JPH0642434A

JPH0642434A - 内燃機関の燃料噴射弁装置

Info

Publication number: JPH0642434A
Application number: JP28020692A
Authority: JP
Inventors: Takashige Oyama; 宜茂大山; Mamoru Fujieda; 藤枝　　護; Teruo Yamauchi; 照夫山内; Minoru Osuga; 大須賀　　稔
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-10-19
Filing date: 1992-10-19
Publication date: 1994-02-15
Anticipated expiration: 2013-07-30
Also published as: JP2782028B2

Abstract

(57)【要約】【目的】エンジンの気筒に噴射された燃料が補助空気
供給用の空気通路に流入するのを防止すると共に、空気
流による燃料噴霧の偏りの防止を図った内燃機関の燃料
噴射弁装置を提供すること。【構成】吸気管１０７に固定された噴射弁１０９のボ
ール弁１３９の下流側に空気通路１４２を複数個設け、
三方弁１３５からの空気通路１３６と連通する噴射弁本
体の外周面に環状に形成された空気通路１３７と連通さ
せ、その上下をＯリング１４１、１４１´等で密閉する
構造になっており、空気通路１４２を通って流入した空
気はノズル部１４０で燃料と混合されて吐出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の制御装置に係
り、特に火花点火機関に使用するに好適な内燃機関の制
御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の制御装置としては、排ガ
スセンサによって余剰空気を測定し、空気過剰率１以上
で燃料噴射量を修正することにより空燃比を閉ループ制
御する方式があるが、空気過剰率１未満、すなわち、リ
ッチ域の空燃比を検出するのが困難であるため、始動、
暖機運転域、出力運転域等、空気過剰率１未満の空燃比
を適正化することができない。このため、従来において
空気過剰率１未満の制御には、開ループ制御が採用され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記開ループ
制御ではエンジンの状態変化に適応できないという問題
がある。

【０００４】ここで、リッチ域の混合気の空燃比は、特
開昭５４−１５８９９２号公報に開示されているセンサ
で検出できる。また、特公昭５７−４９８６０号公報に
開示されているセンサでも検出できるが、空気過剰率が
１以上のリーン域を連続動作で測定することができな
い。前者では電圧モードへの切換、後者では電流の反転
動作が必要である。原理的には、ＣＯとＣＯ₂を測定
し、その和から空燃比を求める方法もあるが、実用的な
ものがない。

【０００５】一方、リッチ域の空燃比は、燃料の蒸発遅
れによって容易にリーン域に飛び込む。従って、空燃比
をリッチ域からリーン域の広い範囲にわたって制御する
にはこの範囲の空燃比を精度良く検出できるλセンサ
（空気過剰率センサ）が不可欠である。

【０００６】また、リッチ域の空燃比の制御は、燃料の
蒸発遅れが大きい運転域（始動時、暖機時）を対象にし
ているので、そのための空燃比センサが実現されたとし
ても従来の閉ループ制御では、ゲインを小さくしないと
ハンチングし、制御性が向上しないという問題点があ
る。

【０００７】また、単なる開ループ制御においても蒸発
に直接関連するパラメータは直接検出することができ
ず、冷却水温、吸気温で代用しているので、エンジンの
状態変化に適応できないという問題点がある。

【０００８】リッチ域の空燃比の制御性の良否は、Ｃ
Ｏ，ＨＣガスの排出量を左右するので、燃料経済性、排
気浄化性向上の大きな課題であるが、上記のような問題
点があるために現在までほとんど解決されていない。

【０００９】本発明の目的は、リッチ域からリーン域の
広い範囲にわたって空燃比を精度良く検出できるλセン
サ及びこのλセンサを用いて、エンジンの状態変化に適
応して空燃比を適正に制御できる内燃機関の制御装置を
提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、拡散抵抗を有
するポーラログラフィ式空燃比センサ（リーン域で線形
な出力が得られる）において、拡散抵抗の内部に固体電
解質を介して別途定量の酸素を送り込むことによってリ
ッチ域では、送り込まれた酸素の一部はＣＯの酸化に消
費され、排出酸素量が減少し、逆に、リーン域では送り
込まれた酸素と拡散抵抗を通る酸素の和が排出されるの
で排出酸素量が増大し、排出酸素量は空燃比に比例する
ようになり、リッチ域からリーン域の広い範囲にわたっ
て空燃比に対して線形な出力が得られることがわかっ
た。

【００１１】そこで、本発明はこのλセンサを用いて燃
料の蒸発量を求め、燃料供給量と蒸発量との差から蒸発
の時定数を求めてエンジンの状態を把握し、これによっ
て求まる補正値を用いて燃料供給量を制御することによ
って蒸発遅れを補償するようにしたものである。そし
て、蒸発の時定数が５秒程度以上になると、燃料供給量
の影響が５秒程度残っていることになり、制御性が劣化
するため、時定数をある範囲に抑えるように必要に応じ
て燃料の補助空気で微粒化したり、電気ヒータで加熱す
るようにしたものである。

【００１２】

【作用】上記構成により、燃料の揮発性が異なっていた
としても、クランキング時の初期の段階で蒸発の時定数
が自動的に求まり、これに基づいて燃料量が制御される
ので、燃料の揮発性の変化にも適応することができる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示した全体構成図
である。ここでは多気筒エンジンのうち１つのエンジン
の断面を示してある。図１において、エンジン１０１の
ピストン１０２の上下動はクランク軸１０３の回転運動
に変えられて動力として出される。

