WO2014125661A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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圭一郎 青木
剛 林下
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トヨタ自動車株式会社
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    • G01N27/4072—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure characterized by the diffusion barrier

Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine.
  • An oxygen concentration sensor including a diffusion rate layer covering an electrode is disposed in an engine exhaust passage, and an air-fuel ratio is controlled based on an output of the oxygen concentration sensor (see Patent Document 1). .
  • This oxygen concentration sensor generates an output voltage higher than the reference voltage corresponding to the theoretical air-fuel ratio when the air-fuel ratio is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, and is lower than the reference voltage when the air-fuel ratio is larger than the stoichiometric air-fuel ratio. Generate output voltage. Therefore, when the output voltage is higher than the reference voltage, it is determined that the air-fuel ratio is smaller than the theoretical air-fuel ratio, and control is performed so that the air-fuel ratio becomes larger. On the other hand, when the output voltage is lower than the reference voltage, it is determined that the air-fuel ratio is larger than the theoretical air-fuel ratio, and control is performed so that the air-fuel ratio becomes smaller.
  • the diffusion rate layer has a function of regulating the diffusion rate of the exhaust gas. In this oxygen concentration sensor, no voltage is applied between the exhaust gas side electrode and the reference gas side electrode.
  • Patent Document 1 since the exhaust gas side electrode is covered with the diffusion-controlling layer, the responsiveness of the oxygen concentration sensor is lowered. As a result, the output voltage of the oxygen concentration sensor has hysteresis. That is, the change in output voltage when the air-fuel ratio increases across the stoichiometric air-fuel ratio is different from the change in output voltage when the air-fuel ratio decreases across the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, particularly when the air-fuel ratio is close to the stoichiometric air-fuel ratio, the output voltage may be lower than the reference voltage even though the air-fuel ratio is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio. Nevertheless, the output voltage may be higher than the reference voltage. As a result, the air-fuel ratio cannot be accurately detected, and therefore the air-fuel ratio may not be accurately controlled. To solve this problem, a complicated configuration or control is required.
  • a sensor for detecting the oxygen concentration or air-fuel ratio in the exhaust gas comprising an electrode and an electric circuit for applying a reference voltage between these electrodes, is disposed in the engine exhaust passage, and the oxygen concentration or air-fuel ratio is determined.
  • the sensor for detecting has a characteristic that the output current continues to increase without having a limit current region when the voltage applied between the electrodes is increased when the air-fuel ratio is constant, and the oxygen concentration or the air-fuel ratio.
  • the air / fuel ratio can be accurately controlled with a simple configuration.
  • 1 is an overall view of an internal combustion engine. It is a partial expanded sectional view of the sensor for detecting oxygen concentration or an air fuel ratio. It is the schematic of the electric circuit of the sensor for detecting oxygen concentration or an air fuel ratio. It is a diagram which shows the relationship between the output current of the sensor for detecting the oxygen concentration of the Example by this invention, or an air fuel ratio, and the voltage between electrodes. It is a diagram which shows the relationship between the output current of the conventional linear characteristic air fuel ratio sensor, and the voltage between electrodes. It is a diagram which shows the relationship between the output current of the sensor for detecting the oxygen concentration of the Example by this invention, or an air fuel ratio, and the voltage between electrodes.
  • 3 is a flowchart for executing an air-fuel ratio control routine. It is a diagram which shows the relationship between the output current of the sensor for detecting oxygen concentration or an air fuel ratio, and an air fuel ratio. It is a diagram which shows the relationship between the output current of the sensor for detecting oxygen concentration or an air fuel ratio, and an air fuel ratio. It is a diagram which shows the reference current Is. It is a flowchart which performs the air-fuel-ratio control routine of another Example by this invention.
  • FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a spark ignition type internal combustion engine.
  • the present invention can also be applied to a compression ignition type internal combustion engine.
  • 1 is an engine body having four cylinders
  • 2 is a cylinder block
  • 3 is a cylinder head
  • 4 is a piston
  • 5 is a combustion chamber
  • 6 is an intake valve
  • 7 is an intake port
  • 8 is an exhaust.
  • a valve, 9 is an exhaust port
  • 10 is a spark plug.
  • the intake port 7 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe 11, and the surge tank 12 is connected to an air cleaner 14 via an intake duct 13.
  • An air flow meter 15 for detecting the amount of intake air and a throttle valve 17 driven by an actuator 16 are disposed in the intake duct 13.
  • An electronically controlled fuel injection valve 18 is disposed in each intake port 7. These fuel injection valves 18 are connected to a fuel pump 20 through a common rail 19, and the fuel pump 20 is connected to a fuel tank 21.
  • the exhaust port 9 is connected to a relatively small capacity catalytic converter 23 via an exhaust manifold 22.
  • the catalytic converter 23 is connected to a relatively large capacity catalytic converter 25 via an exhaust pipe 24, and the catalytic converter 25 is connected to an exhaust pipe 26.
