JPH0543253Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案はエンジンの空燃比制御装置、特に排
気中の空燃比に応じた出力をするセンサの応答劣
化を判定するものに関する。

（従来の技術） 三元触媒システムに採用される酸素センサの異
常あるいは劣化については、空燃比のフイードバ
ツク制御条件が成立しても酸素センサの出力電圧
（以下「センサ出力」と称す）が数秒間反転しな
いことをもつて判定するようにしている。これ
は、酸素センサに断線や破損が生じるといつた、
酸素センサが完全に使えなくなる場合を判定する
ものであり、いわばフエールセーフであるといえ
る。そのため、酸素センサの応答性が悪くなつた
というような場合を判定するものではない。

ところが、三元触媒システムでは空燃比を理論
空燃比を中心とするある狭い範囲（ウインドウと
呼ばれる）に維持させることが要求されるので、
応答性の悪化によりこのウインドウを外れる限り
三元触媒を有効に働かせることはできない。

そこで、酸素センサに応答劣化が生じているか
どうかを判定するようにした装置が提案されてい
る（たとえば特開昭62−147034号参照）。

これは、三元触媒を収納する触媒コンバータの
上流側と下流側に酸素センサを１個づつ設け、下
流側酸素センサによつて上流側酸素センサに応答
劣化が生じたかどうかを判定するものである。

（考案が解決しようとする課題） ところで、このような装置では、酸素センサの
応答劣化を判定することができるといつても、酸
素センサが２個必要となるので、１個に比べれば
コストアツプとなる。

また、上流側酸素センサについて応答劣化が生
じたかどうかを判定するのは、触媒コンバータ上
流のほうが排気温度が高いので酸素センサに対す
る熱的影響が大きいことや被毒を受けることから
上流側酸素センサのほうが劣化しやすいからであ
るが、排気温度が低く被毒の心配もない下流側酸
素センサといえども、全く劣化しないとは限らな
いので、下流側の酸素センサに劣化が生じてしま
つた場合には上流側酸素センサについての応答劣
化の判定が誤つてなされることになる。

この考案はこのような従来の課題に着目してな
されたもので、酸素センサは１個のみとする一方
で、排気中の空燃比変化が理論空燃比付近におい
て急激となるように大きな比例分で燃料補正を行
うことにより、空燃比がリツチからリーンへある
いはその逆へと反転する時期をはつきりさせ、そ
の反転の時期とセンサ出力がスライスレベルを横
切る時点との差を酸素センサの応答遅れとして測
定するようにした装置を提供することを目的とす
る。

（課題を解決するための手段） この考案は、第１図に示すように、排気中の空
燃比に応じた出力をするセンサ１と、このセンサ
出力が理論空燃比相当のスライスレベル（Ｓ／
Ｌ）を横切つたかどうかを判定する手段２と、こ
れが判定されたときに空燃比をステツプ的に変化
させる比例分を算出する手段３と、この比例分を
含んで空燃比のフイードバツク補正量（α）を算
出する手段４と、この補正量（α）にて運転条件
に応じた基本噴射量（Tp）を補正してシリンダ
に供給すべき燃料噴射量（Ti）を決定する手段
５とを備えるエンジンの空燃比制御装置におい
て、前記比例分を特別に大きくする手段７と、こ
の大きな比例分による燃料補正にて燃焼したガス
がシリンダから排気されてより前記センサ出力が
スライスレベル（Ｓ／Ｌ）を横切るまでの経過時
間または経過クランク角を測定する手段８と、こ
の測定値と予め定めた基準値（基準時間または基
準クランク角）との比較により前記センサに応答
劣化が生じているかどうかを判定する手段９とを
備える。

（作用） 排気空燃比が反転した直後に作用させる比例分
が大きくされると、空燃比が理論空燃比を横切る
時点での変化が急激となるので、その横切る時点
の測定が正確に行なわれる。

