JPS63249046A - 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、燃焼ガスから空燃比を検出し、空燃比に対し
てリニアな関係の空燃比信号を出力する構成の空燃比検
出装置に係り、特に自動車の空燃比制御に好適な装置に
関する。

〔従来の技術〕

斯かる空燃比制御装置としては、実開昭５９−７７０５
８号公報や特開昭５８−１６６２５２号公報に記載され
たものが知られている。

そして１例えば、起電力測定型ｏ２センサにあっては、
検出素子をある温度以上に加熱するだけで、一定の検出
端０度が得られるため、ヒータはオン・オフして素子を
温度制御するというようにはしていなかった。

これに対して、酸素イオンをポンピングする限界電流方
式の空燃比センサは、排ガス温度やヒ−夕電圧の変動に
より、検出誤差が大となり測定精度が悪くなることから
、検出素子の温度を所定値に保持制御するようにしてい
た。

上記いずれの方式センサにおいても、検出素子の温度が
検出精度に影響を及ぼすことから、始動時等の初期状態
において、空燃比センサの作動開始タイミングをどこに
選定するかは使用上重要な課題である。

この点、起電力測定型０２センサは、λ；１を境として
リッチかリーンかの二値状態を判別する構成となってい
ることから、例えば３００℃程度に加熱されるとステル
ツブ信号が出力され、この信号は物理化学的にλ＝１を
示すので、これにより０２センサの暖機を判断できる。

したがって、制御開始のタイミングは、冷却水温度、エ
ンジン回転数＋Ｏｚセンサの起電−等の信号をマイクロ
コンピュータで総合的に判断し決めていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記限界電流方式の空燃比センサの出力
信号は、上記０２センサの如きステップ変化がなく、空
燃比に対してリニア（連続的）な関係になっており、し
かも温度によって変化する関係になっている。したがっ
て、出力信号が正しい空燃比を示しているか否か判断す
ることが困難であるという問題があり、その検出された
空燃比信号を用いて空燃比制御を行なうと、精度上の問
題があった。

本発明の目的は、空燃比センサの始動状態を適格に判断
でき、空燃比制御の精度向上に寄与し得る空燃比検出装
置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、ジルコニア固体電
解質を挟んで基準極と検出極を対向させ、この検出極の
周辺にガス拡散律速部材を設けてなる空燃比センサと、
この空燃比センサを加熱するヒータと、このヒータによ
り前記空燃比センサの測定する駆動回路と、を含んでな
る空燃比検出装置において、前記空燃比センサの温度が
所定の基準値以上に達したことを示すセンサ暖機完了信
号を出力するようにしたことを特徴とする。

【作用〕

このように構成することにより、センサ暖機判断手段か
らセンサ暖機完了信号が出力される状態になれば、いわ
ゆる限界電流方式の空燃比センサは正常な機能動作とな
り、正しい空燃比検出信号が出力されることになる。し
たがって、上記暖機完了信号に合わせて空燃比制御を開
始すれば、精度の高い空燃比制御を行なうことが可能に
なるのたことを検知する手段としては、次のものが考え
られる。

一例として、一般に、空燃比センサの検出素子を加熱す
るヒータは、そのヒータの抵抗値が設定抵抗値（所定の
加熱温度に対応して設定された値）になるように、温度
制御回路により通電がオン・オフ制御される。またセン
サ駆動回路と前記温度制御回路は、空燃比制御装置″の
電源オンと同時にオンされ、ヒータへの通電も同時に開
始され、検出素子はヒータにより徐々に加熱される。そ
して。

ヒータの抵抗値が設定抵抗値まで低下すると、温度制御
回路の働きによりヒータへの通電が停止される。逆に、
設定抵抗値以上になると再びヒータは通電され、検出素
子の温度調整が行なわれるようになっている。

したがって、ヒータへの通電が最初に停止される信号を
もってセンサの暖機完了を判別することが可能である。

また、センサ暖機に要する時間を種々を条件下で実験か
ら求め、その最長時間をベースとして電源オンからタイ
マ動作により暖機完了を判断するようにしても、検出精
度は上記方法に比較して大差ない。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図に本発明の一害施例の空燃比検出装置が適用され
てなる空燃比制御装置の全体構成を示す。

同図に示すように、空燃比検出装置は、空燃比センサ（
以下、単にセンサという）１とセンサ処理回路部２とか
らなる。センサ処理回路部２はセンサ温度制御部３とセ
ンサ駆動部６を含んで構成され、センサ温度制御部３は
さらにヒータ駆動部４と素子抵抗検出部５を含んで構成
されている。

