(57)【要約】【課題】空燃比センサの出力にバラツキが生じている場合にも確実に故障の検出を行う。【解決手段】空燃比センサの故障検出装置において、故障検出の際、第１運転条件下と、第１運転条件とは異なる第２運転条件下で、それぞれ、大気側電極の電位より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して、逆電圧の印加に伴って大気側電極と排気側電極との間を流れる逆電流を検出する。そして、第１運転条件下で検出された第１逆電流と、第２運転条件下で検出された第２逆電流との変動に基づいて、空燃比センサの故障を検出する。【選択図】図４
2007232709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空燃比センサの故障検出装置であって、
前記空燃比センサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路とは隔離された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、
第１運転条件下で検出された第１逆電流と、前記第１運転条件とは異なる第２運転条件下で検出された第２逆電流との変化に基づいて、前記空燃比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空燃比センサの故障検出装置。
【請求項２】
前記内燃機関の運転条件が、前記第１運転条件を満たす状態であるか否かを判別する第１判別手段と、
前記第１運転条件を満たす状態であることが認められた場合に、前記大気側電極と、前記排気側電極との間に、前記逆電圧が印加されるように制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１逆電圧印加制御手段により前記逆電圧の印加が制御されている間に、前記第１逆電流が検出されるように、前記第１逆電流の検出を制御する第１逆電流検出制御手段と、
前記内燃機関の運転条件が、前記第２運転条件を満たす状態であるか否かを判別する第２判別手段と、
前記第２運転条件を満たす状態であることが認められた場合に、前記大気側電極と、前記排気側電極との間に、前記逆電圧が印加されるように制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２逆電圧印加制御手段により前記逆電圧の印加が制御されている間に、前記第２逆電流が検出されるように、前記第２逆電流の検出を制御する第２逆電流検出制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項３】
前記第１逆電流検出時に、前記内燃機関が、第１運転条件で運転されるように制御する第１運転条件制御手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項４】
前記第２逆電流検出時に、前記内燃機関が、第２運転条件で運転されるように制御する第２運転条件制御手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項５】
前記第１運転条件は、前記第２運転条件よりも、排気通路内の排気ガスの流量が多くなる運転条件であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項６】
前記第１運転条件は、前記第２運転条件よりも、前記内燃機関の吸入空気量が大きくなる運転条件であることを特徴とする請求項５に記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項７】
前記第１運転条件は、前記第２運転条件よりも、前記内燃機関の積算吸入空気量が大きくなる条件であることを特徴とする請求項５または６に記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項８】
前記第１運転条件は、前記第２運転条件に比較して、排気通路内の酸素濃度が小さくなる運転条件であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項９】
前記第１運転条件は、前記第２運転条件よりも、排気ガス空燃比が燃料過多となる条件であることを特徴とする請求項８に記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１０】
前記第２運転条件は、排気ガス空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりも燃料不足となる条件となることを特徴とする請求項９に記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１１】
空燃比センサの故障検出装置であって、
前記空燃比センサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路とは隔離された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、
前記大気側電極と前記排気側電極との間に、第１逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１逆電圧印加中に流れる逆電流である第１逆電流が検出されるように、前記逆電流検出手段を制御する第１逆電流検出制御手段と、
前記大気側電極と前記排気側電極との間に、前記第１逆電圧よりも小さな第２逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２逆電圧印加中に流れる逆電流である第２逆電流が検出されるように、前記逆電流検出手段を制御する第２逆電流検出制御手段と、
前記第１逆電流と前記第２逆電流との違いに基づいて、前記空燃比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空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１２】
空燃比センサの故障検出装置であって、
前記空燃比センサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路とは隔離された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、
前記大気側電極と前記排気側電極との間に、第１期間の間、逆電圧が印加されるように逆電圧の印加を制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１期間の経過時に流れる逆電流である第１逆電流が検出されるように、前記逆電流検出手段を制御する第１逆電流検出制御手段と、
前記大気側電極と、前記排気側電極との間に、前記第１期間よりも短い第２期間の間、逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２期間経過時に流れる逆電流である第２逆電流が検出されるように、前記逆電流検出手段を制御する第２逆電流検出制御手段と、
前記第１逆電流と前記第２逆電流との違いに基づいて、前記空燃比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空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１３】
前記逆電流検出時に、前記空燃比センサの素子温度を検出する温度検出手段と、
前記逆電流検出時の素子温度に応じて、検出された逆電流を補正する逆電流補正手段と、を備え、
前記故障検出手段は、前記第１逆電流検出時の素子温度に応じて補正された第１補正逆電流を、前記第１逆電流として用い、前記第２逆電流検出時の素子温度に応じて補正された第２補正逆電流を、前記第２逆電流として用いて、前記空燃比センサの故障を検出することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１４】
前記故障検出手段は、
前記第１逆電流の大きさに対する前記第２逆電流の大きさの割合である逆電流比を算出する逆電流比算出手段と、
前記逆電流比が、判定値よりも大きい場合に、前記空燃比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から１３のいずれかに記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１５】
前記故障検出手段は、
前記第２逆電流の大きさから前記第１逆電流の大きさを減算して逆電流差を求める逆電流差算出手段と、
前記逆電流差が、判定値よりも大きい場合に、前記空燃比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から１４のいずれかに記載の空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１６】
空燃比センサの大気側電極より排気側電極の電位が高くなるように両電極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空燃比センサの両電極間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
第１運転条件下で検出された第１逆電流と、前記第１運転条件とは異なる第２運転条件下で検出された第２逆電流との変化に基づいて、空燃比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空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１７】
空燃比センサの大気側電極より排気側電極の電位が高くなるように両電極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空燃比センサの両電極間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
空燃比センサの両電極間に、第１逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１逆電圧印加中に流れる逆電流である第１逆電流が、前記逆電流検出手段により検出されるように制御する第１逆電流検出制御手段と、
空燃比センサの両電極間に、前記第１逆電圧よりも小さな第２逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２逆電圧印加中に流れる逆電流である第２逆電流が、前記逆電流検出手段により検出されるように制御する第２逆電流検出制御手段と、
前記第１逆電流と前記第２逆電流との違いに基づいて、空燃比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空燃比センサの故障検出装置。
【請求項１８】
空燃比センサ大気側電極より排気側電極の電位が高くなるように両電極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空燃比センサの両電極間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
空燃比センサの両電極間に、第１期間の間、逆電圧が印加されるように逆電圧の印加を制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１期間の経過時に流れる逆電流である第１逆電流が、前記逆電流検出手段により検出されるように制御する第１逆電流検出制御手段と、
