JPH0450762A

JPH0450762A - 内燃機関における酸素センサの劣化検出方法

Info

Publication number: JPH0450762A
Application number: JP2158664A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kaneko; 金子　浩昭; Koichi Nemoto; 好一根本; Akihide Okada; 岡田　晃英
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1992-02-19
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JP2976490B2; US5251604A

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は内燃機関の空燃比制御システムにおける酸素
センサの劣化検出方法に関する。

（従来の技術）従来の内燃機関の空燃比制御システムとしては、例えば
、特開昭５８−４７２４８．５９−２１５９３５号公報
などに示されるように、内燃機関の吸入空気量、回転数
などの運、転情報に基づいて基本噴射量を計算し、排ガ
ス流路中に置かれた酸素センサの信号に基づき前記基本
噴射量を補正し、この補正された値によって実際に供給
される燃料量が制御されるようになっている。この制御
を繰り返して行なうフィードバック制御により、空燃比
を理論空燃比に保つことができるものである。

第１６図はこの従来のフィードバック制御のブロック図
である。本図に示すように、コントロールユニットＡは
エアフローメータの信号とイグニッションコイルの信号
により基本パルスを算出し、スロットルバルブスイッチ
による増量補正及びバッテリによる電圧補正をする一方
で、０２センサ（空燃比制御用酸素センサ）１により空
燃比フィードバック制御回路Ｂを介して増量補正をし、
演算回路、パワーアンプを経て、インジェクタ（燃料噴
射弁）を作動させる。コントロールユニットＡはそのほ
か、スタートスイッチ及び水温センサによりそれぞれ増
量補正をするようにしている。

また、第１７図は、空燃比フィードバック制御回路Ｂの
詳細回路を示したものである。酸素センサ１の起電力が
比較電位よりも大であるときは理論空燃比に対して燃料
過剰（リッチ）であると判断して減量信号を、また比較
電位よりも小であるときは空気過剰（リーン）であると
判断して増量信号を基本信号に加えてインジェクタの噴
射時間を設定する。

更に、第１８図は空燃比フィードバック時の酸素センサ
１の出力信号Ｖ′を、第１９図は空燃比補正係数（α）
を縦軸により時間を横軸にとって示したものである。こ
の場合、第１９図の比例係数ＰＲＳＰＬ及び積分係数Ｊ
Ｒ，Ｉ、の各係数値は一定である。

この様な空燃比制御運転条件において、三元触媒は高い
排ガス浄化性能を発揮するので、従来のものは０２セン
サにより空燃比を理論値になるよう制御しているのであ
る。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来の空燃比制御システムにおいては、
制御に用いる空燃比センサの特性の経時変化（おちに空
燃比に対する起電力特性の変化）等によって、空燃比制
御が正確に理論空燃比を中心として行なわれなくなる場
合があり、その結果として、全体的にリッチ（酸素不足
状態）またはリーン（酸素過剰状態）にかたよった排ガ
スが触媒に供給されるため、排ガス浄化率が低下すると
いう問題点があった。

この発明はこの様な問題点に着目してなされたもので、
本発明の目的とするところは、ＰＩ制御用の空燃比制御
用酸素センサの劣化状態を検出するとともに、制御用酸
素センサの劣化を補償し得る内燃機関における酸素セン
サの劣化検出方法を提供することである。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）この発明は、前記目的を達成するため、第１の酸素セン
サにより排ガスの空燃比を制御するようにした内燃機関
において、前記第１の酸素センサの設置付近に応答遅延
要素を持たせた第２の酸素センサを設置し、該第２の酸
素センサの出力信号のリッチ８力側およびリーン出力側
それぞれに設けられたスライスレベルと前記第２の酸素
センサの出力信号とを比較する手段を設けることにより
前記第１の酸素センサの劣化状態を検出することを特徴
とするものであり、また、前記比較する手段は、第２の
酸素センサの出力値の極大値をＶ　ｍ　！　ｘ　ｓ極小
値をＶＩ！ｌｉｎとし、リッチ側スライスレベルをＳＲ
１リーン側スライスレベルをＳＬとしたとき、次の５個
の状態に分けて比較し第１の酸素センサの劣化状態の検
圧開所をするものである。

