JPH03294637A - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、内燃機関の空燃比を制御する装置に関し、特
に酸素センサに係る応答特性の改善を図った装置に関す
る。

〈従来の技術〉 従来の内燃機関の空燃比制御装置としては例えば特開昭
６０−２４０８４０号公報に示されるようなものがある
。

このものの概要を説明すると、機関の吸入空気流量Ｑ及
び回転数Ｎを検出してシリンダに吸入される空気量に対
応する基本燃料供給量’ｒｐ　（＝ＫＸＱ／Ｎ；には定
数）を演算し、この基本燃料供給量Ｔｐを機関温度等に
より補正したものに排気中酸素濃度の検出によって混合
気の空燃比を検出する酸素センサからの信号によってフ
ィードバック補正を施し、バッテリ電圧による補正等を
も行って最終的に燃料供給量Ｔｉを設定する。

そして、このようにして設定された燃料供給量Ｔｉに相
当するパルス幅の駆動パルス信号を電磁式の燃料噴射弁
に所定タイミングで出力することにより機関に所定の量
の燃料を噴射供給するようにしている。

ところで、空燃比フィードバック制御については、排気
系に酸素センサを設けて実際の空燃比を検出し、空燃比
が理論空燃比（λ−１）よりリッチかリーンかを、該酸
素センサの出力信号がスライスレベルより高いか低いか
により判定して制御するわけであり、このため、空燃比
フィードバック補正係数αというものを定めて、このα
を変化させることにより理論空燃比に保っている。

ここで、空燃比フィードバック補正係数αの値は比例・
積分制御（ＰＩ制御）により変化させ、安定した制御と
している。

即ち、酸素センサの出力電圧とスライスレベル電圧とを
比較して空燃比のリッチ・リーンを判定し、例えば空燃
比がリーン（リッチ）の場合には始めに所定の比例分（
Ｐ分）だけ上げて（下げて）、それから所定時間毎に所
定の積分分（１分）ずつ徐々に上げて（下げて）いき、
空燃比を理論空燃比に近づけるように制御している。

〈発明が解決しようとする課題〉 酸素センサは機関排気通路に設けられるが、排気温度は
機関停止時は略室温であり、アイドリング時は３００°
Ｃそして通常制御時は８５０〜９００°Ｃになる。よっ
て排気に晒されることとなる前記酸素も、排気温度に従
って該酸素センサの素子温度が変化することとなる。

ここで素子温度が変化すると、酸素センサを構成してい
る固体電解質の特性としてイオン透過性が異なることと
なり、もって酸素センサの内部抵抗が、次のように変化
する（第８図参照）。

２０°Ｃζ　１０６にΩ ３５０°Ｃζ　２０　　ｋΩ ５００　’Ｃζ　０．５　ｋΩ ８５０°Ｃζ　０．０１にΩ 内部抵抗が大きくなると、酸素イオンの移動が悪くなり
酸素の授受が悪くなって、もって該酸素センサの活性が
低下し、該酸素センサの応答性が悪化する。

また、前記酸素センサには、−船釣にリッチ混合気で燃
焼させたときに僅かに存在する０２と、ＣＯなどの未燃
成分とを結合させて外側の０２濃度を略ゼロにすること
により内外の０□濃度比を大きくして大きな起電力が得
られるように、白金触媒層が設けられているが、該白金
触媒層の触媒作用についても３５０°Ｃ以上で有効に働
くと共に、安定的に作用するのは５００’Ｃ以上の温度
においてである。

よって、素子温度の変化に伴う酸素センサの応答性は、
第９図に示すように、温度が５００°Ｃ以上においては
周波数が２Ｈｚ以上となる応答性の高い特性となるが、
温度が５００℃より低下するに従って応答性は低下する
こととなる。

ここで酸素センサの応答性と空燃比フィードバック制御
との関係について説明すると、第１０図に示すように、
酸素センサの出力電圧がスライスレベル電圧を境として
反転した時点でＰＩ制御が各々開始されるため、前記応
答性が低下する程、同図実線で示すようにλ−１への収
束性が悪く、空燃比が長期間リーン化またはリッチ化し
てしまい排気性能等が悪化するという問題点があった。

本発明は以上のような従来の実情に鑑みなされたもので
、素子温度変化に伴う酸素センサの内部抵抗の変化に着
目して、酸素センサの応答性を判断し、該応答性に見合
った空燃比フィードバック制御を行わせるべく空燃比フ
ィードバック補正係数の制御定数を補正して、良好なエ
ミッションが得られる内燃機関の空燃比制御装置を提供
することを目的とする。

