JPS58105014A - エンジンの空燃比測定装置 - Google Patents

エンジンの空燃比測定装置

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JPS58105014A
JPS58105014A JP56204779A JP20477981A JPS58105014A JP S58105014 A JPS58105014 A JP S58105014A JP 56204779 A JP56204779 A JP 56204779A JP 20477981 A JP20477981 A JP 20477981A JP S58105014 A JPS58105014 A JP S58105014A
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oxygen
voltage
air
fuel ratio
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JP56204779A
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Takeshi Kitahara
剛 北原
Masaaki Uchida
正明 内田
Kimitake Sone
曾根 公毅
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として自動車エンジンの排気中の酸素濃度を
検出することにより、吸入混合気の空燃比を測定する装
置の改良に関1vる。
エンジンの排気中の酸素a度は、吸入混合気の空燃比と
密接な相関関係をもっており、理論空燃比J−りも薄い
混合気を機関に供給すると、排気中には燃焼に関与しな
い酸素が希薄状態に応じて存在するし、逆に濃い混合気
を供給したときは燃料の燃焼に必要な酸素が不足するの
で排気中の酸素はほどんど皆無になる。
したがって、排気中の酸素濃隘を検出りることにより、
結果的に空燃比を判別することが可能と−2− なるのてあり、ぞこでJJI気系に酸素セン4ノを取り
何+1 、機関に供給する混合気の空燃化を理論空燃比
に正確にフィードバック制御覆るようにした空燃比制御
1Rが提案された。
とくに、ごの空燃比制御1R回は、す1気中のl−I 
C。
COなと未燃物質を酸化する機能と、NOxを還元覆る
機能とを併有する三元触媒を備える場合に不可欠であっ
て、三元触媒の作動点である理論空燃比となるように排
気の総合空燃比を制御し、エンジンから排出される有害
成分の大幅なid減を実現】るもので゛ある。
口の酸素′a磨を測定するセンサとして、理論空燃比を
境として出力特性が急激に変化し、すなわち、月1気中
に酸素が含まれるか否かによって出力電圧が鋭・(〜γ
らあがる特性をもつ酸素センサが本出粕人によって開発
されており、このうち、とくにセンサーが薄い膜j(Q
で゛あって、内部に基準酸素電極を〜bつヒータ付き膜
構造型酸素センサは、−1−常に小型で高性能であるた
め、現在、広範囲に利用されコニうとしている。
−3− いj:、例えば特ff)][If−154164191
号などに開示されているこの酸素セン(Jについて、第
1図へ・第3図によ−)て説明りる。
第1図において、排気ガスの流入する小孔1を備λたル
ーバ2の内部にセンサ本体3が設置され、センサ本体3
からヒータ用リード線4、センサ用リード線5及びアー
ス用リード線6が取り出されている。各リード線4〜6
はムライ1へ絶縁筒7、充填剤8等によってホルダ10
に対して絶縁さね、二Iネタタ9まで到達ゴる。このじ
−タ(J M素pンリのうちの先端部分、tなわら△−
八へ 線からh側の部分のみが1」1気管に挿入される
。第2図Δ。
