JP4699658B2

JP4699658B2 - 空燃比システムの異常検出システム

Info

Publication number: JP4699658B2
Application number: JP2001285517A
Authority: JP
Inventors: 典和家田; 雄二大井
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: JP2003090821A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比検出システムの異常検出システムに関する。更に詳しくは、信号線数を増加させることなく様々な異常検出を行うことができる空燃比検出システムの異常検出システムの保護方法に関する。本発明は、ガソリンエンジン等の内燃機関の空燃比を酸素濃度から検出することができる空燃比センサの制御システムに用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジン等の内燃機関に供給する混合気の空燃比が目標値となるように制御し、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ及びＨＣ等を軽減するために、排気系に酸素センサを設け、空燃比と相関関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御することが知られている。
【０００３】
このようなフィードバック制御に用いられる酸素センサとしては、特定の酸素濃度（特に理論空燃比雰囲気近辺）で出力が急激に変化するλセンサと、リーン領域からリッチ領域まで連続的に出力が変化する全領域空燃比センサとが主に用いられている。全領域空燃比センサは、上述したように排気ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき、フィードバック制御の速度及び精度を向上させ得るため、より高速で高精度な制御が要求される際に用いられている。
【０００４】
上記全領域空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体を用いた２つのセルを対向配設し、一方のセルを間隔内の酸素を汲み出しや、汲み込みを行うポンプセルとして用い、また、他方のセルを酸素基準室と間隔との酸素濃度差によって電圧を生じる酸素濃度検出セルとして用い、酸素濃度検出セルの出力が一定になるようにポンプセルを動作させ、その時に該ポンプセルに流す電流を、測定酸素濃度比例値として測定する。この全領域空燃比センサの動作原理は、本出願人の出願に係る特開昭６２−１４８８４９号公報中に詳述されている。
一方、このような空燃比センサが正常に作動しているか否かを検出する空燃比センサの異常検出方法としては、本出願人の出願に係る特開平３−２７２４５２号公報の「空燃比センサの異常診断方法」等、様々なものが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、異常検出の結果は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）等が入力信号線から読み取るが、この信号線数は他の用途にも使われるため、できるだけ使わないようにすることが望まれている。
本発明は、このような問題点を解決するものであり、空燃比センサの異常検出をより少ない信号線数でおこなうことが可能な空燃比検出システムの異常検出システム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】
