(57)【要約】【課題】センサ素子温度を高精度で推定可能なガスセンサの素子温度推定装置を提供する。【解決手段】触媒装置の下流側に配置されたヒータ付きＯ2センサと、触媒装置の上流側に配置されたヒータ付きＡ／Ｆセンサと、Ａ／Ｆセンサ素子の温度及びＡ／Ｆヒータの発熱量に基づき排気温度を算出する排気温度算出手段（Ｓ２０）と、排気温度算出手段により算出された排気温度及びＯ2ヒータの発熱量に基づき、Ｏ2センサ素子の温度を推定する下流側素子温度推定手段（Ｓ２０）と、を備える。これによれば、Ａ／Ｆセンサに関連する物理量（センサ素子温度及びヒータ発熱量）を、Ｏ2センサの素子温度推定に利用するので、予め実験等により作成したマップのみに依存して推定した場合に比べてＯ2センサ素子の温度を精度良く推定できる。【選択図】      図３
2009007939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気を浄化する排気浄化装置の下流側に配置され、排気中の特定成分の濃度を検出する下流側センサ素子、及び前記下流側センサ素子を加熱する下流側ヒータを有する下流側ガスセンサと、
前記排気浄化装置の上流側に配置され、排気中の特定成分の濃度を検出する上流側センサ素子、及び前記上流側センサ素子を加熱する上流側ヒータを有する上流側ガスセンサと、
前記上流側センサ素子の温度又はそれに相関するパラメータ、及び前記上流側ヒータの発熱量に基づき、排気温度を算出する排気温度算出手段と、
前記排気温度算出手段により算出された排気温度、及び前記下流側ヒータの発熱量に基づき、前記下流側センサ素子の温度を推定する下流側素子温度推定手段と、
を備えることを特徴とするガスセンサの素子温度推定装置。
【請求項２】
前記下流側素子温度推定手段により推定された前記下流側センサ素子の温度に基づき、前記下流側ガスセンサの活性完了を推定する活性完了推定手段と、
前記下流側ガスセンサが活性化したことを検出する活性検出手段と、
前記活性完了推定手段により活性完了していると推定されたタイミングで、前記活性検出手段により活性化したことが検出されなかった場合に、前記下流側ガスセンサが異常であると判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの素子温度推定装置。
【請求項３】
前記下流側素子温度推定手段は、前記下流側ガスセンサと排気との間の熱伝達係数を用いて前記下流側センサ素子の温度を推定するとともに、排気流速又はそれに相関するパラメータに基づき前記熱伝達係数を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサの素子温度推定装置。
【請求項４】
前記下流側素子温度推定手段は、前記下流側ガスセンサと排気との間の熱伝達係数を用いて前記下流側センサ素子の温度を推定するとともに、排気密度又はそれに相関するパラメータに基づき前記熱伝達係数を補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のガスセンサの素子温度推定装置。
【請求項５】
前記上流側ヒータの発熱量を強制的にステップ変化させ、その変化に対する前記上流側センサ素子の温度変化の応答遅れを計測する応答遅れ計測手段を備え、
前記排気温度算出手段は、前記上流側ガスセンサと排気との間の熱伝達係数を用いて排気温度を算出するとともに、前記応答遅れ計測手段により計測した応答遅れに基づき前記熱伝達係数を補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のガスセンサの素子温度推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置の下流側に配置されたガスセンサのセンサ素子温度を推定する、ガスセンサの素子温度推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の排気中に含まれる特定成分（例えばＯ2、ＮＯx、ＨＣ等）の濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を早期に活性状態にするためのヒータとを備えて構成されたガスセンサが知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１５３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、センサ素子の温度を把握することは、センサ素子が活性状態であるか否かを判定したり、センサ素子温度を一定に保つためのヒータのデューティを決定したりするために有用である。そこで、センサ素子のインピーダンスを検出するためのインピーダンス回路を設け、検出したインピーダンスの値に基づきセンサ素子温度を算出する手法が従来より適用されている。
【０００４】
