(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位時間当たりの電力の供給期間および非供給期間を設定し、それら両期間の比を調整するデューティ信号によって、ヒータ制御回路を介してセンサ用ヒータへの供給電力を制御するコントロールユニットを備え、該コントロールユニットにより前記ヒータの故障診断を行うセンサ用ヒータの故障診断装置であって、
前記ヒータへの供給電力に対応して前記ヒータ制御回路に加わる電圧を検出する検出手段と、
前記デューティ信号により前記ヒータへ電力が供給されるよう制御されているときの前記検出手段により検出される電圧が所定範囲外となった時間を、前記デューティ信号により前記ヒータへ電力が供給されるよう制御されていない期間から前記デューティ信号により前記ヒータへ電力が供給されるよう制御される期間への移行後の所定期間を除いて、積算し、その積算時間が所定時間以上となったときに前記ヒータが異常であると判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とするセンサ用ヒータの故障検出装置。
【請求項２】
前記センサが、エンジン排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサであり、その酸素センサ素子の近傍に前記ヒータが配置されたものである請求項１記載のセンサ用ヒータの故障診断装置。
【請求項３】
前記所定期間は、前記デューティ信号により前記ヒータへ電力が供給されるよう制御されていない期間から前記デューティ信号により前記ヒータへ電力が供給されるよう制御される期間への移行時の前記検出される電圧の変化遅れ時間より長い時間に設定する請求項１記載のセンサ用ヒータの故障診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサ用ヒータの故障診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用エンジンの排気系には、一般に排気浄化のために触媒装置が配置されるとともに、その触媒装置の上流に空燃比制御のフィードバック情報を検出する酸素センサ（例えば、ジルコニア型酸素センサ）が配置される。そして、その酸素センサは所定温度以上にならないと機能しないため、エンジンの冷間始動時にはセンサ温度を速やかに上昇させる必要があり、また、センサ出力値の温度依存性が大きいためセンサ素子の温度を常時適温に維持するようきめ細かく制御を行う必要がある。そこで、センサにヒータを併設し、このヒータへの供給電力の調整によってセンサ温度を目標温度に制御することが従来から行われている。そして、そのセンサ温度制御のためのヒータへの電力供給は、一般に、例えばトランジスタを用いたスイッチング回路によりオン・オフ制御で行われている。また、単なるオン・オフ制御ではセンサ温度の変動巾が大きくなるということから、例えば特開平３−１８９３５０号公報に示されているように、ヒータへの電力供給をデューティ信号によって制御し、そのデューティ比の調整によってセンサ温度をきめ細かく制御することも行われている。
【０００３】
上記特開平３−１８９３５０号公報に記載されたものは、酸素センサにおいて温度制御用のヒータの抵抗値がセンサ温度を表しているとして、ヒータ抵抗値が所定の目標抵抗値となるようにヒータへの供給電力を制御し、かつ、固体差や経時変化の影響を無くすように目標抵抗値を更新し記憶するよにしたヒータ制御装置であって、そうした装置において、酸素センサを新品に交換した時に目標抵抗の記憶値が要求値と掛け離れた異常なものとなり、この目標抵抗値の異常に起因してセンサ温度等に異常が発生することから、この目標抵抗値の異常に起因して発生するセンサ温度等の異常に対処するため、酸素ヒータへの供給電力が所定範囲外となった状態が所定期間継続したときに目標抵抗値の異常と判定し、センサ温度等の異常に対処できるようにしたものが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、酸素センサ等のセンサ温度制御用のヒータの故障診断を行う場合、ヒータへの電力供給を単にオン・オフ制御することによってヒータ温度を制御するものにおいては、例えばトランジスタ（エミッタ接地）のベース信号がオフからオンに移行した時に、ベース信号の反転毎の変化遅れ時間を排除し、かつ、ノイズを排除するに十分な程度に長い所定時間（例えば２秒）が経過した後でコレクタ電圧が一定レベルまで立ち下がる変化を示していればヒータは正常であると判定し、コレクタ電圧が一定レベルまで立ち下がっていなかったら異常であると判定することが可能である。
