JPS6296753A - 空燃比制御装置 - 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〕 この発明は内燃機関の電子制御燃料噴射装置に関し、特
に空燃比制御装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は例えば特開昭５９−２８０４６号公報に示され
た従来の空燃比制御装置の動作原理を表わす図であり、
同図において１１はセンサ部、２はセンサ部１１を加熱
するヒータ、１０は酸素センサ（空燃比センサ）、１３
はバイアス電圧を与えるダイオード、１４はヒータ２に
通電する電源、１５は排気中の酸素濃度に応じて空燃比
をフィードバック制御する制御回路、１６はダイオード
１３に並列接続された抵抗、１７はダイオード１３によ
るバイアス電圧と基準値を比較する比較器である。

次に、上記構成の動作を説明する。ダイオード１３を流
れる電流は、ヒータ２が断線していない場合、ヒータ２
を流れる電流とセンサ部１１を流れる電流の和を抵抗１
６とダイオード１３の内部抵抗で分配した電流値になる
のは明らかである。

一般に、ヒータ２を流れる電流はＩＡのオーダであるの
に対してセンサ部１１を流れる電流はせいぜい数１０鮎
のオーダである。従って、ダイオード１３を流れる電流
はほぼヒータ２を流れる電流（ヒータ電流）によって決
められる。良く知られるように、ダイオード１３０両端
の電圧（ダイオード電圧〕はそれを流れる電流が大きい
ほど大きくなる。このため、ヒータ２が断線していない
場合のダイオード電圧はヒータ２が断線した場合のダイ
オード電圧に比べて非常に高いレベルとなる。

故に、比較器１７の基準値をヒータ２が断線した場合の
ダイオード電圧よシも少し高いレベルに設定すれば、比
較器１７の出力の極性を見ることによってヒータ２が断
線したかどうかを検出することができ、比較器１７の出
力を制御回路１５に導くことによシフイードバック制御
を停止させることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の空燃比制御装置は上記のように構成されており、
ヒータ２の断線による空燃比センサの故障は検知で−き
るが、例えばヒータ２が正常でもセンサ部１１に故障が
生じた場合には、空燃比センサが故障しているにもかか
わらずフィードバック制御を実行してしまうという問題
点があった。

この発明は上記のような従来の問題点を解決するために
成されたものであシ、空燃比センサのヒータが断線した
場合はもちろんのととセンサ部が故障した場合にも空燃
比センサが故障であると判断することができ、空燃比セ
ンサが正常であるときのみフィードバック制御を行うこ
とができる空燃比制御装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手放〕

この発明に係る空燃比制御装置は、空燃比センサのセン
サ部を酸素ポンプセルと起電力発生セルの２つの酸素イ
オン伝導体で構成し、酸素ポンプセルにおける電圧と電
流の位相差を求める位相比較器を設け、この位相比較器
の出力でフィードバック制御を実行または停止させるよ
うにしたものである。

〔作　用〕

この発明における酸素ポンプセルの電圧と電流は機関回
転数のｎ倍の高調波周波数で振動する。

一方、位相比較器はそのゲートが機関回転数のｎ倍周波
数でオンオフされ、この周波数でのポンプ電圧とポンプ
電流の位相差を検知し、この位相差に応じた出力を制御
回路に出力する。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面とともに説明する。第１
図において、３はセンサ部１１の中にある起電力発生セ
ル（等価回路で示す。）、４はセンサ部１１の中にある
酸素ポンプセル（等価回路で示す。）でｓｂ、いずれも
安定化ジルコニア等から成る酸素イオン伝導体で構成さ
れている。５は起電力発生セル３０両端電圧Ｖ、が常に
一定値（例えば０．４　Ｖ　）になるように酸素ポンプ
セル４に印加される電圧すを制御するセンサ制御回路、
６は酸素ボンゾセル４に直列に配した電流検出抵抗８の
両端電圧の差動増幅器で、実質的には排気中の空燃比に
比例する酸素ポンプセル電流Ｉ、を検出する動作をする
。９は機関回転周波数のてい倍回路で、位相比較器７の
ゲート（図示せず）を開閉するドライブ信号を出力する
。位相比較器７は機関回転数のｎ倍周波数での酸素ポン
プセル電圧外と酸素ポンプセル電流工、の位相差に比例
する信号を制御回路１５に供給する。

次に、動作について説明する。なおこの発明の本質は機
関の排気圧力変動に対して酸素ポンプセル電圧ｖｐと酸
素ポンプセル電流■ｐが相互間の位相差が一定のままで
応動することを発明者らが見出したことにある。従って
、この辺の状況を特に詳細に説明する。

