JPH0715452B2

JPH0715452B2 - 空燃比検出器

Info

Publication number: JPH0715452B2
Application number: JP58185064A
Authority: JP
Inventors: 大須賀　　稔; 宜茂大山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-10-05
Filing date: 1983-10-05
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: JPS6078340A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利分分野〕本発明は、空燃比検出器に係り、特に肉燃機関の空燃比
制御に用いるのに好適な空燃比検出器に関する。

〔従来の技術〕

従来の空燃比検出器としては、例えば、特開昭51−4558
7号に記載のように、袋管状の固体電解質の外側と内側
に白金電極を設け、内側電極を大気にさらし、外側電極
を肉燃機関の排気ガスに接触させるものがある。この検
出器の出力は、理論空燃比（λ＝1.0）において、ステ
ップ的に変化する。すなわち、理論空燃比より過濃なリ
ッチ領域（λ＜1.0）では、約800mVの高い出力が得ら
れ、理論空燃比より希薄なリーン領域（λ＞1.0）で
は、約200mVの低い出力が得られるものである。この空
燃比検出器は、現在ではポピュラーなものとなり、内燃
機関の空燃比制御に広く用いられてきている。

しかしながら、この検出器では、理論空燃比に対する過
濃・希薄の判別しかできないのに対し、近年は、内燃機
関のリーンバーン制御の必要性が省エネの観点から取り
上げられてきている。この制御を行うためには、リーン
領域において、出力が直線的に変化する空燃比検出器が
必要となる。

このような空燃比検出器としては、種々のもの研究開発
されているが、一例として、特開昭55−62349号に記載
されたものが知られている。

この検出器は、固体電解質の両面に白金電極を設け、一
方の白金電極を多孔性の拡散抵抗体でおおい、両電極間
に電流を流し、その時の起電力を測定するものである。
この起電力は、リーン領域で直線的に変化する。そし
て、電流の流す方向を逆にすることにより、リッチ領域
にて起電力が直線的に変化するものにできる。すなわ
ち、この検出器にあっては、電流の流し込み方向を変え
ることによって、リーン領域もリッチ領域も測定でき
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術はリーンからリッチ領域ま
で測定できるようにするには、理論空燃比を境として電
流の流し込み方向を切換える手段が必要となり、構成が
複雑化するという問題があった。

本発明の目的は、簡単な構成にして、リーン領域からリ
ッチ領域までの空燃比の測定の可能な空燃比検出器を提
供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、一方の面に設けられた第１の電極と他方の
面に設けられた第２の電極とを有する第１の固体電解質
と、一方の面に設けられた第３の電極と他方の面に設け
られた第４の電極とを有する第２の固体電解質と、前記
第１の固体電解質と前記第２の固体電解質との間に設け
られ、前記第１の固体電解質と前記第２の固体電解質と
を独立に配置するための中間板と、前記第１の固体電解
質と前記第２の固体電解質と前記中間板とによって形成
されているとともに内部に前記第１の電極及び前記第３
の電極とを有し、拡散抵抗体によって排ガスを通じる拡
散室と、前記第２の固体電解質を通して前記拡散室内へ
排ガス中の酸素を送り込むために前記第３の電極から前
記第４の電極へ電流を流す手段と、前記第１の電極から
前記第２の電極へ電流を流す手段とを備え、前記第１の
電極と前記第２の電極との電極間に得られる電気信号に
より空燃比を検出することによって達成される。

〔作用〕

ポンプセルを構成する第３の電極、第４の電極及び第２
の固体電解質を通して拡散室内へ排ガス中の酸素を送り
込む手段を設けることにより、リッチ領域においても、
電極近傍に酸素が存在することになる。そのため、リー
ン領域の特性をそのままリッチ側にシフト特性が得ら
れ、リッチ領域からリーン領域まで測定が可能となる。