【００１４】一方、ピストン１０２の動きに応じて吸気
弁１０４および排気弁１０５は開閉し、吸気管１０７内
の空気がシリンダ１０８内に吸引され、同時に噴射弁１
０９より吸気弁１０４をめがけて燃料が噴射され、この
燃料が空気と混合されてシリンダ１０８内に充満し、ピ
ストン１０２で圧縮後、点火プラグ１０６により着火さ
れる。燃焼による排気は排気弁１０５の開弁によって排
気管１１０内に吐出される。排気管１１０には排気中の
余剰酸素濃度からエンジンに吸引され空気、燃料の比を
検出するλ（ラムダ）センサ１２４が集合部（図２参
照）に設置されている。

【００１５】またエアクリーナ１２１の下流には吸気温
度を検出する吸気温センサ１２０（熱電対、測温抵抗体
等）、吸入空気量を瞬時に検出するエアフローセンサ１
１９、絞り弁１１６の開度を検出する開度センサ１１
８、エンジン１０１の冷却水温または壁温を検出する水
温センサ１２３及びクランク軸１０３の回転角度を検出
するクランク角センサ１１１が配置され、これらのセン
サで検出した信号は全てマイクロコンピュータを内蔵し
た制御回路１１２に入力され、ここでの記憶、演算動作
によって噴射弁１０９及び点火プラグ１０６に対する開
弁時期、点火時期の駆動信号が発生される。

【００１６】エンジンに吸引された空気量Ｑａは前述の
エアフローセンサ１１９の出力信号より算出できるが、
図１に示したごとく、吸気管１０７の途上に設置した圧
力センサ１１５の出力信号とエンジン回転数すなわたク
ランク角センサ１１１の出力信号から算出することもで
きる。また吸気管１０７の吸気弁１０４の近傍には外部
より発熱量がコントロールできる発熱抵抗体１３２が埋
設され、ヒータ回路１３１でその印加電流量が制御され
ている。

【００１７】ヒータ回路１３１は制御回路１１２に結線
され、上記の各センサの出力信号に基づきエンジン始動
時には多くの電流を印加せしめ、周囲が暖機状態に達し
たら徐々に電流量が減少されるように制御回路１１２に
よって制御されている。なお、この発熱抵抗体１３２に
ついては図３で詳述する。

【００１８】また噴射弁１０９から噴射される燃料を微
粒化することがエンジン性能を向上する重要なファクタ
ーであるので、噴射弁１０９の下流側に補助空気を導き
その気流で微粒化を促進している。これについては図４
で説明する。

【００１９】図２は図１で示したセンサ類の信号および
吸排気系の概略構成を示した図である。同図において、
エアフロメータ１１９と絞り弁１１６と一体の吸気管１
０７は可とう性弾性体で形成された合成樹脂管１１７で
連結される。燃料はタンク１２５からポンプ１２７およ
びレギュレータ１２８で所定の圧力に制御されて各噴射
弁１０９，１０９′，１０９″及び１０９′′′に圧送
されている。

【００２０】図３は吸気弁１０４の近くに埋設した発熱
抵抗体１３２の具体的実施例の１つを示したもので、こ
の発熱抵抗体１３２はヒータ回路１３１で電流量が制御
される。この場合、噴射弁１０９から噴射された燃料は
発熱抵抗体１３２に直接衝突するような位置に選定する
か、吸気弁１０４のすぐ近くに別の発熱抵抗体１３２′
を埋設して液膜を形成した燃料だけを蒸発させる方式の
２通りがある。

【００２１】図４（ａ）は噴射弁１０９の下流に補助空
気を導く場合の構成図であって、絞り弁１１６の上流側
のエアフロメータ１１９の上下流に設けた取入口１３
３，１３４の下流は三方弁１３５に連結され、この三方
弁１３５で空気の取入口を選択し、連結管１３６を介し
て噴射弁１０９の下流に連結されている。ここで、上下
流の取入口１３３，１３４は始動時は補助空気量もエア
フローメータ１１９で検出してリッチな燃料を計量さ
せ、暖機後は補助空気量はエアフローメータ１１９で検
出せずに希薄混合気で運転せしめるように選択される。

【００２２】三方弁１３５は図４（ｂ）に示すように、
熱で変形する板バネ（例えばバイメタル）のレバー１３
７の先端の２個の突起部を有する弁１３８，１３８′が
低温時には開口部１３４を閉じ、高温になると開口部１
３３を閉じ、上記エアフローメータ１１９の上下流の補
助空気取入口１３３，１３４の一方を選択できるように
なっている。なお、三方弁１３５は回転電磁弁で直接回
動せしめてコントロールしてもよい。

【００２３】次に補助空気を噴射弁１０９の下流に導く
具体的構成について説明する。

【００２４】図５はその具体的構成を示した断面構成図
である。同図において、吸気管１０７に固定された噴射
弁１０９のボール弁１３９の下流側に空気通路１４２を
複数個設け、三方弁１３５からの空気通路１３６と連通
する孔１３７と導通させ、その上下をＯリング１４１，
１４１′等で密閉する構造になっており、空気通路１４
２を通って流入した空気はノズル部１４０で燃料と混合
されて吐出される。このとき、ノズル部１４０は細く絞
られておりその吐気流速が高いため、燃料は微細に微粒
化される。

