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JPH0690179B2 - Air-fuel ratio measuring device - Google Patents
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JPH0690179B2 - Air-fuel ratio measuring device - Google Patents

Air-fuel ratio measuring device

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Publication number
JPH0690179B2
JPH0690179B2 JP61165440A JP16544086A JPH0690179B2 JP H0690179 B2 JPH0690179 B2 JP H0690179B2 JP 61165440 A JP61165440 A JP 61165440A JP 16544086 A JP16544086 A JP 16544086A JP H0690179 B2 JPH0690179 B2 JP H0690179B2
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JP
Japan
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air
fuel ratio
emission
detector
coefficient
Prior art date
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JP61165440A
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明信 森山
豊 橋詰
功 村瀬
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は例えば内燃機関の排気ガスから混合気の空燃比
を測定する装置に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for measuring an air-fuel ratio of an air-fuel mixture from exhaust gas of an internal combustion engine, for example.

(従来の技術) 酸化ジルコニアは室温では電気的に絶縁体であるが、高
温(約500℃以上)では伝導体になることが従来から知
られており、また高温下でのジルコニアは、選択的に酸
素のみを透過する特性(以下、「選択的酸素透過特性」
という)を有することも知られている。
(Prior Art) Oxide zirconia is an electrical insulator at room temperature, but it is conventionally known that it becomes a conductor at high temperatures (about 500 ° C or higher), and zirconia at high temperatures is selective. Characteristic that allows only oxygen to pass through (hereinafter, "selective oxygen permeation characteristics"
It is also known to have.

前記選択的酸素透過特性から、ジルコニア板の両主面側
の酸素濃度の相異に応じた起電圧が得られることも公知
である。したがってこの起電圧と該ジルコニア板の一方
主面側の酸素濃度が既知であれば、反対主面側の酸素濃
度を一定の式(ネルンストの式)から算出できるので、
この性質を利用することにより、ジルコニア板を酸素濃
度検出素子として用いることができる。
It is also known that an electromotive voltage depending on the difference in oxygen concentration on both main surface sides of a zirconia plate can be obtained from the selective oxygen permeation characteristics. Therefore, if this electromotive voltage and the oxygen concentration on the one main surface side of the zirconia plate are known, the oxygen concentration on the other main surface side can be calculated from a constant equation (Nernst equation),
By utilizing this property, the zirconia plate can be used as an oxygen concentration detecting element.

また、ジルコニア板はその2つの主面間に該板を貫通す
るように電流を通すと、電流の向きとは反対方向へ酸素
を移動させる働きを有する。すなわち、ジルコニア板は
一方の主面側の酸素を他方の主面側へ汲み出すというポ
ンピング作用を有する。
Further, the zirconia plate has a function of moving oxygen in a direction opposite to the direction of the current when a current is passed between the two main surfaces so as to penetrate the plate. That is, the zirconia plate has a pumping action of pumping out oxygen on one main surface side to the other main surface side.

そこで従来から、このようなジルコニアの酸素濃度検出
作用及びポンピング作用を組み合わせて、理論空燃比よ
りも希薄な混合気の燃焼、あるいは過濃な混合気の燃焼
のいずれに対しても、その燃焼排気ガスから突然比を測
定できるようにした空燃比検出器が開発された(例えば
特開昭59−64755号公報等参照)。
Therefore, conventionally, by combining the oxygen concentration detecting action and the pumping action of such zirconia, the combustion exhaust gas for both the combustion of a mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio or the combustion of a rich mixture An air-fuel ratio detector has been developed in which the ratio can be suddenly measured from gas (see, for example, JP-A-59-64755).

第5図は、このような空燃比検出器を用いて空燃比を測
定する原理を説明するものである。
FIG. 5 illustrates the principle of measuring the air-fuel ratio using such an air-fuel ratio detector.

同図において、1は空燃比検出器(以下、単に検出器と
いう)である。この検出器1は酸素濃度検出の動作を行
う第1のジルコニア2並びにポンピング動作を行う第2
のジルコニア3と、前記第1および第2のジルコニア2,
3の間に設けられた中空室4と、前記第1及び第2のジ
ルコニア2,3のそれぞれの両主面に、例えば白金等によ
って形成された薄膜状の電極5(5a,5b,5c,5d)とから
なる。
In the figure, 1 is an air-fuel ratio detector (hereinafter, simply referred to as a detector). This detector 1 includes a first zirconia 2 for detecting oxygen concentration and a second zirconia for pumping operation.
Zirconia 3 and the first and second zirconia 2,
A thin chamber electrode 5 (5a, 5b, 5c, 5a, 5b, 5c, 5c, 5c, 5c, 5c, 5c, 5c, 5c, 5c, 5c) formed on both main surfaces of the hollow chamber 4 and the first and second zirconia 2, 3 5d) and.

第2のジルコニア3には小孔6が設けられている。な
お、この小孔6の部分は、該小孔6と等価な特性を有す
る多孔質のコーティング膜としても良い。
Small holes 6 are provided in the second zirconia 3. The portion of the small holes 6 may be a porous coating film having characteristics equivalent to those of the small holes 6.

また、前記電極5のうち、第1および第2のジルコニア
2,3の内側の電極5b,5cは接地されており、第1のジルコ
ニア2の外側の電極5aは差動増幅器7の(−)入力端子
と、また第2のジルコニア3の外側の電極5dは前記差動
増幅器7の出力端子とそれぞれ接続されている。
In addition, the first and second zirconia of the electrode 5
The electrodes 5b and 5c inside 2 and 3 are grounded, the electrode 5a outside the first zirconia 2 is the (−) input terminal of the differential amplifier 7, and the electrode 5d outside the second zirconia 3 is 5d. Are respectively connected to the output terminals of the differential amplifier 7.

