JP2010174790A - Control device of air-fuel ratio sensor - Google Patents

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Kazutaka Hattori
一孝 服部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out malfunction diagnosis of an air-fuel ratio sensor with high accuracy for a control device of an air-fuel sensor in which the output current value varies depending on an oxygen concentration of the exhaust gas and an applied voltage. <P>SOLUTION: When an applied voltage value corresponding to the output current value of the air-fuel ratio sensor previously stored corresponding to the operation conditions and an actual applied voltage value are compared with each other during the fuel-cut or idling operation of an engine. A judgment that voltage-current characteristics are not appropriately obtained due to the deterioration of the sensor and the like is made, and an air-fuel sensor 1 is determined to have an abnormality. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関の排気系等に配設されて排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサの制御装置に係る。特に、本発明は、空燃比センサの異常診断に関する。   The present invention relates to a control device for an air-fuel ratio sensor that is disposed in an exhaust system or the like of an internal combustion engine and detects an air-fuel ratio of exhaust gas. In particular, the present invention relates to abnormality diagnosis of an air-fuel ratio sensor.

従来より、一般的な内燃機関では、燃焼室において空気と燃料との混合気が燃焼し、燃焼後の排気ガスが排気通路を通じて外部に排出される。この排気通路には、排気ガスの酸素濃度から混合気の空燃比を検出するための空燃比センサが設けられている。内燃機関においては、この空燃比センサにより検出された空燃比が予め定められた所定空燃比(通常は理論空燃比)となるように混合気中の燃料量(インジェクタからの燃料噴射量)がフィードバック制御される。   Conventionally, in a general internal combustion engine, a mixture of air and fuel is combusted in a combustion chamber, and exhaust gas after combustion is discharged outside through an exhaust passage. This exhaust passage is provided with an air-fuel ratio sensor for detecting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture from the oxygen concentration of the exhaust gas. In an internal combustion engine, the amount of fuel in the air-fuel mixture (the amount of fuel injected from the injector) is fed back so that the air-fuel ratio detected by the air-fuel ratio sensor becomes a predetermined air-fuel ratio (usually the theoretical air-fuel ratio). Be controlled.

上記空燃比センサの一つとして、例えば特許文献1〜特許文献3に開示されているような限界電流式のものが知られている。   As one of the air-fuel ratio sensors, for example, a limit current type sensor as disclosed in Patent Documents 1 to 3 is known.

図4は、この空燃比センサにおける電圧−電流特性を示しており、図中の実線、一点鎖線、二点鎖線は、それぞれ空燃比がストイキ(理論空燃比)、リッチ、リーンである場合の特性を示している。   FIG. 4 shows voltage-current characteristics in this air-fuel ratio sensor. The solid line, the alternate long and short dash line, and the alternate long and two short dashes line in the figure are characteristics when the air-fuel ratio is stoichiometric (theoretical air-fuel ratio), rich, and lean, respectively. Is shown.

この図4に示すように、この種の空燃比センサでは、電圧−電流特性として、印加電圧(以下、単に電圧という場合もある)を変化させても出力電流(以下、電流または出力電流値という場合もある)が殆ど変化せず一定の電流(以下、「限界電流値」という)が維持される領域がある。以下、この領域(電流が一定に維持される電圧の範囲)を「限界電流域」という。図4において、Vstは空燃比がストイキである場合の限界電流域であり、Vriは空燃比がリッチである場合の限界電流域であり、Vleは空燃比がリーンである場合の限界電流域である。   As shown in FIG. 4, in this type of air-fuel ratio sensor, the output current (hereinafter referred to as current or output current value) is applied even if the applied voltage (hereinafter may be simply referred to as voltage) is changed as voltage-current characteristics. There is a region in which a constant current (hereinafter referred to as “limit current value”) is maintained with little change. Hereinafter, this region (the voltage range in which the current is maintained constant) is referred to as a “limit current region”. In FIG. 4, Vst is a limiting current region when the air-fuel ratio is stoichiometric, Vri is a limiting current region when the air-fuel ratio is rich, and Vle is a limiting current region when the air-fuel ratio is lean. is there.

また、電圧がこの限界電流域の電圧よりも高くなると、電流はその電圧の上昇に応じて比例的に上昇していく。逆に、電圧がこの限界電流域の電圧よりも低くなると、電流はその電圧の下降に応じて比例的に下降していく。このため、限界電流式の空燃比センサにおいては、印加電圧を限界電流域の範囲内に調整することにより、センサの出力電流に基づいて空燃比を正確に検出することが可能である。   Further, when the voltage becomes higher than the voltage in the limit current region, the current increases in proportion to the increase in the voltage. Conversely, when the voltage becomes lower than the voltage in the limit current region, the current decreases in proportion to the decrease in the voltage. For this reason, in the limit current type air-fuel ratio sensor, it is possible to accurately detect the air-fuel ratio based on the output current of the sensor by adjusting the applied voltage within the limit current range.

また、上記限界電流域は概ね酸素濃度が高くなるほど高電圧側にシフトする。このため、空燃比を正確に検出するには、空燃比センサに対する印加電圧を限界電流域上で正しく制御する必要があり、一般には、図中に破線の直線で示す目標印加電圧線を設定しておき、この目標印加電圧線上でその都度(空燃比が変化することに伴って電流値が変化する都度)の電流値に応じて印加電圧を決定するようにしている。具体的には、空燃比センサの出力である電流値毎に限界電流域の中央値としての電圧値(目標印加電圧線上の電圧値)を求めておき、電流値に応じて印加電圧が限界電流域の中央値となるように調整している。これにより、印加電圧が限界電流域から逸脱してしまうことを回避し、これによって酸素濃度の検出精度が高く得られることになる。   The limit current region shifts to the higher voltage side as the oxygen concentration increases. Therefore, in order to accurately detect the air-fuel ratio, it is necessary to correctly control the applied voltage to the air-fuel ratio sensor in the limit current region. Generally, a target applied voltage line indicated by a broken line in the figure is set. The applied voltage is determined on the target applied voltage line in accordance with the current value each time (every time the current value changes as the air-fuel ratio changes). Specifically, a voltage value (voltage value on the target applied voltage line) as a median value of the limit current region is obtained for each current value that is the output of the air-fuel ratio sensor, and the applied voltage is determined according to the current value. It is adjusted to be the median value of the basin. As a result, the applied voltage is prevented from deviating from the limit current region, and thereby the oxygen concentration detection accuracy can be increased.

特開平1−211638号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-211638 特開平10−62376号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-62376 特開2002−243694号公報JP 2002-243694 A

ところで、この種の空燃比センサにあっては、センサ素子に割れが生じたり、電極上の白金が凝集したりした場合に、上記電圧−電流特性が適正に得られなくなって酸素濃度の検出精度が悪化してしまう可能性がある。   By the way, in this type of air-fuel ratio sensor, when the sensor element is cracked or platinum on the electrode is agglomerated, the voltage-current characteristic cannot be obtained properly, and the oxygen concentration detection accuracy is not obtained. May get worse.

このため定期的に空燃比センサの異常診断を実行する必要がある。例えば特許文献1には、空燃比センサの活性時に印加電圧が所定範囲外の値を所定時間以上継続した場合にはセンサ故障であると判定するようにしている。   Therefore, it is necessary to periodically perform abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor. For example, in Patent Document 1, it is determined that a sensor failure has occurred when an applied voltage continues a value outside a predetermined range for a predetermined time or longer when the air-fuel ratio sensor is activated.

しかしながら、この特許文献1に開示されている異常診断動作では、十分な信頼性が得られているとは言えない。何故なら、空燃比センサの出力である電流値は、排気ガスの空燃比や印加電圧の状態によって変化するため、異常診断を高精度で行うためには、異常診断時点での排気ガスの空燃比が正確に認識されている必要がある。ところが、特許文献1のものでは、空燃比が不安定な状況で空燃比センサの異常診断を行う可能性があるため、その診断の信頼性が十分に確保されているとは言えない。   However, the abnormality diagnosis operation disclosed in Patent Document 1 cannot be said to have sufficient reliability. This is because the current value that is the output of the air-fuel ratio sensor changes depending on the air-fuel ratio of the exhaust gas and the state of the applied voltage. Therefore, in order to perform abnormality diagnosis with high accuracy, the air-fuel ratio of the exhaust gas at the time of abnormality diagnosis Must be recognized correctly. However, in Patent Document 1, there is a possibility that abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor may be performed in a situation where the air-fuel ratio is unstable, and thus it cannot be said that the reliability of the diagnosis is sufficiently ensured.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力電流が、排気ガスの酸素濃度及び印加電圧に応じて変化する空燃比センサの制御装置に対し、空燃比センサの異常診断を高い精度で行うことにある。   The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide an air-fuel ratio control apparatus for an air-fuel ratio sensor in which an output current changes according to an oxygen concentration of an exhaust gas and an applied voltage. This is to perform sensor abnormality diagnosis with high accuracy.

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、排気ガスの酸素濃度が予め認識可能な状況となった場合、具体的には、燃料供給停止状態やアイドリング運転状態となった場合に、空燃比センサに対する印加電圧に応じた異常診断を行うようにしている。
-Principle of solving the problem-
The solution principle of the present invention taken to achieve the above object is that when the oxygen concentration of the exhaust gas is recognizable in advance, specifically, the fuel supply stop state and the idling operation state are entered. In this case, abnormality diagnosis is performed according to the voltage applied to the air-fuel ratio sensor.

−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、通電時における出力電流値が印加電圧及び排気ガスの酸素濃度に応じて変化し、所定電圧を印加した際における上記出力電流値に基づいて排気ガスの酸素濃度を検出する空燃比センサの制御装置を前提とする。この空燃比センサの制御装置に対し、上記内燃機関の運転状態が燃料供給停止状態またはアイドリング運転状態にあるとき、上記印加電圧の値に基づいて空燃比センサの異常診断を実行する異常診断実行手段を備えさせている。
-Solution-
Specifically, the present invention is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine, and the output current value when energized changes according to the applied voltage and the oxygen concentration of the exhaust gas. A control device for an air-fuel ratio sensor that detects the oxygen concentration of exhaust gas based on the above is assumed. An abnormality diagnosis execution means for executing an abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor based on the value of the applied voltage when the operation state of the internal combustion engine is in a fuel supply stop state or an idling operation state. Is provided.

上記異常診断実行手段による空燃比センサの異常診断動作として具体的には以下のものが挙げられる。   Specific examples of the abnormality diagnosis operation of the air-fuel ratio sensor by the abnormality diagnosis execution means include the following.

先ず、上記内燃機関の運転状態が燃料供給停止状態またはアイドリング運転状態にあるとき、上記印加電圧の値が、上記内燃機関の運転状態に対応する出力電流値に対して予め設定された印加電圧適正範囲を外れている場合に、空燃比センサが異常であると診断するように上記異常診断実行手段を構成としている。   First, when the operation state of the internal combustion engine is in a fuel supply stop state or an idling operation state, the value of the applied voltage is an appropriate applied voltage that is preset with respect to an output current value corresponding to the operation state of the internal combustion engine. The abnormality diagnosis execution means is configured to diagnose that the air-fuel ratio sensor is abnormal when out of the range.

