JP2016031055A - 空燃比センサの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】印加電圧を変化させたときの空燃比センサの出力電流の変化から空燃比センサの素子割れを検出する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に配置された限界電流式の空燃比センサ（４０，４１）の異常診断装置であって、空燃比センサ（４０，４１）の出力電流（Ｉ）を検出する電流検出部と、空燃比センサ（４０，４１）への印加電圧（Ｖ）を制御する印加電圧制御装置（６０）とを具備する。印加電圧制御装置（６０）は、空燃比センサ（４０，４１）の異常を診断すべく空燃比がリッチにされたときに、空燃比センサ（４０，４１）の正常時に空燃比に応じた限界電流が発生する範囲内で印加電圧（Ｖ）を変化させ、このとき電流検出部により空燃比センサ（４０，４１）の出力電流（Ｉ）が予め定められた値以上変化したことが検出されたときには空燃比センサ（４０，４１）の素子割れが生じていると判定される。
【選択図】図１４

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置される空燃比センサの異常診断装置に関する。

従来より、空燃比を目標空燃比に制御するようにした内燃機関では、空燃比に応じた限界電流が発生する限界電流式の空燃比センサを機関排気通路内に配置し、この空燃比センサにより空燃比が目標空燃比となるように機関に供給する燃料量をフィードバック制御するようにした内燃機関が公知である。ところが、この空燃比センサは、センサ素子の外表面とセンサ素子の内部空間とが連通してしまうような素子割れが発生する場合がある。このような素子割れが発生すると、空燃比センサは、空燃比に応じた適切な出力を発生させることができなくなり、その結果、空燃比を正確に目標空燃比にフィードバック制御しえなくなる。

そこで、空燃比センサの素子割れを検出するための異常診断装置が従来より公知である（例えば、特許文献１）。この特許文献１によれば、通常、空燃比センサへの印加電圧は限界電流領域の中央に設定されており、空燃比センサのセンサ素子に割れが生じたり、電極上の白金が凝縮した場合には、空燃比センサへの印加電圧が限界電流領域の中央部から高電圧側又は低電圧側にずれるとのことである。従って、この特許文献１では、空燃比センサへの印加電圧が限界電流領域の中央部から高電圧側又は低電圧側にずれた場合には、空燃比センサのセンサ素子に割れが生じか、或いは電極上の白金が凝縮したと判断される。

特開２０１０−１７４７９０号公報

しかしながら、この特許文献１では、空燃比センサのセンサ素子に割れが生じたことを確実に検出することはできない。
本発明の目的は、空燃比センサの素子割れを確実に検出することのできる異常診断装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によれば、内燃機関の排気通路に配置されかつ空燃比に応じた限界電流が発生する限界電流式の空燃比センサの異常診断装置において、空燃比センサの出力電流を検出する電流検出部と、空燃比センサへの印加電圧を制御する印加電圧制御装置とを具備しており、印加電圧制御装置は、空燃比センサの異常を診断すべく空燃比がリッチにされたときに、空燃比センサの正常時に空燃比に応じた限界電流が発生する範囲内で印加電圧を変化させ、このとき電流検出部により空燃比センサの出力電流が予め定められた値以上変化したことが検出されたときには空燃比センサの素子割れが生じていると判定される空燃比センサの異常診断装置が提供される。

本発明によれば、空燃比センサの素子割れを正確に検出することができる。

図１は、本発明による異常診断装置が用いられている内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、空燃比センサの概略的な断面図である。 図３は、各排気空燃比Ａ／Ｆにおける印加電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を示す図である。 図４は、印加電圧Ｖを一定にしたときの空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。 図５は、内燃機関の通常運転時における、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量等の変化を示すタイムチャートである。 図６は、素子割れが生じている空燃比センサの概略的な断面図である。 図７は、空燃比センサの素子割れが生じたときの出力電流Ｉと空燃比Ａ／Ｆとの関係を示す図である。 図８Ａおよび８Ｂは、空燃比センサの素子割れが生じたときの出力電流Ｉと印加電圧Ｖとの関係を示す図である。 図９Ａおよび９Ｂは、酸素濃度センサの概略的な断面図と、酸素濃度センサの出力電圧Ｅの変化とを示す図である。 図１０Ａおよび１０Ｂは、空燃比センサの概略的な断面図と、空燃比センサの出力電流Ｉの変化とを示す図である。 図１１Ａ、１１Ｂおよび１１Ｃは、空燃比センサの出力電流Ｉを示す図である。 図１２は、空燃比センサの出力電流Ｉを示す図である。 図１３は、アクティブ制御を行ったときの下流側空燃比センサの出力空燃比等の変化を示すタイムチャートである。 図１４は、アクティブ制御を行ったときの下流側空燃比センサの出力空燃比等の変化を示すタイムチャートである。 図１５は、下流側空燃比センサの異常診断を行うためのフローチャートである。 図１６は、下流側空燃比センサの異常診断を行うためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明による一実施例について詳細に説明する。
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明による異常診断装置が用いられている内燃機関を概略的に示す図である。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。

図１に示されるように、シリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。この燃料噴射弁１１からは燃料が燃焼室５内に向けて噴射される。なお、本発明による実施例では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられている。しかしながら、ガソリン以外の燃料、或いはガソリンとの混合燃料を用いることもできる。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。また、吸気管１５内にはアクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、排気マニホルド１９の集合部は上流側排気浄化触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して下流側排気浄化触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２及び下流側ケーシング２３は、排気通路を形成する。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気流量を検出するための吸入空気量検出器３９が配置され、この吸入空気量検出器３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気マニホルド１９の集合部には排気マニホルド１９内を流れる排気ガスの空燃比を検出するための上流側空燃比センサ４０が配置され、また排気管２２内には排気管２２内を流れる排気ガスの空燃比を検出するための下流側空燃比センサ４１が配置される。これら空燃比センサ４０、４１の出力も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。なお、これら空燃比センサ４０、４１の構成については後述する。

アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。

上流側排気浄化触媒２０及び下流側排気浄化触媒２４は、セラミックから成る担体上に、貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））および酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させた三元触媒からなる。三元触媒は、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に維持されていると、未燃ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘとを同時に浄化する機能を有するが、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有している場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘとが同時に浄化される。

即ち、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有していると、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が若干リーンになったときには排気ガス中に含まれる過剰な酸素が排気浄化触媒２０、２４内に吸蔵され、排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。一方、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が若干リッチになったときには排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯを還元させるのに不足している酸素が排気浄化触媒２０、２４から放出され、この場合にも排気浄化触媒２０、２４の表面上が理論空燃比に維持される。その結果、排気浄化触媒２０、２４の表面上において未燃ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘが同時に浄化され、このとき排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

