JP2011095199A - Abnormality diagnostic device for gas sensor - Google Patents

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Hisashi Kadowaki
寿 門脇
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To distinguish resettable abnormalities from unresettable abnormalities in abnormality diagnosis of gas sensors. <P>SOLUTION: An exhaust pipe 14 of an engine 10 includes a gas sensor (O2 sensor 20) provided with a sensor element 21 having a solid electrolytic layer 24 and a pair of electrodes 25 and 26 arranged in the solid electrolytic layer 24. An ECU 40 diagnoses abnormalities of the gas sensor 20 on the basis of electric signals from the pair of electrodes 25 and 26. The ECU 40 especially determines the presence of the state of continuity of at least either one of the pair of electrodes 25 and 26 with the side of the exhaust pipe 14 due to water immersion and limits the implementation of sensor abnormality diagnosis based on output values of the gas sensor 20 in the case that it is determined that the state of continuity is present. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガスセンサの異常診断装置に関し、詳しくは、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を有するガスセンサについて、センサ出力値に基づいて同ガスセンサの異常診断を実施するガスセンサの異常診断装置に関するものである。   The present invention relates to an abnormality diagnosis device for a gas sensor, and more specifically, for a gas sensor having a sensor element having a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body, the abnormality diagnosis of the gas sensor is performed based on the sensor output value. The present invention relates to an abnormality diagnosis device for a gas sensor.

従来、内燃機関では、固体電解質体と一対の電極とを備えるO2センサ等のガスセンサが排気管に配置され、このガスセンサの出力値に基づいて空燃比制御が実施されている。また、内燃機関の空燃比制御を適正に実施すべく、ガスセンサの異常診断を実施するための方法が種々提案されている(例えば特許文献1や特許文献2参照)。   Conventionally, in an internal combustion engine, a gas sensor such as an O2 sensor having a solid electrolyte body and a pair of electrodes is disposed in an exhaust pipe, and air-fuel ratio control is performed based on an output value of the gas sensor. In addition, various methods for performing abnormality diagnosis of gas sensors have been proposed in order to appropriately perform air-fuel ratio control of an internal combustion engine (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

特許文献1には、O2センサの負側端子にバイアスを印加しておき、その電圧印加状態において正側端子の電圧を検出する。そして、その検出電圧がバイアス電圧以上であれば、検出電圧は空燃比リーンに伴う正常な値であると判定する。一方、検出電圧がバイアス電圧未満の場合には、正側端子においてグランド回路に対する短絡異常か又は断線異常が発生している旨判定することが開示されている。   In Patent Document 1, a bias is applied to the negative terminal of the O2 sensor, and the voltage at the positive terminal is detected in the voltage application state. If the detected voltage is equal to or higher than the bias voltage, it is determined that the detected voltage is a normal value associated with lean air-fuel ratio. On the other hand, it is disclosed that when the detected voltage is less than the bias voltage, it is determined that a short circuit abnormality or a disconnection abnormality has occurred with respect to the ground circuit at the positive terminal.

また、特許文献2には、O2センサの負側端子にバイアスを印加しておき、その電圧印加状態において、O2センサの正側端子及び負側端子のそれぞれの端子電圧を検出することにより、正側端子又は負側端子の短絡異常の有無を判定することが開示されている。このうち、負側端子の異常診断について具体的には、負側端子の端子電圧がバイアス電圧を基準にして過大又は過小の場合に、負端子配線が電源線と混触した天絡異常か、又は負端子配線がグランド線と混触した地絡異常が発生している旨判定する。   Further, in Patent Document 2, a bias is applied to the negative terminal of the O2 sensor, and the positive terminal and the negative terminal of the O2 sensor are detected in the voltage application state to detect the positive terminal. It is disclosed that the presence or absence of a short circuit abnormality of the side terminal or the negative side terminal is determined. Among these, specifically for abnormality diagnosis of the negative side terminal, when the terminal voltage of the negative side terminal is excessive or excessive with respect to the bias voltage, the negative terminal wiring is in a power fault abnormality in contact with the power supply line, or It is determined that a ground fault has occurred where the negative terminal wiring is in contact with the ground line.

特開2005−171898号公報JP 2005-171898 A 特許第4157576号公報Japanese Patent No. 4157576

例えば内燃機関の冷間始動時などにおいて、排気管内の水蒸気が凝縮し又はこれが飛散することによりガスセンサに水が付着することがある。ここで、ガスセンサに水が付着した場合、その水を介してセンサ素子の電極と排気管側とが繋がり、これらが導通状態になることが考えられる。かかる場合、センサ出力が異常値を示すことが考えられるが、これはガスセンサの付着水が消失するまでの一時的な異常である。しかしながら、上記特許文献では、このような一時的な異常(自然復帰可能な異常)とそうでない異常とを区別していない。つまり、センサや回路等が正常であるにもかかわらず、一時的な異常の発生に起因してセンサ等の異常と診断されることが考えられる。   For example, when the internal combustion engine is cold started, water vapor may be adhered to the gas sensor due to condensation or scattering of water vapor in the exhaust pipe. Here, when water adheres to the gas sensor, it is conceivable that the electrode of the sensor element and the exhaust pipe side are connected via the water, and these are in a conductive state. In such a case, it is conceivable that the sensor output shows an abnormal value, but this is a temporary abnormality until the water adhering to the gas sensor disappears. However, the above-mentioned patent document does not distinguish between such a temporary abnormality (an abnormality that can be restored spontaneously) and an abnormality that is not. In other words, it is conceivable that a sensor or the like is diagnosed as being abnormal due to a temporary abnormality even though the sensor or circuit is normal.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ガスセンサの異常診断において、復帰可能な異常とそうでない異常とを区別することができるガスセンサの異常診断装置を提供することを主たる目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a main object of the present invention is to provide a gas sensor abnormality diagnosis device capable of distinguishing between a recoverable abnormality and a non-recoverable abnormality in the abnormality diagnosis of the gas sensor. And

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems.

本発明は、内燃機関の排気管に取り付けられ、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を備えるガスセンサに適用され、前記一対の電極からの電気信号に基づいて同ガスセンサの異常診断を実施するガスセンサの異常診断装置に関する。請求項1に記載の発明は、前記一対の電極のうち少なくとも一方について被水により前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する導通判定手段と、前記導通判定手段により前記導通が生じる状態であると判定された場合に前記ガスセンサの出力値に基づくセンサ異常診断の実施を制限する診断制限手段と、を備えることを特徴とする。   The present invention is applied to a gas sensor which is attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and includes a sensor element having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body, and is based on an electric signal from the pair of electrodes. The present invention relates to an abnormality diagnosis device for a gas sensor that performs abnormality diagnosis of the gas sensor. According to the first aspect of the present invention, continuity determination means for determining that at least one of the pair of electrodes is in a state where continuity with the exhaust pipe side is caused by water, and the continuity determination means determines the continuity. Diagnosis limiting means for limiting the execution of the sensor abnormality diagnosis based on the output value of the gas sensor when it is determined that the state is generated.

例えば内燃機関の冷間始動時といった低温環境下では、排気管内の水蒸気が凝縮し、その凝縮水がガスセンサに付着することがある。このとき、ガスセンサに付着した水により、センサ素子の電極と排気管側とが導通状態になることが考えられる。かかる場合、ガスセンサの出力が正常時とは異なるものとなり、ガスセンサの異常診断において異常ありと診断されることが考えられる。ところが、この被水による電極と排気管側との導通状態は一時的なものであり、例えばセンサ端子の断線や短絡等といった自然復帰できない異常とは区別する必要がある。   For example, in a low temperature environment such as when the internal combustion engine is cold started, water vapor in the exhaust pipe may condense and the condensed water may adhere to the gas sensor. At this time, it is conceivable that the electrode of the sensor element and the exhaust pipe side become conductive due to water adhering to the gas sensor. In such a case, the output of the gas sensor is different from that in the normal state, and it is conceivable that the abnormality of the gas sensor is diagnosed. However, the conductive state between the electrode and the exhaust pipe due to the water is temporary, and it is necessary to distinguish from abnormalities that cannot be restored naturally, such as disconnection or short circuit of the sensor terminal.

その点に鑑み、本発明では、電極と排気管側との導通が生じる状態であることが判定される場合にガスセンサの異常診断の実施を制限する。これにより、ガスセンサの異常診断において、ガスセンサの被水に起因する復帰可能な異常とそうでない異常とを区別することができる。その結果、ガスセンサの異常診断精度を向上させることができる。   In view of this point, the present invention limits the execution of an abnormality diagnosis of a gas sensor when it is determined that electrical connection between the electrode and the exhaust pipe occurs. Thereby, in the abnormality diagnosis of the gas sensor, it is possible to distinguish between a recoverable abnormality caused by the moisture of the gas sensor and an abnormality that is not. As a result, the abnormality diagnosis accuracy of the gas sensor can be improved.

