JPS60192849A - 限界電流型酸素濃度センサの劣化検出装置 - 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】 ［技術分野］ 本発明は内燃機関の排気系に装着され、排気ガス中の酸
素１１度を検出する限界電流型酸素８１度センサの劣化
を検出する限界電流型酸素瀧廓センサの劣化検出装置に
関する。

［従来技術］ 従来、内燃機関を最適状態で作動させるため、その排気
系に限界電流型酸素濃度センサを装着し、内燃機関の排
気ガス中に含有される残存酸素量を検出して内燃機関の
点火時期、空燃比及び燃料噴射時期等をフィードバック
制御する方法が広く採用されている。これらの方法によ
り内燃機関を最適作動条件下で運転することが可能とな
るのであるが、そのためには常に限界電流型酸素濃度セ
ンサが正常に作動することが絶対条件である。

しかし、限界電流型酸素濃度センサが装着されるのは内
燃機関の排気系であるため、内燃ＩＩ関の作動状態に応
じて限界電流型酸素濃度センサの雰囲気温庇は広範囲に
変化し、また排気ガス中に含まれる未燃焼物や燃料中に
含まれている各種不純物等により、限界電流型酸素ｍ度
センサの熱疲労や検出面の汚染に起因する劣化が生じる
。これらの劣化を防止するため、限界電流型酸素濃度セ
ンサの温度変化を押さえるためにヒータを着設し、内燃
機関運転状態に応じて該ヒータへの通電を制御する装置
（実開昭５８−１１２９５８）が提案されているが、ヒ
ータ部の劣化やヒータ部での消費電力が多大になる等そ
れに付随づ゛る新たな問題点がある。この新たな問題解
決のためとして種々の提案（特開昭５８−８３２４１、
特開昭５８−８３２５１）がなされてはいるが、これら
によっても限界電流型酸素１１度レセンの温度変化が零
になるのではなく、熱疲労は存在し、かつ検出面の汚染
等の劣化原因についての対策は何ら示唆されていない。

限界電流型酸素濃度センサが劣化すると、限界電流型酸
素濃度センサ正常時と比較してその検出出力は低下し、
従って該検出出力に基づいて内燃機関をフィードバック
制御すると必要以上に燃料供給を制限する等の不当な内
燃機関の制御につながり、限界電流型酸素濃度センサを
装着した目的が充分に達成できなくなる可能性がある。

そこで、限界電流型酸素濃度センサの劣化状態を検出す
るために予め酸素濃度の知られている大気を利用し、大
気の酸素濃度測定時の限界電流型酸素８１度センサ出力
を知ることによりその劣化状況を検出することが提案さ
れている。しかしながら、限界電流型酸素濃度センサは
複雑な特性を有するものであり、同一酸素濃度を検出す
るにも、そのセンサ自身のｍｆｆ１によって印加すべき
電圧値を変更せねばならず、更には同一温度状態の検出
にあってもその検出する酸素濃度にほぼ比例して印加電
圧を増加せねばならない。例えば、同一温度下に不当に
高い電圧を印加すると素子の破壊を招くおそれがあり、
また逆に電圧が低すぎると正確な酸素濃度を知ることが
できない特性を有するものである。

このため、内燃機関の排気ガス中の残存酸素を検出する
、即ち低濃度検出時には低電圧で、かつ排気ガスの温度
に適合するべき電圧を印加し、限界電流型酸素濃度セン
サの雰囲気が大気と同一になりその濃度を検出する、即
ち高濃度検出時には高電圧で、かつそのときの限界電流
型酸素濃度センサの温度にも適合する電圧を印加する必
要があり、この電圧制御が簡単に、かつ正確に実行され
る限界電流型酸素濃度センサの劣化検出装置が必要であ
る。

［発明の目的］ 本発明は上記要望に答えるべくなされたもので、限界電
流型酸素濃度センサの劣化状態を簡単に、かつ正確に検
出する限界電流型酸素濃度センサの劣化検出装置を提供
することを目的としている。

