JPH0711253B2

JPH0711253B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JPH0711253B2
Application number: JP28391488A
Authority: JP
Inventors: 晶内川
Original assignee: 株式会社ユニシアジェックス
Priority date: 1988-11-11
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1995-02-08
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: JPH02130239A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に空燃
比を目標値からのズレ量を少なく制御できるようにした
技術に関する。

〈従来の技術〉従来の内燃機関の空燃比制御装置としては例えば特開昭
60−240840号公報に示されるようなものがある。

このものの概要を説明すると、機関の吸入空気流量Ｑ及
び回転数Ｎを検出してシリンダに吸入される空気量に対
応する基本燃料供給量T_P（＝Ｋ・Q/N;Nは定数）を演算
し、この基本燃料供給量を機関温度等により補正したも
のを排気中酸素濃度の検出によって混合気の空燃比を検
出する酸素センサからの信号によってフィードバック補
正を施し、バッテリ電圧による補正等をも行って最終的
に燃料供給量T_Iを設定する。

そして、このようにして設定された燃料供給量T_Iに相当
するパルス幅を持つ駆動パルス信号を電磁式の燃料噴射
弁に所定タイミングで出力することにより機関に所定の
量の燃料を噴射供給するようにしている。

ところで、上記酸素センサからの信号に基づく空燃比フ
ィードバック補正は空燃比を目標空燃比（理論空燃比）
付近に制御するように行われる。これは、排気系に介装
され、排気中のCO,HC（炭化水素）を酸化すると共にNOx
を還元して浄化する三元触媒の転化効率（浄化効率）が
理論空燃比燃焼時の排気状態で有効に機能するように設
定されているからである。

このため、前記酸素センサとしては例えば特開昭58−20
4365号公報に示されるような周知のセンサ部構造を有し
たものを用いている。

このものは、酸素イオン導電性を有したセラミック管の
排気と接触する外表面に排気中のCO,HCの酸化反応を促
進させる白金触媒層を積層してある。そして、理論空燃
比よりリッチな混合気で燃焼させたときに白金触媒層付
近に残存する低濃度のO₂をCO,HCと良好に反応させてO₂
濃度をゼロ近くにし、セラミック管内表面に接触させた
大気のO₂濃度との濃度比を大きくして、セラミック管内
外表面間に大きな起電力を発生させる。

一方、理論空燃比よりリーンな混合気で燃焼させたとき
には、排気中に高濃度のO₂と低濃度のCO,HCが存在する
ため、CO,HCとO₂とが反応してもまだO₂が余り、セラミ
ック管内外表面のO₂濃度比は小さく殆ど電圧は発生しな
い。

このように、酸素センサの発生起電力（出力電圧）は理
論空燃比近傍で急変する特性を有しており、この出力電
圧V₀₂を基準電圧（スライスレベル）とを比較して混合
気の空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかを判
定する。そして、例えば空燃比がリーン（リッチ）の場
合には、前記基本燃料供給量T_Pに乗じるフィードバック
補正係数LAMBDAを所定の積分定数Ｉずつ徐々に増大（減
少）していき燃料供給量T_Iを増量（減量）補正すること
で空燃比を理論空燃比近傍に制御する〈発明が解決しようとする課題〉ところで、前記三元触媒は総合的にみると理論空燃比制
御時にCO,HC,NOxのいずれをも有効に低減できるのであ
るが、例えばNOxの場合、理論空燃比近傍での転化率の
変化が大きいため理論空燃比より少しリーン側に制御さ
れるだけで転化率は大きく低下する特性を有している
（第７図参照）。

しかしながら、本来NOx中の酸素分は、排気中酸素濃度
として検出されるべきものであるが前記酸素センサでは
これを捉えることができないため、NOx濃度が高くなる
程真の理論空燃比よりリーン側で起電力が判定する傾向
がある（第７図参照）。

このため、従来のシステムでは制御点がリーンになった
場合でも、ある程度NOxを浄化させるために、空燃比フ
ィードバック制御における積分制御の積分定数を大きめ
に設定して、制御域がリッチとなる状態を作り出してい
る（第７図参照）。

しかしながら、このように積分定数を大きくする方式で
は、目標空燃比からの空燃比の変化が大きくなるため、
最終的にはCO,HC,NOx共にある程度大きくなってしま
い、エミッション不良を引き起こす。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもの
で、NOx中の酸素分を検出可能な酸素センサを使用し、
積分定数を適正値に設定することによって上記問題点を
解決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。

