JPH09113481A

JPH09113481A - 酸素センサの活性判定装置

Info

Publication number: JPH09113481A
Application number: JP7269956A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Obe; 隆幸大部
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1995-10-18
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素センサの活性状態を高精度に推定する。【解決手段】触媒温度ＴＣＡＴをセンサで検出する（Ｓ
11）。一方、排気流量に相当する吸入空気流量Ｑに基づ
いて、酸素センサから触媒までの放熱分を補正するため
の補正係数ＨＨＯＳを設定する（Ｓ12）。そして、前記
触媒温度ＴＣＡＴを前記補正係数ＨＨＯＳで補正して、
酸素センサの素子温度ＴＯ２１（ＴＯ２１＝ＴＣＡＴ×
ＨＨＯＳ）を演算する（Ｓ13）。更に、外気温度に相当
する吸気温度に基づいて前記素子温度ＴＯ２１を補正し
て、最終的な素子温度ＴＯ２｛ＴＯ２＝ＴＯ２１−（25
−吸気温）｝を得る（Ｓ14）。ここで、前記素子温度Ｔ
Ｏ２が活性温度を上回っている場合には（Ｓ15）、酸素
センサの活性を判定する（Ｓ16）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は酸素センサの活性判
定装置に関し、詳しくは、酸素センサの素子温度が活性
温度に達しているか否かに基づいて、酸素センサの活性
状態を判別する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の空燃比制御装置として、酸素
センサで検出される排気中の酸素濃度に基づいて、目標
空燃比（理論空燃比）に対する実際の空燃比のリッチ・
リーンを判別し、かかる判別結果に基づいて実際の空燃
比を理論空燃比（目標空燃比）に近づけるように機関へ
の燃料供給量をフィードバック制御するものが知られて
いる（特開昭６０−２４０８４０号公報等参照）。

【０００３】ところで、上記酸素センサを用いた空燃比
フィードバック制御においては、酸素センサの酸素濃度
変化に対する応答特性が経時劣化等によって変化する
と、空燃比制御性が悪化するため、従来から酸素センサ
の応答劣化を、空燃比フィードバック中のセンサ出力に
基づいて診断する装置が種々提案されている（特開昭６
２−７８４４４号公報等参照）。

【０００４】ここで、前記応答劣化の診断においては、
酸素センサが活性化していることが診断の前提条件とな
る。即ち、酸素センサの非活性状態では、酸素濃度に対
して所期のセンサ出力が得られないため、応答劣化がな
いにも関わらず見掛け上はセンサの応答が劣化している
ような出力特性を示し、応答劣化を誤診断してしまうこ
とになるため、センサの活性状態であることを診断条件
とする必要があるものである。

【０００５】酸素センサは、その素子温度が所定の活性
温度に達することで活性化されるので、従来では、排気
温度が所定温度以上になると推定される運転領域（例え
ば、機関回転速度，機関負荷，車速）に該当しているか
否かに基づいて、酸素センサの活性状態を判別してい
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、運転条件が
活性領域に該当していても、活性過程の状態であること
が判別できない領域があり、活性過程の酸素センサ出力
に基づいて応答劣化が誤診断されてしまうことがあっ
た。即ち、応答劣化が生じている酸素センサであれば、
図10に示すように、前記活性領域内において常に劣化し
た応答特性を示すが、応答が正常な酸素センサにおいて
は、同じ活性領域内であっても活性過程（完全に活性化
していない状態）である場合があり、この場合には、応
答が正常な酸素センサを非活性時の出力特性に基づいて
応答劣化と誤診断する惧れがあったものである。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、酸素センサの活性状態を高精度に判別できる装置
を提供し、以て、応答劣化の診断精度を向上させること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため請求項１の発明
にかかる酸素センサの活性判定装置は、機関の排気通路
に介装された酸素センサの活性状態を判定する活性判定
装置であって、図１に示すように構成される。図１にお
いて、触媒温度検出手段は、前記酸素センサの上流側又
は下流側の排気通路に介装された触媒の温度を検出す
る。また、排気流量検出手段は、機関の排気流量を検出
する。

【０００９】そして、素子温度推定手段は、少なくとも
前記触媒温度及び排気流量の検出値に基づいて前記酸素
センサの素子温度を推定し、活性判別手段は、素子温度
推定手段で推定された素子温度に基づいて前記酸素セン
サの活性状態を判別する。かかる構成において、酸素セ
ンサの素子温度，排気温度，触媒温度は、図11に示すよ
うに、相互相関があり、触媒温度は排気温度に依存し、
同様に素子温度は排気温度に依存するから、触媒温度に
基づいて素子温度を推定できる。但し、その時の排気流
量による放熱量の違いによって相関関係が変化するの
で、触媒温度に基づく素子温度の推定に排気流量を関与
させ、触媒温度から素子温度を高精度に推定できるよう
にした。

