JP2009270932A - ガスセンサ用ヒータの劣化判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサに備えられたヒータの劣化を精度良く判定できる、ガスセンサ用ヒータの劣化判定装置を提供する。
【解決手段】排気中に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ素子、及びバッテリから電力供給されてセンサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサに適用され、ヒータ両端電圧に応じて変化する監視電圧ＡＤが閾値ＶTHを下回った場合にヒータが劣化していると判定するにあたり、ヒータに電力供給するバッテリの電源電圧ＶＢＨが低いほど劣化判定用の閾値ＶTHを低く設定する。そのため、その閾値ＶTHを、正常時の監視電圧ＡＤより僅かに低い値となるよう設定できる。よって、ヒータ劣化を精度良く判定できる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関からの排気中に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ素子、及びそのセンサ素子を過熱するヒータを有するガスセンサに適用され、そのヒータの劣化有無を判定する装置に関する。

この種のガスセンサには、酸素濃度を検出するＡ／ＦセンサやＯ２センサ、窒素酸化物濃度を検出するＮＯｘセンサ等があり、このようなガスセンサの検出値に基づき燃料噴射量等を制御することで、内燃機関から排出される排気中のエミッションを目標値まで低減させることを図っている。そして、この種のガスセンサにはセンサ素子を加熱するヒータが備えられており、内燃機関の始動時などのようにセンサ素子が活性化していない時にヒータを駆動させることでセンサ素子の早期活性化を図り、ひいては内燃機関始動時におけるエミッション低減向上を図っている。

ここで、ヒータへ電力供給する回路中において、ヒータ両端の短絡やヒータ断線等の故障が生じることがあり、特許文献１記載の装置では、これらの短絡、断線の有無を次の手法により判定している。すなわち、ヒータ両端の電圧を検出し、検出した電圧（以下「監視電圧」と呼ぶ）が閾値ＶTHα（図４参照）よりも低くなっている場合には断線が発生していると判定し、閾値ＶTHβ（図４参照）よりも高くなっている場合には短絡が発生していると判定する。
特開平１１−６８１２号公報

ところで、近年のエミッション低減要求の高まりに伴い、ヒータの短絡、断線のみならずヒータの経年劣化をも検出することが望まれている。これに対し本発明者らは、ヒータが劣化してくると先述した監視電圧が低下してくることに着目し、断線判定に用いる閾値ＶTHαを、ヒータが劣化していない時の監視電圧より僅かに低い値となるよう設定することで、閾値ＶTHαをヒータ劣化判定に用いることを検討した。この検討の結果、以下の問題が生じることを見出した。

すなわち、ヒータ両端の電圧である監視電圧は、ヒータへ電力供給するバッテリの電源電圧の変化に追従して変化する。そして、劣化に伴う監視電圧の低下量は、断線時に生じる監視電圧の低下量に比べて僅かである。したがって、ヒータ劣化判定用の閾値を設定するにあたり、ヒータが劣化していない正常時の監視電圧より僅かに低い値となるよう設定しただけでは、電源電圧の低下に追従して監視電圧が低くなっている場合には正常であるにも拘わらず劣化であると誤判定することが懸念される。一方、この懸念を解消すべくヒータ劣化判定用の閾値を正常時の監視電圧よりも大幅に低い値となるよう設定すると、その背反として、電源電圧の上昇に追従して監視電圧が高くなっている場合には劣化しているにも拘わらず正常であると誤判定することが懸念される。

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、ガスセンサに備えられたヒータの劣化を精度良く判定できる、ガスセンサ用ヒータの劣化判定装置を提供することにある。

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。

請求項１記載の発明では、
内燃機関からの排気中に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ素子、及びバッテリから電力供給されて前記センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサに適用され、
前記ヒータの両端電圧、又は前記両端電圧に応じて変化するダイアグ出力値に基づくとともに、前記バッテリの電源電圧にも基づいて、前記ヒータの劣化有無を判定する劣化判定手段を備えることを特徴とする。

