JP2015094331A - 内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度センサの劣化状態を正確に判定できる内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置及び劣化判定方法を提供する。
【解決手段】内燃機関ＥＧの排気通路１２５に設けられる酸素濃度センサ１２８の劣化の有無を判定する内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置において、前記酸素濃度センサの検出素子１２８１の温度を活性化温度より低い温度に制御する温度制御手段１１と、前記酸素濃度センサの出力回路の端子にパルス電流を印加する電流印加手段１１と、前記パルス電流を印加した場合の前記酸素濃度センサの応答出力電圧の収束電圧を検出する収束電圧検出手段１１と、前記検出された収束電圧と予め設定された収束電圧基準値とを比較し、これらの収束電圧差が所定値より大きい場合に、前記酸素濃度センサが劣化していると判定する判定手段１１と、を備える。
【選択図】 図３Ｄ

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられる内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置及び方法に関するものである。

内燃機関の排気通路に設けられて空燃比フィードバック制御に用いられる酸素濃度センサは、熱劣化などによって内部抵抗、起電力又は応答時間などのセンサ特性が劣化することがある。このため、酸素濃度センサの出力のリッチ期間及びリーン期間を加算した反転周期の平均値を所定の劣化判定値と比較し、反転周期が劣化判定値以上となったときに酸素濃度センサが劣化していると判定する劣化判定装置が知られている（特許文献１）。

特開２００４−３２４４７１号公報

しかしながら、上記従来技術のように酸素濃度センサ出力の反転周期と劣化判定値とを比較する方法は、内燃機関系統が正常に駆動していることを前提に酸素濃度センサの劣化状態を判定するものである。このため、内燃機関系統に何らかの異常が発生して内燃機関に供給される混合気の空燃比制御を正確に行うことができない場合には、酸素濃度センサ出力の反転周期がその影響を受けるため、酸素濃度センサが正常であるにもかかわらず劣化していると誤判定するおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、酸素濃度センサの劣化状態を正確に判定できる内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置及び方法を提供することである。

本発明は、酸素濃度センサの温度を活性化温度より低い温度に制御し、判定用パルス電流を印加した場合の応答出力電圧の収束電圧差を判定基準値と比較することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、判定用パルス電流に対する応答出力電圧の収束電圧差を判定基準値と比較するので、内燃機関系統の駆動状態に影響を受けることなく酸素濃度センサの劣化状態を正確に判定することができる。また、酸素濃度センサを活性化温度より低い温度に制御して応答出力電圧を計測するので、得られる収束電圧差が大きくなり、これにより酸素濃度センサの劣化状態を精度よく判定することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置を適用した内燃機関を示すブロック図である。 図１の酸素濃度センサを示す断面図である。 劣化品及び非劣化品の酸素濃度センサにパルス電流を印加した場合の応答出力電圧を示すグラフである。 酸素濃度センサを低温及び高温に維持した状態でパルス電流を印加した場合の応答出力電圧を示すグラフである。 酸素濃度センサに短パルス電流及び長パルス電流を印加した場合の応答出力電圧を示すグラフである。 図２の劣化判定部で判定される酸素濃度センサの応答出力電圧を示すグラフである。 本発明の一実施の形態に係る内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置の情報処理内容を示すフローチャートである。 図４の情報処理の動作を示すタイムチャートである。 本発明の他の実施の形態に係る内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置の情報処理内容を示すフローチャートである。 図６の情報処理の動作を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本例に係る内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置を適用した内燃機関ＥＧを示すブロック図であり、内燃機関ＥＧの吸気通路１１１には、エアーフィルタ１１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１１４、コレクタ１１５及び吸気温度センサ１１７が設けられている。

スロットルバルブ１１４には、当該スロットルバルブ１１４の開度を調整するＤＣモータ等のアクチュエータ１１６が設けられている。このスロットルバルブアクチュエータ１１６は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、コントロールユニット１１からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１１４の開度を電子制御する。また、スロットルバルブ１１４の開度を検出するスロットルセンサ１１６ａが設けられて、その検出信号をコントロールユニット１１へ出力する。なお、スロットルセンサ１１６ａはアイドルスイッチとしても機能させることができる。

また、コレクタ１１５から各気筒に分岐した吸気通路１１１ａに臨ませて、燃料噴射バルブ１１８が設けられている。燃料噴射バルブ１１８は、コントロールユニット１１において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図外の燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を吸気通路（以下、燃料噴射ポートともいう）１１１ａ内に噴射する。なお、本発明が適用される内燃機関ＥＧは、燃料噴射バルブ１１８からの燃料を燃焼室１２３に直接噴射する、いわゆる直接噴射型内燃機関であってもよい。

