JPH04501613A - 排ガスセンサの加熱器とそのリード線系統の機能正常性を検査する方法及び装置 - 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】 排ガスセンサの加熱器とそのリード線系統の機能正常性を検査する方法及び装置 従来の技術 本発明方法及び同方法を実施する装置は、排ガスセンサの加熱器とそのリード線 系統の機能正常性の検査に関するものである。

内燃機関に供給される空気／燃料の混合気を所定の空燃比に維持するために、閉 ループ制御装置を設け―ることが知られている。この閉ループ制御装置には内燃 機関の排ガス系に設けた酸素測定センサから制御量が入力される。この閉ループ 制御は一般に、空気／燃料の混合気の組成を大まかに予め制御する公知の混合気 制御装置に重畳される。この種の閉ループ制御装置を完璧に機能させるためには 、酸素測定センサも完璧に機能していることが前提となる。公知の酸素測定セン サでは所定の動作温度に達してからでないと、正常な機能が保証されない。従っ て内燃機関の排ガスによって加熱されるセンサでは、内燃機関の冷間始動及び暖 気運転時にはまず混合気に開ループ制御が行なわれる。この開ループ制御は、内 燃機関の動作温度と共に上昇するセンサ温度が所定の温度に達してから閉ループ 制御に置き換えられる。

イオン伝導性の固体を有する酸素センサの動作可能状態は、種々の方法で検査す ることができる。すなわちドイツ特許公報ＤＥ　−ＰＳ２３０１３５４には、動 作に応じた短い時間間隔で酸素測定センサから出力される交互する電位の電圧信 号が比較スイッチを介してタイミング素子に供給される監視装置が記載されてい る。電圧信号の時間間隔がタイミング素子の切り替え時間より短い場合には、タ イミング素子は、この電圧信号によりスイッチを第１の切り替え位置に保持する 。そうでない場合には、この切り替え時間の経過後にスイッチは第２の切り替え 位置に切り換えられる。このスイッチにより運転用混合気が調節されるか、ある いは警告装置が作動される。

この装置の欠点は、酸素測定センサが故障によりあるいは温度が低すぎて交互す る電圧信号を発生しない場合には、酸素測定センサの全体の故障しか検出できな いことである。

ドイツ特許公報ＤＥ　−ＰＳ２６０８２４５には、酸素測定センサが動作可能状 態になるのが遅れている状態を確実に検出することができる酸素測定センサの動 作可能状態を監視する方法及び装置が記載されている。そのような状態の場合に は、通常はセンサを用いて行なわれる混合気の閉ループ制御装置は、混合気の開 ループ制御に切り換えることができ、可能な限り早（閉ループ制御装置が動作で きるように、すなわち、酸素測定センサが閉ループ制御装置を確実に駆動できる だけの十分高い電圧を出力できるようにすることができる。

これは、動作可能状態になったセンサから出力される最大と最小の電圧に応じた ２つの電圧しきい値を設定することによって行われる。温度の上昇に従って上昇 する酸素測定センサの出力電圧が前記設定されたしきい値を越え、それが比較装 置によって検出されると、タイミング素子を介して混合気の開ループ制御装置が 遮断されて、単位時間当りに信号が頻繁に切り替わらなくなると、混合気の開ル ープ制御装置が再び作動される。

ヨーロッパ特許ＥＰ　−Ａ２−２５８５４３には、酸素測定センサの内部抵抗を 正確に測定することにより酸素測定センサの動作可能状態を識別する方法及び装 置が記載されている。内部抵抗を所定の値と比較することによって、動作可能状 態の判断基準が形成される。

ドイツ公開公報ＤＥ　−０３３１１７７９０には、温度に関係する酸素測定セン サの電気抵抗を温度信号に変換し、その後排ガスセンサを加熱する加熱装置を駆 動する構成の排ガスセンサの温度制御装置が記載されている。それによって排ガ スセンサの動作温度を容易に、かつ他のセンサ及び測定導線を用いずに一定に維 持することができる。

排ガスセンサができるだけ迅速に動作温度に達し、続いて所定の温度に維持され るようにするためには、排ガスセンサの加熱器（以下においてはセンサ加熱器と いう）の機能が正常であることが前提となる。

