JP3780756B2

JP3780756B2 - 空燃比検出法

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Publication number: JP3780756B2
Application number: JP19738399A
Authority: JP
Inventors: 慎治池田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: JP2001020804A

Description

【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方法に関し、特に排気中の酸素濃度を検出し、これにより機関吸入混合気の空燃比を検出する空燃比検出法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の空燃比検出方法に関する従来技術として特開昭６４−６０７４２号公報がある。以下に、この従来技術を説明する。
【０００３】
この従来技術において、酸素濃度検出手段としてのＯ２センサが排気マニホールドに設けられている。Ｏ２センサは、例えば、ジルコニアチューブの内外表面に白金電極を設け、ジルコニアチューブの内側に導入した大気と外側の排気との酸素濃度の比の大きさに応じて起電力を発生するものである。
【０００４】
ジルコニアチューブの外側の白金電極の外表面には酸化触媒として機能する白金触媒層が設けられている。この白金触媒層は、本来、リッチ混合気で燃焼させたときにわずかに存在するＯ２とＣＯなどの未燃焼成分を結合させて、外側の酸素濃度をほぼ零にすることにより、ジルコニアチューブ内外の酸素濃度比を大きくして大きな起電力を発生させるために設けられている。
【０００５】
ところが、この従来技術は、ジルコニアチューブの外側の白金触媒層の触媒機能を弱めてある。白金触媒層の触媒機能を弱めることにより図８に示すように、酸素濃度が急変する理論空燃比を境界として、Ｏ２センサ起電圧がなだらかに変化する。すなわち、Ｏ２センサのジルコニアチューブの白金触媒層の触媒機能を弱めることにより、Ｏ２センサ起電圧の立ち上がりを鈍らせ、これによって測定した空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかの判断ができるだけでなく、理論空燃比とのズレを検出することができるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の場合、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレを検出できるようにするため、ジルコニアチューブの外側の白金触媒層の触媒機能を弱めた。触媒機能を弱めるための具体的な方法の開示はないが、一般的に、白金触媒層に金を混ぜることにより触媒機能を弱める方法が取られている。ところが、白金触媒層に金を混ぜると、融点が下がり、高温の排気ガスに長期間さらされると性能の劣化がおきるという問題が発生し得る。
【０００７】
本発明は、上記の問題を解決するために、Ｏ２センサ素子を所定の低温度に設定し、Ｏ２センサ起電圧を理論空燃比近傍においてなだらかに変化させ、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレを正確に検出できるようにした空燃比検出法を提供することを目的にしたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、請求項１の発明は、Ｏ２センサを用いた空燃比検出法において、Ｏ２センサ素子を３５０℃より大きく４５０℃より小さい特定温度に設定し、Ｏ２センサ起電圧を理論空燃比近傍においてなだらかに変化させ、理論空燃比近傍における前記Ｏ２センサ素子の起電圧から求められた空燃比と理論空燃比とのズレを検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出方法。
【００１１】
前述の目的を達成するために、請求項２の発明は、請求項１の空燃比検出法において、前記Ｏ２センサ素子に所定周波数の電圧を印加し、前記Ｏ２センサ素子の電流を検出し、前記電圧と前記電流から前記Ｏ２センサ素子のインピーダンスを求め、前記インピーダンスから前記Ｏ２センサ素子の温度を求めるようにしたことを特徴とする空燃比検出法である。
【００１２】
前述の目的を達成するために、請求項３の発明は、請求項２の空燃比検出法において、前記Ｏ２センサ素子の温度をヒータにより調整することにより、前記Ｏ２センサ素子を前記所定の低温度に設定して空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法である。
【００１３】
前述の目的を達成するために、請求項４の発明は、請求項１の空燃比検出法において、エンジンアイドル時に、前記Ｏ２センサ素子を活性度の高い温度に設定して理論空燃比に設定するとともにそのときの状況下の前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖ０を求め、前記理論空燃比という状況下で前記Ｏ２センサ素子を前記所定の低温度に設定して前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖ１を求め、Ｖ１−Ｖ０を補正電圧ΔＶとし、前記所定の低温度で測定された前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖを前記補正電圧ΔＶで補正して前記Ｏ２センサ素子の前記起電圧となし、前記Ｏ２センサ素子の前記起電圧から空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法である。
