JPH07119742B2

JPH07119742B2 - 酸素濃度検出装置の劣化判定方法

Info

Publication number: JPH07119742B2
Application number: JP63162857A
Authority: JP
Inventors: 彰加藤; 亨矢野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: JPH0212049A; US4938194A

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排気ガスの酸素濃度を検出する
酸素濃度検出装置の劣化判定方法に関し、特に酸素濃度
に比例する出力特性を備えたタイプの酸素濃度検出装置
の劣化判定方法に関する。

（従来の技術）従来、内燃エンジンの排気特性、燃費の向上等を図るた
めに、排気ガスの酸素濃度を検出し、この検出結果に応
じて、エンジンに供給される混合気の空燃比（以下「供
給空燃比」という）を目標空燃比にフィードバック制御
する技術が周知であり、この場合、排気ガス中の酸素濃
度を検出する酸素濃度センサ等の酸素濃度検出装置とし
て、該酸素濃度に比例する出力特性を備えた、いわゆる
比例型タイプのものが知られている。

また、この種の酸素濃度検出装置を用いて空燃比のフィ
ードバック制御を精度良く行なうためには該装置が正確
な出力特性を備えることが要求される一方、該装置は、
長年の使用により電極に対する排気ガス中の酸化物の付
着等に起因して劣化し、所望の出力特性が得られなくな
ることがあるため、かかる装置の劣化判定方法が例えば
特開昭60−218058号公報に開示されている。

この従来の劣化判定方法は、この種の酸素濃度検出装置
の出力電極（以下「ポンプ電流」という）特性が、第８
図に示すようにその印加電圧が変化しても一定値を示す
平坦部Ａを備えるとともに、その劣化が進行するのにつ
れて立上り部分Ｂの立上りが悪くなって平坦部Ａが狭く
なることに着目し、該平坦部Ａに対応する２つの異なる
印加電圧Vw,Vaが作用したときのポンプ電流値Il,Iaを比
較して酸素濃度検出装置の劣化の有無を判定するもので
ある。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記従来の劣化判定方法にあっては、印
加電圧を加える素子と、ポンプ電流値を検出する素子が
共通であり、該素子をポンプ電流が流れることにより該
素子内でその内部抵抗による、ポンプ電流値に比例した
電圧降下が生じ、実際の印加電圧に該電圧降下分が上乗
せされた状態で印加電圧が検出されてしまう。したがっ
て、誤った検出印加電圧とポンプ電流値との関係から装
置の劣化の有無が判定されてしまうため、正確な劣化判
定が行なえない。

本発明は上記従来の技術の問題点を解決するためになさ
れたものであり、劣化判定の精度を向上させることがで
きる酸素濃度検出装置の劣化判定方法を提供することを
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、酸素イオン伝導性固
体電解質材及びこれを挟む一対の電極から各々が構成さ
れ且つ相互間に拡散制限域を形成する酸素ポンプ素子及
び電池素子からなる酸素濃度検出素子と、前記酸素ポン
プ素子に直列に接続された電流検出抵抗と、前記電池素
子の電極間に発生するセンサ電圧の所定基準電圧からの
偏差に応じた大きさの電圧を前記酸素ポンプ素子及び電
流検出抵抗の直列回路に印加する電圧印加手段と、前記
電流検出抵抗を流れるポンプ電流値を電圧信号として検
出する電圧検出手段とからなる酸素濃度検出装置の劣化
判定方法において、前記所定基準電圧を変更したときの
前記ポンプ電流値の偏差を検出し、該検出値が所定値以
上のとき前記酸素濃度検出装置が劣化したと判定するよ
うにしたものである。

（実施例）以下、本発明の一実施例を、図面を参照しながら説明す
る。

第１図は本発明の劣化判定方法が適用される酸素濃度検
出装置を含む燃料供給制御装置の全体の構成図である。

同図において、符号100は酸素濃度検出装置としての酸
素濃度センサ（以下「O₂センサ」という）１のセンサ本
体（センサ素子部）を示し、該センサ本体100は、内燃
エンジンの排気ガス中のHC,CO,NOX等の成分の浄化を行
う三元触媒が介装された排気系に装着されている。

上記センサ本体100は、第２図に併せて示すように、ほ
ぼ長方体状をなし、酸素イオン伝導性の固体電解質材
（例えばZrO₂（二酸化ジルコニウム））の基体20から成
る。

センサ本体100は、図示の場合は、上下方向（縦型式）
の二素子型（電池素子及び酸素ポンプ素子を各１個有す
る酸素濃度検出素子（センサ）を２組備える型式）のも
のであり、基体20には第１及び第２の酸素イオン伝導性
固体電解質壁部21,22が互いに平行に形成されており、
該両壁部21,22間に、壁部21,22に沿う方向（図中上下方
向）に第１検出素子用の第１気体拡散室（拡散制限域）
23₁及び第２検出素子用の第２気体拡散室（拡散制限
域）23₂が形成されている。

第１気体拡散室23₁は第１検出素子用の第１の導入孔24₁
を介して排気管内に連通し、該導入孔24₁を通して排気
ガスが導入されるようになっており、第２気体拡散室23
₂は両気体拡散室23₁,23₂を連通する第２検出素子用の第
２の導入孔24₂を介して第１気体拡散室23₁から排気ガス
が導入されるようになっている。また、前記第１の壁部
21と該壁部21側に形成された外壁部25との間には、気体
参照室26が形成され、大気（基準ガス）が導入されるよ
うになっている。

第１、第２の固体電解質壁部21,22の内外壁面上にはこ
れを挟んで対向するように電極対が各検出素子について
それぞれ設けられている。即ち、まず、前記第１気体拡
散室23₁の側に関しては、前記第１の壁部21の両側面に
はPt（白金）から成る一方の電極対（第１電極対）27
₁a,27₁bが互いに対向するように設けられて第１検出素
子用の電池素子（センシングセル）28₁をなし、前記第
２の壁部22の両側面には同様に他方の電極対（第１電極
対）29₁a,29₁bが設けられて第１検出素子用の酸素ポン
プ素子（ポンピングセル）30₁をなしている。

