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JP2022085177A - Air-fuel ratio sensor failure detection device - Google Patents

Air-fuel ratio sensor failure detection device Download PDF

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JP2022085177A
JP2022085177A JP2020196721A JP2020196721A JP2022085177A JP 2022085177 A JP2022085177 A JP 2022085177A JP 2020196721 A JP2020196721 A JP 2020196721A JP 2020196721 A JP2020196721 A JP 2020196721A JP 2022085177 A JP2022085177 A JP 2022085177A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
air
fuel ratio
current
value
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2020196721A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
圭一郎 青木
Keiichiro Aoki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/40Engine management systems

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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

To detect a crack in a sold electrolyte layer as a fault mode of an air-fuel ratio sensor.SOLUTION: A fault detector 1 of an air-fuel ratio sensor 10 comprises: a voltage application circuit 3 for applying a voltage to a sensor element 11; a current detection circuit 4 for detecting the output current of the sensor element; and a fault assessment unit 6 for detecting a fault of the air-fuel ration sensor. When the engine revolution speed of an internal combustion engine drops to a prescribed value from a higher value than the prescribed value and is thereafter maintained at the prescribed value or below, the fault assessment unit acquires a first current value detected by the current detection circuit at a first timing within a period in which the engine revolution speed is maintained at the prescribed value or below and a second current value detected by the current detection circuit at a second timing after a lapse of a prescribed time from the first timing within the period in which the engine revolution speed is maintained at the prescribed value or below, and assesses that there is occurrence of crack in a solid electrolyte layer when the second current value is larger than the first current value and a difference or a ratio between the second and first current values is greater than or equal to a threshold.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は空燃比センサの故障検出装置に関する。 The present invention relates to a failure detection device for an air-fuel ratio sensor.

従来、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを内燃機関の排気通路に配置し、空燃比検出センサの出力に基づいて混合気の空燃比をフィードバック制御することが知られている。斯かるフィードバック制御によって排気ガスの空燃比を適切な値に制御することができ、排気エミッションを低減することができる。 Conventionally, it is known that an air-fuel ratio sensor for detecting the air-fuel ratio of exhaust gas is arranged in an exhaust passage of an internal combustion engine, and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is feedback-controlled based on the output of the air-fuel ratio detection sensor. By such feedback control, the air-fuel ratio of the exhaust gas can be controlled to an appropriate value, and the exhaust emission can be reduced.

しかしながら、空燃比センサに素子割れのような故障が生じると、空燃比の検出精度が悪化し、排気エミッションが悪化するおそれがある。これに対して、特許文献1には、異なる内燃機関の運転条件下で空燃比センサに逆電圧が印加されたときに検出される空燃比センサの出力電流に基づいて、空燃比センサの外部と空燃比センサの大気室とを貫通するクラックの発生を検出することが記載されている。 However, if a failure such as element cracking occurs in the air-fuel ratio sensor, the detection accuracy of the air-fuel ratio deteriorates, and the exhaust emission may deteriorate. On the other hand, Patent Document 1 describes the outside of the air-fuel ratio sensor based on the output current of the air-fuel ratio sensor detected when a reverse voltage is applied to the air-fuel ratio sensor under different operating conditions of the internal combustion engine. It is described to detect the occurrence of cracks penetrating the air chamber of the air-fuel ratio sensor.

特開2007-232709号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-232709

しかしながら、空燃比センサにおいて、特許文献1に記載されるようなクラックとは別に、固体電解質層のクラックが生じる場合がある。これらの異なる故障モードが発生した空燃比センサは異なる出力異常を呈するが、特許文献1は固体電解質層のクラックを検出するための手法について何ら言及していない。 However, in the air-fuel ratio sensor, cracks in the solid electrolyte layer may occur in addition to the cracks described in Patent Document 1. Although the air-fuel ratio sensors in which these different failure modes occur exhibit different output abnormalities, Patent Document 1 does not mention any method for detecting cracks in the solid electrolyte layer.

そこで、本発明の目的は、空燃比センサの故障モードとして固体電解質層のクラックを検出することにある。 Therefore, an object of the present invention is to detect cracks in the solid electrolyte layer as a failure mode of the air-fuel ratio sensor.

上記課題を解決するために、本発明では、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質層と、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように前記固体電解質層の一方の側面上に配置された排気側電極と、大気に曝されるように前記固体電解質層の他方の側面上に配置された大気側電極とを有するセンサ素子を備える空燃比センサの故障を検出する、空燃比センサの故障検出装置であって、前記大気側電極の電位が前記排気側電極の電位よりも高くなるように前記センサ素子に電圧を印加する電圧印加回路と、前記センサ素子に電圧が印加されているときの前記センサ素子の出力電流を検出する電流検出回路と、前記空燃比センサの故障を判定する故障判定部とを備え、前記故障判定部は、前記内燃機関の機関回転数が、所定値よりも高い値から該所定値まで低下し、その後、該所定値以下に維持された場合に、該機関回転数が該所定値以下に維持された期間内の第1のタイミングにおいて前記電流検出回路によって検出された第1電流値と、該期間内において該第1のタイミングから所定時間経過した第2のタイミングにおいて前記電流検出回路によって検出された第2電流値とを取得し、該第2電流値が該第1電流値よりも大きく且つ該第2電流値と該第1電流値との差又は比率が閾値以上である場合に、前記固体電解質層にクラックが生じていると判定する、空燃比センサの故障検出装置が提供される。 In order to solve the above problems, in the present invention, the solid electrolyte layer having oxide ion conductivity is arranged on one side surface of the solid electrolyte layer so as to be exposed to the exhaust gas flowing through the exhaust passage of the internal combustion engine. An air-fuel ratio sensor that detects a failure of an air-fuel ratio sensor comprising a sensor element having an exhaust-side electrode and an air-side electrode arranged on the other side surface of the solid electrolyte layer so as to be exposed to the atmosphere. In a failure detection device, when a voltage application circuit that applies a current to the sensor element so that the potential of the atmosphere side electrode is higher than the potential of the exhaust side electrode, and a voltage is applied to the sensor element. A current detection circuit that detects the output current of the sensor element and a failure determination unit that determines a failure of the air-fuel ratio sensor are provided. When the value drops from a high value to the predetermined value and then is maintained below the predetermined value, it is detected by the current detection circuit at the first timing within the period during which the engine rotation speed is maintained below the predetermined value. The obtained first current value and the second current value detected by the current detection circuit at the second timing in which a predetermined time has elapsed from the first timing within the period are acquired, and the second current value is obtained. An air-fuel ratio sensor that determines that a crack has occurred in the solid electrolyte layer when it is larger than the first current value and the difference or ratio between the second current value and the first current value is equal to or larger than the threshold value. Failure detection device is provided.

本発明によれば、空燃比センサの故障モードとして固体電解質層のクラックを検出することができる。 According to the present invention, cracks in the solid electrolyte layer can be detected as a failure mode of the air-fuel ratio sensor.

図1は、本発明の第一実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing an internal combustion engine or the like to which a failure detection device for an air-fuel ratio sensor according to the first embodiment of the present invention is applied. 図2は、図1の空燃比センサの部分断面図である。FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the air-fuel ratio sensor of FIG. 図3は、センサ素子に正電圧が印加されたときの排気ガスの空燃比とセンサ素子の出力電流との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio of exhaust gas and the output current of the sensor element when a positive voltage is applied to the sensor element. 図4は、本発明の第一実施形態に係る故障検出装置の構成を概略的に示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of the failure detection device according to the first embodiment of the present invention. 図5は、クラックが生じた空燃比センサの部分断面図である。FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the air-fuel ratio sensor in which a crack has occurred. 図6は、固体電解質層にクラックが生じたときのセンサ素子の印加電圧と出力電流との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the applied voltage of the sensor element and the output current when a crack occurs in the solid electrolyte layer. 図7は、内燃機関が停止されたときの機関回転数及びセンサ素子の出力電流のタイムチャートである。FIG. 7 is a time chart of the engine speed and the output current of the sensor element when the internal combustion engine is stopped. 図8は、本発明の第一実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart showing a control routine for failure determination processing according to the first embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第二実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing a control routine for failure determination processing according to the second embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第三実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing an internal combustion engine or the like to which the failure detection device of the air-fuel ratio sensor according to the third embodiment of the present invention is applied. 図11は、本発明の第三実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart showing a control routine for failure determination processing according to the third embodiment of the present invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, similar components are given the same reference numbers.

<第一実施形態>
最初に、図1~図8を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
<First Embodiment>
First, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8.

<内燃機関全体の説明>
図1は、本発明の第一実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。図1に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。
<Explanation of the entire internal combustion engine>
FIG. 1 is a diagram schematically showing an internal combustion engine or the like to which a failure detection device for an air-fuel ratio sensor according to the first embodiment of the present invention is applied. The internal combustion engine shown in FIG. 1 is a spark-ignition type internal combustion engine. The internal combustion engine is mounted on the vehicle.

