JP2009097962A - 酸素センサの故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誤判定を防止して診断精度を向上する。
【解決手段】酸素センサの故障診断装置において、酸素センサの素子温上昇時における素子温上昇速度（Ｔｓ２−Ｔｓ１）及び到達素子温Ｔｓ２の少なくとも一方を計測し、計測値が所定値以下である状態が複数回の素子温上昇時に毎回現れたとき、酸素センサを故障と診断する。酸素センサの検出素子内に存在する水分は、素子温上昇を繰り返すことによりやがて蒸発し、その影響が無くなるのに対し、故障センサについてはそのようなことがない。よってかかる場合に水分影響の場合と区別して酸素センサの故障を正確に診断できる。
【選択図】図８

Description

本発明は酸素センサの故障診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスの酸素濃度に応じた起電力を発生する酸素センサの故障診断装置に関する。

触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサを設け、その検出結果より空燃比を求めて、検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づけるフィードバック制御を実施している。

酸素センサは、排気通路内に突出するように配設された筒型の検出素子を備えている。検出素子は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面は、センサカバーを通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子は、内外の表面に電極が被覆された固体電解質により形成されている。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアなどが利用されている。検出素子の内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気ガス側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で４価の電子を放出する。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出素子の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子に起電力が発生する。こうして酸素センサは、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。

こうした酸素センサにおいて、検出素子を加熱するヒータを備えているものがある。そして検出素子の欠損（クラック、割れ等）が生じて検出素子の内外が連通すると、検出素子の内外でガスの出入りが生じる。これによりヒータや検出素子の熱が奪われ、主にヒータによる検出素子の暖機中、検出素子の温度（素子温）の上昇が遅くなる。この現象を利用して検出素子の欠損故障を診断する装置がある。例えば特許文献１に開示された装置では、ヒータ加熱後の所定時に検出された素子温を所定値と比較し、素子温の方が低い場合に検出素子に異常ありとの判断を行っている。

特開２００６−１１８４９０号公報

一方、検出素子の欠損が生じると検出素子外部の排気ガスがその内部に侵入し、その内外の酸素分圧の差が無くなってセンサは起電力を発生しなくなる。そしてさらに、検出素子内部に排気ガスが侵入した状態で検出素子外部により酸素濃度の高い（空燃比リーンの）排気ガスが存在すると、酸素センサにおいて逆方向の起電力が発生する。従って、この逆起電力に対応した酸素センサの負（マイナス）の出力電圧を検出することで、酸素センサの検出素子の欠損、即ち酸素センサの故障を検出することができる。

ところで、酸素センサが上記のように欠損故障しておらず、正常な場合であっても、酸素センサから負の出力電圧が発生する事象があることが試験により確認された。従って、この場合にも酸素センサの故障と判断してしまうことは誤判定となり、故障診断の精度を落としめる結果となる。

そこで、本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、誤判定を防止して診断精度を向上することができる酸素センサの故障診断装置を提供することにある。

本発明によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた酸素センサの故障診断装置において、
前記酸素センサの素子温を検出する素子温検出手段と、
前記素子温検出手段により検出された素子温に基づき、素子温上昇時における素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方が所定値以下であり、且つこの状態が複数回の素子温上昇時に毎回現れたとき、前記酸素センサを故障と診断する診断手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置が提供される。

本発明者らの試験によれば、酸素センサが欠損故障しておらず正常な場合であっても、内燃機関停止中等に検出素子内に発生した水分の影響により、酸素センサから負の出力が発生する場合があることが確認された。ところで、かかる水分影響の場合には、素子温上昇を繰り返すうちにやがて検出素子内の水分が蒸発し、水分影響が除去されて正常センサの場合と同じ状態に復帰する。これに対し、故障センサの場合ではそのような復帰が起こらないという相違がある。よりいえば、水分影響の場合には複数回の素子温上昇により素子温上昇速度及び到達素子温が次第に上昇し、最終的に正常センサの場合と一致するのに対し、故障センサの場合には複数回の素子温上昇によっても素子温上昇速度及び到達素子温が低いままであり、正常センサの場合と一致することがない。

