JPH0541820B2

JPH0541820B2 -

Info

Publication number: JPH0541820B2
Application number: JP58022467A
Authority: JP
Inventors: Kimitake Sone; Takeshi Kitahara
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1983-02-14
Filing date: 1983-02-14
Publication date: 1993-06-24
Also published as: JPS59147843A

Description

【発明の詳細な説明】

〔1〕技術分野本発明は、エンジンの排気中の酸素濃度を検出
する酸素センサの出力に基づいてエンジンに供給
する燃料量をフイードバツク制御する空燃比制御
装置に関する。〔2〕従来技術従来の空燃比制御装置としては、例えば、日産
自動車株式会社発行「ECCS、Ｌ系エンジン技術
解説書」（1979年６月発行）81〜88頁に記載され
たものが知られている。この装置は、理論空燃比
を境にして出力電圧が急変する１つの酸素センサ
を使用して空燃比が理論空燃比より濃いか、薄い
かを判別し、この判別結果に基づいてコントロー
ルユニツトが空燃比の補正係数の値を変化させて
供給燃料量を増量補正あるいは減量補正してい
る。そして、この補正係数の値は比例積分（PI）
制御により変化させており、比例分の値および積
分分の傾きは一定である。したがつて、この装置
は、例えば、酸素センサの出力が空燃比の濃い方
から薄い方に変化すると、まず、比例分の一定値
だけ補正係数の値を増量側に変化させ、次いで積
分分により一定の傾きで補正係数の値を増量測に
変化させていく。この結果、供給燃料量が増量補
正され、空燃比が理論空燃比より濃くなつて酸素
センサの出力が薄い方から濃い方に変化すると、
比例分および積分分を減量側に切換えて補正係数
の値を減量側に変化させていく。したがつて、空
燃比は論理空燃比付近に制御される。しかしながら、このような従来の空燃比制御装
置にあつては、理論空燃比を境にして出力電圧が
急変する１つの酸素センサに基づいて空燃比が理
論空燃比より濃いか、薄いかを判別し、この判別
結果に基づいて供給燃料量を一定割合の増量ある
いは減量補正する構成となつていたため、空燃比
の理論空燃比からのずれの大きさを判別すること
ができない。したがつて、エンジンの過渡運転時
等で空燃比が過濃側あるいは希薄側に大きくずれ
た場合に、理論空燃比に戻すのに長時間を要し、
燃費の悪化やエンジン出力不足を発生するという
不具合が考えられる。〔3〕発明の目的そこで、本発明は、理論空燃比を境にして出力
電圧が急変する第１酸素センサと、酸素濃度に応
じて出力電圧が緩やかに変化する第２酸素センサ
とを一体的に設け、第１酸素センサに基づいて空
燃比が理論空燃比より濃いか薄いかを判別し、第
２酸素センサにより理論空燃比からのずれの大き
さを判別してそのずれの大きさに基づいて供給燃
料の増量あるいは減量割合を変化させることによ
り、空燃比を常に理論空燃比付近に制御するとと
もに理論空燃比より大きくずれたときにも速やか
に理論空燃比に戻すことを目的としている。〔4〕発明の構成本発明の空燃比制御装置は、エンジンの排気中
の酸素濃度を検出する酸素センサとの出力信号に
基づいてエンジンへの供給燃料量を増量補正ある
いは減量補正するフイードバツク制御回路と、を
備えた空燃比制御回路において、前記酸素センサと、理論空燃比を境にして出力
電圧の急変する第１酸素センサと、酸素濃度に応
じて出力電圧が緩やかに変化する第２酸素センサ
とで一体的に構成し、前記フイードバツク制御回路は、理論空燃比を判定する第１基準電圧Ve₁と前記
第１酸素センサの出力電圧との比較結果に基づい
て増量補正するか減量補正するかを判別するもの
であり、且つ第２酸素センサの出力電圧が、第１基準電圧
Ve₁より大なる値に設定された第２基準電圧Ve₂
と第１基準電圧Ve₁より小なる値に設定された第
３基準電圧Ve₃との間の範囲に入つている場合
は、第１酸素センサの出力電圧が第１基準電圧
Ve₁よりも大ならば減量用の第１補正係数を採用
する一方、第１酸素センサの出力電圧が第１基準
電圧Ve₁よりも小ならば増量用の第１補正係数を
採用し、前記第２酸素センサの出力電圧が、前記第２基
準電圧Ve₂よりも大なる場合は、前記減量用の第
１補正係数よりも大なる値に設定された減量用の
第２補正係数を採用し、前記第２酸素センサの出力電圧が、前記第３基
準電圧Ve₃よりも小なる場合は、前記増量用の第
１補正係数よりも大なる値に設定された増量用の
第２補正係数を採用することにより、空燃比を常
に理論空燃比付近に制御すると共に、理論空燃比
から大きくずれたときにも速やかに理論空燃比に
戻すものである。〔5〕実施例以下図面に従つて本発明の実施例を説明する。第１〜５図は本発明の第１実施例を示す図であ
る。まず、構成を説明すると、第１図は酸素センサ
の断面図であり、１は排気を流入させる小孔２の
穿設されたルーバである。ルーバ１は、図からも
明らかなように筒状に囲まれた小空間を形成し、
その筒状基部をホルダ３に連結しており、ホルダ
３の先端にはセンサ素子部４が取付けられてい
る。センサ素子部４には後述するように２個のセ
ンサ素子が組込まれており、このセンサ素子部４
からは、アース線５と後述するヒータ用リード線
６と２個の素子の出力線７，８とが延びている。
これらのリード線５，６，７，８はホルダ３内に
内蔵されたフオルステライト絶縁管の孔９ａ，９
ｂ，９ｃ，９ｄ内を通つてコネクタ１０に伸びて
