JPS6017349A - 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】

（技術分野） 本発明は、エンジンの空燃比制御装置、詳しくは、酸素
センサを用いて排気中の＃＆素濃度を測定し、該酸素濃
度に基づいて空燃比をフィルドバンク制御する装置に関
する。 （従来技術） 近時、エンジン吸入混合気の空燃比を）１１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１・へツク制御している。 このような従来の空燃比制御装置としては、例えば、第
１．２図に示すようなもの（実願昭５４−１．３０６０
２号）がある。 第１図において、１は酸素セン９°であり、酸素センサ
１は酸素濃度に応じて起電力を発生ずる一種の酸素電池
の原理を応用したものである。２はアルミナ基板であり
、アルミナ基板２上には内側電極（基準電極）３が設り
られ゛（いる。内側電極３は酸素イオン伝導性の固体電
解質４で包持されており、この固体電解質４を挾さんで
内側電極３と対向する位置に外側電極（酸素測定電極）
５が積層されている。そして、これらアルミナ基板２、
内側電極３、固体電解質４、および外側電極５は多孔質
保護層６によって被覆されており、全体として素子部７
を構成している。そして、アルミナ基板２内には固体電
解質４の活性を保つように加熱するヒータ８が内蔵され
ており、ヒータ８には後述する電流制御回路９から電流
が供給されている。また、酸素センサ１の電極３．５間
には定電流源１０が接続され、内側電極３に流し込み電
流Ｉが供給されている。この流し込み電流■４よ毎秒Ｉ
／４Ｆモル（Ｆはファラデ一定数）の酸素分子を内側電
極３に発生させ、内側電極３に発生した酸素分子は固体
電解質４に存在する細孔を通じて拡散（移動）する。電
流■による酸素分子の発生とこの細孔を通じての拡散と
が平衡し、内側電極３における酸素分圧Ｐａが決定され
る。一方、外側電極５における酸素分圧ｐｂは被測定ガ
ス（保護層６の周囲の被測定ガス）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
３．５間に ＲＴ　Ｐα Ｂ　＝−６ｐ　ｎ−、−；−−一−１ｌｌ但し、Ｒ：気
体定数、′１゛：絶対温度なるネルンストの式によって
表される起電力Ｅが発生する。この起電力Ｅは空燃比が
流し込み電流Ｉで決定される空燃比より希薄側から過漏
側に切り換わったときプラス側に急変する。そして、酸
素センサ１は、第２図に示すように、内部抵抗１１、起
電力Ｅおよびヒータ８の抵抗１２で表され、出力Ｖｓを
バッファアンプ１３を介してコントロールユニット１４
に出力している。この出力Ｖｓは、第３図に示すように
、酸素センサ１の温度が変化すると、急変化する空燃比
の値が変化する。第３図において、線Ａ、Ｂ、Ｃは酸素
センサ１の温度がそれぞれＴ、　、Ｔ２、Ｔ、のときの
酸素センサｌの出力特性を示し、Ｔ、＞Ｔ２＞７３の関
係がある。そこで、二ｌントロールユニット１４からの
信号に基づい゛Ｃ電流制御回路９がヒータ８へ供給する
電流値を２段階に制御して酸素センサｌの温度を調整し
ている。すなわち、コントロールユニット１４はＩ

【′
Ｉ１１！Ｌ荷運転時にはＬ（低電圧）信号を電流制御回
路９に出力し、低負荷運転時にはＨ（高電圧）信号を電
流制御回路９に出力する。電流制御回路９はトランジス
タ１５．１６と抵抗１７．１８．１９より構成され、ト
ランジスタ１５に前記り信号が入力されると、トランジ
スタ１５．１６は共にＯＦＦとなってヒータ８に抵抗１
９を介して小電流を供給する。そして、トランジスタ１
５に前記Ｈ信号が入力されると、トランジスタ１５．１
６は共にＯＮとなって、ヒータ８にトランジスタ１６を
介してバッテリから直接大電流が供給される。したがっ
て、酸素センサ１のヒータ８へ通電すれる電流値が負荷
の大きさによって２段階に調整され、酸素センサ１の温
度が負荷によって大きく変動しないように調整されてい
る。なお、コントロールユニット１４は運転状態に基づ
いて燃料噴射量、噴射時期、点火時期および吸気量等を
制御するとともに、酸素センサ１の出力Ｖｓに基づいて
燃料噴射量等を調整して空燃比を制御している。そして
