JP2001355506A - 空燃比センサの故障診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ネルンストセル部とポンプセル部とを含んで
構成されるセンサ素子を備えてなる空燃比センサの故障
診断に際し、診断許可条件をより適切に規定して、診断
精度の向上を図る。 【解決手段】 ネルンストセル部に交流電圧を印加し
て、これによりネルンストセル部に流れる電流（振幅）
より、ネルンストセル部のインピーダンスＲｉを計測す
る（Ｓ１）。ポンプセル部でのポンプ電流Ｉｐを計測す
る（Ｓ２）。この結果、インピーダンスＲｉが所定値以
下（素子温度が所定の活性温度以上に相当）で、かつ、
ポンプ電流Ｉｐが所定範囲内のとき（Ａ／Ｆ雰囲気を特
定し、少なくとも燃料カット時を除外）に、故障診断の
実施を許可する（Ｓ３，Ｓ４→Ｓ５）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気系
に装着されて空燃比制御に用いられる空燃比センサの故
障診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の空燃比制御装置として、空燃
比センサにより排気中の酸素濃度などに基づいて実際の
空燃比を検出し、これが目標空燃比となるように、機関
への燃料供給量をフィードバック制御するものが知られ
ている。

【０００３】ところで、上記の空燃比フィードバック制
御を行うためには、空燃比センサが故障していないこと
が前提条件となるため、信頼性向上のため、空燃比セン
サの故障の有無をその出力に基づいて診断することが行
われており、また法規上診断が義務付けられている場合
もある。

【０００４】具体的には、所定の診断許可条件が成立し
ているときに、空燃比センサの出力が所定範囲内にある
か否かを判定して、範囲内であれば正常、範囲外であれ
ば故障と診断している。

【０００５】ここで、前記診断許可条件は、一般に、車
速が所定値以上、及び／又は機関回転数が所定値以上の
運転条件とし、このような運転条件であれば、排気受熱
により、空燃比センサの素子温度が上昇して活性化して
おり、故障していなければ当然に所定のセンサ出力があ
るとみなしている。

【０００６】しかし、外気温が極めて低いなどの理由
で、排気からの受熱量に対し、放熱量を無視できないよ
うな場合は、素子温度が下がってしまうので、このよう
な状況にて故障診断を行うと、活性化していないだけで
あるにもかかわらず、故障と誤診断してしまうことがあ
る。

【０００７】そこで、特開２０００−５５８６１号公報
では、空燃比センサの素子温度に相関のあるセンサ素子
の内部抵抗（素子抵抗）を検出し、内部抵抗が所定値以
下の場合に、素子温度が所定の活性温度以上であるとし
て、故障診断を許可するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空燃比
のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセ
ル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比の
リーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて
空燃比に応じてポンプ電流が連続的に変化するポンプセ
ル部と、を含んで構成されるセンサ素子を備えてなる空
燃比センサにおいて、単にセンサ素子の内部抵抗が所定
値以下（素子温度が所定の活性温度以上）のときに故障
診断を行うようにすると、そのときの空燃比雰囲気を特
定できないので、燃料カット時などにも、故障診断を行
ってしまい、燃料カット時は、極めてリーンな雰囲気で
あり、空燃比センサの出力であるポンプ電流が極めて大
きくなるため、ポンプ電流が所定範囲内にあるか否かを
判定して、範囲外のときに故障と診断すると、空燃比セ
ンサが正常であっても、故障と誤診断してしまうという
問題点があった。

【０００９】本発明は、このような実状に鑑み、空燃比
センサの故障診断に際し、診断許可条件をより適切に規
定して、診断精度の向上を図ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る空燃比セン
サの故障診断装置は、内燃機関の排気系に装着され、空
燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンス
トセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃
比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加さ
れて空燃比に応じてポンプ電流が連続的に変化するポン
プセル部と、を含んで構成されるセンサ素子を備えてな
る空燃比センサに適用され、該空燃比センサの故障診断
を行う故障診断手段を備えることを前提とする。

