JP2004245843A - Oxygen concentration sensing system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To diagnose abnormalities in a limiting current type oxygen sensor with high precision and ease. <P>SOLUTION: The limiting current type oxygen sensor has an oxygen concentration sensing element, which outputs limiting current which is proportional to oxygen concentration and a heater which heats the sensing element. A CPU in a microcomputer controls the energization of the heater to activate the oxygen sensor and calculates element resistance from an applied voltage and detected current of the oxygen sensor. In a sensor abnormality diagnosis routine, the CPU in steps 301 to 307, determines the preconditions for abnormalities diagnosis; and if all the preconditions are fulfilled, the CPU conducts abnormality diagnosis in steps 308 to 311. More specifically, after determining whether the element resistance falls within a predetermined range, if it falls short of the lower limit of the predetermined range, it is determined that there are high-temperature abnormalities in the element; and if the element resistance exceeds the upper limit of the predetermined range, it is determined that there are low-temperature abnormalities in the element. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

この発明は、酸素濃度に比例した限界電流を出力する酸素濃度検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとからなる限界電流式酸素センサを備えた酸素濃度検出装置に係り、特に前記限界電流式酸素センサの異常を診断することができる酸素濃度検出装置に関するものである。   The present invention relates to an oxygen concentration detecting device including a limiting current type oxygen sensor including an oxygen concentration detecting element that outputs a limiting current proportional to the oxygen concentration, and a heater that heats the detecting element. The present invention relates to an oxygen concentration detection device that can diagnose an abnormality of an oxygen sensor.

近年の空燃比制御システムにおいては、排気ガス中の酸素濃度に比例した限界電流を出力する限界電流式酸素センサ(酸素濃度検出装置)が用いられており、マイクロコンピュータは前記センサによる検出結果を取り込んで空燃比を算出すると共に、当該空燃比に基づき空燃比フィードバック制御を実施する。これにより、内燃機関での最適な燃焼が実現され、排気ガス中の有害成分(CO,HC,NOX等)が低減される。   In recent air-fuel ratio control systems, a limiting current type oxygen sensor (oxygen concentration detecting device) that outputs a limiting current proportional to the oxygen concentration in the exhaust gas is used, and the microcomputer takes in the detection result by the sensor. To calculate the air-fuel ratio, and perform the air-fuel ratio feedback control based on the air-fuel ratio. Thereby, optimal combustion in the internal combustion engine is realized, and harmful components (CO, HC, NOX, etc.) in the exhaust gas are reduced.

一方で、上記空燃比制御システムでは、酸素センサによる検出信号の信頼性が低下すると制御精度が著しく悪化するため、従来より同酸素センサの異常診断を精度良く実施するための技術が要望されている。そこで、従来技術として例えば特許文献1の「内燃機関の空燃比制御装置」では、酸素センサ(酸素濃度検出素子)の温度を検出する温度センサを設け、該センサによる検出温度が所定温度まで上昇しない場合にヒータ異常を検出する旨が記載されている。また、特許文献2の「酸素センサのヒータ制御装置」では、ヒータ抵抗値が目標抵抗値になるようヒータの供給電力を制御する装置において、ヒータの供給電力が所定範囲外になる場合に前記目標抵抗値の異常を検出する旨が記載されている。
特開平1−232143号公報 特開平3−189350号公報
On the other hand, in the air-fuel ratio control system, since the control accuracy is significantly deteriorated when the reliability of the detection signal from the oxygen sensor is reduced, a technique for accurately performing abnormality diagnosis of the oxygen sensor has been demanded. . Therefore, as a conventional technology, for example, in "Air-fuel ratio control device for internal combustion engine" of Patent Document 1, a temperature sensor for detecting the temperature of an oxygen sensor (oxygen concentration detecting element) is provided, and the temperature detected by the sensor does not rise to a predetermined temperature. In this case, it is described that a heater abnormality is detected. Patent Document 2 discloses an “oxygen sensor heater control device” that controls a heater power supply so that a heater resistance value becomes a target resistance value when the heater power supply falls outside a predetermined range. It describes that the abnormality of the resistance value is detected.
JP-A-1-232143 JP-A-3-189350

ところが、上記従来技術では、以下に示す問題を生ずる。上述した前者の技術(特許文献1)では、センサ温度を検出するセンサが要件となっており、コスト高となる問題を含んでいる。また、後者の技術(特許文献2)では、目標抵抗値が適正に設定されているか否かが判断されるだけで、この異常診断処理で異常と判定されるのはバッテリ交換時やセンサ交換時に限定される。従って、実際に酸素センサの信頼性を判断することはできなかった。   However, the above-described conventional technology has the following problems. In the former technique described above (Patent Document 1), a sensor that detects a sensor temperature is a requirement, and includes a problem that costs are increased. Further, in the latter technique (Patent Document 2), it is only determined whether or not the target resistance value is properly set, and the abnormality is determined to be abnormal in the abnormality diagnosis processing when the battery or the sensor is replaced. Limited. Therefore, the reliability of the oxygen sensor could not be actually determined.

本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたものであってその目的は、新規な構成からなる異常診断技術を提案し、それにより限界電流式酸素センサの異常を精度良く且つ容易に診断することができる酸素濃度検出装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and its object is to propose an abnormality diagnosis technique having a novel configuration, whereby the abnormality of the limiting current type oxygen sensor can be detected accurately and easily. An object of the present invention is to provide an oxygen concentration detecting device capable of making a diagnosis.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、酸素濃度に比例した限界電流を出力する酸素濃度検出素子と該検出素子を加熱するヒータとを有する限界電流式酸素センサと、前記酸素センサを活性化させるべく、前記ヒータの通電を制御するヒータ制御手段と、内燃機関への燃料供給量を増量又は減量させる燃料量増減手段と、前記燃料量増減手段による燃料供給量の増量又は減量時において、前記酸素センサの出力値が所定範囲内で変化したか否かに応じて前記酸素センサの異常を診断するセンサ異常診断手段とを備えることを要旨としている。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes an oxygen concentration detecting element provided in an exhaust system of an internal combustion engine and outputting a limiting current proportional to the oxygen concentration, and a heater for heating the detecting element. A limiting current type oxygen sensor, a heater control means for controlling energization of the heater to activate the oxygen sensor, a fuel amount increasing / decreasing means for increasing or decreasing the fuel supply amount to the internal combustion engine, and the fuel amount A sensor abnormality diagnosing means for diagnosing abnormality of the oxygen sensor according to whether or not the output value of the oxygen sensor has changed within a predetermined range when the fuel supply amount is increased or decreased by the increasing / decreasing means. And

請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の発明において、ヒータ通電の開始からのヒータ供給電力の積算値を推定するヒータ供給電力推定手段を備え、前記センサ異常診断手段は、前記ヒータ供給電力推定手段により推定されたヒータ供給電力の積算値が所定量以上であると判断された時に、前記酸素センサの異常診断を実施する。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, there is provided a heater supply power estimating unit for estimating an integrated value of the heater supply power from the start of heater energization, wherein the sensor abnormality diagnosing unit comprises When it is determined that the integrated value of the heater supply power estimated by the supply power estimation means is equal to or more than a predetermined amount, the abnormality diagnosis of the oxygen sensor is performed.

請求項3に記載の発明は、酸素濃度に比例した限界電流を出力する酸素濃度検出素子と該検出素子を加熱するヒータとを有する限界電流式酸素センサと、前記酸素センサの素子抵抗を検出する素子抵抗検出手段と、前記素子抵抗検出手段により検出された素子抵抗と前記酸素センサの目標素子抵抗との偏差をなくすべく、前記ヒータへの供給電力をフィードバック制御するヒータ供給電力制御手段と、前記ヒータ供給電力制御手段によるヒータ供給電力が所定の異常判定値を越えるか否かにより前記酸素センサの異常を診断するセンサ異常診断手段とを備えることを要旨としている。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a limiting current type oxygen sensor having an oxygen concentration detecting element for outputting a limiting current proportional to the oxygen concentration, and a heater for heating the detecting element, and detecting an element resistance of the oxygen sensor. Element resistance detection means, heater supply power control means for feedback-controlling the supply power to the heater to eliminate a deviation between the element resistance detected by the element resistance detection means and a target element resistance of the oxygen sensor, The gist of the invention is to provide a sensor abnormality diagnosis means for diagnosing an abnormality of the oxygen sensor based on whether or not the heater supply power by the heater supply power control means exceeds a predetermined abnormality determination value.

請求項4に記載の発明では、請求項3に記載の発明において、前記センサ異常診断手段は、内燃機関の運転状態に応じて前記異常判定値を設定する手段を備える。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the sensor abnormality diagnosing means includes means for setting the abnormality determination value according to an operating state of the internal combustion engine.

請求項5に記載の発明では、請求項3又は4に記載の発明において、ヒータ通電の開始当初からのヒータ供給電力の積算値を算出する電力積算値算出手段を備え、前記センサ異常診断手段は、前記電力積算値算出手段により算出されたヒータ供給電力の積算値が所定の異常判定値を越えるか否かにより前記酸素センサの異常を診断する。   According to a fifth aspect of the present invention, in the third or fourth aspect of the present invention, there is provided a power integrated value calculating means for calculating an integrated value of heater supply power from the beginning of heater energization, and the sensor abnormality diagnosing means is provided. An abnormality of the oxygen sensor is diagnosed based on whether or not the integrated value of the heater supply power calculated by the integrated power value calculation means exceeds a predetermined abnormality determination value.

請求項6に記載の発明では、請求項3〜5のいずれかに記載の発明において、ヒータ通電の開始当初において前記ヒータの初期抵抗値を検出するヒータ初期抵抗値検出手段と、前記ヒータ初期抵抗値検出手段により検出されたヒータの初期抵抗値が、前記酸素センサの冷間状態を判定する所定域にある場合のみ、前記センサ異常診断手段による異常診断を許可する診断許可手段とを備える。   According to a sixth aspect of the present invention, in the invention of any of the third to fifth aspects, a heater initial resistance value detecting means for detecting an initial resistance value of the heater at the beginning of heater energization; Diagnosis permission means for permitting abnormality diagnosis by the sensor abnormality diagnosis means only when the initial resistance value of the heater detected by the value detection means is within a predetermined range for determining the cold state of the oxygen sensor.

請求項1に記載の発明によれば、ヒータ制御手段は、酸素センサを活性化させるべくヒータの通電を制御する。そして、ヒータ通電により酸素センサが正常に活性した状態では、酸素センサは酸素濃度に比例した限界電流を出力する。また、燃料量増減手段は、内燃機関への燃料供給量を増量又は減量させる。センサ異常診断手段は、燃料量増減手段による燃料供給量の増量又は減量時において、酸素センサの出力値が所定範囲内で変化したか否かに応じて酸素センサの異常を診断する。   According to the first aspect of the present invention, the heater control means controls the energization of the heater to activate the oxygen sensor. Then, when the oxygen sensor is normally activated by energizing the heater, the oxygen sensor outputs a limit current proportional to the oxygen concentration. Further, the fuel amount increasing / decreasing means increases or decreases the fuel supply amount to the internal combustion engine. The sensor abnormality diagnosis means diagnoses an abnormality of the oxygen sensor depending on whether or not the output value of the oxygen sensor has changed within a predetermined range when the fuel supply amount is increased or decreased by the fuel amount increasing / decreasing means.

要するに、例えば内燃機関への燃料供給量を増量させると空燃比がリッチ化し(酸素濃度が低下し)、酸素センサから出力される限界電流が減少する。このとき、酸素センサが正常であれば、限界電流の変化量は実際の空燃比の変化相当量にて規定される所定範囲内となるが、酸素センサが異常であれば、限界電流の変化量は所定範囲から外れる。このことから、センサ異常が精度良く且つ容易に診断される。   In short, for example, when the fuel supply amount to the internal combustion engine is increased, the air-fuel ratio becomes rich (the oxygen concentration decreases), and the limit current output from the oxygen sensor decreases. At this time, if the oxygen sensor is normal, the change amount of the limit current is within a predetermined range defined by the actual air-fuel ratio change amount, but if the oxygen sensor is abnormal, the change amount of the limit current is Deviates from a predetermined range. From this, the sensor abnormality can be diagnosed accurately and easily.

請求項2に記載の発明によれば、ヒータ供給電力推定手段は、ヒータ通電の開始からのヒータ供給電力の積算値を推定する。センサ異常診断手段は、ヒータ供給電力推定手段により推定されたヒータ供給電力の積算値が所定量以上であると判断された時に、酸素センサの異常診断を実施する。つまり、酸素センサの異常をより正確に診断するには、同異常診断をセンサの活性状態(又は、当然活性化しているはずの状態)で実施するのがよい。そこで、本構成では、上記したヒータ供給電力の積算値からセンサ活性状態を推定し、当該活性状態で異常診断を許可している。   According to the second aspect of the present invention, the heater supply power estimating means estimates an integrated value of the heater supply power from the start of the heater energization. The sensor abnormality diagnosis means performs an abnormality diagnosis of the oxygen sensor when it is determined that the integrated value of the heater supply power estimated by the heater supply power estimation means is equal to or more than a predetermined amount. That is, in order to more accurately diagnose the abnormality of the oxygen sensor, it is preferable to perform the abnormality diagnosis in an active state of the sensor (or a state in which the sensor is naturally activated). Therefore, in this configuration, the sensor activation state is estimated from the above-described integrated value of the heater supply power, and abnormality diagnosis is permitted in the activation state.

請求項3に記載の発明によれば、ヒータ供給電力制御手段は、素子抵抗検出手段により検出された素子抵抗と酸素センサの目標素子抵抗との偏差をなくすべく、ヒータへの供給電力をフィードバック制御する。センサ異常診断手段は、ヒータ供給電力制御手段によるヒータ供給電力が所定の異常判定値を越えるか否かにより酸素センサの異常を診断する。   According to the third aspect of the present invention, the heater supply power control means performs feedback control of the power supply to the heater so as to eliminate a deviation between the element resistance detected by the element resistance detection means and the target element resistance of the oxygen sensor. I do. The sensor abnormality diagnosis means diagnoses an abnormality of the oxygen sensor based on whether or not the heater supply power by the heater supply power control means exceeds a predetermined abnormality determination value.

上記のように酸素センサの素子抵抗によりヒータ供給電力がフィードバック制御される場合、劣化等のセンサ異常時であっても素子抵抗(素子温)は所望の活性領域に制御される。この場合、センサ異常が発生すると、素子抵抗(素子温)を活性領域に保持するには、過多量のヒータ供給電力が必要となり、このことから、センサ異常が精度良く且つ容易に診断される。   When the heater supply power is feedback-controlled by the element resistance of the oxygen sensor as described above, the element resistance (element temperature) is controlled to a desired active region even when the sensor is abnormal such as deterioration. In this case, if a sensor abnormality occurs, an excessive amount of heater supply power is required to maintain the element resistance (element temperature) in the active region. Therefore, the sensor abnormality can be diagnosed accurately and easily.

