JP2527083B2

JP2527083B2 - 空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2527083B2
Application number: JP2189227A
Authority: JP
Inventors: 哲朗石田; 喜朗団野; 嘉明児玉
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1990-07-17
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: JPH0476244A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、内燃機関の空燃比情報を空燃比センサより
取り込むことにより、内燃機関の空燃比を制御する空燃
比制御装置に関する。

（従来の技術）従来、ジルコニアの酸素濃度電池作用と酸素イオンポ
ンピング作用という特性を利用して、空燃比（A/F）を
単にストイキオよりもリーン側かリッチ側かだけでな
く、どの程度の値であるか検出するリニアA/Fセンサが
提案されている。（特開昭63−36140号公報参照）このリニアA/Fセンサは第８図に示すように、その基
部が各々安定化ジルコニア素子であるセンサセル20とポ
ンプセル21とを絶縁層22を介して結合して構成される。
両セルには排ガスの通過する拡散口23,24が形成され、
絶縁層22内には拡散口23,24からの排ガスを収容する検
出室25が形成され、これらにより、拡散律速体が構成さ
れている。また、絶縁層22にはリファレンス室25aが形
成され、ここに参照気体例えば大気を導くように構成さ
れている。第９図に示すように、両セルには触媒を兼ね
て白金の電極26,27,28,29が設けてあり、これらには多
数の微小穴があけられている。30は電気ヒータであり、
セル全体を例えば800±100℃に加熱して各セルを活性状
態で作動させている。この両セル20,21はセンサ駆動回
路SCに接続されている。

センサセル20は従来のO₂センサと同様の原理で電極2
6,27間に酸素濃度差があると起電力を生じる性質を備
え、ポンプセル21は逆に電極28,29間に強制的にポンプ
電流Ipが流されると酸素をマイナス電極側からプラス電
極側に汲み出す性質を備えている。

そこで、制御部31にてセンサセル20の起電力Vsを検出
し、この起電力Vsを一定に保つように、即ち検出室25内
または拡散孔23,24内をストイキオに対応する酸素濃度
に保つようにポンプ電流Ipをフィードバック制御する。
これにより、ポンプ電流Ipは第10図に示すように空燃比
に対して連続的に変化するので、ポンプ電流Ipから空燃
比を算出することが出来る。

制御部31としては、比較回路１にてセンサセル20の起
電力Vsをストイキオ相当の参照電圧Vrefと比較し、比較
回路１の出力を正負電源付き積分アンプ２で積分し、そ
の積分出力でポンプセル21にポンプ電流Ipを流す。

そして、ポンプ電流Ipの回路に電流検出用の抵抗器５
を介装し、抵抗器の降下電圧から電流検出回路３により
ポンプ電流Ipを検出している。

更に、回路３の出力を加算回路４に入力し、下式の処
理により、たとえば、０〜５ボルトの信号V_OUTにより、
空燃比（A/F）を表す様にしている。

V_OUT＝Ｇ・I_P＋V_STP 但し、Ｇは電流−電圧変換ゲイン、V_STPはステップア
ップ電圧である。

処で、内燃機関は空燃比を目標空燃比に調整すべく、
空燃比センサからの空燃比情報に基づきフィードバック
制御を行っている。例えば、空燃比をストイキオ近傍の
狭いウインドウ内に制御することにより、排気系に用い
られる三元触媒を効率良く作動させている。あるいは、
リーンNO_X触媒及び三元触媒を排気系に備えたリーンバ
ーンエンジンの場合は、その空燃比を目標値である所定
のリーン側の値に保持すべく、リニアA/Fセンサからの
空燃比情報に基づきフィードバック制御を行っている。

このように内燃機関を駆動させる上で、空燃比を目標
値に精度良く制御することは燃費の向上、機関出力の向
上、アイドル回転の安定化、排ガスの改善、ドライバビ
リティーの改善の上で極めて重要である。このため、こ
の空燃比情報が得られるリニアA/Fセンサの空燃比情報
が常時安定して出力されることが必要である。

（発明が解決しようとする課題）処で、リニアA/Fセンサはこれが使用される雰囲気
が、ストイキオにある場合は問題ないが、リーン雰囲気
下で定常運転を連続して行うような場合に、その空燃比
信号V_OUTが第５図に示すような特性を示すことがある。