そこで、素子温上昇時における素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方が所定値以下であり、且つこの状態が複数回の素子温上昇時に毎回現れたときには、水分影響ではなく、故障センサの場合と特定する。こうして本発明によれば、水分影響の場合と区別してセンサ故障を診断及び特定でき、誤判定を防止して診断精度を向上することができる。

好ましくは、前記診断手段は、前記計測手段により計測された素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方が所定値より大きいとき、前記酸素センサからの負の出力に基づく故障診断を許可する。

素子温上昇により検出素子内の水分が蒸発すると、その水分影響が取り除かれ、酸素センサが正常であれば、素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方が所定値より大きくなる。よってこのときを待って酸素センサからの負の出力に基づく故障診断を許可する。こうすることにより水分影響が取り除かれるまで負の出力に基づく故障判定を実質的に禁止でき、水分影響による負の出力に基づく誤判定を未然に防止することができる。

好ましくは、前記素子温の上昇が、前記酸素センサに設けられたヒータの加熱によってなされる。これにより安定した素子温上昇を実行できる。

好ましくは、前記素子温の１回の上昇が、前記酸素センサに設けられたヒータの所定時間の加熱によってなされ、前記素子温上昇速度が、前記所定時間の開始時及び終了時にそれぞれ前記素子温検出手段により検出された第１素子温及び第２素子温の差からなり、前記到達素子温が、前記所定時間の終了時に前記素子温検出手段により検出された第２素子温からなる。

本発明によれば、誤判定を防止して診断精度を向上することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明が適用される車両用内燃機関の構成を、図１を参照して説明する。内燃機関１０の吸気通路１１には、その通路面積を可変とするスロットルバルブ１５（本実施形態では電子制御式）が設けられ、その開度制御によりエアクリーナ１４を通じて吸入される空気の量が調整される。ここで吸入された空気の量（吸入空気量）は、エアフローメータ１６により検出されている。そして吸気通路１１に吸入された空気は、スロットルバルブ１５下流に設けられたインジェクタ１７より噴射された燃料と混合された後、燃焼室１２に送られて、そこで燃焼される。

一方、燃焼室１２での燃焼により生じた排気ガスが送られる排気通路１３には、排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒１８が設けられ、その上流側には触媒前酸素センサ２０、その下流側には触媒後酸素センサ１９がそれぞれ設けられている。

三元触媒１８は、燃焼される混合気の空燃比が理論空燃比（ストイキ）近傍の狭い範囲（ウインドウ）でのみ、排気ガス中の主要有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のすべてを効率的に浄化する。そうした三元触媒１８を有効に機能させるには、混合気の空燃比を上記ウインドウの中心に合わせこむ、厳密なコントロールが必要となる。

この空燃比の制御は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２２により行われる。ＥＣＵ２２には、上記エアフローメータ１６や酸素センサ２０，１９、あるいはアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２１、機関回転速度を検出する回転速度センサ２３を始めとする各種センサ類の検出信号が入力されている。そして、それらセンサ類からの検出信号より把握される内燃機関１０や車両の運転状況に応じて、上記スロットルバルブ１５やインジェクタ１７等を駆動制御して、上記の空燃比制御を行っている。空燃比制御の概要は次の通りである。

まずＥＣＵ２２は、アクセル開度や機関回転速度の検出結果に応じて把握される吸入空気量の要求量を求め、それに応じた吸入空気量が得られるようにスロットルバルブ１５の開度を調整する。その一方、エアフローメータ１６により検出される吸入空気量の実測値に対して、理論空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それによりインジェクタ１７からの燃料噴射量を調整する。これにより、燃焼室１２で燃焼される混合気の空燃比を、ある程度に理論空燃比に近づけることはできる。ただし、それだけでは上記要求される高精度の空燃比制御には不十分である。

