JPH0612525Y2

JPH0612525Y2 - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JPH0612525Y2
Application number: JP1985098903U
Authority: JP
Inventors: 豊昭中川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1994-03-30
Anticipated expiration: 2000-06-27
Also published as: JPS627063U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本考案は、酸素センサを用いて自動車等内燃機関の空燃
比を検出する装置に関する。

（従来の技術）一般に、エンジンにおける空燃比のフィードバック制御
は運転性、燃費、排気対策等の諸要求を満たすために行
われており、このような制御では排気中の酸素濃度をパ
ラメータとして吸入混合気の空燃比が検出される。

このため、リッチからリーンまで、空燃比を広範囲に検
出可能な酸素センサ（例えば、特開昭５９−６７４５５
号公報、特開昭５９−４６３５０号公報）が種々開発さ
れている。

このような酸素センサはセンサ電極間が所定電位差であ
るときの拡散限界酸素量が酸素濃度に相関するという特
性に着目し、これを拡散電流（ポンプ電流）として外部
回路により検出することで、空燃比を広範囲に検出して
いる。そして、このような酸素センサ情報に基づいてリ
ッチからリーンまで空燃比を広範囲にフィードバック制
御することができる。

（考案が解決しようとする問題点）しかしながら、このような従来の空燃比検出装置にあっ
ては、高温排気中の酸素センサに排気酸素濃度に相関す
るポンプ電流を供給し、この電流値から空燃比を検出す
る構成であるため、酸素センサにおける電極の劣化や固
体電解質のポンピング能力の劣化、あるいは排気ガス拡
散層の拡散率の低下等（以下、特性変化という）が経時
変化に伴って起こるおそれがある。

このような場合、ポンプ電流と空燃比との関係（以下、
Ｉｐ−Ａ／Ｆ特性という）は後述の第６図に示すように
正規の特性（曲線Ｒ）に対してこれから外れた特性（曲
線Ｘ）となって空燃比の検出精度が低下する。したがっ
て、このような検出情報に基づいて空燃比の制御を行う
と、制御精度が悪化する。

一方、空燃比の検出情報を補正する手段も考案されつつ
あり、例えばそのようなものとして特開昭５８−５７０
５０号、特開昭５８−１６１８５９号公報に記載のもの
がある。

これらのものは排気管内が大気で満たされているとき
（例えば、フュエルカット中）のセンサ出力を読み込ん
で較正ストア値としてストアしておき、この較正ストア
値に基づいて通常のセンサ出力を補正し上述した特性変
化に対処している。しかし、センサ出力の読み込み時に
出力変動やノイズがあるような場合には較正ストア値が
大気状態に対応する値に一致しなくなり、センサ出力の
補正が不適切なものとなり、却って空燃比の検出精度が
低下する。例えば、センサ出力の読み込みは大気状態の
とき１回行われることが多く、そのような読み込みでは
ノイズ等の影響を受けやすい。

（考案の目的）そこで本考案は、センサ出力の変動やノイズの影響を受
けることなく、排気管内の標準状態に正確に対応した標
準平均値を採用して、空燃比の検出精度を向上させるこ
とを目的としている。

（考案の構成）本考案による空燃比検出装置はその基本概念図を第１図
に示すように、内燃機関の排気管内の排気中の酸素濃度
に基づいて空燃比を検出する空燃比検出手段ａと、前記
排気管内の排気酸素濃度が所定の標準状態に移行する内
燃機関の燃料カット状態を検出する運転状態検出手段ｂ
と、前記運転状態検出手段によって燃料カット状態が検
出されると前記空燃比検出手段の直上流側の排気管内に
２次空気を強制導入する２次空気導入手段ｃと、前記燃
料カット状態に対応した空燃比検出手段の出力を予め標
準正規値として設定する正規値設定手段ｄと、前記運転
状態検出手段によって燃料カット状態が検出されている
間、空燃比検出手段の出力を所定回数平均するととも
に、この平均値が所定範囲内にあるとき標準平均値とし
て決定する平均値演算手段ｅと、標準正規値と標準平均
値から空燃比検出手段の特性変化を補正する補正量を求
め、この補正量に基づいて前記燃料カット状態以外のと
きの空燃比検出手段の出力を補正して実際の空燃比を算
出する補正手段ｆと、を備えたことを特徴とするもので
ある。