シリンダ１１９と、当該シリンダ内を往復移動するピストン１２０の冠面と、吸気バルブ１２１及び排気バルブ１２２が設けられたシリンダヘッドとで囲まれる空間が燃焼室１２３を構成する。点火プラグ１２４は、各気筒の燃焼室１２３に臨んで装着され、コントロールユニット１１からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。なお、本発明が適用される内燃機関ＥＧは、点火プラグ１２４のないディーゼルエンジンであってもよい。

一方、排気通路１２５には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出することにより排気、ひいては吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ１２６が設けられ、その検出信号はコントロールユニット１１へ出力される。この空燃比センサ１２６は、リッチ・リーン出力する酸素濃度センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい。

また、排気通路１２５には、排気を浄化するための排気浄化触媒１２７が設けられている。この排気浄化触媒１２７としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍において排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣの酸化を行う酸化触媒を用いることができる。

排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の上流側近傍には、本例に係る排気温度センサ１３４が設けられ、その検出信号はコントロールユニット１１へ出力される。

排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の下流側には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出し、リッチ・リーン出力する酸素濃度センサ１２８が設けられ、その検出信号はコントロールユニット１１へ出力される。ここでは、酸素濃度センサ１２８の検出値により、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を補正することで、空燃比センサ１２６の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（いわゆるダブル空燃比センサシステム採用のために）、下流側酸素濃度センサ１２８を設けて構成したが、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行なわせるだけでよい場合には、酸素濃度センサ１２８を省略することができる。なお、図１において１２９はマフラである。

内燃機関ＥＧのクランク軸１３０にはクランク角センサ１３１が設けられ、コントロールユニット１１は、クランク角センサ１３１から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントすることで、又は、クランク基準角信号の周期を計測することで、機関回転速度Ｎｅを検出することができる。

内燃機関ＥＧの冷却ジャケット１３２には、水温センサ１３３が当該冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット１３１内の冷却水温度Ｔｗを検出し、これをコントロールユニット１１へ出力する。

コントロールユニット１１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなり、既述したように、各種センサ類であるエアフローメータ１１３，スロットルセンサ１１６ａ，吸気温度センサ１１７，空燃比センサ１２６，酸素濃度センサ１２８，クランク角センサ１３１，水温センサ１３３，排気温度センサ１３４による検出信号が入力される。コントロールユニット１１は、これらセンサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、スロットルバルブ１１４の開度を制御し、燃料噴射バルブ１１８を駆動して燃料噴射量と燃料噴射時期を制御する。

上述した空燃比センサ１２６及び上記酸素濃度センサ１２８は、その検出部が排気通路１２５内に突出するように装着される。酸素濃度センサ１２８の要部を図２に示すが、空燃比センサ１２６を酸素濃度センサで構成した場合もこれと同じ構造となる。本例の酸素濃度センサ１２８（空燃比センサ１２６を酸素濃度センサで構成した場合の空燃比ンセンサ１２６も含む。以下同じ。）は、検出素子１２８１と、検出素子１２８１の内側に配置されるヒータ１２８２と、検出素子１２８１の外側に配置されるプロテクタ１２８３とを含んで構成されている。

本例の検出素子１２８１は、ジルコニア・濃淡電池式の検出素子であり、有底筒状とされたジルコニア固体電解質１２８４の両面に電極１２８５，１２８６が形成され、内部の空間Ｓ１に酸素濃度が既知である大気などの基準ガスが導入され、外部の空間Ｓ２に測定ガス、本例では排気通路１２５を流れる排気ガスが導入される。そして、酸素が高濃度である側のジルコニア固体電解質１２８４の表面において下記式１の電気化学反応が生じ、酸素が低濃度である側のジルコニア固体電解質１２８４の表面において下記式２の電気化学反応が生じるので、酸素が高濃度である側の電極１２８５又は１２８６から酸素が低濃度である側の電極１２８６又は１２８５へイオン電導が生じる。この起電力Ｅは、所定の温度範囲において下記式３のネルンストの論理式に従うので、起電力Ｅを測定することで酸素濃度を検出することができる。本例の酸素濃度センサ１２８においては、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチのときに起電力が発生し、理論空燃比よりもリーンのときにはほとんど起電力が発生せず、理論空燃比を境に出力がＯＮ・ＯＦＦ的に切り替わる。

