(57)【要約】【課題】  異常をより好適に検出する酸素センサの異常検出装置を提供する。【解決手段】  電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有する酸素センサ１０の異常検出装置１Ａであって、酸素センサ１０は、センサ素子３０を覆うカバー３１に、カバー３１の内外を連通する開閉自在な連通孔３２を有し、連通孔３２を閉じた状態において、電圧を印加した結果出力される電流に基づいて酸素センサ１０の異常の有無を診断する。これによって、酸素センサ１０の異常をより好適に検出する異常検出装置１Ａを実現可能である。【選択図】  図４
2006300830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスと第２のガスの間に配設されたセンサ素子を備える酸素センサの異常検出装置であって、
前記酸素センサは、前記センサ素子を覆うカバーに該カバーの内外を連通する開閉自在な連通孔を有し、
前記連通孔を閉じた状態において、前記酸素センサの出力に基づいて該酸素センサの異常の有無を診断することを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
【請求項２】
前記酸素センサは、電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有することを特徴とする請求項１記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項３】
電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有し、第１のガスと第２のガスの間に配設されたセンサ素子を備える酸素センサの異常検出装置であって、
前記酸素センサを駆動するためのアクチュエータを備え、
前記酸素センサを前記アクチュエータにより駆動し、前記第１のガスに晒したセンサ素子部を前記第２のガスに晒した後に、電圧を印加した結果出力される電流に基づいて前記酸素センサの異常の有無を診断することを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素センサの異常検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の空燃比制御システムにおいては、排気ガス中の酸素濃度に応じて電流をリニアに出力する限界電流方式の酸素センサが採用されている。この限界電流方式の酸素センサは、電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有している。内燃機関の空燃比制御システムは、この限界電流値に応じて空燃比を求めている。
【０００３】
この限界電流方式の酸素センサ（以下、単に酸素センサという）では、酸素センサの異常をより精度良く検出する技術が要望されている。そこで、特許文献１では、酸素センサが正常であれば、酸素濃度に関係なく正の電流または負の電流が流れる印加電圧領域があることに着目し、酸素センサの異常診断技術を提案している。ここで、混合気の空燃比が理論空燃比（ストイキ）である場合には、限界電流値は「０」である。一方、この提案技術によれば、診断用電圧の印加に伴い出力されるセンサ電流は、酸素濃度に関係ない正または負の電流である。これによって、診断用電圧の印加に伴い出力されるセンサ電流が少なくとも「０」を含む所定の電流範囲内の場合に、酸素濃度によるものか、異常によるものかを判別する処理を要することなく異常と診断することが可能である。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３２７５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記提案技術において、負の電流が流れる印加電圧領域は、一部を除き負の印加電圧（逆電圧ともいう）領域である。そして、この逆電圧印加中には、酸素センサの異常診断装置は、酸素センサの大気層の酸素濃度に基づく電流を測定する。ここで、酸素センサのセンサ素子に欠損が生じている場合には、排気ガスが欠損を通じて大気層に侵入する。この場合に、診断用電圧の印加に伴い出力されるセンサ電流が、「０」を含む所定の電流範囲内になる。しかしながら、センサ素子に欠損が生じていても、例えば排気ガスの脈動に伴う圧力変動によって、大気層に侵入した排気ガスが欠損を通じて逆に流出してしまうことがある。