JPH10159640A

JPH10159640A - 空燃比センサの異常診断装置

Info

Publication number: JPH10159640A
Application number: JP32156396A
Authority: JP
Inventors: Akira Uchikawa; 晶内川; Naomi Tomizawa; 尚己冨澤
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 1998-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で高精度に、広域空燃比セン
サの異常診断を行えるようにする。【解決手段】異常診断開始条件が成立したか否かを、ス
テップ１において判定する。成立したら、ステップ２へ
進み、酸素ポンプ電極８Ａ，８Ｂ間の電流値Ｉｐをモニ
ターする。ステップ３では、電流値Ｉｐが所定範囲内に
あるか否かを判定する。ＹＥＳであれば、ステップ４へ
進み、『ＯＫ判定』する。一方、ＮＯであれば、ステッ
プ５へ進み『ＮＧ判定』し、ステップ６でＭＩＬを点灯
等する。これにより、比較的簡単な構成で、高精度に、
広域空燃比センサの異常診断を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、所謂広域空燃比セ
ンサの異常診断を行う装置に関する。

【従来の技術】従来から所謂広域空燃比センサとして
は、例えば、図２に示すようなものがある。このもの
は、図２に示すように、ヒータ部２を備えた本体（例え
ば酸素イオン伝導性を有するジルコニアＺｒ₂Ｏ₃等の
耐熱性多孔質絶縁材料等で形成される）１内に、大気
（標準ガス）と連通する大気導入孔３を設けると共に、
検出対象ガス（例えば内燃機関の排気等）と検出対象ガ
ス導入孔４、保護層５等を介して連通するガス拡散層
（或いはガス拡散ギャップ）６が設けられている。セン
シング部電極７Ａ、７Ｂは大気導入孔３とガス拡散層６
に臨んで設けられると共に、酸素ポンプ電極８Ａ、８Ｂ
はガス拡散層６と、これに対応する本体１の周囲と、に
設けられるようになっている。なお、センシング部電極
７Ａ、７Ｂ（センサ部）は、ガス拡散層６内の酸素イオ
ン濃度（酸素分圧）によって影響されるセンシング部電
極間の酸素分圧比に応じて発生する電圧を検出するよう
になっている。一方、酸素ポンプ電極８Ａ、８Ｂ（特定
成分ポンプ部）には、所定電圧が印加されるようになっ
ている。つまり、センシング部電極７Ａ、７Ｂはセンシ
ング部電極間の酸素分圧比によって発生する電圧を検出
して、空燃比が理論空燃比（換言すると、空気過剰率λ
＝１）に対してリッチであるかリーンであるかを検出す
ることができるようになっている。一方、図３のような
モデル図で示すことができる酸素ポンプ電極部８Ａ、８
Ｂにおいては、所定の電圧が印加されると、これに応じ
てガス拡散層６内の酸素イオンが移動され、酸素ポンプ
電極部８Ａ、８Ｂ間に電流が流れるようになっている。
なお、酸素ポンプ電極部８Ａ、８Ｂ間に、所定電圧を印
加したときに該電極間を流れる電流値（限界電流）Ｉｐ
は、ガス拡散層６内の酸素イオン濃度に影響されるの
で、電流値（限界電流）Ｉｐを検出すれば、検出対象ガ
スの空燃比（換言すれば、空気過剰率λ）を検出できる
ことになる。従って、例えば、図３のテーブルＡに示す
ような酸素ポンプ電極間の電流・電圧と、検出対象ガス
の空燃比（換言すれば、空気過剰率λ）と、の相関関係
が得られることになる。なお、センシング部電極７Ａ、
７Ｂのリッチ・リーン出力に基づいて、酸素ポンプ電極
部８Ａ、８Ｂに対する電圧の印加方向を反転させること
で、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域にお
いて、酸素ポンプ電極部８Ａ、８Ｂ間を流れる電流値
（限界電流）Ｉｐに基づく広範囲な空燃比の検出を可能
にしているものである。以上のような空燃比検出原理に
より、酸素ポンプ電極部間の電流値Ｉｐを検出して、例
えば図３のテーブルＢを参照すれば、広範囲に亘って検
出対象ガスの実際の空燃比（空気過剰率λ）を検出する
ことができることになる。なお、センサ検出値Ｉｐは、
例えば次式により求めることもできる。Ｉｐ＝Ｄｏ２・Ｐ・Ｓ／（Ｔ・Ｌ）・ln｛１／（１−Ｐ
ｏ２／Ｐ）｝Ｄｏ２：酸素ガスの多孔質層の拡散係数Ｓ：陰極の電極面積Ｌ：多孔質層の厚さＰ：全圧力Ｐｏ２：酸素分圧Ｔ：温度

