JP2008261757A - Device for diagnosing failure of oxygen sensor - Google Patents

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Yasushi Iwasaki
靖志 岩▲崎▼
Toru Kidokoro
徹 木所
Yutaka Sawada
裕 澤田
Masaya Kawamichi
雅也 川路
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent incorrect judgment and improve diagnostic accuracy. <P>SOLUTION: The device for diagnosing a failure of an oxygen sensor with a heater judges that an oxygen sensor is in a failure state when a negative voltage from the oxygen sensor is detected. In the warm-up process of the oxygen sensor after the start-up of an internal combustion engine, the heater is controlled so that the temperature Ts of a detection element is dropped at least once. By the drop of the element temperature, the outside air can be introduced in an atmosphere chamber by contracting the gas in the chamber. This promotes the exchange of moisture/steam in the atmospheric chamber and the atmosphere and prevents the occurrence of a negative voltage and the incorrect judgment. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は酸素センサの故障診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスの酸素濃度に応じた起電力を発生する酸素センサの故障診断装置に関する。   The present invention relates to an oxygen sensor failure diagnosis device, and more particularly to an oxygen sensor failure diagnosis device that is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and generates an electromotive force according to the oxygen concentration of exhaust gas.

触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサを設け、その検出結果より空燃比を求めて、検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づけるフィードバック制御を実施している。   In an internal combustion engine equipped with an exhaust gas purification system using a catalyst, in order to effectively remove harmful components of exhaust gas by the catalyst, the mixture ratio of air and fuel in the air-fuel mixture burned in the internal combustion engine, that is, the air-fuel ratio is reduced. Control is essential. In order to perform such air-fuel ratio control, an oxygen sensor for detecting the oxygen concentration of the exhaust gas is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine, the air-fuel ratio is obtained from the detection result, and the detected air-fuel ratio is set to a predetermined target air-fuel ratio. The feedback control to bring it closer to

酸素センサは、排気通路内に突出するように配設された筒型の検出素子を備えている。検出素子は、その内面を大気(空気)に露呈するとともに、その外面は、センサカバーを通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子は、内外の表面に電極が被覆された固体電解質により形成されている。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアなどが利用されている。検出素子の内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側(通常は大気側)の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側(通常は排気ガス側)へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で4価の電子を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で4価の電子を放出する。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出素子の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子に起電力が発生する。こうして酸素センサは、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど(つまり排気ガスの空燃比がリッチであるほど)大きな起電力を発生する。   The oxygen sensor includes a cylindrical detection element disposed so as to protrude into the exhaust passage. The detection element has its inner surface exposed to the atmosphere (air), and its outer surface is exposed to exhaust gas flowing through the sensor cover. The detection element is formed of a solid electrolyte having inner and outer surfaces covered with electrodes. The solid electrolyte is a solid substance that can move in the state in which oxygen is ionized, and zirconia, for example, is used as an oxygen sensor. If there is a difference in oxygen partial pressure between the atmosphere inside the sensing element and the exhaust gas outside, oxygen on the higher oxygen partial pressure (usually the atmosphere side) is ionized to reduce the difference in partial pressure. It moves through the solid electrolyte to the low oxygen partial pressure side (usually the exhaust gas side). Oxygen molecules receive tetravalent electrons in the process of ionization, and emit tetravalent electrons in the process of returning from the ionized state to the molecule. Therefore, movement of electrons occurs at the electrodes on the inner and outer surfaces of the detection element in accordance with the movement of oxygen, and as a result, an electromotive force is generated in the detection element. Thus, the oxygen sensor generates an electromotive force according to the difference in oxygen partial pressure between the atmosphere and the exhaust gas. More specifically, the oxygen concentration of the exhaust gas decreases (that is, the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes richer). It generates a large electromotive force.

こうした酸素センサにおいて、検出素子の欠損が生じて検出素子の内外が連通すると、検出素子外部の排気ガスがその内部に侵入し、その内外の酸素分圧の差が無くなってセンサは起電力を発生しなくなる。そしてさらに、検出素子内部に排気ガスが侵入した状態で検出素子外部により酸素濃度の高い(空燃比リーンの)排気ガスが存在すると、酸素センサにおいて逆方向の起電力が発生する。従って、この逆起電力に対応した酸素センサの負(マイナス)の出力電圧を検出することで、酸素センサの検出素子の欠損、即ち酸素センサの故障を検出することができる(例えば特許文献1参照)。   In such an oxygen sensor, when the sensing element is lost and the inside and outside of the sensing element communicate with each other, exhaust gas outside the sensing element enters the inside, and there is no difference in the oxygen partial pressure between the inside and outside, and the sensor generates an electromotive force. No longer. Further, if exhaust gas having a high oxygen concentration (air-fuel ratio lean) is present outside the detection element in a state where the exhaust gas has entered the detection element, an electromotive force in the reverse direction is generated in the oxygen sensor. Accordingly, by detecting the negative (minus) output voltage of the oxygen sensor corresponding to the back electromotive force, it is possible to detect a defect in the detection element of the oxygen sensor, that is, a failure of the oxygen sensor (see, for example, Patent Document 1). ).

他の従来技術としては、ヒータ付き酸素センサに関して内燃機関の積算負荷量が内燃機関排気管の水分不発生温度に相当する所定の負荷量に達することを条件に酸素センサのヒータに通電を行うものがある(特許文献2参照)。   As another prior art, the heater of the oxygen sensor is energized on the condition that the integrated load amount of the internal combustion engine reaches a predetermined load amount corresponding to the moisture-free temperature of the exhaust pipe of the internal combustion engine with respect to the oxygen sensor with a heater. (See Patent Document 2).

特開2003−14683号公報JP 2003-14683 A 特開平8−15213号公報JP-A-8-15213

ところで、酸素センサが上記のように欠損故障しておらず、正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサから負の出力電圧が発生する事象があることが試験により確認された。従って、この場合にも酸素センサの故障と判断してしまうことは誤判定となり、故障診断の精度を落としめる結果となる。   By the way, even if the oxygen sensor is not defective and is normal as described above, there is an event that a negative output voltage is generated from the oxygen sensor during warm-up after the internal combustion engine is started. confirmed. Accordingly, in this case as well, it is erroneously determined that the oxygen sensor has failed, resulting in a decrease in the accuracy of failure diagnosis.

そこで、本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、誤判定を防止して診断精度を向上することができる酸素センサの故障診断装置を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an oxygen sensor failure diagnosis apparatus that can prevent erroneous determination and improve diagnosis accuracy.

本発明の第1の形態によれば、
内燃機関の排気通路内に配置される検出素子を有し、該検出素子の内側に大気室が区画形成された酸素センサの故障診断装置において、
前記酸素センサに設けられ、前記検出素子を加熱するためのヒータと、
前記ヒータを制御するヒータ制御手段と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するための出力電圧検出手段と、
前記出力電圧検出手段により負の出力電圧が検出されたとき前記酸素センサの故障と判定する故障判定手段と、
を備え、
前記ヒータ制御手段が、前記酸素センサの暖機過程において前記検出素子の温度を少なくとも1回低下させるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする酸素センサの故障診断装置が提供される。
According to the first aspect of the present invention,
In an oxygen sensor failure diagnosis apparatus having a detection element disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine, and an air chamber is defined inside the detection element,
A heater provided in the oxygen sensor for heating the detection element;
Heater control means for controlling the heater;
Output voltage detection means for detecting the output voltage of the oxygen sensor;
A failure determination unit that determines that the oxygen sensor has failed when a negative output voltage is detected by the output voltage detection unit;
With
An oxygen sensor failure diagnosis apparatus is provided, wherein the heater control means controls the heater so that the temperature of the detection element is decreased at least once in the warm-up process of the oxygen sensor.

