JPH01123141A - 内燃機関の空燃比制御装置 - 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】 〔産業上の利用分舒〕 この発明は、リーンからリッチまで空燃比検出可能な広
域空燃比センサを用いて内燃機関の空燃比フィードバッ
ク制御を行う場合に、特に機関始動時、急加減速時と低
温時における空燃比センサ検出精度を向上させ、機関の
空燃比制御性能の向上を図った内燃機関の空燃比制御装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は例えば特開昭Ｊ３１−２０４５５９号公報に示
された従来の内燃機関の空燃比制御装置の構成図であり
、図において、１は内燃機関、２はこの内燃機関１に接
続された吸気管、３はこの吸気ｖ２内に設けられた絞り
弁である。

この吸気管２内の圧力は圧力センサ４で検出し、その検
出出力はＡＤコンバータ９１に送出するようになってい
る。

また、内燃機関１の回転をパルスとして回転センサ５で
検出するようにしており、この回転センサ５の出力は入
出力回路９２に送出するようになっている。

さらに、１ｆｉｆｉ管２ヘインジ工クタ６により燃料を
噴射するようになっており、このインジェクタ６は出力
回路９６の出力で駆動されるようになっている。

また、内燃機関１に排気管７が接続されてお９、この排
気ＩＩ！！ニア内の排気ガス成分がら空燃比に対応した
出力が広域空燃比センサ８からＡＤコンバータ９１に送
出するようにしている。

一方、９は圧力センサ４と回転センサ５と広域空燃比セ
ンサ８と冷却水温センサ１ｏなどの情報から所要燃料量
を演算し、インジェクタ６の駆動パルス幅を発生する制
御装置である。

この制御装置９におけるＡＤコンバータ９１は広域空燃
比センサ８および圧力センサ４などのアナログ信号をデ
ジタル値に変換してマイクロプロセッサ９３に送出する
ようになっている。

また、入力回路９２は回転センサ５のパルス入力信号を
レベル変換するための入力回路で、その出力もマイクロ
プロセッサ９３に送出するようになっている。

このマイクロプロセッサ９３はＡＤコンバータ９１およ
び入力回路９２から得られたデジタルおよびパルス信号
に基づいて内燃機関１へ供給すべき燃料量を演算し、そ
の結果にしたがってインジェクタ６の駆動パルス幅を変
える駆動パルスを出力するものである。

このマイク彎プロセッ２す９３の制御手順やデータを予
めＲＯＭ９４で記憶しており、またＲＡＭ９５で演算過
程におけるデータを一時的に格納するようにしている。

そして、マイクロプロセッサ９３の出力信号にしたがっ
てインジェクタ駆動出力口゛路９６でインジェクタ６を
駆動するようにしている。

上記第７図中の広域空燃比センサ８は第８図に示すよう
に構成されており、８１は固体電解質酸素ポンプセル（
以下酸素ポンプセルという）、８２は固体電解質酸素電
池セル（以下酸素電池セルという）、８３ｍ、８３ｂお
よび８３ｅは多孔質でできた電極、８４は拡散室、８５
は基準電圧源、８６は基準電圧源８５の基準電圧と酸素
電池セル８２の電圧とを比較する比較増幅器、８７はポ
ンプ駆動回路、８８は酸素ポンプ電流（以下ポンプ電流
という）を検出するための抵抗、８９はセンサを活性化
温度に保つため、のヒータ、９０はｋ　−夕制御回路で
ある。

この広域空燃比センサ８の構成は既に公知（例えば特開
昭６０−１２８３４９号公報、特開昭５９−６７４５５
号）のものであり、機関始動の後第７図中制御装置９の
ヒータ制御駆動出力回路９８より出された信号Ｓｈがオ
ンされるとヒータに通電され広域空燃比センサ８を所定
温度に保たれ、さらにポンプ電流駆動出力回路９７の出
力信号ＳｃがオンされるとポンプＩＢ！勅回路８７が動
作を開始し、基準電圧源８５の電圧（約０．４Ｖ）と酸
素電池セル８２の電圧とを比較増幅器８６で比較する。