【００１４】
前述の目的を達成するために、請求項５の発明は、請求項４の空燃比検出法において、前記所定の低温度で測定された前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖの補正を、前記起電圧Ｖと前記補正電圧ΔＶとの差電圧Ｖ−ΔＶを求めることにより実行し、前記差電圧Ｖ−ΔＶから空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法である。
【００１５】
【発明の実施形態】
本発明の実施形態を図に基づき説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態のシステム概略図を示す。図1に示すように、Ｏ２センサ１は、Ｏ２センサ素子２とＯ２センサ素子２を保持するためのハウジング６とハウジング６に固定され外部との干渉を防止するための保護カバー７を主要構成要素としている。Ｏ２センサ素子２は、ジルコニアやチタニアを材料にし、その構造は先端を閉塞した試験管形状にされており、その内表面には白金電極３が取り付けられており、外表面には、白金電極４が取り付けられている。外表面に取り付けられている白金電極４は、コーティング５により保護されている。
【００１７】
Ｏ２センサ素子２は、内表面側に導入された大気と外表面側に導入された排気との酸素濃度の比の大きさに応じて起電圧を発生するものである。すなわち、Ｏ２センサ素子２の外表面側の白金電極の外表面には酸化触媒として機能する白金触媒層が設けられている。この白金触媒層は、本来、リッチ混合気で燃焼させたときにわずかに存在するＯ２とＣＯなどの未燃焼成分を結合させて、外表面側の酸素濃度をほぼ零にすることにより、Ｏ２センサ素子２内外の酸素濃度比を大きくして大きな起電圧を発生させる。
【００１８】
Ｏ２センサ素子２の内部にはＯ２センサ素子２の温度調整をするためのヒータ８が設けられている。Ｏ２センサ素子２の温度調整をすることにより、Ｏ２センサ素子２の活性度を高めたり、弱めたりすることができる。
【００１９】
ヒータ８に接続されているヒータ電流制御回路Ａは、ヒータ８への電流を制御すことにより、Ｏ２センサ素子２の温度調整をし、Ｏ２センサ素子２の活性度を制御するものである。
【００２０】
切換回路Ｂは、所定時間毎に、インピーダンス計測回路Ｃと起電圧検出回路Ｄを切換えるためのもので、時分割制御を可能にするものである。
【００２１】
インピーダンス計測回路Ｃは、Ｏ２センサ素子２に所定の周波数の電圧をかけ、そのときの電流値からインピーダンスを計測するためのものである。このインピーダンス計測回路Ｃで計測されたインピーダンスからＯ２センサ素子２の温度を検出し、ヒータ電流制御回路ＡによりＯ２センサ素子２の温度を調整しようとするものである。
【００２２】
起電圧検出回路Ｄは、Ｏ２センサ素子２の内表面側に導入された大気と外表面側の排気との酸素濃度の比の大きさに応じた大きさの起電力を検出するためのものである。
【００２３】
制御回路Ｅは、ヒータ電流制御回路Ａ、切換回路Ｂ、インピーダンス計測回路Ｃ、起電圧検出回路Ｄを制御するための回路である。
【００２４】
図２により、本発明の実施形態のねらいを説明する。図２は、Ｏ２センサ素子温度が５００℃のときと４００℃のときの縦軸にＯ２センサ起電圧を横軸にλを表した線図である。なお、λは、空気過剰率を表し、λが１のとき、理論空燃比であることを意味し、λが１より大きいときリーンであることを意味し、λが１より小さいときリッチであることを意味する。
【００２５】
図２から明らかなように、Ｏ２センサ素子温度が５００℃のとき、Ｏ２センサ素子は、鋭いＺ特性を有しており、λが１のときのストイキ点（理論空燃比）を正確に検出することができる。しかし、ストイキ点（理論空燃比）近傍の空燃比を正確に検出することはできない。ところが、Ｏ２センサ素子温度を５００℃より低い温度、たとえば４００℃に設定すると、図２に示すように、鋭いＺ特性をなだらかにすることができるので、この特性を利用して、ストイキ点（理論空燃比）近傍の空燃比を正確に検出しようとするものである。
【００２６】
Ｏ２センサ素子の特性がなだらかな特性となるのは、低温度という環境において、Ｏ２センサ素子の白金電極の活性度が低下し、反応速度が遅くなるためであるので、Ｏ２センサ素子温度を４５０℃より低く３５０℃より高く設定しても鋭いＺ特性をなだらかにすることができる。
【００２７】
図３は、本発明の第１実施形態のフローチャートを示す。図３により、本発明の第１実施形態の４ｍｓｅｃルーチンのフローチャートを説明する。Ｓ１（ステップ１。以下同様）で、４８ｍｓｅｃ毎かを判断する。すなわち、４８ｍｓｅｃ毎にインピーダンスの計算とλの算出を切換えて、時分割制御をするためのものである。この切換は、切換回路Ｂにより実行される。ＹＥＳの場合、Ｓ２に進む。Ｓ２では、Ｏ２センサ素子に周波数が５ＫＨｚの電圧を印加する。次に、Ｓ３に進む。Ｓ３では、Ｏ２センサ素子に流れる電流値を検出する。次に、Ｓ４に進み、印加した電圧を検出した電流値で除してインピーダンスＺを計算する。インピーダンスＺの計算は、インピーダンス計測回路Ｃにより実行される。
