JPS62198744A - 内燃エンジン用酸素濃度センサの出力補正方法 - 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】 １丘公１ 本発明は内燃エンジン用酸素濃度センリの出力補正方法
に関する。

１且亘Ｉ 一般に、内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等を目
的として、排気ガス中の酸素濃度を酸素濃度センサによ
って検出し、酸素濃度セン９°の出力信号に応じてエン
ジンへの供給混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバ
ック制御する空燃比制御が行なわれている。

このような空燃比制御に用いられる酸素濃度センサとし
て排気ガス中の酸素濃度に比例した出力を発生するもの
がある。例えば　平板状の酸素イオン伝導性固体電解質
部材の両生面に電極対を設けて固体電解質部材の一方の
電極面が気体滞留室の一部をなしてその気体滞留室が排
気ガス等の被測定気体と導入孔を介して連通ずるように
した限界電流方式の酸素濃度センサが待間昭５２−７２
２８６号公報に開示されている。この酸素濃度センザに
おいては、酸素イオン伝導性固体電解質部材と電極対と
が酸素ポンプ素子として作用して気体滞留室側電極が負
極になるように電極間に電流を供給すると、負極面側に
て気体滞留室内気体中の酸素ガスがイオン化して固体電
解質部材内を正極面側に移動し正極面から酸素ガスとし
て放出される。このときの電極間に流れ得る限界電流値
は印加電圧に拘らずほぼ一定となりかつ被測定気体中の
酸素濃度に比例するのでその限界電流値を検出すれば被
測定気体中の酸素濃度を測定することができる。ところ
が、かかる酸素濃度検出装置を用いて空燃比を制御する
場合に排気ガス中の酸素濃度からは混合気の空燃比が理
論空燃比よりり一部の範囲でしか酸素濃度に比例した出
力が得られないので目標空燃比をリッチ領域に設定した
空燃比制御は不可能であった。空燃比がリーン及びリッ
チ領域にて排気ガス中の酸素濃度に比例した出力が得ら
れる酸素１１１１！センサとしては２つの平板状の酸素
イオン伝導性固体電解質部材各々に電極対を設けて２つ
の固体電解質部材の一方の電極面金々が気体滞留室の一
部をなしてその気体滞留室が被測定気体と導入孔を介し
て連通し一方の固体電解質部材の他方の電極面が大気室
に面するようにしたものが特開昭５９−１９２９５５号
に開示されている。この酸素濃度センサにおいては一方
の酸素イオン伝導性固体電解質部材と電極対とが酸素濃
度比検出電池素子として作用し他方の酸素イオン伝導性
固体電解質材と電極対とが酸素ポンプ素子として作用す
るようになっている。酸素濃度比検出電池素子の電極間
の発生電圧が基準電圧以上のとき酸素ポンプ素子内を酸
素イオンが気体滞留室側電極に向って移動するように電
流を供給し、酸素濃度比検出電池素子の電極間の発生電
圧が基準電圧以下のとき酸素ポンプ素子内を酸素イオン
が気体滞留室側とは反対側の電極に向って移動するよう
に電流を供給することによりリーン及びリッチ領域の空
燃比において電流値は第１図に実線で示すように酸素濃
度に比例するのである。

しかしながら、このような酸素濃度比例型の酸素濃度セ
ンサにおいては、酸素ポンプ素子及び電池素子からなる
酸素濃度検出素子自体の製造上のばらつきが第１図に破
線で示したように生じ易く、空燃比が理論空燃比から離
れるほど大きなばらつきとなることが通常である。その
ばらつきを減少させるためには生産上のコストアップは
避けられないので生産コストを押えようとすると酸素濃
度センサ自体のばらつきにより同一空燃比でも酸素濃度
センサによって出力レベルが異なり酸素濃度センサの出
力レベルから供給混合気の空燃比を正確に判別できない
ことがあるという問題点があった。

１且立息」 そこで、本発明の目的は、酸素濃度検出素子自体に製造
上のばらつきがある酸素濃度センサの出力レベルからで
も供給混合気の空燃比を正確に判別することができる酸
素温度センサの出力補正方法を提供することである。

