JPH0380976B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、内燃機関の中で燃焼する燃料空気混
合気を、λゾンデを用いて制御する装置であつ
て、燃料空気混合気を調整するための制御装置と
接続され、かつ前記λゾンデの動作準備状態を監
視する装置を有しており、前記λゾンデの動作準
備状態を監視する装置では、ゾンデの動作準備状
態に影響するゾンデ内部抵抗を検出するために、
基準電圧が抵抗を介してゾンデ電圧と逆方向に印
加接続され、λゾンデの出力側の合成電圧が、２
つの比較装置によつて、第１の閾値を上回つたか
どうか又は第２の閾値を下回つたかどうかについ
てチエツクされるように構成されており、第１の
閾値を上回るか又は第２の閾値を下回つた場合に
は、当該閉ループ制御動作の投入接続ないし維持
に用いられる信号が生成され、第１の閾値と第２
の閾値の間に前記合成電圧が位置する場合には、
開ループ制御動作に移行するかどうかの判断基準
に用いられる信号が生成される、内燃機関の燃料
空気混合気を制御する装置に関する。

従来の技術 この種の装置（ドイツ連邦共和国特許出願公開
第2707383号公報参照）では、ゾンデ信号がある
平均電圧値と比べて大きいか小さいかを決定する
ために、比較装置の１つが用いられる。その場合
平均電圧値は、制御点を定める電圧値として、λ
＝λ₀の時のλゾンデ出力信号の電圧変動範囲内に
位置している。制御装置は、比較装置の出力値に
よつて制御される。２つの比較装置の出力値は、
λゾンデが作動準備状態にあるかどうかを表わ
す。この公知の装置では、作動可能状態を検出す
る温度は混合気が濃い場合でも薄い場合でも同じ
である。しかしながらこのような装置の場合、暖
機運転中においてゾンデが所定の温度に達するま
では、閉ループ制御（ゾンデの動作準備の整つた
状態）での濃厚な混合に移行するための下限閾値
には到達しないため、当該制御装置は、閉ループ
制御（ゾンデの動作準備の整つた状態）と開ルー
プ制御（ゾンデの動作準備の整つていない状態）
の間で頻繁に切り換わり、それに伴つてアイドリ
ングが不安定となり、機関の滑らかな運転特性が
損なわれるという問題が生じる。

発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、機関の暖機運転中における上
記のようなゾンデが未だ動作準備状態に置かれて
いない場合の混合気組成状態に対する開ループ制
御とゾンデが準備状態に置かれている場合の当該
閉ループ制御との間の頻繁な切り換わりを可能な
限り回避するように改善された装置を提供するこ
とである。

課題を解決するための手段 上記課題は本発明により、前記第１、第２閾
値、及びゾンデ電圧と逆方向に印加接続される電
圧が、使用されるゾンデの固有特性値の考慮下で
選定されており、ここにおいて所定のλ基準値
（λ＝１〜１、２の間にある）に対して最も低い
λゾンデの最低出力信号値の生ずべき場合に、ゾ
ンデの出力電圧は、稀薄混合へ係る第１の比較装
置の閾値に達する際の温度が、濃厚な混合気に係
る第２の比較装置の閾値に達するのと同じ温度で
達するように構成されて解決される。

これにより、特許請求の範囲第１項記載の特徴
を有する本発明による燃料空気混合気制御用装置
は、機関が当該制御装置の上記の頻繁な切り換わ
りの阻止されるような作動温度に達したときにな
つて、制御装置が作動接続されるという利点を有
している。

特許請求の範囲２記載の構成によつて請求の範
囲１に特定された装置の有利な発展形態および改
善が可能である。

実施例 ここでまず要約的に第１図〜第３図を用いて本
発明の基礎となる公知技術において、どのように
して問題が生じ、併して本発明によりどのように
上記問題点が解消されるかを説明する。

本願発明はλゾンデの動作準備状態を監視する
ための既に公知の方法に基づくものである。それ
に使用される回路は、本願の第１図に示してあ
る。

λゾンデ１と抵抗４と電源５とからなる回路に
おいて、電圧UAが取り出され、さらに閾値増幅
器９および１０を用いて、上方と下方の閾値と比
較される。この比較の結果は、ゾンデの動作準備
状態指示用の信号として使用される。