また、前記第２気体拡散室23₂の側についても上記と同
様の構造であって、電極対（第２電極対）27₂a,27₂bを
有する第２検出素子用の電池素子28₂と、電極対（第２
電極対）29₂a,29₂bを有する第２検出素子用の酸素ポン
プ素子30₂がそれぞれ第1,第２の壁部21,22に設けられて
いる。

一方、前記外壁部25には各電池素子28₁,28₂及び酸素ポ
ンプ素子30₁,30₂を加熱してその活性化を促進するため
のヒータ（加熱素子）31が設けられている。

第１図に示すように、第１検出素子用の電極のうちの内
側電極27₁b,29₁b、即ち第１気体拡散室23₁側の電極は、
共通に接続され（図示の例では、両電極は気体拡散室23
₁内において適宜の短絡（ショート）部材により短絡さ
れることによって共通に接続されている）、ラインｌを
介して演算増幅回路（オペレーションアンプ）41の反転
入力端に接続されている。

一方、第１検出素子用の電池素子28₁の外側電極27₁aは
第１検出素子用の差動増幅回路42₁の反転入力端に接続
されている。該差動増幅回路42₁は、その非反転入力端
に接続される基準電圧源43₁とともに第１検出素子用の
電圧印加回路、即ち前記電池素子28₁側の電極対27₁a,27
₁b間の電圧（本例の場合は、更にこれに上記ラインｌ上
の電圧が加わった電圧）と上記基準電圧源43₁側の基準
電圧との差電圧に応じた電圧を酸素ポンプ素子30₁側の
電極対29₁a,29₁b間に印加するための電圧印加手段を構
成するものである。

前記基準電圧源43₁の基準電圧V_SOは、本例では、通常時
には、供給空燃比が理論混合比と等しいときに前記電池
素子28₁に生ずる電圧（例えば0.45V）と前記演算増幅回
路41の非反転入力端に印加される後述の基準電圧V
_REF（例えば2.5V）との和電圧（＝2.95V）に設定されて
いるとともに、後述するO₂センサ１の劣化補正時におい
ては一時的にこれより所定値だけ高い電圧（例えば3.05
V）に切り換えられるようになっている。

差動増幅回路42₁の出力端は、切換回路44のスイッチ44₁
を介して前記酸素ポンプ素子30₁の外側電極29₁aに接続
されるようになっている。スイッチ回路44は、第２検出
素子用のスイッチ44₂をも含めて、センサ本体100の活
性、不活性の状態に応じて、更にはエンジン運転状態に
応じて制御されるものであって、センサ本体100が不活
性状態にあるときには、いずれのスイッチ44₁,44₂もオ
フに維持され、活性化されていることを条件に、エンジ
ン運転状態に応じて選択的にいずれか一方のスイッチが
オンとなるように切換制御される。即ち、図示の如く、
スイッチ44₁がオンでスイッチ44₂がオフの場合には、第
１検出素子側の使用状態となり、図示とは逆の状態にそ
れぞれ切り換えられれば第２検出素子側の使用状態とな
る。

上記スイッチ44₁がオンの場合に、酸素ポンプ素子30₁の
外側電極29₁aに加わる電圧は、後述のように、供給空燃
比が理論混合比に対してリーン側かリッチ側かで差動増
幅回路42₁の出力レベルが正または負レベルになるのに
伴ってその印加電圧値が変わり、またこれに応じて酸素
ポンプ素子30₁及びラインｌを通して後述のポンプ電流
検出抵抗に流れるポンプ電流I_Pの向き（正、負）も切り
換わる。

前記演算増幅回路41の非反転入力端には基準電圧源45が
接続されているとともに、演算増幅回路41の出力端とラ
インｌとの間、即ち演算増幅回路41の反転入力端との間
に、ポンプ電流検出用の電流検出抵抗46が接続されてい
る。従って、該抵抗46は、演算増幅回路41の負帰還路に
挿入されている。

非反転入力端子に所定の直流電位点に接続されて該非反
転入力端子の電位が基準電位に維持され、且つその反転
入力端子と出力端子との間に抵抗が接続された演算増幅
回路（オペレーションアンプ）は、増幅回路として使用
するとき、オフセット等がないとした場合には、無信号
時（差動入力が０のとき）には、出力端子の電位は上記
非反転入力端子の基準電位と等しく、また、反転入力端
子の電位も該基準電位と等しい。更に、信号が供給され
た動作時には、出力端子には負帰還抵抗の値に応じて定
まる増幅度に従って所定の電圧が出現し、且つこれは入
力信号に対応して変化する。

前記したラインｌに反転入力端が接続された演算増幅回
路41は、その非反転入力端に基準電圧源45が接続され、
酸素ポンプ素子30₁のポンプ電流I_Pが流れる電流検出抵
抗46（抵抗値は所定値R_P）が該演算増幅回路41の負帰還
抵抗として反転入力端と出力端との間に接続した構成と
してあるから、かかる構成においては、ラインｌにポン
プ電流が流れないとき、即ちI_P＝０のときは、演算増幅
回路41の出力端の電圧I_PV（即ち、ポンプ電流検出用の
抵抗46の一端側の電圧）は、上記基準電圧源45により設
定される基準電圧源電圧値V_REFに等しくなり、且つま
た、I_P＝０の場合は、反転入力端側の電圧V_CENT、即ち
上記ラインｌ上の電位であって電流検出抵抗46の他の一
端側の電圧も、上記基準電圧源電圧値V_REFに等しくなる
ようにすることができる。

