JPS63162948A - 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、内燃機関等の燃焼装置へ供給される混合気の
空燃比を精度よく検出する装置に関する。

（従来の技術） 従来、ジルコニアの酸素濃淡電池作用と酸素イオンボン
ピング作用という特性を利用した空燃比検出装置が提案
されているが、この種の装置は、その構造上台まれる誤
差等のため、例えば三元触媒のための理論空燃比検出用
として用いるにはその精度が不十分である。

しかも、従来の理論空燃比検出装置としての０２センサ
の場合、理論空燃比からの偏差を判別できず、空燃比の
フィードバック制御における変動幅が大きくなり、これ
が出力変動やアイドリング時の回転変動の原因となって
いる。

そこで、特願昭６０−２６２９８２号の明細書及び図面
に開示されるような上記問題点を解消した空燃比検出装
置が本発明者により提案されている。これは、センサセ
ルによって排ガス中の酸素濃度と参照気体中の酸素濃度
との差に応じた電気信号を出力させ、この出力に応じて
制御手段が電気制御信号を出力し、この電気制御信号を
ポンプセルへ供給し、このポンプセルが電気制御信号に
応じ酸素イオンを移動させ、この時上記の制御手段と、
ポンプセルとの間で授受される空燃比情報が第１゜第２
の検出手段によって検出されこの検出°値により空燃比
レベル及び理論空燃比に達したタイミングが検出される
という構成を採っている。

（発明が解決しようとする問題点） ところが上記特願昭６０−２６２９８２号の空燃比検出
装置は故障時の検出手段を有しておらず、該空燃比検出
装置が故障した際にはそのまま全域フィードバック制御
が行われてしまうために、実際の目標とする空燃比にコ
ントロールがされなくなってしまい、例えば全負荷時に
空燃比がリーンとなってしまう場合等が有り、ノッキン
グ等によりエンジンの破損及び操縦性（運転性）の悪化
を招く恐れがある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の空燃比検出装置は上記問題点を解決するために
、第１図に示す如く、混合気燃焼後の排ガス中の酸素濃
度と参照気体中の酸素濃度との差に応じた電気信号を出
力するセンサセル５と、前記センサセル５からの出力に
応じた電気制御信号を出力する制御手段１１と、前記制
御手段１１がら供給される電気制御信号に応じて酸素イ
オンを移動させるポンプセル１と、前記制御手段１１と
ポンプセル１との間で授受される制御電流に応じた空燃
比算出信号を出力する第１の検出手段ＤＭＩと、前記制
御電流の方向を検出して前記混合気が理論空燃比に達す
ると検出信号を出力する第２の検出手段ＤＭ２と、前記
空燃比算出信号に対応する空燃比を決定し、空燃比信号
を送出する空燃比決定手段５０と、運転状態に基づき決
定される目標空燃比が前記理論空燃比か、前記理論空燃
比以外の任意の領域内にあるかを判別する目標空燃比判
別手段５１と、前記目標空燃比判別手段５１から、目標
空燃比が理論空燃比以外の任意の領域内にあるという全
域フィードバックモード信号が送出された時に、前記空
燃比算出信号と、その空燃比算出信号に対応する空燃比
信号と、予め設定されている設定値とに基づいて傾きを
算出し、傾き信号を送出する傾き算出手段５２と、前記
目標空燃比の任意の領域に基づき、予め傾きの許容巾を
設定する傾きの許容巾設定手段５３と、前記傾き信号が
前記傾きの許容山内に在るか否かを判定する空燃比検出
装置故障判定手段５４と、前記空燃比検出装置故障判定
手段５４から前記傾き信号が前記許容市内に無いと言う
空燃比検出装置故障信号が送出された時に、オープンル
ープモードに入るための信号を送出するオープンループ
信号発生手段５５とを有する構成を採っている。

