JPH01152356A - 空燃比検出装置 - Google Patents

空燃比検出装置

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JPH01152356A
JPH01152356A JP62312670A JP31267087A JPH01152356A JP H01152356 A JPH01152356 A JP H01152356A JP 62312670 A JP62312670 A JP 62312670A JP 31267087 A JP31267087 A JP 31267087A JP H01152356 A JPH01152356 A JP H01152356A
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oxygen
pump
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Toyohei Nakajima
中島 豊平
Toshiyuki Mieno
三重野 敏幸
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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】 技術分野 本発明は内燃エンジンの排気ガス中の酸素濃度に比例し
た出力を発生する酸素濃度センサを有し酸素濃度センサ
の出力がら空燃比を検出する空燃比検出装置に関する。
背景技術 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等を目的として
、排気ガス中の酸素濃度を酸素濃度センサによって検出
し、この酸素濃度センサの出力信号に応じて実空燃比を
判別し、その判別結果に応じてエンジンへの供給混合気
の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する空燃比
制御装置が例えば、特公昭55=3533号公報により
公知である。
このような空燃比制御装置に用いられる酸素濃度センサ
として被測定気体中の酸素濃度、すなわち排気空燃比に
比例した出力を発生するものかある。例えば、2つの平
板状の酸素イオン伝導性固体電解質材各々に電極対を設
けて酸素ポンプ素子及び電池素子を形成し、酸素ポンプ
素子及び電池素子の一方の電極面各々が気体滞留室の一
部をなしてその気体滞留室が被測定気体と導入孔を介し
て連通し電池素子の他方の電極面が大気室に面するよう
にしたセンサが特開昭59−192955号に開示され
ている。かかる酸素濃度センサにおいては、気体滞留室
内の酸素濃度を常に所定濃度(例えば、0)に保持する
ように電池素子の発生電圧と所定電圧とを比較してその
比較結果に応じて酸素ポンプ素子の電極間にポンプ電流
を供給し、そのポンプ電流値を酸素濃度に比例した出力
として検出するようになっている。ポンプ電流の検出器
としては酸素ポンプ素子と直列に接続した抵抗が用いら
れ、その抵抗の両端電圧がポンプ電流値に比例する酸素
濃度出力電圧として得られる。
排気浄化のために三元触媒コンバータを排気系に備えた
内燃エンジンにおいて酸素濃度比例型の酸素濃度センサ
を用いて空燃比制御を行なう場合でも、供給混合気の空
燃比が理論空燃比(14゜7)のときに三元触媒コンバ
ータがもっとも有効に作用することからエンジンの定常
運転状態には供給混合気の空燃比が理論空燃比にフィー
ドバック制御される。そこで、実空燃比の理論空燃比か
らの偏差に対応する空燃比検出信号を得てこれにより供
給混合気の空燃比をフィードバック制御することが行な
われている。ところが、実空燃比が理論空燃比に近い場
合にはその偏差が小さく理論空燃比への制御精度を上げ
んとすれば偏差を増幅する必要が生ずる。一方、偏差の
増幅率をあまり大きくすると信号飽和が生じ易く増幅率
の設定が困難であった。
