JPH065217B2 - 空燃比制御装置 - Google Patents

空燃比制御装置

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JPH065217B2
JPH065217B2 JP60045965A JP4596585A JPH065217B2 JP H065217 B2 JPH065217 B2 JP H065217B2 JP 60045965 A JP60045965 A JP 60045965A JP 4596585 A JP4596585 A JP 4596585A JP H065217 B2 JPH065217 B2 JP H065217B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、酸素センサを用いて自動車用エンジン等の空
燃比を制御する空燃比制御装置に関する。
（従来技術） 近時、エンジンの燃費、排気対策等の要求を満たすた
め、エンジンの始動直後から空燃比がフィードバック制
御される傾向にあり、このような空燃比は、通常、排気
中の酸素濃度をパラメータとして検出される。
このため、リッチからリーンまで、空燃比を広範囲に検
出可能な酸素センサ（例えば、特開昭５９−６７４５５
号公報、特開昭５９−４６３５０号公報参照）が種々開
発されている。このような酸素センサはセンサ電極間が
所定電位差であるときの拡散限界酸素量が酸素濃度に相
関するという特性に着目し、これを拡散電流（ポンプ電
流）として外部回路により検出することで、空燃比を広
範囲に検出している。そして、このような酸素センサ情
報に基づいてリッチからリーンまで空燃比を広範囲にフ
ィードバック制御することができる。
また、酸素センサはその特性が温度に依存するので作動
を安定化させるために、センサ本体（素子部）を加熱す
るヒータを設け、通常はエンジン始動時からヒータに通
電している。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の空燃比制御装置にあっ
ては、酸素センサに排気酸素濃度に相関するとともに温
度依存特性を有するポンプ電流を供給し、この電流値か
ら空燃比を検出するという構成（なお、構造については
後述の実施例と同様であり、これを参照）であるため、
センサ本体の温度が変化すると空燃比の検出精度が低下
する。
すなわち、ポンプ電流の値は酸素濃度に相関するが、こ
の相関関係（以下、Ｉｐ−Ｏ2相関という）はセンサ本
体が所定の活性状態に移行した後に成立する。特に、エ
ンジン始動直後にあってはどの時点から正確な相関関数
になるかの判断が困難である。したがって、このような
場合、相関成立判断が早すぎるとあるいは相関成立判断
を考慮することなく始動直後から直ちにフィードバック
制御を開始すると、排気組成やエンジンの運転性能が悪
化する。一方、始動直後の検出精度の低下を懸念してフ
ィードバック制御の開始を遅らせることも考えられる
が、Ｉｐ−Ｏ2相関の成立判断が手当されていなければ
必要以上に制御開始が遅れることとなりやはり運転性能
等の悪化を招く。
（発明の目的） ここで本発明は、酸素センサのセンサ電極間の電位差が
所定の変動範囲内にあると判別したときから空燃比のフ
ィードバック制御を開始することにより、エンジン始動
後のＩｐ−Ｏ2相関の成立を適切に判断して始動直後に
おける排気組成の悪化を防止するとともに運転性を向上
させることを目的としている。
（発明の構成） 本発明による空燃比制御装置はその基本概念図を第１図
に示すように、（ａ）酸素イオン伝導性の固体電解質25
を挟んで被測定ガスに接する測定電極27と大気に接する
基準電極26とが配設され、両電極26、27間の酸素分圧比
