JPS61192825A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比制御装置

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JPS61192825A
JPS61192825A JP3286185A JP3286185A JPS61192825A JP S61192825 A JPS61192825 A JP S61192825A JP 3286185 A JP3286185 A JP 3286185A JP 3286185 A JP3286185 A JP 3286185A JP S61192825 A JPS61192825 A JP S61192825A
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JP
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air
sensor
fuel ratio
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downstream
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JP3286185A
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Yoshiki Nakajo
中條 芳樹
Koichi Hasegawa
光一 長谷川
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

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〕 本発明は触媒コンバータの上流側および下流側に空燃比
センサ(本明細書では、酸素濃度センサ(0,センサ)
)を設け、上流側の0!センサによる空燃比フィードバ
ック制御に加えて下流側の03センサによる空燃比フィ
ードバック制御を行う内燃機関の空燃比制御装置に関す
る。
〔従来の技術〕
一般に、機関の吸入空気量(もしくは吸入空気圧)およ
び回転速度に応じて燃料噴射弁の基本噴射量を演算し、
機関の排気ガス中の酸素成分の濃度を検出する02セン
サの検出信号にもとずいて演算された空燃比補正係数F
AFに応じて前記基本噴射量を補正し、この補正された
噴射量に応じて実際に供給される燃料量を制御する。こ
の制御を繰返して最終的に機関の空燃比を所定範囲内に
収束させる。このような空燃比フィードバック制御によ
り、空燃比を理論空燃比近傍の非常に狭い範囲内に制御
できるので、排気系に設けられた三元触媒コンバータ、
すなわち、排気ガス中に含まれるGO、HC、NOxの
3つの有害成分を同時に浄化する触媒コンバータの浄化
能力を高く保持できる。
上述の空燃比フィードバック制御(シングル0!センサ
システム)では、酸素濃度を検出する0□センサをでき
るだけ燃焼室に近い排気系の箇所、すなわち触媒コンバ
ータより上流である排気マニホールドの集合部分に設け
ているが、0.センサの出力特性のばらつきのために空
燃比の制御精度の改善に支障が生じているS OXセン
サの出力特性のばらつきの原因を列挙すると、次の通り
である。
(1)Otセンサ自体の個体差、 (2)  燃料噴射弁および排気ガス再循環弁等の部品
の機関への組付は位置の公差に困る0、センサの個所に
おける排気ガスの混合の不均一、(3)0よセンサの出
力特性の経時あるいは経年的な変化、 (4)  燃料噴射弁、排気ガス再循環流量、タペット
クリアランス等の機関状態の経時的あるいは経年的な変
化による排気ガスの混合の不均一性の変化および拡大。
かかる0□センサの出力特性のばらつきを補償するため
に、触媒コンバータの下流側に第2のOzセンサを設け
、この第2のOtセンサの出力により触媒コンバータ上
流のOtセンサによる空燃比フィードバック制御定数、
たとえば比例制御定数、積分制御定数、上流側Ozセン
サの比較電圧(参照:特開昭55−37562号公報)
、遅延時間(参照:特開昭55−37562号公報、特
開昭58−72647号公報)を補正するダブル0□セ
ンサシステム、あるいは第2のOtセンサによる第2の
