JP2006126032A - Abnormality detector of oxygen sensor and abnormality detecting method of oxygen sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は酸素センサの異常を検出するための異常検出装置に関し、特に空燃比を検出するときに使用される酸素センサの検出素子部に発生するクラックの有無を判断する装置に関する。 The present invention relates to an abnormality detection apparatus for detecting an abnormality of an oxygen sensor, and more particularly to an apparatus for determining the presence or absence of a crack generated in a detection element portion of an oxygen sensor used when detecting an air-fuel ratio.
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関(以下、単にエンジンと称す)には、排気ガス中に含まれる有害成分を除去するため排気ガス浄化システムが配備されている。この排気ガス浄化システムを有効に機能させるためには、エンジンで燃焼される大気(空気)と燃料との混合割合、すなわち空燃比を厳密にコントロールすることが重要である。そこで、エンジンの排気通路中に排気ガスの酸素分圧を検出するため、例えば酸素センサを設置して理想的な空燃比(ストイキ)が得られるようにフィードバック制御を行っている。 An internal combustion engine (hereinafter, simply referred to as an engine) such as a gasoline engine or a diesel engine is provided with an exhaust gas purification system in order to remove harmful components contained in the exhaust gas. In order for this exhaust gas purification system to function effectively, it is important to strictly control the mixing ratio of the atmosphere (air) combusted by the engine and the fuel, that is, the air-fuel ratio. Therefore, in order to detect the oxygen partial pressure of the exhaust gas in the exhaust passage of the engine, for example, an oxygen sensor is installed to perform feedback control so as to obtain an ideal air-fuel ratio (stoichiometric).
図5(A)は、一般的な酸素センサにおける検出素子部を示した図である。酸素センサ100は、排気通路120内に突出するように配設された筒型の検出素子部101を備えている。検出素子部101は内面側に大気(空気)Airが導入され、外面側にはセンサカバー102を通過した排気ガスEGが接触するように形成されている。図5(B)は、図5(A)中CR内の検出素子部101の断面構造を示した図である。図5(B)で示すように、検出素子部101は固体電解質107を間にして内側に大気電極105、外側に排気電極106を被覆した構造を有している。固体電解質107は酸素(O2)がイオン化(O2-)した状態でその内部を移動可能な物質、例えばジルコニアなどによって形成されている。一般に固体電解質107は500℃を越えるような高い温度にまで加熱しないと活性化しない。そこで、図5(A)で示すように検出素子部101には加熱用のヒータ110が設置されている。
FIG. 5A is a diagram showing a detection element portion in a general oxygen sensor. The
大気と排気ガスとには酸素分圧差があり、一般に大気側の酸素分圧が高い。その結果、酸素センサ100内では内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧差が小さくなるように、酸素がイオン化し固体電解質107を介して大気側から排気ガス側へと移動する。図5(B)で図示するように、酸素分子はイオン化する過程で4価の電子(e−)を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で4価の電子を放出する。このような酸素の移動に応じて検出素子部101の内外表面の電極105、106で電子の移動が生じて検出素子部101に起電力が発生する。このように酸素センサ100は、大気と排気ガスとの酸素分圧に応じた電圧を出力するので、従来から空燃比制御用のセンサとして使用されている。
There is an oxygen partial pressure difference between the atmosphere and exhaust gas, and generally the oxygen partial pressure on the atmosphere side is high. As a result, oxygen is ionized and moves from the atmosphere side to the exhaust gas side via the
ところが、図5(A)で示すように、酸素センサ100の検出素子部101に大気側と排気側とを連通するような亀裂や開口等の欠損(以下、単にクラックという)が発生する場合がある。検出素子部101にクラックCKがあると酸素センサ100が正常に機能しなくなってしまう。
However, as shown in FIG. 5A, there is a case where a crack or opening defect (hereinafter simply referred to as a crack) that causes the atmosphere side and the exhaust side to communicate with each other is generated in the
