JP2807554B2 - 内燃機関の空燃比制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、触媒コンバータの上流側と下流側に各別の
O₂センサを備えた自動車等に適用される内燃機関の空燃
比制御方法に関する。

［従来の技術］ 排気ガス浄化手段の一つとして広く利用されている三
元触媒は、混合気の空燃比が理論空燃比を中心とした狭
い領域（三元触媒のウィンドウ）内に維持されていない
と、排気ガス中に含まれているCO、HC、NO_xの全てを効
率よく浄化することができない。そのため、インジェク
タを備えたエンジンでは、触媒コンバータの上流側に配
置したO₂センサの出力電圧が空燃比リッチ状態を示した
場合には、前記インジェクタからの燃料供給量を減少さ
せて、混合気の空燃比を理論空燃比側に変化させるよう
にし、前記出力電圧が空燃比リーン状態を示した場合に
は、燃料供給量を増加させて、混合気の空燃比を理論空
燃比側に変化させるようにしている。

ところが、単一のO₂センサを利用して空燃比のフィー
ドバック制御を行うと、O₂センサの出力特性のばらつき
や経時変化、インジェクタの燃料噴射量のばらつき等に
より所期の空燃比制御が行われず、空燃比の制御中心が
三元触媒のウィンドウ内からずれてしまうことがある。
また、触媒活性化温度が確保し易いエキゾーストマニホ
ールドに触媒コンバータを連結し、その上流におけるエ
キゾーストマニホールドの集合部にO₂センサが配置され
ている場合には、特定の気筒から排出された排気ガスに
よりO₂センサの出力電圧が左右されたり、高熱等によっ
て劣化が早められてしまうこともある。

このような不具合を回避するために、本発明の先行技
術として、例えば、特開昭62−29738号公報に示される
ように、触媒コンバータの上流側に配置した第１のO₂セ
ンサの出力電圧に基づいて空燃比のフィードバック制御
を行いつつ、触媒コンバータの下流側に配置した第２の
O₂センサの出力電圧に基づいて空燃比の制御中心を三元
触媒のウィンドウ内に補正するようにしたものがある。
すなわち、触媒コンバータの下流側では、それぞれの気
筒から排出された排気ガスが撹拌された状態にあるた
め、第１のO₂センサの出力電圧に基づいて調節された混
合気が全体としてリッチ傾向の場合には、第２のO₂セン
サの出力電圧がリッチ状態を示す時間が長くなり、混合
気が全体としてリーン傾向の場合には、第２のO₂センサ
の出力電圧がリーン状態を示す時間が長くなる。そこ
で、一定のゲート時間毎に第２のO₂センサにより排気ガ
ス中の酸素濃度を検出し、その出力電圧が空燃比リッチ
を示している場合には、燃料供給量を減少させて空燃比
の制御中心をリーン側に変化させるようにし、前記出力
電圧が空燃比リーンを示している場合には、燃料供給量
を増加させて空燃比の制御中心をリッチ側に変化させる
ようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前述のように空燃比の制御中心を変化させ
てからその反応が現れるまでの時間は、触媒コンバータ
の劣化状態により異なってくる。すなわち、触媒コンバ
ータが比較的新しい場合は、空燃比制御による反応が第
２のO₂センサの出力として現れるまでの時間が長くな
る。したがって、その間は、第６図に概略的に示すよう
に、一定のゲート時間毎に空燃比の制御中心がリッチ側
又はリーン側に刻々と変化していくことになり、空燃比
の制御中心の振れ幅が大きくなる。一方、触媒コンバー
タの劣化が進行すると、その酸化・還元作用等の変化に
より、空燃比制御による反応が現れるまでの時間が短く
なる。そのため、制御による反応速度とゲート時間が適
合していれば、第７図に概略的に示すように、制御中心
の振れ幅を小さくすることができるが、ゲート時間が長
すぎる場合には、制御遅れが生じてしまうことになる。
よって、触媒コンバータの劣化状態に拘らず、一定のゲ
ート時間毎に空燃比を制御していたのでは、長期に亙っ
て排気ガスを浄化効率の高い領域で効率よく浄化するの
に限界があり、エミッションを効果的に改善するのが難
しくなる。

