JPS60190633A - 内燃機関の混合気調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ）技術分野 本発明は内燃機関の混合気調整装置、さらに詳細には内
燃機関の排気ガス中に配置されて空気比（ラムタ値）を
検出し＆ｆましくは２位置動作特性を右するＤ１気カス
センサを備え、その排気カスセンサの信号がｈｒましく
は比例積分動作特性を有する調節装置に入力され、その
調節装置の出力信号によって混合気組成が補正される混
合気調節装置に関する。

口）従来技術 このような混合気調整装置が例えばドイツ特許公開公報
第３１２４６７８号あるいはそれに対応した米国特許出
願ＵＳ−３Ｎ第３８６３７６号に記載されている。その
場合混合気組成は内燃機関の種々の駆動パラメータ（動
作量）に従って基本制御され、その基本制御値が縦続し
たラムダ制闘（空燃比フィードパンク制御）によって補
止されている。内燃機関は制御系として七に内燃機関を
通過するガス１Ｅ播時間とラムダセンサ（酸素センサ）
の応答時間によって定まる遅延時間を有し、特にラムダ
センサからの出力信号がほぼ２進的にオンオフする２位
置動作特性となるので、ラムダ制御時周波数が遅延時間
によって、また振幅が制御パラメータによって与えられ
る持続振動が発生する。その場合一般的に制御振幅が大
きくなると外乱を急速に調整することが可能になる。も
ちろん制御振幅が増大するとともにトルク変動に基づく
回転非円清廉が大きくなる。さらに内燃機関動作時ダイ
ナミックな移行が行なわれると制御振動が大きくなり過
ぎることにより胡気ガスピー　りが発生する。これは特
にラムダ制御が限界値まで制御を行なうことによって起
こされる６に述した従来技術例ではＰＩ調節器のＩ（積
分）成分のｉｖｉ斜を内燃機関の定常あるいは準定常状
態で順次補正サイクルを介して最小値まで減少させる方
法が記載されている。内燃機関が定常状態になると、■
成分が所定の最大値まで戻される。この場合積分傾斜は
純粋な開ループ制御であって内燃機関の駆動面発生する
長期的あるいは短期的な全てのドリフト現象を完全に補
償することができない。さらにこの積分傾斜の調整は定
常状態にある時のみイ（効となるものである。

ハ）１−１的 従って本発明はこのような点に鑑み成されたもので混合
気組成を筒中な方法で最適に調節し走行特性を向上させ
るとともに有害排気ガスの発生を減少できる内燃機関の
混合気調整装置を提供することを１１的とする。

ニ）発明の構成 本発明は上記目的を達成するためにＰＩ（比例積分）特
性を有する調節装置の出方信号の振動を縦続制御（カス
ケード制御）を介してその振幅が所定の値となるように
調節する構成を採用した。

ホ）実施例 以下、図面に示す実施例に基づき本発明の詳細な説明す
る。実施例は燃料噴射装置に関庫して説明されるが、ラ
ムダ制御（空燃比フィードバック制御゛）は混合気がど
のような方法で形成されるかには無関係なので１本発明
は例えばキヤプレタ装＋’＋’Ｊにも適用できるもので
ある。

第１図において符号１０で示すものは信号形成回路であ
り、入力信号として負荷センサ１１．回転数センサ１２
が信号形成回路１０に入力され、期間ｔｐの噴射パルス
が基本制御値として出方される。この基本制御値は補正
回路１３において、例えば内燃機関に温度（θ）あるい
は加速度並びに特にラムダ補正係数に従って補正される
。この補ｉ［：、されたパルスｔｉが内燃機関の吸気管
（図示せず）の領域に配置された噴射（１’１４に４Ｊ
＃、給される。符号１５で図示された排気ガスセンサか
らの出力信号は好ましくはＰＩ特性（比例積分特性）を
イイする調節器１６に入力される。この調節器１６にお
いてさらに入力端子１７を介して得られる内燃機関の動
作量（パラメータ）に従ってラムグ補＋Ｅ係数Ｆｒが形
成されそれが補ＩＦ回路１３に入力される。

