JPH01121549A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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制御装置に関し、燃料噴射制御や、
点火時期制御に好適に使用できるものである。

〔従来の技術〕

内燃機関の燃料噴射システムとしていわゆるＤ−Ｊ型の
燃料噴射システムでは内燃機関の吸気系のスロットル弁
下流の吸気マニホルド（又はサージタンク）に圧力セン
サを設置して、負荷因子としての吸気管圧力を検出し、
吸気管圧力と機関回転数とからシリンダボアに導入され
る新気の流量を求めその導入新気を所定空燃比とするた
めの燃料噴射量を算出し、インジェクタより燃料噴射を
行っている。すなわちこのＤ−Ｊ型の燃料噴射システム
では、内燃機関に入る新気の量を求めるのに吸気管圧力
が重要なパラメータになっている。

したがって、吸気管圧力が排気ガス再循環（ＥＧＲ）に
より変化すると、新気の量を知るためには吸気管圧力セ
ンサ出力値に対し補正を加える必要が出てくる。例えば
、特開昭５５−７５５４８号では、ＥＧＲ通路の固定オ
リフィスの前後の圧力差を知る差圧センサを設け、差圧
センサからの差圧信号により圧力センサの出力を補正し
、ＥＧＲに関わらず新気量を知ることができるようにし
ている。

しかして、従来のＤ−Ｊ型の燃料噴射システムでは、圧
力センサは新気量だけでなくＥＧＲガスやブローバイガ
ス等の機関に導入される全ガスの流量を計測している。

そして、ＥＧＲガスやブローバイガス等についてはこれ
らによる吸気管圧力への寄与分を検出し、補正すること
により機関に導入される新気の量を得ようとするもので
ある。

したがって従来、新気の量を直接測定していないため、
検出精度が悪く、正確な内燃機関制御が得られ難い。

この点に鑑み、本出願人は特願昭６２−２４８２４号に
おいて、吸気系における酸素分圧を検出する酸素センサ
を設け、酸素分圧から新気中の酸素重量を求めて内燃機
関の制御を行なう構成を提案した。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし上記提案装置における酸素センサは、酸素分圧の
みでなく全圧の影響も受けるため、新気の酸素重量の検
出精度がまだ充分高くなく、内燃機関の制御精度が不充
分であった。

本発明は、酸素重量をさらに高精度に検出し、内燃機関
の制御精度を向上させることを目的としてなされたもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関のスロッ
トル弁下流の吸気系または燃焼室に設置され、実質的に
吸入ガスの酸素密度のみに応じた信号を発生する酸素セ
ンサと、この酸素センサの出力信号に基づいて内燃機関
に導入される酸素重量を求めるとともに、この酸素重量
に応じて機関制御量を算出する手段と、この機関制御量
に応じて内燃機関を制御するアクチュエータとを備える
ことを特徴としている。

〔実施例〕

以下図示実施例に基づいて本発明を説明する。

第１図において、１０はシリンダブロック、１２はピス
トン、１４はコネクティングロッド、１６はシリンダヘ
ッド、１８は燃焼室、２０は点火栓、２２は吸気弁、２
４は吸気ポート、２６は排気弁、２８は排気ボート、２
９はディストリビュータ、３０は点火装置（イグナイタ
３０ａ及び点火コイル３０ｂより成る）である。吸気ポ
ート２４は、吸気管３１．サージタンク３２、スロット
ル弁３４、吸気管３６を介してエアクリーナ４０に接続
される。吸気ポート２４に近接した吸気管３１に燃料イ
ンジェクタ４２が設置される。排気ボート２８は排気マ
ニホルド４４に接続される。