一方、この大きな比例分での燃料補正による空
燃比変化は燃焼ガスにて伝達されるので、燃焼ガ
スがシリンダから排気されてよりセンサ出力がス
ライスレベルを横切るまでの経過時間（経過クラ
ンク角）が測定されると、この測定値はセンサの
応答遅れに対応したものとなる。

したがつて、正常なセンサの応答遅れを基準値
として定めておけば、この基準値と前記測定値と
の比較により、測定値が基準値を外れるようだ
と、センサに応答劣化が生じていると判断され
る。

ここに、センサの応答劣化の判定のために設け
ているのは、１個のセンサだけであるから、コス
トアツプを招くことがない。

（実施例） 第２図は燃料噴射弁３６を各気筒の吸気ポート
２６に設けた４気筒エンジンについてのシステム
図である。同図において、下流側の排気通路２２
には三元触媒を収納する触媒コンバータ２４が介
装され、三元触媒によれば排気中の空燃比が前述
のウインドウに維持される場合に、排気中の有害
三成分（HC，CO，NOx）が同時に効率良く浄
化される。コンバータ２４の上流側には酸素セン
サ２５が取り付けられ、排気中の空燃比が理論空
燃比に対してリーン側かリツチ側かに応じて異な
る出力電圧を発生する。

スロツトルバルブ２７上流の吸気通路２８には
フラツプ式のエアフローメータ２９が、吸気マニ
ホールド集合部のウオータジヤケツト３２には水
温センサ３３がそれぞれ設けられる。

デイストリビユータ３０にはその内部にクラン
ク角センサ３１が内蔵されている。たとえば、そ
の上段には基準位置信号（４気筒エンジンでは
90°信号）発生用のリトラクタと１個のピツクア
ツプコイルが、その下段には1°信号発生用の外歯
と内歯、それにピツクアツプコイルがセツトされ
ており、デイストリビユータの軸がクランク軸に
同期して回転すると、一対のピツクアツプコイル
から基準位置信号と1°信号が発生する。

マイクロコンピユータからなるコントロールユ
ニツト３５は、各種センサからの信号を入力し
て、メモリに記憶されたプログラムにしたがつて
最適噴射量を演算し、その噴射量に対応して噴射
弁３６のソレノイドコイルへの通電時間を決定す
ることにより、最適噴射量を各気筒の吸気ポート
２６に噴射する。

この場合、噴射方式はいわゆるシーケンシヤル
インジエクシヨンで、この方式によれば、燃料噴
射は１気筒当たり、エンジン２回転に１度であ
り、点火順序（１→３→４→２）にしたがつて各
気筒に噴射される。つまり、１サイクルで４回噴
射することになる。

１気筒当たりの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（開弁時間）に対応
する。このため、通常運転時の噴射パルス幅
（Ti）は次式にて計算される。

Ti＝Tp×Co×K_FC×α＋Ts ここで、基本パルス幅（Tp）はエアフローメ
ータ２９にて測定される吸入空気量とクランク角
センサ３１により検出されるエンジン回転数とか
ら決定される値（基本噴射量相当量）で、この
Tpによればほぼ理論空燃比の混合気が得られる。

各種補正係数（Co）は１と水温増量補正係数
（K_TW）等との和で、エアフローメータ以外のセ
ンサから入力される運転条件に応じて前記Tpを
増量補正する。たとえば、K_TWは水温センサ３３
にて検出される冷却水温（T_W）の低下に伴い混
合気を濃くするために導入され60℃以下から働
く。K_FCはフユエルカツト係数である。

αは空燃比のフイードバツク補正係数で、酸素
センサ２５からの信号に基づいて演算される。た
とえば、酸素センサ２５にて測定した実際の空燃
比が理論空燃比よりもリツチ側にあると、空燃比
をリーン側に戻すため前記Tpを減量補正する値
が算出され、この逆にリーン側にあれば空燃比を
リツチ側に戻すべく増量補正する値が算出され
る。つまり、αにより排気空燃比が前述のウイン
ドウへと収められ、これにて三元触媒が効率良く
機能することになる。ただし、クランプ条件成立
時（エンジン冷間時、フル増量時、センサ出力が
規定値に入らないとき等）には空燃比のフイード
バツク制御が停止される（α＝１とされる）。

