JPS59215935A - 空燃比制御装置 - 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、機関に供給する混合気の空燃比を制御する
装置に関する。

機関吸入混合気の空燃比を精度良く目標値に制御するた
めに、排気系に酸素センサ素子を設けて、空燃比と相開
関係をもつ排気中の酸素濃度に応じて燃料供給量をフィ
ードバック制御する装置が知られている。

このような空燃比制御に用いられる酸素センサ素子は、
酸素イオン伝導性固体電解質を使用し、酸素濃淡電池の
原理を１芯用して酸素濃度の検出全行うもので、具体的
には固体電解質の内外表面に、それぞれ基準極電子伝導
層および測定極電子伝導層を設け、測定極電子伝導層に
直接排ガス等の被検ガスを接触させ、測定極電子伝導層
の触媒作用により測定極酸素分圧が理論空燃比を境とし
て急激に変化することに基づいて理論空燃比を検出して
いる。

このため、理論空燃比以外の検出は不可能であシ、した
がって、たとえば理論空燃比における内燃機関の空燃比
制御には適しているものの、希薄混合気燃焼させて燃料
消費効率の向上を図る機関では使用できず、そこで理論
空燃比よりも希薄な空燃比であっても検出の可能な装置
が考えられ、このような装置を第１．第２図に示す（特
願昭５４−１６４８２２）。

第１図は、酸素センサ素子１の縦断面模型的結線図、第
２図は第１図の酸素センサ素子１の模型的分解斜視図で
あって、隔膜層２はアルミナ、ムライト、スピネル等の
絶縁性物質からなり、その内部には発熱体３を設けると
共に、構造基体としての強度を保持している。この隔膜
層２の表面上には、二つに分けた基準極電子伝導層４，
５を積層し、さらにその上に酸素イオン伝導性固体電解
質層６を積層している。この固体電解質層６の素材とし
ては、Ｙｔ　ＯｓやＣａＯで安定化したＺｒ０ａその他
既知のものを採用することができる。この固体電解質層
６の表面には測定極電子伝導層７を積層し、この測定極
電子伝導層７と前記一方の基準極電子伝導層４との間に
電圧測定手段８を接続して起電力Ｅの測定を可能にする
と共に、測定極電子伝導層７と前記他方の基準極電子伝
導層５との間に電流供給部９を接続している。このとき
、基準極電子伝導層４，５および測定極電子伝導層７に
は触媒活性の白金を用いるのが望ましく、そのほか白金
と白金族元素との合金その他の材料を適宜選定して使用
するのが良い。また、上記各電子伝導層４，５．７およ
び固体電解質層６を積層するに際しては、たとえばそれ
らの粉末を４−スト状にしてスクリーン印刷し、その後
焼成する手段などを用いることができ、その他の手段に
よることも可能である。また、発熱体３には加熱用電源
１０を接続して酸素センナ素子の温度を制御させうるよ
うにしている。さらに、前記測定極電子伝導層７上には
、被検がスから流入する酸素分子の拡散を制御しうる拡
散層１１を設け、この拡散層１１を被検ガスと接触可能
にしている。この拡散層１１の素材としては、たとえば
ムライト、スピネル、フォルステライト、カルシウムジ
ルコネートなどを使用することができ、粉末を用いたス
クリーン印刷法や溶射法などによって積層する。

