JPH01291156A - 排気濃度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、内燃エンジンの混合気の空燃比を制御するよ
うにした燃料供給制御装置に用いられる排気濃度検出器
の構造に関するものであり、特に該検出器の出力電圧の
変化から当該排気濃度検出器の故障を検出する場合に常
に正確にしてかつ確実に故障検出を行わせ得る排気濃度
検出器に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）一般に
、内燃エンジンに供給される混合気の空燃比が所望の値
を中心としたある範囲内となるように制御するために、
排気ガスに含まれている特定の成分濃度、例えば酸素ガ
ス濃度を検出し、該検出した酸素ガス濃度に応じて空燃
比補正係数値を設定し、この補正係数値を用いて空燃比
を補正している。内燃エンジンの排気ガスから酸素ガス
濃度を検出するための排気濃度検出器である酸素ガス濃
度センサ（０２センサ）は、例えばジルコニア固体電解
質（ＺｒＯｚ）を備えた形式のもので、その起電力が内
燃エンジンの理論空燃比の前後において急激に変化する
特性を有し、０２センサの出力信号は排気ガスのリッチ
側において高レベルとなり、リーン側において低レベル
となる。このような酸素ガス濃度を検出する０２センザ
の断線、短絡や劣化が空燃比制御に与える影響は大きい
。

このため、０２センサ等の排気濃度センサを含む排気ガ
ス濃度検出系を常時監視して正常なセンサ信号によって
空燃比制御系を正常に機能させる必要がある。

そのための排気濃度センサの異常検出手段として、従来
、０２センサの出力の反転時間、即ちリッチ側からリー
ン側へのまたはその逆への反転時間間隔を検出すること
によって故障検出を行う技術（例えば、特公昭５６−２
９１００号公報）、あるいは０２センサの通常動作時の
出力電圧（０，１Ｖ〜ｌＶ程度）よりも大きい電圧と０
２センサ出力電圧とを比較して異常検知を行う技術（特
開昭’　　　５３−９５４３１号公報）が知られている
。

前者のものは、Ｑ２センサの出力が供給されるコンパレ
ータの出力の反転時間を蓄積コンデンサへの蓄ｙｔ電荷
量によってみており、上記反転時間が長ければ、即ちな
かなか反転しなければ故障であるとみなすものであるが
、かかる手法にあっては、ベースの空燃比（Ａ／Ｆ）が
ズしているなどしているときに、それによるリッチ状態
あるいはリーン状態を誤って０２センサの故障状態と検
出してしまうおそれがある。

即ち、基本燃料爪をマツプ化して予め記憶させておく場
合においてかかるベースマツプ値が少しズしていたよう
なとき、具体的にはエンジンに合わなかった場合とか、
あるいは、エンジン及び電子コントロールユニット内の
上記マツプが正しくてもインジェクタの開口面積、もし
くはプレッシャレギュレータの設定圧等にバラツキがあ
るといったような場合においては、通常は反転すべき状
態であっても、既述の如く、０２センサ出力は理論空燃
比において非常に急峻に変化する（換言すれば、その前
後においてはリッチまたはリーンを表わす所定レベルを
示す）ものであることから、わずかの空燃比（Ａ／Ｉ”
）のズレ（変化）でも、例えばリッチ状態を続けたりす
るときがある。。

しかして、上記Ｏｚセンサの反転時間を検出する手法に
よるときは、かかるリッチ状態が継続したりしている場
合でも、即ちシステム系の異常であっても、０２センサ
の異常であると誤判断してしまう（実際には、０２セン
サは正常であるにもかかわらず異常であると誤診してし
まう）ことになる。従って、ベースの空燃比や上述のバ
ラツキに左右され易く、故障検知の正確性、確実性の面
で問題がある。

一方、後者のもの、即ち、排気濃度センサからの出力電
圧が例えば６Ｖ以上の高電圧になったとき、該排気濃度
センサが異常であると判定する異常検出では、排気濃度
センサ、即ち０２センサの断線を検出することはできる
が、０２センサが短絡したときは出力電圧がＯに下がる
ので、０２センサの短絡による異常を検出することはで
きない。

