JPH02211345A - エンジンの空燃比制御装置 - 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） この発明は自動車用等のエンジンの排気ガス成分がら空
燃比を検出し、この検出信号によってエンジンに供給す
る混合気の空燃比が目標空燃比となるようにフィードバ
ック制御する装置に関する。

（従来の技術） マイクロコンピュータ制御による燃料噴射システムがあ
る（（株）鉄道旧本社発行「自動車工学」・１９８５年
１０月号第２８頁〜第４０頁、同１９８６年１月号第１
０８頁〜第１１４頁、また（株）大河出版発行「カーエ
レクトロニクス」林田洋−者第４７頁ないし第５６頁参
照）。ここでは、とくに燃料噴射制御について説明する
と、各種センサからの入力信号によりマイクロコンピュ
ータはそのメモリに記憶されたプログラムにしたがって
最適噴射量を演算し、その噴射量に対応して噴射弁のツ
レ／イドコイルへの通電時間を決定することにより最適
噴射量を吸気マニホールド内に噴射する。この場合、通
常時の噴射タイミングは、たとえば全気筒同時噴射の場
合エンジンの１回転に１回であり、クランク角センサか
らの基準位置信号（６気筒エンジンでは１２０°信号）
に基づいて行われる。つまり、６気筒エンジンでは１２
０°信号の３回ごとの入力に対し１回の等間隔で噴射弁
に駆動パルスを出力する。

燃料噴射量の構成は”基本噴射量＋各種増量補正量”で
ある。ただし、噴射弁に作用する燃料圧力を一定に保持
させることで、噴射量は噴射弁の開弁パルス幅に対応す
る。このため、通常運転時の噴射パルス＠（Ｔｉ）は、
次式（１）によって計算される。

”ｒｉ＝”ｌ’９ｘ（ｔ＋に：　ＴＷ　＋ＫＡ　５　＋
ＫＡ　ｉ＋Ｋ　ＭＲ）×ａ＋Ｔ５　　　　　　　　　　
　　・・・（１）ここで、基本パルス幅（Ｔｐ）は吸入
空気量（Ｑ　ａ）とエンジン回転速度（Ｎｅ）とから決
定される値（基本噴射量相当量）で、このＴｐで決まる
空燃比がベース空燃比といわれる。

１に加算される値（水温増量補正係数ＫＴＷ、始動及び
始動後増量補正係数ＫＡ５＋アイドル後増量補正係数Ｋ
ＡＩ＋混合比補正係数ＫＭＲ）は、エア７０−メータ以
外のセンサから入力される各種運転条件に応じてＴｐを
増量補正するための係数である（たとえばＫ　ｔ　Ｗは
冷却水温（Ｔｗ）の低下に伴い混合気を濃くするために
導入される）。これらの係数と１との総和は各種補正係
数（Ｃｏ）として表現される。

ａは空燃比のフィードバック補正係数で、三元触媒を効
率良く機能させるために導入される値である。三元触媒
にて排気三成分（Ｃｏ、ＨＣ，Ｎ。

Ｘ）を浄化するためには、混合気の空燃比を理論空燃比
を中心としたある狭い範囲内（この範囲はウィンドウと
呼ばれる）に収まるようにしなければならず、そのため
には、制御精度の高いフィードバック制御とすることが
良いからである。

第８図はこの空燃比フィードバック補正係数αを計算す
るためのプログラムを示し、Ｓｌで空燃比フィードバッ
ク制御域（たとえば、空燃比センサが活性温度以上に上
昇していること、始動やアイドル時でないこと等を満足
する場合である。なお、図では「Ｆ／Ｂ制御域」で略記
する。）であることが判定されてより開始される。Ｓｌ
でフィードバック制御域でない場合には、Ｓ１５でａが
クランプされる。同図のプログラムはたとえば所定のク
ランク角ごとに実行されるものである。

同図のプログラムでは、αの制御中心が１．０で、かつ
αが第９図に示すような周期的変化をする比例積分動作
の例を示し、この動作によれば１周期が次の４つの場合
（ｉ）〜（ｉｖ）から構成される。