第２図には上記回路に生じる、様々な電圧が温
度との関係で表わされている。様々な混合組成状
態に対するゾンデ電圧Usは、実線によつて表わ
されている。この図からは、次のことがわかる。
すなわち濃厚な混合（λ＜１）に対する電圧Us
は、希薄な混合（λ＜１）に対する電圧よりも大
きく、さらにこれらの値の間の差は、温度の上昇
と共に広がつて行くことがわかる。上方の破線
は、測定された電圧UAが上方の閾値を上回るよ
うになるにはゾンデ電圧Usが、どの値に達しな
ければならないかを示しており、これに類似して
下方の破線Uminの経過は、下方の閾値を下回る
ようになるにはゾンデ電圧Usが占めなければな
らない値を示す。上方の閾値を上回る状態又は下
方の閾値の下回る状態は、次のような状態生起発
生指示のための信号として用いられる。すなわち
λゾンデの動作準備が整つた状態であり、さらに
空燃比を制御するための正確な信号を供給し保持
し得るという状態（状況）の生起の指示のための
信号として用いられる。動作準備の整つていない
ゾンデの場合は、閉ループ制御からオープンルー
プ（開ループ）制御（非動作準備状態時の濃厚化
制御）に切り換えられる。破線で示す互いに対称
的な位置状態は当該回路に使用されている抵抗の
選定（設計値）に基づいている。この位置関係に
よつて、内燃機関の暖機運転の場合は、閉ループ
制御と開ループ制御の間の何度もの切り換えが惹
起され得る。特にアイドリング時には、このこと
は望まれない回転数変動につながる。このような
回転数の上昇や下降（鋸歯状のアイドリング特性
変動とも称される）がどのような状況により発生
するかを次に説明する。

すなわち内燃機関がまだ冷えた状態でゾンデの
動作準備が整つていない場合には、混合組成は、
まず濃厚な領域で制御される。この理由から、ゾ
ンデの電圧Usは、第２図中の、λ＜１によつて
示される曲線上の経過をたどる。温度の上昇に伴
つて、ゾンデ電圧は、温度Ｔ＝T1の際にUmax
で示される線に達するまで上昇する。その後、ゾ
ンデの動作準備の整つた状態を生じ、上記開ルー
プ制御から閉ループ制御へと切り替えられる。当
該制御装置はゾンデから濃厚な混合気状態を示す
信号を受取り、従つて混合気を希薄化させる。そ
の結果ゾンデ電圧Usは、再びUmaxで示された
破線を下回つていく。しかしながらこの時点での
ゾンデ温度は、同時に下方の破線Uminを下回る
ほど高くはないので、動作準備の整つた状態を示
す信号が欠如しており、僅かな時間の経過後に再
び開ループ制御に切り換えられる。その後ゾンデ
電圧Usは、再び破線Umaxを上回るまで濃くさ
れ続ける。

このことによつて、ゾンデが次のような温度に
達するまで、即ち、稀薄混合気の存在する場合に
下方の破線を下回るような温度に達するまで、動
作準備が整つた状態（閉ループ制御）と動作準備
が整つていない状態（開ループ制御）との間での
頻繁な切り換わりが繰り返される。

よつて本発明の課題は、次のようなことであ
る。すなわち暖機運転中における開ループ制御と
閉ループ制御との間の頻繁な切り換わりを可能な
限り回避するように前記手法を改良することであ
る。この課題の解決には、両閾値の内の下方の閾
値Uminのみを、本来の閉ループの制御閾値とし
て用いることが可能である。これに対して上方の
閾値Umaxは、動作準備の整つた状態を検出する
ためにだけ用い、そのため当該の開ループ制御に
対して不都合な影響を及ぼさずに変化され得る。

