JPH0454056B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関の空燃比制御方法に関す
る。

内燃機関の排気ガスの酸素濃度と空燃比とは、
理論空燃比よりも大きい空燃比の領域において良
好な相関性をもつているので、この領域における
排気ガスの酸素濃度を測定することにより、排気
ガス空燃比を正確に検出することができる。この
ような領域における排気ガス酸素濃度を測定する
酸素センサ（いわゆるリーンセンサ）として、被
測定排気ガス側に設けられる通気性測定電極、既
知の酸素濃度を有する基準ガスたとえば大気の側
に設けられる通気性対向電極および両電極間にあ
る固体電解質たとえば安定化ジルコニアからなる
有底筒状センサがある。このような有底筒状セン
サにおいて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。こ
の有底筒状センサの通気性測定電極を、その測定
電極の酸素送出能力より小さい量の酸素を送入す
る微細孔を備える拡散抵抗層で被覆した、いわゆ
る限界電流式リーンセンサも知られている。この
限界電流式リーンセンサは、ある印加電圧範囲に
おいて、両極間に流れる電流値をほぼ一定の値に
維持することができる。この一定電流値は限界電
流値と称され、酸素濃度にほぼ比例して直線的に
変化するため、この限界電流値の変化から酸素濃
度を連続的に検出することができる。一方この限
界電流式リーンセンサにおいて、一定の印加電圧
で排気ガスの酸素濃度に対応した限界電流値を出
力させるためには、限界電流式リーンセンサの素
子の温度をほぼ650℃以上に保ち、限界電流式リ
ーンセンサを活性状態に維持する必要がある。

従つて、排気ガスの酸素濃度を正確に検出し
て、その検出値に基づき適切に内燃機関の空燃比
フイードバツク制御を実行又は停止するには、そ
の前提として、限界電流式リーンセンサが活性状
態にあるか否かを判別する必要がある。

ところで、センサ素子の温度を検出すれば、限
界電流式リーンセンサが活性状態にあるか否か判
別することができるが、素子温度を検出するため
には温度検出器が必要であり、センサの構造が複
雑になつてしまう。

そこで、限界電流式リーンセンサの出力に基づ
いて内燃機関の空燃比をフイードバツク制御する
に際し、限界電流式リーンセンサが活性状態にあ
るか否かを簡便且つ正確に判別し、その判別結果
に基づき適切に空燃比をフイードバツク制御する
方法を提供する目的をもつて本発明が生み出され
た。

［構成］ そのような本発明の構成は、 それぞれ酸素透過性の透孔を有する基準電極及
び測定電極で固体電解質を挟み、前記測定電極の
前記固体電解質に接していない部分に前記透孔よ
りも酸素透過能力の小さな酸素透過性の透孔を有
する拡散抵抗層を被覆した酸素センサを、前記拡
散抵抗層が排気ガスに、前記基準電極が基準ガス
に、それぞれ曝された状態で内燃機関の排気通路
に取り付け、該酸素センサにより前記排気ガス中
の酸素濃度を検出して、前記排気通路内の酸素濃
度が一定値となるように前記内燃機関のシリンダ
へ供給される混合気の空燃比をフイードバツク制
御する方法において、 排気通路が大気で満たされる運転状態で前記酸
素センサの出力を検出し、 該検出結果と、前記酸素センサが活性状態にあ
るとき大気中の酸素濃度を検出した際の出力に対
応して予め設定された基準出力値とを比較して前
記酸素センサが活性状態にあるか否かを判別し、 活性状態にないと判断したとき前記空燃比のフ
イードバツク制御を停止することを特徴とする内
燃機関の空燃比制御方法である。

［作用］ そのような構成を有する本発明にあつては、排
気通路が大気で満たされる運転状態で前記酸素セ
ンサ（いわゆる限界電流式リーンセンサ）の出力
を検出し、その検出結果と、限界電流式リーンセ
ンサが活性状態にあるとき大気中の酸素濃度を検
出した際の出力に対応して予め設定された基準出
力値とを比較する。それによつて、検出結果が基
準出力値に対応するとき限界電流式リーンセンサ
は活性状態にあり、対応しないとき限界電流式リ
ーンセンサは活性状態にないと判断することが出
来る。

