(57)【要約】【課題】検出子に生じている破壊が微細なものであったとしても、検出子に破壊が生じていると診断できるようにする。【解決手段】酸素センサ１４の検出子に微細な破損が生じている場合、排気通路６内の圧力が高いとき検出子の外側に存在する排気が同検出子の内側に侵入し、酸素センサ１４の出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する。こうしたリッチ信号からリーン信号の反転が生じるとき、その反転が排気通路６内の圧力に関係するパラメータである吸入空気量の増大に伴うものであれば、同反転については検出子の破損に起因して生じている可能性が高い。このため、リッチ信号からリーン信号への反転が行われる総回数に対し、吸入空気量の増大を伴って上記反転が行われる回数の割合が所定値以上であることに基づき、検出子に微細な破損が生じているとしても破損発生の旨判断することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象ガスと基準ガスとの間に介在される検出子を備えるとともに、これら二つのガスの酸素分圧の差に応じてリッチ信号又はリーン信号を出力する酸素センサに適用され、同酸素センサの出力信号に基づき前記検出子の破損の有無を判断する酸素センサの異常診断装置において、
前記酸素センサからの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するとき、その反転が前記検出子外側の圧力上昇に伴うものであるか否かを判断する判断手段と、
前記酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する総回数に対し、前記反転が前記検出子外側の圧力上昇に伴うものである旨判断される回数の割合が所定値以上であるとき、前記検出子の破損ありと診断する診断手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【請求項２】
前記診断手段は、前記酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する総回数が予め定められた規定回数に達したとき、前記検出子の破損の有無を診断する
請求項１記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項３】
前記酸素センサは、空燃比フィードバック制御が行われる内燃機関の排気通路に設けられ、同機関の排気を前記検出対象ガスとするとともに、前記基準ガスとして大気を用いるものであり、
前記判断手段は、空燃比フィードバック制御中に前記酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するとき、前記排気通路内の圧力上昇が所定量以上である旨判断されることに基づき、前記反転が前記圧力の上昇に伴うものである旨判断する
請求項１又は２記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記判断手段は、前記排気通路内の圧力上昇が所定量以上である旨の判断を、内燃機関の吸入空気量に関係するパラメータの増加量が所定値以上であることに基づいて行う
請求項３記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記判断手段は、前記酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転したとき、そのときの吸入空気量に関係するパラメータが当該反転時点よりも所定時間前の同パラメータの値から所定値以上増加していることに基づき、前記反転が前記排気通路内の圧力上昇に伴うものである旨判断する
請求項４記載の酸素センサの異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサの異常診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の内燃機関においては、空燃比が理論空燃比となる混合気を燃焼させるストイキ燃焼を行う際、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素センサの出力信号に基づき燃料噴射量を増減補正する空燃比フィードバック制御が行われる。この空燃比フィードバック制御では、理論空燃比よりもリーンな空燃比であることに対応するリーン信号が酸素センサから出力されているとき燃料噴射量を増量補正し、理論空燃比よりもリッチな空燃比であることに対応するリッチ信号が酸素センサから出力されているとき燃料噴射量を減量補正する。こうした酸素センサの出力信号に基づく燃料噴射量の増減補正により、混合気の空燃比が理論空燃比へと近づけられるようになる。
【０００３】
