JP2007132717A

JP2007132717A - Exhaust gas sensor and its abnormality detector

Info

Publication number: JP2007132717A
Application number: JP2005323922A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Aoki; 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: JP4747791B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust gas sensor of high reliability of which the abnormality can be detected with high precision in a case that the abnormality is caused in the exhaust gas sensor by the abnormality detector of the exhaust gas sensor of the internal combustion engine of a vehicle, and the abnormality detector of the exhaust gas sensor. <P>SOLUTION: The exhaust gas sensor 10 has a sensor element 14 which forms an atmospheric chamber 26 having an atmospheric hole and demarcated from an exhaust passage. A first atmospheric side electrode 22 is installed on the side of the atmospheric chamber 26 of the sensor element 14 and a second atmospheric side electrode 24 is installed in the vicinity of the atmospheric hole of the atmospheric chamber 26. Further, an exhaust gas side electrode 20 is installed on the side of the exhaust passage so as to be opposed to the first atmospheric side electrode 22 and the second atmospheric side electrode 24. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、車両の内燃機関の排気ガスセンサ、およびその異常検出装置に係り、特に、排気ガスセンサのセンサ素子割れに関する異常の有無を判定するために好適な排気ガスセンサ、ならびに排気ガスセンサの異常検出装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas sensor for an internal combustion engine of a vehicle and an abnormality detection device therefor, and more particularly to an exhaust gas sensor suitable for determining the presence or absence of an abnormality related to sensor element cracking of the exhaust gas sensor, and an abnormality detection device for the exhaust gas sensor. .

従来、例えば特開２００４−１７０３０９号公報には、２つのセンサ素子を使用したセンサ異常検出装置が開示されている。この装置では、２つのセンサ素子が内燃機関の排気通路に配置されている。そして、いずれか一方のセンサ素子に異常が発生した場合には、そのセンサ素子の出力に異常が反映される。このため、検出された異常出力を、もう一方の正常なセンサ素子の正常出力と比較することにより、単独のセンサ出力では発見が困難なセンサ異常に関しても、的確に検出することができる。 Conventionally, for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-170309 discloses a sensor abnormality detection apparatus using two sensor elements. In this device, two sensor elements are arranged in the exhaust passage of the internal combustion engine. When an abnormality occurs in any one of the sensor elements, the abnormality is reflected in the output of the sensor element. For this reason, by comparing the detected abnormal output with the normal output of the other normal sensor element, it is possible to accurately detect a sensor abnormality that is difficult to find with a single sensor output.

特開２００４−１７０３０９号公報JP 2004-170309 A 特開平３−２６４８５８号公報JP-A-3-264858 特開平６−２６５５１７号公報JP-A-6-265517 特開平７−４３３３８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-43338 実開平５−５９３０３号公報Japanese Utility Model Publication No. 5-59303

ところで、上記従来の装置においては、設置された２つのセンサ素子のセンサ出力を比較することにより異常検出を行うため、両センサ素子は同環境に設置される必要がある。通常、排気ガスセンサは内燃機関の排気通路に設置される。このため、両センサ素子は、共に排気ガス内における厳しい環境に晒されることとなる。したがって、両センサ素子が同時に素子割れ異常を発生する場合も考えられ、このような場合は、精度よく異常検出することができない。 By the way, in the said conventional apparatus, since abnormality detection is performed by comparing the sensor output of two installed sensor elements, both sensor elements need to be installed in the same environment. Usually, the exhaust gas sensor is installed in the exhaust passage of the internal combustion engine. For this reason, both sensor elements are exposed to a severe environment in the exhaust gas. Accordingly, there may be a case where both sensor elements simultaneously generate an element crack abnormality. In such a case, the abnormality cannot be detected with high accuracy.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気ガスセンサに異常が発生した場合において、センサ異常検出を精度よく行うことのできる、信頼性の高い排気ガスセンサ、および排気ガスセンサの異常検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of accurately detecting a sensor abnormality when an abnormality occurs in the exhaust gas sensor, and a highly reliable exhaust gas sensor and exhaust gas sensor. An object of the present invention is to provide an abnormality detection apparatus.

第１の発明は、
内燃機関の排気通路に配置された状態で用いられる排気ガスセンサであって、
前記排気ガスセンサは、大気孔を有し、前記排気通路から隔成された大気室を形成するセンサ素子と、
前記センサ素子の前記大気室側に設置された第１の大気側電極と、
前記センサ素子の前記大気室側、かつ前記大気孔付近に設置された第２の大気側電極と、
前記センサ素子の前記排気通路側において、前記第１の大気側電極、および前記第２の大気側電極と、相対向するように設置された排気ガス側電極と、
を備えることを特徴とする。 The first invention is
An exhaust gas sensor used in a state of being disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine,
The exhaust gas sensor has an air hole, and forms a sensor element that forms an air chamber separated from the exhaust passage;
A first atmosphere-side electrode installed on the atmosphere chamber side of the sensor element;
A second atmosphere side electrode installed on the atmosphere chamber side of the sensor element and in the vicinity of the atmosphere hole;
On the exhaust passage side of the sensor element, the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode, an exhaust gas side electrode installed to face each other,
It is characterized by providing.

