JPH09287510A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比制御装置

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JPH09287510A
JPH09287510A JP8105897A JP10589796A JPH09287510A JP H09287510 A JPH09287510 A JP H09287510A JP 8105897 A JP8105897 A JP 8105897A JP 10589796 A JP10589796 A JP 10589796A JP H09287510 A JPH09287510 A JP H09287510A
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egr gas
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尚己 冨澤
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  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】リーン空燃比制御とEGR制御併用時の過渡時
の空燃比制御性能を改善する。 【解決手段】エアフローメータからの吸入空気量の検出
値Q1 を読み込み、位相遅れ補償を施してシリンダ吸入
空気量Q1 ’を算出し、EGRガス導入部の吸気圧と排
気圧との差圧を推定し、該差圧とEGR弁開度制御量と
に基づいてEGRガス量QE を推定し、EGRガス量Q
E とEGRガスの空燃比とに基づいてEGRガス中の空
気量Q2 を算出し、位相遅れ補償を施してシリンダに吸
入されるEGRガス中の空気量Q2 ’を算出し、前記空
気量Q1 ’と空気量Q2 ’とを合計してシリンダに吸入
される総空気量Q’を算出し、該総空気量Q’に対して
目標空燃比が得られるように燃料量TI を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の空燃比
制御装置に関し、特にリーン空燃比燃焼とEGR制御と
の併用中に、空燃比を目標値に近づける制御技術に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、ガソリン機関等の火花点火式機関
においても燃焼室内に直接噴射して層状燃焼を行わせ、
以て大幅にリーン化された空燃比での燃焼を可能にし
て、排気浄化性能、燃費を大きく改善することが試みら
れている。また、吸気系に燃料を噴射供給する通常方式
の機関でも、空燃比をできる限りリーン化して燃焼させ
るようにしたものがある。
【0003】一方、通常の車両用機関では、NOx浄化
対策として周知のように排気中の一部を吸気系に還流し
て燃焼温度を低減させることによりNOxを低減するE
GR装置を備えている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記リーン化された空
燃比で燃焼を行う機関で、該リーン空燃比燃焼中に前記
EGR制御を併用すると、EGRガス中に大量の空気が
含まれるため、大気から吸入された空気量の検出値のみ
に基づいて目標空燃比が得られるように燃料量を制御す
ると、実際の空燃比は目標空燃比より大幅にリーンされ
ることとなり、失火の発生等により運転不調を招くおそ
れがある。
【0005】この場合、排気中の特定成分、例えば酸素
の濃度を検出することにより空燃比をリニアに検出でき
る空燃比センサを設けて、検出された空燃比に基づいて
燃料量をフィードバック制御すれば、EGRガス中の空
気も含めた混合気の燃焼空燃比が検出されるので、定常
運転時は目標空燃比に制御することが可能である。しか
し、吸入空気量の検出は、スロットル弁をバイパスする
補助空気流量等も含めて検出する必要等のため、吸気系
の上流部、例えばエアクリーナの直後にエアフローメー
タを設置して検出しているため、過渡運転時には、該検
出される空気量はシリンダに吸入される空気量に対して
位相遅れを生じるため、前記空燃比センサによる空燃比
検出値に基づいたフィードバック制御では、目標空燃比
とのずれが大きくなりすぎる。
【0006】このため、EGRガス中の空気量をEGR
ガス量と目標空燃比とに基づいて算出し、前記吸入空気
量と合計した総空気量に対して、位相遅れ補償を行い、
該補償された空気量に対して目標空燃比となるように燃
料量を制御して空燃比のずれを抑制することが考えられ
る。しかし、EGRガスについては、EGRガス量が検
出されるEGR弁部からシリンダに至る間のEGRガス
量の位相遅れが、前記吸入空気量の位相遅れとは異なる
ため、吸入空気量とEGRガス量を合計した空気量に対
して吸入空気量の位相遅れに合わせた位相遅れ補正を行
って燃料量を設定しても、正しいシリンダ吸入空気量に
