JPS62198750A - エンジンの空燃比検出装置 - 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、エンジンの空燃比検出装置に関するものであ
る。

（従来技術） 一般に、例えば電子燃料噴射制御システムを採用したエ
ンジンの空燃比制御装置では、エンジンの実空燃比が所
定目標空燃比の範囲内に収束するように、エンジンの排
気系に設けられた例えば酸素センサ（０１センサ）の検
出出力に基づいて排気ガス中の酸素濃度の過濃度または
希薄度を判定し、当該判定値に応じて燃料噴°射債自体
を高精度にフィードバック制御するように構成される。

このように、酸素センサにより排気ガス中の酸素濃度を
検出して実空燃比を所定目標空燃比に制御するようにす
ると、３元触媒の浄化効率を向上させることができるよ
うになる（例えば理論空燃比を目標空燃比とした場合）
とともに希薄燃焼による燃費性能向上の効果をも得るこ
とができる（例えば空燃比２２以上の希薄値を目標空燃
比とした場合）ようになる。

ところで、これまで一般に採用されている酸素センサは
、例えば酸化ジルコニウム（Ｚ　ｒｏ　２）に少虫の酸
化イツトリウム（Ｙ　２０３）を固溶させた試験管状の
固体電解質素子（ジルコニア管）の表面に多孔質の白金
電極被膜を設け、内側に大気を、外側に排気ガスを導く
ようにして構成されており、高温になると酸素はイオン
化して上記内外両者の酸素の濃度差に応じて上記固体電
解質中を大気側から排気側へと拡散する。その結果、上
記素子が一種の濃淡電池となって上記酸素の濃度差に対
応した電圧出力を発生するようになっている（例えば、
特開昭５７−１１６２４６号公報参照）。

そして、この場合、上記排気側では白金による触媒作用
で酸素（Ｏｌ）はＣｏ、ＨＣ，Ｈ，などと反応して平衡
濃度に達する（過濃域ではＯ７は殆どオミットされる）
ことから、酸素濃度は理論空燃比を境にして急変する。

従って、上記電圧出力は理論空燃比の前後でステップ状
に変化する信号となり、このステップ信号によりフィー
ドバック制御が行なわれることになる。

すなわち、このような３元触媒コンバータの浄化効率を
向上させることを中心とする酸素センサでは、排気ガス
中の酸素濃度のデジタル的な急変化を検出することによ
り、エンジンの実空燃比が理論空燃比（１４，７）を中
心とするウィンドウ内に収束するように制御され、その
ために当該酸素センサも上記のようにデジタル的な特性
を有している。

一方ぜこれに対し希薄燃焼制御を前提とする酸素センサ
では、酸素濃度の検出領域そのものが空燃比２２．５付
近の希薄領域であり上記酸素濃度の変化量は微小である
。従って、上述のように理論空燃比近傍で酸素濃度が急
変することを前提として当該変化をデジタル的に検出す
る上述のような低感度の酸素センサを使用することはで
きず、アナログ的な高感度の検出機能を有する酸素セン
サが必要となる。このため最近では、ジルコニアの酸素
ポンプ作用を利用した限界電流式の酸素センサを使用す
ることにより、上記のような微小な酸素濃度の変化をも
検出するようにした空燃比検出装置が使用されるように
なってきている（例えば特開昭６０−６０３６号公報参
照）。この場合の上記酸素センサは、より具体的に言う
と、例えば上記ジルコニアを例えばヒータで加熱するこ
とによりイオン化の容易な６５０℃程度の安定温度に保
ち、該状態で直流電圧を印加することによって先ず排気
ガス中の酸素をイオン化し、当該イオン化した排気ガス
中の酸素を陰極側から陽極側に移動させ、該移動によっ
て連続的に酸素を陽極側にボンピングする。この時、例
えば上記ジルコニアの外側に上記酸素分子の移動を制限
する多孔質セラミックスをコーティングして置くことに
より、上記酸素分子の透過量と酸素イオンの移動蛍が平
衡した点で一定の電流、すなわち限界電流が流れるよう
になる。そして、この電流値が結局上記排気ガス中の酸
素濃度に応じた値（検出値）となる。従って、この電流
値を測定すればよい。

一方、上記のような希薄燃焼システムで効果を発揮する
この酸素センサは、逆に排気ガス中に酸素がほとんど存
在しない理論空燃比以下の領域ではボンピング作用を生
じないために無力となる。

ところが、車にとっては理論空燃比以下で走らなければ
ならない状態もあるにも拘わらず上記のような希薄燃焼
システムではパワーが出ない。従っやはり理論空燃比以
下での燃焼制御が必要となる。