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気ガスセンサは、前記センサ素子を加熱するためのヒータを備え、
前記第２の大気側電極は、前記ヒータに基づいて、前記センサ素子が３００℃以上に加熱される範囲に設置されることを特徴とする。 The second invention is the first invention, wherein
The exhaust gas sensor includes a heater for heating the sensor element,
The second atmosphere-side electrode is installed in a range where the sensor element is heated to 300 ° C. or higher based on the heater.

また、第３の発明は、内燃機関の排気通路に設置された排気ガスセンサの異常検出装置であって、
前記排気ガスセンサは、大気孔を有し、前記排気通路から隔成された大気室を形成するセンサ素子と、
前記センサ素子の前記大気室側に設置された第１の大気側電極と、
前記センサ素子の前記大気室側、かつ前記大気孔付近に設置された第２の大気側電極と、
前記センサ素子の前記排気通路側において、前記第１の大気側電極、および前記第２の大気側電極と、相対向するように設置された排気ガス側電極と、を備え、
前記第１の大気側電極と、前記第２の大気側電極との間に発生する電位差を検出する、電位差検出手段と、
前記電位差に基づいて、排気ガス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。 A third invention is an abnormality detector for an exhaust gas sensor installed in an exhaust passage of an internal combustion engine,
The exhaust gas sensor has an air hole, and forms a sensor element that forms an air chamber separated from the exhaust passage;
A first atmosphere-side electrode installed on the atmosphere chamber side of the sensor element;
A second atmosphere side electrode installed on the atmosphere chamber side of the sensor element and in the vicinity of the atmosphere hole;
On the exhaust passage side of the sensor element, the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode, and an exhaust gas side electrode installed to face each other,
A potential difference detecting means for detecting a potential difference generated between the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode;
An abnormality determining means for determining an abnormality of the exhaust gas sensor based on the potential difference;
It is characterized by providing.

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記排気ガスセンサは、前記センサ素子を加熱するためのヒータを備え、
前記第２の大気側電極は、前記ヒータに基づいて、前記センサ素子が３００℃以上に加熱される範囲に設置されることを特徴とする。 Moreover, 4th invention is set in 3rd invention,
The exhaust gas sensor includes a heater for heating the sensor element,
The second atmosphere-side electrode is installed in a range where the sensor element is heated to 300 ° C. or higher based on the heater.

また、第５の発明は、第３、または４の発明において、
前記異常判定手段は、排気ガスセンサの異常判定値と、前記電位差との比較に基づいて判定を行い、
内燃機関の吸入空気量が大きいほど、前記異常判定値を大きな値として設定する、異常判定値設定手段を備えることを特徴とする。 The fifth invention is the third or fourth invention, wherein
The abnormality determination means makes a determination based on a comparison between an abnormality determination value of an exhaust gas sensor and the potential difference,
An abnormality determination value setting means for setting the abnormality determination value as a larger value as the intake air amount of the internal combustion engine is larger is provided.

また、第５の発明は、第３乃至５の発明において、
前記異常判定手段は、前記センサ素子の素子割れを判定し、
前記電位差が大きいほど、前記センサ素子の割れレベルを大きく推定する、素子割れレベル推定手段を更に備えることを特徴とする。 The fifth invention is the third to fifth inventions,
The abnormality determining means determines an element crack of the sensor element,
It further comprises an element crack level estimating means for estimating a crack level of the sensor element to be larger as the potential difference is larger.

第１の発明によれば、前記排気ガスセンサには、前記第１の大気側電極、および前記第２の大気側電極が設置されている。そして、センサ素子に素子割れが発生すると、前記排気通路の排気ガスが大気室に混入する。排気ガスは大気に比べ酸素含有率が低いため、大気室の酸素濃度に偏りが発生する。したがって、前記大気室内の前記第１の大気側電極部と、前記第２の大気側電極部との酸素濃度差、換言すると、前記大気室内への排気ガスの混入量に応じた出力信号を、前記各電極から得ることができる。 According to the first invention, the exhaust gas sensor is provided with the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode. And when an element crack generate | occur | produces in a sensor element, the exhaust gas of the said exhaust passage will mix in an atmospheric chamber. Since the exhaust gas has a lower oxygen content than the atmosphere, the oxygen concentration in the atmosphere chamber is biased. Therefore, an output signal corresponding to the oxygen concentration difference between the first atmosphere side electrode portion and the second atmosphere side electrode portion in the atmosphere chamber, in other words, the amount of exhaust gas mixed into the atmosphere chamber, It can be obtained from each of the electrodes.

第２の発明によれば、前記第２の大気側電極は、前記センサ素子が、前記ヒータにより３００℃以上に加熱される範囲に設置される。前記センサ素子は３００℃以上の温度に加熱されることにより活性状態となり、出力を発し得る。このため、本発明によれば、前記排気ガスセンサが出力を発し得る状態において、前記大気室内の前記第１の大気側電極部と前記第２の大気側電極部との酸素濃度差に応じた出力信号を、前記各電極から高精度に得ることができる。 According to the second invention, the second atmosphere side electrode is installed in a range where the sensor element is heated to 300 ° C. or more by the heater. The sensor element is activated by being heated to a temperature of 300 ° C. or higher, and can generate an output. Therefore, according to the present invention, in a state where the exhaust gas sensor can emit an output, an output corresponding to a difference in oxygen concentration between the first atmosphere side electrode portion and the second atmosphere side electrode portion in the atmosphere chamber. Signals can be obtained from each of the electrodes with high accuracy.

