JPS6215453A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、酸素センサを用いて自動車等内燃機関の空燃
比を検出する装置に関する。

（従来の技術） 近時、内燃機関の電子制御化が急速に進展しており、こ
のような制御ではセンサの情報精度の確保が重要である
。

かかる制御物理量の主なものに空燃比があり、空燃比は
通常、排気中の酸素濃度をパラメータとして酸素センサ
により検出される。酸素センサ情報は空燃比と一義的に
正確に対応することが望まれるため、その経時変化によ
る特性を補正する必要がある。

このため、空燃比の検出情報を補正する手段が考案され
ており、例えばそのようなものとして特開昭５８−５７
．０５０号、特開昭５５１１６１Ｆ５９号公報に記載の
ものがある。これらのものは排気管内が大気で満たされ
ているとき（例えば、ツユニルカット中）のセンサ出力
を読み込んで較正ストア値としてストアしておき、この
較正ストア値に基づいて通常のセンサ出力を補正し上述
した特性変化に対処している。

（発明力ｊ解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の空燃比検出装置にあっ
ては、排気管内が大気となる条件のときは常にセンサ出
力を較正ストア値としてストアする構成となっているた
め、例えば大気の湿度が非常に高いような場合には、通
常の大気状態に比して酸素センサに拡散してくる酸素の
分子数が実質的に少なく、センサ出力が低下する傾向を
示す。

これは、センサの固体電解質内を移動する排気側からの
０２−イオンの星が少なくなるため、このイオン量に対
応するためポンプ電流の値が小さくなるからである。し
たがって、このような高湿度状態における大気条件出力
で経時変化補正を行っても、その補正結果が正確な空燃
比に対応したものにならないおそれがあり、空燃比検出
の精度が低下する。因に、このときは正規の空燃比に対
してリッチ側に補正される。

（発明の目的） そこで本発明は、大気状態（例えば、湿度）を検出し、
所定の標準状態にあるときのめ大気条件出力を較正スト
ア値として採用することにより、較正ストア値を標準大
気に正確に対応さ−Ｕてセンサ特性の補正を正確なもの
とし、空燃比の検出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検出装置はその基本概念図を第１図
に示すように、排気中の酸素深度に基づいて空燃比を検
出する空燃比検出手段ａと、排気管内が大気であること
を検出する大気判別手段すと、大気の酸素流度と所定の
因果関係を有する大気の状態を検出する大気状態検出手
段Ｃと、排気管内が大気で満たされると大気の酸素濃度
が所定の標準状態にあるとき空燃比検出手段ａの出力を
標準較正値として設定する較正値設定手段ｄと、標準較
正値に基づいて空燃比検出手段ａの通常出力を補正し空
燃比を算出する補正手段ｅと、を備えており、較正スト
ア値を標準大気に正確に対応させてセンサ特性の補正を
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２〜８図は本発明の一実施例を示す図であり、本発明
を空燃比制御装置に適用した例である。

まず、構成を説明する。

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４により噴射さ
れる。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（ＣＯ，ＨＣ，Ｎ０ｘ）を三元触媒により清浄
化して排出される。

吸入空気の流ＮＱａはエアフローメータ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。吸入空気
の温度Ｔａは気温センサ９により検出され、湿度Ｈｍは
湿度センサ１０により検出され、さらに大気の圧力Ｐａ
は圧力センサ１１により検出される。これらのセンサ９
〜１１は大気状態検出手段１２を構成する。

一方、絞弁８の開度Ｃｖは絞弁開度センサ１３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１４
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１５により検出される。

排気管５には酸素センサ１６が取り付けられており、酸
素センサ１６は空燃比検出回路１７に接続される。空燃
比検出回路１７は酸素センサ１６にポンプ電流ｒｐを供
給するとともに、その電流値を検出して排気酸素濃度に
対応する電圧信号Ｖｉを出力する。

これらの酸素センサ１６および空燃比検出回路１７は空
燃比検出手段１８を構成しており、空燃比検出手段１８
および各センサ７．１２．１３．１４．１５からの信号
はコントロールユニット１９に入力される。コントロー
ルユニット１９はこれらのセンサ情報Ｇこ基づいて空燃
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１６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」二にはヒータ２２を介してチャンネル上
の大気導入部２３を形成した大気導入板２４が積層され
る。その」−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（基準電極）２
６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・リーカソード（測定電極）２７がそれぞれ
印刷により設りられる。

さらに、この固体電解質２５の上に厚さＬ（Ｌ−〇、１
關程度）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２５．２９およびスペーサ板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材３１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３２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
圧比に応した電圧（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ばポンプ部３５
を構成する。ポンプ部３５はポンプ電極間に供給される
ポンプ電流１ｐの値に応じてガス導入部３０の酸素分圧
を制御する。

