JPH06323185A

JPH06323185A - 空燃比制御装置

Info

Publication number: JPH06323185A
Application number: JP11176893A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Oki; 久大木; Norihiko Nakamura; 徳彦中村; Tatsuo Kobayashi; 辰夫小林; Makoto Ueno; 真上野; Shigeki Miyashita; 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1994-11-22

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】燃焼ガスの空燃比を基に内燃機関に供給する
混合気をフィードバック制御する空燃比制御装置に関
し、内燃機関の始動直後から運転状態の過渡期に至るま
で高精度な空燃比制御を実行すること。【構成】酸素濃度センサが活性化していない場合はイ
オン濃度センサによる空燃比制御を実行する（ステップ
１００〜１３０）。活性化している場合は内燃機関が過
渡状態であるかを見る（ステップ１４０）。過渡状態で
ない場合は、安定した出力特性を有する酸素濃度センサ
の検出値に基づいて空燃比制御を実行する（ステップ１
８０，１９０，１３０）。過渡状態である場合は、応答
性に優れたイオン濃度センサの検出値を主とし、その検
出値を酸素濃度センサで補正して、時間おくれのない空
燃比制御を実行する（ステップ１５０〜１７０，１３
０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空燃比制御装置に係り、
特に燃焼ガスの空燃比を検出して、その空燃比を基に内
燃機関に供給する混合気を所定の空燃比にフィードバッ
ク制御する空燃比制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、車載用内燃機関においては、
大気中に排出される排気ガスのエミッションを良好に維
持するために、排気通路中に排気ガス浄化作用を有する
触媒コンバータを配設する構成が広く用いられている。
この触媒コンバータには、排気ガス中に含まれる一酸化
炭素ＣＯや炭化水素ＨＣ等の未燃成分、若しくは窒素酸
化物ＮＯｘ等に代表される酸化物を有効に除去できるこ
とが要求される。

【０００３】かかる要求を満たすため、一般に車載用内
燃機関の触媒コンバータとしては三元触媒を包含してな
るものが用いられている。ここで三元触媒は、排気ガス
中に酸素が過剰に含まれている場合は、その酸素を吸着
し、排気ガス中に酸素が不足している場合は吸着してい
た酸素を放出する部材である。

【０００４】つまり、空燃比が燃料リーンである場合に
は、排気ガス中に存在するＮＯｘ等の酸化物から酸素を
奪って還元作用を発揮し、空燃比が燃料リッチである場
合には、排気ガス中に酸素を放出してＣＯやＨＣ等の未
燃成分を酸化する作用を発揮することにより、排気ガス
の浄化を行う部材である。

【０００５】従って、触媒コンバータ通過後において良
好な排気エミッションを確保するためには、三元触媒の
酸素吸着能力の範囲内で酸素の授受が続行されることが
必要である。そして、そのためには内燃機関から触媒コ
ンバータに流入する排気ガスの空燃比を、理論空燃比を
中心として燃料リッチと燃料リーンを繰り返すように制
御することが必要である。その空燃比がリッチまたはリ
ーンの何方かに大きく偏ると、燃焼ガス中の酸素過多量
または不足量が三元触媒の酸素吸着能力では吸収しきれ
なくなる場合が生ずるからである。

【０００６】このため、上記した触媒コンバータを備え
る内燃機関においては、精度良く空燃比制御を実行でき
るとして公知の空燃比フィードバック制御が広く行われ
ている。この空燃比フィードバック制御とは、燃焼ガス
の空燃比を検出する空燃比センサを内燃機関の排気系に
配し、その検出値に基づいて内燃機関に供給する燃料の
量を微調整するものである。

【０００７】かかる空燃比フィードバックセンサを実現
する空燃比センサとしては、従来より酸素濃度センサが
広く用いられている。この酸素濃度センサは、雰囲気中
の酸素濃度に応じた電流を発生するセンサで、燃焼ガス
の空燃比を容易かつ直接的に検出することができる。

【０００８】しかしながら、この酸素濃度センサを用い
て空燃比制御を行う構成において、安定した検出精度の
確保するためには、燃焼ガスが均一になるまで十分に混
合された後に空燃比測定を行う必要があり、燃焼室と酸
素濃度センサとの間には適当な距離を要する。このた
め、酸素濃度センサによる空燃比の検出には、時間的遅
れを伴うことが避けられなかった。

【０００９】このような時間的遅れは、内燃機関の運転
状態が定常状態にある場合にはなんら問題となることは
ないが、車両に対する加減速の要求に伴ってその運転状
態が変化する状況下では、大きく制御精度を悪化させる
こととなる。

【００１０】更に、従来一般に用いられている酸素濃度
センサは、その出力特性が環境温度によって変動するも
のであり、所定の活性化温度領域に達するまでは全く出
力を発しないものであった。このため、かかる酸素濃度
センサを用いて空燃比制御装置を構成した場合、内燃機
関が始動した後酸素濃度センサが適当に加熱されて所定
温度に達するまでの間は空燃比フィードバック制御を実
行することができないという問題があった。

【００１１】このように、酸素濃度センサを用いた空燃
比制御装置には、種々の問題が存在し、必ずしも理想的
な空燃比フィードバック制御を実現し得るのもではなか
った。これに対して特開平４−１９４３３６号公報は、
かかる空燃比制御装置の特性を改善すべく、燃焼室内に
おいて混合気が燃焼する際に発生する電離イオンの濃度
に基づいて空燃比を算出する空燃比制御装置について開
示している。

【００１２】上記公報記載の装置は、内燃機関を構成す
る各気筒毎に公知のイオン濃度センサを設置して、各気
筒毎に燃焼に伴って発生するイオン濃度を検出するもの
である。この場合、イオン濃度センサの検出対象である
電離イオンは、酸素濃度と異なり燃焼ガスが十分に混合
されていなくても安定した検出が可能である。

