JPH09105345A

JPH09105345A - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JPH09105345A
Application number: JP7261637A
Authority: JP
Inventors: 幸大 ▲よし▼沢; Yukihiro Yoshizawa; Tsutomu Nakada; 勉中田; Keiji Okada; 圭司岡田; Koji Hiratani; 康治平谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-10-09
Filing date: 1995-10-09
Publication date: 1997-04-22

Abstract

(57)【要約】【課題】三元触媒の暖機中はリッチ気筒にのみ排気還流
を行って、気筒間の平均有効圧をバランスさせることに
より、構造の複雑化や暖機後の空燃比のバラツキを発生
することなく、暖機中の機関振動の抑制を図る。【解決手段】機関の始動後暖機中は一部気筒の空燃比を
リッチ、他の気筒の空燃比をリーンとなるように燃料供
給量を制御する手段５３と、このリッチ・リーン制御時
にリッチ気筒にのみ排気を循環させる手段５４と、暖機
後は全部の気筒に排気を循環させる手段５２を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の空燃比制
御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気系に設置した三元触媒を
機関始動後できるだけ早期に活性化するために、暖機
中、一部の気筒の空燃比をリッチ、他の気筒の空燃比を
リーンに制御することが知られている（実開平３−１０
２０３８号公報）。

【０００３】機関始動直後は排気温度も低く、三元触媒
が活性状態になるまでの相当の時間を必要とする。この
場合、三元触媒での酸化反応を促進してやると酸化に伴
う発熱により三元触媒の温度が上昇し、活性化が促進さ
れる。

【０００４】そこで、一部の気筒の空燃比をリッチ、他
の気筒の空燃比をリーンに制御することにより、三元触
媒に流入する排気空燃比を周期的にリッチ、リーンに変
化させ、三元触媒での酸化雰囲気を形成し、その早期活
性化を図っている。

【０００５】ところで、このように気筒間で異なった空
燃比に制御すると、リッチ気筒に比較してリーン気筒で
の筒内圧力が相対的に低くなり、気筒間の出力トルク段
差により、暖機中の機関振動が大きくなる。

【０００６】そこで、上記した公報に記載された発明で
は、吸気系を２系統に分割し、リッチ気筒よりもリーン
気筒の吸入空気量を相対的に増量し、気筒間の平均有効
圧に差が無いようにバランスさせ、トルク変動に伴う機
関振動を抑制している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように吸
気系統を２系統に分割し、それぞれに吸気絞弁を設け、
また空燃比のフィードバック制御系統も２系統にしてい
るため、その分、構造が複雑となり、また、三元触媒の
活性化した後は気筒間の空燃比をリッチ、リーンから、
共に三元触媒の要求空燃比である理論空燃比の近傍に制
御するのであるが、フィートバック制御系が２系統存在
することから空燃比のバラツキが発生しやすく、排気エ
ミッションが悪化するという問題があった。

【０００８】本発明は、三元触媒の暖機中はリッチ気筒
にのみ排気還流を行って、気筒間の平均有効圧をバラン
スさせ、暖機後は全気筒に同一的に排気還流することに
より、構造の複雑化や暖機後の空燃比のバラツキを発生
することなく、暖機中の機関振動の抑制を図ることを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、図１３に
示すように、排気系に触媒を備えた内燃機関において、
機関の運転状態を検出する手段５１と、排気の一部を吸
気系に循環させる手段５２と、機関の始動後暖機中は一
部気筒の空燃比をリッチ、他の気筒の空燃比をリーンと
なるように燃料供給量を制御する手段５３と、このリッ
チ・リーン制御時にはリッチ気筒にのみ排気を循環させ
る手段５４とを備える。

【００１０】第２の発明は、第１の発明において、リッ
チ・リーン制御時にリッチ気筒から排出される排気をリ
ッチ気筒に循環させるようにした。

【００１１】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、各気筒の平均有効圧を検出する手段５５を備え、
リッチ・リーン制御時にリッチ気筒とリーン気筒の平均
有効圧が一致するようにリッチ気筒の排気循環量を制御
する。