Bはl?ンリ本体3の拡大図であ−)で、下部アルミナ
基板12ど下部アルミナ基板13との間に後述する固体
電解質16の活着を促ずために加熱する白金線ヒータ1
4(ヒータ用リード線4及びアース用リード線6に接続
)が設置され−Cいる。また土部アルミナ基板12の上
に基準酸素極15(センサ用リード1ItA5に接続>
l粟イΔン電導1’tの固体電解質16、白金電極(酸
素測定極)17(アー  4 − 一ス用リード#6に接続)が順次病状に構成されている
そし゛(、暴tfll!索4U 15 、固体電解質1
6及び白金N極17を保護層18が覆っている。なお保
護層18は、白金電極17等を有効に保護しかつ排気ガ
ス中のM素分子が容易に通過できる程度の細孔が多数存
在1−るものであり、例えばカルシウム、ジル1ネート
の粉体をブラズン溶射して作る。
このようなヒータ付酸素セン十)においては、セン1ブ
周囲の被検ガス中((j1気ガス)の酸素分圧と基準酸
素極15の酸素分圧との比較により、被検ガス中のM索
濃度を検出すなわち、比較酸素濃度に応じ゛C固体電解
質16が大きな起電力を発生するが、この際基準酸素極
15に、被検ガス側から基準となる酸素を供給する必要
がある。このために、逆に白金電極17から基準酸素極
15へ上記固体電解質16に電流を流すこ、とにJ、す
、被検ガス中から酸素イオンを取り込む性質を利用し、
セン4」−用リード線5〈+側)とアース用リード線6
(−側)どの間に微小電流を流すことにより、被検が−
  5 − ス側に含まれるFi!素イAンを基11!−11!I極
15に取り込み、基準酸素極15のN素分圧を、はぼ一
定に保つJ、うに構成されている。
第53図は、このようなヒータ(=3酸素セン4Jに対
1)てヒータ電圧及びセンサー流し込み電流を制御−す
る回路を示すものである。19は12V電源、20はヒ
ータ付酸素センサーのヒータ部(第2図の14に相当)
21(よヒータ伺き酸素センサのセンサ部(w12図の
15〜17に相当)、22はエンジンの運転状態を検知
し制御する制御回路で、エンジンの回転速度、燃利噴躬
のパルス幅、吸入室気早、吸入負圧、絞り弁開度等の情
報から、高負荷運転状態であるか、その他の中、低負荷
運転状態であるかを判別して端子23から出ノJづる。
まずヒータ電圧について言えば、高負旬運転のど2\は
端子23がハイレベルどなり、トランジスタ24は轡通
しC1−ランジスタ25がOFFとなる1゜従ってこの
高負荷時には酸素センサヒータ部20へは、電源19か
らの電圧が抵抗26を介して印加され、これにより高排
気温時にヒータ発熱量を−〇  − 減じてセン号素子部の過胃温を防ぐ。これに対しで中、
低負荷運転時には、端子23からの出力はローレベルど
41す、1〜ランジスタ24がOFFとなり、1ヘラン
ジスタ25のベース電位はハイインピーダンスとなって
導通する。このため、電源19のYi圧は、1〜ランジ
スタ25を経由する分と、抵抗26を経由する分に分流
されるが、双方ともヒータ部20へ印加される。このた
めヒータ発熱量は高負荷運転時よりも増大し、エンジン
負荷の小さい低排気温時においても、酸素センサが充分
作#Jづるようセン号素子部の温度を^渇(600℃以
ト)に保持する。
一方、Fif2素レンリ一部21への流し込み電流はυ
1気中に含まれる酸素ゼオ211度並びに排気温度によ
り増減され、基準酸素極15に取り込んだ酸素イオンの
拡散度合いの大きいときほど電流値を増加し、基準酸素
分圧をほぼ一定に保つのである。
このため制御回路22の端子27から出ツノされる運転
状態を高負荷・中負荷・低負荷の3種類に判別した信号
によって、まず比較側に多くの酸素が−7− 存在づるためkM素拡散度合いの低い希薄空燃比時には
一定の小電流、これに対して拡散しゃすい過濃側空燃比
