JPH0621015Y2 - 排気ガス中の酸素濃度測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、例えば自動車用多気筒エンジン等の空燃比を
フィードバック制御するのに用いて好適な排気ガス中の
酸素濃度測定装置に関し、特に、各噴射弁からの燃料噴
射量にバラツキがある場合でも、空燃比を安定してフィ
ードバック制御できるようにした排気ガス中の酸素濃度
測定装置に関する。

〔従来の技術〕 一般に、自動車用多気筒エンジン等に用いられる燃料噴
射装置では、吸気マニホールドの複数の分岐管にそれぞ
れ噴射弁を設けるのに対して、排気マニホールドに１本
の酸素センサを設け、この酸素センサによって排気ガス
中の酸素濃度を検出し、空燃比をフィードバック制御す
るようにしている。

そこでまず、従来技術の燃料噴射装置を第５図に示す。

同図において、１は例えば４気筒のエンジン本体で、該
エンジン本体１は空気と燃料の混合気を燃焼することに
よってピストンを往復動させ、クランク（回転軸）２か
ら回転出力を導出するもので、該エンジン本体１には、
冷却水温を検出する水温センサ３と、クランク２からエ
ンジン回転数等を検出するクランク角センサ４とが設け
られている。

そして、該エンジン本体１の吸気側はエアクリーナ５と
吸気配管６、スロットルバルブスイッチ７Ａを有するス
ロットルボディ７および吸気マニホールド８を介して接
続され、該吸気マニホールド８の各分岐管にはそれぞれ
後述の噴射パルスに基づいてエンジン本体１に燃料を噴
射して供給する噴射弁９，９，…が設けられている。ま
た、エンジン本体１の排気側には複数の分岐管１０Ａ，
１０Ａ，…と該分岐管１０Ａが合流した１本の排気管１
０Ｂとからなる排気マニホールド１０が接続され、排気
管１０Ｂには排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素セン
サ１１が設けられている。

１２は吸気マニホールド８内の圧力を検出する圧力セン
サで、該圧力センサ１２はその圧力感知部（図示せず）
が空気導管１３を介して吸気マニホールド８内と接続さ
れ、該吸気マニホールド８内の吸入空気圧力をブースト
圧Ｐとして検出するようになっている。そして、該圧力
センサ１２はブースト圧Ｐに対応した圧力検出信号を後
述のコントロールユニット１８に出力し、この圧力検出
信号とクランク角センサ４からのエンジン回転数信号と
によって後述の吸入空気量Ｑを算定させるようになって
いる。

１４は燃料タンク、１５は該燃料タンク１４内に設けら
れた油中型の燃料ポンプで、該燃料ポンプ１５は燃料タ
ンク１４内の燃料を各噴射弁９に燃料配管１６を介して
圧送供給し、この燃料の一部は圧力レギュレータ１７を
介して燃料タンク１４内へと戻されるようになってる。
ここで、該圧力レギュレータ１７は吸気マニホールド８
内の圧力を制御圧として導くことにより、この制御圧に
基づいて燃料配管１６内の燃圧を制御し、この制御され
た燃圧をもって各噴射弁９から燃料を噴射させるように
なっている。