【０００５】
しかし、センサ温度をよりきめ細かく制御するようヒータへの電力供給をデューティ制御するものにおいては、電力供給制御回路の例えばトランジスタに印加されるベース信号が例えばオフからオンに移行して所定時間が経過した後でコレクタ電圧の変化を見てヒータの故障診断を行おうとした場合に、ベース信号が極めて短時間で反転してしまうため、上記変化遅れ時間を排除しかつノイズを排除するに十分な時間をとることができず、ノイズとの区別がつかないことがあって診断精度が悪化する。
【０００６】
したがって、センサ用ヒータへの電力供給をデューティ制御で行う場合のヒータ故障診断の精度を向上させることが課題である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるセンサ用ヒータの故障検出装置は、単位時間当たりの電力の供給期間および非供給期間を設定し、それら両期間の比を調整するデューティ信号によって、ヒータ制御回路を介してセンサ用ヒータへの供給電力を制御するコントロールユニットを備え、該コントロールユニットにより前記ヒータの故障診断を行うセンサ用ヒータの故障診断装置であって、ヒータへの供給電力に対応してヒータ制御回路に加わる電圧を検出する検出手段と、デューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御されているときの検出手段により検出される電圧が所定範囲外となった時間を、デューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御されていない期間からデューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御される期間への移行後の所定期間を除いて、積算し、その積算時間が所定時間以上となったときにヒータが異常であると判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とする。上記供給電力に関連した電圧は、電力供給をトランジスタのベース信号の制御によって調整する場合のコレクタ電圧等である。また、上記センサは、例えば、エンジン排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサであり、その場合、酸素センサ素子の近傍にヒータが配置される。
【０００８】
上記ヒータへの電力供給はデューティ信号によって制御される。そして、そのヒータでの供給電力に関する値として例えばトランジスタのコレクタ電圧が検出され、デューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御される期間（ＯＮ信号の発生期間）およびデューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御されていない期間（ＯＦＦ信号の発生期間）の一方において検出値が所定範囲外となった時間が積算されて、その積算時間が所定時間以上となるとヒータの異常と判定される。ヒータが正常であれば、デューティ信号がＯＦＦからＯＮに移行しあるいはＯＦＦからＯＮに移行することにより、例えばコレクタ電圧の検出値が立ち下がりあるいは立ち上がって所定範囲内の安定した値となるが、正常でないときは、ＯＮ信号の期間あるいはＯＦＦ信号の期間において検出値が所定範囲から外れる状態が発生する。しかし、ＯＮ信号の期間あるいはＯＦＦ信号の期間において検出値が所定範囲から外れても、それだけではヒータが異常であるとは限らない。デューティ信号は短時間で反転するためノイズとの区別がつきにくく、ノイズのために所定範囲外の値が検出されることがある。そのため、検出値が所定範囲外となった時間が所定時間以上となったときに初めてヒータの異常と判定することによりノイズを排除するのである。ただし、デューティ信号におけるＯＮ信号の期間あるいはＯＦＦ信号の期間は短いため、検出値が所定範囲外となる時間が所定時間以上となるかどうかをＯＮ信号あるいはＯＦＦ信号の一回の期間で判定することは通常はできない。そのため、ＯＮ信号の期間あるいはＯＦＦ信号の期間の一方において検出値が所定範囲外となった時間を積算しその積算時間が所定時間以上となったときに異常と判定するのであり、そうすることにより、ノイズを排除した高精度の診断が可能となる。
