JPS62198751A - 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す、ＭＩ
ｎえ２コ （従来技術） 一般に、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ナ（０，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蛍白体を高精度
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（ＺｒＯｔ）に少量の酸化イ
ツトリウム（Ｙ、Ｏ，）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。

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（０，）はＣ０１ＨＣ，Ｈ，などと反応して平衡
濃度に達する（過濃域では０．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萌後でステップ状
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、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、リニアな特性をもった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。この場合上記酸
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量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体る。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。

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
システムでは特にパワーが出ない。

従って、高負荷運転時など特にパワーが必要な時には、
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Ｊ１９８５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、ギャツブ中
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。

以上のように、最近の酸素センサにはその制御目的に応
じて各種のものが存在するが、そのいずれにあっても実
装状態では直接排気管に対して取付けられて使用される
ので、一般に排気管内部の検出素子部の故障（センナ電
極の断線、短絡、劣化等）の判定が難しい。

そこで、従来排気ガスセンサの出力と所定の設定酸素濃
度値との大小を比較判別する比較器と、この比較器から
の信号を積分する積分器とを備え、当該積分器の出力に
応じて空燃比を制御するようにしたエンジンの空燃比検
出装置において、該装置の実装作動状態における上記排
気ガスセンサの出力と積分器の出力とをそれぞれ外部に
取り出してそれらの出力を監視し、上記排気ガスセンサ
がリーン信号を出力している時に上記積分器の出力がリ
ッチ側制御信号のみを出力する時には排気ガスセンサの
短絡と判定し、他方排気ガスセンサがリッチ信号を出力
している時に積分器がリーン側制御信号のみを出力する
時には排気ガスセンナの断線と各々判定することにより
、実装状態での排気ガスセンサの異常を判定することが
できるようにしたものがある（特開昭５７−１５１０４
１号公報参照）。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、上記のような故障判定手段によると、エンジ
ン吸気側の空燃比を変化させた上でないと故障判定を行
うことができない。ところが実際の運転時にエンジン吸
気側の空燃比を可変制御することは運転性を悪化させ、
また燃費性能にも影響を与えるので好ましくない。また
、方法的にも複雑となる等の問題がある。

（問題点を解決するための手段） 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、上記ポンプセルに流す電流を強制的
に変化させるポンプ電流可変手段と、このポンプ電流可
変手段により上記ポンプ電流を変化させた時の上記セン
シングセル側の出力を検出する出力検出手段と、この出
力検出手段の検出出力の変化状態から上記センシングセ
ルにまたはポンピングセルの機能判定を行う機能判定手
段とを備えてなるものである。

（作　用） 上記の手段によると、エンジン吸気系の空燃比を操作す
ることなく空燃比可変状態を形成して該状態でポンプ電
流を強制的に変化させ、この時の出力の変化状態を検出
し、該検出値から当該空燃比検出装置の故障を判定する
ようにしているので、エンジンの吸気系の空燃比を可変
操作することな？　士なＩｔ＊　！Ｉ！Ｉｆ　９襖°メ
一り壬　ろ　−シ　ｈく一憾　害　ス、　　　十　七、
　　　丁　・ノ　ζン　゛ノ運転状態で吸気系の空燃比
を可変制御して故障判定を行う場合に比べてその方法も
簡単である。

（実施例） 第１図および第２図ば、本発明の第１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ｌ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
てセル部の昇温および排気ガス中の酸素のイオン化を促
進するための加熱用ヒータＩ２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（陽極）１３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（陰極）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１０に形成された排気
ガス導入口１１を挟んで対向する一対のポンプ電極１６
ａ（陰極）。