ａ、　　　Ｖ□、＞ＳＲ，＋　ｖ、、、、＜　ＳＬのと
き「正常」と判断する。

ｂ、　　　ＶＩＤ！Ｉ＜ＳＬのとき「よりリーン」と判
断する。

ｃ、　　　ＳＲ＞ｖｌａｍ！　＞ＳＬのとき「若干リー
ン」と判断する。

ｄ　、　　　Ｖ　ｍｌｓ　＞　Ｓ　Ｒのとき「よりリッ
チ」と判断する。

６、　　３Ｒ＞Ｖ、、。＞ＳＬのとき「若干リッチ」と
判断する。

（作用）第２の酸素センサは、酸素貯蔵効果を発揮する応答遅延
要素を持っているので、第１の酸素センサの経時的劣化
により排ガスがリーンにずれているときはリーン側に偏
よった出力を、またリッチにずれているときはリッチ側
に偏よった出力を示す。そこで、その出力信号と基準の
スライスレベルとを比較することにより、第１の酸素セ
ンサの劣化を正しく検出することができる。よって、第
１の酸素センサによるフィードバック係数を補正し理論
空燃比になるように制御することにより排ガス浄化率の
低下を防止することができる。

また、比較判断を５個の状態に分けて行なう□ことによ
り、フィードバック係数の補正をよりきめ細かく行なう
ことができ、排ガス浄化率の低下を更に一段と効果的に
防止することができる。

（実施例）以下この発明の一実施例を第１図〜第１５図により説明
する。まず第１図により構成を説明すると、１は空燃比
制御用酸素センサ（第１のセンサ）、２は空燃比測定用
センサ（第２のセンサ）、３はエンジン、４は燃料噴射
弁、５は電子制御装置、６は触媒コンバータである。

空燃比用センサ１としては、通常用いられている酸素濃
度により起電力が変化する固体電界質型酸素センサ、抵
抗値が変化する酸化物半導体型酸素センサ、限界電流値
が変化する限界電流型酸素センサ等を用いる。

第２図及び第３図に示すように、空燃比測定用センサ２
として、センサ２の排気側Ｐ、電極９の外側にスピネル
保護層１０を介して貴金属およびセリアを含む触媒層１
１を有する酸素ンサを使用する。なお、第２図及び第３
図中、８はチューブ状のジルコニアである。

次に、この実施例の作用を第４図〜第１１図を参照しつ
つ説明する。第１図において、通常の空燃比制御は、従
来どおり空燃比制御用センサ１が排ガス中の空燃比変化
を検出し、電子制御装置５に信号を伝える。電子制御袋
Ｗ５はセンサ出力値の変化方向、変化時点からの経過変
化時間に応じて燃料供給量を増減し、空燃比を理論空燃
比近傍に制御するが、本実施例ではこの制御系に空燃比
測定用センサ（第２のセンサ）２及び比較手段７を加え
である。この空燃比測定用センサ２は従来にない特性を
持っており、空燃比制御用センサ１で制御された排ガス
が理論空燃比近傍に制御されているかどうかを比較手段
７でモニタすることにより、空燃比制御用センサ１の劣
化状態を検出することが出来る。

つまり、第２の酸素センサ２は平均空燃比が理論空燃比
になっているかどうかを検出できるものである。この空
燃比測定用センサ（第２のセンサ）２の特性（−点鎖線
）を第４図〜第６図に具体的に示した。第４図に示すよ
うに、排ガスが理論空燃比を境に同じ幅だけ振れていれ
ば、第２の酸素センサ２は通常の酸素センサ１（実線）
と同様な出力変化を示す。