内燃機関の混合気調整装置に対する要件が厳しくなって
いることにより、今１１ではもっばらコンピュータを用
いた解決方法が用いられるようになっている。そのよう
な方法を第２図を参照して概略説明する。

’ｊＪ　”’ｉ　２０で示すものはコンピュータ（ＣＰ
Ｕ）であり、このコンピューターはデータ制御ならびに
アドレス７ヘス２１を介してメモリ２２と人出カニニッ
ト２３に接続される。入出カニニット２３には排気ガス
センサ１５かもの信号以外に種々の入力信号ＩＫが・人
力され、−力出力側には噴射時間信壮等種々の出力信号
Ｏにが出力される。第２図に図示したコンピュータの動
作は、プログラムに従って定まり、今日では内燃機関を
電子制御する場合、プログラムを構成する−に当業者に
は何ら問題ではないので、本発明をプログラムの形では
なく、ブロック図をもとにして説明する。後述する実施
例がハードウェア的に実現されるかあるいはコンピュー
タを用いたプログラムにより実現されるかは本発明の基
本的考え方に影響をグーえるものではない。

第３図には噴射基本値を補正する補正係数Ｆｒが任小、
の中位で時間ｔに対して図示されている。

信号形状は本実施例の場合Ｉ成分（積分成分）並びにＰ
成分（比例成分）からなっている。本実施例の場合、排
気カスセンサｌオ酸素センサ（ラムタセンサ）として構
成されており、その出力信号はほぼ２つの値、即ち濃厚
な混合気に対してはハイレベルの信号をまた希薄な混合
気に対してはローレベルの信号となるので、補正係数Ｆ
ｒの信号形状は次のようになる。即ち、酸素センサの出
力信号が濃いものから希薄なものないし希薄から濃いも
のに変わった場合、各々調整器１６の出力にはＰ成分が
支配的となる。一方、センサ信号がいずれかの出力状ｙ
ｌｉに止まっている間は積分成分がイＩ効となる。調節
器の積分成分が有効となる時間はドにカスが内燃機関を
伝播する時間に基づく遅延時間に関係している。従って
第３ａ図〜第３ｃ図に図示したようにＩ、γ続した振動
が発生する。第３ａ図に図示したように１八までの量制
御振動の１１均値はＦｒ＝１となることがわかる。この
ことはその駆動状態で噴射埴に対する基本制御値が１［
−しく選ばれており、従ってラムタ制御により補ｉｆコ
する必要がないことを、（１，味する。−〕ｊＬ八と４
日の間ではこの駆動条件で噴射早−に対する基本制御（
ｔｒｉが誤っているので、ラト夕制御により補ｉｔ−が
行なわれる。センサからの出力信号が両レベルのいずれ
か　方のレベルにある時には調節器の出力値ｔ）Ｆ　ｒ
は積分成分を介して変化され、これは燃料噴射早が補Ｉ
Ｆ回路１３を介して所望の値に補正されるまで続く。こ
の例の場合補１Ｆ係敗Ｆｒの平均値はｌよりも大きな値
のところを中心として変動しているので、基本制御値が
少なめの燃料の都に対応していると判断される。同様に
この例から基本制御値が必ずしも正しいものでなくても
制御振動は過渡状態で大きくならないことが理解できる
。Ｐ成分並びに■成分に起因する制御振動の振幅値は各
成分を適当に選び遅延時間が一定であるとすると過渡状
態で常に等しい値となるので、それにより最適の制御周
波数が得られる。

一方第３ｂ図に図示したように制御系の遅延時間が変化
すると状況はＷ４著に変化する。制御系の遅延時間は回
転数並ひに負荷に大きく作用されるので、このような遅
延時間の変動が頻繁に発生する。を八とｔｅ間で遅延時
間が大きくなることにより調節器１７に積分特性に起因
して制御振動の振幅が人きくなる。振幅がかなり大きく
なる極端な例の場合には内燃機関の回転トルクが変動し
、それによって回転の円清廉が失なわれ、有害な胡気カ
ス放出が増大する。ざらにＰ成分並びに■成分に基づく
制御振動の振幅間に最適な関係が得られなくなり、制御
振動の周波数が減少することにより全体の装置が緩慢な
特性となってしまう。

