JP4110603B2

JP4110603B2 - Failure determination device for heater control system used in gas concentration sensor

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Publication number: JP4110603B2
Application number: JP02360098A
Authority: JP
Inventors: 友生川瀬; 英一黒川; 山下　　幸宏; 哲志長谷田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-04-23
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: JPH116812A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度センサに用いるヒータ制御系の故障判定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車への応用をはじめとするガス濃度検出装置において、ガス濃度センサを用いた同検出装置が提案されており、その一例として空燃比センサを用いた空燃比検出装置が知られている。
【０００３】
つまり、近年の車載用エンジンでは、エンジンに吸入される混合気の空燃比（排ガス中の酸素濃度）を広域に且つリニアに検出するリニア式空燃比センサが適用されており、この種のセンサとして例えば限界電流式空燃比センサでは、空燃比（酸素濃度）を精度良く検出するためにセンサ素子の温度を所定の活性温度に維持する必要がある。そのため、通常はセンサにヒータを付設し、同ヒータの通電を所定のデューティ比信号にて制御している。
【０００４】
また最近では、自動車の排出ガスに関するこの種のセンサについて、ヒータ制御系の機能を監視することが法的に規定されつつあり、この規定は今後さらに強化される傾向にある。こうした状況下において、特開平５−１９５８４３号公報の「酸素測定センサのヒータの機能能力を監視する方法及び装置」といった技術が提案されている。同公報の装置では、酸素測定センサのヒータに印加される電圧をヒータ通電時及び遮断時に測定し、その測定した電圧の差が所定範囲外となった時に故障信号を出力するように構成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の装置では、ヒータに印加される電圧値（電源電圧）に基づき故障の有無を判定することが主たる構成となっており、ヒータ制御系の故障箇所や故障モードを特定することに関しては未だ不十分であった。従って、故障発生後に修理工場等に持ち込まれた自動車は、故障原因が何でありどこを修理すればよいかを調査するために、制御回路の検査やハーネス検査（導線やコネクタの検査を含む）等の様々な調査が強いられることになる。そのため、保守や点検に煩雑な作業や多大な時間を要し、メンテナンス性が悪いという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、ヒータ制御系の故障発生時においてその旨を正確に判定すると共に、故障箇所を特定することができるガス濃度センサに用いるヒータ制御系の故障判定装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明ではその特徴として、ガス濃度センサに付設され、電源からの電力供給により通電されるヒータと、前記ヒータへの通電を所定の制御デューティ比にてオン・オフ制御するヒータ制御手段とを備えるヒータ制御系に適用される故障判定装置として、ヒータに並列に接続され、ヒータの両端電圧を所定の制御デューティ比によるオン・オフ制御に伴うヒータ通電時並びに非通電時に検出する電圧検出手段と、ヒータに直列に接続され、ヒータに流れる電流を同じく所定の制御デューティ比によるオン・オフ制御に伴うヒータ通電時並びに非通電時に検出する電流検出手段と、前記検出したヒータ通電時の電圧及び電流とヒータ非通電時の電圧及び電流とからなる４つの値を各々に所定のしきい値にて大小比較し、該比較した４つの値のうちいずれが正常時の値と異なるか、それら４つの値の組み合わせに応じて故障の有無を判定すると共に当該ヒータ制御系を構成する回路中の故障箇所を特定する故障判定手段とを備える。
【０００８】
上記構成によれば、ヒータ通電時の電圧及び電流と、ヒータ非通電時の電圧及び電流とからなる４つの値を検出し、各々に所定のしきい値と比較判定することで、既存の装置では不十分であったヒータ制御系の故障箇所の特定が可能となる。つまり、ヒータ制御系の故障発生時においてその旨を正確に判定すると共に、故障箇所を細部にまで特定することができるようになる。かかる場合において、故障発生の旨が判定された際には、例えば故障警告灯（ＭＩＬ：Malfunction indicator light ）が点灯され、この警告に従い故障発生の車両が修理工場等に持ち込まれる。そして、上記故障箇所の特定結果を用いることにより、実際の修理までに要する故障箇所の特定作業が大幅に簡素化できるようになる。その結果、メンテナンス性や作業性が向上するという効果も得られる。
【０００９】
因みに、上記の如く特定される故障情報は、電源の遮断後にもそのデータを保持するバックアップメモリ等に記憶され、修理工場等において随時ダイアグチェッカにて読み出される。
【００１０】
また、上記請求項１の発明は、次の請求項２〜請求項５のように具体化される。すなわち、
・請求項２に記載の発明では、前記故障判定手段は、前記ヒータの電源側，グランド側電気経路と前記ヒータとを結ぶ電気経路が開放されるような故障を特定する。
・請求項３に記載の発明では、前記故障判定手段は、前記ヒータと前記電圧検出手段とを結ぶ電気経路が開放されるような故障を特定する。
・請求項４に記載の発明では、前記故障判定手段は、前記ヒータのグランド側の電気経路が短絡される故障（ＧＮＤショート）、すなわち半導体スイッチング素子のオン・オフにかかわらず、ヒータが通電されっ放しとなる故障を特定する。
・請求項５に記載の発明では、前記故障判定手段は、電源、ヒータ及びグランドを結ぶ電気経路を断続するための半導体スイッチング素子のオン・オフ切換えが不能となる故障、すなわち常時オンの故障或いは常時オフの故障を特定する。請求項２〜５の構成によれば、発生頻度が比較的高い故障、又は優先度が比較的高い故障についてその故障箇所を特定することが可能となる。
【００１１】
故障形態の事例を図４の回路図を用いて簡単に説明すれば、
・上記請求項２では、図４のＡ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｇ各部の断線といった故障が検出できる。
・上記請求項３では、図４のＢ，Ｅ各部の断線といった故障が検出できる。
・上記請求項４では、図４のＤ，Ｅ，Ｆ各部の短絡といった故障が検出できる。
・上記請求項５では、トランジスタ２６のオン故障又はオフ故障が検出できる。
【００１２】
請求項６に記載の発明では、エンジン始動に伴う前記ヒータの通電当初において、ヒータの制御デューティ比を１００％とする全通電手段と、前記全通電手段によるヒータ通電の開始前に、ヒータの両端電圧と電流値とを検出すると共に、その検出後、ヒータ通電を開始して両端電圧と電流値とを検出する初期値検出手段とを備え、前記故障判定手段は、前記初期値検出手段により検出された電圧及び電流の各値に応じて故障判定を実施する。
【００１３】
つまり、エンジンの低温始動時には、ガス濃度センサ（例えば空燃比センサ）をいち早く活性化させるべくヒータの制御デューティ比が１００％に設定され、当該ヒータが継続的に通電される（１００％通電される）。この場合、１００％通電が実施されていると、故障が発生していてもヒータ非通電時の電圧及び電流が検出できず、正確な故障判定が不可能になる。これに対し上記構成では、通電開始前にヒータ非通電時の電圧及び電流を検出しておくことで、ヒータ通電時の電圧及び電流と、ヒータ非通電時の電圧及び電流とからなる４つの値を検出することが可能となり、既述のような所望の故障判定が実施できる。
【００１４】
請求項７に記載の発明では、前記初期値検出手段による電圧及び電流の各検出値に応じて故障発生の旨が判定された場合、ヒータの両端電圧と電流値とが検出可能な最小時間だけヒータ通電を遮断するよう制御デューティ比を設定する手段と、該設定された制御デューティ比にてヒータ通電を制御し、その状態でヒータ制御系の故障発生の旨が所定時間以上継続して判定されれば、最終的に故障発生であることを確定する手段とを備える。この場合、請求項６の発明に比べて、より正確な故障判定が可能になる。つまり、最初に故障発生の旨が判定された際に、その判定結果を仮の判定結果とし、その後、ヒータの両端電圧と電流値とが検出可能な最小時間だけヒータ通電を遮断することで、エンジン始動当初の一時的な故障判定時にも故障の誤判定を回避することができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明では、前記ヒータ制御手段による制御デューティ比を所定の下限ガード値若しくは上限ガード値にて制限するようにしている。この場合、ヒータの通電状態或いは非通電状態が継続されることがないため、ヒータ通電時の電圧及び電流と、ヒータ非通電時の電圧及び電流とからなる４つの値を常に検出することが可能となり、既述のような所望の故障判定を実施することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を空燃比検出装置に具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。なお、本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載される電子制御ガソリン噴射エンジンに適用されるものであって、同エンジンの空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結果に基づいてエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の記載では、ガス濃度センサとしての限界電流式空燃比センサについて、同センサに付設されたヒータの通電制御手順、並びにヒータ制御系の故障判定手順を詳細に説明すると共に、それらの処理を実現するための具体的構成について説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図である。図１において、空燃比検出装置は限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）３０を備えている。Ａ／Ｆセンサ３０は、エンジン１０のエンジン本体１１から延びる排気管１２に取り付けられており、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという）２０から指令される電圧の印加に伴い、排気ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号（センサ電流信号）を出力する。マイコン２０は、各種演算処理を実行するための周知のＣＰＵ２０ａ，ＲＯＭ２０ｂ，ＲＡＭ２０ｃ、バックアップＲＡＭ２０ｄ等により構成され、所定の制御プログラムに従いヒータ制御回路２５及びバイアス制御回路４０を制御する。なお前記バックアップＲＡＭ２０ｄは、マイコン２０への電源遮断後にも内部の記憶情報を保持することのできるメモリとして構成されている。
【００１８】
ここで、マイコン２０から出力されるバイアス指令信号Ｖｒは、Ｄ／Ａ変換器２１を介してバイアス制御回路４０に入力される。その時々の空燃比（酸素濃度）に対応するＡ／Ｆセンサ３０の出力は、バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０にてセンサ電流として検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。マイコン２０は、Ａ／Ｆセンサ３０のヒータ３３を所定の制御デューティ比信号によりＯＮ・ＯＦＦ制御する。そして、ヒータ３３のＯＮ・ＯＦＦに伴うヒータ電圧及びヒータ電流は、後述するヒータ制御回路２５にて検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２４を介してマイコン２０に入力される。また、マイコン２０には、故障発生の旨を自動車の搭乗者に知らしめるための故障警告灯４２が接続されており、この警告灯４２は、後述する故障判定処理の判定結果に応じて点灯又は消灯される。
【００１９】
図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の概略を示す断面図である。図２において、Ａ／Ｆセンサ３０は前記排気管１２の内部に向けて突設されており、同センサ３０は大別して、カバー３１、センサ本体３２及びヒータ３３から構成されている。カバー３１は断面コ字状をなし、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔３１ａが形成されている。センサ素子部としてのセンサ本体３２は、空燃比リーン領域における酸素濃度、若しくは空燃比リッチ領域における未燃ガス（ＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等）濃度に対応する限界電流を発生する。
【００２０】
センサ本体３２の構成について詳述する。センサ本体３２において、断面コップ状に形成された固体電解質層３４の外表面には、排気ガス側電極層３６が固着され、内表面には大気側電極層３７が固着されている。また、排気ガス側電極層３６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体電解質層３４は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなり、拡散抵抗層３５は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。排気ガス側電極層３６及び大気側電極層３７は共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなりその表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。なお、排気ガス側電極層３６の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ^2（平方ミリメートル）及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一方、大気側電極層３７の面積及び厚さは、１０ｍｍ^2（平方ミリメートル）以上及び０．５〜２．０μｍ程度となっている。
【００２１】
ヒータ３３は大気側電極層３７内に収容されており、その発熱エネルギによりセンサ本体３２（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排気ガス側電極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３は、センサ本体３２を活性化するに十分な発熱容量を有している。
【００２２】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ本体３２は理論空燃比点よりリーン領域では酸素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排気ガス側電極層３６の面積、拡散抵抗層３５の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、センサ本体３２は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体３２を活性化するのに約６００℃以上の高温が必要とされると共に、同センサ本体３２の活性温度範囲が狭いため、エンジン１０の排気ガスのみによる加熱では素子温を活性領域に制御できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ３３への供給電力をデューティ制御することにより、センサ本体３２を活性温度域にまで加熱するようにしている。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ本体３２はＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【００２３】
センサ本体３２の電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）について図３を用いて説明する。図３によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の検出Ａ／Ｆに比例するセンサ本体３２の固体電解質層３４への流入電流と、同固体電解質層３４への印加電圧とがリニアな特性を有することが分かる。かかる場合、電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体３２の限界電流を特定する限界電流検出域であって、この限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆの増減（すなわち、リーン・リッチ）に対応している。つまり、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少する。
【００２４】
このＶ−Ｉ特性において電圧軸Ｖに平行な直線部分（限界電流検出域）よりも小さい電圧域は抵抗支配域となっており、その抵抗支配域における一次直線部分の傾きは、センサ本体３２における固体電解質層３４の内部抵抗（以下、これを素子インピーダンスＺｄｃという）により特定される。この素子インピーダンスＺｄｃは温度変化に伴い変化し、センサ本体３２の温度が低下するとＺｄｃの増大により上記傾きが小さくなる。
【００２５】
図４は、ヒータ制御回路２５の構成を示す回路図である。同図において、ヒータ３３の一端は定格１２ボルトのバッテリ電源＋Ｂに接続され、他端は半導体スイッチング素子を構成するｎチャネルＭＯＳトランジスタ（以下、ＭＯＳ２６という）のドレインに接続されている。ＭＯＳ２６のゲートはドライバ２７を介してマイコン２０に接続され、ソースはヒータ電流検出用抵抗４１を介して接地されている。要するに、マイコン２０の制御デューティ比信号によりＭＯＳ２６がＯＮ・ＯＦＦ動作し、そのＭＯＳ２６のＯＮ・ＯＦＦ動作によりヒータ３３の通電動作が制御されるようになっている。
【００２６】