（課題を解決するための手段〉 このため、本発明では、第１図に示すように、機関排気
系に設けられて排気中の酸素濃度を介して機関吸入混合
気の空燃比を検出するものであって理論空燃比を境とし
てリーン・リッチ信号を出力する酸素センサＡと、 空燃比がリッチからリーンまたはリーンからリッチに反
転した時に空燃比フィードバック補正係数を所定の比例
分増大または減少させる空燃比フィードバック補正係数
比例制御手段Ｂと、空燃比のリーン・リッチに応じ空燃
比フィードバック補正係数を所定時間毎に所定の積分分
増大または減少させる空燃比フィードバック補正係数積
分制御手段Ｃと、 機関への燃料供給手段りによる燃料供給量をそのときの
空燃比フィードバック補正係数で補正する燃料供給量補
正手段Ｅと、 を備えて、空燃比を目標空燃比にフィードバック制御す
る内燃機関の空燃比制御装置において、酸素センサと並
列に接続した基準抵抗Ｆと、該基準抵抗に係る出力値を
検出する基準抵抗出力値検出手段Ｇと、 前記酸素センサ出力値と前記基準抵抗出力値とに基づい
て酸素センサの内部抵抗を演算する内部抵抗演算手段Ｈ
と、 演算された内部抵抗が所定値より大きい場合に、前記空
燃比フィードバック補正係数比例制御手段Ｂにおける所
定の比例分を増大補正すると共に前記空燃比フィードバ
ック補正係数積分制御手段Ｃにおける所定の積分分を減
少補正する空燃比フィードバック補正係数補正手段■と
、 を備える構成とした。

く作用〉 かかる構成とすれば、内部抵抗演算手段Ｈにより酸素セ
ンサ出力値と基準抵抗出力値とに基づいて酸素センサの
内部抵抗が演算される。

ここで、前述の如く内部抵抗と素子温度とは所定の関係
があるので、演算された内部抵抗が所定値より大きい場
合は、素子温度が所定の低温状態にありもって応答性も
良好でないとして、空燃比フィードバック補正係数補正
手段■が、空燃比フィードバック補正係数比例制御手段
Ｂにおける所定の比例分を増大補正すると共に前記空燃
比フィードバック補正係数積分制御手段Ｃにおける所定
の積分分を減少補正する。

そして、該補正された空燃比フィードバック補正係数を
用いて燃料供給量補正手段Ｅが機関への燃料供給量を補
正する。その結果、空燃比の目標空燃比への収束性が向
上する。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図において、機関１１の吸気通路１２には、吸入空
気流量Ｑを検出するエアフローメータ１３及びアルセル
ペダルと連動して吸入空気流量Ｑを制御する絞り弁１４
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１５が設けられる。

燃料噴射弁１５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１６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１１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１７が設けられると
共に、排気通路１８内の排気酸素濃度を検出することに
よって吸入混合気の空燃比を検出する酸素センサ１９（
センサ部構造は第３図参照）が設けられ、更に、下流側
の排気中のＣｏ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を行って浄
化する三元触媒２０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２１が内蔵さ
れており、該クランク角センサ２１がら機関回転と同期
して出力されるクランク単位角度信号を一定時間カウン
トして、又は、クランク基準角度信号の周期を計測して
機関回転数が検出される。

０ 本実施例に係る酸素センサ１９の一例を第３図に基づい
て説明する。

機関排気管壁Ｅに取付けられるホルダー１の先端部にジ
ルコニアチューブ２の基端部を係止させ、このジルコニ
アチューブ２の閉塞された先端部をスリット３ａ付のプ
ロテクタ３により覆っである。

ジルコニアチューブ２の内表面の一部には、基端面に跨
がる形で白金からなる出力取出用の内側電極４を形成し
、また、外表面の一部にも白金からなる接地側の外側電
極５を形成しである。

かかる酸素センサでは一般的に、ジルコニアチューブ２
の外表面に白金を蒸着して触媒層（図示省略）を形成し
、更にその上からマグネシウムスピネル等の酸化金属を
溶射して保護層６を形成しである。但し、この保護層６
は、後述するワッシャ３１を介装する必要から、ジルコ
ニアチューブ２基端側の外側電極５は覆っていない。

前記触媒層は、ＣＯ＋ｙ２０゜→Ｃ０２の反応を促進し
、濃い混合気で燃焼させたときに残存する低濃度の０゜
をＣＯと反応させて０□濃度をゼロに１ し、ジルコニアチューブ２内外の０□濃度比を大きくし
て大きな起電力を発生させる。一方、希薄混合気で燃焼
させたときには、排気中に高濃度の０２と低濃度のＣＯ
があるため、ＣＯと０□とが反応しても０□があまり、
ジルコニアチューブ２内外の０□濃度比は小さく殆ど起
電力は発生しない。