おり、絶縁管９の先端とホルダ３の先端との間に
は充填剤１１が充填されている。そして、第１図
中線Ａ−Ａより左側の部分、すなわちルーバ１部
分が自動車の排気管内に挿入され、排気管内を通
過する排気が小孔２からルーバ１内に侵入してそ
の酸素濃度がセンサ素子部４で検出される。センサ素子部４は、第２図に示すように構成さ
れており、第２図において、１２は電気絶縁性の
高いアルミナ基板であり、アルミナ基板１２上に
はこのアルミナ基板１２を挾んで対称の位置に第
１基準酸素極１３と第２基準酸素極１４が設けら
れている。これらの第１基準酸素極１３と第２基
準酸素極１４とはそれぞれ酸素イオン伝導性の第
１固体電解質１５および第２固体電解質１６で抱
持されており、これらの固体電解質１５，１６を
挾んで、第１基準酸素極１３と対向する第１酸素
測定電極１７が、そして第２基準酸素極１４と対
向する位置に第２酸素測定電極１８が積層されて
いる。この第１酸素測定電流１７は白金を印刷処
理して設けられた白金電極であり、第２酸素測定
電極１８は白金を印刷処理し、さらにスパツタリ
ングにより金を蒸着した金＋白金電極である。そ
して、これらアルミナ基板１２、第１および第２
基準酸素極１３，１４、第１および第２固体電解
質１５，１６、第１および第２酸素測定電極１
７，１８は多孔質保護層１９によつて被覆されて
おり、アルミナ基板１２内には固定電解質１５，
１６の活性を保つように適温に加熱するヒータ２
０が内蔵されている。また、ヒータ２０には前記
アース線５とヒータ用リード線６が接続され、第
１および第２酸素測定電極１７，１８にはアース
線５が接続されている。さらに、第１基準酸素極
１３には前記出力線７が接続され、第２基準酸素
極１４には出力線８が接続されている。すなわ
ち、センサ素子部４は、排気管内部に連通する小
空間をルーバ１によつて形成すると共に、該空間
内部に曝される多孔質材料としての保護膜１９と
該保護膜１９に保護された第１及び第２酸素測定
電極１７，１８と、該第１及び第２酸素測定電極
１７，１８の各々と固体電解質１５，１６を会し
て対峙する第１及び第２基準酸素電極１３，１４
と、該第１及び第２基準酸素電極１３，１４を保
持すると共に内部に加熱ヒータ２０を有する共通
基板としてのアルミナ基板１２と、を含むもので
ある。そして、第１基準酸素極１３および第２基
準酸素極１４には、出力線７および出力線８を通
して逆に流し込み電流が供給されており、この電
流は第１基準酸素極１３および第２基準酸素極１
４に毎秒I/4Ｆモル（ここで、Ｉはこの流し込み
電流、Ｆはフアラデー定数）の酸素分子を発生さ
せる。第１および第２基準酸素極１３，１４に発
生した酸素分子は酸素イオン伝導性の第１固体電
解質１５および第２固体電解質１６を通して拡散
（移動）し流し込み電流による酸素分子の発生と
この第１および第２固体電解質１５，１６を通し
てこの拡散とが平衡すると、第１および第２基準
酸素極１３，１４の酸素分圧P₁a，P₂aが決定さ
れる。一方、第１および第２酸素測定電極１７，
１８における酸素分圧P₁b，P₂bは被測定ガス
（保護層１９の周囲の被測定ガス）の有する酸素
分圧であり、これらの酸素分圧P₁a，P₂a，P₁b，
P₂bに基づいて電極１３，１７間および電極１
４，１８間に E₁＝RT／4FlnP₁a／P₁b 但し、Ｒ：気体定数 E₂＝RT／4FlnP₂a／P₂b Ｔ：絶対温度なるネルンストの式によつて表わされる起電力
E₁，E₂が発生する。第１基準酸素極１３と第１
酸素測定電極１７の間に発生する起電力E₁は、
前述のように第１酸素測定電極１７に白金電極を
使用しているため、第３図に示すように、理論空
燃比において、急激に変化する。一方、第２基準
酸素極１４と第２酸素測定電極１８の間に発生す
る起電力E₂は、前述のように第２酸素測定電極
１８に金＋白金電極を使用しているため白金の触
媒効果が緩和されるので、第４図に示すように、
理論空燃比を境に穏やかに変化する。したがつ
て、上記、アルミナ基板１２、第１基準酸素極１
３、第１固体電解質１５、第１酸素測定電極１
７、保護層１９およびヒータ２０は理論空燃比を
境にして出力電圧の急変する第１酸素センサ素子
２１を構成し、この第１酸素センサ素子２１と前
記ルーバ１、ホルダ３、リード線５，６，７、絶
縁管９、コネクタ１０および充填剤１１は全体と
して第１酸素センサを構成する。また上記アルミ
ナ基板１２、第２基準酸素極１４、第２固体電解
質１６、第２酸素測定電極１８、保護層１９およ
びヒータ２０は酸素濃度に応じて出力電圧が緩や
かに変化する第２酸素センサ素子２２を構成し、
この第２酸素センサ素子２２と前記ルーバ１、ホ
ルダ３、リード線５，６，８、絶縁管９、コネク
タ１０および充填剤１１は全体として第２酸素セ
ンサを構成する。第５図は、上記第１酸素センサおよび第２酸素
センサを使用した空燃比制御回路を示す図であ
る。第５図において、第１酸素センサ素子２１は
本素子２１の内部抵抗を示す抵抗R₂₁と本素子２
１の起電力E₁を示す電池E₂₁とで示されており、
第２酸素センサ素子２２は同様に抵抗R₂₂と電池
E₂₂とで示されている。また、これらの素子２１，
２２には抵抗R₁，R₂を介して所定電圧が印加さ
れて上記流し込み電流が供給されている。第１酸
素センサ素子２１の出力は比較器２３のプラス端
子に入力されており、比較器２３のマイナス端子
には第１酸素センサ素子２１の起電力のほぼ中間
の電圧（スライスレベル）Ve₁が入力されてい
る。したがつて、比較器２３は、空燃比が理論空
燃比より濃い（リツチ）とき、〔１〕信号（２値
理論回路におけるハイレベル信号）を出力し、空
燃比が理論空燃比よりも薄い（リーン）とき、