見合った燃料量が設定されないことになる。
【0007】本発明は、このような様々の観点からなさ
れたもので、リーン空燃比燃焼とEGR制御とが併用さ
れている状態で、過渡時においても、目標空燃比とのず
れを抑制した良好な空燃比制御が行えるようにすること
を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1に係
る発明は図1に示すように、所定の機関運転条件で、排
気の一部をEGR弁を介して吸気系に還流するEGR制
御が行われると共に、理論空燃比よりリーンな混合気が
燃焼される内燃機関の空燃比制御装置において、大気か
ら吸入される空気の量を吸気系の所定の箇所で検出し、
該検出値に該検出箇所からシリンダまでの位相遅れに対
する補償を行ってシリンダに吸入される空気量を算出す
る吸入空気量算出手段と、前記EGR制御時に、EGR
弁からのEGRガス中の空気量に、該EGR弁からシリ
ンダまでの位相遅れに対する補償を行ってシリンダに吸
入されるEGRガス中の空気量を算出するEGRガス中
空気量算出手段と、前記大気からの吸入空気量とEGR
ガス中の空気量とを合計した総空気量に対して機関に供
給される燃料量を、目標空燃比となるように算出する燃
料量算出手段と、を含んで構成したことを特徴とする。
【0009】作用・効果 大気から吸入されシリンダに供給される空気量は、吸入
空気量の検出値に検出箇所からシリンダまでの位相遅れ
補償を施して求められ、EGRガス中に含まれてシリン
ダに供給される空気量は、EGR弁部のEGRガス中の
空気量にEGR弁からシリンダまでの位相遅れ補償を施
して求められる。
【0010】このように、それぞれ大気からの吸入空気
量又はEGRガス中の空気量に、検出箇所又はEGR弁
部からシリンダまでの位相遅れに対する補償を独立して
行うことで、過渡時に、前記検出箇所又はEGR弁部に
おける空気量と、実際にシリンダに供給される空気量と
が相違する場合でも、シリンダに供給されるそれぞれの
空気量を実際値に近い値として求めることができる。
【0011】したがって、前記各空気量を合計したシリ
ンダに供給される総空気量に対して目標空燃比が得られ
るように燃料量を算出することにより、過渡時において
も空燃比を目標値に十分近づける良好な空燃比制御を行
うことができ、排気浄化性能、燃費性能を可及的に高め
ることができる。また、請求項2に係る発明は、前記E
GR弁からのEGRガス中の空気量は、該EGRガス量
と該EGRガスの燃焼時の空燃比に基づいて算出される
ことを特徴とする。
【0012】作用・効果 理論空燃比で燃焼したときのEGRガス中の空気量を理
論的には0であるので、実際の空燃比で燃焼したときの
EGRガス中の空気量の割合が定まり、以てEGRガス
量とEGRガス燃焼時の空燃比とに基づいてEGRガス
中の空気量を求めることができる。
【0013】また、請求項3に係る発明は、前記EGR
弁からのEGR量は、EGRガス導入部の吸気圧と排気
圧との差圧と、EGR弁の開度制御量と、に基づいて得
ることを特徴とする。作用・効果 EGR弁からのEGRガス量を直接検出することなく、
吸・排気圧の差圧と、EGR弁の開度制御量に基づいて
得ることができ、低コストで済む。
【0014】また、請求項4に係る発明は、前記EGR
ガス燃焼時の空燃比は、排気中に設けられて排気中の特
定成分から空燃比を検出する空燃比センサによって検出
されることを特徴とする。作用・効果 排気中に設けられて空燃比制御に使用される空燃比セン
サを用いて、EGRガスの燃焼時における空燃比を高精
度に検出することができる。
【0015】また、請求項5に係る発明は、機関運転状
態に基づいて目標トルクを設定し、該目標トルクに応じ
て機関に供給される空気量と燃料量とを同時に制御する
ことを特徴とする。作用・効果 目標トルクを設定して、空気量と燃料量とを同時に制御
するものに適用することにより、過渡運転時に所望の目
標トルクが設定されると、前記目標空燃比に良好に追従
させる空燃比制御を確保しつつ、それによって目標トル
クにも応答性良く追従して、良好な過渡運転性能を確保
することができる。
【0016】また、請求項6に係る発明は、前記大気か
らの吸入空気量又はEGRガス中の空気量に対してなさ
れる位相遅れ補償は、それぞれ検出箇所又はEGR弁部
における空気量の加重平均値を演算する処理であること
を特徴とする。作用・効果 検出箇所又はEGR弁部おける空気量の最新値と過去の
値とを適切な重み付けで加重平均することにより、位相
遅れを良好に補償した実際にシリンダへ供給される空気
量に近い空気量を得ることができる。
【0017】また、請求項7に係る発明は、前記大気か
らの吸入空気量又はEGRガス中の空気量に対してなさ
れる位相遅れ補償は、それぞれ検出箇所又はEGR弁部
おける空気量の一次遅れ値を演算する処理であることを
特徴とする。作用・効果 検出箇所又はEGR弁部おける空気量の一次遅れ値を位
相遅れ補償値として演算することにより、より実際値に