差動増幅器7の(+)入力端子には基準電圧Erが印加さ
れている。
The reference voltage Er is applied to the (+) input terminal of the differential amplifier 7.

例えば内燃機関の排気ガスから、空燃比を検出する場
合、前記第1のジルコニア2の外側主面(電極5a側)を
大気に接しさせ、また第2のジルコニア3の外側主面
(電極5d側)は、濃度拡散により流れて来た排気ガス
(被測定ガス)と接するようにし、中空室4内には小孔
6を通して被測定ガスを流入させる。
For example, when detecting the air-fuel ratio from the exhaust gas of an internal combustion engine, the outer main surface of the first zirconia 2 (electrode 5a side) is brought into contact with the atmosphere, and the outer main surface of the second zirconia 3 (electrode 5d side). ) Is brought into contact with the exhaust gas (gas to be measured) that has flowed due to concentration diffusion, and the gas to be measured is caused to flow into the hollow chamber 4 through the small holes 6.

以下、空燃比が大きい希薄燃焼の場合と、空燃比が小さ
い過濃燃焼の場合とに分けて動作を説明する。
Hereinafter, the operation will be described separately for the case of lean combustion with a large air-fuel ratio and the case of rich combustion with a small air-fuel ratio.

(1)希薄燃焼時の動作 希薄燃焼時は、被測定ガス中に比較的多量の残留酸素が
存在する。このような被測定ガスが中空室4内に流入す
ると、該中空室4内の酸素濃度Cvと大気中の酸素濃度Cr
との濃度差は比較的小さくなる。このため、第1のジル
コニア2で生ずる起電圧、すなわち電極5a,5b間(酸素
濃度検出電極間)の電圧Eは基準電圧Erよりも小さくな
る。
(1) Operation during lean burn During lean burn, a relatively large amount of residual oxygen is present in the gas to be measured. When such a gas to be measured flows into the hollow chamber 4, the oxygen concentration C v in the hollow chamber 4 and the oxygen concentration C r in the atmosphere are increased .
The difference in the concentration between and is relatively small. Therefore, the electromotive voltage generated in the first zirconia 2, that is, the voltage E between the electrodes 5a and 5b (between the oxygen concentration detection electrodes) becomes smaller than the reference voltage Er .

したがって、希薄燃焼時は、差動増幅器7の出力は正と
なり、基準電圧Erと前記起電圧Eの差に応じた矢印A方
向(正方向)のポンピング電流が電極5dを介して第2の
ジルコニア3に供給される。
Therefore, during lean burn, the output of the differential amplifier 7 becomes positive, and the pumping current in the direction of arrow A (positive direction) corresponding to the difference between the reference voltage E r and the electromotive voltage E is transmitted through the electrode 5d to the second direction. Supplied to zirconia 3.

この結果、中空室4内の酸素は、ジルコニアのポンピン
グ作用により、第2のジルコニア3を貫通してその外方
主面側へ汲み出される。そして、前記正方向のポンピン
グ電流により汲み出される酸素量と、中空室4内に流入
される酸素量とがバランスするようになると、前記ポン
ピング電流はある一定値に安定する。
As a result, the oxygen in the hollow chamber 4 penetrates the second zirconia 3 by the pumping action of zirconia and is pumped to the outer main surface side. When the amount of oxygen pumped out by the positive direction pumping current and the amount of oxygen flowing into the hollow chamber 4 become balanced, the pumping current stabilizes at a certain constant value.

(2)過濃燃焼時の動作 過濃燃焼時は、被測定ガス中に比較的多量の水素及び一
酸化炭素が存在する。このような被測定ガスが小孔6か
ら中空室4内に流入すると、該中空室4内の酸素と化合
して水及び二酸化炭素となる。この結果、中空室4内の
酸素濃度Cvは大幅に減少し、大気中の酸素濃度Crとの濃
度差が大きくなる。
(2) Operation during rich combustion At the time of rich combustion, a relatively large amount of hydrogen and carbon monoxide exist in the measured gas. When such a gas to be measured flows into the hollow chamber 4 through the small holes 6, it is combined with oxygen in the hollow chamber 4 into water and carbon dioxide. As a result, the oxygen concentration C v in the hollow chamber 4 is significantly reduced, and the concentration difference with the oxygen concentration C r in the atmosphere is increased.

このために、差動増幅器7の(−)入力端子に印加され
る電圧(第1のジルコニア2で生ずる起電圧)Eは基準
電圧Erよりも大きくなる。したがって、過濃燃焼時に
は、差動増幅器7の出力は負となり、基準電圧Erと起電
圧Eの差に応じた矢印B方向(負方向)のポンピング電
流が第2のジルコニア3に供給される。
For this reason, the voltage E (electromotive voltage generated in the first zirconia 2) applied to the (−) input terminal of the differential amplifier 7 becomes larger than the reference voltage Er . Therefore, during the rich combustion, the output of the differential amplifier 7 becomes negative, and the pumping current in the direction of arrow B (negative direction) according to the difference between the reference voltage Er and the electromotive voltage E is supplied to the second zirconia 3. .

この結果、第2のジルコニア3の外方主面側の酸素(被
測定ガス中の酸素)が、ジルコニアのポンピング作用に
よって中空室4内に取り込まれる。
As a result, oxygen on the outer main surface side of the second zirconia 3 (oxygen in the measurement gas) is taken into the hollow chamber 4 by the pumping action of zirconia.

