JP2722805B2

JP2722805B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2722805B2
Application number: JP27684690A
Authority: JP
Inventors: 孝荒巻
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1990-10-16
Filing date: 1990-10-16
Publication date: 1998-03-09
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JPH04153538A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、触媒コンバータの上流側と下流側とに配
設した空燃比センサの出力に基づいて空燃比をフィード
バック制御するようにし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の触媒コンバータの上流側および下流側にそ
れぞれ空燃比センサ例えばO₂センサを配設し、上流側O₂
センサの出力信号を主にして空燃比フィードバック制御
を実行するとともに、下流側O₂センサの出力信号に基づ
いて、上流側O₂センサによる空燃比フィードバック制御
の全体的な空燃比の片寄りを学習補正するようにした空
燃比制御装置が従来から知られている（例えば特開昭63
−205441号公報等参照）。

すなわち、空燃比フィードバック制御の実行中には、
主に上流側O₂センサの出力信号に基づいて例えば疑似的
な比例積分制御によりフィードバック補正係数αが演算
され、このフィードバック補正係数αを基本燃料噴射量
Tpに乗じることで、空燃比のクローズドループ制御がな
される。従って、実際の空燃比は１〜2Hz程度の周期で
リッチ，リーンの反転を繰り返すことになる。これに対
し、触媒コンバータの下流側では、触媒のO₂ストレージ
能力により残存酸素濃度の変動が非常に緩やかなものと
なるので、下流側O₂センサの出力信号としては、上流側
O₂センサに比べて変動幅が小さく、かつ周期が長くな
る。つまり非常に緩く変化する形となる。

そして、上流側O₂センサを用いた空燃比フィードバッ
ク制御による空燃比が経年変化等により全体としてリー
ン側に片寄っていれば、下流側O₂センサの出力信号はリ
ーン側で連続したものとなり、また空燃比がリッチ側に
片寄っていればリッチ側で連続したものとなる。従っ
て、この空燃比の全体的な片寄りの傾向に応じて、例え
ば各運転領域毎に学習値P_HOSを割り付けておき、リッチ
→リーン反転時およびリーン→リッチ反転時に与えられ
るフィードバック補正係数αの比例分P_L,P_R（第４図参
照）を上記学習値P_HOSにより補正することで、上述した
経年変化等を補償することができる。

一方、内燃機関の排気浄化の手段として排気系に２次
空気を導入することは従来から広く知られているが、上
記のような空燃比制御装置と組み合わせる場合には、主
にアイドル時において２次空気導入を行い、この２次空
気導入の間は、フィードバック補正係数αをα≒１の固
定値に保っていわゆるオープンループ制御を行わせるの
が一般的である。また、２次空気の導入位置としては、
当然のことながら触媒コンバータよりも上流側となる。
尚、上記のようにオープンループ制御となっている間
は、下流側O₂センサを用いた学習補正は勿論停止され
る。

発明が解決しようとする課題上記のように触媒コンバータの上流側および下流側に
O₂センサ（空燃比センサ）を備え、かつアイドル時に２
次空気導入を行う構成においては、アイドル運転をある
程度の期間継続して行うと、触媒コンバータ上流で供給
される２次空気の影響により、下流側O₂センサの出力は
第７図（ロ）に示すように連続したリーン状態となる。
また、この過剰な酸素は、触媒の有するO₂ストレージ能
力により触媒に蓄積される。

従って、次にこのアイドル状態から第７図（イ）のよ
うに発進すると、実際の空燃比がリッチ傾向になったと
しても、触媒に蓄積されていた酸素が放出され続けるた
め、下流側O₂センサの出力は、第７図の（ロ）のよう
に、しばらくリーン状態のままとなる。そのため、下流
側O₂センサの出力に基づいて学習補正が行われると、学
習値P_HOSは第７図の（ハ）のようにリッチ側へ補正すべ
く増加し続け、空燃比を過度にリッチ化させようとす
る。従って、発進後の空燃比の集束性が悪化し、排気浄
化性能や運転性が一時的に悪くなる虞れがあった。

