JP4595718B2 - 空燃比センサの異常検出装置並びに同異常検出装置を備える内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、理論空燃比を含む広範囲の空燃比を検出可能な空燃比センサの異常検出装置並びに同異常検出装置を備える内燃機関に関する。

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され、燃焼後の排気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または酸素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目標空燃比（通常、理論空燃比）となるように燃料量を調整してフィードバック制御を行っている。

ここで、空燃比センサに異常が生じた場合には、このような空燃比のフィードバック制御を適切に行うことができなくなるため、異常に応じた処置、例えばオープンループ制御への切り替え等を行っている。

具体的には、空燃比センサの異常検出は、同センサの温度及び同センサの抵抗値の逆数値、すなわち電流の流れ易さを表すアドミタンスを検出して判定値と比較することにより行われる。

図６のフローチャートに処理手順を示すように、この空燃比センサの異常検出装置では、まず、内燃機関の始動から期間Ｔが経過したときの同センサのアドミタンスを検出する（ステップ２１０，２２０，２３０）。この期間Ｔは、機関が始動されてから空燃比センサの出力が保証されるまでに要する期間であり、ヒータにより空燃比センサが温められて同センサが活性化温度に達するまでに要する期間ＳＡよりも長い期間である。なお、この期間Ｔは予め実験等により求められる。

次に、この検出されたアドミタンスと判定値ＹＪとを比較することにより、空燃比センサの異常を検出する（ステップ２４０）。ここで、空燃比センサは、経時劣化等に伴い性能が低下すると、同一温度におけるアドミタンスが低下する傾向にある。このため、図７に示すように、上記判定値ＹＪよりも検出されたアドミタンスが低いことをもって、同センサの性能低下を検出することができる。

そして、異常が検出された場合には（ステップ２４０：ＹＥＳ）、センサの異常を示す警告灯を点灯して燃料量の制御系を異常対応制御へと切り替える（ステップ２５０，２６０）。

ところで、空燃比センサに断線異常が生じた場合には、同センサに電流が流れなくなるため、同センサのアドミタンスは「０」となる。このように同センサの性能が低下した場合及び同センサに断線異常が生じた場合は、共に同センサのアドミタンスが判定値よりも小さくなる。このため、上記空燃比センサの異常検出装置では、これらの異常を共にアドミタンスと判定値との比較によって検出している。

しかしながら、空燃比センサの性能低下を検出するためには同センサの温度が活性化温度まで達した後に出力の精度を判定する必要があるが、断線異常を検出するためには必ずしもそのような判定は必要とされない。それにも関わらず、上記空燃比センサの異常検出装置では、同センサの温度が活性化温度に達するまでは断線異常の検出を行うことができないため、断線異常を早期に検出して異常に応じた処置を行うことができない。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、断線異常を早期に発見することの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。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、理論空燃比を含む広範囲の空燃比を検出可能な空燃比センサと、前記センサのアドミタンスを検出するアドミタンス検出手段と、前記センサの温度を検出する温度検出手段とを備え、前記センサの活性化温度よりも高い第一の温度における同センサのアドミタンスが第一の判定値よりも低いときに同センサの異常を検出する空燃比センサの異常検出装置において、前記第一の温度よりも低く、前記センサの温度が同センサのアドミタンスに基づいて同センサの断線異常を検出することができる温度に達していることを判定するための基準として設定された第二の温度における同センサのアドミタンスが同センサの断線を判定するための第二の判定値よりも低いときに同センサの断線異常を検出する断線異常検出手段を備えることを要旨としている。

上記構成によれば、空燃比センサの温度が同センサの活性化温度よりも高い第一の温度よりも低い場合であっても、第二の温度において、空燃比センサの断線異常を検出することができる。その結果、空燃比センサの断線異常の検出に応じて、フィードバック制御からオープンループ制御へ切り替える等の処置を早期に行うことができる。

また、請求項２にかかる発明によるように、空燃比センサのインピーダンスを検出して同インピーダンスと判定値とを比較する異常検出装置においても、上記請求項１にかかる発明と同様の作用効果を奏することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載した空燃比センサの異常検出装置を備える内燃機関において、前記センサの断線異常が検出されたときに内燃機関の制御を異常対応制御に切り替えることを要旨としている。

上記構成によれば、空燃比センサの断線異常が検出されたときに内燃機関の制御が異常対応制御に切り替えられるため、排気エミッションの悪化を早期に抑制することができる。

本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本発明に係る空燃比センサの異常検出装置と、同空燃比センサを搭載する内燃機関の概略構成を示している。

