JP2022085177A - 空燃比センサの故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの故障モードとして固体電解質層のクラックを検出する。【解決手段】空燃比センサ１０の故障検出装置１は、センサ素子１１に電圧を印加する電圧印加回路３と、センサ素子の出力電流を検出する電流検出回路４と、空燃比センサの故障を検出する故障判定部６とを備える。故障判定部は、内燃機関の機関回転数が、所定値よりも高い値から所定値まで低下し、その後、所定値以下に維持された場合に、機関回転数が所定値以下に維持された期間内の第１のタイミングにおいて電流検出回路によって検出された第１電流値と、機関回転数が所定値以下に維持された期間内において第１のタイミングから所定時間経過した第２のタイミングにおいて電流検出回路によって検出された第２電流値とを取得し、第２電流値が第１電流値よりも大きく且つ第２電流値と第１電流値との差又は比率が閾値以上である場合に、固体電解質層にクラックが生じていると判定する。【選択図】図８

Description

本発明は空燃比センサの故障検出装置に関する。

従来、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを内燃機関の排気通路に配置し、空燃比検出センサの出力に基づいて混合気の空燃比をフィードバック制御することが知られている。斯かるフィードバック制御によって排気ガスの空燃比を適切な値に制御することができ、排気エミッションを低減することができる。

しかしながら、空燃比センサに素子割れのような故障が生じると、空燃比の検出精度が悪化し、排気エミッションが悪化するおそれがある。これに対して、特許文献１には、異なる内燃機関の運転条件下で空燃比センサに逆電圧が印加されたときに検出される空燃比センサの出力電流に基づいて、空燃比センサの外部と空燃比センサの大気室とを貫通するクラックの発生を検出することが記載されている。

特開２００７－２３２７０９号公報

しかしながら、空燃比センサにおいて、特許文献１に記載されるようなクラックとは別に、固体電解質層のクラックが生じる場合がある。これらの異なる故障モードが発生した空燃比センサは異なる出力異常を呈するが、特許文献１は固体電解質層のクラックを検出するための手法について何ら言及していない。

そこで、本発明の目的は、空燃比センサの故障モードとして固体電解質層のクラックを検出することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質層と、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように前記固体電解質層の一方の側面上に配置された排気側電極と、大気に曝されるように前記固体電解質層の他方の側面上に配置された大気側電極とを有するセンサ素子を備える空燃比センサの故障を検出する、空燃比センサの故障検出装置であって、前記大気側電極の電位が前記排気側電極の電位よりも高くなるように前記センサ素子に電圧を印加する電圧印加回路と、前記センサ素子に電圧が印加されているときの前記センサ素子の出力電流を検出する電流検出回路と、前記空燃比センサの故障を判定する故障判定部とを備え、前記故障判定部は、前記内燃機関の機関回転数が、所定値よりも高い値から該所定値まで低下し、その後、該所定値以下に維持された場合に、該機関回転数が該所定値以下に維持された期間内の第１のタイミングにおいて前記電流検出回路によって検出された第１電流値と、該期間内において該第１のタイミングから所定時間経過した第２のタイミングにおいて前記電流検出回路によって検出された第２電流値とを取得し、該第２電流値が該第１電流値よりも大きく且つ該第２電流値と該第１電流値との差又は比率が閾値以上である場合に、前記固体電解質層にクラックが生じていると判定する、空燃比センサの故障検出装置が提供される。

本発明によれば、空燃比センサの故障モードとして固体電解質層のクラックを検出することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。 図２は、図１の空燃比センサの部分断面図である。 図３は、センサ素子に正電圧が印加されたときの排気ガスの空燃比とセンサ素子の出力電流との関係を示す図である。 図４は、本発明の第一実施形態に係る故障検出装置の構成を概略的に示す図である。 図５は、クラックが生じた空燃比センサの部分断面図である。 図６は、固体電解質層にクラックが生じたときのセンサ素子の印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図７は、内燃機関が停止されたときの機関回転数及びセンサ素子の出力電流のタイムチャートである。 図８は、本発明の第一実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、本発明の第二実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、本発明の第三実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。 図１１は、本発明の第三実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に、図１～図８を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、４２はシリンダブロック、４３はシリンダブロック４２内で往復動するピストン、４４はシリンダブロック４２上に固定されたシリンダヘッド、４５はピストン４３とシリンダヘッド４４との間に形成された燃焼室、４６は吸気弁、４７は吸気ポート、４８は排気弁、４９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁４６は吸気ポート４７を開閉し、排気弁４８は排気ポート４９を開閉する。

