JP3563941B2 - 全領域空燃比センサの劣化状態検出方法及び装置 - Google Patents

全領域空燃比センサの劣化状態検出方法及び装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれる酸素の濃度を検出する全領域空燃比センサが劣化したか否かを検出する劣化状態検出方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
エンジンに供給する混合気の空燃比を目標値に制御し、排気ガス中のCO、NOx 、HCを軽減するために、排気系に酸素センサを設け、空燃比と相関関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御することが知られている。このフィードバック制御に用いられる酸素センサとしては、特定の酸素濃度(特に理論空燃比雰囲気)で出力がステップ状に変化するλセンサと、リーン領域からリッチ領域まで連続的に出力が変化する全領域空燃比センサとが主に用いられている。全領域空燃比センサは、上述したように排気ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき、フィードバック制御の速度及び精度を向上させ得るため、より高速で高精度な制御が要求される際に用いられている。
【0003】
全領域空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体の2つのセルを間隔を介して対向配設し、一方のセルを間隔内の酸素を周囲にくみ出すもしくは周囲から酸素を組み込むポンプセルとして用い、また、他方のセルを酸素基準室と間隔との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとして用い、起電力セルの出力が一定になるようにポンプセルを動作させ、その時に該ポンプセルに流す電流を、測定酸素濃度比例値として測定する。この全領域空燃比センサの動作原理は、本出願人の出願に係る特開昭62−148849号中に詳述されている。
【0004】
上記フィードバック制御による排気ガスの削減は、全領域空燃比センサの暖機が完了した後に開始している。これは、上記全領域空燃比センサが所定温度以上に加熱して酸素イオン伝導性固定電解質の活性を高めた後でなければ、動作し得ないからである。このため、全領域空燃比センサに加熱用のヒータを配設し、エンジン始動後の可能な限り早い時点で動作を開始させている。
【0005】
ここで、上記全領域空燃比センサによるフィードバック制御を開始する以前には、エンジンを停止させないように空燃比をややリッチ側に制御している事が多く、相対的に高い濃度のCO、HCが排出されている。この高濃度の有害な排ガスの排出を短時間で完了させるため、極力早い時点から全領域空燃比センサが動作し得るように、全領域空燃比センサが活性したか否かを、起電力セルに一定の電流もしくは電圧を印加して、抵抗値を測定することで判断している。
【0006】
即ち、起電力セルは、負の温度−抵抗特性を有するため、ヒータによって加熱されると徐々に抵抗値が低下して行く。即ち、抵抗値に基づき起電力セルの温度を推定し、起電力セルが活性する温度に達したことに基づき、全領域空燃比センサが測定を開始し得ると判断している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、全領域空燃比センサの起電力セルを構成する酸素イオン伝導性固体電解質体には劣化が生じないが、起電力セルに取り付けられた白金等から成る多孔質電極及び固体電解質体と多孔質電極との界面には劣化が発生する。即ち、多孔質電極が使用によって酸素イオン伝導性固体電解質体から剥離したり、電極の酸素透過率の低下等が発生して内部抵抗が徐々に増大し劣化して行く。
【0008】
そして、劣化がある程度以上進行すると、正確な空燃比の検出が出来なくなるという問題があった。しかし、センサの劣化を正確に検出する方法は現在のところ知られていない。
【0009】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、全領域空燃比センサの劣化を正確に検出できる劣化状態検出方法及び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】
上記の目的を達成するため、請求項1は、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた2つのセルを、間隙を介して対向配設し、一方のセルを前記間隙内の酸素を周囲に汲み出すもしくは酸素を汲み込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとしてそれぞれ使用し、空燃比を測定する全領域空燃比センサにおいて、
前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する第1のステップと、
該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する第2のステップと、
該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止する第3のステップと、
