(57)【要約】【課題】酸素センサにおいて、異常個所ないし異常の原因を特定する。【解決手段】検出素子３１の交流インピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出し、算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別にそれぞれの基準値と比較し（Ｓ１３０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ２００，Ｓ２１０）、比較結果の組み合わせに基づいて、検出素子３１の異常を診断する（Ｓ１５０，Ｓ１７０，Ｓ２２０）。センサ素子の抵抗成分と静電容量成分は、異常個所ないし異常原因の種類に応じて異なる挙動を示す場合があるため、異常個所ないし異常原因の種類を特定することが可能になる。【選択図】図５
2009025102.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インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、当該インピーダンス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、
前記インピーダンス検出手段により検出されたインピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出する演算手段と、
前記演算手段により算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別にそれぞれの基準値と比較する比較手段と、を更に備え、
前記判定手段は、前記比較手段による比較結果の組み合わせに基づいて、前記検出素子の異常の有無を判定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】
請求項１に記載の酸素センサの異常診断装置であって、
前記インピーダンス検出手段は、前記検出素子の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域の交流電圧を印加し、
前記判定手段は、静電容量成分が基準値以下であり且つ抵抗成分が基準値以上である場合に、電極凝集が生じている旨判定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に記載の酸素センサの異常診断装置であって、
前記インピーダンス検出手段は、前記検出素子の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域の交流電圧を印加し、
前記判定手段は、静電容量成分が基準値以上であり且つ抵抗成分が基準値以上である場合に、異物混入が生じている旨判定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４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の酸素センサの異常診断装置であって、
前記インピーダンス検出手段は、前記検出素子の電解質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印加し、
前記判定手段は、静電容量成分が基準値以上であり且つ抵抗成分が基準値以上である場合に、格子欠陥の減少が生じている旨判定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５】
請求項１に記載の酸素センサの異常診断装置であって、
前記インピーダンス検出手段は、前記検出素子の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域、及び前記検出素子の電解質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す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関し、特に、異常箇所ないし異常の原因を特定可能な装置に関する。
【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空燃比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７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８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８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８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、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、特許文献１が開示する装置では、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。この装置では、インピーダンス値を用いるので、抵抗成分のみによる場合に比べて精度よく、劣化による異常の有無を検出できる。
【０００７】
【特許文献１】特許第３５８７０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の構成では、劣化による異常の有無を検出できるにとどまり、更に異常箇所ないし異常の原因を特定することはできない。
【０００９】
そこで本発明の目的は、酸素センサにおいて、異常個所ないし異常の原因を特定することのできる新規な手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、酸素センサの検出素子に交流電圧を印加してインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、当該インピーダンス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、前記インピーダンス検出手段により検出されたインピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出する演算手段と、前記演算手段により算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別にそれぞれの基準値と比較する比較手段と、を更に備え、前記判定手段は、前記比較手段による比較結果の組み合わせに基づいて、前記検出素子の異常の有無を判定することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、インピーダンス検出手段が検出素子に交流電圧を印加して交流インピーダンスを検出すると、演算手段がインピーダンス検出手段により検出されたインピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出する。比較手段は、演算手段により算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別にそれぞれの基準値と比較し、判定手段は、比較手段による比較結果の組み合わせに基づいて、検出素子の異常を診断する。
【００１２】