第２図は第１図中の酸素センサ１０とセンサ制御回路５
の構成を示したものである。図において、２１は酸素ポ
ンプセル、２２は起電力発生セル、２３は排気ガス拡散
孔、２４は拡散室、２５は大気室、２６は電極Ａ１２７
は電極Ｂ１２８は電極Ｃ１５１は起電力発生セル２２で
検出した電圧ｖ５と基準電圧を出す電源５４の電圧（例
えば０．４　Ｖ　）との差をとシ増幅する誤差増幅器、
５２は誤差増幅電圧と制御用トランジスタ５３のペース
・エミッタ間電圧を入力され、誤差増幅器５１の出力に
応じた電圧を出力する増幅器である。まず、センサ制御
回路５は、起電力発生セル２２の電圧Ｖ、が電源５４の
基準電圧に常に等しくなるように酸素ポンプセル２工中
の？ンプ電流工、を制御する。例えば、狗が基準電圧よ
シ低くなると誤差増幅器５１の電位が上昇し、従って制
御用トランジスタ５３のペース電位が上昇し、トランジ
スタ５３のコレクタ・エミッタ間の抵抗が減少し、酸素
ポンプセル２１の電圧すが上昇し、ポンプ電流工、が増
大する。このため、起電力発生セル２２の電圧ｖｓが上
昇しくこのメカニズムの詳ＭＢは次に述べる。〕、基準
電圧に近づく。

次に、酸素センサ１０の動作について説明する。

話を簡単にするために、機関（図示せず〕はＩ、ｅａｎ
なＡ／Ｆで運転されているものとする。排気ガス中の酸
素は排気ガス拡散孔２３を通シ、拡散室２４へと拡散し
ていく。拡散室２４中に設けられた電極Ｂ２７と酸素ポ
ンプセル２１を介して排気ガス側に設けられた電極Ａ２
６の間にポンプ電圧■を印加すると酵素イオン〇−が排
気ガス側に運ばれ、ポンプ電流工ｐが流れる。ここで、
ポンプ電圧すが増大するとポンプ電流工、も増大するが
、適当なポンプ電圧（例えば０．２　Ｖ〜１−ＯＶ　）
になると第３図に示すようにポンプ電流■、が飽和し、
ポンプ電圧すに依存しなくなる。これが限界電流ＩＬと
呼ばれるもので、この電流ＩＬを検出抵抗８で検出する
ことにより排気ガス中の酸素濃度すなわち空燃比ＶＦを
測定することができる。なぜなら、限界電流ＩＬが流れ
ているとき拡散室２４内の酸素分圧Ｐ、。

はほぼＯになっており、排気ガス拡散孔２３内に酸素の
濃度勾配ができ、これによって限界電流ＩＬが律速され
、拡散室２４内の酸素分圧Ｐ、。がほぼ０であるから酸
素の濃度勾配は排気ガス中の酸素分圧に比例するからで
ある。一方、この状態では、起電力発生セル２２の両端
に設けられた電極Ｂ２７と電極Ｃ２８にはネルンストの
式で与えられる電圧Ｖ、が現われる。すなわち、大気室
２５内の大気の酸素分圧Ｐａｏと拡散室２４内の酸素分
圧ＰＳＯ０比の対数に比例する電圧が現われる。式で書
くとであり、πは一般ガス定数、Ｔは起電力発生セル２
２の絶対温度、Ｆはファラデ一定数である。もしＶＳ”
！ｉ＝０．４Ｖになるように制御すると、このときのＰ
ＳＯは６．５　Ｘ　１０　　気圧となってほぼＯになる
。又、ポンプ電流和、を流せば、拡散室２４内の酸素が
排気側に運ばれるから拡散室２４内の酸素分圧ＰＳＯが
減少し、起電力発生セル２２の電圧ｖｓは大きくなる。

従って、第２図において起電力発生セル２２の電圧■、
が例えば常に０．４　Ｖ一定になるように、センサ制御
回路５により酸素ポンプセル２１に流れるポンプ電流工
、を制御すれば、定常状態では常に限界電流ＩＬを実現
することができ、このＩｒ、を測定することによって排
気ガス中の〜乍を８１１１定することができる。

ところで、このようなセンサを実際の機関の排気ガス中
に置くと、第４図に示すようにポンプ電流和はある平均
値（排気ガス中の空燃比Ａ／Ｂ−に比例する。）にＡＣ
変動分を重ね合せた波形となる。

これは実際の機関の排気圧力が機関回転数の周波数のｎ
倍（ｎ＝１〜９）で変動するために、ポンプ電流工、も
変動することによって現われるものである。排気圧力変
動とポンプ電流工、の変動の関係や排気圧力変動と酸素
ポンプセル２１に印加される電圧すの関係を理論的に求
めることは難かしいが、発明者らは実験的に次の事実を
見出した。即ち、酸素センサ１０とセンサ制御回路５が
正常に動作しているときは、酸素ポンプセル２１にかか
る電圧Ｖ、のＡＣ変動成分Δｂと酸素ポンプセル２１を
流れるポンプ電流■、のＡＣ変動成分Δ工、との位相差
のうちで機関回転数の１〜４倍の周波数成分に対応する
位相差は、酸素ポンプセル２１の材料。