そこで、上記酸素センサ素子１を用い、電流供給回路９
の正極側を他方の基準極電子伝導層５に接続して電流を
供給すると、前記測定極電子伝導層７から基準極電子伝
導層５に向けて強制的に酸素イオンの移動を生ずる。と
のとき、拡散層１１の存在によって被検ガスからの酸素
分子の流入拡散が制御されているため、測定極酸素分圧
は被検ガス中の酸素分圧よりも低下する。他方、基準極
電子伝導層５に向けて酸素イオンが流れることにより基
準極酸素分圧が高められるが、この基準極電子伝導層５
に存在する酸素分子は、隔膜層２が多孔性の場合に前記
隔膜層２内を拡散して、あるいは隔膜層２がち密で固体
電解質層６が多孔性の場合に前記固体電解質層６内を拡
散して、もしくは両方を拡散して、前記酸素イオンの流
入と前記酸素分子の拡散との均衡した状態の基準極酸素
分圧が維持される。そこで、前記被検ガス中の酸素分圧
よりも低下した測定極酸素分圧と上記基準極酸素分圧と
の差に対応して発生する起電力Ｅを電圧測定手段８によ
って測定すれば、前記測定極酸素分圧が被検ガス中の酸
素分圧よりも低下した関係を維持しつつ被検ガス中の酸
素分圧の変化に応じて上記測定極酸素分圧も変化するた
め、理論空燃比よりも希薄な空燃比の検出が可能になる
。

第３図は基準極電子伝導層５から測定極電子伝導層７に
向けて流し込む電流■ｓを変えたときのセンサ出力Ｖｓ
　（起電力Ｅ）と空燃比（Ａ／Ｆ’　）との関係を示し
、この図において、センサ出力ＶＳが急変する曲線の中
央点を出力急変点とし、この出力急変点でのセンサ出力
及び空燃比をそれぞれ出力急変電圧■、出力急変空燃比
として新たに流し込み電流工８との関係にとりなおすと
、第４図、第５図のようになる。

すなわち、第４図は、流し込み電流Ｉｓが零のときは出
力急変空燃比は理論空燃比にあり、■８が増加するほど
出力急変空燃比は理論空燃比よりも希薄側に移動してゆ
くことを示している。

そこで、機関に要求される空燃比に応じて第４図に与え
られる関係の流し込み電流Ｉｓをセンサ素子１に供給す
ると、センサ素子１は要求空燃比を境にして急変するた
め、この信号を使うことにより、理論空燃比よりも希薄
な空燃比であっても、空燃比のフィードバック制御が可
能となる。

第６図はこのような酸素センサ素子１を用いた空燃比制
御装置の回路構成図である。

空燃比制御回路２０は、運転状態を示す機関回転数、吸
入空気量、絞り弁開度などの運転Ａ’ラメータからその
時の最適な目標空燃比を算出し、この目標空燃比からは
燃料噴射量を決定する燃料噴射のパルス幅を演算すると
ともに、目標空燃比を出力急変空燃比として第４図で与
えられる関係から設定される流し込み電流Ｉｓを演算す
る。

この流し込み電流ＸＳを電流供給部としての電流供給回
路９が酸素センサ素子１に供給されると、前述のように
目標空燃比を出力急変空燃比とするため、目標空燃比を
境に急変する出力ＶＳを出力する０ 比較部としての比較器２１は、とのセンサ出力■８と比
較基準値ＳＬを比較するが、比較基準値ＳＬは通常前述
の出力急変電圧Ｖが選ばれ、ここでは第５図で流し込み
電流Ｉｓが零のときの純出力急変電圧ｖＯが比較基準値
ＳＬとなるように抵抗２２．２３を設定している。

このため比較器２１は、Ｖｓ　）　ＳＬのときはハイレ
ベル、Ｖｓ　＜　ＳＬ、のときはローレベルの信号を出
力する。なお、ハイレベルの信号は空燃比のリッチ信号
に対応し、ローレイルの信号はり一ン信号に対応する（
あわせてＲ／Ｌ信号と略す）。

したがってとのＲ／　Ｔ、信号により空燃比制御回路２
０は前述の目標空燃比となるように、リッチ信号に対し
ては燃料供給量を減少し、リーン信号に対しては燃料供
給量を増大する空燃比フィードバック制御を行うのであ
る。

ところで、センサ出力ｖ８は流し込み電流■８の増加に
伴い出力急変空燃比が理論空燃比よりも希薄側に移動す
ることは前述したが、このとき出力急変電圧Ｖも流し込
み電流Ｉ８の増加に伴い第５図のように直線性をもって
増加する。