このように、排気浄化触媒２０、２４が酸素吸蔵能力を有している場合には、排気浄化触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチ側或いはリーン側に若干ずれたとしても未燃ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘとが同時に浄化され、排気浄化触媒２０、２４から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。

＜空燃比センサの説明＞
本発明による実施例では、空燃比センサ４０、４１として、コップ型の限界電流式空燃比センサが用いられている。次に、図２を参照しつつ、空燃比センサ４０、４１の構造について簡単に説明する。空燃比センサ４０、４１は、固体電解質層５１と、その一方の側面上に配置された排気側電極５２と、その他方の側面上に配置された大気側電極５３と、通過する排気ガスの拡散律速を行う拡散律速層５４と、基準ガス室５５と、空燃比センサ４０、４１の加熱を行うヒータ部５６とを具備する。

特に、本発明による実施例におけるコップ型の空燃比センサ４０、４１では、固体電解質層５１は一端が閉じられた円筒状に形成されている。固体電解質層５１の内部に形成された基準ガス室５５には、大気ガスが導入されると共に、ヒータ部５６が配置される。固体電解質層５１の内面上には大気側電極５３が配置され、固体電解質層５１の外面上には排気側電極５２が配置される。固体電解質層５１及び排気側電極５２の外面上にはこれらを覆うように拡散律速層５４が配置される。なお、拡散律速層５４の外側には、拡散律速層５４の表面上に液体等が付着するのを防止するための保護層（図示せず）を設けることもできる。

固体電解質層５１は、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として配当した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体により形成されている。また、拡散律速層５４は、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。さらに、排気側電極５２及び大気側電極５３は、白金等の触媒活性の高い貴金属により形成されている。

また、排気側電極５２と大気側電極５３との間には、ＥＣＵ３１によって制御される印加電圧制御装置６０によりセンサ印加電圧Ｖが印加される。また、ＥＣＵ３１には、センサ印加電圧Ｖを印加したときに固体電解質層５１を通ってこれら電極５２、５３間に流れる電流Ｉを検出する電流検出部６１が設けられる。この電流検出部６１によって検出される電流が空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉである。

このように構成された空燃比センサ４０、４１は、図３に示すような電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を有する。図３からわかるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは、排気ガスの空燃比、即ち排気空燃比Ａ/Ｆが高くなるほど、即ちリーンになるほど、大きくなる。また、各排気空燃比Ａ/ＦにおけるＶ−Ｉ線には、センサ印加電圧Ｖ軸に平行な領域、すなわちセンサ印加電圧Ｖが変化しても出力電流Ｉがほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３には、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ₁₈、Ｉ₁₈で示されている。

図４は、印加電圧Ｖを０．４５Ｖ程度（図３）で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示している。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど、即ち、リーンになるほど、空燃比センサ４０、４１からの出力電流Ｉが大きくなる。また、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉが零になる。なお、空燃比センサ４０、４１としては、図２に示した構造の限界電流式空燃比センサに代えて、例えば積層型の限界電流式空燃比センサ等の他の構造の限界電流式空燃比センサを用いることもできる。

＜基本的な制御＞
このように構成された内燃機関では、上流側空燃比センサ４０及び下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比が機関運転状態に基づいた最適な空燃比となるように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量が設定される。このような燃料噴射量の設定方法としては、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比、即ち、機関本体から流出する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように制御すると共に、下流側空燃比センサ４１の出力に基づいて上流側空燃比センサ４０の出力を補正したり、目標空燃比を変更したりする方法が挙げられる。

図５を参照して、このような目標空燃比の制御の例について、簡単に説明する。図５は、内燃機関の通常運転時における、上流側排気浄化触媒の酸素吸蔵量、目標空燃比、上流側空燃比センサの出力空燃比及び下流側空燃比センサの出力空燃比の変化を示すタイムチャートである。なお、「出力空燃比」は、空燃比センサの出力に相当する空燃比を意味する。また、「通常運転時」は、内燃機関の特定の運転状態に応じて燃料噴射量を調整する制御、例えば、内燃機関を搭載した車両の加速時に行われる燃料噴射量の増量補正制御や、燃料供給停止制御等を行っていない運転状態を意味する。

図５に示した例では、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定基準空燃比（例えば、１４．５５）以下となったときに、目標空燃比はリーン設定空燃比ＡＦｌｅａｎ（例えば、１５）に設定され、維持される。その後、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量が推定され、この推定値が予め定められた判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆ（最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘよりも少ない量）以上になると、目標空燃比はリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈ（例えば、１４．４）に設定され、維持される。図５に示した例では、このような操作が繰り返し行われる。なお、この場合、上述したように、上流側空燃比センサ４０の出力に基づいて機関本体から流出する排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御されている。

具体的には、図５に示した例では、時刻ｔ₁の前では、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈとされており、これに伴って、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比もリッチ空燃比となっている。また、上流側排気浄化触媒２０には酸素が吸蔵されているので、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は理論空燃比（１４．６）となっている。このとき、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリッチ空燃比となっているので、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に低下する。

その後、時刻ｔ₁においては、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近づくことにより、上流側排気浄化触媒２０に流入した未燃ガスの一部は上流側排気浄化触媒２０で浄化されずに流出し始める。その結果、時刻ｔ₂において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比よりも僅かにリッチなリッチ判定基準空燃比ＡＦｒｅｆｒｉとなり、このとき目標空燃比はリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＡＦｌｅａｎへ切り替えられる。

目標空燃比の切替により、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比はリーン空燃比になり、未燃ガスの流出が停止する。また、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に増加し、時刻ｔ₃において、判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達する。このように、酸素吸蔵量が判定基準吸蔵量Ｃｒｅｆに到達すると、目標空燃比は、再びリーン設定空燃比ＡＦｌｅｎａからリッチ設定空燃比ＡＦｒｉｃｈへと切り替えられる。この目標空燃比の切替により、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は再びリッチ空燃比となり、その結果、上流側排気浄化触媒２０の酸素吸蔵量は徐々に減少し、以降は、このような操作が繰り返し行われる。このような制御を行うことにより、上流側排気浄化触媒２０からＮＯｘが流出するのを防止することができる。