【０００９】
そして、デューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御される期間（ＯＮ信号の発生期間）およびデューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御されていない期間（ＯＦＦ信号の発生期間）の一方から他方への移行後の所定期間は異常判定のための時間の積算を禁止するのがよく、特に、その積算を禁止する所定期間は、デューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御されていない期間からデューティ信号によりヒータへ電力が供給されるよう制御される期間への移行時の検出される電圧の変化遅れ時間より長い時間に設定するのがよい。デューティ信号が反転した時のヒータへの供給電力の変化には遅れ時間があり、ヒータが正常であれば、その変化遅れ時間を経て一定レベルまで変化する。そのため、この変化遅れ時間の間の検出値はヒータの正常・異常にかかわらず上記所定範囲外となるものであり、この間の時間を積算したのではヒータの異常判定に誤判定が生ずる。そこで、デューティ信号の反転後の所定期間は積算を禁止するのであり、そうすることにより判定精度が向上する。そして、特に、積算禁止期間を変化遅れ時間より長くすることによって、変化遅れ時間に起因する誤判定を完全に排除できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
図１は本発明が適用される故障診断装置を備えたエンジンの全体構造を示している。
【００１２】
図１において、１はエンジン本体、２はその燃焼室である。燃焼室２には吸気ポート３および排気ポート４が開口し、それら吸気ポート３および排気ポート４の燃焼室２への開口部に吸気弁５および排気弁６が配設されている。また、吸気ポート３の入口には吸気通路７が接続され、排気ポート４の出口には排気通路８が接続されている。そして、吸気通路７には、上流側から順に、エアークリーナ９，エアーフローセンサ１０，スロットル弁１１，サージタンク１２および燃料噴射弁１３が配設され、また、スロットル弁１１をバイパスするバイパス通路１４が設けられ、該通路１４の途中にアイドル回転数制御用のバイパス弁（ＩＳＣ弁）１５が配設されている。そして、エンジン本体１の所定位置にはクランク角信号を検出するクランク角センサ１６が設けられ、また、エンジン冷却水の水温を検出する水温センサ１７が設けられている。そして、排気通路８の途中に排気ガス浄化用の触媒装置１８が設けられ、その上流に酸素センサ１９が設置されている。酸素センサ１９にはそのセンサ素子の近傍に図２に示される電気抵抗式のヒータ２０が内蔵されている。ヒータ２０はエミッタ接地のトランジスタの接地側に接続されたもので、トランジスタのベースに印加されるデューティ信号によって供給電力が制御される。
【００１３】
エアーフローセンサ１０，クランク角センサ１６，水温センサ１７および酸素センサ１９の各検出信号は制御情報としてＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２１に入力される。そして、それらの制御情報に基づいてＥＣＵ２１で燃料噴射制御の処理，ＩＳＣ制御の処理が行われ、また、酸素センサ１９に内蔵されたヒータ２０への電力供給制御の処理が行われ、各制御信号が燃料噴射弁１３，ＩＳＣ弁１５，ヒータ２０にそれぞれ出力される。
【００１４】
また、ＥＣＵ２１では、酸素センサ１９に内蔵されたヒータ２０の故障診断の処理が行われる。この故障診断の処理は、基本的には、ヒータ２０への電力供給を制御するデューティ信号がＯＦＦからＯＮに移行する毎に、ヒータ制御回路のトランジスタのコレクタ電圧を検出して、その検出値が所定範囲外となった時間を算出し、複数回のＯＮ信号の期間において算出した時間を積算して、その積算時間が所定時間以上となったらヒータ２０が異常であると判定し、警告灯２２を点灯するとともにＥＣＵ２１にヒータ異常を記憶するものである。
【００１５】
