JP3500976B2 - ガス濃度センサの異常診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質を用い
て特定成分の濃度或いは空燃比を検出するためのガス濃
度センサに適用され、同ガス濃度センサの異常診断装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば車両用エンジンの空燃比を検出す
るための空燃比検出装置では、限界電流式の空燃比セン
サが機関排気管に設置され、空燃比（排気中の酸素濃
度）に応じて連続的に変化する電流出力が当該空燃比セ
ンサから取り込まれる。そして、内燃機関への燃料噴射
制御を司る電子制御装置（ＥＣＵ）は、前記空燃比検出
装置から入力したセンサの電流出力（実空燃比）に基づ
いて空燃比をフィードバック制御する。

【０００３】また、空燃比のフィードバック制御に際
し、空燃比センサが故障したり劣化したりしてセンサ出
力の特性が変化すると、当該制御に支障を来す。つま
り、空燃比制御の精度低下を招き、それに伴い排気エミ
ッションの悪化するおそれがある。そこで従来より、セ
ンサ出力に基づいて異常診断を実施する技術が各種提案
されている（例えば特開平８−１７７５７５号公報や特
開平８−２７０４８２号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記限界電
流式の空燃比センサの場合、出力の応答性や空燃比の検
出範囲といった性能がセンサ素子の温度（素子温）に応
じて変化する。そのため、素子温が異なる条件下では、
センサの異常診断を精度良く実施することができず、正
常であるのに異常であると誤診断したり、逆に異常であ
るのに正常であると誤診断したりするおそれがあった。

【０００５】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、正確で且つ信頼
性の高い異常診断を実施することができるガス濃度セン
サの異常診断装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】固体電解質からなるセン
サ素子を有するガス濃度センサの場合、センサ素子温が
小さいほど素子抵抗が大きくなる傾向にあり、同素子抵
抗は例えば内燃機関の冷間始動時には非常に大きく、暖
機に伴い次第に低下する。そのため、図１４に示される
ように、素子抵抗が大きくなるほど応答時間が増大し
（すなわち、応答性が低下し）、その状態でセンサの異
常診断を実施しても診断結果の信頼性が落ちる。また、
空燃比センサの場合、図１５に示されるように、素子抵
抗が大きくなるほど空燃比検出範囲が狭められる。

【０００７】そこで、請求項１に記載の発明では、ガス
濃度センサの素子温又は素子抵抗を検出する検出手段
と、ガス濃度センサの素子温又は素子抵抗が所定の活性
範囲にある場合に、センサの異常診断の実施を許可する
許可手段とを備える。この場合、常にガス濃度センサの
活性状態のもとで異常診断が実施される。また、仮に活
性状態から不活性状態に一時的に移行する場合にも、一
時的に異常診断を無効にすることでセンサ異常の誤検出
を防止することができる。その結果、正確で且つ信頼性
の高い異常診断を実施することができる。また、ガス濃
度センサの異常診断を行う際に、前記センサの素子温又
は素子抵抗に応じて異常判定値を可変に設定する。この
場合、ガス濃度センサが活性化途中の状態であってもい
ち早く異常診断を開始することができる。また、活性状
態から半活性状態に一時的に移行する場合であっても、
異常診断が中断されることなく継続して実施できる。つ
まり、異常判定値をセンサの活性度合に適合させること
で、広い範囲で異常診断を実施することが可能となる。

【０００８】特に請求項３に記載したように、ガス濃度
センサの出力の応答性を検出してそのセンサ応答性から
異常の有無を判定する場合、その効果は顕著になる。つ
まり、前述の通り素子温又は素子抵抗が一定の条件下で
のみ異常診断が実施されることにより、活性状態の違い
によって当該診断の結果が相違するといった不都合が回
避され、センサ応答性に基づく正確な異常診断が実施で
きる。

【０００９】因みに、本明細書で言う異常診断とは、 ・センサ劣化に伴い出力の応答性が低下する。 ・素子割れにより応答性が過剰に良くなる。 ・センサの内部配線の断線によりセンサ出力が出なくな
る。 といった各種異常を診断するものである。

【００１０】

【００１１】請求項２に記載の発明では、ガス濃度セン
サにヒータが付設され、当該センサの活性状態下におい
てその状態を維持するためのヒータの通電制御が実施さ
れるガス濃度検出装置であって、前記許可手段は、セン
サ活性状態でのヒータ通電制御が実施されていることを
条件に、前記異常診断の実施を許可する。この場合にも
やはり、正確で且つ信頼性の高い異常診断を実施するこ
とができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明
する。本実施の形態における空燃比制御システムは車両
用エンジンに適用され、同制御システムにおいては機関
排気管に設けられた空燃比センサの検出結果を基にエン
ジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の
記載では、空燃比センサを用いた空燃比（Ａ／Ｆ）の検
出手順や、同センサに対する異常診断手順を詳細に説明
する。

【００１３】図１は、本実施の形態における空燃比制御
システムの概要を示す構成図である。図１において、エ
ンジン１０は多気筒４サイクル内燃機関として構成され
ている。吸気管１１には、エンジン１０の各気筒に対し
て燃料を噴射供給するためのインジェクタ１２が配設さ
れている。また、排気管１３には限界電流式空燃比セン
サからなるＡ／Ｆセンサ３０が配設されており、同セン
サ３０は排気中の酸素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸
化炭素などの濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃
比信号を出力する。

