JPH0660744U - 内燃機関用空燃比センサのヒータ診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】空燃比センサのヒータの異常診断を容易にし、
ヒータの通電不足を警告する。 【構成】ヒータの印加電圧Ｖ_O2H 及びヒータ電流Ｉ_O2H
を検出して、ヒータ抵抗Ｒ_O2H を関係式Ｒ_O2H ＝Ｖ_O2H
／Ｉ_O2H より算出する（Ｓ３）。そして、該ヒータ抵抗
値Ｒ_O2H によりヒータ異常の判定を行なう（Ｓ４）。即
ち、ヒータ抵抗値Ｒ_O2H は通常８．５〜９Ωであるが、
これを超えて、例えば、１３Ω程度に達していればヒー
タ劣化と判定し、ＮＧの警告を発する（Ｓ５）。また、
ヒータ抵抗値Ｒ_O2H が８．５Ω以下の場合には、ヒータ
系にショート又はリークが発生していると判定し、同じ
くＮＧの警告を発する（Ｓ５）。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、内燃機関の空燃比センサヒータの診断装置に関し、特に、機関の排 気通路に配設された空燃比センサの検出部に備えられたヒータの劣化等の異常を 診断する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】

近年、燃費の向上を目的として、理論空燃比（14.7）よりも極めて高いリーン 空燃比（例えば20〜25）で燃焼を行わせるようにしたリーン燃焼機関が提案され ている。 かかるリーン燃焼機関では、例えば低回転・低負荷時で運転しているときに前 記リーン空燃比で燃焼させることで燃費の向上を図り、加速時や高負荷時にはト ルク性能を重視して理論空燃比よりもややリッチ側の空燃比（例えば13程度）と して、燃費の向上と出力トルクの確保とを両立させている（特開平１−１８７３ ３８号公報等参照）。

【０００３】 かかるリーン燃焼機関において前記のように空燃比をリーンからリッチまで広 範囲に制御するため、排気中の酸素等所定成分の濃度に感応して空燃比を検出す る空燃比センサは、広範囲に空燃比を測定できるものが使用される。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、かかるリーン空燃比制御に使用される空燃比センサは、温度によっ て特性が変化するため (酸素分子の拡散係数が温度に依存すること等による) 、 センサ素子部にヒーターを内蔵し、通常該ヒータへの通電量を１０±０．２Ｖに して素子温度を一定温度（例えば８００°Ｃ）に保持して検出精度を確保するよ うなヒータ電圧制御を行っている。

【０００５】 しかし、かかる空燃比センサのヒータにあっては、例えば該ヒータが劣化する とヒータ抵抗値が増大するため、ヒータへの通電量（１０±０．２Ｖ）に対して 発熱量が不足して通常温度（８００°Ｃ）よりも低い温度となってしまい、安定 したヒータ電圧制御ができなくなるといった問題点があった。 そこで、本考案はかかる従来の問題点に鑑みなされたものであり、空燃比セン サのヒータの劣化等の異常診断を容易にし、ヒータの通電不足を警告できるよう にした内燃機関用空燃比センサのヒータ診断装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

このため、本考案は、図１に示すように、内蔵されたヒーターの通電を制御す ることによって素子温度を一定に保持しつつ排気中の所定成分の濃度に感応して 機関に供給される空燃比を検出する内燃機関用空燃比センサのヒータ診断装置で あって、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、機関の所定運転状態に おいて前記ヒータの抵抗値をヒータへの出力電圧と出力電流とから算出するヒー タ抵抗値算出手段と、該ヒータ抵抗値に基づいてヒータ異常を判定する異常判定 手段と、を含んで構成される。

【０００７】

【作用】

かかる構成によれば、運転状態検出手段により検出された機関の所定運転状態 、つまり、排気温度を略一定とした上で、ヒータ抵抗値算出手段が空燃比センサ のセンサ素子部を加熱するヒータの抵抗値をヒータへの出力電圧値及び出力電流 値に基づき算出する。

