JPS62218634A - 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】 炎盃且１ 本発明は、内燃エンジン用酸素濃度センザの出力補正方
法に関するものである。

九旦且且 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検出し、この検出結
果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、被測定気体中の酸Ｍ濃度に比例した出力を発生する
ものがある。その−例として、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ある（特
開昭５２−７２２８６号公報参照）。

この酸素濃度センサにおいては、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
間隙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。

しかしなから、かかる酸素濃度センサを用いて空燃比を
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リーン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。

また、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濃度センサとし
て、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
面各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ある
（特ｆｆ１１昭５９−１９２９５５号公報参照）。

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件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掌側と
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において電流値は第１
図に実線で示すように酸素濃度（空燃比）に比例するの
である。

しかしなから、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、！１１素ポンプ素子や電池素子等の各
素子の個々の特性のバラツキ等に起因してセンサ個々の
出力特性に第１図に破線で示す如くバラツキが生じ易く
、空燃比が理論空燃比から離れる程大きなバラツキとな
ることが通常である。

このセンサ個々の出力特性のバラツキを減少させるため
には生産上のコストアップは避けられなく、一方生産コ
ストを抑えようとすると、酸素濃度センサ自体の出力特
性のバラツキ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ることになり、酸素濃度セン勺の
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
いことになる。

１且立且１ 本発明は、上Ｊした点に鑑みなされたもので、酸素濃度
センサ自体の出力特性にバラツキがあってもこの酸素濃
度センサの出力レベルに基づいて供給混合気の空燃比を
正確に判別し得るようにした酸素濃度センサの出力補正
方法を提供することを目的とする。

本発明による酸素濃度センナの出力補正方法は、エンジ
ンに供給される混合気の空燃比に対応した酸素濃度セン
サの出力値を標準出力値として予め検出し、更にエンジ
ンのアイドル運転状態において空燃比を変化させること
によって変化するエンジン回転数の特性を予め検出して
おき、エンジンがアイドル運転状態に移行したときの実
エンジン回転数に基づいて上記エンジン回転数の特性か
ら空燃比を推定すると共に、そのときの酸素濃度センサ
の実出力値を該推定空燃比に対応した上記標準出力値と
比較して補正値を得、この補正値に基づいて酸素濃度セ
ンサの出力特性を補正することを特徴としている。

Ｘ−鳳−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図は、本発明による出力補正方法を適用した酸素濃
度センサを備えた内燃エンジンの電子シリ御燃料噴射装
置を示している。本装置において、酸素濃度センサ検出
部１０は内燃エンジン３１の排気管３２の三元触媒コン
バータ３３よりも上流に配設されており、この酸素ａ１
度センサ検出部１０の検出出力はＥ　ＣＬＪ　（Ｅ　１
ｅｃｔｒｏｎｉｃ　ＣｏｎｔｒｏｌＵ　ｎ１ｔ）３４に
供給される。

酸素濃度センサ検出部１０の保護ケース３５内には、第
３図に示すように、はぼ立方体状の酸素イオン伝導性固
体電解質部材１を有しており、この酸素イオン伝導性固
体電解質部材１内には気体滞留室２が形成されている。

気体滞留室２は被測定気体である排気ガスを導入する導
入孔４を介して外部に連通し、導入孔４はエンジン３１
の排気管３２内において排気ガスが気体滞留室２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１には大気を導入する大気基準室５が気体滞
留室２と壁を隔てるように形成されている。気体滞留ｖ
２と大気基準室５との間の壁部及び大気基準室５とは反
対側の壁部には電極対７ａ、７ｂ、６ａ、６ｂが各々設
けられている。

そしで、固体電解質部材１及び電極対５ａ、５ｂが酸素
ポンプ素子８として作用し、固体電解質部材１及び電極
対７ａ、７ｂが電池素子９として作用する。大気基ｔ￥
室５の外壁部にはヒータ素子３が設けられている。