【００１４】Ａ／Ｆセンサ３０は、センサ素子を構成す
る固体電解質３１及び拡散抵抗層３２と、固体電解質３
１の内外（大気側及び排気側）に設けられた電極３３，
３４と、センサ素子を加熱するためのヒータ３５とを備
える。ここで、固体電解質３１は酸素イオン伝導性酸化
物焼結体からなり、拡散抵抗層３２は耐熱性無機物質か
らなる。また、電極３３，３４は共に、白金等の触媒活
性の高い貴金属からなりその表面には多孔質の化学メッ
キ等が施されている。

【００１５】Ａ／Ｆセンサ３０の電圧−電流特性（Ｖ−
Ｉ特性）を図２に示す。図２によれば、Ａ／Ｆセンサ３
０の検出Ａ／Ｆに比例する固体電解質３１への流入電流
と、同固体電解質３１への印加電圧とがリニアな特性を
有することが分かる。かかる場合、電圧軸Ｖに平行な直
線部分が限界電流を特定する限界電流検出域であって、
この限界電流（センサ出力）の増減は空燃比の増減（す
なわち、リーン・リッチの度合）に対応している。つま
り、空燃比がリーン側になるほど限界電流は増大し、空
燃比がリッチ側になるほど限界電流は減少する。

【００１６】このＶ−Ｉ特性において電圧軸Ｖに平行な
直線部分（限界電流検出域）よりも小さい電圧域は抵抗
支配域となっており、その抵抗支配域における一次直線
部分の傾きは、固体電解質３１の内部抵抗（以下、これ
を素子抵抗Ｒｉという）により特定される。この素子抵
抗Ｒｉは温度変化に伴い変化し、素子温が低下すると素
子抵抗Ｒｉの増大により上記傾きが小さくなる。

【００１７】一方、図１において、ＥＣＵ１５は、イン
ジェクタ１２による燃料噴射量を最適に制御するための
エンジン制御用マイコン１６を備える。エンジン制御用
マイコン１６は、図示しないセンサ群から各種エンジン
運転情報を取り込み、これらのセンサ検出結果からエン
ジン回転数、吸気圧、水温、スロットル開度などのエン
ジン運転状態を検知する。

【００１８】空燃比検出用マイコン２０は、前記エンジ
ン制御用マイコン１６に対して相互に通信可能に接続さ
れている。空燃比検出用マイコン２０は、所定の制御プ
ログラムに従いヒータ駆動回路２５及びバイアス制御回
路４０を操作し、電圧印加に伴いＡ／Ｆセンサ３０に流
れる電流値を計測する。そして、該計測した電流値から
空燃比を検出し、その検出結果をエンジン制御用マイコ
ン１６に出力する。また、同マイコン２０は、Ａ／Ｆセ
ンサ３０が活性状態で維持されるようヒータ駆動回路２
５を操作し、必要に応じてヒータ３５を通電する。

【００１９】ここで、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加す
るためのバイアス指令信号Ｖｒは空燃比検出用マイコン
２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、同Ｄ／Ａ変換器
２１にてアナログ信号Ｖｂに変換された後、ＬＰＦ（ロ
ーパスフィルタ）２２に入力される。また、ＬＰＦ２２
にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された出力電
圧Ｖｃはバイアス制御回路４０に入力される。バイアス
制御回路４０は、空燃比検出用又は素子抵抗検出用の電
圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加する。この場合、空燃比検
出時には、前記図２の特性線Ｌ１を用いてその時の空燃
比に対応した印加電圧Ｖｐが設定されるのに対し、素子
抵抗検出時には、所定周波数信号よりなる単発的で且つ
所定の時定数を持った電圧が印加される。

【００２０】その時々の空燃比（酸素濃度）に対応する
Ａ／Ｆセンサ３０の出力は、バイアス制御回路４０内の
電流検出回路５０にて検出され、その検出値はＡ／Ｄ変
換器２３を介して空燃比検出用マイコン２０に入力され
る。ヒータ制御回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子温
やヒータ温に応じてヒータ３５への通電量をデューティ
制御し、同ヒータ３５の加熱制御を行う。

【００２１】なお、エンジン制御用マイコン１６による
空燃比Ｆ／Ｂ制御については、本案の要旨ではなく且つ
その制御内容が周知であるため、ここではその詳細な説
明を省略するが、簡単に述べると、エンジン制御用マイ
コン１６は、Ａ／Ｆセンサ３０による空燃比の検出結果
（電圧信号）やその他、各種センサの検出結果を取り込
み、それらの検出結果に基づいて現代制御或いはＰＩ制
御といった制御アルゴリズムに則って空燃比Ｆ／Ｂ制御
を実施する。つまり、その時々の空燃比が目標空燃比に
一致するよう、インジェクタ１２からエンジン１０の各
気筒に噴射供給される燃料量を制御する。

【００２２】次に、上記の如く構成される空燃比制御シ
ステムの作用を説明する。先ず始めに、空燃比検出用マ
イコン２０により実施されるメインルーチンを図３のフ
ローチャートを用いて説明する。