そして、前記負方向のポンピング電流によって取り込ま
れる酸素量と、水素または一酸化炭素と化合する酸素量
とがバランスすると、前記ポンピング電流はある値に落
ち着く。
When the amount of oxygen taken in by the negative pumping current and the amount of oxygen combined with hydrogen or carbon monoxide are balanced, the pumping current settles to a certain value.

前記のような構成および動作の回路によって正負のポン
ピング電流が得られた場合には、空燃比は、前記ポンピ
ング電流と、前記被測定ガス中の各ガス成分(酸素、水
素、一酸化炭素)の濃度に対する検出器1の感度係数
と、水炭比とに基づいて既知の演算により求めることが
できる。
When positive and negative pumping currents are obtained by the circuit having the configuration and operation as described above, the air-fuel ratio is determined by the pumping current and each gas component (oxygen, hydrogen, carbon monoxide) in the measured gas. It can be obtained by a known calculation based on the sensitivity coefficient of the detector 1 with respect to the concentration and the water charcoal ratio.

なお、前記検出器1の各ガス成分の濃度に対する感度係
数は、検出器1の機械的構造(例えば小孔6の寸法な
ど)によって決定される定数であり、特定ガス成分に対
する感度係数が決定されれば、残りのガス成分に対する
感度係数も周知の方法により決定されるものである。
The sensitivity coefficient for the concentration of each gas component of the detector 1 is a constant determined by the mechanical structure of the detector 1 (for example, the size of the small hole 6), and the sensitivity coefficient for a specific gas component is determined. Then, the sensitivity coefficient for the remaining gas components is also determined by a known method.

また、前記水炭比は、内燃機関が消費している燃料中に
含まれる水素原子と炭素原子との比であり、燃料の種類
が決まればこれに応じて決定される定数である。
Further, the water-carbon ratio is a ratio of hydrogen atoms and carbon atoms contained in the fuel consumed by the internal combustion engine, and is a constant determined in accordance with the type of fuel.

(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、実際の燃焼においては燃料が完全に燃焼
しきれずに、各種の炭化水素が排出される。この炭化水
素の排出量に応じて酸素、水素、一酸化炭素の量が変化
する。この炭化水素はその組成により、メタン(CH4
からメチルプロピルベンゼン(CH3C3H7C6H6)まで100種
類程度あり、これらが酸素と共に電極に向けて拡散する
速度はそれぞれ大きく異なる。したがって、センサ出力
の空燃比検出精度はこれら炭化水素の拡散速度(拡散係
数)に依存し、拡散速度の遅い分子量の大きい炭化水素
が多く含まれる場合には、応答よく正しい空燃比を測定
できず、空燃比の検出誤差も大きくなる。このような炭
化水素を予め触媒を用いて酸化し、二酸化炭素およびH2
O(水)に変換しておけば、空燃比の検出精度は向上す
るが、触媒をもつ処理装置を備える分だけ空燃比検出器
が大型化し、かつコスト高となる。また、この触媒作用
は、酸素が存在する空燃比の希薄領域ではその効果を達
せられるが、酸素が存在しない過濃領域では、その効果
が達せられない。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in actual combustion, the fuel is not completely burned and various hydrocarbons are discharged. The amounts of oxygen, hydrogen, and carbon monoxide change according to the amount of discharge of this hydrocarbon. Depending on its composition, this hydrocarbon may be methane (CH 4 )
From there about 100 kinds until methylpropyl benzene (CH 3 C 3 H 7 C 6 H 6), the rate at which they are diffused toward the electrode with oxygen varies greatly. Therefore, the air-fuel ratio detection accuracy of the sensor output depends on the diffusion rate (diffusion coefficient) of these hydrocarbons, and when a large amount of hydrocarbons with a slow diffusion rate and large molecular weight are contained, a correct air-fuel ratio cannot be measured with good response. The detection error of the air-fuel ratio also becomes large. Such hydrocarbons are previously catalytically oxidized to produce carbon dioxide and H 2
If converted to O (water), the detection accuracy of the air-fuel ratio will be improved, but the air-fuel ratio detector will be large and costly due to the provision of the processing device having the catalyst. Further, this catalytic action can achieve its effect in the lean region of the air-fuel ratio in which oxygen exists, but cannot attain its effect in the rich region where oxygen does not exist.

本発明はこのような問題に対し、炭化水素の排出特性が
空燃比に応じて変化する点に着目し、この炭化水素排出
特性に応じて空燃比の値を補正演算することにより、空
燃比の測定精度を向上させるようにした空燃比測定装置
を提供することを目的とする。
With respect to such a problem, the present invention focuses on the point that the hydrocarbon emission characteristic changes according to the air-fuel ratio, and corrects the value of the air-fuel ratio according to this hydrocarbon emission characteristic to calculate the air-fuel ratio. It is an object of the present invention to provide an air-fuel ratio measuring device that improves measurement accuracy.

(問題点を解決するための手段) 本発明は、2つの固体電解質の各両主面に電極を配して
形成した酸素濃度検出部並びにポンプ部とを備える空燃
比検出器と、酸素濃度検出部と基準電極との電圧差に応
じて正負のポンピング電流を前記ポンプ部に供給する駆
動手段と、被測定ガス中の特定成分に対応する感度係数
を設定する感度係数設定手段と、被測定ガスの燃焼燃料
の種類に応じて決定される水炭比を設定する水炭比設定
手段と、炭化水素の排出特性に応じて設定される炭化水
素排出係数設定手段と、これら各設定値と前記ポンピン
グ電流値に応じて所定の演算式に基づいて空燃比を算出
する演算手段とを備えるようにした。
(Means for Solving the Problems) The present invention relates to an air-fuel ratio detector including an oxygen concentration detector formed by arranging electrodes on both main surfaces of two solid electrolytes and a pump portion, and an oxygen concentration detector. Means for supplying a positive and negative pumping current to the pump portion according to the voltage difference between the reference part and the reference electrode, a sensitivity coefficient setting means for setting a sensitivity coefficient corresponding to a specific component in the measurement gas, and the measurement gas Of the combustion fuel, the water-carbon ratio setting means for setting the water-carbon ratio, the hydrocarbon emission coefficient setting means set according to the hydrocarbon emission characteristics, and these respective set values and the pumping An arithmetic means for calculating the air-fuel ratio based on a predetermined arithmetic expression according to the current value is provided.

