JPH07317583A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンジンの排気ガス中の酸素濃度を検出する
酸素センサのエンジン始動後の活性化を確実に判定し、
早期に空燃比のフィードバックを開始することのできる
エンジンの空燃比制御装置を提供する。 【構成】 エンジン始動検出部１８にてエンジン始動が
検出されると、電圧印加部２０により酸素センサ１０に
所定の電圧が印加される。酸素センサ１０に流れる電流
を電流検出部２２により検出する。この検出電流はエン
ジンの燃焼サイクルによる酸素濃度の変動により変動
し、酸素センサの温度が上昇するにしたがって、検出電
流の振幅が大きくなる。この振幅が所定値以上となった
ことにより、活性化の判定を行う。これによって、酸素
センサの活性化を確実に判定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエンジンの空燃比を制御
する空燃比制御装置に関し、特に排気中の酸素濃度を検
出する酸素センサの活性化の判定に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車は居住地域で使用されることが多
く、居住環境に及ぼす影響などが従来より着目されてお
り、特に自動車に搭載されたエンジンからの排気ガスの
成分に対しては、法的規制が従来よりなされている。し
かしながら、時代とともにより環境に優しい、すなわち
排気ガス中の有害成分がより少ないエンジンが求められ
てきている。

【０００３】すなわち、従来は始動直後のエンジンの回
転を安定化するためや、或いは触媒の活性化を早めるた
めに、始動後、エンジン本体あるいは触媒が暖機される
まで理論空燃比よりリッチな空燃比に制御していたが、
排気ガスの浄化を図るために始動直後からエンジンの空
燃比を理論空燃比に制御することが検討されている。

【０００４】自動車用のガソリンを燃料とするエンジン
の排気浄化システムにおいて、現在最も一般的なシステ
ムは排気ガスを三元触媒コンバータに導き、排気ガス中
の主な有害成分とされる窒素酸化物、一酸化炭素および
炭化水素を同時に処理するものである。すなわち、窒素
酸化物は還元し、一酸化炭素と炭化水素は酸化して処理
する。しかしながら、この三元触媒は、排気中に酸素が
過不足なく存在する場合にのみ酸化と還元作用の双方が
行われるという特性があり、このためエンジンに供給す
る吸入混合気の空燃比を常に理論空燃比付近に制御する
必要がある。この空燃比制御を行うために、排気ガス中
の酸素濃度を監視して、常にこれをフィードバックし
て、燃料供給量が決定される必要がある。この排気ガス
中の酸素濃度を検出するために、排気マニフォールドま
たは排気管に酸素センサが設けられている。

【０００５】この酸素センサは、ジルコニアなどのセン
サ素子が所定の温度まで上昇しないと活性化せず、所定
の出力が得られない。この特性のために、従来の空燃比
制御装置においては、エンジン始動直後はこの酸素セン
サによるフィードバック制御を行わず、酸素センサが活
性化すると思われる時間を予め設定し、この時間が経過
した後、フィードバック制御を行っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように酸素セン
サが活性化する時間は予め設定された値であり、その時
点での活性化を判定しているものではない。したがっ
て、実際には十分に活性化された状況にあっても、前記
の設定時間が経過しなければ、フィードバック制御が開
始しない。したがって、この間は十分な排気ガスの浄化
作用を期待することはできない。さらに、前記の設定時
間が経過しても酸素センサが活性化していない場合、酸
素濃度が薄い（リーン）と判断され、フィードバック制
御によって必要以上に酸素濃度が濃い（リッチ）状態で
制御され、一酸化炭素および炭化水素の排出量が増大す
ることとなる。これを防止するために、前記の酸素セン
サが活性化したと見なす設定時間は十分に長く設定され
る必要があり、前記のフィードバック制御が行われない
時間がさらに長くなる。

【０００７】したがって、酸素センサが活性化すると見
なされる時間が経過するまでは、フィードバック制御が
行われず、この間排気ガスの浄化が十分に行われていな
いという問題があった。

