する混合気の空燃比を理論空燃比近傍にフィードバック
制御するとともに、検出した加速結果に基づいて燃料を
加速増量するように構成した内燃機関の空燃比制御方法
において、加速時における前記第２のO₂センサの出力電
圧の変化に基づいて燃料の加速増量を修正するようにし
てなり、第２のO₂センサの出力電圧により、触媒コンバ
ータ下流側の空燃比を検出し、検出した空燃比が理論空
燃比よりリーンである場合は加速増量を増量側に修正
し、検出した空燃比が理論空燃比よりリッチである場合
は加速増量を減少側に修正するものであり、加速増量の
修正量を学習し、学習した修正量を第２のO₂センサの出
力電圧に応じて所定量増減させることを特徴とする。

なお、触媒コンバータの上流側に配置された第１のO₂
センサの出力電圧は、空燃比の微妙な変化に伴って空燃
比リッチ側及び空燃比リーン側へ頻繁に変化するため、
その変化が前述の要素に起因するものか否かを判別する
のは困難である。しかしながら、触媒コンバータの下流
側では、加速時における空燃比が理論空燃比よりリッチ
側に変化しているかリーン側に変化しているかが第２の
O₂センサの出力電圧から全体的に把握することが可能と
なる。

［作用］ このような構成によれば、加速が行われた場合に第２
のO₂センサの出力電圧が空燃比リーンを示せば、加速増
量が不足していることになり、この場合には加速増量が
増加修正される。

また、加速が行われた場合に第２のO₂センサの出力電
圧が空燃比リッチを示せば、加速増量が多すぎることに
なり、その場合には加速増量が減少側に修正されること
になる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図〜第６図を参照して
説明する。

第１図に概略的に示した内燃機関たるエンジンは、自
動車のもので、インジェクタ１と、クランク角センサ２
と、圧力センサ３と、アイドルスイッチ４と、水温セン
サ５と、第１のO₂センサたるメインO₂センサ６と、第２
のO₂センサたるサブO₂センサ７とを具備している。

インジェクタ１は、吸気管８に装着してあり、電磁コ
イル等を内蔵している。そして、電磁コイルに電子制御
装置９から燃料噴射信号ａが印加されると、その印加時
間に相当する量の燃料を吸気ポート付近に噴射するよう
になっている。クランク角センサ２は、ディストリビュ
ータ10に内蔵してあり、エンジン回転速度に対応してエ
ンジン回転信号ｂを発生するように構成されたものであ
る。圧力センサ３は、サージタンク11に設けてあり、吸
気圧に比例して吸気圧信号ｃを出力するようになってい
る。アイドルスイッチ４は、スロットルシャフト12に連
結してあり、スロットルバルブ13が閉じている場合はON
になり、スロットルバルブ13が開弁した場合はOFFにな
るON・OFFスイッチで、スロットル信号ｄを出力するよ
うになっている。水温センサ５は、例えば、サーミスタ
等を内蔵したもので、エンジ冷却水温に応じて水温信号
ｅを出力するようになっている。メインO₂センサ６は、
触媒コンバータたるマニバータ14の上流側に配置してあ
り、排気ガス中の酸素濃度に対応してフィードバック信
号ｆを出力するようになっている。具体的には、第３図
の特性曲線Ａに示すように、このメインO₂センサ６は、
排気ガス中の酸素濃度が高い場合には低い電圧を発生
し、排気ガス中の酸素濃度が低い場合には高い電圧を発
生し得るように構成されたものであり、その出力電圧を
フィードバック信号ｆとしている。そして、後述するよ
うに、このメインO₂センサ６の出力電圧が、判定電圧を
下回った場合には、下回った時点からリーン判定遅延時
間TDLが経過した後に、空燃比がリッチからリーンに切
り替わった旨のA/F判定を行うようにし、前記出力電圧
が、判定電圧を上回った場合には、上回った時点からリ
ッチ判定遅延時間TDRが経過した後に、空燃比がリーン
からリッチに切り替わった旨のA/F判定を行うようにし
ている。サブO₂センサ７は、メインO₂センサ６と同様な
構成のもので、排気ガス中の酸素濃度に対応してフィー
ドバック信号ｇを出力するようになっている。

電子制御装置９は、燃焼室15に供給する混合気の空燃
比を調節する役割を担っており、中央演算処理装置16
と、メモリー17と、入力インターフェース18と、出力イ
ンターフェース19を備えたマイクロコンピュータユニッ
トにより構成されている。入力インターフェース18に
は、少くとも、クランク角センサ２からのエンジン回転
信号ｂと、圧力センサ３からの吸気圧信号ｃと、アイド
ルスイッチ４からのスロットル信号ｄと、水温センサ５
からの水温信号ｅと、メインO₂センサ６からのフィード
バック信号ｆと、サブO₂センサ７からのフィードバック
信号ｇがそれぞれ入力されるようになっている。出力イ
ンターフェース19からは、前記インジェクタ１に燃料噴
射信号ａが出力されるようになっている。

