(57)【要約】【課題】  この発明は、空燃比センサの故障検出装置に関し、空燃比センサの大気層中に排気ガスを混入させるような故障を正確に検出することを目的とする。【解決手段】  空燃比センサは、排気通路内に晒された排気側電極と、大気層に晒された大気側電極とを有し、正電圧の印加を受けることにより排気空燃比に応じたセンサ電流を流通させる。F/Cの開始直後に逆電圧を印加して第１逆電流i1を取得する。周期Tの後に再び逆電圧を印加して第２逆電流i2を取得する。大気層に通じる割れが生じていると大気層が既燃ガスで汚染されるため第１逆電流は小さな値となる。周期Tの経過過程で大気層の汚染が緩和されるため、第２逆電流i2は、割れの有無に関わらず大きな値となる。i1に対してi2が有意に大きい場合は割れの発生を判定する。【選択図】      図５
2006113048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスセンサの故障検出装置であって、
前記排気ガスセンサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路の内部に大気層を形成する大気層形成部材と、
前記大気層に晒された大気側電極と、
前記排気側電極と前記大気側電極との間に介在して、両者間での酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、を備え、
前記大気側電極の電位より前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に逆電圧を印加する逆電圧印加手段と、
前記逆電圧の印加に伴って前記大気側電極と前記排気側電極との間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
前記大気層形成部材に割れが存在する場合に、前記大気層が排気ガスに汚染された状態となる汚染環境と、前記汚染が緩和された状態となる非汚染環境とを切り換える環境切り換え手段と、
前記汚染環境と前記非汚染環境との切り換えに起因する前記逆電流の変動に基づいて、前記排気ガスセンサの故障を検出する故障検出手段と、
を備えることを特徴とする排気ガスセンサの故障検出装置。
【請求項２】
前記故障検出手段は、
前記汚染環境下で検出された逆電流を第１逆電流として取得する第１逆電流取得手段と、
前記非汚染環境下で検出された逆電流を第２逆電流として取得する第２逆電流取得手段と、
前記第１逆電流の絶対値に比して前記第２逆電流の絶対値が大きい場合に前記排気ガスセンサの故障を判定する故障判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の排気ガスセンサの故障検出装置。
【請求項３】
前記故障判定手段は、前記第１逆電流に対する前記第２逆電流の比（第２逆電流／第１逆電流）が、１．０より大きな判定値以上である場合に前記排気ガスセンサの故障を判定することを特徴とする請求項２記載の排気ガスセンサの故障検出装置。
【請求項４】
前記故障判定手段は、前記第２逆電流と前記第１逆電流との差が、判定値以上である場合に前記排気ガスセンサの故障を判定することを特徴とする請求項２記載の排気ガスセンサの故障検出装置。
【請求項５】
前記環境切り換え手段は、内燃機関に対する燃料噴射を停止するフューエルカット手段を備え、
前記汚染環境は、燃料噴射が停止された直後の環境であり、
前記非汚染環境は、燃料噴射が所定時間継続して停止された時点の環境であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の排気ガスセンサの故障検出装置。
【請求項６】
排気圧力が判定値を超えているか否かを判定する排気圧力判定手段と、
排気圧力が前記判定値を超えている期間が判定期間を超えている場合に、排ガス充填条件の成立を判定する充填条件判定手段と、
排気圧力が判定値を下回った後、充填維持時間が経過するまでの間に限り、前記排ガス充填条件の成立を維持する充填条件維持手段と、
フューエルカットの開始時点で前記充填条件の成立が認められる場合に限り、前記故障の検出を許可する実行条件判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項５記載の排気ガスセンサの故障検出装置。
【請求項７】
排気ガスセンサの故障検出装置であって、
前記排気ガスセンサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路の内部に大気層を形成する大気層形成部材と、
前記大気層に晒された大気側電極と、
前記排気側電極と前記大気側電極との間に介在して、両者間での酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、を備え、
前記大気側電極の電位より前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に逆電圧を印加する逆電圧印加手段と、
前記逆電圧の印加に伴って前記大気側電極と前記排気側電極との間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
前記大気層形成部材に割れが存在する場合に、前記大気層が排気ガスに汚染された状態となる汚染環境を作り出す汚染環境形成手段と、
前記汚染環境下で検出された逆電流が、負の判定値と０との間の値である場合に、前記排気ガスセンサの故障を判定する故障判定手段と、
を備えることを特徴とする排気ガスセンサの故障検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガスセンサの故障検出装置に関し、特に、排気ガスセンサの割れを検出する装置として好適な排気ガスセンサの故障検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２０００−５５８６１号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路に配置される排気ガスセンサの異常を検出する装置が知られている。上記従来の装置は、より具体的には、排気空燃比に応じた出力を発する空燃比センサの異常を検出するための装置である。
【０００３】
空燃比センサの応答性は、経時劣化により徐々に低下する。このため、空燃比センサの応答性を見れば、そのセンサの劣化の程度を検知することができる。また、空燃比センサは、電極に到達する排気ガスの量を抑えるための拡散抵抗層を備えている。この拡散抵抗層に割れが生ずると、電極に到達する排気ガス量が抑えられなくなり、正常な空燃比検出が不可能となる。拡散抵抗層に割れが生じている状況下では、空燃比センサの出力が、排気空燃比の変化に敏感に反応する。このため、空燃比センサの応答性を見れば、拡散抵抗層に割れが生じているか否かを判断することも可能である。
【０００４】
空燃比センサは、排気通路を流通するガスの空燃比に応じた出力を発する。そして、排気通路を流通するガスの空燃比は、フューエルカットの実行前後において急激に変化する。このため、フューエルカットの開始直後に、空燃比センサの出力が如何なる挙動を示すかを見れば、空燃比センサがどのような応答性を有しているかを検知することができる。
【０００５】
そこで、上記従来の装置は、フューエルカットの開始直後におけるセンサ電流と、その後ある程度の時間が経過した時点におけるセンサ電流とに基づき、空燃比センサの応答性を検知する。そして、その応答性が正常であるか否かに基づき、空燃比センサに異常が生じているか否かを判断する。このような異常検出の手法によれば、経時劣化による応答性の低下や、拡散抵抗層の割れといった異常を精度良く検出することが可能である。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−５５８６１号公報
【特許文献２】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】
【０００７】
