(57)【要約】【課題】  検出素子部に発生する小さなクラックの有無を判断できる酸素センサの異常検出装置を提供する。【解決手段】  第１のガスと第２のガスとの間に配置され、前記第１のガスと前記第２のガスとの酸素分圧に応じた信号を出力する検出素子部２１を備えた酸素センサ２の異常を検出する装置であって、所定期間における前記信号の出力値の変化量を積算した総和が所定値以上となったときに、前記素子部にクラックが発生していると判断する判断手段３を備えた酸素センサの異常検出装置１である。判断手段が小さなクラックが発生したときに大きくなる出力値の変化量の総和を用いて検出素子部のクラックの有無を判断するので、従来では検出が困難であった酸素センサの異常を確実に検出できる。【選択図】      図１
2006126032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスと第２のガスとの間に配置され、前記第１のガスと前記第２のガスとの酸素分圧に応じた信号を出力する検出素子部を備えた酸素センサの異常を検出する装置であって、
所定期間における前記信号の出力値の変化量を積算した総和が所定値以上となったときに、前記検出素子部にクラックが発生していると判断する判断手段を備えたことを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
【請求項２】
前記判断手段は、定期的に前記信号の出力値を確認すると共に確認した出力値間での差を算出して前記変化量を求め、該変化量を順に加算して前記総和を求めることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項３】
第１のガスと第２のガスとの間に配置され、前記第１のガスと前記第２のガスとの酸素分圧に応じた信号を出力する検出素子部を備えた酸素センサの異常を検出する方法であって、
前記信号の出力波形が高周波部分を含んでいることに基づいて前記検出素子部にクラックが発生していると判断することを特徴とする酸素センサの異常検出方法。
【請求項４】
所定期間における前記信号の出力値の変化量を積算した総和を用いて、前記高周波部分を確認することを特徴とする請求項３に記載の酸素センサの異常検出方法。
【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を検出するための異常検出装置に関し、特に空燃比を検出するときに使用される酸素センサの検出素子部に発生するクラックの有無を判断する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、単にエンジンと称す）には、排気ガス中に含まれる有害成分を除去するため排気ガス浄化システムが配備されている。この排気ガス浄化システムを有効に機能させるためには、エンジンで燃焼される大気（空気）と燃料との混合割合、すなわち空燃比を厳密にコントロールすることが重要である。そこで、エンジンの排気通路中に排気ガスの酸素分圧を検出するため、例えば酸素センサを設置して理想的な空燃比（ストイキ）が得られるようにフィードバック制御を行っている。
【０００３】
図５（Ａ）は、一般的な酸素センサにおける検出素子部を示した図である。酸素センサ１００は、排気通路１２０内に突出するように配設された筒型の検出素子部１０１を備えている。検出素子部１０１は内面側に大気（空気）Ａｉｒが導入され、外面側にはセンサカバー１０２を通過した排気ガスＥＧが接触するように形成されている。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）中ＣＲ内の検出素子部１０１の断面構造を示した図である。図５（Ｂ）で示すように、検出素子部１０１は固体電解質１０７を間にして内側に大気電極１０５、外側に排気電極１０６を被覆した構造を有している。固体電解質１０７は酸素（Ｏ２）がイオン化（Ｏ2-）した状態でその内部を移動可能な物質、例えばジルコニアなどによって形成されている。一般に固体電解質１０７は５００℃を越えるような高い温度にまで加熱しないと活性化しない。そこで、図５（Ａ）で示すように検出素子部１０１には加熱用のヒータ１１０が設置されている。
