(57)【要約】【課題】  同一の空燃比状態が継続した場合に、素早く空燃比がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転させることにより触媒装置による排気ガスの浄化能力を最大限に維持させる。【課題手段】  排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて、前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御を行うことにより前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する制御装置においてと、前記空燃比制御において前記酸素センサの二値信号が所定のエンジンサイクル数を超えてリッチ状態又はリーン状態が連続した場合には前記補正量を増大させる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス浄化のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、
排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、
前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて、前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御を行うことにより前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記空燃比制御において前記酸素センサの二値信号が所定のエンジンサイクル数を超えてリッチ状態又はリーン状態が連続した場合には前記所定の補正量を増大させることを特徴とする空燃比制御装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記二値信号が変化した時に当該変化後の空燃比の状態を変転させるために空燃比制御量を大きくする比例制御を含むことを特徴とする請求項１に記載の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記所定のエンジンサイクル数は、少なくとも３以上に設定される請求項１又は２に記載の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記所定の補正量の増大は、当該リッチ状態又はリーン状態が連続している時に１回のみ行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記所定の補正量の増大は、最大で前記補正量の通常値の１５０％に設定することにより行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記空燃比の制御は、燃料噴射量を増減することにより行われる請求項１又は２に記載の空燃比制御装置。
【請求項７】
排気ガス浄化のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御方法であって、
排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号に基づいて前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させることにより、前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する空燃比制御行程において、
前記二値信号の状態を監視して、前記二値信号がリッチ状態からリーン状態に又はリーン状態からリッチ状態にその空燃比状態が変化した場合にはカウンタをクリヤーする行程と、
前記変化した空燃比状態が次のエンジンサイクルにおいても当該空燃比状態を維持した場合に前記カウンタをインクリメントする行程と、
前記インクリメントされたカウンタの計数値が予め設定されたサイクル数に達した否かを監視する行程と、
前記カウンタの計数値が予め設定されたサイクル数に達した場合には、当該空燃比の状態を他方の状態に変転させるために前記所定の補正量を増大させる行程と、
の各行程を含むことにより、前記空燃比が一方の状態から他方の状態に変転するまでのエンジンサイクル数を縮減することを特徴とする空燃比制御方法。
【請求項８】
前記所定のエンジンサイクル数は、少なくとも３以上に設定される請求項７に記載の空燃比制御方法。
【請求項９】
前記所定の補正量の増大は、当該リッチ状態又はリーン状態が連続している時に１回のみ行われることを特徴とする請求項７に記載の空燃比制御方法。
【請求項１０】
前記所定の補正量の増大は、最大で前記補正量の通常値の１５０％に設定することにより行われることを特徴とする請求項７に記載の空燃比制御方法。
【請求項１１】
前記空燃比の制御は、燃料噴射量を増減することにより行われる請求項７乃至１０の何れかの項に記載の空燃比制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出された排気ガス中の酸素濃度の測定結果に基づいてエンジンに供給される空気量に対する燃料の含有比率を制御するようにした空燃比制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止等の近年における地球環境を保護する必要性から、二輪車を含む自動車等の内燃機関（以下、適宜「エンジン」という）における最重要課題として、エンジンの燃焼効率（燃費）の向上と排気ガス中の有害成分の低減が挙げられる。