ここで、被水により電極と排気管側との導通が生じる状態であることは、例えば、内燃機関の冷間始動時において始動開始からの経過時間や積算空気量、機関温度等に基づいて推定する。あるいは、センサ等により排気管内に水が生じたことを検出し、その検出結果に基づいて判断する。また、センサ異常診断の実施制限は、同異常診断の禁止期間を設ける場合と、同異常診断の異常判定値を異常範囲側へ変更する場合とを含む。   Here, it is estimated that the continuity between the electrode and the exhaust pipe due to the flooded water is based on, for example, the elapsed time from the start of the internal combustion engine, the accumulated air amount, the engine temperature, etc. To do. Alternatively, a sensor or the like detects that water has occurred in the exhaust pipe, and determines based on the detection result. Further, the restriction on the execution of the sensor abnormality diagnosis includes a case where a prohibition period for the abnormality diagnosis is provided and a case where the abnormality determination value of the abnormality diagnosis is changed to the abnormality range side.

一対の電極のいずれかが排気側に露出されている構成では、その排気側に露出する電極に排気中の凝縮水が付着しやすく、また付着した凝縮水により電極と排気管側との導通が生じやすい。したがって、請求項2に記載の発明のように、前記一対の電極が、その一方が排気側に露出された第1電極であり、他方が大気雰囲気の基準室に露出された第2電極であり、前記導通判定手段が、前記第1電極と前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定するといった構成に適用するとよい。   In the configuration in which one of the pair of electrodes is exposed on the exhaust side, the condensed water in the exhaust easily adheres to the electrode exposed on the exhaust side, and conduction between the electrode and the exhaust pipe side is caused by the attached condensed water. Prone to occur. Therefore, as in the second aspect of the invention, the pair of electrodes is a first electrode, one of which is exposed to the exhaust side, and the other is a second electrode, which is exposed to the reference chamber of the atmospheric atmosphere. The continuity determining means may be applied to a configuration in which it is determined that the continuity between the first electrode and the exhaust pipe is generated.

ガスセンサにおいては一般に電気式ヒータが付設されており、ヒータの発熱によりセンサ素子が活性化されるとともにその活性状態が保持される。ここで、ガスセンサが被水した状況下でセンサ素子を急速に加熱すると、加熱開始当初においてその水が原因となって素子割れが発生するおそれがある。そこで、ガスセンサのヒータ制御では、被水による素子割れ対策として、内燃機関の始動時等にヒータ投入電力の制限が行われる。一方、被水によるセンサ素子の電極と排気管側との導通は、素子割れのおそれが解消されたと判断される程度の少量の水がセンサ素子に付着したままの状態においても起こり得ると考えられる。すなわち、被水による素子割れのおそれが解消された状態であっても、被水によるセンサ素子の電極と排気管側との導通のおそれは継続されており、その期間ではセンサ異常診断において誤診断のおそれがある。   In general, an electric heater is attached to the gas sensor, and the sensor element is activated and the activated state is maintained by the heat generated by the heater. Here, when the sensor element is rapidly heated under the condition that the gas sensor is wet, there is a risk that the element cracks due to the water at the beginning of heating. Therefore, in the heater control of the gas sensor, the heater input power is limited at the time of starting the internal combustion engine or the like as a countermeasure against element cracking due to water exposure. On the other hand, it is considered that conduction between the electrode of the sensor element and the exhaust pipe side due to moisture can occur even in a state where a small amount of water is attached to the sensor element to the extent that it is determined that the risk of element cracking has been eliminated. . In other words, even if the risk of element cracking due to flooding has been eliminated, there is a continued risk of continuity between the sensor element electrode and the exhaust pipe due to flooding. There is a risk.

その点に鑑み、請求項3に記載の発明では、前記ガスセンサには、前記センサ素子を加熱するヒータが設けられ、前記導通判定手段が、前記ヒータの通電制限の解除後において前記電極と前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する。この構成によれば、ヒータによるセンサ素子の加熱制限の解除後においてセンサ出力に基づく異常診断の実施が制限されることにより、被水によるセンサ素子の電極と排気管側との導通が起こり得る状況下での異常診断の実施を好適に制限することができる。   In view of this point, in the invention according to claim 3, the gas sensor is provided with a heater for heating the sensor element, and the continuity determination unit is configured to prevent the heater and the exhaust gas from being discharged after the energization restriction of the heater is released. It is determined that electrical connection with the tube side occurs. According to this configuration, after the restriction on the heating of the sensor element by the heater is released, the execution of abnormality diagnosis based on the sensor output is restricted, so that the continuity between the electrode of the sensor element and the exhaust pipe side due to moisture can occur The implementation of the abnormality diagnosis below can be suitably limited.

ところで、排気管内の水発生量は、例えばエンジン始動時のエンジン温度や外気温などの種々の条件によって変化すると考えられる。また、被水により電極と排気管側との導通が一旦生じた場合、その導通状態が解消されるまでに要する時間(水が消失するまでの所要時間)についても同様に種々の条件によって変化し、具体的には、例えばエンジン運転状態や、エンジン温度の上昇速度、外気温、ヒータの投入電力等によって変化すると考えられる。その点に鑑み、請求項4に記載の発明のように、前記診断制限手段により前記センサ異常診断の実施を制限する際の制限時間を可変設定する時間設定手段を備える構成とするとよい。このとき、排気管内の水発生量が多いほど又は水の消失所要時間が長いほど、制限時間を長くするとよい。   By the way, it is considered that the amount of water generated in the exhaust pipe changes depending on various conditions such as the engine temperature at the time of starting the engine and the outside air temperature. In addition, once continuity between the electrode and the exhaust pipe occurs due to moisture, the time required for the continuity to be canceled (the time required until water disappears) varies depending on various conditions. Specifically, for example, it is considered to change depending on the engine operating state, the engine temperature rising speed, the outside air temperature, the heater input power, and the like. In view of this point, as in the invention described in claim 4, it is preferable to include a time setting unit that variably sets a time limit for limiting the execution of the sensor abnormality diagnosis by the diagnosis limiting unit. At this time, the time limit may be increased as the amount of water generated in the exhaust pipe increases or as the time required for water disappearance increases.

排気の酸素濃度に応じて正負の両電極間に起電力を発生するO2センサでは、内燃機関の空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、例えばリッチ時の起電力が約0.9Vであるのに対しリーン時の起電力が約0Vになる。この場合、リーン状態におけるセンサ出力と、断線や短絡の発生時におけるセンサ出力とが同じ傾向を示すことにより、センサの正常/異常を正確に診断できないことが考えられる。これに鑑み、O2センサの負側電極にバイアス電源を接続することで、負側電極の電圧を接地電圧よりも高くしておくことがある。このとき、負側電極に対するバイアス印加が適正に実施されていないとガス濃度を適正に検出できないことから、バイアス印加が適正に実施されているか否かの異常診断を実施することがある。   In an O2 sensor that generates an electromotive force between both positive and negative electrodes according to the oxygen concentration of exhaust gas, an electromotive force that differs depending on whether the air-fuel ratio of the internal combustion engine is rich or lean is generated. While it is 9V, the electromotive force at the time of lean becomes about 0V. In this case, the sensor output in the lean state and the sensor output at the time of occurrence of disconnection or short-circuit show the same tendency, so that it may be impossible to accurately diagnose the normality / abnormality of the sensor. In view of this, the voltage of the negative electrode may be made higher than the ground voltage by connecting a bias power supply to the negative electrode of the O2 sensor. At this time, since the gas concentration cannot be detected properly unless the bias application to the negative electrode is properly performed, an abnormality diagnosis may be performed to determine whether the bias application is properly performed.

ここで、センサ素子の電極と排気管側とが導通状態になると、電極から排気管側への電流リークが発生し、その結果、負側電極の電圧がバイアス電圧よりも低下することが考えられる。ところが、この電圧低下は一時的なものであり、排気管内の温度が上昇すること等によって復帰可能である。   Here, when the electrode of the sensor element and the exhaust pipe side are in a conductive state, current leakage from the electrode to the exhaust pipe side occurs, and as a result, the voltage of the negative electrode may be lower than the bias voltage. . However, this voltage drop is temporary, and can be recovered by increasing the temperature in the exhaust pipe.

その点に鑑み、請求項5に記載の発明では、前記ガスセンサが、排気の酸素濃度に応じて正負の両電極間に起電力を発生するO2センサであり、前記O2センサの起電力を検出する起電力検出回路において、前記O2センサの負側電極にはバイアス電源が接続されており、前記O2センサの正側電極又は負側電極の電圧に基づいて前記異常診断を実施する。こうすることにより、バイアスの一時的な異常を復帰不能な異常として診断するのを回避することができる。   In view of this point, in the invention according to claim 5, the gas sensor is an O2 sensor that generates an electromotive force between both positive and negative electrodes according to the oxygen concentration of the exhaust gas, and detects the electromotive force of the O2 sensor. In the electromotive force detection circuit, a bias power source is connected to the negative electrode of the O2 sensor, and the abnormality diagnosis is performed based on the voltage of the positive electrode or the negative electrode of the O2 sensor. By doing so, it is possible to avoid diagnosing a temporary abnormality of the bias as an irreversible abnormality.