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような所謂広域空燃比センサが正常に作動できているか
否か、或いは性能が劣化していないか否か等について診
断する技術が確立されていなかったため、広域空燃比セ
ンサが正しく空燃比を検出できているか否か判らず、例
えば内燃機関の空燃比制御において支障を来すおそれが
あり、以って運転性能、排気性能、燃費性能等を良好に
維持できなくなるおそれがある。本発明は、かかる従来
の実情に鑑みなされたもので、比較的簡単な構成で、高
精度に広域空燃比センサが正常に作動できているか否か
を診断することができる空燃比センサの異常診断装置を
提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】このため請求項１に記載
の発明にかかる空燃比センサの異常診断装置は、図１に
示すように、機関排気に臨んで設けられるガス拡散層を
挟んで設けられた電極間に所定電圧を印加したときに該
電極間を流れる電流値に基づいて、機関排気の空燃比を
検出するようにした空燃比センサの異常診断装置であっ
て、機関始動後に所定空燃比で機関が運転されているこ
とを含む異常診断開始条件が成立したか否かを判定する
判定手段と、異常診断開始条件が成立したと判定された
ときに、前記電流値に基づいて空燃比センサの異常診断
を行う異常診断手段と、を含んで構成した。かかる構成
によれば、例えば、機関始動後に異常診断開始条件が成
立したときに（例えば所定空燃比で機関が運転される条
件下となったときに）得られるであろう電流値と、実際
の電流値と、を比較すること等に基づき、空燃比センサ
の異常診断を行うことができるので、従来できなかった
広域空燃比センサの異常の有無を、比較的簡単な構成で
診断することが可能となる。請求項２に記載の発明で
は、前記異常診断開始条件が、機関始動後所定時間経過
したことを含むようにした。かかる構成によれば、機関
始動直後における前記電流値の不安定状態を避けて空燃
比センサの異常診断を行うことができるので、異常診断
精度の向上を図ることができる。請求項３に記載の発明
では、前記異常診断開始条件が、前記空燃比センサが活
性化したことを含むようにした。かかる構成によれば、
前記空燃比センサの不活性状態における前記電流値の不
安定状態を避けて空燃比センサの異常診断を行うことが
できるので、異常診断精度の向上を図ることができる。
請求項４に記載の発明では、前記異常診断開始条件が、
前記空燃比センサの検出値に基づく空燃比フィードバッ
ク制御中であることを含むようにした。前記空燃比セン
サの検出値に基づく空燃比フィードバック制御中は、排
気空燃比を所定値に制御維持しようとして排気空燃比が
比較的安定した状態にあるので、前記電流値も比較的安
定しているはずである。従って、かかる状況下で本来得
られるであろう電流値と、実際に検出された電流値と、
を比較すれば、空燃比センサの異常の有無を高精度に診
断することができる。請求項５に記載の発明では、前記
異常診断開始条件が、機関運転制御用電力供給源の電圧
が所定以上であることを含むようにした。かかる構成に
よれば、機関運転制御用電力供給源の供給電源が低下す
ると、機関排気の空燃比が正常に制御されなくなった
り、前記電流値が不安定となるため、前記電流値に基づ
く異常診断において、誤診断を招く惧れれが高くなる
が、このような惧れを確実に排除することができる。請
求項６に記載の発明では、前記異常診断手段が、前記電
流値が所定範囲内にあるか否かに基づいて、空燃比セン
サの異常診断を行うように構成した。このように構成す
ると、比較的簡単な構成で、高精度に空燃比センサの異
常診断を行うことができる。請求項７に記載の発明で
は、前記所定範囲が、目標空燃比に応じて変更されるよ
うに構成した。かかる構成によれば、運転状態の変化等
により機関の目標空燃比が変化しても（フィードバック
制御、フィードフォワード制御に拘わらず）、それに応
じて異常診断の判定レベルである前記所定範囲を変更す
ることができるので、一層高精度に空燃比センサの異常
診断を行うことができる。

