JPH0736278Y2

JPH0736278Y2 - 多気筒エンジンの空燃比計測装置

Info

Publication number: JPH0736278Y2
Application number: JP1988121366U
Authority: JP
Inventors: 明信森山; 功村瀬
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1988-09-16
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2003-09-16
Also published as: JPH0243651U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）この考案は多気筒エンジンの空燃比計測装置に関する。

（従来の技術）セラミクスとしたジルコニアは高温下（約500℃以上）
で選択的に酸素のみを透過する特性を有することが知ら
れており、この特性からジルコニア板の両主面側の酸度
濃度の相違に応じた起電圧が得られる。すなわち、起電
圧と該ジルコニア板の一方の主面側の酸度濃度が既知で
あれば、反対の主面側の酸度濃度を一定の式（ネルンス
トの式）から算出できるので、ジルコニアは酸度濃度検
出素子として用いることができる。

また、ジルコニア板は、その２つの主面間にそのジルコ
ニア板を貫通するように電流を流すと、電流の向きとは
反対方向へ酸度を汲み出すというポンピング作用を有す
る。

こうしたジルコニアの酸素濃度検出作用およびポンピン
グ作用を組み合わせてなる空燃比検出器が知られてい
る。

第３図は、こうした空燃比検出器を用いて空燃比を検出
する原理を説明するための回路図である。

同図において、空燃比検出器１は、酸素濃度検出の動作
を行う第１のジルコニア板（センシングセルともいう）
２と、ポンピング動作を行う第２のジルコニア板（ポン
ピングセルともいう）３と、各ジルコニア板2,3の両主
面に形成された薄膜状の電極（たとえば白金電極）４〜
７と、両ジルコニア板2,3間に設けられた中空室８と、
第２のジルコニア板３に貫通して形成された小孔９とか
らなり、第１のジルコニア板２の外側主面（電極４側）
は大気と、また第２のジルコニア板３の外側主面（電極
７側）は、温度拡散により流れてきた排気ガス（被測定
ガス）とそれぞれ接するようにされ、被測定ガスは小孔
９を律速部として中空室８へと流入する。なお、小孔９
の部分は小孔と等価な特性を有する多孔質のコーティン
グ層としても良い。

11はこの空燃比検出器１を駆動する回路で、第１のジル
コニア板２の外側電極４が差動増幅器12の（−）入力端
子と、第２のジルコニア板３の外側電極７が差動増幅器
12の出力端子とそれぞれ接続される。また、各ジルコニ
ア板2,3の内側電極5,6は接地される。なお、差動増幅器
12の（＋）入力端子には電源13の基準電圧Erが印加され
る。

以下、空燃比が大きく希薄燃焼を行う場合と、空燃比が
小さく過濃燃焼を行う場合に別けて、第３図の動作を説
明する。

（１）希薄燃焼時の動作希薄燃焼時は、被測定ガス中に比較的多量の残留酸素が
存在するので、このような被測定ガスが中空室８内に流
入すると、中空室８内の酸素濃度Cvと大気中の酸素濃度
Crとの濃度差が比較的小さくなって、第１のジルコニア
板２で生ずる起電圧、つまり電極4,5間（酸素濃度検出
電極間）の電圧Ｅが基準電圧Erよりも小さくなる。

このため、差動増幅器12の出力が正となり、Erと前記起
電圧Ｅの差に応じた矢印Ａ方向（正方向）のポンピング
電流Ipが電極７を介して第２のジルコニア板３に供給さ
れる。ここに、中空室８内の酸素が、ジルコニアのポン
ピング作用により、第２のジルコニア板３を通過してそ
の外方主面側（電極７側）へ汲み出され、前記正方向の
ポンピング電流により汲み出される酸素量と、中空室８
内に流入される酸素量とがバランスするようになると、
前記ポンピング電流Ipがある一定値に安定する。

（２）過濃燃焼時の動作過濃燃焼時は、被測定ガス中に比較的多量の水素および
一酸化炭素が存在するため、このような被測定ガスが小
孔９から中空室８内に流入すると、中空室８内の酸素と
化合して水および二酸化炭素となるので、中空室８内の
酸素濃度Cvが大幅に減少し、大気中の酸素濃度Crとの濃
度差が大きくなり、差動増幅器12の（−）入力端子に印
加される電圧Ｅが基準電圧Erを越える。