【００２３】図３において、先ずステップ１００では、
前回の空燃比検出時から所定時間Ｔａが経過したか否か
を判別する。所定時間Ｔａは、空燃比の検出周期に相当
する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓ程度に設定され
る。前回の空燃比検出時から所定時間Ｔａが経過してい
れば（ステップ１００がＹＥＳ）、ステップ１１０に進
んで空燃比検出処理を実施する。ステップ１００がＮＯ
であれば、そのまま本ルーチンを一旦終了する。

【００２４】ステップ１１０での空燃比検出に際し、空
燃比検出用マイコン２０は、電圧印加に伴い固体電解質
３１に流れる電流値、すなわち電流検出回路５０により
検出されるセンサ出力Ｉｐを読み込み、そのセンサ出力
Ｉｐをエンジン制御用マイコン１６に対して出力する。
また、次の空燃比検出のために、その時々の空燃比（セ
ンサ出力Ｉｐ）に対応する電圧をＡ／Ｆセンサ３０の両
電極３３，３４に印加しておく。

【００２５】その後、ステップ１２０では、前回の素子
抵抗検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別す
る。所定時間Ｔｂは、素子抵抗Ｒｉの検出周期に相当す
る時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて選択
的に設定される。本実施の形態では、空燃比の変化が比
較的小さい通常時（エンジン１０の定常運転時）にはＴ
ｂ＝２ｓ（秒）に、空燃比の急変時（エンジン１０の始
動時や過渡運転時）にはＴｂ＝１２８ｍｓ（ミリ秒）
に、というように所定時間Ｔｂが可変に設定されるよう
になっている。

【００２６】ステップ１２０がＹＥＳであれば、ステッ
プ１３０で素子抵抗Ｒｉを検出すると共に、続くステッ
プ１４０でヒータ３５の通電制御を実施する。上記ステ
ップ１３０，１４０の処理はそれぞれ、後述する図４，
図５に従い実施される。上記ステップ１２０がＮＯであ
れば、そのまま本ルーチンを一旦終了する。

【００２７】次に、前記図３のステップ１３０における
素子抵抗Ｒｉの検出手順を図４を用いて説明する。なお
本実施の形態では、素子抵抗Ｒｉの検出に際し、掃引法
を用いて「交流素子インピーダンス」を求めることとし
ている。

【００２８】図４において、ステップ１３１では、バイ
アス指令信号Ｖｒを操作しそれまでの印加電圧Ｖｐ（空
燃比検出用の電圧）に対して電圧を正側に単発的に変化
させる。素子抵抗検出用電圧の印加時間は、Ａ／Ｆセン
サ３０の周波数特性を考慮して数１０〜１００μｓ程度
とする。その後、ステップ１３２では、その時の電圧変
化量ΔＶと電流検出回路５０により検出されたセンサ出
力の変化量ΔＩとを読み取る。また、続くステップ１３
３では、前記ΔＶ，ΔＩから素子抵抗Ｒｉを算出し（Ｒ
ｉ＝ΔＶ／ΔＩ）、その後本ルーチンを終了して元の図
３のルーチンに戻る。

【００２９】上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２
２並びにバイアス制御回路４０を介し、所定の時定数を
持たせた電圧が単発的にＡ／Ｆセンサ３０に印加され
る。その結果、図６に示されるように、当該電圧の印加
からｔ時間経過後にピーク電流ΔＩ（電流変化量）が検
出され、その時の電圧変化量ΔＶとピーク電流ΔＩとか
ら素子抵抗Ｒｉが検出される（Ｒｉ＝ΔＶ／ΔＩ）。か
かる場合、ＬＰＦ２２を介して単発的な電圧をＡ／Ｆセ
ンサ３０に印加することにより、過度なピーク電流の発
生が抑制され、素子抵抗Ｒｉの検出精度が向上する。

【００３０】上記の如く求められる素子抵抗Ｒｉは、素
子温に対して図７に示す関係を有する。すなわち、素子
温が低いほど、素子抵抗Ｒｉは飛躍的に大きくなる。因
みにＡ／Ｆセンサ３０の活性温度（約７００℃）は、素
子抵抗Ｒｉ≒９０Ωに相応する。

【００３１】次に、前記図３のステップ１４０における
ヒータ通電の制御手順を図５を用いて説明する。図５に
おいて、ステップ１４１では、素子抵抗Ｒｉが固体電解
質３１（センサ素子）の半活性状態を判定するための所
定の判定値（本実施の形態では、２００Ω程度）以下で
あるか否かを判別する。例えばエンジン１０の低温始動
時等、素子温が低い場合にはＲｉ＞２００Ωとなり、ス
テップ１４２に進んでヒータ３５の「１００％通電制
御」を実施し、その後本ルーチンを終了して元の図３の
ルーチンに戻る。１００％通電制御は、ヒータ３５への
デューティ比制御信号を１００％に維持する制御であ
り、素子抵抗Ｒｉが２００Ω以下になりステップ１４１
が肯定判別されるまで継続して実施される。

