JP3622478B2 - Air-fuel ratio detection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は空燃比検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、内燃機関に供給される混合気の空燃比を目標値に制御するため、内燃機関の排気管に空燃比検出装置を設け、検出した空燃比に応じて燃料供給量をフィードバック制御する技術が広く用いられている。
【0003】
このような空燃比検出装置は、空燃比の検出部(空燃比センサ)と、当該検出部を駆動する駆動回路と、当該駆動回路の出力信号を処理することにより空燃比を求めるためのA/D変換器およびマイクロコンピュータとから構成されており、検出部としてジルコニア固体電解質を利用したものが一般に使われている。
【0004】
図13は、検出部(空燃比センサ)の一例の概略構造を示す一部断面図である。
検出部101は、ジルコニア固体電解質102、ヒータ103、電極104,105、拡散抵抗体106から構成されている。
【0005】
コップ型の検出部101は内燃機関の排気管(図示略)中に配置されている。
袋管状のジルコニア固体電解質102の内部には大気が導入されている。ジルコニア固体電解質102の内部に配置された棒状のヒータ103は、ジルコニア固体電解質102を少なくとも600℃以上に加熱して酸素イオンの導電性を向上させている。
【0006】
ジルコニア固体電解質102の大気雰囲気側には大気側電極104が形成され、排気ガス雰囲気側には排気側電極105が形成されている。尚、各電極104,105は膜厚が数μm〜数十μmの多孔質の白金材料から形成されている。
電極105の表面に形成された拡散抵抗体106は、排気ガス雰囲気中から電極105へ拡散によって流入する酸素や未撚ガスである一酸化炭素などの流入を抑制する。尚、拡散抵抗体106はスピネルなどをプラズマ溶射することにより多孔質に形成されており、拡散抵抗率を大きくするため膜厚は数百μmに設定されている。
【0007】
図14に、検出部101を駆動するための従来の駆動回路81を示す。
駆動回路81は、オペアンプ82,83および抵抗R1〜R4から構成されている。
オペアンプ82の出力端子は、抵抗R1を介して検出部101の電極104に接続されると共に、各抵抗R1,R3を介してオペアンプ82の反転入力端子に接続されている。また、オペアンプ83の出力端子は抵抗R2を介して検出部101の電極105に接続されると共に、各抵抗R2,R4を介してオペアンプ83の反転入力端子に接続されている。そして、オペアンプ82の非反転入力端子には大気側印加電圧VAF+が印加され、オペアンプ83の非反転入力端子には排気側印加電圧VAF−が印加されている。ここで、各オペアンプ82,83は、プラス側電源VBおよびグランドに接続されて電源供給がなされ単電源動作を行うようになっている。以下、各抵抗R1〜R4の抵抗値をそれぞれ「R1」〜「R4」と表記する。
【0008】
検出部101の電極104にはオペアンプ82から電圧VAF+が印加され、電極105にはオペアンプ83から電圧VAF−が印加されるため、各電極104,105間には各電圧VAF+,VAF−の差電圧VR(=VAF+−VAF−)が印加されることになる。
【0009】
空気過剰率λが1より大きいリーン領域(λ>1)においては、電極105の電圧が電極104の電圧よりもVRだけ低いため、この励起電圧VRによって排気ガス雰囲気中の残存酸素は拡散抵抗体106を介して電極105で酸素イオンに変換され、この酸素イオンはジルコニア固体電解質102中を酸素ポンプ作用によって電極104側へ移送され、電極104で再び酸化されて酸素ガスになり大気雰囲気中へ放出される。このとき、酸素イオンの流れとは逆向きに電極104から電極105へセンサ電流(ポンプ電流)Ipが流れる。このセンサ電流Ipは、排気ガス雰囲気中から拡散抵抗体106を介して電極105へ拡散によって流入する酸素量に対応する。
【0010】
空気過剰率λが1の理論空燃比(λ=1)においては、拡散抵抗体106を介して電極105へ拡散で流入する排気ガス中の残存酸素の量と一酸化炭素などの残存未燃ガスの量とは化学当量比であり、電極105の触媒作用により両者は完全に燃焼する。そのため、電極105の近傍には酸素がなくなり、各電極104,105間に電圧が励起されても、ジルコニア固体電解質102中を移送される酸素イオンはなくなる。従って、各電極104,105間に流れるセンサ電流Ipは零になる(Ip=0)。
【0011】
空気過剰率λが1より小さいリッチ領域(λ<1)においては、リーン領域の場合とは逆に、電極104から電極105へ酸素イオンが流れ、この酸素イオン流は電極105の近傍の酸素濃度を高めるように作用し、電極105で再び酸化されて酸素ガスになり、この酸素ガスは、拡散抵抗体106を介して排気ガス雰囲気中から電極105へ拡散で流入する一酸化炭素などの未燃ガスを燃焼させる。従って、ジルコニア固体電解質102中を電極104側から電極105側へ移送される酸素イオンの量は、電極105へ拡散で流入する未燃ガスの量に対応した値になる。このとき、酸素イオンの流れとは逆向きに電極105から電極104へセンサ電流Ipが流れる。
【0012】
抵抗R1の両端はそれぞれA/D変換器84に接続されている。A/D変換器84は、マイクロコンピュータ85の制御に従い、抵抗R1におけるオペアンプ82側の電圧V1と検出部101側の電圧V2とをそれぞれA/D変換し、そのA/D変換値をマイクロコンピュータ85に出力する。ここで、A/D変換器84はプラス側電源VCおよびグランドに接続されて電源供給がなされている。以下、各電源VB,VCの電圧をそれぞれ「VB」,「VC」と表記する。
【0013】
マイクロコンピュータ85は、CPU,ROM,RAM,I/O回路を有する周知の構成であり、式(1)に示すように、抵抗R1の両端の電圧V1,V2と抵抗R1の抵抗値R1とに基づいて、検出部101の各電極104,105間に流れるセンサ電流Ipを算出する。
【0014】
Ip=(V1−V2)/R1 ………(式1)
そして、マイクロコンピュータ85は、センサ電流Ipに基づいて空燃比を算出し、算出した空燃比に応じて内燃機関への燃料供給量をフィードバック制御することにより、内燃機関に供給される混合気の空燃比を目標値に制御する。
【0015】
ところで、駆動回路81において、抵抗R2は、オペアンプ83の非反転入力端子が電源VBとショートした場合、過大な電流がオペアンプ83の非反転入力端子に流れ込んだり出力端子から流れ出したりしてオペアンプ83が破壊されるのを防止すると共に、静電気からオペアンプ83の出力端子を保護するために設けられており、その抵抗値は47Ω程度に設定されている。
【0016】
尚、オペアンプ82については抵抗R1が設けられているため、その抵抗値を47Ω以上に設定することにより、オペアンプ82の非反転入力端子が電源VBとショートした場合、過大な電流がオペアンプ82の非反転入力端子に流れ込んだり出力端子から流れ出したりしてオペアンプ82が破壊されるのを防止すると共に、静電気からオペアンプ82の出力端子を保護することができる。
【0017】
また、各抵抗R3,R4は、静電気から各オペアンプ82,83の出力端子を保護するために設けられており、その抵抗値は1kΩ程度に設定されている。
ここで、オペアンプ82の非反転入力端子に印加される電圧VAF+が固定の場合、電圧V2は電圧VAF+と等しくなるため、マイクロコンピュータ85は電圧V2の値を予め内蔵ROMに記憶しておくことにより認知することが可能であり、A/D変換器84において電圧V2をA/D変換する必要はない。しかし、オペアンプ82にオフセット電圧が存在する場合など、電圧V2が電圧VAF+と等しくならない場合にもセンサ電流Ipを正確に検出するため、上記のようにA/D変換器84において電圧V2をA/D変換することが望ましい。
【0018】
ところで、特開昭61−180131号公報には、図14に示す駆動回路81と類似の回路が開示されている。同公報の図3に記載の回路において、駆動回路81と異なるのは、各抵抗R2〜R4が省かれて短絡されている点と、オペアンプ83の出力端子とオペアンプ82の非反転入力端子との間に励起電圧VRの設定用の電圧源が接続されている点だけである。尚、各抵抗R2〜R4の作用は上記の通りであり、各抵抗R2〜R4を省いて短絡した場合でも駆動回路81の基本的な動作には影響を与えない。また、駆動回路81では各電圧VAF+,VAF−を各オペアンプ82,83の非反転入力端子に印加しており、各電圧VAF+,VAF−の差電圧VRが励起電圧となるため、同公報に記載の電圧源と同様に機能する。従って、同公報に記載の回路は駆動回路81と基本的には同じ動作を行う。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
近年、環境保護のために排気ガス中の二酸化炭素の削減が要求されると共に、さらなる低燃費化が要求されている。そのため、内燃機関を理論空燃比(λ=1)で運転制御するストイキ制御に加えて、リーン領域(λ>1)で運転制御するリーンバーン制御を行うことが必須となっている。すなわち、内燃機関の運転状態に応じてストイキ制御とリーンバーン制御とを切り替えて精密に制御することが要求されている。しかし、図14に示す従来の駆動回路81においては、リーンバーン制御を行うために高い領域の空燃比(例えば25以上)を検出する際に、検出精度が低下するという問題がある。
【0020】
前記したように、リーン領域においては、電極104から電極105へセンサ電流Ipが流れる。このとき、オペアンプ83の出力可能な最低電圧をVCEとする。また、各オペアンプ82,83の非反転入力端子に印加される電圧VAF+,VAF−は、両方共に可変可能であるとする。すると、電圧VAF−は式(2)により表される。
【0021】
VAF−≧VCE+Ip・R2 ………(式2)
オペアンプ82にオフセット電圧が存在しないとすると電圧V2は電圧VAF+と等しくなり、検出部101の各電極104,105間に印加される電圧VRは各電圧VAF+,VAF−の差電圧であるため、電圧V2は式(3)により表される。
【0022】
V2=VAF+=VAF−+VR ………(式3)
また、電圧V1は式(4)により表される。
V1=V2+Ip・R1 ………(式4)
図15に、ヒータ103によりジルコニア固体電解質102が700℃に加熱された場合の検出部101における印加電圧VRとセンサ電流Ipの特性例を示す。
【0023】
この特性例では、空燃比(A/F)が40のときのセンサ電流Ipが23mAになる。
ここで、Ip=23mA、VCE=1.5V、VR=0.9V、R1=100Ω、R2=47Ωとして式(2)〜(4)に代入すると、各電圧V2,V1の値は式(5)(6)に示すようになる。
【0024】
V2≧3.481V ………(式5)
V1≧5.781V ………(式6)
A/D変換器84はプラス側電源VCおよびグランドに接続されて電源供給がなされているため、電源電圧VCを5Vとすると、A/D変換値の最大値は5Vとなる。よって、電圧V2はA/D変換器84にてA/D変換可能であるが、電圧V1はA/D変換器84にてA/D変換することができない。従って、空燃比が40のとき、マイクロコンピュータ85は当該空燃比を算出することができない。
【0025】
ところで、センサ電流Ipの検出可能な最大値Ip(max)は、式(1)〜(3)から求められる式(7)により表される。
図15に示す特性の検出部101では、空燃比が30のときのセンサ電流Ipが19mAになる。従って、空燃比が30のとき、マイクロコンピュータ85は当該空燃比を算出することができない。
【0026】
このように、従来の駆動回路81では高い領域の空燃比を検出することができないため、高い領域の空燃比におけるリーンバーン制御を行うことは不可能である。
ところで、抵抗R1を100Ωより小さくし、例えば、56Ωにすれば、式(4)より電圧V1を4.769VにすることができるためA/D変換器84にてA/D変換することが可能になり、式(7)よりIp(max)を25.24mAにすることができるため図15に示す特性の検出部101でも30,40といった高い領域の空燃比まで検出することが可能になる。しかし、抵抗R1の抵抗値を小さくすると、各電圧V1,V2の電位差が小さくなるため、A/D変換器84の変換精度が低下し、マイクロコンピュータ85の算出する空燃比の精度も低下することになる。従って、抵抗R1の抵抗値を小さくすると、高い領域の空燃比におけるリーンバーン制御を精密に制御することができない。