そこで、特許文献1では酸素センサの検出子欠損(検出素子部のクラック)の有無を判定する異常診断装置を提案している。この診断装置は、酸素センサからの信号の出力分布に基づき検出素子部のクラック有無を判定して酸素センサの異常を診断する。特許文献1が提案する技術は、検出素子部にクラックが生じたときの酸素センサの出力パターンが正常時の出力パターンとは異なることに着目して、出力パターンの比較をすることで検出素子部に発生するクラックの有無を判断する。
In view of this,
検出素子部に発生したクラックがある程度の大きさである場合には、このクラックを介して排気ガスが内側に素早く進入するので正常時とは異なる酸素分圧状態が速やかに形成される。よって、酸素センサの出力信号のパターンを正常時と比較することで、クラック有無を比較的容易に判断できる。例えば、排気ガスEGの圧力が高い状態となっている時には、図5(A)で示すように、大きなクラックCKを介して検出素子部101の内側に排気ガスEGが大量に進入して酸素分圧に変化が生じるので、酸素センサの異常を容易に検出できる。
When the crack generated in the detection element portion has a certain size, the exhaust gas quickly enters the inside through the crack, so that an oxygen partial pressure state different from the normal time is quickly formed. Therefore, the presence or absence of cracks can be determined relatively easily by comparing the pattern of the output signal of the oxygen sensor with that at the normal time. For example, when the pressure of the exhaust gas EG is high, as shown in FIG. 5A, a large amount of the exhaust gas EG enters the inside of the
しかしながら、検出素子部101に発生するクラックには種々の大きさのものがある。クラックが小さい場合には排気ガスEGが通過し難くなる。また、検出素子部101の周部を通過する排気ガスEGの状態は、エンジンの駆動状況に応じて排圧や温度が刻々と変化する。小さなクラックが発生している場合にも排気ガスEGの出入りはあるが、排気ガスの通過量が少ないので酸素分圧が大きく変化することはない。このような場合には酸素センサの出力パターンに極端な変化が現れないため、前述した特許文献1の装置では酸素センサの異常、すなわち小さなクラックの発生を検出することは困難である。
However, cracks generated in the
したがって、本発明の目的は検出素子部に発生する小さなクラックの有無を判断できる酸素センサの異常検出装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxygen sensor abnormality detection device capable of determining the presence or absence of small cracks generated in a detection element section.
上記目的は、第1のガスと第2のガスとの間に配置され、前記第1のガスと前記第2のガスとの酸素分圧に応じた信号を出力する検出素子部を備えた酸素センサの異常を検出する装置であって、所定期間における前記信号の出力値の変化量を積算した総和が所定値以上となったときに、前記検出素子部にクラックが発生していると判断する判断手段を備えた酸素センサの異常検出装置によって達成できる。 An object of the present invention is to provide an oxygen detector that is disposed between a first gas and a second gas and includes a detection element unit that outputs a signal corresponding to the partial pressure of oxygen between the first gas and the second gas. A device that detects an abnormality of a sensor, and determines that a crack has occurred in the detection element unit when a total sum of changes in the output value of the signal over a predetermined period becomes equal to or greater than a predetermined value. This can be achieved by an oxygen sensor abnormality detection device provided with a determination means.
本発明によれば、判断手段が小さなクラックが発生したときに大きくなる出力値の変化量の総和を用いて検出素子部のクラックの有無を判断するので、従来では検出が困難であった酸素センサの異常を確実に検出できる。 According to the present invention, since the determination means determines the presence or absence of cracks in the detection element portion using the sum of the amount of change in the output value that increases when a small crack occurs, an oxygen sensor that has been difficult to detect in the past. Can be reliably detected.
また、前記判断手段は、定期的に前記信号の出力値を確認すると共に確認した出力値間での差を算出して前記変化量を求め、該変化量を順に加算して前記総和を求めるようにすればよい。 The determination means periodically checks the output value of the signal, calculates a difference between the checked output values, determines the change amount, and sequentially adds the change amounts to determine the sum. You can do it.