つまり、 （ｉ）空燃比がリーンからリッチに反転した場合にステ
ップ的に比例分（ＰＲ）だけリーン側に変化させる。

（ｉｉ）その後はリッチ継続中の積分分（ＩＲ）にて徐
々にリーン側に変化させる。

これに対して （ｉｉｉ）空燃比がリッチからリーンに反転した場合に
はステップ的に比例分（ＰＬ）だけリッチ側に変化させ
る。

（ｉｖ）その後はリーン継続中の積分分（ＩＬ）にて徐
々にリッチ側に変化させる。

というものである。

まず、上記（ｉ）〜（１ｖ）の４つの場合分けの判定は
、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ９で空燃比センサの出力値と基準レベ
ル（理論空燃比に対するセンサ出力値に相当する）との
大小比較と前回に行った大小比較との組み合わせにて行
われる。Ｓ３、Ｓ９の「ＲＬＪは前回の大小比較の結果
を格納しているフラグで、ＲＬ＝Ｒは前回リッチであっ
たことを、ＲＬ＝Ｌは前回リーンであったことをそれぞ
れ意味する。これにより、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４へと進むの
は、リーンがらリッチに反転した場合である。同様にし
て、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ７へと進むのはリッチ継続である場
合、Ｓ２、Ｓ９、ＳＩＯへと進むのはリッチがリーンに
反転した場合、Ｓ２、Ｓ９、Ｓ１３へと進むのはリーン
継続である場合である。なお、前記大小比較が反転した
直後にはそれぞれＳ４、Ｓ１０で７ラグが反転後の値に
変更されている。

こうして４つの場合分けがされると、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ１
１、Ｓ１３で各場合分けに応じて比例分（ＰＲとＰＬ）
と積分分（ＩＲとＩＬ）が算出され、Ｓ６、Ｓ８．８１
２、Ｓ１４でこれら比例分や積分分を用いてフィードバ
ック補正係数（ｌが計算される。上記（ｉ）〜（ｉｖ）
との対応でいえば、（ｉ）の場合ａ＝ａ−ＰＲｓ　（ｉ
ｉ＞）場合ａ＝ａ　−ＩＲ、（ｉｉｉ）の場合α＝α十
ＰＩ、（ｉｖ）の場合α＝Ｃ１＋　Ｉ。

である。ここに、これらの数式の意味するところは、α
として格納されていた値を読み出し、これにフィーレバ
ツク補正量を加減算し加減算した値を改めてａとして格
納するということである。

（発明が解決しようとする課８） しかしながら、このように空燃比のフィードバック制御
を行なっていても、経時変化等によって空燃比センサが
劣化してくると、制御に誤差を生じるようになる。

即ち、空燃比センサが劣化してくると、その出力波形は
劣化してないものに対して、＠１０図のようにリッチか
らリーンへの反転時には立下りの傾斜が急となる半面、
リーンからリッチへの反転時には立上りの傾斜が緩やか
となり、このため空燃比センサの出力が一定の基準レベ
ルＣ８／Ｌ）を横切るタイミングは、経時劣化以前に比
べ、実際の空燃比がリッチ側に行き過ぎた時点となって
しまう。

その結果、従来の制御では空燃比がリッチ化することが
避けられず、排気中のＣｏ、ＨＣが増加するという問題
がある。

この発明は、このような空燃比センサの劣化による制御
誤差を解決した空燃比制御装置を提供することを目的と
している。

（課題を解決するための手段） この発明は、ｖＪｉ図に示すようにエンジンの排気ガス
成分により空燃比を検出する空燃比センサ１と、この空
燃比センサ１の出力信号を基準値と比較する比較手段２
と、この比較結果に応じてフィードバック制御量を算出
する補正演算手段３と、このフィードバック制御量に応
じて空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御手段４と
を備えると共に、前記空燃比センサ１の出力信号の微分
値を算出する微分値演算手段５と、この微分値に応じて
前記基準値を補正する基準値補正手段６とを設ける。

