JP2636025B2 - 空燃比センサの測定信号を処理する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は空燃比センサの測定信号を処理する装置に係
り、さらに詳細には内燃機関の排気ガス内に配置された
空燃比センサの測定信号からノイズを除去した出力信号
を得るための、空燃比センサの測定信号を処理する装置
に関するものである。

［従来の技術］ 空燃比センサ（ラムダセンサあるいは酸素センサとも
呼ばれる）の測定信号は多数のパラメータに依存してお
り、特に検出すべき酸素濃度に関係するだけでなく、温
度及び排気ガスの背圧にも関係している。以下において
は圧力の影響を検出することについて説明する。

ポンピング型のセンサ（第１図）とネルンストタイプ
のセンサ（第２図）について圧力変動が測定信号に及ぼ
す影響が、それぞれ４気筒エンジンについて示されてい
る。いずれの場合にもシリンダに供給される空気量を適
当に制御することによって、ラムダ値（空気比の値）は
1.25に調節されている。圧力の影響がなければ、排気ガ
ス流内に配置されている空燃比センサは常にラムダ値1.
25に相当する電圧を出力することになる。しかし図は明
らかにそうでないことを示している。第１図は、プラス
24％とマイナス13％程度の最大偏差を有する激しい変動
を示している。ネルンストタイプのセンサの最大偏差は
約プラス３％である（第２図）。

［発明が解決しようとする課題］ 空燃比センサの測定信号を処理する従来の処理装置に
は、急激なノイズ信号を濾波するローパスフィルタとA/
D変換器が設けられており、このA/D変換器の出力信号が
各プログラムループに従って検出される。A/D変換器の
出力信号が実際のラムダ値に余り遅延せずに反応するこ
とができるようにするためには、ローパスフィルタの積
分時間を余り長く選択することはできない。それによっ
て圧力によってもたらされるノイズが濾波されないの
で、サンプリング時点で決定される出力信号は実際のラ
ムダ値から上方あるいは下方にずれる危険がある。従っ
て出力信号が印加される制御装置が受け取る実際値情報
には誤差が含まれており、従って最適な制御結果が得ら
れないという欠点がある。

本発明の課題は、空燃比センサの測定信号に及ぼされ
る圧力の影響を補正することのできる冒頭で述べた種類
の処理装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 上記の課題を解決するため本発明によれば、内燃機関
の排気ガス内に配置された空燃比センサの測定信号から
ノイズを除去した出力信号を得るための、空燃比センサ
の測定信号を処理する装置において、センサの測定信号
を開始時点から所定の積分時間にわたって積分し、積分
した信号を出力信号として出力する積分装置と、積分を
開始する開始時点を決定し、入力される運転パラメータ
から排気ガスの圧力脈動の周期期間を計算し、計算され
たこの周期期間に基づき所定の整数の係数を用いて乗算
することによって前記積分時間を決定するタイミングパ
ルス発生器を設けた構成が採用されている。

［作用］ 本発明の処理装置によれば、従来使用されていたロー
パスフィルタのように非常に短い時定数で非連続的に積
分を行うのでなく、圧力変動の周期期間の整数倍の期間
にわたってできるだけ正確に、特に正確に１周期にわた
って積分を行う積分装置が設けられている。この周期期
間は供給される運転パラメータ、特にエンジン回転数に
関係して、タイミングパルス発生器により計算される。
さらに、タイミングパルス発生器によって積分を開始す
る時点も決定される。

処理装置の出力信号に基づいてマルチシリンダ内燃機
関の全ての噴射弁の噴射時間を同時に決定する場合に
は、積分の開始時点を個々のシリンダに関係なく自由に
選択することができる。さらに、各シリンダの空燃比セ
ンサの圧力変動がほぼ等しい場合には、１つの脈動の周
期期間にわたって積分するだけで十分である。それに対
してシリンダ毎に圧力変動が異なる場合には、すべての
シリンダの圧力変動が検出される時間にわたって、例え
ば４サイクル４気筒内燃機関の場合には４周期期間にわ
たって積分する方が効果的である。

各シリンダが異なる特性を有する場合には、１周期期
間にわたってできるだけ正確に積分を行い、かつ所定の
シリンダからの排気ガスが空燃比センサに達したその時
にできるだけ正確に積分を開始することが必要である。
これは次のような理由に基づく。