これは、酸素センサ素子１が固体電解質６などによる内
部抵抗Ｒ，を有しており、流し込み電流ＩＳが供給され
ると、センサ素子１の純出力急変電圧ＶＯ（流し込み電
流Ｉｓが零のときの出力急変電圧）に、この内部抵抗Ｒ
８による電圧上昇分Ｒ５ｌ５が加わったものが出力急変
電圧■として出力されるためである。

ところが、第６図では比較基準値Ｓは流し込み電流Ｉｓ
には関係なく、流し込み電流工８が零のときの純出力急
変電圧Ｖｏ　（一定値）に設定されているため、流し込
み電流Ｉｓが増加するほど、そのときの出力急便電圧■
とのずれが大きくなり、結果として理論空燃比より希薄
側になるほど、空燃比フィードバック制御の精度を落し
てしまうという問題があった。

そこで、内部抵抗Ｒｓによる電圧上昇分Ｒｓ・Ｉｓの影
響を除くためには、比較基準値ＳＬを流し込み電流Ｉｓ
に応じて増加する出力急変電圧■となるように設定する
か、あるいは比較基準値ＳＬはそのまま’Ｖｏを使用し
、センサ出力Ｖｓから内部抵抗Ｒ，による電圧上昇分Ｒ
ｓ、Ｉｓ’ｉ差し引いた純センサ出力Ｖｓ。

がセンサ出力となるように設定すればよい。

本発明は後者の場合で、センサ出力Ｖｓより内部抵抗Ｒ
８による電圧増加分Ｒｓ、Ｉｓｋ差し引くことによシ、
理論空燃比より希薄斤空燃比であっても空燃比フィード
バック制御の精度を向上させることを目的とする。

このため、本発明は隔膜層、基準極電子伝導層、酸素イ
オン伝導性固体電解質層および測定極電子伝導層を積層
し、前記基準極電子伝導層と測定極電子伝導層との間に
電流供給部を接続する酸素センサ素子を用いる。このセ
ンサ素子の測定極電子伝導層の表面には酸素分子の拡散
を制御しつる拡散層を設けて被検ガスである排気ガスに
接触可能にし、さらに前記電流供給部から供給する流し
込み電流によっては前記測定極電子伝導層から基準極箱
１子伝導層に向けて酸素イオンの移動を生じさせる。こ
のため前記測定ｗＬ酸素分圧が前記被検ガス中の酸素分
圧よりも低下することになり、この低下した測定極酸素
分圧と基準＆酸素分圧との差に対応してセンサ出力が発
生する。このセンサ出力と所定の比較基準値とを比較部
により比較させ、この比較部からの信号に基づいて理論
空燃比よりも希薄な空燃比となるように空燃比制御回路
がフィードバック制御を行うようになっている。

以上の構成に、本発明はさらに前記流し込み電流工８ヲ
検出する電流検出部と、前記センサ出力Ｖｓから電流検
出部出力Ｖｉの定数倍に−Ｖ、を差し引くセンサ出力オ
フセット部を設け、このセンサ出力オフセット部の出力
と前記比較基準値ＳＬとを比較して空燃比をフィードバ
ック制御するように構成する。

すなわち、電流検出部からは流し込み電流Ｉｓに比例す
る出力Ｖｉ　（−１・ＩＳ＋ただしｌは定数）を出力さ
せ、センサ出力オフセット部ではＶＢからＫ・Ｖ、　（
Ｋは定数）を差し引くため、オフセット部出力は、オフ
セット部出力＝Ｖｓ　　（ＫＩＪ　）　Ｉｓとなる〇 一方センサ出力Ｖｓは前述のようにＶＢ−Ｖｓｏ−４−
Ｒｓ−Ｉｓであるので、純センサ出力ＶｓｏはＶＳＯ＝
ＶＳ　Ｌ　Ｒ８・Ｉｓで与えられる。

