JP2591761Y2 - 内燃機関の空燃比検出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は機関排気中の酸素濃度に
基づいて機関吸入混合気の空燃比を検出する内燃機関の
空燃比検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、内燃機関の空燃比検出に用い
られるセンサとして、酸素濃淡電池が広く使用されてい
る。この酸素濃淡電池は、酸素イオン伝導性の固体電解
質の表裏に酸素濃度差があると、酸素は電解質の中を拡
散し、濃い方から薄い方へ移行し、平衡状態になろうと
する性質を利用し、前記固体電解質の表裏に多孔質の電
極を設けて、基準気体（大気）と機関排気との間の酸素
分圧差に応じて両電極間に生じる起電力を取り出す構成
のものであり、前記酸素イオン伝導性の固体電解質とし
てジルコニアが広く用いられている（特開昭５８−２０
４３６５号公報等参照）。

【０００３】ここで、排気中の酸素濃度は理論空燃比を
境にして急激に変化し、然も、前記電極材料として用い
られる白金の触媒作用があるので、前記酸素濃淡電池セ
ンサの出力は、理論空燃比を境にオン・オフ的に変化す
ることになり、これによって理論空燃比のみを正確に計
測することができる。一方、燃費の向上を目的として、
理論空燃比（14.7）よりも極めて高い空燃比（例えば20
〜25）で燃焼を行わせるようにした希薄燃焼機関が近年
提案されており、かかる希薄燃焼を高精度に制御するた
めには、前記理論空燃比よりも高い空燃比（リーン空燃
比）を検出できるセンサが必要になる。

【０００４】上記のように理論空燃比よりもリーン（及
びリッチ）な空燃比を検出できる空燃比センサ（以下、
広域空燃比センサと称する。）としては、例えば特開昭
６３−１３８２５７号公報等に開示されるようなものが
ある。前記広域空燃比センサは、前記酸素イオン伝導性
固体電解質の両面に設けた電極間に定電圧を印加したと
きに、電解質内を移行する酸素量が電極部に設けたガス
拡散律速手段によって被検出気体である機関排気中の酸
素濃度に応じて定常化されることによって生じる電流値
（限界電流値）のレベルによってリーン（及びリッチ）
空燃比を計測するポンプセル形の広域空燃比センサであ
る。

【０００５】前記広域空燃比センサにおいて、リーン領
域とリッチ領域との両方の空燃比領域での検出を可能に
するために、限界電流値を取り出すためのセンサ部（酸
素ポンプ部）とは別に、前記酸素濃淡電池を付設し、該
酸素濃淡電池による理論空燃比に対するリッチ・リーン
検出に基づいて前記酸素ポンプに対する電圧の印加方向
を反転させるようにしている。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な広域空燃比センサでは、図６に示すように、理論空燃
比を含む広い空燃比範囲で略リニアに出力が変化するこ
とになるから、理論空燃比のみを検出する酸素センサの
ように出力が急変するタイプのセンサに比べて、高い分
解能で空燃比を判断させることは困難である。然も、前
記広域空燃比センサの出力特性は、センサの劣化によっ
て図６に点線で示すように変化するから、劣化時には、
空燃比検出精度が大きく悪化することになってしまうと
いう問題があった。

【０００７】本考案は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、センサ劣化によって広域空燃比センサの出力特性
がシフトすることがあっても、初期状態での検出精度を
確保できる空燃比検出装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため本考案にかかる
内燃機関の空燃比検出装置は、図１に示すように構成さ
れる。図１において、酸素センサは、機関排気中の酸素
濃度に感応して理論空燃比付近で出力が急変する特性を
有することにより理論空燃比を計測するセンサであり、
また、広域空燃比センサは、機関排気中の酸素濃度に感
応して理論空燃比を含む広域の空燃比範囲で出力が略リ
ニアに変化する特性を有することにより前記広域の空燃
比を計測するセンサである。

【０００９】一方、理論空燃比相当値検出手段は、前記
酸素センサで理論空燃比が計測されたときの前記広域空
燃比センサの出力値を検出する。そして、空燃比検出値
補正手段は、理論空燃比相当値検出手段で最新に検出さ
れた広域空燃比センサの出力値と前記広域空燃比センサ
の初期状態で前記理論空燃比相当値検出手段で検出され
た広域空燃比センサの出力値との比較に基づいて前記広
域空燃比センサの出力値を補正する。

