(57)【要約】【課題】  故障検出回路の構成をより単純にし、より正確であり、連続して故障診断を行うことが可能な空燃比センサの故障診断装置および故障診断法を得る。【解決手段】  内燃機関１の排気管８に配設されて排ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサ９と、空燃比センサ９のグランド電圧をオフセットするオフセット電源１７と、空燃比センサ９の活性化状態を検知する活性状態判定手段２０と、活性状態判定手段２０が空燃比センサ９の活性化状態を検知している期間中において空燃比センサ９のオフセットされた出力信号により故障を判定する故障診断手段１９と、故障診断手段１９により空燃比センサ９の異常が検知されたとき空燃比センサ９からの入力信号レベルを切り換える入力抵抗切換手段と、入力抵抗切換手段が入力信号レベルを切り換えたときの電圧レベルにより空燃比センサ９の故障内容を特定する故障状態判定手段とを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に配設されて排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサ、前記空燃比センサのグランド電圧をオフセットするオフセット電源、前記空燃比センサの活性化状態を検知する活性状態判定手段、前記活性状態判定手段が前記空燃比センサの活性化状態を検知している期間中において前記空燃比センサのオフセットされた出力信号により故障を判定する故障診断手段、前記故障診断手段により前記空燃比センサの異常が検知されたとき前記空燃比センサからの入力信号レベルを切り換える入力抵抗切換手段、前記入力抵抗切換手段が入力信号レベルを切り換えたときの電圧レベルにより前記空燃比センサの故障内容を特定する故障状態判定手段を備えたことを特徴とする空燃比センサの故障診断装置。
【請求項２】
前記故障診断手段は、前記活性状態判定手段が前記空燃比センサの活性化状態を検知している期間中において、常時前記空燃比センサの出力信号を監視するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの故障診断装置。
【請求項３】
前記空燃比センサの出力電圧を前記故障診断手段に入力するためのＡ／Ｄ変換手段を有しており、前記オフセット電源によるオフセット電圧が、前記空燃比センサの最大出力電圧より高く、オフセットされた前記空燃比センサの最大出力電圧が、前記Ａ／Ｄ変換手段の入力可能最大電圧より低く設定されたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の空燃比センサの故障診断装置。
【請求項４】
前記故障診断手段または前記故障状態判定手段が前記空燃比センサの故障を検出したとき、警報装置が異常または異常状態を報知するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の空燃比センサの故障診断装置。
【請求項５】
オフセット電源によりオフセットされた前記空燃比センサの出力信号により、前記内燃機関の供給燃料がフィードバック制御されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の空燃比センサの故障診断装置。
【請求項６】
内燃機関の排気管に配設されて排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサのグランド電圧をオフセット電源によりオフセットし、前記空燃比センサが活性化している期間中において故障診断手段が前記空燃比センサのオフセットされた出力を読み取って故障を判定すると共に、オフセット電圧を前記空燃比センサの最大出力電圧より所定値高く設定し、前記故障診断手段が前記空燃比センサの異常を検知したとき入力抵抗を切り換えて前記空燃比センサからの入力信号レベルを切り換え、切り換えた入力信号の電圧レベルにより前記空燃比センサが断線状態であるか地絡状態であるかを特定することを特徴とする空燃比センサの故障診断法。
【請求項７】
前記空燃比センサの出力電圧の最低値が、前記空燃比センサの地絡状態を検出することが可能な電圧値より所定値高くなるように前記オフセット電圧を設定したことを特徴とする請求項６に記載の空燃比センサの故障診断法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の空燃比をフィードバック制御するのに用いられる空燃比センサの、故障を診断する診断装置とその診断法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の空燃比を検出し、これをフィードバックして燃料供給量などを制御するために、排気管には排気ガス中のＯ２を検出するためのＯ２ センサが空燃比センサとして設けられており、この空燃比センサの出力電圧からセンサの故障を検出する故障診断装置が車両に付加されている。このＯ２センサの特徴は、加熱されて活性状態となるまでは内部抵抗が極めて高くて出力電圧が小さく、活性化後についても空燃比がリーンの状態では出力電圧が小さいために、故障時において信号線の断線と地絡状態との区別が困難なことである。