JPS62140060A - 空燃比検出装置 - 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】 〔発明の利ｍ分野〕 本発明は、内燃機関の空燃比を検出する装置に係り、特
に、検出値の経時変化を較正するのに好適な空燃比検出
装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の装置は、特開昭５８−５７０５０号に記載のよう
に、空燃比検出器の出力値の経時変化を較正する手段は
、内燃機関の排気管が大気で満たされている状態におい
て、この大気を測定した出力値を基に較正していた。し
かし、この方法では、排気管が大気で満たされているか
否かを判別するのが国是であるという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、空燃比検出器の出力値を常に較正し、
長年使用した場合でも経時変化しない出力値を得ること
のできる空燃比検出装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の較正方法は、内燃機関の絞り弁を通る空気流速
が音速以上となる運転状態において、絞り弁接流にある
一定量の空気を流入し、この時の空燃比検出器の出力値
の変化を検出し、これに基づき出力値を補正するもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。

第１図は１本発明に用いる空燃比検出器の原理と構成を
示した。第１図（ａ）において１，２はａ素イオン伝導
性の固体電解質、３ａ、ｂ、４ａ。

ｂは電極、５はガスの移動を防げる拡散抵抗体であり、
ｆｆｉ極３ａと４８は大気に接しており、電極３ｂ、４
ｂは、拡散抵抗体５を介して排気ガスに接している。こ
の素子全体は、後述するヒーターにより７５０℃程度に
加熱されている。また、チャンバ６は、拡散抵抗体５を
介して排気に通じている。

ここで、固体電解質１は大気と、チャンバ６内の酸素分
圧差により生じる起電力Ｅを測定するためのもので、固
体電解質２は、チャンバ６内の酸素を出し入れするため
のものである。つまり、Ｐ。

がある一定値になるように、Ｅを見ながら、チャンバ６
内の酸素量を制御し、この時の、固体電解質２の電気量
より空燃比を検出するものである。

この検出器の動作原理を第１図（ｂ）（ｃ）に示す。第
１図（ｂ）は、λ〉１のリーン状態で。

排気中の酸素分圧Ｐｇが大きい場合には、Ｖｐａ＜Ｖｒ
Ｎとしてチャンバ６内の酸素を排出しＰｏが一定になる
ようにする。Ｐ！′が大きくなるのに従いＶｒＮを大き
くシ、移動する酸素量を多くしてやる。

第１図（ｃ）は、λく１のリッチ状態で、排気ガス中に
は酸素が存在しないので、Ｐｏを一定値に保つためには
、チャンバ６内に酸素を流入させる必要がある。このた
め、Ｖｐａ＜Ｖｒｓとして、酸素を流し込む。また、λ
が小さくなるに従い、排ガス中の可燃性ガス成分が増加
し、チャンバ内の酸素が消費されるので、Ｖｒｓを小さ
くして、流し込む酸素量を多くし、Ｐｏを一定値に保つ
ようにする。この時のＶｒｓがλに比例した値となる。

以上のような動作は、第１図（ａ）の回路により実現さ
れる。ここで固体電解質１に生じる起電力Ｅを一定値（
Ｖ、□）になるようにＶｒＮを制御すれば、ＶｒＮはλ
に比例する。起電力Ｅは差動積分回路７に入力されＶｒ
ｅｚと比較される。差動積分回路７の出力は、バッファ
回路８を介して電極４ａに印加される。一方電極４ｂの
電圧は、バッファ回路９によりＶ　ｐ　、　ａ、一定に
保たれる。差動積分回路７は、ＥがＶ、□となるように
ＶＩＮを上下して酸素量を制御する。つまり、Ｅ＞ｖｒ
ｅｆとなった場合は、ＶＩＮを小さくする。またＥ　＜
　Ｖ　ｒｅｚとなった場合はＶｔｓを大きくする。この
動作により常にＥ　”　Ｖ　ｒｅｚ　となるために、Ｅ
は一定値となり、ＶＩＮはλに比例するようになる。

出力Ｖ　ｏ　ｕ　ｔ　としては、ＶＩＮをそのまま出力
する。

第２図は、実際の検出器の構成を示した。固体電解質１
，２は、グリーンシートで薄板状に形成されている。拡
散抵抗体５はスリット形状で、大気通路１０．１１には
大気が導びかれており、排気とは隔絶されている。また
、ヒーター１２．１３は、外側の隔壁材１４．１５内に
うめ込まれている。素子全体は、保護管１６内に設けら
れており、排気管１７に取り付けられる。