限界電流式リーンセンサが活性状態にない場
合、その出力は排気ガスの酸素濃度に対応しない
ので、限界電流式リーンセンサが活性状態にない
と判断した場合には、限界電流式リーンセンサに
よる検出結果を用いた内燃機関の空燃比フイード
バツク制御を停止する。

それによつて、排気ガス中の酸素濃度に基づか
ない不適切な空燃比フイードバツク制御を避け、
排気ガスの酸素濃度に応じた適切な内燃機関の空
燃比制御を実現する。

［実施例］ 以下、図面に基づき本発明の実施例を説明す
る。但し、本発明は、以下に説明する実施例に限
定されるものではなく、自明な事項に基づき当業
者が想到し得る全ての範囲を含む。

第１図は本実施例で用いられる限界電流式リー
ンセンサ（以下、単に「リーンセンサ」と称す
る）を示し、ジルコニアからなる有底円筒状の酸
素イオン伝導性固体電解質１は、その内面および
外面を陽極としての通気性白金薄膜電極２および
陰極としての通気性白金薄膜電極３でそれぞれ被
覆され、これら電極２および３に接続されるリー
ド線２ａ，３ａ間には直流電圧が印加される。陰
極３の外面には拡散抵抗層としての多孔質セラミ
ツク層４が設けられている。こうして形成される
センサ素子９を加熱するため、中心に大気に通ず
る空気孔５ａをもつ管状セラミツクヒータ５が絶
縁ブシユ６を貫通してセンサ素子９内へ突出し、
リード線５ｂ，５ｃを介して給電される。センサ
素子９は多数の穴７ａをもつケーシング７に収容
され、排気通路例えば排気管の壁８を貫通して排
気管内へ突出している。

第２図は、所定の印加電圧でリーンセンサの発
生する限界電流Il（mA）と排気ガス中の酸素濃度
Ｄ（％）との関係を示す。図において発生電流Il
は酸素濃度Ｄが増大するにつれて増大することが
わかる。なお排気ガス中の酸素濃度がわかれば、
機関シリンダへ供給される混合気の空燃比Ａ／Ｆ
がわかるので、このＡ／Ｆも第２図の横軸Ａ／Ｆ
に示してある。したがつて第２図から発生電流Il
がわかれば、機関のシリンダへ供給すべき混合気
の空燃比を検出できることがわかる。第２図に示
されたように酸素濃度Ｄに対応した電流Ilが発生
するのは、リーンセンサの酸素イオン伝導性固体
電解質１からなるセンサ素子９の温度が前述した
ようにほぼ650℃より高いときであり、このため
電解質１の内部に、電解質１の温度（素子温度）
を650℃以上に維持するヒータ５が設けられてい
るのである。

第３図は大気に対応する酸素濃度におけるリー
ンセンサの出力Vsと素子温度Ｔ（℃）との関係を
示してある。この場合出力として、限界電流の代
わりに、後述するように電流−電圧変換器で電圧
に変換した値（Ｖ）で示してある。図からわかる
ように素子温度が650以下ではその出力電圧が急
激に低下し、この温度以上ではほぼ一定の値Vo
をとることがわかる。したがつてリーンセンサの
素子温度が650℃の活性温度以上になつているか
否かは、例えば機関の排気通路内の酸素濃度が大
気に相当する濃度である運転条件でリーンセンサ
の出力電圧Vsが素子温度650℃における所定の出
力電圧（基準出力値としての設定電圧）Vo以上
であるか否かを判別することにより、正確に知る
ことができる。

このように大気に相当する酸素濃度でリーンセ
ンサの活性状態を判別して空燃比のフイードバツ
クを行なう方法の第１の実施例を第４図ないし第
６図について説明する。

まず第４図において、１１は燃料噴射式内燃機
関の機関本体で、吸気マニホルドの各枝管１３に
は、電子制御ユニツト１４の出力信号によつて制
御される燃料噴射弁１５から燃料が噴射される。
枝管１３は共通なサージタンク１２を介して吸気
管１６に接続され、この吸気管１６内にあるスロ
ツトル弁１７の開度がスロツトルセンサ２１によ
り検出される。サージタンク１２内には負圧セン
サ１８が取付けられている。この負圧センサ１８
とスロツトルセンサ２１と回転数センサ１９は、
電子制御ユニツト１４に接続されている。一方排
気マニホルド１０には前述したリーンセンサ２０
が取付けられ、同様に電子制御ユニツト１４に接
続されている。

