JPH0754851Y2

JPH0754851Y2 - 内燃機関の空燃比フィードバック制御装置

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Publication number: JPH0754851Y2
Application number: JP8223989U
Authority: JP
Inventors: 晶内川
Original assignee: 株式会社ユニシアジェックス
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1995-12-18
Anticipated expiration: 2004-07-14
Also published as: JPH0321766U

Description

【考案の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本考案は、内燃機関の空燃比フィードバック制御装置に
関する。

〈従来の技術〉内燃機関においては、排気浄化対策として、排気系に排
気中のCO,HCを酸化すると共に、NOxを還元して浄化する
三元触媒を介装したものが一般化している。

前記三元触媒は転化効率（浄化効率）が理論空燃比燃焼
時の排気状態で有効に機能するように設定されている。

このため、特に高出力が要求される高負荷運転時等以外
の通常運転時は、排気系に設けた空燃比センサにより排
気性状から空燃比を検出し、該空燃比を理論空燃比近傍
に制御することが一般に行われている。

上記内燃機関の空燃比センサの従来例としては、特開昭
58-204365号公報等に示されるようなものがある。

このものは、酸素イオン導電性を有したジルコニアチュ
ーブの排気と接触する外表面に排気中のCO,HCの酸化反
応を促進させる白金触媒層を積層してある。

そして、理論空燃比によりリッチな混合気で燃焼させた
ときに白金触媒層付近に残存する低濃度のO₂をCO,HCと
良好に反応させてO₂濃度をゼロ近くにし、ジルコニアチ
ューブ内表面に接触させた大気のO₂濃度との濃度比を大
きくして、ジルコニアチューブ内外表面間に大きな起電
圧を発生させる。

一方、理論空燃比よりリーンな混合気で燃焼させたとき
には、排気中に高濃度のO₂と低濃度のCO,HCが残存する
ため、CO,HCとO₂とが反応しても未だO₂が余り、ジルコ
ニアチューブ内外表面のO₂濃度比は小さく殆ど起電圧は
発生しない。

このように、空燃比センサの起電圧は、理論空燃比近傍
で急変する特性を有しており、この起電圧を基準電圧
（スライスレベル）と比較して、混合気の空燃比が理論
空燃比に対してリッチかリーンかを判定する。

そして、例えば、空燃比がリーン（リッチ）の場合に
は、機関の吸入空気流量Ｑ及び回転数Ｎ等に基づいて設
定された基本燃料噴射量Tpを機関温度等により補正した
ものに乗じるフィードバック補正係数αを所定量ずつ徐
々に増大（減少）していき、燃料噴射量Tiを増量（減
量）することで、空燃比を理論空燃比近傍に制御するよ
うにしている。

〈考案が解決しようとする課題〉しかしながら、このような従来の空燃比フィードバック
制御装置にあっては、次のような問題を生じていた。

即ち、本来NOx中の酸素は、排気中酸素濃度として検出
されるべきものであるが、従来の空燃比センサでは、こ
れを捉えることができないため、NOx濃度が高くなる
程、真の理論空燃比よりリーン側で起電圧が反転し、こ
れにより、空燃比がリーン側に制御される。

このように、制御点がリーン側にシフトされ、空燃比が
リーン制御されると、ある程度までは燃費向上を図れる
ため却って好都合な制御となるのであるが、高回転，高
負荷になってNOxが増加する運転条件（高燃焼温度条
件）になると、リーン側に大きくシフトされるので、三
元触媒のNOx還元機能が損なわれ、NOx発生量が大きく増
加してしまう。