［数１］
Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ_２ ⁻ …式１
［数２］
２Ｏ_２ ⁻→Ｏ_２＋４ｅ⁻ …式２
［数３］
Ｅ＝（ＲＴ／ｎＦ）ｌｎ（ＰＲ／ＰＭ） …式３
ただし、式３において、Ｅは起電力（平衡電位），Ｒは気体定数，Ｔは絶対温度（Ｋ），ｎはイオンの荷数，Ｆはファラデー定数（＝９６４８５Ｃ／ｍｏｌ），ＰＲは基準ガス側のイオン濃度，ＰＭは測定ガス側のイオン濃度である。

ヒータ１２８２は、棒状に形成されて空間Ｓ１内に挿入され、検出素子１２８１の作動温度まで昇温させコントロールユニット１１によって通電されて発熱し、検出素子１２８１を所定の作動温度まで加熱して昇温させる。本例の酸素濃度センサ１２８の作動温度は、たとえば７００℃近傍である。

プロテクタ１２８３は、先端が有底筒状に形成され、検出素子１２８１を取り囲むように設けられ、検出素子１２８１の被毒や被水を低減（防止）して検出素子１２８１を保護する。プロテクタ１２８３には多数の通気孔１２８７が形成され、この通気孔１２８７を通過した排気ガスが空間Ｓ２内において検出素子１２８１の外側面に接触するようになっている。なお、図２において符号１２５１は排気通路１２５を構成する排気管の壁面である。

ジルコニア固体電解質１２８４の両面にそれぞれ形成された電極１２８５，１２８６は、一方が接地され、他方に接続された回路線１３８に電圧センサ１３５が設けられ、当該電圧センサ１３５の出力信号はコントロールユニット１１に出力される。また、回路線１３８には、スイッチング回路１３７を介して電源１３６が接続され、コントロールユニット１１によりスイッチング回路１３７のＯＮ／ＯＦＦが制御される。これについては後述する。

さて既述したとおり、酸素濃度センサ１２８は、熱劣化などによって内部抵抗、起電力又は応答時間などのセンサ特性が劣化することがあるが、内燃機関ＥＧが駆動中に酸素濃度センサ１２８の劣化判定を行うと、内燃機関ＥＧの異常に影響を受けて誤判定を行うおそれがある。このため本発明者らは、酸素濃度センサ１２８単体の電気的特性に着目し、酸素濃度センサ１２８にパルス電流を印加したときの応答出力電圧が、劣化品と非劣化品とでどのような差異が生じるかを種々の側面から検証した。

最初に、劣化が確認された同一仕様の複数の酸素濃度センサ（以下、劣化品ともいう）と、これと同一仕様の正常な複数の酸素濃度センサ（以下、非劣化品ともいう）を用意し、それぞれに対して図２に示すスイッチング回路１３７をＯＮ／ＯＦＦすることで電源１３６から回路線１３８を介して電極１２８５，１２８６に所定時間のパルス電流を印加し、このときの応答出力電圧を電圧センサ１３５により所定間隔で計測した。図３Ａは、３０ｍｓのパルス電流を印加した場合における、劣化品の応答出力電圧プロファイル（点線）と、非劣化品の応答出力電圧プロファイル（実線）を示すグラフである。複数の劣化品の応答出力電圧プロファイルには劣化度合いによって若干の相違は見られたが、概して図３Ａに点線で示すように、パルス電流の印加開始ｔ_０から印加終了ｔ_１までの間は、酸素濃度センサ１２８の内部抵抗に応じた電圧まで急激に増加し、非劣化品の印加終了時ｔ_１の電圧に比べて内部抵抗が増加した分だけ高い電圧を示した。ただし、パルス電流の印加終了時ｔ_１における劣化品と非劣化品の応答出力電圧の差はさほど大きくはなかった。

これに対して、パルス電流の印加を終了してからの電圧降下プロファイルについては、印加終了時ｔ_１から所定時間経過時ｔ_２において、劣化品の応答出力電圧と非劣化品の応答出力電圧との間に顕著な差ΔＶが観察された。以下、この差ΔＶを応答出力電圧の収束電圧差ともいうが、この収束電圧差ΔＶは、パルス電流の印加終了時ｔ_１における劣化品の応答出力電圧と非劣化品の応答出力電圧との差よりも大きく、劣化判定を行うには充分な大きさであった。