空燃比センサや酸素センサなどの排気ガスセンサは、拡散抵抗層を介して排気ガス中に晒される排気側電極と、大気層に晒される大気側電極を有している。大気層は、アルミナ等で構成された大気層形成部材により排気通路の内部空間から隔絶されている。換言すると、大気層形成部材に割れが生ずると、大気層は、排気通路の内部空間と導通する状態となる。
【０００８】
大気層が排気通路の内部空間と導通し、大気層中に排気ガスが混入する状況下では、空燃比センサは、排気空燃比に応じた正しい出力を発生することができない。このため、大気層形成部材の割れなど、大気層中に排気ガスを混入させるような故障は、異常として検出することが望まれる。
【０００９】
しかしながら、上記従来の装置は、フューエルカットの開始後におけるセンサ電流の挙動に着目して異常検出を行うものである。フューエルカットの開始後は、排気通路の内部における空燃比が大きく変化し、その影響が多大にセンサ電流に反映される。一方、大気層に排気ガスが混入することによる影響は、センサ電流にはさほど大きく表れない。このため、上記従来の装置によっては、大気層中に排気ガスを混入させるような故障を検出することはできない。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気ガスセンサの大気層中に排気ガスを混入させるような故障を検出することのできる排気ガスセンサの故障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】
【００１１】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、排気ガスセンサの故障検出装置であって、
前記排気ガスセンサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路の内部に大気層を形成する大気層形成部材と、
前記大気層に晒された大気側電極と、
前記排気側電極と前記大気側電極との間に介在して、両者間での酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、を備え、
前記大気側電極の電位より前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に逆電圧を印加する逆電圧印加手段と、
前記逆電圧の印加に伴って前記大気側電極と前記排気側電極との間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
前記大気層形成部材に割れが存在する場合に、前記大気層が排気ガスに汚染された状態となる汚染環境と、前記汚染が緩和された状態となる非汚染環境とを切り換える環境切り換え手段と、
前記汚染環境と前記非汚染環境との切り換えに起因する前記逆電流の変動に基づいて、前記排気ガスセンサの故障を検出する故障検出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記故障検出手段は、
前記汚染環境下で検出された逆電流を第１逆電流として取得する第１逆電流取得手段と、
前記非汚染環境下で検出された逆電流を第２逆電流として取得する第２逆電流取得手段と、
前記第１逆電流の絶対値に比して前記第２逆電流の絶対値が大きい場合に前記排気ガスセンサの故障を判定する故障判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、第３の発明は、第２の発明において、前記故障判定手段は、前記第１逆電流に対する前記第２逆電流の比（第２逆電流／第１逆電流）が、１．０より大きな判定値以上である場合に前記排気ガスセンサの故障を判定することを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、第２の発明において、前記故障判定手段は、前記第２逆電流と前記第１逆電流との差が、判定値以上である場合に前記排気ガスセンサの故障を判定することを特徴とする。
【００１５】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記環境切り換え手段は、内燃機関に対する燃料噴射を停止するフューエルカット手段を備え、
前記汚染環境は、燃料噴射が停止された直後の環境であり、
前記非汚染環境は、燃料噴射が所定時間継続して停止された時点の環境であることを特徴とする。
【００１６】
また、第６の発明は、第５の発明において、
排気圧力が判定値を超えているか否かを判定する排気圧力判定手段と、
排気圧力が前記判定値を超えている期間が判定期間を超えている場合に、排ガス充填条件の成立を判定する充填条件判定手段と、
排気圧力が判定値を下回った後、充填維持時間が経過するまでの間に限り、前記排ガス充填条件の成立を維持する充填条件維持手段と、
フューエルカットの開始時点で前記充填条件の成立が認められる場合に限り、前記故障の検出を許可する実行条件判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、第７の発明は、排気ガスセンサの故障検出装置であって、
前記排気ガスセンサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路の内部に大気層を形成する大気層形成部材と、
前記大気層に晒された大気側電極と、
前記排気側電極と前記大気側電極との間に介在して、両者間での酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、を備え、
前記大気側電極の電位より前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に逆電圧を印加する逆電圧印加手段と、
前記逆電圧の印加に伴って前記大気側電極と前記排気側電極との間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
前記大気層形成部材に割れが存在する場合に、前記大気層が排気ガスに汚染された状態となる汚染環境を作り出す汚染環境形成手段と、
前記汚染環境下で検出された逆電流が、負の判定値と０との間の値である場合に、前記排気ガスセンサの故障を判定する故障判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明によれば、大気層の内部が排気ガスにより汚染される可能性のある汚染環境と、その汚染が緩和される非汚染環境との切り換えに伴って、逆電流がどのような挙動を示すかにより、排気ガスセンサの故障を検出することができる。大気層に排気ガスが混入するような故障が生じていない場合は、環境の切り換えに関わらず、逆電流は、正常な大気に含まれる酸素濃度を表す値となる。一方、大気層に排気ガスが混入するような故障が生じている場合は、汚染環境と非汚染環境との切り換えに伴い、大気層中の酸素濃度が変化し、その結果、逆電流にも変化が生ずる。このため、本発明によれば、大気層に排気ガスを混入させるような故障の発生を正確に検出することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、汚染環境下で検出される第１逆電流と、非汚染環境下で検出される第２逆電流とを比較することができる。大気層に排気ガスを混入させるような故障が生じている場合は、第１逆電流の絶対値が、第２電流の絶対値に比して小さな値となる。本発明によれば、そのような状況が生じているか否かを見ることで、上記の故障の発生を正確に検知することができる。
【００２０】
第３の発明によれば、第１逆電流に対する第２逆電流の比（第２逆電流／第１逆電流）が、１．０より大きな判定値以上であるか否かを見ることで、排気ガスセンサに故障が生じているか否かを正確に判定することができる。
【００２１】
第４の発明によれば、第２逆電流と第１逆電流との差（│第２逆電流−第１逆電流│）が、判定値以上であるか否かを見ることで、排気ガスセンサに故障が生じているか否かを正確に判定することができる。
【００２２】
第５の発明によれば、燃料噴射を停止することにより、短い時間の中で汚染環境と非汚染環境とを連続的に作り出すことができる。汚染環境と非汚染環境が短時間で連続的に作り出せると、逆電流に重畳する種々の外乱の影響を小さくすることができる。このため、本発明によれば、逆電流の変化を見ることで、大気層の状態が変化しているか否かを、つまり、大気層に排気ガスを混入させる故障が生じているか否かを、極めて正確に判定することができる。