【００３２】そして、ヒータ３５の加熱作用により素子
温が上昇し、ステップ１４１が肯定判別されると、ステ
ップ１４３に進んで素子抵抗Ｒｉが素子抵抗Ｆ／Ｂ制御
を開始するための所定の判定値（本実施の形態では、４
０Ω程度）以下であるか否かを判別する。ステップ１４
３の判定値は、目標素子抵抗ＲｉＴＧ（本実施の形態で
は、３０Ω）に対して「＋１０Ω」程度の値として設定
される。

【００３３】センサ活性前であって、ステップ１４３が
否定判別されると、ステップ１４４に進んで「電力制
御」によりヒータ３５の通電制御を実施し、その後本ル
ーチンを終了して元の図３のルーチンに戻る。このと
き、素子抵抗Ｒｉが大きいほど、大きな電力指令値が決
定され、その電力指令値に応じてヒータ通電のための制
御デューティ比が算出される。

【００３４】センサ活性化が完了し、前記ステップ１４
３が肯定判別されると、ステップ１４５に進んで「素子
抵抗Ｆ／Ｂ制御」を実施する。この素子抵抗Ｆ／Ｂ制御
では、以下の手順にてヒータ通電のためのデューティ比
Ｄｕｔｙが算出される。本実施の形態では、その一例と
してＰＩＤ制御手順を用いることとしている。

【００３５】つまり、次の式（１）〜（３）により比例
項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを算出する。 ＧＰ＝ＫＰ・（Ｒｉ−ＲｉＴＧ） …（１） ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（Ｒｉ−ＲｉＴＧ） …（２） ＧＤ＝ＫＤ・（Ｒｉ−Ｒｉi-1 ） …（３） 但し、上式において、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は
積分定数、「ＫＤ」は微分定数を表し、添字「ｉ−１」
は前回処理時の値を表す。

【００３６】そして、上記比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微
分項ＧＤを加算してデューティ比ＤＵＴＹを算出し（Ｄ
ＵＴＹ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）、該算出したデューティ比
ＤＵＴＹによりヒータ３５を通電する。なお、こうした
ヒータ制御手順は、上記のＰＩＤ制御に限定されるもの
ではなく、ＰＩ制御やＰ制御を実施するようにしてもよ
い。

【００３７】その後、ステップ１４６では、素子抵抗Ｆ
／ＢフラグＸＦＢに「１」をセットし、その後本ルーチ
ンを終了して元の図３のルーチンに戻る。なお図５では
省略するが、もし素子抵抗Ｆ／Ｂ制御の途中に素子抵抗
Ｒｉが増加して同Ｆ／Ｂ制御が中断される場合（例えば
素子温が低下してステップ１４４の電力制御が実施され
る場合）には、その時点で素子抵抗Ｆ／ＢフラグＸＦＢ
が「０」にクリアされるようになっている。

【００３８】次に、エンジン制御用マイコン１６により
実行される演算処理について説明する。つまり、エンジ
ン制御用マイコン１６は、図８に示す燃料カット判定ル
ーチンに従って燃料カットを適宜実施すると共に、図９
に示すセンサ異常診断ルーチンに従ってＡ／Ｆセンサ３
０の異常診断を実施する。図８，図９の各処理は、図示
しないメインルーチンの実行毎（例えば８ｍｓ毎）に実
行される。以下に図８，図９の処理を詳細に説明する。

【００３９】図８において、ステップ２０１では、スロ
ットル全閉状態が所定時間Ｔ０だけ継続したか否かを判
別し、同ステップ２０１が肯定判別されると、ステップ
２０２でエンジン回転数ＮＥが燃料カット開始回転数Ｎ
ＦＣよりも高いか否かを判別する。燃料カット開始回転
数ＮＦＣは、アイドル状態で燃料カットに入らないよう
に設定されるとよく、例えば冷却水温が低いほど高い値
に設定される。

【００４０】ステップ２０１，２０２の何れかが否定判
別されると、ステップ２０３に進んで前回の処理で燃料
カットが実行されたか否かを判別する。燃料カットが開
始されておらずステップ２０１〜２０３が全て否定判別
されると、ステップ２０５に進んで通常の燃料噴射を実
施し、その後本ルーチンを一旦終了する。つまり、燃料
カットの実行を表すための燃料カット実行フラグＸＦＣ
を「０」のまま保持する。

【００４１】一方、ステップ２０１，２０２が共に肯定
判別されると、ステップ２０６に進んで燃料カット実行
フラグＸＦＣに「１」をセットし、燃料カットを実行す
る。なお、ステップ２０１を燃料カットの実施条件とす
ることで、燃料カットによる減速時のショックが低減さ
れる。

【００４２】その後、燃料カット実行に伴いエンジン回
転数ＮＥが徐々に低下し、ステップ２０２がＮＯ、ステ
ップ２０３がＹＥＳになると、ステップ２０４に進んで
エンジン回転数ＮＥが燃料カット復帰回転数ＮＲＴより
も低下したか否かを判別する（但し、ＮＲＴ＜ＮＦＣで
ある）。そして、エンジン回転数ＮＥが燃料カット復帰
回転数ＮＲＴよりも低下すると、ステップ２０５に進ん
で燃料カット実行フラグＸＦＣを「０」にクリアする。
これにより、燃料カットから復帰されて通常の燃料噴射
が再開される。

【００４３】また図示はしないが、燃料カットの最中に
スロットルが開側に操作された場合にも、直ちに燃料カ
ットから復帰されて通常の燃料噴射が再開されるように
なっている。