Tsは噴射弁３６の応答遅れを補償するために
導入された電圧補正分である。

ここで、公知の空燃比フイードバツク制御を第
３図に用いてさらに説明すると、センサ出力
（Ｖ）は、排気空燃比がリーンからリツチへと反
転すると理論空燃比相当のスライスレベル（Ｓ／
Ｌ）を横切つて大きくなり、この逆に排気空燃比
がリツチからリーンへと反転した場合にはＳ／Ｌ
を横切つて小さくなる特性を有する。こうしたセ
ンサ出力を受けてコントロールユニツト３５内の
CPUで実行される比例積分動作によれば、上記
αが第３図の上段に示すような周期的波形で与え
られる。つまり、空燃比がリーンからリツチに反
転した場合にはステツプ的に比例分（P_L）だけ
リーン側に変化させ、その後は積分分（I_L）にて
徐々にリーン側に変化させる。同様にして、空燃
比がリツチからリーンに反転した場合にはステツ
プ的に比例分（P_R）だけリツチ側に変化させ、
その後は積分分（I_R）にて徐々にリツチ側に変化
させるものである。なお、積分分（I_L，I_R）につ
いては一定時間ごとにあるいはクランク角に同期
して積算される。

さて、酸素センサ２５の取り付け位置での排気
空燃比の変化を第３図の下段に示すと、センサ出
力はこの空燃比変化に対して実際には所定の応答
遅れをもつて変化する。つまり、図示のT_DR（排
気空燃比がリーンからリツチに反転した時点から
センサ出力がスライスレベルを横切るまでの経過
時間）が空燃比がリーンからリツチに反転した場
合の応答遅れ時間、図示のT_DLがその逆に空燃比
が反転した場合の応答遅れ時間である。この応答
遅れは酸素センサが正常でも持つ固有のもので、
正常な酸素センサにあつてはこの応答遅れ時間が
予め定まる基準時間（T_R）を中心とする所定の
範囲に収まる。

ところが、経時変化によりこの応答遅れ時間が
所定の範囲を外れて長くなる（あるいは短くな
る）と、三元触媒による排気成分の浄化効率が低
下してしまう。たとえば、T_DRが上記の基準時間
（T_R）を越えるようになると、平均の空燃比がリ
ツチ側にずれるためHC，COが増大し、この逆に
T_DRがT_Rより短くなると、平均の空燃比がリーン
側にずれるためNOxが増大するのである。同様
にして、T_DLが上記の基準時間（T_R）より短くな
ると平均の空燃比がリツチ側にずれるし、基準時
間より長くなるとリーン側にずれる。

このため、酸素センサの応答遅れ時間である
T_DRやT_DLを測定し、これを上記の基準時間（T_R）
と比較して長くなつたか短くなつたかを判定する
ことができれば、酸素センサに応答劣化が生じて
いるかどうかがわかることになるので、T_DやT_DL
を判定するには排気空燃比が反転する時点とセン
サ出力がＳ／Ｌを横切る時点を各々測定する必要
がある。

しかしながら、Ｓ／Ｌ近辺でのセンサ出力の変
化はセンサの特性上もともと急激なので、センサ
出力がＳ／Ｌを横切る時点の測定については精度
良く行うことができるのに対し、排気空燃比がリ
ーンからリツチへあるいはその逆へと反転する時
点については正確に測定することができない。こ
れは、排気空燃比が空燃比フイードバツク補正係
数（α）の与えかた如何によりいかようにも変化
するところ、αについては空燃比制御の安定性と
のバランスをとるため応答性についてはある程度
抑えられた値が採用されているからである。つま
り、αは第３図の上段に示すように徐々にしか変
化しない（一般にその変化の周期は１〜２Hz、ア
イドリング等では0.5Hz程度となる）ので、排気
空燃比の変化も緩やかなサインカーブの変化とな
り、排気空燃比がいつ理論空燃比（図ではλ＝１
で示す）を横切つたのかを明確に区別することが
困難となるのである。