図1を参照すると、42はシリンダブロック、43はシリンダブロック42内で往復動するピストン、44はシリンダブロック42上に固定されたシリンダヘッド、45はピストン43とシリンダヘッド44との間に形成された燃焼室、46は吸気弁、47は吸気ポート、48は排気弁、49は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁46は吸気ポート47を開閉し、排気弁48は排気ポート49を開閉する。 Referring to FIG. 1, 42 is a cylinder block, 43 is a piston that reciprocates in the cylinder block 42, 44 is a cylinder head fixed on the cylinder block 42, and 45 is formed between the piston 43 and the cylinder head 44. A combustion chamber, 46 is an intake valve, 47 is an intake port, 48 is an exhaust valve, and 49 is an exhaust port. The intake valve 46 opens and closes the intake port 47, and the exhaust valve 48 opens and closes the exhaust port 49.

図1に示したように、シリンダヘッド44の内壁面の中央部には点火プラグ50が配置され、シリンダヘッド44の内壁面周辺部には燃料噴射弁51が配置される。点火プラグ50は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁51は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室45内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が14.6であるガソリンが用いられる。 As shown in FIG. 1, the spark plug 50 is arranged in the central portion of the inner wall surface of the cylinder head 44, and the fuel injection valve 51 is arranged in the peripheral portion of the inner wall surface of the cylinder head 44. The spark plug 50 is configured to generate sparks in response to an ignition signal. Further, the fuel injection valve 51 injects a predetermined amount of fuel into the combustion chamber 45 in response to the injection signal. In this embodiment, gasoline having a stoichiometric air-fuel ratio of 14.6 is used as the fuel.

各気筒の吸気ポート47はそれぞれ対応する吸気枝管53を介してサージタンク54に連結され、サージタンク54は吸気管55を介してエアクリーナ56に連結される。吸気ポート47、吸気枝管53、サージタンク54、吸気管55等は、空気を燃焼室45に導く吸気通路を形成する。また、吸気管55内には、スロットル弁駆動アクチュエータ57によって駆動されるスロットル弁58が配置される。スロットル弁58は、スロットル弁駆動アクチュエータ57によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。 The intake port 47 of each cylinder is connected to the surge tank 54 via the corresponding intake branch pipe 53, and the surge tank 54 is connected to the air cleaner 56 via the intake pipe 55. The intake port 47, the intake branch pipe 53, the surge tank 54, the intake pipe 55, and the like form an intake passage that guides air to the combustion chamber 45. Further, a throttle valve 58 driven by the throttle valve drive actuator 57 is arranged in the intake pipe 55. The throttle valve 58 can be rotated by the throttle valve drive actuator 57 to change the opening area of the intake passage.

一方、各気筒の排気ポート49は排気マニホルド59に連結される。排気マニホルド59は、各排気ポート49に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド59の集合部は、触媒60を内蔵したケーシング61に連結される。ケーシング61は排気管62に連結される。排気ポート49、排気マニホルド59、ケーシング61、排気管62等は、燃焼室45における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。触媒60は、例えば、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)及び窒素酸化物(NOx)を同時に浄化可能な三元触媒である。 On the other hand, the exhaust port 49 of each cylinder is connected to the exhaust manifold 59. The exhaust manifold 59 has a plurality of branches connected to each exhaust port 49, and an aggregate portion in which these branches are aggregated. The collecting portion of the exhaust manifold 59 is connected to the casing 61 containing the catalyst 60. The casing 61 is connected to the exhaust pipe 62. The exhaust port 49, the exhaust manifold 59, the casing 61, the exhaust pipe 62, and the like form an exhaust passage for discharging the exhaust gas generated by the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 45. The catalyst 60 is, for example, a three-way catalyst capable of simultaneously purifying hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NOx).

内燃機関の各種制御は、車両に搭載された電子制御ユニット(ECU)31によって実行される。すなわち、ECU31は内燃機関の制御装置として機能する。ECU31には、内燃機関等に設けられた各種センサの出力が入力され、ECU31は各種センサの出力等に基づいて各種アクチュエータを制御する。 Various controls of the internal combustion engine are executed by the electronic control unit (ECU) 31 mounted on the vehicle. That is, the ECU 31 functions as a control device for the internal combustion engine. The outputs of various sensors provided in the internal combustion engine and the like are input to the ECU 31, and the ECU 31 controls various actuators based on the outputs of the various sensors and the like.

ECU31は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス32を介して相互に接続されたRAM(ランダムアクセスメモリ)33、ROM(リードオンリメモリ)34、CPU(マイクロプロセッサ)35、入力ポート36及び出力ポート37を備える。なお、本実施形態では、一つのECU31が設けられているが、機能毎に複数のECUが設けられていてもよい。 The ECU 31 is composed of a digital computer, and has a RAM (random access memory) 33, a ROM (read-only memory) 34, a CPU (microprocessor) 35, an input port 36, and an output port connected to each other via a bidirectional bus 32. 37 is provided. In this embodiment, one ECU 31 is provided, but a plurality of ECUs may be provided for each function.

吸気管55には、吸気管55内を流れる空気の流量(吸入空気流量)を検出するエアフロメータ70が配置され、エアフロメータ70の出力は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。したがって、エアフロメータ70の出力はECU31に送信され、ECU31はエアフロメータ70の出力を取得する。 An air flow meter 70 for detecting the flow rate of air flowing in the intake pipe 55 (intake air flow rate) is arranged in the intake pipe 55, and the output of the air flow meter 70 is input to the input port 36 via the corresponding AD converter 38. Will be done. Therefore, the output of the air flow meter 70 is transmitted to the ECU 31, and the ECU 31 acquires the output of the air flow meter 70.

また、触媒60の上流側の排気通路(排気マニホルド59の集合部)には、内燃機関の燃焼室45から排出されて触媒60に流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ10が配置される。空燃比センサ10の詳細については、後述する。 Further, in the exhaust passage (aggregate portion of the exhaust manifold 59) on the upstream side of the catalyst 60, an air-fuel ratio sensor 10 for detecting the air-fuel ratio of the exhaust gas discharged from the combustion chamber 45 of the internal combustion engine and flowing into the catalyst 60 is arranged. Will be done. Details of the air-fuel ratio sensor 10 will be described later.

また、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル71には、アクセルペダル71の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ72が接続され、負荷センサ72の出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。したがって、負荷センサ72の出力はECU31に送信され、ECU31は負荷センサ72の出力を取得する。ECU31は負荷センサ72の出力に基づいて機関負荷を算出する。 Further, a load sensor 72 that generates an output voltage proportional to the amount of depression of the accelerator pedal 71 is connected to the accelerator pedal 71 provided in the vehicle equipped with the internal combustion engine, and the output voltage of the load sensor 72 is converted to the corresponding AD. It is input to the input port 36 via the device 38. Therefore, the output of the load sensor 72 is transmitted to the ECU 31, and the ECU 31 acquires the output of the load sensor 72. The ECU 31 calculates the engine load based on the output of the load sensor 72.

また、入力ポート36には、クランクシャフトが所定角度(例えば10°)回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ73が接続され、この出力パルスが入力ポート36に入力される。したがって、クランク角センサ73の出力はECU31に送信され、ECU31はクランク角センサ73の出力を取得する。ECU31はクランク角センサ73の出力に基づいて機関回転数を算出する。 Further, a crank angle sensor 73 that generates an output pulse each time the crankshaft rotates by a predetermined angle (for example, 10 °) is connected to the input port 36, and this output pulse is input to the input port 36. Therefore, the output of the crank angle sensor 73 is transmitted to the ECU 31, and the ECU 31 acquires the output of the crank angle sensor 73. The ECU 31 calculates the engine speed based on the output of the crank angle sensor 73.

一方、出力ポート37は、対応する駆動回路39を介して、内燃機関の各種アクチュエータに接続される。本実施形態では、出力ポート37は、点火プラグ50、燃料噴射弁51及びスロットル弁駆動アクチュエータ57に接続され、ECU31はこれらを制御する。具体的には、ECU31は、点火プラグ50の点火時期、燃料噴射弁51の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁58の開度を制御する。 On the other hand, the output port 37 is connected to various actuators of the internal combustion engine via the corresponding drive circuit 39. In the present embodiment, the output port 37 is connected to the spark plug 50, the fuel injection valve 51, and the throttle valve drive actuator 57, and the ECU 31 controls them. Specifically, the ECU 31 controls the ignition timing of the spark plug 50, the injection timing and injection amount of the fuel injection valve 51, and the opening degree of the throttle valve 58.

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図1に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁51は、吸気ポート47内に燃料を噴射するように配置されてもよい。 The above-mentioned internal combustion engine is a non-supercharged internal combustion engine that uses gasoline as fuel, but the configuration of the internal combustion engine is not limited to the above configuration. Therefore, even if the specific configuration of the internal combustion engine such as the cylinder arrangement, fuel injection mode, intake / exhaust system configuration, valve mechanism configuration, and presence / absence of a supercharger is different from the configuration shown in FIG. good. For example, the fuel injection valve 51 may be arranged so as to inject fuel into the intake port 47.

<空燃比センサの構成>
以下、空燃比センサ10の構成について詳細に説明する。図2は、図1の空燃比センサ10の部分断面図である。図2に示されるように、空燃比センサ10はセンサ素子11及びヒータ20を備える。
<Structure of air-fuel ratio sensor>
Hereinafter, the configuration of the air-fuel ratio sensor 10 will be described in detail. FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the air-fuel ratio sensor 10 of FIG. As shown in FIG. 2, the air-fuel ratio sensor 10 includes a sensor element 11 and a heater 20.