【０００８】 そして、異常判定手段が該ヒータの抵抗値に基づき空燃比センサのセンサ素子 部に内蔵されたヒータの異常を判定する。即ち、例えば、ヒータ抵抗値が所定値 よりも大きければ、ヒータが劣化していると判定し、所定値よりも小さければ、 ヒータ系にショートやリークが発生していると判定する。 これにより、ヒータの劣化等の異常診断を容易に行なうことができると共に、 該診断に基づきヒータを交換したり、ヒータ抵抗値増大に伴う通電不足分を補う ことによりヒータの通電不足を解消することができる。

【０００９】

【実施例】

以下に、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。 一実施例の構成を示す図２において、機関１には、スロットル弁２，吸気マニ ホールド３及び吸気弁４を介して空気が吸入される。 吸気マニホールド３の各ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁５が設けられ ている。この燃料噴射弁５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からの駆 動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圧力に調整された燃料を、機関１に噴射供給す る。

【００１０】 機関１の各燃焼室には、点火栓６が設けられており、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、排気弁７、排気マニホールド ８、排気ダクト９、排気浄化触媒としての三元触媒10を介して排気が大気中に排 出される。ここで、三元触媒10は排気中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯ_X の還元を行 って排気を浄化しているものである。

【００１１】 コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，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、各種セン サからの入力信号を受け、該入力信号に基づいて燃料噴射量を演算処理して、燃 料噴射弁５の作動を制御する。 前記各種のセンサとしては、図示しない吸気ダクト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。

【００１２】 また、クランク角センサ14が設けられていて、基準角度位置毎（本実施例では ＴＤＣ毎）の基準角度信号ＲＥＦと、１°又は２°毎の単位角度信号ＰＯＳとを 出力する。ここで、前記基準角度信号ＲＥＦの周期（ＴＤＣ周期）、或いは、所 定時間内における前記単位角度信号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。

【００１３】 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介して機関吸入 混合気の空燃比を広範囲に検出できるヒーター内蔵型の空燃比センサ20が設けら れている。そして、該空燃比センサ20に内蔵されたヒーターの印加電圧がコント ロールユニット12によって制御される。 この空燃比センサ20は、排気中の酸素濃度に感応して出力値が変化するセンサ であり、例えば、大気に対する排気中の酸素濃度比に応じた起電力を発生する構 成となっている。そして、かかる空燃比センサ20の出力値に基づいて燃焼用混合 気の空燃比を理論空燃比（14.7）よりも極めて高いリーン空燃比（例えば20〜25 ）で燃焼を行わせるようにフィードバック制御するようになっている。

【００１４】 即ち、コントロールユニット12には、機関負荷と機関回転速度とに対応して目 標空燃比を記憶した空燃比マップが設定されており、該空燃比マップにおいて、 低負荷・低回転領域には、理論空燃比よりも極めて高いリーン空燃比（例えば20 〜25程度）が目標として設定され、高負荷・高回転時にはトルク性能を重視して 理論空燃比よりもややリッチ側の空燃比（例えば１３程度）が設定されており、 機関運転条件に応じてリーン空燃比とリッチ空燃比との何れかを目標空燃比とし て設定するようになっている。また、中負荷・中回転域では、理論空燃比近傍で 制御するようにしてもよい。

【００１５】 そして、吸入空気流量Ｑと機関回転速度Ｎｅとに基づいて求められる１吸気行 程当りの吸入空気量と前記目標空燃比とに基づいて基本燃料噴射量Ｔｐを演算し 、これに種々の補正を施して最終的な燃料噴射量Ｔｉを演算する。 次いで、前記燃料噴射量Ｔｉに相当するパルス幅の駆動パルス信号を所定タイ ミングで燃料噴射弁５に出力して、燃料噴射弁５から燃料噴射量Ｔｉに相当する 量の燃料を噴射供給させることで、前記目標空燃比の混合気を形成させる。