＜空燃比センサの素子割れ＞
ところで、上述したような空燃比センサ４０、４１に生じる異常状態として、空燃比センサ４０、４１を構成する素子に割れが生じる素子割れという現象が挙げられる。具体的には、固体電解質層５１及び拡散律速層５４を貫通する割れ（図６のＣ１）や、固体電解質層５１及び拡散律速層５４に加えて両電極５２、５３を貫通する割れ（図６にＣ２）が発生する。このような素子割れが発生すると、図６に示したように割れた部分を介して排気ガスが基準ガス室５５内に進入する。この場合、多量の排気ガスが基準ガス室５５内に進入すると、排気ガスの空燃比がリッチであったとしても、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比はリーン空燃比となる。次に、このことについて、図７を参照しつつ説明する。

図７は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、図３と同様な排気空燃比Ａ/Ｆと空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉとの関係を示している。なお、この図７は、空燃比センサ４０、４１に固体電解質層５１及び拡散律速層５４を貫通する貫通穴を穿設して人工的に素子割れの状態を作った場合の実験結果を示している。この図７において、×印は空燃比センサ４０、４１が正常である場合を示しており、□印、△印、○印は空燃比センサ４０、４１に貫通穴を穿設した場合を示している。なお、□印は直径が０．１mm の貫通穴を穿設した場合を示しており、△印は直径が０．２mm の貫通穴を穿設した場合を示しており、○印は直径が０．５mm の貫通穴を穿設した場合を示している。

図７に示されるように、貫通穴の直径が０．１mm の場合（□印）には、空燃比センサ４０、４１が正常である場合（×印）と同様に排気空燃比Ａ/Ｆが大きくなるにつれて、即ち排気空燃比Ａ/Ｆがリーンになるにつれて空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが増大する。このときには、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは排気空燃比Ａ/Ｆに対して図４と同様に変化する。一方、貫通穴の直径が０．２mm の場合（△印）および貫通穴の直径が０．５mm の場合（○印）には、排気空燃比Ａ/Ｆが１４．６以上であってリーンのときには、貫通穴の直径が０．１mm の場合（□印）および空燃比センサ４０、４１が正常である場合（×印）と同様に排気空燃比Ａ/Ｆが大きくなるにつれて、即ち排気空燃比Ａ/Ｆがリーンになるにつれて空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが増大する。これに対して、排気空燃比Ａ/Ｆが１４．６以下であってリッチのときには、排気空燃比Ａ/Ｆが小さくなるにつれて、即ち排気空燃比Ａ/Ｆがリッチになるにつれて空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが大幅に増大する。

この実験結果からわかるように貫通穴の直径が大きくなると、貫通穴から空燃比センサ４０、４１内に侵入した排気ガスが空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉに大きな影響を与え、排気空燃比Ａ/Ｆがリッチであったとしても空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは正の電流値となる。即ち、実際の排気空燃比Ａ/Ｆがリッチであったとしても、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比はリーン空燃比を示すことになる。従って、図７に示される実験結果から、実際の排気空燃比Ａ/Ｆがリッチであるときに空燃比センサ４０、４１の出力空燃比がリーン空燃比を示している場合には、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に大きな影響を与える素子割れが生じていると判断できることになる。

一方、図８Ａの実線は、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に大きな影響を与える素子割れが生じている場合において、排気空燃比Ａ/Ｆがリッチであるときの空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉと空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖとの関係を示している。空燃比センサ４０、４１が正常である場合には、排気空燃比Ａ/Ｆがリッチのときには図３からわかるように空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは負の電流値となる。しかしながら、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に大きな影響を与える素子割れが生じた場合には、図８Ａの実線からわかるように、排気空燃比Ａ/Ｆがリッチであるときに空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは正の電流値となり、しかもこのとき、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖを増大させると空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが急速に増大する。図８Ｂはこのときの空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉの実際の変化を示している。即ち、排気通路内の排圧は振動しており、従って排気ガスが素子割れしている部分を通って空燃比センサ４０、４１内に出入りするために空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは図８Ａに示されるように、常に変動している。

次に、図９Ａから図１１Ｃを参照しつつ、空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に大きな影響を与える素子割れが生じた場合には、排気空燃比Ａ/Ｆがリッチであるときに、図７および図８Ａに示す如く、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは正の電流値となり、図８Ａに示す如く、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖを増大させると空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが急速に増大する理由について、簡単に説明する。

図９Ａは、拡散律速層を有しない酸素濃度センサの作動原理の説明図を示している。図９Ａにおいて、Ａは固体電解質層、Ｂは大気側電極、Ｃは排気側電極を夫々示している。
この酸素濃度センサは、大気側の酸素分圧Ｐa と排気側の酸素分圧Ｐd との差により次式に従って起電力Ｅを発生する。
Ｅ＝（ＲＴ/４Ｆ）ln（Ｐa/Ｐd）
なお、Ｒは気体定数、Ｔは固体電解質層Ａの絶対温度、Ｆはファラディ定数である。
排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリーンのときには大気側の酸素分圧Ｐaの方が排気側の酸素分圧Ｐdよりも高いので大気中の酸素は大気側電極Ｂにおいて電子を受け取り、図９Ａに示されるように、酸素イオンとなって固体電解質層Ａ内を排気側電極Ｂまで移動する。その結果、大気側電極Ｂと排気側電極Ｃ間には起電力Ｅが発生する。このとき大気側の酸素分圧Ｐaと排気側の酸素分圧Ｐdとの比はそれほど大きくなく、従って図９Ｂに示されるように、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリーンのときの起電力Ｅは０．１Ｖ程度となる。

これに対し、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチになると排気側電極Ｃ上は酸欠状態となり、このとき排気側電極Ｂに到達した酸素イオンは未燃ＨＣ、ＣＯと反応してただちに消費される。従って、このときには酸素イオンが次から次へと固体電解質層Ａ内を排気側電極Ｂまで移動する。このときには大気側の酸素分圧Ｐaと排気側の酸素分圧Ｐd との比が極めて大きくなるために、図９Ｂに示される如く、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチになると起電力Ｅは０．９Ｖ程度まで急激に上昇し、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチとなっている限り、起電力Ｅは０．９Ｖ程度に維持される。