上述のように、ラインｌ上の電圧、従って電流検出抵抗
46の一端の電圧V_CENTは、ポンプ電流の有無及びその変
化にかかわらず、常に、略V_REFを維持するような定電圧
特性を示すものとなり、一方、演算増幅回路41の出力端
側に接続された電流検出抵抗46の一端の電圧は、ポンプ
電流I_Pの向き（正、負）及びその大きさに応じて変化す
るので、上記電圧V_CENTは、酸素ポンプ素子30₁に流れる
電流を検出しその検出電流値を基に空燃比を算出する場
合の中心値（中心電圧）となる。

従って、上記ラインｌはアース（ボディアース）電位で
はなく、該ラインｌ及び電流検出抵抗46を含むポンプ電
流検出系は、全体としてアースから基準電圧源電圧値V
_REF分だけかさ上げされており、電流検出抵抗46の両端
電位差からポンプ電流を求める場合において上記各一端
の電圧であるV_CENT,I_PVWを用いるとき、ポンプ電流I_Pが
空燃比により正負の値を呈しても、前述の中心電圧たる
V_CENTは勿論、もう一方の端子電圧値である電圧
（I_PVW）も、常に正の電圧として取り扱うことができ
る。

上記の如く定電圧でのプル・アップによるポンプ電流検
出系の中点電位補正は、ノイズ（例えば、特にエンジン
の点火パルスノイズ等の高ノイズ）の混入による誤検出
の回避に有効である。

前記演算増幅回路41の非反転入力端に接続される基準電
圧源45の電圧値V_REFは、上記のような意味をも含めて、
所定電圧（例えば2.5V）に設定されている（V_REFとし
て、これを上記の如く2.5Vに設定するときは、前述した
差動増幅回路42₁側の基準電圧V_SOは、0.45＋2.5＝2.95V
に設定されることとなる）。

センサ本体100の第２検出素子側についても、上記と同
様の回路構成をもって第２検出素子使用時の電流検出出
力を取り出すように構成されている。

即ち、電圧印加回路、切換回路44に関しては、第２検出
素子用の差動増幅回路42₂、基準電圧源43₃及び既述した
スイッチ44₂がそれぞれ設けられ、該スイッチ44₂が酸素
ポンプ素子30₂の外側電極29₂aに接続されるとともに、
電池素子28₂及び酸素ポンプ素子30₂の各内側電極27₂b,2
9₂bがともにラインｌに接続されており、第２検出素子
使用時には、酸素ポンプ素子30₂に流れるポンプ電流I_P
が該ラインｌに流れるようになっている。

電流検出抵抗46の両端電圧である演算増幅回路41の出力
電圧I_PVW及びラインｌの電圧V_CENTは、電圧検出手段と
しての電子コントロールユニット（以下、「ECU」とい
う）４の入力ポート401に供給されるとともに、差動増
幅回路（オペレーションアンプ）47の各入力に供給され
る。

該差動増幅回路47は、定電圧特性を示す電圧V_CENTと演
算増幅回路41の出力端側の電圧I_PVWとの差電圧を増幅
し、ポンプ電流I_P値の０付近、即ち空燃比が理論空燃比
近傍での所定範囲内の値を示すときの検出電圧信号の精
度を向上させるための増幅回路であって、I_PVW信号を所
定倍α（例えば５倍）に拡大して電圧I_PVNとして取り出
す。

差動増幅回路47の出力電圧I_PVNは次式、 I_PVN＝−５（I_PVW−V_CENT）＋V_CENT …（１）で与えられ、該電圧I_PVNも入力ポート401に供給され
る。

従って、上記入力ポート401には、ポンプ電流I_Pに基づ
く空燃比の算出処理にあたって、中心電圧値を示すV
_CENTと、I_PVWと、そしてI_PVNの３種の電圧信号情報が与
えられることとなり、このうち、前２者によって電流検
出抵抗46の両端電位を検出できるので、基本的にはこれ
らV_CENT,I_PVWで足りるが、これに加えて、上述のように
I_PVN信号をも利用するときは、ポンプ電流I_Pが小さな値
を示す理論空燃比付近での精度アップが可能となる。

上記入力ポート401には、使用センサ本体の個体差に起
因する検出空燃比のばらつきを補正するための個体差補
正値情報も供給される。該情報の入力には、センサ本体
100が２素子型のものであるときには、各検出素子側に
格別に供給することができ、具体的には、第７図に示す
ように、ラベル補正抵抗48₁,48₂を用いて行う。

該ラベル補正抵抗48₁,48₂の抵抗値は、例えば標準とな
るセンサ本体を基準として比較した場合に、特性値のば
らつきに対応した値に設定されるものであり、従って、
個々のセンサ本体の特性のばらつきの程度を、その抵抗
値をもって、指標（ラベル）として表示することとな
る。しかして、該ラベル補正抵抗48₁,48₂は、使用セン
サ本体100と一対として使用され、例えばセンサ本体100
からのワイヤーハーネスの途中に介装された接続用のカ
プラに設けておき、制御系側との電気的接続に伴って、
該抵抗48₁,48₂の各一端側が所定電源電圧Vcc点と接続さ
れる構成としておけば、各他端側からそれぞれ抵抗値に
応じた個体差補正値情報を入力させることが可能であ
る。

前記ECU4の入力ポート401は、A/Dコンバータを備え、上
述した各入力信号をA/D変換しデータとして取り込むよ
うになっている。

また、ECU4には、スロットル弁開度（θ_TH）センサ10及
び吸気管内絶対圧（P_BA）センサ12からのそれぞれの出
力信号が供給され、各信号はレベル変換回路402で所定
電圧レベルに修正された後、マルチプレクサ403により
順次A/Dコンバータ404に供給される。A/Dコンバータ404
及び上記入力ポート401はデジタル信号に変換したデー
タをデータバス405を介して中央演算処理装置（以下「C
PU」という）406に供給する。