時にはでのうちでも比較的拡散しにくい排気イに温時す
なわち低0荷時がら順々に温度が高まるに従−)て電流
値を段階的に増づ−1っj:り第4図に示すように酸素
上ンサ流し込み電流が決定される。先ず、低負荷時に(
よ端子27の出力はハイレベルとなり、トランジスタ2
8が導通し、n、た電源29の電圧はダイオード3oの
)I J#通にJ:、りそのまま1−ランジスタ31の
ベースに印加され、これを導通させる。これによってセ
ンナ部21へは、電源32からの電圧を、抵抗33と抵
抗3/1.35.36の並列合成抵抗で分圧した電Iモ
(VR1)をもとに、次の式で表わされる電流が供給さ
れる ISl・・(VRl−センサ出力)/抵抗37ト(電源
32−センナ出力)/抵抗38・・・・・・・・・(1
)次に中負荷運転状態時には端子27の出力はハイイン
ピーダンスどなる。このため、電Wlii 29の電圧
は、トランジスタ31を導通さlる。しかし、−8− 1〜ランジスタ28のベース電位は、トランジスタ28
が導通するにWる電圧が印加されないため!ヘラレジス
タ28はOFFどなる。従ってVR2は、電源32の電
圧を抵抗33と抵抗35.36の並列合成抵抗で分圧し
た電圧となる。ここで電流l52Lt、前記(1) 式
’7) V R1ヲV R2ニM キ換λた箭どなる。
高負荷運転時には端子27の出力はローレベルとなり、
電源2つの電圧は、ダイオード30を介して、抵抗39
.40で分圧され1−ランジスタ28のベースに印加さ
れるが、電圧不足のためトランジスタ28はOFFとな
り、またトランジスタ31は2つのN源電圧がダイオー
ド30を介して流れた分だしり低下するためOF Fと
なる。従っT V R,3ハ、’Mm32+7)lIE
を抵抗33と36で分圧した電圧となる。rs3は(1
)式のVRIをVtで3に画き換えた値となる。
ココ’r:、VR1<VR2<VR3であるから、流し
込み電流は Isl      <:      ls2     
<l53− 9 − (低負荷時)(中負荷時) (^負荷時)となり、第4
図で・示す通りとなる。
どころでwS4図て゛は、酸素センリ出カ(センυ相リ
ード線5からの出力)が過濃側出力のどきは、前述のよ
うに制御した流し込み電流を供給し、希薄側では、常に
一定の流()込み電流を供給していることを示している
。これは前にも述べたJ:うに、希薄側では被検ガス中
に酸素が充分に存在して、基準酸素分圧に取り込んだ酸
素イオンが逃げ出しにくいためで、取り込みに必要な流
し込み電流は少なくてすむ。
第3図の回路において、制御回路22の端子41から蓼
、裏、酸素Lンサの出カカ臼う現在過濃側出力(n−レ
ベル)であるが希薄側出力(ハイレベル)かの判別信5
コが出力され、1ヘランジスタ42(まこれに応じて希
薄側で導通となり、前記(1)式のセンサ流し込み電流
付加分をアースに落1′。
これに対して過濃側ではトランジスタ42はOFFとな
り、上記作用を行なわず、電流をセンナへ流t、。
−10− したがって空燃比過濃側でのみセンナ流し込み電流が0
荷に応じて制御される。なお、空燃比過濃側て・あ−)
Cも、111気中に(J微小の酸素イオンが必ず存在し
く全ての混合気の燃焼が完全かつ確実に行なわれるどは
限らないため)、かつ基型F1索極15の必要酸素は微
量であるため、固体電解質16は微小の流し込み電流i
sにJ、す、所定の酸素イオンを111気中から取り込
むことができる。
そして、Jjl気中の酸素温度が空燃比の希薄側と過1
農側で大きく変化すると、M準酸素極15の基t%!酸
素分nと被検ガス(υ1気)中の醗39 aft! 1
.fの比較にdういて、比較酸素が存在しないときに基
準酸素1fi 15と白金電極17との間に大きな起電
力を発生し、これが酸素センサ検出値として取り出され