このように、電源電圧を加味した上で両端電圧等に基づきヒータ劣化有無を判定する本発明によれば、ヒータ劣化を精度良く判定できる。具体的には、例えば請求項２記載の如く、両端電圧又は前記ダイアグ出力値が所定の閾値を超えた場合に前記ヒータは劣化していると判定する判定手段と、前記電源電圧に応じて前記閾値を可変設定する閾値設定手段と、を有する構成においては、電源電圧に応じて閾値を可変設定するので、図４中の一点鎖線ＶTHに例示されるように電源電圧が低いほど閾値を低くすることにより、ヒータ劣化を精度良く判定できる。

なお、請求項２記載の構成では閾値を可変設定しているが、例えば閾値を固定して、劣化判定に用いるダイアグ出力値を電源電圧に応じて補正する構成により、請求項１記載の発明を実現させるようにしてもよい。この場合には、電源電圧が低いほどダイアグ出力値を高くするよう補正することとなる。

ここで、バッテリから電力供給されて駆動するヒータとは別の電気機器を駆動させている期間中は、電源電圧が瞬時的に変動することが懸念される。例えば、燃料噴射弁や点火装置を電気機器として駆動させている期間中には、燃料噴射弁や点火装置へ供給される電力は、１燃焼サイクル中に供給と停止が切り替えられるので、１燃焼サイクル中の特定時期に急激に低下することとなる。すると、劣化判定時点における電源電圧を正確に把握することが困難となり、ヒータ劣化の誤判定を招くおそれが生じる。

この点に着目した請求項３記載の発明では、前記劣化判定手段は、前記両端電圧又は前記ダイアグ出力値と前記電源電圧とに基づくことに加え、前記バッテリから電力供給されて駆動する前記ヒータとは別の電気機器の駆動状態に基づいて、前記ヒータの劣化有無を判定することを特徴とする。

このように、ヒータとは別の電気機器の駆動状態を加味した上で電源電圧及び両端電圧等に基づきヒータ劣化有無を判定する請求項３記載の発明によれば、ヒータ劣化を精度良く判定できる。

具体的には、例えば請求項４記載の如く、前記両端電圧又は前記ダイアグ出力値が所定の閾値を超えた場合に前記ヒータは劣化していると判定する判定手段と、前記電源電圧及び前記電気機器の駆動状態に応じて前記閾値を可変設定する閾値設定手段と、を有する構成が挙げられる。この構成によれば、電気機器の駆動状態に応じて閾値を可変設定するので、駆動期間中においては閾値を低くすることにより、電源電圧の瞬時的な低下によるヒータ劣化の誤検出を低減できる。

さらに本発明者らは、電気負荷が大きいほど瞬時的な電源電圧の低下が大きくなるため、ヒータ劣化の誤検出のおそれが高まるとの知見を得た。この知見に基づく請求項５記載の発明では、前記閾値設定手段は、前記電源電圧に応じてリニアに変化する基準閾値を設定する基準閾値設定手段と、前記電気機器による電気負荷が大きいほど劣化判定されにくい側に前記基準閾値を補正することで前記閾値を設定する基準閾値補正手段と、を有することを特徴とする。そのため、図８中の一点鎖線ＶTH4，ＶTH5，ＶTH6に例示されるように、電気負荷が大きいほど劣化判定されにくい側に基準閾値を補正するので、上述したヒータ劣化の誤検出を低減できる。なお、複数の電気負荷に対し、駆動状態にある電気負荷の数が多いほど電気負荷が大きいとみなして上述の如く基準閾値を補正することが具体例として挙げられる。

請求項６記載の発明では、
内燃機関からの排気中に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ素子、及びバッテリから電力供給されて前記センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサに適用され、
前記ヒータの両端電圧、又は前記両端電圧に応じて変化するダイアグ出力値に基づくとともに、前記バッテリから電力供給されて駆動する前記ヒータとは別の電気機器の駆動状態に基づいて、前記ヒータの劣化有無を判定する劣化判定手段を備えることを特徴とする。

これによれば、ヒータとは別の電気機器の駆動状態を加味した上で両端電圧等に基づきヒータ劣化有無を判定するので、先述したように電気機器を駆動させることに伴い生じ得る電源電圧の瞬時的な低下による劣化の誤判定を低減できる。