その結果、このような空燃比センサを用いて、空燃比フ
ィードバック補正量を決めて、燃料噴射量を補正して
も、適正な補正は行えないという問題点があった。

本考案は、このような従来の問題点に鑑み、運転条件に
応じて変わる様々な排気性状に対しても適正に空燃比を
フィードバック制御して、常に適量の燃料供給が行える
ようにした内燃機関の空燃比フィードバック制御装置を
提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉上記の目的を達成するため、本考案は、第１図に示すよ
うに、排気の性状に感応する濃淡電池機能を有し、異なる空燃
比に対応する排気性状で起電圧が急変する特性を有した
複数の検出素子を、センサ本体に一体に配設すると共
に、各検出素子の電極を直列に接続し、該直列接続され
た両端の電極から出力を取出すことにより、起電圧が空
燃比変化に対し複数段で急変する特性となるようにした
空燃比センサ（ａ）と、機関の機関回転数を検出する機
関回転数検出手段（ｂ）と、前記起電圧が急変する箇所にそれぞれスライスレベルを
設定し、機関回転数に応じて、それらのスライスレベル
を選択するスライスレベル選択手段（ｃ）と、前記空燃比センサの出力を選択されたスライスレベルと
比較してリッチ・リーンを判定し、これに基づいて空燃
比フィードバック補正量を設定する空燃比フィードバッ
ク補正量設定手段（ｄ）と、機関への燃料供給手段（ｆ）による燃料供給量をそのと
きの空燃比フィードバック補正量で補正する燃料供給量
補正手段（ｅ）と、を設けて、空燃比フィードバック制御装置を構成する。

〈作用〉上記の構成においては、各検出素子の電極からの起電圧
特性は、それぞれ異なる空燃比に対応する排気性状で起
電圧が急変する特性となる。

従って、各検出素子の電極を直列接続したものの両端の
電極から取り出される出力特性は、起電圧が空燃比変化
に対し複数段で急変する特性となる（第５図参照）。

起電圧が複数段で急変する箇所にそれぞれスライスレベ
ルを設定し、運転状態に応じてそれらのスライスレベル
を選択して、空燃比センサ出力を選択されたスライスレ
ベルと比較して、リッチ・リーンを判定し、これに基づ
いて空燃比フィードバック補正量を設定して、燃料供給
量を補正して、適正な燃料供給が行える。

これにより、例えば、通常運転時には、リーン制御をし
て燃費の向上を図り、高回転，高負荷時には、真の理論
空燃比に近づけて、NOxの低減を図ることができる。

〈実施例〉以下に本考案の実施例を第２図〜第12図に基づいて説明
する。

第２図及び第３図を参照し、空燃比センサの構成を説明
する。

空燃比センサ11には、第１及び第２検出素子12,13がア
ルミナ等の絶縁部材14により所定の間隙を有して取付け
られている。

各検出素子12,13には、例えば酸化ジルコニウム（Zr
O₂）を主成分とする固体電解質部材12A,13Aにより中空
状の大気導入室12B,13Bがそれぞれ形成され、これら大
気導入室12B,13Bに臨む第１及び第２内側電極15A,16A
と、これら内側電極15A,16Aに固体電解質部材12A,13Aを
介して対向し、排気に接触する第１及び第２外側電極15
B,16Bとが形成されている。これら電極は、白金（Pt）
で形成されている。

前記第１及び第２外側電極15B,16Bは第１及び第２電極
保護層17,18により覆われている。

ここで、前記第１検出素子12側の第１外側電極15Bを覆
う第１電極保護層17は、例えば、ガンマアルミナ（γ−
Al₂0₃），酸化チタン（TiO₂），酸化ランタン（La₂O₃）
等の多孔質セラミックからなる担体に、白金（Pt），ロ
ジウム（Rh），ルテニウム（Ru），パラジウム（Pd）等
少なくとも一種のNOx還元反応を促進させる触媒の粒子
を混在させて、NOx還元機能を有するように形成されて
いる。

一方、第２検出素子13側の第２外側電極16Bを覆う第２
電極保護層18は、従来型の空燃比センサと同様マグネシ
ウムスピネル層で形成されている。

そして、第２検出素子13側の第２外側電極16Bを接地
し、第２検出素子13側の第２内側電極16Aと第１検出素
子12側の第１外側電極15Bとを接続し、第１検出素子12
側の第１内側電極15Aから起電圧Vsを取出すようにして
ある。すなわち、各検出素子12,13の電極を直列に接続
し、該直列接続された両端の電極から出力を取出すので
ある。

かかる構造を有した空燃比センサ11において、第１検出
素子12の第１内側電極15Aと第１外側電極15Bとの間に生
じる起電圧特性は、第４図に実線で示すように、第１電
極保護層17のNOx還元触媒粒子のNOx還元作用により、NO
x中の酸素も排気中の酸素濃度分として良好に検出さ
れ、NOx増大時も理論空燃比に近い点で急変する特性と
なる。