(作用) このようにして、排気ガス中に含まれる炭化水素の排出
特性に応じて、その空燃比演算値を補正するので、触媒
等により炭化水素を前処理する必要がなく、このため炭
化水素の拡散速度の影響を受けずに、応答よく正しい空
燃比を測定することができる。
(Operation) In this way, the calculated value of the air-fuel ratio is corrected according to the emission characteristics of the hydrocarbon contained in the exhaust gas, so that it is not necessary to pretreat the hydrocarbon with a catalyst or the like, and therefore the hydrocarbon is The correct air-fuel ratio can be measured with good response, without being affected by the diffusion rate of.

(実施例) 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention.

図において、電流電圧変換回路21は、ポンピング電流Ip
を予定の変換ゲインで電圧信号に変換する。A/D変換回
路22は、電流電圧変換回路21から出力されたアナログの
電圧信号をディジタル信号に変換する。
In the figure, the current-voltage conversion circuit 21 indicates that the pumping current I p
Is converted into a voltage signal with a predetermined conversion gain. The A / D conversion circuit 22 converts the analog voltage signal output from the current-voltage conversion circuit 21 into a digital signal.

第1のディジタルスイッチ23は、予め決められている検
出器1の対酸素濃度感度係数を、ディジタル値で設定す
る感度係数設定用ディジタルスイッチである。第2のデ
ィジタルスイッチ24は、内燃機関が消費している燃料の
種類に応じて予め決まる水炭比を設定する水炭比設定用
ディジタルスイッチである。
The first digital switch 23 is a sensitivity coefficient setting digital switch for setting a predetermined sensitivity coefficient for oxygen concentration of the detector 1 with a digital value. The second digital switch 24 is a water / charcoal ratio setting digital switch for setting a water / water ratio previously determined according to the type of fuel consumed by the internal combustion engine.

なお、本実施例では、第2のディジタルスイッチ24とし
て、3桁のディジタルスイッチを使用しているので、0.
01刻みで各水炭比を設定することができる。
It should be noted that in the present embodiment, since a three-digit digital switch is used as the second digital switch 24, it is 0.
Each water char ratio can be set in increments of 01.

第3のディジタルスイッチ32は炭化水素(以下「HC」と
いう)の排出係数を設定するHC排出係数設定用ディジタ
ルスイッチである。
The third digital switch 32 is an HC emission coefficient setting digital switch that sets the emission coefficient of hydrocarbons (hereinafter referred to as "HC").

演算回路25は、入出力用のインターフェース29、中央演
算装置(CPU)30およびメモリ31から構成されており、
後述する演算処理を実行する。表示器26は、演算回路25
で算出された空燃比をディジタル表示する。
The arithmetic circuit 25 includes an input / output interface 29, a central processing unit (CPU) 30 and a memory 31,
The arithmetic processing described later is executed. The display unit 26 is an arithmetic circuit 25.
The air-fuel ratio calculated in step 1 is displayed digitally.

第1のディジタルスイッチ23を、検出器1の既知対酸素
濃度感度係数に設定することにより、検出器1の対酸素
濃度感度係数は、インターフェース29を介して、メモリ
31内のRAMに記憶される。
By setting the first digital switch 23 to the known sensitivity coefficient for oxygen concentration of the detector 1, the sensitivity coefficient for oxygen concentration of the detector 1 is stored in the memory via the interface 29.
It is stored in RAM in 31.

なお、このようにRAMに検出器1の対酸素濃度感度係数
が記憶されると、CPU30は周知の方法により検出器1の
対水素濃度感度係数、対一酸化炭素濃度感度係数、及び
対炭化水素濃度感度係数を算出する。そして、算出され
たこれらの感度係数は、メモリ31内のRAMに記憶され
る。
When the oxygen concentration sensitivity coefficient of the detector 1 is stored in the RAM in this way, the CPU 30 causes the detector 1 to detect the hydrogen concentration sensitivity coefficient, the carbon monoxide concentration sensitivity coefficient, and the hydrocarbon resistance by a known method. Calculate the density sensitivity coefficient. Then, the calculated sensitivity coefficients are stored in the RAM in the memory 31.

つづいて、第2のディジタルスイッチ24を、燃料の種類
に応じて決定される水炭比に設定する。
Subsequently, the second digital switch 24 is set to the water-carbon ratio determined according to the type of fuel.

これにより水炭比は、インターフェース29を介してメモ
リ31内のRAMに記憶される。
As a result, the water-charcoal ratio is stored in the RAM in the memory 31 via the interface 29.

さらに、第3のディジタルスイッチ32を後述のHC排出特
性に応じて求まるHC排出係数に設定する。これにより、
HC排出係数はインターフェース29を介してメモリ31内の
RAMに記憶される。
Further, the third digital switch 32 is set to an HC emission coefficient obtained according to an HC emission characteristic described later. This allows
The HC emission factor is stored in the memory 31 via the interface 29.
Stored in RAM.