本発明によれば、抵抗の選定値を変更すること
によつて、上方の破線の経過が、次のように構成
される。すなわち第３図に示した特性経過が全部
合わせて（同じ温度Ｔ２において）生じるように
である。２つの破線は、もはや互いに対称的に位
置しない。それどころか２つの破線の位置は、次
のように定められる。すなわちλ＜１とλ＝1.2
の場合に対する電圧Usを表わす実線で示された
曲線が、上方及び下方の破線と同じ温度Ｔ２で交
差するようにである。それにより結局濃厚な混合
組成における開ループ制御動作の後の閉ループ制
御動作に対する投入接続温度は、より高い温度に
シフトされた。仮に冷間始動で濃厚な混合の後
に、上方の動作準備状態（監視）閾値が達成さ
れ、それにより投入接続された閉ループ制御（動
作）によつて混合が稀薄化された場合、この状況
においては、稀薄な混合に対する下方の動作準備
状態（監視）閾値も下回ることを確実にしてい
る。開ループ制御と閉ループ制御との間の度重な
る切り換わりと、それに伴うアイドリング回転数
の変動（揺れ）は、効果的に阻止される。

濃厚な混合気状態へのゾンデ動作に対する投入
接続温度は、暖機運転の段階で閉ループ制御と開
ループ制御間の間での頻繁な切り換えが起きない
ように可能な限り高い温度にシフトされる。

第３図に相応して本発明を要約すれば、Umax
（λ＜１）とUmin（λ＜１）との交点は、同じ温
度値において生じているということが見てとれ
る。このことは、同調されたゾンデの構成と、
Uo及び抵抗４，６〜８によつて達成される。

本発明による装置は、ドイツ連邦共和国特許出
願公開第2707383号公報に記載された装置を、改
良・発展させたものである。本発明による装置の
本質的な構成要素は、公知の構造のλゾンデであ
る。このλゾンデは、内燃機関の排気系内に設置
され、燃焼過程中に機関のシリンダ内で発生する
排気ガスが、ゾンデの周りを流れるようになつて
いる。ゾンデは、例えば二酸化ジルコニウムのよ
うな、両側の面で接点接続された固体電解質の焼
結体から成つている。二酸化ジルコニウム焼結体
の片面は排気ガスに、もう一つの面は基準媒質に
曝されるようになつている。従つて、固体電解質
の両面での酸素分圧比の差が、接点接続部に電位
差を発生する。λゾンデの出力電圧は、空気過剰
率λがλ₀の時、飛躍的に変化する。例えば、空気
過剰率λがλ₀より小さい時、λゾンデの出力電圧
値は750〜900ｍＶであり、この場合ゾンデは、高
温状態にあつて動作可能である。空気過剰率λが
λ₀を上回ると、出力電圧は約100ｍＶに下がる。

しかしこのλゾンデには次のような欠点があ
る、すなわち、低温状態ではゾンデの内部抵抗が
極めて大きくなり、ゾンデの出力側には、制御用
の電圧信号が全く現われない、特に電圧の際立つ
て急激な変化が生じないのである。第１図には、
信号源２と温度に依存する内部抵抗３から成る等
価回路として、λゾンデ１を示している。このゾ
ンデは、内燃機関の排気系（図示せず）の中に配
置されている。内燃機関には、気化器によつて燃
料空気混合気が供給され、この混合気は機関の燃
焼室の中で燃焼する。空気に対する燃料の比は、
気化器の中で調整・制御され、制御装置によつて
補正される。

排気ガス中の有害物質を除去する装置との関係
から、燃料および空気調量の制御装置を、機関の
始動後できるだけ早い時間に作動させるよう努力
がなされてきた。制御装置により十分確実に評価
可能なゾンデ信号が、いつ発生するかを検出する
ために、前述のドイツ連邦共和国特許出願公開第
2707383号公報に１つの回路が提案されている。
この回路は、内部抵抗の値と共に変化するゾンデ
の出力電圧を、閾値スイツチにより検出する。そ
の場合、出力電圧が所定の閾値を上回ると、制御
を開始させる信号が発生する。

第１図はこの回路装置の一部分のブロツク回路
を示す。λゾンデ１は、信号源２と温度依存抵抗
３を有している。前置抵抗４を備えた直流電源５
が、λゾンデ１と直列に接続されている。λゾン
デ１からは電圧U_Aが取出され、閾値増幅器９，
１０の入力側に供給される。電圧U_Aは、別の線
路を介して図示していない制御装置にも供給され
ている。３つの抵抗６，７，８が正電源とアース
の間に接続されている。抵抗６，７の間から閾値
増幅器９への信号が取出され、それにより作動上
限閾値が定められる。抵抗７，８の間からは、別
の信号が取出されて閾値増幅器１０へ供給され
る。この信号により下限閾値が定められる。閾値
スイツチの出力信号は、例えばドイツ連邦共和国
特許出願公開第2707383号公報に記載されている
ように処理される。