次に、応答出力電圧の収束電圧差ΔＶを極力大きくするための検証として、酸素濃度センサ１２８の検出素子１２８１の温度を、酸素濃度センサ１２８の作動温度である７００℃近傍の高温に設定した場合と、作動温度より低い３５０℃〜５５０℃の低温に設定した場合に、応答出力電圧プロファイルにどのような差異が生じるかを確認した。図３Ｂは、同じ３０ｍｓのパルス電流を印加した場合における、高温に設定した酸素濃度センサ１２８の応答出力電圧プロファイル（点線）と、低温に設定した酸素濃度センサ１２８の応答出力電圧プロファイル（実線）を示すグラフである。劣化品及び非劣化品の両方について検証したが、傾向はいずれも同じであった。すなわち、作動温度である高温に設定した場合の応答出力電圧は収束電圧の部分も含めて相対的に小さく、特に図示する最大応答電圧と収束電圧との差ΔＶ_１が小さく、充分な収束電圧差ΔＶが確保できない。これに対して、作動温度より低温に設定した場合の応答出力電圧は収束電圧の部分を含めて相対的に大きく、特に図示する最大応答電圧と収束電圧との差Δ_２が大きく、充分な収束電圧差ΔＶが確保できることが確認された。

さらに、応答出力電圧の収束電圧差ΔＶを極力大きくするための検証として、印加するパルス電流のＯＮ時間について短パルス電流にした場合と長パルス電流にした場合に、応答出力電圧プロファイルにどのような差異が生じるかを確認した。図３Ｃは、２ｍｓの短パルス電流を印加した場合の応答出力電圧プロファイル（点線）と、３０ｍｓの長パルス電流を印加した場合の応答出力電圧プロファイル（実線）を示すグラフである。これについても劣化品及び非劣化品の両方について検証したが、傾向はいずれも同じであった。すなわち、短パルス電流を印加した場合の応答出力電圧は収束電圧の部分も含めて相対的に小さく、特に図示する最大応答電圧と収束電圧との差ΔＶ_１が小さく、充分な収束電圧差ΔＶが確保できない。これに対して、長パルス電流を印加した場合の応答出力電圧は収束電圧の部分を含めて相対的に大きく、特に図示する最大応答電圧と収束電圧との差ΔＶ_２が大きく、充分な収束電圧差ΔＶが確保できることが確認された。

以上の検証から、本例の劣化判定装置では、酸素濃度センサ１２８の劣化判定にあたっては、酸素ンセンサ１２８の検出素子１２８１の温度を作動温度より低い、たとえば３５０℃〜５５０℃の低温に設定し、及び／又は、印加するパルス電流の印加時間を３０ｍｓ程度まで長く設定する。これにより、応答出力電圧の収束電圧差ΔＶを極力大きくすることができるので、劣化判定の判定精度が高くなる。

《第１実施形態》
次に、図４のフローチャート及び図５のタイムチャートを参照して、本例の酸素濃度センサ１２８の劣化判定に関する情報処理手順を説明する。以下の処理はコントロールユニット１１内にインストールされた劣化判定プログラムによって実行される。

まずステップＳＴ１では、内燃機関ＥＧが運転中か否かを判定する。内燃機関ＥＧが運転中である場合はステップＳＴ２へ進み、停止中である場合はステップＳＴ８へ進んで酸素濃度センサ１２８の劣化判定は行わないで本フローを終了する。具体的には、図５に示すように時間ｔ_０にてイグニッションキースイッチがＯＮし、スタータスイッチがＯＮしたのちに（時間ｔ_１）、エンジン回転速度を検出することでエンジン回転速度が０でない所定値になったときに内燃機関ＥＧが運転中であると判定する。

ステップＳＴ２では、酸素濃度センサ１２８が排気通路１２５内の凝縮水により被水する被水環境にあるか否かを判定する。酸素濃度センサ１２８が被水環境にある場合はステップＳＴ３へ進み、被水環境にない場合はステップＳＴ９へ進む。ここでいう被水環境とは、内燃機関ＥＧから排出される凝縮水又は排気ガス中に含まれる蒸気が冷却された凝縮水によって酸素濃度センサ１２８の検出素子１２８１に水分が付着する環境をいう。検出素子１２８１が被水した状態でヒータ１２８２をＯＮして活性温度まで昇温すると、検出素子１２８１が亀裂するなど損傷を受けるおそれがある。このため、ステップＳＴ２にて酸素濃度センサ１２８が被水環境にない場合はこうした損傷のおそれがないので、ステップＳＴ９へ進んでヒータ１２８２をＯＮし、酸素濃度センサ１２８の劣化判定を行うことなく通常の運転状態に移行する。

