JPS60144656A

JPS60144656A - 空燃比制御装置

Info

Publication number: JPS60144656A
Application number: JP59000671A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitahara; 剛北原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-01-05
Filing date: 1984-01-05
Publication date: 1985-07-31

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】（技術分野）本発明はエンジンの空燃比制御装置、詳しくは流し込み
電流の値に応じた空燃比で出力電圧の急変する酸素セン
サを用いた空燃比のフィードバック制御装置に関する。

（従来技術）近時、エンジンの吸入混合気の空燃比を精度よく目標値
に制御するために、排気系に酸素センサを設けて、空燃
比と相関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している。また、最近では省エ
ネルギーの観点からエンジンを稀薄混合気燃焼させて燃
費の向上を図るように空燃比のフィードパンク制御を行
うことが試られており、そのため理論空燃比より稀薄な
空燃比（以下、リーン空燃比という）を検出できる酸素
センサが開発されている。

従来のこの種の酸素センサとしては、例えば特開昭ｓ７
−７６４ｓｏ号公報に記載された、　も？があり、第１
図のように示すことができる。

そして、このような酸素センサを用いて空燃比を制御す
るものとしては、例えば本出願人が先に特許出願した「
空燃比制御装置」　（特願昭５８−７９０３２号）があ
る。第１図において、１は酸素センサであり、酸素セン
サ１は酸素濃度に応して起電力を発生する一種の濃淡電
池の原理を応用したものである。２は酸素イオン伝導性
の固体電解質であり、固体電解質２の一面には白金を主
成分とする基準電極３が設けられている。また、この固
体電峙質２を挾さんで基準電極３と対向する位置に、例
えば釜と白金の合金よりなる酸素電極４が積層されてい
る。そして、これら固体電解質２、基準電極３および酸
素電極４は多孔質保護層５によって被覆されている。

このような酸素センサ１は、被測定ガス（例えば、排気
）中において基準電極３に流し込み電流Ｉｓを供給する
と、該基準電極３に基準酸素分圧Ｐａを発生させる。一
方散素電極４に、おける酸素分圧ｐｂは被測定ガスの有
する酸素分圧であり、これらの酸素分圧Ｐａ、Ｐｂに基
づいて両電極３．４間にＥ＝ＲＴ／　４　Ｆ−Ｉｔ　ｎ　（Ｐ　ａ／Ｐ　ｂ）　
−−−■但し、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度、Ｆ：ファラディ定数なるネルンス十の式によって表わされる起電力Ｅが発生
し、酸素センサ１の出力Ｖｓとして外部に取り出される
。そして、この起電力Ｅは所定の空燃比を境としてリー
ン（稀薄）側がらり、ソチ（過ａ）側に切り換ったとき
、プラス側へ太き（急変化し、その切り換り空燃比は前
記流し込み電流１ｓの値により変化する。また、この切
り換り空燃比は流し込み電流Ｉｓの値に対応しており、
該流し込み電流１ｓの増加に伴って理論空燃比よりリー
ン側に移行する。したがって、酸素センサ出力Ｖｓを目
標電圧Ｖａ（切り換り空燃比において急変する酸素セン
サ出力Ｖｓの上限と下限の明中間値）として設定し、酸
素センサ出力Ｖｓがこ９目標電圧Ｖａとなるように、流
し込み電流１　ｓ、を供給すると、この流し込み電流Ｉ
ｓは現在の空燃比に応じた値となる。そして、その値に
基づいて目標空燃比からのずれの大きさを、、判、断、
）シ、このずれの大きさに応じて燃料供吟量あるりは空
気量を適切に制御することにより、空、燃比を目標空燃
比に制御することができる。