そこで、本考案では、排気空燃比がリーンから
リツチへあるいはその逆へと反転する付近での変
化が急激となるようにαを与える。これを、第４
図で説明すると、同図は第３図に対応させたもの
で、センサ出力がＳ／Ｌを横切つた直後には、従
来よりも十分大きな値の比例分（図示のP_L ^*，P_R
^＊）を短い時間（Ｔ１）のあいだだけ作用させる。
これは、αの一部を構成する比例分が制御の応答
性を定める値であるため、大きな比例分にて燃料
補正が行なわれると、αの制御下に置かれている
排気空燃比変化が反転する付近で急激となるから
である。したがつて、こうした比例分（P_L ^*，P_R
^＊）によれば、排気空燃比変化が第４図の下段に
示すようにほぼ矩形波となり、排気空燃比が理論
空燃比をいつ横切つたかがシヤープに分かること
になる。

なお、通常の空燃比制御では第３図の上段のよ
うに比例分と積分分とが連続的につながれるのに
対し、この実施例の上記比例分（P_L ^*，P_R ^*）の
後に続いて作用させる積分分（図示のI_L ^*とI_R ^*）
については、積分分が大きくなりすぎないように
比例分（P_L ^*，P_R ^*）とは不連続につなぐ。これ
は、第３図の上段に示すように比例分（P_L，P_R）
と積分分（I_LとI_R）とを連続的につなぐ場合にお
いて、単に比例分（P_R，P_L）を大きくするだけ
でも排気空燃比を急激に変化させることができる
のであるが、この場合にも比例分と積分分を連続
的につないであると、空燃比の変動が大きくなり
すぎてサージ等の運転性の不具合を発生させるお
それがあるからである。なお、Ｔ１の後に作用さ
せるこの実施例の積分分（I_L ^*，I_R ^*）について
は、第３図の上段で示す通常の空燃比制御時より
も滑らかな傾きとしている。

また、第４図の下段に示した排気空燃比の変化
は酸素センサの取り付け位置でのものでなければ
ならないが、排気空燃比がこの取り付け位置にお
いて反転する時点を直接に測定することはできな
い。しかしながら、上記の比例分（P_L ^*，P_R ^*）
による燃料補正にて空燃比が変化したことはシリ
ンダ内で燃焼したガスにより伝達されるのである
から、燃焼ガスが排気ポート２１より酸素センサ
の取り付け位置まで流れるのに要する時間を排気
輸送遅れ時間（Tdt）とすれば、燃焼ガスがシリ
ンダより排出されるタイミング（排気行程の開始
時期）と酸素センサ取り付け位置で排気空燃比が
反転する時点とは、この排気輸送遅れ時間
（Tdt）だけずれていることになる。

ここに、排気行程の開始時期は予め定まつてい
るからクランク角センサ３１の信号に基づけば分
かるし、排気輸送遅れ時間（Tdt）はそのときの
吸入空気量とエンジン回転数がわかれば、推定す
ることができる。

第５図は酸素センサの応答劣化を判定するため
のプログラムで、これは空燃比の反転直後に上記
の比例分（P_L ^*，P_R ^*）にて補正された燃料量が
噴射弁３６から噴かれた後に実行される。ここ
に、当プログラムはコントロールユニツト３５内
のCPUに与えるものであり、コントロールユニ
ツト３５は第１図の手段８，９の機能を果たすこ
とになる。なお、コントロールユニツト３５で
は、第１図の手段２〜５，７の機能についても図
示しない別のプログラムで果たしている。

Ｐ１では、排気行程始めの時点からセンサ出力
がスライスレベル（Ｓ／Ｌ）を横切るまでの経過
時間をクロツクパルスのカウントなどにより測定
し、その経過時間測定値（Td）をメモリ内の
RAMに記憶する。ここに、経過時間測定値
（Td）は前述の排気輸送遅れ時間（Tdt）とセン
サ自体の応答遅れ時間（T_D）との合計である。