即ち、エンジンが一定の目標空燃比（リーンの値）を
設定されて定常運転を連続して行うと、時間の経過と共
にその出力である空燃比信号V_OUT値が低下する傾向を示
す。

この場合、途中で、エンジンをレーシングさせると、
即ち、一時的に空燃比をリッチに振り、ポンプ電流の向
きを代えると、O₂検出特性が復帰するものと見做され、
記号ERで示すように空燃比は符号STで示すスタート時と
同様の値に復帰する事も明らかと成っている。

このように、リニアA/Fセンサの出力に異常が発生し
た場合、その空燃比情報はその信頼性を低下させること
となる。

そこで、リニアA/Fセンサの異常時にはこれを早期に
検出し、その時の状況に応じて、空燃比センサが復帰可
能な異常か、復帰不可の故障かを判定して、以後の空燃
比のフィードバック制御を中断させたり、それに代わる
制御方式での空燃比制御を選択的に行うことが望まし
い。そのため、空燃比センサの出力をそのまま判定に使
用する装置ではフュエルカット時に異常判定範囲を狭く
して軽度の異常を検出することも行われているが（特開
昭60−98142号公報参照）、運転状態により目標空燃比
が大きく変動する通常運転時には軽度の異常を検出でき
ないため、通常運転時には空燃比制御を選択的に行うこ
とができない。

本発明の目的は、運転状態の変動にかかわらず空燃比
センサの異常状態に適した空燃比制御を行うことが出来
る空燃比制御装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上述の目的を達成するために、本発明は、混合気燃焼
後の排ガス中の酸素濃度に応じた空燃比信号を出力する
空燃比センサと、上記空燃比信号と車両の運転状態より
決定された目標空燃比との差分である空燃比ずれ量を算
出するずれ量算出手段と、上記空燃比ずれ量と第一及び
第二の判定値とを比較する比較手段と、上記空燃比ずれ
量が上記第一の判定値を上回ると異常信号を出力する異
常判定手段と、上記空燃比ずれ量が上記第一の判定値よ
り大きな上記第二の判定値を上回ると故障信号を出力す
る故障判定手段と、上記異常信号が出力された時、上記
空燃比信号に基づくフィードバック制御を行う手段によ
る空燃比制御を中断させ、上記故障信号が出力された時
上記空燃比信号に基づくフィードバック制御を行う手段
による空燃比制御を中断させると共にセンサ作動を停止
させる異常処理手段とを有したことを特徴とする。

（作用）空燃比制御において、目標空燃比が運転状態によって
設定され、それに応じて燃料供給量が制御された結果が
空燃比センサ出力となるため、この２つの値の差である
空燃比ずれ量は運転状態によらずほぼ一定となるはず
で、センサに異常が生じた場合に変動することになる。
このため空燃比ずれ量が空燃比センサの異常の程度を示
すこととなり、この特性により運転状態によらず二つの
判定値の使用が可能となり、常に空燃比センサの異常の
発生と異常の程度を検出して対応を行うことが可能とな
る。具体的には異常処理手段が異常信号を受けると、空
燃比信号に基づくフィードバック制御を行う手段による
空燃比制御を中断させるのみとし、故障信号を受けると
空燃比信号に基づくフィードバック制御を行う手段によ
る空燃比制御を中断させると共にセンサ作動を停止させ
るので、異常処理手段が異常信号を受けた場合にはセン
サの復帰を待つ事が出来る。

（実施例）第１図に示した空燃比制御装置は、内燃機関の燃料供
給系内に配設されている。

この燃料供給系は、エンジン10の排気路11に配設され
るリニアA/FセンサＳより得られた空燃比（A/F）情報を
エンジンコントロールユニット（以後単にコントローラ
と記す）12に出力し、このコントローラが燃料供給量を
算出し、その供給量の燃料を噴射ノズルＮが適時に吸気
路13に噴射供給するという構成を採る。

ここでリニアA/FセンサＳ及びセンサ駆動回路SCは第
９図に示した従来装置と同じ構成を採る部分が多く、そ
の重複説明を略す。

第１図において、リニアA/FセンサＳは０〜５ボルト
の空燃比信号Voutをエンジンコントロールユニット（以
後単にコントローラと記す）12に出力させており、特
に、センサ駆動回路SCには異常処理手段の一部分を成す
ポンプカット回路14が第３図に示すように接続されてい
る。

