JP3304763B2 - 内燃機関の空燃比検出装置 - Google Patents
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Description
出装置に関し、特に寒冷地や酷暑地でも内燃機関の空燃
比を正確かつ高精度に検出する空燃比検出装置に関す
る。
配設され機関の排気ガスから機関の空燃比を検出しその
検出した空燃比に比例した出力を発生するリニア型の空
燃比センサが知られている。この空燃比センサを用いた
空燃比フィードバック制御装置は、空燃比センサの出力
に対応する機関の空燃比を算出するマップを予め台上試
験(ベンチテスト)で作成し、作成したマップを記憶手
段に格納し、このマップと実機に使用される空燃比セン
サの出力とから機関の空燃比を算出し、機関の空燃比が
例えば排気ガスを最も浄化する理論空燃比となるように
フィードバック制御を行っている。
マップを作成する空燃比センサ出力を処理するための処
理回路(以下簡単のため空燃比センサ回路と呼ぶ)と実
機に使用される空燃比センサ回路とはそれぞれ異なるも
のであることから実機で検出される機関の空燃比は正確
とならない。
誤差を補正し、以て、空燃比を正確かつ高精度に検出し
ようとする技術が提案されている(特願平7−1232
5参照)。この技術は、空燃比センサ非活性時の空燃比
センサ回路からの出力値が理論空燃比に対応する出力値
に等しいことに着目し、このときの出力値を理論空燃比
に対応する出力値とし、この出力値に基づき空燃比を求
める際に出力誤差の補正を行うものである。
(特願平7−12325)の技術においては、機関運転
始動時の冷却水温thw により、例えば thw≦30°Cの
とき、機関冷間状態すなわち空燃比センサが非活性状態
であると判断しているが、寒冷地の場合には thw≦30
°Cであっても、空燃比センサが活性状態の場合があり
誤補正が生じる虞があり、一方、酷暑地の場合には thw
>30°Cであっても、空燃比センサが非活性状態の場
合があるにも係わらずこのときには補正の機会が殆どな
いという虞がある。
わち寒冷地や酷暑地でも空燃比センサの非活性状態を正
確に判断して空燃比センサ回路の固体差による出力誤差
を補正し、内燃機関の空燃比を正確かつ高精度に検出す
る内燃機関の空燃比検出装置を提供することを目的とす
る。
ック構成図である。本図において本発明の空燃比検出装
置1を破線で囲んで示す。前記目的を達成する本発明に
よる内燃機関の空燃比検出装置は、内燃機関10の排気
系に配設され電圧を印加すると電流を発生する固体電解
質からなる空燃比センサ20と、その空燃比センサ20
に電圧を印加すると共にその固体電解質に流れる電流を
検出しその検出した電流の大きさに比例する出力を発生
する空燃比センサ回路30と、その空燃比センサ回路3
0の出力に基づいて空燃比を検出する空燃比検出手段4
0と、を備える内燃機関の空燃比検出装置において、内
燃機関10の前回運転停止時の第一冷却水温thwgと今回
運転始動時の第二冷却水温thw との温度差が所定温度、
例えば30°C以上であるときに、空燃比センサ20が
非活性状態であると判断する活性状態判断手段Aと、空
燃比センサ20が非活性状態であると判断されたときの
空燃比センサ回路30の出力値に基づいて空燃比センサ
回路30の出力値の空燃比に対する誤差を補正する出力
誤差補正手段Bと、を備えたことを特徴とする。
作用を以下に説明する。排気系に設けられた固体電解質
からなる空燃比センサ20に空燃比センサ回路30が電
圧を印加すると、空燃比センサ20に空燃比に応じた電
流が生じる。空燃比センサ回路30は上記電流の大きさ
に比例した出力を発生させ、空燃比検出手段40によ
り、例えば予め記憶手段に格納した空燃比センサ回路3
0の出力値に対する空燃比のマップから、その出力値に
対応する内燃機関10の空燃比を読み取る。一方、活性
