JPH063304A - 内燃機関における空燃比検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】空燃比センサの静的特性のばらつきを補正す
る。 【構成】機関吸入混合気の空燃比が、理論空燃比とリー
ン空燃比との間で切り換え制御されるときに、空燃比セ
ンサの出力変化をサンプリングする（Ｓ４，Ｓ５）。次
いで、前記空燃比の切り換え制御に対応するセンサ出力
Ｖout の応答期待値を求める（Ｓ７）。ここで、前記サ
ンプリングされた実際の応答特性と、前記応答期待値と
を比較し、応答ずれ量Δｔを求める（Ｓ８）。そして、
前記応答ずれ量Δｔに基づいて、センサ出力Ｖout を空
燃比に変換するテーブルを補正する（Ｓ９，Ｓ10）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関における空燃比
検出装置に関し、詳しくは、排気成分濃度に基づいて機
関吸入混合気の空燃比を検出するセンサの出力特性ばら
つきを補正する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、機関排気中の酸素濃度を酸素
センサで検出することによって機関吸入混合気の空燃比
を間接的に検出し、該酸素センサで検出される空燃比を
目標空燃比に近づけるように燃料供給量をフィードバッ
ク制御する空燃比フィードバック制御が知られている
（特開昭６０−２４０８４０号公報等参照）。

【０００３】かかる空燃比フィードバック制御において
は、理論空燃比に対するリッチ・リーンを検出できる酸
素センサを用いて、目標空燃比を理論空燃比とする制御
が従来から一般的に行われてきたが、近年の燃費向上要
求の高まりに対応して、理論空燃比よりも極めて高い空
燃比（例えば20〜24）を目標空燃比とする希薄燃焼機関
が開発されており、酸素センサとしても、広範囲な空燃
比領域を検出できる全領域空燃比センサが用いられるよ
うになってきている。

【０００４】前記全領域空燃比センサとしては、例えば
図４に示すような信号処理回路で実現されるものが知ら
れている。図４において、点線で囲んだ部分がセンサ素
子部の等価回路を示し、かかるセンサ素子は、安定化ジ
ルコニアで隔てられる排気側と拡散室側との酸素分圧の
差に応じて発生するセンサ電流Ｉｐｓにより、センサ出
力電圧Ｖｓを発生するものであり、処理回路では、前記
出力電圧Ｖｓの平衡点（図４では450 ｍＶ）からのずれ
がゼロになるように、つまり、等価的センサ電流Ｉｐｅ
をゼロにするような電流Ｉｐ（ポンプ電流）を、前記出
力電圧Ｖｓと平衡点との比較に基づいて誤差アンプから
センサ素子側に流し込む（又は、吸い出す）というフィ
ードバック処理回路を構成している。ここで、センサ出
力としては、前記電流Ｉｐを抵抗Ｒｓにより電圧に変換
して取り出すようになっている。

【０００５】即ち、従来から知られているジルコニア型
酸素センサの機能に酸素ポンプ機能を追加したものであ
り、基準の酸素分圧差のときに得られる出力電圧が維持
されるように、ジルコニア素子部に強制的に電流を流し
込む（又は、吸い出す）ものであり、前記出力電圧の維
持に必要とされる電流のレベルに基づき平衡点を基準と
して空燃比を検出するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のよう
な空燃比センサでは、センサ出力値（電流Ｉｐ）と排気
中の酸素濃度との関係が、センサの単品ばらつきによっ
てセンサ毎に僅かながら異なる特性を示すことが避けら
れなかった。このため、例えば、目標空燃比を理論空燃
比に比べて極めて高い値（例えば20〜24）に設定し、か
かるリーン空燃比が実際に得られるように前記空燃比セ
ンサを用いてフィードバック制御を実行する場合、前記
空燃比センサの単品ばらつきによって実際に得られる空
燃比が前記目標リーン空燃比に対してばらつき、ＮＯｘ
濃度が増大したり、燃焼が不安定になってサージを発生
させてしまうことがあった。

【０００７】空燃比センサの単品ばらつきを補償する方
法としては、予め空燃比センサ毎に出力信号を検定し、
出力信号のばらつきに対応した抵抗値の抵抗をセンサに
取り付けておき、その値をユニット側で読み取ってセン
サ出力信号をセンサ毎の特性に応じて補正したり、又
は、センサ回路に前記検定結果に対応する抵抗値の調整
抵抗を付加する方法などが行われていた。