請求項4に記載の発明によれば、センサ異常診断手段は、内燃機関の運転状態に応じて前記異常判定値を設定する。この場合、機関運転状態に応じた最適な異常診断が可能となる。   According to the invention described in claim 4, the sensor abnormality diagnosis means sets the abnormality determination value according to the operating state of the internal combustion engine. In this case, an optimal abnormality diagnosis according to the engine operating state can be performed.

請求項5に記載の発明によれば、電力積算値算出手段は、ヒータ通電の開始当初からのヒータ供給電力の積算値を算出する。センサ異常診断手段は、電力積算値算出手段により算出されたヒータ供給電力の積算値が所定の異常判定値を越えるか否かにより酸素センサの異常を診断する。つまり、ヒータ供給電力の積算値により異常診断を行うことによって、その診断データの精度が増し、正確な異常診断が可能となる。   According to the invention described in claim 5, the integrated power value calculating means calculates the integrated value of the heater supply power from the beginning of the heater energization. The sensor abnormality diagnosis unit diagnoses the oxygen sensor abnormality based on whether or not the integrated value of the heater supply power calculated by the integrated power value calculation unit exceeds a predetermined abnormality determination value. That is, by performing the abnormality diagnosis based on the integrated value of the heater supply power, the accuracy of the diagnosis data is increased, and accurate abnormality diagnosis can be performed.

請求項6に記載の発明によれば、ヒータ初期抵抗値検出手段は、ヒータ通電の開始当初においてヒータの初期抵抗値を検出する。診断許可手段は、ヒータ初期抵抗値検出手段により検出されたヒータの初期抵抗値が、酸素センサの冷間状態を判定する所定域にある場合のみ、センサ異常診断手段による異常診断を許可する。つまり、例えば機関の暖機再始動時においてヒータ通電が開始される場合には、ヒータ供給電力の積算値が比較的小さく、当該積算値によりセンサ異常を診断することは診断精度上、望ましくない。そこで、異常診断をセンサの冷間時に限定し、常に良好な異常診断が実施できるようにしている。   According to the sixth aspect of the present invention, the heater initial resistance value detecting means detects the initial resistance value of the heater at the beginning of heater energization. The diagnosis permission unit permits the abnormality diagnosis by the sensor abnormality diagnosis unit only when the initial resistance value of the heater detected by the heater initial resistance value detection unit is within a predetermined range for determining the cold state of the oxygen sensor. That is, for example, when heater energization is started at the time of restarting warm-up of the engine, the integrated value of the heater supply power is relatively small, and diagnosing a sensor abnormality based on the integrated value is not desirable in terms of diagnostic accuracy. Therefore, the abnormality diagnosis is limited to when the sensor is cold, so that good abnormality diagnosis can always be performed.

(第1実施例)
以下、この発明の酸素濃度検出装置を自動車用内燃機関の空燃比制御装置にて具体化した第1実施例を図面に従って説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which the oxygen concentration detecting device of the present invention is embodied in an air-fuel ratio control device of an internal combustion engine for a vehicle will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施例における内燃機関の空燃比制御装置の概要を示す構成図である。図1において、4気筒火花点火式ガソリン内燃機関(以下、エンジンという)1には吸気管2と排気管3とが接続されている。吸気管2の最上流部にはエアクリーナ4が設けられ、吸気管2の途中にはサージタンク5が設けられている。サージタンク5の上流側には、図示しないアクセルペダルの踏み込み操作に連動するスロットルバルブ17が配設されている。スロットルバルブ17をバイパスするバイパス通路18には、ISC弁(アイドル回転数制御弁)19が設けられている。   FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an outline of an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine according to the present embodiment. In FIG. 1, an intake pipe 2 and an exhaust pipe 3 are connected to a four-cylinder spark ignition gasoline internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 1. An air cleaner 4 is provided at the most upstream portion of the intake pipe 2, and a surge tank 5 is provided in the middle of the intake pipe 2. An upstream side of the surge tank 5 is provided with a throttle valve 17 interlocked with a depression operation of an accelerator pedal (not shown). An ISC valve (idle speed control valve) 19 is provided in a bypass passage 18 that bypasses the throttle valve 17.

また、エンジン1における各気筒毎の吸気管(吸気ポート)2にはインジェクタ6が配設されている。燃料タンク7内の燃料は燃料ポンプ8により吸い上げられ、燃料フィルタ9を通してプレッシャレギュレータ10に供給される。プレッシャレギュレータ10は、一定圧力に調圧した燃料をインジェクタ6に供給すると共に、余剰燃料を燃料タンク7にリターンさせる。インジェクタ6はバッテリ15からの電力供給により開弁して燃料を噴射する。そして、インジェクタ6による噴射燃料が吸入空気と混合されて混合気となり、吸気弁11を介して各気筒の燃焼室12に供給される。   An injector 6 is provided in an intake pipe (intake port) 2 for each cylinder in the engine 1. Fuel in the fuel tank 7 is sucked up by a fuel pump 8 and supplied to a pressure regulator 10 through a fuel filter 9. The pressure regulator 10 supplies fuel adjusted to a constant pressure to the injector 6 and returns excess fuel to the fuel tank 7. The injector 6 is opened by power supply from the battery 15 to inject fuel. Then, the fuel injected by the injector 6 is mixed with the intake air to form an air-fuel mixture, which is supplied to the combustion chamber 12 of each cylinder via the intake valve 11.

エアクリーナ4の近傍には吸気温センサ20が設けられ、同センサ20により吸気温が検出される。また、サージタンク5には吸気管内圧力センサ22が設けられ、同センサ22により吸気管内圧力(吸気負圧)が検出される。エンジン1のシリンダブロックにはエンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ23が設けられている。   An intake air temperature sensor 20 is provided near the air cleaner 4, and the intake air temperature is detected by the sensor 20. The surge tank 5 is provided with an intake pipe pressure sensor 22, which detects an intake pipe pressure (intake negative pressure). The cylinder block of the engine 1 is provided with a water temperature sensor 23 for detecting the temperature of the engine cooling water.

各気筒の燃焼室12には点火プラグ13が配設されている。イグナイタ14ではバッテリ15の電圧から高電圧が生成され、その高電圧がディストリビュータ16により各点火プラグ13に分配される。ディストリビュータ16内には気筒判別センサ24とクランク角センサ25が配設されている。クランク角センサ25は、エンジン1のクランク軸の回転に伴う所定のクランク角毎(例えば、30°CA毎)にクランク角信号を発生する。また、気筒判別センサ24は、エンジン1のクランク軸の回転に伴う特定気筒の特定位置(例えば、第1気筒の圧縮TDC)で気筒判別信号を発生する。   An ignition plug 13 is provided in the combustion chamber 12 of each cylinder. The igniter 14 generates a high voltage from the voltage of the battery 15, and the high voltage is distributed to each spark plug 13 by the distributor 16. A cylinder discrimination sensor 24 and a crank angle sensor 25 are provided in the distributor 16. The crank angle sensor 25 generates a crank angle signal at each predetermined crank angle (for example, at every 30 ° CA) associated with the rotation of the crankshaft of the engine 1. The cylinder discrimination sensor 24 generates a cylinder discrimination signal at a specific position of a specific cylinder (for example, compression TDC of the first cylinder) accompanying rotation of the crankshaft of the engine 1.

また、エンジン1の排気管3には限界電流式の酸素センサ26が設けられており、この酸素センサ26は排気ガス中の酸素濃度に比例してリニアな検出信号を出力する。なお、酸素センサ26下流には図示しない触媒コンバータが配設されており、同コンバータにて排気ガスが浄化されるようになっている。   Further, a limiting current type oxygen sensor 26 is provided in the exhaust pipe 3 of the engine 1, and this oxygen sensor 26 outputs a linear detection signal in proportion to the oxygen concentration in the exhaust gas. A catalytic converter (not shown) is provided downstream of the oxygen sensor 26, and the converter purifies exhaust gas.

上記各センサの検出信号は電子制御装置(以下、ECUという)40に入力される。ECU40は、バッテリ15を電源として動作し、イグニションスイッチ28のオン信号によりエンジン1を始動させると共に、エンジン運転中は酸素センサ26の出力信号に基づいて空燃比補正係数を増減補正することで空燃比を目標空燃比(例えば、理論空燃比)近傍にフィードバック制御する。また、ECU40は後述するセンサ異常診断処理を実行して酸素センサ26の異常の有無を診断し、異常時には警告灯29を点灯して運転者に異常発生の旨を警告する。   The detection signals of the above sensors are input to an electronic control unit (hereinafter, referred to as ECU) 40. The ECU 40 operates using the battery 15 as a power supply, starts the engine 1 in response to an ON signal of the ignition switch 28, and increases or decreases the air-fuel ratio correction coefficient based on the output signal of the oxygen sensor 26 during engine operation, thereby increasing the air-fuel ratio. Is controlled near the target air-fuel ratio (for example, the stoichiometric air-fuel ratio). Further, the ECU 40 executes a sensor abnormality diagnosis process described later to diagnose whether or not the oxygen sensor 26 is abnormal. When an abnormality occurs, the ECU 40 turns on a warning lamp 29 to warn the driver of the occurrence of the abnormality.

図2は、酸素センサ26の概略断面、及び酸素センサ26に接続されたECU40の電気的構成を示す図である。図2において、酸素センサ26は排気管3の内部に向けて突設されており、同センサ26はカバー31、センサ本体32及びヒータ33に大別される。カバー31は断面コ字状をなし、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔31aが形成されている。センサ本体32は空燃比リーン領域における酸素濃度、若しくは空燃比リッチ領域における一酸化炭素(CO)濃度に対応する限界電流を発生する。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic cross section of the oxygen sensor 26 and an electrical configuration of the ECU 40 connected to the oxygen sensor 26. In FIG. 2, the oxygen sensor 26 protrudes toward the inside of the exhaust pipe 3, and is roughly classified into a cover 31, a sensor body 32, and a heater 33. The cover 31 has a U-shaped cross section, and a plurality of small holes 31a communicating with the inside and outside of the cover are formed on the peripheral wall thereof. The sensor body 32 generates a limit current corresponding to the oxygen concentration in the air-fuel ratio lean region or the carbon monoxide (CO) concentration in the air-fuel ratio rich region.

センサ本体32の構成について詳述する。センサ本体32において、断面カップ状に形成された固体電解質層34の外表面には、排気ガス側電極層36が固着され、内表面には大気側電極層37が固着されている。また、排気ガス側電極層36の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層35が形成されている。固体電解質層34は、ZrO2 、HfO2 、ThO2 、Bi23等にCaO、MgO、Y23 、Yb23 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り、拡散抵抗層35は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。排気ガス側電極層36及び大気側電極層37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。なお、排気ガス側電極層36の面積及び厚さは、10〜100mm2 及び0.5〜2.0μm程度となっており、一方、大気側電極層37の面積及び厚さは、10mm2 以上及び0.5〜2.0μm程度となっている。固体電解質層34は酸素濃度検出素子に相当する。 The configuration of the sensor main body 32 will be described in detail. In the sensor main body 32, an exhaust gas side electrode layer 36 is fixed to an outer surface of a solid electrolyte layer 34 formed in a cup-shaped cross section, and an atmosphere side electrode layer 37 is fixed to an inner surface. A diffusion resistance layer 35 is formed outside the exhaust gas side electrode layer 36 by a plasma spraying method or the like. The solid electrolyte layer 34, ZrO 2, HfO 2, ThO 2, Bi 2 O 3 or the like CaO, MgO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 or the like of oxygen ion conductive oxide sintered obtained by solid solution as a stabilizer The diffusion resistance layer 35 is formed of a heat-resistant inorganic substance such as alumina, magnesia, silica, spinel, and mullite. Both the exhaust gas side electrode layer 36 and the atmosphere side electrode layer 37 are made of a noble metal having high catalytic activity such as platinum, and the surfaces thereof are subjected to porous chemical plating or the like. The area and thickness of the exhaust gas side electrode layer 36 are about 10 to 100 mm 2 and about 0.5 to 2.0 μm, while the area and thickness of the atmosphere side electrode layer 37 are 10 mm 2 or more. And about 0.5 to 2.0 μm. The solid electrolyte layer 34 corresponds to an oxygen concentration detecting element.

ヒータ33は大気側電極層37内に収容されており、その発熱エネルギーによりセンサ本体32(大気側電極層37、固体電極質層34、排気ガス側電極層36及び拡散抵抗層35)を加熱する。ヒータ33は、センサ本体32を活性化するに十分な発熱容量を有している。   The heater 33 is housed in the atmosphere-side electrode layer 37 and heats the sensor main body 32 (the atmosphere-side electrode layer 37, the solid electrode layer 34, the exhaust gas-side electrode layer 36, and the diffusion resistance layer 35) by the heat energy. . The heater 33 has a heat generating capacity sufficient to activate the sensor main body 32.

上記構成の酸素センサ26において、センサ本体32は理論空燃比点にて濃淡起電力を発生し、理論空燃比点よりリーン領域の酸素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排気ガス側電極層36の面積、拡散抵抗層35の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、センサ本体32は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体32を活性化するのに約650℃以上の高温が必要とされると共に、同センサ本体32の活性温度範囲が狭いため、エンジン1の排気ガスのみによる加熱では活性領域を制御できない。そのため、本実施例では、後述するヒータ33の加熱制御によりセンサ本体32の温度制御が実施される。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素(CO)の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ本体32はCO濃度に応じた限界電流を発生する。   In the oxygen sensor 26 having the above configuration, the sensor main body 32 generates a concentration electromotive force at the stoichiometric air-fuel ratio point, and generates a limit current according to the oxygen concentration in the lean region from the stoichiometric air-fuel ratio point. In this case, the limit current corresponding to the oxygen concentration is determined by the area of the exhaust gas side electrode layer 36, the thickness of the diffusion resistance layer 35, the porosity, and the average pore diameter. The sensor body 32 can detect the oxygen concentration with a linear characteristic. However, a high temperature of about 650 ° C. or more is required to activate the sensor body 32, Since the activation temperature range is narrow, the activation region cannot be controlled by heating only the exhaust gas of the engine 1. Therefore, in this embodiment, the temperature control of the sensor main body 32 is performed by the heating control of the heater 33 described later. In the region richer than the stoichiometric air-fuel ratio, the concentration of carbon monoxide (CO), which is an unburned gas, changes almost linearly with respect to the air-fuel ratio, and the sensor main body 32 generates a limiting current corresponding to the CO concentration. appear.

センサ本体32の電圧−電流特性について図3を用いて説明する。図3に示すように電流−電圧特性は、酸素センサ26の検出酸素濃度(空燃比)に比例するセンサ本体32の固体電解質層34への流入電流と、同固体電解質層34への印加電圧との関係が直線的であることを示す。そして、センサ本体32が温度T=T1にて活性状態にあるとき、図3の実線で示すように特性線L1でもって安定した状態を示す。かかる場合、特性線L1の電圧軸Vに平行な直線部分がセンサ本体32の限界電流を特定する。この限界電流の増減は空燃比の増減(即ち、リーン・リッチ)に対応しており、空燃比がリーン側になるほど限界電流は増大し、空燃比がリッチ側になるほど限界電流は減少する。   The voltage-current characteristics of the sensor main body 32 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the current-voltage characteristics are such that the current flowing into the solid electrolyte layer 34 of the sensor body 32 and the voltage applied to the solid electrolyte layer 34 are proportional to the detected oxygen concentration (air-fuel ratio) of the oxygen sensor 26. Is linear. Then, when the sensor main body 32 is in the active state at the temperature T = T1, a stable state is shown by the characteristic line L1 as shown by the solid line in FIG. In such a case, the straight line portion of the characteristic line L1 parallel to the voltage axis V specifies the limit current of the sensor main body 32. The increase / decrease of the limit current corresponds to the increase / decrease of the air-fuel ratio (that is, lean / rich). The limit current increases as the air-fuel ratio becomes leaner, and decreases as the air-fuel ratio becomes richer.

