JPH0217705B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の空燃比制御装置に関する。

気体中の酸素濃度を検出することのできる酸素
濃度検出器として例えば特開昭52−72286号公報
に記載されているようにジルコニアのような酸素
イオン伝導性固体電解質を用いた酸素濃度検出器
が公知である。この酸素濃度検出器ではジルコニ
ア板の一側表面上に陰極をなす薄膜をコーテイン
グすると共にジルコニア板の他側表面上に陽極を
なす薄膜をコーテイングしてこれら陰極と陽極と
の間に電圧を印加し、陰極に接触して電子を付与
された酸素分子がジルコニア板内を通過した後に
陽極において電子を放出することにより陽極から
陰極に向かう電流が発生せしめられ、この電流が
ジルコニア板内を通過する酸素分子の数、即ち陰
極に接触する気体中の酸素の分圧に比例するので
この電流値から酸素濃度を知ることができる。従
つてこの酸素濃度検出器を機関排気通路内に取付
けると排気通路内の酸素濃度を検出でき、従つて
機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を知
ることができる。このようにこの酸素濃度検出器
は排気通路内の酸素濃度を検出するようにしてい
るので機関シリンダ内に供給される混合気が稀薄
混合気のときに検出器としての機能を果し、斯く
してこのような酸素濃度検出器を以後リーンセン
サと称する。しかしながらこのリーンセンサを機
関排気通路内に取付けた場合には高温の排気ガス
による電極の劣化によつて電極薄膜とジルコニア
板との界面における抵抗値が増大したり、或いは
排気ガス中に含まれるＰ、Zn、Fe、Pb等の付着
並びに熱衝撃に基づく物理的破壊によつてジルコ
ニア板の外周面を覆う多孔質セラミツク層内にお
ける酸素ガスの拡散速度および拡散量が変化した
りすることによつて同一の酸素濃度であつても時
間を経るに従つて電流値が次第に増加或いは減少
してくる。斯くしてこの電流値に基いて空燃比を
目標空燃比に制御するようにした場合には目標空
燃比が時間の経過と共に変化し、斯くして空燃比
を初期に設定した目標空燃比に正確に制御できな
くなるという問題を生ずる。

本発明は経時的変化によつてリーンセンサの出
力電流値が変化してもこの電流値を自動的に較正
することにより空燃比を初期に設定した目標空燃
比に正確に制御できるようにした空燃比制御装置
を提供することにある。