しかしながら１．このような先願の空、燃比制御装置に
あってば、酸素センサ出力Ｖｓを目標電圧Ｖａとして設
定し１．出力Ｖｓがこの目標電圧Ｖａとなるように、流
し込、み電流Ｉｓを供給：するとともに、この流し、、
込み電流Ｉｓの値を検出することにより空燃比を判断す
る構成となっていたため、酸素センサ偏倚間における出
力ＶＳのばらつき（例えば、多孔質保護層の厚さや気孔
率のばらつき等の原理により出力Ｖｓがばらつくこと）
や耐久変イ、ヒ等がある場合、流し込み電流Ｉｓと空燃
比との関係（以下、ｌ５−Ａ／Ｆ特性という）に第２図
に曲線Ａ、Ｂで示すようにばらつきが生じるおそれがあ
る。したがって、同一電流Ｉｓ値に対して検出される空
燃比の値が異なり、正確な空燃比判断をすることが困難
であるという問題、牟があった。

（発明の目的）そこで本発明は、酸素センサを、排気管内の酸素濃度に
対応した。空燃比で出方電圧の急変するセンサ部と、流
し込み電流により該センサ部の両電極間に酵素イオンを
移動させるポンプ部、と、から構成し、センサ部の出力
電圧が排気管内の酸素濃度に対応した空燃比で急変する
目標電圧となるようにポンプ部に流し込み電流を供給す
るとともに、排気管内が大気であるときの流し込み電流
の値が所定基準値と等しくなるように該目標電圧を設定
することにより、酸素センサ個体間におけるｌ５−Ａ／
Ｆ特性のばらつきに、拘らず正確な空燃比判断を行い、
空燃比制御の精度を向上させることを目的としている。

（発明の構成）本発明による空燃比制御装置は、酸素イオン伝導性の固
体電解質を挾さんで酸素電極と基準電極を有し、流し込
み電流により両電極間を酸素イオンが移動して排気管内
の酸素濃度に対応した空燃比で出力電圧の急変するセン
サ部と、流し込み電流が供給されるとともに、この流し
込み電流の値に応じて該センサ部の両電極間に酸素イオ
ンを移動させるポンプ部と、からなる酸素センサと、前
記センサ部の出力電圧が排気管内の酸素濃度に対応した
空燃比で急変する目標電圧となるように前記ポンプ部に
流し込み電流を供給する電流供給手段と、流し込み電流
の値を検出する電流値検出手段と、排気管内が大気であ
るときの流し込み電流の値が所定基準値と等しくなるよ
うに前記目標電圧を設定する目標電圧設定手段と、電流
値検出手段の出力に基づいて空燃比をフィードバンク制
御する空燃比制御手段と、を備えており、常に正確な空
燃比判断を行うものである。

（実施例）以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第３〜７図は本発明の第１実施例を示す図である。まず
、構成を説明すると、第３図において、１１は酸素イオ
ン伝導性の固体電解質であり、固体電解質１１の一面に
は基準電極１２およびアノード電極１３が並設配置され
ている。また、この固体電解質１１を挾さんで基準電極
１２およびアノード電極１３と対向する位置にカソード
電極１４が積層されている。そして、これらの固体電解
質】１、基準電極１２、アノード電極１３およびカソー
ド電極１４は多孔質保護層１５によって被覆されており
、多孔質保護層１５はこれらを保護するとともに酸素分
子の流入拡散を制限している。

上記固体電解質１１、基準電極１２、カソード電極１４
および多孔質保護Ｎ１５はセンサ部１６を構成しており
、センサ部１６におけるカソード電極１４は酸素電極と
しての機能を有している。また、固体電解質１１、アノ
ード電極１３、カソード電極１４および多孔質保護層１
５はポンプ部１７を構成しており、さらに、これらのセ
ンサ部１６とよび」ミンプ部１７は全体として酸素セン
サ１８を構成している。そして、この酸素センサ１８は
エンジンの排気管内に挿入され、後述するように排気管
内の酸素濃度を検出する。なお、本実施例では上記カソ
ード電極１４がセンサ部１６のＭ素電極とポンプ部１７
のカソード電極とを兼ね一体化したものとして構成され
ているが、例えば別体として分割し、これらの間を酸素
イオンの移動が可能な部材（電気の良導体等）で接続し
てもよい。