また、この電圧−電流特性において電圧軸Vに平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配域となっており、その抵抗支配域における特性線L1の傾きは、センサ本体32における固体電解質層34の内部抵抗(以下、これを素子抵抗という)により特定される。この素子抵抗は温度変化に伴い変化するため、センサ本体32の温度が低下すると素子抵抗の増大により上記傾きが小さくなる。つまり、センサ本体32の温度TがT1よりも低いT2にあるとき、電流−電圧特性は図3の破線で示すように特性線L2でもって特定される。かかる場合、特性線L2の電圧軸Vに平行な直線部分がT=T2におけるセンサ本体32の限界電流を特定するもので、この限界電流は特性線L1による限界電流とほぼ一致している。   In this voltage-current characteristic, a voltage range smaller than a linear portion parallel to the voltage axis V is a resistance dominating region, and the slope of the characteristic line L1 in the resistance dominating region is determined by the solid electrolyte layer 34 in the sensor body 32. (Hereinafter referred to as element resistance). Since the element resistance changes with a change in temperature, when the temperature of the sensor main body 32 decreases, the slope decreases due to an increase in element resistance. That is, when the temperature T of the sensor body 32 is at T2 lower than T1, the current-voltage characteristic is specified by the characteristic line L2 as shown by the broken line in FIG. In such a case, the straight line portion of the characteristic line L2 parallel to the voltage axis V specifies the limit current of the sensor main body 32 at T = T2, and this limit current substantially matches the limit current by the characteristic line L1.

そして、特性線L1において、センサ本体32の固体電解質層34に正の印加電圧Vposを印加すれば、センサ本体32に流れる電流が限界電流Iposとなる(図3の点Pa参照)。また、センサ本体32の固体電解質層34に負の印加電圧Vnegを印加すれば、センサ本体32に流れる電流が酸素濃度に依存せず、温度のみに比例する負の温度電流Inegとなる(図3の点Pb参照)。   Then, when a positive applied voltage Vpos is applied to the solid electrolyte layer 34 of the sensor main body 32 on the characteristic line L1, the current flowing through the sensor main body 32 becomes the limit current Ipos (see point Pa in FIG. 3). When a negative applied voltage Vneg is applied to the solid electrolyte layer 34 of the sensor main body 32, the current flowing through the sensor main body 32 does not depend on the oxygen concentration, but becomes a negative temperature current Ineg which is proportional only to the temperature (FIG. 3). Point Pb).

また、図2において、センサ本体32の排気ガス側電極層36には、バイアス制御回路41が接続され、同バイアス制御回路41にはセンサ電流検出回路45を介してセンサ本体32の大気側電極層37が接続されている。バイアス制御回路41は正バイアス用直流電源42、負バイアス用直流電源43及び切り換えスイッチ回路44によって構成されている。正バイアス用直流電源42の負側電極及び負バイアス用直流電源43の正側電極は共に排気ガス側電極層36に接続されている。   In FIG. 2, a bias control circuit 41 is connected to the exhaust gas side electrode layer 36 of the sensor body 32, and the bias control circuit 41 is connected to the atmosphere side electrode layer of the sensor body 32 via a sensor current detection circuit 45. 37 are connected. The bias control circuit 41 includes a positive bias DC power supply 42, a negative bias DC power supply 43, and a changeover switch circuit 44. The negative electrode of the positive bias DC power supply 42 and the positive electrode of the negative bias DC power supply 43 are both connected to the exhaust gas side electrode layer 36.

切り換えスイッチ回路44は、第1切り換え状態にて正バイアス用直流電源42の正側電極のみをセンサ電流検出回路45に接続すると共に、第2切り換え状態にて負バイアス用直流電源43の負側電極のみをセンサ電流検出回路45に接続する。つまり、切り換えスイッチ回路44が第1切り換え状態にある場合、正バイアス用直流電源42がセンサ本体32の固体電解質層34を正バイアスし、同固体電解質層34には正方向の電流が流れる。一方、切り換えスイッチ回路44が第2切り換え状態にある場合、負バイアス用直流電源43が固体電解質層34を負バイアスし、同固体電解質層34には負方向の電流が流れる。かかる場合、各直流電源42,43の端子電圧は上述の印加電圧Vpos,Vnegにそれぞれ相当する。   The changeover switch circuit 44 connects only the positive electrode of the positive bias DC power supply 42 to the sensor current detection circuit 45 in the first switching state, and connects the negative electrode of the negative bias DC power supply 43 in the second switching state. Only to the sensor current detection circuit 45. That is, when the changeover switch circuit 44 is in the first switching state, the positive bias DC power supply 42 positively biases the solid electrolyte layer 34 of the sensor main body 32, and a current in the positive direction flows through the solid electrolyte layer 34. On the other hand, when the changeover switch circuit 44 is in the second switching state, the negative bias DC power supply 43 negatively biases the solid electrolyte layer 34, and a current in the negative direction flows through the solid electrolyte layer 34. In such a case, the terminal voltages of the DC power supplies 42 and 43 correspond to the applied voltages Vpos and Vneg, respectively.

センサ電流検出回路45は、センサ本体32の大気側電極層37から切り換えスイッチ回路44へ流れる電流又はその逆方向へ流れる電流、つまり、固体電解質層34を流れる電流を検出する。また、ヒータ制御回路46は、酸素センサ26の素子温やヒータ温度に応じてバッテリ電源VBからヒータ33に供給される電力をデューティ制御し、ヒータ33の加熱制御を行う。ヒータ33に流れる電流(以下、ヒータ電流Ihという)は電流検出抵抗50により検出される。   The sensor current detection circuit 45 detects a current flowing from the atmosphere-side electrode layer 37 of the sensor body 32 to the changeover switch circuit 44 or a current flowing in the opposite direction, that is, a current flowing through the solid electrolyte layer 34. Further, the heater control circuit 46 controls the duty of the power supplied from the battery power supply VB to the heater 33 in accordance with the element temperature of the oxygen sensor 26 and the heater temperature, and controls the heating of the heater 33. A current flowing through the heater 33 (hereinafter, referred to as a heater current Ih) is detected by a current detection resistor 50.

A/D変換器47は、センサ電流検出回路45による検出電流(図3のIpos,Ineg)、ヒータ電流Ih、及びヒータ33の印加電圧(以下、ヒータ電圧Vhという)をデジタル信号に変換してマイクロコンピュータ48に出力する。マイクロコンピュータ48は、各種演算処理を実行するCPU48aやROM,RAMからなるメモリ48b等により構成され、所定のコンピュータプログラムに従いバイアス制御回路41、ヒータ制御回路46及び燃料噴射制御装置(以下、EFIという)49を制御する。EFI49は、エンジン情報としての前記各種センサ信号を入力し、吸気温Tam、吸気負圧Pm、冷却水温Thw、エンジン回転数NE、車速Vs等を検知する。そして、これらのエンジン情報に基づきインジェクタ6による燃料噴射を制御する。なお、本実施例では、マイクロコンピュータ48内のCPU48aによりヒータ制御手段、素子抵抗検出手段、センサ異常診断手段及びヒータ供給電力推定手段が構成されている。   The A / D converter 47 converts the detection current (Ipos, Ineg in FIG. 3), the heater current Ih, and the voltage applied to the heater 33 (hereinafter, referred to as heater voltage Vh) by the sensor current detection circuit 45 into digital signals. Output to the microcomputer 48. The microcomputer 48 includes a CPU 48a for executing various arithmetic processes, a memory 48b including a ROM and a RAM, and the like. 49 is controlled. The EFI 49 receives the various sensor signals as engine information and detects an intake air temperature Tam, an intake negative pressure Pm, a cooling water temperature Thw, an engine speed NE, a vehicle speed Vs, and the like. Then, the fuel injection by the injector 6 is controlled based on the engine information. In this embodiment, the CPU 48a in the microcomputer 48 constitutes heater control means, element resistance detection means, sensor abnormality diagnosis means and heater supply power estimation means.

次いで、本実施例の作用についてマイクロコンピュータ48内のCPU48aにより実行される各種制御プログラムに沿って説明する。以下、ヒータ通電制御、空燃比検出処理、センサ異常診断処理の順に説明する。   Next, the operation of the present embodiment will be described along various control programs executed by the CPU 48a in the microcomputer 48. Hereinafter, the heater energization control, the air-fuel ratio detection process, and the sensor abnormality diagnosis process will be described in this order.

図4のフローチャートは、イグニションスイッチ28のオン操作に従い起動され、CPU48aにより所定時間周期で実行されるヒータ通電制御ルーチンを示す。図4において、CPU48aは、ステップ101でヒータ33の制御状態を示すヒータ制御フラグF1,F2を判定する。即ち本第1実施例では、イグニションスイッチ28のオン操作に従い、デューティ100%制御→第1のヒータ通電制御→第2のヒータ通電制御の順にヒータ制御が移行するようになっており、ヒータ制御フラグF1=1は第1のヒータ通電制御が実行中であることを表し、ヒータ制御フラグF2=1は第2のヒータ通電制御が実行中であることを表す。   The flowchart of FIG. 4 shows a heater energization control routine that is started in accordance with the ON operation of the ignition switch 28 and is executed by the CPU 48a at a predetermined time period. 4, in step 101, the CPU 48a determines heater control flags F1 and F2 indicating the control state of the heater 33. That is, in the first embodiment, the heater control shifts in the order of the duty 100% control, the first heater energization control, and the second heater energization control in accordance with the ON operation of the ignition switch 28. F1 = 1 indicates that the first heater energization control is being executed, and the heater control flag F2 = 1 indicates that the second heater energization control is being executed.

この場合、ヒータ通電制御の開始当初であれば、ヒータ制御フラグF1,F2が共に「0」(初期値)にクリアされており、CPU48aはステップ102に進んでデューティ100%制御を実施する。つまり、図2のヒータ制御回路46を100%デューティで制御してヒータ33への供給電力を最大値に固定し、ヒータ33を急速加熱する。また、CPU48aは、ステップ103でヒータ電圧Vh及びヒータ電流Ihにより算出されたヒータ抵抗RHを読み込み(RH=Vh/Ih)、続くステップ104でヒータ抵抗RHが2Ω以上であるか否か(RH≧2Ωか否か)を判別する。RH<2Ωであれば、CPU48aはそのまま本ルーチンを終了する。この場合、デューティ100%制御が継続される。   In this case, at the beginning of the heater energization control, both the heater control flags F1 and F2 have been cleared to "0" (initial value), and the CPU 48a proceeds to step 102 to execute 100% duty control. In other words, the heater control circuit 46 of FIG. 2 is controlled at a duty of 100% to fix the power supplied to the heater 33 to the maximum value, and the heater 33 is rapidly heated. Further, the CPU 48a reads the heater resistance RH calculated based on the heater voltage Vh and the heater current Ih in Step 103 (RH = Vh / Ih), and in Step 104, determines whether or not the heater resistance RH is 2Ω or more (RH ≧ 2Ω). If RH <2Ω, the CPU 48a ends this routine as it is. In this case, the duty 100% control is continued.

また、前記ステップ104でヒータ抵抗RH≧2Ωになると、CPU48aはステップ105に進んでヒータ制御フラグF1に「1」をセットし、続くステップ106で第1のヒータ通電制御を実施する。ここで、第1のヒータ通電制御では、エンジン負荷(例えば、吸気負圧Pm)とエンジン回転数NEとからなる第1のマップにてヒータ33の制御デューティが求められる。ここで、前記マップは酸素センサ26の素子温が所定の活性化温度になるよう設定されるものであって、例えば低負荷又は低回転域では排気ガスの熱量が少ないために大きなデューティが設定されるようになっている。フラグF1のセット後は、CPU48aはステップ101から直接ステップ106へ進み、第1のヒータ通電制御を実施する。   If the heater resistance RH ≧ 2Ω in step 104, the CPU 48a proceeds to step 105, sets “1” to the heater control flag F1, and executes the first heater energization control in step 106. Here, in the first heater energization control, the control duty of the heater 33 is obtained from a first map including the engine load (for example, the intake negative pressure Pm) and the engine speed NE. Here, the map is set so that the element temperature of the oxygen sensor 26 becomes a predetermined activation temperature. For example, in a low load or low rotation range, a large duty is set because the amount of heat of the exhaust gas is small. It has become so. After setting the flag F1, the CPU 48a directly proceeds from step 101 to step 106, and performs the first heater energization control.

そして、ステップ106からステップ107に進むと、CPU48aは、酸素センサ26の素子抵抗(固体電解質層34の内部抵抗)Zdcを読み込む。素子抵抗Zdcは素子印加電圧Vneg(負の印加電圧)及びセンサ電流検出回路45にて検出された負の電流Inegから算出できる(Zdc=Vneg/Ineg)。また、CPU48aは、ステップ108で素子抵抗Zdcが90Ω以下になったか否か(Zdc≦90Ωか否か)を判別し、Zdc>90Ωであればそのまま本ルーチンを終了する。この場合、第1のヒータ通電制御が継続される。なお、図5は素子温と素子抵抗Zdcとの関係を示す。   Then, when proceeding from step 106 to step 107, the CPU 48a reads the element resistance (the internal resistance of the solid electrolyte layer 34) Zdc of the oxygen sensor 26. The element resistance Zdc can be calculated from the element applied voltage Vneg (negative applied voltage) and the negative current Ineg detected by the sensor current detection circuit 45 (Zdc = Vneg / Ineg). In addition, the CPU 48a determines in step 108 whether the element resistance Zdc has become 90Ω or less (whether or not Zdc ≦ 90Ω). If Zdc> 90Ω, the CPU 48a terminates this routine. In this case, the first heater energization control is continued. FIG. 5 shows the relationship between the element temperature and the element resistance Zdc.

また、前記ステップ108でZdc≦90Ωになると、CPU48aはステップ109に進んでヒータ制御フラグF1を「0」に、ヒータ制御フラグF2を「1」に操作し、続くステップ110で第2のヒータ通電制御を実施する。ここで、第2のヒータ通電制御では、前記第1のマップとは異なる第2のマップを用い、エンジン負荷(例えば、吸気負圧Pm)とエンジン回転数NEとに応じてヒータ33の制御デューティが算出される(但し、特性はほぼ同じ)。そして、フラグF2=1のセット後は、CPU48aはステップ101から直接ステップ110へ進み、第2のヒータ通電制御を実施する。このように本実施例では、制御開始当初の100%デューティと、その後の第1,第2のヒータ通電制御とによりヒータ33の通電がオープン制御される。   If Zdc ≦ 90Ω in step 108, the CPU 48a proceeds to step 109 to operate the heater control flag F1 at “0” and operate the heater control flag F2 at “1”. Perform control. Here, in the second heater energization control, a second map different from the first map is used, and the control duty of the heater 33 is controlled according to the engine load (for example, the intake negative pressure Pm) and the engine speed NE. Is calculated (however, the characteristics are almost the same). Then, after setting the flag F2 = 1, the CPU 48a directly proceeds from step 101 to step 110, and executes the second heater energization control. As described above, in the present embodiment, the energization of the heater 33 is controlled to be open by the 100% duty at the beginning of the control and the subsequent first and second heater energization controls.

