JPS6043138A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関に与える混合気の空燃比を検出して
、特に理論空燃比より過濃側に空燃比をフィードバック
制御することにより、混合気の空燃比を任意の目標値に
良好に制御できる空燃比制御装置に関する。

従来より、燃料噴射方式又は気化器方式の調量装置を備
える内燃機関では、急加速時や高負荷時などの高出力が
要求されるとき、空燃比を所定の出力空燃比（例えばＡ
／Ｆ＝１３）に設定するようにしている。また、過給機
付きの内燃機関では、一般に高負荷側においては機関及
び排気浄化用触媒の異常高温を防止するため、理論空燃
比より濃い空燃比（例えばＡ／Ｆ＝　１０）に設定して
いる。

従来、濃い空燃比２燃料量（混合気量）を修正する方法
としては、例えば燃料噴射方式の場合、内燃機関の制御
パラメータより機関の状態を検知し、基本噴射パルス幅
にその状態に見合った増量割合を持って修正するのが一
般的である。しかし、基本噴射パルス幅は理論空燃比と
なる様設定されるが、エアフロメータ等のセンサの精度
」二の問題等によりばらつき、基本噴射パルス幅をベー
スにして濃い空燃比を設定した場合、目標の濃い空燃比
もばらつく。このことは気化器方式の場合でも同様で各
部品の精度及び制御能力上から大きくばらつく。目標の
空燃比より過濃となった場合、失火を引き起こし、出力
の低下といった問題を生しる。

本発明の目的は、内燃機関に与える混合気に関して、理
論空燃比より濃い領域の空燃比に精度良く制御できるよ
うにすることにある。

そのため、少なくとも理論空燃比より濃い領域の空燃比
を検出可能な空燃比センサを用い、濃い領域の空燃比で
機関運転が要求されるとき、この空燃比センサの信号を
用いて所望の空燃比となるように混合気の調量手段を制
御すように構成したものである。

以下、本発明を図に示す実施例により説明する。

本実施例では空燃比センサとして、限界電流検出式の空
燃比センサを用いる場合を示す。この種の空燃比センサ
は例えば特開昭５７−４８６４８号公報等によりすでに
公知となっている。

これを概略的に示すと、第１．２図の通りである。第１
図において、１は空燃比センサである。

］、ａは固体電解質素子で、一端が開口され他端は閉塞
されたカップ状をなしている。この素子１ａは、酸素イ
オン伝導電性金属酸化物焼結体のカップの内側を電極２
を介し大気等の基準酸素にさら。

し、外側を電極３、拡散抵抗Ｎ４を介し検出ガスにさら
した構造により構成しである。

ここで、前記センサ１が理論空燃比点よりリーン領域の
酸素濃度に応じた限界電流を発生するように例えば単一
の電極にて検出する場合、検出ガス側電極３の面積は１
０〜１００−１厚さは０．５〜２．０μ程度とし、大気
側電極２は面ＭＬ　ＯｍＪ以上、厚さは０．５〜２．０
μ程度であり、共に、たとえば白金等の触媒活性の高い
貴金属を化学メ・ンキ、スパッタリング、ペーストスク
リーン印刷により、充分ポーラスに形成しである。拡散
抵抗層４は、例えばＡｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３・ＭｇＯ１
Ｚｒ○２のプラズマ溶射法等により形成され、１００〜
７００μ、気孔率７〜１５％、平均細孔径６００〜１２
００人に形成されている。ここで、酸素濃度に対応する
限界電流値は電極３の面積、拡散抵抗１の４の厚さ、気
孔率、平均細孔径により決まるため、これらは高精度に
管理・規定されねばならない。５はヒータである。なお
、２ａ、３ａ、５ａはリード線である。

次にそのセンサの作用について説明する。素子１ａは内
燃機関の排気管に固定される。ここで排気ガスは周知の
ごとく０２、Ｃ０１ＨＣ等のガス成分から構成されてお
り、この各成分の濃度は燃料側の空燃比によって変化す
る。空燃比センサは、この素子の表裏両面に多孔質の電
極を設け、これら両電極間に通電することによって排気
ガス中の酸素をイオンとして一方の電極から他方の電極
へ向けて上記素子中に酸素イオンを拡散させ、このとき
印加電圧を変化させても電極間を流れる電流値が変化し
ない領域、すなわち限界電流が発生ずることが知られて
おり、そこで０．６　Ｖ程度の所定電圧印加時の限界電
流値を測定することによって排気ガス中の酸素濃度（及
び空燃比）を知ることができるから、この酸素濃度（及
び空燃比）をもとにしてリーン領域の最適空燃比を制御
することができるものである。