上記センサ部３２、ポンプ部３５、酸素層画成部材３Ｉ
および大気導入板２４は排気中の酸素濃度を検出する素
子部３６を構成する。なお、ヒータ２２は固体電解質２
５．２９を適温に加熱し、それらを活性化させる。また
、４１．４２はヒータ２２のリード線、４３〜４６はそ
れぞれセンサアノード２６、センサカソード２７１．ポ
ンプアノード３３、ポンプカソード３４のリード線であ
る。

第５図は空燃比検出回８１３の構成を示す回路図であり
、この図において、空燃比検出回路１３は目標電圧−Ｖ
ａを発生する電圧源４９、差動アンプ５０、抵抗Ｒ１、
電流供給回路５１および電流検出回路５２により構成さ
れる。

差動アンプ５０はセンサ電圧Ｖｓを目標電圧−Ｖａと比
較してその差値ΔＶ（ΔＶ＝Ｖｓ−（−Ｖａ））を算出
する。電流供給回路５１は差値ΔＶが零になるように素
子部３６のポンプカソード３４からのポンプ電流■ｐを
流し出す（あるいは流し込む）。すなわちΔＶが正のと
きはｒｐを増やし、負のときはＩｐを減らず。

電流回路５２は抵抗Ｒ１の両端間の電位差によりポンプ
電流１ｐを電圧Ｖ　ｉ　　（Ｖ　ｉｄ：Ｉ　ｐ）　ニ変
換して検出する。なお１、ポンプ電流Ｉｐは実線矢印で
示す方向を正（Ｖｉも正）、破線矢印で示す逆方向を負
とする。

そして、目標電圧−Ｖａを素子部３６のガス導入部３０
内の酸素濃度が所定値に維持されているとき、すなわち
固体電解質２５の両面間の酸素分圧比が所定値となると
きのセンサ電圧Ｖｓに相当する値に設定しておくことよ
り、電流検出回路５２によって検出されるポンプ電流ｒ
ｐに比例した検出電圧■ｉば第６図に示すように空燃比
と一義的に対応するようになる。したがって、この検出
電圧Ｖｉを利用すれば空燃比をリッチ域からリーン域ま
で広範囲に亘って連続的に精度よく検出することができ
る。

再び第２図において、コントロールユニット１９は大気
判別手段、較正値設定手段および補正手段としての機能
を有し、ＣＰＵ５６、ＲＯＭ５７、ＲＡＭ５８．５９お
よびＩ１０ポート６０により構成される。

ＣＰ　Ｕ５６はＲＯＭ５７に書き込まれているプログラ
ムに従ってＩ１０ポート６０より必要とする外部データ
を取り込んだり、またＲＡＭ５８．５９との間でデータ
の授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処
理したデータをＩ１０ボート６０へ出力する。Ｉ１０ポ
ート６０にはセンサ群７．１２．１３．１４．１５．１
８からの信号が人力されるとともに、Ｉ１０ボート６０
からは噴射信号Ｓｉが出力される。

ＲＯＭ５７はＣＰＵ５６における演算プログラムを格納
しており、Ｒｊ６ｋＭ５Ｂ、５９は演算に使用するデ−
タをマツプ等の形で記憶する。なお、ＲＡＭ５８の記憶
内容はエンジン停止後消失するが、ＲＡＭ５９は例えば
不揮発性メモリにより構成され、その記憶内容をエンジ
ン停止後も保持する。

次に作用を説明する。

第７図はＲＯＭ５７に書き込まれている空燃比検出のプ
ログラムを示すフローチャートであり、図中Ｐ１〜Ｐ２
７はフロー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一度実行される。

Ｐ＋　で較正可能フラグＫＫＦがセットされているか否
かを判別する。較正可能フラグＫＫＦは大気の酸素濃度
が所定の標準状態にあるか否かを表すフラグであり、Ｋ
ＫＦ＝１のとき標準状態にある旨を、ＫＫＦ＝Ｏのとき
標準状態にない旨を表示する。

ここで、標準状態とは大気の酸素分子数が正規の範囲内
にある状態を意味しており、例えば高湿度等の場合にそ
の酸素分子数が不足しているような状態は除かれる。

なお、較正可能フラグＫＫＦは後述のサブルーチン５Ｕ
Ｂ−１でセット／リセットが行われる。

ＫＫＦ＝　１のときはＰ２でフユエルカソトであるか否
かを判別する。フユエルカソトは、例えば回転数Ｎや絞
弁開度Ｃｖに基づき所定の減速運転範囲内にあるか否か
を判別して行う。フユエルカソト中であるときはＰ３で
ツユニルカット開始から所定時間が経過したか否かを判
別する。所定時間が経過しているときは、吸気管３内が
十分に大気で満たされその酸素濃度が安定していると判
断する。以下、本実施例ではこの状態を標準安定状態と
いう。