【００１０】

【作用】かかる構成によると、酸素センサで理論空燃比
が計測されると、そのとき、即ち、排気空燃比が理論空
燃比である状態での広域空燃比センサの出力値がサンプ
リングされる。そして、広域空燃比センサの理論空燃比
状態における出力の最新値と、広域空燃比センサの初期
状態での理論空燃比状態における出力とが比較されるこ
とによって、出力特性の変化が検出され、該出力特性の
変化に応じて広域空燃比センサの出力を補正する。

【００１１】このようにして、理論空燃比であるとき
に、広域空燃比センサの出力値が初期状態と同じレベル
になるように補正される。

【００１２】

【実施例】以下に本考案の実施例を図面に基づいて説明
する。一実施例を示す図２において、内燃機関１にはエ
アクリーナ２から吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸
気マニホールド５を介して空気が吸入される。吸気マニ
ホールド５の各ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁
６が設けられている。この燃料噴射弁６は、ソレノイド
に通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃
料噴射弁であって、後述するコントロールユニット12か
らの噴射パルス信号により通電されて開弁し、図示しな
い燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータに
より所定の圧力に調整された燃料を、機関１に噴射供給
する。

【００１３】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ていて、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホールド８，排気
ダクト９，触媒10及びマフラー11を介して排気が排出さ
れる。コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，Ｒ
ＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等を含ん
で構成されるマイクロコンピュータを備え、各種のセン
サからの入力信号を受け、後述の如く燃料噴射弁６によ
る燃料噴射量を演算により設定し、該燃料噴射量に基づ
いて燃料噴射弁６の作動を制御する。

【００１４】前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３
中にエアフローメータ13が設けられていて、機関１の吸
入空気流量Ｑに応じた信号を出力する。また、クランク
角センサ14が設けられていて、所定クランク角毎の回転
信号を出力する。ここで、前記回転信号の周期、或い
は、所定時間内における発生数を計測することにより、
機関回転速度Ｎｅを算出できる。

【００１５】また、機関１のウォータジャケットの冷却
水温度Ｔｗを検出する水温センサ15が設けられている。
また、排気マニホールド８の集合部には、排気中の酸素
濃度に基づいて機関吸入混合気の空燃比を検出する２つ
のセンサ16，17が設けられている。センサ16は、特開昭
５８−２０４３６５号公報等に開示される酸素濃淡電池
形の酸素センサであり、酸素イオン伝導性の固体電解質
の表裏に酸素濃度差があると、電解質の中を酸素イオン
が移動して平衡状態になろうとする性質を利用し、前記
固体電解質の表裏に白金電極を設け、基準気体として大
気と機関排気との間の酸素分圧差に応じて両電極間に生
じる起電力を取り出す構成のものである。

【００１６】ここで、前記酸素センサ16は、前記白金電
極の触媒作用によって残存酸素と未燃成分との間の反応
が促進されることによって、図４に示すように、理論空
燃比を境として急激に起電力が急変する特性を有し、理
論空燃比のみを正確に計測できるセンサである。一方、
センサ17は、特開昭６３−１３８２５７号公報等に開示
されるような所謂ポンプセル形の広域空燃比センサであ
り、前記酸素濃淡電池と酸素ポンプとを組み合わせて構
成される。即ち、排気の拡散が律速される拡散室内の酸
素を汲み出し、また、拡散室内に酸素を汲み入れる作用
を前記酸素ポンプに行わせるよう構成すると共に、前記
拡散室内の排気中酸素濃度を前記酸素濃淡電池型の酸素
センサで計測させ、該酸素センサの出力が理論空燃比相
当の一定値になるように、酸素ポンプに流す電流をフィ
ードバック制御する。そして、図５に示すような特性と
なる前記ポンプ電流を電圧に変換することによって、図
６に示すような理論空燃比を含む広域の空燃比範囲で出
力が略リニアに変化する出力特性を得て、前記広域の空
燃比範囲を電圧レベルに基づいて計測できるようになっ
ている。