さらに、１８は例えばマイクロコンピュータによって構
成されるコントロールユニットで、該コントロールユニ
ット１８は例えば運転室内、または運転席のシート下
等、邪魔とならない場所に設置されている。ここで、コ
ントロールユニット１８の入力側は水温センサ３、クラ
ンク角センサ４、スロットルバルブスイッチ７Ａ、酸素
センサ１１、圧力センサ１２、エンジンスイッチ、車速
センサ、インヒビタスイッチ等（いずれも図示せず）と
接続され、出力側は各噴射弁９と接続され、電源として
バッテリと接続されている。そして、前記コントロール
ユニット１８は、クランク角センサ４によるエンジン回
転数Ｎ、圧力センサ１２等による吸入空気量Ｑから、基
本噴射量Ｔｐを Ｔｐ＝Ｋ×Ｑ／Ｎ ………(1) ただし、Ｋ：定数 として演算すると共に、噴射弁９による噴射量Ｔｉを、 Ｔｉ＝Ｔｐ×α×α′×Ｃ_ＯＥＦ×Ｔ_ｓ …(2) ただし、α：空燃比フィードバック補正係数 α′：基本空燃比学習補正係数 Ｃ_ＯＥＦ：各種補正係数 Ｔ_ｓ：バッテリ電圧補正係数 として演算し、その演算結果に基づき、所定デューティ
をもった噴射パルスを噴射弁９に出力する機能を有して
いる。なお、空燃比フィードバック補正係数αは、酸素
センサ１１からの酸素濃度信号に基づき、空燃比が理論
空燃比（λ＝１）となるように制御するものであり、基
本空燃比学習補正係数α′は、基本噴射量Ｔｐとエンジ
ン回転数Ｎとからなる学習マップを用いて、空燃比の経
年変化を学習補正するものであり、各種補正係数Ｃ
_ＯＥＦは水温増量補正、始動時増量補正等の各補正係数
である。

このように構成されるエンジンの燃料噴射装置では、ス
タートスイッチによってエンジン本体１が始動すると、
コントロールユニット１８は、スロットルボディ７の開
度、即ち圧力センサ１２等による吸入空気量Ｑ、クラン
ク角センサ４によるエンジン回転数Ｎから、基本噴射量
Ｔｐを（１）式として演算し、さらに水温センサ３、酸
素センサ１１等からの検出信号に基づき、（２）式によ
る噴射量Ｔｉを演算し、噴射弁９に所定デューティの噴
射パルスを出力する。

また、酸素センサ１１は排気マニホールド１０の各分岐
管１０Ａが合流した排気管１０Ｂに１本設けられ、エン
ジン本体１の各気筒から各分岐管１０Ａを介して排出さ
れてくる排気ガス中の酸素濃度を検出することによっ
て、酸素濃度に対応した信号を出力電圧としてコントロ
ールユニット１８に出力する。そして、該コントロール
ユニット１８では酸素センサ１１からの出力電圧に基づ
いて前記（２）式中の空燃比フィードバック補正計数α
を逐一書き換え、各噴射弁９による燃料の噴射量Ｔｉを
増減させて空燃比をフィードバック制御し、燃料が吸入
空気に対して過濃となったり、稀薄となったりするのを
防止するようにしている。

〔考案が解決しようとする課題〕

ところで、上述した従来技術では、排気マニホールド１
０の各分岐管１０Ａにそれぞれ酸素センサ１１を設けれ
ば、複数の酸素センサ１１が必要となって高価となる上
に、各酸素センサ１１からの出力電圧に基づいて各気筒
毎の空燃比をフィードバック制御しようとする制御が複
雑となるから、１本の酸素センサ１１で全体の空燃比を
一括して制御するようにしている。また、酸素センサ１
１を各分岐管１０Ａの合流部分に比較的近接させて排気
管１０Ｂに設けることにより、各気筒から各分岐管１０
Ａを介して排出されてくる排気ガスが酸素センサ１１の
位置に短時間で到達するようにし、排気ガス中の酸素濃
度を応答性良く、瞬時に検出できるようにしている。

然るに従来技術では、各気筒と酸素センサ１１との距離
が近いため、各分岐管１０Ａを介して排出される排気ガ
スが互いに混合、攪拌される前に酸素センサ１１に達す
るようになり、各噴射弁９からの燃料噴射量にバラツキ
がある場合、例えば各噴射弁９のうち第５図中に示す噴
射弁９Ａの噴射量が他の各噴射弁９に比較して大きい場
合、酸素センサ１１は噴射弁９Ａに対応する気筒からの
排気ガスによって全体の排気ガスが燃料過濃（リッチ傾
向である）とする信号をコントロールユニット１８に出
力することがあり、空燃比を安定して制御できなくな
り、エンジン出力を誤って低下させたり、排気ガス中の
有害物である窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を増大させたりする
等の問題がある。