この結果に基づき、その偏差が零になるようにポンプ駆
動回路８７を介して酸素ポンプセル８１に電流を流し込
むことによって、拡散室８４内の排気ガスが理論空燃比
相当となるように作用させるものである。

このような原理を用いて理論空燃比よりもリーン、リッ
チ側ともに検出可能であり、その測定結果は抵抗８８の
両端の電圧−として取り出すことができ、第３図に示す
ように広い空燃比の範囲に対して線形な出力電圧を得る
ことができる。そしてこの出力電圧ηに基づいて制御装
置９によって所望の空燃比になるように燃料噴射量がフ
ィードバック制御される。

次に動作について第９図、第１０図にしたがって説明す
る。この第９図、第１０図はＲＯＭ９４に書き込まれて
いる広域空燃比センサ制御のプログラムの実行フローチ
ャートであり１ｌｔｌＪｔｌ装置９の制御手順をフロー
チャートで表わしたものである。

第９図は検知開始タイミング算出手順を示しており、割
込み処理の合間を縫って不定期に繰り返し実行される。

まず、ステップ２０１で回転数Ｎが内燃機関始動判定回
転数（例えば４００ｒｐｍ）を超えているか否かを判定
し、Ｎ４４０　Ｏｒｐｍの場合は未だ始動完了せずと判
断してステップ２ｏ２，２０３でそれぞれヒータ制御回
路駆動信号Ｓｈ、ポンプ駆動開始信号Ｓｃの出力を停止
して（既に停止されていれば停止を維持する）、リター
ンする。

一方、Ｎ＞４０Ｏｒｐｍのときは始動完了と判断してス
テップ２０４に進む。

ステップ２０４において、ヒータ制御回路駆動信号Ｓｈ
の出力の有無を判定する。ヒータ制御回路駆動信号Ｓｈ
が出力されていなければ、まずステップ２０５でヒータ
制御回路駆動信号Ｓｈの出力を開始し、ステップ２０６
でそのときの冷却水温−を読み込み、さらにステップ２
０７でこの冷却水温尤に基づいてポンプ駆動開始信号Ｓ
、、の出力開始タイミングＴｆ、Ｔをテーブルルックア
ップする。

この出力開始タイミングＴＩＴは広域空燃比センサ８が
排気中空燃比の検出を開始するタイミングであり、ヒー
タ制御回路駆動信号Ｓｈの出力開始時点からの経過時間
という形で設定される。

次いで、ステップ２０８で回転数Ｎと燃料噴射量Ｔ２を
読み込む。燃料噴射ｌ−は図示しない他のルーチンによ
って次式に従って演算される。

Ｔ、＝に−Ｐｂ−＋７、 ただしＫは定数、１．は吸気圧力Ｐｂと回転数Ｎに対応
して予め定められた充てん効率である。

ステップ２０９で上記回転数Ｎと燃料噴射量Ｔ２に基づ
いて一定時間毎に上記出力開始タイミングＴ、から減算
する際に使用する減算値Ｔ１．、。をテーブルルックア
ップする。この出力開始タイミングＴ、Ｔおよび減算値
Ｔｉｕｂは後述するプログラムで使用されるものである
。

また、上記ステップ２０４でヒータ制御回路駆動信号Ｓ
ｈが既に出力されていると判断した場合は、ステップ２
０８に進み運転状態すなわち回転数Ｎと燃料噴射量Ｔ１
に応じて減算値Ｔ、。ゎをテーブルルックアップする。

第１０図は検知開始タイミング実行プログラムを示して
おり、このプログラムは前記第９図の検知開始タイミン
グ算出の結果に基づき、所定時間毎に一度実行される。

ステップ＼１１５でポンプ駆動開始信号Ｓ０が出力され
ているか否かを判定し、出力されていなければステップ
１１６でポンプ駆動開始信号Ｓｃ％出力開始タイミング
Ｔｓ□を次式にしたがって演算する。