に応じた電圧を出力するセンサ部32と、前記測定電極27
を覆い該測定電極27の周りに前記被測定ガスを導入する
ガス導入部30を画成するとともに被測定ガスの拡散量を
制限するガス導入部画成部材31と、前記センサ部32に対
向して配設され、ポンプ電極33、34間に供給されるポン
プ電流Ｉｐの値により前記センサ部32の酸素分圧を決定
するポンプ部35と、を有する酸素センサ12ａと、（ｂ）
エンジンの冷却水の温度を検出する水温検出手段11と、
（ｃ）冷却水の温度を除いたエンジンの運転状態を検出
する運転状態検出手段7、10と、（ｄ）開始信号が入力す
ると、前記センサ部32の出力電圧が所定値となるように
前記ポンプ部35にポンプ電流Ｉｐを供給し、この電流値
に基づいて空燃比を検出する空燃比検出手段13と、
（ｅ）前記水温検出手段11の出力に基づいて前記開始信
号の出力開始タイミングを設定し、前記運転状態検出手
段7、10の出力に基づいて該出力開始タイミングを補正す
る開始タイミング設定手段14と、（ｆ）エンジンが始動
し、且つ前記出力開始タイミングになると、前記開始信
号を出力する開始信号発生手段14と、（ｇ）前記開始信
号が出力されると、前記センサ部32の出力電圧が所定の
変動範囲内にあるか否かを判別する判別手段14と、
（ｈ）前記センサ部32の出力電圧が所定の変動範囲内に
あるとき、前記空燃比検出手段13の出力に基づいて吸入
混合気の空燃比が所定空燃比となるように吸入空気ある
いは燃料の供給量を制御する制御信号を出力する制御手
段14と、（ｉ）該制御信号に基づいて吸入空気あるいは
燃料の供給量を操作する操作手段４と、を備えており、
エンジン始動直後におけるフィードバック制御の実効化
を図るようにするものである。
（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。
第２〜７図は本発明の一実施例を示す図である。
まず、構成を説明すると、第２図において、１はエンジ
ンであり、吸入空気はエアクリーナ２より吸気管３を通
して各気筒に供給され燃料は噴射信号Ｓｉに基づいてイ
ンジェクタ（操作手段）４により噴射される。そして、
気筒内で燃焼した排気は排気管５を通して触媒コンバー
タ６に導入され、触媒コンバータ６内で排気中の有害成
分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ）を三元触媒により清浄化して
排出される。
吸入空気の流量Ｑａはエアフローメータ７により検出さ
れ、吸気管３内の絞り弁８によって制御される。絞弁８
の開度Ｃｖは絞弁開度センサ９により検出され、エンジ
ン１の回転数Ｎはクランク角センサ10により検出され
る。またウォークジャケットを流れる冷却水の温度Ｔｗ
は水温センサ（水温検出手段）11により検出される。
排気管５には酸素センサ12が取り付けられており、酸素
センサ12は空燃比検出回路（空燃比検出手段）13に接続
される。空燃比検出回路13は所定条件下（詳細は後述す
る）で開始信号Ｓｃが入力されると酸素センサ12にポン
プ電流Ｉｐを供給するとともに、その電流値を検出して
排気酸素濃度に対応する電圧信号Ｖｉを出力する。各セ
ンサ７、９、10、13からの信号はコントロールユニット
14に入力されており、コントロールユニット14はこれら
のセンサ情報に基づいて空燃比制御、酸素センサ12のヒ
ータへの通電制御および開始信号Ｓｃの出力制御を行う
もので、詳細な構成は後述する。
第３、４図は、酸素センサ12の分解斜視図およびその断
面図である。これらの図において、21はアルミナからな
る基板であり、基板21上にはヒータ22を介してチャンネ
ル状の大気導入部23を形成した大気導入板24が積層され
る。その上に、酸素イオン伝導性の平板状の第１の固体
