JPS62218635A - 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】 炎丘立１ 本発明は、内燃エンジン用酸素濃度センサの出力補正方
法に関するものである。

１旦且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、被測定気体中の酸素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Ｉ！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Ｗ１素濃度を測定する
ことができる。

しかしながら、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ある
（特開昭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ヂ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
いことになる。

１且二亘１ 本発明は、上述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サの出力補正方法は、複数の
気筒を有する内燃エンジンにおいて、このエンジンに供
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ておき、複数の気筒
の全ての気筒へ供給する燃料量を制御することによって
空燃比を理論空燃比にし、しかる後複数の気筒のうち少
なくとも１の気筒への燃料の供給を停止することによっ
て空燃比を理論空燃比よりも大きく設定し、この運転状
態での酸素濃度センサの実出力値を該設定空燃比に対応
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。

支−五−３ 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
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、この酸素温度セ
ンサ検出部１０の検出出力はＥ　ＣＵ　（Ｅ　Ｉｅｃｔ
ｒｏｎｉｃ　ＣｏｎｔｒｏｌｔＪ　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Ｒ留室２が形成されている。

気体８Ｍ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３
１のわ１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８４１留室２と壁を隔てるように形成されている。気
体滞留ｖ２と大気基準室５との間の壁部及び大気基準ｖ
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。

そして、固体電解質部材１及び電極対６ａ、６ｂ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、７ｂｆｆｉ電池素子９として作用する。大気基
Ｑ室５の外壁面にはヒータ素子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、ＺｒＯ２
（二酸化ジルコニウム）が用いられ、電極６ａ、６ｂ、
７ａ、７ｂとしｔはＰｔ（白金）が用いられる。

ＥＣｔＪ３４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１１２によって与え
られる基準電圧■ｒ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ｆｆ１６ａに接続されている。電
流検出用紙ＦＬ１３の両端が酸素濃度センサの出力端と
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
力電圧を発生する軽対圧廿ンザ１６、エンジンの冷Ｗ水
温に応じたレベルの出力電圧を発生する水温センサ１７
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
り開側するカウンタ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
演算などを行なうＣＰＩＪ　（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Ｒ
ＯＭ２９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１ｐが、Ａ／Ｄ変換器２３
から絞り弁開度θｔｈ、吸気管内絶対圧ＰＥＡ及び冷却
水温Ｔｗ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Ｓ１数値を表わす情報がＣ
ＰｔＪ２８に入出力バス３８を介して各々供給される。

ＣＰＵ２８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
ＴＤＣ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への燃料供給量に対応するイ
ンジェクタ１９の燃料噴射時間ＴＯＬＪＴを演算する。

そして、その燃料噴射時間Ｔ。

ＵＴ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へ燃料を供給せしめるのである。

燃料噴射時間ＴＯＵＴは例えば次式から算出される。

Ｔｏ　ＬＪ　Ｔ　＝Ｔｉ　　°Ｋｏ　２　　°Ｋｗｏｖ
０ＫＴｗ・・・・・・（１） ここに、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は酸素濃度センシ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
荷時の燃料増量補正係数、ＫＴＷは冷却水温係数である
。これらＴｉ。

Ｋｏｚ　、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、よって気体滞留室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■ｒ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６ａ。

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、外部の酸素が電極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、酸素が気体滞留室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方法の手
順を第４図に示したＣＰＵ２８の動作フローに従って、
エンジンの気筒数が例えば４気筒の場合を想定して説明
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、■ρ−Ａ／ＦテーブルとしてＲＯＭ２９に
記憶されているものとする。

エンジン暖機後おいて、較正用スイッチ３つが押される
と、ＣＰｔＪ２８はこの較正用スイッチ３つから発せら
れる較正指令信号に応答して先ず、リッチ領域の補正値
Ｋｒを求めるべく４気筒のうちの例えば１気筒の燃料噴
射を停止しくステップ１０）、残りの３気筒にて酸素濃
度センサのポンプ電流値ＩＰが理論空燃比（１４，７）
に対応した値になるように当該３気筒へ供給する燃料噴
射口をフィードバック制御しくステップ１１）、このと
きの１気筒当りの燃料噴射量を燃料噴射時間ＴＯＬＪＴ
として記憶する（ステップ１２）。続いてステップ１２
で記憶した燃料噴射時間ＴＯＬＪＴに対応する燃料噴射
ルを、それまで燃料供給を停止されていた気筒にも供給
する（ステップ１３）。

