JPH0788786B2 - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、急激なトルク変動を伴わずに空燃比を理論空
燃比よりもリーンに段階的に切り換えられ、しかも、リ
ーン領域での空燃比制御精度を高めるようにしたエンジ
ンの空燃比制御装置に関するものである。

〔従来技術〕

エンジンの燃料消費を節約するために、アイドリング運
転時、低回転低負荷時等あまりエンジン出力を必要とし
ない運転状態では空燃比を理論空燃比よりもリーンに切
り換え、高出力を必要とする時に空燃比をほぼ理論空燃
比以上にするエンジンの空燃比制御方法は既に知られて
いる。

従来、このようにエンジンの空燃比をエンジンの運転状
態に対応して理論空燃比よりもリーンなリーン領域とそ
の他の領域とに切り換える場合、通常、吸入空気量は変
化させずに燃料供給量を制御することによって空燃比が
制御されるように構成される（例えば、特開昭57−2101
37号公報参照）。

ところが、エンジンの出力が燃料供給量に比例すること
から、空燃比領域をリーン領域とその他の領域との間で
切り換えるために燃料を急激に増減させると急激な出力
変動を伴い、トルクショックや振動が発生するといった
問題がある。

そこで、このような急激な変化を与えずに徐々に燃料供
給量を変化させて空燃比をリーン領域とその他の領域と
の間で徐々に変化させることが考えられる。しかしなが
ら、例えば、空燃比22のリーン領域と理論空燃比（空燃
比14.7）の領域とにわたって徐々に空燃比を変更する場
合、窒素酸化物の生成量がほぼ最大となる空燃比16程度
の領域を通過することになり、排気ガス浄化を図る上で
不利になる。

本発明者らは、このような問題を解消するために、スロ
ットル弁をバイパスするバイパス通路と、このバイパス
通路に設けられ、該バイパス通路を開閉切り換えするバ
ルブ装置と、上記バルブ装置を空燃比を理論空燃比より
リーンに切り換える時に開き、リーン領域から他の領域
に切り変える時に閉じるように制御するバルブ制御手段
を備えて、燃料供給量を固定して、その燃料供給量に対
する吸入空気量を段階的に増減させるエンジンの空燃比
制御装置を発明した。しかしながら、このように空気の
流れを制御して空燃比制御をする場合は、燃料供給量を
制御して空燃比制御をする場合に比べて応答が遅いこと
が判明した。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであっ
て、空燃比の切り換えに伴う出力変動が小さく、かつ制
御の応答性が高くなるように改善されたエンジンの空燃
比制御装置の提供を目的とするものである。

〔発明の構成〕

本発明に係るエンジンの空燃比制御装置は上記の目的を
達成するために、エンジンの運転状態を検出して、その
運転状態に対応して空燃比を理論空燃比よりもリーンに
段階的に切り換える空燃比制御手段を備えたエンジンの
空燃比制御装置において、該空燃比制御手段が、スロッ
トル弁をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通
路に設けられ、該バイパス通路の流路断面積を調節する
第１バルブ装置と、上記バイパス通路に上記第１バルブ
装置と直列に設けられ、該バイパス通路を開閉切り換え
する第２バルブ装置と、上記第１バルブ装置を上記スロ
ットル弁と連動して開閉させる第１バルブ制御手段と、
上記第２バルブ装置を空燃比が理論空燃比よりリーンに
切り換える時に開き、リーンから他の空燃比に切り変え
る時に閉じるように制御する第２バルブ制御手段を備え
るとともに、上記エンジンの排気路に排気ガス成分を検
出して実際の空燃比に対応する空燃比信号を出力する排
気ガスセンサを設け、少なくともリーン運転時において
上記空燃比信号を入力して実際の空燃比と目標空燃比と
の偏差を解消するように燃料供給量を補正する補正制御
手段を備えたことを特徴とするものである。

〔実施例１〕 本発明の一実施例を第１図ないし第３図に基づいて説明
すれば、以下の通りである。

エンジン１の吸気路２の始端にはエアクリーナ３が設け
られ、そこから終端に向かって順に吸入空気量を検出
し、その吸入空気量Q_Aに対応する吸入空気量信号を出力
するエアフローメータ４、スロットルバルブ５、スワー
ルコントロールバルブ６、燃料噴射装置７が配設され、
吸気路２の終端は吸気弁８を介して燃焼室９に接続され
ている。また、燃焼室９から導出された排気路10の始端
には排気バルブ11が配設され、排気路10の途中には、排
気ガス中のガス成分を検出して空燃比に対応する空燃比
信号を出力する空燃比センサ12と触媒式排気浄化装置13
が設けられる。また、上記燃焼室９に設けた点火プラグ
14はディストリビュータ15を介してイグニッションコイ
ル16に接続されている。