状態判断手段Aにより、内燃機関10の前回運転停止時
の第一冷却水温thwgと今回運転始動時の第二冷却水温th
w との温度差が所定温度、例えば30°C以上であると
きに、空燃比センサ20は非活性状態であると判断さ
れ、このときの空燃比センサ回路30の出力値に基づい
て空燃比センサ回路30の固体差による出力値の空燃比
に対する誤差が出力誤差補正手段Bにより補正される。
また、この空燃比センサの活性判別は、機関冷却水の冷
却速度と空燃比センサの冷却速度との関係に着目し、機
関冷却水の温度低下量が所定値以上となれば、空燃比セ
ンサの温度も大きく低下し、空燃比センサが非活性状態
に至ったものと判断して行っている。空燃比センサ回路
30の出力値の空燃比に対する誤差が出力誤差補正手段
Bにより補正された後、その補正値に応じて内燃機関1
0の空燃比が空燃比検出手段40、例えば上記マップか
ら求められ、求められた空燃比が目標空燃比、例えば理
論空燃比となるように内燃機関10の運転状態に応じた
燃料噴射量が燃料噴射量算出手段50により算出され、
その燃料噴射量を内燃機関10へ供給する空燃比制御が
実行される。
構成図である。先に図1を用いて説明した空燃比検出手
段40、燃料噴射量算出手段50、活性状態判断手段A
および出力誤差補正手段Bは、電子制御ユニット(以下
ECUと記す)60により後述するルーチンを実行する
ことにより達成される。ECU60は、デジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バスを介して相互に接続され
た図示しないRAM(ランダムアクセスメモリ)、RO
M(リードオンリメモリ)、CPU(マイクロプロセッ
サ)、第1入力インターフェイス回路、第2入力インタ
ーフェイス回路、および出力インターフェイス回路を具
備する。第2入力インターフェイス回路にはセンサ類か
らのアナログ信号がA/Dコンバータ(図示せず)を介
して入力される。機関10の冷却水温thw は図示しない
機関10のエンジンブロックに埋設された水温センサ7
0により検出され、水温センサ70は機関水温に比例し
たアナログ電圧を出力する。このアナログ電圧はECU
60内のA/Dコンバータに入力され、デジタルデータ
に変換される。また、出力インターフェイス回路内の1
つの駆動回路が燃料噴射弁80に接続され、燃料噴射量
算出手段50により算出された燃料噴射量に相当する噴
射時間だけクランク角センサ(図示せず)の入力信号に
応じた噴射時期に燃料噴射弁80を開弁する。
出力波形を示す図である。本図において横軸は時間、縦
軸は空燃比センサ回路の出力電圧を示す。時刻t0 に機
関を始動すると空燃比センサ回路と空燃比センサとにバ
ッテリーから電圧が印加され、空燃比センサ回路の出力
電圧は時刻t0 の0ボルトから急激に上昇し、例えば3
2msec後の時刻t1 には3.3ボルトになる。空燃比セ
ンサ回路の出力電圧は、空燃比センサが非活性状態であ
る間は3.3ボルトで一定であるが、やがて空燃比セン
サが半活性状態になると図示するように3.3ボルトを
中心にして低い周波数で振幅するようになり、空燃比セ
ンサが活性状態になると同じく3.3ボルトを中心にし
て高い周波数で振幅するようになる。前述したように空
燃比センサが発生する出力電流は空燃比センサが検出す
る排気ガスの空燃比が理論空燃比のときまたは空燃比セ
ンサが非活性状態のときに0となるので、空燃比センサ
が非活性状態のときの空燃比センサ回路の出力電圧を読
み取ればこの空燃比センサが理論空燃比の機関の排気ガ
スを検出したときの空燃比センサ回路の出力電圧すなわ
ちストイキ電圧が検出できる。後述するように本発明に
よるストイキ電圧は、例えば時刻t0 から640msec後
の時刻t2 までの間32msec毎に空燃比センサ回路の出
力電圧をサンプリングして求めている。
機関の空燃比の変換マップを示す図である。本図におい
