JPS61244848A - 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】 （産業状利用分野） 本発明は、酸素センサを用いて自動車等内燃機関の空燃
比をフィードバック制御する装置に関する。

（従来の技術） 一般に、エンジンにおける空燃比のフィードバック制御
は、運転性、燃費、排気対策等の諸要求を満たすために
行われており、このような制御では排気中の酸素濃度を
パラメータとして吸入混合気の空燃比が検出される。

従来のこの種の空燃比制御装置としては、例えば「ニラ
サン　サービス同報　第５１７号」昭和５９年１０月　
０産自動車−発行に記載されたものがある。この装置で
は、まず吸入空気量Ｑａと回転数Ｎに基づいて次式■に
従って基本噴射ＩＴｐを演算する。

Ｔｐ　＝Ｋ　・　（Ｑａ／Ｎ）−・・−■但し、Ｋ：定
数 次いで、このＴｐを各種増量補正するとともに酸素セン
サの出力に基づいて目標空燃比となるように補正して次
式■で示す最終噴射量Ｔｉを決定する。

Ｔ　ｉ　＝Ｔｐ　ＸＣ０ＥＦＸα＋Ｔｓ−−−−−００
式中、Ｃ０ＥＦは各種増量係数であり、例えば冷却水温
や絞弁開度等に基づいて基本噴射量’ｒｐを各種増量補
正するものである。αは空燃比を目標空燃比にフィード
バック制御するときのフィードバンク補正係数であり、
酸素センサの出力に基づいて演算される。また、Ｔｓは
インジェクタの応答遅れを補正をするための電圧補正分
である。

したがって、最終噴射量Ｔｉの燃料が吸気ポート近傍に
設けたインジェクタから噴射され、空燃比が目標空燃比
に制御される。

また、酸素センサはその特性が温度に依存するので作動
を安定化させるために、センサ本体（素子部）を加熱す
るヒータを設けるとともに、エンジンの暖機が終了した
時点からフィードバック制御を開始している。

一方、エンジンが過渡状態にあるときには空燃比の検出
に遅れを伴うことから一時的にオーブン制御に切換えて
制御の追随性を確保している。

この場合、上記オーブン制御を行う時間（以下、過渡オ
ーブン時間という）ＴＤは運転状態に拘らず一定値に固
定される。これは以下の理由による。

例えば、第１０図（ａ）に示すようにタイミングｔ１で
Ｔｉが急変して過渡状態に移行すると、排気酸素濃度に
よって検出される空燃比（以下、排気空燃比という）は
同図（ｂ）に示すようにタイミングｔ１から少し遅れて
リーン側に変化し、次いでリッチ側に変化してタイミン
グｔ２で目標空燃比に一致する。これは、タイミング上
。直後はＴｉが増大して吸入混合気の空燃比（以下、供
給空燃比という）は直ちにリッチとなるものの吸気ポー
ト等に壁流が形成されるため排気空燃比はこれとずれる
からである。したがって、タイミング上１〜ｔ２迄の間
は酸素上ンサ情報によらずオーブン制御に切換えて過渡
応答性を高め、また暖機後にあっては機関温度の変動が
小さいことから実際上過渡オーブン時間ＴＤを一定値と
している。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、近年、リッチからリーンまでリニアに空燃比
検出可能な酸素センサが開発され、この酸素センサを利
用してエンジンの始動直後がら空燃比をフィードバック
制御する空燃比制御装置の提案が通出願人よりなされて
いる（特願昭５９−８２４９４号参照）。これにより、
始動時、暖機時のように理論空燃比より要求空燃比の濃
い運転領域も目標とする空燃比にフィードバック制御可
能となり、運転性をより一層高めることができるもので
ある。

しかしながら、暖機中における過渡運転時も第１０図で
示したような空燃比のみだれが生じることになり、さら
に、暖機中は吸気温やマニホールド、吸気ポートの温度
が低く燃料の蒸発が暖機後に比較して促進されず、いわ
ゆる壁流が多くなる。

このため、暖機中過渡時にあっては特に供給空燃比と排
気空燃比との相関のずれが大きく、かつ空燃比が安定す
るまでの時間が長くなる。一般には、機関温度が低い程
、過渡オープン時間は長くなる傾向にある。したがって
、過渡オープン時間を一定値に固定した従来の装置では
、暖機後過渡時における効果は期待できるものの、暖機
中過渡時には十分な過渡オープン時間が経過しないうち
に、フィードバック制御に切換ねることとなってしまう
。

（発明の目的） そこで本発明は、エンジンの暖機状態に応じて過渡オー
プン時間を設定することにより、暖機中における空燃比
制御の精度を高めて、暖機中過渡時の排気性能や運転性
を向上させることを目的としている。

