JPH0823327B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関の空燃比制御装置に関し、詳しく
は、吸気通路に形成されたベンチュリを介して燃料と吸
入空気とを混合し、内燃機関に燃料混合気を供給する、
燃料混合装置を備えた内燃機関の空燃比制御装置に関す
る。

［従来の技術］ 内燃機関、特に自動車用内燃機関では、通常、排気中
の有害成分であるHC、CO、NOxを浄化するために三元触
媒が使用され、この三元触媒の浄化効率を良好な状態に
維持するために、排気通路に設けた空燃比センサを用い
て排気中の酸素濃度から内燃機関に供給された燃料混合
気の空燃比を検出し、当該機関に供給する燃料混合気の
空燃比を理論空燃比近傍に制御する、空燃比のフィード
バック制御が行われている。そしてこの空燃比のフィー
ドバック制御は、例えば第２図に示すように、空燃比セ
ンサによる空燃比の検出結果に応じて所定のスキップ定
数Rs及び積分定数Kiで変化する補正値FAFを求め、これ
を用いて吸入空気に混合する燃料量を補正するといった
手順で実行される。

またこのフィードバック制御では、制御系に応答遅れ
が生じ、第２図に示すフィードバック周期Ｌが長くなる
と、空燃比が理論空燃比を中心に大きく変化してしまう
ので、例えば特開昭61−34330号に記載のように、制御
系に応答遅れが生ずるような場合には、上記補正値FAF
のスキップ定数Rsや積分定数Kiを変化させて、フィード
バック周期が長くなるのを防止することが考えられてい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ このように従来から、空燃比のフィードバック制御を
実行するにあたっては、そのフィードバック周期を短く
して、空燃比の制御性を高めるための種々の検討がなさ
れているのであるが、内燃機関に燃料混合気を供給する
のに、吸気通路に形成されたベンチュリを介して吸入空
気と燃料とを混合する燃料混合装置を用いた内燃機関で
は、燃料噴射弁を用いて燃料を供給する内燃機関に比
べ、制御性が悪いといった問題があった。

つまり燃料噴射弁を用いた内燃機関では、その開弁時
間を変化させることで内燃機関に供給される燃料量を直
接制御できるので、空燃比を速やかに制御でき、その制
御性はよいのであるが、キャブレタ等、上記燃料混合装
置を用いた内燃機関では、アクチュエータを用いて燃料
通路の開口面積やエアブリード量を変化させることによ
って吸入空気に混合される燃料量を間接的に制御するの
で、アクチュエータを駆動した後、実際に空燃比が変化
するまでに時間がかかり、フィードバック周期が長くな
ってしまうのである。

そしてこの問題は、燃料にLPG（液化石油ガス）を用
いるLPGエンジンで大きな問題となっている。これはガ
ソリンエンジンの場合、燃料を供給するのに燃料噴射弁
を用いれば上記問題を解決できるものの、LPGエンジン
の場合、燃料噴射弁のみを用いて燃料を供給しようとす
ると、燃料のガス化によって燃料噴射弁を大きくする必
要があり、現実的には上記燃料混合装置を使用しないと
内燃機関の運転に必要な燃料を供給できないからであ
る。

本発明は上記問題に鑑みなされたもので、吸気通路に
形成されたベンチュリを介して燃料を供給する燃料混合
装置を備えた内燃機関であっても、空燃比のフィードバ
ック周期を短くでき、空燃比制御を良好に実行すること
のできる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目
的としている。

