JPH07116968B2

JPH07116968B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JPH07116968B2
Application number: JP15574686A
Authority: JP
Inventors: 正明内田; 博通三輪; 寛三分一; 初雄永石
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1986-07-01
Publication date: 1995-12-18
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: JPS6312854A

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、
有害な排出ガスの低減、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59−774
1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気薄（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、目標値に追随する空燃比の切換時の変化速度（空
燃比切換速度）が常に一定であったため、例えば、急加
速時等で運転条件が急激に変化し、目標値がリーン空燃
比から理論空燃比に変更となったような場合、目標値へ
の追随に対して現実の空燃比の切換えに遅れが生じるこ
とがある。このような場合、目標値への追随速度が不十
分となって、機関出力が低下し、ヘジテーション等の不
具合（加速応答性の悪化）を招来する。

このような現象を機関の運転性の面から考察すると、目
標値がリーン空燃比から理論空燃比に移行した場合、通
常の緩やかな加速状態のときには現実の空燃比の切換速
度をリーン空燃比から理論空燃比に比較的ゆっくりと切
換えた方が、切換えの際のショックを緩和できるので有
利である。一方、急加速時には少しでも早く空燃比をリ
ーン空燃比から理論空燃比に切換えた方がより多くの出
力を得るために効果的である。

ところが、現行技術（すなわち従来の装置）では加速の
状態に拘らず、目標値の変化に対する空燃比の切換速度
が常に一定であったため、上述のように比較的緩やかな
加速状態のときは問題とならないものの、急激な加速状
態のときは現実の空燃比の切換速度が実際の運転状態の
変化に十分に追随できず、空燃比が必要以上にリーン側
に維持されたままとなって加速の際の出力不足からヘジ
テーション等の加速応答性の悪化を招く。加速応答性が
悪くなると、スムーズな加速感が得られなくなり、運転
性が著しく低下する。

（発明の目的）そこで本発明は、目標値に追随する現実の空燃比の切換
速度をエンジン負荷と所定基準値との差に応じて変える
ことにより、急加速時等における空燃比の変動を抑制し
て、出力応答性や運転性を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
ンの負荷を検出する負荷検出手段ａと、エンジン負荷が
所定基準値以上のとき目標空燃比として理論空燃比を設
定し、所定基準値末端のときリーン空燃比を設定する目
標設定手段ｂ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とともに、目標空燃比が変
化したとき該供給量の制御速度をエンジン負荷と前記所
定基準値との差に応じて変える制御手段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、エンジン負荷と所定基準値との差が検出さ
れ、その差分に応じて、目標値に追随する現実の空燃比
の切換速度が適切に変更される。したがって、急加速時
等における空燃比の変動が抑制され、出力応答性やエン
ジンの運転性が向上する。

（実施例）以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜９図は本発明の一実施例を示す図であり、本発明
のSPi（Single Point Injection）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
バ３を経て、ヒータ制御信号S_HによりON/OFFするPTCヒ
ータ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_Ti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1
0、エィストリビュータ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S_IGN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、NO
x）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するス
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S_ISCに基づいてISCバルブ（Idle Spee
d Control Valve: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、各気筒の吸気ポ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22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はデューティ値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待機に大気に漏らす（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。

排気管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Ipを供給し、このポ
ンプ電流Ip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。

上記各エンサ30、31、32、34、36、37、38、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、ROM52、RAM53
およびI/Oポート54により構成される。

CPU51はROM52に書き込まれているプログラムに従ってI/
Oポート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I/Oポート54へ出力する。I/Oポート
54には上記各センサ30、31、32、34、36、37、38、39か
らの信号が入力されるとともに、I/Oポート54からは前
記各信号S_Ti、S_IGN、S_ISC、S_SCV、S_Hが出力される。ROM
52はCPU51における演算プログラムを格納しており、RAM
53は演算に使用するデータをマッ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停止後もその記憶内容を保持する。

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ト７
の部分を通過する空気量Q_Ainj（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_Ainj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、トルク変動が生じ
させる、（ロ）センサの応答性の面で過渡的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量Q
_Ainjの算出を説明する。