エンジン回転数（Ne）センサ14からの出力信号は波形整
形回路407で波形整形された後、TDC信号パルスとしてCP
U406に供給されるとともに、カウンタ408にも供給され
る。カウンタ408はエンジン回転数センサ14からのTDC信
号パルスの前回入力時から今回入力時までの時間間隔を
計測するもので、その計数値Meはエンジン回転数Neの逆
数に比例する。カウンタ408はこの計数値Meをデータバ
ス405を介してCUP406に供給する。

CPU406は更にデータバス405を介してリードオンリメモ
リ（以下「ROM」という）409、ランダムアクセスメモリ
（以下「RAM」という）410及び駆動回路412〜414に接続
されている。RAM410はCPU406における演算結果を一時的
に記憶し、ROM409はCPU406で実行される燃料噴射弁11の
燃料噴射時間T_OUTを算出するための制御プログラムその
他の各種のプログラム、及び各種マップ、テーブル等を
記憶している。

CPU406はROM409に記憶されている制御プログラムに従っ
てヒータ31のオン−オフ及びスイッチ44₁,44₂のオン−
オフを決定し、その結果に応じた駆動信号を、駆動回路
412,413を介してヒータ31、切換回路44に供給する。

また、CPU406は、上述した検出素子構造、回路構成のO₂
センサ１の検出信号を含む前述の各種エンジンパラメー
タ信号に基づいて、フィードバック運転領域等のエンジ
ン運転状態を判別するとともに、エンジン運転状態に応
じ、図示しない制御プログラムに従って燃料噴射弁11の
燃料噴射時間T_OUTを次式（２）に基づき、前記TDC信号
パルスに同期する燃料噴射弁の燃料噴射時間T_OUTを演算
する。

T_OUT＝Ti×K_O2×K₁＋K₂ …（２）ここにTiは基本燃料噴射時間を示し、例えば吸気管内絶
対圧P_BA及びエンジン回転数Neに応じて、前述のROM409
に記憶された図示しないTiマップから算出される。K_O2
はエンジンがフィードバック制御領域にあるとき後述す
る制御プログラム（第６図）に基づき、実際の排気ガス
中の酸素濃度に応じて設定され、エンジンがオープンル
ープ制御領域、即ちフィードバック制御領域以外の領域
にあるとき所定値に設定される空燃比補正係数である。

K₁及びK₂はそれぞれ各種エンジンパラメータ信号に応じ
て演算されるその他の補正係数及び補正変数であり、エ
ンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等
の諸特性の最適化が図られるような所要値に設定され
る。

CPU406は上記演算結果に基づく駆動信号を駆動回路414
を介して燃料噴射弁11に供給する。これにより、エンジ
ンのフィードバック運転時、供給空燃比を目標空燃比に
フィードバック制御する。

上記O₂センサによる酸素濃度の検出は、空燃比のリーン
側、リッチ側において、上記のようにしてなされる。

まず、第１図に示すように切換回路44が切り換えられて
いて第１検出素子の選択状態にあるとする。この状態に
おいては、第１検出素子使用時のセンサ出力が取り出さ
れる。

即ち、エンジンの運転に伴い、排気ガスが第１の導入孔
24₁を介して第１気体拡散室23₁へ導入されると、該気体
拡散室23₁内と大気が導入されている気体参照室26内と
の間に酸素濃度差が生ずる。該酸素濃度差に応じて電池
素子28₁の電極27₁a,27₁bの間に電圧が発生し、該電極27
₁a,27₁b間電圧と上記ラインｌ電圧V_CENTとが加算された
電圧が差動増幅回路42₁の反転入力端に供給される。前
述したように該差動増幅回路42₁の非反転入力端に供給
される基準電圧V_SOは、供給空燃比が理論混合比に等し
いときに電池素子28₁に生ずる電圧と前記演算増幅回路4
1側の基準電圧源電圧値V_REFとの和電圧に設定されてい
る。

したがって、供給空燃比がリーン側にあるときには、電
池素子28₁の電極27₁a,27₁b間発生電圧が低下し、一方、
ラインｌの電圧V_CENTは上記V_REFに維持されることか
ら、電極27₁a,27₁b間電圧と電圧V_CENTとの加算電圧が基
準電圧V_SOより小さくなる。これにより、差動増幅回路4
2₁の出力レベルが正レベルとなり、この正レベル電圧が
スイッチ44₁を介して酸素ポンプ素子30₁に印加される。
この正レベル電圧の印加によって、酸素ポンプ素子30₁
が活性状態にあるときには、気体拡散室23₁内の酸素が
イオン化して電極29₁b,第２の壁部22及び電極29₁aを介
して放出されることにより、O₂センサ１の外部へ汲み出
されるとともに、ポンプ電流I_Pが電極29₁aから電極29₁b
に向かって流れ、ラインｌを通して電流検出抵抗46を流
れる。この場合は、ポンプ電流I_Pは、ラインｌ側から演
算増幅回路41の出力端側に向かう方向で該抵抗46中を流
れることとなる。

一方、供給空燃比がリッチ側にあるときには、電池素子
28₁の電極27₁a,27₁b間電圧とラインｌ上の電圧V_CENTと
の加算電圧が基準電圧V_SOより大きくなることにより、
差動増幅回路42₁の出力レベルが負レベルとなり、上述
と逆の作用によって、外部の酸素が酸素ポンプ素子30₁
を介して気体拡散室23₁内へ汲み込まれるとともに、ポ
ンプ電流I_Pが電極29₁bから電流29₁aに向かって流れる。
この場合には、ラインｌ上のポンプ電流I_Pの方向は反転
し、上述のリーン側の場合とは逆の向きでポンプ電流I_P
が電流検出抵抗46中を流れる。

また、供給空燃比が理論混合比に等しいときは、電池素
子28₁の電極27₁a,27₁b間電圧と電圧V_CENTとの加算電圧
が基準電圧V_SOと等しくなることにより、上述のような
酸素の汲出及び汲込は行われず、したがってポンプ電流
は流れない（即ちこの場合には、ポンプ電流I_PはI_P＝０
である）。