〈課題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、排気通路に三元
触媒を備えた機関に供給される混合気の空燃比に対応す
る排気中酸素濃度を検出するものであって、窒素酸化物
還元触媒を含んだ酸素センサを設けると共に、該酸素セ
ンサの出力値と目標空燃比相当の基準値とを比較しつつ
積分制御により設定したフィードバック補正係数によっ
て燃料供給量を増減制御して空燃比を目標空燃比に近づ
けるように制御する空燃比フィードバック制御手段と、
前記空燃比フィードバック制御手段における積分制御の
積分定数を当該積分制御によって振動するフィードバッ
ク補正係数の振幅値の３パーセント以下の値に設定する
積分定数設定手段とを備えた構成とする。

〈作用〉窒素酸化物還元触媒を含んだ酸素センサを備えることに
より、NOx中の酸素分が還元されて排気中の酸素分とし
て検出されるので、起電力が反転する制御点をNOx濃度
に影響されず真の理論空燃比に略固定することができ
る。

かかる特性を確保した状態で積分定数設定手段が積分定
数を３パーセント以下の小さな値に設定することによ
り、空燃比フィードバック制御手段において真の理論空
燃比を制御中心値として小さな振れ幅で空燃比を制御で
き、三元触媒において各排気成分（CO,HC,NOx）の転化
率が共に高い所が集中的に使用されるため、浄化性能が
向上する。

〈実施例〉以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は、本実施例に使用する酸素センサのセンサ部構
造を示す。

図において、酸素イオン導電性を有する固体電解質であ
る酸化ジルコニウム（ZrO₂）を主成分とする閉塞先端部
を有する基材としてのセラミック管１の内表面及び外表
面の一部に、夫々白金からなる内側電極２及び外側電極
３を形成してあり、更に、セラミック管１の外表面には
白金を蒸着して白金触媒層４を形成してある。該白金触
媒層４は、排気中のCO,HCの酸化反応を促進させる酸化
触媒層を構成する。

前記白金触媒層４の外表面に、酸化チタンTiO₂や酸化ラ
ンタンLa₂O₂等を担体とし、ロジウムRhやルテニウムRu
等の窒素酸化物NOxの還元反応を促進させる触媒の粒子
をこの担体に混在（例えば１％〜10％）させてNOx還元
触媒層５（例えば膜厚0.1〜５μｍ）を形成してある。

尚、前記ロジウムRhやルテニウムRuは、窒素酸化物NOx
の還元触媒として一般に知られているものであり、その
担体として酸化チタンTiO₂や酸化ランタンLa₂O₂を用い
ることによりγ−アルミナ等を用いた場合に比べてNOx
還元反応が極めて効率よく行われることが実験により確
かめられている。また、第２図に示す酸素センサでは、
NOx還元触媒層５との間に保護層６を設けるようにして
もよい。

かかる構成によれば、排気中に含まれる窒素酸化物NOx
がNOx還元触媒層５に達すると、NOx還元触媒層５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。

NOx＋CO→N₂＋CO₂ NOx＋HC→N₂＋H₂O＋CO₂ この結果、NOx還元触媒層５より内側にある白金触媒層
４に達したO₂と反応する未燃成分CO,HCが前記NOx還元触
媒層５における反応によって減少しているため、その分
O₂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１内側のO₂濃
度と排気側のO₂濃度と濃度差が減少し、排気中のNOx濃
度が低いときに比較してリッチ側で酸素センサの起電力
が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濃度が高いほどNOxと反応する未燃成分CO,H
Cの濃度は増大し、O₂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。

このため、この酸素センサの検出結果（吸入混合気のリ
ッチ・リーン判定）に基づいて空燃比フィードバック制
御を行うと、空燃比はNOx濃度が高いほど真の理論空燃
比に近いリッチ側に制御されることとなる。

尚、NOx還元触媒層５は未燃成分CO,HCとO₂との反応を促
進する機能を併せ持っているのであるが、これは、白金
触媒層４の機能を代用しているだけであるから、これに
よって排気側のO₂濃度が減少することにはならない。

次に、上記したようにNOx還元触媒層５を備えた酸素セ
ンサを用いた本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の
一実施例を説明する。