【００２５】同様に図６に示すような連続燃料計量方式
の燃料供給系においても、上記の補助空気導入方法が実
現できる。図７にその実施例を示している。

【００２６】図７において、多点の燃料ノズル１４３,
１４３′,１４３″及び１４３′′′の先端を１つの空
気通路管１３６のそれぞれのノズル部１４４，１４
４′，１４４″及び１４４′′′内に挿入している。こ
の場合、燃料ノズル１４３，１４３′，１４３″及び１
４３′′′の下流部は大気圧となっている。また空気通
路管１３６は図４に示したごとくエアフローメータ１１
９の上下流の取入口１３３，１３４に連結されている。

【００２７】さらに、補助空気を導入するノズル部を拡
大して説明する。図８にその実施例を示している。

【００２８】図８において、燃料ノズル１４３，１４
３′の先端は、吸気管１０７を貫通して空気ノズル１４
４，１４４′の上流に位置している。空気ノズル１４
４，１４４′と燃料ノズル１４３，１４３′の間には空
間があり、隣り合う空間とは連通管１４５，１４５′，
１４５″で連通している。空気は空気通路１３６を介し
て連通管１４５に導入され、各空気ノズル１４４，１４
４′に向う。燃料の微粒化を促進する目的で、燃料ノズ
ル１４３，１４３′の先端部は複数個の穴１４６，１４
６′が設けてある。この構造において吸気管１０７内の
真空度が低下すると補助空気は空気通路１３６を介して
空気ノズル部に流入しなくなる。このような時はコンプ
レッサ（図示せず）または吸気振動を利用して補助空気
を導入することもある。

【００２９】次に制御系の詳細について説明する。

【００３０】コントローラ１１２、回転センサ１１１、
エアフローセンサ１１９、噴射弁１０９、ヒータ回路１
３１、バッテリ１２２は、図９のように構成されてい
る。マイクロプロセッサであるＣＰＵ３００にはそのバ
ス３２２を介してタイマー３１１、割り込み制御部３０
２、回転数カウンタ３０１、ディジタル入力ポート３０
３、アナログ入力ポート３０４、ＲＡＭ３０７，ＲＯＭ
３０８、出力回路３１０，３０９が接続されている。エ
アフローセンサ１１９、λセンサ１２４の信号は、アナ
ログ入力ポート３０４から取り込まれる。イグニッショ
ンスイッチ３２１をオンすると、バッテリ１２２からコ
ントローラ１１２に動作用の電力が供給される。なお、
ＲＡＭ３０７には常時電力が供給されている。

【００３１】イグニッションスイッチ３２１がオンされ
ると、ＲＯＭ３０８にあらかじめ記憶されているプログ
ラムに従がって図１０に示すメインルーチンが起動し、
初期化処理の後、冷却水温および吸気温の測定処理が実
行され、次に補正値Ｋの演算処理が実行される。なお、
補正値Ｋの演算処理については後述する。

【００３２】ところで、このルーチンの途中、割込み制
御部３０２が動作すると、図１１の割込み処理ルーチン
が実行される。これは、噴射弁１０９の噴射量Ｔをセッ
トするためのもので、その割込み応答処理の結果に基づ
き出力回路３０９によって噴射弁１０９が駆動される。
この場合、基本噴射量Ｔｐは、圧力Ｐ（あるいは空気量
／回転数＝Ｇａ／Ｎ）と回転数Ｎによって定まる。

【００３３】図１２は燃料の蒸発遅れによる燃料供給量
の低下を補正するための補正値Ｋの演算処理のフローチ
ャートであり、空燃比の設定値λ₀、空燃比の実測値λ
を比較し、その比較結果に応じてステップ３３１，３３
２で最適な補正値Ｋが算出される。

【００３４】ここで、この補正値Ｋの求め方を説明す
る。

【００３５】まず、シリンダに供給される燃料量Ｇｆに
対し蒸発量は液膜Ｍｆの関数であり、時定数をτとする
と、Ｍｆ／τとなる。したがって、シリンダおよび吸気
系に残る液膜Ｍｆの変化は、

【００３６】

【数１】

【００３７】となる。いま、Ｍｆ／τは、排気系に放出
され、この量は空燃比λに対しＧｅ／λとなる。ここ
で、Ｇｅは排気量、λは空燃比である。したがって、Ｇ
ｅ／λを測定すれば、Ｍｆ／τを知ることができる。ま
た、Ｍｆ＝０の状態から、Ｇｆを与えると、（１）式か
らＭｆの変化、すなわち、Ｇｅ／λを求めることができ
る。

【００３８】図１３に示すように、Ｇｆをステップ的に
時刻ｔａから増加させ、Ｍｆは一次遅れで上昇する。こ
こで、圧縮、爆発、排気行程におけるシリンダには燃料
が供給されないので、燃料Ｇｆのｔａ′の変化がｔａの
Ｍｆの変化となって現れる。したがって、燃料Ｇｆの時
間変化率は

