JPH032655A - 内燃機関の空燃比センサ - 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、内燃機関において、空燃比のフィードバック
制御に使用するための空燃比センサに関する。

〈従来の技術〉 内燃機関においては、排気浄化対策として排気系に排気
中のＣｏ、ＨＣを酸化するとともにＮＯＸを還元して浄
化する三元触媒が介装したものが一般化している。

前記三元触媒は転化効率（浄化効率）が理論空燃比燃焼
時の排気状態で有効に機能するように設定されている。

このため、特に高出力が要求される高負荷運転時等以外
の通常運転時は、排気系に設けた空燃比センサにより排
気性状がら空燃比を検出し、該空燃比を理論空燃比近傍
に制御することが一般に行われている。

上記内燃機関の空燃比センサの従来例としては特開昭５
８−２０４３６５号公報等に示されるようなものがある
。

このものは、酸素イオン導電性を有したジルコニアチュ
ーブの排気と接触する外表面に排気中のＣｏ、ＨＣの酸
化反応を促進させる白金触媒層を積層しである。そして
、理論空燃比よりリッチな混合気で燃焼させたときに白
金触媒層付近に残存する低濃度のｏ２をＣｏ、ＨＣと良
好に反応させて０□濃度をゼロ近くにし、ジルコニアチ
ューブ内表面に接触させた大気の０□濃度との濃度比を
大きくして、ジルコニアチューブ内外表面間に大きな起
電力を発生させる。

一方、理論空燃比よりリーンな混合気で燃焼させたとき
には、排気中に高濃度の０□と低濃度のＣｏ、ＨＣが存
在するため、Ｃｏ、ＨＣと０□とが反応しても未だ０□
が余り、ジルコニアチューブ内外表面の０！濃度比は小
さく殆ど電力は発生しない。

このように、空燃比センサの発生起電力（出力電圧）は
理論空燃比近傍で急変する特性を有しており、この出力
電圧ＶＯ２を基準電圧（スライスレベル）とを比較して
混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンか
を判定する。

そして、例えば空燃比がリーン（リッチ）の場合には、
機関の吸入空気流ｉｔＱ及び回転数Ｎ等に基づいて設定
された基本燃料噴射量Ｔ、を機関温度等により補正した
ものに乗じるフィードバック補正係数αを所定の積分定
数１分ずつ徐々に増大（減少）していき、燃料噴射量Ｔ
、を増量（減少）することで空燃比を理論空燃比近傍に
制御するようにしている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、かかる従来の空燃比センサにあっては、
次のような問題を生じていた。

即ち、本来ＮＯ，ｌ中の酸素分は、排気中酸素濃度とし
て検出されるべきものであるが、前記空燃比センサでは
、これを捉えることができないため、ＮＯＸ濃度が高（
なるほど真の理論空燃比よりリーン側で起電力が反転し
、これにより空燃比がリーン側に制御される。

また、メタノール等を使用すると、高負荷領域ではＨ２
が多量に存在するため、この場合も、空燃比の制御点が
リーン側にずれてしまうことがあった。

このように、制御点がリーン側にシフトされ、空燃比が
リーン制御されると、ある程度までは燃費向上を図れる
ため却って好都合な制御となるのであるが、リーン側に
大きくシフトされると、三元触媒のＮＯｘ還元機能が損
なわれＮＯｘ発生量が大きく増加してしまう。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもの
で、異なる空燃比で出力特性が急変する特性を有し、以
て運転条件に応じて異なる空燃比にフィードバック制御
することを可能として、上記問題点を解消することがで
きるようにした内燃機関の空燃比センサを提供すること
を目的とする。

く課題を解決するための手段〉 このため本発明は、排気の性状に感応して濃淡電池機能
を有する検出素子の電極間に発生する起電圧の変化によ
り空燃比を検出する空燃比センサにおいて、異なる空燃
比に対応する排気性状で起電圧が急変する特性を有した
複数の検出素子を、センサ本体に一体に配設すると共に
、各検出素子の電極を直列に接続し、該直列接続された
両端の電極から出力を取り出す構成とした。