発明の利点 それに対して請求の範囲第１項に記載の特徴を有する本発明方法と、第１の装置 の請求の範囲に記載の特徴を有する本発明方法の実施に必要な装置によれば、他 のセンサあるいはリード線を用いずにセンサ加熱器の機能状態を監視することが できるという利点が得られる。好ましい実施例が従属請求の範囲の対象となって いる。

センサ加熱器が正常に機能している場合にだけ、排ガスセンサは迅速にその動作 温度に達し動作中その温度を維持することが可能になる。正常でない場合には、 センサは排ガス温度及び排ガス組成に従９てゆっくりと加熱され、例えばエンジ ンブレーキ状態において再び冷却されてしまう。それによって内燃機関に供給さ れる空気／燃料の混合気の比は開ループ制御動作によって定まることが多く、開 ループ制御動作による場合には所望の空燃比は閉ループ制御動作の場合はど正確 に維持されない。その結果、有害成分の多い排ガスが放出されてしまう。

しかし、本発明方法によりセンサ加熱器の機能が正常でないことが検出された場 合には、例えば信号ランプによって運転者に知らせることができる。そして運転 者はセンサ加熱器の機能を回復させるために適当な手段を講じることができる。

さらに、本発明方法によれば、排ガスセンサの動作可能状態が検査される。動作 可能状態でないときも、それが運転者に知らされる。

それによって、排ガスに関係する部分の故障（センサ加熱器もこれに属する）を 検出して表示することを要請するカリフォルニア環境庁の要請を満たすことがで きる。

図面 第１図は、電子的及び電気的な閉ループ及び開ループ制御素子と内燃機関を駆動 するアクチュエータを示す概略的なブロック回路図である。

第２図は、センサ加熱器を有する状態と有しない状態において排ガスセンサの温 度上昇特性を時間に関・して示す線図である。

第３図は診断方法の第１の実施例を示すフローチャート図である。

実施例の説明 本発明の基本構成は、測定信号、好ましくは内燃機関の空気／燃料の混合気を制 御する測定信号を出力する排ガスセンサの加熱装置の診断を行うことである。こ の診断は、少な（ともセンサ加熱器と、センサ加熱器に必要な電力を供給する装 置及びそれに関連するリード線とからなる加熱装置を作動にすることによって、 排ガスセンサを排ガスセンサの周囲を流れる排ガスだけで加熱するよりもより迅 速に加熱できることに基づいている。

本発明の詳細な説明に入る前に以下のことに注意しておく。

すなわち、ディスクリートな回路素子を用いて本発明を示す第１図のブロック回 路図は、本発明を限定するものではなく、特に本発明の基本的な機能を示し、か つ機能の具体的な流れを実施例において示すのに用いられている。個々の構成素 子及びブロックはアナログでも、デジタルでもハイブリッド技術でも構成するこ とができる。さらにまた、その一部あるは全体を統合して、プログラム制御され るデジタル装置、例えばマイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、デジタル あるいはアナログの論理回路などから構成することもできる。従って以下に述べ る説明は、機能的な全体の流れ及び時間的な流れと、それぞれのブロックにより 得られる効果と、個々の要素により示される部分的な機能に関する好ましい実施 例と考えるべきものであって、理解しやすくするためにそれぞれの回路ブロック として図示されている。

第１図には、特に絞り弁１２が設けられた吸気領域１１を有する内燃機関１０が 図示されており、絞り弁の非動作位置からの変位によって内燃機関に供給される 空気量が検出される。空気量を測定する空気量センサ１３から電子制御ユニット １４に出力信号Ｑが供給される。電子制御ユニットは通常マイクロプロセッサと メモリと電源とを有するマイクロコンピュータであって、次に示すような運転状 態データが入力される。