さらに、上記目的は、第1のガスと第2のガスとの間に配置され、前記第1のガスと前記第2のガスとの酸素分圧に応じた信号を出力する検出素子部を備えた酸素センサの異常を検出する方法であって、前記信号の出力波形が高周波部分を含んでいることに基づいて前記検出素子部にクラックが発生していると判断する酸素センサの異常検出方法によっても達成できる。また、所定期間における前記信号の出力値の変化量を積算した総和を用いて、前記高周波部分を確認することができる。 Further, the above object is provided with a detection element unit that is disposed between the first gas and the second gas and outputs a signal corresponding to the partial pressure of oxygen between the first gas and the second gas. An oxygen sensor abnormality detection method for determining that a crack has occurred in the detection element unit based on the fact that the output waveform of the signal includes a high-frequency part. Can also be achieved. In addition, the high-frequency portion can be confirmed using a sum total obtained by integrating the amount of change in the output value of the signal over a predetermined period.
本発明によれば、検出素子部に発生する小さなクラックの有無を判断できる酸素センサの異常検出装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the abnormality detection apparatus of the oxygen sensor which can judge the presence or absence of the small crack which generate | occur | produces in a detection element part can be provided.
以下、本発明の一実施形態に係るセンサの異常検出装置(以下、単に異常検出装置と称す)を、図を参照して説明する。図1は、検出対象となる酸素センサ2に接続された状態での異常検出装置1を示したブロック図である。
A sensor abnormality detection device (hereinafter simply referred to as an abnormality detection device) according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an
図1に示すように、異常検出装置1は酸素センサ2の検出素子部21に接続される起電力検出回路4と、この起電力検出回路4によって検出される起電力の変化から検出素子部21でのクラック有無を判断する判断手段としてのCPU(central processing unit)3とを含んでいる。なお、酸素センサ2は、検出素子部21及びこの検出素子部21を加熱するためのヒータ22を含んでいる。検出素子部21は従来と同様の構造を有したものでよく、内側では大気(第1のガス)、外側では排気ガス(第2のガス)と接触するようにしてエンジンの排気通路に設置され酸素分圧に応じた起電力を発生させる。
As shown in FIG. 1, the
CPU3は、双方向バス5によってROM6、RAM7と接続されている。ROM6には検出素子部21に発生する小さなクラックの有無を判断するためのプログラム等、CPU3が実行する種々のプログラムやデータが格納されている。RAM7はCPU3がプログラムを実行するための処理領域を提供する。なお、起電力検出回路4はCPU3の一部として構成してもよい。
The
次に、図2を参照して小さなクラックが発生している検出素子部から出力される信号の波形、すなわち起電力の出力波形について説明する。図2は、空燃比(A/F)を強制的にリーンからリッチにしたときのエンジンの排気通路中に、正常なセンサ及び検出素子部に小さなクラックを形成した異常なセンサのそれぞれを設置したときに得られたデータを比較して示している。ただし、ここでは小さなクラックとして直径約0.5mmの開口を形成している。本明細書における微小或いは小さなクラックとは、排気ガスがスムーズに通過しないような欠損であって、例えば直径が2mm未満である開口などを想定している。このような微小なクラックは、先に課題として指摘したように酸素分圧のパターンを正常時のパターンと単純に比較しても検出することが困難なものである。図2では、上段に示している空燃比A/FをポイントCPでリーンからリッチに切換えている。下段はこのときの検出素子部から出力される起電力(V)の出力波形を示している。 Next, a waveform of a signal output from a detection element portion where a small crack has occurred, that is, an output waveform of an electromotive force will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows that a normal sensor and an abnormal sensor in which a small crack is formed in the detection element portion are installed in the exhaust passage of the engine when the air-fuel ratio (A / F) is forcibly made lean to rich. The data obtained from time to time are shown in comparison. However, here, an opening having a diameter of about 0.5 mm is formed as a small crack. The minute or small crack in this specification is a defect that does not allow the exhaust gas to pass smoothly, and assumes, for example, an opening having a diameter of less than 2 mm. Such minute cracks are difficult to detect even if the oxygen partial pressure pattern is simply compared with the normal pattern as pointed out as a problem. In FIG. 2, the air-fuel ratio A / F shown in the upper stage is switched from lean to rich at point CP. The lower part shows the output waveform of the electromotive force (V) output from the detection element unit at this time.