【００１７】ここにおいて、コントロールユニット12に
内蔵されたマイクロコンピュータのＣＰＵは、吸入空気
流量Ｑと機関回転速度Ｎｅとに基づいて目標空燃比相当
の基本燃料噴射量Ｔｐを演算する一方、前記センサ16，
17による検出結果を用いて前記基本噴射量Ｔｐを補正す
るための空燃比フィードバック補正係数ＬＭＤを設定
し、該補正係数ＬＭＤで基本噴射量Ｔｐを補正して最終
的な燃料噴射量Ｔｉを演算する。そして、該燃料噴射量
Ｔｉに相当するパルス幅の噴射パルス信号を所定のタイ
ミングで燃料噴射弁６に出力することで、機関１への燃
料供給量を電子制御する。

【００１８】尚、本実施例の機関１は、希薄燃焼機関で
あり、前記目標空燃比として理論空燃比よりも極めて高
いリーン空燃比（例えば20〜25）が設定されるようにな
っており、前記リーン空燃比領域以外では理論空燃比付
近を目標空燃比とするように設定されている。従って、
理論空燃比以外を目標空燃比とする場合には、広域空燃
比センサ17の検出結果を用いて空燃比フィードバック制
御を実行し、理論空燃比を目標とする場合にのみ酸素セ
ンサ16の検出結果を用いる。

【００１９】ここで、前記広域空燃比センサ17は、前記
図６に示すように、その出力が空燃比変化に対して略リ
ニアに変化する特性を有して広域に空燃比を検出する特
性を有するが、空燃比変化に対する出力変化が小さいた
めに空燃比の分解能が悪い。従って、図６で実線で示す
初期の出力特性が、センサ劣化によって図６で点線で示
すようにシフトすると、これが大きく空燃比検出精度を
悪化させることになってしまう。

【００２０】そこで、本実施例では、図３のフローチャ
ートに示すようにして、前記センサ劣化による出力特性
のシフトを補正することができるようにしてある。尚、
本実施例において、理論空燃比相当値検出手段及び空燃
比検出値補正手段としての機能は、前記図３のフローチ
ャートに示すように、コントロールユニット12がソフト
ウェア的に備えている。

【００２１】図３のフローチャートにおいて、まず、ス
テップ１（図中ではＳ１としてある。以下同様）では、
酸素センサ（Ｏ₂ ／Ｓ）16の出力電圧を読み込む。そし
て、次のステップ２では、前記ステップ１で読み込んだ
出力電圧が理論空燃比相当の電圧値に略一致しているか
否かによって、排気空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ
＝１）であるか否かを判別する。

【００２２】酸素センサ16によって理論空燃比が計測さ
れたときには、ステップ３へ進み、そのときの広域空燃
比センサ（Ａ／Ｆ Ｓ）17の出力電圧Ｖout を読み込
む。次のステップ４では、前記理論空燃比状態で読み込
んだ広域空燃比センサ17の出力電圧Ｖout が、センサ17
の初期状態で同じく理論空燃比で得られた出力電圧Ｖne
w の±３％以内であるかを判別する。

【００２３】理論空燃比状態におけるセンサ17の最新の
出力電圧Ｖout が、初期値Ｖnew と略同じである場合に
は、センサ劣化による大きな出力特性の変化がないもの
と見做す。そして、この場合にはステップ５へ進み、前
記出力電圧Ｖout を補正するための補正係数αに1.0 を
セットし、実質的に補正係数αで補正が行われないよう
にする。

【００２４】一方、ステップ４で、出力電圧Ｖout が初
期値Ｖnew の±３％以内でないと判別されたときには、
センサ劣化によって出力特性が図６に示すように変化し
たものと見做し、ステップ６へ進む。ステップ６では、
理論空燃比状態における出力電圧Ｖout が初期状態に比
べてプラス方向に変化したか、又は、マイナス方向に変
化したかを判別する。