そこで２つの式、オフセット部出力＝ＶＳ　−＜Ｋｌ）
Ｉｓ　＋　ｖｓｏ　−ＶＢ　　Ｒ８’　Ｉｓを比較し、
Ｒｓ＝に７となるようにに、ｌを設定すれば、オフセッ
ト部出力がＶＳＯに等しくなる。すなわちオフセット部
からは内部抵抗Ｒ８による電圧上昇分Ｒ５−ｌ５の取り
除がれた純センサ出力Ｖ８０が出力することになる。

以下本発明を図示実施例に基づいて説明する。

第７図は本発明の第１実施例の回路構成図で、３１は流
し込み電流ｒｓを検出する電流検出部としての電流検出
回路で、オペアンプ３２、抵抗３３．３４．３５．３６
から構成され、抵抗３ｏの両端電圧から流し込み電流Ｉ
ｓに比例した出力ｖ１をつくり、出力する。すなわちＶ
ｉ−／・Ｉｓ（ただしｌは定数である）と表わすととが
できる。

３７はセンサ出力オフセット部としてのセンサ出力オフ
セット回路で、オペアンプ３８、抵抗３９゜４０．４１
．４２から構成され、センサ出力Ｖ８から前記出力Ｖｉ
の定数倍を差し引き、この差し引かれた出力Ｖ８０を出
力する。すなわちｖｓ　Ｏ−ＶＳ　−ＫＶｉ（ただしＫ
は定数である）と表わすことができる。

なお、４３はバッファアンプとして働くオペアンプであ
る。

その他の構成要素は第６図と同一なので同一構成要素に
は同一符号を付して説明は省略する。

以上の構成による作用を説明する。

空燃比制御回路２０は運転状態を示す運転パラメータ（
機関回転数、吸入空気量、絞り弁開度々ど）からその時
の最適な目標空燃比を算出し、この目標空燃比に基づき
電流供給部９から供給される流し込み電流Ｉｓを演算す
る。

たとえば、機関出力をあまシ低下させたくないとき（登
板時など）には理論空燃比に近い空燃比に制御し、出力
をあまり必要としない場合（定速走行時など）には理論
空燃比よりも希薄な空燃比になるように制御し、これに
あわせて流し込み電流Ｉｓは第４図のように前者におい
て相対的に小さく、後者において相対的に大きく設定さ
れることになる。

このような流し込み電流Ｉｓを検出する電流検出回路３
１は抵抗３０の両端電圧から、流し込み電流■ｓに比例
する出力ＶＢ（−Ａ−Ｉｓ、ただしｌは定数）をつくり
出力する。

一方、流１〜込み電流Ｉｓの供給によりセンサ素子１は
、純センサ出力Ｖｓｏに、内部抵抗Ｒｓによる電圧上昇
分Ｒ８・Ｉｓを加算したものをセンサ出力ＶＳ←ＶＳＯ
＋〜・Ｉｓ　）として出力する。

これら２つの出力Ｖｉ　、　ｖｓが入力するセンサ出力
オフセット回路３７は、センサ出力Ｖｓから電流検出回
路３１の出力Ｖｉの定数倍を差し引いた出力ｖ８−Ｋ・
Ｖｉ　（ただしＫは定数）を出力するため、これに前述
のＶｉ　＝　７・Ｉ８を代入してオフセット回路出力Ｖ
ｓ−（Ｋｌ）Ｉｓを得る。

ここで、Ｒｓ＝ＫＡ！となるようにに、ｌを設定しであ
るので、オフセット回路出力はＶｓ　−Ｒ５−ｌ５とな
る。すなわち、との式は、センサ素子１が純センサ出力
ＶＳＯに電圧上昇分Ｒ３・Ｉｓを加えた出力ＶＳ＝ｖｓ
ｏ　＋Ｒ８−Ｉｓを出力するけれども、センサ出力オフ
セット回路３゛７にてＶｓから余分な電圧上昇分ＲＳ・
Ｉｓが取り去られ、純センサ出力ＶＳＯが出力すること
を意味している。

