JP2008261757A - 酸素センサの故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誤判定を防止して診断精度を向上する。
【解決手段】本発明はヒータ付酸素センサの故障診断装置に係り、酸素センサからの負電圧検出時に酸素センサを故障と判定するものに関する。内燃機関始動後の酸素センサの暖機過程において、検出素子の温度Ｔｓを少なくとも１回低下させるようにヒータを制御する。素子温低下により大気室内のガスを収縮させて外気を大気室に導入することができる。これによって大気室内の水分・水蒸気と大気との交換を促進し、負電圧発生及び誤判定を防止できる。
【選択図】図８

Description

本発明は酸素センサの故障診断装置に係り、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故障診断装置に関する。

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。

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などが利用されている。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。

こうした酸素センサにおいて、検出素子の欠損が生じて検出素子の内外が連通すると、検出素子外部の排気ガスがその内部に侵入し、その内外の酸素分圧の差が無くなってセンサは起電力を発生しなくなる。そしてさらに、検出素子内部に排気ガスが侵入した状態で検出素子外部により酸素濃度の高い（空燃比リーンの）排気ガスが存在すると、酸素センサにおいて逆方向の起電力が発生する。従って、この逆起電力に対応した酸素センサの負（マイナス）の出力電圧を検出することで、酸素センサの検出素子の欠損、即ち酸素センサの故障を検出することができる（例えば特許文献１参照）。

他の従来技術としては、ヒータ付き酸素センサに関して内燃機関の積算負荷量が内燃機関排気管の水分不発生温度に相当する所定の負荷量に達することを条件に酸素センサのヒータに通電を行うものがある（特許文献２参照）。

特開２００３−１４６８３号公報 特開平８−１５２１３号公報

ところで、酸素センサが上記のように欠損故障しておらず、正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサから負の出力電圧が発生する事象があることが試験により確認された。従って、この場合にも酸素センサの故障と判断してしまうことは誤判定となり、故障診断の精度を落としめる結果となる。

そこで、本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、誤判定を防止して診断精度を向上することができる酸素センサの故障診断装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路内に配置される検出素子を有し、該検出素子の内側に大気室が区画形成された酸素センサの故障診断装置において、
前記酸素センサに設けられ、前記検出素子を加熱するためのヒータと、
前記ヒータを制御するヒータ制御手段と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するための出力電圧検出手段と、
前記出力電圧検出手段により負の出力電圧が検出されたとき前記酸素センサの故障と判定する故障判定手段と、
を備え、
前記ヒータ制御手段が、前記酸素センサの暖機過程において前記検出素子の温度を少なくとも１回低下させるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする酸素センサの故障診断装置が提供される。

前述したように、酸素センサが欠損故障しておらず正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサから負の出力電圧が発生することがある。その理由は、内燃機関始動前の機関停止中に検出素子内側の大気室に凝縮水などが発生し、大気室に水分が存在することがあるからである。この水分は内燃機関始動後に次第に蒸発するが、このとき水分の蒸発による体積膨張に起因して、大気室内の大気が外部に駆逐され、即ち追い出される。こうなると大気室内が所謂酸欠状態となり、検出素子内外の酸素分圧が逆転して酸素センサから負の電圧が出力される。しかしながら、この後水蒸気は大気室から追い出され、代わりに大気室内に大気が再び戻るようになる。こうなると検出素子の内外に正常な酸素分圧の差が生じるようになり、酸素センサからは正の電圧が出力されるようになる。

前記第１の形態によれば、酸素センサの暖機過程において、検出素子の温度が少なくとも１回低下させられる。こうすると、大気室内のガスを収縮させて外気を大気室に導入することができる。これによって大気室内の水分及び水蒸気と大気との交換を促進し、大気室内が酸欠状態となっている時間を短縮することができる。そして、センサ暖機過程での負電圧発生を防止し、誤判定を防止すると共に、診断精度を向上することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記検出素子の温度を検出するための素子温検出手段が備えられ、
前記検出素子の温度低下時に、前記素子温検出手段によって検出された素子温が所定の第１素子温に達するまで、前記検出素子の温度が低下させられ、
前記第１素子温が、前記大気室に存在する水分が蒸発可能となる最低温度に等しく設定されている
ことを特徴とする。