電解質（固体電解質）25が積層され、固体電解質25の下
面には大気に晒される電極であるセンサアノード（基準
電極）26が、それに対応する上面には被測定ガスとして
の排気ガスに晒される電極であるセンサカソード（測定
電極）27がそれぞれ印刷により設けられる。さらに、こ
の固体電解質25の上に厚さＬ（Ｌ＝0.1 mm程度）のスペ
ーサ板28が積層され、その上に平板状の第２の固体電解
質29が積層される。これらの固体電解質25、29およびス
ペーサ28はセンサカソード27を覆ってこのセンサカソー
ド27の周りにガス導入部30を画成するガス導入部画成部
材31を構成しており、このガス導入部画成部材31は大気
導入部23とガス導入部30との間の酸素分子の拡散を制限
する。上記センサアノード26、センサカソード27および
固体電解質25はセンサ部32を構成しており、センサ部32
は大気導入部23とガス導入部30との間の酸素分圧比に応
じた電圧（以下、センサ電圧という）Ｖｓを出力する。
また、第２の固体電解質29の上、下面にはそれぞれポン
プ電極としてのポンプアノード33およびポンプカソード
34が設けられ、これらのポンプアノード33、ポンプカソ
ード34および固体電解質29はポンプ部35を構成する。ポ
ンプ部35はポンプ電極間に供給されるポンプ電流Ｉｐの
値に応じてガス導入部30の酸素分圧を制御する。上記セ
ンサ部32、ポンプ部35、ガス導入部画成部材31および大
気導入板24は排気中の酸素濃度を検出する素子部36を構
成する。なお、ヒータ22はヒータ電圧Ｖｈが印加される
と固体電解質25、29を適温に加熱し、それらを活性化さ
せる。また、41、42はヒータ22のリード線、43〜46はそ
れぞれセンサアノード26、センサカソード27、ポンプア
ノード33、ポンプカソード34のリード線である。
第５図は空燃比検出回路13の構成を示す回路図であり、
この図において、空燃比検出回路13は目標電圧−Ｖａを
発生する電圧源49、差動アンプ50、抵抗Ｒ１、電流供給
回路51、電流検出回路52、バッファアンプ53およびアナ
グロスイッチ54により構成される。差動アンプ50はセン
サ電圧Ｖｓを目標電圧−Ｖａと比較してその差値Δ｛Δ
Ｖ＝Ｖｓ−（−Ｖａ）｝を算出する。電流供給回路51は
差値ΔＶが零になるようにアナログスイッチ54を介して
素子部36のポンプカソード34からのポンプ電流Ｉｐを流
し出す（あるいは流し込む）。すなわちΔＶが正のとき
はＩｐを増やし、負のときはＩｐ減らす。アナログスイ
ッチ54はコントロールユニット15から開始信号Ｓｃが入
力されるとその接点を閉じてポンプ電流Ｉｐの通過を許
容し、開始信号Ｓｃの非入力時には接点を開いてポンプ
電流Ｉｐの通過を阻止する。電流検出回路52は抵抗Ｒ１
の両端間の電位差によりポンプ電流Ｉｐを電圧Ｖｉ（Ｖ
ｉ∝Ｉｐ）に変換して検出する。なお、ポンプ電流Ｉｐ
は実線矢印で示す方向を正（Ｖｉも正）、破線矢印で示
す逆方向を負とする。
そして、目標電圧−Ｖａを素子部36のガス導入部30内の
酸素濃度が所定値に維持されているとき、すなわち固体
電解質25の両面間の酸素分圧比が所定値となるときのセ
ンサ電圧Ｖｓに相当する値に設定しておくことより、電
流検出回路52によって検出されるポンプ電流Ｉｐに比例
した検出電圧Ｖｉは第６図に示すように空燃比と一義的
に対応するようになる。したがって、この検出電圧Ｖｉ
を利用すれば空燃比をリッチ域からリーン域まで広範囲
に亘って連続的に精度よく検出することができる。な
お、バッファアンプ53はセンサ電圧Ｖｓを緩衝増幅しい
わゆるインピーダンス変換してコントロールユニット14
に出力する。
再び第２図において、コントロールユニット14は判断手
段、開始タイミング設定手段、開始信号発生手段および
制御手段としての機能を有し、ＣＰＵ56、ＲＯＭ57、Ｒ
