(57)【要約】【課題】正確に空燃比センサの異常を診断することができる空燃比センサの制御装置を提供する。【解決手段】空燃比センサ４０、４１の制御装置は、内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサと、空燃比センサを構成する素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、空燃比センサを構成する素子を加熱する加熱装置５９と、インピーダンス検出手段によって検出されたインピーダンスに基づいて加熱装置による加熱量を制御する加熱量制御手段とを具備する。制御装置は、空燃比センサの出力異常を診断する異常診断手段を更に具備し、加熱量制御手段は、異常診断手段により空燃比センサの出力異常を診断するときには、インピーダンス検出手段によって検出されたインピーダンスとは無関係に前記加熱装置による加熱量を制御する。【選択図】図１４
2015075082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサと、該空燃比センサを構成する素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記空燃比センサを構成する素子を加熱する加熱装置と、前記インピーダンス検出手段によって検出されたインピーダンスに基づいて前記加熱装置による加熱量を制御する加熱量制御手段とを具備する、空燃比センサの制御装置において、
前記空燃比センサの出力異常を診断する異常診断手段を更に具備し、前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常を診断するときには、前記インピーダンス検出手段によって検出されたインピーダンスとは無関係に前記加熱装置による加熱量を制御する、空燃比センサの制御装置。
【請求項２】
前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常の診断をするときには、前記加熱装置による加熱量を一定に制御する、請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項３】
大気温度を検出する大気温度検出装置を更に具備し、
前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常の診断をするときには、前記大気温度検出装置によって検出された大気温度に基づいて前記加熱装置による加熱量を制御する、請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出装置を更に具備し、前記空燃比センサは前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流に設けられており、
前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常の診断をするときには、前記大気温度検出装置によって検出された大気温度及び前記触媒温度検出装置によって検出された触媒温度に基づいて前記加熱装置による加熱量を制御する、請求項３に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項５】
前記異常診断手段は、前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比が所定の空燃比に一定に維持されたときの前記空燃比センサの出力に基づいて前記空燃比センサの出力異常を診断する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項６】
前記異常診断手段は、前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスが大気ガスに維持されたときの前記空燃比センサの出力に基づいて前記空燃比センサの出力異常を診断する、請求項５に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項７】
前記内燃機関は、該内燃機関の作動中に燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、
前記異常診断手段は、前記燃料カット制御中に前記空燃比センサの出力異常を診断する、請求項６に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項８】
前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常の診断をしていないときには、前記インピーダンス検出手段によって検出されたインピーダンスが所定の目標インピーダンスになるように前記加熱装置による加熱量を制御する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空燃比センサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて内燃機関に供給する燃料量を制御するように構成された内燃機関が知られている。このような内燃機関に用いられる空燃比センサは、使用に伴って徐々に劣化する。空燃比センサの劣化が生じると空燃比センサの出力が適切な値にならなくなり、よって内燃機関の制御装置が実行する各種制御に支障が生じてしまう。
【０００３】
そこで、空燃比センサの劣化を診断する診断装置が提案されている。このような診断装置としては、例えば、目標空燃比をステップ的に変化させると共に、これに伴って空燃比センサの出力値が第１所定値に到達するまでの第１応答時間と、第１所定値よりも大きい第２所定値に到達するまでの第２応答時間とを検出し、第１応答時間と第２応答時間の二つに基づいて空燃比センサの劣化を判定するものが提案されている（例えば、特許文献１）。ここで、空燃比センサの劣化パターンとしては、応答時間が遅れる応答性劣化に加えて出力そのものが増減するゲイン劣化が存在する。これに対して、特許文献１に記載の診断装置によれば、第１応答時間と第２応答時間の二つに基づいて空燃比センサの劣化を判定することにより、二つの劣化パターンのうちいずれにより空燃比センサの劣化が生じているのかを正確に特定することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９２０９３号公報
【特許文献２】特開２００１−３５５５０５号公報