具体的には、例えば請求項７に記載の如く、前記両端電圧又は前記ダイアグ出力値が所定の閾値を超えた場合に前記ヒータは劣化していると判定する判定手段と、前記電源電圧及び前記電気機器の駆動状態に応じて前記閾値を可変設定する閾値設定手段と、を有する構成が挙げられる。この構成によれば、図６中の一点鎖線ＶTH1，ＶTH2，ＶTH3に例示されるように、電気機器の駆動状態に応じて閾値を可変設定するので、駆動期間中においては閾値を低くすることにより、電源電圧の瞬時的な低下によるヒータ劣化の誤検出を低減できる。

さらに請求項８記載の発明では、先述した「電気負荷が大きいほど瞬時的な電源電圧の低下が大きくなるため、ヒータ劣化の誤検出のおそれが高まる」との知見に基づき、前記閾値設定手段は、予め設定された基準閾値を、前記電気機器による電気負荷が大きいほど劣化判定されにくい側に補正することで、前記閾値を設定することを特徴としている。そのため、電気負荷が大きいほど劣化判定されにくい側に基準閾値を補正するので、上述したヒータ劣化の誤検出を低減できる。なお、複数の電気機器に対し、駆動状態にある電気機器の数が多いほど電気負荷が大きいとみなして上述の如く基準閾値を補正することや、特定の電気機器の駆動率が高いほど電気負荷が大きいとみなして上述の如く基準閾値を補正することが具体例として挙げられる。

請求項９記載の発明では、内燃機関からの排気中に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ素子、及びバッテリから電力供給されて前記センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサに適用され、
前記ヒータの両端電圧、又は前記両端電圧に応じて変化するダイアグ出力値が所定の閾値を超えた場合に、前記ヒータは劣化していると判定する劣化判定手段を備え、
前記電源電圧が予め設定された最小値よりも小さい場合には、前記劣化判定手段による判定を禁止することを特徴とする。

ところで、電源電圧が通常とり得る値はある特定の値以上となっていることが多い。上記請求項９記載の発明はこの点に着目してなされたものであり、要するに、電源電圧が上記特定値、つまり予め設定された最小値（例えば、図９中の一点鎖線Ｖminに示す値）よりも大きい場合には劣化判定を行い、その最小値よりも小さい場合には劣化判定を禁止する。よって、電源電圧が最小値より大きい場合においてヒータが劣化していなければとり得る両端電圧に対し、僅かに低い値となるよう劣化判定の閾値（例えば、図９中の一点鎖線ＶTH7に示す閾値）を設定することができる。つまり、電源電圧が最小値より小さい場合においても劣化判定するように設定した閾値（例えば、図９中の一点鎖線ＶTH8に示す閾）に比べて、劣化していない時の両端電圧等に近い値に閾値を設定することができる。よって、ヒータ劣化を精度良く判定できる。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。Ｏ2センサ３０は特許請求の範囲に記載のガスセンサに相当し、Ａ／Ｆセンサ２０の電気ヒータ２２は、特許請求の範囲に記載の電気機器に相当する。

Ｏ2センサ３０が備えるＯ2センサ素子３１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。

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。

また、Ａ／Ｆセンサ２０が備えるＡ／Ｆ用ヒータ２２には、Ｏ2センサ３０が備えるＯ2用ヒータ３２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。

図２に示すように、ＥＣＵ（電子制御ユニット）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ４１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。

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。

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。

また、ＥＣＵ４０は、センサ素子２１，３１の温度を一定に保つよう、Ａ／Ｆ用ヒータ２２及びＯ2用ヒータ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。

Ｏ2用ヒータ３２のデューティ制御について具体的に説明すると、Ｏ2センサ素子３１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が所定の目標温度（例えば３００℃）となるよう、Ｏ2用ヒータ３２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Ｏ2用ヒータ３２をデューティ制御する。

具体的には、トランジスタ等によるスイッチング回路４２に対し、上述の如く算出したデューティ比となるようマイコン４１から駆動指令信号を出力する。駆動指令信号に応じたスイッチング回路４２の作動により、バッテリ５０からＯ2用ヒータ３２への電力供給が前記デューティ比となるようオン・オフ切替制御される。なお、Ａ／Ｆ用ヒータ２２についてもＯ2用ヒータ３２と同様にして、所定の素子温度が所定の目標温度（例えば７５０℃）となるようデューティ制御する。

