JP2012068150A - Abnormality diagnostic device for oxygen sensor - Google Patents

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Yasushi Iwasaki
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an abnormality diagnostic device which is suitable for an oxygen sensor having a diffusion layer in an outer layer part of a detection element.SOLUTION: At least one of a plurality of positive direct currents obtained when a plurality of positive direct voltages different in magnitude are applied to the detection element; and a plurality of negative direct currents obtained when a plurality of negative direct voltages different in magnitude are applied to the detection element is detected. Based on a change rate of the detected direct currents that is the at least one of the plurality of positive direct currents and the plurality of negative direct currents, it is determined whether the oxygen sensor is normal or abnormal. Diagnostic errors can be reduced by reducing the influence of variations in current values caused by the variations or the like in the detection element itself.

Description

本発明は酸素センサの異常診断装置に係り、特に、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置に関する。   The present invention relates to an oxygen sensor abnormality diagnosis device, and more particularly to an abnormality diagnosis device suitable for an oxygen sensor having a diffusion layer in an outer layer portion of a detection element.

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不可欠である。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空燃比フィードバック制御を実施するようにしている。   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 air-fuel ratio feedback control is made so as to be close to.

典型的な酸素センサは、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、その内面を大気に露呈するとともに、その外面は排気ガスに曝されている。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を有している。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が利用されている。   A typical 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 and its outer surface exposed to exhaust gas. Moreover, the detection element has a solid electrolyte in which electrodes 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. For example, zirconia is used as an oxygen sensor.

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。   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.

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。   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.

一方、自動車の分野では、排気エミッションが悪化した車両の走行を未然に防止するため、車載状態(オンボード)で触媒やセンサの異常を診断することが各国法規等で要請されている。そこで酸素センサについても様々な診断装置が提案されるに至っている。   On the other hand, in the field of automobiles, the laws and regulations of each country require that the abnormality of the catalyst and the sensor be diagnosed in an on-board state (on-board) in order to prevent the vehicle running with deteriorated exhaust emission. Accordingly, various diagnostic devices have been proposed for oxygen sensors.

例えば特許文献1には、検出素子の交流インピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出し、算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別に基準値と比較し、この比較結果の組み合わせに基づいて検出素子の異常を診断する装置が開示されている。   For example, in Patent Document 1, a resistance component and a capacitance component are calculated based on the AC impedance of the detection element, and the calculated resistance component and capacitance component are individually compared with a reference value. An apparatus for diagnosing abnormality of a detection element based on a combination of the above is disclosed.

特開2009−25102号公報JP 2009-25102 A

酸素センサの中には、検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有するものがある。本発明者らは、鋭意研究の結果、このような酸素センサの異常時に発生する固有の現象を利用して、酸素センサの異常診断を行えることを見出した。   Some oxygen sensors have a diffusion layer that controls the diffusion rate of gas in the outer layer portion of the detection element. As a result of intensive studies, the present inventors have found that an abnormality diagnosis of the oxygen sensor can be performed by utilizing such a unique phenomenon that occurs when the oxygen sensor malfunctions.

そこで本発明の目的は、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide an abnormality diagnosis device suitable for an oxygen sensor having a diffusion layer in the outer layer portion of a detection element.

本発明の一形態によれば、
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流電流、および、前記検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された複数の正の直流電流および複数の負の直流電流の少なくとも一方の変化率に基づき、前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
An oxygen sensor abnormality diagnosis device having a diffusion layer that controls the diffusion rate of gas in the outer layer portion of the detection element,
Obtained when a plurality of positive DC voltages obtained by applying a plurality of positive DC voltages of different magnitudes to the detection element and a plurality of negative DC voltages of different magnitudes are applied to the detection elements. Detecting means for detecting at least one of a plurality of negative DC currents,
Determination means for determining whether the oxygen sensor is normal or abnormal based on a rate of change of at least one of a plurality of positive DC currents and a plurality of negative DC currents detected by the detection means;
An oxygen sensor abnormality diagnosis device is provided.

ここで、複数の正の直流電流の変化率とは、複数の正の直流電圧の変化に対する複数の正の直流電流の変化の割合ないし度合いをいう。また、複数の負の直流電流の変化率とは、複数の負の直流電圧の変化に対する複数の負の直流電流の変化の割合ないし度合いをいう。   Here, the rate of change of the plurality of positive DC currents refers to the rate or degree of change of the plurality of positive DC currents with respect to the change of the plurality of positive DC voltages. The change rate of the plurality of negative DC currents refers to the rate or degree of change of the plurality of negative DC currents with respect to the change of the plurality of negative DC voltages.

好ましくは、前記検出手段は、少なくとも前記複数の正の直流電流を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流電流の変化率が所定の第1閾値より小さいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する。
Preferably, the detection means detects at least the plurality of positive direct currents,
The determination means determines that the oxygen sensor is abnormal when the rate of change of the plurality of positive DC currents is smaller than a predetermined first threshold, and specifies clogging of the diffusion layer as the type of abnormality.

好ましくは、前記検出手段は、少なくとも前記複数の負の直流電流を検出し、
前記判定手段は、前記複数の負の直流電流の変化率が所定の第2閾値より大きいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記検出素子の割れを特定する。
Preferably, the detection means detects at least the plurality of negative direct currents,
The determination means determines that the oxygen sensor is abnormal when the rate of change of the plurality of negative DC currents is greater than a predetermined second threshold, and specifies cracks in the detection element as the type of abnormality.

好ましくは、前記検出手段は、前記複数の正の直流電流および前記複数の負の直流電流の両方を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流電流の変化率が所定の第1閾値以上であり、且つ、前記複数の負の直流電流の変化率が所定の第2閾値以下であるとき、前記酸素センサを正常と判定する。
Preferably, the detection means detects both the plurality of positive DC currents and the plurality of negative DC currents,
The determination means is configured to change the oxygen when the rate of change of the plurality of positive DC currents is equal to or greater than a predetermined first threshold and the rate of change of the plurality of negative DC currents is equal to or less than a predetermined second threshold. The sensor is determined to be normal.

好ましくは、前記酸素センサが内燃機関の排気通路に設けられ、
前記検出手段は、前記内燃機関の燃焼室に対する燃料供給が停止され且つ前記検出素子の温度が所定の基準温度よりも昇温されているとき、または、前記内燃機関がアイドル運転状態にあり且つ空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御されているとき、前記複数の正の直流電流および前記複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する。
Preferably, the oxygen sensor is provided in an exhaust passage of the internal combustion engine,
The detection means is configured to stop the fuel supply to the combustion chamber of the internal combustion engine and the temperature of the detection element is higher than a predetermined reference temperature, or when the internal combustion engine is in an idle operation state and is empty. When the fuel ratio is controlled to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, at least one of the plurality of positive DC currents and the plurality of negative DC currents is detected.

本発明の他の形態によれば、
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流抵抗、および、前記検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流抵抗の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された複数の正の直流抵抗および複数の負の直流抵抗の少なくとも一方の変化率に基づき、前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
An oxygen sensor abnormality diagnosis device having a diffusion layer that controls the diffusion rate of gas in the outer layer portion of the detection element,
Obtained when a plurality of positive DC resistances obtained when a plurality of positive DC voltages of different magnitudes are applied to the detection element and a plurality of negative DC voltages of different magnitudes are applied to the detection elements. Detecting means for detecting at least one of a plurality of negative DC resistances;
Determination means for determining whether the oxygen sensor is normal or abnormal based on a change rate of at least one of a plurality of positive DC resistances and a plurality of negative DC resistances detected by the detection means;
An oxygen sensor abnormality diagnosis device is provided.

ここで、複数の正の直流抵抗の変化率とは、複数の正の直流電圧の変化に対する複数の正の直流抵抗の変化の割合ないし度合いをいう。また、複数の負の直流抵抗の変化率とは、複数の負の直流電圧の変化に対する複数の負の直流抵抗の変化の割合ないし度合いをいう。   Here, the change rate of the plurality of positive DC resistances refers to the rate or degree of change of the plurality of positive DC resistances with respect to the change of the plurality of positive DC voltages. The change rate of the plurality of negative DC resistances refers to the rate or degree of change of the plurality of negative DC resistances with respect to the change of the plurality of negative DC voltages.

好ましくは、前記検出手段は、少なくとも前記複数の正の直流抵抗を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流抵抗の変化率が所定の第3閾値より大きいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する。
Preferably, the detection means detects at least the plurality of positive DC resistances,
The determination means determines that the oxygen sensor is abnormal when the rate of change of the plurality of positive DC resistances is greater than a predetermined third threshold, and specifies clogging of the diffusion layer as the type of abnormality.

好ましくは、前記検出手段は、少なくとも前記複数の負の直流抵抗を検出し、
前記判定手段は、前記複数の負の直流抵抗の変化率が所定の第4閾値より小さいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記検出素子の割れを特定する。
Preferably, the detection means detects at least the plurality of negative DC resistances,
The determination means determines that the oxygen sensor is abnormal when the rate of change of the plurality of negative DC resistances is smaller than a predetermined fourth threshold, and identifies cracks in the detection element as the type of abnormality.

好ましくは、前記検出手段は、前記複数の正の直流抵抗および前記複数の負の直流抵抗の両方を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流抵抗の変化率が所定の第3閾値以下であり、且つ、前記複数の負の直流抵抗の変化率が所定の第4閾値以上であるとき、前記酸素センサを正常と判定する。
Preferably, the detection means detects both the plurality of positive DC resistances and the plurality of negative DC resistances,
The determination means includes the oxygen generator when the rate of change of the plurality of positive DC resistances is not more than a predetermined third threshold value and the rate of change of the plurality of negative DC resistances is not less than a predetermined fourth threshold value. The sensor is determined to be normal.

好ましくは、前記酸素センサが内燃機関の排気通路に設けられ、
前記検出手段は、前記内燃機関の燃焼室に対する燃料供給が停止され且つ前記検出素子の温度が所定の基準温度よりも昇温されているとき、または、前記内燃機関がアイドル運転状態にあり且つ空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御されているとき、前記複数の正の直流抵抗および前記複数の負の直流抵抗の少なくとも一方を検出する。
Preferably, the oxygen sensor is provided in an exhaust passage of the internal combustion engine,
The detection means is configured to stop the fuel supply to the combustion chamber of the internal combustion engine and the temperature of the detection element is higher than a predetermined reference temperature, or when the internal combustion engine is in an idle operation state and is empty. When the fuel ratio is controlled to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, at least one of the plurality of positive DC resistances and the plurality of negative DC resistances is detected.

本発明によれば、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置を提供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 that an abnormality diagnosis device suitable for an oxygen sensor having a diffusion layer in an outer layer portion of a detection element can be provided is exhibited.

本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。1 is a schematic view showing an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. 酸素センサの取付状態を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the attachment state of an oxygen sensor. 酸素センサの検出素子の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the detection element 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. 図3のV部詳細図であり、検出素子に対する電源回路の構成を模式的に示す。FIG. 4 is a detailed view of a V portion in FIG. 3, schematically showing a configuration of a power supply circuit for a detection element. 正の直流電圧印加時における印加電圧と電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied voltage at the time of positive DC voltage application, and an electric current. 負の直流電圧印加時における印加電圧と電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied voltage at the time of negative DC voltage application, and an electric current. 第1実施例の異常診断処理に関するフローチャートである。It is a flowchart regarding the abnormality diagnosis processing of the first embodiment. 正の直流電圧印加時における印加電圧と抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied voltage at the time of positive DC voltage application, and resistance. 負の直流電圧印加時における印加電圧と抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied voltage at the time of negative DC voltage application, and resistance. 印加電圧と抵抗変化率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an applied voltage and resistance change rate. 第2実施例の異常診断処理に関するフローチャートである。It is a flowchart regarding the abnormality diagnosis processing of the second embodiment. 正の直流電圧印加時における印加電圧と電流の関係を示すイメージ図である。It is an image figure which shows the relationship between the applied voltage at the time of positive DC voltage application, and an electric current.

