JPH05302911A - 内燃機関における空燃比検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】空燃比センサの単品ばらつきを低コストかつ高
精度に学習する。 【構成】機関の吸入空気量Ｑと、これに対応して演算さ
れた燃料噴射パルス幅Ｔｅとから、供給混合気の空燃比
〔ＡＦ〕を演算する（Ｓ１〜Ｓ３）。次に、機関が定常
運転状態であるときに（Ｓ５）、前記演算で求めた空燃
比〔ＡＦ〕に対応する空燃比センサの理想出力電圧Ｖｓ
を求める（Ｓ６）。ここで、空燃比センサの出力は、前
記理想出力電圧Ｖｓに一致すべきであるから、実際のセ
ンサ出力ＭＶｓを前記理想出力電圧Ｖｓに変換するテー
ブルを学習する（Ｓ７）。そして、前記変換テーブルで
変換して得た出力電圧Ｖｓに基づいて空燃比データを得
る（Ｓ８，Ｓ９）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関における空燃比
検出装置に関し、詳しくは、排気成分濃度に基づいて機
関吸入混合気の空燃比を検出するセンサのばらつきを補
正する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、機関排気中の酸素濃度を酸素
センサで検出することによって機関吸入混合気の空燃比
を間接的に検出し、該酸素センサで検出される空燃比を
目標空燃比に近づけるように燃料供給量をフィードバッ
ク制御する空燃比フィードバック制御が知られている
（特開昭６０−２４０８４０号公報等参照）。

【０００３】かかる空燃比フィードバック制御において
は、理論空燃比に対するリッチ・リーンを検出できる酸
素センサを用いて、目標空燃比を理論空燃比とする制御
が従来から一般的に行われてきたが、近年の燃費向上要
求の高まりに対応して、理論空燃比よりも極めて高い空
燃比（例えば20〜24）を目標空燃比とする希薄燃焼機関
が開発されており、酸素センサとしても、広範囲な空燃
比領域を検出できる空燃比センサが用いられるようにな
ってきている。

【０００４】前記空燃比センサとしては、例えば図３に
示すような信号処理回路で実現されるものが知られてい
る。図３において、点線で囲んだ部分がセンサ素子部の
等価回路を示し、かかるセンサ素子は、安定化ジルコニ
アで隔てられる排気側と拡散室側との酸素分圧の差に応
じて発生するセンサ電流Ｉｐｓにより、センサ出力電圧
Ｖｓを発生するものであり、処理回路では、前記出力電
圧Ｖｓの平衡点（図３では450 ｍＶ）からのずれがゼロ
になるように、つまり、等価的センサ電流Ｉｐｅをゼロ
にするような電流Ｉｐ（ポンプ電流）を、前記出力電圧
Ｖｓと平衡点との比較に基づいて誤差アンプからセンサ
素子側に流し込む（又は、吸い出す）というフィードバ
ック処理回路を構成している。ここで、センサ出力とし
ては、前記電流Ｉｐを抵抗Ｒｓにより電圧に変換して取
り出すようになっている。

【０００５】即ち、従来から知られているジルコニア型
酸素センサの機能に酸素ポンプ機能を追加したものであ
り、基準の酸素分圧差のときに得られる出力電圧が維持
されるように、ジルコニア素子部に強制的に電流を流し
込む（又は、吸い出す）ものであり、前記出力電圧の維
持に必要とされる電流のレベルに基づき平衡点を基準と
して空燃比を検出するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のよう
な空燃比センサでは、センサ出力値（電流Ｉｐ）と排気
中の酸素濃度との関係が、センサの単品ばらつきによっ
てセンサ毎に僅かながら異なる特性を示すことが避けら
れなかった。このため、例えば、目標空燃比を理論空燃
比に比べて極めて高い値（例えば20〜24）に設定し、か
かるリーン空燃比が実際に得られるように前記空燃比セ
ンサを用いてフィードバック制御を実行する場合、前記
空燃比センサの単品ばらつきによって実際に得られる空
燃比が前記目標リーン空燃比に対してばらつき、ＮＯｘ
濃度が増大したり、燃焼が不安定になってサージが発生
させてしまうことがあった。