公知の回路装置は、第２図に示すような特性を
持つている。温度依存抵抗３の抵抗値が所定の値
の場合、λゾンデの出力電圧U_Aが、下限閾値増
幅器１０が定めるスイツチ閾値に達した時、この
電圧は実効スイツチ閾値U_nioと呼ばれる。これに
対して、温度依存抵抗３の所定の値で、電圧U_A
が、閾値増幅器９で調整される上限スイツチ閾値
に達した時、この電圧は実効スイツチ閾値U_nax
と呼ばれる。U_naxとU_nioは第２図に示されてい
る。さらに、使用時における最大および最小ゾン
デ電圧の変化が、実線で示されている。

従来装置ではゾンデの温度経過において、機関
の冷間始動後の暖気運転中に次のことが生じる。
すなわちλゾンデの温度が所定の値Ｔ１よりも低
い場合、ゾンデ電圧は上限閾値Umaxにも下限閾
値Uminにも達することができず、ある一定の監
視期間が経過した後に、調整器は開ループ制御値
にセツトされる。ゾンデ温度が所定の温度T1に
達するとゾンデ電圧は上限閾値Umaxを上回り、
PI調整器は、λゾンデによる閉ループ制御側に
切り換えられる。その際PI調整器は、混合気を
稀薄にするように制御する。しかしながらこの温
度T1ではゾンデ電圧UAは閾値Uminを下回らな
い。なぜならば最大制御範囲（λ＝1.2）におい
ても下限閾値Umin達していないからである。

その後下限閾値に達しないまま所定の待機期間
が経過すると、PI調整器は再び遮断されて開ル
ープ制御値に設定される。この過程（閉ループ制
御と開ループ制御との間の繰返し）は、ゾンデ電
圧がλ＝1.2において下限閾値Uminを下回る程に
ゾンデ温度が上昇するまでは繰り返される。この
過程が何度も繰り返されてそれにかかわる期間が
長くなると、機関の運転特性に悪い影響を与え
る。とくに暖機運転中は、アイドリングが不安定
となり、機関の滑らかな運転特性が損なわれる。

第３図は、本発明による構成を採用した時の特
性曲線を表わす線図である。この場合も、電源５
の電圧U_pと抵抗４は一定である。その際電圧U_p
は、閾値スイツチ９，１０の２つの閾値の間に設
定される。ゾンデ電圧U_Sは、温度と排気ガス組
成との関数である。抵抗３も温度依存抵抗であ
る。本発明による回路装置は、PI調整器の動作
方向が下限閾値に対する出力電圧U_Aの状態にの
み依存するという効果を利用している。つまり、
ゾンデ電圧が上限閾値U_naxを上回るか、または
U_naxとU_nioの間にある時は、PI調整器は燃料混
合気を稀薄にする方向に制御を行なう。U_naxか
らU_nioの範囲で監視期間が付加的に設けられてい
る。監視期間の経過後、PI調整器はある制御値
にセツトされる。制御動作が行なわれている間、
出力電圧U_Aが下限閾値を下回つた時にのみ、燃
料混合気は濃厚に制御される。従つて、制御特性
を変えなくとも、比較的高温になつた時調整器が
作動されるように、上限閾値電圧U_naxを変位さ
せることができる。その場合、暖機運転時などの
混合気の濃い状態（λ＜１）で機関が作動してい
る時には、温度T₂になつた時に始めてU_naxにな
る。調整器は温度T₂で作動接続され、燃料空気
混合気を稀薄方向に制御する。PI調整器がその
極端な稀薄限界（λ＝１、２）に達するまで、λ
＝１、２で閾値U_nioを下回る程度にゾンデは加熱
される。この時PI調整器は、再び混合気が濃厚
になるように制御する。つまり、制御値への切換
えが省略される。従つて、多様な制御動作を何度
も繰返すことなく、即座に制御準備状態になる。
この構成により、機関にのこ挽き音に似た音を発
生させることなく、早期に制御を開始することが
できる。