電圧検出手段としてのヒータ電圧検出回路２８は、オペアンプ２８ａと抵抗２８ｂ〜２８ｅとからなる差動増幅回路により構成されており、ヒータ３３の両端電圧Ｖｈを計測しその計測結果をＡ／Ｄ変換器２４を介してマイコン２０に出力する。なお、ヒータ両端電圧Ｖｈは、ヒータ３３のバッテリ側の電圧Ｖｐｏｓと、ＧＮＤ側の電圧Ｖｎｅｇとの差に相当する（Ｖｈ＝Ｖｐｏｓ−Ｖｎｅｇ）。ここで、抵抗２８ｂ及び抵抗２８ｅはその抵抗値が等しく（この抵抗値をＲ１とする）、抵抗２８ｃ及び抵抗２８ｄはその抵抗値が等しい（この抵抗値をＲ２とする）。
【００２７】
電流検出手段としてのヒータ電流検出回路２９は、オペアンプ２９ａと抵抗２９ｂ〜２９ｅとからなる差動増幅回路により構成されており、ヒータ電流検出用抵抗４１により検出されるヒータ電流Ｉｈを電圧信号に変換しその結果をＡ／Ｄ変換器２４を介してマイコン２０に出力する。因みに、ヒータ電流検出用抵抗４１の抵抗値は、ヒータ電流Ｉｈに影響を与えないよう極めて小さい値に設定され、それによりヒータ３３の昇温性能が損なわれないようになっている。
【００２８】
そして、ヒータ通電時（ＭＯＳ２６のＯＮ動作時）及びヒータ非通電時（ＭＯＳ２６のＯＦＦ動作時）において、ヒータ制御系に何ら故障が発生していなければ、上記ヒータ制御回路２５は以下の如くヒータ両端電圧及びヒータ電流を検出する。つまり、ヒータ通電時には、ヒータ両端に印加される電圧（以下、ヒータオン電圧Ｖｏｎという）がヒータ３３の電源電圧ＶＢとほぼ等しい値（ハーネス等の抵抗成分の電圧降下分だけ低い値）となると共に、その際にヒータ３３に流れる電流（以下、ヒータオン電流Ｉｏｎという）が電源電圧ＶＢをヒータ抵抗値Ｒｈで割った値となる。具体的には、ＶＢ＝１２ボルトであれば、ヒータオン電圧Ｖｏｎは、
Ｖｏｎ＝（Ｒ１／Ｒ２）・Ｖｈ
という数式から「約１１ボルト」となる。また、Ｒｈ＝２オームであれば、ヒータオン電流Ｉｏｎは、
Ｉｏｎ＝ＶＢ／Ｒｈ
という数式から「約５アンペア」となる。すなわち、ヒータ電圧検出回路２８の出力（オペアンプ２８ａの出力電圧）が「約１１ボルト」となると共に、ヒータ電流検出回路２９の出力（オペアンプ２９ａの出力電圧）の電流換算値が「約５アンペア」となる。
【００２９】
また、ヒータ非通電時には、ヒータ両端の電位差が無くなるため、その際にヒータ両端に印加される電圧（以下、ヒータオフ電圧Ｖｏｆｆという）が「ほぼ０ボルト」となる。またこのとき、ヒータ電流検出用抵抗４１の両端の電位差が無くなるためにヒータ３３に流れる電流（以下、ヒータオフ電流Ｉｏｆｆという）が「０アンペア」となる。すなわち、ヒータ電圧検出回路２８の出力（オペアンプ２８ａの出力電圧）が「ほぼ０ボルト」となると共に、ヒータ電流検出回路２９の出力（オペアンプ２９ａの出力電圧）の電流換算値が「ほぼ０アンペア」となる。
【００３０】
一方、ヒータ制御系において、ハーネス故障（導線の断線やコネクタの接触不良）等、何らかの故障が発生した場合には、上記したＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆが正常値とは異なる値となり、その値はヒータ制御系の構成上、いずれの箇所でどのような故障が発生したかに応じて相違する。そこで、本実施の形態では、故障発生箇所、及びその内容（以下、故障モードという）を以下の（１）〜（１０）に区分して解析し、その解析結果を図１５を参照しつつ個々に説明する。図１５には、故障箇所及び故障モード毎に各々に対応するＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの値が示されている。
【００３１】
（１）図４のＡ部開放の場合
断線等による「Ａ部開放」の故障時において、ヒータ通電時（ＭＯＳ２６のＯＮ動作時）には、ヒータ３３の両端電位は共にＧＮＤレベルでありヒータ両端の電位差は発生しない。従って、ヒータオン電圧Ｖｏｎが「０ボルト」になる。またこのとき、バッテリ電源＋Ｂ、ヒータ３３及びＧＮＤを結ぶ電気経路が遮断されるため、ヒータ３３に電流が流れず、ヒータオン電流Ｉｏｎが「０アンペア」になる。この場合、ヒータ制御系の正常時と比較すれば、Ｖｏｎ，Ｉｏｎが大きく相違することになる。
【００３２】
因みに、オペアンプ２８ａの非反転入力端子が抵抗２８ｅを介してＧＮＤに接続されると共に、オペアンプ２８ａは抵抗２８ｂにより負帰還をかけている。そのため、ヒータ非通電時（ＭＯＳ２６のＯＦＦ動作時）には、オペアンプ２８ａの反転入力端子がＧＮＤレベルとなり、オペアンプ２８ａの出力電圧がＧＮＤレベルである、「０ボルト」となる。すなわち、ヒータオフ電圧Ｖｏｆｆが正常時と同様に「０ボルト」となる。また、ヒータオフ電流Ｉｏｆｆは、正常時と同様に「０アンペア」となる。
【００３３】
（２）図４のＢ部開放の場合
断線等による「Ｂ部開放」の故障時において、ヒータ通電時（ＭＯＳ２６のＯＮ動作時）には、オペアンプ２８ａの非反転入力端子がＧＮＤレベルとなり、ヒータオン電圧Ｖｏｎは「０ボルト」となる。またこのとき、図４の回路図から明らかなようにＢ部が開放されてもヒータ電流は正常に流れるため、ヒータオン電流Ｉｏｎは正常時と同じ値となる。なお、ヒータ非通電時（ＭＯＳ２６のＯＦＦ動作時）のヒータオフ電圧Ｖｏｆｆ，ヒータオフ電流Ｉｏｆｆは共に正常時と同様の値となる。つまり、Ｖｏｎだけが正常値に対して大きく異なり、これにより故障判定が可能になると共に、前述のＡ部開放の故障との判別も可能となる。
【００３４】
（３）図４のＣ部開放の場合
断線等による「Ｃ部開放」の故障時において、ヒータ通電時（ＭＯＳ２６のＯＮ動作時）には、オペアンプ２８ａの非反転入力端子がヒータ電源電圧ＶＢの電位となると共に、その反転入力端子が０ボルトとなる。詳細には、
Ｖｏｎ＝（Ｒ１／Ｒ２）・ＶＢ
という数式からＶｏｎ値が求められる。このとき、ヒータオン電圧Ｖｏｎは、電源電圧ＶＢの電位に相当する電圧値、すなわち「１２ボルト」となる。ここで、このＣ部開放時には、バッテリ電源＋Ｂ、ヒータ３３及びＧＮＤを結ぶ電気経路が遮断されており、ＭＯＳ２６がＯＮされてもヒータ電流が流れない。そのため、ハーネス等の電圧降下がなく、ヒータオン電圧Ｖｏｎが正常時よりも高い値となる。また、ヒータオン電流Ｉｏｎは電気経路の遮断により「０アンペア」となる。
【００３５】
一方、ヒータ非通電時（ＭＯＳ２６のＯＦＦ動作時）において、ヒータオフ電圧Ｖｏｆｆは、電源電圧ＶＢと抵抗分圧値（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２））との積から求められる。つまり、
Ｖｏｆｆ＝｛Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）｝・ＶＢ
という数式からヒータオフ電圧Ｖｏｆｆが求められ、具体的には「９ボルト」程度の値となる。また、ヒータオフ電流Ｉｏｆｆは「０アンペア」となる。こうしたＣ部開放の故障の場合、Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆが正常値に対して大きく異なり、それにより故障判定可能となる。
【００３６】
（４）図４のＤ部開放の場合
断線等による「Ｄ部開放」の故障時には、前述したＣ部開放の故障時と同様に、Ｖｏｎ＝１２ボルト，Ｉｏｎ＝０アンペア，Ｖｏｆｆ＝９ボルト，Ｉｏｆｆ＝０アンペアとなる。因みに、ヒータ３３自身が破損するといった故障が発生した場合にも同様の検出結果が得られる。
【００３７】
（５）図４のＥ部開放の場合
断線等による「Ｅ部開放」の故障時において、ヒータ通電時（ＭＯＳ２６のＯＮ動作時）には、
Ｖｏｎ＝｛Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）｝・ＶＢ
という数式からヒータオン電圧Ｖｏｎが求められる。具体的には、Ｖｏｎが「９ボルト」程度の値となる。ここで、このＥ部開放時には、ヒータ３３の通電が可能であるため、ヒータオン電流Ｉｏｎは正常通りに検出される（Ｉｏｎ＝５アンペア）。
【００３８】
一方、ヒータ非通電時（ＭＯＳ２６のＯＦＦ動作時）において、ヒータオフ電圧Ｖｏｆｆは、上記ヒータオン電圧Ｖｏｎと同様に、
Ｖｏｆｆ＝｛Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）｝・ＶＢ
という数式から求められ、具体的には「９ボルト」程度の値となる。また、ヒータオフ電流Ｉｏｆｆは「０アンペア」となる。こうしたＥ部開放の場合、Ｖｏｆｆが正常値に対して大きく異なり、それにより故障判定が可能となる。
【００３９】
（６）図４のＦ部開放の場合
断線等による「Ｆ部開放」の故障時には、バッテリ電源＋Ｂ、ヒータ３３、ＭＯＳ２６及びＧＮＤといった電気経路が遮断される。そのため、ヒータ３３の通電・非通電（ＭＯＳ２６のＯＮ・ＯＦＦ）に関係無く、ヒータ電圧及び電流値がＭＯＳ２６のＯＦＦ時の値と同等になる。つまり、Ｖｏｎ＝０ボルト，Ｉｏｎ＝０アンペア，Ｖｏｆｆ＝０ボルト，Ｉｏｆｆ＝０アンペアとなる。この場合、Ｖｏｎ，Ｉｏｎが正常値に対して大きく異なり、それにより故障発生の判定が可能となる。
【００４０】
（７）図４のＧ部開放の場合
断線等による「Ｇ部開放」の故障時にも上記（６）のＦ部開放の場合と同様に、バッテリ電源＋Ｂ、ヒータ３３、ＭＯＳ２６及びＧＮＤといった電気経路が遮断される。そのため、ヒータ３３の通電・非通電（ＭＯＳ２６のＯＮ・ＯＦＦ）に関係無く、ヒータ電圧及び電流値がＭＯＳ２６のＯＦＦ時と同等になる。つまり、Ｖｏｎ＝０ボルト，Ｉｏｎ＝０アンペア，Ｖｏｆｆ＝０ボルト，Ｉｏｆｆ＝０アンペアとなる。この場合、Ｖｏｎ，Ｉｏｎが正常値に対して大きく異なり、それにより故障発生の判定が可能となる。
【００４１】
（８）図４のＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡の場合
この「Ｄ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡」の故障時には、ヒータ３３の通電・非通電（ＭＯＳ２６のＯＮ・ＯＦＦ）に関係無く、ヒータ電圧がＭＯＳ２６のＯＮ時の値とほぼ同等になる。但しかかる場合には、ハーネス等による抵抗分の電圧降下がなく、ヒータ両端に電源電圧ＶＢと同じ電圧が印加されることになる。つまり、Ｖｏｎ＝１２ボルト，Ｖｏｆｆ＝１２ボルトとなる。また、ヒータ電流検出用抵抗４１の両端の電位差が無くなるため、Ｉｏｎ＝０アンペア，Ｉｏｆｆ＝０アンペアとなる。この場合、Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆが正常値に対して大きく異なり、それにより故障判定可能となる。
【００４２】
なお因みに、Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆが正常値に対して大きく異なることは、既述のＣ部又はＤ部開放の故障時と同じであるが、各々のＶｏｆｆを比較すれば、これらＣ部又はＤ部開放の故障と、Ｄ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡の故障とを区別することができる。これを以下に説明すれば、Ｃ部又はＤ部開放時には、電源電圧ＶＢと抵抗分圧値（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２））との積にてＶｏｆｆ値が求められる。これに対し、Ｄ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡時には、オペアンプ２８ａの反転入力端子がＧＮＤレベルとなり、オペアンプ２８ａの出力、すなわちＶｏｆｆ値が「Ｒ１／Ｒ２×ＶＢ」として求められる。従って、Ｃ部開放及びＤ部開放時のＶｏｆｆよりＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡時のＶｏｆｆの方が高い電圧値となり、この両者のＶｏｆｆ値を判別するしきい値電圧を設定すれば、Ｃ部又はＤ部開放とＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡とを区別することが可能となる。
【００４３】
（９）ＭＯＳ２６の常時ＯＮの場合
「ＭＯＳ２６の常時ＯＮ」の故障時には、ヒータ３３の通電・非通電に関係無く、ヒータ電圧及び電流値がヒータ通電時の値と同等になる。つまり、Ｖｏｎ＝１１ボルト，Ｉｏｎ＝５アンペア，Ｖｏｆｆ＝１１ボルト，Ｉｏｆｆ＝５アンペアとなる。この場合、Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆが正常値に対して大きく異なり、それにより故障発生の判定が可能となる。
【００４４】
（１０）ＭＯＳ２６の常時ＯＦＦの場合
「ＭＯＳ２６の常時ＯＦＦ」の故障時には、ヒータ３３の通電・非通電に関係無く、ヒータ電圧及び電流値がヒータ非通電時の値と同等になる。つまり、Ｖｏｎ＝０ボルト，Ｉｏｎ＝０アンペア，Ｖｏｆｆ＝０ボルト，Ｉｏｆｆ＝０アンペアとなる。この場合、Ｖｏｎ，Ｉｏｎが正常値に対して大きく異なり、それにより故障発生の判定が可能となる。
【００４５】
次に、上記の如く構成される本実施の形態の装置について、その作用を説明する。
図５はヒータ制御ルーチンを、図６は図５のサブルーチンであるイニシャル処理ルーチンを、図７〜９はヒータ制御系の故障判定ルーチンを、それぞれに示すフローチャートであり、図５及び図７〜９の各ルーチンは、マイコン２０内のＣＰＵ２０ａにより所定間隔（例えば、１２８ｍｓｅｃ周期）のタイマ割り込みにて起動される。但し、図７〜９のルーチンは図５のルーチンの直後に実行されるようになっている。
【００４６】
図５のヒータ制御ルーチンにおいて、ＣＰＵ２０ａは、先ずステップ１０１でイニシャルフラグＸＩＮＴが「０」であるか否かを判別する。このイニシャルフラグＸＩＮＴは、ＩＧキーのＯＮ操作時に要するイニシャル処理が実施されたか否かを示すものであって、ＸＩＮＴ＝０はイニシャル処理が未実施であることを、ＸＩＮＴ＝１はイニシャル処理が実施済であることを、それぞれ表す。ＸＩＮＴ＝０である場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１２０に進み、図６に示すイニシャル処理を実施した後、本ルーチンを一旦終了する。
【００４７】
ここで、図６のイニシャル処理ルーチンについて説明する。このイニシャル処理は、ヒータ３３の通電制御が開始される前に、先ず以ってヒータオフ電圧Ｖｏｆｆ及びヒータオフ電流Ｉｏｆｆを検出し、その後、ヒータ３３を通電（ＯＮ）させてヒータＯＮ時の電圧値及び電流値を検出するものである。詳細には、ＣＰＵ２０ａは、先ずステップ１２１で前記ヒータ電圧検出回路２８及びヒータ電流検出回路２９の各々の出力値に基づいてヒータオフ電圧Ｖｏｆｆ及びヒータオフ電流Ｉｏｆｆを検出する。また、ＣＰＵ２０ａは、ヒータ３３を通電させ、その状態で所定時間だけ待機する（ステップ１２２，１２３）。この待機時間は、ヒータ通電後に電圧及び電流値が収束するのに要する時間であり、具体的には２００μｓｅｃ程度であればよい。
【００４８】
所定時間の待機後、ＣＰＵ２０ａはステップ１２４でヒータオン電圧Ｖｏｎ及びヒータオン電流Ｉｏｎを検出し、続くステップ１２５でイニシャルフラグＸＩＮＴに「１」をセットする。さらにその後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１２６で全通電フラグＸＺＮに「１」をセットして図５のルーチンに戻る。ここで、全通電フラグＸＺＮは、後述する全通電制御が実施されるか否かを示すものであって、ＸＺＮ＝１は全通電制御が実施されることを、ＸＺＮ＝０は全通電制御が実施されないことを、それぞれ表す。
【００４９】
一方、上記イニシャル処理ルーチンでイニシャルフラグＸＩＮＴがセットされると、それ以降は、図５のステップ１０１が毎回肯定判別される。そして、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１０２で故障発生フラグＸＦＡＩＬが「０」であるか否かを判別する。この故障発生フラグＸＦＡＩＬは、ヒータ制御系における故障の有無の判定結果を示すものであって、ＸＦＡＩＬ＝０はヒータ制御系の故障有りを、ＸＦＡＩＬ＝１はヒータ制御系の故障無しを、それぞれ表す。なお上記フラグＸＦＡＩＬは、後述する図７〜図９の故障判定ルーチンにて操作される。そして、故障発生フラグＸＦＡＩＬが「１」であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ１０２を否定判別してそのまま本ルーチンを終了する。つまり、ヒータ３３の通電制御を実施しない。
【００５０】
また、故障発生フラグＸＦＡＩＬが「０」であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ１０３に進み、素子インピーダンスＺｄｃがセンサ本体３２の半活性状態を判定するための所定の判定値（本実施の形態では、２００オーム程度）以下であるか否かを判別する。なおここで、素子インピーダンスＺｄｃは下記のように検出される。つまり、素子インピーダンスＺｄｃの検出時には、図１０に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０の印加電圧を一時的に正方向及び負方向に変化させる。そして、この電圧変化時における正負いずれか一方の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスＺｄｃを算出する（Ｚｄｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。但し、この算出法は一例であって、正負両側の電圧及び電流の変化量に基づき素子インピーダンスＺｄｃを検出したり、負の印加電圧Ｖｎｅｇ（限界電流検出域にかからない電圧）を印加した時のセンサ電流Ｉｎｅｇから素子インピーダンスＺｄｃを検出したりしてもよい（Ｚｄｃ＝Ｖｎｅｇ／Ｉｎｅｇ）。
【００５１】
例えばエンジン１０の低温始動時等、素子温が低い場合にはＺｄｃ＞２００オームとなり、ＣＰＵ２０ａはステップ１０４に進んで故障仮フラグＸＴＥＭが「１」であるか否かを判別する。ここで、故障仮フラグＸＴＥＭは、エンジン始動時においてヒータ制御系の故障発生の旨が一時的に仮判定されると「１」に操作されるものであり、その操作は後述する故障判定ルーチンにより実施される。
【００５２】
そして、ＸＴＥＭ＝０の場合、すなわちエンジン始動時に故障発生の旨が仮判定されていない場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１０５に進み、ヒータ３３の「全通電制御」を実施する。この全通電制御では、ヒータ３３への制御デューティ比信号が１００％に維持され、センサ活性化の促進が優先的に実施されることになる。
【００５３】
一方、ＸＴＥＭ＝１の場合、すなわちエンジン始動時に故障発生の旨が仮判定されている場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１０６に進み、ヒータ３３の「９８％デューティ制御」を実施する。この９８％デューティ制御では、故障発生の仮判定時においてヒータオフ電圧Ｖｏｆｆ及びヒータオフ電流Ｉｏｆｆが継続的に検出できるよう、Ｄｕｔｙ＝２％程度のヒータＯＦＦ時間が設定されている。こうしてＶｏｆｆ，Ｉｏｆｆを検出することで、後述する故障判定ルーチンによる故障判定が実施可能となる。その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１０７で全通電フラグＸＺＮに「１」をセットして本ルーチンを一旦終了する。