【０００８】しかしながら、上記のばらつき補償方法に
よると、予め空燃比センサ毎に出力信号を検定する必要
があるから、大幅な工数の増大を招き、また、実際に機
関に取り付けた状態での出力と、検定条件での出力とに
偏差が生じることがあり、精度の良いばらつき補償が行
えないなどの問題があった。ところで、排気中の酸素濃
度に対するセンサ出力のばらつき、即ち、静的特性のば
らつきは、排気中の酸素濃度が変化するときのセンサ出
力値の応答特性に相関し、例えば図６に示すように、所
定の空燃比変化に対応して期待される応答特性に対する
実際の応答特性のずれが大きいとき程、静的なずれが大
きくなる傾向を示すことが実験から確認された。

【０００９】本発明は上記実情に鑑みなされたものであ
り、前述のように空燃比センサの応答特性が静的ばらつ
きに相関することを利用して、検定作業を行わずに実機
状態で空燃比センサの出力ばらつきを補正し得る空燃比
検出装置を提供し、以て、高精度な空燃比フィードバッ
ク制御を可能とすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そのため本発明にかかる
内燃機関における空燃比検出装置は、図１又は図２に示
すように構成される。図１において、空燃比センサは、
機関吸入混合気の空燃比によって変化する排気中の特定
成分の濃度に感応して出力値が変化するセンサであり、
出力変換手段は、空燃比センサの出力値を空燃比のデー
タに変換する。

【００１１】また、空燃比制御手段は、機関吸入混合気
の空燃比を所定値だけ強制的に変化させ、応答性検出手
段は、前記空燃比制御手段による空燃比の変化に伴って
発生する前記空燃比センサの出力値変化における応答性
を示すパラメータを検出する。そして、変換特性補正手
段は、応答性検出手段で検出された応答性を示すパラメ
ータに基づいて前記出力変換手段の変換特性を補正す
る。

【００１２】一方、図２において、領域別空燃比制御手
段は、機関運転領域毎に割り付けられた空燃比に従って
機関吸入混合気の空燃比を制御する。また、空燃比セン
サは、機関吸入混合気の空燃比によって変化する排気中
の特定成分の濃度に感応して出力値が変化するセンサで
あり、出力変換手段は、この空燃比センサの出力値を空
燃比のデータに変換する。

【００１３】また、期待値記憶手段は、前記運転領域毎
に割り付けられた空燃比の運転領域間の段差に応じて前
記空燃比センサの出力値変化の期待値を記憶している。
ここで、出力サンプリング手段は、前記領域別空燃比制
御手段で制御される実際の空燃比が、運転領域間の割り
付け空燃比の段差に応じて変化するときに、前記空燃比
センサの出力値の変化をサンプリングする。

【００１４】そして、期待値による補正手段は、上記出
力サンプリング手段でサンプリングされた出力値の変化
と、前記期待値記憶手段に記憶された対応する期待値と
を比較し、該比較結果に基づいて前記出力変換手段の変
換特性を補正する。

【００１５】

【作用】かかる構成によると、機関吸入混合気の空燃比
を所定値だけ強制的に変化させることで、空燃比センサ
の出力応答を強制的に発生させ、実際の応答特性を示す
パラメータを検出する。前記応答特性は、排気成分濃度
に対するセンサ出力値のばらつきに相関するから、前記
応答特性を示すパラメータに基づいて、センサ出力を空
燃比のデータに変換する特性を補正する。

【００１６】また、運転領域毎に割り付けられた空燃比
に応じた運転領域別の空燃比制御で、空燃比に段差が発
生するときに、かかる空燃比段差の発生に対応する空燃
比センサの応答をサンプリングする。そして、前記段差
に応じて予め記憶してある空燃比センサの出力変化の期
待値（期待される応答特性）と、前記サンプリングした
実際のセンサ応答とを比較し、期待値に対する実際の応
答の差に基づいて、出力値を空燃比データへ変換する特
性を補正する。

【００１７】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。一実施例
を示す図３において、内燃機関１にはエアクリーナ２か
ら吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸気マニホールド
５を介して空気が吸入される。吸気マニホールド５の各
ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁６が設けられて
いる。この燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開
弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であっ
て、後述するコントロールユニット12からの噴射パルス
信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプか
ら圧送されてプレッシャレギュレータにより所定の圧力
に調整された燃料を、機関１に噴射供給する。

【００１８】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ていて、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホールド８，排気
ダクト９，触媒10及びマフラー11を介して排気が排出さ
れる。機関への燃料供給を電子制御するコントロールユ
ニット12は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及
び入出力インタフェイス等を含んで構成されるマイクロ
コンピュータを備え、各種のセンサからの入力信号を受
け、後述の如く燃料噴射弁６による燃料噴射量を演算
し、該燃料噴射量に基づいて燃料噴射弁６の作動を制御
する。