［発明の構成］ 上記目的を達成するために本発明の構成は、第１図の基
本的構成図に示すごとく 内燃機関Ａの排気系Ａ１に装着される限界電流型酸素濃
度センサエと、 前記内燃機関Ａの作動条件を検出し、該検出結果に応じ
て前記内燃機関Ａへの燃料供給を停止する燃料″ａＩ！
ｙｉ手段■と、 該燃料遮断手段により燃料供給が停止される時点から前
記限界電流型酸素濃度センサエに所定速さで増加する電
圧を印加する電圧印加手段■と、該電圧印加手段■によ
り電圧が印加される限界電流型酸素濃度センサ■の出力
を検出し、その増加量を算出する増加量検出手段ＩＶと
、該増加量算出手段により算出された増加量が所定値以
下となったときの前記限界電流型酸素濃度センサ出力と
予め設定された基準値とを比較する比較手段Ｖとを備え
ることを特徴とする限界電流型酸素ａａｒ＊センサの劣
化検出装置をその要旨としている。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳述
する。

まず第２図は本発明の実施例である限界電流型酸素１１
１センサの劣化検出装置が装着される内燃機関及びその
周辺装置を表わず説明図である。

１は内燃ｔ！！１ＩｌｌＱ本体、２はピストン、３は点
火プラグ、４は排気マニホールド、５は排気マニホール
ド４に備えられ、排ガス中の残存酸素濃度を検出する限
界電流型酸素濃度センサ、６は内燃機関本体１の吸入空
気中に燃料を噴射する燃料噴射弁、７は吸気マニホール
ド、８は内燃機関本体１に送られる吸入空気の温度を検
出する吸気温センサ、９は内燃機関冷却水の水温を検出
する水温センサ、１０はスロットルバルブ、１１はスロ
ットルバルブ１０に連動し、スロットルバルブ１０の開
度を検出して信号を出力するスロットル開度センサ、１
４は吸入空気量を測定するエア７０−メータ、１５は吸
入空気の脈動を吸収するサージタンクをそれぞれ表わし
ている。

そして１６は点火に必要な高電圧を出力するイグナイタ
、１７は図示していないクランク軸に連動し上記イグナ
イタ１６で発生した高電圧を各気筒の点火プラグ３に分
配供給するディストリビュータ、１８はディストリビュ
ータ１７内に取り付けられ、ディストリビュータ１７の
１回転、即ちクランク軸２回転に２４発のパルス信号を
出力する回転角センサ、１９はディストリビュータ１７
の１回転に１発のパルス信号を出力する気筒判別センサ
、２０は電子制御回路、２１はキースイッチ、２２はス
タータモータをそれぞれ表わしている。２６は車軸に連
動し、車速に応じたパルス信号を発信する車速センサを
表わす。

次に第３図は電子制御回路２０例とその関連部分とのブ
ロック図を表わしている。

３０は各センサより出力されるデータを制御プログラム
に従って入力及び演算すると共に、各秒装置を作動制御
等するための処理を行うセントラルプロセシングユニッ
ト（以下単にＣＰＵと呼ぶ）、３１は制御プログラム及
び初期データが格納されるリードオンリメモリ（以下単
にＲＯＭと呼ぶ）、３２は電子制御回路２０に入力され
るデータや演算制御に必要なデータが一時的に読み書き
されるランダムアクセスメモリ（以下単にＲＡＭと呼ぶ
）、３３はキースイッチ２１がオフされても以後の内燃
機関作動に必要なデータを保持するよう、バッテリによ
ってバックアップされた不揮発性メモリとしてのバック
アップランダムアクセスメモリ（以下単にバックアップ
ＲＡＭと呼ぶ）、３４〜３７は各センサの出力信号のバ
ッフ１．３８は各センサの出力信号をＣＰＵ３０に選択
的に出力−するマルチプレクサ、３９はアナログ信号を
デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、４０はバッファ
を介しであるいはバッファ、マルチプレクサ３８及びＡ
／Ｄｌｌ：換器３９を介して各センサ信号をＣＰＵ３０
に送ると共にＣＰＵ３０からのマルチプレクサ３８、Ａ
／Ｄ変換器３９のコントロール信号を出力する人出ノコ
ポートを表わしている。

