JPH0616022B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

空燃比検出装置

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JPH0616022B2
JPH0616022B2 JP60212488A JP21248885A JPH0616022B2 JP H0616022 B2 JPH0616022 B2 JP H0616022B2 JP 60212488 A JP60212488 A JP 60212488A JP 21248885 A JP21248885 A JP 21248885A JP H0616022 B2 JPH0616022 B2 JP H0616022B2
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宏明 大金
大須賀  稔
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【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、内燃機関に供給される混合気の空燃比を検出
する空燃比検出装置に係り、特に、その経時変化を補正
できる空燃比検出装置に関する。
〔発明の背景〕
空燃比検出装置は、経時変化を伴うものであるため、例
えば、特開昭58−57050号に示されるように、センサ
が設置された排気管内を大気で満された時のセンサ出力
により、経時変化を補正することが知られている。
しかしながら、排気管内を完全に大気で満すような状態
を短時間で作ることは困難であり、精度良く経時変化を
補正することは難しいという問題があつた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、経時変化を正確に補正できる空燃比検
出装置を提供するにある。
〔発明の概要〕 本発明は、吸入空気量検出手段の下流であつて空燃比検
出手段の上流側の吸排気管内に、内燃機関の定常運転状
態中に、一定量の酸素を供給し、この時の空燃比検出手
段の出力の変化量に基づいて、経時変化を補正するよう
にしたものである。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は、本発明の装置に用いる、空燃比検出器の断面
図である。1は袋管状の固体電解質でその内面と外面に
は白金電極が形成されている。2は外側白金電極をおお
う拡散抵抗膜、3は袋管内に配置されたヒーター、4は
保護管である。袋管状の固体電解質1の内側には大気
が、外側には内燃機関の排気管から排気が導かれてい
る。また、ヒーター3により固体電解質1を加熱してい
る。
第2図は、本発明の装置に用いる空燃比検出器の検出方
式の一実施例である。第2図において、固体電解質1の
大気側電極を5a、排気側電極を5bとする。本方式
は、第2図(a)のように電極5bをアースにし、電極5
a側の電圧を測定し、起電力Eを検出する動作と、同図
(b)に示したように、電極5bをある電位VPGを持つた
ポテンシヤルグランド側にし、電極5a側の電位VをV
PGに対して上下し、固体電解質1に流れる電流の方向
を、制御して、拡散抵抗膜2内の電極近傍の酸素濃度を
一定にするような動作を、回路を切り換えることにより
時分割的に行うものである。つまり、第2図(a)の動作
時に測定した起電力Eが、ある一定値(例えば0.4
V)になるように、第2図(b)の動作において電圧Vを
変化させるのである。この時、固体電解質1を流れる電
流値(IL,I)が限界電流値となり、Vは空燃比に比
例した値となる。第2図(C)には、動作のタイミングチ
ャートを示した。第2図(C)には、電極5aにおける電
圧Vの変化を示した。期間tは、起電力Eを測定し、
期間tIPは電流を流し、拡散抵抗膜2内の酸素量を制御
する。今、Eを0.4Vに制御することは、電極5b近
傍の酸素濃度を大気中の酸素濃度の10-12程度に保つ
ことであり、リーン運転域では、Vを実線で示すように
PGよりも高くして、電流Iを第2図(b)に示した方
向に流し、拡散膜2内の酸素を大気側に排出し、濃度を
大気の10-12になるようにする。この時の電流I
空燃比に比例した限界電流値となり、電圧Vも空燃比に
比例する。またリツチ運転域では、電圧Vを点線で示す
ようにVPGよりも低くして、電流Iを第2図(b)の矢
印の方向に流し、拡散膜2内に酸素を送り込み、この場
合もリーン運転域と同じように濃度が大気の10-12
なるように制御する。この時のIは、空燃比に比例し
た限界電流値となり、Vは空燃比に比例した値となる。
第3図に、第2図の動作を実現するための回路の原理図
を示した。動作は、初めにマイクロコンピュータ6の信
