JP2004177179A - 酸素センサの劣化検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、酸素センサの劣化検出装置に関し、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、酸素センサの異常を常に精度良く検出することを目的とする。
【解決手段】酸素センサ１０に電圧Ｖを印加し、その際に流通する電流Ｉとの関係でセンサ素子１２の素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ＝Ｖ／Ｉを算出する。酸素センサ１０の温度に影響を与える事項から、酸素センサ１０の素子温推定値Ｔｅｘを算出する。素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子温推定値Ｔｅｘとの関係が正規の温度特性に従う関係と見なせるか否かに基づいて酸素センサ１０の異常を判定する。
【選択図】 図１
【解決手段】酸素センサ１０に電圧Ｖを印加し、その際に流通する電流Ｉとの関係でセンサ素子１２の素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ＝Ｖ／Ｉを算出する。酸素センサ１０の温度に影響を与える事項から、酸素センサ１０の素子温推定値Ｔｅｘを算出する。素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子温推定値Ｔｅｘとの関係が正規の温度特性に従う関係と見なせるか否かに基づいて酸素センサ１０の異常を判定する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサの劣化検出装置に係り、特に、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化を検出するうえで好適な劣化検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２０００−１９３６３５号公報に開示されるように、酸素センサの素子インピーダンスに基づいて、その酸素センサの異常を検出する装置が知られている。上記従来の装置において、酸素センサは、内燃機関の排気通路に配置される。このセンサは、センサ素子を加熱するためのヒータを有しており、通常の使用環境下では、排気ガスによる加熱と、ヒータによる加熱により７００℃程度の温度に制御される。
【０００３】
また、上記従来のシステムにおいて、センサ素子の素子インピーダンスは温度特性を有している。このため、センサ素子が適正に加熱されている場合と、その加熱が適正に行われていない場合とでは、素子インピーダンスが異なった値となる。上記従来の装置は、この特性を利用して、通常の使用環境下で素子インピーダンスが正常な値を示すか否かに基づいて、センサの断線や、ヒータの劣化或いは断線などを検出する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１９３６３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の装置は、内燃機関が始動された後、所定期間が経過した時点で、酸素センサが活性化されたものと判断する。そして、その状態では、酸素センサが７００℃程度に加熱されているとの前提の下に、素子インピーダンスに基づく異常判定が行われる。
【０００６】
しかしながら、システムが正常であっても、現実には、内燃機関が始動されてから所定期間が経過した後に、酸素センサの温度が７００℃付近から外れた温度となることがある。この場合、素子インピーダンスは、センサ素子の温度特性のため、センサ素子が７００℃付近にある場合に生ずるべき値から、大きく外れた値となる。そして、上記従来の装置によれば、このような場合に、酸素センサの異常が誤判定されてしまうことがある。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、酸素センサの異常を常に精度良く検出することのできる劣化検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子インピーダンス現実値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から当該酸素センサの素子温推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子インピーダンス現実値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子インピーダンス推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子温理論値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子インピーダンス推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子温理論値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子温推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第１または第３の発明において、前記異常判定手段は、前記第１判断値と前記第２判断値との関係が、酸素センサの素子インピーダンスが示す正規の温度特性に則っていない場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第２または第４の発明において、前記異常判定手段は、前記第１判断値と前記第２判断値とが、所定の判定値を超えて乖離している場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする。
【００１４】
また、第７の発明は、第５または第６の発明において、
前記酸素センサは、前記温度特性を示すセンサ素子と、当該センサ素子を加熱するためのヒータとを備え、
酸素センサの温度に影響を与える前記事項は、少なくとも前記ヒータの作動状態に関する事項を含み、
前記異常判定手段は、前記ヒータの通電状態を検知するヒータ通電状態検知手段と、前記ヒータが通電されていない状況下で前記酸素センサの異常が判定された場合にその異常を前記センサ素子の異常と特定するセンサ素子異常特定手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、第８の発明は、第７の発明において、前記異常判定手段は、前記ヒータが通電されている状況下で前記酸素センサの異常が判定された場合に、その通電を停止する通電停止手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、第９の発明は、第８の発明において、前記異常判定手段は、前記通電停止手段により前記ヒータへの通電が停止された後に、前記酸素センサの異常判定が覆った場合に、前記ヒータの異常を判定するヒータ異常判定手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、第１０の発明は、第１乃至第９の発明において、
前記異常判定手段は、
前記第１判断値の変化量を検出する第１変化量検出手段と、
前記第２判断値の変化量を検出する第２変化量検出手段とを備え、
前記第１判断値の変化量と前記第２判断値の変化量とが正規の相関を示さない場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１９】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するためのブロック図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは酸素センサ１０を備えている。酸素センサ１０は、本実施形態において、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサとして用いられる。
【００２０】
酸素センサ１０は、センサ素子１２、およびセンサ素子１２を加熱するためのヒータ１４を備えている。センサ素子１２は、被検出ガス中の酸素濃度に応じた起電力を発生すると共に、温度に応じて素子インピーダンスＲｓを変化させる特性を有している。図１に示すように、センサ素子１２は、起電力成分１６とインピーダンス成分１８とで等価的に表すことができる。
【００２１】
酸素センサ１０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０に接続されている。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および電子回路などで構成された車載用コンピュータである。本実施形態において、ＥＣＵ２０の内部では、ハードウェアおよびソフトウェアにより、ヒータ制御部２２、素子インピーダンス検出部２４、フューエルカット検出部２６、素子温推定部２８、および異常判定部３０が実現されている。
【００２２】
ヒータ制御部２２は、酸素センサ１０のヒータ１４を制御する機能を実現する。酸素センサ１０のセンサ素子１２は、所定の活性温度に加熱されている場合に、被検出ガス中の酸素濃度に応じた起電力を発生する。このため、ヒータ制御部２２は、酸素センサ１０の作動中、センサ素子１２の温度が上記活性温度に維持されるように、ヒータ１４の通電・非通電状態を制御する。
【００２３】
素子インピーダンス検出部２４は、センサ素子１２の素子インピーダンスＲｓを検出する機能を実現する。より具体的には、素子インピーダンス検出部２４は、センサ素子１２に対して適当な電力を供給し、その電力に関連する値から素子インピーダンスＲｓを検出する部分である。センサ素子１２は、起電力式のセンサであるため、センサ素子１２に対して電力が供給されている間は（電圧が印加されている間は）、センサ素子１２からセンサ出力を取り出すことはできない。このため、素子インピーダンス検出部２４は、素子インピーダンスＲｓを検出すべき所定のタイミングに限ってセンサ素子１２に対して電力を供給する。そして、その際にセンサ素子１２の両端に作用する印加電圧Ｖと、センサ素子１２を流れる流通電流Ｉとの間に成立する関係（Ｖ＝Ｒｓ・Ｉ）に従って、素子インピーダンスＲｓを検出する。以下、素子インピーダンス検出部２４により検出される素子インピーダンスＲｓを、つまり、センサ素子１２に供給される電力関連値に基づいて算出される素子インピーダンスＲｓを「素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ」と称す。
【００２４】
内燃機関においては、機関回転数が高く、かつ、アクセルペダルが開放されているような場合に、燃料の噴射を停止するためフューエルカットが実行される。フューエルカット検出部２６は、内燃機関において上記のフューエルカットが実行された場合に、その実行を検出する機能を実現する。フューエルカット検出部２６の検出結果は、素子温推定部２８に供給される。
【００２５】
素子温推定部２８には、既述した通り、フューエルカット検出部２６から、フューエルカットの実行に関する情報が提供されると共に、ヒータ制御部２２からは、ヒータ１４の通電・非通電に関する情報が提供される。また、素子温推定部２８には、エアフロメータ３２、車速センサ３４、吸気温センサ３６、および大気圧センサ３８が接続されている。素子温推定部２８には、それらのセンサから、吸入空気量Ｇａ、車速ＳＰＤ、吸気温Ｔａ、および大気圧Ｐａに関する情報が提供されている。素子温推定部２８に提供される上記の情報は、何れも酸素センサ１０（センサ素子１２）の温度に影響を与える情報である。より具体的には、酸素センサ１０（センサ素子１２）に対する供給熱量Ｔｓ、或いは酸素センサ１０（センサ素子１２）からの放射熱量Ｔｒに影響を与える主要事項の情報である。素子温推定部２８は、それらの情報に基づいて、センサ素子１２の温度を推定する機能を実現する。以下、素子温推定部２８により推定されるセンサ素子１２の温度、つまり、センサ素子１２の温度に影響を与える主要事項の情報に基づいて算出される素子温を「素子温推定値Ｔｅｘ」と称す。
【００２６】