以上のように、気体拡散室23₁内の酸素濃度が一定とな
るように酸素の汲出及び汲込が行われ、ポンプ電流が流
れるので、このポンプ電流値I_Pは供給空燃比のリーン側
及びリッチ側において、排気ガスの酸素濃度に夫々比例
するものとなる。

電流検出抵抗46に流れるポンプ電流I_Pの大きさを検出す
るための信号は、該抵抗46の両端電圧を示す電圧I_PVW信
号、電圧V_CENT信号更には電圧I_PVN信号としてECU4に供
給される。

第２検出素子使用時（即ち、切換回路44が第１図の切換
状態と逆の状態に切り換えられた場合）にも、上記した
第１検出素子の場合と同様の動作により第２の気体拡散
室23₂内の酸素濃度が一定となるように酸素の汲出及び
汲入が行われて、即ち電池素子28₂の電極対27₂a,27₂b間
電圧が一定となるようにフィーバックがかけられて、そ
のとき流れるポンプ電流値I_Pを検出するための上記３種
の各電圧信号が第２検出素子使用時の出力としてECU4に
供給されることになる。

第３図は本発明に係る、O₂センサ１の出力の劣化補正を
行うサブルーチンのフローチャートを示す。本プログラ
ムはTDC信号パルスの発生毎に実行される。

まず、ステップ301乃至309においてエンジンの運転状態
及び空燃比の制御状態から劣化補正を行うべき条件が成
立しているか否かを判別する。

即ち、ステップ301ではエンジン回転数Neが高回転状態
を表す所定回転数Ne_RR（例えば,5,000rpm）より小さい
か否かを判別する。この答が否定（No）、即ちNe≧Ne_RR
が成立し、エンジンが高回転状態にあるときには劣化補
正を行うべき条件が成立していないと判断して後述のス
テップ321に進む。

前記ステップ301の答が肯定（Yes）、即ちNe＜Ne_RRが成
立してエンジンが高回転状態にないときには、ステップ
302乃至304においてエンジンの運転状態が安定している
か否かを判別する。即ち、エンジン回転数，スロットル
弁開度及び吸気管内絶対圧のそれぞれの変化量ΔNe,Δ
θ_TH及びΔP_BAがその所定値ΔN_SS（例えば10rpm），Δ
θ_SS（例えば0.5度）及びΔP_SS（例えば5mmHg）よりそ
れぞれ小さいか否かを判別する（ステップ302乃至30
4）。これらの変化量ΔNe,Δθ_TH及びΔP_BAは今回ルー
プと前回ループとの間の、即ちTDC信号パルスの今回発
生時と前回発生時との間の各パラメータ値の偏差であ
る。ステップ302乃至304の答のいずれかが否定（No）、
即ちΔNe≧ΔN_SS,Δθ_TH≧Δθ_SS又はΔP_BA≧ΔP_SSのい
ずれかが成立するときにはエンジンの運転状態が安定し
ていないとして後述のステップ321に進み、劣化補正を
行わないものとする一方、いずれもが肯定（Yes）、即
ちΔNe＜ΔN_SS,Δθ_TH＜Δθ_SS及びΔP_BA＜ΔP_SSが成立
するときにはエンジンの運転状態が安定していると判断
してステップ305以下に進む。

次にステップ305及び306では目標空燃比に相当する目標
空燃比係数K_CMD（以下「目標係数」という）が所定範囲
内にあるか否か、即ち値1.0より大なるリッチ側の第１
及び第２の所定値K_RLS及びK_RRS（それぞれ例えば1.1及
び1.3）に対してK_RLS＜K_CMD＜K_RRSが成立するか否か
（ステップ305）及び値1.0より小なるリーン側の第１及
び第２の所定値K_LLS及びK_LRS（それぞれ例えば0.7及び
0.9）に対してK_LLS＜K_CMD＜K_LRSが成立するか否か（ス
テップ306）をそれぞれ判別する。

この目標係数K_CMDは図示しないサブルーチンに基づきエ
ンジンの運転状態に応じて、目標空燃比が理論混合比
（例えば14.7）のときに値1.0に設定され、これよりリ
ッチ側にあるほど、1.0を上回るより大きな値に、リー
ン側にあるほど、０より大で1.0未満のより小さな値に
目標空燃比に応じて設定されるものである。

前記ステップ305及び306の答がいずれも否定（No）、即
ちK_RLS＜K_CMD＜K_RRS及びK_LLS＜K_CMD＜K_LRSのいずれも成
立せず、目標係数K_CMDが所定範囲にないときには空燃比
が安定状態にないとしてステップ321に進む一方、いず
れかが肯定（Yes）即ち目標係数K_CMDがリッチ側又はリ
ーン側の所定範囲内にあるときにはステップ307に進
む。また、目標空燃比が理論混合比のときに相当するK
_CMD＝1.0近傍が前記所定範囲に含まれていない、即ち劣
化補正を行わないのは、このときポンプ電流I_Pが値０近
傍となることにより正確な補正を行うことが困難なため
である。

前記ステップ307では目標係数K_CMDの変化量ΔK_CMDがそ
の所定値DK_SS（例えば0.05）より小さいか否かを判別
し、この答が否定（No）、即ちΔK_CMD≧DK_SSが成立する
ときには目標空燃比の変動が大きいと判断して前記ステ
ップ321に進む。