空燃比補正係数を導入して2つの補正係数によって空燃
比を制御するもしくは第1.第2の02センサによって
1つの空燃比補正係数を共通に制御するダブル0.セン
サシステムは既に知られている。
上述の触媒コンバータの下流側に設けられたOtセンサ
は、上流側0.センサに比較して、低い応答速度を有す
るものの、次の理由により出力特性のばらつきが小さい
という利点を有している。
(1)  触媒コンバータの下流では、排気温が低いの
で熱的影響が少ない。
(2)  触媒コンバータの下流では、種々の毒が触媒
にトラップされているので下流側08センサの被毒量は
少ない。
(3)触媒コンバータの下流では、排気ガスは十分に混
合されており、しかも、排気ガス中の酸素濃度は平衡状
態に近い値になっている。
従って、上述のダブル0□センサシステムにおいては上
流側02センサの出力特性のばらつきを下流側Ozセン
サにより吸収できる。実際に、第2図に示すように、シ
ングル0!センサシステムでは、o2センサの出力特性
が悪化した場合には、排気エミッション特性に゛直接影
響するのに対し、ダブル0□センサシステムでは、上流
側Oxセンサの出力特性が悪化しても、排気エミッショ
ン特性は悪化しない。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、上述のダブル02センサシステムにおい
ても、上流側0!センサは排気マニホールドの集合部分
に設けられており、従って、上流側0□センサは外気の
みによって冷却されるので、高速運転すなわち高排気温
(たとえば800℃以上)では上流側0.センサの冷却
は不充分となる。この結果、上流側0!センサの熱劣化
が早くなり、従って、その出力特性のばらつきも大きく
なるという問題点がある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の目的は、上流側0.センサの熱劣化を防止した
ダブル0□センサシステムを提供することであり、その
手段は上流側0.センサを機関の冷却されているシリン
ダヘッド部に設けたことである。
〔作 用〕
上述の手段によれば、上流側0□センサは外気と共に、
センサのフランジを介してシリンダヘッド部の冷却水に
よって冷却され、この結果、上流側0□センサは800
℃以上の高排気温による熱劣化しにくくなる。
なお、本発明に係る上流側02センサは特定気筒の空燃
比しか検出しないので、上流側0□センサにより気筒間
での空燃比のばらつきを補償できないが、ダブルOtセ
ンサシステムでは下流側Ozセンサによる空燃比フィー
ドバック制御が行われるので、上記気筒間での空燃比の
ばらつきは補償され、最適な空燃比を得ることができる
〔実施例〕
以下、図面により本発明の詳細な説明する。
第1A図は本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の一
実施例を示す全体概要図である。第1A図において、機
関本体1の吸気通路2にはエアフローメータ3が設けら
れている。エアフローメータ3は吸入空気量を直接計測
するものであって、ポテンショメータを内臓して吸入空
気量に比例したアナログ電圧の出力信号を発生する。こ
の出力信号は制御回路lOのマルチプレクサ内臓A/D
変換器101に供給されている。ディストリーピユータ
4には、その軸がたとえばクランク角に換算して720
°毎に基準位置検出用パルス信号を発生するクランク角
センサ5およびクランク角に換算して30°毎に基準位
置検出用パルス信号を発生するクランク角センサ6が設
けられている。これらクランク角センサ5,6のパルス
信号は制御回路10の入出力インタフェース102に供
給され、このうち、クランク角センサ6の出力はCPU
 103の割込み端子に供給される。
さらに、吸気通路2には各気筒毎に燃料供給系から加圧
燃料を吸気ボートへ供給するための燃料噴射弁7が設け
られている。
また、機関本体lのシリダブロックのウォータジャケッ
ト8には冷却水の温度を検出するための水温センサ9が
設けられている。水温センサ9は冷却水の温度THWに
応じたアナログ電圧の電気信号を発生する。この出力も
A/D変換器101に供給されている。
排気マニホールド11より下流の排気系には排気ガス中