【００１２】第４の発明は、第３の発明において、平均
有効圧の検出手段は、機関吸入空気量、回転数、空燃
比、及び排気循環量から平均有効圧を算出する。

【００１３】第５の発明は、第３の発明において、燃料
供給量制御手段は、リーン気筒の空燃比をリーン安定限
界となるように制御する。

【００１４】

【作用】第１の発明において、機関暖機中に空燃比がリ
ッチ・リーン制御されると、リッチ気筒に排気が循環さ
れる。

【００１５】リーン気筒に比べてリッチ気筒のトルクが
大きく、そのままでは気筒間でトルク差が発生し、機関
振動を誘発する原因となるが、このようにリッチ気筒に
だけ排気循環されると、リッチ気筒のトルクが低下し、
気筒間のトルク変動が抑制される。この場合、排気循環
率の変化に対するエンジン安定度の悪化率は低く、排気
循環率に多少の誤差があっても、安定度に及ぼす影響は
少なく、また安定性が良いことからリーン気筒の空燃比
をリーン限界付近に維持することも可能となり、これに
より酸化雰囲気を高め、三元触媒の酸化反応を促進し、
早期の活性化が図れる。

【００１６】機関の暖機が終了すれば、全気筒に対して
均一的に燃料が供給され、同一の空燃比に制御され、ま
た排気の循環量も均一に制御される。

【００１７】このようにして、機関暖機中の空燃比リッ
チ・リーン制御時に限り、リッチ気筒にのみ排気循環さ
せることで、気筒間の発生トルクをバランスさせ、機関
の振動を抑制することができ、また、気筒間の吸入空気
量を相違させるのに比較して、排気循環を一部の気筒に
ついてのみ行う方が構成も簡単で、かつ暖機後に全気筒
について空燃比をフィードバック制御するにしても、制
御系統が一つのため空燃比の制御制度が良好で、かつ構
造の複雑化も回避できる。

【００１８】第２の発明では、リッチ・リーン制御時
に、リッチ気筒から出た排気をリッチ気筒に循環させる
ので、排気循環気筒についてはリーン気筒の空燃比の影
響を無くし、排気循環率にのみ依存して平均有効圧を制
御でき、リーン気筒とリッチ気筒の平均有効圧のバラツ
キを防止できる。

【００１９】第３の発明では、リッチ・リーン制御時に
各気筒の平均有効圧を検出しながら、リッチ気筒とリー
ン気筒の平均有効圧が一致するようにリッチ気筒の排気
循環量を制御するので、気筒間のトルク偏差を確実に解
消し、機関振動を効果的に低減できる。

【００２０】第４の発明では、平均有効圧を、機関吸入
空気量、回転数、空燃比、及び排気循環量から算出する
ので、特別な気筒内圧力検出手段等が不要となり、構成
の簡略化が図れる。

【００２１】第５の発明では、リーン気筒の空燃比をリ
ーン安定限界となるように制御するので、それだけ三元
触媒にとって良好な酸化雰囲気が形成でき、三元触媒の
早期活性化が促進される。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態を示す
もので、内燃機関１１の吸気通路１９には、エアフロー
メータ１２の下流に位置して吸気絞弁２０が設けられ、
各気筒（４気筒）の吸気ポートに設置した燃料噴射イン
ジェクタ１７から、吸気絞弁２０の開度に応じて制御さ
れる吸入空気量に応じて燃料が噴射される。

【００２３】この燃料噴射量はコントローラ１４からの
信号により制御され、このためコントローラ１４には、
前記エアフローメータ１２からの吸入空気量信号、クラ
ンク角度センサ１３から回転数信号が入力され、さら
に、排気通路２１に設置した空燃比センサ２３からの信
号が入力し、これらに基づいて運転状態に応じてそれぞ
れ後述する目標空燃比となるように、各燃料噴射インジ
ェクタ１７から噴射される燃料量を制御する。

【００２４】排気通路２１から分岐して排気の一部を吸
気通路１９に循環する排気循環通路１８が形成され、こ
の排気循環通路１８には排気循環量を制御する排気循環
量制御弁１５が介装される。また、排気循環量制御弁１
５の下流において、排気循環通路１８から分岐して第１
気筒の吸気ブランチ１９ａに接続する分岐通路１８ａが
設けられ、この分岐点には通路切換用の三方切換弁１６
が介装される。

【００２５】コントローラ１４は後述するように、運転
条件に応じてこれら排気循環量制御弁１５の開度と、三
方切換弁１６の通路切換を制御する。

【００２６】また、排気循環通路１８の分岐点よりも下
流に位置して、排気通路２１には三元触媒２２が設けら
れ、排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元を行
い、排気を浄化する。