上記空燃比フィードバック制御に用いられる酸素センサは、内燃機関の排気通路に設けられるとともに、排気通路内に突出する検出子を備えている。この検出子については、その外部が排気通路内の排気にさらされ、且つその内部が大気に露呈している。そして、酸素センサは、検出子の外側を流れる排気の酸素分圧（排気の酸素濃度に対応）と、検出子の内側に存在する大気の酸素分圧（大気の酸素濃度に対応）との差に基づき、排気中の酸素濃度に応じた信号、即ちリッチ信号又はリーン信号を出力する。
【０００４】
ところで、酸素センサの使用中には検出子に破損が生じることが考えられ、この場合には検出子の外側を流れる排気が検出子の内側に侵入することとなる。このため、検出子の外側と内側との両方に排気が存在した状態になり、検出子の外側の酸素分圧と検出子の内側の酸素分圧との差がほとんどなくなることから、排気中の酸素濃度に関係なく酸素センサからリーン信号が出力される。こうした酸素センサからのリーン信号出力に基づき、検出子における破損等の異常診断を行うことが考えられる。
【０００５】
ただし、酸素センサからの一回のリーン信号出力では、それが検出子の破損によるものなのか、或いは検出子の正常時に排気中の酸素濃度が低下したことによるものなのか見分けがつかない。このため、特許文献１に示されるように、所定期間中の酸素センサからの出力信号の傾向を分析し、通常あり得ないほどのリーン傾向がみられる場合には、検出子に破損ありの旨診断することが提案されている。この場合、酸素センサの正常時におけるリーン信号出力によっては、酸素センサの出力信号の傾向が上記のようなリーン傾向とはならないため、同リーン傾向の有無に基づき的確に検出子の破損等による酸素センサの異常を見分けることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−  １４６８３公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
酸素センサの検出子に生じる破損の大きさについては、検出子の外側から内側に排気が侵入するかしないか程度の微細なものから、検出子の外側から内側に排気が大量に流れ込むほどの大きなものまで様々である。仮に、検出子の破損が上記のような微細なものである場合、検出子の外側に存在する排気が必ずしも上記破損部分から検出子の内側に侵入するとは限らず、この排気の侵入に伴う酸素センサのリーン信号出力の頻度が小となる。このため、所定期間中の酸素センサからの出力信号の傾向についても、上記破損によっては通常あり得ないほどのリーン傾向にはなりにくく、当該リーン傾向の有無に基づき上記微細な破損を見分けることは困難である。
【０００８】
また、酸素センサからリーン信号が出力されているときには、空燃比フィードバック制御として上記リーン信号に基づく燃料噴射量の増量補正が行われることとなる。従って、上記所定期間中の酸素センサからの出力信号が検出子の破損に起因してリーン傾向になるとき、上記破損が微細なものであって出力信号のリーン傾向が小さい場合には、空燃比フィードバック制御によって当該出力信号の傾向がリッチ側に寄せられてしまう。その結果、上記酸素センサの出力信号の傾向が通常ありえないほどのリーン傾向にはなりにくくなり、同リーン傾向の有無に基づいて検出子の微細な破損を見分けることは一層困難になる。
【０００９】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、検出子に生じている破壊が微細なものであったとしても、検出子に破壊が生じていると診断することのできる酸素センサの異常診断装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、検出対象ガスと基準ガスとの間に介在される検出子を備えるとともに、これら二つのガスの酸素分圧の差に応じてリッチ信号又はリーン信号を出力する酸素センサに適用され、同酸素センサの出力信号に基づき前記検出子の破損の有無を判断する酸素センサの異常診断装置において、前記酸素センサからの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するとき、その反転が前記検出子外側の圧力上昇を伴うものであるか否かを判断する判断手段と、前記酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する総回数に対し、前記反転が前記検出子外側の圧力上昇を伴うものである旨判断される回数の割合が所定値以上であるとき、前記検出子の破損ありと診断する診断手段とを備えた。
【００１１】