このために、空燃比センサ（Ｏ２センサ）の故障を検出するための様々な技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された技術は、空燃比センサの活性化状態を判定してこれが不活性状態であるときに、空燃比センサからＥＣＵに対する入力回路の入力抵抗を切換えて電圧を計測し、断線状態であるのか地絡状態であるのかを連続的に判定する故障診断診断装置に関するものである。また、特許文献２に開示された技術は、触媒の前後に配置された空燃比センサのアース側電圧をアースに対して所定値オフセットし、オフセットされたセンサ出力電圧を計測することにより、混合気の組成を変化させることなく空燃比センサの活性時に連続的に短絡や断線を検知するものである。
【０００４】
さらに、特許文献３に開示された技術は、触媒の前後に配置された空燃比センサの高電位側がオフセットされて所定の電位に持ち上げられ、低電位側の信号がそれぞれ増幅器とＡ／Ｄ変換器とを介してマイクロプロセッサに入力されるように構成し、混合気の組成を変化させることなく空燃比センサの活性時において、センサ接続回路のバッテリやアースとの短絡や断線など各種のトラブルを連続的に検出するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３４９３２９号公報（第３〜４頁、第１〜３図）
【特許文献２】特開平０５−１０７２９９号公報（第３〜５頁、第３図、第４図）
【特許文献３】特開平０５−２２３７７６号公報（第３〜５頁、第３図、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、空燃比センサの故障を検出するための各種の技術が開示されているが、特許文献１に開示された技術では、空燃比センサの不活性時にのみ故障の検出ができるものであり、空燃比センサの不活性時以外では故障検出ができず、また、連続した故障検出ができないという問題があった。また、特許文献２に開示された故障診断装置では、空燃比センサの信号線の断線と地絡状態との判別が困難であり、正確に故障の状態を判別することができないという問題があった。さらに特許文献３に開示された技術では連続した正確な故障判定が可能であるが、オフセットされた空燃比センサの高電位側と低電位側との出力電圧の差を出力するための回路が必要であり、また、空燃比センサの特性により決まる並列回路が必要となり、システムを構成する故障検出回路が複雑となって、高価なものにならざるを得ないものであった。
【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、故障検出回路の構成をより単純にし、より正確であり、連続して故障診断を行うことが可能な空燃比センサの故障診断装置および故障診断法を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る空燃比センサの故障診断装置は、内燃機関の排気管に配設されて排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサと、空燃比センサのグランド電圧をオフセットするオフセット電源と、空燃比センサの活性化状態を検知する活性状態判定手段と、活性状態判定手段が空燃比センサの活性化状態を検知している期間中において空燃比センサのオフセットされた出力信号により故障を判定する故障診断手段と、故障診断手段により空燃比センサの異常が検知されたとき空燃比センサからの入力信号レベルを切り換える入力抵抗切換手段と、入力抵抗切換手段が入力信号レベルを切り換えたときの電圧レベルにより空燃比センサの故障内容を特定する故障状態判定手段とを備えるようにしたものである。
【０００９】
また、この発明に係る空燃比センサの故障診断法は、内燃機関の排気管に配設されて排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサのグランド電圧をオフセット電源によりオフセットし、空燃比センサが活性化している期間中において故障診断手段が空燃比センサのオフセットされた出力を読み取って故障を判定すると共に、オフセット電圧を空燃比センサの最大出力電圧より所定値高く設定し、故障診断手段が空燃比センサの異常を検知したとき入力抵抗を切り換えて空燃比センサからの入力信号レベルを切り換え、切り換えた入力信号の電圧レベルにより空燃比センサが断線状態であるか地絡状態であるかを特定するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように構成した空燃比センサの故障診断装置および故障診断方法では、空燃比センサの活性化状態においてはその出力信号から連続して故障の検出を行うことが可能になり、早期に故障検出ができると共に、入力抵抗切換手段が入力抵抗を切り換えて電圧のレベルを検出することにより、故障の内容が断線によるものが地絡によるものかを正確に判定できるものであり、単純な回路構成を付加するのみで故障の早期検出と故障内容の判定とが可能になるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１ないし図６は、この発明の実施の形態１による空燃比センサの故障診断装置および故障診断法を説明するもので、図１は内燃機関の全体構成を説明する概略構成図、図２は制御装置（空燃比センサの故障診断装置）の機能ブロック図、図３は空燃比センサの特性を説明する説明図、図４は空燃比センサからの入力部における回路構成の一例を示す回路図、図５は空燃比センサによる出力電圧とオフセット電圧との一例を示す説明図、図６は動作を説明するフローチャートである。