前述したように、酸素センサが欠損故障しておらず正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサから負の出力電圧が発生することがある。その理由は、内燃機関始動前の機関停止中に検出素子内側の大気室に凝縮水などが発生し、大気室に水分が存在することがあるからである。この水分は内燃機関始動後に次第に蒸発するが、このとき水分の蒸発による体積膨張に起因して、大気室内の大気が外部に駆逐され、即ち追い出される。こうなると大気室内が所謂酸欠状態となり、検出素子内外の酸素分圧が逆転して酸素センサから負の電圧が出力される。しかしながら、この後水蒸気は大気室から追い出され、代わりに大気室内に大気が再び戻るようになる。こうなると検出素子の内外に正常な酸素分圧の差が生じるようになり、酸素センサからは正の電圧が出力されるようになる。   As described above, even if the oxygen sensor is normal and not defective, a negative output voltage may be generated from the oxygen sensor during warm-up after the internal combustion engine is started. This is because condensed water or the like may be generated in the atmosphere chamber inside the detection element while the engine is stopped before the internal combustion engine is started, and moisture may exist in the atmosphere chamber. The moisture gradually evaporates after the internal combustion engine is started. At this time, due to the volume expansion due to the evaporation of the moisture, the atmosphere in the atmosphere chamber is expelled to the outside, that is, expelled. When this happens, the atmosphere chamber becomes a so-called oxygen deficient state, the oxygen partial pressure inside and outside the detection element is reversed, and a negative voltage is output from the oxygen sensor. However, after this, the water vapor is expelled from the atmosphere chamber, and instead the atmosphere returns to the atmosphere chamber again. When this happens, a difference in normal oxygen partial pressure occurs between the inside and outside of the detection element, and a positive voltage is output from the oxygen sensor.

前記第1の形態によれば、酸素センサの暖機過程において、検出素子の温度が少なくとも1回低下させられる。こうすると、大気室内のガスを収縮させて外気を大気室に導入することができる。これによって大気室内の水分及び水蒸気と大気との交換を促進し、大気室内が酸欠状態となっている時間を短縮することができる。そして、センサ暖機過程での負電圧発生を防止し、誤判定を防止すると共に、診断精度を向上することができる。   According to the first aspect, during the warm-up process of the oxygen sensor, the temperature of the detection element is decreased at least once. If it carries out like this, the gas in an atmospheric chamber can be shrunk and external air can be introduce | transduced into an atmospheric chamber. As a result, the exchange of moisture and water vapor in the atmosphere chamber with the atmosphere can be promoted, and the time during which the atmosphere chamber is deficient can be shortened. In addition, it is possible to prevent negative voltage generation during the sensor warm-up process, prevent erroneous determination, and improve diagnostic accuracy.

本発明の第2の形態は、前記第1の形態において、
前記検出素子の温度を検出するための素子温検出手段が備えられ、
前記検出素子の温度低下時に、前記素子温検出手段によって検出された素子温が所定の第1素子温に達するまで、前記検出素子の温度が低下させられ、
前記第1素子温が、前記大気室に存在する水分が蒸発可能となる最低温度に等しく設定されている
ことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect,
Element temperature detection means for detecting the temperature of the detection element is provided;
When the temperature of the detection element decreases, the temperature of the detection element is decreased until the element temperature detected by the element temperature detection means reaches a predetermined first element temperature,
The first element temperature is set equal to a minimum temperature at which moisture existing in the atmospheric chamber can be evaporated.

これによれば、素子温を最大に低下させたときでも(即ち、素子温の下降端においても)、大気室内の水分が蒸発可能な状態が維持されるので、素子温の昇降中常に大気室の水分を蒸発させることができ、これによって大気室内の水分及び水蒸気と大気との交換を促進することができる。   According to this, even when the element temperature is reduced to the maximum (that is, even at the lower end of the element temperature), a state in which moisture in the atmosphere chamber can be evaporated is maintained. Thus, the exchange of moisture and water vapor in the atmosphere chamber with the atmosphere can be promoted.

本発明の第3の形態は、前記第1又は第2の形態において、
前記検出素子の温度を検出するための素子温検出手段が備えられ、
前記酸素センサの暖機過程において、前記素子温検出手段によって検出された素子温が所定の第2素子温に達するまで、前記検出素子が加熱させられ、
前記第2素子温が、前記酸素センサの活性開始温度より高温に設定されている
ことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect,
Element temperature detection means for detecting the temperature of the detection element is provided;
In the warm-up process of the oxygen sensor, the detection element is heated until the element temperature detected by the element temperature detection means reaches a predetermined second element temperature,
The second element temperature is set higher than the activation start temperature of the oxygen sensor.

これによれば、素子温を最大に上昇させたときの温度(即ち、素子温の上昇端)を、大気室に存在する水分が蒸発可能となる最低温度よりも著しく高温とすることができる。よって、素子温を第2素子温から低下させるとき、大気室内の水分が蒸発可能な状態を比較的長く維持でき、これによって大気室内の水分の蒸発を促進し、大気室内の水分及び水蒸気と大気との交換を促進することができる。   According to this, the temperature when the element temperature is raised to the maximum (that is, the rising edge of the element temperature) can be made significantly higher than the lowest temperature at which moisture present in the atmospheric chamber can be evaporated. Therefore, when the element temperature is lowered from the second element temperature, the state in which the moisture in the atmosphere chamber can evaporate can be maintained for a relatively long time, thereby promoting the evaporation of the moisture in the atmosphere chamber, and the moisture and water vapor in the atmosphere chamber and the atmosphere. Exchange with can be promoted.

本発明の第4の形態は、前記第1乃至第3のいずれかの形態において、
前記ヒータ制御手段が、前記酸素センサの暖機過程において前記検出素子の温度を複数回低下させるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects,
The heater control means controls the heater so as to lower the temperature of the detection element a plurality of times during the warm-up process of the oxygen sensor.

これによれば、検出素子加熱時における大気室内ガスの外部への排気と、検出素子温度低下時における大気室内への外気導入とを繰り返し実行することができ、大気室内の水分及び水蒸気と大気との交換を促進することができる。   According to this, it is possible to repeatedly execute the exhaust of the atmospheric chamber gas to the outside during the heating of the detection element and the introduction of the outside air into the atmospheric chamber when the temperature of the detection element is lowered. Can be promoted.

本発明の第5の形態は、前記第1乃至第4のいずれかの形態において、
前記検出素子の温度を低下させた回数を計測するための計測手段が備えられ、
前記ヒータ制御手段が、前記計測手段によって計測された回数が所定値に達した後、前記検出素子の温度が活性温度に維持されるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects,
Measuring means for measuring the number of times the temperature of the detection element has been lowered is provided,
The heater control unit controls the heater so that the temperature of the detection element is maintained at an activation temperature after the number of times measured by the measurement unit reaches a predetermined value.

これにより、大気室内の水分及び水蒸気を大気と交換した後、通常のヒータ制御に移行することができる。   Thereby, after exchanging the water | moisture content and water vapor | steam in air | atmosphere with air | atmosphere, it can transfer to normal heater control.

本発明の第6の形態は、前記第1乃至第5のいずれかの形態において、
前記ヒータ制御手段が、前記ヒータをオンオフ制御する
ことを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects,
The heater control means controls the heater on and off.

本発明によれば、誤判定を防止して診断精度を向上することができるという、優れた効果が発揮される。   According to the present invention, an excellent effect of preventing erroneous determination and improving diagnosis accuracy is exhibited.

