(57)【要約】【課題】内燃機関の回転数にあわせてサンプリング周波数を変更する等の特別の処理をすることなく簡便に空燃比検出精度を向上する。【解決手段】内燃機関のシリンダのクランク軸に設けられるパルス信号発生器と、前記内燃機関の排気系に設けられ排気中の酸素濃度に比例した出力を発生する酸素濃度センサと、前記酸素濃度センサの出力を、前記クランク軸の回転に同期しかつ前記内燃機関の上死点の周期より短い所定の周期で読み込む手段と、読み込んだ酸素濃度センサ出力の上死点周期間の積算値を算出し、この積算値に基づいて前記内燃機関の排気の空燃比を求める手段と、前記空燃比に基づいて前記内燃機関に供給される混合気の空燃比を制御する制御手段と、を有する内燃機関の空燃比制御装置を提供する。【選択図】図１
2004360523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダのクランク軸に設けられるパルス信号発生器と、
前記内燃機関の排気系に設けられ排気中の酸素濃度に比例した出力を発生する酸素濃度センサと、
前記酸素濃度センサの出力を、前記クランク軸の回転に同期しかつ前記内燃機関の上死点の周期より短い所定の周期で読み込む手段と、
読み込んだ酸素濃度センサ出力の上死点周期間の積算値を算出し、この積算値に基づいて前記内燃機関の排気の空燃比を求める手段と、
前記空燃比に基づいて前記内燃機関に供給される混合気の空燃比を制御する制御手段と、
を有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。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の空燃比制御の性能を改善するためには、空燃比の検出精度を向上させる必要がある。このような空燃比センサとして、複数の信号増幅素子を備え、空燃比の検出電圧値に応じて増幅度を切り替える手法が知られている（特許文献１参照）。この手法では、理論空燃比の近傍においては増幅度を通常より高めることにより、理論空燃比近傍の空燃比の検出精度を向上させている。
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−１０４３２４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関の空燃比制御に用いる空燃比センサは、機関近傍の排気系集合部に取り付けられることが多い。多気筒の内燃機関では、排気は各気筒の排気行程で排出されるため、空燃比センサから出力される信号の周波数特性が内燃機関の回転数により変化するという特徴を有する。従って、従来の手法では、空燃比の挙動を正確に捉えるためには、サンプリング周波数をエンジンの回転数に応じてＥＣＵ等で変化させる必要があった。
【０００５】
本発明は、このような電子的な処理を必要とせずに簡便かつ高精度に空燃比を検出して空燃比制御することが可能な制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態は、内燃機関のシリンダのクランク軸に設けられるパルス信号発生器と、前記内燃機関の排気系に設けられ排気中の酸素濃度に比例した出力を発生する酸素濃度センサと、前記酸素濃度センサの出力を、前記クランク軸の回転に同期しかつ前記内燃機関の上死点の周期より短い所定の周期で読み込む手段と、読み込んだ酸素濃度センサ出力の上死点周期間の積算値を算出し、この積算値に基づいて前記内燃機関の排気の空燃比を求める手段と、前記空燃比に基づいて前記内燃機関に供給される混合気の空燃比を制御する制御手段と、を有する内燃機関の空燃比制御装置である。
【０００７】
