(57)【要約】【課題】酸素センサの異常の検出に要する時間を短縮する。酸素センサの異常検出の精度を改善する。【解決手段】検出素子の温度が所定の基準温度値よりも大きい場合に（Ｓ４０）異常の有無を判定する（Ｓ６０）。酸素センサの検出素子の周波数特性は、温度が高いほど高周波側にシフトし、特性曲線の各領域における静電容量成分のピークが生じる周波数は、温度が高いほど比較的高くなる。この性質を利用して、検出素子の温度が所定の基準温度値よりも大きい場合に異常の有無を判定することにより、通常の温度よりも高い周波数の交流信号の印加によって静電容量成分のピークを検出でき、検出のための所定のサイクル数の交流信号の印加を短時間で行うことができ、異常の検出に要する時間を短縮することができる。【選択図】図５
2009031213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素センサの検出素子に交流電圧を印加して電気的特性を検出する検出手段と、当該検出手段の検出値に基づいて前記検出素子の異常の有無を判定する判定手段と、を備えた酸素センサの異常診断装置であって、
前記判定手段は、前記検出素子の温度が所定の基準温度値よりも大きい場合に前記判定を実行す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】
酸素センサの検出素子に交流電圧を印加して電気的特性を検出する検出手段と、当該検出手段の検出値に基づいて前記検出素子の異常の有無を判定する判定手段と、を備えた酸素センサの異常診断装置であって、
前記交流電圧が印加されていないときの前記検出素子の出力電圧に基づいて、前記検出素子の出力電圧の影響を抑制するように前記電気的特性の検出値を補正する補正手段を更に備え、
前記判定手段は、前記補正手段によって補正された前記電気的特性の検出値に基づいて前記判定を実行することを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の酸素センサの異常診断装置であって、
前記電気的特性は、インピーダンス、もしくは静電容量及び抵抗であることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【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診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスの酸素濃度に応じた起電力を発生する酸素センサの異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサを設け、その検出結果より空燃比を求めて、検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づけるフィードバック制御を実施している。
【０００３】
典型的な酸素センサは、排気通路内に突出するように配設された筒型の検出素子を備えている。検出素子は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面は、センサカバーを通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子は、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であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアが利用されている。検出素子の内側の大気と外側の排気ガス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（通常は排気ガス側）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素子の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子に起電力が発生する。こうして酸素センサは、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。
【０００４】
この酸素センサの等価回路は、図１２に示されるとおり、リード線等の抵抗Ｒ０、電解質のバルク抵抗Ｒｂ、バルク静電容量Ｃｂ、電解質の粒界抵抗Ｒｇ、粒界静電容量Ｃｇ、電極界面抵抗Ｒｅ、及び電極界面静電容量Ｃｅから構成されると考えられている。
【０００５】
図１３は、酸素センサのインピーダンス特性を示す。横軸はインピーダンスＺの実数部Ｚ’、縦軸は虚数部Ｚ”を示す。酸素センサ素子のインピーダンスＺはＺ＝Ｚ’＋ｊＺ”で表される。図１３に示されるとおり、印加電圧の周波数（角速度ωｎに対応）を漸増させていくと、電極界面部の虚数部Ｚ”すなわち静電容量成分は、電極界面の状態を示すと考えられている電極界面特性領域Ａにおいてほぼ半円を描いて０に収束し、また電解質部の状態を示すと考えられている電解質部特性領域Ｂにおいて、粒界抵抗部分と粒子抵抗部分との二つの半円を描いて０に収束することが知られている。そして、この特性曲線における領域Ａの部分は、検出素子が劣化した場合には、図１３中一点鎖線で示されるように、Ｚ’−Ｚ”平面における右上側（抵抗成分及び静電容量成分の増大側）へとシフトするため、この領域Ａにおける静電容量成分のピークを検出して正常値と比較することにより、検出素子の異常を検出することができる。
【０００６】