本発明が適用される車両用内燃機関の構成を、図1を参照して説明する。内燃機関10の吸気通路11には、その通路面積を可変とするスロットルバルブ15(本実施形態では電子制御式)が設けられ、その開度制御によりエアクリーナ14を通じて吸入される空気の量が調整される。ここで吸入された空気の量(吸入空気量)は、エアフローメータ16により検出されている。そして吸気通路11に吸入された空気は、スロットルバルブ15下流に設けられたインジェクタ17より噴射された燃料と混合された後、燃焼室12に送られて、そこで燃焼される。   The configuration of a vehicle internal combustion engine to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. The intake passage 11 of the internal combustion engine 10 is provided with a throttle valve 15 (in this embodiment, electronically controlled) whose variable passage area is provided, and the amount of air taken in through the air cleaner 14 is adjusted by opening degree control. The The amount of air sucked here (intake air amount) is detected by the air flow meter 16. The air sucked into the intake passage 11 is mixed with fuel injected from an injector 17 provided downstream of the throttle valve 15 and then sent to the combustion chamber 12 where it is burned.

一方、燃焼室12での燃焼により生じた排気ガスが送られる排気通路13には、排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒18が設けられ、その上流側には触媒前酸素センサ19、その下流側には触媒後酸素センサ20がそれぞれ設けられている。   On the other hand, a three-way catalyst 18 for purifying harmful components in the exhaust gas is provided in the exhaust passage 13 through which the exhaust gas generated by the combustion in the combustion chamber 12 is sent. A post-catalyst oxygen sensor 20 is provided on each downstream side.

三元触媒18は、燃焼される混合気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲(ウインドウ)でのみ、排気ガス中の主要有害成分(HC、CO、NOx)のすべてを効率的に浄化する。そうした三元触媒18を有効に機能させるには、混合気の空燃比を上記ウインドウの中心に合わせこむ、厳密なコントロールが必要となる。   The three-way catalyst 18 efficiently purifies all the main harmful components (HC, CO, NOx) in the exhaust gas only when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to be burned is in a narrow range (window) near the theoretical air-fuel ratio. . In order for such a three-way catalyst 18 to function effectively, it is necessary to strictly control the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to match the center of the window.

この空燃比の制御は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)22により行われる。ECU22には、上記エアフローメータ16や酸素センサ19,20、あるいはアクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ21、機関回転速度を検出する回転速度センサ23を始めとする各種センサ類の検出信号が入力されている。そしてそれらセンサ類の検出信号より把握される内燃機関10や車両の運転状況に応じて、上記スロットルバルブ15やインジェクタ17等を駆動制御して、上記の空燃比制御を行っている。空燃比制御の概要は次の通りである。   The air-fuel ratio is controlled by an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 22. The ECU 22 includes the air flow meter 16, oxygen sensors 19, 20, an accelerator opening sensor 21 that detects the amount of depression of the accelerator pedal (accelerator opening), and a rotational speed sensor 23 that detects the engine rotational speed. Sensor detection signals are input. The air-fuel ratio control is performed by drivingly controlling the throttle valve 15 and the injector 17 in accordance with the operating conditions of the internal combustion engine 10 and the vehicle ascertained from the detection signals of these sensors. The outline of air-fuel ratio control is as follows.

まずECU22は、アクセル開度や機関回転速度の検出結果に応じて把握される吸入空気量の要求量を求め、それに応じた吸入空気量が得られるようにスロットルバルブ15の開度を調整する。その一方、エアフローメータ16により検出される吸入空気量の実測値に対して、理論空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それによりインジェクタ17からの燃料噴射量を調整する。これにより、燃焼室12で燃焼される混合気の空燃比を、ある程度に理論空燃比に近づけることはできる。ただし、それだけでは上記要求される高精度の空燃比制御には不十分である。   First, the ECU 22 obtains a required amount of intake air amount grasped according to the detection result of the accelerator opening degree and the engine rotation speed, and adjusts the opening degree of the throttle valve 15 so as to obtain the intake air amount corresponding thereto. On the other hand, an amount of fuel sufficient to obtain the stoichiometric air-fuel ratio is obtained from the actually measured value of the intake air amount detected by the air flow meter 16, thereby adjusting the fuel injection amount from the injector 17. Thereby, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture burned in the combustion chamber 12 can be brought close to the stoichiometric air-fuel ratio to some extent. However, that alone is not sufficient for the required highly accurate air-fuel ratio control.

そこでECU22は、上記各酸素センサ19,20の検出結果より把握される空燃比の実測値に基づいて、インジェクタ17からの燃料噴射量をフィードバック補正し、要求される空燃比制御の精度を確保している。   Accordingly, the ECU 22 feedback corrects the fuel injection amount from the injector 17 based on the actual value of the air-fuel ratio grasped from the detection results of the oxygen sensors 19 and 20, and ensures the required accuracy of the air-fuel ratio control. ing.

以上のように、この排気ガス浄化システムでは、酸素センサ19,20の検出結果に応じて燃料噴射量をフィードバック補正する、いわゆる空燃比フィードバック制御を実施することで、混合気の空燃比を理論空燃比近傍に保持し、高い排気ガス浄化率を確保している。なお、この排気ガス浄化システムでは、上述のように2つの酸素センサ19,20によって、三元触媒18の上下流における排気ガスの酸素分圧をそれぞれ検出することで、上記空燃比フィードバック制御の更なる高精度化を図っている。   As described above, in this exhaust gas purification system, the so-called air-fuel ratio feedback control that performs feedback correction of the fuel injection amount according to the detection results of the oxygen sensors 19 and 20 is performed, so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is reduced to the theoretical air-fuel ratio. A high exhaust gas purification rate is secured by maintaining the fuel ratio in the vicinity. In this exhaust gas purification system, as described above, the oxygen partial pressures of the exhaust gas upstream and downstream of the three-way catalyst 18 are detected by the two oxygen sensors 19 and 20, respectively. High accuracy is achieved.

2つの酸素センサ19,20は互いに同様の構成であり、また故障診断の方法も同様である。そこで以下、触媒前酸素センサ19を例にとって説明し、触媒後酸素センサ20については説明を省略する。図2及び図3に示すように、酸素センサ19は、排気通路13内に突出するように配設された筒型の検出素子31を備えている。検出素子31は、その内面を大気(空気)に露呈するとともに、その外面は、センサカバー32を通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子31は、内外の表面に電極33A,33Bが被覆された固体電解質により形成されている。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアなどが利用されている。検出素子31の内側の大気室34は、センサ内に設けられた図示しない大気通路と、センサボディに形成された大気穴35とを通じて外部に連通され、且つ大気が導出入可能となっている。大気室34には、検出素子31を加熱して早期に活性化させるためのヒータ36が設けられ、ヒータ36はECU22によって通電制御される。   The two oxygen sensors 19 and 20 have the same configuration, and the failure diagnosis method is also the same. Therefore, the pre-catalyst oxygen sensor 19 will be described as an example, and the post-catalyst oxygen sensor 20 will not be described. As shown in FIGS. 2 and 3, the oxygen sensor 19 includes a cylindrical detection element 31 arranged so as to protrude into the exhaust passage 13. The detection element 31 has its inner surface exposed to the atmosphere (air), and its outer surface is exposed to exhaust gas flowing through the sensor cover 32. The detection element 31 is formed of a solid electrolyte in which electrodes 33A and 33B are coated on the inner and outer surfaces. The solid electrolyte is a solid substance that can move in the state in which oxygen is ionized, and zirconia, for example, is used as an oxygen sensor. The atmosphere chamber 34 inside the detection element 31 communicates with the outside through an atmosphere passage (not shown) provided in the sensor and an atmosphere hole 35 formed in the sensor body, and the atmosphere can be led out and in. The atmospheric chamber 34 is provided with a heater 36 for heating the detection element 31 and activating it early, and the heater 36 is energized and controlled by the ECU 22.