図１に示したように、シリンダヘッド４４の内壁面の中央部には点火プラグ５０が配置され、シリンダヘッド４４の内壁面周辺部には燃料噴射弁５１が配置される。点火プラグ５０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁５１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室４５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各気筒の吸気ポート４７はそれぞれ対応する吸気枝管５３を介してサージタンク５４に連結され、サージタンク５４は吸気管５５を介してエアクリーナ５６に連結される。吸気ポート４７、吸気枝管５３、サージタンク５４、吸気管５５等は、空気を燃焼室４５に導く吸気通路を形成する。また、吸気管５５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ５７によって駆動されるスロットル弁５８が配置される。スロットル弁５８は、スロットル弁駆動アクチュエータ５７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート４９は排気マニホルド５９に連結される。排気マニホルド５９は、各排気ポート４９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド５９の集合部は、触媒６０を内蔵したケーシング６１に連結される。ケーシング６１は排気管６２に連結される。排気ポート４９、排気マニホルド５９、ケーシング６１、排気管６２等は、燃焼室４５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。触媒６０は、例えば、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。

内燃機関の各種制御は、車両に搭載された電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。すなわち、ＥＣＵ３１は内燃機関の制御装置として機能する。ＥＣＵ３１には、内燃機関等に設けられた各種センサの出力が入力され、ＥＣＵ３１は各種センサの出力等に基づいて各種アクチュエータを制御する。

ＥＣＵ３１は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を備える。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

吸気管５５には、吸気管５５内を流れる空気の流量（吸入空気流量）を検出するエアフロメータ７０が配置され、エアフロメータ７０の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。したがって、エアフロメータ７０の出力はＥＣＵ３１に送信され、ＥＣＵ３１はエアフロメータ７０の出力を取得する。

また、触媒６０の上流側の排気通路（排気マニホルド５９の集合部）には、内燃機関の燃焼室４５から排出されて触媒６０に流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１０が配置される。空燃比センサ１０の詳細については、後述する。

また、内燃機関を搭載した車両に設けられたアクセルペダル７１には、アクセルペダル７１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ７２が接続され、負荷センサ７２の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。したがって、負荷センサ７２の出力はＥＣＵ３１に送信され、ＥＣＵ３１は負荷センサ７２の出力を取得する。ＥＣＵ３１は負荷センサ７２の出力に基づいて機関負荷を算出する。

また、入力ポート３６には、クランクシャフトが所定角度（例えば１０°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ７３が接続され、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。したがって、クランク角センサ７３の出力はＥＣＵ３１に送信され、ＥＣＵ３１はクランク角センサ７３の出力を取得する。ＥＣＵ３１はクランク角センサ７３の出力に基づいて機関回転数を算出する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、内燃機関の各種アクチュエータに接続される。本実施形態では、出力ポート３７は、点火プラグ５０、燃料噴射弁５１及びスロットル弁駆動アクチュエータ５７に接続され、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ５０の点火時期、燃料噴射弁５１の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁５８の開度を制御する。

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁５１は、吸気ポート４７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。

＜空燃比センサの構成＞
以下、空燃比センサ１０の構成について詳細に説明する。図２は、図１の空燃比センサ１０の部分断面図である。図２に示されるように、空燃比センサ１０はセンサ素子１１及びヒータ２０を備える。

本実施形態では、空燃比センサ１０は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。センサ素子１１は、固体電解質層１２、拡散律速層１３、第１不透過層１４、第２不透過層１５、排気側電極１６及び大気側電極１７を有する。固体電解質層１２、排気側電極１６及び大気側電極１７は、電気化学セルであるセンサセルを構成する。