【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施形態を、
添付の図面に基づいて説明する。本実施形態では、内燃
機関の排気空燃比を検出する場合に広域空燃比センサを
適用した場合における広域空燃比センサの異常診断方法
を代表して説明することにする。本発明の一実施形態の
全体構成を示す図４において、機関11の吸気通路12には
吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ13及びア
クセルペダルと連動して吸入空気流量Ｑａを制御する絞
り弁14が設けられ、下流のマニホールド部分には気筒毎
に電磁式の燃料噴射弁15が設けられる。燃料噴射弁15
は、後述するようにしてコントロールユニット50におい
て設定される駆動パルス信号によって開弁駆動し、図示
しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレー
タ（図示せず）により所定圧力に制御された燃料を噴射
供給する。更に、機関11の冷却ジャケット内の冷却水温
度Ｔｗを検出する水温センサ16が設けられる。一方、排
気通路17にはマニホールド集合部近傍に、排気中の酸素
濃度に基づいて吸入混合気の空燃比を検出する広域空燃
比センサ18（本発明の広域空燃比センサに相当する。以
下、単に空燃比センサとも言う。）が設けられ、その下
流側に、例えば理論空燃比（λ＝１、Ａ／Ｆ（空気重量
／燃料重量）≒１４．７）近傍において排気中のＣＯ，
ＨＣの酸化とＮＯ_Xの還元を良好に行って排気を浄化す
る排気浄化触媒としての三元触媒19が介装されている。
なお、排気浄化触媒としては、例えばリーン（希薄空燃
比）領域でＮＯx を還元する所謂リーンＮＯx 触媒を採
用しても良いし、一般的な酸化触媒を採用するものであ
っても構わない。ところで、本実施形態において用いる
空燃比センサ18は、図２で示した従来同様のものと同様
の検出原理を利用するものであれば如何なるものであっ
て構わない。また、図４で図示しないディストリビュー
タには、クランク角センサ20が内蔵されており、コント
ロールユニット50では、該クランク角センサ20から機関
回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時
間カウントして、又は、クランク基準角信号の周期を計
測して機関回転速度Ｎｅを検出する。ところで、本発明
にかかるコントロールユニット50は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，
ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等を含
んで構成されるマイクロコンピュータからなり、各種セ
ンサからの入力信号を受け、以下のようにして、燃料噴
射弁15の噴射量（即ち、空燃比制御量）を制御する。前
記各種のセンサとしては、前述の空燃比センサ18、エア
フローメータ13、水温センサ16、クランク角センサ20等
がある。即ち、エアフローメータ13からの電圧信号から
求められる吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ20か
らの信号から求められる機関回転速度Ｎｅとから基本燃
料噴射パルス幅（燃料噴射量に相当）Ｔｐ＝ｃ×Ｑａ／
Ｎｅ（ｃは定数）を演算すると共に、低水温時に強制的
にリッチ側に補正する水温補正係数Ｋｗや、始動及び始
動後増量補正係数Ｋasや、空燃比フィードバック補正係
数α等により、最終的な有効燃料噴射パルス幅Ｔｅ＝Ｔ
ｐ×（１＋Ｋｗ＋Ｋas＋・・・）×α＋Ｔｓを演算す
る。Ｔｓは、電圧補正分である。そして、この有効燃料
噴射パルス幅Ｔｅが駆動パルス信号として前記燃料噴射
弁15に送られて、所定量に調量された燃料が噴射供給さ
れることになる。上記空燃比フィードバック補正係数α
は、空燃比センサ18が検出する実際の空燃比の目標空燃
比からのズレを補正するための係数であり、これに基づ
きコントロールユニット50では基本燃料パルス幅Ｔｐを
補正し、燃焼用混合気の空燃比が目標空燃比（例えば理
論空燃比）にフィードバック制御されることになる。こ
こで、本実施形態におけるコントロールユニット50によ
り実行される空燃比センサの異常診断制御について、図
５に示すフローチャートに従って説明する。当該フロー
は、例えば始動毎に１回行われる。なお、本発明にかか
る判定手段、異常診断手段としての機能は、以下に示す
ように、本実施形態のコントロールユニット50がソフト
ウェア的に備えるものである。ステップ（図では、Ｓと
記してある。以下、同様。）１では、異常診断開始条件
成立か否かを判定（判断）する。即ち、例えば、下記
〜の条件が成立するまで、異常診断の開始をディレイ
させるようになっている。例えば、エンジンスタートキーオン→オフ（Ｋｅｙｏｎ→ｏ
ｆｆ）後一定時間経過したか（換言すれば始動後所定時
間経過したか）否かを判断し、経過していなければ診断
開始を許可しないようになっている。例えば、始動時増
量、壁流形成の影響による誤診断や、空燃比センサ18の
不活性状態下において診断が行われることによる誤診断
を防止する等のためである。空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）活性判定終了か否かを
判断し、終了していなければ診断開始を許可しないよう
になっている。空燃比センサ18の不活性状態下において