以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明
する。

第１図を参照すると、１は機関本体、２はシリ
ンダブロツク、３はシリンダブロツク２内におい
て往復動するピストン、４はシリンダブロツク２
上に固締されたシリンダヘツド、５はピストン３
とシリンダヘツド４間に形成された燃焼室、６は
燃焼室５内に配置された点火栓、７は吸気ポー
ト、８は吸気弁、９は排気ポート、１０は排気弁
を夫夫示す。吸気ポート７は枝管１１を介して共
通のサージタンク１２に連結され、一方排気ポー
ト９は排気マニホルド１３に連結される。各枝管
１１には電子制御ユニツト１４の出力信号によつ
て制御される燃料噴射弁１５が夫々設けられ、こ
れらの燃料噴射弁１５から対応する吸気ポート７
に向けて燃料が噴射される。サージタンク１２は
吸気管１６、エアフローメータ１７並びに図示し
ないエアクリーナを介して大気に連結される。吸
気管１６内にはスロツトル弁１８が配置され、こ
のスロツトル弁１８は車両運転室に設けられたア
クセルペタルに連結される。スロツトル弁１８に
はスロツトルスイツチ１９が連結され、このスロ
ツトルスイツチ１９は電子制御ユニツト１４に接
続される。このスロツトルスイツチ１９は例えば
スロツトル弁１８がアイドリング位置にあるとき
にオン状態となり、このオン信号が電子制御ユニ
ツト１４に送り込まれる。エアフローメータ１７
は吸入空気量に応じて回転する計量板２０を有
し、この計量板２０の回転量が電圧に変換され
る。この電圧は吸入空気量に比例しており、この
吸入空気量に比例した電圧が電子制御ユニツト１
４に送り込まれる。更に、電子制御ユニツト１４
には機関クランクシヤフトの回転速度を検出する
ための回転数センサ２１が接続される。一方、排
気マニホルド１３にはリーンセンサ２２が取付け
られ、このリーンセンサ２２は電子制御ユニツト
１４に接続される。リーンセンサ２２は例えば第
２図に示すようにジルコニアからなるカツプ状の
酸素イオン伝導性固体電解質２３と、その外周面
を覆う多孔質セラミツク２４とを具備し、この多
孔質セラミツク２４が排気ガス流中に配置され
る。また、酸素イオン伝導性固体電解質２３の内
周面並びに外周面上には夫々陽極用白金薄膜並び
に陰極用白金薄膜がコーテイングされ、これら白
金薄膜に接続されたリード線２５，２６間には電
圧が印加される。排気ガス中の酸素分子は多孔質
セラミツク２４内を拡散により通過して酸素イオ
ン伝導性固体電解質２３の陰極用白金薄膜に到達
し、ここで電子を付与された酸素分子が酸素イオ
ン伝導性固体電解質２３内を通過した後に酸素イ
オン伝導性固体電解質２３の陽極用白金薄膜と接
触して電子を放出することにより電流が発生せし
められる。第５図は排気ガス中の酸素濃度Ｐ（重
量パーセント）と発生電流Ａ（ｍＡ）との関係を
示す。第５図において実線Ｋで示されるように発
生電流Ａは酸素濃度が増大するにつれて増大する
ことがわかる。なお、排気ガス中の酸素濃度がわ
かれば機関シリンダ内に供給される空燃比がわか
り、この空燃比を第５図の横軸Ａ／Ｆに示す。従
つて第５図から発生電流がわかれば機関シリンダ
内に供給される混合気の空燃比を検出できること
がわかる。第５図に示されるように酸素濃度Ｐに
対応した電流が安定して発生するのは酸素イオン
伝導性固体電解質２３の温度がほぼ700℃よりも
高くなつたときであり、従つて酸素イオン伝導性
固体電解質２３の内部には酸素イオン伝導性固体
電解質２３の温度を700℃以上に保持するための
ヒーター２７が設けられる。また、酸素イオン伝
導性固体電解質２３の温度を検出するために、例
えば熱電対２８が酸素イオン伝導性固体電解質２
３内に配置される。

第５図の実線Ｋで示すように排気ガス中の酸素
濃度Ｐと発生電流Ａとは一定の関係を有するがリ
ーンセンサ２２を長時間に亘つて使用すると排気
ガス中に含まれるＰ、Zn、Fe、Pb等の付着によ
り多孔質セラミツク２４内における酸素ガスの拡
散速度および拡散量が変化し、また白金薄膜の熱
劣化により酸素イオン伝導性固体電解質２３と白
金薄膜との界面における抵抗値が低下して第５図
の破線K′に示されるように発生電流Ａが減少す
る。しかしながらこのように発生電流Ａの酸素濃
度Ｐとの関係K′が初期の関係Ｋからずれると発
生電流Ａが空燃比Ａ／Ｆを正確に表わさなくな
る。