検出素子31を介して隔てられたその内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側(通常は大気側)の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側(通常は排気ガス側)へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で4価の電子を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で4価の電子を放出する。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出素子31の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子31に起電力が発生する。こうして酸素センサ19は、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど(つまり検出素子31外部の排気ガスの空燃比がリッチであるほど)大きな起電力を発生する。ここで酸素イオンが内表面側の電極33Aから検出素子31を通って外表面側の電極33Bに向かうことから、電流の向きは逆となり、両電極に接続された外部装置に対しては内表面側の電極33Aが正極、外表面側の電極33Bが負極となる。   When a difference occurs in the oxygen partial pressure between the inner atmosphere separated from the detection element 31 and the outer exhaust gas, in order to reduce the difference in the partial pressure, the oxygen partial pressure side (usually the atmosphere side) is reduced. ) Is ionized, passes through the solid electrolyte, and moves to the side where oxygen partial pressure is low (usually the exhaust gas side). Oxygen molecules receive tetravalent electrons in the process of ionization, and emit tetravalent electrons in the process of returning from the ionized state to the molecule. Therefore, movement of electrons occurs at the electrodes on the inner and outer surfaces of the detection element 31 in accordance with the movement of oxygen, and as a result, an electromotive force is generated in the detection element 31. Thus, the oxygen sensor 19 generates an electromotive force according to the difference in oxygen partial pressure between the atmosphere and the exhaust gas. More specifically, as the oxygen concentration of the exhaust gas decreases (that is, the exhaust gas outside the detection element 31). Larger electromotive force is generated (the richer the air-fuel ratio). Here, since oxygen ions are directed from the inner surface side electrode 33A through the detection element 31 to the outer surface side electrode 33B, the direction of the current is reversed, and the inner surface is not connected to the external device connected to both electrodes. The side electrode 33A is a positive electrode, and the outer surface side electrode 33B is a negative electrode.

ちなみに、酸素センサには他にも、板形状の検出素子を用いたものや、検出素子にジルコニア以外の素材を用いたものなど、様々なタイプの酸素センサがある。そしてその多くでは、上記例示したセンサと同様の検出原理により排気ガスの酸素分圧を検出する構成、すなわち基準ガス(大気)と排気ガスとを隔離するよう配設された検出素子が、基準ガスに対する排気ガスの酸素分圧の差に応じて起電力を発生する構成となっている。   Incidentally, there are various types of oxygen sensors such as those using a plate-shaped detection element and those using a material other than zirconia for the detection element. In many cases, a configuration for detecting the oxygen partial pressure of the exhaust gas based on the same detection principle as that of the above-described sensor, that is, a detection element arranged to isolate the reference gas (atmosphere) and the exhaust gas is a reference gas. The electromotive force is generated in accordance with the difference in oxygen partial pressure of the exhaust gas with respect to the exhaust gas.

酸素センサ19の出力特性を図4に例示する。示されるように、酸素センサ19の出力電圧は理論空燃比A/Fs(例えば14.6)を境に過渡的に変化し、酸素センサ19に供給される排気ガス(雰囲気ガス)の空燃比A/Fが理論空燃比A/Fsよりもリーンな領域(A/F>A/Fs、以下リーン空燃比ともいう)では0.1V程度の小さい電圧を示し、理論空燃比A/Fsよりもリッチな領域(A/F<A/Fs、以下リッチ空燃比ともいう)では0.9V程度の比較的高い電圧を示す。ここでは、0.45Vのセンサ出力をリッチ・リーン判定閾値として、センサ19の検出結果が、理論空燃比よりもリッチかリーンかを判断している。なお、酸素センサ19の上記各領域でのセンサ出力電圧の大きさは、検出素子31の温度状態に応じて変化することがある。   The output characteristics of the oxygen sensor 19 are illustrated in FIG. As shown, the output voltage of the oxygen sensor 19 changes transiently at the theoretical air-fuel ratio A / Fs (for example, 14.6), and the air-fuel ratio A of the exhaust gas (atmosphere gas) supplied to the oxygen sensor 19 In a region where / F is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio A / Fs (A / F> A / Fs, hereinafter also referred to as lean air-fuel ratio), it shows a small voltage of about 0.1 V, richer than the stoichiometric air-fuel ratio A / Fs In such a region (A / F <A / Fs, hereinafter also referred to as a rich air-fuel ratio), a relatively high voltage of about 0.9 V is shown. Here, the sensor output of 0.45 V is used as a rich / lean determination threshold value to determine whether the detection result of the sensor 19 is richer or leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Note that the magnitude of the sensor output voltage in each region of the oxygen sensor 19 may vary depending on the temperature state of the detection element 31.

なお、本実施形態のように、理論空燃比での燃焼(ストイキ燃焼)のみを目的とした空燃比制御を行う内燃機関では、理論空燃比を境に出力電圧が大きく変化する特性の酸素センサが用いられることが多い。こうしたセンサは、理論空燃比よりもリッチ、及び理論空燃比よりもリーンのいずれかといった低い分解能しか持たないものの、上記ストイキ燃焼のみを行うには、それで十分なことが多い。一方、希薄空燃比での燃焼を行うなど、より広範囲の空燃比での燃焼を行う内燃機関では、排気ガスの空燃比に応じてその出力値が線形的に変化する特性の、より分解能の高い酸素センサが用いられることもある。本発明はこのような酸素センサに対しても適用可能である。   Note that, as in this embodiment, in an internal combustion engine that performs air-fuel ratio control for the purpose of combustion only at the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric combustion), an oxygen sensor having a characteristic that the output voltage changes greatly with the stoichiometric air-fuel ratio as a boundary. Often used. Such sensors have a lower resolution, either richer than the stoichiometric air-fuel ratio and leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, but are often sufficient to perform only the stoichiometric combustion. On the other hand, in an internal combustion engine that performs combustion at a wider range of air-fuel ratio, such as combustion at a lean air-fuel ratio, the output value linearly changes according to the air-fuel ratio of the exhaust gas, and has higher resolution. An oxygen sensor may be used. The present invention is also applicable to such an oxygen sensor.

ところで、長期使用による経年劣化等により、酸素センサ19の検出素子31にクラックが入ったり、検出素子31が割れたりするといった検出素子31の欠損が発生し、酸素センサ19が故障する場合がある。この欠損によるセンサ故障の場合、図5に示すように、検出素子31の欠損部37を通じて検出素子31の内外が連通し、検出素子31外部の排気ガスがその内部に侵入する。そして検出素子31内部に排気ガスが侵入した状態で、検出素子31外部により酸素濃度の高い(空燃比リーンの)排気ガスが存在すると、酸素センサ19において逆方向の起電力が発生する。このことは例えば、センサ故障状態で空燃比をリッチからリーンに切り替えた場合や、フューエルカットが行われた場合などに起こり得る。この場合、正極33Aの電位よりも負極33Bの電位の方が高くなり、負(マイナス)の出力電圧が発生することになる。   By the way, due to aged deterioration due to long-term use or the like, the detection element 31 of the oxygen sensor 19 may be cracked or the detection element 31 may be broken, and the oxygen sensor 19 may break down. In the case of a sensor failure due to this defect, as shown in FIG. 5, the inside and outside of the detection element 31 communicate with each other through the defect part 37 of the detection element 31, and exhaust gas outside the detection element 31 enters the inside. If exhaust gas having a high oxygen concentration (air-fuel ratio lean) exists outside the detection element 31 with the exhaust gas entering the detection element 31, an electromotive force in the reverse direction is generated in the oxygen sensor 19. This may occur, for example, when the air-fuel ratio is switched from rich to lean in a sensor failure state, or when fuel cut is performed. In this case, the potential of the negative electrode 33B is higher than the potential of the positive electrode 33A, and a negative (minus) output voltage is generated.

図6はかかる故障時の酸素センサ出力電圧の変化の一例を示す。円で囲った領域に示されるように、酸素センサ19からはしばしば負の電圧が出力される。従ってこのような負の出力電圧をECU22により検知することで、酸素センサの故障を一応は推定することができる。   FIG. 6 shows an example of a change in the oxygen sensor output voltage at the time of such a failure. As shown in the circled area, the oxygen sensor 19 often outputs a negative voltage. Therefore, by detecting such a negative output voltage by the ECU 22, a failure of the oxygen sensor can be estimated for the time being.