【０００４】
大気と排気ガスとには酸素分圧差があり、一般に大気側の酸素分圧が高い。その結果、酸素センサ１００内では内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧差が小さくなるように、酸素がイオン化し固体電解質１０７を介して大気側から排気ガス側へと移動する。図５（Ｂ）で図示するように、酸素分子はイオン化する過程で４価の電子（ｅ−）を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で４価の電子を放出する。このような酸素の移動に応じて検出素子部１０１の内外表面の電極１０５、１０６で電子の移動が生じて検出素子部１０１に起電力が発生する。このように酸素センサ１００は、大気と排気ガスとの酸素分圧に応じた電圧を出力するので、従来から空燃比制御用のセンサとして使用されている。
【０００５】
ところが、図５（Ａ）で示すように、酸素センサ１００の検出素子部１０１に大気側と排気側とを連通するような亀裂や開口等の欠損（以下、単にクラックという）が発生する場合がある。検出素子部１０１にクラックＣＫがあると酸素センサ１００が正常に機能しなくなってしまう。
【０００６】
そこで、特許文献１では酸素センサの検出子欠損（検出素子部のクラック）の有無を判定する異常診断装置を提案している。この診断装置は、酸素センサからの信号の出力分布に基づき検出素子部のクラック有無を判定して酸素センサの異常を診断する。特許文献１が提案する技術は、検出素子部にクラックが生じたときの酸素センサの出力パターンが正常時の出力パターンとは異なることに着目して、出力パターンの比較をすることで検出素子部に発生するクラックの有無を判断する。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
検出素子部に発生したクラックがある程度の大きさである場合には、このクラックを介して排気ガスが内側に素早く進入するので正常時とは異なる酸素分圧状態が速やかに形成される。よって、酸素センサの出力信号のパターンを正常時と比較することで、クラック有無を比較的容易に判断できる。例えば、排気ガスＥＧの圧力が高い状態となっている時には、図５（Ａ）で示すように、大きなクラックＣＫを介して検出素子部１０１の内側に排気ガスＥＧが大量に進入して酸素分圧に変化が生じるので、酸素センサの異常を容易に検出できる。
【０００９】
しかしながら、検出素子部１０１に発生するクラックには種々の大きさのものがある。クラックが小さい場合には排気ガスＥＧが通過し難くなる。また、検出素子部１０１の周部を通過する排気ガスＥＧの状態は、エンジンの駆動状況に応じて排圧や温度が刻々と変化する。小さなクラックが発生している場合にも排気ガスＥＧの出入りはあるが、排気ガスの通過量が少ないので酸素分圧が大きく変化することはない。このような場合には酸素センサの出力パターンに極端な変化が現れないため、前述した特許文献１の装置では酸素センサの異常、すなわち小さなクラックの発生を検出することは困難である。
【００１０】
したがって、本発明の目的は検出素子部に発生する小さなクラックの有無を判断できる酸素センサの異常検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、第１のガスと第２のガスとの間に配置され、前記第１のガスと前記第２のガスとの酸素分圧に応じた信号を出力する検出素子部を備えた酸素センサの異常を検出する装置であって、所定期間における前記信号の出力値の変化量を積算した総和が所定値以上となったときに、前記検出素子部にクラックが発生していると判断する判断手段を備えた酸素センサの異常検出装置によって達成できる。
【００１２】
本発明によれば、判断手段が小さなクラックが発生したときに大きくなる出力値の変化量の総和を用いて検出素子部のクラックの有無を判断するので、従来では検出が困難であった酸素センサの異常を確実に検出できる。
【００１３】
また、前記判断手段は、定期的に前記信号の出力値を確認すると共に確認した出力値間での差を算出して前記変化量を求め、該変化量を順に加算して前記総和を求めるようにすればよい。