図2から確認できるように、正常な酸素センサの出力波形Sはリッチ状態に切換わり排気ガスの酸素分圧が変化したことに対応して大きな起電力(約0.8V)が発生することを示している。一方、小さなクラックがある異常な酸素センサの出力波形Eでもリッチ状態に切換わったときに起電力(約0.6V)が発生することを示している。異常な酸素センサの出力波形Eが正常な酸素センサの出力波形Sよりも低くなる傾向があることは確認できる。しかし、どちらの出力波形もリッチ状態に切換えられたときに、これ以前よりも大きな起電力が発生したことを示す波形となっている。よって、出力波形の全体的なパターンを比較してセンサ異常を検出することは困難である。ちなみに、排気ガスが内部側に一気に進入するような大きなクラックが発生しているときの酸素センサからの出力波形は、やはりリッチ状態に切換わったときに一定の起電力が発生するが、直ぐにほぼ0(ゼロ)(V)となるので比較的簡単に異常を検出できる。 As can be seen from FIG. 2, the output waveform S of the normal oxygen sensor is switched to the rich state, and a large electromotive force (about 0.8 V) is generated in response to the change in the oxygen partial pressure of the exhaust gas. Show. On the other hand, even when the output waveform E of the abnormal oxygen sensor having small cracks is switched to the rich state, an electromotive force (about 0.6 V) is generated. It can be confirmed that the output waveform E of the abnormal oxygen sensor tends to be lower than the output waveform S of the normal oxygen sensor. However, when both output waveforms are switched to the rich state, the waveforms indicate that a larger electromotive force is generated than before. Therefore, it is difficult to detect sensor abnormality by comparing the overall pattern of the output waveform. By the way, the output waveform from the oxygen sensor when a large crack that causes exhaust gas to enter the inside at once is a constant electromotive force when it is switched to the rich state. Since it becomes 0 (zero) (V), an abnormality can be detected relatively easily.
ここで、異常な酸素センサの出力波形Eに注目すると、起電力(図2では約0.6V)が発生した後に、他の部分とは明らかに異なる高い周波数で脈動する部分NP(以下、高周波部分NPという)が現れている。この高周波部分NPは排気ガスがクラック部分を出入りしている状況によって生じており、起電力の値(出力値)が小刻みに変化している。クラックが小さい場合には、排気ガスが一気に検出素子部の内部(大気極側)にまで進入しないので酸素分圧の大きな変化は発生しないが、排気ガスがクラック部分を小刻みに出入りするので酸素分圧がこのように微妙に変化することになる。 Here, when attention is paid to the output waveform E of the abnormal oxygen sensor, after the electromotive force (about 0.6 V in FIG. 2) is generated, a portion NP (hereinafter referred to as a high frequency) pulsating at a high frequency clearly different from other portions. A partial NP) appears. The high-frequency portion NP is generated due to the situation where the exhaust gas enters and leaves the crack portion, and the value of the electromotive force (output value) changes in small increments. When the crack is small, the exhaust gas does not enter the detection element (atmosphere electrode side) at a stretch, so there is no significant change in the oxygen partial pressure, but the exhaust gas enters and exits the crack portion in small increments. The pressure changes in this way.
上記のように小さなクラックのある異常な酸素センサの出力波形Eは、正常な酸素センサの出力波形Sと比較して高周波部分NPを含むという特徴がある。高周波部分NPの波形は、正常な酸素センサの出力波形Sにあたかも高周波のノイズが重畳したような形状となる。なお、本明細書で高周波と称しているのは例えば周波数が10Hzを超えるような波形である。正常な酸素センサや大きなクラックのある異常な酸素センサから出力される信号の波形は一般に周波数が1Hz程度である。よって、酸素センサの出力波形に高周波部分NPが存在するか否かを確認することで小さなクラックの有無を確認できることになる。 As described above, the output waveform E of the abnormal oxygen sensor having small cracks is characterized by including a high-frequency portion NP as compared with the output waveform S of the normal oxygen sensor. The waveform of the high-frequency portion NP has a shape as if high-frequency noise is superimposed on the output waveform S of a normal oxygen sensor. In addition, what is called high frequency in this specification is a waveform whose frequency exceeds 10 Hz, for example. The waveform of a signal output from a normal oxygen sensor or an abnormal oxygen sensor having a large crack generally has a frequency of about 1 Hz. Therefore, the presence or absence of small cracks can be confirmed by confirming whether or not the high-frequency portion NP exists in the output waveform of the oxygen sensor.