の3つの有害成分IC、COo、 NO,を同時に浄化
する三元触媒を収容する触媒コンバータ12が設けられ
ている。
触媒コンバータ12の上流側には第1の0!センサ13
が設けられ、触媒コンバータ12の下流側の排気管14
には第2の0!センサ15が設けられている。0冨セン
サ13 、15は排気ガス中の酸素成分濃度に応じた電
気信号を発生する。すなわち、0雪センサ13 、15
は空燃比が理論空燃比に対してリーン側かリッチ側かに
応じて異なる出力電圧を制御回路10のA/D変換器1
01に発生する。
本発明によれば、上流側02センサ13はシリンダヘッ
ド部16に設けられており、その際、0冨センサ13の
フランジ部分13aはシリンダヘッド部16の壁面に密
着されている。従って、シリンダヘッド部16のウォー
タジャケット17を通過する冷却水によって0□センサ
13が直接冷却されると共に、フランジ部分13aも冷
却される。この結果、o8センサ13の素子からフラン
ジ部分13aへの放熱効果が増進され、0鵞センサ13
の素子温度が低下することになる。
冷却水は、第1B図に示すように、ウォータポンプ18
より、シリンダブロックのウォータジャケット8を介し
てシリンダヘッド部16のウォータジャケット17(第
1B図に図示せず)に送られ、スロットルボディ部19
、ラジェータ(図示せず)、バイパス通路20、サーモ
スタット21を介してウォータポンプ1Bに戻る。
また、第1A図において、制御回路10は、たとえばマ
イクロコンピュータとして構成され、A/D変換器10
1、入出力インターフェイス102の外に、CPU10
3 、 ROM104 、 RAM105、クロック発
生回路106等が設けられている。
また、制御回路10において、ダウンカウンタ107、
フリップフロップ108、および駆動回路109は燃料
噴射弁7を制御するためのものである。
すなわち、後述のルーチンにおいて、燃料噴射量TAU
が演算されると、燃料噴射量TAUがダウンカウンタ1
07にプリセットされると共にフリップフロップ108
もセットされる。この結果、駆動回路109が燃料噴射
弁7の付勢を開始する。他方、ダウンカウンタ107が
クロック信号(図示せず)を計数して最後にそのキャリ
アウド端子が“1”レベルとなったときに、フリップフ
ロップ108がリセットされて駆動回路109は燃料噴
射弁7の付勢を停止する。つまり、上述の燃料噴射量T
AUだけ燃料噴射弁7は付勢され、従って、燃料噴射量
TAUに応じた量の燃料が機関本体1の燃焼室に送込ま
れることになる。
なお、C’PU 103の割込み発生は、A/D変換器
101のA/D変換終了時、入出力インターフェイス1
02がクランク角センサ6のパルス信号を受信した時、
クロック発生回路106からの割込信号を受信した時、
等である。
エアフローメータ3の吸入空気量データQおよび冷却水
温データTHWは所定時間毎に実行されるA/D変換ル
ーチンによって取込まれてRAM105の所定領域に格
納される。つまり、RAM 105におけるデータQお
よびTHWは所定時間毎に更新されている。また、回転
速度データNeはクランク角センサ6の30°CA毎の
割込みによって演算されてRAM 105の所定領域に
格納される。
第1A図の制御回路の動作を第3図〜第5図のフローチ
ャートを参照して説明する。
第3図は上流側0.センサ13の出力にもとづいて第1
の空燃比補正係数PAPIを演算する第1の空燃比フィ
ードバック制御ルーチンであって、所定時間たとえば5
0m5毎に実行される。ステップ501では、空燃比の
閉ループ(フィードバック)条件が成立しているか否か
を判別する。機関始動中、始動後の燃料増量動作中、暖
機増量動作中、パワー増量動作中、リーン制御中等はい
ずれも閉ループ条件が不成立であり、その他の場合が閉
ループ条件成立である。閉ループ条件が成立、していな
いときはステップ316に進んでFAFI = 1.0
とする。閉ループ条件成立の場合は、ステップ302へ
進み、空燃比フィードバック補正を行う。
ステップ302では、0□センサ13の出力電圧■、を
A/D変換して取込み、ステップ303にてVlが比較
電圧VRIたとえば0.45V以下か否かを判別する、
つまり、空燃比がリッチかリーンか否かを判別する。リ
ーン(v、≦V□)のときには、ステップ304にて最