【０００８】このため、酸素センサの活性化を実際に検
出する方法として、酸素センサの出力が所定値を越える
と活性化したと判断する方法がある。これは、酸素セン
サが活性化していない状態では空燃比がリッチ／リーン
に係わらず酸素センサに起電力は発生しないが、活性化
してくるとリッチ時に酸素センサに起電力が発生するよ
うになる。エンジンの始動後空燃比を理論空燃比に制御
していると、加速増量を行うか、或いは燃焼が不安定に
なって一時的リッチな状態にならない限り、酸素センサ
が活性化しているにもかかわらず酸素センサは低レベル
の電圧しか出力しないので、活性化の検出が遅れること
になる。

【０００９】そこで、空燃比がリッチであっても、ある
いはリーンであっての酸素センサの活性化を検出するこ
とを目的とした技術が、特開平１−２８０６５０号公報
に開示されている。この特開平１−２８０６５０号公報
には、エンジン始動直後に酸素センサに所定の電圧を高
抵抗を介して酸素センサの出力端に印加して、この所定
の電圧の上下に二つの判定値を設け、酸素センサの出力
がこの判定値を上回るまたは下回ると活性化を判定する
装置が開示されている。しかしながら、実際に酸素セン
サが活性化しても、上記の二つの判定値の間にセンサ出
力が納まれば、活性化の判定ができないという問題があ
る。また、酸素センサに印加する電圧と判定値は別個に
設定されるものであり、印加電圧が何らかの原因で所定
の電圧からずれた場合など、活性化判定が早まったり遅
れたりするという問題があった。

【００１０】本発明は前述の問題点を解決するためにな
されたものであり、酸素センサの活性化を確実に検出す
ることを目的とする。さらに、前記の活性化検出に基づ
き早期にフィードバック制御を開始可能なエンジンの空
燃比制御装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明にかかるエンジンの空燃比制御装置は、酸
素センサの両端の電位差を一定に保つように電圧を印加
する電圧印加手段と、前記酸素センサの出力電流を検出
する電流検出手段と、前記検出された酸素センサの出力
電流の振幅が所定値を越えた場合に酸素センサが活性化
したと判定する活性化判定手段とを有している。

【００１２】さらに、本発明にかかる他のエンジン空燃
比制御装置は、酸素センサが活性化しているときはエン
ジンの空燃比を所定の空燃比にフィードバック制御し、
前記酸素センサが活性化していないときは、エンジンの
空燃比を所定の空燃比にフィードフォワード制御し、さ
らに、エンジン始動後に酸素センサの両端に電位差を一
定に保つように電圧を印加する電圧印加手段と、前記酸
素センサの出力電流を検出する電流検出手段と、前記検
出された酸素センサの出力電流の振幅が所定値を越えた
場合に酸素センサが活性化したと判定する活性化判定手
段と、前記酸素センサの活性化が判定された場合に、前
記酸素センサに対する電圧印加を停止し、空燃比のフィ
ードバック制御の開始を指示するフィードバック制御開
始指示手段とを有してる。

【００１３】

【作用】本発明は以上のような構成を有しており、その
両端の電圧が一定に保たれるように電圧を印加された酸
素センサから出力される電流が、燃焼サイクルに伴う酸
素濃度の変動に応じて変動する振幅を監視することによ
り、酸素センサの活性化を判断することができる。すな
わち、前記酸素センサの出力電流の振幅が所定値以上と
なった場合に酸素センサが活性化したと判定する。

【００１４】さらに、この酸素センサの活性化判定を基
にエンジン始動後のフィードバック制御の開始を指示す
ることにより、そのときのエンジンや酸素センサの状態
に応じたフィードバック制御開始時期を判断することが
可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明にかかる好適な実施例を図面に
したがって説明する。