ところで、特許文献１，２が開示する装置では、空燃比（Ａ／Ｆ）センサの酸素濃度検出素子の劣化を検出するために、酸素濃度検出素子の電解質インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域、及び電極界面インピーダンスを検出すべき第２の周波数帯域の交流電圧を個別に印加し、且つこれら第１及び第２の周波数帯域のそれぞれについて交流インピーダンスを検出して、これらインピーダンス値の差分から、劣化による異常の有無を検出する。
【０００７】
また特許文献３が開示する装置では、Ａ／Ｆセンサの酸素濃度検出素子の劣化を検出するために、空燃比がリッチ又はリーンであるときに、素子インピーダンスを検出し、対応する素子温度から電流を算出して基準電流値と比較することでセンサの異常を検出する。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−４６７８０号公報
【特許文献２】特許第３５７０２７４号公報
【特許文献３】特開２０００−１９３６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１ないし３の装置はいずれもＡ／Ｆセンサに係るものであって、酸素センサについて同様の異常診断を行う装置は従来存在しない。また、異常の検出に要する時間及び精度についても、なお改善の余地が残されている。例えば、素子温５５０°Ｃでの電極界面特性は１ｋＨｚ〜０．０１Ｈｚ未満の領域に現れるが、この周波数領域で精度よくインピーダンスを測定するには０．１Ｈｚ程度の周波数の電圧の印加が必要となり、この場合１周期が１０ｓｅｃと長いため、異常診断に要する時間の短縮化が要請される。また、電極界面部の電気的特性は雰囲気の酸素濃度に依存して変化し、リッチ雰囲気では電極界面インピーダンスが小さくなるため、異常診断に対する影響を抑制することが望ましい。
【００１０】
そこで本発明の目的は、酸素センサの異常の検出に要する時間を短縮すること、及び、酸素センサの異常検出の精度を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の本発明に係る酸素センサの異常診断装置は、酸素センサの検出素子に交流電圧を印加して電気的特性を検出する検出手段と、当該検出手段の検出値に基づいて前記検出素子の異常の有無を判定する判定手段と、を備えた酸素センサの異常診断装置であって、前記判定手段は、前記検出素子の温度が所定の基準温度値よりも大きい場合に前記判定を実行することを特徴とする。
【００１２】
酸素センサの検出素子の周波数特性は、温度が高いほど高周波側にシフトし、特性曲線の各領域における静電容量成分のピークが生じる周波数は、温度が高いほど比較的高くなる。この性質を利用して、本発明では、検出素子の温度が所定の基準温度値よりも大きい場合に異常の有無を判定することとしたので、通常の温度よりも高い周波数の交流信号の印加によって、静電容量成分のピークを検出することができる。したがって第１の本発明では、検出のための所定のサイクル数の交流信号の印加を短時間で行うことができ、これによって、異常の検出に要する時間を短縮することができる。
【００１３】
第２の本発明に係る酸素センサの異常診断装置は、酸素センサの検出素子に交流電圧を印加して電気的特性を検出する検出手段と、当該検出手段の検出値に基づいて前記検出素子の異常の有無を判定する判定手段を備えた酸素センサの異常診断装置であって、前記交流電圧が印加されていないときの前記検出素子の出力電圧に基づいて、前記検出素子の出力電圧の影響を抑制するように前記電気的特性の検出値を補正する補正手段を更に備え、前記判定手段は、前記補正手段によって補正された前記電気的特性の検出値に基づいて前記判定を実行することを特徴とする。
【００１４】
第２の本発明では、補正手段が、電気的特性の検出のために交流電圧が印加されていないときの検出素子の出力電圧に基づいて、前記検出素子の出力電圧の影響を抑制するように電気的特性の検出値を補正するので、酸素センサの異常検出の精度を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明が適用される車両用内燃機関の構成を、図１を参照して説明する。内燃機関１０の吸気通路１１には、その通路面積を可変とするスロットルバルブ１５（本実施形態では電子制御式）が設けられ、その開度制御によりエアクリーナ１４を通じて吸入される空気の量が調整される。ここで吸入された空気の量（吸入空気量）は、エアフローメータ１６により検出されている。そして吸気通路１１に吸入された空気は、スロットルバルブ１５下流に設けられたインジェクタ１７より噴射された燃料と混合された後、燃焼室１２に送られて、そこで燃焼される。
【００１６】
一方、燃焼室１２での燃焼により生じた排気ガスが送られる排気通路１３には、排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒１８が設けられ、その上流側には酸素センサ１９が設けられている。
【００１７】
三元触媒１８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（ウインドウ）でのみ、排気ガス中の主要有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のすべてを効率的に浄化する。そうした三元触媒１８を有効に機能させるには、混合気の空燃比を上記ウインドウの中心に合わせこむ、厳密なコントロールが必要となる。
【００１８】
