JPH03272452A

JPH03272452A - 空燃比センサの異常診断方法

Info

Publication number: JPH03272452A
Application number: JP2072489A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Hayakawa; 暢博早川; Toshiya Matsuoka; 俊也松岡; Toshiaki Kondo; 稔明近藤; Tetsumasa Yamada; 哲正山田; Takashi Kawai; 尊川合
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1990-03-22
Filing date: 1990-03-22
Publication date: 1991-12-04

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］本発明は空燃比センサの異常診断方法に関し、詳しくは
、空燃比センサの断線やショート等の異常を検出する空
燃比センサの異常診断方法に関する。

［従来の技術］従来より、例えば内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出
するセンサとして、起電力を発生するジルコニア等の固
体電解質を用いた空燃比センサが知られている。

この種の空燃比センサは、固体電解質基板の両側に多孔
質電極を設けた電気化学的ポンプセル（以下ポンプセル
と称す）及び電気化学的センサセル（以下センサセルと
称す）と、該両セルの間に形成されたガス拡散室と、ガ
ス拡散室と外界とを連通ずるガス拡散孔と、上記両固体
電解質基板を加熱して活性化を行うヒータとを備えてい
る。

この空燃比センサでは、例えばセンサセルの電圧を一定
にするように、ポンプセルに流す電流（ポンプ電流）を
制御し、そのポンプ電流の値に基づいて、排ガス中の酸
素濃度（空燃比）を検出している。

そして、上記空燃比センサが正常であるか否か、即ち、
センサの断線等がなく十分に活性状態にあるか否かを判
定するために、センサセルやポンプセルの各々の素子抵
抗を測定して異常の有無を判断する技術が提案されてい
る。

また、周囲雰囲気の影響を排除して正確な素子抵抗を測
定するために、素子に交流を印加して素子抵抗を測定す
る技術も知られている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、前者の技術で（上素子の温度が一定に制
御されていても、各素子の内部抵抗が雰囲気の状態によ
り変化するため見かけ上の抵抗が変化してしまい、精度
よく素子抵抗の大きさを測定することができなかった。

一方、後者の技術では、交流を印加して素子抵抗を測定
する装置を使用しなければならず、装置構成が非常に複
雑になるという問題があった本発明は上記課題を解決し
、簡単な方法で空燃比センサの異常を検出できる空燃比
センサの異常診断方法を提供すること表目的とする。

［課題を解決するための手段］即ち、本発明は、固体電解質基板の両側に多孔質電極を設けた電気化学的
ポンプセルと、固体電解質基板の両側に多孔質電極を設
けた電気化学的センサセルと、上記電気化学的ポンプセ
ル及び電気化学的センサセルを加熱するヒータと、を備
えた空燃比センサの異常診断方法において、上記電気化学的センサセルの電圧を所定の目標値に保つ
ように、上記電気化学的ポンプセルに流す電流を制御す
るとともに、上記電気化学的センサセルの電圧を検出し
、この電気化学的センサセルの電圧が上記目標値から０
．ＩＶ以上変動した場合には、上記空燃比センサが異常
であると判定することを特徴とする空燃比センサの異常
診断方法を要旨とする。

尚、上記０．ＩＶ以上の変動とは、目標値からのずれで
あって、目標値の値を基準として正負いずれの値であっ
てもよい。

［作用］以上のように構成された本発明によれば、センサセルの
電圧を所定の目標値に保つように、ポンプセルに流す電
流を制御する。それによって、センサセルの電圧は目標
値の近傍を上下して変化するので、そのセンサセルの電
圧を測定する。

そして、ポンプ電流の制御中に、センサセルの電圧が、
上記目標値から０．１Ｖ以上変動したか否かを判定し、
○、ＩＶ以上変動した場合に（よ空燃比センサに異常が
あると判断する。

つまり、本発明（よ第２図に示すよう１：、センサセル
の電圧を保つようにポンプ電流ｉｐが正常にコントロー
ルされている間（ＬＡ／Ｆ切換信号がリッチ又はリーン
に変化してポンプ電流ｉｐが大きく変動しても、センサ
セル電圧Ｖｓの変動が小さい（例えばｏ、ｏｓｖ以下）
という点に着目してなされたものであり、このセンサセ
ルの電圧の変動が大きい場合Ｉｆよ、空燃比センサに断
線等の何等かの異常があると判定するものである。

［実施例］以下本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は空燃比センサの制御及び異常診断に使用される
装置構成を表す電気回路図、第３図は空燃比センサの一
部破断斜視図である。