空燃比センサの両電極間に、前記第１期間よりも短い第２期間の間、逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２期間経過時に流れる逆電流である第２逆電流が、前記逆電流検出手段により検出されるように制御する第２逆電流検出制御手段と、
前記第１逆電流と前記第２逆電流との違いに基づいて、空燃比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空燃比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、空燃比センサの故障検出装置に関する。更に具体的には、空燃比センサに生じる素子割れを検出する故障検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００４−３５３４９４号公報には、排気空燃比に応じた出力を発する空燃比センサの制御装置が開示されている。この装置における空燃比センサは、排気通路とは隔離された大気層内で大気に接する大気側電極と、排気通路内に晒されて排気ガスに接する排気側電極と、これらの電極の間に配置された酸素イオン導電性固体電解質層とを備えている。大気側電極と排気側電極とには、それぞれ電極ラインが接続され、空燃比検出時には、大気側電極の電位が高くなるように両電極間に正電圧が印加される。その結果、空燃比センサには、排気側電極と大気側電極との間に、排気ガスと大気との酸素濃度の差に応じたセンサ電流が流れる。従って、センサ電流を検出することにより、排気ガスの空燃比を求めることができる。
【０００３】
また、上記従来技術の装置は空燃比センサに発生する素子割れ（クラック）の発生を検出する手段を有する。具体的に、この装置では、空燃比センサのクラック検出の際、正電圧とは逆に排気側電極の電位が高くなるように両電極間に逆電圧を印加する。その結果、空燃比センサには、大気側電極が晒されている大気層中の酸素濃度に応じたセンサ電流（逆電流）が流れる。従って、この逆電流を検出することにより、大気層中の酸素濃度を検出することができる。ここで、空燃比センサにクラックが発生している場合には、そのクラックから排気ガスが大気層内に浸入しているため、大気層内の酸素濃度が大気よりも低くなっているものと考えられる。従って逆電圧を印加した際、クラックが発生している空燃比センサに流れる逆電流は、正常な空燃比センサに流れる逆電流、すなわち大気の酸素濃度に応じた逆電流よりも小さなものとなる。従って、上記従来技術においては、大気中の酸素濃度に応じて正常な空燃比センサに流れる逆電流の範囲を基準範囲として、空燃比センサに逆電圧を印加した際に検出される逆電流が、この基準範囲の最低値よりも小さい場合に、空燃比センサにクラックが発生しているものと判断することとしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５３４９４号公報
【特許文献２】特開平８−３２７５８６号公報
【特許文献３】特開２００３−１４６８３号公報
【特許文献４】特開２００４−２８６６２８号公報
【特許文献５】特開２００４−２４５８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように従来技術においては、逆電圧を印加した場合に検出される逆電流を、予め設定された基準範囲の値と比較して、空燃比センサの異常を判断している。ここで異常の判定の基準となる基準範囲は、逆電圧を印加した場合に正常な空燃比センサが出力するものと予想される範囲の値であり、予め装置に記憶されたものである。しかしながら、空燃比センサの出力には、センサ素子の温度や空燃比センサの経時劣化等によってバラツキが生じる場合がある。一方、例えば発生したクラックが小さい場合、そのクラックにより大気層に混入する排気ガスは微量であり、混入した排気ガスが逆電圧印加時の空燃比センサの出力（逆電流）に与える影響は微小なものとなる。
【０００６】
従って、空燃比センサの逆電流の範囲が上記の基準範囲から外れた場合に、その基準範囲からのズレが、クラックによる大気層への排気ガスの混入に起因するものであるか、空燃比センサの温度や経時劣化等の他の要因に起因するものであるかを判別することは困難である。この点、上記従来技術は、予め想定された基準範囲を一律に判定値として用いるものであり、その空燃比センサごとの状態や特性による出力のバラツキを考慮したものではない。
【０００７】
従って、本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、運転条件や空燃比センサの状態やその空燃比センサごとの特性等、空燃比センサの出力にバラツキが生じるような他の要因の影響を排除して、より正確に空燃比センサの故障を検出できるように改良した空燃比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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、空燃比センサの故障検出装置であって、前記空燃比センサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路とは隔離された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、
第１運転条件下で検出された第１逆電流と、前記第１運転条件とは異なる第２運転条件下で検出された第２逆電流との変化に基づいて、前記空燃比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。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関の運転条件が、前記第１運転条件を満たす状態であるか否かを判別する第１判別手段と、
前記第１運転条件を満たす状態であることが認められた場合に、前記大気側電極と、前記排気側電極との間に、前記逆電圧が印加されるように制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１逆電圧印加制御手段により前記逆電圧の印加が制御されている間に、前記第１逆電流が検出されるように、前記第１逆電流の検出を制御する第１逆電流検出制御手段と、
前記内燃機関の運転条件が、前記第２運転条件を満たす状態であるか否かを判別する第２判別手段と、
前記第２運転条件を満たす状態であることが認められた場合に、前記大気側電極と、前記排気側電極との間に、前記逆電圧が印加されるように制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２逆電圧印加制御手段により前記逆電圧の印加が制御されている間に、前記第２逆電流が検出されるように、前記第２逆電流の検出を制御する第２逆電流検出制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、前記第１逆電流検出時に、前記内燃機関が、第１運転条件で運転されるように制御する第１運転条件制御手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、前記第２逆電流検出時に、前記内燃機関が、第２運転条件で運転されるように制御する第２運転条件制御手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、前記第１運転条件は、前記第２運転条件よりも、排気通路内の排気ガスの流量が多くなる運転条件であることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明において、前記第１運転条件は、前記第２運転条件よりも、前記内燃機関の吸入空気量が大きくなる運転条件であることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第５または第６の発明において、前記第１運転条件は、前記第２運転条件よりも、前記内燃機関の積算吸入空気量が大きくなる条件であることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、前記第１運転条件は、前記第２運転条件に比較して、排気通路内の酸素濃度が小さくなる運転条件であることを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、第８の発明において、前記第１運転条件は、前記第２運転条件よりも、排気ガス空燃比が燃料過多となる条件であることを特徴とする。
【００１７】
第１０の発明は、第９の発明において、前記第２運転条件は、排気ガス空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりも燃料不足となる条件となることを特徴とする。
【００１８】
第１１の発明は、空燃比センサの故障検出装置であって、
前記空燃比センサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路とは隔離された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、
前記大気側電極と前記排気側電極との間に、第１逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１逆電圧印加中に流れる逆電流である第１逆電流が検出されるように、前記逆電流検出手段を制御する第１逆電流検出制御手段と、
前記大気側電極と前記排気側電極との間に、前記第１逆電圧よりも小さな第２逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２逆電圧印加中に流れる逆電流である第２逆電流が検出されるように、前記逆電流検出手段を制御する第２逆電流検出制御手段と、
前記第１逆電流と前記第２逆電流との違いに基づいて、前記空燃比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。
【００１９】
第１２の発明は、空燃比センサの故障検出装置であって、
前記空燃比センサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路とは隔離された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、
前記大気側電極と前記排気側電極との間に、第１期間の間、逆電圧が印加されるように逆電圧の印加を制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１期間の経過時に流れる逆電流である第１逆電流が検出されるように、前記逆電流検出手段を制御する第１逆電流検出制御手段と、
前記大気側電極と、前記排気側電極との間に、前記第１期間よりも短い第２期間の間、逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２期間経過時に流れる逆電流である第２逆電流が検出されるように、前記逆電流検出手段を制御する第２逆電流検出制御手段と、
前記第１逆電流と前記第２逆電流との違いに基づいて、前記空燃比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。
【００２０】
第１３の発明は、第１から第１２のいずれかの発明において、
前記逆電流検出時に、前記空燃比センサの素子温度を検出する温度検出手段と、
前記逆電流検出時の素子温度に応じて、検出された逆電流を補正する逆電流補正手段と、を備え、
前記故障検出手段は、前記第１逆電流検出時の素子温度に応じて補正された第１補正逆電流を、前記第１逆電流として用い、前記第２逆電流検出時の素子温度に応じて補正された第２補正逆電流を、前記第２逆電流として用いて、前記空燃比センサの故障を検出することを特徴とする。
【００２１】
第１４の発明は、第１から第１３のいずれかの発明において、前記故障検出手段は、