【００２７】コントローラ１４は、機関の暖機中は、各
気筒の燃料噴射インジェクタ１７に対する燃料の噴射量
を気筒間で異なるように制御し、この例では、第１気筒
の空燃比がリッチ、それ以外の第２〜第４気筒の空燃比
がリーンとなるようにし、これにより排気空燃比を酸化
雰囲気に維持して三元触媒２２での酸化反応を促進し、
三元触媒２２の早期暖機化を図る。これに対して暖機後
は各気筒に対する燃料の噴射量を同一とし、かつ三元触
媒２２の要求空燃比、つまり理論空燃比となるように、
空燃比センサ２３の出力に基づいて燃料噴射量をフィー
ドバック制御する。

【００２８】また、これと同時にコントローラ１４は、
暖機中の空燃比リッチ・リーン制御時には、排気循環量
制御弁１５の開度を後述する排気循環率（ＥＧＲ率）と
なるように制御すると共に、三方切換弁１６を切換えて
排気循環通路１８から分岐通路１８ａに排気を導き、空
燃比がリッチに制御されている第１気筒にのみ排気を循
環させるように制御し、リッチ気筒とリーン気筒との間
の発生トルクを均等にして機関振動を抑制する。

【００２９】また暖機が終了した後は、三方切換弁１６
を切換えて吸気絞弁２０の下流側の吸気通路１９に排気
を導入し、第１〜第４気筒に均一に排気循環させる。

【００３０】図２はこれらの空燃比のリッチ・リーンと
排気循環の制御動作を示すフローチャートで、これに基
づいて詳細に説明する。

【００３１】まず、ステップ１１で吸入空気量Ｑ、エン
ジン回転数Ｎを検出し、これらに基づいて基本燃料噴射
量ＴＰを、ＴＰ＝ｋ＊Ｑ／Ｎとして算出する（ステップ
１２）。次いで、ＴＰとＮから各気筒の基本有効圧Ｐｉ
を、図３のマップを参照して読み取る。ただし、このＰ
ｉについては、各気筒に直接的に圧力センサを取付け、
それぞれ基本有効圧を検出するようにしてもよい。

【００３２】ステップ１４では機関の安定度を求めるた
め、エンジン回転数Ｎの５０サイクルの統計処理によ
り、回転変動率ｄＮを、ｄＮ＝Σ（Ｎｉ−Ｎａｖｅ）／
ｉとして算出する（ただし、ｉ：５０サイクル、Ｎａｖ
ｅ：５０サイクルの平均値）。

【００３３】ステップ１５から１７において、リーン気
筒の燃料噴射量ＴＰＬを、リーン気筒の空燃比をリーン
ベストとなるように演算する（なお、このＴＰＬは、基
本噴射量ＴＰよりも所定値だけ小さく、所定のリーン空
燃比（リーンベスト）となるように予め設定される）。
このため、回転変動率ｄＮを所定のリーン安定限界の判
断値Ａ、Ｂと比較する。もし、ｄＮ＞Ｂならば、安定度
が悪いため、ステップ１６でＴＰＬ＝ＴＰＬ＋Δｔｐと
して燃料噴射量を増やし、これに対して、ｄＮ＜Ａなら
ば、安定限界よりも安定度が良いので、ステップ１７で
ＴＰＬ＝ＴＰＬ−Δｔｐとして燃料噴射量を減らす。な
お、例えば、判断値Ａ＝１０ｒｐｍ、Ｂ＝２０ｒｐｍ、
Δｔｐ＝０．１ｍｓと設定される。

【００３４】これに対して、Ａ≦ｄＮ≦Ｂのときは、リ
ーン空燃比が安定限界内に収まっているものとして、ス
テップ１８に進み、リーン気筒のリーン量ＡｂｙＦＬ
を、ＡｂｙＦＬ＝１４×（ＴＰ−ＴＰＬ）／ＴＰとして
算出する。

【００３５】そして、ステップ１９において、図４に示
すようなマップから、ＡｂｙＦＬに基づいて平均有効圧
Ｐｉの低下率ΔＰｉをルックアップし、この低下率ΔＰ
ｉにより、平均有効圧の低下代ｄＰｉを、ｄＰｉ＝Ｐｉ
×ΔＰｉとして算出する。次にステップ２０ではリッチ
気筒の燃料噴射量ＴＰＲを、ＴＰＲ＝ＴＰ×Ｋ１として
算出し、所定のリッチ空燃比となるようにする。

【００３６】そしてステップ２１では、前記した平均有
効圧の低下代ｄＰｉから、図５に示すマップにしたがっ
て、リッチ気筒のＥＧＲ（排気循環）率をルックアップ
する。このＥＧＲ率により、リッチ気筒の平均有効圧
と、リーン気筒の平均有効圧とが一致するように制御さ
れる。