近いシリンダへの供給空気量を得ることができる。
【0018】また、請求項8に係る発明は、燃料が機関
のシリンダ内に直接供給されることを特徴とする。作用・効果 燃料を直接シリンダ内に噴射することにより、層状燃焼
が行われて空燃比を大幅にリーン化した燃焼が行われる
ため、EGRガス中の空気による影響が大きいので、特
に位相遅れ補償を各空気量で独立して行う効果が大き
い。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基
づいて説明する。図2は、本発明の一実施形態のシステ
ム構成 (後述する各制御の実施形態に共通) を示す。ア
クセル開度センサ1は、ドライバによって踏み込まれた
アクセルペダルの踏込み量を検出する。
【0020】クランク角センサ2は、単位クランク角毎
のポジション信号及び気筒行程位相差毎の基準信号を発
生し、前記ポジション信号の単位時間当りの発生数を計
測することにより、あるいは前記基準信号発生周期を計
測することにより、機関回転速度を検出できる。エアフ
ローメータ3は、機関4への吸入空気量 (単位時間当り
の吸入空気量=吸入空気流量) を検出する。
【0021】水温センサ5は、機関の冷却水温度を検出
する。機関4には、燃料噴射信号によって駆動し、燃料
を直接燃焼室内に噴射供給する燃料噴射弁6、燃焼室に
装着されて点火を行う点火栓7が設けられる。該燃焼室
内への直接噴射方式により、層状燃焼によるリーン化が
可能となり、空燃比を広範囲に可変制御することができ
る。また、機関4の吸気通路8には、スロットル弁9が
介装され、該スロットル弁9の開度を電子制御可能なス
ロットル弁制御装置10が備えられている。
【0022】また、車速を検出する車速センサ11が設け
られる。前記各種センサ類からの検出信号は、コントロ
ールユニット12へ入力され、該コントロールユニット12
は、前記センサ類からの信号に基づいて検出される運転
状態に応じて前記スロットル弁制御装置10を介してスロ
ットル弁9の開度を制御し、前記燃料噴射弁6を駆動し
て燃料噴射量 (燃料供給量) を制御し、点火時期を設定
して該点火時期で前記点火栓7を点火させる制御を行
う。
【0023】また、機関1の排気通路21と吸気通路8と
を接続するEGR通路22と、該EGR通路22に介装され
るステップモータ等で構成されるEGR弁23とが設けら
れ、前記コントロールユニット12により、機関回転速度
Neと機関負荷 (燃料噴射量等で代表される) とで表さ
れる所定の領域でEGRを行い、目標EGR率 (EGR
量/吸入空気流量) が得られるようにEGR弁23の開度
を制御する。
【0024】前記排気通路21には、排気中の特定成分例
えば酸素の濃度を検出して混合気の空燃比を検出する空
燃比センサ24が設けられる。まず、スロットル弁制御
を、図3のフローチャートに従って説明する。ステップ
1では、前記アクセル開度センサ1によって検出された
アクセル操作量 (アクセルペダル踏込み量) Accと、
車速センサ2によって車速VSPとに基づいて、車両の
目標駆動力を得るのに要求される機関の目標トルクtT
eを演算する。
【0025】ステップ2では、前記機関の目標トルクt
Teと、クランク角センサ2からの検出信号に基づいて
算出された機関回転速度Neとに基づいて、図示のよう
なマップからの検索等により、目標燃料量tQfを演算
する。ステップ3では、前記目標トルクtTeと、機関
回転速度Neとに基づいて、図示のようなマップからの
検索等により、目標空燃比tA/Fを演算する。
【0026】ステップ4では、前記目標燃料量tQf
と、前記目標空燃比tA/Fとを乗算して、シリンダに
吸入される目標空気量tQaを算出する。ステップ5で
は、前記機関回転速度Neと、前記目標空気量tQaと
に基づいて、図示のようなマップからの検索等により、
スロットル弁の目標開口面積tAaが演算する。
【0027】ステップ6では、前記目標開口面積tAa
が得られるスロットル弁の開度制御量tTVOを、図示
のようなマップからの検索等により演算する。ステップ
7では、このようにして求められた開度制御量tTVO
の信号をスロットル弁制御装置10に出力する。これによ
り、スロットル弁9が設定された開度tTVOに制御さ
れ、目標空気量が得られる。
【0028】次に、本発明に係る空燃比制御を、図4の
フローチャートに従って説明する。ステップ11では、前
記エアフローメータ3で検出された吸入空気量Q1 を読
み込む。ステップ12では、前記吸入空気量の検出値Q1
に対して、前記エアフローメータ3による検出箇所から
シリンダまでの位相遅れ補償を施して、シリンダに吸入
される空気量Q1 ’を算出する。
【0029】具体的には、次の(1) 式のように吸入空気
量Q1 の最新の検出値と過去の値との加重平均値をシリ
ンダ吸入空気量Q1 ’として演算するか、(2)式のよう
に検出値Q1 の一次遅れ値をシリンダ吸入空気量Q1