そこでＥＣＵ２２は、上記各酸素センサ２０，１９の出力信号より換算される空燃比の実測値に基づいて、インジェクタ１７からの燃料噴射量をフィードバック補正し、要求される空燃比制御の精度を確保している。

以上のように、この排気ガス浄化システムでは、酸素センサ２０，１９の検出結果に応じて燃料噴射量をフィードバック補正する、いわゆる空燃比フィードバック制御を実施することで、混合気の空燃比を理論空燃比近傍に保持し、高い排気ガス浄化率を確保している。なお、この排気ガス浄化システムでは、上述のように２つの酸素センサ２０，１９によって、三元触媒１８の上下流における排気ガスの酸素分圧ひいては空燃比をそれぞれ検出することで、上記空燃比フィードバック制御の更なる高精度化を図っている。

本実施形態で故障診断の対象となるのは触媒下流側の触媒後酸素センサ１９である。よってこの触媒後酸素センサ１９を中心に説明を行う。図２及び図３に示すように、酸素センサ１９は、排気通路１３内に突出するように配設された筒型の検出素子３１を備えている。検出素子３１は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面は、センサカバー３２を通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子３１は、内外の表面に電極３３Ａ，３３Ｂが被覆された固体電解質により形成されている。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアなどが利用されている。検出素子３１の内側の大気室３４は、センサ内に設けられた図示しない大気通路と、センサボディに形成された大気穴３５とを通じて外部に連通され、且つ大気が導出入可能となっている。なお大気通路又は大気穴３５にはフィルタが設けられる。大気室３４には、検出素子３１を加熱して早期に活性化させるためのヒータ３６が設けられ、ヒータ３６はＥＣＵ２２によって通電制御される。

検出素子３１を介して隔てられたその内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気ガス側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で４価の電子を放出する。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出素子３１の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子３１に起電力が発生する。こうして酸素センサ１９は、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり検出素子３１外部の排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。ここで酸素イオンが内表面側の電極３３Ａから検出素子３１を通って外表面側の電極３３Ｂに向かうことから、電流の向きは逆となり、両電極に接続された外部装置に対しては内表面側の電極３３Ａが正極、外表面側の電極３３Ｂが負極となる。

ちなみに、酸素センサには他にも、板形状の検出素子を用いたものや、検出素子にジルコニア以外の素材を用いたものなど、様々なタイプの酸素センサがある。そしてその多くでは、上記例示したセンサと同様の検出原理により排気ガスの酸素分圧を検出する構成、すなわち基準ガス（大気）と排気ガスとを隔離するよう配設された検出素子が、基準ガスに対する排気ガスの酸素分圧の差に応じて起電力を発生する構成となっている。

酸素センサ１９の出力特性を図４に例示する。示されるように、酸素センサ１９の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）を境に過渡的に変化し、酸素センサ１９に供給される排気ガス（雰囲気ガス）の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリーンな領域（Ａ／Ｆ＞Ａ／Ｆｓ、以下リーン空燃比ともいう）では０．１Ｖ程度の小さい電圧を示し、理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリッチな領域（Ａ／Ｆ＜Ａ／Ｆｓ、以下リッチ空燃比ともいう）では０．９Ｖ程度の比較的高い電圧を示す。ここでは、０．４５Ｖのセンサ出力をリッチ・リーン判定閾値として、ＥＣＵ２２が検出した酸素センサ１９の出力電圧が、理論空燃比よりもリッチ相当かリーン相当かを判断している。なお、酸素センサ１９の上記各領域でのセンサ出力電圧の大きさは、検出素子３１の温度状態に応じて変化することがある。

