JPS59200040A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は排気中の酸素濃度を検出しながら内燃機関の燃
料供給ｍをフィードバック制御する空燃比制御装置に関
する。

内燃機関に供給づる燃料量、換言すると混合気の空燃比
を精度よく目標値に制御づることにより、燃費、Ｄｌ−
気組成の向上がはかれることは既に良く知られている。

そこで、供給混合気の空燃比ど密接な相関関係をもつ排
気中の酸素８１度を検出し、この検出結果にもとづいて
燃料供給量をフィードバック制御するようにした装置が
、既に実用化されている。

ところが、酸素センサの出ツノ特性は、排気中に酸素が
存在するか否かを境にして、つまり混合気が理論空燃比
よりも濃いか薄いかによって出力が大きく変化し、それ
以外では出力変化率が極めて小さくその判断が難しいた
めに、通常制御目標値となる空燃比は理論空燃比とせざ
るを１！！なかった。

これに対して、例えば特開昭５６−２５４．８号、特開
昭５６−１０５６３４号公報などにみられるように、酸
素濃度の検出特性が、理論空燃比よりも稀薄側において
、排気中に含まれる酸素濃度値に対応して出力が比較的
大きく変動゛する傾斜型酸素センサを用い、空燃比を稀
薄側の所定値にフィードバック制御する装置が提案され
ている。しかしながらこの場合、酸素センサの出力の絶
対値が経時的に変化Ｊることがあって、同一の目標空燃
比に対Ｊ−る出力値が異なることから、種々の補正を施
Ｊ−にして−ｂ長期にわたり安定した制御を維持するこ
とはテ「シいという欠点があった。

ところが最近、通常の成型酸素センサであっても、電極
間に電流を流し込むことにより、またその電流値に応じ
て酸素センサの出力急変点が、理論空燃比よりも稀薄側
において変化することに着目して、稀薄空燃比を検出可
能とした装置が、特願昭５　／１．−１６４’　８２２
　＠とじて提案された。

これを第１図、第２図に示づと、第１図は、酸素センサ
素子１の縦断面７莫型的結線図、第２図は第１図の酸素
センサ素子１の種型的分解斜視図であって、隔膜層２は
アルミナ、ムライト、スピネル等の絶縁性物質からなり
、その内部には発熱体３を設けると共に、ＭＡ造基体と
しての強度を保持している。この隔膜ｍ２の表面上には
、二つに分けた基準電極電子伝ＨＨ’Ｊ４．５を積層し
、さらにその上に酸素イオン伝導性固体電解質層６を積
層している。この固体電解質層６の累月としては、Ｙ２
Ｏ，やＣａＯで安定化したＺｒＯ２その仙既知のものを
採用することができる。この固体電解質層６の表面には
測定極電子伝導層７を積層し、この測定極電子伝導層７
と前記一方の基準極電子伝導層４との間に電圧Ｊ（ｑ定
手段８を接続して起電力Ｅの測定を可能にすると共に、
測定極電子伝導層７と前記他方の基準極電子伝導層５と
の間に電流供給回路９を接続している。このとき、基準
極電子伝導層４，５および測定極電子伝導層７には触媒
活性の白金を用いるのが望ましく、その他白金と白金族
元素との合金その他の材料を適宜選定して使用するのが
良い。また、上記各電子伝導層４．５．７および固体電
解質層６を積層するに際しては、たとえばそれらの粉末
をペースト状にしてスクリーン印刷し、その後焼成する
手段などを用いることができ、その他の手段によること
も可能である。また、発熱体３には加熱用電源１ｏを　
　　ゆ接続して酸素センサ素子の温度を制御させうるよ
うにしている。さらに、前記測定極電子伝導層７上には
、被検ガスから流入する酸素分子の拡散を制御しうる拡
Ｗｉ、層１１を設け、この拡散層１１を被検ガスと接触
可能にしている。この拡散層１１の累月どしては、たと
えばムライ１〜、スピネル、）Ａルステライ（〜、カル
シウムジルコネートなどを使用づ−ることができ、粉末
を用いたスクリーン印刷法や客用法などによって積層づ
る。

そこで、上記酸素センυ素子１を用い、電流供給回路９
の正極側を他方の基準極電子伝導層５に接続して電流を
供給づると、前記測定極電子伝導層７から基Ｑ−極電子
伝導層５に向けて強制的に酸素イオンの移動を生ずる。