つまり、内燃機関の燃料供給停止時には、排気系には燃料は殆ど流れておらず、空燃比センサの出力電流としては最もリーン(例えば出力電流が最大)となる値となっている。また、内燃機関のアイドリング運転時には、一般的には空燃比は理論空燃比に安定的に維持されており、空燃比センサの出力電流値としては「0」となっている。本解決手段では、このように、空燃比が予め認識され且つ安定している状況で、空燃比センサの異常診断を行うようにしている。そして、この空燃比に応じて略一義的に決まる出力電流値に対して予め設定された印加電圧適正範囲(例えば上述した限界電流域のうちの所定の範囲)から実際の印加電圧の値が外れている場合には空燃比センサが異常であると診断するようにしている。即ち、空燃比センサに異常が生じていない場合には、実際の印加電圧は上記印加電圧適正範囲内に存在するはずであるので、この範囲から外れた印加電圧となっていることを認識することで空燃比センサの異常を正確に診断することができる。   That is, when the fuel supply of the internal combustion engine is stopped, almost no fuel flows in the exhaust system, and the output current of the air-fuel ratio sensor has the value that is the leanest (for example, the output current is maximum). Further, during idling operation of the internal combustion engine, generally, the air-fuel ratio is stably maintained at the theoretical air-fuel ratio, and the output current value of the air-fuel ratio sensor is “0”. In this solution, the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor is performed in such a state that the air-fuel ratio is recognized and stabilized in advance. Then, the actual applied voltage value deviates from an appropriate applied voltage range (for example, a predetermined range in the above-described limit current range) with respect to the output current value that is substantially uniquely determined according to the air-fuel ratio. If so, the air-fuel ratio sensor is diagnosed as abnormal. That is, when no abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor, the actual applied voltage should be within the appropriate range of the applied voltage, so that it is recognized that the applied voltage is outside this range. Thus, the abnormality of the air-fuel ratio sensor can be accurately diagnosed.

また、他の解決手段として、上記空燃比センサは、印加電圧を変化させても出力電流が殆ど変化しない限界電流域を備えた電圧−電流特性を有するものであり、上記内燃機関の運転状態が燃料供給停止状態にあるときに、上記印加電圧を徐変していき、上記出力電流値が変化し始めた際の印加電圧値が、上記燃料供給停止状態に対応する出力電流値に対して予め設定された電流変化開始電圧値から外れている場合に空燃比センサが異常であると診断するように上記異常診断実行手段を構成としている。   As another solution, the air-fuel ratio sensor has a voltage-current characteristic with a limit current region in which the output current hardly changes even when the applied voltage is changed, and the operating state of the internal combustion engine is While in the fuel supply stop state, the applied voltage is gradually changed, and the applied voltage value when the output current value starts to change is previously set to the output current value corresponding to the fuel supply stop state. The abnormality diagnosis execution means is configured to diagnose that the air-fuel ratio sensor is abnormal when it deviates from the set current change start voltage value.

この場合、空燃比センサに異常が生じていなければ、印加電圧を徐々に高くしていく場合には、上記限界電流域の最大電圧(上記電流変化開始電圧値に相当)に達した時点から出力電流値が変化(出力電流値が上昇)していくことになる。また、印加電圧を徐々に低くしていく場合には、上記限界電流域の最小電圧(上記電流変化開始電圧値に相当)に達した時点から出力電流値が変化(出力電流値が下降)していくことになる。これに対し、空燃比センサに異常が生じておれば、出力電流値の変化が開始される印加電圧値は上述したものとは異なることになり、その印加電圧値(出力電流値の変化が開始される印加電圧値)は上記電流変化開始電圧値から外れることになる。これにより、空燃比センサの異常を正確に診断することができる。   In this case, if there is no abnormality in the air-fuel ratio sensor, when the applied voltage is gradually increased, the output is performed from the time when the maximum voltage in the limit current region (corresponding to the current change start voltage value) is reached. The current value changes (the output current value increases). In addition, when the applied voltage is gradually lowered, the output current value changes (output current value decreases) from the point when the minimum voltage (corresponding to the current change start voltage value) in the above limit current region is reached. It will follow. On the other hand, if an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor, the applied voltage value at which the change in the output current value is started is different from that described above, and the applied voltage value (the change in the output current value starts). Applied voltage value) deviates from the current change start voltage value. Thereby, the abnormality of the air-fuel ratio sensor can be accurately diagnosed.

更に、他の解決手段として、上記空燃比センサは、印加電圧を変化させても出力電流値が殆ど変化しない限界電流域を備えた電圧−電流特性を有するものであり、上記内燃機関の運転状態が燃料供給停止状態にあるときに、上記印加電圧を徐変していき、上記出力電流値が変化した際における印加電圧の単位変化量に対する上記出力電流値の変化量が、所定の異常判定変化量よりも小さい場合に空燃比センサが異常であると診断するように上記異常診断実行手段を構成としている。   Furthermore, as another solution, the air-fuel ratio sensor has a voltage-current characteristic having a limit current region in which the output current value hardly changes even when the applied voltage is changed. When the fuel supply is stopped, the applied voltage is gradually changed, and when the output current value changes, the change amount of the output current value with respect to the unit change amount of the applied voltage is a predetermined abnormality determination change. The abnormality diagnosis execution means is configured to diagnose that the air-fuel ratio sensor is abnormal when the amount is smaller than the amount.

一般に、空燃比センサに劣化などの異常が発生した場合、上記限界電流域を外れた領域(印加電圧の変化に伴って比例的に出力電流値も変化する領域)では、印加電圧の単位変化量に対する出力電流値の変化量が小さくなっている。つまり、出力電流値の変化割合が小さくなっている。本解決手段では、そのことを印加電圧を徐変させながら認識可能とすることで空燃比センサの異常を正確に診断することができる。   In general, when an abnormality such as deterioration occurs in the air-fuel ratio sensor, the unit change amount of the applied voltage in a region outside the limit current region (region where the output current value changes proportionally with the change in the applied voltage) The amount of change in the output current value with respect to is small. That is, the change rate of the output current value is small. In the present solution, the abnormality of the air-fuel ratio sensor can be accurately diagnosed by making it possible to recognize this while gradually changing the applied voltage.

上述した如く、印加電圧の単位変化量に対する電流値の変化量が小さくなった場合の対処手法として以下のものが挙げられる。先ず、上記排気ガスの酸素濃度変化に伴う空燃比センサの出力電流値の変化に応じて印加電圧を上記限界電流域の略中央電圧値となるように印加電圧調整を行うようになっているものに対し、上記空燃比センサが異常であると診断された場合、実際の印加電圧の単位変化量に対する出力電流値の変化量に応じて、この異常状態における限界電流域の略中央電圧値となるように空燃比センサへの印加電圧を調整する印加電圧調整手段を備えさせている。   As described above, the following methods are available as a countermeasure when the amount of change in the current value with respect to the unit change amount of the applied voltage becomes small. First, the applied voltage is adjusted so that the applied voltage becomes substantially the central voltage value in the limit current region in accordance with the change in the output current value of the air-fuel ratio sensor accompanying the change in the oxygen concentration of the exhaust gas. On the other hand, when it is diagnosed that the air-fuel ratio sensor is abnormal, the center voltage value of the limit current region in this abnormal state is set in accordance with the amount of change in the output current value with respect to the unit change amount of the actual applied voltage. Thus, an applied voltage adjusting means for adjusting the applied voltage to the air-fuel ratio sensor is provided.

これによれば、空燃比センサに異常が生じていても、それに応じた印加電圧の調整を行うことで、排気ガスの空燃比に応じた出力電流値を得ることができ、空燃比センサを継続して使用することが可能になる。   According to this, even if an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor, the output current value corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas can be obtained by adjusting the applied voltage accordingly, and the air-fuel ratio sensor is continued. Can be used.

また、上記空燃比センサが異常であると診断された場合、印加が不可能となっている電圧域に対応する出力電流値に基づく排気ガスの酸素濃度の検出を制限し、印加が可能となっている電圧域に対応する出力電流値に基づく排気ガスの酸素濃度の検出のみを実行するようにしている。   Further, when the air-fuel ratio sensor is diagnosed as abnormal, the detection of the oxygen concentration of the exhaust gas based on the output current value corresponding to the voltage range where the application is impossible is limited, and the application becomes possible. Only the detection of the oxygen concentration of the exhaust gas based on the output current value corresponding to the voltage range is executed.

これによっても、使用範囲は制限されるものの空燃比センサを継続して使用することが可能になる。また、排気ガスの酸素濃度が、上記印加が可能となっている電圧域に対応する出力電流値が得られる濃度(例えばストイキよりもリーン側)である場合には、空燃比センサを正常なセンサと同様に使用することが可能である。   This also makes it possible to continue using the air-fuel ratio sensor although the range of use is limited. Further, when the oxygen concentration of the exhaust gas is a concentration (for example, leaner than stoichiometric) that can obtain an output current value corresponding to the voltage range in which the application is possible, the air-fuel ratio sensor is set to a normal sensor. Can be used as well.

本発明では、出力電流値が印加電圧及び排気ガスの酸素濃度に応じて変化することで排気ガスの酸素濃度が検出可能な空燃比センサに対し、内燃機関の運転状態として、酸素濃度が予め認識可能な運転状態となった場合に、空燃比センサに対する印加電圧に応じた異常診断を行うようにしている。これにより、空燃比センサの異常診断を高い精度で行うことが可能になる。   In the present invention, the oxygen concentration is recognized in advance as the operating state of the internal combustion engine for the air-fuel ratio sensor that can detect the oxygen concentration of the exhaust gas by changing the output current value according to the applied voltage and the oxygen concentration of the exhaust gas. When a possible operating state is reached, abnormality diagnosis is performed according to the voltage applied to the air-fuel ratio sensor. This makes it possible to perform abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor with high accuracy.

実施形態に係るエンジン及びその吸排気系の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the engine which concerns on embodiment, and its intake / exhaust system. 空燃比センサの概略構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of an air fuel ratio sensor. 空燃比センサの制御回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the control circuit of an air fuel ratio sensor. 空燃比センサの電圧−電流特性を示す図である。It is a figure which shows the voltage-current characteristic of an air fuel ratio sensor. 第1実施形態に係る空燃比センサ異常診断の動作手順を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the operation | movement procedure of the air fuel ratio sensor abnormality diagnosis which concerns on 1st Embodiment. フューエルカット時における空燃比センサ異常診断動作を説明するための電圧−電流特性図である。It is a voltage-current characteristic view for explaining an air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis operation at the time of fuel cut. アイドリング運転時における空燃比センサ異常診断動作を説明するための電圧−電流特性図である。FIG. 6 is a voltage-current characteristic diagram for explaining an air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis operation during idling operation. 第2実施形態に係る空燃比センサ異常診断動作を説明するための電圧−電流特性図である。It is a voltage-current characteristic view for explaining an air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis operation according to the second embodiment. 第3実施形態に係る空燃比センサ異常診断の動作手順及びセンサ異常時の対処動作手順を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the operation | movement procedure of the air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis which concerns on 3rd Embodiment, and the coping operation | movement procedure at the time of sensor abnormality. 第3実施形態に係る空燃比センサ異常診断動作及びセンサ異常時の対処動作を説明するための電圧−電流特性図である。It is a voltage-current characteristic diagram for demonstrating the air fuel ratio sensor abnormality diagnosis operation | movement which concerns on 3rd Embodiment, and the coping operation | movement at the time of sensor abnormality.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、4気筒ガソリンエンジン(内燃機関)の排気系に配設された空燃比センサに本発明を適用した場合について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the case where the present invention is applied to an air-fuel ratio sensor disposed in an exhaust system of a four-cylinder gasoline engine (internal combustion engine) will be described.

