JPS6115367B2

JPS6115367B2 -

Info

Publication number: JPS6115367B2
Application number: JP53071623A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Hatsutori; Yoshiki Ueno
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1978-06-14
Filing date: 1978-06-14
Publication date: 1986-04-23
Also published as: JPS55422A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、空燃比検出装置に関し、特にエンジ
ンの排気ガス成分から空燃比を検出するものに係
る。

従来、エンジンの排気ガス成分、例えば酸素濃
度から空燃比Ａ／Ｆを検出するものとして、チタ
ニア（TiO₂）等の金属酸化物半導体を主体とし、
酸素濃度に依存した電気抵抗値を示す空燃比セン
サを備え、この空燃比センサと固定抵抗とを接続
し、この接続点の電圧と一定の基準電圧とを比較
回路により比較して空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よ
り大きいか小さいかを検出するようにしたものが
提案されている。

しかしながら、上記のものは基準電圧が一定値
に設定されているため、空燃比センサの電気抵抗
値Re特性が使用温度や経時変化によつて全体的
に変動（シフト）すると、空燃比Ａ／Ｆの検出に
誤りを生じたり、検出不能になつたりするという
問題がある。

例えば、空燃比センサは、新品で使用温度が
500℃程度のとき第１図ａの曲線Ｘで示すような
特性となり、また新品で使用温度が800℃程度の
とき第１図ａの曲線ｙで示すような特性となり、
さらに使用温度が500℃で同一であつても耐久試
験後のものは第１図ｂの曲線ｇで示すような特性
となる。

したがつて、空燃比センサと固定抵抗の接続点
の電圧Ｖ_Aは、新品で使用温度500℃のとき第２図
の曲線Ｘで示すように変化し、実線で示す基準電
圧Ｖ_Sとの交点が理論空燃比STとなつて空燃比
Ａ／Ｆが理論空燃比STより大きいか小さいかを
良好に検出できる。

ところが、空燃比センサの使用温度変化、経時
変化によつて電気抵抗値特性が変動すると、電圧
Ｖ_Aは例えば第２図の曲線Ｙで示すように変化
し、基準電圧Ｖ_Sとの交点が理論空燃比STより大
きいリーン側にずれて空燃比Ａ／Ｆの検出に誤り
を生じる。また、極端な場合には電圧Ｖ_Aと基準
電圧Ｖ_Sとの交点がなくなつて空燃比検出が不能
となる。

この発明は、上記の点に鑑みなされたもので、
使用温度、経時変化によらず良好に空燃比を検出
し得る空燃比検出装置を提供することを目的とす
る。

特に本発明は、予め設定した期間毎に、空燃比
センサと抵抗との接続点の電圧の最小ピークまた
は最大ピークの電圧を検出し、その検出した複数
の電圧を平均化した電圧を基準電圧とすることを
特徴としており、この構成によつて空燃比検出の
誤り、検出不能に対処するものである。

以下この発明を図に示す実施例について説明す
る。第３図はこの発明を適用するシステムを示す
ものであり、この第３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
火花点火式エンジンで、その吸気系はエアクリー
ナ１１、混合気供給器１２、吸気マニホールド１
３から構成されており、一方排気系は排気マニホ
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（吸気系）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NOx，HC，COを同時に浄化するもので、公知
のベレツト形状もしくはハニカム形状の触媒を内
蔵している。

次に空燃比検出装置について説明すると、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ツト３０とから構成されてい
る。

空燃比センサ２０は、第４図に示すような構成
のものがある。第４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ツプ的に電気
抵抗値が変化するデイスク状の素子片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、アルミナ等の焼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２５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の電気抵
抗値は端子棒２６から取り出される。

そして、空燃比センサ２０は、使用温度の変化
に応じて電気抵抗値Re特性が第１図ａで示すよ
うに変動し、経時変化に応じて第１図ｂで示すよ
うに変動する。

次に第５図により制御ユニツト３０について説
明する。電源３１は一定の直流電圧Ｖ_Pを供給す
るもので、一端は空燃比センサ２０に接続されて
いる。固定抵抗３２は、空燃比センサ２０に直列
接続されており、両者の接続点Ａからは空燃比
Ａ／Ｆの変化に応じた第８図ａの曲線Ｖ_Aで示す
ような電圧Ｖ_Aが出力される。この抵抗３２の抵
抗値は、空燃比センサ２０の通常使用温度範囲の
最低温度の特性から決定するのが好ましい。