図３は、Ｏ2用ヒータ３２（以下、単にヒータ３２と呼ぶ）の温度とヒータ３２のインピーダンスとの関係を示す特性図である。このように、ヒータ温度が上昇するにつれインピーダンスも上昇するが、ヒータ３２が劣化することによってもインピーダンスは上昇する。つまり、劣化によりインピーダンスが高くなると電流が流れにくくなることに起因して、所定電圧をヒータ３２に印加しても所定温度まで上昇しないこととなる。すると、Ｏ２センサ素子３１の活性化が遅くなる、或いは、活性化温度（例えば約３００℃）を維持できなくなるとの不具合を招く。その結果、実際の空燃比を目標空燃比にすることを精度良くできなくなり、ひいては、触媒装置１６による排気浄化率が低下してしまう。

そこで本実施形態では、ヒータ３２の劣化有無をマイコン４１により判定しており、以下、ヒータ３２の劣化判定処理ついて説明する。図２に示すように、劣化判定装置として機能するＥＣＵ４０には、ヒータ監視回路４３及び電源電圧検出回路４４が備えられている。ヒータ監視回路４３は、０〜１５Ｖの範囲で変化するヒータ３２の両端電圧のアナログ値を取り込み、０〜５Ｖの範囲で変化するデジタル値にＡＤ変換する。そして、このようにＡＤ変換した信号を監視電圧信号ＡＤとしてマイコン４１に出力する。

電源電圧検出回路４４は、バッテリ５０の電源電圧を検出し、検出した電源電圧検出値ＶＢＨをマイコン４１に出力する。なお、バッテリ５０の電源電圧は、オルタネータに備えられたレギュレータ（図示せず）がロータコイルに流す励磁電流を調整することで、変動抑制されるよう制御されている。この励磁電流は、電源電圧ＶＢＨ及びエンジン回転速度等に基づき決定される。

ここで、ヒータ３２の劣化進行に伴い、ヒータ監視回路４３にて検出された監視電圧ＡＤの値は低下してくる。そこでマイコン４１は、監視電圧ＡＤが閾値ＶTH（劣化判定電圧）を下回ったか否かに基づきヒータ３２劣化有無を判定する。但し、バッテリ５０の電源電圧の変化に追従して監視電圧ＡＤは変化する。そこで前記閾値ＶTHは、電源電圧ＶＢＨが高いほど高くするように可変設定されている。

図４中の実線(1)は、ヒータ３２が劣化していない正常時における、電源電圧ＶＢＨに対する監視電圧ＡＤの変化を示す。一点鎖線(2)は、電源電圧ＶＢＨに応じて可変設定された閾値ＶTHを示す。実線(3)は、ヒータ３２の劣化が進行して監視電圧ＡＤが閾値ＶTHよりも低くなった状態における、電源電圧ＶＢＨに対する監視電圧ＡＤの変化を示す。なお、図４に示すように、監視電圧ＡＤは電源電圧ＶＢＨに追従してリニアに変化するため、この変化に合せて閾値ＶTHも電源電圧ＶＢＨに応じてリニアに変化させるよう設定している。

但し、図４に示す監視電圧ＡＤは、ヒータ３２のインピーダンス（換言すれば、図３に示すヒータ温度）が以下に説明する最大値であると仮定した場合における値である。前記最大値とは、ヒータ３２が劣化していない正常時においてとりうるヒータインピーダンスの最大値であり、例えば図３に示す１０００℃の時のインピーダンス３５Ωとして仮定している。

また、マイコン４１は、上述した劣化判定の他に、以下に説明する断線異常判定及び短絡異常判定を行う。

断線異常判定では、ヒータ３２内部、或いはヒータ３２に電力を供給する供給経路上において断線が生じているか否かを判定する。図４中の実線(4)は、このような断線異常が生じた時の監視電圧ＡＤを示しており、実線(4)に示す断線異常時の監視電圧ＡＤは、実線(3)に示す劣化時の監視電圧ＡＤに比べて大幅に低い値となる。そこで、劣化判定用の閾値ＶTHとは別に断線判定用の閾値ＶTHαを設定し、監視電圧ＡＤが断線判定用の閾値ＶTHαを下回った場合には断線異常が生じていると判定する。