これによれば、素子温を最大に低下させたときでも（即ち、素子温の下降端においても）、大気室内の水分が蒸発可能な状態が維持されるので、素子温の昇降中常に大気室の水分を蒸発させることができ、これによって大気室内の水分及び水蒸気と大気との交換を促進することができる。

本発明の第３の形態は、前記第１又は第２の形態において、
前記検出素子の温度を検出するための素子温検出手段が備えられ、
前記酸素センサの暖機過程において、前記素子温検出手段によって検出された素子温が所定の第２素子温に達するまで、前記検出素子が加熱させられ、
前記第２素子温が、前記酸素センサの活性開始温度より高温に設定されている
ことを特徴とする。

これによれば、素子温を最大に上昇させたときの温度（即ち、素子温の上昇端）を、大気室に存在する水分が蒸発可能となる最低温度よりも著しく高温とすることができる。よって、素子温を第２素子温から低下させるとき、大気室内の水分が蒸発可能な状態を比較的長く維持でき、これによって大気室内の水分の蒸発を促進し、大気室内の水分及び水蒸気と大気との交換を促進することができる。

本発明の第４の形態は、前記第１乃至第３のいずれかの形態において、
前記ヒータ制御手段が、前記酸素センサの暖機過程において前記検出素子の温度を複数回低下させるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする。

これによれば、検出素子加熱時における大気室内ガスの外部への排気と、検出素子温度低下時における大気室内への外気導入とを繰り返し実行することができ、大気室内の水分及び水蒸気と大気との交換を促進することができる。

本発明の第５の形態は、前記第１乃至第４のいずれかの形態において、
前記検出素子の温度を低下させた回数を計測するための計測手段が備えられ、
前記ヒータ制御手段が、前記計測手段によって計測された回数が所定値に達した後、前記検出素子の温度が活性温度に維持されるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする。

これにより、大気室内の水分及び水蒸気を大気と交換した後、通常のヒータ制御に移行することができる。

本発明の第６の形態は、前記第１乃至第５のいずれかの形態において、
前記ヒータ制御手段が、前記ヒータをオンオフ制御する
ことを特徴とする。

本発明によれば、誤判定を防止して診断精度を向上することができるという、優れた効果が発揮される。

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。

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、その上流側には触媒前酸素センサ１９、その下流側には触媒後酸素センサ２０がそれぞれ設けられている。

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。

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には、上記エアフローメータ１６や酸素センサ１９，２０、あるいは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、上記の空燃比制御を行っている。空燃比制御の概要は次の通りである。

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。

そこでＥＣＵ２２は、上記各酸素センサ１９，２０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。

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１９，２０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。なお、この排気ガス浄化システムでは、上述のように２つの酸素センサ１９，２０によって、三元触媒１８の上下流における排気ガスの酸素分圧をそれぞれ検出することで、上記空燃比フィードバック制御の更なる高精度化を図っている。

２つの酸素センサ１９，２０は互いに同様の構成であり、また故障診断の方法も同様である。そこで以下、触媒前酸素センサ１９を例にとって説明し、触媒後酸素センサ２０については説明を省略する。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、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などが利用されている。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。

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。

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。

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）を境に過渡的に変化し、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。

なお、本実施形態のように、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制御を行う内燃機関では、理論空燃比を境に出力電圧が大きく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。

ところで、長期使用による経年劣化等により、酸素センサ１９の検出素子３１にクラックが入ったり、検出素子３１が割れたりするといった検出素子３１の欠損が発生し、酸素センサ１９が故障する場合がある。この欠損によるセンサ故障の場合、図５に示すように、検出素子３１の欠損部３７を通じて検出素子３１の内外が連通し、検出素子３１外部の排気ガスがその内部に侵入する。そして検出素子３１内部に排気ガスが侵入した状態で、検出素子３１外部により酸素濃度の高い（空燃比リーンの）排気ガスが存在すると、酸素センサ１９において逆方向の起電力が発生する。このことは例えば、センサ故障状態で空燃比をリッチからリーンに切り替えた場合や、フューエルカットが行われた場合などに起こり得る。この場合、正極３３Ａの電位よりも負極３３Ｂの電位の方が高くなり、負（マイナス）の出力電圧が発生することになる。

