JP4048489B2

JP4048489B2 - 酸素センサの異常検出装置および異常検出方法

Info

Publication number: JP4048489B2
Application number: JP2003079892A
Authority: JP
Inventors: 一孝服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: US20040187554A1; JP2004286628A; US6978653B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用の空燃比センサ等として用いられる酸素センサの異常検出装置および異常検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内燃機関では、酸素センサを用いて燃焼室からの排気ガスの酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度に基づいて、燃焼室内の混合気の空燃比を所望の値に設定することが一般に行われている。この種の酸素センサとしては、いわゆる限界電流式の酸素センサが知られている。限界電流式の酸素センサは、内外の表面に電極が取り付けられている固体電界質等からなる検出素子を含み、検出素子の内表面側には大気が導入される一方、その外表面側には燃焼室からの排気ガスが導入される。そして、検出素子の電極間に電圧が印加されると、検出素子は、排気ガス中の酸素濃度に応じた値の電流（限界電流）を出力する。
【０００３】
上述のような検出素子を含む酸素センサでは、検出素子の劣化や、または、何らかの原因に検出素子に生じたクラック（素子割れ）等に起因して、素子内表面側の大気と外表面側の排気ガスとが混ざり合ってしまうと、検出対象である排気ガス等の酸素濃度を正確に検出することが困難となる。このため、従来から、酸素センサの異常を検出するための手法として、酸素センサに対して異常診断用の負の電圧を印加し、その際に酸素センサから出力される電流値に基づいて、素子割れ等の異常の有無を判定する手法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３２７５８６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の手法のように、酸素センサに対して負の電圧を印加した場合、酸素センサから出力される電流の値が安定化するまである程度時間を要する（例えば、数秒程度）。従って、従来の手法では、酸素センサの異常を応答性よく迅速に検出することが困難となっている。また、上述の従来の手法を用いた場合、酸素センサに何ら異常が発生していない場合であっても、異常検出処理を実行している間（上述の数秒間）、酸素センサを用いた空燃比制御等を実行し得なくなってしまう
【０００６】
そこで、本発明は、酸素センサの異常検出を応答性よく迅速に実行可能にする酸素センサの異常検出装置および異常検出方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による酸素センサの異常検出装置は、電圧が印加されると酸素濃度に応じた値の電流を出力する酸素センサの異常を検出するための異常検出装置において、酸素センサのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、酸素センサに対して電圧を印加すると共に、印加電圧の極性を反転させることができる電圧印加手段と、電圧印加手段によって負の電圧が印加された際の酸素センサのインピーダンスと、電圧印加手段によって正の電圧が印加された際の酸素センサのインピーダンスとの偏差に基づいて酸素センサの異常の有無を判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この酸素センサの異常検出装置では、負の電圧を印加した際の酸素センサのインピーダンスと、その前に正の電圧を印加した際の酸素センサのインピーダンスとの偏差に基づいて酸素センサの異常の有無が判定される。これにより、酸素センサ（検出素子）のインピーダンスは負の電圧の印加後瞬時に安定化することから、酸素センサの異常検出を応答性よく迅速に実行可能となる。
【０００９】
また、電圧印加手段は、所定の異常検出前提条件が成立した際に、酸素センサに対して負の電圧を印加すると好ましい。すなわち、この酸素センサの異常検出装置において、酸素センサの異常検出は、所定の前提条件が成立している場合に実行される。
【００１０】
更に、インピーダンス測定手段は、交流高周波電圧を用いて酸素センサのインピーダンスを測定すると好ましい。このような構成を採用することにより、経年劣化等に起因して変化する酸素センサ（検出素子）の電極界面抵抗の影響に拘わらず、酸素センサのインピーダンスを精度よく測定することが可能となるので、酸素センサの異常を精度よく検出することができる。