前記第１逆電流の大きさに対する前記第２逆電流の大きさの割合である逆電流比を算出する逆電流比算出手段と、
前記逆電流比が、判定値よりも大きい場合に、前記空燃比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。
【００２２】
第１５の発明は、第１から第１４のいずれかの発明において、前記故障検出手段は、
前記第２逆電流の大きさから前記第１逆電流の大きさを減算して逆電流差を求める逆電流差算出手段と、
前記逆電流差が、判定値よりも大きい場合に、前記空燃比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。
【００２３】
第１６の発明は、空燃比センサの故障検出装置であって、
空燃比センサの大気側電極より排気側電極の電位が高くなるように両電極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空燃比センサの両電極間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
第１運転条件下で検出された第１逆電流と、前記第１運転条件とは異なる第２運転条件下で検出された第２逆電流との変化に基づいて、空燃比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空燃比センサの故障検出装置。
【００２４】
第１７の発明は、空燃比センサの故障検出装置であって、
空燃比センサの大気側電極より排気側電極の電位が高くなるように両電極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空燃比センサの両電極間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
空燃比センサの両電極間に、第１逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１逆電圧印加中に流れる逆電流である第１逆電流が、前記逆電流検出手段により検出されるように制御する第１逆電流検出制御手段と、
空燃比センサの両電極間に、前記第１逆電圧よりも小さな第２逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２逆電圧印加中に流れる逆電流である第２逆電流が、前記逆電流検出手段により検出されるように制御する第２逆電流検出制御手段と、
前記第１逆電流と前記第２逆電流との違いに基づいて、空燃比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。
【００２５】
第１８の発明は、空燃比センサの故障検出装置であって、
空燃比センサ大気側電極より排気側電極の電位が高くなるように両電極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空燃比センサの両電極間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
空燃比センサの両電極間に、第１期間の間、逆電圧が印加されるように逆電圧の印加を制御する第１逆電圧印加制御手段と、
前記第１期間の経過時に流れる逆電流である第１逆電流が、前記逆電流検出手段により検出されるように制御する第１逆電流検出制御手段と、
空燃比センサの両電極間に、前記第１期間よりも短い第２期間の間、逆電圧が印加されるように、逆電圧の印加を制御する第２逆電圧印加制御手段と、
前記第２期間経過時に流れる逆電流である第２逆電流が、前記逆電流検出手段により検出されるように制御する第２逆電流検出制御手段と、
前記第１逆電流と前記第２逆電流との違いに基づいて、空燃比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。
【発明の効果】
【００２６】
第１の発明によれば、逆電圧の印加に伴って大気側電極と排気側電極との間を流れる逆電流を異なる２つの運転条件下で検出し、２つの逆電流の変化に基づいて空燃比センサの故障が判定される。従って、空燃比センサの経時劣化等により出力のバラツキが生じている場合にも、確実に故障の検出を行うことができる。また、異なる各運転条件下で、それぞれ１度逆電流を検出すれば、故障の検出判定を行うことができる。従って、故障検出のために逆電圧印加に要する時間を短縮し、逆電圧印加により空燃比制御が停止となる状態を短くすることができる。
【００２７】
第２の発明によれば、内燃機関の運転条件が、第１運転条件を満たす状態である場合に、大気側電極と排気側電極との間に逆電圧が印加されて第１逆電流が検出され、第２運転条件を満たす状態であると認められた場合に、逆電圧が印加されて第２逆電流が検出されるように制御される。これにより、そのときの内燃機関の運転条件に従って、確実に逆電流の検出を行うことができ、より効率的に故障検出を行うことができる。
【００２８】
第３の発明によれば、内燃機関が第１運転条件で運転されるように制御される。従って、より確実に故障検出のための第１逆電流を検出することができ、迅速に空燃比センサの故障検出を行うことができる。
【００２９】
第４の発明によれば、内燃機関が第２運転条件で運転されるように制御される。従って、より確実に故障検出のための第２逆電流を検出することができ、迅速に空燃比センサの故障検出を行うことができる。
【００３０】
ここで、空燃比センサに故障が発生している場合、空燃比センサの大気層内に排気ガスが混入するが、その混入量は、排気通路内の排気ガスの流量が大きい場合には大きく、排気ガスの流量が小さい場合には小さい。つまり、空燃比センサに故障が発生している場合、大気層内の酸素濃度には、排気通路内の排気ガス流量に応じた差が生じることとなる。従って、故障が発生した空燃比センサに、排気ガスの流量が異なる条件下で逆電圧を印加して逆電流を検出すると、検出される逆電流には排気ガス流量に応じた差が生じることとなる。一方、空燃比センサに故障が生じていなければ、大気層内へは排気ガスが混入しない。従って、排気ガス流量が異なる条件下で逆電流を印加しても、検出される逆電流は常に大気の酸素濃度に応じた一定範囲内のものとなる。この点、第５から第７のいずれかの発明によれば、第２の運転条件を、第１の運転条件に比べて、大気層内に排気ガスの混入量が少ない条件とすることができる。従って、第２逆電流と第１逆電流とを比較することで、より確実に、空燃比センサの故障を検出することができる。
【００３１】
また、空燃比センサに故障が発生し、大気層内に排気ガスが混入している場合、混入した排気ガスによる大気層内の酸素濃度の変化は、混入した排気ガスの酸素濃度によって異なるものとなる。従って、故障が発生した空燃比センサに、排気ガスの酸素濃度が異なる条件下で逆電圧を印加して逆電流を検出すると、検出される逆電流には、排気ガスの酸素濃度に応じた差が生じることとなる。一方、空燃比センサに故障が生じていなければ、大気層内へは排気ガスが混入していない。従って、排気ガスの酸素濃度が異なる条件下で逆電流を印加しても、検出される逆電流は常に、大気層中の大気の酸素濃度に応じた一定の範囲内のものとなる。この点、第８から第１０のいずれかの発明によれば、第１の運転条件を、第２の運転条件に比較して、排気通路内の酸素濃度が小さくなる運転条件とすることができる。従って、この場合に検出される第２逆電流と第１逆電流とを比較することで、より確実に空燃比センサの故障を検出することができる。
【００３２】
また、故障した空燃比センサの大気層内では通常の大気に比べて酸素が少ない状態となっている。このため、故障した空燃比センサに強い逆電圧を印加すると、急激に酸素不足が起こり、これにより逆電流の絶対値は、正常な空燃比センサが発する逆電流に比べて顕著に小さくなる。また、逆電圧が小さい場合には酸素不足は起こりにくく、逆電流の絶対値は、逆電圧が大きい場合に比べて、正常な空燃比センサの発する逆電流に近い値となる。一方、正常な空燃比センサの大気層内は通常の大気の酸素濃度が保たれている。従って、強い逆電圧を印加した場合であっても酸素不足は起こりにくく、印加する逆電圧が大きい場合と小さい場合とで、検出される逆電流に大きな差が発生しない。この点、第１１の発明によれば、異なる大きさの逆電圧を印加して、それぞれの場合に検出される第１逆電流と第２逆電流との変化を比較することで、より確実に空燃比センサの故障を検出することができる。
【００３３】
また、故障した空燃比センサの大気層内では通常の大気に比べて酸素が少ない状態となっている。このため、故障した空燃比センサに長時間逆電圧を印加すると、酸素不足が顕著なものとなり、逆電圧の絶対値は顕著に小さくなる。一方、逆電圧の印加時間が短い場合には酸素不足とならず、逆電流の絶対値は、逆電圧の印加が長時間となる場合よりも、正常なセンサが発する逆電流に近い値となる。一方、正常な空燃比センサの大気層内は、通常の大気の酸素濃度に保たれている。従って、逆電圧の印加時間が短い場合であっても長い場合であっても、検出される逆電流に大きな差は発生しない。この点、第１２の発明によれば、異なる印加時間、逆電圧を印加して、それぞれの場合に検出される第１逆電流と第２逆電流との変化を比較することで、より確実に空燃比センサの故障を検出することができる。
【００３４】
また、空燃比センサの出力（逆電流）はセンサ素子の素子温度と相関を有し、素子温によるバラツキが生じる。この点、第１３の発明によれば、第１、第２逆電流を、各逆電流検出時の素子温度に応じて補正して、補正値に基づいて故障を判定する。従って、第１、第２逆電流検出時の素子温度によって生じる逆電流のバラツキ分を補正することができ、より確実に故障を検出することができる。
【００３５】
第１４、又は第１５の発明によれば、第１逆電流の大きさに対する第２逆電流の大きさの割合である逆電流比、または、第２逆電流の大きさから第１逆電流の大きさを減算した逆電流差を算出することにより、第１逆電流と第２逆電流との間に生じる変化を容易に判定することができる。
【００３６】
第１６の発明によれば、逆電圧の印加に伴って大気側電極と排気側電極との間を流れる逆電流を異なる２つの運転条件下で検出し、２つの逆電流の変化に基づいて空燃比センサの故障が判定される。従って、空燃比センサの経時劣化等により出力のバラツキが生じている場合にも、確実に故障の検出を行うことができる。また、異なる各運転条件下で、それぞれ１度逆電流を検出すれば、故障の検出判定を行うことができる。従って、故障検出のために逆電圧印加に要する時間を短縮し、逆電圧印加により空燃比制御が停止となる状態を短くすることができる。
【００３７】
また、故障した空燃比センサの大気層内では通常の大気に比べて酸素が少ない状態となっている。このため、故障した空燃比センサに強い逆電圧を印加すると、急激に酸素不足が起こり、これにより逆電流の絶対値は、正常な空燃比センサが発する逆電流に比べて顕著に小さくなる。また、逆電圧が小さい場合には酸素不足は起こりにくく、逆電流の絶対値は、逆電圧が大きい場合に比べて、正常な空燃比センサの発する逆電流に近い値となる。一方、正常な空燃比センサの大気層内は通常の大気の酸素濃度が保たれている。従って、強い逆電圧を印加した場合であっても酸素不足は起こりにくく、印加する逆電圧が大きい場合と小さい場合とで、検出される逆電流に大きな差が発生しない。この点、第１７の発明によれば、異なる大きさの逆電圧を印加して、それぞれの場合に検出される第１逆電流と第２逆電流との変化を比較することで、より確実に空燃比センサの故障を検出することができる。
【００３８】