初のリーンか否かを判別し、つまり、リッチからリーン
への変化点か否かを判別する。この結果、最初のリーン
であればステップ305にてFAFI。−PAPIとす
る。このステップ304 、305は空燃比がリッチか
らリーンに切換ワた際に積分処理中に用いるPAFI。
の値をその直前の第1の空燃比フィードバック補正係数
FAPIに一致させるためのものである。
ステップ306では、FAFI。を一定値aだけ増大さ
せる。すなわち、リーン信号が出力されている場合は、
燃料噴射量を徐々に増大させるべく積分処理を行うもの
である。このルーチンが繰返して実行されることにより
FAFI。はaずつ増大せしめられる。ステップ307
では第1の空燃比フィードバック補正係数FAPIがF
AFI。からあらかじめ定めた値Aだけスキップ的に増
量した値に設定される。
なお、スキップ量Aはaより十分大きく設定される。す
なわち、A>>aである。; ステップ307にて最終的に求められた第1の空燃比補
正係数FAPIはステップ308.309にて最大値1
.2にガードされる。
ステップ303にて、リッチ(V+ >Vat)と判別
されたときには、ステップ310にて最初のリッチか否
かを判別し、つまり、リーンからリッチへの変化点か否
かを判別する。この結果、最初のリッチであればステッ
プ311にてFAFI。−FAPIとする。このステッ
プ310.311は空燃比がリーンからリッチに切換っ
た際に積分処理中に用いるFAFI。
の値をその直前の第1の空燃比フィードバック補正係数
FAPIに一致させるためのものである。
ステップ312では、FAFI6を一定値aだけ減少さ
せる。すなわち、リッチ信号が出力されている場合は、
燃料噴射量を徐々に減少させるべく積分処理を行うもの
である。このルーチンが繰返して実行されることにより
PAFI。はaずつ減少せしめられる。ステップ313
では第1の空燃比フィードバック補正係数FAPIがF
AFI。からあらかじめ定めた値Aだけスキップ的に減
量した値に設定される。
ステップ313にて最終的に求められた第1の空燃比補
正係数FAPIはステップ314.315にて最小値0
.8にガードされる。
ステップ317にてFAFIをRAM 105に格納し
て、ステップ318にてこのルーチンは終了する。
なお、ステップ308,309.314.315でのガ
ードは、何らかの原因で空燃比補正係数FAPIが大き
くなり過ぎ、もしくは小さくなり過ぎた場合に、その値
で機関の空燃比を制御してオーバリッチ、オーバリーン
になるのを防ぐためのものである。
第4図は下流側0!センサ15の出力にもとづいて第2
の空燃比補正係数FAF2を演算する第2の空燃比フィ
ードバック制御ルーチンであって、所定時間たとえばl
sm毎に実行される。
ステップ401では、第3図のステップ301と同様に
、空燃比の閉ループ(フィードバック)条件が成立して
いるか否かを判別する。閉ループ条件が成立していない
ときはステップ416に進んでFAF2= 1.0とす
る。閉ループ条件成立の場合は、ステップ402へ進み
、空燃比フィードバック補正を行う。
ステップ402では、0□センサ15の出力電圧Vtt
r:A/D変換して取込み、ステップ403にてv2が
比較電圧vR1たとえば0.55 V以下か否かを判別
する、つまり、空燃比がリッチかリーンか否かを判別す
る。リーン(V Z≦Vo)のときには、ステップ40
4にて最初のリーンか否かを判別し、つまり、リッチか
らリーンへの変化点か否かを判別する。この結果、最初
のリーンであればステップ405にてFAF2゜←FA
F2とする。なお、ステップ403での比較電圧Vえ2
は、触媒コンバータ12の上下流で0□センサ特性が異
なるために、第3図のステップ303での比較電圧V□
より高り設定される。
ステップ406では、FAF2゜を一定値すだけ増大さ
せる。すなわち、リーン信号が出力されている場合は、
燃料噴射量を徐々に増大させるべく積分処理を行うもの
である。ステップ407では第2の空燃比フィードバッ
ク補正係数FAF2がFAF2゜からあらかじめ定めた
値Bだけスキップ的に増量した値に設定される。なお、
スキップ量Bはbより十分大きく設定される。すなわち
、B>>bである。
ステップ407にて最終的に求められた第2の空燃比補
