JPH02169835A - 内燃機関の空燃比制御装置 - 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、内燃機関の空燃比を制御する装置に関し、特
に排気中の酸素濃度に応じた起電力を発生する酸素セン
サを用いて空燃比フィードバック制御を行う装置におけ
る酸素センサの劣化対策技術に関する。

〈従来の技術〉 従来の内燃機関の空燃比制御装置としては例えば特開昭
６０−２４０８４０号公報に示されるようなものがある
。

このものの概要を説明すると、機関の吸入空気流ｆｆ１
Ｑ及び回転数Ｎを検出してシリンダに吸入される空気量
に対応する基本燃料供給量Ｔ、　　（＝Ｋ・Ｑ／Ｎ　、
には定数）を演算し、この基本燃料供給量Ｔ、を機関温
度等により補正したものを排気中酸素濃度の検出によっ
て混合記の空燃比を検出する酸素センサからの信号によ
ってフィードバック補正を施し、バッテリ電圧による補
正等をも行って最終的に燃料供給量Ｔ＋を設定する。

そして、このようにして設定された燃料供給量Ｔ＋に相
当するパルス巾の駆動パルス信月を所定タイミングで出
力することにより、機関に所定量の燃料を噴射供給する
ようにしている。

ところで、上記酸素センサからの信号に基づく空燃比フ
ィードバック補正は空燃比を目標空燃比（理論空燃比）
付近に制御するように行われる。

これは、排気系に介装され、排気中のＣｏ、ＨＣ（炭化
水素）を酸化すると共にＮＯｘを還元して浄化する三元
触媒の転化効率（浄化効率）が理論空燃比燃焼時の排気
状態で有効に機能するように設定されているからである
。

このため、前記酸素センサとしては例えば特開昭５８−
２０４３６５号公報等に示されるような周知のセンサ部
構造を有したものを用いている。

このものは、酸素イオン伝導性固体電解質であるセラミ
ック管の排気と接触する外表面に排気中のＣｏ、ＨＣの
酸化反応を促進させる白金触媒層を積層しである。そし
て、理論空燃比よりリッチな混合気で燃焼させたときに
白金触媒層付近に残存する定周波パルス電流濃度の０□
をＣｏ、　ＨＣと良好に反応させて０２濃度をゼロ近く
にし、セラミック管内表面に接触した待機の０□濃度と
の濃度比を大きくして、セラミック管内外表面間に大き
な起電力を発生させる。

一方、理論空燃比よりリーンな混合気で燃焼させたとき
には、排気中に高濃度の０２と低濃度のＣｏ、ＨＣが存
在するため、Ｃｏ、ＨＣと０□とが反応してもまだ０□
が余り、セラミック管内外表面の０□濃度比は小さく殆
ど電圧は発生しない。

このように、酸素センサの発生起電力（出力電圧）は理
論空燃比近傍で急変する特性を有しており、この出力電
圧■。２と基準電圧（スライスレベル）ＳＬとを比較し
て混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーン
かを判定する。そして、例えば空燃比がリーン（リッチ
）の場合には、前記基本燃料供給ｆｉｔ’ｒ、に乗じる
空燃比フィードバンク補正係数ＬＡＭＢＤＡを所定量ず
つ徐々に増大（減少）していき燃料供給量Ｔ、を増量（
減量）補正することで空燃比を理論空燃比近傍に制御す
る。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、前記酸素イオン伝導性固体電解質により起電
力を発生して酸素濃度をＯＮ、ＯＦＦ的に検出する酸素
センサにあっては、劣化により応答速度が早められるこ
とが実験的に確かめられている。

応答バランスを見ると、理論空燃比に対してリーン側か
らリッチ側への変化は比較的緩やかであるのに対し、リ
ッチ側からリーン側への変化が急速に行われるため、全
体として応答速度が早められる原因となっている。

このため、酸素センサの劣化品を新品と比較すると、第
７図に示すように劣化品はリッチ状態を検出する時間が
短くなるため、バランス的にり一ン状態を検出する時間
割合が増大し、該検出結果に応じて為される空燃比フィ
ードバック制御において、燃料供給量を増量するリッチ
制御時間の割合が長引くので、排気中のＣｏ、ＨＣ濃度
が高くなりエミッション不良を生じる。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもの
で、酸素センサの劣化状態を検出して空燃比のフィード
バック制御を修正することにより空燃比のリッチ化を抑
制し、以てＣｏ、ＨＣの濃度増加を長期的に抑制できる
ようにした内燃機関の空燃比制御装置を提供することを
目的とする。