【００１０】請求項２記載の発明では、外気温度を検出
する外気温度検出手段を備え、前記素子温度推定手段
が、前記触媒温度及び排気流量の検出値と共に、前記検
出された外気温度に基づいて前記酸素センサの素子温度
を推定する構成とした。かかる構成によると、外気温度
の変化による放熱量の違いに対応して、触媒温度から素
子温度を推定させることができ、外気温度の変化に対し
て推定精度を維持できる。

【００１１】請求項３記載の発明では、前記酸素センサ
がヒータを備えて構成され、前記素子温度推定手段が、
前記ヒータによる自己発熱分を上乗せして、前記酸素セ
ンサの素子温度を推定する構成とした。かかる構成によ
ると、酸素センサの素子が、排気によって加熱されると
共に、付設されたヒータにより加熱される場合に、ヒー
タによる自己発熱分の補正がなされ、ヒータによって加
熱される場合であっても、素子温度の推定精度を維持で
きる。

【００１２】請求項４記載の発明では、前記素子温度推
定手段が、機関の排気流量に応じて前記ヒータによる自
己発熱分を設定する構成とした。かかる構成によると、
排気流量が少なく排気による放熱が少ない場合には、排
気からの受熱によってヒータによる最大加熱温度を上回
る素子温度になるが、排気流量が多く放熱量が多くなる
と、ヒータによる最大加熱温度を下回る素子温度になる
ので、ヒータを備える構成での素子温度を高精度に推定
できる。

【００１３】請求項５記載の発明では、前記素子温度推
定手段が、機関の排気流量に応じて設定した自己発熱分
の加重平均値を上乗せして、前記酸素センサの素子温度
を推定する構成とした。かかる構成によると、排気流量
の変化により放熱量が変化し、この放熱量の変化によっ
て素子温度が変化するが、放熱量の変化に対する素子温
度の変化には応答遅れがあるから、加重平均演算によっ
て前記応答遅れに対応する変化を推定温度が示すように
した。

【００１４】請求項６記載の発明では、前記排気流量検
出手段が、機関の吸入空気流量を排気流量相当値として
検出する構成とした。かかる構成によると、機関におい
ては、吸入空気がシリンダを介して燃焼排気として排出
され、吸入空気がそのまま排気として排出されると見做
すことができるので、排気流量を直接的に検出する代わ
りに吸入空気流量を排気流量相当値として検出し、電子
制御燃料噴射装置で使用されるエアフローメータを流用
して排気流量を検出できるようにした。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。システム構成を示す図２において、内燃機関１に
はエアクリーナ２から吸気ダクト３，スロットル弁４及
び吸気マニホールド５を介して空気が吸入される。前記
吸気マニホールド５の各ブランチ部には、各気筒別に燃
料噴射弁６が設けられている。

【００１６】燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて
開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であ
って、後述するコントロールユニット12からの噴射パル
ス信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプ
から圧送されてプレッシャレギュレータにより所定の圧
力に調整された燃料を、機関１に間欠的に噴射供給す
る。

【００１７】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ていて、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホールド８，排気
ダクト９，三元触媒10及びマフラー11を介して排気が排
出される。コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等
を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種
のセンサからの入力信号を受け、後述の如く演算処理し
て、燃料噴射弁６の作動を制御する。

【００１８】前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３
中にエアフローメータ13が設けられていて、機関１の吸
入空気流量Ｑに応じた信号を出力する。尚、機関１にお
いては、吸入空気流量Ｑが排気流量に相当するから、前
記エアフローメータ13は排気流量検出手段を兼ねるもの
である。また、クランク角センサ14が設けられていて、
基準ピストン位置毎の基準角度信号ＲＥＦと、クランク
角１°又は２°毎の単位角度信号ＰＯＳとを出力する。
ここで、基準角度信号ＲＥＦの周期、或いは、所定時間
内における単位角度信号ＰＯＳの発生数を計測すること
により、機関回転速度Ｎｅを算出できる。

【００１９】また、機関１のウォータジャケットの冷却
水温度Ｔｗを検出する水温センサ15が設けられている。
また、排気マニホールド８の集合部には排気中の酸素濃
度を検出する酸素センサ16が設けられている。前記酸素
センサ16は、大気中の酸素濃度に対する排気中の酸素濃
度の比に応じた起電力を発生する酸素濃淡電池であり、
排気中の酸素濃度が理論空燃比を境に急変することを利
用し、理論空燃比のみ（理論空燃比に対するリッチ・リ
ーン）を検出し得る公知のリッチ・リーンセンサであ
る。以下、リッチ・リーンとは、理論空燃比に対するリ
ッチ空燃比・リーン空燃比を示すものとする。