本発明の実施形態に係る内燃機関の構成を図1を参照して説明する。本実施形態の内燃機関(エンジン)10は自動車用であり、火花点火式内燃機関、具体的にはガソリンエンジンである。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。吸入された空気の量(吸入空気量)はエアフローメータ16により検出される。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、エンジン本体12内の燃焼室に送られ、そこで燃焼される。   A configuration of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The internal combustion engine (engine) 10 of this embodiment is for automobiles, and is a spark ignition internal combustion engine, specifically a gasoline engine. 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 variable, and the amount of air taken in through the air cleaner 14 is adjusted by opening degree control. Is done. The amount of inhaled air (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 a combustion chamber in the engine body 12 where it is burned.

燃焼室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、その上流側に酸素センサ19が設けられている。   The exhaust passage 13 through which exhaust gas generated by combustion in the combustion chamber is sent is provided with a three-way catalyst 18 for purifying harmful components in the exhaust gas, and an oxygen sensor 19 is provided upstream thereof.

三元触媒18は、これに供給される排気ガスの空燃比が理論空燃比(ストイキ)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。こうした三元触媒18を有効に機能させるには、燃焼室に供給される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 removes all the main harmful components (HC, CO, NOx) in the exhaust gas only when the air-fuel ratio of the exhaust gas supplied thereto is only in a narrow range (window) near the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric). Purify efficiently. In order for such a three-way catalyst 18 to function effectively, strict control is required to adjust the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber to 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は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたCPU、ROM、RAM、B(バッテリバックアップ).RAM、不揮発性メモリ、入力ポート、出力ポート、A/D変換器およびD/A変換器を具備する。ECU22には、上記エアフローメータ16や酸素センサ19、及び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ECU22は、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、上記の空燃比フィードバック制御を行っている。空燃比フィードバック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, for example, a CPU, ROM, RAM, B (battery backup). A RAM, a nonvolatile memory, an input port, an output port, an A / D converter, and a D / A converter are provided. The ECU 22 includes various sensors including the air flow meter 16, the oxygen sensor 19, an accelerator opening sensor 21 that detects the amount of depression of the accelerator pedal (accelerator opening), and a rotation speed sensor 23 that detects the engine rotation speed. Detection signal is input. The ECU 22 controls the air-fuel ratio feedback control by driving 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 the sensors. . The outline of the air-fuel ratio feedback 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、上記酸素センサ19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。   Therefore, the ECU 22 feedback corrects the fuel injection amount from the injector 17 based on the actual value of the air / fuel ratio obtained from the detection result of the oxygen sensor 19 to ensure the required accuracy of the air / fuel ratio control.

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。   As described above, in this exhaust gas purification system, the so-called air-fuel ratio feedback control that feedback-corrects the fuel injection amount according to the detection result of the oxygen sensor 19 is performed, so that the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is made close to the theoretical air-fuel ratio. To maintain a high exhaust gas purification rate.

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、穿孔されたセンサカバー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37を有する。すなわち検出素子31は、固体電解質37を一対の電極33A,33Bで挟んでなる。固体電解質37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が利用されている。また電極33A,33Bは白金等の多孔質から形成されている。   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 perforated sensor cover 32. The detection element 31 includes a solid electrolyte 37 having electrodes 33A and 33B coated on the inner and outer surfaces. That is, the detection element 31 includes a solid electrolyte 37 sandwiched between a pair of electrodes 33A and 33B. The solid electrolyte 37 is a solid substance that can move inside the oxygen ionized state. For example, zirconia is used as an oxygen sensor. The electrodes 33A and 33B are made of a porous material such as platinum.

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とを通じて外部と連通され、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 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37を通り、酸素分圧の低い側(通常は排気側)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内外の電極間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。   If there is a difference in oxygen partial pressure between the atmosphere inside the detection element 31 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. Then, it passes through the solid electrolyte 37 and moves to the side having low oxygen partial pressure (usually the exhaust 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 between the inner and outer electrodes in accordance with the movement of oxygen, and as a result, an electromotive force is generated in the detection element 31.

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側の電極33Aから検出素子31を通って外側の電極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側の電極33Aが正極、外側の電極33Bが負極となる。以下、内側の電極33Aを大気電極、外側の電極33Bを排気電極ともいう。   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 electrode 33A through the detection element 31 to the outer electrode 33B, the direction of the current is reversed, and the inner electrode 33A is positive for the external device connected to both electrodes. The outer electrode 33B becomes a negative electrode. Hereinafter, the inner electrode 33A is also referred to as an atmospheric electrode, and the outer electrode 33B is also referred to as an exhaust 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となっている。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。本発明はこのような様々なタイプの酸素センサに適用可能である。   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. Many of them are configured to detect the oxygen partial pressure of the exhaust gas based on the same detection principle as that of the sensor exemplified above. That is, the detection element arranged to isolate the reference gas (atmosphere) and the exhaust gas generates an electromotive force according to the difference in oxygen partial pressure of the exhaust gas with respect to the reference gas. The present invention is applicable to such various types of oxygen sensors.

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)を境にスイッチング的に変化し、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予め定め、実際のセンサ出力電圧を当該閾値と比較して空燃比が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 in a switching manner with a theoretical air-fuel ratio A / Fs (for example, 14.6) as a boundary, and the air-fuel ratio A of the exhaust gas (atmospheric 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, a sensor output of 0.45 V is preset as a rich / lean determination threshold value, and an actual sensor output voltage is compared with the threshold value to determine whether the air-fuel ratio is rich or lean. 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、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フィードバック制御を行う内燃機関では、本実施形態のように、理論空燃比を境に出力電圧がスイッチング的に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、あるいはA/F(空燃比)センサに対しても適用可能である。   In an internal combustion engine that performs air-fuel ratio feedback control for the purpose of combustion only at the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric combustion), the output voltage changes in a switching manner with respect to the stoichiometric air-fuel ratio as in this embodiment. Oxygen sensors are 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 or an A / F (air / fuel ratio) sensor.

ところで、図3および図5に示すように、検出素子31の排気電極33Bの外側には、内側から外側に向かって、拡散層38と、触媒層39と、トラップ層40とが順次積層されている。これら拡散層38、触媒層39およびトラップ層40により、排気電極33Bの外側に形成された、或いは排気電極33Bとその外側のガスとの間に介設された外層部41が形成されている。   3 and 5, a diffusion layer 38, a catalyst layer 39, and a trap layer 40 are sequentially stacked on the outside of the exhaust electrode 33B of the detection element 31 from the inside to the outside. Yes. The diffusion layer 38, the catalyst layer 39, and the trap layer 40 form an outer layer portion 41 formed outside the exhaust electrode 33B or interposed between the exhaust electrode 33B and the gas outside the exhaust electrode 33B.

拡散層38は、ガスの拡散速度を律速するものであり、アルミナ(Al23)や酸化マグネシウムMgO等の多孔質から形成されている。ガスが排気電極33Bに向かって拡散層38を透過する際、ガスに抵抗が与えられ、ガスが律速される。 The diffusion layer 38 controls the gas diffusion rate, and is formed of a porous material such as alumina (Al 2 O 3 ) or magnesium oxide MgO. When the gas passes through the diffusion layer 38 toward the exhaust electrode 33B, resistance is given to the gas and the gas is rate-controlled.

触媒層39は、ガス中の未燃成分(特にH2)を酸化させて除去し、センサの出力ズレを抑制するためのものである。触媒層39は、アルミナ等の多孔質に、Pt、Pd、Rh等の触媒貴金属粒子を担持させて構成されている。 The catalyst layer 39 is for oxidizing and removing unburned components (especially H 2 ) in the gas and suppressing the output deviation of the sensor. The catalyst layer 39 is configured by supporting catalyst noble metal particles such as Pt, Pd, and Rh on a porous material such as alumina.

トラップ層40は、その内側の各層を保護すると共に、排気電極33Bにガス以外の物質が到達するのを防止するためのものである。トラップ層40はアルミナ等の多孔質から形成されている。   The trap layer 40 is for protecting each layer inside thereof and for preventing substances other than gas from reaching the exhaust electrode 33B. The trap layer 40 is formed of a porous material such as alumina.

なお、ここでは拡散層38の他に触媒層39を別個に設けたが、触媒層39を省略してもよい。この場合、拡散層38に触媒貴金属粒子を担持させ、拡散層38に触媒層39の機能を持たせてもよい。またトラップ層40を省略してもよい。   Although the catalyst layer 39 is separately provided in addition to the diffusion layer 38 here, the catalyst layer 39 may be omitted. In this case, catalyst noble metal particles may be supported on the diffusion layer 38, and the function of the catalyst layer 39 may be provided on the diffusion layer 38. The trap layer 40 may be omitted.

次に、酸素センサ19の異常診断について説明する。   Next, abnormality diagnosis of the oxygen sensor 19 will be described.

[第1実施例]
以下に述べる第1実施例においては、ECU22により、検出素子31に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の正の直流電流を検出すると共に、検出素子31に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の負の直流電流を検出する。
[First embodiment]
In the first embodiment described below, the ECU 22 applies a plurality of positive DC voltages having different magnitudes to the detection element 31 to detect a plurality of positive DC currents corresponding to each of the positive DC voltages. A plurality of negative direct current voltages having different magnitudes are applied to a plurality of negative direct currents corresponding to the respective negative direct current voltages.

この検出方法を図示して説明する。図5には、検出素子31に正の直流電圧と負の直流電圧とを印加可能な電源回路の構成が模式的に示されている。正の直流電圧を印加する電源を正直流電源と称し、B+で表わす。同様に、負の直流電圧を印加する電源を負直流電源と称し、B−で表わす。これら電源は、ECU22内に構築されたスイッチング回路S1,S2によって切り替えおよび選択可能となっている。なお正直流電源B+と負直流電源B−とを共用とし、スイッチングのみで両者を切り替えても良い。   This detection method is illustrated and described. FIG. 5 schematically shows a configuration of a power supply circuit that can apply a positive DC voltage and a negative DC voltage to the detection element 31. A power supply to which a positive DC voltage is applied is referred to as a positive DC power supply and is represented by B +. Similarly, a power supply to which a negative DC voltage is applied is referred to as a negative DC power supply and is represented by B−. These power sources can be switched and selected by switching circuits S1 and S2 built in the ECU 22. Note that the positive DC power supply B + and the negative DC power supply B− may be shared, and both may be switched only by switching.

図示例では、正直流電源B+のみが選択され、大気電極33Aに正直流電源B+の正(+)極が接続され、排気電極33Bに正直流電源B+の負(−)極が接続されている。この状態を、「検出素子31に正の直流電圧を印加した状態」と定義する。正の直流電圧を印加した状態では、図示されるように、排気電極33Bから大気電極33Aに向かって酸素O2がポンピングされる。 In the illustrated example, only the positive DC power supply B + is selected, the positive (+) pole of the positive DC power supply B + is connected to the atmospheric electrode 33A, and the negative (−) pole of the positive DC power supply B + is connected to the exhaust electrode 33B. . This state is defined as “a state in which a positive DC voltage is applied to the detection element 31”. In a state where a positive DC voltage is applied, oxygen O 2 is pumped from the exhaust electrode 33B toward the atmospheric electrode 33A as shown in the figure.

他方、負直流電源B−のみが選択されると、大気電極33Aに負直流電源B−の負(−)極が接続され、排気電極33Bに負直流電源B−の正(+)極が接続される。この状態を、「検出素子31に負の直流電圧を印加した状態」と定義する。負の直流電圧を印加した状態では、酸素O2のポンピングの向きは前記と逆になる。 On the other hand, when only the negative DC power supply B- is selected, the negative (-) pole of the negative DC power supply B- is connected to the atmospheric electrode 33A, and the positive (+) pole of the negative DC power supply B- is connected to the exhaust electrode 33B. Is done. This state is defined as “a state in which a negative DC voltage is applied to the detection element 31”. When a negative DC voltage is applied, the direction of oxygen O 2 pumping is reversed.

