JPS6410651B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、デイーゼルエンジンの空燃比制御
装置に関し、特に空燃比センサの流し込み電流を
制御することによりスモーク値と空燃比の相関補
正を行なうデイーゼルエンジンの空燃比制御装置
に関するものである。

従来、デイーゼルエンジンの空燃比制御装置と
しては、エンジンの排気通路に排気ガス中の酸素
濃度を検出する空燃比センサを設け、該空燃比セ
ンサの出力が予め定められた空燃比に対応した値
になるように最大燃料噴射量をフイードバツク制
御するように構成されている。（特開昭56−2433
号公報参照） しかしながら、上述した構成によりデイーゼル
エンジンの空燃比制御装置は、スモーク値が空燃
比にほぼ一致するものとみなしてエンジンの運転
状態に関係なく常に一定の空燃比に制御している
ために、実際のスモーク値と空燃比との間に誤差
が生じてしまう。つまり、エンジンはその回転数
および冷却水温度等の運転状態によつてスモーク
値と空燃比との間の相関に変化が生ずるものであ
り、上記構成においては、予め定められた特定条
件以外の運転状態においては、スモーク値を精度
良く制御することが出来なかつた。

従つて、この発明はこのような問題に着目して
なされたものであり、空燃比センサとして流し込
み電流を変化させることにより、出力特性が変化
する酸素センサを用い、この酸素センサに対する
流し込み電流を運転状態に対応して制御し、スモ
ーク値に応じて制御空燃比を変化させることによ
り、上記問題を解決することを目的としている。

即ち本発明では、排気通路に設けられ、その出
力の切り換わる空燃比域が流し込み電流の増減に
応じて変化する特性を有する空燃比センサと、こ
の空燃比センサの出力にもとづいて最大燃料噴射
量をフイードバツク制御する制御手段と、エンジ
ン回転速度を検出する回転速度検出手段と、この
検出回転速度に応じて前記流し込み電流を決定
し、これを空燃比センサに出力する電流供給手段
とを設え、かつ前記電流供給手段には、回転速度
が増大するほど最終的に空燃比が濃側に変化する
特性を付与した。

なお、ここで空燃比センサの出力が切り換わる
とは、所定の空燃比域において同センサの出力電
圧が急激に変化することを言う。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図はこの発明によるデイーゼルエンジンの
空燃比制御装置の一実施例を示すシステム図であ
つて、吸入空気はエアクリーナ１を通り、コント
ロールユニツト２により制御されるスロツトル弁
３を介し、吸気管４からエンジンの各燃焼室５に
供給される。この場合、コントロールユニツト２
は、エンジン回転数、アクセルペダル開度、噴射
時期、エンジンの水温および後述される空燃比セ
ンサの出力値等を入力して運転状態を判別し、該
運転状態に対応してスロツトル弁３を制御してい
る。エンジンの各燃焼室５において燃焼したガス
は、排気マニホールド６を通り、一部は排気還流
取出口７からコントロールユニツト２によつて制
御される排気還流制御弁８および排気還流パイプ
９を介して吸気管４に戻され、残りのガスは、排
気管１０を介して大気に放出される。排気管１０
の一部には、排気ガス中の酸素濃度を検出して空
燃比を検出する空燃比センサ１１が設けられてお
り、この空燃比センサ１１の出力はコントロール
ユニツト２に供給されるとともに、該コントロー
ルユニツト２によつて制御されるヒータ電流Ｈお
よびセンサ作動用の流し込み電流Isの供給を受け
ている。