また、故障した空燃比センサの大気層内では通常の大気に比べて酸素が少ない状態となっている。このため、故障した空燃比センサに長時間逆電圧を印加すると、酸素不足が顕著なものとなり、逆電圧の絶対値は顕著に小さくなる。一方、逆電圧の印加時間が短い場合には酸素不足とならず、逆電流の絶対値は、逆電圧の印加が長時間となる場合よりも、正常なセンサが発する逆電流に近い値となる。一方、正常な空燃比センサの大気層内は、通常の大気の酸素濃度に保たれている。従って、逆電圧の印加時間が短い場合であっても長い場合であっても、検出される逆電流に大きな差は発生しない。この点、第１８の発明によれば、異なる印加時間、逆電圧を印加して、それぞれの場合に検出される第１逆電流と第２逆電流との変化を比較することで、より確実に空燃比センサの故障を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００４０】
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。
【００４１】
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排気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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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１８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。
【００４７】
［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。
【００４８】
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（逆電圧印加手段）を用いたスイッチ回路とが接続されている。トランジスタ４０は、ポート３の状態に応じてＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り換える。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。
【００４９】
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。
【００５０】
エンジンコンピュータ３０は、更に、ADC2ポート（逆電流検出手段）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、センサ素子に流れる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の排気側電極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。
【００５１】
［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。逆電圧印加中の逆電流は、大気層１８内部の酸素濃度と相関を有する値となる。
【００５２】
ここで、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５０（以下「クラック」とする）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、上記クラック５０が生じた状態を示している。
【００５３】
空燃比センサ１０にクラックが生じていると、排気通路の内圧が大気層１８の圧力より高い状態において、排気通路内を流通する排気ガスが、クラックを伝って大気層１８内部に浸入する事態が生ずる。その結果、大気層１８内部の酸素濃度は、既燃ガスを含む排気ガスが混入することにより、クラックが存在しない場合に比して低下することとなる。
【００５４】
空燃比センサ１０を流れる逆電流は、上記の通り、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にクラックが存在し大気層１８内に排気ガスが混入している場合は、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、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にクラックが生じているか否かを判定することができる。
【００５５】
［逆電流の基準値に基づく異常検出の困難性］
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。例えば、逆電圧の印加時は、大気側電極２２の表面で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。ここで排気側電極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、この速度に律せられることとなり、拡散抵抗層２６の経時劣化等による影響を受け、バラツキを生じることになる。
【００５６】
また、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。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るため、逆電流は、印加電圧に応じた値となる。より具体的には、逆電流は、空燃比センサ１０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、空燃比センサ１０の内部抵抗によりバラツキを生じることになる。また、センサの内部抵抗は、空燃比センサ１０の素子温度の変化に伴って変化するため、言い換えると、逆電流は素子温度によりバラツキを生じることとなる。
【００５７】
ところで、クラックの影響による逆電流の低下量がどの程度であるかは、排気ガス中の既燃ガスがどの程度大気層１８に混入するかにより決せられる。つまり、発生したクラックが微小であり、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、クラックの生じた空燃比センサ（以下「異常センサ」とする）を流れる逆電流と、正常な空燃比センサ（以下「正常センサ」とする）を流れる逆電流との間にさほど大きな差が生じない。このような場合には、低温時、すなわち空燃比センサの内部抵抗が大きい場合の正常センサを流れる逆電流と、高温時、すなわち空燃比センサの内部抵抗が小さい場合に異常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。
【００５８】
更に、逆電流には、上記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、クラック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クラックの有無を高い精度で判断することは、必ずしも容易ではない。
【００５９】
［逆電流を用いた異常検出の好適化］
ところで、大気層１８に通じるクラックが生じている場合、大気層１８に混入する既燃ガスの濃度は、排気通路を流れる排気ガスの圧力や、排気ガス中の既燃ガスの濃度に応じて変化する。図３及び図４は、異常センサから検出される逆電流と、正常センサから検出される逆電流とを表すグラフであり、図３は排気通路中の排気ガスの圧力が小さい場合を表し、図４は圧力が大きい場合を表している。また図３及び図４において縦軸は電流の値を表している。また、図３及び図４において実線は正常センサのセンサ電流を表し、点線は異常センサのセンサ電流を表している。
【００６０】
排気ガスの圧力が小さい場合、空燃比センサにクラックが生じていても、既燃ガスを含む排気ガスの大気層１８への浸入量は微量なものとなる。従って、図３に示すように、異常センサの逆電流と、正常センサの逆電流との間に大きな差は生じず、ほぼ同じ値の逆電流が検出されることとなる。つまり、排気ガスの圧力が小さく、正常センサと異常センサとの逆電流の値に大きな差が生じない場合の逆電流の値は、その空燃比センサが正常な場合に出力する逆電流、すなわち大気中の酸素濃度に対応する逆電流に近い値と考えることができる。
【００６１】
一方、排気通路を流れる排気ガスの圧力が高い場合、異常センサにおいては、排気ガスの圧力が低い場合に比して多量の排気ガスが大気層１８に浸入する。従って、異常センサの大気層１８内の既燃ガス濃度が高くなり、酸素濃度が小さくなる。このため、異常センサの逆電流の絶対値は、図４に示すように、正常センサの逆電流に比べて大幅に小さな値となる。
【００６２】
つまり、空燃比センサにクラックが発生していなければ、大気層１８内は確実に隔離され、大気の酸素濃度に保たれている。このため、排気通路内の圧力の高低に関わらず、正常センサが発する逆電流はほぼ一定となる。一方、空燃比センサにクラックが発生している場合、大気層１８内に排気ガスが浸入するが、排気ガスの混入量が排気ガスの圧力によって異なるものとなる。このため、異常センサにおいては、大気層１８内の酸素濃度が、排気ガスの濃度に応じて変化することとなり、排気ガスの圧力に応じて逆電流の値も変化することとなる。
【００６３】
従って、本実施の形態１のシステムでは、排気ガスの圧力が大きい場合と小さい場合でそれぞれ逆電流を検出する。その結果、その逆電流の変化が大きい場合には、大気層１８内に排気ガスが混入していると考えられることから、空燃比センサにクラックが発生しているものと判断する。一方、逆電流の変化が小さい場合には、大気層１８内に排気ガス混入による影響が発生していないと考えられることから、空燃比センサは正常であると判断する。
【００６４】
具体的に、本実施の形態１では、排気ガスの圧力が大きくなる運転条件１と、排気ガスの圧力が小さくなる運転条件２とを、以下のように設定する。
(運転条件１)  加速運転中であり、具体的に吸入空気量GA＞30(g/sec)であり、かつエンジン回転数＞3000(rpm)であること。
(運転条件２)  アイドル運転中であり、具体的に吸入空気量GA＜5(g/sec)、かつエンジン回転数＜1000(rpm)であること、又は燃料カット中であること。
【００６５】
以上のように設定された運転条件１、運転条件２のそれぞれを満たす運転条件下で、逆電圧を印加した場合に空燃比センサから検出される第１逆電流Ｉ１、第２逆電流Ｉ２をそれぞれ検出する。そして、第１逆電流Ｉ１の大きさ（Ｉ１の絶対値）の第２逆電流Ｉ２の大きさ（Ｉ２の絶対値）に対する変動量に基づいて、クラックの有無を判断する。具体的には、第２逆電流Ｉ２の、第１逆電流Ｉ１に対する割合である逆電流比と、第１逆電流Ｉ１と第２逆電流Ｉ２との差である逆電流差を求めて、これらの値のいずれかが判定値(ここでは1.1と0.5)よりも大きい場合に、クラックが発生したものと判断する。すなわち、以下の検出条件１もしくは検出条件２を満たした場合に、クラックの発生が検出される。
(検出条件１)  逆電流比（＝第２逆電流Ｉ２／第１逆電流Ｉ1）＞1.1
(検出条件２)  逆電流差（＝第１逆電流Ｉ１−第２逆電流Ｉ２）＞0.5
【００６６】
なお、ここでは判定値として、「1.1」、「0.5」を例示したが、この判定値は、実際には、加速の度合い等の運転条件や、どの程度のクラックまでを検出するか等によって変化する。つまり、例えば、運転条件１と運転条件２の差が小さく設定され、両者間で異常センサの大気層１８に浸入する排気ガス量に大きな差が生じないような場合には、判定値は小さな値とされる。また、例えば、発生したクラックが小さい程、大気層１８に浸入する排気ガスの量は少なくなる。従って、微小な大きさのクラックまで確実に検出する場合には、これらの判定値は小さな値とされ、ある程度大きなクラックのみを検出する場合には判定値は大きな値とされる。
【００６７】
[空燃比センサの素子温に応じた出力補正]