第３の発明によれば、前記排気ガスセンサには、前記第１の大気側電極、および前記第２の大気側電極が設置されている。そして、センサ素子に素子割れが発生すると、前記排気通路の排気ガスが大気室に混入する。排気ガスは大気に比べ酸素含有率が低いため、大気室の酸素濃度に偏りが発生する。したがって、前記大気室内の前記第１の大気側電極部と、前記第２の大気側電極部との酸素濃度差に応じた出力信号を、前記各電極から得ることができる。次いで、本発明によれば、前記出力信号に基づいて、第１の大気側電極と前記第２の大気側電極との間の電位差を検出する。そして、前記電位差に基づいて、センサ素子割れ異常判定を実行することで、センサ素子の素子割れの有無を、常に高い精度で判定することができる。 According to the third invention, the exhaust gas sensor is provided with the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode. And when an element crack generate | occur | produces in a sensor element, the exhaust gas of the said exhaust passage will mix in an atmospheric chamber. Since the exhaust gas has a lower oxygen content than the atmosphere, the oxygen concentration in the atmosphere chamber is biased. Therefore, an output signal corresponding to a difference in oxygen concentration between the first atmosphere-side electrode portion and the second atmosphere-side electrode portion in the atmosphere chamber can be obtained from each electrode. Next, according to the present invention, a potential difference between the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode is detected based on the output signal. And by performing sensor element crack abnormality determination based on the said potential difference, the presence or absence of the element crack of a sensor element can always be determined with a high precision.

第４の発明によれば、前記第２の大気側電極は、前記センサ素子が、前記ヒータにより３００℃以上に加熱される範囲に設置される。前記センサ素子は３００℃以上の温度に加熱されることにより活性状態となり、出力を発し得る。このため、本発明によれば、前記排気ガスセンサが出力を発し得る状態において、前記大気室内の前記第１の大気側電極部と前記第２の大気側電極部との酸素濃度差に応じた出力信号を、前記各電極から高い精度で得ることができる。 According to the fourth invention, the second atmosphere side electrode is installed in a range where the sensor element is heated to 300 ° C. or more by the heater. The sensor element is activated by being heated to a temperature of 300 ° C. or higher, and can generate an output. Therefore, according to the present invention, in a state where the exhaust gas sensor can emit an output, an output corresponding to a difference in oxygen concentration between the first atmosphere side electrode portion and the second atmosphere side electrode portion in the atmosphere chamber. Signals can be obtained from the electrodes with high accuracy.

第５の発明によれば、前記異常判定手段は、排気ガスセンサの異常判定値と、前記電位差との比較に基づいて判定を実行する。そして、前記異常判定値は、内燃機関の吸入空気量の相関値として設定することができる。つまり、排気通路の排気ガスは、排気圧と大気圧の圧力差に基づいて大気室に混入するため、前記電位差は、排気圧力、換言すれば、吸入空気量の値と相関を有する。このため、本発明によれば、前記異常判定値が、前記吸入空気量の相関値として、吸入空気量が大きいほど大きな値として設定される。そして、推定された前記異常判定値に基づいて、センサ素子の異常判定を行うことにより、吸入空気量の大小による影響が考慮された、高精度な素子割れ判定を実現することができる。 According to the fifth aspect of the invention, the abnormality determination unit performs the determination based on a comparison between the abnormality determination value of the exhaust gas sensor and the potential difference. The abnormality determination value can be set as a correlation value of the intake air amount of the internal combustion engine. That is, since the exhaust gas in the exhaust passage is mixed into the atmosphere chamber based on the pressure difference between the exhaust pressure and the atmospheric pressure, the potential difference has a correlation with the exhaust pressure, in other words, the value of the intake air amount. Therefore, according to the present invention, the abnormality determination value is set as a larger value as the intake air amount is larger as the correlation value of the intake air amount. Then, by performing abnormality determination of the sensor element based on the estimated abnormality determination value, it is possible to realize highly accurate element crack determination in consideration of the influence of the intake air amount.

第６の発明によれば、前記異常判定手段は、前記センサ素子の素子割れを判定する。前記電位差は、排気ガスが大気室に混入する量が多量であるほど、換言すれば、素子割れの破損レベルが大きいほど、大きな値となる。このため、本発明によれば、前記電位差が大きいほど、前記センサ素子の素子割れレベルを大きく推定することにより、センサ素子の素子割れの発生有無だけでなく素子割れの破損レベルまでも、常に高い精度で判定することができる。 According to the sixth invention, the abnormality determination means determines an element crack of the sensor element. The potential difference becomes larger as the amount of exhaust gas mixed into the atmospheric chamber becomes larger, in other words, as the damage level of element cracking becomes larger. For this reason, according to the present invention, the larger the potential difference, the higher the element cracking level of the sensor element, so that not only the presence or absence of the element cracking of the sensor element but also the damage level of the element cracking is always high. It can be determined with accuracy.

実施の形態１．
［実施の形態１のハードウェア構成］
図１は、本発明の実施の形態１において用いられる酸素センサ１０の構成を示す。図１に示す酸素センサ１０は、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に酸素が存在しているか否か、換言すると、排気空燃比がリーンであるかリッチであるかを検出するために用いられるセンサである。 Embodiment 1 FIG.
[Hardware Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 shows a configuration of an oxygen sensor 10 used in Embodiment 1 of the present invention. The oxygen sensor 10 shown in FIG. 1 is disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine, and detects whether or not oxygen is present in the exhaust gas, in other words, whether the exhaust air-fuel ratio is lean or rich. It is a sensor used for.