【００１２】
図１の概略構成図において、内燃機関１の吸気系を構成する吸気管２にはその上流部よりエアクリーナ３と、吸入空気量に対応した信号を出力するエアフローセンサ（以下、ＡＦＳと称す）４と、スロットルバルブ５と、燃料噴射弁６とが設けられ、スロットルバルブ５と燃料噴射弁６との間の吸気管２にはサージタンク７が形成されている。また、内燃機関１の排気管８には排気ガス中の酸素濃度から空燃比を計測する空燃比センサ９が設けられ、内燃機関１には内燃機関１の回転速度や回転角を計測するクランク角センサ１０と冷却水温度を計測する水温センサ１１とが設けられている。
【００１３】
ＡＦＳ４が計測する吸入空気量とクランク角センサ１０の出力信号と空燃比センサ９の信号と水温センサ１１の温度信号とは制御装置１２に入力され、制御装置１２はこれらの入力信号に基づき内燃機関１の各気筒に設けられた燃料噴射弁６を制御して運転条件に応じた燃料制御を行うと共に、空燃比センサ９を監視して故障判定を行い、故障と判定した場合には警告灯などの警報装置１３を作動させる。そのために、制御装置１２にはマイクロプロセッサ１４以外に燃料噴射弁６に対する出力回路１５と、空燃比センサ９からの後述する入力回路１６とオフセット電源回路１７とを有している。
【００１４】
制御装置１２における空燃比センサ９の故障診断に関する部分の機能構成を抜粋して示したのが図２である。制御装置１２は上記したように、ＡＦＳ４とクランク角センサ１０と水温センサ１１との信号を入力して燃料噴射弁６を制御して運転条件に応じた燃料噴射量を演算し、さらに、空燃比センサ９からの信号によるフードバック制御により理論空燃比に燃料の噴射量を決定する。決定された噴射量は出力回路１５にて噴射量に応じた駆動時間のデューティ信号に変換され燃料噴射弁６に与えられる。
【００１５】
マイクロプロセッサ１４は、各種センサ類からの入力信号などを記憶する記憶手段１８と、空燃比センサ９からの信号レベルにより空燃比センサ９の故障を判定する故障診断手段１９と、空燃比センサ９の活性状態を判定する活性状態判定手段２０とを含んでおり、故障診断手段１９には、後述する入力回路１６の入力抵抗を切り換える入力抵抗切り換え手段と、入力抵抗の切り換え期間中における空燃比センサ９の出力信号レベルにより、空燃比センサ９の故障内容が断線であるのか地絡であるのかを特定する故障状態判定手段とが含まれている。
【００１６】
空燃比センサ９は、大気中の酸素濃度と排気ガス中の酸素濃度との比に応じた電圧を出力するものであり、図３に示すような特性を持つ。図３は、空燃比を変化させたときの排気ガス中に含まれる酸素濃度に応じた空燃比センサ９の出力電圧の変化状態を示したものである。空燃比が理論空燃比にあるとき出力電圧は急変し、空燃比がリッチ側にあるときには出力電圧が高く、リーン側にあるときには出力電圧が低くなり、理論空燃比にあるときは約０．４５Ｖの出力電圧となる。マイクロプロセッサ１４は、この出力信号のスライスレベルをＶｓ１とするとき、Ｖｓ１＝０．４５Ｖとして出力電圧がＶｓ１以上のときには空燃比がリッチであり、Ｖｓ１以下のときにはリーンであると判断してフィードバック制御を行い燃料噴射量の制御を行う。
【００１７】
また、空燃比センサ９は常温時の不活性状態では内部抵抗が極めて高い値を示し、排気される燃焼ガスで加熱されることにより活性化されて内部抵抗が低下し、正常なセンサ出力が得られるようになる。マイクロプロセッサ１４に含まれる活性状態判定手段２０は内燃機関１の始動後の経過時間などにより空燃比センサ９が活性化状態になったかどうかを判定し、活性化後にフードバック制御を開始すると共に、活性化と判定された期間中において故障診断手段１９による空燃比センサ９の故障判定動作を行う。
【００１８】
図４は、図１および図２の入力回路１６とオフセット電源回路１７との回路例を示したもので、オフセット電源回路１７は、例えばマイクロプロセッサ１４の定電圧電源などの電源２１とこの電源２１の電圧Ｖｏを分圧する分圧抵抗２２および２３とから形成され、分圧抵抗２２と２３とにより分圧された電圧Ｖｏｆがオフセット電圧として空燃比センサ９のグランド側に与えられ、空燃比センサ９の出力信号がオフセットされる。このオフセット電圧は空燃比センサ９の最大出力電圧より高い値であり、空燃比センサ９の最小出力電圧が０Ｖより所定値高い値となるように設定されると共に、オフセット電圧加算後における空燃比センサ９の最大出力電圧が後述するＡ／Ｄ変換器の最大入力電圧未満に設定され、後述する空燃比センサ９の故障内容の判定を可能にすると共に、オフセット電圧加算後の信号によるフィードバック制御を可能にしている。
