JPS5987244A - 空燃比制御装置 - 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】 本発明は、エンジンに供給づる混合気の空燃比を制御す
る装置に関づ−る。

エンジン吸入混合気の空燃比を精度よく目標値に制御り
−るために、排気系に酸素センサを設けて、空燃比と相
関関係をもつ排気中の酸素濃度に応じて燃判供給同をフ
ィードバック制御する装置が知られている。

この空燃比制御に用いられる酸素センサは、例えば、第
１図に示すように４１４成されている（特開昭５３−３
９７８９号）。

これは酸素濃度に応じて起電力を発生する一種の酸素電
池の原理を応用したものであって、アルミナ基板１の表
面に内側電極く基準酸素電極）２が設けられ、その上に
ガス透過性の固体電解質３と外側電極（酸素測定電極）
４が積層され、これらを多孔質保護層５によって外側か
ら被覆している。

なお、アルミナ基板１の内部には固体電解質３の活性を
保つように適温に加熱するヒータ６が備えられる。

この酸素センサがエンジン排気路等に配設されると、被
測定ガス（排気ガス）は保護層５を透過してまず外側電
極４に到達し、次いで固体電解質１３を減衰されつつ透
過して内側電極２に到達づる。

いま、空燃比を理論空燃比を境にしてステップ状に変化
させた場合の、レンサ出力特性を第２図にもとづいて説
明する。

空燃比が稀薄側から過濃側に切換わったときに、外側電
極４の酸素分子Ｅ　Ｐ　（ｏｕｔ　）は、多孔質保護層
５がガスを良く通ずため、排気ガス中の酸累淵石の変化
に近い変化を示すが、内側電極２の酸素ヅ）圧ｐ（ｉｎ
）は固体電解質３により減衰されるため、Ｐ（ｏｕｔ）
に比較してゆっくりした変化となる。

この結果、固体電解質３の両面に酸素ａ度差が生し、固
体電Ｍ質３は次式（ネルンストの式）により起電力ＶＳ
を発生ずる。

Ｖｓ　−（Ｒ１−／４　Ｆ）　ｌｏｇｅ　（ｌＤ（ｔａ
ｌ）　／Ｐ　（ｏｕｔ　）〉 たたし、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度、Ｆ：ファラデイ
一定数 これが酸素センサ出力ＶＳどして、両電極２．４の端子
間に発生ずるのであり、空燃比が稀薄から過濃に切操わ
ったとぎにプラス側へ出力が急変化する。

これらをまとめると、外側電（へ４には被測定ガスとほ
ぼ近似づる１ＩＦｌ疾のガス（酸素）が存在し、内側電
極２には被測定ガスの時間的平均値どしての温度を右す
るガス（酸素）が？ア在し、これら両電極間のガス濃度
比（酸素温度比）に応じて上記出力ＶＳか発生するので
ある。

第３図はこのような出力時１ｉを持つ酸素センサにより
、エンジン吸入混合気の空燃比をフィードバック制御す
る回路を示ずものである。

酸素センサ１０は固体電ＶＲ買３並びに両電極２゜４を
含むセンサ部１１と、センサ部１１を加熱Ｊるヒータ部
としてのヒータ６とから構成されている。

センサ部１１並びにヒータ６のアース側は端子Ｅに、ヒ
ータ６は端子１」を介してバッテリ等の電源１２の正端
子に、またレンリ゛部１１は端子Ｓを介して空燃比制御
回路２２Ｂにそれぞれ接続される。

１３は吸入空気毎を検出する手段としてのエアフローメ
ータで、絞弁上流の吸気通路に介装され、吸入空気ω信
号Ｑａを出力する。

じ−夕６の発熱量を制御する回路２２△は次のものから
構成される。すなわら、１４並びに１５【ま比較器で、
吸入空気組付＋″ｉＱａとそれぞれの基準ｆｎ’ｊ　Ｃ
＋　、　Ｃ２を比較器る。ここでＣ，、Ｃ２は吸入空気
量の最大値を（Ｊは３等分する値として予め設定されて
ｉ１５す、Ｃ）　＜　Ｃ２である。そして吸入空気ｆｆ
１Ｑａが少ないＱａ＜Ｃ，のとき比較器１４．１５は共
にハイレベルの信号を出力し、吸入空気量が中間である
Ｃ４・くＱａ　＜Ｃ２のとき（ま比較Ｚｉ　１４がロー
レベルの信号を出力覆るのに対しを 比較器１５はハイレベルの信号を出力し、また吸入空気
量の多いＣ２＜Ｑａのとさは比較器１４゜１５′）は其
にローレベルの信号を出力する。

