JPS6312850A - 内燃機関の空燃比制御装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車等内燃機関の空燃比を制御する装置に
関する。

（従来の技術） 近時、自動車エンジンに対する要求が高度化しており、
排出ガス低減、高出力、低燃費等の互いに相反する課題
について何れも高レベルでその達成が求められる傾向に
ある。

また、特に省燃費の立場から比較的低負荷領域では空燃
比を理論空燃比から希薄空燃比に切換える部分リーン制
御が試みられており、従来のこの種の空燃比制御装置と
しては、例えば特開昭５９−５１１４７号公報や特開昭
５９−７７４１号公報に記載されたものが知られている
。

これらの装置では、吸気管圧力、エンジン回転速度の変
化率（あるいは、車両の走行速度の変化率）およびスロ
ットル開度の変化に基づいてエンジンの負荷および車両
の加速度を算出し、この負荷および加速度の算出結果か
ら所定条件下の運転領域においては希薄（リーン）空燃
比を選択することにより、エンジンの燃費性能の向上を
図って省燃費を実現しようとしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の空燃比制御装置にあっ
ては、目標空燃比を切換えるとき、理論空燃比からリー
ン空燃比に切換える場合とリーン空燃比から理論空燃比
に切換える場合とで切換速度が同一であったため、切換
えの際にショックが発生し、ＮＯｘの排出量が増加する
ことがある。

例えば、目標空燃比をリーン領域から三元領域に切換え
る場合には三元領域からリーン領域に切換える場合より
もショックの割合が大きい（第１０図（ａ）参照）。こ
こで、三元領域とは三元触媒本来の機能が有効に発揮さ
れる目標空燃比の領域をいいλ＝１の理論空燃比として
いる。

したがって、このようなリーン−三元領域に切換えると
きには切換速度を遅くしてゆっくり切換えるようにした
方がショックを緩和する上で有利である。しかも、この
ときのＮＯｘの発生原因は三元触媒が実質的に働き出す
までの時間に大きく依存しており、その発生レベルは一
様に高水準（第１０図（ｂ）参照）であって切換時の速
度には余り関係がないので、リーン−三元領域の切換え
の際にはショック低減の方を優先して切換速度を遅（す
る。

一方、三元→リーン領域に切換えるときには切換時のシ
ョックが比較的小さく、かつＮＯｘの発生も少ない。ま
た、そのＮＯＸの発生量も第１０図（ｂ）に示すように
切換時の速度の上昇に従って次第に減少していくことが
判明している。したがって、このような三元−リーン領
域の切換えのときには切換速度を比較的速めるようにし
た方がＮＯｘの排出量をより低減させる点で望ましい。

このように、同じ空燃比の切換であっても、リーンから
１元領域の場合と、三元からリーン領域の場合とでは切
換に要する速度の大きさはそれぞれ異なっており、これ
を何れの切換時でも一律に設定している現行技術（すな
わち従来の装置）ではショックの緩和およびＮＯＸの低
減の両方の点で問題がある。

（発明の目的） そこで本発明は、目標空燃比を切換えたとき、目標空燃
比に追随する現実の空燃比の切換速度を理論空燃比から
リーン空燃比に切換える場合とその逆に切換える場合と
で変えることにより、ＮＯＸの低減を図りつつ切換時の
ショックを緩和して、運転性および排気エミッション特
性をより一層向上させることを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明による内燃機関の空燃比制御装置は上記目的達成
のため、その基本概念図を第１図に示すように、エンジ
ンの運転状態を検出する運転状態検出手段ａと、エンジ
ンの運転状態に応じて目標空燃比を設定し、少なくとも
定常走行の一部において該目標空燃比を理論空燃比より
リーン側に選択するとともに、目標空燃化を切換えると
き理論空燃比からリーン空燃比に切換える場合とその逆
に切換える場合とで切換速度を変える目標設定手段すと
、目標空燃比となるように吸入空気あるいは燃料の供給
量を制御する制御手段Ｃと、制御手段Ｃからの信号に基
づいて吸入空気あるいは燃料の供給量を操作する操作手
段ｄと、を備えている。