比較回路３３は、入力抵抗１０１，１０２及び
比較器１０３から構成されており、比較器１０３
の非反転入力端子（＋）には接続点Ａの電圧Ｖ_A
が入力されており、他方反転入力端子（−）には
基準電圧Ｖ_Sが入力されている。そして、比較器
１０３は電圧Ｖ_Aが基準電圧Ｖ_Sより高くなると、
１レベルのリツチ信号を出力し、電圧Ｖ_Aが基準
電圧Ｖ_Sより低くなると０レベルのリーン信号を
出力する。

単安定回路３４は、比較回路３３の比較器１０
３の出力信号の立上り時点、つまり０レベルから
１レベルに反転するときにパルス幅τのストロボ
信号を出力する。

理論回路３５は、単安定回路３４の出力パルス
信号を反転するインバータ１０４及び比較器１０
３の出力信号とインバータ１０５の出力信号の
AND理論をとるANDゲート１０６から構成され
ており、比較器１０３が１レベル信号、単安定回
路３４が０レベル信号を出力すると、ANDゲー
ト１０５は１レベル信号を出力する。

ピークサンプル回路３６は、電圧フオロワから
なるバツフア増幅器１０６、ダイオード１０７、
電源３１により充電されるよう接続されたコンデ
ンサ１０８及びこのコンデンサ１０８に並列接続
された半導体式アナログスイツチ１０９から構成
されており、接続点Ａの電圧Ｖ_Aが最小ピーク値
に達したときにこの電圧を検出し、保持する。

ここで、バツフア増幅器１０６の非反転入力端
子(十)には接続点Ａの電圧Ｖ_Aが入力されており、
これとほぼ等しい電圧を出力する。また、アナロ
グスイツチ１０９は、理論回路３５の出力信号に
よりオン、オフが制御され、１レベル信号が入力
されるとオンし、その他のときはオフする。

電圧発生回路３７は、ピークサンプル回路３６
のアナログ出力電圧を２進デイジタル信号に変換
するアナログ−デイジタル変換器（Ａ−Ｄ変換器
という）１１０、単安定回路３４から１レベルの
パルス信号が入力されるとＡ−Ｄ変換器１１０の
デイジタル信号を平均化する平均化回路１１１、
平均化回路１１１の出力デイジタル信号に対して
第７図に示すような関数関係にあるデイジタル基
準電圧信号を出力するようプログラムされている
リードオンリイメモリイ（ROMという）１１２
及びROM１１２のデイジタル基準電圧信号をア
ナログ基準電圧Ｖ_Sに変換するデイジタル−アナ
ログ変換器（Ｄ−Ａ変換器という）１１３から構
成されており、Ｄ−Ａ変換器１１３の出力電圧は
基準電圧Ｖ_Sとして比較回路３３に入力される。

次に平均化回路１１１の詳細について第６図に
より説明する。平均化回路１１１は、２進デイジ
タル信号を処理するデイジタル回路として構成さ
れており、ラツチ回路１２１，１２２、加算回路
１２３、レジスタ１２４、割算回路１２５、カウ
ンタ１２６、定数設定回路１２７及び比較器１２
８から構成されている。

ここで、ラツチ回路１２１は、単安定回路３４
のＥ端子からストロボ信号が加わると、Ａ−Ｄ変
換器１１０の出力値を読み込み加算回路１２３に
出力する。レジスタ１２４は、加算回路１２３の
出力値を一時記憶しておくもので、加算回路１２
３が次の加算を行うときに前回の加算出力を加算
回路１２３に出力する。

加算回路１２３は、Ｅ端子からストロボ信号が
加わると、ラツチ回路１２１及びレジスタ１２４
の出力値を加算し、ラツチ回路１２２に出力す
る。

カウンタ１２６は、Ｅ端子のストロボ信号を計
数し、計数値を比較器１２８に出力する。比較器
１２８は、カウンタ１２６の計数値と定数設定回
路１２７に設定された平均回数Ｎとを比較し両者
が同一になると、ストロボ信号を出力してレジス
タ１２４及びカウンタ１２６をリセツトする。ま
た、同時にラツチ回路１２２にもストロボ信号を
出力して加算回路１２３の加算値を割算回路１２
５に出力させ、さらに平均回数Ｎを割算回路１２
５に出力する。