【0027】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、リッチ領域,理論空燃比,リーン領域の各状態における空燃比を高精度に検出可能な空燃比検出装置を提供することにある。
【0028】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項1に記載の発明は、ジルコニア固体電解質と、該ジルコニア固体電解質の大気雰囲気側に形成された大気側電極と、該ジルコニア固体電解質の排気雰囲気側に形成された排気側電極と、排気雰囲気から該排気側電極へ拡散で流入するガスを抑制する拡散抵抗体とを備えた検出部を設けている。そして、該検出部の大気側電極および排気側電極に対してそれぞれ電圧を印加する駆動回路部を備える。また、前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流を検出し、その電流値に基づいて空燃比を検出する検出回路部を備える。
【0029】
従って、本発明によれば、検出部の大気側電極ではなく、排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流を検出し、その電流値に基づいて空燃比を検出するため、高い領域の空燃比まで高精度に検出することが可能になり、リッチ領域および理論空燃比からリーン領域へ空燃比の検出範囲を拡大することができる。
【0030】
具体的には、前記駆動回路部は、前記検出部の大気側電極に印加される大気側印加電圧を生成する大気側電圧生成手段と、前記検出部の排気側電極に印加される排気側印加電圧を生成する排気側電圧生成手段と、前記検出部の排気側電極と前記排気側電圧生成手段との間に接続された電流検出用抵抗とを備える。また、前記検出回路部は、前記駆動回路部の電流検出用抵抗の両端の電圧のうち少なくとも前記排気側電圧生成手段側の電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段によって検出された電圧から前記電流検出用抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段によって検出された電流に基づいて空燃比を算出する空燃比算出手段とを備える。
【0031】
従って、本発明によれば、電流検出用抵抗の抵抗値を小さくしなくても高い領域の空燃比を検出することが可能になるため、電圧検出手段をA/D変換器にて具体化した場合にそのA/D変換精度が低下するおそれがなくなり、空燃比算出手段にて算出される空燃比の精度を高めることができる。
【0032】
次に、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の空燃比検出装置において、前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧と、前記排気側電圧生成手段の生成する排気側印加電圧とが共に固定されている。
従って、請求項2に記載の発明によれば、ストイキ制御に必要な範囲の空燃比を高精度に検出することができる。
【0033】
ところで、請求項2に記載の空燃比検出装置における前記駆動回路部は、請求項3に記載の発明のように、電圧源とグランドとの間に直列接続された複数の抵抗から成る抵抗分圧回路を備える。そして、前記大気側電圧生成手段は、前記抵抗分圧回路によって抵抗分圧された電圧により大気側印加電圧を生成する。また、前記排気側電圧生成手段は、前記抵抗分圧回路によって抵抗分圧された電圧により排気側印加電圧を生成する。
【0034】
従って、請求項3に記載の発明によれば、抵抗のみから成る簡単な抵抗分圧回路により得られる電圧にて、大気側印加電圧および排気側印加電圧を共に生成することができる。
次に、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の空燃比検出装置において、前記駆動回路部は、前記検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧に基づいて、前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧を制御することにより、前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流を飽和させる。そして、前記空燃比算出手段は、前記飽和された電流値に基づいて空燃比を検出する。
【0035】
従って、本発明によれば、空燃比に応じて検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧を変化させることが可能になり、リーン領域の広範囲の空燃比を検出することができる。
ところで、請求項4に記載の空燃比検出装置における前記駆動回路部は、請求項5に記載の発明のように、電圧源とグランドとの間に直列接続された複数の抵抗から成る抵抗分圧回路と、前記検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧に基づいた可変電圧を生成する可変電圧生成回路とを備える。そして、前記大気側電圧生成手段は、前記可変電圧生成回路の生成する可変電圧により大気側印加電圧を生成する。また、前記排気側電圧生成手段は、前記抵抗分圧回路によって抵抗分圧された電圧により排気側印加電圧を生成する。
【0036】
従って、請求項5に記載の発明によれば、排気側印加電圧を固定して大気側印加電圧を可変することにより、空燃比に応じて検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧を変化させることが可能になり、リーン領域の広範囲の空燃比を検出することができる。
【0037】
また、請求項5に記載の空燃比検出装置は、請求項6に記載の発明のように、前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧を一定値以下に抑えることにより、前記検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧を抑制して前記検出部を保護する保護手段を備える。
【0038】
従って、請求項6に記載の発明によれば、検出部の電極間に異常な電圧が印加されるのを回避して、検出部の劣化や破壊を防止することができる。
次に、請求項7に記載の発明は、請求項1に記載の空燃比検出装置において、前記駆動回路部は、前記検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧に基づいて、前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧と、前記排気側電圧生成手段の生成する排気側印加電圧とを共に可変することにより、前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流を飽和させる。そして、前記空燃比算出手段は、前記飽和された電流値に基づいて空燃比を検出する。
【0039】
従って、本発明によれば、排気側印加電圧と大気側印加電圧とを共に可変することにより、空燃比に応じて検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧を変化させることが可能になり、リーン領域の広範囲の空燃比を検出することができる。
【0040】
次に、請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の空燃比検出装置において、前記検出部の大気側電極と排気側電極との間の交流的な内部抵抗を検出し、その内部抵抗が一定になるように前記検出部のジルコニア固体電解質の温度を一定に制御する。
【0041】
従って、本発明によれば、ジルコニア固体電解質の温度を常に一定に保ち、検出部の各電極間に印加される電圧に対して排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流の特性変動を防止することが可能になり、空燃比の検出精度をさらに高めることができる。
【0042】
ところで、請求項8に記載の空燃比検出装置は、請求項9に記載の発明のように、前記検出部のジルコニア固体電解質を加熱するヒータを備え、前記内部抵抗が一定になるように該ヒータの作動を制御する。
また、請求項9に記載の空燃比検出装置は、請求項10に記載の発明のように、前記排気側電圧生成手段の生成する排気側印加電圧を変化させ、その電圧の変化量と、その電圧の変化によって生じた前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流の変化量とに基づいて前記内部抵抗を検出する。
【0043】
また、請求項9に記載の空燃比検出装置は、請求項11に記載の発明のように、前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧を変化させ、その電圧の変化量と、その電圧の変化によって生じた前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流の変化量とに基づいて前記内部抵抗を検出する。
【0044】
尚、以下に述べる発明の実施の形態において、特許請求の範囲または課題を解決するための手段に記載の「検出回路部」はA/D変換器84およびマイクロコンピュータ85から構成され、同じく「大気側電圧生成手段」はオペアンプ82から構成され、同じく「排気側電圧生成手段」はオペアンプ83から構成され、同じく「電圧検出手段」はA/D変換器84から構成され、同じく「電流検出手段」はマイクロコンピュータ85におけるS102の処理に相当し、同じく「空燃比算出手段」はマイクロコンピュータ85におけるS103の処理に相当し、同じく「電圧源」は電源VCに相当し、同じく「可変電圧生成回路」はD/A変換器32から構成され、同じく「保護手段」はダイオードD1から構成される。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面と共に説明する。尚、各実施形態において、図13〜図15に示した従来の形態と同じ構成部材については符号を等しくしてその詳細な説明を省略する。
【0046】
(第1実施形態)
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面と共に説明する。
図2に、本実施形態の空燃比検出装置を用いた自動車用内燃機関の制御装置の全体構成を示す。
【0047】
制御装置11は、入力バッファ12、出力バッファ13、駆動回路14、A/D変換器84、マイクロコンピュータ85から構成されている。
内燃機関の回転数を検出する回転センサからの回転数検出信号NE,自動車の車速を検出する車速センサからの車速検出信号SPD,スタータスイッチが操作されたか否かに対応するスタータスイッチ操作検出信号STAなどのディジタル信号は、入力バッファ12にてノイズ除去および波形整形が施されて0Vまたは5Vの信号に変換され、マイクロコンピュータ85に入力される。
【0048】
また、内燃機関の吸入空気量を検出する空気量センサからの吸入空気量検出信号VG,スロットル開度を検出するスロットル開度センサからのスロットル開度検出信号VTA,内燃機関の冷却水温を検出する冷却水温センサからの水温検出信号THWなどのアナログ信号は、A/D変換器84にてA/D変換され、マイクロコンピュータ85に入力される。
【0049】
駆動回路14は検出部101を駆動し、駆動回路14から出力される各電圧V1,V2はA/D変換器84にてA/D変換され、マイクロコンピュータ85に入力される。
マイクロコンピュータ85は、入力バッファ12およびA/D変換器84から入力された各種信号に基づいて、インジェクタから内燃機関へ供給される燃料噴射量の制御信号INJ,点火時期の制御信号IGT,アイドル回転制御用バルブの制御信号ISC,検出部101のヒータ103を制御するための制御信号HTなどを生成する。マイクロコンピュータ85の生成したこれらの制御信号は、出力バッファ13を介して制御装置11の外部へ出力される。
【0050】
図1に、駆動回路14の内部構成を示す。
本実施形態の駆動回路14において、従来の駆動回路81と異なるのは以下の点である。