発明の概要 本発明の目的は、理論空燃比近傍の空燃比の判別精度を
十分向上させることができる空燃比検出装置を提供する
ことである。
本発明による空燃比検出装置においては、内燃エンジン
の排気系に設けられかつ酸素イオン伝導性固体電解質材
及びこれを挾む電極からなる酸素ポンプ素子と、該酸素
ポンプ素子の電極間にポンプ電流を供給しポンプ電流を
排気ガス中の酸素濃度にほぼ比例した電流値となるよう
に制御する電流供給手段と、ポンプ電流値に応じた空燃
比検出信号を発生する信号発生手段とからなる空燃比検
出装置であり、信号発生手段がポンプ電流値に応じた電
圧を発生する電圧発生手段と、該電圧発生手段の出力電
圧を増幅する電圧増幅手段と、該電圧増幅手段の出力電
圧が所定電圧範囲内にあるときには電圧増幅手段の出力
電圧が所定電圧範囲外にあるときよりも電圧増幅手段の
増幅度を増大させる共に電圧増幅手段の出力電圧から検
出空燃比を判別する判別手段とからなること特徴として
いる。
実施例 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
第1図に示した本発明の一実施例たる酸素濃度センサを
備えた空燃比検出装置においては、酸素イオン伝導性固
体電解質材1内には気体拡散制限域として気体滞留室2
が形成されている。気体滞留室2は固体電解質材1外部
から被測定気体の排気ガスを導入する導入孔3に連通し
、導入孔3は図示しない内燃エンジンの排気管内におい
て排気ガスが気体滞留室2内に流入し易いように位置さ
れる。また酸素イオン伝導性固体電解質材1には大気を
導入する大気基準室4が気体滞留室2と壁を隔てるよう
に形成されている。気体滞留室2と大気基準室4との間
の壁部及び大気基準室4とは反対側の壁部には電極対6
a、 6b、  5a、  5bが各々形成されている
。固体電解質材1及び電極対5a、5bが酸素ポンプ素
子7として作用し、固体電解質材1及び電極対6a、6
bが電池素子8として作用する。また大気基準室4の外
壁面にはヒータ素子9が設けられている。
酸素イオン伝導性固体電解質材lとしては、2rc)2
(二酸化ジルコニウム)が用い、られ、電極5aないし
6bとしてはpt(白金)が用いられる。
電池素子8の電極6aにはポンプ電流制御手段として差
動増幅回路11が接続され、差動増幅回路11は電池素
子8の電極6a、6b間の電圧と基準電圧源12から出
力される基準電圧V r lとの差電圧に応じた電圧を
出力する。基準電圧源12による基準電圧vr、は理論
空燃比に相当する電圧(2,95(V) )である。差
動増幅回路11の出力端子は酸素ポンプ素子7の電極5
aに接続されている。酸素ポンプ素子7の電極5b及び
電池素子8の電極6bは共通接続されて演算増幅回路1
3の反転入力端子に接続されている。演算増幅回路13
の非反転入力端子には基準電圧源14から出力される基
準電圧Vr2が供給される。
基準電圧源14による基準電圧V r 2は例えば、2
.5vに設定されている。演算増幅回路13の反転入力
端子と出力端子との間には抵抗15が接続されている。
演算増幅回路13の出力端子電圧VOUT及び反転入力
端子電圧V re(’は差動増幅回路16.17に供給
される。差動増幅回路16は演算増幅回路18及び抵抗
19ないし21からなり、電圧VOLJTと電圧V r
ef’との差電圧V。
LJTIを出力し、差動増幅回路17は演算増幅回路2
2及び抵抗23ないし25からなり、電圧VOLJTと
電圧Vref’との差電圧vo LJ T lの5倍の
電圧vo U T 2を出力する。電圧VOUTI及び
vo U T 2はA/D変換器26に供給される。
A/D変換器26は電圧vo U T l及びVOUT
2をディジタル信号に各々変換してマイクロプロセッサ
27に供給する。
かかる構成においては、電池素子8の電極6a。
6b間には気体滞留室2内と大気基準室4との酸素濃度
差に応じた電圧Vsが発生する。この電圧Vsと演算増
幅回路13の反転入力端子電圧Vrerとが加算されて