本考案は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもの
で、本考案は各噴射弁からの噴射量のバラツキを吸収で
き、空燃比を安定して制御できるようにした排気ガス中
の酸素濃度測定装置を提供するものである。

〔課題点を解決するための手段〕

上述した課題を解決するために本考案は第１図に機能ブ
ロック図として示すように、複数の分岐管と該各分岐管
が合流した１本の排気管とからなる排気マニホールド
と、該排気マニホールドの排気管に各分岐管との合流部
側寄りに位置して設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検
出する第１の酸素センサと、該第１の酸素センサよりも
下流側に位置して前記排気マニホールドの排気管途中に
設けられた排気ガスの攪拌手段と、該攪拌手段よりも下
流側に位置して前記排気マニホールドの排気管途中に設
けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する第２の酸素セ
ンサと、前記第１の酸素センサからの出力電圧が所定の
判定用電圧を越えたか否かを判定し、越えないと判定し
たときに第１の酸素センサを使用させる電圧判定手段
と、該電圧判定手段が所定の判定用電圧を越えたと判定
したときに、前記第１の酸素センサと第２の酸素センサ
との出力電圧の差を演算する電圧差演算手段と、該電圧
差演算手段による差電圧値が所定の異常判定用差電圧を
越えたか否かを判定し、越えないと判定したときには継
続して第１の酸素センサを使用させ、越えたと判定した
ときには第２の酸素センサを使用させる異常判定手段と
からなる構成を採用している。

〔作用〕 前述した構成を有することにより、常時は第１の酸素セ
ンサで排気ガス中の酸素濃度を検出して、応答性を向上
できる上に、エンジン回転数が増大して、排気ガスの流
速が速くなったとき等には、電圧差演算手段による差電
圧値に基づき、異常判定手段で第１，第２の酸素センサ
を選択的に使用させることができ、第２の酸素センサは
攪拌手段で攪拌された排気ガス中の酸素濃度を各噴射弁
の噴射量のバラツキに影響されることなく検出でき、空
燃比を安定して制御できる。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を第２図ないし第４図に基づいて
説明する。なお、実施例では前述した第５図に示す従来
技術と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を
省略するものとする。

図中、２１はエンジン本体１の排気気側に接続された排
気マニホールドを示し、該排気マニホールド２１は従来
技術で述べた排気マニホールド１０とほぼ同様に、例え
ば４本の分岐管２１Ａ，２１Ａ，…と、各分岐管２１Ａ
が合流した１本の排気管２１Ｂとからなり、該排気管２
１Ｂには各分岐管２１Ａとの合流部側寄りに位置して第
１の酸素センサ２２が設けられている。また、該排気管
２１Ｂには第１の酸素センサ２２よりも下流側に位置し
て、例えば屈曲部分等にターボチャージャ等の排気ター
ビン２３が攪拌手段として設けられ、該排気タービン２
３は排気管２１Ｂ内に排出された排気ガス流によって回
転し、各分岐管２１Ａからの排気ガスを均一に混合、攪
拌して下流側へと流通させる。２４は排気タービン２３
よりも下流側に位置して排気管２１Ｂの途中に設けられ
た第２の酸素センサを示し、該酸素センサ２４は排気タ
ービン２３で均一に混合、攪拌された排気ガス中の酸素
濃度を検出することにより、エンジン本体１の各気筒の
うち、特定の気筒からの排気ガスに影響されることな
く、エンジン本体１全体の空燃比を出力電圧Ｅ_Ｂとして
取出しうるようになっている。一方、第１の酸素センサ
２２は各気筒に近い位置に配設されているから、各気筒
からの排気ガス中の酸素濃度を応答性良く出力電圧Ｅ_Ａ
として検出できるものの、特定の気筒からの排気ガスに
影響され易くなっている。

