JPS61145453A - 内燃機関の制御装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ガソリンエンジン等の内燃機関に吸入する燃
料混合空気の燃料濃度、即ち空燃比を直接検出して運転
状態に応じた燃焼制御を行なうようにした内燃１ｔｙＡ
の制御装置に関する。

（従来技術） 従来、自動車用のガソリンエンジン等においては、車両
の運転状態に応じた最適な燃焼制御、即ち燃焼の効率化
と排ガス中のＣｏ、ＨＣ，ＮＯｘを減するため、各種の
センサで検出した情報に基づいてＣＰＵ等でエンジンに
供給するガソリンの量を演算し、燃料噴射装置によりエ
ンジン内に噴射させる電子制御システムが実用化されて
いる。

第１０図は、Ｌ−Ｊｅｔ　ｒｏｎ　ｉ　Ｃとして知られ
たＢｏｓｃｈ社製の電子制御式燃料噴射装置の概要を示
したもので、排気側に設けた０２センサ１で理論空燃比
を検出し、コントローラ２で理論空燃比を保つようにイ
ンジェクター３による燃料噴射量を制御することを基本
とし、更にエアフローメータ４による吸入空気量、スロ
ットルポジションセンサ５によるスロットル６の開度、
水温センサ７によるエンジン冷却水温度、イグニッショ
ンコイル８からの点火タイミング信号、スタータ９から
のエンジン始動信号等を演算要素に取り入れ、燃焼効率
と排ガス浄化の両者を満足する最適燃焼制御を可能にし
ている。

ここでＯセンサ１の検出信号に基づいた空燃比制御を中
心に説明すると、周知のように空燃比とは単位時間当り
に消費された空気と燃料の比率であり、燃料１９を燃焼
させるのに必要な空気量を理論空燃比と定義し、この理
論空燃比はガソリンエンジンの場合１４．７となる。

そこで第１０図に示したような電子式燃料噴射ａｍにあ
っては、排ガス中の０２濃度がエンジンに吸入される燃
料混合空気の空燃比に大きく影響される点に着目して空
燃比制御を行なっている。

第１１図は排ガス中の０２１１１度を検知する０２セン
サの出力と空燃比の関係を示したもので、この特性から
明らかなように、理論空燃比１４．７の前後でセンサ出
力が大きく変化し、このセンサ出力をコントローラにフ
ィードバックして燃料噴射量を補正するこことで理論空
燃比１４．７に保つ燃焼制御を行なうことができる。

一方、排ガスを浄化処理する三元触媒を用いたときの浄
化率は第１２図に示すように、理論空燃比付近で最も高
い浄化率を得ることができ、燃焼の効率化と排ガスの浄
化を両立させた燃焼制御ができる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような０２センサを用いて空燃比制
御を行なっている従来の電子式燃料噴射装置にあっても
、次のような改善すべき点が残されている。

まず、酸素濃淡電池の原理を利用した固体電解質でなる
０２　センサは４００℃以上でないと動作しないため、
エンジン始動時の燃焼制御に問題がある。

また、エンジンの出力空燃比や経済空燃比が理論空燃比
とは若干ずれているため、０２センサによる空燃比の検
出では運転状態に見合った理想的な燃焼制御ができない
。即ち、第１３図に示すように、可燃限界の範囲内で、
エンジンの軸トルクを最大に保つ出力空燃比（燃料濃度
が大きい状態）やエンジンの燃料消費率を最小とする経
済空燃比（稀薄燃焼制御）、更にエンジンの経済性と出
力の両立を考慮して常用負荷領域では経済空燃比に、全
負荷付近では出力空燃比に切換える理想空燃比等の各種
の空燃比制御を必要とするが、従来の０２センサは理論
空燃比の１点制御であるため、運転状態に応じたフレキ
シブルな燃焼制御を行なうことが困難であった。更に、
長時間使用したエ　　　□ンジンでは、内壁の汚れのた
め空燃比が低下し、排ガス中の０２検出からだけでは燃
焼制御が困難となる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、陰極と陽極間に高電圧を印加して作り出した高電
界中で生ずる気体放電現象により陽極電圧の変化として
得られる放電パルスの数が気体に含まれる燃料濃度に依
存する点に着目し、燃料濃度に依存したパルス放電を励
起させる空燃比センサの放電空間内に内燃機関に吸入す
る燃料混合空気を導入し、この空燃比センサから得られ
る単位時間当りの放電パルス数に基づいて燃料濃度、即
ち空燃比の値を直接検出して燃料の混合割合を制御する
ようにしたものである。