【００４４】次いで、図９のセンサ異常診断ルーチンに
ついて、図１０のタイムチャートを参照しながら説明す
る。図１０のタイムチャートにおいて、時刻ｔ１以前は
燃料カットが実行され、時刻ｔ１では、エンジン回転数
ＮＥの低下に伴う燃料カット復帰により通常の燃料噴射
が再開されるようになっている。図１０中、二点鎖線は
正常時の動きを示し、実線は異常発生時の動きを示す。

【００４５】図９において、先ずステップ３０１では、
素子抵抗Ｒｉがセンサ活性状態を表す所定範囲内にある
か否かを判別する。同ステップの判別は、空燃比検出用
マイコン２０による素子抵抗Ｒｉの検出値を使って実施
される。そして、ステップ３０１が肯定判別されること
を条件に、ステップ３０２に進む。つまり、ステップ３
０１が肯定判別されることでステップ３０２以降の異常
診断の実施が許可されるのに対し、同ステップ３０１が
否定判別されると異常診断の実施が禁止される。

【００４６】その後、ステップ３０２では、燃料カット
復帰（燃料噴射再開）か否かを判別し、燃料カット復帰
でなければそのまま本ルーチンを終了する。燃料カット
復帰か否かの判別は燃料カット実行フラグＸＦＣの状態
に応じて行われ、図１０では、時刻ｔ１以前でステップ
３０２が否定判別される（但し、図１０では全期間で前
記ステップ３０１が肯定判別されるものとする）。

【００４７】その後、燃料カット復帰が行われた時点
（図１０の時刻ｔ１）でステップ３０２が肯定判別され
ると、ステップ３０３に進んで燃料カット復帰時におけ
るＡ／Ｆセンサ３０の検出値（センサ出力Ｉｐ）を読み
込み、その値を「Ｉ１」として記憶すると共に、タイマ
を作動させて燃料カット復帰後の経過時間をカウントす
る。続くステップ３０４では、燃料噴射の再開に伴いセ
ンサ出力Ｉｐが所定値Ｉ２まで低下したか否かを判別
し、センサ出力Ｉｐが所定値Ｉ２に低下するまで待機す
る。

【００４８】その後、センサ出力Ｉｐが所定値Ｉ２まで
低下すると、ステップ３０５に進み、燃料カット復帰か
らセンサ出力Ｉｐが所定値Ｉ２に低下するまでの経過時
間Ｔ１を前述したタイマのカウント値から読み取って記
憶する。この場合、Ａ／Ｆセンサ３０が正常であれば、
図１０の時刻ｔ２でセンサ出力Ｉｐが所定値Ｉ２に到達
するのに対し、Ａ／Ｆセンサ３０が異常であれば、図１
０の時刻ｔ３でセンサ出力Ｉｐが所定値Ｉ２に到達する
ことになる。

【００４９】続いて、ステップ３０６では、センサ出力
の変化率ΔＩｐを次式により算出する。 ΔＩｐ＝（Ｉ２−Ｉ１）／Ｔ１ さらに、ステップ３０７では、前記算出したセンサ出力
の変化率ΔＩｐ（絶対値）を所定の異常判定値Ｉｆｒと
比較する。｜ΔＩｐ｜≧Ｉｆｒの場合には、Ａ／Ｆセン
サ３０は劣化しておらずセンサ出力Ｉｐは正常であると
みなして本ルーチンを終了する。

【００５０】しかしながら、Ａ／Ｆセンサ３０が劣化す
るのに伴いセンサ出力の応答性が低下することから、｜
ΔＩｐ｜＜Ｉｆｒの場合には、Ａ／Ｆセンサ３０の異常
有りと判定される。この場合、ステップ３０８に進んで
メモリにセンサ異常の旨を記憶すると共に、警告灯を点
灯させて異常発生を運転者の警告する。なお本実施の形
態では、前記図３のステップ１３０が請求項記載の検出
手段に相当し、前記図９のステップ３０１が許可手段に
相当する。

【００５１】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。本実施の形態では、Ａ／Ｆセン
サ３０の素子抵抗Ｒｉが所定の活性範囲にある場合にの
み、同センサ３０の異常診断の実施を許可するようにし
た。この場合、常にＡ／Ｆセンサ３０の活性状態のもと
で異常診断が実施される。また、仮に活性状態から不活
性状態に一時的に移行する場合にも、一時的に異常診断
を無効にすることでセンサ異常の誤検出を防止すること
ができる。その結果、正確で且つ信頼性の高い異常診断
を実施することができる。

【００５２】特に、Ａ／Ｆセンサ３０の出力の応答性を
検出してそのセンサ応答性から異常の有無を判定する場
合、その効果は顕著になる。つまり、前述の通り素子抵
抗Ｒｉが一定の条件下でのみ異常診断が実施されること
により、活性状態の違いによって当該診断の結果が相違
するといった不都合が回避され、センサ応答性に基づく
正確な異常診断が実施できる。

【００５３】そして、上記の如く信頼性の高い異常診断
が実施できることにより、精度の良い空燃比Ｆ／Ｂ制御
が実施できる。この場合、センサ応答性が低下したり過
剰に良くなったりすることに起因してＦ／Ｂ補正量の過
不足が生ずるといった不具合も解消される。