  • the catalytic converters 23 and 25 have catalysts such as three-way catalysts 23a and 25a, respectively.
  • a sensor 27u for detecting the oxygen concentration or air-fuel ratio in the exhaust gas is attached to the exhaust manifold 22 upstream of the three-way catalyst 23a, and the oxygen concentration or air in the exhaust gas is attached to the exhaust pipe 24 downstream of the three-way catalyst 23a.
  • a sensor 27d for detecting the fuel ratio is attached.
  • the sensor 27u is referred to as an upstream sensor
  • the sensor 27d is referred to as a downstream sensor.
  • the electronic control unit 30 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 31.
  • a load sensor 40 for detecting the amount of depression of the accelerator pedal 39 is attached to the accelerator pedal 39. Output signals of the air flow meter 15, the sensors 27u and 27d, and the load sensor 40 are input to the input port 35 via the corresponding AD converters 37, respectively.
  • a crank angle sensor 41 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates by a certain angle, for example, 30 crank angles, is connected to the input port 35.
  • the CPU 34 calculates the engine speed based on the output pulse from the crank angle sensor 41.
  • the output port 36 is connected to the spark plug 10, the actuator 16, the fuel injection valve 18, and the fuel pump 20 via the corresponding drive circuit 38.
  • FIG. 2 shows a partially enlarged sectional view of the downstream sensor 27d.
  • the upstream sensor 27u is configured similarly to the downstream sensor 27d.
  • the upstream sensor can be configured by a sensor having a configuration different from that of the downstream sensor 27d.
  • reference numeral 50 denotes a housing
  • 51 denotes a sensor element held by the housing 50
  • 52 denotes a cover having an opening 53.
  • the sensor element 51 includes a cup-shaped solid electrolyte body 54, an exhaust gas side electrode 55 provided on the outer surface of the solid electrolyte body 54, and a reference gas side electrode 56 provided on the inner surface of the solid electrolyte body 54.
  • the sensor element 51 and the cover 52 are disposed in the internal space 24 a of the exhaust pipe 24. Therefore, the exhaust gas in the exhaust pipe 24 is introduced around the sensor element 51 through the opening 53 of the cover 52, and the exhaust gas side electrode 55 is brought into contact with the exhaust gas.
  • a reference gas chamber 57 into which a reference gas is introduced is formed in the internal space of the solid electrolyte body 54. Therefore, the reference gas side electrode 56 is in contact with the reference gas.
  • the reference gas is formed from the atmosphere, and therefore the reference gas side electrode 56 is also referred to as an atmosphere side electrode.
  • the solid electrolyte body 54 is formed from a solid electrolyte such as zirconia.
  • the electrodes 55 and 56 are made of a noble metal such as platinum.
  • the exhaust gas side electrode 55 is covered with a coating layer 58, the coating layer 58 is covered with a catalyst layer 59, and the catalyst layer 59 is covered with a trap layer 60.
  • the coating layer 58 is for protecting the exhaust gas side electrode 55 and is made of, for example, a porous ceramic such as spinel.
  • the catalyst layer 59 is for removing hydrogen in the exhaust gas, and is formed of a noble metal such as platinum supported on a porous ceramic such as alumina.
  • the trap layer 60 is for trapping foreign matter in the exhaust gas such as deposit, and is formed of a porous ceramic such as alumina.
  • the downstream sensor 27 d further includes an electric circuit 70 that applies a voltage between the electrodes 55 and 56.
  • an electric circuit 70 includes an offset power supply 71 that supplies an offset voltage Vo, a reference power supply 72 that supplies a reference voltage Vr, an operational amplifier 73 to which a power supply voltage Vb is applied, an electrical resistor 74 that provides an electrical resistance R, and An output terminal 75 is provided.
  • the offset power supply 71 is connected to the atmosphere-side electrode 56 that is a positive electrode on the one hand, and is connected to the reference power supply 72 on the other hand, and the reference power supply 72 is connected to the + terminal of the operational amplifier 73.
  • the exhaust gas side electrode 55 which is a negative electrode, is connected to the ⁇ terminal of the operational amplifier 73 on the one hand and to the output terminal 75 via the electric resistor 74 on the other hand.
  • the output terminal 75 is input to the electronic control unit 30 (FIG. 1), and the electronic control unit 30 detects an output voltage Eo that is a potential at the output terminal 75.
  • the electric circuit 70 applies a voltage between the electrodes 55 and 56 so that the voltage Vs between the electrodes 55 and 56 is maintained at the reference voltage Vr. At this time, a current Ip flows between the electrodes 55 and 56.
  • Expression (1) can be rewritten as the following expression (2).
  • Ip (Eo ⁇ Vr ⁇ Vo) / R (2)
  • the output voltage Eo is detected, and the output current Ip is obtained using the equation (2). In another embodiment, the output current Ip is detected directly.
  • the downstream sensor 27d also includes a circuit that detects the impedance of the sensor element 51.