つまり、定常走行時には燃費に優れる希薄燃焼システム
、高負荷運転時などのパワーを出すエンリッチシステム
の２種のシステムのハイブリッド化が要求され、そのた
めには空燃比の全領域で酸素濃度を測定できるセンサが
欠かせない。

そこで、上記限界電流式の酸素センサに対して上記従来
型の濃淡電池式の酸素センサを組合せた複合型の酸素セ
ンサが新たに提案されるに至っている（例えば、［日経
メカニカルｊ１９ｇ５年７月１日号第８３頁〜第９０頁
参照）。

この酸素センサでは、先ず濃淡電池式の部分で、ギャッ
プ中の酸素濃度を測定する□。そして、この測定濃度が
理論空燃比の排気ガス酸素濃度と等しければ所定の電圧
出力が得られる。一方、ポンプセルはこの出力を基にポ
ンプ電流を調整し、上記ギャップ中の酸素濃度が理論空
燃比の排気ガス中酸素濃度と等しくなるように酸素量を
調整する。

すなわち、希薄領域では当該ポンプセルは、ギャップ中
の酸素を外に出す働きをする。そして、その時流れるポ
ンプ電流は排気ガス中の酸素濃度に比例する。一方、理
論空燃比以下の領域では、酸素濃度に比例した電流を逆
に流して酸素を上記ギャップ中に取り込む。従って、そ
の時の上記ポンプ電流値を求めれば全領域にわたって酸
素濃度が測定できることになる。

（発明が解決しようとする問題点） 上述のように最近の酸素センサを中心して構成される空
燃比検出装置は、その制御目的に応じて各種のものが存
在するが、その中でも特に上記限界電流式の酸素センサ
を使用した空燃比検出装置ではその検出濃度そのものが
微小なものであるところから、特に高精度なものである
ことが要求される。

ところが、エンジンの排気管に直接取付けて使用される
上記空燃比検出装置は、当該実装状態での検出（測定）
精度を確保するための校正手段が一般には採用されてい
ないのが実情である（通常は、サンプリング手段によっ
ているが、その場合は応答性に欠ける）。また、ゲイン
を上げるとドリフトの問題を生じる。また個々の検出装
置そのらのの測定精度にも製造上その他の理由によりあ
る程度のバラツキがあり、感度や出力特性らある程度相
違する。そのため、これらの点が空燃比の制御精度その
らのにも影響を与え、高精度な空燃比制御を期待できな
いことにもなる等の問題があった。

もちろん、この後者のような問題は、すでに述べたよう
な各種酸素センサ全般の問題でもある。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明は、上記の問題を解決することを目的としてなさ
れたもので、大気側と排気側との間に位置し上記排気中
の酸素濃度を検出する固体電解質素子よりなるセンシン
グセルおよびポンプセルを備えてなるエンジンの空燃比
検出装置において、上記排気側に酸素濃度を異にする大
気または所定のガスを供給する気体供給手段と、この気
体供給手段による上記大気または所定のガスの供給時に
おいて空燃比検出特性を所定の特性に補正する検出特性
補正手段を備えてなるものである。

（作　用） 上記の手段によると、製造上または経年変化等の理由に
より空燃比検出特性が相違する各空燃比検出装置の当該
検出特性を共通にすべく任意に補正することが可能とな
るので、検出精度が向上し、空燃比検出特性のバラツキ
等による空燃比制御精度の低下をも確実に防止すること
ができるようになる。

（実施例） 第１図および第２図は、本発明の実施例に係るエンジン
の空燃比検出装置を示すものである。

先ず第１図において、符号１はエンジンの排気管（特に
その管壁部）を示し、該排気管Ｉに対して例えば上記従
来技術の項で説明した濃淡電池式と限界電流式を複合し
た複合型の酸素センサ２が、その排気ガス濃度検出用の
センサーハウジング３側を当該排気ガス通路内に挿入し
た状態で取付けられている。

酸素センサ２は、上記センサーハウジング３内に位置し
て酸素のイオン化を促進するための加熱用ヒータ１２を
備えたヒータセル６と、このヒータセル６に対して大気
導入用の所定のリファレンスギャップ７を介して並設さ
れた濃淡電池式センシングセル８と、このセンシングセ
ル８に対して排気ガス導入用のセンシングギャップ９を
介して並設された限界電流式のポンプセル１０とを備え
たセル部分５と、上記リファレンスギャップ７内に設置
された大気側リファレンス電極Ｉ３と、上記センシング
ギャップ９内に設置された排気側センシング電極１４と
、上記センシングギャップ９側と上記ポンプセルｌＯ外
側にそれぞれ位置し、当該ポンプセルｌＯに形成された
排気ガス導入口Ｉｆを挟んで対向する一対のポンプ電極
１６ａ、１６ｂとよりなる電極部とから構成されている
。そして、上記セル部５および電極部を収納した上記セ
ンサーハウジング３の周面部には、上記排気管ｌ内を流
れる排気ガスを適当な酸素分子の移動状態で流入させる
ための排気ガス流入孔４，４・・が適宜数適宜形状に形
成されている。