一方、図6のフローチャートは、イグニションスイッチ28のオン操作に従い起動され、CPU48aにより例えば8msec毎に実行される空燃比検出ルーチンを示す。   On the other hand, the flowchart of FIG. 6 shows an air-fuel ratio detection routine that is started in accordance with the ON operation of the ignition switch 28 and is executed by the CPU 48a, for example, every 8 msec.

図6において、CPU48aは、先ずステップ201〜204でセンサ活性判定処理を実行する。即ちCPU48aは、ステップ201で図7の素子抵抗検出域における所定電圧Vmを印加し(例えば、Vm=−1ボルト)、続くステップ202で図2のセンサ電流検出回路45にて検出された電流Imを読み込む(図7参照)。また、CPU48aは、ステップ203で上記印加電圧Vmと検出電流Imとから素子抵抗Zdcを算出する(Zdc=Vm/Im)。   In FIG. 6, the CPU 48a first executes sensor activity determination processing in steps 201 to 204. That is, the CPU 48a applies a predetermined voltage Vm (for example, Vm = -1 volt) in the element resistance detection area of FIG. 7 in step 201, and in a subsequent step 202, detects the current Im detected by the sensor current detection circuit 45 of FIG. Is read (see FIG. 7). In step 203, the CPU 48a calculates the element resistance Zdc from the applied voltage Vm and the detected current Im (Zdc = Vm / Im).

さらに、CPU48aは、ステップ204で上記素子抵抗Zdcが所定の活性判定域(KREL〜KREH)にあるか否かにより酸素センサ26の活性判定を行う(例えば、KREL=10Ω,KREH=90Ω)。つまり、KREL≦Zdc≦KREHでありステップ204が肯定判別されれば、CPU48aはセンサ活性化が完了したとみなし、続くステップ205に進む。一方、ステップ204が否定判別されれば、CPU48aは活性化判定がなされるまでステップ201〜204を繰り返し実行する。   Further, the CPU 48a determines the activity of the oxygen sensor 26 based on whether or not the element resistance Zdc is in a predetermined activity determination range (KREL to KRHE) in step 204 (for example, KREL = 10Ω, KRH = 90Ω). That is, if KREL ≦ Zdc ≦ KREH and the determination in step 204 is affirmative, the CPU 48a determines that the sensor activation has been completed, and proceeds to the subsequent step 205. On the other hand, if a negative determination is made in step 204, the CPU 48a repeatedly executes steps 201 to 204 until an activation determination is made.

ステップ205に進むと、CPU48aは図7のA/F検出域における印加電圧Vpの初期値として「0.4ボルト」を酸素センサ26に印加する。さらに、CPU48aは、ステップ206で図2のセンサ電流検出回路45にて検出された限界電流Ip(n)を読み込み、続くステップ207で限界電流Ip(n)を空燃比(A/F)に換算する。また、CPU48aは、ステップ208で次の空燃比検出のための印加電圧Vp(n+1)を算出すると共に{Vp(n+1)=f(Ip)}、その印加電圧Vp(n+1)を酸素センサ26に印加する。つまり図7において、(n)時の空燃比(A/F)が「16」、(n+1)時の空燃比(A/F)が「15」の場合、Vp(n)の印加によりIp(n)が検出され、Vp(n+1)の印加によりIp(n+1)が検出される。   In step 205, the CPU 48a applies "0.4 volts" to the oxygen sensor 26 as an initial value of the applied voltage Vp in the A / F detection area of FIG. Further, the CPU 48a reads the limit current Ip (n) detected by the sensor current detection circuit 45 in FIG. 2 in step 206, and converts the limit current Ip (n) into an air-fuel ratio (A / F) in step 207. I do. Further, the CPU 48a calculates an applied voltage Vp (n + 1) for detecting the next air-fuel ratio in step 208, and also outputs {Vp (n + 1) = f (Ip)} and sends the applied voltage Vp (n + 1) to the oxygen sensor 26. Apply. That is, in FIG. 7, when the air-fuel ratio (A / F) at the time (n) is “16” and the air-fuel ratio (A / F) at the time (n + 1) is “15”, application of Vp (n) causes Ip ( n) is detected, and Ip (n + 1) is detected by applying Vp (n + 1).

その後、CPU48aは、ステップ209で空燃比検出を開始してから所定時間が経過したか否かを判別する。この場合、所定時間が経過していなければ、CPU48aは前述のステップ206〜209を繰り返し実行し、所定時間が経過しておればステップ210に進む。CPU48aは、ステップ210〜213で上記ステップ201〜204と同様のセンサ活性判定処理を行う。   Thereafter, the CPU 48a determines whether or not a predetermined time has elapsed since the start of the air-fuel ratio detection in step 209. In this case, if the predetermined time has not elapsed, the CPU 48a repeatedly executes the above-described steps 206 to 209, and proceeds to step 210 if the predetermined time has elapsed. The CPU 48a performs the same sensor activity determination processing in steps 210 to 213 as in steps 201 to 204 described above.

つまり、CPU48aは、ステップ210〜212で算出した素子抵抗Zdcが所定の活性判定域(KREL〜KREH)にあるか否かを判別する。そして、KREL≦Zdc<KREHであれば、CPU48aはセンサ活性化しているとみなして前記ステップ206に進み、上述の空燃比検出処理を実施する。また、ステップ213が否定判別されれば、CPU48aはステップ210〜213を繰り返し実行する。   That is, the CPU 48a determines whether or not the element resistance Zdc calculated in steps 210 to 212 is within a predetermined activation determination range (KREL to KREH). If KREL ≦ Zdc <KREH, the CPU 48a regards that the sensor is activated and proceeds to step 206 to execute the above-described air-fuel ratio detection processing. If a negative determination is made in step 213, the CPU 48a repeatedly executes steps 210 to 213.

次に、図8に従いセンサ異常診断ルーチンを説明する。図8のフローチャートは、CPU48aにより所定時間毎(例えば、32msec毎)に実行される。図8において、CPU48aは、先ずステップ301〜307でセンサ異常診断の前提条件を判別する。詳しくは、ステップ301では吸気温Tamが所定の判定値KTA(例えば、5℃)以上であるか否かを判別し、ステップ302では冷却水温Thwが所定の判定値KTW(例えば、5℃)以上であるか否かを判別する。また、ステップ303ではエンジン回転数NEが所定の判定値KNE(例えば、500rpm)以上であるか否かを判別し、ステップ304では車速Vsが所定の判定値KSPD(例えば、100km/h)未満であるか否かを判別する。さらに、ステップ305ではエンジン始動後の経過時間CASTが所定の判定値KCAST(例えば、20秒)以上であるか否かを判別し、ステップ306ではバッテリ電圧VBが所定の判定値KVB(例えば、13V)以上であるか否かを判別する。ステップ307では燃料カット実行中を表す燃料カットフラグXFCが「0」にクリアされているか否か、即ち燃料カットが実施されていないか否かを判別する。   Next, a sensor abnormality diagnosis routine will be described with reference to FIG. The flowchart of FIG. 8 is executed by the CPU 48a every predetermined time (for example, every 32 msec). In FIG. 8, the CPU 48a first determines preconditions for sensor abnormality diagnosis in steps 301 to 307. Specifically, in step 301, it is determined whether or not the intake air temperature Tam is equal to or higher than a predetermined determination value KTA (for example, 5 ° C.). In step 302, the cooling water temperature Thw is equal to or higher than a predetermined determination value KTW (for example, 5 ° C.). Is determined. In step 303, it is determined whether or not the engine speed NE is equal to or more than a predetermined determination value KNE (for example, 500 rpm). In step 304, the vehicle speed Vs is lower than a predetermined determination value KSPD (for example, 100 km / h). It is determined whether or not there is. Further, in step 305, it is determined whether or not the elapsed time CAST after engine start is equal to or greater than a predetermined determination value KCAST (for example, 20 seconds). In step 306, the battery voltage VB is reduced to a predetermined determination value KVB (for example, 13 V ) It is determined whether or not it is above. In step 307, it is determined whether or not the fuel cut flag XFC indicating that the fuel cut is being performed has been cleared to "0", that is, whether or not the fuel cut has been performed.

なお本実施例では、上記前提条件のうち、エンジン始動後の経過時間CASTとバッテリ電圧VBとによりヒータ供給電力の積算値が推定され、これらの値が所定値以上の時に、ヒータ供給電力の積算値が所定値以上に達したものと判断する。つまり、これらの条件が成立すれば、センサ活性状態であるか又は当然活性化しているはずの状態であるとみなし、異常診断が許可される。この条件設定により異常診断がより正確に実施できる。   In this embodiment, among the preconditions described above, the integrated value of the heater supply power is estimated based on the elapsed time CAST after engine start and the battery voltage VB, and when these values are equal to or greater than a predetermined value, the integrated value of the heater supply power is estimated. It is determined that the value has reached a predetermined value or more. That is, if these conditions are satisfied, it is considered that the sensor is in the active state or is in a state where it should be activated, and the abnormality diagnosis is permitted. By setting the conditions, the abnormality diagnosis can be performed more accurately.

上記ステップ301〜307のいずれかが否定判別されれば、CPU48aはそのまま本ルーチンを終了し、ステップ301〜307が全て肯定判別されれば、続くステップ308に進んで酸素センサ26の素子抵抗Zdcに基づきセンサ異常診断を実施する。ここで、酸素センサ26の素子抵抗Zdcは、前述した図6のステップ201〜203の如く算出される。   If any of steps 301 to 307 is negatively determined, the CPU 48a terminates this routine as it is, and if all of steps 301 to 307 are positively determined, the process proceeds to step 308, where the element resistance Zdc of the oxygen sensor 26 is determined. A sensor abnormality diagnosis is performed based on the result. Here, the element resistance Zdc of the oxygen sensor 26 is calculated as in steps 201 to 203 in FIG.

ステップ308に進むと、CPU48aは、素子抵抗Zdcが第1の抵抗判定値KREL(本実施例では、10Ω)よりも小さいか否かを判別し、Zdc<KRELであればステップ309に進む。素子抵抗Zdcが第1の抵抗判定値KRELよりも小さいことは、素子温が上昇し過ぎていることを意味し、CPU48aは、ステップ309で酸素センサ26が素子高温異常であると判断する。なお、この素子高温異常には以下のモードをも含む。即ち、酸素センサ26のヒータ抵抗が小さい方にばらつき、電流が流れ過ぎるモードや、ヒータ33のグランド側のワイヤハーネスが常時グランドショートして電流制御ができず電流が流れ過ぎるモードをも含む。   In step 308, the CPU 48a determines whether or not the element resistance Zdc is smaller than a first resistance determination value KREL (10Ω in this embodiment). If Zdc <KREL, the process proceeds to step 309. If the element resistance Zdc is smaller than the first resistance determination value KREL, it means that the element temperature has risen excessively, and the CPU 48a determines in step 309 that the oxygen sensor 26 has an element high temperature abnormality. The element high temperature abnormality includes the following modes. In other words, the mode includes a mode in which the heater resistance of the oxygen sensor 26 varies to a smaller value and the current flows excessively, and a mode in which the wire harness on the ground side of the heater 33 is always ground short-circuited and the current cannot be controlled, and the current flows excessively.

また、Zdc≧KRELの場合、CPU48aは、ステップ310で素子抵抗Zdcが第2の抵抗判定値KREH(本実施例では、90Ω)以上であるか否かを判別し、Zdc≧KREHであればステップ311に進む。素子抵抗Zdcが第2の抵抗判定値KREH以上であることは、素子温が上昇せずに低いままであることを意味し、CPU48aは、ステップ311で酸素センサ26が素子低温異常であると判断する。なお、この素子低温異常には以下のモードをも含む。即ち、酸素センサ26のヒータ抵抗が大きい方にばらつき、電流が少なくなるモードや、ヒータ33が劣化して抵抗が大きくなり、電流が小さくなるモードや、ヒータ33のワイヤハーネスの断線のために電流が流れなくなるモードをも含む。   If Zdc ≧ KREL, the CPU 48a determines in step 310 whether the element resistance Zdc is equal to or greater than a second resistance determination value KREH (90Ω in the present embodiment). Proceed to 311. When the element resistance Zdc is equal to or higher than the second resistance determination value KREH, it means that the element temperature does not rise and remains low, and the CPU 48a determines in step 311 that the oxygen sensor 26 has an element low temperature abnormality. I do. The element low temperature abnormality includes the following modes. That is, a mode in which the heater resistance of the oxygen sensor 26 varies to a larger value and the current is reduced, a mode in which the heater 33 is deteriorated to increase the resistance and the current is reduced, and a mode in which the current is reduced due to the disconnection of the wire harness of the heater 33. Also includes a mode in which the flow stops.

そして、上記の如く酸素センサ26の素子異常が判断された場合には、図9に示すフェイルセーフルーチンが実行される(例えば32msec周期)。図9において、CPU48aは、先ずステップ401で素子異常であるか否かを判別する。ここで、上記図8により素子異常(高温異常或いは低温異常)が判定されていれば、CPU48aはステップ402に進んで空燃比フィードバックを停止する。また、CPU48aは、ステップ403でヒータ通電を停止すると共に続くステップ404で素子異常を表す警告灯29を点灯させる。このとき、高温異常と低温異常とを分けて表示するようにしてもよい。   Then, when the element abnormality of the oxygen sensor 26 is determined as described above, a fail-safe routine shown in FIG. 9 is executed (for example, a cycle of 32 msec). In FIG. 9, the CPU 48a first determines in step 401 whether or not the element is abnormal. Here, if the element abnormality (high temperature abnormality or low temperature abnormality) is determined from FIG. 8, the CPU 48a proceeds to step 402 and stops the air-fuel ratio feedback. Further, the CPU 48a stops energizing the heater in step 403, and turns on the warning lamp 29 indicating an element abnormality in subsequent step 404. At this time, the high temperature abnormality and the low temperature abnormality may be displayed separately.

以上の第1実施例では、酸素センサ26の素子抵抗が所定範囲内にあるか否かに応じて同センサ26の異常を診断するようにした(図8のステップ308〜311)。つまり、限界電流式の酸素センサ26では、その出力特性が抵抗支配域における傾き(図3において、電圧軸Vに平行な直線部分よりも小さい電圧域の傾き)、即ち素子抵抗の大きさにより特定される。この場合、酸素センサ26が異常であれば素子抵抗が過小又は過大になり、その異常を精度良く且つ容易に診断することができる。   In the first embodiment described above, the abnormality of the oxygen sensor 26 is diagnosed depending on whether the element resistance of the oxygen sensor 26 is within a predetermined range (steps 308 to 311 in FIG. 8). That is, in the limiting current type oxygen sensor 26, the output characteristic is specified by the gradient in the resistance dominant region (in FIG. 3, the gradient of the voltage region smaller than the linear portion parallel to the voltage axis V), that is, the magnitude of the element resistance. Is done. In this case, if the oxygen sensor 26 is abnormal, the element resistance becomes too low or too high, and the abnormality can be diagnosed accurately and easily.