【０００７】空燃比センサの単品ばらつきを補償する方
法としては、予め空燃比センサ毎に出力信号を検定し、
出力信号のばらつきに対応した抵抗値の抵抗をセンサに
取り付けておき、その値をユニット側で読み取ってセン
サ出力信号をセンサ毎の特性に応じて補正したり、又
は、センサ回路に前記検定結果に対応する抵抗値の調整
抵抗を付加する方法などが行われていた。

【０００８】しかしながら、上記のばらつき補償方法に
よると、予め空燃比センサ毎に出力信号を検定する必要
があるから、大幅な工数の増大を招き、また、実際に内
燃機関に取り付けた状態での出力と、検定条件での出力
とに偏差が生じることがあり、精度の良いばらつき補償
が行えないなどの問題があった。本発明は上記問題点に
鑑みなされたものであり、検定作業を行わずに実機状態
で空燃比センサの出力ばらつきを補償できる空燃比検出
装置を提供し、以て、高精度な空燃比フィードバック制
御を可能とすることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そのため本発明は、内燃
機関の吸入空気量に相当するパラメータを少なくとも含
む機関運転状態を検出する手段と、前記機関運転状態に
基づいて機関への燃料供給量を演算する手段とを備えた
内燃機関における空燃比検出装置であって、図１に示す
ように構成される。

【００１０】図１において、空燃比センサは、機関吸入
混合気の空燃比によって変化する排気中の特定成分の濃
度に感応して出力値が変化するセンサである。一方、空
燃比演算手段は、機関の吸入空気量と燃料供給量とに基
づいて機関吸入混合気の空燃比を演算して求めるもので
ある。そして、補正手段は、所定の運転条件のときに前
記演算された空燃比と前記空燃比センサの出力値とを比
較し、該比較結果に基づいて空燃比センサの出力値を補
正する。

【００１１】

【作用】かかる構成の空燃比検出装置によると、機関の
吸入空気量と燃料供給量とに基づいて混合気形成におけ
る空燃比が演算から求められ、所定の運転条件におい
て、前記演算で求めた空燃比と排気中の特定成分濃度に
従って空燃比センサから出力される出力値とが比較され
る。そして、前記比較結果に基づいて空燃比センサの出
力値が補正される。

【００１２】即ち、所定の運転条件においては、燃料供
給量と吸入空気量とに基づいて演算される空燃比が、排
気中の特定成分濃度を正しく示すものと見做し、換言す
れば、供給混合気の空燃比が排気空燃比に等しくなると
見做し、前記演算された空燃比に対応する出力値が空燃
比センサから出力されていないことに基づいて空燃比セ
ンサの出力値のばらつきを検知するものである。

【００１３】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。一実施例
を示す図２において、内燃機関１にはエアクリーナ２か
ら吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸気マニホールド
５を介して空気が吸入される。吸気マニホールド５の各
ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁６が設けられて
いる。この燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開
弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であっ
て、後述するコントロールユニット12からの噴射パルス
信号により通電されて開弁し、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の圧力
に調整された燃料を、機関１に噴射供給する。

【００１４】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ていて、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホールド８，排気
ダクト９，触媒10及びマフラー11を介して排気が排出さ
れる。コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，Ｒ
ＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等を含ん
で構成されるマイクロコンピュータを備え、各種のセン
サからの入力信号を受け、後述の如く燃料噴射弁６によ
る燃料噴射量を演算により設定し、該燃料噴射量に基づ
いて燃料噴射弁６の作動を制御する。

【００１５】前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３
中にエアフローメータ13が設けられていて、機関１の吸
入空気流量Ｑに応じた信号を出力する。また、クランク
角センサ14が設けられていて、所定クランク角毎の回転
信号を出力する。ここで、前記回転信号の周期、或い
は、所定時間内における発生数を計測することにより、
機関回転速度Ｎｅを算出できる。

【００１６】また、機関１のウォータジャケットの冷却
水温度Ｔｗを検出する水温センサ15が設けられている。
また、排気マニホールド８の集合部に空燃比センサ16が
設けられている。この空燃比センサ16は、機関吸入混合
気の空燃比によって変化する排気中の酸素（特定成分）
濃度に感応してその出力電圧（出力値）が変化するセン
サであり、本実施例では、既述した図３に示すような処
理回路によって構成され、広範囲な空燃比領域を検出で
きるものを用いる。