しかしながら、前述したように、酸素センサ19が欠損故障しておらず、正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサ19から負の出力電圧が発生することがある。従って、この場合にも酸素センサ19の故障と判断してしまうことは誤判定となり、故障診断の精度を落としめる結果となる。   However, as described above, even if the oxygen sensor 19 is not defective and is normal, a negative output voltage may be generated from the oxygen sensor 19 during warm-up after the internal combustion engine is started. Therefore, in this case as well, it is erroneously determined that the oxygen sensor 19 has failed, resulting in a decrease in the accuracy of failure diagnosis.

図7には、酸素センサが正常な場合における、内燃機関始動後の暖機中における酸素センサ出力電圧(実線)の変化を調べた試験結果を示す。なお酸素センサの検出素子のインピーダンス(以下、「素子インピーダンス」ともいう)(一点鎖線)の変化を併記した。素子インピーダンスは酸素センサの検出素子の温度(以下、「素子温」ともいう)に相関する値であり、両者は、素子温が高温になるほどに素子インピーダンスが低くなるという関係にある。従って図から素子温が次第に上昇していることが理解されよう。   FIG. 7 shows the test results of examining changes in the oxygen sensor output voltage (solid line) during warm-up after the internal combustion engine is started when the oxygen sensor is normal. The change in impedance (hereinafter also referred to as “element impedance”) (one-dot chain line) of the detection element of the oxygen sensor is also shown. The element impedance is a value that correlates with the temperature of the detection element of the oxygen sensor (hereinafter also referred to as “element temperature”), and the relationship between the two is that the element impedance decreases as the element temperature increases. Therefore, it will be understood from the figure that the element temperature gradually increases.

図示されるように、内燃機関の始動時(t=0)から一定期間、酸素センサ出力電圧が0Vとなっている。これは酸素センサの素子温が未だ活性温度に達しておらず電圧を出力できないからである。その後、酸素センサの暖機が終了し、素子温が活性温度に達すると、破線円で示されるように、負の電圧が酸素センサから出力されることがある。この理由は、内燃機関始動前の機関停止中に検出素子内側の大気室に凝縮水などが発生し、大気室に水分が存在するからである。即ち、図2及び図3を参照して、内燃機関停止中には大気通路や大気穴35を通じて大気室34内に水分を含む外気が浸入し、さらに大気室34や検出素子31の温度も低下するので、大気室34内に凝縮水が生成される。この凝縮水が、内燃機関始動後、ヒータ36への通電とも相俟って、大気室34及び検出素子31の温度上昇と共に蒸発し、このとき水分の蒸発による体積膨張に起因して大気室34内の空気が外部に駆逐され、即ち追い出される。こうなると大気室34内が所謂酸欠状態となり、検出素子31の内外の酸素分圧が逆転して酸素センサ19から負の電圧が出力される。この後、水蒸気は大気室34から追い出され、代わりに大気室36内に大気が再び戻る或いは再導入されるようになる。こうなると検出素子31の内外に正常な酸素分圧の差が生じるようになり、酸素センサ19からは正の電圧が出力されるようになる。   As shown in the figure, the oxygen sensor output voltage is 0 V for a certain period from the start of the internal combustion engine (t = 0). This is because the element temperature of the oxygen sensor has not yet reached the activation temperature and voltage cannot be output. Thereafter, when warming up of the oxygen sensor is completed and the element temperature reaches the activation temperature, a negative voltage may be output from the oxygen sensor as indicated by a broken-line circle. This is because condensed water or the like is generated in the atmospheric chamber inside the detection element while the engine is stopped before the internal combustion engine is started, and moisture exists in the atmospheric chamber. 2 and 3, when the internal combustion engine is stopped, outside air containing moisture enters the atmosphere chamber 34 through the atmosphere passage and the atmosphere hole 35, and the temperature of the atmosphere chamber 34 and the detection element 31 also decreases. Therefore, condensed water is generated in the atmospheric chamber 34. After the internal combustion engine is started, the condensed water evaporates as the temperature of the atmospheric chamber 34 and the detection element 31 rises along with the energization of the heater 36. At this time, the atmospheric chamber 34 is caused by volume expansion due to evaporation of moisture. The air inside is expelled to the outside, that is, expelled. When this happens, the atmosphere chamber 34 is in a so-called oxygen deficient state, the oxygen partial pressure inside and outside the detection element 31 is reversed, and a negative voltage is output from the oxygen sensor 19. After this, the water vapor is expelled from the atmospheric chamber 34 and instead the atmospheric air returns or is reintroduced into the atmospheric chamber 36. As a result, a difference in normal oxygen partial pressure occurs between the inside and outside of the detection element 31, and a positive voltage is output from the oxygen sensor 19.

かような理由で、内燃機関始動後のセンサ暖機中に正常な酸素センサから負の電圧が出力されてしまうことがあり得る。よってこの場合に酸素センサの故障と誤判定することを防止するため、本実施形態では、酸素センサ19の暖機過程において検出素子31の温度を少なくとも1回低下させるように、ヒータ36を制御することとしている。以下これについて説明する。   For this reason, a negative voltage may be output from a normal oxygen sensor during sensor warm-up after starting the internal combustion engine. Therefore, in this embodiment, in order to prevent erroneous determination as a failure of the oxygen sensor in this case, the heater 36 is controlled so as to decrease the temperature of the detection element 31 at least once during the warm-up process of the oxygen sensor 19. I am going to do that. This will be described below.

この誤判定防止のための技術は、概して、酸素センサ19のヒータ36への通電制御の改良に関する。即ち、一般的には機関始動後の酸素センサの暖機過程において、素子温が活性温度に達するまでヒータが連続的に加熱される。これに対し、本実施形態では、検出素子31の温度を少なくとも1回低下させるようにヒータ36が制御される。素子加熱中には大気室34内のガス(水蒸気を含む)が膨張して外部に追い出されるが、その一方で、素子温の低下中には大気室34内のガスが収縮し、その収縮分だけ外気を大気室34に導入することができる。つまり、素子温の増減により大気室34が外部と呼吸するようになり、大気室34内のガスと外気との交換を促進することができる。こうして、大気室34の酸欠状態を可及的速やかに解消し、センサ暖機過程での負電圧発生を防止すると共に、誤判定を防止し、診断精度を向上することができる。   This technique for preventing erroneous determination generally relates to improvement in energization control of the heater 36 of the oxygen sensor 19. That is, in general, in the process of warming up the oxygen sensor after the engine is started, the heater is continuously heated until the element temperature reaches the activation temperature. On the other hand, in the present embodiment, the heater 36 is controlled so as to decrease the temperature of the detection element 31 at least once. During element heating, the gas (including water vapor) in the atmospheric chamber 34 expands and is expelled to the outside. On the other hand, the gas in the atmospheric chamber 34 contracts while the element temperature decreases, Only outside air can be introduced into the atmospheric chamber 34. In other words, the atmospheric chamber 34 can breathe to the outside by increasing or decreasing the element temperature, and the exchange between the gas in the atmospheric chamber 34 and the outside air can be promoted. In this way, the oxygen deficiency state of the atmospheric chamber 34 can be eliminated as quickly as possible, and negative voltage generation during the sensor warm-up process can be prevented, erroneous determination can be prevented, and diagnostic accuracy can be improved.

本実施形態では、ECU22が検出素子31のインピーダンスを検出する。前述したように素子インピーダンスは素子温に相関する値なので、素子インピーダンスを検出することは即ち素子温を検出することと等価である。以下、本実施形態における具体的なヒータ制御の内容を説明する。   In the present embodiment, the ECU 22 detects the impedance of the detection element 31. As described above, since the element impedance is a value correlated with the element temperature, detecting the element impedance is equivalent to detecting the element temperature. Hereinafter, specific heater control contents in the present embodiment will be described.