内燃機関１０は、排気通路１１、燃料噴射弁１２、空燃比センサ２０、電子制御装置３０及び各種センサを備える。
図１に示すように、空燃比センサ２０は内燃機関１０の排気通路１１に取り付けられる。この空燃比センサ２０は、ジルコニアを材料として焼結された素子（図示略）、その素子の内外周面の一部に配置された白金よりなる電極（図示略）及び同素子温を一定に保つためのセラミックスヒータ２１を有している。そして、リッチ領域及びリーン領域において、そのリッチ程度或いはリーン程度に応じて出力信号（限界電流値）の大きさが線形的に変化する特性を有している。

図２は、このような空燃比センサ２０の電圧−電流特性を示したものである。同図に示すように、この電圧−電流特性では、印加電圧を変化させても電流値が殆ど変化せず一定の電流値（以下、「限界電流値」という）となる領域があり、印加電圧がこの領域の電圧より大きい、或いは小さい場合には、電流値はその印加電圧に応じて比例的に変化する。

また、この限界電流値の大きさは、空燃比の状態に応じて変化し、空燃比がリッチからリーン側に移行するに伴って増加する傾向を有する。このため、この空燃比センサにおいては、同センサに所定電圧を印加し、その際に流れる限界電流値の大きさを検出することによって空燃比を検出することができる。

電子制御装置３０は、内燃機関１０の各種制御を統括して実行するものであり、制御プログラムや同プログラムの実行に際して必要なデータを記憶するメモリ等を備えて構成されている。電子制御装置３０は、機関回転速度ＮＥ、アクセルペダル操作量ＡＣＣＰ等、機関運転状態に基づいて目標空燃比を設定するとともに、空燃比センサ２０から取り込まれる出力信号Ａ／Ｆに基づいて空燃比（検出空燃比）を算出する。そして、電子制御装置３０は、これら検出空燃比と目標空燃比との偏差に基づき燃料噴射弁１２に制御信号ＦＩを出力して燃料噴射量を調量する。例えば、検出空燃比が目標空燃比よりもリーン側にあるときには、燃料噴射量を増量する一方、同検出空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にあるときには、燃料噴射量を減量することにより、検出空燃比が目標空燃比と一致するようにフィードバック制御する（以下、「空燃比フィードバック制御」という）。

また、電子制御装置３０は、空燃比センサ２０に印加される電圧ＶＳ、同センサ２０を流れる電流ＩＳ及びヒータに印加される電圧ＶＨに基づいて同センサ２０の性能低下異常及び断線異常を検出する。以下では、この空燃比センサ２０の性能低下異常及び断線異常の検出処理について説明する。

図３は、この異常検出の処理手順を示すフローチャートである。なお、同処理は、実際には電子制御装置３０により所定の周期をもって繰り返し実行される。
図３に示される一連の処理では、まず、ヒータに印加される電圧ＶＨに基づいて空燃比センサ２０の温度が算出される（ステップ１０）。このステップ１０が温度検出手段に相当する。具体的には、ヒータに印加される電圧ＶＨの二乗値を毎秒加算した積算値に基づいて空燃比センサの温度が算出される。なお、この空燃比センサの温度の算出においては、上記電圧の積算値をヒータの抵抗値で割った値、すなわちヒータにおける投入電力の積算値の代用値として、上記電圧の二乗値を用いている。

次に、この算出された空燃比センサの温度に基づいて、同センサの温度が断線異常を検出することができる温度まで達しているか否かが判断される（ステップ２０）。具体的には、ステップ１０で算出された空燃比センサの温度が第一の判定温度ＴＨＳＪ１を上回っているか否かを判断することにより行われる。第一の判定温度ＴＨＳＪ１は、同センサの正常時にアドミタンスを検出可能となる最低温度（以下、「アドミタンス検出可能温度」という）ＴＹよりも高く、且つ同アドミタンス検出可能温度ＴＹ近傍の温度であり、空燃比センサの活性化温度ＴＡよりも低い温度である。空燃比センサの温度が第一の判定温度ＴＨＳＪ１を上回っている場合には、空燃比センサの温度が断線異常を検出することができる温度まで達した旨の判定をする。

この判定処理を通じて、空燃比センサの温度が断線異常を検出することができる温度まで達した旨判定された場合には（ステップ２０：ＹＥＳ）、空燃比センサのアドミタンスが算出される（ステップ３０）。このステップ３０がアドミタンス検出手段に相当する。具体的には、空燃比センサ２０に印加される電圧ＶＳ及び同センサ２０を流れる電流ＩＳに基づいて電流の流れにくさであるインピーダンスが算出され、そのインピーダンスから逆数値のアドミタンスが算出される。