被水環境にあるか否かは、たとえばコントロールユニット１１内に設けられたタイマー等により検出される内燃機関ＥＧが始動してからの経過時間、エアフローメータ１１３により検出される吸気量、排気温度センサ１３４等により検出される排気浄化触媒１２７の温度などによって判定することができる。内燃機関ＥＧが始動してから所定時間を経過して暖機状態である場合は被水環境にないと判定し、吸気量が所定量より多い場合は排気ガスによって凝縮水が飛散するので被水環境にないと判定し、排気浄化触媒１２７の温度が所定温度に達している場合は凝縮水が蒸発していると推察できるので被水環境にないと判定する。これら内燃機関ＥＧの始動からの経過時間、吸気量及び排気浄化触媒１２７の温度は適宜組み合わせることで被水環境にあるか否かの判定に用いることができる。

これに対して、酸素濃度センサ１２８が被水環境にある場合は、ヒータ１２８２をＯＮして検出素子１２８１の温度を活性温度まで上昇させると、上述した亀裂などの問題が生じるおそれがある。このため、ステップＳＴ３へ進み、ヒータ１２８２をＯＮして検出素子１２８１を活性温度の７００℃より低い３５０℃に制御する。これにより、検出素子１２８１が被水していても、亀裂などの損傷を受けない低い温度で検出素子１２８１を温度制御することで、被水した水分を蒸発させることができる。なお、酸素濃度センサ１２８について、検出素子１２８１の温度と内部抵抗との関係を予めサンプリングしておき、図２に示すスイッチング回路１３７をＯＮ／ＯＦＦすることで電源１３６から回路線１３８を介して電極１２８５，１２８６に所定時間のパルス電流を印加し、このときの応答出力電圧を電圧センサ１３５により計測する。これにより、内部抵抗値が算出されるので、検出素子１２８１の温度を検出することができる。図５において、時間ｔ_２にて内燃機関ＥＧの始動を検出したら、時間ｔ_２〜ｔ_３にてヒータ１２８２を１００％のデューティ比で駆動し、時間ｔ_３にて上述したパルス電流の印加と応答出力電圧と温度−内部抵抗データとから検出素子１２８１の温度が３５０℃に達したことを検出する。

ステップＳＴ４では、劣化判定条件として、エンジン回転速度、エンジン負荷及び燃料噴射量などに基づいて内燃機関ＥＧが安定した運転状態にあるか否かを判定する。内燃機関ＥＧが安定した運転状態にあり劣化判定条件が成立している場合は、ステップＳＴ５へ進み、内燃機関ＥＧが安定した運転状態になく劣化判定条件が成立していない場合はステップＳＴ３へ戻り、検出素子１２８１の温度を３５０℃に維持する。劣化判定条件が成立するには内燃機関ＥＧが安定した運転状態にあることが好ましいので、具体的にはたとえばクランク角センサ１３１３等により検出されるエンジン回転速度がアイドル回転速度範囲といった所定範囲内にあり、アクセルペダルの踏込量から算出されるエンジン負荷が低負荷といった所定範囲内にあり、エンジン負荷から算出される燃料噴射量が少量といった所定範囲内にある場合に内燃機関ＥＧが安定した運転状態にあると判定する。図５において時間ｔ_３〜ｔ_４の間で安定した運転状態を判定する。なお、ステップＳＴ４にて劣化判定条件が成立していない場合はステップＳＴ３へ戻るが、これを所定回数繰り返しても劣化判定条件が成立しない場合は本フローを終了するようにしてもよい。

ステップＳＴ５では、図２に示すコントロールユニット１１によりスイッチング回路１３７をＯＮ／ＯＦＦすることで、電源１３６から回路線１３８を介して電極１２８５，１２８６に所定時間のパルス電流を印加し、このときの応答出力電圧を電圧センサ１３５により所定間隔で計測する。図５において時間ｔ_４〜ｔ_５の間がステップＳＴ５の劣化判定期間となる。このとき、図５に示すように検出素子１２８１の温度を、活性温度より低い４００℃程度まで昇温してもよい。