−エンジン−
図1は本発明を適用するエンジン101の一例を示す概略構成図である。尚、図1にはエンジン101の1気筒の構成のみを示している。
-Engine-
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an engine 101 to which the present invention is applied. FIG. 1 shows only the configuration of one cylinder of the engine 101.

本実施形態に係るエンジン101は、例えば4気筒ガソリンエンジンであって、燃焼室101aを形成するピストン101b及び出力軸であるクランクシャフト115を備えている。ピストン101bはコネクティングロッド116を介してクランクシャフト115に連結されており、ピストン101bの往復運動がコネクティングロッド116によってクランクシャフト115の回転へと変換される。   The engine 101 according to the present embodiment is, for example, a four-cylinder gasoline engine, and includes a piston 101b that forms a combustion chamber 101a and a crankshaft 115 that is an output shaft. The piston 101b is connected to the crankshaft 115 via a connecting rod 116, and the reciprocating motion of the piston 101b is converted into rotation of the crankshaft 115 by the connecting rod 116.

クランクシャフト115には、外周面に複数の突起(歯)117a,117a,…を有するシグナルロータ117が取り付けられている。シグナルロータ117の側方近傍にはクランクポジションセンサ(エンジン回転数センサ)124が配置されている。クランクポジションセンサ124は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト115が回転する際にシグナルロータ117の突起117aに対応するパルス状の信号(出力パルス)を発生する。   A signal rotor 117 having a plurality of protrusions (teeth) 117a, 117a,... Is attached to the crankshaft 115 on the outer peripheral surface. A crank position sensor (engine speed sensor) 124 is disposed near the side of the signal rotor 117. The crank position sensor 124 is an electromagnetic pickup, for example, and generates a pulsed signal (output pulse) corresponding to the protrusion 117a of the signal rotor 117 when the crankshaft 115 rotates.

エンジン101のシリンダブロック101cには、エンジン水温(冷却水温)を検出する水温センサ121が配置されている。エンジン101の燃焼室101aには点火プラグ103が配置されている。点火プラグ103の点火タイミングはイグナイタ104によって調整される。イグナイタ104はECU(Electronic Control Unit)200によって制御される。   The cylinder block 101c of the engine 101 is provided with a water temperature sensor 121 that detects the engine water temperature (cooling water temperature). A spark plug 103 is disposed in the combustion chamber 101 a of the engine 101. The ignition timing of the spark plug 103 is adjusted by the igniter 104. The igniter 104 is controlled by an ECU (Electronic Control Unit) 200.

エンジン101の燃焼室101aには吸気通路111と排気通路112とが接続されている。吸気通路111と燃焼室101aとの間に吸気バルブ113が設けられており、この吸気バルブ113を開閉駆動することにより、吸気通路111と燃焼室101aとが連通または遮断される。また、排気通路112と燃焼室101aとの間に排気バルブ114が設けられており、この排気バルブ114を開閉駆動することにより、排気通路112と燃焼室101aとが連通または遮断される。これら吸気バルブ113及び排気バルブ114の開閉駆動は、クランクシャフト115の回転が伝達される吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの各回転によって行われる。   An intake passage 111 and an exhaust passage 112 are connected to the combustion chamber 101 a of the engine 101. An intake valve 113 is provided between the intake passage 111 and the combustion chamber 101a. By opening and closing the intake valve 113, the intake passage 111 and the combustion chamber 101a are communicated or blocked. Further, an exhaust valve 114 is provided between the exhaust passage 112 and the combustion chamber 101a. By opening and closing the exhaust valve 114, the exhaust passage 112 and the combustion chamber 101a are communicated or blocked. The opening / closing drive of the intake valve 113 and the exhaust valve 114 is performed by each rotation of the intake camshaft and the exhaust camshaft to which the rotation of the crankshaft 115 is transmitted.

吸気通路111には、エアクリーナ107、熱線式のエアフロメータ122、吸気温センサ123(エアフロメータ122に内蔵)、及び、エンジン101の吸入空気量を調整するための電子制御式のスロットルバルブ105が配置されている。スロットルバルブ105はスロットルモータ106によって駆動される。スロットルバルブ105の開度はスロットル開度センサ125によって検出される。   An air cleaner 107, a hot-wire air flow meter 122, an intake air temperature sensor 123 (built in the air flow meter 122), and an electronically controlled throttle valve 105 for adjusting the intake air amount of the engine 101 are disposed in the intake passage 111. Has been. The throttle valve 105 is driven by a throttle motor 106. The opening degree of the throttle valve 105 is detected by a throttle opening degree sensor 125.

エンジン101の排気通路112には、排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサ(排気ガスセンサ)1及び三元触媒108などが配置されている。空燃比センサ1の詳細については後述する。   In the exhaust passage 112 of the engine 101, an air-fuel ratio sensor (exhaust gas sensor) 1 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas, a three-way catalyst 108, and the like are arranged. Details of the air-fuel ratio sensor 1 will be described later.

そして、吸気通路111には燃料噴射用のインジェクタ(燃料噴射弁)102が配置されている。インジェクタ102には、燃料タンクから燃料ポンプによって所定圧力の燃料が供給され、吸気通路111に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となってエンジン101の燃焼室101aに導入される。燃焼室101aに導入された混合気(燃料+空気)は点火プラグ103にて点火されて燃焼・爆発する。この混合気の燃焼室101a内での燃焼・爆発によりピストン101bが往復運動してクランクシャフト115が回転する。以上のエンジン101の運転状態はECU200によって制御される。   An injector (fuel injection valve) 102 for fuel injection is disposed in the intake passage 111. Fuel of a predetermined pressure is supplied from the fuel tank to the injector 102 by a fuel pump, and the fuel is injected into the intake passage 111. This injected fuel is mixed with the intake air to be mixed into the combustion chamber 101a of the engine 101. The air-fuel mixture (fuel + air) introduced into the combustion chamber 101a is ignited by the spark plug 103 and combusted / exploded. The piston 101b reciprocates due to the combustion / explosion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 101a, and the crankshaft 115 rotates. The operation state of the engine 101 is controlled by the ECU 200.

−ECU−
ECU200は、CPU201(図3参照)、ROM、RAM及びバックアップRAMなどを備えている。ROMは、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU201は、ROMに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。また、RAMはCPUでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップRAMはエンジン101の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
-ECU-
The ECU 200 includes a CPU 201 (see FIG. 3), a ROM, a RAM, a backup RAM, and the like. The ROM stores various control programs, maps that are referred to when the various control programs are executed, and the like. The CPU 201 executes arithmetic processing based on various control programs and maps stored in the ROM. The RAM is a memory for temporarily storing calculation results from the CPU, data input from each sensor, and the like. The backup RAM is a non-volatile memory for storing data to be saved when the engine 101 is stopped. is there.

ECU200には、図1に示すように、水温センサ121、エアフロメータ122、吸気温センサ123、クランクポジションセンサ124、スロットル開度センサ125、及び、空燃比センサ1などの各種センサが接続されている。また、ECU200には、インジェクタ102、点火プラグ103のイグナイタ104、及び、スロットルバルブ105のスロットルモータ106などが接続されている。   As shown in FIG. 1, various sensors such as a water temperature sensor 121, an air flow meter 122, an intake air temperature sensor 123, a crank position sensor 124, a throttle opening sensor 125, and an air-fuel ratio sensor 1 are connected to the ECU 200. . The ECU 200 is connected to an injector 102, an igniter 104 of a spark plug 103, a throttle motor 106 of a throttle valve 105, and the like.

そして、ECU200は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、燃料噴射量フィードバック制御及び点火プラグ103の点火時期制御などを含むエンジン101の各種制御を実行する。また、ECU200は、後述する空燃比センサ1の制御及びヒータ2の通電制御を実行する。   The ECU 200 executes various controls of the engine 101 including the fuel injection amount feedback control and the ignition timing control of the spark plug 103 based on the detection signals of the various sensors described above. Further, the ECU 200 executes control of the air-fuel ratio sensor 1 and energization control of the heater 2 which will be described later.

−空燃比センサ−
次に、空燃比センサ1の構造について説明する。
-Air-fuel ratio sensor-
Next, the structure of the air-fuel ratio sensor 1 will be described.

本実施形態に係る空燃比センサ1は、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する積層型の空燃比センサであって、図2に示すように、センサ素子10、通気性を有する内カバー16及び外カバー17などを備えている。また、空燃比センサ1には、センサ素子10を加熱するためのヒータ2が組み込まれている。   The air-fuel ratio sensor 1 according to the present embodiment is a stacked air-fuel ratio sensor that outputs a signal corresponding to the oxygen concentration in exhaust gas. As shown in FIG. 2, the sensor element 10 has air permeability. A cover 16 and an outer cover 17 are provided. Further, the air-fuel ratio sensor 1 incorporates a heater 2 for heating the sensor element 10.

センサ素子10は、板状の固体電解質層(例えば部分安定化ジルコニア製)11、この固体電解質層11の一方の面に形成された大気側電極(例えば白金電極)12、固体電解質層11の他方の面に形成された排気側電極(例えば白金電極)13、及び、拡散抵抗層(例えば多孔質のセラミック)14などによって構成されている。   The sensor element 10 includes a plate-shaped solid electrolyte layer (for example, partially stabilized zirconia) 11, an atmosphere side electrode (for example, a platinum electrode) 12 formed on one surface of the solid electrolyte layer 11, and the other of the solid electrolyte layer 11. The exhaust-side electrode (for example, platinum electrode) 13 and the diffusion resistance layer (for example, porous ceramic) 14 formed on the surface are formed.

センサ素子10の大気側電極12は大気ダクト15内に配置されている。大気ダクト15内は大気に解放されており、この大気ダクト15内に流入した大気が大気側電極12に接触する。   The atmosphere side electrode 12 of the sensor element 10 is disposed in the atmosphere duct 15. The atmosphere duct 15 is open to the atmosphere, and the atmosphere flowing into the atmosphere duct 15 contacts the atmosphere side electrode 12.

排気側電極13の表面は拡散抵抗層14にて覆われており、排気通路112を流れる排気ガスの一部が、拡散抵抗層14によって拡散された状態で排気側電極13に接触する。尚、排気ガスは、外カバー17の小孔17a及び内カバー16の小孔16aを通過してセンサ素子10(排気側電極13)に達する。   The surface of the exhaust side electrode 13 is covered with the diffusion resistance layer 14, and a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 112 contacts the exhaust side electrode 13 while being diffused by the diffusion resistance layer 14. The exhaust gas passes through the small hole 17a of the outer cover 17 and the small hole 16a of the inner cover 16, and reaches the sensor element 10 (exhaust side electrode 13).

ヒータ2は、車載のバッテリ電源VBからの通電により発熱する線状の発熱体によって構成されており、その発熱体の発熱によってセンサ素子10の全体を加熱する。   The heater 2 is composed of a linear heating element that generates heat by energization from the on-vehicle battery power supply VB, and heats the entire sensor element 10 by the heat generated by the heating element.

以上の構造の空燃比センサ1において、大気側電極12と排気側電極13との間に、後述する検出用電圧VR(=[VAF+]−[VAF−])が印加され、この電圧印加によって空燃比センサ1に、排気ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。   In the air-fuel ratio sensor 1 having the above structure, a detection voltage VR (= [VAF +] − [VAF−]), which will be described later, is applied between the atmosphere side electrode 12 and the exhaust side electrode 13. A current corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas flows through the fuel ratio sensor 1.