前記ポンプ部１７のアノード電極１４にはボ、・ブリー
ド線１９を介して後述する電流供給手段から流し込み電
流（以下、従来の流し込み電流■Ｓと区別するため、こ
れをポンプ電流１ｐという）が供給されており、このポ
ンプ電流ｈｐは固体電解質１１内をアノード電極１３か
らカソード電極１４に向けて流れ、ポンプリード線２０
を介して流出する。すなわち、該電流ｌｐ自体はポンプ
部１７のみを流れる。このとき、このポンプ電流１ｐの
値に応じてカソード電極１４がらアノード電極１３に向
けて固体電解質１１内を酸素イオンが移動する。なお、
このような酸素イオンの移動は、通常酸素ポンプ作用と
称される。この場合、ポンプ部１７がセンサ部１６に近
接しているため、該ポンプ部１７に供給されるポンプ電
流１ｐによりセンサ部１６の各電極１２．１４間におい
ても同様に酸素イオンが移動する。そして、センサ部１
Ｇは排気管内の酸素濃度を検出し、先願例と同様に酸素
濃淡電池の原理によりポンプ電流ＩＰの値に応じた空燃
比で出力電圧Ｖｓを急変させており、この出力電圧Ｖｓ
はセンサリード線２１．２２を介して外部に取り出され
る。

第４図は上記酸素センサ１８を使用した空燃比制御装置
の回路図である。第４図において、酸素センサ１８のポ
ンプ部１７には電流供給手段２３からポンプ電流Ｉｐが
供給されており、電流供給手段詔は電流制御回路２４お
よび第１差検出回路δにより構成されている。電流制御
回路ＵはオペアンプＯＰＩ、トランジスタＱ１および抵
抗Ｒ１により構成されており、第１差検出回路５の出力
ΔＶの値に応じてポンプ電流ｔｐを制御している。すな
わち、第１差検出回路５は差動アンプＤＦＩおよび抵抗
Ｒ２、Ｒ３により構成されており、センサ部１６の出力
電圧Ｖｓから目標電圧Ｖａを減算して差値ΔＶ（ΔＶ＝
に□（Ｖｓ−■ａ）’、但しに１は定数）を電流制御回
路２４に出力している。この目標電圧Ｖａはセンサ部出
力Ｖｓの切り換り空燃比における急変電圧の略中間値で
あり、目標電圧補正手段部により設定される。

ここで、目標電圧Ｖａは後述するように目標電圧補正手
段２６によりその値に若干の補正が加えられるが、先願
に比して略固定的に設定される。その理由はセンサ部１
６自体にはポンプ電流１ｐが供給されず、該センサ部１
６の内部抵抗に対してポンプ電流１ｐによる電圧降下分
が出力電圧Ｖｓに上乗せされないからである。これは、
従来のような単一体の酸素センサと異なり、本実施例で
は、酸素センサ１８を出力電圧Ｖｓのみを取り出すセン
サ部１６と、ポンプ電流１ｐが供給されるポンプ部１７
と、に分割しているためである。したがって、センサ部
出力Ｖｓの急変電圧の中間値は切り換り空燃比の大きさ
に拘らず略目標電圧Ｖａ程度となる。そして、この切り
換り空燃比はポンプ電流Ｉｐの大きさに応じて変化する
。

さて、上記の理由により、前記差値ΔＶは現空燃比とポ
ンプ電流１ｐにより決定される切り換り空燃比とのずれ
を表わしている。したがって、この差値ΔＶを零とする
ようなポンプ電流ｒｐを供給すると、このポンプ電流ｒ
ｐは現空燃比に対応した値となり、その値を検出するこ
とにより、排気管内の酸素濃度に対応した現空燃比を検
出することができる。