センサ素子１１の各層は、図２の下方から、第１不透過層１４、固体電解質層１２、拡散律速層１３、第２不透過層１５の順に積層されている。固体電解質層１２と拡散律速層１３との間には被測ガス室１８が形成され、固体電解質層１２と第１不透過層１４との間には大気室１９が形成されている。すなわち、被側ガス室１８は固体電解質層１２及び拡散律速層１３によって画定され、大気室１９は固体電解質層１２及び第１不透過層１４によって画定される。

被測ガス室１８は拡散律速層１３を介して内燃機関の排気通路と連通しており、被測ガス室１８には、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。一方、大気室１９は大気に開放されており、大気室１９には大気が導入される。

固体電解質層１２は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層１２は、例えば、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として添加した焼結体である。拡散律速層１３は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１３は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の多孔質セラミックから構成される。第１不透過層１４及び第２不透過層１５は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナから構成される。

排気側電極１６は、被測ガス室１８内の被測ガス、すなわち内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように固体電解質層１２の一方（被測ガス室１８側）の側面上に配置されている。一方、大気側電極１７は、大気室１９内の大気に曝されるように固体電解質層１２の他方（大気室１９側）の側面上に配置されている。排気側電極１６と大気側電極１７とは、固体電解質層１２を挟んで互いに対向するように配置されている。排気側電極１６及び大気側電極１７は、それぞれ、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属から構成されている。例えば、排気側電極１６及び大気側電極１７は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。

ヒータ２０は、センサ素子１１内に配置され、センサ素子１１を加熱する。本実施形態では、ヒータ２０は第１不透過層１４に埋設されている。ヒータ２０は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミック（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ２０は、ＥＣＵ３１に電気的に接続され、ＥＣＵ３１によって制御される。ＥＣＵ３１は、ヒータ２０によって、センサ素子１１の温度、特に固体電解質層１２の温度を制御する。

図２に示されるように、センサ素子１１の排気側電極１６及び大気側電極１７には電気回路２が接続されている。電気回路２は電圧印加回路３及び電流検出回路４を有する。

電圧印加回路３は、センサ素子１１に接続され、センサ素子１１に電圧を印加する。具体的には、電圧印加回路３は、大気側電極１７の電位が排気側電極１６の電位よりも高くなるようにセンサ素子１１に電圧を印加する。したがって、排気側電極１６は負極として機能し、大気側電極１７は正極として機能する。電圧印加回路３はＥＣＵ３１に電気的に接続され、ＥＣＵ３１は電圧印加回路３を介してセンサ素子１１への印加電圧を制御する。

電流検出回路４は、センサ素子１１に接続され、センサ素子１１に電圧が印加されているときに排気側電極１６と大気側電極１７との間を流れる電流、すなわちセンサ素子１１に電圧が印加されているときのセンサ素子１１の出力電流を検出する。電流検出回路４はＥＣＵ３１に電気的に接続され、電流検出回路４の出力はＥＣＵ３１に送信される。

センサ素子１１に電圧が印加されると、排気側電極１６上の排気ガスの空燃比に応じて排気側電極１６と大気側電極１７との間を酸化物イオンが移動し、この結果、排気ガスの空燃比に応じてセンサ素子１１の出力電流が変化する。図３は、センサ素子１１に電圧が印加されたときの排気ガスの空燃比とセンサ素子１１の出力電流Ｉとの関係を示す図である。図３の例では、センサ素子１１への印加電圧として、印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない限界電流領域内の電圧、具体的には０．４５Ｖが用いられている。

図３からわかるように、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに、出力電流Ｉはゼロとなる。また、空燃比センサ１０では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであるほど、出力電流Ｉが大きくなる。したがって、空燃比センサ１０は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。ＥＣＵ３１は、空燃比センサ１０によって検出された空燃比に基づいて、混合気の空燃比を適切な値にフィードバック制御する。このことによって、内燃機関のおける排気エミッションを低減することができる。

＜空燃比センサの故障検出装置＞
しかしながら、空燃比センサ１０に素子割れのような故障が生じると、空燃比の検出精度が悪化し、排気エミッションが悪化するおそれがある。このため、本実施形態では、空燃比センサの故障検出装置（以下、単に「故障検出装置」と称する）を用いて空燃比センサ１０の故障が検出される。