ＡＭ58およびＩ／Ｏポート59により構成される。ＣＰＵ
56はＲＯＭ57に書き込まれているプログラムにしたがっ
てＩ／Ｏポート59より必要とする外部データを取り込ん
だり、またＲＡＭ58との間でデータを授受を行ったりし
ながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをＩ／
Ｏポート59へ出力する。Ｉ／Ｏポート59には空燃比検出
回路13およびセンサ群７、９、10、11、13からの信号が
入力されるとともに、Ｉ／Ｏポート59からは噴射信号Ｓ
ｉ、ヒータ信号Ｓｈおよび開始信号Ｓｃが出力される。
ＲＯＭ57はＣＰＵ56における演算プログラムを格納して
おり、ＲＡＭ58は演算に使用するデータをマップ等の形
で記憶している。ヒータ信号Ｓｈはアンプ60に入力され
ており、アンプ60は同信号Ｓｈを電圧増幅しヒータ電圧
Ｖｈとして酸素センサ12のヒータ22に印加する。
次に、作用を説明する。
第７、８図はＲＯＭ57に書き込まれている空燃比制御の
プログラムを示すフローチャートであり、図中Ｐ１〜Ｐ
20はフローチャートの各ステップを示している。
第７図は検知開始タイミング算出プログラムを示してお
り、本プログラムはバックグランドジョブ（ＢＧＪ）で
割込処理の合間を抜って不定期に繰り返し実行される。
まず、Ｐ１で回転数Ｎが始動判別回転数（400r.p.m.）
を超えているか否かを判別し、Ｎ≦400r.p.m.のときは
未だ始動完了していないと判断してＰ２、Ｐ３でそれぞ
れヒータ信号Ｓｈ、開始信号Ｓｃの出力を停止して（既
に停止されていれば停止状態を維持する）、リターンす
る。一方、Ｎ＞400r.p.m.のときは始動完了と判断して
Ｐ４でヒータ信号Ｓｈの出力の有無を判別する。ヒータ
信号Ｓｈが出力されていなければ、まずＰ５で同信号Ｓ
ｈの出力を開始し、Ｐ６でそのとき（始動時）の冷却水
温Ｔｗを読み込み、さらにＰ７でこの冷却水温Ｔｗに基
づいて開始信号Ｓｃの出力開始タイミングＴｓｔをテー
ブルルックアップする。出力開始タイミングＴｓｔは酸
素センサ12が排気酸素濃度の検出を開始するタイミング
であり、ヒータ信号Ｓｈの出力開始時点から経過時間と
いう形で設定される。このＴｓｔの値は始動時の機関温
度（本実施例では冷却水温Ｔｗ）に応じて予め最適値が
データテーブルとして記憶されており、冷却水温Ｔｗが
低い程大きな値に設定される。
次いで、Ｐ８で回転数Ｎと基本噴射量Ｔｐを読み込む。
基本噴射量Ｔｐは図示しない他のルーチンにより次式
に従って演算される。
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎ…… 但し、Ｋ：定数 そして、Ｐ９でＮとＴｐに基づいて一定時間毎に出力開
始タイミングＴｓｔから減算する減算値Ｔｓｕｂをテー
ブルルックアップする。この減算値Ｔｓｕｂは後述のプ
ログラムで使用されるもので、排気温度が高く、排気流
速が小さい運転域程大きな値に設定される。これは、予
め酸素センサ12近傍の雰囲気を推定するものであり、始
動直後の場合、排気温度が未だ比較的低いことから排気
熱で酸素センサ12が暖まるよりもむしろ排気流で冷却さ
れる量の方が多いからで、排気流速が大きければ冷却効
果が大きく暖まりにくいことを考慮したものである。
また、上記ステップＰ４でヒータ信号Ｓｈが既に出力さ
れていると判断したときはＰ８にジャンプして運転状態
に応じて減算値Ｔｓｕｂを逐次（本ルーチン毎に）ルッ
クアップする。したがって、エンジン１が始動完了し排
気管５内の温度が上昇過程にあるとき酸素センサ12のヒ
ータ22へ通電が開始されることとなり、ヒータ22単独の
急激な温度上昇を避けて耐久性を向上が図られる。因
に、例えばヒータ22のみが急激に温度上昇すると、発熱