て横軸は空燃比センサが検出する機関の空燃比ABF、
縦軸は空燃比センサ回路の出力電圧vaf を示す。本図は
空燃比センサ回路の出力に対応する機関の空燃比を算出
するために予めベンチテストで作成した変換マップの特
性曲線を太い実線で示す。この変換マップを作成するデ
ータは予めベンチテストにより標準の空燃比センサと標
準の空燃比センサ回路とを用いて測定して求め、記憶回
路ROMに記憶される。本図において破線で描かれる曲
線は次のように作成される真の空燃比センサ回路の特性
曲線である。先ず空燃比センサ回路の出力電圧vaf が実
機の機関に設けられた空燃比センサと空燃比センサ回路
とを用いて測定したストイキ電圧vafstgでありかつ空燃
比が理論空燃比14.5である点Sをプロットする。次
ぎに太線で示される変換マップの特性曲線上の理論空燃
比14.5に対応する点MSをプロットし、この点に対
応する空燃比センサ回路の出力電圧をVAFMSとす
る。次ぎに変換マップの特性曲線に沿ってvafstg−VA
FMSだけ縦軸方向にシフトさせた点を複数箇所プロッ
トしてそのプロットした点を破線で結んで真の空燃比セ
ンサ回路の特性曲線を作成する。実機で測定される空燃
比センサ回路の出力電圧vaf はこの破線で示す特性曲線
と一致する。したがって空燃比センサ回路の出力電圧va
f を読み取り、vaf −(vafstg−VAFMS)を演算し
てvaf を更新し、更新したvaf に対応して予めベンチテ
ストにより作成した変換マップの特性曲線上の空燃比を
読み取ればそのときの実機の機関の空燃比が算出でき
る。
センサのストイキ学習処理ルーチンを示すフローチャー
トである。このフローチャートは本発明により実機に用
いられる空燃比センサおよび空燃比センサ回路に応じた
ストイキ電圧を学習するルーチンに相当する。本発明の
活性状態判断手段は主としてステップ105〜107の
実行により、出力誤差補正手段は主としてステップ10
9〜126の実行により遂行される。このルーチンは機
関の所定クランク角、例えば180°CR毎または所定
時間、例えば32msec毎に実行可能であるが、実施例で
は32msec毎に実行する。先ず、ステップ101では、
イグニションスイッチがオフからオンに切り替わったか
否かを判別し、その判別結果がYESのときはステップ
102へ進み、NOのときはステップ127へ進む。ス
テップ102では、初期設定0の始動フラグSTFLG
を1にセットしてステップ103へ進む。ステップ10
3では、始動フラグSTFLGが1にセットされたか否
かを判別し、STFLG=1のときはステップ104へ
進み、STFLG=0のときはステップ127へ進む。
ステップ104では、機関が始動したか否かを機関のク
ランク角度を検出するクランク角センサの出力信号から
算出される機関の回転数NEが400RPMを越えたか
否かにより判別し、NE≧400RPMのときは機関は
始動したと判断してステップ105へ進み、NE<40
0RPMのときはステップ127へ進む。
キ学習禁止フラグxvafstg が0にリセットされたか否か
を判別し、その判別結果がYESのときはストイキ学習
が許可されたものとみなしステップ106へ進み、NO
のときはストイキ学習が禁止されたものとみなしステッ
プ127へ進む。ステップ106では、前回運転停止時
にRAMに記憶された冷却水温学習値thwgが所定温度、
例えば60°C以上であったか否かを判別し、その判別
結果がYESのときは前回運転停止時の冷却水温は空燃
比センサが活性状態であったことを示すものとみなしス
テップ107へ進み、その判別結果がNOのときは前回
運転停止時の冷却水温は空燃比センサが非活性状態であ
ったことを示すものとみなしストイキ学習を実行しない
ステップ127へ進む。
ンブロックに埋設され機関の温度を検出する水温センサ