（作用） 本発明では、目標空燃比が切換えられ、それに追随する
現実の空燃比の切換速度が理論空燃比からリーン空燃比
に切換わる場合とその逆の場合とで適切に変えられる。

したがって、ＮＯｘの発生が低減されるとともに切換時
のショックが緩和され、運転性および排気エミッション
特性の向上が図られる。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜１０図は本発明の一実施例を示す図であり、本発
明をＳ　Ｐ　ｉ　　（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｏ１ｎｔ　Ｉｎ
ｊｅｃｔｉｏｎ）方式のエンジンに適用した例である。

まず、構成を説明する。第２図において、１はエンジン
であり、吸入空気はエアクリーナ２からスロットルチャ
ンバ３を経て、ヒータ制御信号Ｓ、により０Ｎ１０ＦＦ
するＰＴＣヒーク４で加熱された後、インテークマニホ
ールド５の各ブランチより各気筒に供給され、燃料は噴
射信号Ｓ　Ｔ　ｉに基づきスロットル弁６の上流側に設
けられた単一のインジェクタ（操作手段）７により噴射
される。

各気筒には点火プラグ１０が装着されており、点火プラ
グ１０にはディストリビュータ１１を介して点火コイル
１２からの高圧パルスＰＵＬＳＥが供給される。これら
の点火プラグ１０、ディストリビュータ１１および点火
コイル１２は混合気に点火する点火手段１３を構成して
おり、点火手段１３は点火信号５ＩＧＮに基づいて高圧
パルスＰＵＬＳＥを発生し放電させる。そして、気筒内
の混合気は高圧パルスＰＵＬＳＥの放電によって着火、
爆発し、排気となって排気管１４を通して触媒コンバー
タ１５で排気中の有害成分（Ｃｏ、ＨＣ，Ｎ０ｘ）を三
元触媒により清浄化されてマフラ１６から排出される。

ここで、吸入空気の流れはアクセルペダルに連動スるス
ロットルチャンバ３内のスロットル弁６により制御され
、アイドリング時にはスロットル弁６はほとんど閉じて
いる。アイドリング時の空気の流れはバイパス通路２０
を通り、開度信号５ＩＳＣに基づいてＩＳＯバルブ（Ｉ
ｄｌｅ　５ｐｅｅｄ　ＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ　　：
アイドル制御弁）　２１により適宜必要な空気が確保さ
れる。

また、各気筒の吸気ボート近傍にはスワールコントロー
ル弁２２が配設されており、スワールコントロール弁２
２はロッド２３を介してサーボダイヤフラム２４に連結
される。サーボダイヤフラム２４には電磁弁２５から所
定の制御負圧が導かれており、電磁弁２５はデユーティ
値Ｄ　ｓｃＶを有するスワール制御信号ｓ　ｓｃｖに基
づいてインテークマニホールド５から供給される負圧を
大気に漏らす（リークする）ことによってサーボダイヤ
フラム２４に導入する制御負圧を連続的に変える。サー
ボダイヤフラム２４は制御負圧に応動し、ロッド２３を
介してスワールコントロール弁２２の開度を調整する。

上記スワールコントロール弁２２、ロッド２３、サーボ
ダイヤフラム２４および電磁弁２５は全体としてスワー
ル操作手段２６を構成する。

スロットル弁６の開度αはスロットルセンサ３０により
検出され、冷却水の温度ＴＷは水温センサ３１により検
出される。また、エンジンのクランク角Ｃａはディスト
リビュータ１１に内蔵されたクランク角センサ３２によ
り検出され、クランク角Ｃａを表すパルスを計数するこ
とによりエンジン回転数Ｎを知ることができる。

吸気管１４には酸素センサ３３が取り付けられており、
酸素センサ３３は空燃比検出回路３４に接続される。空
燃比検出回路３４は酸素センサ３３にポンプ電流Ｔｐを
供給し、このポンプ電流１ｐの値から排気中の酸素濃度
がリッチからリーンまで広範囲に亘って検出される。酸
素センサ３３および空燃比検出回路３４は空燃比検出手
段３５を構成する。