酸素イオン伝導性固体電解質部材１としては、ＺｒＣＬ
　　（二酸化ジルコニウム）が用いられ、電極６ａ、６
ｂ、７ａ、７ｂとしてはＰｔ（白金）が用いられる。

ＥＣＵ３４は、誤差増幅器１１、基準電圧源１２、電流
検出用抵抗１３及び制御回路１４によって構成されてい
る。酸素濃度センサ検出部１０における酸素ポンプ素子
８の電極６ｂ及び電池素子９の電極７ｂはアースされて
いる。電池素子９の電極７ａには誤差増幅器１１の反転
入力端が接続されており、この誤差増幅器１１は電池素
子９の電極７ａ、７ｂ間の発生電圧と基準電圧源１２か
ら非反転入力端に印加される基準電圧■ｒとの差電圧に
応じた電圧を出力する。基準電圧源１２によって与えら
れる基準電圧Ｖｒは理論空燃比に相当する電圧（例えば
、０．４Ｖ）に設定される。

誤差増幅器１１の出力端は電流検出用抵抗１３を介して
酸素ポンプ素子８の電極６ａに接続されている。電流検
出用抵抗１３の両端が酸素濃度センナの出力端となり、
この出力端に導出される電圧は酸素濃度検出値として制
御回路１４に供給される。

制御回路１４には、例えば、ポテンショメータからなり
、絞り弁３７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１５、吸気管３６内の絞り弁３７の
下流に設けられて吸気管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１ノ１６、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ナ１
７及びエンジン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１８
の各センサ出力が供給される。また、制御回路１４には
外部から、較正用スイッチ３９による較正指令信号も供
給される。

制御回路１４は、電流検出用抵抗１３の両端電圧をディ
ジタル信号に変換する差動入力のＡ／Ｄ（アナログ／デ
ィジタル）変換器２０と、絞り弁開度センサ１５、絶対
圧センサ１６及び水温センサ１７の各出力レベルのレベ
ル変換を行なうレベル変換回路２１と、このレベル変換
回路２１を経た各センサ出力のうちの１つを選択的に出
力するマルチプレクサ２２と、このマルチプレクサ２２
から出力されるアナログ信号をディジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換器２３と、クランク角センサ１８の出力信
号を波形整形してパルス信号（例えば、ＴＤＣパルス）
として出力する波形整形回路２４と、波形整形回路２４
から出力されるパルス信号の発生間隔をクロック発生回
路（図示せず）からのクロックをカウントすることによ
り４測するカウンタ２５と、インジェクタ１９を駆動す
る駆動回路１８と、ヒータ素子３に電流を供給するヒー
タ電流供給回路２７と、プログラムに従ってディジタル
演淳などを行なうｃｐｕ　＜中央処理回路）２８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ＲＯ
Ｍ２９及びＲＡＭ３０からなっている。

インジェクタ１９はエンジン３１の吸気バルブ（図示せ
ず）近傍の吸気管３６に配設されている。

また、ヒータ素子３にはヒータ電流供給回路２７から電
流が供給され、これによりヒータ素子３が発熱して酸素
ポンプ素子８及び電池素子９を排気ガスよりも高い適温
に加熱する。

かかる構成において、Ａ／Ｄ変換器２０から酸素ポンプ
素子８を流れるポンプ電流値Ｉｐが、Ａ／Ｄ変換器２３
から絞り弁開度θｔｈ、吸気管内絶対圧ＰＢＡ及び冷却
水ＵＴｗの情報が択一的に、またカウンタ２５から回転
パルスの発生周期内における泪数値を表わす情報がＣＰ
Ｕ２８に入出力バス３８を介して各々供給される。ＣＰ
Ｕ２８はＲＯＭ２９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、これら情報を基にしてＴＤ
Ｃパルスに同期した燃料供給ルーチンにおいて所定の算
出式からエンジン３１への燃料供給ｍに対応するインジ
ェクタ１９の燃料噴射時間Ｔ。

ＬＪＴを演算する。そして、その燃料噴射時間Ｔ０ＵＴ
だけ駆動回路２６がインジェクタ１９を駆動してエンジ
ン３１へ燃料を供給ｕしめるのである。

燃料噴射時間ＴＯＬＩＴは例えば次式から算出される。

Ｔｏｕｖ＝Ｔｉ　　ΦＫｏｚ　＠ＫｗｏＴφＫｒｗ・・
・・・・（１） ここに、Ｔｉはエンジン回転数Ｎｅと吸気管内絶対圧Ｐ
ＥＡ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さ
れる空燃比のフィードバック補正係数、ＫＷＯＴは高負
荷時の燃料増母補正係数、ＫＴＷは冷却水温係数である
。これらＴｉ。