〈作用〉 各検出素子の電極からの出力電圧特性は、夫々異なる空
燃比に対応する排気性状で起電圧が急変する特性となる
。

したがって、各検出素子の電極を直列接続したものの両
端の電極から取り出される出力特性は、起電圧が空燃比
変化に対し複数段で急変する特性となる。

前記複数段の急変部分で夫々スライスレベルと比較する
ことにより、複数の空燃比を検出できる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図〜第３図は本発明の第１実施例を示す。

図において、空燃比センサ１１には第１及び第２検出素
子１２．１３がアルミナ等の絶縁部材１４により所定の
間隙を有して取り付けられている。各検出素子１２．１
３には、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ□）を主成分
とする固体電解質部材１２Ａ、　ｉ３Ａにより中空状の
大気導入室１２Ｂ、１３Ｂが夫々形成され、これら大気
導入室１２Ｂ、１３Ｂに臨む第１及び第２内側電極１５
Ａ、１６Ａと、これら内側電極１５Ａ、１６Ａに固体電
解質部材１２Ａ、１３Ａを介して対向し、排気に接触す
る第１及び第２外側電極１５Ｂ。

１６Ｂとが形成されている。これら電極は、白金（ｐｔ
）で形成されている。前記第１及び第２外側電極１５Ｂ
、１６Ｂは第１及び第２電極保護層１７．１８により覆
われている。

ここで、前記第１検出素子１２側の第１外側電極１５Ｂ
を覆う第１電極保護層１７は、例えば、ガンマアルミナ
（γ−Ａｌｚ　Ｏｘ　）　、酸化チタン（ＴｉＯ□）、
酸化ランタン（Ｌａ２０３）等の多孔質セラミックから
なる担体に、Ｐｔ（白金）、　　Ｒｈ（ロジウム）、Ｒ
ｕ（ルテニウム）、Ｐｄ（パラジウム）等少なくとも一
種のＮＯｘ還元反応を促進させる触媒の粒子を混在させ
てＮＯＸ還元機能を有するように形成されている。

一方、第２検出素子１３側の第２外側電極１６Ｂを覆う
第２電極保護層１８は、従来型の空燃比センサと同様マ
グネシウムスピネル層で形成されている。

そして、第１検出素子１２側の第１内側電極１５Ａ。

第１外側電極１５Ｂと、第２検出素子１３側の第２内側
電極１６Ａ、第２外側電極１６Ｂとが直列接続され、該
直列接続された両端の電極、つまり第１内側電極１５Ａ
と第２外側電極１６Ｂとから出力が取り出される。

かかる構造を有した空燃比センサ１１において、第１検
出素子１２の第１内側電極１５Ａと第１外側電極１５Ｂ
との間に圧じる起電圧特性は第４図に実線で示すように
、第１電極保護層１７のＮＯＸ還元触媒粒子のＮＯＸ還
元作用により、ＮｏＸ中の酸素分も排気中酸素濃度分と
して良好に検出され、ＮＯｘ増大時も理論空燃比に近い
点で急変する特性となる。

これに対し、第２検出素子１３の第２内側電極１６Ａと
第２外側電極１６Ｂとの間に生じる起電圧特性は第４図
に点線で示すように、従来同様のマグネシウムスピネル
からなる第２電極保護層１８を有しているため、ＮＯｘ
中の酸素分が排気中酸素濃度分として検出されず、ＮＯ
ｘ濃度の増大に応じて起電圧が急変する点が、リーン側
にシフトする特性となる。

したがって、前記第１検出素子１２と第２検出素子１３
との電極を直列に接続したものの両端の第１内側電極１
５Ａと第２外側電極１６Ｂとの間の出力電圧特性は、前
記各別の起電圧特性を加えた特性となり、第５図に示す
ように理論空燃比に近い空燃比と、ＮＯｘ濃度が高いと
きほどこれよりリーン側の空燃比とで夫々出力電圧が急
変する特性となる。