このため、差動増幅器12の出力が負となり、基準電圧Er
と起電圧Ｅの差に応じた矢印Ｂ方向（負方向）のポンピ
ング電流Ipが第２のジルコニア板３に供給されると、ジ
ルコニア板３の外方主面側の酸素（被測定ガス中の酸
素）が、ジルコニアのポンピング作用によって中空室８
内に取り込まれる。そして、前記負方向のポンピング電
流Ipによって取り込まれる酸素量と、水素または一酸化
炭素と化合する酸素量とがバランスすると、前記ポンピ
ング電流Ipはある値に落ち着く。

前記のような構成および動作の回路によって正負のポン
ピング電流Ipが得られると、このポンピング電流、前記
被測定ガス中の各ガス成分（酸素，水素，一酸化炭素）
の濃度に対する空燃比検出器１の感度係数、さらに水炭
比に基づいて既知の演算により空燃比を求めることがで
きる。

なお、空燃比検出器１の各ガス成分濃度に対する感度係
数は、空燃比検出器１の機械的構造（たとえば小孔９の
寸法など）によって決定される定数であり、既知の適宜
の方法により、特定ガス成分に対する感度係数が決定さ
れれば、残りのガス成分に対する感度係数も周知の方法
により決定されるものである。

また、前記水炭比はエンジンが消費している燃料中に含
まれる水素原子と炭素原子との比であり、燃料の種類が
決まればこれに応じて決定される定数である。

ところで、空燃比の算出は、具体的には演算回路におい
て前記ポンピング電流を実時間で計測しながらなされ
る。この場合、希薄燃焼側では空燃比の算出が簡単な四
則演算により容易になされるので、実時間の空燃比検出
も大きな困難なしに実現される。

これに対し、過濃燃焼側では極めて複雑な演算を必要と
することが一般に知られている。そのため過濃燃焼側で
の空燃比の算出は、小型かつ低コストの演算回路を用い
ては、実時間で行うことは事実上不可能であった。

ただし、反対に空燃比と水炭比から、これらに対応する
ポンピング電流を算出することは容易に行い得たので、
従来から、小型かつ低コストの演算回路を用いて過濃燃
焼側での空燃比の算出を行うために、次のような手法を
採用していた。

すなわち、前記水炭比をパラメータとして、空燃比とポ
ンピング電流との関係を示す数値対応表（以下単に「数
値対応表」という）を作成する。そして、この数値対応
表を演算回路内のメモリに記憶させる。

実際に過濃燃焼側での空燃比を算出する場合には、第３
図に関して説明したようにして検出したポンピング電流
に基づき、内挿法により、前記数値対応表からそのポン
ピング電流に対応する空燃比を算出するのである。

なお、以上のように過濃燃焼側における空燃比の算出
を、数値対応表を用いて行う場合には、希薄燃焼側での
空燃比の算出も、同様の数値対応表を用いて行うのが一
般的である。

（考案が解決しようとする課題）ところで、多気筒エンジンについて各気筒の空燃比を個
別に計測しようとする場合、各気筒に対して従来装置を
単純に取り付けるだけであると、気筒数倍の計測装置が
必要となって、装置全体の大型化やコストアップを招
く。また、気筒間の空燃比差（空燃比分配）を計測する
にはそのための新たな計測装置が必要となる。

その一方で、コストダウンを目的として、１つの空燃比
検出器だけしか設けず、その空燃比検出器を用いて各気
筒についての空燃比を算出しようとすると、空燃比検出
器を取付けた位置から離れた気筒については空燃比計測
精度が低下してしまう。

そこで、全気筒を２つの気筒群に別けて、各気筒群に対
してそれぞれ１個の空燃比検出器（酸素濃度センサ）を
設け、これらを切換えて使用することにより気筒群別に
空燃比を検出するようにしたものが提案されている（特
開昭62-255551号）。このものによれば、気筒数よりも
少ない数の空燃比検出器で足りるため、コスト的には有
利となるが、空燃比計測精度の点では気筒別に空燃比検
出器を設けている場合に比べて低下せざるを得ないし、
空燃比検出器の駆動回路については空燃比検出器と同数
が必要となっている。