〔実施例〕

本発明の一実施例について、以下図面を用いて説明す
る。

第１図は本発明に係る空燃比検出器を備えた自動車エン
ジンの制御システムの一実施例を示す構成図である。第
１図において、１はスロットルチャンバ、２は熱線式吸
入空気量検出器、３は噴射弁、４はスロットル角センサ
を有するスロットルアクチュエータ、５は点火プラグ、
６は水温センサ、７は本発明に係る空燃比検出器、８は
クランク角センサ、９は点火コイル、10はマイクロコン
ピュータ、11は空燃比検出器７の制御回路12はヒータ制
御回路、13は燃焼室で、本システムにおいては、空燃比
をリッチ領域（λ＜１）からリーン領域（λ＞１）の広
い範囲において空燃比を検出可能の空燃比センサ７を用
いて空燃比を検出して空燃比制御を行うようにしてあ
る。すなわち、回転数，負荷，水温等により制御したい
空燃比がマイクロコンピュータ10で決定されると、それ
が噴射弁3,スロットルアクチュエータ４に出力され、閉
ループ制御される。吸入空気量は吸入空気量検出器２で
検出される。スロットルチャンバ１において形成された
混合気は、燃焼室13に入り、点火プラグ５により点火さ
れ、その後、排気ガス排気管14に流れる。このとき、空
燃比検出器７によって実空燃比を検出し、その信号をマ
イクロコンピュータ10に入力して閉ループ制御を行う。
なお、空燃比検出器７は、使用している固体電解質の特
性上、高温に加熱しなければならないので、ヒータ駆動
回路12を設けてある。

第２図は第１図のマイクロコンピュータ10の詳細構成図
である。アナログの入力信号としては、熱線式吸入空気
量検出器２からの空気量信号AF,水温センサ６からの水
温信号TW,スロットルアクチュエータ４からのスロット
ル開度信号θ，空燃比検出器７からの空燃比信号O₂など
があり、これらの信号はマルチプレックサ30に入力さ
れ、時分割的に各信号がセレクトされ、ADコンバータ31
に送られ、ここでディジタル信号に変換される。また、
オン−オフ信号として入力される情報信号15は、１ビッ
トのディジタル信号として扱う。さらに、クランク角セ
ンサ８からのパルス列信号CRP,CPPも入力される。32はR
OM、33はCPUで、CPU33は、ディジタル演算処理を行うセ
ントラルプロセシングユニットであり、ROM32は、制御
プログラムおよび固定データを格納する記憶素子であ
る。RAM34は、読み出しおよび書き込み可能の記憶素子
である。I/O回路35はADコンバータ31および各センサか
らの信号をCPU33に送ったり、CPU33からの信号を噴射弁
３の駆動回路36,スロットルアクチュエータ4,点火コイ
ル９および空燃比検出器７のヒータ駆動回路12に送った
り、制御回路11へ制御信号11aを送る機能を持ってい
る。

空燃比検出器７は、空燃比をリッチ領域（λ＜１）から
リーン領域（λ＞１）の広い範囲にわたって検出できる
ものである。その原理を第３図を用いて説明する。

固体電解質40には、電極41aと41bが両面に設けられてお
り、さらにオリフィス42を有した拡散抵抗体43により、
電極41aをおおうように拡散室44が構成されている。ま
た拡散抵抗体43の一部には、電極45a,45bを有した固体
電解質46が設けられている。電極41は測定装置47,電極4
5は電源48に接続されている。

ここで、固体電解質46,電極45a,45bおよび電源48からな
る酸素バイアス手段が本発明の要部であって、最初に、
この酸素バイアス手段以外の構成の動作について説明す
る。

動作としては、２種類あり、測定装置47から一定電流i₁
を第３図の図示の方向に流し、その時の起電力を測定す
る場合と、測定装置47から一定の電圧V₁を印加し、その
時流れる電流を測定する場合がある。