上記吸気路２には更にスロットルバルブ５をバイパスす
るバイパス通路17が設けられる。このバイパス通路17に
はこのバイパス通路17を開閉するソレノイドバルブ18が
設けられる。また、このバイパス通路17には上記ソレノ
イドバルブ18と直列にサブスロットルバルブ19が設けら
れる。このサブスロットルバルブ19は、上記ソレノイド
バルブ18が開弁しているときにバイパス通路17を通過す
る空気量とスロットルバルブ５を通過する空気量の比率
が一定になるように共通の弁軸20を介して上記スロット
ルバルブ５と連動連結され、図示しないアクセル操作装
置によって開度調節される。なお、このスロットルバル
ブ５にはスロットル開度TVθを検出し、そのスロットル
開度に対応するスロットル開度信号を出力するスロット
ルセンサ21が付設される。このスロットルセンサ21はス
ロットルバルブ５が全閉時にアイドリング信号を出力す
るアイドリングスイッチに兼用されている。また、燃料
噴射量Q_fを固定してソレノイドバルブ18を開弁したとき
にエンジンを安定よくアイドリング運転できる空燃比18
以上が確保できる空気量を吸入できるように、上記バイ
パス通路17の口径は吸気路２の口径の20％以上に設定さ
れる。更に、サブスロットルバルブ19の取り付け開度、
バイパス通路17の制作誤差によって生じるバイパス通路
17を通過するバイパス空気量のばらつきはアイドリング
運転時等の吸入空気量が非常に少ないときに空燃比に大
きな影響を与えるが、このようなバイパス空気量のばら
つきによる空燃比への影響を少なくするために、上記バ
イパス通路17の上流側開口部をできるだけスロットルバ
ルブ５の近傍に配置するのが好ましい。

このエンジンの空燃比制御装置には、更に、上記燃料噴
射器装置７および上記ソレノイドバルブ18の動作を制御
する、例えばコンピュータからなる電子制御ユニット
（以下、ECUと言う）22が設けられる。このECU22は、エ
ンジン１の冷却水の水温T_Wの高低、スロットル開度TVθ
の大小およびアイドリング信号の入力の有無に基づいて
エンジン１の運転状態を判別できるように構成される。
すなわち、このECU22は、図示しない水温センサからエ
ンジン１の冷却水の水温T_Wに対応する水温信号を入力す
る水温信号入力ポートと、スロットルセンサ21からスロ
ットル開度信号およびアイドリング信号を入力するスロ
ットル開度信号入力ポートを有し、また、上記水温T_Wが
リーン領域で安定したエンジンの運転ができる最低温度
に相当する所定の温度T₁、例えば50℃〜60℃を上回るか
否かを判別する水温判別部と、上記水温T_Wが上記の所定
の温度T₁を上回る場合にスロットル開度TVθが所定の出
力を得るために開かれる所定の開度θを上回るか否かを
判別するスロットル開度判別部と、上記水温T_Wが上記の
所定の温度T₁以下の場合、又は上記水温T_Wが上記の所定
の温度T₁を上回り、かつスロットル開度TVθが上記の所
定の開度θ_１を上回るときにアイドリング信号の有無を
判別するアイドリング判別部を有している。

上記ECU22は、また、上記スロットル開度判別部でスロ
ットル開度TVθが上記の所定の開度θ_１以下と判別され
たとき、または、上記アイドリング判別部でアイドリン
グ信号有りと判別されたときに上記ソレノイドバルブ18
を開弁させ、上記アイドリング判別部でアイドリング信
号の入力が無いと判別されたときに上記ソレノイドバル
ブ18を閉弁させる駆動部を有している。

