JPH01313644A - 内燃機関制御装置用の酸素濃度検出装置 - 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〕 この発明は内燃機関の制御装置、例えば空燃比制御装置
、に使用される酸素濃度検出装置に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関の空燃比制御装置において酸素濃度を検出する
ため所謂ピンホール型の限界電流型センサが提案されて
いる。例えば特開昭５６−１３０６４９号参照。限界電
流型の酸素濃度センサではジルコニアのような固体電解
質の両端に電極を設け、片側は大気に他側は検出ガスに
接触させ、その間に所定拡散速度で所謂酸素ボンピング
作用下で流れるＯｔイオン電流を検出し、酸素分圧（濃
度）を検出するものである。拡散速度を規律するためピ
ンホール型の限界電流センサでは成る寸法のピンホール
を設け、このピンホールを介して検出ガスを電極に導入
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記タイプのセンサにおけるピンホールは、酸素分子の
拡散速度を限界電流が得られるように規制するものであ
る。ところが、この関係は静圧状態においてのみ維持さ
れ、エンジンの吸気作用にもとづく脈動があると維持さ
れなくなる。なぜかというと、ピンホールを介して分子
拡散状態はピンホール間の圧力差の影響を受け、この圧
力差は動圧下では一定にならないからである。そのため
、検出される酸素分圧が被検出ガスのそれと一致しなく
なり、精度の高い制御がなしえなくなる。

この発明は、吸気圧力の脈動に関わらず酸素分圧を正確
に検出できるようにすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図において、内燃機関の制御装置は、ピンホール型
酸素濃度センサ７１と、内燃機関の特定のクランク角度
を検出するタイミング検出手段Ａと、そのタイミングに
おいてセンサからの酸素濃度信号を取り出すゲート手段
Ｂとから構成される。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を排気ガス再循環装置付の燃料
噴射内燃機関において、排気ガス再循環率（ＥＧＲ率）
の計測に応用した場合について説明する。

第２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は吸気ボート、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。吸気ボ
ート２４は、吸気管３１、サージタンク３２、スロ・ノ
トル弁３４、吸気管３６、ターボチャージャ３日のコン
プレ７サハウジング３８ａ、吸気管３９を介してエアク
リーナ４０に接続される。吸気ボート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を介してターボチャージ
ャ３８のタービンハウジング３８ｂに接続される。尚、
ターボチャージャの代わりに機械式過給機を採用したシ
ステムであっても良い。

排気ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）４５が排気マニホル
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が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のアイドル位の少し上流に設置されるＥ
ＧＲポート４８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、Ｅ
ＧＲ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の少し上流の負圧ボ
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。

ＩＩ　？１１回路５４はマイクロ・プロセシング・ユニ
ット（ＭＰＵ）　５４　ａと、メモリ５４ｂと、入力ポ
ート５４Ｃと、出力ポート５４ｄと、これらの各要素を
接続するバス５４８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　、５８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
抗設置され、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、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と対抗設置され、クランク
軸の３０’毎の信号を発生し、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１０ａ内の冷却水温度を
検出する６吸入空気温度センサ６６は、吸気管に機関に
導入される吸入空気の温度を検出することができる。排
気側酸素センサ６８が排気マニホルド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スルシステムで
は０２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所謂リーンセンサより構成する
ことができる。

圧力センサ７０がサージタンク３２に設置される。圧力
センサ７０は、負荷因子としての吸気管圧力を検出し、
燃料噴射量や、点火時期を算出するために使用される。

更に吸気側酸素センサ７１が設けられ全吸入空気中の酸
素の分圧の変化によって連続的に変化する電圧を取り出
すことができ、ＥＧＲ率を知ることができる。第３図に
おいて、吸気側酸素センサ７１は、基板７２と、ジルコ
ニアから成る本体７３と、その内面及び外面に形成され
る通気性薄膜状白金電［７４、７５と、外側の電極７５
を取りかこむように設けられるカバー７６と、ヒータ７
７とを基本的な構成要素とする。ヒータ７７は、センサ
７１の温度を一定に維持するものである。空間７８は孔
７９によって大気と連通されている。陽極としての内側
電極７４と陰極としての外側電極７５との間には電源（
図示せず）が接続される。カバー７５は拡散速度律連体
として機能するものであり、ピンホール８０を有してい
る。ピンホール８０の寸法はカバー内の閉鎖空間の酸素
濃度が被検出ガス（即ち、新気＋再循環排気ガス）の酸
素濃度に等しくなるように酸素分子の拡散速度を規制す
るように決められている。

