JP2006300625A

JP2006300625A - 酸素センサの異常検出装置

Info

Publication number: JP2006300625A
Application number: JP2005120663A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Iwasaki; 靖志岩▲崎▼; Masaya Kawamichi; 雅也川路
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】酸素センサの異常を検出するとともに、より好適な出力補正の実行及び劣化の判定が可能な酸素センサの異常検出装置を提供する。
【解決手段】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差に応じた起電力を発生する検出素子２１を備えた酸素センサ２の異常検出装置１であって、酸素センサ２のプラス端子側の出力を検出する検出部ＡＤ１と、酸素センサ２のマイナス端子側に配設した分割抵抗Ｒ２、Ｒ３間の出力を検出する検出部ＡＤ２とを備え、検出部ＡＤ１及びＡＤ２が検出した出力に基づき、酸素センサ２の異常の有無を診断する診断手段とともに、検出部ＡＤ１及びＡＤ２が検出した出力に基づき、酸素センサ２の内部抵抗値を推定する内部抵抗推定手段と、推定した内部抵抗値に基づき、酸素センサ２の出力を補正する出力補正手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素センサの異常を検出する異常検出装置に関し、特に酸素センサの出力の補正及び劣化の判定が可能な酸素センサの異常検出装置に関する。

ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関には、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、内燃機関で燃焼される大気（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、内燃機関の排気通路中に排気ガスの酸素分圧を検出する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。

図４（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４（Ｂ）は、図４（Ａ）中のＣＲ内の検出素子部１０１の断面構造を示した図である。図４（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（Ｏ_２）がイオン化（Ｏ^2-）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。

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４（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。

ところが、図４（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クラック等の異常（以下、単にクラックＣＫ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、排気ガスＥＧが検出素子部１０１の内側（大気電極１０５の側）に侵入する場合がある。このような状況が発生すると酸素センサ１００が正確に機能しなくなってしまう。

図５は、酸素センサの一般的な電圧検出回路を示した図である。図５に示すように、酸素センサ１００のマイナス端子側はＧＮＤに接続されている。ここで、上述したように排気ガスＥＧが検出素子部１０１の内側に侵入すると、酸素センサ１００の出力（図５において、酸素センサのプラス端子側）が接地電圧未満となる場合がある。しかし、酸素センサ１００の出力を受け取るＣＰＵの判読可能な電圧は接地電圧以上である。そのため、ＣＰＵは酸素センサの出力を接地電圧と誤判読してしまう。

そこで、特許文献１では酸素センサの出力が接地電圧未満である場合でも、センサ出力を判読可能な空燃比検出装置を提案している。特許文献１は、センサ出力に所定のバイアスをかける補正を行うことによって、接地電圧未満の出力を、少なくとも接地電圧を超える電圧として出力する出力補正手段を開示している。この技術によれば、出力特性が変化した酸素センサの出力が接地電圧未満になっても、ＣＰＵは酸素センサの出力を出力補正手段が補正した出力として判読可能である。これにより、例えば空燃比リッチ時の出力とリーン時の出力との中間値付近を比較電位（正常な酸素センサにおいては理論空燃比相当の出力）とする補正方法（以下、移動スライスレベル方式という）によって、変化した酸素センサの出力特性を補正可能である。

実開平１−１２４３５１号公報

しかしながら、移動スライスレベル方式によって変化した酸素センサの出力特性を補正する場合には、空燃比をリーン、リッチに交互に強制的に変更する制御（以下、アクティブ制御という）を実行した状態において、補正の要否を判定する必要がある。そして、係る制御は混合気の最適燃焼とは異なる観点で実行する制御であるため、実行により排気ガス中に含まれるエミッションの増大を招く。また、係る制御によって内燃機関のトルクも変動するため、例えば車両が備える内燃機関にあってはドライバビリティへも影響を及ぼすことになる。