課題を解決するための手段そこで、この発明は、２次空気が導入されるアイドル
時には、下流側空燃比センサの出力が理論空燃比相当と
なるように、該下流側空燃比センサによってフィードバ
ック制御を行うようにした。すなわち、この発明に係る
内燃機関の空燃比制御装置は、第１図に示すように、排
気通路に介装された触媒コンバータの上流側に配設さ
れ、かつ理論空燃比を境に出力が急変する特性の上流側
空燃比センサ１と、同じく理論空燃比を境に出力が急変
する特性を有し、かつ触媒コンバータの下流側に配設さ
れた下流側空燃比センサ２と、内燃機関の運転条件に応
じて基本燃料噴射量を設定する基本燃料噴射量設定手段
３と、内燃機関のアイドル状態を検出するアイドル判定
手段９と、所定のフィードバック制御条件成立時に上流
側空燃比センサ１の出力に基づいてフィードバック補正
係数を設定する通常時補正係数設定手段４と、この通常
時のフィードバック制御中に下流側空燃比センサ２の出
力に基づいて上記フィードバック補正係数を学習補正す
る学習補正手段５と、上記アイドル判定手段９によりア
イドル状態に移行したことを検出したときに、上記上流
側空燃比センサ１の出力に基づいて上記フィードバック
補正係数の平均値を算出する補正係数平均値算出手段10
と、この平均値の算出後に排気通路に２次空気の導入を
行う２次空気制御手段６と、この２次空気の導入開始後
に、上記平均値を初期値として、上記下流側空燃比セン
サ２の出力に基づき、該センサ２の出力が理論空燃比相
当となるようにフィードバック補正係数を設定するアイ
ドル時補正係数設定手段７と、上記フィードバック補正
係数を用いて上記基本燃料噴射量を補正する燃料噴射量
補正手段８とを備えたことを特徴としている。

作用所定のフィードバック制御条件が成立している場合に
は、上流側空燃比センサ１の出力に基づいてフィードバ
ック補正係数が設定され、燃料噴射量が補正される。ま
た、このとき下流側空燃比センサ２の出力は、経年変化
等による空燃比の全体的な片寄りを補償するように学習
補正のために用いられる。

一方、機関アイドル時には、アイドル判定手段９がア
イドル状態に移行したことを検出すると、２次空気の導
入に先立って、まず補正係数平均値算出手段10によっ
て、そのときのフィードバック補正係数の平均値が求め
られる。この平均値を求めた後に、２次空気の導入が開
始され、かつ、上流側空燃比センサ１によるフィードバ
ック制御が停止される。そして、これに代えて、下流側
空燃比センサ２の出力に基づき、該センサの出力が理論
空燃比相当となるようにフィードバック制御が実行され
る。このとき、この下流側空燃比センサ２によるフィー
ドバック制御は、上記平均値をフィードバック補正係数
の初期値として開始される。

従って、アイドル運転中に触媒コンバータに過剰酸素
が蓄積されることがなく、次に発進した際には、発進直
後から下流側空燃比センサ２において正確な出力が得ら
れる。

特に、上記のように、アイドル判定後に、２次空気の
導入に先立って、排気組成に対して応答性の良い上流側
空燃比センサ１の出力に基いて、フィードバック補正係
数の平均値を求め、これを、２次空気導入開始後のフィ
ードバック補正係数の初期値とすることにより、２次空
気導入開始とともに下流側空燃比センサ２によるフィー
ドバック制御に移行した際に、直ちに適切なフィードバ
ック補正係数による燃料噴射量制御を実現できる。つま
り、触媒下流においては、空燃比の変化周期が長いの
で、理論空燃比を境に出力が急変する特性のいわゆるO
N,OFF型の下流側空燃比センサ２では、排気組成の変化
に対し出力変化が非常に緩慢に現れることになるが、本
発明では、上記のように初期値を定めることにより、直
ちに適切な制御を開始することができる。