【００１６】図１には、本実施例の装置の構成ブロック
図が示されている。酸素センサ１０は、電圧が印加され
ない場合、その雰囲気の酸素濃度に応じて、図２に示す
ような、出力特性を有する。すなわち、雰囲気中に酸素
が存在する場合は出力電圧はほぼＬｏｗレベルを示し、
酸素が存在しない場合はほぼＨｉｇｈレベルを示す。そ
して、この境界付近すなわち理論空燃比（約１４．６）
付近では、出力信号が急峻に変化しており、この信号を
基に燃料供給量の制御が行われている。すなわち、理論
空燃比よりリッチ状態である（Ｈｉｇｈ）であると判断
された場合、燃料供給量を減少させて空燃比をリーン方
向に動かす制御を行う。逆に、理論空燃比よりリーン状
態（Ｌｏｗ）であると判断された場合、燃料供給量を増
加させてリッチ方向に制御する。この酸素センサを用い
れば、排気ガス中の酸素濃度を敏感に検出することがで
き、非常に精度良く空燃比を理論値に制御することがで
きる。したがって、三元触媒コンバータが効率良く酸化
・還元の両反応を行うことができる。

【００１７】したがって、酸素センサ１０が活性化され
ているエンジンの通常運転時には、この酸素センサ１０
の出力を電圧検出部１４で検出された空燃比信号に基づ
き空燃比制御部１６により吸入混合気の空燃比が制御さ
れる。

【００１８】また、酸素センサはその素子両端の電位差
が一定になるように電圧を印加した状態でセンサに流れ
る電流を検出すると、図３に示すような出力特性が得ら
れる。すなわち、図２の電圧を印加しない場合の理論空
燃比付近での急峻な出力変化とは異なる、空燃比にほぼ
比例した特性が得られる。したがって、理論空燃比付近
以外の運転領域においても、排気ガス中の酸素濃度を検
出することができる。

【００１９】図４には、図１のブロック図の内、電圧印
加部２０、電流検出部２２、電圧検出部１４、出力切換
部１２で構成するセンサ信号処理部の回路図が示されて
いる。図４において、電圧印加部２０は４個の演算増幅
器３１〜３４と１個のアナログスイッチ３５で構成され
ている。前記演算増幅器３１、３３は共にその正側入力
端子に入力される信号Ｖ_ST、Ｖ_DAの電力増幅を行い、前
記正側入力端子に入力される信号と同じ電圧の信号をそ
の出力端子に出力する。

【００２０】演算増幅器３４は減算回路を構成し、前記
信号Ｖ_STとＶ_DAの差である信号（Ｖ_ST−Ｖ_DA）を出力端
子に出力する。この信号（Ｖ_ST−Ｖ_DA）は酸素センサ１
０の負側の端子に印加される。演算増幅器３２とアナロ
グスイッチ３５は、電圧のフィードバック回路を構成
し、アナログスイッチ３５のインヒビット端子３５ａに
“０”信号が入力されているときに演算増幅器３２の出
力電圧がそのままアナログスイッチ３５の出力端子に出
力されるので、演算増幅器３２の働きによりこの演算増
幅器３２の負側の電圧すなわち前記酸素センサ１０の正
側の出力端子の電圧を、演算増幅器３２の正側の電圧
（Ｖ_ST）に一致させるようフィードバックが掛かる。前
記アナログスイッチ３５のインヒビット端子３５ａに
“１”信号が入力されている場合は演算増幅器３２の出
力信号はこのアナログスイッチ３５で遮断され、フィー
ドバックは掛からない。

【００２１】抵抗Ｒ_L は電流検出部１４を構成し、酸素
センサ１０に流れる電流Ｉ_L に比例した電圧（Ｒ_L ＊Ｉ
_L ）を発生させる。

【００２２】電圧検出部１４は演算増幅器３６で構成さ
れ、その正側入力端子に入力される電圧すなわち酸素セ
ンサ１０の正側出力端子の電圧と同じ電圧の信号を出力
端子に出力する。