この空燃比の制御は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２２により行われる。ＥＣＵ２２は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアップ）．ＲＡＭ、不揮発性メモリ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器を具備する。ＥＣＵ２２には、上記エアフローメータ１６や酸素センサ１９、及びアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２１、機関回転速度を検出する回転速度センサ２３を始めとする各種センサ類の検出信号が入力されている。そしてＥＣＵ２２は、それらセンサ類の検出信号より把握される内燃機関１０や車両の運転状況に応じて、上記スロットルバルブ１５やインジェクタ１７等を駆動制御して、上記の空燃比フィードバック制御を行っている。空燃比フィードバック制御の概要は次の通りである。
【００１９】
まずＥＣＵ２２は、アクセル開度や機関回転速度の検出結果に応じて把握される吸入空気量の要求量を求め、それに応じた吸入空気量が得られるようにスロットルバルブ１５の開度を調整する。その一方、エアフローメータ１６により検出される吸入空気量の実測値に対して、理論空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それによりインジェクタ１７からの燃料噴射量を調整する。これにより、燃焼室１２で燃焼される混合気の空燃比を、ある程度に理論空燃比に近づけることはできる。ただし、それだけでは上記要求される高精度の空燃比制御には不十分である。
【００２０】
そこでＥＣＵ２２は、上記酸素センサ１９の検出結果より把握される空燃比の実測値に基づいて、インジェクタ１７からの燃料噴射量をフィードバック補正し、要求される空燃比制御の精度を確保している。
【００２１】
以上のように、この排気ガス浄化システムでは、酸素センサ１９の検出結果に応じて燃料噴射量をフィードバック補正する、いわゆる空燃比フィードバック制御を実施することで、混合気の空燃比を理論空燃比近傍に保持し、高い排気ガス浄化率を確保している。
【００２２】
図２及び図３に示すように、酸素センサ１９は、排気通路１３内に突出するように配設された筒型の検出素子３１を備えている。検出素子３１は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面は、穿孔されたセンサカバー３２を通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子３１は、内外の表面に電極３３Ａ，３３Ｂ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であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアが利用されている。検出素子３１の内側の大気室３４は、センサ内に設けられた図示しない大気通路と、センサボディに形成された大気穴３５とを通じて外部に連通され、且つ大気が導出入可能となっている。大気室３４には、検出素子３１を加熱して早期に活性化させるためのヒータ３６が設けられ、ヒータ３６はＥＣＵ２２によって通電制御される。
【００２３】
検出素子３１を介して隔てられたその内側の大気と外側の排気ガス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（通常は排気ガス側）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素子３１の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子３１に起電力が発生する。こうして酸素センサ１９は、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり検出素子３１外部の排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。ここで酸素イオンが内表面側の電極３３Ａから検出素子３１を通って外表面側の電極３３Ｂに向かうことから、電流の向きは逆となり、両電極に接続された外部装置に対しては内表面側の電極３３Ａが正極、外表面側の電極３３Ｂが負極となる。
【００２４】
ちなみに、酸素センサには他にも、板形状の検出素子を用いたものや、検出素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。そしてその多くでは、上記例示したセンサと同様の検出原理により排気ガスの酸素分圧を検出する構成、すなわち基準ガス（大気）と排気ガスとを隔離するよう配設された検出素子が、基準ガスに対する排気ガスの酸素分圧の差に応じて起電力を発生する構成となっている。
【００２５】
酸素センサ１９の出力特性を図４に例示する。示されるように、酸素センサ１９の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）を境にスイッチング的に変化し、酸素センサ１９に供給される排気ガス（雰囲気ガス）の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリーンな領域（Ａ／Ｆ＞Ａ／Ｆｓ、以下リーン空燃比ともいう）では０．１Ｖ程度の小さい電圧を示し、理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリッチな領域（Ａ／Ｆ＜Ａ／Ｆｓ、以下リッチ空燃比ともいう）では０．９Ｖ程度の比較的高い電圧を示す。ここでは、０．４５Ｖのセンサ出力をリッチ・リーン判定閾値として、センサ１９の検出結果が、理論空燃比よりもリッチかリーンかを判断している。なお、酸素センサ１９の上記各領域でのセンサ出力電圧の大きさは、検出素子３１の温度状態に応じて変化することがある。