【００２３】
第６の発明によれば、燃料噴射の停止直後の逆電流と、燃料噴射の開始後所定時間が経過下時点の逆電流との比較に基づいて故障検出が行われる。センサ割れが生じている場合は、フューエルカットの開始前に、排気ガスが大気層に侵入する。そして、フューエルカットが開始され、排気通路に空気が流通し始めると、大気層の内部が掃気され、その中の排気ガスが排出される。逆電流は、大気層中の酸素濃度と相関を有しているため、大気層中の排気ガスが掃気されるに従って、その値は増大する。このため、フューエルカットの開始時に、大気層中に排気ガスが十分に侵入していれば、その後の逆電流の挙動に基づいて割れの有無を判断することができる。排ガス充填条件が成立し、その成立が維持されている間は、大気層中に排気ガスが十分に侵入していることを保証することができる。そして、本発明では、その保証が得られている場合に限り、故障検出の実行を許可することができる。このため、本発明によれば、排気ガスセンサの故障診断を正確に行うことができる。
【００２４】
第７の発明によれば、大気層の内部が排気ガスにより汚染される可能性のある汚染環境下で、逆電流が負の判定値と０との間の値となるかに基づいて、排気ガスセンサの故障を検出することができる。大気層に排気ガスを混入させる故障が生じていない場合は、汚染環境下でも、大気層には純粋な大気が導かれる。この場合は、十分に大きな逆電流、つまり、負の判定値より更に負側に偏った逆電流が流通する。一方、大気層に排気ガスを混入させる故障が生じている場合は、汚染環境下での大気層の酸素濃度が低くなる。この場合、逆電流は絶対値の小さなものとなり、負の判定値と０との間に位置する値となる。このため、本発明によれば、汚染環境下での逆電流を見るだけで、排気ガスセンサの故障を精度良く検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
実施の形態１．
［空燃比センサの構成］
図１は、本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサ１０の構成を説明するための図である。より具体的には、図１は、空燃比センサ１０の、センサ素子部分の断面図を示す。空燃比センサ１０は、図１に示す断面構造を有するセンサ素子と、そのセンサ素子を保護するためのカバーとを備えている。空燃比センサ１０は、そのカバーに覆われたセンサ素子が排気ガスに晒されるように、内燃機関の排気通路に組み付けられる。
【００２６】
空燃比センサ１０のカバーには、排気通路の内部を流通するガスがセンサ素子に到達するように、複数の通気孔が設けられている。このため、図１に示す空燃比センサ１０（センサ素子）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。
【００２７】
空燃比センサ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１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。
【００２８】
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。大気層形成部材１６の中央上部には、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および電解質層２０により排気通路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開放されている。
【００２９】
電解質層２０の下面には、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、電解質層２０の上面には排気側電極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、排気通路を流れるガスが、排気側電極２４に到達する速度を適度に規制する働きを有している。
【００３０】
空燃比センサ１０には、図１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に比して高電位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、排気ガスの空燃比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、排気空燃比を検知することができる。
【００３１】
逆電圧は、具体的には、排気側電極２４が大気側電極２２に比して高電位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、大気層中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。尚、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、その逆方向を負の方向とする。
【００３２】
［空燃比センサの駆動回路］
図２は、空燃比センサ１０を駆動するためのエンジンコンピュータ３０の構成を説明するための回路図である。図２に示す回路は、空燃比センサ１０の大気側電極２２に接続される正極端子３２と、空燃比センサ１０の排気側電極２４に接続される負極端子３４を備えている。
【００３３】
正極端子３２の電位は、オペアンプ３６によるフィードバックにより、常に正側基準電圧（3.3V）に制御されている。負極端子３４には、オペアンプ３８を用いたフィードバック回路と、トランジスタ４０を用いたスイッチ回路が接続されている。トランジスタ４０は、ポート３の状態に応じてON状態とOFF状態を切り換える。負極端子３４の電位は、トランジスタ４０がOFF状態の場合は、オペアンプ３８の機能により負側基準電圧（2.9V）に制御される。一方、トランジスタ４０がONとなると、オペアンプ３８に対する入力電位が高まり、負極端子３４の電位が、正側基準電圧より高い逆電圧電位（3.7V程度）に上昇する。
【００３４】
エンジンコンピュータ３０は、以上の通り構成されているため、ポート３をOFF状態とすることで、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の正電圧を印加することができる。また、ポート３をON状態とすることで、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の逆電圧を印加することができる。
【００３５】
エンジンコンピュータ３０は、更に、ADC2ポートおよびADC4ポートを有している。ADC2ポートには、空燃比センサ１０を流れるセンサ電流に応じた電位が表れる。また、ADC4ポートには、負極端子３４の電位が導かれる。このため、エンジンコンピュータ３０は、ADC2ポートの電位を取り込むことにより、センサ電流を検知することができる。また、ADC4ポートの電位を取り込むことにより、空燃比センサ１０の排気側端子２４にどのような電位が供給されているのかを検知することができる。
【００３６】
［センサ割れの判定原理］
図２に示すエンジンコンピュータ３０によれば、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の正電圧を印加しつつ、センサ電流を検知することができる。この場合、そのセンサ電流に基づいて、排気空燃比を検知することが可能である。また、エンジンコンピュータ３０によれば、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の逆電圧を印加しつつ、センサ電流（逆電流）を検知することができる。この場合、その逆電流は、大気層１８内部の酸素濃度と相関を有する値となる。
【００３７】
大気層１８の内部は、空燃比センサ１０が正常である場合には、排気通路の内部空間から隔絶された状態に維持される。しかしながら、空燃比センサ１０には、大気層１８に通じる割れなどが生ずることがある。図１は、ヒータ層１２と大気層形成部材１６に、上記割れが生じた状態を示している。
【００３８】