【００１３】このため、上記したように各気筒の燃焼室
内における空燃比検出が可能となり、混合気の燃焼後ほ
とんど時間的遅れなしに、かつ各気筒毎に正確な検出が
可能となる。更に、かかるイオン濃度センサは、従来の
酸素濃度センサと異なり活性化に時間を要することもな
く、内燃機関の始動後即座に正確な空燃比の検出が開始
できる。このため、内燃機関の始動直後から空燃比フィ
ードバック制御を実行することも可能となる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
空燃比制御装置においては、イオン濃度センサが内燃機
関の各気筒燃焼室内に露出した状態で配設することが必
須要件である。そして、かかる環境下では混合気の燃焼
に伴って発生する“すす”等がイオン濃度センサに付着
することなる。

【００１５】このような“すす”等が付着した場合、イ
オン濃度センサは、その構造上出力特性を変化させるこ
とが知られている。従って、上記従来の空燃比制御装置
の如く何らの較正手段も備えずに、イオン濃度センサが
発するイオン濃度信号を直接空燃比制御に用いる構成で
は、その出力特性が変化した場合には正確な制御を続行
することができなくなるという問題がある。

【００１６】つまり、イオン濃度センサの検出値を基に
空燃比を算出する従来の空燃比制御装置は、内燃機関の
始動後即座に空燃比制御が開始でき、かつ時間的な遅れ
のないリアルタイム性に優れた空燃比制御を実行できる
反面、検出した空燃比の信憑性に欠け、結局高精度な空
燃比制御が実現できないという問題を有していた。

【００１７】また、イオン濃度センサの空燃比に対する
出力値は、常用空燃比領域においてピーク値を有してい
る。すなわち、測定対象の空燃比がピーク値を示す空燃
比よりリーンとなるほどまた、測定対象の空燃比がピー
ク値を示す空燃比よりリッチとなるほどイオン濃度セン
サの出力値は小さくなる。

【００１８】従って、イオン濃度センサの出力値がピー
ク値を示していない限り、その出力値に対応する空燃比
が、リッチ側とリーン側とにそれぞれ考えられ、その出
力値のみからではいずれの空燃比が検出されているのか
が特定できない事態が生ずる。特に、内燃機関の運転状
態が過渡状態にある場合は、吸気ポートに付着する燃料
の量や吸気管負圧の大きさ等が相互に作用して大きく空
燃比が変動するため、イオン濃度センサの出力値のみに
基づいて正確に空燃比を判断することは困難な場合があ
る。

【００１９】このように、上記従来の装置においては、
イオン濃度センサを用いて空燃比を検出することにより
実現し得る優れた特性を十分に発揮することができず、
結局、内燃機関の始動直後から、また内燃機関の過渡運
転時において、高精度な空燃比制御を実現するという目
的が達成できないという問題を有していた。

【００２０】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、イオン濃度センサと酸素濃度センサとを併用
し、適宜両センサの検出値を組み合わせて、または選択
的に用いることにより上記の課題を解決し得る空燃比制
御装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】図１は、上記の目的を達
成する空燃比制御装置の原理構成図を示す。すなわち、
図１（Ａ）に示すように、内燃機関の燃焼ガス中の酸素
濃度を検出する酸素濃度センサ１を備え、該酸素濃度セ
ンサ１の検出値に基づいて内燃機関に供給する混合気の
空燃比をフィードバック制御する空燃比制御装置におい
て、前記酸素濃度センサ１が所定の活性状態に達してい
るか否かを検出する酸素濃度センサ活性検出手段２と、
前記内燃機関の燃焼室内に発生するイオンの濃度を検出
するイオン濃度検出手段３と、前記酸素濃度センサ１が
所定の活性状態に達していない場合には、前記イオン濃
度検出手段３で検出されたイオン濃度に基づいて燃焼ガ
スの空燃比を算出し、該算出値に応じて前記内燃機関に
供給する混合気の空燃比制御を行う空燃比制御手段４と
を備える空燃比制御装置によれば、内燃機関の始動開始
直後から高精度な空燃比制御が実現される。

【００２２】また、図１（Ｂ）に示すように、内燃機関
の運転状態が所定水準を越える過渡状態であるか否かを
検出する過渡状態検出手段５を備え、該過渡状態検出手
段５により所定水準を越える過渡状態が検出された場合
には、前記酸素濃度センサ１で検出された酸素濃度と、
前記イオン濃度検出手段３で検出されたイオン濃度とに
基づいて燃焼ガスの空燃比を算出し、該算出値に応じて
内燃機関に供給する混合気の空燃比制御を行う空燃比制
御手段６とを備える空燃比制御装置によれば、過渡運転
時における高精度な空燃比フィードバック制御が実現さ
れる。

【００２３】

【作用】上記図１（Ａ）に示す空燃比制御装置におい
て、前記イオン濃度検出手段３は、内燃機関が始動する
と即座に燃焼ガス中のイオン濃度の検出を開始する。一
方、前記酸素濃度センサ１は、内燃機関が始動した後所
定の活性化温度領域に到達するまでの間は燃焼ガス中の
酸素濃度の検出ができない反面、活性化温度領域に達し
た後には、高精度にその酸素濃度を検出する。

【００２４】また、前記空燃比制御手段４は、前記酸素
センサ活性検出手段２の検出信号に基づいて、前記酸素
濃度センサ１が活性化されているか否かを判断し、まだ
活性化されていないと判断した場合には前記イオン濃度
検出手段３の検出値を基に燃焼ガスの空燃比を算出す
る。また、前記酸素濃度センサ１がすでに活性化されて
いると判断した場合には、前記酸素濃度センサ１の検出
値を基に燃焼ガスの空燃比を算出する。

【００２５】従って、上記図１（Ａ）の空燃比制御装置
を備える内燃機関においては、始動直後から前記イオン
濃度検出手段３の検出値に基づく空燃比制御が開始さ
れ、かつ前記酸素濃度センサ１が活性化した後には、前
記酸素濃度センサ１の検出値に基づいた高精度な空燃比
制御が実行される。