標準安定状態にあるときはＰ４に進み、標準安定状態に
ないとき、すなわち上記ステップＰ１〜Ｐ、でＮＯ命令
に従うときは後述のステップＰｌ＋を経て今回のルーチ
ンを終了する。Ｐ４ではポンプ電流ｒｐＯ値が次式■で
示す第１の所定範囲内にあるか否かを判別する。

ａ＜　Ｉｐ＜ｂ・・・・・・■ 但し、ａ、ｂ：定数 なお、本実施例ではポンプ電流Ｉｐの値が検出空燃比に
対応しており、以後の説明の便宜上このＩｐを適宜、セ
ンサ出力と呼称し前述したセンサ電圧Ｖｓとは異なる概
念で用いる。そして、このセンサ出力という概念は従来
例におけるそれと同じ意味内容を表す。

第１の所定範囲内にあるときはポンプ電流Ｉｐの値が安
定していると判断してＰ５で次式■に従ってＴｐの平均
値１ｐを算出する。

Ｉｐ＝１／ｎ　（Ｉｐ＋　＋ｒｐｚ　＋−−＋ｒ　ｐｆ
ｉ）・・・・・・■ 但し、ｎ：平均回数 次いで、Ｐ６で平均化した回数ｎが所定値ｎ。

以上になったか否かを判別し、ｎ≧ｎｏのときはＰ、て
このときの平均値Ｉｐをツユニルカット応答値（標準較
正値）ＴｐｆｃとしてＰＢに進む。

一方、ステップＰ４でＩｐが第１の所定範囲内にないと
きは、例えばノイズの影響を受けていること等が予想さ
れるため、以降のステップ処理に移行せずｐＨを経て今
回のルーチンを終了する。

また、Ｐ６でｎ＜ｎ、のときも同様にＰｌ＋を経て今回
のルーチンを終了し、ｎ≧ｎ０となるまでルーチンを繰
り返す。

Ｐ８ではツユニルカット応答値１ｐｆｃが次式■で示す
第２の所定範囲内にあるか否かを判別する。

ｃ＜　Ｉｐ　ｆ　ｃ＜ｄ・・・・・・■但し、ｃ、ｄ：
定数 ツユニルカット応答値１ｐｆｃは標準安定状態における
空燃比検出手段１８に特有のセンサ出力の安定値として
捉えられる。したがって、Ｉｐｆｃが標準安定状態に対
応する値から大きく外れているような場合にはセンサ機
能（空燃比検出手段１８の機能を指す）が異常であると
判断することができる。このような異常判断時にはその
センサ出力を較正しても誤差が大きく検出精度の低下は
免れないと判断できる。

そこで、Ｐ８でＩｐｆｃが第２の所定範囲内にないとき
はセンサ機能の異常（例えば、特性変化のため）と判断
して、Ｐ、でセンサ異常フラグＮＧＦをセット（ＮＧＦ
＝１）してルーチンを終了する。ＮＧＦ＝１のときは空
燃比のフィードハック制御を停止してオープン制御に切
換えて空燃比制御の悪化を防止する。

なお、ＮＧＦ＝１のときに、例えば運転者に適切な表示
を与えてもよく、そのようにすれば、センサの交換、修
理等を速やかに行うことができる。

センサ異常フラグＮＧＦはこのような適切な処理の後に
リセットされる。

一方、Ｉｐｆｃが第２の所定範囲内にあるときはＰｌ。

で次式■に従って補正係数Ｋｉｐを演算する。

Ｋ　ｉ　ｐ　＝　Ｉ　ｐ　ｒ　ｅ　ｆ　／　Ｉ　ｐ　ｆ
　ｃ　−−−−−−■但し、Ｔｐｒｅｆ　：フユエルカ
ソト正規値■式において、Ｉｐｒｅｆはセンサに特性変
化がないときの標準安定状態に対するポンプ電流の正規
の値であり、予めＲＯＭ５７に記憶されている。

したがって、補正係数Ｋｉｐはフユエルカソト正規値Ｔ
ｐｒｅｆに対するフユエルカソト応答値■ｐｆｃのずれ
の程度を表しており、このずれに応じて現検出値Ｉｐを
適切に補正すれば正確な空燃比に一致させることができ
る。

そこで、ｐＨで次式〇に従って現検出値Ｔｐを補正し較
正出力Ｉｐｃを求める。

Ｉｐｃ＝ＫｉｐＸＩｐ・旧・・■ 較正出力ｒｐｃは上述したように特性変化に拘りなく正
確な空燃比に対応し、第６図に示す曲線に一致したもの
となる。すなわち、較正出力■ｐＣにより空燃比を正確
に検出することができる。