、酸素センサｌには流し込み電流ｌが定電流源１０がら
供給されており、電流■の大きさは抵抗２ｏにより設定
される。 しかしながら、このような従来の空燃比制御装置にあっ
ては、ヒータに供給する電流を：１−ンジン負荷の大き
さに基づいて２段階に制御する構成となっていたため、
酸素センナの温度を運転状態に対応して精密に制御する
ことができないという問題点があった。すなわち、第４
し１に示すように、車速（第４図Ｃ）や排気温度（第４
図ｂ）の変化に伴って、酸素センサの温度（第４図ａ）
が大きく変化し、負荷の大きさに基づいてヒータ電流を
２段階に制御するたりでは、酸素センサの温度を所定の
値に維持することができない。そして、酸素センサの温
度の変化に伴って、第３図に示ｔたように、酸素センサ
の出力が急変化する空燃比の値が変化する。 したがって、空燃比の制御を精度よく行うことができな
いという問題点があった。 （発明の目的） そこで、本発明は、酸素センサの内部抵抗の大きさに基
づいてヒータに供給する電流の大きさを制御することに
より、酸素センサの温度を常に所定温度に制御し、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） 本発明の空燃比制御装置は、エンジンの排気中の酸素濃
度を検出する酸素濃度検出用素子部と該素子部と同一特
性を有する抵抗検出用素子部と前記画素子部を加熱して
素子部の活性状態を適切に維持するヒータとを有する酸
素センサと、酸素センサの出力信号に基づいてエンジン
に供給される混合気の空燃比を制御する制御回路と、前
記抵抗検出用素子部の内部抵抗を検出する内部抵抗検出
手段と、該素子部の内部抵抗が所定の値となるようにヒ
ータに供給する電流を制御する電流制御回路と、を備え
酸素センサの温度を常に所定の値に制御するものである
。 （実施例） 以下図面に従って本発明の詳細な説明する。 第５．６図は本発明の一実施例を示す図である。 まず、構成を説明すると、第５図において、３】は酸素
センサ３２の電気絶縁性の１１Ｍいアルミナ基板であり
、アルミナ基板３１の同−ｉｆむにに第１内側電極（基
＄酸素電極）３３と第２内側市極（基準酸素電極）３４
とが設けられている。これら第１および第２内側電極３
３．３４はそれぞれ第１および第２固体電解質３５．３
６で覆われており、第１固体電解質３５と第２固体電解
質３Ｇとは分離されている。第１固体電解質３５を挾さ
んで第１内側電極３３に対向する位置に第１外側電初ｉ
（酸素測定電極）３７が配設され、第２固体電解質３６
を挾さんで第２内側電極３４と対向する位置に第２外側
電極（酸素測定電極）３８が配設されている。また、こ
れらアルミナ基板３１、第１および第２内側電極３３．
３４、第１および第２固定電解質３５．３６、第１およ
び第２外側電極３７．３８　Ｖ；Ｉ多孔質保護層３９に
覆われており、アルミナ基板３１、第１内側電極３３、
第１固体電解質３５、第１り１．　（＋１１１電極３７
および多孔質保護層３９．はエンジンの排気中の酸素濃
度を検出する酸素濃度検出用素子部４０を構成する。そ
して、アルミナ基板３１、第２内側電極３４、第２固体
電解質３６、第２外側電極３８および多孔質保護層３９
は酸素濃度検出用素子部４０の内部抵抗Ｒ５，を検出す
るための抵抗検出用素子部４１を構成し、抵抗検出用素
子部４１は酸素濃度検出用素子部４０と同一特性を有し
ている。したがって、抵抗検出用素子部４１の内部抵抗
Ｒｓ２を検出することにより酸素濃度検出用素子部４０
の内部抵抗Ｒｓ、を検出することができる。そして、抵
抗検出用素子部４１の内部抵抗Ｒｓ２は抵抗測定回路４
２により測定され、この内部抵抗Ｒｓ２の大きさに基づ
いて電流制御回路４３がヒータ４４へ供給する電流値を
制御している。上記抵抗測定回路４２は内部抵抗検出手
段を構成している。また酸素濃度検出用素子部４０には
定電流源４６から流し込み電流Ｉが供給され、酸素濃度
検出用素子部４０からはこの流し込み電流Ｉの大きさに
より決定される所定の空燃比において急変化する信号■
Ｓが出力され一〇しする。 これら抵抗測定回路４２、電流制御回ＲＪ５４３４旨り
ひ定電流源４６は第６図のように構成されている。 第６図において、抵抗測定回路４２は発振回路４７と演
