JPS6043139A - 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】 本発明は、空燃比センサを用いて内８機関を与える混合
気の空燃比を良好にフィードバック制御できる空燃比制
御装置に関する。

内燃機関においては機関側に供給される燃料の混合比、
つまり空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比でかつ三元触媒を
用いれば排出ガス中の有害ガス成分がきわめて少なくな
ることを広く知られており、したがって機関の全運転中
に亘って理論空燃比で運転すれば排出ガス対”策の点で
は理想的といえる♂しかしながら機関の全運転中に亘っ
て理論空燃比で運転すると燃料消費量の増大を招き、燃
費対策の面で得策でない。現実には、機関の加速（高負
荷）運転時などではＡ／Ｆを濃い状態（Ａ／Ｆζ１３）
にして運転しており、定常（部分負荷）運転中などでは
ＡｌＦ＠ｍ＜　Ｌ、て運転しているものである。

また、過給機付きの内燃機関では過給機の温度上昇を防
ぐ為に、出力空燃比（約１３）よりも濃い状劾にして燃
料により過給機の冷却を行う場合がある。この様な場合
には、空燃比が濃すぎて着火ミスが発生する危険がある
為、目標空燃比に対して精度良く燃料を制御する必要が
ある。

本発明の目的は、１つの空燃比センサを用いて、内燃機
関に与える混合気の空燃比を、理論空燃比より濃い領域
及び薄い領域のいずれにも精度良くフィードバック制御
可能とすることにある。

そのため本発明では、内燃機関の運転状態に応じて機関
に与える混合量を調整する調量手段と、内燃機関の排出
ガス中の空燃比を検出する限界電流特性をもつ空燃比セ
ンサと、機関の運転状態に応じて前記空燃比センサへの
印加電圧を変更する電圧印加手段と、前記空燃比センサ
の信号を用いて所望の空燃比となるように前記調量手段
を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする。

以下本発明を図に示す実施例により説明する。

本実施例では空燃比センサとして、限界電流検出式の空
燃比センサを用いるものである。この種の空燃比センサ
は例えば特開昭５７−４８６４８号公報等によりすでに
公知となっている。

これを概略的に示すと、第１．２図の通りである。第１
図において、１は空燃比センサである。

１ａは固定電解質素子で、−輪が開口され他端は閉塞さ
れたカップ状をなしている。この素子１ａは、酸素イオ
ン伝導電性金属酸化物焼結体のカップの内側を電極２を
介し大気等の基準酸素にさらし、外側を電極３、拡散抵
抗層４を介し検出ガスにさらした構造により構成しであ
る。

ここで、前記センサ１が理論空燃比点よりリーン領域の
酸素濃度に応じた限界電流を発生するように例えば単一
の電極にて検出する場合、検出ガス側電極３の面積は１
０＝１００ｍ！、厚さは０．５〜２．０μ程度とし、大
気側電極２は面積はｌｏ−以上、厚さは０．５〜２．０
μ程度であり、共に、たとえば白金等の触媒活性の高い
貴金属を化学メッキ、スパッタリング、ペーストスクリ
ーン印刷により、充分ポーラスに形成しであるノ拡散抵
抗層４は、たとえばＡｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３・ＭｇＯ１
Ｚｒ０２のプラズマ溶射法等により形成され、１００〜
７００μ、気孔率７〜１５％、平均細孔径６００〜１２
００人に形成されている。ここで、酸素濃度に対応する
限界電流値は電極３の面積、拡散抵抗層４の厚さ、気孔
率、平均細孔径により決まるため、これらは高精度に管
理・規定されねばならない。５はヒータである。なお、
“２ａ１３ａ、５ａはリード線である。

