JPH01301939A - 空燃比センサ信号処理装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に係り。

特に、拡散律速状態での酸素イオン流を媒体として空燃
比を検出する方式の空燃比センサに好適な信号処理装置
に関する。

〔従来の技術］ 近年、ガソリンエンジンなど内燃機関の空燃比制御に、
排気ガス成分の検出によるフィードバック制御が広く用
いられるようになってきているが、このときに使用され
る空燃比センサは、−・射的にかなりの高温を動作温度
としている。

飼えば、これも近年、広く採用の気運にある。

拡散律速状態での酸素イオン流を媒体として空燃比を検
出する方式の空燃比センサなとでは、およそ７００℃も
の高温を必要とすると言われている。

そこで、従来から、このような空燃比センサを使用する
際には、加熱用のヒータをセンサ素子に組合わせ、エン
ジン始動時での空燃比フィードバック制御開始までの時
間が短縮できるようにしている。

ところで、従来技術では、このどきでのセンサ素子の温
度が少しでも早く動作温度領域に到達するように、ヒー
タとセンサ素子とを熱伝導係数の大きな部材で直接、結
合させると共に、センサ素子とヒータの小型化、ヒータ
の発熱能力の増大化などの方策がとられており、例えば
、特開昭５４−２２８９４号公報などでは、ヒータとセ
ンサ素子との間に、熱伝導を良好にするための充填物を
設けることが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、センサ素子やヒータの小型化には、製造
の難易度の面から限度があり、又、ヒータの発熱量の増
加も、その高温化を伴なうため、発熱材料の耐熱性の面
で上限がある。

さらに、上記従来技術では、センサ素子の急加熱を伴な
うため、センサ素子に熱衝撃による大きなストレスが現
られれてしまう点について考慮されておらず、センサ素
子の組成変化に伴なう検出特性の問題があった。

一方、これらの方策に代るものとして、センサ素子の動
作温度の低温化が提案されている。

例えば、センサ素子としてＹ　ｚ　Ｏａ安定化Ｚｒ０ｚ
（ＹＳＺ）’ｉ：用いた場合、Ｙ２Ｏ：Ｉ（７）割合を
８Ｍｏ１％付近にし、組成を立方晶系として固有抵抗の
極小値付近で使用する方法が知られている。

しかして、この場合、Ｚ　ｒ　Ｏｚのセラミックとして
の耐衝撃性が、立方晶系では、立方晶／単斜晶系よりも
劣るため、実用上からは、主として後者が空燃比センサ
として使用されており、このため、耐衝撃性の面ではか
なりの改善が得られるものの、内部抵抗がやや高くなる
という問題点がある。

本発明の目的は、センサ素子に加えられる熱衝撃を抑え
ながら、内燃機関の低温始動時でも、空燃比フィードバ
ック制御の開始時点までの経過時間を、排気成分や運転
性の面で支障をきたさない範囲に充分に抑えらＪしるよ
うにした空燃比センサ信号処理装置を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、使用すべき空燃比センサの常温からその動
作温度に到るまでの検出特性を考慮し。

それを補正するのに必要な補正信号を、その空燃比セン
サの演出（ｆｆ号に適用しなから空燃比フィードバック
制御に使用することにより達成される。

〔作　用Ｊ 空燃比センサの検出信号が補正される結果、このセンサ
がその動作温度に到達する前の低温状態にあるときから
空燃比の検出がり能になり、空燃比センサの加熱が緩や
かであっても、内燃機関始動時から短時間で空燃比フィ
ードバック制御を開始させることができる。

［実施例〕 以下、本発明による空燃比センサ信号処理’［２につい
て、図示の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、同図（ａ）は全体構成を
示したもので、エンジンｌの排気管２に空燃比センサ３
が取付けられ、これによりエンジンｌの空燃比が検出さ
れるようになっている。

この空燃比センサ３は、同図（ｂ）に示すように、セン
サ素子４とヒータ５で構成されており、動作中はエンジ
ンｌの排気とヒータ５により所定の、例えば７００℃程
度の温度（動作温度）に保持されるようになっている。

なお、この実施例では、空燃比センサ３として、上記し
た拡散律速状態での酸素イオン流を媒体として空燃比を
検出する方式の空燃比センサが用いられている。

６は空燃比センサ信号処理回路、７はマイコン（マイク
ロコンピュータ）からなる空燃比制御装置、８はクロッ
ク発生器、９はキースーｒツチ、１０は時間補正部、１
１はエンジン１の冷却水温センサ、１２は温度補正部で
ある。

次に、この実施例の動作について説明する。

空燃比センサ３の信号は、まず時間補正部ｌＯに入力さ
れ、ここで、まず、クロック発生器８からのクロック信
号により、キースイッチ９が投入されたどきからの経過
時間に応じた補正が与えらる。従って、この時間補正部
１０には、予め所定の関数に従って補正１Ｊ号を発生し
、それにより空燃比センサ３からの検出信号を補正する
機能が与えられている。