(1−1)オペアンプ82の出力端子は、抵抗R2を介して検出部101の電極104(大気雰囲気側)に接続されると共に、各抵抗R2,R3を介してオペアンプ82の反転入力端子に接続されている。
【0051】
(1−2)オペアンプ83の出力端子は抵抗R1を介して検出部101の電極105(排気ガス雰囲気側)に接続されると共に、各抵抗R1,R4を介してオペアンプ83の反転入力端子に接続されている。
(1−3)A/D変換器84は、抵抗R1におけるオペアンプ83側の電圧V1と検出部101側の電圧V2とをそれぞれA/D変換し、そのA/D変換値をマイクロコンピュータ85に出力する。
【0052】
次に、本実施形態の駆動回路14の作用について説明する。
前記したように、リーン領域においては、電極104から電極105へセンサ電流Ipが流れる。このとき、オペアンプ83の出力可能な最低電圧をVCEとする。また、各オペアンプ82,83の非反転入力端子に印加される電圧VAF+,VAF−は、両方共に可変可能であるとする。すると、電圧V1は式(8)により表される。
【0053】
V1≧VCE ………(式8)
オペアンプ83にオフセット電圧が存在しないとすると電圧V2は電圧VAF−と等しくなり、電圧V2は式(9)により表される。
V2=VAF−=V1+Ip・R1 ………(式9)
検出部101の各電極104,105間に印加される電圧VRは各電圧VAF+,VAF−の差電圧であるため、電圧VAF+は式(10)により表される。
【0054】
VAF+=VAF−+VR ………(式10)
オペアンプ82の出力電圧VOPは式(11)により表される。
VOP=VAF++Ip・R2 ………(式11)
前記した駆動回路81の場合と同様に、Ip=23mA、VCE=1.5V、VR=0.9V、R1=100Ω、R2=47Ωとして式(8)〜(11)に代入すると、各電圧V2,V1,VAF+,VOPの値は式(12)〜(15)に示すようになる。
【0055】
また、センサ電流Ipの検出可能な最大値Ip(max)は、式(8)〜(11)から求められる式(16)により表される。
【0056】
Ip(max)=(VC−VR−VCE)/R1=26mA ………(式16)
従って、式(13)(14)を満足するように各電圧VAF+,VAF−を設定することにより、各電圧V1,V2を共に5V以下にすることができる。A/D変換器84はプラス側電源VCおよびグランドに接続されて電源供給がなされているため、電源電圧VCを5Vとすると、A/D変換値の最大値は5Vとなる。よって、式(12)(13)より、各電圧V1,V2はA/D変換器84にてA/D変換可能になる。
【0057】
図15に示す特性の検出部101では、空燃比が40のときのセンサ電流Ipが23mAになる。従って、式(16)より、空燃比が40のときも、マイクロコンピュータ85は当該空燃比を算出することができる。
尚、式(15)より、オペアンプ82の出力電圧VOPは5Vを越えるが、各オペアンプ82,83の電源VBを車載バッテリから供給するようにすれば、車載バッテリの電圧は14Vであることから、オペアンプ82の出力電圧VOPの最大値は14Vになり何ら問題とはならない。
【0058】
次に、本実施形態においてマイクロコンピュータ85が実行する処理の詳細を、図3に示すフローチャートを用いて説明する。
イグニッションスイッチがオンされて車載バッテリから電源が供給されることによりマイクロコンピュータ85が起動すると、内蔵ROMに記録されている制御プログラムに従い、コンピュータによる各種演算処理によって、以下の各ステップの処理を実行する。
【0059】
まず、ステップ(以下、Sという)101において、抵抗R1の両端の電圧V1,V2のA/D変換をA/D変換器84に実行させ、そのA/D変換値を受け取る。
次に、S102において、前記式(1)に示すように、駆動回路14から出力される各電圧V1,V2と抵抗R1の抵抗値とに基づいて、検出部101の各電極104,105間に流れるセンサ電流Ipを算出する。
【0060】
次に、S103において、予め内蔵ROMに記録されているデータテーブルを用いたテーブル補間により、センサ電流Ipに対応した空燃比(A/F)を算出する。ここで、センサ電流Ipと空燃比とは完全にリニアな直線関係にはならないため、予め何点かのセンサ電流Ipに対応する空燃比を求めてデータテーブルを作成しておく必要がある。
【0061】
次に、S101へ戻るが、本実施形態ではこのS101からS103のルーチンを8msのタイミングで繰り返し行う。
そして、マイクロコンピュータ85は、算出した空燃比に応じて燃料噴射量をフィードバック制御して燃料噴射量制御信号INJを生成することにより、内燃機関に供給される混合気の空燃比を目標値に制御する。
【0062】
このように、本実施形態の駆動回路14によれば、高い領域の空燃比を検出することが可能になるため、内燃機関の制御装置11は高い領域の空燃比におけるリーンバーン制御を行うことができる。そして、抵抗R1の抵抗値を小さくする必要がないため、高い領域の空燃比を検出する際にも、A/D変換器84の変換精度が低下するおそれはなく、マイクロコンピュータ85の算出する空燃比の精度を高めることができる。従って、検出精度を低下させることなく、リッチ領域および理論空燃比からリーン領域へ空燃比の検出領域を拡大することができる。
【0063】
ここで、オペアンプ83の非反転入力端子に印加される電圧VAF−が固定の場合、電圧V2は電圧VAF−と等しくなるため、マイクロコンピュータ85は電圧V2の値を予め内蔵ROMに記憶しておくことにより認知することが可能であり、A/D変換器84において電圧V2をA/D変換する必要はない。しかし、オペアンプ83にオフセット電圧が存在する場合など、電圧V2が電圧VAF−と等しくならない場合にもセンサ電流Ipを正確に検出するため、上記のようにA/D変換器84において電圧V2をA/D変換することが望ましい。但し、電圧V2が電圧VAF−と等しい条件が満足されるならば、A/D変換器84における電圧V2のA/D変換を省くことも可能である。
【0064】
(第2実施形態)
以下、第1実施形態をより具体化した第2実施形態を図面と共に説明する。尚、本実施形態において、第1実施形態と同じ構成部材については符号を等しくしてその詳細な説明を省略する。
【0065】
図4に、本実施形態の駆動回路21の内部構成を示す。
駆動回路21において、図1に示す第1実施形態の駆動回路14と異なるのは、電源VCとグランドとの間に直列接続された各抵抗R5〜R7による抵抗分圧によって各電圧VAF+,VAF−を生成している点である。
【0066】
次に、本実施形態の駆動回路21の作用について説明する。
本実施形態は、リーンバーン制御を行わず、ストイキ制御のみを行う場合に適用したものである。ストイキ制御時には、例えば、空燃比(A/F)が13から18の間でほぼ制御されるため、図15に示す特性の検出部101では、センサ電流Ipを−10mA以上10mA以下の範囲(−10mA≦Ip≦10mA)で検出できれば十分である。また、図15の点線(a)に示すように、印加電圧VRも一定値(=0.4V)に設定すればよい。尚、リーン領域においてセンサ電流Ipが電極104から電極105へ流れる場合にセンサ電流Ipは正の値をとり、リッチ領域においてセンサ電流Ipが電極105から電極104へ流れる場合にセンサ電流Ipは負の値をとる。
【0067】
センサ電流Ipのとる範囲が−10mA以上10mA以下であるため、リッチ領域におけるセンサ電流の絶対値IpRとリーン領域におけるセンサ電流の絶対値IpLとが等しくなるように電圧VAF−を設定する。ここで、電圧V1の最大値をV1(max)とすると、センサ電流IpRの最大値IpR(max)は式(17)により表される。また、センサ電流IpLの最大値IpL(max)は式(18)により表される。
【0068】
ここで、電源電圧VCを5Vとすると最大値V1(max)は5Vになる。そこで、IpR(max)=IpL(max)、V1(max)=5V、VCE=1.5V、R1=100Ωとして式(17)(18)に代入すると、各電圧VAF−,VAF+は式(19)(20)に示すようになる。そのため、IpR(max)およびIpL(max)は式(21)に示すようになる。
【0069】
従って、式(19)(20)を満足するように各抵抗R5〜R7の抵抗値を設定することにより、図15に示す特性の検出部101を用いてストイキ制御を行うことができる。
【0070】
尚、本実施形態においてマイクロコンピュータ85が実行する処理は、第1実施形態と同じであるため説明を省略する。
このように、本実施形態の駆動回路21によれば、各抵抗R5〜R7による簡単な抵抗分圧回路を用いて各電圧VAF+,VAF−を生成することにより、ストイキ制御に必要な範囲の空燃比を高精度に検出することができる。
【0071】
また、第1実施形態の駆動回路14に各抵抗R5〜R7による抵抗分圧回路を接続するだけで本実施形態の駆動回路21を作成することができる。そのため、駆動回路14においてオペアンプ82,83および抵抗R1〜R4が実装されるプリント基板を駆動回路21に流用することが可能になり、各駆動回路14,21にてプリント基板を共通化することができる。そして、本実施形態においてマイクロコンピュータ85が実行する処理は第1実施形態と同じであるため、マイクロコンピュータ85の制御プログラムについても、本実施形態と第1実施形態とで共通化することができる。従って、本実施形態によれば、第1実施形態とプリント基板および制御プログラム(ソフトウェア)を共通化することが可能になるため、コストダウンを図ることができる。
【0072】
(第3実施形態)
以下、第1実施形態をより具体化した第3実施形態を図面と共に説明する。尚、本実施形態において、第1実施形態と同じ構成部材については符号を等しくしてその詳細な説明を省略する。
【0073】
図5に、本実施形態の駆動回路31の内部構成を示す。
駆動回路31において、図1に示す第1実施形態の駆動回路14と異なるのは以下の点である。
(3−1)駆動回路31は、オペアンプ82,83および抵抗R1〜R4に加えて、抵抗R8〜R10、ダイオードD1、D/A変換器32から構成されている。
【0074】
(3−2)D/A変換器32は、マイクロコンピュータ85の制御に従い、D/A変換値としての電圧VAF+を生成する。ここで、D/A変換器32はプラス側電源VCおよびグランドに接続されて電源供給がなされている。
(3−3)オペアンプ82の非反転入力端子には、D/A変換器32から抵抗R10を介して電圧VAF+が印加されている。尚、抵抗R10は静電気からオペアンプ82の非反転入力端子を保護するために設けられている。
【0075】
(3−4)オペアンプ83の非反転入力端子には、電源VCとグランドとの間に直列接続された各抵抗R8,R9による抵抗分圧によって生成された電圧VAF−が印加されている。また、オペアンプ83の非反転入力端子はダイオードD1のカソードに接続され、ダイオードD1のアノードはオペアンプ82の非反転入力端子に接続されている。
【0076】
次に、本実施形態の駆動回路31の作用について説明する。
図15に示す特性の検出部101を用いた場合、12から40までの広範囲の空燃比(A/F)に対応するセンサ電流Ipを飽和電流値にて検出しようとすると、図15の点線(b)に示すように、空燃比に応じて印加電圧VRを変化させなければならない。そこで、本実施形態においては、各抵抗R8,R9による抵抗分圧によって電圧VAF−を固定すると共に、D/A変換器32によって電圧VAF+を可変することにより、空燃比に応じて印加電圧VRを変化させるようにしている。
【0077】
図15に示す特性の検出部101では、12から40の範囲の空燃比に対応するセンサ電流Ipを飽和電流値にて検出する場合、センサ電流Ipを−10mA以上25mA以下の範囲(−10mA≦Ip≦25mA)で検出する必要がある。
【0078】
前記式(17)(18)より、式(22)が求められる。
IpR(max)+IpL(max)=(V1(max)−VCE)/R1 ………(22)
ここで、IpR(max)=10mA、IpL(max)=25mA、V1(max)=5V、VCE=1.5Vとして式(22)に代入すると、抵抗R1は式(23)に示すようになる。
【0079】
そこで、IpR(max)=10mA、IpL(max)=25mA、V1(max)=5V、VCE=1.5V、R1=100Ωとして式(17)(18)に代入すると、電圧VAF−は式(24)に示すようになる。
【0080】
VAF−=4.0V ………(24)