【０００３】
エンジンの燃焼効率（燃費）を向上させるためには、燃料を完全燃焼させる必要がある。一方、排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の各種有害成分をバランスよく低減させるためには、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を最適化する必要がある。特に、エンジンへの燃料噴射を電子制御する電子式燃料噴射制御方式においては、車両の運転状況に応じてエンジンへの燃料噴射量を精緻に自動制御できることから、空燃比の最適化制御が可能になったのである。
【０００４】
一方、エンジンから排出される排気ガスを浄化するためには、多くの場合触媒装置が使用される。排気ガス浄化のための触媒としては、排気ガス中のＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を同時に高い浄化率で浄化することが可能な三元触媒が使用されている。
【０００５】
三元触媒の効果を最大限に発揮させるためには、空燃比を所定値（理論空燃比）に維持する必要があることから、エンジンに供給する燃料ガスの正確な空燃比制御が必要となる。
【０００６】
一般に、燃料ガス中の酸素濃度が低い時、即ち燃料が濃く酸素が不足している状態（リッチ状態）の時には、排気ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）が増加して燃費の低下と大気汚染の原因となる。これとは逆に、混合燃料ガス中の酸素濃度が高い時、即ち燃料が薄くて酸素が過剰の状態（リーン状態）の時には、余分な酸素によって窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加し、やはり大気汚染の原因となる。
【０００７】
このため、従来から、排気ガス中の酸素濃度を検知し、排気ガス中の酸素濃度が最適になるように、すなわち、エンジンの吸気側では燃料ガスが理論空燃比になるように、燃料ガスの空燃比を制御することが行われてきた。
【０００８】
排気ガス中の酸素濃度は、排気経路に設置された酸素センサを用いて検知することになるが、この酸素センサは、燃焼ガス中の空燃比が適正値であったか否かを検知することになることから空燃比センサとも呼ばれている。
【０００９】
空燃比センサとして使用する酸素センサの多くは、上記した理論空燃比においてその出力信号の電圧値が急激に変化する特性を有するように設計されている。この特性を利用して、エンジンの燃料噴射制御や点火時期制御等を司るＥＣＵ（Electric Control Unit）は、酸素センサの出力信号に基づいて燃料ガスが理論空燃比よりも濃いか薄いかを判定し、濃い場合は燃料に対する供給空気量を増加させ、薄い場合は燃料に対する供給空気量を減少させるフィードバック補正制御(以下、「Ｏ２フィードバック制御」という)をしている。
【００１０】
尚、４サイクルエンジンは、吸気行程、圧縮行程、爆発行程（燃焼行程）及び排気行程の４つの行程を有し、エンジンの排気ガス経路を流れる排気ガス中の圧力と酸素濃度は常に変動していることから、ＥＣＵは排気行程において排気ガスが排気ガス経路内に設置された酸素センサの設置箇所を通過するタイミングで酸素センサの出力をサンプリングして上記した空燃比制御を行うようにしている。
【００１１】
ところで、二輪車や四輪車等の車両は、頻繁に加速又は減速を繰り返して運転される。このような車両の急激な加速又は減速が生じその加速状態や減速状態が続いた場合にはエンジンへの燃料供給量と吸気量の変動時間が継続する。このような時に、Ｏ２フィードバック制御でエンジンへの燃料供給量を一定の補正量だけ増大又は減少させても、酸素線センサの出力がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転せずに、同一の空燃比状態のエンジンサイクルが長く続くこととなる。その結果、この間は三元触媒装置による排気ガス中の有害ガスの浄化機能が低下することとなる。
【００１２】
このため、第１の従来技術は、空燃比を理論空燃比に制御する理論空燃比制御と、空燃比を理論空燃比より希薄側に制御するリーン制御とをエンジンの運転状態において切り換えると共に、理論空燃比を境に反転した信号と理論空燃比より希薄域で排気ガス中の残留酸素濃度に比例した信号とを運転状態に応じて切り換えて出力させ、この出力信号に基づいて空燃比をフィードバック制御するための補正係数を定め、この補正係数を用いたフィードバック制御とこの補正係数を用いないオープンループ制御とを運転状態に応じて切り換えるようにした空燃比制御を行っている（特許文献１）。
【００１３】
また、第２の従来技術は、エンジンの冷却水温度を検知し、予め設定した基本燃料噴射量と実負荷燃料噴射量の差と冷却水温度とに基づいて目標空燃比を定めこの目標空燃比に基づいて空燃比制御を行うようにしている（特許文献２）。
【特許文献１】特公平６−５８０８０号公報
【特許文献２】特公平８−２３３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、上記第１の従来技術の空燃比制御においては、予め用意されている複数の空燃比制御のパターンをエンジンの運転状態に応じて切り換えて使用するものであり、エンジンの運転状況に応じてその性能を最大限に発揮させるためのものであり、排気ガス中の有害ガスを低下させる観点において劣る。また、ここで使用する酸素センサは、酸素濃度に応じてその出力値がアナログ値を示す比例出力タイプのものであることから、複数の空燃比制御パターンの切り替えと相俟って、その制御が複雑となり高コストとならざるを得ない。