本発明の酸素温度センサの出力補正方法は酸素濃度セン
サの出力レベルが基準値にあるときの燃料供給量に対し
てＮ（ただし、Ｎ＞１又は１＞Ｎ〉０）倍の母の燃料を
エンジンに供給し、そのときの酸素濃度センサの出力レ
ベルに応じて酸素濃度センサの出力特性の補正値を得て
、排気ガス中の酸素濃度検出時に酸素濃度センサの出力
レベルを補正値に応じて補正することを特徴としている
。

友−１−１ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第２図ないし第４図は本発明の出力補正方法を適用した
酸素濃度センサを億えた内燃エンジンの電子制御燃料噴
射装置を示している。本装置において、酸素濃度センサ
検出部１はエンジン２の排気管３の三元触媒コンバータ
５より上流に配設され、酸素濃度センサ検出部１の入出
力がＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　
Ｕｎｉｔ　）　４に接続されている。

酸素濃度センサ検出部１の保護ケース１１内には第３図
に示すようにほぼ直方体状の酸素イオン伝導性固体電解
質部材１２が設けられている。酸素イオン伝導性固体電
解質部材１２内には気体滞留室１３が形成されている。

気体滞留室１３は固体電解質１２外部から被測定気体の
排気ガスを導入する導入孔１４に連通し、導入孔１４は
排気管３内において排気ガスが気体滞留室１３内に流入
し易いように位置される。また酸素イオン伝導性固体電
解質部材１２には大気を導入する大気基準室１５が気体
滞留室１３と壁を隔てるように形成されている。気体滞
留室１３と大気基準室１５との間の壁部及び大気基準室
１５とは反対側の壁部には電極対１７ａ、１７ｂ、１６
ａ、１６ｂが各々形成されている。固体電解質部材１２
及びＴ１極対１６ａ、１６ｂが酸素ポンプ素子１８とし
て作用し、固体電解質部材１２及び電極対１７ａ、１７
ｂが電池素子１９として作用する。また大気基準室１５
の外壁面にはヒータ素子２０が設けられている。

酸素イオン伝導性固体電解質部材１２としては、ＺｒＯ
２（二酸化ジルコニウム）が用いられ、電極１６ａない
し１７ｂとしてはＰｔ（白金）が用いられる。

第４図に示すようにＥＣＵ４は差動増幅回路２１、基準
電圧源２２、電流検出抵抗２３及び制御回路２４からな
る。酸素ポンプ素子１８の電極１６ｂ及び電池素子１９
の電極１７ｂはアースされている。電池素子１９の電極
１７ａに差動増幅回路２１が接続され、差動増幅回路２
１は電池素子１９の電極１７ａ、１７ｂ間の発生電圧と
基準電圧源２２の出力電圧との差電圧に応じた電圧を出
力する。基準電圧源２２の出力電圧は理論空燃比に相当
する電圧（例えば、０．４Ｖ）である。差動増幅回路２
１の出力端は電流検出抵抗２３を介して酸素ポンプ素子
１８の電極１６ａに接続されている。電流検出抵抗２３
の両端が酸素濃度センサとしての出力端であり、マイク
ロコンピュータからなる制御回路２４に接続されている
。

制御回路２４には例えば、ポテンショメータからなり、
絞り弁２５の開度に応じたレベルの出力電圧を発生する
絞り弁開度センサ３１と、絞り弁２５下流の吸気管２６
に設けられて吸気管２６内の絶対圧に応じたレベルの出
力電圧を発生する絶対圧センサ３２と、エンジンの冷却
水温に応じたレベルの出力電圧を発生する水温センサ３
３と、エンジン２のクランクシャフト（図示せず）の回
転に同期したパルス信号を発生するクランク角センサ３
４とが接続されている。またエンジン２の吸気バルブ（
図示せず）近傍の吸気管２６に設けられたインジェクタ
３５が接続されている。

