JPS5896144A - 燃焼機関の空燃比制御方法 - Google Patents

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】 この発明は、燃焼機関の空燃比制御方法に関するもので
ある。

燃焼機関の空燃比制御は、燃焼機関に対する空気と燃料
の供給割合が過不足のない状態で行われるようにするた
めになされるが、このような空燃比制御においては、例
えば酸素センサによって燃焼排ガス中の酸素濃度を検出
し、この検出結果によって燃焼機関の空燃比を理論空燃
比（あるいは空気過剰率λ＝１）に帰還制御することが
行われる。この場合に使用される酸素センサとしては、
現時点における空燃比が過濃（理論空燃比よりも燃料過
剰）であるかまたは希薄（理論空燃比よりも空気過剰）
であるかを検出する型式のものや、空燃比の過濃から希
薄への変化および希薄から過濃への変化を検出する型式
のものなどがある。

第１図は上記のうち後者の型式に属する酸素センサを燃
焼機関の排気管に取付けた状態を示す断面説明図であっ
て、１社酸素センサ、２は酸素センサ１の熾部を埋設固
定する絶縁体、６は絶縁体２の外周部に設けた金属管、
４は金属管６に＊＊固定したおねじ、５は絶縁体２と金
属管６との間で保持された保膜管、６は燃焼機関の排気
管である。酸業セ／す１は、酸素イオン伝導性固体電解
質１１０表面に第１電極１２と第２電極１６を備えたも
のであり、両電極１２．１３に接続し九導電線１４．１
５を絶縁体２に形成した孔２１内に通している。また、
保護管５は排ガス通過孔５　ａ。

５ｂを備えている。

このような構造において、図示しない燃焼機関からの燃
焼排ガスが排気管６内を矢印Ａ方゛向に流れたとする。

そこで、燃焼機関に対する空燃比が希薄状態であると、
燃焼に消費されなかった空気が排ガス中に流れるため、
第１電極１２および第２電極１３における酸素分圧Ｐ１
およびＰ、は共に萬い状態となっている。次に、燃焼機
関に対する空気の供給量が減少され、あるいは燃料の供
給量が増大されて空燃比が過濃の状態になると、空気の
ほとんどが燃焼に消費される恵め、排ガス中の酸素量は
きわめて低い値と々る。このような排ガスがガス通過孔
５ａを通って酸素センサ１に到達した直後においては、
第１電極１２の酸素分圧Ｐユは、上記酸素量の少ない排
ガスの到達によって直ちに低くなるが、＠２電極１５の
酸素分圧Ｐ、は、排ガス流の到達に若干の時間的な遅れ
がある念めこの遅れの間だけ高い状態となっている。し
念がって、この時点で酸素イオン伝導性固体電解質１１
０両表面における酸素分圧Ｐ１およびＰ２の値が異なる
ために酸素濃淡電池が形成され、ネルンストの式 により起電力を発生し、第２図に示す如き出力電圧Ｖ（
＝Ｅ＋ｉＲ）が出力される。なお、第２図においては、
第１電極１２に対する第２電極１６の電位で示している
。しかし、上記した酸素量の少ない排ガスは間もなく第
２電極１３１［にも到達する念め、第２電極１６におけ
る酸素分圧も低くなってｐ１＝ｐ、となり、第２図に示
すように出力電圧Ｖは一時的に発生した後光の状態に屯
どろ。

次に、過濃の状態において燃焼機関に対する空気の供給
量が増大され、あるいは燃料の供給量が減少されて空燃
比が希薄の状態となると、排ガス中の酸素量が高い値と
なり、この排ガスが酸素センサ１の第１電極１２に到達
した直後においては、第１［極１２における酸素分圧Ｐ
１が高く、第２電極１３における酸素分圧ｐ、＃ｉ元の
低い状態が一時的に生じ、前記ネルンストの式によって
前記とは反対の極性の出力電圧が発生する。

したがって、このような空燃比制御においては、空燃比
が過濃から希薄へと変化したことを示す酸素センサ１の
出力電圧を検出した後に現時点での空燃比を希薄と判断
し、この結果空気量を減少しあるいは燃料ｔｔ−増加す
ることによって理論空燃比に近づけ、他方、空燃比が希
薄から過濃へと変化したことを示す酸素センサ１の出力
電圧を検出した後に現時点での空燃比を過濃と判断し、
この結果空気ｔｔ増大しあるいは燃料ｔ′ｆｒ減少する
ことによって理論空燃比に近づけることを可能とする。