次に、この時間補正部１０からの出力は温度補正部１２
に入力され、冷却水温センサ１１からの１ｎ号により、
エンジン始動直前の冷却水温度による補正を受け、空燃
比補正用の検出信号として空燃比制御装置７の中に取込
まれ、空燃比フィードバック制御に使用される。

次に、第２図のタイムチャートにより、この実施例の動
作をさらに詳細に説明する。

第２図において、まず（ａ）はキースイッチ９の操ｆ１
５によるエンジンｌを含む空燃比制御システ２、全体の
電源のｏｎ−ｏｆｆ状態を表わし、同図（ｂ月よ空燃比
センサ３に組込まれているヒータ５に対する加熱ｔｔｔ
ｆＩＡのｏｎ・ｏｆｆ状態を表わしている。なお、この
加熱電源による通電状態は、電源投入後の時刻ｔ２にお
いて、空燃比センサニ３の温度が、例えば７００℃の動
作温度領域に達した後は、図示してない自動温度制御装
置により断続制御されるようになっている。

同図（Ｃ）は空燃比センサ３のセンサ素子４のセル温度
の経時変化状態を示したもので、上記したヒータ５によ
り約７００℃の動作温度に設定されて温度調節されるが
、図示したように、ｍ源投入後の時刻ｔｚで、とにかく
酸素イオン流が得られる、約５００℃の温度に達してい
るものである。

同図（ｄ）はエンジンの冷却水温’ｌ’　ｗを示したも
ので１時刻【。でキースイッチ９が投入されたあと、こ
の時刻ｔｏでの最初のときの冷却水温の違いによる、そ
の後の冷却水温の変化の違いを実線と破線で表わしてい
るものである。

最後に１図の（ｅ）は、このときでの空燃比センサ３か
らの検出信号（空燃比信号）の経時変化を示したもので
、空燃比（Ａ／Ｆ）を検出すべき排気ガス雰囲気を、例
えば（Ａ／Ｆ）＝　２２などの一定値に保った状態での
検出信号の変化を示したものであり。

従って、既に所定の動作温度に保たれている空燃比セン
サを想定したとすれば、この空燃比センサによる噴出信
号は図中の一点鎖線のようになる筈である。

そこで、この第２図（ｅｌにハツチングを付して示しで
ある、実線の特性と一点鎖線の特性の違いについてみる
と５これは、このときに検出すべき正しい空燃比と、実
際に空燃比センサ３から検出されてくる信号との差を表
わしていることになり、このことから、時刻ｔ。以降、
時刻ｔ２で空燃比センサ３が所定の動作温度（７００℃
）に達する前の時刻ｔ１から、この空燃比センサ３の検
出信号により正しい（Ａ／Ｆ）を知るためには、この（
ｓ）図にハツチングで示されている差分で補正してやれ
ばよいことが判る。なお、この差分は、センサ素子の温
度が動作温度に達していないことにより、その内部抵抗
が所定値まで低下しておらず、拡散律速状態における酸
素イオン流が正規のレベルにまで達していないことによ
るものであり、従って。

温度の関数、つまり、この場合は始動時刻【０からの経
過時間ｔの関数となっている。

即ち、上記した差分を補正係数αとすると、α＝　ｆ　
（ｔ） となる。

なお、この第２図では、エンジン始動時での温度につい
て、２０℃と、−３０℃の２ｍ！！ｌを代表的なものと
して示している。

第１図の実施例に戻り、上記のことから１時間補正部ｌ
Ｏでは、クロック発生器８からのクロックにより始動時
刻ｔｏからの経過時間を知り、補正係数αを求め、所定
の時刻ｔ１以降、空燃比センサ３からの噴出信号の補正
を行なうのである。

ところで、上記した関数は、空燃比に依存する割合は比
較的少く、他方、センサ素子の温度、つまり、その内部
抵抗に大きく依存する。

しかして、この素ｆの温度は、充分にソーキングされた
後では周Ｕａ温度の影響をほとんど受けないが、妊温始
動時などでは大きく影響される。そして、このことは、
第２図の各特性曲線に、２０℃の場合を実線で、−３０
”Ｃの場合を破線でそれぞれ示してあり、これらが太き
（ずれていることからも明らかである。

そこで、この始動時での周ｆｆｆ４１１７すについて補
正するだ書ブでもかなり大きな精度向上が得ら九るので
、第１図の実施例では、温度補正部１２を設け、これに
冷却水温センサ１１からの信号を取込み。

これにより、さらに補正が与えられるようになっている
。

従って、この第１図の実施例によれば、エンジン始１ｊ
Ｊｔ￥ｔ、時刻ｔ２で空燃比センサ３の温度が動１ヤ温
度（７００℃）に達するまでの時間を待つまでもなく、
それよりも、はるかに前の時刻ｔ１で、かなりの精度を
持って空燃比フィードバック制御を開始させることがで
き、ヒータ４の発熱漱を大きくして急激な温度上昇を与
える必要性をなくすことができる。