触媒上流側の触媒前酸素センサ２０については、本実施形態の場合、排気ガスの空燃比に応じてその出力値が線形的に変化する特性の、より分解能の高い酸素センサが用いられる。本実施形態の内燃機関が理論空燃比以外の空燃比（主にリーン空燃比）で燃焼されることがあるからである。一方、基本的に理論空燃比のみで燃焼される内燃機関の場合等では、触媒後酸素センサ１９と同じ酸素センサが用いられてもよい。このセンサは理論空燃比よりリッチ及びリーンのいずれかといった低い分解能しか持たないものの、上記ストイキ燃焼のみを行うには、それで十分なことが多いからである。いずれにしても、本発明は、触媒上流側の触媒前酸素センサ２０に対しても適用可能である。

ところで、長期使用による経年劣化等により、酸素センサ１９の検出素子３１にクラックが入ったり、検出素子３１が割れたりするといった検出素子３１の欠損が発生し、酸素センサ１９が故障する場合がある。この欠損によるセンサ故障の場合、図５に示すように、検出素子３１の欠損部３７を通じて検出素子３１の内外が連通し、検出素子３１外部の排気ガスがその内部に侵入する。そして検出素子３１内部に排気ガスが侵入した状態で、検出素子３１外部により酸素濃度の高い（空燃比リーンの）排気ガスが存在すると、酸素センサ１９において逆方向の起電力が発生する。このことは例えば、センサ故障状態で空燃比をリッチからリーンに切り替えた場合や、フューエルカットが行われた場合などに起こり得る。この場合、正極３３Ａの電位よりも負極３３Ｂの電位の方が高くなり、負（マイナス）の出力電圧が発生することになる。

図６はかかる故障時の酸素センサ出力電圧の変化の一例を示す。円で囲った領域に示されるように、酸素センサ１９からはしばしば負の電圧が出力される。従って本実施形態では、このような負の出力電圧をＥＣＵ２２により検知したときに、酸素センサを故障と判定、診断することとしている。

しかしながら、前述したように、酸素センサ１９が欠損故障しておらず、正常な場合であっても、酸素センサ１９から負の出力電圧が発生することがある。従って、この場合にも酸素センサ１９の故障と判断してしまうことは誤判定となり、故障診断の精度を落としめる結果となる。

図７には、酸素センサが正常な場合における、内燃機関始動後の暖機中における酸素センサ出力電圧（実線）の変化を調べた試験結果を示す。なお酸素センサの検出素子のインピーダンス（以下、「素子インピーダンス」ともいう）（一点鎖線）の変化を併記した。素子インピーダンスは酸素センサの検出素子の温度（以下、「素子温」ともいう）に相関する値であり、両者は、素子温が高温になるほどに素子インピーダンスが低くなるという関係にある。従って図から素子温が次第に上昇していることが理解されよう。

図示されるように、内燃機関の始動時（ｔ＝０）から一定期間、酸素センサ出力電圧が０Ｖとなっている。これは酸素センサの素子温が未だ活性温度に達しておらず電圧を出力できないからである。その後、酸素センサの暖機が終了し、検出素子が活性化すると、破線円で示されるように、負の電圧が酸素センサから出力されることがある。この理由は、内燃機関始動前の機関停止中に検出素子内側の大気室に凝縮水などが発生し、大気室に水分が存在するからである。即ち、図２及び図３を参照して、内燃機関停止中には大気通路や大気穴３５を通じて大気室３４内に水分を含む外気が浸入し、さらに大気室３４や検出素子３１の温度も低下するので、大気室３４内に凝縮水が生成される。この凝縮水が、内燃機関始動後、ヒータ３６への通電とも相俟って、大気室３４及び検出素子３１の温度上昇と共に蒸発し、このとき水分の蒸発による体積膨張に起因して大気室３４内の空気が外部に駆逐され、即ち追い出される。こうなると大気室３４内が所謂酸欠状態となり、検出素子３１の内外の酸素分圧が逆転して酸素センサ１９から負の電圧が出力される。この後、水蒸気は大気室３４から追い出され、代わりに大気室３６内に大気が再び戻る或いは再導入されるようになる。こうなると検出素子３１の内外に正常な酸素分圧の差が生じるようになり、酸素センサ１９からは正の電圧が出力されるようになる。