として演算する。 Q1 ’=Q1 ・x+Q1 (-1)・ (1−x) ・・・(1) Q1 ’=Q1(-1) + (Q1 −Q1(-1) ) × (1−e-t/T) ・・・(2) 但し、xは1より小の正数,添字 (−1) は前回値、T
は時定数を示す。
【0030】ステップ13では、機関運転状態 (機関回転
速度Ne,機関負荷例えば基本燃料噴射量TP ) に応じ
てEGRガスが導入される吸気通路部分の吸気圧と排気
圧との差圧を推定する。あるいは、これらの圧力を検出
するセンサを設けて検出値から差圧を求めてもよいが、
推定による方がセンサを設けなくてよいので低コストで
済む。
【0031】ステップ14では、前記差圧とEGR弁の開
度制御量とに基づいてEGR弁からのEGRガス量QE
を推定する。ステップ15では、前記推定されたEGR弁
からのEGRガス量QE と、該EGRガスの燃焼時にお
ける空燃比とに基づいて、該EGRガス中の空気量Q2
を算出する。ここで、EGRガスの燃焼時における空燃
比は、簡易には現在の制御空燃比 (目標空燃比) を用れ
ばよく、またシリンダからEGR弁までの排気 (EGR
ガス) の伝達遅れ時間を考慮して、該遅れ時間前の制御
空燃比を用いれば、より高精度に空気量を検出すること
ができる。
【0032】前記制御空燃比を用いたEGRガス中の空
気量Q2 の演算式を次に示す。 Q2 =QE × (λ−1) /λ λは空気過剰率 =QE × (制御空燃比−理論空燃比) /制御空燃比 ・・・(3) ステップ16では、前記EGR弁からのEGRガス中の空
気量Q2 に、EGR弁からシリンダまでの位相遅れに対
する補償を行って、シリンダに吸入されるEGRガス中
の空気量Q2 ’を算出する。
【0033】具体的には、吸入空気量の場合と同様、次
の(4) 式のようにEGR弁部の空気量Q2 の最新の推定
値と過去の値との加重平均値をシリンダに供給されるE
GRガス中の空気量Q2 ’として演算するか、あるいは
(5) 式のようにQ2 の一次遅れ値をQ2 ’として演算す
る。 Q2 ’=Q2 ・y+Q2 (-1)・ (1−y) ・・・(4) Q2 ’=Q2(-1) + (Q2 −Q2(-1) ) × (1−e-t/T1) ・・・(5) 但し、yは1より小の正数,添字 (−1) は前回値、T
1は時定数を示す。
【0034】ここで、加重平均値演算における重みy
と、一次遅れ値演算における時定数Tとは、EGR弁6
からシリンダまで容積 (固定値) 及びEGRガス量 (変
数) によって決まるのでEGRガス量 (EGR率) に応
じて演算又はマップからの検索により求めた値を用い
る。ステップ17では、前記大気から吸入されシリンダに
供給される空気量Q1 ’とシリンダに供給されるEGR
ガス中の空気量Q2 ’とを、合計して、シリンダに供給
される総空気量Q’を算出する。
【0035】ステップ18では、前記シリンダに供給され
る総空気量Q’ (単位時間当りの流量) に対して目標空
燃比が得られるように燃料噴射弁6からの燃料噴射量T
I を次式により算出する。 TI =kQ’・COEF+TS ・・・(6) 但し、kは定数、COEFは水温等に基づく各種補正係
数、TS はバッテリ電圧により設定される無効噴射パル
ス分である。
【0036】このようにすれば、大気からシリンダに吸
入される空気量Q1 ’とEGRガス中の空気量Q2 ’と
を、それぞれ検出箇所又はEGR弁での空気量Q1 又は
2に対してシリンダまでの位相遅れに対して補償を行
って求める構成としたため、各シリンダ供給空気量
1 ’、Q2 ’を高精度に求めることができ、以てリー
ン空燃比制御とEGR制御を併用した場合の過渡運転時
においても、空燃比を高精度に目標空燃比に追従させる
ことができ、排気浄化性能と燃費とを可及的に向上させ
ることができる。
【0037】第2の実施形態に係る空燃比制御を、図5
のフローチャートに示す。前記図4と異なるのは、EG
R弁からのEGRガス中の空気量を算出する際に、空燃
比センサ24の検出値を用いることである。即ち、ステッ
プ14でEGR弁からのEGRガス量QE を推定した後、
ステップ21で空燃比センサ24により検出される排気中の
空燃比を読み込み、ステップ15で前記(3) 式によってE
GRガス中の空気量Q2 ’を算出する際に、制御空燃比
の項に前記空燃比検出値を代入して使用する。このよう
にすれば、EGRガスの空燃比としてを実際に検出され
た高精度な値を用いるため、EGRガス中の空気量Q2
の算出精度が向上する。なお、実際には、空燃比センサ
で検出される部分の排気とEGR弁6からのEGRガス
とでは、排気の伝達遅れがあるため、該伝達遅れ前に空
燃比センサで検出された空燃比を用いれば、より精度が
向上する。
【0038】なお、本実施形態のように目標トルクを設
定するものでは、過渡運転性能をより高めることができ
るが、本発明は、目標トルクを設定しないものに適用し
ても十分効果的である。また、目標空燃比を可変制御す
るもの、特に直接燃料噴射式により空燃比を広範囲に可
