JP2000193636A

JP2000193636A - 空燃比センサの異常検出装置

Info

Publication number: JP2000193636A
Application number: JP10369730A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Inagaki; 真介稲垣; Naohide Izumitani; 尚秀泉谷; Keiichiro Aoki; 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-25
Filing date: 1998-12-25
Publication date: 2000-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】空燃比センサにおいて十分な素子活性状態を
維持することができないような素子温度となる可能性が
ある運転状態にあっても、センサの異常検出を行うこと
ができるようにする。【解決手段】例えば、燃料カット状態、すなわち空燃
比が１８よりも大きくなっているはずの状態にあるとき
に、空燃比センサの素子インピーダンスＺを検出する。
次いで、Ｚに対応する素子温度Ｔを求める。次いで、素
子温度がＴで空燃比が１８のときに空燃比センサが出力
すべき電流値を判定基準値Ｉ_Rとして算出する。次い
で、空燃比センサの現在の実際の出力電流値Ｉを求め
る。そして、Ｉ＜Ｉ_Rのとき、すなわち空燃比センサが
１８より小さな空燃比を示しているとき、センサ異常と
判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、限界電流式空燃比
センサにおいて酸素イオン導電素子の劣化等の異常を検
出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】車載用内燃機関において燃料消費率の低
減と有害ガス排出量の低減とを両立させるためには、機
関が燃焼させる混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を広範囲に制
御する必要がある。このような空燃比制御を可能とする
ために、ジルコニア固体電解質等の酸素イオン導電素子
に大気側電極、排気側電極及び排気側拡散抵抗体を設け
てセンサ本体とし、そのセンサ本体への電圧印加に伴い
排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流が
生ずるのを利用した空燃比センサ（全域空燃比センサ、
リニア空燃比センサ等と呼ばれる）が実用化され、かか
る空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御が行
われている。

【０００３】全域空燃比センサの出力に基づく空燃比フ
ィードバック制御を行う上で、酸素イオン導電素子を活
性状態に維持することが不可欠である。そのためにヒー
タを用いて素子を加熱し素子温度を一定の値に保つ制御
が行われている。その際、素子温度を検出する必要があ
るが、素子抵抗が素子温度と相関関係を有することか
ら、素子抵抗を検出して素子温度を推定することによ
り、温度センサの必要性を排除することも提案されてい
る。

【０００４】その一方、空燃比センサの異常検出を行
い、異常がある場合に迅速に措置することが、かかる空
燃比センサを使用する上で必須の条件となる。そこで、
例えば、特開平８−２７１４７５号公報は、酸素イオン
導電素子の素子抵抗を検出し、素子抵抗が所定範囲内に
ないときに酸素イオン導電素子に異常があると判定する
技術を開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
８−２７１４７５号公報に開示される技術では、センサ
が当然に活性状態にあるような運転状態においてのみ異
常検出が可能であり、排気温度が低下してセンサが十分
に活性化していない可能性がある燃料カット中等の運転
状態においては、異常検出を実行することができない。

【０００６】本発明は、上述の問題点に鑑みなされたも
ので、その目的は、空燃比センサにおいて、十分な素子
活性状態を維持することができない素子温度となるよう
な運転状態にあっても、異常検出を行うことができる異
常検出装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、電圧の印加に伴い排気中の酸素濃
度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させる空燃
比センサの異常を検出する装置であって、排気の状態が
ある特定の空燃比よりリーン側又はリッチ側の雰囲気と
なるべき所定の運転状態にあることを検出する運転状態
検出手段と、該空燃比センサ内の酸素イオン導電素子の
素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出
手段と、前記素子インピーダンス検出手段によって検出
される素子インピーダンスと前記特定の空燃比とに応じ
て該空燃比センサが出力すべき電流値を判定基準値とし
て算出する判定基準値算出手段と、前記運転状態検出手
段によって前記所定の運転状態にあることが検出されて
いるときに、該空燃比センサの実際の出力電流値と前記
判定基準値算出手段によって算出される判定基準値とを
比較し、該実際の出力電流値が前記リーン側又はリッチ
側の雰囲気と反対側の雰囲気に属する空燃比を指示する
場合に該空燃比センサに異常があると判定する異常判定
手段と、を具備する、空燃比センサの異常検出装置が提
供される。

