JP3149693B2 - 空燃比センサの異常検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、混合気中の空気と燃料
との比である空燃比を検出するための空燃比センサの異
常を検出する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的な内燃機関では、空気及び燃料か
らなる混合気が吸気通路を通じて燃焼室に導かれ、燃焼
される。燃焼により生じた排気ガスは、排気通路を通じ
て内燃機関の外部へ排出される。排気通路には、混合気
中の空気と燃料との比である空燃比を検出する空燃比セ
ンサが設けられている。そして、空燃比センサによる空
燃比が予め定めた所定空燃比（通常、理論空燃比）とな
るように燃料量がフィードバック制御される。理論空燃
比は、燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素量を過不足
なく含んだ混合気の空燃比である。

【０００３】空燃比センサは、排気通路内へ突出し、か
つ内部に空気が充填された管状の検出部を有している。
検出部は、ジルコニア素子の内外両面に白金電極をコー
ティングすることにより構成されたものである。ジルコ
ニア素子は、その内外での酸素濃度の差に応じた起電力
を発生し、空燃比センサはその起電力に応じた電圧を出
力する。

【０００４】前記内燃機関では、空燃比センサによる空
燃比に基づき燃料量が制御されることから、その空燃比
センサの出力電圧が信頼性の高い値であることが望まし
い。そして、空燃比センサの異常を早く、正確に検出す
ることが要求される。そこで、空燃比センサの異常を検
出するための技術が種々提案されている。その一つとし
て、空燃比センサによる空燃比を所定空燃比とするため
の燃料量のフィードバック制御中に、空燃比が所定空燃
比よりもリーンになってからリッチになるまでのリーン
時間を測定し、その測定値が予め定めた値よりも大きく
なると空燃比センサが異常であると判定する技術があ
る。また、これに関連する技術として、例えば特開昭６
０−１７３３３２号公報の「空燃比センサの異常検出方
法」がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、空燃比セン
サの異常の一つとして、検出部が欠損してその内外が連
通される現象がある。この現象が起こった場合、燃焼に
ともなう排気ガスが常に排気通路を流れていれば、検出
部の内外の気体がともに排気ガスとなり、酸素濃度差が
零（「０」）となり、起電力が発生しない。このため、
空燃比センサによる空燃比がリーンとなり、リーン時間
が予め定めた値よりも大きくなって異常と判定される。

【０００６】しかし、リーン時間の測定中に、例えば燃
料噴射が一旦停止された後に再開される等して、排気通
路を流れる気体が空気のみから燃焼にともなう排気ガス
に切り換わると、検出部の内外が一時的に正常時と同じ
状態になる。

【０００７】すなわち、燃料噴射の停止により排気通路
に空気のみが流れると、検出部内外の気体がともに空気
となる。この状態から、燃料噴射の再開により、燃焼に
ともなう排気ガスが排気通路を流れると、検出部内の気
体は空気のままで、検出部周囲の気体が排気ガスとなる
状態が一時的に起こる。すると、検出部内外で酸素濃度
の差が生じ、空燃比センサによる空燃比が一時的にリッ
チになる。

【０００８】上記した従来技術では、この検出結果に従
ってリーン時間の測定を停止し、誤った測定値を用いて
判定を行ってしまう。その結果、空燃比センサが異常で
あるにもかかわらず、正常であると誤判定するおそれが
ある。

【０００９】本発明は前述した事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、空燃比センサの検出部が欠損し
てその内外が連通した場合、排気通路を流れる気体が空
気のみから燃焼にともなう排気ガスに切り換わって、検
出部の内外が一時的に正常時と同じ状態になっても、正
常と判定されるのを防止できる空燃比センサの異常検出
装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載の発明は、空気及び燃料からなる混合
気を燃焼室に導く吸気通路と、前記燃焼室での混合気の
燃焼により生じた排気ガスを流通可能にした排気通路
と、前記排気通路内へ突出し、かつ内部に空気が充填さ
れた管状の検出部を有し、同検出部内外での酸素濃度の
差に基づき、混合気中の空気と燃料との比である空燃比
を検出する空燃比センサとを備え、空燃比センサによっ
て検出される空燃比を理論空燃比にすべく燃料噴射量を
制御するようにした内燃機関に用いられるものであっ
て、前記空燃比センサによって検出される空燃比が理論
空燃比よりもリーンになると、その空燃比が理論空燃比
よりもリッチになるまでのリーン時間を測定し、その測
定値が予め定めた値よりも大きくなることをもって前記
空燃比センサに異常ありと判定し、同空燃比センサによ
って検出される空燃比が理論空燃比よりもリッチになる
ことをもって前記異常ありの判定をクリアする判定手段
と、前記内燃機関において一旦停止された燃料噴射が再
開された時点から、前記検出部の内外が連通した状態に
おいて同検出部に到達した排気ガスが同検出部の内部に
入り込むまでの時間、前記空燃比センサによって検出さ
れる空燃比が理論空燃比よりもリッチとなることに基づ
いた前記判定手段による前記異常ありの判定のクリアを
禁止する禁止手段とを備えている。