前記第3のステップの後10μs〜1msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出する第4のステップと、
前記第3のステップの後10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する第5のステップと、
前記Vs0、Vs1及びVs2から前記全領域空燃比センサの劣化状態を検出する第8のステップと、
からなることを技術的特徴とする。
【0011】
また、請求項2は、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた2つのセルを、間隙を介して対向配設し、一方のセルを前記間隙内の酸素を周囲に汲み出すもしくは酸素を汲み込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとしてそれぞれ使用し、空燃比を測定する全領域空燃比センサにおいて、
前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する第1のステップと、
該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する第2のステップと、
該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止する第3のステップと、
前記第3のステップの後10μs〜1msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出する第4のステップと、
前記第3のステップの後10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する第5のステップと、
前記Vs0及びVs1から前記起電力セルの第1の抵抗値Rvs1を検出する第6のステップと、
前記Vs0及びVs2から前記起電力セルの第2の抵抗値Rvs2を検出する第7のステップと、
該抵抗値Rvs1とRvs2との比較によって、前記全領域空燃比センサの劣化状態を検出する第8のステップと、
からなることを技術的特徴とする。
【0013】
請求項の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法では、請求項1又は請求項2において、前記第3のステップを、前記加熱用ヒータに通電を開始してから、所定時間経過後に実行することを技術的特徴とする。
【0014】
請求項の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法では、請求項1又は請求項2において、前記第3のステップを、前記第2のステップで検出されたVs0が所定の大きさ以下となった後に開始することを技術的特徴とする。
【0015】
上記の目的を達成するため、請求項は、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた2つのセルを、間隙を介して対向配設し、一方のセルを前記間隙内の酸素を周囲に汲み出すもしくは酸素を汲み込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとしてそれぞれ使用し、空燃比を測定する全領域空燃比センサであって、
前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する印加手段と、
該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出するVs0電圧検出手段と、
前記加熱用ヒータに通電を開始してから、所定時間経過後に該起電力セルへ印加した電流もしくは電圧の印加を停止する印加停止手段と、
前記電流もしくは電圧の印加を停止してから10μs〜1msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出するVs1電圧検出手段と、
前記電流もしくは電圧の印加を停止してから10ms〜50msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出するVs2電圧検出手段と、
前記Vs0及びVs1から前記起電力セルの第1の抵抗値Rvs1を検出するRvs1検出手段と、
前記Vs0及びVs2から前記起電力セルの第2の抵抗値Rvs2を検出するRvs2検出手段と、
該抵抗値Rvs1とRvs2との比較によって、前記全領域空燃比センサの劣化状態を検出する劣化状態検出手段と、
を備えたことを技術的特徴とする。
【0017】
請求項1では、起電力セルへ電流もしくは電圧を印加し、該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する。その後、該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止し、この停止から10μs〜1msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出する。電圧Vs1により、該起電力セルの抵抗値(温度)が分かる。そして、電流もしくは電圧の印加を停止から10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する。この電圧Vs2により、該起電力セルの劣化状態が分かるが、この電圧Vs2は、起電力セルの温度により影響される。このため、Vs0、Vs1及びVs2から全領域空燃比センサの劣化状態を検出する。