このような構成によれば、排気管内が所定の標準状態と
なるような内燃機関の燃料カット状態にあるときのセン
サ出力の平均値が算出され、この平均値が所定の範囲内
にあるときのみ、その平均値が標準平均値（較正ストア
値に相当）として採用される。従って、センサ出力の変
動やノイズの影響を排除した正確な空燃比補正データ
（標準平均値）が求められ、空燃比の検出精度の向上が
図られる。また、燃料カット状態への移行と同時に、空
燃比検出手段の直上流側の排気管内に２次空気が強制導
入されるので、排気管内が即座に標準状態となり、短時
間の燃料カット状態であっても、精度の良い空燃比補正
データ（標準平均値）を得ることができる。すなわち、
燃料カット状態の開始から所定期間では、吸気管内の壁
流が負圧によって燃焼室内に持ち込まれてこれが未燃焼
ガス（生ガス）として排出されるが、空燃比検出手段の
直上流側に２次空気を導入することによって、この生ガ
スの排出を促進することができ、早期に排気管内（特
に、空燃比検出手段の周囲）を安定した標準状態にする
ことができる。

（実施例）以下、本考案を図面に基づいて説明する。

第２〜７図は本考案の一実施例を示す図であり、本考案
を空燃比制御装置に適用した例である。

まず、構成を説明する。

第２図において、１はエンジンであり、吸入空気はエア
ークリーナ２より吸気管３を通して各気筒に供給され燃
料は噴射信号Ｓｉに基づいてインジェクタ４により噴射
される。気筒内で燃焼した排気は排気管５を通して触媒
コンバータ６に導入され、触媒コンバータ６内で排気中
の有害成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ）を三元触媒により清
浄化して排出される。

吸入空気の流量Ｑａはエアフロメータ７により検出さ
れ、吸気管３内の絞弁８によって制御される。絞弁８の
開度Ｃｖは絞弁開度センサ９により検出され、エンジン
１の回転数Ｎはクランク角センサ10により検出される。
またウォータジャケットを流れる冷却水の温度Ｔｗは水
温センサ11により検出される。

排気管５には酸素センサ12が取り付けられており、酸素
センサ12は空燃比検出回路13に接続される。空燃比検出
回路13は酸素センサ12にポンプ電流Ｉｐを供給するとと
もに、その電流値を検出して排気酸素濃度に対応する電
圧信号Ｖｉを出力する。

これらの酸素センサ12および空燃比検出回路13は空燃比
検出手段14を構成しており、空燃比検出手段14および各
センサ７、９、10、11からの信号はコントロールユニッ
ト15に入力される。コントロールユニット15はこれらの
センサ情報に基づいて空燃比制御を行うもので、詳細な
構成は後述する。

第３、４図は、酸素センサ12の分解斜視図およびその断
面図である。

これらの図において、21はアルミナからなる基板であ
り、基板21上にはヒータ22を介してチャンネル上の大気
導入部23を形成した大気導入板24が積層される。その上
に、酸素イオン伝導性の平板状の第１の固体電解質25が
積層され、固体電解質25の下面には大気に晒される電極
であるセンサアノード（基準電極）26が、それに対応す
る上面には排気ガスに晒される電極であるセンサカソー
ド（測定電極）27がそれぞれ印刷により設けられる。

さらに、固体電解質25の上に厚さＬ（Ｌ＝0.1mm程度）
のスペーサ板28が積層され、その上に平板状の第２の固
体電解質29が積層される。これらの固体電解質25、29お
よびスペーサ板28はセンサカソード27を覆ってこのセン
サカソード27の周りにガス導入部（酸素層）30を画成す
る酸素層画成部材31を構成しており、酸素層画成部材31
は排気とガス導入部30との間の酸素分子の拡散を制限す
る。

上記センサアノード26、センサカソード27および固体電
解質25はセンサ部32を構成しており、センサ部32は大気
導入部23とガス導入部30との間の酸素分圧比に応じた電
圧（以下、センサ電圧という）Ｖｓを出力する。

また、第２の固体電解質29の上、下面にはそれぞれポン
プ電極としてのポンプアノード33およびポンプカソード
34が設けられ、これらのポンプアノード33、ポンプカソ
ード34および固体電解質29はポンプ部35を構成する。ポ
ンプ部35はポンプ電極間に供給されるポンプ電流Ｉｐの
値に応じてガス導入部30の酸素分圧を制御する。