本発明の空燃比検出システムの異常検出システムは、センサと、該センサに複数のリード線で接続されており、該センサを制御する制御回路と、該制御回路からの信号が入力されるエンジン制御装置とからなる空燃比検出システムの異常検出システムにおいて、該制御回路は、該センサ又は該リード線の異常を検出する異常検出手段を有し、該異常検出手段は、上記制御回路から上記エンジン制御装置に出力される上記信号に異常信号を重畳し、上記信号の電圧の値を正常時の範囲外の電圧の値にする上記異常信号の重畳により該エンジン制御装置に該異常を通知することを特徴とする。
【０００７】
また、上記センサは、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルの組み合わせにより構成され、上記制御回路は該酸素濃度検出セルの出力電圧が所定値になるように該酸素ポンプセルを制御する空燃比センサであって、上記制御回路は、上記酸素濃度検出セルの内部抵抗を電圧に変換した内部抵抗信号を上記エンジン制御装置に出力しており、上記異常検出手段は、該内部抵抗信号に上記異常信号を重畳して該内部抵抗信号の電圧の値を正常時の範囲外の電圧の値とする上記異常信号の重畳により該エンジン制御装置に異常を通知することができる。
【０００８】
〔作用〕
本空燃比検出システムの異常検出システムは、信号線に正常な信号が出力されている時は一定範囲の電圧であることを利用し、異常発生時に該範囲外の電圧を使用することで異常状態の通知を行うことを特徴としている。これによって異常状態を通知するために新たな信号線を用意する必要がなくなり、空燃比検出システム及びＥＣＵ間の配線数を減らして煩雑さを減らし、信頼性を上げるとともに、該当する信号線の信号の妥当性の確認を行う際に、同時にその他の異常状態を判別することができるため、ＥＣＵの処理も軽減することができ好ましい。
【０００９】
また、本空燃比検出システムの異常検出システムは、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルを組み合わせた空燃比センサにおいて、上記酸素濃度検出セルの内部抵抗を表わす内部抵抗信号に、異常信号を重畳することで、僅かな回路変更で信号線を増やすことなく様々な異常検出を行うことができる。また、制御回路としてソフトウエア的にプログラミング可能なデジタル回路及び素子を用いた場合には、回路の変更をすることもなく、同様な効果を奏する事ができるので、更に好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本空燃比検出システムの異常検出システムは、空燃比検出システムとＥＣＵ間との信号線を増やすことなく異常状態を検出するため、既存の信号線に異常情報の重畳を行っている。また、この重畳の方法として、該当する信号線の正常時の電圧範囲を一意に求めることができ、通常、ＥＣＵの入力側の電圧範囲が前者より広い範囲であることを利用し、異常信号の電圧を正常時の範囲外の電圧にすることで行う。
これによって、余分な信号線を増やすことによる配線の引き回しの煩雑さが増加することが無く、配線の断線による信頼性の低下を招くことがない。更に、既存の信号と異常信号との双方の出力範囲が重複しないため、通常の利用に問題が起きることはない。
【００１１】
【実施例】
以下、図１〜２を用いて本発明の空燃比検出システムの異常検出システムの実施形態について詳しく説明する。
１．空燃比センサの構成
空燃比検出システムの異常検出システムに用いるセンサ素子１０を図１に示す。このセンサ素子１０はガソリンエンジンの排気ガス系に配設され、２つのセルを接合して構成されており、３本の配線４１、４２、４３を介してセンサ制御回路５０に接続されている。このため、このセンサ制御回路５０では、通常、排気ガス中の酸素濃度測定とセンサ素子１０の温度測定とを主に行うが、その他にセンサ素子１０の２つのセルに接続された３本の配線４１、４２、４３の異常検出を行う機能も備えている。
【００１２】