そして、電流制御回路２４は差値ΔＶが零となるように
（センサ部出力Ｖｓが目標電圧Ｖａと一致するように）
、トランジスタＱ１を０Ｎ１０ＦＦ制御してポンプ電流
ｉｐを制御している。このポンプ電流Ｉｐの値は電流値
検出手段２７により検出されており、電流値検出手段２
７は差動アンプＤＦ２、矛ベアンプＯＰ３、抵抗Ｒ４、
Ｒ５およびコンデンサＣ１により構成されている。そし
て、電流値検出手段２７はポンプ電流ｉｐの値を抵抗Ｒ
４の両端間の電圧降下として検出し、電圧信号Ｖｉを出
力している。

一方、エンジンへの燃料の供給は空燃比制御手段四によ
り行われており、空燃比制御手段加は運転条件に応じ□
て目標空燃比を設定するとともに、現空燃比を表す電流
値検出手段□２７の出力Ｖｉに基づいて図示しない燃料
供給手段（例えば、インジェクタ）−の供給する燃料噴
射量を制御して空燃比を目標空燃比に制御している。

また、減速時等にはフェ・ニルカット手段（例えば、燃
料通路に介挿されたソレノイドバルブ）にツユニルカッ
ト信号Ｆ／Ｃを出力して燃料の節減と排気ガス量の減少
を行っている。このフ□　ユエルカット信号Ｆ／Ｃ″は
前記目標電圧・設定手段部にも入力されており、目標電
圧設定手段ルは第２差検出回路２９Ｊ・補正信号発生回
路３０および電圧設定回路３１により構成されている。

第２差検出回路２９は差動アンプＤＦ３、抵抗Ｒ６およ
び基準電源３２にｉり構成されており、電流値検出手段
茨の出力Ｖｉから基準電源３２の基準電圧（所定基準値
）Ｖｏを減算して差値ΔＸ（ΔＸ＝Ｋｚ　（Ｖｉ　−Ｖ
ｏ）　、但しに２は□定数）を電圧設定回路３１へ出力
している。この基準電圧■０は、酸素センサ１８のセン
サ部出力Ｖｓが排気管内の酸素濃度に対応した空燃比で
急変するときの上限と下限の略中間の値である。前記ツ
ユニルカット信号Ｆ／Ｃは補正信号発生回路３０に入力
されており、補正信号発生回路３０は、例えば第５図に
示すようにツユニルカット信号Ｆ／Ｃが所定時間を継続
して入力されると補正指令信号Ｓ、を電圧設定回路３１
に出力する。なお、上記所定時間ｔはツユニルカット後
排気管内が確実に大気で満たされるまでの値である。ま
た、このような所定時間ｔの設定に限らず、例えばポン
プ電流１ｐの変化率ｄｌｐ／ｄｔを検出し、ｄ　Ｉ　ｐ
　／　ｄ　ｔ　＃　０となったときに確実に大気で満た
されたものと判断して補正指令信号ｓ１を出力してもよ
い。電圧設定回路３Ｈよ補正１旨令（言号Ｓ、が入力さ
れる毎に差値ΔＸに基づいて目標電圧Ｖａを設定してお
り、ΔＸ〉０のときくすなわち、排気管内が大気である
ときの電流値検出手段２７の出力ＶｉをＶ　ｉ　ａｉｒ
とすると、Ｖｉａｉｒ＞Ｖｏのとき）は、Ｖａを低めに
、Δ×く０のとき（Ｖｉａｉｒ　＜　Ｖ　ｏのとき）は
Ｖａを高めに補正して、常にＶｉａｉｒ＝Ｖｏとなるよ
うに目標電圧Ｖａを設定している。そして、補正指令信
号Ｓ、の入力が停止された後は次回入力時まで、この設
定した目標電圧Ｖａをホールドし、第１差検出回路２５
に出力する。したがって、目標電圧■ａは常に最新のＶ
　１ａｉｒに応じて設定される。