また、特許文献１の空燃比検出装置は、接地電位を超えるように補正した出力補正手段の出力に基づいて、酸素センサの劣化を判定する手段や異常発生の有無を診断する手段を有しない。そのため、酸素センサに劣化や異常があっても使用し続けてしまう虞があり、劣化に起因する酸素センサの応答性悪化や異常の発生に起因する酸素センサの故障を未然に防ぐことができない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、酸素センサの異常を検出するとともに、より好適な出力補正の実行及び劣化の判定が可能な酸素センサの異常検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、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差に応じた起電力を発生する検出素子を備えた酸素センサの異常検出装置であって、前記酸素センサの一方の出力端子側の出力を検出する第１の検出部と、前記酸素センサの他方の出力端子側に配設した分割抵抗間の出力を検出する第２の検出部とを備え、前記第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、前記酸素センサの異常の有無を診断する診断手段とともに、前記第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、前記酸素センサの内部抵抗値を推定する内部抵抗推定手段と、推定した該内部抵抗値に基づき、前記酸素センサの出力を補正する出力補正手段とを有することを特徴とする。

例えば、酸素センサの検出素子に欠損が発生した結果、検出素子内外面に接触する気体の酸素濃度が正常な酸素センサにおける酸素濃度と逆転している場合には、酸素センサは負電圧を発生する。係る状況においても、酸素センサの他方の出力端子側に分割抵抗間に発生する所定の電圧を印加することによって、第１の検出部は酸素センサの出力を０（ゼロ）を超える出力として検出可能である。また、酸素センサの出力は、第１及び第２の検出部が検出した出力の差である。これにより、第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、診断手段は酸素センサの出力を判読できるので、酸素センサの出力が負電圧であるかどうか、すなわち、酸素センサの異常の有無を診断可能である。

また、酸素センサの他方の出力端子側に分割抵抗間に発生する所定の電圧を印加することによって、酸素センサの出力が０（ゼロ）であっても、第１及び第２の検出部は、所定の電圧を検出する。この際に酸素センサに内部抵抗が発生していれば、第１及び第２の検出部で検出した電圧には電圧差が発生する。この電圧差は、酸素センサの内部抵抗増大による電圧降下と捉えることができる。このような相関関係により、この電圧降下量に基づいて内部抵抗値を推定可能である。一方、酸素センサの内部抵抗が増大すると、酸素センサの出力や応答性が低下する。そのため、この電圧降下量に基づいて内部抵抗値を推定すれば、推定した内部抵抗値に基づいて酸素センサの出力を補正可能である。本発明によれば、酸素センサの異常検出装置が診断手段、内部抵抗推定手段及び出力補正手段を有することによって、酸素センサの異常の有無を診断するとともに酸素センサの出力を好適に補正可能である。

また、本発明は、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差に応じた起電力を発生する検出素子を備えた酸素センサの異常検出装置であって、前記酸素センサの一方の出力端子側の出力を検出する第１の検出部と、前記酸素センサの他方の出力端子側に配設した分割抵抗間の出力を検出する第２の検出部とを備え、前記第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、前記酸素センサの異常の有無を診断する診断手段とともに、前記第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、前記酸素センサの内部抵抗値を推定する内部抵抗推定手段と、推定した該内部抵抗値に基づき、前記酸素センサの劣化を判定する劣化判定手段とを有することを特徴とする。

本発明の酸素センサの異常検出装置によれば、前述した診断手段と同様、酸素センサの異常の有無を診断可能である。また、前述した内部抵抗推定手段と同様、酸素センサの内部抵抗値を推定可能である。さらに、推定した内部抵抗値が所定の設定値以上になった場合には、酸素センサが劣化している、と判定可能である。このように、酸素センサの異常検出装置が診断手段、内部抵抗推定手段及び劣化判定手段を有することによって、酸素センサの異常の有無を診断するとともに酸素センサの劣化を好適に判定可能である。

本発明によれば、酸素センサの異常を検出するとともに、より好適な出力補正の実行及び劣化の判定が可能な酸素センサの異常検出装置を提供することができる。

以下、本発明に係る酸素センサの異常検出装置（以下、単に異常検出装置と称す）の最良の実施形態を図面と共に詳細に説明する。

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。また、図２は図１に対応する電気的な構成例を示した図である。

