JPH01313646A - 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〕 この発明は内燃機関の制御装置に関し、特に吸気管のス
ロットル弁の下流に、吸入ガスの酸素分圧より新気量を
検出するヒータ内蔵型のセンサを設け、燃料噴射量や点
火時期等のエンジン制御因子を制御する制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕

吸気管のスロットル弁の下流に、吸入ガスの酸素分圧よ
り新気量を検出するヒータ内蔵型のセンサを設け、燃料
噴射量や点火時期等のエンジン制御因子を制御する制御
装置が提案されている。この場合センサはジルコニアの
ような固体電解質と、その両面の白金電極と、片側の白
金電極を被覆する多孔セラミックとしての拡散層とから
なり、両電極間を所謂酸素ボンピング作用によって０２
イオン電流が流れ、これにより新気量を知ることができ
る。検出された新気量に応じて燃料噴射量や点火時期等
の制御が行われる。このタイプの制御装置は、吸気管へ
のセンサの設置に伴う吸気抵抗の増大が問題とならない
程少なく、かっ新気量そのものを直接知ることができる
ので正確な空燃比制御を行うことができる利点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

このタイプのセンサの場合に精度の高い検出を行うため
には、原理的に、センサ温度は一定に維持される必要が
ある。そのため、センサはヒータ手段を備え、その電流
（電圧）を制御する手段を具備している。例えば、特開
昭５８−１７８２４８号参照。

ところが、エンジンの始動中にはヒータによって加熱し
てもセンサの温度は高まらないので、正確な酸素濃度が
検出できない。その結果、センサが完全に活性化するま
での間は、不正確な酸素濃度に基づいて燃料噴射量や点
火時期を制御することになり、空燃比や点火時期を所期
の値に精度良く制御することが出来ない問題点がある。

この発明はセンサの非活性か活性かに関わらず所期の制
御を可能とすることができるエンジン制御装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の内燃機関の制御装置は、第１図において、エ
ンジンのある制御因子を制御する制御手段１と内燃機関
の吸気管に配置され、酸素分圧を検出することにより機
関に導入される新気の量を算出するヒータ内蔵の限界電
流型のセンサ手段２と、前記センサ手段に内蔵されるヒ
ータ２′の温度を制御を行うヒータ制御手段３と、セン
サの活性状態を判別するセンサ活性状態判別手段４と、
センサ手段からの酸素濃度信号をもとにセンサ活性時の
エンジン制御因子の値を算出する活性時エンジン制御因
子値算出手段５と、センサが非活性時にセンサ手段から
の酸素濃度信号を使用することなくエンジン制御因子の
値を算出する非活性時エンジン制御因子値算出手段と、
センサの活性状態に応じて活性時エンジン制御因子値算
出手段と非活性時エンジン制御因子値算出手段との間で
切替を行う切替手段７とから構成される。

第２図において、１０はエンジン本体、１２は吸気管、
１４はスロットル弁、１６はインジェクタである。マイ
クロコンピュータ２０は種々のセンサからの運転条件信
号より燃料噴射量を算出し、その算出された量の燃料が
噴射されるようにインジェクタＩ６に信号を供給するよ
うに作動する。

センサとして、まず、スロットル開度センサ２２はスロ
ットル弁１４の開度（負荷相当値）を検出するセンサで
ある。回転数センサ２４は、クランク軸の回転に応じた
パルス信号を発生するトランスドユーサであり、このパ
ルス信号の時間間隔によってエンジン回転数を知ること
ができる。また２５は車速センサである。

２６は所謂限界電流型の酸素センサであり、吸気ガス中
の酸素分圧より吸気ガス中における新気量を知るため設
置されるものである。このセンサは第３図のように基板
３０と、スペーサ３２を介して基板３０上に乗せられた
ジルコニア等の固体電解質で造られた本体３４と、その
それぞれの面に形成される電極３６　、３８と、空燃比
検出ガス側の電極３６の周囲を被覆するガス拡散層とし
ての多孔性セラミック層３８と、基板３０中に埋設され
たヒータ４０とからなる。電極３６と３８との間に電圧
が印加されると、拡散層３８によって規制される拡散速
度で０□イオンが流れ、その際に発生する電流は内燃機
関に導入されるガス中における酸素分圧、即ち新気量を
代表することになる。