このような状態においては、上記提案技術では、診断用電圧を印加しても酸素センサの異常を検出できない虞がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、異常をより好適に検出する酸素センサの異常検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、第１のガスと第２のガスの間に配設されたセンサ素子を備える酸素センサの異常検出装置であって、前記酸素センサは、前記センサ素子を覆うカバーに該カバーの内外を連通する開閉自在な連通孔を有し、前記連通孔を閉じた状態において、前記酸素センサの出力に基づいて該酸素センサの異常の有無を診断することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、センサ素子に欠損が生じている場合に、カバーに形成された連通孔を閉じて、センサ素子の周囲の雰囲気を排気ガスの状態に維持することができる。また、排気ガスの圧力変動による影響からセンサ素子を防御することができる。この状態によって、センサ素子に欠損が生じている場合に酸素センサの異常をより好適に検出することができる。
【０００９】
また、本発明は、前記酸素センサは、電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有するものであってもよい。本発明によれば、例えば逆電圧を印加してセンサ電流値を測定することで、欠損が生じているかどうかを診断することができる。なお、酸素センサの異常診断方法は公知のものであってもよい。また、酸素センサは第１のガスと第２のガスとの酸素分圧差に応じた起電力を発生するセンサ素子を備えるものであってもよい。
【００１０】
また、本発明は、電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有し、第１のガスと第２のガスの間に配設されたセンサ素子を備える酸素センサの異常検出装置であって、前記酸素センサを駆動するためのアクチュエータを備え、前記酸素センサを前記アクチュエータにより駆動し、前記第１のガスに晒したセンサ素子部を前記第２のガスに晒した後に、電圧を印加した結果出力される電流に基づいて前記酸素センサの異常の有無を診断することを特徴とする。
【００１１】
例えば、欠損を有する酸素センサの大気層が排気ガスを含む気体から大気に変化する過程において酸素センサの逆電流を検出して、酸素センサの異常の有無を診断する方法が存在する。本発明によれば、このような異常診断を実行する場合に、より短時間で好適に酸素センサの異常の有無を診断可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、異常をより好適に検出する酸素センサの異常検出装置を提供可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、検出対象となる酸素センサ１０に接続された状態での酸素センサの異常検出装置（以下、単に異常検出装置という）１を示したブロック図である。図１に示すように、異常検出装置１は酸素センサ１０のセンサ素子３０に接続される電流検出回路２と、この電流検出回路２によって検出される電流値を用いて酸素センサ１０の異常の有無を診断する異常診断手段としてのＣＰＵ（central processing unit）３とを含んでいる。また、異常検出装置１は、双方向バス４によってＣＰＵ３と接続されるＲＯＭ５、ＲＡＭ６を含んでいる。さらに、異常現出装置１は、後述する開閉自在な連通孔３２を実現するための内部カバー３３と、内部カバー３３を駆動させるためのアクチュエータ３７とを含んでいる。
【００１５】
電流検出回路２は、ＣＰＵ３の指令に基づき、酸素センサ１０に所定の電圧を印加する。所定の電圧が印加された際に酸素センサ１０で発生した電流は電流検出回路２を介してＣＰＵ３へ供給される。また、ＣＰＵ３は、連通孔３２を開閉するためにアクチュエータ３７を制御する。ＲＯＭ５には酸素センサ１０の異常の有無を診断するためのプログラム等、ＣＰＵ３が実行する種々のプログラムやデータが格納されている。ＲＡＭ６はＣＰＵ３がプログラムを実行するための処理領域を提供する。
【００１６】
図２は、本実施例に係る異常検出装置１Ａの異常検出対象となる酸素センサ１０の構成を示した図であり、より具体的には、酸素センサ１０のセンサ素子３０の断面を示した図である。なお、異常検出装置１Ａは上述した異常検出装置１と同一構成である。酸素センサ１０は、図２に示す断面構造を有するセンサ素子３０と、そのセンサ素子３０を保護するためのカバー３１とを備えている。酸素センサ１０は、そのカバー３１に覆われたセンサ素子３０が排気ガスに晒されるように、内燃機関の排気通路２９に組み付けられる。酸素センサ１０のカバー３１には、排気通路２９の内部を流通する排気ガスがセンサ素子３０に到達するように、複数の連通孔３２が設けられている。このため、図２に示す酸素センサ１０は、周囲が排気ガスに晒された状態に置かれることになる。