エンジン制御システムの全体概略構成図。1 is an overall schematic configuration diagram of an engine control system. O2センサの概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of an O2 sensor. 排ガスの空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。The electromotive force characteristic view which shows the relationship between the air fuel ratio of exhaust gas, and the electromotive force of a sensor element. 起電力検出回路部の回路構成を示す図。The figure which shows the circuit structure of an electromotive force detection circuit part. バイアス異常診断の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of a bias abnormality diagnosis. O2センサの異常診断の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of abnormality diagnosis of an O2 sensor. O2センサの異常診断の具体的態様を示すタイムチャート。The time chart which shows the specific aspect of abnormality diagnosis of an O2 sensor.

以下、本発明を具体化した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、車載エンジンの排気管に設けられたO2センサを用い、そのO2センサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施するエンジン制御システムについて説明する。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット(以下、ECUという)を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。このシステムの全体概要を示す構成図を図1に示す。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, an engine control system that uses an O2 sensor provided in an exhaust pipe of an in-vehicle engine and performs various controls of the engine based on the output of the O2 sensor will be described. In this control system, an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) is used as a center to control the fuel injection amount, control the ignition timing, and the like. FIG. 1 is a block diagram showing the overall outline of this system.

図1において、エンジン10は、例えばガソリンエンジンであり、スロットルバルブ11や、燃料噴射弁12、点火装置13等を備えている。エンジン10の排気管14には廃棄浄化装置としての三元触媒15が設けられており、その三元触媒15の上流側又は下流側において、排ガスを検出対象として混合気の空燃比(酸素濃度)を検出するO2センサ20が設けられている。なお、図1には、三元触媒15の上流側にA/Fセンサ16が設けられ、下流側にO2センサ20が設けられている場合を示している。   In FIG. 1, an engine 10 is, for example, a gasoline engine, and includes a throttle valve 11, a fuel injection valve 12, an ignition device 13, and the like. The exhaust pipe 14 of the engine 10 is provided with a three-way catalyst 15 as a waste purification device, and an air-fuel ratio (oxygen concentration) of an air-fuel mixture is detected on the upstream side or downstream side of the three-way catalyst 15 with exhaust gas as a detection target. An O2 sensor 20 is provided to detect the above. FIG. 1 shows a case where the A / F sensor 16 is provided on the upstream side of the three-way catalyst 15 and the O2 sensor 20 is provided on the downstream side.

図2は、O2センサ20の概略構成を示す断面図である。O2センサ20は、コップ型構造のセンサ素子21を有している。センサ素子21は、その中間部が金属製のハウジング22に挿入配置され、同ハウジング22に固定されている。なお、ハウジング222とセンサ素子21との隙間Sには、絶縁性材料からなる部材が充填されている。ハウジング22には、金属製の排気管14に設けられたネジ穴に螺合するネジ部22aと、排気管14の外壁に当接するフランジ部22bとが設けられている。そして、ネジ部22aが排気管14のネジ穴に螺合されることにより、O2センサ20を排気管14に取り付け可能になっている。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the O2 sensor 20. The O2 sensor 20 has a sensor element 21 having a cup-type structure. The sensor element 21 has an intermediate portion inserted into a metal housing 22 and fixed to the housing 22. Note that the gap S between the housing 222 and the sensor element 21 is filled with a member made of an insulating material. The housing 22 is provided with a screw portion 22 a that is screwed into a screw hole provided in the metal exhaust pipe 14, and a flange portion 22 b that is in contact with the outer wall of the exhaust pipe 14. The screw portion 22a is screwed into the screw hole of the exhaust pipe 14, so that the O2 sensor 20 can be attached to the exhaust pipe 14.

ハウジング22の下端には素子カバー23が取り付けられており、センサ素子21の素子全体が素子カバー23内に収容される構成となっている。素子カバー23は、外管23aと内管23bとを重ねた二重管構造であり、外管23a及び内管23bにおいて排ガスが通過可能な孔が複数設けられている。排気管14内の排ガスが素子カバー23の孔を通過することにより、素子カバー23内におけるセンサ素子21周囲の空間29が排ガス雰囲気になっている。   An element cover 23 is attached to the lower end of the housing 22, and the entire element of the sensor element 21 is accommodated in the element cover 23. The element cover 23 has a double tube structure in which an outer tube 23a and an inner tube 23b are overlapped, and a plurality of holes through which exhaust gas can pass are provided in the outer tube 23a and the inner tube 23b. By passing the exhaust gas in the exhaust pipe 14 through the hole of the element cover 23, the space 29 around the sensor element 21 in the element cover 23 is in an exhaust gas atmosphere.

センサ素子21は、断面コップ状に形成された固体電解質層24を有しており、その外表面において負電極としての排ガス側電極層25が設けられ、内表面において正電極としての大気側電極層26が設けられている。固体電解質層24は、ZrO2、HfO2、ThO2、BiO2等にCaO、MgO、Y2O3等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる。また、各電極層25,26はともに白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキが施されている。固体電解質層24にて囲まれる内部空間は大気室27となっており、その大気室27にはヒータ28が収容されている。ヒータ28は、センサ素子21を活性化するのに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子21全体が加熱される。   The sensor element 21 has a solid electrolyte layer 24 formed in a cup shape in cross section, an exhaust gas side electrode layer 25 as a negative electrode is provided on the outer surface thereof, and an atmosphere side electrode layer as a positive electrode on the inner surface thereof. 26 is provided. The solid electrolyte layer 24 is made of an oxygen ion conductive oxide sintered body in which CaO, MgO, Y2O3 or the like is dissolved in ZrO2, HfO2, ThO2, BiO2 or the like as a stabilizer. Each of the electrode layers 25 and 26 is made of a noble metal having high catalytic activity such as platinum, and the surface thereof is subjected to porous chemical plating. An internal space surrounded by the solid electrolyte layer 24 is an atmospheric chamber 27, and a heater 28 is accommodated in the atmospheric chamber 27. The heater 28 has a heat generation capacity sufficient to activate the sensor element 21, and the entire sensor element 21 is heated by the heat generation energy.

上記センサ素子21では、固体電解質層24の外側(排ガス側電極層25側)が排ガス雰囲気、同内側(大気側電極層26側)が大気雰囲気となっている。すなわち、排ガス側電極層25が排ガス側に露出され、大気側電極層26が大気室27に露出されている。そして、排ガス側と大気室27との酸素濃度の差(酸素分圧の差)に応じて電極層25,26間で起電力が発生する。なお、排ガス側電極層25が第1電極に相当し、大気側電極層26が第2電極に相当する。   In the sensor element 21, the outer side (exhaust gas side electrode layer 25 side) of the solid electrolyte layer 24 is an exhaust gas atmosphere, and the inner side (air side electrode layer 26 side) is an air atmosphere. That is, the exhaust gas side electrode layer 25 is exposed to the exhaust gas side, and the atmosphere side electrode layer 26 is exposed to the atmosphere chamber 27. An electromotive force is generated between the electrode layers 25 and 26 according to the difference in oxygen concentration between the exhaust gas side and the atmospheric chamber 27 (difference in oxygen partial pressure). The exhaust gas side electrode layer 25 corresponds to the first electrode, and the atmosphere side electrode layer 26 corresponds to the second electrode.

図3は、排ガスの空燃比とセンサ素子21の起電力との関係を示す起電力特性図である。図3に示すように、センサ素子21は、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、理論空燃比(ストイキ)付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、燃料リッチ時のセンサ起電力は約0.9Vであり、燃料リーン時のセンサ起電力は約0Vである。   FIG. 3 is an electromotive force characteristic diagram showing the relationship between the air-fuel ratio of exhaust gas and the electromotive force of the sensor element 21. As shown in FIG. 3, the sensor element 21 has characteristics that generate different electromotive forces depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean, and the electromotive force changes suddenly near the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric). Specifically, the sensor electromotive force when the fuel is rich is about 0.9V, and the sensor electromotive force when the fuel is lean is about 0V.

図1の説明に戻り、その他、本システムには、スロットルバルブ11の開度を検出するスロットル開度センサ31や、エンジンの所定クランク角毎に(例えば30°CA周期で)矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ32、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ33等の各種センサや、イグニッションスイッチ(IGスイッチ)34等の各種スイッチが設けられている。   Returning to the description of FIG. 1, the present system also includes a throttle opening sensor 31 that detects the opening of the throttle valve 11 and a rectangular crank angle at every predetermined crank angle of the engine (for example, at a cycle of 30 ° CA). Various sensors such as a crank angle sensor 32 that outputs a signal, a coolant temperature sensor 33 that detects the temperature of engine coolant, and various switches such as an ignition switch (IG switch) 34 are provided.