【０００８】また、本発明によれば、前記運転状態検出
手段によって検出される所定の運転状態は、排気が酸素
過剰状態となる運転状態である。

【０００９】さらに、本発明によれば、前記排気が酸素
過剰状態となる運転状態は、燃料カット状態にあり且つ
該燃料カット状態に移行してから一定時間以上が経過し
ている状態である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【００１１】まず、空燃比センサの原理について説明す
る。図１は、空燃比と排気中の酸素（Ｏ₂）濃度との関
係及び空燃比と排気中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度との関
係を示す特性図である。この図に示されるように、リー
ン空燃比領域にあってはＯ₂濃度が空燃比に対してほぼ
リニアに変化する一方、リッチ空燃比領域にあっては未
燃ガスであるＣＯ濃度が空燃比に対してほぼリニアに変
化する。空燃比センサは、後述するように、この関係を
利用するものである。

【００１２】図２は、空燃比センサの一構成例を示す断
面図である。空燃比センサ１０は、内燃機関の排気管９
０の内部に向けて突設された状態で使用される。空燃比
センサ１０は、大別して、カバー１１、センサ本体１３
及びヒータ１８から構成される。カバー１１は断面カッ
プ状の形状を有し、その周壁にはカバー内外を連通する
多数の小孔１２が形成されている。

【００１３】センサ本体１３において、試験管状に形成
された酸素イオン導電性固体電解質層１４の外表面には
排気側電極層１６が固着される一方、その内表面には大
気側電極層１７が固着されている。また、排気側電極層
１６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１
５が形成されている。固体電解質層１４は、例えば、本
実施形態においては、ＺｒＯ₂（ジルコニア素子）にＣ
ａＯ等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化
物焼結体からなる（以下、固体電解質層１４をセンサ素
子とも称する）。拡散抵抗層１５は、アルミナ等の耐熱
性無機物質からなる。排気側電極層１６及び大気側電極
層１７は、共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からな
り、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されてい
る。

【００１４】ヒータ１８は、大気側電極層１７内に収容
されており、その発熱エネルギによってセンサ本体１３
を加熱し、ジルコニア素子１４を活性化せしめる。ヒー
タ１８は、ジルコニア素子１４を活性化するのに十分な
発熱容量を有している。

【００１５】ジルコニア素子１４は、高温活性状態で素
子両端に酸素濃度差が生じると、濃度の高い側から低い
側へと酸素イオン（Ｏ^2-）を通す特性（酸素電池特性）
を有する。また、ジルコニア素子１４は、その両端に電
位差が与えられると、陰極から陽極に向けて、電位差に
応じた酸素イオン（Ｏ^2-）の移動を引き起こそうとする
特性（酸素ポンプ特性）を有する。

【００１６】図２に示されるように、センサ本体１３に
は、大気側電極層１７を正極性、排気側電極層１６を負
極性とする一定のバイアス電圧が印加されている。排気
空燃比がリーンのときには、酸素ポンプ特性により、排
気側電極層１６から大気側電極層１７へと酸素イオン
（Ｏ^2-）の移動が起こる。その結果、バイアス電圧源の
正極から、大気側電極層１７、固体電解質層１４及び排
気側電極層１６を介して、バイアス電圧源の負極へと電
流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、バイアス
電圧を一定値以上にすれば、排気中から拡散抵抗層１５
を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する酸
素量に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出
すれば、酸素濃度を知ることができ、ひいては図１にて
説明したようにリーン領域における空燃比を知ることが
できる。