【００１５】
また、上記第２の従来技術に係る空燃比制御装置は、空燃比の制御に酸素センサの出力信号のみならず冷却水の温度に基づいて空燃比制御をするものであり、エンジンの温度変動に拘らず燃焼安定化には寄与するものの、空燃比制御が複雑であり高コストとなる。
【００１６】
本発明は、斯かる従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、空燃比制御を複雑化させることなく、車両の急激な加速又は減速時におけるエンジンへの燃料供給量と吸気量が大きく変動した際に生じる同一の空燃比状態が継続した場合に、素早く空燃比がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転させることにより、三元触媒装置による排気ガスの浄化能力を最大限に維持させるようにした空燃比制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このため、本発明は、排気ガス浄化のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて、前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御を行うことにより前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記空燃比制御において前記酸素センサの二値信号が所定のエンジンサイクル数を超えてリッチ状態又はリーン状態が連続した場合には前記所定の補正量を増大させることを特徴とする空燃比制御装置を提供するものである。
【００１８】
ここで、前記制御装置は、前記空燃比制御において、前記二値信号が変化した時に当該変化後の空燃比の状態を変転させるために空燃比制御量を大きくする比例制御を含むのである。
【００１９】
そして、前記所定のエンジンサイクル数は、少なくとも３以上に設定される。また、前記所定の補正量の増大は、当該リッチ状態又はリーン状態が連続している時に１回のみ行われる。
【００２０】
ところで、前記所定の補正量の増大は、最大で前記補正量の通常値の１５０％に設定する。また、前記空燃比の制御は、燃料噴射量を増減することにより行われるのである。
【００２１】
本発明は、さらに、排気ガス浄化のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御方法であって、排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号に基づいて前記空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させることにより、前記空燃比がリッチ状態とリーン状態との間を往復するように制御する空燃比制御行程において、前記二値信号の状態を監視して、前記二値信号がリッチ状態からリーン状態に又はリーン状態からリッチ状態にその空燃比状態が変化したときにカウンタをスタートさせる行程と、前記変化した空燃比状態が次のエンジンサイクルにおいても当該空燃比状態を維持した場合に前記カウンタをインクリメントする行程と、前記インクリメントされたカウンタの計数値が予め設定されたサイクル数に達した否かを監視する行程と、前記カウンタの計数値が予め設定されたサイクル数に達した場合には、当該空燃比の状態を他方の状態に変転させるために前記所定の補正量を増大させる行程との各行程を含むことにより、前記空燃比が一方の状態から他方の状態に変転するまでのエンジンサイクル数を縮減することを特徴とする空燃比制御方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００２２】
これにより、本発明は、車両の急激な加速又は減速時におけるエンジンへの燃料供給量と吸気量が大きく変動した際に生じる同一の空燃比状態が継続した場合に、素早く空燃比がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転させることにより、三元触媒装置による排気ガスの浄化能力を最大限に維持させるようにした空燃比制御を実現したのである。
【００２３】
また、本発明においては、制御をことさらに複雑化させることないので、空燃比制御の長期安定化を実現すると共に、制御の低コスト化を実現したのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関における空燃比制御装置を含む単気筒４サイクルエンジンの全体構成の例を示す。
図１に示す全体構成の例において、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置及び排気ガス浄化装置は、エンジン１に供給される燃料ガスの空燃比を最適化するための空燃比制御手段を含む制御装置（ＥＣＵ）２と、エンジン１から排出される排気ガスをマフラー４に導く排気管３と、排気管３内において排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ５と、マフラー４内に設置されて外気に放出される前に排気ガスを浄化するため触媒装置（以下、適宜「触媒」という）６とにより構成され、エンジン１に燃料を供給する燃料タンク７と、エンジン１に供給する空気量を調節する吸気スロットル８及びアイドル・スピード・コントロール装置（以下、「ＩＳＣ」という）１９と、エンジン１のクランク軸の回転角を検知するクランク回転角センサ１５とに関連する。