（作用） 空燃比がリッチからリーンに反転する際には空燃比セン
サ１の出力信号の微分値が正から負に切換り、したがっ
てこのとき出力信号を比較する基準値を高めることで、
劣化の影響を受けない出力信号の立下り初期にて空燃比
のリーンが検出され、また空燃比がリーンからリッチへ
反転する際には出力信号の微分値が負から正に切換ると
きに基準値を低めることで、同じく劣化の影響を受けな
い出力信号の立上り初期にて空燃比のリッチが検出され
、これにより誤差のない空燃比制御が得られる。

（実施例） 第２図はこの発明を燃料噴射方式のエンジン２１に適用
したシステム図を表している。同図において、２４はエ
アクリーナを介し吸入される空気量（Ｑ　ａ）に応じた
信号を出力するエア７０−メータで、スロットル弁２３
の上流の吸気通路２２に設けられ、エンジン負荷センサ
として機能する。

２５はクランク角の単位角度ごとの信号と基準位置ごと
の信号を出力するセンサ（クランク角センサ）で、単位
角度ごとの信号からはこれをコントロールユニット４０
でカウントすることによりエンジン回転速度（Ｎｅ）が
求められる。

２６は理論空燃比を境に急変する特性を有する空燃比セ
ンサ（酸素濃度センサ）で、このセンサ２６からの信号
は空燃比のフィードバック制御信号として扱われる。

２７は水温センサ、２８はアイドルスイッチ、２９はノ
ックセンサ、３０はバッテリ、３１は車速センサ、３２
はキースイッチである。

４０はこれらセンサ類（２４〜３０）からの信号が入力
されるコントロールユニットで、このユニット４０では
各種運転変数に基づき、各気筒の吸気ボートに設けた燃
料噴射弁３５からの燃料量を増減することにより、目標
空燃比（理論空燃比）が得られるように制御が行われる
。たとえば、基本パルス幅Ｔ　ｐ（＝　Ｋ　Ｘ　Ｑ　ａ
／　Ｎ　ｅまただしＫは定数）を各種係数（ＣｏとＴｓ
）と空燃比のフィードバック補正係数αにて補正演算す
ることにより、通常運転時の噴射パルス１ｌｌｉｉｉ（
Ｔ　ｉ）を次式にて決定する。

Ｔｉ＝ＴｐＸＣｏＸＱ＋Ｔｓ　　　　　　　・・−（２
）ただし、αは後述するプログラムで、基本パルス幅（
Ｔ　ｐ）、各種補正係数（Ｃｏ）中の各係数（たとえば
水温増量補正係数ＫＴＷやアイドル後増量補正係数ＫＡ
　＋　）、電圧補正分（Ｔｓ）といった値はメモリ（Ｒ
ＯＭ４３）に格納しであるテーブルを検索することによ
りそれぞれ求められる。

なお、コントロールユニット４０は点火時期制御とアイ
ドルスピードコントロール（ｒｓｃ）用のバルブ３７の
開度制御も同時に行う。

第３図１！コントロールユニツ）　４０をマイクロコン
ピュータで構成した場合のブロック構成図で、入出力イ
ンター７．−ｘ（Ｉｌｏ）４１、ＣＰＵ４２、ＲＯＭ４
３、ＲＡＭ４４、イクニｙ　シ！Ｉ　７　キーをオフし
ても記憶情報を保持できるＲＡＭ（ＢＵＲＡＭ）４５お
よび各種信号のうちアナログ信ｔをデジタル信号に変換
するＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）４６からなり、第１図
の各手段２〜６の機能を備える。

第４図は、空燃比のフィードバック補正係数αを計算す
るためのプログラムを示し、所定のクランク角毎に実行
される。

第４図において、空燃比のフィードバック制御域であれ
ば、５１０２にて空燃比センサ２６の出力値０２が所定
の基準値ＳＬと比較され、基準値ＳＬ以上であれば、５
１０３にて７ラグＲＬ（前回の比較結果を表す）に応じ
て５１０４〜５ＩＯ７，５１０８〜５１１１へと進み、
基準値ＳＬよりも小さければ、５１１２にて７ラグＲＬ
に応じて５１１３〜５１１６．８１１７〜５１２０へと
進む。

