JPH01147139A - 内燃機関の空燃比検出装置 - 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〕 この発明は、広範囲に空燃比を検知できる空燃比センサ
を用いて、精度のよい空燃比制御を行うための内燃機関
の空燃比検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近時、内燃機関の吸入混合気の空燃比を、精度よく目標
値に制御するため、排気系に空燃比センサを設けて、空
燃比と相関する排気成分を検出して、燃料供給量をフィ
ードバック制御している。

このような空燃比センサでは、その素子部を加熱するヒ
ータが設けられており、このようなものとしては、たと
えば特開昭６０−５８５４８号公報に記載されたものが
知られている。

この従来例を、以下、図において説明する。第１図は、
従来例および後述するこの発明の空燃比検出装置を含む
、空燃比制御系の全体構成図であり、第２図は、同様に
従来例およびこの発明の、空燃比検出装置に用いられる
空燃比センサと、その検出回路を示している。従来の内
燃機関の空燃比検出装置の説明に際し、第１図、第２図
を援用して説明する。

第１図において、１はエンジン、２は排気管、３は排気
管に取り付けられた空燃比センサ、４は吸気管である。

この吸気管４に吸気量センサ５、吸気圧力センサ６、ス
ロットル開度センサ８が取り付けられており、上記空燃
比センサ３、吸気量センサ５、吸気圧力センサ６、スロ
ットル開度センサ８の出力はそれぞれ空燃比制御装置５
０に送出するようになっている。

スロットル開度センサ８は吸気管４内に設けられたスロ
ットルバルブ７の開度を検出するものであり、また、空
燃比制御装置５０には空燃比検出装置が収納されている
。

なお、９はエンジン回転センサで、その検出出力は空燃
比検出装置５０に送出するようになっている。１１はバ
ッテリ、１２はエアクリーナ、１０は燃料噴射弁であり
、空燃比検出装置５０により燃料噴射量が制御されるよ
うになっている。

次に動作について説明する。エンジン１の運転状態を示
す状態量である、吸気量Ｑａ、吸気圧力ｐｂ、スロット
ル開度θおよびエンジン回転数Ｎｅが、各々、吸気量セ
ンサ５．吸気圧力センサ６゜スロットル開度センサ８お
よびエンジン回転センサ９により検出され、空燃比制御
袋ｆｆ５０に送出される。

空燃比制御のためには、エンジン回転センサ９と吸気量
センサ５．吸気圧力センサ６．スロツトル開度センサ８
の内の一つのセンサとで十分であるが、ここでは後述の
この発明の詳細な説明のため上記すべてを図に示してい
る。

エアクリーナ１２を通して導入した吸気と、吸気管４に
おいて燃料噴射弁１０から噴射された燃料との混合気の
空燃比は、排気管２に取り付けられた空燃比センサ３で
検知され、同様に空燃比制御装置５０に送出される。

空燃比センサ３は、第２図に示すように、空燃比検知素
子部３１（以下、素子部という）とヒータ部３２よりな
り、素子部３１は酸素ポンプ素子３１ａ、酸素濃淡電池
素子３１ｂ、排気ガス拡散部３１ｃ、基準酸素部３１ｄ
よりなる。

エンジンの運転状態により排気ガス温度が変化しても、
素子部３１が活性化状態の温度以上に維持されるように
、ヒータ部３２にはリード３２ａ。

３２ｂを介して、ヒータ電圧ｖｈが印加される。

エンジンが運転され、空燃比センサ３の素子部３１が活
性化すると、酸素濃淡電池素子３１ｂは、排気ガス拡散
部３１ｃと基準酸素部３１ｄの酸素濃度差に相当する起
電力Ｖｓを抵抗ＲＬの一端に発生する。

