JPH0415386B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に係り、
特に、電子制御燃料噴射装置を備えた自動車用エ
ンジンに用いるのに好適な、排気ガスのリーン空
燃比域で、排気ガス中の酸素濃度にほぼ比例した
出力信号を発生するリーンセンサと、エンジン燃
焼室内に供給される混合気の空燃比を制御するた
めの吸気空燃比制御手段と、前記リーンセンサ出
力から求められる排気空燃比に応じて、空燃比が
目標値となるよう前記吸気空燃比制御手段をフイ
ードバツク制御する電子制御装置とを有する内燃
機関の空燃比制御装置に関する。 〔従来の技術〕 内燃機関、特に、三元触媒を用いて排気ガス浄
化対策が施された自動車用エンジンにおいては、
排気ガスの空燃比（排気空燃比と称する）を厳密
に理論空燃比近傍に保持する必要があり、そのた
め、例えば、排気ガス中の酸素濃度から排気空燃
比を検知する酸素濃度センサと、燃料噴射量を制
御することによつて、エンジン燃焼室内は供給さ
れる混合気の空燃比を制御する電子制御燃料噴射
装置からなる吸気空燃比制御手段と、前記酸素濃
度出力から求められる排気空燃比に応じて、空燃
比が理論空燃比近傍となるよう前記電子制御燃料
噴射装置の燃料噴射量をフイードバツク制御する
電子制御装置とを有する空燃比制御装置が実用化
されている。 このような空燃比制御装置によれば、空燃比を
理論空燃比近傍となるようにフイードバツク制御
することができ、従つて、排気系に配設される三
元触媒における排気ガス浄化性能を十分に高める
ことができるという特徴を有する。しかしなが
ら、前記のような空燃比制御装置においては、排
気ガス浄化性能は高めることができるものの、常
に空燃比を理論空燃比近傍に制御するようにして
いるため、リーン空燃比でも実用上差支えない運
転状態においても、理論空燃比が維持され、燃費
性能を十分向上できない場合があつた。 前記のような欠点を解消するべく、空燃比を理
論空燃比よりもリーン側として、いわゆるリーン
燃焼を行い、エンジンの燃費性能を高める試みが
なされている。このような空燃比制御装置におい
ては、排気ガスのリーン空燃比域で、排気ガス中
の酸素濃度と空燃比がよい相関性があり、排気酸
素濃度を測定することにより、排気空燃比を検出
することができることを利用している。このよう
な排気酸素濃度を測定するセンサ（リーンセンサ
と称する）の一つに、被測定排気ガスを導入でき
る通気性測定電極、既知の酸素濃度を有する基準
ガス（例えば大気）を導入できる通気性対電極及
び両電極間の固体電解質（例えば安定化ジルコニ
ア）からなる有底筒状素子のセンサがある。この
センサにおいて、前記両電極間に電流を流すと、
電解質を通じて、酸素を一方向に移動させること
ができるが、通気性測定電極の酸素送出能力より
も少量の酸素を送入する微細孔の拡散抵抗層で、
通気性測定電極を被覆することにより、ある印加
電圧域では、その電流値を一定の値に維持でき
る。この一定電流値が限界電流値Ilであり、この
Ilは、酸素濃度に比例してほぼ直線的に変化する
ため、限界電流値Ilの変化から酸素濃度を連続的
に検出することができる。

【発明が達成しようとする課題】

しかしながら、従来から用いられているこのタ
イプのリーンセンサにおいては、酸素濃度と前記
限界電流値との関係にセンサ毎の個体差が生じて
しまうという問題がある。 一般に、このタイプのリーンセンサを、内燃機
関の排気空燃比フイードバツク制御用として使用
する場合、900℃程度の高温雰囲気下においても、
空燃比出力は常に安定でなければならない。その
ため、リーンセンサ素子の拡散抵抗層の材質は、
耐熱性のある多孔質セラミツク材、例えば、スピ
ネル、アルミナが使用され、又、有底筒状素子の
通気性測定電極上に拡散抵抗層として、そのセラ
ミツク材を被覆するのに、プラズマ噴霧製法が用
いられる。ところで、リーンセンサを量産して、
内燃機関等に使用するためには、一定な雰囲気下
で、その拡散電流値は、個体差なく、一定の値を
出力する必要がある。そのためには、該リーンセ