から読み取られた冷却水温thw と冷却水温学習値thwgと
から空燃比センサの活性状態を判定する。すなわち冷却
水温thw がthw ≦thwg−30か否かを判別する。これは
今回運転始動時の冷却水温thw が前回運転停止時の冷却
水温thwgより30°Cを越えて低下したか否かを判別す
ることに相当する。前回運転停止後今回運転始動までに
十分時間が経過した場合、冷却水温thw は冷却水温学習
値thwgより30°Cを越えて低下し、このときは空燃比
センサの温度も低下して非活性状態になったとみなす。
従って、ステップ107の判別結果がYESのときは空
燃比センサが非活性状態であると判定しステップ108
へ進み、NOのときは空燃比センサが活性状態であると
判定してステップ127へ進む。このように、本処理は
機関冷却水の冷却速度と空燃比センサの冷却速度との関
係に着目し、機関冷却水の温度低下量が所定値以上とな
れば、空燃比センサの温度も大きく低下し、空燃比セン
サが非活性状態に至ったものと判断できるという思想に
基づく。
イッチがオフからオンに切り替わった後における空燃比
センサ回路の出力の読み取り回数をカウントする読取カ
ウンタcvafadが所定回数、例えば20未満か否かを判別
し、その判別結果がYESのときはステップ109へ進
みNOのときはステップ127へ進む。このカウンタの
設定値を20とすることにより、本ルーチンの処理周期
は32msecであるのでイグニションスイッチがオフから
オンに切り替わった後640msec経過したか否かが判断
できる。イグニションスイッチがオフからオンに切り替
わった後640msec経過するまでは、今回処理周期の空
燃比センサ回路の出力値vaf がステップ109において
は空燃比センサ最大出力値vafmaxより大きいか否かを判
別し、ステップ111においては空燃比センサ最小出力
値vafminより小さいか否かを判別する。ステップ109
の判別結果、vaf >vafmaxのときvafmaxはvaf に置き換
えられ、vaf ≦vafmaxのときはステップ111へ進んで
上記空燃比センサ最小出力値vafminとvaf の比較を行
う。ステップ111の判別結果、vaf <vafminのときva
fminはvaf に置き換えられ、vaf ≦vafmain ときはステ
ップ121へ進む。
afadを1だけカウントアップし、ステップ122へ進
む。ステップ122では、読取カウンタcvafadがカウン
ト設定値20と一致したか否か、すなわち今回処理周期
がイグニションスイッチがオフからオンに切り替わった
後丁度640msec経過する処理周期であるか否かを判別
し、その判別結果がYESのときのみステップ123〜
127のストイキ学習値演算処理を実行し、その判別結
果がNOのときはステップ128へ進む。
最大出力値vafmaxが最大許容値Kmaxの範囲内か否かを判
別し、vafmax≦Kmaxのときは許容範囲内とみなしステッ
プ124へ進み、vafmax>Kmaxのときは許容範囲外とみ
なしステップ127へ進む。ステップ124では空燃比
センサ最小出力値vafminが最小許容値Kminの範囲内か否
かを判別し、vafmin≧Kminのときは許容範囲内とみなし
ステップ125へ進み、vafmin<Kminのときは許容範囲
外とみなしステップ127へ進む。空燃比センサ最大出
力値vafmaxおよび空燃比センサ最小出力値vafmin共に許
容範囲内と判定された後、ステップ125では空燃比セ
ンサ出力の最大値と最小値の中央値vafav を次式にて算
出する。 vafav =(vafmax+vafmin)/2
習値vafstgを次式にて算出する。 vafstg=vafstg+( vafav−vafstg)/4 次いで、ステップ127ではストイキ学習禁止フラグxv
afstg を1にセットする。本実施例では、空燃比センサ
の最大許容値Kmaxは標準のストイキ電圧3.3Vに0.
