JPH0762661B2

JPH0762661B2 - 排気濃度検出器

Info

Publication number: JPH0762661B2
Application number: JP63121386A
Authority: JP
Inventors: 久五十嵐; 弘志大野; 正彦八鍬
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-05-18
Filing date: 1988-05-18
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPH01291156A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、内燃エンジンの混合気の空燃比を制御するよ
うにした燃料供給制御装置に用いられる排気濃度検出器
の構造に関するものであり、特に該検出器の出力電圧の
変化から当該排気濃度検出器の故障を検出する場合に常
に正確にしてかつ確実に故障検出を行わせ得る排気濃度
検出器に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）一般に、内燃エンジンに供給される混合気の空燃比が所
望の値を中心としたある範囲内となるように制御するた
めに、排気ガスに含まれている特定の成分濃度、例えば
酸素ガス濃度を検出し、該検出した酸素ガス濃度に応じ
て空燃比補正係数値を設定し、この補正係数値を用いて
空燃比を補正している。内燃エンジンの排気ガスから酸
素ガス濃度を検出するための排気濃度検出器である酸素
ガス濃度センサ（O₂センサ）は、例えばジルコニア固体
電解質（ZrO₂）を備えた形式のもので、その起電力が内
燃エンジンの理論空燃比の前後において急激に変化する
特性を有し、O₂センサの出力信号は排気ガスのリッチ側
において高レベルとなり、リーン側において低レベルと
なる。このような酸素ガス濃度を検出するO₂センサの断
線、短絡や劣化が空燃比制御に与える影響は大きい。こ
のため、O₂センサ等の排気濃度センサを含む排気ガス濃
度検出系を常時監視して正常なセンサ信号によって空燃
比制御系を正常に機能させる必要がある。

そのための排気濃度センサの異常検出手段として、従
来、O₂センサの出力の反転時間、即ちリッチ側からリー
ン側へのまたはその逆への反転時間間隔を検出すること
によって故障検出を行う技術（例えば、特公昭56−2910
0号公報）、あるいはO₂センサの通常動作時の出力電圧
（0.1V〜1V程度）よりも大きい電圧とO₂センサ出力電圧
とを比較して異常検知を行う技術（特開昭53−95431号
公報）が知られている。

前者のものは、O₂センサの出力が供給されるコンパレー
タの出力の反転時間を蓄積コンデンサへの蓄積電荷量に
よってみており、上記反転時間が長ければ、即ちなかな
か反転しなければ故障であるとみなすものであるが、か
かる手法にあっては、ベースの空燃比（A/F）がズレて
いるなどしているときに、それによるリッチ状態あるい
はリーン状態を誤ってO₂センサの故障状態と検出してし
まうおそれがある。

即ち、基本燃料量をマップ化して予め記憶させておく場
合においてかかるベースマップ値が少しズレていたよう
なとき、具体的にはエンジンに合わなかった場合とか、
あるいは、エンジン及び電子コントロールユニット内の
上記マップが正しくてもインジェクタの開口面積、もし
くはプレッシャレギュレータの設定圧等にバラツキがあ
るといったような場合においては、通常は反転すべき状
態であっても、既知の如く、O₂センサ出力は理論空燃比
において非常に急峻に変化する（換言すれば、その前後
においてはリッチまたはリーンを表わす所定レベルを示
す）ものであることから、わずかの空燃比（A/F）のズ
レ（変化）でも、例えばリッチ状態を続けたりするとき
がある。

しかして、上記O₂センサの反転時間を検出する手法によ
るときは、かかるリッチ状態が継続したりしている場合
でも、即ちシステム系の異常であっても、O₂センサの異
常であると誤判断してしまう（実際には、O₂センサは正
常であるにもかかわらず異常であると誤診してしまう）
ことになる。従って、ベースの空燃比や上述のバラツキ
に左右され易く、故障検知の正確性、確実性の面で問題
がある。

一方、後者のもの、即ち、排気濃度センサからの出力電
圧が例えば6V以上の高電圧になったとき、該排気濃度セ
ンサが異常であると判定する異常検出では、排気濃度セ
ンサ、即ちO₂センサの断線を検出することはできるが、
O₂センサが短絡したときは出力電圧が０に下がるので、
O₂センサの短絡による異常を検出することはできない。

（発明の目的）本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、断線のみ
ならず短絡故障をも検出可能とし、しかもこれら断線、
短絡を含む排気濃度検出器の故障検出精度の向上を図る
ことができる排気濃度検出器を提供することを目的とす
る。