内燃機関の回転数ｎ 内燃機関に供給される空気と燃料の比（内燃機関の排ガス通路に配置され、内燃 機関のそれぞれの運転状態に関する実際値データ、正確には排ガス中の酸素濃度 に関する実際値データを測定するラムダセンサ１５の出力信号により検出される ）電子制御ユニット１４は、これらのデータ並びに温度（Ｔ）、空気圧（ｐ）、 及び（Ｕ　ＢＡＴ）など他の多数の情報から高精度で出力信号、例えば燃料噴射 装置においては吸気領域で符号１６で示す噴射弁を駆動する噴射制御信号ｔｉを 形成する。

排ガスセンサ１５にはセンサ加熱器１５ａが設けられている。

センサ加熱器には加熱制御装置１７によって電力が供給され、排ガスセンサ１５ は急速に動作温度に達し、必要に応じてその温度に維持される。排ガスセンサ１ ５の温度信号としては、例えば排ガスセンサ１５の出力信号あるいは内部抵抗が 用いられる。

簡単な実施例においては、加熱制御装置の代わりに、内燃機関を駆動する際にセ ンサ加熱器を連続的に作動させる切り替え素子を用いることができる。

診断処理を行なうために、さらに診断ブロック１８が設けられている。この診断 ブロックは第１図では独立して設けられているが、中央のマイクロコンピュータ の一部とすることもできる。この診断ブロックは電子制御装置１４と排ガスセン サ１５からの信号を受け取り、加熱制御装置１７へ制御信号を出力し、かつ診断 の結果を表示装置１９へ出力する。さらに診断ブロック１８は、入力された信号 と診断ブロックが処理した結果を格納するメモリと、多値と時間経過に関する結 果を比較する比較手段を有する。

診断ブロック１８によってそれぞれ診断の結果に従って例えば表示ランプを点灯 させる表示装置１９を作動することもできる。この表示の形式は基本的には任意 であって、文字表示を行ってもよく、診断の途中の値を表示することもできる。

排ガスセンサが動作可能な状態になっていない場合には、加熱制御装置１７には 電子制御ユニット１４と診断ブロック１８を介して指令が入力され、それによっ てセンサ加熱器１５ａに電力が供給される。

排ガスセンサ１５の温度上昇特性は、センサ加熱器の機能が正常であるかどうか に関係する。第２図から、排ガスセンサがその周囲を流れる排ガス（ａ）だけに よって加熱される場合と、が理解できる。

第２図に示す温度カーブはあくまでも概略的なものであって、本発明を理解する 一部としてだけ用いられるものである。排ガスセンサの温度が上昇する場合に、 センサの周囲を流れる排ガス（ａ）だけの場合（ｔ２）は、さらにセンサ加熱器 が作動されている場合（ｔｌ）に比べて最低動作温度Ｔ　Ｂ　ｍ　ｉ　ｎに達す るのが遅くなる。

特に、時点ｔｌとｔ２は次に示すような内燃機関の運転パラメータに関係するこ とに注意しておく。

始動時（ｔ　＝　Ｏ）の内燃機関１０の温度１＝０の時の排ガスセンサ１５の温 度 内燃機関の負荷と回転数 内燃機関に供給される混合気の空燃比 エンジンにより出力された排ガス熱量を表す噴射時間の合計 次に第３図を用いて診断方法を説明する。

本発明方法は、内燃機関が駆動される毎に開始される。加熱器を作動した後に（ ステップ９６）、タイムカウンタをスタートさせ（ステップ９７）、次にステッ プ９８で、排ガスセンサが動作可能状態であるかどうかを検査する。これは例え ば次のようにして行われる。すなわち、排ガスセンサの内部抵抗を温度を示す量 として処理するか、あるいは排ガスセンサから出力される信号の振幅が動作可能 状態を示すものであるかどうかを検査する。そうである場合、例えば短い停止時 間後内燃機関を再始動させる場合には、ステップ９９において排ガスセンサのリ ード線系統の機能が正常であるという結論に達する。その結果が表示装置１９に よって表示され、かつ／あるいは診断ブロックに設けられているメモリにその結 果を記憶させる。

ステップ９９を実施後に新たにステップ９８を実施する。排ガスセンサが動作可 能状態になっている限り、ステップ９９と９８のループを繰り返す。

本発明方法の開始時あるいは所定時間の経過後に排ガスセンサがまだ動作可能状 態でない場合には、ステップ９８の判定でｒｎＪを出力し、ステップ１００へ進 んで、例えば内燃機関の運転パラメータに従って第１の所定の時間ｔｉ　（第２ 図も参照）が計算される。