そこで、気筒別に空燃比検出器を設ける一方で、空燃比
検出器の駆動回路については１つだけ用意し、これと各
空燃比検出器とを順次切換えて接続するようにすれば、
駆動回路が１つで済むことから、大幅なコストダウンと
装置の小型化を実現することができる。

しかしながら、ポンピング電流を流し込むタイプの空燃
比センサでは、空燃比検出器に駆動回路を接続してから
ポンピング電流が静定するまでの時間が必要であるた
め、この静定に要する時間より短すぎる周期で各空燃比
検出器と駆動回路との接続を切換えたのでは、空燃比の
計測精度が低下してしまう。

この考案はこのような従来の課題に着目してなされたも
ので、気筒別に空燃比検出器を設ける一方で、空燃比検
出器の駆動回路については１つだけ用意し、これと各空
燃比検出器との接続を所定の周期で切換えるようにした
装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）この考案は、エンジンの各気筒に対応して取り付けられ
る複数の空燃比検出器（1a〜1d）と、各空燃比検出器
（1a〜1d）と接続された場合にその空燃比検出器（1a〜
1d）を駆動する回路（11）と、前記各空燃比検出器（1a
〜1d）と接続された前記駆動回路を流れるポンピング電
流が静定するのに要する時間に応じて予め決定される所
定の周期を有するセレクト信号を出力する手段と、この
セレクト信号に応じて前記各空燃比検出器（1a〜1d）と
前記駆動回路（11）との接続を順次切換える手段（41,4
2,43）と、この接続によって駆動回路（11）を流れるポ
ンピング電流に基づいて空燃比を算出する手段とを備え
る。

（作用）この考案によれば、駆動回路は、多気筒エンジンである
にも拘わらず１つで済むことからコストダウンが図れ、
装置全体が小型化する。

一方、ポンピング電流を流し込むタイプの空燃比センサ
では、検出を行わない気筒の空燃比検出器と駆動回路と
の接続を断ってしまう（接続の断たれた空燃比検出器で
は周囲の空燃比に応じた出力を全く発生しない）ので、
検出を行うときに駆動回路が接続されても所定の静定時
間が経過するまでは正確な出力が得られない。このた
め、切換える周期が短すぎると空燃比計測精度が低下す
る。このとき本考案では、駆動回路を流れるポンピング
電流が静定するのに要する時間に応じて切換の周期が予
め決定されており、当該周期で駆動回路が切換えられる
ので、空燃比の計測精度が低下することがない。

また、空燃比検出器の静定時間は、たとえば100msec以
内であるため、気筒数の多い８気筒エンジンでも1secも
あればすべての気筒について１回の空燃比計測が終了す
るので、時分割としても定常運転時での空燃比計測にお
いては十分である。

（実施例）第１図はこの考案を４気筒エンジンに適用した一実施例
のブロック図である。なお、第３図と同一の符号は同一
または同等部分を表している。

第１図において、1aは、酸素濃度検出作用とポンピング
作用をそれぞれ行う一対のジルコニア板（センシングセ
ルとポンピングセル），各ジルコニア板の両主面に設け
られる電極などからなる１番気筒用の空燃比検出器で、
4aはセンシングセルの外側電極、7aはポンピングセルの
外側電極、10aはセンシングセルとポンピングセルの内
側電極が共通化された端子である。同様にして、1b〜1d
は２番気筒ないし４番気筒用の空燃比検出器で、4b〜4
d,7b〜7d,10b〜10dの意味するところも１番気筒と同じ
である。

41〜43は１つの空燃比検出器の出力端子数（電極端子２
つと接地のための共通端子１つの合計３つ）と同数設け
られたマルチプレクサで、前記センシングセルの外側電
極4a〜4dは第１のマルチプレクサ41に、前記ポンピング
セルの外側電極7a〜7dは第２のマルチプレクサ42に、ま
た接地のための共通端子10a〜10dは第３のマルチプレク
サ43に、それぞれリード線によって接続される。