ECU40は、周知のCPU、ROM、RAM等よりなるマイクロコンピュータ(マイコン)41を主体として構成されており、ROMに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン10の各種制御を実施する。すなわち、ECU40のマイコン41は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁12や点火装置13の駆動を制御する。   The ECU 40 is mainly configured by a microcomputer 41 composed of a well-known CPU, ROM, RAM, and the like, and executes various control programs stored in the ROM, so that the ECU 40 according to each engine operating state. Various controls of the engine 10 are performed. That is, the microcomputer 41 of the ECU 40 inputs signals from the various sensors and the like, calculates the fuel injection amount and ignition timing based on the various signals, and controls the drive of the fuel injection valve 12 and the ignition device 13.

また、マイコン41は、O2センサ20のヒータ通電制御を実施している。この通電制御により、エンジン始動時にはヒータ28の発熱によりセンサ素子21を活性化し、一旦活性化が完了した後には適宜通電を行うことによりその活性状態を保持する。センサ素子21の活性化に際しては、例えばエンジン10の冷間始動時において排気管14内で生じる水がセンサ素子21に付着することがあり、かかる状態でセンサ素子21を急速に加熱することによりセンサ素子21が破損する(素子割れが発生する)おそれがある。そこで、本制御では、エンジン10の始動時において排気管14内の水発生のおそれが高い状況下では、その水発生のおそれが抑制されるまでヒータ28の通電開始を遅延している。   The microcomputer 41 performs heater energization control of the O2 sensor 20. With this energization control, the sensor element 21 is activated by the heat generated by the heater 28 when the engine is started, and once the activation is completed, the activated state is maintained by appropriately energizing. When the sensor element 21 is activated, for example, water generated in the exhaust pipe 14 at the time of cold start of the engine 10 may adhere to the sensor element 21, and the sensor element 21 is rapidly heated in such a state, thereby There is a possibility that the element 21 is damaged (an element crack occurs). Therefore, in this control, when the risk of water generation in the exhaust pipe 14 is high when the engine 10 is started, the start of energization of the heater 28 is delayed until the risk of water generation is suppressed.

ECU40には、O2センサ20の起電力を検出する起電力検出回路部42が設けられている。マイコン41は、例えば燃料噴射量の制御において、起電力検出回路部42で検出した起電力に基づいて実空燃比が目標空燃比(理論空燃比)となるよう空燃比制御を実施する。   The ECU 40 is provided with an electromotive force detection circuit unit 42 that detects an electromotive force of the O2 sensor 20. For example, in the control of the fuel injection amount, the microcomputer 41 performs air-fuel ratio control based on the electromotive force detected by the electromotive force detection circuit unit 42 so that the actual air-fuel ratio becomes the target air-fuel ratio (theoretical air-fuel ratio).

図4は、起電力検出回路部42の回路構成を示す図である。図4において、起電力検出回路部42には、センサ素子21の大気側電極層26に接続される正側端子(S+端子)と、排ガス側電極層25に接続される負側端子(S−端子)とが設けられている。S+端子及びS−端子はそれぞれマイコン41の+入力端子、−入力端子に接続されており、マイコン41においてセンサ素子21の各端子電圧が逐次計測されるようになっている。   FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration of the electromotive force detection circuit unit 42. In FIG. 4, the electromotive force detection circuit unit 42 includes a positive terminal (S + terminal) connected to the atmosphere-side electrode layer 26 of the sensor element 21 and a negative terminal (S−) connected to the exhaust gas-side electrode layer 25. Terminal). The S + terminal and the S− terminal are respectively connected to the + input terminal and the − input terminal of the microcomputer 41, and each terminal voltage of the sensor element 21 is sequentially measured in the microcomputer 41.

起電力検出回路部42には、定電圧源(定電圧Vcc)に接続される2つの抵抗からなる抵抗分圧回路43が設けられており、その抵抗分圧回路43の分圧電圧がS−端子に印加されている。すなわち、S−端子にバイアスを印加することで同端子電圧をオフセットさせており、これにより、センサ素子21の負側端子電圧を接地電圧よりも高い所定のバイアス電圧Vbi(例えば1・5V)にしている。したがって、センサ素子21の正端子電圧VO+は、O2センサ20が正常であればバイアス電圧Vbi以上の値となる。このように、本システムでは、S−端子にバイアス電圧Vbiを印加することにより、燃料リーンに伴いセンサ起電力が0V近傍となる場合(正常時)と、正側端子の短絡や断線に起因してセンサ起電力が0V近傍となる場合(異常時)とを判別可能にしている。   The electromotive force detection circuit unit 42 is provided with a resistance voltage dividing circuit 43 including two resistors connected to a constant voltage source (constant voltage Vcc), and the divided voltage of the resistance voltage dividing circuit 43 is S−. Applied to the terminal. That is, by applying a bias to the S-terminal, the same terminal voltage is offset, so that the negative terminal voltage of the sensor element 21 is set to a predetermined bias voltage Vbi (for example, 1.5 V) higher than the ground voltage. ing. Therefore, the positive terminal voltage VO + of the sensor element 21 becomes a value equal to or higher than the bias voltage Vbi if the O2 sensor 20 is normal. Thus, in this system, when the bias voltage Vbi is applied to the S-terminal, the sensor electromotive force becomes close to 0 V due to fuel lean (normal time), and this is caused by a short circuit or disconnection of the positive terminal. Thus, it is possible to determine when the sensor electromotive force is in the vicinity of 0 V (when abnormal).

ここで、センサ素子21の負側端子(S−端子)の短絡等の異常が発生した場合、センサ素子21の負側端子電圧VO−がバイアス電圧Vbiからずれてしまい、排気中の酸素濃度を精度よく検出できないことが考えられる。そこで、マイコン41は、負側端子のバイアス印加が適正に行われていることを診断するための処理(バイアス異常診断処理)として、センサ素子21の負側端子電圧VO−を読み取り、その読み取り電圧VO−が適正範囲内であるか否かを判定する。そして、負側端子電圧VO−が適正範囲外である場合にバイアス印加が適正に実施されていない、つまりO2センサ20の異常あり(負側端子の短絡等の異常あり)旨診断している。   Here, when an abnormality such as a short circuit of the negative terminal (S− terminal) of the sensor element 21 occurs, the negative terminal voltage VO− of the sensor element 21 deviates from the bias voltage Vbi, and the oxygen concentration in the exhaust gas is reduced. It is conceivable that it cannot be detected accurately. Therefore, the microcomputer 41 reads the negative terminal voltage VO− of the sensor element 21 as a process for diagnosing that the bias application of the negative terminal is properly performed (bias abnormality diagnosis process), and reads the read voltage. It is determined whether or not VO− is within an appropriate range. When the negative terminal voltage VO− is outside the proper range, it is diagnosed that the bias application is not properly performed, that is, there is an abnormality in the O2 sensor 20 (an abnormality such as a short circuit of the negative terminal).

図5は、前提となるバイアス異常診断処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ECU40のマイコン41により所定周期毎に実行される。   FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the bias abnormality diagnosis process as a premise. This process is executed at predetermined intervals by the microcomputer 41 of the ECU 40.

図5において、まずステップS101では、バイアス異常診断の実行条件が成立しているか否かを判定する。この実行条件は、IGスイッチ34がオン状態であること及びバッテリ電圧が判定値以上であること等の少なくともいずれかを含む。   In FIG. 5, first, in step S101, it is determined whether or not an execution condition for bias abnormality diagnosis is satisfied. This execution condition includes at least one of the IG switch 34 being in an ON state and the battery voltage being equal to or higher than a determination value.

バイアス異常診断の実行条件が成立している場合にはステップS102へ進み、センサ素子21の負側端子電圧VO−を読み込み、ステップS103において、読み込んだ負側端子電圧VO−が適正範囲外か否かを判定する。負側端子電圧VO−の適正範囲として具体的には、例えばS−端子の印加電圧が1.5Vの場合、その適正範囲を1.3〜1.5Vとする。そして、負側端子電圧VO−が適正範囲内であればステップS104へ進み、バイアスの印加が適正に行われている(O2センサ20の負側端子は正常である)旨判定する。そして本処理を終了する。   If the condition for executing the bias abnormality diagnosis is satisfied, the process proceeds to step S102, where the negative terminal voltage VO− of the sensor element 21 is read. In step S103, whether the read negative terminal voltage VO− is outside the proper range. Determine whether. Specifically, as an appropriate range of the negative terminal voltage VO−, for example, when the applied voltage of the S− terminal is 1.5V, the appropriate range is set to 1.3 to 1.5V. If the negative terminal voltage VO− is within the appropriate range, the process proceeds to step S104, and it is determined that the bias is properly applied (the negative terminal of the O2 sensor 20 is normal). Then, this process ends.