【００５４】また図９の異常診断によれば、診断開始前
（燃料カット前）の空燃比の状態によって診断開始当初
のセンサ出力Ｉｐが変化するという事情があっても、診
断開始後のセンサ出力の変化率ΔＩｐは診断開始前の空
燃比の影響を殆ど受けない。そのため、診断開始前の空
燃比の状態に影響されずに異常診断を実施することがで
き、異常の誤診断が解消される。

【００５５】（第２の実施の形態）次に、本発明におけ
る第２の実施の形態を図１１及び図１２を用いて説明す
る。但し、第２の実施の形態の構成において、上述した
第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同
一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、
以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明す
る。

【００５６】本実施の形態では、センサ異常診断ルーチ
ンを図１１の如く変更し、同図１１の処理を前記図９の
処理に置き換えて実施する。図１２は、図１１の処理を
より具体的に示すタイムチャートである。

【００５７】図１１において、ステップ４０１では、素
子抵抗Ｒｉがセンサ活性状態を表す所定範囲内にあるか
否かを判別する。そして、ステップ４０１が肯定判別さ
れると、以降の異常診断の実施が許可されるとしてステ
ップ４０２に進む。ステップ４０２では、燃料カットを
開始したか否かを判別し、燃料カットが開始されていな
ければそのまま本ルーチンを終了する。図１２では、時
刻ｔ１１以前でステップ４０２が否定判別される。

【００５８】その後、燃料カットが開始された時点（図
１２の時刻ｔ１１）でステップ４０２が肯定判別される
と、ステップ４０３に進んで燃料カット開始時における
Ａ／Ｆセンサ３０の検出値（センサ出力Ｉｐ）を読み込
み、その値を「Ｉ３」として記憶すると共に、タイマを
作動させて燃料カット開始後の経過時間をカウントす
る。続くステップ４０４では、前述したタイマのカウン
ト値から燃料カット開始後、所定時間Ｔ２が経過したか
否かを判別し、所定時間Ｔ２が経過するまで待機する。

【００５９】その後、ステップ４０５では、燃料カット
開始後、所定時間Ｔ２が経過した時のセンサ出力Ｉｐを
読み込み、その値を「Ｉ４」として記憶する（図１２の
時刻ｔ１２）。この場合、燃料カットの開始に伴いセン
サ出力Ｉｐがリーン側に応答するが、Ａ／Ｆセンサ３０
が異常であれば、センサ応答性が低下していることから
センサ出力Ｉｐの変化量が少なくなる。

【００６０】続いて、ステップ４０６では、センサ出力
の変化率ΔＩｐを次式により算出する。 ΔＩｐ＝（Ｉ４−Ｉ３）／Ｔ２ さらに、ステップ４０７では、前記算出したセンサ出力
の変化率ΔＩｐ（絶対値）を所定の異常判定値Ｉｆｃと
比較する。｜ΔＩｐ｜≧Ｉｆｃの場合には、Ａ／Ｆセン
サ３０は劣化しておらずセンサ出力Ｉｐは正常であると
みなして本ルーチンを終了する。

【００６１】しかしながら、Ａ／Ｆセンサ３０が劣化す
るのに伴いセンサ出力の応答性が低下することから、｜
ΔＩｐ｜＜Ｉｆｃの場合には、Ａ／Ｆセンサ３０の異常
有りと判定される。この場合、ステップ４０８に進んで
メモリにセンサ異常の旨を記憶すると共に、警告灯を点
灯させて異常発生を運転者の警告する。

【００６２】以上第２の実施の形態によれば、上記第１
の実施の形態と同様に、診断開始前の空燃比の状態に影
響されずに異常診断を実施することができ、異常の誤診
断が解消される。またこの場合、Ａ／Ｆセンサ３０の素
子抵抗Ｒｉが所定の活性範囲にある場合にのみ、同セン
サ３０の異常診断の実施を許可するため、正確で且つ信
頼性の高い異常診断が実施できる。

【００６３】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて具体化できる。Ａ／Ｆセンサ３０の異常診
断を行う際に、同センサ３０の素子抵抗Ｒｉに応じて異
常判定値を可変に設定する。つまり、例えば前記図９の
ステップ３０７における異常判定値Ｉｆｒを、図１３の
関係を用いて素子抵抗Ｒｉに応じて設定する。Ａ／Ｆセ
ンサ３０の場合、図１４からも分かるように素子抵抗Ｒ
ｉが大きくなるほど応答性が低下するため、図１３では
素子抵抗Ｒｉが大きくなるほど、異常判定値Ｉｆｒを小
さい値に設定する。或いは前記図１１のステップ４０７
においても、同じく素子抵抗Ｒｉに応じて異常判定値Ｉ
ｆｃを可変に設定する。この場合、素子抵抗Ｒｉが大き
くなるほど、異常判定値Ｉｆｃを小さい値に設定すれば
よい。

【００６４】上記構成によれば、Ａ／Ｆセンサ３０が活
性化途中の状態であってもいち早く異常診断を開始する
ことができる。また、活性状態から半活性状態に一時的
に移行する場合であっても、異常診断が中断されること
なく継続して実施できる。つまり、異常判定値をＡ／Ｆ
センサ３０の活性度合に適合させることで、広い範囲で
異常診断を実施することが可能となる。

