JPH05149172A

JPH05149172A - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JPH05149172A
Application number: JP3337562A
Authority: JP
Inventors: Sachihiro Natsume; 祥宏夏目; Koji Furuta; 孝司古田
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1991-11-26
Publication date: 1993-06-15
Anticipated expiration: 2015-12-25
Also published as: JP3119704B2

Abstract

(57)【要約】【目的】比較的簡単な装置によりＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ
と共にＮＨ₃も低減できるようにする。【構成】三元触媒の上流側に配置された第１の空燃比
センサの出力によって、平均空燃比がＮＯｘ，ＣＯ及び
ＨＣに対応した第１のウィンドウ内に入るようにフィー
ドバック制御すると共に、第２の空燃比センサの出力に
よって上記フィードバック制御を補正し、更にこの補正
に用いる第２の空燃比センサの出力目標値を排気温度に
応じて修正することにより、平均空燃比がＮＨ₃に対応
した第２のウィンドウ内にも入るように制御する。【効果】広い運転域においてＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ及び
ＮＨ₃の排出量を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、２個の空燃比センサ
を用いてより適切な空燃比制御を行うようにした内燃機
関の空燃比制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機関の排気路中に配置された三元触媒の
上流側に第１の空燃比センサを、下流側に第２の空燃比
センサをそれぞれ設け、これらの空燃比センサの検出結
果に応じてフィードバック制御を行うようにした空燃比
制御装置は公知である。例えば特開昭６１−２３４２４
１号公報には、下流側の第２の空燃比センサの出力がリ
ッチであるかリーンであるかを判定し、これに応じてフ
ィードバック制御のためのスキップ量を演算して制御中
心のずれを補正することが提案されている。また上記の
ものでは、空燃比センサの出力特性の変化や触媒性能の
劣化など経年変化の影響を十分除くことが困難であるた
め、本出願人は下流側の第２の空燃比センサの出力波形
を判別するようにし、その結果に応じて空燃比を補正す
ることを特願平２−１９９６９７号で提案している。

【０００３】近年、悪臭の原因物質であるＮＨ₃に対す
る規制が厳しくなりつつあり、排気ガス中のＮＨ₃の低
減が強く求められている。しかしながら、上述の従来技
術はいずれもＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣの低減を目的とした
ものでＮＨ₃の排出量が多いリッチな平均空燃比で運転
されており、ＮＨ₃を低減することはできない。また、
下流側の第２の空燃比センサの出力に応じて排気系に空
燃比調整用の燃料を追加供給することにより、ＮＨ₃の
生成量を低減できることも知られているが、これは設備
が複雑で価格も高くなりやすいという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明はこの点に着
目し、比較的簡単な装置によりＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣと共
にＮＨ₃も低減できるようにすることを課題としてなさ
れたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、この発明では、機関の排気路中に三元触媒を配置
し、この三元触媒の上流側に設けられた第１の空燃比セ
ンサと下流側に設けられた第２の空燃比センサの検出結
果をフィードバックして空燃比を制御するようにした装
置において、第１の空燃比センサの出力によって、平均
空燃比がＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣに対応した第１のウィン
ドウ内に入るようにフィードバック制御を行うと共に、
第２の空燃比センサの出力が所定の目標値となるように
上記フィードバック制御を補正することによって、平均
空燃比が上記第１のウィンドウ内において更にＮＨ₃に
対応した第２のウィンドウ内に入るように制御し、且つ
三元触媒の下流側に設けられた排気温度センサの検出結
果に基づいて上記目標値を修正するようにしている。