【００１６】 次に、かかるリーン空燃比制御に使用される空燃比センサ20のセンサ素子部の 構造を図３に基づいて具体的に説明する。 図において、例えば白金で構成されたヒーター21を装着したアルミナ等からな る基板22上に、先端が閉塞する平面略コ字型の例えばアルミナからなる平板23を 設けて大気が導入される大気室24を形成し、前記平板23上に酸素濃度検出部25を 設けてある。この酸素濃度検出部25は、酸素イオン伝導性物質であるジルコニア シート26の大気室24側に白金からなる検出電極27を設け，反大気室24側に同じく 白金からなる検出電極28を設けて構成される。

【００１７】 更に、この酸素濃度検出部25の上方に機関排気が導入される測定室29を介して 酸素ポンプ部30が設けられる。この酸素ポンプ部30は、酸素イオン伝導性固体電 解質であるジルコニアシート31の両面に白金からなるポンプ電極32，33を設ける と共に、前記測定室29に機関排気を導入する排気導入孔34を設けて構成される。 そして、大気室24内の大気 (酸素濃度略一定) と測定室29内の排気の酸素濃度 の比によって検出電極27，28間に電位差を生じ、この電位差に基づいて測定室29 の雰囲気を検出する。

【００１８】 また、酸素ポンプ部30は、ポンプ電極32，33の極性を逆にすることにより、ジ ルコニアシート31を介して酸素を測定室29から汲み出したり、外側から測定室29 内に汲み入れたりする。 したがって、測定室29内の雰囲気を一定 (理論空燃比相当の酸素濃度) にする ために酸素ポンプ部30のポンプ作用で調整し、そのときにポンプ電極32，33間に 流す電流値を測定することにより、排気中の酸素濃度を検出する。

【００１９】 例えば、排気中の酸素濃度の高いリーン領域での空燃比を検出する場合には、 外側のポンプ電極33を陽極、測定室29側のポンプ電極32を陰極として電圧を印加 する。すると、電流に比例した酸素が測定室29から外側に汲み出される。そして 、印加電圧が所定値以上になると、流れる電流は限界値に達し、この限界電流値 を測定することにより排気中の酸素濃度、言い換えれば空燃比を検出できる。逆 にポンプ電極33を陰極，ポンプ電極32を陽極にして、測定室29内に酸素を汲み入 れるようにすれば、排気中の酸素濃度の低い空燃比リッチ領域での検出ができる 。

【００２０】 このようにして、上記空燃比センサは、広範囲な酸素濃度領域つまり広範囲な 空燃比領域で測定することができる。 また、図示しないリード線を介して前記コントロールユニット12からの信号に よりヒータ21へ通電（印加電圧１０±０．２Ｖ程度）制御するようになっており 、また、ヒータ21への印加電圧値Ｖ_O2H と電流計18（電流検出用抵抗の端子電圧 として求められる。）により検出されたヒータ出力電流値Ｉ_O2H とがコントロー ルユニット12に入力され、該入力値に基づきＲ_O2H ＝Ｖ_O2H ／Ｉ_O2H としてヒー タの抵抗値Ｒ_O2H が算出される。

【００２１】 また、本実施例の機関１には、吸気マニホールド３の各吸気ポート部分に、ス ワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶと略す。）15がそれぞれ介装されてい る。このＳＣＶ15は、切欠きを有したバタフライ式の絞り弁であって、このＳＣ Ｖ15を閉じて流量を調整させるようにすると、流速の速い流れがシリンダ内にス ワール（横渦）を発生させ、以て、希薄燃焼時の着火安定性を向上させることが できる。

【００２２】 前記ＳＣＶ15を開閉駆動するアクチュエータとして、ダイヤフラム16が設けら れており、該ダイヤフラム16の圧力室に対する機関負圧の導入を、電磁式の３方 向切り換え弁17によって制御することによってＳＣＶ15を開閉駆動でき、また、 前記３方向切り換え弁17をデューティ制御することで、ＳＣＶ15を中間開度にも 制御できるようになっている。

【００２３】 前記３方向切り換え弁17は、コントロールユニット12によって制御されるよう になっており、コントロールユニット12は、ＳＣＶ15の開度を決定し、該開度に 応じた制御信号を３方向切り換え弁17に出力することにより、ＳＣＶ15の開度を 制御する。 次に、図４のフローチャートに基づき、本考案に係る空燃比センサのヒータ診 断のルーチンを説明する。