第３図に１本検出器の出力特性を示した。第３図（ａ）
はその原理図で、λ〉１．０では、排気中の酸素濃度に
比例して、Ｖ　ｏ　ｕ　ｔは傾きＫで単調に増加する。

またλく１６ｏでは、可燃性成分に比例して変化する。

この可燃性成分は主に、Ｃ○、Ｈ２゜ＨＣであり、これ
らの拡散定数は、酸素とは異なるために、λく１でのＶ
　ｏ　ｕ　ｔの傾きはＫとは異なる（βＫ）。

第３図（ｂ）は、実際の排気ガスを測定した場合の特性
図である。拡散抵抗体５がスリットで形成されているた
めに、抵抗成分が場所により異なるために、Ｖ　ｏ　ｕ
　ｔは非線型となる。第３図（ｂ）において、初期特性
を（イ）とすると、拡散抵抗体５が目づまり等により経
時変化した場合には、（ロ）のような特性となる。拡散
抵抗体を用いた空燃比検出器においては、このような拡
散抵抗体の変化による出力値の経時変化は、避けられな
いので、これを較正する必要が生じる。

また本検出器においては、Ｐａ　を、理論空燃比となる
排気中の酸素分圧になるように制御するために、λ＝１
．０では、酸素を移動する必要がなく、Ｉ　＝Ｏ−）ま
りＶｔＮ＝Ｖｐ、ｃ、となる。コノため、λ＝１．０で
のＶ　ｏ　ｕ　Ｌは、常にＶ　ｐ　、　ｃ、となり、こ
の点は絶対に経時変化しない。

以下、経時変化を測定し、補正する方法と装置について
説明する。

第４図は、装置の全体構成図である。本装置の構成は、
エアフロメータ１８、絞り弁１９、吸気管２０、エンジ
ン２１、排気管２２．空燃比検出器２３．駆動回路２４
、マイクロコンピュータ２５、バイパス通路２６．ソレ
ノイドバルブ２７となっている。ここで、ソレノイドバ
ルブ２７を開けて、一定の空気量ΔＱａを流入させると
、これに判い空燃比も変化する。この空燃比の変化を検
出器２３で検出する。ここで、この動作は、絞り弁１９
が閉じている状態に行うため、絞り弁を通る空気流速は
音速となっている。ここでソレノイドバルブ２７を開け
ても、この音速条件が成立するように、バルブの開口面
積を決定すると、バルブを通る空気流速も音速となる。

このような状態では、絞り弁１９とバルブ２７を通る空
気流量は、吸気管２０内の圧力Ｐｓｕに関係なく、開口
面積により決まる一定値となる。このため、ΔＱａは常
に一定値となる。また、エアフロメーター１８の出力Ｖ
　ＡＦＭも変化しないために、これにより決定される燃
料量Ｑ、も変化しない。

第５図に、動作のタイミングチャートを示す。

機関の運転状態は、アイドル運転とする。第５図（ａ）
において、初め、状態１においてソレノイドバルブ２７
を閉じて、λがλｏ＝１．０となるように閉ループ制御
する。これは、センサの出力がＶｐ、ａ、　（＝Ｖｏ　
）となるように制御すれば良い。

この時の空気量Ｑａは、Ｑｈ、ｏ、燃料量ＱｔはＱ　ｉ
　、　ｏとなる。このＱ＆とＱｌの関係を第５図（ｂ）
に示した。図中の点線は−Ｑａ／Ｑｚ＝１４．７つまり
λがλｏ”１．０となる特性点である。状態１は、この
点線上にある。

次に状ｓ２においてＱ、をＱ　ｉ　ｐ　ｏに固定して（
開ループ）、ソレノイドバルブ２７を開け、ΔＱａを流
入させる。この時のエンジンに吸入される実際の空気量
Ｑ　ａ　ｖ　ａは。

Ｑ　ａ　ｇ　ａ　＝Ｑ　ａ　＋　Ｏ＋ΔＱ　ａ　　　　
　　　−−−−−・（ｉ）となる。しかし、前述したよ
うに音速条件が成立するので、ＶＡＦＭは変化しないの
で、Ｑｚｙｏも変化しない。この状ｓ２でのλは、λａ
（〉λ０）となり、ＶｏｕｔはＶ　ａ　（＞　Ｖ　ｏ　
）となる。