【００２３】出力切換部１２はマルチプレクサ３７で構
成され、切換端子３７ａに入力される信号の“０”／
“１”に対応して抵抗Ｒ_L の電圧／演算増幅器３６の出
力電圧のいずれかを出力する。

【００２４】ここで、まず、酸素センサ１０に電圧を印
加させずに理論空燃比よりリッチかリーンかを検出する
λセンサとして使用する場合について説明する。この場
合、演算増幅器３３の正側入力端子に０ボルトを入力し
（Ｖ_DA＝０）、アナログスイッチ３５のインヒビット端
子３５ａ及びマルチプレクサ３７の切換端子３７ａに
“１”信号を入力する。そうすると酸素センサ１０の負
側端子の電位はＶ_STとなる。アナログスイッチ３５は入
出力間を遮断するので電圧フィードバック回路は構成さ
れず、酸素センサ１０の正側端子には負側端子の電位Ｖ
_STにこの酸素センサ１０の起電力Ｖ０₂ を加算した電位
（Ｖ_ST＋Ｖ０₂ ＝Ｖ_L ）が現れる。この出力信号Ｖ_L は
電圧検出部１４を介して、出力切換部１２の出力端子に
出力される。前記酸素センサ１０の起電力Ｖ０₂ は図２
に示す波形となる。

【００２５】次に、酸素センサ１０の両端の電位差を一
定の値Ｖ_DAに保つように電圧を印加して空燃比に応じて
略リニアに変化する信号を出力するリーンセンサ（或い
は全域Ａ／Ｆセンサ）として使用する場合について説明
する。この場合、演算増幅器３３の正側入力端子に所定
の電圧（Ｖ_DA）を入力すると共に、アナログスイッチ３
５のインヒビット端子３５ａ及びマルチプレクサ３７の
切換端子３７ａには“０”信号を入力する。そうすると
酸素センサ１０の負側端子の電位Ｖ_OFはＶ_ST−Ｖ_DAにセ
ットされる。また、アナログスイッチ３５はその入出力
間が導通状態になっており、演算増幅器３２の作用で酸
素センサ１０の正側端子の電位は演算増幅器３２の正側
入力端子の電位Ｖ_STと同じ電位にフィードバック制御さ
れる。従って、酸素センサ１０の両側の電位差はＶ_DAに
維持されることになる。この時酸素センサ１０に流れる
電流Ｉ_L は、図３に示すようになり、空燃比に対応して
略リニアに変化する、抵抗Ｒ_L の電位Ｖ_L は、Ｖ_L ＝Ｖ
_ST＋Ｒ_L ＊Ｉ_L となり空燃比に対応して略リニアに変化
する。このように、酸素センサ１０に電圧を印加してい
る場合は、この信号Ｖ_L ＝Ｖ_ST＋Ｒ_L ＊Ｉ_L がマルチプ
レクサ３７から図１の活性化判定回路部２４及び空燃比
制御部１６に供給される。

【００２６】本装置においては、エンジンの始動直後の
酸素センサの活性化判断を図３に示される酸素センサの
特性を利用して行う。以下、エンジン始動直後の酸素セ
ンサの活性化判断に関して述べる。