なお、この場合、上記酸素センサ２自体の酸素分子移動
方向に対する指向性が高く特に排気脈動圧の影響を考慮
する必要がある場合には、上記排気ガス流入孔４，４・
・は上記センサーハウジング３の上端面に形成すること
が望ましい。

従って、先ず上記センサーハウジング３内に流入したエ
ンジンからの排気ガスは、次に上記ポンプ電極ｔ６ｂ、
上記ポンプセル１０の排気ガス導入口１１をそれぞれ介
して上記センシングギャップ９内に導入される。一方、
この状態で上記大気側リファレンスギャップ７内には大
気が導入され、また上記ヒータセル６は加熱用ヒータ１
２の加熱作用によって上記センサーハウジング３内の排
気ガスを所定温度に加熱し、当該排気ガス中の酸素がイ
オン化し易い安定温度（６５０℃程度）に保つようにな
っている。

他方、符号２１は上記センサーハウジング３内に大気ま
たはチッ素ガス（Ｎ、ガス）を供給するためのエアポン
プであり、その吸入口側は三方電磁弁２５を介してチッ
素ガス供給路２７と大気供給路２８に接続されるように
なっている。上記三方電磁弁２５は、例えば電磁弁制御
回路２９によりてその開閉状態が切換えられ上記吸入口
を上記チッ素ガス供給路２７または大気供給路２８に対
して選択的に連通せしめる。一方、上記エアポンプ２１
の吐出口側は、加熱用ヒータ２３、チェック弁２２を備
えたガス供給路！９を介して上記酸素センサ２のセンサ
ーハウジング３内に連通せしめられている。

そして、当該装置校正時に上記エアポンプ２１によって
上記センサーハウジング３内に後述するようにチッ素ガ
ス（酸素濃度Ｏ％）または大気（酸素濃度２１％）が必
要に応じて加温供給される。

一方、符号３１は上記酸素センサ２の上記大気側リファ
レンス電極１３の出力電圧Ｖ１と第１の可変抵抗ＶＲ，
による零点調整用の調整電圧ＶＲとを各々入力し、それ
らの値を比較する検出特性補正用のコンパレータであり
、その出力側はトランジスタＱ１のベースに対して接続
されている。

また、上記トランジスタＱ、は、コレクタ側が電源Ｅに
、またそのエミッタ側が第２の可変抵抗ＶＲ２を介して
上記ポンプ電極１６ｂに対して接続されている。従って
、当該トランジスタＱ１のＯＮ時において、上記第２の
可変抵抗ＶＲ，の両端には上記ポンプ電ｆｆ１１６ｂに
生じるポンプ電流ｉｐの値に応じた所定の電圧Ｖｏを生
じ、この電圧Ｖｏは後述するように上記第２の可変抵抗
Ｖ　Ｒｔによって上記コンパレータ３１の出力との関係
で所定の値（大気濃度に対応した値）に調整（スパン調
整）される。

なお、各部の符号Ｅはそれぞれ直流電源（十Ｂ）を示し
ている。

そして、上記第２の可変抵抗Ｖ　Ｒｔによって調整され
た所定の電圧ＶＯは、マイクロコンピュータ３０に人力
され、所定の演算処理を経た後当該酸素センサ２のセン
サ特性に応じた測定データがさらにプリンタ３２および
ディスプレイ装置３３にそれぞれ入力され、記録、表示
される。

次に、上記空燃比検出装置の空燃比検出（具体的には空
燃比検出による零点およびスパン調整）動作について、
第２図のフローチャートを参照して詳細に説明する。

先ず空燃比検出動作をスタートした後、最初のステップ
ＳＩで当該空燃比検出装置の各部をイニシャライズする
。次に、ステップＳ２に進み、今要求されている制御動
作が零点調整動作であるか、またはスパン調整動作であ
るかの判定を行い、その結果、零点調整の場合には続い
てステップＳ３の動作に、またスパン調整の場合にはス
テップＳ、にそれぞれ進む。

そして、ステップＳ、に進んだ場合には、先ず上述した
電磁弁制御回路２９を制御することにより、上記三方電
磁弁２５を上記チッ素ガス供給路２７側に開放し、次い
でステップＳ４で上記エアポンプ２１をＯＮにすること
により上記酸素センサ２のセンサーハウジング３内にチ
ツ素ガスを供給充満させ、当該チツ素ガスにより酸素の
全く存在しない状態、すなわち理論空燃比（λ＝　１４
．７）の排気濃度条件（完全燃焼状態）を形成する。こ
の状態では、上記酸化ジルコニア素子よりなるポンプセ
ル１０部分のポンピング作用は生じない。