【００１１】請求項２に記載の発明は、空気及び燃料か
らなる混合気を燃焼室に導く吸気通路と、前記燃焼室で
の混合気の燃焼により生じた排気ガスを流通可能にした
排気通路と、前記排気通路内へ突出し、かつ内部に空気
が充填された管状の検出部を有し、同検出部内外での酸
素濃度の差に基づき、混合気中の空気と燃料との比であ
る空燃比を検出する空燃比センサとを備え、空燃比セン
サによって検出される空燃比を理論空燃比にすべく燃料
噴射量を制御するようにした内燃機関に用いられるもの
であって、前記空燃比センサによって検出される空燃比
が理論空燃比よりもリーンになると、その空燃比が理論
空燃比よりもリッチになるまでのリーン時間を測定し、
その測定値が予め定めた値よりも大きくなることをもっ
て前記空燃比センサが異常であると判定する手段と、前
記内燃機関において一旦停止された燃料噴射が再開され
た時点から、前記検出部の内外が連通した状態において
同検出部に到達した排気ガスが同検出部の内部に入り込
むまでの時間、前記空燃比センサによって検出される空
燃比が理論空燃比よりもリッチとなっても前記リーン時
間の測定を強制的に続行させる手段とを備えている。

【００１２】

【作用】内燃機関では、空燃比センサによる空燃比が予
め定めた所定空燃比となるように燃料量が制御される。
この際、空燃比センサが正常に作動し、その出力が実際
の空燃比の変化に対応していれば、空燃比センサによる
空燃比はリッチとリーンを繰り返すはずである。請求項
１に記載した発明では、前記空燃比センサによって検出
される空燃比が理論空燃比よりもリーンになると、その
空燃比が理論空燃比よりもリッチになるまでのリーン時
間を測定し、その測定値が予め定めた値よりも大きくな
ることをもって空燃比センサが異常であると判定する一
方、空燃比が理論空燃比よりもリッチになることをもっ
て前記異常ありの判定をクリアする。

【００１３】ところで、空燃比センサの異常の一つとし
て、検出部が欠損してその内外が連通される現象があ
る。この現象が起こり、判定手段による判定中に、排気
通路を流れる気体が空気のみから燃焼にともなう排気ガ
スに切り換わると、検出部の内外が一時的に正常時と同
じ状態になる。

【００１４】より詳述すると、排気通路に空気のみが流
れると、その空気は検出部の外面に接触するとともに検
出部内に入り込む。この状態から、燃焼にともなう排気
ガスが排気通路を流れると、一時的には検出部内に空気
が入り込んだままでその検出部の外面に排気ガスが接触
する。すると、検出部内外で酸素濃度の差が生じ、空燃
比センサによる空燃比が一時的にリッチになる。仮に、
この検出結果に従って異常判定を行えば、判定手段は空
燃比センサが異常であるにもかかわらず、正常であると
誤判定するおそれがある。

【００１５】これに対し請求項１に記載した発明では、
内燃機関において一旦停止された燃料噴射が再開された
場合、異常判定の処理内容が変更される。この変更に際
しては、検出部が欠損した場合に空燃比センサが誤って
リッチを検出するのは、検出部の周囲の排出ガスが同検
出部内に入り込むまでの短い時間であることを利用して
いる。

【００１６】すなわち、請求項１に記載した発明では、
一旦停止された燃料噴射が再開されることで、排気通路
を流れる気体が空気から燃焼にともなう排気ガスに切り
換わった時点から、前記検出部の内外が連通した状態に
おいて同検出部に到達した排気ガスが同検出部の内部に
入り込むまでの時間、本来ならばリーンを検出すべき空
燃比センサが、検出部の欠損により一時的にリッチを検
出したとしても、その検出結果に基づいた異常ありの判
定のクリアを禁止している。

【００１７】一方、請求項２に記載した発明において
は、空燃比センサによる空燃比が所定空燃比よりもリー
ンになると、その空燃比が所定空燃比よりもリッチにな
るまでのリーン時間を測定する。そして、判定手段は、
その測定値が予め定めた値よりも大きくなると、空燃比
センサの出力が実際の空燃比の変化に対応していないも
のとして、空燃比センサが異常であると判定する。

【００１８】そして、リーン時間の測定中に、排気通路
を流れる気体が空気から燃焼にともなう排気ガスに切り
換わると、異常判定の処理内容が変更される。すなわ
ち、内燃機関において一旦停止された燃料噴射が再開さ
れた時点から、前記検出部の内外が連通した状態におい
て同検出部に到達した排気ガスが同検出部の内部に入り
込むまでの時間、空燃比センサによって検出される空燃
比が理論空燃比よりもリッチへ移行してもリーン時間の
測定を強制的に続行させる。

【００１９】従って、本来ならばリーンを検出すべき空
燃比センサが、検出部の欠損により一時的にリッチを検
出したとしても、リーン時間の測定が停止されない。そ
の測定停止により誤って得られる測定値に基づき、空燃
比センサが正常であると判定されることがない。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面に
従って説明する。図１は、車両に搭載された内燃機関と
してのガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）
１の概略構成を示している。エンジン１のシリンダブロ
ック１ａには、複数の気筒（シリンダ、図では１つのみ
図示）２が並設されている。各シリンダ２内にはピスト
ン３が上下方向への往復動可能に収容されている。各ピ
ストン３は、コネクティングロッド４によってクランク
シャフト５に連結されている。

【００２１】各ピストン３の上方には燃焼室６が形成さ
れ、ここに吸気通路７及び排気通路８が連通されてい
る。各燃焼室６及び吸気通路７間は、シリンダヘッド１
ｂに取付けられた吸気弁９によって選択的に連通及び遮
断される。また、燃焼室６及び排気通路８間は、シリン
ダヘッド１ｂに取付けられた排気弁１０によって選択的
に連通及び遮断される。

【００２２】吸気通路７には、上流側から燃焼室６へ向
けて順にエアクリーナ１１、サージタンク１２、吸気マ
ニホルド１３が配設されており、これらを介してエンジ
ン１の外部の空気が燃焼室６に取り込まれる。吸気通路
７内にはスロットル弁１４が回動可能に取付けられてい
る。スロットル弁１４の回動角度に応じて吸気通路７の
流路面積が変化し、同通路７を流れる空気（吸入空気）
の量が調節される。