但し、式(24)にて求めた電圧VAF−により必要な印加電圧VRが得られるか否かを確認する必要がある。D/A変換器32はプラス側電源VCおよびグランドに接続されて電源供給がなされているため、電源電圧VCを5Vとすると、D/A変換値の最大値は5Vとなる。ここで、図15の点線(b)より印加電圧VRの最大値VR(max)を0.9Vとすると、式(24)より電圧VAF−は4.0Vであるため、前記式(10)より電圧VAF+の最大値は4.9Vとなり、D/A変換器32の出力の最大値である5Vより小さいため何ら問題とはならない。
【0081】
しかし、式(24)にて求めた電圧VAF−により必要な印加電圧VRが得られない場合には、抵抗R1および電圧VAF−を再設定する。すなわち、前記式(16)より求められる式(25)に各値VC,VR(max),VCE,IpL(max)を代入して抵抗R1を求める。
【0082】
R1=(VC−VR(max)−VCE)/IpL(max) ………(25)
また、電源電圧VCを5VとするとD/A変換器32の出力の最大値(すなわち、電圧VAF+の最大値)は5Vとなるため、VAF+=5Vと必要な印加電圧VRの値とを前記式(10)に代入して電圧VAF−を求める。
【0083】
従って、求めた電圧VAF−が得られるように各抵抗R8,R9の抵抗値を設定することにより、図15に示す特性の検出部101を用いて、12から40の範囲の空燃比に対応するセンサ電流Ipを飽和電流値にて検出することができる。次に、本実施形態においてマイクロコンピュータ85が実行する処理の詳細を、図6に示すフローチャートを用いて説明する。
【0084】
図6に示すS101〜S103の各ステップについては、図3に示すそれと同じである。
そして、S103に続くS104において、予め内蔵ROMに記録されている検出部101における印加電圧VRとセンサ電流Ipの特性データ(図15の点線(b))に基づき、S102にて算出したセンサ電流Ipに対応する印加電圧VRを算出する。
【0085】
次に、S105において、算出した印加電圧VRと電圧VAF−(=V2)とを前記式(10)に代入して電圧VAF+を算出し、その電圧VAF+をD/A変換器32から生成させる。
次に、S101へ戻るが、本実施形態ではこのS101からS105のルーチンを8msのタイミングで繰り返し行う。
【0086】
このように、本実施形態の駆動回路31によれば、各抵抗R8,R9による簡単な抵抗分圧回路を用いて固定した電圧VAF−を生成すると共に、D/A変換器32によって電圧VAF+を可変することにより、空燃比に応じて印加電圧VRを変化させることが可能になり、リーン領域の広範囲の空燃比を検出することができる。
【0087】
尚、電圧VAF−を生成するD/A変換器を加え、各電圧VAF+,VAF−を共に可変することにより印加電圧VRを可変するようにしてもよいが、その場合はD/A変換器が2つ必要となりコストが増大することになる。
ところで、ダイオードD1は検出部101を保護するために設けられている。すなわち、センサ電流Ipが飽和電流値にならない領域で検出部101を使用すると、検出部101が劣化したり破壊されたりする。そのため、図15に示す特性の検出部101を用いた場合には、印加電圧VRを±1V以内にする必要がある。しかし、D/A変換器32またはマイクロコンピュータ85が異常な動作を起こした場合や、D/A変換器32とマイクロコンピュータ85とを接続する配線に異常が生じた場合などには、異常に高いか又は低い電圧VAF+が生成されることがあり、印加電圧VRが±1Vを越えることがある。
【0088】
例えば、生成された電圧VAF+が電圧VAF−よりも低い場合(VAF+<VAF−)、電圧VAF+は式(25)により表される。
VAF+=VAF−−VF ………(式25)
そのため、印加電圧VR(=VAF+−VAF−)はしきい値電圧VFと等しくなり、通常、しきい値電圧VFは1V以下であるため、印加電圧VRを±1V以内におさめることができる。従って、ダイオードD1によって各オペアンプ82,83の非反転入力端子間をクランプすることにより、電圧VAF+が電圧VAF−よりも低い場合に印加電圧VRが異常に高くなるか又は低くなるかして検出部101に劣化や破壊が起こるのを回避することができる。
【0089】
また、生成された電圧VAF+が異常に高い場合、検出部101に劣化や破壊が起こらない印加電圧VRの最大値VR(max)を1Vとし、電源電圧VCを5VとしてD/A変換器32の出力の最大値(すなわち、電圧VAF+の最大値)を5Vとすると、前記式(10)より電圧VAF−を4V以上に設定しておけば、前記最大値VR(max)を1V以下におさめることができる。ここで、前記式(24)より電圧VAF−は4.0Vであるため、実用上、最大値VR(max)を1V以下にすることができる。従って、前記最大値VR(max)および電圧VAF+の最大値に応じて電圧VAF−を最適に設定することにより、電圧VAF+が異常に高い場合に印加電圧VRが異常に高くなるか又は低くなるかして検出部101に劣化や破壊が起こるのを回避することができる。
【0090】
(第4実施形態)
以下、第3実施形態を一部変更した第4実施形態を図面と共に説明する。尚、本実施形態において、第3実施形態と同じ構成部材については符号を等しくしてその詳細な説明を省略する。
【0091】
図7に、本実施形態の駆動回路41の内部構成を示す。
駆動回路41において、図5に示す第3実施形態の駆動回路31と異なるのは以下の点である。
(4−1)駆動回路41は、オペアンプ82,83、抵抗R1〜R4,R8〜R10、ダイオードD1、D/A変換器32に加えて、抵抗R11〜R14、コンデンサC1、トランジスタTr1,Tr2から構成されている。
【0092】
(4−2)オペアンプ83の非反転入力端子とグランドとの間に、コンデンサC1が接続されている。
(4−3)直列に接続されたPNPトランジスタTr1および抵抗R11が抵抗R8と並列に接続され、直列に接続されたNPNトランジスタTr2および抵抗R12が抵抗R9と並列に接続されている。各トランジスタTr1,Tr2はそれぞれ各抵抗R13,R14を介してマイクロコンピュータ85に接続され、各トランジスタTr1,Tr2のオン・オフはマイクロコンピュータ85によって制御される。尚、各抵抗R13,R14は静電気から各トランジスタTr1,Tr2を保護するために設けられている。
【0093】
次に、本実施形態の駆動回路41の作用について説明する。
検出部101において、ジルコニア固体電解質102の温度が変化すると、印加電圧VRに対するセンサ電流Ipの特性が変動するため、空燃比の検出精度が低下するという問題がある。ジルコニア固体電解質102の温度を一定に保つには、検出部101の交流的な内部抵抗を検出し、当該内部抵抗が一定値になるようにヒータ103をオン・オフ制御すればよい。
【0094】
駆動回路41において、空燃比を検出するためにセンサ電流Ipを検出する際には各トランジスタTr1,Tr2を共にオフさせる。すると、駆動回路41は第3実施形態の駆動回路31と同じ構成となり、オペアンプ83の非反転入力端子には各抵抗R8,R9による抵抗分圧によって生成された電圧VAF−が印加され、オペアンプ82の非反転入力端子にはD/A変換器32から抵抗R10を介して電圧VAF+が印加される。従って、駆動回路41においても、駆動回路31と同様に、各抵抗R8,R9による簡単な抵抗分圧回路を用いて固定した電圧VAF−を生成すると共に、D/A変換器32によって電圧VAF+を可変することにより、空燃比に応じて印加電圧VRを変化させることが可能になり、リーン領域の広範囲の空燃比を検出することができる。
【0095】
尚、本実施形態において、空燃比を検出する際にマイクロコンピュータ85が実行する処理は、第3実施形態と同じであるため説明を省略する。
次に、本実施形態において、検出部101の交流的な内部抵抗を検出する際にマイクロコンピュータ85が実行する処理の詳細を、図8に示すフローチャートを用いて説明する。
【0096】
図9に、検出部101の交流的な内部抵抗を検出する際における、各トランジスタTr1,Tr2のオン・オフ状態および各電圧VAF−(=V2),V1の時間変位を示す。尚、オペアンプ83にオフセット電圧が存在しないとしているため、電圧VAF−は電圧V2と等しくなる。
【0097】
図8に示すように、まず、S201において、抵抗R1の両端の電圧V1,V2のA/D変換をA/D変換器84に実行させ、そのA/D変換値を受け取る。このとき、各トランジスタTr1,Tr2は共にオフさせておく。図9に示すように、ここで検出した電圧V1の電圧値を電圧V10と表記し、電圧V2の電圧値を電圧V20と表記する。また、このときに流れるセンサ電流Ip(以下、「I0」と表記する)は、式(26)により表される。
【0098】
Ip=I0=(V20−V10)/R1 ………(式26)
次に、S202において、トランジスタTr2をオンさせると共に、マイクロコンピュータ85の内蔵カウンタのカウンタ値をクリアする。
次に、S203において、S202にて内蔵カウンタのカウンタ値をクリアしてから135μs経過したか否かを判定し、135μs経過した時点でS204へ移行する。
【0099】
S204において、抵抗R1の両端の電圧V1,V2のA/D変換をA/D変換器84に実行させ、そのA/D変換値を受け取る。
このとき、トランジスタTr1はオフ、トランジスタTr2はオンされているため、各抵抗R9,R12が並列に接続される。その結果、電圧VAF−は各抵抗R8,R9,R12の直並列回路により算出される電圧値となり、その電圧値は、図9に示すように、前記電圧V20より低い電圧V21になる。また、電圧VAF−の低下に伴い、電圧V1の電圧値も低下して前記電圧V10より低い電圧V11になる。従って、リッチ領域の場合と同様に、電極105から電極104へセンサ電流Ipが流れる。このときに流れるセンサ電流Ip(以下、「I1」と表記する)は、式(27)により表される。
【0100】
Ip=I1=(V21−V11)/R1 ………(式27)
式(26)(27)より、電圧VAF−の変化に伴うセンサ電流Ipの変化量ΔIは式(28)により表される。また、電圧VAF−の変化量ΔVは式(29)により表される。
【0101】
式(28)(29)より、検出部101の交流的な内部抵抗Zは式(30)により表される。
【0102】
Z=ΔV/ΔI ………(式30)
従って、内部抵抗Zが一定値になるように、検出部101のヒータ103をオン・オフ制御するための制御信号HTを生成する。
次に、S205において、S202にて内蔵カウンタのカウンタ値をクリアしてから200μs経過したか否かを判定し、200μs経過した時点でS206へ移行する。
【0103】
次に、S206において、トランジスタTr1をオン、トランジスタTr2をオフさせると共に、内蔵カウンタのカウンタ値をクリアする。このとき、各抵抗R8,R11が並列に接続され、電圧VAF−は各抵抗R8,R9,R11の直並列回路により算出される電圧値となり、その電圧値は、図9に示すように、前記電圧V20より高い電圧V22になる。また、電圧VAF−の上昇に伴い、電圧V1の電圧値も上昇して前記電圧V10より高い電圧V12になる。
【0104】
次に、S207において、S202にて内蔵カウンタのカウンタ値をクリアしてから200μs経過したか否かを判定し、200μs経過した時点でS206へ移行する。
次に、S208において、トランジスタTr1をオフさせる。
【0105】
このとき、S206にて各電圧VAF−,V1はそれぞれ各電圧V22,V12と高い電圧値にされているため、センサ電流Ipは速やかに元の電流値I0に復帰する。すなわち、S204にて各電圧VAF−,V1はそれぞれ各電圧V21,V11と低い電圧値にされているため、S206にて各トランジスタTr1,Tr2を共にオフさせたとしても、センサ電流Ipは元の電流値I0にすぐには復帰しない。そこで、S204にて一旦低下させた各電圧VAF−,V1をS206にて上昇させて逆方向に振ることにより、センサ電流Ipを速やかに元の電流値I0に復帰させることができる。
【0106】
次に、S201へ戻るが、本実施形態ではこのS201からS208のルーチンを128msのタイミングで繰り返し行う。