【００５４】
ヒータ通電の開始後、ヒータ３３の加熱作用により素子温が上昇し（或いは、当初から素子温が高く）、前記ステップ１０３が肯定判別されると、ＣＰＵ２０ａはステップ１０８に進み、前記の全通電フラグＸＺＮを「０」にクリアする。また、ＣＰＵ２０ａは、続くステップ１０９で素子インピーダンスＺｄｃがフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を開始するための所定の判定値（本実施の形態では、４０オーム程度）以下であるか否かを判別する。ここで、ステップ１０９の判定値は、センサ本体３２の活性状態を判定するものであって、目標インピーダンス（本実施の形態では、３０オーム）に対して「＋１０オーム」程度の値として設定されている。
【００５５】
Ａ／Ｆセンサ３０の活性化完了前であって、ステップ１０９が否定判別された場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１０に進み、「電力制御」によりヒータ３３の通電を制御する。このとき、図１１のマップに示すように素子インピーダンスＺｄｃに応じて電力指令値が決定され、その電力指令値に応じてヒータ通電のための制御デューティ比が算出される。
【００５６】
一方、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化が完了し、前記ステップ１０９が肯定判別された場合、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１１１で「素子インピーダンスＦ／Ｂ制御」を実施する。この素子インピーダンスＦ／Ｂ制御では、以下の手順にてヒータ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙが算出されるようになっている。なお本実施の形態では、その一例としてＰＩＤ制御手順を用いることとする。
【００５７】
つまり、先ずは次の式（１）〜（３）により比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを算出する。
ＧＰ＝ＫＰ・（Ｚｄｃ−ＺｄｃＴＧ）・・・（１）
ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（Ｚｄｃ−ＺｄｃＴＧ）・・・（２）
ＧＤ＝ＫＤ・（Ｚｄｃ−Ｚｄｃi-1 ）・・・（３）
上式において、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は積分定数、「ＫＤ」は微分定数を表し、添字「ｉ−１」は前回処理時の値を表す。
【００５８】
そして、上記比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを加算してヒータ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙを算出する（Ｄｕｔｙ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）。但し、こうしたヒータ制御手順は、上記のＰＩＤ制御に限定されるものではなく、ＰＩ制御やＰ制御を実施するようにしてもよい。
【００５９】
その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１１２で上記の素子インピーダンスＦ／Ｂ制御により設定されるデューティ比Ｄｕｔｙが所定の下限ガード値よりも大きいか否かを判別する。デューティ比Ｄｕｔｙの下限ガードは、高負荷運転時など、排気温が高くヒータ通電が不要な場合にもＤｕｔｙを「０％」にしないように制限するものであり、具体的には下限ガード値を「１％」程度に設定しておけばよい。こうしてヒータ通電が不要な場合にも微小デューティにてヒータ通電を行なわせることで、如何なる運転状態下でもヒータオン電圧Ｖｏｎ及びヒータオン電流Ｉｏｎを検出することができ、後述の故障判定ルーチンによる故障判定が実施可能となる。
【００６０】
そして、デューティ比Ｄｕｔｙが下限ガード値未満となる場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１３でデューティ比Ｄｕｔｙを下限ガード値（１％）で制限した後、本ルーチンを終了する。また、デューティ比Ｄｕｔｙが下限ガード以上であれば、ＣＰＵ２０ａはそのまま本ルーチンを終了する。
【００６１】
次に、ヒータ制御系の故障判定処理について説明する。なお本実施の形態の故障判定処理では、ヒータオン電圧Ｖｏｎ、ヒータオン電流Ｉｏｎ、ヒータオフ電圧Ｖｏｆｆ及びヒータオフ電流Ｉｏｆｆに基づき、前記図１５に示されるヒータ制御系の各種故障を判別するものであるが、これらＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆは基本的にヒータ３３の通電制御信号の「ＯＦＦ→ＯＮ」の立ち上がり時に同期して検出される。但し、ＩＧキーのＯＮ操作時だけは、前述のイニシャル処理に従いＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆが検出されるようになっている。
【００６２】
図１２は、ヒータ３３の通電制御信号に対応するＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの検出タイミングを説明するためのタイムチャートである。同図中のタイムアップカウンタは４ｍｓｅｃ周期でカウントアップされ、そのカウント値は「０」〜「３２」の範囲内で推移する。このとき、タイムアップカウンタが「０」にクリアされるタイミングと、ヒータ３３の通電制御信号の立ち上がりのタイミングとが同期している。そして、タイムアップカウンタのカウント値が「０」にクリアされる直前、すなわちカウント値＝３１（図中の▼のタイミング）でヒータオフ電圧Ｖｏｆｆ及びヒータオフ電流Ｉｏｆｆが検出され、カウント値が「０」にクリアされた直後、すなわちカウント値＝１（図中の▽のタイミング）でヒータオン電圧Ｖｏｎ及びヒータオン電流Ｉｏｎが検出されるようになっている。Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの検出値は、随時マイコン２０内のＲＡＭ２０ｃに記憶保持される。
【００６３】
また、図中の「Ｖｔｈ」は、ヒータ３３のオン電圧及びオフ電圧Ｖｏｎ，Ｖｏｆｆの適否を判定するためのしきい値電圧であり、「Ｉｔｈ」は、ヒータ３３のオン電流及びオフ電流Ｉｏｎ，Ｉｏｆｆの適否を判定するためのしきい値電流である。これらしきい値Ｖｔｈ，Ｉｔｈは予め設定されており、具体的には、Ｖｔｈ＝５ボルト、Ｉｔｈ＝１．５アンペアとする。
【００６４】
以下、上記の如く検出されるＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆに応じた故障判定処理を図７〜図９のフローチャートを用いて説明する。さて、ヒータ制御系の故障判定ルーチンがスタートすると、ＣＰＵ２０ａは、先ず図７のステップ２０１でイニシャルフラグＸＩＮＴが「１」であるか否かを判別する。そして、ＸＩＮＴ＝１であることを条件に、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０２でＲＡＭ２０ｃ内のＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの最新値を読み込む。
【００６５】
その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０３で前記読み込んだＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの値と所定のしきい値Ｖｔｈ，Ｉｔｈとからヒータ制御系が正常であるか否かを判別する。ここで、同ステップでは、次の４条件が全て成立するか否かが判別される。すなわち、
・Ｖｏｎ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｎ＞Ｉｔｈ、
・Ｖｏｆｆ＜Ｖｔｈ、
・Ｉｏｆｆ＜Ｉｔｈ、
が全て成立するか否かを判別する。この場合、ヒータ制御系が正常であれば、上記４条件が全て成立し（図１５参照）、ＣＰＵ２０ａはステップ２０３ａで故障仮フラグＸＴＥＭを「０」にクリアした後、本ルーチンを終了する。
【００６６】
一方、前記ステップ２０３の条件が不成立であれば、ヒータ制御系に何らかの故障が発生している可能性が高いとしてステップ２０４以降の処理を実施する。以下、順を追って説明する。ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０４で次の４条件が全て成立するか否かを判別する。すなわち、
・Ｖｏｎ＜Ｖｔｈ、
・Ｉｏｎ＜Ｉｔｈ、
・Ｖｏｆｆ＜Ｖｔｈ、
・Ｉｏｆｆ＜Ｉｔｈ、
が全て成立するか否かを判別する。この場合、前記図４のＡ部、Ｆ部又はＧ部開放、或いはＭＯＳ２６の常時ＯＦＦといった故障が発生していれば、ステップ２０４が肯定判別される。つまり、前記図１５に示すように、Ａ部、Ｆ部又はＧ部開放、或いはＭＯＳ２６の常時ＯＦＦといった故障発生時には、Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの値が正常値であるのに対し、Ｖｏｎ，Ｉｏｎの値が正常値よりも小さく、しきい値Ｖｔｈ，Ｉｔｈを下回ることになる（Ｖｏｎ＝０ボルト，Ｉｏｎ＝０アンペア）。ステップ２０４が肯定判別された場合、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０５でその時の故障箇所及び故障モード（Ａ部、Ｆ部又はＧ部開放、或いはＭＯＳ２６の常時ＯＦＦの故障情報）をバックアップＲＡＭ２０ｄに記憶させる。
【００６７】
また、前記ステップ２０４の条件が不成立であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２０６に進み、次の４条件が全て成立するか否かを判別する。すなわち、
・Ｖｏｎ＜Ｖｔｈ、
・Ｉｏｎ＞Ｉｔｈ、
・Ｖｏｆｆ＜Ｖｔｈ、
・Ｉｏｆｆ＜Ｉｔｈ、
が全て成立するか否かを判別する。この場合、前記図４のＢ部開放といった故障が発生していれば、ステップ２０６が肯定判別される。つまり、前記図１５に示すように、Ｂ部開放といった故障発生時には、Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの値が正常値であるのに対し、Ｖｏｎの値だけが正常値よりも小さく、しきい値Ｖｔｈを下回ることになる（Ｖｏｎ＝０ボルト）。ステップ２０６が肯定判別された場合、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０７でその時の故障箇所及びモード（Ｂ部開放の故障情報）をバックアップＲＡＭ２０ｄに記憶させる。
【００６８】
また、前記ステップ２０６の条件が不成立であれば、ＣＰＵ２０ａは図８のステップ２０８に進み、次の４条件が全て成立するか否かを判別する。すなわち、・Ｖｏｎ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｎ＜Ｉｔｈ、
・Ｖｏｆｆ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｆｆ＜Ｉｔｈ、
が全て成立するか否かを判別する。この場合、前記図４のＣ部又はＤ部開放、或いはＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡といった故障が発生していれば、ステップ２０８が肯定判別される。つまり、前記図１５に示すように、Ｃ部又はＤ部開放、或いはＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡といった故障発生時には、Ｖｏｎ，Ｉｏｆｆの値が正常値であるのに対し（但し、Ｖｏｎは１２ボルトであり、ほぼ正常な値）、Ｉｏｎの値が正常値よりも小さく、しきい値Ｉｔｈを下回る（Ｉｏｎ＝０アンペア）。また、Ｖｏｆｆの値が正常値よりも大きく、しきい値Ｖｔｈを上回る（Ｖｏｆｆ＝９ボルト又は１２ボルト）。
【００６９】
またさらに、ステップ２０８が肯定判別された場合、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０９でその時の故障がＣ部又はＤ部開放によるものか、或いはＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡によるものかを区別する。詳しくは、Ｃ部又はＤ部開放、或いはＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡といった故障の発生時には、いずれの場合にもＶｏｆｆの値がしきい値Ｖｔｈ（＝５ボルト）を越えるが、既述したようにＣ部又はＤ部開放時のＶｏｆｆの値は、Ｄ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡時のＶｏｆｆの値よりも低い値となる。前者の場合のＶｏｆｆは９ボルト程度であり、後者の場合のＶｏｆｆは１２ボルト程度である。そこで、これら両値の間に第２のしきい値電圧Ｖｔｈ２を設定し（Ｖｔｈ２＝１０．５ボルト程度）、このしきい値電圧Ｖｔｈ２とＶｏｆｆとの大小比較を行う。
【００７０】
つまり、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０９でＶｏｆｆ＜Ｖｔｈ２が成立するか否かを判別する。そして、Ｖｏｆｆ＜Ｖｔｈ２であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２１０に進み、Ｃ部又はＤ部開放による故障が発生しているとみなし、その旨の故障情報をバックアップＲＭ２０ｄに記憶させる。また、Ｖｏｆｆ≧Ｖｔｈ２であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２１１に進み、Ｄ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡による故障が発生しているとみなし、その旨の故障情報をバックアップＲＡＭ２０ｄに記憶させる。
【００７１】
一方、前記ステップ２０８の条件が不成立であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２１２に進み、次の４条件が全て成立するか否かを判別する。すなわち、
・Ｖｏｎ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｎ＞Ｉｔｈ、
・Ｖｏｆｆ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｆｆ＜Ｉｔｈ、
が全て成立するか否かを判別する。この場合、前記図４のＥ部開放といった故障が発生していれば、ステップ２１２が肯定判別される。つまり、前記図１５に示すように、Ｅ部開放といった故障発生時には、Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｉｏｆｆの値が正常値であるのに対し（但し、Ｖｏｎは９ボルトであり、ほぼ正常な値）、Ｖｏｆｆの値だけが正常値よりも大きく、しきい値Ｖｔｈを上回ることになる（Ｖｏｆｆ＝９ボルト）。ステップ２１２が肯定判別された場合、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２１３でその時の故障箇所及びモード（Ｅ部開放の故障情報）をバックアップＲＡＭ２０ｄに記憶させる。
【００７２】
前記ステップ２１２の条件が不成立であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２１４に進み、次の４条件が全て成立するか否かを判別する。すなわち、
・Ｖｏｎ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｎ＞Ｉｔｈ、
・Ｖｏｆｆ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｆｆ＞Ｉｔｈ、
が全て成立するか否かを判別する。この場合、前記図４のＭＯＳ２６の常時ＯＮといった故障が発生していれば、ステップ２１４が肯定判別される。つまり、前記図１５に示すように、ＭＯＳ２６の常時ＯＮといった故障発生時には、Ｖｏｎ，Ｉｏｎの値が正常値であるのに対し、Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの値が正常値よりも大きく、しきい値Ｖｔｈ，Ｉｔｈを上回ることになる（Ｖｏｆｆ＝１１ボルト，Ｉｏｆｆ＝５アンペア）。ステップ２１４が肯定判別された場合、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２１５でその時の故障箇所及びモード（ＭＯＳ２６の常時ＯＮの故障情報）をバックアップＲＡＭ２０ｄに記憶させる。また、前記ステップ２１４の条件が不成立であれば、ＣＰＵ２０ａはそのまま本ルーチンを終了する。
【００７３】
上記一連の故障判定に従い故障発生の旨が判定された後（ステップ２０５，２０７，２１０，２１１，２１３，２１５の処理後）、ＣＰＵ２０ａは図９のステップ２１６〜２２１の処理を実施する。詳細には、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２１６で全通電フラグＸＺＮが「１」であるか否か、すなわち今現在、ヒータ３３の全通電制御（又は、９８％Ｄｕｔｙ制御）が実施されているか否かを判別する。ＸＺＮ＝０であり、ヒータ３３の電力制御又は素子インピーダンスＦ／Ｂ制御が実施されている場合、ＣＰＵ２０ａはステップ２１６を否定判別して直ちにステップ２２０に進む。ＣＰＵ２０ａは、ステップ２２０で故障発生フラグＸＦＡＩＬに「１」をセットすると共に、続くステップ２２１で故障警告灯４２を点灯した後、本ルーチンを終了する。故障警告灯４２の点灯により、故障発生の旨が自動車の搭乗者に警告されることになる。
【００７４】
一方、ＸＺＮ＝１であり、ヒータ３３の全通電制御（又は９８％Ｄｕｔｙ制御）が実施されている場合、ＣＰＵ２０ａは前記ステップ２１６を肯定判別してステップ２１７に進み、故障仮フラグＸＴＥＭに「１」にセットする。その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２１８でカウンタＣＺＮを「１」インクリメントし、続くステップ２１９でカウンタＣＺＮが所定の判定値ＫＣ以上であるか否かを判別する。この判定値ＫＣは、故障発生を確定させるために必要な時間であり、本実施の形態では「３秒」程度に相当するカウント値である。
【００７５】