図8に内燃機関始動後のヒータ制御の様子を概略的に示す。内燃機関始動時(t=0)にヒータ36がオンされ、これによってヒータ36及び検出素子31の温度が上昇していく。素子温Tsは、所定の第1素子温Ts1を超え、第1素子温Ts1より高温の所定の第2素子温Ts2にやがて達する。本実施形態において、第1素子温Ts1は、大気室34の水分が蒸発可能となる最低温度、言い換えればセンサ暖機過程で大気室34の水分が蒸発を開始する蒸発開始温度(本実施形態では100℃)に等しく設定されている。また、第2素子温Ts2は、酸素センサ19の活性開始温度Tsa(本実施形態では400℃)よりも若干高い値に設定されている(本実施形態では500℃)。第1素子温Ts1及び第2素子温Ts2に対応する第1素子インピーダンスRs1及び第2素子インピーダンスRs2はそれぞれ50000Ω及び1000Ωである。   FIG. 8 schematically shows how the heater is controlled after the internal combustion engine is started. When the internal combustion engine is started (t = 0), the heater 36 is turned on, whereby the temperature of the heater 36 and the detection element 31 rises. The element temperature Ts exceeds a predetermined first element temperature Ts1, and eventually reaches a predetermined second element temperature Ts2 that is higher than the first element temperature Ts1. In the present embodiment, the first element temperature Ts1 is the lowest temperature at which moisture in the atmosphere chamber 34 can evaporate, in other words, the evaporation start temperature at which moisture in the atmosphere chamber 34 starts to evaporate during the sensor warm-up process (in this embodiment, 100 ° C.). The second element temperature Ts2 is set to a value (500 ° C. in this embodiment) slightly higher than the activation start temperature Tsa (400 ° C. in this embodiment) of the oxygen sensor 19. The first element impedance Rs1 and the second element impedance Rs2 corresponding to the first element temperature Ts1 and the second element temperature Ts2 are 50000Ω and 1000Ω, respectively.

ECU22により検出された素子インピーダンスRsが第2素子インピーダンスRs2に達したと同時に、ヒータ36がオフされ、この後ヒータ36及び検出素子31の温度が低下していく。そして、検出された素子インピーダンスRsが再び第1素子インピーダンスRs1に達したと同時に、ヒータ36がオンされ、これによってヒータ36及び検出素子31の温度が上昇していく。このようにしてヒータ温度ひいては素子温Tsが、第1素子温Ts1と第2素子温Ts2との間で繰り返し増減される。これにより大気室内ガスの外部への排気と、大気室への外気導入とを繰り返し実行することができ、大気室内の水分・水蒸気と外気との交換を促進できる。検出素子31の温度を低下させた回数Nが所定値Ns(本実施形態では3)に達した時点で、大気室内の水分・水蒸気と外気との交換が終了したとみなし、通常のヒータ制御に移行する。本実施形態では、ヒータオフ中に素子インピーダンスRsが第1素子インピーダンスRs1に達する毎に回数Nが1ずつ増加される。この回数Nの計測はECU22に設けられたカウンタにより行われる。通常のヒータ制御では、素子温Tsが活性温度に維持されるようにヒータが制御される。具体的には、素子温Tsが、第2素子温Ts2以上の所定の目標温度(本実施形態では500〜550℃程度)に維持されるように、ヒータが制御される。   At the same time as the element impedance Rs detected by the ECU 22 reaches the second element impedance Rs2, the heater 36 is turned off, and thereafter the temperatures of the heater 36 and the detection element 31 are lowered. Then, at the same time when the detected element impedance Rs reaches the first element impedance Rs1 again, the heater 36 is turned on, whereby the temperature of the heater 36 and the detection element 31 rises. In this way, the heater temperature and thus the element temperature Ts are repeatedly increased or decreased between the first element temperature Ts1 and the second element temperature Ts2. Thereby, exhaust of the atmospheric chamber gas to the outside and introduction of the outside air into the atmospheric chamber can be repeatedly performed, and exchange of moisture / water vapor in the atmospheric chamber with the outside air can be promoted. When the number N of times that the temperature of the detection element 31 has decreased reaches a predetermined value Ns (3 in the present embodiment), it is considered that the exchange of moisture / water vapor in the air chamber and the outside air has been completed, and normal heater control is performed. Transition. In the present embodiment, the number N is increased by 1 each time the element impedance Rs reaches the first element impedance Rs1 while the heater is turned off. The number N is measured by a counter provided in the ECU 22. In normal heater control, the heater is controlled so that the element temperature Ts is maintained at the activation temperature. Specifically, the heater is controlled so that the element temperature Ts is maintained at a predetermined target temperature that is equal to or higher than the second element temperature Ts2 (in this embodiment, about 500 to 550 ° C.).

図9は、ECU22により実行される上述のヒータ制御のフローチャートを示す。先ず、ステップS101では、ヒータ制御を開始するための前提条件が成立しているかどうかが判断される。この前提条件が成立している場合とは、例えば、1)エンジン始動後であること、2)機関水温が所定温度(例えば0℃)を超えていること、の全てが満たされている場合である。機関水温は図示しない水温センサで検出される。   FIG. 9 shows a flowchart of the above-described heater control executed by the ECU 22. First, in step S101, it is determined whether a precondition for starting heater control is satisfied. The case where this precondition is satisfied is, for example, the case where all of 1) after engine start and 2) the engine water temperature exceeds a predetermined temperature (for example, 0 ° C.) are satisfied. is there. The engine water temperature is detected by a water temperature sensor (not shown).

前提条件が成立していない場合には前提条件が成立するまでステップS101が実行され、待機状態となる。他方、前提条件が成立している場合にはステップS102に進み、第1のヒータ制御が実行される。この第1のヒータ制御では、酸素センサ19のヒータ36がオンされ、ヒータ36には供給し得る最大電力が供給される。これによりヒータ36が速やかに加熱され、素子温が速やかに上昇される。そして素子温Tsが前述の第1素子温Ts1を超えれば、大気室34内の水分が蒸発されると共に、大気室34内の水蒸気を含むガスが外部に排気される。なお、ヒータ36はECU22によりデューティ制御されることも可能であり、この場合には、好ましくは100%、或いはそれより若干少ない値のONデューティ比を有する通電パルスがヒータ36に供給される。   If the precondition is not satisfied, step S101 is executed until the precondition is satisfied, and a standby state is entered. On the other hand, when the precondition is satisfied, the process proceeds to step S102, and the first heater control is executed. In the first heater control, the heater 36 of the oxygen sensor 19 is turned on, and the maximum power that can be supplied is supplied to the heater 36. As a result, the heater 36 is quickly heated, and the element temperature is quickly raised. If the element temperature Ts exceeds the first element temperature Ts1, the moisture in the atmosphere chamber 34 is evaporated and the gas containing water vapor in the atmosphere chamber 34 is exhausted to the outside. The heater 36 can also be duty-controlled by the ECU 22. In this case, an energization pulse having an ON duty ratio of preferably 100% or slightly less is supplied to the heater 36.

次に、ステップS103において、素子温Tsが前述の第2素子温Ts2を超えたか否かが判断される。より具体的には、ECU22によって検出された素子インピーダンスRsが前述の第2素子インピーダンスRs2を下回ったか否かが判断される。   Next, in step S103, it is determined whether or not the element temperature Ts has exceeded the second element temperature Ts2. More specifically, it is determined whether or not the element impedance Rs detected by the ECU 22 is lower than the second element impedance Rs2.

素子温Tsが第2素子温Ts2を超えていないと判断された場合、ステップS102が繰り返し実行され、ヒータ加熱が続行される。   When it is determined that the element temperature Ts does not exceed the second element temperature Ts2, step S102 is repeatedly executed, and the heater heating is continued.

