JPH053976Y2

JPH053976Y2 -

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Publication number: JPH053976Y2
Application number: JP4183286U
Authority: JP
Priority date: 1986-03-24
Filing date: 1986-03-24
Publication date: 1993-01-29
Anticipated expiration: 2001-03-24
Also published as: JPS62153566U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この考案は、空燃比センサに付設したヒータの
制御系の異常を検出する空燃比センサの故障検出
装置に関する。

〔従来の技術〕

例えば内燃機関においては、吸入混合気の空燃
比を精度良く目標値に制御するために、排気通路
内に設けた空燃比センサによつて空燃比と良い相
関関係にある排気中の酸素濃度を検出し、この検
出結果と目標値とに基づいて燃料供給量をフイー
ドバツク制御するようにしている。

このような空燃比のフイードバツク制御に使用
される空燃比センサとしては、例えば特開昭58−
153155号公報に記載されているように、酸素イオ
ン導電性固体電解質板の先側の両面に電極層を設
けた素子を２枚間隔を置いて平行状に配置して、
一方の素子を酸素ポンプ素子、他方の素子を周囲
雰囲気と前記間隙部との酸素濃度比測定用電池素
子として、理論空燃比（λ＝１）からリーン域の
範囲の空燃比を連続的に検出できるものがある。

〔考案が解決しようとする問題点〕

ところで、このように導電性固体電解質を使用
する空燃比センサにおいては、固体電解質の活性
を保つために固体電解質を加熱するヒータを備え
ている。

そのため、ヒータによる固体電解質の加熱がで
きなくなつたときには、充分な活性が得られず、
その時に無理に酸素ポンプ素子の固体電解質に測
定用の電流を流すと素子自体が黒化して壊れてし
まうことがあり、また酸素濃度の検出値に誤差が
生じて正確に空燃比を目標値に制御できなくなる
という不都合が生じる。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案は上記の問題点を解決するため、空燃
比センサのヒータと接地間にパワートランジスタ
を介装してヒータへの供給電流をデユーテイ制御
すると共に、ヒータの接地側電圧を平滑して、こ
の平滑出力と上記パワートランジスタの制御デユ
ーテイとに基づいてヒータ制御系の異常を判定す
るようにしたものである。

〔作用〕

ヒータ制御系に異常が生じたことを検出して、
センサ故障時には空燃比のオープン制御に移行す
ることが可能になる。

〔実施例〕

以下、この考案の一実施例を添付図面を参照し
て説明する。

第２図は、この考案を実施した空燃比センサの
故障検出装置を有する空燃比制御装置を備えた内
燃機関のシステム構成図である。

このシステムにおいて、吸入空気はエアクリー
ナ２から吸気管３を通してエンジン本体１の各気
筒の燃焼室１ａに吸入され、その際後述するコン
トロールユニツト１０からの噴射信号Siに基づい
てインジエクタ４から噴射される燃料と混合して
混合気となる。

そして、コントロールユニツト１０からの点火
信号IAによつて各気筒毎に設けた点火プラグ５
を各点火時期に順次作動させて、吸入した混合気
を燃焼させてピストン６を駆動する。実際には点
火コイルを含む点火回路を必要とするが、図示を
省略している。

燃焼後の排気は、排気管７を通して触媒コンバ
ータ８に導入し、そこで排気中の有害成分である
（HC，CO，NO_X）を三元触媒により清浄化して
排出する。

このとき、吸入空気流量は吸気管３内の絞り弁
（スロツトルバルブ）９によつて制御し、その吸
入空気流量Qaはエアフローメータ１１によつて
検出する。また、絞り弁９の開度Cvを絞り弁開
度センサ１２により、吸気管３の絞り弁９より下
流側の圧力（吸入負圧）を圧力センサ１３によつ
てそれぞれ検出する。

また、エンジンの回転数Ｎをクランク角センサ
１４からのパルス信号により検出し、ウオータジ
ヤケツト１ｂ内を流れる冷却水の温度Twを水温
センサ１５により、排気中の酸素濃度を空燃比セ
ンサとしての酸素センサ１６によつてそれぞれ検
出する。なお、酸素センサ１６及びそれによる空
燃比検出回路の具体例は後述する。

吸気管３のインジエクタ４の付近にスワールバ
ルブ１７を設けており、このスワールバルブ１７
をコントロールユニツト１０からの信号によつて
制御されるソレノイド弁１９を介して導入される
負圧によつて作動される駆動弁１８により開閉駆
動する。