号により、期間tの間、スイツチ7a,7bをONさ
せ、スイツチ8a,8bをOFFさせる。この時、電極
5a側の起電力Eが測定され、この値は、ホールド回路
9によりホールドされる。また、差動積分回路10で
は、測定されたEと基準となる0.4Vを比較して、E
<0.4のリーン域の場合は、Vを上昇させ、E>0.4
のリツチ域の場合はVを下げる。このVが、バツフア1
1に供給される。次に、期間tIPの間、スイツチ8a,
8bをON、スイツチ7a,7bをOFFさせて、電圧
Vを電極5aに印加する。一方、電極5bには、バツフ
ア12を介して電位VPGが印加されている。以上の動作
を時分割的に繰り換すことにより空燃比を測定する。ま
た、出力としては、電圧Vをホールド回路13を介して
outとして得る。
第4図は、第2図、第3図の方式による出力特性を示し
た。第4図(b)は、横軸に空気過剰率、縦軸に出力Vout
を示した。特性は(イ)で示したように、λ=1.0では
out=VPGとなる。これは、第4図(a)に示したよう
に、λ=1.0の場合は排気中の酸素濃度自体が、大気
の10-12となつているために、I=0としてもEは
0.4Vとなる。このため電極5aに印加される電圧V
は、V=VPGとなり、出力もVout=VPGとなる。第4
図(b)の(ロ)は、拡散抵抗膜2が目づまり等で経時変化し
た場合の特性を示した。ここで、λ=1.0の場合は、
I=0としているので、拡散抵抗膜2の状態によらずV
out=VPGとなる。つまりλ=1.0におけるVoutは、
経時変化はしない。
第5図は、本発明の空燃比検出装置に用いる検出器の別
の実施例である。ここでは、電流(IL,I)を流すた
めの固体電解質14と起電力Eを測定するための固体電
解質15をそれぞれ設けて、拡散抵抗体18に通ずる拡
散室18aの内側の酸素濃度を固体電解質15により起
電力Eとして測定し、固体電解質14で拡散室18a内
の酸素量を制御する。電極16bには電位VPGが印加さ
れている。測定されたEを基準の0.4Vと差動積分器
19により比較し、E<0.4のリーンの時はVを上
げ、E>0.4のリツチ時はVを下げる。V>VPGのと
きはIが、VLVPGの時はIが流れ、それぞれ限界
電流値を示す。このため、Voutは、空燃比に比例した
値となる。
第5図(b)は、特性図で、λ=1.0では、Vout=VPG
となり、拡散抵抗体18の抵抗値が変化しても((イ)→
(ロ)のように変化する)、λ=1.0の時のVoutはV
PGを示し、変化しない。
以上のような空燃比検出器を用いた場合の、出力の経時
変化の較正法を以下に示す。
第6図は、本発明の空燃比検出装置の一実施例である。
20はエアクリーナー、21はエアフロメーター、22
は絞り弁、23は吸気管、24は燃料噴射弁、25はエ
ンジン、26は排気管、27は空燃比検出器、28は空
燃比検出27の駆動回路、29はマイクロコンピュータ
ー、30は音速ノズル、31はソレノイド、32はバイ
パス通路、33はニュートラルスイツチ、34は回転数
信号である。
検出器27の出力の更正を行うのは、絞り弁22が閉じ
ていて、絞り弁を通る空気の流速が音速となる運転状態
とする。このような運転状態は、例えばアイドル時に実
現される。
この音速条件は、ノズル30によつて、絞り弁下流より
空気を入れても成立するように、ノズル30の径を選
ぶ。ここで、圧力の条件がP≫Pとなつた場合が音
速となる場合で、ノズル30により空気を入れてもこの
音速条件が満足されれば、エアフロメーター21を通る
空気量Qaは変化せず、信号Q(AFM)も変化しな
い。このため、マイクロコンピュータ29では、Q
(AFM)/N(N:回転数)の値を基に燃料噴射弁
24から供給される燃料量を決定しているので、ノズル
30より空気を入れても燃料量Qは変化しない。つま
り、ノズル30により導入される空気量をΔQとする
と、エンジンに供給される空気量はQ+ΔQとな
り、燃料量はQとなる。また、この時ΔQは、音速
となつているので、 ここで、a:ノズル30の開口面積 γ:比熱比 ρ:密度(温度の関数) で表わされる。このため、圧力Pと温度がほぼ一定な
らば、Qは、ノズル30の開口面積aのみの関数とな
り、ΔQが正確に求められる。また、Pと温度によ
る補正を加えれば、より正確な値となる。
以上のように、ノズル30を所定期間開くことにより一
定量ΔQの空気を入れることにより空燃比は次のよう
に変わる。
このような空燃比(A/F)の変化による、空燃比検出
器27の出力変化を測定し、出力を較正する。スロツト
ルスイツチ信号35、ニユートラルスイツチ33、回転
数信号34は、アイドル状態を検出するためのものであ
る。
出力較正法の原理を第7図に示す。ここでは、Qを既
知とするために、λ=1.0の運転状態で出力を較正す
る。前述したように、本発明に用いた検出器の出力は、