空燃比検出器1a〜1dからの合計４つの信号を受けるマル
チプレクサ41〜43は、後述するCPU33からの指令信号
（セレクト信号）に応じて４つの入力信号のうちから１
つの信号だけを選択する。

ただし、各空燃比検出器1a〜1dが順次（たとえば１−２
−３−４番気筒の順）駆動されるように、マルチプレク
サ41〜43へのセレクト信号が決定される。たとえば、セ
レクト信号が１番気筒を選択するとき、１番気筒用の空
燃比検出器1aと駆動回路11が３つのマルチプレクサ41〜
43を介して接続され、駆動回路11から検出器1aにポンピ
ング電流が供給される。セレクト信号が２番気筒から４
番気筒のうちの１つを選択するときも同様である。

ここに、ポンピング電流と後述する各ガス成分濃度に対
する空燃比検出器の感度係数，水炭比に基づいて空燃比
が演算されることになるが、この例ではポンピング電流
そのままではなく、電流電圧変換回路21により電圧変換
した値で扱うものとしている。

第２図の下段に電流電圧変換回路21からの出力波形を示
すと、同図の中段に示すセレクト信号の指定した通り
に、１番気筒から４番気筒までの空燃比検出器出力が時
分割で得られている。比較のため第２図の上段には各空
燃比検出器にすべて駆動回路を接続した場合の出力を示
す。なお、＃１〜＃４はそれぞれ１番気筒〜４番気筒を
意味する。

ここに、セレクト信号の周期Ｔは空燃比検出器の応答速
度（あるいは静定時間）に応じて予め決定されるが、空
燃比検出器が十分な高温下にあれば、比較的短時間（10
0msec以内）で応答することを確認している。このた
め、気筒数の多いたとえば８気筒エンジンでも1sec以内
にすべての気筒について１回の空燃比計測が終了するの
で、時分割としても定常運転時での空燃比計測において
は十分である。

時分割とすることで、気筒数と同数の空燃比検出器を取
り付けても、駆動回路11（後述する空燃比を演算する回
路やその結果を出力する回路についても）については１
つだけで足りる。つまり、各気筒に対応して空燃比検出
器1a〜1dを取り付けていることから高い計測精度が得ら
れ、しかも駆動回路11から空燃比演算回路，出力回路ま
でが１つで済むことから大幅なコスト低減ができ、装置
全体もコンパクトにまとまるのである。

なお、エンジンの低負荷時など排気温度が低い状態で
は、空燃比検出器が不活性の状態となり応答速度が遅く
なってしまう。そのため、空燃比検出器1a〜1dにヒータ
を備えさせており、低排温時にだけ（あるいは常時とし
ても良い）このヒータを作動させることにより空燃比検
出器を活性温度に保つようにしている。第１図のV_Hはヒ
ータ作動電圧である。

第１図に戻り、第２図の下段に示した時分割の空燃比検
出器出力をA/D変換回路22によりデジタル値に変換した
信号と、デジタルスイッチ23a〜23d,24からの信号を入
力する演算回路31では、水炭比の数値が変化するたび
に、この水炭比に応じた一つの数値対応表を気筒毎に作
成してこれを演算回路内のメモリに記憶し、記憶した気
筒別の数値対応表を用いて過濃燃焼側での気筒別の空燃
比を算出する。一方、希薄燃焼側の空燃比については演
算により気筒別の空燃比を算出する。

まず、感度係数設定用の一組のデジタルスイッチ23a〜2
3dでは、予め決められている空燃比検出器1a〜1dの対酸
素濃度感度係数（酸素濃度に対する感度係数）を、水炭
比設定用の他のデジタルスイッチ24は、エンジンが消費
している燃料の種類に応じて予め決まる水炭比を、それ
ぞれデジタル値で設定する。なお、デジタルスイッチ24
に３桁のものを使用すると、0.01刻みで水炭比を設定す
ることができるので、エンジンで消費する燃料の種類に
応じた正確な空燃比を算出することができる。

演算回路31は、入出力用のインターフェース32、中央演
算装置（CPU）33およびメモリ34から構成されており、
後述する演算処理を実行する。表示器35は、演算回路31
で算出された空燃比をデジタル表示する。36は表示切換
スイッチである。