実施例以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説
明する。

第２図はこの発明の一実施例の機械的構成を示す構成
説明図であって、11は内燃機関、12はその吸気通路、13
は排気通路を示している。上記吸気通路12には、各吸気
ポートへ向けて燃料を供給する燃料噴射弁14が気筒毎に
配設されているとともに、スロットル弁15が介装されて
おり、その上流側に、吸入空気量を検出する例えば熱線
式のエアフロメータ16が配設されている。

上記排気通路13には、三元触媒を用いた触媒コンバー
タ17が介装されているとともに、該触媒コンバータ17よ
りも上流位置に上流側O₂センサ18が、下流位置に下流側
O₂センサ19がそれぞれ配設されている。この空燃比セン
サとしてのO₂センサ18,19は、排気中の残存酸素濃度に
応じた起電力を発生するもので、特に、理論空燃比を境
に起電力が急変し、理論空燃比より過濃側（リッチ側）
で高レベル（約1V程度）に、希薄側（リーン側）で低レ
ベル（約100mV程度）になる。

また上記排気通路13の触媒コンバータ17上流側に、２
次空気通路20の先端が接続されている。この２次空気通
路20は、２次空気導入用の空気ポンプ21を備えていると
ともに、その通路中に、２次空気の導入，停止を制御す
るための２次空気制御弁22が介装されている。尚、排気
脈動が十分大きく得られる場合には、リード弁等を介し
て圧力差により２次空気の導入を行い、上記空気ポンプ
21を省略することも可能である。

また、23は内燃機関の冷却水温を検出する水温セン
サ、25は機関回転数を検出する回転数センサ、詳しくは
所定クランク角毎にパルス信号を発するクランク角セン
サ、25は機関アイドル状態の判定のためにスロットル弁
15の開度に応じた出力を発するスロットル開度センサを
それぞれ示している。

上述した各種センサの検出信号が入力されるコントロ
ールユニット26は、所謂マイクロコンピュータシステム
を用いたもので、O₂センサ18,19の出力信号に基づく燃
料噴射弁14の噴射量制御つまりフィードバック制御方式
による空燃比制御や、２次空気制御弁22を介した２次空
気制御等、内燃機関の種々の制御を実行するようになっ
ている。

次に上記実施例における制御の内容について説明す
る。

先ず、通常の運転条件下における空燃比フィードバッ
ク制御の概略を説明する。この通常時の空燃比フィード
バック制御は、主に上流側O₂センサ18の出力に基づいて
行われるもので、先ずエアフロメータ16が検出した吸入
空気量Ｑとクランク角センサ24が検出した機関回転数Ｎ
とからTp＝Q/Nとして基本パルス幅Tp（基本燃料噴射
量）を演算する。そして、これに種々の増量補正やフィ
ードバック補正を加えて燃料噴射弁14の実際の駆動パル
ス幅Ti（燃料噴射量）を決定するのであり、具体的には
次式によってパルス幅Tiが求められる。

Ti＝Tp×CO×α＋Ts ここでCOは各種増量補正係数であり、例えば水温に応
じた水温増量補正、高速高負荷時の空燃比補正などから
なる。Tsは、燃料噴射弁14の無効時間を補償するように
バッテリ電圧に応じて付加される電圧補正係数である。

また、αは主に上流側O₂センサ18の検出信号に基づい
て演算されるフィードバック補正係数である。すなわ
ち、上流側O₂センサ18の出力信号を所定のスライスレベ
ル（理論空燃比に相当する）と比較し、かつそのリーン
側およびリッチ側への反転に基づく疑似的な比例積分制
御によって求められる値で、１以上であればリッチ側
へ、１以下であればリーン側へ空燃比が制御される。