内燃機関の運転中は、排気ガスの圧力により、排気通路の内圧が大気層１８の圧力より高くなる。このため、空燃比センサ１０に上記の割れが生じていると、排気通路内を流通するガスが、割れを伝って大気層１８内部に進入する事態が生ずる。この場合、大気層１８内部の酸素濃度は、排気ガスが混入することにより、上記の割れが存在しない場合に比して低下する。
【００３９】
空燃比センサ１０を流れる逆電流は、上述した通り、大気層１８内部の酸素濃度に応じた値となる。このため、大気層１８に割れが存在する場合は、その逆電流が、正常時に比して小さな値となる。従って、エンジンコンピュータ３０は、既燃ガスを含む排気ガスが排気通路を流通している環境下で、空燃比センサ１０に対して逆電圧を印加し、その結果逆電流が正常に発生するか否かを見ることにより、空燃比センサ１０に割れが生じているか否かを判定することができる。
【００４０】
［逆電流のバラツキ要因］
ところで、空燃比センサ１０を流れる逆電流の値は、様々な要因の影響を受けて変動する。以下、逆電流の値に影響を与える幾つかの要因を説明する。
【００４１】
１．拡散抵抗層のばらつき
逆電圧の印加時は、大気側電極２２の表面で酸素がイオン化され、イオン化された酸素が排気側電極２４の表面で酸素に戻されて排気通路中に放出される。この際、大気側電極２２の表面は、大気層１８に直接露出しているため、酸素のイオン化は迅速に進めることが可能である。しかしながら、排気側電極２４の表面は拡散抵抗層２６により覆われている。このため、排気側電極２４での反応は、酸素が拡散抵抗層２６を通過する速度に律せられることになる。結局、逆電流の値は、後者の速度に律せられることとなり、拡散抵抗層のバラツキの影響を受けることになる（但し、その影響はさほど大きくはない）。
【００４２】
２．空燃比センサの内部抵抗のばらつき
空燃比センサ１０に対して正方向の電圧が印加される場合は、その正電圧を増やしても排気側電極２４に到達する酸素の数は、拡散抵抗層２６により律せられる。このため、適当な正電圧が印加されれば、センサ電流は、印加電圧の変動に関わらず、排気空燃比に応じた限界電流に維持される。つまり、この場合は、空燃比センサ１０の内部抵抗が、センサ電流値に対して殆ど影響しない状況が作り出される。
【００４３】
これに対して、逆電圧の印加時は、大気側電極２２の表面に次々と酸素が供給されているため、センサ電流は、印加電圧に応じた値となる。この場合、より具体的には、センサ電流は、センサの内部抵抗に反比例する値となる。このため、空燃比センサ１０を流れる逆電流の値は、センサの内部抵抗のバラツキに影響を受けることになる。
【００４４】
３．印加電圧のばらつき
空燃比センサ１０に印加される逆電圧の値には、回路部品の公差に起因して、ある程度のバラツキが生ずる。既述した通り、逆電流の値は、拡散抵抗層の不存在に起因して、印加される逆電圧の値に応じた値となる。このため、逆電流には、印加電圧のバラツキに起因するバラツキが重畳する。
【００４５】
４．大気圧のばらつき
内燃機関を取り巻く大気圧は、必ずしも一定ではない。また、大気圧が異なると、大気中の酸素濃度は変動する（例えば、標高2400m地点の酸素濃度は、標高0m地点の酸素濃度の75％程度となる）。そして、大気中の酸素濃度が変動すれば、その影響は必然的に逆電流の値に反映される。このため、図３に示すように、空燃比センサ１０を流れる逆電流の値は、大気圧に対して比例的な関係を示す。従って、逆電流の値は、大気圧のバラツキの影響を受けることになる。
【００４６】
［逆電流を基礎とする異常検出の困難性］
以上説明した通り、空燃比センサ１０に逆電圧を印加した際に流通する逆電流の値は、大気層１８への既燃ガスの混入度合い以外の様々な要因に起因して変動する。
図４は、正常なセンサを流れる逆電流と、割れの生じたセンサを流れる逆電流とが、それぞれセンサの内部抵抗に起因して変動する様子、つまり、センサの温度変化に起因して変動する様子を対比して表した図である（上記要因２参照）。
【００４７】
図４は、より具体的には、以下の２点を明示している。
１．大気層に通じる割れが生じているセンサを流れる逆電流は、大気層１８に既燃ガスが混入することに起因して、正常時に生ずる逆電流より、絶対値の小さなものとなる。
２．正常なセンサを流れる逆電流も、割れの生じたセンサを流れる逆電流も、センサの内部抵抗に対して、つまり、センサの温度に対して有意な相関を示す。
【００４８】
逆電流がセンサ割れの影響でどの程度低下するかは、センサ割れの影響で、どの程度の既燃ガスが大気層１８に混入するかにより決せられる。このため、発生した割れが微少であり、大気層１８に混入する既燃ガスが微量であるような場合は、割れの生じたセンサを流れる逆電流と、正常なセンサを流れる逆電流との間にさほど大きな差が生じない。そして、このような場合には、低温時に正常なセンサを流れる逆電流と、高温時に異常なセンサを流れる逆電流との間にオーバーラップが発生する。
【００４９】
更に、逆電流には、既述した通り様々な要因に起因するバラツキが重畳している。このため、逆電流そのものに基づいて、センサ割れの有無を判断することは、必ずしも容易ではない。つまり、逆電流の正常値と異常値とを区別する判定値を設定して、逆電流の絶対値とその判定値とを比較することによりセンサ割れの有無を判断することは、必ずしも容易ではない。
【００５０】
［逆電流を用いた異常検出の好適化］
ところで、大気層１８に通じる割れが生じている場合、大気層１８における既燃ガスの濃度は、排気通路を流れるガス中の既燃ガス濃度に応じて変化する。具体的には、排気空燃比がリッチである場合は、排気空燃比がリーンである場合に比して、大気層１８の既燃ガス濃度が高くなる。一方、そのようなセンサ割れが生じていない場合は、排気空燃比が如何なる値であっても、大気層１８内の既燃ガス濃度は０のまま変動しない。このため、排気空燃比の変動に伴って、逆電流に変化が生ずるか否かを見れば、空燃比センサ１０に大気層１８に通じる割れが生じているか否かを精度良く判定することが可能である。
【００５１】
内燃機関においては、燃費特性改善のために、減速時に燃料噴射を停止する処理、つまり、フューエルカットが実行される。排気空燃比は、フューエルカットの開始前後で大幅に変化する。このため、本実施形態では、フューエルカットの開始後に逆電流を検出し、その検出値がどのような挙動を示すかに基づいて、大気層１８に通じる割れが生じているか否かを判断することとした。
【００５２】
図５は、本実施形態の装置が空燃比センサ１０の故障を検出するために実行する処理の内容を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図５（Ａ）は、フューエルカットの実行状態を示す波形を示す。図５（Ｂ）は、空燃比センサ１０に対する印加電圧の変化を示す波形である。また、図５（Ｃ）は、空燃比センサ１０を流れるセンサ電流の波形である。
【００５３】
本実施形態の装置は、フューエルカットが開始される以前は、空燃比センサ１０に対して正電圧を印加する（図５（Ｂ）参照）。このため、エンジンコンピュータ３０は、この間は、センサ電流に基づいて排気空燃比を検知することができる。
【００５４】
フューエルカットが開始されると、その時点で印加電圧が逆電圧に変更される（図５（Ｂ）参照）と共に、逆電圧の印加に伴って生ずる逆電流が第１逆電流i1として取得される（図５（Ｃ）参照）。
【００５５】
フューエルカットが開始される以前は、排気通路の空燃比が理論空燃比の近傍に維持されている。このため、大気層１８に通じる割れが生じている場合は、フューエルカットの開始時点において、大気層１８に既燃ガスが混入している。この場合、第１逆電流i1は、図５（Ｃ）中に実線で示すように、絶対値の小さなものとなる。
【００５６】
一方、大気層１８に通じる割れが生じていない場合は、フューエルカットの開始時点において、大気層１８の内部が純粋な大気雰囲気に維持されている。この場合は、大気層１８中の酸素濃度が十分に高い値となるため、第１逆電流i1は、図５（Ｃ）中に破線で示すように、絶対値の大きな値となる。
【００５７】