また第３ｃ図に図示したように酸素センサの出力信号が
濃いものから薄いものに変動した場合Ｐ成分が０にセン
トされるので、多くの場合意識的にもたらされるラトダ
変位が生じる。このラムダ変位は・般的に濃いものから
薄いものへの変動と薄いものから濃いものへの変動間に
おけるＰ成分が異なることによって発生する。この場合
Ｐ成分は０である必要はない。このラトダ変位の度合が
とれほどかはＦｒ＝１とした場合のその線よりＬ側の面
積部分とＬ側の面積部分の差によって定められる。この
場合もＬ八とｔ日の間で制御系の遅延１１１１間が人き
くなると仮定する。制御振動の振幅はそれにより増大す
ることによって補正係数Ｆｒも変動するので、意識的に
もたらされるラムダ変位はこの振動振幅に関係する。

１、述した点に鑑み本発明では調節器１７の■成分の傾
斜を次のように、即ち、先行する制御振幅に１べ“−：
し、所定の１１標振幅ｉｆｆに達するまで傾斜を補１１
するようにしている。振動振幅の正確な値を個々にめる
ようにする。制御振幅を大きくすると各々発生する外乱
を急速に克服することができるが、制御振幅が大きくな
るとともに内燃機関の円清廉は失なわれる。従って内燃
機関を装備した自動用の乗り心地が阻害される限界値よ
りわずかドの振動振幅になるように調節が行なわれる。

第２に、その場合発生する排気ガスの変動を考慮するよ
うにする。その場合後に設けられた触媒による緩衝効果
がこの変動を大部分吸収してしまうことを考慮しておく
。このようにして制御振動の振幅の上限を走行特性によ
るか、あるいは排気カス放出を考慮した上方しきい値に
よって設定する。この制御振動の振幅をどのような値に
するかは当業者にとっては何ら問題なくルーチン作業に
属するものである。

第４図には本発明による混合気調整装置の実施例か図示
されている６排気カスセンサ１５からの出力信号は比較
段４１に導かれ、そこで［１標値Ｕｓｏｌ１４２と比較
される。その比較結果は調節器１６の入力端子に供給さ
れる。調節器１６の出力値’ｔ！ｙＦｒは例えば噴射時
間を補ＩＦするのに用いられる。調節器１６は比例動作
回路４３とそれに並列に接続された積分動作回路４４な
らびに補正段４５とから構成される。

ｔ、ＩＩ気カスセンサ１５の出力信号はさらにスイッチ
４８．４９を作動させる２つの単安定マルチバイブレー
ク４６．４７に供給される。その場合単安定マルチバイ
ブ１／−夕４６はＪＪ）気ガスセンサ１５の出力信号の
１１′のｉ’／ニー１：り端に、また単安定マルチバイ
ブレーク４７は負の立トリ端に紀：答する。スイッチ４
８．４９を介して調節器１６の出力信号Ｆｒは各々サン
プリングホール］・回路５０．５］の入力端ｒに供給さ
れる。このサンプリングホールＩ・回路５０．５１の出
力信号は調節’Ａ：４１６の比例動作回路４３の信号と
ともに比較段５２に供給される。１ｌｉｌｌ　′Ｇ′１
回路５３において比較段５２の出力信号１ｉｓｔと１１
標値１５ｏｌ１５４の商が形成される。この商は比較段
５５において目標値５６と比較され、その結果が他の信
号とともに掛算回路５７に供給される。掛算回路５７の
１１１力信号は電圧周波数変換器６０ならびにスイッチ
５８を介してカウンタ５９に人力される。カウンタ５９
のカウント方向は各々スイッチ５８の位置に従って定ま
る。その場合スイッチ５８は排気カスセンサ１５の出力
信号の変化毎に作動される。カウンタ５９の内容により
補止段４５ならびに掛算回路５７が変化される。さらに
掛算回路５７には他の信号Ｇｆが印加される。なお、例
えば空気流’ｉ（Ｑ　Ｌ　１絞リブを開度α９回転数ｎ
あるいは圧力ｐτ・種々のパラメータが入力される負荷
識別回路６エからの信号を補ＩＦ段４５に入力し、積分
傾斜を補ｉＥするのが望ましい。次にこのような構成の
動作を説明する。排気ガスセンサ１５の出力信号が切り
替る時点で制御振動の振幅値がサンプリングホールド回
路５０．５１に格納される。比較段５２において振幅の
差が形成されるので、その出力には制御振動の振幅値が
得られる。その場合純粋に積分成分に基づく振幅値だけ
をめるために比較段５２においてＰ成分が除去される。

