JPS61135951A - 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、酸素センサの出力に基づいて空燃比を制御す
る空燃比制御装置に関する。

（従来技術） 近時、エンジンの燃費、排気対策等の要求を満たずため
、希薄領域においても空燃比がフィードバック制御され
る傾向にあり、このような空燃比は、通常、排気中の酸
素濃度をパラメータとして検出される。

このため、リッチからリーンまで、空燃比を広範囲に検
−出回能な酸素センサ（例えば、特開昭５９−６７４．
５５号公報、特開昭５９−４６３５０号公報参照）が種
々開発されている。このような酸素センサはセンサ電極
間が所定電位差であるときの拡散限界酸素量が酸素濃度
に相関するという特性に着目し、これを拡散電流（ポン
プ電流）として外部回路により検出することで、空燃比
を広範囲に検′出している。そして、このような酸素セ
ンサ情報に基づいてリンチからリーンまで空燃比を広範
囲にフィードハック制御することができる。

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、高温排気中の酸素センサに排気酸素濃度に相関す
るポンプ電流を供給し、この電流値がら空燃比を検出す
る構成であるため、酸素センサにおける電極の劣化や固
体電解質のボンピング能力の劣化、あるいは排気ガス拡
散層の拡散率の低下等（以下、特性劣化という）が経時
変化に伴って起こるおそれがあり、かかる場合、空燃比
の検出精度が低下して空燃比の制御精度が悪化する。

なお、特性劣化は酸素センサ表面に排気中のカーボンや
Ｈ’Ｃ成分等の不要物（以下、不要不着物という）が堆
積して起こることもあり、このような場合には酸素セン
サ表面の目詰まりや電極間での電流リーク等が発生して
やはり空燃比の検出精度を低下させる。

（発明の目的） そこで本発明は、エンジンが所定の運転状態にあるとき
（例えば、フユエルカソ１一時）、所定の較正空燃比と
なるように燃料を供給し、この較正空燃比に対応するよ
うに酸素センサの出力に基づく空燃比情報を較正するこ
とにより、酸素センサの特性劣化に拘らず常に空燃比の
検出を正確なものとして、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その全体構成図を第１図
に示すように、排気中の酸素濃度を検出し空燃比を算出
する空燃比検出手段ａと、エンジンの運転状態を検出す
る運転状態検出手段すと、エンジンが所定の運転状態に
あるとき較正信号を出力する較正信号発生手段Ｃと、較
正信号が入力されたときの較正空燃比に基づいて空燃比
検出手段ａの出力を較正する較正手段ｄと、較正手段ｄ
の出力に基づいて吸入混合気の空燃比が所定空燃比とな
るように吸入空気あるいは燃料の供給量を制御するとと
もに、較正信号が入力されると所定の較正空燃比となる
ように該供給量を制御する制御信号を出力する制御手段
ｅと、制御信号に基づいて吸入空気あるいは燃料の供給
量を操作する操作手段ｆと、を備えており、酸素センサ
ａの特性劣化に拘らず空燃比情報を正確なものとするも
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２〜７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２図において、１はエンジ
ンであり、吸入空気はエアクリーナ２より吸気管３を通
して各気筒に供給され燃料は噴射信号Ｓｉに基づいてイ
ンジェクタ（操作手段）４により噴射される。そして、
気筒内で燃焼した排気は排気管５を通して触媒コンバー
タ６に導入され、触媒コンバータ６内で排気中の有害成
分（Ｃ○、ＨＣ，ＮＯｘ、）を三元触媒により清浄化し
て排出される。吸入空気の流量Ｑａはエアクリ−す７に
より検出され、吸気管３内の絞弁８によって制御される
。絞弁８の開度ＣＶは絞弁開度センサ９により検出され
、エンジン１の回転数Ｎはクランク角センサ１０により
検出される。また、ウォータジャケットを流れる冷却水
の温度Ｔｗは水温センサ１１により検出され、排気中の
酸素濃度は酸素センサ１２により検出される。上記絞弁
開度センサ９、クランク角センサ１０および水温センサ
１１は運転状態検出手段１３を構成しており、運転状態
検出手段１３、エアフロメータ７および酸素センサ１２
からの信号はコントロールユニット】４に入力されてオ
リ、コントロールユニット１４はこれらのセンサ情報に
基づいて空燃比制御を行うもので、詳細な構成は後述す
る。