【００１７】
酸素センサ１０は、ヒータ層１２を有している。ヒータ層１２の内部には、センサ素子３０を活性温度に加熱するためのヒータ１４が埋め込まれている。図２において、ヒータ層１２の上には大気層形成部材１６が配置されている。大気層形成部材１６は、アルミナなどのセラミックスで構成されている。
【００１８】
大気層形成部材１６の上部には、ジルコニア等で構成された電解質層２０が配置されている。また、大気層形成部材１６の電解質層２０側の面には、大気層１８を形成するための窪みが設けられている。大気層１８は、大気層形成部材１６及び電解質層２０により排気通路２９の内部空間から隔絶されており、かつ、図示しない大気孔により大気に解放されている。
【００１９】
電解質層２０の大気層形成部材１６側の面には、大気層１８に晒されるように大気側電極２２が配置されている。一方、大気層形成部材１６に対して反対側の電解質層２０の面には排気側電極２４が配置されている。排気側電極２４は、拡散抵抗層２６により覆われている。拡散抵抗層２６は、多孔質性の物質であり、排気通路２９を流れる排気ガスが、大気側電極２２に到達する速度を適度に規制する働きを有している。
【００２０】
酸素センサ１０には、図２中に符号（ｉ）を付して示すような正電圧と、符号（ｉｉ）を付して示すような逆電圧とが選択的に印加される。正電圧は、具体的には、大気側電極２２が排気側電極２４に比して高電圧となるように印加される。この場合、大気側電極２２と排気側電極２４との間には、排気ガス中の酸素過不足量に応じたセンサ電流、つまり、排気ガスの酸素濃度に応じたセンサ電流が流通する。このため、そのセンサ電流を検出すれば、排気ガスの酸素濃度を検知することができる。
【００２１】
逆電圧は、具体的には、排気側電極２４が大気側電極２２に比して高電圧となるように印加される。この場合、大気側電極２２の表面に接している酸素がイオン化されて排気側電極２４に向けてポンピングされる。その結果、排気側電極２４と大気側電極２２との間には、大気層１８の気体の酸素濃度と相関を有する負の電流、つまり、逆電流が流通する。なお、ここでは、大気側電極２２から排気側電極２４に向かう電流の向きを正の方向とし、その逆の方向を負の方向とする。
【００２２】
図２に示すように、センサ素子３０に欠損２８が発生すると、センサ素子３０の大気層１８内に排気ガスが流入してくることで大気層１８の気体の酸素濃度が変化する。このときに逆電圧を印加し、センサ電流値を測定することで欠損２８が生じているかどうかを診断することができる。なお、本実施例においては、酸素センサ１０の異常診断方法は公知のものであってもよい。
【００２３】
ここで、逆電圧印加中には、異常検出装置１Ａは大気層１８の酸素濃度に基づく逆電流を測定する。しかしながら、センサ素子３０に欠損２８が生じていても、例えば排気ガスの脈動に伴う圧力変動によって、侵入した排気ガスが欠損２８を通じて逆に流出してしまうこともある。本実施例では、以下に示す第１から第３の具体例のように、カバー３１に形成された開閉自在な連通孔３２を閉じることによって、大気層１８に侵入した排気ガスの流出を抑制することが可能である。
【００２４】
図３は、開閉自在な連通孔３２の第１の具体例を示す図である。酸素センサ１０は、図３（ａ）に示すように排気通路２９内にセンサ素子３０及びカバー３１を突出させた状態で、排気通路２９に配設されている。図３（ｂ）は、異常診断実行前の酸素センサ１０の断面の模式図である。本具体例においては、酸素センサ１０は、有底略円筒状のカバー３１内に、排気通路２９の上流側に配設された内部カバー３３ａ及び排気通路２９の下流側に配設された内部カバー３３ｂを有している。内部カバー３３ａ及び３３ｂそれぞれは、有底略円筒状の部材の底面を略半円状にして、円筒軸方向と平行に２分割した形状に形成されている。カバー３１の円筒面には、複数の連通孔３２が、周方向に略等分に、略同一の大きさで形成されている。異常診断実行前には、図３（ｂ）に示すように、内部カバー３３ａ及び３３ｂは、図３（ｂ）において、カバー３１に形成された連通孔３２よりも下に位置しているため、連通孔３２は開いた状態になっている。この状態では、排気ガスは、上流側の連通孔３２からカバー３１内に流入し、下流側の連通孔３２からカバー３１外へ流出する。なお、この状態は、一般的な酸素センサと同様である。
【００２５】