【００３９】

【数２】

【００４０】となる。さらに、（１）式を書き換え

【００４１】

【数３】

【００４２】のごとく、１サイクル中のＭｆの変化を求
めることもできる。ここで、ＧｆΔｔは燃料噴射量とな
る。このような遅れは、時々刻々のＧｆを記録しておく
ことによって容易に補正することができる。吸気行程の
み第（１）式の蒸発が進行し、圧縮、爆発、排気行程分
遅れて、排気にその変化が現われるものと考えてもよ
い。しかし、この排気時のλの信号でＧｆをフィートバ
ック補正しても過渡時は十分な効果を上げることはでき
ない。しかしまた、定常時は、フィードバック制御する
ことができる。

【００４３】いま、実際のエンジンの時定数τがτｅの
場合、上記第（１）式は、

【００４４】

【数４】

【００４５】となる。すなわち、Ｍｆ／τｅ＝Ｇｅ／λ
であり、Ｇｅ，λを測定することによって、Ｍｆ／τｅ
を求めることができる。

【００４６】一方、図１３におけるｔｂの時点でτ＝
τ′として計算したＭｆと実際のτ＝τｅのときのＭｆ
は変化している。ここで、時刻ｔｂとｔb+1におけるＭ
ｆの変化は、

【００４７】

【数５】

【００４８】であるので、ｔ＝ｔｂにおけるＭｆ／τｅ
を与えれば、τｅを逆に求めることができる。被膜Ｍｆ
の初期値が与えられない場合は、ｔ＝ｔb+1のＭｆ／τ
ｅと連立することによってＭｆ，τｅを求めることがで
きる。

【００４９】実際には、燃料の蒸発遅れを補償するた
め、

【００５０】

【数６】

【００５１】で表される燃料量Ｇｆが供給される。ここ
で、Ｇａは空気量である。従って、これを第（４）式に
代入すると、

【００５２】

【数７】

【００５３】となる。ここで、τ＝τｅの場合は、Ｍｆ
＝τＧａ／ｔとなり、蒸発量Ｍｆ／τ＝Ｇａ／λ₀とな
る。このようにして、蒸発遅れは補償される。ここで、
τとτｅが異なる場合は、完全には補償されず、Ｍｆ／
τｅ＝Ｇａ／λとなる。また、第（４）式において、τ
が大きすぎると過補償になり、加速運転時に過濃にな
り、減速運転時に過薄になる。

【００５４】しかし、次の第（８）式において、

【００５５】

【数８】

【００５６】未知数は、Ｍｆとτｅである。従って、前
述したステップ応答の場合と同じように、λ，Ｇａを与
えることによって、Ｍｆ，τｅが求まる。これにより、
τ＝τｅとすると、補償は完全になる。そこで、第
（８）式を第（７）式に代入すると、

【００５７】

【数９】

【００５８】となる。これを変形すると、

【００５９】

【数１０】

【００６０】となる。さらに変形すると、

【００６１】

【数１１】

【００６２】となる。ここで、τｅλ₀＞τλであれ
ば、ｄＧａ／ｄｔのとき、λ＞λ₀となる。いま、第
（１１）式を変形すると、

【００６３】

【数１２】

【００６４】

【数１３】

【００６５】

【数１４】

【００６６】となり、τを修正すればτｅに近付く。そ
して第（１１）式で、τｅλ₀＝τλのときλ＝λ₀とな
る。いま、

【００６７】

【数１５】

【００６８】とすると、

【００６９】

【数１６】

【００７０】となる。λ＞λ₀のときは、Ｋを増加さ
せ、λ＜λ₀のときは、Ｋを減少させる。このようにし
て、時時刻々のτを更新することができる。

【００７１】一方、第（９）式において、

【００７２】

【数１７】

【００７３】であるので、

【００７４】

【数１８】

【００７５】となる。したがって、

【００７６】

【数１９】

【００７７】となる。このときのτｅは

【００７８】

【数２０】

【００７９】となる。ｄＧａ／ｄｔ＝０のときは、ｄλ
／ｄｔの値でτｅが求まる。このとき、

【００８０】

【数２１】

【００８１】となる。τにＫを乗じると、τｅとなり、
このτｅをτとすると、補償は完全になる。このように
して、λを測定することによって、τｅ，Ｍｆが求ま
り、一方、τ→τｅに補正することによって、補償も完
全になる。

【００８２】このような方法によれば、補正値Ｋをエン
ジンの状態によって更新することができるので、燃料噴
射量の補償が完全になる。これに対して従来の方法で
は、補正値Ｋを冷却水温、吸気温度で一義的に定めてい
たので、冷却水通路、シリンダ壁面の付着物による蒸発
遅れの変化に対応することができず、したがって、エン
ジンの失火を防止するために燃料噴射量が濃い目に補償
され、ＣＯ，ＨＣガスの増大を招いていた。

【００８３】しかし、本発明は、着火時の空燃比が具体
的にはλ₀＝１２〜１５の範囲になるので、ＣＯ，ＨＣ
ガスは増加せず、また失火も生じない。そして、爆発行
程、排気行程で、液膜は不完全燃焼し、その一部は、排
気に持ち去られ、この分だけ第（１）式の被膜Ｍｆは減
少する。したがって第（１）式のＭｆ／τは、これを加
味したものとなる。しかし、この一部が圧縮終りの混合
気となる。このような場合には、λ₀を例えば１２以下
にしておけばよい。また、爆発、排気行程で半分の燃料
が蒸発する場合は、例えばλ₀＝６にセットする。この
ようにすると、圧縮行程終りのλは１２に制御される。