次に、時間補正部１０と温度補正部１２における補正処
理の細部について、さらに詳しく説明する。

上記した如く、この時間補正部ｌＯでは５Ｐ５２図（ｅ
）のハッチンク部分に相当した補正量を時間の関数どし
て発生し、二ｊｂによる補正を空燃比センサ３に与える
ものであり、温度補正部１２は、この補正された信号に
対して、さらに始動時での冷却水温’１’　ｗ　ｏによ
る補正を与えて最終的な空燃比１号を得るようになって
いるものであるが、二のためには、基本的には次のよう
な補正を行えはよい。

ｉ、センサ素Ｉの始動時かｌ）の経時変化待＋を曲線を
Ａとし、これを統計的な平均値どして求める。

ｉｉ、この経時変化特性曲線Ａの周囲温度依存性を、冷
却水温（これは空燃比センサや周囲の温度を代表するも
のと考える）の始動直前の値’Ｉ’　ｗ　ｏにより補正
する。即ち、αｈ　　（’Ｉ’　ｗ　ｏ　）Ａ ここで、α１はセンサＩＦ４Ｔ・の 温度補正係数である。

ｉｉｉ　、この補正された素子温度の経時変化特性曲線
α１（’ｌ”ｗｏ）Ａの値を用いて、空燃比曲線Ｂの素
Ｅｌ’−温度依存性を補正する。即ち、ａ　ｘ　　（ａ
　ｘ　（Ｔ　ｗ　ｏ　）　Ａ　）　Ｂここで、α２は空
燃比センサ 数である。

これに対して、基本的には同じ考え方ではあるが、第１
図の実施例では、より実際的な補正方法を採っており、
以下、この方法について説明する。

この方法は、ます、充分に予熱されで、例えば７００℃
などの動作温度にある空燃比センサを用意し、これによ
る検出信号と、実際の使用状態で始動時の低温から立ち
上ってゆく空燃比センサによる検出信号との比較を行な
い、その差を統計的に処理して上記した関数関係を求め
、テーブル化し。

時間補正部１０で使用するようにし、これに対して温度
補正部１２による補正を与えるようにするのである。な
お、この方法は、第２図（ｅ）に関する説明でも、既に
述べたところである。

ところで、本発明に関しては１、上記実施例とは別に、
始動時の温度を異にする複数の補正関数を求め、これを
テーブル化し、始動時の温度に応じて対応する補正関数
を選択し、補正を行なうようにして実施してもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、空燃比センサの加熱が比較的縁やかに
行なわれるようにしても、エンジン始動後、空燃比の検
出が得られるまでの時間を充分に短縮することができる
から、空燃比センサに対する熱ａｕｉを充分に抑え５高
い信頼性と良好な精度を保って空燃比フィードバック制
御を行なうことができる。

又１本発明によれば、エンジン始動後、空燃比フィード
バック制御が開始されるまでの時間を充分に短縮させる
ことができるから、大気汚染を少くできるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明による空燃比センサ信号
処理装置の一実施例を示すブロック図と一部拡大断面図
、第２図（ａ）〜（θ）は動作説明用のタイミング図で
ある。 ｌ・・・・エンジン、２・・・・排気管、：３・・・・
空燃比センサ、４・・・・センサ素子、５・・・・ヒー
タ、６・・・・空燃比センサ信号処理回路、７・・・・
空燃比制御装置、８・・・・クロック発生器、９・・・
・キース・ｆツチ、１０・・・・時間補正部、ｔｉ・・
・・冷却水温センサ、１２・・・・温度補正部。 代理人　弁理士　弐　頑次部（外１名）５１図　　　　
２　：　ｊ４Ｌ％、。 ３：　空だτ、ｒ口でンプ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、常温よりかなり高い所定の温度を動作温度とする空
   燃比センサを用いた内燃機関の空燃比制御装置において
   、上記内燃機関の始動時から暖機完了までの時間の関数
   として最終的に補正量がゼロに収斂してゆく補正信号を
   発生する補正信号発生手段を設け、上記補正信号により
   上記空燃比センサによる検出信号の補正を行なうように
   構成したことを特徴とする空燃比センサ信号処理装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記補正信号発生
   手段による補正信号の発生特性が、上記内燃機関始動直
   前の周囲温度の関数として制御されるように構成されて
   いることを特徴とする空燃比センサ信号処理装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、上記周囲温度が、
   上記内燃機関の冷却水温度となるように構成されている
   ことを特徴とする空燃比センサ信号処理装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、上記補正信号発生
   手段による補正信号の発生特性が、予め上記所定の温度
   に加熱保持した空燃比センサから得られる検出信号と内
   燃機関始動時から暖機完了までの経時温度変化を与える
   ようにした空燃比センサから得られる検出信号との統計
   的な比較処理によって設定されていることを特徴とする
   く空燃比センサ信号処理装置。