しかしながら、このような空燃比制御方法においては、
使用する酸素センサがある時点での空燃比が過濃である
かまたは希薄であるかを検出する型式のものではなく、
空燃比の変化を検出する型式のものであるため、例えば
燃焼機関の始動直後つまり空燃比帰還制御回路の電源が
投入された直後においてはその時点での空燃比を正確に
判断することかできないという問題金有していた。換言
すれば、燃焼機関の始動直後がら空燃比の帰還制御を開
始すると、その時点での空燃比が判断されないため、過
濃状態の空燃比あるいは希薄状態の空燃比をそのまｔ全
維持することがあって、理論空燃比付近での燃焼制御を
行うことができなくなるという問題点を有していた。ま
た、酸素センナ自身も電源を入れた瞬間に出力を発生す
る仁とがあり、この出力は酸素ｌ１１度と祉無関係であ
るという問題点もあった。

この発明は、上記したような従来の問題点を解消するた
めになされたもので、空燃比の過濃から希薄への変化お
よび希薄から過濃への変化を検出する型式の酸素センサ
を用いて、燃焼機関の空燃比制御を行う場合においても
、過濃状態の空燃比會さらに過濃にしたり、希薄状態の
空燃比をさらに希薄にしたりするという不具合がなく、
理論空燃比付近での燃焼制御を良好に行うことができる
ようにすることを目的としている。

この発明は、酸素イオン伝導性面体電解質の表面に第１
電極と第２電極を備え、雰囲気酸素、濃度が急激に変化
した際に一時的に生ずる前記第１電極側酸素分圧と第２
電極側酸素分圧との差に同志して出力を一時的に発生す
る酸素七ンサ金用いて燃焼機関の空燃比制御を行うにあ
たり、前記燃焼＋１１１１１の始動後、所定時間経過後
に、前記酸素センサの出力を基にした空燃比制御を開始
するようにしたことを４１［とじている。この場合の所
定時間は、タイマ手段によって正確に測定しても良いが
、酸素センサの所定回数出力を検出するとか、エンジン
の所定回転を計測するようにしても曳い。

この発明において使用される酸素センサは、第１図に示
すように板状の酸素イオン伝導性固体電解質１１の両表
面に、第１電極１２および第２電極１６を設けたもので
ある。そして、このような酸素センサ１１の一方例えば
第１電極１２を排ガスの上流側に向けて配設することに
よって、第１心極１２への排ガスの到達と、第２電極１
６への排ガスの到達に時間的な遅れを生じさせることが
でき、第２図に示すような出力“電圧を発生させること
が可能となる。また、酸素センサ１１の例えば第１電極
１２を排ガスの上流側に向けて配設しない場合でも、保
護管５に形成する排ガス通過孔５ｍ、５ｂの形状を考慮
することによって、排ガス流が先ず第１電極１２に到達
し、続いて若干の遅れを伴って第２電極１３に到達する
ようになすことも可能である。さらに、酸素イオン伝導
性固体電解質が管状型をなし、管の内外表面に第１電極
および第２電極を設けると共に、管を貫通するガス通過
孔を設け、第１電極吟到達した排ガスが上記ガス通過孔
を通過して若干の時間的な遅れ管伴ったのち第２電極に
到達するようにして、第２図に示す如き出力電圧を発生
させることもできる。

第３図は上述した空燃比の変化を検出する型式の酸素セ
ンナ１を用いて内燃機関の空燃比制御を行う装置の系統
図であって、２１は内燃機関、２２は内燃機関の排気管
、２６はクランクの回転検出センサで、回転検出センサ
２Ｍの出力はタイマＴに接続されている。タイマＴは回
転検出センサ２６の出力を受けてから所定時間経過する
まで“Ｈ”の信号を出力するタイマで、その信号はフリ
ップフロップ回路２５のセット端子（Ｓ端子）に接続し
である。２４は判別回路であり、酸素センサ１の出力が
＋側の出力となったことを入力してから、−側の出力を
入力するまで″Ｈ″の信号を出し、−１則の出力が入力
してから＋側の出力を入力するまで１Ｌ＃の信号を出力
する回路で、このＩＩ！ｒ号は空燃比帰還制御回路２６
に入力される。