前記ステップ307の答が肯定（Yes）、即ちΔK_CMD＜DK_SS
が成立するときには、目標係数K_CMDの今回ループより所
定数Ｐ回前のループ時の値K_CMD(n-P)と実係数K_ACTの今
回値K_ACTnとの偏差の絶対値|K_CMD(n-P)−K_ACTn|がその
所定値DK_TT（例えば0.05）より小さいか否かを判別する
（ステップ308）。上記実係数K_ACTはO₂センサ１によっ
て検出された実際の供給空燃比に相当するものであり、
第４図に示すテーブルに基づき、ポンプ電流値I_Pから求
められる電圧変換値V_OUTに応じて第１検出素子に対して
K_ACT1が、第２検出素子に対してK_ACT2がそれぞれ求めら
れる。また、K_ACT値は、理論混合比のときには値1.0
に、リッチ側のときには値1.0より大なる値に、逆にリ
ーン側のときには1.0より小なる値とされ、空燃比に対
してそのリーン側からリッチ側において傾き一定のリニ
アな特性を呈するように設定されている。

前記ステップ308の答が否定（No）、即ち|K_CMD(n-P)−K
_ACTn|≧DK_TTが成立するときには、劣化補正を行う条件
が成立していないとして前記ステップ321に進む。この
ように、目標空燃比と実際の供給空燃比との偏差が大き
いときに、O₂センサ１の劣化補正を行わないとすること
により、前述した高温再始動時等において該補正の実行
中に供給空燃比が変化することに起因する不正確な補正
が行われる事態を回避でき、したがって劣化補正の精度
を向上させることができる。また、このように劣化補正
を中止し、この間フィードバック制御を行うことによ
り、目標空燃比に対する供給空燃比の収束が早められ、
該制御の応答性の向上を図れる。

なお、目標空燃比と実際の供給空燃比との偏差を判別す
るのに、ステップ308においてK_CMD値として所定数Ｐ回
前の値をとるのは空燃比制御系の遅れを考慮したもので
ある。第５図はこの所定数Ｐを設定するテーブルを示
す。同図から明らかなように所定数Ｐは吸気管内絶対圧
P_BAに応じて定められ、該P_BA値が低圧側の基準値P_BL以
下のときには第１の所定値P_H（例えば20）に、高圧側の
基準値P_BH以上のときには第１の所定値P_Hより小なる第
２の所定値P_Lに設定され、両基準値間では補間計算によ
って求められる。前述したように本プログラムはTDC信
号パルスの発生毎に実行されるので、制御系の遅れはエ
ンジン回転数Ne及び吸気管内絶対圧P_BAに応じて定めら
れることとなる。

前記ステップ308の答が肯定（Yes）、即ち|K_CMD(n-P)−
K_ACTn|＜DK_TTが成立するときには、空燃比補正係数K_O2
の変化量ΔK_O2がその所定値DK_UU（例えば0.05）より小
さいか否かを判別する（ステップ309）。該空燃比補正
係数K_O2は、供給空燃比を実際に補正するために適用さ
れるものであり、後述するサブルーチン（第６図）に基
づき、目標係数K_CMDと実係数K_ACTとの偏差に応じて求め
られる。前記ステップ309の答が否定（No）、即ちΔK_O2
≧DK_UUが成立するときには、供給空燃比が安定していな
いと判断して前記ステップ321に進む一方、肯定（Ye
s）、即ちΔK_O2＜DK_UUが成立するときには、これまでの
判別結果から劣化補正を行うべき条件が成立していると
判断してステップ310以下に進む。

このステップ310乃至320では先ず劣化補正を行うための
ポンプ電流値I_P0の加算処理（以下単に「加算処理」と
いう）を行う。即ち、先ずステップ310では、制御変数
Ｍが値０に等しいか否かを判別する。この制御変数Ｍは
ECU4のイニシャライズ時において及び該加算処理の終了
時に後述のステップ320において値０にセットされるも
のである。前記ステップ310の答が肯定（Yes）、即ち加
算処理を行っていないときには、ステップ311に進み、
該制御変数Ｍを値１にセットし、第１検出素子の選択状
態にするとともに、この状態を表すためにフラグFLG
_LCNTを値１にセットする。また、ポンプ電流の加算値I
_P0n（ｎ＝１〜４）をすべて値０にリセットするととも
に、この処理番号ｎを値１にセットする。また、この場
合の差動増幅器24₁及び42₂の基準電圧源43₁及び43₂の基
準電圧V_SOは2.95Vに設定されている。

次に、ステップ312ではゼロ点補正を行うために演算増
幅回路41の出力電圧値I_PVWからその中心電圧値V_CENTを
差し引いてポンプ電流値に相当する電圧値I_P0を求める
（以下、このI_P0値を「ポンプ電流値」という）。次い
で、このポンプ電流値I_P0を今回ループまでに得られた
加算値I_P0nに加算して新たな加算値I_P0nを求め（ステッ
プ313）、前記制御変数Ｍに値１を加算する（ステップ3
14）。次いで、該制御変数Ｍが所定値M_CAL（例えば20）
に等しいか否かを判別し（ステップ315）、この答が否
定（No）のときにはステップ321に進み、FLG_FULLが値１
にセットされているか否かを判別し、この答が否定（N
o）のときには本プログラムを終了する。このフラグFLG
_FULLはECU4のイニシャライズ時に０にリセットされると
ともに、後述するように加算値I_P01〜I_P04の加算処理が
すべて完了した直後にステップ320において値１にセッ
トされるものである。したがって、前記ステップ315の
答が肯定（Yes）、即ちＭ＝M_CALが成立するまでは前記
ステップ312〜314の加算処理が繰り返し実行され、処理
番号ｎ＝１に対応する加算値I_P01がポンプ電流値I_P0のM
_CAL回の加算和として求められる。

前記ステップ315の答が肯定（Yes）、Ｍ＝M_CALが成立し
たときにはステップ316に進み、第２検出素子の選択状
態に切り換えるとともに、この状態を表すために前記フ
ラグFLG_LCNTを反転し、即ち値０にセットするととも
に、制御変数Ｍを値１に再設定し、更に処理番号ｎに値
１を加算してｎ＝２とする。