次にそのセンサの作用について説明する。素子１ａは内
燃機関の排気管に固定される。ここで排気ガスは周知の
ごとく０２、Ｃ０１ＨＣ等のガス成分から構成されてお
り、この各成分の濃度は燃焼側の空燃比によって変化す
る。空燃比センサは、この素子の表裏両面に多孔質の電
極を設け、これら両電極間に通電することによって排気
ガス中の酸素をイオンとして一方の電極かう他方の電極
へ向けて上記素子中に酸素イオンを拡散させ、このとき
印加電圧を変化させても電極間を流れる電流値が変化し
ない領域、すなわち限界電流が発生することが知られて
おり、そこで０．６Ｖ程度の所定電圧（第２図中Ａ）印
加時の限界電流値を測定することで排気ガス中の酸素濃
度（及び空燃比）を知ることができるから（第３図中特
性イを参照）、この酸素濃度（及び空燃比）をもとにし
てリーン領域の最適空燃」１を制御することができるも
のである。なお、第２図中Ｃの如く出力電流に対し印加
電圧に所定の勾配を与えるようにずれば、空燃比センサ
の経時変化や劣化や温度特性等により限界電流発生領域
が狭くなるような場合にも、広範囲の空燃比測定が可能
になる。

以上は空燃比がリーン領域にある場合の説明であるが、
次に空燃比が理論空燃比より濃い領域にある場合につい
て説明する。空燃比が濃い場合は排出ガス中の酸素濃度
が低く、拡散抵抗層４を経て電極３に至る酸素イオンは
少なくなり（これは空燃比が濃くなる程少なくなる）、
排出ガス中の酸素分圧は零に近づく。従って限界電流値
も零に近づくようになる。

ところで、本発明者等の実験によれば、空燃比センサへ
の印加電圧を限界電流の発生する値以上の電圧値（本実
施例では第２図中Ｂの如く約０．９５Ｖ）に固定して、
空燃比を変化させてそのセンサ出力電流を測定してみる
と、空燃比が理論空燃比により濃い側においても第２図
に示される如き関係が見出された。この原因として排出
ガス中の酸素ガス成分の他にＣＯやＮＯｘなどの他のガ
ス成分の酸素や還元反応による酸素ガスの発生が寄与し
ている。

この第２図に示される印加電圧０．９５Ｖの場合の空燃
比（Ａ／Ｆ）とセンサ出力との関係は、第３図中特性（
ロ）のようになる。つまり、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１５
）より濃い領域においても空燃比を検出可能であり、し
かもリーン領域まで連続して検出可能であることが分か
る。

ここで、第３図中（イ）、（ロ）の特性を見ると、特性
（イ）の方が空燃比に対する出力電流の変化が大きい。

つまり、感度が高いことが分かる。

しかも、出力電流が特性（ロ）に比べて小さいことが分
かる。一般に出力電流が大きいとセンサ素子部の連化の
原因となりやすいことが分かっており、特に常時出力電
流を取出す場合この問題は一層大きくなる。そのため、
理論空燃比（Ａ／Ｆ＃１５）を境界としてそれよりリー
ン側では特性（イ）ヲ用い、それよりリッチ側では特性
（ロ）を用いるようにすれば、全空燃比領域の検出が可
能となるばかりか、リーン領域における検出感度を高め
、かつ素子乏化の影響を一層軽減できるようになる。も
ちろん、特性の変更に際してはヒステリシスによる切換
幅を与えておいた方がより好しい。

次に、上記空燃比センサを利用した空燃比制御装置につ
いて説明する。第４図は空燃比制御装置の全体構成図で
、７は内燃機関６の吸気管側通路に設けたエアクリーナ
、８は機関の吸入空気量を検出する吸気量センサ、９は
スロットル弁で、この弁開度を検出する開度センサ１ｏ
が連結されている。１１は機関へ燃料を供給する噴射弁
、１２は機関の回転数又は回転位置を検出する回転セン
サ、１は空燃比センサ、１３は制御装置で、吸気量信号
、回転数信号、空燃比信号、及び温度等の他の機関状態
を表わす各種信号を入力して、噴射弁１０の開弁タイミ
ングや開弁時間を計算し制御するものである。