空燃比センサ１０の出力は、上記のように内部抵抗の変化、すなわち空燃比センサの温度変化によっても大きく変動する。図５は、空燃比センサの素子温に対する逆電圧印加時の逆電流との関係を説明するためのグラフである。図５において横軸は素子温(℃)を表し、縦軸は逆電流(mA)を表している。正常センサに同じ状態で逆電圧を印加する場合であっても、図５に示すように、その素子温が低い場合には、逆電流の絶対値は小さくなり、素子温が高いほど逆電流の絶対値が大きくなる。上記のように本実施の形態１においては、２つの異なる運転条件下での第１逆電流Ｉ１、第２逆電流Ｉ２を検出し、両者を比較することによりクラックを判定する。しかし、この２つの逆電流Ｉ１、Ｉ２の検出時において、空燃比センサ１０の素子温が異なっている場合、その出力に異なる影響を与える場合が考えられる。このような場合、逆電流Ｉ１、Ｉ２の両者を比較しても、正確なクラックの検出を行うことが困難となる。
【００６８】
このため、実施の形態１においてクラック発生の有無の判断する場合には、検出した第１逆電流Ｉ１、第２逆電流Ｉ２の値を、図５に示す関係に基づいて、それぞれ検出時の素子温に応じて補正して、この補正後の第１補正逆電流ｉ１及び第２補正逆電流ｉ２をクラック発生の有無の判断に用いることとする。すなわち、上記の検出条件１、２の成立、非成立の判断において、逆電流比、逆電流差を求める際には、第１、第２補正逆電流ｉ１、ｉ２を用いることとする。
【００６９】
なお、逆電流は、素子温が低いほど絶対値の小さな値（すなわち、よりゼロに近い大きな値）になることから、検出された逆電流に対する補正値は、素子温が高いほど大きくなっている。本実施の形態１のシステムには、図５に示すような関係に基づいて定められた、素子温をパラメータとする補正値のマップが予め記憶されている。クラック検出の処理においては、検出された素子温に応じて、このマップに従って逆電流に対する補正値が決定される。
【００７０】
[本実施の形態１の制御のルーチン]
図６は、本発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図６に示すルーチンは内燃機関の運転中に所定のタイミングで実行されるルーチンである。図６に示すルーチンにおいては、まず、空燃比センサのクラックを検出する前提となるクラック検出条件が成立しているか否かが判定される（ステップＳ１０２）。具体的には、空燃比センサ１０が活性済みであるか、水温が７５度以上になっているか、触媒温度が５００℃以上になっているか等、空燃比センサ１０が正常な出力を発する環境が整っているか等が判定される。ステップＳ１０２においてクラック検出条件の成立が認められない場合、クラック検出条件の成立が認められるまで、クラック検出条件の成立の判定が繰り返し実行される。
【００７１】
ステップＳ１０２においてクラック検出条件の成立が認められた場合、次に、第１検出済フラグがＯＦＦであるか否かが判定される（ステップＳ１０４）。このルーチンにおいて、第１検出済フラグは、後述する処理により、運転条件１下において第１逆電流Ｉ１が検出され、かつ、運転条件２下において第２電流Ｉ２が未だ検出されていない場合にのみ、ＯＮ状態とされるフラグである。ステップＳ１０４において、第１検出済フラグ＝ＯＦＦの成立が認められた場合、今回のクラック検出では未だ第１逆電流Ｉ１が検出されていないと判断できる。従って、次に、ステップＳ１０６において、上記の運転条件１が成立しているか否かが判定される。運転条件１は排気ガスの圧力が大きくなる条件である。具体的に、運転条件１の成立/非成立は、吸入空気量GA＞30(g/sec)、エンジン回転数＞3000(rpm)等の所定の第１運転条件が成立するか否かに基づいて判定される。
【００７２】
ステップＳ１０６において、運転条件１の成立が認められると、まず空燃比センサ１０の第１素子温Ｔ１が検出される（ステップＳ１０８）。第１素子温Ｔ１は、例えば、空燃比センサ１０の両電極間に所定の電圧を印加した場合に検出される、センサ素子のインピーダンスに基づいて求めることができる。次に、逆電圧の印加が実行される（ステップＳ１１０）。ここでは、上記したように、エンジンコンピュータ３０によりポート３がＯＮ状態に切り替えられることにより、空燃比センサ１０の両電極間に0.4V程度の逆電圧が印加される。次に、逆電圧が印加された状態で、運転条件１における第１逆電流Ｉ１が検出される（ステップＳ１１２）。センサ素子に流れる第１逆電流Ｉ１は、エンジンコンピュータ３０によりADC2ポートの電位が取り込まれ、この取り込まれた電位により求められる。その後、第１検出済フラグ＝ＯＮとされる（ステップＳ１１４）。その後このルーチンでは、後述するステップＳ１２８の処理に進む。
【００７３】
一方、ステップＳ１０４において、第１検出済フラグ＝ＯＦＦの成立が認められなかった場合、及びステップＳ１０６において、運転条件１の成立が認められなかった場合には、次にステップＳ１１６において、第２検出済フラグがＯＦＦとなっているか否かが判定される。第２検出済フラグは、後述する処理により、運転条件２での第２逆電流Ｉ２の検出がされた場合、かつ今回のクラック検出の処理では未だ第１逆電流Ｉ１の検出が行われていない場合に限りＯＮ状態とされるフラグである。ステップＳ１１６において第２検出済フラグ＝ＯＦＦの成立が認められない場合には、再びステップＳ１０２に戻り、クラック検出条件の成立が判定される。
【００７４】
一方、ステップＳ１１６において第２検出済フラグ＝ＯＦＦの成立が認められると、次に、運転条件２が成立しているか否かが判定される（ステップＳ１１８）。運転条件２は排気ガス圧が小さくなる条件である。具体的には、上記運転条件２に挙げたように、アイドル運転中（GA＜5(g/sec)）かつエンジン回転数＜1000(rpm)であるか、あるいは、燃料カット中であるかに基づいて、運転条件２の成立が判定される。ステップＳ１１８において運転条件２の成立が認められない場合には、再びステップＳ１０２に戻り、クラック検出条件の成立が判定される。
【００７５】
一方、ステップＳ１１８において、運転条件２の成立が認められると、次に、空燃比センサ１０の第２素子温Ｔ２が検出される（ステップＳ１２０）。第２素子温Ｔ２は、ステップＳ１０８と同様に、空燃比センサ１０の両電極間に所定の電圧を印加した場合に検出される、センサ素子のインピーダンスに基づいて求めることができる。次に、逆電圧が印加される（ステップＳ１２２）。ここではステップＳ１１０と同様に、エンジンコンピュータ３０によりポート３がＯＮ状態とされることにより、0.4V程度の逆電圧が印加される。次に、逆電圧が印加された状態で、運転条件２における第２逆電流Ｉ２が検出される（ステップＳ１２４）。その後、第２検出済フラグ＝ＯＮとされる（ステップＳ１２６）。
【００７６】
次に、第１検出済フラグ及び第２検出済フラグが共にＯＮとなっているか否かが判定される（ステップＳ１２８）。ステップＳ１２８において両フラグが共にＯＮとなっていることが認められない場合には、再びステップＳ１０２に戻って、クラック検出条件が成立しているか否かの判定が行われる。一方、ステップＳ１２８において、第１及び第２検出済フラグが共にＯＮとなっていることが認められると、クラック検出に必要な第１逆電流Ｉ１及び第２逆電流Ｉ２のいずれもが検出されたと判断できるため、次に、第１逆電流Ｉ１の補正が行われ、補正後の第１補正逆電流ｉ１が算出される（ステップＳ１３０）。具体的には、エンジンコンピュータ３０に予め記憶されたマップに従って、第１逆電流Ｉ１検出時の第１素子温Ｔ１に応じた補正値が求められ、この補正値に従って、第１逆電流Ｉ１が補正され、補正後の第１補正逆電流ｉ１が求められる。次に、第２逆電流Ｉ２が補正され、補正後の第２補正逆電流ｉ２が算出される（ステップＳ１３２）。具体的には、第２逆電流Ｉ２検出時の第２素子温Ｔ２に応じた補正値が算出され、この補正値に従って、第２逆電流Ｉ２が補正され、補正後の第２補正逆電流ｉ２が求められる。
【００７７】
次に、上記検出条件１、２のいずれかが成立するか否かが判定される（ステップＳ１３４）。具体的には、ステップＳ１３０、Ｓ１３２においてそれぞれ求められた第１、第２補正逆電流ｉ１とｉ２に基づいて、逆電流比(ｉ２/ｉ１)と逆電流差(ｉ１-ｉ２)が求められ、逆電流比＞1.1または逆電流差＞0.5が成立するか否かが判定される。ステップＳ１３４において、逆電流比＞1.1または逆電流差＞0.5の成立が認められた場合、空燃比センサ１０にクラックが発生していることが判定される（ステップＳ１３６）。空燃比センサ１０のクラック発生が認められると、空燃比センサ１０に基づく空燃比制御が中止されるなど、所定の処置が実行される。例えば、所定の処置においては、車両のドライバーにディスプレイやランプにより空燃比センサの異常を知らせ、この異常をエンジンコンピュータ内の不揮発性メモリに記憶するとともに、空燃比センサによる空燃比検出を停止して、空燃比フィードバック制御によらない退避走行用のエンジン制御に切り替える処理を行う等の構成とすることができる。
【００７８】
一方、ステップＳ１３４において、逆電流比＞1.1及び逆電流差＞0.5の条件が共に成立しないと判断される場合には、空燃比センサ１０は正常センサであるものと判定される（ステップＳ１３８）。その後、第１及び第２検出済フラグが共にＯＦＦとされ（ステップＳ１４０）、この処理が終了する。
【００７９】
以上説明したように、本実施の形態１においては、排気ガスの圧力あるいは濃度が小さく、クラックが生じていても大気層１８側への排気ガスの浸入量が小さい場合の第２逆電流と、排気ガスの圧力あるいは濃度が大きく、クラックが生じている場合に大気層１８への排気ガスの浸入量が大きい場合の第１逆電流とを比較することにより、クラックを検出する。従って、空燃比センサ１０の経時変化により空燃比センサの出力にバラツキが生じている場合や、運転条件等の違いによってセンサの出力にバラツキが生じる場合などにも適応して、確実に空燃比センサ１０のクラックを検出することができる。
【００８０】
また、空燃比センサ１０による排気空燃比の検出は、空燃比センサ１０に正電圧が印加されている場合にのみ実行することができる。従って、逆電圧印加時には空燃比の検出を行うことができず、空燃比フィードバック制御が停止されることとなる。しかし、本実施の形態１において、空燃比センサ１０のクラック検出のため逆電圧を印加するのは、第１逆電流Ｉ１、第２逆電流Ｉ２を測定する際の短時間の間である。従って、空燃比フィードバック制御を実行できない時間を短時間とすることができる。
【００８１】
また、本実施の形態１においては、逆電流比又は逆電流差が判定値(1.1、0.5)以上である場合にクラックが発生したものと判断する場合について説明した。しかしながら、クラック発生の判定は、逆電流比あるいは逆電流差に基づくものでなくてもよく、第１、第２逆電流Ｉ１、Ｉ２を他の手法により比較して、その変動を検出し、空燃比センサ１０のクラックを判定するものであってもよい。
【００８２】
また、本実施の形態１においては、クラックをより正確に検知するため、検出した第１、第２逆電流Ｉ１、Ｉ２を、素子温に応じて補正する場合について説明した。しかし、本発明においては、必ずしも素子温に応じた補正を行うものでなくてもよい。また、素子温の検出方法として、インピーダンスを測定してこれに基づいて素子温を検出する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、他の手法により素子温を検出するものであってもよい。
【００８３】