尚、S201からのルーチンを開始するタイミングは、図6に示すS101からのルーチンを開始するタイミングの中間のタイミングに設定する。すなわち、図6に示すS101からのルーチンは8msのタイミングで繰り返されるため、S201からのルーチンを開始するタイミングは、S101からのルーチンを開始してから4ms後に設定する。これは、S201からのルーチンにより各電圧VAF−,V1が変化してから安定化するまでにある程度の時間を要するためであり、各電圧VAF−,V1が安定化した後にS101からのルーチンを行うことでセンサ電流Ipを正確に検出することができる。
【0107】
ところで、コンデンサC1は、図9に示すように、各電圧VAF−,V1の波形の立ち下がりを鈍らせるために設けられている。すなわち、コンデンサC1を省いた場合には、各電圧VAF−,V1の波形にオーバーシュートやリンギングが生じ、そのオーバーシュートやリンギングにより各電圧V21,V11の電圧値が変動するおそれがある。そこで、コンデンサC1を設けることにより、各抵抗R8,R9,R12およびコンデンサC1により規定される時定数によって各電圧VAF−,V1の波形の立ち下がりを鈍らせ、オーバーシュートやリンギングの発生を防止して、各電圧V21,V11を安定化することができる。
【0108】
このように、本実施形態の駆動回路41によれば、検出部101の交流的な内部抵抗Zを検出し、当該内部抵抗Zが一定値になるようにヒータ103をオン・オフ制御することにより、ジルコニア固体電解質102の温度を常に一定に保ち、印加電圧VRに対するセンサ電流Ipの特性変動を防止することが可能になる。そのため、第3実施形態の駆動回路31の効果に加えて、マイクロコンピュータ85の算出する空燃比の精度をさらに高めることができる。
【0109】
尚、本実施形態においては、トランジスタTr1をオフ、トランジスタTr2をオンさせて各電圧VAF−,V1を低下させ、リッチ領域の場合と同様に電極105から電極104へセンサ電流Ipを流すことにより、前記変化量ΔI,ΔVを求めている。しかし、本実施形態とは逆に、トランジスタTr1をオン、トランジスタTr2をオフさせて各電圧VAF−,V1を上昇させ、リーン領域の場合と同様に電極104から電極105へセンサ電流Ipを流すことにより、前記変化量ΔI,ΔVを求めるようにしてもよい。
【0110】
但し、前記のように、センサ電流Ipの検出範囲には制限がある。そのため、リーン領域に対応する空燃比を検出する際に、リーン領域の場合と同様に電極105から電極104へセンサ電流Ipを流すと、センサ電流Ipが検出範囲を越えるおそれがある。また、リッチ領域に対応する空燃比を検出する際に、リッチ領域の場合と同様に電極104から電極105へセンサ電流Ipを流すと、センサ電流Ipが検出範囲を越えるおそれがある。
【0111】
従って、リーン領域に対応する空燃比を検出する際には、本実施形態のように、リッチ領域の場合と同じ方向にセンサ電流Ipを流すことにより、前記変化量ΔI,ΔVを求めるのが望ましい。また、リッチ領域に対応する空燃比を検出する際には、リーン領域の場合と同じ方向にセンサ電流Ipを流すことにより、前記変化量ΔI,ΔVを求めるのが望ましい。
【0112】
ところで、第3実施形態の駆動回路31において、D/A変換器32により電圧VAF+を可変させたときの抵抗R1の両端の電圧と抵抗R2の検出部101側の電圧を検出することにより、前記変化量ΔI,ΔVを求めるようにしてもよい。
【0113】
但し、この場合には、抵抗R2の検出部101側の電圧を検出するA/D変換器を追加する必要があり、コストが増大することになる。
また、この場合、マイクロコンピュータ85は、D/A変換器32により電圧VAF+を可変させたときの抵抗R2の検出部101側の電圧値の変化量ΔVを予め内蔵ROMに記憶しておくことにより認知することも可能であり、このようにすれば、抵抗R2の検出部101側の電圧を検出するA/D変換器を追加する必要はない。しかし、D/A変換器32の出力に誤差が存在する場合や、オペアンプ82にオフセット電圧が存在する場合などを考慮すると、前記変化量ΔI,ΔVを正確に求めるには、抵抗R2の検出部101側の電圧をA/D変換器にて検出するのが望ましい。
【0114】
尚、検出部101の交流的な内部抵抗を検出し、当該内部抵抗が一定値になるようにヒータ103を制御する技術については、特開昭59−214756号公報に開示されている。しかし、同公報に記載の技術は、酸素センサ(本実施形態の検出部101に相当する)の出力側に所定周波数のバイアス電圧を抵抗を介して印加し、酸素センサの合成出力電圧の振幅レベルを検出し、当該振幅レベルに基づいてヒータの作動を制御するというものであり、本実施形態とは全く異なるものである。
【0115】
(第5実施形態)
以下、第2実施形態を一部変更した第5実施形態を図面と共に説明する。尚、本実施形態において、第2,第4実施形態と同じ構成部材については符号を等しくしてその詳細な説明を省略する。
【0116】
図10に、本実施形態の駆動回路51の内部構成を示す。
駆動回路51においては、第2実施形態の駆動回路21と同様に、各抵抗R5〜R7による抵抗分圧回路を用いて電圧VAF+を生成すると共に、第4実施形態の駆動回路41と同様に、抵抗R8,R9,R11〜R14、コンデンサC1、トランジスタTr1,Tr2を備えており、空燃比を検出するためにセンサ電流Ipを検出する際には、各トランジスタTr1,Tr2を共にオフさせ、各抵抗R8,R9による抵抗分圧回路を用いて電圧VAF−を生成する。そして、駆動回路51において、検出部101の交流的な内部抵抗を検出する際には、第4実施形態と同様に、図8および図9にて説明したように各トランジスタTr1,Tr2をオン・オフ制御する。
【0117】
従って、本実施形態の駆動回路51によれば、第2実施形態の駆動回路21の効果に加えて、第4実施形態の駆動回路41と同様に、ヒータ103をオン・オフ制御してジルコニア固体電解質102の温度を常に一定に保つことにより、マイクロコンピュータ85の算出する空燃比の精度をさらに高めることができる。
【0118】
(第6実施形態)
以下、第5実施形態を一部変更した第6実施形態を図面と共に説明する。尚、本実施形態において、第5実施形態と同じ構成部材については符号を等しくしてその詳細な説明を省略する。
【0119】
図11に、本実施形態の駆動回路61の内部構成を示す。
駆動回路61においては、各抵抗R5〜R7による抵抗分圧回路を用いて各電圧VAF+,VAF−を生成し、電圧VAF−については、オペアンプ62から構成されるボルテージホロワから抵抗R15を介してオペアンプ83の非反転入力端子に印加している。また、駆動回路61は、第5実施形態の駆動回路51と同様に、R11〜R14、コンデンサC1、トランジスタTr1,Tr2を備えており、検出部101の交流的な内部抵抗を検出する際には、図8および図9にて説明したように各トランジスタTr1,Tr2をオン・オフ制御する。
【0120】
ところで、第5実施形態の駆動回路51において、電圧VAF+については各抵抗R5〜R7による抵抗分圧回路を用いてを生成し、電圧VAF−については各抵抗R8,R9による抵抗分圧回路を用いて生成している。そのため、各電圧VAF+,VAF−を正確に設定するには各抵抗R5〜R8の抵抗値を正確に設定する必要があり、各抵抗R5〜R8の抵抗値に誤差が存在する場合には、各電圧VAF+,VAF−を正確に設定することができずセンサ電流Ipの検出精度が低下するという欠点がある。
【0121】
それに対して、本実施形態の駆動回路61においては、各抵抗R5〜R7による抵抗分圧回路を用いて各電圧VAF+,VAF−を生成しているため、各電圧VAF+,VAF−を正確に設定することが可能になり、センサ電流Ipの検出精度を向上させることができる。但し、各トランジスタTr1,Tr2のオン・オフ制御時に各抵抗R5〜R7が影響を及ぼすのを防止するために、オペアンプ62から構成されるボルテージホロワを設ける必要があり、第5実施形態の駆動回路51に比べてコストが増大することになる。尚、抵抗R15は静電気からオペアンプ83の非反転入力端子を保護するために設けられている。
【0122】
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように変更してもよく、その場合でも、上記各実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。
[1]センサ電流Ipに対して各オペアンプ82,83の出力電流の供給能力が不足する場合には、各オペアンプ82,83の出力端子に、プッシュプル構成のトランジスタによる電流増幅回路を接続し、その電流増幅回路にて各オペアンプ82,83の出力電流を必要なレベルまで増幅すればよい。
【0123】
[2]検出部101のジルコニア固体電解質102の形状については、袋管状のものだけでなく、電極104に大気を導入できる形状であればどのような形状でもよく、例えば、図12に示すように平板状にしてもよい。尚、図12に示す検出部101において、図13に示すものと同じ構成部材については符号を等しくしてある。
【0124】
図12において、平板状のジルコニア固体電解質102には、通路111および拡散室112が設けられている。通路111の内壁におけるジルコニア固体電解質102には電極104が形成され、拡散室112の内壁におけるジルコニア固体電解質102には電極105が形成されている。また、拡散室112には外部と連通する1個の孔が設けられており、この孔により拡散抵抗体106が構成されている。そして、大気は通路111を介して電極104へ導入され、排気ガス中の残存酸素や未燃ガスは拡散抵抗体106から拡散室112を介して電極105へ拡散で流入する。また、ジルコニア固体電解質102にはアルミナから成る絶縁層113が固着され、その絶縁層113内には線状のヒータ103が配置されている。そして、ヒータ103は、絶縁層113を介してジルコニア固体電解質102を加熱して酸素イオンの導電性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を具体化した第1実施形態の駆動回路を示す回路図。
【図2】本発明を具体化した第1〜第6実施形態の空燃比検出装置を用いた自動車用内燃機関の制御装置を示すブロック図。
【図3】第1,第2、第5,第6実施形態におけるマイクロコンピュータの処理内容を説明するためのフローチャート。
【図4】第2実施形態の駆動回路を示す回路図。
【図5】第3実施形態の駆動回路を示す回路図。
【図6】第3,第4実施形態におけるマイクロコンピュータの処理内容を説明するためのフローチャート。
【図7】第4実施形態の駆動回路を示す回路図。
【図8】第4,第5,第6実施形態におけるマイクロコンピュータの処理内容を説明するためのフローチャート。
【図9】第4,第5,第6実施形態の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図10】第5実施形態の駆動回路を示す回路図。
【図11】第6実施形態の駆動回路を示す回路図。
【図12】検出部の概略構造を示す一部断面図。
【図13】検出部の概略構造を示す一部断面図。
【図14】従来の駆動回路を示す回路図。
【図15】検出部の特性図。
【符号の説明】
14,21,31,41,51,61…駆動回路 32…D/A変換器
82,83…オペアンプ 84…A/D変換器
85…マイクロコンピュータ 101…検出部
102…ジルコニア固体電解質 103…ヒータ 104…大気側電極
105…排気側電極 106…拡散抵抗体 D1…ダイオード
R1〜R15…抵抗 Tr1,Tr2…トランジスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an air-fuel ratio detection apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to control the air-fuel ratio of an air-fuel mixture supplied to an internal combustion engine to a target value, a technique of providing an air-fuel ratio detection device in an exhaust pipe of the internal combustion engine and performing feedback control of the fuel supply amount according to the detected air-fuel ratio Is widely used.