図１０Ａは、本発明の実施例において用いている空燃比センサ４０、４１の作動原理の説明図を示している。なお、図１０Ａにおいて、５１は固体電解質層、５２は排気側電極、５３は大気側電極、５４は拡散律速層を夫々示している。一方、図１０Ｂは、或るリーン空燃比(Ａ/Ｆ)l に対する空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉと印加電圧Ｖとの関係、および或るリッチ空燃比(Ａ/Ｆ)r に対する空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉと印加電圧Ｖとの関係を示している。さて、この空燃比センサ４０、４１でも大気側電極５３と排気側電極５２間には起電力Ｅが発生しており、更にこの空燃比センサ４０、４１では大気側電極５３と排気側電極５２間に、この起電力Ｅとは逆向きに印加電圧Ｖが印加される。大気側電極５３と排気側電極５２間に印加電圧Ｖが印加されると排気側電極５２の表面上において酸素が酸素イオンとされ、この酸素イオンを排気側電極５２から大気側電極５３へ送り込むポンピング作用が行われる。その結果、空燃比センサ４０、４１には出力電流Ｉが発生する。

さて、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリーンであるときには、排気ガス中の酸素が拡散律速層５４を通って排気側電極５２の表面上に達する。このとき大気側の酸素分圧Ｐaと排気側の酸素分圧Ｐdとの比はそれほど大きくなく、従ってこのときには０．１Ｖ程度の起電力Ｅが発生している。このような状態で印加電圧Ｖを高めていくと酸素イオンのポンピング作用によって図１０Ａにおいて実線の矢印で示す正の出力電流Ｉか発生するようになる。一方、拡散律速層５４内を拡散して排気側電極５２の表面上に達する酸素量は、排気ガス中の酸素分圧Ｐeと排気側電極５２の表面上における酸素分圧Ｐdとの差に比例し、排気側電極５２の表面上には、排気ガス中の酸素分圧Ｐeと排気側電極５２の表面上における酸素分圧Ｐdとの差に応じた量の酸素しか供給されない。従って、印加電圧Ｖを増大しても、排気側電極５２の表面上に供給される酸素の量が律速されているためにポンピング作用によって送り込まれる酸素イオンの量は一定量に制限され、従って図１０Ｂにおいて(Ａ/Ｆ)l で示されるように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが変化しても一定に維持される、即ち限界電流が生ずることになる。

これに対して、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチになると、未燃ＨＣ，ＣＯが拡散律速層５４を通って排気側電極５２の表面上に達する。このとき、排気側電極５２に到達した酸素イオンは未燃ＨＣ、ＣＯと反応してただちに消費され、従って排気側電極５２上は酸欠状態となる。従って、大気側の酸素分圧Ｐaと排気側の酸素分圧Ｐd との比が極めて大きくなるために、０．９Ｖ程度の大きな起電力Ｅが発生し、従って酸素イオンが次から次へと固体電解質層５１内を排気側電極５２まで移動する。このときには、図１０Ａにおいて破線の矢印で示す負の出力電流Ｉが発生する。ところがこの場合も、拡散律速層５４内を拡散して排気側電極５２の表面上に達する未燃ＨＣ，ＣＯの量は、排気ガス中の分圧Ｐeと排気側電極５２の表面上における未燃ＨＣ，ＣＯの分圧Ｐdとの差に比例し、排気側電極５２の表面上には、排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの分圧Ｐeと排気側電極５２の表面上における未燃ＨＣ，ＣＯの分圧Ｐdとの差に応じた量の未燃ＨＣ，ＣＯしか供給されない。即ち、排気側電極５２の表面上に供給される未燃ＨＣ，ＣＯの量は拡散律速層５４によって律速されることになる。

ところで、このように０．９Ｖ程度の起電力Ｅが発生しているときに０．９Ｖ程度の印加電圧Ｖを印加すると、起電力Ｅと印加電圧Ｖとは極性が逆向きなので、図１０Ｂの実線(Ａ/Ｆ)r からわかるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは零となる。この状態から印加電圧Ｖを低下させていくと酸素イオンが排気側電極５２に向けて移動を開始する。ところがこのとき、上述したように、排気側電極５２の表面上に供給される未燃ＨＣ，ＣＯの量は拡散律速層５４によって律速されている。従って、印加電圧Ｖを低下させても、排気側電極５２に達する酸素イオンの量は一定量に制限され、従って図１０Ｂにおいて(Ａ/Ｆ)r で示されるように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが変化しても一定に維持される、即ち限界電流が生ずることになる。一方、このように０．９Ｖ程度の起電力Ｅが発生しているときには排気側電極５２の表面上には酸素が存在していない。従って、このとき０．９Ｖよりも高い印加電圧Ｖを印加しても酸素イオンが大気側電極５３に向けて移動すくこともなく、この場合には、即ち０．９Ｖよりも高い印加電圧Ｖを印加した場合には、拡散律速層５４内において水分の分解が生じ、それにより図１０Ｂにおいて(Ａ/Ｆ)l で示されるように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが急激に上昇することになる。

さて、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生すると、排気ガスが図６に示されるように、基準ガス室５５内に進入する。即ち、図１０Ａにおいて、排気ガスが大気側に侵入する。このとき排気ガスの空燃比がリーンである場合には、リーン空燃比の排気ガスが基準ガス室５５内に侵入することになる。リーン空燃比の排気ガスが基準ガス室５５内に侵入すると、基準ガス室５５内の酸素濃度は若干低下する。しかしながらこの場合、大気側の酸素分圧Ｐaの方が依然として排気側の酸素分圧Ｐdよりも高く、しかもこのときには大気側の酸素分圧Ｐaと排気側の酸素分圧Ｐdとの比はそれほど大きくないために、０．１Ｖ程度の起電力Ｅが発生する。この場合には、印加電圧Ｖを増大しても、排気側電極５２の表面上に供給される酸素の量が律速されているためにポンピング作用によって送り込まれる酸素イオンの量は一定量に制限され、従って図１０Ｂにおいて(Ａ/Ｆ)l で示されるように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが変化しても一定に維持される、即ち限界電流が生ずることになる。即ち、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しても、出力電流Ｉは印加電圧Ｖの変化に対して正常時と同様に変化することになる。

図１１Ａは、空燃比センサ４０、４１が正常な場合において、排気ガスの空燃比がリーンであるときの出力電流Ｉの変化を示しており、図１１Ｂは、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生した場合において、排気ガスの空燃比がリーンであるときの出力電流Ｉの変化を示している。図１１Ａと図１１Ｂとを比較するとわかるように、排気ガスの空燃比がリーンである場合には、空燃比センサ４０、４１が正常であろうと、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生していようと、印加電圧Ｖの変化に対する出力電流Ｉの変化パターンはほとんど同じである。従って、図７に示されるように、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリーンである場合には、空燃比センサ４０、４１が正常であろうと、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生していようと、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは空燃比Ａ/Ｆが高くなるとほぼ同じ値でもって増大することになる。従って、排気ガスの空燃比がリーンのときの出力電流Ｉの変化からは、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生したか否かを判別することはできない。

