(57)【要約】【課題】排気系の上流側および下流側に設けた二つの空燃比センサを用いて高精度に空燃比を帰還制御するシステムにおいて、気筒毎の空燃比ばらつきにより生ずる低速回転時排気系局所的空燃比変動に基づく空燃比制御の乱れを解消する。【解決手段】ステップＳ１で機関回転速度が所定値以上であると判定された場合およびステップＳ２で機関が過渡運転状態にあると判定はされた場合はステップＳ３に進み上流側空燃比センサで帰還空燃比制御を行う。回転速度が所定以下でかつ過渡運転状態でない場合はステップＳ４に進み下流側空燃比センサで帰還空燃比制御を行う。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関排気系の上流部に設けられた上流側空燃比センサと、前記内燃機関排気系の下流部に設けられた下流側空燃比センサと、
前記内燃機関の回転速度を検出する回転数センサと、
前記上流側空燃比センサおよび下流側空燃比センサの検出出力に基づき前記内燃機関の空燃比を帰還制御する制御回路と、
を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記内燃機関の回転速度が所定値を下回る場合は下流側空燃比センサを空燃比制御のための主たるセンサとして使用するよう選択する選択手段を有することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関の過渡運転状態を検出する過渡状態検出センサを更に備え、
該過渡状態検出手段が前記内燃機関の過渡運転状態を検出した場合は機関回転速度にかかわらず前記上流側空燃比センサを空燃比制御のための主たるセンサとして使用することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【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するものであって、特に機関排気系の上流側および下流側に設けた二つの空燃比センサを用いて高精度に空燃比を帰還制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気系の上流側および下流側に設けた二つの空燃比センサを用いて高精度に空燃比を帰還制御する内燃機関の空燃比制御装置は、たとえば特許第２５１８２４７号公報に示されている（以下、該技術を前記特許公報の記載のごとくダブルＯ２センサシステムと称する）。ダブルＯ２センサシステムは排気系の上流側および下流側たとえば触媒コンバータの上流側および下流側にそれぞれ空燃比センサを設け、応答速度は低いものの出力特性のばらつきが小さい下流側空燃比センサの特性を利用し、上流側空燃比センサの出力特性のばらつきを下流側空燃比センサで吸収し排気エミッション特性を良好に維持しようとするものである。
【０００３】
以下、前記特許公報に示されたダブルＯ２センサシステムを第４図をもとに説明する。図において帰還本体１の吸気通路２にはエアフローメータ３が設けられている。エアフローメータ３は吸入空気量を直接計測するものであって、ポテンショメータを内臓して吸入空気量に比例したアナログ電圧の出力信号を発生する。この出力信号は制御回路１０のマルチプレクサ内臓Ａ／Ｄ変換器１０１に供給されている。ディストリビュータ４には、その軸がたとえばクランク角に換算して７２０°毎に基準位置検出用パルス信号を発生するクランク角センサ５およびクランク角に換算して３０°毎に基準位置検出用パルス信号を発生するクランク角センサ６が設けられている。これらクランク角センサ５，６のパルス信号は制御回路１０の入出力インターフェイス１０２に供給され、このうち、クランク角センサ６の出力はＣＰＵ１０３の割り込み端子に供給される。
【０００４】
さらに、吸気通路２には各気筒毎に燃料供給系から加圧燃料を吸気ポートへ供給するための燃料噴射弁７が設けられている。
【０００５】
また、帰還本体１のシリンダブロックのウォータージャケット８には、冷却水の温度を検出するための水温センサ９が設けられている。水温センサ９は冷却水の温度ＴＨＷに応じたアナログ電圧の電気信号を発生する。この出力もＡ／Ｄ変換機１０１に供給されている。
排気マニホールド１１より下流の排気系には、排気ガス中の３つの有害成分ＨＣ，ＣＯ，ＮＯＸを同時に浄化する三元触媒を収容する触媒コンバータ１２が設けられている。
【０００６】
排気マニホールド１１には、すなわち触媒コンバータ１２の上流側には上流側空燃比センサ１３が設けられ、触媒コンバータ１２の下流側の排気管１４には下流側空燃比センサ１５が設けられている。空燃比センサ１３，１５は排気中の酸素濃度に応じた電気信号を発生するＯ２センサより成る。
【０００７】
制御回路１０はたとえばマイクロコンピュータとして構成され、Ａ／Ｄ変換器１０１、入出力インターフェイス１０２、ＣＰＵ１０３の外に，ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、バックアップＲＡＭ１０６、クロック発生回路１０７等が設けられている。
【０００８】
また制御回路１０において、ダウンカウンタ１０８、フリップフロップ１０９、および駆動回路１１０は燃料噴射弁７を制御するためのものである。なお、ＣＰＵ１０３の割り込み発生はＡ／Ｄ変換器１０１のＡ／Ｄ変換終了時、入出力インターフェイス１０２がクランク角センサ６のパルス信号を受信した時、クロック発生回路１０７からの割込信号を受信した時、等である。