次に、この算出された空燃比センサのアドミタンスに基づいて、同センサに断線異常が発生しているか否かが判断される（ステップ４０）。具体的には、ステップ３０で算出された空燃比センサのアドミタンスが第一の判定値ＹＪ１を上回っているか否かを判断することにより行われる。ここで、図４に示すように、第一の判定値ＹＪ１は、空燃比センサの温度が第一の判定温度ＴＨＳＪ１の場合において、同センサに性能低下異常が生じた場合に推定されるアドミタンスよりも低い値に設定される。第一の判定値ＹＪ１をこのような値とすることで、性能低下異常を断線異常と誤判定しないようにしている。また、空燃比センサに断線異常が発生した場合には、同センサのアドミタンスは略「０」となるため、上記第一の判定値ＹＪ１は「０」より大きな値に設定される。

空燃比センサに断線異常が発生している旨判定された場合には（ステップ４０：ＹＥＳ）、警告灯１が点灯され（ステップ５０）、更に空燃比フィードバック制御が異常対応制御１へと切り替えられ（ステップ６０）、この処理は終了する。異常対応制御１では、排気エミッションの悪化を抑制すべく、空燃比のオープンループ制御が行われる。

一方、空燃比センサに断線異常が発生していない旨判定された場合には（ステップ４０：ＮＯ）、同センサの温度が性能低下異常を検出することができる温度まで達しているか否かが判断される（ステップ７０）。具体的には、ステップ１０で算出された空燃比センサの温度が第二の判定温度ＴＨＳＪ２を上回っているか否かを判断することにより行われる。第二の判定温度ＴＨＳＪ２は、空燃比センサの活性化温度ＴＡよりも高い温度に設定される。空燃比センサの温度が第二の判定温度ＴＨＳＪ２を上回っている場合には、空燃比センサの温度が性能低下異常を検出することができる温度まで達した旨の判定をする。

この判定処理を通じて、空燃比センサの温度が性能低下異常を検出することができる温度まで達した旨判定された場合には（ステップ７０：ＹＥＳ）、同センサに性能低下異常が発生しているか否かが判断される（ステップ８０）。具体的には、ステップ３０で算出された空燃比センサのアドミタンスが第二の判定値ＹＪ２を上回っているか否かを判断することにより行われる。ここで、図４に示すように、第二の判定値ＹＪ２は、空燃比センサの温度が第二の判定温度ＴＨＳＪ２の場合において、同センサが正常なときに推定されるアドミタンスよりも低い値に設定される。第二の判定値ＹＪ２をこのような値とすることで、空燃比センサの温度が第二の判定値ＹＪ２を下回った場合には性能低下異常を検出するようにしている。

一方、空燃比センサの温度が性能低下異常を検出することができる温度まで達していない旨判定された場合には（ステップ７０：ＮＯ）、本ルーチンの開始に戻る。
また、空燃比センサに性能低下異常が発生している旨判定された場合には（ステップ８０：ＹＥＳ）、警告灯２が点灯され（ステップ９０）、更に空燃比フィードバック制御が異常対応制御２へと切り替えられ（ステップ１００）、この処理は終了する。一方、空燃比センサに性能低下異常が発生していない旨判定された場合には（ステップ８０：ＮＯ）、本ルーチンを終了する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に列記する作用効果が得られる。
（１）空燃比センサ２０の温度が同センサの活性化温度ＴＡよりも高い第二の判定温度ＴＨＳＪ２よりも低い場合であっても、アドミタンス検出可能温度ＴＹよりも高い第一の判定温度ＴＨＳＪ１において、空燃比センサ２０の断線異常を検出することができる。その結果、空燃比センサ２０の断線異常の検出に応じて、フィードバック制御から異常対応制御へ切り替える処置を早期に行うことができる。
（２）空燃比センサ２０の正常時にアドミタンスを検出可能となる最低温度近傍の温度で同センサ２０の断線異常を検出することができるため、同センサ２０の断線異常をより早期に検出することができる。
（３）空燃比センサ２０の断線異常が検出されたときに内燃機関１０の制御が異常対応制御１に切り替えられるため、早期に排気エミッションの悪化を抑制することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した、例えば次のような形態として実施することもできる。
・上記実施形態では、空燃比センサに断線異常が発生している旨判定された場合には警告灯１が点灯され、性能低下異常が発生している旨判定された場合には警告灯２が点灯されていたが、これら警告灯は同一の警告灯を用いてもよい。