【０００６】図１はこの発明の装置の基本的な構成を示
す図であり、Ａは燃料混合部、Ｂはスロットル弁、Ｃは
機関、Ｄは三元触媒、Ｅは空気、Ｆは燃料、Ｇは排気ガ
スである。空気Ｅと燃料Ｆは燃料混合部Ａで混合され、
スロットル弁Ｂを経て機関Ｃに供給され、三元触媒Ｄで
浄化された排気ガスＧが排出される。Ｈは負荷センサ、
Ｉは回転数センサ、Ｊは第１の空燃比センサ、Ｋは排気
温度センサ、Ｌは第２の空燃比センサ、Ｍは制御手段、
Ｎは記憶手段であり、制御手段Ｍは各センサからの信号
に応じて記憶手段Ｎに記憶させてあるプログラムに従っ
て空燃比を計算し、所定の空燃比となるように燃料混合
部Ａを制御するのである。

【０００７】

【作用】図２はこの発明による補正制御の説明図、図３
は従来の制御の説明図である。図の上段は空燃比に対す
る排出成分と空燃比センサの出力との関係を示すグラフ
であり、ＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣの排出量と第１の空燃比
センサの出力Ｓ₁は(b)のような変化となっており、ＮＨ
₃の排出量と第２の空燃比センサの出力Ｓ₂は(a)のよう
な変化となっている。ＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣに対するウ
ィンドウＷ₁はこれらの成分の排出量が全体として最も
少なくなる範囲を選んで図のように設定されている。
(c)は空燃比の変動の状態を例示したものである。周知
のように、従来の制御においては第１の空燃比センサの
出力Ｓ₁によるフィードバック制御によって空燃比ａ₁を
ウィンドウＷ₁をまたぐように変動させ、その平均値ｂ₁
がウィンドウＷ₁の中に入るようにしているが、この領
域はＮＨ₃が比較的多く生成される領域であるためにそ
の排出量を低減することができないのである。

【０００８】しかし、ウィンドウＷ₁の中でも比較的リ
ーンな領域では(a)から分かるようにＮＨ₃の生成量は少
なく、この領域ではＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ及びＮＨ₃のす
べてが少なくなっている。しかもこの領域は丁度第２の
空燃比センサの出力Ｓ₂が変化する領域であり、この発
明はこの点に着目してなされている。すなわち、図２の
(a)に示すようにＮＨ₃の生成量が少ない領域に対応させ
た第２のウィンドウＷ₂を設定すると共に、これに対応
するセンサ出力Ｓ₂の目標値Ｖ₀とその上下に±ΔＶ₁の
不感帯幅で基準範囲を設定し、センサ出力Ｓ₂がこの基
準範囲内になるようにセンサ出力Ｓ₁に応じて行われる
フィードバック制御を補正するのである。これによっ
て、図２の(c)に示すように平均空燃比ｂ₂が第２のウィ
ンドウＷ₂内に入るように制御され、ＮＨ₃の生成量が低
減されることになる。

【０００９】上述のように、比較的幅の狭い第２のウィ
ンドウＷ₂内に平均空燃比ｂ₂を入れるにはかなり精度の
高い制御が必要となるが、一般に空燃比センサは温度に
よって出力が変化する特性があり、特にリッチ側では温
度が低いほど出力が高くなる傾向が強く現われる。ま
た、排気温度は起動後を除けば主として負荷と機関回転
数によって変化し、浄化されるべき排気成分の生成量も
変動する。従って、排気温度に応じて上記のように目標
値Ｖ₀を修正することによって、平均空燃比ｂ₂を第２の
ウィンドウＷ₂内に入れることが容易となり、この発明
によれば空燃比の制御を適正に行うことができる。

【００１０】

【実施例】次に、図示の一実施例について説明する。な
お、この実施例は火花点火式のガス機関におけるもので
あるが、この発明は他の形式の機関にも適用することが
できる。図４において、１は機関本体、２は吸気マニホ
ールド、３はスロットル弁、４はミキサー、５は空気供
給路、６は燃料供給路、７はガスレギュレータであり、
燃料８はガスレギュレータ７、燃料供給路６を経てミキ
サー４に供給され、ここで空気供給路５から供給された
空気９と混合される。１１は燃料供給路６の途中から分
岐し、ミキサー４とスロットル弁３の間に連通している
バイパス路、１２はバイパス路１１に設けられた空燃比
制御用の流量制御弁であり、この流量制御弁１２にはス
テップモータ１２ａを備えたアクチュエータバルブが用
いられている。１３はガス圧を空気圧に応じて制御する
ためのバランスラインである。