【００２６】また、図１（Ｂ）に示す空燃比制御装置に
おいて、前記過渡状態検出手段５により所定水準を越え
る過渡状態が検出された場合、前記空燃比制御手段６
は、前記イオン濃度検出手段３の検出値を、時間遅れの
ない現実の空燃比を表す値として取り込む。この際、前
記空燃比制御手段６は、前記酸素濃度センサ１の検出値
をも取り込み、燃焼ガスが燃料リッチ側であるのか燃料
リーン側であるのかを判断する。

【００２７】この結果、内燃機関の運転状態の変動に伴
って燃焼ガスの空燃比が大幅に変動するにもかかわら
ず、前記イオン濃度センサ３の検出値が、燃料リッチ側
の空燃比を表すのか、あるいは燃料リーン側の空燃比を
表すのかの判断が可能となる。従って、上記図１（Ｂ）
の空燃比制御装置を備える内燃機関においては、内燃機
関の運転状態が過渡的に変化している場合にも、高精度
な空燃比制御が実行される。

【００２８】

【実施例】図２は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射装
置の一実施例の構成を表す全体図を示す。本実施例装置
を備える内燃機関１０のシリンダヘッド１１の中央部に
は点火プラグ１２が配設されている。そして、内燃機関
１０の燃焼室を構成するシリンダ１３の外壁には、ウォ
ータジャケット内を流通する冷却水の温度を検出する水
温センサ１４が配設されている。

【００２９】内燃機関１０の吸気孔には吸気管１５が連
通している。この吸気管１５には、吸入空気の脈動を吸
収するサージタンク１６、アクセルペダル（図示せず）
と連動して吸入空気量を調整するスロットルバルブ１
７、及び吸入空気量を検出するエアフロメータ１８が設
けられている。そして、サージタンク１６には、その内
圧を測定する吸気圧センサ１９が、またスロットルバル
ブ１７には、その開度を検出するスロットルセンサ２０
が設置されている。

【００３０】また、符号２１は燃料を吸気管１５内に供
給するインジェクタを示す。このインジェクタ２１には
周知の燃料系統（図示せず）から所定の圧力で燃料が供
給されている。そして、供給される燃料は、インジェク
タ２１内を通ってその先端に設けられた燃料噴射孔に導
かれる。

【００３１】燃料噴射孔には、後述の電子制御装置（Ｅ
ＣＵ）４０から供給される駆動信号に応じて開閉する燃
料噴射弁が設けられている。従って、かかる燃料噴射弁
を適当に開弁させると、その開孔時間に応じた燃料が間
欠的に噴射され、その開弁時間を適当にデューティ制御
すれば、単位時間当たりの燃料噴射量を容易に変更する
ことができる。

【００３２】また内燃機関１０の排気孔に連通する排気
管２２には、排気ガス中に含有されるＨＣ，ＣＯ等の未
燃成分及びＮＯｘ等の酸化物を浄化する触媒コンバータ
として、マニホールド触媒コンータ２３及びアンダフロ
ア触媒コンバータ２４が連通している。

【００３３】ここで、触媒コンバータ１６を２段重ねる
構成を採用しているのは、触媒の持つ酸素吸着能力を十
分に確保して、より良好な排気エミッションを得るため
である。従って、必ずしも２段重ねて設ける必はなく、
何方か一方のみを配設する構成を採用してもよい。

【００３４】ディストリビュータ２５は図示されないク
ランクシャフトに連動すると共に、ＥＣＵ４０から供給
される点火信号に従って、各気筒点火プラグ１２に高電
圧の点火信号を分配する。また、ディストリビュータ２
３には、クランクシャフトの回転状態を検出するクラン
ク角センサ２６，２７が設けられている。

【００３５】ここで、クランク角センサ２６は、クラン
クシャフトが２回転（内燃機関１サイクル）する間に所
定回数、例えば２４回のパルス信号を出力する。また、
クランク角センサ２７は、クランクシャフトが２回転す
る間に一回のパルス信号を出力する。そして、電子制御
装置４０は、これら両クランク角センサ２４，２５の出
力信号を組み合わせて、単位時間当たりのクランクシャ
フトの回転数と、クランクシャフトの回転位置とを検出
する。

【００３６】ところで、図２に示す内燃機関１０は、マ
ニホールド触媒コンバータ２３の上流に排気温センサ２
８共に、酸素濃度センサ２９を備えている。この場合に
おいて排気温センサ２８は、触媒コンバータ２３，２４
が過熱状態とならないよう、内燃機関１０から排出され
る排気ガスの温度を適当に制御するために設置されたも
のである。

【００３７】酸素濃度センサ２９は、内燃機関１０から
排出された排気ガス中の酸素濃度センサを検出するセン
サである。この酸素濃度は、排気ガスの空燃比を表す特
性値であり、所定の酸素濃度が維持されるように燃料の
供給量を制御すれば、触媒コンバータ２３，２４へ向け
て排出される排気ガスを理論空燃比付近に制御すること
が可能となる。

【００３８】また、本実施例においては、燃焼ガスの空
燃比を検出する手段として、酸素濃度センサ２９に加
え、内燃機関１０の燃焼室３０にその検出部を露出させ
た状態で、イオン濃度センサ３１を配設している。この
イオン濃度センサ３１は、雰囲気中に存在する電離イオ
ンの濃度に応じたイオン電流を発生するセンサとして知
られるものであり、燃焼室３０内で混合気が燃焼する際
に生じるイオン濃度の検出のために配設されている。

【００３９】すなわち、内燃機関においては、燃焼室内
で混合気が燃焼する際、C₃H₃ ⁺,COH ⁺, H₃O ⁺，H
₅O₂ ⁺，C₂HO⁺等の電離イオンが発生し、その濃度は燃
焼した混合気の空燃比に対応した値を示すことが知られ
ている。従って、このイオン濃度を検出することができ
れば、混合気の空燃比を検出することが可能である。本
実施例におけるイオン濃度センサ３１は、かかる要求を
満たす手段として配設されたものである。