（発明の構成） 本発明による空燃比制御装置はその基本概念図を第１図
に示すように、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検
出する空燃比検出手段ａと、エンジンの暖機状態を検出
する暖機検出手段すと、エンジンが所定の過渡状態にあ
ることを検出する過渡状態検出手段Ｃと、エンジンの暖
機状態に応じて過渡オープン時間を設定する設定手段ｄ
と、空燃比検出手段ａの出力に基づいて吸入混合気の空
燃比が所定空燃比となるように吸入空気あるいは燃料の
供給量をフィードバック制御するとともに、エンジンが
所定の過渡状態に移行すると前記過渡オープン時間に基
づく所定期間該供給量をオープン制御する制御信号を出
力する制御手段ｅと、制御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ｆと、を備えてお
り、暖機中における空燃比制御の精度を高め、暖機中過
渡時の排気性能や運転性を向上させるものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜７図は本発明の一実施例を示す図である。

まず、構成を説明すると、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より吸気官３を通
して各気筒に供給され燃料は噴射信号Ｓｉに基づいてイ
ンジェクタ（操作手段）４により噴射される。気筒内で
燃焼した排気は排気管５を通して触媒コンバータ６に導
入され、触媒コンバータ６内で排気中の有害成分（Ｃｏ
、ＨＣ，Ｎ０ｘ）を三元触媒により清浄化して排出され
る。

吸入空気の流量Ｑａはエアフローメータ７により検出さ
れ、吸気管３内の絞弁８によって制御される。絞弁８の
開度Ｃｖは絞弁開度センサ９により検出され、エンジン
１の回転数Ｎはクランク角センサ１０により検出される
。またウォータジャケットを流れる冷却水の温度Ｔｗは
水温センサ（暖機検出手段）１１により検出される。

排気管５には酸素センサ１２が取り付けられており、酸
素センサ１２は空燃比検出回路１３に接続される。空燃
比検出回路１３は酸素センサ１２にポンプ電流Ｉｐを供
給するとともに、その電流値を検出して排気酸素濃度に
対応する電圧信号Ｖｉを出力子る。各センサ７．９．１
０．１３からの信号はコントロールユニット１４に入力
されており、コントロールユニット１４はこれらのセン
サ情報に基づいて空燃比制御を行うもので、詳細な構成
は後述する。

第３．４図は、酸素センサ１２の分解斜視図およびその
断面図である。これらの図において、２１はアルミナか
らなる基板であり、基板２１上にはヒータ２２を介して
チャンネル上の大気導入部詔を形成した大気導入板Ｕが
積層される。その上に、酸素イオン伝導性の平板状の第
１の固体電解質２５が積層され、固体電解質四の下面に
は大気に晒される電極であるセンサアノード（基準電極
）２６が、それに対応枦る上面には排気ガスに晒される
電極であるセンサカソード（測定電極）２７がそれぞれ
印刷により設けｑれる。さらに、この固体電解質５の上
に厚さＬ　（Ｌ＝０．１　ｍｍ程度）のスペーサ板２８
が積層され、その上に平板状の第２の固体電解質２９が
積層される。これらの固体電解質２５．２９およびスペ
ーサ２８はセンサカソード２７を覆ってこのセンサカソ
ード、釘の周りにガス導入部（酸素層）３０を画成する
酸素画成部材３１を構成しており、酸素層画成部材３１
は排気とガス導入部３０との間の酸素分子の拡散を制限
する。上記センサアノード２６、センサカソード２７お
よび固体電解質２５はセンサ部３２を構成しており、セ
ンサ部３２は大気導入部詔とガス導入部３０との間の酸
素分圧比に応じた電圧（以下、センサ電圧という）Ｖｓ
を出力する。

また、第２の固体電解質２９の上、下面にはそれぞれポ
ンプ電極としてのポンプアノード３３およびポンプカソ
ード３４が設けられ、これらのポンプアノード３３、ポ
ンプカソード３４および固体電解質２９はポンプ部３５
を構成する。ポンプ部３５はポンプ電極間に供給される
ポンプ電流１ｐの値に応じてガス導入部３０の酸素分圧
を制御する。上記センサ部３２、ポンプ部３５、酸素層
画成部材３１および大気導入板２４は排気中の酸素濃度
を検出する素子部３６を構成する。なお、ヒータ２２は
固体電解質部、２９を適温に加熱し、それらを活性化さ
せる。また、４１．４２はヒータ２２のリード線、４３
〜４６はそれぞれセンサアノード２６、センサカソード
２７、ポンプアノード３３、ポンプカソード３４のリー
ド線である。