また、このセンサ素子１０には、ヒータ制御回路６０にて制御されるヒータ７０が、セラミック系接合剤を介して取り付けられている。ヒータ７０は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックからなり、その内部にはヒータ配線７２が配設されている。ヒータ制御回路６０は、センサ制御回路５０により測定されるセンサ素子１０の温度を目標値に保つように、ヒータ７０へ電力を供給し、センサ素子１０の温度を目標値に維持するように機能する。
【００１３】
センサ素子１０は、ポンプセル１４、多孔質拡散層１８、酸素濃度検出セル２４および補強板３０を積層することにより構成されている。
ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性固体電解質である安定化または部分安定化ジルコニアにより板状に形成され、その両面に主として白金で形成された多孔質電極１２、１６を有している。測定ガスに晒される表面側の多孔質電極１２は、ＩＰ電流を流すためにＩＰ＋電圧が印加されるのでＩｐ＋電極として参照する。また裏面側の多孔質電極１６は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ−電圧が印加されるのでＩｐ−電極として参照する。
なお、Ｉｐ＋電極には配線４３、Ｉｐ−電極には配線４２がそれぞれ接続されている。
【００１４】
酸素濃度検出セル２４も同様に安定化または部分安定化ジルコニアにより形成され、その両面に主として白金で形成された多孔質電極２２、２８を有している。ポンプセル１４と酸素濃度検出セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された間隙２０が形成されている。
【００１５】
即ち、この間隙２０は、多孔質拡散層１８を介して測定ガス雰囲気と連通されている。間隙２０側に配設された多孔質電極２２は、酸素濃度検出セル２４の起電力のマイナス電圧が生じるためＶｓ−電極として参照し、また基準酸素室２６側に配設された多孔質電極２８は、酸素濃度検出セル２４の起電力のプラス電圧が生じるためＶｓ＋電極として参照する。基準酸素室２６の基準酸素は多孔質電極２２から一定量の酸素を多孔質電極２８にポンピングすることにより生成する。
なお、Ｖｓ＋電極には配線４１、Ｖｓ−電極には配線４２がそれぞれ接続されている。
【００１６】
ここで、測定ガスの酸素濃度と間隙２０の酸素濃度との差に応じた酸素が、間隙２０側に多孔質拡散層１８を介して拡散して行く。間隙２０内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室２６との間の酸素濃度差により、酸素濃度検出セル２４のＶｓ＋電極２８とＶｓ−電極２２との間には、約４５０ｍＶの電位差が生じる。このため、センサ制御回路５０は、ポンプセル１４に流す電流Ｉｐを、上記酸素濃度検出セル２４の起電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるように調整することで、間隙２０内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つためのポンプセル電流量１Ｐに基づき、測定ガス中の酸素濃度を測定する。
【００１７】
このようにセンサ素子１０は、センサ制御回路５０により、通常、酸素濃度検出セル２４の起電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるようにポンプセル１４に流す電流Ｉｐを調整している。そのため、このようなセンサ制御回路５０によるセンサ素子１０のＩｐ電流の電流制御の特徴を利用することによって、以下に説明するようなセンサ素子１０の配線４１、４２、４３の異常検出を行うことができる。
【００１８】
２．センサ制御回路の構成
次に、本発明の一実施態様に係る空燃比センサの異常検出方法を適用したセンサ制御回路５０の構成を図２に基づいて説明する。