所定のシリンダの排出弁が開放されると、排気ガスに
より音速で伝播する圧力波が生じる。空燃比センサを通
過する圧力波の振幅は、１周期期間にわたって観察する
と第１図と第２図に示すように、センサによって表示さ
れる空気比（ラムダ）に相当するカーブを示す。すでに
説明したように、測定の間は空気比が常に1.25に保たれ
ており、図示の空気比の変動は圧力変動によってもたら
されたものである。排気ガス自体は、シリンダから放出
された圧力波に比較して、シリンダが開放されてから非
常にゆっくりと空燃比センサに達する。従って第１シリ
ンダから放出された圧力波が空燃比センサを通過する周
期期間の間に、その少し前に第３シリンダから排出され
た排気ガスがセンサを通過することが可能になる。回転
数が変化すると、圧力波の伝播速度には影響はないが、
排気ガスが流れる速度は影響を受ける。従って前述の場
合と回転数が異なると、第４シリンダから排出された排
気ガスは、第１シリンダから放出される圧力波がセンサ
の位置を通過する期間に、センサを通過することが可能
となる。さらに回転数が変化すると、圧力波の最初の部
分においては第３シリンダからの排気ガスが通過する
が、圧力波のその他の部分においては第４シリンダから
の排気ガスが通過する。所定のシリンダに関してそれぞ
れ空気比を測定しなければならないので、積分時間は圧
力の脈動とは無関係に、所定のシリンダからの排気ガス
が空燃比センサに達するその時点に正確に設定しなけれ
ばならない。通過する圧力波が空気比に与える影響を除
去するために、積分は圧力波の位相とは関係なく、正確
に１つの周期にわたって行われる。

今日、自動車の電装装置において広く行われているよ
うに、処理装置全体をマイクロコンピュータで形成する
ことも可能である。しかし、特殊な積分の課題をマイク
ロコンピュータに課することを避けるために、市場に出
ている専用の積分装置を使用する方が効果的である。そ
の場合には積分装置は積分の開始時間と終了時間あるい
は開始信号及び該当する積分時間に関する情報のみをマ
イクロコンピュータから取り出す。

［実施例］ 本発明の実施例を図面に示し、以下で詳細に説明す
る。

第３図のブロック図によれば、処理装置10には積分装
置11とタイミングパルス発生器12が設けられている。本
実施例によれば、タイミングパルス発生器12には６つの
パラメータ、すなわち負荷Ｌ、クランク軸角度γ、回転
数ｎ、シリンダの数Ｚ、クロック数Ｔ、積分が行われる
周期期間の数Ｎが供給される。

タイミングパルス発生器12は、次式に従って積分時間
を計算する。

Ｎ×T/（２×ｎ×Ｚ） すなわち、タイミングパルス発生器は、運転パラメー
タ（特に回転数）に従って排気ガスの圧力脈動の周期期
間を計算し、この周期期間に所定の係数を乗算して積分
時間を決定する。

積分開始時点は主として、該当するシリンダの排気ガ
スの排出が開始された時点から経過したクランク角度差
△γに関係して決められる。タイミングパルス発生器12
内にはデータ値がメモリで構成されたデータ発生器に記
憶されており、このデータ値の中には開始クランク角度
が負荷Ｌと回転数ｎを介してアクセス可能に格納されて
いる。負荷Ｌと回転数ｎのその時の値を介して該当する
開始クランク角度が読み出される。供給された実際の開
始クランク角度γが読み出されたクランク角度と一致す
ると、タイミングパルス発生器12から開始信号が積分装
置11に出力される。さらに、計算された積分時間が経過
すると、時間回路が作動されて、積分装置11に停止信号
を印加する。

積分装置11は全積分時間（回転数が低くかつ積分が脈
動の多数周期にわたる場合には、約１秒になる可能性の
ある）の間、線形に積分を行うように構成されている。
このような積分は、前段にA/D変換器を有するディジタ
ルの積分装置を用いて頻繁にサンプリングを行うか、あ
るいは短い時定数を有するRC素子を用いて行われる。RC
素子を用いる場合にはそれぞれ線形の領域において積分
を行うように頻繁にサンプリングされ、かつ各サンプリ
ング毎にゼロにリセットされ、各サンプリング毎に読み
出された値が加算される。