第５図は空燃比検出回路１３の構成を示す回路図であり
、この図において、空燃比検出回路１３は目標電圧−Ｖ
ａを発生する電圧源４９、差動アンプ（資）、抵抗Ｒ１
，電流供給回路５１および電流検出回路５２により構成
される。差動アンプ５０はセンサ電圧Ｖｓを目標電圧−
Ｖａと比較してその差値Δ■（ΔＶ＝Ｖｓ　−（−Ｖａ
））を算出する。電流供給回路５１は差値ΔＶが零にな
るように素子部３６のポンプカソード３４からのポンプ
電流１ｐを流し出す（あるいは流し込む）。すなわちΔ
Ｖが正のときはＩｐを増やし、負のときはＩｐを減らす
。電流検出回路５２は抵抗Ｒ１の両端間の電位差により
ポンプ電流１ｐを電圧Ｖｉ（ＶｉｏＣＩｐ）に変換して
検出する。なお、ポンプ電流１ｐは実線矢印で示す方向
を正（Ｖｉも正）、破線矢印で示す逆方向を負とする。

そして、目標電圧−Ｖａを素子部３６のガス場入部３０
内の酸素濃度が所定値に維持されているとき、すなわち
固体電解質５の両面間の酸素分圧比が所定値となるとき
のセンサ電圧Ｖｓに相当する値に設定しておくことより
、電流検出回路５２によって検出されるポンプ電流Ｉｐ
に比例した検出電圧Ｖｉは第６図に示すように空燃比と
一義的に対応するようになる。したがって、この検出電
圧Ｖｉを利用すれば空燃比をリッチ域からリーン域まで
広範囲に亘って連続的に精度よく検出することができる
。上記酸素センサ１２および空燃比検出回路１３は空燃
比検出手段１５を構成する。

再び第２図において、コントロールユニット１４は過渡
状態検出手段、設定手段および制御手段としての機能を
有し、ＣＰＵ５６、ＲＯＭ５７、ＲＡＭ５８およびＩ１
０ポート５９により構成される。ＣＰＵ５６はＲＯＭ５
７に書き込まれているプログラムに従ってＩ１０ポート
５９より必要とする外部データを取り込んだり、またＲ
ＡＭ５Ｂとの間でデータの授受を行ったりしながら演算
処理し、必要に応じて処理したデータをＩ１０ボート５
９へ出力する。

Ｉ１０ボート５９には空燃比検出回路１３およびセンサ
群７．９．１０．１１１３からの信号が入力されるとと
もに、Ｉ１０ボート５９からは噴射信号Ｓｉが出力され
る。ＲＯＭ５７はＣＰＵ５６における演算プログラムを
格納しており、ＲＡＭ５８は演算に使用するデータをマ
ツプ等の形で記憶している。

次に、作用を説明する。

第７．８図はそれぞれＲＯＭ５７に書き込まれている過
渡オープン時間設定および空燃比制御のプログラムを示
すフローチャートであり、図中Ｐ、〜Ｐつはフローチャ
ートの各ステップを示している。これらのプログラムは
所定時間毎に一度実行される。

第７図において、まずＰ、で冷却水温Ｔｗを読み込み、
Ｐ２でこれを所定温度Ｔｈ（例えば、Ｔｈ＝５０〜９０
℃）と比較する。Ｔｗ≦Ｔｈのときは、暖機が終了して
いないと判断して、Ｐ、で第９図に示すテーブルマツプ
から冷却水温７’ｗに応じて過渡オープン時間ＴＤをル
ックアップする。

一方、Ｔｗ＞Ｔｈのときは既に暖機が終了していると判
断してＰ４で過渡オーブン時間ＴＤを高温所定値ＴＤｈ
として今回のルーチンを終わる。このように、暖機終了
前であれば冷却水温Ｔｗに応じてＴＤが最適値に設定さ
れ、暖機終了後は一定値ＴＤｈに固定される。