制御回路２４は電流検出抵抗２３の両端電圧のディジタ
ル信号に変換する差動入力のＡ／Ｄ変換器４０と、絞り
弁開度センサ３１、絶対圧センサ３２、水濡センサ３３
の各出力レベルを変換するレベル変換回路４１と、レベ
ル変換回路４１を経た各センサ出力の１つを選択的に出
力するマルチプレクサ４２と、このマルチプレクサ４２
から出力される信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ
変換器４３と、クランク角センサ３４の出力信号を波形
整形してＴＤＣ信号として出力する波形整形回路４４と
、波形整形回路４４からのＴＤＣ信号の発生間隔をクロ
ックパルス発生回路（図示せず）から出力されるクロッ
クパルス数によって計測するカウンタ４５と、インジェ
クタ３５を駆動する駆動回路４６と、プログラムに従っ
てディジタル演算を行なうＣＰＵ　（中央演算回路）４
７と、各種の処理プログラム及びデータが予め書き込ま
れたＲＯＭ４８と、ＲＡＭ４９と備えている。Ａ／Ｄ変
換器４０，４３、マルチプレクサ４２、カウンタ４５、
駆動回路４６、ＣＰＵ４７、ＲＯＭ４８及びＲＡＭ４９
は入出力バス５０によって互いに接続されている。ＣＰ
Ｕ４７には波形整形回路４４からＴＤＣ信号が供給され
る。また制御回路２４内にはヒータ電流供給回路５１が
設けられ、ヒータ素子２０にＣＰＵ４７の指令に応じて
ヒータ電流供給回路５１からヒータ電流が供給されてヒ
ータ素子２０が発熱するようになっている。

かかる構成においては、Ａ／Ｄ変換器４０から・酸素ポ
ンプ素子１８を流れるポンプ電流値Ｉｐが、Ａ／Ｄ変換
器４３から絞り弁開度ｅｔｈ、吸気管内絶対圧Ｐ　Ｂ　
Ａ　Ｎ冷却水温Ｔｗ及び排気中の酸素温度０２の情報が
択一的に、またカウンタ４５からエンジン回転数Ｎｅを
表わす情報がＣＰＵ４７に入出力バス５０を介して各々
供給される。ＣＰＵ４７はＲＯＭ４８に記憶された演算
プログラムに従って上記の各情報を読み込み、それらの
情報を基にしてＴＤＣ信号に同期して燃料供給ルーチン
において所定の算出式からエンジン２への燃料供給量に
対応するインジェクタ３５の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演
算する。そして、その燃料噴射時間ＴＯＬＩＴだけ駆動
回路４６がインジェクタ３５を駆動してエンジン２へ燃
料を供給せしめるのである。

燃料噴射時間ＴＯＬＪＴは例えば、次式から算出される
。

ＴＯＬＩＴ−ＴｉＸＫｏ２ＸＫＷＯＴＸＫＴＷ・・・・
・・（１） ここで、Ｔｉはエンジン回転数Ｎｅと吸気管内絶対圧Ｐ
ＢＡとから決定される基本噴射時間を表わす基本供給量
、ＫＯ２は酸素濃度センサの出力レベルに応じて設定す
る空燃比のフィードバック補正係数、ＫＷＯＴは高負荷
時の燃料増量補正係数、ＫＴｗは冷却水温係数である。

これらＴｉ５Ｋ。

２　、ＫＷＯＴ、Ｋｒｗは燃料供給ルーチンのサブルー
チンにおいて設定される。

一方、酸素ポンプ素子１８へのポンプ電流の供給が開始
されると、そのときエンジン２に供給された混合気の空
燃比がリーン領域であれば、電池素子１９の電極１７ａ
、１７ｂ間に発生する電圧が基準電圧源２２の出力電圧
より低くなるので差動増幅回路２１の出力レベルが正レ
ベルになり、この正レベル電圧が抵抗２３及び酸素ポン
プ素子１８の直列回路に供給される。酸素ポンプ素子１
８には電極１６ａから電極１６ｂに向ってポンプ電流が
流れるので気体滞留室１３内の酸素が電極１６ｂにてイ
オン化して酸素ポンプ素子１８内を移動して電極１６ａ
から酸素ガスとして放出され、気体滞留室１３内の酸素
が汲み出される。

気体滞留室１３内の酸素の汲み出しにより気体滞留室１
３内の排気ガスと大気基準室１５内の大気の間に酸素濃
度差が生ずる。この酸素濃度差に応じた電圧Ｖｓが電池
素子１９の電極１７ａ、１７ｂ間に発生し、この電圧Ｖ
ｓは差動増幅回路２１の反転入力端に供給される。差動
増幅回路２１の出力電圧は電圧Ｖｓと基準電圧源２２の
出力電圧との差電圧に比例した電圧となるのでポンプ電
流値は排気ガス中の酸素濃度に比例し、ポンプ電流値は
抵抗２３の両端電圧として出力される。