【００８４】ところで、第（１）式におけるτを短縮す
るために、エンジンおよび吸気系を強制的に電気ヒータ
で加熱する場合がある。このときは、Ｇｆによってτが
変化する。また加熱面の温度が一定の場合は、τ＝一定
となる。シリンダ、ピストンの壁面の温度がある値、例
えば、１５０℃になれば、蒸発速度が速くなり、電気ヒ
ータによる加熱は不要となる。いま、実質的なτｅを把
握することによってヒータの電流を加減すれば、ヒータ
電流の消費を節約することができる。ちなみに従来のヒ
ータ電流は、冷却水温等で制御していたので、エンジン
の暖機状態に無関係で大量の電力を消費していた。

【００８５】始動時、燃料を電気ヒータで完全に蒸発し
ておけば、クランキングの最初に着火することができ
る。そしてその後の燃焼によってシリンダ、吸気弁、ピ
ストン等が温められるが、熱容量の関係で温度は徐々に
上昇する。これに応じてτも徐々に変化する。この温度
上昇は、冷却水温の上昇速度より早いが、従来はこれを
測定することができなかった。

【００８６】これに対し、本発明ではτｅを測定してい
るので、間接的に温度を求めていることになり、冷却水
温で補正値を定めるのに比べて効果的である。また、潤
滑油の希釈度も少ない。

【００８７】なお、燃料の一部は、噴射ノズルやインジ
ェクタから噴射され、瞬時に気化する。これは第（１）
式のＭｆには関係がない。この部分の燃料は補正するこ
とはない。これは、単に補正値Ｋをそれに見合って変更
すればよいだけである。

【００８８】さて、λの検出は、上述のλセンサ１２４
によって行われる。排気行程において、最初は燃焼ガス
が、また終り頃にクエンチ域のＨＣガスが排出される。
これが完全に混合すると、平均的なλを与える。このλ
とＧａとの積が蒸発燃料である。これには、爆発、排気
行程で気化した燃料も含まれる。

【００８９】これに対し、初期のλ₀とＧａの積は、着
火時の混合気である。このλ₁を求めて、補正値Ｋを求
めることもできる。

【００９０】一方、着火可能空燃比の燃料が形成されて
も、圧縮時の温度が低い場合は点火プラグで着火するこ
とができない。このとき可燃混合気が排気系に放出され
る。この時、λセンサが過熱していると、この混合気に
着火し、アフターバーニングによって触媒が破損するの
で、ヒータの温度は９００℃以下に抑えられる。

【００９１】また、エンジンのクランク軸が車輪軸に接
続されていない場合あるいはシリンダ壁温が低い場合
は、燃焼速度を確保するため、λ₀＝１１〜１２にセッ
トする。このとき、排気に空気を導入し、ＣＯ，ＨＣガ
スを酸化することもできる。その後、車輪軸に接続さ
れ、シリンダ壁温が高くなってきた場合は、λ₀＝１４.
７にセットし、３元触媒作用によってＨＣ，ＣＯ，ＮＯ
ガスを浄化する。完全に壁温が高くなった場合は、λ₀
＝２２程度にセットし、燃料経済性を高める。本発明に
おいては、λ₀のセットは任意である。τｅの変化によ
ってλ₀のセットを変更することができ、これは水温等
でセット点を変えるよりはエンジンの実際の状態に最も
適合している。

【００９２】また、絞り弁が全開付近においては、λ₀
＝１１〜１２の出力混合比にセットする。従来は脈動の
影響でセット点に合致することは困難であったが、本発
明ではλのフィードバック制御によってセット点に合致
させることができる。例えば、絞り弁開度に応じてλ₀
をセットするようにする。これによって、円滑なトルク
の上昇が可能である。蒸発燃料が変化してもλを正しく
セットすることができる。

【００９３】次に、λセンサについて説明する。

【００９４】図１４は本発明に用いるλセンサの実施例
を示す図である。このλセンサは排気管２０１に絶縁体
２１０を介して取り付けられる。電解質２０４は袋管状
でその内面には大気が導入されている。また内面には計
測電極の＋側２０９と酸素供給電極の−側２０７が設け
られている。電解質２０４の外面は多孔質の拡散抵抗体
２０３を介して排ガスに連通している。この電解質２０
４の外面には計測電極の−側２０８酸素供給電極の＋側
２０６が設けられている。拡散抵抗体２０３の外側には
ガード２０２があり、このガード２０２には拡散抵抗体
２０３のすき間に対して充分大きな窓２０２ａがあり、
この窓２０２ａを排ガスが通過する。このガード２０２
は拡散抵抗体２０３からの輻射放散を防止してλセンサ
の放熱量を少なくし、電解質２０４の内室に設置したヒ
ータ２０５の容量を小さくする役目も果している。

【００９５】図１５は袋管状の電解質２０４を平面に展
開して電極の形状を示したものであり、ここでは酸素供
給電極の＋側２０６、計測電極の−側２０８を示してお
り、この裏面に酸素供給電極の−側２０７、計測電極の
＋側２０９が同じように設置され、それぞれ一対の電極
を構成している。