一方、負側端子電圧VO−が適正範囲外の場合にはステップS105へ進み、異常判定カウンタTfを値1だけインクリメントする。その後、ステップS106において、異常判定カウンタTfが判定値よりも大きいか否かを判定し、異常判定カウンタTfが判定値よりも大きい場合には、ステップS107へ進み、バイアスの印加が適正に実施されていない(センサ素子21の負側端子の異常あり)旨と判定し、警告ランプの点灯等により異常発生の旨を報知する。   On the other hand, if the negative terminal voltage VO− is outside the appropriate range, the process proceeds to step S105, and the abnormality determination counter Tf is incremented by “1”. Thereafter, in step S106, it is determined whether or not the abnormality determination counter Tf is larger than the determination value. If the abnormality determination counter Tf is larger than the determination value, the process proceeds to step S107, and the bias is appropriately applied. It is determined that there is no abnormality (the negative terminal of the sensor element 21 is abnormal), and the fact that an abnormality has occurred is notified by lighting of a warning lamp or the like.

ところで、例えばエンジン10の冷間始動時では、排気管14内が低温状態になっている。かかる状態では、排気管14内の水蒸気が凝縮し、その凝縮水がO2センサ20に掛かることにより排ガス側電極層25の被水が起きることが考えられる。   By the way, for example, when the engine 10 is cold-started, the inside of the exhaust pipe 14 is in a low temperature state. In such a state, it is conceivable that the water vapor in the exhaust pipe 14 is condensed, and the condensed water is applied to the O2 sensor 20 so that the exhaust gas side electrode layer 25 is wetted.

排ガス側電極層25の被水が生じた場合、その水を介して排ガス側電極層25と排気管14側とが連通した状態となり、これにより排ガス側電極層25と排気管14側とが導通状態になるおそれがある。より具体的には、排ガス側電極層25は排ガス雰囲気の空間29に露出しているため、エンジン冷間始動時など排気管14内が低温状態の場合には排ガス側電極層25に凝縮水が付着しやすい環境となっている。また、排ガス側電極層25に凝縮水が付着した場合、その付着した凝縮水が例えば図2の隙間SWの部分まで浸入し、排ガス側電極層25と金属製のハウジング22とが凝縮水を介して連通された状態になることが考えられる。この場合、排ガス側電極層25→凝縮水→ハウジング22→排気管14の経路により、排ガス側電極層25と排気管14とが連通した状態となる。なお、隙間SWにおける被水は、例えば、充填部材を浸み込むようにして同隙間に水が浸入することにより生じる。   When the exhaust gas side electrode layer 25 is exposed to water, the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 side are in communication with each other through the water, whereby the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 side are electrically connected. There is a risk of entering a state. More specifically, since the exhaust gas side electrode layer 25 is exposed to the exhaust gas atmosphere space 29, when the exhaust pipe 14 is in a low temperature state, such as when the engine is cold started, condensed water is present in the exhaust gas side electrode layer 25. The environment is easy to adhere. Further, when condensed water adheres to the exhaust gas side electrode layer 25, the attached condensed water enters, for example, the gap SW portion in FIG. 2, and the exhaust gas side electrode layer 25 and the metal housing 22 pass through the condensed water. It is possible to become in a state of communication. In this case, the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 are in communication with each other through the path of the exhaust gas side electrode layer 25 → condensed water → the housing 22 → the exhaust pipe 14. Note that the water in the gap SW is generated when water enters the gap, for example, soaking the filling member.

このように排ガス側電極層25と排気管14側とが導通状態になった場合、定電圧源から供給されるバイアス電流のリーク(漏洩)発生により、センサ素子21の負側端子電圧VO−が適正値よりも低下することがある。この場合、上記のバイアス異常診断処理によりバイアス印加が適正に実施されていない、つまりO2センサ20の異常ありと診断される。ところが、この排ガス側電極層25の被水は一時的なものであり、例えばエンジン10の暖機が進行して排気管14内が高温状態になったりヒータ28によりセンサ素子21が加熱されたりすることでその隙間SWの水が蒸発することにより、負側端子電圧VO−は正常値に戻ることとなる。この場合、もはや異常状態とは言えない。したがって、このような被水に伴う復帰可能な一時的な異常を、短絡や断線等といった自然復帰できない異常と同じように異常ありと診断し、その後の異常対応のための処理を同じとするのは適切でない。   Thus, when the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 side are in a conductive state, the negative terminal voltage VO− of the sensor element 21 is caused by leakage of the bias current supplied from the constant voltage source. It may be lower than the appropriate value. In this case, it is diagnosed that the bias application is not properly performed by the bias abnormality diagnosis process, that is, the O2 sensor 20 is abnormal. However, this exhaust gas side electrode layer 25 is temporarily covered with water. For example, the warm-up of the engine 10 proceeds and the inside of the exhaust pipe 14 becomes a high temperature state, or the sensor element 21 is heated by the heater 28. Thus, when the water in the gap SW evaporates, the negative terminal voltage VO− returns to a normal value. In this case, it is no longer an abnormal condition. Therefore, such a temporary abnormality that can be recovered due to water exposure is diagnosed as an abnormality as in the case of an abnormality that cannot be recovered spontaneously, such as a short circuit or disconnection, and the processing for handling the subsequent abnormality is the same. Is not appropriate.

そこで、本実施形態では、排ガス側電極層25と排気管14側との導通が生じる状態であるか否かを判定し、該導通が生じる状態であると判定された場合に、O2センサ20の出力値に基づくセンサ異常診断(バイアス異常診断)の実施を制限することとしている。   Therefore, in the present embodiment, it is determined whether or not the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 are in a state in which electrical continuity occurs. Implementation of sensor abnormality diagnosis (bias abnormality diagnosis) based on the output value is limited.

図6は、本実施形態におけるO2センサ20の異常診断処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ECU40のマイコン41により所定周期毎に実行される。   FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure of abnormality diagnosis processing of the O2 sensor 20 in the present embodiment. This process is executed at predetermined intervals by the microcomputer 41 of the ECU 40.

図6において、まずステップS201では、ヒータ28の通電実行条件が成立しているか否かを判定する。ヒータ通電実行条件は、センサ素子21の被水による素子割れ発生のおそれが解消されたと推定される状況において成立する条件であり、具体的には、
・IGスイッチ34のオンからの経過時間が判定値TM1以上になったこと
・スロットル開度センサ31の出力値に基づき算出されるエンジン始動時からの積算空気量が判定値Q1以上であること
・冷却水温センサ33による冷却水温が判定値TW1以上であること
・センサ素子21の温度が判定値TS1以上であること
などの少なくともいずれかの条件とする。
In FIG. 6, first, in step S <b> 201, it is determined whether or not an energization execution condition for the heater 28 is satisfied. The heater energization execution condition is a condition that is established in a situation where it is presumed that the possibility of element cracking due to moisture on the sensor element 21 has been eliminated.
The elapsed time from turning on the IG switch 34 is equal to or greater than the determination value TM1. The integrated air amount calculated from the engine start calculated based on the output value of the throttle opening sensor 31 is equal to or greater than the determination value Q1. It is assumed that the cooling water temperature by the cooling water temperature sensor 33 is at least one of a determination value TW1 and the temperature of the sensor element 21 is at least a determination value TS1.

ヒータ通電実行条件が不成立の場合には、ステップS202へ進み、センサ素子21の素子割れ防止対策としてヒータ28の通電を制限する。通電制限としては、ヒータ通電を禁止すること、及び全通電を基準とした電力制限を行いながらヒータ通電を行うことを含む。一方、ヒータ通電実行条件が成立している場合にはステップS203へ進み、ヒータ28の通電を許可する。つまり、センサ素子21が活性化していなければ、ヒータ28の通電によりセンサ素子21の加熱を行う。   When the heater energization execution condition is not satisfied, the process proceeds to step S202, and energization of the heater 28 is limited as a measure for preventing the sensor element 21 from cracking. The energization restriction includes prohibiting heater energization and energizing the heater while performing power restriction based on all energization. On the other hand, if the heater energization execution condition is satisfied, the process proceeds to step S203, and energization of the heater 28 is permitted. That is, if the sensor element 21 is not activated, the sensor element 21 is heated by energization of the heater 28.

