JPH02176137A - 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
ナ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、機関の吸入空気流量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　；　Ｋ
は定数）を演算し、この基本燃料供給量Ｔｐ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
混合気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Ｔ１に相
当するパルス巾の駆動パルス信号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ＧＯ，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Ｇｏ、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低濃度のＯｔをＣｏ、ＨＣと
良好に反応させて０！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０２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０！と低濃度のＣｏ、ＨＣが存
在するため、Ｃｏ、ＨＣとＯｔ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、前記基本燃料供給量Ｔｐに乗じる空燃比
フィードバック補正係数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、劣化が進むと出力電圧が反転する点
が空燃比のリッチ側にずれると共に、リッチ側での最大
出力電圧が降下することが実験的に確かめられている。

したがって、通常の基準電圧ＳＬ一定で制御するもので
は、酸素センサの劣化時は第６図に示すように、空燃比
がリッチ側に大きくずれたＡ点で燃料供給量の増量制御
と減量制御とが切換られる結果、空燃比の制御中心（平
均値）が大きくリッチ化し、排気中のＣｏ、ＨＣ濃度が
高くなりエミッシゴン不良を生じる。

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
バック制御方式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間の排気系に
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、比例積分制御により
設定されるフィードバック補正係数を用いてリッチ側と
判定された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、リーン側と判定されたときは燃料供給量
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酸素センサの空燃比のリッチ時
における最大出力値の低下量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前記空燃比フィードバック
制御時に酸素センサの出力値と比較される基準値を酸素
センサの正常時の値より小さい値に変更する基準値変更
手段と、同じく酸素センサが劣化していると判定された
ときには前記フィードバック補正係数設定用の燃料供給
量減量方向の比例定数を酸素センサの正常時の値より大
きい値に変更する比例定数変更手段とを備えて構成した
。

く作用〉 酸素センサの劣化が進むと、最大出力値が大きく低下す
る。そこで、劣化判定手段により最大出力値の低下量に
基づいて酸素センサの劣化状態を判定する。

そして、酸素センサが劣化していると判定されると、基
準値変更手段により前記空燃比フィードバック制御時に
酸素センサの出力値と比較される基準値を酸素センサの
正常時の値より小さい値に変更すると共に、フィードバ
ック制御定数変更手段によりフィードバック補正係数の
燃料供給量減量方向の比例定数を酸素センサの正常時の
値より大きい値に変更する。

この結果、酸素センサの劣化によって出力電圧の反転点
及び最大値がリッチ側へ大きくずれても、基準値を低下
させて燃料供給量の増減制御が切り換えられる点の空燃
比をリーン側へずらして、ある程度目標空燃比に近づけ
る一方、燃料供給量減量方向の比例定数が大きくなるこ
とによって燃料供給量の減量方向の制御量が増大するの
で、空燃比の制御中心値を大きくリーン方向にずらして
、目標空燃比に近づけることができる。

〈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には吸入空気流量Ｑ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量Ｑ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
ッシャレギエ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１日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２０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層４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。

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５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１０ｕ）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
エ３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Ｔ、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ＬＡＭＢＤＡ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３を設定する。これは、バッテリ電圧変動による燃料
噴射弁Ｌ５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Ｔｔを次式に従っ
て演算する。

Ｔ　Ｉ”　ＴＰ　Ｘ　ＣＯＥ　Ｆ　ＸＬＡＭＢＤＡ＋　
Ｔｓステップ６では、演算された燃料噴射量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ＬＡＭＢＤＡは全開のフィード
バック制御終了時の値若しくは一定の値にクランプされ
、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■
。２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（Ｖｏｗ＞ｓｔ、）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へ進んでフィードバ
ック補正係数ＬＡＭＢＤＡを比例定数Ｐｔ分減少させて
、このルーチンを終了する。反転時以外はステップ１６
へ進み、フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを積分定
数Ｉｔ分減少させた後、ステップ１７以降に進んで酸素
センサ１９の劣化を判別する。

まず、ステップ１７では、現在の酸素センサ１９の出力
電圧Ｖ。アから前回の出力電圧■。２を差し引いた偏差
電圧Δｖｏｔを演算する。

ステップ１日では、偏差電圧ΔＶ（１２の正負を判定す
る。

そして、偏差電圧Δ■。２〉０のときは、このルーチン
を終了するが、ΔＶａｔ＜０の場合は、ステップ１９へ
進み、Δ■。２くとなった直後か否かを判定し、直後で
ない場合は、このルーチンを終了するが、直後の場合は
出力電圧■。２のリッチ側におけるピーク値（最大値）
と考えられるからステップ２０へ進み、このピーク値Ｖ
。２を劣化判定用の設定値ＳＬ、と比較する。そして、
Ｖｏｗ＞ＳＬｓのときは未だ酸素センサ１９の劣化が進
んでいないと判断してステップ２１へ進み、ステップ１
３で比較される基準値ＳＬと前記フィードバック補正係
数の燃料供給量減量方向の比例定数ＰＬとを、夫々酸素
センサ１９の新品時の特性に合わせた値ＳＬ、。