第５図は電子制御ユニツト１４の１例を示して
いる。この制御ユニツトはデジタルコンピユータ
からなり、各種の演算処理を行なうマイクロプロ
セツサ（以下MPUと称する）３０、ランダムア
クセスメモリ（以下RAMと称する）３１、制御
プログラムや演算定数等をあらかじめ記憶するリ
ードオンリメモリ（以下ROMと称する）３２、
入力ポート３３および出力ポート３４が双方向デ
ータバス３５を介して互に接続されている。さら
に各種のクロツク信号を発生するクロツク信号発
生器（以下CLOCKと称する）３６が設けられて
いる。負圧センサ１８はバツフア３７およびＡ−
Ｄ変換器３８を介して入力ポート３３に接続され
て、サージタンク１２内に発生する吸気管負圧に
比例した出力電圧を発生し、この出力電圧がＡ−
Ｄ変換器３８において対応する２進数に変換され
て、入力ポート３３およびバス３５を介して
MPU３０へ入力される。一方回転数センサ１９
はバツフア３９を介して入力ポート３３へ接続さ
れて、機関クランクシヤフトの所定のクランク角
度回転ごとにパルスを発生し、このパルスが入力
ポート３３およびバス３５を介してMPU３０へ
入力される。MPU３０において、回転数センサ
１９の出力パルスから機関回転数が計算される。
バツフア４６を介して入力ポート３３に接続され
るスロツトルセンサ２１は、スロツトル弁１７が
アイドリング位置にあるときにオン状態となり、
このオン信号が入力ポート３３およびバス３５を
介してMPU３０へ入力される。またリーンセン
サ２０は、電流−電圧変換器４０、増幅器４１お
よびＡ−Ｄ変換器４２を介して入力ポート３３へ
接続されている。このリーンセンサ２０の発生電
流は、電流−電圧変換器４０において対応する電
圧に変換され、さらにＡ−Ｄ変換器４２において
対応する２進数に変換されて、この２進数が入力
ポート３３およびバス３５を介してMPU３０へ
入力される。ROM３２内には、第２図における
限界電流Ilと酸素濃度Ｄしたがつて空燃比Ａ／Ｆ
との関係があらかじめ記憶されているが、この場
合電流−電圧変換器４０を介してこの限界電流に
対応する電圧Vsとして表わされ、したがつて
ROM３２内には第２図で示す電圧Vsと空燃比
Ａ／Ｆとの関係がデータテーブルあるいは関数の
形で記憶されている。燃料噴射弁１５を操作する
データを出力するために設けられている出力ポー
ト３４にはMPU３０からバス３５を介して２進
数のデータが書き込まれる。出力ポート３４の各
出力端子はダウンカウンタ４３の対応する各入力
端子に接続されている。このダウンカウンタ４３
はMPU３０から書き込まれた２進数のデータを
それに対応する時間の長さに変換するために設け
られ、このダウンカウンタ４３は出力ポート３４
から送り込まれたデータのダウンカウントを
CLOCK３６のクロツク信号によつて開始し、カ
ウント値が零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。Ｓ−Ｒフリ
ツプフロツプ４４のリセツト入力端子Ｒはダウン
カウンタ４３の出力端子に、またセツト入力端子
ＳはCLOCK３６に接続され、その出力端子Ｑは
電子増幅回路４５を介して燃料噴射弁１５に接続
されている。したがつて燃料噴射弁１５は、ダウ
ンカウンタ４３がセツト入力端子Ｓにクロツク信
号を受けてダウンカウントしている間付勢される
ことになる。