（発明の目的） 本発明は、」二記事情に鑑みてなされたもので、断線の
みならず短絡故障をも検出可能とし、しかもこれら断線
、短絡を含む排気濃度検出器の故障検出精度の向」二を
図ることができる排気濃度検出器を提供することを目的
とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するため、固体電解質に一対
の電極を設け、一方の電極を基準ガスに接触せしめ、他
方の電極を排気ガスに接触せしめると共に、電流供給手
段からの所定電流供給時に前記電極間に発生する電圧に
よって排気ガス濃度を検出する排気濃度検出器において
、前記電流供給手段と前記７ＵＪ４の一方に所定の電気
抵抗体を直列に設けるようにしたものである。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。

第１図は、本発明に従う排気濃度検出器としての０２セ
ンサの等両回路と、該０２センサの故障診断のためのチ
エッカ−サーキットを含む電子コントロールユニット内
部における０２センサ入力回路部分の回路構成図を示す
。

図中、符号ｌＯＯは、燃料噴射時間、空燃比等を算出す
る演算処理及び後述のＱ２センサの異常検出処理その他
の所定の処理を実行する電子コントロールユニット（以
下ｒＥＣＵＪ　という）を示し、該Ｅ　ＣＵ　１００に
は、０２センサ１０が接続されると共に、エンジン回転
数センサ、スロットル弁開度センサ、吸気管内絶対圧セ
ンサ、エンジン冷却水温度センサその他の所要センサ（
いずれも図示せず）が接続される。

ＥＣＵｌｏｏは、０２センサ１０その池の各種センサ等
からの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベル
に修正し、入力信号がアナログ信号の場合には該アナロ
グ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する
入力回路、中央演算処理回路（Ｃ：ＰｔＪ）　、ＣＰＵ
で実行される０２センサの故障検出プログラムを含む各
種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶手段、
並びに内燃エンジンの燃料噴射弁に駆動信号を供給し、
また、０２センサ故障診断に使用される後述のチエッカ
−サーキットスイッチへのオン、オフ用の切換制御信号
を送出する出力回路等（いずれも、０２センサ１０の入
力回路の一部を除き図示せず）から構成される。

上述のようなＥ　ＣＵ　１００に接続される０２センサ
１０は、その一端がエンジンの排気管壁を介して接地（
アース）され、他端が信号ラインＱを通してＥ　ＣＵ　
！００に接続されるが、０２センサ１０とＥｃｕ＋ｏｏ
間での断線、短ＩＬＰＦ（ショート）を検知するにあた
り、これら断線、短絡を含む故障検出精度の向上を図る
べく、該０２センサ１０内部において所定抵抗値を有す
る検出用内部抵抗（固定値）としての電気抵抗体１２が
付加、組み込まれた構造となっている。

即ち、０２センサは、基本的には、酸素濃度検出素子部
の起電力１１ａと素子内部抵抗１１ｂとで表わされるが
、上記０２センサ１０では、これに加えて上記電気抵抗
体１２が直列に挿入接続されている。

第２図は、このような電気抵抗体１２を設けた０２セン
サ１０の構造の一例を示す。

同図に示す如く、該０２センサｌＯは、排気管内にその
一部が押入される先端部側（図中の下側）に、取付は用
の段部を有するハウジングｌｏａを備えている。ハウジ
ング１０ａの先端には、排気ガス流通用の適宜数の通気
孔１０　ｂを有する保護カバー１０ｃが設けられており
、また、ハウジング１０ａの他端側（図中の上端側）に
は、そのハウジング１０ａ外周面に筒状のキャップ１０
ｄが止着されている。

ハウジング１０ａ及び保護カバー１０ｃの内部には、例
えば酸化ジルコニウムを主成分とする一端が閉止された
筒形状の酸素濃度検出素子としてのジルコニア素子（固
体電解質素子）１０ｅが装着されている。

