JPS5882040A - 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】 本発明は内燃機関の空燃比制御装置に係り、特に、排ガ
スセンサのポンプセルに供給する電流量通流方向のシ流
制−を行うことにより制御目標の空燃比を理論空燃比よ
シも空気過剰側に設定して帰還制御するに好適な空燃比
制御装置に関する。

内燃機関の排気管に排ガスセンサを備え、排ガスセンサ
出力によシ機関に・供給でれる混合＝ｍ度を一定値に帰
還制御することは、タリえば特開昭５１−５３１２６号
公報などに見られる４口く公知である。

しかし、こｎらの制御システムに用いらｎる排薄いかの
判別のみにとどまる。

電動する運転状ｇ（条件）等では燃料経済性や排気浄化
性の向上を図るのに混合気の理論空燃比以外の点で空燃
比を設定した方が好ましい４曾もめシ、上記公−公報で
はこの対策に制御回路に遅れ要素をもたせる手段で空燃
比の検出基準を変えている。

しかしながら、このように遅れ要素をもたせた制御回路
の場脅、所望の空燃比制御点を任意に調整できないこと
から最適な制御を達成させることが困難でめった。

本発明の目的は、理論空燃比以外、特に空気過剰側（以
下、リーフ側と呼称する）で上記遅れ要索などの特別な
制御回路を設けることなく所望の空燃比制御点が任意に
調整可能であり、燃料経済性、排気捗化性の点から機関
の要求に最適な制御値に設定できる空燃比制御装置を提
供するにある。

このような目的を達成するために１本発明は、ポンプセ
ル、基準気体層およびセンサセルからなり前記ポンプセ
ルへの通電によシ前記基準気体ｌ−への酸素の注入、引
抜きを行ない基準気体層と排気ガスとの各酸素の比に対
応する信号をセンサセルから出力する排ガスセンサと、
運転状態情報および前記センサセルの出力に基づいて最
適空燃比を演算する演算装置と、この演算装置の演算結
果から前記ポンプセルに通電させる一流を制御する電流
制御回路とからなるものである。

以下、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図ないし第５図は本発明による空燃比制御装置の一
実施例を示す説明図である。まず、空燃比制御装置に用
いられる排ガスセンサを第１図にて説明する。ち密な廃
結体で作られた第１の固体電解質１はその一面にて白金
電極４２を介して排ガス甲に憎し、他の一面にて白金電
極１−３ヲ介して空体めるいはポーラスな焼結体で作ら
れた基準気体＋ｄ４によする。この基準気体層４に白金
電極５を介して接する前記第１の固体電解質１と同材料
からなる第２の固体電解質６は他面の白金電極！−７を
介し大気に接するようになっている。また、一方を白金
電極層５に、他方を白金電極層７に接続される空燃比制
御回路８がろ９、白金電極層２゜３間には起電圧Ｖａが
発生するようになっている。

このような構成からなる排ガスセンサにおいて、排気中
、基準気体層４中、大気中の各々の酸素分圧をＰ、、Ｐ
、とすると、自差電極層２．３間における起電圧Ｖｇは
（１）式に示すネルンストの式によって表わされること
が知られている。

ここで、Ｒ：ガス定数 Ｔ：温度 Ｆ；ファラデイ一定数 排ガス中の酸素分圧Ｐ、は、機関に供給される混合気濃
度、ここでは空気過剰率λに対して第２図のような関係
にある。つまり、λ≦１の領域ではＰ、は零に近い値で
あり、λ〉１となるとＰ、はλの増加に伴って比例的に
増加する。したがって、λ１に対する酸素分圧をＰ□、
λ！に対する酸素分圧をＰ、２．以下同様に順次繰り返
しλわに対してＰ、６　となる。

ここで、所望のλで制御する場合、ｆｌ）式よシ明らか
な如く排ガスの酸素分圧Ｐ、が基準気体層の“酸素分圧
Ｐ、と等しいとき出力ｖ８は零となる。

したがって、基準気体層４の酸素分圧ＰｒｔをＰ、。

に設定しておくことで、周囲總度Ｔの影４を受けること
なく起・電圧■８は零と／よる。同様にしてλ、の場せ
、排気中の酸素分圧はＰ、、であるから。

このとき基準気体１１４の酸素分圧Ｐ　ｔｍ　　をＰ、
ｎに設定すればよいことになる。

以上の事から、Ｐ、をλの増加に対応して増加するＰ、
に等しくすれば良く、侠言すれば所望のλで制御するに
は、これに対応する基準気体層４の酸素分圧Ｐ、を設定
するだけで、あとは出力Ｖ／８が零になるように機関に
・供給する混合気を調整す扛ば機関は所望のλで運転さ
ｎることになる。一方、基準気体層４の酸素分圧Ｐ、の
制御は空燃比制御回路とポンプセルによシ行い基準気体
層４に酸素分子を仕入あるいは引き出すことで可能とな
る・ 今、空燃比制御回路よりポンプセルの白金電極１１５か
ら７間に電流ＩＰを流すと固体電解質６では白金′成極
層７から白金電極５に向けて酸素イオンの移動が起り基
準気体層４の酸素分圧Ｐｒは増加する。