酸素センサ１０はカバー１２を備えており、このカバー１２が排気ガスに晒されるように排気通路に組みつけられる。カバー１２には、その内部に排気ガスを導くための孔（図示せず）が設けられている。カバー１２の内部には、センサ素子１４が配置されている。センサ素子１４は、一端（図１における下端）が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、拡散抵抗層１６で覆われている。拡散抵抗層１６は、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質で構成され、センサ素子を熱衝撃等から保護する役割を果たす。 The oxygen sensor 10 includes a cover 12 and is assembled in the exhaust passage so that the cover 12 is exposed to the exhaust gas. The cover 12 is provided with a hole (not shown) for introducing exhaust gas therein. A sensor element 14 is disposed inside the cover 12. The sensor element 14 has a tubular structure with one end (the lower end in FIG. 1) closed. The outer surface of the tubular structure is covered with a diffusion resistance layer 16. The diffusion resistance layer 16 is made of a heat-resistant porous material such as alumina and plays a role of protecting the sensor element from thermal shock or the like.

センサ素子１４は、ZrO_２系の固体電解質で構成された固体電解質層１８と、その外側、および内側にそれぞれ形成された排気側電極２０および大気側電極２２を備えている。また、大気側電極２２と同側に、素子割れ検出用の電極２４を備えている。以下、説明の都合上、「参照電極２４」と称す。参照電極２４の設置位置詳細については、説明を後述する。排気側電極２０、大気側電極２２、および参照電極２４は、触媒作用の高いPt系の金属で構成されている。 The sensor element 14 includes a solid electrolyte layer 18 made of a ZrO ₂ -based solid electrolyte, and an exhaust side electrode 20 and an atmosphere side electrode 22 formed on the outer side and the inner side, respectively. Further, an electrode 24 for detecting element cracks is provided on the same side as the atmosphere side electrode 22. Hereinafter, for convenience of description, it is referred to as “reference electrode 24”. The details of the installation position of the reference electrode 24 will be described later. The exhaust side electrode 20, the atmosphere side electrode 22, and the reference electrode 24 are made of a Pt-based metal having a high catalytic action.

センサ素子１４の内側には、大気に開放された大気室２６が形成されている。大気室２６には、センサ素子１４を加熱するためのヒータ２８が設置されている。センサ素子１４は、５５０〜６００℃程度の活性温度に加熱されることにより活性状態となり、安定した出力を発し得る状態となる。そして、酸素センサ１０は、内燃機関の排気管３０に設置され使用される。 An atmosphere chamber 26 that is open to the atmosphere is formed inside the sensor element 14. A heater 28 for heating the sensor element 14 is installed in the atmospheric chamber 26. The sensor element 14 is activated by being heated to an activation temperature of about 550 to 600 ° C., and is in a state where it can emit a stable output. The oxygen sensor 10 is installed and used in the exhaust pipe 30 of the internal combustion engine.

図２は、センサ素子割れ検出装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、図２に示すように、ECU(Electronic Control Unit)４０を備えている。そして、上述したセンサ素子１４の排気側電極２０、大気側電極２２、および参照電極２４は、ECU４０に接続されている。ECU４０は、各電極から供給される信号に基づいて、排気側電極２０と大気側電極２２との間の電位差（V1）、および、大気側電極２２と参照電極２４との間の電位差（V2）を検出することができる。 FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the sensor element crack detection device. The present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 40 as shown in FIG. The exhaust side electrode 20, the atmosphere side electrode 22, and the reference electrode 24 of the sensor element 14 described above are connected to the ECU 40. The ECU 40 determines the potential difference (V1) between the exhaust-side electrode 20 and the atmosphere-side electrode 22 and the potential difference (V2) between the atmosphere-side electrode 22 and the reference electrode 24 based on the signal supplied from each electrode. Can be detected.

また、ECU４０には、車両のイグニッションスイッチ４２（IGスイッチ）、および水温センサ４４が接続されている。そして、供給される信号に基づいて、エンジンの点火状況、およびエンジンの水温を検出することができる。 The ECU 40 is connected to an ignition switch 42 (IG switch) and a water temperature sensor 44 of the vehicle. And based on the supplied signal, it is possible to detect the ignition status of the engine and the water temperature of the engine.

［センサ素子割れ検出の必要性］
次に、本実施形態に示す装置のセンサ素子割れ検出の必要性について説明する。本実施形態に示す酸素センサ１０は、内燃機関の燃料噴射量のフィードバック制御に用いられるため、センサの出力異常はエミッション特性を悪化させる原因となる。このため、センサ素子割れ異常は、迅速に検知し対処する必要がある。 [Necessity of sensor element crack detection]
Next, the necessity of detecting a sensor element crack in the apparatus shown in this embodiment will be described. Since the oxygen sensor 10 shown in the present embodiment is used for feedback control of the fuel injection amount of the internal combustion engine, an abnormal output of the sensor causes the emission characteristics to deteriorate. For this reason, it is necessary to detect and deal with a sensor element crack abnormality quickly.

そこで、上記課題の解決手段として、本実施形態では、センサ素子１４の大気側電極２２と参照電極２４との間の出力（電位差V２）を利用した、センサ素子割れ検出装置を提案する。これによれば、酸素センサに発生した素子割れ異常を精度よく推定することができる。 Therefore, as a means for solving the above-described problems, the present embodiment proposes a sensor element crack detection device that uses the output (potential difference V2) between the atmosphere-side electrode 22 and the reference electrode 24 of the sensor element 14. According to this, the element crack abnormality which generate | occur | produced in the oxygen sensor can be estimated accurately.