第５図は本発明装置の要部構成を示すブロック図であり
、空燃比センサｌは排出ガス中の酸素濃度に比例した出
力電流ｉを発生する。１００は印加電源で、第２図に示
されるように所望の出力電流を発生させるために、例え
ば第１の電圧（０，４〜０．７Ｖ）又は第２の電圧（０
，８〜１．Ｉ　Ｖ）　（７）範囲内の所定の電圧を空燃
比センサ１に切換えて印加するものである。これによっ
てｍ３図（イ）又は（ロ）に示す如く酸素濃度（空燃比
）にほぼ比例した出力電流ｉが得られる。２００は出力
電流検出用の微小抵抗値をもつ抵抗、３００は入力処理
段で、抵抗２００の降下電圧を受けて所定倍に増加する
と共に所望の特性を与えるようにしたものである。４０
０は印加型１ｔｏｏの作動状筋を制御する制御段で、巳
ンビュータ５００の指令を受けて、空燃比センサ１の非
活性時やその他のエンジン状態時でフィードバック制御
を行わないときには、空燃比センサ１への印加電圧をよ
り小さい値に低下させるか、または印加電圧を力・ノド
するように指示し、また理論空燃比よりリーン側の運転
領域にあるときには第１の電圧を発生させ、またリンチ
例の運転領域にあるときには第１の電圧より高い第２の
電圧を発生させるように指示するものである。６００は
Ａ／Ｄ変換器で、空燃比センサ１の出力、吸気量センサ
の出力Ｑやエンジン冷却水温を示す出力Ｔｗ、スロット
ル弁の開度をしめず出力θ等を設け、順次コンピュータ
５００の指示に従ってＡ／Ｄ変換処理を行うものである
。

このコンピュータ５００は、この場合マイクロコンピュ
ータにてソフトウェアによるプログラム処理を行うもの
であり、吸気量Ｑやエンジン回転速度Ｎなどの情報から
エンジンに与える燃料供給量を舅出し、駆動段７００を
通して噴射弁１１を駆動し、所望燃料量の燃料をエンジ
ンに供給するように動作する。また、フィードバック制
御時には、空燃比センサ１により検出される出力電流に
対応させてめた空燃比と、予め設定した現在の運転状態
に最適な目標空燃比との偏差を検出して、先に算出した
燃料供給量を補正するようにし、現在の空燃比が目標空
燃比と一致するように制御するものである。この目標空
燃比は、エンジンの各運転状態（例えばＱとＮから決定
される運転状態）に対応させて最適な空燃比の値が予め
設定されており、その値はコンピュータ内にあるＲＯＭ
　（リード・オンリー・メモリ）の一部に記憶しである
。

また、このフィードバック制御を行う条件としては、空
燃比センサ１が通常６５０　”ｃ以上の活性状態にあり
、またエンジン冷却水温が７０℃以上の暖機完了した状
態にあることが最も好しい。もちろん、必ずしも全ての
条件を満足させる必要はない。

次に、コンピュータ５００の概略作動を説明する。第６
図において、キースイッチの投入によりエンジンが始動
されると第１のステップ１０００よりステップ１００７
まで順次演算処理が実行される。ステップ１００１にて
初期化の処理が実行され、ステップ１００２においてエ
ンジン回転速度Ｎ、吸気量Ｑ、エンジン冷却水温Ｔｗ、
出方電流ｉ等のディジタル値を読込む。ステップ１００
３では、燃料供給量の基本量を主パラメータ（Ｑ／Ｎ、
、Ｎ等）に応じて基本量マツプから読出ず。