短絡異常判定では、ヒータ３２に電力を供給する供給経路上において短絡が生じているか否かを判定する。図４中の実線(5)は、このような短絡異常が生じた時の監視電圧ＡＤを示しており、実線(5)に示す短絡異常時の監視電圧ＡＤは、実線(3)に示す劣化時の監視電圧ＡＤに比べて大幅に高い値となる。そこで、劣化判定用の閾値ＶTHとは別に短絡判定用の閾値ＶTHβを設定し、監視電圧ＡＤが短絡判定用の閾値ＶTHβを上回った場合には短絡異常が生じていると判定する。

なお、図４中の実線(4)(5)に示すように、断線異常時の監視電圧ＡＤ及び短絡異常時の監視電圧ＡＤは、電源電圧ＶＢＨの値とは無関係に一定の値となる。この点を鑑み、断線判定用の閾値ＶTHα及び短絡異常時の閾値ＶTHβは、電源電圧ＶＢＨに応じて可変設定することなく、電源電圧ＶＢＨに拘わらず一定の値となるよう設定されている。

図５は、マイコン４１（劣化判定手段）により実行される劣化判定処理の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となっている期間中、繰り返し実行される。先ずステップＳ１０において、電源電圧検出回路４４により検出された電源電圧ＶＢＨを読み込むとともに、ヒータ監視回路４３により検出された、ヒータ３２両端電圧に応じて変化する監視電圧ＡＤを読み込む。

続くステップＳ１１（閾値設定手段）では、劣化判定電圧としての閾値ＶTH（図４中の一点鎖線(2)参照）を、ステップＳ１０で読み込んだ監視電圧ＡＤに基づき算出する。ＶTH＝ｆ（ＶＢＨ）との算出式により算出するにあたり、関数ｆは、電源電圧ＶＢＨを変数とした一次関数であり、予め試験等により得られた実線(1)(3)の傾きと、一点鎖線(2)に示す閾値ＶTHの傾きとが同じになるよう設定されている。

続くステップＳ１２（判定手段）では、ステップＳ１０で読み込んだ監視電圧ＡＤが、ステップＳ１１にて算出した閾値ＶTHを下回っているか否かを判定し、ＡＤ＜ＶTHでないと判定（Ｓ１２：ＮＯ）されれば、ヒータ３２は劣化していないとみなして処理はステップＳ１０に戻る。一方、ＡＤ＜ＶTHであると判定（Ｓ１２：ＹＥＳ）されれば、ステップＳ１３において劣化していると判定し、その旨の信号をダイアグ信号として外部装置に出力する。

以上により、本実施形態によれば、ヒータ３２両端電圧に応じて変化する監視電圧ＡＤが閾値ＶTHを下回った場合にヒータ３２が劣化していると判定するにあたり、ヒータ３２に電力供給するバッテリ５０の電源電圧ＶＢＨが低いほど劣化判定用の閾値ＶTHを低く設定するので、その閾値ＶTHを、正常時の監視電圧ＡＤより僅かに低い値となるよう設定できる。よって、ヒータ劣化を精度良く判定できる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、ヒータ３２の劣化を判定する閾値ＶTHを電源電圧ＶＢＨに応じて可変設定するのに対し、本実施形態では、図６中の複数の一点鎖線ＶTH1，ＶTH2，ＶTH3に示すように、ヒータ３２とは別の電気機器の駆動状態に応じて閾値を可変設定する。前記電気機器は、バッテリ５０から電力供給されて駆動するものであればよく、例えばＡ／Ｆセンサ２０のヒータ２２や、インジェクタ１３に備えられて燃料噴射孔を開閉させるアクチュエータ（図示せず）等が上記電気機器の具体例として挙げられる。

上記電気機器を駆動させて電気負荷が高くなると電源電圧ＶＢＨは低下する。つまり、電気機器の駆動率が高いほど、ヒータ３２の劣化度合いが同じであっても監視電圧ＡＤの値は低くなる。そこで本実施形態では、電気機器の駆動率が高いほど閾値を低くするよう可変設定している。