ＣＺＮ＜ＫＣの場合、ＣＰＵ２０ａはそのまま本ルーチンを終了する。また、ＣＺＮ≧ＫＣの場合、ＣＰＵ２０ａはステップ２２０に進む。ＣＰＵ２０ａは、ステップ２２０で故障発生フラグＸＦＡＩＬに「１」をセットすると共に、続くステップ２２１で故障警告灯４２を点灯した後、本ルーチンを終了する。
【００７６】
因みに上記図７〜図９の故障判定ルーチンにおいて、ヒータ３３の通電開始当初に故障の旨が判定されず、且つ全通電制御が実施されている場合には、Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの検出が不可能となる。そのため、かかる場合には、全通電制御が終了され、電力制御又は素子インピーダンスＦ／Ｂ制御が開始されるまでは故障判定の処理が一時的に中断される（但し、全通電制御中であってもＶｏｆｆ，Ｉｏｆｆが検出できれば、故障判定の実施が可能となる）。
【００７７】
なお、本実施の形態では、前記図５のヒータ制御ルーチンが請求項記載のヒータ制御手段に相当し、図７〜図９の故障判定ルーチンが故障判定手段に相当する。また、図５のステップ１０５の処理が全通電手段に相当し、同図５のステップ１２０及び図６の処理が初期値検出手段に相当する。
【００７８】
図１３及び図１４は、エンジン１０の低温始動時におけるヒータ通電の制御動作と、ヒータ電流の推移と、各種フラグの操作の様子とを示すタイムチャートであり、図１３はヒータ制御系に何ら故障が発生していない場合を、図１４は故障が発生している場合を示す。
【００７９】
図１３において、時間ｔ１ではマイコン２０に電源が投入され、時間ｔ１〜ｔ２の期間にてイニシャル処理が実施される（前記図６のフロー参照）。この場合、ヒータオフ電圧Ｖｏｆｆ，ヒータオフ電流Ｉｏｆｆが検出された後に、ヒータオン電圧Ｖｏｎ，ヒータオン電流Ｉｏｎが検出される。そして、この最初のＶｏｆｆ，Ｉｏｆｆ，Ｖｏｎ，Ｉｏｎの各値を用いて故障判定が実施される（前記図７〜図９のフロー参照）。このヒータ通電の開始当初には、ヒータ抵抗が小さいためヒータ電流が比較的大きいが、暖機に伴いヒータ電流が正常な値（５アンペア）に収束していく。
【００８０】
時間ｔ２では、イニシャルフラグＸＩＮＴに「１」がセットされると共に、全通電フラグＸＺＮに「１」がセットされる。その後、時間ｔ２〜ｔ４の期間では、ヒータ３３の全通電制御が実施される。すなわち、ヒータ通電の制御デューティ比Ｄｕｔｙが１００％で維持される。この全通電制御に要する時間は、Ａ／Ｆセンサ３０の冷間状態の度合に応じて異なるが、最長で約７秒程度の時間である。そして、時間ｔ４では全通電フラグＸＺＮが「０」にクリアされ、それ以降、ヒータ３３の電力制御及び素子インピーダンスＦ／Ｂ制御が実施される（前記図５のフロー参照）。
【００８１】
また、同図１３において、イニシャル処理で検出したＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆにより故障発生の旨が仮判定された場合には、図の破線で示すように時間ｔ２で故障仮フラグＸＴＥＭに「１」がセットされ、デューティ比Ｄｕｔｙの２％をＯＦＦ時間とする、「９８％Ｄｕｔｙ制御」が実施される（図５のステップ１０６）。かかる場合、この故障発生の判定が一時的なものであれば、図の時間ｔ３で故障仮フラグＸＴＥＭが「０」にリセットされ（図７のステップ２０３ａ）、ヒータ通電が９８％Ｄｕｔｙ制御から全通電制御に切り換えられる（図５のステップ１０５）。
【００８２】
一方、図１４では、通電開始当初から前記図１５に示す各種故障のいずれかが発生している。この場合、時間ｔ１１〜ｔ１２のイニシャル処理で検出したＶｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの各値を用いて故障判定が実施され、故障発生の旨が仮判定される。そして、時間ｔ１２では故障仮フラグＸＴＥＭ等がセットされると共に、カウンタＣＺＮのカウントアップが開始される（図９のステップ２１７，２１８）。
【００８３】
時間ｔ１２以降、９８％Ｄｕｔｙ制御の実施中に故障発生の旨が解消されないと、カウンタＣＺＮの値が所定の判定値ＫＣに達する時間ｔ１３で故障発生フラグＸＦＡＩＬに「１」がセットされる（図９のステップ２２０）。この際、故障箇所や故障モードといった故障情報がバックアップＲＡＭ２０ｄ内に記憶されると共に、故障警告灯４２が点灯される。そして、それ以降のヒータ通電が停止される。
【００８４】
上記の如く全通電制御が本来、実施される期間において９８％Ｄｕｔｙ制御を実施し、強制的にヒータ非通電の動作を行わせるため、故障発生の仮判定時にＶｏｆｆ，Ｉｏｆｆの各値の検出が可能となる。従って、ヒータ制御系の故障が正確に把握でき、センサ過昇温といった不都合を招くこともない。
【００８５】
なお、上述のように故障警告灯４２が点灯されると、この警告に従い故障発生の車両が修理工場等に持ち込まれる。そして、バックアップＲＡＭ２０ｄ内に記憶されている故障情報をダイアグチェッカ等にて読み出せば、煩雑な作業を要することもなく故障箇所が容易に特定され、その時々の故障に応じた修理作業が行われる。
【００８６】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（ａ）本実施の形態では、ヒータ通電時の電圧及び電流Ｖｏｎ，Ｉｏｎと、ヒータ非通電時の電圧及び電流Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆとからなる４つの値を各々に所定のしきい値Ｖｔｈ，Ｉｔｈにて大小比較し、該比較した４つの値のうち、いずれが正常時の値と異なるかに応じて故障の有無を判定すると共に故障箇所を特定するようにした。上記構成によれば、既存の装置では不十分であったヒータ制御系の故障箇所の特定が可能となる。つまり、ヒータ制御系の故障発生時においてその旨を正確に判定すると共に、故障箇所を細部にまで特定することができるようになる。かかる場合において、上記故障箇所の特定結果を用いることにより、実際の修理までに要する故障箇所の特定作業が大幅に簡素化できるようになる。その結果、メンテナンス性や作業性が向上するという効果も得られる。
【００８７】
（ｂ）また本実施の形態では、前記図１５に示されるような各種故障を発生箇所毎又はモード毎に特定することで、実機に対応する故障判定が実現できるようになる。
【００８８】
（ｃ）エンジン始動に伴うヒータ３３の通電当初において、全通電制御の開始前に、ヒータオフ電圧Ｖｏｆｆとヒータオフ電流Ｉｏｆｆとを検出すると共に、そのＶｏｆｆ，Ｉｏｆｆの検出後、ヒータ通電を開始してヒータオン電圧Ｖｏｎとヒータオン電流Ｉｏｎとを検出するようにした（前記図６のイニシャル処理）。そして、当該検出したＶｏｆｆ，Ｉｏｆｆ，Ｖｏｎ，Ｉｏｎの各値に応じて故障判定を実施するようにした。この場合、ヒータ３３の全通電制御が実施されていると（Ｄｕｔｙ＝１００％であると）、故障が発生していてもＶｏｆｆ，Ｉｏｆｆが検出できず正確な故障判定が不可能になるが、通電開始前にＶｏｆｆ，Ｉｏｆｆを検出しておくことで、Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆからなる４つの値を検出することが可能となる。その結果、既述のような所望の故障判定を実施することができる。
【００８９】
（ｄ）また、ヒータ通電の開始当初に故障発生の旨が判定された場合、Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆが検出可能な最小時間だけヒータ通電を遮断するべく、「９８％Ｄｕｔｙ制御」を実施し（前記図５のステップ１０６）、その状態でヒータ制御系の故障発生の旨が所定時間以上継続して判定されれば、最終的に故障発生であることを確定するようにした（前記図９のステップ２１６〜２２１）。この場合、エンジン始動当初の一時的な故障判定時にも故障の誤判定を回避することができ、より正確な故障判定が可能になる。
【００９０】
（ｅ）さらに、本実施の形態では、制御デューティ比Ｄｕｔｙを所定の下限ガード値（１％）にて制限するようにした（前記図５のステップ１１２，１１３）。この場合、例えばエンジン１０の高負荷運転時など、排気温が高くヒータ通電が不要になる場合（Ｄｕｔｙ＝０％になる場合）にも、ヒータオン電圧Ｖｏｎ及びヒータオン電流Ｉｏｎを確実に検出することができる。従って、Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆからなる４つの値を常に検出することが可能となり、既述のような所望の故障判定を実施することができる。
【００９１】
（ｆ）また、以上のようにヒータ制御系の故障が正確に把握できれば、Ａ／Ｆセンサ３０の正常なる活性状態が維持できる。その結果、精度の高い空燃比Ｆ／Ｂ制御が実施できるようになり、エミッションが低減されると共に、排ガス規制に関する法規制にも適切に対応できることとなる。
【００９２】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて実現できる。
上記実施の形態では、ヒータ制御系の故障判定ルーチン（図７〜図９）において、
・Ｖｏｎ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｎ＜Ｉｔｈ、
・Ｖｏｆｆ＞Ｖｔｈ、
・Ｉｏｆｆ＜Ｉｔｈ、
という４条件が成立する故障時に（前記図８のステップ２０８がＹＥＳとなる場合に）、Ｖｏｆｆの値を第２のしきい値電圧Ｖｔｈ２と大小比較し、Ｃ部又はＤ部開放による故障と、Ｄ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡による故障とを判別するようにしていたが（図８のステップ２０９〜２１１）、この構成を変更してもよい。例えばステップ２０９の処理を省略し、ステップ２０８が肯定判別された場合には、「Ｃ部又はＤ部開放、或いはＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡」による故障が発生したと結論付けるようにしてもよい。
【００９３】
また、故障判定する箇所又はモードを前述の実施の形態（図１５参照）よりも減らし、ＣＰＵ２０ａによる演算負荷の軽減を図るようにしてもよい。具体的には、故障の発生頻度や優先順位を考慮し、図４におけるＥ部開放、Ｆ部開放、Ｇ部開放及びＭＯＳ２６の常時ＯＮ，常時ＯＦＦといった故障の全て若しくはその一部を故障判定の対象から外してもよい。要するに、図４におけるＡ部開放、Ｂ部開放、Ｃ部開放、Ｄ部開放及びＤ，Ｅ，Ｆ−ＧＮＤ間短絡といった故障を必須の故障判定の対象とする。この場合、発生頻度の高い故障、又は優先度の高い故障が適切に判定できるようになる。但し、故障の原因の大半が半導体スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ不能によるものであると解析される場合には、故障判定の対象を当該スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ故障に限定することも可能である。
【００９４】
上記実施の形態では、エンジン１０の低温始動当初においてヒータ３３の全通電制御を実施していた。すなわち、ヒータ３３を１００％通電により加熱させるようにしていた。この構成を変更し、ヒータ３３の制御デューティ比を例えば「９８％」の上限ガード値にて制限するようにしてもよい。この場合、上述した図５のヒータ制御ルーチンのように、センサ活性前に「全通電制御」と「９８％通電制御」とを区別して実施する必要がなくなる。こうした構成によれば、制御デューティ比の上限及び下限が「１％〜９８％」の範囲内で制限されることとなり、Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆの各値が常に検出できるようになる。但し、上記上限及び下限ガードによるデューティ比の制限は、本発明において必須要件ではなく、適宜省略して具体化できる。
【００９５】
また、上記実施の形態では、ヒータ通電の開始当初において故障発生を仮判定し、その状態が所定時間以上経過した際に故障発生を確定させるようにしていたが（前記図９のステップ２１６〜２２１）、こうした仮判定の処理をヒータ通電の開始当初以外にも適用してもよい。この場合、故障発生の旨の誤判定が防止できるようになる。また逆に、演算処理の簡素化のために、仮判定の処理を削除して具体化することも可能である。
【００９６】
ヒータ制御回路２５の構成を以下のように変更してもよい。
図１６に示すヒータ制御回路２５は、前記図４の一部を変更したものであり、具体的にはヒータ電流検出回路の構成を変更している。図１６のヒータ電流検出回路４５は、オペアンプ４５ａと、同オペアンプ４５ａの非反転入力端子に接続された抵抗４５ｂ，４５ｃ及び定電圧電源Ｖｃｃ（５ボルト）と、反転入力端子に接続された抵抗４５ｄ，４５ｅとからなる差動増幅回路により構成されている。そして、当該検出回路４５は、ヒータ電流検出用抵抗４１により検出されるヒータ電流Ｉｈを電圧信号に変換しその結果をＡ／Ｄ変換器２４を介してマイコン２０に出力する。かかる構成では、前記図４の構成とは異なり、ヒータ電流Ｉｈが大きくなるほどオペアンプ４５ａの出力が小さくなるような出力特性を有する。
【００９７】
図１７のヒータ制御回路は、電圧検出手段及び電流検出手段をＡ／Ｄ変換器２４及びマイコン２０にて構成するものである。同構成では、ヒータ３３のバッテリ側電位が抵抗４６ａ，４６ｂを介してＡ／Ｄ変換器２４の「ＣＨ１」に入力され、ヒータ３３のＧＮＤ側電位が抵抗４６ｃ，４６ｄを介してＡ／Ｄ変換器２４の「ＣＨ２」に入力される。また、ヒータ電流検出用抵抗４１のヒータ側の電位がＡ／Ｄ変換器２４の「ＣＨ３」に入力される。そして、マイコン２０は、前記Ａ／Ｄ変換器２４のＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３に取り込まれた信号に基づいてヒータ３３の両端電圧（Ｖｏｎ，Ｖｏｆｆ）及びヒータ電流（Ｉｏｎ，Ｉｏｆｆ）を検出する。
【００９８】
またその他の形態として、前記図４、図１６、図１７を組み合わせてヒータ制御回路を構成したり、ヒータ電流ローサイド検出の構成や或いはヒータ電流ハイサイド検出の構成を適用したりすることも可能である。これらの回路構成は、エンジン毎の設計思想等に応じて適宜選択的に用いられる。
【００９９】
ヒータ通電時の電圧及び電流の検出値（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ）を比較判定するためのしきい値と、ヒータ非通電時の電圧及び電流の検出値（Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆ）を比較判定するためのしきい値とを別個に設けるようにしてもよい。つまり、本実施の形態の構成では、ヒータ制御系の正常時には、Ｖｏｎ＝１１ボルト，Ｉｏｎ＝５アンペア，Ｖｏｆｆ＝０ボルト，Ｉｏｆｆ＝０アンペア若しくはその付近の値となる。そこで例えば、
・ヒータ通電時のしきい値電圧（Ｖｔｈｏｎ）を「９ボルト」程度に、
・ヒータ通電時のしきい値電流（Ｉｔｈｏｎ）を「４アンペア」程度に、
・ヒータ非通電時のしきい値電圧（Ｖｔｈｏｆｆ）を「２ボルト」程度に、
・ヒータ非通電時のしきい値電流（Ｉｔｈｏｆｆ）を「１アンペア」程度に、
それぞれ設定する。そして、
・Ｖｏｎ＞Ｖｔｈｏｎ、
・Ｉｏｎ＞Ｉｔｈｏｎ、
・Ｖｏｆｆ＜Ｖｔｈｏｆｆ、
・Ｉｏｆｆ＜Ｉｔｈｏｆｆ、
の４条件が成立する場合にのみヒータ制御系が正常である旨を判定し、それ以外の場合には、上記４つの検出値（Ｖｏｎ，Ｉｏｎ，Ｖｏｆｆ，Ｉｏｆｆ）が上記４つのしきい値に対して如何なる大小関係にあるかに応じてヒータ制御系の故障箇所及びモードを図１５を参照しつつ特定する。かかる構成によれば、より一層適確な故障判定が実施できるようになる。
【０１００】
上記実施の形態では、コップ型のＡ／Ｆセンサに本発明を具体化したが、積層型のＡ／Ｆセンサに具体化してもよい。
上記実施の形態では、限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）に本発明を具体化したが、他のガス濃度センサに具体化して実現することも可能である。例えば空燃比が理論空燃比（ストイキ）に対してリッチかリーンかで異なる電圧信号（起電力）を出力するＯ2 センサにて本発明を具体化してもよい。要は、活性化のためにヒータによる加熱が必要なガス濃度センサ、例えばＮＯx ，ＨＣ，ＣＯ等のガス濃度を検出するためのセンサであれば、本発明が適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの詳細な構成を示す断面図。
【図３】Ａ／Ｆセンサの出力特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図４】ヒータ制御回路の構成を示す回路図。
【図５】ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。
【図６】イニシャル処理ルーチンを示すフローチャート。
【図７】ヒータ制御系の故障判定ルーチンを示すフローチャート。
【図８】図７に続き、ヒータ制御系の故障判定ルーチンを示すフローチャート。
【図９】図７及び図８に続き、ヒータ制御系の故障判定ルーチンを示すフローチャート。
【図１０】素子インピーダンスの検出法の一例を説明するための波形図。
【図１１】電力制御時において、素子インピーダンスに応じた電力指令値を求めるためのマップ。
【図１２】ヒータの通電制御信号に対応するヒータ両端電圧及びヒータ電流と、それら各値の検出タイミングを説明するためのタイムチャート。
【図１３】エンジン始動時における制御動作を説明するためのタイムチャート。
【図１４】エンジン始動時における制御動作を説明するためのタイムチャート。
【図１５】各種故障の形態と、正常時及び故障発生時におけるヒータ電圧及びヒータ電流の各値とを説明するための図。
【図１６】他の実施の形態において、ヒータ制御回路の構成を示す回路図。
【図１７】他の実施の形態において、ヒータ制御回路の構成を示す回路図。
【符号の説明】
１０…エンジン、１２…排気管、２０…マイコン（マイクロコンピュータ）、２０ａ…ヒータ制御手段，故障判定手段，全通電手段，初期値検出手段を構成するＣＰＵ、２０ｄ…バックアップＲＡＭ、２４…Ａ／Ｄ変換器、２６…半導体スイッチング素子としてのＭＯＳ（ｎチャネルＭＯＳトランジスタ）、２８…電圧検出手段を構成するヒータ電圧検出回路、２９…電流検出手段を構成するヒータ電流検出回路、３０…ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）、３３…ヒータ、４１…電流検出手段を構成するヒータ電流検出用抵抗、４２…故障警告灯、＋Ｂ…バッテリ電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a failure determination device for a heater control system used in a gas concentration sensor.