［問題点を解決するための手段］ 即ち上記問題点を解決するための本発明の構成は、例
えば第１図に示すように、 内燃機関M1の吸気通路M2に形成されたベンチュリM3を
介して燃料と吸入空気とを混合させ、当該機関M1に燃料
混合気を供給する燃料混合手段M4と、 当該内燃機関M1の排気通路M5に設けられ、排気中の酸
素濃度から上記燃料混合気の空燃比を検出する空燃比検
出手段M6と、 上記燃料混合気の空燃比が所定の目標空燃比となるよ
う、上記空燃比検出手段M6の検出結果に基づき上記燃料
混合手段M4で吸入空気と混合される燃料量を制御する空
燃比制御手段M7と、 を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、 上記内燃機関M1の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射
手段M8を設け、 上記空燃比制御手段M7に、上記空燃比検出手段M6で検
出される空燃比が目標空燃比に対してリッチ側からリー
ン側に変化した直後に、内燃機関M1の負荷の大きさに応
じて該負荷が大きい程長くなるように設定される所定時
間だけ、上記燃料噴射手段M8を駆動して、吸気通路に燃
料を所定量噴射供給させる燃料噴射制御手段M9を設けた
こと、 を特徴とする内燃機関の空燃比制御装置を要旨としてい
る。

［作用］ このように構成された本発明の内燃機関の空燃比制御
装置においては、従来の空燃比制御装置のように、空燃
比制御手段M7の動作によって、燃料混合手段M4で吸入空
気に混合する燃料量が空燃比検出手段M6の検出結果に応
じて制御されるだけでなく、その検出された空燃比が目
標空燃比に対してリッチ側からリーン側に変化すると、
その直後に、燃料噴射制御手段M9が、内燃機関M1の負荷
の大きさに応じて負荷が大きいほど長くなるように設定
される所定時間だけ燃料噴射手段M8を駆動し、内燃機関
M1に、負荷の大きさに応じた所定量の燃料を噴射供給さ
せる。このため、空燃比を目標空燃比に制御するための
燃料の増量補正が、速やかに、しかも内燃機関M1の運転
状態に対応して過不足なく行われ、フィードバック周期
が短くなって、制御性が向上される。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。

第３図は本発明が適用されるLPGエンジン及びその周
辺装置を現す概略構成図で、２はエンジン本体を表して
いる。

図に示す如くエンジン２の吸気通路４にはベンチュリ
６が形成されており、エアクリーナ８を介して吸入され
る吸入空気がこのベンチュリ６を通過することにより生
ずる負圧によって、燃料通路10内の燃料ガスが吸入空気
と混合され、燃料混合気がエンジン２に供給される。ま
たベンチュリ６の下流には図示しないアクセルペダルと
連動して操作されるスロットルバルブ12が設けられ、こ
れによって吸入空気量が制限される。更にこの吸気通路
４には前記燃料噴射手段M8としての燃料噴射弁14が設け
られ、これによってもエンジン２に燃料が供給される。

尚ベンチュリ６に連通された燃料通路10には、ステッ
プモータ16によって位置制御されるニードル弁18が設け
られ、これによって燃料通路の開口面積を制御し、吸入
空気に混合される燃料量を制御できるようにされてい
る。従って本実施例では燃料通路10、ステップモータ1
6、及びニードル弁18が前述の燃料混合手段M4に相当す
るものとなる。

一方エンジン２には、その運転状態に応じて空燃比や
点火時期を制御できるよう、冷却水温を検出する水温セ
ンサ20、排気通路22を流れる排気中の酸素濃度からエン
ジン２に供給された燃料混合気の空燃比を検出する、前
記空燃比検出手段M6としての空燃比センサ24、吸気温度
を検出する吸気温センサ26、吸気通路４の内部の圧力を
検出する吸気圧センサ28、スロットルバルブ12の開度を
検出するスロットルセンサ30、ディストリビュータ32の
ロータ32aの回転からエンジン回転数を検出する回転数
センサ34、及び、ディストリビュータ32のロータ32aの
１回転に１回、即ちエンジン２のクランク軸２回転に１
回、パルス信号を出力する気筒判別センサ36、が備えら
れている。

尚、ディストリビュータ32はイグナイタ38から出力さ
れる高電圧をエンジン２のクランク角に同期して各気筒
の点火プラグ40に分配するためのもので、点火プラグ40
の点火タイミングはイグナイタ38からの高電圧出力タイ
ミングにより決定される。