λ=1.0でVout=VPGとなり、全く経時変化しない
ので、λ=1.0の状態は、正確に検出できる。この
時、ノズル30を閉じているときは、検出器30の出力
は、 K:検出器の出力のゲイン となる。またノズル30を開いたときの出力Vは、 となる。(2),(3)式より、差電圧は、 整理すると、 となる。ここでΔQは(1)式より既知の値となる。ま
た、ノズル30を閉じているときは、λ=1.0となつ
ているために、Qがエンジンにより決まるため、 より、Qも既知の値となる。以上より、(5)式を用い
ると、現在のKが直接求められる。これが、初期状態の
時のKと異なつていれば、検出器27が経時変化したと
判断して、Kの値を補正する。
第8図は、較正動作のタイミングチャートである。時刻
においてソレノイド31をONして(同図(a))、
ノズル30を開口すると、エアフロメーター21の信号
(AFM)(同図(b))と、噴射弁24の開弁時間
(すなわち、燃料量Q)(同図(b))は変化しな
いが、実際にエンジンに供給される空気量(同図(c))
は、QaからQa+ΔQaに変化し、検出器27の出力
(同図(e))は、VからVへ変化する。上述の(5)式
を計算するために、ノズル30が閉じている時の出力V
をマイクロコンピユータ29に読み込み、時刻t
ノズル30を開いてから、出力Voutが安定するまでの
時間t をまつて、変化後の出力Vを読み込む。こ
のVのリードが終れば、時刻tにおいて、再びノズ
ル30を閉じる。
以上の較正動作を実行するためのフローチヤートの一例
を第9図に示す。初めに、エンジンがアイドル運転状態
かどうかを、スロツトルスイツチ,ニユートラルスイツ
チの状態や回転数がある一定値N以下であるかなどに
より判断する(ステツプ100)。次にフラグCAFLAGが
0かどうかを判断する。(ステツプ102)。CAFL
AGは、較正のためのデータを読み終わると1とするた
め、CAFLAG=0は較正をまだ行つていないことを示す。
次に、λ=1.0となつているかを判断する(ステツプ
104)。λ=1.0となるのは、エンジンが十分暖機
された後である。次にその時点における供給燃料量
、回転数Nをリードし(ステツプ106,10
8)、空気注入前のVout,0(=V)をリードする
(ステツプ110)。次にまた回転数Nをリードして
(ステツプ112)、NがN−ΔN≦N≦N+ΔN
となつているかどうかを判断する。これは、Voutをリ
ードしている間に、アクセルをふむなどの動作により、
運転状態が変化していないことなどを判断するためで、
変化している場合は、以下のフローは実行されない。次
に、噴射弁の開弁時間TをT (λ=1.0の
)に固定して(ステツプ116)、ソレノイドをO
Nする(ステツプ118)。タイマの時間tを0クリ
アし(ステツプ120)、Voutが安定するための時間
が間まつて(ステツプ122)、空気注入後の出
力Vout,1(=V)をリードし(ステツプ124)、
再びNをリードして(ステツプ126)、N−ΔN′
≦N≦N+ΔN′により、運転状態が変化していない
ことを判断する(ステツプ128)。変化した場合は、
以下のフローを実行しない。以上により、VとV
リードした後、CAFLAG=1として、以後、エンジンが止
まつて再スタートするまでは、較正のモードに入らない
ようにする(ステツプ130)。次に、以前のKをリー
ドし(ステツプ132)、今求めたKNEWを(5)式により
計算し(ステツプ134)、両者の比Kgradを求める
(ステツプ136)。アイドル状態でなく、CAFLAG=1
の時は、このフローは実行されない。
第10図に、λに対する出力Vの変化の様子を示した。
初期の状態が(イ)の特性だとすると、拡散抵抗膜2の目
づまりでは、(ロ)のように変化して、拡散抵抗膜2のは
く離では(ハ)のように変化する。いずれの場合も、λ=
1.0でのVout=VPGは変わらない。しかし、(ロ)のよ
うに変化した場合には、λ>1.0では、(イ)の場合よ
りも低い値を示し、λ<1.0では、(イ)の場合よりも
高い値を示す。このため、較正する場合は、出力値とV
PGとの差の絶対値に補正を加えなければならない。この
フローを第11図に示す。
通常のモードのとき、ステツプ150でVoutをリード
したあと、λ<1かλ>1かを判断するために、Vout
とVPGを比較する(ステツプ152)。V<VPGの場合(λ
<1.0)は、Vsu=VPG−Voutを求め(ステツプ1
54)、Vgr=VsuXKgradの演算により絶対値を補正
し(ステツプ156)、再びVout=VPG−Vgrとし
て、補正したVoutを求めて(ステツプ158)、Vout
とλのテーブルより、対応したλを求める(ステツプ1
60)。また、Vout>VPGの場合(λ>1.0)は、
su=Vout−VPGとし(ステツプ162)、Vgr=V
