KR940010382B1

KR940010382B1 - 내연기관의 공연비센서 및 이를 이용한 공연비제어장치

Info

Publication number: KR940010382B1
Application number: KR1019880012969A
Authority: KR
Inventors: 요시시게 오야마; 미노루 오스가
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼; 미타 가츠시게
Priority date: 1987-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1994-10-22
Also published as: EP0311353B1; DE3882873D1; KR890007055A; JPH0758275B2; DE3882873T2; EP0311353A2; JPH01152358A; EP0311353A3

Abstract

내용 없음.

Description

내연기관의 공연비센서 및 이를 이용한 공연비제어장치

제 1 도는 본 발명의 일실시예에 의한 공연비센서의 전체개략구성도.

제 2 도는 공기과잉율로 표시되는 공연비에 대하여 공연비센서의 감지부의 온도가 감지부의 출력특성에 미치는 영향을 설명한 그래프.

제 3 도는 공기과잉율로 표시되는 공연비에 대하여 배기가스중에 포함된 각종의 가연성분이 감지부의 출력 특성에 미치는 영향을 설명한 그래프.

제 4 도는 제 1 도의 공연비센서의 마이크로프로세서의 처리동작을 도시한 플로도.

제 5 도는 공기과잉율로 표시되는 공연비에 대하여 제 1 도의 실시예에 의한 센서의 출력특성을 도시한 그래프.

제 6 도는 본 발명의 대표적인 일응용예에 있어서의 마이크로프로세서의 동작의 일부를 도시한 플로도.

제 7a 도 내지 제 7c 도는 본 발명의 공연비센서의 감지부의 재료로서 사용될 수 있는 산화물반도체의 저항율의 변화의 온도 의존성을 도시한 그래프.

제 8 도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 공연비센서의 전체개략구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 고체전해질부 3, 4 : 전극

5 : 차동증폭기 10 :마이크로프로세서

본 발명은 이론공연비와 함께 리치(rich)영역관 린(lean)영역의 양쪽에서 엔진에 공급되는 연료혼합기의 공연비(空燃比)를 검출할 수 있는 내연기관의 공연비센서 및 이를 이용한 공연비제어장치에 관한 것이며, 특히 연료혼합기의 공연비에 대응하여 센서의 감지부에 의해 생성된 전압은 단순 증폭함으로써 공연비를 나타내는 신호를 구하는 유형의 내연기관의 공연비센서 및 이를 이용한 공연비제어장치의 개량에 관한 것이다.

종래의 공연비센서로는 이론공연비를 포함하여 리치영역으로부터 린영역에 이르는 광범위의 영역에 걸쳐 엔진으로부터 의 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하여 고체전해질, 산화물반도체 등으로 이루어진 감지부에 의해 생성된 전압으로부터 직접 내연기관에 공급된 연료혼합기의 공연비를 검출하는 유형의 공연비센서(1987년 3월 26일자 일본국 특개소 62(1987)-67255호)가 공지되어 있다.

전술한 바와 같이, 종래의 기술에 의하면 감지부에 의해 생성된 전압과 그 내부저항을 검출하는 수단이 배설되어 있다. 감지부에 의해 수반되는 출력전압의 온도의존성은 그 검출된 내부저항을 이용하여 보상한다.

그러나, 종래기술의 센서에는 측정정밀도 및 신뢰성의 면에서 문제가 있었다. 특히, 고연비에 대하여 감지부에서 유도된 전압의 변화율이 리치영역과 린영역에서 상당히 작으므로, 연료혼합기의 공연비의 린 및 리치영역에서의 센서의 측정정밀도는 악화되었다.

본 발명의 목적은 연료혼합기의 리치영역과 린영역에 있어서의 높은 정밀도 및 신뢰성을 가지며, 엔진으로부터의 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하여 센서의 감지부에 의해 생서된 전압은 단순 증폭 함으로써 엔진에 공급된 연료혼합기의 공연비를 검출할 수 있는 내연기관의 공연비센서 및 이를 이용한 공연비장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 내연기관의 공연비센서의 특징은 내연기관에 공급되는 공기연료혼합기의 공연비를 감지하는 공연비센서에 있어서, 엔진으로부터의 배기가스에 노출되어, 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하는 출력전압을 생성하고, 이론공연비의 근방에서 스텝형으로 변화하는 스텝변화부분과 이론공연비의 양쪽에서 선형으로 변화하는 부분을 가진 온도의존 출력특성을 가지는 감지부와, 상기 감지부의 출력전압이 공급되는 하나의 단자와 참조전압이 공급되는 다른 입력단자로 이루어지는 2개의 입력단자를 가지고, 상기 출력 전압에 또는 상기 출력전압으로부터 상기 참조전압을 가감(加減)하여 얻어지는 편차인 상기 출력전압과 상기 감지부의 온도와 관련된 상기 참조전압과의 편차를 나타내는 출력신호를 생성하는 차동증폭기와, 차조전압 대 감지부의 온도의 표를 격납하고, 상기 감지부의 온도를 검출하고, 상기 검출된 온도에 따라서 상기 표를 검색하여 상기 참조전압을 결정하고, 상기 차동증폭기의 출력신호를 입력하고 목표공연비로 되도록 엔진의 제어에 사용되는 실제공연비를 상기 출력신호에 따라서 확인하는 마이크로프로세서회로로 이루어진다.