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２１に接続される起電力検出回路２５と、この起電力検出回路２５によって算出される出力を用いて検出素子２１の欠損の有無を診断する診断手段、酸素センサ２の内部抵抗値を推定する内部抵抗推定手段、推定した内部抵抗値に基づき酸素センサ２の劣化を判定する判定手段及び推定した内部抵抗値に基づき酸素センサ２の出力を補正する出力補正手段としてのＣＰＵ（central processing unit）３とを含んでいる。

酸素センサ２は、検出素子２１及びこの検出素子２１を加熱するためのヒータ２２を含んでいる。検出素子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排気通路に設置され酸素分圧に応じて後述する仮想ＧＮＤに対する起電力（図２の電池記号で表わす）を発生させる（図４参照）。図５に示す一般的な酸素センサ１００のようにマイナス端子側をＧＮＤに接続せず、仮想ＧＮＤに接続することで、後述するように酸素センサ２の内部抵抗値を推定することが可能になる。なお、図１で示す例ではＣＰＵ３が酸素センサ２の制御も行うように構成されている。酸素センサ２で発生した起電力は起電力検出回路２５を介してＣＰＵ３へ供給される。

図２は、図１で示す２種類の回路、すなわちインピーダンス算出回路１０及び起電力検出回路２５をより詳細に示している。インピーダンス算出回路１０は酸素センサ２の検出素子２１のインピーダンス値を算出するための回路である。このインピーダンス算出回路１０は、スイッチング素子（トランジスタ）Ｔｒ１と共に、電流測定用のシャント抵抗Ｒｓを含んでいる。ここで検出素子２１の内部インピーダンスImpが小さいと大きな電流が流れ、これとは逆に内部インピーダンスImpが大きいと小さな電流が流れる。インピーダンス値は、シャント抵抗Ｒｓの両端（Ｎ１とＮ２）で検出される電圧に基づいて算出できる。具体的には、インピーダンス測定をする時に、ＣＰＵ３がバッテリ２６から所定の電圧Ｖｐを印加すると共に、スイッチング素子Ｔｒ１をオン（ＯＮ）とし、この後にスイッチング素子Ｔｒ１をオフ（ＯＦＦ）させる操作を行う。

ＣＰＵ３は、酸素センサ２のプラス端子側に接続された検出部ＡＤ１（第１の検出部）と、マイナス端子側に接続された検出部ＡＤ２（第２の検出部）及びシャント抵抗Ｒｓの両端の電圧を検出する検出部ＡＤからの出力を検出している。また、ＣＰＵ３は、双方向バス４によってＲＯＭ５、ＲＡＭ６と接続されている。ＲＯＭ５には後述する電圧降下量に基づいて酸素センサ２の内部抵抗値を推定するプログラムや、推定した内部抵抗値に基づいて酸素センサ２の劣化の判定や出力の補正を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。ＲＡＭ６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。

起電力検出回路２５は抵抗Ｒ１を含み、端子ＴＥ１及びＴＥ２を介して酸素センサ２に接続されている。酸素センサ２のマイナス端子側には電圧Ｖ２を印加する。この電圧Ｖ２は、所定の電圧Ｖｐを抵抗Ｒ２とＲ３とで抵抗分割することで分割部に生じる電圧である。この分割部の電圧Ｖ２を印加することで、酸素センサ２のマイナス端子側に仮想ＧＮＤを生成する。

ところで、図１で示したように酸素センサ２はヒータ２２を備えている。このヒータ２２は、５００℃を越える程度にまで検出素子２１を加熱して活性化させるために配置されている。ＣＰＵ３は、検出素子２１の周囲温度が活性温度に維持されるようにヒータ２２を駆動制御する。このような検出素子２１の活性を維持するために温度制御が必要である。また、検出素子２１の周囲温度が上昇すると、図１に示すインピーダンス算出回路１０が算出するインピーダンス値が低下し、これとは逆に検出素子２１の周囲温度が低下するとインピーダンス値が上昇する。このような温度と内部インピーダンスImpとの相関関係に基づいて、検出素子２１の温度制御を行える。なお、抵抗Ｒ３と並列に備えられたコンデンサＣ２は、酸素センサ２のマイナス端子側に仮想ＧＮＤを生成するにあたって、正常なインピーダンス値を算出するために備えられている。