検出素子31に正の直流電圧を印加した場合(「+直流電圧印加時」ともいう)、拡散層38により、排気電極33Bに到達する酸素量がある程度制限される。他方、検出素子31に負の直流電圧を印加した場合(「−直流電圧印加時」ともいう)だと、大気電極33A側には拡散層38が無いため、酸素量が制限されることがない。   When a positive DC voltage is applied to the detection element 31 (also referred to as “+ DC voltage application”), the diffusion layer 38 limits the amount of oxygen reaching the exhaust electrode 33B to some extent. On the other hand, when a negative DC voltage is applied to the detection element 31 (also referred to as “-DC voltage application”), the amount of oxygen is not limited because there is no diffusion layer 38 on the atmospheric electrode 33A side. .

そして+直流電圧印加時には、拡散層38の状態に応じて、排気電極33Bに到達する酸素量が変化する。すなわち拡散層38が正常であれば比較的多くの酸素が排気電極33Bに到達できるが、拡散層38に目詰まりが生じていると、比較的少ない酸素しか排気電極33Bに到達できない。つまり、拡散層38の目詰まり度合いが大きいほど、排気電極33Bに到達する単位時間当たりの酸素量が少なくなり、+直流電圧印加時に得られる電流値(これを「正の直流電流」という)は小さくなる。なお、拡散層38の目詰まりの原因は、主に排気ガスに含まれる煤、鉛、マンガン、硫黄等である。   When a + DC voltage is applied, the amount of oxygen reaching the exhaust electrode 33B changes according to the state of the diffusion layer 38. That is, if the diffusion layer 38 is normal, a relatively large amount of oxygen can reach the exhaust electrode 33B, but if the diffusion layer 38 is clogged, a relatively small amount of oxygen can reach the exhaust electrode 33B. That is, as the degree of clogging of the diffusion layer 38 increases, the amount of oxygen per unit time reaching the exhaust electrode 33B decreases, and the current value obtained when + DC voltage is applied (this is referred to as “positive DC current”). Get smaller. The cause of the clogging of the diffusion layer 38 is mainly soot, lead, manganese, sulfur, etc. contained in the exhaust gas.

図6は、+直流電圧印加時における印加電圧と電流との関係を示すグラフである。図中「正常」とは拡散層38に目詰まりが生じていない正常の場合をいい、「目詰まり大」、「目詰まり中」および「目詰まり小」とは、それぞれ、拡散層38における目詰まりの程度が大、中および小の場合をいう。図示するように、拡散層38における目詰まり度合いが大きいほど、一定の印加電圧に対する電流値は小さくなる傾向にある。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between applied voltage and current when + DC voltage is applied. In the figure, “normal” means a normal state in which the diffusion layer 38 is not clogged, and “large clogging”, “during clogging”, and “small clogging” respectively indicate the clogging in the diffusion layer 38. When the level of clogging is large, medium or small. As shown in the figure, the larger the degree of clogging in the diffusion layer 38, the smaller the current value for a certain applied voltage.

よって、検出素子31に所定の大きさの正の直流電圧を印加し、このときに得られる電流値に基づき、酸素センサ19の異常、特に拡散層38の目詰まり異常を検出することが考えられる。   Therefore, it is conceivable to apply a positive DC voltage of a predetermined magnitude to the detection element 31 and detect an abnormality of the oxygen sensor 19, particularly an abnormal clogging of the diffusion layer 38, based on the current value obtained at this time. .

但し、検出素子31自体や制御素子温等のバラツキにより、印加電圧に対する電流値もばらつく可能性がある。よって一値の印加電圧に対応した電流値のみを診断の基礎に用いる方法だと、診断誤差が大きくなり、正常と異常の判別が困難となる可能性がある。   However, the current value with respect to the applied voltage may vary due to variations in the detection element 31 itself and the control element temperature. Therefore, if only a current value corresponding to a single applied voltage is used as a basis for diagnosis, there is a possibility that a diagnosis error becomes large and it is difficult to distinguish between normal and abnormal.

一方、図6の関係によれば、拡散層38における目詰まり度合いが大きいほど、印加電圧の増大に対する電流値の増大割合(勾配)は小さくなる傾向にある。   On the other hand, according to the relationship of FIG. 6, the greater the degree of clogging in the diffusion layer 38, the smaller the increase rate (gradient) of the current value with respect to the increase in applied voltage.

そこでこの傾向に着目し、第1実施例では、まず、図6に示す如く、検出素子31に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の正の直流電流を検出する。そして検出された複数の正の直流電流の変化率に基づき、酸素センサ19が正常か異常かを判定する。   Therefore, paying attention to this tendency, in the first embodiment, as shown in FIG. 6, first, a plurality of positive DC voltages having different sizes are applied to the detection element 31, and a plurality of positive DC currents corresponding to each of them are applied. Is detected. Based on the detected change rates of the plurality of positive DC currents, it is determined whether the oxygen sensor 19 is normal or abnormal.

ここで、複数の正の直流電流の変化率とは、複数の正の直流電圧の変化に対する複数の正の直流電流の変化の割合ないし度合いをいう。図6に示す例では8つの値の正の直流電圧に対応した8つの値の正の直流電流が検出されている。すなわち8点のデータが取得されている。特にこの例では、正の直流電圧の増大につれ正の直流電流も増大する傾向にあるから、変化率を増大率と言い換えることもできる。   Here, the rate of change of the plurality of positive DC currents refers to the rate or degree of change of the plurality of positive DC currents with respect to the change of the plurality of positive DC voltages. In the example shown in FIG. 6, eight values of positive DC current corresponding to eight values of positive DC voltage are detected. That is, eight points of data are acquired. In particular, in this example, since the positive DC current tends to increase as the positive DC voltage increases, the rate of change can be rephrased as an increase rate.

変化率は任意に定義することができる。例えば、8点全てのデータに対し最小自乗法等を適用して平均的な勾配を算出し、この勾配を変化率と定義することができる。あるいは、より単純に、8点のうち所定の2点のデータ間の勾配を算出し、この勾配を変化率と定義することができる。この場合最初から2点のみのデータを取得するようにしてもよい。いずれにしても、変化率を求めるには、少なくとも2点のデータを取得することが必要である。   The rate of change can be arbitrarily defined. For example, an average gradient can be calculated by applying the least square method or the like to all the eight data points, and this gradient can be defined as the rate of change. Or, more simply, a gradient between two predetermined data points out of eight points can be calculated, and this gradient can be defined as a rate of change. In this case, only two points of data may be acquired from the beginning. In any case, in order to obtain the rate of change, it is necessary to acquire at least two points of data.

この変化率を所定の第1閾値と比較することにより、目詰まり異常の有無を判別することが可能である。すなわち、変化率が第1閾値より小さいときは目詰まり異常あり、変化率が第1閾値以上のときは目詰まり異常なしといった具合である。   By comparing this rate of change with a predetermined first threshold value, it is possible to determine whether there is a clogging abnormality. That is, when the rate of change is smaller than the first threshold, there is a clogging abnormality, and when the rate of change is greater than or equal to the first threshold, there is no clogging abnormality.

このように、正の直流電流の変化率を診断の基礎に用いるので、検出素子31自体や制御素子温等のバラツキに起因した電流値バラツキの影響を低減し、診断誤差の低減および診断精度の向上が可能となる。   In this way, since the rate of change of positive DC current is used as the basis of diagnosis, the influence of current value variations due to variations in the detection element 31 itself and the control element temperature is reduced, diagnostic errors are reduced, and diagnostic accuracy is improved. Improvement is possible.

一方、−直流電圧印加時だと、拡散層38の状態に応じて印加電圧と電流との関係が変化することは実質的にないが、検出素子31の状態に応じて両者の関係が変化することが判明した。   On the other hand, when -DC voltage is applied, the relationship between the applied voltage and the current does not substantially change according to the state of the diffusion layer 38, but the relationship between both changes according to the state of the detection element 31. It has been found.

図7は、−直流電圧印加時における印加電圧と電流との関係を示すグラフである。印加電圧と電流の値は絶対値で表す。図中「正常」とは、検出素子31の割れ(「素子割れ」という)が生じていない正常の場合をいい、「割れ小」および「割れ大」とは、それぞれ、検出素子31の割れの程度が小および大の場合をいう。なお、試験においては検出素子31に意図的に穴を開けて検出素子31の割れを再現し、その穴の大きさを変えて割れの程度を変えている。ここではφ0.3mmの穴を開けた場合を「割れ小」とし、φ2.0mmの穴を開けた場合を「割れ大」としている。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between applied voltage and current when a -DC voltage is applied. The values of applied voltage and current are expressed as absolute values. In the figure, “normal” refers to a normal case in which the detection element 31 is not cracked (referred to as “element crack”), and “small crack” and “large crack” respectively indicate cracks in the detection element 31. When the degree is small and large. In the test, a hole is intentionally made in the detection element 31 to reproduce a crack in the detection element 31, and the size of the hole is changed to change the degree of the crack. Here, the case where a hole having a diameter of φ0.3 mm is formed is “small crack”, and the case where a hole having a diameter of 2.0 mm is formed is “large crack”.

図示するように、素子割れの程度が大きいほど、一定の印加電圧に対する電流値は大きくなる傾向にある。よって検出素子31に所定の大きさの負の直流電圧を印加し、このときに得られる電流値に基づき、酸素センサ19の異常、特に素子割れ異常を検出することが考えられる。   As shown in the figure, the current value for a constant applied voltage tends to increase as the degree of element cracking increases. Therefore, it is conceivable to apply a negative DC voltage of a predetermined magnitude to the detection element 31 and detect an abnormality of the oxygen sensor 19, particularly an element cracking abnormality, based on the current value obtained at this time.

但し前記同様、一値の印加電圧に対応した電流値のみを診断の基礎に用いる方法では、診断誤差が大きくなり、正常と異常の判別が困難となる可能性がある。一方、図7の関係によれば、素子割れの程度が大きいほど、印加電圧(負の直流電圧の絶対値)の増大に対する電流値(負の直流電流の絶対値)の増大割合は大きくなる傾向にある。   However, as described above, in the method using only the current value corresponding to a single applied voltage as the basis of diagnosis, the diagnosis error becomes large and it may be difficult to distinguish between normal and abnormal. On the other hand, according to the relationship of FIG. 7, the greater the degree of element cracking, the greater the increase rate of the current value (the absolute value of the negative DC current) with respect to the increase in the applied voltage (the absolute value of the negative DC voltage). It is in.

そこでこの傾向に着目し、第1実施例では、図7に示す如く、検出素子31に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の負の直流電流を検出する。そして検出された複数の負の直流電流の変化率に基づき、酸素センサ19が正常か異常かを判定する。   Therefore, paying attention to this tendency, in the first embodiment, as shown in FIG. 7, a plurality of negative DC voltages of different sizes are applied to the detection element 31 to detect a plurality of negative DC currents corresponding to each of them. To do. Then, based on the detected change rates of the plurality of negative DC currents, it is determined whether the oxygen sensor 19 is normal or abnormal.

前記同様、複数の負の直流電流の変化率も、複数の負の直流電圧の変化に対する複数の負の直流電流の変化の割合ないし度合いをいう。図7に示す例でも、8つの値の負の直流電圧に対応した8つの値の負の直流電流が検出され、8点のデータが取得されている。特にこの例では、負の直流電圧の増大につれ負の直流電流も増大する傾向にあるから、変化率を増大率と言い換えることもできる。変化率は前記同様、任意に定義することができる。   As described above, the rate of change of the plurality of negative DC currents refers to the rate or degree of change of the plurality of negative DC currents with respect to the change of the plurality of negative DC voltages. Also in the example shown in FIG. 7, eight values of negative DC current corresponding to eight values of negative DC voltage are detected, and eight points of data are acquired. In particular, in this example, since the negative DC current tends to increase as the negative DC voltage increases, the rate of change can be rephrased as an increase rate. The rate of change can be arbitrarily defined as described above.