そして、該状態において、次のステップＳ５で上記第１
の可変抵抗ＶＲ，を操作してリファレンス電圧ＶＲを任
意に調整することにより、上記コンパレータ３１の出力
を零にする。このコンパレータ３１の出力が零の状態は
、つまり上記排気ガス中の酸素濃度が０％でリファレン
スギャップ７内の大気中酸素濃度（２１％）との差が最
大であることを意味し、この点を零点として校正し設定
する。この零点がずれると、非酸素状態でポンプセル固
体内のＯ７が排出され、ブラックニング（黒化）が発生
する。

一方、上記ステップＳ、で求められている制御動作がス
パン調整であると判定された場合には、他方側ステップ
Ｓ６の動作に移って、先ず電磁弁制御回路２９を駆動し
て上記三方電磁弁２５を大気供給路２８側に開放し、次
ぎにステップＳフで上記エアポンプ２１をＯＮにし、上
記酸素センサ２のセンサーハウジング３内に今度は大気
を供給充満させる。この状態では、当該大気中の酸素濃
度（２１％）に対応したポンプセルｌＯのボンピング作
用により上記ポンプ電極１６ｂにポンプ電流（この場合
は、酸化雰囲気を前提として考える）ｉｐが流れ、この
電流は該大気濃度に対応したコンパレータ３１出力と平
衡して安定する。

次にステップＳ８で上記第２の可変抵抗ＶＲ２を操作し
、上記電流値に応じた出力ＶＯが当該大気濃度２１％の
スパン点となるように調整してスパン調整を行う。

以上のような空燃比検出動作を基準とする検出特性校正
操作によると、第３図に示すようにセンシングセル８側
センシング電極１３の酸素濃度検出値が校正前の状態で
はある程度ずれていたとしても、上記チッ素ガス供給時
の酸素のない理論空燃比擬制状態（完全燃焼状態対応）
でコンパレータ出力が零となる、すなわち実際の検出値
としてら零レベルとなるように校正され、さらにこの零
レベルを基準として大気１００％（酸素濃度２１％）の
点が正確に特定されることから、結局上記零レベルから
大気濃度２１％までの全領域（もちろんそれ以上も同様
）に亘って実空燃比に対応して正確に変化する高精度の
空燃比検出特性に補正することができるようになる。

（発明の効果） 本発明は、以上に説明したように、大気側と排気側との
間に位置し上記排気中の酸素濃度を検出する固体電解質
素子よりなるセンシングセルおよびポンプセルを備えて
なるエンジンの空燃比検出装置において、上記排気側に
酸素濃度を異にする大気または所定のガスを供給する気
体供給手段と、この気体供給手段による上記大気または
所定のガスの供給時において空燃比検出特性を所定の特
性に補正する検出特性補正手段を備えてなるものである
。

従って、本発明によると、製造上または経年変化等の理
由により空燃比検出特性が相違する各空燃比検出装置の
当該検出特性を共通にすべく任意に補正することが可能
となるので、検出精度が向上し、空燃比検出特性のバラ
ツキ等による空燃比制御精度の低下を乙確実に防止する
ことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係るエンジンの空燃比検出
装置のシステム図、第２図は、同実施例装置の検出制御
動作を示すフロニチャート、第３図は、同実施例装置の
検出特性を示すグラフである。 ■・・・・・排気管 ２・・・・・酸素センサ ３・・・・・センサーハウジング ５・・・・・セル部 ６・・・・・ヒータセル フ・・・・・リファレンスギャップ ８・・・・・センシングセル ９・・・・・センシングギャップ １０・・・・ポンプセル １３・・・・リファレンス電極 １４・・・・センシング電極 １６ａ、　１６ｂ　・・ポンプ電極 ２１・・・・エアポンプ ２５・・・・三方電磁弁 ２７・・・・チッ素ガス供給路 ２８・・・・大気供給路 ３１・・・・コンパレータ ＶＲ，・・・・第１の可変抵抗 ＶＲ２・・・・第２の可変抵抗 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．大気側と排気側との間に位置し上記排気中の酸素濃
   度を検出する固体電解質素子よりなるセンシングセルお
   よびポンプセルを備えてなるエンジンの空燃比検出装置
   において、上記排気側に酸素濃度を異にする大気または
   所定のガスを供給する気体供給手段と、この気体供給手
   段による上記大気または所定のガスの供給時において空
   燃比検出特性を所定の特性に捕正する検出特性補正手段
   とを設けてなるエンジンの空燃比検出装置。