【特許文献３】特開２００９−００７９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような空燃比センサの劣化により、空燃比センサの出力値が、実際の空燃比に相当する値よりも大きく又は小さくなる異常が生じることが知られている。このような空燃比センサの異常を検知する手法としては、空燃比センサ周りに流通する排気ガスの空燃比を一定の空燃比とすると共に、そのときの空燃比センサの出力値に基づいて空燃比センサの異常診断を行うことが提案されている。この場合、空燃比センサの出力値の実際の空燃比に対応する値に対する差が小さい場合には、空燃比センサには異常が生じていないと判定される。一方、空燃比センサの出力値の実際の空燃比に対応する値に対する差が大きい場合には、空燃比センサには異常が生じていると判定される。
【０００６】
他方、上述したような空燃比センサでは、空燃比センサを構成する素子の温度に応じてその出力値が変化する。このため、一般に、空燃比センサには素子を加熱するヒータが設けられ、このヒータによって素子の温度が一定となるように素子の加熱が行われる。特に、空燃比センサでは、その素子の温度に応じて素子のインピーダンスが変化するという性質があるため、素子のインピーダンスが一定となるように素子の加熱が行われる。
【０００７】
ところが、本発明者らの研究によれば、このように空燃比センサの素子のインピーダンスに基づいて温度制御を行うと、空燃比センサの異常診断における精度が低下することが判明した。これは、上述したように空燃比センサの異常によりその出力値が実際の空燃比に相当する値からずれている場合に、上述したインピーダンスに基づく温度制御を行うと、出力値におけるずれが小さくなるように空燃比センサの素子の温度を制御してしまうことによる。
【０００８】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、空燃比センサを構成する素子のインピーダンスに基づいてその素子の温度制御を行っている空燃比センサにおいても、正確に異常を診断することができる空燃比センサの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサと、該空燃比センサを構成する素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記空燃比センサを構成する素子を加熱する加熱装置と、前記インピーダンス検出手段によって検出されたインピーダンスに基づいて前記加熱装置による加熱量を制御する加熱量制御手段とを具備する、空燃比センサの制御装置において、前記空燃比センサの出力異常を診断する異常診断手段を更に具備し、前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常を診断するときには、前記インピーダンス検出手段によって検出されたインピーダンスとは無関係に前記加熱装置による加熱量を制御する、空燃比センサの制御装置が提供される。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常の診断をするときには、前記加熱装置による加熱量を一定に制御する。
【００１１】
第３の発明では、第１の発明において、大気温度を検出する大気温度検出装置を更に具備し、前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常の診断をするときには、前記大気温度検出装置によって検出された大気温度に基づいて前記加熱装置による加熱量を制御する。
【００１２】
第４の発明では、第３の発明において、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出装置を更に具備し、前記空燃比センサは前記排気浄化触媒の排気流れ方向下流に設けられており、前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常の診断をするときには、前記大気温度検出装置によって検出された大気温度及び前記触媒温度検出装置によって検出された触媒温度に基づいて前記加熱装置による加熱量を制御する。
【００１３】
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記異常診断手段は、前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスの空燃比が所定の空燃比に一定に維持されたときの前記空燃比センサの出力に基づいて前記空燃比センサの出力異常を診断する。
【００１４】
第６の発明では、第５の発明において、前記異常診断手段は、前記空燃比センサ周りを流通する排気ガスが大気ガスに維持されたときの前記空燃比センサの出力に基づいて前記空燃比センサの出力異常を診断する。
【００１５】
第７の発明では、第６の発明において、前記内燃機関は、該内燃機関の作動中に燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、前記異常診断手段は、前記燃料カット制御中に前記空燃比センサの出力異常を診断する。
【００１６】
第８の発明では、第１〜第７のいずれか一つの発明において、前記加熱量制御手段は、前記異常診断手段により空燃比センサの出力異常の診断をしていないときには、前記インピーダンス検出手段によって検出されたインピーダンスが所定の目標インピーダンスになるように前記加熱装置による加熱量を制御する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、空燃比センサを構成する素子のインピーダンスに基づいてその素子の温度制御を行っている空燃比センサにおいても、正確に異常を診断することができる空燃比センサの制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の空燃比センサの制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、空燃比センサの概略的な断面図である。
【図３】図３は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。
【図４】図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。
【図５】図５は、流通する排気ガスが大気ガスであるときのセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。