【００２６】
なお、理論空燃比での燃焼（ストイキ燃焼）のみを目的とした空燃比フィードバック制御を行う内燃機関では、本実施形態のように、理論空燃比を境に出力電圧がスイッチング的に変化する特性の酸素センサが用いられることが多い。こうしたセンサは、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の、上記ストイキ燃焼のみを行うには、それで十分なことが多い。一方、希薄空燃比での燃焼を行うなど、より広範囲の空燃比での燃焼を行う内燃機関では、排気ガスの空燃比に応じてその出力値が線形的に変化する特性の、より分解能の高い酸素センサが用いられることもある。本発明はこのような酸素センサに対しても適用可能である。
【００２７】
ＥＣＵ２２は更に、酸素センサ１９の検出素子３１に電圧を印加するためのセンサ制御回路と、ヒータ３６へのバッテリからの電力供給を制御するためのヒータ制御回路とを含んでいる。センサ制御回路は、ＣＰＵからのアナログの印加電圧を、ＲＣ分圧回路からなるローパスフィルタ（ＬＰＦ）を介して受け、検出素子３１に印加する。ＥＣＵ２２は、後述の処理に従って算出したデジタルデータを内部に設けられたＤ／Ａ変換器によりパルス幅数１０〜１００μｓｅｃ程度の矩形状のアナログ電圧に変換した後、ＬＰＦを介してセンサ制御回路へ出力する。ＬＰＦは矩形状のアナログ電圧信号の高周波成分を除去したなまし信号を出力し、高周波ノイズによる検出素子３１の出力電流の検出エラーを防止している。このなまし信号の電圧の検出素子３１への印加に伴い、ＥＣＵ２２は被検出ガス中（すなわち排気ガス中）の酸素濃度に応じて変化する検出素子３１の発生電圧を検出する。ＥＣＵ２２はこの電圧を検出するため内部に設けられたそれぞれのＡ／Ｄ変換器により、センサ制御回路から検出素子３１に流れる電流に相当するアナログ電圧、および検出素子３１への印加電圧を受け、デジタルデータに変換してこれらのデジタルデータを後述する処理に使用する。なお、交流電圧の印加のために、水晶振動子や発振回路など他の構成を採用してもよい。ＥＣＵ２２はヒータ３６の抵抗値を算出し、この抵抗値に基づき機関の運転状態に応じた電力供給をヒータ３６に行うとともに、ヒータ制御回路を通じて、ヒータ３６の過昇温（ＯＴ）を防止するようＰＷＭ制御によりヒータ３６の温度制御を行う。
【００２８】
検出素子３１のインピーダンスを測定するために、後述する処理ルーチンの実行により、検出素子３１に交流電圧が印加される。一方、酸素センサ１９から検出される出力電流Ｉｍは、酸素センサ１９に交流電圧を印加していない間はその時々の被測定ガスの酸素濃度に応じた値を示すが、酸素センサ１９に上記交流電圧を印加すると、素子インピーダンスに応じて変化する。ＥＣＵ２２は、このときの酸素センサ１９への入力電圧Ｖｍおよび酸素センサ１９からの出力電流Ｉｍの変化を検出して、検出素子３１のインピーダンスを算出する。
【００２９】
以上のとおり構成された第１実施形態において行われる異常診断処理について説明する。図５において、まずＥＣＵ２２は、内燃機関１０が運転中であるかを判断する（Ｓ１０）。この判断は、不図示のイグニッションスイッチがオンされているか、及び回転速度センサ２３からの入力があるかによって行われる。次にＥＣＵ２２は、上述した空燃比フィードバック制御が実行中であるかを判断する（Ｓ２０）。ステップＳ１０・Ｓ２０のいずれかで否定の場合には処理がリターンされる。
【００３０】
ステップＳ２０で肯定の場合には、ＥＣＵ２２は素子温が高温になるようにヒータ３６を制御する（Ｓ３０）。ここでは、ヒータ３６のデューティ比が最大にされる。このヒータ３６の通電制御は、素子温が予め定められた基準値ｘ[°C]以上になるまでの間（Ｓ４０）、継続して行われる。ここでの基準値ｘは、活性温度よりも十分に高く、且つ検出のための所定のサイクル数（例えば、１／４周期）の交流信号の印加に要する時間を短縮できるような値に設定される。素子温は、例えば酸素センサ１９に対し周波数１００ｋＨｚ程度の交流電圧Ｖｎを印加した場合に得られるインピーダンス（粒界インピーダンスＲｇ）に基づいて所定の関数により推定してもよく、また別途の温度センサの出力を利用して測定してもよい。
【００３１】
素子温がｘ[°C]以上になった場合（素子温の推定にインピーダンスを用いる構成では、インピーダンスが所定値以下になった場合）には、ＥＣＵ２２は、インピーダンス測定（Ｓ５０）、及び異常診断（Ｓ６０）を行う。これらの処理は、それぞれ図６及び図７のサブルーチンに従って行われる。
【００３２】
図６の処理は、交流電圧Ｖｎ（ｎ＝１，２，・・・）を順に印加すると共に、この交流電圧Ｖｎの電圧周波数を漸減させながらインピーダンスＺを算出して、図１３に示されるような複素インピーダンスプロットを作成するものである。
【００３３】
図６において、まずＥＣＵ２２は、交流電圧Ｖｎの周波数ｆに、初期値であるｆ０をセットする（Ｓ１１０）。次にＥＣＵ２２は、酸素センサ１９に対し周波数ｆの交流電圧Ｖｎを所定のサイクル数、例えば１／４周期印加する（Ｓ１２０）。次に、この印加時点から交流電圧Ｖｎの周波数ｆに応じた遅延時間の経過後に、酸素センサ１９の出力電流Ｉｎを読み込む（Ｓ１３０）。そして、交流電圧Ｖｎと出力電流Ｉｎとに基づいて、インピーダンスＺｎを算出し（Ｓ１４０）、これを記憶して複素インピーダンスプロットを作成する〔Ｓ１５０）。