また、図２において、上記インピーダンス算出回路１０、起電力検出回路２５、ＣＰＵ３、ＲＯＭ５、ＲＡＭ６等を含んで酸素センサ２用のＥＣＵ（electronic control unit:電子制御装置）７を形成した場合には、異常検出装置１はこのＥＣＵ７の一部によって実現できることになる。この場合にはＣＰＵ３に接続されているＲＯＭ５に酸素センサ２の異常検出用のプログラムを格納すればよい。

上述した回路構成で酸素センサ２の起電力をＥ、検出部ＡＤ１が検出する酸素センサ２のプラス端子側の出力をＶ１とすると、これらと仮想ＧＮＤにおける電圧Ｖ２との関係は次式で示される。
Ｖ１＝Ｅ＋Ｖ２・・・・・・・・・（Ａ）

酸素センサ２が正常な場合には、起電力Ｅは次式に示す範囲に含まれる値である。
０＜Ｅ＜１（Ｖ）・・・・・・・・（Ｂ）
一方、検出素子２１に欠損が生じている場合には、検出素子２１内に排気ガス、検出素子２１外に大気が接触する状態が発生する。この正常な酸素センサ２における酸素濃度と逆転したような状態においても、酸素センサ２の起電力Ｅは（Ｂ）式に示す最大出力値に基づき、次式に示す範囲に含まれる値となる。
−１＜Ｅ＜０（Ｖ）・・・・・・・（Ｃ）
したがって、仮想ＧＮＤにおける電圧Ｖ２が、式（Ｖ２＞１（Ｖ））に示すように１Ｖよりも大きくなるよう分割抵抗Ｒ２及びＲ３の抵抗値を設定すれば、（Ａ）式及び（Ｃ）式によりセンサ出力Ｖ１は、次式に示す範囲に含まれる出力となる。
Ｖ１＞０（Ｖ）・・・・・・・・・（Ｄ）
これにより、酸素センサ２の起電力ＥがＣ式に含まれるような負電圧であっても、ＣＰＵ３は起電力Ｅの代わりにセンサ出力Ｖ１を検出することができる。また、（Ａ）式及び（Ｃ）式により、センサ出力Ｖ１と印加した電圧Ｖ２との差が０（ゼロ）Ｖ未満、すなわち式（Ｖ１−Ｖ２＜０（Ｖ））を満たせば、ＣＰＵ３は、酸素センサ２が異常であると診断できる。以上によって、酸素センサ２の異常を検出可能である。

また、例えば劣化により酸素センサ２の内部抵抗が変化すると、酸素センサ２の出力や応答性に影響が生じる。図３は、内部抵抗の大きさと酸素センサ２の起電力Ｅとの相関関係を示す図である。図３は、縦軸が酸素センサ２の起電力Ｅ、横軸が内部抵抗値である。図３により、内部抵抗が増大すると酸素センサ２の起電力Ｅが低下する傾向を把握することが可能である。

このような特徴を捉え、本実施例では、酸素センサ２の電圧降下量を測定し、この電圧降下量から内部抵抗値を推定する。式（Ａ）により、酸素センサ２の起電力Ｅが０（ゼロ）Ｖの場合、式（Ｖ１−Ｖ２＝０）に示す通り、センサ出力Ｖ１と分割部における電圧Ｖ２の差は０（ゼロ）Ｖである。すなわち、センサ出力Ｖ１は分割部の電圧Ｖ２と同じになる。ところが、酸素センサ２に内部抵抗が発生している場合には、分割部の電圧Ｖ２は、酸素センサ２のプラス端子側で低下する。すなわち、センサ出力Ｖ１が低下するので、式（Ｖ１−Ｖ２≠０）に示す通り、式（Ｖ１−Ｖ２）はある所定の値となる。本実施例では、この値を酸素センサ２の内部抵抗による電圧降下量Ｂとして捉える。例えば図３に示す相関関係を用いれば、この電圧降下量Ｂから酸素センサ２の内部抵抗値を推定可能である。