この起電力Ｖｓを、検出回路５１中の前置増幅器５１ａ
で増幅した後、差動積分増幅器５１ｂを介して所定の一
定電圧Ｖｒｅｆ　となるよう、酸素ポンプ素子３１ａに
増幅器５１ｃの出力端より制御電流Ｉ、を流して制御す
ると、制御電流■、は、空燃比に相関する排気ガス成分
濃度に比例し、過濃域では負、過薄域では正、理論空燃
比では零の値をとる。

そこで、この制御電流！、を検出抵抗Ｒｓで検出し、差
動増幅器５１ｄで増幅した後、理論空燃比に対応する所
定の電圧ｖ０を増幅器５１ｅに加算し、正電圧の空燃比
出力Ｖｏｕｔを増幅器５１ｅの出力端に得る。なお、第
２図中の各Ｒは抵抗である。

第６図は従来の空燃比検出装置が収納された空燃比制御
装置を示すものである。吸気量Ｑａ、吸気圧力Ｐｂ、ス
ロットル開度θは、吸気量センサ５、吸気圧力センサ６
．スロツトル開度センサ８の各出力をアナログ／ディジ
タル（Ａ／Ｄ）コンバータ５０Ａ〜５０ＣでＡ／Ｄ変換
した後、入力ポート５５を通ってマイクロプロセッサ（
以下μｍＰという）５２に送出され、また、エンジン回
転数Ｎｅは、エンジン回転センサ９の出力が、入力ポー
ト５５を通ってμ−Ｐ５２に送出される。

前述したように、エンジンの運転状態はエンジン回転数
Ｎｅと、吸気量Ｑａ　、吸気圧力Ｐｂ、スロットル開度
θのいずれか一つの量で決まる。

以下、運転状Ｂ量としてエンジン回転数Ｎｅと、吸気量
Ｑａをとって説明する。図において、ＲＯＭ５３内に記
憶されたプログラムに基づき、回転数Ｎｅと、吸気量Ｑ
ａがμ−Ｐ５２に読み込まれ、機関の負荷ＰｂがＰｂ＝
Ｑａ／Ｎｅで算出されて、運転状態量（Ｎｅ　、　　Ｐ
ｂ　）が決定すると、同じくＲＯＭ５３内に記憶された
目標空燃比データが読み出されて、その運転状態での目
標空燃比が算出される。

一方、その運転状態での空燃比は、空燃比センサ３で検
知され、検出回路５１で空燃比出力Ｖｏｕｔとして出力
され、Ａ／Ｄコンバータ５０ＥでＡ／Ｄ変換されて入力
ボート５５よりμｍＰ５２に送出される。ここで目標空
燃比と実空燃比が比較され、この差を零とするよう燃料
噴射弁１０の開弁時間が計算され、出力ポート５６を介
して燃料制御回路５７に出力されて、燃料噴射弁１０よ
り、その開弁時間に相当する燃料が噴射されることによ
り、空燃比が目標空燃比となるように制御される。

ＲＡＭ５４は、計算過程で一時的にデータを記憶するた
めに用いられる。このとき、出力ポート５６を介して、
トランジスタＴｒ＋を動作させ、バッテリ１１の電圧Ｖ
Ｂを空燃比センサ３のヒータ部３２に、ヒータリード３
２ａ、３２ｂを介して与えることにより、素子部３１の
温度が、空燃比センサ３としての活性化温度以上に維持
される。

なお、このとき、バッテリ１１の電圧ＶＢはＡ／Ｄコン
バータ５０ＤによりＡ／Ｄ変換されて入力ボート５５に
入力される。

第７図は、上述の従来例におけるヒータ制御を、フロー
チャートで詳述したものである０図に示すように、ステ
ップ２０１で吸気量Ｑａが読み込まれ、ステップ２０２
で排気ガス温度に相関した吸気量所定値と比較される。

吸気量Ｑａが吸気量所定値より大、すなわち、排気ガス
温度が所定値より高いと判断された場合には、ステップ
２０３ａでトランジスタＴｒｌをオフし、ヒータ通電を
遮断して、空燃比センサ３の素子部３１の過熱を防止す
る。