以上は空燃比がリーン領域にある場合の説明であるが、
次に空燃比が理論空燃比より濃い領域にある場合につい
て説明する。空燃比が濃い場合は排出ガス中の酸素濃度
が低く、拡散抵抗層４を経て電極３に至る酸素イオンは
少なくなり（これは空燃比が濃くなる程少なくなる）、
排出ガス中の酸素分圧は零に近づく。従って限界電流値
も零に近づくようになる。

ところで、本発明者等の実験によれば、空燃比センサへ
の印加電圧を限界電流の発生する値（第２図中電圧幅へ
の領域）以上の電圧値（本実施例では約１．ＯＶ）に固
定して、空燃比を変化させてそのセンサ出力電流を測定
してみると、理論空燃比より濃い側においても第２図に
示される如き関係が見出された。この原因として排出ガ
ス中の酸素ガス成分の他にＣＯやＮＯｘなどの他のガス
成分の酸化や還元反応による酸素ガスの発生が寄与して
いる。

この第２図に示される印加電圧ＩＶの場合の空燃比（’
Ａ、／　Ｆ　）とセンサ出力との関係は、第３図のよう
になる。つまり、理論空燃比（Ａ／Ｆ″、１５）より濃
い領域においても空燃比を検出可能であることが分かる
。

次に、上記空燃比センサを利用した空燃比制御装置につ
いて説明する。

第４図は空燃比制御装置の全体構成図で、７は内燃機関
６の吸気管側通路に設けたエアクリーナ、８は機関の吸
気空気量を検出する吸気量センサ、９はスロットル弁で
、この弁開度を検出ｊる開度センサｌＯが連結されてい
る。１１は機関へ燃料を供給する噴射弁、１２は機関の
回転数又は回転位置を検出する回転センサ、１は空燃比
センサ、１３は制御装置で、吸気量信号、回転数信号、
空燃比信号、及び温度等の他の機関状態を表わす各種信
号を入力して、噴射弁１０の開弁タイミングや開弁時間
を計算し制御するものである。

第５図は本発明装置の要部構成を示すブロック図であり
、空燃比センサ１は排出ガス中の酸素濃度に比例した出
力電流ｉを発生する。１００は印加電源で、第２図に示
されるように所望の出力電流を発生させるために、例え
ば０．８〜１．１■の範囲内の所定の電圧を空燃比セン
サ１に印加するものである。これによって第３図に示す
如く酸素濃度に比例した出力電流ｉが得られる。２００
は出力電流検出用の微少抵抗値をもつ抵抗、３００は入
力処理段で、抵抗２００の降下電圧を受けて所定倍に増
幅すると共に所望の特性を与えるようにしたものである
。４００は印加電源１００の作動状態を制御する制御段
で、コンピュータ５００の指令を受けて、空燃比センサ
ーの非活性時やその他のエンジン状態時で、フィードバ
ック制御を行なわないときには、空燃比センサｌへの印
加電圧をより小さい値に低下させるか、または印加電圧
をカットするように指示するものである。６００はＡ／
Ｄ変換器で、空燃比センサ１の出力、吸気量センサの出
力Ｑやエンジン冷却水温を示す出力Ｔｗ、スロットル弁
の開度を示す出力θ等を受け、順次コンピュータ５００
の指示に従ってＡ／Ｄ変換処理を行なうものである。

このコンピュータ５００は、この場合マイクロコンピュ
ータにてソフトウェアによるプログラム処理を行なうも
であり、吸気量Ｑやエンジン回転速度Ｎなどの情報から
エンジンに与える燃料供給量を算出し、駆動段７００を
通して噴射弁１１を駆動し、所望燃料量の燃料をエンジ
ンに供給するように動作する。また、フィードバック制
御時には、空燃比センサ１により検出される出力電流に
対応させてめた空燃比と、予め設定した現在の運転状態
に最適な目標空燃比との偏差を検出して、先に竺出した
燃料供給量を補正するようにし、現在の空燃比が目標空
燃比と一致するように制御するものである。この目標空
燃比は、エンジン各運転状態（例えばＱとＮから決定さ
れる運転状態）に対応させて最適な空燃比の値が予め設
定されており、その値はコンピュータ内にあるＲＯＭ（
ＩＪド・オンリー・メモリ）の一部に記憶しである。