ジルコニア素子１０ｅの内外面には、電極としての白金
がコーティングされており、その外面側の空間部１０〔
には排気ガスが導かれ、内面側の空間部１０ｇには基準
ガスとして大気が導かれるようになっている。

また、」二記キャップ１０ｄの内側には、内筒１０ｈが
設けられると共に、該内筒１０ｈ内に中空状の長軸の碍
子１０ｉが組み込まれており、更に該長軸の碍子１０ｉ
の上部にはワッシャ１０ｊを介して中空状の短軸の碍子
１０ｋが設けられている。該短軸の碍子１０にの上端面
とキャップ１０ｄの頂部内面との間には、碍子保持用の
皿ばね１０Ｑが装着されており、更に、キャップｌｏｄ
の頂部には、該０２センサｌＯの出ツノを取り出すため
のリード線１０ｍの保護用の例えばフッ素ゴムから成る
クロメツトＩｏｎが固着されている。

０２センサｌｏから引き出されるリード線は、図示のリ
ード線１０ｍ１本のみであり、該リード線１０ｍ側が前
記ジルコニア素子１０ｅ内面側の電極と電気的に接続さ
れ、一方ジルコニア素子１０ｅの外面側の？！極は、ハ
ウジング１０ａを介し更には排気管壁を通してアースさ
れる。リード線１０ｍとジルコニア素子１０ｅの内面電
極との電気的接続のため、碍子１０ｉ、ｌｏｋの中空部
には、内側中心［ｌ１１０ｏと波ばね付きの内側中心電
極１０ｐが設けられ、これらの導電経路の途中において
前記した検出用内部抵抗としての電気抵抗体１２が設け
られている。

該電気抵抗体１２の設置位置については、温度の影響を
受けにくい個所に選定するのがよく、このため図示の例
では、０２センサ１０の受熱部である前記ジルコニア素
子１０ｅ、保護カバー１０ｃ側とは反対の図示の位置に
電気抵抗体１２を配設するようにしている。

上記０２センサ１０による排気ガス中の酸素濃度の検出
は、内外面に一対の電極を設けたジルコニア素子１０ｅ
の２つの電極のうちの一方の電極、即ち本例では内側電
極を基準ガスとしての大気に接触せしめ、他力の電極、
即ち外側電極を排気ガスに接触せしめると共に、後述の
ように電流供給手段からの所定電流供給時に上記内外電
極間に発生する電圧によって排気ガス中の酸素濃度を検
出することによって行う。即ち、ジルコニア素子１０ｅ
の外面が排気管内の排気ガス中にさらされ、また内面が
大気にさらされると、該ジルコニア素子ｆｏｅは、その
内外面の素子濃度差に対応した起電力を発生する一種の
酸素濃淡電池として機能し、上記電極間には排気ガス中
の酸素濃度に応じた電圧が発生し、更に、温度が一定以
上の高温の場合には、理論空燃比を境にその電圧が急変
する特性を呈する。かかる特性を利用し、その出力電圧
の変化により酸素濃度を検出し、上記リード線１０ｒｎ
を介して検出出力をＥＣＵｌｏｏに供給して空燃比のフ
ィードバック制御に用いるのであるが、上述のようない
わゆる流し込み型の０２センサにおいて、断線、短絡故
障が発生した場合のその故障検出をより正確に行わしめ
るため、０２センサＮｏ内部に電気抵抗体１２を付加す
る構造としである。

このように、上記０２センサ１０は、その固体電解質素
子であるジルコニア素子１０ｅと直列に電気抵抗体１２
が組み込まれて排気管に装着され、またそのリード線１
０ｍは信号路りとしてＥＣＵｌｏｏに接続されている。

第１図に戻り、ＥＣＵ１００内部には、２つのコンデン
サＣＩ、０２及び抵抗Ｒ１から成るローパスフィルタと
オペレーションアンプ１１０が設けられ、０２センサｌ
Ｏの出力電圧ＶＯ２は該ローパスフィルタを介してオペ
レーションアンプ１１０の非反転入力端子に印加され、
該オペレーションアンプ１１０で増幅されてＥ　ＣＵ　
＋００の入力回路の一部をなすマルチプレクサ、Ａ／Ｄ
コンバータへ供給され上記オペレーションアンプ１１０
は、Ｏｚセンサ１０へ電流を流し込むものであって、電
流供給手段を構成する。