第３図に示すように、空燃比センサ３０１Ｌ　　固体電
解質基板３２ａの両側に多孔質電極３２ｂ、３２ｃを形
成したセンサセル（酸素濃淡電池素子、）３２と、同じ
く固体電解質基板３４ａの両側に多孔質電極３４ｂ、３
４ｃを形成したポンプセル（酸素ポンプ素子）３４と、
これらの両セル３２゜３４の間に積層されてガス拡散室
３６を形成する上下の２体のスペーサ３８とを備えてお
り、ポンプセル３４の外側には他のスペーサ４０を介し
てヒータ４２が取り付けられている。そして、この空燃
比センサ３０は、図示せぬ内燃機関の排気系に取り付け
られる。

センサセル３２及びポンプセル３４は、イツトリア−ジ
ルコニア固溶体からなる固体電解質基板３２ａ、３４ａ
の各々の両面に、矩形状の多孔質電極３２　ｂ、　　３
２　ｃ、　　３４　ｂ、　　３４　ｃを形成したもので
あり、この多孔質電極３２ｂ、３２ｃ、３４ｂ、３４ｃ
は、共素地としてのイツトリア−ジルコニア固溶体と残
部白金から形成されている。

尚、上記固体電解質基板３２ａ、３４ａの材料としては
、イツトリア−ジルコニア固溶体の他に、カルシア−ジ
ルコニア固溶体が知られており、更に、二酸化セリウム
、二酸化トリウム二酸化ハフニウムの各固溶体、ペロブ
スカイト型固溶体、３価金属酸化物固溶体等が使用でき
る。

また、センサセル３２の外側の多孔質電極３２ｂを覆っ
て、固体電解質からなる遮蔽体４４が貼り付けられてい
る。

一方、ポンプセル３４の外側は　多孔質電極３４ｃに対
応する中空部４６を有したアルミナからなる絶縁層（図
示路）に覆われている。その中空部４６には多孔質電極
３４ｃを覆って主にアルミナからなる多孔質の電極保護
層（図示路）が形成されている。

ガス拡散室３６（よ　センサセル３２とポンプセル３４
との間に、空所を有するスペーサ３８を挟んで接合する
ことにより形成さ札　スペーサ３８の素材としては、ア
ルミナ、スピネル、フォルステライト、ステアタイト、
ジルコニア等が用いられる。

また、ガス拡散室３６の内側には、上記多孔質電極３２
ｃ、３４ｂが露出しており、更に、ガス拡散室３６の両
側に（社外部と連通ずるガス拡散孔３７が設けられてい
る。このガス拡散孔３７には、アルミナからなる多孔質
の充填材が詰められており、それによって、測定ガスの
ガス拡散室３６への流入等の律速が行われる。

上記ヒータ４２の一方の（ｉｌｋ　即ち空燃比センサ３
０の中心側には、各々発熱パターン５０．５２が設けら
札他方の側には周知のマイグレーション防止パターン５
４．５６が形成されている。

次に、第１図に基づいて、上記空燃比センサ３０の制御
及び異常診断を行う制御装置１について説明する。

図示するように、制御装置１は、センサセル３２に通電
を行う定電圧回路３と、センサセル３２の多孔質電極３
２ｂ、３２ｃ間の電圧ｖＳを検出する電圧検出回路５と
、電圧検出回路５の検出電圧ＶＳと第１の基準電圧Ｖ　
ＲＥＦＩとの差を求めて第２の基準電圧ＶＲＥＦ２と比
較する比較判定回路７と、ポンプセル３４に通電を行う
ポンプセル通電回路９と、ヒータ４２に電圧Ｖ口して通
電するヒータ通電回路］１と、センサ信号出力回路１３
とを主要部として構成されている。

上記センサセル通電回路３（、ｔ、分圧抵抗Ｒ１及び電
流制限抵抗Ｒ２と、これらの抵抗Ｒ１，Ｒ２を介してセ
ンサセル３２の多孔質電極３２ｂ、３２ｃに通電を行う
定電圧電源ＢＴ１からなる。

電圧検出回路５（よ演算増幅器○Ｐ１からなり、センサ
セル３２の多孔質電極３２ｂ、３２ｃのそれぞれから入
力された電圧の差、即ち、多孔質電極３２ｂ、３２ｃ間
の電圧ＶＳを、比較判定回路７及びセンサ信号出力回路
１３へ出力する。

比較判定回路７（上演算増幅器○Ｐ２．ＯＰ３からなり
、まず演算増幅器ＯＰ２によって、電圧検出回路５の出
力電圧ｖＳと第１の基準電圧ＶＲＥＦＩとの電位差△ｖ
Ｓを出力する。そして、演算増幅器ＯＰ３によって、こ
の電位差△ｖＳと第２の基準電圧ＶＲＥＦ２とを比較し
て、電位差△ｖＳが基準電圧ＶＲＥＦ２を上回ると、後
述する空燃比センサ３０の異常を報知するための判定信
号ＳＪＤを出力する。