この変化率を所定の第2閾値と比較することにより、素子割れ異常の有無を判別することが可能である。すなわち、変化率が第2閾値より大きいときは素子割れ異常あり、変化率が第2閾値以下のときは素子割れ異常なしといった具合である。   By comparing this rate of change with a predetermined second threshold, it is possible to determine whether or not there is an element crack abnormality. That is, when the rate of change is greater than the second threshold, there is an element crack abnormality, and when the rate of change is less than the second threshold, there is no element crack abnormality.

このように、負の直流電流の変化率を診断の基礎に用いるので、検出素子31自体や制御素子温等のバラツキに起因した電流値バラツキの影響を低減し、診断誤差の低減および診断精度の向上が可能となる。   As described above, since the rate of change of the negative DC current is used as the basis of diagnosis, the influence of the current value variation due to variations in the detection element 31 itself, the control element temperature, etc. can be reduced, the diagnosis error can be reduced, and the diagnosis accuracy can be reduced. Improvement is possible.

ここに述べた正の直流電流変化率に基づく目詰まり異常診断、および負の直流電流変化率に基づく素子割れ異常診断は、それぞれ単独で行うことができる。例えば前者について言えば、正の直流電流変化率が第1閾値より小さいとき、酸素センサ19を異常と判定すると共にその異常の種類として拡散層38の目詰まりを特定し、正の直流電流変化率が第1閾値以上のとき酸素センサ19を正常と判定する、といった具合である。しかしながら、両者を行った方が当然に、診断の精度および信頼性が高くなるため、好ましい。また両者を行った方が、酸素センサ19の正常・異常を判別できるのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も特定することができるため、好ましい。こうして、拡散層38を有する酸素センサ19に好適な異常診断装置を提供することが可能である。   The clogging abnormality diagnosis based on the positive DC current change rate and the element crack abnormality diagnosis based on the negative DC current change rate described here can be performed independently. For example, regarding the former, when the positive DC current change rate is smaller than the first threshold value, it is determined that the oxygen sensor 19 is abnormal, the clogging of the diffusion layer 38 is specified as the type of abnormality, and the positive DC current change rate is determined. For example, the oxygen sensor 19 is determined to be normal when is equal to or greater than the first threshold. However, it is naturally preferable to perform both because the accuracy and reliability of diagnosis are increased. Further, it is preferable to perform both because not only the normality / abnormality of the oxygen sensor 19 can be determined, but also the type or location of the abnormality can be specified in the case of an abnormality. In this way, it is possible to provide an abnormality diagnosis device suitable for the oxygen sensor 19 having the diffusion layer 38.

次に、ECU22が実行する第1実施例に係る異常診断処理を図8を参照して説明する。   Next, the abnormality diagnosis process according to the first embodiment executed by the ECU 22 will be described with reference to FIG.

ステップS101では、診断を実施するのに必要な所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。前提条件が成立するには、例えば、(1)酸素センサ19の検出素子31が十分高温となっており、酸素センサ19が活性化している、という基本条件が成立していることが必要である。例えばECU22は、酸素センサ19の出力電圧がリッチ・リーン間で所定回数反転したことを検出したとき、酸素センサ19が活性化したと判断する。   In step S101, it is determined whether a predetermined precondition necessary for performing the diagnosis is satisfied. In order to satisfy the precondition, for example, (1) the basic condition that the detection element 31 of the oxygen sensor 19 is sufficiently high in temperature and the oxygen sensor 19 is activated needs to be satisfied. . For example, the ECU 22 determines that the oxygen sensor 19 has been activated when it detects that the output voltage of the oxygen sensor 19 has been inverted a predetermined number of times between rich and lean.

また、前提条件が成立するには、併せて、次の特定条件(2)または(3)が成立していることが必要である。
(2)エンジンの燃焼室に対する燃料供給が停止している。この燃料供給停止状態には、減速時にインジェクタ17からの燃料噴射を停止するフューエルカット(減速フューエルカット)状態、およびハイブリッド車等において間欠的にエンジンを停止するためインジェクタ17からの燃料噴射を停止するフューエルカット状態が含まれる。
(3)エンジンがアイドル運転状態にある。
In addition, in order to satisfy the precondition, it is necessary that the following specific condition (2) or (3) is also satisfied.
(2) The fuel supply to the combustion chamber of the engine is stopped. In this fuel supply stop state, a fuel cut (deceleration fuel cut) state in which fuel injection from the injector 17 is stopped during deceleration, and a fuel injection from the injector 17 is stopped in order to stop the engine intermittently in a hybrid vehicle or the like. A fuel cut state is included.
(3) The engine is in an idle operation state.

詳しくは後述するが、当該異常診断処理においては、検出精度および診断精度を高めるため、上記特定条件下で且つ下記の制御変更を実施した場合のみ、診断を実行するようにしている。   As will be described in detail later, in the abnormality diagnosis process, in order to improve detection accuracy and diagnosis accuracy, diagnosis is executed only when the following control change is performed under the specific conditions.

前提条件が成立していなければ待機状態となり、前提条件が成立したならばステップS102に進む。ステップS102では、次のような制御変更が実施される。   If the precondition is not satisfied, the process enters a standby state. If the precondition is satisfied, the process proceeds to step S102. In step S102, the following control change is performed.

まず特定条件(2)の成立時には、検出素子31の温度が所定の基準温度よりも昇温される。すなわち、ECU22は通常、検出素子31の温度が所定の基準温度(例えば550℃)になるよう、検出素子31のヒータ36をフィードバック制御している。しかし、診断時で且つ特定条件(2)の成立時には、検出素子31の温度が基準温度より高い所定温度(例えば700℃)になるよう、検出素子31のヒータ36をフィードバック制御する。   First, when the specific condition (2) is satisfied, the temperature of the detection element 31 is raised from a predetermined reference temperature. That is, the ECU 22 normally feedback-controls the heater 36 of the detection element 31 so that the temperature of the detection element 31 becomes a predetermined reference temperature (for example, 550 ° C.). However, at the time of diagnosis and when the specific condition (2) is satisfied, the heater 36 of the detection element 31 is feedback-controlled so that the temperature of the detection element 31 becomes a predetermined temperature (for example, 700 ° C.) higher than the reference temperature.

また、特定条件(3)の成立時には、空燃比が理論空燃比(例えば14.6)よりもリーンな所定値(例えば14.8〜15.0の範囲内の値)に制御される。すなわち、ECU22は通常、酸素センサ19により検出された空燃比が理論空燃比になるよう燃料噴射量をフィードバック制御している。しかし、診断時で且つ特定条件(3)の成立時には、空燃比が理論空燃比よりもリーン(特に弱リーン)な所定値になるよう燃料噴射量を制御する。この強制リーン制御に際しては、エアフローメータ16により検出された吸入空気量に基づき燃料噴射量がフィードフォワード制御される。そうする理由は、本実施形態のようなZ特性(図4)を持つ酸素センサ19の場合、理論空燃比以外の空燃比にフィードバック制御することが困難であること、およびそもそも酸素センサ19の診断時にその出力値を使って空燃比制御を行うのが好ましくないからである。   Further, when the specific condition (3) is satisfied, the air-fuel ratio is controlled to a predetermined value (for example, a value in the range of 14.8 to 15.0) leaner than the theoretical air-fuel ratio (for example, 14.6). That is, the ECU 22 normally feedback-controls the fuel injection amount so that the air-fuel ratio detected by the oxygen sensor 19 becomes the stoichiometric air-fuel ratio. However, at the time of diagnosis and when the specific condition (3) is satisfied, the fuel injection amount is controlled so that the air-fuel ratio becomes a predetermined value that is leaner (particularly weakly lean) than the stoichiometric air-fuel ratio. In this forced lean control, the fuel injection amount is feedforward controlled based on the intake air amount detected by the air flow meter 16. The reason for this is that in the case of the oxygen sensor 19 having the Z characteristic (FIG. 4) as in the present embodiment, it is difficult to perform feedback control to an air-fuel ratio other than the stoichiometric air-fuel ratio, and the diagnosis of the oxygen sensor 19 is originally performed. This is because sometimes it is not preferable to perform air-fuel ratio control using the output value.

なお、触媒18の下流側に設けた酸素センサ19に対し本発明を適用することも可能である。そして触媒18の上流側に酸素センサ(リニア空燃比センサ等)を追加して設け、この上流側酸素センサの出力に基づいて空燃比をフィードバック制御することが可能である。この場合、強制リーン制御に際して、上流側酸素センサの出力に基づいて空燃比(具体的には燃料噴射量)をフィードバック制御することが可能である。   The present invention can also be applied to the oxygen sensor 19 provided on the downstream side of the catalyst 18. An oxygen sensor (such as a linear air-fuel ratio sensor) is additionally provided on the upstream side of the catalyst 18, and the air-fuel ratio can be feedback controlled based on the output of the upstream oxygen sensor. In this case, at the time of forced lean control, it is possible to feedback control the air-fuel ratio (specifically, the fuel injection amount) based on the output of the upstream oxygen sensor.

次に、ステップS103において、所定時間内における酸素センサ19の出力電圧の使用を禁止するための禁止フラグがセットされる。このような禁止を行う理由は、酸素センサ19の検出素子31に後述の如く正負の直流電圧を印加すると、排気ガスの酸素濃度とは無関係にセンサ出力がリッチまたはリーンに変化するからである。   Next, in step S103, a prohibition flag for prohibiting use of the output voltage of the oxygen sensor 19 within a predetermined time is set. The reason for this prohibition is that when a positive and negative DC voltage is applied to the detection element 31 of the oxygen sensor 19 as described later, the sensor output changes to rich or lean regardless of the oxygen concentration of the exhaust gas.

具体的には、後述する正負の直流電圧の印加中、および印加終了から所定時間が経過するまでは、本診断以外の目的で酸素センサ19の出力電圧を使用することが禁止される。   Specifically, the use of the output voltage of the oxygen sensor 19 for purposes other than the main diagnosis is prohibited during the application of positive and negative DC voltages, which will be described later, and until a predetermined time has elapsed from the end of the application.

この結果、特定条件(2)の成立時には、燃料供給停止中に酸素センサ19の出力電圧を使用して行う他の診断(例えば酸素センサ19の応答性診断)が禁止される。また、特定条件(3)の成立時には、アイドル運転中に酸素センサ19の出力電圧を使用して行う他の制御および処理(例えば空燃比フィードバック制御および補正値学習処理)が禁止される。   As a result, when the specific condition (2) is satisfied, another diagnosis (for example, the responsiveness diagnosis of the oxygen sensor 19) that is performed using the output voltage of the oxygen sensor 19 while the fuel supply is stopped is prohibited. Further, when the specific condition (3) is satisfied, other control and processing (for example, air-fuel ratio feedback control and correction value learning processing) performed using the output voltage of the oxygen sensor 19 during the idling operation are prohibited.

これにより、酸素センサ19の出力電圧の使用による他の制御への悪影響(例えばセンサ出力を使用した診断における誤判定、制御値および学習値のズレならびにこれに伴うエミッション悪化)を未然に防止することができる。   Thus, adverse effects on other controls due to the use of the output voltage of the oxygen sensor 19 (for example, misjudgment in diagnosis using the sensor output, deviation of the control value and the learning value, and accompanying emission deterioration) can be prevented. Can do.

次に、ステップS104において、検出素子31に所定の正の直流電圧が印加され、このときに検出素子31を流れる電流すなわち正の直流電流(+直流電流)Ipnが検出、記憶される。本実施例では、正の直流電圧を印加して正の直流電流Ipを検出するという操作を、電圧値を変えながらA回行う。Aは2以上の整数で、本実施例では例えば8とされる。電圧値の変え方は任意であるが、本実施例では徐々に増大させるようにしている。初回(n=1)の検出時には、予め定められた最小の正の直流電圧が印加される。 Next, in step S104, a predetermined positive DC voltage to the detecting element 31 is applied, this time, the current flowing through the sensing element 31 to or positive direct current (+ direct current) Ip n is detected and stored. In this embodiment, the operation of applying a positive DC voltage and detecting the positive DC current Ip is performed A times while changing the voltage value. A is an integer of 2 or more, and is set to 8, for example, in this embodiment. Although the method of changing the voltage value is arbitrary, in this embodiment, the voltage value is gradually increased. At the first detection (n = 1), a predetermined minimum positive DC voltage is applied.