【００１７】一方、排気空燃比がリッチのときには酸素
電池特性が働き、この酸素電池特性は大気側電極層１７
から排気側電極層１６へと酸素イオン（Ｏ^2-）の移動を
引き起こそうとする。すなわち、酸素電池特性はバイア
ス電圧と逆向きに作用する。空燃比センサでは、酸素電
池特性による起電力がバイアス電圧に打ち勝つように構
成されているため、大気側電極層１７から、バイアス電
圧源を通って、排気側電極層１６へと電流が流れる。こ
のとき流れる電流の大きさは、固体電解質層１４中を大
気側電極層１７から排気側電極層１６へと移送される酸
素イオン（Ｏ^2-）の量によって決まる。その酸素イオン
は、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１
６へと拡散によって流入する一酸化炭素などの未燃ガス
と排気側電極層１６において反応（燃焼）するものであ
るため、酸素イオン移動量は未燃ガスの濃度に対応す
る。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃
ガス濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明した
ようにリッチ領域における空燃比を知ることができる。

【００１８】また、排気空燃比が理論空燃比のときに
は、排気側電極層１６へ流入する酸素及び未燃ガスの量
が化学当量比となっているため、排気側電極層１６の触
媒作用によって両者は完全に燃焼する。したがって、排
気側電極層１６では酸素がなくなるため、酸素電池特性
及び酸素ポンプ特性により移送されるべき酸素イオンが
生じない。その結果、排気空燃比が理論空燃比のときに
は、回路を流れる電流は生じない。

【００１９】かくして、空燃比センサの電圧−電流（Ｖ
−Ｉ）特性は、図３に示されるように、センサが晒され
る排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた限界電流を示す。図
３においては、Ｖ軸に平行な直線部分が限界電流を表し
ている。そして、リーン領域とリッチ領域とでは限界電
流の流れる向きが逆になっており、リーン領域にあって
は空燃比が大きくなるほど、リッチ領域にあっては空燃
比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。
そして、図３の特性図によれば、印加電圧を０．３Ｖ程
度に設定すると、広範囲にわたる空燃比を検出すること
ができる。なお、Ｖ軸に平行な直線部分の電圧より小さ
い電圧となる領域は、抵抗支配域となっている。

【００２０】次いで、図４を用いて、本発明に係る空燃
比センサ異常検出装置の一実施形態を備えた空燃比検出
装置のハードウェア構成の一例について説明する。この
空燃比検出装置は、大別して、空燃比センサ１０、セン
サ本体駆動回路２０、ヒータ駆動回路３０及び中央処理
装置（ＣＰＵ）４０から構成される。空燃比センサ１０
は、図２で説明したように、センサ本体１３及びヒータ
１８を備えるものである。また、ヒータ駆動回路３０
は、デューティ比信号を受けて、そのデューティ比に応
じてバッテリ３２の電圧をヒータ１８へオン／オフ的に
印加する回路である。また、ＣＰＵ４０は、内燃機関の
電子制御装置（ＥＣＵ）の中枢として燃料噴射制御、点
火時期制御等を行うものであり、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤ
Ｃ）、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）及びメモリを内蔵してい
る。

【００２１】センサ本体駆動回路２０は、大別して、ロ
ウパスフィルタ（ＬＰＦ）２１、第１の電圧フォロワ(v
oltage follower)２２、基準電圧発生回路２５及び第２
の電圧フォロワ２６から構成される。ＬＰＦ２１は、Ｃ
ＰＵ４０から出力されるアナログ信号電圧の高周波成分
を除去するものである。第１の電圧フォロワ２２は、演
算増幅器、コンプリメンタリプッシュプル(complementa
ry push-pull) 増幅器等を備え、センサ本体１３の大気
側電極層１７の電位を、ＬＰＦ２１の出力の電位と同一
の電位に維持する。なお、その電位は、空燃比検出時に
おいては３．３Ｖである。