（課題を解決するための手段）本発明は、上記目的を達成するため、固体電解質に一対
の電極を設け、一方の電極を基準ガスに接触せしめ、他
方の電極を排気ガスに接触せしめると共に、電流供給手
段からの所定電流供給時に前記電極間に発生する電圧に
よって前記排気ガス中の酸素濃度を検出する排気濃度検
出器において、前記電流供給手段と前記電極の一方に所
定の電気抵抗体を直列に設けるようにしたものである。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。

第１図は、本発明に従う排気濃度検出器としてのO₂セン
サの等価回路と、該O₂センサの故障診断のためのチェッ
カーサーキットを含む電子コントロールユニット内部に
おけるO₂センサ入力回路部分の回路構成図を示す。

図中、符号100は、燃料噴射時間、空燃比等を算出する
演算処理及び後述のO₂センサの異常検出処理その他の所
定の処理を実行する電子コントロールユニット（以下
「ECU」という）を示し、該ECU100には、O₂センサ10が
接続されると共に、エンジン回転数センサ、スロットル
弁開度センサ、吸気管内絶対圧センサ、エンジン冷却水
温度センサその他の所要センサ（いずれも図示せず）が
接続される。

ECU100は、O₂センサ10その他の各種センサ等からの入力
信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、
入力信号がアナログ信号の場合には該アナログ信号値を
デジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、
中央演算処理回路（CPU）、CPUで実行されるO₂センサの
故障検出プラグラムを含む各種演算プログラム及び演算
結果等を記憶する記憶手段、並びに内燃エンジンの燃料
噴射弁に駆動信号を供給し、また、O₂センサ故障診断に
使用される後述のチェッカーサーキットスイッチへのオ
ン、オフ用の切換制御信号を送出する出力回路等（いず
れも、O₂センサ10の入力回路の一部を除き図示せず）か
ら構成される。

上述のようなECU100に接続されるO₂センサ10は、その一
端がエンジンの排気管壁を介して接地（アース）され、
他端が信号ラインｌを通してECU100に接続されるが、O₂
センサ10とECU100間での断線、短絡（ショート）を検知
するにあたり、これら断線、短絡を含む故障検出精度の
向上を図るべく、該O₂センサ10内部において所定抵抗値
を有する検出用内部抵抗（固定値）としての電気抵抗体
12が付加、組み込まれた構造となっている。

即ち、O₂センサは、基本的には、酸素濃度検出素子部の
起電力11aと素子内部抵抗11bとで表わされるが、上記O₂
センサ10では、これに加えて上記電気抵抗体12が直列に
挿入接続されている。

第２図は、このような電気抵抗体12を設けたO₂センサ10
の構造の一例を示す。

同図に示す如く、該O₂センサ10は、排気管内にその一部
が挿入される先端部側（図中の下側）に、取付け用の段
部を有するハウジング10aを備えている。ハウジング10a
の先端には、排気ガス流通用の適宜数の通気孔10bを有
する保護カバー10cが設けられており、また、ハウジン
グ10aの他端側（図中の上端側）には、そのハウジング1
0a外周面に筒状のキャップ10dが止着されている。

ハウジング10a及び保護カバー10cの内部には、例えば酸
化ジルコニウムを主成分とする一端が閉止された筒形状
の酸素濃度検出素子としてのジルコニア素子（固体電解
質素子）10eが装着されている。

ジルコニア素子10eの内外面には、電極としての白金が
コーティングされており、その外面側の空間部10fには
排気ガスが導かれ、内面側の空間部10gには基準ガスと
して大気が導かれるようになっている。

また、上記キャップ10dの内側には、内筒10hが設けられ
ると共に、該内筒10h内に中空状の長軸の碍子10iが組み
込まれており、更に該長軸の碍子10iの上部にはワッシ
ャ10jを介して中空状の短軸の碍子10kが設けられてい
る。該短軸の碍子10kの上端面とキャップ10dの頂部内面
との間には、碍子保持用の皿ばね10lが装着されてお
り、更に、キャップ10dの頂部には、該O₂センサ10の出
力を取り出すためのリード線10mの保護用の例えばフッ
素ゴムから成るクロメット10nが固着されている。