[実施の形態１の動作]
次に、図３、および図４を参照して、本実施形態の動作原理を説明する。先ず、図３は素子割れが発生した場合に生じる現象を説明するための図である。一般的に、センサ素子割れは、排気ガスに晒され、かつ温度環境が厳しいとされるセンサ素子の先端部（図３の下端部）付近において頻発する。この図によれば、センサ素子１４の下端部に素子割れが発生した場合には、排気ガスが、排気圧の影響により破損部から大気室２６内に混入し、大気室下端部付近に滞留する。一方、参照電極２４は大気室上部の大気孔付近に設置されている。このため、常に大気に覆われており、混入した排気ガスの影響を受け難い。また、参照電極設置部付近は、温度環境が優しいため素子割れ異常を起こし難い。つまり、センサ素子は、一定の温度に加熱されることで活性状態となるが、一般的にセンサ素子の先端部が高温に加熱され、参照電極２４の設置部付近は、活性状態となりうる最低温度程度（たとえば３００℃）にしか加熱されない。したがって、センサ素子先端部と比較して、この電極付近において素子割れ異常は発生し難く、常に信頼性の高い信号出力を提供することができる。 [Operation of Embodiment 1]
Next, the operation principle of this embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. First, FIG. 3 is a diagram for explaining a phenomenon that occurs when an element crack occurs. In general, sensor element cracks frequently occur in the vicinity of the front end portion (lower end portion in FIG. 3) of the sensor element that is exposed to exhaust gas and has a severe temperature environment. According to this figure, when an element crack occurs at the lower end of the sensor element 14, the exhaust gas enters the atmosphere chamber 26 from the damaged portion due to the influence of the exhaust pressure and stays near the lower end of the atmosphere chamber. . On the other hand, the reference electrode 24 is installed near the air hole in the upper part of the air chamber. For this reason, it is always covered with the atmosphere and hardly affected by the mixed exhaust gas. Also, the vicinity of the reference electrode installation part is less likely to cause an element cracking abnormality because the temperature environment is gentle. That is, the sensor element is activated by being heated to a certain temperature, but generally the tip of the sensor element is heated to a high temperature, and the vicinity of the installation portion of the reference electrode 24 is the lowest temperature that can be activated. It is only heated to a degree (eg 300 ° C.). Therefore, as compared with the tip of the sensor element, an element cracking abnormality hardly occurs in the vicinity of the electrode, and it is possible to always provide a highly reliable signal output.

本実施の形態の装置は、センサ素子割れの有無を、センサ素子１４の大気側電極２２と参照電極２４との間の電位差（V２）に反映させることとしている。図４はこの電位差（V２）が発生する原理を説明するための図である。図４（a）に示すとおり、センサ素子１４に素子割れが発生していない状態においては、排気ガスが、大気室２６に混入することはない。このため、大気室内部において、酸素濃度は一定に保たれることから、排気側電極１８および大気側電極２０との間に生ずる起電力（V1）と、排気側電極１８と参照電極２４との間に生ずる起電力（V3）は同じ値を示す。したがって、大気側電極２０と参照電極２４との間に電位差は無く、起電力（V2）は発生しない。 The apparatus according to the present embodiment reflects the presence or absence of sensor element cracking in the potential difference (V2) between the atmosphere-side electrode 22 and the reference electrode 24 of the sensor element 14. FIG. 4 is a diagram for explaining the principle that this potential difference (V2) occurs. As shown in FIG. 4A, the exhaust gas does not enter the atmospheric chamber 26 in a state where no element cracking occurs in the sensor element 14. For this reason, since the oxygen concentration is kept constant in the atmosphere chamber, the electromotive force (V1) generated between the exhaust side electrode 18 and the atmosphere side electrode 20, the exhaust side electrode 18 and the reference electrode 24 The electromotive force (V3) generated between them shows the same value. Therefore, there is no potential difference between the atmosphere side electrode 20 and the reference electrode 24, and no electromotive force (V2) is generated.

ところが、図４(b)に示すとおり、センサ素子１４に素子割れが発生した状態においては、排気管内部から大気室２６へ排気ガスが混入する。排気ガスは大気に比べ、酸素含有率が低い。このため、大気室内部の酸素濃度は、排気混入部付近において低下し、起電力（V1）は、素子割れ前のV1と比較して低い値となる。一方、前述のとおり、参照電極２４は、素子割れによる排気ガスの影響を受けない大気環境下に設置されている。このため、素子割れが生じた後であっても、参照電極２４の付近において、酸素濃度は変化せず、起電力（V3）は素子割れ前の値から変化しないこととなる。したがって、大気側電極２０と参照電極２４との間に電位差が生じ、起電力（V2）が発生する。 However, as shown in FIG. 4 (b), in a state where element cracking has occurred in the sensor element 14, exhaust gas is mixed from the inside of the exhaust pipe into the atmospheric chamber 26. Exhaust gas has a lower oxygen content than the atmosphere. For this reason, the oxygen concentration in the atmosphere chamber decreases in the vicinity of the exhaust gas mixing portion, and the electromotive force (V1) is lower than V1 before element cracking. On the other hand, as described above, the reference electrode 24 is installed in an atmospheric environment that is not affected by exhaust gas due to element cracking. For this reason, even after the element cracking occurs, the oxygen concentration does not change in the vicinity of the reference electrode 24, and the electromotive force (V3) does not change from the value before the element cracking. Therefore, a potential difference is generated between the atmosphere-side electrode 20 and the reference electrode 24, and an electromotive force (V2) is generated.