つまり、この場合コントロールユニツト２は、
上記制御手段及び電流供給手段の機能を併用して
いる。なお、電流供給手段の詳細例については後
述する。

次に、空燃比センサとして用いている酸素セン
サについて説明する。

第２図は第１図において空燃比センサとして用
いられる酸素センサの一例を示す一部切欠側面図
であつて、この酸素センサは先端が小径とされた
ホルダー１２を有し、このホルダー１２の先端部
にカツプ状をなしたルーバー１３が挿入されて開
孔部分を覆つている。そして、このルーバー１３
には、その周面に小径のルーバー孔１４が複数個
所に設けられている。また、このルーパー１３の
内側には、さらにルーバー孔１５を有する内側ル
ーバー１６が設けられており、このルーバー１３
と内側ルーバー１６との間には発泡セラミツク等
の通気部材１７が介在されている。従つて、ガス
はルーバー孔１４を介し、通気部材１７を拡散に
より通過して内部に進入する。内側ルーバー１６
によつて構成される内部空間には、アルミナ絶縁
筒１８によつて支持された板状のヒータ付センサ
素子１９が内蔵されており、このセンサ素子１９
からアルミナ絶縁筒１８および図示しないテフロ
ン絶縁筒を介してヒータ電流供給用のリード線２
０ｃ、センサ出力取出用のリード線２０ｂおよび
アース用のリード線２０ａがそれぞれ引き出され
ている。そして、このアルミナ絶縁筒１８は、ケ
ース２２に覆われてホルダー１２内に固定されて
いる。２３は中空ボルトであつて、ねじ山が図示
しない排ガス通路に設けられた取付孔のねじ溝に
係合してホルダー１２を該取付孔に締め付けるこ
とにより先端側部分を排ガス通路内に露出した状
態で固定する。なお、２４はアルミナ絶縁筒１８
とケース２２との間に形成された空気断熱層、２
５はシール材である。

この場合、センサ素子１９は第３図ａ，ｂにそ
の平面図および要部断面図を示すように、アルミ
ナ等の耐熱性絶縁基板２６の表面にセンサ部１９
ａが形成された構造をなしている。そして、この
絶縁基板２６の内部には、リード線２０ａ，２０
ｃ間に接続された白金を主成分とする温度制御用
のヒータ２７が埋め込まれている。センサ部１９
ａは、絶縁基板２６の表面に固体電解質２７、リ
ード線２０ｂに接続された内部電極２８、固体電
解質２９およびリード線２０ａに接続された外部
電極３０が厚膜技術によつて順次重ね合わされて
約70μの厚さに形成されている。そして、これら
絶縁基板２６および厚膜積層体により構成される
センサ部１９ａは、その周囲を気体分子が通過し
うる程度の孔を無数に有する例えばスピネル等の
保護層３１によつて被覆されて保護されている。

このように構成されたセンサ素子１９は、内部
電極２８の近辺に存在する酸素分圧P₁と外部電
極３０の近辺に存在する酸素分圧P₂とによつて
ネルンストの式により、 Ｅ＝RT／4FlnP₁／P₂ なる起電力Ｅをリード線２０ｂ，２０ａ間に発生
する。ただし、Ｒはガス定数、Ｔは絶対温度、Ｆ
はフアラデー定数である。ここで、内部電極２８
から外部電極３０に向つて電流を流すと、固体電
解質２９部分において外部電極３０から内部電極
２８に向つて酸素イオンが流れ込み、電流を増加
させると酸素イオンの量も増大する。この場合、
外部電極３０部分から内部電極２８部分に流れ込
む酸素イオンは保護層３１の周囲に存在する被測
定ガスから酸素分子が保護層３１を拡散現象によ
り通過して供給される。従つて、外部電極３０部
分においては、内部電極２８に流れる酸素イオン
量と保護層３１を介して供給される酸素分子量と
の関係において酸素分圧が決まり、前者が多い場
合には酸素分圧が低く、後者が多い場合には酸素
分圧が高くなる。つまり、センサ素子１９の周囲
に酸素分圧が存在したとしても、流し込む電流が
多くなると外部電極３０近辺の酸素分圧が低くな
り、内部電極２８の近辺における高い酸素分圧と
の間に前述したネルンストの式によつて起動力が
発生されることになる。そして、この起動力も、
センサ素子１９の周囲に供給される被測定ガス中
の酸素濃度が増加すると、保護層３１を拡散によ
り通過する酸素分子の数が増加して外部電極３０
近辺における酸素分圧が高まつて起動力が低下す
る。従つて、内部電極２８，３０間に流れ込む電
流およびセンサ部１９ａの温度が一定の場合に
は、被測定ガス中の酸素濃度に対応して出力が変
化することになり、例えばエンジンの排気通路に
このガスセンサを取り付けた場合における空燃比
とガスセンサ出力との関係は第４図に示すように
なる。なお、第４図に示す曲線Ａは流し込み電流
を少なく、また、曲線Ｂは流し込み電流を多くし
た場合の特性を示している。