第３．４図は、酸素センサ１２の分解斜視図およびその
断面図である。これらの図において、２１はアルミナか
らなる基板であり、基板２１上にはヒータ２２を介して
チャンネル状の大気導入部２３を形成した大気導入板２
４が積層される。その上に、酸素イオン伝導性の平板状
の第１の固体電解質２５が積層され、固体電解質２５の
下面には大気に晒される電極であるセンサアノード（測
定電極）２７が、それに対応する上面には排気ガスに晒
される電極であるセンサカソード（測定電極）２７がそ
れぞれ印刷により設けられる。さらに、この固体電解質
２５の上に厚さＬ　（１−＝　０．１ｍｍ程度）のスペ
ーサ板２８が積層され、その上に平板状の第２の固体電
解質２９が積層される。これらの固体電解質２５．２つ
およびスベ−−１１−２８はセンサカソード２７を覆っ
てこのセンサカソード２７の周りにガス導入部（酸素層
）３０を画成する酸素層画成部＋Ａ３１を構成しており
、酸素層画成部材３１は排気とガス導入部３０との間の
酸素分子の拡散を制限する。上記センサアノード２６、
センサカソード２７および固体電解質２５はセンサ部３
２を構成しており、センサ部３２は大気導入部２３とガ
ス導入部３０との間の酸素分圧比に応じた電圧（以下、
センサ電圧という）Ｖｓを出力する。

また、第２の固体電解質２９の上、下面にはそれぞれポ
ンプ電極としてのポンプアノード３３およびポンプカソ
ード３４が設けられ、これらのポンプアノード３３、ポ
ンプカソード３４および固体電解質２９はポンプ部３５
を構成する。ポンプ部３５１まポンプ電極間に供給され
るポンプ電流１ｐの値に応してガス導入部３０の酸素分
圧を制御する。」−記センサ部３２、ポンプ部３５、酸
素層画成部材３１および大気導入板２４は全体として酸
素センサ１２を構成する。

なお、ヒ−り２２は固体電解質２５．２つを適温に加熱
し、それらを活性化させる。また、３６．３７はヒータ
２２のリード線、３８〜４１はそれぞれセンサアノード
２６、センサカソード２７、ポンプアノード、ポンプカ
ソード３４のリード線である。

第５図はコンｌ−ロールユニ・７１−１４の構成ヲ示す
ブロック図である。この図において、コンｌ−ロールユ
ニソ１−１４は空燃比検出回路４５およびマイクロコン
ピユータ４６により構成される。空燃比検出回路４５は
第６図に詳細を示すように、差値検出回路４７、積分回
路４８およびｖ−ｒ変換回路４９により構成される。差
値検出回路４７は差動アンプ５０と電圧源５１からなり
、センサ電圧Ｖｓから目標電圧Ｖａを減算して積分回路
４８に出力する。目標電圧■ａはガス導入部３０の酸素
濃度が所定値に維持されているときのセンサ電圧Ｖｓの
急変する電圧値の上限と下限の中間値であり、電圧源５
Ｉにより設定される。そして、センサ電圧Ｖｓはガス導
入部３０の酸素濃度に対応し、目標電圧Ｖｓは上記所定
値に対応しているから、差値Δ■はガス導入部３０にお
ける現酸素濃度の所定値からのずれの大きさを表してい
る。積分回路４８はオペアンプ５２、抵抗Ｒ■およびコ
ンデンサＣＩからなり、差値Δ■を所定の積分定数にで
積分して積分出力ＶｃをＶ−Ｔ変換回路４９に出力する
。■−■変換回路４９は差動アンプ５３、オペアンプ５
４および抵抗Ｒ２からなり、積分出力Ｖｃとポンプ電流
Ｉｐに応じた抵抗Ｒ２の両端電圧を検出する差動アンプ
５３の出力とに応してオペアンプ５４から積分出力Ｖｃ
に対応する大きさおよび方向のポンプ電流ｒｐを供給す
る。また、■−■変換回路４９は上述したようにポンプ
電流Ｉｐの値を抵抗Ｒ２の両端電圧として検出しており
、これを検出電圧Ｖｉとして出力する。この検出電圧Ｖ
ｉはポンプ電流Ｔｐが矢印［し方向に流れるとき正、矢
印縁方向に流れるとき負の値となり（第４図参照）、空
燃比に一義的に対応したものとなる。