第４図（ａ）の実線は、前者の例を示している。すなわ
ち、理論空燃比（λ＝1.0）において、起電力がステッ
プ的に変化するとともに、リーン領域（λ＞1.0）にお
いても起電力が変化する。そして、この起電力が変化す
る点は、流し込む電流i₁₁,i₁₂などによって変化する。
第３図において、オリフィス45は、酸素が周囲から拡散
室44内に拡散してくるのを制限する。そして、周囲の酸
素濃度に対応した酸素が拡散してくる。一方、装置47か
らは図示の方向に電流が流してあるので、電極41aの電
解質40の界面において拡散室44中の酸素が酸素イオンに
還元される。この酸素イオンは、電解質40中をイオン電
導し、電解質40と電極41bの界面において酸素に酸化さ
れる。すなわち、この固体電解質の酸素ポンプ作用によ
り、拡散室44内の酸素が外部にくみ出される。ここで、
酸素ポンプのくみ出し能力は、流し込む電流値によって
異なる。そして、空燃比が極めて大きく、周囲の酸素が
多い場合、オリフィス42からの拡散量が、ポンプのくみ
出し能力に比べて大きくなる。したがって、周囲も拡達
室44内も酸素で満されるため、両者の間の酸素の分圧差
は零であるが、ほとんど小さいため、起電力は零に近
い。一方、ポンプのくみ出し能力が、拡散量に比べて充
分大きいと、拡散室内の酸素は零に近い。したがって、
周囲と拡散室内の間に酸素濃度の分圧差があるため、起
電力が発生する。尚、リッチ領域では、拡散室44の中
も、その周囲も酸素はほとんどないため、起電力は発生
しない。したがって、電極間に電流を流し込む方式にあ
っては、第４図（ａ）に実線で示すような特性となる。
そして、リーン領域において起電力が低下する空燃比
は、流し込む電流i₁₁,i₁₂、すなわち、ポンプのくみ出
し能力によって異なる。

また、第３図において、測定装置47より、電極41a,41b
間に所定の電圧V₁を印加し、その時第３図の矢印の方向
に流れる限界電流i₁と、空燃比λとの関係は、第４図
（ｂ）の実線のようになる。すなわち、リーン領域（λ
＞1.0）では、空燃比の増加に伴って増加する電流が得
られる。オリフィス42から拡散してくる酸素量は、周囲
の酸素分圧に比例する。一方、固体電解質40をはさむ電
極41a,41b間には、拡散室44内の酸素をくみ出すのに十
分な電圧V₁が印加されている。したがって、この酸素ポ
ンプは、拡散室44内に拡散してくる酸素をすべてくみ出
し、拡散室44内の酸素分圧が零に維持されるように動作
する。その結果、オリフィス42から拡散してくる酸素
と、酸素ポンプによってくみ出される酸素がバランスす
るので、酸素ポンプを流れるイオン電流が、周囲の酸素
濃度に比例する。また、酸素ポンプを流れるイオン電流
は、オリフィス42から拡散してくる酸素によって制限さ
れるため、限界電流と称せられる。また、リッチ領域
（λ＜1.0）では、電極41a,41b間に一定電圧が印加され
ているにもかかわらず、運ばれるべき酸素イオンがない
ため、イオン伝導域から電子伝導域に移り、電流値が増
加する。

第４図（ａ），（ｂ）の実線の例にあっては、リーン領
域（λ＞1.0）とリッチ領域（λ＜1.0）の中で２値と
る。したがってリッチ領域からリーン領域にかけての測
定は不可能である。

内燃機関の空燃比制御にあって、制御されるべき空燃比
範囲は、リッチ領域が、ほぼ0.7＜λ＜0.8であり、理論
空燃比が、λ＝1.0（±0.05）であり、リーン領域が、
ほぼ1.2＜λ＜1.4である。したがって、空燃比検出器と
しては、λが0.7以上のリッチからリーンの領域内で２
値をとらなければよいことになる。