１６ｂ（陽極）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。

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１６ｂ、
上記ポンプセルＩＯ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
１２の加熱作用によってセンシングセル８、ポンプセル
１０、上記センサーハウジング３内の排気ガスをそれぞ
れ所定温度に加熱して、各セルの作用を活性化し、さら
に当該排気ガス中の酸素がイオン化し易い安定温度（６
５０℃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内に大気を
供給するためのエアポンプであり、その吸入口側は大気
導入路２８に接続されている。一方、上記エアポンプ２
１の吐出口側は、チェック弁２２、加温手段２３を備え
た大気供給路１９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、当該装置の後述する所定の空燃比検出動作時に
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からの検出出力電圧Ｖｓと第１の可変抵
抗Ｖ　Ｒｒによる基準電圧（理論空燃比点）ＶＦＩとを
各々入力し、それらの値を比較するフィードバック制御
用のコンパレータであり、その出力側はトランジスタＱ
、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Ｑ１は、そのコレクタ側が電源Ｅに、またそのエ
ミッタ側が第２の可変抵抗ＶＲ，、ポンプ電源スィッチ
ＳＷｌ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、ポンプ電源スィッチＳＷｌがＯＮとな
る通常の空燃比フィードバック制御時には当該トランジ
スタＱ、がセンシングセル８側リフアレンス電極１３の
出力に応じたコンパレータ３１の出力によってＯＮとな
り、上記第２の可変抵抗ＶＲ，の両端には上記コンパレ
ータ３１の出力に対応して変化する上記ポンプ電極１６
ｂに流れるポンプ電流ｉｐの値に応じた所定の電圧ＶＯ
を生じ、この電圧ＶＯが上記第２の可変抵抗ＶＲ，によ
って酸素濃度値として検出される。

なお、各部の符号Ｅはそれぞれ直流電源（十Ｂ）九＋＋
ネ１プ；１１ そして、上記第２の可変抵抗ＶＲ２によって検出された
所定の電圧ＶＯは、マイクロコンピュータ３０に入力さ
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（第３図参照）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。

さらに、符号Ｓ　Ｗ　２は上記センシングセル８および
ポンプセル１０の機能判定時の当該供給電源（ポンプ電
流）切替用のポンプ電源切替スイッチであり、ＯＦＦ端
子ｔ１、並びにそれぞれ電圧値を異にする第１の電源端
子ｔ２、第２の電源端子ｔ３とを有している。また、符
号ＲＨはヒータ電圧ＶＨ検出用の抵抗を示している。

次に、上記空燃比検出装置による上記セル部の故障判定
方法および劣化補正方法等について第２図のフローチャ
ートを参照して説明する。

制御動作開始後、先ずステップＳＩで上記ヒータ１２に
印加されているヒータ電圧ＶＨが所定の設定電圧値Ｖｌ
（、以上である否かを判断し、ＹＥＳの場合にはステッ
プＳ、に、他方Ｎ　Ｏの場合にはステップＳ８に移行す
る。このヒータ電圧の判定は、上記ポンプセルｌＯの正
常なポンプ作用が行われる状態にあるか否か、すなわち
セル部５を加温しかつ排気側酸素を充分にイオン化する
加熱機能を具備しているか否かを判定するために行う。

従って、ヒータ電圧ＶＨが設定電圧値Ｖｌ（、よりも低
い場合には、ヒータ１２の断線と想定されるからステッ
プＳ６で該ヒータの断線状態を表示し、ステップＳ、〜
Ｓ　１８の全ての動作をキャンセルして故障判定動作を
終了する。もし、ヒータ１２の断線状態で後述するポン
プ電流ｉｐを流すと、酸素がイオン化されていない状態
でポンプセル１０が作動することになり、該ポンプセル
固体素子中の酸素分子がボンピングされブラックニング
（黒化現象）を招来しポンプセル１０の劣化を起こさせ
るので先ずこれを防止している。