１８並びに１９はヒータ６と電源１２の間に直列に接続
される１〜ランジスタで、エミッタ、コレクタ間にはそ
れぞれ抵抗２０．２１が並列接続されるとともに、ベー
スには前記比較器１４．１５からの信号が抵抗１６．１
７のぞれぞれを通して入力するＪ：うになってａ３す、
比較器１４．．１５からのハイレベルの信号によりベー
ス電流が流れてｉ〜ランジスタ１８．１９が導通し、ロ
ーレベルの信号では非導通となる。

なお、空燃比制御回路２２Ｂはセンサ部１１からの信死
に基づきエンジンに供給される混合気の空燃比が理論空
燃比になるように過温時には燃料を減吊し稀Ａす時には
燃料を増量す゛るフィードバック制御を行なう。

従って吸入空気ｆＱ　Ｑ　ａが少ないＱａ＜Ｃ＋のとき
は比較器１４．１５が共にハイレベルの信号を出力して
トランジスタ１８．１９を共に導通し、ヒータ６には電
源電圧ＶＢが直接印加され、ヒータ発熱量が増大づる。

中間の吸入空気量であるＣ、＜Ｑａ−くＣ２のどきは比
較器１４．，１５のうら片方の比較器１５のみがハイレ
ベルの信号を出力するため１〜ランジスタ１９のみが導
通し、ヒータ６には電源電圧ＶＢを抵抗２０で電圧降下
した電圧が印加され、ヒータ発熱量が減少する。また吸
入空気量の多い０．＜、Ｑａのとぎは比較器１４゜１５
は其にローレベルの信号を出力するため、トランジスタ
１８．１９は共に＞ｇ通Ｖず、ヒータ６には電源電圧Ｖ
　Ｂを抵抗２０．２１の直列抵抗で電圧降下した電圧が
印加され、ヒータ発熱量がさらに減少づる。

覆なわら、レンリ一部１１の活性化のためにレンザ部１
１を加熱して一定の適温に保持覆ることか必要であり、
具体的には排気温度が高く、センリ部１１が排気によっ
て充分加熱されるとき（まヒータ６への通電量を減らし
、逆に排気温度の低いときはヒータ６の光熱１を増せば
よい。

このため、運転状態（例えば吸入空気量）を検出して、
吸入空気量の大きい高負荷域では、排気温度も高くなる
ことを予想してヒータ６への印＋ＪＯ電圧を低くし、吸
入空気量の小さいとき（Ｊ排気温度が低くなることを予
想してヒータ６への印加電圧を高くするようにヒータ電
流を制御していた。

ところで、エンジンの運転状態の変化に対して排気温度
は遅れて変化するため、吸入空気量の変化に応じて即座
にヒータ印加電圧を制御−すると、実際には排気温度が
上がっていないのに、ヒータ印加電圧を低くしたり、ま
た逆に排気ｄＬ度が高いのにヒータ印加電圧が高くなっ
たり、酸素センサの温度が低すぎ′たり高すぎたりして
一定温度とならないことがあり、酸素センサの性能を充
分に発挿さμられないばかりか、過熱により酸素セン１
）の耐久性を劣化させることもあった。

本発明は酸素イオン伝導・１」の固体電解質を挾／Ｖて
一方に基準酸素電極、他方に酸素測定電極を設（プたセ
ンザ部並びにこのレンザ部を加熱するヒータ部からな・
る酸素センυと、吸入空気量を検出する手段と、この吸
入空気Ｍ検出手段からの信号を基準値と比較し高負荷時
には前記ヒータ部に印加する電圧を減少し低負荷時には
印加づる電圧を増大して前記ヒータ部の発熱ωを制御す
るヒータ電流制御手段と、前記レンザ部からの信号に基
づき空燃比をフィードバック制御する手段とを備えた空
燃比制御装置にＪ３いて、前記吸入空気量検出手段から
の信号を平滑する手段を設けることにより、平滑された
吸入空気量信号と排気温度とに密接な相関を持たせ、こ
の信号でヒータ印加電圧を制御し、レン１）部を一定の
温度に保って酸素セン９゛としての性能並びに耐久性を
向上するようにした空燃比制御装置ａを提供Ｊ−ること
を目的とする。