体のはがれ等により耐久性の低下を招く傾向にある。
第８図はフィードバック制御開始プログラムを示してお
り、本プログラムは所定時間毎に一度実行される。な
お、これはエンジン回転に同期して、例えば１回転毎に
一度実行してもよい。
Ｐ11で開始信号Ｓｃが出力されているか否かを判別し、
出力されていなければＰ12で出力開始タイミングＴｓｔ
を次式に従って演算する。
Ｔｓｔ＝Ｔｓｔ′−Ｔｓｕｂ…… 但し、Ｔｓｔ：今回のルーチンの出力開始タイミングの
値 Ｔｓｔ′：前回のルーチンの出力開始タイミングの値 次いで、Ｐ13でＴｓｔが零になったか否かを判別し、Ｔ
ｓｔ≦０のときは検知開始タイミングであると判別して
Ｐ14で開始信号Ｓｃを出力する。これにより、空燃比検
出回路13によるポンプ電流Ｉｐの供給が開始されて空燃
比の検出が開始さる。このとき、酸素センサ12は排気熱
およびヒータ22の発熱によりその本体が十分に加熱され
て活性状態にあり、供給開始時のポンプ電流Ｉｐの値が
過大とならず素子部36の劣化促進が防止される。因に、
従来は始動と同時に、すなわち活性状態へ移行する前か
ら直ちにポンプ電流Ｉｐの供給が開始されており、その
電流値が過大となって素子部36の劣化を促進させてい
た。また、Ｔｓｔ＞０のときはＰ14をバイパスしてリタ
ーンし、Ｔｓｔ≦０となる迄このルーチン（Ｐ11〜
Ｐ13）を経てフローが流れる。
一方、上記ステップＰ11で開始信号Ｓｃが既に出力され
ていればＰ15以降のステップに進みＩｐ−Ｏ２相関の成
立を判断する。まず、Ｐ15でセンサ出力Ｖｓを読み込
み、Ｐ16、Ｐ17でセンサ出力Ｖｓをそれぞれ基準値Ｖｓ
max、Ｖｓminと比較しＶｓが目標電圧Ｖａを中心とする
所定の許容範囲内にあるか否かを判別する。Ｖｓmaxは
Ｖａより若干大きい所定値、ＶｓminはＶａより若干小
さい所定値に設定される。Ｖｓmin＜Ｖｓ＜Ｖｓmaxのと
きはセンサ出力Ｖｓが安定したと判断してＰ18で安定後
の経過時間Ｔが所定判別時間Ｔｈ（例えば、Ｔｈ＝0.1
〜10秒程度）を超えたか否かを判断する。Ｔ＞Ｔｈのと
きはＩｐ−Ｏ２相関が成立したと判断してＰ19でフィー
ドバック制御を開始する。また、Ｖｓ≦Ｖｓminあるい
はＶｓ≧Ｖmaxのときは未だセンサ出力Ｖｓが安定して
いないと判断してＰ20に進む。さらに、Ｐ18でＴ≦Ｔｈ
のときも同様にＰ20に進む。これらの場合は何れもＩｐ
−Ｏ２相関が成立していないと判断しＰ20で空燃比をオ
ープン制御する。このため、従来のように検出精度の低
い酸素センサ情報を用いて空燃比制御の精度悪化を招く
という事態が回避される。そして、Ｉｐ−Ｏ２相関の成
立を判断するまではオープン制御を実行し、該相関の成
立を判断した後にフィードバック制御が開始される。し
たがって、フィードバック制御はその開始時から直ちに
制御精度の高いものとなり、排気組成の改善や運転性を
従来に比して格段と向上させることができる。このよう
に始動直後から必要最小限の時間でＩｐ−Ｏ２相関の成
立を適切に判断して正確な空燃比検出情報を得ることが
でき、フィードバック制御の実効化を図ることができ
る。
なお、本発明は上記実施例に示したタイプの酸素センサ
に限定されるものではない。要は、拡散電流を排気中の
酸素濃度に相関させるように酸素分子のポンピングを行
うとともに、一定酸素濃度の基準ガス（大気のみとは限
らない）との比較のもとに空燃比を算出するタイプのも
のであればすべてに適用が可能である。したがって、ポ
ンプ電極の一部がセンサ電極と共用されているもの、あ
るいはセンサ部とポンプ部が一体構造のもの（見かけ上
はセンサ部のみとなる）であってもよいことは勿論であ
る。
さらに、本発明は空燃比制御に際して燃料供給量のみを
操作する例に限らず、例えば吸入空気を操作して空燃比