また、本実施例では、素子抵抗が許容範囲よりも大きいか又は小さいかに応じて、酸素センサ26の素子低温異常又は素子高温異常を判別するよにした。つまり、酸素センサ26の素子抵抗が過大であることは素子温が低過ぎることを意味し、素子低温異常が判定される。また、酸素センサ26の素子抵抗が過小であることは素子温が高過ぎることを意味し、素子高温異常が判定される。   Further, in the present embodiment, the element low temperature abnormality or the element high temperature abnormality of the oxygen sensor 26 is determined depending on whether the element resistance is larger or smaller than the allowable range. That is, an excessive element resistance of the oxygen sensor 26 means that the element temperature is too low, and an element low temperature abnormality is determined. If the element resistance of the oxygen sensor 26 is too small, it means that the element temperature is too high, and an element high temperature abnormality is determined.

さらに、本実施例では、従来技術のように温度センサを要件としないため、コスト高を招くことはない。また、従来技術では主にバッテリやセンサ交換時に異常の旨が診断される構成であったが、本実施例では車両の通常走行時において常に異常の旨を診断することができ、センサ出力の信頼性を向上させると共に、それにより高精度な空燃比制御システムを実現することができる。   Further, in the present embodiment, since a temperature sensor is not required as in the related art, there is no increase in cost. Further, in the prior art, the abnormality is diagnosed mainly when the battery or the sensor is replaced. However, in the present embodiment, the abnormality can be always diagnosed during normal traveling of the vehicle, and the reliability of the sensor output can be improved. In addition to improving the air-fuel ratio, a highly accurate air-fuel ratio control system can be realized.

なお、ヒータ通電制御方法は本実施例の方法に限定されるものではない。即ち上記実施例では、100%デューティ制御、第1及び第2のヒータ通電制御を順次実施したが、例えば第1又は第2のヒータ通電制御のみを常に実施する構成にしたり、エンジン始動後の所定時間のみ100%デューティ制御を行い、その後は常に第1又は第2のヒータ通電制御を実施する構成にしたりすることもできる。   Note that the heater energization control method is not limited to the method of the present embodiment. That is, in the above-described embodiment, the 100% duty control and the first and second heater energization controls are sequentially performed. However, for example, a configuration may be employed in which only the first or second heater energization control is always performed, or a predetermined time after the engine is started. It is also possible to adopt a configuration in which 100% duty control is performed only for the time, and thereafter the first or second heater energization control is always performed.

(第2実施例)
次に、第2実施例について、上記第1実施例との相違点を中心に説明する。なお、本実施例では、マイクロコンピュータ48内のCPU48aによりヒータ制御手段、燃料増減手段及びセンサ異常診断手段が構成されている。図10は第2実施例におけるセンサ異常診断ルーチンを示す。
(Second embodiment)
Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment. In this embodiment, the CPU 48a in the microcomputer 48 constitutes heater control means, fuel increase / decrease means and sensor abnormality diagnosis means. FIG. 10 shows a sensor abnormality diagnosis routine in the second embodiment.

図10において、CPU48aは、ステップ501でセンサ異常診断の前提条件が成立しているか否かを判別する。この前提条件は図8のステップ301〜307に相当する。また、CPU48aは、ステップ502で空燃比フィードバック中であるか否かを判別する。この場合、ステップ501,502のいずれかが否定判別されれば、CPU48aは本ルーチンを終了し、ステップ501,502が共に肯定判別されれば、ステップ503に進む。   In FIG. 10, the CPU 48a determines in step 501 whether the precondition for the sensor abnormality diagnosis is satisfied. This precondition corresponds to steps 301 to 307 in FIG. Further, the CPU 48a determines whether or not the air-fuel ratio feedback is being performed in step 502. In this case, if any of steps 501 and 502 is negatively determined, the CPU 48a ends this routine, and if both steps 501 and 502 are positively determined, the process proceeds to step 503.

ステップ503に進むと、CPU48aは、その時点で図2のセンサ電流検出回路45により検出された限界電流Ipを「Ipo」として記憶する。また、CPU48aは、続くステップ504で現在の運転条件(吸気負圧Pm,エンジン回転数NE)を「Pmo」,「NEo」として記憶する。   In step 503, the CPU 48a stores the limit current Ip detected by the sensor current detection circuit 45 in FIG. 2 at that time as "Ipo". Further, in the subsequent step 504, the CPU 48a stores the current operating conditions (the intake negative pressure Pm and the engine speed NE) as "Pmo" and "NEo".

その後、CPU48aは、ステップ505でインジェクタ6による燃料噴射量をα%(例えば、10%)増量し(減量でも可)、続くステップ506で燃料増量後に所定時間が経過したか否かを判別する。ここで、燃料増量は空燃比を強制的にリッチ側に移行させることを意味する。そして、燃料増量後に所定時間が経過すると、CPU48aはステップ507に進む。CPU48aは、ステップ507でその時点での吸気負圧Pm,エンジン回転数NEが燃料増量前の数値「Pmo」,「NEo」(ステップ504での記憶値)にほぼ一致するか否かを判別する。この場合、運転条件が変化していれば、CPU48aは以降の異常診断を実施せずにそのまま本ルーチンを終了する。また、運転条件が変化していなければ、CPU48aは以降の異常診断を実施すべくステップ508に進む。   Thereafter, the CPU 48a increases the fuel injection amount by the injector 6 by α% (for example, 10%) at step 505 (or may decrease the fuel injection amount), and determines at step 506 whether a predetermined time has elapsed after the fuel increase. Here, the increase in fuel means that the air-fuel ratio is forcibly shifted to the rich side. Then, when a predetermined time has elapsed after the fuel increase, the CPU 48a proceeds to step 507. In step 507, the CPU 48a determines whether or not the intake negative pressure Pm and the engine speed NE at that time substantially match the numerical values "Pmo" and "NEo" (the values stored in step 504) before the fuel increase. . In this case, if the operating conditions have changed, the CPU 48a terminates this routine without performing subsequent abnormality diagnosis. If the operating conditions have not changed, the CPU 48a proceeds to step 508 to perform the subsequent abnormality diagnosis.

ステップ508に進むと、CPU48aはその時点でセンサ電流検出回路45により検出された限界電流Ipを読み込み、続くステップ509で燃料増量前後の電流値変化から電流変化量ΔIpを算出する(ΔIp=Ip−Ipo)。その後、CPU48aは、ステップ510で電流変化量ΔIp(絶対値)が第1の電流判定値KDILを越えるか否か(ΔIp>KDILか否か)を判別すると共に、ステップ511で電流変化値ΔIpが第2の電流判定値KDIH以下であるか否か(ΔIp≦KDIHか否か)を判別する(但し、KDIL<KDIH)。ここで、「KDIL〜KDIH」で規定される変化許容範囲は、燃料増量による実際の空燃比の変化相当量にて設定されている。   In step 508, the CPU 48a reads the limit current Ip detected by the sensor current detection circuit 45 at that time, and calculates the current change amount ΔIp from the current value change before and after the fuel increase in the subsequent step 509 (ΔIp = Ip− Ipo). Thereafter, the CPU 48a determines in step 510 whether the current change amount ΔIp (absolute value) exceeds the first current determination value KDIL (whether or not ΔIp> KDIL), and in step 511, determines whether the current change value ΔIp It is determined whether or not the current is equal to or smaller than the second current determination value KDIH (ΔIp ≦ KDIH) (however, KDIL <KDIH). Here, the permissible change range defined by “KDIL to KDIH” is set by an actual air-fuel ratio change corresponding to an increase in fuel.

この場合、電流変化値ΔIpが「KDIL〜KDIH」の範囲内にあれば、CPU48aは、ステップ510,511を共に肯定判別する。また、ΔIp≦KDILであれば、CPU48aはステップ510を否定判別し、ステップ512で素子低温異常である旨を判定する。ΔIp>KDIHであれば、CPU48aはステップ511を否定判別し、ステップ513で素子高温異常である旨を判定する。   In this case, if the current change value ΔIp is within the range of “KDIL to KDIH”, the CPU 48a makes an affirmative determination in steps 510 and 511. If ΔIp ≦ KDIL, the CPU 48a makes a negative determination in step 510, and determines in step 512 that there is an element low temperature abnormality. If ΔIp> KDIH, the CPU 48a makes a negative determination in step 511, and determines in step 513 that there is an element high temperature abnormality.

図11(a)〜(c)は、正常時、素子低温異常時、素子高温異常時における酸素センサ26の出力信号を示す図である。図中、電流変化量ΔIp1,ΔIp2,ΔIp3は、酸素センサ26への印加電圧が「Vp1」から「Vp2」に変化した時の限界電流の差を示す。つまり、図11(b)に示す素子低温異常時には素子抵抗が大きく、抵抗支配域における特性線の傾きが小さい。従って、「ΔIp2」は正常時における「ΔIp1」よりも小さくなる(ΔIp2<ΔIp1)。このような場合、前記図10のステップ510が否定判別され、素子低温異常である旨が判定される。また、図11(c)に示す素子高温異常時には素子抵抗が小さく、抵抗支配域における特性線の傾きが大きい。従って、「ΔIp3」は正常時における「ΔIp1」よりも大きくなる(ΔIp3>ΔIp1)。このような場合、前記図10のステップ511が否定判別され、素子高温異常である旨が判定される。   FIGS. 11A to 11C are diagrams showing output signals of the oxygen sensor 26 in a normal state, an abnormal low-temperature element, and an abnormal high-temperature element. In the figure, the current change amounts ΔIp1, ΔIp2, and ΔIp3 indicate the differences between the limit currents when the voltage applied to the oxygen sensor 26 changes from “Vp1” to “Vp2”. That is, the element resistance is large at the time of the element low temperature abnormality shown in FIG. Therefore, “ΔIp2” is smaller than “ΔIp1” in the normal state (ΔIp2 <ΔIp1). In such a case, step 510 in FIG. 10 is negatively determined, and it is determined that the element is at a low temperature abnormality. In addition, when the temperature of the element is abnormal as shown in FIG. Therefore, “ΔIp3” is larger than “ΔIp1” in the normal state (ΔIp3> ΔIp1). In such a case, a negative determination is made in step 511 of FIG. 10 described above, and it is determined that there is an element high temperature abnormality.

以上第2実施例によれば、エンジン1への燃料供給量を増量させ(図10のステップ505)、その燃料増量時において、酸素センサ26の出力値(限界電流)が所定範囲内で変化したか否かに応じて同センサ26の異常を診断するようにした(図10のステップ510〜513)。これにより、燃料増量による空燃比のリッチ化(酸素濃度の低下)がセンサ出力に正常に反映されたか否かが判定され、センサ異常を精度良く且つ容易に診断することができる。また、本実施例では、異常診断時の異常判定値に範囲を設けたため、素子低温異常と素子高温異常とを判別することができる。   According to the second embodiment, the fuel supply amount to the engine 1 is increased (step 505 in FIG. 10), and the output value (limit current) of the oxygen sensor 26 changes within a predetermined range during the fuel increase. An abnormality of the sensor 26 is diagnosed according to whether or not the determination is made (steps 510 to 513 in FIG. 10). Accordingly, it is determined whether or not the air-fuel ratio enrichment (decrease in oxygen concentration) due to the increase in fuel is normally reflected in the sensor output, and the sensor abnormality can be accurately and easily diagnosed. Further, in the present embodiment, since a range is provided for the abnormality determination value at the time of abnormality diagnosis, it is possible to distinguish between an element low temperature abnormality and an element high temperature abnormality.

(第3実施例)
次に、第3実施例を説明する。上記第1及び第2実施例では、ヒータ33をオープン制御していたが、本第3実施例では、酸素センサ26のヒータ33を素子温フィードバック制御する。なお、本実施例では、マイクロコンピュータ48のCPU48aにより素子抵抗検出手段、ヒータ供給電力制御手段及びセンサ異常診断手段が構成されている。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In the first and second embodiments, the heater 33 is controlled to be open. In the third embodiment, the heater 33 of the oxygen sensor 26 is subjected to element temperature feedback control. In this embodiment, the CPU 48a of the microcomputer 48 constitutes element resistance detecting means, heater supply power control means, and sensor abnormality diagnosing means.

図12は本実施例におけるヒータ制御のタイムチャートであり、同図には、エンジン始動に伴うヒータ33への通電開始後、酸素センサ26が十分に活性するまでの動作を示している。本実施例では、ヒータ制御がその目的及び制御方法の違いから図12のI〜IVの制御に分けられており、それぞれを順に説明する。なお、I〜IIIの制御は、酸素センサ26の活性前のヒータ制御を示し、IVの制御は酸素センサ26の活性後のヒータ制御を示す。   FIG. 12 is a time chart of the heater control in the present embodiment, and FIG. 12 shows an operation from the start of energization to the heater 33 upon engine start until the oxygen sensor 26 is sufficiently activated. In the present embodiment, the heater control is divided into the control of I to IV in FIG. 12 from the difference of the purpose and the control method, and each will be described in order. Controls I to III indicate heater control before activation of the oxygen sensor 26, and control IV indicates heater control after activation of the oxygen sensor 26.

先ずエンジン始動直後におけるIの制御では、100%デューティのヒータ電圧がヒータ33に印加される(以下、これを全導通制御と呼ぶ)。つまり、ヒータ33及びセンサ素子(センサ本体32)の冷間時には短時間でヒータ33を加熱すべく、最大電力がヒータ33に供給される。   First, in the control of I immediately after the start of the engine, a heater voltage of 100% duty is applied to the heater 33 (hereinafter, this is referred to as full conduction control). That is, when the heater 33 and the sensor element (the sensor main body 32) are cold, the maximum power is supplied to the heater 33 in order to heat the heater 33 in a short time.

II、IIIの制御では、ヒータ温を所定の目標ヒータ温(例えば、ヒータ上限温度である1200℃)に保持するよう、ヒータ33への供給電力が制御される(以下、これを電力制御と呼ぶ)。つまり、素子温が活性化温度(700℃)にあればヒータ温は供給電力から一義的に決まるため、ヒータ33を一定の温度に保持するには所定電力を供給し続ければよい。しかしながら素子温が低い時には、ヒータ温を一定に保持するために必要な供給電力は素子温に応じて変動する。一般に、素子温が低いほど大きな供給電力が必要になる。そこで、上記電力制御では、素子抵抗(素子温と素子抵抗とは図5に示す関係にある)に応じて供給電力が制御される。   In the controls II and III, the power supplied to the heater 33 is controlled so that the heater temperature is maintained at a predetermined target heater temperature (for example, 1200 ° C., which is the heater upper limit temperature) (hereinafter, this is referred to as power control). ). That is, if the element temperature is at the activation temperature (700 ° C.), the heater temperature is uniquely determined from the supplied electric power. Therefore, to maintain the heater 33 at a constant temperature, the predetermined electric power may be continuously supplied. However, when the element temperature is low, the supply power required to keep the heater temperature constant varies according to the element temperature. Generally, the lower the element temperature, the greater the required power supply. Therefore, in the power control, the supplied power is controlled according to the element resistance (the element temperature and the element resistance have a relationship shown in FIG. 5).