ヒータ駆動部４は、交流重量方式や、抵抗ブリッジによ
るインピーダンス測定法等により、センサ１の温度また
はセンサ１の内部抵抗を検出する素子抵抗検出部５の信
号に基づいて、センサ加熱用ヒータをオン・オフ駆動し
て所定の抵抗値に制御するようになっている。

一方、センサ駆動部６は、センサ１の排ガス側電極（検
出極）と大気側基準電極との両電極間電圧を常に一定に
なるように、双方向に酸素イオンをポンピングし、その
とき流れる酸素イオン電流を検出する機能を有するもの
で、その検出値を空燃比信号Ｖｏとして、コントロール
ユニット５５へ出力するようになっている。

素子抵抗検出部５は、センサ１およびセンサ処理回路部
２が始動後、少しの間はセンサ検出素子が冷えているた
めヒータ駆動部４ヘヒータオンの指令を出し続けること
になるにれにより加熱されたセンサ１の温度又は内部抵
抗が設定値に達するとセンサ加熱用ヒータがオフされる
ことになる。

この間の時間は通常３０秒から１分程度であり、その後
はほぼ２〜３秒周期でセンサ加熱用ヒータはオン・オフ
を繰返され、センサ１の温度は所定値に保持される。

ここで、センサ駆動部６により検出される空燃比倍％　
Ｖ　ｏとセンサ１の温度との関係を、第４図を用いて説
明する。同図において実線で示したものは、センサ１が
所定温度に保持されている正常状態のｖｏとλとの関係
を示し、破線はセンサ１の始動状態（すなわち暖機前）
におけるｖＯとλの関係を示している。

同図から判るように、始動状態においては、リッチ側で
は正常値に比べ出力が大きく表示され、リーン側では逆
に小さく表示される。したがって、センサ１が暖機され
ないと空燃比の検出誤差が大きく、高精度の空燃比制御
が行なえないのである。

そこで、第１図実施例では、センサ暖機完了信号ＶＨと
して、センサ１の始動時にオンされたセンサ加熱用ヒー
タが最初にオフし、温度制御を開始するタイミングをと
らえて、その信号ＶＨをコントロールユニット５５へ入
力することにより、センサ１の出力を用いた制御を開始
するようにしている。すなわち、温度制御部３に、セン
サ加熱用ヒータに印加された電圧が最初にゼロまたは急
変するか、あるいはヒータに流れている電流が最初にゼ
ロまたは急変するところを検知して、その信号をセンサ
暖機完了信号ＶＨとして出す機能が設けられている。

このことを、第２図に示したセンサ処理回路部２の詳細
図の基づいて説明する。

第２図は、抵抗ブリッジ方式のインピユーダンス測定法
によるセンサ処理回路部２の構成例である。同図におい
て、まず、定常状態においては、センサ１の内部抵抗１
ａが設定値より大きくなるとブリッジのバランスがくず
れ、ヒータ制御信号発生部５ｂよりヒータ駆動用トラン
ジスタ４ａに対してオン信号が出力され、センサ加熱用
ヒータ（以下、単にヒータという）１３がオンされる。

逆に内部抵抗１ａが設定値より低くなるとヒータ１３を
オフするように、ヒータ制御信号発生部５ｂからオフ信
号が出力される。なお、センサ始動直後はセンサ１が低
温であるために内部抵抗１ａは無限大であるから、電流
が流れず、あたかも抵抗ブリッジが平衡に達したように
なる。

このような始動時に対応するため、第３図に示すように
起動時制御部１１ｂが設けられている。

そこで、この信号とヒータ１３の印加電圧に基づいてセ
ンサ暖機完了信号Ｖｏを出力するようにしているのであ
る。すなわち、始動直後は起動時制御部１１ｂより高電
圧が出力されトランジスタ３２がオンになりコンデンサ
３４がチャージされる。この電圧はほぼ電源電圧となり
基準電圧発生部３５の電圧より高いため差動増幅器３６
は高電圧を出力するが、ツェナーダイオード３７により
所定の電圧におさえられ、センサ暖機完了信号Ｖｕとし
て出力される。なお、Ｖｏはコントローシュニット５５
内の後述するｌ１０ｒ、５Ｉ５８に入力されるため、５
ｖにしであるが、Ａ／Ｄ変換器あるいは増幅器に入力さ
れる場合はこの限りではない。また反転する必要がない
ため、暖機完了でＯｖ、暖機前で５ｖにしているが、コ
ントロールユニット５５内のマイコン６１がプログラム
で処理する際に反転する場合は、ＶＨの出力状態はこの
逆でもよい。またセンサ１が設定温度に達しヒータ１３
がオフになると、ヒータ駆動トランジスタ１２のコレク
タ電圧はほぼ電源電圧になりトランジスタ１２がオンし
、コンデンサ３４にチャージされた電圧はダイオード３
３を通って放電され、差動増幅器３６はＯＶになりＶｏ
ＧＯＶになる。この後にヒータがオンしても起動時制御
部１１ｂはオンしないため、トランジスタ３２はオンせ
ず、ＶＨはＯｖのままに保持されることになる。