本実施形態では、空燃比センサ10は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。センサ素子11は、固体電解質層12、拡散律速層13、第1不透過層14、第2不透過層15、排気側電極16及び大気側電極17を有する。固体電解質層12、排気側電極16及び大気側電極17は、電気化学セルであるセンサセルを構成する。 In the present embodiment, the air-fuel ratio sensor 10 is a laminated air-fuel ratio sensor configured by laminating a plurality of layers. The sensor element 11 has a solid electrolyte layer 12, a diffusion rate controlling layer 13, a first impermeable layer 14, a second impermeable layer 15, an exhaust side electrode 16, and an atmospheric side electrode 17. The solid electrolyte layer 12, the exhaust side electrode 16 and the atmosphere side electrode 17 constitute a sensor cell which is an electrochemical cell.

センサ素子11の各層は、図2の下方から、第1不透過層14、固体電解質層12、拡散律速層13、第2不透過層15の順に積層されている。固体電解質層12と拡散律速層13との間には被測ガス室18が形成され、固体電解質層12と第1不透過層14との間には大気室19が形成されている。すなわち、被側ガス室18は固体電解質層12及び拡散律速層13によって画定され、大気室19は固体電解質層12及び第1不透過層14によって画定される。 Each layer of the sensor element 11 is laminated in the order of the first impermeable layer 14, the solid electrolyte layer 12, the diffusion rate controlling layer 13, and the second impermeable layer 15 from the lower part of FIG. A gas chamber 18 to be measured is formed between the solid electrolyte layer 12 and the diffusion rate-determining layer 13, and an air chamber 19 is formed between the solid electrolyte layer 12 and the first impermeable layer 14. That is, the side gas chamber 18 is defined by the solid electrolyte layer 12 and the diffusion rate controlling layer 13, and the atmosphere chamber 19 is defined by the solid electrolyte layer 12 and the first impermeable layer 14.

被測ガス室18は拡散律速層13を介して内燃機関の排気通路と連通しており、被測ガス室18には、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。一方、大気室19は大気に開放されており、大気室19には大気が導入される。 The gas chamber 18 to be measured communicates with the exhaust passage of the internal combustion engine via the diffusion rate control layer 13, and the exhaust gas flowing through the exhaust passage of the internal combustion engine is introduced into the gas chamber 18 to be measured as the gas to be measured. On the other hand, the atmosphere chamber 19 is open to the atmosphere, and the atmosphere is introduced into the atmosphere chamber 19.

固体電解質層12は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層12は、例えば、ZrO2(ジルコニア)、HfO2、ThO2、Bi23等にCaO、MgO、Y23、Yb23等を安定剤として添加した焼結体である。拡散律速層13は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層13は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の多孔質セラミックから構成される。第1不透過層14及び第2不透過層15は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナから構成される。 The solid electrolyte layer 12 is a thin plate having oxide ion conductivity. The solid electrolyte layer 12 is, for example, a sintered body obtained by adding CaO, MgO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , etc. to ZrO 2 (zirconia), HfO 2 , ThO 2 , Bi 2 O 3 , etc. as stabilizers. be. The diffusion rate-determining layer 13 is a thin plate having gas permeability. The diffusion rate-determining layer 13 is composed of, for example, a porous ceramic such as alumina, magnesia, silica stone, spinel, and mullite. The first impermeable layer 14 and the second impermeable layer 15 are gas impermeable thin plates, and are composed of, for example, alumina.

排気側電極16は、被測ガス室18内の被測ガス、すなわち内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように固体電解質層12の一方(被測ガス室18側)の側面上に配置されている。一方、大気側電極17は、大気室19内の大気に曝されるように固体電解質層12の他方(大気室19側)の側面上に配置されている。排気側電極16と大気側電極17とは、固体電解質層12を挟んで互いに対向するように配置されている。排気側電極16及び大気側電極17は、それぞれ、白金(Pt)等の触媒活性の高い貴金属から構成されている。例えば、排気側電極16及び大気側電極17は、Ptを主成分として含む多孔質サーメット電極である。 The exhaust side electrode 16 is on the side surface of one of the solid electrolyte layers 12 (on the side of the gas chamber 18) so as to be exposed to the gas to be measured in the gas chamber 18 to be measured, that is, the exhaust gas flowing through the exhaust passage of the internal combustion engine. Is located in. On the other hand, the atmospheric side electrode 17 is arranged on the side surface of the other side (atmospheric chamber 19 side) of the solid electrolyte layer 12 so as to be exposed to the atmosphere in the atmospheric chamber 19. The exhaust side electrode 16 and the atmosphere side electrode 17 are arranged so as to face each other with the solid electrolyte layer 12 interposed therebetween. The exhaust side electrode 16 and the atmosphere side electrode 17 are each made of a noble metal having high catalytic activity such as platinum (Pt). For example, the exhaust side electrode 16 and the atmosphere side electrode 17 are porous cermet electrodes containing Pt as a main component.

ヒータ20は、センサ素子11内に配置され、センサ素子11を加熱する。本実施形態では、ヒータ20は第1不透過層14に埋設されている。ヒータ20は、例えば、白金(Pt)とセラミック(例えば、アルミナ等)とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ20は、ECU31に電気的に接続され、ECU31によって制御される。ECU31は、ヒータ20によって、センサ素子11の温度、特に固体電解質層12の温度を制御する。 The heater 20 is arranged in the sensor element 11 and heats the sensor element 11. In this embodiment, the heater 20 is embedded in the first impermeable layer 14. The heater 20 is a cermet thin plate containing, for example, platinum (Pt) and ceramic (for example, alumina), and is a heating element that generates heat when energized. The heater 20 is electrically connected to the ECU 31 and is controlled by the ECU 31. The ECU 31 controls the temperature of the sensor element 11, particularly the temperature of the solid electrolyte layer 12, by the heater 20.

図2に示されるように、センサ素子11の排気側電極16及び大気側電極17には電気回路2が接続されている。電気回路2は電圧印加回路3及び電流検出回路4を有する。 As shown in FIG. 2, an electric circuit 2 is connected to the exhaust side electrode 16 and the atmosphere side electrode 17 of the sensor element 11. The electric circuit 2 has a voltage application circuit 3 and a current detection circuit 4.

電圧印加回路3は、センサ素子11に接続され、センサ素子11に電圧を印加する。具体的には、電圧印加回路3は、大気側電極17の電位が排気側電極16の電位よりも高くなるようにセンサ素子11に電圧を印加する。したがって、排気側電極16は負極として機能し、大気側電極17は正極として機能する。電圧印加回路3はECU31に電気的に接続され、ECU31は電圧印加回路3を介してセンサ素子11への印加電圧を制御する。 The voltage application circuit 3 is connected to the sensor element 11 and applies a voltage to the sensor element 11. Specifically, the voltage application circuit 3 applies a voltage to the sensor element 11 so that the potential of the atmospheric side electrode 17 is higher than the potential of the exhaust side electrode 16. Therefore, the exhaust side electrode 16 functions as a negative electrode, and the atmospheric side electrode 17 functions as a positive electrode. The voltage application circuit 3 is electrically connected to the ECU 31, and the ECU 31 controls the voltage applied to the sensor element 11 via the voltage application circuit 3.

電流検出回路4は、センサ素子11に接続され、センサ素子11に電圧が印加されているときに排気側電極16と大気側電極17との間を流れる電流、すなわちセンサ素子11に電圧が印加されているときのセンサ素子11の出力電流を検出する。電流検出回路4はECU31に電気的に接続され、電流検出回路4の出力はECU31に送信される。 The current detection circuit 4 is connected to the sensor element 11, and when a voltage is applied to the sensor element 11, a current flowing between the exhaust side electrode 16 and the atmosphere side electrode 17, that is, a voltage is applied to the sensor element 11. The output current of the sensor element 11 when the sensor element 11 is used is detected. The current detection circuit 4 is electrically connected to the ECU 31, and the output of the current detection circuit 4 is transmitted to the ECU 31.

センサ素子11に電圧が印加されると、排気側電極16上の排気ガスの空燃比に応じて排気側電極16と大気側電極17との間を酸化物イオンが移動し、この結果、排気ガスの空燃比に応じてセンサ素子11の出力電流が変化する。図3は、センサ素子11に電圧が印加されたときの排気ガスの空燃比とセンサ素子11の出力電流Iとの関係を示す図である。図3の例では、センサ素子11への印加電圧として、印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない限界電流領域内の電圧、具体的には0.45Vが用いられている。 When a voltage is applied to the sensor element 11, oxide ions move between the exhaust side electrode 16 and the atmosphere side electrode 17 according to the air-fuel ratio of the exhaust gas on the exhaust side electrode 16, and as a result, the exhaust gas. The output current of the sensor element 11 changes according to the air-fuel ratio of. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio of the exhaust gas when a voltage is applied to the sensor element 11 and the output current I of the sensor element 11. In the example of FIG. 3, as the voltage applied to the sensor element 11, a voltage within the limit current region in which the output current hardly changes even if the applied voltage changes, specifically 0.45 V is used.

