JPH09329575A - 内燃機関の空燃比検出装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比検出装置

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JPH09329575A
JPH09329575A JP8144552A JP14455296A JPH09329575A JP H09329575 A JPH09329575 A JP H09329575A JP 8144552 A JP8144552 A JP 8144552A JP 14455296 A JP14455296 A JP 14455296A JP H09329575 A JPH09329575 A JP H09329575A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 寒冷地や酷暑地でも正確かつ高精度に空燃比
を検出する内燃機関の空燃比検出装置を提供する。 【解決手段】 機関１０の排気系に配設される固体電解
質からなる空燃比センサ２０、空燃比センサ２０に電圧
を印加すると共にその固体電解質に流れる電流を検出し
検出した電流の大きさに比例する出力を発生する空燃比
センサ回路３０、空燃比センサ回路３０の出力に基づい
て空燃比を検出する空燃比検出手段４０、内燃機関１０
の前回運転停止時の第一冷却水温thwgと今回運転始動時
の第二冷却水温thw との温度差が所定温度以上であると
きに空燃比センサ２０が非活性状態であると判断する活
性状態判断手段Ａ、空燃比センサ２０が非活性状態であ
ると判断されたときの空燃比センサ回路３０の出力値に
基づいて空燃比センサ回路３０の出力値の空燃比に対す
る誤差を補正する出力誤差補正手段Ｂ、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の空燃比検
出装置に関し、特に寒冷地や酷暑地でも内燃機関の空燃
比を正確かつ高精度に検出する空燃比検出装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関（以下機関と記す）の排気系に
配設され機関の排気ガスから機関の空燃比を検出しその
検出した空燃比に比例した出力を発生するリニア型の空
燃比センサが知られている。この空燃比センサを用いた
空燃比フィードバック制御装置は、空燃比センサの出力
に対応する機関の空燃比を算出するマップを予め台上試
験（ベンチテスト）で作成し、作成したマップを記憶手
段に格納し、このマップと実機に使用される空燃比セン
サの出力とから機関の空燃比を算出し、機関の空燃比が
例えば排気ガスを最も浄化する理論空燃比となるように
フィードバック制御を行っている。
【０００３】しかしながら、ベンチテストに使用される
マップを作成する空燃比センサ出力を処理するための処
理回路（以下簡単のため空燃比センサ回路と呼ぶ）と実
機に使用される空燃比センサ回路とはそれぞれ異なるも
のであることから実機で検出される機関の空燃比は正確
とならない。
【０００４】しかるに、空燃比センサ回路における出力
誤差を補正し、以て、空燃比を正確かつ高精度に検出し
ようとする技術が提案されている（特願平７−１２３２
５参照）。この技術は、空燃比センサ非活性時の空燃比
センサ回路からの出力値が理論空燃比に対応する出力値
に等しいことに着目し、このときの出力値を理論空燃比
に対応する出力値とし、この出力値に基づき空燃比を求
める際に出力誤差の補正を行うものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記提案
（特願平７−１２３２５）の技術においては、機関運転
始動時の冷却水温thw により、例えば thw≦３０°Ｃの
とき、機関冷間状態すなわち空燃比センサが非活性状態
であると判断しているが、寒冷地の場合には thw≦３０
°Ｃであっても、空燃比センサが活性状態の場合があり
誤補正が生じる虞があり、一方、酷暑地の場合には thw