【００２３】吸気マニホルド１３には、各燃焼室６に燃
料を供給するための電磁式の燃料噴射弁１５が取付けら
れている。同噴射弁１５はニードルバルブ、ソレノイド
コイル等を備え、そのソレノイドコイルが通電されるこ
とによりニードルバルブが移動して、噴射口が開かれ
る。噴射口の開放にともない高圧の燃料が噴射される。
そして、噴射された燃料と空気とからなる混合気が燃焼
室６内へ導入される。

【００２４】混合気に着火するために、エンジン１には
イグナイタ１６、イグニションコイル１７、ディストリ
ビュータ１８及び気筒毎の点火プラグ１９が設けられて
いる。イグナイタ１６は外部（後記する電子制御装置）
からの点火信号に基づき、イグニションコイル１７の一
次側コイルへの通電を選択的に許容及び遮断する。一次
側コイルへの通電が遮断されると、イグニションコイル
１７の二次側コイルに高圧の二次電圧が発生する。この
二次電圧は、ディストリビュータ１８によって各点火プ
ラグ１９に分配される。すると、点火プラグ１９の電極
間に電流が流れ（放電が起こり）、火花が発生する。

【００２５】この火花によって燃焼室６内の混合気が燃
焼され、ピストン３が往復運動する。この往復運動がコ
ネクティングロッド４によって回転運動に変換され、ク
ランクシャフト５が回転駆動される。燃焼によって生じ
た燃焼室６内のガス（排気ガス）は排気通路８へ導出さ
れる。

【００２６】排気通路８には、燃焼室６から下流側へ向
けて順に排気マニホルド２０及び触媒コンバータ２１が
配設されており、これらを通じて排気ガスがエンジン１
の外部へ排出される。触媒コンバータ２１は排気ガス中
の有害な三成分（一酸化炭素、炭化水素、酸化窒素）を
触媒２２の作用で浄化させる装置である。触媒コンバー
タ２１が上記三成分を最も効率良く浄化するのは、混合
気の空燃比（空気と燃料の比）が理論空燃比になったと
きである。理論空燃比は、燃料を完全燃焼させるのに必
要な酸素量を過不足なく含んだ混合気の空燃比（約１
４．７）である。

【００２７】エンジン１の各部には、その運転状態を検
出するために、エアフロメータ２３、吸気温センサ２
４、スロットルセンサ２５、水温センサ２６、回転速度
センサ２７、基準位置センサ２８、空燃比センサとして
の酸素センサ２９及び車速センサ３０が設けられてい
る。

【００２８】エアフロメータ２３は吸気通路７を流れる
空気の量（吸入空気量）を検出し、吸気温センサ２４は
その空気の温度変化（吸気温）を検出する。スロットル
センサ２５は、スロットル弁１４の回動角度（スロット
ル開度）を検出し、水温センサ２６はエンジン１の冷却
水の温度（冷却水温）を検出する。回転速度センサ２７
及び基準位置センサ２８はともに、クランクシャフト５
と同期して回転するロータを内蔵したディストリビュー
タ１８に設けられている。回転速度センサ２７はロータ
の回転からクランクシャフト５の回転速度（エンジン回
転速度）を検出し、基準位置センサ２８はロータの回転
から、特定気筒におけるクランクシャフト５の回転角度
（クランク角）の基準位置を検出する。車速センサ３０
はトランスミッション（図示しない）に設けられて、車
両の走行速度（車速）を検出する。

【００２９】酸素センサ２９は混合気の空燃比を検出す
るためのものであり、排気通路８に取付けられている。
図２（ａ）に示すように、酸素センサ２９は、先端（図
の下端）を閉塞した略円管状の検出部３１を備えてい
る。検出部３１の大部分はジルコニア素子（ＺｒＯ₂ ）
によって構成され、その内面及び外面にはそれぞれ白金
がコーティングされている。検出部３１は、外周に多数
個の孔３２ａ，３３ａを有する一対の保護カバー３２，
３３によって覆われている。

【００３０】検出部３１及び両保護カバー３２，３３は
排気通路８内へ突出しており、同通路８を流れる気体
（燃焼により生じた排気ガス、空気等）がその検出部３
１の外面に接触するようになっている。また、検出部３
１内には空気が充填されている。ジルコニア素子は、高
温で内外両面の酸素濃度の差が大きいときに起電力を発
生する性質を有している。酸素センサ２９はこの起電力
に応じた大きさの電圧を出力する。なお、検出部３１が
欠損する等してその内外が連通され、内部に排気ガスが
入り込み、検出部３１外面に空気が接触した場合には、
マイナスの起電力が発生する。この場合、酸素センサ２
９は電圧を出力しない（出力電圧が「０」ボルトにな
る）ようになっている。

【００３１】空燃比に対する酸素センサ２９の出力電圧
の関係は図３で表される。すなわち、出力電圧は、空燃
比が理論空燃比よりも小さい（リッチ）場合に約「１」
ボルトとなり、空燃比が理論空燃比よりも大きい（リー
ン）場合に約「０」ボルトとなる。また、出力電圧は、
空燃比が理論空燃比の近傍のときに大きく変化する。

【００３２】上記酸素センサ２９の特性は比較的高温条
件下でのものであり、低温時には大きく変化する。そこ
で、セラミックス等により円管状に形成されたヒータ３
４が検出部３１内に配置されている。このヒータ３４に
よって検出部３１が高温状態に保たれ、常に図３に近い
特性の電圧が出力されるようになっている。