く課題を解決するための手段〉 このため本発明は第１図に示すように、相対する電極の
間隙に酸素イオン伝導性固体電解質を介在させ、両電極
近傍の酸素イオン濃度差により生じる電位差から気体中
の酸素濃度を検出する酸素センサを内燃機関の排気系に
備え、前記酸素センサの出力値と目標空燃比相当の基準
値とを比較しつつ空燃比が目標空燃比よりリッチ、リー
ンのいずれの側にあるかを判別し、リッチ側のときは燃
料供給手段による機関への燃料供給量を増量させ、リー
ン側のときは燃料供給量を減量させて空燃比を目標空燃
比に近づけるように制御する空燃比フィードバック制御
手段を含んでなる内燃機関の空燃比制御装置において、
前記空燃比フィードバック制御が実行中のときに燃料供
給量の増減周期が安定する運転条件を検出する運転条件
検出手段と、前記検出された運転条件での燃料供給量の
増減周期に基づいて酸素センサの劣化状態を判定する劣
化判定手段と、酸素センサが劣化していると判定された
ときには、酸素センサからの信号に基づき、空燃比が目
標空燃比よりリーン側に反転したことが判別されてから
、所定時間遅らせて燃料供給量の増量制御を開始させる
増量制御遅延手段とを備えて構成した。

〈作用〉 酸素センサの劣化が進むと、特にリーン側からリッチ側
への変化が早められることにより、全体として応答速度
が増大する。このため、運転条件検出手段により空燃比
フィードバック制御が実行中のときに燃料供給量の増減
周期が安定する運転条件が検出されたときに、劣化判定
手段により燃料供給量の増減周期に基づいて酸素センサ
の劣化状態が判定される。

そして、酸素センサが劣化していると判定されると、増
量制御遅延手段により、酸素センサの出力値から空燃比
が目標空燃比よりリーン側に反転したことが検出されて
から燃料供給量の増量制御所定時間を遅れて開始させる
。

この結果、酸素センサの劣化によってリッチ側からリー
ン側への変化が早められても所定時間は燃料供給量の減
量制御が継続されるので、リッチ制御時間の増大を抑制
でき、リッチ制御時間とリーン制御時間とのバランスが
保たれる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

一実施例の構成を示す第２図において、機関１１の吸気
通路１２には吸入空気流ｆｉＱを検出するエアフローメ
ータ１３及びアクセルペダルと連動して吸入空気流−ｆ
ｆｉＱを制御する絞り弁１４が設けられ、下流のマニホ
ールド部分には気筒毎に燃料供給手段としての電磁式の
燃料噴射弁１５が設けられる。

燃料噴射弁１５は、マイクロコンピュータを内蔵しこコ
ントロールユニット１６からの噴射パルス信号によって
開弁駆動し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレ
ッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を
噴射供給する。更に、機関１１の冷却ジャケット内の冷
却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１７が設けられると
共に、排気通路１８の排気中酸素濃度を検出することに
よって吸入混合気の空燃比を検出する酸素センサ１９が
設けられ、更に下流側の排気中のＣｏ、ＨＣの酸化とＮ
ＯＸの還元を行って浄化する三元触媒２ｏが設けられる
。

ここで、前記酸素センサ１９は第３図に示すような構造
を有している。

酸素イオン伝導性を有する固体電解質である酸化ジルコ
ニウム（ＺｒＯ□）を主成分とする閉塞先端部を有する
セラミック管１の内表面の一部に、夫々白金からなる内
側電極２及び外側電極３を形成してあり、更に、セラミ
ック管１の外表面には、白金を蒸着して白金触媒Ｎ４を
形成しである。該白金触媒層４は、排気中のＣｏ、ＨＣ
の酸化反応を促進させる酸化触媒層の機能を有する。

前記白金触媒層４の外表面には、マグネシウムスピネル
等の酸化金属を容射して、白金触媒層４を保護する保護
層５が被覆されている。

また、第２図で図示しないディストリビュータには、ク
ランク角センサ２１が内蔵されており、該クランク角セ
ンサ２１から機関回転と同期して出力されるクランク単
位角信号を一定時間カウントして、又は、クランク基準
角信号の周期を計測して機関回転数Ｎを検出する。

この他、車速を検出する車速センサ２２が設けられ、そ
の信号ｖｃはコントロールユニット１６に入力され、本
発明に係る空燃比フィードバック制御の修正制御を実行
する運転条件の判断に用いられる。

次に、コントロールユニット１６による空燃比制御ルー
チンを第４図〜第６図のフローチャートに従って説明す
る。第４図は燃料噴射量設定ルーチンを示し、このルー
チンは所定周期（例えば１０ｍ５）毎に行われる。