例えば、予め設定した複数の電気機器のうちいずれも駆動していない場合には図６中の閾値ＶTH1を用いてヒータの劣化判定を行い、１つの電気機器が駆動中であれば閾値ＶTH1よりも低く設定された閾値ＶTH2を用いて劣化判定を行い、２つの電気機器が駆動中であれば閾値ＶTH2よりも低く設定された閾値ＶTH3を用いて劣化判定を行う。或いは、予め設定した特定の電気機器（例えばＡ／Ｆ用ヒータ２２）の駆動率（つまりデューティ比）が高くなるほど、閾値をＶTH1，ＶTH2，ＶTH3の３段階に低くするよう可変設定する。なお、これら劣化判定用の閾値ＶTH1，ＶTH2，ＶTH3は、電源電圧ＶＢＨに応じて可変設定することなく、電源電圧ＶＢＨに拘わらず一定の値となるよう設定されている。

図７は、マイコン４１（劣化判定手段）により実行される、本実施形態に係る上述した劣化判定処理の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となっている期間中、繰り返し実行される。先ずステップＳ２０において、ヒータ監視回路４３により検出された、ヒータ３２両端電圧に応じて変化する監視電圧ＡＤを読み込む。

続くステップＳ２１では、上述したＡ／Ｆ用ヒータ２２の運転状態（例えばデューティ比、或いは運転期間中であるか否か）を読み込む。続くステップＳ２２（閾値設定手段）では、ステップＳ２１にて読み込んだ運転状態に応じて補正電圧ＶCMPを算出する。具体的には、Ａ／Ｆ用ヒータ２２に対する駆動デューティ比に比例して、当該デューティ比が大きいほど補正電圧ＶCMPを大きくするよう算出する。或いは、運転期間中であれば、運転期間中でない場合に比べて補正電圧ＶCMPを大きくするよう設定する。

続くステップＳ２３（基準閾値設定手段、基準閾値補正手段）では、Ｏ2用ヒータ３２の劣化を判定する閾値ＶTHを、ステップＳ２２で算出した補正電圧ＶCMPに基づき補正する。具体的には、基準値ＶBASE（基準閾値）を、図６中の一点鎖線ＶTH1となるよう予め設定しておき、基準値ＶBASEから補正電圧ＶCMPを減算することで閾値ＶTHを算出する。その結果、図６中の一点鎖線ＶTH1に示す閾値（基準値ＶBASE）が、ＶTH2，ＶTH3となるよう補正されることとなる。

続くステップＳ２４（判定手段）では、ステップＳ２０で読み込んだ監視電圧ＡＤが、ステップＳ２３にて算出した閾値ＶTHを下回っているか否かを判定し、ＡＤ＜ＶTHでないと判定（Ｓ２４：ＮＯ）されれば、Ｏ2用ヒータ３２は劣化していないとみなして処理はステップＳ２０に戻る。一方、ＡＤ＜ＶTHであると判定（Ｓ２４：ＹＥＳ）されれば、ステップＳ２５において劣化していると判定し、その旨の信号をダイアグ信号として外部装置に出力する。

以上により、本実施形態によれば、Ｏ2用ヒータ３２両端電圧に応じて変化する監視電圧ＡＤが閾値ＶTHを下回った場合にＯ2用ヒータ３２が劣化していると判定するにあたり、電源電圧ＶＢＨの変化と相関のある電気機器（例えばＡ／Ｆ用ヒータ２２）の駆動状態が、電気負荷の大きい状態であるほど劣化判定用の閾値ＶTHを低く設定するので、その閾値ＶTHを、正常時の監視電圧ＡＤより僅かに低い値となるよう設定できる。よって、ヒータ劣化を精度良く判定できる。

また、Ａ／Ｆ用ヒータ２２等の電気機器を駆動させている期間中は、電源電圧ＶＢＨが瞬時的に低下することが懸念される。これに対し本実施形態では、電気機器の駆動期間中は閾値ＶTHを低くするよう補正するので、上述した瞬時的な低下により劣化であると誤判定することを抑制できる。

さらに、本実施形態によれば、補正電圧ＶCMPを算出するにあたりバッテリ５０の電源電圧ＶＢＨを用いていないので、電源電圧ＶＢＨの検出を不要にできる。よって、電源電圧検出回路４４を廃止する等、劣化判定装置としてのＥＣＵ４０の構成を簡素にできる。