異常判定部３０は、素子インピーダンス検出部２４によって検出された素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと、素子温推定部２８によって推定された素子温推定値Ｔｅｘとに基づいて、酸素センサ１０の異常判定を行うためのブロックである。
【００２７】
図２は、センサ素子１２の素子温度と素子インピーダンスＲｓとの関係、つまり、センサ素子１２の素子インピーダンスＲｓが示す温度特性を示す。図２に示すように、センサ素子１２は、素子温度の上昇に対して、素子インピーダンスＲｓを指数関数的に低下させる特性を有している。
【００２８】
酸素センサ１０が正常であれば、電力関連値に基づいて算出される素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと、温度に影響を与える事項に基づいて推定された素子温推定値Ｔｅｘとの間にも、図２に示すような相関が認められるはずである。このため、異常判定部３０は、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子温推定値Ｔｅｘとの間に、図２に示すような正規の相関が認められるか否かに基づいて、酸素センサ１０に異常が生じているか否かを判断する。
【００２９】
［異常判断の具体的基準の説明］
図３は、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの関係に対して、本実施形態の装置が如何なる判断を下すかを説明するための図である。
図３において、横軸中に示すＴ１およびＴ２は、それぞれ酸素センサ１０の常用温度領域の下限値および上限値である。より具体的には、温度Ｔ１は、酸素センサ１０が活性状態であるか否かを判定するための下限温度（例えば３５０℃）である。また、温度Ｔ２は、通常の使用環境下で酸素センサ１０が到達することのある上限の温度（例えば９００℃）である。
【００３０】
また、図３において、縦軸に示すＲ１は、酸素センサ１０が活性状態である場合には（温度Ｔ１以上である場合には）、センサ素子１２に断線が生じていない限り生ずることのない抵抗値の下限、つまり、センサ素子１２が温度Ｔ１で示すべき素子インピーダンスＲｓに対して十分に大きな値（例えば１５ｋΩ）である。また、縦軸に示すＲ２は、酸素センサ１０が通常の使用環境下で用いられているとすれば（温度Ｔ２以下であるとすれば）、センサ素子１２にショートが生じない限り生ずることのない抵抗値の上限、つまり、センサ素子１２が温度Ｔ２で示すべき素子インピーダンスＲｓに対して十分に小さな値（例えば５Ω）である。
【００３１】
上述した設定の下では、素子温度推定値ＴｅｘがＴ１より高いにも関わらず素子インピーダンス現実値ＲｓｒがＲ１より大きい場合には（領域▲１▼）、センサ素子１２に断線が生じていると判断することができる。また、素子温度推定値ＴｅｘがＴ２より低いにも関わらず素子インピーダンス現実値ＲｓｒがＲ２より小さい場合には（領域▲２▼）、センサ素子１２にショートが生じていると判断することができる。このため、本実施形態において、ＥＣＵ２０は、素子温度推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが領域▲１▼に属する場合には、センサ素子１２に断線が生じていると判断し、また、その組み合わせが領域▲２▼に属する場合には、センサ素子１２にショートが生じていると判断する。
【００３２】
図３中に符号▲１▼を付して示す直線は、素子温と素子インピーダンスＲｓとが本来示すべき温度特性を示している。酸素センサ１０が正常である場合、素子温推定値Ｔｅｘが常用域に属している限り（Ｔ１＜Ｔｅｘ＜Ｔ２が成立する限り）、その推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせは、直線▲１▼の付近に位置するはずである。換言すると、Ｔ１＜Ｔｅｘ＜Ｔ２が成立する状況下で、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが、直線▲１▼から大きく乖離した位置に存在する場合は、酸素センサ１０が正常でないと判断することができる。
【００３３】
図３中に符号▲４▼または▲５▼を付して示す直線は、それぞれ、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとが、直線▲１▼から大きく乖離していると判断すべき境界点の集合である。このため、本実施形態において、ＥＣＵ２０は、素子温度推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが、図３に示す領域▲６▼または▲７▼に属する場合には、センサ素子１２に劣化が生じていると判断する。
【００３４】
酸素センサ１０が正常である場合、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの間には、常に正規の温度特性に則った相関が認められるべきである。つまり、酸素センサ１０が正常である限り、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒの一方に変化が生じた場合、その変化に応じた適正な変化がそれらの他方に発生するべきである。このため、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが如何なる領域に属しているかに関わりなく（直線▲４▼と▲５▼に挟まれた領域▲８▼に属する場合であっても）、素子温推定値Ｔｅｘの変化ΔＴｅｘと、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒの変化ΔＲｓｒとの間に正規の相関が認められない場合は、酸素センサ１０に異常が生じていると判断することができる。そこで、本実施形態において、ＥＣＵ２０は、このような現象が検知された場合は、センサ素子１２に、中間インピーダンスでのショート（以下、「中間ショート」と称す）が生じたものと判断する。
【００３５】
［異常判断のために実行される具体的処理の説明］
以下、図４乃至図７を参照して、ＥＣＵ２０が、上述した具体的基準に従って酸素センサ１０の異常を判断すべく実行する具体的処理の内容について説明する。
図４は、ＥＣＵ２０が、センサ素子１２の断線およびショートを検出するために実行する制御ルーチンのフローチャートである。
図４に示すルーチンでは、先ず、酸素センサ１０の素子温推定値Ｔｅｘが算出される（ステップ１００）。
【００３６】
図５は、上記ステップ１００において実行される素子温推定処理の内容を説明するためのフローチャートである。ＥＣＵ２０は、上記ステップ１００が実行される毎に、図５に示すルーチンに沿って素子温推定値Ｔｅｘを算出する。
図５に示すルーチンでは、先ず、前回の処理サイクル時に算出された素子温推定値Ｔｅｘおよび供給熱量Ｔｓが、それぞれ旧素子温推定値ＴｅｘＯおよび旧供給熱量ＴｓＯに置き換えられる（ステップ１０８）。
尚、供給熱量Ｔｓとは、センサ素子１２に対して供給される熱量である。供給熱量Ｔｓの詳細、およびその算出方法については後に詳細に説明する。
【００３７】
図５に示すルーチンでは、次に、ＥＣＵ２０に接続されている各種センサより、吸入空気量Ｇａ、車速ＳＰＤ、吸気温Ｔａおよび大気圧Ｐａが検出される（ステップ１１０）。
【００３８】
次に、フューエルカット検出部２６、およびヒータ制御部２２から、フューエルカットの実行状態、およびヒータ１４の通電状態に関する情報が検出される（ステップ１１２）。
【００３９】
次いで、吸入空気量Ｇａ、フューエルカットの実行状態、およびヒータの通電・非通電状態に基づいて、現在の状況に対応する素子温収束値Ｔｇａが算出される（ステップ１１４）。
素子温収束値Ｔｇａは、排気ガスの温度および流量に大きな影響を受ける。また、その収束値Ｔｇａは、ヒータ１４による加熱が行われているか否かにも大きく影響される。排気ガスの流量は原則として吸入空気量Ｇａと等量である。また、排気ガスの温度は、フューエルカットが実行されているか否かに応じて大きく異なったものとなる。このため、本実施形態では、上記の如く吸入空気量Ｇａ、フューエルカットの実行状態、およびヒータの通電・非通電状態に基づいて素子温収束値Ｔｇａを算出することにしている。ＥＣＵ２０は、それら３つの要素との関係で、素子温収束値Ｔｇａを定めたマップを記憶している。本ステップ１１４では、具体的には、上記３つの要素を、そのマップに当てはめることにより素子温収束値Ｔｇａが算出される。
【００４０】
図５に示すルーチンでは、次に、大気圧Ｐａに基づいて、大気圧補正係数Ｋｐが算出される（ステップ１１６）。
センサ素子１２の温度は、現在の温度が素子温収束値Ｔｇａから乖離しているほど大きく変化する。つまり、センサ素子１２に供給される熱量Ｔｓは、現在の素子温と素子温収束値Ｔｇａとの差に対して相関を有している。そして、この相関関係は、空気密度などの影響により、大気圧Ｐａに応じて変化する。大気圧補正係数Ｋｐは、その変化に対応すべく、素子温収束値Ｔｇａに積算すべき値として算出される係数である。
【００４１】
大気圧補正係数Ｋｐが算出されると、次に、以下に示す演算式に従って、センサ素子１２に対する供給熱量Ｔｓが算出される（ステップ１１８）。
Ｔｓ＝ＴｓＯ＋［｛（Ｔｇａ・Ｋｐ−ＴｅｘＯ）／Ｋｂ｝−ＴｓＯ］／Ｋａ ・・・（１）
上記（１）式中、ＴｓＯおよびＴｅｘＯは、それぞれ前回の処理サイクル時に算出された供給熱量Ｔｓおよび素子温推定値Ｔｅｘである（上記ステップ１０８参照）。また、上記（１）式中、ＫｂおよびＫａは、何れもなまし定数である。上記（１）式の右辺中、（Ｔｇａ・Ｋｐ−ＴｅｘＯ）は、今回の処理サイクルにおいてセンサ素子１２に供給される熱量を意味している。そして、その値をＫｂで割った［｛（Ｔｇａ・Ｋｐ−ＴｅｘＯ）／Ｋｂ｝は、その熱量のなまし値である。更に、そのなまし値から旧供給熱量ＴｓＯを減じた値［｛（Ｔｇａ・Ｋｐ−ＴｅｘＯ）／Ｋｂ｝−ＴｓＯ］は、前回の処理サイクル時における供給熱量ＴｓＯと、今回の処理サイクル時に算出された供給熱量のなまし値との差を意味している。上記（１）式によれば、その供給熱量の差を更にＫａでなました値を、旧供給熱量ＴｓＯに反映させる（加える）ことにより、現サイクル時における供給熱量Ｔｓが算出される。
【００４２】
上述したステップ１１８の処理によれば、前回の処理サイクル時における供給熱量ＴｓＯをベースとして、今回の処理サイクル時に形成されている熱環境を適当にそのベースに反映させることにより、センサ素子１２に対する供給熱量Ｔｓを精度良く算出することができる。
【００４３】
図５に示すルーチンでは、次に、車速ＳＰＤによる放射熱係数Ｋｓｐｄが算出される（ステップ１２０）。
車両が走行している場合は、酸素センサ１０は、走行風により冷却される。上記の放射熱係数Ｋｓｐｄは、走行風による冷却により酸素センサ１０から放射される熱量に関する係数であり、その値は車速ＳＰＤが早いほど大きくなる。ＥＣＵ２０は、車速ＳＰＤと放射熱係数Ｋｓｐｄとの関係を定めたマップを記憶している。本ステップ１２０では、そのマップに従って放射熱係数Ｋｓｐｄが算出される。
【００４４】
放射熱係数Ｋｓｐｄが算出されると、次に、以下に示す演算式に従って、酸素センサ１０からの放射熱量Ｔｒが算出される（ステップ１２２）。
Ｔｒ＝Ｋｓｐｄ・（Ｔｅｘ−Ｔａ） ・・・（２）
酸素センサ１０からの放射熱量Ｔｒは、車速ＳＰＤの他、素子温推定値Ｔｅｘと吸気温Ｔａとの差に大きく影響を受ける。上記（２）式によれば、それら２つの因子を考慮することにより、酸素センサ１０からの放射熱量Ｔｒを精度良く算出することができる。
【００４５】
以上説明した一連の処理により、今回の処理サイクルに伴って酸素センサ１０に供給される供給熱量Ｔｓと、酸素センサ１０から放射される放射熱量Ｔｒを算出することができる。ＥＣＵ２０は、それらの熱量Ｔｓ、Ｔｒと、旧素子温推定値ＴｅｘＯとを次式に代入することにより、今回の処理サイクル時における素子温推定値Ｔｅｘを算出する（ステップ１２４）。
Ｔｅｘ＝ＴｅｘＯ＋（Ｔｓ−Ｔｒ） ・・・（３）
【００４６】
以下、再び図４に示すフローチャートについて説明する。
上記ステップ１００において素子温度推定値Ｔｅｘが算出されると、図４に示すルーチンでは、次に、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが算出される（ステップ１３０）。