ンサを製造する上で、拡散抵抗層の微細孔構造
（例えば、細孔径、気孔率、厚さ等）を常に一定
にする必要がある。しかし、プラズマ噴霧製法
で、その微細孔構造を一定にする為には、その製
造管理を、高精度且つ、高頻度に行つても、限界
があり、結果として、リーンセンサの個体差を生
じることになる。従つて、個体差のあるリーンセ
ンサ出力信号に基づいて、空燃比フイードバツク
制御を行つた場合、目標空燃比に正確に制御でき
なくなると共に、リーンセンサ出力信号が基準特
性より小さい場合には、目標空燃比よりリーンに
制御されてしまい、機関運転性能、燃費性能が悪
化してしまう。逆にリーンセンサ出力信号が基準
特性より大きい場合には、目標空燃比よりリツチ
に制御され、燃費性能が悪化し、排気ガス中の有
害成分の濃度が増大する恐れがあつた。 本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなさ
れたもので、リーンセンサの個体差に拘らず、容
易に、空燃比を目標値に正確に制御することがで
きる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。 〔課題を達成するための手段〕 本発明は、排気ガスのリーン空燃比域で、排気
ガス中の酸素濃度にほぼ比例した出力信号を発生
するリーンセンサと、エンジン燃焼室内に供給さ
れる混合気の空燃比を制御するための吸気空燃比
制御手段と、前記リーンセンサ出力から求められ
る排気空燃比に応じて、空燃比が目標値となるよ
う前記吸気空燃比制御手段をフイードバツク制御
する電子制御装置とを有する内燃機関の空燃比制
御装置において、大気酸素濃度下での前記リーン
センサ出力値と基準値との比較により、該リーン
センサの個体差として求められた校正値を設定す
るためのポテンシヨメータダイヤルと、前記校正
値に従つて増幅率を可変し、前記リーンセンサ出
力値の個体差を校正するための増幅器とを設けた
ことによつて、前記目的を達成したものである。

【作用】

本発明は、第３図を用いて後述するリーンセン
サの個体差特性を見出し、より効果的に構成した
ものである。従つて、本発明によれば、大気酸素
濃度下での１個のポテンシヨメータダイヤルの調
整のみで、リーンセンサの個体差を校正でき、空
燃比を目標値に正確に制御することができる。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に
説明する。 本実施例は、第１図に示すような、エアクリー
ナ（図示省略）により取り入れられた吸入空気の
流量を制御するための、スロツトルボデイ１２に
配設され、運転席に配設されたアクセルペダル
（図示省略）と連動して開閉するようにされたス
ロツトル弁１４と、吸気干渉を防止するためのサ
ージタンク１６と、該サージタンク１６内の圧力
から吸気管圧力を検出するための吸気管圧力セン
サ１８と、吸気マニホルド２０に配設された、エ
ンジン１０の吸気ボートに向けて燃料を噴射する
ためのインジエクタ２２と、エンジン燃焼室１０
ａ内に導入された混合気に着火するための点火プ
ラグ２４と、排気マニホルド２６に配設された、
排気ガスのリーン空燃比域で、排気ガス中の酸素
濃度にほぼ比例した出力信号を発生するリーンセ
ンサ２８と、例えばデストリビユータ（図示省
略）に内蔵された、デストリビユータ軸の回転等
に応じてエンジン回転速度信号を出力する回転速
度センサ３０と、前記吸気管圧力センサ１８出力
の吸気管圧力と前記回転速度センサ３０の出力か
ら求められるエンジン回転速度に応じてマツプか
ら求められる基本噴射量に、前記リーンセンサ２
８出力から求められる排気空燃比に応じたフイー
ドバツク補正等を加えて実行噴射量を決定し、前
記インジエクタ２２に開弁時間信号を出力する電
子制御装置３２とを備えた自動車用エンジン１０
の吸気管圧力感知式電子制御燃料噴射装置におい
て、前記電子制御装置３２に、前記リーンセンサ
２８の個体差に応じてリーンセンサ出力信号を基
準信号に校正するためのリーンセンサ出力特性較