次に、ステップS105において、検出素子31に所定の負の直流電圧が印加され、このときに検出素子31を流れる電流すなわち負の直流電流(−直流電流)Imn(但し絶対値)が検出、記憶される。前記同様、本実施例では、負の直流電圧を印加して負の直流電流Imを検出するという操作を、電圧値を変えながらA回行う。Aは2以上の整数で、本実施例では例えば8とされる。電圧値の変え方は任意であるが、本実施例では、負の直流電圧の絶対値を徐々に増大させるようにしている。初回(n=1)の検出時には、予め定められた最小の絶対値を有する負の直流電圧が印加される。 Next, in step S105, a predetermined negative DC voltage is applied to the detection element 31, and a current flowing through the detection element 31, that is, a negative DC current (−DC current) Im n (however, an absolute value) is detected. Remembered. As described above, in this embodiment, the operation of applying a negative DC voltage and detecting the negative DC current Im is performed A times while changing the voltage value. A is an integer of 2 or more, and is set to 8, for example, in this embodiment. Although the method of changing the voltage value is arbitrary, in this embodiment, the absolute value of the negative DC voltage is gradually increased. At the first detection (n = 1), a negative DC voltage having a predetermined minimum absolute value is applied.

ステップS106では、A回の検出を終えたか否か、すなわちn≧Aが成立しているか否かが判断される。
成立していない場合、ステップS107に進んで、nの値が1だけ増加されると共に、正負の直流電圧の電圧値が予め定められた次の値に変更され、ステップS101に戻る。こうして正の直流電流Ipnと負の直流電流Imnとが次々と、n=8になるまで検出されていく。
In step S106, it is determined whether A detection has been completed, that is, whether n ≧ A is satisfied.
If not, the process proceeds to step S107, the value of n is increased by 1, and the voltage value of the positive / negative DC voltage is changed to the next predetermined value, and the process returns to step S101. Thus a positive DC current Ip n and negative direct current Im n are one after another, will be detected until n = 8.

他方、成立した場合、ステップS108に進んで、検出されたA個の正の直流電流Ipのデータに基づき、正の直流電流変化率(+直流電流変化率)LIpが算出される。本実施例において、この算出は次のように行われる。まずA個のデータの中から、予め定められた中間程度の電圧値(例えば300mV)に対応する電流値Ip1と、最大の電圧値(例えば500mV)に対応する電流値Ip2とが抽出される。そして前者と後者の電流値の比Ip2/Ip1が正の直流電流変化率LIpとして算出される。   On the other hand, if it is established, the process proceeds to step S108, and a positive DC current change rate (+ DC current change rate) LIp is calculated based on the detected data of A positive DC currents Ip. In this embodiment, this calculation is performed as follows. First, from A data, a current value Ip1 corresponding to a predetermined intermediate voltage value (for example, 300 mV) and a current value Ip2 corresponding to the maximum voltage value (for example, 500 mV) are extracted. Then, the ratio Ip2 / Ip1 between the former and latter current values is calculated as the positive DC current change rate LIp.

このように、所定の二つの正の直流電圧に対応した二つの正の直流電流が検出され、そのうち大きい方の正の直流電圧に対応した正の直流電流を、小さい方の正の直流電圧に対応した正の直流電流で除して、正の直流電流変化率が算出される。   In this way, two positive DC currents corresponding to two predetermined positive DC voltages are detected, and the positive DC current corresponding to the larger positive DC voltage is converted into the smaller positive DC voltage. Dividing by the corresponding positive DC current, the positive DC current change rate is calculated.

もっとも前述したように、この正の直流電流変化率LIpの算出方法は任意であり、A個のデータの中からより多くのデータ、あるいは全てのデータを使って正の直流電流変化率LIpを算出してもよい。   However, as described above, the calculation method of the positive DC current change rate LIp is arbitrary, and the positive DC current change rate LIp is calculated using more data or all of the A data. May be.

次に、ステップS109に進んで、検出されたA個の負の直流電流Imのデータに基づき、負の直流電流変化率(−直流電流変化率)LImが算出される。この場合も同様に、A個のデータの中から予め定められた中間程度の電圧値(絶対値、例えば300mV)に対応する電流値Im1と、最大の電圧値(絶対値、例えば500mV)に対応する電流値Im2とが抽出される。そして前者と後者の電流値の比Im2/Im1が負の直流電流変化率LImとして算出される。   Next, the process proceeds to step S109, and a negative DC current change rate (-DC current change rate) LIm is calculated based on the detected data of A negative DC currents Im. In this case as well, the current value Im1 corresponding to a predetermined intermediate voltage value (absolute value, for example, 300 mV) from the A data and the maximum voltage value (absolute value, for example, 500 mV) are similarly supported. The current value Im2 to be extracted is extracted. Then, the ratio Im2 / Im1 between the former and the latter current values is calculated as the negative DC current change rate LIm.

このように、所定の二つの負の直流電圧に対応した二つの負の直流電流が検出され、そのうち絶対値の大きい方の負の直流電圧に対応した負の直流電流を、絶対値の小さい方の負の直流電圧に対応した負の直流電流で除して、負の直流電流変化率が算出される。   In this way, two negative DC currents corresponding to two predetermined negative DC voltages are detected, of which the negative DC current corresponding to the negative DC voltage having the larger absolute value is converted to the one having the smaller absolute value. The negative DC current change rate is calculated by dividing by the negative DC current corresponding to the negative DC voltage.

次に、ステップS110において、正の直流電流変化率LIpが所定の第1閾値α1と比較される。LIp<α1の場合、ステップS111に進んで、酸素センサ19は異常と判定され、且つその異常の種類として拡散層38の目詰まりが特定される。   Next, in step S110, the positive DC current change rate LIp is compared with a predetermined first threshold value α1. When LIp <α1, the process proceeds to step S111, where the oxygen sensor 19 is determined to be abnormal, and clogging of the diffusion layer 38 is specified as the type of abnormality.

他方、LIp≧α1の場合、ステップS112に進んで、負の直流電流変化率LImが所定の第2閾値α2と比較される。LIm>α2の場合、ステップS113に進んで、酸素センサ19は異常と判定され、且つその異常の種類として検出素子31の割れが特定される。   On the other hand, when LIp ≧ α1, the process proceeds to step S112, and the negative DC current change rate LIm is compared with a predetermined second threshold value α2. When LIm> α2, the process proceeds to step S113, where the oxygen sensor 19 is determined to be abnormal, and the crack of the detection element 31 is specified as the type of abnormality.

他方、LIm≦α2の場合、ステップS114に進んで、酸素センサ19は正常と判定される。   On the other hand, if LIm ≦ α2, the process proceeds to step S114, and the oxygen sensor 19 is determined to be normal.

ここで、ステップS101,S102に関し、診断を特定条件(2)または(3)の成立時に限って行う理由、およびこれら特定条件(2)および(3)にそれぞれ対応した制御変更を行う理由を説明する。   Here, regarding steps S101 and S102, the reason why the diagnosis is performed only when the specific condition (2) or (3) is satisfied and the reason why the control change corresponding to each of the specific conditions (2) and (3) is performed will be described. To do.

図13は、正の直流電圧印加時における印加電圧と電流の関係を示すイメージ図である。線(特性線)aは、酸素センサが正常、検出素子温度が基準温度、且つ酸素センサの雰囲気ガスが大気の場合(燃料供給停止状態に相当)を示す。この場合、電流は印加電圧に対し単純な比例関係にあり、印加電圧の増大につれ電流も比例的に増大する。   FIG. 13 is an image diagram showing a relationship between applied voltage and current when a positive DC voltage is applied. A line (characteristic line) a indicates a case where the oxygen sensor is normal, the detection element temperature is the reference temperature, and the atmosphere gas of the oxygen sensor is the atmosphere (corresponding to a fuel supply stop state). In this case, the current has a simple proportional relationship with the applied voltage, and the current increases proportionally as the applied voltage increases.

一方、線bは、酸素センサが目詰まり異常を起こしているが、検出素子温度は基準温度、且つ酸素センサの雰囲気ガスが大気の場合を示す。この場合、所謂限界電流特性が表れ、印加電圧の増大につれ電流は最初は比例的に増大するが、ある印加電圧値V1から増大傾向が弱まり、最終的にほぼ一定となる傾向にある。このような限界電流特性が表れる理由は、拡散層の目詰まりによりガスの拡散速度が上限に達し、電流制限が発生するからである。   On the other hand, line b shows a case where the oxygen sensor is clogged but the detection element temperature is the reference temperature and the atmospheric gas of the oxygen sensor is the atmosphere. In this case, so-called limit current characteristics appear, and as the applied voltage increases, the current increases proportionally at first. However, the increasing tendency decreases from a certain applied voltage value V1, and finally tends to be substantially constant. The reason why such limit current characteristics appear is that the diffusion rate of the gas reaches the upper limit due to clogging of the diffusion layer, and current limitation occurs.

ところで、限界電流特性が表れる(すなわち電流値の比例的増大が止まる)印加電圧値V1は、比較的高く、本実施形態で採用する印加電圧レベルVsよりも格段に高い。従って、本実施形態において当該印加電圧レベルVs内で印加電圧を変えても、正常時と目詰まり時とで、電流の変化率に違いは生じない。   By the way, the applied voltage value V1 in which the limit current characteristic appears (that is, the proportional increase in the current value stops) is relatively high and is significantly higher than the applied voltage level Vs employed in the present embodiment. Therefore, even if the applied voltage is changed within the applied voltage level Vs in the present embodiment, there is no difference in the current change rate between the normal time and the clogged time.

しかし、検出素子温度を基準温度よりも昇温すると、線aは線cに変化し、線bは線dに変化する。すると限界電流特性が表れる印加電圧値が、印加電圧レベルVsより高い値V1から、印加電圧レベルVs内の値V2に変わる。従って本実施形態で採用する印加電圧レベルVs内で印加電圧を変えることにより、正常時と目詰まり時とで電流の変化率に明確な違いが生じるようになり、検出精度および診断精度を高めることができるようになる。   However, when the temperature of the detection element is raised from the reference temperature, the line a changes to the line c and the line b changes to the line d. Then, the applied voltage value at which the limit current characteristic appears changes from a value V1 higher than the applied voltage level Vs to a value V2 within the applied voltage level Vs. Therefore, by changing the applied voltage within the applied voltage level Vs adopted in the present embodiment, a clear difference occurs in the current change rate between the normal time and the clogged time, and the detection accuracy and diagnostic accuracy are improved. Will be able to.

このことは、仮に印加電圧レベルVsが図示レベルより高電圧側に拡張された場合、もしくは低電圧側に拡張された場合でも、同様に言えることである。つまり、印加電圧レベルVsの幅および大小に拘わらず、検出素子温度を昇温することで、検出精度および診断精度を向上することが可能である。   This can be said similarly even when the applied voltage level Vs is expanded to a higher voltage side than the illustrated level or to a lower voltage side. That is, regardless of the width and magnitude of the applied voltage level Vs, it is possible to improve detection accuracy and diagnostic accuracy by raising the detection element temperature.

かかる点を考慮し、正の直流電流変化率LIpの算出に際しては、少なくとも、限界電流特性が表れる印加電圧値よりも大きい印加電圧と、それより小さい印加電圧とにそれぞれ対応した電流値データを用いるのが好ましい。こうすることで、正常時と目詰まり時とで正の直流電流変化率LIpに明確な違いを出せるようになるからである。   In consideration of this point, when calculating the positive direct current change rate LIp, current value data corresponding to at least an applied voltage value that exhibits a limit current characteristic and an applied voltage that is smaller than that is used. Is preferred. By doing so, it becomes possible to make a clear difference in the positive DC current change rate LIp between normal and clogged.