具体的に説明すると、排気ガスの空燃比がリーンである場合、排気ガス中の余剰酸素が排気側電極13での電極反応により電子を受け取ってイオン化される。その酸素イオンが固体電解質層11の内部を排気側電極13→大気側電極12の向きに移動し、大気側電極12に到達すると、そこで電子が離脱され酸素に戻って大気ダクト15に排出される。このような酸素イオンの移動によって、大気側電極12→排気側電極13の向きに電流(正電流)が流れる。   More specifically, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, surplus oxygen in the exhaust gas is ionized by receiving electrons by an electrode reaction at the exhaust-side electrode 13. When the oxygen ions move in the solid electrolyte layer 11 in the direction of the exhaust side electrode 13 → the atmosphere side electrode 12 and reach the atmosphere side electrode 12, electrons are desorbed there, return to oxygen, and discharged to the atmosphere duct 15. . By such movement of oxygen ions, a current (positive current) flows in the direction from the atmosphere-side electrode 12 to the exhaust-side electrode 13.

一方、排気ガスの空燃比がリッチである場合、上述したリーンの場合とは逆に、大気ダクト15内の酸素が大気側電極12での電極反応により電子を受け取ってイオン化される。その酸素イオンが、固体電解質層11の内部を大気側電極12→排気側電極13の向き移動した後、拡散抵抗層14の内部に存在する未燃成分HC,CO,H2との触媒反応により二酸化炭素CO2や水H2Oが生成される。このような酸素イオンの移動によって、排気側電極13→大気側電極12の向きに電流(負電流)が流れる。 On the other hand, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is rich, on the contrary to the case of lean described above, oxygen in the atmospheric duct 15 receives electrons by the electrode reaction at the atmospheric side electrode 12 and is ionized. After the oxygen ions move in the solid electrolyte layer 11 from the atmosphere side electrode 12 to the exhaust side electrode 13, catalytic oxygen reacts with unburned components HC, CO, H 2 existing in the diffusion resistance layer 14. Carbon dioxide CO 2 and water H 2 O are generated. By such movement of oxygen ions, a current (negative current) flows in the direction from the exhaust side electrode 13 to the atmosphere side electrode 12.

そして、空燃比センサ1に流れる電流(センサ電流Is)の値は排気ガスの空燃比に応じて変化するので、センサ電流Isの値と排気ガス空燃比との関係を実験・計算等によって求めておけば、センサ電流Isの値を検出することで排気ガスの空燃比を算出することができる。また、センサ電流Isの増減は、空燃比の増減(リーン・リッチの程度)に対応しており、排気ガスの空燃比がリーン側になるほどセンサ電流Isは増大し、空燃比がリッチ側になるほどセンサ電流Isは減少する。   Since the value of the current flowing through the air-fuel ratio sensor 1 (sensor current Is) changes according to the air-fuel ratio of the exhaust gas, the relationship between the value of the sensor current Is and the exhaust gas air-fuel ratio is obtained by experiments and calculations. If so, the air-fuel ratio of the exhaust gas can be calculated by detecting the value of the sensor current Is. The increase / decrease of the sensor current Is corresponds to the increase / decrease of the air / fuel ratio (lean / rich degree). The sensor current Is increases as the air / fuel ratio of the exhaust gas becomes leaner, and the air / fuel ratio becomes richer. The sensor current Is decreases.

−制御回路−
次に、空燃比センサ1の制御を行う制御回路20の構成を、図3を参照して説明する。尚、空燃比センサ1の制御回路20はECU200の内部に組み込まれている。
-Control circuit-
Next, the configuration of the control circuit 20 that controls the air-fuel ratio sensor 1 will be described with reference to FIG. The control circuit 20 of the air-fuel ratio sensor 1 is incorporated in the ECU 200.

本実施形態に係る空燃比センサ1の制御回路20は、オペアンプOP1〜OP4、シャント抵抗R1、抵抗R2〜R7、基準電圧発生回路21、パルス印加回路22、及び、トランジスタ23などを備えている。   The control circuit 20 of the air-fuel ratio sensor 1 according to this embodiment includes operational amplifiers OP1 to OP4, a shunt resistor R1, resistors R2 to R7, a reference voltage generation circuit 21, a pulse application circuit 22, a transistor 23, and the like.

基準電圧発生回路21は、電源VCとグランドとの間に直列接続された3つの抵抗R11,R12,R13によって構成されており、抵抗R11と抵抗R12との間で電圧VAF+(3.3V)が生成され、抵抗R12とR13との間で電圧VFA−(2.9V)が生成される。   The reference voltage generation circuit 21 includes three resistors R11, R12, and R13 connected in series between the power supply VC and the ground, and a voltage VAF + (3.3 V) is generated between the resistors R11 and R12. The voltage VFA− (2.9V) is generated between the resistors R12 and R13.

抵抗R11と抵抗R12との間で生成された電圧VAF+は、オペアンプOP3及びパルス印加回路22を介して、オペアンプOP1のプラス側端子に印加される。また、抵抗R12と抵抗R13との間で生成された電圧VAF−は、オペアンプOP2のプラス側端子に直接印加される。   The voltage VAF + generated between the resistor R11 and the resistor R12 is applied to the positive terminal of the operational amplifier OP1 through the operational amplifier OP3 and the pulse application circuit 22. Further, the voltage VAF− generated between the resistors R12 and R13 is directly applied to the plus side terminal of the operational amplifier OP2.

オペアンプOP1の出力端子は、シャント抵抗R1を介して空燃比センサ1のプラス側入力端子(大気側電極12側の端子)1aに接続されるとともに、抵抗R1,R2を介してオペアンプP1のマイナス側端子に接続されている。   The output terminal of the operational amplifier OP1 is connected to the positive side input terminal (terminal on the atmosphere side electrode 12) 1a of the air-fuel ratio sensor 1 through the shunt resistor R1, and the negative side of the operational amplifier P1 through the resistors R1 and R2. Connected to the terminal.

オペアンプOP2の出力端子は、抵抗R3,R5を介して空燃比センサ1のマイナス側入力端子(排気側電極13側の端子)1bに接続されるとともに、抵抗R3,R4を介してオペアンプOP2のマイナス側端子に接続されている。   The output terminal of the operational amplifier OP2 is connected to the negative side input terminal (terminal on the exhaust side electrode 13) 1b of the air-fuel ratio sensor 1 through resistors R3 and R5, and the negative terminal of the operational amplifier OP2 through resistors R3 and R4. Connected to the side terminal.

オペアンプOP3の出力端子とオペアンプOP1のプラス側端子との間にはパルス印加回路22が設けられている。パルス印加回路22は、オペアンプOP1のプラス側端子に印加する電圧、つまり、空燃比センサ1のプラス側入力端子1a(大気側電極12)に印加する電圧VAF+(3.3V)を、所定の変化幅ΔVAF(例えばΔVAF=0.2V)でプラス側とマイナス側に所定周期で変化させる回路である。これにより、空燃比センサ1に対する印加電圧が調整可能となっている。尚、空燃比センサ1に対する印加電圧を可変とする構成としては周知の構成として種々のものが適用可能である。   A pulse applying circuit 22 is provided between the output terminal of the operational amplifier OP3 and the positive terminal of the operational amplifier OP1. The pulse application circuit 22 changes the voltage applied to the plus side terminal of the operational amplifier OP1, that is, the voltage VAF + (3.3V) applied to the plus side input terminal 1a (atmosphere side electrode 12) of the air-fuel ratio sensor 1 with a predetermined change. This is a circuit that changes a positive side and a negative side in a predetermined cycle with a width ΔVAF (for example, ΔVAF = 0.2 V). Thereby, the voltage applied to the air-fuel ratio sensor 1 can be adjusted. Various configurations can be applied as a configuration for changing the voltage applied to the air-fuel ratio sensor 1 as a known configuration.

ヒータ2の一端はバッテリ電源VBに接続されている。ヒータ2の他端にはトランジスタ23が接続されている。トランジスタ23のベースはCPU201に接続されており、そのCPU201からのヒータ制御信号に応じてトランジスタ23がON/OFFすることによってヒータ2の通電が制御される。   One end of the heater 2 is connected to a battery power source VB. A transistor 23 is connected to the other end of the heater 2. The base of the transistor 23 is connected to the CPU 201, and energization of the heater 2 is controlled by turning on / off the transistor 23 in accordance with a heater control signal from the CPU 201.

以上の回路構成において、オペアンプOP1と空燃比センサ1との間に接続されたシャント抵抗R1には、空燃比センサ1に流れる電流(センサ電流Is)と同じ電流が流れるので、そのシャント抵抗R1の両端電位差(V1−V2)は、センサ電流Isに比例した値となる。従って、シャント抵抗R1の両端電位差(V1−V2)を算出することで、空燃比センサ1のセンサ電流Isを検出できる。   In the above circuit configuration, the same current as the current flowing through the air-fuel ratio sensor 1 (sensor current Is) flows through the shunt resistor R1 connected between the operational amplifier OP1 and the air-fuel ratio sensor 1, so that the shunt resistance R1 The both-end potential difference (V1-V2) is a value proportional to the sensor current Is. Therefore, the sensor current Is of the air-fuel ratio sensor 1 can be detected by calculating the potential difference (V1−V2) across the shunt resistor R1.

そこで、本実施形態では、シャント抵抗R1の空燃比センサ1側の電圧V2をオペアンプOP4のマイナス側端子に抵抗R7を介して導き、シャント抵抗R1の空燃比センサ1側とは反対側の電圧V1をオペアンプOP4のプラス側端子に抵抗R8を介して導いて、それら電圧の差(V1−V2)を演算・増幅している。   Therefore, in this embodiment, the voltage V2 on the air-fuel ratio sensor 1 side of the shunt resistor R1 is guided to the negative terminal of the operational amplifier OP4 via the resistor R7, and the voltage V1 on the opposite side of the shunt resistor R1 from the air-fuel ratio sensor 1 side. Is led to the positive terminal of the operational amplifier OP4 via a resistor R8, and the difference (V1−V2) between these voltages is calculated and amplified.

オペアンプOP4の出力信号V3は、センサ電流検出用のアナログデジタル変換器(ADC)24によってデジタル変換された後にCPU201に入力される。CPU201では、オペアンプOP4の出力信号V3(デジタル変換後)からセンサ電流Isを算出し、そのセンサ電流Isに基づいて排気ガスの空燃比を算出する。   The output signal V3 of the operational amplifier OP4 is digitally converted by an analog-digital converter (ADC) 24 for detecting a sensor current and then input to the CPU 201. The CPU 201 calculates the sensor current Is from the output signal V3 (after digital conversion) of the operational amplifier OP4, and calculates the air-fuel ratio of the exhaust gas based on the sensor current Is.

また、CPU201には、シャント抵抗R1の両端の電圧V1,電圧V2が、それぞれインピーダンス検出用のアナログデジタル変換器(ADC)25,26を介して入力される。CPU201では、それら入力電圧V1,V2、及び、空燃比センサ1のプラス側入力端子1a(大気側電極12)に印加する電圧VAF+の変化幅ΔVAFに基づいて空燃比センサ1の素子インピーダンス(交流インピーダンス)を算出する。   Further, the voltage V1 and the voltage V2 at both ends of the shunt resistor R1 are input to the CPU 201 through analog / digital converters (ADC) 25 and 26 for impedance detection, respectively. In the CPU 201, the element impedance (AC impedance) of the air-fuel ratio sensor 1 is based on these input voltages V1, V2 and the change width ΔVAF of the voltage VAF + applied to the plus-side input terminal 1a (atmosphere-side electrode 12) of the air-fuel ratio sensor 1. ) Is calculated.