図４は、本発明の第一実施形態に係る故障検出装置１の構成を概略的に示す図である。故障検出装置１は、電圧印加回路３、電流検出回路４、電圧制御部５及び故障判定部６を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が電圧制御部５及び故障判定部６として機能する。電圧制御部５及び故障判定部６は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたプログラムをＥＣＵ３１のＣＰＵ３５が実行することによって実現される機能モジュールである。

電圧制御部５は電圧印加回路３を介してセンサ素子１１に電圧を印加する。故障判定部６は空燃比センサ１０の故障を判定する。本実施形態では、故障判定部６は空燃比センサ１０の故障モードとして固体電解質層１２のクラックを検出する。

図５は、クラックが生じた空燃比センサ１０の部分断面図である。固体電解質層１２のクラック１２ａは被測ガス室１８と大気室１９との間を延在する。

正常な空燃比センサ１０では、大気室１９が第１不透過層１４及び固体電解質層１２によって閉じられ、大気室１９と被測ガス室１８との連通が遮断される。しかしながら、図５に示されるように、被測ガス室１８と大気室１９とを連通させるクラック１２ａが固体電解質層１２に生じると、被測ガス室１８の排気ガスと大気室１９の大気とが混合される。この結果、被測ガス室１８の排気ガス中の酸素濃度が高くなり、大気室１９の大気中の酸素濃度が低下する。このため、クラック１２ａの発生によってセンサ素子１１の出力電流に異常が生じる。

図６は、固体電解質層１２にクラック１２ａが生じたときのセンサ素子１１の印加電圧と出力電流との関係を示す図である。図６の実線、一点鎖線及び破線は、それぞれ、排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合の正常なセンサ素子１１（クラック１２ａ無し）、吸入空気流量が多いときの異常なセンサ素子１１（クラック１２ａ有り）、及び吸入空気流量が少ないときの異常なセンサ素子１１（クラック１２ａ有り）の電圧電流特性を示す。

センサ素子１１に電圧が印加されたときのセンサ素子１１の出力電流は、図３に示されるように排気ガスの空燃比に応じて変化する。上述したように、固体電解質層１２にクラック１２ａが生じると、被測ガス室１８の排気ガス中の酸素濃度が高くなる。したがって、図６に示されるように、固体電解質層１２にクラック１２ａが生じると、センサ素子１１の出力電流がリーン側（プラス側）にずれる。

また、吸入空気流量が多いときには、吸入空気流量が少ないときに比べて、被測ガス室１８に流入する排気ガスの圧力が高くなり、被測ガス室１８の排気ガスと大気室１９の大気との混合が生じにくくなる。言い換えれば、吸入空気流量が少ないときには、吸入空気流量が多いときに比べて、被測ガス室１８に流入する排気ガスの圧力が低くなり、被測ガス室１８の排気ガスと大気室１９の大気との混合が生じやすくなる。また、被測ガス室１８の排気ガス中の酸素濃度の増加量は、排気ガスと混合する大気の量に比例して大きくなる。したがって、図６に示されるように、吸入空気流量が少ないときのセンサ素子１１の出力電流は、吸入空気流量が多いときのセンサ素子１１の出力電流よりもリーン側（プラス側）にずれる。

一方、図５に示されるような第１不透過層１４のクラック１４ａが生じた場合には、排気通路と連通している空燃比センサ１０の外部から大気室１９に排気ガスが流入し、この結果、大気室１９の大気中の酸素濃度が低下する。しかしながら、吸入空気流量が少ないときには、吸入空気流量が多いときに比べて、排気ガスの圧力が低くなり、排気通路からクラック１４ａを通って大気室１９に流入する排気ガスの量が少なくなる。このため、吸入空気流量が少ないときには、第１不透過層１４のクラック１４ａによるセンサ素子１１の出力電流の異常はほとんど生じない。

したがって、吸入空気流量が少ないときには、第１不透過層１４のクラック１４ａに比べて、固体電解質層１２のクラック１２ａによるセンサ素子１１の出力電流の異常が顕著となる。この知見に基づいて、本実施形態では、吸入空気流量が少ないときに検出されたセンサ素子１１の出力電流の時間変化に基づいて固体電解質層１２のクラック１２ａの有無が判別される。