次に上記各センサからの検出信号は、前記空燃比制御
手段M8及び燃料噴射制御手段M9を含む、電子制御回路42
に出力される。電子制御回路42は、各センサからの検出
信号に基づきステップモータ16や燃料噴射弁14、或はイ
グナイタ38を駆動して、エンジン２に供給する燃料混合
気の空燃比或は点火時期を制御するためのものであっ
て、従来より周知のように、マイクロコンピュータを中
心とする論理演算回路として構成されている。

即ち電子制御回路42には、予め設定された制御プログ
ラムに従ってエンジン２の空燃比制御及び点火時期制御
のための各種演算処理を実行するセントラルプロセシン
グユニット（CPU）50、CPU50で各種演算処理を実行する
ための制御プログラムや初期データが記録されたリード
オンリメモリ（ROM）52、同じくCPU50で各種演算処理を
実行するための各種データが一時的に読み書きされるラ
ンダムアクセスメモリ（RAM）54、及びCPU50で演算処理
を実行するのに必要な制御タイミングを決定するクロッ
ク信号を発生するクロック信号発生回路56、上記各種セ
ンサからの検出信号を入力するための入力ポート58、及
びステップモータ16や燃料噴射弁14或はイグナイタ38に
駆動信号を出力する出力ポート60が備えられ、エンジン
２の運転状態に応じて空燃比制御及び点火時期制御が実
行できるようされている。

このように構成された電子制御回路42では、エンジン
２の暖機完了後、エンジン２が定常運転に入り、空燃比
のフィードバック制御条件が成立すると、吸気圧センサ
28及び回転数センサ34で検出された吸気通路内圧力及び
機関回転数を基準として燃料通路10の開口面積を決定す
るステップモータ16の制御量を算出し、その算出結果を
空燃比センサ24の検出結果に応じて求められる補正値FA
Fで補正して、ステップモータ16を駆動制御すると共
に、空燃比センサ24で検出された空燃比が目標空燃比
（本実施例では理論空燃比）に対してリッチからリーン
に変化したときには燃料噴射弁14を所定時間駆動する、
といった手順で燃料混合気の空燃比制御が実行される。
以下、この空燃比制御を実行するために空燃比センサ24
から出力される空燃比信号に応じて実行される、空燃比
信号処理について第４図に示すフローチャートに沿って
詳しく説明する。

この処理は所定時間毎に繰返し実行されるもので、処
理が開始されると先ずステップ100を実行し、空燃比セ
ンサ24から出力される空燃比信号ＶAFが所定値K1以上で
あるか否かを判断する。K1には、エンジン２が理論空燃
比で運転されたとき空燃比センサ24から出力される空燃
比信号の電圧値が設定されており、このステップ100で
は、空燃比が理論空燃比に対してリーン側にあるのかリ
ッチ側にあるのかが判断される。

ステップ100にて、ＶAF≧K1で、空燃比がリーンであ
ると判断されると、続くステップ110を実行し、空燃比
リーンを確認するためのカウンタC1の値をインクリメン
トする。そして次ステップ120ではこのインクリメント
されたカウンタC1の値が所定値K2以上か否かを判断し、
C1＜K2であれば次ステップ130に移行して、空燃比がリ
ッチからリーンに変化したことを表すフラグF1をリセッ
トした後、そのまま本ルーチンの処理を一旦終了する。

尚、カウンタC1は空燃比センサ24の誤動作によって空
燃比が誤検出されていないかどうかを確認するためのも
ので、本実施例では、空燃比がリーンである旨検出され
たときその都度カウンタC1の値をインクリメントするこ
とで空燃比がリーンとなっている時間を計時し、その値
が所定値K2以上となって空燃比リーンの状態が所定時間
以上続いている場合に、空燃比が正確に検出されている
と判断するようにしている。