【００３３】車両には、上記エアフロメータ２３及び各
センサ２４〜３０の検出信号に基づき、燃料噴射弁１５
及びイグナイタ１６の各作動を制御するとともに酸素セ
ンサ２９の異常検出を行うために、電子制御装置（以下
ＥＣＵという）３５が設けられている。

【００３４】図４に示すようにＥＣＵ３５は、中央処理
装置（以下ＣＰＵという）３６、読み出し専用メモリ
（以下ＲＯＭという) ３７、ランダムアクセスメモリ
（以下ＲＡＭという）３８、バックアップＲＡＭ３９、
外部入力回路４０及び外部出力回路４１を備え、これら
は互いにバス４２によって接続されている。ＲＯＭ３７
は、後記する「異常検出ルーチン」等の制御プログラ
ム、基本噴射時間や基本点火時期を規定したマップ、初
期データ等を予め記憶している。ＣＰＵ３６はこれらの
制御プログラム等に従って各種演算処理を実行する。Ｒ
ＡＭ３８はＣＰＵ３６による演算結果を一時的に記憶す
る。バックアップＲＡＭ３９は、ＥＣＵ３５に対する電
源供給が停止された後にも、ＲＡＭ３８内の各種データ
を保持するためにバッテリ（図示しない）によってバッ
クアップされている。

【００３５】エアフロメータ２３からの吸入空気量信
号、吸気温センサ２４からの吸気温度信号、スロットル
センサ２５からのスロットル開度信号、水温センサ２６
からの冷却水温信号、回転速度センサ２７からの回転速
度信号、基準位置センサ２８からの基準位置信号、酸素
センサ２９からの酸素濃度信号及び車速センサ３０から
の車速信号は外部入力回路４０に入力される。ＣＰＵ３
６はこれらの信号に基づき、吸入空気量Ｑ、吸気温ＴＨ
Ａ、スロットル開度ＴＡ、冷却水温ＴＨＷ、エンジン回
転速度ＮＥ、クランク角の基準位置、酸素濃度及び車速
ＳＰＤを検出する。

【００３６】一方、ＣＰＵ３６は次式（１）に従って、
燃料噴射弁１５から噴射される燃料の量（噴射量）を算
出する。ここで、噴射量は、燃料噴射弁１５のニードル
バルブが開いている時間（噴射時間）、すなわち、ソレ
ノイドコイルへの通電時間によって決定される。そのた
め、式（１）では、噴射量として噴射時間ＴＡＵが算出
されるようになっている。

【００３７】ＴＡＵ＝ＴＰ×ｆ …（１） 式（１）中、ＴＰは空燃比を理論空燃比にするための基
本噴射時間であり、ＲＯＭ３７に格納されたマップを参
照して求められる。マップには、エンジン回転速度ＮＥ
及び吸入空気量Ｑをパラメータとして基本噴射時間ＴＰ
が規定されている。

【００３８】また、ｆは吸気温、暖機増量、始動後増
量、空燃比のフィードバック制御等に関する補正係数で
ある。吸気温に関する係数は、吸気温による吸入空気の
密度の差に起因して生ずる空燃比のずれを補正するため
のものである。暖機増量に関する係数は、冷間時の運転
性能向上を目的として基本噴射時間ＴＰを長くするため
のものである。始動後増量に関する係数は、エンジン１
の始動直後のエンジン回転速度ＮＥを安定させるための
ものである。

【００３９】空燃比のフィードバック制御に関する係数
としてはフィードバック補正係数ＦＡＦが用いられる。
この補正係数ＦＡＦは、混合気の空燃比が理論空燃比に
収束するように基本噴射時間ＴＰを補正するためのもの
であり、以下のようにして求められる。

【００４０】図５で示すように、ＣＰＵ３６は酸素セン
サ２９の出力電圧と理論空燃比に対応する基準値Ｖｒと
を比較し、出力電圧が基準値Ｖｒよりも高ければリッチ
と判断し、基準値Ｖｒよりも低ければリーンと判断す
る。リッチの場合、前回の検出結果と比較し、リーンか
らリッチに反転したか否かを判断する。反転があると、
ＦＡＦ−ＲＳ（ＲＳはスキップ量）を新たな補正係数Ｆ
ＡＦとするとともに、反転がないとＦＡＦ−ＫＩ（ＫＩ
は積分量，ＲＳ≧ＫＩ）を新たな補正係数ＦＡＦとす
る。

【００４１】また、空燃比がリーンの場合、ＣＰＵ３６
は前回の検出結果と比較し、リッチからリーンに反転し
たか否かを判断する。反転があると、ＦＡＦ＋ＲＳを新
たな補正係数ＦＡＦとするとともに、反転がないとＦＡ
Ｆ＋ＫＩを新たな補正係数ＦＡＦとする。従って、空燃
比がリッチとリーンとの間で反転すると、補正係数ＦＡ
Ｆが階段状に変化（スキップ）し、空燃比がリッチ又は
リーンのときには補正係数ＦＡＦが徐々に増減する。こ
のようにＣＰＵ３６は、酸素センサ２９の検出値に基づ
きフィードバック補正係数ＦＡＦを求め噴射時間ＴＡＵ
の算出に用いる。

【００４２】なお、補正係数ＦＡＦを用いた空燃比のフ
ィードバック制御は、次の停止条件が成立しない場合に
行われる。停止条件としては、例えば、エンジン１の始
動時であること、噴射燃料の始動後増量中であること、
冷却水温ＴＨＷが所定値よりも低いこと、車両が高負荷
で走行されていること、燃料カット時であること等が挙
げられる。