そして、ECU200は、上記の処理で算出した実際の空燃比が目標空燃比に一致するように、インジェクタ102から吸気通路111に噴射する燃料噴射量をフィードバック制御する。   Then, ECU 200 feedback-controls the amount of fuel injected from injector 102 to intake passage 111 so that the actual air-fuel ratio calculated in the above processing matches the target air-fuel ratio.

また、ECU200は、上記の処理で算出した空燃比センサ1の素子インピーダンスに基づいてセンサ素子10の温度を求め、その実際の素子温度が目標値750℃(センサ素子の活性化温度)に一致するように、トランジスタ23へのヒータ制御信号のデューティ比を算出してヒータ2の通電制御を行う。   The ECU 200 obtains the temperature of the sensor element 10 based on the element impedance of the air-fuel ratio sensor 1 calculated by the above processing, and the actual element temperature coincides with the target value 750 ° C. (sensor element activation temperature). As described above, the duty ratio of the heater control signal to the transistor 23 is calculated to control the energization of the heater 2.

以上の空燃比センサ1及び制御回路20を含むECU200によってセンサ装置が構成されている。   The ECU 200 including the air-fuel ratio sensor 1 and the control circuit 20 described above constitutes a sensor device.

−空燃比センサ1の特性−
次に、上記空燃比センサ1の電圧−電流特性について説明する。
-Characteristics of the air-fuel ratio sensor 1-
Next, voltage-current characteristics of the air-fuel ratio sensor 1 will be described.

図4は、空燃比センサ1に対する印加電圧とセンサ出力である電流値との関係を示すグラフであり、図中の実線、一点鎖線、二点鎖線はそれぞれエンジン101の空燃比がストイキ(理論空燃比)、リッチ、リーンである場合の特性を示している。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the air-fuel ratio sensor 1 and the current value that is the sensor output. The solid line, the alternate long and short dash line, and the alternate long and two short dashes line in FIG. (Fuel ratio), rich, and lean.

この図4に示すように、空燃比がストイキ、リッチ及びリーンのいずれの状態であっても、空燃比センサ1の電圧−電流特性としては、印加電圧を変化させても電流値が殆ど変化せず一定の限界電流値となる限界電流域が存在する。そして、印加電圧が限界電流域の最大電圧(以下「上限電圧」という)よりも高くなると、電流はその印加電圧の上昇に応じて比例的に上昇していく。逆に、印加電圧が限界電流域の最小電圧(以下「下限電圧」という)よりも低くなると、電流はその印加電圧の下降に応じて比例的に下降していく。例えば、空燃比がストイキの状態にある場合には、上記限界電流域は「0.1V」〜「0.9V」であり、限界電流値の大きさは、略「0mA」である。この場合、上記上限電圧は「0.9V」に相当し、下限電圧は「0.1V」に相当する。   As shown in FIG. 4, regardless of whether the air-fuel ratio is stoichiometric, rich or lean, the voltage-current characteristic of the air-fuel ratio sensor 1 is that the current value hardly changes even if the applied voltage is changed. There is a limit current region where the limit current value is constant. When the applied voltage becomes higher than the maximum voltage in the limit current region (hereinafter referred to as “upper limit voltage”), the current increases in proportion to the increase in the applied voltage. Conversely, when the applied voltage becomes lower than the minimum voltage in the limit current region (hereinafter referred to as “lower limit voltage”), the current decreases in proportion to the decrease in the applied voltage. For example, when the air-fuel ratio is in a stoichiometric state, the limit current region is “0.1 V” to “0.9 V”, and the magnitude of the limit current value is approximately “0 mA”. In this case, the upper limit voltage corresponds to “0.9 V”, and the lower limit voltage corresponds to “0.1 V”.

また、上記限界電流域は概ね酸素濃度が高くなるほど高電圧側にシフトする。このため、空燃比を正確に検出するには、空燃比センサ1に対する印加電圧を限界電流域上で正しく制御する必要があり、図中に破線の直線で示す目標印加電圧線を設定しておき、この目標印加電圧線上でその都度の電流値に応じて印加電圧を決定するようにしている。具体的には、空燃比センサ1の出力である電流値毎に限界電流域の中央値としての電圧値を求めておき、この電流値に応じて印加電圧が限界電流域の中央値となるように調整している。これにより、印加電圧が限界電流域から逸脱してしまうことを回避し、電流値に応じた酸素濃度の検出が高い精度で得られるようにしている。   The limit current region shifts to the higher voltage side as the oxygen concentration increases. For this reason, in order to accurately detect the air-fuel ratio, it is necessary to correctly control the applied voltage to the air-fuel ratio sensor 1 in the limit current region, and a target applied voltage line indicated by a broken line in the figure is set in advance. The applied voltage is determined according to the current value on each target applied voltage line. Specifically, a voltage value as the median value of the limit current region is obtained for each current value that is the output of the air-fuel ratio sensor 1, and the applied voltage becomes the median value of the limit current region according to this current value. It is adjusted to. Thereby, it is avoided that the applied voltage deviates from the limit current region, and detection of the oxygen concentration according to the current value is obtained with high accuracy.

−空燃比センサの異常診断−
次に、本実施形態の特徴とする動作である空燃比センサ1の異常診断についての複数の実施形態を説明する。
-Air-fuel ratio sensor abnormality diagnosis-
Next, a plurality of embodiments for abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor 1 that are operations characteristic of the present embodiment will be described.

(第1実施形態)
先ず、第1実施形態について説明する。本実施形態は、以下の2つの異常診断が行われる。
(1)上記印加電圧が所定範囲外にある場合には空燃比センサ1に異常が発生していると判定する。
(2)エンジン101の燃料噴射停止時(本発明でいう燃料供給停止時:以下、フューエルカット時という)またはアイドリング運転時において、上記印加電圧が所定範囲外にある場合には空燃比センサ1に異常が発生していると判定する。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. In the present embodiment, the following two abnormality diagnoses are performed.
(1) When the applied voltage is outside the predetermined range, it is determined that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1.
(2) When the fuel injection of the engine 101 is stopped (when fuel supply is stopped in the present invention: hereinafter referred to as fuel cut) or during idling operation, if the applied voltage is outside the predetermined range, the air-fuel ratio sensor 1 is It is determined that an abnormality has occurred.

以下、図5のフローチャート、図6及び図7の電圧−電流特性図を用いて本実施形態の異常診断について具体的に説明する。この図5に示すルーチンは、所定時間毎、または、クランクシャフト115の所定角度回転毎に実行される。   Hereinafter, the abnormality diagnosis of the present embodiment will be specifically described with reference to the flowchart of FIG. 5 and the voltage-current characteristic diagrams of FIGS. 6 and 7. The routine shown in FIG. 5 is executed every predetermined time or every predetermined angle rotation of the crankshaft 115.

先ず、ステップST1において、空燃比センサ1に対する印加電圧が所定範囲内であるか否かを判定する。この判定は、フューエルカット時やアイドリング運転時を問わず、上記所定時間毎、または、クランクシャフト115の所定角度回転毎に行われる。   First, in step ST1, it is determined whether or not the voltage applied to the air-fuel ratio sensor 1 is within a predetermined range. This determination is made every predetermined time or every predetermined angle rotation of the crankshaft 115 regardless of whether the fuel cut or idling operation is performed.

そして、印加電圧が所定範囲外となっておりステップST1でNO判定された場合にはステップST7に移って空燃比センサ1に異常が発生していると判定する。   If the applied voltage is outside the predetermined range and NO is determined in step ST1, the process proceeds to step ST7, where it is determined that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1.

ここでいう所定範囲とは、上記限界電流域の内の所定の範囲内であって、本実施形態では、この限界電流域の全体に対して、その中央部分の60%領域(限界電流域での電圧値の範囲に対して60%の範囲)に設定されている。つまり、上述したような電圧値を目標電圧値に調整する制御(印加電圧が限界電流域の中央値である目標印加電圧線上の値となるような制御)を行っているにも拘わらず、その電圧値が限界電流域の中央値(限界電流域の中央の電圧値)に対して正側または負側に30%以上ずれが生じている場合に空燃比センサ1に異常が生じていると判定(ステップST7)するようにしている。   The predetermined range here is a predetermined range within the above-mentioned limit current region, and in this embodiment, 60% region (in the limit current region) of the central portion of the entire limit current region. 60% of the voltage value range). That is, although control as described above is performed to adjust the voltage value to the target voltage value (control so that the applied voltage becomes a value on the target applied voltage line that is the median value of the limit current region) It is determined that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1 when the voltage value deviates by 30% or more on the positive side or the negative side with respect to the median value of the limit current region (voltage value at the center of the limit current region). (Step ST7).

一方、印加電圧が所定範囲内となっておりステップST1でYES判定された場合にはステップST2に移って、現在のエンジン101の運転状態はフューエルカット(F/C)中であるか否かを判定する。例えば、エンジン回転数が予め定められた所定値(フューエルカット回転数)以上でアクセルオフという条件(フューエルカット条件)が成立したことでフューエルカット中である場合には、このステップST2でYES判定されてステップST3に移る。   On the other hand, if the applied voltage is within the predetermined range and YES is determined in step ST1, the process proceeds to step ST2, and it is determined whether or not the current operating state of the engine 101 is fuel cut (F / C). judge. For example, if the engine speed is equal to or higher than a predetermined value (fuel cut speed) and the accelerator is turned off (fuel cut condition) is established and fuel cut is in progress, YES is determined in step ST2. Then, the process proceeds to step ST3.

一方、現在のエンジン101の運転状態がフューエルカット中でない場合には、ステップST2でNO判定され、本ルーチンを一旦終了する。   On the other hand, if the current operating state of the engine 101 is not during fuel cut, a NO determination is made in step ST2, and this routine is temporarily terminated.

ステップST3では、空燃比センサ1に対する印加電圧が所定範囲内であるか否かを判定する。つまり、フューエルカット中であって、排気通路112内の大部分が空気であり燃料が殆ど存在していない状況において、上記印加電圧が所定範囲内であるか否かを判定する(異常診断実行手段による空燃比センサ1の異常診断動作)。   In step ST3, it is determined whether or not the voltage applied to the air-fuel ratio sensor 1 is within a predetermined range. That is, it is determined whether or not the applied voltage is within a predetermined range in a situation where the fuel cut is being performed and most of the exhaust passage 112 is air and there is almost no fuel (abnormality diagnosis execution means). (Abnormality diagnosis operation of the air-fuel ratio sensor 1).

ここでいう所定範囲とは、排気通路112に燃料が存在していない場合(空燃比が最大リーンである場合)、つまり、空燃比センサ1の出力電流値が最も高くなる場合における上記限界電流域(図4における範囲Vle)の内の所定の範囲内であって、本実施形態では、この限界電流域の全体に対して、その中央部分の約30%領域(限界電流域での電圧値の範囲に対して約30%の範囲:本発明でいう印加電圧適正範囲に相当)に設定されている。   The predetermined range here refers to the above limit current region when no fuel is present in the exhaust passage 112 (when the air-fuel ratio is the maximum lean), that is, when the output current value of the air-fuel ratio sensor 1 is the highest. (In the range Vle in FIG. 4), in the present embodiment, with respect to the entire limit current region, about 30% of the central portion (the voltage value in the limit current region) The range is set to about 30% of the range (corresponding to the appropriate applied voltage range in the present invention).