次にステップ120でC1≧K2であると判断されると、即
ち空燃比リーンが確認されると、ステップ140に移行し
て、後述の処理で空燃比リッチを確認するのに用いるカ
ウンタC2の値をクリアした後、ステップ150に移行す
る。そしてステップ150ではフラグF1の状態から、現在
空燃比がリッチからリーンに変化した直後であるか否か
を判断し、F1＝０で空燃比がリッチからリーンに変化し
た直後であると判断されると、ステップ160〜ステップ1
80の処理を実行して本ルーチンの処理を終了し、F1＝１
で空燃比がリッチからリーンに変化した直後でないと判
断されるとステップ190の処理を実行して本ルーチンの
処理を終了する。

つまりフラグF1の状態から空燃比がリッチからリーン
に変化した直後であると判断された場合には、エンジン
２に供給する燃料を沢山増量して空燃比を速やかにリッ
チ側に移行させる必要があるので、先ずステップ160で
燃料噴射弁14を所定時間開弁して燃料噴射を実行させる
ための開弁時間Ｔをセットし、次ステップ170でステッ
プモータ16の制御量の補正値FAFに所定のスキップ定数R
sを加算した後、ステップ180でフラグF1をリセットす
る、といった手順で処理を実行し、一旦本ルーチンの処
理を終了するのである。

尚上記ステップ160で燃料噴射弁14の開弁時間Ｔをセ
ットすると、図示しない噴射弁駆動処理が実行され、そ
の開弁時間Ｔに応じて燃料噴射弁14が開弁されて、スロ
ットルバルブ12を通過してくる燃料混合気中に所定量の
燃料が噴射されることとなる。

また、燃料噴射弁14の開弁時間Ｔは、予めROM52内に
記録された第６図に示すマップを用いて、吸気圧センサ
28で検出されたエンジン負荷を表わす吸気通路内圧力PM
が高い程長くなるように（換言すればエンジン負荷が大
きい程長くなるように）設定される。

また更に、ステップ150で空燃比がリッチからリーン
に移行した直後でないと判断されると実行されるステッ
プ190では、燃料を増量して空燃比を目標空燃比に近付
けるため、補正値FAFに所定の積分定数Kiを加算した
後、本ルーチンの処理を終了する。

次に上記ステップ100で、ＶAF＜K1で、空燃比がリッ
チであると判断されると、ステップ210を実行し、空燃
比リッチを確認するためのカウンタC2の値をインクリメ
ントする。そして次ステップ220では、このインクリメ
ントされたカウンタC2の値が所定値K3以上か否かを判断
し、C2＜K3であれば次ステップ230に移行して、空燃比
がリーンからリッチに移行したことを表すフラグF2をリ
セットした後そのまま本ルーチンの処理を終了する。尚
このステップ220で空燃比リッチを確認するのに用いる
カウンタC2も、上記カウンタC1と同様、空燃比リッチ状
態の時間を計時して、その時間から空燃比リッチの誤検
出がないことを確認するためのものである。

一方ステップ220でC2≧K3であると判断されると、ス
テップ240に移行して、上記ステップ120で空燃比リーン
を確認するのに用いるカウンタC1の値をクリアした後、
ステップ250に移行する。そしてステップ250ではフラグ
F2の状態から、現在空燃比がリーンからリッチに変化し
た直後であるか否かを判断し、F2＝０で空燃比がリーン
からリッチに変化した直後であると判断されると、ステ
ップ260及び270の処理を実行して本ルーチンの処理を終
了し、F2＝１で空燃比がリーンからリッチに変化した直
後でないと判断されると、ステップ280の処理を実行し
て本ルーチンの処理を終了する。

ここで上記ステップ160〜190の処理では、空燃比がリ
ーンであったため、エンジン２に供給される燃料量を増
量して空燃比をリッチ側に移行させるための処理を行っ
たが、今回は空燃比がリッチであるので、エンジン２に
供給される燃料を減量して空燃比をリーン側に移行する
必要がある。このため、空燃比がリーンからリッチに変
化した直後に実行されるステップ260では補正値FAFから
所定のスキップ定数Rsを減算し、その後空燃比がリッチ
であるとき実行されるステップ280では補正値FAFから所
定の積分定数Kiを減算する。尚ステップ260の処理の後
で実行されるステップ270では、フラグF2をセットす
る。