（第３実施形態）
本実施形態では、ヒータ３２の劣化を判定する閾値ＶTHを設定するにあたり、上記第１実施形態と同様にして電源電圧ＶＢＨに応じて可変設定するとともに、上記第２実施形態と同様にしてＡ／Ｆ用ヒータ２２等の電気機器の駆動状態に応じて可変設定する。つまり、図８中の一点鎖線ＶTH4，ＶTH5，ＶTH6に示すように、電源電圧ＶＢＨが高いほど劣化判定用の閾値を高くするよう可変設定する。また、Ａ／Ｆ用ヒータ２２等の電気機器の駆動状態が電気負荷の高い状態であるほど、劣化判定用の閾値を基準閾値ＶTH4に対し、ＶTH5，ＶTH6の順に低くするよう可変設定する。これによれば、上記第１実施形態に比べ、ヒータ劣化をより一層精度良く判定できる。

（第４実施形態）
ところで、電源電圧ＶＢＨの通常とりうる範囲は決まっており、その通常範囲（例えば９．５Ｖ〜１５Ｖ）における最小値（例えば９．５Ｖ）よりも低くなることは稀である。そこで本実施形態では、電源電圧ＶＢＨが通常範囲の最小値（図９中の一点鎖線Ｖmin）より大きい場合にヒータ３２の劣化有無を判定し、最小値Ｖmin以下の場合には劣化判定を禁止する。

劣化判定手段としてのマイコン４１は、ヒータ監視回路４３により検出された監視電圧ＡＤが、予め設定された図９に記載の閾値ＶTH7を下回ったか否かを判定し、ＡＤ＜ＶTH7となった場合にヒータ３２が劣化していると判定する。なお、上記閾値ＶTH7は、電源電圧ＶＢＨに応じて可変設定することなく、電源電圧ＶＢＨに拘わらず一定の値となるよう設定されている。

そして、この劣化診断処理とは別に、マイコン４１は図１０に示す処理を繰り返し実行している。先ずステップＳ３０において、電源電圧検出回路４４により検出された電源電圧ＶＢＨを読み込む。続くステップＳ３１では、ステップＳ３０にて読み込んだ電源電圧ＶＢＨが、予め設定された劣化診断最小電圧（つまり前述の最小値Ｖmin）より小さいか否かを判定する。ＶＢＨ＜Ｖminでないと判定（Ｓ３１：ＮＯ）されれば、処理はステップＳ３０に戻り、先述した劣化診断処理を継続する。一方、ＶＢＨ＜Ｖminであると判定（Ｓ３１：ＹＥＳ）されれば、ステップＳ３２に進み、先述した劣化診断処理を禁止する。

以上により、本実施形態によれば、電源電圧ＶＢＨが最小値Ｖminより大きい場合においてヒータが劣化していなければとり得る監視電圧ＡＤに対し、僅かに低い値となるよう劣化判定の閾値ＶTH7を設定することができる。つまり、電源電圧ＶＢＨが最小値Ｖminより小さい場合においても劣化診断処理を行うように設定した閾値ＶTH8に比べて、劣化していない時の正常時の監視電圧ＡＤに近い値に閾値ＶTH7を設定することができる。よって、ヒータ劣化を精度良く判定できる。

（他の実施形態）
上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。また、本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・上記第１実施形態では、電源電圧ＶＢＨに応じて閾値ＶTHを可変設定しているが、閾値ＶTHを予め設定した値に固定して、ヒータ監視回路４３から出力される監視電圧ＡＤの信号を電源電圧ＶＢＨに応じて補正するようにしてもよい。この場合には、電源電圧ＶＢＨが低いほど監視電圧ＡＤの値を高くするよう補正することとなる。

・上記第４実施形態では、監視電圧ＡＤが閾値ＶTH7を下回ったか否かを判定することでヒータ劣化有無を判定するにあたり、上記閾値ＶTH7を、電源電圧ＶＢＨに拘わらず一定の値となるよう設定している。これに対し、上記第１〜第３実施形態のいずれかを組み合わせて、閾値を可変設定するようにしてもよい。

・上記各実施形態では、Ｏ2センサ３０用のヒータ３２を劣化判定の対象としているが、本発明はＯ2センサ用ヒータに限られるものではなく、例えばＡ／Ｆセンサ２０、排気中のＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ、排気中のＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ等に備えられたヒータを、劣化判定の対象としてもよい。

