JPH07104324B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

空燃比検出装置

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JPH07104324B2
JPH07104324B2 JP62312670A JP31267087A JPH07104324B2 JP H07104324 B2 JPH07104324 B2 JP H07104324B2 JP 62312670 A JP62312670 A JP 62312670A JP 31267087 A JP31267087 A JP 31267087A JP H07104324 B2 JPH07104324 B2 JP H07104324B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は内燃エンジンの排気ガス中の酸素濃度に比例し
た出力を発生する酸素濃度センサを有し酸素濃度センサ
の出力から空燃比を検出する空燃比検出装置に関する。
背景技術 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等を目的とし
て、排気ガス中の酸素濃度を酸素濃度センサによって検
出し、この酸素濃度センサの出力信号に応じて実空燃比
を判別し、その判別結果に応じてエンジンへの供給混合
気の空燃比を空燃比にフィードバック制御する空燃比制
御装置が例えば、特公昭55−3533号公報により公知であ
る。
このような空燃比制御装置に用いられる酸素濃度センサ
として被測定気体中の酸素濃度、すなわち排気空燃比に
比例した出力を発生するものがある。例えば、2つの平
板状の酸素イオン伝導性固体電解質材各々に電極対を設
けて酸素ポンプ素子及び電池素子を形成し、酸素ポンプ
素子及び電池素子の一方の電極面各々が気体滞留室の一
部をなしてその気体滞留室が被測定気体と導入孔を介し
て連通し電池素子の他方の電極面が大気室に面するよう
にしたセンサが特開昭59−192955号に開示されている。
かかる酸素濃度センサにおいては、気体滞留室内の酸素
濃度を常に所定濃度(例えば、0)に保持するように電
池素子の発生電圧と所定電圧とを比較してその比較結果
に応じて酸素ポンプ素子の電極間にポンプ電流を供給
し、そのポンプ電流値を酸素濃度に比例した出力として
検出するようになっている。ポンプ電流の検出器として
は酸素ポンプ素子と直列に接続した抵抗が用いられ、そ
の抵抗の両端電圧がポンプ電流値に比例する酸素濃度出
力電圧として得られる。
排気浄化のために三元触媒コンバータを排気系に備えた
内燃エンジンにおいて酸素濃度比例型の酸素濃度センサ
を用いて空燃比制御を行なう場合でも、供給混合気の空
燃比が理論空燃比(14.7)のときに三元触媒コンバータ
がもっとも有効に作用することからエンジンの定常運転
状態には供給混合気の空燃比が理論空燃比にフィードバ
ック制御される。そこで、実空燃比の理論空燃比からの
偏差に対応する空燃比検出信号を得てこれにより供給混
合気の空燃比をフィードバック制御することが行なわれ
ている。ところが、実空燃比が理論空燃比に近い場合に
その偏差が小さく理論空燃比への制御精度を上げんとす
れば偏差を増幅する必要が生ずる。一方、偏差の増幅率
をあまり大きくすると信号飽和が生じ易く増幅率の設定
が困難であった。
発明の概要 本発明の目的は、理論空燃比近傍の空燃比の判別精度が
十分向上させることができる空燃比検出装置を提供する
ことである。
本発明の空燃比検出装置は、各々が酸素イオン導電性固
体電解質部材と該固体電解質を挟んで対向する電極対と
からなる電池素子及ポンプ素子と、電池素子及びポンプ
素子各々の電極対の一方を内燃エンジンの排気ガスと連
通させる気体拡散制限手段と、電池素子の電極対間の電
圧と基準電圧との差電圧に応じた電圧をポンプ素子に印
加する電圧供給手段と、ポンプ素子の電極対間を流れる
ポンプ電流値に応じた空燃比判別信号を発生する信号発
生手段とからなる空燃比検出装置であって、信号発生手
段はポンプ電流値に応じた電圧を発生する電圧発生手段
と、該電圧発生手段の出力電圧を増幅する電圧増幅手段
と、電圧増幅手段の出力電圧が理論空燃比を含む所定の
空燃比範囲に対応する所定電圧範囲内にあるときには電
圧増幅手段の出力電圧が所定電圧範囲外にあるときより
も電圧増幅手段の増幅度を増大させる共に電圧増幅手段
の出力電圧から検出空燃比を判別して空燃比判別信号を
発生する判別手段とからなることを特徴としている。
実 施 例 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
第1図に示した本発明の一実施例たる酸素濃度センサを
備えた空燃比検出装置においては、酸素イオン伝導性固
体電解質材1内には気体拡散制限域として気体滞留室2
が形成されている。気体滞留室2は固体電解質材1外部
から被測定気体の排気ガスを導入する導入孔3に連通