[0002]
[Prior art]
In a gas concentration detection device including an application to an automobile, the same detection device using a gas concentration sensor has been proposed, and an air-fuel ratio detection device using an air-fuel ratio sensor is known as an example.
[0003]
That is, in recent vehicle-mounted engines, linear air-fuel ratio sensors that detect the air-fuel ratio (oxygen concentration in exhaust gas) of the air-fuel mixture sucked into the engine in a wide area and linearly are applied. For example, in the limit current type air-fuel ratio sensor, it is necessary to maintain the temperature of the sensor element at a predetermined activation temperature in order to accurately detect the air-fuel ratio (oxygen concentration). For this reason, a heater is usually attached to the sensor, and energization of the heater is controlled by a predetermined duty ratio signal.
[0004]
Recently, it has been legally prescribed to monitor the function of the heater control system for this type of sensor related to automobile exhaust gas, and this regulation tends to be further strengthened in the future. Under such circumstances, a technique such as “Method and apparatus for monitoring the functional capability of a heater of an oxygen measurement sensor” in Japanese Patent Laid-Open No. 5-195443 has been proposed. The apparatus disclosed in the publication is configured to measure the voltage applied to the heater of the oxygen measurement sensor when the heater is energized and when the heater is energized and to output a failure signal when the measured voltage difference is outside a predetermined range. It was.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional apparatus, it is mainly configured to determine the presence or absence of a failure based on the voltage value (power supply voltage) applied to the heater. Regarding the identification of the failure location and failure mode of the heater control system Was still inadequate. Therefore, automobiles brought into repair shops after the occurrence of a failure, such as inspection of control circuits and harness inspection (including inspection of conductors and connectors), etc. to investigate what is the cause of the failure and where it should be repaired Will be forced to investigate. For this reason, there is a problem that maintenance and inspection require complicated work and a lot of time, and the maintainability is poor.
[0006]
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problem, and the object of the present invention is to accurately determine that when a failure occurs in the heater control system and to identify the failure location. It is providing the failure determination apparatus of the heater control system used for a density sensor.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 has the following characteristics: Applied to a heater control system provided with a heater attached to a gas concentration sensor and energized by power supply from a power source, and heater control means for on / off controlling energization of the heater at a predetermined control duty ratio As a failure determination device, Connected in parallel to the heater, the voltage across the heater Accompanying on / off control with a predetermined control duty ratio Voltage detection means that detects when the heater is energized and de-energized, and the current flowing through the heater connected in series to the heater Similarly with on / off control with a predetermined control duty ratio Current detection means for detecting when the heater is energized and not energized, and the detected voltage and current when the heater is energized And hi The four values consisting of the voltage and current at the time of non-energization are compared with each other at a predetermined threshold value. Small Is the deviation different from the normal value? , A combination of these four values And determine whether there is a failure according to In the circuit constituting the heater control system Failure determination means for specifying a failure location.
[0008]
According to the above configuration, by detecting four values consisting of the voltage and current when the heater is energized and the voltage and current when the heater is not energized, and comparing each with a predetermined threshold value, This makes it possible to identify the failure point of the heater control system, which was insufficient. That is, when a failure occurs in the heater control system, this is accurately determined, and the failure location can be specified in detail. In such a case, when it is determined that a failure has occurred, for example, a failure warning light (MIL: Malfunction indicator light) is turned on, and the vehicle in which the failure has occurred is brought to a repair shop or the like in accordance with this warning. Then, by using the above-described failure location identification result, the failure location identification work required until actual repair can be greatly simplified. As a result, the effect of improving maintainability and workability can be obtained.
[0009]
Incidentally, the failure information specified as described above is stored in a backup memory or the like that retains the data even after the power is turned off, and is read out by a diagnostic checker at any time in a repair shop or the like.
[0010]
The invention of claim 1 is embodied as the following claims 2 to 5. That is,
In the invention described in claim 2, the failure determination means specifies a failure that opens an electrical path connecting the power source side, ground side electrical path of the heater and the heater.
-In invention of Claim 3, the said failure determination means specifies the failure that the electrical path which connects the said heater and the said voltage detection means is open | released.
In the invention according to claim 4, the failure determination means is configured such that the heater is energized regardless of a failure (GND short) in which an electrical path on the ground side of the heater is short-circuited, that is, whether the semiconductor switching element is on or off. Identify faults that will be left alone.
In the invention according to claim 5, the failure determination means is a failure that makes it impossible to switch on / off the semiconductor switching element for intermittently connecting an electric path connecting the power source, the heater, and the ground, that is, a normally-on failure or Identify faults that are always off. According to the structure of Claims 2-5, it becomes possible to specify the failure location about the failure with a comparatively high occurrence frequency, or a failure with a comparatively high priority.
[0011]
If the example of the failure form is briefly explained using the circuit diagram of FIG.
In claim 2, the failure such as disconnection of each part of A, C, D, F, and G in FIG. 4 can be detected.
In the third aspect of the present invention, it is possible to detect a failure such as disconnection of each part B and E in FIG.
In claim 4, a failure such as a short circuit in each part of D, E, and F in FIG. 4 can be detected.
In the fifth aspect of the invention, an on failure or an off failure of the transistor 26 can be detected.
[0012]
According to the sixth aspect of the present invention, at the beginning of energization of the heater at the start of the engine, all energization means for setting the control duty ratio of the heater to 100% and before the start of heater energization by the all energization means, An initial value detecting means for detecting a voltage and a current value and, after the detection, starting energization of the heater to detect both-end voltage and current value; and the failure determining means is detected by the initial value detecting means Failure determination is performed according to each value of the measured voltage and current.
[0013]
That is, when the engine is started at a low temperature, the control duty ratio of the heater is set to 100% so that a gas concentration sensor (for example, an air-fuel ratio sensor) is activated quickly, and the heater is continuously energized (100% energized). ). In this case, if 100% energization is performed, the voltage and current when the heater is not energized cannot be detected even if a failure occurs, and accurate failure determination becomes impossible. On the other hand, in the above configuration, by detecting the voltage and current when the heater is not energized before starting energization, the four values consisting of the voltage and current when the heater is energized and the voltage and current when the heater is not energized are detected. Can be detected, and the desired failure determination as described above can be performed.
[0014]
In the seventh aspect of the invention, when it is determined that a failure has occurred according to the detected values of the voltage and current by the initial value detecting means, the voltage across the heater and the current value can be detected only for the minimum time. The means for setting the control duty ratio to cut off the heater energization, and the heater energization is controlled with the set control duty ratio, and in this state, it is determined continuously that a failure has occurred in the heater control system for a predetermined time or more. A means for finally determining that a failure has occurred. In this case, a more accurate failure determination can be made as compared with the invention of claim 6. In other words, when it is determined that a failure has occurred for the first time, the determination result is used as a temporary determination result, and then the heater energization is cut off for a minimum time during which the both-end voltage and current value of the heater can be detected. It is possible to avoid erroneous determination of failure even at the time of temporary failure determination at the beginning of engine startup.
[0015]
In the invention according to claim 8, the control duty ratio by the heater control means is limited by a predetermined lower guard value or upper guard value. In this case, since the heater energization state or non-energization state is not continued, it is possible to always detect four values consisting of the voltage and current when the heater is energized and the voltage and current when the heater is de-energized. Thus, the desired failure determination as described above can be performed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in an air-fuel ratio detection apparatus will be described with reference to the drawings. The air-fuel ratio detection apparatus in the present embodiment is applied to an electronically controlled gasoline injection engine mounted on an automobile. In the air-fuel ratio control system of the engine, the air-fuel ratio detection system is based on the detection result by the air-fuel ratio detection apparatus. Then, the fuel injection amount to the engine is controlled to a desired air-fuel ratio. In the following description, with regard to the limit current type air-fuel ratio sensor as a gas concentration sensor, the heater energization control procedure attached to the sensor and the failure determination procedure of the heater control system will be described in detail and the processing will be realized. A specific configuration for doing this will be described.
[0017]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of an air-fuel ratio detection apparatus according to the present embodiment. In FIG. 1, the air-fuel ratio detection device includes a limiting current air-fuel ratio sensor (hereinafter referred to as an A / F sensor) 30. The A / F sensor 30 is attached to an exhaust pipe 12 extending from the engine body 11 of the engine 10, and the oxygen concentration in the exhaust gas is adjusted with the application of a voltage commanded from a microcomputer (hereinafter referred to as a microcomputer) 20. A proportional linear air-fuel ratio detection signal (sensor current signal) is output. The microcomputer 20 includes a well-known CPU 20a, ROM 20b, RAM 20c, backup RAM 20d, and the like for executing various arithmetic processes, and controls the heater control circuit 25 and the bias control circuit 40 according to a predetermined control program. The backup RAM 20d is configured as a memory capable of holding stored information even after the power supply to the microcomputer 20 is cut off.
[0018]
Here, the bias command signal Vr output from the microcomputer 20 is input to the bias control circuit 40 via the D / A converter 21. The output of the A / F sensor 30 corresponding to the air / fuel ratio (oxygen concentration) at that time is detected as a sensor current by the current detection circuit 50 in the bias control circuit 40, and the detected value is sent to the A / D converter 23. Via the microcomputer 20. The microcomputer 20 performs ON / OFF control of the heater 33 of the A / F sensor 30 by a predetermined control duty ratio signal. A heater voltage and a heater current associated with ON / OFF of the heater 33 are detected by a heater control circuit 25 described later, and the detected values are input to the microcomputer 20 via the A / D converter 24. Further, the microcomputer 20 is connected with a failure warning light 42 for notifying the passenger of the vehicle that a failure has occurred. The warning light 42 is turned on or off according to a determination result of a failure determination process described later. Turns off.
[0019]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an outline of the A / F sensor 30. In FIG. 2, the A / F sensor 30 protrudes toward the inside of the exhaust pipe 12, and the sensor 30 is roughly divided into a cover 31, a sensor body 32, and a heater 33. The cover 31 has a U-shaped cross section, and a plurality of small holes 31a communicating with the inside and outside of the cover are formed on the peripheral wall. The sensor main body 32 as the sensor element unit generates a limit current corresponding to the oxygen concentration in the air-fuel ratio lean region or the unburned gas (CO, HC, H2 etc.) concentration in the air-fuel ratio rich region.
[0020]
The configuration of the sensor body 32 will be described in detail. In the sensor body 32, an exhaust gas side electrode layer 36 is fixed to the outer surface of the solid electrolyte layer 34 formed in a cup shape in cross section, and an atmosphere side electrode layer 37 is fixed to the inner surface. A diffusion resistance layer 35 is formed outside the exhaust gas side electrode layer 36 by plasma spraying or the like. The solid electrolyte layer 34 is made of an oxygen ion conductive oxide sintered body in which CaO, MgO, Y2 O3, Yb2 O3 or the like is dissolved as a stabilizer in ZrO2, HfO2, ThO2, Bi2 O3 or the like as a stabilizer. Consists of heat-resistant inorganic materials such as alumina, magnesia, siliceous, spinel, mullite. Both the exhaust gas side electrode layer 36 and the atmosphere side electrode layer 37 are made of a noble metal with high catalytic activity such as platinum, and the surface thereof is subjected to porous chemical plating or the like. The area and thickness of the exhaust gas side electrode layer 36 are about 10 to 100 mm 2 (square millimeter) and about 0.5 to 2.0 μm, while the area and thickness of the atmosphere side electrode layer 37 are. Is 10 mm ^ 2 (square millimeter) or more and about 0.5 to 2.0 μm.
[0021]
The heater 33 is accommodated in the atmosphere-side electrode layer 37 and heats the sensor body 32 (the atmosphere-side electrode layer 37, the solid electrode layer 34, the exhaust gas-side electrode layer 36, and the diffusion resistance layer 35) by the heat generation energy. . The heater 33 has a heat generation capacity sufficient to activate the sensor body 32.
[0022]
In the A / F sensor 30 configured as described above, the sensor main body 32 generates a limit current corresponding to the oxygen concentration in the lean region from the theoretical air-fuel ratio point. In this case, the limit current corresponding to the oxygen concentration is determined by the area of the exhaust gas side electrode layer 36, the thickness of the diffusion resistance layer 35, the porosity, and the average pore diameter. The sensor main body 32 can detect the oxygen concentration with a linear characteristic, and a high temperature of about 600 ° C. or higher is required to activate the sensor main body 32. Since the active temperature range is narrow, the element temperature cannot be controlled in the active region by heating only with the exhaust gas of the engine 10. For this reason, in the present embodiment, the sensor main body 32 is heated to the active temperature range by duty-controlling the power supplied to the heater 33. Note that in the region on the richer side than the stoichiometric air-fuel ratio, the concentration of unburned gas such as carbon monoxide (CO) changes almost linearly with respect to the air-fuel ratio, and the sensor body 32 corresponds to the concentration of CO or the like. Generate limit current.