実際の使用例では、ゾンデ１、抵抗４および直
流電源５を有する本発明のゾンデ入力回路は、次
のように構成されている。即ち、実効スイツチ閾
値U_naxが0.8Vの時、ゾンデ内部抵抗３は濃厚混
合気作動接続抵抗として働く。また、実効スイツ
チ閾値U_nioが0.1Vの時、ゾンデ内部抵抗は稀薄混
合気作動接続抵抗として働く。公知の回路装置で
は、混合気が濃厚な時と稀薄な時のゾンデ内部抵
抗は、それぞれ等しく定められ、１〜2MΩの範
囲内にあつた。本発明による新しいゾンデ入力回
路の構成は、作動接続抵抗の状態において、従来
の構成と異なつている。つまり、混合気が濃厚な
時の作動接続抵抗が小さい（例えば100〜
200KΩ）ので、スイツチ電圧U_naxは、高温の方
向へ変位した。また混合気が稀薄な時の作動接続
抵抗を元の値（１〜2MΩ）に保つたので、下限
電圧U_nioは元のままとなつている。

発明の効果 本発明によれば、濃厚な混合状態でのゾンデ動
作に対する（開ループ制御から閉ループ制御へ
の）投入接続温度は、暖機運転の段階で閉ループ
制御と開ループ制御との間で頻繁な切り換えが起
きないように可能な限り高い温度にシフトされる
ため、閉ループ制御と開ループ制御間の度重なる
切り換わりに伴うアイドリング回転数の変動（揺
れ）が、効果的に阻止される。このため冷間始動
後の暖機運転中においても滑らかな機関特性が損
なわれることはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の実施例のブロツク
回路図、第２図は公知の制御装置の動作を説明す
る線図、第３図は本発明による制御装置の動作を
説明する線図である。 １……λゾンデ、２……信号源、３……温度依
存抵抗、４……前置抵抗、５……直流電源、６，
７，８……抵抗、９，１０……閾値増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の中で燃焼する燃料空気混合気をλ
   ゾンデを用いて制御する装置であつて、 燃料空気混合気を調整するための制御装置と接
   続され、かつ前記λゾンデの動作準備状態を監視
   する装置を有しており、 前記λゾンデの動作準備状態を監視する装置で
   は、ゾンデの動作準備状態に影響するゾンデ内部
   抵抗を検出するために、基準電圧Uoが抵抗を介
   してゾンデ電圧USと逆方向に印加接続され、λ
   ゾンデの出力側の合成電圧UAが、２つの比較装
   置９，１０によつて、第１の閾値Umaxを上回つ
   たかどうか又は第２の閾値Uminを下回つたかど
   うかについてチエツクされるように構成されてお
   り、 第１の閾値Umaxを上回るか又は第２の閾値
   Uminを下回つた場合には、当該閉ループ制御動
   作（閉ループ制御）の投入接続ないし維持に用い
   られる信号が生成され、 第１の閾値Umaxと第２の閾値Uminの間に前
   記合成電圧UAが位置する場合には、当該開ルー
   プ制御動作（開ループ制御）に移行するかどうか
   の判断基準に用いられる信号が生成される、内燃
   機関の燃料空気混合気を制御する装置において、 前記第１、第２閾値、及びゾンデ電圧USと逆
   方向に印加接続される電圧が、使用されるゾンデ
   の固有特性値の考慮下で選定されており、ここに
   おいて所定のλ基準値（λ＝１〜１、２の間にあ
   る）に対して最も低いλゾンデの最低出力信号値
   の生ずべき場合に、ゾンデの出力電圧UAは、稀
   薄混合へ係る第１の比較装置の閾値に達する際の
   温度が、濃厚な混合気に係る第２の比較装置の閾
   値に達するのと同じ温度Ｔ２で達するように、構
   成されていることを特徴とする内燃機関の燃料空
   気混合気を制御する装置。 ２ 内燃機関の冷間始動後の混合組成は、まずゾ
   ンデが濃厚な混合を示すようにあらかじめ制御さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の装置。