上記ヒータ２０の故障診断の処理では、図３に示すように、ヒータ制御回路のトランジスタのベース信号ＶBがＯＦＦからＯＮに移行する毎に、コレクタ電圧Ｖの変化遅れ時間（例えば、約５ｍｓ）に相当する所定期間Ｔoが経過したときにコレクタ電圧Ｖがしきい値Ｖoより低いレベル（所定範囲）まで立ち下がっているかどうかを見る。そして、ベース信号ＶBがＯＦＦからＯＮに移行して所定期間Ｔoが経過してもコレクタ電圧ＶがＶoより低いレベルまで立ち下がっていないときは、そのＯＮ信号の期間において、コレクタ電圧Ｖがしきい値Ｖoより低いレベルにならない時間だけ診断カウンタＣを減算する。図３において、▲１▼，▲２▼，▲３▼・・・はＯＮ信号の期間を示す。この例は、▲１▼の期間ではコレクタ電圧Ｖが電源電圧（１２Ｖ）から変化してＶoより低いレベル（接地電圧）まで下がるが、▲２▼および▲３▼の期間では実線で示すようにコレクタ電圧Ｖが下がらない（正常な状態を破線で示す）場合を示している。この場合、診断カウンタＣは初期値をノイズ排除に十分な時間（少なくとも５００ｍｓｅｃ以上で、好ましくは例えば２ｓｅｃ）に設定し、まず上記▲２▼の期間においてコレクタ電圧Ｖがしきい値Ｖoより低いレベルにならない時間を減算する。そして、１回のＯＮ信号の期間ではカウンタ値が０（ゼロ）にならないので、▲３▼のＯＮ信号の期間においてコレクタ電圧Ｖがしきい値Ｖoより低いレベルにならない時間を更に減算し、そうして、カウンタ値が０（ゼロ）になったらヒータが異常であると判定する。
【００１６】
図４は上記故障診断の処理を実行するフローチャートであって、スタートすると、まず、ステップＳ１でタイマーＴを０（ゼロ）にセットし、診断カウンタＣを初期値Ｃoにセットし、次いで、ステップＳ２で、ヒータ制御用トランジスタのベース信号ＶBおよびコレクタ電圧Ｖを入力する。そして、ステップＳ３で、ベース信号ＶBがデューティのＯＮ信号の状態かどうかを見て、ＯＮ信号であればステップＳ４でタイマーＴを加算し、ステップＳ６へ進む。また、ステップＳ３の判定でベース信号ＶBがＯＮ信号でなくＯＦＦ信号というときは、ステップＳ５でタイマーＴを０（ゼロ）にして、そのままステップＳ２へ戻る。
【００１７】
ステップＳ６へ進むと、タイマーＴが所定時間Ｔo以上かどうかを見る。そして、タイマーＴがＴoに達していなければそのまま何もせずにステップＳ９へ進み、一方、タイマーＴがＴo以上のときはステップＳ７へ進む。
【００１８】
ステップＳ７では、コレクタ電圧Ｖがしきい値ＶOより低いかどうかを判別する。そして、コレクタ電圧ＶがＶOより低い（所定範囲内）ときは、そのまま何もせずにステップＳ９へ進み、一方、コレクタ電圧ＶがＶOより低くない（所定範囲外）ときは、まず、ステップＳ８で診断カウンタＣを減算し、次いで、ステップＳ９へ進む。
【００１９】
ステップＳ９では、診断カウンタＣが０（ゼロ）になったかどうかを見る。そして、診断カウンタＣが０になっていなかったら、ステップＳ２へ戻り、ステップＳ２〜８を繰り返す。そして、ステップＳ９で、カウンタＣが０（ゼロ）になったら、ステップＳ１０で、ヒータの異常と判定し、警告灯２２を点灯するとともにＥＣＵ２１にヒータ異常を記憶する。
【００２０】
なお、上記の例では、ヒータ故障診断のためヒータへの供給電力に関する値としてコレクタ電圧を検出するが、本発明の実施の形態はこれに限定されるものではない。
【００２１】
また、上記の例では、デューティ信号におけるＯＮ信号の期間の検出値に基づいてヒータ故障診断を行うが、ヒータ制御回路の回路構成によっては、ＯＦＦ信号の期間の検出値に基づいてヒータ故障診断を行う場合もある。
【００２２】
また、本発明は、上記エンジンにおける酸素センサ用ヒータのほか種々のセンサ用ヒータの故障診断に適用できるものである。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、センサ用ヒータへの電力供給をデューティ制御で行う場合のヒータ故障診断の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るエンジンの全体構造図である。
【図２】ヒータの回路図である。
【図３】ヒータ故障診断の処理を示すタイムチャートである。
【図４】ヒータ故障診断の処理を実行するフローチャートである。
【符号の説明】
１  エンジン本体
８  排気通路
１９  酸素センサ
２０  ヒータ
２１  ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
２２  警告灯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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