  • the impedance of the sensor element 51 represents the temperature of the sensor element 51 or the downstream sensor 27d.
  • the exhaust gas contacts the exhaust gas side electrode 55. Therefore, at the exhaust gas side electrode 55, HC and CO in the exhaust gas react with oxygen. As a result, a current Ip flows between the electrodes 55 and 56.
  • FIG. 4 shows the relationship between the interelectrode voltage Vs of the downstream sensor 27d and the output current Ip when the air-fuel ratio is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the output current Ip continues to increase as the interelectrode voltage Vs increases.
  • FIG. 5 shows the relationship between the output current Ip 'of the linear characteristic air-fuel ratio sensor and the interelectrode voltage Vs' when the air-fuel ratio is maintained at the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the output current Ip ′ increases as the interelectrode voltage Vs ′ increases.
  • the output current Ip' becomes substantially constant.
  • the output current Ip ′ increases as the interelectrode voltage Vs ′ increases.
  • the voltage region where the output current Ip ′ is substantially constant is referred to as a limiting current region LC.
  • the reason why the output current Ip ′ has the limit current region LC is that the diffusion of the exhaust gas to the exhaust gas side electrode is limited by the diffusion rate controlling layer.
  • the output current Ip ′ has a limit current region LC, the response of the air-fuel ratio sensor is lowered, and the output current Ip ′ may have hysteresis.
  • the output current Ip of the downstream sensor 27d of the embodiment according to the present invention does not have a limit current region as shown in FIG. This is because the downstream sensor 27d of the embodiment according to the present invention does not include a diffusion rate limiting layer. As a result, the response of the downstream sensor 27d is improved.
  • the reference voltage Vr is applied between the electrodes 55 and 56 as described above, the reaction at the exhaust gas side electrode 55 is promoted. As a result, the output current Ip has no hysteresis. Therefore, the air-fuel ratio can be accurately detected.
  • the coating layer 58 of the downstream sensor 27d of the embodiment according to the present invention is different in configuration from the diffusion rate limiting layer of the linear characteristic air-fuel ratio sensor in that the output current Ip is formed so as not to have a limit current region.
  • the coating layer 58 has a larger porosity than, for example, a diffusion-controlled layer of a linear characteristic air-fuel ratio sensor.
  • the output current Ip at the interelectrode voltage Vs is expressed as Ip (Vs), (Ip (0.7 volts) ⁇ Ip (0.45 volts)) / Ip (0.45 volts) ⁇ 0. .05 and
  • FIG. 6 shows the relationship between the output current Ip and the interelectrode voltage Vs at various air-fuel ratios of the downstream sensor 27d of the embodiment according to the present invention.
  • curves Ca, Cb, Cc, Cd, Ce, Cf, Cg, Ch, and Ci have air-fuel ratios of 12, 13, 14, theoretical air-fuel ratio (14.6), 15, 18, 25, and 40, respectively.
  • the output current Ip when maintained is shown.
  • a curve Cj indicates the output current Ip when the exhaust gas side electrode 55 is in contact with the atmosphere. As can be seen from FIG. 6, the output current Ip increases as the air-fuel ratio increases.
  • FIG. 7 shows the relationship between the air-fuel ratio AF and the output current Ip when the interelectrode voltage Vs is maintained at the reference voltage Vr in the downstream sensor 27d of the embodiment according to the present invention.
  • the output current Ip increases as the air-fuel ratio AF increases.
  • the output current Ip becomes the reference current Is (> 0).
  • the reference air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the oxygen concentration or air-fuel ratio in the exhaust gas can be detected from the output current Ip of the downstream sensor 27d. Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the output current Ip is smaller than the reference current Is, it is judged that the air-fuel ratio AF is smaller than the theoretical air-fuel ratio AFS, that is, richer than the theoretical air-fuel ratio AFS, and the output current Ip is When larger than the reference current Is, it is determined that the air-fuel ratio AF is larger than the theoretical air-fuel ratio AFS, that is, leaner than the theoretical air-fuel ratio AFS.
  • the air-fuel ratio is controlled based on the determination result. For example, when it is determined that the air-fuel ratio AF is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio AFS based on the output current Ip of the downstream sensor 27d, the air-fuel ratio AF is controlled to increase. On the other hand, when it is determined that the air-fuel ratio AF is larger than the stoichiometric air-fuel ratio AFS based on the output current Ip of the downstream sensor 27d, the air-fuel ratio AF is controlled to be small. In this example, the air-fuel ratio AF is controlled using the theoretical air-fuel ratio AFS, that is, the reference air-fuel ratio as a target value. The air-fuel ratio AF is controlled, for example, by controlling the fuel injection amount or the intake air amount.
  • the reference voltage Vr is set so that the change of the output current Ip with respect to the air-fuel ratio AF becomes large in the vicinity of the reference air-fuel ratio. In this way, it is possible to more accurately detect whether the air-fuel ratio AF is smaller or larger than the reference air-fuel ratio.