本発明者らの研究によれば、検出素子の抵抗成分と静電容量成分は、異常個所ないし異常原因の種類に応じて異なる挙動を示す場合がある。このため、本発明によれば、抵抗成分と静電容量成分とを個別にそれぞれの基準値と比較し、比較結果の組み合わせに基づいて、検出素子の異常を診断することによって、異常個所ないし異常原因の種類を特定することが可能になる。
【００１３】
好適には、インピーダンス検出手段が、検出素子の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域の交流電圧を印加し、判定手段が、静電容量成分が基準値以下であり且つ抵抗成分が基準値以上である場合に、電極凝集が生じている旨判定する。この場合には、異常箇所ないし異常の原因が電極凝集にあることを特定することができる。
【００１４】
また好適には、インピーダンス検出手段が、検出素子の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域の交流電圧を印加し、判定手段が、静電容量成分が基準値以上であり且つ抵抗成分が基準値以上である場合に、異物混入が生じている旨判定する。この場合には、異常箇所ないし異常の原因が異物混入にあることを特定することができる。
【００１５】
また好適には、インピーダンス検出手段が、検出素子の電解質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印加し、判定手段が、静電容量成分が基準値以上であり且つ抵抗成分が基準値以上である場合に、格子欠陥が生じている旨判定する。この場合には、異常箇所ないし異常の原因が格子欠陥の減少にあることを特定することができる。
【００１６】
また好適には、インピーダンス検出手段は、検出素子の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域、及び検出素子の電解質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する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、あるいはＡ／Ｆ（空燃比）センサに対しても適用可能である。
【００２９】
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。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。
【００３０】
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±０．２Ｖの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±０．２Ｖ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。
【００３１】
次に、この検出素子３１の故障診断処理について説明する。図５及び図６のルーチンは、図示しないイグニッションスイッチがオンされていることを条件に実行される。
【００３２】
ＥＣＵ２２は、図５のルーチンによって静電容量のピーク点の検出を行う。この処理は、インピーダンスの検出のために交流電圧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、位相角αnを算出し、位相角αnが増加から減少に転じた点をピーク点として抽出し、その時点での静電容量及び抵抗値を検出するものである。
【００３３】
図５において、まずＥＣＵ２２は、酸素センサ１９に対し交流電圧Ｖnを印加する（Ｓ１０）。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（Ｓ２０）。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を算出する（Ｓ３０）。
【００３４】
次にＥＣＵ２２は、算出されたインピーダンスＺnを所定の関数によって極座標変換し、位相角αnを算出する（Ｓ４０）。そして、このようにして算出された位相角αnから、その前回値αn-1を減算した値を０と比較することにより、位相角αnが増加から減少に転じた点を、ピーク点として抽出する（Ｓ５０）。
【００３５】
これらステップＳ１０〜Ｓ５０の処理は、インピーダンスＺnにおける抵抗成分Ｒn（Ｒn＝Ｖn／Ｉn）が所定の上限値Ｒth4を上回るまでの間（Ｓ６０）、交流電圧Ｖnの周波数を微小量ずつ漸増させながら（Ｓ８０）、繰返し実行される。その結果、図８に示されるピーク点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が抽出される。抵抗成分Ｒnが上限値Ｒth4を上回ると、ＥＣＵ２２は図６のサブルーチンにより、故障診断を実行する（Ｓ６０）。
【００３６】
故障診断処理が行われる図６のサブルーチンでは、まずＥＣＵ２２は、抽出された各ピーク点のインピーダンスＺnにおける抵抗成分Ｒn（Ｒn＝Ｖn／Ｉn）が、基準値Ｒth1未満であるかを判断する（Ｓ１１０）。抵抗成分Ｒnが基準値Ｒth1未満である場合には、そのピーク点が電極界面特性領域Ａ（図６参照）にあるとして、次にＥＣＵ２２は、その時点での抵抗成分Ｒnを電極界面の抵抗値Ｒeとして採用し、またその時点での静電容量値Ｃeを、次の数式（１）によって算出する（Ｓ１２０）。なおωnは角速度（ωn＝２πｆ、ｆは周波数）である。
【００３７】
【数１】
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【００３８】
次にＥＣＵ２２は、抵抗値Ｒeが正常範囲を超えて増大しているかを判断する（Ｓ１３０）。この判断は、抵抗値Ｒeから正常基準値を減算した値が正であり且つ所定の許容範囲を超えているかによって行われる。否定の場合には処理がリターンされる。
【００３９】
次にＥＣＵ２２は、静電容量値Ｃeが正常範囲を超えて減少しているかを判断する（Ｓ１４０）。この判断は、静電容量値Ｃeから正常基準値を減算した値が負であり且つ所定の許容範囲を絶対値で超えているかによって行われる。
【００４０】
ステップＳ１４０で肯定の場合、すなわち電極界面の抵抗値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、ＥＣＵ２２は電極凝集が生じていると判断して（Ｓ１５０）、その旨を不揮発性メモリの所定領域に記憶する。
【００４１】
ステップＳ１４０で否定の場合には、次にＥＣＵ２２は、静電容量値Ｃeが正常範囲を超えて増大しているかを判断する（Ｓ１６０）。この判断は、静電容量値Ｃeから正常基準値を減算した値が正であり且つ所定の許容範囲を超えているかによって行われる。
【００４２】
ステップＳ１６０で肯定の場合、すなわち電極界面の抵抗値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、ＥＣＵ２２は異物混入が生じていると判断して（Ｓ１７０）、その旨を不揮発性メモリの所定領域に記憶する。否定の場合には処理がリターンされる。
【００４３】
上述したステップＳ１１０で否定の場合には、ＥＣＵ２２は次に、その時点のインピーダンスＺnにおける抵抗成分Ｒnが、基準値Ｒth2と基準値Ｒth3との間であるかを判断する（Ｓ１８０）。肯定の場合には、そのピーク点が電解質部特性領域Ｂ（図６参照）にあるとして、次にＥＣＵ２２は、その時点での抵抗成分Ｒnを電解質部の抵抗値Ｒgとして採用し、またその時点での静電容量値Ｃgを、次の数式（２）によって算出する（Ｓ１９０）。