算回路４８より構成され、発振回ｕ８４７　ｔ、１オペ
アンプＯＰ、、抵抗Ｒ，、ｌ？２　、Ｒ３、Ｒｓおよび
コンデンサＣ１より構成されている。オペアンプＯＰ、
のプラス端子には抵抗”２−Ｒ３で設定される電圧■１
が入力されており、オペアンプＯＰ１のマイナス端子に
はオペアンプＯＰ、の出力ＶＯとの関係でコンデンサＣ
０が充・放電を繰り返すことにより周期的に変動する電
圧ｖｚが入力されている。そして、オペアンプＯＰ、の
出力Ｖｏは、Ｖ、＞Ｖ２のとき所定電圧ＶＩ−１となり
、Ｖ、＜Ｖ２ｔ７）とき０（ｙ〕となる。 Ｖｏ＝０（ｖ）めときコンデンサＣＩは放電を行い、■
２は低下していく。そして、Ｖｌ＞Ｖ２となると、Ｖ　
ｏ−ＶＩ−Ｉ（ｖ’ｌとなり、このときコンデンサＣ１
が充電されてＶ、＜Ｖ２となると、■〇−〇廻ンとなる
。したがって、オペアンプＯＰ。 は０（Ｉ−１）と■ｌ−１〔■〕とが周期的に切換わる
ノぐルス電圧ＶＯを抵抗ＲＢを介して抵抗検出用素子部
４１に出力しており、この素子部４１は内部抵抗Ｒｓ２
と起電力Ｅ２で示される。この起電力Ｅ２は弐（１１に
よりめられる値である。発振回路４７からはＸポイント
の電圧Ｖ、が演算回路４８に出力されるが、Ｘポイント
の電圧ｖ３は、オペアンプＯＰ、の出力ｖＯの値により
変化し、次式でめられる。 ｖＨ−ＲＳコ＋石シＲＩ３　・−・・−（３）ＲＢ＋Ｒ
ｓｒ なお、ＶａはＶＯ＝Ｏｉ’）のときの電圧Ｖ３であり、
ｖｂはＶ　ｏ　＝　Ｖ＋−＋（ｖ）　（７）ときの電圧
Ｖ。 である。 演算回路４８はアッパピークホールド回路（以下ＵＰ回
路と称す）４９、ロアピータホールド回路（以下ＬＰ回
路と称す）５０および差動増幅回路５１より構成されて
おり、発信回路４７からの出力Ｖ３がＵＰ回ｇＩＩ４９
およびＬＰ回路５０に入力されている。ＵＰ回路４９は
オペアンプＯＰ２、ＯＦ２、ダイオードＤ４、コンデン
サＣ２および抵抗Ｒ−４、Ｒ５により構成され、入力ｖ
３のうちアッパピーク電位ｖａｕ、すなわち電圧■ａの
ピーク電圧をホールドして差動増幅回路５１に出力する
Ｌ　Ｐ回路５０はオペアンプＯＩ）’、、　、ＯＦ２、
ダイオードＤ２、コンデンサＣ３および抵抗Ｒ９％Ｒ９
により構成され、入力■３のうちロアピーク電位ＶｂＬ
、すなわら電圧Ｖ　ｂのロアピーク電圧をホールドして
差動増幅ｆｆ路５１に出力する。差動増幅回路５１はオ
ペアンプＯｆ）。と抵抗Ｒ８、Ｒ，より構成され、アノ
バピ−り電圧Ｖａｕとロアピーク電圧ＶｂＬの、ｆｆ１
（Ｖａｕ−ＶｂＬ）を電流制御回路４３に出力する。 この差（Ｖａｕ−ＶｂＬ）は抵抗検出用素子ｆｉｌ〜４
１の内部抵抗Ｒｓ２の大きさと対応する。すなわら、発
振回路４７から演算回路４８に入力される電圧Ｖ３は式
２．３のように変化し、ごのｒｕ２．３よりＲ３２をめ
ると、 Ｒｓ　、、　＝　ＲｆＳ　・（Ｖａ−＋　Ｖｂ　）　−
−−−−（４）Ｖ＋−＜ｗ−ｖｂ） のようになり、ｖａ−Ｖｂは内部抵抗Ｒ３２の大きさと
対応するものとなる。したがって、酸素センサ素子の内
部抵抗Ｒｓ２と素子温度は一定の相関があることが知ら
れているので、このＶａ−Ｖｂを一定値に保つように制
御すれば、素子の温度は常に一定に保たれる。電流制御
回路４３はオペアンプＯＰ１、ＯＦ２、トランジスタＴ
ｒ、、、抵抗ＲＩＯ１Ｒ１１およびコンデンサｃ％より
構成されており、差（Ｖａｕ−ＶｂＬ）が抵抗Ｒ、ｏと
コンデンサＣ−４で一次遅れ信号Ｖ−４としてバッファ
アンプＯＰりを介して比較器ＯｐＨのプラス端子に入力
されている。比較器ＯＰ８のマイナス端子には酸素セン
サ３２が所定温度（制御目標温度）であるときのプラス
端子入力信号Ｖ′４の電圧すなわち、内部抵抗Ｒｓ２が
所定の値のときのピーク電圧差（Ｖａｕ−Ｖｂｌ−）に
対応する電圧に等しい設定電圧■、が入力されており、
比較器ＯＰ８はＶ−４＞Ｖ、のときトランジスタＴ　ｒ
　、をＯＮにする。トランジスタＴｒ、がＯＮになると
、電流が抵抗Ｒ＋を有するヒータ４４に供給され、酸素
センサ３２はヒータ４４により加熱される。したがって
、電流制御回路４３は、内部抵抗検出手段４５からの信
号に基づいて、内部抵抗Ｒｓ２が所定値となるように、
すなわち、酸素センサ３２が所定温度となるようにヒー