上記センサ部32、ポンプ部35、酸素層画成部材31および
大気導入板24は排気中の酸素濃度を検出する素子部36を
構成する。なお、ヒータ22は固体電解質25、29を適温に
加熱し、それらを活性化させる。また、41、42はヒータ2
2のリード線、43〜46はそれぞれセンサアノード26、セ
ンサカソード27、ポンプアノード33、ポンプカソード34
のリード線である。

第５図は空燃比検出回路13の構成を示す回路図であり、
この図において、空燃比検出回路13は目標電圧−Ｖａを
発生する電圧源49、差動アンプ50、抵抗Ｒ１、電流供給
回路51および電流検出回路52により構成される。

差動アンプ50はセンサ電圧Ｖｓを目標電圧−Ｖａと比較
してその差値ΔＶ｛ΔＶ＝Ｖｓ−（−Ｖａ）｝を算出す
る。電流供給回路51は差値ΔＶが零になるように素子部
36のポンプカソード34からのポンプ電流Ｉｐを流し出す
（あるいは流し込む）。すなわちΔＶが正のときはＩｐ
を増やし、負のときはＩｐを減らす。

電流検出回路52は抵抗Ｒ１の両端間の電位差によりポン
プ電流Ｉｐを電圧Ｖｉ（Ｖｉ∝Ｉｐ）に変換して検出す
る。なお、ポンプ電流Ｉｐは実線矢印で示す方向を正
（Ｖｉも正）、破線矢印で示す逆方向を負とする。

そして、目標電圧−Ｖａを素子部36のガス導入部30内の
酸素濃度が所定値に維持されているとき、すなわち固体
電解質25の両面間の酸素分圧比が所定値となるときのセ
ンサ電圧Ｖｓに相当する値に設定しておくことより、電
流検出回路52によって検出されるポンプ電流Ｉｐに比例
した検出電圧Ｖｉは第６図に曲線Ｒで示すように空燃比
と一義的に対応するようになる。したがって、この検出
電圧Ｖｉを利用すれば空燃比をリッチ域からリーン域ま
で広範囲に亘って連続的に精度よく検出することができ
る。

再び第２図において、コントロールユニット15は運転状
態検出手段、正規値設定手段、平均値演算手段および補
正手段としての機能を有し、ＣＰＵ56、ＲＯＭ57、ＲＡ
Ｍ58およびＩ／Ｏポート59により構成される。ＣＰＵ56
はＲＯＭ57に書き込まれているプログラムに従ってＩ／
Ｏポート59より必要とする外部データを取り込んだり、
またＲＡＭ58との間でデータの授受を行ったりしながら
演算処理し、必要に応じて処理したデータをＩ／Ｏポー
ト59へ出力する。Ｉ／Ｏポート59にはセンサ群７、９、
10、11、14からの信号が入力されるとともに、Ｉ／Ｏポー
ト59からは噴射信号Ｓｉと供給信号Ｓｋが出力される。
ＲＯＭ57はＣＰＵ56における演算プログラムを格納して
おり、ＲＡＭ58は演算に使用するデータをマップ等の形
で記憶している。ここで、酸素センサ１２の直上流側の
排気管５には２次空気導入管６１の一端が開口してお
り、２次空気導入管６１の他端はリード弁６２、ダイヤ
フラム弁６３およびエアフィルタ６４を介して大気に連
通している。エアフィルタ６４は塵埃を除去し、リード
弁６２は逆止弁としての機能を有する。ダイアフラム弁
６３はダイアフラム６５により画成される負圧室６６
と、ダイアフラム６５に連結されて２次空気導入管６１
の通路面積を２値制御（全開／全閉）する弁体６７と、
を有しており、負圧室６６には電磁弁６８の動作により
所定負圧か又は大気が択一的に導入されるようになって
いる。電磁弁６８には所定条件下（詳細は後述する）で
コントロールユニット１５から供給信号Ｓｋが入力され
ており、電磁弁６８は供給信号Ｓｋの非入力時には大気
連通路６９を全開として負圧室６６に大気を導入し、供
給信号Ｓｋが入力されると大気連通路６９を遮断して負
圧室６６に負圧源からの負圧を導入する。従って、ダイ
アフラム弁６３は負圧室６６に負圧が導入されると、弁
体６７により２次空気導入管６１を全開として酸素セン
サ１２の直上流側の排気管５内に２次空気（大気）を強
制導入するものであり、上記の２次空気導入管６１、リ
ード弁６２、ダイアフラム弁６３、エアフィルタ６４、
電磁弁６８および大気連通路６９は全体として２次空気
導入手段７０を構成している。