すなわち、オフセット回路３７からの出力は流し込み電
流Ｉｓに関係なく常に純センサ出力ＶＳＯであるため、
出力急変電位がずれることか彦く、一定の値ＶＯを保つ
。

しだがって、この値ＶＯを比較基準値ＳＩ、とする比較
器２１がＶＳＯとＳＬを比較して得られるＲ／Ｌ信号に
より空燃比制御回路２０は空燃比フィードバック制御を
行い、流し込み電流ｒｓに左右されることなく、その精
度を維持することになる。

すなわち、空燃比制御回路２０が定常走行時を判断し、
このときの空燃比がたとえば１８で設定されていると、
電流供給回路９からの流し込み電流Ｉｓが３．２ｍＡと
なるように指令し、比較器２１の出力信号に基づき空燃
比が１８より濃いか薄いかを判断して空燃比が１８に収
束するようにフィードバック制御し、登板時の空燃比が
たとえば１５で設定されていると、流し込み電流Ｉｓが
０．５ｍＡとなるように指令１−１比較器２１の出力信
号に基づき空燃比が１５より濃いか薄いかを判断して空
燃比が１５に収束するようにフィードバック制御す１５
− ることになる。

以上のように本発明によれば、酸素イオン伝導性固体電
解質層の一方に積層される基準極電子伝導層から他方に
積層される測定極電子伝導層に向けて流し込む電流を増
減することによね理論空燃比よりも希薄な空燃比を検出
する酸素センサ素子を用い、とのセンサ出力と所定の比
較基準値を比較した信号に基づき理論空燃比よりも希薄
な空燃比となるようにフィードバック制御する空燃比制
御装置において、流し込み電流を検出する電流検出部と
、センサ出力からＦλ注流検出出力の定数倍を減算する
センサ出力オフセット部とを設け、このセンサ出力オフ
セット部の出力と比較基準値とを比較することにより、
センサ出力から純センサ出力のみを取り出し、この純セ
ンサ出力を用いて空燃比を制御するようにしたので、流
し込み電流に影響されず、理論空燃比より大きく離れた
希薄空燃比であっても、理論空燃比でのフィードバック
制御と同様に制御精度を良好に保つという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素センサ素子の縦断面模型的結線図、第２図
は同じく分解斜視図、第３図は流し込み電流を変化させ
た場合の空燃比とセンサ出力との関係を示す図、第４図
は流し込み電流と出力急変空燃比との関係を示す図、第
５図は流し込み電流と出力急変電圧との関係を示す図で
ある。 第６図は酸素センサ素子を用いて空燃比を制御する従来
装置の回路構成図、第７図は本発明の第１実施例の回路
構成図である。 １・・・酸素センサ゛素子、２・・・隔膜層、４，５・
・・基準極電子伝導層、６・・・酸素イオン伝導性固体
電解質層、７・・・測定極電子伝導層、９・・・電流供
給回路、１１・・・拡散層、２０・・・空燃比制御回路
、２１・・・比較器、３１・・・電流検出回路、３７・
・・センサ出力オフセット回路。 特許出願人　　日産自動車株式会社 １７− １０− ９イ゛暮Ｙ不■・１“≠■

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基準極電子伝導層と測定極電子伝導層との間に酸素イオ
   ン伝導性固体電解質層を挾持し、酸素分子の拡散を制御
   する拡散層を介して被検ガスに前記測定極電子伝導層を
   接触させる酸素センサ素子と、前記基準極電子伝導層か
   ら前記測定極電子伝導層に向けて流し込む電流工、を供
   給する電流供給部と、前記センサ素子の出力ｖｓと所定
   の比較基準値ＳＬとを比較する比較部とを備え、比較部
   からの信号に基づき理論空燃比よりも希薄な空燃比とな
   るようにフィードバック制御する空燃比制御装置におい
   て、前記流し込み電流工ｓを検出する電流検出部と、前
   記センサ出力ｖｓから電流検出部出力■１の定数倍を減
   算するセンサ出力オフセット部とを設け、とのセンサ出
   力オフセット部の出力と前記比較基準値ＳＬとの比較に
   基いて空燃比をフィードバック制御するようにしたこと
   を特徴とする空燃比制御装置。