【００４０】そして、ＥＣＵ４０は、上記した水温セン
サ１４，エアフロメータ１８，吸気圧センサ１９，スロ
ットルセンサ２０，排気温センサ２８等の検出値に基づ
いて内燃機関１０に供給する混合気の空燃比として算出
した基準値を、酸素濃度センサ２９及びイオン濃度セン
サ３１の検出値に基づいて補正し、各気筒の吸気工程に
おいて、所望の噴射量が供給されるべくインジェクタ２
２に駆動信号を供給する。

【００４１】次に図３〜図８を参照して、イオン濃度セ
ンサ３１の出力特性と、その出力信号を処理して適切な
空燃比信号とするための検出回路について詳細に説明す
る。

【００４２】図３は、イオン濃度センサ３１の出力信号
を処理するためにＥＣＵ４０内に設けられた回路の構成
図を示す。同図に示すように、イオン濃度センサ３１
は、電源４１により直流駆動されており、その一方の端
子には電源電圧Ｅが供給されている。

【００４３】また、イオン濃度センサ３１の他方の端子
は、接地レベルの電位が維持されるべくアースされると
共に、所定の抵抗値Ｒｃを有する抵抗器４２及び入力イ
ンピーダンスＲinを有する検出回路４３の入力端子に接
続される。そして、これら抵抗器４２の他端及び検出回
路４３の他方の入力端子は、共に電源４１の負極端子に
接続される。

【００４４】内燃機関１０の燃焼室３０に露出したイオ
ン濃度センサ３１にかかる結線を施した場合、燃焼室３
０内に電離イオンが発生すると、イオン濃度センサ３１
にはそのイオン濃度に応じた電流Ｉｇが流通する。イオ
ンセンサ３１に電流Ｉｇが流通すると、その電流は抵抗
器４２及び検出回路４３に分流して電源４１の負極端子
に通じる閉ループを流通することになる。

【００４５】従って、抵抗器４２（または検出回路４
３）の両端電圧をＶｃとすると、イオン濃度センサ３１
を流通する電流Ｉｇは下記のように表すことができる。

【００４６】Ｉｇ＝Ｖｃ・（１／Ｒｃ＋１／Ｒin）・・・（１）ここで、上記したようにＲｃ及びＲinについては、所定
値の設定値であり定数であるから、結局Ｖｃが検出でき
れば、イオン濃度センサ３１を流通する電流Ｉｇを算出
できることになる。すなわち本実施例の検出回路４３
は、その入力端子間に発生した電位差を出力する回路
で、イオン濃度センサ３１の設置される燃焼室３０で混
合気が燃焼した場合、例えば図４に示す如き波形の信号
を出力する。

【００４７】尚、図４に示す波形は、燃焼室３０内にお
いてえ時刻ｔ₁に爆発工程における点火が実行された場
合の信号であり、図４中斜線で示す部分が、燃焼に伴っ
て発生した電離イオンに起因して生じた電圧信号であ
る。

【００４８】信号処理回路４４は、検出回路４３から供
給されるかかる電圧信号を、空燃比の演算がし易いよう
に処理する回路である。図５は、その処理の一例として
検出回路４３から供給される電圧信号のピーク値をホー
ルドする処理を行った際の信号波形を示している。

【００４９】この場合、信号処理回路４３では、先ず図
５（Ａ）に示すように検出回路４３から供給される電圧
信号から、電離イオンの発生に起因して発生する信号部
分（上記図４における斜線部分）だけを取り出す処理を
行う。イオン濃度センサ３１の接地性等の影響により、
図４に示す如くバイアス電圧が重畳する場合にあるから
である。

【００５０】そして、その処理を行った後の電圧波形の
ピーク値をホールドして、空燃比の演算を行う演算回路
４５が確実に信号を取り込めるだけの時間を確保してい
る。この場合において、本実施例においては、図５に示
すように時刻ｔ₁（またはｔ ₁₁）が点火時期であれば、
クランク角センサ２６、２７から供給されるクランク角
信号に基づいてその前後に所定の時刻ｔ₂（ｔ₁₂）及び
ｔ₃（ｔ₁₃）を設定し、その間をデータ取り込み期間と
している。

【００５１】イオン濃度センサ３１の配設された燃焼室
３０で爆発工程が行われている期間以外に発せられる電
圧信号を無視するためである。この結果、信号処理回路
４４から出力される信号は、図５（Ｂ）に示すように、
リセット時刻として設定されたｔ₄（ｔ₁₄）においてリ
セットされるまで確実に電離イオン濃度を表す電圧値に
維持される。

【００５２】このため、演算回路４５においては、信号
処理回路４４から供給される電圧信号を、そのまま空燃
比に対応させて読み込むことができる。すなわち、上記
したように信号処理回路４４においてピークホールド処
理を行う場合、そのピーク電圧値と、その電圧値が発生
した際に燃焼室３０内で燃焼した混合気の空燃比との間
には図６に示すような関係が成立する。従って、かかる
関係を予めマップとして記憶しておけば、信号処理回路
４４から供給される処理信号ピーク値に基づいて、燃焼
した混合気の空燃比を算出できることとなる。

【００５３】また、図７は、信号処理回路４４において
検出回路４３から供給される電圧信号を積分処理するこ
とにより、演算回路４５が読み込むだけの時間を確保し
た場合の信号波形を示している。

【００５４】すなわち、この処理例を行う場合、信号処
理回路４４では上記したピークホールドによる場合と同
様に、先ず検出回路４３から供給される電圧信号からオ
フセット電圧を除去する（図７（Ａ））。そして、クラ
ンク角センサ２６，２７の検出信号に基づいて設定した
所定の取り込み時期に入力された信号を積分し、図７
（Ｂ）に示す如き波形とする。