また、このフィードバック制御を行なう条件としては、
空燃比センサ１が通常６５０℃以上の活性状態にあり、
またエンジン冷却水温が７０℃以上の暖機完了した状態
にある９とが最も好ましい。

もちろん、必ずしも全ての条件を満足さセる必要はない
。

次に、コンピュータ５００の概略作動を説明する。第一
６図において、キースイッチの投入によりエンジンが始
動されると第１のステップ１０００よりステップ１００
７まで順次演算処理が実行される。ステップ１００１に
て初期化の処理が実行され、ステップ１０ｏ２において
エンジン回転速度Ｎ１吸気量Ｑ１エンジン冷却水〆品Ｔ
ｗ、出力電流ｉ等のディジタル値を読み込む。ステップ
１゜０３では、燃料供給量の基本量を種パラメータ（Ｑ
／ＮＸＮ等）に応じて基本量マツプがら読出ず。

ステップ１００４では、冷却水温や吸気温、スタータス
イッチ等の信号を得て水温増量、吸気温増量、始動増量
を含めた補正量に１を計算し、その結果をコンピュータ
５００内のＲＡＭに格納する。また、この補正量Ｋｌの
中の加速増量等のエンジン固有の他の補正項目を含めて
考えても良い。

ステップ１００５では、空燃比センサ１の信号を入力し
て実際の空燃比を検出し、この空燃比が現在の運転状態
において目標とされる空燃比と一致するようにするため
、供給燃料量の補正量Ｋ　’ｚを計算する。ステップ１
００６．１００７では、各ステップ１’００３，１００
４’、１００５等でめた基本量Ｋ　１．＋　Ｋ　２等を
基づいて現時点において最適な燃料供給量を計算し、そ
の値を出力部にセントする。そして所定のクランク角度
位置において上記計算データによる燃料量が頓射弁１１
を介してエンジ°ンに供給される。

第７図はステップ１００５の詳細なフローチャートであ
る。まず、ステップ２００１では、空燃比センサ１が活
性状態になっているか否か、または空燃比のフィードバ
ック制御が可能か否かを判定する。具体的には空燃比セ
ンサ１の温度を検出して所定温度以上になっているかを
判定するとか、または空燃比センサ１に一定バイアスを
与えてセンサ自身の内部抵抗の大きさから活性判別を行
なうとか、または冷却水温や、始動時からの経過時間や
燃焼回数の累積等から間接的に活性状態を推定するよう
にすればよい。

そこで、センサ非活性時にはステップ２０１０に進み、
このステップ２０１０では空燃比センサ１への印加電圧
をカットするようにしている。そしてステップ２０１１
では補正係数に２−１に設定し、積分処理を行なわない
ようにしている。

また、センサが活性状態にありかつフィードバック制御
可能な状態にあるときにはステップ２００２〜２０．０
９の処理を実行する。まず、ステ・７ブ２００２にて空
燃比センサ１に所定の電圧を印加するようにし、ステッ
プ２００３にて電圧印加後一定時間過ぎたときステップ
２００４に進む。

そしてステップ２，００４では、現在の運転状筋に最適
な目標Ａ／Ｆに相当する出力電流ｉＲを、所定のマツプ
から主パラメータ（この場合ＮとＱ）に応じて読出す。

この一定時間は、空燃比センサ１が安定した検出状態に
なったことを確認するためのものである。一方、空燃比
センサ１より現在の出力電流ｉを測定しくステップｊ０
０５）　、両者の偏差Δ１＝ｉ−４Ｒをめ（ステップ２
００６）、この偏差Δｉに応じて積分処理時の演算量Δ
に２を決定する（ステップ２００７〜２００９’）。

この積算量Δに２を例えば偏差Δｉの大きさに応じて変
えてもよいし、常に一定としてもよい。これはフィード
バック制御の追従性や制御精度、エンジンとのマンヂン
グ等を考慮して選択される。