【００１９】前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３
中にエアフローメータ13が設けられていて、機関１の吸
入空気流量Ｑに応じた信号を出力する。また、クランク
角センサ14が設けられていて、所定クランク角毎の回転
信号を出力する。ここで、前記回転信号の周期、或い
は、所定時間内における発生数を計測することにより、
機関回転速度Ｎｅを算出できる。

【００２０】また、機関１のウォータジャケットの冷却
水温度Ｔｗを検出する水温センサ15が設けられている。
また、排気マニホールド８の集合部に空燃比センサ16が
設けられている。この空燃比センサ16は、機関吸入混合
気の空燃比によって変化する排気中の酸素（特定成分）
濃度に感応してその出力電圧（出力値）が変化するセン
サであり、本実施例では、既述した図４に示すような処
理回路によって構成され、広範囲な空燃比領域を検出で
きるものを用いる。

【００２１】図４については、既に説明してあるので詳
細な説明は省略するが、本実施例の空燃比センサ16は、
ジルコニア型酸素センサの機能に酸素ポンプ機能を追加
したものであり、酸素分圧差によって発生する起電力の
平衡点からのずれをゼロにするような電流Ｉｐをジルコ
ニア素子部に流し込む（又は、吸い出す）ことにより、
前記電流Ｉｐのレベルに基づいて空燃比を検出するもの
である。尚、センサ出力としては、前記ポンプ電流Ｉｐ
が電圧Ｖｏｕｔに変換して出力されるものとする。

【００２２】ここにおいて、コントロールユニット12に
内蔵されたマイクロコンピュータのＣＰＵは、以下に示
すように、運転領域別に予め割り付けられた空燃比に従
って燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉを演算し、該演算
された燃料噴射量Ｔｉに基づき所定タイミングにおいて
燃料噴射弁６を開駆動制御することにより、機関への燃
料供給を電子制御する。

【００２３】本実施例においては、機関吸入混合気の空
燃比を理論空燃比付近に制御する理論空燃比領域と、理
論空燃比に対して極めて高いリーン空燃比（例えば20〜
24）に制御するリーンバーン領域とに、運転領域が大き
く２つに区分されており、更に、前記２つの運転領域を
それぞれ区分する細分領域毎に割り付けられた空燃比に
対応する運転領域別の空燃比補正係数ＫＭＲが設定され
る。

【００２４】そして、吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎ
ｅとに基づいて演算した基本燃料噴射量Ｔｐを、前記運
転領域別の割り付け空燃比に対応する前記空燃比補正係
数ＫＭＲで補正すると共に、空燃比センサ16によって検
出される実際の空燃比と目標空燃比とを比較して、前記
基本燃料噴射量Ｔｐを補正するための空燃比フィードバ
ック補正係数ＬＭＤを設定して、最終的な燃料噴射量Ｔ
ｉを演算することによって、運転領域毎に割り付けられ
た空燃比に対応する燃料噴射量Ｔｉが得られるようにな
っている。

【００２５】コントロールユニット12は、上記のような
電子制御燃料噴射装置の制御ユニットとしての機能と共
に、本発明にかかる前記空燃比センサ16の出力特性ばら
つきを補償する機能を、図５のフローチャートに示すよ
うに備えている。図５のフローチャートにおいて、ま
ず、ステップ１（図中ではＳ１としてある。以下同様）
では、現在の運転条件（機関負荷，機関回転速度）がリ
ーンバーン領域に含まれるか否かを判別する。

【００２６】そして、リーンバーン領域内の運転条件で
あるときには、ステップ２へ進み、予め基本燃料噴射量
Ｔｐ（機関負荷相当値）と機関回転速度Ｎｅとにより区
分される運転領域毎に、リーンバーン領域内での空燃比
割り付けに対応する空燃比補正係数ＫＭＲを記憶したマ
ップを参照し、現在の運転条件に対応する空燃比補正係
数ＫＭＲ_L を求める。

【００２７】そして、前記空燃比補正係数ＫＭＲ_L によ
って基本燃料噴射量Ｔｉを補正して、運転条件に対応し
て割り付けられたリーン空燃比に対応する燃料噴射量Ｔ
ｉを演算して出力する。一方、ステップ１でリーンバー
ン領域でないと判別されたときには、ステップ３へ進
み、同様にして、理論空燃比制御領域内に含まれる運転
条件に割り付けられた空燃比に対応する空燃比補正係数
ＫＭＲ_S を求め、これに基づいて燃料噴射量Ｔｉを演算
し出力する。