なお、多くの場合除去すべきＰ成分を純粋に３１算的に
０にするのが好ましいことが判明して５ｘる。と（Ｘう
のはそれにより演算コストを減少できるからである。比
較段５２の出力信号を所定の目標値Ｉ　５ｏｆｔ５４に
にって割算し、続いて比較段５５におＩ／）てこの商の
イボ１と１１標仙（ｌの値をとる）５６と比較し、続い
て掛ａ回路５７においてカウンタ５９の出力信号と掛け
ａする。電圧周波数変換器６０を介して掛算回路５７の
出力信号によりカウンタ５９のカウント速度が変化ｙれ
る。補正段４５によりカウンタ５９のカウント状態に従
い制御振動５の■成分の傾斜が調節される。

回転ａｎ、絞リブす開度α、空気流￥Ｑ等のパラメータ
か入力される負夕■識別回路６１を介して内燃機関の負
荷に応じ制御信号のＩ成分が基本制御される。このよう
な構成か例えばドイツ特１；１公開公報第２２２９９２
８！、；に記載されている。

このような構成はほぼ３つの機能、即ち積分傾斜の測定
、１１標傾斜値との比較、ならびに積分＃１斜の補正の
３つの機能を行なわなければならない。制御振動は搏気
カスセンサの出力信号が希薄なものから濃いものに変動
する時点で最大値ＡＯを有し、また濃厚なものから希薄
なものに変動する場合に最小値Ａｕを有するので、これ
らの両極値を記憶し、続いて差を形成することにより振
幅の実際値Ａｉ＝Ａｏ−Ａｕが形成される。

ここで比例成分Ｐを取り除くと、純粋にＩ成分だけに基
づく制御振動の振幅値Ｉ　ｉ＝Ａ　ｉ−Ｐが得られる。

その場合Ｐ成分は非対称な値、即ち排気ガスセンサの出
力信号が希薄なものから濃厚なものへ変動する場合と濃
厚なものから希薄なものに変動する場合とで異なる値を
有する。新しいサイクルに対する工成分の傾斜Ｓｎは前
のサイクルにおけるＩ成分の傾斜Ｓａから ５ Ｓｎ＝−命Ｓａ Ｉｉ の式に従い５（算される。

５ Ｓｎ＝Ｓａ＋ΔＳ　＝−・Ｓ　ａ ｉ であることから積分傾斜の変化ΔＳに対してが得られる
。但しＩｓは振幅の［１標値で第４図のｌ５ｏｌｌに対
応し、Ｉｉは振幅の実際値でＩ　ｉｓｔに対応する。

基本制御値が変化した場合ないし突然外乱が発７１した
場合Ｆｒの・１・８均値が変位し、それによって前の＝
１’均仙との偏差を積分時間を長くすることにより補償
しなければならないので、振幅値が増大することにより
新しい積分傾斜を旧ｐする場合不ＩＩ確になる。これを
ａ！Ｈするために、はぼｌよりも小さな伯を有する千み
係数Ｇｆを１４人する。このような処置をとることによ
り積分（１／Ｉ斜における変化速度を減少することがで
きるので、数回振動した後傾斜は＋９＋　’？！のイ１
ｒｉとなる。振動の・＋ｉ均値移動により増大した傾斜
の影響はこれ番ごより顕著に抑圧寸−ることか０３る。