【００１１】
本発明による酸素センサの異常検出方法は、電圧が印加されると酸素濃度に応じた値の電流を出力する酸素センサの異常を検出するための異常検出方法において、酸素センサに負の電圧を印加して当該酸素センサのインピーダンスを測定し、負の電圧を印加した際の酸素センサのインピーダンスと、負の電圧の印加前に正の電圧を印加した際の酸素センサのインピーダンスとの偏差に基づいて酸素センサの異常の有無を判定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による酸素センサの異常検出装置および異常検出方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明による異常検出装置が適用される酸素センサを示す拡大断面図であり、図２は、本発明による酸素センサの異常検出装置を示すブロック構成図である。図１に示される本実施形態の酸素センサ１は、車両用内燃機関の空燃比センサとして利用されるものであり、ジルコニア、チタニアといった固体電解質からなる検出素子２を含む。検出素子２は、有底筒状に形成されており、その内表面には白金電極３が、その外表面には白金電極４がそれぞれ装着されている。更に、検出素子２の外表面側の白金電極４上には、拡散抵抗層（保護コーティング）５が積層されている。
【００１４】
検出素子２は、ハウジング６によって保持されており、ハウジング６には、検出素子２を覆う保護カバー７が固定されている。保護カバー７には、図１に示されるように、複数の孔７ａが形成されている。そして、酸素センサ１は、保護カバー７が排気管（排気マニホールド）の内部に臨むように内燃機関等に対して配置される。これにより、検出素子２の外表面の白金電極４と、保護カバー７との間の空間には、排気系統を流通する排気ガスが導入されることになる。一方、検出素子２の内部空間（白金電極３と接する空間）には、ヒータ８が配置されると共に、大気が導入される。ヒータ８は、図示されないヒータ電流制御回路および電源に接続されており、ヒータ８への電流を制御することにより、検出素子２の温度を調整して検出素子２の活性度を変化させることができる。
【００１５】
上述の酸素センサ１は、コントローラ１５によって制御される電圧印加部２０と接続されている。これらコントローラ１５と電圧印加部２０とは、酸素センサ１のための異常検出装置１０を構成する。コントローラ１５は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を有しており、電圧印加部２０による酸素センサ１への電圧印加を制御すると共に、酸素センサ１（検出素子２）の出力に基づいて、排気系統を流通する排気ガスの空燃比を求める。
【００１６】
電圧印加部２０は、定電圧源Ｖｃを含み、この定電圧源Ｖｃには、抵抗Ｒ１およびオペアンプＯＰ１を介してパルス発生回路ＰＧが接続されている。パルス発生回路ＰＧは、オペアンプＯＰ２および抵抗Ｒ２を介して酸素センサ１の内表面側（大気側）の白金電極３に接続されている。パルス発生回路ＰＧは、定電圧源Ｖｃから与えられる電圧信号に所定周波数（例えば１〜１０ＫＨｚ程度）のパルス電圧（本実施形態では、±０．２Ｖ）を重畳させ得るものである。一方、酸素センサ１の外表面側（排気側）の白金電極４には、抵抗Ｒ３，Ｒ４を介してオペアンプＯＰ３が接続されている。そして、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子は、抵抗Ｒ５と、コントローラ１５によってオンまたはオフされるスイッチング素子ＳＷとを介して定電圧源Ｖｃと接続されている。
【００１７】
抵抗Ｒ１とオペアンプＯＰ１との間に設けられた端子２１には、抵抗Ｒ６の一端が接続されており、抵抗Ｒ６の他端は端子２２に接続されている。また、抵抗Ｒ５とオペアンプＯＰ３との間に設けられた端子２３には、抵抗Ｒ７の一端が接続されており、抵抗Ｒ７の他端は端子２２に接続されている。そして、端子２２には、一端が接地された抵抗Ｒ８が接続されている。抵抗Ｒ１〜Ｒ８の値は、端子２１における電位が例えば３．３Ｖである場合、スイッチング素子ＳＷをオフした時に端子２２における電位が２．９Ｖとなり、スイッチング素子ＳＷをオンした時に端子２３における電位が３．７Ｖとなるように定められている。
【００１８】
酸素センサ１の適用対象である内燃機関の空燃比を検出する際には、コントローラ１５によってスイッチング素子ＳＷがオフされ、酸素センサ１には、電圧印加部２０によって正の電圧（＋０．４Ｖ）が印加される。このように、酸素センサ１の電極３，４間に正の電圧が印加されると、検出素子２は、排気ガス中の酸素濃度に応じた値の電流（限界電流）を出力する。そして、検出素子２の出力電流は、オペアンプＯＰ４を介して抵抗Ｒ２の両端に接続されたＡ／Ｄ変換器２５を介してコントローラ１５に取り込まれ、コントローラ１５は、Ａ／Ｄ変換器２５からの信号に基づいて、内燃機関の空燃比を算出する。