【００９６】図１６はλセンサの動作を説明するための
等価回路図である。図１６において、電解質２０４の内
面には酸素供給電極の−側２０７、拡散抵抗体２０３側
（外面）には＋側２０６が対向して設置されており、ま
た計測電極の＋側２０９は内面に、−側２０８は外面に
設置されている。この酸素供給電極２０６，２０７と計
測電極２０８，２０９は交互に設置されている。今計測
電極２０８，２０９に電流Ｉｓが流れるとｑｓの酸素量
が拡散抵抗体より大気に排出される。

【００９７】一方拡散抵抗体２０３には排ガス中の濃度
に比例してｑｅの酸素が流入し、ｑｓとｑｅが釣り合う
Ｉｓが排ガスのλ値に比例している（図１７のＩｐ＝
０）。この場合λ＞１が測定範囲である。ここで図１６
の酸素供給電極２０６，２０７に電流Ｉｐを流すと、電
流方向がＩｓと逆向きであるために酸素がＩｐに比例し
て大気室より拡散抵抗体２０３に流入する。そのため、
拡散抵抗体２０３にはｑｐ＋ｑｅ（λ＞１）が流入す
る。そこで拡散抵抗体２０３から大気室に排出する酸素
量ｑｓが多くなるためＩｓが大きくなる。このような状
態で排ガスのλがλ＜１となると排ガスより拡散抵抗体
２０３に流入するｑｅはＣＯとなり、ｑｐと反応して２
ＣＯ＋Ｏ₂＝２ＣＯ₂となり、ＣＯに比例して（λに比
例）Ｏ₂を消費するため、λに比例してＩｓが小さくな
り、λ＜１でも測定できる。以上のように一定電流Ｉｐ
を流して一定量の酸素を拡散抵抗体２０３に供給するこ
とによりλ＜１でもλを正確に測定できる。

【００９８】一方、λ＜１以下では排ガス中にはＣＯガ
スとＨＣガスが発生している。一般にＨＣガスは水性反
応で２ＨＣ＋２Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋２ＣＯとなるが高温（９
００℃以上）では熱分解によりＨとＣに分解する。この
場合２Ｃ＋２Ｏ₂＝２ＣＯ₂の反応はより高温にする必要
（１１００℃）があり、この熱分解を防止して水性反応
のみとするには拡散抵抗体２０３の温度を９００℃以下
にすることが有効である。

【００９９】一方、電解質２０４は５００℃以下になる
と酸素ポンプ作用が低下するために加熱温度は５００〜
９００℃が適当である。

【０１００】図１８は電解質２０４に設置する計測電極
と酸素供給電極の設置位置の関係に応じた実験結果を示
すグラフである。電解質２０３には同一面に計測電極の
＋側２０９と酸素供給電極の−側２０７が設置されるた
め、電流Ｉｓは酸素供給電極の−側２０７にも流れる。
そのため、これら両電極をどのようにずらすかは測定性
能に影響する。図１８（ｂ）はこの場合の測定方法を図
示したものであり、ここでは電解質２０４の厚さをｔ、
電極間隔をｌとしたときのＩ₁とＩ₂を測定した。図１８
（ａ）はその結果を示すグラフであり、横軸はｔ／ｌ、
縦軸はＩ₁／Ｉ₂で示している。図１８（ａ）においてｔ
／ｌ＝１ではＩ₁＝Ｉ₂となる。また、Ｉ₁／Ｉ₂＝１の点
でｔ／ｌが大きくなるとＩ₁／Ｉ₂は大きくなり、ｔ／ｌ
が小さくなるとＩ₁／Ｉ₂は小さくなる。これは、ｔ／ｌ
が大きくなるとｔに関する抵抗がｌの抵抗より小さくな
り、Ｉ₁≫Ｉ₂となるためである。このため、ｔ／ｌ＞
１.５であればよい。

【０１０１】図１９は電極の取り付け構造の他の実施例
を示す図であり、このような構造にすることにより電極
の取り付けが楽になり、コストを下げることができる。

【０１０２】図２０は、λセンサの更正方法を示すフロ
ーチャートである。同図において、時間割込ルーチンが
開始されると、まず吸入空気量が算出され、次に目標空
燃比の設定が行われる。

【０１０３】次に、基本燃料噴射時間Ｔ₀が算出され、
続いてλセンサの目標出力値Ｉ₀が算出され、この後、
スロットルスイッチがオンであれば、現在回転数がリカ
バリー回転数Ｎより大きいか否かが判定され、大きい場
合は減速中であることになるので燃料カットが行われ
る。次に、燃料カットによって排ガス中の酸素濃度が大
気濃度に近づくために必要な時間が経過したかどうかが
判定され、一定時間経過していれば補正係数α＝Ｉｂ／
Ｉａが算出される。次に燃料噴射処理が行われ、割込み
ルーチンを終了する。

【０１０４】一方、スロットルスイッチがオンしていな
い場合や現在回転数がリカバリー回転数Ｎより小さい時
には燃料カットを終了し、Ｉ₀＝αＩ₀を算出し、次にＩ
ｓ＞Ｉ₀か否かを判定しＩｓ＞Ｉ₀の場合は噴射時間Ｔを
Ｔ₀＋γと補正し、Ｉｓ＜Ｉ₀の場合はＴ₀−βと補正す
る。また、Ｉｓ＝Ｉ₀の場合はＴ＝Ｔ₀とする。