図６はかかる故障時の酸素センサ出力電圧の変化の一例を示す。円で囲った領域に示されるように、酸素センサ１９からはしばしば負の電圧が出力される。従ってこのような負の出力電圧をＥＣＵ２２により検知することで、酸素センサの故障を一応は推定することができる。

しかしながら、前述したように、酸素センサ１９が欠損故障しておらず、正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサ１９から負の出力電圧が発生することがある。従って、この場合にも酸素センサ１９の故障と判断してしまうことは誤判定となり、故障診断の精度を落としめる結果となる。

図７には、酸素センサが正常な場合における、内燃機関始動後の暖機中における酸素センサ出力電圧（実線）の変化を調べた試験結果を示す。なお酸素センサの検出素子のインピーダンス（以下、「素子インピーダンス」ともいう）（一点鎖線）の変化を併記した。素子インピーダンスは酸素センサの検出素子の温度（以下、「素子温」ともいう）に相関する値であり、両者は、素子温が高温になるほどに素子インピーダンスが低くなるという関係にある。従って図から素子温が次第に上昇していることが理解されよう。

図示されるように、内燃機関の始動時（ｔ＝０）から一定期間、酸素センサ出力電圧が０Ｖとなっている。これは酸素センサの素子温が未だ活性温度に達しておらず電圧を出力できないからである。その後、酸素センサの暖機が終了し、素子温が活性温度に達すると、破線円で示されるように、負の電圧が酸素センサから出力されることがある。この理由は、内燃機関始動前の機関停止中に検出素子内側の大気室に凝縮水などが発生し、大気室に水分が存在するからである。即ち、図２及び図３を参照して、内燃機関停止中には大気通路や大気穴３５を通じて大気室３４内に水分を含む外気が浸入し、さらに大気室３４や検出素子３１の温度も低下するので、大気室３４内に凝縮水が生成される。この凝縮水が、内燃機関始動後、ヒータ３６への通電とも相俟って、大気室３４及び検出素子３１の温度上昇と共に蒸発し、このとき水分の蒸発による体積膨張に起因して大気室３４内の空気が外部に駆逐され、即ち追い出される。こうなると大気室３４内が所謂酸欠状態となり、検出素子３１の内外の酸素分圧が逆転して酸素センサ１９から負の電圧が出力される。この後、水蒸気は大気室３４から追い出され、代わりに大気室３６内に大気が再び戻る或いは再導入されるようになる。こうなると検出素子３１の内外に正常な酸素分圧の差が生じるようになり、酸素センサ１９からは正の電圧が出力されるようになる。

かような理由で、内燃機関始動後のセンサ暖機中に正常な酸素センサから負の電圧が出力されてしまうことがあり得る。よってこの場合に酸素センサの故障と誤判定することを防止するため、本実施形態では、酸素センサ１９の暖機過程において検出素子３１の温度を少なくとも１回低下させるように、ヒータ３６を制御することとしている。以下これについて説明する。

この誤判定防止のための技術は、概して、酸素センサ１９のヒータ３６への通電制御の改良に関する。即ち、一般的には機関始動後の酸素センサの暖機過程において、素子温が活性温度に達するまでヒータが連続的に加熱される。これに対し、本実施形態では、検出素子３１の温度を少なくとも１回低下させるようにヒータ３６が制御される。素子加熱中には大気室３４内のガス（水蒸気を含む）が膨張して外部に追い出されるが、その一方で、素子温の低下中には大気室３４内のガスが収縮し、その収縮分だけ外気を大気室３４に導入することができる。つまり、素子温の増減により大気室３４が外部と呼吸するようになり、大気室３４内のガスと外気との交換を促進することができる。こうして、大気室３４の酸欠状態を可及的速やかに解消し、センサ暖機過程での負電圧発生を防止すると共に、誤判定を防止し、診断精度を向上することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ２２が検出素子３１のインピーダンスを検出する。前述したように素子インピーダンスは素子温に相関する値なので、素子インピーダンスを検出することは即ち素子温を検出することと等価である。以下、本実施形態における具体的なヒータ制御の内容を説明する。