電子制御装置９による燃料供給量の調節は、次のよう
に行われる。先ず、エンジン回転信号ｂおよび吸気圧信
号ｃ等から吸入空気量を算出し、その吸入空気量に応じ
て基本噴射量TPを決定する。次いで、この基本噴射量TP
を、メインO₂センサ６のフィードバック信号ｆにより決
まる空燃比フィードバック補正係数FAF、エンジン回転
信号ｂ及び吸気圧信号ｃにより決まる過渡時空燃比補正
係数FAEW、エンジンの運転状況に応じて決まる各種補正
係数Ｋ、および、無効噴射時間TAUVで補正して、インジ
ェクタ１への最終通電時間Ｔを次式に基づいて決定し、
その時間Ｔだけインジェクタ１を開弁させて燃料供給を
行う。

Ｔ＝TP×FAF×（１＋FAEW）×Ｋ＋TAUV ここで、エンジン水冷水温が40℃以上である、フュー
エルカット中でない、パワー増量中でない、エンジン始
動後から所定時間経過している、メインO₂センサ６が活
性中である、圧力センサ３が正常である、等の諸条件が
全て成立している場合には、メインO₂センサ６の出力電
圧に基づいてフィードバック制御が行われる。具体的に
は、第３図に示すように、メインO₂センサ６の出力電圧
が判定電圧を上まわった場合には、リッチ判定遅延時間
TDR後に空燃比フィードバック補正係数FAFを所定値RSM
だけ減少側にスキップさせ、次にリーン積分KIMに基づ
いて一定値づつ徐々に減少させる。このため、インジェ
クタ１からの燃料供給量が絞られて、混合気の空燃比が
理論空燃比側に変化することになる。他方、メインO₂セ
ンサ６の出力電圧が判定電圧を下まわった場合には、リ
ーン判定遅延時間TDL後に空燃比フィードバック補正係
数FAFを所定値RSPだけ増加側にスキップさせ、次にリッ
チ積分KIPに基づいて一定値づつ徐々に増加させる。そ
の結果、インジェクタ１から供給される燃料の量が増加
して、混合気の空燃比が理論空燃比側に変化することに
なる。

メインO₂センサ６による空燃比のフィードバック制御
中にその制御開始から所定時間経過している、メインO₂
センサ６が活性になってから所定時間経過している、エ
ンジン冷却水温が70℃以上である、エンジンがアイドリ
ング状態で車速が０である、等の諸条件が全て成立すれ
ば、サブO₂センサ７の出力電圧に基づく空燃比のフィー
ドバックF/B制御が行われる。ここでのフィードバック
制御は、空燃比フィードバック補正係数FAFを操作する
ことにより行われる。具体的には、サブO₂センサ７の出
力電圧が判定電圧を下まわっている場合は、リッチ判定
遅延時間TDRを長くする一方、リーン判定遅延時間TDLを
短縮する。その結果、空燃比フィードバック補正係数FA
Fが増加側から減少側に転換する時期が遅くなるととも
に、減少側から増加側に転換される時期が早くなり、イ
ンジェクタ１から供給される燃料の量が増加することに
なる。逆に、サブO₂センサ７の出力電圧が判定電圧を上
まわっている場合には、リッチ判定遅延時間TDRを短縮
し、リーン判定遅延時間TDLを長くする。その結果、空
燃比フィードバック補正係数FAFが増加側から減少側に
転換する時期が早くなるとともに、減少側から増加側に
転換される時期が遅くなり、インジェクタ１から供給さ
れる燃料の量が減少することになる。

また、エンジン回転信号ｂ及び吸気圧信号ｃによりエ
ンジンの加速を検出し、検出した加速度合に応じて前記
過渡時空燃比補正係数FAEWを決定するとともに、その過
渡時空燃比補正係数FAEWで燃料の加速増量を行うように
なっている。

なお、以上の制御は、エンジン運転中に繰り返し実行
されるように設定してある。

さらに、前記電子制御装置９には、第２図に概略的に
示すようなプログラムを内蔵してある。まず、メインO₂
センサ６及びサブO₂センサ７による空燃比のフィードバ
ック実行条件が成立しているのを前提に、ステップ51で
前記過渡時空燃比補正係数FAEWが０より大きいか否かを
判断する。０より大きい場合は加速中であると判断して
ステップ52に進む。ステップ52では、加速前におけるサ
ブO₂センサ７の出力電圧OX2OLDが、第４図に示すよう
に、定常時のリッチ判定レベルOX2LV1を上まわっている
か否かを判断し、上まわっている場合にステップ53に進
む。ステップ53では、加速時におけるサブO₂センサ７の
出力電圧OX2NEWが加速時のリッチ判定レベルOX2LV2を上
まわっているか否かを判断し、上まわっていない場合は
ステップ54に進み、上まわっている場合はステップ56に
進む。ステップ54では、加速時におけるサブO₂センサ７
の出力電圧OX2NEWが加速時のリーン判定レベルOX2LV3よ
り小さいか否かを判断し、小さい場合にステップ55に進
む。ステップ55では、過渡時空燃比補正係数FAEWの学習
値KGAEWを１だけ増加する。ステップ56では、過渡時空
燃比補正係数FAEWの学習値KGAEWを１だけ減少させる。
なお、燃料噴射量決定の際に利用される過渡時空燃比補
正係数FAEWは、エンジ回転信号ｂ及び吸気圧信号ｃによ
り決まる前記過渡時空燃比補正係数FAEWの計算値FAEWO
と、前記修正値KGAEWとを掛けた値により決定されるよ
うになっている。