또한, 본 발명의 내연기관의 공연비제어장치는 엔진으로부터의 배기가스에 노출되어, 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하여 출력전압을 생성하고, 이론공연비의 근방에서 스텝형으로 변화하는 스텝변화부분과 이론공연비의 양쪽에서 선형으로 변화하는 부분을 가진 온도의존 출력특성을 가지는 감지부와, 상기 감지부의 출력전압이 공급되는 하나의 단자와 참조전압이 공급되는 다른 입력단자로 이루어지는 2개의 입력단자를 가지고, 상기 감지부의 온도와 관련된 상기 출력전앙간의 편차를 나타내는 출력신흐를 생성하는 차동증폭기와, 참조전압 대 감지부의 온도의 표를 격납하고, 상기 감지부의 온도를 검출하고, 상기 검출된 온도에 따라서 상기 표를 검색하여 상기 참조전압을 결정하고, 상기 차동증폭기의 출력신호를 입력하고, 연료혼합기의 공연비제어를 위해 미리 설정되어 있는 목표공연비와 상기 출력신호를 비교하고, 상기 비교의 결과로서 제어편차를 출력하고, 상기 제어편차에 따라서 연로제어신호를 생성하는 마이크로프로세서회로로 이루어진다.

본 발명에 의하면, 공연비센서의 감지부의 출력전압과 이것과 비교하기 위해 배설된 참조전압간의 편차가 축소되므로, 상기 편차를 증폭하기 위해 충분히 큰 증폭율을 사용할 수 있으며, 여기서 증폭된 편차에 따라 공연비를 정할 수 있다. 그 결과, 리치영역과 린영역 양쪽에 있어서 의 공연비에 대하여 센서의 출력전압의 변동영역은 넓어질 수 있으며, 따라서 센서의 측정정밀도는 향상될 수 있다.

또한, 비교를 위한 참조전압은 내연기관의 공연비제어를 위해 미리 설정된 공연비에 따라서 리치영역과 린영역에 대하여 각각 적합한 값으로 선정되므로, 측정정밀도는 공연비의 리치영역과 린영역 양쪽에서 향상된다.

더욱이, 참조전압을 공연비센서의 감지부의 온도에 따라 변화시킬 수 있으면, 측정정밀도에 대한 감지부의 출력특성의 온도의존성의 영향을 배제할 수 있다. 그리고, 공연비센서의 감지부의 온도를 소정 온도이상의 높은 온도로 유지하도록 제어하면 배기가스중에 포함된 가연성분의 영향도 배제할 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부 도면에 따라서 상세히 설명한다.

제 1 도에는 본 발명의 일실시예에 의한 공연비센서의 전체개략구성이 도시되어 있으며, ZrO₂, Y₂O₃와 같은 고체전해질이 센서의 감지부의 재료로서 사용되고 있다. 도시된 바와 같이, 내연기관으로부터의 배기가스가 흐르는 통로(도시되지 않음)에 원통형으로 형성되어 그 일단이 폐쇄된 고체전해질(2)가 배설되어 있다. 따라서 원통형 고체전해질부(2)의 외측은 배기가스에 노출되고, 고체전해질부(2)의 내부에는 참조가스로서 공기가 도입된다.

원통형 전해질부(2)의 양쪽에는 전극, 즉 전해질부(2)의 외측에는 전극(3)이, 전해질부의 내측에는 전극(4)이 배설된다. 전극(3)는 보호층(21)을 통과하여 도달하는 배기가스와 접하고, 전극(4)은 참조가스로서의 공기와 접한다. 전극(3)은 접지되고, 전극(4)은 후술화는 신호처리회로에 연결된다. 고체전해질부(2), 2개의전극(3), (4) 및 보호층(21)은 센서의 감지부를 구성한다.

원통형 전해질부(2)의 내부에는 히터(12)가 설치된다. 히터(12)의 일단은 접지되고, 타단은 트랜지스터(13)의 콜렉터에 연결된다. 트랜지스터(13)의 에미터는 DC 전원(14)의 일단에 연결되고, 그 타단은 접지된다. 트랜지스터(13)는 선(15)을 통해 베이스에 부여되는 신호에 의해 제어되고, 이로써 센서가 원하는 상태에서 동작하도록 감지부의 온도를 소정치로 일정하게 유지한다.

전극(4)은 차동증폭기(5)의 플러스의 입력단자(6)에 연결됨으로써, 배기가스와 참조가스(공기)간의 산소농도의 차이에 대응하여 전극(3)과 (4)간에 유도된 감지부의 출력전압이 증폭기(5)에 부여된다. 출력전압과 비교하기 위한 참조전압이 디지탈/아날로그(D/A)변환기(11)를 통하여 증폭기(5)의 마이너스의 입력단자(8)에 인가된다.