[0003]
Such an air-fuel ratio detection apparatus includes an air-fuel ratio detection unit (air-fuel ratio sensor), a drive circuit that drives the detection unit, and an A / F for obtaining the air-fuel ratio by processing an output signal of the drive circuit. It is composed of a D converter and a microcomputer, and generally uses a zirconia solid electrolyte as a detection part.
[0004]
FIG. 13 is a partial cross-sectional view illustrating a schematic structure of an example of a detection unit (air-fuel ratio sensor).
The
[0005]
The cup-
Air is introduced into the bag-shaped zirconia
[0006]
An
The
[0007]
FIG. 14 shows a
The
The output terminal of the
[0008]
Since the voltage VAF + is applied from the
[0009]
In the lean region (λ> 1) where the excess air ratio λ is greater than 1, the voltage of the
[0010]
At the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) where the excess air ratio λ is 1, the amount of residual oxygen in the exhaust gas flowing into the
[0011]
In the rich region where the excess air ratio λ is less than 1 (λ <1), contrary to the lean region, oxygen ions flow from the
[0012]
Both ends of the resistor R1 are connected to the A /
[0013]
The
[0014]
Ip = (V1-V2) / R1 (Equation 1)
The
[0015]
By the way, in the driving
[0016]
Since the
[0017]
Further, the resistors R3 and R4 are provided to protect the output terminals of the
Here, when the voltage VAF + applied to the non-inverting input terminal of the
[0018]
By the way, Japanese Patent Laid-Open No. 61-180131 discloses a circuit similar to the
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, in order to protect the environment, reduction of carbon dioxide in exhaust gas is required, and further reduction in fuel consumption is required. Therefore, in addition to the stoichiometric control for controlling the operation of the internal combustion engine at the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1), it is essential to perform the lean burn control for controlling the operation in the lean region (λ> 1). That is, it is required to perform precise control by switching between stoichiometric control and lean burn control according to the operating state of the internal combustion engine. However, the
[0020]
As described above, the sensor current Ip flows from the
[0021]
VAF− ≧ VCE + Ip · R2 (Equation 2)
If there is no offset voltage in the
[0022]
V2 = VAF + = VAF− + VR (Equation 3)
Moreover, the voltage V1 is represented by Formula (4).
V1 = V2 + Ip · R1 (Equation 4)
FIG. 15 shows a characteristic example of the applied voltage VR and the sensor current Ip in the
[0023]
In this characteristic example, the sensor current Ip when the air-fuel ratio (A / F) is 40 is 23 mA.
Here, when Ip = 23 mA, VCE = 1.5 V, VR = 0.9 V, R1 = 100Ω, and R2 = 47Ω are substituted into the equations (2) to (4), the values of the voltages V2 and V1 are expressed by the equation (5). ) As shown in (6).
[0024]
V2 ≧ 3.481V (Equation 5)
V1 ≧ 5.781V (Equation 6)
Since the A /
[0025]
By the way, the maximum detectable value Ip (max) of the sensor current Ip is expressed by Expression (7) obtained from Expressions (1) to (3).
In the
[0026]
Thus, since the
By the way, if the resistance R1 is made smaller than 100Ω, for example, 56Ω, the voltage V1 can be set to 4.769V from the equation (4), so that the A /
[0027]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an air-fuel ratio detection device capable of accurately detecting the air-fuel ratio in each state of the rich region, the theoretical air-fuel ratio, and the lean region. There is to do.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
[0029]
Therefore, according to the present invention, the current flowing out from or flowing into the exhaust side electrode, not the atmosphere side electrode of the detection unit, is detected, and the air-fuel ratio is detected based on the current value. It becomes possible to detect accurately, and the detection range of the air-fuel ratio can be expanded from the rich region and the theoretical air-fuel ratio to the lean region.
[0030]
In particular, The drive circuit unit is ,Previous An atmospheric-side voltage generating means for generating an atmospheric-side applied voltage applied to the atmospheric-side electrode of the detector; an exhaust-side voltage generating means for generating an exhaust-side applied voltage applied to the exhaust-side electrode of the detecting section; A current detection resistor connected between the exhaust side electrode of the detection unit and the exhaust side voltage generating means; In addition, the detection circuit unit includes a voltage detection unit that detects at least the voltage on the exhaust side voltage generation unit side of the voltage across the current detection resistor of the drive circuit unit, and a voltage detected by the voltage detection unit Current detection means for detecting a current flowing from the current detection resistor to the current detection resistor; Flow inspection Air-fuel ratio calculating means for calculating the air-fuel ratio based on the current detected by the output means.
[0031]
Therefore, Book According to the invention, since it becomes possible to detect the air-fuel ratio in a high region without reducing the resistance value of the current detection resistor, when the voltage detection means is embodied by an A / D converter, There is no possibility that the A / D conversion accuracy is lowered, and the accuracy of the air-fuel ratio calculated by the air-fuel ratio calculating means can be increased.
[0032]
Next, the claim 2 The invention described in
Therefore, the claims 2 According to the invention described in (1), the air-fuel ratio in the range necessary for stoichiometric control can be detected with high accuracy.
[0033]
By the way, claims 2 The drive circuit unit in the air-fuel ratio detection device according to
[0034]
Therefore, the claims 3 According to the invention described in (1), it is possible to generate both the atmospheric-side applied voltage and the exhaust-side applied voltage with a voltage obtained by a simple resistance voltage dividing circuit composed of only a resistor.
Next, the
[0035]
Therefore, according to the present invention, it is possible to change the voltage applied between the atmosphere-side electrode and the exhaust-side electrode of the detection unit according to the air-fuel ratio, and detect a wide range of air-fuel ratio in the lean region. be able to.
By the way, claims 4 The drive circuit unit in the air-fuel ratio detection device according to
[0036]
Therefore, the
[0037]
[0038]
Therefore, the claims 6 According to the invention described in (1), it is possible to prevent an abnormal voltage from being applied between the electrodes of the detection unit, thereby preventing the detection unit from being deteriorated or broken.
Next, the
[0039]
Therefore, according to the present invention, by changing both the exhaust side applied voltage and the atmospheric side applied voltage, the voltage applied between the atmosphere side electrode and the exhaust side electrode of the detector is changed according to the air-fuel ratio. This makes it possible to detect a wide range of air-fuel ratios in the lean region.
[0040]
Next, the claim 8 The invention described in
[0041]
Therefore, according to the present invention, it is possible to keep the temperature of the zirconia solid electrolyte constant, and to prevent fluctuations in the characteristics of the current that flows out or flows in from the exhaust side electrode with respect to the voltage applied between the electrodes of the detection unit. As a result, the air-fuel ratio detection accuracy can be further improved.
[0042]
By the way, claims 8 The air-fuel ratio detection device according to
[0043]
[0044]
In the embodiments of the invention described below, the “detection circuit unit” described in the claims or means for solving the problems is composed of an A /
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, the same components as those of the conventional embodiment shown in FIGS. 13 to 15 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0046]
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows an overall configuration of a control device for an internal combustion engine for automobiles using the air-fuel ratio detection device of the present embodiment.
[0047]
The
A rotation speed detection signal NE from a rotation sensor for detecting the rotation speed of the internal combustion engine, a vehicle speed detection signal SPD from a vehicle speed sensor for detecting the vehicle speed of the automobile, a starter switch operation detection signal STA corresponding to whether or not the starter switch has been operated. The digital signal is subjected to noise removal and waveform shaping in the
[0048]
Also, an intake air amount detection signal VG from an air amount sensor for detecting the intake air amount of the internal combustion engine, a throttle opening detection signal VTA from a throttle opening sensor for detecting the throttle opening, and a cooling water temperature of the internal combustion engine are detected. Analog signals such as a water temperature detection signal THW from the cooling water temperature sensor are A / D converted by the A /
[0049]
The
The
[0050]
FIG. 1 shows the internal configuration of the
The
(1-1) The output terminal of the
[0051]
(1-2) The output terminal of the
(1-3) The A /
[0052]
Next, the operation of the
As described above, the sensor current Ip flows from the
[0053]
V1 ≧ VCE (Equation 8)
If there is no offset voltage in the
V2 = VAF− = V1 + Ip · R1 (Equation 9)
Since the voltage VR applied between the
[0054]
VAF + = VAF− + VR (Equation 10)
The output voltage VOP of the
VOP = VAF ++ Ip · R2 (Equation 11)
As in the case of the
[0055]
Further, the maximum detectable value Ip (max) of the sensor current Ip is expressed by Expression (16) obtained from Expressions (8) to (11).
[0056]
Ip (max) = (VC−VR−VCE) / R1 = 26 mA (Equation 16)
Accordingly, by setting the voltages VAF + and VAF− so as to satisfy the expressions (13) and (14), both the voltages V1 and V2 can be set to 5 V or less. Since the A /
[0057]
In the
From the equation (15), although the output voltage VOP of the
[0058]
Next, details of processing executed by the
When the
[0059]
First, in step (hereinafter referred to as S) 101, the A /
Next, in S102, based on the voltages V1 and V2 output from the
[0060]
Next, in S103, the air-fuel ratio (A / F) corresponding to the sensor current Ip is calculated by table interpolation using a data table recorded in advance in the built-in ROM. Here, since the sensor current Ip and the air-fuel ratio do not have a completely linear linear relationship, it is necessary to determine the air-fuel ratio corresponding to some sensor current Ip in advance and create a data table.
[0061]
Next, the process returns to S101, but in this embodiment, the routine from S101 to S103 is repeated at a timing of 8 ms.