排気ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）４５は排気マニホル
ド４４とサージタンク３２を接続するように設けられる
。排気ガス再循環制御弁（ＥＧＲ弁）４６はＥＧＲ通路
４５上に排気ガス再循環率（ＥＧＲ率）の制御のため設
けられる。この実施例ではＥＧＲ弁４６は負圧作動ダイ
ヤフラム機構４７を備える。ダイヤフラム機構４７はス
ロットル弁３４のアイドル位置の少し上流に穿設された
ＥＧＲボート４Ｂに接続される。調圧弁４９は、圧力導
管５０によってＥＧＲ通路４５における定圧絞り５１の
下流に形成される定圧室５２に接続される。そのため、
調圧弁４９は定圧室５２の圧力が略一定となるように、
ＥＧＲボート４８からＥＧＲ弁４６の負圧作動機構４７
に導入される負圧を制御する。そして、調圧弁４９のダ
イヤフラム４９ａはＥＧＲボート４８の少し上流の負圧
ポート５３に接続され、負荷に応じた負圧がダイヤフラ
ム４９ａに排圧と対抗するように作用し、ＥＧＲ率を負
荷に応じて制御する。このＥＧＲ装置の構成及び作用は
周知であることから、これ以上の説明はしない。

制御回路５４はマイクロコンピュータ・システムとして
構成され、燃料噴射制御、点火時期制御及びその他のエ
ンジン作動制御を行うものである。

制御回路５４はマイクロ・プロセシング・ユニット（Ｍ
ＰＵ）　５４ａと、メモリ５４ｂと、入力ポート５４ｃ
と、出力ボート５４ｄと、これらの各要素を接続するバ
ス５４ｅとから成る。入力ポート５４ｃは各センサ接続
されエンジン運転条件信号が入力される。

クランク角度センサ５６　、５Ｂがディストリビュータ
２９に設置される。第１のクランク角度センサ５６は、
ディストリピユータ軸２９ａ上のマグネット片６０と対
向して設置され、クランク軸の７２０゜回転毎、即ち機
関の１サイクル毎にパルス信号を発生し、これは基準信
号となる。第２のクランク角度センサ５８はディストリ
ピユータ軸２９ａ上のマグネット片６２と対向して設置
され、クランク軸の３０°毎の信号を発生し、これは燃
料噴射制御や点火時期制御のトリガ信号となる。水温セ
ンサ６４はシリンダブロック１０の冷却水ジャケット１
０ａ内の冷却水温度を検出する。排気側酸素センサ６８
は排気マニホルド４４に設けられる。この排気側酸素セ
ンサ６８は空燃比フィードバック制御用であり、空燃比
を理論空燃比に制御するシステムでは０□センサであり
、空燃比を理論空燃比よりリーン側に制御するシステム
ではいわゆるリーンセンサより構成することができる。

サージタンク３２には吸気側酸素センサ７０が設けられ
る。吸気側酸素センサ７０は、機関に４大される新気量
を検出し、燃料噴射量や、点火時期を算出するために使
用される。第２図は酸素センサ７０の概略の構成を示す
。検出素子エレメント７１はケーシング７２内に収容さ
れ、この内部に充填された無機質から成る固定剤７３に
よりケーシング７２内に固定される。ケーシング７２の
一方の開口部は蓋部材７４により、また他方の開口部は
防水用ゴムブツシュ７５によりそれぞれ閉塞される。検
出素子エレメント７１の先端は蓋部材７４を通ってケー
シング７２から突出し、その突出部分は多数の孔を穿設
された補護カバー７６により覆われる。検出素子エレメ
ント７１の基部には一対のリード線７７が連結される。

これらのリード線７７は防水用ゴムブツシュ７６を通っ
てケーシング７２の外部へ延び、図示しない電源に接続
される。

第３図は検出素子エレメント７１の構造を示す。

ジルコニアから成る固体電解質７０１の両面には、通気
性を有する薄膜状の白金電極７０２，７０３が設けられ
、陰極である白金電極７０２の上にはセラミック材料か
ら成る多孔質の拡散律速層７０４が設けられる。白金電
極７０２．７０３は電源７０５に接続され、白金電極７
０２と電源７０５の間には電流計７０６が設けられる。