限界電流型の酸素センサにより酸素分圧を知ることはこ
の出願と直接は関連しないので詳細説明は省略するが、
特願昭６２−２４８２４に記載されている原理と同じで
ある。第３図の電極３６　、３８は出力処理回路４２を
介してマイクロコンピュータ２０に接続される。この出
力処理回路４２はセンサ出力の直線性及び温度補償等を
行うもので、第４図のように構成される。即ち、電圧発
生部は、定電圧発生部としての電源５０と、抵抗部５２
と、オペアンプ５４とから構成されるものであり、空燃
比センサ２６の電極３８と３６との間に電圧を印加する
ように機能するものである。定電圧発生部（電圧ＶＥ）
５０はそのマイナス側がセンサ２６の電極３８に接続さ
れると同時にプルアンプ電源（電圧■。）５４のプラス
側に接続され、同電源５４のマイナス側は接地される。

定電圧電源５０と抵抗５２とはシリーズに結線され、オ
ペアンプ５４の非反転入力に接続される。一方、オペア
ンプ５４の反転入力にセンサ２６の電極３６が接続され
る。

ローパスフィルタ６０はオペアンプ５４の出力側に接続
される。後述の如くセンサの内部抵抗の検出のためセン
サからの直流分に交流骨が重畳されているので、ローパ
スフィルタ６０により直流分、即ち空燃比に相当した信
号が分離される。

センサ２６の内部抵抗値検出のための構成として、交流
電圧発生部６２が電源５０に直列接続され、かつオペア
ンプ５４の出力側に検波回路６４と積分回路６６とから
なる内部抵抗検出回路６８とが具備される。検波回路６
４は一方の入力がオペアンプ５４の出力側に接続され、
他方の入力がローパスフィルタ６０の出力側に接続され
る。積分回路６６は一方の入力が検波回路６４の出力側
に接続され、他方の入力がローパスフィルタ６０の出力
側に接続される。

比較器７０はセンサの内部抵抗を一定になるようにヒー
タ５６を制御するものであり、その一方の入力は積分回
路６６の出力に接続され、他方の入力は定電圧発生器７
２に接続される。比較器７０の出力はヒータ駆動用トラ
ンジスタ７４に接続され、同トランジスタのコレクター
エミッタ回路にヒータ４０が配挿されている。

第５図はセンサの両端電圧Ｖと限界電流■との関係をｒ
＋　　（大）からｒａ　　（小）の空燃比範囲で模式的
に示したものである。図において各空燃比における電流
特性の平坦部分を提供する印加電圧範囲が線型性を具備
しているが、この平坦部分は空燃比によって一定ではな
い。即ち、空燃比が大きくなる（混合気としては希薄に
ある）はど高電圧側に推移する。この場合、例えばｘｌ
の電圧をセンサに印加するとすれば、’：ｌ＋ｒ４の空
燃比では精度の高い測定が可能であるが、それ以上の空
燃比ｒｌ＋ｒ２では精度の高い計測ができない。

次にｘｌの電圧をセンサに印加すると、’Ｉ＋ｒＺの空
燃比では所定の線型性が得られるが、それより小さい’
！＋ｒ４の空燃比では線型性が失われる。

第４図において、定電圧発生器５０と砥抗部５２とオペ
アンプ５４とは第５図の破線のように変化する両端電圧
をセンサ２６に印加する電圧発生器として機能する。即
ち、オペアンプ５４はその非反転入力と、反転入力との
電圧が等しくなるようにセンサ電流を制御する。即ち、
等価としてみればセンサは電源５０＋抵抗５２として見
ることができる。即ち、センサに加わる電圧は式によっ
て表すと Ｖ＝Ｖ（＋Ｉ、Ｘｒ と表すことができる。そして、ｒの値を適宜選択するこ
とにより第５図の破線のように各空燃比において直線部
分上に乗るように変化する電圧をセンサ両端に印加する
ことができる。そのため、各空燃比範囲に渡って精度の
高い空燃比測定を実現することができる。