  • FIG. 8 shows a routine for executing the above-described air-fuel ratio control.
  • step 101 it is determined whether or not the output current Ip of the downstream sensor 27d is smaller than the reference current Is.
  • the routine proceeds to step 102 where control is performed so that the air-fuel ratio becomes large.
  • the routine proceeds to step 103 where control is performed so that the air-fuel ratio becomes smaller.
  • FIG. 9A shows the output current Ip when the temperature of the downstream sensor 27d is relatively low
  • FIG. 9B shows the output current Ip when the temperature of the downstream sensor 27d is relatively high.
  • the output current Ip increases as the temperature of the downstream sensor 27d increases. For this reason, if the air-fuel ratio is detected based on the constant reference current Is, there is a risk of erroneous detection.
  • the reference current Is is set based on the temperature Ts of the downstream sensor 27d. Specifically, as shown in FIG. 10, the reference current Is is set to increase as the temperature Ts of the downstream sensor 27d increases. As a result, the air-fuel ratio can be accurately detected regardless of the temperature Ts of the downstream sensor 27d, and therefore the air-fuel ratio can be accurately controlled.
  • the reference current Is is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map shown in FIG.
  • FIG. 11 shows a routine for executing air-fuel ratio control according to another embodiment of the present invention.
  • step 100a the temperature Ts of the downstream sensor 27d is detected.
  • the reference current Is is calculated from the map of FIG.
  • step 101 it is determined whether or not the output current Ip of the downstream sensor 27d is smaller than the reference current Is.
  • Ip ⁇ Is the routine proceeds to step 102 where control is performed so that the air-fuel ratio becomes large.
  • Ip ⁇ Is the routine proceeds to step 103 where control is performed so that the air-fuel ratio becomes smaller.
  • the reference voltage Vr is set so that the reference current Is has a positive value.
  • the reference voltage Vr is set so that the reference current Is becomes zero. In this way, the detection error is reduced.
  • FIG. 12A shows the relationship between the output current Ip and the interelectrode voltage Vs when the temperature Ts of the downstream sensor 27d is relatively low
  • FIG. 12B shows the output current Ip and the interelectrode voltage when the temperature of the downstream sensor 27d is relatively high. The relationship with the voltage Vs is shown.
  • FIGS. 12A and 12B when the temperature of the downstream sensor 27d increases, the reference voltage Vr at which the output current Ip becomes zero decreases. For this reason, if the air-fuel ratio is detected based on the output current Ip detected while applying the constant reference voltage Vr, there is a risk of erroneous detection.