ずなわち、Ｖｓ＝Ｖａとなるように酸素センサ１２にポ
ンプ電流１ｐを供給すると、ポンプ電流Ｉｐの酸素ポン
プ作用によりガス導入部３０の酸素分圧が決定される。

いま、排気温度が１　、０００°にであるとき、例えば
Ｖａ＝５００ｍＶに設定しガス導入部３０の酸素分圧（
センサカソード２７の酸素分圧Ｐｂ）を理論空燃比に対
応した値に維持しようとする場合、その値Ｐｂは次に示
ずネルンストの式■により求められＰ　ｂ　＝　０．２
０６　Ｘ　１０　　気圧となる。

Ｅ　−（ＲＴ／　４Ｆ）　　・Ｉ！、ｎ　　・（Ｐａ／
　Ｐｂ）　−−−−一■但し、Ｒ：気体定数 Ｔ：絶対温度 Ｆ：ファラディ定数 Ｐａ：センサアノード２６の酸素分圧 ポンプ電流Ｉｐ値はガス導入部３０の酸素分圧Ｐｂを理
論空燃比に対応した上記所定値（ｐｂ＝０．２０６×１
０　気圧）に維持するために必要なポンプエネルギの大
きさを表しており、ポンプ電流Ｉｐの変化は排気の酸素
分圧、すなわち排気中の酸素濃度の変化に対応したもの
となる。そして、これら両者の関係は排気中の酸素濃度
を空燃比で表すと第７図に示すようなＩｐ−Ａ／Ｆ特性
になり、ポンプ電流Ｊｐの値を検出電圧Ｖｉとして検出
することにより、空燃比を連続して測定することができ
る。この検出電圧Ｖｉは、その大きさが空燃比に対して
緩やかに変化しており、理論空燃比（λ−１）で零とな
る。なお、ポンプ電流１ｐの値は理論空燃比よりリーン
域では排気中の酸素分子０２の量に対応し、リンチ域で
は排気中のＣ○やＩ］Ｃ等の量（これらが酸素分子０２
に変換されるため）に対応したものとなり、理論空燃比
を境に流れる方向が反転する。したがって、リンチ域の
空燃比をも精度よく検出することができ、これを用いる
ことによりリッヂ空燃比の領域においてもフィードハッ
ク制御を行うことが可能である。上記酸素センサＩ２お
よび空燃比検出回路４５は空燃比検出手段５５を構成す
る。

さて、再び第５図において、マイクロコンピュータ４６
には空燃比検出回路４５およびセンサ群７．９．１０．
１１からの信号が入力される。マイクロコンピュータ４
６は較正信号発生手段、較正手段および制御手段として
の機能を有し、ＣＰＵ５６、ＲＯＭ５７、ＲＡＭ５Ｂ、
ＮＡＶ　（不揮発性データメモリ）５９およびＩ１０ボ
ート６０により構成される。ＣＰＵ５６はＲＯＭ５７に
書き込まれているプログラムにしたがってＩ１０ボー１
−６０より必要とする外部データを取り込んだり、また
ＲＡＭ５Ｂ、Ｎ　Ａ　Ｖ　５９との間でデータの授受を
行ったりしながら演算処理し、必要に応して処理したデ
ータをＩ１０ボート６０へ出力する。Ｉ１０ボート６０
には空燃比検出回路４５およびセンサ群７．９．１０、
】１からの信号が入力されるとともに、Ｉ１０ボー１〜
６０からば噴射信号Ｓｔが出力される。ＲＯＭ５７はＣ
ＰＵ５６における演算プログラムを格納しており、ＲＡ
Ｍ５８およびＮ　Ａ　Ｖ　５９は演算に使用するデータ
をマツプ等の形で記１．ウシている。