逆に、吸気量Ｑａが吸気量所定値より小、すなわち、排
気ガス温度が所定温度より低いと判断された場合には、
ステップ２０３ｂでトランジスタＴｒｌをオンし、ヒー
タに通電して、素子部３１を保温するようにして、排気
ガス温度が変化しても、空燃比センサ３が活性化温度以
上に維持されるようにする。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の内燃機関の空燃比検出装置は以上のように構成さ
れているので、本来、エンジンの運転状態、たとえばエ
ンジン回転数Ｎｅ　と、吸気量Ｑａで決まる排気ガス温
度の変化を、吸気量Ｑａのみで判定していたため、判定
点における排気ガス温度が一定とならず、したがって空
燃比センサの温度も一定でないという欠点があった。

また、エンジンの使用領域の全域で空燃比制御をしよう
とした場合には、運転状態の差による排気ガス温度の変
化が、通常的８００“Ｃ以上にもなるため、従来のごと
き検出方法では、ヒータの通電時、無通電時の排気ガス
温度の変化範囲が広すぎ、空燃比センサの温度変化が大
きくなりすぎて、空燃比センサの温度依存性が無視でき
なくなり、空燃比を精度よく検出することが困難になる
という不具合が予想される。

また、ヒータの通電時、ヒータ部にバッテリ電圧ＶＢが
直接印加されるために、バッテリ電圧ＶＢが変化した場
合にも空燃比センサの温度が変化し、そのときの排気ガ
ス温度によっては、空燃比センサを活性化温度以上に維
持できなくなるという、不具合も予想される。

この発明は、かかる問題点を解消するためになされたも
ので、エンジンの運転状態が変化して、排気ガス温度が
変わっても、また、エンジンの運転中にバッテリ電圧が
変化しても、空燃比センサを常に活性化温度以上に維持
できるとともに、排気ガスの空燃比を正確に検出でき、
精度のよい空燃比制御が行なえる内燃機関の空燃比検出
装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る内燃機関の空燃比検出装置は、空燃比セ
ンサのヒータ部に定電圧を印加する定電圧制御手段と、
エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、こ
の運転状態検出手段の出力で空燃比センサの出力を補正
する空燃比補正手段とを設けたものである。

〔作　用〕

この発明においては、定電圧制御手段により空燃比セン
サのヒータ印加電圧を一定に保持し、工ンジンの運転状
態によって排気ガス温度が変化し、それにともなって空
燃比センサの温度が変化して空燃比センサの出力が変化
しても、この出力の変化により、空燃比を検出するとと
もに、運転状態検出手段でエンジンの運転状態を検出し
、この検出運転状態検出手段の検出出力により空燃比補
正手段は空燃比センサの出力を補正する。

〔実施例〕

以下、この発明の内燃機関の空燃比検出装置の実施例を
図について説明する。この発明の空燃比検出装置を含む
、空燃比制御系の全体構成図は、前述の第１図と同一で
あり、また空燃比センサと、その検出回路も、前述の第
２図と同一であるが、第１図における空燃比制御装置５
０中の空燃比検出装置の構成が従来と異なるものである
。なお、この発明の実施例においては、エンジンの運転
状態を示す状態量を、前述の従来例とは異なり、エンジ
ン回転数Ｎｅ　と、吸気圧力ｐｂを用いた場合につき説
明する。

第３ｒｙＪは、この発明の空燃比検出装置が収納された
空燃比制御装置５０を示すブロック図である。

図において、５８は空燃比センサ３のヒータ部３２に、
リード３２ａ、３２ｂを介して印加する電圧を、一定値
Ｖｈｃに保持する定電圧制御手段であり、ヒータ部３２
の印加電圧がバッテリ１１から供給されると、その印加
電圧は増幅器５０ａにフィードバックされ、トランジス
タＴｒ＋により、定電圧Ｖｈｃを印加電圧が常に等しく
なるよう制御されて、バッテリ１１の電圧ＶＢに係わら
ず常に一定の電圧Ｖｈｃがヒータ部３２に印加されるよ
うにしている。第３図のその他の構成は第６図と同様で
ある。