（作用） 上述の本発明の空燃比検出装置では、センサセル５によ
って混合気燃焼後の排ガス中の酸素濃度と参照気体中の
酸素濃度との差に応じた電気信号が出力されるが、この
出力に応じ制御手段１１が電気制御信号を出力する。そ
してこの電気制御信号はポンプセル１へ供給され、これ
によりポンプセル１はこの電気制御信号に応じ酸素イオ
ンを移動させるが、このとき上記の制御手段１１とポン
プセル１との間で授受される空燃比情報が第１、第２の
検出手段ＤＭＩ、ＤＭ２によってそれぞれ検出され、空
燃比決定手段５０において、第１の検出手段ＤＭ１から
出力される空燃比算出信号に対応する空燃比が決定され
る。

そして運転状態に基づき決定される目標空燃比が理論空
燃比以外の任意領域に在ると、目標空燃比判別手段５１
により判別された場合には、傾き算出手段５２において
、第１の検出手段ＤＭＩの出力する空燃比算出信号と、
その空燃比算出信号に対応して空燃比決定手段５０が出
力する空燃比信号と、予め設定されている設定値とに基
づいた傾きが求めら九る。そして該傾きが、許容巾設定
手段５３において予め設定されている目標空燃比の任意
の領域に基づいた許容巾内に在るか、否かが空燃比検出
装置故障判定手段５４において判定され、該傾きが許容
巾内に無い場合には、空燃比検出装置が故障だとして、
空燃比検出装置を用いたフィードバック制御を行わない
ように、オープンループ信号発生手段５５がオープンル
ープモードに入るための信号を発する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第２図の空燃比検出装置は、まず、内燃機関の排気通路
内に面してセルユニットＵを設けている。

このセルユニットＵはセンサセル５、ポンプセル１、及
びヒータ７等を有する。

センサセル５にはジルコニアが使用されるが、このセン
サセル５はその両壁部が排ガスを拡散孔２を通じて導く
検出室（キャビティ）Ｃ１（この検出室と拡散孔２とで
拡散律速体が構成される）と、参照気体としての大気（
空気）を導く大気室Ｃ２とに面するように設けられてお
り、検出室Ｃ１側の壁部にはセンサ電極６が設けられる
とともに、大気室Ｃ２側の壁部には参照電極８が設けら
れている。

なお、センサ電極６や参照電極８には多数の微小孔が形
成され・ている。

このような構成になっているので、このセンサセル５に
おける電極６．８間に、検出室Ｃ１へ導かれた排ガス中
の酸素濃度と大気室Ｃ２へ導かれた大気中の酸素濃度と
の差すなわち空燃比に応じた電気信号（起電力）が発生
するようになっている。

（第３図参照） また、ポンプセル１としてもジルコニアが使用されるが
、このポンプセル１はその両壁部が検出室ＣＩと排気通
路とに面するように設けられており、各壁部にはポンプ
電極３Ａ、　３Ｂが設けられている。

なお、ポンプ電極３Ａ、３Ｂもプラチナ製で多数の微小
孔を有している。

そして、このポンプセル１は、ポンプ電ｉａＡ側を正に
すると、検出室ＣＩ内の酸素をイオン化して排気通路側
へ汲み出す一方、ポンプ電極３Ａ側を負にすると、排気
通路側から酸素をイオン化して検出室ＣＩ内に汲み込む
ように作動する。

なお、ポンプセル１には拡散孔２が穿設されており、こ
れにより排気通路と、検出室Ｃ１とが拡散孔２を介して
連通している。

さらに、ヒータ７は大気室Ｃ２のセンサせル５とは反対
側の隔壁部に絶縁層４を介して設けられており、このヒ
ータ７へ電源７ａからの電力を供給すると、セルユニッ
トＵ全体°が加熱されるようになっている。これにより
セルユニットＵが例えば６００〜７００℃にまで加熱さ
れるため、ポンプセル１やセンサセル５の作動が確実と
なる。