第３図はシリンダ空気量Q_AcyLの算出プログラムを示す
フローチャートである。まず、P₁で前回のQ_AcyLをオー
ルド値Q_AcyL′としてメモリに格納する。ここで、Q_AcyL
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T_P）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Q_Ainj
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S_ISCのデューティ（以下、ISCデューティと
いう）D_ISC、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ップから該当するＡαの値をルッ
クアップして求める。P₄では同様にISCデューティD_ISC
に基づき第５図のテーブルマップからバイパス路面積A_B
を算出し、P₅で次式に従って総流路面積Ａを求める。

Ａ＝Ａα＋A_B …… 次いで、P₆で定常空気量Q_H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図に示すようなデーブルマップから当該する定常空気
量Q_Hの値をルックアップして行う。

次いで、P₇でＡとＮとをパラメータとして第７図に示す
テーブルマッ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K2をルックアップし、P₈で次式に従
ってシリンダ空気量Q_AcyLを算出してルーチンを終了す
る。

Q_AcyL＝Q_AcyL′×（１−K2）＋Q_H×K2 …… 但し、Q_AcyL′:P₁で格納した値このようにして求めた空気量Q_AcyLは本実施例のようなS
Pi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
空気量Q_Ainj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、P₁₁で次式に従って吸気管
内空気変化量ΔCMを求める。このΔCMはシリンダ空気量
Q_AcyLに対して過渡的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。

ΔCM＝K_M×（Q_AcyL−Q_AcyL′）/N …… 式において、K_M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、P₁₂で次式に従っ
てインジェクタ部空気量Q_Ajnjを算出する。

Q_Ajnj＝Q_AcyL＋ΔCM …… このようにして求めたQ_Ajnj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ップによって
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
するリーン領域にあるか否かを判別する。この判定は、
エンジン負荷に相当するシリンダ空気量Q_AcyLの大きさ
が所定値SL以上であるか（Q_AcyL≧SLか）否かで行う。
ここに、シリンダ空気量Q_AcyLは第３図〜８図で上述し
たα−Ｎシステムにより求めた値を用いる。

Q_AcyL＜SLのときはリーン領域と判断して、P₂₂でリーン
のときの所定値SLLを所定値SLとし、P₂₃でこのSLからこ
のときの負荷Q_AcyLを引いた値をDSLとする。このように
して、P₂₂、P₂₃のステップではリーンの場合の負荷がリ
ーンのときの所定値SLよりどれだけの差DSLになってい
るかを検出している。次いで、P₂₄でリーンマップから
リーンの目標空燃比の目標値TFBYA0をルックアップす
る。

一方、Q_AcyL≧SLのときはリーン領域にないと判断し
て、P₂₅でストイチのときの所定値SLSを所定値SLとし、
P₂₆でこのときの負荷Q_AcyLからそのSLを引いた値をDSL
とする。ここに、ストイチとStoichio metric point:当
量点の略でλ＝１である（以下、ストイチと呼ぶ）。し
たがって、このP₂₅、P₂₆のステップでは上述のP₂₂、P₂₃
のステップと同様の手順で負荷がストイチのときの所定
値SLよりどれだけの差DSLになっているかを検出してい
る。次いで、P₂₇でストイチマップから理論空燃比の目
標値TFBYA0をルックアップする。なお、P₂₂とP₂₅で所定
値SLのレベルをリーンとストイチで変えている（SLS＜S
LL）のは、空燃比を切換える際のショックを低減する意
味からである。

次いで、P₂₈で増加の場合の増加分DR｛DR＝func（DSL）
但し、DSLはP₂₃のもの｝若しくは減少の場合の減少分DL
｛DL＝func′（DSL）但し、DSLはP₂₆のもの｝を演算す
る。したがって、増加分DR若しくは減少分DLは所定値SL
からの距離DSLが大きくなればなる程その値は大きくな
る。