【００６５】前記図９，図１１では、素子抵抗Ｒｉが活
性状態を表す所定範囲内にあるか否かを判別したが（ス
テップ３０１，４０１）、これを変更する。例えば素子
抵抗Ｆ／ＢフラグＸＦＢに「１」がセットされているか
否かを判別し、ＸＦＢ＝１であることを条件に、すなわ
ち空燃比検出用マイコン２０により素子抵抗Ｆ／Ｂ制御
が実施されていることを条件に、後続の異常診断処理の
実施を許可する。つまり、前記図１の空燃比検出用マイ
コン２０とエンジン制御用マイコン１６との間におい
て、前者のマイコン２０から後者のマイコン１６に対し
てフラグ情報のみが送信されるといった仕様の場合に、
素子抵抗Ｆ／ＢフラグＸＦＢの状態に応じて異常診断の
実施を許可又は禁止する。これにより、既述の各実施の
形態と同様に、正確で且つ信頼性の高い異常診断が実施
できる。

【００６６】上記第１の実施の形態では、燃料カット復
帰時におけるセンサ出力の変化率ΔＩｐからセンサ異常
を診断し、上記第２の実施の形態では、燃料カット開始
時におけるセンサ出力の変化率ΔＩｐからセンサ異常を
診断したが、これを以下のように変更する。 （イ）燃料カット開始時において、センサ出力Ｉｐが所
定のリーン値に上昇する際の変化率を求め、その変化率
に基づいてセンサ異常を判定する。 （ロ）燃料カット開始時において、センサ出力Ｉｐの変
化量が所定のリーン値になるまでの応答遅れ時間を計測
し、その応答遅れ時間が長くなるとセンサ異常の旨を判
定する。 （ハ）燃料カット開始時において、所定の応答遅れ時間
の経過後からセンサ出力Ｉｐの変化率の計測を始め、そ
の時の変化率に基づいてセンサ異常を判定する。

【００６７】またその他に、以下の（ニ）の手順にてセ
ンサ異常を診断する。 （ニ）空燃比Ｆ／Ｂ制御に際し、エンジン運転状態の変
化に伴う目標空燃比ＡＦＴＧの急変時に、その変化量Δ
ＡＦＴＧとフィードバック補正係数ＦＡＦの変化量ΔＦ
ＡＦとの比較結果からＡ／Ｆセンサ３０の異常を診断す
る。つまり、「ΔＦＡＦ」の絶対値と「ΔＡＦＴＧ」の
絶対値との比が所定範囲内にあるか否かを判別する。具
体的には、 α＜（ΔＦＡＦ／ΔＡＦＴＧ）＜β が満たされるか否かを判別する（但し、例えばα＝０．
９、β＝１．１）。この場合、上記目標空燃比ＡＦＴＧ
の変化に対応してフィードバック補正係数ＦＡＦが変化
していれば、すなわち、目標空燃比ＡＦＴＧの変化に伴
いＡ／Ｆセンサ３０が正常な信号を出力していれば、そ
の出力結果を反映しながらフィードバック補正係数ＦＡ
Ｆが変化する。よって、上記不等式が成立し、Ａ／Ｆセ
ンサ３０が正常であるとみなされる。一方、目標空燃比
ＡＦＴＧの変化に対してフィードバック補正係数ＦＡＦ
が過大変化又は過小変化していれば、上記不等式が成立
せずＡ／Ｆセンサ３０が異常であるとみなされる。

【００６８】上記（イ）〜（ニ）の何れの手法を用いて
異常診断を実施する際にも、素子抵抗が一定の条件下で
のみ異常診断の実施が許可されることにより、正確で且
つ信頼性の高い異常診断が実現できる。

【００６９】素子抵抗の算出法として、前記図４以外の
手法を用いる。例えばＡ／Ｆセンサ３０の周波数特性に
合わせつつ、同センサ３０の印加電圧を正負両側に変化
させ、その正負両側の電圧変化量及び電流変化量に基づ
き素子抵抗を検出する。又は、Ａ／Ｆセンサ３０に負の
印加電圧Ｖｎｅｇ（抵抗支配域における電圧）を印加
し、その時のセンサ電流Ｉｎｅｇから素子抵抗を検出す
ることも可能である（素子抵抗＝Ｖｎｅｇ／Ｉｎｅ
ｇ）。

【００７０】上記各実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０
の素子抵抗Ｒｉを求め、そのＲｉ値に基づいてセンサ異
常診断の実施の可否を判断したが、これを変更する。例
えば図７の関係を使って素子抵抗Ｒｉを素子温に変換
し、その素子温にセンサ異常診断の実施の可否を判断す
る。前記図１３の関係を用いる時にも、素子温に応じて
異常判定値を可変に設定してもよい。この場合、素子温
が小さいほど、異常判定値を小さい値に設定する。

【００７１】上記各実施の形態では、エンジン制御用と
空燃比検出用の２つのマイコン１６，２０を用いて空燃
比制御システムを構築したが、マイコンを１つにしても
よい。この場合、Ａ／Ｆセンサの素子温又は素子抵抗を
検出する機能と、同素子温又は素子抵抗が所定の活性範
囲にある場合に異常診断の実施を許可する機能とが同一
のマイコンに付与される。