【図６】図６は、固体電解質層の温度とインピーダンスとの関係を示した図である。
【図７】図７は、センサ印加電圧と出力電流のタイムチャートである。
【図８】図８は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す、図３と同様な図である。
【図９】図９は、流通する排気ガスが大気ガスであるときのセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す、図５と同様な図である。
【図１０】図１０は、流通する排気ガスが大気ガスであるときのセンサ印加電圧及び出力電流と空燃比センサの正常・異常との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、排気ガスが大気ガスであるときのセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す、図５と同様な図である。
【図１２】図１２は、大気温度とヒータ加熱量との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、排気ガスの流量とヒータ加熱量との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、本実施形態の異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の内燃機関の診断装置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。図１は、本発明の第一実施形態に係る診断装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。
【００２０】
＜内燃機関全体の説明＞
図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。
【００２１】
図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０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１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。なお、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、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。しかしながら、本発明の診断装置が用いられる内燃機関では、他の燃料を用いても良い。
【００２２】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５は吸気通路を形成する。また、吸気管１５内にはスロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７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。
【００２３】
一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９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１９の集合部は上流側排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側排気浄化触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。
【００２４】
上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、いずれも酸素吸蔵能力を有する三元触媒である。排気浄化触媒２０、２４は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化する触媒作用に加えて、酸素吸蔵能力を発揮する。排気浄化触媒２０、２４の酸素吸蔵能力によれば、排気浄化触媒２０、２４は、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン（以下、「リーン空燃比」という）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、排気浄化触媒２０、２４は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ（以下、「リッチ空燃比」という）であるときには、排気浄化触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。なお、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、排気浄化触媒２０、２４は三元触媒とは異なる触媒であってもよい。
【００２５】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１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および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するためのエアフロメータ３９が配置され、このエアフロメータ３９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。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側排気浄化触媒２０から流出して下流側排気浄化触媒２４に流入する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これら空燃比センサ４０、４１の構成については後述する。
【００２６】
また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３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。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。
【００２７】
＜空燃比センサの説明＞