〔０〕信号をコントロールユニツト２４に出力す
る。第２酸素センサ素子２２の出力は比較器２５
のプラス端子および比較器２６のマイナス端子に
入力されており、比較器２５のマイナス端子には
空燃比が過濃であることを表示する基準電圧Ve₂
が入力され、比較器２６のプラス端子には空燃比
が希薄であることを表示する基準電圧Ve₃が入力
されている。したがつて、比較器２５は空燃比が
過濃となると〔１〕の信号を出力し、比較器２６
は空燃比が希薄となる〔１〕の信号をコントロー
ルユニツト２４に出力する。なおヒータ２０にも
所定電圧が印加されて通電されている。コントロールユニツト２４は、まずエンジンの
吸入空気量とエンジン回転数とにより基本噴射量
を決定し、次いでこの基本噴射量に各種補正形成
を乗じて最終噴射量を決定している。そして、こ
の補正係数には水温増量補正係数、始動および始
動後増量補正係数等があり、その中に上記第１お
よび第２酸素センサ、すなわち第１および第２酸
素センサ素子２１，２２からの出力信号に基づい
て決定される補正係数αがある。そして、この空
燃比フイードバツク制御の補正係数αは比例積分
PI制御により決定される。上記コントロールユ
ニツト２４は、比較器２３，２５，２６はフイー
ドバツク制御回路２７を構成している。次に作用を第６図に基づいて説明する。酸素センサの出力の周波数は吸入空気の流速に
比例する。したがつて、第６図ａに示すように車
速が変化すると、酸素センサ素子２１，２２の出
力の周波数は、第６図ｂ，ｃに示すように、車速
に略比例する。そして、酸素センサ素子２１，２
２の出力が、第６図ｂ，ｃに示すように変化する
と、コントロールユニツト２４で決定される補正
係数αは第６図ｄのように決定される。すなわち、第１酸素センサ素子２１の出力電圧
がスライスレベルVe₁を越えると、比較器２３は
〔１〕信号を出力し、コントロールユニツト２４
はこの〔１〕信号の入力により、まず補正係数α
を比例分P_Rだけ下げ、以後この〔１〕信号が入
力されているかぎり、積分分I_Rだけ下げ続ける。
その後、第１酸素センサ素子２１の出力電圧がス
ライスレベルVe₁以下となると、比較器２３の出
力信号は〔１〕信号から