따라서, 증폭기(5)는 감지부의 출력전압과 참조전압간의 편차에 비례하는 편차신호를 그 출력단자(7)에 생성한다. 편차신호는 아날로그/디지탈(A/D)변환기(9)를 통하여 마이크로프로세서(10)에 연결된다.

증폭기(5)의 단자(6)는 또한 트랜지스터(16)의 에미터에 연결되고, 그 콜렉터는 저항(17)을 통하여 접지된다. 트랜지스터(16)는 선(18)을 통해 마이크로프로세서(10)로부터 베이스에 부여되는 신호에 의하여 제어된다. 또한, 아날로그/디지탈(A/D)변환기(19)는 단자(6)에 연결되고, 변환기(9)의 출력이 마이크로프로세서(10)에 부여된다.

전술한 바와 같은 공연비센서에 있어서, 주지된 바와 같이 공기과잉율로 표시되는 공연비에 대하여 전극(3)과(4)간에 유되되는 출력전압의 특성은 제 2 도에 도시되어 있다. 즉, 다음의 설명에 있어서 공연비는 공기과잉율 λ로 표시되고, 이론치(14, 7)에 대한 공연비의 비로서 정의된다. 따라서, 이론공연비는 λ-1.0으로 나타낸다. 공연비가 14.7보다 작은 리치영역에서 λ는 1.0 보다 작고, 한편, 공연비가 14.7 보다 큰 린영역에서 λ는 1.0 보다 크다.

도시한 바와 같이, 출력전압은 이론공연비(λ=1.0)에서 스텝형으로 급격히 변화한다. 출력전압은 이론공연비의 양쪽 영역, 즉 리치영역 (λ〈1.0) 및 린영역(λ〉1.0)에서는 매우 완만하게 변화한다. 또한, 출력전압은 이들 영역에서 감지부의 온도에 따라서 광범위하게 변화한다.

감지부가 전술한 바와 같은 출력특성을 가지면, 감지부의 출력전압이 광범위하게 변화하므로, 감지부의 출력전압을 단순증폭함으로써 광범위에 걸쳐 공연비를 검출하는 것이 실용적이 아니다. 통상적으로, 소정치의 참조전압, 예를들면 0.5볼트가 설정되고, 감지부의 출력전압과 참조전압간의 차이가 구해진다. 고정밀도의 공연비의 검출은 충분히 큰 증폭율로 그 차이를 증폭함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 그와 같은 하나의 고정된 참조전압으로서는, 출력전압과 참조전압간의 차이가 감지부의 온도에 따라서 매우 광범위하게 변화하므로, 충분히 는 증폭율을 이용할 수 없다.

즉, 출력특성은 또한 제 3 도에 도시된 바와 같이 통상적으로 배기가스중에 다소 포함된 여러가지 가연성분에 따라서 변화한다. 또한, 이것은 측정정밀도을 더욱 악하시킨다. 그러나, 가연성분의 영향은 감지부의 온도를 소정치, 바람직하게는 약 600℃이상의 온도로 유지되도록 조정함으로써 제거될 수 있다.

다음에, 제 1 도에 도시된 공연비센서의 동작에 대하여 제 4 도를 참조하여 설명하며, 이 도면은 공연비를 검출하기 위하여 마이크로프로세서(10)에 의해 실행되는 처리동작을 도시한 플로도이다.

이 플로도의 처리동작에 있어서, 스텝 101 내지 107 부분은 다음의 원리에 따라서 감지부의 온도를 검출한다. 트랜지스터(16)의 도통시의 단자(6)에서의 전압을 U, 트랜지스터(16)의 차단시의 전압을 E, 저항(17)의 저항치를 R, 그리고 전해질부(2)의 내부저항치를 r로 나타내면, 그들간의 관계는 다음과 같다.

상기 식(1)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

다음에, 제 4 도의 플로도에 도시된 처리동작에 대하여 설명한다. 이 동작은 예를 들면 80밀리초의 간격으로 마이크로프로세서(10)에 의해 반복적으로 실행된다. 동작개시후에, 스텝 101에서 트랜지스터(16)에 지령을 발함으로써 트랜지스터는 차단된다. 따라서, 저항(17)은 전해질부(2)로부터 분리되므로, 그때 단자(6)에 나타나는 전압 E은 배기가스와 참조가스간의 산소농도 차이에 대응하여 감지부에 의해 유도된 기전력을 의미한다.

이 전압 E은 스텝 102에서 마이크로프로세서(10)내로 독입되고, 스텝 103에서 적당한 기억장치내에 기억된다. 다음에, 스텝 104에서 트랜지스터(16)가 도통됨으로써, 저항(17)은 전해질부(2)와 직렬로 연결되고, 그러므로 그때에 단자(6)에 나타나는 전압은 상기 식(1)에 의하여 표시된 전압 U과 같게 된다. 이 전압 U은 또한 스텝 105에서 마이크로프로세서(10)내로 독입된다. 다음에, 스텝 106에 있어서 , 전해질부(2)의 내부저항치 r가 전압 E 및 U을 기초로 하여 식(2)에 의하여 산출된다.