・１・均値移動を抑ハ４−る他の方法は、制御振動の１
成分によ−〕でのみ起される振幅（ｆｉ　Ｉの比較に代
え全体の振幅値Ａ＝Ｉ＋Ｐを用いて比較する方法である
。そのために比較段５２において除去すべきＰ成分をセ
ットする。これによっても同様に積分傾斜の変化速度を
減少させることができる。さらにそのような１段により
計（転）コストを減少することもできる。なおここで当
業者にはこれらをアナログ的に用いて実現するかデジタ
ルコンピュータ制御により実現するかは何ら問題のない
ことであることに注意しておく。

次にコンピュータ制御を用いた例における制御の流れを
フローチャートを参照して説明する。

即ち第６図において始動後ステップＳｌにおいて濃い（
リッチ）から薄い（リーン）あるいは薄いから儂いへの
変動が判別され、変動がある場合にはステップＳ２にお
いて濃いか否かが判断される。濃い場合にはステップＳ
３においてｈ４小振幅値をＡｕ、最大振幅値をＡ　ｏ　
、　＋ＩＥの比例成分をＰｐとして積分成分に基づく実
際の振幅値ｌ１＝Ａｏ−Ａｕ−ＰｐをＡＩ算し、また薄
い場合にはステップＳ４において負の比例成分をＰｎと
して実際の振幅値１　ｉ　＝Ａ　ｏ−Ａｕ−Ｐｎを計算
する。

続いてステップＳ５において各々新しい傾斜（＋ｆ４　
Ｓｎ＝５ａ＋ｓａ　−Ｇｆ　争　［（Ｉｓ／ｌ１）−１
］をめステフプＳ６．Ｓ７において補止係数Ｆｒをめ、
ステフプＳ８において最終的に補正係数をめる。またス
テフプＳ１において変動がないと判断された場合にはス
テフプＳ８においてそこに記載された式に従い補正係数
をめる。但しステフプＳ８の式においてＳｖは積分傾斜
の基本値、Ｕｓｏｌｌは排気ガスセンサの１１標値電圧
、Ｕｉｓｔは活気ガスセンサの実際値電圧である。

第５図には本発明による混合器調整装置における調節器
の出力信号である補正係数Ｆｒが時間に関して図示され
ている。しへの時点で基本制御値が突然変動するととも
に制御系の遅延時間も同時に変動する（第３ａ図と第３
ｂ図が同時に発生する）。本発明によればこの両方が同
時に変動してもほぼ２〜３回振動ザイクルが経過した後
は目標振幅値になるように積分傾斜が適合（調整）され
ることが理解できる。

全体として本発明による装置により制御周波数を最大に
することができる。というのは制御振動のＰ成分ならび
に工成分に基づく振幅を特に積分傾斜を適合させること
により同じ値に設定でき、従って調節器を常に最適に動
作させることができるからである。エンジンないしは排
気ガスセンサの製造誤差があった場合でも、またエンジ
ンならびに抽気ガスセンサが長期間の後に変動したとし
ても積分傾斜を適合化させることによりそれを最適に補
償することができる。上述した実施例は噴射装置をもと
にして説明したが、本発明は混合器がどのような方法で
形成されるかに無関係に実施できるものである。

なお過渡状態において制御振動のＰならびに■成分に基
づく振幅値を等しい値にすることにより、ラムダ制御の
制御周波数を最適値にすることかできる。

また制御振動のモ均値を、ＰあるいはＩ成分を非対称に
することにより意識的に移動させた場合に好ましい結果
が得られる。このような非対称な制御振動はラムダ変位
を発生するために必要となるものである。というのはラ
ムダセンサからの信号がほぼ２進的な値をとるので他の
ラムダ目標値を介してラムダ値を移動させることができ
ないからである。しかしラムダ移動量の値は制御振動の
振幅に依存しているので、一定値に制御される振動振幅
に対する障害となる依存性は作用しなくなる。