正係数FAP2はステップ408.409にて最大値1
.2にガードされる。
ステップ403ニテ、リッチ(V t > V lりと
判別されたときには、ステップ410にて最初のリッチ
か否かを判別し、つまり、リーンからリッチへの変化点
か否かを判別する。この結果、最初のリッチであればス
テップ411にてFAF2゜←FAF2とする。
ステップ412では、FAF2oを一定値すだけ減少さ
せる。すなわち、リッチ信号が出力されている場合は、
燃料噴射量を徐々に減少させるべく積分処理を行うもの
である。ステップ413では第2の空燃比フィードバッ
ク補正係数FAF2がFAF2゜からあらかじめ定めた
値Bだけスキップ的に減量した値に設定される。
ステップ413にて最終的に求められた第2の空燃比補
正係数FAF2はステップ414,415にて最小値0
.8にガードされる。
なお、ステップ408.409.414.415でのガ
ードは、何れかの原因で空燃比補正係数FAPIが大き
くなり過ぎ、もしくは小さくなり過ぎた場合に、その値
で機関の空燃比を制御してオーバリッチ、オーバリーン
になるのを防ぐためのものである。
ステップ417にてFAF2をRAM 105に格納し
て、ステップ418にてこのルーチンは終了する。
第5図は噴射量演算ルーチンであって、所定クランク角
毎たとえば360°CA毎に実行される。ステップ50
1では、RAM 105より吸入空気量データQおよび
回転速度データNeを読出して基本噴射量TAUPを演
算する。たとえばTAUP−K Q/ Ne(Kは定数
)とする。ステップ502にてRAM 105より冷却
水温データTHWを読出してROM 104に格納され
た1次元マツプにより暖機増量値FWLを補間計算する
。この暖機増量値FWLは、図示のごとく、現在の冷却
水温THWが上昇するに従って小さくなるように設定さ
れている。
ステップ503では、最終噴射量TAUを、′1rAU
 ←TAUP −FAFI −FAF2 ・(1+FW
L+ α)+βにより演算する。なお、α、βは他の運
転状態パラメータによって定まる補正量であり、たとえ
ば図示しないスロットル位置センサからの信号あるいは
吸気温センサからの信号、バッテリ電圧等により決めら
れる補正量であり、これらもRAM 105に格納され
ている。次いで、ステップ504にて、噴射量TAUを
ダウンカウンタ107にセットすると共にフリップフロ
ップ108をセットして燃料噴射を開始させる。そして
、ステップ505にてこのルーチンは終了する。なお、
上述のごとく、噴射量TAUに相当する時間が経過する
と、ダウンカウンタ107のキャリアウドによってフリ
ップフロップ108がリセフトされて燃料噴射は終了す
る。
第6図は第3図、第4図のフローチャートによって得ら
れる第1、第2の空燃比補正係数FAPI 。
FAF2を説明するためのタイミング図である。上流側
0.センサ13の出力電圧V、が第6図(A)に示すご
とく変化すると、第3図のステップ303での比較結果
は第6図(B)にごとくなる。この結果、第6図(C)
に示すように、リッチとリーンとの切換え時点でFAF
IはAだけスキップする。
他方、下流側02センサ15の出力電圧V!が第6図(
D)に示すごとく変化すると、第4図のステップ403
での比較結果は第6図(E)にごとくなる。この結果、
第6図(F)に示すように、リッチとリーンとの切換え
時点でFAF2はBだけスキップする。
なお、第1の空燃比補正係数FAPIの積分定数aは第
2の空燃比補正係数FAF2の積分定数すに比較して大
きく設定してあり、たとえば、a:b−1000:1に
設定しである。つまり、空燃比フィードバック制御は応
答性の良い上流側0雪センサ13による制御を主にして
行い、応答性の悪い下流側0、センサ15による制御を
従にして行うものである。
また、上述の実施例では、2つの空燃比補正係数FAP
I、PAF2を導入して、それぞれを上流側0□センサ
、下流側02センサの各出力に応じて演算しているが、
1つの空燃比補正係数を上流側o2センサおよび下流側
02センサの百出力に応じて演算しても同様である。さ
らに、上流側02センサによる空燃比フィードバック制
御における制御定数、たとえば比例制御定数、積分制御
定数、スキップ制御定数、上流側02センサの比較電圧
(参照:特開昭55−37562号公報)、遅延時間(