かような理由で、内燃機関始動後のセンサ暖機中に正常な酸素センサから負の電圧が出力されてしまうことがあり得る。よってこの場合に酸素センサの故障と誤判定することを防止するため、本実施形態では、大気室３４内の水分が除去されたのを確認した後に、負電圧による酸素センサ１９の故障診断を許可或いは実施することとしている（詳細は後述）。

一方、前述したように、検出素子３１の欠損が生じると、その欠損部３７を通じて検出素子３１の内外でガスの出入りが生じる。これによりヒータ３６や検出素子３１の熱が奪われ、検出素子３１の暖機中において素子温の上昇が遅くなり、また上昇後に到達する素子温（到達素子温）も低下する。よってこの現象を利用することによっても酸素センサの欠損故障を診断することが可能である。例えば、ヒータ加熱後の所定時に検出された素子温を所定値と比較し、素子温の方が低い場合に検出素子が故障していると判断することができる。

しかし、素子温上昇時の素子温上昇速度や到達素子温のみでは、必ずしも正確な診断が行えないことが判明した。即ち、酸素センサ１９が正常で且つ大気室３４内に水分が存在している場合（以下、水分影響の場合という）にも、水分蒸発のためにヒータ３６や検出素子３１の熱が奪われ、センサ故障の場合と同様に検出素子暖機中の素子温上昇が遅くなったり到達素子温が低下したりする。よってこれらを区別しないと、正常なセンサに対して故障と誤判定してしまう可能性がある。

そこで本実施形態では、素子温上昇時における素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方が所定値以下であり、且つこの状態が複数回の素子温上昇時に毎回現れたとき、酸素センサ１９を故障と診断するようにしている。以下、この点について説明する。

図８に、酸素センサ暖機中における素子温Ｔｓの上昇の様子と、ヒータのオンオフ状態とを示す。図示例は３回の素子温上昇により水分影響が取り除かれた例を示し、（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ１回目、２回目及び３回目である。

まず、図中（Ａ）に示す１回目の場合を説明する。酸素センサの冷間状態においてエンジンが始動された後、ヒータがオンされ、酸素センサの暖機が開始される。ヒータの加熱により素子温Ｔｓが次第に上昇するが、このとき、故障センサの場合には検出素子内外でガスの出入りが生じるので、正常センサの場合に比べて素子温上昇速度が遅く、最終的に到達する到達素子温も低い。ところが、この１回目の素子温上昇前ないしエンジン始動前に検出素子内に水分が存在する場合、即ち水分影響がある場合にも、水分蒸発のためにヒータや検出素子の熱が奪われるために、正常センサの場合に比べて素子温上昇速度が遅くなったり最終的に到達する到達素子温が低くなったりする。つまり素子温の挙動としては故障センサの場合と水分影響の場合とでほぼ同じとなる。

ところが、図中（Ｂ）に示す２回目の素子温上昇時だと、水分影響の場合では１回目に比べて水分がより多く蒸発されているため、奪われる熱が１回目より少なくなり、素子温上昇速度及び到達素子温は上昇し、正常センサの場合に近づく。これに対し、故障センサの場合には状況が改善されることがないため、依然として素子温上昇速度及び到達素子温は低いままである。

図中（Ｃ）に示す３回目の素子温上昇時だと、水分影響の場合では水分がほぼ完全に蒸発されており、素子温上昇速度及び到達素子温は正常センサの場合と一致している。これに対し、故障センサの場合では相変わらず素子温上昇速度及び到達素子温が低い。

このように、水分影響の場合では素子温上昇を繰り返すうちにやがて正常センサの場合と同じ状態に復帰するのに対し、故障センサの場合ではそのような復帰が起こらないという相違がある。よりいえば、水分影響の場合には複数回の素子温上昇時において素子温上昇速度及び到達素子温が次第に上昇し、最終的に正常センサの場合と一致するのに対し、故障センサの場合には複数回の素子温上昇時において毎回常に素子温上昇速度及び到達素子温が正常センサの場合に比べて低い。