【００２６】
図１に示すように、酸素センサ５は、マフラー４内の触媒６の入口近傍に設置するが、マフラーに接続される排気管３に設置するようにしても良い。
【００２７】
以下、図１に示すエンジンの全体構成図の例を簡単に説明する。
最初に、エンジンの吸気行程において、エンジン１の燃焼室（シリンダ又は気筒）１０には、エアフィルタ９により濾過されて塵や埃が除去された空気（外気中の空気）が、燃焼室１０内のピストンの下降動作によって生じる負圧により供給される。このとき、吸気弁１７は開かれている。そして、吸引される空気供給量は、ＩＳＣ１９によって制御される。これによって決められた空気量に見合う推定燃料量を噴射する燃料噴射制御が行われるのである。
【００２８】
一方、エンジン１の燃焼室への空気の供給と同時に、インジェクタ１３の注入口から燃料が注入される。これによって、燃焼室１０内に引き込まれる空気中に燃料が噴射された燃料ガスとなる。燃料は、燃料を貯蔵する貯蔵燃料タンク７から燃料供給パイプ１６を経由してインジェクタ１３に供給される。インジェクタ１３から供給される燃料噴射量は、制御装置（ＥＣＵ）２からの燃料供給指示パルス信号のパルス幅に応じて噴射動作するインジェクタ１３の燃料噴射時間により調節される。このようにして、供給空気量に対する燃料の含有比率である空燃比が制御される。エンジンの加速時においては、空燃比を小さく（リッチ状態）なるように制御し、エンジンの定常走行時においては空燃比を大きく（リーン状態）なるように制御する。
【００２９】
次に、エンジンの圧縮行程において、燃焼室１０内に供給される空気と燃料との混合体である燃料ガスは、ピストンの上昇動作により圧縮される。この際、吸気弁１７と排気弁１８は、閉じられている。
【００３０】
次に、燃焼（爆発）行程において、上記の圧縮行程において圧縮された燃焼ガスは、制御装置２からの所定のタイミングで点火指令を受けたイグニッションコイル１２が高電圧を発生させ、当該高電圧をスパークプラグ１１に印加させることによりスパークプラグ１１を点火して圧縮された燃料ガスを爆発させ、その爆発力によってピストンを急激に押し下げるのである。
【００３１】
ところで、ピストンの上下運動に伴って回転するクランク軸の回転角は、クランク回転角センサ１５によって検知され、制御装置２に送出される。また、このクランク軸は、４サイクルエンジンの場合、上記した４つの行程からなる一つのエンジンサイクルにおいて２回転することとなるが、ＥＣＵ２は、エンジンが如何なる行程にあるかを常に把握しているので、クランク軸の回転角を検出するクランク回転角センサ１５の出力により如何なる行程においてどの程度クランク軸が回転したかを検知することができるのである。
【００３２】
次に、エンジンの排気行程においては、燃焼行程において燃焼されたガスは、排気ガスとして外気中に放出される。燃焼室１０からの排気ガスの放出は、排気弁１８を開いた状態で、爆発行程において押し下げられたピストンが上昇することにより行われる。排気ガスは、排気管３を経由して、マフラー４内へと導かれて、爆発音や排気音等のノイズを低下させた後に外気に放出されるのである。
【００３３】
尚、図１に示すように、吸気スロットル８の周辺には、スロットル開度を検出するための開度センサ、吸気の温度を測定する温度センサ、吸気圧を測定するための圧力センサ等の各種センサが設置されて、制御装置（ＥＣＵ）２に接続されている。さらに、この外にも、エンジンの温度を測定する温度センサ、外気圧を測定する圧力センサ等の各種センサやスイッチが配置され、制御装置（ＥＣＵ）２に接続されている。制御装置２は、これらのセンサやスイッチからのデータに基づいて、エンジンの最適制御を行うのである。
【００３４】
図２は、本発明の実施形態に係る内燃機関における空燃比制御装置における制御構成図の例を示す。
制御装置（ＥＣＵ）２は、マイクロプロセッサ手段、プログラムや固定データを格納するＲＯＭや一時的なデータや演算結果を格納するＲＡＭ等のメモリ手段、各種センサやスイッチ等から入力信号を受け付けるための入力インターフェース、及びエンジンを動作される各種能動手段への出力インターフェース、水晶振動子を備える発振回路等、から構成される。本発明で用いられるカウンタは、ＲＡＭにより構成される。
【００３５】
これにより、制御装置（ＥＣＵ）２は、エンジンの燃料噴射制御、吸気量制御、点火（時期）制御、アイドル回転制御等の各種制御を集中的に司る。そして、燃料噴射量と吸気量との比を制御することによって、本発明に係る空燃比制御が行われるのである。
【００３６】
上記のように、制御装置（ＥＣＵ）２には、酸素センサ５、エンジン温度センサ１４、クランク回転角センサ１５の他、スロットル開度センサ、吸気温度センサ、吸気圧力センサや外気圧センサ等の各種センサの他、アクセルセンサや各種スイッチ類等からの入力信号に基づいて、燃料噴射を行うインジェクタ１３、吸気スロットル８の開弁角度（スロットル開度）、ＩＳＣ１９及びイグニッションコイル１２等の各種能動手段の動作制御が行われるのである。
【００３７】