第３図において、機関11の吸気通路12は、吸入空気流量
Ｑを検出するエアフローメータ13及びアクセルペダルと
連動して吸入空気流量Ｑを制御する絞り弁14が設けら
れ、下流のマニホールド部には気筒毎に電磁式の燃料噴
射弁15が設けられる。燃料噴射弁15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16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
ら圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に
制御された燃料を噴射供給する。更に、機関11の冷却ジ
ャケット内の冷却水温度Twを検出する水温センサ17が設
けられにと共に排気通路18内の排気中酸素濃度を検出す
る酸素センサ19（センサ部構造は第２図参照）が設けら
れ、更に、下流側に排気中のCO,HCの酸化とNOxの還元を
行って浄化する三元触媒20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21が内
蔵されており、該クランク角センサ21から機関回転と同
期して出力されるクランク角単位角度信号を一定時間カ
ウントして、又は、クランク角基準角度信号の周期を計
測して機関回転数が検出される。

次に、コントロールユニット16には空燃比制御ルーチン
を第４図に示したフローチャートに従って説明する。第
４図は、燃料噴射量演算ルーチンを示し、このルーチン
な所定周期（例えば10ms）毎に実行される。

ステップ（図ではＳと記す）１では、エアフローメータ
13によって検出された吸入空気流量Ｑとクランク角セン
サ21からの信号によって算出した機関回転数とに基づ
き、単位回転当たりの吸入空気流量Ｑに相当する基本燃
料噴射量T_Pを次式により算出する。

T_P＝Ｋ・Q/N （Ｋは定数）ステップ２では、水温センサ17によって検出された冷却
水温度Tw等に基づいて各種補正係数COEFを設定する。

ステップ３では、後述するフィードバック補正係数設定
ルーチンにより酸素センサ19からの信号に基づいて設定
されたフィードバック補正係数LAMBDAを読み込む。

ステップ４では、バッテリの電圧値に基づいて電圧補正
分T_Sを設定する。これはバッテリ電圧変動による燃料噴
射弁15の噴射流量変化を補正するためのものである。

ステップ５では、最終的な燃料噴射量T_Iを次式に従って
演算する。

ステップ６では、演算された燃料噴射量T_Iを出力用レジ
スタにセットする。

これにより、予め定められた機関回転同期の燃料噴射タ
イミングになると、演算した燃料噴射量T_Iのパルス幅を
持つ駆動パルス信号が燃料噴射弁15に与えられて燃料噴
射が行われる。

次に、前記ルーチンで使用されるフィードバック補正係
数LAMBDAを、比例・積分制御によって設定するルーチン
を第５図に従って説明する。このルーチンは機関回転に
同期して実行される。

ステップ11では、酸素センサ19からの信号電圧V₀₂を入
力する。

ステップ12では、現在の機関回転数Ｎと基本燃料噴射量
T_Pとの最新データに基づき、ROMに記憶されたマップか
らフィードバック制御定数（比例定数又は積分定数）を
検索する。ここで、フィードバック制御定数は燃料供給
量増量補正用として、後述するように空燃比がリッチか
らリーンに反転した直後に加算される比例定数P_Rと反転
直後以外で加算される積分定数I_Rとを有し、また、燃料
供給量減量補正用として空燃比がリーンからリッチに反
転した直後に減算される比例定数P_Lと反転直後以外で減
算される積分定数I_Lとの計４種類有する。そして、本発
明においては、前記積分定数I_R,I_Lとを夫々係るフィー
ドバック制御において振動するフィードバック補正係数
LAMBDAの振幅値、つまり、反転時の値と振幅中心値であ
る平均値との偏差値（絶対値）に対して３％以下の値に
設定してある。このステップ12の部分が積分定数設定手
段を含む。但し、簡易のため、これら定数を全運転領域
共通の値に設定したり、リーンとリッチとで同一の値と
したりする構成であってもよい。

次にステップ13に進みステップ11で入力した信号電圧V
₀₂と目標空燃比（理論空燃比）相当の基準値SLとを比較
する。

そして、空燃比がリッチ（V₀₂＞SL）のときはステップ1
4へ進み、リーンからリッチへの反転時か否かを判定
し、反転時にはフィードバック補正係数LAMBDAをステッ
プ12で検索された比例定数P_L分減少させる。反転時以外
は、ステップ16へ進み、フィードバック補正係数LAMBDA
を前回値に対し、検索された積分定数I_L分減少させる。