【００１７】図３については、既に説明してあるので詳
細な説明は省略するが、本実施例の空燃比センサ16は、
ジルコニア型酸素センサの機能に酸素ポンプ機能を追加
したものであり、酸素分圧差によって発生する起電力の
平衡点からのずれをゼロにするような電流Ｉｐをジルコ
ニア素子部に流し込む（又は、吸い出す）ことにより、
前記電流Ｉｐのレベルに基づいて空燃比を検出するもの
である。尚、センサ出力としては、前記ポンプ電流が電
圧に変換して出力されるものとする。

【００１８】ここにおいて、コントロールユニット12に
内蔵されたマイクロコンピュータのＣＰＵは、以下に示
すように、空燃比フィードバック補正制御を実行しつつ
燃料噴射パルス幅（燃料供給量）Ｔｉを設定し、機関１
への燃料供給を制御する。即ち、コントロールユニット
12は、吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎｅと（吸入空気
量に相当するパラメータ）に基づいて目標空燃比相当の
基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを演算する。また、冷却水温
度Ｔｗ等の機関運転条件に応じた各種補正係数ＣＯＥ
Ｆ、空燃比センサ16で検出される空燃比を目標空燃比に
近づけるための空燃比フィードバック補正係数ＬＭＤ、
燃料噴射弁６のバッテリ電圧変化による有効噴射時間の
変化を補正するための電圧補正分Ｔｓ等を設定する。

【００１９】そして、前記基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを
前記各種補正係数ＣＯＥＦ，空燃比フィードバック補正
係数ＬＭＤ，電圧補正分Ｔｓで補正して、最終的な燃料
噴射パルス幅Ｔｉ（←Ｔｐ×ＣＯＥＦ×ＬＭＤ＋Ｔｓ）
を演算する。ここで、所定の燃料噴射タイミングにおい
て、前記燃料噴射パルス幅Ｔｉの噴射パルス信号を燃料
噴射弁６に出力して、機関に燃料を噴射供給する。

【００２０】また、コントロールユニット12は、前記空
燃比センサ16の出力特性のばらつきを補償する機能を、
図４のフローチャートに示すように備えている。尚、本
実施例において、補正手段及び空燃比演算手段としての
機能は、前記図４のフローチャートに示すように、コン
トロールユニット12がソフトウェア的に備えている。

【００２１】図４のフローチャートにおいて、まず、ス
テップ１（図中ではＳ１としてある。以下同様）では、
エアフローメータ13で検出される吸入空気流量Ｑを読み
込む。次のステップ２では、最新に演算された燃料噴射
パルス幅Ｔｉから電圧補正分Ｔｓを減算して、実質的な
噴射量（燃料供給量）に相当するパルス幅Ｔｅ（←Ｔｉ
−Ｔｓ）を求める。

【００２２】そして、次のステップ３では、前記ステッ
プ１で読み込んだ吸入空気流量Ｑを前記パルス幅Ｔｅで
除算した値に定数Ｋを乗算して、混合気形成時における
設定空燃比〔ＡＦ〕を演算して求める。また、ステップ
４では、空燃比センサ16の出力電圧を読み込んで、これ
をＭＶｓにセットする。

【００２３】ステップ５では、機関が定常運転状態であ
るか否かを判別する。これは、混合比形成における設定
空燃比〔ＡＦ〕（供給混合気の空燃比）がそのまま排気
空燃比として表れるような安定的な状態を判別するため
のものであり、機関が完暖状態で、かつ、過渡運転状態
や始動状態でないことを以下の学習の条件とする。機関
が定常運転状態であるときには、壁流が平衡状態にあ
り、そのときの空気量と燃料供給量とで求められる供給
混合気の空燃比〔ＡＦ〕がそのまま排気空燃比として表
れるはずである。

【００２４】そこで、ステップ５で定常状態であると判
別されたときには、ステップ６へ進み、吸入空気流量Ｑ
と燃料噴射量（噴射パルス幅Ｔｅ）とに基づいて演算で
求めた空燃比〔ＡＦ〕に対応するセンサの理想出力電圧
Ｖｓを求める。ここで、本来であれば、前記理想出力電
圧Ｖｓと、実際のセンサ出力電圧ＭＶｓとの一致すべき
であり、前記理想出力電圧Ｖｓに対する実際のセンサ出
力電圧ＭＶｓの偏差が、空燃比センサ16の出力特性のば
らつき分に相当することになる。