【００１１】ここにおいて、請求項１に係る発明では、
図１に示すように、センサ素子の内部抵抗を計測する内
部抵抗計測手段と、ポンプ電流を計測するポンプ電流計
測手段と、内部抵抗が所定値以下で、かつポンプ電流が
所定範囲内のときに、前記故障診断の実施を許可する故
障診断許可手段と、を設けたことを特徴とする。

【００１２】請求項２に係る発明では、前記故障診断許
可手段は、ポンプ電流に関する所定範囲を、燃料カット
時のポンプ電流を含まないように設定することを特徴と
する。

【００１３】請求項３に係る発明では、前記故障診断手
段は、空燃比センサの出力であるポンプ電流が第１の所
定範囲内か否かを判定して、範囲内のときに正常と診断
し、範囲外のときに故障と診断するものであり、前記故
障診断許可手段は、ポンプ電流に関し、前記第１の所定
範囲を含みこれより広い第２の所定範囲内か否かを判定
して、範囲内のときに診断を許可し、範囲外のときに診
断を不許可とすることを特徴とする。

【００１４】請求項４に係る発明では、前記内部抵抗計
測手段は、前記ネルンストセル部に交流電圧を印加し
て、これにより前記ネルンストセル部に流れる電流（詳
しくはその振幅）より前記ネルンストセル部のインピー
ダンスを計測するものであることを特徴とする。

【００１５】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、センサ素
子の内部抵抗が所定値以下で、素子温度が所定の活性温
度以上であることを前提とし、かつポンプ電流により空
燃比雰囲気をある程度特定してから、故障診断を行うた
め、故障診断の精度を向上させることができる。

【００１６】請求項２に係る発明によれば、故障診断許
可のポンプ電流に関する所定範囲を、燃料カット時のポ
ンプ電流を含まないように設定することで、燃料カット
時に故障診断を行うのを防止して、誤診断を確実に回避
することができる。

【００１７】請求項３に係る発明によれば、故障診断で
のポンプ電流の所定範囲（第１の所定範囲）に対し、故
障診断許可条件のポンプ電流の所定範囲（第２の所定範
囲）を適切に設定して、診断精度を向上させることがで
きる。

【００１８】請求項４に係る発明によれば、センサ素子
の内部抵抗の計測に際し、ネルンストセル部に交流電圧
を印加して、ネルンストセル部のインピーダンスを計測
することにより、ポンプセル部での空燃比検出精度に影
響を与えることなく、素子温度と相関のある内部抵抗
（インピーダンス）を的確に計測することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。図２は本発明の一実施形態を示す内燃機関
の空燃比フィードバック制御装置のシステム図である。

【００２０】内燃機関（以下エンジンという）１には、
各気筒毎に、吸気通路２又は燃焼室内に臨むように、燃
料噴射弁３が設けられ、各燃料噴射弁３の燃料噴射はコ
ントロールユニット４により制御される。

【００２１】コントロールユニット４は、例えば、エア
フローメータ５からの信号に基づいて検出される吸入空
気量Ｑａと、クランク角センサ６からの信号に基づいて
検出されるエンジン回転数Ｎｅとから、ストイキ（λ＝
１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは
定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλの他、排気通路
７に配置した空燃比センサ８からの信号に基づく空燃比
フィードバック補正係数αにより補正して、最終的な燃
料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αを演算し、この
Ｔｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン
回転に同期して、各燃料噴射弁３に出力する。但し、所
定の減速運転条件では、燃料噴射弁３からの燃料噴射を
停止させて、燃料カットを行わせる。

【００２２】ここで、空燃比センサ８は、排気通路７に
配置されて、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する
もので、コントロールユニット４は、空燃比センサ８か
らの信号に基づいて、エンジン１に供給されている混合
気の空燃比λを検出し、これが目標空燃比ｔλとなるよ
うに、空燃比フィードバック補正係数αをＰＩ制御など
により増減設定することで、空燃比λを目標空燃比ｔλ
にフィードバック制御する。