図８に内燃機関始動後のヒータ制御の様子を概略的に示す。内燃機関始動時（ｔ＝０）にヒータ３６がオンされ、これによってヒータ３６及び検出素子３１の温度が上昇していく。素子温Ｔｓは、所定の第１素子温Ｔｓ１を超え、第１素子温Ｔｓ１より高温の所定の第２素子温Ｔｓ２にやがて達する。本実施形態において、第１素子温Ｔｓ１は、大気室３４の水分が蒸発可能となる最低温度、言い換えればセンサ暖機過程で大気室３４の水分が蒸発を開始する蒸発開始温度（本実施形態では１００℃）に等しく設定されている。また、第２素子温Ｔｓ２は、酸素センサ１９の活性開始温度Ｔｓａ（本実施形態では４００℃）よりも若干高い値に設定されている（本実施形態では５００℃）。第１素子温Ｔｓ１及び第２素子温Ｔｓ２に対応する第１素子インピーダンスＲｓ１及び第２素子インピーダンスＲｓ２はそれぞれ５００００Ω及び１０００Ωである。

ＥＣＵ２２により検出された素子インピーダンスＲｓが第２素子インピーダンスＲｓ２に達したと同時に、ヒータ３６がオフされ、この後ヒータ３６及び検出素子３１の温度が低下していく。そして、検出された素子インピーダンスＲｓが再び第１素子インピーダンスＲｓ１に達したと同時に、ヒータ３６がオンされ、これによってヒータ３６及び検出素子３１の温度が上昇していく。このようにしてヒータ温度ひいては素子温Ｔｓが、第１素子温Ｔｓ１と第２素子温Ｔｓ２との間で繰り返し増減される。これにより大気室内ガスの外部への排気と、大気室への外気導入とを繰り返し実行することができ、大気室内の水分・水蒸気と外気との交換を促進できる。検出素子３１の温度を低下させた回数Ｎが所定値Ｎｓ（本実施形態では３）に達した時点で、大気室内の水分・水蒸気と外気との交換が終了したとみなし、通常のヒータ制御に移行する。本実施形態では、ヒータオフ中に素子インピーダンスＲｓが第１素子インピーダンスＲｓ１に達する毎に回数Ｎが１ずつ増加される。この回数Ｎの計測はＥＣＵ２２に設けられたカウンタにより行われる。通常のヒータ制御では、素子温Ｔｓが活性温度に維持されるようにヒータが制御される。具体的には、素子温Ｔｓが、第２素子温Ｔｓ２以上の所定の目標温度（本実施形態では５００〜５５０℃程度）に維持されるように、ヒータが制御される。

図９は、ＥＣＵ２２により実行される上述のヒータ制御のフローチャートを示す。先ず、ステップＳ１０１では、ヒータ制御を開始するための前提条件が成立しているかどうかが判断される。この前提条件が成立している場合とは、例えば、１）エンジン始動後であること、２）機関水温が所定温度（例えば０℃）を超えていること、の全てが満たされている場合である。機関水温は図示しない水温センサで検出される。

前提条件が成立していない場合には前提条件が成立するまでステップＳ１０１が実行され、待機状態となる。他方、前提条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進み、第１のヒータ制御が実行される。この第１のヒータ制御では、酸素センサ１９のヒータ３６がオンされ、ヒータ３６には供給し得る最大電力が供給される。これによりヒータ３６が速やかに加熱され、素子温が速やかに上昇される。そして素子温Ｔｓが前述の第１素子温Ｔｓ１を超えれば、大気室３４内の水分が蒸発されると共に、大気室３４内の水蒸気を含むガスが外部に排気される。なお、ヒータ３６はＥＣＵ２２によりデューティ制御されることも可能であり、この場合には、好ましくは１００％、或いはそれより若干少ない値のＯＮデューティ比を有する通電パルスがヒータ３６に供給される。

次に、ステップＳ１０３において、素子温Ｔｓが前述の第２素子温Ｔｓ２を超えたか否かが判断される。より具体的には、ＥＣＵ２２によって検出された素子インピーダンスＲｓが前述の第２素子インピーダンスＲｓ２を下回ったか否かが判断される。