本発明は、このような不具合をことごとく解消するこ
とを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、次のような構
成を採用している。

すなわち、本発明にかかる内燃機関の空燃比制御方法
は、排気ガスを浄化する触媒コンバータの上流側に排気
ガス中の酸素濃度を検出する第１のO₂センサを配置し、
その出力電圧に基づいて燃焼室に供給する混合気の空燃
比を理論空燃比近傍にフィードバック制御するととも
に、前記触媒コンバータの下流側における排気ガス中の
酸素濃度を第２のO₂センサにより所定のゲート時間毎に
検出し、その出力電圧に基づいて空燃比の制御中心を理
論空燃比近傍に変化させるように構成した内燃機関の空
燃比制御方法であって、前記触媒コンバータの劣化状態
を検出し、前記触媒コンバータの劣化が進行するにつれ
て、前記ゲート時間を短縮する方向に変化させるように
したことを特徴とする。

なお、ここで、触媒コンバータの劣化状態は、第１の
O₂センサの出力と第２のO₂センサの出力との相関係数に
基づいて判別するようにしてもよいし、あるいは、車輌
の走行距離やエンジンの運転期間等に基づいて判別する
ようにしてもよい。

［作用］ このような構成によれば、触媒コンバータが比較的新
しい場合には、空燃比制御による反応時間に対応させて
ゲート時間を長くすることになる。しかして、ゲート時
間を長くすれば、第２のO₂センサによる空燃比の検出間
隔が長くなるとともに、制御中心が刻々と変化するのが
防止され、制御中心の振れ幅を抑えることが可能にな
る。

他方、触媒コンバータの劣化が進行した場合には、空
燃比制御による反応時間に対応させて前記ゲート時間を
短縮することになる。この場合には、第２のO₂センサに
よる空燃比の検出間隔が短縮されるため、その検出結果
に基づいて速やかに空燃比の制御中心が調節されること
になり、空燃比制御の追従性が高められる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図〜第５図を参照して
説明する。

第１図に概略的に示した内燃機関たるエンジンは、自
動車に利用されるもので、インジェクタ１と、クランク
角センサ２と、圧力センサ３と、アイドルスイッチ４
と、水温センサ５と、第１のO₂センサたるメインO₂セン
サ６と、第２のO₂センサたるサブO₂センサ７とを具備し
ている。

インジェクタ１は、吸気管８に装着してあり、電磁コ
イル等を内蔵している。そして、電磁コイルに電子制御
装置９から燃料噴射信号ａが印加されると、その印加時
間に相当する量の燃料を吸気ポート付近に噴射するよう
になっている。クランク角センサ２は、ディストリビュ
ータ10に内蔵しており、エンジン回転速度に対応してエ
ンジン回転信号ｂを発生するように構成されたものであ
る。圧力センサ３は、サージタンク11に設けてあり、吸
気圧に比例して吸気圧信号ｃを出力するようになってい
る。アイドルスイッチ４は、スロットルシャフト12に連
結してあり、スロットルバルブ13が閉じている場合はON
になり、スロットルバルブ13が開弁した場合はOFFにな
るON・OFFスイッチで、スロットル信号ｄを出力するよ
うになっている。水温センサ５は、例えば、サーミスタ
等を内蔵したもので、エンジン冷却水温に応じて水温信
号ｅを出力するようになっている。メインO₂センサ６
は、触媒コンバータたるマニバータ14の上流側に配置し
てあり、排気ガス中の酸素濃度に対応してフィードバッ
ク信号ｆを出力するようになっている。具体的には、第
３図に示すように、混合気の空燃比A/Fが理論空燃比近
傍に存在する判定電圧よりもリーン側にあって、排気ガ
ス中の酸素濃度が高い場合には低い電圧を発生し、混合
気の空燃比A/Fが前記判定電圧よりもリッチ側にあっ
て、排気ガス中の酸素濃度が低い場合には高い電圧を発
生し得るように構成されたものである。サブO₂センサ７
は、メインO₂センサ６と同様な構成のもので、排気ガス
中の酸素濃度に対応してフィードバック信号ｇを出力す
るようになっている。すなわち、混合気の空燃比が理論
空燃比近傍に存在する判定電圧よりもリーン側にあっ
て、排気ガス中の酸素濃度が高い場合には低い電圧を発
生し、混合気の空燃比が前記判定電圧よりもリッチ側に
あって、排気ガス中の酸素濃度が低い場合には高い電圧
を発生するようになっている。