Ｔ＝Ｔ　　　−Ｔ ただし、ＴＳ７：今回の処理ルーチンのポンプ駆動開始
信号Ｓ００出力開始タイミング値、 Ｔ　、Ｔ１：　　前回の処理ルーチンのポンプ駆動開始
信号Ｓ、の出力開始タイミング 値、 次いで、ステップ１１７でＴ６ア≦０になったか否かを
判別し、Ｔ、１≦０場合は検知タイミングであると判定
してステップ１１８でポンプ駆動開始信号Ｓを出力する
。

これにより、広域空燃比センサ８の酸素ポンプ電流ＩＰ
の供給が開始されて排気中空燃比の検出が。

開始され、空燃比のフィードバック制御が開始される。

また、ステップ１１７でＴ、□〉０と判定されたときは
、ステップ１１Ｂをバイパスしてリターンする。

一方、上記ステップ１１５でポンプ駆動開始信号Ｓｃが
既に出力されていれば、ステップ１１６〜１１８を経る
ことなくこの処理を終了する。

このように、始動時にまず冷却水温−によって出力開始
タイミングＴ、工を設定した後、始動後におけるエンジ
ン運転状態より広域空燃比センサ８が空燃比検出可能な
状態に活性化する時期を予想して酸素ポンプ電流Ｉ２の
供給が開始され、空燃比フィードバックＩＩＩＩＪ御が
開始され、空燃比が所望の値に制御される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の内燃機関の空燃比制御装置は以上のように構成さ
れているので、機関始動完了時期のみを基準としていた
ため、外気温が低温時や高温時における様々な始動条件
に適応した酸素ポンプ電流！、を流し始める時期の適格
な制御が困難であった。

また、酸素ポンプ電流ＩＰより排気中空燃比を検出する
際基準となる酸素電池セルの出力Ｖ、が以下に示すよう
な条件下で正常な値を示さないときにも一定手順で酸素
ポンプ電流を流し始める時期を決定するため、空燃比を
正確に検出できず空燃比フィードバック制御によってオ
ーバリッチになりエンジンストツ６ブしたり、酸素ポン
プ電流ＩＰの流し過ぎにより広域空燃比センサ８が破損
することがあった。

このようなり６値の異常は、インジェクタ６からの吐出
燃料量が実効的に過度に大きくなる−１０〜−３０℃の
低温始動時および機関の急加減速時に、広域空燃比セン
サ８の拡散室内に高濃度の未燃ガスが浸入し酸素ポンプ
セル８１の大気側電極８３ｃ付近にこの未燃ガスが多層
構造のセンサ各部接合部からもれて酸素ポンプセル８１
の排気側と大気側電極とが同一未燃ガスでおおわれ、酸
素濃度が減少しｖ６出力が低下する場合に発生する。

また機関が停止しない限し酸素ポンプ電流１ｐを止める
乙とができず、機関運転中の異常に対応した酸素ポンプ
電流制御ができなかった。

したがって酸素ポンプセル出力■、をプログラム上検知
せずに酸素ポンプ電流を流し始める従来の内燃機関の空
燃比制御装置では、正確な酸素ポンプ電流制御が難しく
、空燃比検出精度が低下し内燃機関の空燃比を精密にフ
ィードバック制御できず運転性能が低下する問題点があ
った。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、極低温時始動のみならず、始動完了後酸素ポンプ電
流が一度流れ始めた後、センサの異常が発生しても常に
最適な酸素ポンプ電流駆動禁止および開始制御を可能に
し、常に正確な空燃比を検出して安価な空燃比フィード
バック制御を実現することのできる内燃機関の空燃比制
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段〕

この発明に係る内燃機関の空燃比ｆ！１ｌＪｉｌ！ｌ装
置は、広域空燃比センサの酸素電池セルの起電力を検出
する酸素電池セル起電力検出回路と、この酸素電池セル
起電力検出回路で検出された起電力の値に基づいて酸素
ポンプセルの酸素ポンプ電流を制御する制御装置とを設
けたものである。