素子温Ｔｓが第２素子温Ｔｓ２を超えていないと判断された場合、ステップＳ１０２が繰り返し実行され、ヒータ加熱が続行される。

他方、素子温Ｔｓが第２素子温Ｔｓ２を超えたと判断された場合、ステップＳ１０４において第２のヒータ制御が実行される。この第２のヒータ制御においては、酸素センサ１９のヒータ３６がオフされる。これによりヒータ３６の加熱が停止され、ヒータ３６及び検出素子３１は自然放熱状態となって、ヒータ温度及び素子温が低下させられる。このとき大気室３４内の温度も低下し、大気室３４内のガスが収縮し、大気室３４には外気が取り込まれる。なお、ヒータ３６がデューティ制御される場合、この第２のヒータ制御では第１のヒータ制御のときより小さいＯＮデューティ比の通電パルスをヒータ３６に供給する。このときのＯＮデューティ比は好ましくは０％（つまり無通電）であるが、それより若干大きい値（例えば２０％程度）でもよい。

次に、ステップＳ１０５において、素子温Ｔｓが前述の第１素子温Ｔｓ１を下回ったか否かが判断される。より具体的には、ＥＣＵ２２によって検出された素子インピーダンスＲｓが前述の第１素子インピーダンスＲｓ１を上回ったか否かが判断される。

素子温Ｔｓが第１素子温Ｔｓ１を下回っていないと判断された場合、ステップＳ１０４が繰り返し実行され、ヒータ停止が続行される。

他方、素子温Ｔｓが第１素子温Ｔｓ１を下回ったと判断された場合、ステップＳ１０６において、回数カウンタのカウント値Ｎが１だけカウントアップされる。そして、次のステップＳ１０７で、そのカウント値Ｎが前述の所定値Ｎｓ以上に達したか否かが判断される。

カウント値Ｎが所定値Ｎｓ以上に達していないと判断された場合、ステップＳ１０１に戻って、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６が繰り返し実行される。これにより、再度、ヒータの加熱及び停止、並びに回数カウンタのカウントアップが実行される。

他方、カウント値Ｎが所定値Ｎｓ以上に達したと判断された場合、ステップＳ１０８に進み、第３のヒータ制御が実行される。この第３のヒータ制御とは通常のヒータ制御のことであり、素子温Ｔｓが前述の目標温度に維持されるように、より具体的には検出された素子インピーダンスＲｓが目標温度相当の素子インピーダンスに維持されるように、ヒータが制御される。これによりヒータはまず加熱され、素子温Ｔｓが目標温度に達した後は素子温Ｔｓが目標温度付近となるようにヒータがオンオフ制御される。この第３のヒータ制御で素子温Ｔｓが最初に目標温度に達した時点で酸素センサ１９の暖機過程が終了する。

以上のヒータ制御においては、大気室３４の水分及び水蒸気をできるだけ早く大気と交換させ、酸素センサ１９をできるだけ早く通常通り使用できるようにするのが好ましい。こうした観点から、ヒータ温度及び素子温の上昇端、下降端及び増減幅を規定する第１及び第２素子温Ｔｓ１，Ｔｓ２と、素子温低下回数を規定する所定値Ｎｓとを最適に設定するのが望ましい。