【００２０】更に、前記スロットル弁４には、その開度
ＴＶＯを検出するポテンショメータ式のスロットルセン
サ17が設けられている。また、前記エアクリーナ２に
は、吸気温度を検出する吸気温度センサ18（外気温度検
出手段）が設けけられており、前記三元触媒10には、触
媒温度を検出する触媒温度センサ19（触媒温度検出手
段）が設けられている。

【００２１】ここにおいて、コントロールユニット12に
内蔵されたマイクロコンピュータのＣＰＵは、吸入空気
流量Ｑと機関回転速度Ｎｅとに基づいて目標空燃比（理
論空燃比）相当の基本燃料噴射量Ｔｐを演算する一方、
前記冷却水温度Ｔｗに基づく増量補正係数や過渡運転時
用の補正係数などを含む各種補正係数ＣＯＥＦを設定
し、更に、前記酸素センサ16の出力に基づいて検出され
る実際の機関吸入混合気の空燃比を目標空燃比（理論空
燃比）にフィードバック制御するための空燃比フィード
バック補正係数αを演算する。

【００２２】次いで、前記基本燃料噴射量Ｔｐに、前記
各種補正係数ＣＯＥＦ，空燃比フィードバック補正係数
αを乗算して有効噴射量Ｔｅ（←Ｔｐ×ＣＯＥＦ×α）
を演算し、更に、この有効噴射量Ｔｅに燃料噴射弁６の
作動遅れを補正するための電圧補正分Ｔｓを加算して、
この加算結果を最終的な燃料噴射量Ｔｉ（←Ｔｅ＋Ｔ
ｓ）として設定する。

【００２３】そして、コントロールユニット12は、前記
演算した燃料噴射量Ｔｉに相当するパルス幅の噴射パル
ス信号を燃料噴射弁６に対して機関回転に同期した所定
タイミングで出力することで、機関への燃料供給を電子
制御する。前記空燃比フィードバック補正係数αは、酸
素センサ16の出力と該出力の理論空燃比相当値との比較
によって実際の空燃比のリッチ・リーンを判別し、該判
別結果に基づいて比例・積分制御により設定される。具
体的には、図３に示すように、空燃比のリッチ→リーン
（リーン→リッチ）反転時に空燃比フィードバック補正
係数αを理論空燃比に近づける方向に所定比例分だけ増
大（減少）修正し、その後、空燃比がリッチ（リーン）
に反転するまで所定積分分によって所定周期毎に空燃比
フィードバック補正係数αを徐々に増大（減少）修正す
る。

【００２４】ところで、前記空燃比フィードバック制御
に用いる酸素センサ16に劣化が生じその出力特性（応答
特性）が変化すると、空燃比制御点が理論空燃比からず
れて、三元触媒10における転換効率が悪化し、排気有害
成分の排出量を増大させることになってしまう。そこ
で、図４のフローチャートに示すようにして、酸素セン
サ16の応答劣化診断を行う。

【００２５】図４のフローチャートにおいて、まず、ス
テップ１（図中にはＳ１と記してある。以下同様）で
は、応答劣化の診断条件が成立しているか否かを判別す
る。具体的には、前記空燃比フィードバック中であるこ
と、冷却水温度が所定温度以上であること、機関回転速
度，機関負荷，車速がそれぞれ所定範囲内であること、
酸素センサ16が活性化していること（活性温度に達して
いること）を、応答診断の条件とする。

【００２６】ここで、前記酸素センサ16が活性化してい
ることの判定については、後で詳細に説明する。ステッ
プ１で診断条件が成立していると判別されると、ステッ
プ２へ進み、応答診断を行うためのパラメータを演算す
る。例えば、図３に示すように、酸素センサ16の出力が
目標空燃比相当値を含む所定範囲を横切るのに要した時
間ａ，ｂの平均値の和を、前記応答診断のためのパラメ
ータとして演算させる。

【００２７】次のステップ３では、前記ステップ２で演
算されたパラメータと判定値とを比較することで、応答
劣化が発生しているか否かを判別する。酸素センサ16の
出力が目標空燃比相当値を含む所定範囲を横切るのに要
した時間の平均値を応答診断のためのパラメータとして
演算させる場合には、かかる時間が判定値よりも長くな
っていることに基づいて酸素センサ16の応答劣化が判定
され、この場合には、ステップ４へ進んで、応答異常の
発生を判定する一方、前記時間が判定値以下である場合
には、ステップ５へ進んで、応答が正常であると判定す
る。