[0023]
The voltage-current characteristic (VI characteristic) of the sensor body 32 will be described with reference to FIG. According to FIG. 3, the inflow current to the solid electrolyte layer 34 of the sensor main body 32 proportional to the detection A / F of the A / F sensor 30 and the applied voltage to the solid electrolyte layer 34 have linear characteristics. I understand. In such a case, the straight line portion parallel to the voltage axis V is a limit current detection area for specifying the limit current of the sensor body 32, and the increase / decrease of the limit current (sensor current) is the increase / decrease of A / F (that is, lean / rich). ). That is, the limit current increases as A / F becomes leaner, and the limit current decreases as A / F becomes richer.
[0024]
In this V-I characteristic, a voltage region smaller than a straight line portion (limit current detection region) parallel to the voltage axis V is a resistance dominant region, and the slope of the primary linear portion in the resistance dominant region is It is specified by the internal resistance of the solid electrolyte layer 34 (hereinafter referred to as element impedance Zdc). This element impedance Zdc changes with changes in temperature, and when the temperature of the sensor body 32 decreases, the inclination decreases due to an increase in Zdc.
[0025]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of the heater control circuit 25. In the figure, one end of the heater 33 is connected to a battery power supply + B having a rated voltage of 12 volts, and the other end is connected to the drain of an n-channel MOS transistor (hereinafter referred to as MOS 26) constituting a semiconductor switching element. The gate of the MOS 26 is connected to the microcomputer 20 via a driver 27, and the source is grounded via a heater current detection resistor 41. In short, the MOS 26 is turned ON / OFF by the control duty ratio signal of the microcomputer 20, and the energization operation of the heater 33 is controlled by the ON / OFF operation of the MOS 26.
[0026]
The heater voltage detection circuit 28 as voltage detection means is constituted by a differential amplifier circuit composed of an operational amplifier 28a and resistors 28b to 28e, measures the voltage Vh across the heater 33, and outputs the measurement result to an A / D converter. 24 to the microcomputer 20. The heater end-to-end voltage Vh corresponds to the difference between the battery-side voltage Vpos of the heater 33 and the GND-side voltage Vneg (Vh = Vpos−Vneg). Here, the resistance values of the resistors 28b and 28e are equal (this resistance value is R1), and the resistance values of the resistors 28c and 28d are equal (this resistance value is R2).
[0027]
The heater current detection circuit 29 as current detection means is constituted by a differential amplifier circuit composed of an operational amplifier 29a and resistors 29b to 29e, and converts the heater current Ih detected by the heater current detection resistor 41 into a voltage signal. The result is output to the microcomputer 20 via the A / D converter 24. Incidentally, the resistance value of the heater current detection resistor 41 is set to a very small value so as not to affect the heater current Ih, so that the temperature rise performance of the heater 33 is not impaired.
[0028]
If no failure has occurred in the heater control system when the heater is energized (when the MOS 26 is turned on) and when the heater is not energized (when the MOS 26 is turned off), the heater control circuit 25 is configured as follows. Detect voltage and heater current. That is, when the heater is energized, the voltage applied to both ends of the heater (hereinafter referred to as the heater-on voltage Von) becomes a value substantially equal to the power supply voltage VB of the heater 33 (a value lower by the voltage drop of the resistance component such as the harness). At this time, the current flowing through the heater 33 (hereinafter referred to as heater-on current Ion) is a value obtained by dividing the power supply voltage VB by the heater resistance value Rh. Specifically, if VB = 12 volts, the heater on voltage Von is
Von = (R1 / R2) · Vh
From the above formula, it becomes “about 11 volts”. If Rh = 2 ohms, the heater-on current Ion is
Ion = VB / Rh
It becomes "about 5 amps" from the mathematical formula. That is, the output of the heater voltage detection circuit 28 (output voltage of the operational amplifier 28a) becomes “about 11 volts” and the current conversion value of the output of the heater current detection circuit 29 (output voltage of the operational amplifier 29a) becomes “about 5 amperes”. It becomes.
[0029]
In addition, when the heater is not energized, the potential difference between both ends of the heater disappears, so that the voltage applied to both ends of the heater (hereinafter referred to as heater off voltage Voff) becomes “almost 0 volts”. At this time, since there is no potential difference between both ends of the heater current detection resistor 41, the current flowing through the heater 33 (hereinafter referred to as heater off current Ioff) becomes “0 ampere”. That is, the output of the heater voltage detection circuit 28 (output voltage of the operational amplifier 28a) becomes “almost 0 volt” and the current conversion value of the output of the heater current detection circuit 29 (output voltage of the operational amplifier 29a) becomes “almost 0 amperes”. It becomes.
[0030]
On the other hand, in the heater control system, when any failure occurs, such as a harness failure (conductor disconnection or connector contact failure), Von, Ion, Voff, Ioff described above becomes a value different from the normal value. Is different depending on what kind of failure has occurred at which location due to the configuration of the heater control system. Therefore, in the present embodiment, the failure occurrence location and the content (hereinafter referred to as failure mode) are analyzed by dividing into the following (1) to (10), and the analysis results are individually shown with reference to FIG. Explained. FIG. 15 shows values of Von, Ion, Voff, and Ioff corresponding to each failure location and failure mode.
[0031]
(1) Opening of part A in Fig. 4
When the heater is energized (when the MOS 26 is turned on) at the time of failure of “A part open” due to disconnection or the like, the potentials at both ends of the heater 33 are both at the GND level, and no potential difference between the both ends of the heater occurs. Accordingly, the heater-on voltage Von is “0 volts”. At this time, since the electric path connecting the battery power source + B, the heater 33 and GND is cut off, no current flows through the heater 33 and the heater on-current Ion becomes “0 ampere”. In this case, Von and Ion are greatly different from those when the heater control system is normal.
[0032]
Incidentally, the non-inverting input terminal of the operational amplifier 28a is connected to the GND through the resistor 28e, and the operational amplifier 28a applies negative feedback by the resistor 28b. Therefore, when the heater is not energized (when the MOS 26 is turned off), the inverting input terminal of the operational amplifier 28a is at the GND level, and the output voltage of the operational amplifier 28a is "0 volts", which is the GND level. That is, the heater off voltage Voff becomes “0 volt” as in the normal state. Further, the heater-off current Ioff is “0 amperes” as in the normal state.
[0033]
(2) In the case of B part opening of FIG.
At the time of failure of “B part open” due to disconnection or the like, when the heater is energized (when the MOS 26 is turned on), the non-inverting input terminal of the operational amplifier 28a becomes the GND level, and the heater on voltage Von becomes “0 volt”. At this time, as apparent from the circuit diagram of FIG. 4, the heater current normally flows even when the portion B is opened, so the heater on-current Ion has the same value as in the normal state. Note that the heater off voltage Voff and the heater off current Ioff when the heater is not energized (when the MOS 26 is turned off) both have the same values as when normal. In other words, only Von is greatly different from the normal value. This makes it possible to determine a failure and to determine that the above-mentioned failure of the A section is open.
[0034]
(3) In the case of part C opening in FIG.
At the time of failure of “C section open” due to disconnection or the like, when the heater is energized (when the MOS 26 is ON), the non-inverting input terminal of the operational amplifier 28a becomes the potential of the heater power supply voltage VB and the inverting input terminal is 0. It becomes a bolt. In detail,
Von = (R1 / R2) · VB
The Von value is obtained from the mathematical expression. At this time, the heater-on voltage Von is a voltage value corresponding to the potential of the power supply voltage VB, that is, “12 volts”. Here, when the part C is opened, the electric path connecting the battery power source + B, the heater 33 and GND is cut off, and no heater current flows even if the MOS 26 is turned on. For this reason, there is no voltage drop in the harness or the like, and the heater-on voltage Von is higher than normal. Further, the heater-on current Ion becomes “0 ampere” due to the interruption of the electric path.
[0035]
On the other hand, when the heater is not energized (when the MOS 26 is turned off), the heater off voltage Voff is obtained from the product of the power supply voltage VB and the resistance divided value (R1 / (R1 + R2)). That means
Voff = {R1 / (R1 + R2)} · VB
The heater-off voltage Voff is obtained from the above formula, specifically, a value of about “9 volts”. The heater off current Ioff is “0 amperes”. In the case of such a failure of the C section opening, Ion and Voff are greatly different from the normal values, thereby making it possible to determine the failure.
[0036]
(4) In the case of D part opening of FIG.
At the time of failure of “D part open” due to disconnection or the like, Von = 12 volts, Ion = 0 ampere, Voff = 9 volts, Ioff = 0 ampere as in the case of the failure of the C part open. Incidentally, the same detection result can be obtained when a failure such as the heater 33 itself being damaged occurs.
[0037]
(5) In the case of E part opening of FIG.
At the time of failure of “E part open” due to disconnection etc., when the heater is energized (when MOS 26 is on),
Von = {R1 / (R1 + R2)} · VB
The heater-on voltage Von is obtained from the above formula. Specifically, Von has a value of about “9 volts”. Here, since the heater 33 can be energized when the E portion is opened, the heater-on current Ion is detected as normal (Ion = 5 amperes).
[0038]
On the other hand, when the heater is not energized (when the MOS 26 is turned off), the heater off voltage Voff is similar to the heater on voltage Von.
Voff = {R1 / (R1 + R2)} · VB
Specifically, it is a value of about “9 volts”. The heater off current Ioff is “0 amperes”. In the case of such an E portion opening, Voff is greatly different from the normal value, and thus it is possible to determine a failure.
[0039]
(6) In the case of F part opening of FIG.
At the time of failure of “F section open” due to disconnection or the like, the electric paths such as the battery power source + B, the heater 33, the MOS 26, and the GND are cut off. Therefore, regardless of whether the heater 33 is energized or not (MOS 26 is turned on / off), the heater voltage and current value are equal to the values when the MOS 26 is turned off. That is, Von = 0 volt, Ion = 0 ampere, Voff = 0 volt, and Ioff = 0 ampere. In this case, Von and Ion are greatly different from the normal value, thereby making it possible to determine whether a failure has occurred.
[0040]
(7) In case of G part opening in FIG.
Even in the case of failure of “G part open” due to disconnection or the like, the electric path such as the battery power source + B, the heater 33, the MOS 26, and GND is cut off as in the case of the F part open in (6) above. Therefore, regardless of whether the heater 33 is energized or not (MOS 26 is turned on / off), the heater voltage and current value are the same as when the MOS 26 is turned off. That is, Von = 0 volt, Ion = 0 ampere, Voff = 0 volt, and Ioff = 0 ampere. In this case, Von and Ion are greatly different from the normal value, thereby making it possible to determine whether a failure has occurred.
[0041]
(8) In case of D, E, F-GND short circuit in Fig. 4
At the time of this “D, E, F-GND short circuit” failure, the heater voltage is almost equal to the value when the MOS 26 is ON, regardless of whether the heater 33 is energized or not (MOS 26 is ON / OFF). However, in such a case, there is no voltage drop due to resistance due to the harness or the like, and the same voltage as the power supply voltage VB is applied to both ends of the heater. That is, Von = 12 volts and Voff = 12 volts. Further, since there is no potential difference between both ends of the heater current detection resistor 41, Ion = 0 ampere and Ioff = 0 ampere. In this case, Ion and Voff are greatly different from the normal values, thereby making it possible to determine a failure.
[0042]
Incidentally, the fact that Ion and Voff differ greatly from the normal value is the same as the above-described failure of C part or D part open, but if each Voff is compared, these C part or D part open And D, E, F-GND short circuit faults. This will be described below. When the C part or D part is opened, the Voff value is obtained by the product of the power supply voltage VB and the resistance voltage dividing value (R1 / (R1 + R2)). On the other hand, when D, E, F-GND are short-circuited, the inverting input terminal of the operational amplifier 28a becomes the GND level, and the output of the operational amplifier 28a, that is, the Voff value is obtained as “R1 / R2 × VB”. Therefore, Voff at the time of short circuit between D, E, F and GND is higher than Voff at the time of opening C part and D part, and if a threshold voltage for determining the Voff value of both is set, It becomes possible to distinguish between the C part or D part open and the D, E, F-GND short circuit.
[0043]
(9) When MOS26 is always ON
When the “MOS 26 is always ON” failure, the heater voltage and current value are equal to the values when the heater is energized, regardless of whether the heater 33 is energized or not. That is, Von = 11 volts, Ion = 5 amps, Voff = 11 volts, Ioff = 5 amps. In this case, Voff and Ioff are greatly different from the normal values, thereby making it possible to determine the occurrence of a failure.
[0044]
(10) When MOS26 is always OFF
When the “MOS 26 is always OFF” failure, the heater voltage and current value are equal to the values when the heater 33 is not energized, regardless of whether the heater 33 is energized or de-energized. That is, Von = 0 volt, Ion = 0 ampere, Voff = 0 volt, and Ioff = 0 ampere. In this case, Von and Ion are greatly different from the normal value, thereby making it possible to determine whether a failure has occurred.
[0045]
Next, the operation of the apparatus of the present embodiment configured as described above will be described.
FIG. 5 is a flowchart showing a heater control routine, FIG. 6 is an initial processing routine which is a subroutine of FIG. 5, and FIGS. 7 to 9 are flowcharts showing failure determination routines of the heater control system. Each of these routines is started by a timer interrupt at a predetermined interval (for example, 128 msec cycle) by the CPU 20a in the microcomputer 20. However, the routines of FIGS. 7 to 9 are executed immediately after the routine of FIG.
[0046]
In the heater control routine of FIG. 5, the CPU 20a first determines in step 101 whether or not the initial flag XINT is “0”. This initial flag XINT indicates whether or not the initial processing required when the IG key is turned on has been performed. XINT = 0 indicates that the initial processing has not been performed, and XINT = 1 indicates that the initial processing has been performed. It represents that it is finished. If XINT = 0, the CPU 20a proceeds to step 120, performs the initial processing shown in FIG. 6, and then ends this routine once.
[0047]
Here, the initial processing routine of FIG. 6 will be described. In this initial process, before the energization control of the heater 33 is started, the heater off voltage Voff and the heater off current Ioff are first detected, and then the heater 33 is energized (ON) to determine the voltage value when the heater is on. The current value is detected. Specifically, the CPU 20 a first detects the heater off voltage Voff and the heater off current Ioff based on the output values of the heater voltage detection circuit 28 and the heater current detection circuit 29 in step 121. Further, the CPU 20a energizes the heater 33 and waits for a predetermined time in that state (steps 122 and 123). This standby time is the time required for the voltage and current value to converge after the heater is energized, and specifically, it may be about 200 μsec.
[0048]
After waiting for a predetermined time, the CPU 20a detects the heater-on voltage Von and the heater-on current Ion in step 124, and in step 125, sets the initial flag XINT to “1”. Thereafter, the CPU 20a sets “1” to the all energization flag XZN in step 126 and returns to the routine of FIG. Here, the all energization flag XZN indicates whether or not all energization control, which will be described later, is performed. XZN = 1 indicates that all energization control is performed, and XZN = 0 indicates that all energization control is performed. Represents not being implemented.
[0049]
On the other hand, when the initial flag XINT is set in the initial process routine, step 101 in FIG. 5 is positively determined every time thereafter. In step 102, the CPU 20a determines whether the failure occurrence flag XFAIL is “0”. This failure occurrence flag XFAIL indicates a determination result of the presence or absence of a failure in the heater control system, where XFAIL = 0 indicates that there is a failure in the heater control system, and XFAIL = 1 indicates that there is no failure in the heater control system. . The flag XFAIL is operated in a failure determination routine shown in FIGS. If the failure occurrence flag XFAIL is “1”, the CPU 20a makes a negative determination in step 102 and ends the present routine as it is. That is, the energization control of the heater 33 is not performed.
[0050]
If the failure occurrence flag XFAIL is “0”, the CPU 20a proceeds to step 103, where the element impedance Zdc is a predetermined determination value for determining the semi-active state of the sensor main body 32 (in this embodiment, 200 ohms). It is determined whether or not the degree is less than or equal to. Here, the element impedance Zdc is detected as follows. That is, when detecting the element impedance Zdc, as shown in FIG. 10, the applied voltage of the A / F sensor 30 is temporarily changed in the positive direction and the negative direction. Then, the element impedance Zdc is calculated from either the positive or negative voltage change amount ΔV and the current change amount ΔI during the voltage change (Zdc = ΔV / ΔI). However, this calculation method is an example, and the sensor when the element impedance Zdc is detected based on the amount of change in voltage and current on both sides of the positive and negative, or when the negative applied voltage Vneg (voltage that does not fall within the limit current detection range) is applied. The element impedance Zdc may be detected from the current Ineg (Zdc = Vneg / Ineg).