【００４３】ＣＰＵ３６は上記のようにして噴射時間Ｔ
ＡＵを算出すると、その算出値に応じた駆動信号を外部
出力回路４１を介して燃料噴射弁１５に出力する。ま
た、ＣＰＵ３６は、そのときのエンジン回転速度ＮＥ及
び吸入空気量Ｑに応じた基本点火時期をマップから求
め、これに各センサからの信号によって補正を加えて点
火時期を決定する。この点火時期に従いＣＰＵ３６はイ
グナイタ１６へ点火信号を出力する。

【００４４】次に、前記のように構成された本実施例の
作用及び効果について説明する。図６のフローチャート
はＣＰＵ３６によって実行される各処理のうち、酸素セ
ンサ２９の異常検出を行うためのルーチンを示してお
り、所定時間毎に実行される。この異常検出ルーチンの
各処理はリーン時間測定用のカウンタＣに基づいて実行
される。

【００４５】図７のタイミングチャートは、酸素センサ
２９の出力電圧とカウンタＣの値との対応関係を示して
いる。この図は、タイミングｔ１以降に燃料噴射が実行
され、タイミングｔ５になると燃料噴射が停止され、タ
イミングｔ６になると再び燃料噴射が実行された場合を
示している。また、同図は、タイミングｔ３に酸素セン
サ２９の検出部３１の先端が欠損し、その検出部３１の
内外が連通された場合を示している。

【００４６】まず、タイミングｔ１で、異常検出ルーチ
ンが開始された場合について説明する。このタイミング
では、検出部３１が欠損しておらず、酸素センサ２９が
正常に作動している。また、最後の燃料噴射停止（燃料
カット）が終了してから十分な時間が経過しているもの
とする。さらに、燃料噴射弁１５から燃料が噴射され、
酸素センサ２９の出力電圧が基準値Ｖｒよりも低くな
り、空燃比がリッチからリーンに切り換わった直後であ
る。そして、カウンタＣの値は「０」である。

【００４７】ＣＰＵ３６は図６のステップ１０１〜１０
５において、酸素センサ２９の異常を検出するための前
提条件が整っているか否かを判定する。ステップ１０１
では、空燃比のフィードバック制御を行うための条件が
成立しているか否か、換言すると前述した停止条件が成
立していないか否か、を判定する。ステップ１０２で
は、回転速度センサ２７によるエンジン回転速度ＮＥが
所定値α（例えば１５００ｒｐｍ）以上であるか否かを
判定する。

【００４８】ステップ１０３では、車速センサ３０によ
る車速ＳＰＤが所定値β（例えば１００ｋｍ／ｈ）未満
であるか否かを判定する。ステップ１０４では、車速セ
ンサ３０及び水温センサ２６の異常を過去に一度も検出
していないか否かを判定する。ステップ１０５では、冷
却水温ＴＨＷが所定値γ（例えば７０℃）以上であるか
否かを判定する。

【００４９】これらのステップ１０１〜１０５の判定条
件が全て成立していると、ＣＰＵ３６は前記前提条件が
整ったと判断し、ステップ１０６において酸素センサ２
９による空燃比がリッチであるか否かを判定する。前述
したようにタイミングｔ１は、酸素センサ２９による空
燃比がリッチからリーンに切り換わった直後であるの
で、ＣＰＵ３６はステップ１０６で否定判定し、ステッ
プ１０９においてカウンタＣの値を「１」インクリメン
トする。この場合、カウンタＣの値は「０」から「１」
になる。

【００５０】ＣＰＵ３６はステップ１１０において、カ
ウンタＣの値が所定値ε（例えば９０秒に相当する値）
以上であるか否かを判定する。タイミングｔ１ではこの
値が「１」であるので、ＣＰＵ３６はステップ１１０で
否定判定し、そのままこのルーチンを一旦終了する。

【００５１】次回以降の制御周期においては、酸素セン
サ２９による空燃比がリーンであれば、前記と同様にス
テップ１０１〜１０６、１０９、１１０の各処理を繰り
返す。ステップ１０９の処理を行う毎にカウンタＣの値
が「１」ずつ増加してゆく。

【００５２】タイミングｔ２において、酸素センサ２９
の出力電圧が基準値Ｖｒよりも高くなり、空燃比がリッ
チになると、ＣＰＵ３６はステップ１０１〜１０５の各
処理を実行する。ＣＰＵ３６はステップ１０６で肯定判
定し、ステップ１０７において燃料カット終了後に所定
時間δ以上経過したか否かを判定する。この所定時間δ
は、検出部３１が欠損した状態で、燃料カットが行われ
た後に燃料噴射が再開されたときに酸素センサ２９が空
燃比リッチを検出する時間よりも若干長い時間（値）に
設定されている。ここでは、過去に燃料カットが行われ
ていて、最後の燃料カットが終了してから十分な時間が
経過しているので、ＣＰＵ３６はステップ１０７で肯定
判定した後にステップ１０８へ移行し、カウンタＣの値
を「０」にリセットする。この値「０」は所定値εより
も小さい。このため、ＣＰＵ３６はステップ１１０で否
定判定し、そのままこのルーチンを一旦終了する。

【００５３】タイミングｔ２以降、酸素センサ２９によ
る空燃比がリッチであると、カウンタＣの値は「０」に
保持され続ける。従って、ＣＰＵ３６はステップ１０１
〜１０８、１１０の各処理を繰り返し、酸素センサ２９
が異常であるとは判定しない。

【００５４】タイミングｔ３で酸素センサ２９の検出部
３１の先端が欠損し、その内外が連通されると、燃料噴
射弁１５から燃料が噴射されていることから、燃焼室６
での燃焼によって生じた排気ガスが排気通路８を流れ
る。この排気ガスは検出部３１の外面に接触するととも
に、図２（ｂ）において矢印で示すように、欠損部分Ａ
からヒータ３４内を通った後、同ヒータ３４外面と検出
部３１内面との間の空間Ｓに入り込む。従って、検出部
３１の内外の気体はいずれも排気ガスであり、酸素濃度
差が「０」となり、起電力が発生しない。酸素センサ２
９の出力電圧は約「０」ボルトであり、同センサ２９に
より空燃比がリーンであることが検出される。