なお、ステップＰ４等でＮＯ命令に従ったときは前回の
Ｋｉｐにより現検出値Ｉｐが補正される。

そして、この較正出力Ｉｐｃに基づき他のプログラムで
空燃比制御が精度よく行われる。

このように、標準安定状態のセンサ出力を所定回数平均
するとともに、その平均値が第１の所定範囲内にあると
きのみフユエルカソト応答値ｒｐｆｃとして採用され、
大気が高湿度であるような場合には、Ｉｐｆｃの採用が
排除される。

したがって、従来と異なりＩｐｆｃを標準状態の大気の
酸素濃度に正確に対応させることができ、空燃比の検出
精度を高めることができる。また、本実施例では上述の
ようにＩｐを平均化するとともにその範囲を限定判断し
ているため、センサ出力の変動やノイズの影響を排除し
てＩｐｆｃを標準状態に対応する値に正確に相関させる
ことができるという利点があり、空燃比の検出精度をよ
り一層向上させることができる。

第８図は大気の標準状態を判別するサブルーチン５ＵＩ
３−１を示すフローであり、このフローは所定時間毎に
一度流れる。

Ｐ２Ｉで大気の湿度Ｈイが所定値Ｈ１゜より低いか否か
を判別し、Ｈｍ　＜　Ｈｍ。のときは大気の酸素分子数
が正規の状態にあると判断してＰ２゜で酸素センサ１６
が活性化したか否かを判別する。これは、例えばエンジ
ン始動後期定時間が経過して酸素センサ１６が十分に加
熱されたか否かを判別して行う。

活性化しているときはポンプ電流１ｐが排気酸素濃度と
相関関係を示す状態にあると判断し、Ｐ２３で較正可能
フラグＫＫＦをセントしてリターンする。

一方、ステップＰ２１、ＰＸ３でＮＯ命令に従うときは
高湿度状態にある、あるいは活性化していないと判断し
たときであり、このときはＰ２４で較正可能フラグＫＫ
Ｆをリセットしてリターンする。

このように、大気の酸素分子数の状態を湿度をパラメー
タとして判別しているため、前述したようにＩｐｆｃを
標準状態の大気の酸素濃度に正確に対応させることがで
きる。

なお、湿度の他に、例えば大気の温度Ｔａや圧力Ｐａを
パラメータとして併用してさらにきめ細かく標準状態の
判別を行ってもよい。このパラメータの選択は使用する
酸素センサの特質によって決定すれば効果的である。

また、本実施例ではパラメータの一つである湿度につい
ての上限判断のみを行っているが、これに限らず、例え
ば下限判断をつけ加えて標準状態の湿度を所定範囲内に
限定してもよい。

（効　果） 本発明によれば、標準較正値を標準状態の大気の酸素濃
度に正確に対応させることができ、空燃比の検出精度を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜８図は本発明の一
実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３
図はその酸素セッサの分解斜視図、第４図はその酸素セ
ンサの断面図、第５図はその空燃比検出回路の回路図、
第６図はその空燃比と検出電圧との関係を示す図、第７
図はその空燃比検出のプログラムを示すフローチャート
、第８図は大気の標準状態を判別するサブルーチンを示
すフローチャートである。 １・・・・・・エンジン、 １２・・・・・・大気状態検出手段、 １８・・・・・・空燃比検出手段、 １９・・・・・・コントロールユニット（大気判別手段
、較正値設定手段、補正手段）。 特　許　出　願　人　　日産自゛動車株式会社・代理人
弁理士　有我軍一部 （外１名） 第１図 第７図 、５ＴＡＲＴ Ｐ＋　　　＝１９、目Ｏ ＥＳ Ｐ２　　　　　　　　ＮＯ ＥＳ Ｐ３　　所定Ｎ。 ＥＳ Ｐ４　　α４ｐ＝ｂ　ｎ−”０ イＥＳ Ｐ５　　亙り算出 Ｐｓｎ、ｎ。。、ＮＯ ＥＳ 第　８ｒＭ ′”−〒　１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃
   比検出手段と、 ｂ）排気管内が大気であることを検出する大気判別手段
   と、 ｃ）大気の酸素濃度と所定の因果関係を有する大気の状
   態を検出する大気状態検出手段と、 ｄ）排気管内が大気で満たされると、大気の酸素濃度が
   所定の標準状態にあるとき空燃比検出手段の出力を標準
   較正値として設定する較正値設定手段と、 ｅ）標準較正値に基づいて空燃比検出手段の通常出力を
   補正し空燃比を算出する補正手段と、を備えたことを特
   徴とする空燃比検出装置。