これに対し、第２検出素子13の第２内側電極16Aと第２
外側電極16Bとの間に生じる起電圧特性は第４図に点線
で示すように、従来同様のマグネシウムスピネルからな
る第２電極保護層18を有しているため、NOx中の酸素が
排気中酸素濃度分として検出されず、NOx濃度の増大に
応じて起電圧が急変する点が、リーン側にシフトする特
性となる。

従って、前記第１検出素子12と第２検出素子13との電極
を直列に接続したものの両端の第１内側電極15Aと第２
外側電極16Bとの間の起電圧特性は、前記各別の起電圧
特性を加えた特性となり、第５図に示すように、理論空
燃比に近い空燃比と、NOx濃度が高いとき程これよりリ
ーン側の空燃比と、でそれぞれ起電圧が急変する特性と
なる。

かかる構成の空燃比センサ11を使用した内燃機関の空燃
比フィードバック制御装置の構成を第６図に示す。

内燃機関21の吸気通路22には、吸入空気流量Ｑを検出す
るエアフローメータ23及びアクセルペダルに連動して吸
入空気流量Ｑを制御するスロットル弁24とその開度を検
出するスロットルセンサ24aが設けられ、下流のマニホ
ールド部には、気筒毎に燃料供給手段としての電磁式の
燃料噴射弁25が設けられる。

燃料噴射弁25は、マイクロコンピュータを内蔵したコン
トロールユニット26からの噴射パルス信号によって開弁
駆動し、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圧力に制御された燃料を噴射
供給する。

更に、機関21の冷却ジャケット内の冷却水温Twを検出す
る水温センサ27が設けられると共に、排気通路28に前記
空燃比センサ11が設けられ、更に下流側に排気中のCO,H
Cの酸化とNOxの還元とを行って浄化する三元触媒29が設
けられる。

また、図示しないディストリビュータにはクランク角セ
ンサ30が内蔵されており、該クランク角センサ30から機
関回転と同期して出力されるクランク角単位角信号を一
定時間カウントして、又は、クランク角基準角信号の周
期を計測して機関回転数Ｎが検出される。

次に、第７図〜第９図を参照して、コントロールユニッ
ト26における制御を説明する。

第７図の燃料噴射量演算ルーチンを説明する。

ステップ１（図中S1と記す。以下同様）では、エアフロ
ーメータ23からの信号によって得られる吸入空気流量Ｑ
とクランク角センサ30からの信号によって得られる機関
回転数Ｎとから基本燃料噴射量Tp（＝Ｋ・Q/N;Kは定
数）を演算する。

ステップ２では、必要に応じ各種補正係数COEFを設定す
る。

ステップ３では、バッテリの電圧値に基づいて、電圧補
正分Tsを設定する。

ステップ４では、後述する第８図の比例・積分制御ルー
チンによって設定されている現在の空燃比フィードバッ
ク補正係数αを読込む。

ステップ５では、燃料噴射量Tiを次式に従って演算す
る。

Ti＝Tp・COEF・α＋Ts 燃料噴射量Tiが演算されると、そのTiのパルス幅をもつ
駆動パルス信号が機関回転に同期して所定のタイミング
で出力されて、燃料噴射弁25に与えられ、燃料噴射が行
われる。

ここで、ステップ５が燃料供給量補正手段に相当する。

次に、第８図の比例・積分制御ルーチンについて説明す
る。このルーチンが空燃比フィードバック補正量設定手
段に相当する。

尚、このルーチンは所定時間τ₁毎にタイマ割込みによ
り実行される。

ステップ11では、後述する第９図のスライスレベル（S
L），比例分設定ルーチンによって設定されている現在
のスライスレベルと空燃比センサ11の起電圧Vsとを比較
することにより、空燃比のリッチ・リーンを判定する。

空燃比がリーン（Vs＜SL）のときは、ステップ12に進ん
で、リッチからリーンへの反転時（反転直後）であるか
否かを判定し、反転時にはステップ13へ進んで空燃比フ
ィードバック補正係数αを前回値に対し、所定の比例分
P_R増大させる。

反転時以外のときはステップ14に進んでフィードバック
補正係数αを前回値に対し、所定の積分分I_R増大させ
る。

一方、空燃比がリッチ（Vs＞SL）のときは、ステップ15
に進んで、リーンからリッチへの反転時（反転直後）で
あるか否かを判定し、反転時には、ステップ16へ進んで
空燃比フィードバック補正係数αを前回値に対し、所定
の比例分P_L減少させる。