〔０〕信号に切換わり、
コントロールユニツト２４はこの

〔０〕信号の入
力により、まず、補正係数αを比例分P_Lだけ上
げ、以後この

〔０〕信号が入力されているかぎり
積分分I_Lだげ上げ続ける。そして、これら比例分
P_R，R_Lの値および積分分I_R，I_Lの傾きは一定であ
る。したがつて、フイードバツク制御回路２７は
第１酸素センサ素子（すなわち、第１酸素セン
サ）２１の出力電圧に基づいて増量補正するか減
量補正するかを判別している。一方、第２酸素セ
ンサ素子２２の出力電圧が基準電圧Ve₂と基準電
圧Ve₃の間であれば、比較器２５，２６は共に

〔０〕信号を出力しており、コントロールユニツ
ト２４は前記比例分P_R，R_Lおよび積分分I_R，I_Lに
より補正係数αを決定する。第２酸素センサ素子
２２の出力電圧が、第６図ｃにおいて点Ａで表示
するように、基準電圧Ve₃以下に低下すると、比
較器２６の出力は〔１〕信号に切換わり、コント
ロールユニツト２４は、前記増量側の比例分P_L
を、第６図ｄにP_LAで表示するように、増大させ
て補正係数を大きくする。したがつて、空燃比が
希薄側に大きくずれたときには、燃量の増量割合
を大きくし、速やかに空燃比を理論空燃比に戻す
ことができる。また、第２酸素センサ素子２２の
出力電圧が、第６図ｃにおいて点Ｂで表示するよ
うに、基準電圧Ve₂以上に上がると、比較器２５
の出力は〔１〕信号に切換わり、コントロールユ
ニツト２４は前記減量側の比例分P_Rを、第６図
ｄにP_RBで表示するように、増大させて補正係数
αを小さくする。したがつて、空燃比が過濃側に
大きくずれたときには、燃量の減量割合を大きく
し、速やかに空燃比を理論空燃比に戻すことがで
きる。そして制御後の空燃比を示したのが第６図
ｅである。このように、フイードバツク制御回路２７が、
第１酸素センサ素子２１、すなわち第１酸素セン
サの出力電圧に基づいて増量補正するか減量補正
するかを判別し、第２酸素センサ素子２２、すな
わち第２酸素センサの出力電圧により理論空燃比
からのずれを判別してそのずれの大きさに基づい
て増量あるいは減量割合を変化させており、空燃
比を常に理論空燃比付近に制御できるとともに理
論空燃比から大きくずれた場合にも速やかに理論
空燃比に戻すことができる。特に、三元触媒を使
用して排気ガスの浄化を行つている車両にあつて
は、三元触媒の転化率を常に高いレベルに維持す
ることができ、より一層排気ガスの浄化効率を向
上させることができる。また、２つのセンサ素子
２１，２２を１つのセンサ素子部４に一体化する
とともに、これらのセンサ素子２１，２２を共通
環境下に曝しているので、ほぼ同一地点の酸素濃
度を２つのセンサ素子２１，２２で測定すること
ができ、測定点のずれを少なくして測定精度を改
善することができる。さらに、２つのセンサ素子
２１，２２で１つのヒータ２０を共有化している
ため、温度特性を揃えることができ、活性化の速
度等を同一にすることができる。なお、上記実施
例においては、第２酸素センサ２２の出力電圧に
基づいて、比例分P_R，P_Lのみを変化させるよう
にしたが、積分分I_R，I_Lのみを変化させるように
してもよいし、また比例分P_R，P_Lと積分分I_R，I_L
の双方を変化させるようにしてもよい。第７図は、本発明の第２実施例であり、本実施
例は酸素センサの素子部を第１実施例と変更した
ものである。第７図において、３１はアルミナ基板であり、
アルミナ基板３１の同一面上に第１基準酸素極３
２と第２基準酸素極３３とが設けられている。こ
れら第１および第２基準酸素極３２，３３は固体
電解質３４で覆われており、この固体電解質３４
を挾んで第１基準酸素極３２に対向する位置に第
１酸素測定電極３５が、第２基準酸素極３３に対
向する位置に第２酸素測定電極３６が配設されて
いる。また、これらアルミナ基板３１、第１およ
び第２基準酸素極３２，３３、固体電解質３４、
第１および第２酸素測定電極３５は多孔質保護層
３６に覆われており、アルミナ基板３１内にはヒ
ータ３８が内蔵されている。そして、ヒータ３８
と第１および第２酸素測定電極３５，３６にはア
ース線５がヒータ３８にはヒータ用リード線６
が、第１および第２基準酸素極３２，３３にはそ
れぞれ出力線７，８が接続されている。上記アル
ミナ基板３１、第１基準酸素極３２、固体電解質
３４、第１酸素測定電極３５、保護層３７および
ヒータ３８は第１酸素センサ素子３９を構成し、
アルミナ基板３１、第２基準酸素極３３、固体電
解質３４、第２酸素測定電極３６、保護層３７お
よびヒータ３８は第２酸素センサ素子４０を構成
している。したがつて、本実施例にあつては、固
体電解質３４も第１酸素センサ素子３９と第２酸
素センサ素子４０で共通化したので、第１実施例
以上に接近した同一地点の酸素濃度を測定するこ
とができ、より一層適切に空燃比制御を行うこと
ができる。〔6〕効果本発明によれば、空燃比の理論空燃比からのず
れの大きさに大じて燃料供給量の補正係数の大き
さを変化させることができるので、常に空燃比を
理論空燃比付近に制御することができるとともに
理論空燃比から大きくずれた場合にも速やかに理
論空燃比に戻すことができる。したがつて、燃費
を節約し、エンジン出力を向上させることができ
る。また、２つの酸素センサを一体化して共通環
境下に曝しているので、ほぼ同一地点の酸素濃度
を各々の酸素センサで測定することができ、測定
点のずれを少なくして測定精度を改善することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図は本発明の空燃比制御装置の第１実
施例を示す図であり、第１図はその酸素センサの
正面断面図、第２図は第１図のセンサ素子部の拡
大断面図、第３図は第１酸素センサの起電力特性
図、第４図は第２酸素センサの起電力特性図、第
５図はその制御回路図、第６図は作用説明図で、
第６図ａは車速の変化を示す図、第６図ｂは第１
酸素センサの出力を示す図、第６図ｃは第２酸素
センサの出力を示す図、第６図ｄは補正係数の変
化を示す図、第６図ｅは制御後の空燃比の変化を
示す図、第７図は本発明の空燃比制御装置の第２
実施例を示す図で、その酸素センサの素子部の拡
大断面図である。２１，３９……第１酸素センサ素子（第１酸素
センサ）、２２，４０……第２酸素センサ素子
（第２酸素センサ）、２７……フイードバツク制御
回路。