The
[0062]
Thus, according to the
[0063]
Here, when the voltage VAF− applied to the non-inverting input terminal of the
[0064]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment that is a more specific embodiment of the first embodiment will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0065]
FIG. 4 shows the internal configuration of the
The
[0066]
Next, the operation of the
This embodiment is applied when only lean control is performed without performing lean burn control. During stoichiometric control, for example, the air-fuel ratio (A / F) is substantially controlled between 13 and 18, so that the
[0067]
Since the range of the sensor current Ip is -10 mA or more and 10 mA or less, the voltage VAF− is set so that the absolute value IpR of the sensor current in the rich region is equal to the absolute value IpL of the sensor current in the lean region. Here, assuming that the maximum value of the voltage V1 is V1 (max), the maximum value IpR (max) of the sensor current IpR is expressed by Expression (17). Further, the maximum value IpL (max) of the sensor current IpL is expressed by Expression (18).
[0068]
Here, when the power supply voltage VC is 5V, the maximum value V1 (max) is 5V. Therefore, when IpR (max) = IpL (max), V1 (max) = 5V, VCE = 1.5V, and R1 = 100Ω are substituted into the equations (17) and (18), the voltages VAF− and VAF + are expressed by the equation (19). ) As shown in (20). Therefore, IpR (max) and IpL (max) are as shown in Expression (21).
[0069]
Accordingly, by setting the resistance values of the resistors R5 to R7 so as to satisfy the expressions (19) and (20), the stoichiometric control can be performed using the
[0070]
In addition, since the process which the
As described above, according to the
[0071]
Further, the
[0072]
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment that is a more specific embodiment of the first embodiment will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0073]
FIG. 5 shows an internal configuration of the drive circuit 31 of the present embodiment.
The drive circuit 31 differs from the
(3-1) The driving circuit 31 includes resistors R8 to R10, a diode D1, and a D /
[0074]
(3-2) The D /
(3-3) The voltage VAF + is applied to the non-inverting input terminal of the
[0075]
(3-4) The non-inverting input terminal of the
[0076]
Next, the operation of the drive circuit 31 of this embodiment will be described.
When the
[0077]
In the
[0078]
Equation (22) is obtained from Equations (17) and (18).
IpR (max) + IpL (max) = (V1 (max) −VCE) / R1 (22)
Here, when IpR (max) = 10 mA, IpL (max) = 25 mA, V1 (max) = 5V, and VCE = 1.5V are substituted into the equation (22), the resistor R1 becomes as shown in the equation (23). .
[0079]
Thus, when IpR (max) = 10 mA, IpL (max) = 25 mA, V1 (max) = 5V, VCE = 1.5V, R1 = 100Ω and substitution into equations (17) and (18), the voltage VAF− 24).
[0080]
VAF− = 4.0V (24)
However, it is necessary to confirm whether or not the necessary applied voltage VR can be obtained by the voltage VAF− obtained by the equation (24). Since the D /
[0081]
However, when the necessary applied voltage VR cannot be obtained by the voltage VAF− obtained by the equation (24), the resistor R1 and the voltage VAF− are reset. That is, the resistance R1 is obtained by substituting the values VC, VR (max), VCE, IpL (max) into the equation (25) obtained from the equation (16).
[0082]
R1 = (VC−VR (max) −VCE) / IpL (max) (25)
Further, when the power supply voltage VC is 5V, the maximum value of the output of the D / A converter 32 (that is, the maximum value of the voltage VAF +) is 5V. Therefore, VAF + = 5V and the value of the required applied voltage VR are expressed by the above equation. Substituting into (10), the voltage VAF− is obtained.
[0083]
Accordingly, by setting the resistance values of the resistors R8 and R9 so that the obtained voltage VAF− is obtained, the air-fuel ratio in the range of 12 to 40 is accommodated by using the
[0084]
Each step of S101 to S103 shown in FIG. 6 is the same as that shown in FIG.
In S104 following S103, the sensor current Ip calculated in S102 based on the characteristic data (dotted line (b) in FIG. 15) of the applied voltage VR and the sensor current Ip in the
[0085]
Next, in S105, the calculated applied voltage VR and the voltage VAF − (= V2) are substituted into the equation (10) to calculate the voltage VAF +, and the voltage VAF + is generated from the D /
Next, the process returns to S101. In this embodiment, the routine from S101 to S105 is repeated at a timing of 8 ms.
[0086]
As described above, according to the drive circuit 31 of the present embodiment, the fixed voltage VAF− is generated using a simple resistance voltage dividing circuit including the resistors R8 and R9, and the voltage VAF + is generated by the D /
[0087]
Note that a D / A converter that generates the voltage VAF− may be added, and the applied voltage VR may be varied by varying both the voltages VAF + and VAF−. In this case, the D / A converter may be Two are required, which increases the cost.
Incidentally, the diode D <b> 1 is provided to protect the
[0088]
For example, when the generated voltage VAF + is lower than the voltage VAF− (VAF + <VAF−), the voltage VAF + is expressed by Expression (25).
VAF + = VAF−−VF (Equation 25)
Therefore, the applied voltage VR (= VAF + −VAF−) is equal to the threshold voltage VF, and normally the threshold voltage VF is 1 V or less, so that the applied voltage VR can be kept within ± 1 V. Therefore, by clamping between the non-inverting input terminals of the
[0089]
When the generated voltage VAF + is abnormally high, the maximum value VR (max) of the applied voltage VR that does not cause deterioration or destruction of the
[0090]
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment in which the third embodiment is partially changed will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the same components as those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0091]
FIG. 7 shows an internal configuration of the
The
(4-1) The
[0092]
(4-2) A capacitor C1 is connected between the non-inverting input terminal of the
(4-3) The PNP transistor Tr1 and the resistor R11 connected in series are connected in parallel with the resistor R8, and the NPN transistor Tr2 and the resistor R12 connected in series are connected in parallel with the resistor R9. The transistors Tr1 and Tr2 are connected to the
[0093]
Next, the operation of the
When the temperature of the zirconia
[0094]
In the
[0095]
In the present embodiment, the processing executed by the
Next, in the present embodiment, details of processing executed by the
[0096]
FIG. 9 shows the on / off states of the transistors Tr1 and Tr2 and the time displacements of the voltages VAF − (= V2) and V1 when detecting the internal internal resistance of the
[0097]
As shown in FIG. 8, first, in S201, the A /
[0098]
Ip = I0 = (V20−V10) / R1 (Equation 26)
Next, in S202, the transistor Tr2 is turned on and the counter value of the built-in counter of the
Next, in S203, it is determined whether or not 135 μs has elapsed since the counter value of the built-in counter was cleared in S202, and the process proceeds to S204 when 135 μs has elapsed.
[0099]
In S204, the A /
At this time, since the transistor Tr1 is off and the transistor Tr2 is on, the resistors R9 and R12 are connected in parallel. As a result, the voltage VAF− becomes a voltage value calculated by a series-parallel circuit of the resistors R8, R9, R12, and the voltage value becomes a voltage V21 lower than the voltage V20 as shown in FIG. Further, as the voltage VAF− decreases, the voltage value of the voltage V1 also decreases and becomes a voltage V11 lower than the voltage V10. Accordingly, the sensor current Ip flows from the
[0100]
Ip = I1 = (V21−V11) / R1 (Equation 27)
From Expressions (26) and (27), the change amount ΔI of the sensor current Ip accompanying the change of the voltage VAF− is expressed by Expression (28). Further, the change amount ΔV of the voltage VAF− is expressed by Expression (29).
[0101]
From the equations (28) and (29), the AC internal resistance Z of the
[0102]
Z = ΔV / ΔI (Equation 30)
Therefore, the control signal HT for on / off control of the
Next, in S205, it is determined whether or not 200 μs has elapsed since the counter value of the built-in counter was cleared in S202, and the process proceeds to S206 when 200 μs has elapsed.
[0103]
In step S206, the transistor Tr1 is turned on, the transistor Tr2 is turned off, and the counter value of the built-in counter is cleared. At this time, the resistors R8 and R11 are connected in parallel, and the voltage VAF− becomes a voltage value calculated by a series-parallel circuit of the resistors R8, R9, and R11, and the voltage value is as shown in FIG. The voltage V22 is higher than the voltage V20. As the voltage VAF− increases, the voltage value of the voltage V1 also increases and becomes a voltage V12 higher than the voltage V10.
[0104]
Next, in S207, it is determined whether or not 200 μs has elapsed since the counter value of the built-in counter was cleared in S202, and the process proceeds to S206 when 200 μs has elapsed.
Next, in S208, the transistor Tr1 is turned off.
[0105]
At this time, since the voltages VAF− and V1 are set to high voltage values of the voltages V22 and V12 in S206, the sensor current Ip quickly returns to the original current value I0. In other words, since the voltages VAF− and V1 are set to low voltage values of the voltages V21 and V11 in S204, respectively, even if the transistors Tr1 and Tr2 are both turned off in S206, the sensor current Ip is not changed. It does not immediately return to the current value I0. Therefore, the sensor current Ip can be quickly returned to the original current value I0 by increasing each voltage VAF−, V1 once decreased in S204 and swinging it in the reverse direction in S206.
[0106]
Next, the process returns to S201, but in this embodiment, the routine from S201 to S208 is repeatedly performed at a timing of 128 ms.
Note that the timing for starting the routine from S201 is set to an intermediate timing from the timing for starting the routine from S101 shown in FIG. That is, since the routine from S101 shown in FIG. 6 is repeated at a timing of 8 ms, the timing for starting the routine from S201 is set 4 ms after the routine from S101 is started. This is because a certain amount of time is required until the voltages VAF− and V1 are stabilized after the routines from S201 are changed. After the voltages VAF− and V1 are stabilized, the routine from S101 is performed. Thus, the sensor current Ip can be accurately detected.
[0107]
Incidentally, as shown in FIG. 9, the capacitor C1 is provided in order to blunt the falling of the waveform of each voltage VAF−, V1. That is, when the capacitor C1 is omitted, overshoot and ringing occur in the waveforms of the voltages VAF− and V1, and the voltage values of the voltages V21 and V11 may vary due to the overshoot and ringing. Therefore, by providing the capacitor C1, the falling of the waveform of each voltage VAF−, V1 is blunted by the time constants defined by the resistors R8, R9, R12 and the capacitor C1, thereby preventing the occurrence of overshoot and ringing. Thus, the voltages V21 and V11 can be stabilized.
[0108]
Thus, according to the
[0109]
In this embodiment, the transistor Tr1 is turned off and the transistor Tr2 is turned on to reduce the voltages VAF− and V1, and the sensor current Ip is caused to flow from the
[0110]
However, as described above, the detection range of the sensor current Ip is limited. Therefore, when detecting the air-fuel ratio corresponding to the lean region, if the sensor current Ip is passed from the
[0111]
Therefore, when the air-fuel ratio corresponding to the lean region is detected, it is desirable to obtain the change amounts ΔI and ΔV by causing the sensor current Ip to flow in the same direction as in the rich region as in this embodiment. . Further, when detecting the air-fuel ratio corresponding to the rich region, it is desirable to obtain the change amounts ΔI and ΔV by causing the sensor current Ip to flow in the same direction as in the lean region.