所定の二つの正の直流電圧に対応した二つの正の直流電流に基づき正の直流電流変化率を算出する場合、大きい方の正の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも大きい値とし、小さい方の正の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも小さい値とするのが好ましい。   When calculating the rate of change of positive DC current based on two positive DC currents corresponding to two predetermined positive DC voltages, the larger positive DC voltage is a value larger than the applied voltage that exhibits the limiting current characteristics. The smaller positive DC voltage is preferably set to a value smaller than the applied voltage at which the limit current characteristic appears.

なお、上記の説明は正の直流電圧印加時における目詰まり検出に関するものであったが、負の直流電圧印加時における素子割れ検出についても、上記の説明と同様の理由で検出精度および診断精度の向上が可能である。すなわち、負の直流電圧印加時においても、検出素子温度が基準温度のときには限界電流特性が発生し難いが、検出素子温度が基準温度より昇温されたときには限界電流特性が発生し易くなり、検出精度および診断精度の向上が可能である。   Although the above explanation was related to clogging detection when a positive DC voltage is applied, the detection accuracy and diagnostic accuracy of the element crack detection when a negative DC voltage is applied are also detected for the same reason as described above. Improvement is possible. That is, even when a negative DC voltage is applied, it is difficult to generate the limit current characteristic when the detection element temperature is the reference temperature, but the limit current characteristic is likely to be generated when the detection element temperature is raised from the reference temperature. Accuracy and diagnostic accuracy can be improved.

所定の二つの負の直流電圧に対応した二つの負の直流電流に基づき負の直流電流変化率を算出する場合、絶対値の大きい方の負の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも絶対値の大きい値とし、絶対値の小さい方の負の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも絶対値の小さい値とするのが好ましい。   When calculating the negative DC current change rate based on two negative DC currents corresponding to two predetermined negative DC voltages, the negative DC voltage with the larger absolute value is calculated from the applied voltage that shows the limit current characteristics. Also, it is preferable that the absolute value is a large value, and the negative DC voltage having the smaller absolute value is a value having a smaller absolute value than the applied voltage at which the limit current characteristic appears.

他方、検出を特定条件(2)の成立時に限って行うこと、および当該成立時に検出素子温度を昇温することの有利性は、次の理由にもよる。   On the other hand, the advantage of performing detection only when the specific condition (2) is satisfied and raising the temperature of the detection element when the specific condition (2) is satisfied is also due to the following reason.

上記の如く正または負の直流電圧を酸素センサに強制的に印加すると、酸素センサからは雰囲気ガスの酸素濃度および空燃比に無関係な出力が出るので、酸素センサの出力を制御に使用しない燃料供給停止時に診断を行うのが好ましい。しかし、燃料供給停止時には、雰囲気ガスに多くの酸素が存在するため、拡散層による電流制限が発生し難く、目詰まりや素子割れに起因した電気的特性の変化が判別し難い。ところが、検出素子温度を昇温すると、酸素センサの電気抵抗が少なくなり、正または負の直流電圧印加時により多くの電流が流れるようになる。よって上述したような拡散層による電流制限が発生し易くなる。よって、目詰まりや素子割れによる電気的特性の変化を検出し易くなり、これを以て検出精度および診断精度の向上が図れる。   When a positive or negative DC voltage is forcibly applied to the oxygen sensor as described above, an output irrelevant to the oxygen concentration and air-fuel ratio of the atmospheric gas is output from the oxygen sensor. It is preferable to make a diagnosis when stopping. However, when the fuel supply is stopped, since a large amount of oxygen is present in the atmospheric gas, current limitation due to the diffusion layer is difficult to occur, and it is difficult to determine a change in electrical characteristics due to clogging or element cracking. However, when the temperature of the detection element is raised, the electric resistance of the oxygen sensor decreases, and more current flows when a positive or negative DC voltage is applied. Therefore, current limitation due to the diffusion layer as described above is likely to occur. Therefore, it becomes easy to detect a change in electrical characteristics due to clogging or element cracking, and this can improve detection accuracy and diagnostic accuracy.

また、検出素子温度を昇温すると、より小さい印加電圧で電流制限が発生する。印加電圧を段階的に増大しその都度電流を検出する方法の場合、より小さい印加電圧から異常センサと正常センサとの電流値の違いが現れる。この違いが現れる印加電圧まで印加電圧を増大するとした場合、検出素子温度を昇温した方が、しない場合よりも、検出データ数は少なくて済む。よって検出時間を短縮することが可能である。   Further, when the temperature of the detection element is raised, current limitation occurs with a smaller applied voltage. In the method of increasing the applied voltage stepwise and detecting the current each time, a difference in current value between the abnormal sensor and the normal sensor appears from a smaller applied voltage. If the applied voltage is increased to an applied voltage at which this difference appears, the number of detected data is smaller when the temperature of the detecting element is increased than when the temperature is not increased. Therefore, the detection time can be shortened.

次に、図13において、線eは、酸素センサが目詰まり異常を起こしており、検出素子温度は基準温度、且つ酸素センサの雰囲気ガスが空燃比15.0(すなわち弱リーン)の場合を示す。一方上記と異なり、線aは、酸素センサが正常で、検出素子温度は基準温度、且つ酸素センサの雰囲気ガスが空燃比15.0の場合を示す。   Next, in FIG. 13, a line e shows a case where the oxygen sensor is clogged abnormally, the detection element temperature is the reference temperature, and the atmosphere gas of the oxygen sensor is air-fuel ratio 15.0 (ie, weak lean). . On the other hand, unlike the above, line a indicates a case where the oxygen sensor is normal, the detection element temperature is the reference temperature, and the atmospheric gas of the oxygen sensor is air-fuel ratio 15.0.

正常な酸素センサの場合、雰囲気ガスが弱リーンでも限界電流が発生しないので、線aのような特性となる。一方、線eに示す目詰まり異常センサの場合、印加電圧を増大しても、ある印加電圧値V3から電流が増大しなくなる。すなわち限界電流特性が表れる。   In the case of a normal oxygen sensor, even if the atmospheric gas is weakly lean, no limit current is generated, so that the characteristics as shown by line a are obtained. On the other hand, in the case of the clogging abnormality sensor indicated by the line e, even if the applied voltage is increased, the current does not increase from a certain applied voltage value V3. That is, the limit current characteristic appears.

弱リーンにすると、限界電流特性が表れる印加電圧値が印加電圧レベルVs付近の値V3となる。よって検出素子温度を昇温しなくても、弱リーンにすることで、印加電圧レベルVs付近において正常センサと目詰まりセンサとの間の電流変化率の違いを明確に出せるようになり、検出精度および診断精度を高めることができる。   When it is weakly lean, the applied voltage value at which the limit current characteristic appears becomes a value V3 near the applied voltage level Vs. Therefore, even if the detection element temperature is not raised, the difference in current change rate between the normal sensor and the clogging sensor can be clearly obtained in the vicinity of the applied voltage level Vs by making it weakly lean. And diagnostic accuracy can be improved.

他方、検出を特定条件(3)の成立時に限って行うこと、および当該成立時に空燃比をリーン化することの有利性は、次の理由にもよる。   On the other hand, the advantage of performing detection only when the specific condition (3) is satisfied and making the air-fuel ratio lean when the specific condition (3) is satisfied is also due to the following reason.

上記の如く正または負の直流電圧を酸素センサに印加すると、酸素センサからは雰囲気ガスの酸素濃度および空燃比に無関係な出力が出るので、酸素センサの出力を制御に使用しない燃料供給停止時に診断を行うのが好ましい。しかし、燃料供給停止時には、雰囲気ガスに多くの酸素が存在するため、拡散層による電流制限が発生し難く、目詰まりや素子割れに起因した電気的特性の変化が判別し難い。そのため、エンジン制御への影響が比較的少ないアイドル運転状態のときに検出を行うのが好ましい。また、空燃比を強制的に弱リーン化することで、検出素子温度を昇温せずに、電流制限が発生し易い状況を作り出すことができる。よって、目詰まりや素子割れによる電気的特性の変化を検出し易くなり、これを以て検出精度および診断精度の向上が図れる。   When a positive or negative DC voltage is applied to the oxygen sensor as described above, an output irrelevant to the oxygen concentration and air-fuel ratio of the atmospheric gas is output from the oxygen sensor. Is preferably performed. However, when the fuel supply is stopped, since a large amount of oxygen is present in the atmospheric gas, current limitation due to the diffusion layer is difficult to occur, and it is difficult to determine a change in electrical characteristics due to clogging or element cracking. For this reason, it is preferable to perform the detection when the engine is in an idling state where the influence on the engine control is relatively small. In addition, by forcibly reducing the air-fuel ratio, it is possible to create a situation where current limitation is likely to occur without increasing the temperature of the detection element. Therefore, it becomes easy to detect a change in electrical characteristics due to clogging or element cracking, and this can improve detection accuracy and diagnostic accuracy.

[第2実施例]
次に、第2実施例について説明する。この第2実施例は第1実施例と比べ、電流値でなく抵抗値を用いる点が主な相違点である。すなわち、ECU22により、検出素子31に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の正の直流抵抗を検出すると共に、検出素子31に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の負の直流抵抗を検出する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in that a resistance value is used instead of a current value. That is, the ECU 22 applies a plurality of positive DC voltages having different sizes to the detection element 31 to detect a plurality of positive DC resistances corresponding to each of the positive DC voltages, and also detects a plurality of negative DC voltages having different sizes. A plurality of negative DC resistances corresponding to the respective DC voltages are detected.

+直流電圧印加時、拡散層38の目詰まり度合いが大きいほど、排気電極33Bに到達する単位時間当たりの酸素量が少なくなり、正の直流電流値は小さくなり、得られる抵抗(これを正の直流抵抗という)の値は大きくなる。   When the + DC voltage is applied, the greater the degree of clogging of the diffusion layer 38, the smaller the amount of oxygen per unit time reaching the exhaust electrode 33B, the smaller the positive DC current value, and the obtained resistance (which is positive The value of DC resistance is increased.

図9は、+直流電圧印加時における印加電圧と抵抗との関係を示すグラフである。図中の「正常」、「目詰まり大」、「目詰まり中」および「目詰まり小」は図6と同様である。図示するように、拡散層38における目詰まり度合いが大きいほど、一定の印加電圧に対する抵抗値は大きくなる傾向にある。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between applied voltage and resistance when + DC voltage is applied. “Normal”, “Clogged”, “Clogged” and “Clogged” are the same as those in FIG. As shown in the figure, the resistance value with respect to a certain applied voltage tends to increase as the degree of clogging in the diffusion layer 38 increases.

よって一値の印加電圧に対応した抵抗値のみに基づき診断を行うことも可能である。但しこの方法だと、検出素子31自体や制御素子温等のバラツキに起因する診断誤差が大きくなり、正常と異常の判別が困難となる可能性がある。   Therefore, it is possible to make a diagnosis based only on the resistance value corresponding to a single applied voltage. However, with this method, a diagnostic error due to variations in the detection element 31 itself, the control element temperature, and the like increases, and it may be difficult to distinguish between normal and abnormal.

一方、図9の関係によれば、拡散層38における目詰まり度合いが大きいほど、印加電圧の増大に対する抵抗値の増大割合(勾配)は大きくなる傾向にある。   On the other hand, according to the relationship of FIG. 9, the greater the degree of clogging in the diffusion layer 38, the greater the increase rate (gradient) of the resistance value with respect to the increase in applied voltage.