次に処理番号ｎが値２より大きいか否かを判別し（ステ
ップ317）、この答が否定（No）のときには前記ステッ
プ321に進む。この場合はｎ＝２であるのでステップ317
の答が否定（No）となるとともにステップ321の答も否
定（No）となるので、前記ステップ312〜314が繰り返し
実行され、ｎ＝２に対応するI_P02が前述したI_P01値と同
様にポンプ電流値I_P0のM_CAL回の加算和として求められ
る。

制御変数Ｍ＝M_CALが成立し、前記ステップ315の答が再
び肯定（Yes）となると、前記ステップ316の実行によ
り、再び第１検出素子の選択状態に切り換えられ前記フ
ラグFLG_LCNTを反転するとともに（FLG_LCNT＝１）、制御
変数Ｍを値１に設定し、処理番号ｎに値１を加算してｎ
＝３とする。この場合、前記ステップ317の答が肯定（Y
es）、即ちｎ＞２が成立するのでステップ318に進む。

このステップ318では2.95Vに設定されていた基準電圧源
43₁及び43₂の基準電圧V_SOを3.05Vに切り換え、これを表
すために、ECU4のイニシャライズ時に値０にセットされ
ていたフラグFLG_VSCNTを値１にセットする。次に、処理
番号ｎが値４より大きいか否かを判別し（ステップ31
9）。この答が否定（No）のときには前記ステップ321に
進む。したがって、これまでの説明から明らかなよう
に、ｎ＝３に対応する加算値I_P03及びｎ＝４に対応する
加算値I_P04が、それぞれポンプ電流値I_P0のM_CAL回の加
算和として求められる。

この実行が終了すると前記ステップ316の実行により、
処理番号ｎはｎ＝５となり、前記ステップ319の答が肯
定（Yes）、即ちｎ＞４となる。これによりポンプ電流
値I_P0の加算処理がすべて完了したとしてステップ320に
進み、制御変数Ｍ及びフラグFLG_VSCNTを値０に、フラグ
FLG_FULLを値１にそれぞれセットするとともに、前記加
算された加算値I_P01〜I_P04をRAM410に格納、記憶しステ
ップ321に進む。以上のようにポンプ電流値I_P0の加算値
I_P01〜I_P04が下表に示すように検出素子の選択状態及び
差動増幅器42₁,42₂の基準電圧源43₁,43₂の基準電圧V_SO
の組合せに対応してそれぞれ算出、記憶される。

前記ステップ321ではフラグFLG_FULLが値１にセットされ
ているか否かを判別する。この場合は前記ステップ320
の実行によりその答が肯定（Yes）となり、該フラグFLG
_FULLを値０にリセットした後（ステップ322）、ステッ
プ323以下に進み劣化補正を行う。

まず、ステップ323では前述した第１検出素子側及び第
２検出素子側のラベル抵抗情報から求められるラベル抵
抗補正係数K_LBL1R及びK_LBL2Rを用い、次式（３）に従っ
て劣化補正の基準値C_BASEを算出する。

ここにC_RATIOは第１検出素子と第２検出素子との拡散抵
抗の相違を予測して予め設定される定数である。

次に、第１検出素子の出力を補正する第１の劣化補正係
数K_CAL1の暫定値K_CAL0を次式（４）に従って算出する
（ステップ324）。

この暫定値K_CAL0は今回の劣化補正時における第１検出
素子の出力のいずれを表すものであり、前記第１の劣化
補正係数K_CAL1及び後述する第２の劣化補正係数K_CAL2と
ともにECU4のイニシャライズ時にバックアップRAMに値
1.0にセットされている。

次に、前記第１の劣化補正係数K_CAL1を次式（５）に従
って算出する（ステップ325）。

ここにＡは定数、C_LAFは１〜Ａのうち実験的に適切な値
に設定される平均化定数、K_CAL1′は前回までに得られ
たK_CAL1値である。平均化定数C_LAFの値によってK_CAL1′
値に対するK_CAL0値の割合が変化するので、この定数C
_LAFを、対象とされるO₂センサ、空燃比フィードバック
制御装置等の仕様に応じて適切な値に設定することによ
り、劣化補正の速度を最適に制御することができる。

次に、第２検出素子の出力を補正する第２の劣化補正係
数K_CAL2を次式（６）に従って算出する（ステップ32
6）。

次いで、第１の劣化補正係数K_CAL1がその下限値K
_CALL（例えば0.4）より大きく且つ上限値K_CALH（例えば
1.6）より小さいか否かを判別する（ステップ327）。第
１の劣化補正係数K_CAL1は劣化がない場合には値1.0とな
るべきものであるので、前記ステップ327の答が否定（N
o）、即ちK_CAL≦K_CALL又はK_CAL≧K_CALHが成立するとき
には、本来の値から大きくずれておりO₂センサ１の劣化
の度合が著しいと判断し、このことを表すためにステッ
プ328に進み、フラグFLG_LAFERR0Rを値１にセットして本
プログラムを終了する。この場合には例えば警告灯を点
灯して運転者に警告が行われる。

前記ステップ327の答が肯定（Yes）、即ちK_CALL＜K_CAL
＜K_CALHが成立するときには、ポンプ電流値I_P0の第１及
び第３の加算値I_P01及びI_P03の偏差並びに第２及び第４
の加算値I_P02及びI_P04の偏差がそれぞれの所定値DI_VS1
及びDI_VS2より小さいか否かを判別する（ステップ329及
び330）。この判別は第８図に示す、この種のセンサの
前述した出力特性に基づき、第１及び第２検出素子にお
いて差動増幅器42₁又は42₂の基準電圧V_SOが異なる場
合、即ち印加電圧が異なる場合のポンプ電流値I_P0の値
の偏差の大きさを判別するものである。したがって前記
ステップ329又は330の答のいずれかが否定（No）、即ち
I_P01−I_P03≧DI_VS1又はI_P02−I_P04≧DI_VS2が成立すると
きには、O₂センサ１の劣化の度合が著しいと判断し、前
記ステップ328を実行して本プログラムを終了する。