ところで、センサ電極６およびポンプ電極３Ｂはアース
されているが、参照電極８は増幅器９を介して比較回路
１０の一入力端に接続されている。

また、比較回路＼０の他入力端には基準電源１０ａ（こ
の電源１０ａの電圧は理論空燃比のときの起電力に相当
する）に接続され、でおり、これにより比較回路１０で
増幅器Ｒからの出力Ｖｓと基準電源１０ａからの基準値
信号Ｖｒｅｆとが比較されて、例えばＶｓ２：Ｖｒｅｆ
のときに比較回路１０からはハイレベル信号（以下、　
ｒＨｉ信号」゛という）が出力され、　Ｖｓ（Ｖｒｅｆ
のときに比較回路１０からはローレベル信号（以下ｒＬ
ｏ信号」という）が出力されるようになっている。

さらに比較回路１０から信号を受ける極性反転式電源付
き制御手段とし゛ての正負電源付き積分増幅器１１が設
けられている。この正負電源付き積分増幅１１は、比較
回路１０からの信号が倍信号である間は入力を負の係数
で積分して負の出力をし、比較回路１０からの信号がＬ
ｏ倍信号ある間は入力を正の係数で積分して正の出力す
るのでＨｉ倍信号ある時間、Ｌｏ倍信号ある時間に応じ
た値（例えばこの値は上記時間が長い程、その絶対値が
大きくなるよう設定される。）の電気が出力できるよう
になっている。

そして、比較回路１０からの出力およびその時間に応じ
それぞれ極性および大きさを変えられて正負電源付き積
分増幅器１１から出力された電気制御信号は、ポンプ電
極３Ａへ供給されるようになっている。

ところで、正負電源付き積分増幅器１１からの電気制御
信号は空燃比情報を有しているが、この積分増幅器１１
とポンプセル１との間で授受される制御電流に応じた空
燃比算出信号を出力する第１の検出手段ＤＭＩと、上記
制御電流の方向を検出して上記混合気が理論空燃比に達
すると検出信号を出力する第２の検出手段ＤＭ２とが設
けられている。

すなわち正負電源付き積分増幅器１１とポンプセル１の
ポンプ電極３Ａとをつなぐ結線中に両検出手段が共に用
いる空燃比検出用抵抗器１７が介装されており、この抵
抗器１７の両端からの信号ｖｉ、■□は第２の検出手段
ＤＭＺ内の比較回路１５へ入力されるようになっている
。

そして、この比較回路１５は、Ｖニーｖ２≧Ｏのときに
ｌｌｉ信号となり、Ｖよ−Ｖｚ　＜　ＯのときにＬｏ倍
信号なる検出信号としての出力０ＵＴＰＵＴＩを出す。

また第１の検出手段ＤＭＩは空燃比算出信号ｖ２として
の出力０ＵＴＰＵＴ２を出力するもので、抵抗器１７と
、その両端電圧を検出する電圧検出回路１２と、これに
接続される加算回路１３とを備える。なお、第４図に示
すように電気検出回路１２の出力はマイナス出力を含む
ので、ここでは加算回路１３の出力０ＵＴＰＵＴ２をす
べてプラス化すべく第５図に示すように電圧検出回路１
２からの出力にバイアス値Ｖαを加えて出力する。

第１及び第２の両検出手段ＤＭＩ、　ＤＭ２の出力０Ｕ
ＴＰＵＴ２、■は共にコントローラ１９に入力される。

コントローラ１９は第１図における空燃比決定手段５０
と目標空燃比判別手段５１と傾き算出手段５２と傾きの
許容巾設定手段５３と空燃比検出装置故障判定手段５４
とオープンループ信号発生手段５５と同様の機能を達成
できるように構成されているマイクロコンピュータであ
り、さらにコントローラ１９のメモリには上記機能を達
成できるプログラムが書込まれ、各設定値やデータテー
ブルが記憶処理される。