図３（ｃ）は、異常診断実行時の酸素センサ１０の断面の模式図である。異常診断実行時には、排気通路２９の下流側に配設された内部カバー３３ｂを駆動させることによって、カバー３１の下流側の連通孔３２は、内部カバー３３ｂの円筒面で塞がれる。下流側の連通孔３２が閉じた状態になると、排気ガスは下流側の連通孔３２から流出できなくなるため、カバー３１内の圧力が上昇する。これによって、センサ素子３０に欠損２８が生じている場合には、欠損２８を通じて排気ガスを大気層１８へ侵入させることが容易になる。この状態で酸素センサ１０に逆電圧を印加して異常診断を実行すれば、酸素センサ１０に異常あり、と診断可能である。また、下流側の内部カバー３３ｂを閉じた状態にした後に、所定の時間経過後、さらに上流側の内部カバー３３ａを閉じた状態にしてから、異常診断を実行してもよい。これによって、排気ガスに圧力変動があってもセンサ素子３０に及ぼす影響を抑制することができる。そのため、大気層１８から欠損２８を通じて逆に排気ガスが流出することを確実に抑制できる。すなわち、センサ素子３０に欠損２８が生じている場合に、より好適に酸素センサ１０の異常を検出することができる。なお、内部カバー３３ａ及び３３ｂは、アクチュエータ３７によって駆動させることができ、例えば後述する具体例３で示したモータ３７ｂをアクチュエータ３７として備えて、図３において上下方向に駆動させることができる。また、内部カバー３３ａ、３３ｂを駆動させるアクチュエータ３７は、モータに限られず、実際にアクチュエータ３７を配設する排気通路２９外の周囲のスペースや雰囲気等を考慮して、適宜のアクチュエータを選択してよい。
【００２６】
図４は、開閉自在な連通孔３２の第２の具体例を示す図である。図４（ａ）は、カバー３１の連通孔３２が開いた状態であることを示す図であり、図４（ｂ）は、この連通孔３２が閉じた状態であることを示す図である。本具体例では、カバー３１内に有底略円筒状の内部カバー３３ｃを備えている。内部カバー３３ｃの円筒面には、カバー３１と略同一の位相に、略同一の大きさの連通孔３４を複数形成している。内部カバー３３ｃの底面と反対側の一端には、円周上に第１のギヤ３５が形成されている。一方、アクチュエータ３７としてのモータ３７ａは、図示しないブラケット等を介して排気通路２９外に固定される。モータ３７ａの駆動軸には第２のギヤ３６が結合されており、第１のギヤ３５と第２のギヤ３６とは噛合った状態になっている。
【００２７】
この状態でモータ３７ａを駆動させると、第２のギヤ３６の回転とともに、第１のギヤ３５が回転する。これによって、内部カバー３３ｃが回転し、図４（ｂ）の状態になる。図４（ｂ）の状態では、カバー３１の連通孔３２は、内部カバー３３ｃの円筒面によって塞がれる。したがって、排気ガスがカバー３１内に流入している状態でモータ３７ａを駆動させれば、センサ素子３０の周囲の雰囲気を、排気ガスの状態に維持することができる。また、排気通路２９内を流れる排気ガスの圧力変動の影響からセンサ素子３０を防御することができる。この状態で、異常診断を実行することによって、より好適に酸素センサ１０の異常の有無を診断可能である。なお、モータ３７ａの代わりに、本具体例と同様に内部カバー３３ｃを駆動可能な他のアクチュエータを備えてもよい。
【００２８】
図５は、酸素センサ１０の開閉自在な連通孔３２の第３の具体例を示す図である。図５（ａ）は、連通孔３２が開いた状態であることを示す図であり、図５（ｂ）は、連通孔３２が閉じた状態であることを示す図である。本具体例では、カバー３１の内側に略円筒状の内部カバー３３ｄを備えている。内部カバー３３ｄには、カバー３１と略同一の位相に、略同一の大きさの連通孔３２を複数形成している。また、本具体例では、内部カバー３３ｄの底面と反対側の一端にアクチュエータ３７としてモータ３７ｂの駆動軸を結合する。このモータ３７ｂは直動モータである。
【００２９】
この状態でモータ３７ｂを駆動させると、駆動軸の延伸とともに内部カバー３３ｄが図５において上方向に移動し、図５（ｂ）の状態になる。図５（ｂ）の状態では、カバー３１の連通孔３２は内部カバー３３ｄの円筒面によって塞がれる。これによって、本具体例においても、第２の具体例と同様、より好適に酸素センサ１０の異常の有無を診断可能である。なお、モータ３７ｂの代わりに、本具体例と同様に内部カバー３３ｄを駆動可能な他のアクチュエータを備えてもよい。また、本実施例においては、酸素センサ１０が排気ガスと大気との酸素分圧差に応じた起電力を発生するセンサ素子を備えるものであっても同様に適用可能である。
【実施例２】
【００３０】
さらに第１から第３の具体例で示した開閉自在な連通孔３２を備えた酸素センサ１０に、以下に示すモータ３７ｃを組み合わせることによって、所定の異常診断方法において、より好適に酸素センサ１０の異常の有無を診断することが可能である。本実施例の異常検出装置１Ｂは、酸素センサ１０を駆動するためのモータ３７ｃをさらに備える以外、実施例１で示した異常診断装置１Ａと同一である。図６は、開閉自在な連通孔３２を備えた酸素センサ１０に、センサ素子３０を排気通路２９外に駆動させるためのモータ３７ｃを組み合わせた例を示す図である。図６（ａ）は、センサ素子３０が排気通路２９内に突出している状態を示す図であり、図６（ｂ）は、センサ素子３０が排気通路２９外に駆動された状態を示す図である。なお、図６において、説明の便宜上内部カバーの図示は省略する。