【００５５】ＣＰＵ３６はステップ１０１〜１０５の各
処理を実行した後、ステップ１０６で否定判定し、ステ
ップ１０９においてリーン時間を測定するためのカウン
タＣの値を「１」インクリメントする。この場合、カウ
ンタＣの値が「１」になるので、ＣＰＵ３６はステップ
１１０において否定判定し、そのままこのルーチンを一
旦終了する。

【００５６】次回以降の制御周期においては、前記と同
様にステップ１０１〜１０６、１０９、１１０の各処理
を繰り返す。ステップ１０９の処理を行う毎にカウンタ
Ｃの値が「１」ずつ増加してゆく。

【００５７】この加算により、タイミングｔ４でカウン
タＣの値が所定値εになると、ＣＰＵ３６はステップ１
１０の判定条件が成立したと判断し、ステップ１１１に
おいて酸素センサ２９が異常であると判定する。そし
て、異常判定フラグを例えば「１」に設定しバックアッ
プＲＡＭ３９に記憶させ、このルーチンを一旦終了す
る。

【００５８】タイミングｔ５で燃料カットが開始される
と、燃焼室６での燃焼が行われず、排気通路８には空気
のみが流れる。この空気は酸素センサ２９の検出部３１
の外面に接触するとともに、欠損部分Ａからヒータ３４
内を通った後、検出部３１内の空間Ｓに入り込む。この
際、検出部３１の内外の気体が同時に空気に切り換わる
のではなく、厳密には、検出部３１の周囲が空気になっ
てから、若干遅れて検出部３１内が排気ガスから空気に
切り換わる。従って、瞬間的には、検出部３１内が排気
ガスによって満たされ、外部が空気によって囲まれる。
すると、検出部３１の外部での酸素濃度の方が内部での
それよりも高くなり、マイナスの起電力が発生する。酸
素センサ２９の出力電圧は「０」ボルトとなる。

【００５９】その後、検出部３１の内外の気体はいずれ
も空気となり、酸素濃度差が「０」となり、起電力が発
生しなくなる。酸素センサ２９の出力電圧は約「０」ボ
ルトである。このため、燃料カットが行われている間
は、酸素センサ２９により空燃比がリーンであることが
検出される。

【００６０】このように燃料カットが開始されてから終
了されるまでは空燃比のリーンが検出されるので、タイ
ミングｔ５以降は、ＣＰＵ３６はステップ１０１〜１０
６、１０９〜１１１の各処理を繰り返す。

【００６１】タイミングｔ６で燃料カットが終了される
と、再び燃料噴射弁１５から燃料が噴射され、その燃料
と空気とからなる混合気が燃焼室６で燃焼され、燃焼に
よって生じた排気ガスが排気通路８を流れる。この排気
ガスは酸素センサ２９の検出部３１の外面に接触すると
ともに、欠損部分Ａからヒータ３４内を通った後、検出
部３１内の空間Ｓに入り込む。この際、検出部３１の内
外の気体が同時に排気ガスに切り換わるのではなく、厳
密には、検出部３１の周囲が排気ガスになってから、若
干遅れて検出部３１内が空気ガスから排気ガスに切り換
わる。

【００６２】従って、瞬間的には、検出部３１内が空気
であり、検出部３１の周囲が排気ガスである状態が起こ
る。この状態は、検出部３１が欠損していないときの状
態と同じである。検出部３１の外部での酸素濃度の方が
内部でのそれよりも小さくなり、プラスの起電力が発生
する。それまで「０」ボルトであった酸素センサ２９の
出力電圧が約「１」ボルトになり、同センサ２９による
空燃比がリーンからリッチに切り換わる。

【００６３】しかし、酸素センサ２９が空燃比のリッチ
を検出するのはわずかな期間である。燃料噴射の再開
後、酸素センサ２９の周囲の燃焼後の排気ガスが検出部
３１内の空間Ｓに入り込むと、検出部３１の内外の気体
がともに排気ガスとなり、酸素濃度差が「０」となり、
起電力が発生しなくなる。酸素センサ２９の出力電圧は
約「０」ボルトであり、同センサ２９により空燃比のリ
ーンが検出される。

【００６４】このように、燃料カットが停止されて燃料
噴射が再開された場合の酸素センサ２９による空燃比
は、その燃料噴射再開直後の一瞬だけリッチになり、そ
の後はリーンになる。

【００６５】従って、タイミングｔ６においては、ＣＰ
Ｕ３６はステップ１０１〜１０５の各処理を実行した
後、ステップ１０６の判定条件が成立していると判断
し、ステップ１０７において燃料カットが終了してから
所定時間δ以上経過したか否かを判定する。

【００６６】ＣＰＵ３６は、ステップ１０７の判定条件
が成立していないと判断し、ステップ１０９でカウンタ
Ｃの値を「１」インクリメントする。すなわち、酸素セ
ンサ２９によって空燃比リッチが検出されても、リーン
時間の測定を継続する。このため、カウンタＣの値が所
定値ε以上である状態が続くことになり、ＣＰＵ３６は
ステップ１１０の判定条件が成立していると判断し、ス
テップ１１１で酸素センサ２９の異常判定を行い、この
ルーチンを一旦終了する。