空気比（ラムダ）の値が1.2のときに不図示の空燃比
センサから測定信号として常時あるいは平均して60mVの
電圧USが出力される場合には、アナログで構成された積
分装置11は40mVの積分を行い、ディジタルで構成された
積分装置11の場合には計数値120の積分を行う。前述の
測定信号の60mVより大きいあるいは小さい測定電圧に対
しては同一比で大きくあるいは小さくなる積分値USint
が得られる。積分された電圧に相当する積分値は、不図
示の制御装置において該当するラムダ値に変換される。
このような変換は例えば、メモリに格納された互いに関
連する積分値とラムダ値のテーブルを用いて行われる。

回転数が異なる場合に同一の測定電圧USから同じ積分
値を得るためには、合計信号ないし積分信号をさらに時
間的に規格化しなければならない。しかしこのような時
間的な規格化は通常は行われない。というのは積分値は
通常制御装置に使用され、この制御装置には運転パラメ
ータ（特に回転数など）の値を介してラムダ目標値を読
み出すアクセス可能なメモリが設けられているからであ
る。好ましくはこの目標値はメモリ内に格納され、回転
数が異なる場合にそれに合わせて種々の積分時間が存在
するようになっている。それによって制御偏差が消滅す
れば時間的な規格化が行われないことは問題にならず、
かつ実際にわずかな制御偏差が生じても問題にならな
い。しかし、この小さい誤差を除去しようとする場合に
は、時間的な規格化を行えばよく、これは積分装置に設
けられている規格化装置において積分信号を周期期間で
割り算することによって、あるいは回転数で乗算するこ
とによって行うことができる。

本発明の実施例においては乗算係数Ｎは「１」に設定
されているので、積分時間は圧力脈動の周期期間に相当
する。こうすることによって、マルチシリンダ内燃機関
のすべての燃料噴射弁に関して共通に実験を行うことが
できると共に、個々の燃料噴射弁の噴射時間に関して別
々に実験を行うこともできるという利点が得られる。後
者の場合には、それぞれのシリンダに関する積分値は停
止信号に基づいてマルチプレクサを介して、測定が行わ
れたシリンダに設けられているメモリにそれぞれ格納さ
れる。制御装置の駆動は、制御装置が所定のシリンダの
燃料噴射弁の噴射時間を制御するために実際値を必要と
した時に、制御装置が該当するシリンダに関する積分値
を格納しているそのメモリに正確にアクセスするように
行われる。

それぞれの積分値の処理は、多種多様な方法で行うこ
とができる。上述した方法では、（ディジタルあるいは
アナログの）積分値はメモリで構成されるデータ発生器
に供給され、データ発生器から該当するラムダ値が読み
出される。この種のデータ発生器の代わりに、センサ測
定信号とラムダ値との間の直接的な関係を示す従来のデ
ータ発生器を使用することができるようにするために、
各積分値をまず測定信号に規格化すると効果的である。
このことは前記の実施例に関して言えば次のようなこと
である。すなわち、40mVの積分値が60mVの平均測定信号
に対応すると仮定する。そこから乗算係数が1.5である
ことが計算される。実際の測定信号の平均値を得るため
には、前記各乗算係数を用いて乗算を行われなければな
らない。この乗算が済めば、ラムダ値へ換算するために
従来のデータ発生器を使用することができる。

前述の実施例においては、積分に関する開始時点は回
転数ｎと負荷Ｌに関係してタイミングパルス発生器に設
けられた、メモリで構成されるデータ発生器から読み出
されている。しかしデータ発生器のアドレス量として例
えば測定された電流値あるいは圧力値などを使用するこ
とも可能である。また、考慮するパラメータの中に排気
ガス温度を加えてもよい。というのは、排気ガス中を圧
力波が伝播する音速は、排気ガスの温度と関係があるか
らである。データ発生器から開始時点を読み出す代わり
に、排気ガス移動時間の計算値から開始時点を決定する
こともできる。前記の計算も監視によって得られた運転
パラメータに基づいてタイミングパルス発生器において
行われる。それぞれの場合に開始時点をデータ発生器か
ら読み出すのか、あるいは計算するのかということは特
に、全制御システムの計算プログラムに必要な最小サイ
クル時間に基づいて決定される。開始時点の決定を計算
するのにわずかな時間しか使用できない場合には、デー
タ発生器を使用して処理したほうが効率的である。しか
し、データ発生器を使用すると、計算する場合に比較し
てより大きいメモリが必要とされる。