このスワールバルブ１７は、例えば特開昭58−
195048号公報にも見られるように、閉じることに
よつて吸気通路を狭めてヘリカルポートを通過さ
せるようにし、燃焼室１ａ内にスワール（渦流）
を生じさせて燃焼を早める役目をなすもので、リ
ーン域での失火限界を伸ばし、稀薄空燃比で安定
した燃焼を得るのに有効である。

なお、IVは吸気弁、EVは排気弁で、それぞれ
エンジン本体の各気筒の燃焼室１ａに対して設け
ている。

コントロールユニツト１０は、この考案による
酸素センサ１６の異常検出、空燃比制御のほか、
点火時期の制御及びスワールバルブ１７の制御も
行なうものであり、前述のエアフローメータ１１
及び各センサ１２〜１６からの信号を入力して、
それらの入力情報に基づいて、燃料噴射量及び点
火時期を算出して噴射信号Si及び点火信号IAを
出力し、またソレノイド弁１９の制御信号を出力
してスワールバルブ１７を開閉制御して、エンジ
ンの運転状態に応じた最適な燃焼を行なわせるも
のである。

次に、第２図における酸素センサ１６について
第３図及び第４図を参照して説明する。

この酸素センサ１６は、基板２０上にチヤンネ
ル状の大気導入部２１を形成した大気導入板２２
を積層し、その上に酸素イオン伝導性の板状固体
電解質２３を積層している。この固体電解質２３
の下面には基準電極２５を、それに対応する上面
にはポンプ電極２６とセンサ電極２７をそれぞれ
印刷により設けている。

そして、この固体電解質２３の上に、被測定ガ
ス（排気）を導入するガス導入部２８を窓状に形
成した板状体２９を積層し、その上にガスの拡散
を規制する小孔３０を設けた板状体３１を積層し
て構成している。

また、基板２０上には固体電解質２３を加熱す
るためのヒータ３２を印刷形成している。

そして、基準電極２５、ポンプ電極２６、セン
サ電極２７及びヒータ３２には、各々リード線３
３，３４，３５及び３６，３７を接続している。

なお、基板２０、大気導入板２２、および板状
体２９，３１は、アルミナ、ムライト等の耐熱性
絶縁材料、あるいは耐熱性合金等によつて形成し
ている。また固体電解質２３としては、酸素イオ
ン伝導体であるZrO₂，HrO₂，ThO₂，Bi₂O₃等の
酸化物にCa₂Ｏ，MgO，Y₂O₃，YB₂O₃等を固溶
させた焼結体を用いている。

さらに、各電極２５〜２７は白金又は金を主成
分とする。また、ポンプ電極２６と基準電極２５
が固体電解質２４に酸素イオンの移動を生じさせ
て上下両面間の酸素分圧比を一定に保つ電流を流
すための電極を構成し、センサ電極２７と基準電
極２５が固体電解質２４の両面間の酸素分圧比に
よつて発生する電圧を検出するための電極を構成
している。

第１図はこの内燃機関のコントロールユニツト
１０を示すブロツク図である。

このコントロールユニツト１０のメインコント
ローラ４１は、CPU４２、ROM４３、RAM４
４及びＩ／Ｏ４５等からなるマイクロコンピユー
タで構成され、この内燃機関の全体の制御を司る
ヒータ制御手段及び故障判定手段を兼ねた回路で
ある。

このメインコントローラ４１は、Ｉ／Ｏ４５に
酸素センサ１６を使用して燃焼室に供給される混
合気の空燃比を検出する空燃比検出回路４６から
の検出値を入力する。

すなわち、この空燃比検出回路４６は、目標電
圧Va（負電圧）を発生する電圧源４７と、差動ア
ンプ４８と、ポンプ電流供給部４９と、抵抗５０
及びその両端電圧からポンプ電流Ipを検出するポ
ンプ電流検出部５１からなる。

そして、差動アンプ４８は、前述した酸素セン
サ１６の基準電極２５に対するセンサ電極２７の
電位Vs（負電圧）を目標電圧Vaと比較して、そ
の差ΔVs＝Vs−Vaを算出する。