次に状１ｍ３では、ソレノイドバルブ２７を開けたまま
、λがλｏ＝１．０となるように開ループ制御する。つ
まり、Ｑ、は、Ｑ　ａ　ｇ　ａのままなので、Ｑ□を、 Ｑ　ｘ　ｒ　ａ　＝　Ｑ　ｉ　Ｈｏ＋ΔＱ　ｘ　　　　
　　　＝・−（２）とΔＱｔだけ増加して、第５図（ｂ
）の点線上の伏線に再びもどる。このときのλは、λｏ
＝１．０となり、検出器２３の出力はＶｏ　（＝Ｖｐ、
ｃ、）となる。

次に状態４において、Ｑｘ　をＱ　ｉ　、　ａのまま固
定して、ソレノイドバルブ２７を閉じる。この時のＱ＆
は、Ｑ　ａ　＋　６にもどるために、λは、λ−，（＜
λ０）となり、Ｖ　ｏ　ｕ　ｔはＶ　−ａ　（＜　Ｖ　
ｏ　）となる。

以上の動作が検出器の出力を較正するための全動作であ
る。

第６図は、この動作を、λ−Ｖ。ｕｔ特性図上で説明し
たものである。初期の特性を（イ）とすると、状ｓ１で
は、λｏ＝１．０となるようにするために、ｖ　ｏ　ｕ
　ｔは、Ｖｏ　（＝Ｖｐ、ａ、）となる。次に状態２に
おいてソレノイドバルブ２７によりΔＱａを流入するた
めに、λはλａとなりＶ　ｏ　ｕ　ｔは、Ｖ　ａ　（＞
　Ｖ　ｏ　）となる。次に、状８３において、バルブ２
７を開けたまま再びλ０となるように制御するために、
Ｖ　ｏ　ｕ　ｔはＶｏとなる。最後に、状態４において
、ソレノイドバルブ２７を閉じるためにλはλ−１とな
り、Ｖ　ｏ　ｕ　ｔはＶ　−ａ（＜　Ｖ　ｏ　）となる
。

このＶａ　、Ｖｏ　＋　Ｖ−ａにより較正する。

第６図の（ロ）の特性は、拡散抵抗体５の目づまり等に
より経時変化した場合の出力特性である。

この時は、前述したように、Ｖｏは変化しない。

しかし、状態２でλがλａとなった時の出力は。

Ｖ　ａ　’　（＜　Ｖ　ａ　）となり、状態４でλがλ
−８となった時の出力は、Ｖ−ａ’　（＞Ｖ−ａ）とな
る。この変化が経時変化量を示しており、これを基に出
方に補正を加える。

以下、補正法を式により示す。

状態１でのＱａと（Ｌの関係は、λｏ＝１．０なので、 ここで、Ｃ＝１４．７　　（理論空燃比に相当）となる
。

状態２では、ΔＱａを流入するために、ここで５に；出
力のλに対するゲイン（λ〉１）となる。

状Ｍ３では、バルブ２７を開けたままλ０＝１．０に制
御するために、 Ｑ　ｘ　＋　ａ ここで、Ｑ　ｉ　＋　ａ　＝　Ｑ　ｘ　ｒ　ｏ＋ΔＱ！
となる。

状態４では、Ｑ　ｔ　、　ａのまま、ソレノイドバルブ
２７を閉じるために。

となる。

以上の（３）〜（６）の式により、ゲインＫを求めると
、 となる。

次に、特性が第６図の（ロ）のように変化した場合は。

ここで、Ｋ′　：経時変化後のゲイン となる。ここで、にとに′の比をＫｔｒｈａとすると、
となる。このＫ　ｇ　ｒ　ａ　ｄにより、出力値に補正
を加えれば、常に変化しない出力が得られる。Ｋ　ｇ　
ｒ　ａ−は（９）式かられかるように、バルブ２７の開
口面積や、Ｑａ＋ｏ＋　Ｑｔ＋ｏに関係なく、出力値の
みの式なので補正が容易となる。

第７図は、Ｋ　ｆｆ　ｒ　ａ　ｄを求めるまでの、マイ
クロコンピュータ側のフローチャートを示した。

初めに、アイドル状態かどうかを判断し、Ｙｅｓの時は
以下のフローを実行し、Ｎｏのときは、実行しない。次
に、キースイッチＯＮ後、較正をしたことを示すＦＬＡ
ＧＫを確認する。ここで、較正していれば、以下のフロ
ーは実行しない。

次に状態１をつくるために、λ＝１へフィードバック制
御する。Ｑｆｆｉ＋Ｏ，ｖＯをリードし、Ｑ、をＱ　ｔ
　ｒ　ｏに固定する。状態２を作るために、ソレノイド
バルブ２７をＯＮにする。ここでアイドルであることを
確認する。もしアイドルでないときは、以下のフローは
実行しない。Ｖ＆をリードする。