しかしながら、第５図に示すように、排ガスがリッチに
ずれているとリッチ出力を示したままとなり、逆に、第
６図に示すようにリーンにずれているとリーン出力を示
したままになる。

これは、センサ表面に形成された触媒層中のセリアの酸
素貯蔵効果によるものである（本願出願人の出願　特願
平２−１７９１０号参照）。尚、第４図〜第６図におい
て空気過剰率λ値は実際空燃比を理論空燃比で除したも
のであり、又、■は第２センサ２の出力、Ｖ′は第１セ
ンサ１の出力、Ｃは制御パターンを示す。

この様な特性を持つ空燃比測定用センサ２を用い、第７
図〜第１１図に示すように、リッチ出力側およびリーン
出力側にそれぞれスライスレベルＳＲ，ＳＬを設けてお
き、第９図のように空燃比測定用センサ２の出力ＶがＳ
Ｒ，ＳＬ両方をよぎれば正常で、第７図、第８図の様に
ＳＲをよぎらない場合、ＳＲＬかよぎらない場合は排ガ
スの空燃比がよりリッチ、若干リッチ側へ、また、第１
０図、第１１図の様にＳＬＬかよぎらない場合ＳＬをよ
ぎらない場合は若干リーン、よリリーン側に排ガスの空
燃比がずれていると判別でき、制御用センサ１の劣化状
態を検出する事が出来る。

なお、第７図〜第１１図においてＶは第２のセンサ２の
出力、Ｖ′は第１のセンサ１の出力を示す。

この劣化状態の検出による具体的な制御を第１２図によ
り説明する。

第１２図は本発明におけるフィードバック制御のブロッ
ク線図を示したもので、従来との相違はコントロールユ
ニットＡ′において第２のセンサ２、空燃比検出回路７
ａ及びフィードバック（Ｆ／Ｂ）係数修正回路７ｂ（比
較手段）７が加えられ、フィードバック制御回路Ｂ′が
変更された点のみで、あとは第１６図（従来）と同様で
ある。

第２のセンサ２の出力は、空燃比検出回路７ａを経て、
空燃比正常化手段としてのＦ／Ｂ係数修正回路７ｂへ導
かれる。同空燃比正常化手段においては、運転条件判断
手段により判断された安定なエンジン条件のもとで、セ
ンサ２の出力を所定時間測定し、このセンサ２の出力を
基にして、各空燃比フィードバック係数の修正値が求め
られる。

空燃比フィードバック制御回路Ｂ′では、第１３図に示
すように、修正フィードバック係数を用いて、補正波形
を成形し、基本パルスを修正する。

第１４図は、この空燃比測定方法のフローチャートを示
す。即ち、ステップ１において回転数Ｎと吸入空気量Ｑ
を測定し、ステップ２で定常（走行）かどうかを判断し
定常の場合、ステップ３に進み、ここで第２のセンサの
出力を所定時間Ａ／Ｄ変換して取込み、ステップ４（後
述）で空燃比のズレを判定後、空燃比フィードバック係
数の補正をし、ステップ５で第２のセンサ出力が正常か
どうかを判断し、正常の場合、これで終了とするもので
ある。