正手段を設けたものである。 前記リーンセンサ２８は、第２図に詳細に示す
如く、酸素イオン伝導性の安定化ジルコニア固体
電解質からなる有底円筒状の素子本体２８ａと、
該素子本体２８ａの外表面切欠部に設けた、被測
定ガスを導入できる通気性測定電極（陰極）２８
ｂと、既知の酸素濃度（約21％）を有する大気を
導入できる通気性対電極（陽極）２８ｃと、前記
陰極２８ｂを被覆するように設けた多孔質セラミ
ツクの拡散抵抗層２８ｄと、先端が素子本体２８
ａの底部に接近するごとく中央部に配設したヒー
タ２８ｅと、素子組立体を保護するための、被測
定ガス流通孔２８ｇを有するルーバ２８ｆと、素
子組立体をエンジンの排気管に取り付けるための
フランジ２８ｈから構成されている。 ここで、前記陰極２８ｂと陽極２８ｃは、白金
などの耐熱性の電子伝導体であり、又、拡散抵抗
層２８ｄは、アルミナ、マグネシア、スピネル等
の耐熱性無機物質からなり、陰極２８ｂへ流入す
る酸素流量を制限する機能を有している。このよ
うな構成のリーンセンサ２８を、エンジンの排気
管に取り付けて排気ガスに接触させるか、或い
は、大気を導入した加熱炉に取り付けて大気に接
触せしめ、陰陽両極間に直流電圧を印加すると、
ある電圧域では、一定の電流しか流れなくなつ
て、いわゆる限界電流特性を生じる。第３図は、
この限界電流特性を生じる電圧域の、一定電圧で
の限界電流値と、排気ガス中の酸素濃度及び大気
酸素濃度（約21％）との相関関係を示した線図で
ある。第３図から、限界電流値は、酸素濃度ゼロ
では電流ゼロで、酸素濃度が高くなるに従つて直
線的に増大する様子が示され、これにより、限界
電流値を求めれば、排気ガス中の酸素濃度、従つ
て、空燃比を検出できることが明らかである。
又、第３図の実線Ａ、Ｂ、Ｃは、リーンセンサの
個体差による限界電流値と酸素濃度との相関を示
したものである。大気酸素濃度で基準となる限界
電流値ａを出力するリーンセンサは実線Ａのもの
であり、実線ＢとＣのリーンセンサは、その大気
酸素濃度での限界電流値ｂ、ｃに、それぞれ個有
の値を乗ずることにより、任意の酸素濃度下で
も、基準となるリーンセンサの出力値（実線Ａ）
に校正することができる。即ち、酸素濃度と限界
電流値との特性の傾きを校正すればよく、これ増
幅器の増幅率を可変することで行う。第４図は、
その相関関係を示した線図であり、横軸に、リー
ンセンサ個有の大気酸素濃度での限界電流値を、
縦軸に、基準リーンセンサの限界電流値ａへの校
正値を示したものである。ここで、リーンセンサ
個々の大気酸素濃度での限界電流値は、例えば、
大気を導入した加熱炉にリーンセンサを入れて計
測することができる。 前記電子制御装置３２は、第５図に詳細に示す
如く、各種演算処理を行うための、例えばマイク
ロプロセツサからなる中央処理装置（MRUと称
する）４０と、バツフア４２を介して入力される
前記吸気管圧力センサ１８出力の吸気管圧力信号
をデジタル信号に変換するためのアナログーデジ
タル変換器（Ａ／Ｄ変換器と称する）４４と、電
流電圧変換器４６を介して入力される前記リーン
センサ２８出力の空燃比信号をデジタル信号に変
換するためのＡ／Ｄ変換器４８と、前記Ａ／Ｄ変
換器４４，４８の出力及びバツフア５０を介して
前記回転速度センサ３０から入力される回転速度
信号を取り込むための入力ポート５２と、制御プ
ログラムや各種定数等を記憶するためのリードオ
ンリーメモリ（ROMと称する）５４と、前記
MPU４０における演算データ等を一時的に記憶
するためのランダムアクセスメモリ（RAMと称
する）５６と、各種クロツク信号を発生するため
のクロツク発生回路５８と、前記MPU４０にお
ける演算結果に応じて、インジエクタ２２を作動
するためのデータを出力する出力ポート６０と、
該出力ポート６０から出力されるデータに応じ
て、出力ポート６０から送り込まれたデータのダ
ウンカウントを前記クロツク発生回路５８出力の
クロツク信号によつて開始し、カウント値が０に
なるとカウントを完了して出力端子にカウント完
了信号を発生するダウンカウンタ６２と、該ダウ