【００２５】そこで、次のステップ７では、前記実際の
出力電圧ＭＶｓを理想出力電圧Ｖｓに変換するための変
換テーブルを学習する。尚、前記変換テーブルの初期値
は、実際の出力電圧ＭＶｓを同じ電圧に変換して出力す
るように設定され、ばらつき分が検出される毎にその点
での変換特性を修正するものである。ここで、変換テー
ブルの学習においては、学習点毎に修正したり、１点で
学習されたシフト量に応じて全体を修正しても良いが、
複数点で学習された場合には、これらの学習点の間を補
間演算することが好ましい。

【００２６】一方、機関が定常状態でないときには、ス
テップ８へ進み、前述のように定常運転時に学習された
変換テーブルを用い、空燃比センサ16の出力電圧をばら
つき分が補償された電圧Ｖｓに変換する。そして、ステ
ップ９では、前記ばらつき分が補償された電圧Ｖｓに基
づいて、出力電圧Ｖｓを空燃比に変換するテーブルを参
照し、空燃比センサ16による検出空燃比を求める。

【００２７】前記ステップ９において求められた空燃比
検出データは、前述した空燃比フィードバック制御にお
ける実際の空燃比データとして用いられ、この空燃比デ
ータと目標空燃比とを比較して空燃比フィードバック補
正係数ＬＭＤが制御される。上記のように、吸入空気流
量Ｑに対する供給燃料量の設定が、そのまま排気空燃比
として表れるような所定の運転条件のときに、吸入空気
流量Ｑと燃料供給量とから供給混合気の空燃比を演算で
求め、かかる演算結果が真の排気空燃比に相当するもの
であると見做し、前記演算で求めた空燃比に相当するセ
ンサ出力となるように、出力電圧を変換するテーブルを
学習するものである。

【００２８】従って、空燃比センサ16に単品ばらつきが
あっても、かかるばらつき特性を予め検定する必要はな
く、実際に内燃機関に装着した状態でばらつき特性を学
習でき、かかる学習結果に基づいて真の排気空燃比に対
応する出力値に補正してから空燃比に変換させることが
できるようになり、空燃比を高精度に検出できる。この
ため、例えば目標空燃比を20〜24程度のリーン空燃比に
設定してフィードバック制御を実行する場合に、ＮＯｘ
排出量とサージ発生とを同時満足させ得る狭い制御範囲
内に実際の空燃比を高精度に制御することができるよう
になる。

【００２９】尚、本実施例では、エアフローメータ13で
検出された吸入空気流量Ｑに基づいて燃料噴射量を演算
する構成の内燃機関を示したが、前記エアフローメータ
13の代わりに吸入負圧を検出するセンサを備え、吸入空
気量に相当するパラメータとしての吸入負圧と機関回転
速度Ｎｅとから燃料噴射量を演算するよう構成された機
関であっても良い。

【００３０】また、本実施例では、空燃比センサ16とし
てジルコニア型酸素センサに酸素ポンプ機能を加えて構
成されるものを示したが、これに限定されるものではな
く、種々の構成の酸素センサに適用できるものである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる内燃
機関における空燃比検出装置によると、予め空燃比セン
サの出力を検定する必要がなく、実機に空燃比センサを
装着した状態で空燃比センサの単品ばらつきを検出し
て、これを補償する補正を行うので、工数を増大させる
ことなくかつ高精度に空燃比センサの単品ばらつきを補
償できるようになるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示すブロック図。

【図２】実施例のシステム概略図。

【図３】実施例における空燃比センサの処理回路を示す
回路図。

【図４】実施例における空燃比センサのばらつき学習の
様子を示すフローチャート。

【符号の説明】

１ 内燃機関 ６ 燃料噴射弁 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 16 空燃比センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の吸入空気量に相当するパラメー
   タを少なくとも含む機関運転状態を検出する手段と、前
   記機関運転状態に基づいて機関への燃料供給量を演算す
   る手段とを備えた内燃機関における空燃比検出装置であ
   って、 機関吸入混合気の空燃比によって変化する排気中の特定
   成分の濃度に感応して出力値が変化する空燃比センサ
   と、 機関の吸入空気量と前記燃料供給量とに基づいて機関吸
   入混合気の空燃比を演算して求める空燃比演算手段と、 所定の運転条件のときに前記演算された空燃比と前記空
   燃比センサの出力値とを比較し、該比較結果に基づいて
   空燃比センサの出力値を補正する補正手段と、 を含んで構成された内燃機関における空燃比検出装置。