電子制御装置９は、燃焼室15に供給する混合気の空燃
比を調節する役割を担っており、中央演算処理装置16
と、メモリー17と、入力インターフェース18と、出力イ
ンターフェース19を備えたマイクロコンピュータユニッ
トにより構成されている。入力インターフェース18に
は、少くとも、クランク角センサ２からのエンジン回転
信号ｂと、圧力センサ３からの吸気圧信号ｃと、アイド
ルスイッチ４からのスロットル信号ｄと、水温センサ５
からの水温信号ｅと、メインO₂センサ６からのフィーバ
ック信号ｆと、サブO₂センサ７からのフィードバック信
号ｇがそれぞれ入力されるようになっている。出力イン
ターフェース19からは、前記インジェクタ１に燃料噴射
信号ａが出力されるようになっている。しかして、この
電子制御装置９は、エンジン回転信号ｂおよび吸気圧信
号ｃ等から吸入空気量を算出し、その吸入空気量に応じ
て基本噴射量TPを決定する。次いで、この基本噴射量TP
を、メインO₂センサ６のフィードバック信号ｆにより決
まる空燃比フィードバック補正係数FAFや、エンジンの
運転状況に応じて決まる各種補正係数Ｋ、および、無効
噴射時間TAUVで補正して、インジェクタ１への最終通電
時間Ｔを次式に基づいて決定し、その時間Ｔに相当する
量の燃料をインジェクタ１から噴射させる役割を担って
いる。

Ｔ＝TP×FAF×Ｋ＋TAUV また、前記電子制御装置９には、第２図に概略的に示
すようなプログラムを内蔵してある。サブO₂センサ７に
よるフィードバックの実行条件が成立しているのを前提
に、ステップ51でゲート時間計測ルーチンを処理してス
テップ52に進む。ゲート時間計測ルーチンでは、例え
ば、次のような処理を行う。第４図に概略的に示すよう
に、ゲート時間毎にサブO₂センサ７の出力電圧に基づい
て空燃比がリッチか否かを判別する。空燃比がリーンか
らリッチに変化した場合には、燃料供給量を減少させて
空燃比の制御中心をリッチ側からリーン側に変化させ
る。前回の検出時に引き続いて空燃比がリッチである場
合には、制御中心をさらにリーン側へ変化させる。空燃
比がリッチからリーンに変化した場合には、燃料供給量
をスキップ的に増加して制御中心をリーン側からリッチ
側にリッチスキップさせる。空燃比が前回に引き続いて
リーンである場合には、燃料供給量を増加させて制御中
心をさらにリッチ側へ変化させることになる。ステップ
52では、エンジンの定常条件が成立しているか否かを判
別する。例えば、一定時間毎に検出した吸気圧の変化量
が一定範囲内にあって燃料の加速増量が行われていない
場合には、ステップ53に進み、エンジンが定常状態でな
い場合には、ステップ55に進む。ステップ53では、メイ
ンO₂センサ６の出力OX1とサブO₂センサ７の出力OX2から
相関係数を求めてステップ54に進む。ステップ54では、
相関係数に対するゲート時間を決定する。一般に、マニ
バータ14が比較的新しい場合は相関係数が小さくなり、
マニバータ14の劣化が進行するにつれて、相関係数が大
きくなる。そこで、相関係数が小さな場合はゲート時間
を長くし、相関係数が大きな場合はゲート時間を短く設
定することになる。ステップ55では、前回のゲート時間
を使用する。