へ）効果 以に説明したように本発明によれば積分傾斜を適合化す
ることにより制御振動の振幅値を所定の値に調節できる
のでエンジンならびに抽気ガスセンサの製造誤差や、こ
れらの長期間に渡る変動にも適合化させることができ、
さらに本発明では内燃機関の走行特性と排気ガス特性を
最適に／ヘランスさせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の電子制御による混合器調整装置の概
略構成を示したブロック図、第２図はマイクロコンピュ
ータを用いたラムダ制御の構成を示す概略プロアク図、
第３ａ図から第３ｃ図はラムダ調節器の出力信号を示し
た信号波形図、第４１ｇＪは本発明による制御装置の概
略構成を説明するブロック図、第５図は第４図の調節器
の出方信号を示す信号波形図、第６図は制御の流れを示
すフローチャー１・図である。 ｌＯ・・・信号形成回路　１１・・・負荷センサ１２・
・・回転数センサ　１３・・・補正回路１４・・・噴射
弁　１５・・・胡気ガスセンサ１６・・・調節器　４１
・・・比較段 ４５・・・補ｊＥ段 ４６．４７・・・単安定マルチバイブレータ５０．５１
・・・サンプリングボールド回路５２・・・比較段　５
３・・・割算回路５７・・・掛算回路　５９・・・カウ
ンタ第１頁の続き ０発　明　者　エルンスト・ヴイルト　ドインシ ソ連邦共和国７２５１ヴアイスザッハ・フラハト・ハル
デュトラーセ　２３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）内燃機関の刊気カス中に配置されて空気比を検出し
   、好ましくは２位置動作特性を有する排気ガスセンサを
   備え、その排気カスセンサの信号がｋｒましくは比例積
   分動作特性を有する調節装置に人力され、その調節装置
   の出力信号によって混合気Ｍｌ成が補止される内燃機関
   の混合気調整装置において、調節装；古からの出力信号
   の振動振幅値を縦続制御により所定の振幅値に調節する
   ようにしたことを特徴とする内燃機関の混合気調整装置
   。 ２）縦続制御により制御振動に含まれる積分成分を調節
   するようにしたことを特徴とする特１負請求の範囲第１
   項に記載の内燃機関の混合気調整装置。 ３）制御２１振動に含まれる比例成分を所定の値に設定
   するかあるいは制御振動の振幅値に関係させるようにし
   た特、；１請求の範囲第１項または第２項に記載の内燃
   機関の混合気調整装置。 ４）制御振動に含まれる積分成分の振幅値を過渡状態で
   比例成分の振幅値と同じ値にするようにした特許請求の
   範囲第２項または第３項に記載の内燃機関の混合気調整
   装置。 ５）制御振動の積分成分に基づく傾斜の実際値をめ、そ
   れを１］標値と比較し、その比較を介し積分成分の傾斜
   を補正するようにした特許請求の範囲第２項、第３項ま
   たは第４項に記載の内燃機関の混合気調整装置。 ｅ　）　ｔＩｉ目）ＩＩ振動の振幅値の実際値をめ、そ
   れを１−１標値と比較し、その比較結果に基づｙ積分成
   分の傾斜を補止するようにした特許請求の範囲第１項か
   ら第５項までのいずれか１項に記載の内燃機関の混合気
   調整装置。 ７）制御振動の積分成分の傾斜値を少なくとも内燃機関
   の負荷状態に関係する内燃機関の動作穴に従って基本制
   御するようにした特許請求の範囲第２項から第６項まで
   のいずれか１項に記載の内燃機関の混合気調整装置。 ８）縦続制御による積分成分への影響を重み係数により
   調節できるようにした特許請求の範囲第２項から７５７
   項までのいずれか１項に記載の内燃機関の混合気調整装
   置。 ８　）　＋ｉｉｉ記重み係数を１より小さい値にするよ
   うにした＃Ｓ　、Ｍ請求の範囲第８項に記載の内燃機関
   のｎ合気調整装置。 １０）調節装置の出力信号により混合気組成を定める基
   本値を補ｉＥするようにした特許請求の範囲第１ダＩか
   ら第９項までのいずれか１項に記載の内燃機関の混合気
   調整装置。