【００６７】上述したように、酸素センサ２９が空燃比
のリッチを検出するのはわずかな期間である。酸素セン
サ２９は、燃料カット終了後に所定時間δが経過するよ
りも前のタイミングで、空燃比のリーンを検出する。こ
のため、前記期間が経過したタイミングｔ７において、
酸素センサ２９による空燃比がリッチからリーンに切り
換わると、ＣＰＵ３６はステップ１０１〜１０６、１０
９、１１０の各処理を実行した後、このルーチンを一旦
終了する。

【００６８】なお、図７のタイミングチャートには表さ
れていないが、図６のステップ１０１〜１０５の判定条
件が一つでも成立していないと、ＣＰＵ３６は酸素セン
サ２９の異常判定を行うための前提条件が整っていない
と判断し、ステップ１０８でカウンタＣの値をクリヤす
る。すると、ステップ１１０の条件が成立しないので、
ＣＰＵ３６は酸素センサ２９を異常と判定せずにそのま
まこのルーチンを一旦終了する。

【００６９】

【００７０】以上詳述したように、酸素センサ２９の検
出部３１が欠損してその内外が連通された状態で、リー
ン時間の測定中に、排気通路８を流れる気体が空気のみ
から燃焼にともなう排気ガスに切り換わると、検出部３
１の内外が一時的に正常時と同じ状態になる。検出部３
１内外で酸素濃度の差が生じ、酸素センサ２９による空
燃比が一時的にリッチになる。この際、図６におけるス
テップ１０７の処理を省略して、図７の二点鎖線で示す
ようにリーン時間の測定を停止し、カウンタＣの値をク
リヤすると（従来技術に相当する）、酸素センサ２９が
異常であるにもかかわらず、正常であると誤判定するお
それがある。

【００７１】これに対し本実施例では、リーン時間の測
定中に、排気通路８を流れる気体が空気から燃焼にとも
なう排気ガスに切り換わると、その切り換わった時点か
ら所定時間δが経過するまでは、酸素センサ２９による
空燃比がリーンからリッチへ移行しても、リーン時間の
測定を強制的に続行させるようにしている。換言する
と、検出部３１が欠損した場合に酸素センサ２９が誤っ
てリッチを検出するのは、検出部３１の周囲の排出ガス
が同検出部３１内の空気内に入り込むまでの短い時間で
ある。この観点から、燃料噴射が再開されてから短時間
だけリッチが検出された場合には、その信号に基づく異
常判定を行わない（禁止する）ようにしている。

【００７２】従って、本来ならばリーンを検出すべき酸
素センサ２９が、検出部３１の欠損により一時的にリッ
チを検出したとしても、リーン時間の測定が停止されな
い。従来技術とは異なり、その測定停止により誤って得
られる測定値に基づき、空燃比センサが正常であると誤
判定されるのを防止できる。

【００７３】特に、本実施例では、燃料噴射弁１５から
の燃料噴射が一旦停止され、その燃料噴射が再開される
と、排気通路８内の気体が空気から燃焼にともなう排気
ガスに切り換わったとして時間測定を強制的に続行させ
るようにしている。このため、空気から排気ガスへの切
換えを、燃料噴射の停止・再開によって間接的に検知す
ることができ、排気通路８を流れる気体の種類を直接検
出するためのセンサを特別に設けなくてもすむ。

【００７４】さらに、仮に、ステップ１０７の処理が省
略された異常検出ルーチンに従って酸素センサ２９の異
常診断が行われ、その診断結果に基づいて燃料噴射制御
が行わた場合、フィードバック補正係数ＦＡＦは図８に
おいて二点鎖線で示すように変化する。タイミングｔ６
よりも前には酸素センサ２９が異常であると判定されて
いることから、補正係数ＦＡＦは「０」であり、空燃比
のフィードバック制御が行われない。

【００７５】タイミングｔ６で酸素センサ２９の出力電
圧が約「１」ボルトとなり、空燃比がリッチであること
が検出される。すると、ＣＰＵ３６は異常診断を取消し
て、通常のフィードバック制御を行おうとする。酸素セ
ンサ２９の検出結果に応じて補正係数ＦＡＦが一旦マイ
ナスの値となり、「０」に復帰する（タイミングｔ
７）。その後は、酸素センサ２９による空燃比がリーン
である状態が続くので、ＣＰＵ３６は空燃比を理論空燃
比にするために補正係数ＦＡＦを増加させてゆく。この
増加により補正係数ＦＡＦが上限ガードに達すると（タ
イミングｔ８）、その値に保持される。

【００７６】そして、この補正係数ＦＡＦが噴射時間Ｔ
ＡＵに反映されると、空燃比が過剰にリッチとなり、エ
ンジンストール、ラフアイドル等の不具合を引き起こす
おそれがある。エンジンストールはエンジン回転速度Ｎ
Ｅが低下し、エンジン１の作動が停止する現象である。
ラフアイドルは、アイドリング時にエンジン回転速度Ｎ
Ｅが大きく変動したり、エンジン１が大きく振動したり
する現象である。

【００７７】これに対し本実施例では、上記したように
酸素センサ２９が、検出部３１の欠損により一時的にリ
ッチを検出したとしても、正常と判定しない。このた
め、フィードバック補正係数ＦＡＦは、タイミングｔ６
以降においても図８において実線で示すように「０」に
保持される。従って、補正係数ＦＡＦを用いた空燃比の
フィードバック制御が行われず、空燃比の過剰なリッチ
を回避し、エンジンストール、ラフアイドル等の不具合
の発生を防止できる。

【００７８】なお、本発明は次に示す別の実施例に具体
化することができる。 （１）本発明の異常検出装置は、ヒータを有しない空燃
比センサの異常を検出する場合にも適用できる。