ＰＬＩＩＩに設定する。

また、Ｖ、ｇ＜ＳＬ、のときは酸素センサ１９の劣化が
進んだと判断し、ステップ２２に進んで前記基準値ＳＬ
を劣化前のＳＬ、値より所定値ΔＳＬ減少した値に変更
すると共に、前記フィードバック補正係数設定用の燃料
供給量減量方向の比例定数ＰＬを劣化前の値ＰＬＯより
夫々所定値ΔＰＬ　　（例えばｐｔｏの３０％分）だけ
増加した値に変更する。

ここで、ステップ１７〜ステツプ２０までの機能が劣化
判定手段に相当し、ステップ２２の機能が基準値変更手
段と比例定数変更手段に相当する。

また、ステップ１３でｖｏｗ＜ｓＬと判定されたときは
、ステップ２３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２４へ進んでフィー
ドバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを比例定数Ｐ＋を分増大
させ、反転時以外はステップ２５へ進み、フィードバッ
ク補正係数ＬＡＭＢＤＡを積分定数１８分増大させる。

尚、ステップ１１〜ステップ１６．ステップ２３〜２５
の機能が空燃比フィードバック制御手段に相当する。

かかる制御を行えば、酸素センサ１９が劣化したと判定
されたときは、酸素センサ１９の特性は前述のように出
力電圧が反転する点が空燃比のリッチ側にずれると共に
、リッチ側での最大出力電圧が降下するのであるが、基
準値ＳＬを減少させることで燃料供給量の増減制御の切
換点の空燃比をある程度リーン側に戻す（第６図のΔλ
分）ことができ、これによって減量制御量を増加するこ
とができる。

ただし、それだけでは劣化の程度が大きいときには増減
制御の切換点はまだ目標空燃比よりかなりリッチ側にシ
フトしているため、リッチ傾向となるのであるが、同時
に燃料供給量減量方向の比例定数ＰＬを増加させている
ことにより燃料供給量の減量方向の制御量が増大するの
で、空燃比の制御中心値が大きくリーン方向にずらされ
、目標空燃比に近づけることができる（第６図参照）。

この結果、酸素センサの劣化による空燃比のリッチ化に
伴うＣｏ、ＨＣの増加を抑制でき、三元触媒による浄化
機能を最大限に発揮させてＣ０２ＨＣ，ＮＯ，を総合的
に低いレベルに抑えることができる。

尚、−旦比例定数ＰＬを増加した後は、フラグを立てる
等によって劣化の再判定は行わないように構成してもよ
いが、何らかの原因で酸素センサのピーク電圧が一時的
に低下することを考慮すれば、前記方式の如くリッチ制
御毎に劣化判定を行うのがよい。

〈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いて酸素セ
ンサの出力電圧と比較される基準値を減少させると共に
燃料供給量ｆＩｉ量方同方向例定数を増加する構成とし
たことにより、空燃比のリッチ化を抑制でき、以て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図は、同上実施
例に使用される酸素センサのセンサ部の構造を示す断面
図、第４図及び第５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６図は、酸素
センサの新品時と劣化時の特性を示す線図、第７図は、
同上実施例の酸素センサの出力変化とフィードバック補
正係数の変化との関係を示すタイムチャートである。 １・・・セラミック管 側電極　　１１・・・機関 コントロールユニット ２・・・内側電極　　３・・・外 １５・・・燃料噴射弁　　１６・・・ １９・・・酸素センサ 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２図 第３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、比
   例積分制御により設定されるフィードバック補正係数を
   用いてリッチ側と判定された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、リーン側と判定された
   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酸素センサの
   空燃比のリッチ時における最大出力値の低下量に基づい
   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前記空燃
   比フィードバック制御時に酸素センサの出力値と比較さ
   れる基準値を酸素センサの正常時の値より小さい値に変
   更する基準値変更手段と、同じく酸素センサが劣化して
   いると判定されたときには前記フィードバック補正係数
   設定用の燃料供給量減量方向の比例定数を酸素センサの
   正常時の値より大きい値に変更する比例定数変更手段と
   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。