フューエルカットの開始後、所定の逆電圧印加時間t（例えば50〜100msec）が経過すると、その時点で印加電圧が正電圧に戻される。その後、フューエルカットの開始時点からの経過時間が逆電圧印加周期T（例えば1sec）に達すると、再び、逆電圧印加時間tだけ、印加電圧が逆電圧とされる。エンジンコンピュータ３０は、その時点で生ずる逆電流を第２逆電流i2として取得する（図５（Ｃ）参照）。
【００５８】
フューエルカットの実行中は、空燃比センサ１０の周囲を、燃料を含まない空気が流通する。このため、大気層１８に通じる割れが生じている場合でも、逆電圧印加周期Tが経過した時点では、大気層１８に既燃ガスが殆ど含まれない状態が形成される。従って、第２逆電流i2は、上記の割れが生じていてもいなくても、ほぼ純粋な大気中の酸素濃度に対応した値となる。
【００５９】
エンジンコンピュータ３０は、以後、第１逆電流i1の絶対値に比して、第２逆電流i2の絶対値が有意に大きいか否かを判断する。その結果、両者がさほど変わらないと判断された場合は、空燃比センサ１０が正常であると判断する。一方、第２逆電流i2の絶対値が第１逆電流i1の絶対値に比して十分に大きいと判断された場合は、空燃比センサ１０に、大気層１８に通じる割れが生じていると判断する。
【００６０】
上記の処理によれば、フューエルカットの開始後、短い期間の間で、大気層１８が既燃ガスにより汚染される可能性のある環境（汚染環境）と、その汚染が緩和される環境（非汚染環境）とを作り出し、それぞれの環境下で第１逆電流と第２逆電流を取得することができる。このような短い期間中には、逆電流に影響を与える種々の要因に大きな変化は生じ難い。従って、第１逆電流と、第２逆電流との差は、大気層１８における既燃ガスの濃度変化を精度良く表したものとなる。このため、本実施形態の装置によれば、フューエルカットの実行に伴って大気層１８中の既燃ガス濃度が変化したか、すなわち、大気層１８に通じる割れが生じているかを正確に判定することが可能である。
【００６１】
［実施の形態１における具体的処理］
図６は、上記の機能を実現するために、エンジンコンピュータ３０が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、先ず、フューエルカットが実行されているか否かが判別される（ステップ１００）。
【００６２】
その結果、フューエルカットが実行されていないと判別された場合は、速やかにこのルーチンが終了され、他の演算処理（センサ電流に基づく空燃比制御等の処理）が開始される。一方、フューエルカットの実行が認められた場合は、次に、フューエルカットの開始時点からの経過時間が、逆電圧印加時間t以下であるかが判別される（ステップ１０２）。
【００６３】
フューエルカットの開始直後は、ステップ１０２の条件が成立する。その場合、次に、空燃比センサ１０に逆電圧を印加するための処理、具体的には、図２に示す回路において、ポート３にON信号を供給する処理が実行される（ステップ１０４）。次いで、検知された逆電流のピーク値を第１逆電流として取得する処理が実行される（ステップ１０６）。
【００６４】
フューエルカットが開始された後、逆電圧印加時間tが経過するまでの間は、上記ステップ１００〜１０６の処理が繰り返し実行される。その結果、最終的には、フューエルカットの開始後、逆電圧印加時間tが経過する以前に生じた逆電流のピーク値が、第１逆電流i1として記憶される。
【００６５】
逆電圧印加時間tが経過した後に図６に示すルーチンが起動された場合は、ステップ１０２の条件が成立しないと判断される。この場合は、次に、フューエルカットの開始後の経過時間が、逆電圧印加周期Tより大きく、かつ、T＋t以下であるかが判別される（ステップ１０８）。
【００６６】
フューエルカットの開始後の経過時間が逆電圧印加周期Tに達するまでは、上記の判定が否定される。この場合、次に、空燃比センサ１０に正電圧を印加するための処理、つまり、ポート３（図２参照）に対する供給電位をOFF電位とする処理が実行される（ステップ１１０）。
【００６７】
一方、フューエルカットの開始後の経過時間が逆電圧印加周期Tに達した後、その経過時間がT＋tを超えるまでは、上記ステップ１０８において、条件成立が判定される。この場合、先ず、逆電圧印加のための処理が実行され（ステップ１１２）、次いで、逆電流のピーク値を第２逆電流として取得する処理が実行される（ステップ１１４）。
【００６８】
フューエルカット開始後の経過時間がT＋tを超えるまでは、図６に示すルーチンが起動される毎に上記ステップ１１２および１１４の処理が繰り返し実行される。その結果、最終的には、上記経過時間がT＋tに達するまでに生じた逆電流のピーク値が、第２逆電流i2として記憶される。
【００６９】
図６に示すルーチンでは、ステップ１１４の処理に続いて、第１逆電流i1に対する第２逆電流i2の比（i2/i1）が、判定値R以上であるかが判別される（ステップ１１６）。判定値Rは、i2の絶対値がi1の絶対値に比して有意に大きいかを判断するために設定された1.0より大きな値である。このため、上記の条件が成立する場合は、第２逆電流i2の絶対値が、第１逆電流i1の絶対値に比して有意に大きいと判断できる。エンジンコンピュータ３０は、この場合、大気層１８に通じる割れの存在を認め、異常判定を行う（ステップ１１８）。
【００７０】
一方、上記ステップ１１６において、i2/i1≧Rの不成立が認められた場合は、第２逆電流i2と第１逆電流i1とが大きく異ならないと判断できる。この場合は、大気層１８に通じる割れの存在が否定され、正常判定がなされる（ステップ１２０）。
【００７１】
フューエルカット開始後の経過時間がT＋tを超えた後は、図６に示すルーチンが起動される毎に、ステップ１０８において条件不成立が判定され、ステップ１１０の処理、すなわち、空燃比センサ１０に正電圧を印加する処理が繰り返し実行される。
【００７２】
上述した処理によれば、図５を参照して説明した動作を実現することができる。このため、本実施形態の装置によれば、種々の外乱の影響を受けることなく、空燃比センサ１０に、大気層１８に通じる割れが生じているか否かを、極めて正確に判断することができる。
【００７３】
ところで、上述した実施の形態１においては、空燃比センサ１０を流れる逆電流にバラツキを生じさせる様々な要因の影響を排除するために、汚染環境下で第１逆電流i1を計測し、非汚染環境下で第２逆電流i2を計測し、更に、それらの比（i2/i1）に基づいて故障の有無を判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、逆電流のバラツキを十分に小さく抑えることができ、正常時に生ずる逆電流と、故障時に生ずる逆電流とのオーバーラップを避けることができる場合には、単一の逆電流そのものの値に基づいて、故障の有無を判断することとしてもよい。
【００７４】
この変形例は、具体的には、以下のような手法で実現することができる。すなわち、ここでは、先ず、正常時に生ずる逆電流と異常時に発生する逆電流との間に位置する判定値（負の判定値）を適合作業により設定する。汚染環境下で逆電流を検出し、その逆電流が、上記の判定値と０との間に位置するものであるかを判別する。その結果、逆電流が判定値と０との間に位置する場合は、大気層１８の酸素濃度が低い、つまり、大気層１８に通じる割れが生じていると判断することができる。一方、逆電流が判定値と０との間に位置しない場合、すなわち、判定値より更に負側に偏っている場合は、空燃比センサ１０が正常であると判断できる。
【００７５】
上記の変形例を用いる場合は、逆電流に影響を与える種々の要因を規格化することとしてもよい。具体的には、逆電流の検出条件として、センサ温度、大気圧、印加電圧などが、それぞれ所定の値に一致していることなどを要求することとしてもよい。このような条件を課すと、故障検出の頻度は下がるものの、単一の逆電流を基礎とする故障検出の精度を高めることが可能である。
【００７６】
また、上述した実施の形態１では、フューエルカットの開始直後を「汚染環境」、つまり、第１逆電流を計測する環境と定義しているが、第１逆電流を測定する環境はこれに限定されるものではない。すなわち、第１逆電流は、大気層１８が既燃ガスで汚染されている可能性のある環境下で測定すればよく、例えば、フューエルカットの実行とは無関係に、通常の運転環境を汚染環境と定義して、通常の運転環境下で第１逆電流を計測することとしてもよい。