주지된 바와 같이, 전해질부(2)의 내부저항치 r는 온도의 함수이며, 이 관계는 온도 T대 내부저항치의 r의 표 T(r)의 형태로 마이크로프로세서(10)의 기억장치에 미리 격납된다. 다음에, 스텝 (107)에 있어서, 전해질부(2)의 온도 T는 스텝106에서 구한 내부저항치 r로 표를 검색함으로써 측정된다. 감지부의 온도 T 측정 후에, 처리동작은 스텝 108로 이행하고, 검출된 온도 T가 600℃보다 높은가의 여부를 판별한다. 이 참조온도 600℃는 전술한 바와 같이 배기가수중에 포함된 가연성분의 영향을 회피하기 위하여 선정된다. 실제로, 감지부의 온도가 600℃ 이상으로 유지되면, 영향을 미치는 가연성분이 배기가스 중에서 없어지거나, 최소한 감지부의 출력특성상에 미치는 영향이 무시될 수 있을 만큼 감소된다.

감지부의 온도 T가 600℃ 보다 낮다고 판정되면, 스텝 110에서 트랜지스터(13)가 도통되어, 히터(12)를 통하여 전류가 흐른다. 한편, 스텝 109에서 트랜지스터 (13)는 차단되어, 히터(12)로 통하여 흐르는 전류를 차단한다. 스텝 110 또는 109중의 어느 하나의 실행 후에는 스텝 111로 이행한다.

전술한 바와 같이, 이 플로도의 동작은 80밀리초의 간격으로 반복된다. 따라서, 스텝 108 및 109 또는 110 도 역시 같은 간격으로 반복된다. 이것은 히터(12)를 통하여 흐르는 전류를 간헐적으로 제어하여 감지부의 온도를 600℃로 유지하는 것을 의미한다. 즉, 이들 스텝은 감지부의 온도제어의 목적을 위하여 설정된다. 그 목적이 어떤 다른 방법에 의하여 실행될 수 있다면, 이 플로도의 처리동작에 이들 스텝은 없어도 좋다.

다음에, 스텝 111에서 트랜지스터(16)는 다시 차단되고, 스텝 112에서 내연기관의 공연비피드백제어를 위하여 미리 설정된 목표공언비 A/F_R가 이론공연비 A/F_S와 동일한지의 여부를 판별한다. 양자가 동일하면, 그때에 단자(6)에 나타나는 전압은 스텝 113에서 전압 E으로서 마이크로프로세서(10)내로 독입되고, 처리동작이 종료된다. 이 전압 E은 공연비제어용으로 사용된다.

목표공연비 A/F_R가 이론공연비 A/F_S와 상이하면, 전자가 후자보다 더 큰지의 여부를 스텝 114에서 판별한다. 목표공연비 A/F_R가 이론공연비 A/F_S보다 클 때, 즉 엔진이 린연료혼합기로 동작하도록 지령되는 경우에, 제 1 전압P₁(T)은 스텝 115에서 감지부의 출력전압과의 비교를 위하여 참조전압 V₀으로 설정된다. 반대로 목표공연비 A/F_R가 이론공연비 A/F_S보다 작으면, 즉 엔진이 리치연료혼합기로 동작되어야 할 경우에는 스텝 116에서 참조전압 V₀으로서 제 2 전압 P₂(T)을 선정한다.

제 2 도의 그래프로부터 알수 있는 바와 같이, 전압 P₁(T) 또는 P₂(T)을 스텝 107에서 검출된 감지부의 온도 T에 대응하여 변화시키는 것은 측정정밀도상 온도의 영향을 회피하기 위하여 바람직하다. 따라서, 마이크로프로세서(10)는 온도 T에 대한 제 1 참조전압 P₁(T) 및 제 2 참조전압 P₂(T)의 관계를 표의 형태로서 기억장치에 격납한다. 스텝 115 및 116에서는 P₁(T) 또는 P₂(T)는 스텝 107에서 검출된 온도로 표를 검색하여, P₁(T) 또는 P₂(T)를 참조전압 V₀으로 측정한다.

이와 같이 하여 측정된 참조전압 V₀은 스텝 117에서 D/A변환기(11)를 통하여 증폭기(5)의 입력단자(8)에 출력된다. 한편, 감지부의 출력전압 E은 트랜지스터(16)가 스텝 111에서 차단되므로, 그 입력단자(6)에 인가된다. 그러므로, 차동증폭기(5)는 출력전압 E과 참조전압 V₀간의 편차에 비례하는 전압을 출력한다. 스텝 118에 있어서, 편차에 비례하여 증폭기(5)의 출력단자(7)에 나타나는 전압 V₁이 마이크로프로세서(10)내로 독입된다.

스텝 119에 있어서, 마이크로프로세서(10)의 기억장치에 기억된 표가 전압 V₁으로 검색됨으로써, 공연비가 측정된다. 표는 제 5 도에 도시된 바와 같이 전압 V₁에 관한 공연비의 관계를 가진다. 그후에, 처리동작은 종료된다.