ステップ（図ではＳと記す）１では、エアフローメータ
１３によって検出された吸入空気流量Ｑとクランク角セ
ンサ２１からの信号に基づいて算出した機関回転数Ｎと
に基づき、単位回転当たりの吸入空気量に相当する基本
燃料噴射量ＴＰを次式によって演算する。

Ｔ、＝ＫＸＱ／Ｎ　　　（Ｋは定数） ステップ２では、水温センサ１７によって検出された冷
却水温度Ｔｗ等に基づいて各種補正係数Ｃ０ＥＦを設定
する。

ステップ３では、後述するフィードバック補正係数設定
ルーチンにより酸素センサ１９からの信号に基づいて設
定されたフィードバック補正係数ＬＡＭＢ口＾を読み込
む。

ステップ４では、バッテリ電圧値に基づいて電圧補正分
子、を設定する。これは、バッテリ電圧変動による燃料
噴射弁１５の噴射流量変化を補正するためのものである
。

ステップ５では、最終的な燃料噴射量Ｔ、を次式に従っ
て演算する。

Ｔ　＋　＝　Ｔｐ　Ｘ　ＣＯＥ　Ｆ　ＸＬＡＭＢＤＡ　
＋　Ｔｓステップ６では、演算された燃料噴射弁Ｔ、を
出力用レジスタにセットする。

これにより、予め定められた機関回転同期の燃料噴射タ
イミングになると、演算した燃料噴射量Ｔ、のパルス巾
をもつ駆動パルス信号が燃料噴射弁１５に与えられて燃
料噴射が行われる。

次に、空燃比のフィードバック補正係数設定ルーチンを
第５図に従って説明する。このルーチンは機関回転に同
期して実行される。

ステップ１１では、空燃比のフィードバック制御を行う
運転条件であるか否かを判定する。運転条件を満たして
いないときには、このルーチンを終了する。この場合、
フィードバック補正係数ＬＡＭＢ口＾は全開のフィード
バック制御終了時の値苦しくは一定の基準値にクランプ
°され、フィードバック制御は停止される。

ステップ１２では、酸素センサ１９からの信号電圧ＶＯ
２を入力する。

ステップ１３では、ステップ１１で入力した信号電圧Ｖ
Ｏ２と目標空燃比（理論空燃比）相当の基準値ＳＬとを
比較する。

そして、空燃比がリッチ（■。２＞ＳＬ）のときはステ
ップ１４へ進んでリーンからリッチへの反転時か否かを
判定し、反転時にはステップ１５へ進んで後述する制御
反転回数計測用のカウンタＣｃをカウントアツプし、次
いでステップ１６へ進み、フィードバック補正係数ＬＡ
ＭＢＤＡを比測定数分ＰＬ減少させる。反転時以外はス
テップ１７へ進み、フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤ
Ａを積分定数ＩＬ分減少させる。

また、ステップ１３でクランク角センサがリーン（Ｖｏ
ｗ＜ＳＬ）と判定されたときは、ステップ１８へ進んで
リッチからリーンへの反転時か否かを判定し、反転時に
はステップ１９へ進んで前記カウンタＣｃをカウントア
ツプした後ステップ２０へ進む。

そして、後述するリッチ制御遅延判別ルーチンによって
セツティングされる遅延判定用のフラグＦ。

が１にセットされているか否かを判定し、１にセットさ
れていないときは遅延制御を行わないときであるので、
ステップ２１へ進んでフィードバック補正係数ＬＡＭＢ
ＤＡを比例定数ＰＲ分増大させる。−方、前記フラグＦ
、が１にセットされているときは、ステップ１７へ進ん
で前回同様、リッチ検出時のフィードバック補正係数Ｌ
ＡＭＢＤＡを積分定数Ｉ。

分減少させる制御を継続する。

また、ステップ１８での判定が反転時以外のときは、ス
テップ２２へ進んで前記同様に遅延判定用のフラグＦ、
が１にセットされているか否かを判定し、１にセットさ
れていないときはステップ２３へ進んでフィードバック
補正係数ＬＡＭＢＤＡを積分定数１８分増大させるが、
フラグＦ　ｎが１にセットされているときは、前記同様
にステップ１７へ進んでフィードバック補正係数ＬＡＭ
ＢＤ＾を積分定数１１分減少させる制御を継続する。

次に、リッチ制御遅延判別ルーチンを第６図に従って説
明する。このルーチンは、前記酸素センサ１９の反転回
数つまり燃料供給量の増減反転回数（増減周期）を判別
するために設定された周期毎に実行される。