このポンプカット回路14は、比較回路１と正負電源付
き積分アンプ２間をゼロ電位、即ち比較回路１の出力が
ストイキオを示す電位に保つトランジスタ15が配設さ
れ、そのベース端にコントローラ12からのポンプカット
入力が入力されるよう構成されている。

なお、符号16はエンジンの図示しないコンビネイショ
ンスイッチ内のスタータスイッチを、符号17は吸入空気
量情報を出力するエアフローセンサを、符号18はエンジ
ン回転数情報を出力する回転センサを、符号19は大気圧
情報を出力する大気圧センサをそれぞれ示している。

コントローラ12はマイクロコンピュータでその要部が
構成され、特に、各出力信号を受けて、適時にその情報
を取り込み、あるいは適時に制御信号を駆動回路121,12
2等に出力する入出力回路123と、第６図（ａ），
（ｂ），（ｃ）及び第７図に示す空燃比制御プログラム
や第４図の各判定値π、α等を書き込まれた記憶回路12
4と、各制御プログラムに沿って制御値を算出する制御
回路125等で構成されている。

ここで、このコントローラ12の機能をこの発明に関し
てのみ説明すると、第２図に示すようになる。

即ち、コントローラ12は空燃比センサＳの駆動回路SC
からの空燃比信号V_OUTを受けて、この値と目標空燃比と
の差分ΔA/F（空燃比ずれ量）を算出するずれ量算出手
段と、比較手段と、異常判定手段と、故障判定手段と、
異常処理手段及び空燃比信号に基づくフィードバック制
御を行う手段として機能する。

比較手段は差分ΔA/F（空燃比ずれ量）が空燃比セン
サの回復が可能な程度の量であるか否かを第１の判定値
πで判定し、空燃比センサの回復が不可能な程度の量で
あるか否か第２の判定値αで判定する。異常判定手段は
差分ΔA/Fが第一の判定値πを上回ると異常信号を出力
し、故障判定手段は差分ΔA/Fが第二の判定値αを上回
ると故障信号を出力し、異常処理手段は異常信号が出力
された時、空燃比信号に基づくフィードバック制御を行
う手段による空燃比制御を中断させ、故障信号が出力さ
れた時空燃比信号に基づくフィードバック制御を行う手
段による空燃比制御を中断させると共にセンサ作動を停
止させる。

第４図の示すように、第二の判定値αは第一の判定値
πより大きく設定される。

この場合、第一の判定値πは第５図で説明したよう
に、エンジンが連続リーンの定常運転を連続して行う場
合（符号ENで示す領域）に時間の経過と共に生じる空燃
比信号V_OUTの低下を考慮して決定される。この場合、空
燃比フィードバックを中断するが、リニアA/FセンサＳ
自体の作動は許容される。他方、第二の判定値αは第一
の判定値πより十分に大きく、明らかに、復帰見込の無
い故障状態のレベルに信号がすれたと判断出来る値に設
定される。

ここで、このコントローラ37による燃料噴射量の制御
（フィードバック制御及び非フィードバック時に行われ
るオープンループ制御）と共に行われる空燃比制御処理
を第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）及び第７図の制御プロ
グラムと共に説明する。

コントローラのプログラムは、第６図（ｃ）に示すよ
うにスタータスイッチのオン処理によりスタートする。
この場合、メインルーチンではヒータ30（第９図参照）
のオン処理がなされ、それに続いてスタータフラグが１
か否か判定し、スタータオン処理がなされていないと、
ステップa8に、再度ステップa2に達し、スタータオンさ
れるとステップa3に進む。

ステップa3ではスタータフラグがクリアされ、フェー
ル判定フラグF1及び異常フラグF2がクリアされ、ポンプ
電流Ip（第９図参照）の作動を許容するポンプセル作動
フラグがクリアされる。ステップa6ではリニアA/Fセン
サＳの起動時期を規制するセンサ起動タイマがまずリセ
ットされ、その後スタートされる。