第４図の（ａ）は、上流側O₂センサ18の出力信号の一
例を示し、（ｂ）はこれに対応するフィードバック補正
係数αの変化を示している。上記フィードバック補正係
数αは、上述したように疑似的な比例積分制御により求
められるもので、上流側O₂センサ18の出力が所定のスラ
イスレベルS/Lを横切ってリッチ側からリーン側へ反転
すると、補正係数αには一定の比例分P_Lが加算され、か
つ所定の積分定数I_Lによる傾きで積分分が徐々に加算さ
れて行く。このフィードバック補正係数αは、前述した
ように基本燃料噴射量Tpに乗じられるので、実際の空燃
比は徐々に濃化する。そして、次に上流側O₂センサ18の
出力がリーン側からリッチ側へ反転すると、補正係数α
から一定の比例分P_Rが減算され、かつ所定の積分定数I_R
による傾きで積分分が徐々に減算されて行く。このよう
な作用の繰り返しによって、実際の空燃比は、１〜2Hz
程度の周期で変化しつつ略理論空燃比近傍に維持され
る。

尚、何らかの燃料増量を行う必要がある低水温時や高
速高負荷時、あるいは減速中のフューエルカット時等の
非フィードバック制御条件時には上記フィードバック補
正係数αが１にクランクされ、実質的にオープンループ
制御となる。

一方、そのような通常の空燃比フィードバック制御中
には、下流側O₂センサ19の出力信号が、上流側O₂センサ
18によるフィードバック制御の全体的な片寄りの学習補
正のために用いられる。

すなわち、上流側O₂センサ18によるフィードバック制
御の結果、実際の空燃比が理論空燃比を中心として周期
変化していれば、下流側O₂センサ19の出力信号は緩やか
にリッチ，リーンの反転を繰り返す形となるが、上流側
O₂センサ18の経年変化等により空燃比が全体としてリッ
チ傾向にあれば、下流側O₂センサ19の出力信号はリッチ
側で連続したものとなる。また空燃比が全体としてリー
ン傾向にあれば、下流側O₂センサ19の出力信号はリーン
側で連続したものとなる。従って、この空燃比の全体的
な片寄りの傾向に応じて、各運転領域に予め学習値P_HOS
を割り付けておき、リッチ→リーン反転時の比例分P_Lお
よびリーン→リッチ反転時の比例分P_Rを、それぞれ P_L＝P_L＋P_HOS P_R＝P_R−P_HOS として補正するのである。詳しくは、機関回転数Ｎと負
荷（例えば基本燃料噴射量Tp）をパラメータとして運転
領域を複数個（ｎ個）の区画に分け、それぞれの区画に
対応する学習P_HOS1〜P_HOSnが、車載バッテリにバックア
ップされた読み書き可能なメモリ内に記憶されている。
そして、この学習値の中でそのときの運転条件に対応す
る値が読み出され、これによって上述のように比例分
P_L,P_Rの補正がなされるのである。

尚、比例分P_L,P_Rに代えて、あるいはこれに加えて積
分定数I_L,I_Rを補正することもできる。

そして、上記の学習値P_HOSは、機関運転条件が運転領
域の各区画内に一定期間とどまっていたときに修正かつ
更新される。つまり、下流側O₂センサ19の出力信号がな
おもリッチ側にあれば、学習値P_HOSから所定量ΔP_HOSを
差し引き、新たな学習値P_HOSとして記憶内容を更新す
る。同様に、下流側O₂センサ19の出力信号がなおもリー
ン側にあれば、学習値P_HOSに所定量ΔP_HOSを加算して、
新たな学習値P_HOSとして記憶内容を更新する。

従って、上流側O₂センサ18の経年変化や各部の個体差
による全体的な空燃比の片寄りが一層精度良く、かつ応
答性良く補正され、フィードバック補正係数αがα＝１
を中心として周期変化するようになる。