このとぎ、拡１’ｌｋ　１ｍ　１１の存在によって被検
ガスからの酸素分子の流入拡散が制御されているため、
測定極酸素分圧は被検ガス中の酸素分圧よりも低下する
。他方、基Ｌ＄極電子伝導層５に向けて酸素イオンが流
れることにより基準極酸素分圧が高められるが、この基
準極電子伝導層５に存在する酸素分子は、隔膜層２が多
孔性の場合に前記隔膜層２内を拡散して、あるいは隔膜
層２がち密で固体電解質層６が多孔性の場合に前記固体
電解質層６内を拡散して、もしくは両方を拡散して、前
記酸素イオンの流入と前記酸素分子の拡散との均衡した
状態の基準極酸素分圧が維持される。そこで、前記被検
ガス中の酸素分圧よりも低下した測定極酸素分圧と上記
基準極酸素分圧との差に対応して発生する起電力Ｅを電
圧測定手段８によって測定すれば、前記測定極酸素分圧
が被検ガス中の酸素分圧よりも低下した関係を維持しつ
つ被検ガス中の酸素分圧の変化に応じて上記測定極酸素
分圧も変化するため、理論空燃比よりも稀＠な空燃比の
検出が可能になる。

第３図は基準極電子伝導層５から測定極電子伝導層７に
向けて流し込む電流を、それぞれＩ、〜１、と変えたと
きの、センサ出力Ｖと空燃比の関係を示すものである。

流し込み電流が少ないときは、センサ出力が急変する空
燃比は理論空燃比に近づき、流し込み電流が増加するほ
ど出力急変空燃比は稀薄側へと移行することが分かる。

したがってこのような装置によれば、理論空燃比よりも
稀薄側の混合気であっても、正確に空燃比を判断するこ
とができる。

内燃機関の燃費率は、理論空燃比よりもやや稀薄側にお
いて最良となることは、既に良く知られているところで
あるが、（大関出力を高めるためには、理論空燃比ある
いはそれよりもやや濃い混合気が必要である。このよう
に機関に要求される混合気ｔよそのときどきの運転条件
によって種々に変化するのであり、いずれに対しても正
確に目標値通りに空燃比が制御されることが好ましいの
であるが、従来は、例えば運転頻度の高い部分負荷域で
所定の空燃比が得られるＪ：うに、上述した酸素センサ
を用いて燃料供給量をフィードバック制御していても、
全負荷域ではフィードバック制御を一時的に停止してオ
ープンループ制御により空燃比を濃クシていたため、か
かる領域での制御精度は必ずしも高いものではなく、無
駄に燃料を消費するなどの傾向があった。

本発明はこのような問題に着目してなされたもので、内
燃機関の運転状態に応じて異なってくる種々の要求空燃
比に対し、それぞれ燃料供給量をフィードバック制御す
ることにより精度よく対応させ、全ゆる運転域で燃費を
より一層改善することを目的とする。

そこで本発明は、センサ流し込み電流値に応じて空燃比
（酸素濃度）に対するセンサ出力電圧の急変点が変化す
る酸素センサと、機関運転状態を検出して最適な制御目
標空燃比をそのとぎときで決定する手段と、最適な制御
目標空燃比に応じた電流を上記酸素センサに流し込む手
段とを備え、運転状態に応じて変化する制御目標空燃比
に対し、常に酸素センサの出力にもとづいて燃料供給量
をフィードバック制御し、全運転域において精度のよい
空燃比が得られるようにした。

以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第４図は、本発明に用いる脱型酸素センサの具体的な構
造を示している。　　　　　　　　　　　　　　　・１
酸素センサ素子１゛はホルダ１７の内部に収められ、先
端部に形成した小孔１１をもつルーバ部１２から排気ガ
スが流入する。

酸素センサ素子１はこの排気ガス中に露呈され、排気中
の酸素濃度に応じて出力を発生ずる。

１３〜１５はそれぞれセンサ出力取出用リード線、ヒー
タ用リード線、共通アース用リード線を示し、排気ガス
が漏洩ブるのを防ぐために、絶縁管１８の内部にガス漏
れ防止用充填材１つが封止される。