本実施形態では、第１素子温Ｔｓ１が、大気室３４の水分が蒸発可能となる最低温度に等しく設定されている。よって素子温が最大に低下させられたときでも、大気室３４内の水分が蒸発可能な状態が維持され、結局、素子温の増減中常に大気室３４の水分を蒸発させることができ、これによって大気室内の水分・水蒸気と外気との交換を促進することができる。また、第２素子温Ｔｓ２が、酸素センサ１９の活性開始温度Ｔｓａより高温に設定されるので、検出素子加熱時の上昇端温度を水分蒸発可能な最低温度よりも著しく高温とすることができる。よって、素子温を第２素子温Ｔｓ２から低下させるとき、大気室３４内の水分が蒸発可能な状態を比較的長く維持できる。よって大気室３４内の水分の蒸発を促進し、大気室３４内の水分・水蒸気と外気との交換を促進することができる。さらに、第２素子温Ｔｓ２が酸素センサ１９の活性開始温度Ｔｓａより若干高いだけなので、素子温増減中、多くの場合センサが活性していない。よって、素子温増減中に負電圧が検出されることが殆ど無く、これによっても誤判定を防止できる。素子温の増減幅Ｔｓ１〜Ｔｓ２が比較的大きいので、水分・水蒸気の排出と外気導入とを高効率で行うことができ（つまり、深呼吸に似た状態）、これによっても大気室内の水分・水蒸気と外気との交換を促進することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関は車載用に限定されず、酸素センサの配置方法や設置位置も任意に変更が可能である。また、前記実施形態で用いられた数値等は任意に変更が可能である。例えば、第１素子温Ｔｓ１は、大気室３４の水分が蒸発可能となる最低温度より高い温度に設定してもよいし、低い温度に設定してもよい。高い温度に設定すると本実施形態同様に水分蒸発可能な状態を維持でき、低い温度に設定すると、前記最低温度を下回ったときに水分蒸発は行えないものの、大気室内のガス収縮及び外気導入に有利である。また、第２素子温Ｔｓ２を、酸素センサの活性開始温度以下の温度に設定してもよい。こうすると素子温増減中常に酸素センサを未活性の状態に置くことができ、負電圧検出を確実に防止できる。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本実施形態に係る内燃機関を示す図である。 酸素センサの取付状態を示す断面図である。 酸素センサの検出素子周辺の拡大断面図である。 酸素センサの出力特性を示すグラフである。 酸素センサの検出素子に欠損部が生じた場合の拡大断面図である。 酸素センサの故障時における出力電圧の変化を示すグラフである。 酸素センサが正常な場合における、内燃機関始動後の暖機中における酸素センサ出力電圧の変化を調べた試験結果を示す。 本実施形態のヒータ制御の様子を概略的に示すタイムチャートである。 本実施形態のヒータ制御のフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１３ 排気通路
１９，２０ 酸素センサ
２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ 検出素子
３４ 大気室
３６ ヒータ
Ｔｓ 素子温
Ｔｓ１ 第１素子温
Ｔｓ２ 第２素子温
Ｎ カウント値
Ｎｓ 所定値

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路内に配置される検出素子を有し、該検出素子の内側に大気室が区画形成された酸素センサの故障診断装置において、
   前記酸素センサに設けられ、前記検出素子を加熱するためのヒータと、
   前記ヒータを制御するヒータ制御手段と、
   前記酸素センサの出力電圧を検出するための出力電圧検出手段と、
   前記出力電圧検出手段により負の出力電圧が検出されたとき前記酸素センサの故障と判定する故障判定手段と、
   を備え、
   前記ヒータ制御手段が、前記酸素センサの暖機過程において前記検出素子の温度を少なくとも１回低下させるように、前記ヒータを制御する
   ことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
2. 前記検出素子の温度を検出するための素子温検出手段が備えられ、
   前記検出素子の温度低下時に、前記素子温検出手段によって検出された素子温が所定の第１素子温に達するまで、前記検出素子の温度が低下させられ、
   前記第１素子温が、前記大気室に存在する水分が蒸発可能となる最低温度に等しく設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の酸素センサの故障診断装置。
3. 前記検出素子の温度を検出するための素子温検出手段が備えられ、
   前記酸素センサの暖機過程において、前記素子温検出手段によって検出された素子温が所定の第２素子温に達するまで、前記検出素子が加熱させられ、
   前記第２素子温が、前記酸素センサの活性開始温度より高温に設定されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の酸素センサの故障診断装置。
4. 前記ヒータ制御手段が、前記酸素センサの暖機過程において前記検出素子の温度を複数回低下させるように、前記ヒータを制御する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。
5. 前記検出素子の温度を低下させた回数を計測するための計測手段が備えられ、
   前記ヒータ制御手段が、前記計測手段によって計測された回数が所定値に達した後、前記検出素子の温度が活性温度に維持されるように、前記ヒータを制御する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。
6. 前記ヒータ制御手段が、前記ヒータをオンオフ制御する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。

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