リッチ領域の空燃比のときには電圧Ｖｓが基準電圧源２
２の出力電圧を越える。よって、差動増幅回路２１の出
力レベルが正レベルから負レベルに反転する。この負レ
ベルにより酸素ポンプ素子１８の電極１６ａ、１６ｂ間
に流れるポンプ電流が減少し、電流方向が反転する。す
なわち、ポンプ電流は電極１６ｂから電極１６ａ方向に
流れるので外部の酸素が電極１６ａにてイオン化して酸
素ポンプ素子１８内を移動して電極１６ｂから酸素ガス
として気体滞留室１３内に放出され、酸素が気体滞留室
１３内に汲み込まれる。従って、気体滞留室１３内の酸
素濃度が常に一定になるようにポンプ電流を供給するこ
とにより酸素を汲み込んだり、汲み出したりするのでポ
ンプ電流値１ｐ及び差動増幅回路２１の出力電圧はリー
ン及びリッヂ領域にて排気ガス中の酸素濃度に各々比例
するのである。このポンプ電流値Ｉｐに応じて上記した
フィードバック補正係数ＫＯ２が設定される。

次に、本発明の酸素濃度センサの出力補正方法の手順を
第５図に示したＣＰＵ４７の動作フロー図に従って説明
する。なお、この動作は燃料供給ルーチンとは別にエン
ジン暖機後に行なわれる。

かかる手順において、ＣＰＵ４７はポンプ電流値Ｉｐが
０（ｆｆｌＡ）になるとき、すなわち供給混合気の空燃
比が理論空燃比（１４，７）になるときの燃料噴射時間
ＴＯＵＴを式（１）を用いて算出する（ステップ６１）
。この燃料噴射時間ＴｏｕＴをＮ＋　　（＞１＞倍して
その算出値を新たな燃料噴射時間Ｔｏ　ｕ　ｒ　＋　と
じ（ステップ６２）、駆動回路４６に対してＴＤＣ信号
の発生毎にその燃料噴射時間ＴＯＵＴ＋　だけインジェ
クタ３５を駆動せしめる駆動指令を発生する（ステップ
６３）。

そして、ポンプ電流値Ｉｐを読み込み（ステップ６４）
、基準電流値１　ｐ　ｒｅｆｔを読み込んだポンプ電流
値Ｉｐによって割り算しその算出値をリッチ補正値に１
とする（ステップ６５）。エンジンへの供給混合気の空
燃比が理論空燃比のときの燃料噴射時間ＴＯＬＪＴをＮ
１倍した燃料噴射時間で燃料供給すると、供給混合気の
空燃比は理論的には１４．７／Ｎ＋　となり、この１４
．７／Ｎ＋　に対応するポンプ電流値がＩ　ｐ　ｒｅｆ
ｌである。次いで、燃料噴射時間ＴＯＵＴをＮ２　　（
＜１）倍してその算出値を新たな燃料噴射時間Ｔｏ　Ｌ
Ｉ　７２としくステップ６６）、駆動回路４６に対して
ＴＤＣ信号の発生毎にその燃料噴射時間Ｔｏ　ＬＩ　Ｔ
　ｚだけインジェクタ３５を駆動せしめる駆動指令を発
生する（ステップ６６）。そして、ポンプ電流値Ｉｐを
読み込み（ステップ６７）、基準電流値■ｐ　ｒｅｆ２
を読み込んだポンプ電流値１ｐによって割り算しその算
出値をリーン補正値に２とする（ステップ６８）。エン
ジンへの供給混合気の空燃比が理論空燃比のときの燃料
噴射時間ＴｏｕｒをＮ２倍した燃料噴射時間で燃料供給
すると、供給混合気の空燃比は理論的には１４．７／Ｎ
２となり、この１４．７／Ｎ２に対応するポンプ電流値
が１ｐｒｅｆ２である。

なお、Ｎ＋　、Ｎ２の値を変えて複数の空燃比における
補正値を算出してその平均値を採りその平均値に応じて
ポンプ電流値を補正しても良い。

一方、フィードバック補正係数ＫＯ２を設定するＫＯ２
サブルーチンにおいては、第６図に示すように先ず、空
燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御すべき運転状態にあ
るか否かを判別する（ステップ７１）。この判別は絞り
弁開度ｅｔｈ、エンジン冷却水ＩＴＷ、エンジン回転数
Ｎｅ、吸気管内絶対圧ＰＢＡから決定される。例えば、
加速時、減速時には空燃比フィードバック制御を停止す
べき運転状態とされ、このときには補正係数ＫＯ２を１
に等しくする（ステップ７２）。空燃比フィードバック
制御すべき運転状態にある場合にはポンプ電流値Ｉρを
読み込み（ステップ７３）、読み込んだポンプ電流値１
ｐが０（ＩＩＡ）より大であるか否かを判別する（ステ
ップ７４）。ＩＰ≦０ならば、リッチ領域であるので読
み込んだポンプ電流値Ｉｐにリッチ補正値に１を乗算し
その算出値をポンプ電流値１ｐとする（ステップ７５）
。