ポンプセル通電回路９は、タイマ回路ＴＩ、　演算増幅
器○Ｐ４からなる電流バッファ回路ＢＵＦ及び定電圧電
源ＢＴ２からなる。このタイマ回路Ｔ１は、イグニッシ
ョンスイッチ１ｇがオンになると計時を開始して、予め
設定された遅延時間ＴＤＬ後に、信号をアナログスイッ
チＳＷＩに出力してアナログスイッチＳＷＩをオンし、
定電圧電源ＢＴ２からポンプセル３４への通電を行う。

ヒータ通電回路］１（上　定電圧回路ＢＴ３を備え、内
燃機関のバッテリＳＡＴからイグニッションスイッチ１
ｇを介して電源を供給する。

センサ信号出力回路１３１よ演算増幅器ＯＰ５からなる
比較・積分回路１３ａと演算増幅器○Ｐ６からなる電流
検出回路１３ｂとから構成されている。

比較・積分回路１３ａは、電圧検出回路５の出力電圧ｖ
Ｓと基準電圧ＶＳＨとを比較し、出力電圧ＶＳが基準電
圧ＶＳＨより大きいときには、所定の積分定数でもって
徐々に低下し、出力電圧ｖＳが基準電圧ＶＳ）ｌより小
さいときには、所定の積分定数でもって徐々に増加する
。

また、演算増幅器○Ｐ５の出力側とポンプセル３４の一
方の多孔質電極３４ｂ及び電流バッファ回路ＢＵＦ　（
演算増幅器○Ｐ４）の非反転入力端子とは接続されてお
り、比較・積分回路１３ａの出力電圧が電流バッファ回
路ＢＵＦの出力電圧より大きいときに（よ比較・積分回
路１３ａから、多孔質電極３４ｂ−多孔質電極３４ｃｍ
電流バッファ回路８ＵＦの出力端子という経路でポンプ
電流ｌｐが流れる。

一方、比較・積分回路１３ａの出力電圧が電流バッファ
回路ＢＵＦの出力電圧より小さいときには、電流バッフ
ァ回路ＢＵＦから、多孔質電極３４ｃｍ多孔質電極３４
ｂ−比較・積分回路１３ａの出力端子という経路でポン
プ電流１ｐが流れる。

このようにしてポンプ電流１ｐにより、電流検出抵抗Ｒ
１に電圧が生じ、この電圧を、電流検出回路１３ｂが空
燃比信号Ｖλとして出力する。

次に、以上のような構成の制御装置］を用いた異常診断
の方法を説明する。

まず、イグニッションスイッチ１ｇがオンされると、ヒ
ータ４２（二は電圧ＶＨが印加ざ札　ヒータ４２が加熱
されるとともにセンサセル３２の通電が開始される。す
ると、センサセル３２の多孔質電極３２ｂ側に酸素０２
が移動し、この酸素ガス分圧とガス拡散室３６内の酸素
ガス分圧との比に応じて、センサセル３２の周長孔質電
極３２ｂ、３２ｃ間に電圧ＶＳが発生する。

そして、イグニッション１ｇオンの後に、タイマＴ１に
より所定時間後にポンプセル３４の通電が開始される。

このポンプセル３４への通電により、空燃比センサが機
能して空燃比信号Ｖλを出力し、それによって、排気ガ
スの酸素濃度を検出することが可能になる。

また、比較判定回路７によって、電圧検出回路５からの
出力電圧ｖＳをモニタし、まず、出力電圧ＶＳと制御の
目標値として設定されている第１の基準電圧電圧ＶＲＥ
ＦＩ　（例えば（１４５Ｖ）との電位差△ｖＳを求める
。つまり、この電位差△ｖＳがセンサセル３２の出力電
圧ＶＳの目標値に対する変動量である。

次に、この変動量が所定の変動量の範囲内に納まってい
るかを、電位差△ｖＳと第２の基準電圧ＶＲＥＦ２　（
例えば０．ＩＶ）とを比較することによって判定する。

この判定によって、変動量が０．１を上回ると判定され
た場合には、出力端子から判定信号ＳＪＤを出力する。

そして、この判定信号ＳＪＤにより、例えばリレー等の
スイッチを駆動して、チエツクランプ等を点灯して空燃
比センサ３０の異常の発生を報知する。

或は、判定信号ＳＪＤやセンサセル３２の電圧ＶＳの信
号等を周知のＣＰＵ、ＲＡＭ等を備えた電子制御装置１
こ入力し、この電子制御装置を用いて一層精密な異常診
断の処理を行うことができる。