変制御するものにおいて、実際の空燃比を可変される目
標空燃比に高精度に追従させることができる点で特に有
利であるが、空燃比の制御範囲が限られたものに適用し
ても十分効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成・機能を示すブロック図。
【図2】本発明の一実施形態のシステム構成を示す図。
【図3】同上実施形態のスロットル弁制御ルーチンを示
すフローチャート。
【図4】第1の実施形態に係る空燃比制御ルーチンを示
すフローチャート。
【図5】第2の実施形態に係る空燃比制御ルーチンを示
すフローチャート。
【符号の説明】
2 クランク角センサ 3 エアフローメータ 4 機関 6 燃料噴射弁 9 スロットル弁 10 スロットル弁制御装置 11 車速センサ 12 コントロールユニット 21 排気通路 22 EGR通路 23 EGR弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 甲斐 志誠 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

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の機関運転条件で、排気の一部をEG
    R弁を介して吸気系に還流するEGR制御が行われると
    共に、理論空燃比よりリーンな混合気が燃焼される内燃
    機関の空燃比制御装置において、 大気から吸入される空気の量を吸気系の所定の箇所で検
    出し、該検出値に該検出箇所からシリンダまでの位相遅
    れに対する補償を行ってシリンダに吸入される空気量を
    算出する吸入空気量算出手段と、 前記EGR制御時に、EGR弁からのEGRガス中の空
    気量に、該EGR弁からシリンダまでの位相遅れに対す
    る補償を行ってシリンダに吸入されるEGRガス中の空
    気量を算出するEGRガス中空気量算出手段と、 前記大気からの吸入空気量とEGRガス中の空気量とを
    合計した総空気量に対して機関に供給される燃料量を、
    目標空燃比となるように算出する燃料量算出手段と、 を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の空燃比制
    御装置。
  2. 【請求項2】前記EGR弁からのEGRガス中の空気量
    は、該EGRガス量と該EGRガスの燃焼時の空燃比に
    基づいて算出されることを特徴とする請求項1に記載の
    内燃機関の空燃比制御装置。
  3. 【請求項3】前記EGR弁からのEGR量は、EGRガ
    ス導入部の吸気圧と排気圧との差圧と、EGR弁の開度
    制御量と、に基づいて得ることを特徴とする請求項2に
    記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  4. 【請求項4】前記EGRガス燃焼時の空燃比は、排気中
    に設けられて排気中の特定成分から空燃比を検出する空
    燃比センサによって検出されることを特徴とする請求項
    2又は請求項3に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  5. 【請求項5】機関運転状態に基づいて目標トルクを設定
    し、該目標トルクに応じて機関に供給される空気量と燃
    料量とを同時に制御することを特徴とする請求項1〜請
    求項4のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装
    置。
  6. 【請求項6】前記大気からの吸入空気量又はEGRガス
    中の空気量に対してなされる位相遅れ補償は、それぞれ
    検出箇所又はEGR弁部における空気量の加重平均値を
    演算する処理であることを特徴とする請求項1〜請求項
    5のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  7. 【請求項7】前記大気からの吸入空気量又はEGRガス
    中の空気量に対してなされる位相遅れ補償は、それぞれ
    検出箇所又はEGR弁部おける空気量の一次遅れ値を演
    算する処理であることを特徴とする請求項1〜請求項5
    のいずれか1つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  8. 【請求項8】燃料が機関のシリンダ内に直接供給される
    ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに
    記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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