【００２８】即ち、機関運転領域毎に割り付けられた空
燃比（本実施例では大きく理論空燃比とリーン空燃比と
に分けられる）に従って機関吸入混合気の空燃比を制御
するものであり、上記のステップ１〜３の部分が領域別
空燃比制御手段に相当し、また、運転領域別の割り付け
に従って理論空燃比とリーン空燃比とに切り換えること
は、強制的に所定値だけ空燃比を変化させることになる
から、前記ステップ１〜３の部分が空燃比制御手段にも
相当する。

【００２９】ステップ４では、リーンバーン領域と理論
空燃比制御領域との間での切り換えタイミングであるか
否か、即ち、運転条件の変化に伴って機関吸入混合気の
空燃比が大きな段差を有して強制的に変化するタイミン
グであるか否かを判別する。切り換えタイミングでない
ときには、後述する空燃比センサ16のばらつき学習が行
えないので、そのまま本プログラムを終了させる。

【００３０】一方、リーンバーンと理論空燃比との間の
切り換えタイミングであるときには、ステップ５へ進
み、この大きな段差を有する空燃比変化に対応して変化
する空燃比センサ16の出力電圧Ｖout をサンプリングす
る。前記サンプリングされた出力電圧Ｖout は、次のス
テップ６でメモリに格納される。上記ステップ５，６の
部分が出力サンプリング手段及び応答性検出手段に相当
する。

【００３１】ステップ７では、今回のリーンバーン領域
と理論空燃比制御領域との間での切り換えに従って空燃
比を大きく変化させたときに期待される空燃比センサ16
の出力変化の特性を設定する。即ち、前記切り換えタイ
ミングで与えられる空燃比段差は、例えばリーン空燃比
から理論空燃比への切り換え時には、切り換え前のリー
ンバーン用の空燃比補正係数ＫＭＲ_L と、切り換え後の
理論空燃比用の空燃比補正係数ＫＭＲ_S とから判別され
るから、予め補正係数ＫＭＲ_L ，ＫＭＲ_S の組み合わせ
に応じて空燃比センサ16の出力変化の期待値を記憶して
おき、かかる出力変化の期待特性を、前記補正係数ＫＭ
Ｒ_L ，ＫＭＲ_S の組み合わせに基づいて読み出せるよう
にしてある。従って、上記ステップ７の部分が、コント
ロールユニット12の期待値記憶手段としての機能を示す
ものであり、実際には、コントロールユニット12に内蔵
されたメモリが前記期待値記憶手段に該当することにな
る。

【００３２】次のステップ８では、リーン空燃比と理論
空燃比との間の切り換えタイミングでサンプリングされ
た出力Ｖout と、前記期待される変化特性（応答特性の
期待値）とを比較し、期待される変化特性に対する実際
の出力Ｖout の応答ずれ時間を代表するデータΔｔを求
める。即ち、実際に求めた出力Ｖout の変化特性と、同
じ空燃比段差を与えたときの基準となる出力変化特性と
を比較して、基準応答特性に対するずれを検出するもの
であり、前記代表データΔｔとしては、各出力Ｖout 点
におけるずれ時間の平均又は最大や、中間出力Ｖout 時
点におけるずれ時間、更に、応答変化が開始されてから
終了するまでの時間などを求めれば良い。

【００３３】尚、前記応答ずれ時間Δｔが応答性を示す
パラメータに相当するが、前記時間Δｔの代わりに、出
力Ｖout の変化速度を求めても良い。次のステップ９で
は、前記応答ずれ時間Δｔ（又は出力Ｖout の変化速
度) と、前記応答ずれ時間Δｔに相関する出力値Ｖout
（空燃比段差を生じさせたときの起点出力，終点出力，
起点出力と終点出力との平均値等）とをパラメータとし
て、前記相関出力Ｖout に対応する真の空燃比〔Ａ／
Ｆ〕をマップから求める。

【００３４】即ち、前記応答ずれ時間Δｔが略零である
ときには、出力電圧Ｖout は、排気中酸素濃度（空燃
比）に対応して基準通り出力されているものと判断する
が、前記応答ずれ時間Δｔが生じたときには、前記応答
ずれ時間Δｔが大きいときほど、静的特性のずれが大き
く発生しているものと推定されるので、前記応答ずれ時
間Δｔに基づいて本来対応すべき空燃比〔Ａ／Ｆ〕を求
めるものである。