第３図に電子制御ユニツト１４を示す。第３図
を参照すると、電子制御ユニツト１４はデイジタ
ルコンピユータからなり、各種の演算処理を行な
うマイクロプロセツサ（MPU）３０、ランダム
アクセスメモリ（RAM）３１、制御プログラ
ム、演算定数等が予め格納されているリードオン
リメモリ（ROM）３２、入力ポート３３並びに
出力ポート３５が双方向バス３６を介して互に連
結されている。更に電子制御ユニツト１４内には
各種のクロツク信号を発生するクロツク発生器３
７が設けられる。第３図に示されるようにエアフ
ローメータ１７はバツフア３９並びにAD変換器
４０を介して入力ポート３３に接続される。エア
フローメータ１７は前述したように吸入空気量に
比例した出力電圧を発生し、この電圧がAD変換
器４０において対応する２進数に変換されてこの
２進数が入力ポート３３並びにバス３５を介して
MPU３０に入力される。一方、スロツトルスイ
ツチ１９並びに回転数センサ２１は夫々対応する
バツフア４１，４２を介して入力ポート３３に接
続される。スロツトルスイツチ１９は前述したよ
うにスロツトル弁１８がアイドリング位置にある
ときにオン状態となり、このオン信号が入力ポー
ト３３並びにバス３６を介してMPU３０に入力
される。回転数センサ２１はクランクシヤフトが
所定クランク角度回転する毎にパルスを発生し、
このパルスが入力ポート３３並びにバス３６を介
してMPU３０に入力される。一方、リーンセン
サ２２は電流電圧変換器４３、増巾器４４並びに
AD変換器４５を介して入力ポート３３に接続さ
れる。このリーンセンサ２２は前述したように排
気ガス中の酸素濃度に対応した電流を発生し、こ
の電流は電流電圧変換器４３において電流値に比
例した電圧に変換され、次いでこの電圧はAD変
換器４５において対応する２進数に変換されてこ
の２進数が入力ポート３３並びにバス３６を介し
てMPU３０に入力される。

出力ポート３５は燃料噴射弁１５を作動するた
めのデータを出力するために設けられており、こ
の出力ポート３５には２進数のデータがMPU３
０からバス３６を介して書き込まれる。出力ポー
ト３５の各出力端子はダウンカウンタ４６の対応
する各入力端子に接続されている。このダウンカ
ウンタ４６はMPU３０から書き込まれた２進数
のデータをそれに対応する時間の長さに変換する
ために設けられており、このダウンカウンタ４６
は出力ポート３５から送り込まれたデータのダウ
ンカウントをクロツク発生器３７のクロツク信号
によつて開始し、カウント値が０になるとカウン
トを完了して出力端子にカウント完了信号を発生
する。Ｓ−Ｒフリツプフロツプ４７のリセツト入
力端子Ｒはダウンカウンタ４６の出力端子に接続
され、Ｓ−Ｒフリツプフロツプ４７のセツト入力
端子Ｓはクロツク発生器３７に接続される。この
Ｓ−Ｒフリツプフロツプ４７はクロツク発生器３
７のクロツク信号によりダウンカウント開始と同
時にセツトされ、ダウンカウント完了時にダウン
カウント４６のカウント完了信号によつてリセツ
トされる。従つてＳ−Ｒフリツプフロツプ４７の
出力端子Ｑはダウンカウントが行なわれている間
高レベルとなる。Ｓ−Ｒフリツプフロツプ４７の
出力端子Ｑは電力増巾回路４８を介して燃料噴射
弁１５に接続されており、従つて燃料噴射弁１５
はダウンカウンタ４６がダウンカツトしている間
付勢されることがわかる。