本発明の第１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１に示すＥＣＵの機能ブロック図。 図１に示すヒータの温度とヒータインピーダンスとの関係を示す特性図。 第１実施形態により設定された劣化判定用の閾値を説明する図。 第１実施形態による劣化判定処理の手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態により設定された劣化判定用の閾値を説明する図。 第２実施形態による劣化判定処理の手順を示すフローチャート。 本発明の第３実施形態により設定された劣化判定用の閾値を説明する図。 本発明の第４実施形態により設定された劣化判定用の閾値を説明する図。 第４実施形態による劣化診断処理の実行可否を判定する手順を示すフローチャート。

符号の説明

１０…ガソリンエンジン（内燃機関）、２２…Ａ／Ｆ用ヒータ（電気機器）、３０…Ｏ2センサ（ガスセンサ）、３１…センサ素子、３２…Ｏ2用ヒータ、４０…ＥＣＵ（劣化判定装置）、５０…バッテリ、Ｓ１１，Ｓ２２…閾値設定手段（劣化判定手段）、Ｓ１２，Ｓ２４…判定手段（劣化判定手段）、Ｓ２３…基準閾値設定手段、基準閾値補正手段。

Claims (9)

1. 内燃機関からの排気中に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ素子、及びバッテリから電力供給されて前記センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサに適用され、
   前記ヒータの両端電圧、又は前記両端電圧に応じて変化するダイアグ出力値に基づくとともに、前記バッテリの電源電圧にも基づいて、前記ヒータの劣化有無を判定する劣化判定手段を備えることを特徴とするガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。
2. 前記劣化判定手段は、
   前記両端電圧又は前記ダイアグ出力値が所定の閾値を超えた場合に前記ヒータは劣化していると判定する判定手段と、
   前記電源電圧に応じて前記閾値を可変設定する閾値設定手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。
3. 前記劣化判定手段は、前記両端電圧又は前記ダイアグ出力値と前記電源電圧とに基づくことに加え、前記バッテリから電力供給されて駆動する前記ヒータとは別の電気機器の駆動状態に基づいて、前記ヒータの劣化有無を判定することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。
4. 前記劣化判定手段は、
   前記両端電圧又は前記ダイアグ出力値が所定の閾値を超えた場合に前記ヒータは劣化していると判定する判定手段と、
   前記電源電圧及び前記電気機器の駆動状態に応じて前記閾値を可変設定する閾値設定手段と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。
5. 前記閾値設定手段は、
   前記電源電圧に応じてリニアに変化する基準閾値を設定する基準閾値設定手段と、
   前記電気機器による電気負荷が大きいほど劣化判定されにくい側に前記基準閾値を補正することで前記閾値を設定する基準閾値補正手段と、
   を有することを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。
6. 内燃機関からの排気中に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ素子、及びバッテリから電力供給されて前記センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサに適用され、
   前記ヒータの両端電圧、又は前記両端電圧に応じて変化するダイアグ出力値に基づくとともに、前記バッテリから電力供給されて駆動する前記ヒータとは別の電気機器の駆動状態に基づいて、前記ヒータの劣化有無を判定する劣化判定手段を備えることを特徴とするガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。
7. 前記劣化判定手段は、
   前記両端電圧又は前記ダイアグ出力値が所定の閾値を超えた場合に前記ヒータは劣化していると判定する判定手段と、
   前記電源電圧及び前記電気機器の駆動状態に応じて前記閾値を可変設定する閾値設定手段と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。
8. 前記閾値設定手段は、予め設定された基準閾値を、前記電気機器による電気負荷が大きいほど劣化判定されにくい側に補正することで、前記閾値を設定することを特徴とする請求項７に記載のガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。
9. 内燃機関からの排気中に含まれる特定成分の濃度を検出するセンサ素子、及びバッテリから電力供給されて前記センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサに適用され、
   前記ヒータの両端電圧、又は前記両端電圧に応じて変化するダイアグ出力値が所定の閾値を超えた場合に、前記ヒータは劣化していると判定する劣化判定手段を備え、
   前記電源電圧が予め設定された最小値よりも小さい場合には、前記劣化判定手段による判定を禁止することを特徴とするガスセンサ用ヒータの劣化判定装置。

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