【0018】
また、請求項2では、起電力セルへ電流もしくは電圧を印加し、該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する。そして、該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止し、この停止から10μs〜1msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出する。更に、停止から10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する。そして、Vs0及びVs1から起電力セルの温度に相当する第1の抵抗値Rvs1を検出し、また、Vs0及びVs2から起電力セルの劣化分を含む内部抵抗に相当する第2の抵抗値Rvs2を検出する。この抵抗値Rvs2は、起電力セルの温度にも影響される値である。このため、該抵抗値Rvs1とRvs2との比較によって、全領域空燃比センサの劣化状態を検出する。
【0020】
請求項では、起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止を、加熱用ヒータに通電を開始してから所定時間経過後に実行する。即ち、活性に達する可能性が発生するまでは、断続することなく起電力セルに電流を流し(又は電圧の印加を)続ける。
【0021】
請求項では、起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止を、検出されたVs0が所定の大きさ以下となった後に開始する。即ち、活性に達する可能性が発生するまでは、断続することなく起電力セルに電流を流し(又は電圧の印加)続ける。
【0022】
請求項では、印加手段が起電力セルへ電流もしくは電圧を印加し、Vs0電圧検出手段が起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する。そして、印加停止手段が、加熱用ヒータに通電を開始してから所定時間経過後に該起電力セルへ印加した電流もしくは電圧の印加を停止し、Vs1電圧検出手段が、電流もしくは電圧の印加を停止してから10μs〜1msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出し、また、Vs2電圧検出手段が、電流もしくは電圧の印加を停止してから10ms〜50msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する。そして、Rvs1検出手段が、Vs0及びVs1から起電力セルの温度に相当する第1の抵抗値Rvs1を検出し、また、Rvs2検出手段が、Vs0及びVs2から起電力セルの劣化分を含む内部抵抗に相当する第2の抵抗値Rvs2を検出する。この抵抗値Rvs2は、起電力セルの温度にも影響される値である。このため、劣化状態検出手段が、該抵抗値Rvs1とRvs2との比較によって、全領域空燃比センサの劣化状態を検出する。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施態様について図を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係る全領域酸素センサを示している。2つのセルを接合したセンサ素子10は排気ガス系に配設される。該センサ素子10は、排気ガス中の酸素濃度を測定すると共に該センサ素子10の温度を測定するコントローラ50に接続されている。このセンサ素子10には、ヒータ制御回路60にて制御されるヒータ70が、図示しないセラミック系接合剤を介して取り付けられている。ヒータ70は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックから成りその内部にヒータ配線72が配設されている。ヒータ制御回路60は、コントローラ50により測定されるセンサ素子10の温度を、目標値に保つようヒータ70へ電力を印加し、該センサ素子10の温度を目標値に維持する様に機能する。
【0025】
センサ素子10は、ポンプセル14と、多孔質拡散層18と、起電力セル24と、補強板30とを積層することにより構成されている。ポンプセル14は、酸素イオン伝導性固体電解質材料である安定化または部分安定化ジルコニア(ZrO2 )により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極12、16を有している。測定ガスに晒される表面側の多孔質電極12は、Ip電流を流すためにIp+電圧が印加されるのでIp+電極として参照する。また、裏面側の多孔質電極16は、Ip電流を流すためにIp−電圧が印加されるのでIp−電極として参照する。
【0026】