る。流し込み電流lsは発生起電力に比べて微小のため
、これによるセンサ出力の変化は無視できるほど小さく
、出力特性に及ぽ゛す影響はない。
なd31−ランジスタ43とツ1ナーダイオード44 
L、J端子41からの出力を反転し、■−ニタランブ/
I6を過濃側で点灯し、希薄側でOFFとなる−  1
1 − J:うに作動さける。
しかしながら、このJ、うな従来の」ンジンの空燃化測
定装置にあ−)では、測定側の白金電極17から基準酸
素極15へ絶えず微小電流を流し込んで酸素〜イオンを
取り込むようにな−)でいたため、とくにli+気中の
酸素ali!度が高い減速運転が長時間継続したような
ときは、基準酸素極15側が取り込まれた酸素分子にj
:って内圧が上がりJさ、基準酸素極近傍においてアル
ミナ基板部分からセンサ部分が場合ににっては剥頗1を
起こし、酸素tごンリどしての機能をなさなくなるとい
う問題点があった。
この発明【、Il、このような問題を解決Jる、Jなわ
ち酸素ヒン+1部の剥離を防止することを目的とするも
ので、酸素セン1ノの出力にもとづき、空燃比が理論空
燃比よりもillいときは酸素センサ出力から一定電圧
を差し引いたものを、J:た薄いとさは酸素センサ出力
に一定電圧を加えたものをイれぞれ平滑し、この平滑電
圧が11−のどさは平滑電圧に比例した電流を酸素しン
リ−から流し出し、負の−12− どき(j平滑電圧の絶対値に比例りる電流を逆に酸素し
ンリに流し込むことにより、基準酸素極側のFF1tt
(分圧を常に一定に保つようにしたものである。
以下、本発明を実施例に基づいで説明する。
第5図の実施例にaメいて、60は酸素Lンザ基準酷索
極15と白金電極(1!i素測定極)17側との間に発
生Jるセンサ出力を増幅゛する増幅器で、この増幅値を
比較器61によって基準設定値と比較する。
比較器61は設定値どの比較により、酸素センサ出力が
濃側でハイレベルの信号、薄側でローレベルの信号をそ
れぞれ出力する。
この比較器61の出ノ〕は、分圧抵抗68を介して増幅
器69と70によって取り出され、これら両111幅器
69.70の増幅用ツノはフィードバック増幅器71に
イれぞれ入力する。
フィードバック増幅器71の負側端子には増幅器690
出力△が、また正側端子にtま増幅器70の出力13が
それぞれ入力するのであるが、同時に1111記センリ
出力を取り出1増幅器60の出力VS−13− もこの正側GK:了に入力さける。
ぞしで、増幅器71の出力は入力側へフィードバック抵
抗72を介してフィードバックされ、したがってフィー
ドバック増幅器71の出力値と()では、Lンυ出力V
Sに一定電圧ΔV(分IF抵抗68にJ、る差分)を加
えたものとなり、これが抵抗73を介してIンデンサ7
/Iに充電される。
この充電電圧Vaは」−記(V+△V)を11清しIこ
電F1−となる。
ここで、一定電圧△Vは、空燃比の過濃側と希薄側で変
化する。これは第6図にも示すが、比較器61の出力が
ハイレベルとなるとき(J増幅器69の出力Δが他方の
増幅器70の出力BJ、りも人きくなり、逆にI]−レ
ベル(マイブス)のどさ(まB >△どなるためで△V
=B−Aは空燃比濃側でマイナス、薄側でプラスと<i
るのである。
したがって平滑電流Vaは、空燃比濃側で、センリ出カ
ー(△V>、S側でセンサ出力→(△V)どなる。(た
だしく△v):絶対値を示す。尚、トン4ノ出力の絶対
値は、濃側と薄側とで常に同じ−14− (1自にイ「るどは限Iうく丁い。) 一方、基準酸素極155に8![素イオンを取り込むl
Jめに、−1b1シ電極15ど17間に演算増幅器6F
〕からけン1す流し込み電流ISが供給される。
この増幅器65(j前記−]ンデンリ74からのili
ン骨電ff、 V aが1=ンリアースにり・1してプ