ステップa8に達すると、ここではセンサ起動タイマの
カウント値が設定値θ（この値は起動時における空燃比
センサの確実な活性化を待つ、待ち時間に応じた値）を
上回ったか否かを判定する。上回らない間はステップa1
7に進み、空燃比フィードバック係数K_FBを１に設定し、
空燃比フィードバックを禁止処理し、燃料噴射量のオー
プンループ制御、即ち、エンジン回転数Ｎ及び負荷A/N
に応じた燃料噴射量を所定のマップより算出し、その算
出した算出燃料噴射量Fuelを所定のエリアに取り込み、
ステップa1に戻る。この処理以後の図示しない燃料噴射
ルーチンでは、これが所定クランク角での割込みタイミ
ングに応じて実行され、所定のオープンループ制御で決
定された目標空燃比を達成出来る燃料噴射が行われる。

この後、ステップa2ではスタータフラグがゼロである
ことより、ステップa8に進み、センサ起動タイマがθを
カウントし、カウント値がθを上回るとステップa9に達
する。ここではセンサ起動タイマがまだ作動中であれば
そのカウント作動をそのときの値のまま停止させ、ステ
ップa10に進む。

ここでは始め、ポンプセル作動フラグが１でないとス
テップa11に進み、ポンプセル21を作動し、フラグを１
とし、ポンプセル作動タイマをスタートさせ、同タイマ
のカウントが設定値ε（空燃比センサの出力が安定する
のを待つ待ち時間に相当する値）を上回ったか否かを判
定し、上回らない間はステップa17側のオープンループ
処理を継続し、上回ると、即ち待ち時間が経過しポンプ
電流I_Pが信頼性を持つと、ステップa15に進み、ポンプ
セル作動タイマが作動中であればその時のカウント値の
ままで、その作動を停止させ、ステップa20に進む。

ステップa20では空燃比センサＳの異常判定をする。

まず、ステップa20としてのサブルーチン＃１では、
第７図に示すように、空燃比信号Voutに基づくセンサ異
常の判定をする。ここでは、フェール判定フラグF1が１
とならない間で、フィードバック制御中のみ、ステップ
b3に進み、そうでないとメインルーチンへリターンす
る。

ステップb3,4ではメインルーチンで既に決定されてい
る現車両の運転状況に応じた目標空燃比A/Fの値の読み
込みを行い、リニアA/FセンサＳより空燃比信号Voutを
読み込む。更に、所定の空燃比A/F算出マップ（図示せ
ず）に沿って、空燃比信号Voutに応じた実空燃比を概算
する。

ステップb6では目標空燃比A/Fとセンサ検出の空燃比
との偏差ΔA/Fを算出する。そして、偏差ΔA/Fが故障判
定である第二の判定値αを上回ったか否かを判定し、上
回っていないとステップb9に進み、上回っているとフェ
ール判定フラグF1を１としてリターンする。ステップb9
では、偏差ΔA/Fが第一の判定値πを上回ったか否かを
判定し、上回った場合は異常フラグF2を１としそうでな
い場合はF2を０として（図示せず）メインルーチンにリ
ターンする。

このような異常判定の後、ステップa21に達する。こ
こでは、フェール判定フラグF1がゼロか否かを見て、フ
ェールであると直ちに空燃比フィードバック中断とシス
テム停止処理ゾーンにあると見做す。即ち、ステップa1
6で、ポンプセル作動停止出力を駆動回路122を介してポ
ンプカット回路14に出力し、ポンプ電流Ipをカットし、
ステップa17に進む。

他方、ステップa21でフェールでないとしてステップa
22に達すると、ここでは現在の運転状態がフィードバッ
ク条件を満たしているか否かを判定し、フィードバック
許容判定域に無い場合は、ステップa17のオープンルー
プ制御に進み、判定域にあるとステップa23に達する。
ここでは異常判定フラグF2が１か否かを判定し、１の場
合、空燃比フィードバック一時中断ゾーンにあるとし、
センサの回復を待つべくステップa17のオープンループ
制御に進む。他方、異常判定フラグF2がゼロでは空燃比
フィードバックゾーンにあると判定し、ステップa24に
進む。