su×Kgradとして絶対値を補正し(ステツプ164)、
out=VPG+Vgrとして、較正したVoutを求める(ス
テツプ166)。以上のように、較正を、Voutの読み
出し毎に行つても良いが、第12図、第13図に示すよ
うに第9図のフローの後に、Voutとλのテーブルを書
き換える方法でも良い。
第12図には、Voutとλの対応と、Voutに対応するλ
の値が入つている番地を示した。番地はλ<1.0がN
〜N+n,λ=1.0がNλ,λ>1.0がM〜M+n
とする。第13図に書き換えのフローを示す。第9図の
例でステツプ132でKをリードした後、K′NEWを求
め(ステツプ134)、Kgradとする(ステツプ180)。初めにλ<1.0の内容を
書き換える。Voutに対応した、N番地の内容λをリー
ドする(ステツプ182)。次に、Vsu,Vgrをステツ
プ184,186で求め、Vout=VPG−Vgrにより補
正したVoutを求める(ステツプ188)。このVout
対応した番地に前にリードした内容λを入れる(ステツ
プ190)。この後、番地を更新し(ステツプ19
2)、N+n番地まで行う(ステツプ194)。次に、
λ>1.0を行う。Voutに対応した番地Mの内容λを
リードする(ステツプ196)。この後、ステツプ19
8,200でVsku,Vgrを求めVout=VPG+Vgrとし
てVoutを補正する(ステツプ202)。この補正した
outに対応する番地に先ほどリードした内容λを格納
する(ステツプ204)。次に番地を更新し(ステツプ
206)、M+nまでくり返す(ステツプ208)。以
上により、Voutとλのテーブルを書き換えられ、この
テーブルを用いれば、出力の経時変化は補正されること
になる。
以上に示した方法で、検出器の出力の経時変化を補正す
れば、常に正確な空燃比制御が可能となる。
第14図には、第9図のフローにおいて、ステツプ13
4でKNEWを測定したあと、出力を補正する場合に、前
述のようなプログラム的に行うのではなく、回路的に行
う手法を示した。第3図において、マイクロコンピユー
タ6からスイツチ7,8に送るON−OFFのパルス信
号の周期を変化させて、出力Vのλに対するゲインを変
える。第2図(c)に示した、電流を流す期間tIPを変化
させる。なお、この時tは変化させない。第15図に
IPを変化させた場合の特性の変化を示した。第14図
(b)のようにtIPをt′IPと長くすると、λに対するV
outのゲインは小さくなる。また、第14図(c)のように
IPをt″IPと短くすると、第15図に示したように、
λに対するVoutのゲインは大きくなる。これは、tIP
が短くなると、E=0.4Vを保つために、電流量を増
加させて、単位時間当りの移動酸素量を増加させなけれ
ばならないためである。しかし、第15図よりわかるよ
うに、tIPを変化させても、λ=1.0におけるVout
=VPGの関係は変わらない。以上のようにゲインKが変
えられるために、第10図のように出力が経時変化した
場合の補正に用いることができる。つまり第9図のフロ
ーにおいて、ステツプ124で、Vout,1(=V)を
リードした後に、Vout,1が以前の値と異つた場合に、
例えばVout,1(NEW)<Vout,1(old)と小さくなつた場合
は、ノズル30を開いたままの状態で、tIPを小さくし
て行き、Vout,1(NEW)=Vout,1(old)となるまで変化さ
せ、この時のtIPを以後用いる。
また、Vout,1(NEW)>Vout,1(old)と大きくなつた場合
には、tIPを大きくして行き、Vout,1(NEW)=V
out,1(old)となるまで変化させれば良い。このような方
法を用いれば、マツプの書き換えをする必要がなく、同
じマツプを用いることができ、後のプロセスが容易にな
る。この手法を実現するためのフローを第16図に示
す。前述したようにステツプ220において、V
out,1(NEW)とVout,1(old)を比較し、ステツプ222,
224,226,228においてtIPを増減し、最後
に、回転数Nが変化していないことを確認して(ステツ
プ230,232)、変化していなければ、CAFLAG=1
として、較正の動作を終了する(ステツプ234)。
以上の説明においては、アイドル状態において、音速ノ
ズルにより一定量の空気を導入するものとして説明して
いる。
しかしながら、較正のタイミングとしては、アイドル状
態に限らず、内燃機関の運転状態が定常状態のタイミン
グであれば較正は可能である。しかし、定常状態を一番
検出しやすく、しかも安定である点からはアイドル状態
が好ましい。
また、較正用の空気の導入法としては、音速ノズル以外
の手段でもよい。しかし、音速ノズルは、アイドル状態
の負圧を用いるものであり、簡単な構成(ソレノイドと