ポンプ電流供給部４９は、この差動アンプ４８
の出力ΔVsがゼロになるように、酸素センサ１
６のポンプ電極２６からポンプ電流Ipを流し出す
（あるいは流し込む）。すなわち、ΔVsが正の時
はIpを増やし、ΔVsが負の時はIpを減らす。

ポンプ電流検出部５１は、抵抗５０の両端間の
電位差によりポンプ電流Ipを電圧Vi（Vi∝Ip）に
変換して検出する。なお、ポンプ電流Ipは同図中
に実線矢印で示す方向を正とし、その時検出電圧
Viも正になり、破線矢印で示す逆方向の時は負
になる。

ここで、目標電圧Vaを、酸素センサ１６のガ
ス導入部２８内の酸素濃度が所定値に維持されて
いるとき、すなわち固体電解質２３の両面間の酸
素分圧比が所定値となるときの基準電極２５とセ
ンサ電極２７の間に発生される電圧Vsに相当す
る値に設定しておくと、この空燃比検出回路４６
によつて検出されるポンプ電流Ipは、第５図に示
すようにＡ／Ｆ（空燃比）と一義的に対応する。

したがつて、この回路によつて現空燃比をリツ
チ域からリーン域まで広範囲に亘つて精度よく検
出することができる。

そこで、この空燃比検出回路４６からの検出電
圧ViをＡ／Ｄ変換器５２でＡ／Ｄ変換して、こ
のＡ／Ｄ変換値Diをメインコントローラ４１に
入力している。

また、メインコントローラ４１は、酸素センサ
１６のヒータ３２と接地間に介装したパワートラ
ンジスタ５４に抵抗５５を介してパルス信号Pa
を出力して、ヒータ３２への供給電流をデユーテ
イ制御する。

なお、パワートランジスタ５４と並列に接地用
抵抗５６を接続している。

そして、そのヒータ３２とパワートランジスタ
５４との接続点の電圧、すなわちヒータ３２の接
地側電圧を、コンデンサ５７及び抵抗５８からな
る平滑回路５９で平滑して、この平滑回路５９か
らの検出電圧V_HTをＡ／Ｄ変換器６０でＡ／Ｄ変
換して、メインコントローラ４１のＩ／Ｏ４５に
入力している。

次に、このように構成したこの実施例における
酸素センサ（空燃比センサ）の故障検出について
第６図を参照して説明する。

まず、ヒータ故障によるセンサ故障判定の原理
について述べると、ヒータ３２に供給する電流は
パワートランジスタ５４をオン・オフ制御するこ
とによつてデユーテイ制御している。

したがつて、この場合デユーテイが大きくなる
程パワートランジスタ５４のオン時間が長くな
り、ヒータ３２へ流れる電流が多くなつて発熱量
が大きくなり、逆にデユーテイが小さくなる程パ
ワートランジスタ５４のオフ時間が長くなり、ヒ
ータ３２に流れる電流が小さくなつて発熱量が小
さくなる。

そして、ここではヒータ３２とパワートランジ
スタ５４との接続点、すなわちヒータ３２の接地
側の電圧を平滑回路５９で平滑して検出電圧V_HT
として出力している。

そのため、デユーテイが大きくなる程パワート
ランジスタ５４のオン時間が長くなつて検出電圧
V_HTが低くなり、逆にデユーテイが小さくなる程
パワートランジスタ５４のオフ時間が長くなつて
検出電圧V_HTが高くなる。

したがつて、このようなデユーテイと検出電圧
V_HTとの関係が崩れたときには、ヒータ３２又は
パワートランジスタ５４に異常が生じたと判断す
ることができる。

そこで、メインコントローラ４１は、第６図に
示すように、まず酸素センサ１６のヒータ３２に
供給する電流のデユーテイ（ヒータデユーテイ）
DHTが予め定めた設定値Ａよりも大きい（DHT
＞Ａ）か否かを判別する。

そして、ヒータデユーテイDHTが設定値Ａよ
り大きい（DHT＞Ａ）ときには、次に検出電圧
V_HT（実際にはＡ／Ｄ変換値）が予め定めた設定
値Ｄより大きい（V_HT＞Ｄ）か否かを判別する。
この設定値Ｄは、この値に対応するデユーテイで
あれば検出電圧V_HTはある電圧以下になるはずで
あるというスライスレベルである。