【００３４】
次にＥＣＵ２２は、現在の周波数ｆが予め定められた下限周波数ｆｍｉｎを下回ったか否かを判断する（Ｓ１６０）。否定の場合には、交流電圧Ｖｎの周波数が微小量減少させられ（Ｓ１７０）、ステップＳ１１０〜Ｓ１７０の処理が繰り返し実行される。その結果、周波数ｆ０からｆｍｉｎまでに亘って、図１３に示されるような複素インピーダンスプロットが作成される。現在の周波数ｆが予め定められた下限周波数ｆｍｉｎを下回ると、本ルーチンを抜ける。なお、本実施形態では周波数を高い側から低い側へと漸減させたため、測定開始から短時間で多くの測定が実行でき、特にインピーダンスプロット作成が中断後に再開される際に未測定の周波数についてのみインピーダンス測定が行われるように処理ルーチンを構成した場合に有利であるが、インピーダンスプロット作成の手順は任意である。
【００３５】
図７のサブルーチンでは、異常診断処理が行われる。まずＥＣＵ２２は、先に作成された複素インピーダンスプロットに基づいて、ピーク点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を抽出する（Ｓ２１０）。この抽出は、例えば各ピーク点が存在すると経験的に考えられる各周波数領域において、静電容量値が極大値を示す点を検索することによって行われる。例えば、図１３に示されるようにピーク点Ｐ１は抵抗値Ｒｔｈ１に対応する周波数よりも低い周波数領域に存在すると考えられる。同様にピーク点Ｐ２は、抵抗値Ｒｔｈ２〜Ｒｔｈ３に対応する周波数領域に存在すると考えられ、またピーク点Ｐ３は抵抗値Ｒｔｈ２に対応する周波数よりも高い周波数領域に存在すると考えられる。
【００３６】
次にＥＣＵ２２は、抽出されたピーク点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３について、抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅ、及び静電容量Ｃｂ，Ｃｇ，Ｃｅを算出する（Ｓ２２０）。抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅは、図１３の複素インピーダンスプロットにおける各領域の半円の直径に等しく、従って容量成分がゼロとなる２点の抵抗値の差分として算出される。静電容量Ｃｂ，Ｃｇ，Ｃｅは、それぞれ次の数式（１）〜（３）によって算出される。なおωｂ，ωｇ，ωｅは角速度（ωｎ＝２πｆ、ｆは周波数）である。
【００３７】
【数１】
2009031213.tif 000003
【００３８】
【数２】
2009031213.tif 000004
【００３９】
【数３】
2009031213.tif 000005
【００４０】
次にＥＣＵ２２は、抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅ、及び静電容量Ｃｂ，Ｃｇ，Ｃｅがいずれも所定の正常範囲内かを判断し（Ｓ２３０）、肯定の場合には正常判定（Ｓ２４０）、否定の場合には異常判定（Ｓ２５０）を行う。これら正常判定及び異常判定は、ＥＣＵ２２の不揮発性メモリにおける所定の記憶領域に格納される。これらの情報は、走行時の他の制御に反映されるほか、整備入庫時に整備作業者によってＥＣＵ２２の不揮発性メモリから読み出され、酸素センサ１９の交換時期の判定、及び酸素センサ１９又は検出素子３１の改良のために用いられる。なお、ステップＳ２４０又はＳ２５０における判定結果は、異常検出の時点で車室内に設けたディスプレイ装置に異常情報として表示してもよい。
【００４１】
なお、電極界面の抵抗値Ｒｅが正常範囲を超えて増大しており、且つ静電容量値Ｃｅが正常範囲を超えて減少している場合には、電極凝集が生じていると判断することができる（なお、この場合の静電容量Ｃｅの減少と抵抗Ｒｅの増大は、電極凝集により電極表面の粒子径が増大することに伴う接触面積の減少に起因するものと考えられる。）。また、電極界面の抵抗値Ｒeが正常範囲を超えて増大しており、且つ静電容量値Ｃｅが正常範囲を超えて増大している場合には、異物混入が生じていると判断することができる（なお、この場合の静電容量Ｃｅと抵抗Ｒｅの増大は、多くの場合に異物の静電容量が空気よりも大であることに起因するものと考えられる。）。また、電解質部の抵抗値Ｒgが正常範囲を超えて増大しており、且つ静電容量値Ｃgも正常範囲を超えて増大している場合には、電解質部の格子欠陥の減少が生じていると判断することができる。
【００４２】
以上の処理の結果、本実施形態では、検出素子３１の温度が所定の基準温度値よりも大きい場合に異常の有無が判定され（Ｓ４０〜Ｓ６０）、検出素子３１のインピーダンスにおける抵抗成分と静電容量成分とのそれぞれの挙動に応じて、検出素子３１の異常原因が特定されることになる。
【００４３】
以上のとおり、本実施形態では、検出素子３１の温度が所定の基準温度値よりも大きい場合に異常の有無を判定する（Ｓ４０〜Ｓ６０）。酸素センサの検出素子の周波数特性は、温度が高いほど高周波側にシフトし、特性曲線の各領域における静電容量成分のピークが生じる周波数は、温度が高いほど比較的高くなるため、本実施形態では異常の有無の判定を検出素子３１の温度が所定の基準温度値よりも大きい場合に行うことにより、通常の温度よりも高い周波数の交流信号の印加によって、静電容量成分のピークを検出することができる。したがって本実施形態では、検出のための所定のサイクル数の交流信号の印加を短時間で行うことができ、これによって、異常の検出に要する時間を短縮することができる。