白金ヒータ７０７は拡散律葎層７０４上に配設され、固
体電解質７０１を一定の温度（例えば６００〜．７００
℃）に加熱してこれを活性化させる。

酸素センサ７０の補護カバー７６内に流入する吸入ガス
は、検出素子エレメント７１の拡散律速層７０４の孔内
に流入する。そして吸入ガス中の酸素分子は白金電極７
０２によりイオン化され、この酸素イオンは固体電解！
７０１を通過して白金電極７０３へ流れる。酸素イオン
は白金電極７０３により分子化される。しかして固体電
解質７０１内を通過する酸素イオンの量に応じた電流が
電流計７０６により検出される。この酸素イオンの量は
後述するように吸入ガス中の酸素書庫に対応しており、
制御回路５４はメモリ５４ｂに格納されたプログラム（
図示せず）に基づいて酸素密度から酸素重量を求め、ま
たこの酸素ｉｔに応じて燃料インジェクタの開弁時間（
すなわち燃料噴射量）等の機関制御量を算出する。燃料
インジェクタ４２のアクチュエータ（図示せず）は、こ
の開弁時間の間インジェクタ４２を開弁させ、これによ
り酸素重量に応じた燃料が噴射される。

さて酸素センサ７０は、実質的に吸入ガスの酸素密度の
みに応じた信号を発生するように構成されている。この
ため、検出素子エレメント７１の拡散律速層７０４の孔
径は、吸入ガスの分子の拡散を制限するような大きさに
定められ、より詳しくは、吸入ガスの分子の平均自由行
程と実質的に同等以下の大きさに定められる。すなわち
、拡散律速層７０４を通過する吸入ガスの分子は、分子
どおしが衝突する前に律速Ｎ７０４の孔の壁面に衝突し
、換言すれば分子拡散ではな（クヌーセン拡散を行なう
。したがって、後に詳述するように、検出素子エレメン
ト７１に対する吸入ガスの全圧の影響はなく、酸素セン
サ７０は酸素密度を検出することができる。すなわち、
酸素センサ７０は、第４図に示すように、酸素密度に比
例した大きさの信号を出力する。

次にクヌーセン拡散と分子拡散のそれぞれの場合におけ
る酸素センサの性能の違いを説明する。

１個のシリンダの１吸気行程において、そのシリンダ内
における酸素重量Ｗは、 と書ける。ただし、Ｍｏ２は酸素分子量、■は燃焼室の
容積、Ｒは気体定数、ｐｏｔは酸素分圧、Ｔは燃焼室内
のガス温度、Ｃ１は定数である。

一方、酸素センサの出力Ｔ７は ！ であり、ここで０２は定数、ＤＯｌは酸素の拡散定数で
ある。拡散定数り。２は拡散の状態すなわち拡散律速層
７０４の孔径によって異なり、クヌーセン拡散の場合、 Ｄｏｚ”Ｃ３’γ・ＴＳｏ・５　　　　　　（３）であ
る。ただし、Ｃ１は定数、Ｔは拡散律速層の孔径、Ｔｓ
は固定電解質７０１の温度であり、孔径Ｔは分子の平均
自由行程に近い値を有する。一方、分子拡散の場合、 であり、Ｃ４は定数、Ｐは吸入ガスの全圧である。

ここで（３）式および（４）式をそれぞれ（２）式に代
入すると、クヌーセン拡散の場合、（３）′ 分子拡散の場合、 ただし、Ｃ３およびＣ１は定数である。

となる。しかして酸素セン、すの出力信号は、クヌーセ
ン拡散の場合、実質的に酸素分圧Ｐ。２とガス温度Ｔの
比すなわち酸素密度のみに応じて変化するが、分子拡散
の場合、酸素分圧Ｐ６２とガス温度Ｔだけでな・く全圧
Ｐの影響を受ける。

上述したように、本実施例において、酸素センサ７０に
はクヌーセン拡散する律速層７０４を設けているため、
酸素センサ７０の出力信号は吸入ガスの全圧Ｐの影響を
受けず、吸入ガス中の酸素密度を正確に検出することが
できる。しかして酸素型１ｗは１．（３）’式を（１）
式に代入することにより、 により求まる。ただし、Ｃ’ｒ＝□であり、ＣＳγ 定数である。

第５図は検出素子エレメント７１の他の構成を示す。こ
の例において拡散律速層７１１は多数の毛細穴７１２を
有し、吸入ガスはこの毛細穴７１２を通って白金電極７
０２および固体電解質７０１に達する。