次に、ステップＳ２に進んだ場合には、先ず上記ポンプ
電源スィッチＳＷ、をＯＦＦにして一旦ポンプ電流ｉｐ
を零にリセット（通常のフィードバック機能停止）する
。そして、エアポンプ２１により排気側に大気（酸素１
度２１％）を供給して故障判定を前提としたフィードバ
ック停止状態を形成し、この状態からさらにステップＳ
、に進んで次に上記ポンプ電源切替スイッチＳＷ、をＯ
Ｎ（端子ｔ８選択）にしポンプセル１０にフィードバッ
ク制御を行わない単独の第１の電圧を印加する。これに
より、ポンプセル１０には、当該電圧値に応じて所定の
ポンプ電流ｉｐが流れ該ポンプセルｌＯはポンプ作用を
開始する。

そして、これにより排気側の酸素（酸素イオン）は順次
大気側にボンピングされ次第に希薄になって行く。この
状態での大気側リファレンス電圧とポンプ電流ｉｐとの
関係は第４図に示すようになり、またポンプセルｌＯに
対する印加電圧Ｖｐとポンプ電流ｉｐとの関係は第５図
の特性に示すようになる。これらの特性は、当該センサ
２によって特定される。また、酸素センサ２自体のセン
サ出力としては、第３図に示すように空燃比Ａ／Ｆの変
化に応じ大気濃度までリニアに変化する。

そこで、次にステップＳ４に進み、該ステップＳ４にお
いて現在のポンプ電流ｉｐの値が規定範囲ｌｐ＋−！ｐ
ｔ内にあるか否かを判断する。この判断は、当該センサ
の新品時の定格値を基準として判断し、例えば今新品時
の定格性能がポンプ電圧Ｖｐ＝２（Ｖ）でポンプ電流ｉ
ｐが７（ｍＡ）流れるものであったとすると、上記２（
Ｖ）のポンプ電源（ｔ２）印加時のポンプ電流ｉｐが５
　（ｉｐ＋）〜９　（ｉｐ＊）ｍＡの範囲を規定範囲と
する。

その結果、ＹＥＳの場合には、さらにステップＳ５〜Ｓ
　、、Ｓ　、、、Ｓ　、、のセンシングセル８の故障判
定動作に進む。他方Ｎｏの場合には、ステップＳ７でポ
ンプセルｌＯが故障であることを表示した上で制御動作
を終了する。

ステップＳ５では、上記リファレンス側センシングセル
８の出力電圧Ｖｓが上記ポンプ電圧Ｖｐとの関係で所定
の基準電圧Ｖｓ＋以上となっているか否かを判断する。

この基準電圧Ｖｓ、ら上記新品時のセンサ特性によって
特定され、例えばポンプ電圧Ｖｐが１．４（Ｖ　）の時
のセンシングセルの出力電圧ｖ　ｓ＝　０．７（Ｖ　）
を基準電圧Ｖｓ、とする。

その結果、センシングセルの出力Ｖｓが上記基準電圧Ｖ
ｓ、よりも低い、すなわちＮｏの場合にはステップＳ　
１１に移り、センシングセル８が故障であることを表示
して、当該制御動作を終了する。

一方、上記判断結果がＹＥＳの場合、すなわちセンシン
グセル８の出力電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｓ。

以上の場合には、さらにステップＳ、に進み、ポンプ電
源切替スイッチＳＷ、を０ＦＦ（端子１＋選択）にし、
ポンプ電圧を零（Ｖ）にする。そして、次にこの状態（
ポンプ作用停止状態）でさらに上記センシングセル８側
の出力電圧Ｖｓを検出し、該電圧Ｖｓがポンプ作用停止
時（大気−大気）の定格出力電圧値０．４５（Ｖ）より
も小であるか否かを判断し、ＹＥＳの場合には劣化の可
能性はあるとしてら定格特性に近いものであり、少なく
ともセンシングセル８の故障ではないと判断してステッ
プＳ、。に進む。

他方、ＮＯの場合にはやはりセンシングセル８が故障で
あると判断し、ステップＳｌｌ＋で当該事実を表示して
当該制御動作を終了する。

上記ステップＳＩＯに進むと、上記ポンプ電源スィッチ
ＳＷ、を再びＯＮにして通常のフィードバック制御状態
に切り換え、センシングセル８の出力電圧Ｖｓが０．４
（Ｖ　）となるようにポンプ電流ｉｐを調整する。