そして、高周波部分NPでは上記のように出力値(起電力の値)が小刻みに変化するので、出力値の変化量を積算した総和(以下、変化量総和と称す)が極めて大きくなる。よって、出力波形の変化量総和を求めることで高周波部分NPの存在を確認して、検出素子部に小さなクラックが発生していることを判断できることになる。異常検出装置1はこのような観点に基づいて検出素子部21のクラック有無の判断を行う。
Since the output value (electromotive force value) changes in small increments as described above in the high-frequency portion NP, the total sum of the output value change amounts (hereinafter referred to as the change amount summation) becomes extremely large. Therefore, the presence of the high-frequency portion NP can be confirmed by obtaining the total change amount of the output waveform, and it can be determined that a small crack has occurred in the detection element portion. The
よって、異常検出装置1の判断手段となるCPU3は上記変化量総和を用いて高周波部分NPを確認して、検出素子部21に小さなクラックが発生しているか否かを判断する。より具体的には、CPU3が起電力算出回路を介して受ける検出素子部21からの信号の出力値を定期的に確認すると共に、前後で確認した出力値との差を算出して変化量(起電力の差の絶対値)を求め、この変化量を積算して変化量総和を得る。そして、この変化量総和が予め定めた閾値PDを超えたときに、CPU3は検出素子部に小さなクラックの有りとの判断を行う。閾値PDは、正常な酸素センサや大きなクラックのある異常な酸素センサの出力波形から求められる変化量総和の数倍を目処に設定すればよい。
Therefore, the
なお、変化量総和は、出力波形での上下動変化を積算したものであり変化の軌跡長と見ることができる。よって、以下では変化量総和を軌跡長と称して説明する。図3は、軌跡長を算出する手法を説明するために示した図である。図3は、図2で示している異常な酸素センサの出力波形Eに現れる高周波部分NPの一部を拡大して示している。 The total change amount is obtained by integrating the vertical movement changes in the output waveform, and can be regarded as a change locus length. Therefore, hereinafter, the total amount of change will be referred to as a trajectory length. FIG. 3 is a diagram for explaining a method of calculating the trajectory length. FIG. 3 shows an enlarged part of the high-frequency portion NP that appears in the output waveform E of the abnormal oxygen sensor shown in FIG.
横軸はCPU3によって出力値(V)の確認が行われる周期Tを示している。すなわち、CPU3は始期T0として時間T0、T1・・・で出力値(起電力の値)の確認を行う。そして、CPU3は時間T0における起電力V0と次の時間T1における起電力V1との出力差D1を求め、次に時間T1における起電力V1と次の時間T2における起電力V2との出力差D2を求める。同様に時間T2における起電力V2と次の時間T3における起電力V3との出力差D3を求める。ここでの出力差Dnが前述した変化量となる。CPU3は時間T毎に、出力値を確認すると共に出力差Dnを求めて、順に加算して軌跡長を求める処理を繰り返す。よって、軌跡長は変化量が順に加算されて新たな軌跡長に更新される。この軌跡長が予め設定した閾値PDを超えたときに、CPU3は検出素子部21に小さなクラックありとの判断を行うことになる。
The horizontal axis indicates the period T in which the
図4は、異常検出装置1のCPU3が検出素子部21のクラック有無判断を行うときのルーチン例を示したフローチャートである。検出素子部21の出力は、エンジン暖機前や負荷変動が大きな領域では排気ガスのA/Fが安定せず変動するため、正常な酸素センサでも排気ガスのA/Fの変動に連動して誤判定をする可能性がある。そこで、異常検出装置1による異常検出はエンジンの状態が安定し且つ排気ガスのA/F変動が小さく、正常な酸素センサの出力波形の変動か少ない状態で実施することが好ましい。この例では、CPU3が前提条件として「エンジン暖機終了」、「酸素センサ暖機終了」、「エンジン回転数が規定範囲内」及び「吸気吸入量が規定範囲内」にあることを確認した後に、軌跡長を用いて検出素子部21に発生する小さなクラックの有無を判断する処理に入る。
FIG. 4 is a flowchart illustrating a routine example when the
このルーチンは例えばエンジンがスタートしたときに起動され、CPU3は前提条件が成立しているか否かを確認して(S101)、所定周期で出力値を確認すると共に変化量の積算を開始する(S102)。ここでの積算処理は先に図3を用いて説明したとおりであり周期毎に出力値を確認し、隣接する周期(例えばT1とT2)間での出力値の差を求めて変化量を算出し、この変化量を加算する。CPU3は、この処理を繰り返して変化量を積算して軌跡長を更新する。