이러한 방법으로, 본 발명에 의하면 고체전해질의 출력전압과 비교하기 위하여 참조전앙이 설정되고, 그것은 공연비피드백제어를 위하여 미리 설정된 목표공연비가 리치영역에 있는가 또는 린영역에 있는가의 여부에 따라서 상이한 값을 가진다. 다음에, 그와 같은 참조전압을 설정하는 이점에 대하여 제 2 도를 참조하여 다시 설명한다.

먼저, 리치영역에서 감지부의 온도가 815℃일 때는, 감지부는 λ=1.0의 근방에서 약 0.7볼트의 출력전압을, 그리고 λ=0.85에서 약 0.9볼트의 출력전압을 생성한다. λ=1.0의 근방의 전압이 참조전압 V₀으로 취해지면, 이 λ의 영역에 있어서 출력전압의 최대편차는 약 0.2볼트이다. 마찬가지로, 감지부의 온도가 370℃일 때는, λ=1.0의 근방의 출력전압, 즉 약 0.95볼트가 참조전압 V₀으로서 취해졌다고 하면, 최대편차는 동일한 λ의 영역에 있어서 약 0.1볼트이다.

다음에, 린영역에서 감지부의 온도가 815℃일 때는, 감지부는 λ=1.0의 근방에서 약 0.25볼트의 출력전압을, 그리고 λ=1.15에서 약 0.1볼트의 출력 전압을 생성한다. 따라서, 이 λ의 영역에 있어서 출력전압의 최대편차는 약 0.15볼트이다. 마찬가지로, 감지부의 온도가 370℃일 때는, λ=1.0의 근방의 출력전압, 즉 약 0.2볼트를 참조전압으로 취함으로써 0.15볼트보다 작아진다.

따라서, 참조전압이 설정공연비 참조영역, 즉 리치 또는 린영역에 따라서 선정되면, 감지부의 출력전압과 참조전압간의 편차는 결과적으로 리치영역 및 린영역 양쪽에서 0.2볼트이내로 감소될 수 잇다. 따라서, 그 편차는 하나의 충분히 큰 증폭율에 의하여 증폭될 수 있으므로, 공연비에 대한 감지부의 출력전압의 변화영역을 학장할 수 있고, 측정정밀도를 대폭으로 개선할 수 있다. 또한, 참조전압을 감지부의 온도에 따라서 변화시키면, 감지부의 출력특성의 온도의존성을 배제할 수 있다.

공기과잉율에 대한 증폭기(5)의 출력전압 V₁의 일예가 제 5 도에 도시되어 있다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, 공기과잉율에 대한 출력전압의 변화영역은 제 2 도의 경우에 비하여 매우 크게 되어 있다. 따라서, 공연비를 매우 고정밀도로 검출할 수 있다.

내연기관의 제어장치가 폐루프제어에 의하여 엔진에 공급되는 연료혼합기의 공연비를 제어하도록 설계되면, 공연비의 값 그 자체는 확인할 필요가 없다. 즉, 공연비는 공연비센서의 출력으로부터 그 참조치를 구함으로써 제어될 수 있다. 제 6 도는 마이크로프로세서(10)의 처리동작의 일부를 도시한 플로도이며, 본 발명의 그와 같은 응용예에 부가되는 것이다.

그와 같은 경우에, 먼저 제 4 도의 플로도의 스텝 101 내지 111을 실행하여 감지부의 온도 T를 구한다. 다음에, 참조전압 E₀을 이 플로도의 스텝 201에서 정한다. 마이크로프로세서(10)는 전압 P₄(T)에 대한 온도 T의 표를 가지고 있으며, 검출된 온도 T로 스텝 201에서 표를 검색하여 참조전압 E₀을 정한다.

다음에, 스텝 202에 있어서 감지부의 출력전압 E을 참조전압 E₀과 비교하여 이들간의 편차(E-E₀)를 구한다. 이 편차(E-E₀)는 스텝 203에서 비례, 적분, 미분 (P, I, D)동작에 의해 처리된다. 다음에, 스텝 204에 있어서 스텝 203의 처리결과에 따라서 연료분사밸브를 제어한다. 스텝 204의 완료 후에, 처리동작은 제 4 도의 플로도의 스텝 101로 복귀한다.

전술한 바와 같이, 산화물반도체가 감지부의 재료로서 사용될 수 있다. 이 경우에는, 산화물반도체의 저항율이 내연기관으로부터의 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도, 즉 엔진에 공급되는 연료혼합기의 공연비에 대응하여 변화되는 특성을 이용한다. 제 7a 도 내지 제 7c 도에 공기과잉율로 표시되는 공연비에 대한 Nb₂O₅, TiO₂및 CeO₂의 저항특성의 예가 도시되어 있다.

이들 도면으로부터 명백한 바와 같이, 저항특성은 이론공연비에서 급격히 광범위하게 변화하고, 전술한 바와 같이 고체전해질과 같은 온도의존성을 가진다. 따라서, 본 발명은 그와 같은 산화물반도체를 감지부의 재료로서 사용하여 공연비센서로 이용할 수 있다. 다음에, 산화물반도체를 사용한 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.