なお、例えば、実施の形態１において、ステップＳ１０６が実行されることにより、この発明の「第１判別手段」が実現し、ステップＳ１１０が実行されりことにより「第１逆電圧印加制御手段」が実現し、ステップＳ１１２が実行されることにより「第１逆電流検出制御手段」が実現し、ステップＳ１１８が実行されることにより「第２判別手段」が実現し、ステップＳ１２２が実行されることにより「第２逆電圧印加制御手段」が実現し、ステップＳ１２４が実行されることにより「第２逆電流検出手段」が実現し、ステップＳ１３４〜Ｓ１３８が実行されることにより「故障検出手段」及び「逆電流比算出手段」、「逆電流差算出手段」及び「故障判定手段」が実現し、ステップＳ１０８又はステップＳ１２０が実行されることにより「温度検出手段」が実現し、ステップＳ１３０又はステップＳ１３２が実行されることにより「逆電流補正手段」が実現される。
【００８４】
実施の形態２．
実施の形態２の装置が搭載された空燃比センサ及びその周辺のシステム構成は、図１、図２と同じものである。実施の形態２の装置が行うクラック検出の制御は、逆電流を検出する際に、異なる２つの運転条件として、吸入空気量及び積算吸入空気量が大きくなる条件と、小さくなる条件とを設定する点を除いて実施の形態１のシステムと同一の制御を行う。
【００８５】
図７は、正常センサと異常センサに逆電圧を印加した場合の電流の変化を説明するための図である。図７において実線(a)は正常センサの出力（逆電流）を示し、点線(b)は吸入空気量が小さい場合の異常センサの出力を示し、点線(c)は吸入空気量が大きい場合の異常センサの出力を示している。
【００８６】
内燃機関の吸入空気量GAが小さい場合、排気ガス量も小さくなるため、排気通路の排気ガスの圧力が小さくなる。このため、大気層１８に浸入する排気ガス量は少なく、排気ガス中の既燃ガスによる大気層１８内の酸素濃度の低下は僅かなものとなる。従って、吸入空気量GAが小さい場合に異常センサに逆電圧を印加すると、異常センサに流れる逆電流は、図７(b)に示すように、正常センサの場合の出力（図７の実線(a)）に近い、すなわち、大気の酸素濃度に応じた出力に近いものとなる。
【００８７】
一方、吸入空気量GAが大きくなると、排気ガス量が多くなり排気通路内の圧力が大きくなる。従って、空燃比センサにクラックが発生している場合には、その大気層１８に浸入する排気ガス量が多くなり、排気ガス中の既燃ガスにより大気層１８内の酸素濃度が低下することとなる。従って、吸入空気量GAが大きい場合に異常センサに逆電圧を印加すると、異常センサに流れる逆電流の大きさは、図７(c)に示すように、吸入空気量GAが小さい場合に比べて、小さくなる（つまり、絶対値が小さな値となる）。
【００８８】
これに対して、正常センサにおいては、大気層１８への排気ガスの浸入がないため、大気層１８内の酸素濃度は吸入空気量GAが変化しても変化することはない。従って、図７の実線(a)に示すように、正常センサに逆電圧を印加すると、常に大気の酸素濃度に応じた一定の範囲内の逆電流を発する。
【００８９】
従って、空燃比センサ１０のクラックの有無の判定は、内燃機関の吸入空気量GAが大きい場合と小さい場合とで、それぞれ空燃比センサに逆電圧を印加して検出される逆電流が所定以上に変化するか否かに基づいて判定することができる。
【００９０】
具体的に、実施の形態２では、内燃機関の吸入空気量GAが第１規定量GA1以上の場合と、吸入空気量GAが第２規定量GA2以下の場合の各運転条件下で、逆電圧を印加して、第１逆電流Ｉ１、第２逆電流Ｉ２をそれぞれ検出する。そして、第１逆電流Ｉ１と第２逆電流Ｉ２との間で、電流の大きさの変化が小さい場合には、空燃比センサ１０が正常と判定され、変化が大きい場合には、クラックが発生していると判断される。ここで、第１規定量GA1は、排気ガスの圧力が十分に大きくなり、クラックが発生したセンサの大気層１８内に排気ガスが浸入する程度の圧力となる値であり、予め実験等により定められる。また、第２規定量GA2は、排気ガスの圧力が十分に小さいために、クラックが発生していても大気層内に浸入する排気ガスが少なくなるような量であり、予め実験等によって定められて、コンピュータ３０に記憶されている。
【００９１】
ここで、大気層１８は大気層形成部材１６の大気孔を介して大気に解放されている。従って、排気ガスが大気層１８内に浸入可能な圧力を有する場合に、その圧力に達してからの経過時間が長くなると、異常センサの大気層１８内の排気ガス混入による酸素濃度低下量がある程度安定したものとなる。また、排気ガスが高い圧力下で異常センサの大気層１８内の酸素濃度が低下した状態から、大気層１８内に浸入可能な圧力を有さない低い圧力状態に変化すると、徐々に大気層１８が大気に置換され、混入する排気ガスの影響の小さい状態に安定させることができる。従って、実施の形態２では、吸入空気量GAを異なる吸入空気量とした場合に、その吸入空気量GA下での経過時間が、規定時間以上となるようにする。ここで、規定時間は、その吸入空気量における排気ガスの大気層１８への浸入量が、大気層１８内で安定したものとなる時間であり、予め実験等により定められて、コンピュータ３０に記憶されている。
【００９２】
以上より、実施の形態２では、逆電流を検出する条件を以下の運転条件１、運転条件２とする。
（運転条件１）  吸入空気量GAが第１規定量GA1以上であり、第１規定量GA1以上となってから、規定時間以上経過していること。
（運転条件２）  吸入空気量GAが第２規定量GA2以下であり、第2規定量GA2以下となってから、規定時間以上経過していること。
【００９３】
実施の形態２の装置では、上記のように定められた２つの運転条件１、２下で、実施の形態１と同様に逆電流Ｉ１，Ｉ２が検出されると、その電流は温度により補正される。その後、補正逆電流ｉ１、ｉ２に基づいて、逆電流比（ｉ２/ｉ１）及び逆電流差（ｉ１−ｉ２）が求められ、これらが上記の検出条件１または２を満たしているか否かに従って、クラックの有無が判断される。
【００９４】
図８はこの発明の実施の形態２において、エンジンコンピュータ３０が実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図８のルーチンは、図６のルーチンのステップＳ１０２とＳ１２８との間に、Ｓ１０４〜Ｓ１２６に代えて、ステップＳ２０２〜Ｓ２２８の処理が実行される点を除いて、図６のルーチンと同じものである。
【００９５】
具体的に、図８のルーチンでは、クラック検出条件の成立が認められると（ステップＳ１０２）、まず、第２検出済みフラグがＯＦＦとなっているか否かが検出される（Ｓ２０２）。第２検出済みフラグは後述する処理により、運転条件２下において第２電流Ｉ２が検出され、かつ、運転条件１下で第１逆電流Ｉ１が未だ検出されていない場合にのみＯＮ状態とされるフラグである。
【００９６】
ステップＳ２０２において第２検出済みフラグがＯＦＦであることが認められると、第２逆電流Ｉ２の検出のための制御が行われる。すなわち、まず、現在の吸入空気量GAが、第2規定量GA2以下に制御される（ステップＳ２０４）。吸入空気量GAは、内燃機関の吸気通路側に配置されたスロットルバルブの開度を制御することにより、第2規定量GA2に制御される。
【００９７】
次に、運転条件２が成立したか否かが判定される（ステップＳ２０６）。具体的には、吸気通路に配置されたエアフロメータの出力に基づいて、吸入空気量GAが第2規定量GA2以下となっているか否か、及び、吸入空気量GAが第2規定量GA2以下とされた後、規定時間以上の時間が経過したか否かが判定され、両者が満たされた場合にのみ、運転条件２の成立が認められる。ステップＳ２０６において、運転条件２の成立が認められない場合には、運転条件２の成立が認められるまで、吸入空気量GAを第2規定量GA2以下とする制御が維持される（ステップＳ２０４）。
【００９８】
一方、ステップＳ２０６において運転条件２の成立が認められた場合には、現在の素子温Ｔ２が検出され、記憶される（ステップＳ２０８）。素子温Ｔ２は、例えば、直接温度センサを設置して、あるいはセンサ素子のインピーダンスを検出する等の手段によって検出される。次に、第２検出済みフラグがＯＮとされる（ステップＳ２１０）。これにより、今回のクラック検出処理以降、フラグがＯＦＦとされるまでの間、運転条件２下での第２逆電流Ｉ２の検出がなされたことが示される状態となる。
【００９９】
次に、逆電圧が印加される（ステップＳ２１２）。逆電圧は、トランジスタ４０がＯＮ状態に制御されることで負極端子３４の電位が陽極端子３２よりも大きくなるように設定されて、印加される。この状態で、第２逆電流Ｉ２が検出される(ステップＳ２１４)。その後、ステップＳ１２８の処理に進む。
【０１００】
一方、ステップＳ２０２において、第２検出済みフラグがＯＮであると判別されると、次に、第１検出済みフラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（ステップＳ２１６）。第１検出済みフラグは、後述する処理において、第１逆電流Ｉ１検出時に運転条件１が成立した場合にＯＮとされるフラグであり、図８のルーチンにおいては、第１逆電流Ｉ１が検出され、かつ第２逆電流Ｉ２が未だ検出されてない状態でのみＯＮ状態となっている。ステップＳ２１６において、第１検出済みフラグがＯＦＦとなっていることが認められない場合には、今回の処理は終了する。
【０１０１】
一方、ステップＳ２１６において第１検出済みフラグがＯＦＦであることが認められると、次に、吸入空気量GAが、第１規定量GA1以上となるように制御される（ステップＳ２１８）。吸入空気量GAは、第1規定量GA1に対応した開度にスロットルバルブが制御されることで制御される。吸入空気量GAが第1規定量GA1に達すると、空燃比センサ１０の大気層１８に通じるクラックが発生している場合には、そのクラックから排気ガスが大気層１８に多く浸入している状態となる。
【０１０２】
次に、運転条件１が成立したか否かが判別される（ステップＳ２２０）。具体的に、現在の吸気量GAが第１規定量GA1以上となっているか否かが判別される。また、同時に吸入空気量GAを第1規定量GA1に制御し始めてからの経過時間が、規定時間以上となっているか否かが判別される。この両者が満たされた場合に、運転条件１の成立が認められる。ステップＳ２２０において運転条件１の成立が認められない場合には、運転条件１の成立が認められるまで、吸入空気量GAの制御が続けられる。
【０１０３】
一方、運転条件１の成立が認められた場合には、第１逆電流Ｉ１検出時の素子温Ｔ１が検出される（ステップＳ２２２）。次に、第２条件検出済みフラグがＯＮとされる（ステップＳ２２４）。次に、逆電圧が印加されて（ステップＳ２２６）、第１逆電流Ｉ１が検出される（ステップＳ２２８）。
【０１０４】
ステップＳ２２８において、第１逆電流Ｉ１あるいは第２逆電流Ｉ２が検出された後、図６のステップＳ１２８〜Ｓ１４０において説明したのと同様に、逆電流Ｉ１，Ｉ２の双方が検出されたことが認められると、逆電流Ｉ１、Ｉ２の素子温に応じた補正が行われ、補正逆電流ｉ１、ｉ２に基づいて、クラックの検出が行われる。
【０１０５】
以上説明したように、実施の形態２によれば、吸入空気量が大きい場合と小さい場合とで、排気ガスの大気層１８への浸入量が異なることから、吸入空気量が大きい運転条件１下と小さい運転条件２下とで、検出される逆電流が変化するか否かに基づいて、その空燃比センサ１０の大気層１８に排気ガスの浸入が発生していること、すなわち、クラックが発生していることを判定することができる。従って、空燃比センサの出力変化に基づいてクラックの判定がなされるため、例えばセンサ素子の経時劣化等、空燃比センサごとのバラツキが生じている場合や、その他、空燃比センサの出力にバラツキを生じさせるような要因が重畳している場合であっても、より高精度にクラックの検出を行うことができる。
【０１０６】
なお、実施の形態２では、運転条件１を、吸入空気量が第１規定量GA1以上かつ規定時間以上経過していること、とし、運転条件２を、吸入空気量が第2規定量GA2以下かつ規定時間異常経過していること、としたが、この発明において、運転条件１，２はこれに限るものではない。例えば、規定時間の経過がない場合であっても、排気通路内の排気ガス圧力が大きい場合には、異常センサにおいては、ある程度大気層１８内に酸素濃度の低下が起きているものと考えられる。従って、単に吸入空気量のみを運転条件として設定するものであってもよい。