基本的に、内燃機関の機関回転数が低くなると、吸入空気流量が減少する。このため、故障判定部６は、内燃機関の機関回転数が、所定値よりも高い値から所定値まで低下し、その後、所定値以下に維持された場合に、機関回転数が所定値以下に維持された期間内の第１のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第１電流値と、機関回転数が所定値以下に維持された期間内において第１のタイミングから所定時間経過した第２のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第２電流値とを取得し、これら電流値に基づいて空燃比センサ１０の故障を判定する。所定値は、予め定められ、例えば０ｒｐｍ～１０００ｒｐｍに設定される。

例えば、内燃機関が停止されると、機関回転数がゼロまで低下し、吸入空気流量がゼロになる。このため、本実施形態では、故障判定部６は、内燃機関が停止した場合に、内燃機関の停止状態における第１のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第１電流値と、内燃機関の停止状態において第１のタイミングから所定時間経過した第２のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第２電流値とを取得する。なお、内燃機関は、例えば、車両の一時停止中にアイドリングストップ機能が作動されたとき、又はハイブリッド車両において車両の動力がモータのみによって出力されるときに停止される。なお、内燃機関の停止後も、センサ素子１１への電圧の印加、ヒータ２０によるセンサ素子１１の温度制御等は継続される。

図７は、内燃機関が停止されたときの機関回転数及びセンサ素子１１の出力電流のタイムチャートである。図７には、固体電解質層１２にクラック１２ａが生じていない正常な空燃比センサ１０についての出力電流が実線で示され、固体電解質層１２にクラックが生じた異常な空燃比センサ１０についての出力電流が破線で示されている。

図７の例では、時刻ｔ１において内燃機関が停止され、燃料噴射弁５１による燃料噴射等が停止される。この結果、時刻ｔ１の後、時刻ｔ２において機関回転数がゼロに達する。このとき、正常な空燃比センサ１０では、内燃機関の停止後、センサ素子１１の出力電流は、被測ガス室１８に残された残留ガスの空燃比に相当する値に収束する。一方、異常な空燃比センサ１０では、内燃機関の停止後、大気室１９の大気が被測ガス室１８の残留ガスと混合し、この結果、センサ素子１１の出力電流は徐々にリーン側（プラス側）にずれていく。したがって、異常な空燃比センサ１０では、内燃機関が停止した場合に、第１のタイミングよりも後の第２のタイミングにおいて検出された第２電流値が、第１のタイミングにおいて検出された第１電流値よりも大きくなる。

このため、故障判定部６は、第２電流値が第１電流値よりも大きく且つ第２電流値と第１電流値との差又は比率が閾値以上である場合に、空燃比センサ１０が異常であり、固体電解質層１２にクラックが生じていると判定する。したがって、本実施形態では、故障検出装置１を用いて、空燃比センサ１０の故障モードとして固体電解質層１２のクラック１２ａを検出することができる。

＜故障判定処理＞
以下、図８のフローチャートを参照して、空燃比センサ１０の故障を検出するための制御について詳細に説明する。図８は、本発明の第一実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされた後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、電圧制御部５は電圧印加回路３を介してセンサ素子１１に所定電圧を印加する。所定電圧は、予め定められ、例えば限界電流領域内の電圧（０．１５Ｖ～０．７Ｖ）に設定される。本実施形態では、所定電圧は０．４５Ｖに設定される。

次いで、ステップＳ１０２において、故障判定部６は、故障判定条件が成立しているか否かを判定する。故障判定条件は、例えば、空燃比センサ１０のセンサ素子１１の温度が所定の活性温度以上であるときに成立する。センサ素子１１の温度は例えばセンサ素子１１のインピーダンスに基づいて算出される。なお、故障判定条件は、触媒６０の温度が所定の活性温度以上であること、内燃機関の始動後に所定時間が経過していること、車両のイグニッションスイッチがオンにされた後に空燃比センサ１０の故障判定が未だ行われていないこと等を含んでいてもよい。

ステップＳ１０２において故障判定条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０２において故障判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、故障判定部６は、内燃機関が停止したか否かを判定する。ステップＳ１０３において内燃機関が停止しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０３において内燃機関が停止したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、故障判定部６は、第１のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第１電流値Ｉ１を取得する。例えば、故障判定部６は、第１電流値Ｉ１として、機関回転数がゼロに達したときに電流検出回路４によって検出された電流値を取得する。この場合、機関回転数は例えばクランク角センサ７３の出力に基づいて算出される。