CPU33の行う動作を説明すると、まず一組のデジタルス
イッチ23a〜23dを、これらに対応する空燃比検出器1a〜
1dの対酸素濃度感度係数に設定することにより、空燃比
検出器1a〜1dの対酸素濃度感度係数はすべて、インター
フェース32を介して、メモリ34内のRAMに記憶される。

なお、このようにRAMに空燃比検出器1a〜1dの対酸素濃
度感度係数が記憶されると、CPU33は周知の方法により
空燃比検出器1a〜1dの対水素濃度感度係数および対一酸
化炭素濃度感度係数をそれぞれ算出する。そして、算出
されたこれらの感度係数もまた、メモリ34内のRAMに記
憶される。

つづいて、他のデジタルスイッチ24を、燃料の種類に応
じて決定される水炭比に設定する。これにより水炭比
は、インターフェース32を介してメモリ34内のRAMに記
憶される。

このように、デジタルスイッチにより水炭比あるいは空
燃比検出器1a〜1dの対酸素濃度感度係数が新たに設定さ
れたとき、または空燃比測定装置に電源が投入されたと
きには、メモリ34内のRAMに、デジタルスイッチ23a〜23
d,24の数値に対応した空燃比検出器1a〜1dのすべての感
度係数および１つの水炭比が記憶される。

そして、演算回路31では、メモリ34内のRAMに新たな水
炭比または空燃比検出器の対酸素濃度感度係数が記憶さ
れた場合には、後述するようにして、CPU33において、
これらの値に対応した、過濃燃焼側での空燃比算出用の
数値対応表を作成する。

この場合、気筒別の数値対応表が作成されるが、作成の
方法はどの気筒も同じであるので、以下１番気筒で代表
して述べることにする。

たとえばメモリ34内のバッテリ−バックアップされてい
るROMから数値の異なる複数の予め設定した空燃比を読
み出すとともに、メモリ34内のRAMから前述したように
して設定された水炭比、空燃比検出器1aの対水素濃度感
度係数および対一酸化炭素濃度感度係数を読み出し、次
の（１）式ないし（６）式から、前記各空燃比に対応す
るポンピング電流を算出する。

AFR₁＝138λ_１（１＋n/4）／（12＋ｎ） …（１） Ip₁＝−（B₁／η_１＋C₁／ζ_１）／A₁ …（２） A₁＝１＋n/2＋3.73λ_１（１＋n/4） …（３） C₁＝２（１＋n/4）（１−λ_１）−B₁ …（５） Q₁＝｛（１＋n/4）（１−λ_１）＋（n/4＋K/2）／（Ｋ−１）｝² −2K（１＋n/4）（１−λ_１）／（Ｋ−１） …（６）ただし、上記（１）式ないし（６）式において、AFR₁は
空燃比、ｎは水炭比、λ_１は当量比と呼ばれる変数、Ip
₁はポンピング電流、A₁,B₁,C₁,Q₁は中間変数、η_１は空
燃比検出器1aの対一酸化炭素濃度感度係数、ζ_１は空燃
比検出器1aの対水素濃度感度係数、Ｋは水性ガス反応定
数を示している。なお、AFR,λ,Ip,η，ζなどに付した
「１」は１番気筒についての値であることを表すものと
する。

演算回路31は、前述のようにして算出された各ポンピン
グ電流を、メモリ34内のRAMに記憶する。すなわち、メ
モリ34内のRAMには、ある特定値の水炭比ｎに対応する
数値対応表が記憶されることになる。

ここで、過濃燃焼側における空燃比の測定動作について
簡単に述べると、過濃燃焼側では、前述したように、空
燃比検出器1aに供給されるポンピング電流Ip₁が負（Ip₁
＜０）となり、これが電流電圧変換回路21,A/D変換回路
22を介して演算回路31に入力される。CPU33では、入力
されたポンピング電流Ip₁に基づいて、内挿法により、
前記したようにメモリ31内のRAMに記憶されている数値
対応表から、そのポンピング電流Ip₁に対応する空燃比
を算出する。このようにして算出された空燃比は、イン
ターフェース32を介して表示器35へ出力され、デジタル
表示される。