以上のような構成によると、サブO₂センサ７の出力電
圧が定常時のリッチ判定レベルを上まわっている状態で
加速が行われた場合、加速時におけるサブO₂センサ７の
出力電圧が一定範囲内（OX2LV2〜OX2LV3）にあれば（ス
テップ51〜54）、加速時の空燃比は、略所定通りに調節
されていることになる。

前述の状態で加速で行われた場合、第５図に示すよう
に、サブO₂センサ７の出力電圧が定常時のリッチ判定レ
ベル及び過渡時のリーン判定レベルを下まわっていれ
ば、前記過渡時空燃比補正係数FAEWが増加される（ステ
ップ51〜55）。そして、次回に加速が検出された場合に
は、修正後の過渡時空燃比補正係数FAEWで燃料の加速増
量が行われることになる。

一方、第６図に示すように、加速時におけるサブO₂セ
ンサ７の出力電圧が空燃比リーン側へ大きく変化せず、
過渡時のリッチ判定レベルを上まわっている場合には、
過渡時空燃比補正係数FAEWが減少側に修正される（ステ
ップ51〜53→56）。次回に加速が検出された場合には、
その修正値により燃料の加速増量が行われることにな
る。

したがって、このような構成によれば、エンジンやイ
ンジェクタ１の個体差、あるいは吸気弁20に付着したデ
ポジット等によって、加速時における燃料噴射量にばら
つきが生じたり、燃焼室15への燃料導入がデポジットに
よって一時的に妨げられるようなことがあっても、これ
らによる悪影響を有効に吸収することが可能となる。そ
の結果、加速時における混合気の空燃比を安定させるこ
とができ、エミッションが悪化するのを有効に抑制する
ことができる。

以上、本発明の一実施例について述べたが、本発明は
前記実施例に限定されないのは勿論である。例えば、過
渡時空燃比補正係数を定期的に修正するようにすれば、
経時変化による前述のような不具合を長期に亙って抑制
することが可能である。

また、本発明は、第２のO₂センサの出力電圧に基づい
て前記空燃比フィードバック補正係数のリッチ積分、リ
ーン積分、スキップ量を変化させることにより、空燃比
を理論空燃比近傍に収束させるように構成されたものに
も適用可能である。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成であるから、エンジンの
個体差や経時変化等により過渡時の燃料供給量にばらつ
きや供給遅れが発生するのを有効に修正することが可能
であり、過渡時における混合気の空燃比を理論空燃比近
傍に安定させることができる。その結果、過渡時にエミ
ッションが悪化するのを有効に抑制することができる応
答性及び制御精度に優れた内燃機関の空燃比制御方法を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図は本発明の一実施例を示し、第１図は
概略的な全体構成図、第２図は制御手順を概略的に示す
フローチャート図、第３図は制御態様を示すタイミング
チャート図、第４図は制御設定条件を示す図、第５図及
び第６図はそれぞれ作用説明図である。第７図は従来例
における作用説明図である。 １……インジェクタ ６……第１のO₂センサ（メインO₂センサ） ７……第２のO₂センサ（サブO₂センサ） ９……電子制御装置 14……触媒コンバータ（マニバータ） 15……燃焼室

───────────────────────────────────────────────────── 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 - 45/00 395

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気ガスを浄化する触媒コンバータの上流
   側と下流側に排気ガス中の酸素濃度が高い場合には低い
   電圧を、かつ排気ガス中の酸素濃度が低い場合には高い
   電圧を二値的に発生し得る第１のO₂センサと第２のO₂セ
   ンサを各別に配置し、それらの出力電圧に基づいて燃焼
   室に供給する混合気の空燃比を理論空燃比近傍にフィー
   ドバック制御するとともに、検出した加速結果に基づい
   て燃料を加速増量するように構成した内燃機関の空燃比
   制御方法において、加速時における前記第２のO₂センサ
   の出力電圧の変化に基づいて燃料の加速増量を修正する
   ようにしてなり、第２のO₂センサの出力電圧により、触
   媒コンバータ下流側の空燃比を検出し、検出した空燃比
   が理論空燃比よりリーンである場合は加速増量を増量側
   に修正し、検出した空燃比が理論空燃比よりリッチであ
   る場合は加速増量を減少側に修正するものであり、加速
   増量の修正量を学習し、学習した修正量を第２のO₂セン
   サの出力電圧に応じて所定量増減させることを特徴とす
   る内燃機関の空燃比制御方法。