ンカウンタ６２の出力によりリセツトされ、前記
クロツク発生回路５８の出力によりセツトされる
Ｓ−Ｒフリツプフロツプ６４と、該Ｓ−Ｒフリツ
プフロツプ６４の出力に応じて、前記ダウンカウ
ンタ６２がダウンカウントしている間、前記イン
ジエクタ２２を付勢するための電力増幅器６６
と、この電子制御装置３２内の前記電流電圧変換
器４６とＡ／Ｄ変換器４８の間に設けられた、電
流電圧変換器４６を介して入力される前記リーン
センサ２８の出力を増幅するための、固定抵抗
R₁と可変抵抗R₂を含む、増幅率可変の非反転増
幅器７０、及び、この電子制御装置３２に外付け
された、前記可変抵抗R₂の抵抗値を変えること
によつて前記非反転増幅器７０の増幅率を調整
し、これによつてリーンセンサ２８の出力特性を
校正するためのポテンシヨメータダイヤル７２か
らなるリーンセンサ出力特性校正手段と、前記各
構成機器間を接続するための双方向パルス７４と
から構成されている。 前記ROM５４には、前出第３図に示した基準
リーンセンサの実線Ａで示す関係が予め記憶され
ているが、この場合、第３図の縦軸が電圧Ｖとし
て表わされ、従つて、ROM５４内には、第３図
の実線Ａで示す電圧Ｖと酸素濃度Ｐとの関係が、
データテーブル或いは関数の形で記憶されてい
る。 以下作用を説明する。 本実施例においては、まず当該リーンセンサ２
８の出力特性に応じて、前記ポテンシヨメータダ
イヤル７２を操作することによつて、当該リーン
センサ２８の出力特性を、前出第３図に実線Ａで
示す基準リーンセンサの出力特性（基準特性）に
合わせる。具体的には、例えば、大気を導入した
加熱炉からなるリーンセンサ検査器により測定し
た、基準リーンセンサの出力電圧に対する当該リ
ーンセンサ２８の出力電圧のずれに対応して、前
記ポテンシヨメータダイヤル７２を回転し、当該
リーンセンサ２８の出力電圧の増幅率を変えるこ
とにより、当該リーンセンサ２８の出力特性を基
準リーンセンサの出力特性に合致させる。 このようにして出力特性が校正された当該リー
ンセンサ２８による空燃比フイードバツク制御
は、第６図に示すような時間割込みルーチンに従
つて実行される。即ち、まずステツプ101で、前
記吸気管圧力センサ１８出力の吸気管圧力と前記
回転速度センサ３０出力のエンジン回転速度から
求められるエンジン運転領域に応じて、予め
ROM５４内に記憶されている目標空燃比（例え
ばリーン空燃比）を設定する。次いで、ステツプ
102に進み、前出第３図に実線Ａで示した関係か
ら、リーンセンサ２８の目標出力電圧値V₀を計
算する。次いで、ステツプ103に進み、基本噴射
時間τ₀を計算する。更に、ステツプ104に進み、
リーンセンサ２８の現在の出力電圧値Ｖが目標出
力電圧値V₀以上であるか否かを判定する。判定
結果が正である場合には、ステツプ105に進み、
次式に示す如く、現在の空燃比フイードバツク補
正係数ｆに一定値αを加算した結果を新たな空燃
比フイードバツク補正係数ｆとする。 ｆ←ｆ＋α ……(1) 一方、前出ステツプ104における判定結果が否
である場合には、ステツプ106に進み、次式に示
す如く、現在の空燃比フイードバツク補正係数ｆ
から一定値βを減算した結果を新たな空燃比フイ
ードバツク補正係数ｆとする。 ｆ←ｆ−β ……(2) ステツプ106或いは105終了後、ステツプ107に
進み、前出ステツプ103で求められた基本噴射時
間τ₀に、次式に示す如く、空燃比フイードバツク
補正係数ｆを乗算することによつて実行噴射時間
τを求めて、この時間割込みルーチンを終了す
る。 τ＝ｆ・τ₀ ……(3) この時間割込みルーチンのステツプ107で決定
された実行噴射時間τに応じて、例えばクランク
角度割込みルーチンにより、インジエクタ２２に
前記実行噴射時間τに対応する開弁時間信号が出
力され、燃料がインジエクタ２２から噴射され
る。 本実施例におけるリーンセンサ２８の出力電圧
と空燃比フイードバツク補正係数の関係の一例を
第７図に示す。第７図に示すように、リーンセン
サ２８の出力電圧値Ｖが目標出力電圧値V₀より