次に、その上でステップＳ＋３に進んで当該状態に於け
るポンプ電流１ｐｔを計測する。そして、さらにステッ
プＳ　Ｌ４に進み、新品時の排気側大気状態（酸素濃度
２１％）におけるポンプ電流ｉｐ、と上記実測値１ｐ２
（第６図参照）との比１ｐ＋／！Ｐｇを取り、該値Ｋｐ
を素子劣化に対する補正係数として演算記憶する。

次に、ステップＳ＋５に進み上記実測値ｊＰｔを上記補
正係数Ｋｐによって補正（出力補正）しセンシングセル
８およびポンプセルｌＯの劣化状態に対応したポンプ電
流の補正（ｉｐ’　＝！ｐｔ・Ｋｐ）がなされ、さらに
ステップＳ　Ｉｌｌで最終的に正確な空燃比の演算が行
われることになる。

なお、上記実施例において、上記酸素センサ２自体の酸
素分子の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、例えば第２実施
例として第７図に示すように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。

また、一般に上記のような酸素センサの場合、ヒータ１
２が直接排気ガスと接触すると、該ヒータＩ２が耐久性
に欠ける恐れがあり、また一般に上記ポンプセル１０は
温度によってその作用が変化しやすい。そこで、そのよ
うな欠点を解消するために、第３実施例として第８図に
示すように当該ヒータ１２部分を直接排気ガスに接触さ
せないように絶縁体４０．４１でサンドイッチ構造に接
合挟持するとともに直接ポンプセル１０と一体的に接合
する構造を採用することも必要に応じて採用される。

（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、上記ポンプセ
ルに流す電流を強制的に変化させるポンプ電流可変手段
と、このポンプ電流可変手段により上記ポンプ電流を変
化させた時の上記センシングセル側の出力を検出する出
力検出手段と、この出力検出手段の検出出力の変化状態
から上記センシングセルにまたはポンピングセルの機能
判定を行う機能判定手段とを備えてなるものである。

従って、本発明によると、エンジン吸気系を操作するこ
となく空燃比可変状態を形成して該状態でポンプ電流を
強制的に変化させ、この時の出力の変化状態を検出し、
該検出値から当該空燃比検出装置の故障を判定するよう
にしているので、エンジンの吸気系の空燃比を可変操作
することなく故障判定を行うことができる。また、エン
ジン運転状態で吸気系の空燃比を可変制御して故障判定
を行う場合に比べてその方法も簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１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、同実施例装置の空燃
比の検出制御動作を示すフローチャート、第３図は〜第
６図は、各々同実施例装置の各種動作特性を示すグラフ
、第７図は、本発明の第２実施例に係るエンジンの空燃
比検出装置のセンサーハウジングの外観図、第８図は、
同実施例装置のヒータセル部の斜視図である。 ｌ・・・・・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・・φ・・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 ＩＯ・・・・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 ２８・・・・大気供給路 ３１・・・・コンパレータ ＶＲ，・・・・第１の可変抵抗 ＶＲｔ　・・・・第２の可変抵抗 ＲＨ・・・・ヒータ電圧検出抵抗 ＳＷ、　　・・・・ポンプ電源スィッチＳＷ２　　・・
・・ポンプ電源切替スイッチ第３図 第６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、上記ポンプセルに流す電流を強制的に変化さ
   せるポンプ電流可変手段と、このポンプ電流可変手段に
   より上記ポンプ電流を変化させた時の上記センシングセ
   ル側の出力を検出する出力検出手段と、この出力検出手
   段の検出出力の変化状態から上記センシングセルまたは
   ポンピングセルの機能判定を行う機能判定手段とを備え
   てなるエンジンの空燃比検出装置。