酸素センサの検出子に微細な破損が生じている場合、検出子外側の圧力が低いときには検出子外側の検出対象ガスが内側に侵入せず、検出子外側の圧力が高いときに検出子外側の検出対象ガスが内側に侵入する。この検出対象ガスの検出子内側への侵入によって、酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する。このため、酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するとき、その反転が検出子外側の圧力上昇に伴うものであれば、同反転については検出子の破損に起因して生じている可能性が高い。こうした反転がリッチ信号からリーン信号への反転の総回数に対し所定値以上の割合で発生している場合、そのことに基づき検出子に破損が生じていると判断することが可能である。従って、検出子に微細な破損が生じている場合であっても、リッチ信号からリーン信号への反転の総回数に対し、同反転が検出子外側の圧力上昇を伴うものである回数（以下、破損時反転回数という）の割合が所定値以上であれば、そのことに基づき検出子に破損が生じていると診断することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記診断手段は、前記酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する総回数が予め定められた規定回数に達したとき、前記検出子の破損の有無を診断するものとした。
【００１３】
上記構成によれば、酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する総回数が規定回数に達した上で、当該総回数に対する上記破損時反転回数の割合が所定値以上であるか否かが判断される。このため、上記反転が前記検出子外側の圧力上昇に伴うものであるか否かの判断において多少の誤判断が生じたとしても、上記反転の総回数に対する破損時反転回数の割合が所定値以上であるか否かに基いてなされる検出子の異常の有無の診断については、それを的確なものとすることができる。
【００１４】
なお、上記規定回数としては、上記反転が前記検出子外側の圧力上昇に伴うものであるか否かの判断において多少の誤判断が生じたとき、それが検出子の破損ありか否かの診断に影響を及ぼすことのない回数を採用することが好ましい。
【００１５】
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明において、前記酸素センサは、空燃比フィードバック制御が行われる内燃機関の排気通路に設けられ、同機関の排気を前記検出対象ガスとするとともに、前記基準ガスとして大気を用いるものであり、前記判断手段は、空燃比フィードバック制御中に前記酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するとき、前記排気通路内の圧力上昇が所定量以上である旨判断されることに基づき、前記反転が前記圧力の上昇に伴うものである旨判断するものとした。
【００１６】
空燃比フィードバック制御の実行中には酸素センサの出力信号がリッチ信号とリーン信号との間で反転するため、酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するとき、その反転が通常の空燃比フィードバック制御に基づくものなのか、或いは検出子の破損に基づくものなのか判断しずらい。しかし、上記反転時に所定量以上の排気通路内の圧力上昇が生じることに基づき破損時反転回数が「１」だけ大きくされ、上記反転の総回数に対する破損時反転回数の割合が所定値以上であるときに前記検出子の破損ありと診断することで、当該診断を的確なものとすることができる。
【００１７】
なお、排気通路内の圧力上昇が所定量以上であるか否かの判断については、
その圧力を直接検出して行ってもよいし、同圧力に関係するパラメータに基づいて行ってもよい。こうしたパラメータとしては、吸入空気量、吸気圧、スロットル開度、及びアクセル踏込量等を用いることができる。
【００１８】
請求項４記載の発明では、請求項３記載の発明において、前記判断手段は、前記排気通路内の圧力上昇が所定量以上である旨の判断を、内燃機関の吸入空気量に関係するパラメータの増加量が所定値以上であることに基づいて行うものとした。
【００１９】
内燃機関においては、吸入空気量が増加すると排気通路内の圧力が上昇する傾向がある。また、内燃機関における吸入空気量に関係するパラメータとしては、例えば吸入空気量そのもの、吸気圧、スロットル開度、及びアクセル踏込量等があげられる。これらパラメータをモニタするセンサは内燃機関に設けられているため、酸素センサの異常診断を行うのに新たなセンサを設ける必要がなく、酸素センサの異常診断装置の構成を簡単なものとすることができる。
【００２０】
請求項５記載の発明では、請求項４記載の発明において、前記判断手段は、前記酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転したとき、そのときの吸入空気量に関係するパラメータが当該反転時点よりも所定時間前の同パラメータの値から所定値以上増加していることに基づき、前記反転が前記排気通路内の圧力上昇に伴うものとした。
【００２１】