このように、ディジタルスイッチにより水炭比あるいは
検出器1の対酸素濃度感度係数またはHC排出係数が新た
に設定された時、メモリ31内のRAMに、第1及び第2,第
3のディジタルスイッチ23,24,32の数値に対応した検出
器1のすべての感度係数、水炭比,及びHC排出係数が記
憶される。
Thus, when the water-charcoal ratio, the oxygen concentration sensitivity coefficient of the detector 1 or the HC emission coefficient is newly set by the digital switch, the first, second, and third digital switches are stored in the RAM in the memory 31. All the sensitivity coefficients, the water-carbon ratio, and the HC emission coefficient of the detector 1 corresponding to the numerical values 23, 24, 32 are stored.

演算回路25はメモリ31内のRAMに新たな水炭比または検
出器1の対酸素濃度感度係数,HC排出係数が記憶された
場合には、これらに基づいて所定の演算式により空燃比
を算出するのであるが、理論空燃比よりも過濃燃焼側と
希薄燃焼側とではそれぞれ後述するように演算式が異な
るので、まず過濃燃焼側について説明する。
The arithmetic circuit 25 calculates the air-fuel ratio by a predetermined arithmetic expression based on the new water-charcoal ratio or the oxygen concentration sensitivity coefficient of the detector 1 and the HC emission coefficient stored in the RAM of the memory 31. However, since the calculation formulas are different between the rich combustion side and the lean combustion side with respect to the theoretical air-fuel ratio, as will be described later, the rich combustion side will be described first.

過濃燃焼側では空燃比の演算式が極めて複雑となり、し
たがって低コストで小型な演算回路を用いて実時間で空
燃比を演算することは事実上困難であるのに対し、空燃
比と水炭比、HC排出係数からポンピング電流を算出する
ことは容易であることから、水炭比、HC排出係数をパラ
メータとして空燃比とポンピング電流との関係を示す数
値対応表(マップ)を作成し、これに基づいて空燃比を
算出するようにする。
On the rich combustion side, the calculation formula of the air-fuel ratio becomes extremely complicated, and therefore it is practically difficult to calculate the air-fuel ratio in real time using a low-cost and small calculation circuit. Since it is easy to calculate the pumping current from the ratio and the HC emission coefficient, a numerical value correspondence table (map) showing the relationship between the air-fuel ratio and the pumping current is created using the water-carbon ratio and the HC emission coefficient as parameters. The air-fuel ratio is calculated based on

そこでCPU30において、前記した各設定値に対応した、
過濃燃焼側での空燃比算出用の数値対応表を次ぎのよう
にして作成する。
So, in CPU30, corresponding to the above-mentioned each set value,
Create a numerical value correspondence table for calculating the air-fuel ratio on the rich combustion side as follows.

すなわち、例えばメモリ31内のバッテリーバックアップ
されているROMから数値の異なる複数の予め設定した空
気過剰率λを読み出すと共に、メモリ31内のRAMから前
述したようにして設定された水炭化、HC排出係数D、検
出器1の対水素濃度感度係数、対一酸化炭素濃度感度係
数、対炭化水素濃度感度係数を読み出し、つぎの(1)
式ないし(8)式から、前記各空燃比AFRに対応するポ
ンピング電流Ipを算出する。
That is, for example, a plurality of preset excess air ratios λ having different numerical values are read from the battery-backed ROM in the memory 31, and the water carbonization and HC emission coefficient set as described above are read from the RAM in the memory 31. D, the hydrogen concentration sensitivity coefficient, the carbon monoxide concentration sensitivity coefficient, and the hydrocarbon concentration sensitivity coefficient of the detector 1 are read out, and the following (1)
From equations (8), the pumping current I p corresponding to each air-fuel ratio AFR is calculated.

AFR=138λ(1+n/4)/(12+n) …(1) Ip=−(Bη+Cζ+Dθ) …(2) A=1+n/2+3.78λ(1+n/4)−αR(1+n/2−1/
m) …(3) C′=2(1+n/4)(1−αR−λ)−B′ …(5) Q={(1+n/4)(1−αR−λ)+(n/4+K/2)
(1−αR)/(K−1)}2−2K(1+n/4)(1−α
R−λ)(1−αR)/(K−1) …(6) B=B′×100/A …(7) C=C′×100/A …(8) ただし、上記(1)ないし(8)式において、AFRは空
燃比、nは水炭化、mは未燃炭化水素の平均炭素数、λ
は空気過剰率と呼ばれる変数、Ipはポンピング電流、A,
B,C,Qは中間変数、ηは検出器1の対一酸化炭素濃度感
度係数、ζは検出器1の対水素濃度感度係数、θは検出
器1の対炭化水素濃度感度係数、Kは水性ガス反応定数
を示している。
AFR = 138λ (1 + n / 4) / (12 + n) (1) I p =-(Bη + Cζ + Dθ) (2) A = 1 + n / 2 + 3.78λ (1 + n / 4) -αR (1 + n / 2−1 /
m)… (3) C '= 2 (1 + n / 4) (1-αR-λ) -B' (5) Q = {(1 + n / 4) (1-αR-λ) + (n / 4 + K / 2)
(1-αR) / (K-1)} 2 −2K (1 + n / 4) (1-α
R-λ) (1-αR) / (K-1) (6) B = B '× 100 / A (7) C = C' × 100 / A (8) However, the above (1) to In equation (8), AFR is the air-fuel ratio, n is water carbonization, m is the average carbon number of unburned hydrocarbons, λ
Is a variable called excess air ratio, I p is the pumping current, A,
B, C and Q are intermediate variables, η is the sensitivity coefficient of the detector 1 to carbon monoxide concentration, ζ is the sensitivity coefficient of the detector 1 to hydrogen concentration, θ is the sensitivity coefficient of the detector 1 to hydrocarbon concentration, and K is The water-gas reaction constant is shown.