メモリに書込まれたプログラムをフローチャートで示す
と第６図のようになる。以下プログラムに従い本装置の
作動を説明する。

プログラムがスタートすると、まず、ステップ１で空燃
比検出装置を使用して目標空燃比になるようフィードバ
ック制御をする、そう言うモードに在るか、否かを周知
手段の入力信号により判断し、Ｎｏでは以後、空燃比検
出装置を用いずにオープンループ制御を行うオープンル
ープルーチンに入り、ＹＥＳでステップ２へ進む。ステ
ップ２では、該フィードバックモードがストイキオと称
される理論空燃比１４．７を目標とする所謂ストイキオ
フィードバックモードに在るか否かを判断する。ここで
目標空燃比はエンジンの運転状態、一般的にはエアーフ
ローセンサにより検出される吸入空気量とエンジン回転
数またはマニホールド負圧とエンジンの回転数とにより
予め第７図に示す如くマツピンバグされている。よって
ステップ２へ進んで来た時点での運転状態がどの目標空
燃比の領域に在るのかを肩べ、該運転状態がストイキオ
フィードバックを行うべきゾーンＡに在る場合にはＹＥ
Ｓで。

第２の検出手段からの出力Ｖｌに基づき行われるストイ
キオフィードバックルーチンに入り、−万全域フイード
バックを行うべきゾーンＢに在る場合にはＮｏでステッ
プ３入進む、尚本実施例においては、ゾーンＢは更に任
意の目標空燃比Ａ／Ｆの領域Ｂ１、Ｂ２，８３に区分さ
れており、グラフの上方側の方が目標空燃比は小さくな
っている。

そ゛してステップ３では第１の検出手段の出力ｖ２に基
づ（全域フィードバック制御がなされて、ステップ４へ
進み、ステップ４ではその時の運転状態が前述の細分化
された目標空燃比のゾーンのどれに該当しているかを判
断するために、該運転状態が８１のゾーンに在るか否か
を調べ、Ｂ２．　Ｂ３に在るならばＮＯでステップ５へ
進み、Ｂ１に在るならばＹＥＳでステップ６へ進む。ス
テップ６では該運転状態が８１ゾーンで安定しているか
否かを判断するために、該運転状態が一定秒間以上Ｂｌ
ゾーンに在るか否かを調べ、ＹＥＳでステップ７へ、Ｎ
Ｏではメインルーチン側ヘリターンする。ステップ７で
は。

その時からの第１の検出手段からの出力Ｖｔを予め決め
られた回数Ｎまたは時間計測し、その平均値Ｖａｖ　＝
”ｊ、　Ｖｔｉを算出し、ステップ８へ進み、ステツブ
８ではステップ７で求められた出力平均値Ｖａｖに対応
する空燃比を決定する。

ここで第１の検出手段からの出力ｖ２と該出力ｖ２に基
づき決定される空燃比Ａ／Ｆとの関係は第８図に示す如
くなることがわかっており、空燃比算出用または、逆の
場合には第１の検出手段の出力ｖ２の算出用のデータマ
ツプＡとして予め記憶されているので出力平均値Ｖａｖ
に対応する空燃比＾／Ｆａｖが決定される。

尚第８図におけるＡ／Ｆｓｔはストイキオを、　Ｖｓｔ
はストイキオ時における第１の検出手段からの出力をそ
れぞれ示しており、空燃比がストイキオよす原点に向う
につれリッチに、ストイキオより反原点側に向うにつれ
てリーンになっていく、そうしてステップ９へ進み、ス
テップ９ではその時点における空燃比検出装置が故障し
ているか、否かを判定するために、前述したエンジンの
運転状態から求められた目標空燃比のゾーンＢｌに基づ
いて。

