JPS63255541A - 内燃機関の空燃比制御装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、内燃機関の空燃比に関し、特に排気中の窒素
酸化物Ｃ以下Ｎ　Ｏｘという）低減を図ったものに関す
る。

〈従来の技術〉 従来、内燃機関の空燃比制御装置としては例えば特開昭
５９−２０３８２８号公報等に示されるものがある。

このものでは、吸入空気流量Ｑと機関回転数Ｎとを検出
して基本となる燃料噴射量を設定し、これを機関冷却水
温度等によって補正する。

また、排気中の酸素濃度を検出することによって機関に
供給される混合気の空燃比を検出する空燃比センサを設
け、所定の運転条件では検出された酸素濃度に基づいて
空燃比を目標値（例えば理論空燃比）となるように燃料
噴射量をフィードバック制御し、それ以外の始動時や高
負荷条件では、前記フィードバンク制御を停止し、空燃
比を濃化補正する制御を行っている。

一方、上記空燃比制御と併行して、排気中のＮＯ。

濃度が高い運転条件では、従来機関排気の一部を吸気中
に還流して燃焼温度を低下させることによりＮ　ＯＸ低
減を図るといういわゆる排気還流（ＥＧＲ）制御を行っ
ている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、かかる従来のＥＧＲ制御システムにあっ
ては、Ｅ　Ｇ　Ｒ通路や、それに介装されるＥＧＲ制御
弁等を要するため構成が複雑となってコスト高につき、
排気導入による燃焼効率の低下も大きく燃費を大きく悪
化させる要因となっていた。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたも
ので、前記従来型の空燃比センサとは別にこれとは特性
の異なる空燃比センサを設け、ＮＯＸ発生量の多い領域
ではこの空燃比センサの検出に基づく空燃比フィードバ
ンク制御を行うことにより、ＥＧＲ制御システムを設け
ることなくＮｏＸを低減できるようにした内燃機関の空
燃比制御装置を提供することを目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉 このため、本発明は、第１図に示すように、機関に供給
される混合気の空燃比が理論空燃比又はこれよりリーン
側にある点で、出力レベルが反転する第１空燃比センサ
と、同じく混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に
ある点で出力レベルが反転する第２空燃比センサと１機
関からの窒素酸化物（ＮＯｘ　）の排出量が大きい運転
領域を検出するＮＯ，Ｉ量大領域検出手段と、該検出手
段によって検出されるＮＯＸ排出量が大きい運転領域以
外の少なくとも一部の領域では前記第１空燃比センサか
らの信号に基づく当該センサの出力レベルが反転する空
燃比近傍に空燃比をフィードバック制御する第１空燃比
フィードバック制御手段と、前記ＮＯＸ量大領域検出手
段によって検出されるＮＯＸ排出量が大きい運転領域で
は前記第２空燃比センサからの信号に基づき当該センサ
の出力レベルが反転する空燃比近傍に空燃比をフィード
バック制御する第２空燃比フィードバック制御手段とを
備えた構成とする。

〈作用〉 ＮＯ，ｉｌ大領域検出手段によって検出される運転領域
以外の少なくとも一部の領域では、第１空燃比フィード
バック制御手段により第１空燃比センサの出力レベルが
反転する理論空燃比又はこれよりリーン側にある点の近
傍に空燃比がフィードバック制御される。

またＮ０Ｘｆｌ大領域検出手段によって検出されるＮ　
Ｏｘ排出量の大きな運転領域では第２空燃比フィードバ
ック制御手段により、第２空燃比センサの出力レベルが
反転する理論空燃比よりリッチ側にある点の近傍に空燃
比がフィードバック制御される。このように空燃比が肝
ソチ側Ｇこ制御されることによりＮ　ＯＸ排出量が低減
する。