次に状態３を作るために、ソレノイドＯＮのままλ＝１
．０へフィードバック制御する。Ｑ　ｉ　、　ａをリー
ドして、アイドルかどうかを確認し、アイドル状態のと
きは、Ｖｏをリードする。次にＱ□、ａを固定して、状
ｓ４を作るために、ソレノイドバルブ２７を閉じる。再
びアイドルかどうかを確認し、■−８をリードする。以
上により、Ｖａ、　Ｖｏ。

Ｖ　−ａがリードされたので、（９）式によりＫ　ｆｆ
ｒａｄを計算し、較正をしたことを示す、フラグＦＬＡ
ＧＫに１を立てて、このフローを終る。

実際の出力値に補正を加える方法は、例えば、λとｖｏ
ｕｔ（較正前の値）のマツプ中の、Ｖ　ｏ　ｕ　ｔの各
々の値にＫｇｒａａを掛けて、Ｖ　ｏ　ｕ　ｔ　をＶ　
ｏ　ｕ　ｔ′（較正後の値）に変換し、λとｖ　ｏ　ｕ
　ｔのマツプをλとＶＯｕ、ｔ′　　のマツプに書き換
る。

あるいは、これとは逆に、λとＶ　ｏ　ｕ　ｔのマップ
は換えずに、検出値■。ｕｔ′に□を掛けて、Ｋ　ｇ　
ｒ　ａ　ａ 経時変化前の出力値に直して、λとＶ。ｕｔのマツプよ
りλを求める方法がある。

第８図は、実際のエンジンで実験した結果である。状態
１〜４に応じて、λとＶ　ｏ　ｕ　ｔは変化しているが
、音速条件によりエアフロメータ１８の出力ＶＡＦＭは
変化していない。

第９図は、第８図より求めた、Ｋ　ｇ　ｒ　ａ　ａによ
り補正を加えた結果である。（イ）の曲線は、経時変化
前の特性（Ｖｏｕｔ　）であり、（ロ）の曲線は経時変
化後の特性（Ｖｏｕｔ’　）である。経時変化前と後の
それぞれにおいて、第８図のような動作を行ない、Ｋ、
に’　よりＫｇｒａｄを求めて、（ロ）の曲の曲線であ
る。この（ハ）の曲線と、（イ）の曲線が良く一致して
いることより、Ｋ６４．による補正が有効であることが
わかる。

なお、（イ）と（ハ）の特性の誤差は、空燃比にして、
１〜２％以内である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、空燃比検出器の拡散抵抗体の目づまり
等による変化により出力値が経時変化した場合でも、空
燃比にして、１〜２％以内の精度で出力を補正できるの
で、常に正しい空燃比を検出できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は空燃比検出器の検出原理図、第２図は空燃比検
出器の構成図、第３図は検出器の特性図、第４図は空燃
比検出装置の構成図、第５図は出力較正時のタイミング
チャート、第６図は出力較正時の特性図、第７図は出力
較正法のフローチャート、第８図、第９図は実験結果を
示す図である。 １．２・・・固体電解質、５・・・拡散抵抗体、７・・
差動按分回路、１２．１３・・・ヒーター、２３・・・
空燃比検出器、２５・・・マイクロコンピュータ、２７
・・・ソレノイドバルブ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．　内燃機関の排ガスより、空燃比を検出する装置に
   おいて、内燃機関の吸気通路に空気を流入するバルブと
   、排気通路管に空燃比を検出する検出器を設け、該バル
   ブにより空気を流入し、これに伴う空燃比の変化を、該
   検出器により測定し、この結果を基に、検出器出力値の
   経時変化を較正することを特徴とした空燃比検出装置。
2. ２．　特許請求の範囲第１項において、出力の較正を行
   う時期を、機関の吸入空気量制御部を通る空気流速が音
   速以上となる運転状態であることを特徴とする空燃比検
   出装置。
3. ３．　特許請求の範囲第１項において、機関の吸入空気
   量制御部を通る空気流速が音速以上となる運転状態にお
   いて、空燃比が理論空燃比となるように閉ループ制御し
   、次に上記バルブを開き、その時の上記検出器の出力を
   記憶し、次に上記バルブを開いたまま空燃比が理論空燃
   比になるように閉ループ制御し、その後、上記バルブを
   閉じ、この時の検出器の出力を記憶し、この記憶された
   ２つの出力値を基に、検出器出力の経時変化を較正する
   ことを特徴とする空燃比検出装置。