モして４１は限界電流型酸素濃度センサ５の出力信号を
一時記憶するバッファ、４１Ａはバッファ４１からのア
ナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、
４２は限界電流型酸素Ｓ＊センサ５の駆動電圧を発生し
、印加する電圧印加回路、４３は回転角センサ１８及び
気筒判別センサ１９の出力信号の波形を整形する整形回
路を表わし、スロットル開度センサ１１等の各センサ信
号は直接に、あるいはバッファ４１等を介して入出力ボ
ート４６によりＣＰＬＪ３０に送られる。

更に、４７．４８は出力ポート４９．５０を介してＣＰ
Ｕ３０からの信号によって燃料噴射弁６、イグナイタ１
６を駆動する駆動回路をそれぞれ表わしている。また５
１は信号やデータの通路となるパスライン、５２はＣＰ
Ｕ３０を始めＲＯＭ３１、ＲＡＭ３２等へ所定の間隔で
制御タイミングとなるクロック信号を送るクロック回路
を表わしている。

次に本実施例の要部となる制御プログラムについて説明
する。

第４図は第１実施例のフローチャートである。

図示するような制御手順が電子制御回路２０にて実行さ
れるように予めＲＯＭ３１にプログラムとして格納され
ており、ＣＰＵ３０がクロック５２によって与えられる
タイミングに従って処理を行うのである。本劣化検出ル
ーチンは、例えば所定時間ｆＯの割込みにより、または
内燃機関１の所定回転数毎に実行される。

本ルーチンにＣＰＵ３０の処理が移行するとまずステッ
プ１００が実行される。本ステップでは以後本ルーチン
の実行により使用されるＲＡＭ３２の記憶領域をクリア
し、また演棹上必要とするデータの設定等を行い以下の
処理に備える。

次にステップ１１０が実行され、本ルーチンの処理条件
が成立しているか否か、即ち内燃機関１が燃料遮断制御
中であるか否かが判断される。

燃料遮断制御とは、例えば中速センサ２６の出力により
内燃機関１が減速運転中であり、かつスロットル開度セ
ンサ１１の出力が全閉状態を示すものであれば内燃機関
１がいわゆるエンジンブレーキとして作動しているもの
であるため燃料を更に内燃機関１へ供給する必翌がない
と判断して燃料噴射弁６への駆動信号出力を停止するも
のである。従って、燃料遮断制御が実行中であれば内燃
機関１の燃焼室内では燃料の燃焼は行われず、単にピス
トン２が負荷となり上下動するのである。

本ステップにて燃料遮断制御中であると判断されると次
のステップ１２０が実行され、そうでなければもはや本
ルーチンの処理は行われず、他のルーチンの処理が実行
される。

ステップ１２０は現時点において限界電流型酸素ｍａセ
ンサ５に印加している電圧ＶＭを所定の微少電圧値ΔＶ
だけ増加させ、限界電流型酸素瀧麿センサ５に印加する
。そして、新たに電圧ＶＭを印加されｌｃ限界電流型酸
素瀧度センサ５の出力）ｎが次のステップ１３０を実行
することにより入出力ポート４６を介してＲＡＭ３２へ
取り込まれる。

ステップ１４０では、このＲＡＭ３２内へ取り込まれた
限界電流型酸素濃度センサ５の出力電流値）ｎから前回
にｆｆＪ述同様にしてＲＡＭ３２内へ取り込まれた限界
電流型酸素濃度センサ５の出力電流値Ｉ　ｎ−’１を減
算し、限界電流型酸素濃度センサ５への印加電圧ＶＭが
ステップ１２０により△Ｖだ番プ増加したことにより限
界電流型酸素濃度センサ５の出力がどれだけ増したかを
算出する。本ステップの処理が最初に実行されるときに
は、電流値Ｉ　ｎ−＋の値は内燃機ＰＡ１が燃料遮断制
御される直前に限界電流型酸素濃度センサ５が排気ガス
中残存酸素ｖｌＡ度を検出していた時点の出力電流値が
ＲＡＭ３２内に格納されるように通常の排気ガス中残存
酸素濃痕検出の処理中で実行されるようにしている。