【００２３】また、空燃比センサ８としては、空燃比を
リニアに検出可能ないわゆる広域型空燃比センサを用い
る。図３はかかる広域型空燃比センサ８のセンサ素子構
造を示し、これについて説明する。

【００２４】センサ素子の本体２０は、酸素イオン導電
性を有するジルコニア等の固体電解質材料で多孔質層に
形成されて、排気通路中に置かれる。本体２０の内部に
は、図で下側から、ヒータ２１、大気室２２、ガス拡散
室２３を備えている。

【００２５】ヒータ２１は、これへの通電により、セン
サ素子を加熱することができる。大気室２２は、排気通
路外で、基準ガスである大気と連通するように形成され
ている。

【００２６】ガス拡散室２３は、本体２０の図で上面側
より形成した排気導入孔２４により、γアルミナ等から
なる保護層２５を介して、排気と連通するように形成さ
れている。

【００２７】ここで、大気室２２の上壁に設けた電極２
６Ａと、ガス拡散室２３の下壁に設けた電極２６Ｂと
で、ネルンストセル部２６が構成される。また、本体２
０の上壁に設けて保護層２８で覆った電極２７Ａと、ガ
ス拡散室２３の上壁に設けた電極２７Ｂとで、ポンプセ
ル部２７が構成される。

【００２８】ネルンストセル部２６は、ガス拡散室２３
内の酸素イオン濃度（酸素分圧）によって影響されるネ
ルンストセル部電極２６Ａ，２６Ｂ間の酸素分圧比に応
じて、電圧を発生するようになっている。

【００２９】従って、ネルンストセル部電極２６Ａ，２
６Ｂ間の酸素分圧比によって発生する電圧を検出するこ
とで、空燃比がストイキ（λ＝１）に対してリーンであ
るかリッチであるかを検出することができる。

【００３０】ポンプセル部２７は、これに所定の電圧が
印加されると、これによりガス拡散室２３内の酸素イオ
ンが移動して、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ間に電
流（ポンプ電流）が流れるようになっている。

【００３１】そして、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ
間に所定の電圧を印加したときに、該電極間を流れるポ
ンプ電流（限界電流）Ｉｐは、ガス拡散室２３内の酸素
イオン濃度に影響されるので、ポンプ電流Ｉｐを検出す
れば、排気の空燃比を検出することができる。

【００３２】すなわち、図４（Ａ）に示すように、ポン
プセル部２７の電圧−電流特性は、空燃比λに応じて変
化し、所定の電圧を印加したときのポンプ電流Ｉｐより
排気の空燃比λを検出することができる。

【００３３】また、ネルンストセル部２６でのリーン・
リッチの出力に基づいて、ポンプセル部２７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、図４（Ｂ）に示す
ように、ポンプセル部２７を流れるポンプ電流Ｉｐに基
づいて、広範囲な空燃比λの検出が可能となる。

【００３４】このため、図５の回路図に示すように、ネ
ルンストセル部２６のガス拡散室２３側の電極２６Ｂを
接地し、大気室２２側の電極２６Ａを差動増幅回路３１
の−側入力端子に接続し、差動増幅回路３１の＋側入力
端子にはストイキ相当の基準電圧Ｖｓを印加してある。

【００３５】そして、差動増幅回路３１の出力端子をポ
ンプ電流検出用抵抗３２を介してポンプセル部２７の排
気通路側の電極２７Ａに接続し、ガス拡散室２３側の電
極２７Ｂを接地してある。