次に、作用を説明する。

第７図はＲＯＭ57に書き込まれている空燃比検出のプロ
グラムを示すフローチャートであり、図中Ｐ_１〜Ｐ₂₇は
フローの各ステップを示している。本プログラムは所定
時間毎に一度実行される。

Ｐ_１で酸素センサ12が活性化したか否かを判別する。こ
れは、例えばエンジン始動後所定時間が経過して酸素セ
ンサ12が十分に加熱されたか否かを判別して行う。活性
化しているときはポンプ電流Ｉｐが排気酸素濃度と相関
関係を示す状態にあると判断してＰ_２でフュエルカット
燃料カット状態であるか否かを判別する。フュエルカッ
トは、例えば回転数Ｎや絞弁開度Ｃｖに基づき所定の減
速運転範囲内にあるか否かを判別して行う。

フュエルカットのときはＰ_３に進むが、その前に供給信
号Ｓｋを出力して排気管５内に２次空気を強制導入す
る。これによれば、フュエルカットへの移行と同時に排
気管５内が安定した標準状態となるから、例えばフュエ
ルカット期間が短い場合でも標準平均値Ｉｐｆｃ（後
述）を支障なく求めることができ、正確な補正係数Ｋｉ
ｐ（後述）を得ることができる。Ｐ_３では、でフュエル
カット開始から所定時間が経過したか否かを判別する。
所定時間が経過しているときは、吸気管３内が十分に大
気で満たされその酸素濃度が安定していると判断する。
本実施例ではこの状態が標準状態に相当する。

標準状態にあるときはＰ_４に進み、標準状態にないと
き、すなわち上記ステップＰ_１〜Ｐ_３でＮＯ命令に従う
ときは後述のステップＰ₁₁を経て今回のルーチンを終了
する。Ｐ_４ではポンプ電流Ｉｐの値が次式で示す第１
の所定範囲内にあるか否かを判別する。

ａ＜Ｉｐ＜ｂ…… 但し、ａ、ｂ：定数なお、本実施例ではポンプ電流Ｉｐの値が検出空燃比に
対応しており、以後の説明の便宜上このＩｐを適宜、セ
ンサ出力と呼称し前述したセンサ電圧Ｖｓとは異なる概
念で用いる。そして、このセンサ出力という概念は従来
例におけるそれと同じ意味内容を表す。

第１の所定範囲内にあるときはポンプ電流Ｉｐの値が安
定していると判断してＰ_５で次式に従ってＩｐの平均
値▲▼を算出する。

▲▼＝１／ｎ（Ｉｐ_１＋Ｉｐ_２＋……＋Ｉｐｎ）…… 但し、ｎ：平均回数次いで、Ｐ_６で平均化した回数ｎが所定値ｎ_０以上にな
ったか否かを判別し、ｎ≧ｎ_０のときはＰ_７でこのとき
の平均値Ｉｐをフュエルカット応答値（標準平均値）Ｉ
ｐｆｃとしてＰ_８に進む。

一方、ステップＰ_４でＩｐが第１の所定範囲内にないと
きは、例えばノイズの影響を受けていること等が予想さ
れるため、以降のステップ処理に移行せずＰ₁₁を経て今
回のルーチンを終了する。また、Ｐ_６でｎ＜ｎ_０のとき
も同様にＰ₁₁を経て今回のルーチンを終了し、ｎ≧ｎ_０
となるまでルーチンを繰り返す。

Ｐ_８ではフュエルカット応答値Ｉｐｆｃが次式で示す
第２の所定範囲内にあるか否かを判別する。

ｃ＜Ｉｐｆｃ＜ｄ…… 但し、ｃ、ｄ：定数フュエルカット応答値Ｉｐｆｃは標準状態における空燃
比検出手段14に特有のセンサ出力の安定値として捉えら
れる。したがって、Ｉｐｆｃが標準状態に対応する値か
ら大きく外れているような場合にはセンサ機能（空燃比
検出手段14の機能を指す）が異常であると判断すること
ができる。このような異常判断時にはそのセンサ出力を
校正しても誤差が大きく検出精度の低下は免れないと判
断できる。