即ち、空燃比センサ２６の出力値０２が基準値ＳＬ（後
述する５ＬＬＩ）以上になると、まずフラグＲＬ　１．
：　Ｒ（リッチを表す）を立て、基準値ＳＬにＳＬＬ　
１に代えて所定値５ＬＬ２がセットされる。

この５ＬＬ２は、リーン検出時のセンサ出力値０２とほ
ぼ同じ値に設定される（Ｓ１０４，５１０５）。

そして、この場合空燃比がリーンがらリッチに反転した
と判断されるので、リッチ反転時の比例分ＰＲが計算さ
れ、この比例分ＰＲの減算によりフィードバック補正係
数αが求められる（８１０Ｇ、５１０７）。

そして、この反転後は、センサ出力値０２が前回の出力
値０２　Ｇと比較され、前回の出力値０２Ｇよりも下が
ると、即ちセンサ出力値０２の微分値が負になると、基
準値ＳＬに前記５ＬＬ２に代えて所定値５ＬＨＩがセッ
トされる。この５ＬＨＩは、リッチ検出時のセンサ出力
値０２よりもいく分小さな値に設定される（Ｓ１０８，
５１０９）。

また、この場合はリッチ継続中であるので、リッチ継続
中の積分分ＩＲが計算され、この積分分ｙＲの減算によ
りフィードバック補正係数ａが求められる（Ｓ１１０．
５１１１）。

次に空燃比センサ２６の出力値ｏ２が基準値ＳＬ（前述
の５ＬＨＩ）よりも小さくなると、７ラグＲＬにＬ（リ
ーンを表す）を立て、基準値ＳＬに５ＬＨＩに代えて所
定値５ＬＨ２がセットされる。

この５ＬＨ２はリッチ検出時のセンサ出力値０２とほぼ
同じ値に設定される（Ｓｌ　１３，８１１４）。

そして、この場合には空燃比がリッチがらリーンに反転
したと判断されるので、リーン反転時の比例分ＰＬが計
算され、この比例分ＰＬの加算によりフィードバック補
正係数αが求められる（Ｓ１１５．８１１６）。

そして、この反転後は、センサ出力値ｏ２が前回の出力
値０２Ｇよりも上がると、即ちセンサ出力値０２の微分
値が正になると、基準値ＳＬに前記５ＬＨ２に代えて所
定値５ＬＬＩがセットされる。この５ＬＬＩは、リーン
検出時のセンサ出力値ｏ２よりもいく分大きな値に設定
される（Ｓ１１７．８１１８）。また、この場合はリー
ン継続中であるので、リーン継続中の積分分ＩＬが計算
され、この積分分■Ｌの加算によりフィードバック補正
係数αが求められる（Ｓ１１９，５１２０）。

なお、比例分ＰＲ＋ＰＬ、積分分ＩＲ，Ｉ頁−はエンジ
ンの回転数、負荷、冷却水温等に応じて算出される。

このように構成したので、第５図に示すように空燃比が
例えばり−ンがらリッチに反転すると（図中ａ点）、こ
れに応じて空燃比センサ２６の出力値０２が立上るが、
この場合出力値０２の微分値が正に切換り、基準値ＳＬ
がリーン検出時の出力値０２１よりもいく分大きな５Ｌ
ＬＩに変更されるため、その５ＬＬＩとの比較により出
力値０２の立上り初期にて空燃比のリッチへの反転が検
出される（図中す点）。即ち、空燃比センサ２６の劣化
による誤差が小さい領域（第１０図参照）でリッチへの
反転が検出されるのであり、この検出により比例分ＰＲ
さらに積分分ＩＲに応じて空燃比のリーンへの制御が行
なわれる。

そして、次に空燃比がリッチからり−ンに反転すると（
図中Ｃ点）、空燃比センサ２６の出力値ｏ２が立下るが
、この場合出力値０２の微分値が負に切換り、基準値Ｓ
Ｌがリッチ検出時の出力値０２２よりもいく分小さな５
ＬＨＩに変更され、そのＳ　Ｌ　Ｈ１どの比較により出
力値０２の立下り初期にて空燃比のリーンへの反転が検
出される（図中ｄ点）。これにより、リーン反転時にら
空燃比センサ２６の劣化による誤差が小さい領域でリー
ンへの反転が検出され、この検出により比例分ＰＬさら
に積分分■Ｌに応じて空燃比のリッチへの制御が行なわ
れるのある。