これに対し、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しているときに排気ガスの空燃比がリッチになると、出力電流Ｉは正常時に比べて大きく変化する。即ち、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しているときに排気ガスの空燃比がリッチになると、多量の未燃ＨＣ，ＣＯが基準ガス室５５内に進入する。即ち、図１０Ａにおいて、多量の未燃ＨＣ，ＣＯが大気側に侵入する。多量の未燃ＨＣ，ＣＯが基準ガス室５５内に進入するとこれら未燃ＨＣ，ＣＯは大気側電極５３の表面上において酸素と反応し、従って大気側電極５３の表面上は酸欠状態となる。このとき大気側電極５３の表面上における酸素分圧Ｐaと排気側電極５２の表面上における酸素分圧Ｐdとの比が小さくなり、従ってこのとき発生する起電力Ｅは０．１Ｖ程度となる。このように０．１Ｖ程度の起電力Ｅが発生しているときに０．１Ｖ程度の印加電圧Ｖを印加すると、起電力Ｅと印加電圧Ｖとは極性が逆向きなので、図１１Ｃにおいて実線で示されるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは零となる。この状態から印加電圧Ｖを低下させていくと酸素イオンが排気側電極５２に向けて移動を開始する。ところがこのとき、上述したように、排気側電極５２の表面上に供給される未燃ＨＣ，ＣＯの量は拡散律速層５４によって律速されている。従って、印加電圧Ｖを低下させても、排気側電極５２に達する酸素イオンの量は一定量に制限され、従って図１１Ｃにおいて実線で示されるように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが変化しても一定に維持される、即ち限界電流が生ずることになる。

一方、このように０．１Ｖ程度の起電力Ｅが発生しているときには排気側電極５２の表面上には酸素が存在していない。従って、このとき０．１Ｖよりも高い印加電圧Ｖを印加しても酸素イオンが大気側電極５３に向けて移動することもなく、この場合には、即ち０．１Ｖよりも高い印加電圧Ｖを印加した場合には、拡散律速層５４内において水分の分解が生じ、それにより図１１Ｃにおいて実線で示されるように、出力電流Ｉは印加電圧Ｖが急激に上昇することになる。即ち、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しているときに、排気ガスの空燃比がリッチになると、図１１Ｃにおいて実線で示されるように出力電流Ｉの変化パターンは、図１１Ｃにおいて破線で示す正常の出力電流Ｉの変化パターンに対して、矢印で示されるように起電力Ｅが低下した分（０．８Ｖ）だけ印加電圧Ｖの低下方向に移動した形となる。従って、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生しているときに、排気ガスの空燃比がリッチになると、図７および図８Ａ，８Ｂに示されるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは正の電流値となり、即ち空燃比センサ４０、４１の出力空燃比がリーン空燃比を示し、しかもこのとき、図８Ａ，８Ｂに示されるように、空燃比センサ４０、４１への印加電圧Ｖを増大させると空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが急速に増大することになる。

図１２に、図１１Ｂに示される出力電流Ｉの変化をＸで示し、図１１Ｃにおいて実線で示される出力電流Ｉの変化をＹで示す。即ち、図１２において、Ｘは、空燃比センサ４０、４１が正常である場合或いは空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生している場合において排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリーンにされているときの印加電圧Ｖ対する出力電流Ｉの変化を示しており、Ｙは、空燃比センサ４０、４１に素子割れが発生している場合において排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチにされたときの印加電圧Ｖ対する出力電流Ｉの変化を示している。さて、空燃比センサ４０、４１、例えば下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生した場合には、排気ガスの空燃比がリッチにされたときに、図１２のＹで示されるように、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは正の電流値となる。即ち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示す。従って、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチにされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが正の電流値となっている場合には、即ち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示している場合には下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していると判断できるようにみえる。

しかしながら、実際には、下流側空燃比センサ４１が正常であったとしても、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチにされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは正の電流値となる場合、即ち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示す場合がある。例えば、気筒間の空燃比にばらつきがあり、特定の気筒間の空燃比が他の気筒に対して大きくリッチ側にずれており、排気通路の形状等によって上流側空燃比センサが各気筒から流出した排気ガスと均一に接触することなく、リッチ側にずれた気筒から流出した排気ガスと主に接触する場合がある。このような場合において、上流側空燃比センサの出力信号に基づいて空燃比を理論空燃比にフィードバック制御すると、各気筒への燃料噴射量が減量されて平均空燃比がリーンとなり、このような状態で空燃比をリッチにすべく各気筒への燃料噴射量が増量されても平均空燃比がリーンとなる場合がある。この場合には、下流側空燃比センサ４１が正常であったとしても、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチにされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示すことになる。

また、下流側空燃比センサ４１が、各気筒から流出した排気ガスと均一に接触することなく、リーン側にずれた気筒から流出した排気ガスと主に接触する場合がある。このような状態において、空燃比をリッチにすべく各気筒への燃料噴射量が増量されても下流側空燃比センサと接触する排気ガスの空燃比が依然としてリーンとなる場合がある。この場合には、下流側空燃比センサ４１が正常であったとしても、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチにされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示すことになる。従って、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチにされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示している場合に、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生していると判断すると誤判断することになる。

このように、下流側空燃比センサ４１が正常であったとしても、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチにされたときに、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが正の電流値となる場合、即ち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示す場合がある。ところがこの場合には、出力電流Ｉは図１２のＸで示す如く、限界電流領域ＦＸが生ずるように変化する。これに対し、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生した場合には、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆがリッチにされたときに、出力電流ＩはＹで示される如く、印加電圧Ｖの増大に伴い増大するように変化する。従って、このとき下流側空燃比センサが正常である場合には、印加電圧ＶをＶ１からＶ２に増大しても出力電流Ｉはほとんど変化せず、これに対し下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生している場合には、印加電圧ＶをＶ１からＶ２に増大すると出力電流Ｉは必ず大きく増大する。従って、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆをリッチにした状態において、印加電圧ＶをＶ１からＶ２に増大したときの出力電流Ｉの変化から、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生したか否かを正確に判別できることになる。