但し、電力制御の開始当初は、素子抵抗が非常に大きく検出可能な最大値(例えば、600Ω)を越える。そのため、素子抵抗の検出不可域ではヒータ33への供給電力は一定電力(例えば、60W)に保持される(IIの制御)。そして、素子温が上昇し素子抵抗が600Ω以下になると、以降、素子抵抗に応じた電力がヒータ33に供給される(IIIの制御)。   However, at the beginning of the power control, the element resistance is extremely large and exceeds a detectable maximum value (for example, 600Ω). Therefore, the power supplied to the heater 33 is maintained at a constant power (for example, 60 W) in the region where the element resistance cannot be detected (II control). Then, when the element temperature rises and the element resistance becomes 600Ω or less, thereafter, power corresponding to the element resistance is supplied to the heater 33 (control of III).

また、IVの制御では、素子の活性状態を維持すべく、素子抵抗30Ω(素子温700℃相当)になるように、ヒータ33への供給電力がフィードバック制御される(以下、素子温フィードバック制御と呼ぶ)。   In the IV control, the power supplied to the heater 33 is feedback controlled so that the element resistance becomes 30Ω (corresponding to an element temperature of 700 ° C.) in order to maintain the active state of the element (hereinafter referred to as element temperature feedback control). Call).

図13に従いヒータ制御ルーチンを説明する。図13において、CPU48aは、ステップ601で素子温フィードバック制御の実行条件が成立したか否かを判別する。この実行条件は、酸素センサ26の素子抵抗が30Ω以下であれば成立する。また、CPU48aは、ステップ602で電力制御実行条件が成立したか否かを判別する。この電力制御実行条件としては、酸素センサ26(センサ本体32及びヒータ33)が冷間状態にあるか否かに応じて2通りの条件が設定されており、酸素センサ26が冷間状態であれば全導通制御(図12のIの制御)を開始してから所定時間が経過した時に条件が成立し、冷間状態でなければヒータ抵抗値が目標ヒータ抵抗値以上になった時に成立する。このように酸素センサ26の冷間状態に応じて全導通制御を実行することによりエンジン再始動時においてヒータ温の過上昇が防止される。   The heater control routine will be described with reference to FIG. In FIG. 13, the CPU 48a determines whether or not the execution condition of the element temperature feedback control is satisfied in a step 601. This execution condition is satisfied if the element resistance of the oxygen sensor 26 is 30Ω or less. Further, the CPU 48a determines whether the power control execution condition is satisfied in Step 602. As the power control execution conditions, two conditions are set according to whether or not the oxygen sensor 26 (the sensor body 32 and the heater 33) is in a cold state. For example, the condition is satisfied when a predetermined time has elapsed since the start of the full conduction control (the control of I in FIG. 12), and the condition is satisfied when the heater resistance value becomes equal to or higher than the target heater resistance value when the condition is not cold. By performing the full conduction control according to the cold state of the oxygen sensor 26 in this manner, an excessive rise in the heater temperature at the time of restarting the engine is prevented.

従って、ヒータ制御の開始当初においてステップ601,602が共に否定判別されれば、CPU48aはステップ603に進み、ヒータ33の全導通制御を実行する(Iの制御)。即ち100%デューティのヒータ電圧をヒータ33に印加する。   Therefore, if both steps 601 and 602 are negatively determined at the beginning of the heater control, the CPU 48a proceeds to step 603 and executes the full conduction control of the heater 33 (I control). That is, a heater voltage of 100% duty is applied to the heater 33.

また、ステップ602の電力制御実行条件が成立すると、CPU48aはステップ604に進み、電力制御を実行する(II,IIIの制御)。この場合、前述したように素子抵抗が検出不可域(素子抵抗>600Ω)にあれば供給電力が固定値にて制御され(IIの制御)、素子抵抗が検出可能になるとヒータ温を目標ヒータ温に保持するよう、素子抵抗に応じてヒータ33への供給電力が制御される(IIIの制御)。   When the power control execution condition in step 602 is satisfied, the CPU 48a proceeds to step 604 and executes power control (II and III controls). In this case, as described above, if the element resistance is in the undetectable region (element resistance> 600Ω), the supplied power is controlled at a fixed value (control of II), and when the element resistance can be detected, the heater temperature is set to the target heater temperature. Is controlled in accordance with the element resistance (control of III).

その後、ステップ601の素子温フィードバック制御実行条件が成立すると、CPU48aは、ステップ605で素子温フィードバック制御を実行する(IVの制御)。このとき、CPU48aは、次の(1)〜(3)式に基づきヒータ電圧の制御デューティDUTYを演算する。   Thereafter, when the execution condition of the element temperature feedback control in step 601 is satisfied, the CPU 48a executes element temperature feedback control in step 605 (IV control). At this time, the CPU 48a calculates the control duty DUTY of the heater voltage based on the following equations (1) to (3).

DUTY=DUTY.I+GP+GI ・・・(1)
GP=KP・(Zdc−ZdcT) ・・・(2)
GI=GI+KI・(Zdc−ZdcT) ・・・(3)
但し、「DUTY.I」は制御デューティDUTYの初期値、「ZdcT」は制御目標値である(本実施例では、DUTY.I=20%、ZdcT=30Ω)。また、「GP」は比例項、「GI」は積分項、「KP」は比例定数、「KI」は積分定数を表す(本実施例では、KP=4.2%、KI=0.2%)。なお、これらの数値は実験的に求められるものであり、酸素センサ26の仕様に応じて変更される。
DUTY = DUTY. I + GP + GI (1)
GP = KP · (Zdc−ZdcT) (2)
GI = GI + KI. (Zdc-ZdcT) (3)
Here, “DUTY.I” is the initial value of the control duty DUTY, and “ZdcT” is the control target value (in this embodiment, DUTY.I = 20%, ZdcT = 30Ω). “GP” represents a proportional term, “GI” represents an integral term, “KP” represents a proportional constant, and “KI” represents an integral constant (in the present embodiment, KP = 4.2%, KI = 0.2% ). Note that these numerical values are experimentally obtained and are changed according to the specifications of the oxygen sensor 26.

図14は、CPU48aにより例えば128ms毎に実行される処理データ演算ルーチンを示す。図14において、CPU48aは、ステップ701で図2の電流検出抵抗50により検出されたヒータ電流Ihを読み込み、続くステップ702でヒータ電圧Vhを読み込む。また、CPU48aは、ステップ703でヒータ電圧Vhをヒータ電流Ihで除算してヒータ抵抗RHを算出し(RH=Vh/Ih)、続くステップ704でヒータ電圧Vhとヒータ電流Ihとを乗算してヒータ供給電力WHを算出する(WH=Vh・Ih)。さらに、CPU48aは、ステップ705で1/64なまし演算によりヒータ供給電力WHのなまし値(以下、電力平均値WHAVという)を算出する{WHAV=(63・WHAVi−1+WH)/64}。   FIG. 14 shows a processing data calculation routine executed by the CPU 48a, for example, every 128 ms. 14, the CPU 48a reads the heater current Ih detected by the current detection resistor 50 of FIG. 2 in step 701, and reads the heater voltage Vh in subsequent step 702. Further, the CPU 48a calculates the heater resistance RH by dividing the heater voltage Vh by the heater current Ih in step 703 (RH = Vh / Ih), and in a subsequent step 704, multiplies the heater voltage Vh by the heater current Ih. The supply power WH is calculated (WH = Vh · Ih). Further, the CPU 48a calculates a smoothed value of the heater supply power WH (hereinafter referred to as a power average value WHAV) by a 1/64 smoothing operation in step 705 {WHAV = (63WHAVi-1 + WH) / 64}.

図15のフローチャートは、CPU48aにより例えば1秒周期で実行されるセンサ異常診断ルーチンを示す。この異常診断ルーチンでは、素子温フィードバック制御の実行時において必要とされたヒータ供給電力WHに応じてセンサ異常が判定される。つまり、センサ異常時(例えばセンサの経時劣化)には、素子温を目標値(例えば、700℃)に保持するために必要となるヒータ供給電力WHが増大し、正常時のそれと容易に比較判定することができる。以下、図15に従って異常診断手順を説明する。   The flowchart of FIG. 15 shows a sensor abnormality diagnosis routine executed by the CPU 48a at, for example, a one-second cycle. In this abnormality diagnosis routine, a sensor abnormality is determined according to the heater supply power WH required at the time of executing the element temperature feedback control. In other words, when the sensor is abnormal (for example, the sensor deteriorates with time), the heater supply power WH required to maintain the element temperature at the target value (for example, 700 ° C.) increases, and is easily compared with that in the normal state. can do. Hereinafter, the abnormality diagnosis procedure will be described with reference to FIG.

図15において、CPU48aは、ステップ801で素子温フィードバック開始後に所定時間KSTFB(例えば、10秒)が経過したか否かを判別し、続くステップ802で前回の異常診断後に所定時間KAFST(例えば、100秒)が経過したか否かを判別する。さらに、CPU48aは、ステップ803で定常運転状態(例えば、アイドル状態であること)が所定時間KSMST(例えば、5秒)以上継続されたか否かを判別する。そして、ステップ801〜803のいずれかが否定判別されれば、CPU48aはそのまま処理を終了し、ステップ801〜803が全て肯定判別されればステップ804に進む。   In FIG. 15, the CPU 48a determines whether or not a predetermined time KSTFB (for example, 10 seconds) has elapsed after the start of the element temperature feedback in step 801. In a subsequent step 802, the CPU 48a determines whether or not a predetermined time KAFST (for example, 100 Second) has elapsed. Further, the CPU 48a determines in step 803 whether or not the steady operation state (for example, the idle state) has been continued for a predetermined time KSMST (for example, 5 seconds) or more. Then, if any of steps 801 to 803 is negatively determined, the CPU 48a ends the process as it is, and if all of the steps 801 to 803 are positively determined, the process proceeds to step 804.

CPU48aは、ステップ804で電力平均値WHAVが所定のヒータ電力判定値KWHAV以上であるか否か(WHAV≧KWHAVか否か)を判別する。このとき、WHAV<KWHAVであれば、CPU48aはセンサ異常無しとみなしてステップ805に進み、異常判定フラグXELERを「0」にクリアして処理を終了する。   In step 804, the CPU 48a determines whether or not the average power value WHAV is equal to or greater than a predetermined heater power determination value KWHAV (whether WHAV ≧ KWHAV). At this time, if WHAV <KWHAV, the CPU 48a determines that there is no sensor abnormality, proceeds to step 805, clears the abnormality determination flag XELER to "0", and ends the processing.

また、WHAV≧KWHAVであれば、CPU48aはステップ806に進み、センサ以外の異常が検出されているか否かを判別し、他の異常が無ければステップ807に進む。そして、CPU48aは、ステップ807で異常判定フラグXELERが既に「1」にセットされているか否かを判別し、XELER=0であれば、ステップ808で異常判定フラグXELERに「1」をセットする。また、XELER=1であれば、CPU48aはステップ809に進み、ダイアグ処理として異常発生を表す警告灯29を点灯する。つまり、ステップ804〜809では、異常発生(WHAV≧KWHAV)の旨が2回続けて判別された場合に、ダイアグ処理が実施される。   If WHAV ≧ KWHAV, the CPU 48a proceeds to step 806, determines whether or not an abnormality other than the sensor is detected, and proceeds to step 807 if there is no other abnormality. Then, the CPU 48a determines whether or not the abnormality determination flag XELER has already been set to "1" in step 807. If XELER = 0, the CPU 48a sets "1" to the abnormality determination flag XELER in step 808. If XELER = 1, the CPU 48a proceeds to step 809, and turns on the warning lamp 29 indicating the occurrence of an abnormality as a diagnosis process. That is, in steps 804 to 809, the diagnosis process is performed when it is determined twice (WHAV ≧ KWHAV) that the abnormality has occurred consecutively.

以上第3実施例では、酸素センサ26の素子抵抗(素子温)が目標素子抵抗30Ω(素子温700℃相当)になるようヒータ33への供給電力をフィードバック制御し(図13の素子温フィードバック制御)、その際にヒータ供給電力が所定の異常判定値を越えるか否かにより酸素センサ26の異常を診断するようにした(図15のステップ804〜809)。要するに、素子温フィードバック制御が実行される場合、劣化等のセンサ異常時であっても素子抵抗(素子温)は所望の活性領域に制御され、センサ異常時には過多量のヒータ供給電力が必要となる。このことから、センサ異常を精度良く且つ容易に診断することができる。また、本実施例では、異常診断を定常運転時に限定したため(図15のステップ803)、排気温によるヒータ供給電力への影響を排除し、適正な診断結果を得ることができる。   As described above, in the third embodiment, the power supply to the heater 33 is feedback controlled so that the element resistance (element temperature) of the oxygen sensor 26 becomes the target element resistance of 30Ω (equivalent to the element temperature of 700 ° C.) (element temperature feedback control in FIG. 13). At this time, the abnormality of the oxygen sensor 26 is diagnosed based on whether the heater supply power exceeds a predetermined abnormality determination value (steps 804 to 809 in FIG. 15). In short, when the element temperature feedback control is executed, the element resistance (element temperature) is controlled to a desired active region even when the sensor is abnormal such as deterioration, and an excessive amount of heater supply power is required when the sensor is abnormal. . From this, it is possible to accurately and easily diagnose a sensor abnormality. Further, in this embodiment, since the abnormality diagnosis is limited to the normal operation (step 803 in FIG. 15), the influence of the exhaust gas temperature on the power supplied to the heater can be eliminated, and a proper diagnosis result can be obtained.

(第4実施例)
次に、第4実施例を説明する。第4実施例は、第3実施例の一部を変更して異常診断処理を実行するものであり、図16は第4実施例におけるセンサ異常診断ルーチンを示す。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. In the fourth embodiment, a part of the third embodiment is changed to execute the abnormality diagnosis processing. FIG. 16 shows a sensor abnormality diagnosis routine in the fourth embodiment.

図16のルーチンでは、前述の図15のステップ803に代えてステップ820の処理を実行する。つまり、ステップ820では、エンジン運転状態に応じたヒータ電力判定値KWHAVが設定される。ここで、ヒータ電力判定値KWHAVは図17に示すマップにて設定されるものであり、その時のエンジン回転数NE及びエンジン負荷(吸気負圧Pm又は吸入空気量GN)に応じて設定される(例えば、図のKWHAV1,KWHAV2)。この場合、ヒータ電力判定値KWHAVは高回転域であるほど又は高負荷域であるほど低く、低回転域であるほど又は低負荷域であるほど高くなるように設定される。以上第4実施例によれば、エンジン運転状態に応じた最適な異常診断を実施することができる。   In the routine of FIG. 16, the process of step 820 is executed instead of step 803 of FIG. That is, in step 820, the heater power determination value KWHAV according to the engine operating state is set. Here, the heater power determination value KWHAV is set based on the map shown in FIG. 17 and is set according to the engine speed NE and the engine load (intake negative pressure Pm or intake air amount GN) at that time ( For example, KWHAV1 and KWHAV2 in the figure. In this case, the heater power determination value KWHAV is set to be lower as the rotation speed is higher or the load is higher, and to be higher as the rotation speed is lower or the load is lower. As described above, according to the fourth embodiment, it is possible to perform the optimum abnormality diagnosis according to the engine operating state.