【００２８】次に前記酸素センサ16の活性化判定を、図
５のフローチャートに従って説明する。尚、素子温度推
定手段，活性判別手段としての機能は、前記図５のフロ
ーチャートに示すように、コントロールユニット12がソ
フトウェア的に備えている。図５のフローチャートにお
いて、ステップ11では、触媒温度センサ19で検出された
触媒温度ＴＣＡＴを読み込む。

【００２９】ステップ12では、酸素センサ16から三元触
媒10までの間における放熱による温度低下を考慮して、
前記触媒温度ＴＣＡＴから酸素センサ16の素子温度を推
定するための放熱補正係数ＨＨＯＳを、そのときの吸入
空気流量Ｑに基づいて設定する。前記吸入空気流量Ｑ
は、排気流量に相当する値であり、排気流量が多いとき
には、三元触媒10と酸素センサ16との温度差が小さくな
るのに対し、排気流量が少ないときには、酸素センサ16
から三元触媒10に至るまでの間における放熱量が大きく
なって、前記温度差が大きくなる傾向を示すので、吸入
空気流量Ｑが少ないときほど、触媒温度ＴＣＡＴに対し
て酸素センサ16の温度がより高く推定されるようにして
ある。

【００３０】ステップ13では、前記触媒温度ＴＣＡＴに
前記放熱補正係数ＨＨＯＳを乗算して、これを酸素セン
サ16の推定温度ＴＯ２１（ＴＯ２１＝ＴＣＡＴ×ＨＨＯ
Ｓ）とする。ステップ14では、外気温度の変化による酸
素センサ16温度の変化に対応するための補正を、前記推
定温度ＴＯ２１に施して、推定温度ＴＯ２を得る。

【００３１】具体的には、吸気温度センサ18で検出され
る吸気温度を外気温度相当と見做し、ＴＯ２＝ＴＯ２１
−（25℃−吸気温度）として推定温度ＴＯ２を得る。こ
こで、前記25℃は、前記放熱補正係数ＨＨＯＳを設定し
たときの基準外気温である。ステップ15では、予め設定
された酸素センサ16の活性温度と前記推定温度ＴＯ２と
を比較し、前記推定温度ＴＯ２が所定の活性温度を上回
っている場合には、ステップ16へ進んで、酸素センサ16
の活性化を判定する。

【００３２】ところで、酸素センサ16にセンサ素子を加
熱するためのヒータが備えられている場合には、前述の
ようにして推定される温度ＴＯ２に対して図６のフロー
チャートに示すように自己発熱分の補正を施すことで、
素子温度の推定精度を維持することができる。図６のフ
ローチャートにおいて、まず、ステップ21では、前記図
５のフローチャートに従って求めれた推定温度ＴＯ２、
即ち、ヒータ無しの場合の推定素子温度を読み込む。

【００３３】ステップ22では、ヒータ通電のみによって
センサ素子が加熱される場合の最大素子温度（サチレー
ト温度）と、センサ素子部の排気温度（ヒータ無しの場
合の素子温度）との温度差を、予め吸入空気流量Ｑに応
じて前記温度差を記憶したマップを参照して求める。こ
こでは、吸入空気流量Ｑが多いときほど、前記温度差が
縮小することに対応して、前記温度差は、吸入空気流量
Ｑが多いときほど小さい値として設定されている。

【００３４】ステップ23では、前記ステップ22で求めた
温度差に定数Ａを乗算して、実際に排気中でヒータで加
熱される素子温度と、排気温度との差ＴＯ２Ｈ１を求め
る（図７参照）。ステップ24では、吸入空気流量Ｑの変
化による前記ＴＯ２Ｈ１の変化を、実際の素子温度相当
の変化とするため、前記ＴＯ２Ｈ１を加重平均処理す
る。即ち、吸入空気流量Ｑの変化に対して実際の素子温
度の変化に遅れが生じるため、前記加重平均処理によっ
て前記応答遅れに対応できるようにしている（図８参
照）。