この形態によると、内燃機関の回転数と連動する上死点（ＴＤＣ）パルス信号を利用して空燃比センサのオーバーサンプリングを行うので、内燃機関の回転数にあわせてサンプリング周波数を変更する等の特別の処理をすることなく、簡便に空燃比検出精度を向上することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態である空燃比制御装置を備えた内燃機関（以下「エンジン」という）の概略構成図である。エンジン１は、例えばシリンダ１ｂ及びピストン１ａを備えた直列４気筒タイプのガソリンエンジン（図１には一気筒のみを示す）であり、ピストンとシリンダヘッドの間には燃焼室１ｃが形成されている。燃焼室１ｃには点火プラグ１８が取り付けられている。エンジン１の吸気管２には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されており、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）５の制御の下で燃料を噴射する。燃料噴射弁６から燃料が噴射されると、エンジン１の各気筒の燃焼室１ｃに混合気が供給され、燃焼室１ｃ内で燃焼が行われ、排気管１４に排気が排出される。
【０００９】
エンジン１への燃料供給量は、ＥＣＵ５からの駆動信号により燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを制御することによって決定される。また、ＥＣＵ５からの駆動信号により点火プラグ１８が放電することによって、燃焼室内で混合気の燃焼が行われる。
【００１０】
エンジン１の各気筒には、吸気・排気を行う吸気弁１７と排気弁１９とが備えられており、ＥＣＵ５からの駆動信号に応じて開度制御される。ＥＣＵ５は、各種センサにより検出されたエンジン回転数、吸気温、エンジン水温などに応じて吸気弁１７と排気弁１９の開閉タイミングを変化させて、運転条件に応じた最適なバルブタイミングを実現する。
【００１１】
吸気管２の途中には吸気管内を流れる空気の流量を調節する吸気絞り弁（ＤＢＷ：Ｄｒｉｖｅ  Ｂｙ  Ｗｉｒｅ）３が取り付けられ、開度θＴＨを制御するためのアクチュエータ（図示せず）に連結されている。アクチュエータはＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号によって吸気絞り弁開度θＴＨ、すなわち吸気量を変化させる。吸気管２の吸気絞り弁３より下流側には、吸気圧センサ８及び吸気温センサ９が取り付けられており、それぞれ吸気官内の圧力ＰＢ及び温度ＴＡを検出して、その信号をＥＣＵ５に送る。
【００１２】
エンジン１の本体には、水温センサ１０が取り付けられており、エンジンの冷却水温ＴＷを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。またエンジンには回転数センサ１３も取り付けられており、エンジン回転数ＮＥを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。
【００１３】
エンジンのクランクシャフト（図示せず）にはクランク角センサが取り付けられている。クランク角センサは、各シリンダにおけるピストンの吸気行程開始時の上死点位置付近の所定タイミングでクランクシャフトの１８０度回転毎にパルス信号であるＴＤＣ信号を出力する。さらに、クランクシャフトの３０度回転毎にも回転同期パルスが出力される（図５参照）。
【００１４】
排気管１４を通過した排気は、排気浄化装置１５に流入する。排気浄化装置１５の上流側には、排気の広範囲の空燃比に渡ってそれに比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１６が設けられる。ＬＡＦセンサ１６は、上記３０度毎の回転同期パルスをトリガ信号とし、空燃比出力のオーバーサンプリングを行う。空燃比検出タイミングは、上記ＴＤＣパルスをトリガとする（図５中の「ステージ０」に対応する）。ＬＡＦセンサ１６の構造は図２を参照して後述する。
【００１５】
ＥＣＵ５はコンピュータで構成されており、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース５ａ、プログラムおよびデータを格納するＲＯＭや実行時に必要なプログラムおよびデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭからなるメモリ５ｃ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ５ｂ、および各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄを備えている。上記各センサからの信号は入力インターフェースにより受信され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って処理される。