そして、このときV_HT＞Ｄでなければ、すなわ
ちすなわちヒータデユーテイDHTが設定値Ｄ以
下であれば、酸素センサ１６は正常と判断してこ
の処理を抜ける。

これに対して、DHT＞Ｄであれば、すなわち
ヒータデユーテイDHTが設定値Ｄより大きけれ
ば、パワートランジスタ５４のオン時間を長くし
てヒータ３２に多くの電流を供給しようとしてい
るにもかかわらず検出電圧V_HTが下がらないとい
う状態であるので、パワートランジスタ５４が断
線したと判断して、センサ異常フラグをONす
る。

また、ヒータデユーテイDHTが設定値Ａ以下
であれば、すなわちDHT≦Ａであれば、次にヒ
ータデユーテイDHTが予め定めた設定値Ｂより
小さい（DHT＜Ｂ）か否かを判別する。

そして、このとき、DHT＜Ｂでなければ、す
なわちヒータデユーテイDHTが設定値Ｂ以下の
ときには、パワートランジスタ５４のオン時間が
あまりに長いと検出電圧V_HTが極端に小さくなり
異常判断ができないので、そのままこの処理を抜
ける。

これに対して、DHT＜Ｂであれば、すなわち
ヒータデユーテイDHTが設定値Ｂより小さけれ
ば、パワートランジスタ５４のオン時間がある程
度少なくなつて検出電圧V_HTによる異常判断が可
能であるので、次に平滑回路５９からの検出電圧
V_HTが予め定めた設定値Ｃより小さい（V_HT＜Ｃ）
か否かを判別する。

そして、このときV_HT＜Ｃでなければ、すなわ
ち検出電圧V_HTが設定値Ｃ以上であれば、ヒータ
３２が正常と判断してこの処理を抜ける。

これに対して、V_HT＜Ｃであれば、すなわち検
出電圧V_HTが設定値Ｃより小さければ、デユーテ
イが小さいのにヒータ３２に多くの電流が流れて
いることになるので、パワートランジスタ５４が
シヨートしたかあるいはヒータ３２が断線したと
判断して、センサ異常フラグをONする。

なお、図示しない処理において、このセンサ異
常フラグがONになつたときには、空燃比制御を
空燃比検出回路４６からの検出電圧Viに基づく
フイードバツク制御からオープン制御に移行する
と共に、空燃比検出回路４６のポンプ電流供給部
４９に対してポンプ電流Ipの供給停止を指示す
る。

なお、空燃比センサとしては、上記実施例で述
べたものに限らず、ヒータを付設したあらゆる空
燃比センサの異常を検出することができる。

〔考案の効果〕

以上説明したように、この考案によれば、空燃
比センサのヒータと接地間にパワートランジスタ
を介装してヒータへの供給電流をデユーテイ制御
すると共に、ヒータの接地側電圧を平滑して、こ
の平滑出力とパワートランジスタの制御デユーテ
イとに基づいてヒータ制御系の異常を判定するこ
とにより、空燃比センサの故障を検出する。

それによつて、空燃比センサの故障時には空燃
比のオープン制御に移行して誤差に基づく空燃比
制御を回避することができると共に、空燃比セン
サの破壊を防止することができる。

また、空燃比センサの故障の原因となるヒータ
の故障及びパワートランジスタの故障のいずれも
検知することができ、しかもヒータ断線、パワー
トランジスタシート及びパワートランジスタの断
線のいずれも検知することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案を実施した内燃機関の空燃比
検出装置のブロツク図、第２図は同じくその内燃
機構のシステム構成図、第３図及び第４図は同じ
くその酸素センサの詳細を示す横断面図及び分解
斜視図、第５図は同じくその空燃比検出回路の検
出特性を示す線図、第６図は同じくセンサ異常診
断処理の一例を示すフロー図である。１０……コントロールユニツト、１６……酸素
センサ（空燃比センサ）、３２……ヒータ、４１
……メインコントローラ、４６……空燃比検出回
路、５４……パワートランジスタ、５９……平滑
回路。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

ヒータを付設した空燃比センサを備えた空燃比
検出装置において、前記ヒータと接地間にパワー
トランジスタを介装して該ヒータへの供給電流を
デユーテイ制御するヒータ制御手段と、前記ヒー
タの接地側電圧を平滑する平滑回路と、該平滑回
路の出力と前記パワートランジスタの制御デユー
テイとに基づいてヒータ制御系の異常を判定する
異常判定手段とを設けたことを特徴とする空燃比
センサの故障検出装置。