次に第４図に示すフローチヤートを参照して本
発明による空燃比制御装置の作動について説明す
る。第４図を参照すると、まず始めにステツプ５
０においてエアフローメータ１７の出力信号から
吸入空気量が計算され、次いでステツプ５１にお
いて目標空燃比が設定される。この目標空燃比の
設定については詳細な説明を省略するが例えばこ
の目標空燃比は機関回転数或いは機関負荷に応じ
て望ましい空燃比に設定される。ただしこの目標
空燃比は理論空燃比よりも大きな空燃比である。
次いで回転数センサ２１の出力信号から計算され
た機関回転数並びに吸入空気量からステツプ５２
において基本燃料噴射時間τ_pが計算される。次い
でステツプ５３ではROM３２内に記憶された第
５図に示す関係（ただしこの場合縦軸は電流電圧
変換器により変換された電圧値Ｖとなつている。）
から目標空燃比に対応するリーンセンサ２２の目
標出力電圧値V_pが計算される。次いでステツプ
５４ではスロツトルスイツチ１９の出力信号から
スロツトルスイツチ１９がオンであるか否かが判
別され、スロツトルスイツチ１９がオンのとき、
即ちスロツトル弁１８がアイドリング位置にある
ときにはステツプ５５に進む。ステツプ５５では
回転数センサ２１の出力信号から機関回転数が予
め設定された回転数、例えば1200r・ｐ・ｍより
も大きいか否かが判別され、機関回転数が予め定
められた設定回転数Ｎよりも大きいと判別された
ときはステツプ５６に進んで燃料カツトフラグが
立てられる。従つて燃料カツトフラグが立てられ
るのは機関回転数が設定回転数Ｎよりも大きな減
速運転時である。一方、ステツプ５４においてス
ロツトルスイツチ１９がオンでないと判別された
とき、或いはステツプ５５において機関回転数が
設定回転数Ｎよりも大きくないと判別されたとき
にはステツプ５７に進んで燃料カツトフラグが降
ろされた後ステツプ５８に進む。従つて、燃料カ
ツトフラグが降ろされた状態でステツプ５８に進
むのは減速運転時でないとき、或いは減速運転時
であつても機関回転数が設定回転数Ｎよりも低い
ときである。ステツプ５６において燃料カツトフ
ラグが立てられるとステツプ５９に進んで一定時
間経過したか否かが判別され、燃料カツトフラグ
が立てられた後一定時間を経過していないときは
ステツプ６０に進んで燃料噴射処理が行なわれ
る。ただし、この場合燃料カツトフラグが立てら
れているので燃料噴射作用は停止される。一方、
ステツプ５９において燃料カツトフラグが立てら
れた後、即ち燃料の噴射作用が停止された後一定
時間経過したと判別されたときはステツプ６１に
進んで第５図のV_sをV_aで徐算し、その徐算結果
を補正係数αとする。即ち、このときには燃料噴
射が停止されてから一定時間を経過しているので
排気マニホルド１３内は大気で満たされており、
従つて排気マニホルド１３内における酸素濃度は
約20％となつている。このときリーンセンサ２２
が初期の特性を維持していると出力電圧は第５図
においてV_aとなり、一方、リーンセンサ２２の
経時的変化による劣化が生じていると出力電圧は
第５図においてV_sとなる。従つてこのような経
時的変化を較正するためにV_sをV_aで徐算してそ
の徐算結果を補正係数αとし、後述するように経
時的変化による発生電流の減少分をこの補正係数
αを用いて較正するようにしている。ステツプ６
１において補正係数αが計算されるとこの補正係
数αはRAM３１の予め定められた番地に記憶さ
れ、次いでステツプ６０に進む。このときも燃料
カツトフラグが立てられているので燃焼噴射作用
は停止したままである。

一方、前述したようにスロツトル弁１８がアイ
ドリング位置にないとき、或いはスロツトル弁１
８がアイドリング位置にあつても機関回転数が設
定回転数Ｎよりも低いときはステツプ５７におい
て燃料カツトフラグが降ろされた後にステツプ５
８に進む。ステツプ５８ではリーンセンサ２２の
目標出力電圧値V_pに補正係数αが乗算され、そ
の乗算結果を目標出力電圧値V_pとする。従つて
ステツプ５８において得られた目標出力電圧値
V_pはリーンセンサ２２が経時変化をしたときの
目標空燃比に対応する出力電圧Ｖを示している。
次いでステツプ６２においてリーンセンサ２２の
現在発生している電流、即ち出力電圧Ｖが目標値
V_pよりも大きいか否か判別され、リーンセンサ
２２の出力電圧Ｖが目標値V_pよりも大きいとき
にはステツプ６３に進んで燃料噴射時間τが基本
噴射時間τ_pに対してγだけ増大せしめられる。ま
た、ステツプ６２においてリーンセンサ２２の出
力電圧Ｖが目標値V_pよりも大きくないと判別さ
れたときはステツプ６４においてリーンセンサ２
２の出力電圧Ｖが目標値V_pよりも小さいか否か
が判別される。ステツプ６４においてリーンセン
サ２２の出力電圧Ｖが目標値V_pよりも小さいと
判別されたときにはステツプ６５において燃料噴
射時間τが基本噴射時間τ_pに対してβだけ減少せ
しめられ、一方ステツプ６４においてリーンセン
サ２２の出力電圧Ｖが目標値V_pよりも小さくな
いと判別されたときはステツプ６６に進んで燃料
噴射時間τに基本噴射時間τ_pが入れられる。ステ
ツプ６３，６５，６６のいずれかにおいて燃料噴
射時間τが求められるとこの燃料噴射時間τに従
つてステツプ６０において燃料噴射作用が行なわ
れる。ステツプ６２乃至ステツプ６６並びに第５
図から空燃比が目標空燃比よりも薄くなると燃料
が増量され、空燃比が目標空燃比よりも濃くなる
と燃料が減量され、斯くして空燃比が目標空燃比
に制御されることがわかる。