しかし、この手法ではインピーダンス回路を要するためコスト高を招く。これに対し上記特許文献１には、ヒータの発熱量及び排気温度に基づきセンサ素子温度を推定する手法が開示されており、この手法によればインピーダンス回路を不要にできる。
【０００５】
ここで、上記推定に用いる排気温度は、内燃機関の出力軸の回転速度ＮＥ及び吸気圧ＰＭを主要なパラメータとして変化するものである。そこで、上記推定手法では、これらのパラメータＮＥ，ＰＭと排気温度の関係を予め実験等に基づいてマップ化し、回転速度ＮＥ及び吸気圧ＰＭの検出値と前記マップに基づき排気温度を算出している。
【０００６】
しかしながら、実際の排気温度は、これらのパラメータＮＥ，ＰＭ以外にも様々な要素により影響を受けるので、上記マップに基づく推定では排気温度の推定精度が悪い。そのため、特許文献１の推定手法ではセンサ素子温度を高精度で推定できていないのが現状である。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、センサ素子温度を高精度で推定可能なガスセンサの素子温度推定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【０００９】
本発明は、排気浄化装置の下流側に配置された下流側ガスセンサを素子温度推定の対象としている。そして、排気浄化装置の上流側に配置された上流側ガスセンサに関連する物理量（上流側センサ素子の温度等及び上流側ヒータの発熱量）を、下流側ガスセンサの素子温度推定に利用することに着目してなされたものである。
【００１０】
すなわち、請求項１記載の発明では、内燃機関からの排気を浄化する排気浄化装置の下流側に配置され、排気中の特定成分の濃度を検出する下流側センサ素子、及び前記下流側センサ素子を加熱する下流側ヒータを有する下流側ガスセンサと、前記排気浄化装置の上流側に配置され、排気中の特定成分の濃度を検出する上流側センサ素子、及び前記上流側センサ素子を加熱する上流側ヒータを有する上流側ガスセンサと、前記上流側センサ素子の温度又はそれに相関するパラメータ（例えば上流側センサ素子のインピーダンス）、及び前記上流側ヒータの発熱量に基づき、排気温度を算出する排気温度算出手段と、前記排気温度算出手段により算出された排気温度、及び前記下流側ヒータの発熱量に基づき、前記下流側センサ素子の温度を推定する下流側素子温度推定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
ここで、排気温度を算出するにあたり、実際の排気温度は、エンジン回転速度ＮＥ及び吸気圧ＰＭのみならず、例えば、点火時期ばらつきや、吸入空気温度ばらつき、燃焼温度ばらつき、燃料性状、前回の内燃機関運転時に排気管内に溜まった凝縮水量等の様々な要素により影響を受ける。そのため、前述の如く予め実験等により作成したマップのみに依存して算出したとしても、その算出値は実際の排気温度と大きくずれる場合が多く算出精度が悪い。
【００１２】
これに対し本発明によれば、上流側センサ素子の温度等及び上流側ヒータの発熱量に基づき排気温度を算出している。そして、これらの素子温度等及び発熱量は実際に内燃機関を運転している最中に取得される値であるため、実際の排気温度に影響を及ぼす様々な要素が加味された値であると言える。よって、予め実験等により作成したマップのみに依存した従来の手法に比べて排気温度を精度良く算出できる。そして、このように高精度で算出された排気温度及び下流側ヒータの発熱量に基づき、下流側センサ素子の温度を推定するので、下流側センサ素子の温度を高精度で推定できる。
【００１３】
しかも、既存の上流側ガスセンサに関連する物理量（上流側センサ素子の温度等及び上流側ヒータの発熱量）を利用して、排気温度の算出及び下流側センサ素子の温度推定を行うので、専用の排気温度検出センサを不要にできる。また、下流側センサ素子の温度を算出するために用いる前述のインピーダンス回路を不要にできる。
【００１４】
請求項２記載の発明では、前記下流側素子温度推定手段により推定された前記下流側センサ素子の温度に基づき、前記下流側ガスセンサの活性完了を推定する活性完了推定手段と、前記下流側ガスセンサが活性化したことを検出する活性検出手段と、前記活性完了推定手段により活性完了していると推定されたタイミングで、前記活性検出手段により活性化したことが検出されなかった場合に、前記下流側ガスセンサが異常であると判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