かかる構成の空燃比センサ１１を使用した内燃機関の空
燃比制御装置の構成を該６図に示す。

内燃機関２１の吸気通路２２には、吸入空気流ｉｌＱを
検出するエアフローメータ２３及びアクセルペダルに連
動して吸入空気流量Ｑを制御する絞り弁２４が設けられ
、下流のマニホールド部には気筒毎に電磁式の燃料噴射
弁２５が設けられる。燃料噴射弁２５はマイクロコンピ
ュータを内蔵したコントロールユニット２６からの噴射
パルス信号によって開弁駆動し、図示しない燃料ポンプ
から圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力
に制御された燃料を噴射供給する。更に、機関２１の冷
却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ
２７が設けられると共に排気通路２８に前記空燃比セン
サ１１が設けられ、更に下流側に排気中のＣ○。

ＨＣの酸化とＮＯｘの還元とを行って浄化する三元触媒
２９が設けられる。また、図示しないディストリビュー
タにはクランク角センサ３０が内蔵されており、該クラ
ンク角センサ３０から機関回転と同期して出力されるク
ランク角単位角信号を一定時間カウントして、又は、ク
ランク角基準角信号の周期を計測して機関回転数Ｎが検
出される。

次に、コントロールユニット２６による空燃比制御ルー
チンを第７図に示したフローチャートに従って説明する
。

ステップ（図ではＳと記す）１では、エアフローメータ
２３によって検出された吸入空気流ＩＱとクランク角セ
ンサ３０からの信号によって算出した機関回転数Ｎとに
基づき、単位回転当たりの吸入空気量に相当する基本燃
料噴射量Ｔ、を次式により算出する。

ｆ’Ｐ　＝Ｋ　−Ｑ／Ｎ　（Ｋは定数）ステップ２では
、水温センサ２７によって検出された水温Ｔｗ等に基づ
いて各種補正係数Ｃ０ＥＦを設定する。

ステップ３では、バッテリ電圧値に基づいて無効噴射パ
ルス分子、を設定する。

ステップ４では、空燃比フィードバック制御を行う機関
運転条件であるか否かを判定する。

前記判定がＹＥＳの場合はステップ５へ進み、機関回転
数Ｎが高速に設定された所定値Ｎ、（例えば３００ｒｐ
ｍ）とを比較する。ここで、所定値Ｎ０以上の高負荷時
は、排気温度が高くこれに伴ってＮＯｘ濃度が上昇する
運転条件である。

そして、上記ステフジ５０判定がＮ≧Ｎｏであるとき、
即ちＮＯｘ’ｌＡ度が上昇する運転条件のときには、ス
テップ６へ進んで、空燃比センサ１１の出力電圧と比較
される基準電圧ＳＬを、第１検出素子１２の起電圧が急
変する空燃比を検出するため、相対的に高い値■。ｚ　
＋　　（′ｔ１５００ｍＶ）にセットする。

また、ステフジ５０判定がＮ＜Ｎｏである場合、即ち、
ＮＯｘ濃度が基準以下のレベルとなる運転条件では、ス
テップ７へ進んで空燃比センサ１１の出力電圧と比較さ
れる基準電圧ＳＬを、第２検出素子１３の起電圧が急変
する空燃比を検出するため、相対的に低い値ｖ０２□（
＃１５００ｍＶ　）にセットする。

ステップ６又はステップ７を経た後、ステップ８へ進み
、空燃比センサ１１の出力電圧を、前述のように運転条
件毎に変えて設定された基準電圧ＳＬと比較しつつ増減
して空燃比フィードバック補正係数αを設定する。

