JPH022915A

JPH022915A - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JPH022915A
Application number: JP63142790A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Nakajo; 中條　芳樹; Keiji Aoki; 啓二青木; Yoshihiko Hiyoudou; 義彦兵道; Toshiyasu Katsuno; 歳康勝野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-06-11
Filing date: 1988-06-11
Publication date: 1990-01-08

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空燃比制御装置に使用する限界電
流式空燃比検出装置に関する。

（従来の技術］内燃機関の空燃比制御装置として限界電流型の空燃比セ
ンサを使用したものがある。限界電流型の空燃比センサ
は酸素イオンの透過性の固体電解質（ジルコニア等）の
両側に電極を配置し、一方の電極はその上に被覆される
ガス拡散層としての多孔性セラミックを介して排気ガス
に接触させ、他方の電極は直接大気を接触させる。電極
間に電圧を印加することにより固体電解質を介してガス
拡散層により規制される速度で酸素イオンが流れる。そ
の際のイオン電流（所謂限界電流）は排気ガス中の酸素
濃度に対応し、空燃比を知ることができる。そして、電
圧に対する電流特性はセンサ温度の影響を受けるため、
センサの温度が一定温度となるようにヒータ電流を制御
する装置がさらに具備される。

限界電流型の空燃比センサの出力は前記のように空燃比
に依存するが、センサ両端電圧を固定した場合に全ての
空燃比範囲にわたって精度高く測定できない。即ち、第
３図はセンサの両端電圧■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０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ｘ、の
電圧をセンサに印加するとすれば、ｒ３＋「４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、ｒ、では精度の高い計測ができない。次にＸ２の
電圧をセンサに印加するとすると、ｒｌ、ｒ、の空燃比
では所定の線型性が得られるが、そのより小さいｒ３＋
ｒ４の空燃比では線型性が失われる。

そこで、従来技術として、定電圧発生部及び該定電圧発
生部に直列接続される抵抗部とから成る電圧発生手段を
設け、この電圧発生手段からの電圧をセンサの電極間に
印加するものが提案されている（ＳＡＥ誌、１９８６年
、２月号、１９−２６頁参照）。電圧発生部の発生する
電圧、即ちセンサ両端間の電圧＝定電圧＋センサ電流×
抵抗部の抵抗値となる。即ち、第３図において破線の如
く変化する電圧をセンサに印加することができる。その
結果、各空燃比のフラット部分を利用することができ、
全空燃比範囲に渡って所期の線型性を実現することがで
きる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術は、定電圧発生部とこれに直列に接続される抵
抗部とからなる電圧発生部を設けることにより各空燃比
範囲での空燃比計測精度を向上させることを意図してい
るが、この効果はセンサの温度が一定に制御されている
場合に限り得られるものである。即ち、前記電圧発生部
における抵抗部は等価的にはセンサの内部抵抗に相当す
ることになる。即ち、抵抗部の抵抗値＝センサの内部抵
抗とみているのである。ところが、抵抗部の抵抗値＝セ
ンサの内部抵抗という関係はヒータ温度が一定に制御さ
れる限りは正しいが、始動直後のセンサが所定温度まで
温められるまでの間は抵抗部の抵抗値＝センサの内部抵
抗という関係は成立しない。そのため、抵抗部の抵抗値
が一定である従来技術では、その一定値はセンサの暖機
後の一定に制御される内部抵抗に応じて決められている
から、始動時のセンサ温度が低いときの正確な空燃比測
定は不可能である。従って、センサ暖機中の相当機関は
空燃比の計測は停止し、空燃比フィードバック制御は行
わな得ず、空燃比制御は見込み制御とならざるを得ない
。そのため、その間空燃比が最適値から外れる問題があ
る。

この発明では暖機時における内部抵抗が一定値に達して
いない場合も正確な空燃比の計測を実現することを目的
とする。

（課題を解決するための手段〕この発明の空燃比検出装置は、限界電流式空燃比センサ
と、該空燃比センサの電極間に電圧を印加するための、
定電圧発生部に直列接続される可変抵抗部とから成る電
圧発生手段と、空燃比センサの内部抵抗を検出するため
の内部抵抗検出手段と、センサの内部抵抗に応じて可変
抵抗部の抵抗値を変化せしめる抵抗値制御手段とから構
成される。