以上説明したセンサ温度、センサ内部抵抗、ヒータ制御
信号、および暖機完了信号の時間変化を第５図に示す。

ここで、空燃比制御に係るコントロールユニット５５の
詳細構成を第６図に示すとともに、処理手順を第７図に
示したフローチャートに沿って説明する。

第６図に示すように、コントロールユニット５５は、Ａ
／Ｄ変換回路５６．バッファ５７．ｌ１０ＬＳ　Ｉ　５
８．ＲＯＭ５９．ＲＡＭ６０．ＭＰＵ６１、等を含んで
構成されている。そして、エアフロメータ５１９回転数
センサ５２．水温センサ５３から入力信号を取り込み、
また燃料噴射弁５４に制御信号を出力して空燃比を制御
するようになっている。なお、センサ処理回路部２をユ
ニット外に設定しているがユニット内にスペースがあれ
ば、ユニット内に設定することもできる。そうすること
によりセンサ処理回路２内の切替信号発生部などが省略
できるが、空燃比センサのバラツキの調整・互換性がな
くなるので、これらの調整部を設ける必要がある。

また、第７図は、ＶＨ倍信号用いた空燃比制御フローチ
ャートを示す０回転割込みや時間割込みによって発生す
るメインルーチン、（これは吸入空気量の計算や基本燃
料噴射時間の計算などを行なうルーチン）、から空燃比
補正係数を計算するためにサブルーチン４０に分岐して
くる。まずステップ４１において空燃比センサが暖機完
了をしていることを示すセンサ暖機フラッグをチェック
し、暖機が完了していれば空燃比補正が可能であり、補
正係数を算出するためにステップ４６に分岐する。し′
かし暖機が完了していなければ補正は不可能なため、空
燃比制御を行なわない（開ループ）ステップ４２に進む
。ステップ４２では、暖機完了信号Ｖ）ｌを読み込む。

ステップ４１でＶｎを読み込み、ＶＨを基準に分岐して
もよいが、補正ルーチンに分岐するたびにＶＨを読み込
むと。

処理時間がかかり、またＶＨは暖機完了後は読み込む必
要がなくなるためにステップ４２でＶ）ｌを読み込む、
すなわち暖機が完了すると２度とこちらには分岐しなく
なる。ステップ４３では、暖機完了を示す値、（本例で
はＯｖで暖機完了、５ｖで未完の値にしたため１判定°
値を２ｖにしたがこの値は固定しない、）になっていれ
ばステップ４５に分岐し、センサ暖機フラッグをセット
し、補正係数算出のためにステップ４６に進む、当然。

センサ暖機フラッグは初期状態（エンジン始動時）にお
いてリセットされている。センサ暖機が完了していなけ
ればステップ４４に進み、空燃比補正係数Ｂは補正しな
い値１．００　を取り、メインルーチンに戻る。

ステップ４６では、メインルーチンで読み込んだ吸入空
気量（直接あるいは間接的のど妬らでもよい）と回転数
から目標空燃比を算出する。目標空燃比の算出をメイン
ルーチンで行なっても良いのだが空燃比センサが未暖機
で空燃比補正できないにもかかわらず目標空燃比をメイ
ンルーチンで算出するのは無意味であり、処理時間を費
やすだけ無駄である。このことからステップ４６で目標
空燃比を算出する。ステップ４７では、空燃比センサの
センサ出力電圧Ｖｏを読み込み、ステップ４８で電圧Ｖ
ｏから実空燃比を算出する。ステップ４９において目標
空燃比と実空燃比の差から空燃比補正係数βを算出する
。βの算出方法は従来から公知のＰＩやＰＩＤ制御など
における方法で良い。β算出後メインルーチンに戻る。