  • the reference voltage Vr is set based on the temperature Ts of the downstream sensor 27d. Specifically, as shown in FIG. 13, the reference voltage Vr is set to decrease as the temperature Ts of the downstream sensor 27d increases. As a result, the air-fuel ratio can be accurately detected regardless of the temperature Ts of the downstream sensor 27d, and therefore the air-fuel ratio can be accurately controlled.
  • the reference voltage Vr is stored in advance in the ROM 32 in the form of a map shown in FIG.
  • FIG. 14 shows a routine for executing the reference voltage control of still another embodiment according to the present invention.
  • step 200a the temperature Ts of the downstream sensor 27d is detected.
  • the reference voltage Vr is calculated from the map of FIG.
  • the interelectrode voltage Vs is maintained at the reference voltage Vr calculated in this way.

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Abstract

　固体電解質体と、固体電解質体の一側に設けられ排気ガスに接触される排気ガス側電極と、固体電解質体の他側に設けられ大気に接触される大気側電極と、これら電極間に基準電圧を印加する電気回路と、を備える、排気ガス中の酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサを機関排気通路内に配置する。酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサは、空燃比が一定のときに電極間に印加される電圧（Ｖｓ）を増加させていくと出力電流（Ｉｐ）が限界電流領域を有することなく増大し続ける特性を有する。酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流（Ｉｐ）に基づいて空燃比を制御する。

Description

内燃機関の制御装置
　本発明は内燃機関の制御装置に関する。
　固体電解質体と、固体電解質体の一側に設けられ排気ガスに接触される排気ガス側電極と、固体電解質体の他側に設けられ基準ガスに接触される基準ガス側電極と、排気ガス側電極を覆う拡散速度層とを備える酸素濃度センサを機関排気通路内に配置し、酸素濃度センサの出力に基づいて空燃比を制御する、内燃機関の制御装置が公知である（特許文献１参照）。この酸素濃度センサは、空燃比が理論空燃比よりも小さいときに理論空燃比に対応する基準電圧よりも高い出力電圧を発生し、空燃比が理論空燃比よりも大きいときに基準電圧よりも低い出力電圧を発生する。従って、出力電圧が基準電圧よりも高いときには空燃比が理論空燃比よりも小さいと判断され、空燃比が大きくなるように制御される。一方、出力電圧が基準電圧よりも低いときには空燃比が理論空燃比よりも大きいと判断され、空燃比が小さくなるように制御される。この場合、拡散速度層は排気ガスの拡散速度を律する働きを有している。なお、この酸素濃度センサでは排気ガス側電極と基準ガス側電極との間に電圧は印加されていない。
特開２００６－２９１８９３号公報
　しかしながら、特許文献１では、排気ガス側電極が拡散律速層により覆われているので、酸素濃度センサの応答性が低下する。その結果、酸素濃度センサの出力電圧はヒステリシスを有することになる。即ち、空燃比が理論空燃比を横切って増大する場合の出力電圧の変化と、空燃比が理論空燃比を横切って減少する場合の出力電圧の変化とが互いに異なってしまう。このため、特に空燃比が理論空燃比に近いときに、空燃比が理論空燃比よりも小さいにもかかわらず出力電圧が基準電圧よりも低い場合があり、空燃比が理論空燃比よりも大きいにもかかわらず出力電圧が基準電圧よりも高い場合がある。その結果、空燃比を正確に検出できず、従って空燃比を正確に制御できないおそれがある。この問題を解決するには複雑な構成又は制御が必要になる。
　本発明によれば、固体電解質体と、固体電解質体の一側に設けられ排気ガスに接触される排気ガス側電極と、固体電解質体の他側に設けられ基準ガスに接触される基準ガス側電極と、これら電極間に基準電圧を印加する電気回路と、を備える、排気ガス中の酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサを機関排気通路内に配置し、該酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサは、空燃比が一定のときに電極間に印加される電圧を増加させていくと出力電流が限界電流領域を有することなく増大し続ける特性を有し、酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流に基づいて空燃比を制御する、内燃機関の制御装置が提供される。
　簡単な構成でもって空燃比を正確に制御することができる。
内燃機関の全体図である。 酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの部分拡大断面図である。 酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの電気回路の概略図である。 本発明による実施例の酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流と電極間電圧との関係を示す線図である。 従来のリニア特性空燃比センサの出力電流と電極間電圧との関係を示す線図である。 本発明による実施例の酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流と電極間電圧との関係を示す線図である。 本発明による実施例の酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流と空燃比との関係を示す線図である。 空燃比制御ルーチンを実行するフローチャートである。 酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流と空燃比との関係を示す線図である。 酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流と空燃比との関係を示す線図である。 基準電流Ｉｓを示す線図である。 本発明による別の実施例の空燃比制御ルーチンを実行するフローチャートである。 酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流と電極間電圧との関係を示す線図である。 酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流と電極間電圧との関係を示す線図である。 基準電圧Ｖｒを示す線図である。 基準電圧制御ルーチンを実行するフローチャートである。