また、判別回路２４は出力信号が１Ｈ１から″Ｌ”・Ｌ
＃から“Ｈ”に変わるときのみ“Ｈ”の信号を出力し、
この信号をフリップフロップ回路２６のリセット端子（
Ｒ端子）に入力するようにしである。フリップフロップ
回路２６のＱ端子は空燃比帰還制御回路２６のゲート回
路に接続しである。

さらに、２７は空燃比帰還制御回路２６の出力に応じて
開閉する電磁弁、２８′は前記電磁弁２７′ｆ取付けか
つ内燃機関２１に空気を供給する補助空気供給管、２８
は主空気供給管、２９は内燃機関２１に燃料を供給する
燃料供給管である。

このような装置において、内燃機関２１が作動を開始す
ると、その時の空燃比に同志した燃焼排ガスが排気管２
２内を流れ、空燃比が過濃から希薄へあるいは希薄から
過濃へと変化した際に生ずる酸素センサ１の出力電圧の
変化が判別回路２４へ入力される。この入力信号で判別
回路２４は出力信号を空燃比帰還制御回路２６に送りは
じめる。

しかし、クランクの回転検出センサ２６の出力が出てか
ら所定時間経過するまでは、タイマＴからフリップフロ
ップ回路２５のＳ端子に″ｌ（”信号が入力されている
ので、ＱＱ１１子からはＲ端子の入力の有無には関係な
く″Ｌ”の信号が出力される。

この”Ｌ″の信号が出力されている間は、空燃比帰還制
御回路２６はゲート回路が閉じているので、判別回路２
４からの入力信号による彰響を何んら受けず、出力信号
は出さない。したがって、電磁弁２７は閉じられ、補助
空気供給管２８′からの内燃機関２１への空気の供給は
主空気供給管２８からのみとなり、内燃機関２１へ供給
される空気と燃料との比は理論空燃比に対して燃料過濃
の状態を続ける。所定時間経過後、タイマＴからの出力
信号が“Ｌ”に変つ九後、最初の酸素センサ１の出力に
より判別回路２４から７リツプフロツプ回路２５のＲ端
子に″″Ｈ＃Ｈ＃信号されるので、Ｑから′″Ｈ＃の信
号が空燃比帰還回路２６のゲート回路に入力され、判別
回路２４からの信号に応じて出力する。たとえば、判別
回路２４が空燃比が過濃であると判断していれば、この
信号を受は次空燃比帰還回路２６は＠Ｈ″の信号を出し
、電磁弁２７を開き、補助空気供給管から内燃機関２１
に多くの空気を供給し、空燃比を理論空燃比になるよう
修正する。以後は通常の制御となる。

、　この場合、最初は制御できないことになるが、所定
時間を短かく設定すれば実用上問題はない。

特に内燃機関の制御の場合、低温時の始動では内°燃機
関の回転は不安定であり、この状態で空燃比制御をする
と内燃機関が停止することがある。したがって、初期の
間は空燃比制御はせずに例えば燃料過剰気味の空燃比に
しておいて、回転が安定するまで待ち、それ以後空燃比
制御を行うようにするのが好ましい。それゆえ、上記所
定時間を内燃機関が安定するまでの時間に設定すれば、
一層好ましい。

また、酸素センサ１と判別回路２４との間にスイッチン
グ回路を設けると共に酸素センサ１の出力を全波整流回
路を通した後、一方はｉｔｔ数回路【経て、他方は遅延
回路を経てＡＮＤ回路に入力するようにし、このＡＮＤ
回路の出力でスイッチング回路管開閉する構成とし、前
記計数回路は２つのパルス信号を針数したときに信号を
出力するようにしておくこともできる。このようにする
と、酸素センサ１が出力してもスイッチング回路が開い
ており、判別回路には例等信号が入力されないので作動
しない。そして、酸素センサが＋または−の出力信号を
合計２つ出した時点で計数回路が揖号を出し続ける。一
方、パルス信号は遅延されてＡＮＤ回路に入力されるの
でこの時点でＡＮＤ回路が出力し、スイッチング回路を
閉じる。したがって３つ目の信号が判別回路に入った時
点から制御することが可能となる。勿論、所定時間を計
時するには、内燃機関の空燃比制御に用いるに際して該
内燃機関の冷却水の水温が所定温度になる迄の時間を計
時するようにしても良く、必ずしも所定時間を一定時間
に固定しておく必要はない。