また上記のような空燃比フィードバック制御が実行さ
れている間は、触媒コンバータ17での酸化，還元作用を
有効に発揮させるために、２次空気の導入はなされな
い。これに対し、機関アイドル時には、排気成分の酸化
を促進するために、２次空気制御弁22がONとなって、２
次空気の導入が行われる。そして、この場合には、上述
した上流側O₂センサ18による空燃比フィードバック制御
は停止され、これに代わって下流側O₂センサ19による空
燃比フィードバック制御が実行される。

次に、第３図のフローチャートを参照して、このアイ
ドル時のフィードバック制御について説明する。

この第３図に示すルーチンは、所定時間もしくは所定
クランク角毎に繰り返し実行されるもので、先ずステッ
プ１でアイドル状態か否かの判定を行う。これは例えば
スロットル弁15の開度と車速等から判定される。ここで
非アイドル状態と判定した場合には、２次空気制御弁22
をOFFとし（ステップ11）、２次空気導入を停止すると
ともに、フラグFIFBEを０とする（ステップ12）。そし
て、前述した通常の空燃比フィードバック制御を実行す
る（ステップ13）。

一方、ステップ１でアイドル状態と判定した場合に
は、ステップ２に進んでフラグFIFBEの判定を行う。ア
イドルへ移行した直後はFIFBE＝０であるから、ステッ
プ２からステップ７へ進み、フィードバック補正係数α
の比例積分制御の演算を４周期分行ったか否か判定す
る。この４周期が終了するまでは、それまでのフィード
バック制御が継続される（ステップ11〜13）。

上記の比例積分制御の演算を４周期分行ったら、ステ
ップ７からステップ８へ進み、アイドル中のフィードバ
ック補正係数αの初期値を求める。詳しくは、第５図に
示すようにフィードバック補正係数αの４周期における
８個のピーク値α_１〜α_８を記憶しておき、そのピーク
値の平均値α_Ｍを求めるとともに、これに機関冷却水温
に基づく補正分α_IDLを加算して補正係数αの初期値と
する。従って、アイドル移行直後の補正係数αには、そ
れまでの学習の影響や機関冷却水温の影響が反映され、
空燃比の急激な変動や機関の不安定化を来すようなこと
がない。尚、この時点で上流側O₂センサ18を用いた通常
のフィードバック制御は停止され、また下流側O₂センサ
19による学習補正も停止される。

そして、２次空気制御弁22をONとし、２次空気の導入
を開始する（ステップ９）。同時に、フラグFIFBEを１
とする（ステップ10）。

従って、以後はステップ２からステップ３以降へ進
み、下流側O₂センサ19を用いたフィードバック制御が開
始される。これは、第６図にも示すように、下流側O₂セ
ンサ19の出力VRO₂が理論空燃比相当の所定範囲（ISLL〜
ISLH）内に集束するように、フィードバック補正係数α
の加減算を行うもので、ステップ３で下流側O₂センサ19
の出力VRO₂を下限値ISLLと比較し、VRO₂＜ISLLであれ
ば、αに所定量I₀を加算して新たなフィードバック補正
係数αとする（ステップ６）。つまり空燃比がリッチ側
へ向かうように補正する。またステップで上限値ISLHと
比較し、ISLH≦VRO₂であれば、αから所定量I₀を減算し
て新たなフィードバック補正係数αとする（ステップ
５）。つまり、空燃比がリーン側へ向かうように補正す
る。尚、VRO₂がISLL〜ISLHの範囲であれば、フィードバ
ック補正係数αはそのままの値に保つ。

これによって、フィードバック補正係数αは、第６図
の（ｂ）に示すように緩やかに変化し、触媒コンバータ
17下流側にある下流側O₂センサ19の出力が理論空燃比相
当となるように空燃比が維持される。特に、上記のよう
にフィードバック補正係数αの初期値として、２次空気
導入開始前において算出されたフィードバック補正係数
αの平均値が与えられるので、下流側O₂センサ19による
フィードバック制御に移行したときに、直ちに適切な制
御を開始できる。