・上記実施形態では、空燃比フィードバック制御が、空燃比センサに断線異常が発生している旨判定された場合には異常対応制御１へと切り替えられ、性能低下異常が発生している旨判定された場合には異常対応制御２へと切り替えられていたが、これら異常対応制御は同一の異常対応制御を用いてもよい。

・上記実施形態では、ヒータに印加される電圧ＶＨに基づいて空燃比センサ２０の温度を算出していたが、更に外気温度や内燃機関の冷却水温度をセンサにより検出してこれらの温度に基づいて同センサ２０の算出温度を補正してもよい。このような空燃比センサ２０の温度算出手段を備えることにより、空燃比センサ２０の温度をより正確に算出することができる。

・上記実施形態では、第一の判定温度ＴＨＳＪ１は、アドミタンス検出可能温度ＴＹよりも高く、且つアドミタンス検出可能温度ＴＹ近傍の温度であり、空燃比センサ２０の活性化温度ＴＡよりも低い温度とした。これに対して、アドミタンス検出可能温度ＴＹ近傍でなくとも、アドミタンス検出可能温度ＴＹよりも高く、空燃比センサ２０の活性化温度ＴＡよりも低い温度であればよい。図５は、第一の判定温度ＴＨＳＪ１をアドミタンス検出可能温度ＴＹ近傍でない温度に設定した場合を示している。このように設定しても、空燃比センサの温度が性能低下異常を検出することができる第二の判定温度ＴＨＳＪ２に達する前に断線異常を検出することができる。

・上記実施形態では、断線異常及び性能低下異常の検出を空燃比センサ２０のアドミタンスに基づいて判定していたが、アドミタンスではなくインピーダンスを用いてもよい。このような空燃比センサのインピーダンスを検出して同インピーダンスと判定値とを比較する異常検出装置においても、上記一実施形態にかかる異常検出装置と同様の作用効果を奏することができる。

本発明にかかる空燃比センサの異常検出装置の一実施形態について構成を示すブロック図。 上記空燃比センサの電圧と電流の関係を示すグラフ。 本発明にかかる空燃比センサの異常の判定について処理手順を示すフローチャート。 上記空燃比センサの温度とアドミタンスの関係を示すグラフ。 本発明にかかる空燃比センサの異常検出装置の変形例を示すグラフ。 従来の空燃比センサの異常の判定について処理手順を示すフローチャート。 上記空燃比センサの温度とアドミタンスの関係を示すグラフ。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…排気通路、１２…燃料噴射弁、２０…空燃比センサ、２１…セラミックスヒータ、３０…電子制御装置。

Claims (3)

1. 理論空燃比を含む広範囲の空燃比を検出可能な空燃比センサと、前記センサのアドミタンスを検出するアドミタンス検出手段と、前記センサの温度を検出する温度検出手段とを備え、前記センサの活性化温度よりも高い第一の温度における同センサのアドミタンスが第一の判定値よりも低いときに同センサの異常を検出する空燃比センサの異常検出装置において、
   前記第一の温度よりも低く、前記センサの温度が同センサのアドミタンスに基づいて同センサの断線異常を検出することができる温度に達していることを判定するための基準として設定された第二の温度における同センサのアドミタンスが同センサの断線を判定するための第二の判定値よりも低いときに同センサの断線異常を検出する断線異常検出手段を備える
   ことを特徴とする空燃比センサの異常検出装置。
2. 理論空燃比を含む広範囲の空燃比を検出可能な空燃比センサと、前記センサのインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記センサの温度を検出する温度検出手段とを備え、前記センサの活性化温度よりも高い第一の温度における同センサのインピーダンスが第一の判定値よりも高いときに同センサの異常を検出する空燃比センサの異常検出装置において、
   前記第一の温度よりも低く、前記センサの温度が同センサのインピーダンスに基づいて同センサの断線異常を検出することができる温度に達していることを判定するための基準として設定された第二の温度における同センサのインピーダンスが同センサの断線を判定するための第二の判定値よりも高いときに同センサの断線異常を検出する断線異常検出手段を備える
   ことを特徴とする空燃比センサの異常検出装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載した空燃比センサの異常検出装置を備える内燃機関において、
   前記センサの断線異常が検出された時に内燃機関の制御を異常対応制御に切り替える
   ことを特徴とする内燃機関。

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