素子インピーダンス現実値Ｒｓｒは、酸素センサ１０に供給される電力に関連する値に基づいて算出される。具体的には、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒを算出する場合、ＥＣＵ２０は、先ず酸素センサ１０に対して所定の電圧Ｖを印加する。ＥＣＵ２０は、その際にセンサ素子１２を流通する電流Ｉを検出し、それらの印加電圧Ｖおよび流通電流Ｉに基づいて、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ＝Ｖ／Ｉを算出する。
【００４７】
図４に示すルーチンでは、次に、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが、断線判定値Ｒ１（例えば１５ｋΩ）より小さいか否かが判別される（ステップ１３２）。
その結果、Ｒｓｒ＜Ｒ１が成立しないと判別された場合、つまり、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが断線判定値Ｒ１以上であると判別された場合は、素子温推定値Ｔｅｘが活性判定温度Ｔ１（例えば３５０℃）より高いか否かが判別される（ステップ１３４）。
【００４８】
素子温推定値Ｔｅｘが活性判定温度Ｔ１より高くないと判別された場合は、酸素センサ１０が未だ活性化されていないために素子インピーダンスＲｓが断線判定値Ｒ１を超えている可能性があると判断できる。この場合、酸素センサ１０の状態判定が保留され、以後、速やかに今回の処理サイクルが終了される。
【００４９】
一方、上記ステップ１３４において、素子温推定値Ｔｅｘが活性判定温度Ｔ１より高いと判別された場合は、酸素センサ１０が、活性化されているにも関わらず不当に大きな素子インピーダンスＲｓを示していると判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、センサ素子１２の断線を判断して今回の処理サイクルを終了させる（ステップ１３６）。
【００５０】
上記ステップ１３２において、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが断線判定値Ｒ１より小さいと判別された場合は、次に、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒがショート判定値Ｒ２より大きいか否かが判別される（ステップ１３８）。
その結果、Ｒｓｒ＞Ｒ２が成立しないと判別された場合、つまり、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒがショート判定値Ｒ１以下であると判別された場合は、素子温推定値Ｔｅｘが常用上限温度Ｔ２（例えば９００℃）より低いか否かが判別される（ステップ１４０）。
【００５１】
素子温推定値Ｔｅｘが常用上限温度Ｔ２より低くないと判別された場合は、酸素センサ１０が常用温度を超えて高温となっているために素子インピーダンスＲｓがショート判定値Ｒ２以下に低下している可能性があると判断できる。この場合、酸素センサ１０の状態判定が保留され、以後、後述するステップ１４４以降の処理が実行される。
【００５２】
一方、上記ステップ１４０において、素子温推定値Ｔｅｘが常用上限温度Ｔ２より低いと判別された場合は、酸素センサ１０の素子インピーダンスＲｓが、不当に小さな値を示していると判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、センサ素子１２のショートを判定して今回の処理サイクルを終了させる（ステップ１４２）。
【００５３】
上記ステップ１３８においてＲｓｒ＞Ｒ２が成立すると判別された場合、および上記ステップ１４０においてＴｅｘ＜Ｔ２が成立すると判別された場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０が活性状態にあると判断する。そして、この場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の出力に基づいて、公知の空燃比フィードバック制御を実行する（ステップ１４４）。
【００５４】
更に、この場合、以後ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の劣化を検出するための劣化検出処理（図６を参照して後述）、および、酸素センサ１０の中間ショートを検出するためのショート検出処理（図７を参照して後述）を実行して、今回の処理サイクルを終了させる（ステップ１４６）。
【００５５】
図６は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１４６において実行する劣化検出処理のフローチャートを示す。
図６に示すルーチンでは、先ず、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒに基づいて、素子温理論値Ｔｉが算出される。（ステップ１５０）。
既述したように、酸素センサ１０の素子温と素子インピーダンスＲｓとの間には、図２に示すような関係（温度特性）が成立している。ＥＣＵ２０は、その関係に対応するマップを記憶しており、本ステップ１５０では、そのマップに則って、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒに対応する素子温理論値Ｔｉが算出される。
【００５６】
次に、素子温推定値Ｔｅｘと素子温理論値Ｔｉとの差│Ｔｅｘ−Ｔｉ│が、乖離判定値Ｔ３（例えば１００℃）より大きいか否かが判別される（ステップ１５２）。
素子温推定値Ｔｅｘは、酸素センサ１０の温度に影響を与える値を基礎として算出された素子温である。一方、素子温理論値Ｔｉは、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒに対応する値として算出された素子温、つまり、酸素センサ１０に対する電力関連値を基礎として算出された素子温である。これらは、酸素センサ１０が正規の温度特性を示す場合には一致すべき物理量である。従って、両者の差│Ｔｅｘ−Ｔｉ│が小さい場合は、酸素センサ１０が正規の温度特性を示していると判断することができ、一方、その差│Ｔｅｘ−Ｔｉ│が大きい場合は、酸素センサ１０が正規の温度特性を示していないと判断することができる。
尚、本ステップ１５２の処理は、実質的には、素子温度推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが、上記図３に示す領域▲６▼または▲７▼に属しているか否かを判断するのと同様である。
【００５７】
図６に示すルーチンでは、上記ステップ１５２において、│Ｔｅｘ−Ｔｉ│＞Ｔ３が成立しないと判別された場合は、酸素センサ１０が正常であると判断され、以後、速やかに図６に示すルーチンが終了される。一方、│Ｔｅｘ−Ｔｉ│＞Ｔ３が成立すると判別された場合は、酸素センサ１０に劣化が生じていると判断される（ステップ１５４）。
【００５８】
上記ステップ１５２の条件は、センサ素子１２に劣化が生じている場合の他、センサ素子１２は正常であるがヒータ１４に異常が生じている場合にも成立する。つまり、本実施形態において、素子温推定値Ｔｅｘの算出過程では、供給熱量Ｔｓ（厳密には素子温収束値Ｔｇａ）がヒータ１４の通電・非通電状態に応じて区別されている（上記ステップ１１４参照）。従って、ヒータ１４が正常に機能しない環境下では、ヒータ１４が通電されているものとして素子温収束値Ｔｇａが算出されると、素子温推定値Ｔｅｘに大きな誤差が重畳し、その結果、上記ステップ１５２の条件が成立することがある。そこで、ＥＣＵ２０は、上記ステップ１５２の判断により酸素センサ１０の劣化が認められた場合、以後、その劣化がセンサ素子１２の劣化であるのか、或いはヒータ１４の劣化であるのかを特定するための処理を実行する。
【００５９】
具体的には、ＥＣＵ２０は、上記ステップ１５４の処理に次いで、先ず、ヒータ１４が非通電状態であるか否かを判別する（ステップ１５６）
その結果、ヒータ１４が非通電状態であると判別された場合は、素子温推定値Ｔｅｘと素子温理論値Ｔｉの乖離原因がヒータ１４の劣化ではないと判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の劣化内容をセンサ素子１２の異常と特定して（ステップ１５８）、今回の処理サイクルを終了させる。
【００６０】
一方、上記ステップ１５６において、ヒータ１４が非通電中でないと判別された場合は、ヒータ１４が強制的に非通電状態とされる（ステップ１６０）。
ヒータ１４を強制的に非通電状態とすると、ヒータ１４の劣化を、素子温推定値Ｔｅｘと素子温理論値Ｔｉの乖離原因から外すことができる。ＥＣＵ２０は、上記ステップ１６０の後、再び素子温度推定値Ｔｅｘおよび素子温度理論値Ｔｉを算出し、新たに算出されたＴｅｘとＴｉの差│Ｔｅｘ−Ｔｉ│が乖離判定値Ｔ３より大きいか否かを判断する（ステップ１６２）。
【００６１】
上記ステップ１６２の処理により、再び│Ｔｅｘ−Ｔｉ│＞Ｔ３が成立すると判別された場合は、ＴｅｘとＴｉとが乖離している原因はヒータ１４の異常ではないと判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の劣化内容をセンサ素子１２の異常と特定すべく上記ステップ１５８の処理を実行して今回の処理サイクルを終了させる。
【００６２】
これに対して、上記ステップ１６２の処理により、│Ｔｅｘ−Ｔｉ│＞Ｔ３が成立しないと判別された場合は、ヒータ１４が強制的に非通電状態とされた結果、素子温推定値Ｔｅｘと素子温理論値Ｔｉとの関係が正規の関係に復帰したと判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の劣化内容をヒータ１４の異常と特定して（ステップ１６４）、今回の処理サイクルを終了させる。
【００６３】
図７は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１４６において実行する中間ショート検出処理のフローチャートを示す。
図７に示すルーチンでは、先ず、素子温推定値Ｔｅｘおよび素子インピーダンス現実値Ｒｓｒの初期値が記憶される（ステップ１７０）。
本ステップ１７０では、具体的には、本ルーチンが初めて実行された時点（Ａ点）での素子温推定値Ｔｅｘおよび素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが、それぞれＡ点素子温推定値ＴｅｘＡおよびＡ点素子インピーダンス現実値ＲｓｒＡとして記憶される。
【００６４】
次に、現在の素子温推定値ＴｅｘがＢ点素子温推定値ＴｅｘＢとして記憶される（ステップ１７２）。
【００６５】
次いで、Ａ点素子温推定値ＴｅｘＡとＢ点素子温推定値ＴｅｘＢとの差ＴｅｘＡ−ＴｅｘＢが、所定の判定温度Ｔ４（例えば１００℃）より大きいか否かが判別される。つまり、Ａ点素子温推定値ＴｅｘＡが検出された後今回の処理サイクル時までに、素子温推定値Ｔｅｘに判定温度Ｔ４を超える変化が生じたか否かが判別される（ステップ１７４）。
【００６６】
上記ステップ１７４の処理は、ＴｅｘＡ−ＴｅｘＢ＞Ｔ４が成立すると判別されるまで繰り返し実行される。そして、その条件の成立が認められると、次に、現時点における素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが、Ｂ点素子インピーダンス現実値ＲｓｒＢとして記憶される（ステップ１７６）。
【００６７】
図７に示すルーチンでは、次に、上記ステップ１７０で記憶されたＡ点素子インピーダンス現実値ＲｓｒＡと、上記ステップ１７６で記憶されたＢ点素子インピーダンス現実値ＲｓｒＢとの差が、中間ショート判定値Ｒ４より小さいか否かが判別される（ステップ１７８）。
【００６８】
酸素センサ１０の素子温と素子インピーダンスＲｓとの間には、正規の温度特性に対応する相関が認められるはずである。従って、酸素センサ１０が正常であれば、素子温推定値Ｔｅｘに判定温度Ｔ４を超える変化が生じた場合、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒにも、その判定温度Ｔ４に対応する変化が生じているはずである。
【００６９】