ここで生じたＰｒと゛電流Ｉｐとの関係は（２）式で堀
わされる。

ここで、Ｋ　は定数、 ｔ　は時間 ＶＢは基準気体層４の体積 ゆえに（２）式より基準気体層４内の酸素分圧Ｐ、はと
なる。ここで、ＶＲは不変でめるからＰｔの制御は電流
蓋Ｉｐと基準気体層４中に酸素分子を注入する時間ｔで
定めることができる。あるいは、時間ｔを一定とすｎば
電流Ｉｔだけで制御でき、また電流Ｉｐを一定とすれば
時間ｔだけで制御できることになる。

次に、空燃比制御回路部にマイクロコンピュータ（以下
、マイコンと略記する）を用いて行う本発明の空燃比制
御装置の実施方）法について、第３図に示したフローチ
ャートに基づいて説明する。

工／ジン始動と共にスタートするマイコンは現在の運転
状態での最適値λを得るためステップ９にてそれに必要
な情報、例えばエンジン回転数、吸入空気１１′４を取
り込み、その後ステップ１０にてこれら情報から所望空
燃比λ８を演算あるいは空燃比マツプより検出する。λ
冨が検出されるとステップ１１にて前記（３）式に基づ
く→ツブによシλ８での空燃比制御に必要な気準気体層
４内の酸素分圧Ｐ　ｒｘを求め、ステップ１２にて、前
記Ｐ　ｒｘに設定するための電流ＩＰＩ＋を計算し、こ
のＩｐｘに相当した出力信号がステップ１３にて選択ス
イッチを介して、ポンプセルに実質Ｉｐ工を遡流する。

このＩｐｘで決定される基準気体１１１４の設定値、即
ち酸素分圧Ｐ２はある時間注入された後一定に保持され
る。したがって、マイコンではこの保持状態を検出する
ことにより所望のλ工に相当する酸素分圧Ｐ□が設定さ
れる（ステップ１４）。

次に、マイコンではヤンサセルの出力の正、負をステッ
プ１５にて検出するのにたとえばコンパレータ゛を介し
た出力信号で取り込み、この信号の’　Ｈｉｇｈ　”か
”ＬＯＷ”レベル信号によってエンジンに燃料を供給す
る噴射弁に与える噴射パルス時間を長くまたは短イ・す
る時間補正を行い所望λ工での制御をする（ステップ１
５）。

なお、補正したことによるλ工の最適値からのずれ、あ
るいは運転状態の変化を検出するような帰還制御を行５
うため、先に設定した基準気体質４内の酸素分圧をクリ
アーする必要かめる。したがって、空燃比制御部では基
準気体層より酸素分子を引き抜くため、ポンプセルに逆
方向の電流Ｉｐを遡流しＰ　ｅｘが零となるようにする
。マイコンは零になったことを判断し次の所望の空燃比
による制御を行うため、再び運転情報の取り込み、判定
と以下、同様に繰り返し行なわれる。　゛ここで、ハー
ドウェアによる具体的一実施例を第４図を用いて示す。

運転情報は情報入力端２４，２５．２６を介して入出力
ポート２３に入力されるようになっている。この人出力
ポート２３の出力はＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ　ｐｒｏＣｅｓ
ｓＯｒ　Ｕｎｉｔ　）　２０に人力され。

こ（ＤＭＰＵ２０ではＨ，Ａ　Ｍ　（Ｂａｎｄｏｍ　Ａ
ｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ　）　２１、およびＲＯＭ　（
Ｒｅａｄ　□ｎｌｙＭｅｍｏｒｙ　）　２２に記憶され
ている自答に基づいて最適空燃比λ値を判足し、これに
対する酸素分圧Ｐｒｆおよび電流Ｉｐを演算するように
なっている。

