JPS6025618B2 - 空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、エンジン排気ガス中の酸素濃度から空燃比を
検出する空燃比制御装置に関する。

従来、排気ガス中の酸素濃度により、空燃此を検出する
空燃比センサとして、理論空燃辻七を境としてステップ
的に電気抵抗値が変化するチタニア（Ｔｉｏ２）等の金
属酸化物半導体を主体とした空燃比センサが知られてい
る。そして、空燃比制御装置では、この空燃比センサに
バイアス電流を供給し、空燃比センサの抵抗値変化に応
じた電圧変化を得、この電圧と理論空燃辻七に対応して
設定した一定の基準電圧とを比較回路により比較し、空
燃比が理論空燃比以上は以下かを判別していた。

しかしながら、この空燃比センサは、その電気抵抗値特
性が使用温度や経時変化により第１図の曲線ａ，ｂ，ｃ
で示すように変化し、空燃比検出に誤りを生じたり、検
出不能になったりするという問題がある。

また、空燃此センサは、エンジン始動時あるいはエンジ
ン始動直後のように活性化温度に達していないときには
電気抵抗値がかなり高くなるため、比較回路は実際の空
燃比とは無関係に同じ状態を示す信号を出力し続けてし
まい、この空燃比センサによる制御の不具合によりエン
ジンを円滑に運転できないという問題がある。

さらに、空燃比センサは、エンジン高速高負荷時のよう
に排気ガスが高温になり、これにより過熱状態となると
電気抵抗値がかなり低くなるため、このときも比較回路
は実際の空燃比とは無関係に同じ状態をする信号を出力
し続けてしまい制御に不具合を生じるという問題がある
。

また、空燃比センサと比較回路とを接続するワイヤーハ
ーネスが断線したり、回路故障により空燃比センサが短
絡（ショート）した場合も、比較回路は同じ状態を示す
信号を出力し続け、空燃比センサによる制御に不具合を
生じるという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、通常時に
おいては空燃比センサの端子電圧を平均化処理した電圧
を基準値として空燃比センサの端子電圧の大きさを判定
することにより、空燃比センサの使用温度、経時変化に
よらず良好に空燃比を検出でき、かつ平均化処理した電
圧と第１、第２の設定電圧とを比較して異常状態を判別
することにより、空燃比センサ側に電気的ノイズ等が混
入した場合にそれを誤判定することなく、空燃比センサ
側のの異常を確実に判定できる。

空燃比制御装置を提供することを目的とする。以下本発
明を図に示す実施例について説明する。

第２図は本発明を適用するシステムを示すものであり、
この第２図において説明する。エンジン１０は、ガソリ
ン、ＬＰＧを燃料とする周知の火花火式エンジンで、そ
る吸気系はェアクリーナ１１、混合気供給器１２、吸気
マニホールド１３から構成されており、一方排気系は吸
気マニホールド１４、排気管１５、排気ガス浄化用の三
元触媒コンバータ１６、図示しない消音マフラーから構
成されている。ここで、混合気供給器１２は、公知の電
子空燃比調整器を有する気化器あるいは燃料噴射装置か
ら構成されており、電気信号に応じて生成する混合気の
空燃比Ａ／Ｆが変化する。

また、三元触媒コンバータ１６は、理論空燃比付近の混
合気がエンジン１０に供給されると高浄化率でＮ○×，
ＨＣ，ＣＯと同時に浄化するもので、公知のべレット形
状もしくはハニカム形状の触媒を内蔵している。次に空
燃比制御装置につい説明すると、これは排気マニホール
ド１４の集合部に設けられた空燃比センサ２０及び混合
気供給器１２に電気信号を付与する制御ユニット２１と
から構成されている。

空燃比センサ２０は、第３図に示すような構造のもので
ある。第３図において、排気ガス中のガス成分、特に酸
素濃度に応じてステップ的に電気抵抗値が変化するディ
スク状の素子片２２は、チタニア（Ｔｉｏ２）等の金属
酸化物半導体で形成されており、その表面に白金（Ｐｔ
）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒が担持されている。そし
て素子片２２は、アルミナ等の暁結体からなる耐熱電気
絶縁性の保持体２３の先端部に保持されている。保持体
２３には、耐熱金属製ハウジング２４が結合されており
、ハウジング２４のネジ部により排気マニホールド１４
に取付けられる。素子片２２は、保持体２３内に設けら
れた２本の白金電極２５が挿入されており、電極２３は
それぞれ導電ガラスを介して端子棒２６に電気的に接続
されている。