なお、多気筒エンジンでは排気空燃比の周期的
変化（あるいはセンサ出力の周期的変化）のうち
いずれの区間がどの気筒から排出されたガスによ
るものかを知る必要があるので、排気空燃比が反
転した気筒をクランク角センサ３１からの信号に
基づいて判定し、その判定した気筒について、上
記の比例分（P_L ^*，P_R ^*）に応じた燃料補正を行
い、その後に経過時間測定値（Td）を求めるよ
うにする。

P₂では上記の排気輸送遅れ時間（Tdt）を演算
する。このTdtはエンジン回転数と吸入空気量が
一定であれば、酸素センサまでの排気管長さや内
径によつて定まる。また、排気管長さや内径が一
定であれば、エンジン回転数が高くなるほど、あ
るいは吸入空気量が多くなるほどTdtは短くな
る。したがつて、エンジン回転数と吸入空気量と
を様々に相違させた場合のTdtの値を実験にて求
め、これをテーブルにしてメモリのROMに記憶
させておき、そのときのエンジン回転数と吸入空
気量に応じてテーブルルツクアツプを行えば、
Tdtが求められる。

P₃では前述の経過時間測定値（Td）からこの
排気輸送遅れ時間（Tdt）を差し引くことで酸素
センサの応答遅れ時間T_D（＝Td−Tdt）を求め
る。なお、T_Dは空燃比がリツチからリーンへと
反転する場合とその逆へと反転する場合とで別々
の値をとるので、区別して格納するものとする。
たとえば、第３図で示したように空燃比がリーン
からリーンへと反転する場合をT_DR、その逆へと
反転する場合をT_DLとして区別すれば良い。両者
の場合で区別する点は後述するT_Rについても同
様である。

P₄では酸素センサの応答遅れ時間（T_D）の平
均値を求める。たとえば、平均値を求める手法に
は、単純平均や移動平均があり、また統計的に処
理しても良い。平均値とするのは、１回きりの値
であると、たまたま大きな値であつたりすること
があり、その場合にも後述する応答劣化の判定を
行うとすれば、判断を誤ることがあるからであ
る。

P₅ではT_Dの平均値を予め定めた基準時間（T_R）
と比較し、その差（T_D−T_R）の絶対値が所定値
（たとえばβ）以上あると、酸素センサに応答劣
化が生じていると判断する。たとえば、空燃比が
リーンからリツチに反転した場合で述べると、そ
の場合のT_DとT_RをそれぞれT_DRとT_RRとして｜
T_DR−T_RR｜≧βであれば、酸素センサに応答劣
化が生じたと判定する。そして、判定した結果に
ついてはプログラムには図示していないが、運転
席に設けた警告ランプで表示させるようにするこ
とや、自己診断機能に情報を提供することが考え
られる。

ここに、酸素センサに応答劣化が生じたかどう
かの判定のために設けている酸素センサは１個だ
けであり、したがつて２個も設けることが必要で
ないので、コストアツプを招かずに済む。

前記基準時間（T_R）については、エンジンの
運転条件に応じて相違するので、エンジン回転数
（Ne）とエンジン負荷相当量としての基本パルス
幅（Tp）をパラメータとして、第６図に示すT_R
の内容をメモリのROMに記憶させておき、その
ときのNeとTpに応じてT_Rを読み出させる。これ
にて、どんな運転条件にあつても、応答劣化を正
確に判定することができる。

第７図は他の実施例で、三元触媒システムに組
み込まれる通常時の空燃比フイードバツク制御
と、第５図で示した酸素センサの応答劣化判定と
の調整をとるようにしたプログラムである。P₆
では酸素センサの応答劣化を判断するに都合のよ
い運転条件であるかどうかを判定する。この運転
条件としては、あまりサージ等が気にならない領
域（比較的低回転、低負荷でない領域）で、しか
も定常時のほうがよい。また、この運転条件が成
立すると常に行わせるべきものではなく、所定の
タイミングで行えばよい。