演算結果に対応するＭＰＵ２０の出力は前記入出力ボー
ト２３を介してスイッチ選択回路２８に入力され、この
スイッチ選択回路２８は前記ＭＰＵ２０の出力に応じて
ＣＩ端子ないしＣ１端子のいずれか１つから出力が送用
されるようになっている。スイッチ選択回′Ｎｒ２８の
各出力はスイッチＳ１ないしＳ、をそれぞｆｌＯＮする
ようになっている。前記スイッチＳｔないしＳ、はその
ＯＮにより、端子１００から正電源がトランジスタＴｒ
ｌから前記各スイッチＳ、ないしＳ１１にそれぞれ接続
される抵抗Ｒ０ないしＲゎを介して、排ガスセンサの゛
−極４に供給されるようになっている。

排ガスセンサの成極７は接地されていることから、前記
電４４に電源が供給されることにより固体Ｉ１１解質６
には電界が生じ、この固体電解質６を介して基４気体層
４内にはＯ３が注入される。なお前記各紙Ｍ、　Ｒｔな
いしＲ，の抵抗値はｔ’ｔｔ＞Ｒ＊　＞　Ｒｓ・・・・
・・〉Ｒ３となっている。

また、排ガスセンサの醒−＝２および３間に生ずる起峨
圧はコンパレータ２９によシ検出さｎ、このコンパレー
タ２９の出力は前記入出力ポート２３に入力されるよう
になっている。入出力ボート２３に入力されるコンパレ
ータの出力値とＭＰＵ２０による演ｎ結果により、前記
人出力ボート２３からは基準信号生成回路２７へ出力が
送出さｎ、この出力櫃に基づいて基準信号生成回路２７
のＤ１端子からは前記トランジスタＴ□のベースに出力
が送出されて前記トランジスタＴＨのＯＮ時間が制御さ
れるようになっている。

さらに、前記基準信号生成回路２７のＤｔ端子からの出
力はトランジスタＴｒ２のベースに入力されるようにな
っており、前記トランジスタＴｒｔは前記トランジスタ
Ｔｒ＋と直列に接続され他端子２００には負電諒が供給
されるようになっている。

基準信号生成回路２７の出力によってトランジスタＴ　
ｒ２のＯＮ時間が制御されるようになっておシ、これに
より、排ガスセンサの固体電解質６には前記トランジス
タＴｒ１がＯＮになった場合と逆の電界が生じることに
なり、この固体電解質６を介して基準気体ｒｍ　４　ｙ
ｉｈらＯ！′・が引抜かれる。

このような構成にて、ＭＰＵ２０はエンジン始動と共に
作動し、運転状態に見合った最適空燃比λを検出するた
め、外部セ／す等に接続されている情報入力端２４，２
５．２６から入出力ポート２３を介し４転情報を取り込
む〇 一方、ＲＡＭ２１にはあらかじめ運転情報から決定され
る運転状態に対応した疲数の空燃比λ値と第２図での空
燃比λ−酸素分圧Ｐ、との関係がそれぞれマツプ１．マ
ツプ２に記憶されている。

ＭＰＵ２０は取り込んだ運転情報より運転状態を判定し
、最適空燃比λ１直をマツプ１から読み出す。また、最
適空燃比λが検出されたことで、排ガスセンサの基準気
体１ｉ１４に設定する酸素分圧Ｐ、ｔもマツプ２から読
み出される。これによシ、基準気体層４に注入（引抜き
）すべくば素分圧Ｐ２量を設定するに必要な′成流Ｉｐ
は前記（３）式によりＭＰＵ２０にて演算決定される。

前記（３）式よシ明らかなように酸素分圧Ｐ、童は電流
Ｉｐと時間ｔの積に比例する関係にあることから％酸素
分圧Ｐ、量を制御するには時間ｔを一定にし電流Ｉｐを
制御するか、また、電流Ｉｐを一足にし時間ｔを制御す
るか、いくつかの方法が考えられるが、ここでは時間を
一定にし、電流Ｉｐｄをｔｔ＋１ｈｔｌする方法を採る
。信号生成回路２７は演算制御部が内蔵するり四ツク信
号より基準気体１−４に酸素分子を注入するための時間
ｔ、また、引き抜くための時間ｔ、を生成する。

前記演：Ｊｌ：　ｍ制御部で基準気体層４に設定する酸
素分圧Ｐｒｌ量及びこれを注入するための電流Ｉｐ４が
決定さｎると、信号生成回Ｉ！３１７の出力端Ｄ１から
注入時間幅ｔ、を持つ注入パルス信号がトランジスタ’
ｌ’ｒｌのペースに出力でれる。このパルス１百号の゛
−Ｈ１ｇｈｌ＋レベルは正電位、“ＬＯＷ’レベルは接
地レベルである。この際、同時にスイッチ選択回路２８
からは演算制御部への指令により、出力端Ｃ１〜Ｃ１の
うち、Ｃ１の出力端からスイッチのコントロール端に信
号が出力される。このため、トランジスタＴ１□のベー
ス信号の“）（ｉｇｈ”レベルの時間ｔの間に導通した
スイッチＳｔとこ扛に接続される抵抗器Ｒとで決定され
る電流Ｉ’Ｐがポンプセルの電極５から電極７に向けて
通流され、基準気体１−４にはぼ素分子が注入され、酸
素分圧Ｐｒｓが設定さｎる。