続くステップ204では、擬似アース解消条件が成立しているか否かを判定する。擬似アース解消条件は、被水による排ガス側電極層25と排気管14側との導通状態のおそれ(擬似的に接地された状態になるおそれ)が解消されたと推定される状況において成立する条件であり、具体的には、
(1)IGスイッチ34のオンからの経過時間が判定値TM2になったこと
(2)スロットル開度センサ31の出力値に基づき算出されるエンジン始動時からの積算空気量が判定値Q2以上であること
(3)冷却水温センサ33による冷却水温が判定値TW2以上であること
(4)センサ素子21の温度が判定値TS2以上であること
(5)センサ素子21が活性状態であること
などの少なくともいずれかの条件とする。
In the next step 204, it is determined whether or not the pseudo earth elimination condition is satisfied. The pseudo earth elimination condition is a condition that is established in a situation where it is estimated that the possibility of conduction between the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 due to water exposure (the possibility of being in a pseudo grounded state) has been eliminated. Yes, specifically,
(1) The elapsed time from turning on the IG switch 34 has become the determination value TM2. (2) The integrated air amount calculated from the engine start calculated based on the output value of the throttle opening sensor 31 is equal to or greater than the determination value Q2. (3) The cooling water temperature by the cooling water temperature sensor 33 is not less than the determination value TW2, (4) the temperature of the sensor element 21 is not less than the determination value TS2, and (5) the sensor element 21 is in an active state. At least one of the conditions.

擬似アース解消条件のうち(1)〜(4)は、ヒータ通電実行条件と同じパラメータを用いており、これにより被水による擬似アースが生じる状態か否かを判定している。ここで、被水により排ガス側電極層25と排気管14側との導通状態が生じる(擬似アースが生じる)ときと、被水により素子割れが生じるときとを比較した場合、擬似アースの方がより少量の水によって起こり得ると考えられる。すなわち、被水による擬似アースは、素子割れのおそれが解消されたと判断される程度の少量の水が排ガス側電極層25に付着した状態においても起こり得る。したがって、被水による素子割れのおそれが解消された状態であっても、被水による擬似アースのおそれは継続されており、その期間ではセンサ異常診断において誤診断のおそれがある。そこで、本実施形態では、(1)〜(4)の各判定値TM2、Q2、TW2、TS2を、ヒータ通電実行条件における各判定値TM1、Q1、TW1、TS1よりも高い値に設定してある。これにより、例えばエンジン10の冷間始動後には、センサ素子21への水の付着がたとえ少量であっても、その水付着が解消されるまでの期間、バイアス異常診断の実施を制限するようにしている。   Among the pseudo earth elimination conditions, (1) to (4) use the same parameters as the heater energization execution conditions, and thereby determine whether or not pseudo earth is caused by water. Here, when comparing the case where the conductive state between the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 occurs due to water exposure (when pseudo grounding occurs) and the case where element cracking occurs due to water exposure, the pseudo earth is better. It can be caused by a smaller amount of water. That is, pseudo-earthing due to water can occur even in a state where a small amount of water to the extent that it is determined that the risk of element cracking has been eliminated adheres to the exhaust gas side electrode layer 25. Therefore, even in a state where the risk of element cracking due to water exposure has been eliminated, the possibility of false earthing due to water exposure continues, and there is a risk of erroneous diagnosis in sensor abnormality diagnosis during that period. Therefore, in the present embodiment, the determination values TM2, Q2, TW2, and TS2 of (1) to (4) are set higher than the determination values TM1, Q1, TW1, and TS1 in the heater energization execution condition. is there. Thereby, for example, after the engine 10 is cold started, even if the amount of water adhering to the sensor element 21 is small, the execution of the bias abnormality diagnosis is limited until the water adhering is eliminated. ing.

そして、擬似アース解消条件が成立している場合には、ステップS205へ進み、上記図5に示すバイアス異常診断処理を実行する。これに対し、擬似アース解消条件が成立していない場合には、ステップS206へ進み、バイアス異常診断処理の実施を制限する。バイアス異常診断処理の実施制限としては、例えば同処理の実行を禁止するか、又は異常判定カウンタTfの判定値を大きくなる側に変更する。あるいは、上記図5のステップS103において、負側端子電圧VO−の適正範囲を拡大して負側端子電圧VO−と適正範囲との比較を行う。   If the pseudo earth elimination condition is satisfied, the process proceeds to step S205, and the bias abnormality diagnosis process shown in FIG. 5 is executed. On the other hand, if the pseudo earth elimination condition is not satisfied, the process proceeds to step S206 to limit the execution of the bias abnormality diagnosis process. As an implementation restriction of the bias abnormality diagnosis process, for example, the execution of the process is prohibited, or the determination value of the abnormality determination counter Tf is changed to a larger side. Alternatively, in step S103 of FIG. 5, the appropriate range of the negative terminal voltage VO− is expanded and the negative terminal voltage VO− is compared with the appropriate range.

図7は、本システムにおけるO2センサ20の異常診断の具体的態様を示すタイムチャートである。図中、実線は排ガス側電極層25と排気管14側との導通状態が生じる状態のときにバイアス異常診断の実施を制限する場合を示し、一点鎖線は該導通状態が生じる状態のときにバイアス異常診断の実施を制限しない場合を示している。なお、図7では、エンジン冷間始動時を想定している。   FIG. 7 is a time chart showing a specific mode of abnormality diagnosis of the O2 sensor 20 in this system. In the figure, the solid line indicates a case where the implementation of the bias abnormality diagnosis is limited when the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 are in a conductive state, and the alternate long and short dash line indicates a bias when the conductive state is generated. The case where the execution of abnormality diagnosis is not limited is shown. In FIG. 7, it is assumed that the engine is cold start.

図7において、タイミングt11でIGスイッチ34がオンされることにより、スロットル開度制御や燃料噴射制御、点火制御といったエンジン10の運転に関する各種制御が開始される。これにより、燃料の燃焼が開始されてエンジン回転速度が上昇する。今、エンジン冷間始動時を想定していることから、IGスイッチ34のオン直後では排気管14内が低温状態になっている。そのため、排気管14内又はセンサ素子21に凝縮水が付着している可能性がある。そこで、凝縮水によるセンサ素子割れ発生を抑制すべく、IGスイッチ34のオン直後ではヒータ28によるセンサ素子21の加熱制限として、例えばヒータ通電が禁止される。また、凝縮水により排ガス側電極層25と排気管14側との導通状態が生じるおそれがあるため、バイアス異常診断の実施制限として、例えば同診断の実施が禁止される。   In FIG. 7, when the IG switch 34 is turned on at timing t11, various controls relating to the operation of the engine 10 such as throttle opening control, fuel injection control, and ignition control are started. As a result, combustion of the fuel is started and the engine speed is increased. Since the engine cold start is assumed now, the inside of the exhaust pipe 14 is in a low temperature state immediately after the IG switch 34 is turned on. Therefore, there is a possibility that condensed water adheres to the exhaust pipe 14 or the sensor element 21. Therefore, in order to suppress the occurrence of sensor element cracking due to condensed water, immediately after the IG switch 34 is turned on, for example, heater energization is prohibited as a heating restriction of the sensor element 21 by the heater 28. In addition, since there is a possibility that the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 side may be connected by the condensed water, for example, the implementation of the diagnosis is prohibited as a restriction on the bias abnormality diagnosis.

そして、例えばスロットルバルブ11を通過する空気量について、IG−ONのタイミングt11からの積算値(積算空気量)が判定値Q1以上になると、そのタイミングt14でヒータ通電実行条件が成立したと判定され、ヒータ28によるセンサ素子21の加熱制限が解除される(ヒータ通電が開始される)。また、その後、タイミングt16で積算空気量が判定値Q2以上になると、擬似アース解消条件が成立したと判定され、バイアス異常診断の実施制限が解除される(バイアス異常診断の実行が開始される)。   For example, when the integrated value (integrated air amount) from the IG-ON timing t11 becomes equal to or greater than the determination value Q1 for the air amount passing through the throttle valve 11, it is determined that the heater energization execution condition is satisfied at the timing t14. The heating restriction of the sensor element 21 by the heater 28 is released (heater energization is started). After that, when the integrated air amount becomes equal to or greater than the determination value Q2 at timing t16, it is determined that the pseudo earth elimination condition is satisfied, and the restriction on the bias abnormality diagnosis is released (execution of the bias abnormality diagnosis is started). .

ここで、エンジン始動直後において、排気管14内の凝縮水が排ガス側電極層25と排気管14側との導通状態が生じた場合について考える。この場合、該導通状態にかかわらずバイアス異常診断を実施する構成(図中の一点鎖線)では、導通状態になったタイミングt12でセンサ素子21の負側端子が擬似アースの状態になることにより、センサ素子21の負側端子電圧VO−が適正値(本実施形態では1.5V)よりも低下する。そして、負側端子電圧VO−が適正範囲の下限値Vbthを下回ると、そのタイミングt13以降において異常判定カウンタTfが増加する。そして、異常判定カウンタTfが判定値Tfthを上回ると、そのタイミングt15で負側端子の電圧印加が異常である旨判定される。このときの異常判定は、被水により排ガス側電極層25と排気管14側とが導通状態となったことによる一時的な異常に基づくものである。   Here, let us consider a case in which the condensed water in the exhaust pipe 14 is brought into conduction between the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 immediately after the engine is started. In this case, in the configuration in which the bias abnormality diagnosis is performed regardless of the conduction state (one-dot chain line in the figure), the negative side terminal of the sensor element 21 is in a pseudo ground state at the timing t12 when the conduction state is established. The negative terminal voltage VO− of the sensor element 21 is lower than an appropriate value (1.5 V in this embodiment). When the negative terminal voltage VO− falls below the lower limit value Vbth of the appropriate range, the abnormality determination counter Tf increases after the timing t13. When the abnormality determination counter Tf exceeds the determination value Tfth, it is determined at the timing t15 that the voltage application at the negative terminal is abnormal. The abnormality determination at this time is based on a temporary abnormality due to the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 side being in a conductive state due to water exposure.