図２に示すように、センサ制御回路５０は、主に、Ｉｐドライバ５１、ＰＩＤ制御回路５２、オペアンプ５３、Ｒｐｖｓ測定回路５４、Ｖｐリミッタ５５、自己診断回路５８等から構成されており、例えば本実施形態では特定用途向集積回路（ASIC;Application Specific IC）として実現されている。また、本センサ制御回路５０の出力ＶＩＰ、ＶＶＳ、ＶＲＰＶＳは、ＥＣＵのアナログ入力端子に接続される。このうち、ＶＩＰ端子はポンプセル１４の電極Ｉｐ＋、Ｉｐ−間に流れる電流の大きさに比例した電圧、ＶＶＳ端子は酸素濃度検出セル２４の電極Ｖｓ＋、Ｖｓ−間の電圧差に比例した電圧を出力する。
【００１９】
Ｉｐドライバ５１は、センサ素子１０にＩｐ電流を流すためのオペアンプで、反転入力端子にはＶｃｅｎｔ端子、非反転入力端子には基準電圧３．６Ｖがそれぞれ接続されており、また出力端子にはＩｐ＋端子が接続されている。そして、このようなＶｃｅｎｔ端子とＩｐ＋端子との間にセンサ素子１０のポンプセル１４が接続されている。これにより、Ｉｐドライバ５１は負帰還回路を構成するため、Ｖｃｅｎｔ端子の電位が基準電圧（３．６Ｖ）を常に維持するように、Ｉｐ電流が制御される。このようにＶｃｅｎｔ端子の電圧を基準電圧の３．６Ｖに保つように制御することにより、ＰＩＤ制御回路と共同して、起電力Ｖｓが制御目標値になる様にポンプ電流が制御される。
【００２０】
ＰＩＤ制御回路５２は、ＡＳＩＣの入出力用信号線であるＰ１端子、Ｐ２端子およびＰ３端子に接続される抵抗やコンデンサとともに、ＰＩＤ演算回路を構成するものである。このＰＩＤ制御回路５２は、Ｖｓ制御目標値の４５０ｍＶに対する酸素濃度検出セル２４の起電圧Ｖｓの偏差量△ＶｓをＰＩＤ演算した電圧をＰｏｕｔ端子に出力するもので、これによりＩｐドライバ５１によるＩｐ電流が制御される。
【００２１】
即ち、酸素濃度検出セル２４の起電圧Ｖｓが４５０ｍＶよりも高い場合には、間隙２０の酸素濃度が酸素基準室２６の酸素濃度よりも低い状態、つまり理論空燃比に対して燃料供給過剰（リッチ）側の状態にあるので、その不足分の酸素をポンプセル１４により汲み込むためのＩｐ電流が流れるように偏差量△ＶｓをＰＩＤ演算した電圧をＰｏｕｔ端子に出力する。一方、酸素濃度検出セル２４の起電圧Ｖｓが４５０ｍＶよりも低い場合には、間隙２０の酸素渡度が酸素基準室２６の酸素濃度よりも高い状態、つまり理論空燃比に対して燃料供給不足（リーン）側の状態にあるので、その過剰分の酸素をポンプセル１４により汲み出すためのＩｐ電流が流れるように偏差量△ＶｓをＰＩＤ演算した電圧をＰｏｕｔ端子に出力する。
【００２２】
なお、配線４２が接続されるＣＯＭ端子に、−１５μＡの定電流源が接続されているが、これはＩｃｐ電流によるＰＩＤ演算の誤差を防止するためである。
即ち、ＶＳ＋端子には＋１５μＡの定電流源が接続されており、これにより酸素濃度検出セル２４にＩｃｐ電流を供給して酸素基準を作り出している。このため、ＣＯＭ端子に−１５μＡの定電流源を接続し、ＰＩＤ演算回路に流れ込む電流からこの１５μＡ分を差し引くことによって、Ｉｃｐ電流による演算誤差を防止している。
【００２３】
また、ＶＳ＋端子とＰＩＤ制御回路５２との間に接続されるオペアンプ５３は、ボルテージフォロア回路を構成している。これにより、ＶＳ＋端子からはＰＩＤ制御回路５２側が高インピーダンスに見えるため、＋１５μＡの定電流源による供給電流がＰＩＤ制御回路５２に流れ込むことを抑制している。
【００２４】
Ｒｐｖｓ測定回路５４は、センサ素子１０の内部抵抗Ｒｐｖｓからセンサ素子１０の温度を測定するもので、（オペアンプ、抵抗及びコンデンサ等により構成されている。）このＲｐｖｓ測定回路５３では、所定時間毎に酸素濃度検出セル２４に所定の測定電流を流すことにより素子温度と相関関係のある酸素濃度検出セル２４の内部抵抗値に対応する電圧変化を生じさせ、これにより得られた酸素濃度検出セルの両端の電圧の変化量を定数倍に演算増幅して０〜４．５Ｖの範囲で変化するＶＲｐｖｓ電圧とする。また、このＶＲｐｖｓ電圧は、Ｐ／ＳＴＡＲＴ情報とＯＲ回路５９により重畳され、ＶＲＰＶＳ端子から出力される。