変速機の操作位置は位置センサ３６により検出され、車
両の速度ｓ　ｖｓｐは車速センサ３７により検出される
。また、エアコンの作動はエアコンスイッチ３８により
検出され、パワステの作動はパワステ検出スイッチ３９
により検出される。

上記各センサ３０．３１．３２．３４．３６．３７．３
８．３９からの信号はコントロールユニット５０に入力
されており、コントロールユニット５０はこれらのセン
サ情報に基づいてエンジンの燃焼制御（点火時期制御、
燃料噴射制御等）を行う。

すなわち、コントロールユニット５０は目標設定手段お
よび制御手段としての機能を有し、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ
５２、ＲＡＭ５３およびＩ１０ポート５４により構成さ
れる。

ＣＰ　Ｕ５１はＲＯＭ５２に書き込まれているプログラ
ムに従ってＩ１０ボート５４より必要とする外部データ
を取り込んだり、またＲＡＭ５３との間でデータの授受
を行ったりしながらエンジンの燃焼制御に必要な処理値
を演算し、必要に応じて処理したデータをＩ１０ポート
５４へ出力する。Ｉ１０ポート５４には上記各センサ３
０．３１．３２．３４．３６．３７．３８．３９からの
信号が入力されるとともに、Ｉ１０ポート５４からは前
記各信号Ｓ　？ｉｓ　Ｓ　ＩＧＮ　ｓ、　Ｓ　ｌｓ。、
５ｓｃｖ　−、ＳＨが出力される。ＲＯＭ５２はＣＰＵ
５１における演算プログラムを格納しており、ＲＡＭ５
３は演算に使用するデータをマツプ等の形で記憶してい
る。なお、ＲＡＭ５３の一部は不揮発性メモリからなり
、エンジン１停止後もその記ｔα内容を保持する。

次に、作用を説明するが、最初に空気流量の算出システ
ムについて説明する。

本実施例では空気流量の検出に際して従来のようなエア
フローメータ等を設けておらず、スロットル開度αおよ
びエンジン回転数Ｎをパラメータとしてインジェクタ７
の部分を通過する空気量（以下、インジェクタ部空気量
という）を算出するという方式（以下、単にα−Ｎシス
テムという）を採っている。

このようなα−Ｎシステムによってインジェクタ部通過
空気量Ｑ　Ａ　＝　ｎ　ｊを算出しているのは、次のよ
うな理由による。

すなわち、上記従来のセンサによると、（イ）吸気脈動
によるセンサ出力の変動が大きく、これは燃料の噴射量
の変動を引き起こし、トルク変動を生じさせる、 （ロ）センサの応答性の面で過渡時に検出誤差が大きく
なる、 （ハ）上記センサはコストが比較的高い、という面があ
るためで、本実施例ではかかる観点から低コストで応答
性、検出精度に優れたα−Ｎシステムを採用している。

また、特にＳｐｉ方式のエンジンにあっては、かかるα
−Ｎシステムを採用することで、空燃比の制御精度が格
段と高められる。

以下に、本システムによるインジェクタ部通過空気ｔ　
Ｑ　ａ　ｉ　ｎ　ｊの算出を説明する。

第３図はシリンダ空気量ＱＡｅｙＬの算出プログラムを
示すフローチャートである。まず、Ｐ、で前回のＱＡｃ
ｙＬをオールド値ＱＡｃ、、　’としてメモリに格納す
る。ここで、Ｑ　Ａ　ｃ　ｙ　ｔはシリンダ部を通過す
る吸入空気量であり、従来の装置（例えば、ＥＧｉ方式
の機関）での吸入空気量Ｑａ　（エンジン負荷ＴＰ）に
相当するもので、後述する第８図に示すプログラムによ
ってインジェクタ部における空気量ＱＡ！□を演算する
ときの基礎データとなる。