上記ステップ１７８において用いられる中間ショート判定値Ｒ４は、判定温度Ｔ４に対応する変化量に比して十分に小さな所定の値、具体的には、酸素センサ１０にＴ４／２（５０℃）の素子温変化が生じた場合に素子インピーダンスＲｓに表れるべき変化量に設定されている。従って、ＲｓｒＡ−ＲｓｒＢ＜Ｒ４が成立すると判別された場合は、明らかに素子インピーダンス現実値Ｒｓｒに生じている変化量が、素子温推定値Ｔｅｘに発生した変化量に対して過小であると判断できる。
【００７０】
図７に示すルーチンでは、上記ステップ１７８において、ＲｓｒＡ−ＲｓｒＢ＜Ｒ４が成立すると判別された場合は、酸素センサ１０に中間ショートが生じていると判断される（ステップ１８０）。一方、ＲｓｒＡ−ＲｓｒＢ＜Ｒ４が成立しないと判別された場合は、中間ショートは生じていないと判断され、正常判定がなされた後、今回の処理サイクルが終了される（ステップ１８２）。
【００７１】
以上説明した通り、図４乃至図７に示すルーチンによれば、酸素センサ１０の断線、ショート、劣化、および中間ショートを正確に判断することができる。このように、本実施形態の装置によれば、酸素センサ１０に供給される電力に関連する値から求めた素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ（または素子温理論値Ｔｉ）と、酸素センサ１０の温度に影響を与える値に基づいて算出される素子温推定値Ｔｅｘとに基づいて、素子インピーダンスＲｓの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサ１０の異常判定を行うことができる。
【００７２】
ところで、上述した実施の形態１においては、断線・ショートの判定および中間ショートの判定（図４および図７参照）を、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子温推定値Ｔｅｘとの比較に基づいて実行し、劣化判定を、素子温理論値Ｔｉと素子温推定値Ｔｅｘとの比較に基づいて実行している。しかしながら、それらの判定の組み合わせはこれに限定されるものではない。
【００７３】
すなわち、本実施形態においては、酸素センサ１０も素子インピーダンスＲｓが温度特性を示すことが前提である。このため、電力に関連する値から素子インピーダンスＲｓ（上記の素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ）が算出できる以上、その電力関連値から素子温（上記の素子温理論値）を算出することが可能である。また、温度に影響する値から素子温（上記の素子温推定値Ｔｅｘ）が算出できる以上、その温度影響値を基礎として素子インピーダンス（以下、「素子インピーダンス推定値」と称す）を算出することが可能である。
【００７４】
酸素センサ１０に断線、ショート、劣化、或いは中間ショートが生じているか否かを判断するうえでは、電力関連値から算出される素子インピーダンスＲｓまたは素子温と、温度影響値から算出される素子インピーダンスＲｓまたは素子温との間に正規の相関が成立しているか否かが判断できればよい。従って、それらの判定は、以下に示す４つの組み合わせの何れかに基づいて実行すればよい。
▲１▼素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子温推定値Ｔｅｘとの組み合わせ。
▲２▼素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子インピーダンス推定値との組み合わせ。
▲３▼素子温理論値Ｔｉと素子インピーダンス推定値との組み合わせ。
▲４▼素子温理論値Ｔｉと素子温推定値Ｔｅｘとの組み合わせ。
【００７５】
尚、上述した実施の形態１において、前記第１の発明における「第１判断値取得手段」は、ＥＣＵ２０が上記ステップ１３０の処理を実行することにより、また、「第２判断値取得手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１００の処理を実行することによりそれぞれ実現されている。また、それらの「第１判断値取得手段」および「第２判断値取得手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１７０〜１７６の処理を実行することによっても実現されている。更に、前記第１の発明における「異常判定手段」は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１３２〜１４２の処理、或いは上記ステップ１７８〜１８２の処理を実行することにより実現されている。
【００７６】
また、上述した実施の形態１において、前記第３の発明における「第１判断値取得手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１５０の処理を実行することにより、「第２判断値取得手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１００の処理を実行することにより、「異常判定手段」は、上記ステップ１５２〜１６４の処理を実行することにより、それぞれ実現されている。
【００７７】
また、上述した実施の形態１において、前記第７の発明における「ヒータ通電状態検知手段」は、図１に示すヒータ制御部２２により実現されており、前記「センサ素子異常特定手段」は、ＥＣＵ２０が上記ステップ１５８の処理を実行することにより実現されている。
【００７８】
また、上述した実施の形態１において、前記第８の発明における「通電停止手段」は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１６０の処理を実行することにより実現されている。
【００７９】
また、上述した実施の形態１において、前記第９の発明における「ヒータ異常判定手段」は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１６４の処理を実行することにより実現されている。
【００８０】
また、上述した実施の形態１において、前記第１０の発明における「第１変化量検出手段」は、ＥＣＵ２０が上記ステップ１７０および１７２の処理を実行することにより、前記「第２変化量検出手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１７４および１７６の処理を実行することにより、それぞれ実現されている。
【００８１】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、酸素センサに供給される電力に関連する値から算出される素子インピーダンス現実値と、酸素センサの温度に影響を与える事項から算出される素子温推定値とが、適正な関係を満たしているか否かに基づいて、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【００８２】
第２の発明によれば、酸素センサに供給される電力に関連する値から算出される素子インピーダンス現実値と、酸素センサの温度に影響を与える事項から算出される素子インピーダンス推定値とが、適正な関係を満たしているか否かに基づいて、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【００８３】
第３の発明によれば、酸素センサに供給される電力に関連する値から算出される素子温度理論値と、酸素センサの温度に影響を与える事項から算出される素子インピーダンス推定値とが、適正な関係を満たしているか否かに基づいて、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【００８４】
第４の発明によれば、酸素センサに供給される電力に関連する値から算出される素子温度理論値と、酸素センサの温度に影響を与える事項から算出される素子温度推定値とが、適正な関係を満たしているか否かに基づいて、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【００８５】
第５の発明によれば、素子インピーダンス現実値と素子温推定値との関係が適正な温度特性に則っているかに基づいて、或いは、素子温理論値と素子インピーダンス推定値との関係が適正な温度特性に則っているかに基づいて、酸素センサの異常を精度良く判定することができる。
【００８６】
第６の発明によれば、素子インピーダンス現実値と素子インピーダンス推定値とが実質的に一致しているか、或いは、素子温理論値と素子温推定値とが実質的に一致しているかに基づいて、酸素センサの異常を精度良く判定することができる。
【００８７】
第７の発明によれば、ヒータが通電されていない状況下で酸素センサの異常が判定された場合にその異常をセンサ素子の異常と特定することができる。
【００８８】
第８の発明によれば、ヒータが通電されている状況下で酸素センサの異常が判定された場合に、ヒータの通電を停止することにより、ヒータの状態を異常原因から除外することができる。
【００８９】
第９の発明によれば、ヒータの状態が異常原因から除外されることにより酸素センサの異常判定が覆った場合に、ヒータに異常が生じていることを判定することができる。
【００９０】
第１０の発明によれば、互いに正規の相関を伴って変化すべき第１判断値と第２判断値との間に、その正規の相関が認められない場合に、酸素センサの異常を判定することができる。このような判断手法によれば、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するためのブロック図である。
【図２】酸素センサの素子インピーダンスと素子温度との関係を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１の装置が素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの関係に基づいて、酸素センサの状態を如何に判断するかを説明するための図である
【図４】本発明の実施の形態１の装置が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１の装置が酸素センサの素子温を推定するために実行するルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１の装置が酸素センサの劣化を検出するために実行するルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１の装置が酸素センサの中間ショートを判定するために実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 酸素センサ
１２ センサ素子
１４ ヒータ
２０ ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
２２ ヒータ制御部
２４ 素子インピーダンス検出部
２６ フューエルカット検出部
２８ 素子温推定部
３０ 以上判定部
Ｒｓ 素子インピーダンス
Ｒｓｒ 素子インピーダンス現実値
Ｔｅｘ 素子温推定値
Ｔｉ 素子温理論値
Ｔｇａ 素子温収束値
Ｔｓ 供給熱量
Ｔｒ 放射熱量
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサの劣化検出装置に係り、特に、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化を検出するうえで好適な劣化検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２０００−１９３６３５号公報に開示されるように、酸素センサの素子インピーダンスに基づいて、その酸素センサの異常を検出する装置が知られている。上記従来の装置において、酸素センサは、内燃機関の排気通路に配置される。このセンサは、センサ素子を加熱するためのヒータを有しており、通常の使用環境下では、排気ガスによる加熱と、ヒータによる加熱により７００℃程度の温度に制御される。
【０００３】