ステップＳＴ５におけるパルス電流の印加と応答出力電圧の関係を図３Ｄに示す。本例では、同図に示すように、パルス電流はＯＮ時間をＴ_Ｓ２−Ｔ_０とし、点線の劣化品のグラフで示すように、印加開始ｔ_０からｔ_Ｓ１−ｔ_０経過後の応答出力電圧Ｖ_０を測定するとともに、印加終了からｔ_Ｓ２−ｔ_Ｓ３経過後（印加開始からｔ_Ｓ３−ｔ_０経過後）の応答出力電圧Ｖ_１を測定する。そして、応答出力電圧Ｖ_０を基準にした収束電圧差ΔＶ_Ｓ１＝Ｖ_０−Ｖ_１を演算する。一方において、劣化していない同じ仕様の酸素センサ１２８について、同図に実線の非劣化品のグラフで示すように、同じＯＮ時間Ｔ_Ｓ２−Ｔ_０のパルス電流を印加した場合の、印加開始ｔ_０からｔ_Ｓ１−ｔ_０経過後の応答出力電圧Ｖ_０を測定するとともに、印加終了からｔ_Ｓ２−ｔ_Ｓ３経過後（印加開始からｔ_Ｓ３−ｔ_０経過後）の応答出力電圧Ｖ_２を測定しておく。そして、応答出力電圧Ｖ_０を基準にした収束電圧差ΔＶ_Ｓ２＝Ｖ_０−Ｖ_２を演算しておく。このΔＶ_Ｓ２が収束電圧基準値となる。

判定対象である酸素センサ１２８の劣化判定は、その収束電圧ΔＶ_Ｓ１と収束基準電圧ΔＶ_Ｓ２との差の絶対値｜ΔＶ_Ｓ１−ΔＶ_Ｓ２｜が許容範囲内にあるか否か、すなわち｜ΔＶ_Ｓ１−ΔＶ_Ｓ２｜≦ａ（ａは０又は所定の正の値）である場合は劣化していないと判定し、そうでない場合は劣化していると判定する。

本例のステップＳＴ５において、パルス電流のＯＮ時間Ｔ_Ｓ２−Ｔ_０は、たとえば１０ｍｓ〜４０ｍｓ程度の長さに設定することが好ましい。２ｍｓ程度の短パルス電流を印加すると、図３Ｃで説明したとおり応答出力電圧が小さいので、劣化判定に用いる収束電圧差ΔＶ_Ｓ１と収束基準電圧ΔＶ_Ｓ２との差の絶対値｜ΔＶ_Ｓ１−ΔＶ_Ｓ２｜が、判定を高精度で行うには充分な大きさとならないからである。逆に、４０ｍｓを超える長パルス電流を印加しても応答出力電圧には問題ないが、印加後半において応答出力電圧が飽和するので判定に要する時間が長くなるという欠点がある。

ステップＳＴ６では、酸素濃度センサ１２８が排気通路１２５内の凝縮水により被水する被水環境にあるか否かを再度判定する。被水環境にあるか否かは、上述したステップＳＴ２と同様に、たとえばコントロールユニット１１内に設けられたタイマー等により検出される内燃機関ＥＧが始動してからの経過時間、エアフローメータ１１３により検出される吸気量、排気温度センサ１３４等により検出される排気浄化触媒１２７の温度などによって判定することができる。未だ被水環境にある場合はステップＳＴ３へ戻り、上述したステップＳＴ３〜ＳＴ６の処理を実行する。被水環境を脱するまでの間に検出素子１２８１が活性温度まで昇温すると損傷を受けるおそれがあるため、損傷を受けない温度環境で劣化判定を継続する。図５のタイムチャートの時間ｔ_４〜ｔ_５がこの劣化判定処理の期間である。

これに対して、被水環境にない場合はステップＳＴ７へ進み、ヒータ１２８２の目標出力デューティ比を増加させて検出素子１２８１を活性温度である７００℃まで昇温し、通常の運転状態に移行する。図５のタイムチャートの時間ｔ_５〜ｔ_６がこの昇温処理の期間である。

《第２実施形態》
次に、図６のフローチャート及び図７のタイムチャートを参照して、本発明の他の実施の形態に係る酸素濃度センサ１２８の劣化判定に関する情報処理手順を説明する。以下の処理はコントロールユニット１１内にインストールされた劣化判定プログラムによって実行される。なお、以下の例は、劣化判定の対象となる酸素センサ１２８が、アイドリングストップ制御が実行される内燃機関ＥＧに装着されたものである。

まずステップＳＴ１１では、内燃機関がアイドルステップ中か否かを判定する。アイドリングストップ中である場合はステップＳＴ１２へ進み、そうでない場合はステップＳＴ２０へ進む。アイドリングストップ中であるか否かは、コントロールユニット１１からアイドリングストップ信号が出力されたか否かで判定し、コントロールユニット１１にて行われるアイドリングストップの条件は、たとえばエンジン回転速度が所定値以下で、シフトポジションがニュートラル又はクラッチペダルが踏込まれている場合又はこれに加えてフットブレーキが踏み込まれている場合に成立する。ステップＳＴ２０では劣化判定を行うことなく本処理を終了する。