〔作　用〕

この発明においては、機関始動時に酸素電池セルの起電
力を酸素電池セル起電力検出回路で検出し、その検出し
た酸素電池セルの出力電圧Ｖの値に応じて酸素ポンプ電
流を流し始める時期を制御装置により決定し、機関運転
中においても、酸素電池セルの出力電圧Ｖ値が所定値以
下であれば広域空燃比センサが異常であると判定し酸素
ポンプ電流を停止し、再度酸素電池セルの出力電圧Ｖが
所定値を越えるまで酸素ポンプ電流停止の状態を維持す
るように制御する。

〔実施例〕

以下に、この発明の内燃機関の空燃比制御装置の実施例
について図面に基づき説明する。この発明の構成は、広
域空燃比センサ８の酸素電池セルの起電力を検出する酸
素電池セル起電力検出回路を除き、第７図に示す従来の
装置の構成と全く同一であるが、制御装置９内のマイク
四プロセッサ９３を中心とする演算処理やデータ設定方
法が従来と異なる。

第１図はこの発明の一実施例の構成を示し、第２図はこ
の発明の広域空燃比センサ８の構成を示している。第２
図において、この発明では従来の広域空燃比センサ８の
構成に加え酸素電池セルの出力電圧Ｖを検出する酸素電
池セル起電力検出回路８２ａが付加され、この出力信号
ｖ５が第１図に示す制御装置９のＡＤコンバータ９１に
入力され、マイクロプロセッサ９３によってポンプ電流
駆動出力回路９７で酸素ポンプ電流を流し始めるかを制
御するようにしている。その他の構成は従来と同様であ
る。

次に動作について説明する。第４図はこの発明の一実施
例の制御手順を示すフローチャートである。°この第４
図において、ステップ１０１〜１０３までは従来例の制
御手順を示した第９図のフローチャートのステップ２０
１〜２０３までと同様なので説明を省略する。

ステップ１０１で回転数Ｎ）４００ｒｐｍと判定される
と、ステップ１０５に進み、と−夕制御回路駆動信号Ｓ
ｌ、の出力の有無を判定し、ヒータ胴細回路駆動信号Ｓ
ｈが出力されていればステップ１０７に進み、ヒータ制
御回路駆動信号Ｓｈが出力されていなければステップ１
０６に進み、ヒータ制御回路駆動信号Ｓｈの出力を開始
し、ステップ１０７に進む。

ステップ１０７において広域空燃比センサ８の酸素電池
セル８２の出力電圧Ｖを検出する酸素電池セル起電力検
出回路８２ｍの出方信号ｖ６を読み込み、ステップ１０
８で酸素電池セル起電力検出回路８２ａの出力電圧ｖ３
が所定値Ｖ、。（例えば０．３Ｖ）以上かどうかを判定
し、鴇≧汽。の場合は酸素電池セル８２が活性化し正常
となったと判断してステップ１０９に進む。

また、ステップ１０８でＶ、＜Ｖ、。と判定された場合
は広域空燃比センサ８が不活性または異常であると判断
してステップ１０３に進み、ポンプ駆動開始信号Ｓ０の
出力を停止して（既に停止されていれば停止を維持する
）ステップ１０４に進み、後で詳しく説明するポンプ駆
動開始信号Ｓ０の出力開始タイミング時間Ｔ、Ｔを零に
リセットしてリターンする。

この動作によって機関の始動が完了し、以下に述べる手
順でポンプ駆動開始信号Ｓ。が出力された後でも、常に
酸素電池セル起電力検出回路８２ｍの出力信号入を監視
することによって広域空燃比センサ８の異常、不活性状
態を検出し、酸素ポンプ電流■２を停止し、誤ったポン
プ電流の流し過ぎによる広域空燃比センサ８の破壊およ
び広域空燃比センサ８の異常出力値に基づく過大な燃料
噴射量フィードバック制御を防止することができる。

一方、ステップ１０９に進んだ場合、酸素電池セル８２
が正常に活性化したと考えて、酸素電池セル起電力検出
回路８２ａの出力信号Ｖ、が所定値ｖ、。以上となった
時期ｔ０から所定の出力開始タイミング時間Ｔ８Ｔ後に
酸素ポンプ電流ｌｐを流し始めるために、この出力開始
タイミング時間Ｔ８．が既に設定されている（すなわち
Ｔ、７＼Ｏ）かどうかを判定しＴ、□−〇の場合は、ス
テップ１１０で冷却水温−を読み込んだ後ステップ１１
１で出力開始タイミング時間ＴＳＴを冷却水温度孔の値
に基づき一テーブルルックアップしてステップ１１２に
進む。