図3からわかるように、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに、出力電流Iはゼロとなる。また、空燃比センサ10では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであるほど、出力電流Iが大きくなる。したがって、空燃比センサ10は排気ガスの空燃比を連続的に(リニアに)検出することができる。ECU31は、空燃比センサ10によって検出された空燃比に基づいて、混合気の空燃比を適切な値にフィードバック制御する。このことによって、内燃機関のおける排気エミッションを低減することができる。 As can be seen from FIG. 3, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio, the output current I becomes zero. Further, in the air-fuel ratio sensor 10, the higher the oxygen concentration of the exhaust gas, that is, the leaner the air-fuel ratio of the exhaust gas, the larger the output current I. Therefore, the air-fuel ratio sensor 10 can continuously (linearly) detect the air-fuel ratio of the exhaust gas. The ECU 31 feedback-controls the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to an appropriate value based on the air-fuel ratio detected by the air-fuel ratio sensor 10. This makes it possible to reduce exhaust emissions in the internal combustion engine.

<空燃比センサの故障検出装置>
しかしながら、空燃比センサ10に素子割れのような故障が生じると、空燃比の検出精度が悪化し、排気エミッションが悪化するおそれがある。このため、本実施形態では、空燃比センサの故障検出装置(以下、単に「故障検出装置」と称する)を用いて空燃比センサ10の故障が検出される。
<Failure detection device for air-fuel ratio sensor>
However, if a failure such as element cracking occurs in the air-fuel ratio sensor 10, the detection accuracy of the air-fuel ratio deteriorates, and the exhaust emission may deteriorate. Therefore, in the present embodiment, the failure of the air-fuel ratio sensor 10 is detected by using the failure detection device of the air-fuel ratio sensor (hereinafter, simply referred to as “fault detection device”).

図4は、本発明の第一実施形態に係る故障検出装置1の構成を概略的に示す図である。故障検出装置1は、電圧印加回路3、電流検出回路4、電圧制御部5及び故障判定部6を備える。本実施形態では、ECU31が電圧制御部5及び故障判定部6として機能する。電圧制御部5及び故障判定部6は、ECU31のROM34に記憶されたプログラムをECU31のCPU35が実行することによって実現される機能モジュールである。 FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of the failure detection device 1 according to the first embodiment of the present invention. The failure detection device 1 includes a voltage application circuit 3, a current detection circuit 4, a voltage control unit 5, and a failure determination unit 6. In this embodiment, the ECU 31 functions as a voltage control unit 5 and a failure determination unit 6. The voltage control unit 5 and the failure determination unit 6 are functional modules realized by the CPU 35 of the ECU 31 executing the program stored in the ROM 34 of the ECU 31.

電圧制御部5は電圧印加回路3を介してセンサ素子11に電圧を印加する。故障判定部6は空燃比センサ10の故障を判定する。本実施形態では、故障判定部6は空燃比センサ10の故障モードとして固体電解質層12のクラックを検出する。 The voltage control unit 5 applies a voltage to the sensor element 11 via the voltage application circuit 3. The failure determination unit 6 determines the failure of the air-fuel ratio sensor 10. In the present embodiment, the failure determination unit 6 detects a crack in the solid electrolyte layer 12 as a failure mode of the air-fuel ratio sensor 10.

図5は、クラックが生じた空燃比センサ10の部分断面図である。固体電解質層12のクラック12aは被測ガス室18と大気室19との間を延在する。 FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the air-fuel ratio sensor 10 in which a crack has occurred. The crack 12a of the solid electrolyte layer 12 extends between the gas chamber 18 and the atmosphere chamber 19.

正常な空燃比センサ10では、大気室19が第1不透過層14及び固体電解質層12によって閉じられ、大気室19と被測ガス室18との連通が遮断される。しかしながら、図5に示されるように、被測ガス室18と大気室19とを連通させるクラック12aが固体電解質層12に生じると、被測ガス室18の排気ガスと大気室19の大気とが混合される。この結果、被測ガス室18の排気ガス中の酸素濃度が高くなり、大気室19の大気中の酸素濃度が低下する。このため、クラック12aの発生によってセンサ素子11の出力電流に異常が生じる。 In the normal air-fuel ratio sensor 10, the air chamber 19 is closed by the first impermeable layer 14 and the solid electrolyte layer 12, and the communication between the air chamber 19 and the gas chamber 18 is cut off. However, as shown in FIG. 5, when the crack 12a communicating the gas chamber 18 and the atmosphere chamber 19 is generated in the solid electrolyte layer 12, the exhaust gas of the gas chamber 18 and the atmosphere of the atmosphere chamber 19 are separated from each other. Be mixed. As a result, the oxygen concentration in the exhaust gas of the gas chamber 18 to be measured becomes high, and the oxygen concentration in the atmosphere of the air chamber 19 decreases. Therefore, the occurrence of the crack 12a causes an abnormality in the output current of the sensor element 11.

図6は、固体電解質層12にクラック12aが生じたときのセンサ素子11の印加電圧と出力電流との関係を示す図である。図6の実線、一点鎖線及び破線は、それぞれ、排気ガスの空燃比が理論空燃比(14.6)である場合の正常なセンサ素子11(クラック12a無し)、吸入空気流量が多いときの異常なセンサ素子11(クラック12a有り)、及び吸入空気流量が少ないときの異常なセンサ素子11(クラック12a有り)の電圧電流特性を示す。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the applied voltage and the output current of the sensor element 11 when the crack 12a is generated in the solid electrolyte layer 12. The solid line, one-point chain line, and broken line in FIG. 6 are the normal sensor element 11 (without crack 12a) when the air-fuel ratio of the exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio (14.6), and the abnormality when the intake air flow rate is large, respectively. The voltage and current characteristics of the sensor element 11 (with crack 12a) and the abnormal sensor element 11 (with crack 12a) when the intake air flow rate is small are shown.

センサ素子11に電圧が印加されたときのセンサ素子11の出力電流は、図3に示されるように排気ガスの空燃比に応じて変化する。上述したように、固体電解質層12にクラック12aが生じると、被測ガス室18の排気ガス中の酸素濃度が高くなる。したがって、図6に示されるように、固体電解質層12にクラック12aが生じると、センサ素子11の出力電流がリーン側(プラス側)にずれる。 The output current of the sensor element 11 when a voltage is applied to the sensor element 11 changes according to the air-fuel ratio of the exhaust gas as shown in FIG. As described above, when the crack 12a is generated in the solid electrolyte layer 12, the oxygen concentration in the exhaust gas of the gas chamber 18 to be measured becomes high. Therefore, as shown in FIG. 6, when the crack 12a occurs in the solid electrolyte layer 12, the output current of the sensor element 11 shifts to the lean side (plus side).

また、吸入空気流量が多いときには、吸入空気流量が少ないときに比べて、被測ガス室18に流入する排気ガスの圧力が高くなり、被測ガス室18の排気ガスと大気室19の大気との混合が生じにくくなる。言い換えれば、吸入空気流量が少ないときには、吸入空気流量が多いときに比べて、被測ガス室18に流入する排気ガスの圧力が低くなり、被測ガス室18の排気ガスと大気室19の大気との混合が生じやすくなる。また、被測ガス室18の排気ガス中の酸素濃度の増加量は、排気ガスと混合する大気の量に比例して大きくなる。したがって、図6に示されるように、吸入空気流量が少ないときのセンサ素子11の出力電流は、吸入空気流量が多いときのセンサ素子11の出力電流よりもリーン側(プラス側)にずれる。 Further, when the intake air flow rate is high, the pressure of the exhaust gas flowing into the test gas chamber 18 becomes higher than when the intake air flow rate is low, and the exhaust gas in the test gas chamber 18 and the atmosphere in the atmosphere chamber 19 Mixing is less likely to occur. In other words, when the intake air flow rate is low, the pressure of the exhaust gas flowing into the test gas chamber 18 is lower than when the intake air flow rate is high, and the exhaust gas in the test gas chamber 18 and the atmosphere in the atmosphere chamber 19 are Mixing with and is likely to occur. Further, the amount of increase in the oxygen concentration in the exhaust gas of the gas chamber 18 to be measured increases in proportion to the amount of the atmosphere mixed with the exhaust gas. Therefore, as shown in FIG. 6, the output current of the sensor element 11 when the intake air flow rate is small shifts to the lean side (plus side) with respect to the output current of the sensor element 11 when the intake air flow rate is large.

一方、図5に示されるような第1不透過層14のクラック14aが生じた場合には、排気通路と連通している空燃比センサ10の外部から大気室19に排気ガスが流入し、この結果、大気室19の大気中の酸素濃度が低下する。しかしながら、吸入空気流量が少ないときには、吸入空気流量が多いときに比べて、排気ガスの圧力が低くなり、排気通路からクラック14aを通って大気室19に流入する排気ガスの量が少なくなる。このため、吸入空気流量が少ないときには、第1不透過層14のクラック14aによるセンサ素子11の出力電流の異常はほとんど生じない。 On the other hand, when the crack 14a of the first impermeable layer 14 as shown in FIG. 5 occurs, the exhaust gas flows into the atmosphere chamber 19 from the outside of the air-fuel ratio sensor 10 communicating with the exhaust passage, and the exhaust gas flows into the atmosphere chamber 19. As a result, the oxygen concentration in the atmosphere of the air chamber 19 decreases. However, when the intake air flow rate is low, the pressure of the exhaust gas is lower than when the intake air flow rate is high, and the amount of exhaust gas flowing into the atmosphere chamber 19 from the exhaust passage through the crack 14a is small. Therefore, when the intake air flow rate is small, the abnormality of the output current of the sensor element 11 due to the crack 14a of the first impermeable layer 14 hardly occurs.