ところで、下流側ガスセンサは、下流側ヒータの劣化や下流側センサ素子の劣化、配線の断線、短絡等の原因により検出値に異常を来す場合がある。このような異常に対し本発明では、推定された下流側センサ素子の温度に基づき下流側ガスセンサの活性完了を推定し、その推定したタイミングで実際に活性化しなかった場合に異常であると判定する。よって、異常を検出する専用のハード検出回路（例えばヒータ劣化による電圧低下を検出する回路）を必要とすることなく異常を判定できる。しかも、活性完了推定手段は、上述の如く高精度で推定された下流側センサ素子の温度に基づき活性完了を推定するので、その異常判定を精度良くできる。
【００１６】
請求項３記載の発明では、前記下流側素子温度推定手段は、前記下流側ガスセンサと排気との間の熱伝達係数を用いて前記下流側センサ素子の温度を推定するとともに、排気流速又はそれに相関するパラメータ（例えば内燃機関の出力軸の回転速度）に基づき前記熱伝達係数を補正することを特徴とする。ここで、排気流速は、内燃機関の運転状態に応じて変化するものであるとともに熱伝達係数を決定するパラメータである。よって、このような排気流速等に基づき熱伝達係数を補正する本発明によれば、下流側センサ素子の温度推定に用いる熱伝達係数を実態に近い値にでき、下流側センサ素子の温度を高精度に算出できる。
【００１７】
請求項４記載の発明では、前記下流側素子温度推定手段は、前記下流側ガスセンサと排気との間の熱伝達係数を用いて前記下流側センサ素子の温度を推定するとともに、排気密度又はそれに相関するパラメータ（例えば内燃機関の吸入空気量）に基づき前記熱伝達係数を補正することを特徴とする。ここで、排気密度は、内燃機関の運転状態に応じて変化するものであるとともに熱伝達係数を決定するパラメータである。よって、このような排気密度等に基づき熱伝達係数を補正する本発明によれば、下流側センサ素子の温度推定に用いる熱伝達係数を実態に近い値にでき、下流側センサ素子の温度を高精度に算出できる。
【００１８】
請求項５記載の発明では、前記上流側ヒータの発熱量を強制的にステップ変化させ、その変化に対する前記上流側センサ素子の温度変化の応答遅れ（例えば時定数）を計測する応答遅れ計測手段を備え、前記排気温度算出手段は、前記上流側ガスセンサと排気との間の熱伝達係数を用いて排気温度を算出するとともに、前記応答遅れ計測手段により計測した応答遅れに基づき前記熱伝達係数を補正することを特徴とする。
【００１９】
ここで、上流側センサ素子の温度変化の応答遅れと熱伝達係数とは相関関係にある。よって、このような応答遅れに基づき熱伝達係数を補正する本発明によれば、下流側センサ素子の温度推定に用いる熱伝達係数を実態に近い値にでき、下流側センサ素子の温度を高精度に算出できる。しかも、応答遅れは実際に内燃機関を運転している最中に計測した値であるため、予め実験等により作成したマップのみに依存した場合に比べて下流側センサ素子の温度を高精度に算出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、車両に搭載された走行用エンジン１０（内燃機関）の制御システムの概要を示す構成図である。当該エンジン１０は多気筒４サイクルのガソリンエンジンであり、吸気管１１には吸気量を調整するスロットルバルブ１２が設けられ、その下流側の吸気ポート近傍には燃料を噴射するインジェクタ１３が設けられている。
【００２２】
インジェクタ１３から燃料が噴射されるとその噴射燃料と空気とにより混合気が形成され、該混合気がエンジン燃焼室にて燃焼に供された後、排気が排気管１５に排出される。また、排気管１５には排気を浄化する触媒装置１６（排気浄化装置）が設けられており、該触媒装置１６には、ＣＯ（一酸化炭素）及びＨＣ（炭化水素）を酸化するとともにＮＯx（窒素酸化物）を還元して浄化する三元触媒が採用されている。
【００２３】
触媒装置１６の排気流れ上流側には、排気中の酸素濃度を検出するためのＡ／Ｆセンサ２０（上流側ガスセンサ）が設けられている。また、触媒装置１６の排気流れ下流側には、排気中の酸素濃度を検出するためのＯ2センサ３０（下流側ガスセンサ）が設けられている。Ａ／Ｆセンサ２０は、実際の空燃比が目標空燃比（理論空燃比）となるようインジェクタ１３からの燃料噴射量をフィードバック制御するためのセンサである。
【００２４】
ここで、触媒装置１６が浄化効率を保つためには、触媒装置１６内の酸素吸蔵量を適度な量に保つ必要がある。そこで、Ｏ2センサ３０により触媒装置１６の下流側の排気について空気過剰率λを検出し、触媒装置１６内の酸素吸蔵量が適度な量になるように、前記目標空燃比を補正する。
【００２５】
これらの両センサ２０，３０は、酸素濃度を検出するセンサ素子２１，３１、該センサ素子２１，３１を加熱する電気ヒータ２２，３２、及びこれらのセンサ素子２１，３１及びヒータ２２，３２を収容するハウジング２３，３３を備えて構成されている。
【００２６】