そこで本発明では、内燃機関の排気通路に配置されかつ空燃比に応じた限界電流が発生する限界電流式の空燃比センサの異常診断装置において、空燃比センサ４０，４１の出力電流Ｉを検出する電流検出部６１と、空燃比センサ４０，４１への印加電圧Ｖを制御する印加電圧制御装置６０とを具備しており、印加電圧制御装置６０は、空燃比センサ４０，４１の異常を診断すべく空燃比がリッチにされたときに、空燃比センサ４０，４１の正常時に空燃比に応じた限界電流が発生する範囲ＦＸ内で印加電圧Ｖを変化させ、このとき電流検出部６１により空燃比センサの出力電流Ｉが予め定められた値以上変化したことが検出されたときには空燃比センサ４０，４１の素子割れが生じていると判定される。

＜異常診断＞
次に、図１３および図１４に示すタイムチャートを参照しつつ、下流側空燃比センサ４１の素子割れを検出する場合を例にとって、本発明による空燃比センサの異常診断について説明する。本発明による実施例では、図５を参照しつつ既に説明したように、通常、空燃比はリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変更されており、このように空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変更する制御を通常制御と称すると、空燃比センサの異常診断を行う際には、空燃比をこの通常制御時におけるリッチ空燃比よりもリッチにするアクティブ制御が実行される。このアクティブ制御は、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となるように、燃料噴射弁１１からの燃料噴射量を制御することによって行われる。

図１３および図１４には、このアクティブ制御と、目標空燃比の変化と、上流側空燃比センサの出力空燃比の変化と、下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r の変化と、下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖの変化を示している。なお、図１３は、下流側空燃比センサ４１が素子割れをしていないのに、空燃比をリッチにしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーンとなっている場合を示しており、図１４は、下流側空燃比センサ４１が素子割れをしているために、空燃比をリッチにしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーンになる場合を示している。なお、図１３と図１４とを比較するとわかるように、図１３および図１４において、アクティブ制御と、目標空燃比と、上流側空燃比センサの出力空燃比と、下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖは、同一の変化を示しており、従って最初に、アクティブ制御と、目標空燃比と、上流側空燃比センサの出力空燃比と、下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖとについて説明する。

図１３および図１４に示す例では、時刻t₄において、アクティブ制御の実行が開始される。時刻ｔ₄においてアクティブ制御の実行が開始される前は、空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変更する通常制御時において目標空燃比がリッチ空燃比ＡＦrich となっている場合を示しており、このとき上流側空燃比センサ４０の出力空燃比はリッチ空燃比となっている。即ち、このとき電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１では、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比から、上流側排気浄化触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比ＡＦrich になっていると判断されている。また、このときには、下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖは予め定められた第１の印加電圧Ｖ１とされている。

次いで、時刻ｔ₄においてアクティブ制御の実行が開始されると、目標空燃比がリッチ空燃比に設定される。このとき図１３および図１４に示される例では、アクティブ制御実行時の目標空燃比は、通常制御時におれるリッチ空燃比ＡＦrich よりもリッチなアクティブ制御時空燃比ＡＦａｃｔとされる。このとき、上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も更にリッチなリッチ空燃比となる。一方、このとき下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖは、変更されることなく予め定められた第１の印加電圧Ｖ１に維持されている。なお、図１３および図１４において、t０は下流側空燃比センサ４１の異常を診断すべく空燃比がリッチにされたときからの経過時間を表しており、この経過時間 t０は空燃比がリッチされた後、これにより下流側空燃比センサ４１の周囲の雰囲気が変化するまでの時間を示している。図１３および図１４に示される例では、この経過時間 t０は一定とされており、従って図１３および図１４に示される例では、空燃比がリッチにされたときから一定時間 t０を経過した後に時刻ｔ_５において下流側空燃比センサ４１の異常診断が開始される。

図１３および図１４に示されるように、時刻ｔ_５において下流側空燃比センサ４１の異常診断が開始されると、予め定められた一定時間 t１の間、下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖは図12に示される予め定められた第１の印加電圧Ｖ１、例えば０．４（v）に維持され、次いでこの予め定められた一定時間 t１が経過すると、時刻ｔ_６において下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖは図12に示される予め定められた第２の印加電圧Ｖ２, 例えば０．6（v）に変更される。次いで、下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖは予め定められた一定時間 t２の間、この予め定められた第２の印加電圧Ｖ２に維持される。図１３および図１４に示される例では、第２の印加電圧Ｖ２は第１の印加電圧Ｖ１に比べて高くされており、従って図１３および図１４に示される例では、一定時間 t１が経過すると、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが増大されることになる。次いで、一定時間 t２が経過すると時刻ｔ_７においてアクティブ制御の実行が終了せしめられる。このとき、目標空燃比が元のリッチ空燃比ＡＦrich に戻され、それにより上流側空燃比センサ４０の出力空燃比も元の空燃比に戻され、下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖも元の第１の印加電圧Ｖ１に戻される。

次に、図１３および図１４を参照しつつ、アクティブ制御が実行されているときの下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r の出力空燃比の変化について説明する。まず初めに、図１３を参照すると、この図１３は、上述したように、下流側空燃比センサ４１が素子割れをしてもいないのに、空燃比をリッチにしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が、予め定められた設定リーン空燃比α、例えば１６．０よりもリーンになっている場合を示している。このような場合の例としては例えば前述したように、気筒間の空燃比にばらつきがあり、特定の気筒間の空燃比が他の気筒に対して大きくリッチ側にずれており、排気通路の形状等によって上流側空燃比センサ４０が各気筒から流出した排気ガスと均一に接触することなく、リッチ側にずれた気筒から流出した排気ガスと主に接触する場合である。この場合には、出力電流Ｉは図１２のＸで示す如く、限界電流領域ＦＸが生ずるように変化する。従って、この場合には、図12からわかるように、下流側空燃比センサへの印加電圧Ｖを予め定められた第１の印加電圧Ｖ１から第２の印加電圧Ｖ２に変化させても、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉはほとんど変化せず、従って図13に示されるように下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r はほとんど変化しない。

一方、図１４は、下流側空燃比センサ４１が素子割れをしているために、空燃比をリッチにしたときに、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められた設定リーン空燃比α、例えば１６．０よりもリーンになる場合を示している。この場合には、図１２のＹで示されるように、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが正の電流値となる、即ち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン空燃比を示すばかりでなく、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが増大するとそれに伴って増大する。従って、この場合には、図１４に示されるように、印加電圧Ｖが第１の印加電圧Ｖ１から第２の印加電圧Ｖ２に増大すると下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r がそれに伴って増大する。従って、排気ガスの空燃比Ａ/Ｆをリッチにした状態において、印加電圧ＶをＶ１からＶ２に増大したときの出力電流Ｉの変化、即ち下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r の変化から、下流側空燃比センサ４１に素子割れが発生したか否かを正確に判別できることになる。