05を加算した3.35V、最小許容値Kminは標準のス
トイキ電圧3.3Vに0.05を減算した3.25Vと
し、空燃比センサ最大出力値vafmaxおよび空燃比センサ
最小出力値vafminの初期値はそれぞれ順にKmin(3.2
5V)、Kmax(3.35V)または0V、5Vとする。
また、ストイキ学習値vafstgの初期値は標準値である
3.3Vとする。
チがオンからオフに切り替わったか否かを判別し、その
判別結果がYESのときはステップ129へ進み、NO
のときはステップ141へ進む。ステップ129では初
期設定0の始動フラグSTFLGを0にリセットし、次
いでステップステップ130ではストイキ学習禁止フラ
グxvafstg を0にリセットし、次いでステップステップ
131では読取カウンタcvafadを0にリセットし、次い
でステップ132ではその処理周期に読み取られた機関
水温、すなわち機関運転停止時の機関の冷却水温thw を
冷却水温学習値thwgに取り込み、ステップ141へ進
む。
ーチンを示すフローチャートである。本発明の空燃比検
出手段はステップ142を実行することにより遂行され
る。このフローチャートは本発明により実機に用いられ
る空燃比センサおよび空燃比センサ回路に応じて空燃比
を算出する変換マップを校正するルーチンに相当する。
先に図5と図6を用いて説明した空燃比センサのストイ
キ学習処理ルーチンを実行して得られたストイキ学習値
vafstgに基づき空燃比は以下のように検出される。先
ず、ステップ141ではステップ126で求めた実機の
空燃比センサのストイキ電圧に相当するストイキ学習値
vafstgと、基準の空燃比センサと基準の空燃比センサ回
路により予めベンチテストで求めた変換マップ上の例え
ば理論空燃比14.5に対応する基準の空燃比センサ回
路の出力電圧VAFMSと、今回検出した空燃比センサ
回路の出力電圧vaf とから次式により空燃比センサ回路
の出力電圧vaf を校正して求めステップ142へ進む。 vaf =vaf −(vafstg−VAFMS)
して求めた空燃比センサ回路の出力電圧vaf に対応する
機関の空燃比を図4に示される変換マップに基づき算出
する。これは図4に実線で示されるベンチテストで予め
作成した変換マップの特性曲線をvafstg−VAFMSだ
け今回検出した空燃比センサ回路の出力電圧vaf に対し
てシフトして図4に破線で示される特性曲線を求めるこ
とに相当する。
装置によれば、寒冷地や酷暑地でも空燃比センサの非活
性状態を正確に判断して空燃比センサ回路の固体差によ
る出力誤差を補正し、内燃機関の空燃比を正確かつ高精
度に検出する内燃機関の空燃比検出装置を提供すること
ができる。また本発明の装置により検出した空燃比に基
づいて機関の燃料噴射量を制御することにより機関の排
気ガスの浄化性を向上することができる。また本発明の
空燃比検出装置によれば、実機の空燃比センサ回路の出
力特性に応じて機関の運転中に変換マップを校正するの
で実機の出荷時にマップを校正する工程を不要とする。
示す図である。
空燃比の変換マップを示す図である。
学習処理ルーチン前半部を示すフローチャートである。
学習処理ルーチン後半部を示すフローチャートである。
すフローチャートである。
Claims (1)
- 【請求項1】 内燃機関の排気系に配設され電圧を印加
すると電流を発生する固体電解質からなる空燃比センサ
と、その空燃比センサに電圧を印加すると共にその固体
電解質に流れる電流を検出しその検出した電流の大きさ
に比例する出力を発生する空燃比センサ回路と、その空
燃比センサ回路の出力に基づいて空燃比を検出する空燃
比検出手段と、を備える内燃機関の空燃比検出装置にお
いて、 前記内燃機関の前回運転停止時の第一冷却水温と今回運
転始動時の第二冷却水温との温度差が所定温度以上であ
るときに前記空燃比センサが非活性状態であると判断す
る活性状態判断手段と、 前記空燃比センサが非活性状態であると判断されたとき
の前記空燃比センサ回路の出力値に基づいてその空燃比
センサ回路の出力値の空燃比に対する誤差を補正する出
力誤差補正手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関
の空燃比検出装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14455296A JP3304763B2 (ja) | 1996-06-06 | 1996-06-06 | 内燃機関の空燃比検出装置 |
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