これに対し、本実施形態では、図の実線に示すように、IGスイッチ34のオン後、積算空気量が判定値Q2以上となり、擬似アース解消条件が成立したと判定されるまでの期間、バイアス異常診断の実施が制限される。つまり、例えばエンジン10の冷間始動時等において被水が僅かでも生じるおそれのある期間では、バイアス異常診断の実施が制限される。したがって、排ガス側電極層25と排気管14側との導通による一時的な異常に基づきバイアス電圧が異常である旨診断されるのが回避される。   On the other hand, in the present embodiment, as shown by the solid line in the figure, after the IG switch 34 is turned on, the accumulated air amount becomes equal to or greater than the determination value Q2, and the period until it is determined that the pseudo earth elimination condition is satisfied, the bias Implementation of abnormality diagnosis is limited. In other words, for example, during a cold start of the engine 10, the bias abnormality diagnosis is limited during a period in which even a slight amount of water may be generated. Therefore, it is possible to avoid diagnosing that the bias voltage is abnormal based on a temporary abnormality due to conduction between the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 side.

以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。   According to the embodiment described in detail above, the following excellent effects can be obtained.

排ガス側電極層25と排気管14側との導通が生じる状態であるか否かを判定し、該導通が生じる状態であると判定された場合に、O2センサ20の出力値に基づくセンサ異常診断の実施を制限する構成としたため、O2センサ20の異常診断において、O2センサ20の被水に起因する復帰可能な異常とそうでない異常とを区別することができる。その結果、O2センサ20の異常診断精度を向上させることができる。   It is determined whether or not continuity between the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 is generated. When it is determined that the continuity is generated, sensor abnormality diagnosis based on the output value of the O2 sensor 20 is determined. Therefore, in the abnormality diagnosis of the O 2 sensor 20, it is possible to distinguish between a recoverable abnormality due to the O 2 sensor 20 being wet and an abnormality that is not. As a result, the abnormality diagnosis accuracy of the O2 sensor 20 can be improved.

O2センサ20では、排ガス側電極層25が排ガス側に露出しているため、排ガス側電極層25に排気管14内の凝縮水が付着しやすく、その凝縮水による被水により排ガス側電極層25と排気管14側との導通状態が生じやすい。この点、本実施形態では、排ガス側電極層25と排気管14側との導通が生じる状態であると判定された場合にバイアス異常診断処理の実施を制限する構成としたため、被水に起因するバイアスの一時的な異常を復帰不能な異常として診断するのを回避することができる。   In the O2 sensor 20, since the exhaust gas side electrode layer 25 is exposed to the exhaust gas side, the condensed water in the exhaust pipe 14 is likely to adhere to the exhaust gas side electrode layer 25, and the exhaust gas side electrode layer 25 is covered with the condensed water. And the exhaust pipe 14 side are easily connected. In this regard, in this embodiment, since it is configured to limit the implementation of the bias abnormality diagnosis process when it is determined that the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 side are in a conductive state, the bias abnormality diagnosis process is performed. It is possible to avoid diagnosing a temporary bias abnormality as an irrecoverable abnormality.

排ガス側電極層25と排気管14側との導通が生じる状態であるか否かの判定を、素子割れ防止対策のためのヒータ通電制限を解除した後に実施する構成としたため、素子割れのおそれが解消されたと判断される程度の少量の水が排ガス側電極層25に付着したままの状態においてもバイアスの異常診断処理の実施を制限することができる。これにより、被水による排ガス側電極層25と排気管14側との導通が起こり得る状況下での異常診断の実施を好適に制限することができる。また、排ガス側電極層25と排気管14側との導通が生じる状態の発生が解消された場合にバイアス異常診断を速やかに実施できるため、バイアス異常の発生時においてその異常を正確にかつできるだけ速やかに検出することができる。   Since the determination whether or not the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 are in a state of conduction is performed after releasing the heater energization restriction for preventing element cracking, there is a risk of element cracking. Even in a state where a small amount of water that is judged to be eliminated remains attached to the exhaust gas side electrode layer 25, the execution of the bias abnormality diagnosis process can be restricted. Accordingly, it is possible to suitably limit the execution of the abnormality diagnosis in a situation where conduction between the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 side due to water can occur. In addition, since the bias abnormality diagnosis can be performed promptly when the occurrence of the state in which the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 are connected is eliminated, the abnormality can be accurately and as quickly as possible when the bias abnormality occurs. Can be detected.

(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the description of the above embodiment, and may be implemented as follows, for example.

・センサ異常診断(バイアス異常診断)の実施を制限する制限時間を可変に設定し、その設定した制限時間に応じてセンサ異常診断の実施を制限する構成とする。具体的には、排気管14内の水発生量が、例えばエンジン始動時のエンジン温度や外気温などの種々の条件によって変化することに鑑み、排気管14内の水発生量に応じて制限時間を可変に設定する。このとき、水発生量が多いほど制限時間を長く設定するとよい。   A time limit for limiting the execution of sensor abnormality diagnosis (bias abnormality diagnosis) is variably set, and the execution of the sensor abnormality diagnosis is limited according to the set time limit. Specifically, in view of the fact that the amount of water generated in the exhaust pipe 14 varies depending on various conditions such as the engine temperature at the time of starting the engine and the outside air temperature, the time limit is set according to the amount of water generated in the exhaust pipe 14. Is set to be variable. At this time, the time limit may be set longer as the amount of water generated increases.

あるいは、排気管14内に一旦発生した水が消失するまでに要する時間(水消失所要時間)が、例えばエンジン運転状態や、エンジン温度の上昇速度、外気温、ヒータ28の投入電力等によって変化することに鑑み、水消失所要時間に応じて制限時間を可変に設定する。このとき、水消失所要時間が長いほど制限時間を長く設定するとよい。   Alternatively, the time required for the water once generated in the exhaust pipe 14 to disappear (water loss required time) varies depending on, for example, the engine operating state, the engine temperature rising speed, the outside air temperature, the input power of the heater 28, and the like. In view of this, the time limit is variably set according to the time required for water loss. At this time, the time limit may be set longer as the time required for water disappearance is longer.

・上記実施形態では、排ガス側電極層25と排気管14側との導通が生じる状態であるか否かの判定を、擬似アース解消条件の成否によって判定する構成としたが、水検知センサ等の水検知手段を排気管14内に設けておき、その検出結果に基づいて、一対の電極のうち少なくとも一方と該電極について被水により排気管14側との導通が生じる状態であることを判定してもよい。   In the above embodiment, the determination as to whether or not the exhaust gas side electrode layer 25 and the exhaust pipe 14 are in a conductive state is made based on the success or failure of the pseudo earth elimination condition. A water detection means is provided in the exhaust pipe 14, and based on the detection result, it is determined that at least one of the pair of electrodes and the exhaust pipe 14 side are connected to the exhaust pipe 14 due to water. May be.

・上記実施形態では、センサ素子21の排ガス側電極層25と排気管14側との導通状態が生じる場合について説明したが、大気側電極層26と排気管14側との導通状態が生じる場合において、センサ素子21の正側端子に関するセンサ異常診断の実施を制限する構成としてもよい。例えば固体電解質層24にひび割れ等が発生した場合、その部位から排気管14中の凝縮水が浸入することによって大気側電極層26と排気管14側とが導通状態になることが考えられる。この場合、センサ素子21の正側端子が擬似的に接地された状態となり、その結果、センサ素子21の不活性異常又は正側端子の短絡等の異常ありと診断されるおそれがある。したがって、大気側電極層26と排気管14側との導通状態が生じる場合、すなわち擬似アース解消条件が成立するまでの期間、センサ素子21の正側端子に関する異常診断の実施を制限してもよい。   In the above-described embodiment, the case where the exhaust gas side electrode layer 25 of the sensor element 21 is connected to the exhaust pipe 14 side has been described. However, in the case where the atmosphere side electrode layer 26 is connected to the exhaust pipe 14 side, In addition, it may be configured to limit the execution of the sensor abnormality diagnosis related to the positive terminal of the sensor element 21. For example, when a crack or the like occurs in the solid electrolyte layer 24, it is conceivable that the condensed water in the exhaust pipe 14 enters from that portion, so that the atmosphere-side electrode layer 26 and the exhaust pipe 14 side become conductive. In this case, the positive side terminal of the sensor element 21 is in a pseudo-grounded state, and as a result, there is a possibility that the sensor element 21 is diagnosed as having an abnormality such as an inactive abnormality or a short circuit of the positive side terminal. Therefore, when the conduction state between the atmosphere-side electrode layer 26 and the exhaust pipe 14 is generated, that is, during the period until the pseudo earth elimination condition is satisfied, the execution of the abnormality diagnosis related to the positive terminal of the sensor element 21 may be limited. .