製造方法およびセンサ制御回路５の素子定数によって決
まる一定位相差になることを見出した。従って、第２図
の酸素センサ１０とセンサ制御回路５が正常に動作して
いるかどうかを上記位相差を検出することにより判定す
ることができる。ここで、上記位相差をとるべき周波数
成分は、機関を４サイクルとするならば気筒数によシ異
なシ、下表に示した周波数成分をとるのが望ましい。た
だし、ｎは高調波成分の次数を示す。

これを式で書けば、 一＝　Ｏ−５、１、２ となる。即ち、機関回転数で決まる周波数をｆＯとする
と、そのｎ次高調波成分（ｎ＝λｚ１λ＝０．５゜１．
２）に対応する上記位相差を検出すれば良い。

又、実験によると、酸素センサー０が正常に動作してい
る場合の上記位相差は−９Ｑ　ｄｅｇ〜９０　ｄｅｇの
範囲内にあることが判った。従って、酸素センサ１０の
動作判定のための所定位相差範囲としては−９Ｑ　ｄｅ
ｇ〜９　Ｑ　ｄｅｇがとられる。もつと具体的な所定位
相差範回は具体的な酸素センサ１０とセンサ制御回路５
を決めて実験的に決定する必要がある。

次に、第１図に示した構成の全体的な動作を説明する。

ポンプ電流Ｉｐが流れる電流検出抵抗８の両端電圧を差
動増幅器６で検出して実効的にポンプ電流Ｉｐを求め、
これを空燃比制御回路１５と位相比較器７に送る。さら
に、位相比較器７には酸素ポンプセル４の両端にかかる
電圧ｖｐ（電流検出抵抗８の電圧を含めた電圧）信号も
送られる。位相比較器７は前段にフィルタを有しておシ
、入力された各信号のＡＣ変動成分を取シ出し、例えば
そのゲート（図示せず）が機関回転周波数てい倍器９の
出力でオンオフされ、電圧ｖ９と電流ＩｐのＡＣ変動成
分Δｖ１．Δ工、の位相差を検出して空燃比制御回路１
５に信号を出す。制御回路１５においては、この入力さ
れた信号のレベルが所定範囲内にあれば空燃比のフィー
ドバック制御を実行し、範囲外にあればフィードバック
制御を停止する０ΔＶｐとΔＩｐの位相差が所定範囲に
あるのは酸素センサ１０とセンサ制御回路５が正常に動
作しているときだけであるから、ヒータ断線といった故
障だけでなく、種々のモードの故障が発生した場合でも
フィードバック制御を停止することができ、安定したフ
ィードバック制御を行うことができる。

尚、上記実施例では空燃比制御の場合について述べたが
、酸素センサ１０によ、９ＥＧＲ率を検出してＥＧＲ制
御を行う場合にも同様の効果を有する。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、ポンプ電圧ｖｐとポン
プ電流工、の位相差を検出し、そのレベルによって空燃
比フィードバック制御を実行あるいは停止させるように
しておシ、あらゆる故障モードの故障を検出でき、安定
な空燃比制御を実行できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は夫々この発明に係る装置の全体構
成図および要部詳細構成図、第３図はポンプ電圧すとポ
ンプ電流工、との関係図、第４図は排気圧力変動とポン
プ電流工ｐのＡＣ変動の関係図、第５図は従来装置の構
成図である。 ２・・・ヒータ、３，２２・・・起電力発生セル、４゜
２１・・・酸素ポンプセル、５・・・センサ制御回路、
６・・・差動増幅器、７・・・位相比較器、８・・・電
流検出抵抗、９・・・回転周波数てい倍回路、１０・・
・空燃比センサ（酸素センサ）、１１・・・センサ部。 尚、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比セ
   ンサを備え、空燃比センサからの検出信号に基づいて空
   燃比を目標値にフィードバック制御するようにした空燃
   比制御装置において、空燃比センサを酸素ポンプセルと
   起電力発生セルの二つの酸素イオン伝導体とこれらを加
   熱するヒータを有し、起電力発生セルの電圧が所定値に
   なるように酸素ポンプセルに印加する電圧を制御するも
   のにより構成し、機関回転数のｎ次高調波周波数におけ
   る酸素ポンプセルの電圧と電流の位相差を検出する回路
   を設け、この位相差が所定範囲内であれば前記フィード
   バック制御を実行し、所定範囲外であればフィードバッ
   ク制御を停止するようにしたことを特徴とする空燃比制
   御装置。
2. （２）前記ｎ次高調波周波数を１〜９次高調波周波数と
   するとともに、前記所定範囲を−９０°〜＋９０°とし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の空燃比
   制御装置。