次に作用を説明する。

一般に、酸素センサは高温でかつカーホン成分等が入り
混しっているという排気を被測定対象物としており、測
定環境の厳しい条件下にある。

また、例えば空燃比を連続的に検出するために、拡散電
流（ポンプ電流）を酸素濃度に応じて変化させる等、特
有の構造を必要としている。この拡散電流の値は素子本
体の特性劣化や不要付着物の堆積により誤差を生ずるこ
とがあるが、従来はこの手当が考慮されておらず空燃比
制御の精度低下を容言忍していた。

そこで、本実施例では、排気管内を既知の酸素濃度に維
持できれば、このときの正確な酸素濃度に基づいて酸素
センサの特性を較正可能であるという点に着目し、エン
ジン１がフユエルカソト領域で運転されているとき燃料
量の操作によって排気管５内を較正空燃比に対応する較
正酸素濃度に維持し、このときの検出電圧Ｖｉｏに基づ
いて酸素センサ１２の特性を較正し、この較正後の情報
に基づいて空燃比を制御することで、空燃比制御の精度
低下を回避している。

第８図はＲＯＭ５６に書き込まれている空燃比制御のプ
ログラムを示すフローチャートであり、図中Ｐ、〜ＰＩ
Ｏはフローチャー１−の各ステップを示している。本プ
ログラムは所定時間毎に１度実行される。

Ｐｌで較正フラグＫＦが立っているが否かを判別する。

較正フラグＫＦは空燃比検出回路４５の出力、すなわち
検出電圧Ｖｉを較正するか否かを表示するもので、エン
ジン１始動時にマイクロコンピュータ４６をイニシャル
処理するときおよび空燃比制御を停止した後再び実行す
るときに立てられ（ＫＦ＝１）、後述のように本ルーチ
ンの最終ステップＰＩＯで（較正処理を終了したとき）
降ろされる（ＫＦ＝Ｏ）。ＫＦ＝０のときは今回のルー
チンを終了し、ＫＦ＝１のときはＰ２でフユエルカソト
フラグＦＣＦが立っているが否かを判別する。フユエル
カソトフラグＦＣＦはエンジン１が所定の減速運転範囲
（例えば、Ｎ≧１６０Ｏｒｐｍ　。

Ｔｗ≧８０　′ｃ　、絞弁８が全閉のとき）内にあると
き立てられ（ＦＣＦ＝１）、この減速運転範囲内にない
とき降ろされる（ＦＣＦ＝Ｏ）。なお、この処理は図示
しない他のルーチンで実行される。

ＦＣＦ＝Ｏのときは今回のルーチンを終了し、ＦＣＦ＝
１のときはＰ、〜Ｐ、のステップを経て排気管５内を較
正空燃比に対応する酸素濃度に維持する。すなわち、Ｐ
３で現在の吸入空気量Ｑａを読み込み、Ｐ４でこのＱａ
に基づいて所定の較正空燃比に対応する燃料噴射量Ｔｉ
を演算し、Ｐ、でＴｉに対応するパルス幅を有する噴射
信号Ｓｉを出力する。噴射信号Ｓｉは特定の一部気筒に
出力するが、少なくとも一つ以上の気筒に出力する。ス
テップＰ４におけるＴｉの演算は、例えば次式〇に従っ
て行う。