つまり、上述したような電圧値を目標電圧値に調整する制御を行っているにも拘わらず、その電圧値が限界電流域の中央値(限界電流域の中央の電圧値)に対して正側または負側に15%以上ずれが生じている場合に空燃比センサ1に異常が生じていると判定(ステップST7)するようにしている。上記数値は、これに限定されるものではなく、空燃比センサ1の特性などに応じて適切に設定される。   In other words, despite the control for adjusting the voltage value as described above to the target voltage value, the voltage value is positive with respect to the median value of the limit current region (the voltage value at the center of the limit current region). Alternatively, when there is a deviation of 15% or more on the negative side, it is determined that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1 (step ST7). The above numerical values are not limited to this, and are appropriately set according to the characteristics of the air-fuel ratio sensor 1 and the like.

図6は、このフューエルカット中において空燃比センサ1に異常が生じていない場合の電圧−電流特性を示している。上述した如く、限界電流域の中央の電圧値(上記目標印加電圧線上の電圧値)に対して正側及び負側に15%ずれた位置に異常判定ラインL1,L2を設定しておき、印加電圧値が、この異常判定ラインL1,L2を超えた値となっている場合には空燃比センサ1に異常が生じていると判定するようにしている。   FIG. 6 shows voltage-current characteristics when no abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1 during the fuel cut. As described above, the abnormality determination lines L1 and L2 are set at positions shifted by 15% on the positive side and the negative side with respect to the central voltage value (voltage value on the target applied voltage line) in the limit current region. When the voltage value exceeds the abnormality determination lines L1 and L2, it is determined that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1.

一方、印加電圧が所定範囲内となっておりステップST3でYES判定された場合にはステップST4に移って、現在のエンジン101の運転状態はアイドリング運転中であるか否かを判定する。一般に、アイドリング運転中には、エンジン101は略無負荷状態であって空燃比としては理論空燃比(ストイキ)に維持されている。このアイドリング運転中であるか否かの判定は、エンジン回転数やアクセル操作量に基づいて行われ、例えば、エンジン回転数が所定のアイドリング回転数であり且つアクセル操作量が「0」である場合には、ステップST4でYES判定されてステップST5に移る。   On the other hand, if the applied voltage is within the predetermined range and YES is determined in step ST3, the process proceeds to step ST4 to determine whether or not the current operating state of the engine 101 is idling. In general, during the idling operation, the engine 101 is in a substantially no-load state, and the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric) is maintained as the air-fuel ratio. Whether or not the idling operation is being performed is determined based on the engine speed and the accelerator operation amount. For example, when the engine speed is a predetermined idling speed and the accelerator operation amount is “0”. In step ST4, YES is determined, and the process proceeds to step ST5.

一方、現在のエンジン101の運転状態がアイドリング運転中でない場合には、ステップST4でNO判定され、本ルーチンを一旦終了する。   On the other hand, if the current operating state of the engine 101 is not idling, NO is determined in step ST4, and this routine is temporarily terminated.

ステップST5では、空燃比センサ1に対する印加電圧が所定範囲内であるか否かを判定する。つまり、アイドリング運転中であって、排気通路112内の空燃比(排気空燃比)が理論空燃比である状況において上記印加電圧が所定範囲内であるか否かを判定する(異常診断実行手段による空燃比センサ1の異常診断動作)。   In step ST5, it is determined whether the voltage applied to the air-fuel ratio sensor 1 is within a predetermined range. That is, it is determined whether or not the applied voltage is within a predetermined range in a situation where the idling operation is being performed and the air-fuel ratio (exhaust air-fuel ratio) in the exhaust passage 112 is the stoichiometric air-fuel ratio (by the abnormality diagnosis executing means). Abnormality diagnosis operation of the air-fuel ratio sensor 1).

ここでいう所定範囲とは、排気通路112内が理論空燃比(ストイキ)である場合、つまり、空燃比センサ1の出力電流値が上記限界電流域において「0」となる場合における上記限界電流域の内の所定の範囲内であって、本実施形態では、この限界電流域の全体に対して、その中央部分の約50%領域(限界電流域での電圧値の範囲に対して約50%の範囲:本発明でいう印加電圧適正範囲に相当)に設定されている。   The predetermined range here refers to the limit current region when the exhaust passage 112 has a stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric), that is, when the output current value of the air-fuel ratio sensor 1 is “0” in the limit current region. In this embodiment, in the present embodiment, about 50% of the central portion of the entire limit current region (about 50% of the voltage value range in the limit current region). Range: equivalent to the appropriate applied voltage range in the present invention).

つまり、上述したような電圧値を目標電圧値に調整する制御を行っているにも拘わらず、その電圧値が限界電流域の中央値(限界電流域の中央の電圧値)に対して正側または負側に25%以上ずれが生じている場合に空燃比センサ1に異常が生じていると判定(ステップST7)するようにしている。上記数値は、これに限定されるものではなく、空燃比センサ1の特性などに応じて適切に設定される。   In other words, despite the control for adjusting the voltage value as described above to the target voltage value, the voltage value is positive with respect to the median value of the limit current region (the voltage value at the center of the limit current region). Alternatively, when there is a deviation of 25% or more on the negative side, it is determined that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1 (step ST7). The above numerical values are not limited to this, and are appropriately set according to the characteristics of the air-fuel ratio sensor 1 and the like.

図7は、このアイドリング運転中において空燃比センサ1に異常が生じていない場合の電圧−電流特性を示している。上述した如く、限界電流域の中央の電圧値(上記目標印加電圧線上の電圧値)に対して正側及び負側に25%ずれた位置に異常判定ラインL3,L4を設定しておき、印加電圧値が、この異常判定ラインL3,L4を超えた値となっている場合には空燃比センサ1に異常が生じていると判定するようにしている。   FIG. 7 shows voltage-current characteristics when no abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1 during the idling operation. As described above, the abnormality determination lines L3 and L4 are set at positions shifted by 25% on the positive side and the negative side with respect to the central voltage value (voltage value on the target applied voltage line) in the limit current region. When the voltage value exceeds the abnormality determination lines L3 and L4, it is determined that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1.

また、空燃比センサ1に対する印加電圧が所定範囲内にあり、ステップST5でYES判定された場合にはステップST6に移り、空燃比センサ1に異常は生じていないとして、そのまま本ルーチンを終了する。   If the applied voltage to the air-fuel ratio sensor 1 is within the predetermined range and YES is determined in step ST5, the routine proceeds to step ST6, and this routine is terminated as it is, assuming that no abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1.

一方、上記ステップST1、ステップST3またはステップST5でNO判定された場合には、ステップST7に移り、空燃比センサ1に異常が生じていると判定し、例えば、車室内のメータパネル上のMIL(警告灯)を点灯させて運転者に警告を促すと共に、上記ECU200に備えられたダイアグノーシスに異常情報が書き込まれることになる。   On the other hand, if NO is determined in step ST1, step ST3, or step ST5, the process proceeds to step ST7, where it is determined that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1, and for example, MIL ( The warning light is turned on to alert the driver, and abnormal information is written in the diagnosis provided in the ECU 200.

以上説明したように、本実施形態によれば、空燃比が予め認識され且つ安定した状況で、空燃比センサ1の異常診断が行われる。そして、この空燃比に応じた電流値に対して予め設定された印加電圧適正範囲(上述した如く、フューエルカット中である場合には限界電流域の全体に対して約30%の範囲、アイドリング運転中である場合には限界電流域の全体に対して約50%の範囲)から実際の印加電圧の値が外れている場合には空燃比センサ1が異常であると診断するようにしている。これにより空燃比センサの異常を正確に診断することができる。   As described above, according to the present embodiment, the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor 1 is performed in a situation where the air-fuel ratio is recognized in advance and is stable. An appropriate applied voltage range set in advance for the current value corresponding to the air-fuel ratio (as described above, a range of about 30% with respect to the entire limit current region when the fuel cut is in progress, idling operation) If the actual applied voltage value deviates from the range of about 50% with respect to the entire limit current region in the case of medium, the air-fuel ratio sensor 1 is diagnosed as abnormal. Thereby, the abnormality of the air-fuel ratio sensor can be accurately diagnosed.

尚、上述した実施形態では、フューエルカット状態としては、エンジン101の稼働状態で燃料噴射を停止する場合について説明したが、エンジン停止を伴うフューエルカット状態においても上記と同様の異常診断動作を行うことが可能である。例えば、アイドリングストップ制御を行う自動車やハイブリッド自動車においてエンジンが停止された際に空燃比センサ1の異常診断動作を行うことが挙げられる。   In the above-described embodiment, the fuel cut state has been described with respect to the case where the fuel injection is stopped while the engine 101 is operating. Is possible. For example, an abnormality diagnosis operation of the air-fuel ratio sensor 1 may be performed when the engine is stopped in a car or a hybrid car that performs idling stop control.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態は、エンジン101のフューエルカット時に上記印加電圧を徐変していき、それに伴って電流値が変化した際の印加電圧値を検出し、その検出された印加電圧値に基づいて空燃比センサ1の異常診断を行うようにしている。以下、具体的に説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In the present embodiment, the applied voltage is gradually changed at the time of fuel cut of the engine 101, the applied voltage value when the current value changes accordingly is detected, and the air-fuel ratio is based on the detected applied voltage value. An abnormality diagnosis of the sensor 1 is performed. This will be specifically described below.

図8の実線は、エンジン101のフューエルカット時(空燃比が最大リーンであるとき)において、空燃比センサ1に異常が生じていない場合における電圧−電流特性を示している。これに対し、破線は、同じくフューエルカット時において、空燃比センサ1に異常が生じている場合における電圧−電流特性の一例を示している。このように、空燃比センサ1に異常が生じている場合には、上記限界電流域が高電圧側に移行することになる。この移行量(電圧−電流特性のずれ量)は空燃比センサ1の劣化度合いが進むほど大きくなっていく。   The solid line in FIG. 8 shows the voltage-current characteristics when no abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1 when the engine 101 is fuel cut (when the air-fuel ratio is the maximum lean). On the other hand, the broken line shows an example of the voltage-current characteristic in the case where an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1 at the same time during fuel cut. Thus, when an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1, the limit current region shifts to the high voltage side. This shift amount (voltage-current characteristic deviation amount) increases as the degree of deterioration of the air-fuel ratio sensor 1 progresses.

このため、エンジン101のフューエルカット時に上記印加電圧を徐変していき、それに伴って電流値の変化が開始される印加電圧値を検出し、その電圧値が正常値とは異なっている場合には、空燃比センサ1に異常が生じていると判定するようにしている。   For this reason, when the applied voltage is gradually changed at the time of the fuel cut of the engine 101, the applied voltage value at which the change of the current value is started is detected, and the voltage value is different from the normal value. Determines that an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1.

つまり、印加電圧を徐々に高くしていく徐変動作を行い、上記限界電流域の上限電圧(本発明でいう電流変化開始電圧値に相当)に達した時点から電流値が変化(電流値が上昇)していく場合に、その上限電圧に応じて空燃比センサ1に異常が生じているか否かを判定する。   That is, a gradual change operation in which the applied voltage is gradually increased is performed, and the current value changes (the current value is reduced) from the time when the upper limit voltage (corresponding to the current change start voltage value in the present invention) is reached. When the air-fuel ratio sensor 1 is abnormal, it is determined according to the upper limit voltage.