【００７９】

【００８０】

【００８１】

【００８２】

【００８３】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に記載し
た発明では、空燃比センサによって検出される空燃比が
理論空燃比よりもリーンになると、その空燃比が理論空
燃比よりもリッチになるまでのリーン時間を測定し、そ
の測定値が予め定めた値よりも大きくなることをもって
空燃比センサに異常ありと判定し、同空燃比センサによ
って検出される空燃比が理論空燃比よりもリッチになる
ことをもって異常ありの判定をクリアしている。そし
て、内燃機関において一旦停止された燃料噴射が再開さ
れた時点から、空燃比センサの検出部の内外が連通した
状態において同検出部に到達した排気ガスが同検出部の
内部に入り込むまでの時間、前記空燃比センサによって
検出される空燃比が理論空燃比よりもリッチとなること
に基づいた異常ありの判定のクリアを禁止するようにし
ている。一方、請求項２に記載した発明では、リーン時
間の測定中に、一旦停止された燃料噴射が再開される
と、その時点から空燃比センサの検出部の内外が連通し
た状態において同検出部に到達した排気ガスが同検出部
の内部に入り込むまでの時間、空燃比センサによって検
出される空燃比が理論空燃比よりもリッチへ移行しても
リーン時間の測定を強制的に続行させるようにしてい
る。このため、空燃比センサの検出部が欠損してその内
外が連通した場合に、排気通路を流れる気体が空気のみ
から燃焼にともなう排気ガスに切り換わって、検出部の
内外が一時的に正常時と同じ状態になっても、正常と誤
判定されるのを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した一実施例において、空燃比
センサの異常検出装置が搭載されたエンジン及びその周
辺個所を示す概略構成図である。

【図２】（ａ）は図１における酸素センサの部分拡大断
面図であり、（ｂ）は（ａ）の酸素センサの検出部先端
が欠損した状態を示す部分拡大断面図である。

【図３】図１における酸素センサの出力特性を示す特性
図である。

【図４】図１におけるＥＣＵ（電子制御装置）の内部構
成等を示すブロック図である。

【図５】酸素センサの出力電圧とフィードバック補正係
数との対応関係を示すタイミングチャートである。

【図６】図４におけるＣＰＵによって実行される異常検
出ルーチンを説明するフローチャートである。

【図７】酸素センサの出力電圧と、カウンタの値と、燃
料噴射の有無との対応関係を示すタイミングチャートで
ある。

【図８】酸素センサの出力電圧と、フィードバック補正
係数と、燃料噴射の有無との対応関係を示すタイミング
チャートである。

【符号の説明】

１…内燃機関としてのガソリンエンジン、６…燃焼室、
７…吸気通路、８…排気通路、１５…燃料噴射弁、２９
…空燃比センサとしての酸素センサ、３１…検出部、３
６…ＣＰＵ、δ…所定時間、ε…所定値。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 45/00 368 F02D 35/00 368 F02D 41/14,41/22

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気及び燃料からなる混合気を燃焼室に
   導く吸気通路と、前記燃焼室での混合気の燃焼により生
   じた排気ガスを流通可能にした排気通路と、前記排気通
   路内へ突出し、かつ内部に空気が充填された管状の検出
   部を有し、同検出部内外での酸素濃度の差に基づき、混
   合気中の空気と燃料との比である空燃比を検出する空燃
   比センサとを備え、空燃比センサによって検出される空
   燃比を理論空燃比にすべく燃料噴射量を制御するように
   した内燃機関に用いられるものであって、 前記空燃比センサによって検出される空燃比が理論空燃
   比よりもリーンになると、その空燃比が理論空燃比より
   もリッチになるまでのリーン時間を測定し、その測定値
   が予め定めた値よりも大きくなることをもって前記空燃
   比センサに異常ありと判定し、同空燃比センサによって
   検出される空燃比が理論空燃比よりもリッチになること
   をもって前記異常ありの判定をクリアする判定手段と、 前記内燃機関において一旦停止された燃料噴射が再開さ
   れた時点から、前記検出部の内外が連通した状態におい
   て同検出部に到達した排気ガスが同検出部の内部に入り
   込むまでの時間、前記空燃比センサによって検出される
   空燃比が理論空燃比よりもリッチとなることに基づいた
   前記判定手段による前記異常ありの判定のクリアを禁止
   する禁止手段と を備えた空燃比センサの異常検出装置。
2. 【請求項２】 空気及び燃料からなる混合気を燃焼室に
   導く吸気通路と、前記燃焼室での混合気の燃焼により生
   じた排気ガスを流通可能にした排気通路と、前記排気通
   路内へ突出し、かつ内部に空気が充填された管状の検出
   部を有し、同検出部内外での酸素濃度の差に基づき、混
   合気中の空気と燃料との比である空燃比を検出する空燃
   比センサとを備え、空燃比センサによって検出される空
   燃比を理論空燃比にすべく燃料噴射量を制御するように
   した内燃機関に用いられるものであって、 前記空燃比センサによって検出される空燃比が理論空燃
   比よりもリーンになると、その空燃比が理論空燃比より
   もリッチになるまでのリーン時間を測定し、その測定値
   が予め定めた値よりも大きくなることをもって前記空燃
   比センサに異常 ありと判定する手段と、 前記内燃機関において一旦停止された燃料噴射が再開さ
   れた時点から、前記検出部の内外が連通した状態におい
   て同検出部に到達した排気ガスが同検出部の内部に入り
   込むまでの時間、前記空燃比センサによって検出される
   空燃比が理論空燃比よりもリッチとなっても前記リーン
   時間の測定を強制的に続行させる手段とを備えた 空燃比
   センサの異常検出装置。