即ち、各噴射弁９のうち、例えば噴射弁９Ａからの燃料
噴射量が大きくなっている場合、特に、急加速時等には
各噴射弁９からの噴射量が増量されて、噴射弁９Ａから
多量の燃料が噴射されるから、これに影響されて第１の
酸素センサ２２は第３図中に示す加速期間ｔ_１〜ｔ_３の
うち、時間ｔ_２等で大きな出力電圧Ｅ_Ａを後述のコント
ロールユニット２５に出力することがある。一方、第２
の酸素センサ２４は排気タービン２３の下流側で均一に
混合された排気ガス中の酸素濃度を検出するから、エン
ジン本体１全体の作動状態（空燃比）に対応した出力電
圧Ｅ_Ｂをコントロールユニット２５へと出力し続ける。
この結果、加速期間ｔ_１〜ｔ_３のうち時間ｔ_２等で出力
電圧Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂの差電圧Ｅ_β（Ｅ_β＝Ｅ_Ａ−Ｅ_Ｂ）は大
きな差電圧値となり、後述の異常判定用差電圧ΔＥより
も大となることがある。

さらに、２５はマイクロコンピュータ等によって構成さ
れるコントロールユニットを示し、該コントロールユニ
ット２５の入力側は水温センサ３、クランク角センサ
４、スロットルバルブスイッチ７Ａ、圧力センサ１２お
よび酸素センサ２２，２４等と接続され、出力側は各噴
射弁９と接続され、ＲＯＭ等の記憶回路内には第４図に
示すプログラム等が格納されている。そして、該コント
ロールユニット２５は従来技術で述べたコントロールユ
ニット１８と同様に前記（２）式等に基づいて噴射量Ｔ
ｉ等を演算し、各噴射弁９に噴射パルスを出力する第１
の機能の他に、後述の判定処理により第１の酸素センサ
２２と第２の酸素センサ２４とを選択的に使用させ、こ
れらの出力電圧Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂのうち、いずれかによって空
燃比をフィードバック制御させる第２の機能を有してい
る。

なお、第３図では出力電圧Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂの位相をずらして
示しているが、これは出力電圧Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂの特性を明示
すべく、位相をずらしたもので、酸素センサ２２，２４
の応答性の差に基づいて、出力電圧Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂの位相を
ずらしたものでは必ずしもない。また、出力電圧Ｅ_Ａは
噴射弁９Ａ等に影響されて、例えば４個のピーク毎に大
なる電圧となることがある。

本実施例による排気ガス中の酸素濃度測定装置は上述の
如き構成を有するもので、次に第４図によりコントロー
ルユニット２５の判定処理について説明する。

まず、エンジンが始動すると、圧力センサ１２からのブ
ースト圧Ｐをステップ１で読込み、ステップ２でブース
ト圧Ｐが、例えば0.6Kg/cm²を越えたか否かを判定す
る。これはエンジン本体１全体の吸入空気流量が所定量
以上に増大したか否かを判定するもので、吸入空気流量
が増大してないとき、例えばアイドル時等には排気ガス
の流量も小さいから、流速も遅く、空燃比フィードバッ
ク制御の応答性を高めるためにはエンジン本体１に近い
位置で排気ガス中の酸素濃度を検出する必要がある。そ
こで、ステップ２で「ＮＯ」と判定したときには、ステ
ップ３に移って第１の酸素センサ２２を使用させ、該酸
素センサ２２からの出力電圧Ｅ_Ａに基づいて空燃比をフ
ィードバック制御させる。