この場合、上記構成によるガスセンサは、セン
サ部１９ａの温度によつてその出力値が変化する
ために、絶縁基板２６の内部に埋め込まれている
ヒータ２７に通電することによりヒータ温度を一
定に制御している。第５図はヒータ温度を一定に
制御するための温度制御回路であつて、ヒータ２
７、抵抗３２〜３４および可変抵抗３５とを用い
てヒータ２７を一辺とするブリツジ回路を構成す
ることによつて、ヒータ２７の温度を抵抗値変化
に対応した電圧値として検出している。ブリツジ
回路によつて検出されたヒータ２７の温度に対応
した電圧値は比較器３６において設定値と比較さ
れて差信号が出力される。この差信号は、トラン
ジスタ３７において増幅された後にヒータ電流制
御用のトランジスタ３８に供給されることによ
り、ヒータ２７にフイードバツク制御が加わつて
ヒータ抵抗が設定値に一致するように制御される
ことにより、ヒータ２７が一定温度に保持され
る。

そして、この場合においては、センサ素子１９
は第２図で示したように、ルーバー１３、拡散の
みによつてガスが進入する通気部材１７および内
側ルーバー１６によつて覆われているために、直
接排気ガスに触れることはなく、保温性が向上し
て排気ガスの温度による影響を受けにくくなり、
これに伴なつてヒータ２７による温度制御の精度
が極めて高いものとなる。

このように構成された酸素センサを有する第１
図に示すデイーゼルエンジンの空燃比制御装置に
おいて、出力トルクを増大させようとすると要求
空燃比が濃くなり、空燃比が濃くなるとスモーク
濃度も濃くなる性質を有している。従つて、エン
ジンの全開運転中に常に排気ガスのスモーク濃度
を所定レベル以下に制御するには、空燃比を所定
レベルよりも薄く制御する必要がある。しかし、
空燃比とスモーク値との関係は、エンジンの運転
条件（回転数、冷却水温度等）によつて変化し、
平常運転時における特性は例えば第６図に示すよ
うになる。したがつてエンジンの全開出力時のス
モーク濃度を限界値Ａにおさえ、かつこの限界内
で可能な限り大きなトルクを得るためには、低速
回転時における空燃比は薄くしなければならない
が、回転数を増加するにしたがつて空燃比を濃く
する必要がある。

従つて、酸素センサ１１によりスモーク値を所
定値以下にフイードバツク制御するには、エンジ
ンの低回転域においては薄い空燃比で出力が切り
換わり、高回転域では比較的濃い空燃比で出力が
切り換わつて所定レベルの信号を発生するように
構成すれば良いことになる。ここで、酸素センサ
１１の特性は第７図に示すように、センサ部１９
ａの温度が一定の場合には、センサへの流し込み
電流Isを増大することにより希薄空燃比域におけ
る出力変化が大きくなり、センサ出力の比較値と
してスライスレベル（Ｓ／Ｌ）を設定しておく
と、第７図に流し込み電流Isを順次増大した場合
における特性ａ〜ｅで示すように、このスライス
レベル（Ｓ／Ｌ）を横切る特性が、流し込み電流
を増大させるほど希薄域側に移行する。

例えば、制御目標空燃比が２２である場合の流
し込み電流Isを６ｍＡとした場合、空燃比センサ
１１の出力がスライスレベル（Ｓ／Ｌ）よりも大
きければ空燃比が濃すぎることを示すことにな
る。従つて、コントロールユニツト２は、エンジ
ンへの燃料供給量を減少させて空燃比を薄くなる
ように制御する。一方、空燃比センサ１１の出力
がスライスレベル（Ｓ／Ｌ）よりも小さい場合に
は、空燃比が薄すぎることになる。従つて、コン
トロールユニツト２は燃料噴射量を増加させるよ
うに制御することにより、目標空燃比制御が行な
える。すなわち、エンジンの回転速度と空燃比お
よびスモーク値との関係は第６図に示す特性を有
するために、エンジンの回転速度に対応して目標
空燃比を変えることにより、スモーク値を常に一
定以下に制御することが出来る。

ここで、空燃比の制御目標値に関しては、例え
ばスモーク濃度を限界ぎりぎりのＡレベルでエン
ジンの運転を行なうとして、コントロールユニツ
ト２はエンジンの回転速度が増加するにしたがつ
て順次空燃比が濃くなるように、第７図に示した
空燃比センサ１１への流し込み電流Isを減少させ
る。すなわち、エンジンを全開状態でエンジン回
転速度を増加させて行く時に排気中のスモーク濃
度を一定値に保つのに、空燃比センサ１１として
の酸素センサへの流し込み電流を順次減少させる
のである。第８図は第７図のような特性で、空燃
比センサ１１に対する流し込み電流を出力する電
流供給手段の一例を示し、回転数センサ５０で検
出した回転信号Ｎを、CPU、記憶装置、入出力
装置などからなるマイクロコンピユータ５１に入
力する。