次いで、Ｐ２で必要なデータ、すなわちスロットル開度
α、ＩＳＣバルブ２１への開度信号５Ｉ３Ｃのデユーテ
ィ　（以下、ＩＳＣデユーティという）ＤＩｓｃ　、エ
ンジン回転数Ｎを読み込む。

Ｐ３ではスロットル開度αに基づいてスロットル弁６が
装着されている部分における流路面積（以下、スロット
ル弁流路面積という）Ａαを算出する。これは、例えば
第４図に示すテーブルマツプから該当するＡαの値をル
ックアップして求める。Ｐ４では同様にＩＳＣデユーテ
ィＤＩＳＣに基づき第５図のテーブルマツプからバイパ
ス路面積Ａｍを算出し、Ｐ、で次式■に従って総流路面
積Ａを求める。

Ａ千Ａα＋Ａ８　・・・・・・■ 次いで、Ｐ、で定常空気’ＡＱＨを算出する。この算出
は、まず総流路面積Ａをエンジン回転数Ｎで除してＡ／
Ｎを求め、このＡ　／　Ｎとエンジン回転数Ｎをパラメ
ータとする第６図に示すようなテーブルマツプから該当
する定常空気ｉｔ　ｃｔ　ＨＯ値をルックアンプして行
う。

次いで、Ｐ、でＡとＮとをパラメータとして第８図に示
すテーブルマツプからインテークマニホールド５の容積
を考慮した遅れ係数に２をル・７クアンプし、Ｐ、で次
式■に従ってシリンダ空気量Ｑ　Ａ　Ｃｙ　Ｌを算出し
てルーチンを終了する。

ＱＡＣ／Ｌ＝ＱＡＣＶＬ　’　Ｘ　（Ｉ　　Ｋ　２）　
＋Ｑｏ　ＸＫ　２・・・・・・■ 但し、ＱＡｃｙｔ　’　：　Ｐ　１で格納した値このよ
うにして求めた空気量Ｑ　Ａｅ　ｙ　Ｌは本実施例のよ
うなＳｐｉ方式でなく、例えば吸気ポート近傍に燃料を
噴射するＥＧｉ方式の機関にはそのまま適用することが
できる。しかし、本実施例はＳＰｉ方式であるから、イ
ンジェクタ部空気Ｉ　Ｑ　Ａ　ｉ　ｎ　ｊを求める必要
があり、この算出を第８図に示すプログラムで行ってい
る。

同プログラムでは、まず、Ｐ、で次式〇に従って吸気管
内空気変化量△ＣＭを求める。この△ＣＭはシリンダ空
気量ＱＡｃｙＬに対して過渡時にスロットルチャンバ３
内の空気を圧力変化させるための空気量を意味している
。

△ＣＭ＝　ＫＨＸ　（ＱＡｃｙｔ　　ＱＡｃｙｔ　’　
）　／　Ｎ−−００式において、Ｋ、はインテークマニ
ホールド５の容積に応じて決定される定数であり、エン
ジン１の機種等に応じて最適値が選定される。次いで、
ＰＩ３で次式■に従ってインジェクタ部空気量ＱＡ、ゎ
ｊを算出する。

Ｑ　Ａｉｎｊ　””　ＱＡｃｙＬ＋△ＣＭ　　−・−・
−・■このようにして求めたＱ　Ａ　ｉ　ｎ　ｊはスロ
ットル弁開度αを情報パラメータの一つとしていること
から応答性が極めて高く、また実験データに基づくテー
ブルマツプによって算出しているので、実際の値と正確
に相関し検出精度が高い（分解能が高い）。さらに、既
設のセンサ情報を利用し、マイクロコンピュータによる
ソフトの対応のみでよいから低コストなものとなる。特
に、ＳＰｉ方式のようにスロットルチャンバ３の上流側
で燃料を噴射するタイプに適用して極めて好都合である
。