逆に、基準気体層４中の酸素分子を引き抜く場合、信号
生成回路２７の出力端Ｄ２から引き抜き時間幅１２をも
つ引き扱きパルス信号がトランジスタＴｒ２のペースに
出力される。このパルス信号の’Ｈｉｇｈ”レベルハ接
地レベル、“Ｌ　Ｌ　Ｏｗ　　１″レベルは負電位とな
シ、注入パルス信号の”’ＬＯＷ”レベルのとき、時間
ｔ２の”Ｈｉｇｈ　”レベル力出力される。

酸素分子の引き抜きは基準気体１−４中の酸素分圧Ｐ、
を零にするために行うものでるることから、基準気体４
４に設定される最大の酸素分圧Ｐ、を時間ｔ、中に引き
抜きできる電流量がめればよい。

したがって注入時のように複数の電流量を必要とせず、
したがって、引き抜き直流Ｉｐｎ　はスイッチＳ、と抵
抗Ｒ３によす決定すればよい。

今、引き抜きパルス信号が出力されると、これに同期し
てスイッチ選択回路の出力端Ｃ３からのコントロール信
号によりスイッチＳ力が導通され、これに接続される抵
抗Ｒ１とトランジスタＴｒｙとポンプセル間では、電極
７から電極５に向け、さよって蓄積さｎるＰ２ｔは変わ
るが、Ｉｏ＝０の状態では保持される。（ｈ）はセンサ
セルの正、負の出力信号を演ｎ制御部に取り込むタイミ
ング信号で、これにより取り、込んだ信号から燃料の補
正（噴射パルス幅の長短補正）を決足する。（ｉ）は燃
料補正領域Ｆｆ：示す信号でこの時間内に噴射パルスｉ
唱の長短補正を行なう。

以上説明した９口り、本実施例によれば、ポンプセルの
゛直流制御により基準気体層に所望の酸素分圧を設定で
き、これと排ガス中の酸素分圧の比較により機関に供給
する混合気のλをリーン領域の所望の点で最適な空燃比
制御ができ、こｎによって燃料経済性、排気浄化性の同
上を図ることが可能となる。

なお、上述した実施例によれば、時間を一定にし、電流
Ｉｐ量を制御するようにしたものであるが、これに限ら
ず、電流値ＩＰを一定にしてその５ＩｉｌＥ時間をコン
トロールして、基準気体層内の酸素分圧をｉｌｊｍする
方法、めるいは電流値１ｐの波準気体層同の酸素分圧市
１］御する方法等によっても同僚な効果を得ることがで
きるのはいうまでもない。

以上述べたように、本発明による空燃比制御装置によれ
ば、理論全燃比以外、特に空気過剰側で遅れ要素などの
特別な制御回路を設けることなく所望の空燃比に調整可
能であり、燃料経済性、排気浄化性の意力）ら機関の要
求に最適な制御値に設定できるようにすることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は不発明による空燃比制御装置に用いられる排ガ
スセンサの構造図、第２図は前記排ガスセンサにおける
混合気の空気過剰率と排ガス中の酸素分圧の関係を示す
図％第３図は本発明による空燃比制御装置におけるソフ
トウェアの一例を示す図、第４図は本発明による空燃比
制御装置の制御を行なうハードウェアの具体的一実施例
を示す図、第５図は本発明による空燃比制御装置でのタ
イムチャートの一例を示す図でるる。 準気体ノー、２０・・・ＭＰＵ、２１・・・）ＲＡＭ、
２２・・・ＲＯＭ、２３・・・入出力ボート、２７・・
・基準信号生高１図 ざ め？口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ポンプセル、基準気体層およびセンサセルからなり
   前記ポンプセルへの通電により前記基準気体１−への酸
   素の圧入、引抜きを行ない基準気体層と排気ガスとの各
   酸素の比に対応する信号をセンサセルから出力する排ガ
   スセンサと、運転状態情報および前記センサセルの出力
   に基づいて最適空燃比を演算する演算装置と、この演算
   装置の演算結果刀・ら前記ポンプセルに通電させる電流
   を制御する′ｉｔ流制御回路とからなることを特徴とす
   る空燃比制御装置。