マイクロコンピユータ５１には、予め回転数に
対応した電流値を記憶させておき、上記回転信号
Ｎ又はこの関数ｆ（Ｎ）にもとづいて電流値Ioを
演算またはテーブルルツクアツプにより読取る。
この電流値IoはＤ／Ａ変換されてアナログ電圧Ｖ
となり、これをアナログ電流Ｉに増幅変換するの
であり、この出力値Ｉが空燃比センサ１１へ流し
込み電流として供給される。この結果、エンジン
要求トルクを保ちつつスモーク値を限界以内に抑
制でき、従来のように空燃比を薄目に固定して不
必要にトルクを下げたり、あるいは逆に一部の運
転域でスモーク値の限界を越えてしまうような空
燃比に固定するという不都合も解消されるのであ
る。

なお、上記実施例の制御では、エンジンの回転
速度に応じて空燃比センサへの流し込み電流を変
化させ、そのときのセンサ出力とスライスレベル
との比較結果に基づいてスモーク限界内に最大燃
料噴射量を制御するようにしているが、要はエン
ジン回転速度の上昇に応じたスモーク限界の変化
に伴つて空燃比を濃測に変化させるのが目的であ
るから、本発明の構成の範囲内で例えば次のよう
な制御内容を設定することも可能である。

即ち、空燃比センサの出力が所定のスライスレ
ベルと一致するように流し込み電流を調整し、そ
のときの流し込み電流値を、回転速度に応じて定
めた基準値と比較し、その結果により最大燃料噴
射量を規制するのであり、これによつても上記実
施例と同様に空燃比を回転速度毎のスモーク限界
付近に制御することが可能である。

また、上記実施例においては、空燃比センサ出
力の切り換わる空燃比域が流し込み電流の増大に
応じて希薄側に変化する特性を有する空燃比セン
サを用いているが、同空燃比域が流し込み電流の
増大に応じて濃側に変化する特性を有する空燃比
センサを用いても上記と同様な制御を行いうるこ
とは言うまでもない。

以上説明したように、この発明によるデイーゼ
ルエンジンの空燃比制御装置は、流し込み電流の
値によつてその出力特性が変化する酸素センサを
空燃比センサとして用い、この空燃比センサの出
力にもとづいて空燃比をフイードバツク制御する
とともに、エンジンの回転速度に対応して酸素セ
ンサへの流し込み電流を制御するものであるため
にエンジンの回転速度によつて異なる空燃比とス
モーク値との相関を容易に補正することができ、
これによつてエンジン出力を損うことなくスモー
ク値を常に目標値以下に抑制することができると
いう優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるデイーゼルエンジンの
空燃比制御装置の一実施例を示すシステム図、第
２図は第１図に示す空燃比センサの一例を示す要
部断面図、第３図ａ，ｂは第２図に示すセンサ素
子の平面図および要部断面図、第４図は空燃比セ
ンサの特性図、第５図は温度制御回路の一例を示
す回路図、第６図はエンジン回転速度と空燃比お
よびスモーク濃度との関係を示す説明図、第７図
は空燃比とセンサ出力および流し込み電流との関
係を示す説明図、第８図は流し込み電流を制御す
る手段のブロツク図である。 １……エアフイルタ、２……コントロールユニ
ツト、３……スロツトル弁、４……吸気管、５…
…燃焼室、６……排気マニホールド、７……排気
還流取出口、８……排気還流制御弁、９……排気
還流パイプ、１０……排気管、１１……空燃比セ
ンサ、５０……回転数センサ、５１……マイクロ
コンピユータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 排気通路に設けられ、その出力の切り換わる
   空燃比域が流し込み電流の増減に応じて変化する
   特性を有する空燃比センサと、この空燃比センサ
   の出力にもとづいて最大燃料噴射量をフイードバ
   ツク制御する制御手段と、エンジン回転速度を検
   出する回転速度検出手段と、この検出回転速度に
   応じて前記流し込み電流を決定し、これを空燃比
   センサに出力する電流供給手段とを備え、かつ前
   記電流供給手段は、回転速度が増大するほど最終
   的に空燃比が濃側に変化する特性を有することを
   特徴とするデイーゼルエンジンの空燃比制御装
   置。