Ｔ　ｉ　＝　Ｋ−Ｑ　ａ　／λｃ　　　−−−−−−■
但し、Ｋ：定数 λＣ二較正空燃比（例えば、Ａ／Ｆ　＝２２〜３６） 次いで、Ｐ６で燃料噴射後一定時間が経過しているか否
かを判別し、一定時間が経過していないときはＰ７で噴
射信号Ｓｉの出力を停止して今回のルーチンを終了する
。一方、既に一定時間が経過しているときはＰ８で現在
の検出電圧Ｖｉを読み込む。なお、フユエルカソト中に
おける上記燃料噴射処理では、点火信号の出力がカット
されて燃料はイグニション着火されない。これは、特定
気筒のみに噴射される燃料によりエンジン１がハンチン
グすること防止するためである。そして、このときは付
属のヒータにより高温度に加熱されている酸素センサ１
２によって燃料が燃焼し、酸素センサ１２雰囲気が較正
空燃比に対応する所定の較正酸素濃度に維持される。な
お、酸素センサ１２ば触媒コンバータ６の下流側に設置
してもよく、その場合は上記燃料は触媒コンバータ６の
酸化熱によって燃焼させることもできる。上記一定時間
は酸素センサ１２雰囲気を安定させるために考慮されて
いる。したがって、ステップＰ８におけるＶｉは既知の
較正空燃比に対応する酸素センサ１２の特性を表すもの
く以下、較正出力Ｖｉｅという〉として捉えることがで
きる。

ここで、酸素センサ１２の出力特性は第９図に示すよう
に実線Ｘが初期特性（正常時）、破線Ｙが劣化特性（劣
化時）として表される。初期特性Ｘは数式で表すと、次
式■のように示される。

Ｖｉ−α（λ−１＞　　　　　　−−−■但し、α：係
数 λ：当量比で表した空燃比 ０式を変形して空燃比λをＶｉの関数として表すと、す
なわちＶｉにより空燃比λを算出すると次式■のように
示される。

λ＝（Ｖｉ／α）＋１　　　−−−−−００式から明ら
かであるように劣化特性Ｙはαの値が変化したものとみ
ることができ、これは逆に言えばαΦ値を劣化程度に応
じて適切に補正すれば常に初期特性Ｘに較正できること
を意味している。

そこで、本実施例ではαを較正係数Ａで置き換え、ステ
ップＰ９で劣化特性Ｙを較正している。

すなわち、較正空燃比（以下、λＣで表す）に対応する
較正出力Ｖｉｃは正常時であれば初期特性Ｘ上の出力Ｖ
ｉｃｏとなるが、劣化時であれば劣化特性Ｙ上の出力Ｖ
ｉｃとなり検出誤差が生じている。Ｐ９では０式を変形
して較正係数Ａを次式■に従って演算する。

Ａ−Ｖｉｃｏ／（λｃ−１＞　　　−−−−一■この較
正係数Ａは酸素センサ１２の劣化程度に応じたものとな
り、この値に基づき上記０式に従って空燃比λを算出す
ると次式■のように示される。

λ−（Ｖ　ｉ　／Ａ）　＋１　　　　　−−−−−−■
この０式で示すλは劣化特性Ｙを較正し常に初期特性Ｘ
に合致したものとなり、これに基づいて空燃比を制御す
ることにより精度よく目標値に制御することができる。

そして、最後にＰ、。で較正フラグＫＦを降ろす。

このように、酸素センサ１２の特性劣化に拘らず所定期
間毎（上記較正フラグＫＦが立てられる毎）に検出電圧
Ｖｔを適切に較正することができ、空燃比制御の精度を
向上させることができる。

なお、Ｖｉの出力特性が空燃比のリーン側へのシフトに
伴って飽和する傾向にあるタイプのもＢ のを用いて、この飽和領域近傍まで空燃比制御を行う場
合には、例えば第１０図に示すように、λＣよりさらに
リーン側に較正空燃比λＣ′を設定するようにしてもよ
い。そして、このような場合、実験等により較正が最も
適切となる点にλＣ′を設定すればよい。

第１１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１１図
において、第１の固体電解質２５の上面側には隔壁板７
１および第２の固体電解質７２が順次積層されており、
固体電解質７２には小孔７２ａが、また、隔壁板７１に
は大きな矩形の貫通孔７１ａがそれぞれ形成されている
。貫通孔７１ａに対向する固体電解質７２の上、下面に
はそれぞれポンプ電極としてのポンプアノード７３およ
びポンプカソード７４が積層されており、これらの各電
極７３．７４は小孔７２ａと同一軸線上に配設され、そ
れぞれ小孔７３ａ、７４ａが形成されるとともにリード
線７５．７６が接続される。固体電解質７２と隔壁板７
１はセンサカソード２７を覆ってこのセンサカソード２
７の周りにガス導入部（＃素層）７７を画成しており、
固体電解質７２の図中上方には排気が導かれる。前記小
孔７２２〜７４ａは拡散孔７８を構成しており、拡散孔
７８は排気中とガス導入部７７を連通している。隔壁板
７１および固体電解質７２は酸素層画成部材７９を構成
しており、酸素層画成部材７９は排気中とガス導入部７
７との間の酸素分子の拡散を制限する。その他は第１実
施例と同様である。