本実施例では該外側電極５の一端部７がジルコニアチュ
ーブ２の基端面８まで延設されており、コンタクトプレ
ート２３に設けた接地側導電部２４と接触しており、ま
たジルコニアチューブ２の内表面に形成された内側電極
４の一部もコンタクトプレート２３の出力側導電部２５
と接触している。

コンタクトプレート２３は、筒状のアイソレーションブ
ツシュ９の先端面で押圧され、アイソレーションブツシ
ュ９はホルダー１に加締固定したカバー（図示せず）に
加締固定しである。そして、前記出力側導電部２５及び
接地側導電部２４はアイソレーションブツシュ９内に延
びる出力側導通部２６及び接地側導通部２７に各々接続
されており、図示２ しない各々のターミナルを介して出力及び接地を外部へ
導出している。

さらに、本実施例に係る構成として、保護層６により覆
われることなく、そのままでは機関排気に直接接触する
こととなる外側電極５の側部２８において、基端部８近
傍まで、酸化アルミニウム（７Ａｊ２ｚＣｈ）、酸化ケ
イ素（ＳｉＯ□）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｚ）等の
セラミック層２９のコーティングが施され、セラミック
層２９とホルダー１との間に金属ワッシャ３１が介装さ
れる。

ここで、セラミック層２９は絶縁体であるので、外側電
極１２とホルダー１とは前記金属ワッシャ３１を介して
は導通せず、安定して酸素センサの起電力を測定するこ
とができる。

また、金属ワッシャ３１より先端側においては、外側電
極５はセラミック層２９または保護層６により確実に覆
われる構成となるので、排気が外側電極５に直接接触す
ることが防止され、排気による外側電極５におけるカー
ボンの析出を抑止でき、該空間における外側電極５の劣
化を防止できる。

次にコントロールユニット１６による空燃比制御ルーチ
ンを第４図に示したフローチャートに従って説明する。

第４図は、燃料噴射量演算ルーチンを示す。このルーチ
ンは所定周期（例えばｌ０ｍ５）毎に行われる。

ステップ（図ではＳと記す）１では、エアフローメータ
１３によって検出される吸入空気流量Ｑとクランク角セ
ンサ２１からの信号によって算出される機関回転数Ｎと
に基づき、単位回転当たりの吸入空気流ｉｔＱに相当す
る基本燃料噴射量Ｔｐを次式により算出する。

Ｔｐ＝ＫｘＱ／Ｎ　　　（Ｋは定数） ステップ２では、水温センサ１７によって検出された冷
却水温度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、後述するフィードバック補正係数設定
ルーチンにより酸素センサ１９からの信号に基づいて設
定されたフィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを読込む
。

ステップ４では、バッテリの電圧値に基づいて３ ４ 電圧補正分子ｓを設定する。これはバッテリ電圧変動に
よる燃料噴射弁１５の噴射流量変化を補正するためのも
のである。

ステップ５では、最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式に従っ
て演算する。

Ｔｉ＝ＴｐＸＣＯＥＦＸＬＡＭＢＤＡ＋Ｔｓステップ６
では、演算された燃料噴射量Ｔｉ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、演算された燃料噴射量Ｔｉのパルス
幅をもつ駆動パルス信号が燃料噴射弁１５に出力されて
燃料噴射が行われる。

即ち、燃料噴射弁１５が燃料供給手段りの機能を奏し、
当該ルーチンが燃料供給量補正手段Ｅに相当する。

次にフィードバック補正係数ＬＡＭＢＤΔ設定ルーチン
を第５図に従って説明する。このルーチンは機関回転に
同期して実行される。

ステップ１１では、酸素センサ１９からの信号電圧ＶＯ
２を入力する。

ステップ１２では、現在の機関回転数Ｎと基本燃料噴射
量Ｔｐとの最新のデータに基づき、ＲＯＭに記憶された
マツプからフィードバック制御定数を検索する。ここで
、フィードバック制御定数は燃料供給量増量補正用とし
て、後述するように、空燃比がリッチからリーンに反転
した直後に加算される比例定数ＰＲと反転直後以外で加
算される積分定数ＩＲとを有し、また燃料供給量減量補
正用として空燃比がリーンからリッチに反転した直後に
減算される比例定数ＰＬと反転直後以外で減算される積
分定数１１との計４種類有する。