【００２２】また、基準電圧発生回路２５は、一定電圧
Ｖ_CCを分圧して基準電圧３．０Ｖを発生させる。第２の
電圧フォロワ２６は、第１の電圧フォロワ２２と同様の
回路構成を有し、センサ本体１３の排気側電極層１６の
電位を基準電圧３．０Ｖに維持する。従って、空燃比検
出時には、センサ本体１３の両電極層間に０．３Ｖの電
圧が印加されることとなり、図３の特性図にて説明した
ように、限界電流を測定して広範囲にわたる空燃比を検
出することができる。第１の電圧フォロワ２２内の抵抗
器が電流検出回路２３として機能し、その両端の電位が
ＣＰＵ４０に供給されるようになっている。ＣＰＵ４０
は、抵抗器２３の両端のアナログ電位をＡ／Ｄ変換し、
両端の電位差を算出し、その電位差と抵抗器２３の抵抗
値とから電流を算出する。

【００２３】図３に関する説明から理解されるように、
算出される電流値と排気空燃比とは図５に示される如き
関係を有している。そこで、ＣＰＵ４０は、検出された
電流値に基づいて排気の空燃比を検出することができ、
ひいては空燃比フィードバック制御を実現することがで
きる。

【００２４】さて、空燃比を検出するためには、センサ
素子（ジルコニア素子）１４を活性状態に維持する必要
がある。その活性状態は、素子温度を一定値、例えば７
００°Ｃに保つことによって維持される。ところで、素
子温度と素子抵抗とは、図６に示されるような一定の相
関関係を有しているため、素子温度を７００°Ｃに保つ
ためには、素子抵抗が３０Ωを示すようにすればよい。
そのため、素子抵抗を検出し、その検出される抵抗値に
基づき、ヒータ駆動回路３０をフィードバック制御する
ことにより、素子活性状態を維持する制御が行われる。

【００２５】図７はセンサ本体１３の構造を示す図であ
り、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は固体電解質１４の部分拡
大図である。また、図８は、センサ本体１３の等価回路
を示す図である。図８において、Ｒ１は、ジルコニアか
らなる固体電解質のバルク抵抗であり、図７のグレイン
(grain) 部に対応する。Ｒ２は、固体電解質の粒界抵抗
であり、図７のグレイン境界(grain boundary)部に対応
する。Ｒ３は、白金からなる電極の界面抵抗である。Ｃ
２は、固体電解質の粒界の容量成分である。Ｃ３は、電
極界面の容量成分である。Ｚ（Ｗ）は、交流による分極
が起こるときに周期的に界面濃度が変化するために生じ
るインピーダンス分（ワールブルインピーダンス）であ
る。

【００２６】図８からわかるように、センサ本体１３
に、抵抗支配域（図３参照）にある電圧を印加して出力
電流を測定した場合、“Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３”が検出可能
となる。しかし、Ｒ３は電極の劣化等により大きく変化
するため、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”のみを抽出すること
はできない。しかも、図３に示されるように、抵抗支配
域は空燃比に応じて変化するため、センサ本体の直流特
性により素子抵抗を検出することは極めて困難である。
そこで、交流特性を利用した素子抵抗検出法が提案され
ている。

【００２７】図９は、空燃比検出用の直流電圧（０．３
Ｖ）に交流電圧を重畳した場合に、その入力交流電圧の
周波数ｆの変化に応じてセンサ本体のインピーダンスＺ
が描く軌跡を示す図であり、横軸はインピーダンスＺの
実部Ｒ、縦軸は虚部Ｘを示す。この軌跡は、空燃比に依
存しない。センサ本体のインピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒ＋
ｊＸで表される。図９に示されるように、インピーダン
スＺは、周波数ｆが１ｋＨｚ付近に近づくにつれて素子
抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”に収束する。

【００２８】図１０は、入力交流電圧の周波数ｆとイン
ピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜との関係を示す図である。
図１０から、周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚでは｜Ｚ｜が
ほぼ“Ｒ１＋Ｒ２”であり、１０ＭＨｚより高周波側で
は｜Ｚ｜は減少していき、Ｒ１に収束することが判る。
このことから、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”を検出するため
には、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ付近の交流電圧を印加し
て、出力交流電流を測定し、インピーダンスを求めるこ
とが望ましい。