制御装置２（図１）は、排気経路の所定箇所に設置された酸素センサ５の出力を受信し、当該設置箇所において酸素センサ５の出力信号（酸素濃度）が、理論空燃比を越える値を示した場合には、インジェクタ１３（図１）から噴射される燃料の量を予め設定された所定量だけ低減させる。しかし、酸素センサ５の出力信号が、酸素濃度が理論空燃比よりも低い値を示した場合には、インジェクタ１３（図１）から噴射される燃料の量を予め設定された所定量だけ増加させる。
【００３８】
制御装置２（図１）は、このような酸素センサ５からの二値信号（リーン状態かリッチ状態かを示す信号）に基づくＯ２フィードバック制御を繰り返すことにより、排気ガス中に含まれる酸素濃度を、理論空燃比を挟んで上下動させることにより空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させるのである。
【００３９】
そして、本発明に係るＯ２フィードバック制御は、図６において後述するように、酸素センサ５から出力された二値信号に基づいて、空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御と、酸素センサ５の二値信号が変化した時にその変化後の空燃比の状態を変転させるために空燃比制御量を大きくする比例制御を含むのである。
【００４０】
触媒装置６は、排気ガスが理論空燃比に合致したままの状態が継続するとその浄化能力を低下させ、理論空燃比を挟んで常に上下動させることによりその浄化能力が活性化される特性を有している。ここで使用する触媒装置６は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する三元触媒である。
【００４１】
図３は、ある単気筒４サイクルエンジンにおける、クランク軸の回転角（ピストンの動作位置に同期）と排気ガスの流量との関係を示すグラフであり、横軸にクランクの回転角を示し、縦軸に排気管３を流れる排気ガスの単位時間毎の流量〔ｋｇ／ｓ〕を示す。また、符号Ａ、Ｃはピストンの気筒内における上死点を示し、符号Ｂ、Ｄはピストンの気筒内における下死点を示す。
【００４２】
図３に示すように、単気筒エンジンの場合は、排気ガスの単位時間当たりの流量がエンジンサイクルの中で大きく変化する。また、図３に示した排気ガス流量の変化はエンジンの仕様によっても異なるが、単気筒エンジンの場合一般的に、排気弁の開期間（ＥＶＯ）の始時点から排気ガスの流量は急激に増大するが、ピーク値を示した後は脈動的に漸次減衰するようになる。また、排気弁の開期間（ＥＶＯ）が終時点では、吸気行程に入って気筒内のピストンが降下し始めることから、排気ガスは一時的に負圧によってマイナスの流量を示す（すなわち逆流方向に流れる）、その後再び脈動することとる。
【００４３】
このため、本空燃比制御においては、酸素センサ５のサンプリングは、エンジン１の排気弁１８（図１）から排出された排気ガスが酸素センサ５の設置位置に至るまでの時間、及び後述する（図８）酸素センサ５の応答時間の遅れに鑑みて設定されるのである。
【００４４】
ところで、二輪車や四輪車等の車両は、頻繁に加速又は減速を繰り返して運転される。このような車両の急激な加速又は減速が生じその加速状態や減速状態が続いた場合にはエンジンへの燃料供給量と吸気量の変動時間が継続する。このような時に、Ｏ２フィードバック制御でエンジンへの燃料供給量を一定の補正量だけ増大又は減少させても、酸素線センサの出力がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転せずに、同一の空燃比状態のエンジンサイクルが長く続くこととなる。その結果、この間は三元触媒装置による排気ガス中の有害ガスの除去が低下することとなる。
【００４５】
このため、本発明に係るＯ２フィードバック制御は、酸素センサ５から出力された二値信号に基づいて、空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御において、前記空燃比制御において前記酸素センサの二値信号が所定のエンジンサイクル数を超えてリッチ状態又はリーン状態が連続した場合には状態を変化させるための所定の補正量を増大させるのである。
【００４６】
図４は、本発明の空燃比制御の内容を説明するフローチャートの例を示す。
本空燃比制御（Ｓ１１）は、排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す酸素センサ５の二値信号に基づいて、空燃比を所定の補正量だけ累積的に増大又は減少させる積分制御について行われるものであるが、二値信号が変化した時に当該変化後の空燃比の状態を変転させるために空燃比制御量を大きくする比例制御を含む。
【００４７】
ここで、ＥＣＵ２は、エンジンサイクルが進む毎に（Ｓ１２）、酸素センサ５の出力(リッチ状態／リーン状態の別を示す二値信号)を検知する（Ｓ１３）。ここで、当該エンジンサイクルに先行するエンジンサイクル時における二値信号を比較して、状態変化があったか否かを検知する（Ｓ１４）。
【００４８】
リッチ状態からリーン状態又はリーン状態からリッチ状態への状態変化があった場合は、カウンタ(状態継続カウンタ)をクリヤー(０にセット)する（Ｓ１５）。状態変化が無く同一の状態が継続していた場合は、カウンタのインクリメント(「＋１」の加算演算)を行う（Ｓ１６）。
【００４９】
続いて、カウンタの内容が読み取られ、予め設定された値(後述する図５の例では「３」)と比較し、当該設定値に満たない場合は、通常の空燃比制御（Ｓ１１）を続行する。ここで、もしも、カウンタ値が設定値を上回った場合は、当該継続状態において、既に燃料噴射量を補正量の増大が行われていなかった場合は（Ｓ１９）、燃料供給量を「基本補正量＋追加補正量」だけ増大させるのである（Ｓ２０）。そして、カウンタ値が設定値を上回った場合でも、当該継続状態において、既に燃料噴射量を補正量の増大が行われていた場合は、更なる燃料供給量の増大は行わないようにしている（Ｓ１９→Ｓ１１）。