【００４４】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る異常診断装置は、異常の診断を、燃料カット制御中もしくは燃料増量中に限って実行するものである。第２実施形態の機械的構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を用いてその詳細の説明を省略する。
【００４５】
第２実施形態における制御について説明する。図８において、まずＥＣＵ２２は、内燃機関が運転中であるかを判断する（Ｓ３１０）。この処理は上記第１実施形態におけるステップＳ１０と同様である。ステップＳ３１０で否定の場合には処理がリターンされる。
【００４６】
ステップＳ３１０で肯定の場合には、ＥＣＵ２２は素子温が高温になるようにヒータ３６を制御する（Ｓ３２０）。ここでは、ヒータ３６のデューティ比が最大にされる。このヒータ３６の通電制御は、素子温が予め定められた基準値ｘ[°C]以上になるまでの間（Ｓ３３０）、継続して行われる。ここでの基準値ｘは、活性温度よりも十分に高く、且つ検出のための所定のサイクル数（例えば、１／４周期）の交流信号の印加に要する時間を短縮できるような値に設定される。素子温は、例えば酸素センサ１９に対し周波数１００ｋＨｚ程度の交流電圧Ｖｎを印加した場合に得られるインピーダンス（粒界インピーダンスＲｇ）に基づいて所定の関数により推定してもよく、また別途の温度センサの出力を利用して測定してもよい。
次にＥＣＵ２２は、内燃機関が燃料カット制御中もしくは燃料増量中であるかを判断する（Ｓ３４０）。
【００４７】
燃料カット制御は、各気筒への燃料供給を個別にカットする制御であり、具体的には、例えば各種センサから入力されるスロットル開度、内燃機関回転数、内燃機関水温および車速によって、予め定められた燃料カット領域マップを参照し、走行状態が燃料カット領域にある場合（例えば減速時や高回転時）に、燃料カット制御の実行条件が成立したと判断して、所定の気筒への燃料供給をカットするものである。燃料カット制御によって、全気筒または一部の気筒について燃料供給がカットされる。燃料カット制御中は、排気の実空燃比はリーンとなる。
【００４８】
燃料増量は、高負荷時などの所定の運転条件下で、空燃比がリッチになるように燃料噴射量を増量する制御である。燃料増量中は、排気の実空燃比はリッチとなる。
【００４９】
内燃機関が燃料カット制御中もしくは燃料増量中である場合には、ＥＣＵ２２は、インピーダンス測定（Ｓ３５０）、及び異常診断（Ｓ３６０）を行う。これらの処理は、それぞれ上述した図６及び図７と同様のサブルーチンに従って行われる。
【００５０】
以上のとおり、第２実施形態では、異常の診断を、燃料カット制御中もしくは燃料増量中に限って実行する（Ｓ３４０）。本実施形態で用いられる酸素センサ１９のように、理論空燃比を境に出力電圧がスイッチング的に変化する特性の酸素センサでは、理論空燃比を含む所定の空燃比領域の外側（すなわち、リーン側又はリッチ側）では、当該領域の内側に比較して、出力電圧が安定する。したがって、異常の診断を、燃料カット制御中もしくは燃料増量中に限って実行（Ｓ３４０）することにより、空燃比に応じた酸素センサ１９の出力の影響を抑制して、酸素センサの異常検出の精度を改善することができる。
【００５１】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態に係る異常診断装置は、異常診断のための交流電圧が印加されていないときの検出素子３１の出力電圧に基づいて、検出素子３１の出力電圧の影響を抑制するように電気的特性の検出値を補正する補正手段を更に備え、この補正手段によって補正された電気的特性の検出値に基づいて異常診断を実行するものである。第３実施形態の機械的構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を用いてその詳細の説明を省略する。
【００５２】
第３実施形態におけるＥＣＵ２２のＲＯＭには、図９に示されるようなセンサ出力−補正係数マップが予め格納されている。同マップは、酸素センサ１９の出力値と補正係数αとが互いに関連付けられて記憶されたテーブル形式のデータファイルであり、検出素子３１の交流インピーダンス検出の際の検出素子３１自体の出力電圧の影響を相殺するように、補正係数αが設定されている。なお、図９の例では補正係数αは酸素センサ１９の出力値が増大するに従い漸増するように設定されているが、補正係数αの傾向は酸素センサ１９の出力特性に応じて任意に設定することができる。
【００５３】
第３実施形態において行われる異常診断処理について説明する。図１０において、まずＥＣＵ２２は、内燃機関が運転中であるかを判断する（Ｓ４１０）。この判断は、不図示のイグニッションスイッチがオンされているか、及び不図示のクランク角センサからの入力があるかによって行われる。次にＥＣＵ２２は、上述した空燃比フィードバック制御が実行中であるかを判断する（Ｓ４２０）。ステップＳ４１０・Ｓ４２０のいずれかで否定の場合には処理がリターンされる。
【００５４】
ステップＳ４２０で肯定の場合には、ＥＣＵ２２は、素子温が予め定められた基準値ｙ[°C]以上か否かを判断する（Ｓ４３０）。この基準値ｙは、検出素子３１の活性温度又はこれよりやや上に設定される。素子温は、例えば酸素センサ１９に対し周波数１００ｋＨｚ程度の交流電圧Ｖｎを印加した場合に得られるインピーダンス（粒界インピーダンスＲｇ）に基づいて所定のマップにより推定してもよく、また別途の温度センサの出力を利用して測定してもよい。