【００１４】
さらに、上記目的は、第１のガスと第２のガスとの間に配置され、前記第１のガスと前記第２のガスとの酸素分圧に応じた信号を出力する検出素子部を備えた酸素センサの異常を検出する方法であって、前記信号の出力波形が高周波部分を含んでいることに基づいて前記検出素子部にクラックが発生していると判断する酸素センサの異常検出方法によっても達成できる。また、所定期間における前記信号の出力値の変化量を積算した総和を用いて、前記高周波部分を確認することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、検出素子部に発生する小さなクラックの有無を判断できる酸素センサの異常検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係るセンサの異常検出装置（以下、単に異常検出装置と称す）を、図を参照して説明する。図１は、検出対象となる酸素センサ２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。
【００１７】
図１に示すように、異常検出装置１は酸素センサ２の検出素子部２１に接続される起電力検出回路４と、この起電力検出回路４によって検出される起電力の変化から検出素子部２１でのクラック有無を判断する判断手段としてのＣＰＵ（central  processing  unit）３とを含んでいる。なお、酸素センサ２は、検出素子部２１及びこの検出素子部２１を加熱するためのヒータ２２を含んでいる。検出素子部２１は従来と同様の構造を有したものでよく、内側では大気（第１のガス）、外側では排気ガス（第２のガス）と接触するようにしてエンジンの排気通路に設置され酸素分圧に応じた起電力を発生させる。
【００１８】
ＣＰＵ３は、双方向バス５によってＲＯＭ６、ＲＡＭ７と接続されている。ＲＯＭ６には検出素子部２１に発生する小さなクラックの有無を判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。ＲＡＭ７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。なお、起電力検出回路４はＣＰＵ３の一部として構成してもよい。
【００１９】
次に、図２を参照して小さなクラックが発生している検出素子部から出力される信号の波形、すなわち起電力の出力波形について説明する。図２は、空燃比（Ａ／Ｆ）を強制的にリーンからリッチにしたときのエンジンの排気通路中に、正常なセンサ及び検出素子部に小さなクラックを形成した異常なセンサのそれぞれを設置したときに得られたデータを比較して示している。ただし、ここでは小さなクラックとして直径約０．５ｍｍの開口を形成している。本明細書における微小或いは小さなクラックとは、排気ガスがスムーズに通過しないような欠損であって、例えば直径が２ｍｍ未満である開口などを想定している。このような微小なクラックは、先に課題として指摘したように酸素分圧のパターンを正常時のパターンと単純に比較しても検出することが困難なものである。図２では、上段に示している空燃比Ａ／ＦをポイントＣＰでリーンからリッチに切換えている。下段はこのときの検出素子部から出力される起電力（Ｖ）の出力波形を示している。
【００２０】
図２から確認できるように、正常な酸素センサの出力波形Ｓはリッチ状態に切換わり排気ガスの酸素分圧が変化したことに対応して大きな起電力（約０．８Ｖ）が発生することを示している。一方、小さなクラックがある異常な酸素センサの出力波形Ｅでもリッチ状態に切換わったときに起電力（約０．６Ｖ）が発生することを示している。異常な酸素センサの出力波形Ｅが正常な酸素センサの出力波形Ｓよりも低くなる傾向があることは確認できる。しかし、どちらの出力波形もリッチ状態に切換えられたときに、これ以前よりも大きな起電力が発生したことを示す波形となっている。よって、出力波形の全体的なパターンを比較してセンサ異常を検出することは困難である。ちなみに、排気ガスが内部側に一気に進入するような大きなクラックが発生しているときの酸素センサからの出力波形は、やはりリッチ状態に切換わったときに一定の起電力が発生するが、直ぐにほぼ０（ゼロ）（Ｖ）となるので比較的簡単に異常を検出できる。