また、ステップ２で「ＹＥＳ」と判定されたときにはス
テップ４に移って出力電圧Ｅ_Ａを読込み、ステップ５で
出力電圧Ｅ_Ａが判定用電圧Ｅ_αを越えているか否かを判
定する。ここで、判定用電圧Ｅ_αは空燃比制御用の基準
電圧Ｅ_０、例えば５００mV程度よりも所定値だけ高い電
圧が用いられ、基準電圧Ｅ_０と共にコントロールユニッ
ト２５のＲＯＭ等に格納されている。そして、ステップ
５で「ＮＯ」と判定したときには、各噴射弁９からの噴
射量にバラツキがあったとしても、出力電圧Ｅ_Ａがそれ
程高くなく、空燃比のフィードバック制御により各噴射
弁９からの噴射量を大幅に減少させたりすることはない
ので、前記と同様にステップ３に移って第１の酸素セン
サ２２を使用させる。

一方、ステップ５で「ＹＥＳ」と判定したときには、前
記噴射量のバラツキ等によって出力電圧Ｅ_Ａが異常に高
くなっている可能性があるから、ステップ６で第２の酸
素センサ２４からの出力電圧Ｅ_Ｂを読込んだ後、ステッ
プ７に移って出力電圧Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂの差、即ち差電圧値Ｅ
_β（Ｅ_β＝Ｅ_Ａ−Ｅ_Ｂ）を演算し、ステップ８で該差電
圧値_βがコントロールユニット２５のＲＯＭ等に予め格
納されている所定の異常判定用差電圧ΔＥを越えている
か否かを判定する。

そして、ステップ８で「ＹＥＳ」と判定したときには差
電圧値_βが異常判定用差電圧ΔＥよりも小さく、排気タ
ービン２３により均一に混合、攪拌された排気ガス中の
酸素濃度を検出する第２の酸素センサ２４からの出力電
圧Ｅ_Ｂも出力電圧Ｅ_Ａと共に高くなっているから、第１
の酸素センサ２２からの出力電圧Ｅ_Ａは各噴射弁９から
の噴射量のバラツキ等によって高くなっているのではな
く、エンジン本体１全体の空燃比が急加速等によりリッ
チ傾向となって正常に高くなっていると判定できる。そ
こで、前記と同様にステップ３に移って、第１の酸素セ
ンサ２２を継続して使用させる。

また、ステップ８で「ＮＯ」と判定したときには、エン
ジン本体１全体の空燃比に対応した第２の酸素センサ２
４からの出力電圧Ｅ_Ｂに比較して、第１の酸素センサ２
２からの出力電圧Ｅ_Ａが第３図中に示す時間ｔ_２等で異
常に高くなっているので、出力電圧Ｅ_Ａは噴射量のバラ
ツキに影響されて高くなっており、エンジン本体１全体
の空燃比に対応していないと判定できる。そこで、ステ
ップ９に移って、この場合には第２の酸素センサ２４を
使用させ、該酸素センサ２４からの出力電圧Ｅ_Ｂに基づ
いて空燃比をフィードバック制御させ、各噴射弁９から
の噴射量のバラツキ等を吸収することができる。そし
て、ステップ１０に移ってリターンさせ、前述した各処
理動作を順次続行させる。

而して、本実施例によれば、常時は第１の酸素センサ２
２を用いて、該酸素センサ２２からの出力電圧Ｅ_Ａに基
づき空燃比をフィードバック制御でき、応答性を向上で
きる上に、ステップ５で「ＹＥＳ」と判定したときに
は、ステップ６からステップ８の処理で、出力電圧Ｅ_Ａ
がエンジンの急加速等によって高くなっているのか、ま
たは各噴射弁９からの噴射量のバラツキ等によって高く
なっているのかを正確に判定でき、第１の酸素センサ２
２と第２の酸素センサ２４とを選択的に使用させること
により、各噴射弁９からの噴射量のバラツキ等を確実に
吸収でき、空燃比のフィードバック制御を安定化させる
ことができる。

従って、本実施例では、従来技術のようにエンジン出力
を誤って低下させたり、排気ガス中の有害物質である窒
素酸化物（ＮＯ_Ｘ）等を増大させたりする等の問題を解
消でき、制御性能を向上させることができる。