【００１１】１６は排気マニホールド、１７は過給機、
１８は三元触媒、１９は三元触媒１８の上流に配置され
ている第１のＯ₂センサ、２０は三元触媒１８の下流に
配置されている第２のＯ₂センサ、２１は排気ガス、２
２は吸気圧によって負荷を検出する負荷検出センサ、２
３は回転検出センサ、２４は三元触媒１８の出口に配置
されている排気温度センサであり、Ｏ₂センサ２０と排
気温度センサ２４はほぼ同じ位置に配置されている。２
５は例えば主要部をマイクロコンピュータによって構成
した制御部であり、入出力ポート２５ａ、ＣＰＵ２５
ｂ、ＲＯＭ２５ｃ、ＲＡＭ２５ｄ等を備えている。Ｏ₂
センサ１９、２０及び負荷検出センサ２２、回転検出セ
ンサ２３、排気温度センサ２４の検出出力は入出力ポー
ト２５ａを経て制御部２５に入力され、また制御出力は
入出力ポート２５ａを経て流量制御弁１２のステップモ
ータ１２ａに対して出力される。

【００１２】制御部２５のＲＯＭ２５ｃには、制御用の
プログラムのほか、図５に示すような制御定数マップと
図６のような制御変数マップが記憶されている。図５の
数値は制御定数であり、負荷及び回転数の組み合わせに
応じた各運転領域に対してそれぞれ設定されている。ま
た、図６のＳuとＳdは流量制御弁１２の開度のスキップ
量を、１／Ｃuと１／Ｃdは開度の変化率をそれぞれ示し
ており、これらは図５の各制御定数ごとに設定されてい
る。なお、これらの各マップの数値は機関の形式や定格
等によって異なるものであり、あらかじめ実験によって
適正値が設定される。

【００１３】図７及び図８は空燃比制御の一般的な動作
の説明図と制御手順のフローチャートである。図７の
(a)は第１のＯ₂センサ１９が配置されている部分の排気
ガスの空燃比の変化状況を、(b)はＯ₂センサ１９の検出
出力を、また(c)は流量制御弁１２の開度の変化状況を
それぞれ示しており、(a)のような空燃比の変化に応じ
てＯ₂センサ１９の検出出力は(b)のように若干の応答遅
れを伴って変化する。

【００１４】図８に示すように、まず検出出力が読み込
まれ、リーンからリッチへ反転したことが確認されると
(ステップＳ１)、負荷検出センサ２２と回転検出センサ
２３で検出された負荷と回転数に応じた制御定数が図５
の制御定数マップから読み出され、その制御定数に対応
した制御変数、すなわちスキップ量Ｓu，Ｓdと変化率１
／Ｃu，１／Ｃdが図６の制御変数マップから読み出され
る(ステップＳ２)。流量制御弁１２は閉状態からスキッ
プ量Ｓuで開方向に駆動され、引き続いて変化率１／Ｃu
で開方向に駆動される(ステップＳ３)。同様に検出出力
がリッチからリーンへ反転すると、流量制御弁１２は開
状態からスキップ量Ｓdで閉方向に駆動され、引き続い
て変化率１／Ｃdで閉方向に駆動されるという制御が繰
り返される。こうして空燃比は全体として所定の値に保
たれるのである。