そこで、Ｐ_８でＩｐｆｃが第２の所定範囲内にないとき
はセンサ機能の異常（例えば、特性変化のため）と判断
して、Ｐ_９でセンサ異常フラグＮＧＦをセット（ＮＧＦ
＝１）してルーチンを終了する。ＮＧＦ＝１のときは空
燃比のフィードバック制御を停止してオープン制御に切
換えて空燃比制御の悪化を防止する。

なお、ＮＧＦ＝１のときに、例えば運転者に適切な表示
を与えてもよく、そのようにすれば、センサの交換、修
理等を速やかに行うことができる。センサ異常フラグＮ
ＧＦはこのような適切な処理の後にリセットされる。

一方、Ｉｐｆｃが第２の所定範囲内にあるときはＰ₁₀で
次式に従って補正係数Ｋｉｐを演算する。

Ｋｉｐ＝Ｉｐｒｅｆ／Ｉｐｆｃ…… 但し、Ｉｐｒｅｆ：フュエルカット正規値（標準値正規値）式において、Ｉｐｒｅｆはセンサに特性変化がないと
きの標準状態に対するポンプ電流の正規の値であり、予
めＲＯＭ57に記憶されている。したがって、補正係数Ｋ
ｉｐはフュエルカット正規値Ｉｐｒｅｆに対するフュエ
ルカット応答値Ｉｐｆｃのずれの程度を表しており、こ
のずれに応じて現検出値Ｉｐを適切に補正すれば正確な
空燃比に一致させることができる。

そこで、Ｐ₁₁で次式に従って現検出値Ｉｐを補正し較
正出力Ｉｐｃを求める。

Ｉｐｃ＝Ｋｉｐ×Ｉｐ…… 較正出力Ｉｐｃは上述したように特性変化に拘りなく正
確な空燃比に対応し、第６図に示す曲線Ｒに一致したも
のとなる。すなわち、較正出力Ｉｐｃにより空燃比を正
確に検出することができる。なお、ステップＰ_１等でＮ
Ｏ命令に従ったときは前回のＫｉｐにより現検出値Ｉｐ
ｃが補正される。そして、この補正出力Ｉｐに基づき他
のプログラムで空燃比制御が精度よく行われる。

このように、標準状態のセンサ出力を所定回数平均する
とともに、その平均値が第１の所定範囲内にあるときの
みフュエルカット応答値Ｉｐｆｃとして採用しているた
め、従来と異なりセンサ出力の変動やノイズの影響を排
除して、Ｉｐｆｃを標準状態に対応する値に正確に相関
させることができ、空燃比の検出精度を高めることがで
きる。

（効果）本考案によれば、センサ出力の変動やノイズの影響を排
除して標準平均値を標準状態に対応する値に正確に相関
させることができ、空燃比の検出精度を向上させること
ができる。

また、可及的速やかに標準状態に移行させることがで
き、補正係数の精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の基本概念図、第２〜７図は本考案の一
実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３
図はその酸素センサの分解斜視図、第４図はその酸素セ
ンサの断面図、第５図はその空燃比検出回路の回路図、
第６図はその空燃比と検出電圧との関係を示す図、第７
図はその空燃比検出のプログラムを示すフローチャート
である。１……エンジン、14……空燃比検出手段、15……コント
ロールユニット（運転状態検出手段、正規値設定手段、
平均値演算手段、補正手段）、70……２次空気導入手
段。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ａ）内燃機関の排気管内の排気中の酸素濃
度に基づいて空燃比を検出する空燃比検出手段と、ｂ）前記排気管内の排気酸素濃度が所定の標準状態に移
行する内燃機関の燃料カット状態を検出する運転状態検
出手段と、ｃ）前記運転状態検出手段によって燃料カット状態が検
出されると前記空燃比検出手段の直上流側の排気管内に
２次空気を強制導入する２次空気導入手段と、ｄ）前記燃料カット状態に対応した空燃比検出手段の出
力を予め標準正規値として設定する正規値設定手段と、ｅ）前記運転状態検出手段によって燃料カット状態が検
出されている間、空燃比検出手段の出力を所定回数平均
するとともに、この平均値が所定範囲内にあるとき標準
平均値として決定する平均値演算手段と、ｆ）標準正規値と標準平均値から空燃比検出手段の特性
変化を補正する補正量を求め、この補正量に基づいて前
記燃料カット状態以外のときの空燃比検出手段の出力を
補正して実際の空燃比を算出する補正手段と、を備えたことを特徴とする空燃比検出装置。