つぎに第６図に示すフローチヤートを参照して
本第１実施例による空燃比制御方法の手順につい
て説明する。まずステツプ50において回転数セン
サ１９を負圧センサ１８の出力信号から基本燃料
噴射時間τoが計算される。ステツプ51ではリー
ンセンサ２０の空燃比Ａ／Ｆに関する出力Vs（第
２図）が電流−電圧変換器４０およびＡ−Ｄ変換
器４２を介してROM３２へ読み込まれる。ステ
ツプ52で、機関燃料の噴射を中断する燃料カツト
の運転条件か否かを判別する。例えば機関回転数
が設定回転数より高くかつスロツトル弁１７がア
イドリング位置にあるとき機関は燃料カツトの運
転条件となる。そのとき排気通路たる排気マニホ
ルド１０内は大気で満たされることになる。燃料
カツトの運転条件にあるときにはステツプ53に進
み、大気酸素濃度においてリーンセンサが活性状
態となる基準出力値としての設定電圧Vo（第３
図）とセンサにより検出された実際の出力電圧
Voutとを比較する。Vout≧Voのときステツプ
54に進み、空燃比フイードバツク（Ｆ／Ｂ）制御
実行フラツグを１にする。Vout≧Voでないとき
にはステツプ55に進み、空燃比フイードバツク制
御実行フラツグを０にする。ついでステツプ58に
進み、燃料カツトの条件にあるため燃料補正係数
ｆを零にする。次のステツプ62で燃料噴射時間τ
が零となり、ステツプ63の燃料噴射処理で燃料噴
射は停止する。

一方ステツプ52において前述した燃料カツトの
運転条件にない場合ステツプ56に進み、空燃比フ
イードバツク制御実行フラツグが１であるか否か
が判別される。フラツグが１である場合ステツプ
57に進み、ROM３２内に記憶された第２図に示
す関係から目標空燃比Ａ／Ｆに対応するリーンセ
ンサ２０の目標空燃比に対応する目標出力電圧値
Vaに比較して、リーンセンサ２０の現在発生し
ている実際電流すなわち実際出力電圧Voutが大
きいか否かが判別される。ステツプ57において
Vout≧Vaの場合ステツプ60において燃料補正係
数ｆを燃料増量補正係数αだけ増加し、Ｖ≧Va
でない場合、ステツプ59において燃料補正係数ｆ
を燃料減量補正係数βだけ減少する。ステツプ
59，60のいずれかにおいて得られた補正係数に基
いてステツプ62で燃料噴射時間τが求められ、ス
テツプ63で燃料噴射が行なわれる。すなわち実際
の空燃比が第２図の目標空燃比より大きくしたが
つて混合気が希薄になると、燃料が増量され、空
燃比が小さくしたがつて混合気が濃厚になると燃
料が減量されて、空燃比が目標値に正確に制御さ
れることになる。なおステツプ56で空燃比フイー
ドバツク制御実行フラツグが１でない場合、すな
わちリーンセンサ２０が活性状態でない場合ステ
ツプ61に進み、燃料補正係数ｆは1.00にされる。
したがつてステツプ62における燃料噴射時間τは
基本燃料噴射時間でｏとなり、リーンセンサ２０
の出力に基く燃料の増減がなくなり、空燃比フイ
ードバツク制御が停止されることになる。

第７図は本発明の第２実施例が用いられる空燃
比制御装置を示す。その装置では混合気の供給に
気化器を使用している。図において１００は気化
器本体で、スロツトル弁１０１、メインベンチユ
リ１０３、燃料用メインノズル１０４、スローポ
ート１０２を有し、吸気管１０５と接続されてい
る。スロツトル弁１０１より下流において負圧に
応動するバキユームスイツチ１０９とスロツトル
弁１０１をバイパスして吸気管１０５へ送られる
空気の量を制御する電磁空気量制御弁１０７が設
けられている。排気管１０６にはリーンセンサ２
０が取付けられ、制御ユニツト１０８にリーンセ
ンサ２０の出力信号が接続される。制御ユニツト
１０８にあらかじめ設定された目標空燃比に対応
する目標出力値とリーンセンサ２０の実際出力値
とを比較し、その結果に基いて制御ユニツト１０
８は空気量制御弁１０７に励磁電流を供給する。
この励磁電流に応じて弁１０７の開度が変化し、
吸気管１０５に導入される空気量が増減されて、
混合気を目標空燃比に精密に制御することができ
る。さらに気化器本体１００には、スローポート
１０２からの燃料の流出を停止する燃料カツト用
ソレノイド弁１１０を有する。バキユームスイツ
チ１０９と回転数センサ１１１との出力信号より
制御ユニツト１０８は燃料カツトの運転条件を判
別し、燃料カツト条件では弁１１０が励磁され
て、燃料容器たるフロート室１１３からスローポ
ート１０２へ通ずる通路を閉じて燃料をカツトす
る。この場合条件を判別し、燃料カツト条件では
排気管１０６が大気で満たされることになり、制
御ユニツト１０８における第１実施例と同様の動
作（第６図）により、空燃比フイードバツク制御
の実行または停止を正確に行なうことができる。