O₂センサ10から引き出されるリード線は、図示のリード
線10ml本のみであり、該リード線10m側が前記ジルコニ
ア素子10e内面側の電極と電気的に接続され、一方ジル
コニア素子10eの外面側の電極は、ハウジング10aを介し
更には排気管壁を通してアースされる。リード線10mと
ジルコニア素子10eの内面電極との電気的接続のため、
碍子10i,10kの中空部には、内側中心電極10oと波ばね付
きの内側中心電極10pが設けられ、これらの導電経路の
途中において前記した検出用内部抵抗としての電気抵抗
体12が設けられている。

該電気抵抗体12の設置位置については、温度の影響を受
けにくい個所に選定するのがよく、このため図示の例で
は、O₂センサ10の受熱部である前記ジルコニア素子10e,
保護カバー10c側とは反対の図示の位置に電気抵抗体12
を配設するようにしている。

上記O₂センサ10による排気ガス中の酸素濃度の検出は、
内外面に一対の電極を設けたジルコニア素子10eの２つ
の電極のうちの一方の電極、即ち本例では内側電極を基
準ガスとしての大気に接触せしめ、他方の電極、即ち外
側電極を排気ガスに接触せしめると共に、後述のように
電流供給手段からの所定電流供給時に上記内外電極間に
発生する電圧によって排気ガス中の酸素濃度を検出する
ことによって行う。即ち、ジルコニア素子10eの外面が
排気管内の排気ガス中にさらされ、また内面が大気にさ
らされると、該ジルコニア素子10eは、その内外面の素
子濃度差に対応した起電力を発生する一種の酸素濃淡電
池として機能し、上記電極間には排気ガス中の酸素濃度
に応じて電圧が発生し、更に、温度が一定以上の高温の
場合には、理論空燃比を境にその電圧が急変する特性を
呈する。かかる特性を利用し、その出力電圧の変化によ
り酸素濃度を検出し、上記リード線10mを介して検出出
力をECU100に供給して空燃比のフィードバック制御に用
いるのであるが、上述のようにいわゆる流し込み型のO₂
センサにおいて、断線、短絡故障が発生した場合のその
故障検出をより正確に行わしめるため、O₂センサ10内部
に電気抵抗体12を付加する構造としてある。

このように、上記O₂センサ10は、その固体電解質素子で
あるジルコニア素子10eと直列に電気抵抗体12が組み込
まれて排気管に装着され、またそのリード線10mは信号
路ｌとしてECU100に接続されている。

第１図に戻り、ECU100内部には、２つのコンデンサC₁,C
₂及び抵抗R₁から成るローパスフィルタとオペレーショ
ンアンプ110が設けられ、O₂センサ10の出力電圧VO₂は該
ローパスフィルタを介してオペレーションアンプ110の
非反転入力端子に印加され、該オペレーションアンプ11
0で増幅されてECU100の入力回路の一部をなすマルチプ
レクサ、A/Dコンバータへ供給される。

上記オペレーションアンプ110は、O₂センサ10へ電流を
流し込むものであって、電流供給手段を構成する。

上記コンデンサC₁と抵抗R₁との接続点と、所定電源電圧
端子との間には、チェッカーサーキットスイッチ（SW）
としての切換制御可能なスイッチ120と抵抗R₂との直列
回路が接続されており、該スイッチ120がECU100の出力
回路の一部をなすフェイルセーフ系の駆動回路からの制
御信号によりオン、オフ制御される。スイッチ120は、
適宜のスイッチ素子であってよい。

上記スイッチ120によるチャッカーサーキットでは、O₂
センサ10の信号が所定時間変化しない場合において、ス
イッチ120をオンすることによりO₂センサ10に流し込む
電流を増大させ、O₂センサ10の出力電圧をチェックする
ことによってO₂センサ10の故障検出、即ち自己診断を行
う。

かかる故障検出は、以下の動作に基づくものであり、こ
れについて、第３図、第４図をも含めて説明する。

チャッカーサーキットスイッチ120は、通常は、即ち自
己診断を行わない状態では、オフさせておく。スイッチ
120がオフ状態の場合、O₂センサ10の出力電圧VO₂は、O₂
センサ10の起電力の値をVs［Ｖ］、オペレーションアン
プ110から流し込む電流をｉ［Ａ］、素子内部抵抗11b及
び電気抵抗体12の各抵抗値の合計の値をｒ［ＫΩ］とす
れば、次式で表される。