上記構成によれば、酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転したとき、吸入空気量に関係するパラメータの変化を見る時間として所定時間が確保されることになる。このため、上記反転時に吸入空気量に関係するパラメータが所定値以上増加しているか否かの判断を的確なものとすることができる。従って、上記反転が排気通路内の圧力上昇に伴うものであるか否かを、上記反転時に吸入空気量に関係するパラメータの所定値以上の増加が生じているか否かに基づき的確に行うことができるようになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を自動車用エンジンにおける酸素センサの異常診断装置に具体化した一実施形態を図１〜図９に従って説明する。
【００２３】
図１に示されるエンジン１においては、吸気通路２に設けられたスロットルバルブ３の開度制御を通じて燃焼室４に吸入される空気の量が調整され、この空気と燃料噴射弁５から噴射された燃料との混合気が燃焼室４内にて燃焼させられる。そして、燃焼後の混合気は排気として排気通路６に送られ、同通路６に設けられた三元触媒７によって排気中の有害成分が浄化される。
【００２４】
この三元触媒７は、燃焼される混合気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲でのみ、排気中の主要有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のすべてを効率的に浄化するものである。このため、三元触媒７を有効に機能させるには、混合気の空燃比を上記範囲の中心に合わせこむ、いわゆる空燃比フィードバック制御と呼ばれる厳密な空燃比制御を行うことが必要になる。こうした空燃比フィードバック制御は、エンジン１を運転制御すべく自動車に搭載された電子制御装置８によって行われる。
【００２５】
電子制御装置８は、上記燃料噴射弁５を駆動制御するとともに、以下に示す各種センサからの検出信号を入力するものである。
・自動車の運転者によって踏み込み操作されるアクセルペダル９の踏み込み量（アクセル踏込量）を検出するアクセルポジションセンサ１０。
【００２６】
・スロットルバルブ３の開度（スロットル開度）を検出するスロットルポジションセンサ１１。
・吸気通路２を介して燃焼室４に吸入される空気の量（吸入空気量）を検出するエアフローメータ１２。
【００２７】
・エンジン１の出力軸であるクランクシャフトの回転に対応する信号を出力するクランクポジションセンサ１３。
・排気中の酸素濃度に基づき、エンジン１の空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときに対応したリッチ信号、又は同空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに対応したリーン信号を出力する酸素（Ｏ２  ）センサ１４，１５。
【００２８】
電子制御装置８は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に基づき、そのときに必要とされる量の燃料噴射が行われるよう燃料噴射弁５を駆動する。なお、エンジン回転速度はクランクポジションセンサからの検出信号に基づき求められ、エンジン負荷は吸入空気量に対応するパラメータ及び上記エンジン回転速度に基づき求められる。この吸入空気量に関係するパラメータとしては、吸入空気量の実測値、スロットル開度、及びアクセル踏込量等が用いられる。
【００２９】
電子制御装置８によるエンジン１の空燃比フィードバック制御は、エンジン１の空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかに応じて燃料噴射量を増減補正することによって実現される。即ち、エンジン１の空燃比が理論空燃比よりもリッチであって酸素センサ１４，１５からリッチ信号が出力されているときには、燃料噴射量が減量補正されてエンジン１の空燃比がリーン側に調整される。また、エンジン１の空燃比が理論空燃比よりもリーンであって酸素センサ１４，１５からのリーン信号が出力されているときには、燃料噴射量が増量補正されてエンジン１の空燃比がリッチ側に調整される。
【００３０】
以上のように空燃比フィードバック制御を行うことで、エンジン１の空燃比を厳密に理論空燃比近傍の上記範囲の中心に併せ込むことができ、排気中の上記主要有害成分を効率的に浄化する上で三元触媒７を有効に機能させることができるようになる。なお、上述した酸素センサ１４，１５は排気通路６における三元触媒７の上下流に設けられており、これら二つ酸素センサ１４，１５からの出力信号に基づき燃料噴射量の増減補正を行うことで、上記空燃比フィードバック制御の更なる高精度化が図られている。
【００３１】
次に、上記酸素センサ１４，１５の詳細について図２〜図６を参照して説明する。なお、酸素センサ１４と酸素センサ１５とは同じ構造となっていることから、以下では酸素センサ１４についてのみ説明し、酸素センサ１５についての説明は省略する。