以上より、本実施の形態では、素子割れによる排気ガス混入影響を大気側電極２０と参照電極２４との間に発生する電位差（V2）に反映させることができる。そして、かかる値を検出し、素子割れ判定に使用することで、素子割れ異常を高精度に推定することができる。 As described above, in the present embodiment, the influence of exhaust gas mixing due to element cracking can be reflected in the potential difference (V2) generated between the atmosphere-side electrode 20 and the reference electrode 24. And by detecting this value and using it for element crack determination, an element crack abnormality can be estimated with high accuracy.

［実施の形態１における具体的処理］
図５は、ECU４０が、センサ素子割れ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。図４に示すルーチンでは、先ず、ECU４０に、排気側電極２０、大気側電極２２、および参照電極２４の出力が供給される。ECU４０はこれらの出力に基づいて、演算を実行し、酸素センサ出力（V1）、および素子割れ検出用出力（V2）が検出される（ステップ１００）。 [Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 5 is a flowchart of a routine executed by the ECU 40 to determine whether a sensor element is broken. In the routine shown in FIG. 4, first, the outputs of the exhaust side electrode 20, the atmosphere side electrode 22, and the reference electrode 24 are supplied to the ECU 40. The ECU 40 performs calculation based on these outputs, and detects the oxygen sensor output (V1) and the element crack detection output (V2) (step 100).

次に、図５に示すルーチンでは、素子割れ判定の実施条件が成立しているか否かが判断される（ステップ１０２）。上記判断は、車両のエンジンが安定して排気ガスを出しており、かつ酸素センサが正常に機能する環境下において行う必要がある。上記環境の成立を判定するため、ここでは、具体的には、先ず、車両のエンジンが運転中か否か、水温が所定値以上か否かが判定される。そして、これらの条件が成立する場合、車両のエンジンから、安定した排気ガスが排出されていると判断できる。 Next, in the routine shown in FIG. 5, it is determined whether or not the conditions for element crack determination are satisfied (step 102). The above determination must be made in an environment where the vehicle engine stably emits exhaust gas and the oxygen sensor functions normally. In order to determine the establishment of the environment, specifically, first, it is determined whether or not the vehicle engine is in operation and whether or not the water temperature is equal to or higher than a predetermined value. When these conditions are satisfied, it can be determined that stable exhaust gas is discharged from the engine of the vehicle.

また、上記ステップ１０２においては、次いで、空燃比のフィードバック条件が成立しているか否かが判定される。空燃比のフィードバック制御は、酸素センサのセンサ素子が活性化されることで実行される。なお、これらの処理は公知の手法のため、説明を省略する。上記条件が成立すると判定された場合は、制御は次のステップに移行し、成立しないと判定された場合には、本制御ルーチンは終了とされる。 In step 102, it is then determined whether an air-fuel ratio feedback condition is satisfied. The air-fuel ratio feedback control is executed by activating the sensor element of the oxygen sensor. In addition, since these processes are well-known methods, description is abbreviate | omitted. If it is determined that the above condition is satisfied, the control proceeds to the next step. If it is determined that the condition is not satisfied, the present control routine is ended.

次に、素子割れ検出用出力（V2）に基づいて、素子割れ判定が実行される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、前ステップ１００にて検出された電位差V2と、素子割れ判定値（VOBD）とが比較される。そして、電位差（V2）＞素子割れ判定値（VOBD）が成立すると判断された場合には、センサの素子割れが発生していると判定される（ステップ１０６）。一方、電位差（V2）＞素子割れ判定値（VOBD）が成立しないと判定された場合には、本制御ルーチンは終了とされる。 Next, element crack determination is executed based on the element crack detection output (V2) (step 104). Specifically, the potential difference V2 detected in the previous step 100 is compared with the element crack determination value (VOBD). If it is determined that the potential difference (V2)> the element crack determination value (VOBD) is satisfied, it is determined that the element crack of the sensor has occurred (step 106). On the other hand, when it is determined that the potential difference (V2)> the element crack determination value (VOBD) is not satisfied, this control routine is ended.

以上、説明したとおり、本実施形態の装置は、センサ素子割れが発生した影響を確実に電位差（V2）に反映することができる。また、前述のとおり、参照電極２４の設置される環境は排気ガスが混入し難いため、検出される電位差（V2）は常に信頼性の高い値となる。したがって、この電位差（V2）に基づいて素子割れ有無を判定することで、常に精度よくセンサ素子割れの判定を行うことができる。 As described above, the apparatus according to the present embodiment can reliably reflect the influence of the occurrence of sensor element cracking in the potential difference (V2). Further, as described above, since the environment in which the reference electrode 24 is installed is difficult to mix exhaust gas, the detected potential difference (V2) is always a highly reliable value. Therefore, by determining the presence or absence of an element crack based on this potential difference (V2), it is possible to always determine the sensor element crack with high accuracy.