【００３５】次のステップ10では、前記ステップ９で求
められた出力Ｖout に対応する真の空燃比データ〔Ａ／
Ｆ〕に基づいて、出力Ｖout を空燃比データに変換する
ための変換テーブルの該当する出力Ｖout に対応する空
燃比を書き換える。このステップ10の部分が変換特性補
正手段及び期待値による補正手段に相当し、補正される
変換テーブルが出力変換手段に相当する。

【００３６】上記のようにして、空燃比センサ16の静的
特性を所定の空燃比変化を生じさせたときの応答特性か
ら補正する構成であれば、空燃比センサ16の静的特性の
ばらつきを、予め検定を行う必要なく実機状態で補正す
ることができるようになり、また、予め検定を行って求
めたばらつき特性の実機上での誤差を吸収できるように
なる。従って、空燃比センサ16の静的特性ばらつきを高
精度かつ簡便に補正することができ、以て、空燃比フィ
ードバック制御の精度を向上させることができる。

【００３７】ところで、上記実施例では、リーンバーン
領域と理論空燃比領域との間の切り換え時に発生する大
きな空燃比段差を利用し、かかる空燃比段差に伴って発
生するセンサ出力Ｖout の変化をサンプリングさせるよ
うにしたが、空燃比センサ16の応答特性を検出するため
にのみ空燃比を強制的に変化させ、このときの出力Ｖou
t の応答特性を求めるようにしても良い。但し、上記の
ようにセンサばらつきの学習用として空燃比を強制的に
変化させる場合には、運転性に大きく影響しないよう
に、アイドル運転時等に限定して行わせることが好まし
い。

【００３８】尚、本実施例では、空燃比センサ16として
ジルコニア型酸素センサに酸素ポンプ機能を加えて構成
されるものを示したが、これに限定されるものではな
く、種々の構成の酸素センサに適用できるものである。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる内燃
機関における空燃比検出装置によると、実機に空燃比セ
ンサを装着した状態で空燃比センサの単品ばらつきを検
出してこれを補償する補正を行うので、予め空燃比セン
サの出力を個々に検定する必要がなく、又は、予め検定
を行って求めたばらつき特性の実機上での不適合を吸収
でき、工数を増大させることなくかつ高精度に空燃比セ
ンサの単品ばらつきを補償できるようになるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示すブロック図。

【図２】本発明の基本構成を示すブロック図。

【図３】実施例のシステム概略図。

【図４】実施例における空燃比センサの処理回路を示す
回路図。

【図５】実施例における空燃比センサのばらつき学習の
様子を示すフローチャート。

【図６】空燃比センサの実際の応答特性と期待応答値と
の比較を示すタイムチャート。

【符号の説明】

１ 内燃機関 ６ 燃料噴射弁 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 16 空燃比センサ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 27/419

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関吸入混合気の空燃比によって変化する
   排気中の特定成分の濃度に感応して出力値が変化する空
   燃比センサと、 該空燃比センサの出力値を空燃比のデータに変換する出
   力変換手段と、 機関吸入混合気の空燃比を所定値だけ強制的に変化させ
   る空燃比制御手段と、 該空燃比制御手段による空燃比の変化に伴って発生する
   前記空燃比センサの出力値変化における応答性を示すパ
   ラメータを検出する応答性検出手段と、 該応答性検出手段で検出された応答性を示すパラメータ
   に基づいて前記出力変換手段の変換特性を補正する変換
   特性補正手段と、 を含んで構成された内燃機関における空燃比検出装置。
2. 【請求項２】機関運転領域毎に割り付けられた空燃比に
   従って機関吸入混合気の空燃比を制御する領域別空燃比
   制御手段を備えた内燃機関における空燃比検出装置であ
   って、 機関吸入混合気の空燃比によって変化する排気中の特定
   成分の濃度に感応して出力値が変化する空燃比センサ
   と、 該空燃比センサの出力値を空燃比のデータに変換する出
   力変換手段と、 前記運転領域毎に割り付けられた空燃比の運転領域間の
   段差に応じて前記空燃比センサの出力値変化の期待値を
   記憶した期待値記憶手段と、 前記領域別空燃比制御手段で制御される実際の空燃比
   が、運転領域間の割り付け空燃比の段差に応じて変化す
   るときに、前記空燃比センサの出力値の変化をサンプリ
   ングする出力サンプリング手段と、 該出力サンプリング手段でサンプリングされた出力値の
   変化と、前記期待値記憶手段に記憶された対応する期待
   値とを比較し、該比較結果に基づいて前記出力変換手段
   の変換特性を補正する期待値による補正手段と、 を含んで構成された内燃機関における空燃比検出装置。