Ｏ2センサ３０が備えるＯ2センサ素子３１（下流側センサ素子）は、空気過剰率λが１．０を下回ると例えば０．９Ｖの信号を出力し、超えなければ０Ｖの信号を出力するものである。つまり、Ｏ2センサ素子３１は、空気過剰率λが１を超えたか否かを２値検出する素子であると言える。一方、Ａ／Ｆセンサ２０が備えるＡ／Ｆセンサ素子２１（上流側センサ素子）は、空気過剰率λに比例した大きさの信号を出力するものであるため、空気過剰率λが１．０以外の領域についてもその空気過剰率λを検出できる。
【００２７】
なお、周知の如く酸素濃度を検出するセンサには、平板形状のセンサ素子及び電極を積層してなる積層タイプと、センサ素子及び電極をコップ形状に形成してなるコップタイプとがある。本実施形態では、Ｏ2センサ３０にコップタイプを採用し、Ａ／Ｆセンサ２０に積層タイプを採用している。因みに、コップタイプに比べて積層タイプの方が活性化速度は速い。
【００２８】
ヒータ２２，３２はセンサ素子２１，３１を加熱して活性化させるためのものであり、特にエンジン１０の始動時に用いることで、センサ素子２１，３１を早期に活性化させている。また、センサ素子２１，３１が活性化した後は、センサ素子２１，３１の温度を一定に保つようにヒータ２２，３２の通電を制御（例えばデューティ制御）している。なお、Ａ／Ｆセンサ２０の活性化温度（例えば約７５０℃）はＯ2センサ３０の活性化温度（例えば約３００℃）よりも高い。
【００２９】
また、Ａ／Ｆセンサ２０が備えるＡ／Ｆヒータ２２（上流側ヒータ）には、Ｏ2センサ３０が備えるＯ2ヒータ３２（下流側ヒータ）に比べて大容量のヒータが採用されている。そして、エンジン１０を始動させた後、Ａ／Ｆセンサ２０の方がＯ2センサ３０に比べて早いタイミングで活性化する。因みに、両センサ２０，３０の上記構成上の違いから、ヒータ付Ａ／Ｆセンサ２０はＵＨＥＧＯ（Universal Heated Exhaust Gas Oxygen）と呼ばれ、ヒータ付きＯ2センサ３０はＨＥＧＯ（Heated Exhaust Gas Oxygen）と呼ばれることもある。
【００３０】
ＥＣＵ（電子制御ユニット）４０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、その都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。
【００３１】
具体的には、ＥＣＵ４０は、車両運転者のアクセル操作量に応じた要求吸気量となるようにスロットルバルブ１２の開度を制御（吸気量制御）する。また、混合気が所望する目標空燃比（例えば理論空燃比）となるよう、インジェクタ１３による燃料噴射量を制御（噴射量制御）する。
【００３２】
また、ＥＣＵ４０には、Ａ／Ｆセンサ素子２１及びＯ2センサ素子３１の出力信号（検出信号）が入力される。そして、Ａ／Ｆセンサ素子２１による検出信号に基づき、実際の空燃比が目標空燃比となるよう、ＥＣＵ４０は燃料噴射量をフィードバック制御している。また、ＥＣＵ４０は、Ａ／Ｆセンサ２０による検出信号に基づき実際の空燃比を算出するにあたり、Ｏ2センサ３０からの検出信号に基づき、触媒装置１６内の酸素吸蔵量が適度な量になるよう前述した目標空燃比を補正している。
【００３３】
また、ＥＣＵ４０は、センサ素子２１，３１の温度を一定に保つよう、Ａ／Ｆヒータ２２及びＯ2ヒータ３２の通電をデューティ制御している。これにより、Ａ／Ｆセンサ２０及びＯ2センサ３０は所定の活性状態に保持される。
【００３４】
Ａ／Ｆヒータ２２のデューティ制御について具体的に説明すると、Ａ／Ｆセンサ素子２１の温度を検出するインピーダンス回路（図示せず）を設け、ＥＣＵ４０は、インピーダンス回路により検出された素子温度（以下、Ａ／Ｆ素子温度と呼ぶ）が所定の目標温度（例えば７５０℃）となるよう、Ａ／Ｆヒータ２２への通電に係るデューティ比を算出する。そして、算出したデューティ比に基づきＡ／Ｆヒータ２２をデューティ制御する。
【００３５】
因みに、Ａ／Ｆ素子温度と素子インピーダンスとは、Ａ／Ｆ素子温度が高いほど素子インピーダンスが低い値になるといった相関関係を有しており、この相関関係を用いて検出された素子インピーダンスを素子温度に換算している。
【００３６】
ここで、Ｏ2センサ３０のデューティ制御についても、Ａ／Ｆヒータ２２と同様に行おうとすると、Ｏ2センサ素子３１の温度（以下、Ｏ2素子温度と呼ぶ）を検出するインピーダンス回路が必要となってしまい、コスト高を招いてしまう。そこで本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ２０に関連する物理量を利用してＯ2素子温度を推定することで、Ｏ2センサ素子３１用のインピーダンス回路の廃止を図っている。
【００３７】
次に、本実施形態の要部である、Ｏ2素子温度の推定の手法について説明する。
【００３８】
Ｏ2素子温度Ｔhは、Ｏ2ヒータ３２によりＯ2センサ素子３１に供給される単位時間当たりの熱量（以下、ヒータ供給熱量Ｑheatという）と、排気から伝達される単位時間当たりの熱量（以下、排気熱量Ｑgasという）とにより決定される。