診断が行われることによる誤診断を防止する等のためで
ある。空燃比フィードバック制御（Ａ／Ｆコントロール）条
件成立か否かを判断し、成立していなければ診断開始を
許可しないようになっている。空燃比フィードバック制
御により空燃比を所定の目標値に制御していない場合に
おける診断精度の低下を防止するためである。バッテリ電圧が所定値以上であるか否かを判断し、所
定値以上でなければ診断開始を許可しないようになって
いる。バッテリ電圧の低下に起因する誤診断を防止する
ためである。このようにすると、図６のタイムチャート
に示すように、始動後の空燃比センサ18の不安定な状態
において、異常診断が行われるのが禁止されるので、空
燃比センサの異常診断において誤診断の発生を極力防止
することが可能となる。続くステップ２では、酸素ポン
プ電極部８Ａ，８Ｂ間の電流値Ｉｐのモニタを開始す
る。ステップ３では、電流値Ｉｐが、図６に示すような
所定範囲内にあるか否かを判断する。ＹＥＳであればス
テップ４へ進み、ＮＯであればステップ５へ進む。つま
り、空燃比センサ18が活性状態であり、空燃比フィード
バック制御中であれば、所定の目標空燃比が得られるよ
うに実際の空燃比は制御されているはずであるので、空
燃比センサ18が正常であれば、酸素ポンプ電極部８Ａ，
８Ｂ間の電流値Ｉｐはその空燃比に応じた所定範囲内に
収束しているはずである。従って、もし酸素ポンプ電極
部８Ａ，８Ｂ間の電流値Ｉｐが所定範囲内に収束してい
ないとすれば、空燃比センサ18に何らかの故障、劣化等
が発生しているおそれが高いと判断できることになる。
本実施形態では、かかる考え方に基づいて、空燃比セン
サ18の診断を行うものである。ステップ４では、電流値
Ｉｐが、目標空燃比に応じて設定される所定範囲内にあ
り、空燃比センサ18は正常であると判断し、ＯＫ判定を
して、本フローを終了する。一方、ステップ５では、電
流値Ｉｐが、目標空燃比に応じて設定される所定範囲内
になく、何らかの異常｛例えば、酸素ポンプ部やセンシ
ング部の回路故障、ハーネスの断線・ショート、或いは
劣化（ガス拡散層６や保護層５等が目詰まり等）｝があ
ると判断し、ＮＧ判定をする。そして、このようなＮＧ
判定が、例えば２回（２トリップ）連続して生じた場合
には、ステップ６へ進み、警告灯（ＭＩＬ）を点灯等し
て運転者等に空燃比センサ18に何らかの異常がある旨を
認知させ修理等の処置を促すようにする。また、運転性
能や排気性能等の悪化を極力避けるべく、空燃比センサ
18の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御を禁止
し、特にリーン燃焼制御等を強制的に禁止するようにし
ても良い。このように２回（２トリップ）連続して生じ
た場合にステップ６へ進ませるようにすると、１回目に
ＮＧ判定され次のトリップ時にＯＫ判定されたような場
合には、１回目のＮＧ判定が誤判定であったおそれがあ
るが、このような誤判定を考慮に入れなくすることがで
きるので、空燃比センサ18の異常診断精度を一層高める
ことができる。なお、所定回数始動を行った際に、所定
割合でＮＧ判定が行われた場合に、警告灯（ＭＩＬ）を
点灯等して運転者等に空燃比センサ18に何らかの異常が
ある旨を認知させるようにすることもできる。また、勿
論、ＮＧ判定毎に警告灯（ＭＩＬ）を点灯させても良い
ものである。このように、本実施形態によれば、エンジ
ン始動後所定時間経過し、エンジン回転（運転）中で且
つ空燃比センサ18による空燃比フィードバック制御（ク
ローズ・ループ制御）中であるときに、酸素ポンプ電極
部８Ａ，８Ｂ間の電流値Ｉｐが所定範囲内に収束してい
るか否かに基づいて、空燃比センサの異常診断を行うよ
うにしたので、簡単な構成で、迅速かつ高精度に空燃比
センサの異常の有無を診断することができる。従って、
異常のある空燃比センサによる空燃比フィードバック制
御が早期に排除されることになるから、運転性能、排気
性能、燃費性能等の悪化を未然に、或いは迅速に防止す
ることが可能となる。なお、上記実施形態では、酸素ポ
ンプ電極部８Ａ，８Ｂ間の電流値Ｉｐが所定範囲内に収
束しているか否かを判断するためのモニター時間を制限
していないが、所定時間に制限する構成としても良い。
また、目標空燃比の切り換えがあったときや、加減速運
転が検出されたような場合には、診断を禁止するように
しても良いし、目標空燃比の切り換えや運転状態の変化
に応じて前記ＯＫ，ＮＧ判定のための所定範囲を変更す
るようにすることもできる。ところで、本実施形態にお
いては空燃比フィードバック制御が開始された状態で異
常診断を行うものとして説明したが、これに限らず、例
えば始動後所定目標空燃比にフィードフォワード制御さ
れている場合においても、所定以上酸素ポンプ電極部８
Ａ，８Ｂ間の電流値Ｉｐが大きかったり、小さかったり
した場合には、空燃比センサに異常が発生している惧れ
もあるので、空燃比フィードバック制御がまだ開始され
ていない状態においても、本発明にかかる異常診断の考
え方を利用して、空燃比センサの異常診断を行うことが
できるものである。即ち、上記の診断開始条件〜の
すべてが成立したことを診断開始条件の成立とするのは
一例であって、これら〜のうちの何れか或いは適宜
組み合わせたものが成立した場合に診断開始条件の成立
とすることができるものである。なお、ヒータ部２やセ
ンシング部電極７Ａ、７Ｂは、空燃比の検出精度の向上
や空燃比検出範囲の拡大のためのものであるので、これ
らを備えない空燃比センサにおいても、本発明は適用で
きるものである。