も大きくなると、即ち、空燃比が目標空燃比より
も大きくなると、空燃比フイードバツク補正係数
ｆがαずつ増大せしめられるために、燃料噴射量
が増大し、一方、出力電圧Ｖが目標電圧値V₀よ
りも小さくなると、空燃比フイードバツク補正係
数ｆがβずつ減少せしめられるために、燃料噴射
量が減少する。つまり、リーンセンサ２８の出力
電圧値を目標出力電圧値と比較し、その判別結果
に基づいて、燃料噴射量をフイードバツク制御す
ることにより、空燃比を目標空燃比に正確に制御
することができる。 前記実施例においては、本発明が、吸気管圧力
感知式の電子制御燃料噴射装置を備えた自動車用
エンジンに適用されていたが、本発明の適用範囲
はこれに限定されず。吸入空気量感知式の電子制
御燃料噴射装置を備えた自動車用エンジン、或い
は、空燃比制御手段を、混合気を形成するための
燃料通路或いはエアブリード通路の有効面積を制
御することにより吸気空燃比を制御する制御電磁
弁とすることによつて、電子制御燃料噴射装置を
備えない一般の内燃機関にも同様に適用できるこ
とは明らかである。 〔発明の効果〕 以上説明した通り、本発明によれば、リーンセ
ンサの個体差を容易に吸収することができ、リー
ンセンサの個体差に拘らず、空燃比を目標値に正
確に制御することができる。従つて、空燃比制御
精度を大幅に向上することができ、特に、リーン
燃焼システムにおいては、そのリーン限界に非常
に近いリーン空燃比での制御が可能となり、燃費
性能が大幅に向上できると共に、排気ガス中の有
害成分を減少させることができるという優れた効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る内燃機関の空燃比制御
装置の実施例の全体構成を示す、一部ブロツク線
図を含む断面図、第２図は、前記実施例で用いら
れているリーンセンサの構成を示す断面図、第３
図は、前記リーンセンサの出力特性の例を示す線
図、第４図は、前記リーンセンサの出力特性を校
正するための、大気酸素濃度における限界電流値
と校正値の関係の例を示す線図、第５図は、前記
実施例で用いられている、リーンセンサ出力特性
校正手段を含む電子制御装置の構成を示すブロツ
ク線図、第６図は、前記電子制御装置における、
空燃比をフイードバツク制御するための時間割込
みルーチンを示す流れ図、第７図は、前記実施例
におけるリーンセンサ出力電圧と空燃比フイード
バツク補正係数の関係の一例を示す線図である。 １０…エンジン、１８…吸気管圧力センサ、２
２…インジエクタ、２８…リーンセンサ、３０…
回転速度センサ、３２…電子制御装置、４０…中
央処理装置、４６…電流電圧変換器、４８…アナ
ログーデジタル変換器、５２…入力ポート、５４
…リードオンリーメモリ、５６…ランダムアクセ
スメモリ、５８…クロツク発生器、６０…出力ポ
ート、６２…ダウンカウンタ、６４…Ｓ−Ｒフリ
ツプフロツプ、６６…電力増幅器、７０…非反転
増幅器、７２…ポテンシヨメータダイヤル、７４
…双方向バス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 排気ガスのリーン空燃比域で、排気ガス中の
   酸素濃度にほぼ比例した出力信号を発生するリー
   ンセンサと、エンジン燃焼室内に供給される混合
   気の空燃比を制御するための吸気空燃比制御手段
   と、前記リーンセンサ出力から求められる排気空
   燃比に応じて、空燃比が目標値となるよう前記吸
   気空燃比制御手段をフイードバツク制御する電子
   制御装置とを有する内燃機関の空燃比制御装置に
   おいて、 大気酸素濃度下での前記リーンセンサ出力値と
   基準値との比較により、該リーンセンサの個体差
   として求められた校正値を設定するためのポテン
   シヨメータダイヤルと、 前記校正値に従つて増幅率を可変し、前記リー
   ンセンサ出力値の個体差を校正するための増幅器
   と、 を設けたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御
   装置。