＞３０°Ｃであっても、空燃比センサが非活性状態の場
合があるにも係わらずこのときには補正の機会が殆どな
いという虞がある。
【０００６】それゆえ本発明は前記問題を解決し、すな
わち寒冷地や酷暑地でも空燃比センサの非活性状態を正
確に判断して空燃比センサ回路の固体差による出力誤差
を補正し、内燃機関の空燃比を正確かつ高精度に検出す
る内燃機関の空燃比検出装置を提供することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】図１は本発明の基本ブロ
ック構成図である。本図において本発明の空燃比検出装
置１を破線で囲んで示す。前記目的を達成する本発明に
よる内燃機関の空燃比検出装置は、内燃機関１０の排気
系に配設され電圧を印加すると電流を発生する固体電解
質からなる空燃比センサ２０と、その空燃比センサ２０
に電圧を印加すると共にその固体電解質に流れる電流を
検出しその検出した電流の大きさに比例する出力を発生
する空燃比センサ回路３０と、その空燃比センサ回路３
０の出力に基づいて空燃比を検出する空燃比検出手段４
０と、を備える内燃機関の空燃比検出装置において、内
燃機関１０の前回運転停止時の第一冷却水温thwgと今回
運転始動時の第二冷却水温thw との温度差が所定温度、
例えば３０°Ｃ以上であるときに、空燃比センサ２０が
非活性状態であると判断する活性状態判断手段Ａと、空
燃比センサ２０が非活性状態であると判断されたときの
空燃比センサ回路３０の出力値に基づいて空燃比センサ
回路３０の出力値の空燃比に対する誤差を補正する出力
誤差補正手段Ｂと、を備えたことを特徴とする。
【０００８】本発明による内燃機関の空燃比検出装置の
作用を以下に説明する。排気系に設けられた固体電解質
からなる空燃比センサ２０に空燃比センサ回路３０が電
圧を印加すると、空燃比センサ２０に空燃比に応じた電
流が生じる。空燃比センサ回路３０は上記電流の大きさ
に比例した出力を発生させ、空燃比検出手段４０によ
り、例えば予め記憶手段に格納した空燃比センサ回路３
０の出力値に対する空燃比のマップから、その出力値に
対応する内燃機関１０の空燃比を読み取る。一方、活性
状態判断手段Ａにより、内燃機関１０の前回運転停止時
の第一冷却水温thwgと今回運転始動時の第二冷却水温th
w との温度差が所定温度、例えば３０°Ｃ以上であると
きに、空燃比センサ２０は非活性状態であると判断さ
れ、このときの空燃比センサ回路３０の出力値に基づい
て空燃比センサ回路３０の固体差による出力値の空燃比
に対する誤差が出力誤差補正手段Ｂにより補正される。
また、この空燃比センサの活性判別は、機関冷却水の冷
却速度と空燃比センサの冷却速度との関係に着目し、機
関冷却水の温度低下量が所定値以上となれば、空燃比セ
ンサの温度も大きく低下し、空燃比センサが非活性状態
に至ったものと判断して行っている。空燃比センサ回路
３０の出力値の空燃比に対する誤差が出力誤差補正手段
Ｂにより補正された後、その補正値に応じて内燃機関１
０の空燃比が空燃比検出手段４０、例えば上記マップか
ら求められ、求められた空燃比が目標空燃比、例えば理
論空燃比となるように内燃機関１０の運転状態に応じた
燃料噴射量が燃料噴射量算出手段５０により算出され、
その燃料噴射量を内燃機関１０へ供給する空燃比制御が
実行される。
【０００９】
【発明の実施の形態】図２は本発明による実施例の概略
構成図である。先に図１を用いて説明した空燃比検出手
段４０、燃料噴射量算出手段５０、活性状態判断手段Ａ
および出力誤差補正手段Ｂは、電子制御ユニット（以下
ＥＣＵと記す）６０により後述するルーチンを実行する
ことにより達成される。ＥＣＵ６０は、デジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バスを介して相互に接続され
た図示しないＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯ
Ｍ（リードオンリメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッ
サ）、第１入力インターフェイス回路、第２入力インタ
ーフェイス回路、および出力インターフェイス回路を具
備する。第２入力インターフェイス回路にはセンサ類か
らのアナログ信号がＡ／Ｄコンバータ（図示せず）を介
して入力される。機関１０の冷却水温thw は図示しない
機関１０のエンジンブロックに埋設された水温センサ７
０により検出され、水温センサ７０は機関水温に比例し
たアナログ電圧を出力する。このアナログ電圧はＥＣＵ
６０内のＡ／Ｄコンバータに入力され、デジタルデータ
に変換される。また、出力インターフェイス回路内の１
つの駆動回路が燃料噴射弁８０に接続され、燃料噴射量
算出手段５０により算出された燃料噴射量に相当する噴
射時間だけクランク角センサ（図示せず）の入力信号に
応じた噴射時期に燃料噴射弁８０を開弁する。
【００１０】図３は機関始動直後の空燃比センサ回路の
出力波形を示す図である。本図において横軸は時間、縦
軸は空燃比センサ回路の出力電圧を示す。時刻ｔ0 に機
関を始動すると空燃比センサ回路と空燃比センサとにバ
ッテリーから電圧が印加され、空燃比センサ回路の出力
電圧は時刻ｔ0 の０ボルトから急激に上昇し、例えば３
２msec後の時刻ｔ1 には３．３ボルトになる。空燃比セ
ンサ回路の出力電圧は、空燃比センサが非活性状態であ
る間は３．３ボルトで一定であるが、やがて空燃比セン
サが半活性状態になると図示するように３．３ボルトを
中心にして低い周波数で振幅するようになり、空燃比セ
ンサが活性状態になると同じく３．３ボルトを中心にし
て高い周波数で振幅するようになる。前述したように空
燃比センサが発生する出力電流は空燃比センサが検出す
る排気ガスの空燃比が理論空燃比のときまたは空燃比セ
ンサが非活性状態のときに０となるので、空燃比センサ
が非活性状態のときの空燃比センサ回路の出力電圧を読
み取ればこの空燃比センサが理論空燃比の機関の排気ガ
スを検出したときの空燃比センサ回路の出力電圧すなわ
ちストイキ電圧が検出できる。後述するように本発明に
よるストイキ電圧は、例えば時刻ｔ0 から６４０msec後
の時刻ｔ2 までの間３２msec毎に空燃比センサ回路の出
力電圧をサンプリングして求めている。
【００１１】図４は空燃比センサ回路の出力に対応する
機関の空燃比の変換マップを示す図である。本図におい
て横軸は空燃比センサが検出する機関の空燃比ＡＢＦ、
縦軸は空燃比センサ回路の出力電圧vaf を示す。本図は
空燃比センサ回路の出力に対応する機関の空燃比を算出
するために予めベンチテストで作成した変換マップの特
性曲線を太い実線で示す。この変換マップを作成するデ
ータは予めベンチテストにより標準の空燃比センサと標
準の空燃比センサ回路とを用いて測定して求め、記憶回
路ＲＯＭに記憶される。本図において破線で描かれる曲
線は次のように作成される真の空燃比センサ回路の特性
曲線である。先ず空燃比センサ回路の出力電圧vaf が実
機の機関に設けられた空燃比センサと空燃比センサ回路
とを用いて測定したストイキ電圧vafstgでありかつ空燃
比が理論空燃比１４．５である点Ｓをプロットする。次
ぎに太線で示される変換マップの特性曲線上の理論空燃
比１４．５に対応する点ＭＳをプロットし、この点に対
応する空燃比センサ回路の出力電圧をＶＡＦＭＳとす
る。次ぎに変換マップの特性曲線に沿ってvafstg−ＶＡ
ＦＭＳだけ縦軸方向にシフトさせた点を複数箇所プロッ
トしてそのプロットした点を破線で結んで真の空燃比セ
ンサ回路の特性曲線を作成する。実機で測定される空燃
比センサ回路の出力電圧vaf はこの破線で示す特性曲線
と一致する。したがって空燃比センサ回路の出力電圧va
f を読み取り、vaf −（vafstg−ＶＡＦＭＳ）を演算し
てvaf を更新し、更新したvaf に対応して予めベンチテ
ストにより作成した変換マップの特性曲線上の空燃比を
読み取ればそのときの実機の機関の空燃比が算出でき
る。
【００１２】図５と図６は本発明による実施例の空燃比
センサのストイキ学習処理ルーチンを示すフローチャー