なお、本考案の実施例では、第４図中のステップ５が電
圧判定手段の具体例であり、ステップ７が電圧演算手段
の具体例であり、ステップ８が異常判定手段の具体例で
あるが、本考案はこれらの各ステップに限定されるもの
ではなく、差動増幅器、電圧比較回路等のハード回路に
よって構成してもよい。

また、前記実施例では、攪拌手段としてターボチャージ
ャ等の排気タービン２３を用いるものとして述べたが、
これに替えて、エンジン本体１の各気筒からの排気ガス
を均一に混合、攪拌するためのファン等を攪拌手段とし
て用いてもよい。

さらに、前記実施例では、圧力センサ１２からのブース
ト圧Ｐが0.6Kg/cm²を越えたか否かで、排気ガスの流速
が所定の速さに達したか否かを判定するものとして述べ
たが、このブースト圧は必ずしも0.6Kg/cm²に設定する
必要はなく、設定圧は適宜に変えてもよい。また、ブー
スト圧Ｐに替えて、クランク角センサ４からの信号によ
って前記判定を行なってもよく、あるいはエアフロメー
タ等を用いるようにしてもよい。

〔考案の効果〕

以上詳述した通り、本考案によれば、常時はエンジン本
体に近い第１の酸素センサによって排気ガス中の酸素濃
度を検出し、空燃比のフィードバック制御を応答性を高
めて続行できる上に、第１の酸素センサと第２の酸素セ
ンサとの出力電圧の差が異常判定用差電圧を越えて大き
くなったときには、攪拌手段よりも下流側の第２の酸素
センサを用いて排気ガス中の酸素濃度を検出でき、噴射
量のバラツキ等を吸収して空燃比を安定して制御でき
る。従ってエンジン出力を誤って低下させたり、排気ガ
ス中の有害物を増大させたりするのを確実に防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による排気ガス中の酸素濃度測定装置の
基本的構成を示す機能ブロック図、第２図ないし第４図
は本考案の実施例を示し、第２図は本実施例の全体構成
図、第３図は出力電圧の特性線図、第４図は判定処理を
示す流れ図、第５図は従来技術を示す燃料噴射装置の全
体構成図である。 １……エンジン本体、８……吸気マニホールド、９……
噴射弁、１２……圧力センサ、２１……排気マニホール
ド、２１Ａ……分岐管、２１Ｂ……排気管、２２……第
１の酸素センサ、２３……攪拌手段、２４……第２の酸
素センサ、２５……コントロールユニット、Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂ
……出力電圧、Ｅ_α……判定用電圧、Ｅ_β……差電圧
値、ΔＥ……異常判定用差電圧。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の分岐管と該各分岐管が合流した１本
   の排気管とからなる排気マニホールドと、該排気マニホ
   ールドの排気管に各分岐管との合流部側寄りに位置して
   設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する第１の酸素
   センサと、該第１の酸素センサよりも下流側に位置して
   前記排気マニホールドの排気管途中に設けられた排気ガ
   スの攪拌手段と、該攪拌手段よりも下流側に位置して前
   記排気マニホールドの排気管途中に設けられ、排気ガス
   中の酸素濃度を検出する第２の酸素センサと、前記第１
   の酸素センサからの出力電圧が所定の判定用電圧を越え
   たか否かを判定し、越えないと判定したときに第１の酸
   素センサを使用させる電圧判定手段と、該電圧判定手段
   が所定の判定用電圧を越えたと判定したときに、前記第
   １の酸素センサと第２の酸素センサとの出力電圧の差を
   演算する電圧差演算手段と、該電圧差演算手段による差
   電圧値が所定の異常判定用差電圧を越えたか否かを判定
   し、越えないと判定したときには継続して第１の酸素セ
   ンサを使用させ、越えたと判定したときには第２の酸素
   センサを使用させる異常判定手段とから構成してなる排
   気ガス中の酸素濃度測定装置。