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、例えば、機関始動後に異常診断開始条件
が成立したときに得られるであろうガス拡散層を挟んで
設けられた電極間の電流値と、実際の電流値と、を比較
すること等に基づき、空燃比センサの異常診断を行うこ
とができるので、従来できなかった広域空燃比センサの
異常の有無を、比較的簡単な構成で診断することが可能
となる。請求項２に記載の発明によれば、機関始動直後
における前記電流値の不安定状態を避けて空燃比センサ
の異常診断を行うことができるので、異常診断精度の向
上を図ることができる。請求項３に記載の発明によれ
ば、前記空燃比センサの不活性状態における前記電流値
の不安定状態を避けて空燃比センサの異常診断を行うこ
とができるので、異常診断精度の向上を図ることができ
る。請求項４に記載の発明によれば、前記空燃比センサ
の検出値に基づく空燃比フィードバック制御中は、排気
空燃比を所定値に制御維持しようとして排気空燃比が比
較的安定した状態にあるので、前記電流値も比較的安定
していると言うことを利用し、かかる状況下で本来得ら
れるであろう電流値と、実際に検出された電流値と、に
基づいて異常診断を行わせるようにしたので、空燃比セ
ンサの異常の有無を高精度に診断することができる。請
求項５に記載の発明によれば、機関運転制御用電力供給
源の供給電源が低下すると、機関排気の空燃比が正常に
制御されなくなったり、前記電流値が不安定となるた
め、前記電流値に基づく異常診断において、誤診断を招
く惧れが高くなるが、このような惧れを確実に排除する
ことができる。請求項６に記載の発明によれば、比較的
簡単な構成で、高精度に空燃比センサの異常診断を行う
ことができる。請求項７に記載の発明によれば、運転状
態の変化等により機関の目標空燃比が変化しても（空燃
比フィードバック制御、空燃比フィードフォワード制御
に拘わらず）、それに応じて異常診断の判定レベルであ
る前記所定範囲を変更することができるので、一層高精
度に空燃比センサの異常診断を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図