【００３９】
排気熱量Ｑgasに関し、Ｏ2素子温度をＴh、排気温度をＴg、Ｏ2センサ素子３１の表面積をＡ、Ｏ2センサ素子３１と排気との間の熱伝達係数をＫhとする場合、排気からＯ2センサ素子３１に伝達される単位時間当たりの排気熱量Ｑgasは次の数１で表される。
【００４０】
【数１】
2009007939.tif 000003
また、ヒータ供給熱量Ｑheatに関し、ヒータ印加電圧をＶ、制御デューティ比（操作量）をDutyとする場合、供給電力Ｐは「Ｐ＝Ｖ＊Ｖ＊Duty」で表される。そして、ヒータ抵抗をＲ、電力［Ｗ］→熱量［Ｊ／ｓｅｃ］への換算係数をＫwとする場合、ヒータ供給熱量Ｑheatは次の数２で表される。
【００４１】
【数２】
2009007939.tif 000004
そして、これらの排気熱量Ｑgas及びヒータ供給熱量Ｑheatに基づき、Ｏ2素子温度Ｔhは次の数３で表される。なお、数３中のＣはＯ2センサ素子３１の熱容量係数である。
【００４２】
【数３】
2009007939.tif 000005
そして、上記数３をラプラス変換すると数４となる。なお、数４中のαは「α＝Ｋw／（Ｋh＊Ａ）」で表される係数である。
【００４３】
【数４】
2009007939.tif 000006
そして、上記数４中の「１／（（Ｃ／（Ｋh・Ａ））・ｓ＋１）」として示すβは、ヒータ供給熱量Ｑheat及び排気熱量Ｑgasに関する一次遅れの伝達関数を示す。そして、Ｏ2ヒータ３２の供給電力Ｐが変化した時、その変化に対してＯ2素子温度は所定の応答遅れを伴って変化するが、この際の一次遅れ応答が上記数４中の「β・Ｐ(s)」にて表されている。また、排気温度Ｔgが変化した時、その変化に対してＯ2素子温度は所定の応答遅れを伴って変化するが、この際の一次遅れ応答が上記数４中の「β・Ｔg(s)」にて表されている。なお、上記数４中の「１／（（Ｃ／（Ｋh・Ａ））・ｓ＋１）」にて示されるβのうち、「Ｃ／（Ｋh・Ａ）」に示す項は一次遅れの時定数τを表している。
【００４４】
以上、数１〜数４を用いて説明したように、Ｏ2ヒータ３２によりＯ2センサ素子３１に供給されるヒータ供給熱量Ｑheat、及び排気によりセンサ素子３１から奪われる排気熱量Ｑgasに基づき、Ｏ2素子温度Ｔhが数４に示す如く推定される。そして、該推定に用いられる排気熱量Ｑgasは、Ａ／Ｆセンサ２０に関連する物理量を利用して算出されている。具体的には、排気熱量Ｑgasを決定するパラメータとしての排気温度Ｔgを、Ａ／Ｆ素子温度、及びＡ／Ｆヒータ２２のヒータ供給熱量Ｑheat（発熱量）に基づき算出している。
【００４５】
ここで、前述したように、ＥＣＵ４０は、インピーダンス回路により検出されたＡ／Ｆ素子温度が所定の目標温度となるよう、Ａ／Ｆヒータ２２への通電に係るデューティ比を算出して、Ａ／Ｆヒータ２２の作動をフィードバック制御している。したがって、排気温度Ｔgが高いほどＡ／Ｆヒータ２２によるヒータ供給熱量Ｑheatは少なくて済む。このことは、このように算出されたデューティ比と排気温度Ｔgとが相関関係にあることを示している。つまり、この相関関係を用いて算出されたデューティ比を排気温度Ｔgに換算することができる。このことを利用して、Ａ／Ｆヒータ２２へのデューティ比に基づき排気温度Ｔgを算出している。
【００４６】
以上により、Ａ／Ｆヒータ２２へのデューティ比に基づき排気温度Ｔgを算出し、該算出した排気温度Ｔg、及びＯ2ヒータ３２への供給電力Ｐに基づき、上記数１〜数４を用いてＯ2素子温度Ｔhを推定している。
【００４７】
そして、本実施形態では、このように推定されたＯ2素子温度Ｔhを、Ｏ2センサ３０が異常であるか否かを判定する異常判定に利用している。該異常の具体例としては、Ｏ2ヒータ３２の劣化やＯ2センサ素子３１の劣化、Ｏ2ヒータ３２又はＯ2センサ素子３１とＥＣＵ４０とを接続する配線の断線、短絡等が挙げられる。
【００４８】
図２は、ＥＣＵ４０による上記異常判定の処理を説明するための機能ブロック図であり、エンジン１０を始動させた後、Ａ／Ｆセンサ２０が活性化しており、かつ、Ｏ2センサ３０が活性化していない時に、前記異常判定処理が開始される。
【００４９】
先ず、活性完了推定手段４１は、推定されたＯ2素子温度ＴhによりＯ2センサ３０の活性完了を推定する。具体的には、活性完了推定手段４１は、上述の如く、Ａ／Ｆヒータ２２の供給電力Ｐ（ヒータ供給熱量Ｑheat）及びＡ／Ｆ素子温度に基づき排気温度Ｔgを算出する排気温度算出手段４１ａを有している。そして、算出された排気温度Ｔg及びＯ2ヒータ３２への供給電力Ｐ（ヒータ供給熱量Ｑheat）に基づき、上記数１〜数４を用いてＯ2素子温度Ｔhを推定する。次に、活性完了推定手段４１は、推定したＯ2素子温度ＴhがＯ2センサ３０の活性化温度（例えば約３００℃）に達したか否かを判定することで、活性／非活性を推定する。
【００５０】