次に第５図は、上記のように実行される空燃比信号処
理の動作を表すタイムチャートである。図に示すように
本実施例の空燃比信号処理では、従来と同様に、空燃比
がリーンからリッチ或はリッチからリーンに変化すると
補正値FAFが所定のスキップ定数Rsでもって加算或は減
算され、空燃比リーン或はリッチの状態が続いていると
きには所定の積分定数Kiで以て補正値FAFが加算或は減
算される他、空燃比がリッチからリーンに変化すると、
エンジン負荷に応じて設定された所定時間燃料噴射弁14
が開弁され、ベンチュリ６で燃料が混合された燃料混合
気にさらに燃料が混合される。

このため本実施例では、空燃比リーン域での燃料の増
量補正を応答遅れなく速やかに実行することができるよ
うになり、当該空燃比制御のフィードバック周期を短く
することができる。従って空燃比が理論空燃比を中心と
して大きく変化することはなく、空燃比を常時理論空燃
比近傍に制御することが可能となる。

また特に本実施例では、空燃比がリッチからリーンに
変化したとき駆動する燃料噴射弁14の開弁時間Ｔを、エ
ンジン負荷を表わす吸気通路内圧力PMに応じて、吸気通
路内圧力PM,延いてはエンジン負荷が大きい程長くなる
ように設定するため、空燃比をエンジン負荷に応じて最
適に制御することができる。即ちエンジン負荷が大きい
場合、空燃比をリーンからリッチ側に変化するには多量
の燃料が必要で、逆にエンジン負荷が小さい場合には少
ない燃料でよいことから、本実施例のように、エンジン
負荷に応じて燃料噴射弁の開弁時間を設定すれば、エン
ジンの運転状態に応じて燃料を過不足なく供給すること
ができ、空燃比の制御精度をより向上することができる
ようになるのである。

尚、本実施例では、エンジン負荷に応じて燃料噴射弁
の開弁時間を設定するにあたって、吸気圧センサ28にて
検出された吸気通路の圧力PMをパラメータとする第６図
に示すマップを用い、吸気通路内圧力PMに応じて開弁時
間Ｔを求めるようにしたが、開弁時間Ｔはエンジン負荷
に応じて設定できればよいので、吸入空気量を検出する
エアフロメータを備えたエンジンにあっては吸入空気量
をパラメータとするマップを作り、吸入空気量をパラメ
ータとして開弁時間Ｔを求めるようにしてもよい。また
更に上記実施例のようにスロットルバルブの開度を検出
するスロットルセンサを備えたエンジンにあっては、こ
れにより検出されるスロットルバルブの開度をパラメー
タとして開弁時間Ｔを求めるようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の内燃機関の空燃比制御
装置によれば、空燃比がリッチからリーンに変化したと
き燃料噴射弁を介して内燃機関に燃料が供給されるの
で、空燃比を目標空燃比に制御するための燃料の増量補
正を応答遅れなく速やかに実行することができるように
なり、空燃比制御のフィードバック周期を短縮して、空
燃比を常に目標空燃比近傍に制御することが可能とな
る。

また本発明では、空燃比がリッチからリーンに変化し
た直後に、所定時間だけ燃料噴射手段を駆動するので、
この駆動に伴う燃料の増量補正によって、空燃比制御手
段側での空燃比制御の応答遅れによって生じる燃料の不
足分を良好に補うことができ、燃料噴射手段から燃料を
噴射供給し過ぎて、燃料噴射後、空燃比がリッチ側に大
きくずれてしまう、といったことも防止できる。