偏差Δｉが大きくなるほど積算量Δに２を大きくすれば
、積分処理に２＝に２＋Δに２により決定される補正量
に２が大きく変化するため、燃料供給量を最適制御でき
て追従性が一層向上する（ステップ２００９）。

以上に説明したように、第６，７図に示す制御手法を用
いることにより、各運転状筋において、目標とするＡ／
Ｆに良好にフィードバック制御できるようにする。

とりわけ、加速増量や高負荷増量時などＡ／Ｆが１５よ
り小さな値にリッチ制御される場合にも、本実施例では
所望の空燃比に高精度にフィードバソ・り制御が可能と
なる。。

ここで、リッチフィードバンク制御時の動作について具
体的に説明する。第８図は第７図中ステップ２００４の
詳細フローチャートである。まずステップ３００１は機
関の急加速時を判断するステップで、例えばスロットル
弁の開度θ及びその開度変化速度Δθが所定値以上にな
ったか否かを判定したり、その他に吸気量Ｑ及びその吸
気量変化速度ΔＱ、吸気管圧力Ｐ及びその変化速度ΔＰ
或いは基本噴射パルス幅τが所定値以上になったか否か
を判定するものである。そこで、機関の急加速時には、
ステップ３００２にて、その加速状態に応じた目標値ｉ
Ｒを予め設定された加速増量マツプより読出ずようにす
る。

また、急加速時にないとき、つまり通常運転時とか高負
荷時（例えば登板走行時、高速走行時、及び過積載運転
時など）にはステップ３００３に進み、主パラメータ（
Ｎ、Ｑ）を用いて、マツプ（Ｎ、Ｑ／Ｎ）よりフィード
バック制御用の目標値ｉＲを読出すようにしている。従
って、これらの目標値ｔ　Ｒに出力電流ｉが一致するよ
うに空燃比を制御すれば、機関の各種状態に応じた最適
な制御が実現されることになる。

なお、上述の実施例では印加電源１００事態の動作を制
御して、発生電圧を低下させたり、カッＩ・したりしそ
いるが、印加電源１００と空燃比センサ１との間にスイ
ッチ手段として例えばアナログスイッチを設け、フィー
ドバック制御していないときにはアナログスイッチを開
とするようにしてもよい。

また、本実施例では空燃比センサ１として限界電流検出
方式の酸素センサを利用した場合に２いて説明している
が、少なくとも理論空燃比よりリッチ側の領域が検出で
きればよく、例えば排出ガス中のＣＯ酸成分検出するセ
ンサなど各種センサの利用が可能である。

また、本発明は燃料噴射方式の装置に限らず、気化器方
式にも適用可能である。

以」二述べた如く本発明では、少なくとも理論空燃比よ
り濃い側の空燃比を検出可能な空燃比センサを用い、濃
い領域の空燃比で機関運転が要求されるとき、この空燃
比センサの信号を用いて所望の空燃比となるように混合
気の調量手段を制御しているから、理論空燃比より濃い
領域の空燃比に精度良く制御できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は限界電流式空燃比センサを示す断面図、第２図
及び第３図は空燃比センサに所定の印加電圧を与えた場
合の空燃比（Ａ／Ｆ）と出力電流との関係を示す特性図
、第４図及び第５図は本発明の一実施例を示す空燃比制
御装置の全体構成図、及び要部ブロック図、第６図、第
７図及び第８図は本発明の作動説明に供するフローチャ
ートである。 ■・・・空燃比センサ、６・・・内燃機関、８・・・吸
気量センサ、９・・・スロットル弁、１０・・・開度セ
ンサ、１１・・・噴射弁、１２・・・回転センサ、１３
・・・制御装置、１００・・・印加電源、５００・・・
コンピュータ。 代理人弁理士　岡　部　隆 第１図 ｔアカロ噸力σｆｆ） 第３図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）内燃機関の運転状態に応じて機関に与える混合気
   量を調整する調量手段と、少なくとも理論空燃比より濃
   い領域の空燃比を検出する空燃比センサと、機関の運転
   が濃い領域の空燃比で要求されるとき前記空燃比センサ
   の信号を用いて所望の空燃比となるように前記調量手段
   を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする空燃比
   制御装置。