起電力セル24も同様に安定化または部分安定化ジルコニア(ZrO2)により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極22、28を有している。ポンプセル14と起電力セル24との間には、多孔質拡散層18により包囲された間隙20が形成されている。即ち、該間隙20は、多孔質拡散層18を介して測定ガス雰囲気と連通されている。なお、本実施態様では、多孔質物質を充填して成る多孔質拡散層18を用いるが、この代わりに小孔を配設することも可能である。間隙(測定室)20側に配設された多孔質電極22は、起電力セル24の起電力の−電圧が生じるためVs−電極として参照し、また、基準酸素室26側に配設された多孔質電極28は、起電力セル24の起電力の+電圧が生じるためVs+電極として参照する。なお、基準酸素室26の基準酸素は多孔質電極22から一定量の酸素を多孔質電極28にポンピングする事により生成する。
【0027】
ここで、測定ガスの酸素濃度と間隙20の酸素濃度との差に応じた酸素が、間隙20側に多孔質拡散層18を介して拡散して行く。ここで、間隙20内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室26との間の酸素濃度差により、起電力セル24のVs+電極28とVs−電極22との間には、約0.45vの電位が発生する。このため、コントローラ50は、ポンプセル14に流す電流Ipを、上記起電力セル電位24の起電力Vsが0.45vとなるように調整することで、間隙20内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つためのポンプセル電流量Ipに基づき、測定ガス中の酸素濃度を測定する。
【0028】
引き続き、コントローラ50による活性検出の動作について図2乃至図4を参照して説明する。
このコントローラ50は、エンジンの始動後、ヒータ制御回路60を介してヒータ70に電流を流し、センサ素子10を加熱して活性化させる。そして、起電力セル24に電流Icpを流し、起電力セル24の温度が高まり活性したか否かを起電力セル24の電圧Vsに基づき検出し、酸素濃度の測定を開始する。これと共に全領域空燃比センサ10の劣化を検出する。この動作を図2のフローチャート、起電力セル24の電圧Vsを示す図3(A)、及び、起電力セル24への電流Icpを示す図3(B)を参照して詳述する。
【0029】
先ず、コントローラ50は、エンジンの始動後、ヒータ制御回路60を介してヒータ70への電流の印加を開始し、また、起電力セル24に一定電流Icpを流すと共に該起電力セル24の両面の多孔質電極22、28間の電圧を測定する(S10)。そして、起電力セル24の電圧Vsが、活性に達する可能性が発生する電位Vss(図3(A)参照)以下になったかを判断する(S12)。即ち、活性に達する可能性が発生するまでは、後述するように断続することなく起電力セル24に電流を流し続ける。
【0030】
そして、起電力セル24の電圧Vsが、活性に達する可能性が発生する電位Vss以下になると(S12がYes)、起電力セル24の電位Vs0を測定した後(S15)、所定インターバルが経過したかを判断し(S14)、図3(A)、図3(B)に示す所定インターバルとなる時間t2において(S14がYes)、起電力セル24への電流Icpを遮断する(S16)。図3(A)に示す電流遮断時の波形図を拡大して図4に示す。
【0031】
電流遮断直後(10μs〜10ms経過後)の時刻t3において(S18がYes)、コントローラ50は、該時刻t3での起電力セル24の電位Vs1を測定することで、電圧遮断直前の電位Vs0と該時刻t3での電位Vs1との差、即ち、電圧降下Vsd1を算出する(S20)。そして、起電力セル24の内部抵抗Rvs1を算出、その後予め用意してあるマップから素子温度を検索する(S22)。その後、電流Icpを断にした時刻t2から10〜50ms経過して時刻t4になると(S24がYes)、該時刻t4での起電力セル24の電位Vs2を測定することで、電圧遮断直前の電位Vs0と該時刻t4での電位Vs2との差、即ち、電圧降下Vsd2を算出する(S26)。その後、起電力セル24の劣化成分を含んだ内部抵抗Rvs2を算出、または、予め用意してあるマップから検索する(S28)。
【0032】
ここで、電流Icpを遮断した際の起電力セル24の電圧Vsについて、図4を参照して説明する。まず、起電力セル24の電圧Vsは次式で表される。
【数1】
Vs=Icp×Rvs+EMF
ここで、Rvsは起電力セル24の内部抵抗を、また、EMFは起電力セル24の内部起電力を示している。
【0033】
電流Icpをオフにしたときに、起電力セル24の電圧Vsは急激に低下し、内部起電力EMFとなる。ここで、電流Icpは既知の値であるため、上述したように電圧降下Vsd1を測定し、この値を電流Icpで割ることにより、起電力セル24の内部抵抗Rvs1を求めることができる。この内部抵抗Rvs1は、起電力セル24の温度により変化する値であるため、上述したようにマップを検索することで、起電力セル24の温度を求めることができる(上記S20、S22)。なお、この電流遮断直後の電圧降下Vsd1は、起電力セル24の温度にのみ依存し、後述するように起電力セル24の劣化に直接的には影響されない。
【0034】