【００２８】
次に、Ｓ５に進み、計算されたインピーダンスＺからＯ２センサ素子の温度を算出する。インピーダンスＺからＯ２センサ素子の温度の算出は、図４を利用することにより実行される。図４は、Ｔ＝ｆ（Ｚ）を表したものであり、縦軸にＯ２センサ素子のインピーダンスＺを横軸にＯ２センサ素子の温度Ｔを表した線図である。図４を利用することにより、Ｏ２センサ素子のインピーダンスからＯ２センサ素子の温度を算出することができる。たとえば、Ｏ２センサ素子のインピーダンスがＺ１，Ｚ２、Ｚ３，Ｚ４のとき、Ｏ２センサ素子の温度は５００℃、４５０℃、４００℃、３５０℃となることを示している。Ｏ２センサ素子の温度を正確に検出するために、Ｏ２センサ素子のインピーダンスを求め、このインピーダンスからＯ２センサ素子の温度を算出する方法は有用である。
【００２９】
次に、Ｓ６に進み、Ｏ２センサ素子の温度を所定の低温度、たとえば４００℃になるよう制御する。Ｏ２センサ素子の温度制御は、図１のヒータ電流制御回路Ａによりヒータ８に所定の電流値を流すことにより実行される。Ｏ２センサ素子の温度が所定の低温度になったかどうかは、図４のＯ２センサ素子のインピーダンスとＯ２センサ素子の温度の関係を表した線図から判断する。Ｓ６が完了すると、このフローチャートの作動は終了する。
【００３０】
Ｓ１の判断がＮｏの場合は、Ｓ７に進み、Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖを計測する。Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖの計測は、図１の起電圧検出回路Ｄにより実行される。Ｓ７の次にＳ８に進む。Ｓ８では、Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖからλを算出する。Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖからのλの算出は、λ＝ｇ（Ｖ）を表した図５の線図を利用して実行される。図５は、Ｏ２センサ素子温度が４００℃のときの縦軸にＯ２センサ起電圧を横軸にλを表した線図である。この線図から、たとえばＯ２センサ起電圧が０．５５Ｖのとき、λ＝１となる。なだらかな特性であるので、λ＝１の近傍の値である０．９９，１．０１も正確に算出することができる。Ｓ８が完了すると、このフローチャートの作動は終了する。
【００３１】
以上説明したフローチャートによれば、以下に述べる優れた点がある。先ず第１に、Ｏ２センサを用いた空燃比検出法において、Ｏ２センサ素子を所定の低温度に設定し、Ｏ２センサ素子の起電圧を求め、Ｏ２センサ素子の起電圧から空燃比を検出するようにした空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ起電圧を理論空燃比近傍においてなだらかに変化させ、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレを正確に検出できるようにした空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００３２】
第２に、上記空燃比検出法において、前記所定の低温度を３５０℃より大きく４５０℃より小さい特定温度とした空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ起電圧を理論空燃比近傍においてなだらかに変化させ、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレをより正確に検出できるようにした空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００３３】
第３に、上記空燃比検出法において、前記所定の低温度を４００℃近傍の特定温度とした空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ起電圧を理論空燃比近傍においてなだらかに変化させ、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレを極めて正確に検出できるようにした空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００３４】
第４に、上記空燃比検出法において、Ｏ２センサ素子に所定周波数の電圧を印加し、Ｏ２センサ素子の電流を検出し、電圧と電流からＯ２センサ素子のインピーダンスを求め、このインピーダンスからＯ２センサ素子の温度を求めるようにした空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ素子の温度を正確に検出することができ、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレを正確に検出できるようにした空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００３５】