ＫＯ２、ＫＷＯＴ、ＫＴＷ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。

今、酸素ポンプ素子８へのポンプ電流の供給が開始され
、そのときエンジンに供給された混合気の空燃比がリー
ン領域にあれば、電池素子９の電極７ａ、７ｂ間に発生
する電圧が基準電圧源１２の基準電圧よりも低くなるの
で、誤差増幅器１１の出力レベルが正レベルになり、こ
の正レベルの電圧が抵抗１３を介して酸素ポンプ素子８
の電極６ａに印加される。これにより、酸素ポンプ素子
８には電極６ａから電極６ｂに向ってポンプ電流が流れ
るので、気体滞留室２内の酸素が電極６ｂにてイオン化
し酸素ポンプ素子８内を移動して電極６ａから酸素ガス
として放出され、よって気体茹留空２内の酸素が汲み出
されることになる。

気体滞留室２内の酸素の汲み出しにより気体滞留室２内
の排気ガスと大気基準室５内の大気との間に酸素濃度差
が生ずる。この酸素濃度差に応じた電圧ＶＳが電池素子
９の電極７ａ、７ｂ間に発生し、この電圧Ｖｓは誤差増
幅器１１の反転入力端に供給される。誤差増幅器１１の
出力電圧は電圧ＶＳと基準電圧ｖｒとの差電圧に比例し
た値となるので、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１３の両端電圧として出
力される。

一方、リッチ領域の空燃比のときには、電圧ＶＳが基準
電圧■ｒを越えるので、誤差増幅器１１の出力レベルが
正レベルから負レベルに遷移する。

この負レベルにより酸素ポンプ素子８の電極５ａ。

６ｂ間に流れるポンプ電流の方向が反転する。すなわち
、ポンプ電流は電極６ｂから電極６ａの方向に流れるの
で、外部の酸素が電Ｍ、６ａにてイオン化し酸素ポンプ
素子８内を移動して電極６ｂから酸素ガスとして気体滞
留室２内に放出され、酸素が気体ｎ留室２内に汲み込ま
れる。従って、気体滞留室２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ＩＰ
及び誤差増幅器１１の出力電圧はリーン及びリッチ領域
にて排気ガス中のＭ素濃度に各々比例するのである。こ
のポンプ電流値Ｉｐに応じて前記フィードバック補正係
数ＫＯ２が設定される。

次に、本発明による酸素濃度センサの出力補正力法の手
順について説明する。なお、第１図に実線で示す空燃比
（Ａ／Ｆ）に対するポンプ電流値ＩＰの特性は標準の出
力特性として予め検出され、ＩＰ−Ａ／Ｆテーブルとし
てＲＯＭ２９に記憶されているものとする。

先ず、エンジン３１の冷却水ｍ　Ｔ　ｗが十分上ってい
るときにギアをぬき１、較正用スイッチ３９を押す。こ
れにより、ＣＰＵ２８は較正用スイッチ３９から発せら
れる較正指令信号に応答して第４図に示す動作フローに
従ってＡ／Ｆ−Ｎｅ特性を求める動作を行なう。すなわ
ち、エンジン回転数Ｎｅ及び絞り弁開度θｔｈを表わす
情報に基づいてエンジンがアイドル運転状態にあるか否
かを先ず判別する（ステップ１）。運転状態が安定して
いるアイドル運転状態にあると判別されると、ポンプ電
流値ｌρが０（ＩＩＡ）になるとき、即ち供給混合気の
空燃比（以下、供給空燃比と称する）が理論空燃比（１
４，７）になるときのエンジン回転数Ｎｅを求めてＲＡ
Ｍ３０に記憶する（ステップ２）。そして、燃料噴射時
間ＴＯＬＩＴを制御することにより燃料噴射囲を変化さ
せることによって、先ず空燃比を徐々にリッチ化させ各
空燃比に対応するエンジン回転数ＮｅをＲＡＭ３０に順
次記憶する（ステップ３）。同様にして、空燃比を理論
空燃比から徐々にリーン化させ各空燃比に対応するエン
ジン回転数ＮｅをＲＡＭ３０に順次記憶する（ステップ
４）。