【００３２】
酸素センサ１４としては、例えば固体電解質を用いた筒型酸素センサが採用される。この酸素センサ１４は、図２（ａ）にその概念構造を示すように、排気通路６内に突出するように配設された筒型の検出子２１を備えている。検出子２１においては、その内面が大気（空気）に露呈されるとともに、その外面がセンサカバー２２を通して流過する排気にさらされる。また、検出子２１は、その断面構造を同図（ｂ）に示すように、内外の表面に電極が被覆された固体電解質により形成されている。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質を指し、酸素センサ用としては例えばジルコニアなどが利用されている。
【００３３】
検出子２１を介して隔てられたその内側の大気と外側の排気との酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、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。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出子２１の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出子２１に起電力が発生する。こうして上記酸素センサ１４は、大気と排気との酸素分圧の差に応じて電圧を出力する。
【００３４】
一方、排気の酸素分圧は、燃焼された混合気の空燃比に応じて変化する。例えば、理論空燃比、あるいはそれよりもリッチな空燃比で燃焼した混合気の場合、混合気の酸素がほぼ完全に燃焼し尽くされるため、その排気の酸素分圧はほぼ零となる。また理論空燃比よりもリーンな空燃比の場合には、燃焼時に酸素が余剰する。そのため、空燃比がリーンとなるほど、排気中の酸素分圧は高くなる。これに対して、大気の酸素分圧は、常にほぼ一定である。従って、大気の酸素分圧を基準とした排気の酸素分圧に応じた上記酸素センサ１４の出力電圧の大きさにより、エンジン１で燃焼された混合気の空燃比を把握できる。
【００３５】
ちなみに、酸素センサには他にも、板形状の検出子を用いたものや、検出子にジルコニア以外の素材を用いたものなど、様々なタイプの酸素センサがある。そして、その多くは、上記例示した酸素センサ１４と同様の検出原理により排気の酸素分圧を検出する構成、即ち基準ガスと排気とを隔離するよう配設された検出子が、基準ガスに対する排気ガスの酸素分圧の差に応じて検出信号を出力することで上記検出を行う構成となっている。また、そうした酸素センサの多くは、上記酸素センサ１４と同様に、基準ガスとして大気を用いるようにしている。
【００３６】
なお、酸素センサ１４は、エンジン１の空燃比を理論空燃比に合わせこむ空燃比フィードバック制御に用いられることから、理論空燃比を境に出力電圧が大きく変化する特性のものが採用されている。これは、上記空燃比フィードバック制御を行うのには、理論空燃比よりもリッチ、及び理論空燃比よりもリーンのいずれかといった低い分解能しか持たないもので十分事足りるためである。
【００３７】
ここで、酸素センサ１４の出力特性を図３に例示する。同図における空気過剰率λとは、理論空燃比を基準（λ＝「１．０」）とした混合気中の空気重量比の比率を示している（λ＝［空気の重量］／［混合気の重量］／［理論空燃比での空気／混合気の重量比］）。
【００３８】
同図に示すように、酸素センサ１４の出力電圧は、空気過剰率λ＝「１．０」を境に大きく変化し、燃焼された混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンな領域（λ＞「１．０」）では比較的小さい電圧を示し、それよりもリッチな領域（λ＜「１．０」）では比較的高い電圧を示す。ここでは、「０．４５Ｖ」のセンサ出力をしきい値として、酸素センサ１４からの検出信号が、理論空燃比よりもリッチな空燃比に対応したリッチ信号か、理論空燃比よりもリーンな空燃比に対応したリーン信号かを判断している。なお、酸素センサ１４の上記各領域でのセンサ出力電圧の大きさは、検出子２１の温度状態に応じて変化することがある。ただし、理論空燃比を境としてセンサ出力電圧が急変するというその出力傾向は、常に変化しないように設計されている。
【００３９】
図４（ａ）及び（ｂ）は、酸素センサ１４のエンジン運転中における出力パターンの例を示している。
空燃比フィードバック制御が行われ、エンジン１で理論空燃比での燃焼が行われているときの酸素センサ１４の正常な出力パターンの例を、図４（ａ）に示す。このように理論空燃比での燃焼時には、正常な酸素センサ１４は、空燃比が理論空燃比よりもリッチであることを示す高い電圧と、それよりもリーンであることを示す低い電圧とを交互に繰り返すような出力パターンを示す。
【００４０】