従って、素子温上昇時における素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方が所定値より低く、且つこの状態が複数回の素子温上昇時に毎回現れたときには、水分影響ではなく、故障センサの場合と特定できる。こうして、水分影響の場合と区別してセンサ故障を診断及び特定でき、誤判定を防止して診断精度を向上することができる。

本実施形態において、ＥＣＵ２２は、酸素センサ１９の素子インピーダンスを常時検出しており、この検出された素子インピーダンスを素子温に換算して素子温を間接的に検出し、後述の診断処理に用いている。但し、このような換算を行わず直接素子インピーダンスの値を用いてもよい。かかる素子インピーダンスを含め、広く、素子温に相関する値或いは素子温の指標値となる値を本発明にいう「素子温」に含めることとする。またＥＣＵ２２は、検出した素子温に基づき、素子温上昇時における素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方を計測する。

以下、故障診断の具体的処理を図９を参照しつつ説明する。この処理はＥＣＵ２２によって実行される。

まずステップＳ１０１では、故障診断を開始するための前提条件が成立しているか否かが判断される。例えば１）エンジン始動後であること、２）機関水温が所定温度（例えば０℃）を超えていること、が前提条件成立に必要な条件に含まれる。機関水温は図示しない水温センサで検出される。また、３）エンジンがアイドル運転状態であること、４）素子温Ｔｓが所定値Ｔｓ０より低いこと、も前提条件成立に必要な条件に含まれる。例えばアクセル開度センサ２１によって検出されたアクセル開度が全閉相当或いは０近傍であり、回転速度センサ２３によって検出された機関回転速度が所定のアイドル速度近傍となっている場合に、条件３）が満たされる。アイドル運転状態であることを含める理由は、素子温上昇の仕方が排気温によって影響を受けるので、排気温条件を一定に保つ方が好ましいからである。また、４）に関して、後述のステップで素子温の上昇状態を計測するため、素子温Ｔｓが所定値Ｔｓ０より低い状態から素子温上昇を開始するようにしている。

前提条件が成立していない場合には本処理が終了される。他方、前提条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進み、その時点で検出される実際の素子温を第１素子温Ｔ１として取得する。

次に、ステップＳ１０３に進み、ヒータ３６がオンされる。このときヒータ３６は連続的にオン状態とされ、例えばヒータ３６がデューティ制御される場合にはヒータ３６が１００％のデューティ比で通電される。このように、ヒータ３６の加熱により素子温を上昇させるので、診断毎に一定の安定した加熱を実行することができる。

次いでステップＳ１０４では、ヒータオン開始時からの経過時間即ちヒータオン時間ｔｏｎが所定時間Ｘを超えたか否かが判断される。超えていない場合には本処理が終了され、他方、超えている場合にはステップＳ１０５に進み、その時点での素子温Ｔｓが到達素子温としての第２素子温Ｔｓ２として取得、記憶される（図８（Ｃ）参照）。

次に、ステップＳ１０６において、第１素子温Ｔｓ１と第２素子温Ｔｓ２との差（Ｔｓ２−Ｔｓ１）が算出される。この差（Ｔｓ２−Ｔｓ１）は所定時間Ｘ当たりの素子温上昇量を意味するので、この差（Ｔｓ２−Ｔｓ１）は素子温上昇速度Ｕとして定義される。そして、この素子温上昇速度Ｕが所定値Ｕｓと比較される。