제 8 도에 산화물반도체를 사용한 공연비센서의 전체 개략구성에 도시되어 있다. 도면에 있어서, 동일한 참조부호는 제 1 도와 동일한 부분을 표시한다.

제 8 도에 도시된 바와 같이, 감지부로서 기능하는 산화물반도체부(31)는 배기가스와 접촉할 수 있는 위치에 배설된다. 감지부의 한쪽에 설치된 제 1 전극(도시되지 않음)은 DC 전원(14)의 일단에 연결된다. 감지부의 다른 쪽에 배설된 제 2 전극(도시되지 않음)은 저항(32)을 통하여 접지된다. 저항(32)은 잔존산소의 농도에 대응하여 감지부의 저항의 변화를 전압으로 변환하는 기능을 한다. 이 전압은 제 1 도의 감지부의 출력전압에 상당한다. 제 2 전극은 또한 차동증폭기(5)의 플러스의 입력단자(6)에 연결되므로, 저항(32)을 통해 나타나는 전압은 2개의 입력신호중의 하나로서 증폭기(5)에 인가된다.

백금으로 만들어진 히터(34)는 감지부와 인접 또는 접촉되도록 설치된다. 또한, 적당한 보호수단이 물론 설치되나, 이 도면에서는 생략되어 있다. 히티(34)의 일단은 접지되고, 타단은 저항(17)에 연결된다. 저항(17)은 트랜지스터(16)를 통하여 DC 전원(14)에 차례로 연결되고, 트랜지스터(16)는 마이크로프로세서(10)로부터의 신호에 의하여 제어된다. 히터(34)의 타단은 또한 A/D 변환기(19)를 통하여 마이크로프로세서(10)에 연결된다.

증폭기(5)의 마이너스의 입력단자(8)에는 마이크로프로세서(10)로부터의 참조전압이 D/A 변환기(11)를 통하여 공급되고, 출력단자(7)에 나타나는 증폭기(5)의 출력전압은 A/D 변환기(9)를 통하여 마이크로프로세서(10)에 부여된다.

백금히터(34)의 저항치를R_H,저항(17)의 저항치를 R, 그리고 DC전원(14)의 전압을 V_d로 각각 나타내면, 저항(17)과 히터(34)의 접속점에 나타나는 전압 V은 다음의 식에 의하여 표시된다.

상기 식은 다음과 같이 다시 쓸수 있다.

식(4)로부터 명백한 바와 같이, 백금히터(34)의 저항치R_H는 전압 v으로부터 구할 수 있다. 이것은 백금 히터(34)의 저항치 R_H와 온도 T간의 관계로부터 백금히터(34)의 온도 T, 즉 감지부의 온도를 구할 수 있다는 것을 의미한다. 이와 같이 하여 측정된 감지부의 온도 T로서, 증폭기(5)의 단자(8)에 인가될 전압V₀을 마이크로프로세서(10)내에서 정할 수 있다. 따라서, 이 실시예의 감지부의 온도는 제 4 도의 플로도의 처리동작의 관련부분에서 아나로그 방식으로 구할 수 있다.

즉, 처리동작 개시 후에 트랜지스터(16)는 즉시 도통되고, 다음에 저항(17)과 히터(34)의 접속점에 나타나는 전압은 A/D 변환기(19)를 통하여 마이크로프로세서(10 )내로 독입된다. 마이크로프로세서(10)에서는, 저항치 R_H가 식(4)에 의하여 전압 v및 V_d에 따라서 산출되고, 온도 T 대 저항치 R_H의 소정 표를 산출된 저항치 R_H로 검색함으로써, 온도 T를 구한다.

이 실시예에 있어서, 그 후의 처리동작은 제 4 도의 플로도의 처리동작에 있어서의 상당부분, 즉 스텝 108 및 그 이후의 스텝과 동일하다.

다음에, 본 발명에 의한 공연비센서의 신뢰성에 대하여 설명한다.

통상적으로, 연료혼합기의 공기과잉율이 1.0보다 커도, 배기가스중에는 H₂, CO, HC와 같은 가연성분들이 포함된다. 이들 성분중에서, H₂는 O₂는 비하여 고속으로 보호층(21)을 통과하여 확산된다. 또한, O₂는 HC보다 높은 확산속도를 가진다. 이러한 이유로 인하여, 고체전해질부(2)의 표면과 보호층(21)의 외면간의 O₂의 분압에 차이가 발생한다. 이러한 분압의 차이를 배제하기 위하여, 배기가스를 600℃ 이상의 온도로 유지해서, 그 속에 포함된 가연성분을 대략 0으로 저감시킨다. 따라서, 다공성 보호층(21)이 SiO₂, 매연 등에 의하여 다소 막혀도, 막힘의 영향을 회피할 수 있으므로 센서의 신뢰성은 대폭으로 향상된다.