毛細穴７１２の径は、第３図の検出素子エレメントの場
合と同様に分子がクヌーセン拡散するような大きさであ
る。その他の構成および作用は第３図の検出素子エレメ
ントと同様である。

第６図は検出素子エレメント７１のさらに他の例を示す
。固体電解質７０１は大気室７２１とガス室７２２を有
し、白金電極７２３は大気室７２１に、また白金型Ｆｉ
Ａ７２４はガス室７２２にそれぞれ臨むようにして固体
電解質７０１の表面に設けられる。拡散律速層７０４は
ガス室７２２の開口部７２５を閉塞する。

白金電極７２６は、拡散律速Ｎ７０４と固体電解質７０
１の間に、また白金電極７２７は、固体電解質７０１の
白金電極７２６とは反対側の面に、それぞれ設けられる
。拡散律速１１１７０４の孔径はクヌーセン拡ｎｋが得
られるような大きさである。

電圧計７３１は白金電極７２３．７２４間の電圧を検出
する。大気室７２１は大気に連通ずるので、電極７２３
．７２４間にはガス室７２２内の酸素分圧に応じた電圧
が生じる。この例においては、この電圧が一定値になる
ように、すなわちガス室７２２内の酸素分圧が一定値に
なるように制御される。このため、白金電橋７２６，７
２７には電圧電流変換器７３２および電流計７３３が接
続される。変換器７３２は電圧計７３１から入力された
電圧に応じた電流を発生するものであり、電圧が低くな
るほど大きい電流を発生し、これにより、ガス室７２２
には拡散律速層７０４を介して酸素分子が吸入される。

拡散律速層７０４の孔径は、分子がクヌーセン拡散する
ような大きさであり、したがって電流計７３３は吸入ガ
ス中の酸素密度に応じた値を示す。

第７図は、酸素センサ７０が燃焼室１８に臨むようにし
て設けられた例を示し、その他の構成は第１図のものと
同様である。

以上のように上述した各実施例によれば、吸入ガス中の
酸素密度が検出されるので、酸素重量を直接水めること
ができ、内燃機関の各種の制御において、吸入ガスの全
圧あるいは吸気温の補正をすることが不要になる。した
がって、これらの補正に基づく誤差が発生せず、また吸
気温センサを設ける必要がない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、酸素重量の検出精度が格
段と高められ、内燃機関の制御精度が向上するという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は酸素
センサの一部を断面とした側面図、第３図は検出素子エ
レメントの要部を破断して示す斜視図、 第４図は酸素密度と酸素センサの出力の関係を示すグラ
フ、 第５図は検出素子エレメントの他の例の要部を破断して
示す斜視図、 第６図は検出素子エレメントのさらに他の例の要部を破
断して示す斜視図、 第７図は本発明の他の実施例を示す断面図である。 ３２・・・サージタンク、　３４・・・スロットル弁、
５４・・・制御回路、　　　７０・・・酸素センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関のスロットル弁下流の吸気系または燃焼室
   に設置され、実質的に吸入ガスの酸素密度のみに応じた
   信号を発生する酸素センサと、この酸素センサの出力信
   号に基づいて内燃機関に導入される酸素重量を求めると
   ともに、この酸素重量に応じて機関制御量を算出する手
   段とを備え、この機関制御量に応じて内燃機関を制御す
   ることを特徴とする内燃機関の制御装置。 ２、上記酸素センサが、吸入ガスの分子の拡散を制限す
   る律速層と、この律速層を通過した酸素分子をイオン化
   する第１の電極と、イオン化された酸素イオンを伝導す
   る固体電解質と、この固体電解質の上記第１の電極とは
   反対側に設けられ、該固体電解質を通過した酸素イオン
   を酸素分子化する第２の電極と、上記固体電解質を通過
   する酸素イオンに応じた電流を検出する手段とを有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の制御装置
   。 ３、上記律速層の孔の内径が、吸入ガスの分子の平均自
   由行程と実質的に同等以下の大きさに定められることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の制御装置。