そのような特性を得るために設けられたのが、酸素バイ
アス手段であって、第３図に示すように、固体電解質4
6,電極45a,45bおよび電源48から構成される。そして、
電源48からは、電極45a,45b間に電圧V₁が印加され、図
示の方向に電流i₂が流れる。この酸素バイアス手段は、
周囲から拡散室44内に常に一定量の酸素を供給する。こ
のようにすることにより、リッチ領域（λ＜1.0）にお
いても、拡散室44内には酸素が存在するため、電極41a
側の酸素分圧は、電極41b側の酸素分圧より高く、起電
力は、第３図（ａ）の点線のようにハイレベルに維持さ
れる。

この一定酸素量をバイアスすることにより、i₂＝０にお
けるλ＝1.0での起電力の低下は、第４図（ａ）中の矢
印Ａのようにリッチ領域へ平行移動される。また同様の
理由により、固体電解質40により移動する酸素量と、オ
リフィス42を拡散する酸素量のバランスにより起電力が
低下する点も第４図（ａ）中の矢印Ｂのようにリッチ側
へ平行移動される。

すなわち、i₂を制御して適当な酸素量を拡散室44内にバ
イアスすることにより、リッチ領域も検出できるように
なる。

また、以上のように酸素をバイアスすることにより、限
界電流特性も第４図（ｂ）の矢印Ｃのように平行移動す
ることができる。これにより、λ＜1.0のリッチ領域に
おいても所定のλ（例えば、λ＝0.7）以上のλに対し
て点線で示すようにリニアな出力（限界電流値）を得る
ことができる。そして、この平行移動量は、電流i₂の大
きさによって制御できる。

このように、従来のような、供給電流値や、極性等の変
換を行わなくてもリッチ領域が検出できるために、空燃
比が運転中過渡的にリッチ領域に突入したとしても実際
の空燃比変化をスムーズに測定でき、かつ電子伝導領域
への突入の必配もないので不感帯もなくなり制御性が大
幅に向上する。

第５図には、薄板式の別の実施例を示している。固体電
解質67aは、空燃比をセンシングするためのものであ
り、電極68a,68bが付いている。また固体電解質67bは、
酸素をバイアス（ポンピング）するためのものであり、
電極69a,69bが付いており、さらに拡散抵抗体となるオ
リフィス70が設けてある。この２枚の固体電解質67a,67
bと中間板71により、オリフィス70のみによって外部と
通じる拡散室72が設けられている。さらに、固体電解質
67a,67bにはヒーター73が取り付けられている。

上記センサの動作を第５図（ｂ）によって説明する。通
常、回路11aにより電流i₁を固体電解質67aに流し、酸素
イオンを矢印の方向に移動させる。この移動量とオリフ
ィス70を拡散室72内に拡散してくる酸素の移動量がバラ
ンスした時に、i₁に対応した空燃比で起電力がステップ
的に変化する。さらにここでも、λ＜1.0でも空燃比が
検出できるように、一定酸素量を固体電解質67bを用い
てバイアスしてやる。この際、回路11bにより電流i₂を
図示して矢印の方向に流してやれば、このi₂に対応した
酸素量がバイアスされる。

以上に示した各種のセンサ構成において、常時i₁とi₂を
流しておいて酸素のバイアスと空燃比の検出を同時に行
う。

次に、本発明による空燃比検出器によりエンジン制御を
行った場合の利点について説明する。

第６図は、運転状態によって空燃比（A/F）を変化させ
るように制御するための負荷に対する空燃比のマップが
示されており、この（A/F）_MAPの値に空燃比は閉ループ
制御される。ここでは、パワーと燃料経済性の観点より
A/Fを部分負荷時では大きく（リーン領域）、全負荷時
では小さく（リッチ領域）なるようになっている。この
ような広範囲の空燃比に閉ループ制御できるのも本発明
による空燃比検出器の特徴のひとつである。