ラスのどきはでの宵月\/ン1に比例づる負の電流(−
11sを出力、づなわち酸素センサ電極15.17間か
ら電流を流し出し、ンイナスのどきは同じく電圧V8の
絶ズ・1値(=1L例づるalの電流(L−>Isを出
力、”J <jわら電(セ15.17間に電流を流し込
む3゜このときの流し込1ノ、流し出し電流を平滑電圧
Vaに比例さUるめに、2つの増幅器62と633が電
流Isの分n:抵抗67を経てのArt II出力を検
出し、この出力差分を差動増幅器64で増幅し−(前記
増幅器615(こフィードバックしている。
41お、この平揖電f「V aど流し込みあるい1.1
流し出し電流Isの比例定数1〈は、例えば第7図のJ
、うに、O−・K 〉−1の範1川どする、。
次(こ第6図を参照しながJう作用をシ2明する。
−15− JJI気中のM索11度に応じて、ヒシ勺出ノiVsは
、空燃比南側(高< 、 iiJ側(゛低くなる。
化較器61 t、+:これを検出して濃側でハイしノベ
ル、薄側で゛[1−レベルの電圧を出力づ−る。
したか−)でフィードバック増幅器71の出力【J1空
燃比濶側でゼンリー電j、*:、 V sから一定電圧
△Vを差し引いた・bの、薄側では逆にセンリ電JTF
I V sに一定電圧△Vを加えた゛重圧を出力でる。
この出力を]ンデンリ7/Iで平滑づると点線で示4よ
う41平81電圧Va/J<冑られる。
甲?l′l電月−V aが1イーノースのどきはこれに
−しどづ゛いて演c?増幅器65は正の電at、すなわ
ち差動増幅器64からのフィー1−バックに」、すVa
t、1比例制御される流し込み電流(+)Isを基準酸
素極15へど出ノ〕Jる。
また、平滑電圧VaがプラスのときIJi、演τ塁増幅
器6!′5は負の電流、寸なわら基1II−酸素極15
から逆にvaの絶対舶に比例する電流(−)ISf−流
し出す。
この酸素セン1ノの出力に−t)とづい−C空燃比をノ
ー  1G  − イードバック制御しCいるときは、制御される空燃比は
]II!論空論比燃比にして濃薄を繰り返すので、結局
、基甲酸素極15にtJニ一定電流が交りに流し込まれ
たり、流し出されたりする。
前にも述べた通り、M準酸素極15への電流の流し込・
7ノににり酸素分子が取り込まれるのであるが、逆に流
1ノ出Jことは酸素イオンを放出(拡散)させることを
愚昧し、この結果、上記のように交ひに電流の流し込み
、流し出しを行うど、基準酸素極15におし」る酸素分
圧の増大を防止できるのである。
とくにこの場合、MUM素極15のM索分圧が小さくイ
すれば、酸素セン4ノの出ノJの平均(平滑型F1−V
aに3・(応)はマイJス側に出るため、これをVaよ
り検知して基準酸素極15に酸素を流し込み、基準酸素
1iii 15の酸素分圧が人になれば酸素センサの出
力の平均(平滑電圧Va )はプラス側に出るため、こ
れをVaより検知して基¥酸素極コ55よりI9晃を流
し出すことにより、基準酸素極]5の酸素弁F1を常に
一定に保つことができる。
−17− このため、酸素ヒンVの出力レベルが−1−干【こ変動
することもなくなる。
<rお、甲ifj電圧Vaに対りる流し込み電流1sの
関係は、第7図の一次的tlVa−1s特1ノ1に変え
て第8図のように二次的に変化りる開数にもどづ<Va
 −Is特1gをuFl (=Jづることもできる。
また、第0図のにうに、Q?r t!1線の原貞をつ1
)シ、平滑電圧Vaに対して、電流Isの流し出しJ、
りも流し込み領域を若干拡大すると、拮準F19素極1
5)の酸素濶庭を確実にゼl]よりもわずかに高い一定
110に保−(る1゜ どころで十配甲滑電Iモvaの決定部分(こ変え−(、
空燃比濃側判111i時に1ユセン号電圧Vsと一定の
負電圧−’J rどのh[1締平均、希辞側判断時には
同じ<VSど一定の正電圧VL  との加算平均を平滑