【００２１】
ここで、異常な酸素センサの出力波形Ｅに注目すると、起電力（図２では約０．６Ｖ）が発生した後に、他の部分とは明らかに異なる高い周波数で脈動する部分ＮＰ（以下、高周波部分ＮＰという）が現れている。この高周波部分ＮＰは排気ガスがクラック部分を出入りしている状況によって生じており、起電力の値（出力値）が小刻みに変化している。クラックが小さい場合には、排気ガスが一気に検出素子部の内部（大気極側）にまで進入しないので酸素分圧の大きな変化は発生しないが、排気ガスがクラック部分を小刻みに出入りするので酸素分圧がこのように微妙に変化することになる。
【００２２】
上記のように小さなクラックのある異常な酸素センサの出力波形Ｅは、正常な酸素センサの出力波形Ｓと比較して高周波部分ＮＰを含むという特徴がある。高周波部分ＮＰの波形は、正常な酸素センサの出力波形Ｓにあたかも高周波のノイズが重畳したような形状となる。なお、本明細書で高周波と称しているのは例えば周波数が１０Ｈｚを超えるような波形である。正常な酸素センサや大きなクラックのある異常な酸素センサから出力される信号の波形は一般に周波数が１Ｈｚ程度である。よって、酸素センサの出力波形に高周波部分ＮＰが存在するか否かを確認することで小さなクラックの有無を確認できることになる。
【００２３】
そして、高周波部分ＮＰでは上記のように出力値（起電力の値）が小刻みに変化するので、出力値の変化量を積算した総和（以下、変化量総和と称す）が極めて大きくなる。よって、出力波形の変化量総和を求めることで高周波部分ＮＰの存在を確認して、検出素子部に小さなクラックが発生していることを判断できることになる。異常検出装置１はこのような観点に基づいて検出素子部２１のクラック有無の判断を行う。
【００２４】
よって、異常検出装置１の判断手段となるＣＰＵ３は上記変化量総和を用いて高周波部分ＮＰを確認して、検出素子部２１に小さなクラックが発生しているか否かを判断する。より具体的には、ＣＰＵ３が起電力算出回路を介して受ける検出素子部２１からの信号の出力値を定期的に確認すると共に、前後で確認した出力値との差を算出して変化量（起電力の差の絶対値）を求め、この変化量を積算して変化量総和を得る。そして、この変化量総和が予め定めた閾値ＰＤを超えたときに、ＣＰＵ３は検出素子部に小さなクラックの有りとの判断を行う。閾値ＰＤは、正常な酸素センサや大きなクラックのある異常な酸素センサの出力波形から求められる変化量総和の数倍を目処に設定すればよい。
【００２５】
なお、変化量総和は、出力波形での上下動変化を積算したものであり変化の軌跡長と見ることができる。よって、以下では変化量総和を軌跡長と称して説明する。図３は、軌跡長を算出する手法を説明するために示した図である。図３は、図２で示している異常な酸素センサの出力波形Ｅに現れる高周波部分ＮＰの一部を拡大して示している。
【００２６】
横軸はＣＰＵ３によって出力値（Ｖ）の確認が行われる周期Ｔを示している。すなわち、ＣＰＵ３は始期Ｔ０として時間Ｔ０、Ｔ１・・・で出力値（起電力の値）の確認を行う。そして、ＣＰＵ３は時間Ｔ０における起電力Ｖ０と次の時間Ｔ１における起電力Ｖ１との出力差Ｄ１を求め、次に時間Ｔ１における起電力Ｖ１と次の時間Ｔ２における起電力Ｖ２との出力差Ｄ２を求める。同様に時間Ｔ２における起電力Ｖ２と次の時間Ｔ３における起電力Ｖ３との出力差Ｄ３を求める。ここでの出力差Ｄｎが前述した変化量となる。ＣＰＵ３は時間Ｔ毎に、出力値を確認すると共に出力差Ｄｎを求めて、順に加算して軌跡長を求める処理を繰り返す。よって、軌跡長は変化量が順に加算されて新たな軌跡長に更新される。この軌跡長が予め設定した閾値ＰＤを超えたときに、ＣＰＵ３は検出素子部２１に小さなクラックありとの判断を行うことになる。
【００２７】