【００１６】
ＥＣＵ５は、エンジン回転速度やアクセル開度といった運転条件を検出し、予め定められているマップを検索して要求トルクを算出する。続いて、要求トルクに対応した基本燃料噴射量を算出し、さらに燃料を噴射する時期を決定する。そして、燃料噴射弁６は、ＥＣＵ５からの制御信号に従って、燃料を燃焼室内に噴射する。
【００１７】
またＥＣＵ５は、各センサの入力に基づいて、エンジン１の運転状態を判別する。そして、ＲＯＭに記憶された制御プログラム等に従って、点火プラグ１８の点火時期や吸気絞り弁３の開度等を演算する。演算結果に応じた駆動信号を出力インターフェース５ｄを介して出力し、燃料噴射弁６、点火プラグ１８、吸気絞り弁３、吸気弁１７及び排気弁１９等を制御する。
【００１８】
図２は、ＬＡＦセンサ１６の一例を示す図である。以下、ＬＡＦセンサの構造及び動作の概略を説明する。
【００１９】
酸素イオン伝導性の固体電解質材２０内には、気体滞留室２２及び大気基準室２４が形成されている。排気管１４内の排気導入孔２３を通って気体滞留室２２内に導かれる。大気基準室２４には大気が導入される。気体滞留室２２の両壁部には電極対２５及び２６が設けられる。電極対２５は酸素ポンプ素子として作用し、電極対２６は電池素子として作用する。また、大気基準室２４の外壁面にはヒータ素子が設けられている。図から分かるように、酸素ポンプ素子及び電池素子それぞれの一方の電極面２５ｂ、２６ｂが、測定対象の排気と接するようになっている。
【００２０】
固体電解質材２０は、例えば二酸化ジルコニウム等からなり、高温状態のとき酸素イオンに対して導電性を示す。両面に電極をつけた固体電解質材をヒータ素子により加熱し、それぞれの面に酸素分圧の異なるガスを接触させると、酸素イオンが電極間を移動することにより２つの電極間に起電力を生じるので、これを利用して気体滞留室２２内の酸素濃度を測定することができる。
【００２１】
次に、図３のフローチャートを参照して、ＬＡＦセンサ出力電圧のオーバーサンプリングについて説明する。
【００２２】
まず、ＬＡＦセンサ１６に設けられているヒータが通電されているか否かを判定する（Ｓ４０）。ヒータが通電状態にあれば、ステップＳ４２でＬＡＦセンサの出力電圧ＶＡＦＡＤの取り込みが許可されているときに「１」であるフラグＦＬＦＲＤが１であるかを判定する（Ｓ４２）。Ｓ４０またはＳ４２における判定がＮＯである場合は、ＬＡＦセンサ出力電圧ＶＬＡＦＡＤ１３の取り込みが終了したことを「１」で示すフラグＦＬＦＲＤＹに０をセットし（Ｓ５４）、またカウンタＣＬＦＢＵＦに０をセットして（Ｓ５６）、このルーチンを終了する。
【００２３】
ステップＳ４２でＦＬＦＲＤ＝１である場合は、レジスタＬＦＡＤ［ｉ−１］に格納されているＶＡＦＡＤを、ＬＦＡＤ［ｉ］に移しかえる処理をｉ＝０〜２３について行う（Ｓ４４）。続いて、今回の同期パルス信号におけるＬＡＦセンサの出力ＶＡＦＡＤをレジスタＬＦＡＤ［０］に格納する（Ｓ４６）。Ｓ１４及びＳ１６の処理を４ＴＤＣの間（つまり、２４パルス信号分）繰り返すことにより、４ＴＤＣに相当する分のＬＡＦセンサ出力ＶＡＦＡＤがＬＦＡＤ［０］〜ＬＦＡＤ［２３］に格納される。
【００２４】
続いて、後続のステップＳ５２でインクリメントされるカウンタＣＬＦＢＵＦの値が２３に達したか、つまり、２４パルス信号分のＬＡＦセンサ出力値の格納が終了したか否かを判定する（Ｓ４８）。終了していなければ、フラグＦＬＦＲＤＹに０をセットし（Ｓ５０）、続いてカウンタＣＬＦＢＵＦを１だけインクリメントして（Ｓ５２）、このルーチンを終了する。
【００２５】
ステップＳ４８でカウンタＣＬＦＢＵＦが２３に達したと判定されると、空燃比の検出タイミングであるときに０を示すＳＴＧ（図５参照）が０であるか否かを判定する（Ｓ５８）。ＳＴＧが０でなければ、このルーチンを終了する。ＳＴＧ＝０であれば、フラグＦＬＦＲＤＹに１をセットする（Ｓ６０）。