本実施形態の装置は、上述した効果の他に、センサ素子割れの破損レベルに関しても、高精度に推定することができるという効果も有している。つまり、前記電位差（V2）は、センサ素子の割れレベルが大きいほど、換言すると、排気ガスが排気側から大気側へ多量に混入するほど、大きな値となる傾向を示す。このため、本装置によれば、センサ素子割れの発生有無だけでなく、電位差（V2）の大小に基づいて、素子割れの破損レベルを高精度に推定することができる。したがって、例えば、素子割れ判定値（VOBD）として、大きな値を設定することにより、センサ素子の割れレベルの大きな異常のみを検出することもできる。 In addition to the effects described above, the apparatus of the present embodiment also has an effect that the level of sensor element breakage can be estimated with high accuracy. That is, the potential difference (V2) tends to become larger as the cracking level of the sensor element is larger, in other words, as the exhaust gas is mixed in a larger amount from the exhaust side to the atmosphere side. For this reason, according to the present apparatus, the breakage level of the element crack can be estimated with high accuracy based not only on whether or not the sensor element crack is generated but also based on the magnitude of the potential difference (V2). Therefore, for example, by setting a large value as the element crack determination value (VOBD), it is possible to detect only an abnormality with a large crack level of the sensor element.

ところで、上述した実施の形態１においては、素子割れ判定の実施条件として、空燃比のフィードバック条件が成立しているか否かに基づいて、酸素センサのセンサ素子が活性化しているか否かを判定したが、センサの活性状態を確認する手法はこれに限られない。すなわち、酸素センサから検出されるインピーダンスに基づいて、センサの活性状態を判定してもよいし、また、ヒータの制御信号に基づいて、センサ温度をし、センサの活性状態を判定することとしてもよい。 By the way, in the above-described first embodiment, whether or not the sensor element of the oxygen sensor is activated is determined based on whether or not the air-fuel ratio feedback condition is satisfied as the element crack determination execution condition. However, the method of confirming the active state of the sensor is not limited to this. In other words, the sensor activation state may be determined based on the impedance detected from the oxygen sensor, or the sensor temperature may be determined based on the heater control signal to determine the sensor activation state. Good.

また、上述した実施の形態１においては、素子割れ検出用出力（V2）＞素子割れ判定値（VOBD）の成立が１回のみ判定されることにより、センサ素子割れが判定されることとしているが、この素子割れ判定において使用される、上記成立判定の回数は１回に限られない。すなわち、上記V2＞VOBDの成立が所定回数判定された場合に、または所定時間に所定回数判定された場合に、最終的な素子割れ判定がされることとしてもよい。 Further, in the first embodiment described above, the sensor element crack is determined by determining that the element crack detection output (V2)> the element crack determination value (VOBD) is satisfied only once. The number of establishment determinations used in this element crack determination is not limited to one. That is, the final element crack determination may be performed when the establishment of V2> VOBD is determined a predetermined number of times, or when the predetermined number of times is determined at a predetermined time.

また、上述した実施の形態１においては、素子割れ判定値（VOBD）として固定値を使用しているが、この判定値（VOBD）は、固定値に限られず変数としてもよい。すなわち、吸入空気量に応じた素子割れ判定値（VOBD）のマップをECU４０に記憶させておき、現在の吸入空気量に対応する判定値（VOBD）が取り込まれることとしてもよい。つまり、一般的に、内燃機関の吸入空気量が大きいほど、排気圧力は高い値となる。そして、センサ素子割れが発生した場合、排気圧力が高いほど、排気がセンサ素子の亀裂から大気室へ混入する量は増大する。したがって、センサ素子割れレベルが同等であっても、排気圧力の高低により、電位差V2は異なる値となる。このため、吸入空気量に応じた素子割れ判定値（VOBD）をその都度使用することで、排気圧力による影響を反映した素子割れ判定をすることができる。 In Embodiment 1 described above, a fixed value is used as the element crack determination value (VOBD). However, the determination value (VOBD) is not limited to a fixed value and may be a variable. That is, a map of the element crack determination value (VOBD) corresponding to the intake air amount may be stored in the ECU 40, and the determination value (VOBD) corresponding to the current intake air amount may be taken in. That is, in general, the larger the intake air amount of the internal combustion engine, the higher the exhaust pressure. And when a sensor element crack generate | occur | produces, the amount which exhaust_gas | exhaustion mixes into an atmospheric chamber from the crack of a sensor element increases, so that exhaust pressure is high. Therefore, even if the sensor element cracking level is the same, the potential difference V2 varies depending on the exhaust pressure level. For this reason, by using the element crack determination value (VOBD) corresponding to the intake air amount each time, it is possible to perform element crack determination reflecting the influence of the exhaust pressure.

また、上述した実施の形態１においては、排気ガスセンサは酸素センサであるとして、素子割れ異常を推定することとしているが、排気ガスセンサはこれに限られない。すなわち、空燃比制御に用いられるA/Fセンサの素子割れ異常を判定するために使用してもよい。 In Embodiment 1 described above, the exhaust gas sensor is an oxygen sensor, and an element crack abnormality is estimated. However, the exhaust gas sensor is not limited to this. That is, it may be used for determining an element crack abnormality of an A / F sensor used for air-fuel ratio control.