空燃比センサ1に異常が生じていない場合には、印加電圧が、図8における印加電圧Vaを超えた時点から電圧値が上昇していくことになる。これに対し、空燃比センサ1に異常が生じておれば、電流値の変化が開始される印加電圧値は上述したものとは異なることになる。つまり、印加電圧を図中のVaまで上昇させても電流値は変化せず、例えば印加電圧が図8における印加電圧Vbを超えた時点から電流値が上昇していくことになる。   When no abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1, the voltage value increases from the time when the applied voltage exceeds the applied voltage Va in FIG. On the other hand, if an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1, the applied voltage value at which the change in the current value is started is different from that described above. That is, even if the applied voltage is increased to Va in the figure, the current value does not change. For example, the current value increases from the time when the applied voltage exceeds the applied voltage Vb in FIG.

このように、本実施形態では、上記印加電圧を徐変していき、それに伴って電流値が変化した際の印加電圧値を検出することで空燃比センサ1の異常診断を行うようにしている。これにより、空燃比センサ1の異常を正確に診断することができる。   As described above, in this embodiment, the applied voltage is gradually changed, and the abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor 1 is performed by detecting the applied voltage value when the current value changes accordingly. . Thereby, the abnormality of the air-fuel ratio sensor 1 can be accurately diagnosed.

尚、本実施形態では、印加電圧の徐変動作として印加電圧を徐々に高くしていく場合について説明したが、印加電圧を徐々に低くしていく徐変動作を行ってもよい。この場合にも、空燃比センサ1に異常が生じている場合には、電流値の変化が開始される印加電圧値としては、空燃比センサ1に異常が生じていない場合に比べて高い値として得られることになる(図8における印加電圧Va’,Vb’を参照)。   In the present embodiment, the case where the applied voltage is gradually increased as the gradually changing operation of the applied voltage has been described. However, a gradually changing operation in which the applied voltage is gradually decreased may be performed. Also in this case, when an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1, the applied voltage value at which the change in current value is started is set to a higher value than when no abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1. (See applied voltages Va ′ and Vb ′ in FIG. 8).

(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。本実施形態は、エンジン101のフューエルカット時に上記印加電圧を徐変していき、上記電流値が変化した際における印加電圧の単位変化量に対する上記電流値の変化量が、所定の異常判定変化量よりも小さい場合に空燃比センサが異常であると診断するようにしている。つまり、上記限界電流域を外れた領域での電流値の変化の傾きが、適正な傾きよりも小さい場合に空燃比センサが異常であると診断するようにしている。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In the present embodiment, the applied voltage is gradually changed at the time of fuel cut of the engine 101, and the change amount of the current value with respect to the unit change amount of the applied voltage when the current value changes is a predetermined abnormality determination change amount. If the air-fuel ratio sensor is smaller, the air-fuel ratio sensor is diagnosed as abnormal. That is, the air-fuel ratio sensor is diagnosed as abnormal when the slope of the change in the current value outside the limit current region is smaller than the proper slope.

以下、図9のフローチャート、図10の電圧−電流特性図を用いて本実施形態の異常診断について具体的に説明する。尚、図10の実線は、空燃比センサ1に異常が生じていない場合の各空燃比における電圧−電流特性を示している。これに対し、破線は、空燃比センサ1に異常が生じている場合の各空燃比における電圧−電流特性の一例を示している。   Hereinafter, the abnormality diagnosis of this embodiment will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. 9 and the voltage-current characteristic diagram of FIG. Note that the solid line in FIG. 10 indicates the voltage-current characteristics at each air-fuel ratio when no abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1. On the other hand, the broken line shows an example of the voltage-current characteristic at each air-fuel ratio when an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1.

図9に示すルーチンは、所定時間毎、または、クランクシャフト115の所定角度回転毎に実行される。   The routine shown in FIG. 9 is executed every predetermined time or every predetermined angle rotation of the crankshaft 115.

先ず、ステップST11において、現在のエンジン101の運転状態はフューエルカット(F/C)中またはエンジン停止中であるか否かを判定する。例えば、エンジン回転数が予め定められた所定値(フューエルカット回転数)以上でアクセルオフという条件(フューエルカット条件)が成立したことでフューエルカット中である場合や、エンジン101の稼働が停止されている場合には、このステップST11でYES判定されてステップST12に移る。   First, in step ST11, it is determined whether the current operating state of the engine 101 is during fuel cut (F / C) or when the engine is stopped. For example, when the engine speed is equal to or higher than a predetermined value (fuel cut speed) and the accelerator off condition (fuel cut condition) is satisfied, the fuel cut is in progress, or the operation of the engine 101 is stopped. If YES, YES is determined in step ST11 and the process proceeds to step ST12.

一方、現在のエンジン101の運転状態がフューエルカット中でなく且つエンジン停止中でもない場合には、ステップST11でNO判定され、本ルーチンを一旦終了する。   On the other hand, if the current operating state of the engine 101 is neither the fuel cut nor the engine stopped, a NO determination is made in step ST11, and this routine is temporarily terminated.

ステップST12では、現在の印加電圧から徐々に印加電圧を増大させていく印加電圧徐変動作を開始する。   In step ST12, an applied voltage gradual change operation that gradually increases the applied voltage from the current applied voltage is started.

その後、ステップST13に移り、上記印加電圧徐変動作に伴って電流値が変化していった場合の変化初期時の値(変化開始時電流値:図10におけるIa)となった場合の印加電圧と、この変化開始時電流値から所定量だけ高い電流値(図10におけるIb)となった場合の印加電圧とをモニタする。この際、空燃比センサ1に異常が生じていない場合には、電流値Iaに対応する印加電圧は図中のVaとなり、電流値Ibに対応する印加電圧は図中のVbとなる。これに対し、空燃比センサ1に異常が生じている場合には、電流値Iaに対応する印加電圧は図中のVa’となり、電流値Ibに対応する印加電圧は図中のVb’となる。つまり、空燃比センサ1に異常が生じている場合には、両方印加電圧の差が大きくなる。   Thereafter, the process proceeds to step ST13, where the applied voltage when the current value changes with the applied voltage gradual change operation (the current value at the start of change: Ia in FIG. 10). And the applied voltage when the current value (Ib in FIG. 10) is higher than the current value at the start of change by a predetermined amount. At this time, if no abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1, the applied voltage corresponding to the current value Ia is Va in the figure, and the applied voltage corresponding to the current value Ib is Vb in the figure. On the other hand, when an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1, the applied voltage corresponding to the current value Ia is Va ′ in the figure, and the applied voltage corresponding to the current value Ib is Vb ′ in the figure. . That is, when an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1, the difference between both applied voltages becomes large.

更に、ステップST14において、上記各値から、印加電圧の単位変化量に対する上記電流値の変化量(電流値の変化割合(電流変化の傾き):R)を以下の式(1)によって算出する。   Further, in step ST14, the change amount of the current value with respect to the unit change amount of the applied voltage (current value change ratio (inclination of current change): R) is calculated from the above values by the following equation (1).

R=(Ib−Ia)/(Vb−Va) …(1)
ここで、上記式(1)におけるVa,Vbの具体的な値としては、空燃比センサ1に異常が生じていない場合には、図10におけるVa,Vbが代入されることになる。一方、空燃比センサ1に異常が生じている場合には、図10におけるVa’,Vb’が代入されることになる。
R = (Ib−Ia) / (Vb−Va) (1)
Here, as specific values of Va and Vb in the above formula (1), Va and Vb in FIG. 10 are substituted when there is no abnormality in the air-fuel ratio sensor 1. On the other hand, when an abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1, Va ′ and Vb ′ in FIG. 10 are substituted.

その後、ステップST15に移り、上記電流値の変化割合Rが、予め設定された判定閾値Kaよりも小さいか否かを判定する。この判定閾値Kaとしては、後述するように、空燃比センサ1の劣化度合いが比較的小さく、例えばリーン側の空燃比検出に関しては空燃比センサ1の継続使用が可能な程度の劣化であるか否かを判定する値として設定されている。   Thereafter, the process proceeds to step ST15, where it is determined whether or not the current value change rate R is smaller than a preset determination threshold Ka. As will be described later, this determination threshold value Ka has a relatively small degree of deterioration of the air-fuel ratio sensor 1, for example, whether or not the lean-side air-fuel ratio detection is of such a degree that the air-fuel ratio sensor 1 can be used continuously. It is set as a value for determining whether or not.

そして、この電流値の変化割合Rが判定閾値Ka以上であり、正常の範囲内である場合には、このステップST15でNO判定され、ステップST16に移り、空燃比センサ1に異常は生じていないとして、そのまま本ルーチンを終了する。   If the change rate R of the current value is equal to or greater than the determination threshold Ka and is within the normal range, NO is determined in step ST15, the process proceeds to step ST16, and no abnormality occurs in the air-fuel ratio sensor 1. Then, this routine is finished as it is.

一方、上記電流値の変化割合Rが判定閾値Ka未満であり、ステップST15でYES判定された場合には、ステップST17に移る。このステップST17では、上記電流値の変化割合Rが、予め設定された判定閾値Kbよりも小さいか否かを判定する。この判定閾値Kbは、上記判定閾値Kaよりも小さな値であり、上記変化割合Rが判定閾値Kbよりも小さい場合には、空燃比センサ1の劣化度合いが非常に大きく、使用できない程の劣化量であるとして判定される値に設定されている。つまり、この判定閾値Kbが本発明でいう異常判定変化量に相当する値として設定されている。   On the other hand, when the change rate R of the current value is less than the determination threshold value Ka and the determination in step ST15 is YES, the process proceeds to step ST17. In this step ST17, it is determined whether or not the change rate R of the current value is smaller than a preset determination threshold value Kb. The determination threshold value Kb is a value smaller than the determination threshold value Ka, and when the change rate R is smaller than the determination threshold value Kb, the degree of deterioration of the air-fuel ratio sensor 1 is so large that it cannot be used. It is set to a value determined as being. That is, the determination threshold value Kb is set as a value corresponding to the abnormality determination change amount in the present invention.

上記変化割合Rが判定閾値Kbよりも小さい場合にはステップST17でYES判定され、ステップST18に移って、空燃比センサ1が使用不可能な状態にあると判定し、例えば、車室内のメータパネル上のMIL(警告灯)が点灯し、運転者に警告を促すと共に、上記ECU200に備えられたダイアグノーシスに異常情報が書き込まれることになる。   If the change rate R is smaller than the determination threshold value Kb, YES is determined in step ST17, the process proceeds to step ST18, where it is determined that the air-fuel ratio sensor 1 is in an unusable state. The upper MIL (warning light) is turned on to urge the driver to warn, and abnormality information is written in the diagnosis provided in the ECU 200.

一方、上記変化割合Rが判定閾値Kbよりも大きい場合、つまり、上記変化割合Rが上記判定閾値Kaよりも小さく且つ判定閾値Kb以上である場合には、ステップST17でNO判定され、ステップST19に移る。   On the other hand, if the change rate R is greater than the determination threshold value Kb, that is, if the change rate R is smaller than the determination threshold value Ka and greater than or equal to the determination threshold value Kb, NO is determined in step ST17, and step ST19 is reached. Move.