【００３７】このような制御動作に基づいての作用を説
明する。図６に、空燃比をリーン側に変化させたとき
の、酸素（Ｏ₂）濃度、安定度、平均有効圧の関係を示
す。

【００３８】機関始動後に三元触媒２２を早期に活性さ
せるには、触媒での反応が進むようにリーン気筒から排
出される排気中のＯ₂濃度は高いほど良く、そのために
はリーン気筒の空燃比はできるだけリーンに設定するこ
とが好ましい。しかし、空燃比をリーンにすると、その
気筒の安定度が悪化するので、空燃比を安定限界に維持
しうる最もリーンな空燃比（リーンベスト）となるよう
に制御する。

【００３９】ところで、このように空燃比をリーンベス
トに設定すると、平均有効圧Ｐｉも低下し、リッチ気筒
との間にＰｉの差が出て、気筒間の出力トルクのバラン
スが失われ、機関振動が増大する。

【００４０】このトルク段差を解消する方法として、図
７にも示すように、気筒間の点火時期ＡＤＶを相違さ
せ、リッチ気筒の点火時期を遅角させることが考えられ
るが、リッチ気筒のＰｉをリーン気筒のＰｉと一致させ
るには、相当遅角させる必要がある。また、この遅角限
界付近ではＡＤＶのわずかな変化に対する安定度の感度
が大きい（悪化率が高い）ため、ＡＤＶのバラツキによ
り、安定度も大きな悪影響を受ける。

【００４１】これに対して、リッチ気筒に排気循環（Ｅ
ＧＲ）し、このときのＥＧＲ率を変化させることによ
り、平均有効圧Ｐｉを制御する場合、図８にも示すよう
に、ＥＧＲ率の増加に対する安定度が低下する割合は、
ＡＤＶほどは大きくないため、ＥＧＲ率の誤差による安
定度のバラツキは小さい。

【００４２】そこで、図９、図１０にも示すように、空
燃比をリーンにすることより低下するＰｉに対応させる
べく、空燃比のリーン量ＡｂｙＦＬ（ΔＡ／Ｆ）から算
出したＰｉの低下代（ΔＰｉ）に見合うように、リッチ
気筒のＥＧＲ率を決定することより、リッチ気筒とリー
ン気筒のＰｉを一致させ、これにより、気筒間のＰｉの
偏差によるトルク段差を解消し、機関振動を低減するこ
とが可能となる。

【００４３】とくに、このようにリッチ気筒に排気循環
することより気筒間の平均有効圧をバランスさせる制御
では、ＥＧＲ率の制御に多少の誤差があっても、リッチ
気筒の安定度が極端に悪化するようなことがなく、空燃
比のリッチ・リーン制御時の安定性が高まり、また一方
で、機関安定性を損なうことなく、リーン気筒の空燃比
をリーン化することができる。

【００４４】なお、図１１に示すように、リーン気筒の
Ｐｉの低下を点火時期ＡＤＶを遅角することより行う場
合には、ＡＤＶの変化に対して安定度の変動率が高いた
め、安定度のバラツキが大きく、安定限界までの余裕代
を考慮すると、空燃比も最もリーンの状態よりややリッ
チ側に設定せざるを得ない。しかし、本発明のように、
ＥＧＲ率によりリッチ気筒のＰｉを変化させる場合に
は、安定度のバラツキが小さいためリーン気筒の空燃比
も確実にリーンベストに設定できる。

【００４５】次に図１２の本発明の他の実施の形態につ
いて説明する。

【００４６】これは、排気循環通路１８の排気通路２１
に対する分岐部を、リッチ気筒である第１気筒の排気ブ
ランチ２１ａに接続したもので、リッチ・リーン制御時
にリッチ気筒の排気のみを循環させることにより、リー
ン気筒の余剰酸素を含む排気の循環を阻止し、ＥＧＲ率
と平均有効圧Ｐｉの低下量の相関関係をより密接にした
ものである。

【００４７】循環排気の中にリーン気筒のから余剰酸素
が入ると、この分だけ、わずかながらリッチ気筒の空燃
比が変動し、Ｐｉが変化する。しかし、このように、リ
ッチ気筒の排気を循環させると、余剰酸素が無いため、
Ｐｉは排気循環率にのみ依存し、したがってリーン気筒
とリッチ気筒のＰｉを精度よく一致させることができ
る。これにより、気筒間の出力トルクのバランスをさら
に良好にして、リッチ・リーン制御時の機関振動を一層
低減できる。