したがって、吸入空気流量が少ないときには、第1不透過層14のクラック14aに比べて、固体電解質層12のクラック12aによるセンサ素子11の出力電流の異常が顕著となる。この知見に基づいて、本実施形態では、吸入空気流量が少ないときに検出されたセンサ素子11の出力電流の時間変化に基づいて固体電解質層12のクラック12aの有無が判別される。 Therefore, when the intake air flow rate is small, the abnormality of the output current of the sensor element 11 due to the crack 12a of the solid electrolyte layer 12 becomes more remarkable than the crack 14a of the first impermeable layer 14. Based on this finding, in the present embodiment, the presence or absence of the crack 12a in the solid electrolyte layer 12 is determined based on the time change of the output current of the sensor element 11 detected when the intake air flow rate is small.

基本的に、内燃機関の機関回転数が低くなると、吸入空気流量が減少する。このため、故障判定部6は、内燃機関の機関回転数が、所定値よりも高い値から所定値まで低下し、その後、所定値以下に維持された場合に、機関回転数が所定値以下に維持された期間内の第1のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第1電流値と、機関回転数が所定値以下に維持された期間内において第1のタイミングから所定時間経過した第2のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第2電流値とを取得し、これら電流値に基づいて空燃比センサ10の故障を判定する。所定値は、予め定められ、例えば0rpm~1000rpmに設定される。 Basically, as the engine speed of the internal combustion engine decreases, the intake air flow rate decreases. Therefore, in the failure determination unit 6, when the engine rotation speed of the internal combustion engine decreases from a value higher than the predetermined value to a predetermined value and then maintained at the predetermined value or less, the engine rotation speed becomes the predetermined value or less. The first current value detected by the current detection circuit 4 at the first timing within the maintained period, and the second time elapsed from the first timing within the period during which the engine speed is maintained below the predetermined value. The second current value detected by the current detection circuit 4 at the timing of is acquired, and the failure of the air-fuel ratio sensor 10 is determined based on these current values. The predetermined value is predetermined and is set to, for example, 0 rpm to 1000 rpm.

例えば、内燃機関が停止されると、機関回転数がゼロまで低下し、吸入空気流量がゼロになる。このため、本実施形態では、故障判定部6は、内燃機関が停止した場合に、内燃機関の停止状態における第1のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第1電流値と、内燃機関の停止状態において第1のタイミングから所定時間経過した第2のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第2電流値とを取得する。なお、内燃機関は、例えば、車両の一時停止中にアイドリングストップ機能が作動されたとき、又はハイブリッド車両において車両の動力がモータのみによって出力されるときに停止される。なお、内燃機関の停止後も、センサ素子11への電圧の印加、ヒータ20によるセンサ素子11の温度制御等は継続される。 For example, when the internal combustion engine is stopped, the engine speed drops to zero and the intake air flow rate becomes zero. Therefore, in the present embodiment, when the internal combustion engine is stopped, the failure determination unit 6 includes the first current value detected by the current detection circuit 4 at the first timing in the stopped state of the internal combustion engine and the internal combustion engine. The second current value detected by the current detection circuit 4 at the second timing when a predetermined time has elapsed from the first timing in the stopped state is acquired. The internal combustion engine is stopped, for example, when the idling stop function is activated while the vehicle is temporarily stopped, or when the power of the vehicle is output only by the motor in the hybrid vehicle. Even after the internal combustion engine is stopped, voltage application to the sensor element 11 and temperature control of the sensor element 11 by the heater 20 are continued.

図7は、内燃機関が停止されたときの機関回転数及びセンサ素子11の出力電流のタイムチャートである。図7には、固体電解質層12にクラック12aが生じていない正常な空燃比センサ10についての出力電流が実線で示され、固体電解質層12にクラックが生じた異常な空燃比センサ10についての出力電流が破線で示されている。 FIG. 7 is a time chart of the engine speed and the output current of the sensor element 11 when the internal combustion engine is stopped. In FIG. 7, the output current for the normal air-fuel ratio sensor 10 in which the solid electrolyte layer 12 is not cracked 12a is shown by a solid line, and the output for the abnormal air-fuel ratio sensor 10 in which the solid electrolyte layer 12 is cracked is shown by a solid line. The current is shown by a broken line.

図7の例では、時刻t1において内燃機関が停止され、燃料噴射弁51による燃料噴射等が停止される。この結果、時刻t1の後、時刻t2において機関回転数がゼロに達する。このとき、正常な空燃比センサ10では、内燃機関の停止後、センサ素子11の出力電流は、被測ガス室18に残された残留ガスの空燃比に相当する値に収束する。一方、異常な空燃比センサ10では、内燃機関の停止後、大気室19の大気が被測ガス室18の残留ガスと混合し、この結果、センサ素子11の出力電流は徐々にリーン側(プラス側)にずれていく。したがって、異常な空燃比センサ10では、内燃機関が停止した場合に、第1のタイミングよりも後の第2のタイミングにおいて検出された第2電流値が、第1のタイミングにおいて検出された第1電流値よりも大きくなる。 In the example of FIG. 7, the internal combustion engine is stopped at time t1, and fuel injection and the like by the fuel injection valve 51 are stopped. As a result, after the time t1, the engine speed reaches zero at the time t2. At this time, in the normal air-fuel ratio sensor 10, after the internal combustion engine is stopped, the output current of the sensor element 11 converges to a value corresponding to the air-fuel ratio of the residual gas left in the gas chamber 18 to be measured. On the other hand, in the abnormal air-fuel ratio sensor 10, after the internal combustion engine is stopped, the atmosphere in the atmosphere chamber 19 mixes with the residual gas in the gas chamber 18 to be measured, and as a result, the output current of the sensor element 11 gradually becomes lean side (plus). It shifts to the side). Therefore, in the abnormal air-fuel ratio sensor 10, when the internal combustion engine is stopped, the second current value detected at the second timing after the first timing is detected at the first timing. It becomes larger than the current value.

このため、故障判定部6は、第2電流値が第1電流値よりも大きく且つ第2電流値と第1電流値との差又は比率が閾値以上である場合に、空燃比センサ10が異常であり、固体電解質層12にクラックが生じていると判定する。したがって、本実施形態では、故障検出装置1を用いて、空燃比センサ10の故障モードとして固体電解質層12のクラック12aを検出することができる。 Therefore, in the failure determination unit 6, when the second current value is larger than the first current value and the difference or ratio between the second current value and the first current value is equal to or larger than the threshold value, the air-fuel ratio sensor 10 is abnormal. Therefore, it is determined that the solid electrolyte layer 12 is cracked. Therefore, in the present embodiment, the failure detection device 1 can be used to detect the crack 12a of the solid electrolyte layer 12 as the failure mode of the air-fuel ratio sensor 10.

<故障判定処理>
以下、図8のフローチャートを参照して、空燃比センサ10の故障を検出するための制御について詳細に説明する。図8は、本発明の第一実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされた後、ECU31によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
<Failure judgment processing>
Hereinafter, the control for detecting the failure of the air-fuel ratio sensor 10 will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. FIG. 8 is a flowchart showing a control routine for failure determination processing according to the first embodiment of the present invention. This control routine is repeatedly executed by the ECU 31 at predetermined time intervals after the ignition switch of the vehicle equipped with the internal combustion engine is turned on.

最初に、ステップS101において、電圧制御部5は電圧印加回路3を介してセンサ素子11に所定電圧を印加する。所定電圧は、予め定められ、例えば限界電流領域内の電圧(0.15V~0.7V)に設定される。本実施形態では、所定電圧は0.45Vに設定される。 First, in step S101, the voltage control unit 5 applies a predetermined voltage to the sensor element 11 via the voltage application circuit 3. The predetermined voltage is predetermined and is set to, for example, a voltage (0.15V to 0.7V) within the limit current region. In this embodiment, the predetermined voltage is set to 0.45V.

次いで、ステップS102において、故障判定部6は、故障判定条件が成立しているか否かを判定する。故障判定条件は、例えば、空燃比センサ10のセンサ素子11の温度が所定の活性温度以上であるときに成立する。センサ素子11の温度は例えばセンサ素子11のインピーダンスに基づいて算出される。なお、故障判定条件は、触媒60の温度が所定の活性温度以上であること、内燃機関の始動後に所定時間が経過していること、車両のイグニッションスイッチがオンにされた後に空燃比センサ10の故障判定が未だ行われていないこと等を含んでいてもよい。 Next, in step S102, the failure determination unit 6 determines whether or not the failure determination condition is satisfied. The failure determination condition is satisfied, for example, when the temperature of the sensor element 11 of the air-fuel ratio sensor 10 is equal to or higher than a predetermined active temperature. The temperature of the sensor element 11 is calculated based on, for example, the impedance of the sensor element 11. The failure determination conditions are that the temperature of the catalyst 60 is equal to or higher than the predetermined active temperature, that a predetermined time has elapsed after the start of the internal combustion engine, and that the air-fuel ratio sensor 10 has been turned on after the ignition switch of the vehicle is turned on. It may include that the failure determination has not been performed yet.