素子温上昇速度Ｕが所定値Ｕｓより大きい場合、ステップＳ１０７に進んで水分影響無しと判定され、ステップＳ１０８にて、酸素センサ１９からの負の出力電圧に基づく故障診断を許可する。この許可時以降、酸素センサ１９から負の出力電圧が現れ、且つこれがＥＣＵ２２で検出されたとき、酸素センサ１９が直ちに故障と判定されることになる。この故障判定がなされた際にはユーザにその事実を知らせるべくチェックランプ等の警告装置がオンされる。この診断許可がなされるまで、負の出力電圧に基づく故障診断は実質的に禁止される。以上で本処理が終了される。

他方、ステップＳ１０６において素子温上昇速度Ｕが所定値Ｕｓ以下の場合、ステップＳ１０９に進んで、ＥＣＵ２２の故障判定カウンタのカウント値Ｎが１だけカウントアップされる（但しＮの初期値はゼロ）。そしてステップＳ１１０において、カウント値Ｎが所定値Ｎｓ（２以上の自然数であり、本実施形態では３）と比較される。

カウント値Ｎが所定値Ｎｓ未満の場合、ステップＳ１１１に進んで第１素子温Ｔｓ１及び第２素子温Ｔｓ２の値がクリアされ、ステップＳ１１２においてヒータ３６がオフされる。これにより本処理が終了される。他方、カウント値Ｎが所定値Ｎｓ以上の場合、ステップＳ１１３に進んで酸素センサ１９が故障と判定され、本処理が終了される。なおステップＳ１１３の故障判定と同時に、前記同様、警告装置がオンされる。

本処理によると、例えば図８の図示例に関連付けて次のように故障診断がなされる。まず、センサ故障の場合、１回目の素子温上昇時にはステップＳ１０６で素子温上昇速度Ｕが所定値Ｕｓ以下となり、否定判定がなされる。するとステップＳ１０９で故障判定カウンタのカウント値Ｎが１だけカウントアップされ、ステップＳ１１１で第１及び第２素子温クリア、ステップＳ１１２でヒータオフされ、１回目の処理が終了される。ヒータオフにより実際の素子温Ｔｓが所定値Ｔｓ０を下回れば、ステップＳ１０１で条件４）が成立となり、他の条件１）〜３）が成立すれば前提条件が成立し、ステップＳ１０３で再度ヒータがオンされ、素子温が再び上昇される（２回目の上昇）。他方、ヒータオフによっても実際の素子温Ｔｓが所定値Ｔｓ０を下回らなければ、次の機会、例えば次の冷間始動時を待って素子温上昇が行われることになる。次の冷間始動時を待つ場合、エンジンオフの間でもカウント値Ｎは不揮発性メモリ等に保持、記憶されている。

図８の図示例に即せば、２回目の素子温上昇時でもステップＳ１０６で否定判定がなされ、ステップＳ１０９でカウント値Ｎがカウントアップされ、カウント値Ｎは合計で２となる。そして３回目の素子温上昇時でもステップＳ１０６で否定判定がなされ、ステップＳ１０９でカウント値Ｎがカウントアップされ、カウント値Ｎは合計で３となる。こうなるとステップＳ１１０で肯定判定され、ステップＳ１１３で酸素センサ１９が故障と判定される。このように、素子温上昇速度Ｕが所定値Ｕｓより低い状態が複数回（３回）の素子温上昇時に毎回現れたとき、酸素センサ１９が故障と診断される。

他方、水分影響の場合、１回目の素子温上昇時にはステップＳ１０６で素子温上昇速度Ｕが所定値Ｕｓ以下となり、否定判定がなされる。するとステップＳ１０９で故障判定カウンタのカウント値Ｎが１だけカウントアップされる（Ｎ＝１）。しかし、水分影響の場合には素子温上昇毎に素子温上昇速度Ｕが徐々に上がっていく。よって図８の図示例に即せば、２回目の素子温上昇時にはステップＳ１０６で否定判定がなされるが（Ｎ＝２）、３回目の素子温上昇時にはステップＳ１０６で肯定判定がなされる。こうなると、ステップＳ１１３で酸素センサ１９が故障と判定されることはなく、ステップＳ１０７で水分影響無しと判定され、ステップＳ１０８で負の出力電圧に基づく故障診断が許可される。こうして、水分影響の場合と区別してセンサ故障を正確に診断することができる。そして水分影響が除去されたのを確認した後に負の出力電圧に基づく故障診断を実施するので誤診断を未然に防止することができる。