本実施形態では、空燃比センサ４０、４１としては、限界電流式の空燃比センサが用いられる。図２を用いて、空燃比センサ４０、４１の構造について簡単に説明する。空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、その一方の側面上に配置された排気側電極５２と、その他方の側面上に配置された大気側電極５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、拡散律速層５４を保護する保護層５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。
【００２８】
固体電解質層５１の一方の側面上には拡散律速層５４が設けられ、拡散律速層５４の固体電解質層５１側の側面とは反対側の側面上には保護層５５が設けられる。本実施形態では、固体電解質層５１と拡散律速層５４との間には被測ガス室５７が形成される。この被測ガス室５７には拡散律速層５４を介して空燃比センサ４０、４１による検出対象であるガス、すなわち排気ガスが導入せしめられる。また、排気側電極５２は被測ガス室５７内に配置され、したがって、排気側電極５２は拡散律速層５４を介して排気ガスに曝されることになる。なお、被測ガス室５７は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極５２の表面上に拡散律速層５４が直接接触するように構成されてもよい。
【００２９】
固体電解質層５１の他方の側面上にはヒータ部５６が設けられる。固体電解質層５１とヒータ部５６との間には基準ガス室５８が形成され、この基準ガス室５８内には基準ガスが導入される。本実施形態では、基準ガス室５８は大気に開放されており、よって基準ガス室５８内には基準ガスとして大気が導入される。大気側電極５３は、基準ガス室５８内に配置され、したがって、大気側電極５３は、基準ガスに曝される。本実施形態では、基準ガスとして大気が用いられているため、大気側電極５３は大気に曝されることになる。
【００３０】
ヒータ部５６には複数のヒータ（加熱装置）５９が設けられており、これらヒータ５９によって空燃比センサ４０、４１の温度、特に固体電解質層５１の温度を制御することができる。ヒータ部５６は、固体電解質層５１を活性化するまで加熱するのに十分な発熱容量を有している。また、ヒータ５９はＥＣＵ３１に接続されており、ヒータ５９による加熱量はＥＣＵ３１によって制御される。したがって、ＥＣＵ３１は、ヒータ５９による加熱量を制御する加熱量制御手段として機能する。
【００３１】
固体電解質層５１は、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。
【００３２】
また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１に搭載された電圧印加装置６０によりセンサ印加電圧Ｖが印加される。加えて、ＥＣＵ３１には、センサ印加電圧を印加したときに固体電解質層を介してこれら電極５２、５３間に流れる電流Ｉを検出する電流検出装置６１が設けられる。この電流検出装置６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流である。
【００３３】
このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図３に示したような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図３からわかるように、出力電流Ｉは、排気空燃比が大きくなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸に平行な領域、すなわちセンサ印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ18、Ｉ18で示している。
【００３４】
一方、センサ印加電圧が限界電流領域よりも低い領域では、センサ印加電圧にほぼ比例して出力電流が変化する。斯かる領域は比例領域と称される。このときの傾きは、固体電解質層５１の直流素子抵抗によって定まる。また、センサ印加電圧が限界電流領域よりも高い領域では、センサ印加電圧の増加に伴って出力電流も増加する。この領域では、排気側電極５２上にて排気ガス中に含まれる水分の分解等が生じること等により、センサ印加電圧の変化に応じて出力電圧が変化する。
【００３５】
図４は、センサ印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が大きくなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなる。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になるように構成される。また、排気空燃比が一定以上（本実施形態では１８以上）に大きくなったとき、或いは一定以下に小さくなったときには、排気空燃比の変化に対する出力電流の変化の割合が小さくなる。
【００３６】
なお、上記例では、空燃比センサ４０、４１として図２に示した構造の限界電流式の空燃比センサを用いている。しかしながら、後述するような特性を有する空燃比センサであれば、他の構造の限界電流式の空燃比センサや、限界電流式ではない空燃比センサ等、如何なる空燃比センサを用いてもよい。
【００３７】
また、以下では、空燃比センサ４０、４１は、内燃機関の運転時において、基本的にセンサ印加電圧が一定値Ｖ1に維持されているものとして説明する。しかしながら、空燃比センサ４０、４１のセンサ印加電圧は一定値に維持されている必要はなく、例えば、出力電流に応じて変化させるようにしてもよい。
【００３８】
＜空燃比センサのヒータ制御＞
ところで、上述したように構成された空燃比センサ４０、４１では、この空燃比センサ４０、４１を構成する素子である固体電解質層５１の温度に応じてその出力値が変化する。この様子を図５に示す。
【００３９】