しかして、素子片２２電気抵抗値は素子棒２６から取り
出される。そして、空燃辻七センサ２０は、使用温度が
例えば２０ぴ○，５００℃，８００℃程度のとき電気抵
抗値平ｅ（オーム）がそれぞれ第１図の曲線ａ，ｂ，ｃ
で示すように変化し、また縫時変化によって電気抵抗値
Ｒｅは全体的に除々に低くなる。

次に第４図に制御ユニット２１について説明する。

比較抵抗３１は、空燃比センサ２０にバイアス鰭流を供
給するためのもので、一端は直流定電圧電源３０から一
定電圧Ｘｐが印加されており、他端はシールド線からな
るワイヤーハーネス３２を介して空燃比センサ２川こ接
続されており、この実施例では電気抵抗値が１００キロ
オームに設定されている。遅延回路３３は、抵抗３３ａ
及びコンデンサ３３ｂはら構成されており、比較低抗３
１と空燃比センサ２０との接続点Ａの電圧信号を所定時
間遅延させ平滑化する。

ここで、抵抗３３ａは、１０〜１００キロオームの範囲
で適宜設定したものを用い、コンデンサ３３ｂは１０マ
イクロファラドのものを用いている。比較回路３４は、
入力抵抗３４ａ，３４ｂ及び比較器３４ｃから構成され
ており、接続点Ａ、つまり空燃比センサ２０の端子電圧
Ｖｓと遅延回路３３の出力端子Ｂの端子電圧Ｖ８とを比
較する。

そして、比較器３４ｃは、電圧ＶＳが電圧ＶＢより高く
なると“１”レベル信号を出力し、逆に電圧Ｖｓが電圧
ＶＢより低くなると‘‘０’’レベル信号を出力する。
積分回路３５は、比較回路３４の出力信号に応じた増減
方向に積分を行う回路であり、また駆動回路３６は積分
回路３５の積分出力信号を信号処理して混合気供給器１
２の電子空燃此調整器を駆動し、空燃比を制御する回路
で、何れも公知であるため詳細説明は省略する。

第１のモニタ回路３７は、分圧抵抗３７ａ，３７ｂ、入
力抵抗３７ｃ、比較器３７−ｄ及びダイオード３７ｅか
ら構成されてり、分圧抵抗３７ａには一定電圧Ｖｐが加
えられている。

比較器３７ｃは、分圧抵抗３７ａ及び３７ｂの接続点Ｃ
の設定電圧Ｖｃと遅延回路３３の出力電圧ＶＢとが入力
されており、電圧ＶＢが電圧Ｖｃより高くなると“１”
レベル信号を出力する。ここで「設定電圧Ｖｃは分圧抵
抗３７ｂを調整することにより比較的高い値に設定され
ており、この第１のモニタ回路３７は、空燃此センサ２
０が活性化温度以上に達したかどうかを監視するのとワ
イヤハーネス３２が断線しているかどうかを監視するの
に適用される。

第２のモニタ回路３８は、分圧抵抗３８ａ，３８ｂ、入
力抵抗３８ｃ、比較器３８ｂ及びダイオード３８ｅから
構成されており、分圧抵抗３８ａには一定電圧Ｖｐが加
えられている。

比較器３８ｃは、分圧抵抗３８ａ及び３８ｂの接続点Ｄ
の設定電圧Ｖ。

と遅延回路３３の出力電圧ＶＢとが入力されており、電
圧ＶＢが電圧Ｖｏより低くなると“１”レベル信号を出
力する。ここで、設定電圧Ｖｏは、分圧抵坑３８ｂを調
整することにより比較的低い値に設定されており、この
第２のモニタ回路３８は空燃此センサ２０が過熱状態に
あるかどうかを監視するのと回路故障で空燃比センサ２
０が短絡状態にあるか否かを監視するのに適用される。
積分停止回路３９は、第１及び第２のモニタ回路３７，
３８から‘‘１”レベル信号が入力されると、積分回路
３５の作動させ、積分出力信号を所定値に保持して、空
燃比センサ２０の出力信号に基づく制御を解除する回路
で、公知のスイッチング回路から構成されている。

なお、各モニタ回路３７，３８のダイオード３７ｅ，３
８ｅは、ＯＲ論理を構成しており、各モニタ回路３７，
３８の一方が“１”レベル信号を出力すると、積分停止
回路３９が作動する。上記構成において、空燃比２０は
、エンジン１０から排出される排気ガスのガス成分、特
に酸素濃度に応じて電気抵抗値が変化する。