また、上記従来のシステムにおいて、センサ素子の素子インピーダンスは温度特性を有している。このため、センサ素子が適正に加熱されている場合と、その加熱が適正に行われていない場合とでは、素子インピーダンスが異なった値となる。上記従来の装置は、この特性を利用して、通常の使用環境下で素子インピーダンスが正常な値を示すか否かに基づいて、センサの断線や、ヒータの劣化或いは断線などを検出する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１９３６３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の装置は、内燃機関が始動された後、所定期間が経過した時点で、酸素センサが活性化されたものと判断する。そして、その状態では、酸素センサが７００℃程度に加熱されているとの前提の下に、素子インピーダンスに基づく異常判定が行われる。
【０００６】
しかしながら、システムが正常であっても、現実には、内燃機関が始動されてから所定期間が経過した後に、酸素センサの温度が７００℃付近から外れた温度となることがある。この場合、素子インピーダンスは、センサ素子の温度特性のため、センサ素子が７００℃付近にある場合に生ずるべき値から、大きく外れた値となる。そして、上記従来の装置によれば、このような場合に、酸素センサの異常が誤判定されてしまうことがある。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、酸素センサの異常を常に精度良く検出することのできる劣化検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子インピーダンス現実値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から当該酸素センサの素子温推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子インピーダンス現実値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子インピーダンス推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子温理論値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子インピーダンス推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子温理論値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子温推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第１または第３の発明において、前記異常判定手段は、前記第１判断値と前記第２判断値との関係が、酸素センサの素子インピーダンスが示す正規の温度特性に則っていない場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第２または第４の発明において、前記異常判定手段は、前記第１判断値と前記第２判断値とが、所定の判定値を超えて乖離している場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする。
【００１４】
また、第７の発明は、第５または第６の発明において、
前記酸素センサは、前記温度特性を示すセンサ素子と、当該センサ素子を加熱するためのヒータとを備え、
酸素センサの温度に影響を与える前記事項は、少なくとも前記ヒータの作動状態に関する事項を含み、
前記異常判定手段は、前記ヒータの通電状態を検知するヒータ通電状態検知手段と、前記ヒータが通電されていない状況下で前記酸素センサの異常が判定された場合にその異常を前記センサ素子の異常と特定するセンサ素子異常特定手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、第８の発明は、第７の発明において、前記異常判定手段は、前記ヒータが通電されている状況下で前記酸素センサの異常が判定された場合に、その通電を停止する通電停止手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、第９の発明は、第８の発明において、前記異常判定手段は、前記通電停止手段により前記ヒータへの通電が停止された後に、前記酸素センサの異常判定が覆った場合に、前記ヒータの異常を判定するヒータ異常判定手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、第１０の発明は、第１乃至第９の発明において、
前記異常判定手段は、
前記第１判断値の変化量を検出する第１変化量検出手段と、
前記第２判断値の変化量を検出する第２変化量検出手段とを備え、
前記第１判断値の変化量と前記第２判断値の変化量とが正規の相関を示さない場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１９】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するためのブロック図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは酸素センサ１０を備えている。酸素センサ１０は、本実施形態において、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサとして用いられる。
【００２０】
酸素センサ１０は、センサ素子１２、およびセンサ素子１２を加熱するためのヒータ１４を備えている。センサ素子１２は、被検出ガス中の酸素濃度に応じた起電力を発生すると共に、温度に応じて素子インピーダンスＲｓを変化させる特性を有している。図１に示すように、センサ素子１２は、起電力成分１６とインピーダンス成分１８とで等価的に表すことができる。
【００２１】
酸素センサ１０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０に接続されている。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および電子回路などで構成された車載用コンピュータである。本実施形態において、ＥＣＵ２０の内部では、ハードウェアおよびソフトウェアにより、ヒータ制御部２２、素子インピーダンス検出部２４、フューエルカット検出部２６、素子温推定部２８、および異常判定部３０が実現されている。
【００２２】
ヒータ制御部２２は、酸素センサ１０のヒータ１４を制御する機能を実現する。酸素センサ１０のセンサ素子１２は、所定の活性温度に加熱されている場合に、被検出ガス中の酸素濃度に応じた起電力を発生する。このため、ヒータ制御部２２は、酸素センサ１０の作動中、センサ素子１２の温度が上記活性温度に維持されるように、ヒータ１４の通電・非通電状態を制御する。
【００２３】
素子インピーダンス検出部２４は、センサ素子１２の素子インピーダンスＲｓを検出する機能を実現する。より具体的には、素子インピーダンス検出部２４は、センサ素子１２に対して適当な電力を供給し、その電力に関連する値から素子インピーダンスＲｓを検出する部分である。センサ素子１２は、起電力式のセンサであるため、センサ素子１２に対して電力が供給されている間は（電圧が印加されている間は）、センサ素子１２からセンサ出力を取り出すことはできない。このため、素子インピーダンス検出部２４は、素子インピーダンスＲｓを検出すべき所定のタイミングに限ってセンサ素子１２に対して電力を供給する。そして、その際にセンサ素子１２の両端に作用する印加電圧Ｖと、センサ素子１２を流れる流通電流Ｉとの間に成立する関係（Ｖ＝Ｒｓ・Ｉ）に従って、素子インピーダンスＲｓを検出する。以下、素子インピーダンス検出部２４により検出される素子インピーダンスＲｓを、つまり、センサ素子１２に供給される電力関連値に基づいて算出される素子インピーダンスＲｓを「素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ」と称す。
【００２４】
内燃機関においては、機関回転数が高く、かつ、アクセルペダルが開放されているような場合に、燃料の噴射を停止するためフューエルカットが実行される。フューエルカット検出部２６は、内燃機関において上記のフューエルカットが実行された場合に、その実行を検出する機能を実現する。フューエルカット検出部２６の検出結果は、素子温推定部２８に供給される。
【００２５】
素子温推定部２８には、既述した通り、フューエルカット検出部２６から、フューエルカットの実行に関する情報が提供されると共に、ヒータ制御部２２からは、ヒータ１４の通電・非通電に関する情報が提供される。また、素子温推定部２８には、エアフロメータ３２、車速センサ３４、吸気温センサ３６、および大気圧センサ３８が接続されている。素子温推定部２８には、それらのセンサから、吸入空気量Ｇａ、車速ＳＰＤ、吸気温Ｔａ、および大気圧Ｐａに関する情報が提供されている。素子温推定部２８に提供される上記の情報は、何れも酸素センサ１０（センサ素子１２）の温度に影響を与える情報である。より具体的には、酸素センサ１０（センサ素子１２）に対する供給熱量Ｔｓ、或いは酸素センサ１０（センサ素子１２）からの放射熱量Ｔｒに影響を与える主要事項の情報である。素子温推定部２８は、それらの情報に基づいて、センサ素子１２の温度を推定する機能を実現する。以下、素子温推定部２８により推定されるセンサ素子１２の温度、つまり、センサ素子１２の温度に影響を与える主要事項の情報に基づいて算出される素子温を「素子温推定値Ｔｅｘ」と称す。
【００２６】
異常判定部３０は、素子インピーダンス検出部２４によって検出された素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと、素子温推定部２８によって推定された素子温推定値Ｔｅｘとに基づいて、酸素センサ１０の異常判定を行うためのブロックである。
【００２７】
図２は、センサ素子１２の素子温度と素子インピーダンスＲｓとの関係、つまり、センサ素子１２の素子インピーダンスＲｓが示す温度特性を示す。図２に示すように、センサ素子１２は、素子温度の上昇に対して、素子インピーダンスＲｓを指数関数的に低下させる特性を有している。
【００２８】
酸素センサ１０が正常であれば、電力関連値に基づいて算出される素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと、温度に影響を与える事項に基づいて推定された素子温推定値Ｔｅｘとの間にも、図２に示すような相関が認められるはずである。このため、異常判定部３０は、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子温推定値Ｔｅｘとの間に、図２に示すような正規の相関が認められるか否かに基づいて、酸素センサ１０に異常が生じているか否かを判断する。
【００２９】
［異常判断の具体的基準の説明］
図３は、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの関係に対して、本実施形態の装置が如何なる判断を下すかを説明するための図である。
図３において、横軸中に示すＴ１およびＴ２は、それぞれ酸素センサ１０の常用温度領域の下限値および上限値である。より具体的には、温度Ｔ１は、酸素センサ１０が活性状態であるか否かを判定するための下限温度（例えば３５０℃）である。また、温度Ｔ２は、通常の使用環境下で酸素センサ１０が到達することのある上限の温度（例えば９００℃）である。
【００３０】
また、図３において、縦軸に示すＲ１は、酸素センサ１０が活性状態である場合には（温度Ｔ１以上である場合には）、センサ素子１２に断線が生じていない限り生ずることのない抵抗値の下限、つまり、センサ素子１２が温度Ｔ１で示すべき素子インピーダンスＲｓに対して十分に大きな値（例えば１５ｋΩ）である。また、縦軸に示すＲ２は、酸素センサ１０が通常の使用環境下で用いられているとすれば（温度Ｔ２以下であるとすれば）、センサ素子１２にショートが生じない限り生ずることのない抵抗値の上限、つまり、センサ素子１２が温度Ｔ２で示すべき素子インピーダンスＲｓに対して十分に小さな値（例えば５Ω）である。
【００３１】