第１の検出手段の出力ｖ２と空燃比Ａ／Ｆとの関係、つ
まり前述したデータマツプＡにより予め決定される傾き
の許容範囲内に、現時点において空燃比検出装置から求
められた第１の検出手段の出力平均Ｖａｖと、出力Ｖａ
ｖに対応する空燃比Ａ／Ｆａｖとに基づき決定されるそ
の時の傾きが在るか否かを調べることを行う。すなｈち
前述したデータマツプＡにより予め第９図輪示す如く、
目標空燃比ゾーンＢｌの空燃比の最大値Ａ／Ｆｉｗａｘ
とストイキオ値Ａ／Ｆｓｔとをデータ曲線Ｗ上で結んだ
直線Ｘの傾きの空燃比の最小値Ａ／Ｆ、　ｇｉｎとスト
イキオ値Ａ／Ｆｓｔとをデータ曲、ｆ！Ｗ上で結んだ直
線Ｙの傾き算出しておき、上記傾きＸｃ工からＹｃ、の
間に現在の直線の傾き、つまり空燃比Ａ／Ｆａｖとスト
イキオ値Ａ／Ｆｓｔとをデータ曲線Ｗ上で結んだ直線２
の傾きなる関係式を満たすか、否かを調べ、ＹＥＳでは
、空燃比検出装置は正常であるとしてメインルーチン側
ヘリターンしＮｏでは該空燃比検出装置が故障している
と判断し、ステップ１０へ進む。ここで上記不等式中の
係数に工、Ｋ２は誤差を考慮に入れた補正係数である。

そしてステップ１０では該検出装置が故障しているとい
うフラグを立て以後オープンループルーチンへ入る。一
方ステップ５では該運転状態が８２のゾーンに在゛るか
、否かを調べ、Ｂ２に無いならばＮｏでメインルーチン
側ヘリターンし、Ｂ２に在るならばＹＥＳでステップ１
１へ進み、以後ステップ１１からステップ１４まではＢ
１のゾーンに在る場合と同様に、Ｂ２のゾーンに基づい
て決定される傾きの許容範囲内に、その時の空燃比検出
装置からの出力に基づいて算出される傾きが在るか、否
かという判断がなされる。すなわち、ステップ１１では
該運転状態が８２のゾーンで安定しているか、否かを判
断するために、該運転状態が一定秒間以上Ｂ２ゾーンに
在るか、否かを調べ、ＹＥＳでステップ１２へ、　ＮＯ
ではメインルーチン側へリターンする。

ステップ１２ではその時からの第１の検出手段からの出
力Ｖｔを予め決められた回数Ｎまたは時間計測し、その
平均値Ｖａｖ　＝”；　Ｖｔｉを算出し、ステップ１３
へ進み、ステップ１３ではステップ１２で求められた出
力平均値Ｖａｖに対応する空燃比Ａ／Ｆａｖを前述した
Ｂ１のゾーンの場合と同様なる方法にて決定する。

そうしてステップ１４へ進み、ステップ■４では、第９
図に示す如く、目標空燃比ゾーンＢ２の空燃比、の最大
値Ａ／Ｆ１ｗｉｎとストイキオ値Ａ／Ｆｓｔとをデータ
°との間に空燃比Ａ／Ｆａｖとストイキオ値をＡ／Ｆｓ
ｔとをデータ曲線Ｗ上で結んだ直線Ｐの傾き 関係式を満たすか、否かを調べ、ＹＥＳでは、空燃比検
出装置は正常であるとして、メインルーチン側ヘリター
ンし、Ｎｏでは該空燃比検出装置が故障していると判断
し、ステップＩＯへ進む。（Ｋ３．に４はＫｌ、に２と
同様なる誤差を考慮に入れた補正係数）尚本実施例にお
いては、目標空燃比がストイキオフィードバックゾーン
に近い領域、つまりゾーン８３を、極めて不安定な走行
状態として、プログラム中使用していないが、勿論ゾー
ンＢｌ、　８２と同様にゾーンＢ３に基づく故障判定ル
ーチンを並記することも可能である。また上記実施例で
は全域フィードバックゾーンを該検出装置の故障判定の
精度を高めるためにＢｌ、Ｂ２．Ｂ３の３ゾーンに区分
しているが、別に区分しなくても、つまり全域フィード
バックゾーンは１コでも良く、また２つ、４つ等に区分
しても良く、その区分数は限定されるものではない。ま
た本実施例ではステップ６．７、において第１の検出手
段からの出力Ｖｔを予め決められた回数または時間計測
し、平均化し、該出力データＶｔの精度を高めているが
、時間的ロスを極力無くすというのであれば、加算、除
算をなくし、出力ｖしのデータ１個のみをステップ８へ
送るようにしても良い。