次いで、ステップＳ１０５において、故障判定部６は、第１のタイミングから内燃機関の停止状態が所定時間継続したか否かを判定する。所定時間は、予め定められ、例えば３秒～１０秒、好ましくは５秒に設定される。内燃機関の停止状態が所定時間継続しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０５において内燃機関の停止状態が所定時間継続したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、故障判定部６は、第１電流値Ｉ１が検出された第１のタイミングから所定時間が経過した第２のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第２電流値Ｉ２を取得する。

次いで、ステップＳ１０７において、故障判定部６は、第２電流値Ｉ２から第１電流値Ｉ１を減算した値が閾値Ｋ以上であるか否かを判定する。閾値Ｋは、予め定められ、正の値に設定される。

ステップＳ１０７において第２電流値Ｉ２から第１電流値Ｉ１を減算した値が閾値Ｋ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、故障判定部６は、空燃比センサ１０が異常であり、固体電解質層１２にクラックが生じていると判定する。このとき、故障判定部６は、車両に設けられた警告灯を点灯させてもよい。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０７において第２電流値Ｉ２から第１電流値Ｉ１を減算した値が閾値Ｋ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、故障判定部６は、空燃比センサ１０が正常であり、固体電解質層１２にクラックが生じていないと判定する。ステップＳ１０９の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ１０７において、故障判定部６は、第２電流値Ｉ２を第１電流値Ｉ１で除算した値が閾値Ｋ以上であるか否かを判定してもよい。すなわち、故障判定部６は、下記式（１）が成立するか否かを判定してもよい。
Ｉ２／Ｉ１≧Ｋ …（１）
この場合、閾値Ｋは１よりも大きな値に設定される。

また、車両のイグニッションスイッチがオフにされると、内燃機関は停止する。このため、空燃比センサ１０の故障判定は、車両のイグニッションスイッチがオフにされた後に行われてもよい。この場合、車両のイグニッションスイッチがオフにされた後も、第１電流値Ｉ１及び第２電流値Ｉ２が検出されるまで、センサ素子１１への電圧の印加、ヒータ２０によるセンサ素子１１の温度制御等は継続される。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る故障検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る故障検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になると、機関回転数がアイドル回転数まで低下し、吸入空気流量が減少する。このため、第二実施形態では、内燃機関のアイドル運転状態において、空燃比センサ１０の故障判定が行われる。

具体的には、故障判定部６は、内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になった場合に、アイドル運転状態における第１のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第１電流値と、アイドル運転状態において第１のタイミングから所定時間経過した第２のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第２電流値とを取得し、これら電流値に基づいて空燃比センサ１０の故障を判定する。なお、アイドル運転状態とは、アクセル開度がゼロ（機関負荷がゼロ）であるとき（例えば車両の一時停止時）に燃焼室４５における混合気の燃焼によって機関回転数が所定のアイドル回転数（例えば４００～１０００ｒｐｍ）に維持されている運転状態を意味する。

図９は、本発明の第二実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされた後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ２０１及びＳ２０２は図８のステップＳ１０１及びＳ１０２と同様に実行される。ステップＳ２０２において故障判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、故障判定部６は、内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になったか否かを判定する。内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になっていないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、内燃機関の運転状態がアイドル運転状態になったと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４では、故障判定部６は、空燃比センサ１０を用いた空燃比のフィードバック制御を停止し、オープン制御（開ループ制御）を開始する。オープン制御では、混合気の空燃比が目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁５１の燃料噴射量ＦＡが目標空燃比ＴＡＦ及び吸入空気量ＩＡに基づいて下記式（２）によって算出される。吸入空気量ＩＡはエアフロメータ７０の出力に基づいて算出される。
ＦＡ＝ＩＡ／ＴＡＦ …（２）

本実施形態では、オープン制御における目標空燃比ＴＡＦが理論空燃比（１４．６）に設定される。このことによって、故障判定中に排気エミッションが悪化することを抑制することができる。