上述した設定の下では、素子温度推定値ＴｅｘがＴ１より高いにも関わらず素子インピーダンス現実値ＲｓｒがＲ１より大きい場合には（領域▲１▼）、センサ素子１２に断線が生じていると判断することができる。また、素子温度推定値ＴｅｘがＴ２より低いにも関わらず素子インピーダンス現実値ＲｓｒがＲ２より小さい場合には（領域▲２▼）、センサ素子１２にショートが生じていると判断することができる。このため、本実施形態において、ＥＣＵ２０は、素子温度推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが領域▲１▼に属する場合には、センサ素子１２に断線が生じていると判断し、また、その組み合わせが領域▲２▼に属する場合には、センサ素子１２にショートが生じていると判断する。
【００３２】
図３中に符号▲１▼を付して示す直線は、素子温と素子インピーダンスＲｓとが本来示すべき温度特性を示している。酸素センサ１０が正常である場合、素子温推定値Ｔｅｘが常用域に属している限り（Ｔ１＜Ｔｅｘ＜Ｔ２が成立する限り）、その推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせは、直線▲１▼の付近に位置するはずである。換言すると、Ｔ１＜Ｔｅｘ＜Ｔ２が成立する状況下で、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが、直線▲１▼から大きく乖離した位置に存在する場合は、酸素センサ１０が正常でないと判断することができる。
【００３３】
図３中に符号▲４▼または▲５▼を付して示す直線は、それぞれ、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとが、直線▲１▼から大きく乖離していると判断すべき境界点の集合である。このため、本実施形態において、ＥＣＵ２０は、素子温度推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが、図３に示す領域▲６▼または▲７▼に属する場合には、センサ素子１２に劣化が生じていると判断する。
【００３４】
酸素センサ１０が正常である場合、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの間には、常に正規の温度特性に則った相関が認められるべきである。つまり、酸素センサ１０が正常である限り、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒの一方に変化が生じた場合、その変化に応じた適正な変化がそれらの他方に発生するべきである。このため、素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが如何なる領域に属しているかに関わりなく（直線▲４▼と▲５▼に挟まれた領域▲８▼に属する場合であっても）、素子温推定値Ｔｅｘの変化ΔＴｅｘと、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒの変化ΔＲｓｒとの間に正規の相関が認められない場合は、酸素センサ１０に異常が生じていると判断することができる。そこで、本実施形態において、ＥＣＵ２０は、このような現象が検知された場合は、センサ素子１２に、中間インピーダンスでのショート（以下、「中間ショート」と称す）が生じたものと判断する。
【００３５】
［異常判断のために実行される具体的処理の説明］
以下、図４乃至図７を参照して、ＥＣＵ２０が、上述した具体的基準に従って酸素センサ１０の異常を判断すべく実行する具体的処理の内容について説明する。
図４は、ＥＣＵ２０が、センサ素子１２の断線およびショートを検出するために実行する制御ルーチンのフローチャートである。
図４に示すルーチンでは、先ず、酸素センサ１０の素子温推定値Ｔｅｘが算出される（ステップ１００）。
【００３６】
図５は、上記ステップ１００において実行される素子温推定処理の内容を説明するためのフローチャートである。ＥＣＵ２０は、上記ステップ１００が実行される毎に、図５に示すルーチンに沿って素子温推定値Ｔｅｘを算出する。
図５に示すルーチンでは、先ず、前回の処理サイクル時に算出された素子温推定値Ｔｅｘおよび供給熱量Ｔｓが、それぞれ旧素子温推定値ＴｅｘＯおよび旧供給熱量ＴｓＯに置き換えられる（ステップ１０８）。
尚、供給熱量Ｔｓとは、センサ素子１２に対して供給される熱量である。供給熱量Ｔｓの詳細、およびその算出方法については後に詳細に説明する。
【００３７】
図５に示すルーチンでは、次に、ＥＣＵ２０に接続されている各種センサより、吸入空気量Ｇａ、車速ＳＰＤ、吸気温Ｔａおよび大気圧Ｐａが検出される（ステップ１１０）。
【００３８】
次に、フューエルカット検出部２６、およびヒータ制御部２２から、フューエルカットの実行状態、およびヒータ１４の通電状態に関する情報が検出される（ステップ１１２）。
【００３９】
次いで、吸入空気量Ｇａ、フューエルカットの実行状態、およびヒータの通電・非通電状態に基づいて、現在の状況に対応する素子温収束値Ｔｇａが算出される（ステップ１１４）。
素子温収束値Ｔｇａは、排気ガスの温度および流量に大きな影響を受ける。また、その収束値Ｔｇａは、ヒータ１４による加熱が行われているか否かにも大きく影響される。排気ガスの流量は原則として吸入空気量Ｇａと等量である。また、排気ガスの温度は、フューエルカットが実行されているか否かに応じて大きく異なったものとなる。このため、本実施形態では、上記の如く吸入空気量Ｇａ、フューエルカットの実行状態、およびヒータの通電・非通電状態に基づいて素子温収束値Ｔｇａを算出することにしている。ＥＣＵ２０は、それら３つの要素との関係で、素子温収束値Ｔｇａを定めたマップを記憶している。本ステップ１１４では、具体的には、上記３つの要素を、そのマップに当てはめることにより素子温収束値Ｔｇａが算出される。
【００４０】
図５に示すルーチンでは、次に、大気圧Ｐａに基づいて、大気圧補正係数Ｋｐが算出される（ステップ１１６）。
センサ素子１２の温度は、現在の温度が素子温収束値Ｔｇａから乖離しているほど大きく変化する。つまり、センサ素子１２に供給される熱量Ｔｓは、現在の素子温と素子温収束値Ｔｇａとの差に対して相関を有している。そして、この相関関係は、空気密度などの影響により、大気圧Ｐａに応じて変化する。大気圧補正係数Ｋｐは、その変化に対応すべく、素子温収束値Ｔｇａに積算すべき値として算出される係数である。
【００４１】
大気圧補正係数Ｋｐが算出されると、次に、以下に示す演算式に従って、センサ素子１２に対する供給熱量Ｔｓが算出される（ステップ１１８）。
Ｔｓ＝ＴｓＯ＋［｛（Ｔｇａ・Ｋｐ−ＴｅｘＯ）／Ｋｂ｝−ＴｓＯ］／Ｋａ ・・・（１）
上記（１）式中、ＴｓＯおよびＴｅｘＯは、それぞれ前回の処理サイクル時に算出された供給熱量Ｔｓおよび素子温推定値Ｔｅｘである（上記ステップ１０８参照）。また、上記（１）式中、ＫｂおよびＫａは、何れもなまし定数である。上記（１）式の右辺中、（Ｔｇａ・Ｋｐ−ＴｅｘＯ）は、今回の処理サイクルにおいてセンサ素子１２に供給される熱量を意味している。そして、その値をＫｂで割った［｛（Ｔｇａ・Ｋｐ−ＴｅｘＯ）／Ｋｂ｝は、その熱量のなまし値である。更に、そのなまし値から旧供給熱量ＴｓＯを減じた値［｛（Ｔｇａ・Ｋｐ−ＴｅｘＯ）／Ｋｂ｝−ＴｓＯ］は、前回の処理サイクル時における供給熱量ＴｓＯと、今回の処理サイクル時に算出された供給熱量のなまし値との差を意味している。上記（１）式によれば、その供給熱量の差を更にＫａでなました値を、旧供給熱量ＴｓＯに反映させる（加える）ことにより、現サイクル時における供給熱量Ｔｓが算出される。
【００４２】
上述したステップ１１８の処理によれば、前回の処理サイクル時における供給熱量ＴｓＯをベースとして、今回の処理サイクル時に形成されている熱環境を適当にそのベースに反映させることにより、センサ素子１２に対する供給熱量Ｔｓを精度良く算出することができる。
【００４３】
図５に示すルーチンでは、次に、車速ＳＰＤによる放射熱係数Ｋｓｐｄが算出される（ステップ１２０）。
車両が走行している場合は、酸素センサ１０は、走行風により冷却される。上記の放射熱係数Ｋｓｐｄは、走行風による冷却により酸素センサ１０から放射される熱量に関する係数であり、その値は車速ＳＰＤが早いほど大きくなる。ＥＣＵ２０は、車速ＳＰＤと放射熱係数Ｋｓｐｄとの関係を定めたマップを記憶している。本ステップ１２０では、そのマップに従って放射熱係数Ｋｓｐｄが算出される。
【００４４】
放射熱係数Ｋｓｐｄが算出されると、次に、以下に示す演算式に従って、酸素センサ１０からの放射熱量Ｔｒが算出される（ステップ１２２）。
Ｔｒ＝Ｋｓｐｄ・（Ｔｅｘ−Ｔａ） ・・・（２）
酸素センサ１０からの放射熱量Ｔｒは、車速ＳＰＤの他、素子温推定値Ｔｅｘと吸気温Ｔａとの差に大きく影響を受ける。上記（２）式によれば、それら２つの因子を考慮することにより、酸素センサ１０からの放射熱量Ｔｒを精度良く算出することができる。
【００４５】
以上説明した一連の処理により、今回の処理サイクルに伴って酸素センサ１０に供給される供給熱量Ｔｓと、酸素センサ１０から放射される放射熱量Ｔｒを算出することができる。ＥＣＵ２０は、それらの熱量Ｔｓ、Ｔｒと、旧素子温推定値ＴｅｘＯとを次式に代入することにより、今回の処理サイクル時における素子温推定値Ｔｅｘを算出する（ステップ１２４）。
Ｔｅｘ＝ＴｅｘＯ＋（Ｔｓ−Ｔｒ） ・・・（３）
【００４６】
以下、再び図４に示すフローチャートについて説明する。
上記ステップ１００において素子温度推定値Ｔｅｘが算出されると、図４に示すルーチンでは、次に、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが算出される（ステップ１３０）。
素子インピーダンス現実値Ｒｓｒは、酸素センサ１０に供給される電力に関連する値に基づいて算出される。具体的には、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒを算出する場合、ＥＣＵ２０は、先ず酸素センサ１０に対して所定の電圧Ｖを印加する。ＥＣＵ２０は、その際にセンサ素子１２を流通する電流Ｉを検出し、それらの印加電圧Ｖおよび流通電流Ｉに基づいて、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ＝Ｖ／Ｉを算出する。
【００４７】
図４に示すルーチンでは、次に、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが、断線判定値Ｒ１（例えば１５ｋΩ）より小さいか否かが判別される（ステップ１３２）。
その結果、Ｒｓｒ＜Ｒ１が成立しないと判別された場合、つまり、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが断線判定値Ｒ１以上であると判別された場合は、素子温推定値Ｔｅｘが活性判定温度Ｔ１（例えば３５０℃）より高いか否かが判別される（ステップ１３４）。
【００４８】
素子温推定値Ｔｅｘが活性判定温度Ｔ１より高くないと判別された場合は、酸素センサ１０が未だ活性化されていないために素子インピーダンスＲｓが断線判定値Ｒ１を超えている可能性があると判断できる。この場合、酸素センサ１０の状態判定が保留され、以後、速やかに今回の処理サイクルが終了される。
【００４９】
一方、上記ステップ１３４において、素子温推定値Ｔｅｘが活性判定温度Ｔ１より高いと判別された場合は、酸素センサ１０が、活性化されているにも関わらず不当に大きな素子インピーダンスＲｓを示していると判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、センサ素子１２の断線を判断して今回の処理サイクルを終了させる（ステップ１３６）。
【００５０】
上記ステップ１３２において、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが断線判定値Ｒ１より小さいと判別された場合は、次に、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒがショート判定値Ｒ２より大きいか否かが判別される（ステップ１３８）。
その結果、Ｒｓｒ＞Ｒ２が成立しないと判別された場合、つまり、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒがショート判定値Ｒ１以下であると判別された場合は、素子温推定値Ｔｅｘが常用上限温度Ｔ２（例えば９００℃）より低いか否かが判別される（ステップ１４０）。