他方、素子温Tsが第2素子温Ts2を超えたと判断された場合、ステップS104において第2のヒータ制御が実行される。この第2のヒータ制御においては、酸素センサ19のヒータ36がオフされる。これによりヒータ36の加熱が停止され、ヒータ36及び検出素子31は自然放熱状態となって、ヒータ温度及び素子温が低下させられる。このとき大気室34内の温度も低下し、大気室34内のガスが収縮し、大気室34には外気が取り込まれる。なお、ヒータ36がデューティ制御される場合、この第2のヒータ制御では第1のヒータ制御のときより小さいONデューティ比の通電パルスをヒータ36に供給する。このときのONデューティ比は好ましくは0%(つまり無通電)であるが、それより若干大きい値(例えば20%程度)でもよい。   On the other hand, when it is determined that the element temperature Ts exceeds the second element temperature Ts2, the second heater control is executed in step S104. In the second heater control, the heater 36 of the oxygen sensor 19 is turned off. Thereby, the heating of the heater 36 is stopped, the heater 36 and the detection element 31 are in a natural heat radiation state, and the heater temperature and the element temperature are lowered. At this time, the temperature in the atmospheric chamber 34 also decreases, the gas in the atmospheric chamber 34 contracts, and outside air is taken into the atmospheric chamber 34. When the heater 36 is duty-controlled, in the second heater control, an energization pulse having an ON duty ratio smaller than that in the first heater control is supplied to the heater 36. The ON duty ratio at this time is preferably 0% (that is, no energization), but may be a slightly larger value (for example, about 20%).

次に、ステップS105において、素子温Tsが前述の第1素子温Ts1を下回ったか否かが判断される。より具体的には、ECU22によって検出された素子インピーダンスRsが前述の第1素子インピーダンスRs1を上回ったか否かが判断される。   Next, in step S105, it is determined whether or not the element temperature Ts is lower than the first element temperature Ts1. More specifically, it is determined whether the element impedance Rs detected by the ECU 22 exceeds the first element impedance Rs1 described above.

素子温Tsが第1素子温Ts1を下回っていないと判断された場合、ステップS104が繰り返し実行され、ヒータ停止が続行される。   When it is determined that the element temperature Ts is not lower than the first element temperature Ts1, step S104 is repeatedly executed, and the heater stop is continued.

他方、素子温Tsが第1素子温Ts1を下回ったと判断された場合、ステップS106において、回数カウンタのカウント値Nが1だけカウントアップされる。そして、次のステップS107で、そのカウント値Nが前述の所定値Ns以上に達したか否かが判断される。   On the other hand, when it is determined that the element temperature Ts is lower than the first element temperature Ts1, the count value N of the number counter is incremented by 1 in step S106. Then, in the next step S107, it is determined whether or not the count value N has reached the predetermined value Ns or more.

カウント値Nが所定値Ns以上に達していないと判断された場合、ステップS101に戻って、ステップS101〜S106が繰り返し実行される。これにより、再度、ヒータの加熱及び停止、並びに回数カウンタのカウントアップが実行される。   When it is determined that the count value N has not reached the predetermined value Ns or more, the process returns to step S101, and steps S101 to S106 are repeatedly executed. Thereby, heating and stopping of the heater and counting up of the number counter are executed again.

他方、カウント値Nが所定値Ns以上に達したと判断された場合、ステップS108に進み、第3のヒータ制御が実行される。この第3のヒータ制御とは通常のヒータ制御のことであり、素子温Tsが前述の目標温度に維持されるように、より具体的には検出された素子インピーダンスRsが目標温度相当の素子インピーダンスに維持されるように、ヒータが制御される。これによりヒータはまず加熱され、素子温Tsが目標温度に達した後は素子温Tsが目標温度付近となるようにヒータがオンオフ制御される。この第3のヒータ制御で素子温Tsが最初に目標温度に達した時点で酸素センサ19の暖機過程が終了する。   On the other hand, when it is determined that the count value N has reached the predetermined value Ns or more, the process proceeds to step S108, and the third heater control is executed. The third heater control is normal heater control, and more specifically, the detected element impedance Rs is equivalent to the target temperature so that the element temperature Ts is maintained at the target temperature. The heater is controlled so as to be maintained. As a result, the heater is first heated, and after the element temperature Ts reaches the target temperature, the heater is turned on / off so that the element temperature Ts is close to the target temperature. The warm-up process of the oxygen sensor 19 is completed when the element temperature Ts first reaches the target temperature by the third heater control.

以上のヒータ制御においては、大気室34の水分及び水蒸気をできるだけ早く大気と交換させ、酸素センサ19をできるだけ早く通常通り使用できるようにするのが好ましい。こうした観点から、ヒータ温度及び素子温の上昇端、下降端及び増減幅を規定する第1及び第2素子温Ts1,Ts2と、素子温低下回数を規定する所定値Nsとを最適に設定するのが望ましい。   In the above heater control, it is preferable to exchange the moisture and water vapor in the atmosphere chamber 34 with the atmosphere as soon as possible so that the oxygen sensor 19 can be used as usual as soon as possible. From such a viewpoint, the first and second element temperatures Ts1 and Ts2 that define the rising end, the falling end, and the increase / decrease range of the heater temperature and the element temperature, and the predetermined value Ns that defines the number of element temperature drops are optimally set. Is desirable.

本実施形態では、第1素子温Ts1が、大気室34の水分が蒸発可能となる最低温度に等しく設定されている。よって素子温が最大に低下させられたときでも、大気室34内の水分が蒸発可能な状態が維持され、結局、素子温の増減中常に大気室34の水分を蒸発させることができ、これによって大気室内の水分・水蒸気と外気との交換を促進することができる。また、第2素子温Ts2が、酸素センサ19の活性開始温度Tsaより高温に設定されるので、検出素子加熱時の上昇端温度を水分蒸発可能な最低温度よりも著しく高温とすることができる。よって、素子温を第2素子温Ts2から低下させるとき、大気室34内の水分が蒸発可能な状態を比較的長く維持できる。よって大気室34内の水分の蒸発を促進し、大気室34内の水分・水蒸気と外気との交換を促進することができる。さらに、第2素子温Ts2が酸素センサ19の活性開始温度Tsaより若干高いだけなので、素子温増減中、多くの場合センサが活性していない。よって、素子温増減中に負電圧が検出されることが殆ど無く、これによっても誤判定を防止できる。素子温の増減幅Ts1〜Ts2が比較的大きいので、水分・水蒸気の排出と外気導入とを高効率で行うことができ(つまり、深呼吸に似た状態)、これによっても大気室内の水分・水蒸気と外気との交換を促進することができる。   In the present embodiment, the first element temperature Ts1 is set equal to the lowest temperature at which the moisture in the atmospheric chamber 34 can be evaporated. Therefore, even when the element temperature is lowered to the maximum, the state in which the moisture in the atmospheric chamber 34 can be evaporated is maintained. As a result, the moisture in the atmospheric chamber 34 can always be evaporated while the element temperature is increased or decreased. Exchange of moisture / water vapor in the air chamber with the outside air can be promoted. Further, since the second element temperature Ts2 is set to be higher than the activation start temperature Tsa of the oxygen sensor 19, the rising end temperature at the time of heating the detection element can be significantly higher than the lowest temperature at which moisture can be evaporated. Therefore, when the element temperature is lowered from the second element temperature Ts2, the state in which the moisture in the atmospheric chamber 34 can evaporate can be maintained for a relatively long time. Therefore, evaporation of moisture in the atmosphere chamber 34 can be promoted, and exchange of moisture / water vapor in the atmosphere chamber 34 with outside air can be promoted. Furthermore, since the second element temperature Ts2 is only slightly higher than the activation start temperature Tsa of the oxygen sensor 19, the sensor is often not activated during the increase or decrease in the element temperature. Therefore, the negative voltage is hardly detected during the increase / decrease of the element temperature, and this can prevent erroneous determination. Since the increase / decrease width Ts1 to Ts2 of the element temperature is relatively large, the moisture / water vapor can be discharged and the outside air can be introduced with high efficiency (that is, a state similar to deep breathing). Exchange with the outside air can be promoted.