トである。このフローチャートは本発明により実機に用
いられる空燃比センサおよび空燃比センサ回路に応じた
ストイキ電圧を学習するルーチンに相当する。本発明の
活性状態判断手段は主としてステップ１０５〜１０７の
実行により、出力誤差補正手段は主としてステップ１０
９〜１２６の実行により遂行される。このルーチンは機
関の所定クランク角、例えば１８０°ＣＲ毎または所定
時間、例えば３２msec毎に実行可能であるが、実施例で
は３２msec毎に実行する。先ず、ステップ１０１では、
イグニションスイッチがオフからオンに切り替わったか
否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ
１０２へ進み、ＮＯのときはステップ１２７へ進む。ス
テップ１０２では、初期設定０の始動フラグＳＴＦＬＧ
を１にセットしてステップ１０３へ進む。ステップ１０
３では、始動フラグＳＴＦＬＧが１にセットされたか否
かを判別し、ＳＴＦＬＧ＝１のときはステップ１０４へ
進み、ＳＴＦＬＧ＝０のときはステップ１２７へ進む。
ステップ１０４では、機関が始動したか否かを機関のク
ランク角度を検出するクランク角センサの出力信号から
算出される機関の回転数ＮＥが４００ＲＰＭを越えたか
否かにより判別し、ＮＥ≧４００ＲＰＭのときは機関は
始動したと判断してステップ１０５へ進み、ＮＥ＜４０
０ＲＰＭのときはステップ１２７へ進む。
【００１３】次にステップ１０５では、後述するストイ
キ学習禁止フラグxvafstg が０にリセットされたか否か
を判別し、その判別結果がＹＥＳのときはストイキ学習
が許可されたものとみなしステップ１０６へ進み、ＮＯ
のときはストイキ学習が禁止されたものとみなしステッ
プ１２７へ進む。ステップ１０６では、前回運転停止時
にＲＡＭに記憶された冷却水温学習値thwgが所定温度、
例えば６０°Ｃ以上であったか否かを判別し、その判別
結果がＹＥＳのときは前回運転停止時の冷却水温は空燃
比センサが活性状態であったことを示すものとみなしス
テップ１０７へ進み、その判別結果がＮＯのときは前回
運転停止時の冷却水温は空燃比センサが非活性状態であ
ったことを示すものとみなしストイキ学習を実行しない
ステップ１２７へ進む。
【００１４】次いでステップ１０７では、機関のエンジ
ンブロックに埋設され機関の温度を検出する水温センサ
から読み取られた冷却水温thw と冷却水温学習値thwgと
から空燃比センサの活性状態を判定する。すなわち冷却
水温thw がthw ≦thwg−３０か否かを判別する。これは
今回運転始動時の冷却水温thw が前回運転停止時の冷却
水温thwgより３０°Ｃを越えて低下したか否かを判別す
ることに相当する。前回運転停止後今回運転始動までに
十分時間が経過した場合、冷却水温thw は冷却水温学習
値thwgより３０°Ｃを越えて低下し、このときは空燃比
センサの温度も低下して非活性状態になったとみなす。
従って、ステップ１０７の判別結果がＹＥＳのときは空
燃比センサが非活性状態であると判定しステップ１０８
へ進み、ＮＯのときは空燃比センサが活性状態であると
判定してステップ１２７へ進む。このように、本処理は
機関冷却水の冷却速度と空燃比センサの冷却速度との関
係に着目し、機関冷却水の温度低下量が所定値以上とな
れば、空燃比センサの温度も大きく低下し、空燃比セン
サが非活性状態に至ったものと判断できるという思想に
基づく。
【００１５】次にステップ１０８では、イグニションス
イッチがオフからオンに切り替わった後における空燃比
センサ回路の出力の読み取り回数をカウントする読取カ
ウンタcvafadが所定回数、例えば２０未満か否かを判別
し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ１０９へ進
みＮＯのときはステップ１２７へ進む。このカウンタの
設定値を２０とすることにより、本ルーチンの処理周期
は３２msecであるのでイグニションスイッチがオフから
オンに切り替わった後６４０msec経過したか否かが判断