【図２】広域空燃比センサの構造図

【図３】広域空燃比センサの空燃比検出原理を説明する
ための図

【図４】本発明の一実施形態の全体構成図

【図５】同上実施形態における空燃比センサの異常診断
制御を説明するフローチャート

【図６】酸素ポンプ電極部間の電流値Ｉｐの変化の様子
と、判定レベルである所定範囲（ＨＧＯＰＬ，ＨＧＯＰ
Ｈ）を示すタイムチャート

【符号の説明】

１空燃比センサ本体２ヒータ部３大気導入孔４検出対象ガス導入孔５保護層６ガス拡散層（或いはガス拡散ギャップ）７Ａ、７Ｂセンシング部電極８Ａ、８Ｂ酸素ポンプ電極 11 内燃機関 13 エアフローメータ 17 排気通路 18 空燃比センサ 20 クランク角センサ 50 コントロールユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関排気に臨んで設けられるガス拡散層を
挟んで設けられた電極間に所定電圧を印加したときに該
電極間を流れる電流値に基づいて、機関排気の空燃比を
検出するようにした空燃比センサの異常診断装置であっ
て、機関始動後に所定空燃比で機関が運転されていることを
含む異常診断開始条件が成立したか否かを判定する判定
手段と、異常診断開始条件が成立したと判定されたときに、前記
電流値に基づいて空燃比センサの異常診断を行う異常診
断手段と、を含んで構成したことを特徴とする空燃比センサの異常
診断装置。
【請求項２】前記異常診断開始条件が、機関始動後所定
時間経過したことを含むことを特徴とする請求項１に記
載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項３】前記異常診断開始条件が、前記空燃比セン
サが活性化したことを含むことを特徴とする請求項１ま
たは請求項２に記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項４】前記異常診断開始条件が、前記空燃比セン
サの検出値に基づく空燃比フィードバック制御中である
ことを含むことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れ
か１つに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項５】前記異常診断開始条件が、機関運転制御用
電力供給源の電圧が所定以上であることを含むことを特
徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の空燃
比センサの異常診断装置。
【請求項６】前記異常診断手段が、前記電流値が所定範
囲内にあるか否かに基づいて、空燃比センサの異常診断
を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１
つに記載の空燃比センサの異常診断装置。
【請求項７】前記所定範囲が、目標空燃比に応じて変更
されることを特徴とする請求項６に記載の空燃比センサ
の異常診断装置。