【００１５】この発明は、上述の手順による制御内容を
第２のＯ₂センサ２０の検出結果によって補正し、更に
この補正のために設定されるＯ₂センサ２０の出力の目
標値Ｖ₀を排気温度センサ２４で検出される排気ガス２
１の温度に応じて修正するようにしたものである。図９
はＯ₂センサの出力特性図であり、特にリッチ側では温
度による変化が大きく低温ほど出力が高くなっている
が、温度に対する出力変化はほぼ一定の傾斜を持つ直線
状となるので、この実施例では傾斜に対応する修正係数
をα、基準温度Ｔ₀₀における基準電圧をＶ₀₀、排気温度
センサ２４による検出温度をＴ₀として、次式目標値Ｖ₀＝Ｖ₀₀＋（Ｔ₀−Ｔ₀₀）×α で目標値Ｖ₀を算出している。図１０はこの関係を図示
したものである。

【００１６】次に、図１５以下により制御の手順を説明
する。図１５は全体の手順を示したフローチャートであ
り、まず、ステップＳ１１で検出温度Ｔ₀が入力され
る。Ｏ₂センサは活性温度以上でないとＯ₂濃度に応じた
正しい電圧を出力しないので、次のステップＳ１２では
温度Ｔ₀が活性温度以上であるか否かが判定される。そ
して否であればステップＳ１３に進み、負荷検出センサ
２２と回転検出センサ２３の検出信号が入力されて図５
の制御定数マップを用いた制御が行われる。一方、温度
Ｔ₀が活性温度以上であればこの発明によるＮＨ₃制御を
行うためにステップＳ１４に進み、上述の式により目標
値Ｖ₀が算出される。図１１は起動時における以上の動
作を説明した図であり、ＮＨ₃制御は排気温度が活性温
度に達した時刻ｔ₀から開始される。なお、フローチャ
ートには示してないが、暖機時間とＮＨ₃制御待機時間
が設定されており、これらの時間が経過しないうちに排
気温度が活性温度に達してもＮＨ₃制御は行われないよ
うにしてある。

【００１７】この実施例では図１２に示すようにＶ₀±
ΔＶ₁の幅で設定された基準範囲を第１水準とし、その
外側に±ΔＶ₂を限界値とする幅の判定範囲を第２水準
として設定してあり、Ｏ₂センサ２０の出力信号Ｓ₂が判
定範囲の外にある時には、出力信号Ｓ₂が目標値Ｖ₀に近
付く方向に空燃比を変化させる。更に、出力信号Ｓ₂が
判定範囲の限界値、基準範囲の限界値及び目標値を横切
る時の変化傾向を検出して、図の(a)のように出力信号
Ｓ₂が低下する方向に横切る時には出力が上昇する方向
に、また(b)のように出力信号Ｓ₂が上昇する方向に横切
る時には出力が低下する方向に空燃比を変化させるよう
にしている。ステップＳ１５はこの補正制御の手順のル
ーチンであり、その詳細は図１６及び１７で説明する。

【００１８】更にこの実施例では、図１３に示すように
出力信号Ｓ₂が判定範囲内でしかも基準範囲外にある時
には信号Ｓ₂の変化傾向を検出し、図の(a)のように出力
信号Ｓ₂が目標値Ｖ₀から離れる方向に変化しつつある時
には、出力信号Ｓ₂が目標値Ｖ₀に近付く方向に空燃比を
変化させる。また(b)のようにこの領域で上下に変動し
たり目標値Ｖ₀に近付く方向に変化しつつある時には、
空燃比を変化させないという制御を行っている。ステッ
プＳ１６はこの補正制御の手順のルーチンであり、その
詳細は図１８及び１９で説明する。

【００１９】次に、図１６及び１７によりステップＳ１
５の制御手順を説明する。まず、ステップＳ２１で出力
信号Ｓ₂の前回値が記憶されて今回値が入力されると、
次のステップＳ２２で今回値がＶ₀−ΔＶ₂、すなわち判
定範囲の下側の限界値より大きいか否かが判定され、大
きければ前回値が下側の限界値より大きいか否かが判定
される。ここで前回値が大きくない場合は出力信号Ｓ₂
が下側の限界値を上向きに横切ったことを意味している
ので、制御定数をリーン側にシフトして空燃比をリーン
側に補正する。