【００７７】
また、上述した実施の形態１では、フューエルカットの開始後に、所定の間隔を空けて第１逆電流i1と第２逆電流i2とを計測し、それらを比較することにより逆電流の挙動を判断することとしているが、その挙動の判断手法はこれに限定されるものではない。例えば、フューエルカットの開始後に、逆電流の変化を連続的に監視して、その監視の結果に基づいてセンサ割れの有無を判断することとしてもよい。
【００７８】
また、上述した実施の形態１では、第２逆電流i2の絶対値が、第１逆電流i1の絶対値に比して有意に大きいか否かを判断するために、両者の比（i2/i1）が判定値R以上であるかを判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。例えば、第２逆電流i2と第１逆電流i1との差（│i2−i1│）が判定値より大きいか否かを見ることで同様の判断を実現することとしてもよい。
【００７９】
また、上述した実施の形態１では、故障検出の対象を空燃比センサとしているが、その対象は、これに限定されるものではない。すなわち、実施の形態１の故障検出の手法は、酸素センサに対して適用することも可能である。
【００８０】
尚、上述した実施の形態１においては、エンジンコンピュータ３０が、上記ステップ１０４および１１２の処理を実行して負極端子３４の電位を上昇させることにより前記第１の発明における「逆電圧印加手段」が、上記ステップ１０６および１１４の処理においてADC2ポートの電位を読み取ることにより前記第１の発明における「逆電流検出手段」が、フューエルカットを実行することにより前記第１の発明における「環境切り換え手段」および前記第５の発明における「フューエルカット手段」が、上記ステップ１１６〜１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「故障検出手段」が、それぞれ実現されている。
【００８１】
また、上述した実施の形態１においては、エンジンコンピュータ３０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第２の発明における「第１逆電流取得手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第２の発明における「第２逆電流取得手段」が、上記ステップ１１６および１１８の処理を実行することにより前記第２の発明における「故障判定手段」が、それぞれ実現されている。
【００８２】
また、上述した実施の形態１の構成によれば、エンジンコンピュータ３０に、ポート３をON電位とさせることにより前記第７の発明における「逆電圧印加手段」を、ポート３にON電位が供給されている状況下でADC2ポートの電位を読み取らせることにより前記第７の発明における「逆電流検出手段」を、内燃機関を通常運転させることにより前記第７の発明における「汚染環境形成手段」を、ADC2ポートの電位から検知した逆電流が、負の判定値と０との間の値であるか否かを判断させることにより前記第７の発明における「故障判定手段を、それぞれ実現することができる。
【００８３】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図７乃至図１１を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは、実施の形態１のハードウェア構成において、エンジンコンピュータ３０に、後述する図１０に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００８４】
本実施形態のシステムは、実施の形態１のシステムと同様に、フューエルカットの開始直後に検出される第１逆電流i1と、逆電圧印加周期Tの後に検出される第２逆電流i2との比較に基づいてセンサ割れの有無を判断する。フューエルカットの開始時に大気層１８に十分に排気ガスが混入していれば、フューエルカットの開始後に大気層１８の酸素濃度が有意に増加することから、上記の手法によってセンサ割れを精度良く検知することができる。
【００８５】
しかしながら、フューエルカットの開始時に大気層１８に十分な排気ガスが混入しているとの前提は、必ずしも、センサ割れの発生時に常に成立するものではない。そして、この前提が成立しない状況下では、上記の手法によってセンサ割れを正確に検知することは困難である。
【００８６】
図７は、上記の前提が成立する場合のタイミングチャートである。一方、図８は、その前提が成立しない場合のタイミングチャートである。これらの図において、図７（Ａ）及び図８（Ａ）は吸入空気量Gaの変化を示している。また、これらの図に示されているGは、十分な排気圧力が発生しているか否かを判断するための判定値である。
【００８７】
空燃比センサ１０にセンサ割れが発生していても、排気圧力が大気圧近傍の値であれば、大気層１８に排気ガスは侵入しない。換言すると、センサ割れの発生時に、大気層１８中に排気ガスが侵入するためには、その侵入を生じさせる程度に排気圧力が上昇していることが必要である。上記の判定値Gは、その必要な排気圧力の発生を保証するための値である。従って、Ga＞Gの条件が成立している場合は、大気層１８中に排気ガスが侵入するための条件が整っていると判断できる。
【００８８】
図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）は積算空気量GVOLの変化を示している。積算空気量GVOLは、Ga＞Gの関係が成立している状況下で発生した吸入空気量Gaの積算値である。従って、その値は、吸入空気量Gaが判定値Gを下回ることにより０にリセットされる（時刻t3参照）。
【００８９】
上述した通り、センサ割れの箇所から大気層１８に排気ガスが侵入するためには、ある程度の排気圧力が必要である。そして、特に、センサ割れが小さなものである場合には、その排気圧力がある程度の時間継続して維持されなければ、十分量の排気ガスの侵入は生じない。積算空気量GVOLは、十分な排気圧力が継続的に発生している期間、つまり、Ga＞Gの関係が成立している期間を表す特性値である。また、図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）に示すVは、その期間が十分であるか否かを判断するための判定量である。従って、GVOL＞Vの成立が認められた時点では、センサ割れが生じていることを条件に、大気層１８に十分量の排気ガスが混入したことを保証することができる。
【００９０】
図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）は、フューエルカットの状態を表している。図７に示す例では、時刻t1に吸入空気量Gaが判定値Gを超え、時刻t2に積算空気量GVOLが判定量Vを超えている。その後、スロットル弁が急激に閉じられ、時刻t3にはGaがGを下回ることによりGVOLがゼロにリセットされている。そして、短い遅れ時間Tfの後、時刻t4において、フューエルカットが開始されている。
【００９１】
図７に示す例によれば、時刻t3までは、十分に高い排気圧力が確保されている。つまり、この例の場合、時刻t3までは、センサ割れの箇所から大気層１８へ排気ガスが侵入する環境が整っている。時刻t3の後、GaがGを下回ると、排気圧力が急激に低下し、今度は、大気層１８内のガスが掃気される環境が成立する。しかしながら、時刻t3の後、フューエルカットが開始される時刻t4までの遅れ時間Tfが十分に短い場合は、時刻t4の時点で、大気層１８中に有意な量の排気ガスが残存している。このため、図７に示す場合は、フューエルカットの開始と同時に逆電圧の印加が開始されれば、上記の前提が成立し、センサ割れを検出することが可能である。
【００９２】
図８は、時刻t2を過ぎた後、スロットル弁が緩やかに閉じられた例を示している。そして、この例では、時刻t3において吸入空気量Gaが判定値Gを下回った後、長い遅れ時間Tfが経過した時点（時刻t4）で、フューエルカットが開始されている。図８に示すような場合は、時刻t3以降、フューエルカットの開始時までに、大気層１８の掃気環境が長期に渡って成立し、大気層１８の掃気が十分に進められてしまう。この場合、フューエルカットの開始時点において上記の前提が崩れているため、センサ割れが適切に検出できない事態が生じ得る。
