| 【発明の名称】 |
空燃比センサの故障診断装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大隈 重男
【氏名】大崎 博之
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| 【要約】 |
【課題】ネルンストセル部とポンプセル部とを含んで構成されるセンサ素子を備えてなる空燃比センサの故障診断に際し、診断許可条件をより適切に規定して、診断精度の向上を図る。
【解決手段】ネルンストセル部に交流電圧を印加して、これによりネルンストセル部に流れる電流（振幅）より、ネルンストセル部のインピーダンスＲｉを計測する（Ｓ１）。ポンプセル部でのポンプ電流Ｉｐを計測する（Ｓ２）。この結果、インピーダンスＲｉが所定値以下（素子温度が所定の活性温度以上に相当）で、かつ、ポンプ電流Ｉｐが所定範囲内のとき（Ａ／Ｆ雰囲気を特定し、少なくとも燃料カット時を除外）に、故障診断の実施を許可する（Ｓ３，Ｓ４→Ｓ５）。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】内燃機関の排気系に装着され、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じてポンプ電流が連続的に変化するポンプセル部と、を含んで構成されるセンサ素子を備えてなる空燃比センサと、該空燃比センサの故障診断を行う故障診断手段と、センサ素子の内部抵抗を計測する内部抵抗計測手段と、ポンプ電流を計測するポンプ電流計測手段と、内部抵抗が所定値以下で、かつポンプ電流が所定範囲内のときに、前記故障診断の実施を許可する故障診断許可手段と、を含んで構成される空燃比センサの故障診断装置。
【請求項２】前記故障診断許可手段は、ポンプ電流に関する所定範囲を、燃料カット時のポンプ電流を含まないように設定することを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの故障診断装置。
【請求項３】前記故障診断手段は、空燃比センサの出力であるポンプ電流が第１の所定範囲内か否かを判定して、範囲内のときに正常と診断し、範囲外のときに故障と診断するものであり、前記故障診断許可手段は、ポンプ電流に関し、前記第１の所定範囲を含みこれより広い第２の所定範囲内か否かを判定して、範囲内のときに診断を許可し、範囲外のときに診断を不許可とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の空燃比センサの故障診断装置。
【請求項４】前記内部抵抗計測手段は、前記ネルンストセル部に交流電圧を印加して、これにより前記ネルンストセル部に流れる電流より前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の空燃比センサの故障診断装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気系に装着されて空燃比制御に用いられる空燃比センサの故障診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の空燃比制御装置として、空燃比センサにより排気中の酸素濃度などに基づいて実際の空燃比を検出し、これが目標空燃比となるように、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。
【０００３】ところで、上記の空燃比フィードバック制御を行うためには、空燃比センサが故障していないことが前提条件となるため、信頼性向上のため、空燃比センサの故障の有無をその出力に基づいて診断することが行われており、また法規上診断が義務付けられている場合もある。
【０００４】具体的には、所定の診断許可条件が成立しているときに、空燃比センサの出力が所定範囲内にあるか否かを判定して、範囲内であれば正常、範囲外であれば故障と診断している。
【０００５】ここで、前記診断許可条件は、一般に、車速が所定値以上、及び／又は機関回転数が所定値以上の運転条件とし、このような運転条件であれば、排気受熱により、空燃比センサの素子温度が上昇して活性化しており、故障していなければ当然に所定のセンサ出力があるとみなしている。
【０００６】しかし、外気温が極めて低いなどの理由で、排気からの受熱量に対し、放熱量を無視できないような場合は、素子温度が下がってしまうので、このような状況にて故障診断を行うと、活性化していないだけであるにもかかわらず、故障と誤診断してしまうことがある。