ステップS102において故障判定条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップS102において故障判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップS103に進む。 If it is determined in step S102 that the failure determination condition is not satisfied, this control routine ends. On the other hand, if it is determined in step S102 that the failure determination condition is satisfied, the control routine proceeds to step S103.

ステップS103では、故障判定部6は、内燃機関が停止したか否かを判定する。ステップS103において内燃機関が停止しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。 In step S103, the failure determination unit 6 determines whether or not the internal combustion engine has stopped. If it is determined in step S103 that the internal combustion engine has not stopped, this control routine ends.

一方、ステップS103において内燃機関が停止したと判定された場合、本制御ルーチンはステップS104に進む。ステップS104では、故障判定部6は、第1のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第1電流値I1を取得する。例えば、故障判定部6は、第1電流値I1として、機関回転数がゼロに達したときに電流検出回路4によって検出された電流値を取得する。この場合、機関回転数は例えばクランク角センサ73の出力に基づいて算出される。 On the other hand, if it is determined in step S103 that the internal combustion engine has stopped, the control routine proceeds to step S104. In step S104, the failure determination unit 6 acquires the first current value I1 detected by the current detection circuit 4 at the first timing. For example, the failure determination unit 6 acquires the current value detected by the current detection circuit 4 when the engine speed reaches zero as the first current value I1. In this case, the engine speed is calculated based on, for example, the output of the crank angle sensor 73.

次いで、ステップS105において、故障判定部6は、第1のタイミングから内燃機関の停止状態が所定時間継続したか否かを判定する。所定時間は、予め定められ、例えば3秒~10秒、好ましくは5秒に設定される。内燃機関の停止状態が所定時間継続しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。 Next, in step S105, the failure determination unit 6 determines whether or not the stopped state of the internal combustion engine has continued for a predetermined time from the first timing. The predetermined time is predetermined and is set to, for example, 3 seconds to 10 seconds, preferably 5 seconds. If it is determined that the internal combustion engine has not been stopped for a predetermined time, this control routine ends.

一方、ステップS105において内燃機関の停止状態が所定時間継続したと判定された場合、本制御ルーチンはステップS106に進む。ステップS106では、故障判定部6は、第1電流値I1が検出された第1のタイミングから所定時間が経過した第2のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第2電流値I2を取得する。 On the other hand, if it is determined in step S105 that the internal combustion engine has been stopped for a predetermined time, the control routine proceeds to step S106. In step S106, the failure determination unit 6 acquires the second current value I2 detected by the current detection circuit 4 at the second timing in which a predetermined time has elapsed from the first timing in which the first current value I1 is detected. ..

次いで、ステップS107において、故障判定部6は、第2電流値I2から第1電流値I1を減算した値が閾値K以上であるか否かを判定する。閾値Kは、予め定められ、正の値に設定される。 Next, in step S107, the failure determination unit 6 determines whether or not the value obtained by subtracting the first current value I1 from the second current value I2 is equal to or greater than the threshold value K. The threshold value K is predetermined and set to a positive value.

ステップS107において第2電流値I2から第1電流値I1を減算した値が閾値K以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS108に進む。ステップS108では、故障判定部6は、空燃比センサ10が異常であり、固体電解質層12にクラックが生じていると判定する。このとき、故障判定部6は、車両に設けられた警告灯を点灯させてもよい。ステップS108の後、本制御ルーチンは終了する。 If it is determined in step S107 that the value obtained by subtracting the first current value I1 from the second current value I2 is equal to or greater than the threshold value K, the control routine proceeds to step S108. In step S108, the failure determination unit 6 determines that the air-fuel ratio sensor 10 is abnormal and the solid electrolyte layer 12 is cracked. At this time, the failure determination unit 6 may turn on the warning light provided in the vehicle. After step S108, this control routine ends.

一方、ステップS107において第2電流値I2から第1電流値I1を減算した値が閾値K未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS109に進む。ステップS109では、故障判定部6は、空燃比センサ10が正常であり、固体電解質層12にクラックが生じていないと判定する。ステップS109の後、本制御ルーチンは終了する。 On the other hand, if it is determined in step S107 that the value obtained by subtracting the first current value I1 from the second current value I2 is less than the threshold value K, the control routine proceeds to step S109. In step S109, the failure determination unit 6 determines that the air-fuel ratio sensor 10 is normal and that the solid electrolyte layer 12 is not cracked. After step S109, this control routine ends.

なお、ステップS107において、故障判定部6は、第2電流値I2を第1電流値I1で除算した値が閾値K以上であるか否かを判定してもよい。すなわち、故障判定部6は、下記式(1)が成立するか否かを判定してもよい。
I2/I1≧K …(1)
この場合、閾値Kは1よりも大きな値に設定される。
In step S107, the failure determination unit 6 may determine whether or not the value obtained by dividing the second current value I2 by the first current value I1 is equal to or greater than the threshold value K. That is, the failure determination unit 6 may determine whether or not the following equation (1) is satisfied.
I2 / I1 ≧ K… (1)
In this case, the threshold value K is set to a value larger than 1.

また、車両のイグニッションスイッチがオフにされると、内燃機関は停止する。このため、空燃比センサ10の故障判定は、車両のイグニッションスイッチがオフにされた後に行われてもよい。この場合、車両のイグニッションスイッチがオフにされた後も、第1電流値I1及び第2電流値I2が検出されるまで、センサ素子11への電圧の印加、ヒータ20によるセンサ素子11の温度制御等は継続される。 Also, when the ignition switch of the vehicle is turned off, the internal combustion engine is stopped. Therefore, the failure determination of the air-fuel ratio sensor 10 may be performed after the ignition switch of the vehicle is turned off. In this case, even after the ignition switch of the vehicle is turned off, a voltage is applied to the sensor element 11 and the temperature of the sensor element 11 is controlled by the heater 20 until the first current value I1 and the second current value I2 are detected. Etc. will continue.

<第二実施形態>
第二実施形態に係る故障検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る故障検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
<Second embodiment>
The failure detection device according to the second embodiment is basically the same as the configuration and control of the failure detection device according to the first embodiment, except for the points described below. Therefore, hereinafter, the second embodiment of the present invention will be described focusing on the parts different from the first embodiment.

内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になると、機関回転数がアイドル回転数まで低下し、吸入空気流量が減少する。このため、第二実施形態では、内燃機関のアイドル運転状態において、空燃比センサ10の故障判定が行われる。 When the operating state of the internal combustion engine becomes the idle operating state, the engine speed drops to the idle speed, and the intake air flow rate decreases. Therefore, in the second embodiment, the failure determination of the air-fuel ratio sensor 10 is performed in the idle operation state of the internal combustion engine.

具体的には、故障判定部6は、内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になった場合に、アイドル運転状態における第1のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第1電流値と、アイドル運転状態において第1のタイミングから所定時間経過した第2のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第2電流値とを取得し、これら電流値に基づいて空燃比センサ10の故障を判定する。なお、アイドル運転状態とは、アクセル開度がゼロ(機関負荷がゼロ)であるとき(例えば車両の一時停止時)に燃焼室45における混合気の燃焼によって機関回転数が所定のアイドル回転数(例えば400~1000rpm)に維持されている運転状態を意味する。 Specifically, the failure determination unit 6 includes the first current value detected by the current detection circuit 4 at the first timing in the idle operation state and the idle state when the operation state of the internal combustion engine becomes the idle operation state. The second current value detected by the current detection circuit 4 at the second timing after a predetermined time has elapsed from the first timing in the operating state is acquired, and the failure of the air-fuel ratio sensor 10 is determined based on these current values. In the idle operation state, when the accelerator opening is zero (engine load is zero) (for example, when the vehicle is temporarily stopped), the engine speed is a predetermined idle speed due to the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 45 (for example, when the vehicle is temporarily stopped). For example, it means an operating state maintained at 400 to 1000 rpm).

図9は、本発明の第二実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされた後、ECU31によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。 FIG. 9 is a flowchart showing a control routine for failure determination processing according to the second embodiment of the present invention. This control routine is repeatedly executed by the ECU 31 at predetermined time intervals after the ignition switch of the vehicle equipped with the internal combustion engine is turned on.

ステップS201及びS202は図8のステップS101及びS102と同様に実行される。ステップS202において故障判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップS203に進む。 Steps S201 and S202 are executed in the same manner as steps S101 and S102 in FIG. If it is determined in step S202 that the failure determination condition is satisfied, the control routine proceeds to step S203.

ステップS203では、故障判定部6は、内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になったか否かを判定する。内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になっていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になったと判定された場合、本制御ルーチンはステップS204に進む。 In step S203, the failure determination unit 6 determines whether or not the operating state of the internal combustion engine has become the idle operating state. If it is determined that the operating state of the internal combustion engine is not in the idle operating state, this control routine ends. On the other hand, if it is determined that the operating state of the internal combustion engine is in the idle operating state, the control routine proceeds to step S204.