ここで、酸素センサ２の内部抵抗は温度によって変化する。また、電圧降下量Ｂは、酸素センサ２の起電力Ｅによっても変化する。そのため、電圧降下量Ｂを測定する際には、以下のような条件を満たす必要がある。満たすべき条件の一つは、略同一のセンサ温度にて電圧降下量Ｂを測定することである。前述したように、検出素子２１のインピーダンス値と検出素子２１の周囲温度とには相関関係がある。したがって、例えば略同一のインピーダンス値を検出した際には、略同一のセンサ温度にて電圧降下分Ｂを測定することが可能である。

さらに満たすべき別の条件は、酸素センサ２の起電力Ｅが略０（ゼロ）Ｖのときに電圧降下量を測定することである。この条件を満たすためには、内燃機関において燃料カット制御を実行し、大気を排気するようにすればよい。これによって、検出素子２１の内外に接触する気体を共に大気にすることができるので、酸素センサ２の起電力Ｅを略０（ゼロ）Ｖにできる。したがって、この際に電圧降下量Ｂを測定すればよい。以上のような条件を満たすことによって、酸素センサ２の内部抵抗値と相関関係を有する電圧降下量Ｂを測定することが可能である。

上述のようにして推定した内部抵抗値によって、ＣＰＵ３は酸素センサ２の出力を補正することができる。酸素センサ２の内部抵抗が増大すると、酸素センサ２の起電力Ｅや応答性は低下する。このような相関関係を利用して、本実施例では、推定した内部抵抗値の大きさに応じて、低下した起電力Ｅや応答性を補正可能である。これによって、例えば酸素センサ２の出力を利用して出力補正を実行する場合に必要となるアクティブ制御を実行する必要がない。このアクティブ制御は前述したようにエミッションの増大を招き、他の制御、例えば内燃機関の燃料噴射制御へも影響を及ぼす。それ故に比較的限れられた条件下、例えば少なくともドライバビリティに多大な影響を与えない状況下でないと、酸素センサ２の出力の補正ができないという問題点がある。本実施例によれば、このような問題点のない酸素センサ２の出力補正を実行可能である。

また、酸素センサ２の劣化によっても内部抵抗は増大する。このような相関関係を利用して、推定した内部抵抗値が例えば設定値よりも大きくなった場合には、酸素センサ２が劣化していると判定することができる。また、電圧降下量を測定して内部抵抗値を推定するので、例えば内部抵抗値を測定するための比較抵抗を回路に追加する必要もない。以上により、酸素センサ２の異常を検出するとともに、より好適な出力補正の実行及び劣化の判定が可能な酸素センサの異常検出装置１を実現することができる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

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。図１に対応する電気的な構成例を示した図である。内部抵抗の大きさと酸素センサ２の起電力Ｅとの相関関係を示す図である。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。一般的な酸素センサの電圧検出回路を示した図である。

符号の説明

１異常検出装置
２酸素センサ
３ＣＰＵ
４双方向バス
５ＲＯＭ
６ＲＡＭ
７ＥＣＵ
１０インピーダンス算出回路
２１検出素子
２２ヒータ
２５起電力検出回路

Claims

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差に応じた起電力を発生する検出素子を備えた酸素センサの異常検出装置であって、
前記酸素センサの一方の出力端子側の出力を検出する第１の検出部と、前記酸素センサの他方の出力端子側に配設した分割抵抗間の出力を検出する第２の検出部とを備え、
前記第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、前記酸素センサの異常の有無を診断する診断手段とともに、前記第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、前記酸素センサの内部抵抗値を推定する内部抵抗推定手段と、推定した該内部抵抗値に基づき、前記酸素センサの出力を補正する出力補正手段とを有することを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
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差に応じた起電力を発生する検出素子を備えた酸素センサの異常検出装置であって、
前記酸素センサの一方の出力端子側の出力を検出する第１の検出部と、前記酸素センサの他方の出力端子側に配設した分割抵抗間の出力を検出する第２の検出部とを備え、
前記第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、前記酸素センサの異常の有無を診断する診断手段とともに、前記第１及び第２の検出部が検出した出力に基づき、前記酸素センサの内部抵抗値を推定する内部抵抗推定手段と、推定した該内部抵抗値に基づき、前記酸素センサの劣化を判定する劣化判定手段とを有することを特徴とする酸素センサの異常検出装置。