〈実施例〉 以下に本発明の一実施例を図に基づいて説明する。

一実施例の構成を示す第２図において、機関１の吸気通
路２には、吸入空気流ｉＱを検出するエアフローメータ
３及びアクセルペダルと連動して吸入空気流量を制御す
る絞り弁４が設けられ、下流のマニホールド部分には気
筒毎に電磁式の燃料噴射弁５が設けられる。燃料噴射弁
５はマイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニ
ット６からの噴射パルス信号によって開弁駆動し、図示
しない燃料ポンプから圧送され、所定圧力に制御された
燃料を噴射供給する。更に、機関の冷却ジャケット内の
冷却水温度Ｔ、１を検出する水温センサ７が設けられる
と共に排気通路８には排気酸素濃度に感応して吸入混合
気中の空燃比が理論空燃比である点で出力レベルがＬレ
ベルとＨレベルとの間を反転する特性を有した第１空燃
比センサ９Ａと、同じく出力レベルが吸入混合気中の空
燃比が理論空燃比よりリッチ側にある点でＬレベルとＨ
レベルとの間を反転する特性を有した第２空燃比センサ
９Ｂとが設けられさらに、下流側に排気中のＣｏ、ＨＣ
の酸化とＮ　Ｏｘの還元を行って浄化する三元触媒１０
が設けられる。また、図示しないディストリビュータに
は、クランク角センサ１１が内蔵されており、該クラン
クセンサ１１がら機関回転と同期して出力されるクラン
ク単位角度信号を一定時間カウントして、又はクランク
基準角度信号の周期を計測して機関回転数Ｎが検出され
る。

前記第１空燃比センサ９Ａのセンサ部の構造は第３図に
示すようになっている。

即ち、先端部を閉塞した酸化ジルコニウム（ＺｒＯ□）
を主成分とするセラミック管２１の内表面と外表面の各
一部に白金（Ｐｔ）ペーストを塗布した後、セラミック
管２１を焼成することで、起電力取り出し用の電極２２
．２３を形成しである。セラミック管２１の外表面には
、更に白金を蒸着して白金触媒層２４を形成し、その上
からマグネシウムスピネル等の酸化金属を容射して、白
金触媒［２４を保護するための保護層２５を形成しであ
る。

かかる構成において、セラミック管２１の内側空′洞に
基準気体として大気が導かれるようにする一方、セラミ
ック管２１の外側を機関排気通路に臨ませて機関排気と
接触させ、内表面に接触する大気中の酸素濃度と外表面
に接触する排気中の酸素濃度との比に応じた電圧を電極
２２．２３間に発生させることにより、排気中の酸素濃
度を検出するものである。

尚、白金触媒層２４は、−酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣ
と酸素０□とのＣＯ＋１／２０２→Ｃ０２゜ＨＣ＋　Ｏ
□→Ｈ２０＋ＣＯ□なる酸化反応を促進し、理論空燃比
より濃混合気で燃焼させたときにその部分に残存する低
濃度の０□をＣＯやＨＣと良好に反応させてＣ２濃度を
ゼロ近くにし、セラミック管２１内外の０□濃度比を大
きくして、大きな起電力を発生させる。一方、理論空燃
比より希薄混合気で燃焼させたときには、排気中に高濃
度の０゜と低濃度のＣｏ、ＨＣがあるため、Ｃ０１ＨＣ
と０２とが反応してもまだ０□があまり、セラミック管
２１内外の０゜濃度比は小さく殆ど電圧は発生しない。

即ち、かかる第１空燃比センサ９Ａの出力（起電力）特
性は、第５図に実線Ｓ１で示すように理論空燃比（λ−
１）近傍を境としてリッチ側でＨレベル、リーン側でＬ
レベルとなって反転するようになっている。

一方、第２空燃比センサ９Ｂのセンサ部の内部構造は第
４図に示すようになっており、基本的な構造は第１空燃
比センサ９Ａと同様であるが、白金触媒層２４と保護層
２５との間にロジウム触媒層２６を介在させている点が
異なる。

上記ロジウムＲｈは、窒素酸化物ＮＯｘの還元触媒とし
て一般に知られている。

排気中に含まれるＮＯｘは、ロジウム触媒層２６に達す
るとこのロジウム触媒層２６はＮＯＸと排気中の未燃成
分であるＣｏ、ＨＣとの次式に示す反応を促進させる。

Ｎｏ、＋ＣＯ→Ｎ２＋Ｃ０２ Ｎ　ＯＸ十ＨＣ−＋Ｎｚ　＋　ＨｚＯ＋　Ｃ０２この結
果、ロジウム触媒層２６より内側にある白金触媒層２４
に達した０２と反応する未燃成分Ｃ０１ＨＣが前記ロジ
ウム触媒層２６における反応によって減少しているため
、その分０□濃度が増大することとなる。