上記固体電解質７２、ポンプアノード７３およびポンプ
カソード７４はポンプ部８０を構成しており、また、ポ
ンプ部８０、センサ部３２、酸素層画成部材７９および
大気導入板２４は全体として酸素センサ８１を構成して
いる。

したがって、本実施例においてはＶｓ＝Ｖａとなるよう
に供給されるポンプ電流Ｔｐによりガス導入部７７の酸
素分圧が理論空燃比に対応した値に維持される。その結
果、ポンプ電流１ｐの値を検出電圧Ｖｉとして検出する
ことにより第１実施例と同様に空燃比を広範囲を検出す
ることができる。そして、本発明はこのようなタイプの
酸素センサ８１であっても適用でき、同様の効果を得る
ことができる。

なお、本発明は上記各実施例に示したタイプの酸素セン
サに限定されるものではない。要は、拡散電流を排気中
の酸素濃度に相関させるように酸素分子のポンピングを
行うとともに、一体酸素濃度の基準ガス（大気のみとは
限らない）との比較のものに空燃比を算出するタイプの
ものであればすべてに適用が可能である。したがって、
ポンプ電極の一部がセンサ電極と共用されているもの、
あるいはセンサ部とポンプ部が一体構造のもの（見かけ
上はセンサ部のみとなる）であってもよいことは勿論で
ある。

また、本発明は空燃比制御に際して燃料供給量のみを操
作する例に限らず、例えば吸入空気を操作して空燃比を
制御するもの、あるいは両者を共に変化させるものにも
適用できる。

（効果） 本発明によれば、酸素センサの特性劣化に拘らず較正に
より當に空燃比の検出を正確なものとすることができ、
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図は本発明の全体構成図、第２〜１０図は本発明の
第１実施例を示す図であり、第２図はその概略構成図、
第３図はその酸素センサの分解斜視図、第４図はその酸
素センサの断面図、第５図はそのコントロールユニット
のブロック構成図、第６図はその空燃比検出回路の回路
図、第７図はその空燃比と検出電圧Ｖｉとの関係を示す
図、第８図はその空燃比制御のプログラムを示すフロー
チャート、第９図はその検出電圧Ｖｉの較正を説明する
ために空燃比と検出電圧Ｖｉとの関係を示す図、第１０
図はその検出電圧Ｖｉの較正を説明するために他の空燃
比と検出電圧Ｖｉとの関係を示す図、第１１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。 １−−−−−−エンジン、 ４−−−−−−インジェクタ（操作手段）、１２．８１
−−−−−一酸素センサ、 １３−−−一−−運転状態検出手段、 ４６−−−−一マイクロコンピュータ（較正信号発生手
段、較正手段、制御手段）、 ５５−−−−−一空燃比検出手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）排気中の酸素濃度を検出し空燃比を算出する空燃比
   検出手段と、 ｂ）エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と
   、 ｃ）エンジンが所定の運転状態にあるとき較正信号を出
   力する較正信号発生手段と、 ｄ）較正信号が入力されたときの較正空燃比に基づいて
   空燃比検出手段の出力を較正する較正手段と、 ｅ）較正手段の出力に基づいて吸入混合気の空燃比が所
   定空燃比となるように吸入空気あるいは燃料の供給量を
   制御するとともに、較正信号が入力されると所定の較正
   空燃比となるように該供給量を制御する制御信号を出力
   する制御手段と、 ｆ）制御信号に基づいて吸入空気あるいは燃料の供給量
   を操作する操作手段と、 を備えたことを特徴とする空燃比制御装置。