次に、温度に対する補償について説明すると、センサの
温度はその内部抵抗に対応することから、センサの内部
抵抗値を一定となるようにセンサの温度、即ちヒータの
温度を制御することにより空燃比の計測値がセンサの温
度変化の影響を受けなくなり、精度の高い空燃比計測が
可能となる。第４図の装置において交流電圧発生器６２
と、内部　　　”抵抗検出装置６８と、比較器７０、ロ
ーパスフィルタ６０とは温度を一定となるようにヒータ
４０を通電制御するように働くヒータ電流制御回路とな
る。即ち、オペアンプ５４からはセンサ２６からの空燃
比に応じた直流電圧分に交流発生器２８からの交流電圧
骨を重畳した電圧が得られる。ローパスフィルタ６０は
そのうち直流分のみ通過させ、後述のように空燃比制御
装置において使用される。一方、検波回路６４はオペア
ンプからの前記重畳電圧からローパスフィルタ６０より
の直流分を差し引いた交流骨のみ取り出すように作動す
る。即ち、交流発生回路の周波数に応じた信号が得られ
る。センサの内部抵抗（インピーダンス）は周波数に比
例することから、センサの内部抵抗に応じた電圧信号が
得られる。積分回路６６は検波回路からの信号の時間平
均を行う。比較器７０ではインピーダンスに応じた電圧
をセンサの設定温度（例えば６３０℃）に応じた固定電
圧値Ｖイと比較し、両者が一致するようにトランジスタ
７４を駆動する。即ち、センサの内部抵抗が一定となる
ようにヒータのＯＮ　、　ＯＦＦ制御が行われ、その結
果ヒータの温度は一定（７００℃）となるのである。

即ち、インピーダンスが高ければ、比較器７０はＯの信
号を出力し、トランジスタはＯＦＦとなり、ヒータの温
度は降下し、インピーダンスは下がる。

インピーダンスが下がると、比較器７０は１の信号を出
力し、トランジスタ４０はＯＮされ、ヒータの温度は増
大し、インピーダンスは増大する。

このような一定電流制御によりヒータの温度は一定とな
るのである。

比較器８０はヒータ４０の電流を上げることにより始動
時におけるセンサ２６の活性を促進しつつ電流の上限を
制御することによりヒータの保護を図るものである。即
ち、比較器８０の反転入力はトランジスタ７４のエミッ
タ７４に接続され、非反転入力は定電圧電源８２（ＶＬ
）に接続される。定電圧電源（８２）の電圧ｖＬはヒー
タの許容最大電流値に応じて決められている。比較器８
０の出力はダイオード８４を介して比較器７０の入力側
に接続される。ヒータ４０に流れる電流が最大電流に到
達するまでは比較器８０の非反転入力の電圧は■、より
小さく、比較器８０はｌｌｉｇｈの出力を発生する。一
方始動時には積分回路６６の出力Ｖｌ　　（センサのイ
ンピーダンスに相当する）は未だ低い（第６図（ロ）参
照）。そのため比較器７０はＶ、＜Ｖ、ｌであるにも係
わらず“１゛の出力を出すことができ、ヒータ電流１＝
１．と制御されることになる。第６図（ハ）参照。この
ような電流制御によってヒータの活性を促進しつつ、ヒ
ータは過電流から保護される。

センサの活性が進むとｖｌは増大しく第６図（ロ））、
比較器７０は今度は■、とＶ□との大小関係により制御
され、Ｖｌ　＝Ｖ＋ｏ　（第６図（ロ））に制御される
。■１゜はセンサ温度＝６３０℃に相当する。

以下、制御回路２０の作動における燃料噴射制御をフロ
ーチャートによって説明する。第７図及び第８図は燃料
噴射ルーチンのフローチャートを示すものであり、第７
図のルーチンは、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を検出して実行される。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°をヰ食出して実行される。ステップ１０
０ではセンサインピーダンスＶ１がセンサの活性完了時
における温度に相当する値である■１゜より大きいか否
か判別される。第１０図において、線ｌは素子温度に対
する酵素センサの出力を示し、線ｍは素子温度に相当す
る素子インピーダンスに対応する電圧■の特性を示す。

６３０°で酸素センサの出力が安定となり、このときが
センサ活性と未活性との境目となり、そのときの電圧Ｖ
ＩＧが闇値となる。Ｎｏのときはステップ１０１に進み
、基本燃料噴射量ＴＰ０がマツプより算出される。この
マツプはセンサが未活性のときの燃料噴射量を決めるも
のであって、例えば、エンジン回転数及び車速又はスロ
ットル弁開度等によって定められる。即ち、基本燃料噴
射量を算出するのに、酸素濃度センサ２６が活性化して
いないので、その代わりに因子によって行うのである。