　図１は本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を圧縮着火式内燃機関に適用することもできる。
　図１を参照すると、１は例えば４つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１５と、アクチュエータ１６により駆動されるスロットル弁１７とが配置される。また、各吸気ポート７内には電子制御式の燃料噴射弁１８が配置される。これら燃料噴射弁１８は共通のコモンレール１９を介し燃料ポンプ２０に連結され、燃料ポンプ２０は燃料タンク２１に連結される。
　一方、排気ポート９は排気マニホルド２２を介して比較的小容量の触媒コンバータ２３に連結される。触媒コンバータ２３は排気管２４を介して比較的大容量の触媒コンバータ２５に連結され、触媒コンバータ２５は排気管２６に連結される。触媒コンバータ２３，２５内は三元触媒２３ａ，２５ａのような触媒をそれぞれ具備する。三元触媒２３ａ上流の排気マニホルド２２には排気ガス中の酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサ２７ｕが取り付けられ、三元触媒２３ａ下流の排気管２４には排気ガス中の酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサ２７ｄが取り付けられる。以下では、センサ２７ｕを上流側センサと称し、センサ２７ｄを下流側センサと称することにする。
　電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータから構成され、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量を検出するための負荷センサ４０が取り付けられる。エアフローメータ１５、センサ２７ｕ，２７ｄ及び負荷センサ４０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが一定角度例えば３０クランク角度回転するごとに出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、アクチュエータ１６、燃料噴射弁１８、および燃料ポンプ２０にそれぞれ接続される。
　図２は下流側センサ２７ｄの部分拡大断面図を示している。なお、上流側センサ２７ｕは下流側センサ２７ｄと同様に構成される。なお、上流側センサは２７ｕを下流側センサ２７ｄと異なる構成のセンサから構成することもできる。
　図２を参照すると、５０はハウジング、５１はハウジング５０により保持されたセンサ素子、５２は開口５３を有するカバーをそれぞれ示す。センサ素子５１はカップ状の固体電解質体５４と、固体電解質体５４の外面に設けられた排気ガス側電極５５と、固体電解質体５４の内面に設けられた基準ガス側電極５６とを備える。センサ素子５１およびカバー５２は排気管２４の内部空間２４ａ内に配置される。従って、排気管２４内の排気ガスがカバー５２の開口５３を介しセンサ素子５１周りに導入され、排気ガス側電極５５は排気ガスに接触される。一方、固体電解質体５４の内部空間には基準ガスが導入される基準ガス室５７が形成されている。従って、基準ガス側電極５６は基準ガスに接触される。図２に示される例では基準ガスが大気から形成され、従って基準ガス側電極５６を大気側電極とも称する。図２に示される例では、固体電解質体５４はジルコニアのような固体電解質から形成される。電極５５，５６は白金のような貴金属から形成される。
　排気ガス側電極５５はコーティング層５８により覆われ、コーティング層５８は触媒層５９により覆われ、触媒層５９はトラップ層６０により覆われている。コーティング層５８は排気ガス側電極５５を保護するためのものであり、例えばスピネルのような多孔質セラミックから形成される。触媒層５９は排気ガス中の水素を除去するためのものであり、例えばアルミナのような多孔質セラミックに担持された白金のような貴金属から形成される。トラップ層６０はデポジットのような排気ガス中の異物を捕獲するためのものであり、例えばアルミナのような多孔質セラミックから形成される。
　図３に示されるように、下流側センサ２７ｄは更に、電極５５，５６間に電圧を印加する電気回路７０を備える。図３を参照すると、電気回路７０はオフセット電圧Ｖｏを与えるオフセット電源７１、基準電圧Ｖｒを与える基準電源７２、電源電圧Ｖｂが与えられているオペアンプ７３、電気抵抗Ｒを与える電気抵抗器７４、および出力端子７５を備える。オフセット電源７１は一方では正極である大気側電極５６に接続され、他方では基準電源７２に接続され、基準電源７２はオペアンプ７３の＋端子に接続される。負極である排気ガス側電極５５は一方ではオペアンプ７３の－端子に接続され、他方では電気抵抗器７４を介して出力端子７５に接続される。出力端子７５は電子制御ユニット３０（図１）に入力され、電子制御ユニット３０では出力端子７５における電位である出力電圧Ｅｏが検出される。
　電気回路７０は電極５５，５６間の電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒに維持されるように電極５５，５６間に電圧を印加し、このとき電極５５，５６間に電流Ｉｐが流れる。この場合、出力電圧Ｅｏは次式（１）で表される。
　　　Ｅｏ＝Ｖｒ＋Ｖｏ＋Ｉｐ・Ｒ　　　（１）
　式（１）は次式（２）のように書き換えられる。
　　　Ｉｐ＝（Ｅｏ－Ｖｒ－Ｖｏ）／Ｒ　　　（２）
　図３に示される実施例では出力電圧Ｅｏが検出され、式（２）を用いて出力電流Ｉｐが求められる。別の実施例では出力電流Ｉｐが直接的に検出される。なお、図３において、ＥおよびＲｉは固体電解質体５４の起電力および内部抵抗をそれぞれ示している（Ｖｓ＝Ｅ＋Ｉｐ・Ｒｉ）。
　また、下流側センサ２７ｄはセンサ素子５１のインピーダンスを検出する回路も備えている。センサ素子５１のインピーダンスはセンサ素子５１ないし下流側センサ２７ｄの温度を表している。