P₂₉では上記P₂₄あるいはP₂₇でルックアップした目標値T
FBYA0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、目標値に追随する現在値が目標値よりも
大きいか否かを判別している。小さい場合には次のP₃₀
〜P₃₁で増加分DRによる補正を行い、大きい場合にはP₃₄
〜P₃₅で減少分DLによる補正を行う。

TFBYA＜TFBYA0のときは目標値に追随する現在値の値が
小さく、現在加速途中であると判断し、P₃₀で目標値に
近づけるために、増加分DRによる補正を加える。すなわ
ち、現在値TFBYA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。

次いで、P₃₁で現在値補正値Ｍが目標値TFBYA0に達した
か（Ｍ≧TFBYA0か）否かを判別する。

Ｍ≧TFBYA0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、P
₃₂で現在値TFBYAに目標値TFBYA0を採用して、処理を終
了する。

また、Ｍ＜TFBYA0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、P₃₃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P₃₀〜P₃₃のステップに
より、現在値TFBYAはエンジン負荷と所定基準値との差
に応じて追随速度を変化させながら、目標値TFBYA0に至
るまで次第に増加しながら近づいていくことになる。

一方、P₂₉でTFBYA≧TFBYA0のときは現在値が目標値より
も大きく、減速途中であると判断し、P₃₄で目標値に近
づけるために、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
の現在値補正値Ｍとしてメモリにストアする。

次いで、P₃₅で現在値補正値Ｍが目標値TFBYA0に達した
か（Ｍ≧TFBYA0か）否かを判別する。

Ｍ＜TFBYA0のときは現在値補正値Ｍが目標値に達した
（すなわち、空燃否の切換えが完了した）と判断し、P
₃₂で最終の現在値TFBYAに目標値TFBYA0を採用して、今
回の処理を終了する。

一方、Ｍ≧TFBYA0のときは現在値補正値Ｍが未だ目標値
に達していない（空燃否の切換が完了していないと判断
し、P₃₃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P₃₂〜P₃₅のステップでは上述のP₃₀〜P
₃₃のステップと同様に、現在地TFBYAをエンジン負荷と
所定基準値との差に応じて追随速度を変化させながら、
目標値TFBYA0に至るまで次第に減少しながら近づいて行
くことになる。

このように、本実施例では目標値に追随する現実の空燃
比の切換速度をエンジン負荷と所定基準値との差に応じ
て適切に補正しているので、急加速時のリーン化を防止
して、ヘジテーション等加速応答性の悪化を回避するこ
とができる。

また、本実施例では加速時であるからといって、目標値
に追随する現実の空燃比の切換速度を一律に変えるよう
な態様ではないため、現実の空燃比の値が所定値SLに近
い（すなわち、所定値SLとの差が小さい）ときにはゆっ
くりとした切換えを行うことにより、切換えの際のショ
ックを極力低減している。したがって、本発明によれ
ば、比較的低加速時には従来と同様なショック低減を維
持することができ、加減速の状態によっては切換速度を
速めてヘジテーション等のエンジン不具合を回避するこ
とができる。

（効果）本発明によれば、目標値に追随する実現の空燃比の切換
速度をエンジン負荷と所定基準値との差に応じて適切に
変更しているので、急加速時等における空燃比の変動が
抑制でき、出力応答性や運転性を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量Q_AcyL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Ａ
αのテーブルマップ、第５図はそのバイパス路面積A_Bの
テーブルマップ、第６図は総流路面積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Q_Hのテーブルマップ、第７図はその遅れ
係数K2のテーブルマップ、第８図はそのインジェクタ部
空気量Q_Ainj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）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永石初雄神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭61−96152（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−206677（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）エンジンの負荷を検出する負荷検出手
段と、ｂ）エンジン負荷が所定基準値以上のとき目標空燃比と
して理論空燃比を設定し、所定基準値末端のときリーン
空燃比を設定する目標設定手段と、ｃ）目標空燃比となるように吸入空気あるいは燃料の供
給量を制御するとともに、目標空燃比が変化したとき該
供給量の制御速度をエンジン負荷と前記所定基準値との
差に応じて変える制御手段と、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。