ここに、過濃燃焼側での空燃比は、ポンピング電流に基
づいて数値対応表から算出されるので、数値対応表を記
憶するためのメモリ容量は比較的小さなもので足り、空
燃比計測装置の低コスト化を実現することができる。

一方、希薄燃焼側では、前述したように、空燃比検出器
1aに供給されるポンピング電流Ip₁が正（Ip₁≧０）とな
り、これが入力されるCPU33では、このポンピング電流I
p₁と、前記したようにメモリ34内のRAMに記憶されてい
る水炭比ｎおよび空燃比検出器1aの対酸素濃度感度係数
γ_１とに基づいて、前記した（１）式および次の（７）
式から空燃比を算出する。

λ_１＝１＋Ip₁／γ_１（0.209−Ip₁／γ_１） ×｛１＋0.209n/（４＋ｎ）｝ …（７）このようにして算出された空燃比も、インターフェース
32を介して表示器35へ出力され、デジタル表示される。

なお、過濃燃焼側で使用する前記数値対応表に代えて、
前記（２）式ないし（６）式を用いて、同じく水炭比ｎ
をパラメータとする当量比とポンピング電流の関係を示
す数値対応表としても良い。しかし、このような数値対
応表を用いた場合の空燃比の算出は、CPU33において、
前記（１）式の演算を行う必要がある。

また、気筒間の空燃比差を求めるには、各気筒について
算出した４つの空燃比をRAMに格納しておき、格納した
値を用いて減算を行わせる。そして、表示切換スイッチ
36により、表示器35に空燃比差を表示させる。

最後に、第１図において、センシングセルの外側電極の
代わりに、センシングセルの内側電極をマルチプレクサ
41に接続しても良いことは言うまでもない。ただし、そ
の場合にはセンシングセルの外側電極4a〜4dとポンピン
グセルの内側電極とを共通化し、その共通端子をマルチ
プレクサ43に入力させるようにする。

（考案の効果）この考案は、エンジンの各気筒に対応して取り付けられ
る複数の空燃比検出器と、各空燃比検出器と接続された
場合にその空燃比検出器を駆動する回路と、前記各空燃
比検出器と接続された前記駆動回路を流れるポンピング
電流が静定するのに要する時間に応じて予め決定される
所定の周期を有するセレクト信号を出力する手段と、こ
のセレクト信号に応じて前記各空燃比検出器と前記駆動
回路との接続を順次切換える手段と、この接続によって
駆動回路を流れるポンピング電流に基づいて空燃比を算
出する手段とを備えるため、駆動回路が１つで済むこと
から、大幅なコストダウンと装置の小型化を実現するこ
とができるとともに、空燃比検出器と駆動回路との接続
を短すぎる周期で切換えることによる空燃比計測精度の
低下を避けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一実施例のブロック図、第２図はこ
の実施例の作用を説明するための波形図、第３図は空燃
比検出器により空燃比を検出する原理を説明するための
回路図である。 1a〜1d……空燃比検出器、4a〜4d……センシングセルの
外側電極、7a〜7d……ポンピングセルの外側電極、10a
〜10d……共通端子、11……駆動回路、21……電流電圧
変換回路、22……A/D変換回路、23a〜23d……感度係数
設定用のデジタルスイッチ、24……水炭比設定用のデジ
タルスイッチ、31……演算回路、32……インターフェー
ス、33……CPU、34……メモリ、35……表示器、41〜43
……マルチプレクサ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】エンジンの各気筒に対応して取り付けられ
る複数の空燃比検出器と、各空燃比検出器と接続された場合にその空燃比検出器を
駆動する回路と、前記各空燃比検出器と接続された前記駆動回路を流れる
ポンピング電流が静定するのに要する時間に応じて予め
決定される所定の周期を有するセレクト信号を出力する
手段と、このセレクト信号に応じて前記各空燃比検出器と前記駆
動回路との接続を順次切換える手段と、この接続によって駆動回路を流れるポンピング電流に基
づいて空燃比を算出する手段とを備えることを特徴とす
る多気筒エンジンの空燃比計測装置。