第１５図は第１４図のステップ４の詳細フローチャート
を示す。

ここで、空燃比フィードバック係数としては、比例係数
Ｐ及び積分係数Ｉが一般的に用いられるが、第１５図で
は比例係数Ｐを変更修正する場合について示しである。

勿論、積分係数■を変更修正する場合も考えられる。

第１５図に示すように、ステップ４の内容としては、第
２のセンサ２の出力がスライスレベルＳＲ，ＳＬの両方
又は片方をよぎるか、よぎらないかの状態を判別するこ
とである。以下その流れをステップ順に説明する。ステ
ップ４１で第２のセンサ２の出力の最大（極大）値ｖ１
．８及び最小（極小）値Ｖ、。を抽出する。ステップ４
２でＶ　ｍａｎ　＞　Ｓ　Ｒかどうかを判断し、ＹＥＳ
（７）場合、ステップ４３でＶ　、ｓ　＜　Ｓ　Ｌかど
うかを判断し、ＹＥＳの場合はステップ４４で正常（理
論空燃比）と判断する。即ち、この場合は、第９図のよ
うに、第２センサの出力値ＶがスライスレベルＳＲとＳ
Ｌの両方をよぎるので正常と判断できるものである。こ
の結果、ステップ４５で比例値ｐｔＰＲとももとの値Ｐ
　Ｌ　＋　　Ｐ　Ｂに等しいとする。

次に、Ｖ　ｘａｍｘ　＞　Ｓ　ＲがＮＯの場合は、ステ
ップ４６　テＶ　−−−＜　Ｓ　ｔ　７５’どうかを判
断し、ＹＥＳ（７）場合ステップ４７で、「よりリーン
状態」と判断する。これは、第１１図に示すように、出
力ＶがＳＬ以下であるので、よりリーン状態にあると判
断できるものである。この場合はステップ４８で、Ｐ　
Ｒ＝　Ｐ　Ｒ（１＋　Ｋ　ｐβ）の補正をし、より早く
リッチにして正常値になるような補正をする。

次に、Ｖ　ｍｉｘ　＜　Ｓ　ＬがＮＯの場合はステ・ツ
ブ４９で「若干リーン状態」と判断する。これは第１０
図に示すように、出力ＶがＳＬのみをよぎっているので
若干リーンと判断できるのである。よって、ステップ５
０で、ＰＲ’　−ＰＲ（１＋Ｋｐ　）の補正をし、リッ
チ側への補正をして正常値になるようにする。

次に、ステップ４３でＶ、’、、＜３ＬがＮｏの場合は
ステップ５１でＶ　ｍｌ　ｎ　＞　Ｓ　Ｂかどうかの判
断をし、ＹＥＳの場合、ステップ５２で「よりリッチ状
態」と判断する。これは、第７図に示すように、出力Ｖ
がＳＬＩとＳＬともよぎらないのでよりリッチと判断で
きるものである。よって、ステップ５３で、ＰＬ　　−
ＰＬ　　（１＋Ｋｐβ）の補正をしより早くリーンに向
かわせ正常値になるようにする。■、。＞ＳＬがＮｏの
場合はステップ５４で「若干リッチ状態」と判断する。

これは第８図に示すように、出力■がＳＲのみをよぎる
ので、そのように判断できるものである。よって、ステ
ップ５５へと進み、ＰＬ　’　−ＰＬ　　（１＋Ｋｐ　
）の補正をし、リーン化して正常値になるようにする。

以上の５個の判別をまとめて示すと次のとおりとなる。

そこで、この結果に基づきステップ５６でＰＬ　’　＋
　　ＰＲ′の出力をし第１４図のステップ５へと移行す
る。

■　ＰＬ−−ＰＬ　＋　　Ｐ　Ｒ’　−Ｐ　Ｒ・・・正
常■　Ｐ　Ｌ　’　　−ＰＬ　　（１＋　Ｋｐ　　・β
）・・・よりリッチな状態 ■　ＰＬ’　−ＰＬ　　（１＋Ｋｐ　）・・・若干リッ
チ状態■　ＰＲ’　−ＰＲ（１＋Ｋｐ　）　　・・若干
リーン状態■　Ｐ　Ｒ’　−Ｐ　Ｒ（１＋　Ｋ　ｐ　・
β）川よりリーンな状態この様に本実施例の場合は、空燃比フィードバック係数
を修正し、第２のセンサ２が、通常の酸素センサ１と同
様な出力特性（スライスレベル両方をよぎる特性）を示
すようになるまで電子制御装置から信号を出し、燃料供
給量を増減させる。