（実施例） 第１図は燃料噴射装置を用いたガソリンエンジンを例に
とって本発明の一実施例を示した説明図である。

まず構成を説明すると、エンジン吸入側となるインテー
クマニホールド１１には吸入空気に燃料を噴射するイン
ジェクタ３が設けられ、インジェクタ３による燃料噴射
で得られた燃料混合空気が通過するエンジン吸入側に空
燃比センサ１０を設けている。この空燃比センサ１０は
後の説明で明らかにするように、燃料混合空気をセンサ
内に導入し、陽極と陰極間に高電圧を印加させることに
よりガソリン濃度に応じた気体放電をパルス的に励起さ
せる機能を有する。１２は空燃比検出回路であり、空燃
比センサ１０の出力、具体的にはセンサ内の気体放電で
得られたパルス状の陽極電圧が入力され、空燃比検出回
路１２は単位時間当りの放電パルス数に基づいて燃料混
合気体の燃料濃度、即ち空燃比を決定し、コントローラ
２に出力する。

コントローラ２には車両の運転状態に応じた空燃比制御
を行なうため、エンジン負荷の検出信号が入力されてお
り、エンジン負荷を検出するセンサとしては、例えばイ
ンテークマニホールド１１の負圧を検出する負圧センサ
、あるいは駆動輪への軸トルクを検出するトルクセンサ
等からの検出信号が与えられている。更に、コントロー
ラ２には第９図に示した従来装置と同様に、スタータ信
号、吸入空気ロ９点火タイミング信号、エンジン冷却水
の水温検出信号、スロットル開度信号等の各種の車両運
転条件を特定するに必要な検出信号が入力されており、
基本的にコントローラ２は空燃比検出回路１２の検出空
燃比とエンジン負荷に基づいてインジェクタ３に駆動信
号を供給して燃料噴射量、即ちエンジンに対する燃料混
合空気の空燃比を制御している。

第２図は第１図における空燃比センサ１０及び空燃比検
出回路１２の一実施例を示した説明図である。

まず、空燃比センサ１０は直径１０ｍｍ”、長さ５０ｍ
ｍ程度の金属円筒でなる陰極１３を有し、この陰極１３
の内部に絶縁体１４で支持してループ状の陽極１５を配
置しており、陽極１５としては、例えば直径０．０５ｍ
ｍ”のタングステン線が使用される。また、陰極１３に
は燃料混合空気を導入するための開口部１６が設けられ
、エンジンに吸入される燃料混合空気が常時センサ内に
導入されるようにしている。更に、陰極１３の内側には
陽極１５を配置したセンサ内の放電空間の気体を安定し
てイオン化さぼるための放射線源１７を設けており、こ
の放射線源１７としては、イオン化式煙感知器等で用い
られているＡｍ２４１（アメリシウム２４１）やＮｉ　
６３等が用いられる。

次に、空燃比センサ１０におけるパルス放電を利用して
空燃比を検出する空燃比検出回路１２を説明すると、空
燃比センサ１０の陽極１５は電流制限抵抗Ｒを介して高
圧電源１８に接続され、高圧電源１８は空燃比センサ１
０の陽極１５と陰極１３の間に高電圧を印加しており、
この印加電圧をＯ〜３ＫＶの範囲で可変することができ
る。

一方、電流制限抵抗Ｒのセンサ側は直流カット用のコン
デンサＣを介して放電パルス検出回路１９に入力され、
放電パルス検出回路１９は陽極１５の印加電圧の変化と
して得られた放電パルスを増幅成形した後、単位時間当
りのパルス数、即ち計数率を検出して出力する。

２０は高圧電源１８による陽極印加電圧を調整する電圧
調整回路であり、予め定めた所定の計数率が設定され、
放電パルス検出回路１９で検出された計数率と基準計数
率を比較し、両者が一致するように高圧電源１８による
陽極印加電圧を制御する。即ち、放電パルス電流を一定
に保つ陽極電圧の制御を行なう、１圧調整回路２０で制
御された高圧電源１８の陽極印加電圧は出力バッファ２
１を介して第１図に示したコントローラ２に与えられて
おり、この実施例では、コントローラ２にテーブルデー
タとして予めセットした陽極電圧から対応する空燃比の
値を読み出すようにしている。

勿論、コントローラ２に陽極電圧に基づいて空燃比を決
定する手段を設けず、空燃比検出回路１２側に一定計数
率が得られたときの陽極電圧に基づいて対応する空燃比
の値を決定する手段を設けるようにしてもよい。