공기과잉율이 1.0보다 작을 때는, 성분 CO_2,H₂O 및 성분 H_2,O₂, CO이 서로 평형상태에 있다. 이 경우에, O₂및 CO의 확산속도는 거의 동일하므로, 보호층 (21)이 다소 막혀도, 감지부의 출력전압에는 악영향을 미치지 않는다.

그러나, H₂의 확산 속도는 O₂의 3배 정도로 높다. 따라서, 보호층(21)의 외면과 전해질부(2)의 표면간의 가스온도에 차이가 있을 때는, H₂및 O₂의 평형조건이 상이하게 되고, 상기 확산속도의 차이로 감지부의 출력전압에 영향을 준다. 이것을 회피하기 위하여, 보호층(21)의 외면상의 가스온도는 가능한한 전해질부(2)의 표면상의 가스온도에 근접시키는 것이 좋다.

이러한 목적을 달성하기 위하여는, 보호층(21)의 표면상에 온도경계층을 두껍게 만들면 충분하다. 통상적으로 보호층(21)은 50 내지 100㎛ 두께의 Al₂O₃또는 마그네슘 스피넬(spinel)로 구성되는데, 이 보호층 (21)의 표면의 온도경계층을 두껍게 하면 된다. 이를 위해 입경이 큰 세라믹입자 또는 섬유를 보호층의 표면에 배치된다. 또한, 보호층(21)의 표면의 가스의 속도가 크면 온도경계층이 작아지므로, 보호층(21)의 외측에 보호관을 설치해도 된다.

고체전해질부(2) 또는 산화물반도체(31)의 표면의 측정가스의 온도를 600℃ 이상으로 하고, 또한 보호층(21)의 표면의 가스의 온도를 이와 동등하게 함으로써 평형상태를 유지하고, 수성가스반응의 평형으로부터 정해지는 산소농도를 정확하게 측정할 수 있다. 이때의 산소농도는 공기과잉율과 온도와 의 관계로 되므로, H_2,CO등의 성분의 영향을 받지 않는다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 공연비에 대한 공연비센서의 출력전압의 변화영역은 리치영역 및 린영역 양쪽에서 현저하게 넓어지므로, 공연비를 고정밀도로 측정할 수 있다. 이와 같는 공연비센서로서, 내연기관의 성능은 큰 비용을 요하지 않고 개선할 수 있다.

또한, 공연비의 측정에 있어서 배기가스중에 포함된 가연성분 H_2,, CO, HC등의 영향을 회피할 수 있으므로, 센서의 감지부의 표면이 SiO₂, 매연 등에 의하여 막혀도 센서의 출력이 경시변화하지 않으므로, 센서의 신뢰성을 대폭으로 개선할 수 있다.