そこでこの傾向に着目し、第2実施例では、まず、図9に示す如く、検出素子31に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の正の直流抵抗を検出する。そして検出された複数の正の直流抵抗の変化率に基づき、酸素センサ19が正常か異常かを判定する。   Therefore, paying attention to this tendency, in the second embodiment, first, as shown in FIG. 9, a plurality of positive DC voltages of different sizes are applied to the detection element 31, and a plurality of positive DC resistances corresponding to each of them are applied. Is detected. Based on the detected change rates of the plurality of positive DC resistances, it is determined whether the oxygen sensor 19 is normal or abnormal.

複数の正の直流抵抗の変化率とは、複数の正の直流電圧の変化に対する複数の正の直流抵抗の変化の割合ないし度合いをいう。図9に示す例では8点のデータが取得されている。特にこの例では、正の直流電圧の増大につれ正の直流抵抗も増大する傾向にあるから、変化率を増大率と言い換えることもできる。変化率を任意に定義することができる点は第1実施例と同様である。   The rate of change of the plurality of positive DC resistances refers to the rate or degree of change of the plurality of positive DC resistances with respect to the change of the plurality of positive DC voltages. In the example shown in FIG. 9, eight points of data are acquired. In particular, in this example, since the positive DC resistance tends to increase as the positive DC voltage increases, the rate of change can be rephrased as an increase rate. The point that the rate of change can be arbitrarily defined is the same as in the first embodiment.

この変化率を所定の第3閾値と比較することにより、目詰まり異常の有無が判別可能である。変化率が第3閾値より大きいときは目詰まり異常あり、変化率が第3閾値以下のときは目詰まり異常なしといった具合である。   By comparing this rate of change with a predetermined third threshold value, it is possible to determine whether there is a clogging abnormality. When the rate of change is greater than the third threshold, there is a clogging abnormality, and when the rate of change is less than the third threshold, there is no clogging abnormality.

このように、正の直流抵抗の変化率を診断の基礎に用いるので、検出素子31自体や制御素子温等のバラツキに起因した抵抗値バラツキの影響を低減し、診断誤差の低減および診断精度の向上が可能となる。   As described above, since the rate of change of the positive DC resistance is used as the basis of diagnosis, the influence of the resistance value variation due to variations in the detection element 31 itself and the control element temperature is reduced, thereby reducing the diagnostic error and improving the diagnostic accuracy. Improvement is possible.

一方、−直流電圧印加時だと、拡散層38の状態に応じて印加電圧と抵抗との関係が変化することは実質的にないが、検出素子31の状態に応じて両者の関係が変化することが判明した。   On the other hand, when -DC voltage is applied, the relationship between the applied voltage and the resistance does not substantially change according to the state of the diffusion layer 38, but the relationship between both changes according to the state of the detection element 31. It has been found.

図10は、−直流電圧印加時における印加電圧と抵抗との関係を示すグラフである。印加電圧は絶対値で表す。図中の「正常」、「割れ小」および「割れ大」は図7と同様である。図示するように、素子割れの程度が大きいほど、一定の印加電圧に対する抵抗値は小さくなる傾向にある。   FIG. 10 is a graph showing the relationship between applied voltage and resistance when a -DC voltage is applied. The applied voltage is expressed as an absolute value. “Normal”, “small crack”, and “large crack” in the figure are the same as those in FIG. As shown in the figure, the greater the degree of element cracking, the smaller the resistance value for a certain applied voltage.

よって一値の印加電圧に対応した抵抗値のみに基づき診断を行うことも可能である。但しこの方法だと、検出素子31自体や制御素子温等のバラツキに起因する診断誤差が大きくなり、正常と異常の判別が困難となる可能性がある。   Therefore, it is possible to make a diagnosis based only on the resistance value corresponding to a single applied voltage. However, with this method, a diagnostic error due to variations in the detection element 31 itself, the control element temperature, and the like increases, and it may be difficult to distinguish between normal and abnormal.

一方、図10の関係によれば、素子割れの程度が大きいほど、印加電圧の増大(負の直流電圧の絶対値の増大)に対する抵抗値の増大割合(勾配)は小さくなる傾向にある。   On the other hand, according to the relationship of FIG. 10, the greater the degree of device cracking, the smaller the increase rate (gradient) of the resistance value with respect to the increase in applied voltage (increase in the absolute value of the negative DC voltage).

そこでこの傾向に着目し、第2実施例では、図10に示す如く、検出素子31に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の抵抗(これを負の直流抵抗という)を検出する。そして検出された複数の負の直流抵抗の変化率に基づき、酸素センサ19が正常か異常かを判定する。   Therefore, paying attention to this tendency, in the second embodiment, as shown in FIG. 10, a plurality of negative DC voltages having different sizes are applied to the detection element 31 and a plurality of resistors corresponding to the negative resistances (which are negatively connected) are applied. DC resistance). Then, based on the detected change rates of the plurality of negative DC resistances, it is determined whether the oxygen sensor 19 is normal or abnormal.

ここでいう複数の負の直流抵抗の変化率も、複数の負の直流電圧の変化に対する複数の負の直流抵抗の変化の割合ないし度合いをいう。図10に示す例では8点のデータが取得されている。特にこの例では、負の直流電圧の増大につれ負の直流抵抗も増大する傾向にあるから、変化率を増大率と言い換えることもできる。変化率を任意に定義することができる点は第1実施例と同様である。   The change rate of the plurality of negative DC resistances herein also refers to the rate or degree of change of the plurality of negative DC resistances with respect to the change of the plurality of negative DC voltages. In the example shown in FIG. 10, eight points of data are acquired. In particular, in this example, since the negative DC resistance tends to increase as the negative DC voltage increases, the rate of change can be rephrased as an increase rate. The point that the rate of change can be arbitrarily defined is the same as in the first embodiment.

この変化率を所定の第4閾値と比較することにより、素子割れ異常の有無を判別することが可能である。すなわち、変化率が第4閾値より小さいときは素子割れ異常あり、変化率が第4閾値以上のときは素子割れ異常なしといった具合である。   By comparing this rate of change with a predetermined fourth threshold, it is possible to determine whether or not there is an element crack abnormality. That is, there is an element crack abnormality when the change rate is smaller than the fourth threshold value, and there is no element crack abnormality when the change rate is equal to or greater than the fourth threshold value.

図11には、図10のデータに基づいた−直流電圧印加時における印加電圧と抵抗変化率との関係を示す。ここで抵抗変化率は、印加電圧が300mV(またはその近傍)のときの抵抗値を基準値とし、印加電圧が300mVより大きいときの各抵抗値が基準値に対し何%増大したかを縦軸で表している。つまり基準値をR0、印加電圧が300mVより大きいときの各抵抗値をRxとすると、縦軸の値は(Rx/R0)×100−100(%)で表される。図から、素子割れの程度が大きくなるほど抵抗変化率が小さくなることが分かる。   FIG. 11 shows the relationship between the applied voltage and the resistance change rate when applying a -DC voltage based on the data of FIG. Here, the resistance change rate is based on the resistance value when the applied voltage is 300 mV (or the vicinity thereof) as a reference value, and the vertical axis indicates how much each resistance value when the applied voltage is greater than 300 mV increases relative to the reference value. It is represented by That is, assuming that the reference value is R0 and each resistance value when the applied voltage is greater than 300 mV is Rx, the value on the vertical axis is represented by (Rx / R0) × 100-100 (%). It can be seen from the figure that the rate of change in resistance decreases as the degree of element cracking increases.

このように、負の直流抵抗の変化率を診断の基礎に用いるので、検出素子31自体や制御素子温等のバラツキに起因した電流値バラツキの影響を低減し、診断誤差の低減および診断精度の向上が可能となる。   Thus, since the rate of change of the negative DC resistance is used as the basis of diagnosis, the influence of current value variations due to variations in the detection element 31 itself and the control element temperature, etc. is reduced, and diagnostic errors are reduced and diagnostic accuracy is improved. Improvement is possible.

ここに述べた正の直流抵抗変化率に基づく目詰まり異常診断、および負の直流抵抗変化率に基づく素子割れ異常診断は、それぞれ単独で行うことができる。しかしながら、両者を行った方が当然に、診断の精度および信頼性が高くなるため、好ましい。また両者を行った方が、酸素センサ19の正常・異常を判別できるのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も特定することができるため、好ましい。こうして、拡散層38を有する酸素センサ19に好適な異常診断装置を提供することが可能である。   The clogging abnormality diagnosis based on the positive DC resistance change rate and the element crack abnormality diagnosis based on the negative DC resistance change rate described here can be performed independently. However, it is naturally preferable to perform both because the accuracy and reliability of diagnosis are increased. Further, it is preferable to perform both because not only the normality / abnormality of the oxygen sensor 19 can be determined, but also the type or location of the abnormality can be specified in the case of an abnormality. In this way, it is possible to provide an abnormality diagnosis device suitable for the oxygen sensor 19 having the diffusion layer 38.

次に、ECU22が実行する第2実施例に係る異常診断処理を図12を参照して説明する。   Next, the abnormality diagnosis process according to the second embodiment executed by the ECU 22 will be described with reference to FIG.

ステップS201〜S203は前記ステップS101〜S103と同様である。ステップS204においては、検出素子31に所定の正の直流電圧が印加され、このときの検出素子31の抵抗すなわち正の直流抵抗(+直流抵抗)Rpnが検出、記憶される。本実施例でも、第1実施例と同様、正の直流電圧を印加して正の直流抵抗Rpを検出するという操作を、電圧値を変えながらA回行う。 Steps S201 to S203 are the same as steps S101 to S103. In step S204, a predetermined positive DC voltage is applied to the detecting element 31, the resistance or positive DC resistance (+ DC resistance) Rp n of the detecting element 31 at this time is detected and stored. In this embodiment, as in the first embodiment, the operation of applying the positive DC voltage and detecting the positive DC resistance Rp is performed A times while changing the voltage value.

次に、ステップS205において、検出素子31に所定の負の直流電圧が印加され、このときの検出素子31の抵抗すなわち負の直流抵抗(−直流抵抗)Rmnが検出、記憶される。前記同様、負の直流電圧を印加して負の直流抵抗Rmを検出するという操作を、電圧値を変えながらA回行う。 Next, in step S205, a predetermined negative DC voltage is applied to the detection element 31, the resistance or negative DC resistance of the detection element 31 at this time (- DC resistance) Rm n is detected and stored. Similarly to the above, the operation of applying the negative DC voltage and detecting the negative DC resistance Rm is performed A times while changing the voltage value.

ステップS206では、A回の検出を終えたか否か、すなわちn≧Aが成立しているか否かが判断される。成立していない場合、ステップS207に進んで、nの値が1だけ増加されると共に、正負の直流電圧の電圧値が予め定められた次の値に変更され、ステップS201に戻る。   In step S206, it is determined whether or not A detections have been completed, that is, whether or not n ≧ A is satisfied. If not, the process proceeds to step S207, where the value of n is increased by 1, and the voltage value of the positive / negative DC voltage is changed to the next predetermined value, and the process returns to step S201.

他方、成立した場合、ステップS208に進んで、検出されたA個の正の直流抵抗Rpのデータに基づき、正の直流抵抗変化率(+直流抵抗変化率)LRpが算出される。A個のデータの中から、予め定められた中間程度の電圧値(例えば300mV)に対応する抵抗値Rp1と、最大の電圧値(例えば500mV)に対応する抵抗値Rp2とが抽出される。そして前者と後者の抵抗値の比Rp2/Rp1が正の直流抵抗変化率LRpとして算出される。但し、他の算出方法も可能である。   On the other hand, if it is established, the process proceeds to step S208, and a positive DC resistance change rate (+ DC resistance change rate) LRp is calculated based on the detected data of the A positive DC resistances Rp. A resistance value Rp1 corresponding to a predetermined intermediate voltage value (for example, 300 mV) and a resistance value Rp2 corresponding to the maximum voltage value (for example, 500 mV) are extracted from the A pieces of data. The ratio Rp2 / Rp1 between the former and latter resistance values is calculated as a positive DC resistance change rate LRp. However, other calculation methods are possible.