【００２５】ここで、広域空燃比センサ17の出力電圧Ｖ
out がプラス方向に変化している場合には、これを初期
状態のレベルに戻すべく、ステップ７へ進み、前記補正
係数αに0.97をセットする。また、出力電圧Ｖout がマ
イナス方向に変化している場合には、これを初期状態の
レベルに戻すべく、ステップ８へ進み、前記補正係数α
に1.03をセットする。

【００２６】ステップ９では、広域空燃比センサ17の出
力電圧Ｖout を読み込み、次のステップ10では、上記の
ようにして設定される補正係数αを前記出力電圧Ｖout
に乗算して、該演算結果を補正済みの出力電圧Ｖout ’
として出力させ、この出力電圧Ｖout ’に基づいて空燃
比が計測されるようにする。従って、広域空燃比センサ
17に劣化が生じ、理論空燃比における出力電圧Ｖout が
初期とは異なるレベルとして出力されるようになったと
きに、かかる特性変化を初期特性に近づける方向に補正
することができる。これにより、センサ劣化によって大
きく空燃比検出精度が悪化することを防止でき、以て、
広域空燃比センサ17を用いた空燃比フィードバック制御
の安定性が向上する。

【００２７】上記実施例では、補正制御を簡便に行わせ
るために、酸素センサ16で高精度に検出される理論空燃
比のときの広域空燃比センサ17の出力が、初期に比べて
±３％を越える誤差を生じるようになったときに、前記
±３％に相当する補正係数を乗算して補正するようにし
たが、広域空燃比センサ17の理論空燃比時における出力
を初期値に一致させるような補正係数を求めるようにし
ても良い。

【００２８】更に、理論空燃比における出力電圧Ｖout
が初期値Ｖnew に対して所定割合以上の偏差を有するよ
うになったときに、センサ劣化を警告を発生させるよう
にしても良い。また、本実施例では、ポンプセル形の広
域空燃比センサ17としたが、センサ構造を限定するもの
ではなく、空燃比変化にして略リニアに出力が変化する
特性のセンサであれば良い。

【００２９】更に、酸素センサ16についても、ジルコニ
ア等の固体電解質を用いた酸素濃淡電池ではなく、チタ
ニアを用いた抵抗形の理論空燃比センサであっても良
い。また、酸素センサ16と広域空燃比センサ17とを一体
的に設けるようにしても良い。

【００３０】

【考案の効果】以上説明したように本考案にかかる空燃
比検出装置によると、広域空燃比センサの劣化によって
出力特性が変化したことを、酸素センサで高精度に検出
される理論空燃比時の出力レベルに基づいて判定し、こ
れに基づいて広域空燃比センサの出力を補正するように
したので、広域空燃比センサの劣化時に大幅に空燃比検
出精度が悪化することを防止でき、以て、空燃比フィー
ドバック制御の安定性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の構成を示すブロック図。

【図２】本考案の実施例の構成を示すシステム図。

【図３】実施例におけるセンサ出力補正の様子を示すフ
ローチャート。

【図４】酸素センサの出力特性を示す線図。

【図５】ポンプセル形広域空燃比センサのポンプ電流の
特性を示す線図。

【図６】ポンプ電流を電圧に変換して得られる広域空燃
比センサの出力特性を示す線図。

【符号の説明】

１ 機関 ６ 燃料噴射弁 12 コントロールユニット 16 酸素センサ 17 広域空燃比センサ

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】機関排気中の酸素濃度に感応して理論空燃
   比付近で出力が急変する特性を有することにより理論空
   燃比を計測する酸素センサと、 機関排気中の酸素濃度に感応して理論空燃比を含む広域
   の空燃比範囲で出力が略リニアに変化する特性を有する
   ことにより前記広域の空燃比を計測する広域空燃比セン
   サと、 前記酸素センサで理論空燃比が計測されたときの前記広
   域空燃比センサの出力値を検出する理論空燃比相当値検
   出手段と、 該理論空燃比相当値検出手段で最新に検出された広域空
   燃比センサの出力値と前記広域空燃比センサの初期状態
   で前記理論空燃比相当値検出手段で検出された広域空燃
   比センサの出力値との比較に基づいて前記広域空燃比セ
   ンサの出力値を補正する空燃比検出値補正手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の空燃比
   検出装置。