Claims

【特許請求の範囲】１エンジンの排気中の酸素濃度を検出する酸素
センサと、酸素センサの出力信号に基づいてエン
ジンへの供給燃料量を増量補正あるいは減量補正
するフイードバツク制御回路と、を備えた空燃比
制御回路において、前記酸素センサを、理論空燃比を境にして出力
電圧の急変する第１酸素センサと、酸素濃度に応
じて出力電圧が緩やかに変化する第２酸素センサ
とで一体的に構成し、前記フイードバツク制御回路は、理論空燃比を判定する第１基準電圧Ve₁と前記
第１酸素センサの出力電圧との比較結果に基づい
て増量補正するか減量補正するかを判別するもの
であり、且つ第２酸素センサの出力電圧が、第１基準電圧
Ve₁より大なる値に設定された第２基準電圧Ve₂
と第１基準電圧Ve₁より小なる値に設定された第
３基準電圧Ve₃との間の範囲に入つている場合
は、第１酸素センサの出力電圧が第１基準電圧
Ve₁よりも大ならば減量用の第１補正係数を採用
する一方、第１酸素センサの出力電圧が第１基準
電圧Ve₁よりも小ならば増量用の第１補正係数を
採用し、前記第２酸素センサの出力電圧が、前記第２基
準電圧Ve₂よりも大なる場合は、前記減量用の第
１補正係数よりも大なる値に設定された減量用の
第２補正係数を採用し、前記第２酸素センサの出力電圧が、前記第３基
準電圧Ve₃よりも小なる場合は、前記増量用の第
１補正係数よりも大なる値に設定された増量用の
第２補正係数を採用して、前記第１の補正係数または第２の補正係数に基
づいて供給燃料量を増量補正あるいは減量補正す
るようにしたことを特徴とする空燃比制御装置。