次に、本発明の空燃比検出器を用いた過渡運転状態の制
御について説明する。

第７図（ａ）には、アクセルペダルをふみ込んだ場合の
状態変化を示した。

（イ）はスロットル開度でありステップ的に増加するよ
うに変化しており、これに追従して（ロ）で示した空気
量もステップ的に増加する。しかし、エンジンに入る実
際の燃料量は、（ハ）に示したように遅れて増加してお
り空気量に対し斜線部の分だけ不足した状態になってし
まう。この負荷の変化に対し、第６図のマップ制御の目
標空燃比が（ニ）に示したように大から小へ変化すると
すると、（ハ）に示した燃料量の遅れにより、（ホ）の
斜線で示した部分に相当する量だけ、目標空燃比よりず
れてしまうことになる。また第７図（ｂ）は、負荷を減
少させた場合の状態変化であり、記号の意味は、（ａ）
の場合と対応している。ここでも（ハ）で示した燃料量
の遅れのために（ホ）で示したような空燃比のずれ（斜
線部）が生じる。なおここでは、Ａ点において空燃比が
λ＜1.0に急激に飛び込む場合があり、このような場合
においても、本発明の常時全λ域を検出できる空燃比検
出器であれば、A/Fの軌跡を遅れなしに検出できる。ま
た第７図（ａ）（ｂ）の（ホ）で示したA/Fの変化が全
くλ＜1.0の領域で起っても、本発明による空燃比検出
器では検出が可能である。

第７図（ａ）（ｂ）の（ホ）で示した、斜線部のA/Fの
ずれを本発明による空燃比検出器の出力を基に補正する
方法について以下に説明する。

第８図に示したように負荷状態が→→→と変化
したときに、空燃比の制御目標もそれぞれに対応して変
化するが第７図で説明したように、実空燃比は追従でき
ず、第８図の斜線部で示したようにΔｘだけずれてしま
う。ここでは、このΔx₁,Δx₂,Δx₃と負荷としての空気
量Qaの変化量ΔQa₁,ΔQa₂,ΔQa₃を基に、空燃比の過渡
補正を行う。

初めに、燃料量の補正は、第８図に示した負荷の変化に
伴う空気量の変化量ΔQaの時間ｔによる微分値dQa/dtに
補正係数Ｋをかけた値により行う、つまり補正量は
（１）式のようになる。

補正量＝Ｋ・（dQa/dt） …（１）ここで、Ｋは、dQa/dtを横軸にした、第９図のようなマ
ップになっておりコンピュータ10に記憶されている。

第10図のフローチャートを用いて、過渡補正の方法につ
いて説明する。最初に、ステップ80において、負荷とし
ての加減速前の吸入空気量Qa,₀を読み込む。そして、同
時に、この負荷に対する制御すべき空燃比（A/F）_MAP，
_０を第６図のマップより読み込み（ステップ82）。ま
た、加減速後のデータとして、吸入空気量Qa,₁を読み込
み（ステップ84）、この負荷に対する制御すべき空燃比
（A/F）_MAP，_１を読み込む（ステップ86）。ステップ8
0,84で読み込まれたQa,₀,Qa,₁を基に、ステップ88にお
いて、dQa/dtを計算する。このdQa/dtに対して、ステッ
プ90において、第９図のマップから、補正係数Ｋを読み
出し、ステップ92で、Ｋ・dQa/dtを計算する。この計算
値を基に、ステップ94で、Ｇ＝Ｇ＋Ｇ′ …（２）の補正を加える。このＧを出力したあと、空燃比センサ
の信号を基に第８図の斜線で示した部分の量に比例する
Δｘを検出し読み込む（ステップ96）。このΔｘを基に Δｘ＝Ｋ′・（dQa/dt） …（３）なる式よりＫ′を求める（ステップ98）。このＫ′は、
（２）式で補正を加えた後も、何らかの理由でΔｘが生
じた場合、これを再び補正する、補正係数の補正量であ
り、補正係数Ｋは、Ｋ＝Ｋ＋Ｋ′ …（４）と書き換えられる（ステップ100）。その後この新しく
決定されたＫは、dQa/dtに対応する位置のＫと書き換え
られる。次に過渡状態を検出したら、dQa/dtに対応する
Ｋをただちに読み込み補正を加える。このように、セン
サ出力を基にしたΔｘを、補正係数の補正量の算出に用
いて、補正係数Ｋを補正して、常に書き換えていくよう
にする。