ステップa24では、空燃比信号Voutに基づき空燃比算
出（A/F）_２の算出を（A/F）_２＝ｆ（Vout）より行う。
続いてメインルーチンで既に決定されている現車両の運
転状況に応じた目標空燃比A/Fの値の読み込みを行い、
この目標空燃比A/Fと実際の空燃比（A/F）_２との差を求
め、しかも、これの前回値との差Δεも算出しておき、
空燃比による燃料量補正係数K_FBの算出に入る。

ここでは、差Δεのレベルに応じたゲインの比例項K_A
（ε）と、三元触媒の応答遅れを防ぐためのオフセット
量K_Pを算出し、更に、微分項としてのK_D（Δε）、積分
項としてのΣK_I（ε,t_FB）を各々算出し、これらの加減
算により、K_FBを求める。

この後ステップa19に進み、各補正係数K_FB,K及び基準
燃料量Ｆにより、この時点での適正燃料供給量Fuelを算
出し、ステップa1に戻る。

このような処理で得られた値はメインルーチン中にお
ける所定クランク角信号の割込み時に行われる燃料噴射
ルーチンで呼び出され、その値に応じた噴射時間だけ燃
料噴射ノズルＮが駆動回路121を介して駆動され、所定
の空燃比を達成可能な燃料噴射がなされることとなる。

（発明の効果）以上のように、本発明は、空燃比センサの異常の程度
に対応する空燃比ずれ量を検出し、この空燃比ずれ量を
第一、第二の判定値と順次比較するので、運転状態によ
らず、空燃比センサの異常が回復可能な程度か、回復不
可能な故障かを検出でき、しかも、回復可能な時には空
燃比センサが回復するのを待ち、回復不可能な時にはフ
ィードバック制御を中断させセンサ作動を停止させる。

このように、空燃比センサの異常を検出するに当た
り、運転状態によらず、即ち、運転域の規制を受けるこ
と無く検出でき、早期にセンサ異常を検出できる。しか
も、空燃比ずれ量が互いに異なる第一、第二の判定値と
順次比較され、空燃比センサが軽度の異常であると、空
燃比信号に基づくフィードバック制御を一旦中断させ、
空燃比センサが回復するのを待ち、回復すると空燃比信
号に基づくフィードバック制御を再開させるため、フィ
ードバック制御域の低減を最小限に抑えることが出来、
燃費や排ガス悪化を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての空燃比制御装置の概
略構成図、第２図は同上装置のコントローラの機能を表
すブロック図、第３図は同上装置内のセンサ駆動回路
図、第４図は同上装置の差分ΔA/Fに対する空燃比フィ
ードバック制御ゾーン説明図、第５図リニアA/Fセンサ
の出力の経時変化線図、第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）
および第７図は空燃比制御プログラムのフローチャー
ト、第８図は従来の空燃比センサのセンサ素子部分の構
成の説明図、第９図は従来の空燃比センサの概略構成
図、第10図はポンプ電流と空燃比の関係を示す図、第11
図はポンプ電流の方向に基づくストイキオ信号の特性を
示す図である。１……エンジン、11……排気系、12……コントローラ、
Ｎ……燃料噴射ノズル、Vout……空燃比信号、Ｓ……空
燃比センサ、SC……センサ駆動回路、ΔA/F……差分。F
1……フェール判定フラグ、F2……異常判定フラグ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−98142（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−81541（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−186029（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−103442（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−105855（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−7063（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】混合気燃焼後の排ガス中の酸素濃度に応じ
た空燃比信号を出力する空燃比センサと、上記空燃比信
号と車両の運転状態より決定された目標空燃比との差分
である空燃比ずれ量を算出するずれ量算出手段と、上記
空燃比ずれ量と第一及び第二の判定値とを比較する比較
手段と、上記空燃比ずれ量が上記第一の判定値を上回る
と異常信号を出力する異常判定手段と、上記空燃比ずれ
量が上記第一の判定値より大きな上記第二の判定値を上
回ると故障信号を出力する故障判定手段と、上記異常信
号が出力された時、上記空燃比信号に基づくフィードバ
ック制御を行う手段による空燃比制御を中断させ、上記
故障信号が出力された時上記空燃比信号に基づくフィー
ドバック制御を行う手段による空燃比制御を中断させる
と共にセンサ作動を停止させる異常処理手段とを有した
空燃比制御装置。