ここでも、所定の二つの正の直流電圧に対応した二つの正の直流抵抗が検出され、そのうち大きい方の正の直流電圧に対応した正の直流抵抗を、小さい方の正の直流電圧に対応した正の直流抵抗で除して、正の直流抵抗変化率が算出される。前記同様、大きい方の正の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも大きい値とし、小さい方の正の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも小さい値とするのが好ましい。   Again, two positive DC resistances corresponding to two predetermined positive DC voltages are detected, of which the positive DC resistance corresponding to the larger positive DC voltage corresponds to the smaller positive DC voltage. The positive DC resistance change rate is calculated by dividing by the positive DC resistance. As described above, the larger positive DC voltage is preferably set to a value larger than the applied voltage at which the limit current characteristic appears, and the smaller positive DC voltage is preferably set to a value smaller than the applied voltage at which the limit current characteristic appears. .

次に、ステップS209に進んで、検出されたA個の負の直流抵抗Rmのデータに基づき、負の直流抵抗変化率(−直流抵抗変化率)LRmが算出される。この場合も同様に、A個のデータの中から予め定められた中間程度の電圧値(絶対値、例えば300mV)に対応する抵抗値Rm1と、最大の電圧値(絶対値、例えば500mV)に対応する抵抗値Rm2とが抽出される。そして前者と後者の抵抗値の比Rm2/Rm1が負の直流抵抗変化率LRmとして算出される。但し、他の算出方法も可能である。   Next, proceeding to step S209, a negative DC resistance change rate (−DC resistance change rate) LRm is calculated based on the detected data of the A negative DC resistances Rm. Similarly, in this case, the resistance value Rm1 corresponding to a predetermined intermediate voltage value (absolute value, for example, 300 mV) from the A data and the maximum voltage value (absolute value, for example, 500 mV) are supported. The resistance value Rm2 to be extracted is extracted. The ratio Rm2 / Rm1 of the former and the latter resistance value is calculated as a negative DC resistance change rate LRm. However, other calculation methods are possible.

ここでも、所定の二つの負の直流電圧に対応した二つの負の直流抵抗が検出され、そのうち絶対値の大きい方の負の直流電圧に対応した負の直流抵抗を、絶対値の小さい方の負の直流電圧に対応した負の直流抵抗で除して、負の直流抵抗変化率が算出される。前記同様、絶対値の大きい方の負の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも絶対値の大きい値とし、絶対値の小さい方の負の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも絶対値の小さい値とするのが好ましい。   Here again, two negative DC resistances corresponding to two predetermined negative DC voltages are detected, and the negative DC resistance corresponding to the negative DC voltage having the larger absolute value is changed to the one having the smaller absolute value. The negative DC resistance change rate is calculated by dividing by the negative DC resistance corresponding to the negative DC voltage. As described above, the negative DC voltage having the larger absolute value is set to a value having a larger absolute value than the applied voltage that exhibits the limit current characteristic, and the negative DC voltage having the smaller absolute value is applied voltage that exhibits the limit current characteristic. It is preferable that the absolute value is smaller.

次に、ステップS210において、正の直流抵抗変化率LRpが所定の第3閾値α3(例えば1.5)と比較される。LRp>α3の場合、ステップS211に進んで、酸素センサ19は異常と判定され、且つその異常の種類として拡散層38の目詰まりが特定される。   Next, in step S210, the positive DC resistance change rate LRp is compared with a predetermined third threshold value α3 (for example, 1.5). When LRp> α3, the routine proceeds to step S211, where it is determined that the oxygen sensor 19 is abnormal, and clogging of the diffusion layer 38 is specified as the type of abnormality.

他方、LRp≦α3の場合、ステップS212に進んで、負の直流抵抗変化率LRmが所定の第4閾値α4(例えば1.5)と比較される。LRm<α4の場合、ステップS213に進んで、酸素センサ19は異常と判定され、且つその異常の種類として検出素子31の割れが特定される。   On the other hand, when LRp ≦ α3, the process proceeds to step S212, and the negative DC resistance change rate LRm is compared with a predetermined fourth threshold value α4 (for example, 1.5). When LRm <α4, the process proceeds to step S213, where the oxygen sensor 19 is determined to be abnormal, and the crack of the detection element 31 is specified as the type of abnormality.

他方、LRm≧α4の場合、ステップS214に進んで、酸素センサ19は正常と判定される。   On the other hand, if LRm ≧ α4, the routine proceeds to step S214, where it is determined that the oxygen sensor 19 is normal.

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関は自動車用以外であってもよく、その用途や形式に特に制限はない。酸素センサも内燃機関以外への適用が可能である。前記実施形態における各数値は任意に変更が可能である。酸素センサは前述の如きコップ型または筒型に限らず、例えば板型のものであってもよい。   Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, various other embodiments of the present invention are conceivable. For example, the internal combustion engine may be other than for automobiles, and there are no particular restrictions on its use and type. The oxygen sensor can also be applied to other than the internal combustion engine. Each numerical value in the embodiment can be arbitrarily changed. The oxygen sensor is not limited to the cup type or the cylinder type as described above, and may be, for example, a plate type.

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.

19 酸素センサ
22 電子制御ユニット(ECU)
31 検出素子
33A,33B 電極
37 固体電解質
38 拡散層
41 外層部
19 Oxygen sensor 22 Electronic control unit (ECU)
31 detection element 33A, 33B electrode 37 solid electrolyte 38 diffusion layer 41 outer layer part

Claims (10)

検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流電流、および、前記検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された複数の正の直流電流および複数の負の直流電流の少なくとも一方の変化率に基づき、前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
An oxygen sensor abnormality diagnosis device having a diffusion layer that controls the diffusion rate of gas in the outer layer portion of the detection element,
Obtained when a plurality of positive DC voltages obtained by applying a plurality of positive DC voltages of different magnitudes to the detection element and a plurality of negative DC voltages of different magnitudes are applied to the detection elements. Detecting means for detecting at least one of a plurality of negative DC currents,
Determination means for determining whether the oxygen sensor is normal or abnormal based on a rate of change of at least one of a plurality of positive DC currents and a plurality of negative DC currents detected by the detection means;
An oxygen sensor abnormality diagnosis device comprising:
前記検出手段は、少なくとも前記複数の正の直流電流を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流電流の変化率が所定の第1閾値より小さいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する
ことを特徴とする請求項1に記載の酸素センサの異常診断装置。
The detecting means detects at least the plurality of positive direct currents;
The determination means determines that the oxygen sensor is abnormal when the rate of change of the plurality of positive DC currents is smaller than a predetermined first threshold, and specifies clogging of the diffusion layer as the type of abnormality. The oxygen sensor abnormality diagnosis device according to claim 1.
前記検出手段は、少なくとも前記複数の負の直流電流を検出し、
前記判定手段は、前記複数の負の直流電流の変化率が所定の第2閾値より大きいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記検出素子の割れを特定する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の酸素センサの異常診断装置。
The detecting means detects at least the plurality of negative direct currents;
The determination means determines that the oxygen sensor is abnormal when the rate of change of the plurality of negative DC currents is greater than a predetermined second threshold, and specifies cracks in the detection element as the type of abnormality. The abnormality diagnosis apparatus for an oxygen sensor according to claim 1 or 2,
前記検出手段は、前記複数の正の直流電流および前記複数の負の直流電流の両方を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流電流の変化率が所定の第1閾値以上であり、且つ、前記複数の負の直流電流の変化率が所定の第2閾値以下であるとき、前記酸素センサを正常と判定する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
The detecting means detects both the plurality of positive DC currents and the plurality of negative DC currents;
The determination means is configured to change the oxygen when the rate of change of the plurality of positive DC currents is equal to or greater than a predetermined first threshold and the rate of change of the plurality of negative DC currents is equal to or less than a predetermined second threshold. The oxygen sensor abnormality diagnosis device according to any one of claims 1 to 3, wherein the sensor is determined to be normal.
前記酸素センサが内燃機関の排気通路に設けられ、
前記検出手段は、前記内燃機関の燃焼室に対する燃料供給が停止され且つ前記検出素子の温度が所定の基準温度よりも昇温されているとき、または、前記内燃機関がアイドル運転状態にあり且つ空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御されているとき、前記複数の正の直流電流および前記複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
The oxygen sensor is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine;
The detection means is configured to stop the fuel supply to the combustion chamber of the internal combustion engine and the temperature of the detection element is higher than a predetermined reference temperature, or when the internal combustion engine is in an idle operation state and is empty. 5. When the fuel ratio is controlled to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, at least one of the plurality of positive DC currents and the plurality of negative DC currents is detected. The oxygen sensor abnormality diagnosis device according to Item.
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流抵抗、および、前記検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流抵抗の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された複数の正の直流抵抗および複数の負の直流抵抗の少なくとも一方の変化率に基づき、前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
An oxygen sensor abnormality diagnosis device having a diffusion layer that controls the diffusion rate of gas in the outer layer portion of the detection element,
Obtained when a plurality of positive DC resistances obtained when a plurality of positive DC voltages of different magnitudes are applied to the detection element and a plurality of negative DC voltages of different magnitudes are applied to the detection elements. Detecting means for detecting at least one of a plurality of negative DC resistances;
Determination means for determining whether the oxygen sensor is normal or abnormal based on a change rate of at least one of a plurality of positive DC resistances and a plurality of negative DC resistances detected by the detection means;
An oxygen sensor abnormality diagnosis device comprising:
前記検出手段は、少なくとも前記複数の正の直流抵抗を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流抵抗の変化率が所定の第3閾値より大きいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する
ことを特徴とする請求項6に記載の酸素センサの異常診断装置。
The detecting means detects at least the plurality of positive DC resistances;
The determination means determines that the oxygen sensor is abnormal when the rate of change of the plurality of positive DC resistances is greater than a predetermined third threshold, and identifies clogging of the diffusion layer as the type of abnormality. The oxygen sensor abnormality diagnosis device according to claim 6.
前記検出手段は、少なくとも前記複数の負の直流抵抗を検出し、
前記判定手段は、前記複数の負の直流抵抗の変化率が所定の第4閾値より小さいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記検出素子の割れを特定する
ことを特徴とする請求項6または7に記載の酸素センサの異常診断装置。
The detection means detects at least the plurality of negative DC resistances,
The determination means determines that the oxygen sensor is abnormal when the rate of change of the plurality of negative DC resistances is smaller than a predetermined fourth threshold, and specifies cracks in the detection element as the type of abnormality. The oxygen sensor abnormality diagnosis device according to claim 6 or 7, characterized in that:
前記検出手段は、前記複数の正の直流抵抗および前記複数の負の直流抵抗の両方を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流抵抗の変化率が所定の第3閾値以下であり、且つ、前記複数の負の直流抵抗の変化率が所定の第4閾値以上であるとき、前記酸素センサを正常と判定する
ことを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
The detecting means detects both the plurality of positive DC resistances and the plurality of negative DC resistances;
The determination means includes the oxygen generator when the rate of change of the plurality of positive DC resistances is not more than a predetermined third threshold value and the rate of change of the plurality of negative DC resistances is not less than a predetermined fourth threshold value. The oxygen sensor abnormality diagnosis apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein the sensor is determined to be normal.
前記酸素センサが内燃機関の排気通路に設けられ、
前記検出手段は、前記内燃機関の燃焼室に対する燃料供給が停止され且つ前記検出素子の温度が所定の基準温度よりも昇温されているとき、または、前記内燃機関がアイドル運転状態にあり且つ空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御されているとき、前記複数の正の直流抵抗および前記複数の負の直流抵抗の少なくとも一方を検出する
ことを特徴とする請求項6〜9のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
The oxygen sensor is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine;
The detection means is configured to stop the fuel supply to the combustion chamber of the internal combustion engine and the temperature of the detection element is higher than a predetermined reference temperature, or when the internal combustion engine is in an idle operation state and is empty. The at least one of the plurality of positive DC resistances and the plurality of negative DC resistances is detected when the fuel ratio is controlled to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. The oxygen sensor abnormality diagnosis device according to Item.
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