タ４４に供給する電流を制御している。 なお、第６図中、素子部４０は内部抵抗ＲＳ８と起電力
Ｅ、で示されており、定電流源４６から抵抗Ｒ１ユで設
定される流し込み電流が（ＪＬ給されている。そして、
酸素濃度検出用素子部４（＋の出力信号Ｖｓはバッファ
アンプＯＰ９を介してコントロールユニット（制御回路
）５２に入力されており、コントロールユニット５２は
運転状感に基づいて燃料噴射量、噴射時期および点火時
期等を制御するとともに酸素濃度検出用素子部４００出
力Ｖ’ｓに基づいて燃料噴射量等を調整して空燃比を制
御している。そして酸素濃度検出用素子部４０の特性と
抵抗検出用素子部４１の特性が同一であるため、抵抗検
出用素子部４１の内部抵抗Ｒｓ２が所定値となるように
制御することにより、酸素濃度検出用素子部４０の内部
抵抗Ｒ３，を所定値に制御することができ、酸素濃度検
出用素子部４０の温度を所定値として酸素濃度検出用素
子部４０の出力特性を一定にすることができる。 次に作用を説明する。 車速や排気温度の変化等により酸素センサ３２の温度が
変化する。しかしながら、酸素センサ３２の温度の変化
に伴って、抵抗検出用素子部４１の内部抵抗Ｒｓ２が変
化し、この内部抵抗Ｒ３２の変化に対応して発振回路４
７から演算回路４８に出力するピーク電圧Ｖａｕ、Ｖｂ
Ｌの値が変化する。そして、この内部抵抗Ｒｓ２の大き
さに対応するピーク電圧の差（Ｖａｕ−ＶｂＬ）の−次
遅れ電圧ｖ２を電流制御回路４３の比較器ＯＰＢで所定
温度時の内部抵抗Ｒｓ２の大きさに対応する設定電圧Ｖ
５と比較し、設定電圧Ｖ、より一次遅れ電圧■−４の方
が大きいとき、すなわち、所定温度より酸素センサ３２
の温度が低く内部抵抗Ｒｓ２が所定温度時の内部抵抗Ｒ
５２より大きいときにのみ、電流制御回路４３からヒー
タ４４に電流を供給する。したがって、酸素センサ３２
を所定温度に精度よく制御することができ、酸素濃度検
出用素子部４０の出力特性を安定したものとすることが
できる。その結果、運転状態や環境状態の変化にかかわ
らず精度よく排気中の酸素濃度を検出することができ、
空燃比制御の精度を向上させることができる。 （効果） 本発明によれば、酸素センサを所定温度に制御するこが
できるので、酸素センサの出力特性を常に安定したもの
とすることができ、運転状態の変化にかかわらず精度よ
く排気中の酸素濃度を検出することができる。したがっ
て、運転状態にかかわらず、常に空燃比を精度よく制御
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４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図はその電流制御
回路と定電流源の回路図、第３図はその空燃比に対する
酸素センサ出力の関係を温度を変化させた場合について
示した図、第４図はその酸素センサの温度と車速および
排気温度との関係を示した図、第５〜６図は本発明の空
燃比制御装置を示す図であり、第５図はその酸素センサ
の断面図、第６図はその電流制御回路、抵抗測定回路お
よび定電流源の回路図である。 ３２・−・−酸素センサ、 ４０・−−−−一酸素濃度検出用素子部、４３−−−一
電流制御回路、 ４４−−−−−ヒータ、 ４５−・−内部抵抗検出手段、 ５２−−−−−−コントロールユニソ）　（制御口ＷＦ
ｒ　）。 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 一二

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンの排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出用
   素子部と該素子部と同一特性を有する抵抗検出用素子部
   と前記画素子部を加熱して素子部の活性状態を適切に維
   持するヒータとを有する酸素センサと、酸素センサの出
   力信号に基づいてエンジンに供給される混合気の空燃比
   を制御する制御回路と、前記抵抗検出用素子部の内部抵
   抗を検出する内部抵抗検出手段と、該素子部の内部抵抗
   が所定の値となるようにヒータに供給する電流を制御す
   る電流制御回路と、を備えたことを特徴とする空燃比制
   御装置。