上述したように急激に低下した後、起電力セル24の電圧Vsは更に徐々に低下して行く。この緩やかな電位低下は、主に起電力セル24、即ち、センサ素子10の劣化に依存する。センサ素子10の起電力セル24は、上述したように部分安定化ジルコニア板の表面と裏面に白金の多孔質電極22、28を取り付けてなるが、長期の使用により、該部分安定化ジルコニア板と多孔質電極22、28との間で、剥離が発生すると共に、多孔質電極22、28の酸素透過性が低下して、内部抵抗が増加する。しかしながら、部分安定化ジルコニアから成る全領域空燃比センサにおいては、この劣化による内部抵抗は、上述した電流遮断直後には直接的に現れないため、本実施態様では、電流Icp断の時刻t2から10〜50ms経過した時刻t4において、電圧降下Vsd2を測定し、劣化分を含んだ内部抵抗Rvs2を計算している。
【0035】
次なるステップ(S30)ではRvs2が所定値以下であるか否かを判定し、もしRvs2が所定値以下であれば素子が活性化したと判断し、次のステップに進む。もし、所定値以下ならば、素子は活性化していないと判断し、再び活性化判断の処理ルーチンを繰り返す。
【0036】
活性化したと判断された場合、S32で、予め保持されているマップを検索し、上記ステップにて求めたRvs1及びRvs2を用いて素子の劣化を判定する(S32)。図7にマップの一例を示す。
【0037】
一方、Rvs1とRvs2を用いて計算から劣化を判定することも出来る。単純なモデルではRvs2とRvs1の差が多孔質電極と個体電解質体の界面における抵抗成分と考えられる。そして、この抵抗成分がある大きさより大きいときに劣化したと判定されるのであるが、この界面における抵抗成分も基本的に温度依存性を有している。そこで、以下の式を用いて温度補償した上で、その大きさが所定値Rrよりも大きいか否かで劣化を判定する手法を用いる。
【数2】
(Rvs2−Rvs1)/Rvs1
【0038】
マップ若しくは数式によってセンサが劣化したと判断した場合、メモリにその結果を記録し、全領域空燃比センサの空燃比検出動作は開始しない(S34)。一方、センサが劣化していない場合は酸素濃度の測定を開始し(S36)、活性判断のプログラムを終了する。
この第1実施態様においては、全領域空燃比センサの活性を検出できるのに加えて、経年変化による起電力セル24の劣化を正確に判断できる。
【0039】
引き続き、本発明の第2実施態様に係る全領域空燃比センサのコントローラによる活性及び劣化検出の動作について図5を参照して説明する。なお、第2実施態様の全領域空燃比センサの構成、及び、電流を遮断する方法は、図1及び図3を参照して上述した第1実施態様と同様であるため、図1及び図3を参照すると共にその説明は省略する。
【0040】
第2実施態様のコントローラ50は、エンジンの始動後、ヒータ制御回路60を介してヒータ70に電流を流し、センサ素子10を加熱して活性化させる。そして、起電力セル24に電流Icpを流し、起電力セル24の温度が高まり活性したかを起電力セル24の電圧Vsに基づき検出し、酸素濃度の測定を開始すると共に該起電力セル24の劣化を判断する。この動作を図5のフローチャート、起電力セル24の電圧Vsを示す図3(A)、起電力セル24への電流Icpを示す図3(B)、及び、電流Icpの遮断時の波形を拡大して示す図6を参照して詳述する。
【0041】
先ず、コントローラ50は、エンジンの始動後、ヒータ制御回路60を介してヒータ70への電流の印加を開始する。また、これに併せて、起電力セル24に一定電流Icpを流すと共に該起電力セル24の両面の多孔質電極22、28間の電圧を測定する(S50)。そして、活性するまでの時間を測定するタイマをスタートした後(S52)、起電力セル24の電圧Vsが活性に達する可能性の発生する時間、即ち、最短で活性に達し得る時間(図3(A)参照)T5が経過したかを判断する(S54)。即ち、活性に達する可能性が発生するまでは、後述するように断続することなく起電力セル24に電流を流し続ける。
【0042】
そして、活性に達する可能性の有る時間となると(S54がYes)、所定インターバルが経過したかを判断し(S56)、図3(A)及び図3(B)に示す所定インターバルとなる時間t2において(S56がYes)、起電力セル24の電位Vs0を測定した後(S57)、起電力セル24への電流Icpを遮断する(S58)。図3(A)に示す電流遮断時の波形図を拡大して図6に示す。
【0043】
電流を遮断してから10〜50ms経過して時刻t4になると(S60がYes)、該時刻t4における起電力セル24の電位Vs2を測定することで、電圧遮断直前の電位Vs0と該時刻t4での電位Vs2との差、即ち、電圧降下Vsd2を算出する(S62)。そして、起電力セル24の内部抵抗(劣化成分を含む抵抗値Rvs3)を算出、または、予め用意してあるマップから検索する(S64)。その後、算出した起電力セル24の内部抵抗Rvs3が、予め設定されている所定値に達したかによって、素子の活性を判断する(S66)。
【0044】
ここで、活性に達していない場合には(S66がNo)、更に加熱を続けると共に、ステップ56に戻り、上記インターバルが経過したかを判断し、該インターバルの経過により(S56がYes)、電流Icpを遮断して(S58)、上述した処理を再開する。
【0045】