更に、上記ECU22は、吸入空気量Q_Aおよびエンジン回転
数Ｎに対応する燃料噴射量を制御するために、上記エア
フローメータ４から吸入空気量信号を入力する吸入空気
量信号入力ポートと、上記ディストリビュータ15からエ
ンジン回転数Ｎに対応する回転数信号を入力する回転数
信号入力ポートと、上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁を
上回り、スロットル開度TVθが上記の所定の開度θ_１以
下のときに吸入空気量Q_Aとエンジン回転数Ｎに対応して
読みだされるリーンな目標空燃比を予め記憶しているリ
ーン運転マップと、上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁以
下の場合、又は上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁を上回
り、かつスロットル開度TVθが上記の所定の開度θ_１を
上回る場合に吸入空気量Q_Aとエンジン回転数Ｎに対応し
て理論空燃比またはこれに近い空燃比を目標空燃比とし
て予め記憶している通常運転マップと、上記水温T_Wおよ
びスロットル開度TVθの状態に対応してリーン運転マッ
プまたは通常運転マップから、エアフローメータ４によ
って検出された吸入空気量Q_Aおよびディストリビュータ
15を介して検出されたエンジン回転数Ｎに対応する目標
空燃比を読み出して目標空燃比TAFを決定する目標空燃
比決定部と、この目標空燃比に従って上記燃料噴射装置
７の燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御部を有してい
る。

更に、このECU22はリーン領域において上記空燃比セン
サ12から実際の空燃比に対応する空燃比信号を入力し、
実際の空燃比AFを演算する空燃比演算部と、演算された
空燃比AFと目標空燃比TAFの偏差を演算する空燃比偏差
演算部と、演算された空燃比AFと目標空燃比TAFの偏差
から空燃比補正計数Ｃを演算する補正計数演算部を有
し、上記リーン運転マップまたは通常運転マップからエ
アフローメータ４で検出された吸入空気量Q_Aおよびディ
ストリビュータ15を介して得たエンジン回転数Ｎに対応
して通常運転マップまたはリーン運転マップに基づいて
求められた目標空燃比TAFより基準噴射パルス幅τ_１を
演算し、更にこの基準噴射パルス幅τ_１と上記空燃比補
正計数Ｃに基づいて 噴射パルス幅τ＝τ_１・（１＋Ｃ） を演算する噴射パルス幅演算部を有する。また更に、上
記ECU22は演算された噴射パルス幅τにわたって上記燃
料噴射装置７から燃料を噴射させる噴射制御部を有して
いる。なお、このECU22には上記エンジン１で駆動され
る図示しない自動車の車速に対応する車速信号を入力す
る車速信号入力ポートを有する。