【００２９】図１１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＬＰ
Ｆ２１への入力電圧、ＬＰＦ２１からの出力電圧すなわ
ち空燃比センサ１０の大気側電極層１７への印加電圧、
及び空燃比センサ１０の出力電流、の各波形を示す図で
ある。横軸は時間を示し、縦軸は電圧又は電流を表す。
前述のように、排気側電極層１６は基準電圧３．０Ｖに
維持され、大気側電極層１７は通常図１１（Ｂ）に示さ
れるように３．３Ｖに維持されているため、空燃比セン
サ本体の両電極間には通常直流電圧０．３Ｖが印加され
ていることとなる。この入力直流電圧に対する出力直流
電流が空燃比を表している。

【００３０】そして、ＣＰＵ４０は、素子インピーダン
スを測定するため、図１１（Ａ）に示されるように、Ｌ
ＰＦ２１への入力電圧をΔＶだけ変化させる。ＬＰＦ２
１からの出力電圧すなわち空燃比センサ１０の大気側電
極層１７への印加電圧は、図１１（Ｂ）に示されるよう
に、主として特定の周波数成分（例えば５ｋＨｚ）から
なる、なまされた波形の交流電圧パルスが直流電圧３．
３Ｖに重畳したものとなる。この交流電圧パルスに対応
して、出力電流は、図１１（Ｃ）に示されるようにΔＩ
だけ変化する。そして、ΔＶ／ΔＩが素子インピーダン
ス（絶対値）Ｚを与える。そのＺに基づいて図６の特性
曲線を参照することにより、素子温度が検出される。な
お、印加電圧を正負両側に変化させるのは、容量成分に
蓄積される電荷の放電を迅速化させるためである。

【００３１】さて、内燃機関においては、燃料消費率の
向上等を目的として、減速時等に機関へ燃料を供給する
のを一時的に停止する燃料カット(fuel cut)が行われ
る。かかる燃料カット状態に移行してから一定時間経過
した時点においては、空燃比センサを取り巻く雰囲気は
十分にリーンな状態になっており、空燃比（Ａ／Ｆ）は
２０〜２５になっているはずである。もしもその時点に
おいて空燃比センサの出力が特定の空燃比、例えば１８
より小さな値を指示していれば、センサ素子の劣化等の
何らかの異常が空燃比センサにあることは明らかであ
る。

【００３２】そこで、本発明では、上述のように、排気
の状態がある特定の空燃比よりリーン側又はリッチ側の
雰囲気となるべき所定の運転状態にあることを検出し、
その運転状態において空燃比センサの出力がそのリーン
側又はリッチ側の雰囲気と反対側の雰囲気に属する空燃
比を指示する場合に空燃比センサに異常があると判定す
る。

【００３３】ところで、燃料カット状態においては、排
気の温度が低下する。センサ素子は、ヒータからの熱と
排気の熱とによって加熱されるものであるため、排気温
度が低下した場合には、素子温度も低下する。その結
果、酸素イオン導電性が低下するため、空燃比センサの
特性は、その出力電流の絶対値が小さくなる方向に変化
する。

【００３４】すなわち、素子温度Ｔをパラメータとして
空燃比（Ａ／Ｆ）と空燃比センサ出力電流Ｉとの関係を
示すと、図１２に示される如きものとなる。同図におい
ては、素子温度ＴがＴ₁、Ｔ₂及びＴ₃であるときの３
本の特性曲線が示されており、Ｔ₁、Ｔ₂及びＴ₃の間
には、Ｔ₁＜Ｔ₂＜Ｔ₃の関係がある。なお、図６に示
されるように、素子温度Ｔと素子インピーダンスＺとの
間には一定の相関関係があり、素子温度ＴがＴ₁、Ｔ₂
及びＴ₃であるときの素子インピーダンスをそれぞれＺ
₁、Ｚ₂及びＺ₃とすれば、Ｚ₁＞Ｚ₂＞Ｚ₃の関係が
ある。