【００５５】この場合、図７（Ｂ）に示す信号の波高値
は、イオン濃度センサ３１の配設される燃焼室内３０に
発生した電離イオンに起因してイオン濃度センサ３１を
流通した電流Ｉｇの積分値に相当し、上記図５に示す信
号処理ピーク値と同様混合気の空燃比の代用特性値とな
る。

【００５６】図８は、燃焼した混合気の空燃比と、それ
に対して発生した処理信号積分値との関係を表してい
る。同図に示すように、かかる構成を採った場合もピー
クホールド処理を行った場合と同様の特性を得ることが
でき、演算回路４５における高精度な空燃比検出が可能
となる。

【００５７】ところで、本実施例におけるイオン濃度セ
ンサ３１は、上記したように燃焼室３０内にその検出部
を露出させた状態で設置されている。つまり、イオン濃
度センサ３１の検出するイオン濃度にれば、現に燃焼し
た混合気についてのイオン濃度の検出が可能であり、排
気管２２に配設された酸素濃度センサ２２に比べて極め
て優れたリアルタイム性を有している。

【００５８】また、酸素濃度センサ２９は、その温度が
所定の活性化温度領域に達していないと酸素濃度の検出
ができないのに対して、イオン濃度センサ３１にはかか
る制限はなく、内燃期間１０が冷間始動した直後であっ
ても安定したイオン濃度の検出が可能である。

【００５９】従って、イオン濃度センサ３１の検出する
イオン濃度に基づいて空燃比制御を実行することとすれ
ば、従来酸素濃度センサ２９によっては実現できなかっ
た空燃比制御、すなわち内燃機関の始動直後から所定の
期間における空燃比制御及び内燃機関の運転状態が過渡
的に変化している際の時間遅れのない空燃比制御が実現
可能となる。

【００６０】ところが、上記図６及び図８に示すよう
に、イオン濃度センサ３１の検出値、すなわち信号処理
回路４４の出力値は、常用空燃比領域にピーク値を有す
る特性を示す。このため、内燃機関１０に供給されてい
る混合気の空燃比が大きく変動する状況下においては、
信号処理回路４４の検出値（図６，８中、Ｉ）が、リッ
チ側の空燃比（図６，８中、Ａ）を検出した結果なのか
リーン側の空燃比（図６，８中、Ｂ）を検出した結果な
のかが特定できない場合が生ずる。

【００６１】つまり、図９（Ａ）に示すように時刻ｔ₁
において加速のためスロットルバルブ１７の開度（以
下、スロットル開度と称す）が大きくなると、それに伴
って内燃機関１０に供給される混合気の空燃比（図９
（Ｃ））は通常リーン側へ偏る。加速時においては、適
切な量として演算した燃料を噴射する段階では、更に多
量の燃料が必要となっている場合があり、また燃料噴射
量が増加された直後においては、吸気ポート周辺への付
着量が増加するだけで燃焼室３０内に流入する燃料の量
の増加に直接結びつかないからである。

【００６２】一方、かかる状態から急に減速されるよう
な場合は、スロットル開度が小さくなると同時に（図９
（Ａ）中、時刻ｔ₂）空燃比（図９（Ｃ））はリッチ側
へ偏る。スロットル開度が小さくなると共に吸気負圧が
大きくなり、吸気ポート付近に付着していた燃料が急激
に気化するからである。

【００６３】尚、図１０は、かかる状況における空燃比
（図１０（Ａ））と、排出される燃焼ガス中のＨＣ濃度
（図１０（Ｂ））を測定した結果を示しているが、同図
よりその空燃比及びＨＣ得ミッションが大幅に変動する
ことが判る。

【００６４】このように、内燃機関１０に供給される混
合気の空燃比は、運転状態が変化する場合には、その運
転状態に応じて大幅に変動する。更に、図９中、時刻ｔ
₃〜ｔ₅に示すように急加速・急減速が繰り返された場
合は、時刻ｔ₅において加速に移行しているにもかかわ
らず、減速時に吸気ポートに付着した燃料の影響で燃料
リッチが持続されるような場合も生ずる。

【００６５】かかる場合には、内燃機関１０の運転状態
からは、空燃比がリッチ側に偏っているかリーン側に偏
っているかを判断することはできず、イオン濃度センサ
３１の検出値が、リッチ側の空燃比を示しているのか、
あるいはリーン側の空燃比を示しているのかを特定する
ことは不可能である。

【００６６】そこで、本実施例の空燃比制御装置におい
ては、イオン濃度センサ３１と酸素濃度センサ２９とを
併用することとし、内燃機関１０の運転状態が過渡状態
にあるときは、イオン濃度センサ３１から供給される時
間遅れのない検出値が示す空燃比を、酸素濃度センサ２
９から供給される検出値に基づいて特定することとし
た。

【００６７】以下、図１１に示す演算回路４５が実行す
るルーチン処理のフローチャートを参照して、本実施例
装置の動作について説明する。

【００６８】図１１に示すように、このルーチンが起動
すると先ずステップ１００において酸素センサ２９が活
性化しているか否かを判別する。活性化しているか否か
は、酸素濃度センサ２９の温度を測定し、その温度が活
性化温度領域、例えば２００℃に達しているか否かで判
断することができる。

【００６９】かかる判別を行うのは、酸素濃度センサ２
９が活性化温度領域に達していなければ、イオン濃度セ
ンサ３１と酸素濃度センサ２９とを併用する空燃比制御
は実行できないからである。従って、ステップ１００に
おいて酸素濃度センサ２９が活性化温度領域に達してい
ないと判別された場合は、両センサの併用による空燃比
制御は実行しない。

【００７０】ところで、酸素濃度センサ２９が活性化温
度領域に達していないと判別されるのは、内燃機関１０
が始動された後所定の期間だけである。また、かかる間
は、一般に内燃機関１０の早期暖機を目的とした燃料増
量補正が行われている。従って、酸素濃度センサ２９に
よる検出を行うまでもなく空燃比はリッチ側に偏ってい
ると判断することができる。