VO₂＝Vs＋ｉ×ｒ …（２） O₂センサ10が活性化されているときは、電流ｉは数10nA
で、ｉ×ｒは数mVである（付加する電気抵抗体12の抵抗
値を適宜の値（例えば数ＫΩ〜数10KΩ）にすれば、ｉ
×ｒをかかる値にすることができる）ため、VO₂≒Vsで
あり、従って、空燃比（A/F）がリッチのときの出力電
圧値VO_2R、リーンのときの出力電圧VO_2Lは、VO_2R≒１
［Ｖ］、VO_2L≒０［Ｖ］である。

即ち、通常動作時は、第３図、第４図に示すように、い
わゆる流し込み型（一定電流を供給する検出回路構成）
の場合と同様の動作で出力電圧VO₂は反転を繰り返すこ
とになる。

次に、上記スイッチ120をオンした場合について考える
と、該スイッチ120をオンしてO₂センサ10に所定電圧を
印加して場合は、抵抗R₂を介して電流ｉ′が流れるた
め、O₂センサ10に流れ込む電流はｉとｉ′の合計のｉ＋
ｉ′となり、この場合のO₂センサ出力電圧VO₂は、次式
で表される。

VO₂＝Vs＋（ｉ＋ｉ′）×ｒ …（３）上記スイッチ120を通して流れる電流ｉ′を数10μＡと
すると、O₂センサ10の活性時は前述の如くｉ×ｒは数mV
であるから、出力電圧VO₂は VO₂≒Vs＋ｉ′×ｒ …（４）となり、信号ラインｌ正常時、即ちO₂センサ10の断線故
障、短絡故障がない状態では、第３図（ａ）、第４図
（ａ）に示すように、出力電圧VO₂はスイッチ120をオン
すれば、これに伴って、ΔVO₂＝ｉ′×ｒ分だけ変化す
ることになる。かかる変化量ΔVO₂は0.1〜1.0V程度であ
る。

即ち、O₂センサ10が正常であれば、スイッチ120のオン
により生ずる上記VO₂の変化を見ることによって、正常
であることを確認できる。

これに対して、O₂センサ10に故障がある場合には、スイ
ッチ120をオンしても、上述のような変化は発生しない
ので、これをチェックすることにより故障発生を検知す
ることができる。

即ち、信号ラインｌが断線した場合には、該断線によっ
てECU100からO₂センサ側を見たセンサ側抵抗は無限大と
なるから、センサ側に流し出す電流に関係なく、即ち、
スイッチ120のオフ状態、オン状態にかかわらず、ECU10
0の入力端の電圧は、次式で示されるものとなる。

VO_2(ECU)＝∞×ｉ≒∞×（ｉ＋ｉ′）＝∞ …（５）実際には、第１図の回路構成では、オペレーシヨンアン
プ110のプラス側電源電圧値（出力Max値）となる（第３
図（ｂ））。

従って、O₂センサ10に断線が発生し、第３図（ｂ）のよ
うにプラス側電源電圧値にまで電圧が上昇して変化しな
い状態が生じたとき、たとえスイッチ120をオンしても
電圧変化は発生せず、同図（ａ）の正常時と区別して明
確に断線故障を検出することができる。

しかも、短絡故障のケースの場合であっても、かかるス
イッチ120によって同様に検出できる。

即ち、信号ラインがグランド（ボディアース）に短絡
（ショート）した時も、第４図（ｂ）に示すように、EC
U100の入力端は接地電位に保持されるため、センサ側に
流し込む電流に関係なく、即ちスイッチ120のオフ、オ
ンにかかわらず、VO₂≒０となり、スイッチ120のオンに
伴う電圧変化は生じない。従って、同図（ａ）の正常時
の場合と明確に区別して短絡故障を検出することができ
る。

以上のように、第１図のスイッチ120によるチェッカー
サーキットでは、O₂センサ10が正常であれば、スイッチ
120をオンさせてO₂センサ10に流し込む電流を増大させ
ると、第３図（ａ）、第４図（ａ）に示すように出力電
圧VO₂にΔVO₂の変化が生じ、他方、O₂センサ10に断線、
ショートの異常があれば、上記スイッチ120をオンして
も、第３図（ｂ）、第４図（ｂ）に示したように上記Δ
VO₂の変化は発生しない。従って、一定条件下で、即ちO
₂センサ電圧が所定時間変化しないという条件下で、ス
イッチ120をオンしてVO₂の変化をみることにより、O₂セ
ンサ10の故障検知が可能である。

上述の故障検出は、O₂センサ10にスイッチ120により所
定電圧を印加し、そのときのVO₂の変化量ΔVO₂を検出す
るものであるため、断線故障の場合も短絡故障の場合
も、同様の検出手順で故障検知を行うことができる上、
ベースの空燃比（A/F）等のズレに対してもその影響を
排除して確実に故障検知を行える。