【００５１】
素子温推定値Ｔｅｘが常用上限温度Ｔ２より低くないと判別された場合は、酸素センサ１０が常用温度を超えて高温となっているために素子インピーダンスＲｓがショート判定値Ｒ２以下に低下している可能性があると判断できる。この場合、酸素センサ１０の状態判定が保留され、以後、後述するステップ１４４以降の処理が実行される。
【００５２】
一方、上記ステップ１４０において、素子温推定値Ｔｅｘが常用上限温度Ｔ２より低いと判別された場合は、酸素センサ１０の素子インピーダンスＲｓが、不当に小さな値を示していると判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、センサ素子１２のショートを判定して今回の処理サイクルを終了させる（ステップ１４２）。
【００５３】
上記ステップ１３８においてＲｓｒ＞Ｒ２が成立すると判別された場合、および上記ステップ１４０においてＴｅｘ＜Ｔ２が成立すると判別された場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０が活性状態にあると判断する。そして、この場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の出力に基づいて、公知の空燃比フィードバック制御を実行する（ステップ１４４）。
【００５４】
更に、この場合、以後ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の劣化を検出するための劣化検出処理（図６を参照して後述）、および、酸素センサ１０の中間ショートを検出するためのショート検出処理（図７を参照して後述）を実行して、今回の処理サイクルを終了させる（ステップ１４６）。
【００５５】
図６は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１４６において実行する劣化検出処理のフローチャートを示す。
図６に示すルーチンでは、先ず、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒに基づいて、素子温理論値Ｔｉが算出される。（ステップ１５０）。
既述したように、酸素センサ１０の素子温と素子インピーダンスＲｓとの間には、図２に示すような関係（温度特性）が成立している。ＥＣＵ２０は、その関係に対応するマップを記憶しており、本ステップ１５０では、そのマップに則って、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒに対応する素子温理論値Ｔｉが算出される。
【００５６】
次に、素子温推定値Ｔｅｘと素子温理論値Ｔｉとの差│Ｔｅｘ−Ｔｉ│が、乖離判定値Ｔ３（例えば１００℃）より大きいか否かが判別される（ステップ１５２）。
素子温推定値Ｔｅｘは、酸素センサ１０の温度に影響を与える値を基礎として算出された素子温である。一方、素子温理論値Ｔｉは、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒに対応する値として算出された素子温、つまり、酸素センサ１０に対する電力関連値を基礎として算出された素子温である。これらは、酸素センサ１０が正規の温度特性を示す場合には一致すべき物理量である。従って、両者の差│Ｔｅｘ−Ｔｉ│が小さい場合は、酸素センサ１０が正規の温度特性を示していると判断することができ、一方、その差│Ｔｅｘ−Ｔｉ│が大きい場合は、酸素センサ１０が正規の温度特性を示していないと判断することができる。
尚、本ステップ１５２の処理は、実質的には、素子温度推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの組み合わせが、上記図３に示す領域▲６▼または▲７▼に属しているか否かを判断するのと同様である。
【００５７】
図６に示すルーチンでは、上記ステップ１５２において、│Ｔｅｘ−Ｔｉ│＞Ｔ３が成立しないと判別された場合は、酸素センサ１０が正常であると判断され、以後、速やかに図６に示すルーチンが終了される。一方、│Ｔｅｘ−Ｔｉ│＞Ｔ３が成立すると判別された場合は、酸素センサ１０に劣化が生じていると判断される（ステップ１５４）。
【００５８】
上記ステップ１５２の条件は、センサ素子１２に劣化が生じている場合の他、センサ素子１２は正常であるがヒータ１４に異常が生じている場合にも成立する。つまり、本実施形態において、素子温推定値Ｔｅｘの算出過程では、供給熱量Ｔｓ（厳密には素子温収束値Ｔｇａ）がヒータ１４の通電・非通電状態に応じて区別されている（上記ステップ１１４参照）。従って、ヒータ１４が正常に機能しない環境下では、ヒータ１４が通電されているものとして素子温収束値Ｔｇａが算出されると、素子温推定値Ｔｅｘに大きな誤差が重畳し、その結果、上記ステップ１５２の条件が成立することがある。そこで、ＥＣＵ２０は、上記ステップ１５２の判断により酸素センサ１０の劣化が認められた場合、以後、その劣化がセンサ素子１２の劣化であるのか、或いはヒータ１４の劣化であるのかを特定するための処理を実行する。
【００５９】
具体的には、ＥＣＵ２０は、上記ステップ１５４の処理に次いで、先ず、ヒータ１４が非通電状態であるか否かを判別する（ステップ１５６）
その結果、ヒータ１４が非通電状態であると判別された場合は、素子温推定値Ｔｅｘと素子温理論値Ｔｉの乖離原因がヒータ１４の劣化ではないと判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の劣化内容をセンサ素子１２の異常と特定して（ステップ１５８）、今回の処理サイクルを終了させる。
【００６０】
一方、上記ステップ１５６において、ヒータ１４が非通電中でないと判別された場合は、ヒータ１４が強制的に非通電状態とされる（ステップ１６０）。
ヒータ１４を強制的に非通電状態とすると、ヒータ１４の劣化を、素子温推定値Ｔｅｘと素子温理論値Ｔｉの乖離原因から外すことができる。ＥＣＵ２０は、上記ステップ１６０の後、再び素子温度推定値Ｔｅｘおよび素子温度理論値Ｔｉを算出し、新たに算出されたＴｅｘとＴｉの差│Ｔｅｘ−Ｔｉ│が乖離判定値Ｔ３より大きいか否かを判断する（ステップ１６２）。
【００６１】
上記ステップ１６２の処理により、再び│Ｔｅｘ−Ｔｉ│＞Ｔ３が成立すると判別された場合は、ＴｅｘとＴｉとが乖離している原因はヒータ１４の異常ではないと判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の劣化内容をセンサ素子１２の異常と特定すべく上記ステップ１５８の処理を実行して今回の処理サイクルを終了させる。
【００６２】
これに対して、上記ステップ１６２の処理により、│Ｔｅｘ−Ｔｉ│＞Ｔ３が成立しないと判別された場合は、ヒータ１４が強制的に非通電状態とされた結果、素子温推定値Ｔｅｘと素子温理論値Ｔｉとの関係が正規の関係に復帰したと判断できる。この場合、ＥＣＵ２０は、酸素センサ１０の劣化内容をヒータ１４の異常と特定して（ステップ１６４）、今回の処理サイクルを終了させる。
【００６３】
図７は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１４６において実行する中間ショート検出処理のフローチャートを示す。
図７に示すルーチンでは、先ず、素子温推定値Ｔｅｘおよび素子インピーダンス現実値Ｒｓｒの初期値が記憶される（ステップ１７０）。
本ステップ１７０では、具体的には、本ルーチンが初めて実行された時点（Ａ点）での素子温推定値Ｔｅｘおよび素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが、それぞれＡ点素子温推定値ＴｅｘＡおよびＡ点素子インピーダンス現実値ＲｓｒＡとして記憶される。
【００６４】
次に、現在の素子温推定値ＴｅｘがＢ点素子温推定値ＴｅｘＢとして記憶される（ステップ１７２）。
【００６５】
次いで、Ａ点素子温推定値ＴｅｘＡとＢ点素子温推定値ＴｅｘＢとの差ＴｅｘＡ−ＴｅｘＢが、所定の判定温度Ｔ４（例えば１００℃）より大きいか否かが判別される。つまり、Ａ点素子温推定値ＴｅｘＡが検出された後今回の処理サイクル時までに、素子温推定値Ｔｅｘに判定温度Ｔ４を超える変化が生じたか否かが判別される（ステップ１７４）。
【００６６】
上記ステップ１７４の処理は、ＴｅｘＡ−ＴｅｘＢ＞Ｔ４が成立すると判別されるまで繰り返し実行される。そして、その条件の成立が認められると、次に、現時点における素子インピーダンス現実値Ｒｓｒが、Ｂ点素子インピーダンス現実値ＲｓｒＢとして記憶される（ステップ１７６）。
【００６７】
図７に示すルーチンでは、次に、上記ステップ１７０で記憶されたＡ点素子インピーダンス現実値ＲｓｒＡと、上記ステップ１７６で記憶されたＢ点素子インピーダンス現実値ＲｓｒＢとの差が、中間ショート判定値Ｒ４より小さいか否かが判別される（ステップ１７８）。
【００６８】
酸素センサ１０の素子温と素子インピーダンスＲｓとの間には、正規の温度特性に対応する相関が認められるはずである。従って、酸素センサ１０が正常であれば、素子温推定値Ｔｅｘに判定温度Ｔ４を超える変化が生じた場合、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒにも、その判定温度Ｔ４に対応する変化が生じているはずである。
【００６９】
上記ステップ１７８において用いられる中間ショート判定値Ｒ４は、判定温度Ｔ４に対応する変化量に比して十分に小さな所定の値、具体的には、酸素センサ１０にＴ４／２（５０℃）の素子温変化が生じた場合に素子インピーダンスＲｓに表れるべき変化量に設定されている。従って、ＲｓｒＡ−ＲｓｒＢ＜Ｒ４が成立すると判別された場合は、明らかに素子インピーダンス現実値Ｒｓｒに生じている変化量が、素子温推定値Ｔｅｘに発生した変化量に対して過小であると判断できる。
【００７０】
図７に示すルーチンでは、上記ステップ１７８において、ＲｓｒＡ−ＲｓｒＢ＜Ｒ４が成立すると判別された場合は、酸素センサ１０に中間ショートが生じていると判断される（ステップ１８０）。一方、ＲｓｒＡ−ＲｓｒＢ＜Ｒ４が成立しないと判別された場合は、中間ショートは生じていないと判断され、正常判定がなされた後、今回の処理サイクルが終了される（ステップ１８２）。
【００７１】
以上説明した通り、図４乃至図７に示すルーチンによれば、酸素センサ１０の断線、ショート、劣化、および中間ショートを正確に判断することができる。このように、本実施形態の装置によれば、酸素センサ１０に供給される電力に関連する値から求めた素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ（または素子温理論値Ｔｉ）と、酸素センサ１０の温度に影響を与える値に基づいて算出される素子温推定値Ｔｅｘとに基づいて、素子インピーダンスＲｓの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサ１０の異常判定を行うことができる。
【００７２】
ところで、上述した実施の形態１においては、断線・ショートの判定および中間ショートの判定（図４および図７参照）を、素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子温推定値Ｔｅｘとの比較に基づいて実行し、劣化判定を、素子温理論値Ｔｉと素子温推定値Ｔｅｘとの比較に基づいて実行している。しかしながら、それらの判定の組み合わせはこれに限定されるものではない。
【００７３】
すなわち、本実施形態においては、酸素センサ１０も素子インピーダンスＲｓが温度特性を示すことが前提である。このため、電力に関連する値から素子インピーダンスＲｓ（上記の素子インピーダンス現実値Ｒｓｒ）が算出できる以上、その電力関連値から素子温（上記の素子温理論値）を算出することが可能である。また、温度に影響する値から素子温（上記の素子温推定値Ｔｅｘ）が算出できる以上、その温度影響値を基礎として素子インピーダンス（以下、「素子インピーダンス推定値」と称す）を算出することが可能である。
【００７４】