次にステップ１３へ進み同じくＮとＴｐとのデータに基
づきＲＯＭに記憶されたマツプから酸素センサの出力電
圧と比較される基準値ＳＬを検索する。

次にステップ１４へ進み、ステップ１１で入力した信号
電圧■。２と基準値ＳＬとを比較する。

そして、空燃比がリッチ（Ｖｏｚ＞ＳＬ）のとき（リッ
チ空燃比燃焼時）はステップ１５へ進み、リーンからリ
ッチへの反転時か否かを判定し、反転５ ６ 時にはステップ１６へ進んで、フィードバック補正係数
ＬＡＭＢＤＡをステップ１２で検索された比例定数Ｐ。

分減少させる。反転時以外は、ステップ１７へ進み、フ
ィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを前回値に対し、検
索された積分定数ＩＬ分減少させる。

また、ステップ１４で空燃比がリーン（ＶＯ２＜ＳＬ）
と判定されたとき（リーン空燃比燃焼時）は、ステップ
１８へ進んで同様にリッチからリーンへの反転時か否か
を判定し、反転時はステップ１９へ進んでフィードバッ
ク補正係数ＬＡＭＢＤＡをステップ１２で検索された比
例定数ＰＲ分増大させ、反転時以外はステップ２０へ進
み前回値に対し検索された積分定数ＩＲ分増大させる。

即ちステップ１４〜ステツプ２０の機能が空燃比フィー
ドバック補正係数比例制御手段Ｂ及び空燃比フィードバ
ック補正係数積分制御手段Ｃに相当する。

次に本発明に係る構成として、酸素センサの内部抵抗の
変化に基づいて空燃比フィードバック補正係数を補正す
るルーチンについて、第６図及び第７図を参照しつつ説
明する。

まず、酸素センサ１９に前述の如く存在する内部抵抗Ｒ
ｉを測定する構成について説明する。

第６図に示すように、酸素センサ１９のコントロールユ
ニット１６への出力ＯＰ１は酸素センサ１９の前記電極
４，５間に発生した起電力Ｖｏより内部抵抗Ｒｉに係る
電圧降下を差し引いたものであるが、本発明に係る構成
として基準抵抗Ｒｓを該内部抵抗Ｒｉと並列に、かつ前
記内部抵抗Ｒｉ及び電極４．５間に発生する起電力Ｖｏ
の両端に接続し、該基準抵抗Ｒｓに係る出力■を基準抵
抗へバイパスされた出力ＯＰ２として読み込む。

即ち、出力側導通部２６及び接地側導通部２７との間に
電気的に前記基準抵抗Ｒｓを接続して、出力■を測定す
ればよい。

ここで、前記起電力Ｖｏと基準抵抗Ｒｓに係る出力Ｖと
の間には次の関係が成立する。

７ ８ Ｒｉ＝（Ｖｏ／Ｖ）　　・Ｒ５−Ｒ５・・・　０次に第
７図に示すフローチャートを参照しつつ作用を説明する
。

ステップ３１では、前記起電力ＶＯと基準抵抗Ｒｓに係
る出力Ｖを読み込む。

ステップ３２では、前記０式に従って内部抵抗Ｒｉを演
算する。

ステップ３３では内部抵抗Ｒｉが１にΩ以上か否かを判
断し、１にΩ以上である場合は素子温度が低いため内部
抵抗Ｒｉが大きく、もって酸素センサ１９の応答性も良
好でないとしてステップ３４に進む。

ステップ３４では、前記フィードバック補正係数ＬＡＭ
ＢＤＡ設定ルーチンにおいて検索及び設定される空燃比
フィードバック補正比例定数ＰＬ、ＰＲをさらに２０％
大きく設定し、空燃比フィードバック補正積分定数ＩＬ
、ＩＲをさらに２０％小さく設定する。

ここで、大きくまたは小さくする度合いは２０％に限る
ものではないことは勿論である。

このようにすると、酸素センサの出力がスライ９ スレベルを境として反転する周波数が減少しても（即ち
応答性が低下しても）、該反転の時点で、空燃比フィー
ドバック補正係数における比例定数ＰＬ、Ｐ＋ｔが大き
いので大きくフィードバック補正がなされ、空燃比の目
標空燃比への収束性が向上する。また積分定数１．、Ｉ
Ｒが小さいので、その後の急激な増大または減少が防止
され、ハンチングを防止することができる。

一方、ステップ３３で内部抵抗Ｒｉが１にΩ未満である
と判断された場合はステップ３５に進み、前記空燃比フ
ィードバック補正定数をそのままにクランプして、当該
ルーチンを終了する。