次のステップ１５０は、前述のようにして得られた限界
電流型酸素濃度センサ５の出力電流ｉｎの増加量Δ■が
ＲＯＭ３１内に格納している所定１１Ａと比較して大小
どのような関係にあるかの判定がされる。限界電流型酸
素濃度センサ５の印加電圧■と出力電流Ｉとのグラフ（
限界電流型酸素濃度センサ５の温度は一定〉を第５図に
示Ｊ°。

図において実線のグラフは排気ガス中の酸素濃度が極め
て低い場合、即ち燃料の供給が多い場合を、一点鎖線は
同じく内燃機関１が作動中であるがその排気ガス中の酸
素濃度が極めて＾い場合の限界電流型酸素ｍ度センサ５
の出力を表わしている。

また、２点鎖線は限界電流型酸素濃度センサ５が大気の
酸素１度を検出するときの出力である。このように限界
電流型酸素濃度センサ５の出力電流■は酸素ｍ度に比例
した成型流値で印加電圧Ｖの変化とは関係なくほぼ一定
値となることから、本ステップで用いられる所定ｆｆ１
ｌＡとはほぼｒＯＪに近い値を取る。これによって、現
在限界電流型酸素濃度センサ５から出力されている電流
値（ｎが第５図中のΔ【に示すような増加状態の途中に
あるのか、あるいは、検出中の酸素濃度と比例した一定
出力を与えているのかを正確に判断することができるの
である。また、このような特性を限界電流型酸素１１度
センサ５が有することから、内燃機関１が燃料遮断制御
され、排気マニホールド４中の気体が排気ガスから大気
へ置換される過程においての限界電流型酸素濃度センサ
５の特性曲線は図中の矢印の方向へ徐々に推移していく
ことになる。従って、本ステップでΔｌ＞ＩＡと判定さ
れると再びステップ１１０へ戻り以下同様の処理を実行
し、Δ■≦ＩＡと判定されると次のステップ１６０へ移
行する。ここで、Δｒ＞ｒＡと判断されステップ１１０
へ戻る場合の処理時間と第５図に示す矢印方向へ限界電
流型酸素濃酸センサ５の特性が推移していく時間とを考
慮して、例えば特性推移時間の方が長く、処理時間が速
い場合には、特性推移を処理が追い抜くことのないよう
に必要に応じてステップ１５０からステップ１１０へ戻
る間に遅延ステップ等を設りてもよいし、また他のルー
チンへ移行して所定時間経過後に再度本ルーチンへ戻る
などの技術を用いてもよい。

次のステップ１６０は、ステップ１２０にて限界電流型
酸素濃度センサ５に印加された高電圧■Ｍの印加を終了
させ、再び排気ガス中の酸素１１度を検出するに適した
低い電圧値に再設定を行うステップである。本ステップ
にて限界電流型酸素濃度センサ５の制御を終了し、次の
ステップ１７０へ移る。

ステップ１７０は、前ステップ１６０までの処理で最終
的にＲＡＭ３２内に得られた印加電圧７Ｍ時の限界電流
型酸素濃度センサ５の出力電流値ＩＩ′１と予めＲＯＭ
３１内に格納している基準となる電流値ＩＢとを用いて
限界電流型酸素濃度センサ５の劣化状態を演算するステ
ップである。基準電流値ＩＢは、例えば限界電流型酸素
ａｍセンサ５に劣化が生じる以前に測定した大気の酸素
濃度検出時の出力電流値を表わすものであり、この基準
電流値１Ｂと比較して今回取り込まれた測定電流値Ｉｎ
がどれだけ変化しているかを百分率等で算出して限界電
流型酸素濃度センサ５の劣化を数量化し、その値を変数
にとしてバックアップＲＡＭ３３へ記憶するのである。