ステップ１０１と１０１ａにおいて、タイマの制御によって、ステップ９７（ｔ ＝０）から第１の所定時間１１の経過を待ち、ステップ１０２でステップ９８に おけるのと同様に排ガスセンサが動作可能状態であるかどうかを検査する。

ステップ１０２において動作可能状態であることが検出された場合には（ｙ）、 ステップ１０３におてセンサ加熱器とセンサとそのリード線系統の機能が正常で あると判断する。ステップ１０３の結果は表示装置１９によって表示することが でき、かつ／あるいはメモリに格納することもできる。

ステップ１０３の処理を実施後に、ステップ１０２で新たに処理を実施する。排 ガスセンサが動作可能状態である間は、ステップ１０２と１０３からなるループ を繰り返す。

ステップ１０２の判断の結果、排ガスセンサが、例えばセンサのリード線系統の 欠陥により発生するように突然動作可能状態でなくなった場合には、ステップ１ ０３ａに進む。

ステップ１０２の判定の結果がｒｎＪである場合には、ステップ１０３ａでステ ップ１００の場合と同様に第２の所定時間ｔ２を算出する。

ステップ１０４と１０４８において、タイマの制御によって、ステップ９７（ｔ ＝ｏ）から所定の時間ｔ２の経過を待つ。ステップ１０５において、ステップ９ ８におけるのと同様に排ガスセンサが動作可能状態であるかどうかを検出する。

ｒｙＪの場合にはステップ１０６においてセンサ加熱器に故障があると判断する 。その結果を表示し、かつ／あるいは記憶させる。

ステップ１０６における結論は、以下のことにより正当化される。すなわち、排 ガスセンサは、最低動作温度に達したときに始めて動作可能状態となるが、同セ ンサの周囲を流れる排ガスだけで排ガスセンサを加熱させるに十分な時間ｔ２の 経過後にこの動作可能状態に達するからである。その場合、所定の時間ｔ１とｔ ２を最低動作温度に確実に達する時間に設定することが必要である。

所定時間の経過後に排ガスセンサがまだ動作可能状態でない場合には、ステップ ＩＯ７においてラムダセンサ回路に故障があると判定される。

なお、ステップ９９．１０３．１０６．１０７に基づく診断の結果を表示装置１ ９によって運転者に表示することもでき、かつ／あるいは診断ブロック１８の一 部をなすメモリに格納することもできる。

さらに、言うまでもないことであるが、所定時間ｔ１とｔ２は共通の時点１＝０ から計算し測定しなくてもよい。もっと正確に言うと、これは時間間隔ｔ１とｔ ２であるので、これら各時間間隔は他の基準点、例えばそれぞれの計算の開始点 を持つようにすることができる。

排ガスセンサが動作可能状態でないことが検出された場合には、信号を出力して 電子制御ユニットを閉ループ制御から開ループ制御へ切り替えるようにすること も可能である。

本発明の診断方法の核心は、センサ加熱器１５ａと加熱制御装置１７とこれらの 接続リード線からなるセンサ加熱装置の機能が正常であるかどうかを検査するこ とである。このことは、排ガスセンサ１５の信号から検出される温度に関係する 電気量の時間的な特性を評価することによって行われる。そのためには、排ガス センサをセンサ加熱装置と、緩慢ではあるがセンサの周囲を流れる排ガスとによ って動作温度まで加熱できることが必要である。

この排ガスは種々の燃焼工程から出るものであって、例えば内燃機関及び加熱装 置の駆動時に発生する。

それによって本発明方法は、内燃機関の制御に用いる排ガスセンサの加熱器装置 の検査に限定されるものでなことが明らかになる。それに代え加熱装置の排ガス 組成あるいは他の化学組成あるいは燃焼工程を測定するセンサの加熱装置を検査 するようにすることもできる。