[0051]
For example, when the element temperature is low, such as when the engine 10 is cold started, Zdc> 200 ohms, and the CPU 20a proceeds to step 104 to determine whether or not the failure temporary flag XTEM is “1”. Here, the temporary failure flag XTEM is operated to “1” when the occurrence of a failure in the heater control system is temporarily determined at the time of engine start, and this operation is performed by a failure determination routine described later. To be implemented.
[0052]
If XTEM = 0, that is, if it is not temporarily determined that a failure has occurred when the engine is started, the CPU 20a proceeds to step 105 and performs “all energization control” of the heater 33. In this full energization control, the control duty ratio signal to the heater 33 is maintained at 100%, and sensor activation is preferentially implemented.
[0053]
On the other hand, if XTEM = 1, that is, if it is temporarily determined that a failure has occurred when the engine is started, the CPU 20a proceeds to step 106 and performs “98% duty control” of the heater 33. In the 98% duty control, the heater OFF time of about Duty = 2% is set so that the heater off voltage Voff and the heater off current Ioff can be continuously detected at the time of provisional determination of failure occurrence. By detecting Voff and Ioff in this manner, failure determination by a failure determination routine described later can be performed. Thereafter, the CPU 20a sets “1” to the all energization flag XZN in step 107 and once ends this routine.
[0054]
After the heater energization is started, the element temperature rises due to the heating action of the heater 33 (or the element temperature is high from the beginning), and when the step 103 is positively determined, the CPU 20a proceeds to step 108, and the all energization flag is Clear XZN to “0”. In step 109, the CPU 20a determines whether or not the element impedance Zdc is equal to or less than a predetermined determination value (in the present embodiment, about 40 ohms) for starting feedback (F / B) control. Here, the determination value of step 109 is used to determine the active state of the sensor body 32, and is set as a value of about “+10 ohms” with respect to the target impedance (in this embodiment, 30 ohms). Yes.
[0055]
When the activation of the A / F sensor 30 is not completed and the determination at Step 109 is negative, the CPU 20a proceeds to Step 110 and controls the energization of the heater 33 by “power control”. At this time, as shown in the map of FIG. 11, a power command value is determined according to the element impedance Zdc, and a control duty ratio for energizing the heater is calculated according to the power command value.
[0056]
On the other hand, when the activation of the A / F sensor 30 is completed and the determination at Step 109 is affirmative, the CPU 20 a performs “element impedance F / B control” at Step 111. In this element impedance F / B control, the duty ratio Duty for heater energization is calculated in the following procedure. In the present embodiment, a PID control procedure is used as an example.
[0057]
That is, first, the proportional term GP, the integral term GI, and the differential term GD are calculated by the following equations (1) to (3).
GP = KP · (Zdc−ZdcTG) (1)
GI = GIi-1 + KI. (Zdc-ZdcTG) (2)
GD = KD. (Zdc-Zdci-1) (3)
In the above equation, “KP” is a proportional constant, “KI” is an integral constant, and “KD” is Fine The subscript “i−1” represents a value at the time of the previous process.
[0058]
Then, the duty ratio Duty for energizing the heater is calculated by adding the proportional term GP, the integral term GI, and the differential term GD (Duty = GP + GI + GD). However, such a heater control procedure is not limited to the PID control described above, and PI control or P control may be performed.
[0059]
Thereafter, in step 112, the CPU 20a determines whether or not the duty ratio Duty set by the element impedance F / B control is larger than a predetermined lower limit guard value. The lower limit guard of the duty ratio Duty limits the duty not to be “0%” even when the exhaust gas temperature is high and heater energization is unnecessary, such as during high load operation. It may be set to about “1%”. Thus, even when the heater energization is unnecessary, the heater energization is performed with a small duty so that the heater on voltage Von and the heater on current Ion can be detected under any operating condition, and the failure determination by the failure determination routine described later is performed. It becomes possible.
[0060]
If the duty ratio Duty is less than the lower limit guard value, the CPU 20a limits the duty ratio Duty with the lower limit guard value (1%) in Step 113, and then ends this routine. On the other hand, if the duty ratio Duty is equal to or greater than the lower limit guard, the CPU 20a ends this routine as it is.
[0061]
Next, the failure determination process of the heater control system will be described. In the failure determination process of the present embodiment, various failures in the heater control system shown in FIG. 15 are determined based on the heater on voltage Von, the heater on current Ion, the heater off voltage Voff, and the heater off current Ioff. Von, Ion, Voff, and Ioff are basically detected in synchronization with the rise of “OFF → ON” of the energization control signal of the heater 33. However, only when the IG key is turned ON, Von, Ion, Voff, and Ioff are detected according to the above-described initial processing.
[0062]
FIG. 12 is a time chart for explaining detection timings of Von, Ion, Voff, and Ioff corresponding to the energization control signal of the heater 33. The time-up counter in the figure is counted up at a cycle of 4 msec, and the count value changes within the range of “0” to “32”. At this time, the timing at which the time-up counter is cleared to “0” and the rising timing of the energization control signal of the heater 33 are synchronized. The heater off voltage Voff and the heater off current Ioff are detected immediately before the count value of the time-up counter is cleared to “0”, that is, the count value = 31 (the timing of ▼ in the figure), and the count value is set to “0”. The heater on voltage Von and the heater on current Ion are detected immediately after being cleared, that is, at a count value = 1 (timing of ▽ in the figure). The detected values of Von, Ion, Voff, and Ioff are stored and held in the RAM 20c in the microcomputer 20 as needed.
[0063]
Further, “Vth” in the figure is a threshold voltage for determining the suitability of the on-voltage and off-voltage Von, Voff of the heater 33, and “Ith” is the on-current and off-current Ion, This is a threshold current for determining the suitability of Ioff. These threshold values Vth and Ith are set in advance. Specifically, Vth = 5 volts and Ith = 1.5 amperes.
[0064]
Hereinafter, failure determination processing corresponding to Von, Ion, Voff, and Ioff detected as described above will be described with reference to the flowcharts of FIGS. When the failure determination routine of the heater control system starts, the CPU 20a first determines whether or not the initial flag XINT is “1” in step 201 of FIG. Then, on the condition that XINT = 1, the CPU 20a reads the latest values of Von, Ion, Voff, and Ioff in the RAM 20c in step 202.
[0065]
Thereafter, the CPU 20a determines whether or not the heater control system is normal from the values of Von, Ion, Voff, and Ioff read in step 203 and predetermined threshold values Vth and Ith. Here, in this step, it is determined whether or not all of the following four conditions are satisfied. That is,
・ Von> Vth,
・ Ion> Ith,
・ Voff <Vth,
・ Ioff <Ith,
It is determined whether or not all are satisfied. In this case, if the heater control system is normal, all the above four conditions are satisfied (see FIG. 15), and the CPU 20a clears the temporary failure flag XTEM to “0” in step 203a, and then ends this routine.
[0066]
On the other hand, if the condition of step 203 is not satisfied, the processing after step 204 is executed assuming that there is a high possibility that some failure has occurred in the heater control system. In the following, description will be given in order. In step 204, the CPU 20a determines whether or not all of the following four conditions are satisfied. That is,
・ Von <Vth,
・ Ion <Ith,
・ Voff <Vth,
・ Ioff <Ith,
It is determined whether or not all are satisfied. In this case, if a failure such as the A part, the F part or the G part in FIG. That is, as shown in FIG. 15, when a failure occurs such as A part, F part or G part open, or MOS 26 is always OFF, Voff and Ioff values are normal values, whereas Von and Ion values are normal values. It is smaller than the normal value and falls below the threshold values Vth and Ith (Von = 0 volts, Ion = 0 amperes). If the determination in step 204 is affirmative, the CPU 20a stores in step 205 the failure location and failure mode (failure information indicating that the A portion, F portion or G portion is open, or the MOS 26 is normally OFF) in the backup RAM 20d.
[0067]
If the condition of step 204 is not satisfied, the CPU 20a proceeds to step 206 and determines whether or not all of the following four conditions are satisfied. That is,
・ Von <Vth,
・ Ion> Ith,
・ Voff <Vth,
・ Ioff <Ith,
It is determined whether or not all are satisfied. In this case, if a failure such as part B opening in FIG. 4 has occurred, an affirmative determination is made in step 206. That is, as shown in FIG. 15, when a failure occurs such as part B opening, the values of Ion, Voff, and Ioff are normal values, whereas only the value of Von is smaller than the normal value, and the threshold value Vth is set. (Von = 0 volts). If the determination in step 206 is affirmative, the CPU 20a causes the backup RAM 20d to store the failure location and mode (failure information for opening part B) at that time in step 207.
[0068]
On the other hand, if the condition in step 206 is not satisfied, the CPU 20a proceeds to step 208 in FIG. 8, and determines whether or not all the following four conditions are satisfied. That is, Von> Vth,
・ Ion <Ith,
・ Voff> Vth,
・ Ioff <Ith,
It is determined whether or not all are satisfied. In this case, if a failure such as the opening of the part C or D in FIG. 4 or a short circuit between D, E, F and GND has occurred, an affirmative determination is made in step 208. That is, as shown in FIG. 15, when a failure occurs such as C part or D part open or D, E, F-GND short circuit, Von and Ioff values are normal values (however, Von is 12 volts, which is a substantially normal value), the value of Ion is smaller than the normal value and falls below the threshold value Ith (Ion = 0 amperes). Further, the value of Voff is larger than the normal value and exceeds the threshold value Vth (Voff = 9 volts or 12 volts).
[0069]
Further, when the determination in step 208 is affirmative, in step 209, the CPU 20a distinguishes whether the failure at that time is due to opening of the C part or D part or due to a short circuit between D, E, and F-GND. Specifically, when a failure such as C part or D part open or D, E, F-GND short-circuit occurs, the value of Voff exceeds the threshold value Vth (= 5 volts) in any case. Thus, the value of Voff when the C part or the D part is open is lower than the value of Voff when D, E, F-GND is short-circuited. The Voff in the former case is about 9 volts, and the Voff in the latter case is about 12 volts. Therefore, a second threshold voltage Vth2 is set between these two values (Vth2 = 10.5 volts or so), and the threshold voltage Vth2 is compared with Voff.
[0070]
That is, the CPU 20a determines whether or not Voff <Vth2 is established in step 209. If Voff <Vth2, the CPU 20a proceeds to step 210, assumes that a failure has occurred due to the opening of the C or D portion, and stores failure information to that effect in the backup RM 20d. If Voff ≧ Vth2, the CPU 20a proceeds to step 211, regards that a failure has occurred due to a short circuit between D, E, and F-GND, and stores failure information to that effect in the backup RAM 20d.
[0071]
On the other hand, if the condition of step 208 is not satisfied, the CPU 20a proceeds to step 212 and determines whether or not all of the following four conditions are satisfied. That is,
・ Von> Vth,
・ Ion> Ith,
・ Voff> Vth,
・ Ioff <Ith,
It is determined whether or not all are satisfied. In this case, if a failure such as the opening of the E portion in FIG. 4 has occurred, an affirmative determination is made in step 212. That is, as shown in FIG. 15, Von, Ion, and Ioff values are normal values when a failure such as an E portion opening occurs (however, Von is 9 volts, which is a substantially normal value). Only the value of is larger than the normal value and exceeds the threshold value Vth (Voff = 9 volts). If the determination in step 212 is affirmative, in step 213, the CPU 20a stores the failure location and mode (failure information for opening the E section) at that time in the backup RAM 20d.
[0072]
If the condition of step 212 is not satisfied, the CPU 20a proceeds to step 214 and determines whether or not all of the following four conditions are satisfied. That is,
・ Von> Vth,
・ Ion> Ith,
・ Voff> Vth,
・ Ioff> Ith,
It is determined whether or not all are satisfied. In this case, if there is a failure such as the MOS 26 of FIG. That is, as shown in FIG. 15, when a failure occurs such that the MOS 26 is always ON, the values of Von and Ion are normal values, whereas the values of Voff and Ioff are larger than the normal values and the threshold values Vth, It will exceed Ith (Voff = 11 volts, Ioff = 5 amps). If the determination in step 214 is affirmative, the CPU 20a stores the failure location and mode (failure information in which the MOS 26 is always ON) in the backup RAM 20d in step 215. If the condition in step 214 is not satisfied, the CPU 20a ends the routine as it is.
[0073]
After it is determined that a failure has occurred according to the series of failure determinations (after the processing of steps 205, 207, 210, 211, 213, and 215), the CPU 20a performs the processing of steps 216 to 221 in FIG. Specifically, the CPU 20a determines whether or not the all energization flag XZN is “1” in step 216, that is, whether or not the all energization control (or 98% duty control) of the heater 33 is currently being performed. Determine. If XZN = 0 and the power control or element impedance F / B control of the heater 33 is being performed, the CPU 20a makes a negative determination in step 216 and immediately proceeds to step 220. The CPU 20a sets “1” to the failure occurrence flag XFAIL at step 220 and turns on the failure warning lamp 42 at the subsequent step 221, and then ends this routine. When the failure warning lamp 42 is turned on, a vehicle passenger is warned that a failure has occurred.
[0074]
On the other hand, if XZN = 1 and full energization control (or 98% duty control) of the heater 33 is being performed, the CPU 20a makes an affirmative determination in step 216 and proceeds to step 217 to set “1” in the temporary failure flag XTEM. Set to "". Thereafter, the CPU 20a increments the counter CZN by “1” in Step 218, and determines whether or not the counter CZN is equal to or greater than a predetermined determination value KC in subsequent Step 219. This determination value KC is a time required to determine the occurrence of a failure, and is a count value corresponding to about “3 seconds” in the present embodiment.
[0075]
When CZN <KC, the CPU 20a ends this routine as it is. If CZN ≧ KC, the CPU 20a proceeds to step 220. The CPU 20a sets “1” to the failure occurrence flag XFAIL at step 220 and turns on the failure warning lamp 42 at the subsequent step 221, and then ends this routine.
[0076]
Incidentally, in the failure determination routines of FIGS. 7 to 9 described above, if the failure of the heater 33 is not determined at the beginning of energization and all the energization control is performed, it is impossible to detect Voff and Ioff. Become. Therefore, in such a case, the process for determining the failure is temporarily suspended until the all-energization control is terminated and the power control or the element impedance F / B control is started. If Voff and Ioff can be detected, the failure determination can be performed).
[0077]
In the present embodiment, the heater control routine of FIG. 5 corresponds to the heater control means described in the claims, and the failure determination routines of FIGS. 7 to 9 correspond to the failure determination means. Further, the process of step 105 in FIG. 5 corresponds to all energization means, and the process of step 120 and FIG. 6 in FIG. 5 corresponds to initial value detection means.
[0078]
13 and 14 are time charts showing the heater energization control operation at the time of starting the engine 10 at a low temperature, the transition of the heater current, and the state of operation of various flags. FIG. 13 shows any failure in the heater control system. FIG. 14 shows a case where a failure has occurred.
[0079]
In FIG. 13, at time t1, the microcomputer 20 is powered on, and initial processing is performed during the period of time t1 to t2 (see the flow in FIG. 6). In this case, after the heater off voltage Voff and the heater off current Ioff are detected, the heater on voltage Von and the heater on current Ion are detected. And failure determination is implemented using each value of this first Voff, Ioff, Von, and Ion (refer the flow of the said FIGS. 7-9). At the beginning of energization of the heater, the heater current is relatively large because the heater resistance is small, but the heater current converges to a normal value (5 amperes) with warming up.
[0080]
At time t2, “1” is set to the initial flag XINT, and “1” is set to the all energization flag XZN. Thereafter, in the period of time t2 to t4, all energization control of the heater 33 is performed. That is, the control duty ratio Duty of heater energization is maintained at 100%. The time required for the full energization control varies depending on the degree of the cold state of the A / F sensor 30, but is about 7 seconds at the longest. At time t4, the all energization flag XZN is cleared to “0”, and thereafter, the power control and element impedance F / B control of the heater 33 are performed (see the flow of FIG. 5).