したがって、空燃比センサ２６に劣化があっても、従来
例のように空燃比がリッチ化することはなく、その検出
値０２により空燃比の反転を精度良くシかも速やかに検
出することができ、これにより常に空燃比の高い制御精
度を維持することができ、最適な排気エミッシヨンを確
保することができる。

なお、空燃比の反転検出後は、基準値５ＬＬＩを図中Ｃ
点まで、５ＬＨＩを図中ａ点まで変更せずども良いが、
本実施例のように反転検出後に５ＬＬ１をこれより小さ
いＳ　Ｌ　Ｌ　２に、５ＬＨＩをこれより大きい５ＬＨ
２に変更すれば、ノイズによる誤制御を防止できる。

また、エンジンの各気筒間に空燃比のバラツキがあると
、各気筒からの排気により空燃比センサ２６の出力値０
２は第７図のような波形となり、空燃比の反転の検出に
誤りを生じる恐れがあるが、これに対しては第６図のよ
うなローパスフィルタ５０を設けると良い。図中５１〜
５３は空燃比センサ２６に所定のバイアス電圧を付加す
るための抵抗、５４はアンプ、５５は通常帯域のフィル
タで、ローパスフィルタ５０は時定数２００　＋ｌ１ｓ
ｅｃ以下の信号を通すように設定されている。

これによれば、ローパスフィルタ５０を通った空燃比セ
ンサ２６の出力０２Ａは第７図破線のように平滑化され
た波形となるので、各気筒間の空燃比がバラライでいて
も、その出力０２Ａからこれらの平均値を検出すること
ができ、平均値がら空燃比の反転を的確に検出できる。

なお、この場合の制御では、＠４図の７０−チャート中
の０２ヲｏｚＡトｔルカ、　Ｓ　１０８．Ｓ　１１７ノ
０２ノミを０２　Ａとして空燃比の反転の判断だけに用
いるようにしても良い。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、エンジンの排気ガス成分
により空燃比を検出する空燃比センサと、この空燃比セ
ンサの出力信号を基準値と比較する比較手段と、この比
較結果に応じてフィードバック制御量を算出する補正演
算手段と１．二のフィードバック制御量に応じて空燃比
を目標空燃比に制御する空燃比制御手段とを備えると共
に、前記空燃比センサの出力信号の微分値を算出する微
分値演算手段と、この微分値に応じて前記基準値を補正
する基準値補正手段とを設けたので、空燃比センサの劣
化にかかわらず、空燃比を正確に検出することができ、
したがって常−こ空燃比の高い制御精度を確保すること
ができ、最適な排気エミッションを確保できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図、第２図、第３図は本発明の実
施例を示す構成断面図と、制御系のブロック図、第４図
は制御内容を示すフローチャート、第５図は動作状態を
示す説明図、第６図、第７図ローパスフィルタの回路図
と、その出力波形を示すグラフ、第８図〜第１０図は従
来例の７０−チャートと制御特性図と出力波形を示すグ
ラフである。 ２４・・・エアフローメータ、２５・・・クランク角セ
ンサ、２６・・・空燃比センサ、２７・・・水温センサ
、３５・・・燃料噴Ｊｉｔ弁、４０・・・コントロール
ユニット、５０・・・ローパスフィルタ。 第 図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンの排気ガス成分により空燃比を検出する空燃比
   センサと、この空燃比センサの出力信号を基準値と比較
   する比較手段と、この比較結果に応じてフィードバック
   制御量を算出する補正演算手段と、このフィードバック
   制御量に応じて空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制
   御手段とを備えると共に、前記空燃比センサの出力信号
   の微分値を算出する微分値演算手段と、この微分値に応
   じて前記基準値を補正する基準値補正手段とを設けたこ
   とを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。