を制御するもの、あるいは両者を共に変化させるものに
も適用できる。
（効果） 本発明によれば、エンジン始動後のＩｐ−Ｏ２相関の成
立を適切に判断してフィードバック制御を開始すること
ができ、始動直後における排気組成の悪化を防止すると
ともに、運転性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の基本概念図、第２〜８図は本発明の一
実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３
図はその酸素センサの分解斜視図、第４図はその酸素セ
ンサの断面図、第５図はその空燃比検出回路の回路図、
第６図はその空燃比と検出電圧との関係を示す図、第７
図はその検知開始タイミング算出のプログラムを示すフ
ローチャート、第８図はそのフィードバック制御開始プ
ログラムを示すフローチャートである。 ４……インジェクタ（操作手段）、 ７……エアフローメータ（運転状態検出手段）、 10……クランク角センサ（運転状態検出手段）、 11……水温センサ（水温検出手段）、 12……酸素センサ、 13……空燃比検出回路（空燃比検出手段）、 14……コントロールユニット（判別手段、開始タイミン
グ設定手段、開始信号発生手段、制御手段）。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ａ）酸素イオン伝導性の固体電解質(25)を
    挟んで被測定ガスに接する測定電極(27)と大気に接する
    基準電極(26)とが配設され、両電極(26、27)間の酸素分
    圧比に応じた電圧を出力するセンサ部(32)と、前記測定
    電極(27)を覆い該測定電極(27)の周りに前記被測定ガス
    を導入するガス導入部(30)を画成するとともに被測定ガ
    スの拡散量を制限するガス導入部画成部材(31)と、前記
    センサ部(32)に対向して配設され、ポンプ電極(33、34)
    間に供給されるポンプ電流（Ｉｐ）の値により前記セン
    サ部(32)の酸素分圧を決定するポンプ部(35)と、を有す
    る酸素センサ(12)と、 ｂ）エンジンの冷却水の温度を検出する水温検出手段(1
    1)と、 ｃ）冷却水の温度を除いたエンジンの運転状態を検出す
    る運転状態検出手段(7、10)と、 ｄ）開始信号が入力すると、前記センサ部(32)の出力電
    圧が所定値となるように前記ポンプ部(35)にポンプ電流
    （Ｉｐ）を供給し、この電流値に基づいて空燃比を検出
    する空燃比検出手段(13)と、 ｅ）前記水温検出手段(11)の出力に基づいて前記開始信
    号の出力開始タイミングを設定し、前記運転状態検出手
    段(7、10)の出力に基づいて該出力開始タイミングを補正
    する開始タイミング設定手段(14)と、 ｆ）エンジンが始動し、且つ前記出力開始タイミングに
    なると、前記開始信号を出力する開始信号発生手段(14)
    と、 ｇ）前記開始信号が出力されると、前記センサ部(32)の
    出力電圧が所定の変動範囲内にあるか否かを判別する判
    別手段(14)と、 ｈ）前記センサ部(32)の出力電圧が所定の変動範囲内に
    あるとき、前記空燃比検出手段(13)の出力に基づいて吸
    入混合気の空燃比が所定空燃比となるように吸入空気あ
    るいは燃料の供給量を制御する制御信号を出力する制御
    手段(14)と、 ｉ）該制御信号に基づいて吸入空気あるいは燃料の供給
    量を操作する操作手段（４）と、 を備えたことを特徴とする空燃比制御装置。
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