ところで、酸素センサ１４においては、使用中に図５（ａ）に示すような検出子２１の破損（欠損）が生じることがある。この場合、検出子２１の内外が連通し、図５（ｂ）に示すように検出子２１の外部に存在する排気が検出子２１の内部に侵入する。その結果、検出子２１の内外に酸素分圧の差がほとんどなくなって、酸素センサ１４は図４（ｂ）に例示するような出力パターンを示す。
【００４１】
同図から、上記欠損が生じた場合には、酸素センサ１４から、排気ガスと大気との酸素分圧の差がほとんど無いことを示す「０」Ｖ付近の電圧が出力されることが分かる。ただし、上記欠損時にあっても、排気の酸素分圧の急変等に応じて、酸素センサ１４から時折高い電圧が出力されることはある。
【００４２】
以上のように、検出子２１の欠損が生じたときには、酸素センサ１４の出力パターンは、正常時とは大きく異なっている。図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ正常時及び欠損時における酸素センサ１４の出力分布を示している。このように、検出子２１の欠損が生じたときには、センサ出力の分布は、空燃比が理論空燃比よりもリーンであることを示す低い電圧域に偏るため（同図（ｂ））、正常時（同図（ａ））と明確に区別できる。このため、酸素センサ１４の出力頻度の分布から、検出子２１の欠損の有無を容易かつ的確に判定できる。
【００４３】
しかしながら、酸素センサ１４の検出子に生じる破損の大きさについては、上記のように検出子２１の内外が連通するほどのもの（欠損）から、検出子２１の外から内に排気が侵入するかいないか程度の微細なものまで様々である。仮に、検出子２１の破損が上記のように微細なものである場合、検出子２１の外に存在する排気が必ずしも検出子２１の内側に侵入するとは限らず、この排気の侵入に伴う酸素センサ１４のリーン信号出力の頻度が小となる。このため、センサ出力の分布が図６（ｂ）に示すように低い電圧域に偏るという傾向が生じにくく、酸素センサ１４の出力頻度の分布から上記微細な破損の有無を見分けることは困難である。
【００４４】
特に、空燃比フィードバック制御の実行中にあっては、酸素センサ１４からのリーン信号の出力に基づき燃料噴射量が増量補正される。このため、検出子２１の破損が微細なものであって酸素センサ１４からのリーン信号出力の頻度が小さい場合には、上記燃料噴射量の増量補正によってセンサ出力の分布が高い電圧域に寄せられてしまう。その結果、センサ出力の分布が図６（ｂ）に示すように低い電圧域に偏るという傾向が一層生じにくくなり、酸素センサ１４の出力頻度の分布から上記微細な破損の有無を見分けることは一層困難になる。
【００４５】
本実施形態では、検出子２１の破損が上記のように微細なものであっても、検出子２１の外側の圧力、即ち排気通路６内の圧力が高いときには、検出子２１の外側から内側に排気が侵入することに着目し、このことを利用して上記微細な破損の有無を見分ける。即ち、酸素センサ１４からの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するとき、その反転が排気通路６内の所定量以上の圧力上昇に伴うものか否かを判断する。そして、上記反転の回数が予め定められた規定回数に達したとき、同反転の総回数に対し上記圧力上昇に伴う反転の回数の割合が所定値以上であるか否かを判断し、所定値以上である旨の判断に基づいて検出子２１の破損有りとの診断を行う。
【００４６】
次に、上述した酸素センサ１４（検出子２１）の異常診断手順について、異常診断ルーチンを示す図８及び図９のフローチャートを参照して詳しく説明する。この異常診断ルーチンは、電子制御装置８を通じて所定時間（例えば１６ｍｓ）毎の時間割り込みにて実行される。
【００４７】
異常診断ルーチンにおいては、まずエアフローメータ１２からの検出信号に基づき求められるエンジン１の吸入空気量が所定時間（０．５ｓ）毎に記憶される（Ｓ１０１：図８）。エンジン１においては吸入空気量の増大に伴い排気通路６内の圧力（排気圧）が高くなるため、この吸入空気量を排気通路６内の圧力に関係するパラメータとして用いることができる。続いて、酸素センサ１４の異常診断が可能な状態であるか否かが、以下の各条件が全て成立しているか否かに基づき判断される（Ｓ１０２）。
【００４８】
・エンジン始動開始から酸素センサ１４が活性化するのに必要な所定時間が経過している。
・エンジン１の燃料カット中ではない。
【００４９】
・空燃比フィードバック制御の実行中である。
ステップＳ１０２で酸素センサ１４の異常診断が可能な状態である旨判断されると、続くステップＳ１０３で酸素センサ１４からの出力信号についてリッチ信号からリーン信号への反転があったか否かが判断される。ここで、肯定判定であれば、酸素センサ１４の異常診断に係る処理が実行される（Ｓ１０４〜Ｓ１１２：図９）。
【００５０】