【００３５】前記ＴＯ２Ｈ１の加重平均処理は、吸入空
気流量Ｑに応じて設定される加重重みＫＨＨＯＳ（図９
参照）に基づいて下式に従って行われる。ＴＯ２Ｈ２＝ＴＯ２Ｈ２_old×（１−ＫＨＨＯＳ）＋ＴＯ２Ｈ１×ＫＨＨＯＳ上式でＴＯ２Ｈ２_oldは、加重平均値ＴＯ２Ｈ２の前回
値である。また、吸入空気流量Ｑが多いときほど前記遅
れが小さくなることに対応して、加重重みＫＨＨＯＳ
は、吸入空気流量Ｑが大きいときほど１により近い大き
な値に設定されるようにしてある（図９参照）。

【００３６】ステップ25では、前記図５のフローチャー
トに従って求めれたヒータ無し時の推定温度ＴＯ２に、
前記加重平均値ＴＯ２Ｈ２を加算し、この加算結果をヒ
ータで加熱される素子温度の推定値ＴＯ２Ｈとする。そ
して、ステップ26では、前記推定温度ＴＯ２Ｈと所定の
活性温度とを比較して、所定の活性温度を前記推定温度
ＴＯ２Ｈが上回る場合には、ステップ27へ進んで、酸素
センサ16の活性化を判定する。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によると、触媒と酸素センサとの間における放熱量を考
慮して、触媒温度からセンサ素子温度を精度良く推定で
き、以て、酸素センサの活性状態を精度良く判別できる
という効果がある。請求項２記載の発明によると、外気
温度の変化による放熱量の違いに対応して、素子温度を
精度良く推定させることができるという効果がある。

【００３８】請求項３記載の発明によると、酸素センサ
の素子がヒータにより加熱される場合に、かかるヒータ
による自己発熱分を加味して素子温度の推定させること
ができるという効果がある。請求項４記載の発明による
と、排気流量に相関させてヒータによる自己発熱分を精
度良く設定できるという効果がある。

【００３９】請求項５記載の発明によると、排気流量の
変化に対する素子温度変化の応答遅れに対応して素子温
度を推定させることができるという効果がある。請求項
６記載の発明によると、吸入空気流量を排気流量相当値
として検出させることで、排気流量を検出するセンサを
別途設ける必要がなく、システム構成を簡略化できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の基本構成を示すブロック
図。

【図２】実施の形態のシステム構成図。

【図３】空燃比フィードバック制御の特性を示すタイム
チャート。

【図４】応答診断制御を示すフローチャート。

【図５】活性化判別制御を示すフローチャート。

【図６】ヒータを備える場合の活性化判別制御を示すフ
ローチャート。

【図７】ヒータを備えた場合の温度相関を示す線図。

【図８】温度推定における加重平均処理の様子を示すタ
イムチャート。

【図９】加重平均処理における加重重みを示す線図。

【図10】応答性，活性度の相関を診断領域内に示す線
図。

【図11】触媒温度，素子温度，排気温度の相関を示す線
図。

【符号の説明】

１内燃機関６燃料噴射弁 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 16 酸素センサ 17 スロットルセンサ 18 吸気温度センサ 19 触媒温度センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関の排気通路に介装された酸素センサの
活性状態を判定する活性判定装置であって、前記酸素センサの上流側又は下流側の排気通路に介装さ
れた触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、機関の排気流量を検出する排気流量検出手段と、少なくとも前記触媒温度及び排気流量の検出値に基づい
て前記酸素センサの素子温度を推定する素子温度推定手
段と、該素子温度推定手段で推定された素子温度に基づいて前
記酸素センサの活性状態を判別する活性判別手段と、を含んで構成されたことを特徴とする酸素センサの活性
判定装置。
【請求項２】外気温度を検出する外気温度検出手段を備
え、前記素子温度推定手段が、前記触媒温度及び排気流
量の検出値と共に、前記検出された外気温度に基づいて
前記酸素センサの素子温度を推定することを特徴とする
請求項１記載の酸素センサの活性判定装置。
【請求項３】前記酸素センサがヒータを備えて構成さ
れ、前記素子温度推定手段が、前記ヒータによる自己発
熱分を上乗せして、前記酸素センサの素子温度を推定す
ることを特徴とする請求項１又は２記載の酸素センサの
活性判定装置。
【請求項４】前記素子温度推定手段が、機関の排気流量
に応じて前記ヒータによる自己発熱分を設定することを
特徴とする請求項３記載の酸素センサの活性判定装置。
【請求項５】前記素子温度推定手段が、機関の排気流量
に応じて設定した自己発熱分の加重平均値を上乗せし
て、前記酸素センサの素子温度を推定することを特徴と
する請求項４記載の酸素センサの活性判定装置。
【請求項６】前記排気流量検出手段が、機関の吸入空気
流量を排気流量相当値として検出することを特徴とする
請求項１〜５のいずれか１つに記載の酸素センサの活性
判定装置。