ステップ１００４では、冷却水温や吸気温、スタータス
イッチ等の信号を得て水温増量、吸気温増量、始動増量
を含めた補正ｒｊｋＫ＋を計３１、その結黒をコンピュ
ータ５　’ＯＯ内のＲＡＭに格納する。また、この補正
量に１の中に加速増量等のエンジン固有の他の補正項目
を含めて考えても良い。２ステツプ１００５では、空燃
比センサ１の信号を入力して実際の空燃比を検出し、こ
の空燃比が現在の運転状態において目標とされる空燃比
と一致するようにするため、供給燃料量の補正量に２を
計算する。ステップ１００６．１００７では、各ステッ
プ１００３．１００４．１００５等でめた基本量Ｋｌ、
Ｋ２等に基いて現時点において最適な燃料供給量を計算
し、その値を出力部にセットする。そして所定のクラン
ク角度位置において上記計算データによる燃料量が噴射
弁を介してエンジンに供給される。

第７図はステップ１００５の詳細なフローチャートであ
る。まず、ステップ２００１では、空燃比センサ１が活
性状態になっているか否か、または空燃比のフィードバ
ック制御が可能か否かを判定する。具体的には空燃比セ
ンサ１の温度を検出して所定温度以上になっているかを
判定するとか、または空燃比センサ１に一定バイアスを
与えてセンサ自身の内部抵抗の大きさから活性判別を行
うとか、または冷却水温や、始動時からの経過時間や燃
焼回数の累積等から間接的に活性状態を推定するように
すればよい。

そこで、センサ非活性時にはステップ２００２に進み、
このステップ２００２では空燃比センサ１への印加電圧
をカットするようにしている。そしてステップ２００３
では補正係数に２−１に設定し、舅分処理を行わないよ
うにしている。

また、センサが活性状態にありかつフィードバック制御
可能な状態にあるときにはステップ２００４〜２０１６
の処理を実行する。ます、ステップ２００４では内燃機
関が高負荷運転状態にあるか否かを判断する。その状態
の１つとして機関の急加速時があり、スロットル開度θ
及びその開度変化速度Δθ、或いは吸気量Ｑ及びその吸
気量変化速度ΔＱ、吸気管圧Ｐ及びその変化速度へＰ、
或いは噴射パルス幅Ｔが所定値以上か否かを判定すれば
急加速状態を判断できる。また、その他にも機関の高負
荷時があり、例えば登板走行時、高速走行時、及び過積
載運転時などがある。そこ、で、負荷状態を表わすパラ
メータとしてスロットル弁の開度も、吸気量Ｑ、吸気管
圧力Ｐ、噴射パルス幅Ｔなどの１つと機関回転数とＮと
の組合せにより高負荷領域を判定できる。

そこで、機関が高負荷運転状態にないとき、つまり通常
運転時であり、この場合理論空燃比よりリーン側の空燃
比で運転するためにリーンフィードバンク制御をステッ
プ２００５〜２０１０にて実行する。

まず、ステップ２００５にて空燃比センサ１に第１の電
圧（第２図中Ａ）を印加する。そしてステップ２００６
では、現在の運転状態に最適な目標Ａ／Ｆに相当する出
力電流ＩＲを、所定のマツプから主パラメータ（この場
合ＮとＱ）に応じて読出す。一方、空燃比センサ１′よ
り現在の出力電流ｉを測定しくステップ２００７）、両
者の偏差Δｊ”ｉ　ｊＲをめ（ステップ２００８）、こ
の偏差Δｉに応じて積分処理時の演算量Δに２を決定す
る（ステップ２００９．２０１０）。この積算量Δに２
を例えば偏差Δｉの大きさに応じて変えてもよいし、常
に一定としてもよい。これはフィードバック制御の追従
性や制御精度、エンジンとのマンチング等を考慮して選
択される。偏差Δｉが大きくなるほど積算量Δに２を大
きくすれば、積分処理に２＝に２±Δに２により決定さ
れる補正量に２が大きく変化するため、燃料供給量を最
適制御できて追従性が一層向上する（ステップ２０１０
）。

また、ステップ２００４において機関が上記した如き高
負荷運転状態にあるときには、理論空燃比によりリンチ
側の空燃比で運転するためにリッチフィードバック制御
をステップ２０１１〜２０１６にて実行する。