ステップＳＴ１２ではヒータ１２８２をＯＦＦする。具体的には図７の時間ｔ_０に示すようにヒータ１２８２の駆動デューティ比を０％に設定する。このヒータＯＦＦの処理は、アイドリングストップ制御において通常行われている処理である。ステップＳＴ１３では、検出素子１２８１の温度がそれまでの活性化温度である７００℃から５５０℃まで降温したか否かを判定する。検出素子１２８１の温度検出は、上述した図４のステップＳＴ３と同様に、酸素濃度センサ１２８について、検出素子１２８１の温度と内部抵抗との関係を予めサンプリングしておき、図２に示すスイッチング回路１３７をＯＮ／ＯＦＦすることで電源１３６から回路線１３８を介して電極１２８５，１２８６に所定時間のパルス電流を印加し、このときの応答出力電圧を電圧センサ１３５により計測する。これにより、内部抵抗値が算出されるので、検出素子１２８１の温度を検出することができる。検出素子１２８１が５５０℃まで降温したらステップＳＴ１４へ進み（図７の時間ｔ_１）、降温していない場合はステップＳＴ１２へ戻る。

ステップＳＴ１４では、図２に示すコントロールユニット１１によりスイッチング回路１３７をＯＮ／ＯＦＦすることで、電源１３６から回路線１３８を介して電極１２８５，１２８６に所定時間のパルス電流を印加し、このときの応答出力電圧を電圧センサ１３５により所定間隔で計測する。図７において時間ｔ_１〜ｔ_２の間がステップＳＴ１２の劣化判定期間となる。このとき、ヒータ１２８２はＯＦＦ状態であるため検出素子１２８１の温度はさらに降温するが、活性温度７００℃より低い温度であればよい。

ステップＳＴ１５〜ＳＴ１９は、アイドリングストップ制御にともなうヒータ１２８２の制御である。すなわち、ステップＳＴ１５ではヒータ１２８２のＯＦＦを継続し、ステップＳＴ１６では検出素子１２８１の温度が４２０℃まで降温したか否かを判定する。検出素子１２８１が４２０℃まで降温したらステップＳＴ１７へ進み、降温していない場合はステップＳＴ１５へ戻ってヒータ１２８２のＯＦＦを継続する。

ステップＳＴ１７では、ヒータ１２８２をＯＮし、検出素子１２８１の温度が４２０℃に維持されるように目標デューティ比を設定する（図７の時間ｔ_３）。アイドリングストップ中は、ヒータ１２８２で消費される電気エネルギを低減するために、ヒータ１２８２の温度を降温させる。ステップＳＴ１８では、内燃機関がアイドルステップ中か否かを判定する。アイドリングストップ中である場合はステップＳＴ１７へ戻り、ヒータ１２８２による温度維持を継続する。アイドリングストップ制御が解除されたらステップＳＴ１９へ進み、検出素子１２８１の温度が７００℃まで昇温するようにヒータ１２８２の目標デューティ比を設定し、通常制御へ移行する。

以上のように、本例の酸素センサの劣化判定装置によれば、図３Ｄに示すようにパルス電流に対する応答出力電圧の収束電圧差｜ΔＶ_Ｓ１−ΔＶ_Ｓ２｜を判定基準値ａと比較するので、内燃機関系統の駆動状態に影響を受けることなく酸素濃度センサ１２８の劣化状態を正確に判定することができる。また、酸素濃度センサ１２８を活性化温度７００℃より低い温度３５０〜５５０℃に制御して応答出力電圧を計測するので、得られる収束電圧差が大きくなり、これにより酸素濃度センサの劣化状態を精度よく判定することができる。

また本例の酸素センサの劣化判定装置によれば、酸素センサ１２８が被水環境にある場合、すなわち当該被水環境を解消するための制御期間中に劣化判定を行うので、特別な判定期間を設ける必要がない。この場合に、内燃機関ＥＧの運転状態が安定状態にある場合に判定を行うので、内燃機関ＥＧの運転に影響を与えることなく正確な判定を行うことができる。

また本例の酸素センサの劣化判定装置によれば、内燃機関ＥＧのアイドリングストップ中に劣化判定を行うので、特別な判定期間を設ける必要がない。また、アイドリングストップ中の酸素センサ温度の降下時を利用するので、得られる収束電圧差が大きくなり、これにより酸素濃度センサの劣化状態を精度よく判定することができる。