これにより、過渡時の空燃比の変動はなくなる。

第11図（ａ）は、全開時のCO濃度の振れ幅を示してお
り、空燃比はリッチ領域にある。この全閉時のCOの振れ
は、燃料経済性にとって不利となるので、リッチ領域で
も（A/F）が測定可能な本発明による空燃比検出器を用
いて閉ループ制御を行うことにより第11図（ｂ）のよう
にCOの振れ幅ΔCOを押えることができる。

次に、始動暖機時に上記した本発明による空燃比検出器
を用いた場合の利点について説明する。第12図（ａ）は
始動直後の時間と混合気濃度との関係を水温をパラメー
タとして示した線図で、n,oの曲線はそれぞれ初期の水
温がT₁,T₂の場合の関係を示す。始動直後は混合気濃度
を濃くして、時間が経過するにつれて、つまり、水温が
高くなるにつれて薄くして行く。すなわち、暖機運転状
態では冷却水温により適切なA/Fが与えられれば、むだ
なく運転ができる。ところで、本発明による空燃比検出
器は、リッチ領域でも検出可能であるから、始動直後の
濃混合気制御を可能とする。第12図（ｂ）に示す水温Ｔ
_ＷとA/Fとの関係をコンピュータ10内に記憶させておけ
ば、暖機時にはこの関数により運転することができる。
第12図（ｃ）は、このときの制御ブロック図である。水
温センサ６の信号をコンピュータ10に入力させ、第12図
（ｂ）の関係を示す関数によりA/Fを決定し、エンジン
系110に出力される。空燃比検出器７は、実空燃比を検
出して、この出力とコンピュータ10からのA/Fを示す出
力とを比較して閉ループ制御することにより、暖機時の
A/Fを最適制御することができる。

以上説明したように、本発明の実施例によれば、空気過
剰率λが、λ＞1.0のリーン領域でも、λ＜1.0のリッチ
領域でも連続的に空燃比を検出することができ、すべて
の空燃比制御を可能とし、また、過渡運転時の空燃比制
御が正確にできるようになり、また、全開運転時のCO濃
度の振れを閉ループ制御することにより少なくし大幅な
燃費の低減を可能にし、さらに、始動直後の暖機運転に
おいても適切な空燃比制御をはかるのに用いて燃費低減
をまかるのに有用であるという効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、リーン領域からリッチ領域までの空燃
比を簡単な構成で測定できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は本発明を用いたエンジン制御システム
図、第３図，第４図は本発明の動作原理の説明図、第５
図は本発明の一実施例を示す図、第６図，第７図，第８
図，第９図，第10図，第11図，第12図は本発明を用いた
エンジン制御システムの説明図である。 11,41,45,48,68,69……電極、40,46,67……固体電解
質、42,70……オリィス、47……測定装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭55−30681（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−70457（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−97439（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−130649（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−153155（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−130261（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の面に設けられた第１の電極と他方の
面に設けられた第２の電極とを有する第１の固体電解質
と、一方の面に設けられた第３の電極と他方の面に設けられ
た第４の電極とを有する第２の固体電解質と、前記第１の固体電解質と前記第２の固体電解質との間に
設けられ、前記第１の固体電解質と前記第２の固体電解
質とを独立に配置するための中間板と、前記第１の固体電解質と前記第２の固体電解質と前記中
間板とによって形成されているとともに内部に前記第１
の電極及び前記第３の電極とを有し、拡散抵抗体によっ
て排ガスを通じる拡散室と、前記第２の固体電解質を通して前記拡散室内へ排ガス中
の酸素を送り込むために前記第３の電極から前記第４の
電極へ電流を流す手段と、前記第１の電極から前記第２の電極へ電流を流す手段と
を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との電極間に得られる
電気信号により空燃比を検出することを特徴とする空燃
比検出器。