【００２７】まず、エンジン始動検出部１８によって、
エンジン始動が検出されると、酸素センサ１０の両端の
電位差が所定の値になるように電圧印加部２０により酸
素センサ１０に印加される。しかしながら、この時点で
は、酸素センサ１０の温度はまだ低温であり、活性化し
ていない。したがって、センサの出力は雰囲気の酸素濃
度の影響は受けず、電流検出部２２より検出される電流
は初期出力電流Ｉ₀ で一定の値を示すので、出力切換部
１２から出力されるセンサ信号Ｖ_L は図５に示される初
期出力電流Ｉ₀ で一定の値を示す。エンジンが運転を始
めると、エンジンの燃焼サイクルに対応して、排気ガス
中の酸素濃度が変動する。そして、排気ガスにより酸素
センサ１０が熱せられ活性化してくると、この酸素濃度
の変動により、酸素センサ１０の出力電流Ｉが変動を始
める。この変動は、酸素センサ１０の活性化が進むに伴
って、その振幅が大きくなる。したがって、空燃比のフ
ィードバック制御をするために十分な程度に活性化され
たときの振幅Ｋが検出されたかに基づき酸素センサ１０
の活性化を判定することができる。この判定を行うのが
活性化判定部２４である。活性化の判定がなされると、
電圧印加部２０に電圧の印加を停止する指示、および出
力切換部１２に電圧検出部１４の出力を空燃比制御部１
６および活性化判定部２４に送出する指示が行われる。
この時点が図５の時刻ｔ₁ である。

【００２８】以降の酸素センサ１０の出力電圧は前述の
図２に示した出力特性に従い、図５に示すように変化す
る。そして、前述の通常運転時の制御に基づき空燃比の
制御が行われる。

【００２９】図６には、本装置の制御フローが示されて
いる。エンジンが始動すると、活性化判定ルーチンが実
行される。まず、酸素センサが活性化しているかが判断
される（Ｓ１００）。この判断は、活性化フラグＸＯ２
が立っているか否かにより行われる。活性化フラグＸＯ
２は、後述する条件に基づき活性化が判断された場合に
立てられる。この活性化フラグが立っていないと判断さ
れると、酸素センサ１０に所定の電圧が印加される（Ｓ
１０２）。そして、酸素センサ１０の出力値ＬＮＳＲが
読み込まれる（Ｓ１０４）。そして、今回のセンサ出力
値ＬＮＳＲと前回までのセンサ出力値の最小値ＬＮＳＲ
Ｏとの差の絶対値ΔＬＮＳＲが算出される（Ｓ１０
６）。さらに、この出力値の差ΔＬＮＳＲが所定の値Ｋ
より大きいかが判断される（Ｓ１０８）。この所定値Ｋ
は前述した酸素センサが十分に活性化したと考えられる
センサ出力の変動幅である。出力値の差ΔＬＮＳＲが所
定値Ｋより大きくないと判断されると、センサ活性化フ
ラグは立てられない（Ｓ１１０）そして、今回検出され
たセンサ出力値ＬＮＳＲが前回までのセンサ出力の最小
値ＬＮＳＲＯと比較され（Ｓ１１２）、センサ出力最小
値ＬＮＳＲＯ未満の場合は、新たに、今回検出された出
力値ＬＮＳＲがセンサ出力最小値ＬＮＳＲＯとして書き
替えられる（Ｓ１１４）。また、ステップＳ１１２に
て、今回の出力値ＬＮＳＲが最小値ＬＮＳＲＯより以上
であると判断された場合は、書き替えを行わず現状のま
まステップＳ１１０の戻る。

【００３０】また、ステップＳ１０８にて、センサ出力
値ＬＮＳＲが所定値のしきい値Ｋより大きい場合、前述
の活性化フラグＸＯ２が立てられる（Ｓ１１６）。そし
て、酸素センサ１０への電圧の印加が停止され（Ｓ１１
８）、ステップＳ１００に戻る。このとき、ステップＳ
１１６にて活性化フラグＸＯ２が立てられているので、
酸素センサのフィードバックルーチンＳ１２０へ移行す
る。

【００３１】以上、本装置によれば酸素センサの作動状
態を直接検出することによって、酸素センサの活性化を
判定することができる。したがって、環境条件に左右さ
れずに、実際に活性化したら直ちにフィードバック制御
を開始することができる。たとえば、厳寒期にはエンジ
ンも酸素センサも暖機に時間が必要であり、比較的活性
化に要する時間も長くなり、一方夏期には活性化までの
時間が短いが、いずれの場合にも活性化後直ちにフィー
ドバック制御が開始できる。また、酸素センサが活性化
しないうちにフィードバック制御が開始されることがな
い。