他方、ステップ66において活性温度に達したと判断した際には(S66がYes)、活性するまでの時間を測定するタイマを停止し、電流Icpの印加開始、即ち、ヒータ70による加熱開始から全領域空燃比センサが活性するまでの時間Tsを計測する(S68)。そして、その時間Tsが、活性までの最長時間を越えているか判断する(S70)。即ち、上述したように起電力セル24が劣化とすると活性する為の温度が高くなり、活性するまでの加熱時間が長くなる。このため第2実施態様では、劣化していない素子を適正に加熱した場合に素子の活性に必要と予測される最長の時間を、予め加熱最長時間として設定し、この最長時間を時間Tsが越えるか否かで素子の劣化を判断する。
【0046】
ここで、時間Tsが最長時間を越えない場合には(S70がNo)、ポンプセル14への電流の印加を開始し、該全領域空燃比センサによる排気ガス中の酸素濃度の測定を始める(S74)。他方、該時間Tsが最長時間を越える場合には(S70がYes)、エンジンコントロールユニット等に設けられている車両の状態を記憶するためのメモリに、全領域空燃比センサの劣化を記録し(S72)、その後、全領域空燃比センサによる酸素濃度の検出は開始しない。このメモリの記録に基づき、定期点検等の際に、該全領域空燃比センサが新品と交換され、以後、エンジンの空燃比の制御が適切に行い得るようになる。
【0047】
この第2実施態様においては、全領域空燃比センサの活性の有無を検出できるのに加えて、経年変化による起電力セル24の劣化を正確に判断できる。
【0048】
なお、上述した第1実施態様では、図2に示すステップ12にて、起電力セル24の電圧Vsが所定値以下に成ったかを判断した後、活性検出の為に電流遮断を開始した。また、第2実施態様では、図5に示したステップ54にて、所定時間が経過したことを判断した後に、活性検出の為に電流遮断を開始した。しかしながら、第2実施態様の所定時間経過を以て活性検出の為に電流遮断を開始する方法(S54)を、第1実施態様の改変例を示す図8のように、ステップ13にて判断することで第1実施態様に適用することも可能である。同様に、第1実施態様の所定電圧以下となることを以て活性検出の為に電流遮断を開始する方法(S12)を、第2実施態様の改変例を示す図9のように、ステップ55にて判断することで第2実施態様に適用するも可能である。
【0049】
更に、上記第1、第2実施態様では、定電流を起電力セル24へ印加したが、この代わりに、定電圧を印加し、これを所定インターバルで遮断するようにも構成できる。また、上記実施例では、全領域空燃比センサの暖機時にその劣化を検出するようにしたが、通常の運転時においても起電力セルに流す電流を遮断する事で、同様に劣化状態を検出することが出来る。
【0050】
【効果】
以上記述したように請求項1及び2の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法、及び、請求項の全領域空燃比センサの劣化状態検出装置では、起電力セルへの電流もしくは電圧の印加を停止してから10μs〜1ms後の該起電力セルの電圧から測定した起電力セルの抵抗と、印加停止から10ms〜50ms後の該起電力セルの電圧から測定した起電力セルの抵抗から素子の劣化状態を検出することで、該劣化状態を上記起電力セルの温度により補正して判断するため、全領域空燃比センサの劣化状態を正確に検出することができる。
【0052】
請求項3又は請求項4の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法では、活性に達する可能性が発生するまでは、断続することなく起電力セルに電流を流し続けるため、活性化及び劣化状態を検出する動作を、不必要に実行する事無く、わずかな動作で活性化及び劣化を検出することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施態様に係る全領域空燃比センサ、ヒータ制御回路及びコントローラの構成を示す説明図である。
【図2】図1に示すコントローラによる処理を示すフローチャートである。
【図3】図3(A)は起電力セルの電圧を示す波形図であり、図3(B)は該起電力セル24へ印加する電流の波形図である。
【図4】図4は、図3(A)に示す電流遮断時の波形を拡大して示す波形図である。
【図5】第2実施態様に係るコントローラによる処理を示すフローチャートである。
【図6】図6は、図3(A)に示す電流遮断時の波形を拡大して示す波形図である。
【図7】図2のフローチャートにおける処理S32のマップ判定に用いるマップである。
【図8】第1実施形態に係るコントローラによる処理の改変例を示すフローチャートである。
【図9】第2実施形態に係るコントローラによる処理の改変例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 センサ素子
14 ポンプセル
20 間隔
22、28 多孔質電極
24 起電力セル
50 コントローラ
60 ヒータ制御回路
70 ヒータ
Vs 起電力セル電圧
Icp 起電力セル電流

Claims (5)

  1. 加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた2つのセルを、間隙を介して対向配設し、一方のセルを前記間隙内の酸素を周囲に汲み出すもしくは酸素を汲み込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとしてそれぞれ使用し、空燃比を測定する全領域空燃比センサにおいて、