以上説明して来た実施例は、１つの空燃比センサと処
理装置を有する内燃機関に関するものである。しかし、
多数の空燃比センサとそれに関連する処理装置を内燃機
関に設置することも可能である。各シリンダの個々の排
気管内に内燃比センサを配置する場合には、任意の開始
時点を選択して周期期間の整数倍の期間にわたって積分
を行うことができる。それに対して多数の二叉管を有す
る機械で、各二叉管に設けられた個々の排気管のグルー
プ毎にそれぞれ空燃比センサが設けられる場合には、内
燃機関の集合管内に配置された唯一のセンサについて前
述したことがそれぞれのセンサについて当てはまる。こ
の場合にもそれぞれのシリンダに信号を対応させるため
には、前記と同様にクランク角度の差に関係してそれぞ
れの開始時点を決定することが必要である。

なお、タイミングパルス発生器は、例えばマイクロコ
ンピュータを用いて構成することができる。

［発明の効果］ 以上の説明から明かなように本発明によれば、従来使
用されていたローパスフィルタのように非常に短い時定
数で積分を行うのでなく、圧力変動の周期期間の整数倍
の時間にわたってできるだけ正確に、特に正確に１周期
にわたって積分を行う積分装置が設けられており、この
周期期間は供給される運転パラメータ、特にエンジン回
転数に関係して、タイミングパルス発生器により計算さ
れ、タイミングパルス発生器によって積分を開始する時
間も決定されるので、空燃比センサの測定信号に及ぼさ
れる圧力の影響を補正することのできる空燃比センサの
測定信号を処理する優れた処理装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は圧力に関係する空気比を示す線図、第
３図は積分装置とタイミングパルス発生器を有する処理
装置のブロック図である。 10……処理装置、11……積分装置、12……タイミングパ
ルス発生器

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気ガス内に配置された空燃比
   センサの測定信号からノイズを除去した出力信号を得る
   ための、空燃比センサの測定信号を処理する装置におい
   て、 センサの測定信号を開始時点から所定の積分時間にわた
   って積分し、積分した信号を出力信号として出力する積
   分装置（11）と、 積分を開始する開始時点を決定し、入力される運転パラ
   メータから排気ガスの圧力脈動の周期期間を計算し、計
   算されたこの周期期間に基づき所定の整数の係数を用い
   て乗算することによって前記積分時間を決定するタイミ
   ングパルス発生器（12）と、 を設けたことを特徴とする空燃比センサの測定信号を処
   理する装置。
2. 【請求項２】タイミングパルス発生器（12）は供給され
   る運転パラメータに従って所定のシリンダからの排気ガ
   スが空燃比センサに到達する時点を積分開始時点とする
   ことを特徴とする請求項第１項記載の処理装置。
3. 【請求項３】タイミングパルス発生器（12）に内燃機関
   の運転パラメータに関係して開始時点を格納したメモリ
   が設けられており、内燃機関の動作パラメータに従って
   開始時点が読み出し可能であることを特徴とする請求項
   第２項記載の処理装置。
4. 【請求項４】タイミングパルス発生器が、供給される運
   転パラメータのそれぞれ実際の値から各開始時点を計算
   することを特徴とする請求項第２項記載の処理装置。
5. 【請求項５】内燃機関の各シリンダに関連してメモリが
   設けられ、各メモリには積分装置から該当するシリンダ
   に関して得られた測定信号が入力されることを特徴とす
   る請求項第１項から第４項のいずれか１項記載の処理装
   置。
6. 【請求項６】内燃機関の個々のシリンダに関係なく開始
   時点がタイミングパルス発生器によって任意に決定され
   ることを特徴とする請求項第１項記載の処理装置。
7. 【請求項７】開始時点がクランク角度によって決定され
   ることを特徴とする請求項第１項から第６項のいずれか
   １項記載の処理装置。
8. 【請求項８】タイミングパルス発生器（12）がマイクロ
   コンピュータによって構成されることを特徴とする請求
   項第１項から第７項のいずれか１項記載の処理装置。
9. 【請求項９】積分装置（11）が、リセット可能かつサン
   プリング可能なRC積分回路を有する積分素子であること
   を特徴とする請求項第８項記載の処理装置。
10. 【請求項１０】積分された信号を例えば周期期間で除算
    することによって、あるいは内燃機関の回転数で乗算す
    ることによって規格化する規格化装置を積分装置に設け
    ることを特徴とする請求項第１項から第９項のいずれか
    １項記載の処理装置。