〔作　用］センサ温度に応じて変化するセンサ内部抵抗値に応じて
電圧発生手段の可変抵抗部の抵抗値は可変制御される。

〔実施例〕

第２図において、限界電流型空燃比センサｌＯは基板１
１と、スペーサ１２を介して基板１１上に乗せられたジ
ルコニア等の固体電解質で作られた本体１３と、その夫
々の面に形成される電極１４．１６と、空燃比検出ガス
側の電極１４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１８と、基板ｌｌ中に埋設されたヒータ
１９とから構成される。電極１６は排気孔２０を介して
大気に連通される。電極１４と１６との間に電圧が印加
されると、拡散層１８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（限界電流）は
空燃比に応じて変化する。第３図は印加電圧に対する限
界電流の変化をｒｌ＋ｒ２＋ｒ３．ｒ４の各空燃比にお
いて示す。第１図において電圧発生部は、定電圧発生部
としての電源２１と、可変抵抗部２２と、オペアンプ２
４とから構成されるものであり、空燃比センサｌＯの電
極１４と１６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Ｖ、）２０はそのマイナ
ス側がセンサ１０の電極１４に接続されると同時にプル
アップ電源（電圧■。）２４のプラス側に接続され、同
電源２４のマイナス側は接地される。定電圧電源２１と
可変抵抗部２２とはシリーズに結線され、オペアンプ２
４の非反転入力に接続される。一方、オペアンプ２４の
反転入力にセンサ１０の電極１６が接続される。

ローパスフィルタ２６はオペアンプ２４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２６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１０の内部抵抗値検出のための構成として、交流
電圧発生部２８が電源２１に直列接続され、かつオペア
ンプ２４の出力側に検波回路３０と積分回路３２とから
なる内部抵抗検出回路３４とが具備される。検波回路３
０は一方の入力がオペアンプ２４の出力側に接続され、
他方の入力がローパスフィルタ２６の出力側に接続され
る。積分回路３２は一方の入力が検波回路３０の出力側
に接続され、他方の入力がローパスフィルタ２６の出力
側に接続される。

比較器３６はセンサの内部抵抗を一定になるようにヒー
タ１９を制御するものであり、その一方の入力は積分回
ｌＲ３２の出力に接続され、他方の入力は定電圧発生器
３８に接続される。比較器３６の出力はヒータ駆動用ト
ランジスタ４０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１９が配挿されている。

この発明によれば、可変抵抗部２２はその抵抗値をセン
サの内部抵抗値に応じて可変に構成される。即ち、可変
抵抗部２２の詳細構成を示す第４図において、５０は固
定抵抗であり、暖機後のセンサ温度が一定に制御されて
いるときのセンサの内部抵抗値に相当する抵抗値を持っ
ている。固定抵抗５０の一端は交流電圧発生器２８側に
接続され、他端はＡＮＤゲート５２の一方の入力に接続
される。第１のＡＮＤゲート５２の他方の人力に比較器
５４の出力が接続される。この比較器５４の出力は第２
のＡＮＤゲート５６の反転入力に接続される。比較器５
４の一方の入力は第１図の積分回路３２の出力側に接続
され、他方の入力は一定電圧を発生する電圧発生器６０
に接続される。

この電圧発生器６０は空燃比センサｌＯの暖機後の一定
温度に相当する内部抵抗値を代表する電圧値に等しく設
定される。第２のＡＮＤゲート５６の第２の入力はＦＥ
Ｔ６２のソース−ドレン回路を介して入力端子に接続さ
れる。第１及び第２のＡＮＤゲート５２及び５６の出力
は合体され、端子を介してオペアンプ２４の側に接続さ
れる。

第１図において、定電圧発生器２０と可変抵抗部２２と
オペアンプ２４とは第３図の破線のように変化する両端
電圧をセンサ１０に印加する電圧発生器として機能する
。即ち、オペアンプ２４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（２１）十抵抗（２
２）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＝Ｖｔ＋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３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、前述の従
来技術（ＳＡＥ誌、１９８６年、２月号、１９−２６頁
参照）で述べられているように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
１図の装置において交流電圧発生器２日と、内部抵抗検
出装置３４と、比較器３６、ローパスフィルタ２６とは
温度を一定となるようにヒータ１９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２
４からはセンサ１２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２６はそのうち直流分のみ通過
させ、これが空燃比信号として図示しない空燃比制御装
置において使用される。一方、検波回路３０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２６よりの
直流分を差し引いた交流分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３２は検波回路からの信号の時間平均を行う。

比較器３６ではインピーダンスに応した電圧をセンサの
設定温度（例えば７００°Ｃ）に応じた固定電圧値■、
と比較し、両者が一致するようにトランジスタ４０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、その結果センサの温
度は一定（７００”Ｃ）となるのである。即ち、インピ
ーダンスが高ければ、比較器３６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３６はｌの信号を出力し、トランジスタ４０はＯ
Ｎ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センサの温度は一
定となるのである。

以上のように、第１図の回路はセンサの内部抵抗が一定
となるように、即ちセンサの温度が一定となるようにヒ
ータの電流量を一定制御する。ところが、機関の暖機中
についていうとセンサの温度は低い状態なので、センサ
の内部抵抗は抵抗２２の値に相当する一定値から外れて
いる。従って、制御電流が温度によって第６図のように
変化する。