化するこ−とによ−)てVaを決定してもにい。
なお、この実施例ではアナログ回路を用いたがデジタル
回路を用いて、空燃比の判定、平滑型11Va及び流し
込み、流し出し電流Isの決定をおこなっても同じ効采
が得られる。
−18− 以−1説明のJ、うにこの光間は、廿ンリー出力を比較
電i=と比較した結果に基づいて廿ンサ出ノJプラス 
定電圧、またはし・ンナ出力マイナス一定電圧を過去か
ら現在まで平滑化して得られる平滑電圧を求め、これに
応じて連続的にセン号への電流流し込み、まIこは、電
流流し出しをおこなうようにしたため、酸素レン+Jの
基準酸素極側の酸素分圧を(、[ぼ一定に保ち、内l[
増大による基板部分とセン号部分どの剥離を防ぐことが
でき、長期にわた−)で安定したセンサ出力特性を発揮
できるという効梁が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の酸素センサの全体構造を示す断面図、第
2図Aはセンリ゛部分の拡大正面図、第2図Bは同じく
断面図、第3図はセンサ電流制御回路図、第4図はピン
リ流し込み電流の特性説明図である1、第5)図1et
本発明の実施例のセン号流し込み(流し出し)電流の制
御回路図、第6図はその111■11特竹の説明図、第
7図へ一第9図はぞれぞれ平滑N圧どセンリ流し込み電
流の特性説明図である。 −19− 3・・・ヒンリ本体、12.13・・・アルミプM板1
、15・・・M準酸素極、16・・・固体電解質、17
・・・白金電極(酸素測定1iIi)20・・・センサ
部、61・・・化較器、60,62.63・・・増幅器
、65・・・演算増幅器、69.70・・・増幅器、7
1・・・フィードバック増幅器、7/I川]ンfンリ −20− 第7図 5糺し込2+電i牝(工s) 5?it、し肥し電a紀 第8図 第9図 s 十 一2°O−100100200va

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)酸素測定極と基準酸素極との間に酸素イオン導電
    性の固体電解質を挟持し、酸素測定極側を排気中にさら
    した酸素センサを設【プ、酸素センサの発生起電力にも
    とづいてエンジン空燃比を測定覆るようにした装置にお
    いて、酸素センサの出力VSから空燃比が濃側か薄側か
    を判別する手段と、空燃比濃側と判断したときは上記V
    sよりも所定値だけ小さな値を、また薄側と判断したと
    きはVSよりも所定値だり大きな値をそれぞれ平滑する
    手段と、この平滑電圧Vaが基準レベルよりも大きいと
    きLJ: V aに応じた電流を基準酸素極から流し出
    し、逆に小ざいどきはVaに応じた電流を同じく流し込
    む電流11611手段とを備えたことを特徴どするlr
    −ンジンの空燃比測定装置。
  2. (2)電流制御1段は、空燃比が濃側か材側かを判断す
    る手段かCうの信号を入力すると共に、酸素−1− センサの出力VSを入力するフィードバック増幅器と、
    1j滑する1段の出力に応じて、この平滑電圧がセンサ
    アースに対してプラスの時に平滑電圧に比例する負の電
    流を出力し、マイナスの時に平滑電圧に比例する正の電
    流を出力覆る演算増幅器とか1う構成されることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載のエンジンの空燃比測
    定装置。
JP56204779A 1981-12-18 1981-12-18 エンジンの空燃比測定装置 Pending JPS58105014A (ja)

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