以下本発明を図示実施例に基づいて説明４〜る。

第４図は本発明の一実施例でブロック回路図を示づ。

２３は平滑手段どしてのＸａｔ　ｗ回路で、抵抗２４と
コンデンサ２５どから構成され、吸入空気量信号Ｑａを
甲潰し、平滑された吸入空気量信号Ｑａを出力づ−る。

本発明ではさらにエンジン始動（Ｉ、１にもヒータの印
加゛電圧を増大してロンサ部の活性を図るために水温レ
ンリ２６と、制御回路２２Ｃを段り−Ｃいる。

水温センサ２６はエンジンの冷部水温を検出し、水温信
号王１ｖを出力する。

制御回路２２Ｇの比較器２７は水温信号ＦＷと基準値Ｃ
２を比較器る。基準値Ｃ２はエンジンの冷時間の温度か
ら予め決められており、冷２Ｊ］水温が基準値Ｃ３より
低いｌ−ｗ＜Ｃｚのとぎはハイレベルの信号を、ＴＷ　
＞Ｃ３のときはローレベルの信号を出力づ゛る。

オア回路２８は比較器１４．２７の出力を入力し、比較
器１４あるいは比較器２７からの出ノ〕がハイレベルの
ときハイレベルの信号を出力する。

その他の構成要素は第３図と同一なので、同一］１４成
要素には同一符号をイ］シて説明は省略づる。

このような構成による作用を第４図のブロック回路図並
びに第５図の作用ｄ１明図に基づいて説明する。ここで
は−例としてアイドル状態１）＋　＋ろアクセルペタル
を踏み込んで加速し、その後定速走行した後アクセルペ
ダルの踏み込みを解除してアイドル運転に戻る運転状態
を考えると、車速Ｓ並びに排気温度］−は第５図のよう
に変化Ｊる。

またエアフローメータ１３で検出される吸入空気量信号
Ｑａは変化の激しい特性となる。

この信号Ｑａが平滑回路２３で平滑されると、この平滑
された信号〔は第５図のにうになり、１）１気瀧／、ｆ
ｆ　１−と密接な相関を持つことがわかる。

イして排気温度Ｔと相関を持つ信号「にてヒータ６は〔
３段階の印加電圧が選択されてがりられ、レンリ部１１
を一定温度に保′二）ことになる。づなわ１５Ｑａ＜Ｃ
，のときは比較器１４．１５が共にハイレベルの信ｙシ
を出カタ゛るため、トランジスタ１８．１９が共に導通
して電源電圧ＶＢ（負１５図）が■！ｉ接ヒータ６に印
加され、エンジン負荷の小さい低排気温時にヒータ光熱
量が増大してセンサ部１１を＾潟に保つ。Ｃ＋　＜Ｑａ
　＜Ｃ７のとぎは比較器１５のみがハイレベルの信号を
出力するため１〜ランジスタ１９のみが２９通し、ヒー
タ６（こは電源電圧Ｖ１３がら抵抗２ｏによる電圧降下
分を差引いた電圧Ｖ２　（第５図）が印加されヒータ光
熱量（ま減少づる。また、Ｃ２＜　Ｑ　ａのときは比較
器１１．１５が）（にローレベルの信号を出力づるｔｃ
め、トランジスタ１８．１９は共に導通せず、ヒータ６
には電源電圧Ｖ　、　＋３から抵抗２０．２１の直列抵
抗にＪ、る゛市圧降−ト分を差引いた電圧Ｖ＋、（第５
図）が印加され、エンジン負荷の人さい高排気温時にヒ
ータ発熱量が減少してセンサ部１１の過冒温を防ぐ。

このため、排気湿度が上っていないのにヒータ印加電圧
が低かったり、排気温度が高いのにヒータ印加電圧を高
くづ”る従来の信号Ｑａに基づくし−タ印加電圧口（第
５図）に対し、本発明によるヒータ印加電圧イ（第５図
）は排気温度王に応じて制御されることになり、セン１
ノ一部１１の温度は一定に維持されるのである。

また、エンジンの始動時などには吸入空気量信号Ｑａが
大きくても排気湿度は低いため、ヒータ６に印加づる電
圧を通當よりム高くしてセンサ部の温度を上げる必要が
ある。