また、ステップ13で空燃比がリーン（V₀₂＜SL）と判定
された時はステップ17へ進んで同様にリッチからリーン
への反転時か否かを判定し、反転時はステップ18へ進ん
でフィードバック補正係数LAMBDAを検索された比例定数
P_R分増大させ、反転時以外はステップ19を進み前回値に
対して検索された積分定数I_R分増大させる。

こうして、フィードバック補正係数LAMBDAを所定の傾き
で増減させる。尚、Ｉ_R,L≪Ｐ_R,Lである。

かかる構成とすれば、NOx還元触媒層５を有した酸素セ
ンサ19によって空燃比を検出しているため、NOx濃度に
影響されることなく略正確に理論空燃比近傍でリッチ，
リーン間の反転が行われ、従って制御中心値を理論空燃
比近傍に保持できる。したがって、NOx濃度還元触媒層
を有しない通常型の酸素センサで空燃比制御を行う場合
には、NOx濃度が高い時にリーン側にシフトされたとき
でもある程度のリッチ制御期間を確保してNOx低減を図
るため、積分定数を最低５％以上としていたのを、前記
リーン側へのシフトが無くなることによって、３％以下
まで減少することができ、これにより空燃比の理論空燃
比からのズレ量を十分に小さくすることができ、高精度
な空燃比フィードバック制御が行える（第６図の点線は
従来の大きさ、例えば積分定数Ｉ_R,L′を５％以上の値
としてフィードバック制御を行った場合、実線は積分定
数Ｉ_R,Lを３％以下の値としてフィードバック制御を行
った場合を示す）。この結果、三元触媒においても、あ
らゆる運転条件でNOx,CO,HC共に転化率の高い理論空燃
比近傍の狭い範囲で使用されることになるから、これら
NOx,CO,HCの排出量を可及的に減少した良好なエミッシ
ョン特性が得られることとなる。

尚、例えば、Ｖ型内燃機関等で気筒から酸素センサまで
の距離が気筒間で大きく異なるような場合には、積分定
数を余り小さくし過ぎると酸素センサから離れた気筒の
空燃比が理論空燃比からずれたまま保持されて修正され
ない場合があるので、ある程度以上の大きさ（例えば２
％以上）は確保するのが好ましいであろう。これに対
し、直列気筒機関のように気筒間の排気通路長さが大き
く違わない機関では、積分定数をより小さな値（例えば
１％）まで減少させることが可能であろう。

〈発明の効果〉以上説明したように本発明によれば、NOx中の酸素分を
排気中の酸素分として検出できる酸素センサを用いて、
空燃比の制御中心値をNOx濃度に影響されることなく理
論空燃比近傍に保持した上で、空燃比フィードバック制
御における積分定数を３％以下の値に設定したため、空
燃比の理論空燃比からの振れ幅を可及的に減少させるこ
とができ、以て高精度な空燃比フィードバック制御が行
え、排気エミッション特性を大幅に改善することができ
るものである。

【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、
本発明の一実施例に使用する酸素センサの構成を示す断
面図、第３図は、同上実施例の全体構成を示す図、第４
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５図は、同上実施例のフィードバック補正
係数設定ルーチンを示すフローチャート、第６図は、同
上実施例の各部の状態を示す線図、第７図は、従来例の
各部の状態を示す線図である。５……NOx還元触媒層、11……機関、15……燃料噴射
弁、16……コントロールユニット、18……排気通路、19
……酸素センサ、20……三元触媒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に三元触媒を備えた機関に供給さ
れる混合気の空燃比に対応する排気中酸素濃度を検出す
るものであって、窒素酸化物還元触媒を含んだ酸素セン
サを設けると共に、該酸素センサの出力値と目標空燃比
相当の基準値とを比較しつつ積分制御により設定したフ
ィードバック補正係数によって燃料供給量を増減制御し
て空燃比を目標空燃比に近づけるように制御する空燃比
フィードバック制御手段と、前記空燃比フィードバック
制御手段における積分制御の積分定数を当該積分制御に
よって振動するフィードバック補正係数の振幅値の３パ
ーセント以下の値に設定する積分定数設定手段とを備え
て構成したことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装
置。