ここで、αRは過濃燃焼側でのHC補正係数で、次の
(9)式で求めることができる。
Here, αR is the HC correction coefficient on the rich combustion side, and can be calculated by the following equation (9).

αR={1+n/2+3.78λ(1+n/4)}D /{1+D(1+n/2−1/m) …(9) ここに、Dが第3ディジタルスイッチ32で設定されたHC
排出係数(HC排出濃度)である。
αR = {1 + n / 2 + 3.78λ (1 + n / 4)} D / {1 + D (1 + n / 2−1 / m) (9) Here, D is the HC set by the third digital switch 32.
Emission factor (HC emission concentration).

演算回路25は、過濃燃焼において、前述のようにして算
出された各ポンピング電流を、メモリ31内のRAMに記憶
する。すなわち、メモリ31内のRAMには、ある特定値の
水炭比nに対応する数値対応表が記憶されることにな
る。
The arithmetic circuit 25 stores each pumping current calculated as described above in the RAM in the memory 31 in the rich combustion. That is, the RAM in the memory 31 stores a numerical value correspondence table corresponding to a certain specific value of the water charcoal ratio n.

したがって、過濃燃焼側における空燃比の測定は次ぎの
ようにして行なわれる。
Therefore, the measurement of the air-fuel ratio on the rich combustion side is performed as follows.

過濃燃焼側では前述したように、検出器1に供給される
ポンピング電流Ipは負(Ip<0)となる。この負のポン
ピング電流Ipは、電流電圧変換回路21において所定の変
換ゲインで電圧信号に変換されA/D変換回路22に供給さ
れる。
On the rich combustion side, as described above, the pumping current I p supplied to the detector 1 becomes negative (I p <0). The negative pumping current I p is converted into a voltage signal by the current-voltage conversion circuit 21 with a predetermined conversion gain and supplied to the A / D conversion circuit 22.

A/D変換回路22に供給された電圧信号は、ここでディジ
タル信号に変換されて演算回路25へ供給される。演算回
路25は、インターフェース29を介して前記ディジタルの
電圧信号をCPU30に取り込む。
The voltage signal supplied to the A / D conversion circuit 22 is converted into a digital signal here and supplied to the arithmetic circuit 25. The arithmetic circuit 25 takes in the digital voltage signal to the CPU 30 via the interface 29.

そして、この電圧信号、すなわちポンピング電流Ipに基
づいて、内挿法により、前記したように予めメモリ31内
のRAMに記憶されている数値対応表から、該ポンピング
電流Ipに対応する空燃比を算出する。
Then, based on this voltage signal, that is, the pumping current I p , the air-fuel ratio corresponding to the pumping current I p is calculated by the interpolation method from the numerical value correspondence table previously stored in the RAM in the memory 31 as described above. To calculate.

このように算出された空燃比は、インターフェース29を
介して表示器26へ供給されるので、ディジタル表示され
ることになる。
The air-fuel ratio calculated in this way is supplied to the display device 26 via the interface 29, so that it is digitally displayed.

これに対して希薄燃焼側での空燃比の測定動作は次ぎの
ようにして行なわれる。
On the other hand, the measurement operation of the air-fuel ratio on the lean burn side is performed as follows.

希薄燃焼側でも、過濃燃焼側と同様に、水炭比、HC排出
係数をパラメータとして空燃比とポンピング電流との関
係を示す数値対応表を作成し、これに基づいて空燃比を
算出するようにする。
On the lean burn side as well as on the rich burn side, create a numerical correspondence table showing the relationship between the air-fuel ratio and the pumping current using the water charcoal ratio and the HC emission coefficient as parameters, and calculate the air-fuel ratio based on this. To

そこで、CPU30において、前記した各設定値に対応し
た、希薄燃焼側での空燃比算出用の数値対応表を次のよ
うにして作成する。
Therefore, in the CPU 30, a numerical value correspondence table for calculating the air-fuel ratio on the lean burn side corresponding to the above-mentioned set values is created as follows.

すなわち、例えばメモリ31内のバッテリーバックアップ
されているROMから数値の異なる空気過剰率λを読み出
すと共に、メモリ31内のRAMから前述したようにして設
定された水炭比、HC排出係数D、検出器1の対酸素濃度
感度係数γを読み出し、前記した(1)式および次の
(10)式ないしは(13)式から、前記各空燃比AFRに対
するポンピング電流Ipを算出する。
That is, for example, the excess air ratio λ with different numerical values is read from the battery-backed ROM in the memory 31, and the water / carbon ratio, the HC emission coefficient D, and the detector set as described above are read from the RAM in the memory 31. The oxygen concentration sensitivity coefficient γ of 1 is read out, and the pumping current I p for each air-fuel ratio AFR is calculated from the equation (1) and the following equations (10) to (13).

Ip=Eγ+Dθ …(10) E′=(1+n/4)(λ−1+αL) …(11) E=E′×100/A …(12) A=n/4+4.78λ(1+n/4) +αL(1/m−n/4) …(13) αL={n/4+(1+n/4)4.78λ}D /{1+(n/4−1/m)D} …(14) ここで、αLは希薄燃焼側でのHCの補正係数で、Dが第
3ディジタルスイッチ32で設定されたHC排出係数(HC排
出濃度)である。
I p = Eγ + Dθ (10) E '= (1 + n / 4) (λ-1 + αL) (11) E = E' × 100 / A (12) A = n / 4 + 4.78λ (1 + n / 4) + αL (1 / m−n / 4) (13) αL = {n / 4 + (1 + n / 4) 4.78λ} D / {1+ (n / 4−1 / m) D} (14) where αL Is a HC correction coefficient on the lean burn side, and D is an HC emission coefficient (HC emission concentration) set by the third digital switch 32.