一方、水分影響のない正常センサの場合には１回目の素子温上昇時にステップＳ１０６で直ちに肯定判定され、ステップＳ１０８で負の出力電圧に基づく故障診断が許可されることとなる。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関は車両用に限定されず、酸素センサの配置方法や設置位置も任意に変更が可能である。また、前記実施形態で用いられた数値等は任意に変更が可能である。

前記実施形態ではステップＳ１０６の判断の際に素子温上昇速度Ｕを用いたが、到達素子温Ｔｓ２を用いてもよいし、素子温上昇速度Ｕ及び到達素子温Ｔｓ２の両者を用いてもよい。前記実施形態では素子温上昇速度Ｕをヒータ加熱時間Ｘの開始時及び終了時の素子温Ｔｓ１、Ｔｓ２の差として定義したが、これ以外の定義も可能である。例えば、素子温上昇中の中間時点における素子温変化量を素子温上昇速度と定義してもよいし、或いは、所定量の素子温上昇に要する時間を素子温上昇速度として定義してもよい。また、到達素子温についても、前記実施形態ではヒータ加熱時間Ｘの終了時の第２素子温Ｔｓ２として定義したが、これ以外の定義も可能である。例えば素子温がある程度収束した時点での素子温を到達素子温として定義してもよい。前記実施形態では素子温上昇をヒータの加熱により行ったが、これに限定されず、例えば排気ガスの排気熱により素子温を上昇させてもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本実施形態に係る内燃機関を示す図である。 酸素センサの取付状態を示す断面図である。 酸素センサの検出素子周辺の拡大断面図である。 酸素センサの出力特性を示すグラフである。 酸素センサの検出素子に欠損部が生じた場合の拡大断面図である。 酸素センサの故障時における出力電圧の変化を示すグラフである。 水分影響により酸素センサから負電圧が出力されたときの試験結果を示す。 複数回の素子温上昇時における素子温上昇の様子を示すグラフである。 故障診断の具体的処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１３ 排気通路
１９ 触媒後酸素センサ
２０ 触媒前酸素センサ
２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ 検出素子
３４ 大気室
３６ ヒータ
Ｔｓ 素子温
Ｔｓ１ 第１素子温
Ｔｓ２ 第２素子温（到達素子温）
Ｕ 素子温上昇速度
Ｘ 所定時間
Ｖｓ 酸素センサ出力電圧

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸素センサの故障診断装置において、
   前記酸素センサの素子温を検出する素子温検出手段と、
   前記素子温検出手段により検出された素子温に基づき、素子温上昇時における素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方を計測する計測手段と、
   前記計測手段により計測された素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方が所定値以下であり、且つこの状態が複数回の素子温上昇時に毎回現れたとき、前記酸素センサを故障と診断する診断手段と
   を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
2. 前記診断手段は、前記計測手段により計測された素子温上昇速度及び到達素子温の少なくとも一方が所定値より大きいとき、前記酸素センサからの負の出力に基づく故障診断を許可する
   ことを特徴とする請求項１記載の酸素センサの故障診断装置。
3. 前記素子温の上昇が、前記酸素センサに設けられたヒータの加熱によってなされる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素センサの故障診断装置。
4. 前記素子温の１回の上昇が、前記酸素センサに設けられたヒータの所定時間の加熱によってなされ、前記素子温上昇速度が、前記所定時間の開始時及び終了時にそれぞれ前記素子温検出手段により検出された第１素子温及び第２素子温の差からなり、前記到達素子温が、前記所定時間の終了時に前記素子温検出手段により検出された第２素子温からなる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素センサの故障診断装置。

Images