上記の構成において、ECU22の内部では第３図に示すよ
うなシーケンスに従って空燃比の制御が実行される。

すなわち、まず、水温センサからエンジン１の水温T_Wに
対応する水温信号を水温信号入力ポートを介して水温判
別部に入力し（F1）、次いでスロットルセンサ21からス
ロットル開度信号入力ポートを介してスロットル開度判
別部にスロットル開度信号を入力する（F2）。次に水温
判別部で上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁を上回るか否
かが判別される（F3）。ここで上記水温T_Wが上記の所定
の温度T₁を上回る場合には、スロットル回度TVθが上記
の所定の開度θ_１を上回るか否かがスロットル開度判別
部で判別される（F4）。水温判別部で水温T_Wが上記の所
定の温度T₁以下であると判別された場合には、エンジン
温度が充分に昇温しておらず、空燃比を理論空燃比より
大きいリーン領域に設定するとエンジン運転時にエンジ
ンの回転が不安定になる。また、水温T_Wが上記の所定の
温度T₁を上回るが、スロットル開度TVθが上記の所定の
開度θ_１を上回る場合は、エンジンの負荷に対応する出
力を得るためにスロットルバルブ５が開弁操作されてい
るときである。従って、水温判別部で上記水温T_Wが上記
の所定の温度T₁以下であると判別された場合、または、
上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁を上回るがスロットル
開度TVθが上記の所定の開度θ_１を上回る場合にはアイ
ドリング判別部においてアイドリング信号の有無が判別
される（F5）。ここで、アイドリング信号有りと判別さ
れた場合は上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁以下のとき
には、アイドリング運転の安定性を高めるとともに暖機
時間を短縮するために多量の空気と燃料を供給すること
が好ましく、また、上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁を
上回るときには減速開始時の燃料制御の後れによる窒素
酸化物の増加を防止するために吸入空気量制御に一種の
ダシュポット効果を与えることが好ましい。従って、こ
の場合には、駆動部を介して上記ソレノイドバルブ18を
開弁させて吸入空気量を増大させる（F6）。アイドリン
グ判別部でアイドリング信号無しと判別された場合に
は、エンジン１の負荷に対応する出力を得るためにスロ
ットルバルブが開かれている場合であり、所望の出力を
確保するために通常空燃比領域での空燃比制御を実行す
る必要がある。従って、この場合には、通常のスロット
ルバルブ５による空燃比制御を実行するために、駆動部
を介して上記ソレノイドバルブ18を閉弁させる（F7）。
水温判別部で上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁以下であ
ると判別されたが、アイドリング運転が実行されている
ときはエンジンの回転の安定性を確保するために空燃比
を通常空燃比領域に設定して運転する必要がある場合で
あり、上記水温T_Wが上記の所定の温度T₁を上回ると判別
された場合でもスロットル開度TVθが上記の所定の開度
θ_１を上回る場合は所要の出力を得るために通常空燃比
領域で運転する場合である。従って、これらの場合に
は、上記ソレノイドバルブ18の開閉制御（F6、または、
F7）を実行した後、上記エアフローメータ４から吸入空
気量信号入力ポートを介して吸入空気量信号を入力する
とともに、上記ディストリビュータ15から回転数信号入
力ポートを介してエンジン回転数Ｎに対応する回転数信
号を入力し（F8）、通常運転マップに基づいて吸入空気
量Q_Aとエンジン回転数Ｎに対応する目標空燃比TAFが空
燃比決定部で決定され（F9）、この目標空燃比TAFより
燃料噴射パルス幅τを計算し（F10）、この燃料噴射パ
ルス幅τに従って燃料噴射量制御部でよって上記燃料噴
射装置７から噴射する燃料噴射量を制御する（F11）。
上記スロットル開度判別部でスロットル開度TVθが上記
の所定の開度θ_１以下であると判別される場合は、エン
ジン温度が充分に昇温して安定よくリーン運転ができる
状態になっており、しかも、エンジンの負荷が小さい場
合で、燃費を節約するために理論空燃比よりリーンな空
燃比での運転が許容される場合である。従って、この場
合には、駆動部を介して上記ソレノイドバルブ18が開弁
され（F12）、吸入空気が吸気路２とバイパス通路17を
通って燃焼室９に多量に吸入されることになる。そし
て、上記エアフローメータ４から吸入空気量信号入力ポ
ートを介して吸入空気量信号を入力するとともに上記デ
ィストリビュータ15から回転数信号入力ポートを介して
エンジン回転数Ｎに対応する回転数信号を入力し（F1
3）、リーン運転マップに基づいて吸入空気量Q_Aとエン
ジン回転数Ｎに対応する目標空燃比TAFが空燃比決定部
で決定される（F14）。そして、空燃比センサ12の出力
を読み込み（F15）、この空燃比センサ12の出力から実
際の空燃比AFを演算する（F16）。更に、目標空燃比TAF
と実際の空燃比AFの偏差εを演算して（F17）、この偏
差εより空燃比補正項Ｃを計算する（F18）。次に目標
空燃比TAFから基準噴射パルス幅τ_１を計算し（F19）、 燃料噴射パルス幅τ＝τ_１（１＋Ｃ） を算出し（F20）、この燃料噴射パルス幅τに従って燃
料噴射量制御部で上記燃料噴射装置７から噴射する燃料
噴射量を制御する（F11）。

このように空燃比を切り換えるときに、基本的には燃料
噴射量に対する吸入空気量を段階的に切り換えるので、
吸入空気量を固定してその吸入空気量にたいする燃料噴
射量Q_f段階的に切り換える従来のものに比べると、燃料
噴射量の変化量を小さく抑えられ、エンジン１の出力変
化を小さくできる。また、実際の空燃比と目標空燃比と
の偏差を求めて、その偏差を解消するように燃料噴射量
を制御するので、吸入空気量のみを変化させて空燃比を
切り換える場合に比べて応答性が高く、制御精度も高
い。

なお、上記の実施例において、エンジン１の暖機運転中
はソレノイドバルブ18を開弁して、吸入空気量を増加さ
せるとともにこれに対応して燃料供給量を増加させ、ア
イドリング回転数を高めて暖機時間を短縮するように構
成されているが、暖機運転中はスロットルバルブ５およ
びサブスロットルバルブ19の開度が小さく、吸入空気量
が少なくなり勝ちであるので、サブスロットルバルブ19
に切欠を形成して、吸入空気量を一層増加させるととも
にこれに対応して燃料供給量を一層増加させ、アイドリ
ング回転数を一層高めて暖機時間を短縮することが好ま
しい。