[0112]
By the way, in the drive circuit 31 of the third embodiment, the voltage at both ends of the resistor R1 and the voltage on the
[0113]
However, in this case, it is necessary to add an A / D converter that detects the voltage on the
Further, in this case, the
[0114]
A technique for detecting the AC internal resistance of the
[0115]
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a fifth embodiment in which the second embodiment is partially modified will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the same components as those in the second and fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0116]
FIG. 10 shows the internal configuration of the
In the
[0117]
Therefore, according to the
[0118]
(Sixth embodiment)
The sixth embodiment, which is a partial modification of the fifth embodiment, will be described below with reference to the drawings. In the present embodiment, the same components as those in the fifth embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0119]
FIG. 11 shows the internal configuration of the
In the
[0120]
By the way, in the
[0121]
On the other hand, in the
[0122]
By the way, this invention is not limited to said each embodiment, You may change as follows, Even in that case, the effect | action and effect similar to said each embodiment can be acquired.
[1] When the output current supply capability of each of the
[0123]
[2] The shape of the zirconia
[0124]
In FIG. 12, a plate-like zirconia
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a drive circuit according to a first embodiment embodying the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a control apparatus for an automobile internal combustion engine using air-fuel ratio detection apparatuses according to first to sixth embodiments embodying the present invention.
FIG. 3 is a flowchart for explaining processing contents of the microcomputer in the first, second, fifth and sixth embodiments;
FIG. 4 is a circuit diagram showing a drive circuit according to a second embodiment.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a drive circuit according to a third embodiment.
FIG. 6 is a flowchart for explaining processing contents of a microcomputer in the third and fourth embodiments.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a drive circuit according to a fourth embodiment.
FIG. 8 is a flowchart for explaining processing contents of a microcomputer according to fourth, fifth, and sixth embodiments;
FIG. 9 is a timing chart for explaining the operation of the fourth, fifth and sixth embodiments.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a drive circuit according to a fifth embodiment.
FIG. 11 is a circuit diagram showing a drive circuit according to a sixth embodiment.
FIG. 12 is a partial cross-sectional view showing a schematic structure of a detection unit.
FIG. 13 is a partial cross-sectional view showing a schematic structure of a detection unit.
FIG. 14 is a circuit diagram showing a conventional driving circuit.
FIG. 15 is a characteristic diagram of a detection unit.
[Explanation of symbols]
14, 21, 31, 41, 51, 61 ... drive
82, 83 ...
85 ...
102 ... Solid electrolyte of
105 ...
R1 to R15 ... resistors Tr1, Tr2 ... transistors
Claims (11)
該検出部の大気側電極および排気側電極に対してそれぞれ電圧を印加する駆動回路部と、
前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流を検出し、その電流値に基づいて空燃比を検出する検出回路部と
を備えた空燃比検出装置であって、
前記駆動回路部は、
前記検出部の大気側電極に印加される大気側印加電圧を生成する大気側電圧生成手段と、
前記検出部の排気側電極に印加される排気側印加電圧を生成する排気側電圧生成手段と、
前記検出部の排気側電極と前記排気側電圧生成手段との間に接続された電流検出用抵抗とを備え、
前記検出回路部は、
前記駆動回路部の電流検出用抵抗の両端の電圧のうち少なくとも前記排気側電圧生成手段側の電圧を検出する電圧検出手段と、
該電圧検出手段によって検出された電圧から前記電流検出用抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段と、
該電流検出手段によって検出された電流に基づいて空燃比を算出する空燃比算出手段とを備えたことを特徴とする空燃比検出装置。A zirconia solid electrolyte, an air electrode formed on the air atmosphere side of the zirconia solid electrolyte, an exhaust gas electrode formed on the exhaust atmosphere side of the zirconia solid electrolyte, and diffused into the exhaust gas electrode from the exhaust atmosphere A detection unit comprising a diffusion resistor for suppressing gas
A drive circuit section for applying a voltage to each of the atmosphere side electrode and the exhaust side electrode of the detection section;
An air- fuel ratio detection apparatus comprising: a detection circuit unit that detects a current flowing out or flowing in from an exhaust-side electrode of the detection unit and detects an air-fuel ratio based on the current value ;
Before Symbol driver circuit portion,
Atmospheric-side voltage generating means for generating an atmospheric-side applied voltage applied to the atmospheric-side electrode of the detection unit;
Exhaust-side voltage generating means for generating an exhaust-side applied voltage applied to the exhaust-side electrode of the detection unit;
A current detection resistor connected between the exhaust side electrode of the detection unit and the exhaust side voltage generation means;
The detection circuit unit includes:
Voltage detection means for detecting at least the voltage on the exhaust side voltage generation means side among the voltages at both ends of the current detection resistor of the drive circuit section;
Current detection means for detecting a current flowing through the current detection resistor from the voltage detected by the voltage detection means;
Air-fuel ratio detecting device characterized by comprising an air-fuel ratio calculating means for calculating an air-fuel ratio on the basis of the current detected by the electric Nagareken detecting means.
前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧と、前記排気側電圧生成手段の生成する排気側印加電圧とが共に固定されていることを特徴とする空燃比検出装置。The air-fuel ratio detection apparatus according to claim 1 ,
An air-fuel ratio detection apparatus, wherein an air-side applied voltage generated by the air-side voltage generating means and an exhaust-side applied voltage generated by the exhaust-side voltage generating means are both fixed.
前記駆動回路部は、電圧源とグランドとの間に直列接続された複数の抵抗から成る抵抗分圧回路を備え、
前記大気側電圧生成手段は、前記抵抗分圧回路によって抵抗分圧された電圧により大気側印加電圧を生成し、
前記排気側電圧生成手段は、前記抵抗分圧回路によって抵抗分圧された電圧により排気側印加電圧を生成することを特徴とする空燃比検出装置。The air-fuel ratio detection apparatus according to claim 2 ,
The drive circuit unit includes a resistance voltage dividing circuit including a plurality of resistors connected in series between a voltage source and a ground.
The atmosphere-side voltage generating means generates an atmosphere-side applied voltage from a voltage that is resistance-divided by the resistance voltage dividing circuit,
The air-fuel ratio detection apparatus according to claim 1, wherein the exhaust-side voltage generation means generates an exhaust-side applied voltage based on a voltage that is resistance-divided by the resistance voltage-dividing circuit.
前記駆動回路部は、前記検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧に基づいて、前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧を制御することにより、前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流を飽和させ、
前記空燃比算出手段は、前記飽和された電流値に基づいて空燃比を検出することを特徴とする空燃比検出装置。The air-fuel ratio detection apparatus according to claim 1 ,
The drive circuit unit controls the detection of the atmospheric side applied voltage generated by the atmospheric side voltage generation unit based on a voltage applied between the atmospheric side electrode and the exhaust side electrode of the detection unit. Saturate the current flowing in or flowing out of the exhaust side electrode of the part,
The air-fuel ratio calculating device detects the air-fuel ratio based on the saturated current value.
前記駆動回路部は、電圧源とグランドとの間に直列接続された複数の抵抗から成る抵抗分圧回路と、
前記検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧に基づいた可変電圧を生成する可変電圧生成回路とを備え、
前記大気側電圧生成手段は、前記可変電圧生成回路の生成する可変電圧により大気側印加電圧を生成し、
前記排気側電圧生成手段は、前記抵抗分圧回路によって抵抗分圧された電圧により排気側印加電圧を生成することを特徴とする空燃比検出装置。In the air-fuel ratio detection apparatus according to claim 4 ,
The drive circuit unit includes a resistance voltage dividing circuit including a plurality of resistors connected in series between a voltage source and a ground;
A variable voltage generation circuit that generates a variable voltage based on a voltage applied between the atmosphere side electrode and the exhaust side electrode of the detection unit;
The atmosphere side voltage generation means generates an atmosphere side applied voltage by a variable voltage generated by the variable voltage generation circuit,
The air-fuel ratio detection apparatus according to claim 1, wherein the exhaust-side voltage generation means generates an exhaust-side applied voltage based on a voltage that is resistance-divided by the resistance voltage-dividing circuit.
前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧を一定値以下に抑えることにより、前記検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧を抑制して前記検出部を保護する保護手段を備えたことを特徴とする空燃比検出装置。In the air-fuel ratio detection device according to claim 5 ,
By suppressing the atmospheric-side applied voltage generated by the atmospheric-side voltage generating means to a certain value or less, the voltage applied between the atmospheric-side electrode and the exhaust-side electrode of the detection unit is suppressed and the detection unit is protected. An air-fuel ratio detection apparatus comprising a protective means for
前記駆動回路部は、前記検出部の大気側電極と排気側電極との間に印加される電圧に基づいて、前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧と、前記排気側電圧生成手段の生成する排気側印加電圧とを共に可変することにより、前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流を飽和させ、
前記空燃比算出手段は、前記飽和された電流値に基づいて空燃比を検出することを特徴とする空燃比検出装置。The air-fuel ratio detection apparatus according to claim 1 ,
The drive circuit unit includes an atmospheric-side applied voltage generated by the atmospheric-side voltage generation unit based on a voltage applied between the atmospheric-side electrode and the exhaust-side electrode of the detection unit, and the exhaust-side voltage generation unit. And saturating the current flowing in or flowing out from the exhaust side electrode of the detection unit by varying both the exhaust side applied voltage generated by
The air-fuel ratio calculating device detects the air-fuel ratio based on the saturated current value.
前記検出部の大気側電極と排気側電極との間の交流的な内部抵抗を検出し、その内部抵抗が一定になるように前記検出部のジルコニア固体電解質の温度を一定に制御することを特徴とする空燃比検出装置。In the air-fuel ratio detection device according to any one of claims 1 to 7 ,
An AC internal resistance between the atmosphere side electrode and the exhaust side electrode of the detection unit is detected, and the temperature of the zirconia solid electrolyte of the detection unit is controlled to be constant so that the internal resistance becomes constant. An air-fuel ratio detection device.
前記検出部のジルコニア固体電解質を加熱するヒータを備え、前記内部抵抗が一定になるように該ヒータの作動を制御することを特徴とする空燃比検出装置。The air-fuel ratio detection apparatus according to claim 8 ,
An air-fuel ratio detection apparatus comprising a heater for heating the zirconia solid electrolyte of the detection unit, and controlling the operation of the heater so that the internal resistance becomes constant.
前記排気側電圧生成手段の生成する排気側印加電圧を変化させ、その電圧の変化量と、その電圧の変化によって生じた前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流の変化量とに基づいて前記内部抵抗を検出することを特徴とする空燃比検出装置。In the air-fuel ratio detection device according to claim 9 ,
The exhaust side applied voltage generated by the exhaust side voltage generating means is changed, and the amount of change in the voltage and the amount of change in the current flowing in or flowing from the exhaust side electrode of the detection unit caused by the change in the voltage. And detecting the internal resistance.
前記大気側電圧生成手段の生成する大気側印加電圧を変化させ、その電圧の変化量と、その電圧の変化によって生じた前記検出部の排気側電極から流れ出すか又は流れ込む電流の変化量とに基づいて前記内部抵抗を検出することを特徴とする空燃比検出装置。In the air-fuel ratio detection device according to claim 9 ,
Based on the amount of change in the voltage applied to the atmosphere side voltage generated by the atmosphere side voltage generation means and the amount of change in the current flowing in or flowing out from the exhaust side electrode of the detection unit caused by the change in the voltage. And detecting the internal resistance.
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