空燃比フィードバック係数の修正は！Ｒ，Ｉ、値を用い
ても同様の効果が得られる。

又、空燃比制御は学習制御を用いると更に効率良く行な
うことができる。

［発明の効果〕以上説明してきたように、本発明によれば、内燃機関の
通常の空燃比制御システムにあらたに、制御されている
排ガスの制御中心のずれを検出しうるセンサを第２のセ
ンサとして加えることにより、制御用センサの経時的特
性変化を検出するとともに空燃比制御異常を補償し、好
ましい制御状態を保つ改良された空燃比制御システムを
構築して、実用に供する事が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す空燃比制御システム
の構成図、第２図は空燃比測定用センサ（第２のセンサ
）の構造を示す断面図、第３図は第２図の■部拡大図、
第４図〜第６図は空燃比測定用センサの特性図、第７図
〜第１１図は制御用センサ（第１のセンサ）と空燃比測
定用センサ（第２のセンサ）との応答出方波形の比較図
、第１２図はこの発明のフィードバック制御の全体的ブ
ロック線図、第１３図はこの発明の空燃比フィードバッ
ク制御回路の詳細ブロック線図、第１４図はこの発明の
一実施例の全体的フローチャート、第１５図はこの発明
の一実施例の部分的フローチャート、第１６図は従来の
フィードバック制御の全体的ブロック線図、第１７図は
従来のフィードバック制御回路の詳細ブロック線図、第
１８図は制御用酸素センサ（第１のセンサ）の信号波形
図、第１９図は空燃比補正係数の波形図である。１・・・第１の酸素センサ２・・・第２の酸素センサ３・・・エンジン４・・・燃料噴射弁（インジェクタ）５・・・電子制御装置６・・・触媒コンバータ７・・・比較手段８・・・ジルコニア９・・・ｐｔ電極１０・・・スピネル保護層１１・・・触媒Ａ、Ａ’　・・・コントロールユニットＢ、Ｂ’　・・
・空燃比フィードバック制御回路ＳＬ・・・リーン側ス
ライスレベルＳＲ・・・リッチ側スライスレベルＰ・・・比例係数Ｉ・・・積分係数 ■・・・第２酸素センサの出力

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の酸素センサにより排ガスの空燃比を制御す
るようにした内燃機関において、前記第１の酸素センサ
の設置付近に応答遅延要素を持たせた第２の酸素センサ
を設置し、該第２の酸素センサの出力信号のリッチ出力
側およびリーン出力側それぞれに設けられたスライスレ
ベルと前記第２の酸素センサの出力信号とを比較する手
段を設けることにより前記第１の酸素センサの劣化状態
を検出することを特徴とする内燃機関における酸素セン
サの劣化検出方法。
（２）前記比較する手段は、第２の酸素センサの出力値
の極大値をＶｍａｘ、極小値をＶｍｉｎとし、リッチ側
スライスレベルをＳ＿Ｒ、リーン側スライスレベルをＳ
＿Ｌとしたとき、次の５個の状態に分けて比較し第１の
酸素センサの劣化状態の検出判断をすることを特徴とす
る請求項第１項記載の内燃機関における酸素センサの劣
化検出方法。ａ、Ｖｍａｘ＞Ｓ＿Ｒ、Ｖｍｉｎ＜Ｓ＿Ｌのとき「正常
」と判断する。ｂ、Ｖ＿ｍ＿ａ＿ｘ＜Ｓ＿Ｌのとき「よりリーン」と判
断する。Ｃ、Ｓ＿Ｒ＞Ｖ＿ｍ＿ａ＿ｘ＞Ｓ＿Ｌのとき「若干リー
ン」と判断する。ｄ、Ｖ＿ｍ＿ｉ＿ｎ＞Ｓ＿Ｒのとき「よりリッチ」と判
断する。ｅ、Ｓ＿Ｒ＞Ｖ＿ｍ＿ｉ＿ｎ＞Ｓ＿Ｌのとき「若干リッ
チ」と判断する。