参照:特開昭55−37562号公報、特開昭58−7
2647号公報)等を下流側Ozセンサの出力により補
正するダブル02センサシステムにも、本発明を適用し
得る。
また、吸入空気量センサとして、エアフローメータの代
りに、カルマン渦センサ、ヒートワイヤセンサ等を用い
ることもできる。
さらに、上述の実施例では、吸入空気量および機関の回
転速度に応じて燃料噴射量を演算しているが、吸入空気
圧および機関の回転速度、もしくはスロットル弁開度お
よび機関の回転速度に応じて燃料噴射量を演算してもよ
い。
さらに、上述の実施例では、燃料噴射弁により吸気系へ
の燃料供給量を制御する内燃機関を示したが、キャブレ
タ式内燃機関にも本発明を適用し得る。たとえば、エレ
クトリック・エア・コントロールバルブ(1!ACV)
により機関の吸入空気量を調整して空燃比を制御するも
の、エレクトリック・ブリード・エア・コントロールバ
ルブによりキャブレタのエアブリード量を調整してメイ
ン系通路およびスロー系通路への大気の導入により空燃
比を制御するもの、機関の排気系へ送り込まれる2次空
気量を調整するもの、等に本発明を適用し得る。この場
合には、ステップ501における基本噴射量TAUP相
当の基本燃料供給量はキヤブレタ自身によって決定され
、すなわち、吸入空気量に応した吸気管負圧と機関の回
転速度に応じて決定さ     ″れ、ステップ503
にて最終燃料噴射量TAUに相当する供給空気量が演算
される。
さらに、上述の実施例はマイクロコンビュニタすなわち
ディジタル回路によって構成されているが、アナログ回
路により構成することもできる。
〔本発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、上流側0□センサ
は外気と共に、センサのフランジを介してシリンダヘッ
ド部の冷却水によって冷却されるので、上流側02セン
サは800℃以上の高排気温による熱劣化しにくくなり
、従って、上流側の出力特性のばらつきは小さくできる
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置の一実
施例を示す全体概要図、第1B図は第1A図の冷却水経
路を説明するための機関内部図、第2図はシングル02
センサシステムおよびダブル0□センサシステムを説明
する排気エミッション特性図、第3図〜第5図は第4図
の制御回路の動作を説明するためのフローチャート、第
6図は  ゛第3図、第4図のフローチャートにより得
られる空燃比補正係数FAPI 、 FAF2の変化を
説明するタイミング図である。 l・・・機関本体、 3・・・エアフローメータ、 4・・・ディストリビュータ、 5.6・・・クランク角センサ、 8・・・ウォータジャケット、 10・・・制御回路、 12・・・触媒コンバータ、 13・・・上流側(第1の)Oxセンサ、13a・・・
フランジ部分、 15・・・下流側(第2の)0□センサ、16・・・シ
リンダヘッド部、 17・・・ウォータジャケット。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、内燃機関の排気系に設けられた排気ガス浄化のため
    の触媒コンバータの上流、下流に、それぞれ、排気ガス
    中の酸素濃度センサを設け、上流側酸素濃度センサによ
    る空燃比フィードバック制御と共に下流側酸素濃度セン
    サによる空燃比フィードバック制御を行うようにした内
    燃機関の空燃比制御装置において、前記上流側酸素濃度
    センサを前記機関の冷却されているシリンダヘッド部に
    設けたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 2、前記上流側酸素濃度センサのフランジ部分を前記シ
    リンダヘッド部の壁面に密着させた特許請求の範囲第1
    項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016023614A (ja) * 2014-07-23 2016-02-08 トヨタ自動車株式会社 空燃比センサの異常検出方法

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