この一連の処理においては、まず最初にリッチ信号からリーン信号への反転が行われた総回数（以下、反転総回数という）を表す反転総回数カウンタＣ１が「１」だけカウントアップされる（Ｓ１０４）。続いて、所定時間（０．５ｓ）前の吸入空気量ＧＡ１から現在の吸入空気量ＧＡ２への変化量ΔＧＡが算出される（Ｓ１０４）。ここで、吸入空気量ＧＡ１としてはステップＳ１０１（図８）で記憶された値が用いられ、吸入空気量ＧＡ２としてはエアフローメータ１２による吸入空気量の実測値が用いられる。そして、上記変化量ΔＧＡが判定値ａ以上であれば（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、上述したリッチ信号からリーン信号への反転が排気通路６内の所定量以上の圧力上昇に伴うものである旨判断される。
【００５１】
吸入空気量の変化量ΔＧＡが判定値ａ以上であって、同吸入空気量が図７（ｂ）に示されるように大きく増加するような状況のもとでは、排気通路６内の圧力上昇も大となる。このため、酸素センサ１４の検出子２１に微細な破損が生じていると、排気通路６内の圧力上昇に伴い検出子２１の外側に存在する排気が上記破損部分から同検出子２１の内側に侵入する。その結果、検出子２１の内外における酸素分圧の差がほとんどなくなり、酸素センサ１４からの出力信号が図７（ａ）に示されるようにリッチ信号からリーン信号に反転する。以上のことから、リッチ信号からリーン信号への反転が生じたとき上記変化量ΔＧＡが判定値ａ以上であれば、同反転が排気通路６内の所定量以上の圧力上昇に伴うものであると判断することができるのである。
【００５２】
ステップＳ１０６で肯定判定がなされると、破損時反転カウンタＣ２が「１」だけカウンタアップされる（Ｓ１０７）。この破損時反転カウンタＣ２は、上記リッチ信号からリーン信号への反転が排気通路６内の所定量以上の圧力上昇に伴い検出子２１の内側に排気侵入することによって行われた回数（以下、破損時反転回数という）を表すものである。
【００５３】
そして、上記反転総回数カウンタＣ１が予め定められた規定回数ｂ（例えば２０回）に達していることを条件に（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、反転総回数に対する破損時反転回数の割合（「Ｃ２／Ｃ１」）が所定値ｃ以上であるか否かが判断される（Ｓ１０９）。ここで、否定判定であれば酸素センサ１４は正常と診断され（Ｓ１１１）、肯定判定であれば検出子２１に破損が生じており酸素センサ１４が異常であると診断される（Ｓ１１０）。その後、反転総回数カウンタＣ１及び破損時反転カウンタＣ２がリセットされて「０」とされる（Ｓ１１２）。
【００５４】
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）酸素センサ１４の検出子２１に微細な破損が生じている場合、排気通路６内の圧力が低いときには検出子２１の外側に存在する排気が同検出子２１の内側に侵入せず、排気通路６内の圧力が高いときには検出子２１の外側に存在する排気が同検出子２１の内側に侵入する。この排気の検出子２１の内側への侵入によって、酸素センサ１４の出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する。こうしたリッチ信号からリーン信号への反転が生じるとき、その反転が排気通路６内の圧力に関係するパラメータである吸入空気量の増大に伴うものであれば、同反転については検出子２１の破損に起因して生じている可能性が高い。このため、リッチ信号からリーン信号への反転が行われる総回数（反転総回数）に対し、吸入空気量の増大に伴って上記反転が行われる回数（破損時反転回数）の割合（「Ｃ２／Ｃ１」）が所定値ｃ以上である場合、そのことに基づき検出子２１に破損が生じていると判断することが可能である。従って、検出子２１に微細な破損が生じている場合であっても、「Ｃ２／Ｃ１」が所定値ｃ以上であることに基づき、検出子２１に破損が生じており酸素センサ１４が異常であると診断することができる。
【００５５】
（２）「Ｃ２／Ｃ１」が所定値ｃ以上であるか否かの判断については、総反転回数（Ｃ１）が予め定められた規定回数ｂに達した上で行われることとなる。このため、リッチ信号からリーン信号への反転が吸入空気量の増大に伴うものであるか否かの判断において多少の誤判断が生じたとしても、「Ｃ２／Ｃ１」が所定値ｃ以上であることに基づいてなされる検出子２１の破損ありとの診断については、それを的確なものとすることができる。なお、上記規定回数ｂとしては、上記反転が吸入空気量の増大に伴うものであるか否かの判断において多少の誤判断が生じたとき、それが検出子２１の破損あり（「Ｃ２／Ｃ１」≧ｃ）か否かの判断に影響を及ぼすことのない回数（本実施形態では２０回）に設定される。
【００５６】
（３）空燃比フィードバック制御の実行中は、酸素センサ１４の出力信号がリッチ信号とリーン信号との間で反転するため、酸素センサ１４の出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するとき、その反転が通常の空燃比フィードバック制御によるものか、或いは検出子２１の破損によるものか判断しづらい。しかし、上記反転が吸入空気量の増大に伴うものであるときに破損時反転カウンタＣ２が「１」だけ大きくされ、上述したように「Ｃ２／Ｃ１」が所定値ｃ以上であることに基づき検出子２１の破損ありと診断されるため、当該診断を的確なものとすることができる。