【００２５】
なお、Ｒｐｖｓ測定回路５３による測定電流を酸素濃度検出セル２４に流す際には測定電流による電圧変化がＰＩＤ制御回路の出力に変化を生じさせないようにＰＩＤ制御回路５２とオペアンプ５３との間に介在するスイッチＳＷにより両者間の接続を切断している。したがって、このＳＷによって、ＰＩＤ制御回路５２とオペアンプ５３との間が切断されている時間にＲｐｖｓ測定回路５４による測定が行われる。
【００２６】
Ｖｐリミッタ５５は、ポンプセル１４のいわゆるブラックニングを防止するための回路で、ポンプセル１４の両端電圧Ｖｐが一定の範囲を超える場合に作動してＶｓ目標値をシフトさせるものである。なお、「ブラックニング」とは、酸素イオンの喪失によるポンプセルの表面黒化現象のことをいう。
【００２７】
自己診断回路５８は、主に、ウィンドウコンパレータ５８ａ、５８ｂ、コンパレータ５８ｃおよびＯＲ回路５８ｄから構成されており、センサ素子１０の２つのセルに接続された３本の配線４１、４２、４３の異常検出等を行う。
【００２８】
即ち、ＡＳＩＣのＶＳ＋端子の電位が所定の範囲内にあるか否かをウィンドウコンパレータ５８ａにより判断し、ＡＳＩＣのＣＯＭ端子の電位が所定の範囲内にあるか否かをウィンドウコンパレータ５８ｂにより判断する。またＡＳＩＣのＶＳ＋端子、ＩＰ＋端子、Ｖｃｅｎｔ端子、ＣＯＭ端子及びＰｏｕｔ端子のうちのいずれか一つの端子の電位が所定値（所定電圧）を超えたか否かをコンパレータ５８ｃにより判断する。そして、これら３つのコンパレータによる判断結果の論理和をＯＲ回路５８ｄにより測定可能である状態を表わすＰ／ＳＴＡＲＴ情報として出力する。このＰ／ＳＴＡＲＴ情報は、異常が発生した場合を４．７Ｖ以上の電圧で表わし、ＶＲｐｖｓ電圧とＯＲ回路５９により重畳され、ＶＲＰＶＳ端子から出力される。
【００２９】
例えばＶＳ＋端子では、その電位は、通常、ＣＯＭ端子の基準電圧３．６Ｖに酸素濃度検出セル２４の起電圧Ｖｓ（４５０ｍＶ）を加えた値である４．０５Ｖに保たれている。そのため、ウィンドウコンパレータ５８ａの上限値を６．３５Ｖ、下限値を２．５Ｖに設定することにより、ＶＳ＋端子の電位が上限値の６．３５Ｖを超えて上昇したとき、あるいはＶＳ＋端子の電位が下限値の２．５Ｖを超えて下降したときには異常が発生したものとして信号を発する。
【００３０】
また、ＣＯＭ端子では、その電位は、Ｉｐドライバ５１により常に基準電圧３．６Ｖになるように制御されている。そのため、ウィンドウコンパレータ５８ｂの上限値を５．５Ｖ、下限値を２．５Ｖに設定することにより、ＣＯＭ端子の電位が上限値の５．５Ｖを超えて上昇したとき、あるいはＣＯＭ端子の電位が下限値の２．５Ｖを超えて下降したときには異常が発生したものとして信号を発する。
これらの異常は、いずれかの端子が断線した、バッテリの電源ラインと短絡したものと判断する。
【００３１】
更に、コンパレータ５８ｃでは、ＡＳＩＣのＶＳ＋端子、ＩＰ＋端子、Ｖｃｅｎｔ端子、ＣＯＭ端子及びＰｏｕｔ端子の各電位が、ＡＳＩＣ内の回路の駆動電圧である８Ｖを超えているか否かを判断している。これらの各端子は、駆動電源の電圧変動等を見込んだ値の８Ｖを上限値に設定したコンパレータ５８ｃによって監視されており、いずれかの端子の電位が８Ｖを超えて上昇したときには、その端子がバッテリの電源ラインＢＡＴＴに短絡し、異常が発生したものと判断して信号を発する。
【００３２】
３．空燃比検出システムの異常検出システムの効果
以上に示したように、本実施例は、ＶＲＰＶＳ出力に異常を表わすＰ／ＳＴＡＲＴ情報を重畳している。このため、Ｐ／ＳＴＡＲＴ情報を表わす信号線を用意する必要が無い。また、余分な信号線を増やすことによる配線の引き回しの煩雑さが増加することが無く、配線の断線による信頼性の低下を招くことがない。更に、ＶＲＰＶＳ出力の範囲は０〜４．５Ｖ、Ｐ／ＳＴＡＲＴによる異常状態の通知は４．７Ｖ以上と、双方の出力範囲が重複しないため、通常のＶＲＰＶＳ情報の利用に問題が起きることはない。