なお、図１４において、第１の印加電圧Ｖ１が印加されている時間 t１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められた設定リーン空燃比α、例えば１６．０よりもリーンにならなかった場合には下流側空燃比センサ４１に素子割れが生じていないと判断することができる。従ってこの場合には、印加電圧Ｖを第１の印加電圧Ｖ１から第２の印加電圧Ｖ２に変化させても意味がなく、従ってこのときには空燃比センサの異常診断は終了せしめられる。従って、本発明による実施例では、第１の印加電圧Ｖ１が印加されている時間 t１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められた設定リーン空燃比αよりもリーンであるか否かの仮判定が行われ、この仮判定において、第１の印加電圧Ｖ１が印加されている時間 t１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められた設定リーン空燃比αよりもリーンでないと判定されたときには、空燃比センサの異常診断は終了せしめられる。これに対し、この仮判定において、第１の印加電圧Ｖ１が印加されている時間 t１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が予め定められた設定リーン空燃比αよりもリーンであると判定されたときに、初めて、印加電圧Ｖが第１の印加電圧Ｖ１から第２の印加電圧Ｖに増大せしめられ、このとき下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが増大したか否か、即ち下流側空燃比センサ４１が素子割れを生じているか否かが本判定される。

即ち、本発明では、印加電圧Ｖが第１の印加電圧Ｖ１とされている状態で、空燃比センサ４０，４１の異常を診断すべく空燃比がリッチにされたときに、空燃比センサ４０，４１の出力電流Ｉが予め定められたリーン空燃比よりもリーンであることを示す電流値となっている場合には空燃比センサ４０，４１に異常があると仮判定され、空燃比センサ４０，４１に異常があると仮判定されたときには、印加電圧Ｖが第１の印加電圧Ｖ１から第２の印加電圧Ｖ２に変化せしめられ、このとき電流検出部により空燃比センサ４０，４１の出力電流Ｉが予め定められた値以上変化したことが検出されたときには空燃比センサ４０，４１の素子割れが生じていると本判定される。

なお、図８Ｂに示されるように下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉは変動しており、図１４に示されるように下流側空燃比センサ４１の出力空燃比は変動している。従って、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉ或いは下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の真の値を可能な限り正確に検出するには、下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉ或いは下流側空燃比センサ４１の出力空燃比の平均値を求めることが好ましいと言える。そこで、本発明では、空燃比センサ４０，４１に異常があると仮判定されたときには、第１の印加電圧Ｖ１が印加されているときの空燃比センサの出力電流Ｉの平均値と第２の印加電圧Ｖ２が印加されているときの空燃比センサ４０，４１の出力電流Ｉの平均値とが算出され、第１の印加電圧Ｖ１が印加されているときの空燃比センサ４０，４１の出力電流Ｉの平均値に対して第２の印加電圧Ｖ２が印加されているときの空燃比センサ４０，４１の出力電流Ｉの平均値が予め定められた値以上変化した場合には空燃比センサ４０，４１に異常があると本判定される。

＜フローチャート＞
図１５および図１６は、下流側空燃比センサ４１の異常診断ルーチンを示している。このルーチンは一定時間間隔の割り込みによって実行される。

まず、ステップＳ１０において、内燃機関の始動後、或いは内燃機関を搭載した車両のイグニッションキーがオンにされた後、下流側空燃比センサ４１の異常診断が未完了であるか否かが判定される。内燃機関の始動後に異常判定が既に行われていた場合には処理サイクルを完了する。これに対し、異常診断が未完了であると判定されたときにはステップＳ１１へと進み、アクティブ制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。このアクティブ制御の実行条件は、両空燃比センサ４０、４１の温度が活性温度以上になっており、吸入空気量が予め定められた量以上であり、燃料の供給停止復帰後、予め定められた時間以上経過しているときに成立していると判定される。ここで吸入空気量が予め定められた量以上であることが成立要件の一つとされているのは、空燃比センサ４０、４１周りを流通する排気ガスの流量が少ないと、素子割れが生じていても空燃比センサ４０、４１の出力空燃比に変化が生じづらいからであり、また燃料の供給停止復帰後、予め定められた時間以上経過していることが成立要件の一つとされているのは、燃料の供給停止復帰後、暫くの間は排気側電極５２の表面上に多量の酸素が存在するために空燃比がリッチにされても空燃比センサ４０、４１はリーンの出力空燃比を示す危険性があるからである。

ステップＳ１１において、アクティブ制御の実行条件が成立していないと判断されたときには処理サイクルを完了する。これに対し、アクティブ制御の実行条件が成立していると判断されたときには、ステップＳ１２に進み、目標空燃比が、通常制御時におけるリッチ空燃比ＡＦrich よりもリッチなアクティブ制御時空燃比ＡＦａｃｔ、例えば１３．５とされる。それにより空燃比がリッチ空燃比とされ、アクティブ制御が開始される。次いで、ステップＳ１３では、アクティブ制御が開始された後、一定時間 t０が経過したか否かが判別される。アクティブ制御が開始された後、一定時間 t０が経過していないときには、処理サイクルを完了する。これに対し、アクティブ制御が開始された後、一定時間 t０が経過したときにはステップＳ１４に進んで、下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r が予め定められた設定リーン空燃比α、例えば１６．０よりもリーンであるか否か、即ち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、この設定リーン空燃比αに対応する設定電流値よりも大きくなったか否かが判別される。下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r がこの設定リーン空燃比αよりも小さいとき、即ち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、この設定リーン空燃比αに対応する設定電流値よりも低いときには下流側空燃比センサ４１が素子割れを生じていないと判別される。従って、このときには、ステップＳ２９に進んで、下流側空燃比センサ４１は正常であると判定される。

これに対し、ステップＳ１４において、下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r が予め定められた設定リーン空燃比αよりも大きいと判別されたとき、即ち下流側空燃比センサ４１の出力電流Ｉが、この設定リーン空燃比αに対応する設定電流値よりも大きいと判別されたときには、ステップＳ１５に進んで、一定時間 t１内における下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r の平均値の算出が完了したことを示す完了フラグがセットされているか否かが判別される。完了フラグがセットされていないとき、即ち一定時間 t１内における下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r の平均値の算出が完了していないときにはステップＳ１６に進んで、下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r が下流側空燃比センサの出力空燃比の積算値Σ(Ａ/Ｆ)r に加算される。次いで、ステップＳ１７では、図１３および図１４に示される一定時間 t１を経過したか否かが判別される。一定時間 t１を経過していないときには処理サイクルを完了する。