次に、第２図に示す空燃比センサ１０の放電現象を利用
したガソリン濃度の検出原理を説明する。

まず、本発明で空燃比センサ１０として用いられるセン
サ構造は、本願発明者等が既に提案している特開昭５５
−１５９１６８号に示された低エネルギー電子計数型の
ガス検出器と基本的には同じ原理構造をもっているが、
爆発性の高い燃料混合空気を検出対象とすることから、
放射線源１７をセンサ内に新たに設けることにより気体
放電の引き金となるイオン化された気体分子が常に安定
して得られるようにしており、放射線源１７を設けたこ
とでパルス的な気体放電を起こさせるための陽極印加電
圧を前述の低エネルギー電子計数式ガス検出器の陽極電
圧より低い２〜３ＫＶの範囲に抑え、更に気体放電が行
なわれても陽極電圧を低くしていることで火花放電を伴
う連続放電への移行を阻止している。このため、検出対
象が燃料混合気体でありても、センサ内での放電現象は
火花を伴う連続放電に至る手前の放電領域に抑えること
ができ、安全で且つ安定した燃料混合空気の燃料濃度に
依存したパルス放電を生成することができるようにして
いる。

次に、電圧調整回路２０で放電パルスの計数率を一定に
保つように高圧電源１８による陽極印加電圧を制御する
ことによって　空燃比と計数率が得られたときの陽極電
圧との関係は、第３図のグラフに示す関係となる。

第３図は空燃比センサ１０に導入する空気に対するガソ
リン混合割合、即ち空燃比を変え、パルス放電による計
数率を一定に保つように制御して得られた陽極電圧の実
験データをプロットしたもので、空燃比の増加（ガソリ
ン濃度は減少）に対し陽極電圧が略指数関数的に減少す
る特性が得られる。

従って、第１，２図に示した空燃比検出回路１２におけ
る一定の計数率を与える陽極電圧から空燃比を決定する
手段として、第３図に示す陽極電圧をアドレスデータと
して空燃比を記憶させたメモリテーブルを作成しておき
、放電パルス検出回路１９で計数率、即ち単位時間当り
の放電パルス数を計数して制御された陽極電圧をアドレ
スデータとし、メモリテーブルから対応する空燃比の値
を読み出すようになる。

勿論、メモリテーブルを使用する代わりに第３図の空燃
比を与える陽極電圧の関係式を作成しておき、一定計数
率が得られたときの陽極電圧に基づいた演算により空燃
比を決定づるようにしてもよい。

更に、第３図から明らかなように、第１２図に示したよ
うな各種の空燃比制御を必要とする検出空燃比の範囲は
、例えば１２〜１８程度となり、この空燃比制御に必要
な領域における陽極電圧の分解能が例えば１０ｍＶであ
ったとすると、空燃比の検出精度は約ｏ、ｏｉ以下とな
り、極めて高い空燃比制御を実現することができる。

第４図は本発明で用いる空燃比センサの他の実施例を示
したもので、第５図にｖ−■断面を示す。

この空燃比センサ１０は、円筒陰極２２の内部の軸方向
に絶縁体１４で支持して陽極１５を同軸に設けたことを
特徴とし、円筒陰極２２の周囲に燃料混合空気を導入す
る開口部１６を形成し、且つ円筒陰極２２の内側に陽極
１５を配置した放電空間をイオン化する放射線源１７を
設けるようにしたものである。

第６図は本発明で用いる空燃比センサの他の実施例を示
した断面図であり、この実施例は陰極内に陽極を支持す
る絶縁体にガソリンが付着することによる絶縁低下を防
ぐためヒータを設けるようにしたことを特徴とする。

即ち、陰極１３の内部に絶縁体１４でループ状の陽極１
５を支持すると共に、絶縁体１４の外側となる陰極１３
にバンド型ヒータ２３を装着し、また絶縁体１４の両面
には放熱面積を確保するため、複数の同心円状の放熱溝
２４が形成されている。尚、第６図の空燃比センサは絶
縁体１４にガードリング２５を組み込んでおり、このガ
ードリンク２５には高圧電源より陽極１５と同じ高電圧
が印加され、絶縁体１４の表面に付着する燃料を陽極電
位に保つことで陽極と付着した燃料との間での放電を防
いでいる。

この第６図の実施例においては、バンド型ヒータ２３に
電源から通電を行ない、約８０℃程度に加熱することで
絶縁体１４の表面に付着したガソリンを気化させ、ガソ
リンの付着による絶縁低下とパルス計数の不安定化を防
ぐようにしている。

また、吸入空気の湿度が高いときに付着する水滴も同様
に気化し、高電圧が印加される空燃比センサの絶縁性能
とパルス計数の安定化を保証する。

第７図は本発明で用いる空燃比センサの他の実施例を示
した断面図であり、この実施例は絶縁体１４の内部にヒ
ータ２６を内蔵させたことを特徴とし、ヒータ２６によ
り直接、絶縁体１４を加熱してガソリンや水滴の付着を
防止する。

第８図は同じく本発明で用いる空燃比センサの他の実施
例を示したもので、この実施例は絶縁体１４に組み込ん
でいるガードリングにヒータ機能を兼用させたことを特
徴とする。