したがって、大気と接触するセラミック管２１内側の０
．濃度と排気側の０□濃度との濃度差が減少し、第５図
に点線Ｓ２で示すように理論空燃比（λ−１）よりリッ
チ側で起電力が反転してスライスレベル以下に低下し、
リーン検出がなされることとなる。

排気中のＮｏＸ濃度が高い程、ＮｏＸと反応する未燃成
分Ｃｏ、ＨＣは増大し、Ｃ２との反応が減少するため、
よりリッチ側でリーン検出がなされる。

次にコントロールユニット６による燃料噴射量演算ルー
チンを第６回に示したフローチャートに従って説明する
。

ステップ１では、エアフローメータ３によって検出され
た吸入空気流量Ｑ、クランク角センサ１１によって検出
された機関回転数Ｎ、水温センサ７によって検出された
冷却水温度Ｔ。を入力する。

ステップ２では、吸入空気流量Ｑの変化率（単位時間当
たりの変化量）ΔＱが設定値ΔＱ、以上であるか否かに
よってＮＯＸ低減を図るべき所定以上の加速状態か否か
を判定する。

ステップ２で加速でないと判定されたときはステップ３
へ進み、機関回転数Ｎが所定値Ｎ。以上のＮＯｘ低減を
図るべき高速時であるか否かを判断する。

ステップ３で高速でないと判断されたときはステップ４
へ進み、理論空燃比近傍に保つ空燃比フィードバック制
御を行う運転条件であるか否かを判定する。

ステップ４で空燃比フィードバック制御条件と判定され
た場合はステップ５で第１空燃比センサ９Ａからの出力
Ｓ１を入力し、ステップ６で出力Ｓ、状態に応じて比例
積分等によりフィードパ・ンク補正係数αを演算する。

ステップ４で空燃比フィードバック制御条件でないと判
定されたときはステップ７へ進み、フィードバック制御
を停止するためフィードバック補正係数を基準値α。（
例えば１〕に固定する。

一方、ステップ２又はステップ３の判定がＹＥＳである
所定以上の加速時又は高速時には、ステツブ８へ進み第
２空燃比センサ９Ｂからの出力ｓ２を入力し、ステップ
９で出力Ｓ２状態に応じて比例積分制御等によりフィー
ドバック補正係数αを演算する。

このようにしてフィードバック補正係数αをステップ６
．９で演算され、又はステップ７で固定した後、ステッ
プ１０へ進み吸入空気流量Ｑと機関回転数Ｎとに基づき
、単位回転当たりにシリンダに吸入される空気量に比例
する基本噴射ｉＦＴ、（＝ＫＱ／Ｎ　　Ｋは定数）を演
算する。

ステップ１１では冷却水温度等に基づいて各種補正係数
Ｃ０ＥＦを演算すると共にバッテリ電圧に応じた補正分
子５を演算する。

ステップ１２では燃料噴射量Ｔ、を次式に従って演算す
る。

Ｔ（＝Ｔ、　　・Ｃ０ＥＦ　・ｔｒ＋Ｔｓステップ１３
では、演算されたＴ＋をレジスタにセットする。

これより、予め定められた機関回転周期の燃料噴射タイ
ミングになると、Ｔ、のパルス巾をもっ噴射信号が燃料
噴射弁５に与えられて燃料噴射が行われる。

ここで、ステップ１〜４の機能がＮｏＸＮ大領域検出手
段に相当し、ステップ４がらステップ５゜６．１０〜１
３を経る時の機能が第１空燃比フィードバック制御手段
に相当し、ステップ８〜１３を経る時の機能が第２空燃
比フィードバック制御手段に相当する。

かかる空燃比制御を行えば、ステップ２及びステップ３
の判定がＮＯであるＮＯＸ発生量小領域では、従来同様
所定の運転条件で第１空燃比センサ９Ａに基づく理論空
燃比近傍に保つ制御が行われ、三元触媒１０による浄化
効率を良好に保ちつつ排気特性、運転性能を良好に維持
できる。