できる。イグニションスイッチがオフからオンに切り替
わった後６４０msec経過するまでは、今回処理周期の空
燃比センサ回路の出力値vaf がステップ１０９において
は空燃比センサ最大出力値vafmaxより大きいか否かを判
別し、ステップ１１１においては空燃比センサ最小出力
値vafminより小さいか否かを判別する。ステップ１０９
の判別結果、vaf ＞vafmaxのときvafmaxはvaf に置き換
えられ、vaf ≦vafmaxのときはステップ１１１へ進んで
上記空燃比センサ最小出力値vafminとvaf の比較を行
う。ステップ１１１の判別結果、vaf ＜vafminのときva
fminはvaf に置き換えられ、vaf ≦vafmain ときはステ
ップ１２１へ進む。
【００１６】次に、ステップ１２１では読取カウンタcv
afadを１だけカウントアップし、ステップ１２２へ進
む。ステップ１２２では、読取カウンタcvafadがカウン
ト設定値２０と一致したか否か、すなわち今回処理周期
がイグニションスイッチがオフからオンに切り替わった
後丁度６４０msec経過する処理周期であるか否かを判別
し、その判別結果がＹＥＳのときのみステップ１２３〜
１２７のストイキ学習値演算処理を実行し、その判別結
果がＮＯのときはステップ１２８へ進む。
【００１７】次に、ステップ１２３では、空燃比センサ
最大出力値vafmaxが最大許容値Kmaxの範囲内か否かを判
別し、vafmax≦Kmaxのときは許容範囲内とみなしステッ
プ１２４へ進み、vafmax＞Kmaxのときは許容範囲外とみ
なしステップ１２７へ進む。ステップ１２４では空燃比
センサ最小出力値vafminが最小許容値Kminの範囲内か否
かを判別し、vafmin≧Kminのときは許容範囲内とみなし
ステップ１２５へ進み、vafmin＜Kminのときは許容範囲
外とみなしステップ１２７へ進む。空燃比センサ最大出
力値vafmaxおよび空燃比センサ最小出力値vafmin共に許
容範囲内と判定された後、ステップ１２５では空燃比セ
ンサ出力の最大値と最小値の中央値vafav を次式にて算
出する。 vafav ＝（vafmax＋vafmin）／２
【００１８】次いで、ステップ１２６では、ストイキ学
習値vafstgを次式にて算出する。 vafstg＝vafstg＋（ vafav−vafstg）／４ 次いで、ステップ１２７ではストイキ学習禁止フラグxv
afstg を１にセットする。本実施例では、空燃比センサ
の最大許容値Kmaxは標準のストイキ電圧３．３Ｖに０．
０５を加算した３．３５Ｖ、最小許容値Kminは標準のス
トイキ電圧３．３Ｖに０．０５を減算した３．２５Ｖと
し、空燃比センサ最大出力値vafmaxおよび空燃比センサ
最小出力値vafminの初期値はそれぞれ順にKmin（３．２
５Ｖ）、Kmax（３．３５Ｖ）または０Ｖ、５Ｖとする。
また、ストイキ学習値vafstgの初期値は標準値である
３．３Ｖとする。
【００１９】ステップ１２８では、イグニションスイッ
チがオンからオフに切り替わったか否かを判別し、その
判別結果がＹＥＳのときはステップ１２９へ進み、ＮＯ
のときはステップ１４１へ進む。ステップ１２９では初
期設定０の始動フラグＳＴＦＬＧを０にリセットし、次
いでステップステップ１３０ではストイキ学習禁止フラ
グxvafstg を０にリセットし、次いでステップステップ
１３１では読取カウンタcvafadを０にリセットし、次い
でステップ１３２ではその処理周期に読み取られた機関
水温、すなわち機関運転停止時の機関の冷却水温thw を
冷却水温学習値thwgに取り込み、ステップ１４１へ進
む。
【００２０】図７は本発明による実施例の空燃比検出ル
ーチンを示すフローチャートである。本発明の空燃比検
出手段はステップ１４２を実行することにより遂行され
る。このフローチャートは本発明により実機に用いられ
る空燃比センサおよび空燃比センサ回路に応じて空燃比
を算出する変換マップを校正するルーチンに相当する。
先に図５と図６を用いて説明した空燃比センサのストイ