即ち、ヒータ兼用ガードリング２７として発熱抵抗体を
使用し、ヒータ兼用ガードリンク２７には円周方向の１
箇所で軸方向に割りが入っており、ヒータ兼用ガードリ
ング２７の一端には高圧電源１８から高電圧を印加する
と共に高圧電源側を共通としｌζヒータ電源２８に他端
を接続し、ヒータ電源２８によるヒータ兼用バードリン
ク２７への通電で発熱させて絶縁体１４を加熱するよう
にしたものである。

第９図は陽極１５にヒータ機能をもたせた本発明の他の
実施例を示したもので、ヒータ電源２８により陽極１５
へ直接通電して加熱するようにしている。

尚、上記の実施例は、燃料噴射装置を用いたガソリンエ
ンジンを例にとるものであったが、気化器により燃料混
合空気を作り出すエンジン構造についても適用すること
ができる。また、ガソリンエンジンに限定されず、燃料
混合空気を吸入する構造の適宜の内燃機関における空燃
比制御にそのまま適用することができる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、内燃機関に吸
入される燃料混合気体をセンサ内に導入して混合気体の
燃料ｉｌＪ度に依存したパルス放電を励起さぜる空燃比
センサを使用し、この空燃比センサから得られた放電パ
ルスに基づいて空燃比検出手段で空燃比を検出し、この
検出空燃比に基づいて燃料混合気体の燃料濃度、即ち空
燃比を制御するようにしたため、内燃機関に吸入される
燃料混合気体の空燃比を直接検出することができるため
、車両の運転状態に適合した最適燃焼制御を高精度で行
なうことができ、しかも空燃比の検出は温度条件に左右
されないため、従来のｏ２センサでは困難であったエン
ジン始動時においても、安定にガソリン濃度の制御を行
なうことができ、従来の０２センサでは困難であった車
両の運転状態やエンジン内壁の汚れに見合った最適燃焼
制御を自由に行なうことができる。

また、センサ構造が陽極、陰極及び放射線源という極め
て簡単な構造であることから、温度、振動等の苛酷な条
件のもとで使用しても極めて安定した検出性能を発揮す
る堅牢な構造を有する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の基本構成を示した説明図、第２図は第
１図の空燃比センサ及び空燃比検出回路の一実施例を示
した説明図、第３図は本発明によるセンサ陽極電圧と空
燃比の関係を示したグラフ図、第４図は本発明で用いる
空燃比センサの他の実施例を示した断面図、第５図は第
４図のｖ−■断面図、第６．７，８．９図は本発明で用
いる空燃比センサの他の実施例を示した断面図、第１０
図は従来の電子式燃料噴Ｉ）ｊ装置の概要を示した説明
図、第１１図は従来の０２センサにょる空燃比に対する
出力特性を示したグラフ図、第１２図は空燃比と排ガス
浄化率との関係をを示したグラフ図、第１３図は負荷に
対する空燃比の関係を各種の制御条件について示した特
性グラフ図である。 ２：コントローラ １０：空燃比センサ １１：インテークマ二ホールド １２：空燃比検出回路 １３：陰極 １４：絶縁体 １５：１ｉＪｉ極 １６：開口部 １７：放射線源 １８：高圧電源 １９：放電パルス検出回路 ２０：電圧調整回路 ２１：出力バッフ７ ２２：円筒陰極 ２３：バンド型ヒータ ２４：放熱溝 ２５：ガードリング ２６：ヒータ ２７：ヒータ兼用ガードリング ２８：ヒータ電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内燃機関に吸入される燃料混合気体をセンサ本体
   内に導入し、該混合気体の燃料濃度に依存したパルス放
   電を励起させる空燃比センサと、該空燃比センサから得
   られた放電パルスに基づいて空燃比を検出する空燃比検
   出手段と、 該空燃比検出手段の検出空燃比に基づいて燃料混合気体
   の燃料濃度を制御する制御手段とを備えたことを特徴と
   する内燃機関の制御装置。
2. （２）前記空燃比センサは、燃料混合気体を導入する開
   口部を備えた中空の陰極部と、該陰極部の内部空間に配
   置され高電圧が印加される陽極と、該陽極を設けた検出
   空間の気体をイオン化する放射線源とを備えたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関の制御装
   置。
3. （３）前記空燃比検出手段は、前記空燃比センサに高電
   圧を印加する電圧可変機能を備えた高圧電源と、前記空
   燃比センサで得られた単位時間当りの放電パルス数を計
   数する計数手段と、該計数手段の計数値を予め定めた基
   準値に一致するように前記高圧電源の印加電圧を制御す
   る電圧制御手段と、該電圧制御手段で制御された高圧電
   源の印加電圧に基づいて空燃比を決定する手段を備えた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関
   の制御装置。