[0081]
In FIG. 13, when it is temporarily determined that a failure has occurred based on Von, Ion, Voff, and Ioff detected in the initial process, “1” is set in the failure temporary flag XTEM at time t2, as indicated by a broken line in the figure. ”Is set, and“ 98% Duty control ”is performed with 2% of the duty ratio Duty as the OFF time (step 106 in FIG. 5). In such a case, if the determination of the occurrence of the failure is temporary, the failure temporary flag XTEM is reset to “0” at time t3 in FIG. 7 (step 203a in FIG. 7), and the heater energization is completely changed from the 98% duty control. Switch to energization control (step 105 in FIG. 5).
[0082]
On the other hand, in FIG. 14, any of the various failures shown in FIG. 15 has occurred since the beginning of energization. In this case, failure determination is performed using each value of Von, Ion, Voff, and Ioff detected by the initial process at times t11 to t12, and a provisional determination is made that a failure has occurred. At time t12, the failure temporary flag XTEM and the like are set, and the counter CZN starts counting up (steps 217 and 218 in FIG. 9).
[0083]
After the time t12, if the failure occurrence is not resolved during the execution of the 98% duty control, the failure occurrence flag XFAIL is set to “1” at the time t13 when the value of the counter CZN reaches the predetermined determination value KC (FIG. 9 step 220). At this time, failure information such as failure location and failure mode is stored in the backup RAM 20d, and the failure warning lamp 42 is turned on. Then, energization of the heater after that is stopped.
[0084]
As described above, 98% duty control is performed during the period in which all energization control is originally performed, and the heater non-energization operation is forcibly performed. Therefore, each value of Voff and Ioff is detected at the time of temporary determination of the occurrence of a failure. It becomes possible. Therefore, the failure of the heater control system can be accurately grasped, and there is no inconvenience such as excessive temperature rise of the sensor.
[0085]
When the failure warning lamp 42 is turned on as described above, the vehicle in which the failure has occurred is brought into a repair shop or the like according to this warning. If the failure information stored in the backup RAM 20d is read by a diagnostic checker or the like, the trouble location can be easily identified without requiring complicated work, and repair work corresponding to the trouble at that time is performed. .
[0086]
According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(A) In the present embodiment, four values consisting of a voltage and currents Von and Ion when the heater is energized and a voltage and currents Voff and Ioff when the heater is not energized are set to predetermined threshold values Vth and Ith, respectively. Then, the presence / absence of a failure is determined according to which of the compared four values is different from the normal value, and the failure location is specified. According to the above configuration, it is possible to identify a failure point of the heater control system, which is insufficient with the existing apparatus. That is, when a failure occurs in the heater control system, this is accurately determined, and the failure location can be specified in detail. In such a case, the use of the above-described failure location identification result makes it possible to greatly simplify the failure location identification work required until actual repair. As a result, the effect of improving maintainability and workability can be obtained.
[0087]
(B) In the present embodiment, the failure determination corresponding to the actual machine can be realized by specifying various failures as shown in FIG. 15 for each occurrence location or for each mode.
[0088]
(C) At the beginning of energization of the heater 33 accompanying the engine start, the heater off voltage Voff and the heater off current Ioff are detected before the start of all energization control. The voltage Von and the heater on-current Ion are detected (the initial process in FIG. 6). Then, failure determination is performed according to the detected values of Voff, Ioff, Von, and Ion. In this case, if full energization control of the heater 33 is performed (Duty = 100%), even if a failure occurs, Voff and Ioff cannot be detected and an accurate failure determination becomes impossible. By detecting Voff and Ioff before the start of energization, it becomes possible to detect four values consisting of Von, Ion, Voff, and Ioff. As a result, the desired failure determination as described above can be performed.
[0089]
(D) When it is determined that a failure has occurred at the beginning of heater energization, “98% duty control” is performed to cut off the heater energization for the minimum time that Voff and Ioff can be detected (see FIG. Step 106 in FIG. 5) If it is determined that the failure of the heater control system has continued for a predetermined time or longer in this state, it is finally determined that the failure has occurred (Step 216 in FIG. 9). ~ 221). In this case, erroneous determination of a failure can be avoided even at the time of a temporary failure determination at the start of the engine, and a more accurate failure determination becomes possible.
[0090]
(E) Further, in the present embodiment, the control duty ratio Duty is limited to a predetermined lower limit guard value (1%) (steps 112 and 113 in FIG. 5). In this case, the heater on voltage Von and the heater on current Ion can be reliably detected even when the exhaust gas temperature is high and heater energization is not necessary (when Duty = 0%), for example, when the engine 10 is in a high load operation. it can. Therefore, it becomes possible to always detect the four values consisting of Von, Ion, Voff, and Ioff, and to perform the desired failure determination as described above.
[0091]
(F) Moreover, if the failure of the heater control system can be accurately grasped as described above, a normal active state of the A / F sensor 30 can be maintained. As a result, highly accurate air-fuel ratio F / B control can be performed, emissions can be reduced, and legal regulations relating to exhaust gas regulations can be appropriately handled.
[0092]
The embodiment of the present invention can be realized in the following form in addition to the above.
In the above embodiment, in the heater control system failure determination routine (FIGS. 7 to 9),
・ Von> Vth,
・ Ion <Ith,
・ Voff> Vth,
・ Ioff <Ith,
When the failure that satisfies the above four conditions is satisfied (when step 208 of FIG. 8 is YES), the value of Voff is compared with the second threshold voltage Vth2, and the failure due to the opening of the C part or the D part, Although the failure due to the short circuit between D, E, and F-GND has been determined (steps 209 to 211 in FIG. 8), this configuration may be changed. For example, if the process of step 209 is omitted and step 208 is affirmed, it is concluded that a failure has occurred due to "C or D part open or D, E, F-GND short circuit". Also good.
[0093]
Further, the number or mode of failure determination may be reduced as compared with the above-described embodiment (see FIG. 15), and the calculation load by the CPU 20a may be reduced. Specifically, in consideration of the occurrence frequency and priority order of failures, all or a part of failures such as E portion opening, F portion opening, G portion opening and MOS 26 always ON and always OFF in FIG. It may be excluded from the target. In short, failures such as A portion opening, B portion opening, C portion opening, D portion opening and D, E, F-GND short circuit in FIG. In this case, a failure with a high occurrence frequency or a failure with a high priority can be appropriately determined. However, when it is analyzed that most of the causes of the failure are due to the inability to turn on / off the semiconductor switching element, it is also possible to limit the failure determination target to the ON / OFF failure of the switching element.
[0094]
In the above-described embodiment, full energization control of the heater 33 is performed at the beginning of the engine 10 at a low temperature. That is, the heater 33 is heated by 100% energization. By changing this configuration, the control duty ratio of the heater 33 may be limited by an upper limit guard value of, for example, “98%”. In this case, unlike the heater control routine of FIG. 5 described above, it is not necessary to distinguish between “full energization control” and “98% energization control” before the sensor activation. According to such a configuration, the upper limit and the lower limit of the control duty ratio are limited within the range of “1% to 98%”, and each value of Von, Ion, Voff, and Ioff can always be detected. However, the limitation of the duty ratio by the upper limit and the lower limit guard is not an essential requirement in the present invention, and can be embodied by being omitted as appropriate.
[0095]
In the above embodiment, the occurrence of failure is provisionally determined at the beginning of heater energization, and the occurrence of failure is confirmed when the state has exceeded a predetermined time (steps 216 to 221 in FIG. 9). ), Such provisional determination processing may be applied to other than the beginning of heater energization. In this case, an erroneous determination that a failure has occurred can be prevented. Conversely, in order to simplify the arithmetic processing, the provisional determination processing may be deleted and embodied.
[0096]
The configuration of the heater control circuit 25 may be changed as follows.
A heater control circuit 25 shown in FIG. 16 is obtained by changing a part of FIG. 4. Specifically, the configuration of the heater current detection circuit is changed. The heater current detection circuit 45 of FIG. 16 includes an operational amplifier 45a, resistors 45b and 45c connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 45a, a constant voltage power supply Vcc (5 volts), and a resistor 45d connected to the inverting input terminal. , 45e, a differential amplifier circuit. The detection circuit 45 converts the heater current Ih detected by the heater current detection resistor 41 into a voltage signal and outputs the result to the microcomputer 20 via the A / D converter 24. Unlike the configuration shown in FIG. 4, this configuration has an output characteristic that the output of the operational amplifier 45a decreases as the heater current Ih increases.
[0097]
In the heater control circuit of FIG. 17, the voltage detection means and the current detection means are configured by the A / D converter 24 and the microcomputer 20. In this configuration, the battery side potential of the heater 33 is input to “CH1” of the A / D converter 24 via the resistors 46a and 46b, and the GND side potential of the heater 33 is A / D converted via the resistors 46c and 46d. Is input to “CH 2” of the device 24. Further, the heater-side potential of the heater current detection resistor 41 is input to “CH 3” of the A / D converter 24. Then, the microcomputer 20 detects both-end voltages (Von, Voff) and heater currents (Ion, Ioff) of the heater 33 based on signals taken into CH1, CH2, and CH3 of the A / D converter 24.
[0098]
As another form, it is possible to configure the heater control circuit by combining FIGS. 4, 16, and 17, or to apply the heater current low-side detection configuration or the heater current high-side detection configuration. is there. These circuit configurations are selectively used as appropriate according to the design concept of each engine.
[0099]
A threshold for comparing and determining the detected values (Von, Ion) of the voltage and current when the heater is energized and a threshold for comparing and determining the detected values (Voff, Ioff) of the voltage and current when the heater is not energized The value may be provided separately. That is, in the configuration of the present embodiment, when the heater control system is normal, Von = 11 volts, Ion = 5 amperes, Voff = 0 volts, Ioff = 0 amperes or a value in the vicinity thereof. So, for example,
・ The threshold voltage (Vthon) when the heater is energized is about 9 volts.
・ The threshold current (Ithon) when the heater is energized is set to about “4 amps”.
・ When the heater is not energized, the threshold voltage (Vthoff) is set to about "2 volts"
-The threshold current (Ithoff) when the heater is not energized is set to about "1 ampere".
Set each. And
・ Von> Vthon,
・ Ion> Ithon,
・ Voff <Vthoff,
・ Ioff <Ithoff,
Only when these four conditions are satisfied, it is determined that the heater control system is normal. Otherwise, the four detection values (Von, Ion, Voff, Ioff) are set to the four threshold values. On the other hand, the failure location and mode of the heater control system are specified with reference to FIG. 15 according to the magnitude relationship. According to such a configuration, it becomes possible to perform failure determination more accurately.
[0100]
In the above embodiment, the present invention is embodied in a cup-type A / F sensor, but may be embodied in a laminated A / F sensor.
In the above-described embodiment, the present invention is embodied in the limiting current type air-fuel ratio sensor (A / F sensor). However, the present invention can be embodied in other gas concentration sensors. For example, the present invention may be embodied by an O2 sensor that outputs a voltage signal (electromotive force) that differs depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean with respect to the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric). In short, the present invention can be applied to any gas concentration sensor that needs to be heated by a heater for activation, such as a sensor for detecting the gas concentration of NOx, HC, CO, or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of an air-fuel ratio detection apparatus in an embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of an A / F sensor.
FIG. 3 is a VI characteristic diagram for explaining output characteristics of an A / F sensor.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a heater control circuit.
FIG. 5 is a flowchart showing a heater control routine.
FIG. 6 is a flowchart showing an initial processing routine.
FIG. 7 is a flowchart showing a failure determination routine of the heater control system.
FIG. 8 is a flowchart showing a failure determination routine of the heater control system, following FIG. 7;
FIG. 9 is a flowchart showing a failure determination routine of the heater control system, following FIGS. 7 and 8;
FIG. 10 is a waveform diagram for explaining an example of a detection method of element impedance.
FIG. 11 is a map for obtaining a power command value corresponding to the element impedance during power control.
FIG. 12 is a time chart for explaining heater end-to-end voltage and heater current corresponding to a heater energization control signal, and detection timing of each value.
FIG. 13 is a time chart for explaining a control operation at the time of engine start.
FIG. 14 is a time chart for explaining a control operation at the time of engine start.
FIGS. 15A and 15B are diagrams for explaining various failure modes and heater voltage and heater current values when normal and when a failure occurs; FIGS.
FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of a heater control circuit in another embodiment.
FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration of a heater control circuit in another embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Engine, 12 ... Exhaust pipe, 20 ... Microcomputer (microcomputer), 20a ... Heater control means, failure determination means, all energization means, CPU which comprises initial value detection means, 20d ... Backup RAM, 24 ... A / D Converter, 26 ... MOS (n-channel MOS transistor) as semiconductor switching element, 28 ... Heater voltage detection circuit constituting voltage detection means, 29 ... Heater current detection circuit constituting current detection means, 30 ... Gas concentration sensor A / F sensor (limit current type air-fuel ratio sensor), 33... Heater, 41... Heater current detection resistor constituting current detection means, 42.

Claims

A heater attached to the gas concentration sensor and energized by power supply from a power source;
Applied to a heater control system comprising heater control means for on / off control of energization of the heater at a predetermined control duty ratio;
Voltage detection means connected in parallel to the heater and detecting the voltage at both ends of the heater at the time of heater energization and non-energization accompanying on / off control by the predetermined control duty ratio ;
Current detection means connected in series to the heater and detecting the current flowing through the heater when the heater is energized and de-energized with the on / off control according to the predetermined control duty ratio ;
The then compares with the detected heater current when the voltage and current and Heater-energized when the voltage and current and four values each in a predetermined threshold value consisting of four that the comparison value sac lichen Or a failure determination means for determining whether or not there is a failure according to a combination of these four values, and for identifying a failure location in a circuit constituting the heater control system. A failure determination device for a heater control system used for a gas concentration sensor.

2. The heater control used in the gas concentration sensor according to claim 1, wherein the failure determination unit is configured to identify a failure in which an electrical path connecting the power source side, ground side electrical path of the heater and the heater is opened. System failure determination device.

2. The failure determination device for a heater control system used for a gas concentration sensor according to claim 1, wherein the failure determination unit identifies a failure that opens an electrical path connecting the heater and the voltage detection unit.

A semiconductor switching element for interrupting an electrical path between the heater and the ground side is provided by a duty signal of the heater control means,
The failure determination device for a heater control system used for a gas concentration sensor according to claim 1, wherein the failure determination means specifies a failure in which an electrical path on the ground side of the heater is short-circuited.

In accordance with a duty signal of the heater control means, a semiconductor switching element is provided for intermittently connecting an electric path connecting the power source, the heater and the ground,
2. The failure determination device for a heater control system used for a gas concentration sensor according to claim 1, wherein the failure determination unit specifies a failure that makes it impossible to switch on and off the semiconductor switching element.

The gas concentration sensor is disposed in an engine exhaust pipe, and is applied to a gas concentration detection system that detects a gas concentration from a measurement result of the gas concentration sensor,
All energization means for setting the control duty ratio of the heater to 100% at the beginning of energization of the heater as the engine starts;
Before starting the heater energization by all the energization means, the both end voltage and current value of the heater are detected, and after the detection, the heater energization is started to detect the both end voltage and current value. Prepared,
The heater control system used in the gas concentration sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the failure determination unit performs failure determination according to each value of voltage and current detected by the initial value detection unit. Failure determination device.

The failure determination device for a heater control system according to claim 6,
When it is determined that a failure has occurred according to each detected value of voltage and current by the initial value detecting means, the control duty ratio is set so that the heater energization is cut off for a minimum time that the voltage and current value of the heater can be detected. A means of setting
Means for controlling the heater energization with the set control duty ratio, and finally determining that a failure has occurred if it is determined in that state that a failure has occurred in the heater control system for a predetermined time or longer. A failure determination device for a heater control system used in a gas concentration sensor.

The failure determination device for a heater control system used in a gas concentration sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein a control duty ratio by the heater control means is limited by a predetermined lower limit guard value or upper limit guard value. .