【００７１】そこで、本実施例においては、酸素濃度セ
ンサが活性化されていないと判別された場合、ステップ
１１０へ進みイオン濃度センサ３１単独での空燃比制御
を行うこととした。すなわち、ステップ１１０において
燃焼室３０内に発生するイオン濃度を検出する。

【００７２】そして、その検出が終了したら、ステップ
１２０へ進み上記図６または図８に示す如きマップを参
照して、各燃焼室３０で燃焼した混合気の空燃比を算出
する。以後、ステップ１３０において、算出した空燃比
に基づいて公知の空燃比フィードバック制御を実行して
今回の処理を終了する。

【００７３】このように、本実施例の空燃比制御装置に
よれば酸素濃度センサ２９が活性化するまでの間におい
ても、イオン濃度センサ３１によって確実な空燃比制御
を実行することができる。

【００７４】尚、本実施例においては、内燃機関の始動
直後において燃料増量補正を行うことから燃料がリッチ
側に偏っていると判断する構成としたが、これに限るも
のではなく、その間の空燃比を強制的にリッチ側または
リーン側に偏らせる構成であればよい。

【００７５】一方、上記ステップ１００において酸素濃
度センサ２９が活性化されていると判別された場合は、
ステップ１４０へ進んで内燃機関１０が過渡状態である
か否かを判別する。過渡状態であれば、上記したように
酸素濃度センサ２９とイオン濃度センサ３１とを併用し
た空燃比制御を実行する必要がある反面、過渡状態でな
い場合は、後述のように酸素濃度センサ２９単独で空燃
比制御を実行することが好ましいからである。

【００７６】従って、ステップ１４０において過渡状態
であると判別された場合は、ステップ１５０へ進んでイ
オン濃度センサ３１によるイオン濃度の検出値を取り込
み、続くステップ１６０で酸素濃度センサ２９による酸
素濃度の検出値を取り込む。

【００７７】そして、これらのデータの取り込みが終了
したら、ステップ１７０において、上記した図６または
図８に示す如きマップをそれらの検出値で参照して、過
渡状態における内燃機関１０で燃焼した混合気の空燃比
を特定する。以後、ステップ１３０において、特定した
空燃比に基づいて公知の空燃比フィードバック制御を実
行して今回の処理を終了する。

【００７８】かかる処理を行うことにより、内燃機関１
０の運転状態が過渡的に変動している場合において、各
燃焼室３０で燃焼した混合気の空燃比をリアルタイムに
検出することが可能となり、各気筒に供給すべき燃料の
量が刻々と変動しているにもかかわらず、極めて高精度
に要求される量を供給することが可能となる。

【００７９】ところで、本実施例装置において内燃機関
１０が過渡状態ではないと判断された場合は、上記した
ように酸素濃度センサ２９単独による空燃比制御が実行
される。すなわち、ステップ１４０において内燃機関１
０が過渡状態でないと判別されると、ステップ１８０へ
進み、酸素濃度センサ２９による酸素濃度の検出が実行
される。

【００８０】そして、その検出が終了すると、ステップ
１９０へ進み検出した酸素濃度に基づいて空燃比の算出
を行い、以後、ステップ１３０において算出した空燃比
に基づいた空燃比フィードバック制御を実行して今回の
処理を終了する。

【００８１】かかる処理を行うこととしたのは、内燃機
関１０が定常状態にある場合は、イオン濃度センサ３１
の検出値によるよりも、酸素濃度センサ２９の検出値に
基づいて空燃比を算出するほうが良好な精度が確保でき
るからである。つまり、酸素濃度センサ２９に基づく空
燃比制御における問題は、酸素濃度センサ２９が活性化
されるまで制御が開始できないことと、混合気が燃焼し
てから酸素濃度が検出れるまでにある程度の時間を要す
ることである。

【００８２】従って、酸素濃度センサ２９が活性化さ
れ、かつ内燃機関が定常運転されている、すなわち燃料
供給量がほぼ一定である場合には、酸素濃度センサ２９
による空燃比制御にはなんらの欠点も認められないこと
になる。

【００８３】これに対して、図１２に示すようにイオン
濃度センサ３１の出力特性は、実線で示す新品特性と、
破線で示す経時品特性とを比較して明らかなように、使
用に伴ってその出力値が低下する傾向にある。この傾向
は、イオン濃度センサ３１のイオン濃度検出部に燃料の
燃焼時に生ずる“すす”が付着することに起因するもの
で、イオン濃度センサ３１を用いて空燃比の検出を行う
場合には避けられない構成である。

【００８４】このように、イオン濃度センサ３１は、そ
の応答性、取扱い性の面では酸素濃度センサ２９に勝る
ものの、検出値の安定性の面では酸素濃度センサ２９が
勝っている。本実施例において、内燃機関１０が定常運
転している場合には酸素濃度センサ２９単独による空燃
比制御を実行することとしたのは、かかる両センサの得
失を併せ考慮したものである。

【００８５】ところで、上記したようにイオン濃度セン
サ３１の出力特性が経時的に変化するものである以上、
イオン濃度センサ３１の検出値に基づいて行うこととし
た空燃比制御、すなわち内燃機関１０の始動直後、及び
内燃機関１０の過渡運転時における空燃比制御において
良好な精度を確保するためには、何らかの手だてを講ず
る必要がある。

【００８６】そこで、本実施例においては、図１３に示
すように経時的に変化したイオン濃度センサ３１の出力
特性を、新品時における出力特性に正規化する補正を行
うこととした。この補正は、酸素濃度センサ２９の検出
値を基準としてイオン濃度センサ３１の出力特性を監視
し、随時その特性を学習補正するものであり、図１４に
示すフローチャートに沿った処理を実行することにより
実現される。