この変数にはその後の限界電流型酸素濃度センサの出力
処理に用いられ、実際のセンサ出力に変数Ｋを積算等す
ることで、出力の補正値を簡単にめることができる。

本ステップにて本ルーチンの全ての処理を終え、ＣＰＵ
３０は他のルーチンの処理へ移行する。

次に、上記のごとく限界電流型酸素濃度センサ５の劣化
が検出される過程を限界電流型酸素濃度センサ５に温度
変化がある場合について説明する。

第６図は限界電流型酸素濃度センサ５の印加電圧と出力
電流との関係を同一酸素濃度の下で、温度の相違する場
合を表わした図である。

このように限界電流型酸素濃度センサ５は同−酸素濃度
下では印加電圧の変化に対して出力電流値がほとんど変
化しない特性を示す出力電流値は一定である。従って温
度変化に対しても安定して酸素ｌＩ麿の検出を行うこと
ができるものの、その検出のために印加する電圧Ｖは温
度にほぼ比例して小さな値としなければならない。限界
電流型酸素満痕センサ５が装着される場所は第２図に示
すように内燃機関１の排気マニホールド４内であり、従
ってその雰囲気温度は気温から排気ガス温の８００℃ま
での広範囲に渡って変化する。

しかし、このような濃度変化に対しても、本ルーチンの
ステップ１２０で用いる印加電圧ＶＭの微少増加量ΔＶ
湿温度反比例させて設定することにより印加電圧ＶＭを
徐々に上昇させ、出力電流Ｉがほぼ一定値となるまで前
述同様の処理を行うことで簡単に対処できるものである
。

なお、第６図に示した温度特性を考慮して限界電流型酸
素濃度センサにヒータを取り付け、その電力供給を断続
することで限界電流型酸素濃度センサの温度をほぼ一定
値にする技術が提案されているがこのような限界電流型
酸素濃度センサに本発明を適用するには上記のような配
慮は必要でない。

以上、説明した劣化検出ルーチンにおいて、ステップ１
２０が電圧印加手段の処理に、ステップ１３０及び１４
０が増加量線用手段の処理に、ステップ１７０が比較手
段の処理に相当している。

このように、本実施例の限界電流型酸素′ｍ度センサの
劣化検出装置は、燃料遮断手段である内燃機関１への燃
料供給を停止するための燃料噴射弁６の駆動信号の停止
を起点として印加電圧ＶＭのΔＶづつの増加を実行し、
排気マニホールド４が徐々に大気に置換されるのを追従
しつつ、センサ出力を監視しながら、その最適の印加電
圧ＶＭを限界電流型酸素濃度センサ５に印加するもので
ある。従って、限界電流型酸素濃度センサ５の破壊を生
じさせることなく正確に大気の酸素濃度を測定すること
が可能であり、その測定結果Ｉｎを基準となる電流値１
Ｂと大小関係を比較することにより簡単に限界電流型酸
素濃度センサ５の劣化を検出できるのである。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第７図は、第１の実施例と同様の第２図、第３図に示し
た内燃機関及びその周辺装置を用いて限界電流型酸素濃
度センサの劣化を検出する本実施例のフローチャートで
ある。図において、ステップ２００、ステップ２１０及
びステップ２２０〜ステツプ２７０は、第１の実施例の
フローチャート、第４図のステップ１００〜ステツプ１
１０及びステップ１２０〜ステツプ１７０と同一の処理
を行うものである。本実施例は、第１の実施例において
示した印加電圧ＶＭを所定電圧Δ■づつ増加させて限界
電流型酸素濃度センサ５に印加していたものを、印加電
圧ＶＭの増加を内燃機関１の回転数に応じ゛【変化させ
るステップ２１１、及び２１２を付加したものである。