［効果］ 以上の説明から容易に了解されるように、本発
明にあつては、排気通路が大気で満たされる運転
状態での限界電流式リーンセンサによる検出結果
と予め設定された基準出力値とを比較することに
より、その限界電流式リーンセンサが活性状態に
あるか否かを判別し、その判別結果に基づき限界
電流式リーンセンサが活性状態にないと判断した
とき、即ち、限界電流式リーンセンサの出力が排
気通路内の排気ガスの酸素濃度に対応していない
ときには、空燃比のフイードバツク制御が停止す
ることで、排気ガスの酸素濃度に基づかない不適
切な空燃比のフイードバツク制御を避け、排気ガ
スの酸素濃度に応じた適切な内燃機関の空燃比制
御を実現することが出来る。

また、本発明においては、排気通路が大気で満
たされる運転状態での限界電流式リーンセンサに
よる検出結果と、活性状態にある限界電流式リー
ンセンサが大気中の酸素濃度を検出した際の出力
に対応して予め設定された基準出力値とを比較す
ることにより、その限界電流式リーンセンサが活
性状態にあるか否かを正確に判断している。従つ
て、限界電流式リーンセンサの活性又は不活性を
判断するために素子温度検出器を用いる必要がな
く、簡便な構造のセンサを用いて適切な空燃比制
御を行うことができる。

しかも、簡便な構造のセンサを用いているた
め、センサ自体の信頼性だけでなく、本発明にし
たがつた空燃比制御全体の信頼性も向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はリーンセンサの縦断面図、第２図はリ
ーンセンサの発生電流と酸素濃度との関係を示す
線図、第３図は大気に対応する酸素濃度における
リーンセンサの発生電流とセンサ素子温度との関
係を示す線図、第４図は内燃機関の空燃比制御装
置の概略図、第５図はその電子制御ユニツトの構
成図、第６図は本第１実施例の手順を示すフロー
チヤート、第７図は本第２実施例が用いられる空
燃比制御装置の概略図である。 ９……センサ素子、１０……排気マニホルド、
１１……機関本体、１４……電子制御ユニツト、
１５……燃料噴射弁、２０……限界電流式リーン
センサ（リーンセンサ）、３２……リードオンメ
モリ、１００……気化器本体、１０２……スロー
ポート、１０６……排気管、１０７……空気量制
御弁、１０８……制御ユニツト、１１０……ソレ
ノイド弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれ酸素透過性の透孔を有する基準電極
   及び測定電極で固体電解質を挟み、前記測定電極
   の前記固体電解質に接していない部分に前記透孔
   よりも酸素透過能力の小さな酸素透過性の透孔を
   有する拡散抵抗層を被覆した酸素センサを、前記
   拡散抵抗層が排気ガスに、前記基準電極が基準ガ
   スに、それぞれ曝された状態で内燃機関の排気通
   路に取り付け、該酸素センサにより前記排気ガス
   中の酸素濃度を検出して、前記排気通路内の酸素
   濃度が一定値となるように前記内燃機関のシリン
   ダへ供給される混合気の空燃比をフイードバツク
   制御する方法において、 排気通路が大気で満たされる運転状態で前記酸
   素センサの出力を検出し、 該検出結果と、前記酸素センサが活性状態にあ
   るとき大気中の酸素濃度を検出した際の出力に対
   応して予め設定された基準出力値とを比較して前
   記酸素センサが活性状態にあるか否かを判別し、 活性状態にないと判断したとき前記空燃比のフ
   イードバツク制御を停止することを特徴とする内
   燃機関の空燃比制御方法。