第４図（ａ）は、上述のヒータ定電圧Ｖｈｃ印加時にお
いて、エンジンの運転状態により排気ガス温度Ｔ　ｅｘ
ｈが変化した場合の、空燃比センサ３の温度依存性によ
る、空燃比センサ３の検出回路５１の空燃比出力Ｖｏｕ
ｔの変化を示している。

空燃比センサ３は、その温度が変化すると、同一空燃比
においても、第２図に示す酸素ポンプ素子３１ａに流れ
る制御電流■、が変化する。

前述したごとく、制御電流Ｉ、は、過薄域では正、過濃
域では負、理論空燃比点では零であるが、その温度によ
る変化は、温度上昇とともに、過濃域、過薄域ではいず
れも制御電流１ｐの絶対値が増加する方向に生じ、理論
空燃比点での変化は殆どないという特徴を持つ。

ヒータ定電圧Ｖｈｃ印加時における、空燃比センサ３の
温度変化は、エンジンでの実験によれば、排気ガス温度
に比例し、排気ガス温度の変化的８００°Ｃに対し、約
１５０℃であった。空燃比センサ３の温度依存性により
、検出回路５１の空燃比出力Ｖｏｕｔも、第４図（ａ）
のごとく排気ガス温度Ｔ　ｅｘｈにより変化する。

前述したごとく、空燃比出力Ｖｏｕｔば、理論空燃比Ｉ
　Ｐ　＝　Ｏに対応する電圧ｖ０を加算しているため、
排気ガス温度Ｔ　ｅｘｈが所定の運転状態に対応する排
気ガス温度Ｔ、より高くなると、出力Ｖｏｕｔ（Ｔ　Ｈ
）は、過薄域では温度Ｔ、での出力Ｖ　ｏｕｔ（Ｔ　ｏ
）より大に、逆に過濃域では小になり、理論空燃比では
Ｖｏｕｔ（Ｔｏ）と等しくなる。

排気ガス温度Ｔ　ｅｘｈがＴ、より低い場合には、理論
空燃比を除き、上記と反対の変化を示す。

第４図ら）は、上記の空燃比出力Ｖｏｕｔ（Ｔｏ）に対
する、任意の排気ガス温度Ｔ　ｅｘｈにおける空燃比出
力Ｖｏｕｔ（Ｔ）の偏差ΔＶｏｕｔを示したもので、Δ
Ｖｏｕｔは、理論空燃比に対応する出力ｖ０を用いて、 Ｖｏｕｔ（Ｔｏ）　　Ｖ。

で表す。

図示のごとく、偏差ΔＶｏｕｔは排気ガス温度Ｔ　ｅｘ
ｈに比例し、すなわち、運転状態量（Ｎｅ、Ｐｂ）に依
存する。運転状態量（Ｎｅ、Ｐｂ）にたいする偏差ΔＶ
ｏａｔは、温度補正係数Ｃ＝　ｌ　／　Ｖｏｕｔとして
、第３図のＲＯＭ５３に記憶されている。

第５図は、運転状態量（Ｎｅ、Ｐｂ）により、上述の温
度補正係数Ｃを用いて、空燃比出力Ｖｏｕｔを補正する
補正手段に関わるフローチャートである。

まず、ステップ１０１で、空燃比センサ３で検知した排
気ガスの空燃比が第３図の検出器５１で空燃比出力Ｖｏ
ｕｔ　として出力され、Ａ／Ｄコンバータ５０ＥでＡ／
Ｄ変換された後、入力ポート５５を介してμ−Ｐ５２に
読み込まれる。

次に、ステップ１０２でエンジンの運転状Ｊ！！！であ
るエンジン回転数Ｎｅが、エンジン回転センサ９で検知
され、また、吸気圧力Ｐｂが吸気圧力センサ６で検知さ
れ、Ａ／Ｄコンバータ５０ＢでＡ／Ｄ変換された後、各
々、入力ポート５５を介してμｍＰ５２に読み込まれる
。