【００４４】
【数２】
2009025102.tif 000004
【００４５】
次にＥＣＵ２２は、抵抗値Ｒgが正常範囲を超えて増大しているかを判断する（Ｓ２００）。この判断は、抵抗値Ｒgから正常基準値を減算した値が正であり且つ所定の許容範囲を超えているかによって行われる。否定の場合には処理がリターンされる。
【００４６】
次にＥＣＵ２２は、静電容量値Ｃgが正常範囲を超えて増大しているかを判断する（Ｓ２１０）。この判断は、静電容量値Ｃgから正常基準値を減算した値が正であり且つ所定の許容範囲を超えているかによって行われる。否定の場合には処理がリターンされる。
【００４７】
ステップＳ２１０で肯定の場合、すなわち電解質部の抵抗値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、ＥＣＵ２２は電解質部の格子欠陥の減少が生じていると判断して（Ｓ２２０）、その旨を不揮発性メモリの所定領域に記憶する。なお、ステップＳ１５０，Ｓ１７０又はＳ２２０の処理後、処理はステップＳ７０に戻る。
【００４８】
以上の処理の結果、本実施形態では、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。ステップＳ１５０，Ｓ１７０又はＳ２２０における判定結果は、酸素センサ１９の故障として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Ｓ１５０，Ｓ１７０又はＳ２２０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。
【００４９】
以上のとおり、本実施形態では、ＥＣＵ２２は検出素子３１に交流電圧を印加して交流インピーダンスを検出し（Ｓ３０）、検出されたインピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出し（Ｓ１２０，Ｓ１９０）、算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別にそれぞれの基準値と比較し（Ｓ１３０，Ｓ１４０，Ｓ１６０，Ｓ２００，Ｓ２１０）、比較結果の組み合わせに基づいて、検出素子３１の異常を診断する（Ｓ１５０，Ｓ１７０，Ｓ２２０）。本発明者らの研究によれば、センサ素子の抵抗成分と静電容量成分は、異常個所ないし異常原因の種類に応じて異なる挙動を示す場合がある。このため、本実施形態によれば、抵抗成分と静電容量成分とを個別にそれぞれの基準値と比較し、比較結果の組み合わせに基づいて、検出素子の異常を診断することによって、異常個所ないし異常原因の種類を特定することが可能になる。
【００５０】
また本実施形態では、検出素子３１の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域の交流電圧Ｖnを印加し、静電容量成分Ｃeが基準値以下であり且つ抵抗成分Ｒeが基準値以上である場合に、電極凝集が生じている旨判定する（Ｓ１５０）。したがって、異常箇所ないし異常の原因が電極凝集にあることを特定することができる。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。
【００５１】
また本実施形態では、検出素子３１の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域の交流電圧Ｖnを印加し、静電容量成分Ｃeが基準値以上であり且つ抵抗成分Ｒeが基準値以上である場合に、異物混入が生じている旨判定する（Ｓ１７０）。したがって、異常箇所ないし異常の原因が異物混入にあることを特定することができる。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。
【００５２】
また本実施形態では、検出素子３１の電解質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Ｖnを印加し、静電容量成分Ｃgが基準値以上であり且つ抵抗成分Ｒgが基準値以上である場合に、格子欠陥の減少が生じている旨判定する（Ｓ２２０）。したがって、異常箇所ないし異常の原因が格子欠陥の減少にあることを特定することができる。
【００５３】
また本実施形態では、検出素子３１の電極界面インピーダンスを検出すべき第１の周波数帯域、及び検出素子の電解質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するので、多くの種類の異常個所ないし異常の原因を特定することができる。
【００５４】
なお、上記実施形態では、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。
【００５５】
例えば、上記実施形態では、抵抗成分Ｒnが基準値Ｒth1未満であるかを判断（Ｓ１１０）することによって、現在の交流電圧Ｖnの周波数が、電極界面インピーダンスを検出すべき周波数帯域（第１の周波数帯域）にあるかを判断することとしたが、このような構成に代えて、静電容量Ｃnが増大から減少に転じた時点の交流電圧Ｖnの周波数ｆnを、予め定められた基準値ｆth1と比較することにより、現在の交流電圧Ｖnの周波数ｆnが、電極界面インピーダンスを検出すべき周波数帯域（第１の周波数帯域）にあるかを判断してもよい。
【００５６】
また同様に、上記実施形態では、抵抗成分Ｒnが基準値Ｒth2と基準値Ｒth3との間であるかを判断（Ｓ１８０）することによって、現在の交流電圧Ｖnの周波数が、電解質インピーダンスを検出すべき周波数帯域（第２の周波数帯域）にあるかを判断することとしたが、このような構成に代えて、静電容量Ｃnが増大から減少に転じた時点の交流電圧Ｖnの周波数ｆnが、予め定められた基準値ｆth2及びｆth3（ｆth1＜ｆth2＜ｆth3）の間にあるかを判断することにより、現在の交流電圧Ｖnの周波数ｆnが、電解質インピーダンスを検出すべき周波数帯域（第２の周波数帯域）にあるかを判断してもよい。
【００５７】
また上記実施形態では、静電容量Ｃnのピーク点を、位相角αnが増大から減少に転じたことによって検出（Ｓ５０）したが、静電容量Ｃnのピーク点は、静電容量Ｃn自体が増大から減少に転じたことによって検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【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】実施形態における静電容量ピーク検出に係る処理を示すフロー図である。
【図６】実施形態における故障診断に係る処理を示すフロー図である。
【図７】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８】実施形態における酸素センサ素子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１７    インジェクタ
１９    酸素センサ
２２    ＥＣＵ
３１    検出素子
３６    ヒータ
【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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