その結果、ボンピング作用に基づきイオン透過性の固体
電解質を流通する限界電流と空燃比との間にリニアな関
係を持たせることができ、酸素濃度を知ることができる
。即ち、センサ電流ＩＦは、Ｉ　Ｐ　−（４Ｘ　Ｆ　Ｘ
ＤＯｔ　Ｘ　Ｓ　ＸＣ（ｈ）／　１ここに、Ｆ：ファラ
デ一定数 ＤＯ，：酸素拡散係数 Ｓ：拡散律速部面積 １：拡散律速部長さ Ｃ（ｈ　：酸素濃度 によってあられされる。この式において、Ｄ（ｂ　＝　
Ｔ　”　”／　Ｐ Ｃｏｗ　＝ＰＯｚ　／　ＲＴ であり、従って ＩＦ　　＝　　（Ｔ””／　Ｐ）ｘＰＯｚ　　／ＲＴ＝
Ｔ０°”Ｘ　　（ＰＯｚ　　／　Ｐ　）となる。従って
、温度を一定に制御するという条件で電流！２は酸素濃
度に比例し、酸素濃度を検出することができる。酸素濃
度より逆に排気ガス再循環率を逆算することができる。

第４図参照。

この実施例における燃料噴射装置はいわゆるＤ−Ｊ方式
で吸気管圧力とエンジン回転数との組合せにより空燃比
を理論空燃比とするように決められている。ところが、
排気ガス再循環システムを持っているとＥＧＲガスが吸
入空気に混合されているため圧力センサ７０が計測する
圧力値にはＥＧＲガスの分圧が含まれており、これは燃
焼には全熱関与することがないので、圧力センサの計測
値により算出した燃料噴射量では理論空燃比から外れる
ことになる。そこで、吸気側酸素濃度センサ７１により
酸素濃度を算出し、これより排気ガス再循環率を逆算し
、圧力センサの計測値におけるＥＧＲガスの分だけ燃料
噴射量を少なくし、これにより排気ガス再循環をしてい
ても正確な空燃比制御が行い得るように図ったものであ
る。そして、酸素濃度を検出するため前述ピンホール型
の酸素濃度センサを採用している。ところが、ピンホー
ル型の酸素濃度センサは静圧時には測定値の変動はない
が〈第５図参照）、吸気管のような動圧下におかれると
その影響により圧力の脈動がでてくる。第６図参照。第
７図は、１，０００　　、２，６００　。

４．２０Ｏｒｐｍにおいて、限界電流Ｉ、と、圧力脈動
ΔＰとの関係を示す。回転数が太き（なると電流■、が
大きくなり、脈動ΔＰが大きくなるのが分る。この脈動
はクランク角度と対応している。そこで、この発明では
酸素濃度センサにより酸素濃度を計測するときのタイミ
ングを一定のタイミングとすることにより脈動の影響を
排除するものである。そして、そのようなタイミングと
して脈動の平均値を呈するクランク角度とすることがで
きる。このようなりランク角度はエンジン運転条件で変
化するので、実施例では運転条件として吸気管圧力とエ
ンジン回転数との組合せによって脈動の平均値を呈する
３０’毎のクランク角度の値を記憶しておき、このタイ
ミングが到来したときに酸素濃度センサからの信号のサ
ンプリングを実行するようにしている。

以下、制御回路５４の作動における燃料噴射制御の部分
をフローチャートによって説明する。第８図のルーチン
はクランク角度センサからの３０”ＣＡのパルス信号の
到来の度に実行されるクランク角度割り込みルーチンで
ある。ステップ１００では、ＥＧＲ率計測用の吸気側酸
素濃度センサ７１の出力の脈動における平均値を呈する
クランク角度の算出が吸気管圧力と回転数とより決定さ
れる。

ここに、このルーチンは３０’ＣＡ毎に実行されるので
、マツプに格納される値は酸素濃度センサ７１の出力の
脈動における平均値を呈するクランク角度に最も近い３
０°ＣＡで割り切れるクランク角度となる。

ステップ１０１では、現在のクランク角度がステップ１
００で計算したクランク角度か否か判別される。Ｎｏの
ときは以下の１０２．　１０３のステップを迂回するこ
とになり、酸素濃度のサンプリングは行わない。Ｙｅｓ
のときはステップ１０２に進み、酸素濃度センサからの
電流出力Ｉ２が入力され、ステップ１０３では電流出力
Ｉ、と吸気管圧力ＰＭとの比よりＥＧＲ用補正係数Ｆｌ
、が算出される。

ＩＰ／ＰＭとＦｉＦとは第１１図の関係をもっており、
メモリに記憶されたマツプ値より補間演算が実行される
。吸気管圧力ＰＭの測定値にはＥＧＲガス分も含まれて
いるのでセンサ７１の出力よりＥＧＲ率を測定し、これ
より燃料噴射量を後述のように補正するため使用される
。