ノズルのみ)でしかも定量性がよい点で好ましい。
また、較正用空気の導入位置としては、空燃比検出手段
より上流の位置が当然であり、また、吸入空気量センサ
の出力に変動を及ぼさないようなセンサの下流位置であ
ることは必要であり、この条件を満す位置であればよ
い。
また、第3図および第5図に示す空燃比検出手段は、リ
ーンからリツチ域まで測定できるものであるが、理論空
燃比点を含み、リーン域のみ測定できるような検出手段
に対しても本発明は適用できる。
また、較正時、空燃比は理論空燃比に制御されているも
のとして説明しているが、これ以外の空燃比で定常運転
状態に制御されている場合でも較正することはできる。
また、スピードデンシテイ方式(吸入負圧と機関回転数
によつて吸入空気量を検出する)にあつては、排気管側
に一定空気量を導入する必要がある。
〔発明の効果〕
本発明によれば、検出器の経時変化を精度よく補正する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、空燃比検出器の一例の断面構成図であり、第
2図乃至第5図は、空燃比検出器の動作原理図であり、
第6図は、本発明の一実施例の全体システム構成図であ
り、第7図、第8図は、本発明による較正の原理説明図
であり、第9図乃至第13図は、本発明の一実施例のフ
ローチヤートおよび原理説明図であり、第14図乃至第
16図は、本発明の他の実施例の原理図およびフローチ
ヤートである。 21……エアフロメータ、25……エンジン、27……
空燃比検出器、28……駆動回路、29……マイクロコ
ンピユータ、30……音速ノズル、31……ソレノイ
ド、33……ニユートラルスイツチ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01N 27/419 7363−2J G01N 27/46 327 N 7363−2J 327 P (72)発明者 太田 忠樹 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社横浜工場内 (72)発明者 大金 宏明 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社横浜工場内 (72)発明者 大須賀 稔 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 大山 宜茂 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−184853(JP,A) 特開 昭62−140060(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の排気管に取付けられた空燃比検
    出器と、上記空燃比検出器の上流側であつて、しかも、
    内燃機関への吸入空気量検出手段の下流側の流路中へ一
    定量の酸素を供給する手段と、内燃機関の定常運転時に
    上記供給手段より一定量の酸素を供給した時の上記空燃
    比検出器の出力信号の変化量により空燃比検出器の経時
    変化を補正する手段とを備えたことを特徴とする空燃比
    検出装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の空燃比検出装
    置において、上記定常運転時は、アイドル時であり、酸
    素供給手段は、音速ノズルであることを特徴とする空燃
    比検出装置。
JP60212488A 1985-09-27 1985-09-27 空燃比検出装置 Expired - Lifetime JPH0616022B2 (ja)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP60212488A JPH0616022B2 (ja) 1985-09-27 1985-09-27 空燃比検出装置
US06/906,949 US4751907A (en) 1985-09-27 1986-09-15 Air/fuel ratio detecting apparatus for internal combustion engines
EP86112822A EP0221305B1 (en) 1985-09-27 1986-09-17 An air/fuel ratio detecting apparatus for internal combustion engines
DE8686112822T DE3675884D1 (de) 1985-09-27 1986-09-17 Luft/brennstoff-detektor fuer verbrennungskraftmaschinen.
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