特に、高速走行後のホットリスタート後の状態のように
吸気管に燃料が付着していて燃料が濃くなるような場合
や、あるいは高地での走行でO₂センサの出力の反転が通
常のように行われ難いような場合であっても、このよう
な場合と、本当のO₂センサ10の故障とを明確に区別して
検出することができる。

更に、O₂センサ10は、第１図並びに第２図にその構造を
示したように、その内部において、電流供給手段とジル
コニア素子10eの電極の一方との間に電気抵抗体12を直
列に設ける構成としてあるので、正常時には、前記スイ
ッチ120のオンによる電流供給時に電圧変化を正確に検
出することができ、この結果、一層確実な故障検出を行
わせることができる。

即ち、一般に、O₂センサ10の素子内部抵抗は、O₂センサ
素子部が高温になるとその抵抗値が減少し、非常に小さ
くなる傾向があるので、第１図で説明したのと同様に流
し込み電流ｉ′を与えても、素子内部抵抗値が小さいが
故にスイッチ120のオンに伴う正常の変化ΔVO₂が発生し
ない場合もある。かかる場合には、そのままでは正常で
あるにもかかわらず断線と誤判断するおそれがある。そ
こで、O₂センサが高温になってO₂センサ自身の内部抵抗
が小さくなっても、確実に或る一定値以上の出力変化を
得ようとして上述の流し込み電流ｉ′よりも大きい電流
を流すようにすれば、正常かどうかを区別し得るに足り
る変化ΔVO₂を発生させることは可能となるものの、O₂
センサにそのような過電流を流すと、これによってO₂セ
ンサを劣化させてしまい、O₂センサ本体の機能を失わせ
るおそれがある。

これに対し、第１図及び第２図に示したO₂センサ10のよ
うに、内部に所要の電気抵抗体12を素子内部抵抗11bに
対し直列に付加すれば、たとえO₂センサ10が高温になっ
て該素子内部抵抗11bの抵抗値が減少したときであって
も、その減少分を素子内部抵抗11bと直列の電気抵抗体1
2によって補うことができ、エンジン負荷条件がいかな
る場合においても、或る定電流ｉ′をO₂センサ10に流す
ことによって、必ず該電気抵抗体12の存在により正常と
判別するに必要な一定以上の出力変化ΔVO₂を得ること
ができる。

また、電気抵抗体12として、第２図に示したように、温
度の影響を受けにくい個所に設ければ、温度変化によら
ず、常に所要の抵抗値を確保することができ、確実に誤
検出を回避することができ、しかも、大きな電流を流す
必要もないので、O₂センサ10の劣化を防止しつつこれを
実現することが可能である。

（発明の効果）本発明によれば、固体電解質に一対の電極を設け、一方
の電極を基準ガスに接触せしめ、他方の電極を排気ガス
に接触せしめると共に、電流供給手段からの所定電流供
給時に前記電極間に発生する電圧によって前記排気ガス
中の酸素濃度を検出する排気濃度検出器において、前記
電流供給手段と前記電極の一方に所定の電気抵抗体を直
列に設けるようにしたものであるから、高温時において
も該電気抵抗体が設けられていることによって、電流供
給時の電圧変化を正確に検出できるため、断線、短絡を
含む排気濃度検出器の故障検出精度の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う排気濃度検出器の等価回路とチェ
ッカーサーキットを含めて示す検出器入力回路部分の回
路構成図、第２図は第１図のO₂センサの具体的構造の一
例を示す構造図、第３図はO₂センサ正常時と断線故障時
のO₂センサ出力の様子を示す特性説明図、第４図は同じ
くO₂センサ正常時と短絡故障時の場合の特性説明図であ
る。 10……O₂センサ（排気濃度検出器）、10e……ジルコニ
ア素子（固体電解質素子）、10f,10g……空間部、10m…
…リード線、10o,10p……内側中心電極、12……電気抵
抗体、110……オペレーションアンプ、120……スイッ
チ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質に一対の電極を設け、一方の電
極を基準ガスに接触せしめ、他方の電極を排気ガスに接
触せしめると共に、電流供給手段からの所定電流供給時
に前記電極間に発生する電圧によって前記排気ガス中の
酸素濃度を検出する排気濃度検出器において、前記電流
供給手段と前記電極の一方に所定の電気抵抗体を直列に
設けることを特徴とする排気濃度検出器。