(第5実施例)
次に、第5実施例を説明する。なお、本実施例では、マイクロコンピュータ48のCPU48aにより電力積算値算出手段、ヒータ初期抵抗値検出手段及びセンサ異常診断手段が構成されている。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. In this embodiment, the CPU 48a of the microcomputer 48 constitutes an integrated power value calculating means, a heater initial resistance value detecting means, and a sensor abnormality diagnosing means.

図18は第5実施例におけるヒータ制御のタイムチャートであり、同図には、エンジン始動に伴うヒータ33への通電開始後、酸素センサ26が十分に活性するまでの動作を示す。なお、本実施例では、ヒータ制御がその目的及び制御方法の違いから図18のI〜IIIの制御に分けられており(Iは全導通制御、IIは電力制御、IIIは素子温フィードバック制御)、それぞれを順に説明する。   FIG. 18 is a time chart of the heater control in the fifth embodiment. FIG. 18 shows the operation from the start of energization of the heater 33 upon engine start until the oxygen sensor 26 is sufficiently activated. In this embodiment, the heater control is divided into the control of I to III in FIG. 18 from the difference of the purpose and the control method (I is full conduction control, II is power control, and III is element temperature feedback control). Will be described in order.

先ずエンジン始動直後における全導通制御(Iの制御)では、100%デューティのヒータ電圧がヒータ33に印加される。つまり、ヒータ33及びセンサ素子の冷間時には短時間でヒータ33を加熱すべく、最大電力がヒータ33に供給される。電力制御(IIの制御)では、ヒータ温を所定の目標ヒータ温(例えば、ヒータ上限温度である1200℃)に保持するよう、素子抵抗Zdcに応じてヒータ33への供給電力が制御される。また、素子温フィードバック制御(IIIの制御)では、素子の活性状態を維持すべく、素子抵抗30Ω(素子温700℃相当)になるように、ヒータ33への供給電力がフィードバック制御される。なお、素子温フィードバック制御時には、ヒータ26への供給電力が上限値を越えると、ヒータ33への供給電力が制限されるようになっている。   First, in the full conduction control (I control) immediately after the start of the engine, a heater voltage having a 100% duty is applied to the heater 33. That is, when the heater 33 and the sensor element are cold, the maximum power is supplied to the heater 33 in order to heat the heater 33 in a short time. In the power control (II control), the power supplied to the heater 33 is controlled according to the element resistance Zdc so that the heater temperature is maintained at a predetermined target heater temperature (for example, 1200 ° C., which is the upper limit temperature of the heater). In the element temperature feedback control (control of III), the power supplied to the heater 33 is feedback-controlled so that the element resistance becomes 30Ω (corresponding to the element temperature of 700 ° C.) in order to maintain the active state of the element. In the element temperature feedback control, if the power supplied to the heater 26 exceeds the upper limit, the power supplied to the heater 33 is limited.

図19及び図20のフローチャートは、CPU48aにより例えば128ms毎に実行されるヒータ制御ルーチンを示す。以下、フローチャートに従いヒータ制御及び異常診断処理を説明する。   19 and 20 show a heater control routine executed by the CPU 48a, for example, every 128 ms. Hereinafter, the heater control and abnormality diagnosis processing will be described with reference to a flowchart.

図19において、CPU48aは、ステップ901でイグニションスイッチ28がオン操作されているか否か(電源ONか否か)を判別し、電源OFFであればそのまま本ルーチンを終了し、電源ONであればステップ902に進む。また、CPU48aは、ステップ902でイニシャル終了済フラグXINITが「0」か否かを判断し(このイニシャル終了済フラグXINITは電源ONの際に「0」に初期化される)、XINIT=0であればステップ903に進み、XINIT=1であればステップ908に進む。   In FIG. 19, the CPU 48a determines whether or not the ignition switch 28 is turned on (whether or not the power is on) in step 901. If the power is off, the CPU 48a ends this routine. Proceed to 902. Further, the CPU 48a determines whether or not the initial end completed flag XINIT is “0” in step 902 (the initial completed flag XINIT is initialized to “0” when the power is turned on). If there is, go to step 903; if XINIT = 1, go to step 908.

ステップ903では、CPU48aは、ヒータ電流Ihとヒータ電圧Vhとから求められたヒータ抵抗RH(=Vh/Ih)を初期ヒータ抵抗RHINTとして記憶する。また、CPU48aは、ステップ904で図21に示す関係に従い、初期ヒータ抵抗RHINTに基づき目標電力積算値WADTGを設定する。さらに、CPU48aは、ステップ905で初期ヒータ抵抗RHINTが酸素センサ26の半活性状態を判定するための判定値KRHINT以下か否かを判別し、RHINT≦KRHINTであれば、異常診断許可フラグXWADERに「1」をセットする。   In step 903, the CPU 48a stores the heater resistance RH (= Vh / Ih) obtained from the heater current Ih and the heater voltage Vh as the initial heater resistance RHINT. Further, the CPU 48a sets the target power integrated value WADTG based on the initial heater resistance RHINT in step 904 according to the relationship shown in FIG. Further, in step 905, the CPU 48a determines whether or not the initial heater resistance RHINT is equal to or less than a determination value KRHINT for determining the half-activated state of the oxygen sensor 26. If RHINT ≦ KRHINT, the abnormality diagnosis permission flag XWADER is set to “ Set "1".

次に、CPU48aはステップ907に進み、イニシャル終了済フラグXINITを「1」にセットしてからステップ908に進む。つまり、電源ON後に一度目標電力積算値WADTGが求められると、それ以降はステップ902で「NO」と判別され、直接ステップ908に進むことになる。   Next, the CPU 48a proceeds to step 907, sets the initial end flag XINIT to "1", and then proceeds to step 908. That is, once the target power integrated value WADTG is determined after the power is turned on, “NO” is determined in step 902 thereafter, and the process directly proceeds to step 908.

その後、CPU48aは、ステップ908で素子温フィードバック実施フラグXEFBが「1」か否かを判別する。ヒータ制御開始当初(図18の時間t1以前)はXEFB=0のためステップ908が否定判別され、CPU48aはステップ909に進む。ステップ909では、CPU48aは、酸素センサ26の素子抵抗Zdcが素子温フィードバック実施温度に対応する値30Ω(素子温700℃相当)以下か否かを判別する。そして、CPU48aは、素子抵抗Zdcが30Ω以下の場合はステップ915に進み、素子抵抗Zdcが30Ω以下でない場合はステップ910に進む。   Thereafter, the CPU 48a determines in a step 908 whether or not the element temperature feedback execution flag XEFB is "1". At the beginning of the heater control (before time t1 in FIG. 18), XEFB = 0, so that a negative determination is made in step 908, and the CPU 48a proceeds to step 909. In step 909, the CPU 48a determines whether or not the element resistance Zdc of the oxygen sensor 26 is equal to or lower than a value 30Ω (corresponding to an element temperature of 700 ° C.) corresponding to the element temperature feedback execution temperature. Then, the CPU 48a proceeds to step 915 when the element resistance Zdc is equal to or less than 30Ω, and proceeds to step 910 when the element resistance Zdc is not equal to or less than 30Ω.

CPU48aは、ステップ910でその時のヒータ抵抗RHがヒータ抵抗学習値RHADP以上であるか否かを判別する。ヒータ抵抗学習値RHADPとは、電力制御時の目標ヒータ温(1200℃)でのヒータ抵抗値を製品毎や経時変化によるバラツキを解消できるよう学習した値である。また、ステップ911では、CPU48aは、電力積算値WADDが目標電力積算値WADTG(ステップ904の数値)以上であるか否かを判別する。電力積算値WADDとは、図示しない演算ルーチンで求められるものであって、例えば128ms毎に検出されるヒータ供給電力WH(=Vh・Ih)を逐次積算した数値である(WADD=WADDi−1+WH)。   In step 910, the CPU 48a determines whether or not the heater resistance RH at that time is equal to or greater than a heater resistance learning value RHADP. The heater resistance learning value RHADP is a value obtained by learning a heater resistance value at a target heater temperature (1200 ° C.) at the time of power control so as to be able to eliminate variations due to products or changes with time. In step 911, the CPU 48a determines whether the integrated power value WADD is equal to or greater than the target integrated power value WADTG (the numerical value in step 904). The power integrated value WADD is obtained by a calculation routine (not shown), and is a numerical value obtained by successively integrating the heater supply power WH (= Vh · Ih) detected every 128 ms (WADD = WADDi−1 + WH). .

この場合、ステップ910,911のいずれかが否定判別されると(RH<RHADP、又はWADD<WADTG)、CPU48aはステップ912に進んで全導通制御を実行する(Iの制御)。即ち図18の時間t1以前では、CPU48aは、図20のステップ908→909→910(→911)→912の順に進み、100%デューティのヒータ電圧をヒータ33に印加する。   In this case, if either of Steps 910 and 911 is negatively determined (RH <RHADP or WADD <WADTG), the CPU 48a proceeds to Step 912 to execute full conduction control (I control). That is, before the time t1 in FIG. 18, the CPU 48 a proceeds in the order of steps 908 → 909 → 910 (→ 911) → 912 in FIG. 20 and applies a heater voltage of 100% duty to the heater 33.

また、ステップ910,911が共に肯定判別されると(RH≧RHADP、且つWADD≧WADTG)、CPU48aはステップ920に進み、電力制御を実行する(IIの制御)。即ち図18の時間t1〜t2では、CPU48aは、図20のステップ908→909→910→911→920の順に進み、ヒータ温を目標ヒータ温に保持するよう、素子抵抗に応じてヒータ33への供給電力を制御する。このステップ920では、電力制御実行フラグXEWATに「1」がセットされる。   If both steps 910 and 911 are affirmatively determined (RH ≧ RHADP and WADD ≧ WADTG), the CPU 48a proceeds to step 920 to execute power control (II control). That is, in the period from time t1 to time t2 in FIG. 18, the CPU 48a proceeds to steps 908 → 909 → 910 → 911 → 920 in FIG. 20 in order to maintain the heater temperature at the target heater temperature. Control the power supply. In this step 920, "1" is set to the power control execution flag XEWAT.

また、図18の時間t2になると、前記ステップ909が肯定判別され、CPU48aはステップ915に進んで電力制御実施フラグXEWATが「1」であるか否かを判別する。そして、XEWAT=1であれば、CPU48aはステップ930に進んでヒータ抵抗の学習処理を実行し、その後、ステップ950に進む。また、XEWAT=0であれば、CPU48aはそのままステップ950に進む。なお、ステップ930のヒータ抵抗学習処理では、その時点でのヒータ抵抗RHがヒータ抵抗学習値RHADP+α%(例えば、α=2%)を越える数値であるか否かが判別され、越える数値であればヒータ抵抗学習値RHADPがその時のヒータ抵抗RHに更新される。   At time t2 in FIG. 18, the affirmative determination is made in step 909, and the CPU 48a proceeds to step 915 to determine whether the power control execution flag XEWAT is “1”. If XEWAT = 1, the CPU 48a proceeds to step 930 to execute a heater resistance learning process, and then proceeds to step 950. If XEWAT = 0, the CPU 48a proceeds directly to step 950. In the heater resistance learning process of step 930, it is determined whether or not the heater resistance RH at that time is a numerical value exceeding a heater resistance learning value RHADP + α% (for example, α = 2%). The heater resistance learning value RHADP is updated to the heater resistance RH at that time.

その後、CPU48aは、ステップ940で後述するヒータ異常判定ルーチンを実行し、さらにステップ950で素子温フィードバック制御を実行する。この場合、CPU48aは、電力制御実施フラグXEWATを「0」にリセットすると共に素子温フィードバック実施フラグXEFBに「1」をセットする。また、CPU48aは、次の(イ)〜(ハ)の3態様に分けてヒータ制御回路46の制御デューティDUTYを設定する。   Thereafter, the CPU 48a executes a heater abnormality determination routine described later in step 940, and further executes element temperature feedback control in step 950. In this case, the CPU 48a resets the power control execution flag XEWAT to “0” and sets the element temperature feedback execution flag XEFB to “1”. The CPU 48a sets the control duty DUTY of the heater control circuit 46 in the following three modes (a) to (c).

(イ)電源ONからの経過時間が所定時間(例えば、24.5秒)以上の場合、次の(4)〜(7)式により制御デューティDUTYを計算する。但し、「ZdcT」は制御目標値、「GP」は比例項、「GI」は積分項、「GD」は微分項GDを表し、「KP」は比例定数、「KI」は積分定数、「KD」は微分定数を表す。   (A) When the elapsed time from the power ON is equal to or longer than a predetermined time (for example, 24.5 seconds), the control duty DUTY is calculated by the following equations (4) to (7). Here, "ZdcT" is a control target value, "GP" is a proportional term, "GI" is an integral term, "GD" is a differential term GD, "KP" is a proportional constant, "KI" is an integral constant, "KD" "Represents a differential constant.

DUTY=GP+GI/16+GD ・・・(4)
GP=KP・(Zdc−ZdcT) ・・・(5)
GI=GIi−1+KI・(Zdc−ZdcT) ・・・(6)
GD=KD・(Zdci−Zdci−1) ・・・(7)
(ロ)電源ONからの経過時間が所定時間(例えば、24.5秒)未満であり、且つ空燃比>12の場合、比例項GPと積分項GIとを用いて、次の(8)式により制御デューティDUTYを計算する。
DUTY = GP + GI / 16 + GD (4)
GP = KP · (Zdc−ZdcT) (5)
GI = GIi-1 + KI. (Zdc-ZdcT) (6)
GD = KD · (Zdci−Zdci−1) (7)
(B) When the elapsed time from the power ON is less than a predetermined time (for example, 24.5 seconds) and the air-fuel ratio> 12, the following equation (8) is obtained by using the proportional term GP and the integral term GI. Calculates the control duty DUTY.

DUTY=GP+GI/16+GD ・・・(8)
(ハ)電源ONからの経過時間が所定時間(例えば、24.5秒)未満であり、且つ空燃比≦12の場合、次の(9)式により制御デューティDUTYを計算する。即ち、この場合(空燃比≦12の場合)には、PIDによる素子温フィードバック制御が困難であり、素子温フィードバック制御ではなくヒータ抵抗フィードバック制御が実行される。但し、「KPA」は定数、「RHG」は目標ヒータ抵抗(2.1Ω=1020℃相当)である。
DUTY = GP + GI / 16 + GD (8)
(C) If the elapsed time from the power ON is shorter than a predetermined time (for example, 24.5 seconds) and the air-fuel ratio ≦ 12, the control duty DUTY is calculated by the following equation (9). That is, in this case (air-fuel ratio ≦ 12), it is difficult to perform the element temperature feedback control by the PID, and the heater resistance feedback control is executed instead of the element temperature feedback control. Here, “KPA” is a constant, and “RHG” is a target heater resistance (2.1Ω = 1020 ° C.).