」−記コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１との接続点と、所定電
源電圧端子との間には、チエッカ−サーキットスイッチ
（ＳＷ）としての切換制御可能なスイッチ＋２０と抵抗
Ｒ２との直列回路が接続されており、該スイッチ＋２０
がＥＣＵｌｏｏの出力回路の一部をなすフェイルセーフ
系の駆動回路からの制御信号によりオン、オフ制御され
る。スイッチ１２０は、適宜のスイッチ素子であってよ
い。

上記スイッチ１２０によるチエッカ−サーキットでは、
０２センサ１０の信号が所定時間変化しない場合におい
て、スイッチ１２０をオンすることにより０２センサｌ
Ｏに流し込む電流を増大させ、０２センサ１０の出力電
圧をチエツクすることによって０２センサＩＯの故障検
出、即ち自己診断を行う。

かかる故障検出は、以下の動作に基づくものであり、こ
れについて、第３図、第４図をも含めて説明する。

チエッカ−サーキットスイッチ１２０は、通常は、即ち
自己診断を行わない状態では、オフさせておく。スイッ
チ１２０がオフ状態の場合、０２センサ１０の出ノアｍ
圧ＶＯ２は、０２センサ１０の起電力の値をＶｓ［Ｖ］
、オペレーションアンプ１１０から流し込む電流をｉ［
Ａ］、素子内部抵抗１１ｂ及び電気抵抗体１２の各抵抗
値の合計の値をｒ［ＫΩ］とすれば、次式で表される。

ＶＯ２＝Ｖｓ＋ｉＸｒ　　　・−（２）０２センサ１０
が活性化されているときは、電流ｉは数１０ｎＡで、ｉ
Ｘｒは数ｍＶであ（付加する電気抵抗体１２の抵抗値を
適宜の値（例えば数にΩ〜数１０にΩ）にすれば、ｉＸ
ｒをかかる値にすることができる）ため、ＶＯ２＃Ｖｇ
であり、従って、空燃比（Ａ／ｌ”）がリッチのときの
出力電圧値ｖＯ２Ｒ、リーンのときの出力電圧ＶＯ２Ｌ
は、ＶＯ２Ｒ＃　１　　［Ｖコ、ＶＯ２Ｌ＃０　［Ｖコ
である。

即ち、通常動作時は、第３図、第４図に示すように、い
わゆる流し込み型（一定電流を供給する検出回路構成）
の場合と同様の動作で出力電圧ＶＯ２は反転を繰り返す
ことになる。

次に、上記スイッチ１２０をオンした場合について考え
ると、該スイッチ１２０をオンして０２センサ１０に所
定電圧を印加した場合は、抵抗Ｒ２を介して電流ｉ′が
流れるため、０２センサ１０に流れ込む電流はｉとｉ′
の合計の１＋ｉ′となり、この場合の０２センサ出力電
圧ＶＯ２は、次式で表される。

ＶＣ）ｚ＝Ｖｓ＋　（ｔ＋ｉ’　）Ｘｒ　　　−（３）
上記スイッチ＋２０を通して流れる電流ｉ′　を数１０
μ八とすると、０２センサ１０の活性時は前述の如＜ｉ
Ｘｒは数ｍＶであるから、出力電圧ＶＯ２は ＶＯ２＃Ｖｓ＋ｔ’　Ｘｒ　　　−（４）となり、信号
ラインＣ正常時、即ち０２センサｌＯの断線故障、短絡
故障がない状態では、第３図（ａ）、第４図（ａ）に示
すように、出力電圧ＶＯ２はスイッチ１２０をオンすれ
ば、これに伴って、ΔＶＯｚ＝ｆ’Ｘｒ分だけ変化する
ことになる。