このため、水温センサ２Ｇからの水温信号ＴＷと基準値
Ｃ３を比較し冷却水温が基準ｉ＋ｕ　Ｃｓ　より低いＴ
ＷくＣ３のどきは比較器２７がハイレベルの信号を出力
して１〜ランジスタ１８を尊通し冷却水温が充分高い−
ｒＷ＞Ｃ３の時に較べ一段上の電圧をヒータ６に印加し
てヒータ光熱量を増す゛。

（１１シ、低Ω荷１１，１であるＱａ＜Ｃ＋のどきは比
較器１／Ｉがハイレベルの信号を出）ｊしてトランジス
タ１８　（ｉ−１！Ｘに導通しくいるので、−設工の電
圧は印加されない。

第４図では吸入空気量信号Ｑａは２つの基準値Ｃ，，Ｃ
２ど比較され、また水温１３号Ｔｗは１つの基Ｑ’　Ｉ
ｔｒｆ　Ｃ）　ト比較８　レルｌｆｉ、コレラ８％　’
ｉ’　ｌｉｄ　Ｃ＋　。

Ｃ２，Ｃ，を多数にずればヒータ印加電圧をより馴１１
かく制御づることが可能である。

以−ＬのＪ、う（一本発明によれば、吸入空気量信号Ｑ
ａを平滑りる手段を設（づ、この排気ン晶度に非常に相
関の良い平滑信号を用いてヒータ印加電圧を制υ１１シ
ヒータ発熱（イ）を増減りるようにしたので、センリ゛
部の活性温度が一定に保たれ、酸素センサの性能並びに
耐久性が向上するという効果が得られる。

図面の曲中な；ｌ）（明 第１図は酸素レンザの断面図、第２図は空燃比ど酸素Ｕ
ン」ノー出力どの関係を示す説明図、第３図【ま従来装
置〜のブ］」ツク回路図、第４図は本発明の一実施例の
ブロック回路図、第５図は一例の中速変化に対する排気
温度、吸入空気量信号並びにヒータ印加電圧の変化を示
Ｊ説明図である。

２・・・内側電極（基準酸素電極）、３・・・）ｉ！ｉ
＋体電解買電解質・・外側電極（酸素測定’ｉｕ極）、
６・・・ヒータ、１０・・・酸素センサ、１１・・・セ
ンサ部、１３・・・エア７０−メータ、２２Ａ、２２Ｂ
、２２Ｃ・・・制御回路、２３・・・平滑回路、２６川
水温センザ。

特許出願人　　　日産自動車株式会社 に ＠−曽の Ｖ＜昏ポーＱや　　　　　　　　　　　υ−”　　ｇ８
＠−一手　　続　　補　　正　　内（＠　他 昭和５８年４月５日 特許庁長官　　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示 昭和５７年特許願第１９８２１５号 ２、発明の名称 空燃比側ｔａｌｌ装置 ３、補１［をづる壱 ４■件どの関係　　特許出願人 住所　神奈川県横浜市神奈用区宝町二番地氏名　（３９
９）日産自動車株式会社 ４、代理人 住所　〒１０／１東京都中央区銀座８−１０−８銀７１
８−１０ビル３階（５７／１）８４６４６、補正の対象 明細１Ｍ中「発明の詳細な説明」の欄。

７、補正の内容 明ａｌｌ書第２頁の第８行目〜第９行目にかりて［（特
開昭５３−３９７８９号）。」とあるのを［（１Ｓ１間
ｌ１ｌ（５４−１６４１９１号）。」と補正づる−［

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸素イオン伝導性の固体電解質を挾んで一方に基準酸素
   電極、他方に酸素測定電極を設けたセン４ノ部並びにこ
   のレンザ部を加熱り“るヒータ部からなる酸素センサと
   、吸入空気用を検出する手段と、この吸入空気量検出手
   段からの信号を基準値と比較し高負荷時には前記ヒータ
   部を印加する電圧を減少し低負荷時には印加づる電圧を
   増大して前記に一夕部の発熱量を制御づ−るヒータ電流
   制御手段と、前記センザ部からの信号に雉づぎ空燃比を
   フィードバック制御する手段とを備えた空燃比制御装置
   にａ３いて、前記吸入空気量検出手段からの信号を平滑
   づる手段を設り、この平滑信号に基づいてヒータ印加電
   圧を制ｉｌｌ　！ｌ’るようにしたことを特徴とづる空
   燃比制御装置。