また、ＶＲＰＶＳ出力の正当性（０〜４．５Ｖに収まっているか）を確認すると同時に、Ｐ／ＳＴＡＲＴ情報（４．７Ｖかどうか）を確認することができるため、判定に必要な数を減らすことができ、ＥＣＵの処理負担を軽減することができる。また、重畳に必要な回路もＯＲ回路５９を追加するのみでよく、容易に実現することができる。
【００３３】
尚、本発明においては、上記実施例に限らず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、本実施例ではＰ／ＳＴＡＲＴ情報をＶＲＰＶＳ出力に重畳したがこれに限られず、ＶＶＳ出力やＶＩＰ出力等、任意の信号線に重畳することができる。また、本実施例の異常時の電圧は、正常時の範囲を超える電圧としたが、正常時の範囲未満の電圧とすることもできる。これらの対応としても実施例と同様の効果が得られるためである。
【００３４】
更に、異常検出の対象は各端子が所定の範囲を越えた場合とすることに限られず、線間ショート等、それぞれの端子が同電位になった場合等の条件で異常を検出することができる。
また、空燃比検出システムのセンサとして、酸素イオン伝導性固体電解質のセルを２枚使用する全領域空燃比センサを用いているが、１つのセルから構成される酸素センサを備えるシステムに対して使用することもできる。
【００３５】
【発明の効果】
本請求項１の空燃比検出システムの異常検出システムによれば、異常状態を通知するために新たな信号線を用意する必要がなく、空燃比検出システム及びＥＣＵ間の配線数を減らして煩雑さを減らし、信頼性を上げるとともに、該当する信号線の信号の妥当性の確認を行う際に、同時にその他の異常状態を判別することができるため、ＥＣＵの処理も軽減することができる。
また、僅かな回路変更で信号線を増やすことなく様々な異常検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本空燃比センサの異常検出方法を適用する空燃比センサの構造と、その制御回路等の接続構成を説明するための模式図である。
【図２】本空燃比センサの異常検出方法を適用した空燃比センサ、及びその制御回路等を示す説明回路図である。
【符号の説明】
１０；センサ素子、１２、１６、２２、２８；多孔質電極、１４；ポンプセル、１８；多孔質拡散層、２０；間隙、２４；酸素濃度検出セル、２６；酸素基準室、４１、４２、４３；配線、５０；センサ制御回路、５８；自己診断回路、５８ａ、５８ｂ；ウィンドウコンパレータ、５８ｃ；コンバレータ、７０；ヒータ。

Claims

センサと、該センサに複数のリード線で接続されており、該センサを制御する制御回路と、該制御回路からの信号が入力されるエンジン制御装置とからなる空燃比検出システムの異常検出システムにおいて、
該制御回路は、該センサ又は該リード線の異常を検出する異常検出手段を有し、該異常検出手段は、上記制御回路から上記エンジン制御装置に出力される上記信号に異常信号を重畳し、上記信号の電圧の値を正常時の範囲外の電圧の値にする上記異常信号の重畳により該エンジン制御装置に該異常を通知することを特徴とする空燃比検出システムの異常検出システム。
上記センサは、酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルの組み合わせにより構成され、上記制御回路は該酸素濃度検出セルの出力電圧が所定値になるように該酸素ポンプセルを制御する空燃比センサであって、
上記制御回路は、上記酸素濃度検出セルの内部抵抗を電圧に変換した内部抵抗信号を上記エンジン制御装置に出力しており、上記異常検出手段は、該内部抵抗信号に上記異常信号を重畳して該内部抵抗信号の電圧の値を正常時の範囲外の電圧の値とする上記異常信号の重畳により該エンジン制御装置に異常を通知する請求項１記載の空燃比検出システムの異常検出システム。