こうして、割算回路１２５の被除数入力端子に
はＮ回分の接続点Ａの最小ピーク電圧値の和に相
当する値Ｍが入力され、除数入力端子には値Ｎが
入力される。割算回路１２はＭをＮで割算し平均
最小ピーク電圧値を得る。このようにして、接続
点Ａにおける最小ピーク電圧値の平均化を行い、
この平均最小ピーク電圧値をROM１１２に出力
する。

上記構成において、空燃比センサ２０は、エン
ジン１０から排気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、混合気供給器１２からエンジン１０
へ供給される混合気の空燃比Ａ／Ｆに応じて変化
するため、空燃比センサ２０は、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
理論空燃比ST（14.7）より大きいとリーン抵抗
値Ｌとなり、空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比STより
小さいとリツチ抵抗値Ｒとなる。

接続点Ａの電圧Ｖ_Aは空燃比センサ２０の電気
抵抗値Reよつて決定され、空燃比Ａ／Ｆの変化
に対応して第８図ａの曲線Ｖ_Aで示すように変化
する。この第８図ａの曲線Ｖ_Aは、エンジンの空
燃比が短時間に大きく変動し、かつ空燃比センサ
２０自体の電気抵抗値特性が温度変化等により若
干変動する場合を示してある。

ここで、電圧発生回路３７が発生する基準電圧
Ｖ_Sが第８図ａのＦで示すレベルにあるとする
と、接続点Ａの電圧Ｖ_Aがこれよりも高い間は比
較回路３３は第８図ｄに示すように１レベルのリ
ツチ信号を出力する。時刻t₁において電圧Ｖ_Aが
基準電圧Ｖ_Sより低くなると、比較回路３３の出
力は１レベルから０レベルに反転する。このた
め、ANDゲート１０５の出力信号も０レベルと
なり、アナログスイツチ１０９がオフして、コン
デンサ１０８の充電が開始される。

したがつて、コンデンサ１０８のＢ端子の電圧
Ｖ_Bは、バツフア増幅器１０６の出力電圧、即ち
接続点Ａの電圧Ｖ_Aに応じて低下し、最小ピーク
値に達すると第８図ｂの時刻t₃で示すようにこの
最小ピーク値を検出し、保持する。

そして、時刻t₂において再び電圧Ｖ_Aが基準電
圧Ｖ_Sより大きくなると、比較回路３３の出力は
０レベルから１レベルに反転する。この信号の反
転により単安定回路３４から１レベルのストロボ
信号τが出力され、このときのコンデンサ１０８
のＢ端子の電圧Ｖ_B、即ち最小ピーク電圧がＡ−
Ｄ変換器１１０を介して平均化回路１１１に入力
される。

平均化回路１１１では、この最小ピーク電圧値
を加算回路１２３でＮ回、例えば３回加算し、割
算回路１２５によりこの加算値をＮ（＝３）で割
算して平均最小ピーク電圧値Vminを求める。

この電圧値VminはROM１１２に入力され、
ROM１１２により第７図に示す関数関係でもつ
て変調され、ROM１１２から基準電圧値Ｖ_Sとし
て出力される。この結果Ｄ−Ａ変換器１１３を介
して新しい基準電圧Ｖ_Sが比較回路３３に出力さ
れ、基準電圧Ｖ_Sを第８図ａのＧレベルにする。

そして、第８図ｃに示す単安定回路３４のスト
ロボ信号が０レベルに反転すると、ANDゲート
１０５の２つの入力端子には１レベル信号が加わ
るため、ANDゲート１０５は１レベル信号を出
力してアナログスイツチ１０９をオンにし、コン
デンサ１０８の電荷を放電させる。以下各回路は
このような動作を繰り返す。

ここで、ROM１１２のプログラム出力値は、
空燃比センサ２０の電気抵抗値変化を電圧変化と
してセツトされるが、電気抵抗値Reを電圧Ｖ_Aに
換算するとこの電圧Ｖ_Aの平均最小ピーク値Vmin
に対して第７図に示す関数関係で設定されており
電圧Ｖ_Aの平均最小ピーク電圧Vminが低くなれば
基準電圧Ｖ_Sを低くするよう設定されている。