次に、本論の作用を説明する。

第９図は空燃比制御のプログラムを示すフローチャート
である。本プログラムは所定時間もしくは所定クランク
角毎に一度実行される。

まず、Ｐ２１で今回の運転領域がリーン空燃比を目標値
とするリーン運転領域にあるか否かを判別する。この判
定は、例えば機関の冷却水温や車速、エンジン回転数お
よび負荷等の運転条件が所定範囲内にあるか否かで行う
。

運転領域がリーン運転領域にあるときはｐｔｚでリーン
マツプからリーンの目標空燃比の目標値ＴＦＢＹＡＯを
ルックアップする。一方、運転領域がリーン運転領域に
ないときはＰ２．で三元マツプから理論空燃比の目標値
ＴＦＢＹＡＯをルックアップする。すなわち、ｐ！、ｘ
ｐ２．のステップでは現在の運転領域における目標空燃
比の値をそのときの目標値ＴＦＢＹＡＯとして採用して
いるので、例えば運転領域がリーン領域に切換ねった場
合にはリーンの目標値がすぐに採用されることになり、
目標値の選択が的確に行われる。

次いで、Ｐｔ４で上記Ｐ２□あるいはｐｚ＋でルックア
ップした目標値ＴＦＢＹＡＯと現在の空燃比の値（以下
、現在値という）ＴＦＢＹＡとを比較する。このように
、目標値と現在値とを比較することにより、現実の空燃
比が目標とする空燃比よりも大きいか否かを判別してい
る。小さい場合には次のＰｕｓのステップで増加による
補正を行い、大きい場合にはＰ２９のステップで減少に
よる補正を行う。

ＴＦＢＹＡ＜ＴＦＢＹＡＯのときは現在値が目標値より
も小さく、現在の空燃比がリーン領域から三元領域に向
かうと判断し、Ｐｕｓで現在の空燃比を目標値と一致さ
せる（リーン空燃比から理論空燃比に切換える）ように
増加分ＤＲによる補正を加える。すなわち、現在値ＴＦ
ＢＹＡに増加分ＤＲを加えた値（現在値補正値と呼ぶ）
Ｍを補正後の現実の空燃比としてメモリにストアする。

ここに、増加分ＤＲはリーンから三元領域に切換える際
の速度を示す値であり、Ｐ２？で後述する減少分ＤＬと
ともに、現実の現在値を次第に増加（あるいは減少）さ
せることによって目標値に一致させる（目標空燃比に切
換える）。

次いで、ｐｚａでは現在値補正値Ｍが目標値ＴＦＢＹＡ
Ｏに達したか（ＭｋＴＦＢＹＡＯか）否かを判別する。

Ｍ≧ＴＦＢＹＡＯのときは現在値補正値Ｍが目標値に達
した（すなわち、空燃比の切換えが完了した）と判断し
、Ｐｉｌ’ｌでの現在値ＴＦＢＹＡに目標値ＴＦＢＹＡ
Ｏを採用して、今回の処理を終了する。

また、Ｍ＜ＴＦＢＹＡＯのときは現在値補正値Ｍが未だ
目標値に達していない（すなわち、空燃比の切換が完了
していない）と判断し、Ｐｉｌｌで現在値ＴＦＢＹＡに
現在値補正値Ｍの値を採用する。

したがって、このＰＺＳ〜Ｐ０のステップにより現在値
ＴＦＢＹＡは増加分ＤＲづつの比較的ゆっくりとした切
換速度でリーン−三元領域に切換わることになる。

一方、Ｐ、４でＴＦＢＹＡ≧ＴＦＢＹＡＯ（７）ときは
現在値が目標値よりも大きく、現在の空燃比が三元領域
からリーン領域に向かいつつあると判断し、Ｐｔ９で現
在の空燃比を目標空燃比と一致させる（理論空燃比から
リーン空燃比に切換える）ために減少分ＤＬによる補正
を加える。すなわち、現在値ＴＦＢＹＡから減少分ＤＬ
を差引いた値Ｍを補正後の現実の空燃比としてメモリに
ストアする。