【００１９】
また、入力回路１６は、空燃比センサ９の出力をＡ／Ｄ変換してマイクロプロセッサ１４に与えるＡ／Ｄ変換器２４と、スイッチング素子を構成するトランジスタ２５と、トランジスタ２５のコレクタとＡ／Ｄ変換器２４の入力側との間に接続された抵抗器２６と、Ａ／Ｄ変換器２４の入力側とグランドとの間に接続された抵抗器２７とから構成され、トランジスタ２５のエミッタは電源２８に接続されると共に、トランジスタ２５のベースはマイクロプロセッサ１４に接続される。この構成にてマイクロプロセッサ１４に含まれる故障診断手段１９からの入力抵抗切り換え信号がトランジスタ２５のベースに与えられ、トランジスタ２５がＯＮ−０ＦＦすることにより、Ａ／Ｄ変換器２４に入力される空燃比センサ９の入力抵抗値が切り換えられる。
【００２０】
空燃比センサ９の出力により空燃比を検知するときには、トランジスタ２５のＯＦＦ時における空燃比センサ９の出力をＡ／Ｄ変換器２４を介してマイクロプロセッサ１４が取り込む。このときＡ／Ｄ変換器２４の入力端子は抵抗器２７を介してグランドに接続されているが、空燃比センサ９の入力インピーダンスに対して抵抗器２７の抵抗値が充分に大きな値に設定されているため、空燃比センサ９の出力は抵抗器２７の影響を受けることなくＡ／Ｄ変換器２４に入力され、マイクロプロセッサ１４に与えられる。
【００２１】
入力抵抗の切り換え条件が成立時、すなわち、空燃比センサ９の活性時において、空燃比センサ９の故障診断を行うときにはトランジスタ２５をＯＮさせ、抵抗器２６を介して電源２８の電圧をＡ／Ｄ変換器２４の入力端子に印加する。空燃比センサ９の出力信号線の断線時においてはＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧Ｖｉｎは、電源２８の電圧が抵抗器２６と抵抗器２７とにより分圧された値となり、空燃比センサ９の出力信号線が地絡した場合にはＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧はグランド電圧になる。マイクロプロセッサ１４に含まれる故障診断手段１９は入力抵抗切り換え信号出力時におけるこの電圧を読み取り、空燃比センサ９の出力信号線が正常であるのか断線であるのか地絡であるのかを判定する。
【００２２】
図５は、空燃比センサ９の出力電圧の状態を示したものである。図の点線で示した出力電圧（ａ）はオフセットがない場合の出力電圧であり、空燃比がリーンとリッチとを繰り返した場合、図３の特性に示すように出力電圧は０Ｖから約１Ｖの間を変化する。この出力電圧に２Ｖのオフセット電圧を与えたのが（ｂ）の特性であり、約２．４５Ｖを中心とした変化にオフセットされる。活性状態にある空燃比センサ（Ｏ２センサ）９の出力信号電圧（すなわち、Ａ／Ｄ変換器２４の入力電圧）は、オフセット電圧がない場合、空燃比がリーンの状態にあるときは約０Ｖ、リッチの状態にあるときは約１Ｖであり、空燃比センサ９が断線状態や地絡状態のときにもＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧は０Ｖであるから、オフセット電圧がない場合には故障の判定が困難である。
【００２３】
これに対して図５の（ｂ）に示すように例えば２Ｖのオフセット電圧を与えた場合、空燃比がリーンの状態にあるときのＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧は約２Ｖとなり、リッチの状態にあるときは約３Ｖにオフセットされる。一方、空燃比センサ９が断線状態のときにおけるＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧は、上記したように、電源２８の電圧を抵抗器２６と抵抗器２７とにより分圧した値となり、地絡状態では入力電圧は約０Ｖであるから、それぞれの判定値を設定しておくことにより、正常であるのか、断線状態か、地絡状態か、が判定できることになる。
【００２４】
このように、オフセット電圧を与えることにより、リーンの状態における空燃比センサ９の出力電圧と断線状態や地絡状態における電圧とに差が与えられ、確実に故障の判定ができることになる。すなわち、活性状態判定手段２０が活性状態にあると判定している期間中において、故障診断手段１９の故障判定値を、図５の場合には例えば１．８Ｖ以下として設定することにより確実に故障判定ができ、活性状態判定手段２０が活性状態にあると判定している期間中は常時故障診断が可能になり、断線や短絡などの故障の早期検出が可能になるものである。そして、故障診断手段１９は空燃比センサ９が故障であると判定したときには直ちに警報装置１３を作動させることになり、空燃比の判定はＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧からオフセット電圧を減算した値を使用することにより、従来と同様のフィードバック制御が可能になる。
【００２５】