このようにして算出された空燃比は、インターフェース
29を介して表示器26へ供給され、ディジタル表示され
る。
The air-fuel ratio calculated in this way is
It is supplied to the display device 26 via 29 and is digitally displayed.

尚、過濃燃焼側、希薄燃焼側のHC補正係数αR,αLは第
3のデジタルスイッチ32で設定されるHC排出係数Dから
それぞれ(9)式、(14)式で求められるが、このHC排
出係数Dは第2図で示されるように理論空燃比点(λ=
1)でのHC排出濃度に基づいて定めた値を設定値として
いる。第2図は実験による空燃比とHC排出濃度の関係を
示したもので、λ=1では理論上はHCは排出されない
が、実際にはピストンクレビス部や壁流等により図示し
たように未然HCが生じる。そこで、目標とする空気過剰
率λ=1のときには、図示した理論空燃比点でのHC排出
濃度(P点)に基づいてあらかじめ定めたHC排出係数を
設定することになる。ただし、このHCの排出特性はa線
で示したように一定ではなく、実空燃比に応じて変化す
る。
The HC correction coefficients αR and αL on the rich combustion side and the lean combustion side are obtained from the HC emission coefficient D set by the third digital switch 32 by the equations (9) and (14), respectively. The emission coefficient D is, as shown in FIG. 2, the theoretical air-fuel ratio point (λ =
The set value is the value determined based on the HC emission concentration in 1). Fig. 2 shows the relationship between the air-fuel ratio and the HC emission concentration by experiments. HC is not theoretically emitted at λ = 1, but it is actually HC as shown in the figure due to the piston clevis and wall flow. Occurs. Therefore, when the target excess air ratio λ = 1, a predetermined HC emission coefficient is set based on the HC emission concentration (point P) at the illustrated theoretical air-fuel ratio point. However, the discharge characteristic of HC is not constant as shown by the line a, and changes according to the actual air-fuel ratio.

そこでHC排出濃度が、一般にほぼ理論空燃比点を基点
(P点)に過濃側ほど、また若干希薄側まで低く、それ
以上は希薄側ほど高いという特性から、第3のディジタ
ルスイッチ32で設定した理論空燃比点でのHC排出係数D
を過濃側、希薄側は次の(12)式を用いて補正すること
により、広い範囲で比較的誤差の少ない空燃比測定が可
能となる。
Therefore, the HC emission concentration is generally set at the third digital switch 32 because the concentration is low from the theoretical air-fuel ratio point (point P) toward the rich side, slightly lower to the lean side, and higher than the lean side. HC emission coefficient D at the theoretical air-fuel ratio point
By compensating for the rich side and the lean side using the following equation (12), it is possible to measure the air-fuel ratio with a relatively small error in a wide range.

D′=D・KHC……(12) ここで、KHCはHC排出特性に応じた補正係数で、所定の
空燃比時のKHCを設定し、所定の空燃比時のHC排出係数
D′を求めて使用する。なおその間は、補間計算で求め
た値を使用する。
D ′ = D · KHC (12) Here, KHC is a correction coefficient according to the HC emission characteristic, and KHC at a predetermined air-fuel ratio is set to obtain the HC emission coefficient D ′ at a predetermined air-fuel ratio. To use. During that time, the value obtained by the interpolation calculation is used.

第3図には第2の実施例を示す。FIG. 3 shows a second embodiment.

この実施例は第3のディジタルスイッチ32を2ケ設け、
1つが過濃燃焼側用ディジタルスイッチ32aで、もう一
つが希薄燃焼側用ディジタルスイッチ32bである。
In this embodiment, two third digital switches 32 are provided,
One is the rich-burn side digital switch 32a, and the other is the lean-burn side digital switch 32b.

これは例えば検出器1を酸化触媒(図示しない)の後流
位置に取り付けたとき、希薄燃焼側では残留酸素と未然
HCが反応し、HC排出濃度はほぼ0となる。したがって、
この場合には、HC排出係数Dを希薄燃焼側全域0とする
必要がある。
This is because, for example, when the detector 1 is installed at the downstream position of the oxidation catalyst (not shown), residual oxygen may be generated on the lean combustion side.
HC reacts and the HC emission concentration becomes almost zero. Therefore,
In this case, it is necessary to set the HC emission coefficient D to 0 on the lean combustion side.

よって、過濃燃焼側と希薄燃焼側でHC排出係数Dを別々
に設定できる構成とし、検出器1の取付位置(触媒の前
と後)に対応できるようにした。
Therefore, the HC emission coefficient D can be set separately for the rich-burn side and the lean-burn side so that the detector 1 can be mounted at the mounting position (before and after the catalyst).

第4図には、第3の実施例を示す。この実施例は、HC排
出係数Dを設定する第3のディジタルスイッチ32の他に
第4のディジタルスイッチ33、及びメモリリードスイッ
チ34を設けたものである。この第4のディジタルスイッ
チ33は空燃比(またはλ)を設定するものである。
FIG. 4 shows a third embodiment. In this embodiment, in addition to the third digital switch 32 for setting the HC emission coefficient D, a fourth digital switch 33 and a memory reed switch 34 are provided. The fourth digital switch 33 sets the air-fuel ratio (or λ).