ステップ１０４ではこれから燃料噴射を行う気筒の燃料
噴射の手前の成るクランク角度か否が判別される。例え
ば、吸気行程中に燃料噴射を行うとすれば、吸気上死点
手前の６０°を検出して実行される。この検出は、第１
クランク角度センサ５６からの７２０°ＣＡ信号の到来
によってクリヤされ、第２クランク角度センサ５８から
の３０゜ＣＡ倍信号到来毎にインクリメントされるカウ
ンタの値により知ることができる。ステップ１０５では
基本噴射時間’ｒｐが機関回転数ＮＥと吸気管圧力ＰＭ
より算出される。ここに基本噴射時間とは内燃機関に導
入される新気量に対して空燃比を理論空燃比とするよう
な燃料噴射量を得るためインジェクタ４２の開弁時間を
いう。メモリ５４ｂには機関回転数ＮＥと吸気管圧力Ｐ
Ｍとの各組合せに対し、理論空燃比を得るだめの基本燃
料噴射時間Ｔｐのデータのマツプが構成されている。Ｍ
ＰＵ５４ａは、第２クランク角度センサ５８の３０°Ｃ
Ａ信号の間隔から知られる現在の機関回転数ＮＥと、吸
気管圧力ＰＭの値とにより周知の補間計算を実行し、こ
れによって基本燃料噴射時間Ｔｐの算出を行うことにな
る。

ステップ１０６ではステップ１００で算出された基本燃
料噴射時間’ｒｐにＥＧＲに基づく補正Ｆｌ、、その他
の補正を加えることにより最終噴射量Ｔａｕの算出が実
行される。その他の補正演算には排気側酸素センサ６８
からの信号によるフィードバック補正係数の算出や、水
温センサ６４からの水温信号による水温補正係数や、加
速補正等の基本燃料噴射時間’ｒｐに加えられる種々の
補正演算処理を含む。この補正演算のやり方自体は周知
であり、またこの発明と直接関係しないので説明を省略
する。

ステップ１０７では燃料噴射開始時刻ｔｉの算出が行わ
れる。燃料噴射開始時期は機関の特性により種々決めら
れるが、例えば、燃料噴射が吸気行程の終了と略同期し
て終了するように燃料噴射開始時期を決める必要がある
。従って、燃料噴射開始時期は新気量、回転数で変化す
ることになる。

メモリ５４．ｂには機関回転数ＮＥと、吸気管圧力ＰＭ
との組合せに対して燃料噴射を開始する吸気上死点から
のクランク角度のデータマツプが格納されている。ＭＰ
Ｕ５４ａはＰＭと、第２クランク角度センサ５８の３０
°ＣＡパルス信号の間隔より実測される機関回転数ＮＢ
とから、燃料噴射開始時刻１．を現在の時刻ｔ０からの
時間として算出する（第１０図）。

ステップ１０Ｂでは噴射終了時刻ｔ０が、噴射開始時刻
１．に、ステップ１０２で算出される燃料噴射時間Ｔａ
ｕを加えたものとされる。ステ・７プ１０９は時刻一致
割り込みルーチンの許可を示し、ステップ１１０では燃
料噴射開始時刻ｔ１が図示しない燃料噴射制御用コンベ
アレジスタにセントされる。

第９図は時刻一致割り込みルーチンであり、コンベアレ
ジスタが現在時刻が燃料噴射開始時刻１、に一致したと
判断すると実行開始される。ステップはコンベアレジス
タによる割り込み禁止を示し、ステップ１１４で燃料噴
射終了時刻ｔ１がコンベアレジスタにセットされる。従
って、現在時刻が燃料噴射終了時刻む、に一致するとイ
ンジェクタ４２による燃料噴射は停止される。

酸素濃度の検出タイミングとしては、前述のように圧力
脈動における圧力平均値を呈するクランク角度に設定す
るのが好ましいが、圧力脈動の極小値又は極大値を呈す
るクランク角度として設定することができる。この場合
は、酸素濃度センサの検出値に、酸素濃度の平均値が得
られるように、補正を加えることができる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、ピンホール型の酸素濃度センサにお
いて、その検出タイミングを所定クランク角度に選定す
ることにより、脈動に関わらず正確な空燃比制御が実現
される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示す図。 第２図はこの発明の実施例の全体構成図。 第３図はピンホール型酸素センサの断面図。 第４図は酸素分圧（ＥＧＲ率）に対する限界電流特性図
。 第５図は静圧時における電流特性図。 第６図はクランク角に対する圧力脈動を示すグラフ。 第７図は吸気圧力に対するＩｐ　　、ΔＰの変化を示す
グラフ。 第８図及び第９図は燃料噴射ルーチンのフローチャート
図。 第１Ｏ図は燃料噴射信号の形成の仕方を説明するタイミ
ング図。 第１１図はＩ、／ＰＭとＦｌ、との関係を示すグラフ。 １８・・・燃焼室、　　　　　２０・・・点火栓、３０
・・・点火装置、　　　　３１・・・吸気管、３２・・
・サージタンク、　　　３４・・・スロットル弁、３８
・・・ターボチャージャ、 ４２・・・燃料インジェクタ、 ４４・・・排気マニホルド、　４６…ＥＧＲ弁＼５４・
・・制御回路、　　　　　６４・・・水温センサ、６８
・・・排気側酸素センサ、７０・・・圧力センサ、７１
・・・吸気側酸素センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内燃機関の制御装置において、ピンホール型酸素濃度セ
   ンサと、内燃機関の特定のクランク角度を検出するタイ
   ミング検出手段と、そのタイミングにおいてセンサから
   の酸素濃度信号を取り出すゲート手段とから構成される
   内燃機関制御装置用の酸素濃度検出装置。