次に、メインO₂センサ６およびサブO₂センサ７による
フィードバック制御を説明する。

先ず、メインO₂センサ６による空燃比のフィードバッ
ク制御条件、例えば、エンジン冷却水温が40℃以上であ
る、フューエルカット中でない、パワー増量中でない、
エンジン始動後から所定時間経過している、メインO₂セ
ンサ６が活性中である、圧力センサ３が正常である、等
の条件が全て成立している場合には、メインO₂センサ６
の出力電圧に基づいてフィードバック制御が行われる。
具体的には、第３図に示すように、メインO₂センサ６の
出力電圧が判定電圧を上まわった場合には、リッチ判定
遅延時間TDR後に空燃比フィードバック補正係数FAFを所
定値RSMだけ減少側にスキップさせ、次にリーン積分KIM
に基づいて一定値づつ徐々に減少させる。このため、イ
ンジェクタ１からの燃料供給量が絞られて、混合気の空
燃比が理論空燃比側に変化することになる。他方、メイ
ンO₂センサ６の出力電圧が判定電圧を下まわった場合に
は、リーン判定遅延時間TDL後に空燃比フィードバック
補正係数FAFを所定値RSPだけ増加側にスキップさせ、次
にリッチ積分KIPに基づいて一定値づつ徐々に増加させ
る。その結果、インジェクタ１から供給される燃料の量
が増加して、混合気の空燃比が理論空燃比側に変化する
ことになる。

かかるフィードバック制御中にサブO₂センサ７による
フィードバック条件が成立すると、例えば、メインO₂セ
ンサ６による空燃比のフィードバック実行開始から所定
時間経過している、メインO₂センサ６が活性になってか
ら所定時間経過している、エンジン冷却水温が70℃以上
である、過渡時の燃料補正量が所定量を下まわってい
る、エンジンがアイドリング状態で車速が０である、又
はエンジンが非アイドリング状態で所定の運転領域にあ
る、等の諸条件が全て成立すれば、サブO₂センサ７によ
るフィードバック制御が行われる。サブO₂センサ７の出
力電圧が判定電圧を上まわっている場合には、前記リッ
チ積分KIPを減少させ、又はリーン側へのスキップ量RSM
を大きくすることにより、燃料供給量を減少させて制御
中心をリーン側へ変化させる。この場合、リッチ判定遅
延時間TDRを短縮して燃料供給量を減少させるようにし
てもよい。逆に、サブO₂センサ７の出力電圧が判定電圧
を下まわっている場合には、前記リッチ積分KIPを増加
させ、又はリーン側へのスキップ量RSMを小さくするこ
とにより、燃料供給量を増加させて制御中心をリッチ側
へ変化させる。この場合、リッチ判定遅延時間TDRを長
くして燃料供給量を増加させるようにしてもよい。

なお、以上の制御は、エンジン運転中に繰り返し実行
されるようになっている。

このような構成によると、メインO₂センサ６の出力電
圧に基づいて空燃比のフィードバック制御が行われてい
る場合、空燃比の制御中心がリッチ側又はリーン側にず
れると、サブO₂センサ７の出力電圧により空燃比の制御
中心が微細に調節されることになる。すなわち、サブO₂
センサ７の出力電圧に基づいて空燃比がリーンよりであ
るのがゲート時間終了時に検出された場合には、燃料供
給量が微少量だけ増量されて制御中心がリッチ側へ変更
されることになる。逆に、サブO₂センサ７の出力電圧に
基づいて空燃比がリッチよりであるのがゲート時間終了
時に検出された場合には、燃料供給量が微少量減少され
て制御中心がリーン側へ変更されることになる。