メインルーチンではβやその他補正により燃料噴射時間
を算出し、エンジンの空燃比制御が行なわれる。

上述したように、本実施例によれば、センサ１を加熱す
るヒータ１３の抵抗値が所定の暖機温度に対応する値に
達したことを検出し、これをセンサ暖機完了信号Ｖ）ｌ
として出力するようにしていることから、この信号Ｖｕ
が出力されているか否かにより、センサ１が正常な出力
か否を判断できることになる。したがって、その暖機完
了信号に合わせて空燃比制御を開始すれば精度の高い空
燃比制御が可能になる。

第８図に本発明の他の実施例の空燃比構出装置が適用さ
れた空燃比制御装置の全体構成図を示す。

本実施例が第１図実施例と異なる点は、センサ１とセン
サ処理回路２が始動を開始してセンサ部が暖機され、第
４図に示した正常な出力となるのに必要な時間を予測し
てタイマ回路部８に設定しておき、この設定時間ｔｓが
経過したときに、前記暖機完了信号Ｖ１１に代えて暖機
完了信号Ｖ、をコントロールユニット５５に出力するよ
うにしたことにある。タイマ回路部８の具体的な回路例
を第９図に示す、同図において、センサ１の電源がオン
されると抵抗器３８とコンデンサ３９の時定数ＣＨに従
ってコンデンサ３９の電圧が上昇する。

この電圧が基準電圧発生部３５に設定された電圧に上昇
する時間ｔｓは一定であるから、これを差動増幅器３６
により検出して暖機完了信号Ｖ、を出力する。本実施例
では第３図例と同様に暖機時は高電圧で、暖機完了後は
低電圧の信号となるように選定している。

なお、タイマ回路部はコントロールユニット５５内にプ
ログラムとして形成することも可能である。また、水温
センサ５３の検知水温により補正し、センサ１の実際の
状態に応じた制御とすることも可能である。

ここで、設定時間ｔｓと空燃比検出誤差との関係を第１
０図に示す、同図に示すように、ｔｓを長くすれば検出
誤差は減少する。したがって、実験データに基づいて誤
差が５％以内になるようにｔｓを設定すれば、実用上支
障ない。なお、検出誤差が５％以内に低下する時間は、
低温始動のときは長く、暖機再始動のときは短いことか
ら、３０〜６０ｓｅｃの幅がある。そこで、ｔｓは最悪
条件に合わせて設定し、上述したように水温などにより
補正することが望ましい。

上述したように１本実施例によれば、第１図実施例に比
べて回路構成を簡単なものとすることができ、かつ第１
図実施例と同様の効果を奏することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、空燃比センサが
正常な出力であることを示す暖機完了を出力するように
したことから、空燃比センサの始動状態を適格に判断で
き、これによって空燃比制御の精度を向上できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック構成図、第２図は
第１図実施例の主要部詳細図、第３図は第１図実施例の
部分詳細図、第４図は空燃比検出信号とセンサ暖機状態
との関係を説明する線図、第５図は各部信号の関係を示
すタイムチャート、第６図は第１図のコントロールユニ
ットの詳細図、第７図は第６図コントロールユニットの
処理手順を示すフローチャート、第８図は本発明の他の
実施例のブロック構成図、第９図は第８図実施例の要部
詳細図、第１０図は暖機経過時間と空燃比検出誤差の関
係を示す線図である。 １・・・空燃比センサ、２・・・センサ処理回路部、３
・・・温度制御部、４・・・ヒータ駆動部、５・・・素
子抵抗検出部、６・・・センサ駆動部、８・・・タイマ
回路部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ジルコニア固体電解質を挟んで基準極と検出極を対
   向させ、この検出極の周辺にガス拡散律速部材を設けて
   なる空燃比センサと、この空燃比センサを加熱するヒー
   タと、このヒータにより前記空燃比センサの温度を所定
   値に制御する温度制御回路と、前記空燃比センサの限界
   電流を検出することにより空燃比を測定する駆動回路と
   、を含んでなる空燃比検出装置において、前記空燃比セ
   ンサの温度が所定の基準値以上に達したことを示すセン
   サ暖機完了信号を出力するようにしたことを特徴とする
   空燃比検出装置。 ２、特許請求の範囲第１項の装置において、前記センサ
   暖機完了信号は前記ヒータの抵抗値が所定値に達したこ
   とを検知して出力されることを特徴とする空燃比検出装
   置。 ３、特許請求の範囲第１項の装置において、前記センサ
   暖機完了信号は前記ヒータのオンと同時に起動されるタ
   イマの満了信号とされたことを特徴とする空燃比検出装
   置。