Claims

내연기관에 공급되는 공기연료혼합기의 공연비를 감지하는 공연비센서에 있어서, 엔진으로부터의 배기가스에 노출되어, 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하여 출력전압을 생성하고, 이론공연비의 근방에서 스텝형으로 변화하는 스텝변화부분과 이론공연비의 양쪽에서 선형으로 변화하는 부분을 가진 온도 의존 출력특성을 가지는 감지부와, 상기 감지부의 출력 전압이 공급되는 하나의 단자와 참조전압이 공급되는 다른 입력단자로 이루어지는 2개의 입력단자를 가지고, 상기 출력전압에 또는 상기 출력전압으로부터 상기 참조전압을 가감(加減)하여 얻어지는 편차인 상기 출력전압과 상기 감지부의 온도와 관련된 상기 참조전압과의 편차를 나타내는 출력신호를 생성하는 차동증폭기와, 참조전압 대 감지부의 온도의 표를 격납하고, 상기 감지부의 온도를 검출하고, 상기 검출된 온도에 따라서 상기 표를 검색하여 상기 참조전압을 결정하고, 상기 차동증폭기의 출력신호를 입력하고, 목표공연비로 되도록 엔진 제어에 사용되는 실제공연비를 상기 출력신호에 따라서 확인하는 마이크로프로세서회로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
내연기관에 공급되는 공기연료혼합기의 공연비를 감지하는 공연비센서에 있어서, 엔진으로부터의 배기가스에 노출되어, 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하는 출력전압을 생성하고, 이론공연비의 근방에서 스텝형으로 변화하는 스텝변화부분과 이론공연비의 양쪽에서 선형으로 변화하는 부분을 가진 온도의존 출력특성을 가지는 감지부와, 참조전압 대 감지부의 온도의 표를 격납하고, 상기 감지부의 온도를 검출하고, 상기 검출된 온도에 따라서 상기 표를 검색하여 참조 전압을 결정하고, 상기 감지부의 출력전압과 상기 참조전압과의 전압편차를 구하고, 상기 전압편차에 따라서 실제공연비를 확인하는 마이크로프로세서회로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관이 공연비센서.
제 1 항에 있어서, 상기 검출하는 기능을 행하는 상기 마이크로프로세서회로는 고체전해질부의 내부저항을 검출하고, 상기 검출된 내부저항에 따라서 상기 감지부의 온도를 확인하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
제 2 항에 있어서, 상기 검출하는 기능을 행하는 상기 마이크로프로세서회로는 고체전해질부의 내부저항을 검출하고, 상기 검출된 내부저항에 따라서 상기 감지부의 온도를 확인하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
제 1 항에 있어서, 상기 감지부는 배기가수중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하여 저항율을 변화시키는 산화물반도체와, 상기 감지부의 출력전압으로서 저항율의 변화를 출력전압으로 변환하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
제 2 항에 있어서, 상기 감지부는 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하여 저항율을 변화시키는 산화물반도체부와, 상기 감지부의 출력전압으로서 저항율의 변화를 출력전압으로 변환하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로하는 내연기관의 공연비센서.
제 5 항에 있어서, 또한 온도를 소정치로 유지하기 위하여 산화물반도체부를 가열하는 수단을 더 구비하고, 상기 검출하는 기능을 행하는 상기 마이크로프로세서회로는 상기 가열수단의 저항을 검출하고, 상기 검출된 저항에 따라서 상기 감지부의 온도를 확인하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
제 6 항에 있어서, 또한 온도를 소정치로 유지하기 위하여 산화물반도체부를 가열하는 수단을 더 구비하고, 상기 검출하는 기능을 행하는 상기 마이크로프로세서회로는 상기 가열수단의 저항을 검출하고, 상기 검출된 저항에 따라서 상기 감지부 온도를 확인하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
제 1 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서회로는 상기 검출된 온도가 소정치를 초과할 때 상기 결정, 입력 및 확인하는 기능을 행하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
제 2 항에 있어서, 상기 마이크로프로세서회로는 상기 검출된 온도가 소정치를 초과할 때 상기 결정, 입력 및 확인하는 기능을 행하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
제 1 항에 있어서, 상기 결정하는 기능을 행하는 상기 마이크로프로세서회로는 상기 이론공연비와 연료혼합기의 공연비피드백제어를 위한 목표공연비와의 대소를 판별하고, 상기 편별의 결과에 대응하여 상이한 참조전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
제 2 항에 있어서, 상기 결정하는 기능을 행하는 상기 마이크로프로세서회로는 상기 이론공연비와 연료혼합기의 공연비피드백제어를 위한 목표공연비와의 대소를 판별하고, 상기 판별의 결과에 대응하여 상이한 참조전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비센서.
엔진으로부터의 배기가스에 노출되어, 배기가수중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하여 출력전압을 생성하고, 이론공연비의 근방에서 스텝형으로 변화하는 스텝변화부분과 이론공연비의 양쪽에서 선형으로 변화하는 부분을 가진 온도의존 출력특성을 가지는 감지부와, 상기 감지부의 출력전압이 공급되는 하나의 단자와 참조전압이 공급되는 다른 입력단자로 이루어지는 2개의 입력단자를 가지고, 상기 감자부의 온도와 관련된 상기 출력전압간의 편차를 나타내는 출력신호를 생성하는 차동증폭기와, 참조전압 대 감지부의 온도의 표를 격납하고, 상기 감자부의 온도를 검출하고, 상기 검출된 온도에 따라서 상기 표를 검색하여 상기 참조전압을 결정하고, 상기 차동증폭기의 출력신호를 입력하고, 연료혼합기의 공연비제어를 위해 미리 설정되어 있는 목표공연비와 상기 출력신호를 비교하고, 상기 비교의 결과로서 제어편차를 출력하고, 상기 제어편차에 따라서 연료제어신호를 생성하는 마이크로프로세서회로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비제어장치.
엔진으로부터의 배기가스에 노출되어, 배기가스중에 포함된 잔존산소의 농도에 대응하여 출력전압을 생성하고, 이론공연비의 근방에서 스텝형으로 변화하는 스텝변화부분과 이론공연비의 양쪽에서 선형으로 변화하는 부분을 가진 온도의존 출력특성을 가지는 감지부와, 참조전압 대 감지부의 온도의 표를 격납하고, 상기 감지부의 온도를 검출하고, 상기 검출된 온도에 따라서 상기 표를 검색하여 참조전압을 결정하고, 상기 감지부의 출력전압과 상기 참조전압과의 전압편차를 구하고, 연료혼합기의 공연비제어를 위해 미리 설정되어 있는 목표공연비와 상기 전압편차를 비교하여 제어편차를 발생하고, 상기 제어편차에 따라서 연료제어 신호를 생성하는 마이크로프로세서회로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비제어장치.
제 13 항에 있어서, 상기 결정하는 기능을 행하는 상기 마이크로프로세서회로는 상기 이론공연비와 상기 미리 설정된 목표공연비와의 대소를 판별하고, 상기 편별의 결과에 따라서 상이한 참조전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비제어장치.
제 14 항에 있어서, 상기 결정하는 기능을 행하는 상기 마이크로프로세서회로는 상기 이론공연비와 상기 미리 설정된 목표공연비와의 대소를 판별하고, 상기 판별의 결과에 따라서 상이한 참조전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 공연비제어장치.