【００５７】
（４）エンジン１においては、吸入空気量が増加すると排気通路６内の圧力が増加する傾向があるため、排気通路６内の所定量異常の圧力上昇の有無については吸入空気量の増加側への変化量ΔＧＡが判定値ａ以上であるか否かによって判断することができる。また、吸入空気量をモニタするエアフローメータ１２はエンジン１に予め設けられているものであるため、酸素センサ１４の異常診断を行うのに新たなセンサを設ける必要がなく、酸素センサ１４の異常診断装置の構成を簡単なものとすることができる。
【００５８】
（５）リッチ信号からリーン信号への反転が排気通路６内の所定量以上の圧力上昇に伴うものであるか否かの判断に用いられる吸入空気量の変化量ΔＧＡは、上記反転が生じる所定時間（０．５ｓ）前の吸入空気量から現在の吸入空気量までの増加量として算出される。このため、上記反転時の吸入空気量の変化を見る時間として上記所定時間を確保することができ、変化量ΔＧＡを吸入空気量の変化に必要な時間をとった上で算出される値とすることができるため、同変化量ΔＧＡが判定値ａ以上でるあるか否かの判断を的確なものとすることができる。従って、上記反転が排気通路６内の所定量以上の圧力上昇に伴うものであるか否かを、上記変化量ΔＧＡが判定値ａ以上であるか否かに基づき、的確に行うことができるようになる。
【００５９】
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・吸入空気量の変化量ΔＧＡを求めるための所定時間として０．５ｓを例示したが、この値を適宜変更してもよい。
【００６０】
・排気通路６内の圧力に関係するパラメータとして吸入空気量を用いたが、このパラメータとしては吸入空気量に関係するものであれば何でもよく、例えば吸気圧、スロットル開度、及びアクセル踏込量等を用いることもできる。なお、上記パラメータとして吸気圧を用いる場合には、吸気通路２におけるスロットルバルブ３の下流側の圧力を検出するバキュームセンサが設けられ、同センサからの検出信号に基づき上記吸気圧が求められることになる。
【００６１】
・酸素センサ１４の出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転するときの排気通路６内の圧力上昇の有無を、吸入空気量の増加に基づいて判断する代わりに排気通路６内の圧力を直接検出して判断してもよい。この場合、排気通路６に同通路６内の圧力を検出する圧力センサが設けられることになる。
【００６２】
・反転総回数の規定回数ｂとして２０回を例示したが、この値を適宜変更してもよい。
・本発明の異常診断を酸素センサ１５に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の酸素センサの異常診断装置が適用されるエンジン全体を示す略図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は酸素センサの概念構造を示す模式図。
【図３】は酸素センサの出力特性を示すグラフ。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は酸素センサの出力波形例を示すグラフ。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は検出子の破損（欠損）時の様相を示す模式図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は酸素センサ出力電圧の頻度分布の例を示すグラフ。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は検出子に微細な破損が生じたときの酸素センサの出力波形、及び吸入空気量の変化を示すタイムチャート。
【図８】酸素センサの異常診断手順を示すフローチャート。
【図９】酸素センサの異常診断手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジン、２…吸気通路、３…スロットルバルブ、４…燃焼室、５…燃料噴射弁、６…排気通路、７…三元触媒、８…電子制御装置（判断手段、診断手段）、９…アクセルペダル、１０…アクセルポジションセンサ、１１…スロットルポジションセンサ、１２…エアフローメータ、１３…クランクポジションセンサ、１４，１５…酸素センサ、２１…検出子、２２…センサカバー。
【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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