　さて、上述したように排気ガス側電極５５には排気ガスが接触する。このため、排気ガス側電極５５では排気ガス中のＨＣ，ＣＯが酸素と反応する。その結果、電極５５，５６間に電流Ｉｐが流れる。
　図４は空燃比を理論空燃比に維持したときの下流側センサ２７ｄの電極間電圧Ｖｓと出力電流Ｉｐとの関係を示している。図４からわかるように、電極間電圧Ｖｓを増加させていくと出力電流Ｉｐは増大し続ける。
　ところで、固体電解質体と、固体電解質体の一側に設けられ排気ガスに接触される排気ガス側電極と、固体電解質体の他側に設けられ基準ガスに接触される基準ガス側電極と、これら電極間に電圧を印加する電気回路と、排気ガス側電極を覆う拡散律速層と、を備えるリニア特性空燃比センサが公知である。図５は空燃比を理論空燃比に維持したときのリニア特性空燃比センサの出力電流Ｉｐ’と電極間電圧Ｖｓ’との関係を示している。図５に示されるように、電極間電圧Ｖｓ’が低いときには電極間電圧Ｖｓ’が増加するにつれて出力電流Ｉｐ’は増加する。電極間電圧Ｖｓ’が更に増加すると出力電流Ｉｐ’はほぼ一定になる。電極間電圧Ｖｓ’が更に増加すると電極間電圧Ｖｓ’が増加するにつれて出力電流Ｉｐ’は増加する。図５において出力電流Ｉｐ’がほぼ一定になる電圧領域は限界電流領域ＬＣと称されている。このように出力電流Ｉｐ’が限界電流領域ＬＣを有するのは、排気ガス側電極への排気ガスの拡散が拡散律速層により律速されるからである。出力電流Ｉｐ’が限界電流領域ＬＣを有する場合には空燃比センサの応答性が低下し、出力電流Ｉｐ’がヒステリシスを有するおそれがある。
　これに対し、本発明による実施例の下流側センサ２７ｄの出力電流Ｉｐは図４に示されるように限界電流領域を有していない。これは、本発明による実施例の下流側センサ２７ｄが拡散律速層を備えていないからである。その結果、下流側センサ２７ｄの応答性が高められる。しかも、上述したように電極５５，５６間に基準電圧Ｖｒが印加されるので、排気ガス側電極５５での反応が促進される。その結果、出力電流Ｉｐはヒステリシスを有さない。従って、空燃比を正確に検出することができる。
　なお、本発明による実施例の下流側センサ２７ｄのコーティング層５８は、出力電流Ｉｐが限界電流領域を有さないように形成される点で、リニア特性空燃比センサの拡散律速層と構成を異にする。具体的には、コーティング層５８は例えばリニア特性空燃比センサの拡散律速層よりも大きな気孔率を有している。
　本発明では、電極間電圧Ｖｓにおける出力電流ＩｐをＩｐ（Ｖｓ）で表したときに、（Ｉｐ（０．７ボルト）－Ｉｐ（０．４５ボルト））／Ｉｐ（０．４５ボルト）＜０．０５かつ｜Ｉｐ（０．２ボルト）－Ｉｐ（０．４５ボルト））｜／Ｉｐ（０．４５ボルト）＜０．０５のときに出力電流が限界電流領域を有していると判断される。これに対し、（Ｉｐ（０．７ボルト）－Ｉｐ（０．４５ボルト））／Ｉｐ（０．４５ボルト）≧０．０５又は｜Ｉｐ（０．２ボルト）－Ｉｐ（０．４５ボルト））｜／Ｉｐ（０．４５ボルト）≧０．０５のときには出力電流が限界電流領域を有していないと判断される。
　図６は本発明による実施例の下流側センサ２７ｄの種々の空燃比における出力電流Ｉｐと電極間電圧Ｖｓとの関係を示している。図６において、曲線Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄ，Ｃｅ，Ｃｆ，Ｃｇ，Ｃｈ，Ｃｉはそれぞれ空燃比が１２，１３，１４，理論空燃比（１４．６），１５，１８，２５，４０に維持された場合の出力電流Ｉｐを示している。また、曲線Ｃｊは排気ガス側電極５５に大気が接触された場合の出力電流Ｉｐを示している。図６からわかるように、空燃比が大きくなるにつれて出力電流Ｉｐが大きくなる。
　図７は本発明による実施例の下流側センサ２７ｄにおいて電極間電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒに維持されている場合の空燃比ＡＦと出力電流Ｉｐとの関係を示している。図７からわかるように、空燃比ＡＦが大きくなるにつれて出力電流Ｉｐは大きくなる。また、空燃比ＡＦが基準空燃比のときに出力電流Ｉｐは基準電流Ｉｓ（＞０）となる。なお、図７に示される例では基準空燃比が理論空燃比とされている。
　このように下流側センサ２７ｄの出力電流Ｉｐから排気ガス中の酸素濃度又は空燃比を検出できる。そこで本発明による実施例では、出力電流Ｉｐが基準電流Ｉｓよりも小さいときに空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦＳよりも小さい、即ち理論空燃比ＡＦＳよりもリッチであると判断され、出力電流Ｉｐが基準電流Ｉｓよりも大きいときに空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦＳよりも大きい、即ち理論空燃比ＡＦＳよりもリーンであると判断される。
　その上で、この判断結果に基づいて空燃比が制御される。例えば、下流側センサ２７ｄの出力電流Ｉｐに基づき空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦＳよりも小さいと判断されたときには、空燃比ＡＦが大きくなるように制御される。一方、下流側センサ２７ｄの出力電流Ｉｐに基づき空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦＳよりも大きいと判断されたときには、空燃比ＡＦが小さくなるように制御される。この例では、空燃比ＡＦは理論空燃比ＡＦＳ、即ち基準空燃比を目標値として制御されることになる。なお、空燃比ＡＦは例えば燃料噴射量又は吸入空気量を制御することにより制御される。
　なお、基準電圧Ｖｒは、基準空燃比近傍において空燃比ＡＦに対する出力電流Ｉｐの変化が大きくなるように設定される。このようにすると、空燃比ＡＦが基準空燃比よりも小さいか大きいかをより正確に検出することができる。
　図８は上述の空燃比制御を実行するルーチンを示している。図８を参照すると、ステップ１０１では下流側センサ２７ｄの出力電流Ｉｐが基準電流Ｉｓよりも小さいか否かが判別される。Ｉｐ＜Ｉｓのときにはステップ１０２に進み、空燃比が大きくなるように制御される。Ｉｐ≧Ｉｓのときにはステップ１０３に進み、空燃比が小さくなるように制御される。
　次に、本発明による別の実施例を説明する。以下では図１から図８に示される実施例との差異について説明する。
　図９Ａは下流側センサ２７ｄの温度が比較的低いときの出力電流Ｉｐを、図９Ｂは下流側センサ２７ｄの温度が比較的高いときの出力電流Ｉｐを示している。図９Ａおよび図９Ｂからわかるように、下流側センサ２７ｄの温度が高くなると、出力電流Ｉｐが高くなる。このため、一定の基準電流Ｉｓに基づいて空燃比を検出すると、誤検出するおそれがある。