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関は車載用に限定されず、酸素センサの配置方法や設置位置も任意に変更が可能である。また、前記実施形態で用いられた数値等は任意に変更が可能である。例えば、第1素子温Ts1は、大気室34の水分が蒸発可能となる最低温度より高い温度に設定してもよいし、低い温度に設定してもよい。高い温度に設定すると本実施形態同様に水分蒸発可能な状態を維持でき、低い温度に設定すると、前記最低温度を下回ったときに水分蒸発は行えないものの、大気室内のガス収縮及び外気導入に有利である。また、第2素子温Ts2を、酸素センサの活性開始温度以下の温度に設定してもよい。こうすると素子温増減中常に酸素センサを未活性の状態に置くことができ、負電圧検出を確実に防止できる。   The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but various other embodiments of the present invention are conceivable. For example, the internal combustion engine is not limited to being mounted on a vehicle, and the arrangement method and installation position of the oxygen sensor can be arbitrarily changed. The numerical values used in the above embodiment can be arbitrarily changed. For example, the first element temperature Ts1 may be set to a temperature higher or lower than the lowest temperature at which moisture in the atmospheric chamber 34 can be evaporated. If the temperature is set to a high temperature, the state capable of evaporating moisture can be maintained as in the present embodiment. If the temperature is set to a low temperature, moisture evaporation cannot be performed when the temperature falls below the minimum temperature, but it is advantageous for gas contraction in the atmosphere chamber and introduction of outside air. It is. Moreover, you may set 2nd element temperature Ts2 to the temperature below the activation start temperature of an oxygen sensor. In this way, the oxygen sensor can be kept in an inactive state whenever the element temperature is increased or decreased, and negative voltage detection can be reliably prevented.

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。   The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes all modifications, applications, and equivalents included in the concept of the present invention defined by the claims. Therefore, the present invention should not be construed as being limited, and can be applied to any other technique belonging to the scope of the idea of the present invention.

本実施形態に係る内燃機関を示す図である。It is a figure which shows the internal combustion engine which concerns on this embodiment. 酸素センサの取付状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the attachment state of an oxygen sensor. 酸素センサの検出素子周辺の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the detection element periphery of an oxygen sensor. 酸素センサの出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the output characteristic of an oxygen sensor. 酸素センサの検出素子に欠損部が生じた場合の拡大断面図である。It is an expanded sectional view when a defective part arises in a detection element of an oxygen sensor. 酸素センサの故障時における出力電圧の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the output voltage at the time of failure of an oxygen sensor. 酸素センサが正常な場合における、内燃機関始動後の暖機中における酸素センサ出力電圧の変化を調べた試験結果を示す。The test result which investigated the change of the oxygen sensor output voltage in the warming-up after an internal combustion engine start in case an oxygen sensor is normal is shown. 本実施形態のヒータ制御の様子を概略的に示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the mode of heater control of this embodiment roughly. 本実施形態のヒータ制御のフローチャートである。It is a flowchart of heater control of this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 内燃機関
13 排気通路
19,20 酸素センサ
22 電子制御ユニット(ECU)
31 検出素子
34 大気室
36 ヒータ
Ts 素子温
Ts1 第1素子温
Ts2 第2素子温
N カウント値
Ns 所定値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine 13 Exhaust passage 19, 20 Oxygen sensor 22 Electronic control unit (ECU)
31 Detection element 34 Atmospheric chamber 36 Heater Ts Element temperature Ts1 First element temperature Ts2 Second element temperature N Count value Ns Predetermined value

Claims (6)

内燃機関の排気通路内に配置される検出素子を有し、該検出素子の内側に大気室が区画形成された酸素センサの故障診断装置において、
前記酸素センサに設けられ、前記検出素子を加熱するためのヒータと、
前記ヒータを制御するヒータ制御手段と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するための出力電圧検出手段と、
前記出力電圧検出手段により負の出力電圧が検出されたとき前記酸素センサの故障と判定する故障判定手段と、
を備え、
前記ヒータ制御手段が、前記酸素センサの暖機過程において前記検出素子の温度を少なくとも1回低下させるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
In an oxygen sensor failure diagnosis apparatus having a detection element disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine, and an air chamber is defined inside the detection element,
A heater provided in the oxygen sensor for heating the detection element;
Heater control means for controlling the heater;
Output voltage detection means for detecting the output voltage of the oxygen sensor;
A failure determination unit that determines that the oxygen sensor has failed when a negative output voltage is detected by the output voltage detection unit;
With
The oxygen sensor failure diagnosis apparatus, wherein the heater control means controls the heater so that the temperature of the detection element is decreased at least once in a warm-up process of the oxygen sensor.
前記検出素子の温度を検出するための素子温検出手段が備えられ、
前記検出素子の温度低下時に、前記素子温検出手段によって検出された素子温が所定の第1素子温に達するまで、前記検出素子の温度が低下させられ、
前記第1素子温が、前記大気室に存在する水分が蒸発可能となる最低温度に等しく設定されている
ことを特徴とする請求項1記載の酸素センサの故障診断装置。
Element temperature detection means for detecting the temperature of the detection element is provided;
When the temperature of the detection element decreases, the temperature of the detection element is decreased until the element temperature detected by the element temperature detection means reaches a predetermined first element temperature,
2. The oxygen sensor failure diagnosis device according to claim 1, wherein the first element temperature is set equal to a minimum temperature at which moisture existing in the atmosphere chamber can evaporate.
前記検出素子の温度を検出するための素子温検出手段が備えられ、
前記酸素センサの暖機過程において、前記素子温検出手段によって検出された素子温が所定の第2素子温に達するまで、前記検出素子が加熱させられ、
前記第2素子温が、前記酸素センサの活性開始温度より高温に設定されている
ことを特徴とする請求項1又は2記載の酸素センサの故障診断装置。
Element temperature detection means for detecting the temperature of the detection element is provided;
In the warming-up process of the oxygen sensor, the detection element is heated until the element temperature detected by the element temperature detection means reaches a predetermined second element temperature,
The oxygen sensor failure diagnosis apparatus according to claim 1 or 2, wherein the second element temperature is set to be higher than an activation start temperature of the oxygen sensor.
前記ヒータ制御手段が、前記酸素センサの暖機過程において前記検出素子の温度を複数回低下させるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。
The oxygen sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the heater control unit controls the heater so as to lower the temperature of the detection element a plurality of times during a warm-up process of the oxygen sensor. Fault diagnosis device.
前記検出素子の温度を低下させた回数を計測するための計測手段が備えられ、
前記ヒータ制御手段が、前記計測手段によって計測された回数が所定値に達した後、前記検出素子の温度が活性温度に維持されるように、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。
Measuring means for measuring the number of times the temperature of the detection element has been lowered is provided,
The heater control means controls the heater so that the temperature of the detection element is maintained at an activation temperature after the number of times measured by the measurement means reaches a predetermined value. The oxygen sensor failure diagnosis device according to any one of claims 1 to 4.
前記ヒータ制御手段が、前記ヒータをオンオフ制御する
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。
The oxygen sensor failure diagnosis apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the heater control means performs on / off control of the heater.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20160032812A1 (en) * 2014-08-01 2016-02-04 Hyundai Motor Company Method and system for detecting fault of rear oxygen sensor
US9945314B2 (en) 2014-10-29 2018-04-17 Hyundai Motor Company Apparatus and method for controlling oxygen sensor

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