次に、上記プログラムにより設定された過渡オーブン時
間ＴＤに基づく空燃比の切換制御について説明する。

第８図において、ｐＨで過渡状態にあるか否か判別する
。これは、例えば絞弁開度ＣＶ、吸入空気量Ｑａあるい
は燃料噴射量Ｔｐ等の急変化を判別して行う。過渡状態
にあるときはＰ７で過渡フラグＫＦをセット（ＫＦ＝１
）した後、ＰＩ３でオープンフラグＯＦをセット（ＯＦ
＝１）してリターンする。過渡フラグＫＦは過渡状態に
あるか否かの判別結果を表示するフラグであり、セット
されているとき過渡状態にあり、リセット（ＫＦ＝０）
されているとき該状態にないという判別結果を表す。ま
た、オープンフラグＯＦ−は後述のフィードバックフラ
グＦＢＦとともに空燃比の制御方式を表示するフラグで
あり、０Ｆ＝１のとき空燃比をオープン制御する旨を、
ＦＢＦ＝１のとき空燃比をフィードバック制御する旨を
表す。なお、０Ｆ＝１あるいはＦＢＦ＝４という状態は
択一的に切換えられる。したがって、上述のようにｐＨ
−Ｐ、−Ｐ、とフローが流れるときは空燃比がオープン
制御され（例えば、前記０式のαを所定値にクランプす
る）、そのオープン制御時間は過渡オープン時間ＴＤに
よって決定される。

一方、上記ステップＰｌ＋で過渡状態にないときはＰＩ
４で前回のルーチンにおける過渡フラグＫＦの状態を判
別する。ＫＦ＝１のときはＰＩｓで過渡フラグＫＦをリ
セットするとともにオープンカウンタをクリアしてその
カウント値ＴをＴ＝Ｏとした後、Ｐ、に進む。オーブン
カウンタは過渡オープン時間ＴＤの計測を行うものであ
る。Ｐ、でＫＦ＝ＯのときはＰＩ、でオーブンカウンタ
のカウント値Ｔを過渡オープン時間ＴＤと比較し、Ｔ≦
ＴＤのときはＰ１ヮでカウント値Ｔを〔１〕だけインク
リメントしてＰ。に進む。また、Ｔ＞ＴＤのときは既に
過渡オープン時間ＴＤが経過したと判断してｐＨ＋で空
燃比制御をフィードバック制御に復帰させる。

このように、過渡状態に移行すると直ちに空燃比がオー
プン制御されるとともに、そのオープン制御期間は過渡
フラグＫＦの切換（１−０）時点から過渡オープン時間
ＴＤだけ延長される。したがって、厳密には全体のオー
プン制御期間は〔過渡状態の判別期間）＋　（ＴＤ）と
なる。この場合、ＴＤはエンジン１の暖機程度に応じた
最適値であるため、従来と異なり暖機中であっても空燃
比の制御精度を格段と高めて、排気性能や運転性を向上
させることができる。すなわち、本装置によれば、エン
ジン１の始動直後からの暖機中における空燃比の精密な
制御が可能になって近時の要求に沿うことができる。

なお、過渡オープン時間ＴＤは過渡時の形態、すなわち
加速あるいは減速によってそれぞれ別個の値に設定して
もよく、また別個の値とせずに冷却水温Ｔｗに基づ＜Ｔ
Ｄのルックアップ値を加速あるいは減速の程度に応じて
補正するようにしてもよい。そのようにすれば空燃比制
御をより一層精密に行うことができる。

さらに、暖機状態の検出は冷却水温に限らず、例えばマ
ニホールド、吸気ポート、シリンダヘッドの各温度ある
いは吸入空気温度をパラメータとして行ってもよい。

（効果） 本発明によれば、暖機中における空燃比制御の精度を高
めることができ、暖機中過渡時の排気性能や運転性を向
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２〜９図は本発明に係
る空燃比制御装置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図はその酸素センサの分解斜視図
、第４図はその酸素センサの断面図、第５図はその空燃
比検出回路の回路図、第６図はその空燃比と検出電圧と
の関係を示す図、第７図はその過渡オープン時間設定の
プログラムを示すフローチャート、第８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９図はその
冷却水温と過渡オープン時間との関係を示す図、第１０
図（ａｌ、（ｂ）は過渡状態における空燃比制御の作用
を説明するためのタイミングチャートである。 １・−・・−・エンジン、 ４−−−−−−インジェクタ（操作手段）、１１−−−
−−一水温センサ（暖機検出手段）、１４・−一一一・
コントロールユニット＜ａｉ　状ｉ　検出手段、設定手
段、制御手段）、 １５−・・・・−空燃比検出手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃
   比検出手段と、 ｂ）エンジンの暖機状態を検出する暖機検出手段と、 ｃ）エンジンが所定の過渡状態にあることを検出する過
   渡状態検出手段と、 ｄ）エンジンの暖機状態に応じて過渡オープン時間を設
   定する設定手段と、 ｅ）空燃比検出手段の出力に基づいて吸入混合気の空燃
   比が所定空燃比となるように吸入空気あるいは燃料の供
   給量をフィードバック制御するとともに、エンジンが所
   定の過渡状態に移行すると前記過渡オープン時間に基づ
   く所定期間該供給量をオープン制御する制御信号を出力
   する制御手段と、 ｆ）制御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空燃比制御装置。