【０１０５】図２１は拡散抵抗体２０３の目づまりによ
る経時変化の様子を示したものである。正常の場合記号
Ｉａで示す出力特性となりＯ₂≒２０％ではＩｓ＝Ｉａ
となる。ここで拡散抵抗体２０３が経時変化すると、Ｏ
₂≒２０％で記号Ｉｂで示す特性となりα＝Ｉｂ／Ｉａ
を求めた後αＩ₀を求めることにより正常な値に補正で
きる。この拡散抵抗体２０３の目づまりはＯ₂＝０（λ
＝１）の場合は拡散抵抗体２０３を介しての酸素又はＣ
Ｏガスの出入がないため、Ｉｓを変化させない。しか
し、λ＜１ではＣＯガスの流入が制限されるため、Ｋ＜
Ｋ′となる。そのためλ＜１では基本噴射時間Ｔ₀より
β時間少なくする必要がある。

【０１０６】図２２はλセンサの他の実施例を示す等価
回路図である。電極２１２と２１１とを電解質２０４に
取付け、拡散抵抗体２０３を配置したもので、図２３を
用いてその動作を説明すると、電流Ｉｐを一定時間流す
とｑｐの酸素量が大気室より拡散抵抗体２０３に流入す
る。ここで電流Ｉｐの供給を停止してその逆方向に電流
Ｉｓを流すとｑｓの酸素量が拡散抵抗体２０３から大気
室に流入する。そこでｑｓ≒ｑｐ＋ｑｅとなると、拡散
抵抗体２０３の酸素がほぼなくなり起電力Ｖｓが発生す
る。そこで、この起電力信号で電流Ｉｓを停止して電流
Ｉｐを流す。このようにすればＩｓの流れる時間（ｔ
ｓ）が排ガスのλに比例することになり、一対の電極で
もλを測定できる。

【０１０７】図２４はλセンサのさらに他の実施例を示
す図である。同図において、このλセンサは排気管２０
１に絶縁体２１０を介して保持されている。電解質２０
４は板状で構成され、その両面には電極２１１，２１２
が設けられている。電極２１１は絶縁体２１０とで大気
室を構成し、電極２１２は拡散抵抗体２０３におおわれ
ている。そして、この拡散抵抗体２０３内にはヒータ２
０５が配置されている。このように電解質２０４を板状
にすることにより電極の設置が容易になる。

【０１０８】図２５はλセンサの他の実施例を示す図で
ある。板状の電解質２０４Ａ，２０４Ｂにはそれぞれ電
極２０６，２０７，２０８，２０９が設けられている。
また、絶縁体２１０と電極２０６，２０８の間に拡散室
２２０が形成され、拡散抵抗を有する通路２２１から排
ガスが流入する構造によっている。また電極２０７，２
０９の間は大気室を形成し、ここにはヒータ２０５が設
置されている。このように計測用セルの電解質２０４Ａ
と酸素供給用セルの電解質２０４Ｂを設けることによ
り、電極２０６，２０７，２０８，２０９の設置がより
容易になる。

【０１０９】図２６は始動時の燃焼状態を示す模式図で
ある。燃焼行程でシリンダ２３１内をピストン２３０が
下降すると、拡散燃焼により燃焼範囲２３７は燃焼ガス
で充満される。しかし、シリンダ２３１やピストン２３
０、吸気弁２３４の近傍は低温のために液状燃料２３８
が存在し、その付近は高濃度の未燃ガスで充たされたも
のとなる。ここで、排気弁２３５が開くと排気管２３２
には図２７に示すように排気弁近くの未然ガスがまず排
出されるのでλは小さいが、その後燃焼ガスが排出され
るようになるためにクランク角の増加と共にλは大きく
なる。この燃焼ガスが排出されている間はλはあまり変
化しないが、その後シリンダ２３１、ピストン２３０近
くの未然ガスが排出されるようになると、再びλは小さ
くなる。そのため、λセンサ２４０は実線のような出力
信号を送出する。このλセンサ２４０の出力を排気行程
中において単純に平均化すると点線で示した排ガス平均
値のような出力信号となる。

【０１１０】しかし、燃焼ガスが排出されている時の排
ガスλはこの排ガス平均値より特に始動時において大き
くなる。この燃焼ガスのλが実際の仕事に変換される空
燃比であるため、この値を使用して燃料量を制御する必
要がある。そのため、始動時は燃焼ガスが排出されてい
る時期だけ、λセンサの信号をサンプリングする必要が
ある。このサンプリングの時期は排気行程の中間（図２
７では９０°付近）が好ましい。

【０１１１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、エンジンの状態変化や燃料の性状の変化にかか
わらず、空燃比を精度良く検出し、かつ適正に制御でき
るため、内燃機関の排気浄化性、燃料経済性を向上させ
ることができる優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料供給量を制御する機構の実施例を示す図で
ある。