【０１０７】
また、排気通路内が、排気ガスが異常センサの大気層１８内に浸入する程度の圧力となっている場合、その状態の排気ガスに異常センサが晒されている時間が長くなり、積算吸入空気量ΣGAが大きくなると、排気通路側から大気層１８内への排気ガスの浸入量が多くなり、大気層１８内の酸素濃度は低下する。一方、排気ガスの圧力が高い場合でも、排気ガスに異常センサが晒された時間が短く、積算吸入空気量ΣGAが小さい場合、大気層１８内に浸入する排気ガス量は微小であるため、大気層１８内の酸素濃度の低下は僅かとなる。従って、下記の運転条件１ａ、２ａを満たす運転条件下で、逆電流Ｉ１、Ｉ２を検出して、両者を比較することによっても、同様に、空燃比センサのクラックを検出することができる。
【０１０８】
（運転条件１ａ）  吸入空気量GAが規定量以上であり、規定量以上となってからの経過時間が第１規定時間以上であること。
（運転条件２ａ）  吸入空気量GAが規定量以上であり、規定量以上となってからの経過時間が第２規定時間以下であること。
ここで、第１規定時間は、吸入空気量GA下で、クラックから排気ガスが大気層１８内に十分に浸入させる時間であり、第２規定時間は、吸入空気量GA下で、クラックが発生していても、排気ガスの浸入量が微量であり、逆電流Ｉ２への影響が微小な程度の範囲内となる短い時間である。これらの規定時間は、これらの運転条件下で検出される異常センサの逆電流に異常を示す明確な差が出るように考慮して、実験等により、予め設定される値である。
【０１０９】
また、実施の形態２では、運転条件１、運転条件２の吸入空気量をそれぞれ強制的に制御する場合について説明した（ステップＳ２０４、Ｓ２１８）。しかし、この発明においては、これに限るものではなく、クラック検出指令が出された後、運転条件１、運転条件２として設定された吸入空気量を満たすような運転状態となった時に、クラック検出を行うようにするものであってもよい。また、例えば運転条件２が満たされる運転状態となった時に第２逆電流を検出しておいて、運転条件１のみを強制的に制御するようにしてもよく、あるいはその逆を行ってもよい。
【０１１０】
なお、実施の形態２において、例えば、ステップＳ２１８が実行されることにより、この発明の「第１運転条件制御手段」が実現し、ステップＳ２２０が実行されることにより「第１判別手段」が実現し、ステップＳ２２６が実行されることにより「第１逆電圧印加制御手段」が実現し、ステップＳ２２８が実行されることにより「第１逆電流検出制御手段」が実現し、ステップＳ２０４が実行されることにより、「第２運転条件制御手段」が実現し、ステップＳ２０６が実行されることにより、「第２判別手段」が実現し、ステップＳ２１２が実行されることにより「第２逆電圧印加制御手段」が実現し、ステップＳ２１４が実行されることにより「第２逆電流検出制御手段」が実現し、ステップＳ２０８又はＳ２２２が実行されることにより「素子温検出手段」が実現する。
【０１１１】
実施の形態３．
実施の形態３の装置が搭載される空燃比センサ及びその周辺のシステム構成は、図１、図２と同じものである。実施の形態３の装置が行うクラック検出の制御は、異なる運転条件１、２として空燃比が燃料リッチとなる条件と、燃料リーンまたは理論空燃比となる条件とを設定する点を除いて、実施の形態２のシステムと同一の制御を行う。
【０１１２】
図９は、逆電圧を印加した場合の正常センサと異常センサとに流れる逆電流を表す図である。図９において、実線(a)は正常センサの逆電流、すなわち大気の酸素濃度に対する逆電流を表している。また点線(b)は、排気ガスが燃料リーンである場合を示し、点線(c)は、排気ガスが燃料リッチである場合を示している。
【０１１３】
図９の点線(b)に示すように、排気ガスが燃料リーン、すなわち排気ガスの酸素濃度が比較的高い場合、異常センサに逆電圧を印加しても、検出される逆電流は正常センサとほぼ同一の出力を発する。これは、排気ガスが燃料リーンな状態においては、クラックが発生して大気層１８内に排気ガスが浸入していても、その排気ガスによる大気層１８内の酸素濃度の低下が小さいからである。
【０１１４】
一方、図９の点線(c)に示すように、排気ガスが燃料リッチ、すなわち排気ガスが酸素不足な状態となると、異常センサに逆電圧を印加した場合に検出される逆電流の絶対値は、正常センサに流れる逆電流に比べて小さなものとなる。これは、異常センサのクラックから排気ガスが浸入しており、混入した排気ガスの燃料濃度が濃いために大気層１８内の酸素濃度が低下しているためである。
【０１１５】
従って、実施の形態３では、下記のように、運転条件１、運転条件２を設定して、その両者の条件下で、逆電流を検出する。
（運転条件１）  空燃比A/Fが理論空燃比よりもリッチなリッチ基準値A/F1以下である。
（運転条件２）  空燃比A/Fが理論空燃比よりもリーンなリーン基準値A/F2以上である。
【０１１６】
ここで、リッチ基準値A/F1は、大気層１８内に排気ガスが混入した場合に、その排気ガス混入により大気層１８内の酸素濃度が十分に低下して、逆電流Ｉ１の絶対値が小さくなる程度の値であり、予め実験やその他エミッション等を考慮して設定される値である。また、同様に、リーン基準値A/F2は、排気ガスが混入した場合にも大気層１８内の酸素濃度の低下がある程度の小さい範囲内となり、異常センサにおいて運転条件１の場合の出力と明確な差が出るように、予め実験やその他を考慮して設定される値である。
【０１１７】
このように運転条件１、２を設定し、それぞれの条件下での逆電流Ｉ１、Ｉ２を検出する。異常センサ場合、排気ガスが燃料リッチである場合と燃料リーンである場合とで、大気層１８内の酸素濃度が変化するため、検出される逆電流Ｉ１、Ｉ２の値にも大きな変化が生じる。これに対して、空燃比センサ１０にクラックが生じていない場合、空燃比センサ１０の大気層１８内は大気のみで満たされている。従って、正常センサに逆電圧を印加した場合に検出される逆電流は、排気ガスがリッチ、リーンに関わらず、常に大気の酸素濃度に応じた一定の範囲となる。
【０１１８】
従って、実施の形態３においても、逆電流Ｉ１，Ｉ２が、上記検出条件１（逆電流比>1.1）あるいは検出条件２（逆電流差>0.5）のいずれかを満たす場合に、空燃比センサにクラックが発生しているものと判断する。ただし、ここでも温度による補正を行い、判定においては、補正逆電流ｉ１、ｉ２を用いる。
【０１１９】
図１０は、この発明の実施の形態３においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図１０のルーチンは、ステップＳ１０２とＳ１２８との間で、ステップＳ１０４〜Ｓ１２６に代えて、ステップＳ３０２〜Ｓ３２６を実行する点を除いて図６のルーチンと同じものである。
【０１２０】
具体的に、ステップＳ１０２において、クラック検出条件が成立しているか否かが判定される（ステップＳ１０２）。ここでは、空燃比センサ１０が活性済みであるか、水温や触媒温度等の条件に加えて、吸入空気量が所定の範囲内であるかも判定される。クラック検出条件の成立が認められない場合には、この処理が終了する。
【０１２１】
一方、ステップＳ１０２においてクラック検出条件の成立が認められると、次に、第２検出済みフラグがＯＦＦとなっているか否かが検出される（ステップＳ３０２）。図１０のルーチンでは、第２検出済みフラグは後述する処理により、運転条件２下において第２電流Ｉ２が検出され、かつ、運転条件１下で第１逆電流Ｉ１が未だ検出されていない場合にのみＯＮ状態とされるフラグである。
【０１２２】
ステップＳ３０２において第２検出済みフラグがＯＦＦであることが認められると、第２逆電流Ｉ２の検出のための制御が行われる。すなわち、まず、現在の空燃比が運転条件２を満たすリーン基準値A/F2以上になっている否かが判別される（ステップＳ３０４）。ここでは、空燃比の制御目標値A/Fがリーン基準値A/F2以上となっているか否か、あるいは、空燃比センサ１０とは異なる排気ガスセンサが排気通路に設置されている場合には、その出力に基づいて空燃比A/Fを検出し、この空燃比A/Fがリーン基準値A/F2以上となっているか否か等の手法によって判定することができる。
【０１２３】
ステップＳ３０４において、運転条件２を満たすことが認められた場合、次に、現在の素子温Ｔ２が検出される（ステップＳ３０６）。次に、第２検出済みフラグがＯＮとされる（ステップＳ３０８）。これにより、今回のクラック検出処理において、運転条件２下での第２逆電流Ｉ２の検出がなされたことが示される状態となる。次に、センサ素子に逆電圧が印加され（ステップＳ３１０）、この状態で、第２逆電流Ｉ２が検出される（Ｓ３１２）。その後、ステップＳ１２８の処理に進められる。
【０１２４】
一方、ステップＳ３０２において、第２検出済みフラグがＯＮであると判別された場合、あるいは、ステップＳ３０４において、運転条件２が成立していないと判別された場合、次に、第１検出済みフラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（ステップＳ３１４）。第１検出済みフラグは、後述する処理において、第１逆電流Ｉ１検出時に運転条件１が成立した場合にＯＮとされるフラグであり、図１０のルーチンにおいては、第１逆電流Ｉ１が検出され、かつ第２逆電流Ｉ２が未だ検出されてない状態でのみＯＮ状態となっている。
【０１２５】
ステップＳ３１４において、第１検出済みフラグがＯＦＦとなっていることが認められない場合には、今回の処理は終了する。一方、第１検出済みフラグがＯＦＦであることが認められると、次に、空燃比A/Fがリッチ基準値A/F1に制御される（ステップＳ３１６）。次に、運転条件１が満たされているか否かが判別される（ステップＳ３１８）。ここでは、例えば、他のセンサの出力に基づいて排気ガスの空燃比A/Fを検出し、リッチ基準値A/Fリッチ以下となっているか否かを判別することで、運転条件１の成立/非成立が判別される。運転条件１の成立が認められない場合には、運転条件１の成立が認められるまで、空燃比A/Fがリッチ基準値A/F1に制御されて、空燃比A/Fが運転条件１を満たすようになったか否かが判定される。
【０１２６】
一方、ステップＳ３１８において運転条件１の成立が認められると、第１逆電流Ｉ１検出時の素子温Ｔ１が検出される（ステップＳ３２０）。次に、第１検出済みフラグがＯＮとされる（ステップＳ３２２）。その後、逆電圧が印加されて（ステップＳ３２４）、第１逆電流Ｉ１が検出される（ステップＳ３２６）。
【０１２７】
ステップＳ３１２又はステップＳ３２６において、第２逆電流Ｉ２あるいは第１逆電流Ｉ１が検出された後、ステップＳ１２８〜Ｓ１４０において説明したように、逆電流Ｉ１，Ｉ２の双方が検出されたことが認められると、逆電流Ｉ１，Ｉ２の素子温に応じた補正が行われ、補正逆電流ｉ１、ｉ２に基づいて、クラックの検出が行われる。
【０１２８】
以上のように、実施の形態３においては、排気ガスの空燃比がリッチな場合とリーンな場合との２つの運転条件における逆電流を検出し、この逆電流の変動に基づいて、空燃比センサの異常を検出することができる。従って、空燃比センサが経時劣化している場合等であっても、空燃比センサの出力のバラツキによる影響を抑えて、高精度に空燃比センサのクラックを検出することができる。
【０１２９】