また、ステップ１０９で出力開始タイミング時間Ｔ、□
が零でないと判断された場合は、−度設定された出力開
始タイミング時間Ｔ、Ｔの値を誤って再び設定すること
のないようにステップ１１０，１１１をジャンプしてス
テップ１１２に進む。

ステップ１１２で機関の回転数Ｎと燃料噴射量；を読み
込みステップ１１３に進み、上記出力開始タイミング時
間ＴＳ□から減算処理をし、ポンプ駆動開始信号Ｓ０の
出力開始時期を決める時間Ｔａｕゎをこの回転数Ｎと燃
料噴射量Ｔｐに基づいてテーブルルックアップした後、
この処理を終了する。

ただし、出力開始タイミング時間Ｔ９□の設定法が従来
と異るから上記時間Ｔａｕｂのテーブルルックアップを
するためのＲＯＭに予め記録された値は、従来値と異る
のは言うまでもない。

次に以上の処理を必ず終了した後に第１０図のフローチ
ャートのステップ１１５〜１１８に基づいてポンプ駆動
開始信号Ｓ。の出力開始の制御を行う。この処理は従来
のものと全く同一であるので説明を省略する。

以上の処理は従来例と大きく異り、機関の外界条件（例
えば外気温）によって実効ヒータ能力が変化し広域空燃
比センサ８の活性化時期が様々に変化するにもかかわら
ず従来例がポンプ駆動開始信号Ｓ０出力開始時期の基準
をヒータのオンした時点（すなわちヒータ制御回路駆動
信号Ｓｈ出力時点）としているのに比べ、この発明では
広域空燃比センサ８自身がヒータによって活性化温度に
達し酸素電池セル８２の出力電圧Ｖが正常な値を出力し
始めた時点をヒータ制御回路駆動信号Ｓｃの出力開始の
基準としている。

また、従来例が始動時のみのヒータ制御回路駆動信号Ｓ
。の出力開始割部しかできなかったのに比べ、この発明
では常にヒータ制御回路駆動信号Ｖを検出することによ
って酸素電池セルの出力電圧の異常を検出して広域空燃
比センサ８の破壊および過度の誤った燃料フィードバッ
ク制御をさけることができる。

第５図はこの発明の横開始動時におけるポンプ電流を流
し始める時期ｔ、と酸素電池セル８２の出力電圧を酸素
電池セル起電力検出回路８２ａで検出した出力信号ｖ６
が所定値Ｖ、、１１上となる時間ｔ０と前期第４図を用
いて示した手順で設定した七−夕割部回路駆動信号Ｓｃ
の出力開始、タイミング時間Ｔ、との関係を示している
。

この出力開始タイミング時間Ｔ、□が第１０図に示した
手順で順次時間’ｒ、、、ｂずつ減算され零以下になっ
た時点、すなわち、酸素ポンプ電流オン時点ｔで酸素ポ
ンプ電流■２が流れ始める。

また、第６図（ｂ）は第６図（ａ）に示すようにすでに
酸素ポンプ電流が流れ排気中空燃比の計測が実施されて
いるときに、第６図（ｂ）に示すように高濃度の未燃燃
料ガスが広域空燃比センサに侵入し、酸素電池セル出力
８２の出力電圧を酸素電池セル起電力検出回路８２ａで
検出した出方信号Ｖ、が正常な値からずれたとき、この
出力信号ｖ８を検出し第４図に示した手順で酸素ポンプ
電流が停止され、その後高濃度ガスが消え再び出力信号
鴇が所定値ｖ８゜以上となり酸素ポンプ電流が流れ排気
中空燃比の測定が開始される例を示している。