　そこで、本発明による別の実施例では、基準電流Ｉｓが下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓに基づいて設定される。具体的には、図１０に示されるように下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓが高くなるにつれて基準電流Ｉｓが大きくなるように設定される。その結果、下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓに関わらず、空燃比を正確に検出することができ、従って空燃比を正確に制御することができる。なお、基準電流Ｉｓは図１０に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
　図１１は本発明による別の実施例の空燃比制御を実行するルーチンを示している。図１１を参照すると、ステップ１００ａでは下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓが検出される。続くステップ１００ｂでは図１０のマップから基準電流Ｉｓが算出される。続くステップ１０１では下流側センサ２７ｄの出力電流Ｉｐが基準電流Ｉｓよりも小さいか否かが判別される。Ｉｐ＜Ｉｓのときにはステップ１０２に進み、空燃比が大きくなるように制御される。Ｉｐ≧Ｉｓのときにはステップ１０３に進み、空燃比が小さくなるように制御される。
　次に、本発明による更に別の実施例を説明する。以下では図１から図８に示される実施例との差異について説明する。
　上述の実施例では、基準電流Ｉｓが正値となるように基準電圧Ｖｒが設定されている。これに対し、本発明による更に別の実施例では、基準電流Ｉｓがゼロとなるように基準電圧Ｖｒが設定される。このようにすると、検出誤差が小さくなる。
　図１２Ａは下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓが比較的低いときの出力電流Ｉｐと電極間電圧Ｖｓとの関係を、図１２Ｂは下流側センサ２７ｄの温度が比較的高いときの出力電流Ｉｐと電極間電圧Ｖｓとの関係を示している。図１２Ａおよび図１２Ｂからわかるように、下流側センサ２７ｄの温度が高くなると、出力電流Ｉｐがゼロになる基準電圧Ｖｒが低くなる。このため、一定の基準電圧Ｖｒを印加しながら検出された出力電流Ｉｐに基づいて空燃比を検出すると、誤検出するおそれがある。
　そこで、本発明による更に別の実施例では、基準電圧Ｖｒが下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓに基づいて設定される。具体的には、図１３に示されるように下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓが高くなるにつれて基準電圧Ｖｒが低くなるように設定される。その結果、下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓに関わらず、空燃比を正確に検出することができ、従って空燃比を正確に制御することができる。なお、基準電圧Ｖｒは図１３に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
　図１４は本発明による更に別の実施例の基準電圧制御を実行するルーチンを示している。図１４を参照すると、ステップ２００ａでは下流側センサ２７ｄの温度Ｔｓが検出される。続くステップ１００ｂでは図１３のマップから基準電圧Ｖｒが算出される。下流側センサ２７ｄでは、電極間電圧Ｖｓがこのようにして算出された基準電圧Ｖｒに維持される。
　１　　機関本体
　２２　　排気マニホルド
　２４，２６　　排気管
　２３ａ，２５ａ　　三元触媒
　２７ｕ，２７ｄ　　酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサ
　５４　　固体電解質体
　５５　　排気ガス側電極
　５６　　基準ガス側電極
　７０　　電気回路

Claims (9)

  1. 　固体電解質体と、固体電解質体の一側に設けられ排気ガスに接触される排気ガス側電極と、固体電解質体の他側に設けられ基準ガスに接触される基準ガス側電極と、これら電極間に基準電圧を印加する電気回路と、を備える、排気ガス中の酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサを機関排気通路内に配置し、該酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサは、空燃比が一定のときに電極間に印加される電圧を増加させていくと出力電流が限界電流領域を有することなく増大し続ける特性を有し、酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの出力電流に基づいて空燃比を制御する、内燃機関の制御装置。
  2. 　酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサは空燃比が大きくなるにつれて出力電流が増大する特性を有する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 　出力電流が基準空燃比に対応する基準電流よりも小さいときに空燃比が基準空燃比よりも小さいと判断され、出力電流が基準電流よりも大きいときに空燃比が基準空燃比よりも大きいと判断され、判断結果に基づいて空燃比が制御される、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 　酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの温度に基づいて基準電流が設定される、請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 　酸素濃度又は空燃比を検出するためのセンサの温度が高くなるにつれて基準電流が大きく設定される、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 　基準空燃比が理論空燃比である、請求項３から５までのいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 　基準電流が正値になるように基準電圧が設定される、請求項３から６までのいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  8. 　基準電流がゼロになるように基準電圧が設定される、請求項３から６までのいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
  9. 　基準ガスが大気である、請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
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