このように、空燃比を変化させることによってエンジン
回転数Ｎｅも変化し、第５図に示す如きＡ／Ｆ−Ｎｅ特
性が得られることになる。

酸素濃度センサの出力補正動作は第６図に示したＣＰＵ
２８の動作フローに従って実行される。

なお、この動作は燃料供給ルーチンとは別にエンジン暖
機後において、エンジンがアイドル運転状態に移行する
毎に行なわれる。

エンジンがアイドル運転状態に移行すると、先ず、エン
ジン回転数Ｎｅを読み込み（ステップ１０）、続いて供
給空燃比をΔＡ／Ｆだけリッチ化させ（ステップ１１）
、このときのエンジン回転数Ｎｅの変化が正であるか否
か（ΔＮｅ＞Ｏ）を判定する（ステップ１２）。ΔＮｅ
　＞Ｏのときはエンジン回転数Ｎｅが最大である空燃比
領域よりもリーン領域であるから、先に読み込んだエン
ジン回転数Ｎｅが最大である空燃比領域よりもり一ン領
域のエンジン回転数Ｎｅｌであると判定しくステップ１
３）、そのエンジン回転数Ｎｅｔに対応する供給空燃比
を第５図のＡ／Ｆ−Ｎｅ特性から推定する（ステップ１
４）。そして、この供給空燃比に対応する酸素濃度セン
サの標準ポンプ電流値ＩｐｎｌをＲＯＭ２９から読み出
し、この標準ポンプ電流値Ｉｐｎｌを読み込んだ実ポン
プ電流値！ｐによって割り算し、その算出値をリーン補
正値に１とする（ステップ１５）。

一方、八Ｎｅ≦Ｏのときはエンジン回転数Ｎｅが最大で
ある空燃比領域よりもリッチ領域であるから、ステップ
１１で読み込んだエンジン回転数Ｎｅが最大である空燃
比領域よりもリッチ領域のエンジン回転数Ｎｅｒである
と判定しくステップ１６）、そのエンジン回転数Ｎｅｒ
に対応する供給空燃比を第５図のＡ／Ｆ−Ｎｅ特性から
推定する（ステップ１７）。そして、この供給空燃比に
対応する酸素温度センサの標準ポンプ電流値１ｐｎｒを
ＲＯＭ　２９から読み出し、この標準ポンプ電流値Ｉｐ
旧゛を読み込んだ実ポンプ電流値Ｉｐによって割り算し
、その算出値をリッチ補正値１（ｒとする（ステップ１
８）。以上により、リッチ領域及びリーン領域における
補正値Ｋｒ　、Ｋｌが得られることになる。

フィードバック補正係数ＫＯ２を設定するＫ。

２サブルーチンにおいては、第７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２０）。この判別は、
絞り弁開度ｅ　ｔｈ、エンジン冷却水温Ｔ　Ｗ　、エン
ジン回転数Ｎｅ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに基づいて行
なわれる。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に設定する（ステップ２１）。

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１ｐを読み込み（ステップ２２）、読み
込んだポンプ電流値！ｐがＯ（ｍ八）よりも大であるか
否かを判別する（ステップ２３）。Ｉｐ≦０ならば、リ
ッチ領域であるから読み込んだポンプ電流値１ｐにリッ
チ補正係数）（ｒを乗　　゛算しその算出値をポンプ電
流値１ｐとする（ステツブ２４）。一方、Ｉｐ　＞Ｑな
らば、リーン領域であるから読み込んだポンプ電流値１
ｐにリーン補正係数に１を乗算しその算出値をポンプ電
流値Ｉｐとする（ステップ２５）。

このようにして得られたポンプ電流ｌｉｐ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２６）、
この補正係数ＫＯ２を用いて前記（１）式によって燃料
噴射時間ＴＯＬＪＴが算出されるのである。