また、マニバータ14が比較的新しい場合には、第４図
に概略的に示すように、各ゲート時間が長くなるため、
サブO₂センサ７による空燃比の検出間隔が長くなるとと
もに、その検出結果による制御間隔も長くなる。その結
果、空燃比の制御中心が制御の反応時間に応じた速度で
緩やかに変化することになり、制御中心がリッチ側若し
くはリーン側へ過剰に制御されてしまうようなことはな
く、制御中心の振れ幅が抑えられる。

他方、マニバータ14の劣化が進行した場合には、第５
図に概略的に示すように、前記ゲート時間が短縮され
る。このため、サブO₂センサ７による空燃比の検出間隔
が短縮されるとともに、その検出結果に基づいて空燃比
の制御中心が速やかに調節されることになり、制御遅れ
が回避される。

したがって、以上のような構成によれば、メインO₂セ
ンサ６の出力特性のばらつきや経時変化、インジェクタ
１の燃料噴射量のばらつき等により、又は特定の気筒か
ら排出された排気ガスによってメインO₂センサ６の出力
電圧が左右され、所定の空燃比制御が得られなくなるよ
うな事態が生じても、サブO₂センサ７によるフィードバ
ック制御によって、混合気の空燃比を有効に三元触媒の
ウィンドウ内に収束させて、効率よく排気ガスを浄化さ
せることができる。

また、マニバータ14の劣化状態に対応させて、サブO₂
センサ７による空燃比の検出間隔を変化させれば、空燃
比制御の反応時間に応じて制御中心を変化させることが
できるので、制御中心がリッチ側やリーン側へ過剰に制
御されるのを防止することができ、制御中心の振れ幅を
有効に低減することができる。その結果、長期に亙っ
て、排気ガスを浄化効率の高い領域で効率よく浄化する
ことができ、エミッションを長期に亙って効果的に改善
することができる。

なお、触媒コンバータの劣化状態は、車両の走行距離
やエンジンの運転期間等から判別するようにしてもよ
い。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成であるから、混合気の空
燃比が理論空燃比付近からずれるのを有効に防止するこ
とができるとともに、触媒コンバータの機能変化に左右
されることなしに、空燃比の制御中心の振れ幅を有効に
低減して理論空燃比付近に収束させることができる。そ
の結果、長期に亙って排気ガスを浄化効率の高い領域で
浄化することができるとともに、エミッションを長期に
亙って改善することができる制御精度に優れた内燃機関
の空燃比制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は本発明の一実施例を示し、第１図は
概略的な全体構成図、第２図は制御手順を概略的に示す
フローチャート図、第３図は制御態様を示すタイミング
チャート図、第４図および第５図は作用説明図である。
第６図は従来例を示す第４図相当の作用説明図、第７図
は従来例を示す第５図相当の作用説明図である。 １……インジェクタ ６……第１のO₂センサ（メインO₂センサ） ７……第２のO₂センサ（サブO₂センサ） ９……電子制御装置 14……触媒コンバータ（マニバータ） 15……燃焼室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 395

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気ガスを浄化する触媒コンバータの上流
   側に排気ガス中の酸素濃度を検出する第１のO₂センサを
   配置し、その出力電圧に基づいて燃焼室に供給する混合
   気の空燃比を理論空燃比近傍にフィードバック制御する
   とともに、前記触媒コンバータの下流側における排気ガ
   ス中の酸素濃度を第２のO₂センサにより所定のゲート時
   間毎に検出し、その出力電圧に基づいて空燃比の制御中
   心を理論空燃比近傍に変化させるように構成した内燃機
   関の空燃比制御方法であって、前記触媒コンバータの劣
   化状態を検出し、前記触媒コンバータの劣化が進行する
   につれて、前記ゲート時間を短縮する方向に変化させる
   ようにしたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御方
   法。