し、導入孔3は図示しない内燃エンジンの排気管内にお
いて排気ガスが気体滞留室2内に流入し易いように位置
される。また酸素イオン伝導性固体電解質材1には大気
を導入する大気基準室4が気体滞留室2と壁を隔てるよ
うに形成されている。気体滞留室2と大気基準室4との
間の壁部及び大気基準室4とは反対側の壁部には電極対
6a,6b,5a,5bが各々形成されている。固体電解質材1及
び電極対5a,5bが酸素ポンプ素子7として作用し、固体
電解質材1及び電極対6a,6bが電池素子8として作用す
る。また大気基準室4の外壁面にはヒータ素子9が設け
られている。
酸素イオン伝導性固体電解質材1としては、ZrO2(二酸
化ジルコニウム)が用いられ、電極5aないし6bとしては
Pt(白金)が用いられる。
電池素子8の電極6aにはポンプ電流制御手段として差動
増幅回路11が接続され、差動増幅回路11は電池素子8の
電極6a,6b間の電圧と基準電圧源12から出力される基準
電圧Vr1との差電圧に応じた電圧を出力する。基準電圧
源12による基準電圧Vr1は理論空燃比に相当する電圧
(2.95〔V〕)である。差動増幅回路11の出力端子は酸
素ポンプ素子7の電極5aに接続されている。酸素ポンプ
素子7の電極5b及び電池素子8の電極6bは共通接続され
て演算増幅回路13の反転入力端子に接続されている。演
算増幅回路13の非反転入力端子には基準電圧源14から出
力される基準電圧Vr2が供給される。基準電圧源14によ
る基準電圧Vr2は例えば、2.5Vに設定されている。演算
増幅回路13の反転入力端子と出力端子との間には抵抗15
が接続されている。演算増幅回路13の出力端子電圧VOUT
及び反転入力端子電圧Vrefは差動増幅回路16,17に供給
される。差動増幅回路16は演算増幅回路18及び抵抗19な
いし21からなり、電圧VOUTと電圧Vrefとの差電圧VOUT1
を出力し、差動増幅回路17は演算増幅回路22及び抵抗23
ないし25からなり、電圧VOUTと電圧Vrefとの差電圧V
OUT1の5倍の電圧VOUT2を出力する。電圧VOUT1及びV
OUT2はA/D変換器26に供給される。A/D変換器26は電圧V
OUT1及びVOUT2をディジタル信号に各々変換してマイク
ロプロセッサ27に供給する。
かかる構成においては、電池素子8の電極6a,6b間には
気体滞留室2内と大気基準室4との酸素濃度差に応じて
電圧VSが発生する。この電圧VSと演算増幅回路13の反転
入力端子電圧Vrefとが加算されて差動増幅回路11の反転
入力端子には供給される。一方、演算増幅回路13の反転
入力端子電圧Vrefはポンプ電流値IPが変化しても演算増
幅回路13によって非反転入力端子電圧、すなわち基準電
圧源14の出力電圧Vr2にほぼ等しくなる。
酸素ポンプ素子7へのポンプ電流の供給が開始される
と、エンジンに供給された混合気と空燃比がリーン領域
であれば、電池素子8の電極6a,6b間に発生する電圧VS
が低下して電圧VS+Vrefが基準電圧源12の出力電圧Vr1
より低くなるので差動増幅回路11の出力レベルが正レベ
ルになり、この正レベル電圧が酸素ポンプ素子7の電極
5aに印加される。よって、ポンプ電流が酸素ポンプ素子
7、抵抗15を流れ、そて演算増幅回路13に流れ込む。酸
素ポンプ素子7には電極5aから電極5bに向ってポンプ電
流が流れるので気体滞留室2内の酸素が電極5bにてイオ
ン化して酸素ポンプ素子7内を移動して電極5aから酸素
ガスとして放出され、気体滞留室2内の酸素が汲み出さ
れる。
気体滞留室2内の酸素の汲み出しにより気体滞留室2内
の排気ガスと大気基準室4内の大気の間に酸素濃度差が
生ずる。この酸素濃度差に応じた電圧VSが電池素子8の
電極6a,6b間に発生し、この電圧VSは電圧Vrefに加算さ
れて差動増幅回路11の反転入力端子に供給される。差動
増幅回路11の出力電圧は電圧VS+Vrefと基準電圧源12の
出力電圧Vr1との差電圧に比例した電圧となるのでポン
プ電流値IPは排気ガス中の酸素濃度に比例する。
リッチ領域の空燃比のときには電圧VS+Vrefが基準電圧
源12の出力電圧Vr1を越える。よって、差動増幅回路11
の出力レベルが正レベルから負レベルに反転する。この
負レベルにより酸素ポンプ素子7の電極5a,5b間に流れ
るポンプ電流が減少し、電流方向が反転する。すなわ
ち、ポンプ電流は電極5bから電極5a方向に流れるので外
部の酸素が電極5aにてイオン化して酸素ポンプ素子7内
を移動して電極bから酸素ガスとして気体滞留室2内に
放出され、酸素が気体滞留室2内に汲み込まれる。従っ
て、気体滞留室2内の酸素濃度が常に一定になるように
ポンプ電流を供給することにより酸素を汲み込んだり、
汲み出したりするのでポンプ電流値IPはリーン及びリッ
チ領域にて排気ガス中の酸素濃度に各々比例するのであ
る。
一方、演算増幅回路13の出力端子電圧VOUT及び反転入力
端子電圧Vrefは差動増幅回路16,17に供給される。差動