【００５５】
素子温がｙ[°C]以上である場合（素子温の推定にインピーダンスを用いる構成では、インピーダンスが所定値以下になった場合）には、ＥＣＵ２２は、測定前センサ出力を取得する（Ｓ４４０）。すなわち、ＥＣＵ２２は酸素センサ１９の現在の電圧値を所定の記憶領域に格納する。この現在の電圧値は、現在の排気の空燃比に応じて異なる値となる。
【００５６】
次にＥＣＵ２２は、インピーダンス測定を行う（Ｓ４５０）。この処理は、図６のサブルーチンに従って行われる。
【００５７】
図６の処理は、交流電圧Ｖｎ（ｎ＝１，２，・・・）を順に印加すると共に、この交流電圧Ｖｎの電圧周波数を漸増させながら、インピーダンスＺを算出して複素インピーダンスプロットを作成するものである。
【００５８】
図６において、まずＥＣＵ２２は、交流電圧Ｖｎの周波数ｆに、初期値であるｆ０をセットする（Ｓ１１０）。次にＥＣＵ２２は、酸素センサ１９に対し周波数ｆの交流電圧Ｖｎを所定のサイクル数、例えば１／４周期印加する（Ｓ１２０）。次に、この印加時点から交流電圧Ｖｎの周波数ｆに応じた遅延時間の経過後に、酸素センサ１９の出力電流Ｉｎを読み込む（Ｓ１３０）。そして、交流電圧Ｖｎと出力電流Ｉｎとに基づいて、インピーダンスＺｎを算出し（Ｓ１４０）、これを記憶して複素インピーダンスプロットを作成する(Ｓ１５０)。
【００５９】
次にＥＣＵ２２は、現在の周波数ｆが予め定められた下限周波数ｆｍｉｎを下回ったか否かを判断する（Ｓ１６０）。否定の場合には、交流電圧Ｖｎの周波数が微小量減少させられ（Ｓ１７０）、ステップＳ１１０〜Ｓ１７０の処理が繰り返し実行される。その結果、周波数ｆ０からｆｍｉｎまでに亘って、図１３に示されるような複素インピーダンスプロットが作成される。現在の周波数ｆが予め定められた下限周波数ｆｍｉｎを下回ると、本ルーチンを抜ける。なお、本実施形態では周波数を高い側から低い側へと漸減させたため、測定開始から短時間で多くの測定が実行でき、特にインピーダンスプロット作成が中断後に再開される際に未測定の周波数についてのみインピーダンス測定が行われるように処理ルーチンを構成した場合に有利であるが、インピーダンスプロット作成の手順は任意である。
【００６０】
次にＥＣＵ２２は、異常診断を行う（Ｓ４６０）。この処理は、図１１のサブルーチンに従って行われる。
【００６１】
図１１のサブルーチンでは、異常診断処理が行われる。まずＥＣＵ２２は、先に作成された複素インピーダンスプロットに基づいて、ピーク点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を抽出する（Ｓ５１０）。この抽出は、例えば各ピーク点が存在すると経験的に考えられる各周波数領域において静電容量値が極大値を示す点を検索することによって行われる。例えば、図１３に示されるようにピーク点Ｐ１は抵抗値Ｒｔｈ１に対応する周波数よりも低い周波数領域に存在すると考えられる。同様にピーク点Ｐ２は、抵抗値Ｒｔｈ２〜Ｒｔｈ３に対応する周波数領域に存在すると考えられ、またピーク点Ｐ３は抵抗値Ｒｔｈ２に対応する周波数よりも高い周波数領域に存在すると考えられる。
【００６２】
次にＥＣＵ２２は、抽出されたピーク点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３について、抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅ、及び静電容量Ｃｂ，Ｃｇ，Ｃｅを算出する（Ｓ５２０）。抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅは、図１３の複素インピーダンスプロットにおける各領域の半円の直径に等しく、従って容量成分がゼロとなる２点の抵抗値の差分として算出される。静電容量Ｃｂ，Ｃｇ，Ｃｅは、それぞれ次の数式（４）〜（６）によって算出される。なおωｂ，ωｇ，ωｅは角速度（ωｎ＝２πｆ、ｆは周波数）である。
【００６３】
【数４】
2009031213.tif 000006
【００６４】
【数５】
2009031213.tif 000007
【００６５】
【数６】
2009031213.tif 000008
【００６６】
次にＥＣＵ２２は、補正係数αをマップから算出する（Ｓ５３０）。すなわちＥＣＵ２２は、先にステップＳ４４０で取得された測定前センサ出力（電圧値）によって、図９のセンサ出力−補正係数マップを検索することにより補正係数αを算出する。
【００６７】
次にＥＣＵは、抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅに補正係数αをそれぞれ乗算することで、抵抗値を補正して更新する（Ｓ５４０）。この補正によって、抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅにおける検出素子３１の出力電圧の影響が相殺される。
【００６８】
次にＥＣＵ２２は、補正された抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅ、及び静電容量Ｃｂ，Ｃｇ，Ｃｅがいずれも所定の正常範囲内かを判断し（Ｓ５５０）、肯定の場合には正常判定（Ｓ５６０）、否定の場合には異常判定（Ｓ５７０）を行う。これら正常判定及び異常判定は、ＥＣＵ２２の不揮発性メモリにおける所定の記憶領域に格納される。これらの情報は、走行時の他の制御に反映されるほか、整備入庫時に整備作業者によってＥＣＵ２２の不揮発性メモリから読み出され、酸素センサ１９の交換時期の判定、及び酸素センサ１９又は検出素子３１の改良のために用いられる。なお、ステップＳ５６０又はＳ５７０における判定結果は、異常検出の時点で車室内に設けたディスプレイ装置に異常情報として表示してもよい。