一方、ステップ２又はステップ３の判定がＹＥＳである
ＮＯＸ発生量大領域では理論空燃比よりリッチ側で反転
する第２空燃比センサ９Ｂの信号に基づき、該反転近傍
の空燃比に保つ空燃比フィードバック制御が行われる。

第７図に示すように燃焼排気中のＮＯつ濃度は空燃比が
理論空燃比よりリッチ化すると減少傾向にあり、また三
元触媒１ｏのＮＯｘ浄化効率も理論空燃比より僅かにリ
ッチ化するだけで著しく増大する。

したがって前記したように空燃比をリッチ側に制御する
ことによりＮＯＸを効率よく低減できるのである。

特に本実施例で使用した第２空燃比センサ９ＢはＮＯｘ
濃度が高い程、よりリッチ側で反転する特性を有するた
めＮＯｘ発生量が増大しようとする程空燃比がリッチ化
されてＮＯｘ増大を効果的に制御卸できる。

また、第２空燃比センサ９Ｂにおけるロジウム触媒層２
６は酸化チタンや酸化ランタン等を担体として使用した
ときに極めて高いＮＯｘ還元効率が得られることが確か
められている。

但し、第２空燃比センサは本実施例に示したような反転
する点がＮＯｘ濃度に応じて変化するものに限らず、リ
ッチ側の特定の点で反転する特性のものを使用してもよ
い。

そして、かかる制御方式によれば従来のようにＮＯＸ低
減対策としてのＥＧＲ装置等が不要となり、大幅なコス
ト低減を図れると共にＥＧＨによるような燃焼効率の大
きな低下を伴うことがなく、ＮＯ，濃度に応じた分だけ
リッチ化されるため燃費も向上する。

尚、燃費向上のため希薄混合気燃焼を行う場合には第１
空燃比センサとして理論空燃比よりり−ン側で出力レベ
ルが反転するいわゆるリーンセンサを用いればよい。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば空燃比検出点の異
なる２種類の空燃比センサを使用し、ＮＯ、発生量大領
域ではリッチ側空燃比を検出する空燃比センサを用いて
空燃比をリッチ側にフィードバック制御する構成とした
ため、ＥＧＲ装置等を用いることなくＮＯＸ低減を図れ
、大幅なコスト低減を図れると共に燃焼効率の悪化を防
止出来るので燃費も向上する等種々の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の一実施例の全体構成を示す構成図、第３図及び第４
図は夫々同上実施例で使用される第１空燃比センサ及び
第２空燃比センサの要部断面図、第５図は同上の２つの
空燃比センサの特性を示すグラフ、第６図は同上実施例
の燃料噴射量演算ルーチンを示すフローチャート、第７
図は空燃比と排気成分濃度との関係を示すグラフである
。 １・・・機関　　３・・・エアフロメータ　　訃・・燃
料噴１Ｆ弁　　６・・・コントロールユニット　　９Ａ
・・・第１空燃比センサ　　９Ｂ・・・第２空燃比セン
サ特許出願人　日本電子機器株式会社 代理人　弁理士　笹　島　　冨二雄 第１図 第２図 填鯉七 同 ８乃８明酩

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関に供給される混合気の空燃比が理論空燃比又はこれ
   よりリーン側にある点で出力レベルが反転する第１空燃
   比センサと、同じく混合気の空燃比が理論空燃比よりリ
   ッチ側にある点で出力レベルが反転する第２空燃比セン
   サと、機関からの窒素酸化物（ＮＯ＿ｘ）の排出量が大
   きい運転領域を検出するＮＯ＿ｘ量大領域検出手段と、
   該検出手段によって検出されるＮＯ＿ｘ排出量が大きい
   運転領域以外の少なくとも一部の領域では前記第１空燃
   比センサからの信号に基づく当該センサの出力レベルが
   反転する空燃比近傍に空燃比をフィードバック制御する
   第１空燃比フィードバック制御手段と、前記ＮＯ＿ｘ量
   大領域検出手段によって検出されるＮＯ＿ｘ排出量が大
   きい運転領域では前記第２空燃比センサからの信号に基
   づき当該センサの出力レベルが反転する空燃比近傍に空
   燃比をフィードバック制御する第２空燃比フィードバッ
   ク制御手段とを備えてなる内燃機関の空燃比制御装置。