また、計時回路にコンピュータを用いても良い。

なお、第３図に示す実施例では、空気の供給管が主空気
供給管２８と補助空気供給管２８′とから構成されてい
る場合を示しているが空気供給管からの空気供給量を一
定とし、燃料供給’ｔｔ−主燃料供給管と補助燃料供給
管とに分け、補助燃料供給管の方に電磁弁を設けるよう
にしてもよい。この場合、電磁弁への開閉の時期は上記
の場合と反対になる。

第４図はこの発明を自動車用エンジンの空燃比制御に適
用した場合の一例を示すもので、６１はエンジン本体、
６２は吸気管、６６はエアフローメータ、６４はエアク
リーナ、６５は燃料噴射弁、３６は排気管、６７は酸素
センサ、３８は触媒コンパ−ｐ、Ｓ９はコントロールユ
ニツ）で６す、このコントロールユニット６９内に前記
第３図に示す回路が内蔵されている。また、４０はクラ
ンクプーリ、４１はクランク角センサ、４２はトランス
ミッション、４３は車速センサである。

そして、エンジン始動時における燃料の基本噴射量は、
エアフローメータ６６により検出し九吸入空気量とクラ
ンク角センサ４１により検出したエンジン回転数によっ
て決定され、エンジン始動後において、上記タイマや針
数回路によって設定し次所定時間経過後に、上記した燃
料の基本噴射量に対して上記酸素センサ６７の出力に基
づいた空燃比帰還制御回路からの出力による補正を加え
ることによって、燃料噴射弁６５の開度を調整し、理論
空燃比付近での燃焼が行われるようにする。

なお、実際には上記燃料の基本噴射量に対し、上記空燃
比帰還制御回路からの出力のほかに、冷却水温、吸入空
気温度、スロットルバルブ位置、バッテリ電圧等が補正
要素として加えられる。

以上説明してきたように１この発明では、雰囲気酸素濃
度が急激ＫＷ化した際に一時的に出力を発生する型式の
酸素センサを用いて燃焼機関の空燃比制御を行うにあ九
９、前記燃焼機関の始動後、所定時間経過後始めて出力
する信号によって空燃比側＃を開始するようにしたから
、上記した型式の酸素センサを用いたときでも理論空燃
比付近での燃焼制御を良好に行うことができ、ある時点
での空燃比が過濃であるか希薄であるかを検出する型式
の酸素センサのように基準酸素分圧を一定にする必要が
なく、簡単な構造の酸素センサによる空燃比制御が可能
であるという非常に優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃焼機関の排気管に酸素センサを取付けた状態
を示す断面説明図、第２図は空燃比の変化による酸素セ
ンサ出力電圧の変化を時間の経過と共に示す説明図、第
３図は内燃機関の空燃比制御を行う装置の系統図、第４
図は自動車用エンジンの空燃比制御回路の一例を概略で
示す系統図である。 １・・・酸素センサ、１１・・・酸素イオン伝導性固体
電解質、１２・・・第１電極、１６・・・第２電極、Ｐ
ｉ・・・第１電極側酸素分圧、Ｐ２・・・第２電極側酸
素分圧。 図面 第１図 ら 第２図 １１ｇ間−一一÷

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素イオン伝導性固体電解質の表面に第１電極と
   第２電極を備え、雰囲気酸素濃度が急激に変化した際に
   一時的に生ずる前記第１電極側酸素分圧と第２電極側酸
   素分圧との差に対応して出力を発生する酸素センナを用
   いて燃焼機関の空燃比制ａｔ−行うにあたり、前記燃焼
   機関の始動後、所定時間経過後始めて出力する信号によ
   って空燃比制御′ｆｔ開始すること′ｆｒ特徴とする燃
   焼機関の空燃比制御方法。