【００５０】
次に、このようなＯ２フィードバック制御がディセーブル状態にならない限り（Ｓ２１）、上記の空燃比制御が継続されるのである。
【００５１】
図５は、図４で説明した本空燃比制御が実施された場合のタイムチャートの例を示す。
図５に示した例においては、理解し易いように、排気ガス中の酸素濃度が所定の閾値よりも低い（即ち燃料が濃い）リッチ状態が、後続のエンジンサイクルを跨って続いた場合のサイクル数をカウントする「リッチ継続カウンタ」と、排気ガス中の酸素濃度が所定の閾値よりも高い（即ち燃料が薄い）リーン状態が、後続するエンジンサイクルを跨って続いた場合のサイクル数をカウントする「リーン継続カウンタ」の２つのカウンタを記載しているが、ＥＣＵは、常に何れの常態かを把握しているので一つの状態継続カウンタとすることが可能である。
【００５２】
図５において、エンジンサイクルが「ｎ」の時、内燃機関の排気経路に設置されている酸素センサ（Ｏ２センサ）５が、先行するエンジンサイクルから継続してリッチ状態を示していたとすると、「リッチ継続カウンタ」は「１」を示す。このため、ＥＣＵ２は、空燃比の積分制御において、空燃比をリーン状態に変転させるべく燃料供給量を所定の補正量(基本補正量)だけ減少させているのである。
【００５３】
次に、エンジンサイクルが「ｎ＋１」になると、直前のエンジンサイクル「ｎ」において燃料供給量が基本補正量だけ減少された結果、酸素センサ５は、リーン状態に変転したことを示している。このため、「リッチ継続カウンタ」がクリヤーされると共に、ＥＣＵ２は、空燃比を今度はリッチ状態に変転させるべく燃料供給量を予め設定された基本補正量だけ増大させる。
【００５４】
同様に、エンジンサイクル「ｎ＋２」においては、直前のエンジンサイクル「ｎ＋１」にて燃料供給量が基本補正量だけ増大された結果、酸素センサ５は、リッチ状態を示している。このため、ＥＣＵ２は、空燃比を今度はリーン状態に変転させるべく燃料供給量を基本補正量だけ減少させる。
【００５５】
エンジンサイクル「ｎ＋３」においては、直前のエンジンサイクル「ｎ＋２」にて燃料供給量が基本補正量だけ減少されたにも拘らず、酸素センサ５は、リッチ状態を継続している。このため、ＥＣＵ２は、空燃比をリーン状態に変転させるべく燃料供給量を基本補正量だけさらに減少させる。このとき、「リッチ継続カウンタ」はインクリメントされ「１」を示す。
【００５６】
エンジンサイクル「ｎ＋４」においては、直前のエンジンサイクル「ｎ＋３」にて燃料供給量が基本補正量だけ減少されたにも拘らず、酸素センサ５は、さらにリッチ状態を継続している。このため、ＥＣＵ２は、空燃比をリーン状態に変転させるべく燃料供給量を基本補正量だけさらに減少させる。このとき、「リッチ継続カウンタ」はインクリメントされ「２」を示す。
【００５７】
次に、エンジンサイクルが「ｎ＋５」になると、直前のエンジンサイクル「ｎ＋４」において燃料供給量が基本補正量だけ減少された結果、酸素センサ５は、リーン状態に変転したことを示している。このため、「リッチ継続カウンタ」がクリヤーされると共に、ＥＣＵ２は、空燃比を今度はリッチ状態に変転させるべく燃料供給量を予め設定された基本補正量だけ増大させる。
【００５８】
エンジンサイクルが「ｎ＋６」になると、直前のエンジンサイクル「ｎ＋５」にて燃料供給量が基本補正量だけ増大されたにも拘らず、酸素センサ５は、リーン状態を継続している。このため、ＥＣＵ２は、リッチ状態に変転させるべく燃料供給量をさらに基本補正量だけ増大させると共に、「リーン継続カウンタ」をインクリメントし、「１」を示す。
【００５９】
同様に、エンジンサイクルが「ｎ＋７」になると、直前のエンジンサイクル「ｎ＋６」にて燃料供給量が基本補正量だけ増大されたにも拘らず、酸素センサ５は、リーン状態を継続している。このため、ＥＣＵ２は、リッチ状態に変転させるべく燃料供給量をさらに基本補正量だけ増大させると共に、「リーン継続カウンタ」をインクリメントし、「２」を示す。
【００６０】
さらに、エンジンサイクルが「ｎ＋８」になると、直前のエンジンサイクル「ｎ＋７」にて燃料供給量が基本補正量だけ増大されたにも拘らず、酸素センサ５は、相変わらずリーン状態を継続している。このため、ＥＣＵは、「リーン継続カウンタ」は「３」を示すこととなる。
【００６１】
本空燃比制御の例においては、同一の状態がエンジンサイクル数で４回連続した場合（即ち、状態継続カウンタが「３」を示した時）には、「基本補正量」に「追加補正量」を加えた補正量を用いて空燃比の状態変化を速めることとしている。従って、ＥＣＵ２は、エンジンサイクル「ｎ＋８」において、リーン状態からリッチ状態に変転させるべく、燃料供給量の補正量を「基本補正量＋追加補正量」だけ増大させるのである。
【００６２】
このような補正量の増大の結果、エンジンサイクル「ｎ＋９」において、酸素センサ５は、リッチ状態を示すこととなる。ＥＣＵは、今度は空燃比をリーン状他にするべく、燃料供給量を基本補正量だけ減少させると共に、「リーン継続カウンタ」をクリヤーするのである。
【００６３】
尚、本発明においては、上記の「追加補正量」は、「基本補正量」の５０％を超えないようにしている。また、「追加補正量」を加えることによる補正量の増大は、空燃比がリッチ状態又はリーン状態を継続して時に１回に限って行うこととしている。