【０００７】そこで、特開２０００−５５８６１号公報では、空燃比センサの素子温度に相関のあるセンサ素子の内部抵抗（素子抵抗）を検出し、内部抵抗が所定値以下の場合に、素子温度が所定の活性温度以上であるとして、故障診断を許可するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じてポンプ電流が連続的に変化するポンプセル部と、を含んで構成されるセンサ素子を備えてなる空燃比センサにおいて、単にセンサ素子の内部抵抗が所定値以下（素子温度が所定の活性温度以上）のときに故障診断を行うようにすると、そのときの空燃比雰囲気を特定できないので、燃料カット時などにも、故障診断を行ってしまい、燃料カット時は、極めてリーンな雰囲気であり、空燃比センサの出力であるポンプ電流が極めて大きくなるため、ポンプ電流が所定範囲内にあるか否かを判定して、範囲外のときに故障と診断すると、空燃比センサが正常であっても、故障と誤診断してしまうという問題点があった。
【０００９】本発明は、このような実状に鑑み、空燃比センサの故障診断に際し、診断許可条件をより適切に規定して、診断精度の向上を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係る空燃比センサの故障診断装置は、内燃機関の排気系に装着され、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じてポンプ電流が連続的に変化するポンプセル部と、を含んで構成されるセンサ素子を備えてなる空燃比センサに適用され、該空燃比センサの故障診断を行う故障診断手段を備えることを前提とする。
【００１１】ここにおいて、請求項１に係る発明では、図１に示すように、センサ素子の内部抵抗を計測する内部抵抗計測手段と、ポンプ電流を計測するポンプ電流計測手段と、内部抵抗が所定値以下で、かつポンプ電流が所定範囲内のときに、前記故障診断の実施を許可する故障診断許可手段と、を設けたことを特徴とする。
【００１２】請求項２に係る発明では、前記故障診断許可手段は、ポンプ電流に関する所定範囲を、燃料カット時のポンプ電流を含まないように設定することを特徴とする。
【００１３】請求項３に係る発明では、前記故障診断手段は、空燃比センサの出力であるポンプ電流が第１の所定範囲内か否かを判定して、範囲内のときに正常と診断し、範囲外のときに故障と診断するものであり、前記故障診断許可手段は、ポンプ電流に関し、前記第１の所定範囲を含みこれより広い第２の所定範囲内か否かを判定して、範囲内のときに診断を許可し、範囲外のときに診断を不許可とすることを特徴とする。
【００１４】請求項４に係る発明では、前記内部抵抗計測手段は、前記ネルンストセル部に交流電圧を印加して、これにより前記ネルンストセル部に流れる電流（詳しくはその振幅）より前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するものであることを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、センサ素子の内部抵抗が所定値以下で、素子温度が所定の活性温度以上であることを前提とし、かつポンプ電流により空燃比雰囲気をある程度特定してから、故障診断を行うため、故障診断の精度を向上させることができる。
【００１６】請求項２に係る発明によれば、故障診断許可のポンプ電流に関する所定範囲を、燃料カット時のポンプ電流を含まないように設定することで、燃料カット時に故障診断を行うのを防止して、誤診断を確実に回避することができる。
【００１７】請求項３に係る発明によれば、故障診断でのポンプ電流の所定範囲（第１の所定範囲）に対し、故障診断許可条件のポンプ電流の所定範囲（第２の所定範囲）を適切に設定して、診断精度を向上させることができる。
【００１８】請求項４に係る発明によれば、センサ素子の内部抵抗の計測に際し、ネルンストセル部に交流電圧を印加して、ネルンストセル部のインピーダンスを計測することにより、ポンプセル部での空燃比検出精度に影響を与えることなく、素子温度と相関のある内部抵抗（インピーダンス）を的確に計測することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態について説明する。図２は本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比フィードバック制御装置のシステム図である。
【００２０】内燃機関（以下エンジンという）１には、各気筒毎に、吸気通路２又は燃焼室内に臨むように、燃料噴射弁３が設けられ、各燃料噴射弁３の燃料噴射はコントロールユニット４により制御される。