運転状態量（Ｎｅ、Ｐｂ）が読み込まれると、ステップ
１０３において、その運転状態量（Ｎｅ、Ｐｂ）に対応
した空燃比出力Ｖｏｕｔの温度補正係数Ｃ（Ｎｅ、Ｐｂ
）がＲＯＭ５３より読み出され、Ｃｉ　に設定される。

次にステップ１０４で、Ｃ４により空燃比出力Ｖｏｕｔ
が、 Ｖｒ　＝Ｃ４Ｘ（Ｖｏｕｔ−Ｖｏ）＋Ｖ。

で補正され、実空燃比に対応した補正後出力Ｖｒを得る
。

最後に、ステップ１０５で、補正後出力Ｖｒを用いて、
第４図（ａ）に示した所定温度Ｔ０における空燃比と空
燃比出力との関係より、排気ガス温度の変化に依存しな
い実空燃比が求められる。

なお、上記実施例では、排気ガス温度に対応したエンジ
ンの運転状態量として、エンジン回転数Ｎｅと吸気圧力
Ｐｂを例にとって示したが、吸気圧力ＰｂＯ代わりに、
吸気量Ｑａ　、あるいはスロットル開度θとしてもよい
ことは明らかである。

また、上記実施例では、空燃比センサ３の検出回路５１
、定電圧制御回路５８を空燃比制御装置５０と一体に構
成して示したが、それぞれ別体に構成しても、同様の効
果を得ることは云うまでもない。

〔発明の効果〕

この発明は、以上説明したとおり、エンジンの空燃比セ
ンサの素子部を加熱するヒータの印加電圧を、定電圧制
御手段で一定に保持した状態で空燃比センサにより空燃
比を検出し、エンジンの運転状態を運転状態検出手段で
検出し、この運転状態検出手段の出力に応じて空燃比補
正手段で空燃比センサの出力を補正するように構成した
ので、バッテリ電圧が変化しても、ヒータ印加電圧が常
に一定に保持されるとともに、機関の運転状態の変化に
より、その排気ガス温度が変動しても、常時、精度の高
い空燃比の検出ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来およびこの発明の一実施例による内燃機
関の空燃比検出装置を含む空燃比制御系の全体構成図、
第２図は、同じく、従来およびこの発明の空燃比検出装
置に用いられる空燃比センサとその検出回路を示す構成
図、第３図は、この発明の一実施例の空燃比検出装置が
収納された空燃比制御装置の構成図、第４図（ａ）およ
び第４図ら）は、空燃比出力の排気ガス温度による変化
を示す説明図、第５図は、この発明の一実施例における
空燃比補正手段に係わる補正方法のフローチャート、第
６図は、従来の空燃比検出装置が収納された空燃比制御
装置の構成図、第７図は、従来のヒータ制御のフローチ
ャートである。 ３・・・空燃比センサ、５・・・吸気量センサ、６・・
・吸気圧力センサ、８・・・スロットル開度センサ、９
・・・エンジン回転センサ、５０・・・空燃比検出装置
が収納された空燃比制御装置、３１・・・素子部、３２
・・・ヒータ部、５１・・・検出回路、５２・・・マイ
クロプロセッサ、５３・・・ＲＯＭ、５４・・・ＲＡＭ
、５５・・・入力ポート、５８・・・定電圧制御手段。 なお、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 エンジンの排気系に取り付けられ排気ガスの空燃比状態
   を検知する空燃比検知素子部とこの空燃比検知素子部を
   加熱するヒータ部とを有する空燃比センサと、上記ヒー
   タ部に印加する電圧を一定に保持する定電圧制御手段と
   、 上記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と
   、この運転状態検出手段の検出出力に応じて上記空燃比
   センサの出力を補正する空燃比補正手段とを備えた内燃
   機関の空燃比検出装置。