【００３５】そして、図１２に示されるように、空燃比
が１８の場合のセンサ出力電流Ｉは、Ｔ＝Ｔ₁（Ｚ＝Ｚ
₁）のときＩ＝Ｉ₁、Ｔ＝Ｔ₂（Ｚ＝Ｚ₂）のときＩ＝
Ｉ₂、Ｔ＝Ｔ₃（Ｚ＝Ｚ₃）のときＩ＝Ｉ₃となる。そ
こで、本発明では、素子インピーダンスＺすなわち素子
温度Ｔを考慮してセンサ異常判定を行う。すなわち、空
燃比が１８よりも大きくなっているはずの燃料カット状
態において、Ｔ＝Ｔ₁（Ｚ＝Ｚ₁）のときにＩ＜Ｉ₁で
あれば、センサ異常と判定する。同様に、燃料カット状
態において、Ｔ＝Ｔ₂（Ｚ＝Ｚ₂）のときにＩ＜Ｉ₂で
あれば、センサ異常と判定する。また、燃料カット状態
において、Ｔ＝Ｔ₃（Ｚ＝Ｚ₃）のときにＩ＜Ｉ₃であ
れば、センサ異常と判定する。

【００３６】具体的には、Ａ／Ｆ＝１８に対応するセン
サ出力電流値を判定基準値Ｉ_Rとおき、素子温度Ｔと判
定基準値Ｉ_Rとの関係を図１３のようにマップ化して記
憶しておく。そして、図１４に示される異常検出ルーチ
ンを所定時間周期で実行する。まず、ステップ１０２で
は、現在、燃料カット状態にあり且つその燃料カット状
態に移行してから一定時間が経過しているか否か、すな
わち空燃比が１８よりも大きくなっているはずの状態に
あるか否かを判定する。かかる条件が満足されればステ
ップ１０４に進む一方、満足されなければ本ルーチンを
終了する。

【００３７】ステップ１０４では、図１１を用いて説明
したように、交流電圧パルスを入力直流電圧に重畳せし
め、出力交流電流パルスを測定することにより、素子イ
ンピーダンスＺを検出する。次いで、ステップ１０６で
は、図６に示される関係を記憶したマップを参照するこ
とにより、素子インピーダンス検出値Ｚに対応する素子
温度Ｔを求める。次いで、ステップ１０８では、図１３
のマップを参照することにより、素子温度Ｔに対応する
判定基準値Ｉ_Rを決定する。

【００３８】次いで、ステップ１１０では、空燃比セン
サ１０の現在の実際の出力電流値Ｉを求める。そして、
ステップ１１２では、実電流値Ｉと基準値Ｉ_Rとを比較
し、Ｉ＜Ｉ_Rのときにはステップ１１４に進む一方、Ｉ
≧Ｉ_Rのときにはステップ１１６に進む。ステップ１１
４では、空燃比センサが１８より小さい空燃比を示して
いるため、センサ異常と判定する。一方、ステップ１１
６では、正常と判定する。ステップ１１４又は１１６の
実行後、本ルーチンを終了する。

【００３９】なお、上述の実施形態においては、素子イ
ンピーダンスＺを検出し、その素子インピーダンスＺか
ら素子温度Ｔを求め、その素子温度Ｔから判定基準値Ｉ
_Rを決定しているが、図１５に示されるように、素子イ
ンピーダンスＺから直接に判定基準値Ｉ_Rを求めるマッ
プを準備しておいてももちろんよい。