【００２６】
続いて、ステップＳ６２〜Ｓ６６で、ＬＦＡＤに格納されたＬＡＦセンサ出力の合計を計算する。まずｖｌａｆｄｓｕｍを０とし（Ｓ６２）、次にＬＦＡＤ［ｉ］を６パルス分加算して積算値ｖｌａｆｄｓｕｍを算出し（Ｓ６４）、これをＶＬＡＦＡＤ１３とする（Ｓ６６）。さらに、このＶＬＡＦＡＤ１３に対して、ＬＡＦセンサ固有のばらつきに対する補正、および大気圧補正を実行して、最終的な補正後ＬＡＦセンサ出力値ＶＬＡＦ１３が得られる（Ｓ６８）。
【００２７】
次に、図４のフローチャートにおいて、空燃比の当量比ＫＡＣＴを算出する。まず、フラグＦＬＦＲＤＹが１であるか否かを判定する（Ｓ７２）。ＦＬＦＲＤＹ＝０の場合は、まだＶＬＡＦ１３が算出されていないので、空燃比当量比ＫＡＣＴは１．０にセットされる（Ｓ８６）。ＦＬＦＲＤＹ＝１であり、ＶＬＡＦ１３が算出されている場合は、この値を用いて予め準備されているテーブルを検索して、ｋａｃｔｓｐを求める（Ｓ７４）。
【００２８】
続いて、Ｓ７６〜Ｓ８４でｋａｃｐｓｐのリミット処理を行う。Ｓ７６で予め設定された上限リミット値ＫＡＣＴＬＭＴＨに達していた場合はＫＡＣＴを上限値に設定する（Ｓ８０）。Ｓ７８で下限リミットＫＡＣＴＬＭＴＬに達していた場合は下限値に設定する（Ｓ８２）。いずれの場合も、リミット処理フラグＦＬＡＦＬＭＴに１をセットして（Ｓ８８）、終了する。ｋａｃｔｓｐが上下限値の範囲内であった場合は、ｋａｃｔｓｐをそのままＫＡＣＴとする（Ｓ８４）。そして、リミット処理フラグＦＬＡＦＬＭＴに０をセットして（Ｓ９０）、終了する。
【００２９】
以上説明したような方法で算出される空燃比センサ出力値ＶＬＡＦ１３は、従来のようにＴＤＣパルスに同期して得られるセンサ出力値よりも空燃比の変動を反映したものとなる。従って、より精度の高いマップを準備することが可能となるので、空燃比当量比ＫＡＣＴの精度を向上させることができる。また、エンジンの回転数が変化した場合でも、クランク軸の回転に同期したパルス信号に従ってＬＡＦセンサの出力をオーバーサンプリングするので、空燃比当量比ＫＡＣＴに与えるエンジンの排気脈動などの影響を効果的に低減することができる。
【００３０】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、クランクシャフトの３０度回転毎の回転同期パルスの発生について説明したが、さらに短い周期でＬＡＦセンサの出力をサンプリングすることにより精度を向上させることが可能である。また、気筒数とＬＡＦセンサの数に応じてＬＡＦセンサ出力を積算する期間を変更すれば、４気筒以上のエンジン、直列６気筒エンジン、Ｖ型エンジンにも適用可能である。さらに、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、内燃機関の回転数の変化にあわせてサンプリング周波数を変更する等の特別の処理をすることなく、ＴＤＣパルス信号を利用して回転数に従ったオーバーサンプリングを実行できるので、簡便かつ経済的に空燃比検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空燃比制御装置の一実施形態が適用される内燃機関の概略構成図である。
【図２】ＬＡＦセンサの構造の一例を示す図である。
【図３】ＬＡＦセンサ出力を算出するフローチャートである。
【図４】空燃比当量比を算出するフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態によるオーバーサンプリングを説明する図である。
【符号の説明】
１    内燃機関（エンジン）
５    電子制御装置（ＥＣＵ）
１６    空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）
【図１】
2004360523.tif 000003
【図２】
2004360523.tif 000004
【図３】
2004360523.tif 000005
【図４】
2004360523.tif 000006
【図５】
2004360523.tif 000007