DUTY=HDUTYi−1+KPA・(RHG−RH) ・・・(9)
次に、前記図20のステップ940におけるヒータ異常診断ルーチンを図22に従い説明する。
DUTY = HDUTYi-1 + KPA. (RHG-RH) (9)
Next, the heater abnormality diagnosis routine in step 940 of FIG. 20 will be described with reference to FIG.

図22において、CPU48aは、ステップ941で異常診断許可フラグXWADERが「1」であるか否かを判別し、XWADER=0であれば、そのまま本ルーチンを終了する。また、XWADER=1であれば、CPU48aはステップ942に進み、電力積算値WADDが所定の異常判定値KWADER以上であるか否か(WADD≧KWADERか否か)を判別する。WADD<KWADERであれば、CPU48aはステップ943に進み、異常判定フラグXELERを「0」にクリアする。   In FIG. 22, the CPU 48a determines in a step 941 whether or not the abnormality diagnosis permission flag XWADER is “1”. If XWADER = 0, the CPU 48a ends this routine. If XWADER = 1, the CPU 48a proceeds to step 942, and determines whether or not the integrated power value WADD is greater than or equal to a predetermined abnormality determination value KWADER (whether WADD ≧ KWADER). If WADD <KWADER, the CPU 48a proceeds to step 943 and clears the abnormality determination flag XELER to "0".

また、WADD≧KWADERであれば、CPU48aはステップ944に進み、異常判定フラグXELERが既に「1」であるか否かを判別する。この場合、ステップ944〜946では、2回続けて異常判定がなされるとダイアグ処理が実施される(警告灯29が点灯する)。   If WADD ≧ KWADER, the CPU 48a proceeds to step 944 to determine whether or not the abnormality determination flag XELER is already “1”. In this case, in steps 944 to 946, if abnormality determination is performed twice consecutively, a diagnosis process is performed (the warning lamp 29 is turned on).

本第5実施例によれば、ヒータ通電の開始当初からのヒータ供給電力の積算値(電力積算値WADD)を算出し、該電力積算値WADDが所定の異常判定値KWADERを越えるか否かにより酸素センサ26の異常を診断するようにした(図22のステップ942〜946)。この場合、ヒータ供給電力の積算値により異常診断を行うことによって、その診断データの精度が増し、正確な異常診断が可能となる。   According to the fifth embodiment, the integrated value (power integrated value WADD) of the heater supply power from the beginning of the heater energization is calculated, and whether the integrated power value WADD exceeds a predetermined abnormality determination value KWADER is determined. An abnormality of the oxygen sensor 26 is diagnosed (steps 942 to 946 in FIG. 22). In this case, by performing the abnormality diagnosis based on the integrated value of the heater supply power, the accuracy of the diagnosis data is increased, and accurate abnormality diagnosis can be performed.

また、本実施例では、ヒータ通電の開始当初におけるヒータの初期抵抗値を検出し(図19のステップ903)、ヒータの初期抵抗値が、酸素センサ26の冷間状態を判定する所定域にある場合のみ(図19のステップ905がYESの場合のみ)、センサ異常診断を許可するようにした(図19の906のフラグ操作)。つまり、例えば機関の暖機再始動時においてヒータ通電が開始される場合には、ヒータ供給電力の積算値が比較的小さく、当該積算値によりセンサ異常を診断することは診断精度上、望ましくない。そこで、異常診断をセンサの冷間時に限定し、常に良好な異常診断が実施できるようにしている。   Further, in the present embodiment, the initial resistance value of the heater at the beginning of energization of the heater is detected (step 903 in FIG. 19), and the initial resistance value of the heater is in a predetermined range for determining the cold state of the oxygen sensor 26. Only in this case (only when step 905 in FIG. 19 is YES), the sensor abnormality diagnosis is permitted (flag operation 906 in FIG. 19). That is, for example, when heater energization is started at the time of restarting warm-up of the engine, the integrated value of the heater supply power is relatively small, and diagnosing a sensor abnormality based on the integrated value is not desirable in terms of diagnostic accuracy. Therefore, the abnormality diagnosis is limited to when the sensor is cold, so that good abnormality diagnosis can always be performed.

請求項1に記載の発明によれば、燃料供給量の増量又は減量時において、酸素センサの出力値が所定範囲内で変化したか否かに応じて酸素センサの異常を診断することにより、センサ異常を精度良く且つ容易に診断することができる。   According to the first aspect of the present invention, when the fuel supply amount is increased or decreased, the abnormality of the oxygen sensor is diagnosed according to whether or not the output value of the oxygen sensor has changed within a predetermined range. Abnormalities can be diagnosed accurately and easily.

請求項2に記載の発明によれば、酸素センサの活性状態、又は当然活性化しているはずの状態でセンサ異常が診断され、より正確な異常診断が可能となる。請求項3に記載の発明によれば、酸素センサの素子抵抗が目標素子抵抗になるようにヒータ供給電力をフィードバック制御するシステムにおいて、ヒータ供給電力が所定の異常判定値を越えるか否かに応じて酸素センサの異常を診断することにより、センサ異常を精度良く且つ容易に診断することができる。   According to the second aspect of the present invention, the sensor abnormality is diagnosed in an activated state of the oxygen sensor or in a state in which the sensor is supposed to be activated, so that more accurate abnormality diagnosis can be performed. According to the third aspect of the present invention, in a system for feedback-controlling the heater supply power so that the element resistance of the oxygen sensor becomes the target element resistance, it is determined whether the heater supply power exceeds a predetermined abnormality determination value. By diagnosing the abnormality of the oxygen sensor, the sensor abnormality can be accurately and easily diagnosed.

請求項4に記載の発明によれば、機関運転状態に応じた最適な異常診断が可能となる。請求項5に記載の発明によれば、ヒータ供給電力の積算値が所定の異常判定値を越えるか否かに応じて酸素センサの異常を診断するため、その診断データの精度が増し、正確な異常診断が可能となる。   According to the fourth aspect of the invention, it is possible to perform an optimum abnormality diagnosis according to the engine operating state. According to the fifth aspect of the present invention, the abnormality of the oxygen sensor is diagnosed in accordance with whether or not the integrated value of the heater supply power exceeds a predetermined abnormality determination value. Abnormality diagnosis becomes possible.

請求項6に記載の発明によれば、ヒータの初期抵抗値が酸素センサの冷間状態を示す所定値以下の場合のみ、センサ異常診を許可するため、例えば機関の暖機再始動時のヒータ供給電力の積算値が比較的小さい時にはセンサ異常が禁止され、センサ異常の診断精度が維持される。   According to the invention described in claim 6, the sensor abnormality diagnosis is permitted only when the initial resistance value of the heater is equal to or less than a predetermined value indicating the cold state of the oxygen sensor. When the integrated value of the supplied power is relatively small, the sensor abnormality is prohibited, and the diagnosis accuracy of the sensor abnormality is maintained.

実施例における空燃比制御装置の全体構成を示す概略図。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of an air-fuel ratio control device according to an embodiment. 酸素センサの断面構成、及びECU内の電気的構成を示す図。The figure which shows the cross-section of an oxygen sensor, and the electrical structure in ECU. 酸素センサの電圧−電流特性を示す図。The figure which shows the voltage-current characteristic of an oxygen sensor. ヒータ通電制御ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a heater energization control routine. 素子温と素子抵抗との関係を示す図。The figure which shows the relationship between element temperature and element resistance. 空燃比検出ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating an air-fuel ratio detection routine. 酸素センサの電流−電圧特性を示す図。The figure which shows the current-voltage characteristic of an oxygen sensor. センサ異常診断ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a sensor abnormality diagnosis routine. フェイルセーフルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a fail-safe routine. 第2実施例のセンサ異常診断ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a sensor abnormality diagnosis routine according to a second embodiment. 酸素センサの電流−電圧特性を正常、素子低温異常、素子高温異常に分けて示す図。The figure which shows the current-voltage characteristic of an oxygen sensor classified into normal, element low temperature abnormality, and element high temperature abnormality. 第3実施例のヒータ制御動作を示すタイムチャート。9 is a time chart illustrating a heater control operation according to a third embodiment. 第3実施例のヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a heater control routine according to a third embodiment. 処理データ演算ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a processing data calculation routine. 第3実施例のセンサ異常診断ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a sensor abnormality diagnosis routine according to a third embodiment. 第4実施例のセンサ異常診断ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a sensor abnormality diagnosis routine according to a fourth embodiment. ヒータ電力判定値を検索するためのマップ。A map for searching for a heater power determination value. 第5実施例のヒータ制御動作を示すタイムチャート。9 is a time chart illustrating a heater control operation according to a fifth embodiment. 第5実施例のヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a heater control routine according to a fifth embodiment. 図19に続くフローチャート。20 is a flowchart following FIG. 19; 初期ヒータ抵抗と目標電力積算値との関係を示す図。The figure which shows the relationship between an initial heater resistance and a target electric power integration value. 第5実施例のヒータ異常診断ルーチンを示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating a heater abnormality diagnosis routine according to a fifth embodiment.

符号の説明Explanation of reference numerals

26…酸素センサ(限界電流式酸素センサ)、33…ヒータ、34…酸素濃度検出素子としての固体電解質層、48a…ヒータ制御手段,素子抵抗検出手段,センサ異常診断手段,ヒータ供給電力推定手段,燃料増減手段,ヒータ供給電力制御手段,電力積算値算出手段,ヒータ初期抵抗値検出手段としてのCPU。   26: oxygen sensor (limit current type oxygen sensor), 33: heater, 34: solid electrolyte layer as oxygen concentration detecting element, 48a: heater control means, element resistance detecting means, sensor abnormality diagnosing means, heater supply power estimating means, CPU as fuel increase / decrease means, heater supply power control means, power integrated value calculation means, heater initial resistance value detection means.

Claims (6)

内燃機関の排気系に設けられ、酸素濃度に比例した限界電流を出力する酸素濃度検出素子と該検出素子を加熱するヒータとを有する限界電流式酸素センサと、
前記酸素センサを活性化させるべく、前記ヒータの通電を制御するヒータ制御手段と、
内燃機関への燃料供給量を増量又は減量させる燃料量増減手段と、
前記燃料量増減手段による燃料供給量の増量又は減量時において、前記酸素センサの出力値が所定範囲内で変化したか否かに応じて前記酸素センサの異常を診断するセンサ異常診断手段とを備えることを特徴とする酸素濃度検出装置。
A limiting current type oxygen sensor that is provided in an exhaust system of an internal combustion engine and has an oxygen concentration detecting element that outputs a limiting current proportional to the oxygen concentration and a heater that heats the detecting element,
Heater control means for controlling the energization of the heater to activate the oxygen sensor;
Means for increasing or decreasing the amount of fuel supplied to the internal combustion engine,
When the fuel supply amount is increased or decreased by the fuel amount increasing / decreasing unit, a sensor abnormality diagnosing unit for diagnosing an abnormality of the oxygen sensor according to whether an output value of the oxygen sensor has changed within a predetermined range is provided. An oxygen concentration detecting device characterized by the above-mentioned.
ヒータ通電の開始からのヒータ供給電力の積算値を推定するヒータ供給電力推定手段を備え、
前記センサ異常診断手段は、前記ヒータ供給電力推定手段により推定されたヒータ供給電力の積算値が所定量以上であると判断された時に、前記酸素センサの異常診断を実施する請求項1に記載の酸素濃度検出装置。
Heater supply power estimating means for estimating an integrated value of heater supply power from the start of heater energization,
2. The sensor abnormality diagnosis unit according to claim 1, wherein the sensor abnormality diagnosis unit performs abnormality diagnosis of the oxygen sensor when it is determined that the integrated value of the heater supply power estimated by the heater supply power estimation unit is equal to or more than a predetermined amount. Oxygen concentration detector.
酸素濃度に比例した限界電流を出力する酸素濃度検出素子と該検出素子を加熱するヒータとを有する限界電流式酸素センサと、
前記酸素センサの素子抵抗を検出する素子抵抗検出手段と、
前記素子抵抗検出手段により検出された素子抵抗と前記酸素センサの目標素子抵抗との偏差をなくすべく、前記ヒータへの供給電力をフィードバック制御するヒータ供給電力制御手段と、
前記ヒータ供給電力制御手段によるヒータ供給電力が所定の異常判定値を越えるか否かにより前記酸素センサの異常を診断するセンサ異常診断手段とを備えることを特徴とする酸素濃度検出装置。
A limiting current type oxygen sensor having an oxygen concentration detecting element for outputting a limiting current proportional to the oxygen concentration and a heater for heating the detecting element,
Element resistance detection means for detecting the element resistance of the oxygen sensor,
Heater supply power control means for feedback-controlling the power supply to the heater to eliminate a deviation between the element resistance detected by the element resistance detection means and a target element resistance of the oxygen sensor,
An oxygen concentration detecting device comprising: a sensor abnormality diagnosis unit that diagnoses an abnormality of the oxygen sensor based on whether or not a heater supply power by the heater supply power control unit exceeds a predetermined abnormality determination value.
前記センサ異常診断手段は、内燃機関の運転状態に応じて前記異常判定値を設定する手段を備える請求項3に記載の酸素濃度検出装置。 The oxygen concentration detection device according to claim 3, wherein the sensor abnormality diagnosis unit includes a unit that sets the abnormality determination value according to an operation state of the internal combustion engine. ヒータ通電の開始当初からのヒータ供給電力の積算値を算出する電力積算値算出手段を備え、
前記センサ異常診断手段は、前記電力積算値算出手段により算出されたヒータ供給電力の積算値が所定の異常判定値を越えるか否かにより前記酸素センサの異常を診断する請求項3又は4に記載の酸素濃度検出装置。
Power integrated value calculating means for calculating an integrated value of heater supply power from the beginning of heater energization,
5. The sensor abnormality diagnosis unit according to claim 3, wherein the sensor abnormality diagnosis unit diagnoses the oxygen sensor abnormality based on whether an integrated value of the heater supply power calculated by the power integrated value calculation unit exceeds a predetermined abnormality determination value. Oxygen concentration detector.
ヒータ通電の開始当初において前記ヒータの初期抵抗値を検出するヒータ初期抵抗値検出手段と、
前記ヒータ初期抵抗値検出手段により検出されたヒータの初期抵抗値が、前記酸素センサの冷間状態を判定する所定域にある場合のみ、前記センサ異常診断手段による異常診断を許可する診断許可手段とを備える請求項3〜5のいずれかに記載の酸素濃度検出装置。
Heater initial resistance value detecting means for detecting an initial resistance value of the heater at the beginning of energization of the heater,
Diagnosis permission means for permitting abnormality diagnosis by the sensor abnormality diagnosis means only when the initial resistance value of the heater detected by the heater initial resistance value detection means is within a predetermined range for determining a cold state of the oxygen sensor. The oxygen concentration detecting device according to any one of claims 3 to 5, further comprising:
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