次いで、ステップＳ２０５において、故障判定部６は、第１のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第１電流値Ｉ１を取得する。例えば、故障判定部６は、第１電流値Ｉ１として、アイドル運転状態においてオープン制御が開始されてから所定時間が経過した第１のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された電流値を取得する。所定時間は、予め定められ、例えば内燃機関のシリンダ内のガスが入れ替わるのに要する時間に設定される。

次いで、ステップＳ２０６において、故障判定部６は、第１のタイミングからアイドル運転状態が所定時間継続したか否かを判定する。所定時間は、予め定められ、例えば３秒～１０秒、好ましくは５秒に設定される。アイドル運転状態が所定時間継続しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０６においてアイドル運転状態が所定時間継続したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７では、故障判定部６は、第１電流値Ｉ１が検出された第１のタイミングから所定時間が経過した第２のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第２電流値Ｉ２を取得する。

ステップＳ２０８～Ｓ２１０は図８のステップＳ１０７～Ｓ１０９と同様に実行される。なお、本制御ルーチンは図８の制御ルーチンと同様に変形可能である。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る故障検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る故障検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図１０は、本発明の第三実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。第三実施形態では、内燃機関を搭載した車両に、大気圧を検出する大気圧センサ７４が設けられる。大気圧センサ７４の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。したがって、大気圧センサ７４の出力はＥＣＵ３１に送信され、ＥＣＵ３１は大気圧センサ７４の出力を取得する。

上述したように空燃比センサ１０の大気室１９には大気が導入されるが、大気圧は、内燃機関を搭載する車両の走行環境に応じて変化する。例えば、大気圧は、車両が走行する道路の標高が高くなるほど低くなる。大気圧が低くなると、大気室１９の大気が被測ガス室１８の排気ガスと混合したときの排気ガス中の酸素濃度の増加量が低下し、この結果、排気側電極１６から大気側電極１７に移動する酸化物イオンの移動量が減少する。すなわち、大気圧が低くなると、固体電解質層１２のクラック１２ａの影響によってセンサ素子１１の出力電流がリーン側にずれる量が小さくなる。

このため、第三実施形態では、故障判定部６は、大気圧センサ７４によって検出された大気圧に基づいて、第２電流値から第１電流値を減算した値を補正し、補正後の値が閾値以上である場合に、固体電解質層１２にクラックが生じていると判定する。このことによって、大気圧の変動によるクラックの誤検出を低減することができ、ひいては空燃比センサ１０の故障の検出精度を高めることができる。

図１１は、本発明の第三実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関を搭載した車両のイグニッションスイッチがオンにされた後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ３０１～Ｓ３０３は図８のステップＳ１０１～Ｓ１０３と同様に実行される。ステップＳ３０３において内燃機関が停止したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。

ステップＳ３０４では、故障判定部６は、第１のタイミングにおいて電流検出回路４によって検出された第１電流値Ｉ１と、第１のタイミングにおいて大気圧センサ７４によって検出された大気圧Ｐとを取得する。例えば、故障判定部６は、機関回転数がゼロに達した第１のタイミングにおいて検出された第１電流値Ｉ１及び大気圧Ｐを取得する。

ステップＳ３０５及びＳ３０６は図８のステップＳ１０５及びＳ１０６と同様に実行される。ステップＳ３０６の後、ステップＳ３０７において、故障判定部６は、マップ又は計算式を用いて、大気圧Ｐに基づいて、第２電流値Ｉ２から第１電流値Ｉ１を減算した値（出力差（Ｉ２－Ｉ１））を補正する。マップ又は計算式は、大気圧Ｐが低いほど、出力差が大きくなるように作成される。