差動増幅回路11の反転入力端子には供給される。一方
、演算増幅回路13の反転入力端子電圧V ref’は
ポンプ電流値1pが変化しても演算増幅回路13によっ
て非反転入力端子電圧、すなわち基準電圧[14の出力
電圧Vr2にほぼ等しくなる。
酸素ポンプ素子7へのポンプ電流の供給が開始されると
、エンジンに供給された混合気の空燃比がリーン領域で
あれば、電池素子8の電極6a。
6b間に発生する電圧Vsが低下して電圧VS十V r
ef’が基準電圧源12の出力電圧Vrlより低くなる
ので差動増幅回路11の出力レベルが正レベルになり、
この正レベル電圧が酸素ポンプ素子7の電極5aに印加
される。よって、ポンプ電流が酸素ポンプ素子7、抵抗
15を流れ、そして演算増幅回路13に流れ込む。酸素
ポンプ素子7には電極5aから電極5bに向ってポンプ
電流が流れるので気体滞留室2内の酸素が電極5bにて
イオン化して酸素ポンプ素子7内を移動して電極5aか
ら酸素ガスとして放出され、気体滞留室2内の酸素が汲
み出される。
気体滞留室2内の酸素の汲み出しにより気体滞留室2内
の排気ガスと大気基準室4内の大気の間に酸素濃度差が
生ずる。この酸素濃度差に応じた電圧Vsが電池素子8
の電極6a、6b間に発生し、この電圧VSは電圧V 
refに加算されて差動増幅回路11の反転入力端子に
供給される。差動増幅回路11の出力電圧は電圧Vs+
Vref’と基準電圧源12の出力電圧vrlとの差電
圧に比例した電圧となるのでポンプ電流値IPは排気ガ
ス中の酸素濃度に比例する。
リッチ領域の空燃比のときには電圧Vs+Vrefが基
準電圧源12の出力電圧V r )を越える。
よって、差動増幅回路11の出力レベルが正レベルから
負レベルに反転する。この負レベルにより酸素ポンプ素
子7の電極5a、5b間に流れるポンプ電流が減少し、
電流方向が反転する。すなわち、ポンプ電流は電極5b
から電極5a方向に流れるので外部の酸素が電極5aに
てイオン化して酸素ポンプ素子7内を移動して電極5b
から酸素ガスとして気体滞留室2内に放出され、酸素が
気体滞留室2内に汲み込まれる。従って、気体滞留室2
内の酸素濃度が常に一定になるようにポンプ電流を供給
することにより酸素を汲み込んだり、汲み出したりする
のでポンプ電流値IPはリーン及びリッチ領域にて排気
ガス中の酸素濃度に各々比例するのである。
一方、演算増幅回路13の出力端子電圧VOUT及び反
転入力端子電圧V ref’は差動増幅回路16.17
に供給される。差動増幅回路16は電圧VOUT  V
ref’を電圧vo U T Iとして出力し、差動増
幅回路17は電圧Vo U T−Vref’の5倍の電
圧vQ u T 2を出力する。ポンプ電流値IPはI
 p −(Vo U T −Vref ) /Rpなる
式によって表わされるので電圧vo u T I及びv
o U T2はポンプ電流値IPに比例した電圧となる
。なお、RPは抵抗15の抵抗値である。この電圧VO
UTI及びvo U T 2はA/D変換器26によっ
てディジタル信号に各々変換されてマイクロプロセッサ
27に供給される。
マイクロプロセッサ27は所定周期毎、又はエンジン回
転に同期して第2図に示すフロー図の如く先ず、A/D
変換器26からディジタル化された電圧VOLJT2を
読み込み(ステップ51)、読み込んだvo U T 
2が所定値v1より小であるか否かを判別する(ステッ
プ52)。vQ u T 2≧vlの場合には読み込ん
だvo U T 2が所定値V2  (ただし、V2 
>Vl )より大であるか否かを判別する(ステップ5
3)。Vl ≦vQ U T 2≦v2ならば、差動増
幅回路17のダイナミックレンジ内である訳であり、読
み込んだvQ U T 2から検出空燃比を判別する(
ステップ54)。−方、VOLJT2<V1又ハVo 
U T 2 >V2 ナラば、電圧vo U T 2の
適正読み込み範囲以外であるのでA/D変換器26から
ディジタル化された電圧vo U T Iを読み込み(