【００３６】空燃比がリーンのときは、ネルンストセル
部２６の電極２６Ａ，２６Ｂ間に発生する電圧が基準電
圧Ｖｓより低くなるので、差動増幅回路３１の出力レベ
ルが正レベルになり、この正レベル電圧がポンプセル部
２７とポンプ電流検出用抵抗３２との直列回路に供給さ
れる。このとき、ポンプセル部２７には、電極２７Ａか
ら電極２７Ｂに向かってポンプ電流Ｉｐが流れるため、
ガス拡散室２３内の酸素が電極２７Ｂでイオン化してポ
ンプセル部２７内を移動し、電極２７Ａから酸素ガスと
して放出される結果、ガス拡散室２３内の酸素が汲み出
される。ガス拡散室２３内の酸素の汲み出しにより、ガ
ス拡散室２３の中の排気ガスと大気室２２の中の大気と
間に酸素濃度差が生じ、この酸素濃度差に応じた電圧が
ネルンストセル部２６の電極２６Ａ，２６Ｂ間に発生
し、この電圧が差動増幅回路３１の−側入力端子に供給
される。差動増幅回路３１の出力電圧は、その電圧と基
準電圧Ｖｓとの差電圧に比例した電圧となるので、ポン
プ電流Ｉｐは排気ガスの酸素濃度に比例し、ポンプ電流
検出抵抗３２の両端電圧として出力される。

【００３７】空燃比がリッチのときには、ネルンストセ
ル部２６の電極２６Ａ，２６Ｂ間に発生する電圧が基準
電圧Ｖｓを超えるので、差動増幅回路３１の出力レベル
が正レベルから負レベルに反転し、このレベルの反転に
よりポンプセル部２７の電極２７Ａ，２７Ｂ間に流れる
ポンプ電流Ｉｐが減少し、電流の方向が反転する。すな
わち、ポンプ電流Ｉｐが電極２７Ｂから２７Ａの方向に
流れ、外部の酸素が電極２７Ａでイオン化してポンプセ
ル部２７内を移動し、電極２７Ｂから酸素ガスとしてガ
ス拡散室２３内に放出されるので、酸素がガス拡散室２
３内に汲み込まれる。

【００３８】従って、ガス拡散室２３内の酸素濃度が一
定となるようにポンプ電流Ｉｐを供給することにより、
酸素を汲み込んだり、汲み出したりするので、図４に示
したように、ポンプ電流Ｉｐは、リーン領域及びリッチ
領域において排気ガス中の酸素濃度にそれぞれ比例して
流れる。

【００３９】よって、ポンプ電流Ｉｐを電流検出用抵抗
３２と検出アンプ３３とで電圧変換して、マイコン３４
に入力させることで、ポンプ電流Ｉｐから、空燃比λを
検出することができる。

【００４０】尚、ヒータ２１には、バッテリ電圧ＶＢを
印加するが、通電回路中にスイッチング素子３５を設け
てある。従って、このスイッチング素子３５のＯＮ・Ｏ
ＦＦをマイコン３４によりデューティ制御することによ
り、ヒータ２１への通電量を制御することができる。

【００４１】上記のような構造と特性とを有するセンサ
素子に対し、本発明では、センサ素子の温度と相関のあ
る内部抵抗を計測すべく、センサ素子（特にネルンスト
セル部２６）に高周波の交流電圧を印加して、そのイン
ピーダンスを計測する。

【００４２】このため、図５の回路図に示すように、ネ
ルンストセル部２６の接地側（電極２６Ｂ側）に交流電
源３６を設けて、マイコン３４の制御の下に、交流電源
３６より、高周波の交流電圧（周波数ｆ＝３KHz 、振幅
1.75Ｖ）を印加し、これによりネルンストセル部２６に
流れる電流を電流検出用抵抗３７と検出アンプ３８とに
より電圧変換する。

【００４３】検出アンプ３８からの信号は、例えばハイ
パスフィルタと積分器とからなるインピーダンス検出回
路３９に入力することで、交流成分のみを取出して、そ
の振幅からインピーダンスＲｉを検出する。これによ
り、センサ素子の温度と相関のあるネルンストセル部２
６のインピーダンスＲｉを計測することができる。