【００８７】以下、演算回路４５において同図に示すフ
ローチャートに沿った学習補正が実行される際の動作に
ついて説明する。

【００８８】図１４に示すルーチンが起動すると、先ず
ステップ２００において、後述する補正係数Ｋに前回の
処理の際に算出した値ＫＫをセットする。Ｋのセットが
終了したら、ステップ２１０へ進んでイオン濃度センサ
３１の出力信号に基づいて信号処理回路４４から供給さ
れる信号処理電圧の補正を行う。

【００８９】すなわち、上記ステップ２００において設
定した補正係数Ｋを用いて、修正電圧値＝Ｋ＊処理電圧・・・（２）なる演算を行うことにより、適正な空燃比を表す修正電
圧値を演算し、その結果をＨ₁として記憶する。

【００９０】次に、ステップ２２０においては、酸素濃
度センサ２９による空燃比フィードバック制御が実行さ
れているか、すなわち酸素濃度センサ２９が活性化温度
領域に達し、かつ内燃機関１０が定常状態であるかを判
別する。本ルーチンは、上記したように酸素濃度センサ
２９の検出値を基準としてイオン濃度センサ３１の出力
特性を補正するものであり、酸素濃度センサ２９に基づ
いた正確な空燃比の検出が行われていることが前提とな
るからである。

【００９１】従って、ステップ２２０において酸素濃度
センサ２９による空燃比フィードバック制御が実行され
ていないと判別された場合は、なんらの処理を行うこと
なくそのまま今回の処理を終了する。一方、酸素濃度セ
ンサ２９による空燃比フィードバック制御が実行されて
いると判別された場合は、ステップ２３０へ進んで酸素
濃度センサ２９の検出値に基づいた空燃比Ａ／Ｆを算出
し、その値をＡとして記憶する。

【００９２】次に、ステップ２４０においては、上記ス
テップ２１０において記憶したＨ₁に基づいて、すなわ
ちイオン濃度センサ３１の出力値に基づいて、図１５中
に実線で示す如く予め設定したマップを参照して空燃比
Ａ／Ｆを算出し、その値をＢとして記憶する。

【００９３】そして、続くステップ２５０において｜Ａ
−Ｂ｜が所定の判定値εに比べて小さいか否かを判別す
る。ここで、イオン濃度センサ３１の出力特性が変化し
ておらず、補正の必要がないとすれば、ＡとＢとはほぼ
等しい値になるはずである。また、図１５に示すように
イオン濃度センサ３１の出力値が、経時変化により所定
水準を越えて低下している（図１５中、破線で示す曲
線）場合には、Ａ＞Ｂが成り立つはずである。

【００９４】従って、｜Ａ−Ｂ｜＜εが成立する場合
は、上記ステップ２１０において演算した修正電圧値は
現時点では修正する必要がないことになり、かかる場合
はそのまま今回の処理を終了する。そして、｜Ａ−Ｂ｜
＜εが不成立であると判別された場合は、補正係数Ｋを
新たな値に更新する必要があるとしてステップ２６０へ
進む。

【００９５】すなわち、ステップ２６０以降の処理は、
イオン濃度センサ３１の出力特性変化に伴って図１５中
に破線で示す如く低下した修正電圧値を、図１５中に実
線で示す如き正規の修正電圧値に補正し得る値に、補正
係数Ｋの値を更新しようとするものである。以下、図１
５を参照して、補正係数Ｋの更新手順について説明す
る。

【００９６】図１５に示す如く、酸素濃度センサ２９の
出力値に基づいて算出した空燃比、すなわち正真の空燃
比がＡであるとすると、イオン濃度センサ３１の出力値
に基づいて算出される修正電圧値は、本来Ｈ₂でなけれ
ばならない。しかしながら、イオン濃度センサ３１の出
力特性が経時的に変化すると、図１５中に破線で示す如
くその値がＨ₁にしか満たない状態となる。

【００９７】従って、イオン濃度センサ３１の出力値か
ら正確な空燃比を算出するためには、上記ステップ２１
０においてＨ₁として算出された修正電圧値をＨ₂に修
正する必要がある。そして、かかる修正が行われた場合
には、イオン濃度センサ３１の出力値に基づいて算出さ
れる修正電圧値の特性が図１５中実線で示す特性と一致
することとなり、正確な空燃比の算出が実現されること
となる。

【００９８】そこで、ステップ２６０において、先ず正
真の空燃比Ａに対する正規の修正電圧値を図１５中に実
線で示すマップから逆算し、続くステップ２７０におい
て補正係数Ｋを次式の如く更新する。（式中_n，_n-1は
更新後、更新前を示す）Ｋ_n＝（Ｈ₂／Ｈ₁）＊Ｋ_n-1 ・・・（３）そして、更新後の値をＫＫとして記憶して今回の処理を
終了する。

【００９９】従って、次回本ルーチンが起動した際に
は、ステップ２１０において（Ｈ₂／Ｈ₁）＊Ｋ_n-1＊処理電圧＝（Ｈ₂／Ｈ₁）＊Ｈ₁＝Ｈ₂ なる演算が実行され、処理電圧値はＨ₂として算出され
ることになる。このように、本実施例装置によれば、イ
オン濃度センサ３１の出力特性が変化しても、その変化
を相殺して適正な修正電圧値を算出することができるた
め、イオン濃度センサ３１の出力値に基づいて適正な空
燃比を算出することができる。

【０１００】そして、かかる修正電圧値の学習補正を、
空燃比フィードバック中に実行する構成であるため、内
燃機関１０の始動直後において、及び内燃機関１０が過
渡状態である場合においてイオン濃度センサ３１の出力
値に基づいて空燃比フィードバック制御を実行する際に
は、常に高精度な空燃比の算出が実現される。

【０１０１】つまり、本実施例装置によれば、内燃機関
１０が始動した後、酸素濃度センサ２９が活性化するま
での間はイオン濃度センサ３１の出力値に基づいて、ま
た内燃機関１０が活性化した後はイオン濃度センサ３１
及び空燃比センサ２９双方の出力値に基づいて、高精度
に、かつ時間遅れのない空燃比を算出することが可能と
なる。