かかる変化量ΔＶＯ２は０．１−１．ＯＶ程度である。

即ち、０２センサｌＯが正常であれば、スイッチ＋２０
のオンにより生ずる上記ＶＯ２の変化を見ることによっ
て、正常であることを確認できる。

これに対して、０２センサｌＯに故障がある場合には、
スイッチ【２０をオンしても、上述のような変化は発生
しないので、これをチエツクすることに°より故障発生
を検知することができる。

即ち、信号ライン０が断線した場合には、該断線によっ
てＥＣＵｌｏｏから０２センサ側を見たセンサ側抵抗は
無限大となるから、センサ側に流し出す電流に関係なく
、即ち、スイッチ１２０のオフ状態、オン状態にかかわ
らず、ＥＣＵｌｏｏの入力端の電圧は、次式で示される
ものとなる。

ＶＯ２ｕ：ｃｔｎ＝ｏｏＸ　ｉ　＃ＯＯＸ　（ｉ　＋　
ｉ　’　）　＝ｏ。

・・・（５） 実際には、第１図の回路構成では、オペレーションアン
プ１１０のプラス側電源電圧値（出力Ｍａｘ値）となる
（第３図（ｂ））。

従って、０２センサｌＯに断線が発生し、第３図（ｂ）
のようにプラス側電源電圧値にまで電圧が上昇して変化
しない状態が生じたとき、たとえスイッチ１２０をオン
しても電圧変化は発生せず、同図（ａ）の正常時と区別
して明確に断線故障を検出することができる。

しかも、短絡故障のケースの場合であっても、かかるス
イッチ１２０によって同様に検出できる。

即ち、信号ラインがグランド（ボディアース）に短絡（
ショート）した時も、第４図（ｂ）に示すように、Ｅ　
ＣＵ　＋００の入力端は接地電位に保持されるため、セ
ンサ側に流し込む電流に関係なく、即ちスイッチ１２０
のオフ、オンにかかわらず、Ｖ　Ｏ２＃Ｏとなり、スイ
ッチ１２０のオンに伴う電圧変化は生じない。従って、
同図（ａ）の正常時の場合と明確に区別して短絡故障を
検出することができる。

以上のように、第１図のスイッチ１２０によるチエッカ
−サーキットでは、０２センサ１０が正常であれば、ス
イッチ！２０をオンさせて０２センサｌＯに流し込む電
流を増大させると、第３図（ａ）、第４図（ａ）に示す
ように出力電圧ＶＯ２に△ＶＯ２の変化が生じ、他方、
Ｏｚセンサ１０に断線、ショートの異常があれば、上記
スイッチ１２０をオンしても、第３図（ｂ）、第４図（
ｂ）に示したように上記ΔＶＯ２の変化は発生しない。

従って、一定条件下で、即ち０２センサ電圧が所定時間
変化しないという条件下で、スイッチ１２０をオンして
ＶＯ２の変化をみることにより、０２センサ１０の故障
検知が可能である。

上述の故障検出は、０２センサ１０にスイッチ１２０に
より所定電圧を印加し、そのときのＶＯ２の変化量ΔＶ
Ｏ２を検出するものであるため、断線故障の場合も短絡
故障の場合も、同様の検出手順で故障検知を行うことが
できる上、ベースの空燃比（Ａ／Ｆ）等のズレに対して
もその影響を排除して確実に故障検知を行える。

特に、高速走行後のホットリスタート後の状態のように
吸気管に燃料が付着していて燃料が濃くなるような場合
や、あるいは高地での走行でｏ２センサの出力の反転が
通常のように行われ難いような場合であっても、このよ
うな場合と、本当の０２センサ１０の故障とを明確に区
別して検出することができる。

更に、ｏ２センサ１０は、第１図並びに第２図にその構
造を示したように、その内部において、電流供給手段と
ジルコニア素子１０ｅの電極の一方との間に電気抵抗体
１２を直列に設ける構成としであるので、正常時には、
前記スイッチ＋２０のオンによる電流供給時に電圧変化
を正確に検出することができ、この結果、−Ｍ確実な故
障検出を行わせることができる。