この動作について説明する。第4のディジタルスイッチ
33で所定の空燃比を設定し、その空燃比時のHC排出係数
を第3のディジタルスイッチ32で設定し、メモリモード
スイッチ34によって所定の空燃比時のHC排出係数が、イ
ンターフェース29を介してメモリ31内のRAMに記憶され
る。
This operation will be described. 4th digital switch
A predetermined air-fuel ratio is set by 33, the HC emission coefficient at the air-fuel ratio is set by the third digital switch 32, and the HC emission coefficient at the predetermined air-fuel ratio is set by the memory mode switch 34 via the interface 29. It is stored in the RAM in the memory 31.

この第4のディジタルスイッチ33は2桁のスイッチを使
用しており、空燃比が「1」刻みで設定できる。すなわ
ち、空燃比とHC排出特性の関係が明らかな場合は、その
特性に応じてHC排出係数を設定することができ、空燃比
測定精度をより一層向上させることができる。
The fourth digital switch 33 uses a 2-digit switch, and the air-fuel ratio can be set in "1" increments. That is, when the relationship between the air-fuel ratio and the HC emission characteristic is clear, the HC emission coefficient can be set according to the characteristic, and the air-fuel ratio measurement accuracy can be further improved.

尚、過濃燃焼側では、このHC排出係数に代えて、一酸化
炭素の排出補正係数及び水素の排出補正係数、酸素の排
出補正係数を付与しても同様の効果が得られる。
On the rich combustion side, the same effect can be obtained by providing a carbon monoxide emission correction coefficient, a hydrogen emission correction coefficient, and an oxygen emission correction coefficient instead of the HC emission coefficient.

また、HC排出係数Dを設定するディジタルスイッチに代
えて、HC排出係数Dを直接メモリ(ROM)に書き込んで
おいてもよい。
Further, instead of the digital switch for setting the HC emission coefficient D, the HC emission coefficient D may be directly written in the memory (ROM).

以上のようにこの発明によれば、被測定ガス中の特定ガ
スに対応する検出器の感度係数を設定する感度係数設定
手段と、燃料の種類に応じて決定される水炭比設定手段
と、HCの排出特性に応じて設定するHC排出係数設定手段
とを備え、これらの各設定値と検出器の出力から所定の
演算式に基づいて空燃比を算出するようにしたため、被
測定ガス中に拡散速度の遅い炭化水素を含んでいる場合
でも、炭化水素の排出特性を考慮して補正演算するの
で、特別に炭化水素を酸化するための触媒などを設けな
くても、応答良く正確に空燃比を測定できるという効果
が得られる。
As described above, according to the present invention, the sensitivity coefficient setting means for setting the sensitivity coefficient of the detector corresponding to the specific gas in the gas to be measured, and the charcoal ratio setting means determined according to the type of fuel, An HC emission coefficient setting means for setting according to the emission characteristics of HC is provided, and since the air-fuel ratio is calculated from these set values and the output of the detector based on a predetermined arithmetic expression, Even when a hydrocarbon with a slow diffusion rate is included, the correction calculation is performed in consideration of the hydrocarbon emission characteristics, so that the air-fuel ratio can be accurately measured with good response without the need for a catalyst for oxidizing the hydrocarbon. The effect of being able to measure is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の第1の実施例を示すブロック図であ
る。第2図は空燃比と排出HC濃度特性を示す説明図であ
る。第3図,第4図はそれぞれ第2,第3実施例を示すブ
ロック図である。第5図は空燃比を検出する原理を説明
するための回路図である。 1……検出器、7……差動増幅器、21……電流電圧変換
回路、22……A/D変換回路、23……第1のディジタルス
イッチ、24……第2のディジタルスイッチ、25……演算
回路、29……インターフェース、30……CPU、31……メ
モリ、32……第3のディジタルスイッチ。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the air-fuel ratio and the exhaust HC concentration characteristic. 3 and 4 are block diagrams showing the second and third embodiments, respectively. FIG. 5 is a circuit diagram for explaining the principle of detecting the air-fuel ratio. 1 ... Detector, 7 ... Differential amplifier, 21 ... Current-voltage conversion circuit, 22 ... A / D conversion circuit, 23 ... First digital switch, 24 ... Second digital switch, 25 ... … Operation circuit, 29 …… Interface, 30 …… CPU, 31 …… Memory, 32 …… Third digital switch.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】2つの固体電解質の各両主面に電極を配し
て形成した酸素濃度検出部並びにポンプ部とを備える空
燃比検出器と、酸素濃度検出部と基準電極との電圧差に
応じて正負のポンピング電流を前記ポンプ部に供給する
駆動手段と、被測定ガス中の特定成分に対応する感度係
数を設定する感度係数設定手段と、被測定ガスの燃焼燃
料の種類に応じて決定される水炭比を設定する水炭比設
定手段と、炭化水素の排出特性に応じて設定される炭化
水素排出係数設定手段と、これら各設定値と前記ポンピ
ング電流値に応じて所定の演算式に基づいて空燃比を算
出する演算手段とを備えたことを特徴とする空燃比測定
装置。
1. An air-fuel ratio detector comprising an oxygen concentration detector formed by arranging electrodes on each main surface of two solid electrolytes and a pump, and a voltage difference between the oxygen concentration detector and a reference electrode. According to the type of combustion fuel of the gas to be measured, the driving means for supplying positive and negative pumping current to the pump part, the sensitivity coefficient setting means for setting the sensitivity coefficient corresponding to the specific component in the gas to be measured, And a hydrocarbon discharge coefficient setting means for setting the discharge characteristics of hydrocarbons, and a predetermined arithmetic expression according to each of these set values and the pumping current value. An air-fuel ratio measuring device, comprising:
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