ステップS204では、故障判定部6は、空燃比センサ10を用いた空燃比のフィードバック制御を停止し、オープン制御(開ループ制御)を開始する。オープン制御では、混合気の空燃比が目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁51の燃料噴射量FAが目標空燃比TAF及び吸入空気量IAに基づいて下記式(2)によって算出される。吸入空気量IAはエアフロメータ70の出力に基づいて算出される。
FA=IA/TAF …(2)
In step S204, the failure determination unit 6 stops the air-fuel ratio feedback control using the air-fuel ratio sensor 10 and starts open control (open loop control). In the open control, the fuel injection amount FA of the fuel injection valve 51 is calculated by the following equation (2) based on the target air-fuel ratio TAF and the intake air amount IA so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture matches the target air-fuel ratio. .. The intake air amount IA is calculated based on the output of the air flow meter 70.
FA = IA / TAF ... (2)

本実施形態では、オープン制御における目標空燃比TAFが理論空燃比(14.6)に設定される。このことによって、故障判定中に排気エミッションが悪化することを抑制することができる。 In this embodiment, the target air-fuel ratio TAF in open control is set to the theoretical air-fuel ratio (14.6). This makes it possible to prevent the exhaust emissions from deteriorating during the failure determination.

次いで、ステップS205において、故障判定部6は、第1のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第1電流値I1を取得する。例えば、故障判定部6は、第1電流値I1として、アイドル運転状態においてオープン制御が開始されてから所定時間が経過した第1のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された電流値を取得する。所定時間は、予め定められ、例えば内燃機関のシリンダ内のガスが入れ替わるのに要する時間に設定される。 Next, in step S205, the failure determination unit 6 acquires the first current value I1 detected by the current detection circuit 4 at the first timing. For example, the failure determination unit 6 acquires, as the first current value I1, the current value detected by the current detection circuit 4 at the first timing when a predetermined time has elapsed from the start of the open control in the idle operation state. The predetermined time is set in advance, for example, the time required for the gas in the cylinder of the internal combustion engine to be replaced.

次いで、ステップS206において、故障判定部6は、第1のタイミングからアイドル運転状態が所定時間継続したか否かを判定する。所定時間は、予め定められ、例えば3秒~10秒、好ましくは5秒に設定される。アイドル運転状態が所定時間継続しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。 Next, in step S206, the failure determination unit 6 determines whether or not the idle operation state has continued for a predetermined time from the first timing. The predetermined time is predetermined and is set to, for example, 3 seconds to 10 seconds, preferably 5 seconds. If it is determined that the idle operation state has not continued for a predetermined time, this control routine ends.

一方、ステップS206においてアイドル運転状態が所定時間継続したと判定された場合、本制御ルーチンはステップS207に進む。ステップS207では、故障判定部6は、第1電流値I1が検出された第1のタイミングから所定時間が経過した第2のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第2電流値I2を取得する。 On the other hand, if it is determined in step S206 that the idle operation state has continued for a predetermined time, the control routine proceeds to step S207. In step S207, the failure determination unit 6 acquires the second current value I2 detected by the current detection circuit 4 at the second timing in which a predetermined time has elapsed from the first timing in which the first current value I1 is detected. ..

ステップS208~S210は図8のステップS107~S109と同様に実行される。なお、本制御ルーチンは図8の制御ルーチンと同様に変形可能である。 Steps S208 to S210 are executed in the same manner as steps S107 to S109 of FIG. The control routine can be modified in the same manner as the control routine shown in FIG.

<第三実施形態>
第三実施形態に係る故障検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る故障検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
<Third embodiment>
The failure detection device according to the third embodiment is basically the same as the configuration and control of the failure detection device according to the first embodiment, except for the points described below. Therefore, the third embodiment of the present invention will be described below focusing on the parts different from the first embodiment.

図10は、本発明の第三実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。第三実施形態では、内燃機関を搭載した車両に、大気圧を検出する大気圧センサ74が設けられる。大気圧センサ74の出力は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。したがって、大気圧センサ74の出力はECU31に送信され、ECU31は大気圧センサ74の出力を取得する。 FIG. 10 is a diagram schematically showing an internal combustion engine or the like to which the failure detection device of the air-fuel ratio sensor according to the third embodiment of the present invention is applied. In the third embodiment, the vehicle equipped with the internal combustion engine is provided with the atmospheric pressure sensor 74 for detecting the atmospheric pressure. The output of the atmospheric pressure sensor 74 is input to the input port 36 via the corresponding AD converter 38. Therefore, the output of the atmospheric pressure sensor 74 is transmitted to the ECU 31, and the ECU 31 acquires the output of the atmospheric pressure sensor 74.

上述したように空燃比センサ10の大気室19には大気が導入されるが、大気圧は、内燃機関を搭載する車両の走行環境に応じて変化する。例えば、大気圧は、車両が走行する道路の標高が高くなるほど低くなる。大気圧が低くなると、大気室19の大気が被測ガス室18の排気ガスと混合したときの排気ガス中の酸素濃度の増加量が低下し、この結果、排気側電極16から大気側電極17に移動する酸化物イオンの移動量が減少する。すなわち、大気圧が低くなると、固体電解質層12のクラック12aの影響によってセンサ素子11の出力電流がリーン側にずれる量が小さくなる。 As described above, the atmosphere is introduced into the atmosphere chamber 19 of the air-fuel ratio sensor 10, but the atmospheric pressure changes according to the traveling environment of the vehicle equipped with the internal combustion engine. For example, the atmospheric pressure decreases as the altitude of the road on which the vehicle travels increases. When the atmospheric pressure becomes low, the amount of increase in the oxygen concentration in the exhaust gas when the atmosphere in the atmosphere chamber 19 mixes with the exhaust gas in the gas chamber 18 decreases, and as a result, the exhaust side electrode 16 to the atmosphere side electrode 17 The amount of oxide ion that moves to is reduced. That is, when the atmospheric pressure becomes low, the amount of the output current of the sensor element 11 shifting to the lean side due to the influence of the crack 12a of the solid electrolyte layer 12 becomes small.

このため、第三実施形態では、故障判定部6は、大気圧センサ74によって検出された大気圧に基づいて、第2電流値から第1電流値を減算した値を補正し、補正後の値が閾値以上である場合に、固体電解質層12にクラックが生じていると判定する。このことによって、大気圧の変動によるクラックの誤検出を低減することができ、ひいては空燃比センサ10の故障の検出精度を高めることができる。 Therefore, in the third embodiment, the failure determination unit 6 corrects the value obtained by subtracting the first current value from the second current value based on the atmospheric pressure detected by the atmospheric pressure sensor 74, and the corrected value. When is equal to or greater than the threshold value, it is determined that the solid electrolyte layer 12 is cracked. As a result, it is possible to reduce erroneous detection of cracks due to fluctuations in atmospheric pressure, and it is possible to improve the detection accuracy of failure of the air-fuel ratio sensor 10.

図11は、本発明の第三実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされた後、ECU31によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。 FIG. 11 is a flowchart showing a control routine for failure determination processing according to the third embodiment of the present invention. This control routine is repeatedly executed by the ECU 31 at predetermined time intervals after the ignition switch of the vehicle equipped with the internal combustion engine is turned on.

ステップS301~S303は図8のステップS101~S103と同様に実行される。ステップS303において内燃機関が停止したと判定された場合、本制御ルーチンはステップS304に進む。 Steps S301 to S303 are executed in the same manner as steps S101 to S103 in FIG. If it is determined in step S303 that the internal combustion engine has stopped, the control routine proceeds to step S304.

ステップS304では、故障判定部6は、第1のタイミングにおいて電流検出回路4によって検出された第1電流値I1と、第1のタイミングにおいて大気圧センサ74によって検出された大気圧Pとを取得する。例えば、故障判定部6は、機関回転数がゼロに達した第1のタイミングにおいて検出された第1電流値I1及び大気圧Pを取得する。 In step S304, the failure determination unit 6 acquires the first current value I1 detected by the current detection circuit 4 at the first timing and the atmospheric pressure P detected by the atmospheric pressure sensor 74 at the first timing. .. For example, the failure determination unit 6 acquires the first current value I1 and the atmospheric pressure P detected at the first timing when the engine speed reaches zero.

ステップS305及びS306は図8のステップS105及びS106と同様に実行される。ステップS306の後、ステップS307において、故障判定部6は、マップ又は計算式を用いて、大気圧Pに基づいて、第2電流値I2から第1電流値I1を減算した値(出力差(I2-I1))を補正する。マップ又は計算式は、大気圧Pが低いほど、出力差が大きくなるように作成される。 Steps S305 and S306 are executed in the same manner as steps S105 and S106 of FIG. After step S306, in step S307, the failure determination unit 6 uses a map or a calculation formula to subtract the first current value I1 from the second current value I2 based on the atmospheric pressure P (output difference (I2). -I1)) is corrected. The map or calculation formula is created so that the lower the atmospheric pressure P, the larger the output difference.