【００６４】
図６は、図４に示した空燃比制御において、エンジンサイクルが進展するに伴って変化する酸素センサ出力とエンジンへの燃料供給量の関係を示す。但し、図６では、図５に示した同一の状態が連続した場合に、「基本補正量」に「追加補正量」を加える補正量の増大を行うに必要なエンジンサイクル数の設定等は相違させている。
【００６５】
図６に示した本空燃比制御においては、エンジンサイクル「１」において、酸素センサ５がリーン状態を示したので、ＥＣＵ２は、後続するエンジンサイクル「２乃至６」の間に、燃料供給量を各エンジンサイクル毎に所定量（基本補正量）だけ増加し続ける積分制御（Ｉ制御：Integration Control）を行っている。この結果、エンジンサイクル「６」に至って、酸素センサ５がリーン状態に変転することとなり、ＥＣＵ２は、当該変転後のリッチ状態を再びリーン状態になるべく速く変転させるために、エンジンサイクル「７」において燃料供給量を大きく減少させる比例制御（Ｐ制御：Proportional
Control）を行っている。
【００６６】
しかし、その後エンジンサイクル「１０」に至るまで、酸素センサ５は、リッチ状態を継続していたので、ＥＣＵ２は、積分制御に基づいてこの間燃料供給量を基本補正量だけ連続して減少させ続け、その結果、エンジンサイクル「１１」において酸素センサ５はリーン状態を示すに至る。
【００６７】
ここで、ＥＣＵ２は、当該変転後のリーン状態を再びリッチ状態に変転させるために、エンジンサイクル「１２」において燃料供給量を大きく増加させる比例制御（Ｐ制御：Proportional Control）を行っている。
【００６８】
しかし、その後エンジンサイクル「１５」に至るまで、酸素センサ５は、リーンを継続し、このリーン状態が予め設定されたエンジンサイクル数を越えた（即ち、「状態継続カウンタ値」が「設定値」に至った）ことから、ＥＣＵ２は、リーン状態からリッチ状態になるべく速く変転させるべく、エンジンサイクル「１６において」、太い破線でしめす制御曲線で示すとおり、燃料供給量の補正量を「基本補正量＋追加補正量」だけ増大させたのである。この結果、本発明に係る空燃比制御においては、エンジンサイクル「２１」において、空燃比がリーン状態からリッチ状態に変転したのである。
【００６９】
一方、本発明に係る空燃比制御を行わない場合は、細い実線で示すとおり、空燃比がリーン状態からリッチ状態に変転するのはエンジンサイクル「２３」となり、この間触媒装置による排気ガス中の有害ガスの浄化作用は低下することとなるのである。
【００７０】
尚、図中、Ａ点とＣ点は、積分制御で所定量だけ燃料供給量を増加してきたが、当該点でリッチ状態からリーン状態に切り替わる点を示し、Ｂ点とＤ点は、積分制御で所定量だけ燃料供給量を減少させてきたが、当該点でリーン状態からリッチ状態に切り替わる点を示す。図６に示すように、現実の空燃比制御においては燃料供給量の補正から酸素センサ５が排気ガス中の酸素濃度を検出するまで、エンジンサイクル数で数サイクルのタイムラグが生じている。これは、エンジンの排気弁１８(図１)から排出された排気ガスが、酸素センサの設置位置に至るまでに時間遅れが生じること、及び図８で説明するように酸素センサ５に応答時間に遅れが生じるからである。このために、酸素センサ５の出力が、リーンからリッチへ、又はリッチからリーンへその出力が変化した時（Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ点）には、上記した比例制御により、一度大きく燃料供給量を増加又は減少させているのである。
【００７１】
本燃料噴射制御装置において使用される触媒装置は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する三元触媒である。そして、この触媒装置はマフラー内に設置され、前記酸素センサは前記触媒装置の入口近傍に設置される。そして、この酸素センサ５としては、ジルコニア素子又はチタニア磁器を利用したタイプのものが利用可能である。ジルコニア素子を用いた酸素センサ５は、ジルコニアを試験管状に焼結した素子の内面外面の両面に多孔質の白金電極をコーティングした構造とし、素子外面を排気ガスに接触させ、酸素濃度に応じてジルコニアの固体電池作用により電圧を発生する特性を利用している。また、チタニア磁器を用いた酸素センサ５は、チタニア（ＴｉＯ２）がｎ型半導体であることから、その抵抗値がガス中の酸素分圧に依存する性質を利用している。
【００７２】
図７は、酸素センサの出力電圧値〔ｍＶ〕と空燃比との関係をグラフで示す。
図７に示すように、酸素センサ５の出力（電圧値）は、空燃比が、理論空燃比を挟む許容幅から変位する時に、この変位を実質的に二値的な信号として示すものであり、この酸素センサ５の出力を実質的に二値的な信号として制御装置２に送出することによって、空燃比の標準的な幅を、「理論空燃比±０．３」の幅に制御することが可能となる。
【００７３】
図８は、酸素センサの応答時間を示し、図８（ａ）は、実際の空燃比がリーンからリッチになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示し、図８（ｂ）は、実際の空燃比がリッチからリーンになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示す。従って、酸素線センサ５のサンプリングのタイミングは、この応答時間をも考慮して設定されるのである。