増幅回路16は電圧VOUT−Vrefを電圧VOUT1として出力
し、差動増幅回路17は電圧VOUT−Vrefの5倍の電圧V
OUT2を出力する。ポンプ電流値IPはIP=(VOUT−Vref)
/RPなる式によって表わされるので電圧VOUT1及びVOUT2
はポンプ電流値IPに比例した電圧となる。なお、RPは抵
抗15の抵抗値である。この電圧VOUT1及びVOUT2はA/D変
換器26によってディジタル信号に各々変換されてマイク
ロプロセッサ27に供給される。
マイクロプロセッサ27は所定周期毎、又はエンジン回転
に同期して第2図に示すフロー図の如く先ず、A/D変換
器26からディジタル化された電圧VOUT2を読み込み(ス
テップ51)、読み込んだVOUT2が所定値V1より小である
か否かを判別する(ステップ52)。VOUT2≧V1の場合に
は読み込んだVOUT2が所定値V2(ただし、V2>V1)より
大であるか否かを判別する(ステップ53)。V1≦VOUT2
≦V2ならば、差動増幅回路17のダイナミックレンジ内で
ある訳であり、読み込んだVOUT2から検出空燃比を判別
する(ステップ54)。一方、VOUT2<V1又はVOUT2>V2
らば、電圧VOUT2の適正読み込み範囲以外であるのでA/D
変換器26からディジタル化された電圧VOUT1を読み込み
(ステップ55)、読み込んだVOUT1から検出空燃比を判
別する(ステップ56)。例えば、予め定められた電圧V
OUT1,VOUT2毎に異なるデータマップから読み込み電圧に
対応する空燃比を検索して得てそれを検出空燃比とす
る。なお、検出空燃比が理論空燃比であるときにはIP
0であり、VOUT=VrefとなるのでVOUT1=VOUT2=0
〔V〕である。よって、V1<0〔V〕,V2>0〔V〕の
如く設定されている。
マイクロプロセッサ27は検出空燃比を得ると、図示しな
い別のルーチンにおいて検出空燃比と目標空燃比との偏
差に応じて空燃比補正値を設定し、その空燃比補正値に
応じて吸気2次空気供給量、又は燃料供給量を調整せし
めるのである。このようにして空燃比フィードバック制
御が行なわれる。
発明の効果 以上の如く、本発明の空燃比検出装置においては、ポン
プ電流値に応じた電圧が電圧発生手段かに出力され、そ
の電圧発生手段の出力電圧が増幅されて電圧増幅手段か
ら出力される。その電圧増幅手段の出力電圧が理論空燃
比近傍に対する電圧増幅手段のダイナミックレンジを越
えない所定電圧範囲内にあるときには所定電圧範囲外に
あるときよりも電圧増幅手段の増幅度を増大させかつ電
圧増幅手段の出力電圧から検出空燃比を判別することに
より、空燃比を広範囲で検出することができると共に理
論空燃比近傍に空燃比が存在するときには空燃比の判別
精度を向上させることができる。よって、供給混合気の
空燃比を理論空燃比に高精度でフィードバック制御する
ことができ、三元触媒コンバータによる排気浄化効率を
向上させることができる。
なお、上記した実施例の如くA/D変換器によってディジ
タル化する場合にはA/D変換器の変換可能範囲を越すこ
とが防止される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す回路図、第2図は第1図
の回路中のマイクロプロセッサの動作を示すフロー図で
ある。 主要部分の符号の説明 1……酸素イオン伝導性固体電解質材 2……気体滞留室 3……導入孔 4……大気基準室 7……酸素ポンプ素子 8……電池素子 11,16,17……差動増幅回路 12,14……基準電圧源 13,18,22……演算増幅回路

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】各々が酸素イオン導電性固体電解質部材と
    該固体電解質を挟んで対向する電極対とからなる電池素
    子及ポンプ素子と、前記電池素子及びポンプ素子各々の
    電極対の一方を内燃エンジンの排気ガスと連通させる気
    体拡散制限手段と、前記電池素子の電極対間の電圧と基
    準電圧との差電圧に応じた電圧を前記ポンプ素子に印加
    する電圧供給手段と、前記ポンプ素子の電極対間を流れ
    るポンプ電流値に応じた空燃比判別信号を発生する信号
    発生手段とからなる空燃比検出装置であって、 前記信号発生手段は前記ポンプ電流値に応じた電圧を発
    生する電圧発生手段と、 該電圧発生手段の出力電圧を増幅する電圧増幅手段と、 前記電圧増幅手段の出力電圧が理論空燃比を含む所定の
    空燃比範囲に対応する所定電圧範囲内にあるときには前
    記電圧増幅手段の出力電圧が前記所定電圧範囲外にある
    ときよりも前記電圧増幅手段の増幅度を増大させる共に
    前記電圧増幅手段の出力電圧から検出空燃比を判別して
    前記空燃比判別信号を発生する判別手段とからなること
    を特徴とする空燃比検出装置。
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