酸素センサ１０に断線、ショート、劣化、或いは中間ショートが生じているか否かを判断するうえでは、電力関連値から算出される素子インピーダンスＲｓまたは素子温と、温度影響値から算出される素子インピーダンスＲｓまたは素子温との間に正規の相関が成立しているか否かが判断できればよい。従って、それらの判定は、以下に示す４つの組み合わせの何れかに基づいて実行すればよい。
▲１▼素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子温推定値Ｔｅｘとの組み合わせ。
▲２▼素子インピーダンス現実値Ｒｓｒと素子インピーダンス推定値との組み合わせ。
▲３▼素子温理論値Ｔｉと素子インピーダンス推定値との組み合わせ。
▲４▼素子温理論値Ｔｉと素子温推定値Ｔｅｘとの組み合わせ。
【００７５】
尚、上述した実施の形態１において、前記第１の発明における「第１判断値取得手段」は、ＥＣＵ２０が上記ステップ１３０の処理を実行することにより、また、「第２判断値取得手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１００の処理を実行することによりそれぞれ実現されている。また、それらの「第１判断値取得手段」および「第２判断値取得手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１７０〜１７６の処理を実行することによっても実現されている。更に、前記第１の発明における「異常判定手段」は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１３２〜１４２の処理、或いは上記ステップ１７８〜１８２の処理を実行することにより実現されている。
【００７６】
また、上述した実施の形態１において、前記第３の発明における「第１判断値取得手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１５０の処理を実行することにより、「第２判断値取得手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１００の処理を実行することにより、「異常判定手段」は、上記ステップ１５２〜１６４の処理を実行することにより、それぞれ実現されている。
【００７７】
また、上述した実施の形態１において、前記第７の発明における「ヒータ通電状態検知手段」は、図１に示すヒータ制御部２２により実現されており、前記「センサ素子異常特定手段」は、ＥＣＵ２０が上記ステップ１５８の処理を実行することにより実現されている。
【００７８】
また、上述した実施の形態１において、前記第８の発明における「通電停止手段」は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１６０の処理を実行することにより実現されている。
【００７９】
また、上述した実施の形態１において、前記第９の発明における「ヒータ異常判定手段」は、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１６４の処理を実行することにより実現されている。
【００８０】
また、上述した実施の形態１において、前記第１０の発明における「第１変化量検出手段」は、ＥＣＵ２０が上記ステップ１７０および１７２の処理を実行することにより、前記「第２変化量検出手段」はＥＣＵ２０が上記ステップ１７４および１７６の処理を実行することにより、それぞれ実現されている。
【００８１】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、酸素センサに供給される電力に関連する値から算出される素子インピーダンス現実値と、酸素センサの温度に影響を与える事項から算出される素子温推定値とが、適正な関係を満たしているか否かに基づいて、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【００８２】
第２の発明によれば、酸素センサに供給される電力に関連する値から算出される素子インピーダンス現実値と、酸素センサの温度に影響を与える事項から算出される素子インピーダンス推定値とが、適正な関係を満たしているか否かに基づいて、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【００８３】
第３の発明によれば、酸素センサに供給される電力に関連する値から算出される素子温度理論値と、酸素センサの温度に影響を与える事項から算出される素子インピーダンス推定値とが、適正な関係を満たしているか否かに基づいて、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【００８４】
第４の発明によれば、酸素センサに供給される電力に関連する値から算出される素子温度理論値と、酸素センサの温度に影響を与える事項から算出される素子温度推定値とが、適正な関係を満たしているか否かに基づいて、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【００８５】
第５の発明によれば、素子インピーダンス現実値と素子温推定値との関係が適正な温度特性に則っているかに基づいて、或いは、素子温理論値と素子インピーダンス推定値との関係が適正な温度特性に則っているかに基づいて、酸素センサの異常を精度良く判定することができる。
【００８６】
第６の発明によれば、素子インピーダンス現実値と素子インピーダンス推定値とが実質的に一致しているか、或いは、素子温理論値と素子温推定値とが実質的に一致しているかに基づいて、酸素センサの異常を精度良く判定することができる。
【００８７】
第７の発明によれば、ヒータが通電されていない状況下で酸素センサの異常が判定された場合にその異常をセンサ素子の異常と特定することができる。
【００８８】
第８の発明によれば、ヒータが通電されている状況下で酸素センサの異常が判定された場合に、ヒータの通電を停止することにより、ヒータの状態を異常原因から除外することができる。
【００８９】
第９の発明によれば、ヒータの状態が異常原因から除外されることにより酸素センサの異常判定が覆った場合に、ヒータに異常が生じていることを判定することができる。
【００９０】
第１０の発明によれば、互いに正規の相関を伴って変化すべき第１判断値と第２判断値との間に、その正規の相関が認められない場合に、酸素センサの異常を判定することができる。このような判断手法によれば、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、常に精度良く酸素センサの異常を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するためのブロック図である。
【図２】酸素センサの素子インピーダンスと素子温度との関係を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１の装置が素子温推定値Ｔｅｘと素子インピーダンス現実値Ｒｓｒとの関係に基づいて、酸素センサの状態を如何に判断するかを説明するための図である
【図４】本発明の実施の形態１の装置が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１の装置が酸素センサの素子温を推定するために実行するルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１の装置が酸素センサの劣化を検出するために実行するルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１の装置が酸素センサの中間ショートを判定するために実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 酸素センサ
１２ センサ素子
１４ ヒータ
２０ ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
２２ ヒータ制御部
２４ 素子インピーダンス検出部
２６ フューエルカット検出部
２８ 素子温推定部
３０ 以上判定部
Ｒｓ 素子インピーダンス
Ｒｓｒ 素子インピーダンス現実値
Ｔｅｘ 素子温推定値
Ｔｉ 素子温理論値
Ｔｇａ 素子温収束値
Ｔｓ 供給熱量
Ｔｒ 放射熱量
Claims (10)
- 素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子インピーダンス現実値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から当該酸素センサの素子温推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの劣化検出装置。 - 素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子インピーダンス現実値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子インピーダンス推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの劣化検出装置。 - 素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子温理論値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子インピーダンス推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの劣化検出装置。 - 素子インピーダンスが温度特性を示す酸素センサの劣化検出装置であって、
酸素センサに供給される電力に関連する値から素子温理論値を算出し、その算出値を第１判断値として取得する第１判断値取得手段と、
酸素センサの温度に影響を与える事項から素子温推定値を算出し、その算出値を第２判断値として取得する第２判断値取得手段と、
前記第１判断値と前記第２判断値とに基づいて酸素センサの異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの劣化検出装置。 - 前記異常判定手段は、前記第１判断値と前記第２判断値との関係が、酸素センサの素子インピーダンスが示す正規の温度特性に則っていない場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする請求項１または３記載の酸素センサの劣化検出装置。
- 前記異常判定手段は、前記第１判断値と前記第２判断値とが、所定の判定値を超えて乖離している場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする請求項２または４記載の酸素センサの劣化検出装置。
- 前記酸素センサは、前記温度特性を示すセンサ素子と、当該センサ素子を加熱するためのヒータとを備え、
酸素センサの温度に影響を与える前記事項は、少なくとも前記ヒータの作動状態に関する事項を含み、
前記異常判定手段は、前記ヒータの通電状態を検知するヒータ通電状態検知手段と、前記ヒータが通電されていない状況下で前記酸素センサの異常が判定された場合にその異常を前記センサ素子の異常と特定するセンサ素子異常特定手段とを備えることを特徴とする請求項５または６記載の酸素センサの劣化検出装置。 - 前記異常判定手段は、前記ヒータが通電されている状況下で前記酸素センサの異常が判定された場合に、その通電を停止する通電停止手段を備えることを特徴とする請求項７記載の酸素センサの劣化検出装置。
- 前記異常判定手段は、前記通電停止手段により前記ヒータへの通電が停止された後に、前記酸素センサの異常判定が覆った場合に、前記ヒータの異常を判定するヒータ異常判定手段を備えることを特徴とする請求項８記載の酸素センサの劣化検出装置。
- 前記異常判定手段は、
前記第１判断値の変化量を検出する第１変化量検出手段と、
前記第２判断値の変化量を検出する第２変化量検出手段とを備え、
前記第１判断値の変化量と前記第２判断値の変化量とが正規の相関を示さない場合に前記酸素センサの異常を判定することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載の酸素センサの劣化検出装置。
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