次いで、Ｐ３゜で現在値補正値Ｍが目標値ＴＦＢＹＡＯ
に達したか（Ｍ≧ＴＦＢＹＡＯか）否かを判別する。

Ｍ＜ＴＦＢＹＡＯのときは現在値補正値Ｍが目標値に達
した（すなわち、空燃比の切換えが完了した）と判断し
、ｐｚｔで現在値ＴＦＢＹＡに目標値ＴＦＢＹＡＯを採
用して、今回の処理を終了する。

一方、ＭＺＴＦＢＹＡＯのときは現在値補正値Ｍが未だ
目標値に達していない（空燃比の切換が完了していない
）と判断し、Ｐ２８で現在値ＴＦＢＹＡに現在値補正値
Ｍを採用する。

したがって、このＰＺ７〜Ｐ３゜のステップでは上述の
ｐｉｓ〜Ｐｉ１１のステップと同様に、現在値ＴＦＢＹ
Ａが減少分ＤＬづつの比較的速い切換速度で三元→リー
ン領域に切換わることになる。

このように、本実施例では目標値に追随する現実の空燃
比の切換速度を理論空燃比からリーン空燃比に切換える
場合とリーン空燃比から理論空燃比に切換える場合とで
変えているので、ＮＯｘの低減を図りつつ切換時のショ
ックを緩和することができる。例えば、リーン−三元領
域に切換えるときには切換速度を比較的遅くしているの
で、ＮＯｘの発生の増加を招くことなしに切換時のショ
ックを抑制することができる。また、三元→り一ン領域
に切換えるときにはショックを起こさない範囲で切換速
度を速くし、切換時間を短くしているので、切換の途中
で発生するＮＯｘの量を著しく低減することができる。

このように、切換えの場合に応じて最適な切換速度で切
換ができるので、運転性と排気エミッション特性をとも
に向上させることができる。

（効果） 本発明によれば、目標値に追随する現実の空燃比の切換
速度を理論空燃比からリーン空燃比に切換える場合とそ
の逆に切換える場合とで適切に変えているので、ＮＯｘ
の低減を図りつつ切換時のショックを緩和することがで
き、運転性と排気エミッション特性をともに向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜９図は本発明の一
実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３
図はそのシリンダ空気ｌ　ＱＡｃｙＥの算出プログラム
を示すフローチャート、第４図はそのスロットル弁流路
面積Ａαのテーブルマツプ、第５図はそのバイパス路面
積Ａ、のテーブルマツプ、第６図は聡流路面積Ａをエン
ジン回転数Ｎで除したＡ／Ｎとエンジン回転数Ｎとをパ
ラメータとする定常空気量ＱＨのテーブルマツプ、第７
図はその遅れ係数に２のテーブルマツプ、第８図はその
インジェクタ部空気量Ｑ　ａ　＝　ｎ　ｊの算出プログ
ラムを示すフローチャート、第９図はその空燃比制御の
プログラムを示すフローチャート、第１０図は従来の空
燃比の切換速度を説明するための図であり、第１０図（
ａ）はその空燃比切換時のショックの大きさを切換速度
との関係で示す図、第１０図（ｂ）はその切換時のＮＯ
ｘの排出量を切換速度との関係で示す図である。 １・・・・・・エンジン、 ７・・・・・・インジェクタ（操作手段）、５０・・・
・・・コントロールユニット（目標設定手段、制御手段
）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と
   、 ｂ）エンジンの運転状態に応じて目標空燃比を設定し、
   少なくとも定常走行の一部において該目標空燃比を理論
   空燃比よりリーン側に選択するとともに、目標空燃比を
   切換えるとき理論空燃比からリーン空燃比に切換える場
   合とその逆に切換える場合とで切換速度を変える目標設
   定手段と、 ｃ）目標空燃比となるように吸入空気あるいは燃料の供
   給量を制御する制御手段と、 ｄ）制御手段からの信号に基づいて吸入空気あるいは燃
   料の供給量を操作する操作手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。