【００９３】
更に、フューエルカットに先立って、そもそもGVOL＞Vが成立しなかった場合も、フューエルカットの開始時点において上記の前提が成立していない。従って、この場合も、第１逆電流i1と第２逆電流i2との比較に基づいて、センサ割れの発生を正確に検知することはできない。
【００９４】
そこで、本実施形態では、フューエルカットに先立って、積算空気量GVOLが判定量Gを超えていたこと、及び、吸入空気量Gaが判定値Gを下回った後、十分に短い時間の後にフューエルカットが開始されたこと、の双方が成立する場合にのみ、センサ割れの検出を許可することとした。
【００９５】
図９は、上記の規則に従ってセンサ割れの検出が行われる場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。具体的には、図９（Ａ）は吸入空気量Gaの変化を示す。図９（Ｂ）は積算空気量GVOLの変化を示す。図９（Ｃ）は、後述するガス置換フラグの状態を示す。図９（Ｄ）は、遅れ時間Tfの変化を示す。また、図９（Ｅ）はフューエルカットの状態を表している。
【００９６】
図９は、吸入空気量Gaが図７に示す場合と同様に変化した例を示している。センサ割れが生じている場合は、積算空気量GVOLが判定量Vを超えた時点（時刻t2）で、大気層１８に排気ガスが十分に侵入したと判断できる。ガス置換フラグは、図９（Ｃ）に示すように、その時点でONとされるフラグである。従って、本実施形態のシステムでは、ガス置換フラグがONであれば、大気層１８に排気ガスが十分に侵入した履歴があると認めることができる。
【００９７】
遅れ時間Tfは、排気圧力が下がって、大気層１８が掃気される環境が整った後、フューエルカットが開始されるまでの経過時間である。このため、図９（Ｄ）に示すように、遅れ時間Tfは、吸入空気量Gaが判定値Gを下回る時刻t3から、フューエルカットが開始される時刻t4までインクリメントされる。
【００９８】
本実施形態において、エンジンコンピュータ３０は、フューエルカットの開始時点において、ガス置換フラグがONであり、かつ、遅れ時間Tfが判定許可待ち時間（以下、単に「判定時間」とする）Ts以下であるかを判定する。判定時間Tsは、掃気環境が整っている状況下で、大気層１８内に有意な量の排気ガスが滞留する時間である。従って、上記２つの条件が共に成立している場合は、大気層１８内に排気ガスが十分に混入していると判断できる。
【００９９】
図９は、フューエルカットの開始時点において、それらの条件が共に成立している例を示している。本実施形態のシステムは、このような場合にのみ、センサ割れの検出を許可する。このため、本実施形態のシステムによれば、大気層１８内に十分に排気ガスが存在しない環境下で、誤った判断がなされるのを有効に防ぐことができる。
【０１００】
［実施の形態２における具体的処理］
図１０は、本実施形態において、エンジンコンピュータ３０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図１０において、ステップ２２０〜２３８の処理は、実質的に上記図６に示すステップ１０２〜１２０と同じである。
【０１０１】
図１０に示すルーチンでは、先ず、吸入空気量Gaが判定値Gを超えているか否かが判別される（ステップ１９０）。内燃機関の始動後、Gaが小さな値に維持されているような状況下では、この条件が不成立と判断される。
【０１０２】
Ga＞Gが不成立であると認められると、積算空気量GVOLが０とされる（ステップ１９２）。次いで、条件成立フラグがONであるかが判別される（ステップ１９４）。条件成立フラグは、フューエルカットの開始時に、センサ割れの検出条件が成立していた場合にセットされるフラグである。内燃機関の始動直後は、イニシャル処理によりこのフラグはOFFとされている。この場合、ステップ１９４において、条件不成立との判別がなされ、次に、ガス置換フラグがONであるかが判別される（ステップ１９６）。
【０１０３】
ガス置換フラグも、内燃機関の始動直後は、イニシャル処理によりOFFとされている。従って、この場合は、ステップ１９６においても条件不成立の判別がなされる。上記の判別がなされると、次に、遅れ時間Tfが最大値にセットされる（ステップ１９８）。以後、今回の処理サイクルは、速やかに終了される。
【０１０４】
吸入空気量Gaが十分に大きな値になると、ステップ１９０において、Ga＞Gが成立すると判断される。この場合、次に、積算空気量GVOLがインクリメントされる（ステップ２００）。以上説明した処理によれば、積算空気量GVOLには、Ga＞Gが継続的に成立している間に生じた吸入空気量Gaの積算量を記憶させることができる。
【０１０５】
次に、積算空気量GVOLが判定量Vを超えたか否かが判別される（ステップ２０２）。Ga＞Gが成立した直後は、GVOL＞Vの関係が成立せず、ステップ２０２において条件不成立の判断がなされる。この場合、ガス置換フラグがOFFとされた後、今回の処理サイクルが終了される。
【０１０６】
Ga＞Gの成立が維持されている間は、図１０に示すルーチンが起動される毎に、ステップ２０２の処理が実行される。そして、GVOL＞Vが成立する前にGaがGを下回ると、ステップ１９２〜１９８が実行されることにより、全ての設定が再び初期状態に戻される。一方、GVOL＞Vが成立するまでGa＞Gの関係が維持されると、ステップ２０２において条件成立が判断される。この場合、ガス置換フラグがONとされ（ステップ２０６）、更に、遅れ時間Tfが０とされる（ステップ２０８）。
【０１０７】
上記の処理の後に吸入空気量Gaが判定値Gを下回ると、ステップ１９２及び１９４の処理に続き、ステップ１９６において、ガス置換フラグがONであると判断される。この場合、遅れ時間Tfがインクリメントされ（ステップ２１０）、次に、遅れ時間Tfが判定時間Tsより短いかが判別される（ステップ２１２）。
【０１０８】
遅れ時間Tfは、ガス置換フラグがONとされると同時に０とされている（上記ステップ２０８参照）。このため、ステップ２１２の処理が始めて実行される時点では、Tf＜Tsが成立する。この場合、次に、フューエルカットが開始されているか否かが判断される（ステップ２１４）。
【０１０９】
フューエルカットの開始が認められるまでは、ステップ２１４において、フューエルカットがOFFであるとの判断がなされる。この場合は、以後、条件成立フラグがOFFとされた後（ステップ２１６）、今回の処理サイクルが終了される。
【０１１０】
吸入空気量Gaが判定値Gを超えない限りは、遅れ時間Tfが判定時間Tsに達するまで、図１０に示すルーチンが起動される毎にステップ２１４の処理が繰り返される。遅れ時間Tfが判定時間Tsに達する前にフューエルカットが開始されると、ステップ２１４の条件が成立し、条件成立フラグがONとされる（ステップ２１８）。
【０１１１】
以下、実質的に図６に示すステップ１０２〜１２０と同様の処理が実行される。すなわち、個々では、先ず、フューエルカットの開始時点からの経過時間が、逆電圧印加時間t以下であるかが判別される（ステップ２２０）。
【０１１２】
フューエルカットの開始直後は、ステップ２２０の条件が成立する。その場合、次に、空燃比センサ１０に逆電圧を印加するため処理が実行される（ステップ２２２）。次いで、逆電流のピーク値を第１逆電流i1として取得するための処理が実行される（ステップ２２４）。
【０１１３】
吸入空気量Gaが判定値Gを下回ったまま再び図１０に示すルーチンが起動されると、今度は、ステップ１９４において、条件成立フラグがONであると判断される。その結果、無条件でステップ２１４以降の処理が実行される。そして、フューエルカットの開始後、逆電圧印加時間tが経過するまでの間は、上記ステップ２２０〜２２４の処理が繰り返される。
【０１１４】
燃料カットが実行されたまま逆電圧印加時間tが経過すると、ステップ２２０の条件が不成立となる。この場合は、次に、フューエルカットの開始後の経過時間が、逆電圧印加周期Tより大きく、かつ、T＋t以下であるかが判別される（ステップ２２６）。