また、減速時にはアイドリング信号がECU22に入力され
るが、このアイドリング信号と回転数信号をパラメータ
として減速中か否かを判別する減速判別部と、その減速
が開始されてから所定の時間内か否かを判別する減速時
間判別部をECU22に設け、この減速判別部で減速中と判
別され、その減速の開始後所定の時間内は上記ソレノイ
ドバルブ18を開弁させて、ダシュポット効果を発揮さ
せ、その減速を開始してから所定の時間経過後にソレノ
イドバルブ18を閉じて上記ブレーキ効果の低下を防止す
るように上記ECU22を構成することが有利である。

更に、上記ソレノイドバルブ18が何等かの理由で閉弁状
態にロックされたときに、このロック状態を検出し、燃
料供給量を変更して空燃比領域をリーン領域とその他の
領域とに切り換えるように上記ECU22を構成することは
有利である。上記ソレノイドバルブ18が何等かの理由で
開弁状態にロックされたときにエンジンの暴走を防止す
るために強制的に燃料供給を停止するように上記ECU22
を構成することも有利である。

本発明は燃料噴射式エンジンに限らず、気化器を有する
エンジンにも適用でき、また、燃料噴射式エンジンでは
既存のエアバルブを利用してバイバス空気量を増加し、
空燃比領域をリーン領域に変えることも可能である。更
に、上記ソレノイドバルブ18をデューティ制御してアイ
ドル回転制御を行うことも可能である。

〔発明の効果〕

本発明のエンジンの空燃比制御装置は以上のように、ス
ロットル弁をバイパスするバイパス通路と、このバイパ
ス通路に設けられたバルブ装置と、上記バルブ装置を空
燃比が理論空燃比よりリーンなリーン領域に切り換える
時に開き、リーン領域から他の領域に切り変わる時に閉
じるように制御する制御手段を設けて、燃料供給量に対
する吸入空気量を変更することを基本とし、実際の空燃
比を空燃比センサを介してフィードバックして目標空燃
比と実際の空燃比との偏差を燃料供給量を調節すること
によって解消するように構成されているので、空燃比の
変更に伴なう出力変動が吸入空気量を固定し、その吸入
空気量に対して燃料供給量を変更する従来のものに比べ
て小さく、いわゆる、トルクショックや振動を防止でき
うえ、空燃比の制御精度をたかめることができる。ま
た、空燃比の切り換えのときに、吸入空気量を段階的に
変化させるので、窒素酸化物の発生量が多い空燃比領域
を瞬時に通過するようにして空燃比が切り換えられ、窒
素酸化物の発生量が少なく、排気ガスの浄化を図る上で
有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を概略的に示すブロック図、
第２図はその吸気路およびバイパス通路の縦断面図、第
３図はそのECU内で実行される制御シーケンスのフロー
図である。 図中、１はエンジン、５はスロットル弁（スロットルバ
ルブ）、10は排気路、12は空燃比センサ、17はバイパス
通路、18は第２バルブ装置（ソレノイドバルブ）、19は
第１バルブ装置（サブスロットバルブ）、22は第２バル
ブ制御手段を兼ねる補正制御手段（電子制御ユニット、
ECU）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｍ 69/32 (72)発明者 長尾 彰士 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−3440（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−13131（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−70853（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−211543（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−28259（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの運転状態を検出して、その運転
   状態に対応して空燃比を理論空燃比よりもリーンに段階
   的に切り換える空燃比制御手段を備えたエンジンの空燃
   比制御装置において、該空燃比制御手段が、スロットル
   弁をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路に
   設けられ、該バイパス通路の流路断面積を調節する第１
   バルブ装置と、上記バイパス通路に上記第１バルブ装置
   と直列に設けられ、該バイパス通路を開閉切り換えする
   第２バルブ装置と、上記第１バルブ装置を上記スロット
   ル弁と連動して開閉させる第１バルブ制御手段と、上記
   第２バルブ装置を空燃比が理論空燃比よりリーンなリー
   ン領域に切り換える時に開き、リーン領域から他の領域
   に切り変わる時に閉じるように制御する第２バルブ制御
   手段を備えるとともに、上記エンジンの排気路に排気ガ
   ス成分を検出して実際の空燃比に対応する空燃比信号を
   出力する排気ガスセンサを設け、少なくともリーン領域
   において上記空燃比信号を入力して実際の空燃比と目標
   空燃比との偏差を解消するように燃料供給量を補正する
   補正制御手段を備えたことを特徴とするエンジンの空燃
   比制御装置。