This routine is started, for example, when the engine is started, and the
CPU3は、積算時間が予め設定した所定時間(X sec)越えたときに(S103)、軌跡長が閾値PDを越えたか否かを確認する(S104)。このステップ104で軌跡長が閾値PD以上であることを確認したときには、検出素子部に小さなクラックが発生していると判断できる。よって、CPU3はこの場合には酸素センサ2に異常ありと判断して(S105)、本ルーチンよる処理を終了する。これとは逆にステップ104で軌跡長が閾値PD未満の場合には検出素子部に小さなクラックの発生は無いと推定できる。よって、CPU3はこの場合には酸素センサ2は正常であるとして(S106)、本フローチャートによる処理を繰り返す。
When the accumulated time exceeds a predetermined time (X sec) set in advance (S103), the
以上説明したように異常検出装置1によると、微小なクラックが発生したときに大きくなる変化量総和を用いて、CPU3がクラックの有無判断を行うので従来では検出が困難であった酸素センサの異常を検出できる。また、ここでのクラックの有無判断は、従来のように出力波形のパターン全体を確認する必要がないので、短時間で小さなクラックの有無判断を行える。なお、図4で示すフローチャートは、ステップ103で所定の積算時間を経過するまで積算を行うようにしているが、予め設定した積算回数となるまで積算を行って、ステップ104の判断を行うようにしてもよい。また、異常検出装置1は検出素子部21に小さなクラックが発生していることを精度良く検出する。よって、大きなクラックが発生していることを検出できる従来の異常検出装置と組合せるとクラックの大小にかかわらず異常の有無を検出できるより好ましい異常検出装置を構成できる。
As described above, according to the
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
1 異常検出装置
2 酸素センサ
3 CPU(判断手段)
4 起電力検出回路
6 ROM
7 RAM
21 検出素子部
22 ヒータ
DESCRIPTION OF
4 Electromotive
7 RAM
21
Claims (4)
所定期間における前記信号の出力値の変化量を積算した総和が所定値以上となったときに、前記検出素子部にクラックが発生していると判断する判断手段を備えたことを特徴とする酸素センサの異常検出装置。 An abnormality of an oxygen sensor including a detection element unit that is disposed between the first gas and the second gas and outputs a signal corresponding to an oxygen partial pressure of the first gas and the second gas. A device for detecting,
An oxygen device comprising: a determination unit that determines that a crack has occurred in the detection element unit when a total sum of the amount of change in the output value of the signal in a predetermined period is equal to or greater than a predetermined value. Sensor abnormality detection device.
前記信号の出力波形が高周波部分を含んでいることに基づいて前記検出素子部にクラックが発生していると判断することを特徴とする酸素センサの異常検出方法。 An abnormality of an oxygen sensor including a detection element unit that is disposed between the first gas and the second gas and outputs a signal corresponding to an oxygen partial pressure of the first gas and the second gas. A method of detecting,
An oxygen sensor abnormality detection method, comprising: determining that a crack is generated in the detection element unit based on an output waveform of the signal including a high-frequency portion.
The method for detecting an abnormality of an oxygen sensor according to claim 3, wherein the high-frequency portion is confirmed using a sum obtained by integrating the amount of change in the output value of the signal over a predetermined period.
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