本発明方法によれば、特に他のセンサとは無関係に作動し、それによって安価に 実現することができるという利点が得られる。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）所定の温度以上で動作可能状態となり、かつ迅速な加熱を行ない動作温度を 維持させるセンサ加熱器を備えた排ガスセンサの動作可能状態を監視する方法に おいて、センサ加熱器を作動させた後に互いに前後する２つの所定の時間ｔ１と ｔ２にセンサの動作可能状態を検出し、前記所定時間ｔ１とｔ２をセンサの温度 上昇特性に合わせて設定し、所定時間ｔ１経過後に動作可能状態でないことが検 出されかつ所定時間ｔ２経過後に動作可能状態となった場合に、センサ加熱器が 故障していることを判定し、診断装置ないし警告装置を起動することを特徴とす る排ガスセンサの動作可能状態を監視する方法。 ２）センサ加熱器及び／あるいは排ガスセンサのリード線系統の機能が正常であ ることを、次のステップ、すなわちイ）センサ加熱器を作動し、 ロ）排ガスセンサが動作可能状態であるかどうかを検出し、ハ）排ガスセンサが 動作可能状態である場合には、第１の診断結果として排ガスセンサとそのリード 線系統の機能が正常であると判定して（イ）と（ロ）のステップを繰り返し、に ）ステップ（ロ）においてセンサが動作可能状態にないことが検出されたが、第 １の所定の時間ｔ１の経過後に排ガスセンサが動作可能状態であることが検出さ れた場合には、第２の診断結果として排ガスセンサ、ラムダセンサ回路及びセン サ加熱器の機能が正常であると判定し、またステップ（ニ）を継続的に繰り返し 、 ホ）ステップ（ニ）において排ガスセンサが動作可能状態でないことが検出され た場合には、第２の所定時間ｔ２後に再度排ガスセンサの動作可能状態を検査し 、へ）動作可能状態である場合には、第３の診断結果として排ガスセンサとラム ダセンサ回路の機能は正常であるが、センサ加熱器に故障があると判断し、 ト）そうでない場合には、第４の診断結果としてセンサのラムダセンサ回路に故 障があると判断し、チ）上記診断結果の少なくとも１つを表示しかつ／記憶する 、ことによって検出することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の排ガスセン サの動作可能状態を監視する方法。 ３）第１の所定の時間ｔ１及び／あるいは第２の所定の時間ｔ２が、排ガス組成 が検出される装置の運転パラメータに従って算出されることを特徴とする請求の 範囲第１項あるいは第２項に記載の方法。 ４）排ガスセンサが、内燃機関に供給される空気／燃料の混合気の空燃比の制御 に用いられることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項に記 載の方法。 ５）例えば排ガスセンサの内部抵抗、出力電圧及び／あるいは同センサを流れる 電流など排ガスセンサの電気量を処理することによって排ガスセンサの動作可能 状態を判定することを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に 記載の方法。 ６）センサ加熱器を作動した後に互いに前後する２つの所定の時間ｔ１とｔ２に センサの動作可能状態を検出し、所定の時間ｔ１とｔ２をセンサの温度上昇特性 に合わせて設定し、所定の時間ｔ１経過後に動作可能状態が検出されかつ所定の 時間ｔ２経過後に動作可能状態となったことが検出された場合には、センサ加熱 器の故障であると判断し、診断ないし警告を行う手段を起動する手段が設けられ ることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項に記載の方法を実施する装置。 ７）センサ加熱電流を流し、 排ガスセンサが動作可能状態であることを検出し、所定の時間ｔＩとｔ２を実際 に経過した時間と比較し、開始時あるいは時間ｔ１あるいはｔ２の経過後に排ガ スセンサが動作可能状態であるかどうかに従って、センサ加熱器及び／あるいは 排ガスセンサに接続されているリード線系統の動作可能状態を判断し、 診断の結果を表示し、かつ／あるいは記憶することができる、 手段が設けられることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項に記載の方法を 実施する装置。 ８）排ガス組成が検出される装置の運転パラメータに従って所定の時間ｔ１及び ／あるいはｔ２を定める手段が設けられることを特徴とする請求の範囲第６項あ るいは第７項に記載の装置。