【０００９】
エアフローメータ３の吸入空気量データＱおよび冷却水温データＴＨＷは所定時間毎に実行されるＡ／Ｄ変換ルーチンによって取込まれてＲＡＭ１０５の所定領域に格納される。つまり、ＲＡＭ１０５におけるデータＱおよびＴＨＷは所定時間毎に濃い芯されている。また、回転速度データＮｅはクランク角センサ６の３０°ＣＡ毎の割込みによって演算されてＲＡＭ１０５の所定領域に格納される。
【００１０】
このダブルＯ２センサシステムにおいては上流側空燃比センサ出力に基づく空燃比帰還制御を主たる（第１の）空燃比制御として、たとえば４ミリ秒毎に実施し、下流側空燃比センサ出力に基づいて第１の空燃比制御の帰還制御定数を変更する従たる（第２の）空燃比帰還制御を第１の空燃比帰還制御よりも少ない頻度でたとえば１秒ごとに実施する。それにより空燃比の大きなずれを防止しようとするものである。
【００１１】
ところが、この従来技術は上流側空燃比センサに基づく帰還制御を主たる制御として実施しているため、次のような問題点を生ずる。
【００１２】
機関吸気系には前記燃料噴射弁７が通常気筒毎に設けられるが、この噴射弁７の特性のばらつきにより気筒毎の燃料噴射量がばらつく場合がある。また、一つの燃料噴射弁で複数の気筒に燃料を供給する場合やキャブレタを使用する場合には吸気マニホールドの特性により各気筒ごとの燃料供給量や空気供給量がばらつく場合がある。これらの原因により空燃比も気筒毎にばらつき、その結果排気マニホールドに排出される排気の空燃比が微小間隔で、たとえば１秒間に数回の割合で変動することになる。この変動は局所的なものであり、排気管後方では排気の混合が十分に進むのでこの局所的空燃比変動はなくなる。
【００１３】
単一の空燃比センサは本来この変動を解消した空燃比を検出して帰還制御を行うべきものであるが、前記上流側空燃比センサは排気上流部のこの局所的空燃比変動を検出して余計な空燃比制御を行ってしまうので、空燃比が収束せずに大きくばらついてしまうという問題を生ずる。
【００１４】
この局所的空燃比変動による空燃比制御の乱れを解消する技術として、実公平６‐２１０１５号公報に記載された技術がある。この実用新案公報記載のものは排気系に排気攪拌手段としての機能を持つ排気タービンを設置し、その上流側に空燃比センサたる第１の酸素センサを、下流側に空燃比センサたる第２の酸素センサを各々設け、第１の酸素センサの出力が所定の判定用電圧を超え、かつ第１の酸素センサと第２の酸素センサの出力電圧の差が所定の異常判定用差電圧を越えた場合に、排気下流側の第２の酸素センサを用いるようにして局所的空燃比変動による空燃比制御の乱れを解消するようにしている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前記局所的空燃比変動による空燃比制御の乱れが問題となる運転条件は排気の流速が小さく排気の攪拌が進まない低速回転時である。ところが、前記実用新案公報記載の技術では公報４頁左欄３３行から４１行までの記載からもわかるとおり低速回転時に上流側空燃比センサの使用を推奨しており、低速回転時の空燃比制御の乱れを解消することは出来ない。
【００１６】
この発明は低速回転時に排気系の局所的空燃比変動に基づく空燃比制御の乱れを解消することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の基本構成は第１図に示すように、
内燃機関排気系の上流部に設けられた上流側空燃比センサ５１と、前記内燃機関排気系の下流部に設けられた下流側空燃比センサ５２と、
前記内燃機関の回転速度を検出する回転数センサ５３と、
前記上流側空燃比センサ５１および下流側空燃比センサ５２の検出出力に基づき前記内燃機関の空燃比を帰還制御する制御回路５４と、
を備えた内燃機関の空燃比制御装置において、
前記内燃機関の回転速度が所定値を下回る場合は下流側空燃比センサ５２を空燃比制御のための主たるセンサとして使用するよう選択する選択手段５５を有することを特徴とする。
【００１８】
内燃機関の回転速度が所定値を下回る場合は下流側空燃比センサ５２を空燃比制御のための主たるセンサとして使用するよう選択することにより、低速回転時に排気マニホールドに排出される排気に局所的空燃比変動が発生しても下流のセンサ部では排気が十分混合しているので変動分を誤検出することが避けられる。
【００１９】
さらに好ましくは第２図に示すように
前記内燃機関の過渡運転状態を検出する過渡状態検出手段５６を更に備え、
該過渡状態検出手段が前記内燃機関の過渡運転状態を検出した場合は機関回転速度にかかわらず前記上流側空燃比センサ５１を空燃比制御のための主たるセンサとして使用することを特徴とする。
【００２０】