【００４０】また、上述の実施形態は、排気の状態が特
定の空燃比としての１８よりリーン側の雰囲気となるべ
き燃料カット状態に対して、本発明を適用するものであ
ったが、一般に、排気の状態がある特定の空燃比よりリ
ーン側又はリッチ側の雰囲気となるべき運転状態に対し
て、上述の異常判定論理を適用することができる。例え
ば、排気系に二次空気を導入する場合においても、燃料
カットと同様の酸素過剰状態となるため、本発明を適用
することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
素子インピーダンスすなわち素子温度を考慮した空燃比
センサ出力特性に基づいて判定基準値を設定しているた
め、空燃比センサにおいて十分な素子活性状態を維持す
ることができないような運転状態にあっても、空燃比セ
ンサの異常検出を行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】空燃比と排気成分濃度との関係を示す特性図で
ある。

【図２】空燃比センサの一構成例を示す断面図である。

【図３】空燃比センサの電圧−電流特性の一例を示す特
性図である。

【図４】本発明に係る空燃比センサ異常検出装置の一実
施形態を備えた空燃比検出装置のハードウェア構成を示
す電気回路図である。

【図５】空燃比と空燃比センサ出力電流との関係を示す
特性図である。

【図６】素子温度と素子抵抗との関係を示す特性図であ
る。

【図７】センサ本体の構造を示す図であって、（Ａ）は
断面図、（Ｂ）は固体電解質の部分拡大図である。

【図８】センサ本体の等価回路を示す図である。

【図９】空燃比検出用の直流電圧に重畳する入力交流電
圧の周波数を変化させたときにセンサ本体のインピーダ
ンスが描く軌跡を示す図である。

【図１０】入力交流電圧の周波数と素子インピーダンス
との関係を示す図である。

【図１１】ＬＰＦへの入力電圧、空燃比センサ大気側電
極への入力電圧、及び空燃比センサからの出力電流の各
波形を示す図である。

【図１２】素子温度（すなわち素子インピーダンス）を
パラメータとして空燃比と空燃比センサ出力電流との関
係を示す特性図である。

【図１３】素子温度から判定基準値を求めるためのマッ
プを示す図である。

【図１４】ＣＰＵによって実行される異常検出ルーチン
の処理手順を示すフローチャートである。

【図１５】素子インピーダンスから判定基準値を求める
ためのマップを示す図である。

【符号の説明】

１０…空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）１１…カバー１２…小孔１３…センサ本体１４…酸素イオン導電性固体電解質層（センサ素子）１５…拡散抵抗層１６…排気側電極層１７…大気側電極層１８…ヒータ２０…センサ本体駆動回路２１…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２…第１の電圧フォロワ回路２３…電流検出回路２５…基準電圧発生回路２６…第２の電圧フォロワ回路３０…ヒータ駆動回路３２…バッテリ４０…ＣＰＵ９０…内燃機関の排気管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電圧の印加に伴い排気中の酸素濃度又は
未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させる空燃比セン
サの異常を検出する装置であって、排気の状態がある特定の空燃比よりリーン側又はリッチ
側の雰囲気となるべき所定の運転状態にあることを検出
する運転状態検出手段と、該空燃比センサ内の酸素イオン導電素子の素子インピー
ダンスを検出する素子インピーダンス検出手段と、前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素
子インピーダンスと前記特定の空燃比とに応じて該空燃
比センサが出力すべき電流値を判定基準値として算出す
る判定基準値算出手段と、前記運転状態検出手段によって前記所定の運転状態にあ
ることが検出されているときに、該空燃比センサの実際
の出力電流値と前記判定基準値算出手段によって算出さ
れる判定基準値とを比較し、該実際の出力電流値が前記
リーン側又はリッチ側の雰囲気と反対側の雰囲気に属す
る空燃比を指示する場合に該空燃比センサに異常がある
と判定する異常判定手段と、を具備する、空燃比センサの異常検出装置。
【請求項２】前記運転状態検出手段によって検出され
る所定の運転状態は、排気が酸素過剰状態となる運転状
態である、請求項１に記載の空燃比センサの異常検出装
置。
【請求項３】前記排気が酸素過剰状態となる運転状態
は、燃料カット状態にあり且つ該燃料カット状態に移行
してから一定時間以上が経過している状態である、請求
項２に記載の空燃比センサの異常検出装置。