次に、作用を説明する。

一般に、ｌ５−Ａ／Ｆ特性で示したように酸素センサの
切り換り空燃比は流し込み電流に対応しており、この流
し込み電流の値を検出することにより、現空燃比を検出
することができる。このような特性は本実施例のように
ポンプ電流１ｐで切り換り空燃比を決定して（、Ｎるタ
イプのもの（この場合はＩｐ−Ａ／Ｆ特性となる）であ
っても同様である。しかしながら、このような特性は第
２図に示したように酸素センサの個体差等によりばらつ
きが生じる。したがって、同一電流値に対して空燃比が
異なり、空燃比判断を誤ることとなる。

そこで本実施例では、酸素センサ１８をセンサ部１６と
、ポンプ部１７とから構成し、センサ部１６の出力電圧
Ｖｓが切り換り空燃比で急変する目標電圧Ｖａとなるよ
うにポンプ部１７にポンプ電流Ｉｐを供給すると、この
ポンプ電流１ｐと目標電圧Ｖａとの間に、例えばＡ／Ｆ
＝２０であるとき第６図に示すように目標電圧Ｖａの増
加に伴ってポンプ電流ｒｐが増大するという関係がある
こと、およびＩ　ｐ　＝Ａ／Ｆ特性が酸素センサ１８の
個体差等によるばらつきに拘らず、理論空燃比において
Ｉｐ＝ＯとなりＡ／Ｆが大きくなるに従ってＩｐが一定
値に近づくことの２　点に着目して、目標電圧Ｖａを排
気管内が大気であるときの電流値検出手段２７の出力Ｖ
ｉａｉｒに応じて適切に設定し、空燃比判断を正確なも
のとしている。

すなわち、ツユニルカットが所定時間も行われると、排
気管内に大気が充満する。そこで、空燃比制御手段列か
ら所定時間を継続してツユニルカット信号Ｆ／Ｃが出力
されると、目標電圧設定手段３１がこのときの電流値検
出手段２７の出力Ｖ　ｉ　ａｉｒに基づいて目標電圧Ｖ
ａを設定する。この場合、上記出力Ｖ　ｉ　ａｉｒは酸
素センサ１８の個体差等によりその大きさが異なること
があっても、大気という一定の酸素濃度（２１％であり
Ａ／Ｆ＝ｏｏ）に対応している。したがって、この出力
Ｖ　ｉ　ａｔｒの大きさにより酸素センサ１８の個体差
の程度が判明する。そこで、例えば第２図に曲線Ａで示
すような酸素センサ１８では目標電圧Ｖａを低めに補正
し、曲線Ｂで示すような酸素センサ１８では該目標電圧
Ｖａを高めに補正して、何れも常にＶｉａｉｒ＝Ｖｏと
なるように目標電圧Ｖａを設定する。したがって、酸素
センサ１８の個体差等にばらつきがあっても、第７図に
示すようにＩ　ｐ−Ａ／Ｆ特性をばらつきのないものと
することができる。その結果、空燃比を正確に判断する
ことができ、空燃比制御の精度を向上させることができ
る。

なお、上記実施例ではフユエルカソト時に目標電圧Ｖａ
を補正しているが、これに限るものではない。要は排気
管内が確実に大気で満たされればよく、例えばエンジン
始動前あるいは停止中に上記補正を行うようにしてもよ
い。

第８図は本発明の第２実施例を示す図であり、本実施例
は酸素センサの構造を変更したものである。

第８図において、４１．４２はそれぞれ平板状の第１、
第２固体電解質であり、これらの第１、第２固体電解質
４１．４２は所定間隔Ｌ（例えばＬ＝０．１ｍｍ）を隔
てて略平行に配設されている。

また、これらの第１、第２固体電解質４１．４２の間に
は支持体４３が介設されており、この支持体招は第１、
第２固体電解質４１．４２と共に間隙部４４を画成して
いる。間隙部４４に臨む・第１固体電解質４１の一面に
は酸素電極４５が設けられており、他面には酸素電極４
５と対向する位置Ｇこ基準電極４６が設けられている。