なお、実施の形態３においては、運転条件２の空燃比がリーンである場合については、運転状態において生じる運転条件として、特に空燃比の強制的な制御を行わず、その運転条件となった場合に、逆電流Ｉ２を検出することとし、運転条件１の空燃比がリッチな場合のみ、空燃比A/Fを強制的に制御する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、運転条件２を満たすように、空燃比A/Fを強制的にリーン基準値A/F2以下に制御するものであってもよい。また、運転条件１、２とも強制的に制御するものとせず、その運転条件１、２が成立する空燃比となった時に、逆電流Ｉ１又はＩ２の検出をするものであってもよい。
【０１３０】
なお、例えば実施の形態３において、ステップＳ３１６が実行されることで、この発明の「第１運転条件制御手段」が実現し、ステップＳ３１８が実行されることで「第１判別手段」が実現し、ステップＳ３２４が実行されることで「第１逆電圧印加制御手段」が実現し、ステップＳ３２６が実行されることで「第１逆電流検出制御手段」が実現し、ステップＳ３０４が実行されることで「第２判別手段」が実現し、ステップＳ３１０が実行されることで「第２逆電圧印加制御手段」が実現し、ステップＳ３１２が実行されることで「第２逆電流検出制御手段」が実現し、ステップＳ３０６又はＳ３０８が実行されることで「温度検出手段」が実現する。
【０１３１】
実施の形態４．
実施の形態４のクラック検出装置が搭載される空燃比センサ及びその周辺システムは、クラック検出時に印加する逆電圧の大きさを少なくとも２段階に変更できる点を除いて、図１、２のシステムと同じ構成を有している。具体的に、図２の回路においてはトランジスタ４０をＯＮ状態、ＯＦＦ状態とすることで、正電圧と逆電圧とを切り替えることができることを説明した。実施の形態４のシステムでは、更に、例えば、その大きさを切り替えることができる抵抗等を接続することで、トランジスタ４０をＯＮ状態とした場合の負極端子の電位が少なくとも２段階に切り替えられるように設計されている。
【０１３２】
また、実施の形態４の装置が行うクラック検出の制御は、同じ運転条件下で２回の逆電流を検出し、その検出時の逆電流の電圧、あるいは電圧印加時間を異なるものとする点を除いて、実施の形態３のシステムと同一の制御を行う。
【０１３３】
図１１は、実施の形態４において、正常センサあるいは異常センサに逆電圧を印加した場合の出力を説明するための図であり、実線(a)は、正常センサに小さな逆電圧を印加した場合、実線(b)は、正常センサに大きな逆電圧を印加した場合、点線(c)は異常センサに小さな逆電圧を印加した場合、点線(d)は異常センサに大きな逆電圧を印加した場合の例を示している。
【０１３４】
図１１の実線(a)、(b)に示すように、正常センサに印加する逆電圧が大きな場合と小さな場合とでは、大きな逆電圧を印加した場合の方が若干逆電流の絶対値が小さくなるものの、逆電流の差は大きなものではない。一方、異常センサに小さな逆電圧を印加した場合と大きな逆電圧を印加した場合とでは、大きな逆電圧を印加した場合の逆電流の絶対値が、逆電圧が小さな場合に比べて大幅に小さくなる。
【０１３５】
ここで、空燃比センサに大きな逆電圧が印加されると、急激に大量の酸素が大気側電極から排気側電極にポンピングされることとなる。しかし、異常センサにおいて大気層１８内に排気ガスが浸入している場合、大気層１８内の酸素濃度は低下した状態となっている。このため、大きな逆電圧が印加されると、酸素濃度の小さい異常センサにおいては、酸素の供給の不足が顕著に表れ、その結果逆電流の絶対値が大幅に小さく変化することとなる。
【０１３６】
従って、実施の形態４では、空燃比センサ１０に、同じ運転条件下で、印加する逆電圧の大きさを変えて、２度の逆電圧の印加を行い、それぞれの逆電圧に対する逆電流の変化を検出することで、空燃比センサ１０にクラックが生じているか否かを検出する。具体的にクラック有無の判定は、実施の形態１と同様に、補正後の逆電流値から、逆電流比及び逆電流差を算出して、これらのいずれかが判定値以上であるか否かに基づいて行う。但し、実施の形態４の場合、印加する逆電圧が異なるものとなるため、正常センサに逆電圧を印加した場合であっても、検出される逆電流は、逆電圧の大きさによって若干異なるものとなる。従って、実施の形態４における、逆電流比(ｉ２/ｉ１)に対する判定値を1.2、逆電流差(ｉ１−ｉ２)に対する判定値を0.6とする。
【０１３７】
図１２は、この発明の実施の形態４において、エンジンコンピュータ３０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図１２のルーチンはステップＳ１０６、Ｓ１１８を実行せず、また、ステップＳ１１０、Ｓ１２２、Ｓ１３４に代えて、ステップＳ４０２、Ｓ４０４、Ｓ４０６を実行する点を除いて、図６のルーチンと同じものである。
【０１３８】
具体的に、まずステップＳ１０２において、クラック検出条件が成立しているか否かが判別される。具体的には、空燃比センサ１０が活性済みであるか、水温が７５度以上になっているか、触媒温度が５００℃以上になっているか等の空燃比センサ１０が正常な出力を発する環境が整っているか等に加えて、吸入空気量が所定の範囲内であるか、空燃比が所定の範囲に制御されているか等が判別される。ステップＳ１０２においてクラック検出条件の成立が認められない場合には、一旦この処理は終了する。
【０１３９】
一方、ステップＳ１０２においてクラック検出条件の成立が認められ、ステップＳ１０４において第１検出済みフラグがＯＦＦであることが認められると、まず第１素子温Ｔ１が検出され、その後、第１逆電圧が印加される（ステップＳ４０２）。ここで第１逆電圧は、第２逆電圧と比較して小さな逆電圧であり、排気ガスが大気層１８に浸入している場合であっても、正常センサの出力に対して大きな出力差が発生しない程度の小さな逆電圧とされる。
【０１４０】
次に、第１逆電圧印加中に、空燃比センサに流れる第１逆電流Ｉ１が検出される（ステップＳ１１２）。その後、第１検出済みフラグがＯＮとされ（ステップＳ１１４）、ステップＳ１２８に進む。
【０１４１】
一方、ステップＳ１０４において第１検出済みフラグ＝ＯＦＦであることが認められない場合、次に、第２検出済みフラグ＝ＯＦＦであるか否かが判別され（ステップＳ１１６）、第２検出済みフラグ＝ＯＦＦであることが認められると、第２素子温Ｔ２が検出された後（ステップＳ１２０）、第２逆電圧が印加される（ステップＳ４０４）。第２逆電圧は、第１逆電圧よりも大きな逆電圧であり、排気ガスが大気層に浸入している場合には、酸素不足が発生して逆電流値が大幅に小さくなるような大きさに設定されている。次に、第２逆電圧印加中に、第２逆電流が検出される（ステップＳ１２４）。その後、第２検出済みフラグ＝ＯＮとされる。
【０１４２】
その後、ステップＳ１２８に進み、両フラグがＯＮとなっていることが認められると、素子温に応じて、各逆電流Ｉ１，Ｉ２が補正された後、補正値から算出される逆電流比及び逆電流差が求められ、これらがクラック検出の条件を満たす場合に、クラックが発生しているものと判別される。
【０１４３】
以上説明したように、実施の形態４においては、異なる大きさの電圧を印加した場合の逆電流の比又は差によって、クラックの有無を検出することができる。これにより、例えば空燃比センサに経時劣化が生じているような場合であっても、同一センサの出力に基づく判定を行うことができ、より高精度にクラックの検出を行うことができる。
【０１４４】
なお、実施の形態４では、電圧が異なる２つの条件下で逆電流を検出し、逆電流の変化を見ることで、クラックの検出を行う場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではない。具体的に、例えば、逆電圧の印加時間が長い場合、印加時間が短い場合よりも、異常センサに流れる逆電流の絶対値が小さくなる。従って、印加する逆電圧が異なる場合と同様の手法で、逆電圧の印加時間が異なる状況で、それぞれの場合の逆電流を検出し、この逆電流の変化を比較することで、クラックの検出を行うこととしてもよい。
【０１４５】
また、実施の形態４では、逆電流比が1.2以上の場合、あるいは逆電流差が0.6以上の場合に、クラックが発生しているものと判定する場合について説明した。しかし、逆電流比、逆電流差に対する、各判定値は、ここで説明したものに限るものではなく、実施の形態１と同様に、印加電圧や運転条件、検出するクラックの大きさ等を考慮して設定することができるものである。
【０１４６】
なお、実施の形態４において、ステップＳ４０２が実行されることにより、この発明の「第１逆電圧印加制御手段」が実現し、ステップＳ１１２が実行されることにより「第１逆電流検出制御手段」が実現し、ステップＳ４０４が実行されることにより「第２逆電圧印加制御手段」が実現し、ステップＳ１２４が実行されることにより「第２逆電流検出制御手段」が実現する。
【０１４７】
また、以上の実施の形態において、各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、本発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】本発明の実施の形態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図である。
【図２】本発明の実施の形態において用いられる空燃比センサを駆動するためのエンジンコンピュータの構成を説明するための回路図である。
【図３】クラックの発生した空燃比センサから検出される逆電流と、正常な空燃比センサから検出される逆電流とを表す図である。
【図４】クラックの発生した空燃比センサから検出される逆電流と、正常な空燃比センサから検出される逆電流とを表す図である。
【図５】空燃比センサの素子温と逆電圧印加時の逆電流との関係を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図７】クラックが発生した空燃比センサから検出される逆電流と、正常な空燃比センサから検出される逆電流との、吸入空気量による差を表す図である。
【図８】本発明の実施の形態２においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図９】クラックが発生した空燃比センサから検出される逆電流と、正常な空燃比センサから検出される逆電流との、排気ガスの空燃比による差を表す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図１１】クラックが発生した空燃比センサから検出される逆電流と、正常な空燃比センサから検出される逆電流との、印加される逆電圧の大きさによる違いを説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態４においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するための図である。
【符号の説明】
【０１４９】
１０  空燃比センサ
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
３０  エンジンコンピュータ
３２  正極端子
３４  負極端子
３６、３８  オペアンプ
４０  トランジスタ
５０  クラック
【図１】
2007232709.tif 000003
【図２】
2007232709.tif 000004
【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】
2007232709.tif 000009
【図８】
2007232709.tif 000010
【図９】
2007232709.tif 000011
【図１０】
2007232709.tif 000012
【図１１】
2007232709.tif 000013
【図１２】
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