図５は、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスが大気ガスであるときの空燃比センサ４０、４１へのセンサ印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示している。図中の実線は空燃比センサ４０、４１の素子温度、特に固体電解質層５１の温度がＴ1のとき、破線は固体電解質層５１の温度がＴ2のとき、一点鎖線は固体電解質層５１の温度Ｔ3のときの関係をそれぞれ示している。温度Ｔ1〜Ｔ3は、Ｔ1が最も高く、Ｔ2、Ｔ3の順に低くなっている（Ｔ1＞Ｔ2＞Ｔ3）。図５からわかるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流は、センサ印加電圧を一定にすると、温度が高いほど大きくなっている。例えば、センサ印加電圧をＶ1とした場合には、固体電解質層５１の温度がＴ1、Ｔ2、Ｔ3のときに出力電流はＩ1、Ｉ2、Ｉ3となるが、Ｉ1が最も大きく、Ｉ2、Ｉ3の順に小さくなる。
【００４０】
このように、空燃比センサ４０、４１では、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比が一定であっても、その温度に応じて出力電流が変化してしまう。このため、空燃比センサ４０、４１によって排気ガスの空燃比を正確に検出するためには、固体電解質層５１の温度を一定に保つことが必要となる。
【００４１】
ところで、固体電解質層５１の温度と素子抵抗（インピーダンス）との間には密接な関係がある。図６は、固体電解質層５１の温度とインピーダンスとの関係を示した図である。図６に示したように、固体電解質層５１の温度が高くなるほど、固体電解質層５１のインピーダンスが低くなる。
【００４２】
そこで、本実施形態では、内燃機関の通常運転時において、固体電解質層５１のインピーダンスを検出すると共に、検出された固体電解質層５１のインピーダンスに基づいて、ヒータ５９による固体電解質層５１の加熱量を制御している。特に、本実施形態では、検出された固体電解質層５１のインピーダンスが、目標インピーダンスになるようにヒータ５９による固体電解質層５１の加熱量を制御している。
【００４３】
まず、インピーダンスの検出方法について説明する。本実施形態では、固体電解質層５１のインピーダンスの検出は、排気側電極５２と大気側電極５３との間に流れる電流Ｉに基づいて行われる。特に、本実施形態では、排気側電極５２と大気側電極５３との間に印加する印加電圧を短時間に僅かに変動させたときの電流Ｉの変化に基づいて検出が行われる。
【００４４】
図７は、排気側電極５２と大気側電極５３との間に印加するセンサ印加電圧Ｖと、これら電極５２、５３間に流れる出力電流とのタイムチャートである。図７に示したように、両電極間には、排気ガスの空燃比を検出すべく基本的に所定のセンサ印加電圧Ｖ1が印加されている。これに対する出力電流は、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比が変化しない限り一定の値となる。
【００４５】
空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは燃料噴射弁１１からの燃料噴射量等をフィードバック制御するために用いられる。このフィードバック制御における燃料噴射量の計算は一定時間間隔毎（例えば、１２８ｍｓ毎）に行われる。これに伴って、空燃比センサ４０、４１の出力電流もフィードバック制御のために一定時間間隔毎に参照される。図７に示した例では、時刻ｔ2及び時刻ｔ4において、出力電流の参照が行われている。
【００４６】
加えて、図７に示した例では、出力電流の参照タイミング（ｔ2、ｔ4）の間に、印加電流Ｖが微少期間に亘って上下に僅かに振動せしめられる（時刻ｔ1、ｔ3）。特に、図示した例では、センサ印加電圧Ｖの振動として、センサ印加電圧Ｖを増加及び減少を１回ずつ行うようにしている。このように、センサ印加電圧Ｖが振動せしめられると、周囲の排気ガスの空燃比が変化していなくても、これに伴って出力電流Ｉが振動する。このようにセンサ印加電圧Ｖ及び出力電流Ｉが変動したときには、下記式（１）によりインピーダンスＲを算出することができる。
Ｒ＝ｄＶ／ｄＩ      …（１）
【００４７】
このように、本実施形態では、センサ印加電圧Ｖを微少期間に亘って上下に僅かに振動させて、そのときの出力電流Ｉの変動に基づいて固体電解質層５１のインピーダンスＲを算出するようにしている。これにより、空燃比センサ４０、４１周りの排気ガスの空燃比に無関係に、固体電解質層５１のインピーダンスを検出することができる。
【００４８】
なお、上述した固体電解質層５１のインピーダンスの検出は、ＥＣＵ３１によって行われることから、ＥＣＵ３１がインピーダンス検出手段として機能する。また、固体電解質層５１のインピーダンス（抵抗）の検出方法は必ずしも上記方法に限られるわけではない。例えば、排気側電極５２及び大気側電極５３とは別に固体電解質層５１の抵抗（インピーダンス）検出用の電極及び電気回路を設けて、これらにより検出を行ってもよい。或いは、排気側電極５２及び大気側電極５３を用いて、上記方法とは別の方法でインピーダンスの検出を行ってもよい。
【００４９】
次に、上述したようにして検出されたインピーダンスに基づくヒータ５９による固体電解質層５１の加熱量の制御方法について説明する。検出されたインピーダンスが、予め定められた目標温度に対応する予め定められた目標インピーダンスよりも低い場合には、ヒータ５９による単位時間当たりの加熱量が増大せしめられる。本実施形態では、ヒータ５９へのヒータ印加電圧が高いほど固体電解質層５１の加熱量が増大せしめられることから、検出されたインピーダンスが目標インピーダンスよりも低い場合には、ヒータ印加電圧が増大せしめられる。一方、検出されたインピーダンスが目標インピーダンスよりも高い場合いは、ヒータ５９による単位時間当たりの加熱量が減少せしめられる。したがって、本実施形態では、この場合、ヒータ印加電圧が減少せしめられる。
【００５０】
したがって、本実施形態では、検出されたインピーダンスが目標インピーダンスになるようにヒータ印加電圧がフィードバック制御される。このときの具体的な制御方法は、ＰＩＤ制御等、様々なフィードバック制御を利用可能である。そして、このようにヒータ印加電圧をフィードバック制御することにより、空燃比センサ４０、４１の固体電解質層５１の温度を一定に維持することができるようになる。
【００５１】
＜空燃比センサの異常診断＞
ところで、冒頭でも説明したように、空燃比センサ４０、４１の劣化により、空燃比センサ４０、４１の出力電流が、実際の空燃比に相当する値よりも大きく又は小さくなる異常が生じることが知られている。この様子を、図８に示す。
【００５２】