【００４４】その一方、ネルンストセル部２６の出力側
（電極２６Ｂ側）と差動増幅回路３１との間に、ローパ
スフィルタ４０を設けて、差動増幅回路３１側に交流成
分が入力されないようにし、これにより空燃比検出への
影響を除去してある。

【００４５】次にマイコン３４による空燃比センサの故
障診断についてフローチャートにより説明する。図６は
空燃比センサ故障診断のフローチャートであり、所定時
間毎に実行される。

【００４６】ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同
様）では、交流電源３６をＯＮにして、ネルンストセル
部２６に高周波の交流電圧（周波数ｆ＝３KHz 、振幅1.
75Ｖ）を印加した状態で、交流電圧の印加によりネルン
ストセル部２６に流れる電流（振幅）に基づき、インピ
ーダンス検出回路３９等を介して、ネルンストセル部２
６のインピーダンスＲｉを計測する。このインピーダン
スＲｉは空燃比センサの素子温度と相関があり、低温時
ほど大きく、高温になるほど小さくなる。従って、この
部分が素子温度計測のための内部抵抗（インピーダン
ス）計測手段に相当する。

【００４７】ステップ２では、検出アンプ３３の出力電
圧を読込むことで、空燃比センサの出力であるポンプ電
流Ｉｐを計測する。この部分がポンプ電流計測手段に相
当する。

【００４８】ステップ３では、第１の故障診断許可条件
として、計測されたインピーダンスＲｉが所定値（例え
ば１５０Ω）以下（素子温度で５５０℃以上に相当）か
否かを判定する。尚、下限側を設定し、第１の所定値
（例えば１５０Ω）以下で、第２の所定値（例えば３０
Ω）以上の所定範囲内か否かを判定するようにしてもよ
い。

【００４９】ステップ４では、第２の故障診断許可条件
として、ポンプ電流Ｉｐが０を含む所定範囲（例えば＋
９ｍＡ〜−９ｍＡ）内か否かを判定する。ここで、後述
する故障診断において、空燃比センサの出力であるポン
プ電流Ｉｐが第１の所定範囲（例えば＋５ｍＡ〜−５ｍ
Ａ）内か否かを判定して、範囲内のときに正常と診断
し、範囲外のときに故障と診断するものとすると、故障
診断許可条件の判定では、ポンプ電流Ｉｐに関し、前記
第１の所定範囲を含みこれより広い第２の所定範囲（例
えば＋９ｍＡ〜−９ｍＡ）内か否かを判定して、範囲外
のときに診断を不許可とすることで、空燃比雰囲気を特
定し、少なくとも燃料カット時を除外するのである。

【００５０】第１又は第２の故障診断許可条件が不成立
の場合、すなわち、インピーダンスＲｉが所定値を超え
ているか、ポンプ電流Ｉｐが所定範囲外の場合は、誤診
断防止のため、故障診断を行うことなく、本ルーチンを
終了する。

【００５１】第１及び第２の故障診断許可条件が成立し
ている場合、すなわち、インピーダンスＲｉが所定値以
下で、かつポンプ電流Ｉｐが所定範囲内の場合は、故障
診断を行うべく、ステップ５へ進む。従って、ステップ
３，４の部分が故障診断許可手段に相当する。

【００５２】ステップ５では、空燃比センサの出力に基
づいて故障診断を行う。具体的には、空燃比センサの出
力であるポンプ電流Ｉｐが所定範囲（例えば＋５ｍＡ〜
−５ｍＡ）内か否かを判定し、所定範囲内の場合に診断
ＯＫとする。

【００５３】ステップ６では、診断ＯＫか否かを判定
し、これに従ってステップ７又はステップ８へ進み、Ｏ
Ｋ判定又はＮＧ判定を行って、本ルーチンを終了する。
従って、ステップ５〜８の部分が故障診断手段に相当す
る。