即ち、一般に、０２センサ１０の素子内部抵抗は、０２
センサ素子部が高温になるとその抵抗値が減少し、非常
に小さくなる傾向があるので、第１図で説明したのと同
様の流し込み電流ｉ′を与えても、素子内部抵抗値が小
さいが故にスイッチ１２０のオンに伴う正常の変化ΔＶ
Ｏ２が発生しない場合もある。かかる場合には、そのま
までは正常であるにもかかわらず断線と誤判断するおそ
れがある。そこで、０２センサが高温になって０２セン
サ自身の内部抵抗が小さくなっても、確実に成る一定値
以上の出力変化を得ようとして上述の流し込み電流ｉ′
よりも大きい電流を流すようにすれば、正常かどうかを
区別し得るに足りる変化ΔＶＯ２を発生させることは可
能となるものの、０２センサにそのような過電流を流す
と、これによって０２センサを劣化させてしまい、０２
センサ木来の機能を失わせるおそれがある。

これに体し、第１図及び第２図に示した０２センサｌＯ
のように、内部に所要の電気抵抗体１２を素子内部抵抗
１１ｂに対し直列に付加すれば、たとえ０２センサ１０
が高温になって該素子内部抵抗１１ｂの抵抗値が減少し
たときであっても、その減少分を素子内部抵抗１１ｂと
直列の電気抵抗体１２によって補うことができ、エンジ
ン負荷条件がいかなる場合においても、成る定電流ｉ′
を０２センサ１０に流すことによって、必ず該電気抵抗
体１２の存在により正常と判別するに必要な一定以上の
出力変化ΔＶＯ２を得ることができまた、電気抵抗体２
３として、第２図に示したように、温度の影響を受けに
くい個所に設ければ、温度変化によらず、常に所要の抵
抗値を確保することができ、確実に誤検出を回避するこ
とができ、しかも、大きな電流を流す必要もないので、
０２センサ１０の劣化を防止しつつこれを実現すること
が可能である。

（発明の効果） 本発明に依れば、固体電解質に一対の電極を設け、一方
の電極を基Ｑｌ！ガスに接触せしめ、他方の電極を排気
ガスに接触せしめると共に、電流供給手段からの所定電
流供給時に前記電極間に発生する電圧によって排気ガス
濃度を検出する排気濃度検出器において、前記電流供給
手段と前記電極の一方に所定の電気抵抗体を直列に設け
るようにしたものであるから、高温時においても該電気
抵抗体が設けられていることによって、電流供給時の電
圧変化を正確に検出できるため、断線、短絡を含む排気
濃度検出器の故障検出精度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う排気濃度検出器の等価回路とチエ
ッカ−サーキットを含めて示す検出器入力回路部分の回
路構成図、第２図は第１図のｏ２センサの具体的構造の
一例を示す構造図、第３図は０２センサ正常時と断線故
障時の０２センサ出力の様子を示す特性説明図、第４図
は同じ＜０２センサ正常時と短絡故障時の場合の特性説
明図である。 １０・・・０２センサ（排気濃度検出器）、１０ｅ・・
・ジルコニア素子（固体電解質素子）　、　ＩＯｆ、　
ｌｏｇ・・・空間部、ｌｏｍ・・・リード線、１０ｏ、
１０ｐ・・・内側中心電極、１２・・・電気抵抗体、１
１０・・・オペレーションアンプ、＋２０・・・スイッ
チ。 出願人　　木目］技研工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．固体電解質に一対の電極を設け、一方の電極を基準
   ガスに接触せしめ、他方の電極を排気ガスに接触せしめ
   ると共に、電流供給手段からの所定電流供給時に前記電
   極間に発生する電圧によって排気ガス濃度を検出する排
   気濃度検出器において、前記電流供給手段と前記電極の
   一方に所定の電気抵抗体を直列に設けることを特徴とす
   る排気濃度検出器。