第５に、上記空燃比検出法において、Ｏ２センサ素子の温度をヒータにより調整することにより、Ｏ２センサ素子を前記所定の低温度に設定して空燃比を検出するようにした空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ素子の温度を的確に制御することができ、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレを正確に検出できるようにした空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００３６】
次に、Ｏ２センサ素子が経時劣化した場合の補正の方法を図６により説明する。図６は、本発明の第２実施形態のフローチャートの一部を示す。Ｓ１１では、エンジンがアイドル運転中か否かを判断する。Ｙｅｓの場合は、Ｓ１２に進み、Ｏ２センサ素子を活性度の高い温度である５００℃に設定する。この温度制御は、図１のヒータ電流制御回路Ａによりヒータ８に所定の電流値を流すことにより実行される。これにより、Ｏ２センサ素子に鋭いＺ特性をもたせることができる。次に、Ｓ１３では、Ｏ２センサ素子の鋭いＺ特性のうち、スレッシュレベル０．４５（Ｖ０。以下同様）で切った時をλ＝１．０とする。次にＳ１４に進む。スレッシュレベル０．４５すなわちλ＝１．０になるように、燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００３７】
次に、Ｓ１５で、Ｏ２センサ素子を所定の低温度、たとえば４００℃に設定する。この温度制御もＳ１２と同様、図１のヒータ電流制御回路Ａによりヒータ８に所定の電流値を流すことにより実行される。次に、Ｓ１６で、Ｏ２センサ素子を所定の低温度、たとえば４００℃に設定されたときのＯ２センサ素子の起電圧を計測する。このときのＯ２センサ素子の起電圧をＶλ＝１．０（Ｖ１。以下同様）とする。次に、Ｓ１７で、Ｏ２センサ素子を所定の低温度、たとえば４００℃に設定されたときのＯ２センサ素子の起電圧とスレッシュレベル０．４５（Ｖ）とのずれ分Ｖλ＝１．０−０．４５を補正電圧ΔＶとしてもとめる。
なお、Ｓ１１で、エンジンがアイドル運転中でない、つまりＮｏの場合は、そこで終了する。
【００３８】
次に、図７により、λを計測する様子を説明する。図７は、本発明の第２実施形態のフローチャートの一部を示す。Ｓ２１で、Ｏ２センサ素子を所定の低温度、たとえば４００℃に設定する。そのときのＯ２センサ素子の起電圧Ｖを計測する。次に、Ｓ２２で、Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖを補正して、差電圧Ｖ−ΔＶをＯ２センサ素子の起電圧の補正電圧Ｖ′として算出し、この補正電圧Ｖ′から図５の線図よりλを算出し、空燃比を検出する。
【００３９】
なお、Ｓ２２では、Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖを補正して、Ｖ−ΔＶをＯ２センサ素子の起電圧の補正電圧Ｖ′として算出したが、この式に限定されるものではない。たとえば、一定の係数ｋをΔＶに掛けて補正し、Ｖ−ｋΔＶをＯ２センサ素子の起電圧の補正電圧Ｖ′とする場合もある。Ｏ２センサ素子の経時劣化に対してどの程度補正するかにより係数Ｋの値を決めればよい。
【００４０】
Ｓ１１からＳ２３の動作により、Ｏ２センサ素子の経時劣化に対する補正をすることができるので、Ｏ２センサ素子を長期間使用しても、ストイキ点（理論空燃比）近傍の空燃比を正確に検出することができる空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、Ｏ２センサを用いた空燃比検出法において、Ｏ２センサ素子を３５０℃より大きく４５０℃より小さい特定温度に設定し、Ｏ２センサ起電圧を理論空燃比近傍においてなだらかに変化させ、理論空燃比近傍における前期Ｏ２センサ素子の起電圧から求められた空燃比と理論空燃比とのズレを検出するようにした空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００４４】
請求項２の発明は、請求項１の空燃比検出法において、前記Ｏ２センサ素子に所定周波数の電圧を印加し、前記Ｏ２センサ素子の電流を検出し、前記電圧と前記電流から前記Ｏ２センサ素子のインピーダンスを求め、前記インピーダンスから前記Ｏ２センサ素子の温度を求めるようにしたことを特徴とする空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ素子の温度を正確に検出することができ、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレを正確に検出できるようにした空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００４５】
請求項３の発明は、請求項２の空燃比検出法において、前記Ｏ２センサ素子の温度をヒータにより調整することにより、前記Ｏ２センサ素子を前記所定の低温度に設定して空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ素子の温度を的確に制御することができ、その時々の空燃比と理論空燃比とのズレを正確に検出できるようにした空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００４６】