１６は結線用のコネクタを示す。

なお、内燃機関の排気管（図示せず）に対しては、図中
Ａ−Ａ線より左側の部分が挿入されることになる。

第５図は制御回路をあられすもので、２ｏは機関に供給
づ”る燃料量を含めて機関に必要な種々の要素をコント
ロールする、例えばマイコンなどで構成された制御回路
であって、この実施例においては、運転状態を代表する
ものとして機関負荷検出手段（例えば吸入負圧センサ、
吸入空気量センサ等）２１の検出信号から運転状態を判
別し、この運転状態に対応して空燃比の制御目標値を決
定する。

２５は酸素はンザ２３に対応する流し込み電流を、上記
制御目標値に応じて増減する回路で、前記制御回路２０
からの信号Ｓ、がハイレベルｊ’−１−Ｉ　Ｊのときに
導通するトランジスタ２６と、同じくローレベルｒＬＪ
のときに導通づるトランジスタ２７、及びこれらトラン
ジスタ２６．２７に直列に接続され、センサ流し込み電
流の大きさを変える抵抗２８．２９とから構成される。

３０は酸素センサ２３の出力を増幅して取出すアンプ、
３５は酸素センサ出力の変化から目標空燃比Ｊ：りも濃
いか薄いかを判断する比較器である。

第３図にも示すように、センサ流し込み電流によって酸
素センサの出力急変する空燃比が稀薄側にずれるが、同
時にセンサ出力電圧も相対的（変化（空燃比が稀薄側へ
移行するほど出力電圧が上昇）するため、上記比較器３
５の比較電圧〈スライスレベル）を目標空燃比の切換え
に伴って切換える必要がある。

３６はこのための切換回路であって、上記制御回路２０
からの信号Ｓ、が［］」」のときに導通して比較電圧設
定部３３からの電圧を比較器３５に印加する［〜ランジ
メタ３２から構成される。

２２は燃料供給ｍのフィードバック制御部で、比較器３
５の出力にもとづいて制御回路２ｏがら出力される信号
＄２により、供給ｍを増減補正づる。２４はセンサに内
蔵される発熱体（ヒータ）である。

次に作用について第６図を含めて説明づる。

酸素センサ２３に電流を流し込むことにより、測定極電
子伝導層７から基準極電子伝導層５に向けて酸素イオン
が移動し、外側にある測定極側の酸素分圧が低下し、こ
れに伴って第３図のように空燃比に対するセンサ出力の
急変点が変化することは、前述した通りである。

具体的には上記流し込み電流を大さくするほとセンサ出
力の急変点は、稀薄空燃比側へと移行し、したがってそ
の電流値に応じた空燃比を境にして、それよりも空燃比
が濃いか薄いかで、センサ出力は大幅に変化することか
ら、理論空燃比以外の空燃比についても検出できるので
ある。

制御回路２０は、運転状態検出手段としての負荷検出手
段２１からの信号にもとづき運転状態を判断し、加速、
高負荷時に制御目標空燃比を瀧くするための信号Ｓ、と
してｒＨＪを出力し、アイドル、低負荷時には目標空燃
比を薄りするためｒＬＪを出力する。

いま加速運転状態に移り信号Ｓ、が「ト１」になったと
すると、電流供給回路２５のトランジスタ２６がＯＮに
なり、抵抗２８を介して電流Ｉ、が酸素センサ２３に供
給され、これにより酸素センサ２３は、本実施例では理
論空燃比を境にして出ノｊが急変する特性となる。

また、信＠＄１のｆ［Ｊにより、比較電圧切換回路３６
では、トランジスタ３１のＯＮに伴い電圧設定部３３の
出力が、比較器３５の比較基準電圧として入力される。

したがって、このような加速時などに、燃料量給量が不
足して理論空燃比よりも稀薄ならば、酸素センサ２３の
出力は低く、比較器３５はローレベルの信号を制御回路
２０に出力するため、燃料供給Ｍのフィードバック制御
部２２には燃料を増量するような指令が送られるし、逆
に空燃比が濶（〕れば酸酸素センサ３の出力が立上がり
、比較器３５の比較基準電圧を越えた時点で比較器３５
の出力がハイレベルに切ＪＩりり、制御回路２ｏは燃料
を減ωするように制御部２２を作動させるのであり、実
際にはこれらの動作が極めて短時間の周期をもって繰り
返られるため、加速時の混合気の空燃比は、目標値であ
る理論空燃比に精度よく収束制御される。