ステップ３１では、車速センサ２２によって検出される
車速Ｖ、が、燃料供給量の増減周期つまりフィードバッ
ク補正係数ＬＡＭＢＤＡの増減周期が安定する条件の範
囲（例えば２０〜４０ｋｍ／　ｈ　）であるか否かを判
定する。

前記範囲以外のときには、ステップ３２へ進んで前記カ
ウンタＣｃおよび、前記燃料増量遅延判定用のフラグＦ
ｎを夫々０にリセットしてこのルーチンを終了する。

また、車速■、が前記範囲内にあるときには、ステップ
３３に進んで現在のカウンタＣｃの値、つまり、このル
ーチンの実行周期内での燃料供給量の増減反転回数を読
み込んだ後ステップ３４に進み、該カウント値Ｃｃを、
酸素センサ１９の劣化状態に応じて設定された設定値Ｃ
ｃｏと比較する。

そして、カウント値Ｃｃが設定値Ｃｃ　ｏ以下のときは
、ステップ３２へ進んでこのルーチンを終了するが、設
定値ＣＣ０より大と判定されたときは、酸素センサ１９
の劣化が進んでいると判断し、ステップ３５へ進み、前
記フラグＦＤを１にセットした後、ステップ３６に進み
所定時間Ｔ０経過後に、ステップ３２に進みこのルーチ
ンを終了する。

尚、前記燃料増量制御を遅延させる所定時間Ｔ０は、酸
素センサ１９の新品時の応答時間に対して劣化時の応答
遅れ時間で決定すればよい。

このようにすれば、酸素センサ１９が劣化してリーン検
出時間がリッチ検出時間より長引くようになっても、リ
ーン検出直後から所定時間Ｔ０はフィードバック補正係
数ＬＡＭＢＤ＾の減少を継続して燃料供給量の増量制御
を遅らせることにより、空燃比のリッチ制御時間とリー
ン制御時間とがバランスし、以てＣｏ、ＨＣの濃度増加
を抑制できるのである。

尚、上記構成において、第５図で示したフィードバック
補正係数設定ルーチンが空燃比フィードバック制御手段
に相当し、車速センサ２２とステップ３１の機能とが運
転条件検出手段に相当し、ステップ３４の機能が劣化判
定手段に相当し、第６図のステップ３５．３６の機能と
第５図のステップ２０．２２゜１７の機能が増量制御遅
延手段に相当する。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、酸素センサの劣化
を検出して空燃比フィードバック制御時におけるリッチ
制御の開始を遅らせる構成としたことにより、リッチ時
間割合とリーン時間割合とを同等としてＣｏ、ＨＣの増
加を長期的に抑制できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の構成を示すブロック図、第２図は、
本発明の一実施例の構成を示す図、第３図〜第６図は同
上実施例の空燃比制御のための各種ルーチンを示すフロ
ーチャート、第７図は従来の酸素センサの新品時と劣化
時の特性及びそれに基づく空燃比のフィードバック補正
係数の変化を示す線図である。 １・・・セラミック管 側電極　　１１・・・機関 コントロールユニット ・・・車速センサ ２・・・内側電極　　３・・・外 １５・・・燃料噴射弁　　１６・・・ １９・・・酸素センサ　　２２ 特許出願人　　　日本電子機器株式会社代理人　弁理士
　笹　島　　富二雄 第１図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 相対する電極の間隙に酸素イオン伝導性固体電解質を介
   在させ、両電極近傍の酸素イオン濃度差により生じる電
   位差から気体中の酸素濃度を検出する酸素センサを内燃
   機関の排気系に備え、前記酸素センサの出力値と目標空
   燃比相当の基準値とを比較しつつ空燃比が目標空燃比よ
   りリッチ、リーンのいずれの側にあるかを判別し、リッ
   チ側のときは燃料供給手段による機関への燃料供給量を
   増量させ、リーン側のときは燃料供給量を減量させて空
   燃比を目標空燃比に近づけるように制御する空燃比フィ
   ードバック制御手段を含んでなる内燃機関の空燃比制御
   装置において、前記空燃比フィードバック制御が実行中
   のときに燃料供給量の増減周期が安定する運転条件を検
   出する運転条件検出手段と、前記検出された運転条件で
   の燃料供給量の増減周期に基づいて酸素センサの劣化状
   態を判定する劣化判定手段と、酸素センサが劣化してい
   ると判定されたときには、酸素センサからの信号に基づ
   き、空燃比が目標空燃比よりリーン側に反転したことが
   判別されてから、所定時間遅らせて燃料供給量の増量制
   御を開始させる増量制御遅延手段とを備えて構成したこ
   とを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。