まずステップ２０１１では、空燃比センサ１に対し第１
の電圧に代えて第２の電圧（第２図中Ｂ）を印加する。

そしてステップ２０１２では、現在の高負荷運転状態に
最適な目標Ａ／Ｆに相当する出力電流ｉＲを、所定のマ
ツプから読出す。例えば、機関の急加速時には、その加
速状態に応じた目標値ｉＲを予め設定された加速増量マ
ツプから読出すようにする。

また、機関が高負荷領域にあれゼ、高負荷状態に応じた
目標値ｉＲ０を予め設定された高負荷増量マ・、プより
読出ずようにする。そこで以下のステップ２０１３〜２
０１６では、上記したステップ２００７〜２０１０と同
様に作動するため説明を省く。上記したように、これら
の目標値ｉＲに出力電流が一致するように空燃比を制御
すれば、機関の各種状態に応じた最適な制御が実現され
ることになる。

とりわけ、制御目標空燃比が理論空燃比を境界にしてリ
ッチ領域鰺リーン領域に変更されるときには、空燃比セ
ンサ１の出力電流ｉが大幅に変化するため、つなぎを良
好にするための対策が必要である。例えばヒステリシス
を設けるとか、或いはセンサ出力による検出処理を一時
停止してセンサ及び入力処理段３００が安定状態になる
のを待つとか、それらを組合ゼることなど考えられる。

なお、本実施例では空燃比制御装置として吸気量検出方
式の燃料噴射装置に適用した例を示したが、吸気管圧力
検出方式やスロットル開度検出方式など他の構成の燃料
噴射装置に対しても同様に適用可能である。また、燃料
噴射装置に限らず気化器にも適用可能である。

以上述べた如く本発明では、限界電流特性をもつ空燃比
センサの信号を用いて機関に与える混合気をフィードバ
ック制御する装置において、機関の運転状態に応じて空
燃比センサへの印加電圧を変更しているから、１つの空
燃比センサによって理論空燃比よりす：−ン側及びリッ
チ側の空燃比を良好に検出できるようになり、従って全
空燃比領域において精度良くフィードバック制御ができ
るようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は限界電流式空燃比センサを示ず断面図、第２図
及び第３図は空燃比センサに所定の電圧を与えた場合の
空燃比と出力電流との関係を示す特性図、第４図及び第
５図は本発明の一実施例を示す空燃比制御装置の全体構
成図及び要部ブロック図、第６図及び第７図は本発明の
作動説明にイバするフローチャー１・である。 １・・・空燃比センサ、６・・・内燃機関、８・・・吸
気量センサ、９・・・スロットル弁、１０・・・開度セ
ンサ。 １１・・・喰射弁、１２・・・回転センサ、１３・・・
制御装置、１００・・・印加電源、３００・・・入力処
理段。 ５００・・・コンピュータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内燃機関の運転状態に応じて機関に与える混合量
   を調整する調量手段と、内燃機関の排出ガス中の空燃比
   を検出する限界電流特性をもつ空燃比センサと、機関の
   運転状態に応じて前記空燃比セ゛　ンサへの印加電圧を
   変更する電圧印加手段と、前記空燃比センサの信号を用
   いて所望の空燃比となるように前記調量手段を制御する
   制御手段とを設けたことを特徴とする空燃比制御装置。
2. （２）前記電圧印加手段は、機関の運転状態に対応して
   、理論空燃比より濃い領域の検出が要求される場合と薄
   い領域の検出が要求される場合とに応じて、前記空燃比
   センサへの印加電圧を変更するように構成されたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の空燃比制御装置
   。
3. （３）理論空燃比より薄い領域の検出が要求される場合
   には、前記空燃比センサに対し第１の電圧を印加して限
   界電流を発生させるようにし、他方、理論空燃比より濃
   い領域の検出が要求される場合には前記空燃比センサに
   対し第１の電圧より高い第２の電圧を印加して出力電流
   を発生させるよう、　に構成されたことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の空燃比制御装置。