図８は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す、図３と同様な図である。図中の実線は、空燃比センサ４０、４１に劣化の異常が生じている場合、図中の破線は、異常が生じていない場合をそれぞれ示している。図８に示した例では、空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスの空燃比が同一である場合に、空燃比センサ４０に異常が生じているときには、異常が生じていないときに対して出力電流Ｉの絶対値が減少する。
【００５３】
このように空燃比センサ４０、４１に異常が生じると、空燃比センサ４０、４１の出力電流が実際の排気ガスの空燃比に対応した値とは異なるものになってしまう。空燃比センサ４０、４１の出力電流にこのようなずれが生じると、空燃比センサ４０、４１の出力を利用した各種制御に支障を来す。このため、空燃比センサ４０、４１の異常を診断することが必要となる。
【００５４】
図９は、空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスが大気ガスであるときの空燃比センサ４０、４１へのセンサ印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す、図５と同様な図である。図中の破線は、空燃比センサ４０、４１に劣化の異常が生じていない場合、図中の実線は劣化により出力電流Ｉの絶対値が減少している場合、図中の一点鎖線は劣化により出力電流Ｉの絶対値が増大している場合をそれぞれ示している。
【００５５】
ここで、図９からわかるように、空燃比センサ４０、４１に異常が生じていない場合、センサ印加電圧としてＶ1を印加したときの出力電流はＩ4となる。これに対して、空燃比センサ４０、４１に劣化が生じて出力電流Ｉの絶対値が減少している場合には、センサ印加電圧としてＶ1を印加したときの出力電流はＩ4よりも小さなＩ5となる。また、空燃比センサ４０、４１に劣化が生じて出力電流Ｉの絶対値が増加している場合には、センサ印加電圧としてＶ1を印加したときの出力電流はＩ4よりも大きなＩ6となる。したがって、空燃比センサ４０、４１における異常の有無は、空燃比センサ４０周りを流通する排気ガスの空燃比が分かっていれば、所定のセンサ印加電圧を印加したときの出力電流に基づいて診断することができる。
【００５６】
そこで、本実施形態では、内燃機関の作動中に燃焼室への燃料供給を停止又は減量する燃料カット制御の実行中におけるセンサ印加電圧Ｖと出力電流Ｉとに基づいて、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うこととしている。燃料カット制御中には、燃焼室５内に流入した大気ガスがそのまま排気通路へ流出することから、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスも大気ガスとなっている。
【００５７】
図１０は、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスが大気ガスであるときのセンサ印加電圧Ｖ及び出力電流Ｉと、空燃比センサ４０、４１の正常・異常との関係を示している。本実施形態では、燃料カット制御中に検出された出力電流Ｉが上限曲線Ｘｍａｘと下限曲線Ｘｍｉｎとの間である場合には、空燃比センサ４０、４１は正常であると判定する。一方、燃料カット制御中に検出された出力電流Ｉが上限曲線Ｘｍａｘ以上、又は下限曲線Ｘｍｉｎ以下である場合には、空燃比センサ４０、４１には異常が発生していると判定する。
【００５８】
図１０に示したように、空燃比センサ４０、４１が正常であると判定される出力電流は、或る一定の印加電圧に達するまでは、センサ印加電圧が高くなるにつれて高くなる。そして、或る一定のセンサ印加電圧以上になるとほぼ一定となる。また、空燃比センサ４０、４１が正常であると判定される出力電流の幅は、或る一定のセンサ印加電圧に達するまでは、印加電圧が高くなるにつれて高くなる。そして、或る一定のセンサ印加電圧以上になるとほぼ一定となる。
【００５９】
具体的には、燃料カット制御中にセンサ印加電圧がＶ1となっている場合に、出力電流がＩｍａｘとＩｍｉｎとの間の値であるときには、空燃比センサ４０、４１には異常が発生していないと判定する。一方、この場合に、出力電流がＩｍａｘ以上であるとき、又はＩｍｉｎ以下であるときには、空燃比センサ４０、４１には異常が発生していると判定する。これにより、空燃比センサ４０、４１の異常を診断することができる。
【００６０】
なお、上記実施形態では、燃料カット制御中の出力電流に基づいて空燃比センサ４０、４１の異常診断を行っている。しかしながら、異常診断を行うのは必ずしも燃料カット制御中には限られない。各空燃比センサ４０、４１周りに流通する排気ガスの空燃比が異常診断対象の空燃比センサ４０、４１の出力電流によらずに把握できる場合には、如何なる場合に行ってもよい。例えば、上流側空燃比センサ４０の出力電流に基づいて排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をフィードバック制御していて排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御することができる場合には、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比を所定の空燃比に一定に制御するアクティブ空燃比制御を行うことで、下流側空燃比センサ４１周りに流通する排気ガスの空燃比をこの所定空燃比に制御することができる。このような場合には、アクティブ空燃比制御中に下流側空燃比センサ４１の異常診断を行うことができる。ただし、この場合には、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスが所定空燃比であるときのセンサ印加電圧Ｖ及び出力電流Ｉと空燃比センサ４０、４１の正常・異常との関係を示す図１０と同様なマップが必要になる。いずれにせよ、空燃比センサ４０、４１の異常診断は、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比を所定の空燃比に一定に維持した状態で行うことができれば、如何なる状態で行われてもよい。
【００６１】
また、上述した空燃比センサ４０、４１における出力異常の診断は、ＥＣＵ３１によって行われる。したがって、ＥＣＵ３１は、空燃比センサ４０、４１における出力異常の診断を行う異常診断手段として機能する。
【００６２】
＜異常診断制御中のヒータ制御＞