尚、上述した実施の形態１においては、排気側電極２０、大気側電極２２、および参照電極２４が前記第１、および３の発明における「排気側電極」、「第１の大気側電極」、および「第２の大気側電極」に相当していると共に、酸素センサが前記第１、および３の発明における「排気ガスセンサ」に相当している。また、ECU４０が、上記ステップ１００において素子割れ検出用出力（V2）を検出することにより、前記第３の発明における「電位差検出手段」が、上記ステップ１０４〜１０６の処理を実行することにより前記第３の発明における「異常判定手段」が、それぞれ実現されている。 In the first embodiment described above, the exhaust-side electrode 20, the atmosphere-side electrode 22, and the reference electrode 24 are the “exhaust-side electrode”, “first atmosphere-side electrode” in the first and third inventions, The oxygen sensor corresponds to the “exhaust gas sensor” in the first and third inventions. In addition, when the ECU 40 detects the element crack detection output (V2) in the step 100, the “potential difference detecting means” in the third invention executes the processing in the steps 104 to 106, thereby The “abnormality determination means” according to the third invention is realized.

また、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、上記１０４において内燃機関の吸入空気量の大小により、異常判定値を設定する処理を実行することにより前記第５の発明における「異常判定値設定手段」が、実現されている。また、ECU４０が、上記ステップ１０４〜１０６において素子割れ検出用出力（V2）の大小により、センサ素子割れの破損レベルを推定する処理を実行することにより前記第６の発明における「素子割れレベル推定手段」が、実現されている。 In the first embodiment described above, the ECU 40 executes the process of setting the abnormality determination value in 104 according to the magnitude of the intake air amount of the internal combustion engine. Means "are realized. Further, the ECU 40 executes a process of estimating the breakage level of the sensor element crack according to the magnitude of the element crack detection output (V2) in the above steps 104 to 106, whereby the “element crack level estimation means in the sixth invention”. Is realized.

本発明の実施の形態１の酸素センサの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the oxygen sensor of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１の酸素センサの異常検出装置の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the abnormality detection apparatus of the oxygen sensor of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１の酸素センサのセンサ素子割れ異常の現象を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the phenomenon of the sensor element crack abnormality of the oxygen sensor of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１の酸素センサの異常検出装置の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the abnormality detection apparatus of the oxygen sensor of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention.

Explanation of symbols

１０酸素センサ
１２カバー
１４センサ素子
１６拡散抵抗層
１８固体電解層
２０排気側電極
２２大気側電極
２４参照電極
２６大気室
２８ヒータ
３０排気管
４０ ECU(Electronic Control Unit)
４２イグニッションスイッチ
４４水温センサ
V1 酸素センサ出力（電位差）
V2 素子割れ検出用出力（電位差）
V3 排気側電極と参照電極との電位差
VOBD 素子割れ判定値 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Oxygen sensor 12 Cover 14 Sensor element 16 Diffusion resistance layer 18 Solid electrolytic layer 20 Exhaust side electrode 22 Atmosphere side electrode 24 Reference electrode 26 Atmosphere chamber 28 Heater 30 Exhaust pipe 40 ECU (Electronic Control Unit)
42 Ignition switch 44 Water temperature sensor
V1 Oxygen sensor output (potential difference)
V2 Element crack detection output (potential difference)
V3 Potential difference between exhaust side electrode and reference electrode
VOBD element crack judgment value

Claims

An exhaust gas sensor used in a state of being disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine,
The exhaust gas sensor has an air hole, and forms a sensor element that forms an air chamber separated from the exhaust passage;
A first atmosphere-side electrode installed on the atmosphere chamber side of the sensor element;
A second atmosphere side electrode installed on the atmosphere chamber side of the sensor element and in the vicinity of the atmosphere hole;
On the exhaust passage side of the sensor element, the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode, an exhaust gas side electrode installed to face each other,
An exhaust gas sensor comprising:

The exhaust gas sensor includes a heater for heating the sensor element,
2. The exhaust gas sensor according to claim 1, wherein the second atmosphere side electrode is installed in a range in which the sensor element is heated to 300 ° C. or more based on the heater.

An exhaust gas sensor abnormality detection device installed in an exhaust passage of an internal combustion engine,
The exhaust gas sensor has an air hole, and forms a sensor element that forms an air chamber separated from the exhaust passage;
A first atmosphere-side electrode installed on the atmosphere chamber side of the sensor element;
A second atmosphere side electrode installed on the atmosphere chamber side of the sensor element and in the vicinity of the atmosphere hole;
On the exhaust passage side of the sensor element, the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode, and an exhaust gas side electrode installed to face each other,
A potential difference detecting means for detecting a potential difference generated between the first atmosphere side electrode and the second atmosphere side electrode;
An abnormality determining means for determining an abnormality of the exhaust gas sensor based on the potential difference;
An abnormality detection device for an exhaust gas sensor, comprising:

The exhaust gas sensor includes a heater for heating the sensor element,
4. The exhaust gas sensor abnormality detection device according to claim 3, wherein the second atmosphere side electrode is installed in a range where the sensor element is heated to 300 [deg.] C. or more based on the heater.

The abnormality determination means makes a determination based on a comparison between an abnormality determination value of an exhaust gas sensor and the potential difference,
The abnormality detection device for an exhaust gas sensor according to claim 3 or 4, further comprising abnormality determination value setting means for setting the abnormality determination value as a larger value as the intake air amount of the internal combustion engine is larger.

The abnormality determining means determines an element crack of the sensor element,
6. The abnormality detection device for an exhaust gas sensor according to claim 3, further comprising element crack level estimation means for estimating a crack level of the sensor element to be larger as the potential difference is larger.