上述したように補正係数αを求めることができ
るのは排気マニホルド１３内が大気で満たされた
ときであり、従つて本発明では排気マニホルド１
３内が大気で満たされているか否かを判定する判
別装置を具備する必要がある。これまで述べた実
施例ではこの判別装置がスロツトルスイツチ１９
と回転数センサ２１からなり、車両減速時に燃料
噴射作用が停止されるのを利用して補正係数αを
求めるようにしている。

一方、機関始動前においても排気マニホルド１
３内は大気で満たされているのでこのときに補正
係数αを求めることができる。即ち、この場合に
は第３図において破線の枠内に示すようにイグニ
ツシヨンスイツチ７０をバツフア７１を介して入
力ポート３３に接続し、温度センサ７２をバツフ
ア７３並びにAD変換器７４を介して入力ポート
３３に接続する。温度センサ７２は例えが第２図
に示す熱電対２８からなり、また第２図に示すヒ
ーター２７はイグニツシヨンスイツチ７０がオン
となつたときに加熱せしめられる。従つてイグニ
ツシヨンスイツチ７０がオンとなり、ヒーター２
７の加熱作用によつて酸素イオン伝導性固体電解
質２３の温度がほぼ700℃よりも高くなり、しか
も回転数センサ２１の出力信号から機関回転数が
零であることを判別してこのときに補正係数αを
求めるようにしてもよい。

以上述べたように本発明によればリーンセンサ
の経時変化による発生電流の変動を機関始動前、
或いは減速運転になる毎に較正することができ
る。従つて機関シリンダ内に供給される混合気の
空燃比を常時目標空燃比に正確に制御することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る内燃機関の側面断面図、
第２図はリーンセンサの側面断面図、第３図は電
子制御ユニツトの回路図、第４図は本発明による
空燃比制御装置の作動を示すフローチヤート、第
５図はリーンセンサの発生電流と酸素濃度の関係
を示す図である。 １３……排気マニホルド、１４……電子制御ユ
ニツト、１５……燃料噴射弁、１７……エアフロ
ーメータ、１８……スロツトル弁、１９……スロ
ツトルスイツチ、２２……リーンセンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機関排気通路に該排気通路内の酸素濃度に比
   例した出力信号を発生するリーンセンサを取付け
   ると共に該リーンセンサを電子制御ユニツトに接
   続し、該電子制御ユニツトがリーンセンサの出力
   信号と酸素濃度との関係を記憶した記憶手段を具
   備し、該排気通路内の酸素濃度が一定となるよう
   に機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を
   制御するようにした空燃比制御装置において、上
   記機関排気通路が大気で満たされているか否かを
   判別する判別装置を具備し、該判別装置に応動し
   て機関排気通路が大気で満たされているときに上
   記記憶手段に記憶されたリーンセンサの出力信号
   と酸素濃度との関係を較正する較正手段を上記電
   子制御ユニツトに設けた内燃機関の空燃比制御装
   置。