即ち、第６図に示した回路構成とステップ３１の機能が
基準抵抗出力値検出手段Ｇに相当し、ステップ３２の機
能が内部抵抗演算手段Ｈに相当する。

また、ステップ３３〜ステツプ３５の機能が、酸素セン
サの内部抵抗が所定値より大きい場合に、空燃比フィー
ドバック補正係数比例制御手段Ｂにおける所定の比例骨
を増大補正すると共に前記空燃比フィードバック補正係
数積分制御手段Ｃにおけ０ る所定の積分分を減少補正する空燃比フィードバック補
正係数補正手段Ｉに相当する。

以上説明したように、本実施例では、基準抵抗Ｒｓを該
内部抵抗Ｒｉと並列に接続し、酸素センサ１９の出力ｖ
Ｏと基準抵抗Ｒｓに係る出力■とに基づいて空燃比フィ
ードバック補正係数を補正するようにしたので、素子温
度の低下による応答性の低下を補正することが可能とな
る。また、本実施例では、外側電極５の一端部７をジル
コニアチューブ２の基端面８まで延設し、コンタクトプ
レート２３に設けた接地側導電部２４と接触させ、内側
電極４の一部もコンタクトプレート２３の出力側導電部
２５と接触させて、ホルダー１の機関排気管壁Ｅへの取
付けの際の締付はトルクの影響等を排除する構成とした
ので、正確に前記出力■及び出力■０を測定することが
可能となり、前記内部抵抗Ｒｉの測定精度が向上する。

もって空燃比の目標空燃比への収束性が向上し、従って
良好なエミッションが得られることとなる。

また前記酸素センサの活性低下により制御タイミングに
遅れが生じ、該遅れにより始動性の低下が生じる惧れが
あるが、空燃比の目標空燃比への収束性が向上すること
により制御タイミングの遅れも少なくすることが可能と
なり、もって始動性も向上する。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、演算された内部
抵抗が所定値より大きい場合は、素子温度が所定の低温
状態にありもって応答性も良好でないとして、空燃比フ
ィードバック補正比例係数を増大補正すると共に前記空
燃比フィードバック補正積分係数を減少補正するように
したので、空燃比の目標空燃比への収束性が向上し、良
好なエミッションが得られることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の実施例に係るシステム図、第３図は同上実施例に使
用する酸素センサの要部断面図、第４図は同上実施例の
燃料噴射量演算ルーチンを示すフローチャート、第５図
は同じくフィードパ１ ２ ツク補正係数設定ルーチンを示すフローチャート、第６
図は同上実施例の酸素センサ内部抵抗測定用の回路図、
第７図は同上実施例に係る空燃比フィードバック補正係
数の補正ルーチンを示すフローチャート、第８図は酸素
センサの素子温度と内部抵抗との関係を示す図、第９図
は酸素センサの素子温度と応答性との関係を示す図、第
１０図は従来の制御特性図である。 ４．５・・・電極　　１１・・・機関　　１２・・・吸
気通路１５・・・燃料噴射弁　　１６・・・コントロー
ルユニット１８・・・排気通路　　１９・・・酸素セン
サ　　２０・・・三元触媒　　２１・・・クランク角セ
ンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　機関排気系に設けられて排気中の酸素濃度を介して機
   関吸入混合気の空燃比を検出するものであって理論空燃
   比を境としてリーン・リッチ信号を出力する酸素センサ
   と、空燃比がリッチからリーンまたはリーンからリッチ
   に反転した時に空燃比フィードバック補正係数を所定の
   比例分増大または減少させる空燃比フィードバック補正
   係数比例制御手段と、空燃比のリーン・リッチに応じ空
   燃比フィードバック補正係数を所定時間毎に所定の積分
   分増大または減少させる空燃比フィードバック補正係数
   積分制御手段と、機関への燃料供給手段による燃料供給
   量をそのときの空燃比フィードバック補正係数で補正す
   る燃料供給量補正手段と、を備えて、空燃比を目標空燃
   比にフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置
   において、酸素センサと並列に接続した基準抵抗と、該
   基準抵抗に係る出力値を検出する基準抵抗出力値検出手
   段と、前記酸素センサ出力値と前記基準抵抗出力値とに
   基づいて酸素センサの内部抵抗を演算する内部抵抗演算
   手段と、演算された内部抵抗が所定値より大きい場合に
   、前記空燃比フィードバック補正係数比例制御手段にお
   ける所定の比例分を増大補正すると共に前記空燃比フィ
   ードバック補正係数積分制御手段における所定の積分分
   を減少補正する空燃比フィードバック補正係数補正手段
   と、を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装
   置。