ところで、上述したように空燃比センサ４０、４１では、そのインピーダンスに基づいてヒータ５９による加熱量の制御が行われている。ところが、上述した空燃比センサ４０、４１の異常診断中にこのような加熱量の制御を行うと、空燃比センサ４０、４１の異常を適切に診断することができなくなることが判明した。以下、図１１を参照してこれについて説明する。
【００６３】
図１１は、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスが大気ガスであるときの空燃比センサ４０、４１へのセンサ印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す、図５と同様な図である。図中の破線は、空燃比センサ４０、４１に異常が生じていないとき、図中の一点鎖線は異常が生じているときをそれぞれ示している。図１１に示したように、空燃比センサ４０、４１に異常が生じていないときには、Ｖ1をセンサ印加電圧として印加したときの出力電流はＩ4になる。同様に、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときには、Ｖ1をセンサ印加電圧として印加したときの出力電流はＩｍｉｎよりも低いＩ5になるはずである。
【００６４】
ここで、上述したように、空燃比センサ４０、４１では、そのインピーダンスに基づいてヒータ５９による加熱量の制御が行われている。そして、空燃比センサ４０、４１のインピーダンスは、Ｖ−Ｉ特性における比例領域の傾きに反比例する。したがって、空燃比センサ４０、４１のインピーダンスが高くなると、Ｖ−Ｉ特性における比例領域の傾きが小さくなる。逆に、空燃比センサ４０、４１のインピーダンスが低くなると、Ｖ−Ｉ特性における比例領域の傾きが大きくなる。
【００６５】
図１１に示した例では、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときには、生じていないときに比べて、Ｖ−Ｉ特性における比例領域の傾きが小さくなっている。このため、固体電解質層５１の温度が適切な温度になっていても、固体電解質層５１のインピーダンスが目標インピーダンスよりも高いものとして検出されることになる。このため、ヒータ５９による加熱量は、インピーダンスを下げるべく、減少せしめられる。その結果、固体電解質層５１の温度は、適切な温度よりも低い温度になり、空燃比センサ４０、４１のＶ−Ｉ特性における比例領域の傾きは、図１１に実線で示したように大きくなる。
【００６６】
図１１からわかるように、空燃比センサ４０、４１に異常が生じているときに、上述したような固体電解質層５１の温度制御を行うと、Ｖ−Ｉ特性が正常時のＶ−Ｉ特性に近づいてしまう。図１１に示した例では、センサ印加電圧をＶ1とした場合に、上述した固体電解質層５１の温度制御を行っていなければ、出力電流はＩ5となり、判定下限値Ｉｍｉｎよりも低い値となる。ところが、この場合に、上述した固体電解質層５１の温度制御を行っていると、出力電流はＩ4となり、判定下限値Ｉｍｉｎよりも高い値となってしまう。この結果、実際には空燃比センサ４０、４１には異常が生じているにもかかわらず、空燃比センサ４０、４１の異常診断によると異常が生じていないものとして判定されてしまうことになる。
【００６７】
そこで、本実施形態の制御装置では、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うときには、上述したインピーダンスに基づくヒータ５９による加熱量のフィードバック制御を行わずに、ヒータ５９による加熱量をオープン制御することとしている。
【００６８】
ここで、燃料カット制御中には、燃焼室５内に供給された大気ガスがそのまま空燃比センサ４０、４１周りに流通することになる。したがって、空燃比センサ４０、４１の固体電解質層５１の温度は、大気ガスの温度に依存する。そこで、本実施形態では、図１２に示したように、大気温度センサ（図示せず）によって検出された大気（外気）の温度に基づいてヒータ５９による加熱量、すなわちヒータ印加電圧を制御することとしている。特に、図１２に示したように、本実施形態では、外気温が高くなるほど、ヒータ５９による加熱量が小さくされ、すなわちヒータ印加電圧が小さくされる。
【００６９】
また、下流側空燃比センサ４１については、その周りに流通する排気ガスは上流側の排気浄化触媒を通過してくる。このため、下流側空燃比センサ４１周りに流通する排気ガスの温度は、上流側排気浄化触媒２０の温度が高くなるほど高くなる。そこで、本実施形態では、下流側空燃比センサ４１については、上流側排気浄化触媒２０の温度を検出する触媒温度センサによって検出された上流側排気浄化触媒２０の温度に基づいてヒータ５９による加熱量を制御するようにしてもよい。具体的には、図１２と同様に、上流側排気浄化触媒２０の温度が高くなるほど、ヒータ５９による加熱量が小さくされ、すなわちヒータ印加電圧が小さくされる。
【００７０】
また、空燃比センサ４０、４１では、その周りを流通する排気ガスとの間で対流熱伝達が行われる。このため、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの流量が多くなるほど、空燃比センサ４０、４１から排気ガスへと熱が奪われ易くなる。そこで、本実施形態では、図１３に示したように、エアフロメータ３９の出力等に基づいて空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの流量を算出すると共に、算出された排気ガスの流量に基づいてヒータ５９による加熱量、すなわちヒータ印加電圧を制御することとしている。特に、図１３に示したように、本実施形態では、排気ガスの流量が多くなるほど、ヒータ５９による加熱量が大きくされ、すなわちヒータ印加電圧が大きくされる。
【００７１】
なお、上述した大気ガスの温度、上流側排気浄化触媒２０の温度及び排気ガスの流量は、ヒータ５９による加熱量を制御するためのパラメータの一例である。したがって、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うときには、これらパラメータに加えて、或いはこれらパラメータによらずに他のパラメータに基づいてヒータ５９による加熱量を制御してもよい。また、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うときには、ヒータ５９による加熱量を予め定められた一定量に維持するように、すなわちヒータ印加電圧を一定値に維持するようにしてもよい。