即ち、第１の実施例においては印加電圧ＶＭの増加量Δ
Ｖは予めＲＯＭ３１内に格納されていた定数であり、印
加電圧ＶＭの増加の速さは固定であったが、本実施例で
はステップ２２０では該所定電圧をΔＶ（Ｎ）とし、内
燃１ｊｌｌｌ１１の回転数Ｎの関数として可変なものと
しているのである。従って、ステップ２１０で燃料遮断
制御中であると判断されると、ステップ２１１にて回転
角センサ１８により内燃機関１の回転数Ｎが取り込まれ
、次にステップ２１２によりこの回転数Ｎにより定まる
電圧増加量Δ■（Ｎ＞が、例えばＲＯＭ３１内に予め用
意されたマツプ等からめられ以下のステップ２２０以後
の処理に際して用いられるのである。

このような限界電流型酸素１１度センサの劣化検出装置
は、内燃機関１の回転数Ｎが高く排気マニホールド４内
の気体の入れ替えが早く行われるときにはΔＶ（Ｎ＞を
大きな値とし、回転数Ｎが低く排気マニホールド４内の
気体入れ替えが遅い時にΔＶ　（Ｎ）小さくすることが
できる。従って、燃料遮断制御期間が必要最低成行われ
ると迅速に限界電流型酸素濃度センサ５への印加電圧Ｖ
Ｍが大気の酸素＊瓜を測定するのに適した値となり、早
い時点で劣化検出の目的が達せられる効果がある。

［発明の効１２］ 以上、詳述したごとく、本発明の限界電流型酸素１１ｆ
ｆｌセンサの劣化検出装置は限界電流型酸素濃度センサ
の劣化状態を燃料遮断手段により内燃機関が燃料遮断制
御されている間にセンサ印加電圧を所定速さで増加させ
、そのつどのセンサ出力電流の増加量を判断し、その出
力増加量がほぼｒＯＪとなつたときに得られる出力電流
と基準値とを比較して検出するものである。従って、そ
の印加電圧値によっては正確な濃度測定ができず、更に
は破壊を生じる限界電流型酸素１１度センサに、温度に
よる特性変化の影響も受けずに常に適正な電圧を印加す
ることができ、簡単に劣化状態の検出を行うことができ
るものである。

また限界電流型酸素１１度センサの劣化検出が適宜行わ
れることは、該限界電流型酸素ａｍセンサの出力に基づ
いて実行されている各種のフィードバック処理系に常に
正確な情報を送ることにつながり内燃機関を所望の作動
条件のもとで正確に運転することが可能になる等、省エ
ネルギ、排気ガスの抑制等その副次的効果には大きなも
のがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成図、第２図は実施例が適用
される内燃機関及びその周辺機器の概略図、第３図は電
子制御回路のブロック図、第４図は第１の実施例のフロ
ーチャート、第５図、第６図は限界電流型酸素濃度セン
サの出力特性図、第７図は第２の実施例のフローチャー
トをそれぞれ示す。 １・・・内燃機関 ２・・・ピストン ５・・・限界電流型酸素濃度センサ ６・・・燃料噴射ポンプ １８・・・回転角センサ ２０・・・電子制御回路 代理人　弁理士　定立　勉 他１名 ≧ 七譬豐候ト ヨζ智東Ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の排気系に装着される限界電流型酸素濃度
   センサと、 前記内燃機関の作動条件を検出し、該検出結果に応じて
   前記内燃機関への燃料供給を停止する燃料遮断手段と、 該燃料遮断手段により燃料供給が停止される時点から前
   記限界電流型酸素１１度センサに所定速さで増加１′る
   電圧を印加する電圧印加手段と、該電圧印加手段により
   電圧が印加される限界電流型酸素濃度センサの出力を検
   出し、そのｊ曽加聞を算出する増加量算出手段と、 該増加量算出手段により算出された増加量が所定値以下
   となったときの前記限界電流型酸素濃度センサ出力と予
   め設定された基準伯とを比較する比較手段とを備えるこ
   とを特徴とする限界電流型酸素濃度センサの劣化検出装
   置。 ２、前記電圧印加手段における電圧増加の所定速さが、
   前記内燃機関の回転数に基づいて設定される特許請求の
   範囲第１項記載の限界電流型酸素濃度センサの劣化検出
   装置。