尚、上記実施例で］よ電位差△ｖＳが十〇、ＩＶを上回
る時に空燃比センサ３０が異常であると判定したが、そ
れ以外にも、出力電圧ｖＳと第１の基準電圧ＶＲＥＦＩ
との判定において、その出力電圧ＶＳの電位差△ｖＳの
絶対値が○、ＩＶ以上になれば異常と判定すればよく、
その目標値に対する正負表問わないものである。

次に、判定信号ＳＪＤが出力された以後に行われる、よ
り精密な各種の異常診断の処理について説明する。

（ステップ１００）上述したように、センサが機能している状態、即ち、ポ
ンプ電流１ｐがオンで、かつ定電圧電源ＢＴＩによる電
流１ｃＰがオンの場合、電位差△ｖＳが０１１ｖを上回
るか否かを判定し、ここで否定判断された場合には、セ
ンサが正常であると判断し、一方肯定判断された場合に
１よ　センサに異常があると判断するものである。これ
は、第１の比較電圧ＶＲＥＦＩが例えば０．４５Ｖの場
合、出力電圧ＶＳ７’ｌ＜０．３５Ｖヨり小さイカ、或
Ｌｔ−０，５５Ｖより大きくなることを意味する。

（ステップ２００）上記ステップ１００で、センサに何等かの異常があると
判断された場合には、次に、ポンプ電流ｐがオフ、電流
１ｃＰがオンの状態で、出力電圧ｖＳが所定の大きな設
定値（例えば１．２Ｖ）を上回るか否かを判定し、ここ
で肯定判断されるとステップ３００に進む。一方、否定
判断されると後述するステップ５００に進む。

（ステップ３００）ここでは、上記ステップ２００と同様な電流１ｐ、Ｉｃ
Ｐの条件で、出力電圧ＶＳが所定の小さな設定値（例え
ば０．０５Ｖ）を下回るか否かを判定する。ここで肯定
判断されると、電極の短絡又は素子の割れによるガス漏
れ等のセンサセル３２の破損が発生したと判定する。一
方否定判断されると、ステップ４００に進む。

（ステップ４００）ここでは、ポンプ電流１ｐがオン、電流ＩＣＰがオンの
状態で、ポンプ電圧Ｖｐが所定の大きな設定値（例えば
１，９Ｖ）を上回るか否かを判定し、ここで否定判断さ
れると、再び上記ステップ］ＯＯの処理に戻り、一方、
肯定判断されるとステップ５００に進む。

（ステップ５００）ここでは、ポンプ電流１ｐがオフの状態で、電流１０Ｐ
をオンオフし、下記０式の値が所定値（例えば２）を上
回るか否かを判定する。

二二で肯定判断されると、ヒータ４２の断線或はセンサ
セル３２の断線が発生した判定し、一方、否定判断され
ると、上述したセンサセル３２の破損と判定する。

この様に、本実施例で１よ　センサセル３２の電圧ＶＳ
の変動を検出し、その変動量（電位差△ＶＳ）が基準の
値より±０．ＴＶ以上である場合には、空燃比センサ３
０に何等かの異常が発生していることを的確に診断でき
るという利点があり、更にその異常診断結果に基づいて
、上述した内容の診断方法を実施することにより、より
詳しく異常の内容を知ることができる。

［発明の効果］以上詳述したように、本発明は、センサセルの電圧を所
定の目標値に保つように、ポンプセルに流す電流を制御
するとともに、センサセルの電圧を検出し、このセンサ
セルの電圧が目標値から０゜１Ｖ以上変動した場合に（
よ　空燃比センサが異常であると判定する。従って、セ
ンサセルの電圧をモニタするだけで、例えば断線やショ
ート等の空燃比センサの異常の発生を検出することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の空燃比センサの制御及び異常診断に使
用する装置の電気回路は第２図は本発明の原理を示す説
明図、第３図は空燃比センサの構造を表す一部破断斜視
図である。７−・・比較判定回路　　３０・・・空燃比センサ３２
・・・センサセル　　３４・−・ポンプセル４２・・・
ヒータ第２図図面その２

Claims

【特許請求の範囲】

１　固体電解質基板の両側に多孔質電極を設けた電気化
学的ポンプセルと、固体電解質基板の両側に多孔質電極
を設けた電気化学的センサセルと、上記電気化学的ポン
プセル及び電気化学的センサセルを加熱するヒータと、
を備えた空燃比センサの異常診断方法において、上記電
気化学的センサセルの電圧を所定の目標値に保つように
、上記電気化学的ポンプセルに流す電流を制御するとと
もに、上記電気化学的センサセルの電圧を検出し、この
電気化学的センサセルの電圧が上記目標値から０．１Ｖ
以上変動した場合には、上記空燃比センサが異常である
と判定することを特徴とする空燃比センサの異常診断方
法。