次いで、ステップS308において、故障判定部6は、補正後の出力差が閾値K以上であるか否かを判定する。閾値Kは、予め定められ、正の値に設定される。 Next, in step S308, the failure determination unit 6 determines whether or not the corrected output difference is equal to or greater than the threshold value K. The threshold value K is predetermined and set to a positive value.

ステップS308において補正後の出力差が閾値K以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS309に進む。ステップS309では、図8のステップS108と同様に、故障判定部6は、空燃比センサ10が異常であり、固体電解質層12にクラックが生じていると判定する。ステップS309の後、本制御ルーチンは終了する。 If it is determined in step S308 that the corrected output difference is equal to or greater than the threshold value K, the control routine proceeds to step S309. In step S309, similarly to step S108 of FIG. 8, the failure determination unit 6 determines that the air-fuel ratio sensor 10 is abnormal and the solid electrolyte layer 12 is cracked. After step S309, this control routine ends.

一方、ステップS308において補正後の出力差が閾値K未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS310に進む。ステップS310では、図8のステップS109と同様に、故障判定部6は、空燃比センサ10が正常であり、固体電解質層12にクラックが生じていないと判定する。ステップS310の後、本制御ルーチンは終了する。 On the other hand, if it is determined in step S308 that the corrected output difference is less than the threshold value K, the control routine proceeds to step S310. In step S310, similarly to step S109 of FIG. 8, the failure determination unit 6 determines that the air-fuel ratio sensor 10 is normal and that the solid electrolyte layer 12 is not cracked. After step S310, this control routine ends.

なお、本制御ルーチンは図8の制御ルーチンと同様に変形可能である。例えば、故障判定部6は、ステップS307において、マップ又は計算式を用いて、大気圧Pに基づいて、第2電流値I2を第1電流値I1で除算した値(出力比(I2/I1))を補正し、ステップS308において、補正後の出力比が閾値K以上であるか否かを判定してもよい。この場合、閾値Kは1よりも大きな値に設定される。また、マップ又は計算式は、大気圧Pが低いほど、出力比が大きくなるように作成される。 The control routine can be modified in the same manner as the control routine shown in FIG. For example, in step S307, the failure determination unit 6 divides the second current value I2 by the first current value I1 based on the atmospheric pressure P using a map or a calculation formula (output ratio (I2 / I1). ) May be corrected, and in step S308, it may be determined whether or not the corrected output ratio is equal to or higher than the threshold value K. In this case, the threshold value K is set to a value larger than 1. Further, the map or the calculation formula is created so that the lower the atmospheric pressure P, the larger the output ratio.

また、ステップS307において、故障判定部6はマップ又は計算式を用いて大気圧Pに基づいて閾値Kを補正し、ステップS308において補正後の閾値Kが用いられてもよい。この場合、マップ又は計算式は、大気圧Pが低いほど、閾値Kが小さくなるように作成される。 Further, in step S307, the failure determination unit 6 may correct the threshold value K based on the atmospheric pressure P using a map or a calculation formula, and the corrected threshold value K may be used in step S308. In this case, the map or calculation formula is created so that the lower the atmospheric pressure P, the smaller the threshold value K.

また、大気圧Pは、大気と混合した後の排気ガスの酸素濃度、すなわち第2電流値I2に主に影響する。このため、ステップS307において、故障判定部6はマップ又は計算式を用いて大気圧Pに基づいて第2電流値I2を補正し、ステップS308において補正後の第2電流値I2が用いられてもよい。この場合、マップ又は計算式は、大気圧Pが低いほど、第2電流値I2が大きくなるように作成される。 Further, the atmospheric pressure P mainly affects the oxygen concentration of the exhaust gas after mixing with the atmosphere, that is, the second current value I2. Therefore, in step S307, the failure determination unit 6 corrects the second current value I2 based on the atmospheric pressure P using a map or a calculation formula, and even if the corrected second current value I2 is used in step S308. good. In this case, the map or calculation formula is created so that the lower the atmospheric pressure P, the larger the second current value I2.

なお、補正に用いられる大気圧Pは、第1電流値I1が検出される第1のタイミングから第2電流値I2が検出される第2のタイミングまでの任意のタイミングにおいて検出可能である。また、補正に用いられる大気圧Pは、第1のタイミングから第2のタイミングまでの間に検出された大気圧の平均値であってもよい。 The atmospheric pressure P used for correction can be detected at any timing from the first timing at which the first current value I1 is detected to the second timing at which the second current value I2 is detected. Further, the atmospheric pressure P used for the correction may be the average value of the atmospheric pressure detected between the first timing and the second timing.

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関は圧縮自着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)であってもよい。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the claims. For example, the internal combustion engine to which the failure detection device of the air-fuel ratio sensor is applied may be a compression self-ignition type internal combustion engine (diesel engine).

また、故障検出装置1を用いて、触媒60の下流側に配置された空燃比センサの故障判定が行われてもよい。また、故障検出装置1によって故障判定が行われる空燃比センサは触媒60の上流側及び下流側に配置されてもよい。この場合、下流側空燃比センサの故障判定が行われるときには、図9のステップS204において、下流側空燃比センサを用いた空燃比制御(例えば目標空燃比の切替等)のみが停止され、上流側空燃比センサを用いた空燃比のフィードバック制御が継続されてもよい。 Further, the failure detection device 1 may be used to determine the failure of the air-fuel ratio sensor arranged on the downstream side of the catalyst 60. Further, the air-fuel ratio sensor for which the failure determination is performed by the failure detection device 1 may be arranged on the upstream side and the downstream side of the catalyst 60. In this case, when the failure determination of the downstream air-fuel ratio sensor is performed, only the air-fuel ratio control using the downstream air-fuel ratio sensor (for example, switching of the target air-fuel ratio) is stopped in step S204 of FIG. 9, and the upstream side is stopped. The air-fuel ratio feedback control using the air-fuel ratio sensor may be continued.

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。第二実施形態と第三実施形態とが組み合わされる場合、図11の故障判定処理の制御ルーチンにおいて、ステップS303の代わりに、図9のステップS203及びS204が実行される。 Further, the above-described embodiments can be implemented in any combination. When the second embodiment and the third embodiment are combined, steps S203 and S204 of FIG. 9 are executed instead of step S303 in the control routine of the failure determination process of FIG.

1 空燃比センサの故障検出装置
3 電圧印加回路
4 電流検出回路
6 故障判定部
10 空燃比センサ
11 センサ素子
12 固体電解質層
16 排気側電極
17 大気側電極
1 Air fuel ratio sensor failure detection device 3 Voltage application circuit 4 Current detection circuit 6 Failure determination unit 10 Air fuel ratio sensor 11 Sensor element 12 Solid electrolyte layer 16 Exhaust side electrode 17 Atmosphere side electrode

Claims (1)

酸化物イオン伝導性を有する固体電解質層と、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように前記固体電解質層の一方の側面上に配置された排気側電極と、大気に曝されるように前記固体電解質層の他方の側面上に配置された大気側電極とを有するセンサ素子を備える空燃比センサの故障を検出する、空燃比センサの故障検出装置であって、
前記大気側電極の電位が前記排気側電極の電位よりも高くなるように前記センサ素子に電圧を印加する電圧印加回路と、
前記センサ素子に電圧が印加されているときの前記センサ素子の出力電流を検出する電流検出回路と、
前記空燃比センサの故障を判定する故障判定部と
を備え、
前記故障判定部は、前記内燃機関の機関回転数が、所定値よりも高い値から該所定値まで低下し、その後、該所定値以下に維持された場合に、該機関回転数が該所定値以下に維持された期間内の第1のタイミングにおいて前記電流検出回路によって検出された第1電流値と、該期間内において該第1のタイミングから所定時間経過した第2のタイミングにおいて前記電流検出回路によって検出された第2電流値とを取得し、該第2電流値が該第1電流値よりも大きく且つ該第2電流値と該第1電流値との差又は比率が閾値以上である場合に、前記固体電解質層にクラックが生じていると判定する、空燃比センサの故障検出装置。
The solid electrolyte layer having oxide ion conductivity and the exhaust side electrode arranged on one side surface of the solid electrolyte layer so as to be exposed to the exhaust gas flowing through the exhaust passage of the internal combustion engine are exposed to the atmosphere. A failure detection device for an air fuel ratio sensor, which detects a failure of an air fuel ratio sensor including a sensor element having an atmosphere side electrode arranged on the other side surface of the solid electrolyte layer.
A voltage application circuit that applies a voltage to the sensor element so that the potential of the atmosphere-side electrode is higher than the potential of the exhaust-side electrode.
A current detection circuit that detects the output current of the sensor element when a voltage is applied to the sensor element, and
It is equipped with a failure determination unit that determines the failure of the air-fuel ratio sensor.
In the failure determination unit, when the engine rotation speed of the internal combustion engine decreases from a value higher than the predetermined value to the predetermined value and then maintained at the predetermined value or less, the engine rotation speed becomes the predetermined value. The first current value detected by the current detection circuit at the first timing within the period maintained below, and the current detection circuit at the second timing in which a predetermined time has elapsed from the first timing within the period. When the second current value detected by is larger than the first current value and the difference or ratio between the second current value and the first current value is equal to or more than the threshold value. In addition, a failure detection device for an air-fuel ratio sensor that determines that a crack has occurred in the solid electrolyte layer.
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