    前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する第1のステップと、
    該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する第2のステップと、
    該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止する第3のステップと、
    前記第3のステップの後10μs〜1msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出する第4のステップと、
    前記第3のステップの後10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する第5のステップと、
    前記Vs0、Vs1及びVs2から前記全領域空燃比センサの劣化状態を検出する第8のステップと、
    からなる全領域空燃比センサの劣化状態検出方法。
  2. 加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた2つのセルを、間隙を介して対向配設し、一方のセルを前記間隙内の酸素を周囲に汲み出すもしくは酸素を汲み込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとしてそれぞれ使用し、空燃比を測定する全領域空燃比センサにおいて、
    前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する第1のステップと、
    該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する第2のステップと、
    該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止する第3のステップと、
    前記第3のステップの後10μs〜1msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出する第4のステップと、
    前記第3のステップの後10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する第5のステップと、
    前記Vs0及びVs1から前記起電力セルの第1の抵抗値Rvs1を検出する第6のステップと、
    前記Vs0及びVs2から前記起電力セルの第2の抵抗値Rvs2を検出する第7のステップと、
    該抵抗値Rvs1とRvs2との比較によって、前記全領域空燃比センサの劣化状態を検出する第8のステップと、
    からなる全領域空燃比センサの劣化状態検出方法。
  3. 前記第3のステップを、前記加熱用ヒータに通電を開始してから、所定時間経過後に実行することを特徴とする請求項1又は請求項2の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法。
  4. 前記第3のステップを、前記第2のステップで検出されたVs0が所定の大きさ以下となった後に開始することを特徴とする請求項1又は請求項2の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法。
  5. 加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた2つのセルを、間隙を介して対向配設し、一方のセルを前記間隙内の酸素を周囲に汲み出すもしくは酸素を汲み込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとしてそれぞれ使用し、空燃比を測定する全領域空燃比センサであって、
    前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する印加手段と、
    該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出するVs0電圧検出手段と、
    前記加熱用ヒータに通電を開始してから、所定時間経過後に該起電力セルへ印加した電流もしくは電圧の印加を停止する印加停止手段と、
    前記電流もしくは電圧の印加を停止してから10μs〜1msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs1を検出するVs1電圧検出手段と、
    前記電流もしくは電圧の印加を停止してから10ms〜50msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出するVs2電圧検出手段と、
    前記Vs0及びVs1から前記起電力セルの第1の抵抗値Rvs1を検出するRvs1検出手段と、
    前記Vs0及びVs2から前記起電力セルの第2の抵抗値Rvs2を検出するRvs2検出手段と、
    該抵抗値Rvs1とRvs2との比較によって、前記全領域空燃比センサの劣化状態を検出する劣化状態検出手段と、
    を備えた全領域空燃比センサの劣化状態検出装置。
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