【００２１】コントロールユニット４は、例えば、エアフローメータ５からの信号に基づいて検出される吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ６からの信号に基づいて検出されるエンジン回転数Ｎｅとから、ストイキ（λ＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλの他、排気通路７に配置した空燃比センサ８からの信号に基づく空燃比フィードバック補正係数αにより補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αを演算し、このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン回転に同期して、各燃料噴射弁３に出力する。但し、所定の減速運転条件では、燃料噴射弁３からの燃料噴射を停止させて、燃料カットを行わせる。
【００２２】ここで、空燃比センサ８は、排気通路７に配置されて、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力するもので、コントロールユニット４は、空燃比センサ８からの信号に基づいて、エンジン１に供給されている混合気の空燃比λを検出し、これが目標空燃比ｔλとなるように、空燃比フィードバック補正係数αをＰＩ制御などにより増減設定することで、空燃比λを目標空燃比ｔλにフィードバック制御する。
【００２３】また、空燃比センサ８としては、空燃比をリニアに検出可能ないわゆる広域型空燃比センサを用いる。図３はかかる広域型空燃比センサ８のセンサ素子構造を示し、これについて説明する。
【００２４】センサ素子の本体２０は、酸素イオン導電性を有するジルコニア等の固体電解質材料で多孔質層に形成されて、排気通路中に置かれる。本体２０の内部には、図で下側から、ヒータ２１、大気室２２、ガス拡散室２３を備えている。
【００２５】ヒータ２１は、これへの通電により、センサ素子を加熱することができる。大気室２２は、排気通路外で、基準ガスである大気と連通するように形成されている。
【００２６】ガス拡散室２３は、本体２０の図で上面側より形成した排気導入孔２４により、γアルミナ等からなる保護層２５を介して、排気と連通するように形成されている。
【００２７】ここで、大気室２２の上壁に設けた電極２６Ａと、ガス拡散室２３の下壁に設けた電極２６Ｂとで、ネルンストセル部２６が構成される。また、本体２０の上壁に設けて保護層２８で覆った電極２７Ａと、ガス拡散室２３の上壁に設けた電極２７Ｂとで、ポンプセル部２７が構成される。
【００２８】ネルンストセル部２６は、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度（酸素分圧）によって影響されるネルンストセル部電極２６Ａ，２６Ｂ間の酸素分圧比に応じて、電圧を発生するようになっている。
【００２９】従って、ネルンストセル部電極２６Ａ，２６Ｂ間の酸素分圧比によって発生する電圧を検出することで、空燃比がストイキ（λ＝１）に対してリーンであるかリッチであるかを検出することができる。
【００３０】ポンプセル部２７は、これに所定の電圧が印加されると、これによりガス拡散室２３内の酸素イオンが移動して、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ間に電流（ポンプ電流）が流れるようになっている。
【００３１】そして、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ間に所定の電圧を印加したときに、該電極間を流れるポンプ電流（限界電流）Ｉｐは、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度に影響されるので、ポンプ電流Ｉｐを検出すれば、排気の空燃比を検出することができる。
【００３２】すなわち、図４（Ａ）に示すように、ポンプセル部２７の電圧−電流特性は、空燃比λに応じて変化し、所定の電圧を印加したときのポンプ電流Ｉｐより排気の空燃比λを検出することができる。
【００３３】また、ネルンストセル部２６でのリーン・リッチの出力に基づいて、ポンプセル部２７に対する電圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域において、図４（Ｂ）に示すように、ポンプセル部２７を流れるポンプ電流Ｉｐに基づいて、広範囲な空燃比λの検出が可能となる。
【００３４】このため、図５の回路図に示すように、ネルンストセル部２６のガス拡散室２３側の電極２６Ｂを接地し、大気室２２側の電極２６Ａを差動増幅回路３１の−側入力端子に接続し、差動増幅回路３１の＋側入力端子にはストイキ相当の基準電圧Ｖｓを印加してある。