ステップ55)、読み込んだvo u T Iから検出
空燃比を判別する(ステップ56)。例えば、予め定め
られた電圧VOLITI 、VOUT2毎に異なるデー
タマツプから読み込み電圧に対応する空燃比を検索して
得てそれを検出空燃比とする。なお、検出空燃比が理論
空燃比であるときにはIP−0であり、VOuv−Vr
ef’となるのでVouT+ −VOUT2−0 (V
) テある。ヨッテ、Vl<0 (V)、V2 >0 
(V)の如く設定されている。
マイクロプロセッサ27は検出空燃比を得ると、図示し
ない別のルーチンにおいて検出空燃比と目標空燃比との
偏差に応じて空燃比補正値を設定し、その空燃比補正値
に応じて吸気2次空気供給量、又は燃料供給量を調整せ
しめるのである。このようにして空燃比フィードバック
制御が行なわれる。
なお、上記した実施例においては、酸素ポンプ素子7及
び電池素子8を有する酸素濃度比例型の酸素濃度センサ
が示されているが、これに限らず本発明は適用できる。
例えば、酸素ポンプ素子のみにより酸素の汲み出しによ
り酸素ポンプ素子の一方の電極側に基準酸素領域を形成
する限界電流方式の酸素濃度センサにも本発明を適用で
きる。
発明の効果 以上の如く、本発明の空燃比検出装置においては、ポン
プ電流値に応じた電圧が電圧発生手段かに出力され、そ
の電圧発生手段の出力電圧が増幅されて電圧増幅手段か
ら出力される。その電圧増幅手段の出力電圧が理論空燃
比近傍に対応する電圧増幅手段のダイナミックレンジを
越えない所定電圧範囲内にあるときには所定電圧範囲外
にあるときよりも電圧増幅手段の増幅度を増大させかつ
電圧増幅手段の出力電圧から検出空燃比を判別すること
により、空燃比を広範囲で検出することができると共に
理論空燃比近傍に空燃比が存在するときには空燃比の判
別精度を向上させることができる。よって、供給混合気
の空燃比を理論空燃比に高精度でフィードバック制御す
ることができ、三元触媒コンバータによる排気浄化効率
を向上させることができる。
なお、上記した卑施例の如<A/D変換器によってディ
ジタル化する場合にはA/D変換器の変換可能範囲を越
すことが防止される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す回路図、第2図は第1図
の回路中のマイクロプロセッサの動作を示すフロー図で
ある。 主要部分の符号の説明 1・・・・・・酸素イオン伝導性固体電解質材2・・・
・・・気体滞留室 3・・・・・・導入孔 4・・・・・・大気基準室 7・・・・・・酸素ポンプ素子 8・・・・・・電池素子 11,16.17・・・・・・差動増幅回路12.14
・・・・・・基準電圧源 13.18.22・・・・・・演算増幅回路出願人  
本田技研工業株式会社

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 内燃エンジンの排気系に設けられかつ酸素イオン伝導性
    固体電解質材及びこれを挟む電極からなる酸素ポンプ素
    子と、前記酸素ポンプ素子の電極間にポンプ電流を供給
    し該ポンプ電流を排気ガス中の酸素濃度の基準濃度から
    の偏差にほぼ比例した電流値となるように制御する電流
    供給手段と、前記ポンプ電流値に応じた空燃比検出信号
    を発生する信号発生手段とからなる空燃比検出装置であ
    って、前記信号発生手段は前記ポンプ電流値に応じた電
    圧を発生する電圧発生手段と、該電圧発生手段の出力電
    圧を増幅する電圧増幅手段と、前記電圧増幅手段の出力
    電圧が所定電圧範囲内にあるときには前記電圧増幅手段
    の出力電圧が前記所定電圧範囲外にあるときよりも前記
    電圧増幅手段の増幅度を増大させる共に前記電圧増幅手
    段の出力電圧から検出空燃比を判別する判別手段とから
    なることを特徴とする空燃比検出装置。
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