これにより、エンジンに供給される混合気の空燃比は、 １４．７ｘ　（３／４）＝１１．０ となり、理論空燃比よりも小さく設定されることになる
。そして、この運転状態での酸素１１１度センサの実ポ
ンプ電流値１ｐを読み込み（ステップ１４）、ステップ
１３で理論空燃比よりも小さく設定された空燃比（１１
，０）に対応する酸素１度センリの標準ポンプ電流値１
　ｐ　ｎｒをＲＯＭ２９から読み出し、この標準ポンプ
電流値Ｉｐｎｒ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）（ｒとする〈
ステップ１５）。

続いて、リーン領域の補正値に１を求めるべく全ての気
筒に燃料を供給した状態で酸素濃度センサのポンプ電流
値Ｉｐが理論空燃比に対応した値になるように燃料噴射
量をフィードバック制御しくステップ１６）、この運転
状態から少なくとも１気筒への燃料の供給を停止して３
気筒で運転させる（ステップ１７）。これにより、エン
ジンに供給される混合気の空燃比は、 １４．７ｘ　（４／３）４１９．６ となり、理論空燃比よりも大きく設定されることになる
。そして、この運転状態での酸素濃度センサの実ポンプ
電流値■ρを読み込み（ステップ１８）、ステップ１７
で理論空燃比よりも大ぎく設定された空燃比（１９，６
）に対応する酸素濃度センづの標準ポンプ電流値Ｉｐｎ
ｌをＲＯＭ　２９１１’ｌｔら読み出し、この標準ポン
プ電流値１ｐｎｌを読み込んだ実ポンプ電流値１ｐによ
って割り算し、その算出値をリーン補正値に１とする（
ステップ１つ）。

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５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ｅｔｈ、エンジン冷却水ｆｆｌＴｗ　、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ＩＰを読み込み（ステップ２２）、読
み込んだポンプ電流値ＩｐがＯ（ｍＡ）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
ッヂ補正係数１（ｒを乗算しその算出値をポンプ電流値
１ｐとする（ステップ２４）。一方、ＩＰ〉０ならば、
リーン領域であるから読み込んだポンプ電流１ｍ　ｌ　
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１ｐとする（ステップ２５）。

このようにして得られたポンプ電流値１ｐ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Ｔｏｕｖ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、第１図の！Ｉ！素濃度センサの検出出力
特性から明らかなように、理論空燃比付近で検出精度が
良いというセンリ゛固有の特性を利用して、気筒体止に
よりリッチ領域及びリーン領域の補正値Ｋｒ　、Ｋｌを
求めてポンプ電流値■Ｐ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、Ｋｌに基づいて、ＫＯ２勺ブルーチンにおいて
読み込んだポンプ電流値■ρ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ＲＯＭ２
９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
ても、上記実施例と同様の効果が得られる。

また、上記実施例では、４気筒のエンジンにおいて１気
筒を休止する場合について説明したが、これに限定され
るものではなく、４気筒以外の複数気筒を有するエンジ
ンであっても良く、又休止する気筒数も複数であっても
良い。

１班五１浬 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、複数の気筒を有する内燃エンジ
ンにおいて、複数の気筒の全てに供給する燃料ｍを制御
することによって空燃比を理論空燃比にし、しかる後複
数の気筒のうち少なくとも１の気筒への燃料供給を停止
することによって空燃比を理論空燃比よりも大きく設定
し、この運転状態での酸素濃度センサの実出力値を該設
定空燃比に対応した標準出力値と比較することにより、
リーン領域における標準出力特性に対する実出力特性の
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
容易に得ることができる。よって、得られたリーン補正
値に応じて酸素濃度センサの出力特性を補正することに
より、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射装置を示す構成図、第３図は第
２図における酸素湯度センサ検出部及びＥＣＵの具体的
構成を示す回路図、第４図及び第５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・・・・・・酸素濃度センサ検出部１１・・・・・
・誤差増幅器　　　１４・・・・・・制御回路１５・・
・・・・絞り弁開度センサ 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. 　複数の気筒を有する内燃エンジンの排気ガス通路集合
   部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
   ておき、前記複数の気筒の全ての気筒へ供給する燃料量
   を制御することによつて空燃比を理論空燃比にし、しか
   る後前記複数の気筒のうち少なくとも１の気筒への燃料
   の供給を停止することによつて空燃比を前記理論空燃比
   よりも大きく設定し、この運転状態での前記酸素濃度セ
   ンサの実出力値を該設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。