【図２】燃料供給量を制御する機構の実施例を示す図で
ある。

【図３】燃料供給量を制御する機構の実施例を示す図で
ある。

【図４】燃料供給量を制御する機構の実施例を示す図で
ある。

【図５】燃料供給量を制御する機構の実施例を示す図で
ある。

【図６】燃料供給量を制御する機構の実施例を示す図で
ある。

【図７】燃料供給量を制御する機構の実施例を示す図で
ある。

【図８】燃料供給量を制御する機構の実施例を示す図で
ある。

【図９】空燃比の補正制御を行なう手段の構成およびフ
ローチャートを示す図である。

【図１０】空燃比の補正制御を行なう手段の構成および
フローチャートを示す図である。

【図１１】空燃比の補正制御を行なう手段の構成および
フローチャートを示す図である。

【図１２】空燃比の補正制御を行なう手段の構成および
フローチャートを示す図である。

【図１３】空燃比の補正制御を行なう手段の構成および
フローチャートを示す図である。

【図１４】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図１５】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図１６】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図１７】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図１８】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図１９】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図２０】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図２１】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図２２】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図２３】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図２４】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図２５】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図２６】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【図２７】λセンサの構成および動作原理の説明図であ
る。

【符号の説明】

１０１エンジン１０７吸気管１０９噴射弁１１１クランク角センサ１１２制御回路１１９エアフローセンサ１２０吸気温センサ１２３水温センサ１２４ λセンサ２０４固体電解質

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年１１月１８日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】内燃機関の燃料噴射弁装置

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の燃料噴射弁
装置に係り、特に火花点火機関に使用するに好適な内燃
機関の燃料噴射弁装置に関する。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の内燃機関の燃料噴射弁装
置としては、実開昭59-131575号公報に記載された発明
がある。この燃料噴射弁装置は空気−燃料噴射口の方へ
広がる錐面に形成された通路に空気通路を開口するよう
に構成されている（図７）。そのため、空気流速が最大
となるのは、空気通路の出口である。この空気通路の出
口で燃料と衝突し、燃料を微粒化する。燃料は、空気と
衝突後、通路が円錐状に形成されているために、その流
速が下降し、広がりながら空気−燃料噴射口から噴射さ
れる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】本発明は、エンジンの気筒に噴射された燃
料が補助空気供給用の空気通路に流入するのを防止する
と共に、空気流による燃料噴霧の偏りの防止を図った内
燃機関の燃料噴射弁装置を提供することを目的とする。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の内燃機関の燃料
噴射弁装置は、エンジンの運転状態に応じてエンジンの
気筒に燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射弁装置におい
て、噴射弁本体の外周面と該噴射弁本体を吸気管に取り
付ける取付部材との間に環状に形成された空気通路と、
燃料供給路を開閉する弁体と燃料を噴射するノズル部と
を連通する燃料通路の軸線に対してほぼ対称にかつ該軸
線の前記弁体側とのなす角度が９０度より小さくなるよ
うにその一端が前記燃料通路に連通し、他端が前記環状
空気通路に連通するように形成された複数の空気通路と
を有し、前記環状空気通路を介して前記燃料通路に燃料
を微粒化するための補助空気を供給するように構成した
ことを特徴とするものである。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】

【作用】上記構成の内燃機関の燃料噴射弁装置において
は、噴射弁本体の外周面と該噴射弁本体を吸気管に取り
付ける取付部材との間に補助空気供給用の空気通路を環
状に形成するように構成されているので燃料噴射弁を吸
気管に取り付ける際に穴合わせが容易になる。また燃料
供給路を開閉する弁体と燃料を噴射するノズル部とを連
通する燃料通路の軸線に対してほぼ対称にかつ該軸線の
前記弁体側とのなす角度が９０度より小さくなるように
その一端が前記燃料通路に連通し、他端が前記環状空気
通路に連通するように複数の空気通路を形成するように
したので燃料の空気通路への流入が防止されると共に、
燃料噴射の偏りを防止することができる。更に、燃料噴
射の偏りを防止することができるので噴射された燃料の
周囲に空気層ができ、燃料の壁面付着が少なくなる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１１１】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、噴
射弁本体の外周面と該噴射弁本体を吸気管に取り付ける
取付部材との間に環状に形成された空気通路と、燃料供
給路を開閉する弁体と燃料を噴射するノズル部とを連通
する燃料通路の軸線に対してほぼ対称にかつ該軸線の前
記弁体側とのなす角度が９０度より小さくなるようにそ
の一端が前記燃料通路に連通し、他端が前記環状空気通
路に連通するように形成された複数の空気通路とを有
し、前記環状空気通路を介して前記燃料通路に燃料を微
粒化するための補助空気を供給するように構成したの
で、上記複数の空気通路の配置を自由に構成でき、設計
の自由度が大きくなる。また間欠的に噴射される燃料が
上記複数の空気通路に流入せず、噴霧の噴出状態が安定
する。更に燃料流に対して空気が対称に衝突し、かつ燃
料流に対して空気流が鋭角的に衝突するため燃料流が偏
らず、微粒化が良好となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大須賀稔茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リーン領域からリッチ領域まで連続的に
空燃比を測定するλセンサと、このλセンタの出力信号
によって燃料の蒸発遅れに起因する燃料供給量の補正値
を求め、この補正値によって燃料供給量を制御する制御
手段とを具備したことを特徴とする内燃機関の制御装
置。
【請求項２】 λセンサは中間領域に面する固体電解質
の表面に交互に配置された酸素送り込み用電極、排出用
電極を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内
燃機関の制御装置。