【００３５】そして、差動増幅回路３１の出力端子をポンプ電流検出用抵抗３２を介してポンプセル部２７の排気通路側の電極２７Ａに接続し、ガス拡散室２３側の電極２７Ｂを接地してある。
【００３６】空燃比がリーンのときは、ネルンストセル部２６の電極２６Ａ，２６Ｂ間に発生する電圧が基準電圧Ｖｓより低くなるので、差動増幅回路３１の出力レベルが正レベルになり、この正レベル電圧がポンプセル部２７とポンプ電流検出用抵抗３２との直列回路に供給される。このとき、ポンプセル部２７には、電極２７Ａから電極２７Ｂに向かってポンプ電流Ｉｐが流れるため、ガス拡散室２３内の酸素が電極２７Ｂでイオン化してポンプセル部２７内を移動し、電極２７Ａから酸素ガスとして放出される結果、ガス拡散室２３内の酸素が汲み出される。ガス拡散室２３内の酸素の汲み出しにより、ガス拡散室２３の中の排気ガスと大気室２２の中の大気と間に酸素濃度差が生じ、この酸素濃度差に応じた電圧がネルンストセル部２６の電極２６Ａ，２６Ｂ間に発生し、この電圧が差動増幅回路３１の−側入力端子に供給される。差動増幅回路３１の出力電圧は、その電圧と基準電圧Ｖｓとの差電圧に比例した電圧となるので、ポンプ電流Ｉｐは排気ガスの酸素濃度に比例し、ポンプ電流検出抵抗３２の両端電圧として出力される。
【００３７】空燃比がリッチのときには、ネルンストセル部２６の電極２６Ａ，２６Ｂ間に発生する電圧が基準電圧Ｖｓを超えるので、差動増幅回路３１の出力レベルが正レベルから負レベルに反転し、このレベルの反転によりポンプセル部２７の電極２７Ａ，２７Ｂ間に流れるポンプ電流Ｉｐが減少し、電流の方向が反転する。すなわち、ポンプ電流Ｉｐが電極２７Ｂから２７Ａの方向に流れ、外部の酸素が電極２７Ａでイオン化してポンプセル部２７内を移動し、電極２７Ｂから酸素ガスとしてガス拡散室２３内に放出されるので、酸素がガス拡散室２３内に汲み込まれる。
【００３８】従って、ガス拡散室２３内の酸素濃度が一定となるようにポンプ電流Ｉｐを供給することにより、酸素を汲み込んだり、汲み出したりするので、図４に示したように、ポンプ電流Ｉｐは、リーン領域及びリッチ領域において排気ガス中の酸素濃度にそれぞれ比例して流れる。
【００３９】よって、ポンプ電流Ｉｐを電流検出用抵抗３２と検出アンプ３３とで電圧変換して、マイコン３４に入力させることで、ポンプ電流Ｉｐから、空燃比λを検出することができる。
【００４０】尚、ヒータ２１には、バッテリ電圧ＶＢを印加するが、通電回路中にスイッチング素子３５を設けてある。従って、このスイッチング素子３５のＯＮ・ＯＦＦをマイコン３４によりデューティ制御することにより、ヒータ２１への通電量を制御することができる。
【００４１】上記のような構造と特性とを有するセンサ素子に対し、本発明では、センサ素子の温度と相関のある内部抵抗を計測すべく、センサ素子（特にネルンストセル部２６）に高周波の交流電圧を印加して、そのインピーダンスを計測する。
【００４２】このため、図５の回路図に示すように、ネルンストセル部２６の接地側（電極２６Ｂ側）に交流電源３６を設けて、マイコン３４の制御の下に、交流電源３６より、高周波の交流電圧（周波数ｆ＝３KHz 、振幅1.75Ｖ）を印加し、これによりネルンストセル部２６に流れる電流を電流検出用抵抗３７と検出アンプ３８とにより電圧変換する。
【００４３】検出アンプ３８からの信号は、例えばハイパスフィルタと積分器とからなるインピーダンス検出回路３９に入力することで、交流成分のみを取出して、その振幅からインピーダンスＲｉを検出する。これにより、センサ素子の温度と相関のあるネルンストセル部２６のインピーダンスＲｉを計測することができる。
【００４４】その一方、ネルンストセル部２６の出力側（電極２６Ｂ側）と差動増幅回路３１との間に、ローパスフィルタ４０を設けて、差動増幅回路３１側に交流成分が入力されないようにし、これにより空燃比検出への影響を除去してある。
【００４５】次にマイコン３４による空燃比センサの故障診断についてフローチャートにより説明する。図６は空燃比センサ故障診断のフローチャートであり、所定時間毎に実行される。
【００４６】ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、交流電源３６をＯＮにして、ネルンストセル部２６に高周波の交流電圧（周波数ｆ＝３KHz 、振幅1.75Ｖ）を印加した状態で、交流電圧の印加によりネルンストセル部２６に流れる電流（振幅）に基づき、インピーダンス検出回路３９等を介して、ネルンストセル部２６のインピーダンスＲｉを計測する。このインピーダンスＲｉは空燃比センサの素子温度と相関があり、低温時ほど大きく、高温になるほど小さくなる。従って、この部分が素子温度計測のための内部抵抗（インピーダンス）計測手段に相当する。