そして、これらの各電極４５．４６にはセンサリード線
４７．４８がそれぞれ接続されている。一方、間隙部４
４に臨む第２固体電解質４２の一面には酸素電極４５と
対向する位置にカソード電極４９が設けられており、他
面にはアノード電極５０が設けられている。そして、こ
れらの各電極４９．５０にはポンプリード線５１．５２
がそれぞれ接続されている。上記第１固体電解質４１、
酸素電極４５および基準電極４６はセンサ部５３を構成
し、第２固体電解質４２、カソード電極４９およびアノ
ード電極５０はポンプ部５４を構成している。さらに、
これらのセンサ部５３および、（ミンプ部５４は全体と
して酸素センサ５５を構成している。

以上の構成において、センサ部５３およびポンプ部５４
の各リード線４７．４８．５１．５２を第１実施例と同
様の外部回路に接続し、矢印６ＡＳで示すように排気を
導くと、間隙部４４の間隔りが極めて狭いことから該間
隙部４４への酸素分子の流入拡散が制限される。すなわ
ち、間隙部４４が第１実施例における多孔質保護層と同
様の作用を行う。したがって、間隙部４４の内外部にお
いて排気中の酸素濃度に応じた酸素分圧比が発生し、セ
ンサ部５３の出力電圧Ｖｓがポンプ電流Ｉｐの値にこ応
じた空燃比で急変する。その結果、第１実施例と同様の
効果を得ることができる。

（効果）本発明によれば、排気管内が大気であるときの流し込み
電流の値に基づいて目標電圧を適切に設定することによ
り、酸素センサ個体間等におけるｌ５−Ａ／Ｆ特性のば
らつきに拘らず空燃比を正確に判断することができ、空
燃比制御の精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は従来の空燃比制御装置を示す図であり、第
１図はその酸素センサの断面図、第２図はそのｌ５−Ａ
／Ｆ特性を示す図、第３〜６図は本発明の第１実施例を
示す図であり、第３図はその酸素センサの断面図、第４
図はその回路構成図、第５図はそのツユニルカット信号
Ｆ／Ｃと補正指令信号Ｓ１のタイミングチャート、第６
図はその目標電圧Ｖａとポンプ電流ｒｐの関係を示す図
、第７図はそのＩｐ−Ａ／Ｆ特性を示す図、第８図は本
発明の第２実施、例を示すその酸素センサの断面図であ
る。１６．５３−−−−−・センサ部、１７．５４−−−−−ポンプ部、１８．５５−・−酸素センサ、詔−−−一・・電流供給手段、２６−・・−目標電圧設定手段、２７−・−・−電流値検出手段、２８−−−−−−空燃比制御手段。特許出願人　日産自動車株式会社代理人弁理士　有我軍一部第１図

Claims

【特許請求の範囲】

酸素イオン伝導性の固体電解質を挾さんで酸素電極と基
準電極を有し、流し込み電流により両電極間を酸素イオ
ンが移動して排気管内の酸素濃度に対応した空燃比で出
力電圧の急変するセンサ部と、流し込み電流が供給され
るとともに、この流し込み電流の値に応じて該センサ部
の両電極間に酸素イオンを移動させるポンプ部と、から
なる酸素センサと、前記センサ部の出力電圧が排気管内
の酸素濃度に対応した空燃比で急変する目標電圧となる
ように前記ポンプ部に流し込み電流を供給する電流供給
手段と、流し込み電流の値を検出する電流値検出手段と
、排気管内が大気であるときの流し込み電流の値が所定
基準値と等しくなるように前記目標電圧を設定する目標
電圧設定手段と、電流値検出手段の出力に基づいて空燃
比をフィードノドツク制御する空燃比制御手段と、を備
えたことを特徴とする空燃比制御装置。