これに対して運転状態が変化し、例えば低負荷運転に移
行したとすると、制御回路２ｏがらの信号Ｓ、はｒＬＪ
に切換わり、これに伴い電流供給回路２５のトランジス
タ２７がＯＮになり、抵抗２９を介して例えば空燃比Ａ
／Ｆ＝２０に相当する電流Ｉ２を酸素センサ２３に流し
込む。

このため酸素センサ２３は上記した理論空燃比よりも稀
薄なＡ／Ｆ＝２０を境にして出力が急変する特性に切換
わる。

同時に比較器３５の比較基Ｉ＃−電圧も、トランジスタ
３２のＯＮに伴い電圧設定部３４の１出力に切換わり、
したがってこんどは制御目標空燃比としてＡ／Ｆ＝２０
を境にして、空燃比がそれよりも濃いか薄いかの判断が
行なわれるのである。

これらの結果、制御回路２０は空燃比Ａ／Ｆ＝２０とな
るように燃料供給量の制御部２２に補正信号を出力づる
。

このようにして、運転状態に応じて変化づる目標空燃比
に対応して、それぞれ燃料供給量をフィードバック制御
するために、正確で精度の高い空燃比制御が実現できる
のである。

なお、第６図においては、運転状態をあられすものとし
て、時間経過に対する車速の変化を示しており、燃料の
供給は吸気ポートに設けた燃料噴射弁を介して行なう場
合を例示しである。

ところで燃料噴射弁から噴射供給される燃料量は、基本
的には機関吸入空気色や回転数に対応して、上記した運
転状態によって所定の空燃比、すなわち加速時には理論
空燃比、低負荷時にはＡ／Ｆ＝２０の稀薄空燃比となる
ように演算されるのであり、このＪ、うにして決められ
た燃料供給ｍが、上記の通り酸素セン１ノ出力にもとづ
いて補正制御されると、非常に精度よく目標値と一致Ｊ
るようになるのである。

空燃比の制御目標値は、上記した各値に限定されるわけ
ではなく、内燃機関の特性や仕様条件などに応じて自由
に設定できることは明白であるし、またアイドル低、中
、高負荷など種々の運転状態に応じてそれぞれ最適空燃
比となるように空燃比を切換えてもよい。

以上のように本発明にＪ、れば、運転状態に応じて異な
る要求空燃比に対し、それぞれ精度よく燃料供給■をフ
ィードバック制御づ−ることかでき、とくに稀薄混合気
による運転時の燃焼安定性を高め、燃費の一層の向上が
はかれる。

また、甲−の酸素センサにより、種々の空燃比を検出し
て任意な値となるように空燃比制御を行なうので、構成
部品が少なくコス１〜の低減にもつながる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の酸素センサをあられず縦断面膜壁的結線
図、第２図は同じくその分解斜視図、第３図はセンサ流
し込み電流を変化させたときのセンサ出力ど空燃比の関
係を示す特性図である。第４図は本発明の酸素センサの
構造を示す断面図、第５図は同じく空燃比制御回路図、
第６図は空燃比制御状態を示すタイムチレートである。 ２０・・・制御目標値の決定回路、２１・・・運転状態
（負荷）検出手段、２２・・・燃料供給ｍのフィードバ
ック制御部、２３・・・酸素センサ、２５・・・酸素セ
ンリ−流し込み電流供給回路、３５・・・比較器（空燃
比判断手段）、３６・・・比較電圧切換回路。 特許出願人　　　日産自動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. センザ流し込み電流に応じて空燃比に対づるセンサ出力
   の急変点が変化する酸素センサと、機関の運転状態を検
   出する手段と、運転状態に応じて最適な制御目標空燃比
   を決定する手段と、この制御目標空燃比に対応する電流
   を前記酸素センサに流し込む手段と、酸素センサの出力
   変化にもとづいて空燃比を判ＧＭ−る手段と、該判断結
   果にもとづいて制御目標空燃比と一致するように燃料供
   給量をフィードバック制御する手段とを備えたことを特
   徴とする空燃比制御装置。