このステップST19では、空燃比センサ1に異常は生じているものの、その異常による悪影響は空燃比がリッチにある場合の一部の領域に限られるとして、この空燃比がリッチにある場合の使用のみを制限し、空燃比がストイキやリーンにある場合には、空燃比センサ1を継続的に使用する。以下、具体的に説明する。   In this step ST19, an abnormality has occurred in the air-fuel ratio sensor 1, but the adverse effect due to the abnormality is limited to a part of the region where the air-fuel ratio is rich. When the air-fuel ratio is stoichiometric or lean, the air-fuel ratio sensor 1 is continuously used. This will be specifically described below.

上記ステップST19の場合、上述した如く、上記変化割合Rは正常の場合よりも小さくなっているために、この電圧−電流特性の変化に対応するべく上記目標印加電圧線を変更する。つまり、図10に一点鎖線で示す正常時の目標印加電圧線を、二点鎖線で示す異常時の目標印加電圧線に変更するように、その目標印加電圧線の傾斜角度を小さくして、現時点での空燃比センサ1の限界電流域の中央の電圧値を目標電圧値とするように目標印加電圧線の変更を行う(印加電圧調整手段による印加電圧の調整動作)。   In the case of step ST19, as described above, since the change rate R is smaller than that in the normal case, the target applied voltage line is changed to correspond to the change in the voltage-current characteristic. That is, the inclination angle of the target applied voltage line is reduced so that the normal target applied voltage line indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 10 is changed to the abnormal target applied voltage line indicated by the alternate long and two short dashes line. The target applied voltage line is changed so that the voltage value at the center of the limit current region of the air-fuel ratio sensor 1 is set to the target voltage value (applied voltage adjusting operation by the applied voltage adjusting means).

このため、空燃比センサ1が正常であった場合には、出力電流値が図10中のIcとなるまで空燃比センサ1を使用することが可能であったが、空燃比センサ1が劣化した場合には、出力電流値が図10中のIdとなるまでしか空燃比センサ1を使用することができなくなる。このため、この出力電流値Id以下の出力電流値に対応する空燃比の検出については制限し、それ以上の出力電流値に対応する空燃比の検出についてのみ継続して行うようにする。   Therefore, when the air-fuel ratio sensor 1 is normal, the air-fuel ratio sensor 1 can be used until the output current value becomes Ic in FIG. 10, but the air-fuel ratio sensor 1 has deteriorated. In this case, the air-fuel ratio sensor 1 can be used only until the output current value becomes Id in FIG. For this reason, the detection of the air-fuel ratio corresponding to the output current value equal to or smaller than the output current value Id is limited, and the detection of the air-fuel ratio corresponding to the output current value higher than that is continuously performed.

これにより、空燃比センサ1の継続使用が可能になる。また、排気ガスの酸素濃度がリーン側である場合やリッチ側であっても出力電流値Id以上の出力電流値に対応する空燃比の検出については、この空燃比センサ1を正常なセンサと同様に使用することが可能となる。   As a result, the air-fuel ratio sensor 1 can be continuously used. In addition, even when the oxygen concentration of the exhaust gas is on the lean side or on the rich side, the air-fuel ratio sensor 1 is detected in the same manner as a normal sensor for detecting the air-fuel ratio corresponding to the output current value equal to or greater than the output current value Id Can be used.

−他の実施形態−
上記各実施形態では、4気筒ガソリンエンジンの排気系に配設された空燃比センサ1に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限られることなく、例えば筒6気筒ガソリンエンジンなど、他の任意の気筒数の多気筒ガソリンエンジンの排気系に配設される空燃比センサに対して適用が可能である。また、本発明はV型多気筒ガソリンエンジンや縦置き式多気筒ガソリンエンジンに搭載される空燃比センサにも適用できる。
-Other embodiments-
In each of the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to the air-fuel ratio sensor 1 disposed in the exhaust system of the four-cylinder gasoline engine has been described. The present invention is not limited to this, and can be applied to an air-fuel ratio sensor disposed in an exhaust system of a multi-cylinder gasoline engine having any other number of cylinders such as a cylinder 6-cylinder gasoline engine. The present invention can also be applied to an air-fuel ratio sensor mounted on a V-type multi-cylinder gasoline engine or a vertical multi-cylinder gasoline engine.

また、ポート噴射型ガソリンエンジンに限られることなく、筒内直噴型ガソリンエンジン搭載される空燃比センサにも適用可能である。さらに、ガソリンエンジンに限られることなく、ディーゼルエンジンに搭載される空燃比センサにも適用可能である。   Further, the present invention is not limited to a port injection type gasoline engine, but can be applied to an air-fuel ratio sensor mounted on a direct injection type gasoline engine. Furthermore, the present invention is not limited to a gasoline engine, and can also be applied to an air-fuel ratio sensor mounted on a diesel engine.

本発明は、自動車用エンジンの排気系に備えられる限界電流式の空燃比センサの異常診断に適用することが可能である。   The present invention can be applied to abnormality diagnosis of a limit current type air-fuel ratio sensor provided in an exhaust system of an automobile engine.

1 空燃比センサ
101 エンジン(内燃機関)
102 インジェクタ
112 排気通路
1 Air-fuel ratio sensor 101 Engine (internal combustion engine)
102 Injector 112 Exhaust passage

Claims (6)

内燃機関の排気通路に設けられ、通電時における出力電流値が印加電圧及び排気ガスの酸素濃度に応じて変化し、所定電圧を印加した際における上記出力電流値に基づいて排気ガスの酸素濃度を検出する空燃比センサの制御装置において、
上記内燃機関の運転状態が燃料供給停止状態またはアイドリング運転状態にあるとき、上記印加電圧の値に基づいて空燃比センサの異常診断を実行する異常診断実行手段を備えていることを特徴とする空燃比センサの制御装置。
Provided in the exhaust passage of the internal combustion engine, the output current value when energized changes according to the applied voltage and the oxygen concentration of the exhaust gas, and the oxygen concentration of the exhaust gas is determined based on the output current value when a predetermined voltage is applied. In the control device of the air-fuel ratio sensor to detect,
An abnormality diagnosis execution means is provided for executing an abnormality diagnosis of the air-fuel ratio sensor based on the value of the applied voltage when the operation state of the internal combustion engine is in a fuel supply stop state or an idling operation state. Control device for the fuel ratio sensor.
上記請求項1記載の空燃比センサの制御装置において、
上記異常診断実行手段は、上記内燃機関の運転状態が燃料供給停止状態またはアイドリング運転状態にあるとき、上記印加電圧の値が、上記内燃機関の運転状態に対応する出力電流値に対して予め設定された印加電圧適正範囲を外れている場合に、空燃比センサが異常であると診断するよう構成されていることを特徴とする空燃比センサの制御装置。
In the control apparatus for an air-fuel ratio sensor according to claim 1,
The abnormality diagnosis execution means sets the value of the applied voltage in advance with respect to an output current value corresponding to the operation state of the internal combustion engine when the operation state of the internal combustion engine is in a fuel supply stop state or an idling operation state. A control apparatus for an air-fuel ratio sensor, wherein the air-fuel ratio sensor is diagnosed as abnormal when the applied voltage is outside the appropriate range.
上記請求項1記載の空燃比センサの制御装置において、
上記空燃比センサは、印加電圧を変化させても出力電流値が殆ど変化しない限界電流域を備えた電圧−電流特性を有するものであって、
上記異常診断実行手段は、上記内燃機関の運転状態が燃料供給停止状態にあるときに、上記印加電圧を徐変していき、上記出力電流値が変化し始めた際の印加電圧値が、上記燃料供給停止状態に対応する出力電流値に対して予め設定された電流変化開始電圧値から外れている場合に空燃比センサが異常であると診断するよう構成されていることを特徴とする空燃比センサの制御装置。
In the control apparatus for an air-fuel ratio sensor according to claim 1,
The air-fuel ratio sensor has a voltage-current characteristic having a limit current region in which the output current value hardly changes even when the applied voltage is changed,
The abnormality diagnosis execution means gradually changes the applied voltage when the operating state of the internal combustion engine is in a fuel supply stop state, and the applied voltage value when the output current value starts to change is The air-fuel ratio is configured to diagnose that the air-fuel ratio sensor is abnormal when the output current value corresponding to the fuel supply stop state deviates from a preset current change starting voltage value. Sensor control device.
上記請求項1記載の空燃比センサの制御装置において、
上記空燃比センサは、印加電圧を変化させても出力電流値が殆ど変化しない限界電流域を備えた電圧−電流特性を有するものであって、
上記異常診断実行手段は、上記内燃機関の運転状態が燃料供給停止状態にあるときに、上記印加電圧を徐変していき、上記出力電流値が変化した際における印加電圧の単位変化量に対する上記出力電流値の変化量が、所定の異常判定変化量よりも小さい場合に空燃比センサが異常であると診断するよう構成されていることを特徴とする空燃比センサの制御装置。
In the control apparatus for an air-fuel ratio sensor according to claim 1,
The air-fuel ratio sensor has a voltage-current characteristic having a limit current region in which the output current value hardly changes even when the applied voltage is changed,
The abnormality diagnosis execution means gradually changes the applied voltage when the operation state of the internal combustion engine is in a fuel supply stop state, and the unit for the unit change amount of the applied voltage when the output current value changes. A control apparatus for an air-fuel ratio sensor configured to diagnose that the air-fuel ratio sensor is abnormal when the change amount of the output current value is smaller than a predetermined abnormality determination change amount.
上記請求項4記載の空燃比センサの制御装置において、
上記排気ガスの酸素濃度変化に伴う空燃比センサの出力電流値の変化に応じて印加電圧を上記限界電流域の略中央電圧値となるように印加電圧調整を行うようになっており、
上記空燃比センサが異常であると診断された場合、実際の印加電圧の単位変化量に対する出力電流値の変化量に応じて、この異常状態における限界電流域の略中央電圧値となるように空燃比センサへの印加電圧を調整する印加電圧調整手段を備えていることを特徴とする空燃比センサの制御装置。
In the control device for an air-fuel ratio sensor according to claim 4,
In accordance with the change in the output current value of the air-fuel ratio sensor accompanying the change in oxygen concentration of the exhaust gas, the applied voltage is adjusted so that the applied voltage becomes substantially the center voltage value in the limit current region
When it is diagnosed that the air-fuel ratio sensor is abnormal, the empty air-fuel ratio sensor is emptied so that it becomes approximately the center voltage value in the limit current region in this abnormal state according to the amount of change in the output current value with respect to the unit change amount of the actual applied voltage. An air-fuel ratio sensor control apparatus comprising an applied voltage adjusting means for adjusting an applied voltage to the fuel ratio sensor.
上記請求項4記載の空燃比センサの制御装置において、
上記空燃比センサが異常であると診断された場合、印加が不可能となっている電圧域に対応する出力電流値に基づく排気ガスの酸素濃度の検出を制限し、印加が可能となっている電圧域に対応する出力電流値に基づく排気ガスの酸素濃度の検出のみを実行するよう構成されていることを特徴とする空燃比センサの制御装置。
In the control device for an air-fuel ratio sensor according to claim 4,
When the air-fuel ratio sensor is diagnosed as abnormal, it can be applied by limiting the detection of the oxygen concentration of the exhaust gas based on the output current value corresponding to the voltage range where the application is impossible. A control device for an air-fuel ratio sensor, characterized in that only the detection of the oxygen concentration of exhaust gas based on the output current value corresponding to the voltage range is executed.
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