従って、２次空気による排気浄化性能を十分に維持し
つつ触媒コンバータ17での過剰酸素の蓄積が防止され
る。そのため、第７図に示すように、アイドル状態から
発進して通常のフィードバック制御に移行した際に、触
媒コンバータ17からの放出酸素に下流側O₂センサ19が影
響されることがなく、発進直後から適切な学習値P_HOSの
演算が行われる。すなわち、触媒コンバータ17に蓄積し
ていた酸素の放出による誤学習の虞れがなく、発進直後
の空燃比の集束性の悪化や排気性能の悪化が防止される
（第７図（ニ），（ホ）参照）。

発明の効果以上の説明で明らかなように、この発明に係る内燃機
関の空燃比制御装置によれば、２次空気の導入が行われ
る機関アイドル時に、下流側空燃比センサの出力が理論
空燃比相当となるように空燃比のフィードバック制御を
行うので、過剰な酸素が触媒コンバータに蓄積されるこ
とがなく、非アイドル状態に移行した直後の下流側空燃
比センサへの悪影響を防止できる。従って、下流側空燃
比センサの出力に基づく誤学習が防止され、集束性の悪
化や一時的な排気性能の悪化といった不具合を生じるこ
とがない。特に、排気組成に対して応答性の良い上流側
空燃比センサの出力に基いて算出したフィードバック補
正係数の平均値を、２次空気導入開始後のフィードバッ
ク補正係数の初期値とすることにより、排気組成の変化
に対する応答性が低い下流側空燃比センサによるフィー
ドバック制御に移行したときに、直ちに適切なフィード
バック補正係数による燃料噴射量制御を開始できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る空燃比制御装置の構成を示すク
レーム対応図、第２図はこの発明に係る空燃比制御装置
の一実施例を示す構成説明図、第３図はこの実施例にお
ける制御の要部を示すフローチャート、第４図は通常時
のフィードバック制御における上流側O₂センサの出力信
号とフィードバック補正係数とを対比して示す波形図、
第５図はアイドル移行直後のフィードバック補正係数を
示す説明図、第６図はアイドル時のフィードバック制御
における下流側O₂センサの出力信号とフィードバック補
正係数とを対比して示す波形図、第７図は下流側O₂セン
サの出力信号および学習値の変化を従来のものと比較し
て示す説明図である。１……上流側空燃比センサ、２……下流側空燃比セン
サ、３……基本燃料噴射量設定手段、４……通常時補正
係数設定手段、５……学習補正手段、６……２次空気制
御手段、７……アイドル時補正係数設定手段、８……燃
料噴射量補正手段、９……アイドル判定手段、10……補
正係数平均値算出手段。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】排気通路に介装された触媒コンバータの上
流側に配設され、かつ理論空燃比を境に出力が急変する
特性の上流側空燃比センサと、同じく理論空燃比を境に
出力が急変する特性を有し、かつ触媒コンバータの下流
側に配設された下流側空燃比センサと、内燃機関の運転
条件に応じて基本燃料噴射量を設定する基本燃料噴射量
設定手段と、内燃機関のアイドル状態を検出するアイド
ル判定手段と、所定のフィードバック制御条件成立時に
上流側空燃比センサの出力に基づいてフィードバック補
正係数を設定する通常時補正係数設定手段と、この通常
時のフィードバック制御中に下流側空燃比センサの出力
に基づいて上記フィードバック補正係数を学習補正する
学習補正手段と、上記アイドル判定手段によりアイドル
状態に移行したことを検出したときに、上記上流側空燃
比センサの出力に基づいて上記フィードバック補正係数
の平均値を算出する補正係数平均値算出手段と、この平
均値の算出後に排気通路に２次空気の導入を行う２次空
気制御手段と、この２次空気の導入開始後に、上記平均
値を初期値として、上記下流側空燃比センサの出力に基
づき、該センサの出力が理論空燃比相当となるようにフ
ィードバック補正係数を設定するアイドル時補正係数設
定手段と、上記フィードバック補正係数を用いて上記基
本燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段とを備えた
ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。