【０１０２】従って、酸素濃度センサからの出力値のみ
を取り込んで空燃比の算出を行う空燃比制御装置と比べ
て、より広い領域で、かつ高い応答性の下に空燃比フィ
ードバック制御が実行可能となる。また、イオン濃度セ
ンサからの出力値のみに基づいて空燃比の算出を行う空
燃比制御装置に比べて、著しく空燃比の算出精度が向上
し、より適切な空燃比フィードバック制御が実行可能と
なる。

【０１０３】

【発明の効果】上述の如く、請求項１記載の発明によれ
ば、酸素濃度センサが活性化温度領域に達していない場
合には、イオン濃度検出手段による検出値に基づいて空
燃比を算出し、その値に基づいた空燃比制御が実行され
る。そして、酸素濃度センサ１が活性化した後は、安定
した出力特性を示す酸素濃度センサの出力値に基づいて
より高精度な空燃比制御が実行できる。

【０１０４】従って、本発明に係る空燃比制御装置によ
れば、酸素濃度センサのみを採用する空燃比制御装置に
比べてより広い領域で空燃比制御を実行することがで
き、またイオン濃度検出手段のみを採用する空燃比制御
装置に比べて高精度な空燃比制御を実行することができ
るという特長を有している。

【０１０５】また、請求項２記載の発明によれば、内燃
機関が過渡状態にあって供給すべき燃料の量が随時変動
する際に、燃焼した混合気の空燃比をイオン濃度検出手
段に基づいて時間遅れなく検出することができる。この
ため、酸素濃度センサにより空燃比の検出を行う場合と
異なり、タイムラグのない空燃比制御を実行することが
可能となる。

【０１０６】更に、本発明に係る空燃比制御装置によれ
ば、過渡状態において空燃比が大きく変動した場合に
も、酸素濃度センサの出力値に基づいて空燃比のおおよ
その把握が可能であり、イオン濃度検出手段の検出値に
基づいた適切な空燃比の算出がが可能である。このた
め、従来の空燃比制御装置に比べて過渡状態における空
燃比算出精度が画期的に向上し、より適切な空燃比制御
を実現できるという特長を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る空燃比制御装置の原理図である。

【図２】本発明に係る空燃比制御装置の一実施例の構成
図である。

【図３】本実施例装置におけるイオン濃度センサの出力
信号の処理回路の一例のブロック構成図である。

【図４】イオン濃度センサの出力信号の一例を表す波形
である。

【図５】イオン濃度センサの出力信号の処理後の波形の
一例である。

【図６】イオン濃度センサのさらされた燃焼ガスの空燃
比と、その出力信号との関係を表すグラフの１例であ
る。

【図７】イオン濃度センサの出力信号の処理後の波形の
他の例である。

【図８】イオン濃度センサのさらされた燃焼ガスの空燃
比と、その出力信号との関係を表すグラフの他の例であ
る。

【図９】内燃機関の負荷状態と混合気の空燃比との関係
を説明するための図である。

【図１０】内燃機関が急減速した際の空燃比と排気得ミ
ッションの変化の様子を表したグラフの一例である。

【図１１】本実施例装置の実行するルーチン処理の一例
のフローチャートである。

【図１２】イオン濃度センサの出力特性の経時変化を表
すグラフの一例である。

【図１３】イオン濃度センサの出力特性を正規化する必
要性を説明するための図である。

【図１４】イオン濃度センサの出力特性を学習補正する
ためのルーチン処理の一例のフローチャートである。

【図１５】イオン濃度センサの出力特性の学習補正の原
理を説明するための図である。

【符号の説明】

１，２９酸素濃度センサ２酸素濃度センサ活性検出手段３イオン濃度検出手段４空燃比制御手段５過渡状態検出手段６空燃比制御手段１０内燃機関２３マニホールド触媒コンバータ２４アンダフロア触媒コンバータ２６，２７クランク各センサ３０燃焼室３１イオン濃度センサ４０電子制御装置（ＥＣＵ）４１電源４２抵抗器４３検出回路４４信号処理回路４５演算回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上野真愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者宮下茂樹愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の燃焼ガス中の酸素濃度を検出
する酸素濃度センサを備え、該酸素濃度センサの検出値
に基づいて内燃機関に供給する混合気の空燃比をフィー
ドバック制御する空燃比制御装置において、前記酸素センサが所定の活性状態に達しているか否かを
検出する酸素濃度センサ活性検出手段と、前記内燃機関の燃焼室内に発生するイオンの濃度を検出
するイオン濃度検出手段と、前記酸素濃度センサが所定の活性状態に達していない場
合には、前記イオン濃度検出手段で検出されたイオン濃
度に基づいて燃焼ガスの空燃比を算出すると共に、該算
出値に応じて前記内燃機関に供給する混合気の空燃比制
御を行う空燃比制御手段とを備えることを特徴とする空
燃比制御装置。
【請求項２】内燃機関の燃焼ガス中の酸素濃度を検出
する酸素濃度センサを備え、該酸素濃度センサの検出値
に基づいて内燃機関に供給する混合気の空燃比をフィー
ドバック制御する空燃比制御装置において、前記内燃機関の運転状態が所定水準を越える過渡状態で
あるか否かを検出する過渡状態検出手段と、該内燃機関の燃焼室内に発生するイオンの濃度を検出す
るイオン濃度検出手段と、前記過渡状態検出手段により所定水準を越える過渡状態
が検出された場合には、前記イオン濃度検出手段で検出
されたイオン濃度と、前記酸素濃度センサで検出された
酸素濃度とに基づいて燃焼ガスの空燃比を算出すると共
に、該算出値に応じて内燃機関に供給する混合気の空燃
比制御を行う空燃比制御手段とを備えることを特徴とす
る空燃比制御装置。