【００２０】以下同様に、今回値と前回値をステップＳ
２３ではＶ₀−ΔＶ₁、すなわち基準範囲の下側の限界値
と比較し、ステップＳ２４ではＶ₀、すなわち目標値と
比較し、ステップＳ２５ではＶ₀＋ΔＶ₁、すなわち基準
範囲の上側の限界値と比較し、ステップＳ２６ではＶ₀
＋ΔＶ₂、すなわち判定範囲の上側の限界値と比較し、
それぞれ出力信号Ｓ₂が上向きに横切った場合には空燃
比をリーン側に補正するのである。ステップＳ２７で
は、以上の手順によりリーン側への補正が行われたか否
かが判定され、否の場合には次のステップＳ２８〜３２
に進む。これらのステップは上述のステップＳ２２〜２
６に準じて各限界値や目標値を出力信号Ｓ₂が下向きに
横切ったか否かを判定するものであり、下向きに横切っ
た場合には空燃比がリッチ側に補正されるのである。更
にステップＳ３３では、ステップＳ２８〜３２において
リッチ側への補正が行われたか否かが判定され、否の場
合には次のステップＳ１６に進むのである。

【００２１】次に、図１８及び１９によりステップＳ１
６の制御手順を説明する。まず、ステップＳ４１で今回
値が目標値Ｖ₀と比較されて大きければステップＳ４２
に、大きくなければステップＳ４３に進み、ステップＳ
４２及びステップＳ４３では今回値が判定範囲の外にあ
るか否かが判定され、外にあればステップＳ４４または
ステップＳ４５に進む。ステップＳ４４ではリーン側に
補正する場合の時間待ちを行い、所定の時間が経過する
と制御定数をリーン側に１段階シフトした後、時間待ち
タイマをセットし、ステップＳ４５ではリッチ側に補正
する場合の時間待ちを行い、所定の時間が経過すると制
御定数をリッチ側に１段階シフトした後、時間待ちタイ
マをセットする。

【００２２】また、ステップＳ４２及びステップＳ４３
で今回値が判定範囲の外にない場合にはそれぞれステッ
プＳ４６あるいはステップＳ４７に進み、今回値が基準
範囲の外にあるか否かが判定されて外になければステッ
プＳ４８またはステップＳ４９に進む。ステップＳ４８
では前回値が今回値より小さければ制御定数をリーン側
にシフトして空燃比がリーン側に補正され、ステップＳ
４９では前回値が今回値より大きければ制御定数をリッ
チ側にシフトして空燃比がリッチ側に補正され、そうで
ない場合には空燃比は変化させない。

【００２３】一方、ステップＳ４６あるいはステップＳ
４７で今回値が基準範囲の外にある場合には、まずステ
ップＳ５０に進んで出力信号Ｓ₂の前回値と今回値が比
較され、今回値が大きければステップＳ５１に進んで出
力が一定時間継続して上昇していれば空燃比がリーン側
に補正され、今回値が大きくなければステップＳ５２に
進み、出力が一定時間継続して低下していれば空燃比が
リッチ側に補正されるのである。なお、ステップＳ５１
及びステップＳ５２での待ち時間はステップＳ４４ある
いは４５の待ち時間より長い時間である。