一方、活性検出手段４２は、Ｏ2センサ素子３１の出力信号（出力電圧）に基づき、Ｏ2センサ３０が活性化したことを検出する。具体的には、Ｏ2センサ素子３１は前述の如く空気過剰率λが１．０を超えると０．９Ｖの信号を出力するが、その出力信号よりも小さい値（例えば０．６Ｖ）の出力信号が検出されたことをもってして、活性化したことを検出する。
【００５１】
そして、劣化判定手段４３は、活性完了推定手段４１による活性完了推定結果、及び活性検出手段４２による活性化検出結果に基づき、Ｏ2ヒータ３２の劣化等によりＯ2センサ３０が異常を来たしているか正常であるかを判定する。具体的には、活性完了推定手段４１にて活性化したとの推定結果がなされているにも拘わらず、活性検出手段４２にて非活性であるとの検出結果がなされている場合に、Ｏ2センサ３０が異常であると判定する。
【００５２】
図３は、ＥＣＵ４０が有するマイクロコンピュータによる上記異常判定の処理手順を示すフローチャートであり、当該処理は、イグニッションスイッチがオン操作されたことをトリガとして起動した後、所定周期毎に実行される。
【００５３】
先ず、ステップＳ１０において、エンジン１０運転中（出力軸が回転中）であり、かつ、エンジン冷却水の温度が外気温度とほぼ等しく、かつ、後述するステップＳ７０に係る判定完了フラグが未完であるか否かを判定する。そして、これらの条件を満たしていないと判定（Ｓ１０：ＮＯ）された場合には、図３に示す一連の処理を終了する。つまり、エンジン１０始動後においてエンジン冷却水温度が外気温度よりも高ければ、Ｏ2センサ３０は既に活性化している可能性が高く、本異常判定処理は、エンジン１０始動後にＯ2センサ３０が活性化していない状態で実行される。
【００５４】
上記条件を満たしていると判定（Ｓ１０：ＹＥＳ）された場合には、ステップＳ２０に進み、活性完了推定手段４１により上述の数１〜数４に基づきＯ2素子温度Ｔhを計算する。続くステップＳ３０では、計算して得られたＯ2素子温度ＴhがＯ2センサ３０の活性化温度（例えば約３００℃）よりも大きいか否かを判定する。
【００５５】
Ｏ2素子温度Ｔh＞３００℃であると判定（Ｓ３０：ＹＥＳ）された場合には、ステップＳ４０に進み、活性検出手段４２によりＯ2センサ３０が活性化したことが検出されているか否かを判定する。つまり、Ｏ2センサ素子３１の出力信号が０．６Ｖよりも小さいか否かを判定する。
【００５６】
出力信号＜０．６Ｖであり活性化していないと判定（Ｓ４０：ＹＥＳ）された場合には、Ｏ2センサ３０が異常であるとみなしてステップＳ５０において異常フラグを１にする。つまり、Ａ／Ｆヒータ２２の供給電力Ｐ、Ａ／Ｆ素子温度、及びＯ2ヒータ３２への供給電力Ｐに基づき上記数１〜数４を計算して得られたＯ2素子温度Ｔhが活性化温度を超えている（Ｓ３０：ＹＥＳ）にも拘わらず、実際には活性化していない（Ｓ４０：ＹＥＳ）ので、Ｏ2センサ３０が異常であると判定することができ、異常フラグを１にしている。
【００５７】
一方、出力信号≧０．６Ｖであり活性化していると判定（Ｓ４０：ＮＯ）された場合には、Ｏ2センサ３０が正常であるとみなしてステップＳ６０において正常フラグを１にする。そして、ステップＳ５０及びステップＳ６０の処理の後、ステップＳ７０において判定完了フラグを完了にして図３の一連の処理を終了する。なお、判定完了フラグの初期値は未完に設定されている。
【００５８】
図４（ａ）〜（ｅ）に、上記異常判定処理を実行した場合における、一態様を例示する。図４（ａ）はイグニッションスイッチのオンオフ作動の変化を示す。図４（ｂ）はＡ／Ｆヒータ２２への通電デューティ比の変化を示す。図４（ｃ）は実際のＡ／Ｆ素子温度の変化を示す。図４（ｄ）はＯ2センサ素子３１の出力信号の変化を示し、図中の二点鎖線はＯ2センサ３０が劣化していない正常の状態の場合を示し、実線は、異常判定されない程度に劣化している状態の場合を示し、一点鎖線は異常判定される程度に劣化した状態の場合を示す。図４（ｅ）は、活性完了推定手段４１により推定されたＯ2素子温度をＴhの変化を示す。
【００５９】
先ず、図４（ａ）に示すようにイグニッションスイッチをオン操作してエンジンを始動させると、Ａ／Ｆセンサ２０を早期に活性化させるべく、Ａ／Ｆヒータ２２への通電に係るデューティ比を１００％にする（図４（ｂ）参照）。そして、Ａ／Ｆヒータ２２による加熱にともないＡ／Ｆ素子温度は上昇し、ｔ０に示す時点で活性化温度（例えば約７５０℃）に達する（図４（ｃ）参照）。活性化したｔ０時点以後、Ａ／Ｆセンサ２０のインピーダンス回路により検出された温度が目標温度（７５０℃）を保つように、Ａ／Ｆヒータ２２の通電がフィードバック制御される。
【００６０】