排気ガス成分は、混合気供聯合器１２からエンジン１０
へ供給される混合気の空燃比Ａ／日こ応じて変化するた
め、空燃此センサ２川ま、空燃比Ａ／Ｆに対して第１図
で示すように電気抵抗値Ｒｅが変化する。つまり、空燃
比センサ２０は、空燃比Ａ／Ｆが理論空燃８６Ｔ（１４
．７）より大きいとりーン抵抗値Ｌとなり、空燃比Ａ／
Ｆが理論空燃比ＳＴより小さいとりツチ抵抗値Ｒとなる
。空燃此センサ２０は、抵抗３１を介してバイアス電流
が供給されており、電気抵抗値Ｒｅをバイアス電流によ
って決定される電圧Ｖｓが、遅延回路３３及び比較回路
３４に入力される。

ここで、空燃比センサ２０の端子電圧Ｖｓは、亀気抵坑
値Ｒｅの変化に基いて第５図ａに折線Ｖｓで示すように
変化する。

また、遅延回路３４のコンデンサ３３ｂは、電圧Ｖｓの
変化に応じて充放電を行うから端子Ｂからは第５図ａの
曲線Ｖ８で示すような蝿圧ＶＢが出力される。つまり、
電圧ＶＢは、空燃比センサ２０の端子電圧Ｖｓの立上り
、立下りに依存して変化し、ほぼ電圧Ｖｓの極大値と極
小値の平均値付近で変化する。したがって、空燃此セン
サ２０がその使用温度あるいは蓬時変化により第１図の
曲線ａ，ｂ，ｃで示すように電気抵抗値Ｒｅ特性が全体
的に変動（シフト）して、端子電圧Ｖｓが第５図ａの左
部，中央部、石部で示すように変動しても電圧Ｖ８は常
に端子電圧Ｖｓのほぼ平均値に保持される。

こうして、空燃比センサ２０の端子電圧Ｖｓは、使用温
度、経時変化とは無関係に、空燃比Ａ／Ｆの変化に伴っ
て必ず電圧ＶＢを横切って変化する。したがって、比較
回路３４では、空燃比センサ２０の端子電圧ｙｓと遅延
回路３３の出力電圧ＶＢとを比較しているため、空燃比
センサ２０の電気抵抗値Ｒｅがリーン抵坑値Ｌとなれば
、電圧Ｖｓが電圧Ｖ６より大きくなり比較回路３４から
第５図ｂに示すように“１”レベルの空燃比検出信号が
出力される。他方、リツタ抵抗値Ｒとなれば、電圧Ｖｓ
が電圧ＶＢより小さくなり比較回路３４から第５図ｂに
示すように“０”レベルの空燃比検出信号が出力される
。このように空燃比検出信号は空燃比センサ２０のリー
ンあるいはリッチ抵抗値に正確に対応しており、この空
燃此検出信号が“１”レベルのときは混合気の空燃比Ａ
／Ｆが理論空燃比ＳＴより大きいということが判別され
、逆に、“０”レベルのときは空燃比Ａ／Ｆが理論空燃
日ＳＴより小さいということが判別される。

そして、空燃比検出信号は、積分回路３５、駆動回路３
６を経て混合気供給器１２に与えられ、これが“１”レ
ベルのとき混合供給器１２の空燃比調整器は、混合気を
濃くして空燃此Ａ／Ｆを小くし、空燃比Ａ／Ｆを理論空
燃比ＳＴに近付ける。

一方、空燃比検出信号が“０”レベルのとき混合気供給
器１２の空燃比調整器は、混合気を薄くして空燃比Ａ／
Ｆを大きくし、空燃舵Ａ／Ｆを理論空燃比ＳＴに近付け
ける。

こうして、空燃比Ａ／Ｆ‘ま、常に正確に理論空燃比Ｓ
Ｔに制御され、三元触媒コンバータ１６は高浄化率で排
気ガス中のＮＯ広，ＨＣ，ＣＯを浄化する。

エンジン１０の始動時あるいは始動直後のように空燃比
センサ２０の使用温度が２００ｑｏ以下で活性化温度に
達していないとき、空燃此センサ２０の電気抵抗値Ｒｅ
はかなり高い値となり、またワイヤーハーネス３２が断
線した場合も電気抵抗値Ｒｅは見かけ上無限大に近い値
となる。