P₆でこの運転条件であると判定されるとP₉に
進み第４図の上段で示したαの演算（急変方式の
空燃比制御）を行わせるものとし、したがつてＰ
１₀で応答劣化の判定をすることを許可する。P₆
でこの運転条件でなければP₇に進み第３図の上
段で示したαの演算（通常の空燃比フイードバツ
ク制御）を行わせるものとし、P₈で応答劣化の
判定を禁止する。

このように、応答劣化の判定を行わせる運転条
件を限定することで、空燃比を急変させることに
なる判定がたまにしか行なわれないので、運転性
に与える悪影響を最低限に抑えることができる。

実施例では排気行程初めからセンサ出力がＳ／
Ｌを横切るまでの経過時間測定値（Td）で説明
したが、その間に経過するクランク角を測定する
ようにしても構わない。ただし、この場合には、
経過クランク角測定値と比較させる基準値もクラ
ンク角の単位とする。

なお、実施例は応答遅れ時間（T_D）と基準時
間（T_R）の比較により酸素センサの応答劣化を
判定するものであるが、その差に応じてフイード
バツク補正量（比例分や積分分）等を調節するこ
とによつて平均の空燃比を理論空燃比に維持させ
ることが可能である。

（考案の効果） この考案は、１個だけの空燃比センサを設ける
一方で、センサ出力がスライスレベルを横切つた
直後に作用させる比例分を特別に大きくして燃料
補正を行い、この大きな比例分による燃料補正に
て燃焼したガスがシリンダから排気されてより前
記センサ出力がスライスレベルを横切るまでの経
過時間または経過クランク角を測定し、この測定
値と予め定めた基準値との比較により前記センサ
に応答劣化が生じているかどうかを判定するよう
に構成したため、コストアツプとなることを抑制
しつつ、前記空燃比センサの応答劣化を精度良く
検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案のクレーム対応図、第２図は
この考案を４気筒エンジンに適用した場合の一実
施例の制御系のシステム図、第３図は三元触媒シ
ステムにおける空燃比補正係数の変化特性を示す
波形図、第４図は前記実施例における空燃比補正
係数の変化特性を示す波形図、第５図はこの実施
例のコントロールユニツトの制御動作を説明する
ための流れ図、第６図はこの実施例の基準時間
T_Rの特性図、第７図はこの考案の他の実施例の
制御動作を説明するための流れ図である。 １……空燃比センサ、２……横切り判定手段、
３……比例分算出手段、４……空燃比フイードバ
ツク補正量算出手段、５……燃料噴射量決定手
段、７……比例分増大手段、８……測定手段、９
……応答劣化判定手段、２１……排気ポート、２
２……排気通路、２４……触媒コンバータ、２５
……酸素センサ（空燃比センサ）、２６……吸気
ポート、２７……スロツトルバルブ、２９……エ
アフローメータ、３１……クランク角センサ、３
５……コントロールユニツト、３６……燃料噴射
弁。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 排気中の空燃比に応じた出力をするセンサと、
   このセンサ出力が理論空燃比相当のスライスレベ
   ルを横切つたかどうかを判定する手段と、これが
   判定されたときに空燃比をステツプ的に変化させ
   る比例分を算出する手段と、この比例分を含んで
   空燃比のフイードバツク補正量を算出する手段
   と、この補正量にて運転条件に応じた基本噴射量
   を補正してシリンダに供給すべき燃料噴射量を決
   定する手段とを備えるエンジンの空燃比制御装置
   において、前記比例分を特別に大きくする手段
   と、この大きな比例分による燃料補正にて燃焼し
   たガスがシリンダから排気されてより前記センサ
   出力がスライスレベルを横切るまでの経過時間ま
   たは経過クランク角を測定する手段と、この測定
   値と予め定めた基準値との比較により前記センサ
   に応答劣化が生じているかどうかを判定する手段
   とを備えることを特徴とするエンジンの空燃比制
   御装置。