これらの因子は完全に正確な新気量を計測することはで
きないが、センサ未活性時の運転性を維持できる程度の
新気量を知るためには十分である。ステップ１０２では
Ｔ、。がＴ、に入れられる。

ステップ１００でＶｌ　　＞ＶＩＯのときはステップ１
０３に進み、 基本噴射時間’ｒｐが機関回転数ＮＥと吸気側酸素セン
サ２６の出力値Ｐｏｔ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１６の開弁時間をいう。そして、機関回転数の変化
により吸気効率が変化するので、吸気効率の変化を補償
するため、燃料噴射量は新気量とエンジン回転数とで決
められる。通常のＤ−Ｊシステムにおいては吸気管圧力
を計測することにより間接的に新気量を知り、回転数と
吸気管負圧との組合せから基本燃料噴射量を決めている
のであるが、この代わりにこの発明では回転数と、新気
量を表わす吸気側酸素センサ２６の出力値（第１１図）
とより基本燃料噴射量を決めるものである。マイクロコ
ンピュータ２０は現在の機関回転数ＮＥと、ｐｏｔ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’ｒｐの算出を行うことになる。

ステップ１０４では燃料噴射開始時刻ｔ、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法めら
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
。マイクロコンピュータ２０は燃料噴射開始時刻【直を
現在の時刻ｔ０からの時間として算出する（第７図参照
）。

ステップ１０６では噴射終了時刻ｔ０が、噴射開始時刻
ｔ、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。ステップ１０８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
噴射開始時刻り、が図示しない燃料噴射制御用コンベア
レジスタにセットされる。

第８図は時刻−敗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ｔｉ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ｔ、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ｔ、に一致するとイ
ンジェクタ１６による燃料噴射は停止される。

〔発明の効果〕

この発明によれば、酸素濃度センサの活性の度合をセン
サ電流により判断し、未活性とすれば燃料噴射量等のエ
ンジン制御因子値を酸素センサの出力値を使用せずにそ
の他のエンジン条件、例えば車速やスロットル弁開度に
より算出し、一方活性と判断すれば酸素センサの出力値
によりエンジン制御因子値を算出、これにより未活性状
態での燃料噴射量をなるべく理想的な値に近づけつつ、
活性後は酸素濃度センサの出力により燃料噴射量を知る
ことにより理想的なエンジン制御を行うことが可能とな
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図は内燃機関の全体概略図。 第３図は酸素濃度センサの概略図。 第４図はセンサの出力制御回路を示す図。 第５図はセンサ印加電圧とセンサ出力電流との関係を示
すグラフ。 第６図は未活性状態からの始動後のインピーダンス、セ
ンサ電圧、ヒータ電流の変化を説明する図。 第７図、第８図は燃料噴射作動を説明するフローチャー
ト。 第９図は燃料噴射作動のタイミングを示す図。 第１０図は素子温度とセンサ出力、インピーダンスとの
関係を示すグラフ。 第１１図は酸素量とセンサ出力の関係を示すグラフ。 １０・・・エンジン本体、　　１２・・・吸気管、１４
・・・スロットル弁、　　１６・・・インジェクタ、２
６・・・酸素濃度センサ、 ４０・・・ヒータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 以下の構成要素から成る内燃機関の制御装置、エンジン
   のある制御因子を制御する制御手段、内燃機関の吸気管
   に配置され、酸素分圧を検出することにより機関に導入
   される新気の量を算出するヒータ内蔵の限界電流型のセ
   ンサ手段、前記センサ手段に内蔵されるヒータの温度を
   制御するヒータ制御手段、 センサの活性状態を判別するセンサ活性状態判別手段、 センサ手段からの酸素濃度信号をもとにセンサ活性時の
   エンジン制御因子の値を算出する活性時エンジン制御因
   子値算出手段、 センサが非活性時にセンサ手段からの酸素濃度信号を使
   用することなくエンジン制御因子の値を算出する非活性
   時エンジン制御因子値算出手段、及び、 センサの活性状態に応じて活性時エンジン制御因子値算
   出手段と非活性時エンジン制御因子値算出手段との間で
   切替を行う切替手段。