したがって、遅延回路３３のコンデンサ３３ｂは、抵抗
３１，３３ａを介して充電され続け、コンデンサ３ｂの
端子電圧ＶＢは第５図ａの左部の破線で示すように上昇
する。

この結果電圧ＶＢは第１のモニタ回路３７の接続点Ｃの
電圧〜ｃより高くなり、比較器３７ｄは、“１”レベル
信号、即ち空燃比センサ２０が活性化されていないこと
あるいはワイヤーハーネス３２が断線したことを示す信
号を出力する。しかして、この信号により積分停止回路
３９が作動して積分回路３５は積分動作を停止し、積分
出力を所定値として空燃比センサ２０の出力による空燃
比制御を解除し、制御の不具合を解消する。

エンジン１０が高速高負荷で運転され、空燃比センサ２
０の使用温度が８００℃以上となって過熱状態にあると
き、空燃辻七センサ２０の電気抵抗値Ｒｅはかなり低く
なり、また回路故障により空燃比センサ２０が短絡した
場合電気抵抗値Ｒｅは見かけ上ゼロに近い値となる。

したがって、遅延回路３３のコンデンサ３３ｂは空燃比
センサ２０あるいは短絡部を介して放電し続け、コンデ
ンサ３３ｂの端子電圧ＶＢは第５図ａの右部の破線で示
すように下降する。

この結果電圧Ｖ８は第２のモニタ回路３８の接続点Ｄの
電圧Ｖｏより低くなり、比較器３８ｄは“１”レベル信
号、即ち空燃此センサ２０が過熱状態にあることあるい
は短絡状態にあることを示す信号を出力する。しかして
、この信号により積分停止回路３９が作動して積分回路
３５は積分動作を停止し、積分出力を所定値として空燃
比センサ２０の出力による空燃比制御を解除し、制御の
不具合を解消する。

なお、上記実施例では、吸気系の空燃比Ａ／Ｆ制御に本
発明装置を適用したが、二次空気供給装置付エンジンで
あれば、排気系の空燃比制御にも適用し得る。

以上述べたように本発明によれ‘ま、空燃此センサの使
用温度、経時変化により電気抵抗値特性が変化しても良
好に空燃此検出を行い得るという優れた効果を奏する。

また、空燃比センサ側に電気的ノズル等が混入した場合
にそれを誤判定することなく、空燃辻七センサが活性化
温度に達していない場合、ワイヤーハーネスの断線、空
燃比センサの過熱状態あるいは短絡状態など各種の異常
状態を、良好に検出できて制御の不具合を解消でき、か
つ異常状態検出用センサも不用で構成を簡潔化できると
いう優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は空燃此センサの電気抵抗値を示すグラフ、第２
図は本発明を適用するシステムを示す全体構成図、第３
図は第２図図示の空燃比センサを示す断面図、第４図は
本発明の一実施例を示す電気回路図、第５図は作動説明
に供するグラフである。 ２０・・・・・４空燃辻七センサ、３０・・・・・・電
源、３２…．・・ワイヤ−ハーネス、３３・・…・遅延
回路、３４・・・・・・比較回路、３７・・・・・・第
１のモニタ回路、３８・・・・・・第２のモニ夕回路。 第、図第２図 第３図 図 織 図 山 船

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 排気ガス中の酸素濃度に応じて電気抵坑値が変化す
   る空燃比センサと、この空燃比センサに電流を供給し空
   燃比センサの電気抵抗値に応じた端子電圧を発生させる
   電源と、前記空燃比センサの端子電圧を平均化処理する
   平均化手段と、前記空燃比センサの端子電圧と前記平均
   化手段の出力とを比較し空燃比検出信号を出力する比較
   手段と、前記平均化手段の出力電圧と設定電圧とを比較
   して異常状態を検出し前記空燃比センサによる制御を解
   除させるモニタ手段とを備え、前記モニタ手段が、前記
   平均化手段の出力電圧と高電圧側に設定された第１の設
   定電圧とを比較して、前記空燃比センサが活性化温度に
   達していないこと及び前記電源と空燃比センサとを接続
   するワイヤーハーネスの断線を検出する第１のモニタ手
   段と、前記平均化手段の出力電圧と低電圧側に設定され
   た第２の設定手段とを比較して前記空燃比センサの過熱
   状態及び短絡状態を検討する第２のモニタ手段からなる
   ことを特徴とする空燃比制御装置。