図４は、異常検出装置１のＣＰＵ３が検出素子部２１のクラック有無判断を行うときのルーチン例を示したフローチャートである。検出素子部２１の出力は、エンジン暖機前や負荷変動が大きな領域では排気ガスのＡ／Ｆが安定せず変動するため、正常な酸素センサでも排気ガスのＡ／Ｆの変動に連動して誤判定をする可能性がある。そこで、異常検出装置１による異常検出はエンジンの状態が安定し且つ排気ガスのＡ／Ｆ変動が小さく、正常な酸素センサの出力波形の変動か少ない状態で実施することが好ましい。この例では、ＣＰＵ３が前提条件として「エンジン暖機終了」、「酸素センサ暖機終了」、「エンジン回転数が規定範囲内」及び「吸気吸入量が規定範囲内」にあることを確認した後に、軌跡長を用いて検出素子部２１に発生する小さなクラックの有無を判断する処理に入る。
【００２８】
このルーチンは例えばエンジンがスタートしたときに起動され、ＣＰＵ３は前提条件が成立しているか否かを確認して（Ｓ１０１）、所定周期で出力値を確認すると共に変化量の積算を開始する（Ｓ１０２）。ここでの積算処理は先に図３を用いて説明したとおりであり周期毎に出力値を確認し、隣接する周期（例えばＴ１とＴ２）間での出力値の差を求めて変化量を算出し、この変化量を加算する。ＣＰＵ３は、この処理を繰り返して変化量を積算して軌跡長を更新する。
【００２９】
ＣＰＵ３は、積算時間が予め設定した所定時間（Ｘ  sec）越えたときに（Ｓ１０３）、軌跡長が閾値ＰＤを越えたか否かを確認する（Ｓ１０４）。このステップ１０４で軌跡長が閾値ＰＤ以上であることを確認したときには、検出素子部に小さなクラックが発生していると判断できる。よって、ＣＰＵ３はこの場合には酸素センサ２に異常ありと判断して（Ｓ１０５）、本ルーチンよる処理を終了する。これとは逆にステップ１０４で軌跡長が閾値ＰＤ未満の場合には検出素子部に小さなクラックの発生は無いと推定できる。よって、ＣＰＵ３はこの場合には酸素センサ２は正常であるとして（Ｓ１０６）、本フローチャートによる処理を繰り返す。
【００３０】
以上説明したように異常検出装置１によると、微小なクラックが発生したときに大きくなる変化量総和を用いて、ＣＰＵ３がクラックの有無判断を行うので従来では検出が困難であった酸素センサの異常を検出できる。また、ここでのクラックの有無判断は、従来のように出力波形のパターン全体を確認する必要がないので、短時間で小さなクラックの有無判断を行える。なお、図４で示すフローチャートは、ステップ１０３で所定の積算時間を経過するまで積算を行うようにしているが、予め設定した積算回数となるまで積算を行って、ステップ１０４の判断を行うようにしてもよい。また、異常検出装置１は検出素子部２１に小さなクラックが発生していることを精度良く検出する。よって、大きなクラックが発生していることを検出できる従来の異常検出装置と組合せるとクラックの大小にかかわらず異常の有無を検出できるより好ましい異常検出装置を構成できる。
【００３１】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】検出対象となる酸素センサに接続された状態での異常検出装置を示したブロック図である。
【図２】空燃比を強制的にリーンからリッチにしたときのエンジンの排気通路中に、正常な酸素センサ及び検出素子部に小さなクラックを形成した酸素センサのそれぞれを設置したときに得られたデータを比較して示した図である。
【図３】軌跡長を算出する手法を説明するために示した図である。
【図４】異常検出装置のＣＰＵが検出素子部のクラック有無判断を行うときのルーチン例を示したフローチャートである。
【図５】（Ａ）は一般的な酸素センサにおける検出素子部を示した図、（Ｂ）は図（Ａ）中ＣＲ内の検出素子部の断面構造を示した図である。
【符号の説明】
【００３３】
１                異常検出装置
２                酸素センサ
３                ＣＰＵ（判断手段）
４                起電力検出回路
６                ＲＯＭ
７                ＲＡＭ
２１              検出素子部
２２              ヒータ
【図１】
2006126032.tif 000003
【図２】
2006126032.tif 000004
【図３】
2006126032.tif 000005
【図４】
2006126032.tif 000006
【図５】
2006126032.tif 000007