キ学習処理ルーチンを実行して得られたストイキ学習値
vafstgに基づき空燃比は以下のように検出される。先
ず、ステップ１４１ではステップ１２６で求めた実機の
空燃比センサのストイキ電圧に相当するストイキ学習値
vafstgと、基準の空燃比センサと基準の空燃比センサ回
路により予めベンチテストで求めた変換マップ上の例え
ば理論空燃比１４．５に対応する基準の空燃比センサ回
路の出力電圧ＶＡＦＭＳと、今回検出した空燃比センサ
回路の出力電圧vaf とから次式により空燃比センサ回路
の出力電圧vaf を校正して求めステップ１４２へ進む。 vaf ＝vaf −（vafstg−ＶＡＦＭＳ）
【００２１】ステップ１４２ではステップ１４１で校正
して求めた空燃比センサ回路の出力電圧vaf に対応する
機関の空燃比を図４に示される変換マップに基づき算出
する。これは図４に実線で示されるベンチテストで予め
作成した変換マップの特性曲線をvafstg−ＶＡＦＭＳだ
け今回検出した空燃比センサ回路の出力電圧vaf に対し
てシフトして図４に破線で示される特性曲線を求めるこ
とに相当する。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように本発明の空燃比検出
装置によれば、寒冷地や酷暑地でも空燃比センサの非活
性状態を正確に判断して空燃比センサ回路の固体差によ
る出力誤差を補正し、内燃機関の空燃比を正確かつ高精
度に検出する内燃機関の空燃比検出装置を提供すること
ができる。また本発明の装置により検出した空燃比に基
づいて機関の燃料噴射量を制御することにより機関の排
気ガスの浄化性を向上することができる。また本発明の
空燃比検出装置によれば、実機の空燃比センサ回路の出
力特性に応じて機関の運転中に変換マップを校正するの
で実機の出荷時にマップを校正する工程を不要とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成図である。
【図２】本発明による実施例の概略構成図である。
【図３】機関始動直後の空燃比センサ回路の出力波形を
示す図である。
【図４】空燃比センサ回路の出力に対応する内燃機関の
空燃比の変換マップを示す図である。
【図５】本発明による実施例の空燃比センサのストイキ
学習処理ルーチン前半部を示すフローチャートである。
【図６】本発明による実施例の空燃比センサのストイキ
学習処理ルーチン後半部を示すフローチャートである。
【図７】本発明による実施例の空燃比検出ルーチンを示
すフローチャートである。
【符号の説明】
１…空燃比検出装置 １０…内燃機関 ２０…空燃比センサ ３０…空燃比センサ回路 ４０…空燃比検出手段（マップ） ５０…燃料噴射量算出手段 Ａ…活性状態判断手段 Ｂ…出力誤差補正手段

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排気系に配設され電圧を印加
    すると電流を発生する固体電解質からなる空燃比センサ
    と、その空燃比センサに電圧を印加すると共にその固体
    電解質に流れる電流を検出しその検出した電流の大きさ
    に比例する出力を発生する空燃比センサ回路と、その空
    燃比センサ回路の出力に基づいて空燃比を検出する空燃
    比検出手段と、を備える内燃機関の空燃比検出装置にお
    いて、 前記内燃機関の前回運転停止時の第一冷却水温と今回運
    転始動時の第二冷却水温との温度差が所定温度以上であ
    るときに前記空燃比センサが非活性状態であると判断す
    る活性状態判断手段と、 前記空燃比センサが非活性状態であると判断されたとき
    の前記空燃比センサ回路の出力値に基づいてその空燃比
    センサ回路の出力値の空燃比に対する誤差を補正する出
    力誤差補正手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関
    の空燃比検出装置。
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