次いで、ステップＳ３０８において、故障判定部６は、補正後の出力差が閾値Ｋ以上であるか否かを判定する。閾値Ｋは、予め定められ、正の値に設定される。

ステップＳ３０８において補正後の出力差が閾値Ｋ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０９に進む。ステップＳ３０９では、図８のステップＳ１０８と同様に、故障判定部６は、空燃比センサ１０が異常であり、固体電解質層１２にクラックが生じていると判定する。ステップＳ３０９の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ３０８において補正後の出力差が閾値Ｋ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３１０に進む。ステップＳ３１０では、図８のステップＳ１０９と同様に、故障判定部６は、空燃比センサ１０が正常であり、固体電解質層１２にクラックが生じていないと判定する。ステップＳ３１０の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、本制御ルーチンは図８の制御ルーチンと同様に変形可能である。例えば、故障判定部６は、ステップＳ３０７において、マップ又は計算式を用いて、大気圧Ｐに基づいて、第２電流値Ｉ２を第１電流値Ｉ１で除算した値（出力比（Ｉ２／Ｉ１））を補正し、ステップＳ３０８において、補正後の出力比が閾値Ｋ以上であるか否かを判定してもよい。この場合、閾値Ｋは１よりも大きな値に設定される。また、マップ又は計算式は、大気圧Ｐが低いほど、出力比が大きくなるように作成される。

また、ステップＳ３０７において、故障判定部６はマップ又は計算式を用いて大気圧Ｐに基づいて閾値Ｋを補正し、ステップＳ３０８において補正後の閾値Ｋが用いられてもよい。この場合、マップ又は計算式は、大気圧Ｐが低いほど、閾値Ｋが小さくなるように作成される。

また、大気圧Ｐは、大気と混合した後の排気ガスの酸素濃度、すなわち第２電流値Ｉ２に主に影響する。このため、ステップＳ３０７において、故障判定部６はマップ又は計算式を用いて大気圧Ｐに基づいて第２電流値Ｉ２を補正し、ステップＳ３０８において補正後の第２電流値Ｉ２が用いられてもよい。この場合、マップ又は計算式は、大気圧Ｐが低いほど、第２電流値Ｉ２が大きくなるように作成される。

なお、補正に用いられる大気圧Ｐは、第１電流値Ｉ１が検出される第１のタイミングから第２電流値Ｉ２が検出される第２のタイミングまでの任意のタイミングにおいて検出可能である。また、補正に用いられる大気圧Ｐは、第１のタイミングから第２のタイミングまでの間に検出された大気圧の平均値であってもよい。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関は圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。

また、故障検出装置１を用いて、触媒６０の下流側に配置された空燃比センサの故障判定が行われてもよい。また、故障検出装置１によって故障判定が行われる空燃比センサは触媒６０の上流側及び下流側に配置されてもよい。この場合、下流側空燃比センサの故障判定が行われるときには、図９のステップＳ２０４において、下流側空燃比センサを用いた空燃比制御（例えば目標空燃比の切替等）のみが停止され、上流側空燃比センサを用いた空燃比のフィードバック制御が継続されてもよい。

また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。第二実施形態と第三実施形態とが組み合わされる場合、図１１の故障判定処理の制御ルーチンにおいて、ステップＳ３０３の代わりに、図９のステップＳ２０３及びＳ２０４が実行される。

１ 空燃比センサの故障検出装置
３ 電圧印加回路
４ 電流検出回路
６ 故障判定部
１０ 空燃比センサ
１１ センサ素子
１２ 固体電解質層
１６ 排気側電極
１７ 大気側電極

Claims (1)

1. 酸化物イオン伝導性を有する固体電解質層と、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように前記固体電解質層の一方の側面上に配置された排気側電極と、大気に曝されるように前記固体電解質層の他方の側面上に配置された大気側電極とを有するセンサ素子を備える空燃比センサの故障を検出する、空燃比センサの故障検出装置であって、
   前記大気側電極の電位が前記排気側電極の電位よりも高くなるように前記センサ素子に電圧を印加する電圧印加回路と、
   前記センサ素子に電圧が印加されているときの前記センサ素子の出力電流を検出する電流検出回路と、
   前記空燃比センサの故障を判定する故障判定部と
   を備え、
   前記故障判定部は、前記内燃機関の機関回転数が、所定値よりも高い値から該所定値まで低下し、その後、該所定値以下に維持された場合に、該機関回転数が該所定値以下に維持された期間内の第１のタイミングにおいて前記電流検出回路によって検出された第１電流値と、該期間内において該第１のタイミングから所定時間経過した第２のタイミングにおいて前記電流検出回路によって検出された第２電流値とを取得し、該第２電流値が該第１電流値よりも大きく且つ該第２電流値と該第１電流値との差又は比率が閾値以上である場合に、前記固体電解質層にクラックが生じていると判定する、空燃比センサの故障検出装置。

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