この場合、本発明にあっては第１及び第２検出素子の電
池素子28₁,28₂と対応する酸素ポンプ素子30₁,30₂とがそ
れぞれ別個に設けられており、ポンプ電流I_Pが電池素子
28₁,28₂に流れないので、ポンプ電流I_Pによって該電池
素子28₁,28₂の内部抵抗に基づく電圧降下が生ずること
はなく、したがって正確な印加電圧とポンプ電流値I_P0
との関係に基づいて劣化の判定を精度良く行える。

第６図は第３図のサブルーチンのステップ309で適用さ
れる空燃比補正係数K_O2の算出サブルーチンのフローチ
ャートを示す。本プログラムはTD信号パルスの発生毎に
実行される。

まずステップ601では空燃比補正係数K_O2の前回更新後、
TDC信号パルスが所定回数NITDC（例えば４）発生したか
否かを判別し、この答が否定（No）のときにはK_O2値を
前回ループ時までに得られた値に保持して（ステップ60
2）、本プログラムを終了し、K_O2値の更新をTDC信号パ
ルスがNITDC回発生する毎に行うようにする。

前記ステップ601の答が肯定（Yes）のときには、第３図
のステップ308と同様に目標係数K_CMDの今回ループより
所定数Ｐ回前のループ時の値K_CMD(n-P)と実係数K_ACTの
今回値K_ACTnとの偏差K_CMD(n-P)−K_ACTnを算出し、この
偏差が所定値DK_AEより大きいか否かを判別する（ステッ
プ603）。この答が肯定（Yes）、即ちK_CMD(n-P)−K_ACTn
＞DK_AEが成立するときには、該偏差をそのまま目標係数
と実係数との偏差ΔK_AFとした後（ステップ604）、否定
（No）、即ちK_CMD(n-P)−K_ACTn≦DK_AEが成立するときに
は、目標空燃比と実空燃比との差が小さいとして偏差Δ
K_AFを値０に設定し（ステップ605）、フィードバック制
御の安定化を図るようにして、ステップ606に進む。

このステップ606ではエンジン回転数Neに応じて、ROMに
記憶された図示しないテーブルから比例制御項，積分制
御項及び微分制御項のそれぞれの係数KP,KI及びKDを選
択する。次いで、該選択された係数KP,KI及びKD並びに
前記ステップ604又は605で算出された偏差ΔK_AFを適用
して次式（７），（８）及び（９）に従って比例制御項
K_O2P_n,積分制御項K_O2I_n及び微分制御項K_O2D_nを算出する
（ステップ607）。

K_O2P_n＝KP×ΔK_AF …（７） K_O2P_n＝K_O2I_n-1＋KI×ΔK_AF …（８） K_O2D_n＝KD×（ΔK_AFn-1−ΔK_AFn） …（９）次いで該算出された比例，積分及び微分制御項K_O2P_n,K
_O2I_n及びK_O2D_nの加算和として空燃比補正係数K_O2を算出
して（ステップ608）本プログラムを終了する。

なお、本実施例においては第１及び第２検出素子を備え
るO₂センサの例を示したが、本発明はこれに限らず検出
素子を１個のみ、即ち電池素子及び酸素ポンプ素子をそ
れぞれ１個備えるものに適用することも勿論可能であ
る。

（発明の効果）以上詳述したように本発明によれば、ポンプ電流によっ
て電池素子の内部抵抗に基づく電圧降下が生ずることは
ないので、正確な印加電圧とポンプ電流値との関係に基
づいて酸素濃度検出装置の劣化を判定でき、したがって
該劣化判定の精度を向上させることができる等の効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は本発明の劣化
判定方法を適用した酸素濃度検出装置を含む燃料供給制
御装置の全体構成図、第２図はO₂センサのセンサ本体を
示す斜視図、第３図は本発明に係る、O₂センサの出力補
正を行うサブルーチンのフローチャート、第４図は第３
図のサブルーチンで適用される係数K_ACTのテーブルを示
す図、第５図は第３図のサブルーチンで適用されるTDC
信号パルスの所定数Ｐのテーブルを示す図、第６図は空
燃比補正係数K_O2を算出するサブルーチンのフローチャ
ート、第７図はラベル補正抵抗の結線状態を示す図、第
８図は印加電圧に対するポンプ電流特性を示す図であ
る。１……O₂センサ（酸素濃度検出装置）、４……電子コン
トロールユニット（ECU）（電圧検出手段）、21,22……
酸素イオン伝導性固体電解質壁部、23₁,23₂……第1,第
２気体拡散室（拡散制限域）、24₁,24₂……第1,第２の
導入孔（第1,第２気体拡散制限手段）、27₁a,27₁b,27
₂a,27₂b,29₁a,29₁b,29₂a,29₂b……電極、28₁,28₂……電
池素子、30₁,30₂……酸素ポンプ素子、42₁,42₂……差動
増幅器（電圧印加手段）、46……電流検出抵抗、V_SO…
…基準電圧（所定基準電圧）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素イオン伝導性固体電解質材及びこれを
挟む一対の電極から各々が構成され且つ相互間に拡散制
限域を形成する酸素ポンプ素子及び電池素子からなる酸
素濃度検出素子と、前記酸素ポンプ素子に直列に接続さ
れた電流検出抵抗と、前記電池素子の電極間に発生する
センサ電圧の所定基準電圧からの偏差に応じた大きさの
電圧を前記酸素ポンプ素子及び電流検出抵抗の直列回路
に印加する電圧印加手段と、前記電流検出抵抗を流れる
ポンプ電流値を電圧信号として検出する電圧検出手段と
からなる酸素濃度検出装置の劣化判定方法において、前
記所定基準電圧を変更したときの前記ポンプ電流値の偏
差を検出し、該検出値が所定値以上のとき前記酸素濃度
検出装置が劣化したと判定することを特徴とする酸素濃
度検出装置の劣化判定方法。