【００３１】
本実施例においては、第１から第３の具体例に示した開閉自在な連通孔３２を酸素センサ１０が備えている。そのため、第１から第３の具体例で詳述したように、カバー３１内に排気ガスを保持することが可能である。さらに本実施例では、酸素センサ１０の筐体部に駆動部を結合させた直動モータであるモータ３７ｃによって、酸素センサ１０のセンサ素子３０を排気通路２９外に駆動させることができる。このとき、センサ素子３０は大気室３８内に包含された状態となる。この大気室３８は、立方体状の筐体３９の内部に形成された空間である。また、筐体３９は酸素センサ１０の一部を包含するようにして排気通路２９外に配設され、筐体３９の側面には、外部から大気室３８に大気が流入できるように、内外を連通する複数の貫通孔が形成されている。ここで、前述したカバー３１の連通孔３２を開いた状態にすることで、センサ素子３０を大気に晒すことができる。これによって、例えば欠損２８を有する酸素センサ１０の大気層１８が排気ガスを含む気体から大気に変化する過程において酸素センサ１０の逆電流を検出して、酸素センサ１０の異常の有無を診断する場合に、より短時間で好適に酸素センサ１０の異常の有無を診断することが可能である。
【００３２】
なお、モータ３７ｃの代わりに、本実施例と同様に酸素センサ１０を駆動可能な他のアクチュエータを備えてもよい。また、実施例１及び実施例２において、逆電圧を印加して酸素センサ１０の異常の有無を診断するタイミングは、内燃機関の空燃比制御に影響を及ぼさないタイミング、例えば内燃機関を備えた車両でかつ酸素センサ１０を排気通路２９に配設した場合にあっては、イグニッションスイッチをオフにした後が望ましい。これは、逆電圧を印加している間は、センサ素子３０の排気側の酸素濃度に基づく電流を測定することができず、空燃比制御等に悪影響を及ぼすためである。この場合、イグニッションスイッチをオフにしても、内燃機関を所定の時間運転できるように、例えばメインリレーによって制御する。また、異常診断を実行するためにカバー３１の連通孔３２を閉じた状態にする前に、内燃機関で燃焼させる混合気をリッチ制御することが望ましい。これにより、連通孔３２を通じてカバー３１内に酸素濃度の低い排気ガスを流入させることができ、さらに連通孔３２を閉じた状態にすれば、センサ素子３０の周囲の雰囲気を酸素濃度の低い排気ガスの状態に維持することができる。したがって、酸素センサ１０に欠損２８が生じている場合には、大気層１８に、より酸素濃度の低い排気ガスを侵入させた状態を維持することが可能である。これによって、酸素センサ１０の異常検出装置１Ｂの異常検出精度をより向上させることができる。以上により、酸素センサ１０の異常をより好適に検出する異常検出装置１を実現可能である。
【００３３】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】検出対象となる酸素センサ１０に接続された状態での異常検出装置１を示したブロック図である。
【図２】本実施例に係る異常検出装置１Ａの異常検出対象となる酸素センサ１０の構成を示した図である。
【図３】開閉自在な連通孔３２の第１の具体例を示す図である。
【図４】開閉自在な連通孔３２の第２の具体例を示す図である。
【図５】開閉自在な連通孔３２の第３の具体例を示す図である。
【図６】開閉自在な連通孔３２を備えた酸素センサ１０に、センサ素子３０を排気通路２９外に駆動させるためのモータ３７ｃを組み合わせた例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  異常検出装置
２  電流検出回路
３  ＣＰＵ
４  双方向バス
５  ＲＯＭ
６  ＲＡＭ
１０  酸素センサ
１２  ヒータ層
１４  ヒータ
１６  大気層形成部材
１８  大気層
２０  電解質層
２２  大気側電極
２４  排気側電極
２６  拡散抵抗層
２８  欠損
２９  排気通路
３０  センサ素子
３１  カバー
３２、３４  連通孔
３３  内部カバー
３５  第１のギヤ
３６  第２のギヤ
３７  アクチュエータ（モータ）
３８  大気室
３９  筐体
【図１】
2006300830.tif 000003
【図２】
2006300830.tif 000004
【図３】
2006300830.tif 000005
【図４】
2006300830.tif 000006
【図５】
2006300830.tif 000007
【図６】
2006300830.tif 000008