なお、上記実施例では、燃料噴射システムとしてスピー
ドデンシティ方式の燃料噴射装置の具体例としたが、エ
アフローセンサを用いた燃料噴射装置や電子制御気化蕾
に適用できるのは言うまでもない。

〔発明の効果〕

この発明は重上説明したとおり、広域空燃比センサの酸
素電池セル出力電圧を酸素電池起電力検出回路で検出し
て、この出力信号に基づき広域空燃比センサの活性状態
を判定し酸素ポンプ電流を流すように制御したので、精
度の高い活性化判定および酸素ポンプ電流制御が可能と
なり、横開始動時のみならず運転中で排気中空燃比測定
中においても酸素ポンプ電流出力停止および開始が可能
となり、広域空燃比センサの空燃比計測精度が向上し信
頼性が増し、安定した空燃比フィードバック燃料制御が
行え、運転フィーリングが向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施
例の構成図、第２図は同上実施例における広域空燃比セ
ンサの構成図、第３図はこの発明および従来の内燃機関
の空燃比制御装置における広域空燃比センサの特性図、
第４図は同上実施例における制御装置の動作を示すフロ
ーチャート、第５図は同上実施例における制御方法を説
明するための動作説明図、第６図（ａ）は同上実施例を
説明するための時間対酸素ポンプ電流の関係を示す説明
図、第６図（ｂ）は第６図（ａ）の酸素ポンプ電流に対
する排気ガス中の空燃比の測定開始時間との関係を示す
説明図、第７図は従来の内燃機関の空燃比制御装置の構
成図、第８図は従来の内燃機関の空燃比制御装置におけ
る広域空燃比センサの構成図、第９図は従来の内燃機関
の空燃比制御装置の動作を表わすフローチャート、第１
０図はこの発明の一実施例および従来の内燃機関の空燃
比制御装置の動作を表わすフローチャートである。 １・・・内燃機関、２・・・吸気管、３・・・絞り弁、
４・・・圧力センサ、５・・・回転センサ、６・・・イ
ンジェクタ、７・・・排気管、８・・・広域空燃比セン
サ、９・・・制御装置、１０・・・冷却水温センサ、８
１・・・酸素ポンプセンサ、８２・・・酸素電池セル、
８２　ａ−酸素電池セル起電力検出回路、８４・・・拡
散室、８５・・・基準電圧源、８６・・・比較増幅器、
９６・・・インジェクタ駆動出力回路、９７・・・ポン
プ電流駆動出力回路、９８・・・ヒータ制御駆動出力回
路、 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）内燃機関の排気ガスを導入する間隙部とこの間隙
   部内の酸素分圧を制御する固体電解質酸素ポンプセルと
   前記間隙部分の酸素分圧と大気中の酸素分圧に対応した
   起電力を発生する固体電解質酸素電池セルと上記固体電
   解質酸素ポンプセルを加熱するヒータとを備えた広域空
   燃比センサと、開始信号が入力されると前記固体電解質
   酸素電池セルの起電力を所定値に保つように酸素ポンプ
   電流を供給するポンプ電流供給手段と、前記固体電解質
   酸素ポンプセルの温度を所定値となるように前記ヒータ
   に電力を供給するヒータ電力供給手段と、前記固体電解
   質酸素電池セルの起電力を検出する酸素電池セル起電力
   検出手段と、前記酸素ポンプ電流を検出するための酸素
   ポンプ電流検出手段と、前記内燃機関の運転状態を検出
   する運転状態検出手段と、前記内燃機関が始動完了とと
   もに前記ヒータに電力を供給するとともに前記固体電解
   質酸素電池セルの起電力が所定値を越えると、始動時の
   運転状態に応じた所定時間後に前記開始信号を出力する
   制御装置とを備えた内燃機関の空燃比制御装置。
2. （２）制御装置は機関の始動が完了し前記酸素ポンプ電
   流が流れた後において、前記固体電解質酸素電池セルの
   起電力が所定値以下の場合、前記酸素ポンプ電流を停止
   し、前記固体電解質酸素電池セルの起電力が所定値を越
   えるまでポンプ電流停止状態を維持するように制御する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関
   の空燃比制御装置。