【００３２】また、エンジン停止後それほど時間が経っ
ておらず、まだ酸素センサが十分に暖まった状態のとき
には、冷えた状態からの始動に比べて早期に活性化する
が、これにも対応して、活性化後直ちにフィードバック
制御を開始することができる。

【００３３】さらに、燃焼サイクルにより変動する酸素
センサの出力の振幅を検出し活性化の判定を行うので、
初期検出値Ｉ₀ がずれても活性化判定に影響が及ばな
い。

【００３４】さらに、暖機運転時の空燃比がどのように
設定されても活性判定を行うことができる。すなわち、
前記公報においては、活性化すると初期不活性域からリ
ッチ域またはリーン域に出力が移行することが前提とさ
れているが、初期不活性域すなわち理論空燃比付近で空
燃比制御される場合には、センサ出力はこの不活性域に
止まることになり、活性化の判定をすることができな
い。一方、本装置においては、前述のように出力値の振
幅に着目しているので確実に活性化の判定を行うことが
できる。

【００３５】以上、本装置によれば、酸素センサの活性
化判定を確実に行うことができるので、早期に空燃比の
フィードバック制御を開始することができ、排気ガスの
浄化作用をより高めることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電圧を印
加した酸素センサから出力される電流の燃焼サイクルに
伴う酸素濃度の変動に応じた変動の振幅により酸素セン
サの活性化を判断することができる。すなわち、前記出
力電流の振幅が所定値以上となった場合に酸素センサが
活性化したと判定される。これにより、酸素センサの活
性化時期を確実に把握することができ、より早期に空燃
比のフィードバック制御を行い、効率良く排気ガスの浄
化を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる好適な実施例の構成を示すブロ
ック図である。

【図２】酸素センサの出力特性の一例であり、特にセン
サに電圧を印加しない場合の出力特性図である。

【図３】酸素センサの出力特性の一例であり、特にセン
サに所定の電圧を印加した場合の出力特性図である。

【図４】図１のブロック図の中の一部の回路図である。

【図５】酸素センサに所定の電圧を印加した場合のエン
ジン始動後のセンサ出力の一例を示す図である。

【図６】本実施例の装置の制御フローを示すフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１０ 酸素センサ ２０ 電圧印加部 ２２ 電流検出部 ２４ 活性化判定部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気ガス中の酸素濃度を酸素センサによ
   り検知し、空燃比を所定の空燃比にフィードバック制御
   するエンジンの空燃比制御装置において、 前記酸素センサの両端の電位差を一定に保つように電圧
   を印加する電圧印加手段と、 前記酸素センサの出力電流を検出する電流検出手段と、 前記検出された酸素センサの電流の振幅が所定値を越え
   た場合に酸素センサが活性化したと判定する活性化判定
   手段と、 を有することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 【請求項２】 排気ガス中の酸素濃度を酸素センサによ
   り検知し、この酸素センサが活性化している時はエンジ
   ンの空燃比を所定の空燃比にフィードバック制御し、前
   記酸素センサが活性化していない時はエンジンの空燃比
   を所定の空燃比にフィードフォワード制御するエンジン
   の空燃比制御装置において、 エンジン始動後に前記酸素センサの両端の電位差を一定
   に保つように電圧を印加する電圧印加手段と、 前記酸素センサの出力電流を検出する電流検出手段と、 前記検出された酸素センサの出力電流の振幅が所定値を
   越えた場合に酸素センサが活性化したと判定する活性化
   判定手段と、 前記酸素センサの活性化が判定された場合に、前記酸素
   センサに対する電圧印加を停止し、空燃比のフィードバ
   ック制御の開始を指示するフィードバック制御開始指示
   手段と、 を有することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。