【００２４】図１４は負荷が増加した時の排気温度Ｔ₀
の変化に対して目標値Ｖ₀が修正される状態を例示した
ものである。このようにこの実施例では排気温度に応じ
て目標値Ｖ₀を修正しているが、更に基準範囲の外側に
判定範囲を設定し、出力信号Ｓ₂が各限界値や目標値を
横切る方向と各範囲内での大きさ及び変化傾向に応じて
空燃比を補正している。従って、起動後や負荷あるいは
機関回転数の変化に応じてきめの細かい空燃比の制御を
行うことができて、ＮＨ₃制御の期間では確実に平均空
燃比ｂ₂を第２のウィンドウＷ₂内に入れることが容易と
なり、種々の運転条件においてＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣと共
にＮＨ₃も確実に低減することが可能となるのである。
なお、実施例では図５に示すような制御定数マップと図
６のような制御変数マップを使用し、制御定数を変更す
ることによって空燃比を制御しているが、この発明はこ
のような制御定数と制御変数を使用しない方式の制御に
も適用することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明は、三元触媒の上流側に配置された第１の空燃比セン
サの出力によって、平均空燃比がＮＯｘ，ＣＯ及びＨＣ
に対応した第１のウィンドウ内に入るようにフィードバ
ック制御すると共に、平均空燃比がＮＨ₃に対応した第
２のウィンドウ内にも入るように第２の空燃比センサの
出力によって上記フィードバック制御を補正し、更にこ
の補正に用いる第２の空燃比センサの出力目標値を排気
温度に応じて修正するようにしたものである。従って、
負荷あるいは機関回転数等の運転条件の変化に応じて広
い運転域で空燃比を適切に制御し、ＮＯｘ，ＣＯ及びＨ
Ｃの排出量を低減すると同時にＮＨ₃の排出量も低減す
ることができ、また第２の空燃比センサの出力による補
正により、触媒や空燃比センサの劣化等の影響も自動的
に除去されて各成分の排出が長期間にわたって低レベル
に維持され、比較的少ない費用による小改造で既設の設
備の空燃比制御の性能を向上することが可能となるので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の装置の基本的な構成を示す図であ
る。

【図２】この発明の動作原理の説明図である。

【図３】従来例の装置の動作の説明図である。

【図４】この発明の一実施例の概略構成図である。

【図５】同実施例における制御定数マップの説明図であ
る。

【図６】同実施例における制御変数マップの説明図であ
る。

【図７】同実施例の基本的な制御動作の説明図である。

【図８】同実施例の基本的な制御手順のフローチャート
である。

【図９】Ｏ₂センサの出力特性図である。

【図１０】排気温度と目標値との関係を示す図である。

【図１１】起動時における制御動作を説明した図であ
る。

【図１２】実施例における制御動作を説明した図であ
る。

【図１３】同じく実施例における制御動作を説明した図
である。

【図１４】負荷増加時の排気温度と目標値の変化を示す
図である。

【図１５】実施例の全体の制御手順を示したフローチャ
ートである。

【図１６】同実施例の補正制御の手順を示したフローチ
ャートである。

【図１７】同じく補正制御の手順を示したフローチャー
トである。

【図１８】同じく補正制御の手順を示したフローチャー
トである。

【図１９】同じく補正制御の手順を示したフローチャー
トである。

【符号の説明】

１機関本体８燃料９空気１１バイパス路１２流量制御弁１８三元触媒１９第１のＯ₂センサ２０第２のＯ₂センサ２１排気ガス２４排気温度センサ２５制御部２５ｂＣＰＵ２５ｃＲＯＭＳ₂出力信号Ｖ₀目標値Ｗ₁第１のウィンドウＷ₂第２のウィンドウＴ₀排気温度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関の排気路中に三元触媒を配置し、こ
の三元触媒の上流側に設けられた第１の空燃比センサと
下流側に設けられた第２の空燃比センサの検出結果をフ
ィードバックして空燃比を制御するようにした装置であ
って、第１の空燃比センサの出力によって、平均空燃比がＮＯ
ｘ，ＣＯ及びＨＣに対応した第１のウィンドウ内に入る
ようにフィードバック制御を行うと共に、第２の空燃比
センサの出力が所定の目標値となるように上記フィード
バック制御を補正することによって、平均空燃比が上記
第１のウィンドウ内において更にＮＨ₃に対応した第２
のウィンドウ内に入るように制御し、且つ三元触媒の下
流側に設けられた排気温度センサの検出結果に基づいて
上記目標値を修正することを特徴とする内燃機関の空燃
比制御装置。