【００４７】ステップ２では、検出アンプ３３の出力電圧を読込むことで、空燃比センサの出力であるポンプ電流Ｉｐを計測する。この部分がポンプ電流計測手段に相当する。
【００４８】ステップ３では、第１の故障診断許可条件として、計測されたインピーダンスＲｉが所定値（例えば１５０Ω）以下（素子温度で５５０℃以上に相当）か否かを判定する。尚、下限側を設定し、第１の所定値（例えば１５０Ω）以下で、第２の所定値（例えば３０Ω）以上の所定範囲内か否かを判定するようにしてもよい。
【００４９】ステップ４では、第２の故障診断許可条件として、ポンプ電流Ｉｐが０を含む所定範囲（例えば＋９ｍＡ〜−９ｍＡ）内か否かを判定する。ここで、後述する故障診断において、空燃比センサの出力であるポンプ電流Ｉｐが第１の所定範囲（例えば＋５ｍＡ〜−５ｍＡ）内か否かを判定して、範囲内のときに正常と診断し、範囲外のときに故障と診断するものとすると、故障診断許可条件の判定では、ポンプ電流Ｉｐに関し、前記第１の所定範囲を含みこれより広い第２の所定範囲（例えば＋９ｍＡ〜−９ｍＡ）内か否かを判定して、範囲外のときに診断を不許可とすることで、空燃比雰囲気を特定し、少なくとも燃料カット時を除外するのである。
【００５０】第１又は第２の故障診断許可条件が不成立の場合、すなわち、インピーダンスＲｉが所定値を超えているか、ポンプ電流Ｉｐが所定範囲外の場合は、誤診断防止のため、故障診断を行うことなく、本ルーチンを終了する。
【００５１】第１及び第２の故障診断許可条件が成立している場合、すなわち、インピーダンスＲｉが所定値以下で、かつポンプ電流Ｉｐが所定範囲内の場合は、故障診断を行うべく、ステップ５へ進む。従って、ステップ３，４の部分が故障診断許可手段に相当する。
【００５２】ステップ５では、空燃比センサの出力に基づいて故障診断を行う。具体的には、空燃比センサの出力であるポンプ電流Ｉｐが所定範囲（例えば＋５ｍＡ〜−５ｍＡ）内か否かを判定し、所定範囲内の場合に診断ＯＫとする。
【００５３】ステップ６では、診断ＯＫか否かを判定し、これに従ってステップ７又はステップ８へ進み、ＯＫ判定又はＮＧ判定を行って、本ルーチンを終了する。従って、ステップ５〜８の部分が故障診断手段に相当する。
【００５４】以上のように、センサ素子の内部抵抗（インピーダンス）が所定値以下で、素子温度が所定の活性温度以上であることを前提とし、かつ、ポンプ電流により空燃比雰囲気をある程度特定して、少なくとも燃料カット時を除外してから、故障診断を行うため、故障診断の精度を向上させることができる。
【００５５】また、空燃比センサの故障診断のみならず、燃料系などの故障診断に際しても、前記の故障診断許可条件を用いることで、各種故障診断の精度を向上させることができる。
【００５６】尚、以上では説明を省略したが、空燃比センサの素子温度と相関のある内部抵抗（インピーダンス）の計測結果を用いて、ヒータ２１の制御を行うこともできる。すなわち、計測されたインピーダンス（実Ｒｉ）と目標インピーダンス（目標Ｒｉ）とを比較し、比較結果に応じて、ＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御などにより、実Ｒｉが目標Ｒｉに一致する方向に、ヒータ２１をデューティ制御することにより、素子温度を目標温度にフィードバック制御することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１６７４０６
【氏名又は名称】株式会社ユニシアジェックス
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| 【出願日】 |
平成１２年６月１５日（２０００．６．１５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７８３３０
【弁理士】
【氏名又は名称】笹島 富二雄
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３５５５０６（Ｐ２００１−３５５５０６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１２月２６日（２００１．１２．２６） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１８０４６７（Ｐ２０００−１８０４６７） |
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