【００５４】以上のように、センサ素子の内部抵抗（イ
ンピーダンス）が所定値以下で、素子温度が所定の活性
温度以上であることを前提とし、かつ、ポンプ電流によ
り空燃比雰囲気をある程度特定して、少なくとも燃料カ
ット時を除外してから、故障診断を行うため、故障診断
の精度を向上させることができる。

【００５５】また、空燃比センサの故障診断のみなら
ず、燃料系などの故障診断に際しても、前記の故障診断
許可条件を用いることで、各種故障診断の精度を向上さ
せることができる。

【００５６】尚、以上では説明を省略したが、空燃比セ
ンサの素子温度と相関のある内部抵抗（インピーダン
ス）の計測結果を用いて、ヒータ２１の制御を行うこと
もできる。すなわち、計測されたインピーダンス（実Ｒ
ｉ）と目標インピーダンス（目標Ｒｉ）とを比較し、比
較結果に応じて、ＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御などによ
り、実Ｒｉが目標Ｒｉに一致する方向に、ヒータ２１を
デューティ制御することにより、素子温度を目標温度に
フィードバック制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図

【図２】 本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比
フィードバック制御装置のシステム図

【図３】 空燃比センサのセンサ素子構造を示す図

【図４】 空燃比センサの特性図

【図５】 空燃比センサの回路図

【図６】 空燃比センサの故障診断のフローチャート

【符号の説明】

１ エンジン ３ 燃料噴射弁 ４ コントロールユニット ８ 空燃比センサ ２０ センサ素子本体 ２１ ヒータ ２２ 大気室 ２３ ガス拡散室 ２４ 排気導入孔 ２６ ネルンストセル部 ２７ ポンプセル部 ３１ 差動増幅回路 ３２ ポンプ電流検出用抵抗 ３３ 検出アンプ ３４ マイコン ３５ スイッチング素子 ３６ 交流電源 ３７ 電流検出用抵抗 ３８ 検出アンプ ３９ インピーダンス検出回路 ４０ ローパスフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G084 BA09 BA13 DA27 EA11 EB11 EB22 FA07 FA29 FA38 3G301 HA01 JB01 JB09 KA26 LB02 MA01 MA12 NA08 ND01 PA01Z PD04B PE03Z

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気系に装着され、空燃比のリ
   ーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部
   と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリー
   ン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃
   比に応じてポンプ電流が連続的に変化するポンプセル部
   と、を含んで構成されるセンサ素子を備えてなる空燃比
   センサと、 該空燃比センサの故障診断を行う故障診断手段と、 センサ素子の内部抵抗を計測する内部抵抗計測手段と、 ポンプ電流を計測するポンプ電流計測手段と、 内部抵抗が所定値以下で、かつポンプ電流が所定範囲内
   のときに、前記故障診断の実施を許可する故障診断許可
   手段と、 を含んで構成される空燃比センサの故障診断装置。
2. 【請求項２】前記故障診断許可手段は、ポンプ電流に関
   する所定範囲を、燃料カット時のポンプ電流を含まない
   ように設定することを特徴とする請求項１記載の空燃比
   センサの故障診断装置。
3. 【請求項３】前記故障診断手段は、空燃比センサの出力
   であるポンプ電流が第１の所定範囲内か否かを判定し
   て、範囲内のときに正常と診断し、範囲外のときに故障
   と診断するものであり、 前記故障診断許可手段は、ポンプ電流に関し、前記第１
   の所定範囲を含みこれより広い第２の所定範囲内か否か
   を判定して、範囲内のときに診断を許可し、範囲外のと
   きに診断を不許可とすることを特徴とする請求項１又は
   請求項２記載の空燃比センサの故障診断装置。
4. 【請求項４】前記内部抵抗計測手段は、前記ネルンスト
   セル部に交流電圧を印加して、これにより前記ネルンス
   トセル部に流れる電流より前記ネルンストセル部のイン
   ピーダンスを計測するものであることを特徴とする請求
   項１〜請求項３のいずれか１つに記載の空燃比センサの
   故障診断装置。