【００４８】

【発明の効果】第１の発明によれば、機関暖機中の空燃
比リッチ・リーン制御時に限り、リッチ気筒にのみ排気
循環させることで、気筒間の平均有効圧をバランスさ
せ、また暖機終了後は全気筒に均等に排気循環させるよ
うにしたので、暖機中の機関振動を効果的に抑制し、し
かもリッチ気筒に排気循環して気筒間の平均有効圧をバ
ランスさせるので、ＥＧＲ率の制御に多少の誤差があっ
ても、リッチ気筒の安定度が極端に悪化するようなこと
がなく、空燃比のリッチ・リーン制御時の安定性が高ま
り、また一方で機関安定性を損なうことなく、リーン気
筒の空燃比をリーン化できるので、それだけ三元触媒の
酸化反応を促進でき、短時間のうちに三元触媒の暖機を
終了させることが可能となる。また、トルクバランスの
ために気筒間の吸入空気量を相違させるのるのに比較し
て、排気循環気筒を制御する方が構成も簡単で、かつ暖
機後に全気筒について空燃比をフィードバック制御する
にも、制御系統が一つのため制御制度が良好となり、構
造の複雑化も回避できる。

【００４９】第２の発明によれば、リッチ気筒の排気を
リッチ気筒に循環させるので、排気循環気筒については
リーン気筒の空燃比の影響を無くし、排気循環率にのみ
依存して平均有効圧を制御でき、リーン気筒とリッチ気
筒の平均有効圧のバラツキを防止できる。

【００５０】第３の発明によれば、リッチ・リーン制御
時に各気筒の平均有効圧を検出しながら、リッチ気筒と
リーン気筒の平均有効圧が一致するようにリッチ気筒の
排気循環量を制御するので、各気筒の出力トルクを精度
よく一致させ、気筒間の出力変動による機関振動を効果
的に低減できる。

【００５１】第４の発明によれば、平均有効圧を、機関
吸入空気量、回転数、空燃比、及び排気循環量から算出
するので、特別な気筒内圧力検出手段等が不要となり、
構成の簡略化が図れる。

【００５２】第５の発明によれば、リーン気筒の空燃比
をリーン安定限界となるように制御するので、それだけ
三元触媒にとって良好な酸化雰囲気が形成でき、三元触
媒の早期活性化が促進される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す概略構成図である。

【図２】その制御動作を示すフローチャートである。

【図３】エンジン回転数と負荷に対する平均有効圧の関
係を示す説明図である。

【図４】空燃比のリーン変化量と平均有効圧の低下代の
関係を示す説明図である。

【図５】排気循環率と平均有効圧の低下代の関係を示す
説明図である。

【図６】空燃比の変化に対しての酸素濃度、安定度、平
均有効圧の関係を示す説明図である。

【図７】点火時期の変化に対する安定度、平均有効圧の
関係を示す説明図である。

【図８】排気循環率の変化に対する安定度、平均有効圧
の関係を示す説明図である。

【図９】空燃比の変化代に対する平均有効圧の低下代の
関係を示す説明図である。

【図１０】排気循環率の変化に対する平均有効圧の低下
代の関係を示す説明図である。

【図１１】リッチ・リーン制御時の空燃比と安定度との
関係を示す特性図である。

【図１２】他の実施の形態を示す概略構成図である。

【図１３】本発明の構成図である。

【符号の説明】

５１運転状態検出手段５２排気循環手段５３リッチ・リーン制御手段５４リッチ・リーン制御時排気循環手段５５平均有効圧検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平谷康治神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気系に触媒を備えた内燃機関において、機関の運転状態を検出する手段と、排気の一部を吸気系に循環させる手段と、機関の始動後暖機中は一部気筒の空燃比をリッチ、他の
気筒の空燃比をリーンとなるように燃料供給量を制御す
る手段と、このリッチ・リーン制御時にリッチ気筒にのみ排気を循
環させる手段とを備えることを特徴とする内燃機関の空
燃比制御装置。
【請求項２】リッチ・リーン制御時にリッチ気筒から排
出される排気をリッチ気筒に循環させるようにした請求
項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】各気筒の平均有効圧を検出する手段を備
え、リッチ・リーン制御時にリッチ気筒とリーン気筒の
平均有効圧が一致するようにリッチ気筒の排気循環量を
制御する請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比制
御装置。
【請求項４】平均有効圧の検出手段は、機関吸入空気
量、回転数、空燃比、及び排気循環量から平均有効圧を
算出する請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】燃料供給量制御手段は、リーン気筒の空燃
比をリーン安定限界となるように制御する請求項３に記
載の内燃機関の空燃比制御装置。