・上記実施形態では、ガスセンサとしてO2センサ20を適用したが、一対の電極に電圧が印加された状態で排ガス中の酸素濃度に応じた電流を流す広域検出タイプのA/Fセンサ(A/F:空燃比)に適用してもよい。例えば断面コップ状のセンサ素子を有する所謂コップ型のA/Fセンサにおいて、センサ素子は、固体電解質層と、該固体電解質層を挟んで設けられた一対の電極と、固体電解質層の外表面(排気側)の電極を取り囲む多孔質の拡散抵抗層とを有している。また、一対の電極は、固体電解質層の外表面において排ガスと接触する排ガス側電極層と、固体電解質層の内表面において大気と接触する大気側電極層とからなる。この構成のセンサ素子では、その周囲の排ガスが拡散抵抗層を透過して排ガス側電極に達する。そして、固体電解質層に電圧を印加することにより、空燃比リーン時には排気ガス中の酸素濃度に応じた酸素イオン電流が発生し、空燃比リッチ時には未燃ガス濃度に応じた酸素イオン電流が発生する。   In the above embodiment, the O2 sensor 20 is applied as the gas sensor. However, a wide-area detection type A / F sensor (A / F) that supplies a current according to the oxygen concentration in the exhaust gas while a voltage is applied to the pair of electrodes. : Air-fuel ratio). For example, in a so-called cup-type A / F sensor having a sensor element having a cup-shaped cross section, the sensor element includes a solid electrolyte layer, a pair of electrodes provided across the solid electrolyte layer, and an outer surface of the solid electrolyte layer ( And a porous diffusion resistance layer surrounding the exhaust side electrode. The pair of electrodes includes an exhaust gas side electrode layer that contacts exhaust gas on the outer surface of the solid electrolyte layer, and an atmosphere side electrode layer that contacts the atmosphere on the inner surface of the solid electrolyte layer. In the sensor element having this configuration, the surrounding exhaust gas passes through the diffusion resistance layer and reaches the exhaust gas side electrode. By applying a voltage to the solid electrolyte layer, an oxygen ion current corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas is generated when the air-fuel ratio is lean, and an oxygen ion current corresponding to the unburned gas concentration is generated when the air-fuel ratio is rich. .

この構成のセンサ素子において、例えば拡散抵抗層にひび割れ等が生じた場合、その部位から排気管中の凝縮水が浸入することによって排ガス側電極層と排気管14側とが導通状態になることが考えられる。この場合、センサ素子の負側端子が擬似的に接地された状態になり、その結果、センサ素子の電圧印加を適正に実施できずセンサ異常ありと診断されることが考えられる。したがって、A/Fセンサを本発明に適用した場合にも、上記効果と同様の効果、すなわちガスセンサの異常診断において、復帰可能な異常とそうでない異常とを区別するといった効果を奏すると言える。   In the sensor element having this configuration, for example, when a crack or the like occurs in the diffusion resistance layer, the exhaust gas side electrode layer and the exhaust pipe 14 side may be in a conductive state due to intrusion of condensed water in the exhaust pipe from the site. Conceivable. In this case, it is conceivable that the negative terminal of the sensor element is in a pseudo-grounded state, and as a result, voltage application to the sensor element cannot be properly performed and a sensor abnormality is diagnosed. Therefore, even when the A / F sensor is applied to the present invention, it can be said that the same effect as the above effect, that is, an effect of distinguishing between a recoverable abnormality and an abnormality that cannot be recovered in the abnormality diagnosis of the gas sensor.

・上記実施形態では、コップ型のO2センサについて説明したが、固体電解質層や絶縁層を積層してなる積層型のセンサ素子を有するO2センサに本発明を適用してもよい。   In the above embodiment, the cup-type O2 sensor has been described. However, the present invention may be applied to an O2 sensor having a laminated sensor element in which a solid electrolyte layer or an insulating layer is laminated.

・上記実施形態では、ガスセンサとしてO2センサを適用したが、O2センサ以外のガスセンサ(例えばCOセンサやNOxセンサなど)に適用してもよい。   In the above embodiment, the O2 sensor is applied as the gas sensor, but may be applied to a gas sensor other than the O2 sensor (for example, a CO sensor, a NOx sensor, etc.).

10…エンジン、14…排気管、20…O2センサ(ガスセンサ)、21…センサ素子、22…ハウジング、24…固体電解質層、25…排ガス側電極層(第1電極)、26…大気側電極層(第2電極)、28…ヒータ、40…ECU(導通判定手段、診断制限手段、時間設定手段)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Engine, 14 ... Exhaust pipe, 20 ... O2 sensor (gas sensor), 21 ... Sensor element, 22 ... Housing, 24 ... Solid electrolyte layer, 25 ... Exhaust gas side electrode layer (first electrode), 26 ... Air side electrode layer (Second electrode), 28... Heater, 40... ECU (conduction determination means, diagnosis limiting means, time setting means).

Claims (5)

内燃機関の排気管に取り付けられ、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を備えるガスセンサに適用され、前記一対の電極からの電気信号に基づいて同ガスセンサの異常診断を実施するガスセンサの異常診断装置において、
前記一対の電極のうち少なくとも一方について被水により前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する導通判定手段と、
前記導通判定手段により前記導通が生じる状態であると判定された場合に前記ガスセンサの出力値に基づくセンサ異常診断の実施を制限する診断制限手段と、
を備えることを特徴とするガスセンサの異常診断装置。
Applied to an exhaust pipe of an internal combustion engine and applied to a gas sensor having a sensor element having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body, and based on an electric signal from the pair of electrodes, In the gas sensor abnormality diagnosis device that performs abnormality diagnosis,
Continuity determination means for determining that at least one of the pair of electrodes is in a state where continuity with the exhaust pipe side is caused by water;
Diagnosis limiting means for limiting the execution of sensor abnormality diagnosis based on the output value of the gas sensor when the continuity determination means determines that the continuity is in a state to occur; and
An abnormality diagnosis device for a gas sensor, comprising:
前記一対の電極は、その一方が排気側に露出された第1電極であり、他方が大気雰囲気の基準室に露出された第2電極であり、
前記導通判定手段は、前記第1電極と前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する請求項1に記載のガスセンサの異常診断装置。
One of the pair of electrodes is a first electrode exposed to the exhaust side, and the other is a second electrode exposed to a reference chamber in an air atmosphere,
The abnormality diagnosis device for a gas sensor according to claim 1, wherein the continuity determining means determines that the continuity between the first electrode and the exhaust pipe is generated.
前記ガスセンサには、前記センサ素子を加熱するヒータが設けられ、
前記導通判定手段は、前記ヒータの通電制限の解除後において前記電極と前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する請求項1又は2に記載のガスセンサの異常診断装置。
The gas sensor is provided with a heater for heating the sensor element,
3. The gas sensor abnormality diagnosis device according to claim 1, wherein the continuity determination unit determines that the continuity between the electrode and the exhaust pipe is generated after the restriction on energization of the heater is released.
前記診断制限手段により前記センサ異常診断の実施を制限する際の制限時間を可変設定する時間設定手段を備える請求項1乃至3のいずれか一項に記載のガスセンサの異常診断装置。   4. The gas sensor abnormality diagnosis device according to claim 1, further comprising a time setting unit configured to variably set a time limit for limiting the execution of the sensor abnormality diagnosis by the diagnosis limiting unit. 5. 前記ガスセンサは、排気の酸素濃度に応じて正負の両電極間に起電力を発生するO2センサであり、
前記O2センサの起電力を検出する起電力検出回路において、前記O2センサの負側電極にはバイアス電源が接続されており、
前記O2センサの正側電極又は負側電極の電圧に基づいて前記異常診断を実施する請求項1乃至4のいずれか一項に記載のガスセンサの異常診断装置。
The gas sensor is an O2 sensor that generates an electromotive force between both positive and negative electrodes according to the oxygen concentration of exhaust gas,
In the electromotive force detection circuit for detecting the electromotive force of the O2 sensor, a bias power source is connected to the negative electrode of the O2 sensor,
The abnormality diagnosis device for a gas sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the abnormality diagnosis is performed based on a voltage of a positive electrode or a negative electrode of the O2 sensor.
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