つまり、例えば、空燃比がリーン状態にあるとき、燃
料噴射手段を連続的に駆動するようにしても、空燃比の
リーン時間を短くすることはできるが、この場合、内燃
機関に供給される燃料量が過剰になって、空燃比がリッ
チ側に大きくずれてしまい、その後実行される空燃比制
御によって、燃料混合手段から内燃機関に供給される燃
料量が減量補正されても、空燃比が長時間リッチ側に保
持され、空燃比のフィードバック周期が却って長くなっ
てしまう。しかし、本発明では、空燃比がリッチからリ
ーンに変化した際の燃料噴射手段の駆動時間を、内燃機
関の負荷に対応した所定時間に制限するので、燃料噴射
手段からの燃料供給量が過剰になるのを防止して、空燃
比制御の応答遅れに伴う燃料の不足分を良好に補うこと
ができるのである。尚、空燃比がリーン状態にあるとき
燃料噴射手段を連続的に駆動するようにした場合には、
燃料噴射手段の駆動時間が長くなるので、その耐久性が
低下するが、本発明では、空燃比がリーン状態に変化し
た直後に所定時間だけ燃料噴射手段を駆動するので、こ
うした問題を防止することもできる。

また更に本発明では、燃料増量補正のための燃料噴射
弁の駆動時間を、内燃機関の負荷に応じて、負荷が大き
い程長くなるように設定するので、空燃比制御の応答遅
れによって生じる燃料の不足分を過不足なく最適に補正
することができる。

つまり、内燃機関に供給すべき燃料量は、内燃機関の
負荷が大きい程多くなるので、空燃比制御の応答遅れに
よって生じる燃料の不足分も、内燃機関の負荷に応じて
変化し、負荷が大きい程多くなる。このため、燃料噴射
手段の駆動時間を一定にした場合には、空燃比制御の応
答遅れによって生じる燃料の不足分を補うことはできる
ものの、その増量補正量を燃料の不足分に対応させるこ
とはできない。しかも、本発明では、燃料噴射手段の駆
動時間が、内燃機関の負荷に応じて、負荷が大きい程長
くなるように設定されるので、空燃比制御の応答遅れに
よって生じる燃料の不足分に対応して燃料を増量補正す
ることができ、内燃機関に燃料を過不足なく噴射供給し
て、空燃比を目標空燃比に速やかに制御することができ
るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を例示するブロック図、第２図は
従来より実行されている空燃比制御を説明するタイムチ
ャート、第３図乃至第６図は本発明の実施例を表し、第
３図は本発明が適用されたLPGエンジン及びその周辺装
置を表す概略構成図、第４図は電子制御回路で実行され
る空燃比制御のための空燃比信号処理を表すフローチャ
ート、第５図はその空燃比信号処理の動作を表すタイム
チャート、第６図は燃料噴射弁の開弁時間Ｔをエンジン
負荷に応じて設定するのに用いるマップの一例を表す線
図、である。 M1……内燃機関、M2、４……吸気通路 M3、６……ベンチュリ M4……燃料混合手段 M5、22……排気通路 M6……空燃比検出手段 M7……空燃比制御手段 M8……燃料噴射手段 M9……燃料噴射制御手段 ２……エンジン、10……燃料通路 16……ステップモータ 18……ニードル弁、24……空燃比センサ 28……吸気圧センサ、42……電子制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安芸 隆啓 兵庫県神戸市兵庫区御所通１丁目２番28号 富士通テン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−124661（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の吸気通路に形成されたベンチュ
   リを介して燃料と吸入空気とを混合させ、当該機関に燃
   料混合気を供給する燃料混合手段と、 当該内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度
   から上記燃料混合気の空燃比を検出する空燃比検出手段
   と、 上記燃料混合気の空燃比が所定の目標空燃比となるよ
   う、上記空燃比検出手段の検出結果に基づき上記燃料混
   合手段で吸入空気と混合される燃料量を制御する空燃比
   制御手段と、 を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、 上記内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射手段
   を設け、 上記空燃比制御手段に、上記空燃比検出手段で検出され
   る空燃比が目標空燃比に対してリッチ側からリーン側に
   変化した直後に、内燃機関の負荷の大きさに応じて該負
   荷が大きい程長くなるように設定される所定時間だけ、
   上記燃料噴射手段を駆動して、吸気通路に燃料を所定量
   噴射供給させる燃料噴射制御手段を設けたこと、 を特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。