過渡運転状態では運転状態の変化による排気空燃比変化に迅速に追随して空燃比帰還制御を実施する必要があるので、応答性を優先して上流側空燃比センサ５１を空燃比制御のための主たるセンサとして使用する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面をもとに説明する。尚、本実施例のハード構成および基本的空燃比制御方法は前記第４図に示す特許第２５１８２４７号公報に示されたダブルＯ２センサシステムと同一であるのでその説明を省略し、制御回路１０で実行される使用空燃比センサの切換制御について第３図をもとに説明する。まずステップＳ１では機関回転速度が所定値以下であるか否かが判定される。機関回転速度が所定値を上回る場合はステップＳ３に進み上流側空燃比センサを空燃比制御のための主たるセンサとして選択する。ステップＳ１で機関回転速度が所定値以下である場合にはステップＳ２に進み更に機関が過渡運転状態にあるか否かの判定を行う。この判定は、アクセルペダルやスロットルバルブの開度変化速度が所定値を超えることを以って過渡と判定する方法、エアフローメータ３の出力変化速度が所定値を超えることを以って過渡と判定する方法、燃料噴射弁の噴射パルス幅の変化速度が所定値を超えることを以って過渡と判定する方法、スロットルバルブ下流の吸気通路内部の圧力変化速度が所定値を超えることを以って過渡と判定する方法、機関で駆動される車両の車速の変化率（すなわち車両加減速度）が所定値を超えることを以って過渡と判定する方法、など、任意の方法で実施して良い。ステップＳ２で過渡運転状態と判定された場合はステップＳ３に進み上流側空燃比センサを空燃比制御のための主たるセンサとして選択する。ステップＳ２で過渡運転状態でないと判定された場合はステップＳ４に進み下流側空燃比センサを空燃比制御のための主たるセンサとして選択する。
【００２２】
ステップＳ３で上流側空燃比センサが空燃比制御のための主たるセンサとして選択された場合には前記特許第２５１８２４７号公報に記載の発明と同様に上流側空燃比センサ出力に基づく空燃比帰還制御を主たる（第１の）空燃比制御として、たとえば４ミリ秒毎に実施し、下流側空燃比センサ出力に基づいて第１の空燃比制御の帰還制御定数を変更する従たる（第２の）空燃比帰還制御を第１の空燃比帰還制御よりも少ない頻度でたとえば１秒ごとに実施する。それにより空燃比の大きなずれを防止する。
【００２３】
ステップＳ４で下流側空燃比センサが空燃比制御のための主たるセンサとして選択された場合には下流側空燃比センサに基づく空燃比帰還制御が実施される。下流側空燃比センサの位置では排気が十分混合しているので局所的な空燃比変動分を誤検出することが避けられ、安定した空燃比制御を実施できる。
【００２４】
尚上記実施例では排気系に三元触媒コンバータ１２を設けた場合を示したが、三元触媒の上流側に早期暖機可能な始動用触媒装置を設け、該始動用触媒装置のさらに上流側に前記上流側空燃比センサ１３を設置しても良い。その場合、下流側空燃比センサ１５を始動用触媒装置とメインの三元触媒コンバータ１２との間に設置しても良い。また、三元触媒コンバータ１２に代えてＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いても良い。更に本発明は触媒装置を持たずに空燃比帰還制御を行う内燃機関に適用することも可能である。その場合は排気管自体だけで排気を攪拌混合することとなる。
【００２５】
空燃比センサはＯ２センサ（理論空燃比を境に出力が急変するタイプのセンサ）またはＡ／Ｆセンサ（空燃比の変化に応じて出力が連続的に変化するタイプのセンサ）を用いることが出来る。
【００２６】
さらに下流側空燃比センサ１５は実施例のごとく実体として排気系下流部に設けられるもの以外に、上流側空燃比センサ１３の出力をもとに制御回路１０内で仮想的に生成されるものを用いても良い。すなわち制御回路内で過去の上流側空燃比センサ１３の出力をサンプリングしてその平均値を算出すれば、この平均値は排気管内部で攪拌混合された排気の空燃比を検出するのと等価となるので、この値を下流側空燃比センサ出力として用いて良い。この場合はサンプリングの回数や平均化処理の時間を変更することが下流側空燃比センサの排気管長さ方向の取り付け位置を変更することと等価となるので、これらを機関回転速度に応じて変更する、すなわち低回転になるほどサンプリング数を多くしたり平均化の処理時間を長くするようにすれば、さらに最適な制御が行える。
【００２７】
【発明の効果】
内燃機関の回転速度が所定値を下回る場合は下流側空燃比センサを空燃比制御のための主たるセンサとして使用することにより、低速回転時に排気系の局所的空燃比変動に基づく空燃比制御の乱れを解消することが出来る。
【００２８】
さらに好ましくは、内燃機関の過渡運転状態を検出した場合は機関回転速度にかかわらず上流側空燃比センサを空燃比制御のための主たるセンサとして使用することにより、運転状態の変化による排気空燃比変化に迅速に追随して空燃比帰還制御を実施することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的構成を示す全体ブロック図。
【図２】本発明のさらに好ましい構成を示す全体ブロック図。
【図３】本発明実施例の制御を示すフローチャート。
【図４】本発明実施例のハード構成を示す図。
【符号の説明】
３……エアフローメータ
４……ディストリビュータ
５，６…クランク角センサ
１０…・制御回路（制御回路）
１２…・三元触媒コンバータ
１３…・上流側空燃比センサ
１５…・上流側空燃比センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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