反転時以外のときは、ステップ17に進んで、フィードバ
ック補正係数αを前回値に対し、所定の積分分I_L減少さ
せる。

次に、第９図のスライスレベル，比例分設定ルーチンに
ついて説明する。

尚、このルーチンは所定時間τ₂（≧τ₁）毎にタイマ割
込みにより実行される。

ステップ21では、クランク角センサ30の信号から検出さ
れた機関回転数Ｎを入力する。

ステップ22では、機関回転数Ｎと所定値N₀（例えば3000
rpm）とを比較する。

ここで、所定値N₀以上の高回転時は、排気温度が高く、
これに伴ってNOx濃度が上昇する運転条件である。

そして、上記ステップ22の判定がＮ≧N₀であるとき、即
ちNOx濃度が上昇する運転条件のときには、ステップ23
へ進んで、空燃比センサ11の起電圧と比較されるスライ
スレベルを、第１検出素子12の起電圧が急変する空燃比
を検出するための、相対的に高い値V₁（≒1500mV）にセ
ットする。

また、ステップ22の判定がＮ＜N₀である場合、即ち、NO
x濃度が基準以下のレベルとなる運転条件では、ステッ
プ24に進んで空燃比センサ11の起電圧と比較されるスラ
イスレベルを、第２検出素子13の起電圧が急変する空燃
比を検出するため、相対的に低い値V₂（≒500mV）にセ
ットする。

ここで、ステップ21,22が機関回転数検出手段に相当
し、ステップ23,24がスライスレベル選択手段に相当す
る。

ステップ23又はステップ24を経た後、ステップ25に進
む。

ステップ25では、スロットルセンサ24aの信号からスロ
ットル弁24の開度の変化量を入力する。つまり、現在の
スロットル弁開度TVOから30ms前のスロットル弁開度TVO
を減算した値、ΔTVOを入力する。

そして、ステップ26で所定値（例えば1.6deg）と比較
し、ΔTVO≧1.6degのときのみ、つまりスロットル弁開
度の変化量が大きくて加速中と判定されたときのみステ
ップ27に進んで、リッチ側比例分P_Rを30〜50％アップし
て、リッチ補正する。

ステップ29では、空燃比センサ11のリッチ側起電圧V
_R（即ち、空燃比センサ11の起電圧のピーク値；第５図
参照）を入力する。

そして、ステップ30で、1700mVと比較し、V_R≦1700mVの
ときのみ、つまり空燃比センサ11のリッチ側起電圧V_Rが
低下し、劣化していると判定されたときのみステップ31
に進んでリーン側比例分P_Lを30〜50％アップして、リー
ン補正する。

空燃比センサ11の出力電圧を、前述のように運転条件毎
に変えて設定されたスライスレベルと比較しつつ、増減
して空燃比フィードバック補正係数αを設定する。

これにより、予め定められた機関回転同期の燃料噴射タ
イミングになると、演算した燃料噴射量Tiのパルス幅を
持つ駆動パルス信号が燃料噴射弁25に与えられて燃料噴
射が行われる。

かかる制御中、空燃比フィードバック制御時は、NOx濃
度が高くなる運転条件では、空燃比センサ11の起電圧Vs
をスライスレベルV₁と比較して設定される空燃比フィー
ドバック補正係数αにより、空燃比は真の理論空燃比近
傍の値に制御されるため、NOx濃度の上昇を抑制でき
る。

また、NOx濃度が比較的低く抑えられる条件では、空燃
比センサ11の起電圧VsをスライスレベルV₂と比較して設
定される空燃比フィードバック補正係数αにより、空燃
比はNOx濃度に応じてリーン側にある程度シフトした点
に制御され、これにより、燃費の良い空燃比制御が行わ
れる。

また、一個の空燃比センサ11で複数の空燃比制御点を切
り換えることができるため、センサ取付スペース、配線
も従来同様で済み、低コストで実施できると共に、制御
もスライスレベルの切換のみで良いから簡易である。

加うるに、本実施例において、スロットル弁開度の変化
量によって加速状態を検出し、また、空燃比センサのリ
ッチ側起電圧によって空燃比センサ11自体の劣化を検出
して、それぞれ上記のような制御を行ったのは、以下に
示すような理由によるものである。