【００１９】
また、抵抗Ｒ２の両端には、Ａ／Ｄ変換器２６，２７が接続されており、コントローラ１５は、これらのＡ／Ｄ変換器２６，２７の出力に基づいて、電圧印加部２０によって酸素センサ１に電圧（正の交流高周波電圧）が印加された際の検出素子２のインピーダンスを測定する。そして、コントローラ１５は、測定した検出素子２のインピーダンスに基づいて酸素センサ１の異常の有無を判定する判定手段として機能する。更に、コントローラ１５は、検出素子２のインピーダンスに基づいて検出素子２の温度を求め、求めた検出素子２の温度が所望温度になるようにヒータ８のヒータ電流制御回路（図示省略）を制御する。
【００２０】
次に、図３を参照しながら、酸素センサ１の異常を検出する手順について説明する。
【００２１】
図３に示される酸素センサ１の異常検出ルーチンは、酸素センサ１の異常検出装置１０を構成するコントローラ１５によって所定時間（例えば、６５ｍｓｅｃ）ごとに実行される。そして、コントローラ１５は、上記所定時間が経過するごとに、まず、酸素センサ１の異常検出前提条件が成立するか否かを判定する（Ｓ１０）。
【００２２】
ここで、内燃機関の運転中には、例えば、内燃機関に対する燃料供給（燃料噴射）停止から所定時間が経過した後に更なる燃料供給（燃料噴射）が行なわれないといったことも起こり得る。このような場合、排気ガス中の酸素濃度が高まり、排気ガスと大気との間の酸素濃度の差が小さくなることから、いわゆる素子割れ（クラック）等に起因して検出素子２の内外の酸素濃度差が小さくなった場合との正確な区別が困難となる。このため、本発明による異常検出装置１０では、Ｓ１０において、所定の異常検出前提条件（例えば、燃料噴射停止から所定時間が経過し、かつ、更なる燃料噴射が行なわれていないこと）が成立していると判断された場合にのみ、酸素センサ１の異常検出が実行されることになる。
【００２３】
コントローラ１５は、Ｓ１０にて異常検出前提条件が成立していないと判断した場合、電圧印加部２０のスイッチング素子ＳＷをオフにすると共に、パルス発生回路ＰＧを作動させる（Ｓ１２）。これにより、酸素センサ１の電極３，４間には、電圧印加部２０によって正の交流高周波電圧（０．６〜０．２Ｖ）が印加されることになる。更に、コントローラ１５は、Ａ／Ｄ変換器２６，２７からの信号に基づいて、Ｓ１２にて酸素センサ１に正の交流高周波電圧を印加した際の検出素子２のインピーダンスＺｐを測定し（Ｓ１４）、測定した検出素子２のインピーダンスＺｐを所定の記憶領域に格納する。コントローラ１５は、Ｓ１４の処理を実行した後、本ルーチンを次に実行するタイミング（６５ｍｓｅｃ経過後）まで待機する。
【００２４】
一方、コントローラ１５は、Ｓ１０にて異常検出前提条件が成立していると判断した場合、検出素子２のインピーダンスに基づいたヒータ８の制御を休止する（Ｓ１６）。そして、コントローラ１５は、電圧印加部２０のスイッチング素子ＳＷをオンにすると共に、パルス発生回路ＰＧを作動させる（Ｓ１８）。これにより、酸素センサ１の電極３，４間には、電圧印加部２０によって負の交流高周波電圧（−０．６〜−０．２Ｖ）が印加されることになる。更に、コントローラ１５は、Ａ／Ｄ変換器２６，２７からの信号に基づいて、Ｓ１８にて酸素センサ１に負の交流高周波電圧を印加した際の検出素子２のインピーダンスＺｎを測定する（Ｓ２０）。
【００２５】
ここで、酸素センサ１に正の電圧を印加した場合、検出素子２のインピーダンスは、素子外表面側の電極４と接する排気ガスの酸素濃度に応じた値となり、酸素センサ１に負の電圧を印加した場合、検出素子２のインピーダンスは、素子内表面側の電極３と接する大気の酸素濃度に応じた値となる。従って、酸素センサ１（検出素子２）が正常であれば、酸素センサ１に対して印加される電圧の極性が正（Ｖｐ）から負（Ｖｎ）に反転させた場合、検出素子２のインピーダンスは、図４に示されるように、ＺｐからＺｎへとある程度の量だけ低下する。これに対して、検出素子２にクラック等の異常が発生している場合、印加電圧の極性反転の前後における検出素子２のインピーダンスの変化量は、図４において二点鎖線で示されるように、酸素センサ１が正常である場合と比較して非常に小さくなる。
【００２６】
このような点に鑑みて、本発明による異常検出装置１０では、酸素センサ１に印加される電圧の極性反転の前後における検出素子２のインピーダンスの変化量（偏差：Ｚｎ−Ｚｐ）に基づいて、酸素センサ１（検出素子２）に異常が生じているか否かが判定される。すなわち、コントローラ１５は、Ｓ２０にて、酸素センサ１に負の交流高周波電圧を印加した際の検出素子２のインピーダンスＺｎを測定すると、測定したインピーダンスＺｎと、その前に測定されている正の電圧を酸素センサ１に印加した際の検出素子２のインピーダンスＺｐ、すなわち、Ｓ１４にて測定されたインピーダンスＺｐとの偏差（Ｚｎ−Ｚｐ）を求める。そして、コントローラ１５は、求めた偏差（Ｚｎ−Ｚｐ）が予め定められた閾値Ｚｒ以下であるか否か判定する（Ｓ２２）。