したがつて、空燃比センサ２０の使用温度が
500℃のとき、接続点Ａの電圧Ｖ_Aは空燃比Ａ／Ｆ
の変化に応じて第２図の曲線Ｘに示すように変化
し、実線で示す基準電圧Ｖ_Sと理論空燃比STで交
差する。また、使用温度が800℃になつたり、空
燃比センサ２０が長時間還元雰囲気にさらされた
り、あるいは劣化したりして接続点Ａの電圧Ｖ_A
が第２図の曲線Ｙで示すように変化し空燃比Ａ／
Ｆがリーンの時の平均電圧値が高くなると、これ
に応じて基準電圧Ｖ_Sも第２図の一点鎖線で示す
ように高くなつて、曲線Ｙと基準電圧Ｖ_Sは理論
空燃比STで交差する。

つまり、電圧Ｖ_Aと基準電圧Ｖ_Sは、空燃比セン
サ２０の使用温度等による電気抵抗値Reの全体
的変動に無関係に、理論空燃比STで交差する。
しかして、比較回路３３では電圧Ｖ_Aと基準電圧
Ｖ_Sを比較しているため、比較回路３３が出力す
る０レベルの空燃比検出信号により正確に混合気
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、１レベルの空燃比検出信号に
より空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比STより小さいと
いうことが判別される。

そして、空燃比検出信号は図示しない駆動回路
を経て混合気供給器１２に与えられ、これが０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比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１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、空燃比Ａ／Ｆを理論空
燃比STに近付ける。

こうして、空燃比Ａ／Ｆは、常に正確に理論空
燃比ST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NOx，HC，COを浄化す
る。

なお、上記実施例では平均化回路１１１でＮ回
毎の平均をとるよう構成したが、Ｅ端子のストロ
ボ信号が出力される毎に直前のＮ回の平均をとる
よう構成してもよい。

また、上記実施例でサンプル回路３６により接
続点Ａの電圧Ｖ_Aが最小ピーク値に達したときに
この電圧を保持し、基準電圧Ｖ_Sを変化させるよ
うにしたが、電圧Ｖ_Aの最大ピーク値に達したと
きにこの電圧を検出し、この電圧の平均値から基
準電圧Ｖ_Sを設定するようにしてもよいし、比較
回路３３の出力信号の立下りあるいは立上り時か
ら所定時間サンプリングを行つて、所定のときの
電圧Ｖ_Aを検出し平均化することにより基準電圧
Ｖ_Sを設定するようにしてもよい。

なお、上記実施例ではエンジン吸気系の空燃比
Ａ／Ｆ制御システムに適用したが、空燃比センサ
２０により排気系に供給する２次空気を制御する
いわゆる排気系の空燃比Ａ／Ｆ制御システムにも
適用できる。

以上述べたように本発明によれば、空燃比セン
サの使用温度、経時変化等により電気抵抗値特性
が変化しても良好に空燃比検出を行い得るという
優れた効果を奏する。

また、検出した電圧を平均化することによつて
空燃比センサの電気抵抗値特性が急激に変化する
場合にも空燃比検出信号がハンチングすることが
なく、この空燃比検出信号により安定した空燃比
制御を行うことができるという効果も大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は空燃比センサの電気抵抗値特性を示す
グラフ、第２図は空燃比センサによつて変化する
電圧を示すグラフ、第３図は本発明を適用するシ
ステムを示す全体構成図、第４図は第３図図示の
空燃比センサを示す断面図、第５図は本発明の一
実施例を示す電気回路図、第６図は第５図図示の
平均化回路を示すブロツク図、第７図及び第８図
は作動説明に供するグラフである。２０……空燃比センサ、３２……抵抗、３３…
…比較回路、３６……ピークサンプル回路、３７
……電圧発生回路、Ａ……接続点。

Claims

【特許請求の範囲】

１排気ガス成分に応じて電気抵抗値が変化する
空燃比センサと、この空燃比センサに直列接続さ
れた抵抗と、前記空燃比センサ及び前記抵抗間に
一定の電圧を印加する手段と、予め設定した期間
毎に、前記空燃比センサと前記抵抗との接続点の
電圧の最小ピーク及び最大ピークのうちの一方の
電圧を検出するピークサンプル手段と、このピー
クサンプル手段にてサンプリングした複数の検出
電圧を平均化してその平均化した電圧に対応した
基準電圧を発生する電圧発生手段と、前記接続点
の電圧とこの基準電圧とを比較し、空燃比検出信
号を出力する比較手段とを備えることを特徴とす
る空燃比検出装置。