（発明の効果） 以上のように本発明の空燃比検出装置によれば。

空燃比検出装置の故障を検知できる上に、故障を検知し
た際には空燃化検出装置によるフィードバックを止め、
オープンループ制御をするようにしたので、エンジンの
破損及び操縦性（運転性）の悪化を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の一実施例を示す空燃比検出装置の全体概略構成図、
第３図は同上装置のセンサセルの出力特性図、第４図は
同上装置の電圧検出回路の出力特性図、第５図は同上装
置の加算回路の出力特性図、第６図は第２図中のコント
ローラ内のプログラムのフローチャート、第７図はコン
トローラ内にメモリされているエンジンの運転状態に基
づく目標空燃比の算出線図、第８図はコントローラ内に
メモリされている空燃比の算出線図、第９図は傾きの算
出方法を具体的に示す線図である。 １・・・ポンプセル、５・・・センサセル、　１１・・
・制御手段、１９・・・コントローラ、５０・・・空燃
比決定手段、５１・・・目標空燃比判別手段、５２・・
・傾き算出手段、５３・・・傾きの許容巾設定手段、５
４・・・空燃比検出装置故障判定手段、５５・・・オー
プンループ信号発生手段、Ｄ旧・・・第１の検出手段、
０Ｍ２・・・第２の検出手段。 第イ図 ／ｆ！ｊ２　図 傭６図 ＪＩ引峠凱ＬＴ 第今図　　　％５図 工万ン回車おり炙　　　−尺 第６図 蓋　８　図 ？恋九竹

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 混合気燃焼後の排気ガス中の酸素濃度と参照気体中の酸
   素濃度との差に応じた電気信号を出力するセンサセルと
   、前記センサセルからの出力に応じた電気制御信号を出
   力する制御手段と、前記制御手段から供給される電気制
   御信号に応じて酸素イオンを移動させるポンプセルと、
   前記制御手段とポンプセルとの間で授受される制御電流
   に応じた空燃比算出信号を出力する第１の検出手段と、
   前記制御電流の方向を検出して前記混合気が理論空燃比
   に達すると検出信号を出力する第２の検出手段と、前記
   空燃比算出信号に対応する空燃比を決定し、空燃比信号
   を送出する空燃比決定手段と、運転状態に基づき決定さ
   れる目標空燃比が前記理論空燃比か、前記理論空燃比以
   外の任意の領域内にあるかを判別する目標空燃比判別手
   段と、前記目標空燃比判別手段から、目標空燃比が理論
   空燃比以外の任意の領域内にあるという全域フィードバ
   ックモード信号が送出された時に、前記空燃比算出信号
   と、その空燃比算出信号に対応する空燃比信号と、予め
   設定されている設定値とに基づいて傾きを算出し、傾き
   信号を送出する傾き算出手段と、前記目標空燃比の任意
   の領域に基づき、予め傾きの許容巾を設定する傾きの許
   容巾設定手段と、前記傾き信号が前記傾きの許容巾内に
   在るか否かを判定する空燃比検出装置故障判定手段と、
   前記空燃比検出装置故障判定手段から前記傾き信号が前
   記許容巾内に無いと言う空燃比検出装置故障信号が送出
   された時に、オープンループモードに入るための信号を
   送出するオープンループ信号発生手段とを有する空燃比
   検出装置。