【００２７】
コントローラ１５は、Ｓ２２にて、酸素センサ１に印加される電圧の極性反転の前後における検出素子２のインピーダンスの偏差（Ｚｎ−Ｚｐ）が閾値Ｚｒ以下であると判断した場合、酸素センサ１に素子割れ等の異常が発生しているとみなし、車両等の所定箇所に配置されているインジケータ１６（図２参照）を点灯させる（Ｓ２４）。そして、コントローラ１５は、Ｓ２４の処理を実行した後、本ルーチンを次に実行するタイミング（６５ｍｓｅｃ経過後）まで待機する。
【００２８】
一方、コントローラ１５は、Ｓ２２にて、酸素センサ１に印加される電圧の極性反転の前後における検出素子２のインピーダンスの偏差（Ｚｎ−Ｚｐ）が閾値Ｚｒを上回っていると判断した場合、酸素センサ１は正常であるとみなし、Ｓ１６にて休止させた検出素子２のインピーダンスに基づくヒータ８の制御を再開させる（Ｓ２６）。そして、コントローラ１５は、Ｓ１４の処理を実行した後、本ルーチンを次に実行するタイミング（６５ｍｓｅｃ経過後）まで待機する。
【００２９】
上述のルーチンが実行された場合、検出素子２のインピーダンスは負の電圧の印加後瞬時に安定化することから、異常検出装置１０によれば、酸素センサ１の異常検出を応答性よく迅速に実行可能となる。また、異常検出装置１０では、交流高周波電圧を用いて検出素子２のインピーダンスが精度よく測定されるので、経年劣化等に起因して変化する酸素センサ１（検出素子２）の電極界面抵抗の影響に拘わらず、酸素センサ１の異常を精度よく検出することが可能となる。なお、図３に示された例では、酸素センサ１に負電圧を印加して異常を検出する場合に、Ｓ１６にて、検出素子２のインピーダンスに基づいたヒータ８の制御を休止させているが、これに限られるものではない。すなわち、図３の例において、Ｓ１６からＳ２６までの間、測定される検出素子２のインピーダンスを補正してヒータ８の制御に用いるようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、酸素センサの異常検出を応答性よく迅速に実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による異常検出装置が適用される酸素センサを示す断面図である。
【図２】本発明による酸素センサの異常検出装置を示すブロック構成図である。
【図３】図２の異常検出装置による酸素センサの異常検出手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】酸素センサに印加する電圧の極性を反転させた際の検出素子のインピーダンスの変化を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
１酸素センサ
２検出素子
３，４白金電極
５拡散抵抗層
８ヒータ
１０異常検出装置
１５コントローラ
１６インジケータ
２０電圧印加部
２５，２６，２７Ａ／Ｄ変換器
ＰＧパルス発生回路
ＳＷスイッチング素子

Claims

電圧が印加されると酸素濃度に応じた値の電流を出力する酸素センサの異常を検出するための異常検出装置において、
前記酸素センサのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
前記酸素センサに対して電圧を印加すると共に、印加電圧の極性を反転させることができる電圧印加手段と、
前記電圧印加手段によって負の電圧が印加された際の前記酸素センサのインピーダンスと、前記電圧印加手段によって正の電圧が印加された際の前記酸素センサのインピーダンスとの偏差に基づいて前記酸素センサの異常の有無を判定する判定手段とを備えることを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
前記電圧印加手段は、所定の異常検出前提条件が成立した際に、前記酸素センサに対して負の電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの異常検出装置。
前記インピーダンス測定手段は、交流高周波電圧を用いて前記酸素センサのインピーダンスを測定することを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサの異常検出装置。
電圧が印加されると酸素濃度に応じた値の電流を出力する酸素センサの異常を検出するための異常検出方法において、
前記酸素センサに負の電圧を印加して当該酸素センサのインピーダンスを測定し、負の電圧を印加した際の前記酸素センサのインピーダンスと、負の電圧の印加前に正の電圧を印加した際の前記酸素センサのインピーダンスとの偏差に基づいて前記酸素センサの異常の有無を判定することを特徴とする酸素センサの異常検出方法。