請求項４の発明は、請求項１の空燃比検出法において、エンジンアイドル時に、前記Ｏ２センサ素子を活性度の高い温度に設定して理論空燃比に設定するとともにそのときの状況下の前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖ０を求め、前記理論空燃比という状況下で前記Ｏ２センサ素子を前記所定の低温度に設定して前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖ１を求め、Ｖ１−Ｖ０を補正電圧ΔＶとし、前記所定の低温度で測定された前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖを前記補正電圧ΔＶで補正して前記Ｏ２センサ素子の前記起電圧となし、前記Ｏ２センサ素子の前記起電圧から空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ素子の経時劣化に対する補正をすることができ、Ｏ２センサ素子を長期間使用しても、ストイキ点（理論空燃比）近傍の空燃比を正確に検出することができる空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００４７】
請求項５の発明は、請求項４の空燃比検出法において、前記所定の低温度で測定された前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖの補正を、前記起電圧Ｖと前記補正電圧ΔＶとの差電圧Ｖ−ΔＶを求めることにより実行し、前記差電圧Ｖ−ΔＶから空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法であるので、Ｏ２センサ素子の経時劣化に対する補正をすることができ、Ｏ２センサ素子を長期間使用しても、ストイキ点（理論空燃比）近傍の空燃比を正確に検出することができる空燃比検出法を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシステム概略図を示す。
【図２】Ｏ２センサ素子温度毎に、縦軸にＯ２センサ起電圧を横軸にλを表した線図を示す。
【図３】本発明の第１実施形態のフローチャートを示す。
【図４】縦軸にＯ２センサ素子のインピーダンスを横軸にＯ２センサ素子の温度を表した線図を示す。
【図５】Ｏ２センサ素子温度が４００℃のときの縦軸にＯ２センサ起電圧を横軸にλを表した線図を示す。
【図６】本発明の第２実施形態のフローチャートの一部を示す。
【図７】本発明の第２実施形態のフローチャートの一部を示す。
【図８】従来技術について、縦軸にＯ２センサ起電圧を横軸に空燃比（λ）を表した線図を示す。
【符号の説明】
１……Ｏ２センサ
２……Ｏ２センサ素子
３……白金電極
４……白金電極
５……コーティング
６……ハウジング
７……保護カバー
８……ヒータ

Claims

Ｏ２センサを用いた空燃比検出法において、Ｏ２センサ素子を３５０℃より大きく４５０℃より小さい特定温度に設定し、Ｏ２センサ起電圧を理論空燃比近傍においてなだらかに変化させ、理論空燃比近傍における前記Ｏ２センサ素子の起電圧から求められた空燃比と理論空燃比とのズレを検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出方法。
請求項１の空燃比検出法において、前記Ｏ２センサ素子に所定周波数の電圧を印加し、前記Ｏ２センサ素子の電流を検出し、前記電圧と前記電流から前記Ｏ２センサ素子のインピーダンスを求め、前記インピーダンスから前記Ｏ２センサ素子の温度を求めるようにしたことを特徴とする空燃比検出法。
請求項２の空燃比検出法において、前記Ｏ２センサ素子の温度をヒータにより調整することにより、前記Ｏ２センサ素子を前記所定の低温度に設定して空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法。
請求項１の空燃比検出法において、エンジンアイドル時に、前記Ｏ２センサ素子を活性度の高い温度に設定して理論空燃比に設定するとともにそのときの状況下の前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖ０を求め、前記理論空燃比という状況下で前記Ｏ２センサ素子を前記所定の低温度に設定して前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖ１を求め、Ｖ１−Ｖ０を補正電圧ΔＶとし、前記所定の低温度で測定された前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖを前記補正電圧ΔＶで補正して前記Ｏ２センサ素子の前記起電圧となし、前記Ｏ２センサ素子の前記起電圧から空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法。
請求項４の空燃比検出法において、前記所定の低温度で測定された前記Ｏ２センサ素子の起電圧Ｖの補正を、前記起電圧Ｖと前記補正電圧ΔＶとの差電圧Ｖ−ΔＶを求めることにより実行し、前記差電圧Ｖ−ΔＶから空燃比を検出するようにしたことを特徴とする空燃比検出法。