【００２４】 尚、本実施例において、ヒータ抵抗値算出手段、異常判定手段としての機能は 、以下のルーチンに示すように、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。 先ず、ステップ１（以下「Ｓ１」という。）では、イグニッションキースイッ チをＯＮとして機関を始動させた後、Ｓ２で、機関の運転状態がヒータ診断を行 なうための状態にあるか否かを判定する。即ち、排気温度によりヒータ温度は変 動するために一定排気温度状態にある運転条件でヒータ診断を行なう必要がある ためである。そして、この条件を満たせばＳ３以下でヒータ異常判定を行ない、 条件を満たしていなければ条件が満たされるまでヒータ異常判定は行われない。

【００２５】 Ｓ３では、ヒータ21への印加電圧値Ｖ_O2H と電流計18により検出されたヒータ 出力電流値Ｉ_O2H とがコントロールユニット12に入力され、該入力値に基づきヒ ータの抵抗値Ｒ_O2H を算出する。 Ｓ４では、ヒータ抵抗値Ｒ_O2H によりヒータ異常の判定を行なう。即ち、ヒー タ抵抗値Ｒ_O2H は通常８．５〜９Ωであるが、これを超えて、例えば、１３Ω程 度に達していればヒータ劣化と判定し、Ｓ５でＮＧの警告を発する。また、ヒー タ抵抗値Ｒ_O2H が８．５Ω以下の場合には、ヒータ系にショート又はリークが発 生していると判定し、同じくＳ５でＮＧの警告を発する。そして、ヒータ抵抗値 Ｒ_O2H が未だ通常値にあれば、Ｓ２からのルーチンを繰り返す。

【００２６】 尚、ここで、Ｓ３がヒータ抵抗値算出手段として、Ｓ４が異常判定手段として の機能を奏する。 このように、ヒータ抵抗値Ｒ_O2H によりヒータ異常の判定を容易に行なうこと ができ、ヒータ異常と判定されれば、警告を発すると共に、ヒータを交換したり 、ヒータ抵抗値増大に伴う通電不足分を補うことによりヒータの通電不足を解消 することができる。

【００２７】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案によれば、機関の所定運転状態において、ヒータ 抵抗値算出手段により算出された空燃比センサの検出部を加熱するヒータの抵抗 値に基づいて空燃比センサのヒータに異常があると判定する異常判定手段を備え たので、ヒータの異常診断を容易に行なうことができると共に、該診断に基づき ヒータを交換したり、ヒータの通電不足分を補うことにより通電不足を解消する ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の構成を示すブロック図。

【図２】 本考案の全体構成を示すシステム概略図。

【図３】 空燃比センサの構造を示す断面図。

【図４】 本考案の実施例の動作を示すフローチャー
ト。

【符号の説明】 １ 機関 ２ スロットル弁 ３ 吸気マニホールド ４ 吸気弁 ５ 燃料噴射弁 ６ 点火栓 ７ 排気弁 ８ 排気マニホールド ９ 排気ダクト 10 三元触媒 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 15 スワールコントロールバルブ 16 ダイヤフラム 17 ３方向切り換え弁 18 電流計 20 空燃比センサ 21 ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 深沢 信夫 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内 (72)考案者 鈴木 悟 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内 (72)考案者 山浦 弘光 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】内蔵されたヒーターの通電を制御すること
   によって素子温度を一定に保持しつつ排気中の所定成分
   の濃度に感応して機関に供給される空燃比を検出する内
   燃機関用空燃比センサのヒータ診断装置であって、 機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、 機関の所定運転状態において前記ヒータの抵抗値をヒー
   タへの出力電圧と出力電流とから算出するヒータ抵抗値
   算出手段と、 該ヒータ抵抗値に基づいてヒータ異常を判定する異常判
   定手段と、 を含んで構成されることを特徴とする内燃機関用空燃比
   センサのヒータ診断装置。