上記コントロールユニット１１は本発明に係る温度制御手段、電流印加手段、収束電圧検出手段、判定手段、被水環境検出手段、運転状態検出手段、アイドリングストップ検出手段に相当する。

ＥＧ…内燃機関
１１…コントロールユニット
１１１…吸気通路
１１２…エアーフィルタ
１１３…エアフローメータ
１１４…スロットルバルブ
１１５…コレクタ
１１６…スロットルバルブアクチュエータ
１１６ａ…スロットルセンサ
１１７…吸気温度センサ
１１８…燃料噴射バルブ
１１９…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…吸気バルブ
１２２…排気バルブ
１２３…燃焼室
１２４…点火プラグ
１２５…排気通路
１２６…空燃比センサ
１２７…排気浄化触媒
１２８…酸素濃度センサ
１２８１…検出素子
１２８２…ヒータ
１２８３…プロテクタ
１２８４…ジルコニア固体電解質
１２８５，１２８６…電極
１２８７…通気孔
Ｓ１，Ｓ２…空間
１２９…マフラ
１３０…クランク軸
１３１…クランク角センサ
１３２…冷却ジャケット
１３３…水温センサ
１３４…排気温度センサ
１３５…電圧センサ
１３６…電源
１３７…スイッチング回路
１３８…回路線

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられる酸素濃度センサの劣化の有無を判定する内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置において、
   前記酸素濃度センサの検出素子の温度を活性化温度より低い温度に制御する温度制御手段と、
   前記酸素濃度センサの出力回路の端子にパルス電流を印加する電流印加手段と、
   前記パルス電流を印加した場合の前記酸素濃度センサの応答出力電圧の収束電圧を検出する収束電圧検出手段と、
   前記検出された収束電圧と予め設定された収束電圧基準値とを比較し、これらの収束電圧差が所定値より大きい場合に、前記酸素濃度センサが劣化していると判定する判定手段と、を備える内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置。
2. 前記酸素センサの検出素子が前記排気通路内の凝縮水により被水する被水環境にあることを検出する被水環境検出手段をさらに備え、
   前記被水環境検出手段により被水環境であることが検出された場合に、
   前記温度制御手段は、前記検出素子の温度を前記活性化温度より低い温度に制御し、
   前記電流印加手段は、前記酸素濃度センサの出力回路の端子にパルス電流を印加し、
   前記収束電圧検出手段は、前記パルス電流を印加した場合の前記酸素濃度センサの応答出力電圧の収束電圧を検出し、
   前記劣化判定手段は、前記酸素濃度センサの劣化の有無を判定する請求項１に記載の内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置。
3. 前記内燃機関の運転状態が安定状態であることを検出する運転状態検出手段をさらに備え、
   前記運転状態検出手段により前記内燃機関の運転状態が安定状態であることが検出された場合に、
   前記温度制御手段は、前記検出素子の温度を前記活性化温度より低い温度に制御し、
   前記電流印加手段は、前記酸素濃度センサの出力回路の端子にパルス電流を印加し、
   前記収束電圧検出手段は、前記パルス電流を印加した場合の前記酸素濃度センサの応答出力電圧の収束電圧を検出し、
   前記劣化判定手段は、前記酸素濃度センサの劣化の有無を判定する請求項２に記載の内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置。
4. アイドリングストップ制御により前記内燃機関が停止状態にあることを検出するアイドリングストップ検出手段をさらに備え、
   前記アイドリングストップ検出手段により前記内燃機関が停止状態にあることが検出された場合に、
   前記温度制御手段は、前記検出素子の温度を前記活性化温度より低い温度に制御し、
   前記電流印加手段は、前記酸素濃度センサの出力回路の端子にパルス電流を印加し、
   前記収束電圧検出手段は、前記パルス電流を印加した場合の前記酸素濃度センサの応答出力電圧の収束電圧を検出し、
   前記劣化判定手段は、前記酸素濃度センサの劣化の有無を判定する請求項１に記載の内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定装置。
5. 内燃機関の排気通路に設けられる酸素濃度センサの劣化の有無を判定する内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定方法において、
   前記酸素濃度センサの検出素子の温度を活性化温度より低い温度に制御した状態で、前記酸素濃度センサの出力回路の端子にパルス電流を印加し、
   前記パルス電流を印加した場合の前記酸素濃度センサの応答出力電圧の収束電圧を検出し、
   前記検出された収束電圧と予め設定された収束電圧基準値とを比較し、これらの収束電圧差が所定値より大きい場合に、前記酸素濃度センサが劣化していると判定する内燃機関用酸素濃度センサの劣化判定方法。

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