スロットル弁開度の変化量を検出して、加速中、リッチ
補正したのは、次の理由による。

第10図に示すように、加速時は、一時的に、吸入空気流
量が増加するため、空燃比がリーンになる。つまり、NO
xが多くなる。

そして、このリーン状態を解消しようとして、燃料を増
加する時間が長くなり、空燃比が一時的にリッチにな
る。つまり、COが多くなる。

よって、この加速時の揺れを抑えるために、最初のリー
ンへの落込みを防ぐのである。

また、空燃比センサ11のリッチ側起電圧を検出して劣化
したとき、リーン補正したのは、次の理由による。

第11図に示すように、空燃比センサ11が劣化すると、制
御点のリッチ化（図示矢印Ａ）やリッチ側起電圧V_Rの低
下（図示矢印Ｂ）が起こる。制御点がリッチ化すると、
実車エミッション中のCO,HCが増加して、エミッション
不良を起こす。

よって、エミッションが規制値をクリアするためには、
所定値（例えば1700mV）以上のリッチ出力が必要であ
り、1700mVを下回るときは、リーン側へマッチングを変
更する必要があるためである。

第12図は空燃比センサの別の構成を示す。但し、第２図
及び第３図に示した例と同一要素には同一符号を付して
説明を省略する。

即ち、単一の大気導入室19の対向する位置に第１及び第
２検出素子12,13の第１及び第２内側電極15A,16Aを設
け、大気導入室19を第１及び第２検出素子12,13で共用
するようにしたものである。電極の接続方式については
前述の例と同様である。

かかる構成においても、前述の例と同様な機能が得ら
れ、センサをより小型化できる。

〈考案の効果〉以上説明したように、本考案によると、起電圧が空燃比
変化に対し複数段で急変する特性の空燃比センサの出力
を選択されたスライスレベルと比較して、リッチ・リー
ンを判定し、これに基づいて、運転条件に応じて異なる
空燃比にフィードバック制御することができる。

もって、これにより、燃料噴射量を補正して、適正な燃
料噴射が行えるという効果が得られる。

更に、センサ本体に特性の異なる検出素子を複数設け、
各電極を直列接続した構成の空燃比センサとしたため、
低コストで、省スペースの空燃比センサとすることがで
きるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の構成を示す機能ブロック図、第２図は
本考案の一実施例に係る空燃比センサの構成を示す図、
第３図は同上のIII-III矢視断面図、第４図は同上の空
燃比センサの各検出素子毎の起電圧特性を示す線図、第
５図は同上の空燃比センサの出力特性を示す線図、第６
図は同上の空燃比センサを使用した空燃比フィードバッ
ク制御装置の例を示す図、第７図〜第９図は制御内容を
示すフローチャート、第10図及び第11図は問題点を示す
図、第12図は空燃比センサの別の実施例を示す図であ
る。 11……空燃比センサ、12……第１検出素子、12A,13A…
…固体電解質部材、12B,13B……大気導入室、13……第
２検出素子、15A……第１内側電極、15B……第１外側電
極、16A……第２内側電極、16B……第２外側電極、24a
……スロットルセンサ、25……燃料噴射弁、26……コン
トロールユニット、30……クランク角センサ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】排気の性状に感応する濃淡電池機能を有
し、異なる空燃比に対応する排気性状で起電圧が急変す
る特性を有した複数の検出素子を、センサ本体に一体に
配設すると共に、各検出素子の電極を直列に接続し、該
直列接続された両端の電極から出力を取出すことによ
り、起電圧が空燃比変化に対し複数段で急変する特性と
なるようにした空燃比センサと、機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記起電圧が急変する箇所にそれぞれスライスレベルを
設定し、機関回転数に応じて、それらのスライスレベル
を選択するスライスレベル選択手段と、前記空燃比センサの出力を選択されたスライスレベルと
比較してリッチ・リーンを判定し、これに基づいて空燃
比フィードバック補正量を設定する空燃比フィードバッ
ク補正量設定手段と、機関への燃料供給手段による燃料供給量をそのときの空
燃比フィードバック補正量で補正する燃料供給量補正手
段と、を設けたことを特徴とする内燃機関の空燃比フィードバ
ック制御装置。