前記ステップ８を経た後、又はステップ４の判定がＮＯ
の場合はステップ９へ進み、最終的な燃料噴射量Ｔ１を
次式に従って演算する。

Ｔ＋　＝Ｔｐ　　−Ｃ０ＥＦ　−ａ十Ｔｓステップ１０
では、演算された燃料噴射量Ｔ、を出力用レジスタにセ
ットする。

これにより、予め定められた機関回転同期の燃料噴射タ
イミングになると、演算した燃料噴射量Ｔ、のパルス幅
を持つ駆動パルス信号が燃料噴射弁２５に与えられて燃
料噴射が行われる。

かかる制御中、空燃比フィードバック制御時はＮＯＸ　
Ｒ度が高くなる運転条件では、空燃比センサ１１の出力
電圧を基準電圧ＶＯ２□と比較して設定される空燃比フ
ィードバック補正係数αにより、空燃比は真の理論空燃
比近傍の値に制御されるため、Ｎ　Ｏｘ濃度の上昇を抑
制できる。

また、ＮＯｘ濃度が比較的低く抑えられる条件では、空
燃比センサ１１の出力電圧を基準電圧■。２゜と比較し
て設定される空燃比フィードバック［係数αにより、空
燃比はＮＯｘ濃度に応じてり一ン側にある程度シフトし
た点に制御され、これにより燃費の良い空燃比制御が行
われる。

また、−個の空燃比センサ１１で複数の空燃比制御点を
切り換えることができるため、センサ取付スペース、配
線も従来同様で済み、低コストで実施できると共に、制
御も基準電圧の切換のみでよいから簡易で済む。

第８図は、本発明の第２実施例に係る空燃比センサの構
成を示す、但し、第１図〜第３図に示した第１実施例と
同一要素には同一符合を付して説明を省略する。

即ち、単一の大気導入室１９の対向する位置に第１及び
第２検出素子１２．１３の第１及び第２内側電極１５Ａ
、１６Ａを設け、大気導入室１９を第１及び第２検出素
子１２．１３で共用するようにしたものである。電極の
接続方式については第１実施例と同様である。

かかる構成においても、第１実施例と同様な機能が得ら
れ、センサをより小型化できる。

〈考案の効果〉 以上説明したように本考案によれば、センサ本体に特性
の異なる検出素子を複数設け、各電極を直列接続した構
成の空燃比センサとしたため、個の空燃比センサで低コ
ストで運転条件に応じて異なる空燃比にフィードバック
制御することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る空燃比センサの構成
を示す図、第２図は同上の■−■矢視断面図、第３図は
同上の左側面図、第４図は同上の空燃比センサの各検出
素子毎の起電圧特性を示す線図、第５図は同上の空燃比
センサの出力特性を示す線図、第６図は同上の空燃比セ
ンサを使用した空燃比制御装置の例を示す回、第７図は
同上装置による空燃比制御ルーチンを示すフローチャー
ト、第８図は第２実施例に係る空燃比センサの構成を示
す図である。 １１・・・空燃比センサ　　１２・・・第１検出素子　
　１２Ａ、１３Ａ・・・固体電解質部材　　１２Ｂ、　
１３Ｂ、　１９・・・大気導入室　　１３・・・第２検
出素子　　１５Ａ・・・第１内側電極　　１５Ｂ・・・
第２外側電極　　１６Ａ・・・第１外側電極　　１６Ｂ
・・・第２外側電極特許出願人　　　日本電子機器株式
会社代理人　弁理士　笹　島　　冨二雄

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 排気の性状に感応して濃淡電池機能を有する検出素子の
   電極間に発生する起電圧の変化により空燃比を検出する
   空燃比センサにおいて、異なる空燃比に対応する排気性
   状で起電圧が急変する特性を有した複数の検出素子を、
   センサ本体に一体に配設すると共に、各検出素子の電極
   を直列に接続し、該直列接続された両端の電極から出力
   を取り出すことにより、起電圧が空燃比変化に対し複数
   段で急変する特性となるようにしたことを特徴とする内
   燃機関の空燃比センサ。