また、イグニッションスイッチをオン操作してエンジンを始動させると、Ｏ2センサ３０を早期に活性化させるべく、Ｏ2ヒータ３２への通電に係るデューティ比を１００％にする（図示略）。そして、Ｏ2ヒータ３２による加熱及び排気からの熱伝達にともないＯ2素子温度Ｔhは上昇する。なお、Ｏ2センサ３０の活性化タイミングはＡ／Ｆセンサ２０の活性化タイミングよりも遅く、ｔ０時点ではＯ2センサ素子３１は未だ活性化温度に達していない。
【００６１】
ここで、エンジン１０の始動直後は、インジェクタ１３からの燃料噴射量を増量補正するため、理論空燃比よりもリッチな状態で燃焼している。よって、Ｏ2センサ３０が活性化していれば、Ｏ2センサ３０は空気過剰率λが１以下であるリッチ状態を検出し、０．９Ｖの検出信号を出力するはずである。すなわち、Ｏ2センサ３０が劣化していない正常状態では、Ｏ2センサ素子３１の出力信号がｔ１の時点で０．６Ｖに達し、その後０．９Ｖに達する（図４（ｄ）二点鎖線参照）。
【００６２】
そして、Ｏ2センサ３０の劣化が進行するにつれて、０．６Ｖに達するタイミングがｔ２，ｔ３と遅くなる。（図４（ｄ）実線及び一点鎖線参照）。つまり、Ｏ2センサ３０の劣化進行にともない、Ｏ2センサ３０の活性化タイミングがｔ１からｔ２，ｔ３と遅くなる。
【００６３】
そして、活性完了推定手段４１により推定されたＯ2素子温度Ｔhに基づき、Ｏ2センサ３０の活性化温度（３００℃）に達するタイミングｔ２（図４（ｅ）参照）において、Ｏ2センサ素子３１の出力信号が０．６Ｖに達していなければ、Ｏ2センサ３０が異常であると判定する。
【００６４】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００６５】
（１）Ａ／Ｆヒータ２２による供給熱量Ｑheat（発熱量）及びＡ／Ｆ素子温度に基づき排気温度Ｔgを算出している。そして、これらの発熱量及び素子温度等は実際にエンジン１０を運転している最中に取得される値であるため、実際の排気温度Ｔgに影響を及ぼす様々な要素が加味された値であると言える。よって、予め実験等により作成したマップのみに依存した従来の手法に比べて排気温度Ｔgを精度良く算出できる。
【００６６】
（２）上述の如く高精度で算出された排気温度Ｔg、及びＯ2ヒータ３２による供給熱量Ｑheat（発熱量）に基づきＯ2素子温度Ｔhを推定するので、Ｏ2素子温度Ｔhを高精度で推定できる。
【００６７】
（３）既存のＡ／Ｆセンサ２０に関連する物理量（供給熱量Ｑheat及び素子温度）を利用して、排気温度Ｔgの算出及びＯ2素子温度Ｔhの推定を行うので、専用の排気温度検出センサを不要にできる。また、Ｏ2素子温度Ｔhを算出するために用いる前述のインピーダンス回路を不要にできる。
【００６８】
（４）エンジン１０の始動開始とともに、推定されたＯ2素子温度Ｔhに基づきＯ2センサ３０活性完了を推定する。そして、リッチ状況下において、活性完了が推定されたタイミングｔ２で実際にＯ2センサ素子３１がリッチである旨の検出信号を出力しなかった場合に、Ｏ2センサ３０が異常であると判定する。よって、異常を検出する専用のハード検出回路を必要とすることなく異常を判定できる。しかも、上述の如く高精度で推定されたＯ2素子温度Ｔhに基づきＯ2センサ３０の活性完了を推定するので、その異常判定を精度良くできる。
【００６９】
（第２の実施形態）
図５は、本実施形態に係る異常判定処理を説明するための機能ブロック図であり、図２の機能ブロック図に熱伝達係数補正手段４４を追加して構成されている。熱伝達係数補正手段４４は、排気密度に相関するパラメータ及び排気流速に相関するパラメータを取得する。排気流速に相関するパラメータとしては例えばエンジン回転速度が使用でき、排気密度に相関するパラメータとしては例えば吸入空気量が使用できる。
【００７０】
そして、熱伝達係数補正手段４４は、これらのパラメータに基づき、上述の数１及び数４で用いた熱伝達係数Ｋhを補正する。つまり、実際の熱伝達係数Ｋhは排気流速が大きいほど大きい値となる。また、実際の熱伝達係数Ｋhは排気密度が大きいほど大きい値となる。そこで、熱伝達係数補正手段４４は、これらのパラメータが大きい値であるほど数１及び数４で用いる熱伝達係数Ｋhを大きくするよう補正している。
【００７１】
そのため、このような排気流速及び排気密度に相関するパラメータに基づき熱伝達係数Ｋhを補正する本実施形態によれば、数１及び数４に用いる熱伝達係数Ｋhを実態に近い値にできるので、Ｏ2素子温度Ｔhを高精度に算出でき、ひいてはＯ2センサ３０の異常判定を高精度にできる。
【００７２】
（第３の実施形態）
図６は、本実施形態に係る異常判定処理を説明するための機能ブロック図であり、図２の機能ブロック図に時定数計測手段４５及び熱伝達係数補正手段４６を追加して構成されている。
【００７３】