【００７２】本発明は、Ａ／Ｆセンサを用いた空燃比検
出装置以外にも適用できる。つまり、ＮＯｘ，ＨＣ，Ｃ
Ｏ等のガス濃度成分が検出可能なガス濃度センサを用
い、同センサによる検出結果からガス濃度を検出するも
のにも適用できる。当該他のガス濃度センサへの適用時
にも上記実施の形態と同様の手法を用いることで、やは
り正確で且つ信頼性の高い異常診断が実施できる。

【００７３】前記各実施の形態から把握され、特許請求
の範囲に記載されていない技術的思想を、その効果と共
に以下に記載する。 （１）請求項１に記載のガス濃度センサの異常診断装置
において、前記ガス濃度センサの検出結果に従い内燃機
関に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御する
空燃比制御装置に適用され、前記ガス濃度センサの検出
結果を用いて当該センサの異常診断を行う際に、内燃機
関への燃料供給量の変化を検出すると共に、同燃料供給
量の変化後においてセンサ出力の変化率を求め、該セン
サ出力の変化率に基づいて異常の有無を判定する。

【００７４】この場合、診断開始前（燃料供給量の変化
検出前）の空燃比の状態によって診断開始当初のセンサ
出力が変化するという事情があっても、診断開始後のセ
ンサ出力の変化率は診断開始前の空燃比の影響を殆ど受
けない。そのため、診断開始前の空燃比の状態に影響さ
れずに異常診断を実施することができ、異常の誤診断が
解消される。

【００７５】（２）請求項１に記載のガス濃度センサの
異常診断装置において、前記ガス濃度センサの検出結果
に従い内燃機関に供給する混合気の空燃比をフィードバ
ック制御する空燃比制御装置に適用され、前記ガス濃度
センサの検出結果を用いて当該センサの異常診断を行う
際に、センサ出力に対応する実空燃比と目標空燃比との
偏差に応じてフィードバック補正量を算出すると共に、
前記センサ出力に対する前記算出したフィードバック補
正量の挙動に基づいて異常の有無を判定する。この場
合、空燃比の変化に追従するフィードバック補正量の変
化から正確な異常診断が実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態における空燃比制御システムの概要
を示す構成図。

【図２】Ａ／ＦセンサのＶ−Ｉ特性を示す図。

【図３】空燃比検出用マイコンにより実施されるメイン
ルーチンを示すフローチャート。

【図４】素子抵抗検出のサブルーチンを示すフローチャ
ート。

【図５】ヒータ通電制御のサブルーチンを示すフローチ
ャート。

【図６】素子抵抗検出時におけるセンサ電圧とセンサ電
流との推移を示す波形図。

【図７】素子温と素子抵抗との関係を示す図。

【図８】エンジン制御用マイコンにより実施される燃料
カット判定ルーチンを示すフローチャート。

【図９】エンジン制御用マイコンにより実施されるセン
サ異常診断ルーチンを示すフローチャート。

【図１０】異常診断の過程を示すタイムチャート。

【図１１】第２の実施の形態において、センサ異常診断
ルーチンを示すフローチャート。

【図１２】異常診断の過程を示すタイムチャート。

【図１３】素子抵抗に応じて異常判定値を設定するため
の図。

【図１４】素子抵抗とセンサ応答性との関係を示す図。

【図１５】素子抵抗と空燃比検出範囲との関係を示す
図。

【符号の説明】

１０…エンジン（内燃機関）、１３…排気管、１５…Ｅ
ＣＵ、１６…許可手段を構成するエンジン制御用マイコ
ン、２０…検出手段を構成する空燃比検出用マイコン、
３０…ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサ（限界電流
式空燃比センサ）、３１…固体電解質、３２…拡散抵抗
層、３５…ヒータ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質からなるセンサ素子を有し、内
   燃機関から排出される排気中の特定成分の濃度或いは空
   燃比を検出するガス濃度センサに適用され、前記ガス濃
   度センサの検出結果を用いて当該センサの異常診断を行
   う異常診断装置において、 前記ガス濃度センサの素子温又は素子抵抗を検出する検
   出手段と、 前記ガス濃度センサの素子温又は素子抵抗が所定の活性
   範囲にある場合に、前記異常診断の実施を許可する許可
   手段とを備え、 前記ガス濃度センサの異常診断を行う際に、前記センサ
   の素子温又は素子抵抗に応じて異常判定値を可変に設定
   す ることを特徴とするガス濃度センサの異常診断装置。
2. 【請求項２】前記ガス濃度センサにヒータが付設され、
   当該センサの活性状態下においてその状態を維持するた
   めのヒータの通電制御が実施されるガス濃度検出装置で
   あって、 前記許可手段は、センサ活性状態でのヒータ通電制御が
   実施されていることを条件に、前記異常診断の実施を許
   可する請求項１に記載のガス濃度センサの異常診断装
   置。
3. 【請求項３】前記ガス濃度センサの出力の応答性を検出
   してそのセンサ応答性から異常の有無を判定する請求項
   １又は請求項２に記載のガス濃度センサの異常診断装
   置。