【０１１５】
フューエルカットの開始後の経過時間が逆電圧印加周期Tに達するまでは、上記の判定が否定される。この場合、次に、空燃比センサ１０に正電圧を印加するための処理が実行される（ステップ２２８）。
【０１１６】
一方、上記の経過時間が逆電圧印加周期Tに達した後、T＋tを超えるまでは、上記ステップ２２６において、条件成立が判定される。この場合、先ず、逆電圧印加のための処理が実行され（ステップ２３０）、次いで、逆電流のピーク値を第２逆電流i2として取得する処理が実行される（ステップ２３２）。
【０１１７】
フューエルカット開始後の経過時間がT＋tを超えるまでは、図１０に示すルーチンが起動される毎に上記ステップ２３０および２３２の処理が繰り返される。その結果、最終的には、上記経過時間がT＋tに達するまでに生じた逆電流のピーク値が、第２逆電流i2として記憶される。
【０１１８】
図１０に示すルーチンでは、ステップ２３２の処理に続いて、第１逆電流i1に対する第２逆電流i2の比（i2/i1）が、判定値R以上であるかが判別される（ステップ２３４）。判定値Rは、i2の絶対値がi1の絶対値に比して有意に大きいかを判断するために設定された1.0より大きな値である。このため、上記の条件が成立する場合は、第２逆電流i2の絶対値が、第１逆電流i1の絶対値に比して有意に大きいと判断できる。エンジンコンピュータ３０は、この場合、センサ割れの存在を認め、異常判定を行う（ステップ２３６）。
【０１１９】
一方、上記ステップ２３４において、i2/i1≧Rの不成立が認められた場合は、第２逆電流i2と第１逆電流i1とが大きく異ならないと判断できる。この場合は、センサ割れの存在が否定され、正常判定がなされる（ステップ２３８）。
【０１２０】
フューエルカット開始後、経過時間がT＋tを超えた後は、図１２に示すルーチンが起動される毎に、ステップ２２６において条件不成立が判定され、ステップ２２８の処理、すなわち、空燃比センサ１０に正電圧を印加する処理が実行される。その後、フューエルカットが終了すると、ステップ２１４の条件が不成立となり、ステップ２１６において条件成立フラグがOFFにリセットされる。
【０１２１】
以後、Ga＞Gの関係が維持されれば、図１０に示すルーチンが起動される毎に、ステップ２１０の処理（Tfのインクリメント）が繰り返される。その結果、遅れ時間Tfが判定時間Tsに達すると、ステップ２１２の条件が不成立となりガス置換フラグがOFFとされる（ステップ２４０）。以上の処理により初期の状態が復元される。
【０１２２】
図１０に示すルーチンによれば、上記の通り、ガス置換フラグがON（ステップ２０６参照）とされた後、吸入空気量Gaが判定量Gを下回ると、フューエルカットが開始されるまでステップ１９４→１９６→２１０〜２１６の処理が繰り返される。そして、遅れ時間Tfが判定時間Tsに達する前にフューエルカットが開始されれば、ステップ２１８以降の処理によりセンサ割れの検出処理が行われる。
【０１２３】
これに対して、遅れ時間Tfが判定時間Tsに達するまでにフューエルカットが開始されなかった場合は、センサ割れの検出処理が実行されることなくステップ２４０の処理が実行され、その結果、初期状態が復元される。つまり、図１０に示す処理によれば、フューエルカットの開始時に、大気層１８に十分に排気ガスが残存しているべき環境が整っている場合にのみセンサ割れの検出を許可し、そうでない場合にはその検出を禁止することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、スロットル弁が緩やかに閉じられた場合に、センサ割れが見逃されるという不都合を確実に回避することができる。
【０１２４】
ところで、上記の説明においては、判定時間Tsを固定値として取り扱うこととしているが、その時間は、内燃機関の運転状態に応じて変化させることとしてもよい。すなわち、吸入空気量Gaが判定値Gを下回った後（スロットル弁が閉じられた後）、大気層１８内の掃気は、排気圧力が低いほど急速に進行する。そして、スロットル弁が閉じられた状況下では、機関回転数NEが高いほど、排気圧力は低圧（負圧）化し易い。このため、大気層１８内に十分な排気ガスが残存している時間は、機関回転数NEが高いほど短時間となる。
【０１２５】
図１１は、上記の傾向に基づいて、機関回転数NEとの関係で判定時間Tsを定めたマップの一例である。このマップを用いる場合、エンジンコンピュータ３０には、例えば、ガス置換フラグがONとされた後、始めてステップ１９０の条件が不成立となった時点で、判定時間Tsを設定させる。この場合、機関回転数NEが高いほど、センサ割れの検出が許される遅れ時間Tfを短くすることができ、センサ割れの有無に関する判定精度を更に高めることができる。
【０１２６】
また、上述した実施の形態２においては、大気層１８に排気ガスが侵入する環境が整っているか、及び、大気層１８が掃気される環境にあるかを、吸入空気量Gaに基づいて判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、それらの判断は、排気圧力に基づいて行うこととしてもよい。
【０１２７】
更に、上述した実施の形態２においては、十分な排気圧力が発生している期間を、GVOLに基づいて判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、排気圧力が所定値以上となる環境が、所定時間継続したか否かに基づいて、その判断を行うこととしてもよい。
【０１２８】
尚、上述した実施の形態２においては、エンジンコンピュータ３０が、ステップ２１８〜２３８の処理を実行することにより前記第１の発明における「故障検出手段」が、ステップ１９０の処理を実行することにより前記第６の発明における「排気圧力判定手段」が、ステップ２０２の処理を実行することにより前記第６の発明における「充填条件判定手段」が、ステップ２１２の処理を実行することにより前記第６の発明における「充填条件維持手段」及び「実行条件判定手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサの構成を説明するための断面図である。
【図２】図１に示す空燃比センサを駆動するためのエンジンコンピュータ３０の構成を説明するための回路図である。
【図３】大気圧と逆電流（絶対値）との相関を示す図である。
【図４】空燃比センサの内部抵抗（またはセンサ温度）と逆電流の相関を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１における故障検出の手法を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】センサ割れが生じていれば、フューエルカットの開始時に大気層中に排気ガスが残存する動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】センサ割れが生じていても、フューエルカットの開始時に大気層中に排気ガスが残存しない動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施の形態２において、センサ割れの検出が許可される場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２の変形例において用いられる判定時間Tsのマップである。
【符号の説明】
【０１３０】
１０  空燃比センサ
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
３０  エンジンコンピュータ
３２  正極端子
３４  負極端子
i1  第１逆電流
i2  第２逆電流
t  逆電圧印加時間
T  逆電圧印加周期
R  判定値
Ga  吸入空気量
G  判定値
GVOL  積算空気量
V  判定量
Tf  待ち時間
Ts  判定許可待ち時間（判定時間）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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