即ち、空燃比が一定であっても電流が変化し、空燃比の
計測ができない。従来技術ではセンサの温度が高まるま
での低温時には空燃比制御を停止し、成り行き制御を行
っていた。即ち、ガソリン式の燃料噴射内燃機関では燃
料噴射量を負荷、回転数から決まる一定値とし、始動後
センサが暖機するに必要な一定時間経過してから燃料噴
射量のフィードバック制御を行っていた。第７図（ロ）
は従来技術の燃料噴射量（Ｔｐ）の制御結果を模式的に
示す線図であり、始動から所定時間ＴＩ（例えば１０秒
）は燃料噴射量は負荷、回転数から決まる一定値Ｔ、で
あり、その後にフィードバック制御を開始する、即ち、
センサにより実測される空燃比に応じてＴ、の増減が行
われる。このような従来技術による制御の場合、フィー
ドバック制御を開始するまでの間が長いので運転性が悪
化する問題があったのである。この発明では、センサの
抵抗値に応じて抵抗部の抵抗値（インピーダンス）を可
変制御する手段を具備させている。そのため、暖機中に
おいても抵抗部の抵抗値をセンサ抵抗値に一致させるこ
とができるので、この状態においても正確な空燃比計測
を実現することができる。本発明のＴ、の変化を模式的
に示すと第７図（イ）の通りであり、見込み制御の時間
をＴｔのように短縮することができる。以下、可変抵抗
部２２の作動を説明する。

第８図（イ）において、比較器５４はセンサの所定温度
（例えば７００°Ｃ）に相当する電圧■□までは０の信
号を出力する。そのため、ＡＮＤゲート５２はＯＦＦで
あり、ＡＮＤゲート５６はＯＮとなる。

その結果、ＦＥＴ６２のソース−ドレン間抵抗値が可変
抵抗部２２の抵抗値となる。この抵抗値は（に）のよう
にソース電圧に応じて変化する。ＦＥＴ６２のソース−
ドレン間抵抗値の変化特性はセンサの温度に応じた内部
抵抗値の変化特性に一致するものに選定される。即ち、
センサの温度に応じた内部抵抗の変化に応じて抵抗部の
抵抗値が変化されるためＶｌｌに相当する一定温度まで
センサが暖機されるまでの間も第５図の特性において！
、。

ｆｆｉ、、Ｉ１３のように各空燃比の平坦部分上に位置
する電圧をセンサの両端に印加することができ全空燃比
範囲にわたり空燃比を正確に検出することができる。

電圧が■□を越えると比較器は１の信号を出力し、ＡＮ
Ｄゲート５６はＯＮからＯＦＦに切り替わり、ＡＮＤゲ
ート５２はＯＦＦからＯＮに切り替わる。そのため、抵
抗部の抵抗値は固定抵抗５０の抵抗値により決まる。そ
のため、センサの内部抵抗値は固定抵抗の抵抗値に一致
するように制御され、センサの温度は７００°Ｃに制御
される。

〔発明の効果〕

この発明によれば、センサの温度を内部抵抗により検出
し、その値の変化に応じてセンサに加わる電圧発生器の
内部抵抗を変化させている。そのため、暖機中のセンサ
温度が低い運転時にも正確な空燃比制御を行うことがで
き、運転性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の空燃比検出装置の構成を示す図。第２図は限界電流型空燃比センサの構成図。第３図は印加電圧と限界電流との関係を示すグラフ。第４図は抵抗値制御回路の構成図。第５図はセンサ温度を変化させたときの印加電圧と限界
電流との関係を示すグラフ。第６図はセンサ温度と制御電流との関係を示すグラフ。第７図は始動後の経過時間に対する燃料噴射量の変化特
性図。第８図は抵抗値制御回路の作動を示すグラフ。１０・・・限界電流型空燃比センサ、１２・・・本体、１４．１６・・・１掻、１８・・・拡散層、２１・・・定電圧発生器、２２・・・抵抗部、２４・・・オペアンプ、２６・・・ローパスフィルタ、３０・・・検波回路、３２・・・積分回路、３６・・・比較器。

Claims

【特許請求の範囲】以下の構成要素からなる空燃比検出装置、限界電流式空燃比センサ、該空燃比センサの電極間に電圧を印加するための、定電
圧発生部に直列接続される可変抵抗部から成る電圧発生
手段、空燃比センサの内部抵抗値を検出するための内部抵抗検
出手段、及びセンサの内部抵抗値に応じて可変抵抗部の抵抗値を変化
せしめる抵抗値制御手段。