このように、本発明による酸素濃度センサの出力補正方
法においては、運転状態が安定しているアイドル運転時
に空燃比を理論空燃比よりリーン化及びリッチ化させて
Ａ／Ｆ−Ｎｅ特性を求め、その後再びアイドル運転状態
に移行したときの実エンジン回転数に基づいてＡ／Ｆ−
Ｎｅ特性から供給空燃比を推定し、ポンプ電流値Ｉｐの
補正を行なうことによって、理論空燃比以外の酸素濃度
センサの出力特性の補正が行なわれるのである。

なお、上記実施例では、得られたリッチ及びリーン補正
値Ｋｒ、に＋に基づいて、ＫＯ２サブルーヂンにおいて
読み込／ｕだポンプ電流１１ｉＩｒ　ｐを補正するよう
にしたが、酸素濃度センサの標準出力特性に対応して予
めＲＯＭ２９に記憶されているＩｐ−Ａ／Ｆテーブルの
Ｉｐ値を、このＩｐ値を補正値Ｋｒ倍又はに１倍して得
られる値と置換してＩｐ−Ａ／Ｆテーブルの補正を行な
うようにして−ｂ１上記実施例と同様の効果が得られる
。

ｌ且五ｌ」 以上説明したように、本発明による酸素濃度センサの出
力補正方法においては、エンジンに供給される混合気の
空燃比に対応した酸素濃度センサの出力値を標準出力値
として予め検出し、更にエンジンのアイドル運転状態に
おいて空燃比を変化させることによって変化するエンジ
ン回転数の特性を予め検出しておき、エンジンがアイド
ル運転状態に移行したときの実エンジン回転数に基づい
て上記エンジン回転数の特性から空燃比を推定すると共
に、そのときの酸素濃度センサの実出力値を該推定空燃
比に対応した上記標準出力値と比較することにより、標
準出力特性に対する突出力持性の傾きの違いを酸素濃度
センサの出力特性の補正値として容易に得ることかでき
る。よって、得られた補正値に応じて酸素温度センサの
出力特性を補正することにより、リッチ領域及びリーン
領域における酸素濃度センサの出力特性のバラツキを補
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
本発明による出力補正方法を適用した酸素濃度センサを
備えた電子制御燃料噴ｔＪＪＶｉ装置を示す構成図、第
３図は第２図における酸ＩＮ濃度センサ検出部及びＥＣ
Ｕの具体的構成を示す回路図、第４図はＡ／Ｆ−Ｎｅ特
性を求める場合のＣＰＵの動作を示す動作フロー図、第
５図はΔ／Ｆ−Ｎｅ特竹を示す図、第６図及び第７図は
本発明による出力補正方法の手順を実行するＣＰＵの動
作を示すフロー図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・酸素イオン伝導性固体電解質部材２・・
・・・・気体滞留室　　　４・・・・・・導入孔５・・
・・・・大気基準室　　　８・・・・・・酸素ポンプ素
子９・・・・・・電池素子 １０・・−・・・酸素ａ１度センサ検出部１１・・・・
・・誤差増幅器　　　１４・・・・・・制御回路１５・
・・・・・絞り弁開度センナ １６・・・・・・絶対圧センサ　　１７・・・・・・水
温センサ１８・・・・・・クランク角センサ １９・・・・・・インジェクタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　内燃エンジンの排気ガス通路内に設けられて排気ガス
   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つて、前記内燃エンジンに供給され
   る混合気の空燃比に対応した酸素濃度センサの出力値を
   標準出力値として予め検出し、更に前記内燃エンジンの
   アイドル運転状態において空燃比を変化させることによ
   って変化するエンジン回転数の特性を予め検出しておき
   、前記内燃エンジンがアイドル運転状態に移行したとき
   の実エンジン回転数に基づいて前記エンジン回転数の特
   性から空燃比を推定すると共に、そのときの前記酸素濃
   度センサの実出力値を該推定空燃比に対応した前記標準
   出力値と比較して補正値を得、この補正値に基づいて前
   記酸素濃度センサの出力特性を補正することを特徴とす
   る酸素濃度センサの出力補正方法。