これに対し、一定時間 t１を経過したときには、ステップＳ１８に進んで、下流側空燃比センサの出力空燃比の積算値Σ(Ａ/Ｆ)r を一定時間 t１で除算することにより一定時間 t１内における下流側空燃比センサの出力空燃比の平均値ＡＦＯが算出される。次いで、ステップＳ１９では、印加電圧Ｖが第１の印加電圧Ｖ１から第２の印加電圧Ｖ２に切替えられる。次いで、ステップＳ２０では、下流側空燃比センサの出力空燃比の積算値Σ(Ａ/Ｆ)r がクリアされ、完了フラグがセットされる。ついで、処理サイクルを完了する。完了フラグがセットされると、つぎの処理サイクルではステップＳ１５からステップＳ２１にジャンプする。ステップＳ２１では、下流側空燃比センサの出力空燃比(Ａ/Ｆ)r が下流側空燃比センサの出力空燃比の積算値Σ(Ａ/Ｆ)r に加算される。次いで、ステップＳ２２では、図１３および図１４に示される一定時間 t２を経過したか否かが判別される。一定時間 t２を経過していないときには処理サイクルを完了する。これに対し、一定時間 t２を経過したときには、ステップＳ２３に進んで、下流側空燃比センサの出力空燃比の積算値Σ(Ａ/Ｆ)r を一定時間 t２で除算することにより一定時間 t２内における下流側空燃比センサの出力空燃比の平均値ＡＦ１が算出される。

次いで、ステップＳ２４では、一定時間 t２内における下流側空燃比センサの出力空燃比の平均値ＡＦ１と一定時間 t１内における下流側空燃比センサの出力空燃比の平均値ＡＦ０との差（ＡＦ１−ＡＦ０）が予め定められた値ΔＡＦ（例えば空燃比差で１．０）よりも大きいか否かが判別される。出力空燃比の平均値ＡＦ１と出力空燃比の平均値ＡＦ０との差（ＡＦ１−ＡＦ０）が予め定められた値ΔＡＦよりも小さいときには、下流側空燃比センサ４１が素子割れを生じていないと判断され、ステップＳ２５に進んで下流側空燃比センサ４１は正常であると判定される。次いで、ステップＳ２７に進む。これに対し、ステップＳ２４において、出力空燃比の平均値ＡＦ１と出力空燃比の平均値ＡＦ０との差（ＡＦ１−ＡＦ０）が予め定められた値ΔＡＦよりも大きいときには、下流側空燃比センサ４１が素子割れを生じていると判断され、ステップＳ２６に進んで下流側空燃比センサ４１に異常があると判定される。次いで、ステップＳ２７に進む。ステップＳ２７ではアクティブ制御が終了せしめられる。即ち、ステップＳ２７では、下流側空燃比センサ４１への印加電圧Ｖが第２の印加電圧Ｖ２から第１の印加電圧Ｖ１に戻され、目標空燃比が元のリッチ空燃比ＡＦrich に戻される。

なお、図１５および図１６を参照しつつ、下流側空燃比センサ４１の異常診断を行う場合を例にとって説明してきたが、上流側空燃比センサ４０の異常診断についても、図１５および図１６を参照しつつ説明してきた方法と同様な方法でもって行うことができる。

１ 機関本体
５ 燃焼室
７ 吸気ポート
９ 排気ポート
１９ 排気マニホルド
２０ 上流側排気浄化触媒
２４ 下流側排気浄化触媒
３１ ＥＣＵ
４０ 上流側空燃比センサ
４１ 下流側空燃比センサ

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に配置されかつ空燃比に応じた限界電流が発生する限界電流式の空燃比センサの異常診断装置において、空燃比センサの出力電流を検出する電流検出部と、空燃比センサへの印加電圧を制御する印加電圧制御装置とを具備しており、該印加電圧制御装置は、空燃比センサの異常を診断すべく空燃比がリッチにされたときに、空燃比センサの正常時に空燃比に応じた限界電流が発生する範囲内で印加電圧を変化させ、このとき電流検出部により空燃比センサの出力電流が予め定められた値以上変化したことが検出されたときには空燃比センサの素子割れが生じていると判定される空燃比センサの異常診断装置。
2. 印加電圧が第１の印加電圧とされている状態で、空燃比センサの異常を診断すべく空燃比がリッチにされたときに、空燃比センサの出力電流が予め定められたリーン空燃比よりもリーンの空燃比であることを示す電流値となっている場合には空燃比センサに異常があると仮判定され、空燃比センサに異常があると仮判定されたときには、印加電圧が第１の印加電圧から第２の印加電圧に変化せしめられ、このとき電流検出部により空燃比センサの出力電流が予め定められた値以上変化したことが検出されたときには空燃比センサの素子割れが生じていると本判定される請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。
3. 空燃比センサに異常があると仮判定されたときには、第１の印加電圧が印加されているときの空燃比センサの出力電流の平均値と第２の印加電圧が印加されているときの空燃比センサの出力電流の平均値とが算出され、第１の印加電圧が印加されているときの空燃比センサの出力電流の平均値に対して第２の印加電圧が印加されているときの空燃比センサの出力電流の平均値が予め定められた値以上変化した場合には空燃比センサに異常があると本判定される請求項２に記載の空燃比センサの異常診断装置。
4. 空燃比センサの異常を診断すべく空燃比がリッチにされたときに、空燃比がリッチにされたときから一定時間経過した後に空燃比センサの異常診断が開始される請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。
5. 内燃機関の排気通路に排気浄化触媒が配置され、該排気浄化触媒上流の該排気通路に上流側空燃比センサが配置されており、排気浄化触媒下流の該排気通路に下流側空燃比センサが配置されており、該下流側空燃比センサが上記限界電流式の空燃比センサからなる請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。
6. 内燃機関の排気通路に排気浄化触媒が配置され、該排気浄化触媒上流の該排気通路に上流側空燃比センサが配置されており、排気浄化触媒下流の該排気通路に下流側空燃比センサが配置されており、該上流側空燃比センサが上記限界電流式の空燃比センサからなる請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置
7. 内燃機関は、空燃比をリッチ空燃比とリーン空燃比とに交互に変更する通常制御と、空燃比を該通常制御時におけるリッチ空燃比よりもリッチにするアクティブ制御とを実行可能であり、該アクティブ制御の実行中に空燃比センサの異常診断がおこなわれる請求項１に記載の空燃比センサの異常診断装置。

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