続いて図６のフローチャートにより全体的な動作を説明する。内燃機関１が始動し、ルーチンがスタートすると、まず、ステップ６０１にて活性状態判定手段２０が空燃比センサ９の活性化状態を判定する。この活性化状態の判定は、例えば始動後の経過時間が所定値を超えることにより活性化状態にあると判定することができる。活性化状態でなければルーチンを終了してスタートに戻り、活性化状態になるまでこれを繰り返す。時間が経過して空燃比センサ９が活性化状態であると判断されるとステップ６０２に進み、ここでは故障診断手段１９が空燃比センサ９の出力電圧が故障判定値以下であるかどうかを判定する。
【００２６】
ステップ６０２において空燃比センサ９の出力電圧が故障判定値以下でなければルーチンを終了して動作を繰り返すと共に、故障判定値以下であればステップ６０３に進み、故障診断手段１９がトランジスタ２５を動作させて入力抵抗の切り替えを行う。続くステップ６０４ではトランジスタ２５がＯＮしている状態にて故障診断手段１９が空燃比センサ９の出力電圧（Ａ／Ｄ変換器２４の入力電圧）を読み取り、読み取った電圧が断線故障範囲であるか地絡故障範囲であるかを判定する。
【００２７】
上記したように、空燃比センサ９の出力電圧が０Ｖから約１Ｖであり、オフセット電圧が２Ｖであるとき、正常状態におけるＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧は２Ｖから３Ｖであるので、断線時におけるＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧が例えば１．８Ｖ以下になるように抵抗器２６と抵抗器２７との値を設定しておけば故障判定値が設定でき、地絡時はＡ／Ｄ変換器２４の入力電圧はグランド電圧になるので、これを０．２Ｖ以下と設定しておけばステップ６０４の読み取り電圧により断線故障範囲であるのか地絡故障範囲であるのかが判定できることになる。従って、この電圧値により断線故障であればステップ６０５にて断線故障の報知を警報装置１３により行い、地絡故障であればステップ６０６にて警報装置１３が地絡故障報知を行う。ステップ６０７はこの報知のステップである。
【００２８】
このように、空燃比センサ９のグランド電圧をオフセットし、Ａ／Ｄ変換器２４の空燃比センサ９から入力される端子に電源２８から抵抗器２６と２７を介して電圧を印加するようにし、空燃比センサ９の活性化状態においてこの電圧をＯＮ−ＯＦＦすると共に、電源２８から印加される電圧をオフセットされた空燃比センサ９の出力電圧の最低値より小さく設定することにより、空燃比センサ９の断線や地絡を判別しながら連続して検出することが可能になるものであり、空燃比センサ９の活性化状態検出中は常時故障診断ができて故障の早期検出が可能になるものである。
【００２９】
従って、このためにはオフセット電圧は空燃比センサ９の出力最大電圧より所定値大きな値に設定することが必要であり、しかもオフセットされた空燃比センサ９の出力最大電圧はＡ／Ｄ変換器２４の入力可能最大電圧以下とすることが必要である。このようにすることにより、空燃比センサ９の出力を基に空燃比のフィードバック制御を行いながら、連続した故障診断が可能になり、単純な回路構成を付加するのみで故障の早期検出が可能になるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
この発明による空燃比センサの故障診断装置および故障診断法は、燃料噴射により燃料供給と空燃比制御とを行う内燃機関全般に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１による空燃比センサの故障診断装置の概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による空燃比センサの故障診断装置の機能ブロック図である。
【図３】空燃比センサの特性を説明する説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による空燃比センサの故障診断装置の入力部における回路構成の一例である。
【図５】この発明の実施の形態１による空燃比センサの故障診断装置における空燃比センサの出力電圧波形図である。
【図６】この発明の実施の形態１による空燃比センサの故障診断装置の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１  内燃機関、２  吸気管、３  エアクリーナ、４  エアフローセンサ、
５  スロットルバルブ、６  燃料噴射弁、７  サージタンク、
８  排気管、９  空燃比センサ、１０  クランク角センサ、
１１  水温センサ、１２  制御装置、１３  警報装置、
１４  マイクロプロセッサ、１５  出力回路、１６  入力回路、
１７  オフセット電源回路、１８  記憶手段、１９  故障診断手段、
２０  活性状態判定手段、２１、２８  電源、２２、２３  分圧抵抗、
２４  Ａ／Ｄ変換器、２５  トランジスタ、２６、２７抵抗器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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