【００７２】
このように、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うときには、空燃比センサ４０、４１の温度制御をインピーダンスに基づかずにオープン制御される。このため、異常のある空燃比センサ４０、４１の出力電流が正常時の値に近づいてしまうことが抑制され、この結果、空燃比センサ４０、４１の異常診断を適切に行うことができるようになる。
【００７３】
＜フローチャート＞
図１４は、本実施形態の異常診断制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
【００７４】
まず、ステップＳ１１では、異常診断制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。異常診断制御の実行条件は、例えば、空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度以上であるときに成立する。ステップＳ１１において、実行条件が成立していないと判定された場合には、ステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、ヒータ５９の通常制御、すなわち検出されたインピーダンスが目標インピーダンスになるようなフィードバック制御が行われ、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００７５】
一方、ステップＳ１１において、実行条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、内燃機関の始動後（或いは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションキーをＯＮにした後）未だ空燃比センサ４０、４１の異常診断が行われていないか否かが判定される。ステップＳ１２において、既に異常診断が行われていると判定された場合には、更なる異常診断を行う必要がないため、ステップＳ２２へと進み、ヒータ５９の通常制御が行われる。一方、ステップＳ１２において未だ異常診断が行われていないと判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。
【００７６】
ステップＳ１３では、内燃機関が燃料カット制御中であるか否かが判定される。なお、空燃比センサ４０、４１の異常診断を行うにあたって、排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が所定の空燃比に一定に維持されるようにアクティブ制御を行う場合には、このタイミングでアクティブ空燃比制御が実行せしめられる。そして、ステップＳ１３では、アクティブ空燃比制御により空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの空燃比が一定に維持されているか否かが判定されることになる。ステップＳ１３において、内燃機関が燃料カット制御中でないと判定された場合には、ステップＳ２２へと進み、ヒータ５９の通常制御が行われる。一方、ステップＳ１３において、内燃機関が燃料カット制御中であると判定された場合にはステップＳ１４へと進む。
【００７７】
ステップＳ１４では、ヒータ５９の通常制御が中止され、ステップＳ１５では、大気温度センサ（図示せず）によって大気温度が検出される。次いで、ステップＳ１６では、エアフロメータ３９の出力等に基づいて、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの流量が検出される。次いで、ステップＳ１７では、ステップＳ１５において検出された大気温度と、ステップＳ１６において検出された排気ガスの流量に基づいて、図１２及び図１３に示したマップを用いて、ヒータ５９へのヒータ印加電圧が設定される。
【００７８】
次いで、ステップＳ１８では、燃料カット制御を開始してから所定時間が経過したか否かが判定される。燃料カット制御の開始直後には空燃比センサ４０、４１の出力電流が大きく変化して安定しないことから、出力電流が安定するまで空燃比センサ４０、４１の異常診断が遅らされる。ステップＳ１８において、燃料カット制御を開始してから所定時間が経過していないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。その後、或る程度の時間が経過した後の制御ルーチンでは、ステップＳ１８において、所定時間が経過したと判定され、ステップＳ１９へと進む。
【００７９】
ステップＳ１９では、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが、現在のセンサ印加電圧に基づく判定下限値Ｉｍｉｎよりも高く且つ判定上限値Ｉｍａｘよりも低いか否かが判定される。ステップＳ１９において出力電流Ｉが判定下限値Ｉｍｉｎよりも高く且つ判定上限値Ｉｍａｘよりも低いと判定された場合にはステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、空燃比センサ４０、４１は正常であると判定され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１９において、出力電流が判定下限値Ｉｍｉｎ以下又は判定上限値Ｉｍａｘ以上であると判定された場合にはステップＳ２１へと進む。ステップＳ２１では、空燃比センサ４０、４１には異常が生じていると判定され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【符号の説明】
【００８０】
１    機関本体
５    燃焼室
７    吸気ポート
９    排気ポート
１９    排気マニホルド
２０    上流側排気浄化触媒
２４    下流側排気浄化触媒
３１    ＥＣＵ
４０    上流側空燃比センサ
４１    下流側空燃比センサ
【図１】
2015075082.tif 000003
【図２】
2015075082.tif 000004
【図３】
2015075082.tif 000005
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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