【００６９】
なお、電極界面の抵抗値Ｒｅが正常範囲を超えて増大しており、且つ静電容量値Ｃｅが正常範囲を超えて減少している場合には、電極凝集が生じていると判断することができる（なお、この場合の静電容量Ｃｅの減少と抵抗Ｒｅの増大は、電極凝集により電極表面の粒子径が増大することに伴う接触面積の減少に起因するものと考えられる。）。また、電極界面の抵抗値Ｒeが正常範囲を超えて増大しており、且つ静電容量値Ｃｅが正常範囲を超えて増大している場合には、異物混入が生じていると判断することができる（なお、この場合の静電容量Ｃｅと抵抗Ｒｅの増大は、多くの場合に異物の静電容量が空気よりも大であることに起因するものと考えられる。）。また、電解質部の抵抗値Ｒgが正常範囲を超えて増大しており、且つ静電容量値Ｃgも正常範囲を超えて増大している場合には、電解質部の格子欠陥の減少が生じていると判断することができる。
【００７０】
以上の処理の結果、本実施形態では、検出素子３１の出力電圧に応じて補正された抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅの値に基づいて、異常の有無が判定され、検出素子３１のインピーダンスにおける抵抗成分と静電容量成分とのそれぞれの挙動に応じて、検出素子３１の異常原因が特定されることになる。
【００７１】
以上のとおり、本実施形態では、異常診断のための電気的特性の検出の直前に検出素子３１の出力電圧を取得し（Ｓ４４０）、この検出素子３１の出力電圧に応じて補正（Ｓ５４０）された抵抗Ｒｂ，Ｒｇ，Ｒｅの値に基づいて、異常の有無を判定する。検出素子３１の出力は交流インピーダンスの検出値に影響を与えるから、この影響を補正によって相殺ないし抑制することにより、本実施形態では酸素センサの異常検出の精度を改善することができる。
【００７２】
なお、本実施形態では、異常診断のための交流電圧の印加の直前に取得した検出素子３１の出力電圧に基づいて、電気的特性の検出値を補正することとしたが、交流電圧が印加されていないときの出力電圧は、異常診断の前であれば、交流電圧の印加及び電気的特性の検出よりも後であってもよい。
【００７３】
上記各実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。
【００７４】
例えば、上記各実施形態では、静電容量成分が極大値を示す点をピーク点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３として特定することとしたが、このような構成に代えて、インピーダンスＺｎを所定の関数によって極座標変換して位相角αｎ（図１３参照）を算出し、算出された位相角αｎが増加から減少に転じた点をピーク点として特定してもよい。
また、上記各実施形態では電気的特性として静電容量及び抵抗を個別に用いることとしたが、本発明における電気的特性はインピーダンスであってもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。
【図２】酸素センサの取付状態を示す断面図である。
【図３】酸素センサの検出素子周辺の拡大断面図である。
【図４】酸素センサの出力特性を示すグラフである。
【図５】第１実施形態における異常診断制御処理を示すフロー図である。
【図６】第１実施形態におけるインピーダンス測定処理を示すフロー図である。
【図７】第１実施形態における異常診断処理を示すフロー図である。
【図８】第２実施形態における異常診断制御処理を示すフロー図である。
【図９】第３実施形態におけるセンサ出力−補正係数マップの設定例を示すグラフである。
【図１０】第３実施形態における異常診断制御処理を示すフロー図である。
【図１１】第３実施形態における異常診断処理を示すフロー図である。
【図１２】実施形態における酸素センサ素子の等価回路を示す図である。
【図１３】実施形態における酸素センサの複素インピーダンス特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１０    内燃機関
１２    燃焼室
１７    インジェクタ
１８    三元触媒
１９    酸素センサ
３１    検出素子
３６    ヒータ
【図１】
2009031213.tif 000009
【図２】
2009031213.tif 000010
【図３】
2009031213.tif 000011
【図４】
2009031213.tif 000012
【図５】
2009031213.tif 000013
【図６】
2009031213.tif 000014
【図７】
2009031213.tif 000015
【図８】
2009031213.tif 000016
【図９】
2009031213.tif 000017
【図１０】
2009031213.tif 000018
【図１１】
2009031213.tif 000019
【図１２】
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【図１３】
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