【００７４】
図９は、空燃比と触媒の浄化効率との関係を示すグラフである。
図９において、横軸（Ｘ軸）は空燃比を示し、縦軸（Ｙ軸）は触媒６の浄化効率〔％〕を示す。図示のように、中心の理論空燃比１４．６０（±０．３）の幅で示される領域（制御の許容幅）よりも空燃比が小さい左側の領域は酸素量が不足するリッチの領域を示す。このリッチの領域では燃料に比べて酸素が不足するので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生は抑えられるが、ＨＣ（炭化水素）とＣＯ（一酸化炭素）の発生量が増加する。
【００７５】
また、中心の理論空燃比１４．６０（±０．３）の幅で示される領域（制御の許容幅）よりも空燃比が大きい右側の領域はリーンの領域を示す。このリーンの領域では十分な酸素量によってＨＣ（炭化水素）とＣＯ（一酸化炭素）の発生は抑えられるが、余分な酸素によって窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が増加する。
【００７６】
なお、エンジン排気ガス中にＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する理由を以下で説明する。
【００７７】
エンジン内で、燃料が完全燃焼する時の反応は、
ＣｘＨｙ＋Ｏ２＋Ｎ２  →  ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｎ２  （但し、平衡反応を示すものではない）で示される。
【００７８】
これに対し、燃料が不完全燃焼する時の反応は、
ＣｘＨｙ＋Ｏ２＋Ｎ２  →  ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｎ２＋ＣＯ＋ＨＣ＋Ｏ２／Ｈ２  （但し、空燃比に依存し、また、平衡反応を示すものではない）で示される。
【００７９】
図１０は、過剰率と各種の排気ガス濃度との関係を示すグラフである。図１０のグラフにおいて、横軸（Ｘ軸）は、空気過剰率λ（実測空燃比／理論空燃比）を示し、縦軸（Ｙ軸）は排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＨＣ（炭化水素）の濃度を示す。
【００８０】
図１０に示すように、ＣＯ（一酸化炭素）は、空気過剰率λが増大するに従って低下する（但し、λが１．０を少し越えたところで低下率は大幅に低下）ものの、窒素酸化物（ＮＯｘ）は、空気過剰率λが、１．０を少し超えたところで最大となり、ＨＣ（炭化水素）は、空気過剰率λが１．２近辺で最小になる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、内燃機関から排出された排気ガス中の酸素濃度を測定して内燃機関に供給される空気量に対する燃料の含有比率を制御する空燃比制御において、同一の空燃比状態が継続した場合に、素早く空燃比がリッチ状態からリーン状態へ又はリーン状態からリッチ状態へ変転させることにより触媒装置による排気ガスの浄化能力を最大限に維持させるものであり、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明に係る内燃機関における空燃比制御装置を含むエンジンの全体構成の例を示す。
【図２】本発明に係る内燃機関における空燃比制御装置における制御構成図の例を示す。
【図３】単気筒４サイクルエンジンのクランク回転角と排気ガスの単位時間毎の流量との関係を示すグラフの例を示す。
【図４】本発明の空燃比制御の内容を説明するフローチャートを示す。
【図５】本空燃比制御が実施された場合のタイムチャートの例を示す。
【図６】空燃比制御において、エンジンサイクルが進展するに伴って変化する酸素センサ出力とエンジンへの燃料供給量の関係を示す。
【図７】酸素センサの出力電圧値〔ｍＶ〕と空燃比との関係をグラフで示す。
【図８】酸素センサの応答時間を示し、（ａ）部は、実際の空燃比がリーンからリッチになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示し、（ｂ）部は、実際の空燃比がリッチからリーンになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示す。
【図９】空燃比と触媒の浄化効率との関係を示すグラフである。
【図１０】空気過剰率と各種の排気ガス濃度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８３】
１：内燃機関（単気筒４サイクルエンジン）
２：制御装置（ＥＣＵ）
３：排気管
４：マフラー
５：酸素センサ
６：触媒装置（三元触媒）
７：燃料タンク（ポンプ）
８：吸気スロットル
９：エアフィルタ
１０：燃焼室（シリンダ、気筒）
１１：スパークプラグ
１２：イグニッションコイル
１３：インジェクタ
１４：エンジン温度センサ
１５：クランク回転角センサ
１６：燃料管（燃料供給パイプ）
１７：吸気弁
１８：排気弁
１９：ＩＳＣ（アイドル・スピード・コントロール）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005344621.tif 000009
【図８】
2005344621.tif 000010
【図９】
2005344621.tif 000011
【図１０】
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