Ｉｐ＞Ｏならば、リーン領域であるので読み込んだポン
プ電流値１ｐにリーン補正値に２を乗算しその算出値を
ポンプ電流値Ｉｐとする（ステップ７６）。こうして補
正されて得られたポンプ電流値■ρに応じてフィードバ
ック補正係数ＫＯ２を算出しくステップ７７）、この補
正係数ＫＯ２を用いて式（１）によって燃料噴射時間Ｔ
ＯＵＴが算出されるのである。

かかる本発明の酸素濃度センサの出力補正方法において
は、酸素濃度センサの出力特性にばらつきがあっても第
１図に示したように供給混合気の空燃比が理論空燃比の
ときのポンプ電流値Ｉｐは常に０（ＩＩＩＡ）になると
共に空燃比が理論空燃比のときの燃料供給量のＮ倍のｍ
の燃料を供給すると空燃比が１４．７／Ｎになることに
基づいて酸素濃度センサの出力特性の補正が行なわれる
のである。

なお、酸素濃度センサの出力特性が変化する以外におい
ては酸素温度センサが正常に動作しているならば、補正
値に＋　、Ｋ２が所定値以下になるとすると、補正値に
＋　、Ｋ２の算出値から酸素濃度センサの異常を検出す
ることもできる。

ｌ且匹ヱ」 このように本発明の酸素濃度センづの出力補正方法にお
いては、酸素濃度センサの出力レベルが基準値にあると
きの燃料供給量に対してＮ（ただし、Ｎ＞１又は１　＞
Ｎ＞０）倍の母の燃料をエンジンに供給し、そのときの
酸素濃度セン勺の出力レベルを検出することにより所望
の出力特性に対する特性の傾きの違いを酸素濃度セン勺
の出力特性の補正値として容易に得ることができる。よ
って、排気ガス中の酸素濃度検出時にその補正値に応じ
て酸素濃度センサの出力レベルを補正すればリッチ及び
リーン領域における酸素ｍ度センリのばらつきを補償す
ることができ、空燃比検出精度の向上を図ることができ
るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度センサの出力特性を示す図、第２図は
本発明の出力補正方法を適用した酸Ｍ濃度センサを備え
た電子制御撚ｒ１噴射装置を示す図、第３図は酸素濃度
センサ検出部内を示す図、第４図はＥＣＵ内の回路を示
す回路図、第５図及び第６図はＣＰＵの動作を示す動作
フロー図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・酸素濃度センサ検出部 ３・・・・・・排気管 ４・・・・・・ＥＣＵ １２・・・・・・酸素イオン伝導性固体電解質部材１３
・・・・・・気体滞留室 １４・・・・・・導入孔 １５・・・・・・大気基準室 １８・・・・・・酸素ポンプ素子 １９・・・・・・電池素子 ２４・・・・・・制御回路 ２６・・・・・・吸気管 ３５・・・・・・インジェクタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）内燃エンジンの排気ガス通路内に設けられ排気ガ
   ス中の酸素濃度に比例した出力を発生する酸素濃度セン
   サの出力補正方法であって、該酸素濃度センサの出力レ
   ベルが基準値にあるときの燃料供給量に対してＮ（ただ
   し、Ｎ＞１又は１＞Ｎ＞０）倍の量の燃料をエンジンに
   供給し、そのときの酸素濃度センサの出力レベルに応じ
   て酸素濃度センサの出力特性の補正値を得て、排気ガス
   中の酸素濃度検出時に酸素濃度センサの出力レベルを前
   記補正値に応じて補正することを特徴とする出力補正方
   法。
2. （２）前記基準値はエンジンへの供給混合気の空燃比が
   理論空燃比にあるときの酸素濃度センサの出力レベルで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の出力
   補正方法。