ここで、前述の通り、数４中のＣ／（Ｋh・Ａ）は、ヒータ供給熱量Ｑheatに関する応答遅れ（時定数）を示すものである。そして、本実施形態に係る時定数計測手段４５は、この応答遅れ（時定数）を実際に計測するための手段である。具体的には、Ｏ2ヒータ３２の通電に係るデューティ比を強制的にステップ変化させる。例えば、強制的に０％又は１００％にステップ変化させる。そして、Ａ／Ｆセンサ２０のインピーダンス回路によりＡ／Ｆ素子温度を検出し、その検出結果に基づきＥＣＵ４０はＡ／Ｆ素子温度の変化を演算し、前記ステップ変化に対するＡ／Ｆ素子温度変化の応答遅れ（時定数）を計測する。
【００７４】
次に、熱伝達係数補正手段４６において、時定数計測手段４５により計測された時定数に基づき、上述の数１及び数４で用いた熱伝達係数Ｋhを補正する。つまり、時定数を決定するパラメータには、Ｏ2センサ素子３１の熱容量係数Ｃ、Ｏ2センサ素子３１の表面積Ａ、及び熱伝達係数Ｋhがあり、熱容量係数Ｃ及び表面積Ａは既知の値であるため、時定数の値が分かれば熱伝達係数Ｋhを算出することが可能となる。そして、このように算出された熱伝達係数Ｋhを上述の数１及び数４で用いる。
【００７５】
このように、時定数計測手段４５により応答遅れ（時定数）を実際に計測し、その計測値に基づき算出された熱伝達係数Ｋhを用いてＯ2素子温度Ｔhを算出する本実施形態によれば、数１及び数４に用いる熱伝達係数Ｋhを実態に近い値にできるので、Ｏ2素子温度Ｔhを高精度に算出でき、ひいてはＯ2センサ３０の異常判定を高精度にできる。しかも、応答遅れ（時定数）は実際に内燃機関１０を運転している最中に計測した値であるため、予め実験等により作成したマップのみに依存した場合に比べてＯ2素子温度Ｔhを高精度に算出できる。
【００７６】
（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、上記各実施形態の特徴的構造をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。また、例えば次のように実施しても良い。
【００７７】
・上記実施形態では、下流側センサ素子としてＯ2センサ素子３１を採用しているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、Ａ／Ｆセンサ素子、ＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ素子、ＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ素子等を採用してもよい。また、上記実施形態では、上流側センサ素子としてＡ／Ｆセンサ素子２１を採用しているが、例えば、Ｏ2センサ素子、ＨＣセンサ素子、ＮＯxセンサ素子等を採用してもよい。
【００７８】
・上記実施形態では、推定したＯ2素子温度ＴhをＯ2センサ３０の異常判定に利用しているが、その他に、Ｏ2センサ３０が活性化状態であるか否かを判定する活性有無判定に利用してもよい。具体的には、推定したＯ2素子温度Ｔhが所定の活性化温度以上である場合に活性化状態であると判定すればよい。また、Ｏ2素子温度の推定値Ｔhが一定の温度に保たれるようにＯ2ヒータ３２の通電をフィードバック制御することに利用してもよい。
【００７９】
・上記実施形態では、Ｏ2センサ３０にコップタイプを採用しているが、積層タイプを採用してもよい。また、Ａ／Ｆセンサ２０に積層タイプを採用することに替え、コップタイプを採用してもよい。
【００８０】
・上記実施形態では排気浄化装置として触媒装置１６を対象としているが、例えば排気中に含まれる微粒子（ＰＭ）を捕捉するフィルタを対象としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１の実施形態に関する、エンジン制御システムの概要を示す構成図。
【図２】図１に示すＥＣＵによるＯ2センサの異常判定処理を説明するための機能ブロック図。
【図３】図２に示す異常判定処理の手順を示すフローチャート。
【図４】図３に示す異常判定処理を実行した場合における、一態様を例示するタイミングチャート。
【図５】第２の実施形態に関する、Ｏ2センサの異常判定処理を説明するための機能ブロック図。
【図６】第３の実施形態に関する、Ｏ2センサの異常判定処理を説明するための機能ブロック図。
【符号の説明】
【００８２】
１０…エンジン（内燃機関）、１６…触媒装置（排気浄化装置）、２０…Ａ／Ｆセンサ（上流側ガスセンサ）、２１…Ａ／Ｆセンサ素子（上流側センサ素子）、２２…Ａ／Ｆヒータ２２（上流側ヒータ）、３０…Ｏ2センサ（下流側ガスセンサ）、３１…Ｏ2センサ素子（下流側センサ素子）、３２…Ｏ2ヒータ（下流側ヒータ）、４１，Ｓ２０…排気温度算出手段、４１，Ｓ２０…下流側素子温度推定手段、４１，Ｓ３０…活性完了推定手段、４２…活性検出手段、４３，Ｓ４０…異常判定手段。
【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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