JP2017215158A - 異常判別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラス端子又はマイナス端子の何れの端子が天絡又は地絡したかを判別できるようにした異常判別装置を提供する。【解決手段】噴射指令部１３は、プラス端子Ｓ＋へのバイアス印加を停止すると共にインジェクタ２から噴射させる燃料噴射量を調整することで排気ガス中の空燃比をリッチ状態とするように指令し、異常判別部１２は、噴射指令部１３により排気ガス中の空燃比がリッチ状態とされているときに空燃比センサ４に生じる起電力を検出し、起電力の値に応じてプラス端子Ｓ＋及びマイナス端子Ｓ−の何れが天絡又は地絡の異常をしているか判別する。【選択図】図１

Description

本発明は、空燃比センサに係る異常を判別するための異常判別装置に関する。

従来、空燃比センサは内燃機関の排気ガス中の空気過剰率を検出するために設けられており、この空燃比センサに係る異常を検出するための各種技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１記載の技術によれば、ＣＰＵはＡ／Ｆ検出電圧やセンサの端子電圧に基づいて、センサ素子に関する異常を検出するように構成されている。

特開２０１０−２５６２３３号公報

例えば、特許文献１記載の技術を採用すると、センサ制御に係る異常形態を特定可能になる。しかし、この特許文献１記載の技術を採用した場合、センサ端子間のショートであるか、センサ端子がＶＢショートしたかを判別できるものの、上流側又は下流側の何れの端子が電源短絡したかグランド短絡したか特定することはできない。より具体的に詳述するならば、特許文献１記載の技術を適用したときには、電源短絡時においてもグランド短絡時においても、プラス端子及びマイナス端子は、電源又はグランドの電圧に固定されてしまい、何れの端子が天絡又は地絡しているか判別することが困難である。

本発明の目的は、プラス端子又はマイナス端子の何れの端子が天絡又は地絡したかを判別できるようにした異常判別装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、内燃機関の排気ガス中の空燃比を検出するために設けられ、プラス端子とマイナス端子との間に接続される空燃比センサについてプラス端子及びマイナス端子にバイアスを与えることで空燃比センサを機能させるものにおいて、異常を生じた場合に空燃比センサに関する異常を判別する異常判別装置を対象としている。噴射指令部は、プラス端子へのバイアス印加を停止すると共にインジェクタから噴射させる燃料噴射量を調整することで排気ガス中の空燃比をリッチ状態とするように指令し、異常判別部は、噴射指令部により排気ガス中の空燃比がリッチ状態とされているときに空燃比センサに生じる起電力を検出し、起電力の値に応じてプラス端子及びマイナス端子の何れが天絡又は地絡の異常をしているか判別する。このため、プラス端子又はマイナス端子の何れの端子が天絡又は地絡したかを判別できる。

第１実施形態のシステムの電気的構成を概略的に示すブロック図 マイコン及び空燃比制御ＩＣ内の電気的構成を概略的に示すブロック図 １セルタイプの空燃比センサの要部の断面構造と通電原理を模式的に示す縦断側面図 限界電流域の説明図 異常判別処理の流れを概略的に示すフローチャート（その１） 異常判別処理の流れを概略的に示すフローチャート（その２） 要部の電圧、噴射量、Ａ／Ｆ値等の時間的変化を示すタイミングチャート プラス端子、マイナス端子の異常時における標準電圧を示す対応図 プラス端子が天絡したときの等価回路及び原理説明図 マイナス端子が天絡したときの等価回路及び原理説明図 第２実施形態のシステムの電気的構成を概略的に示すブロック図 ２セルタイプの空燃比センサの要部の断面構造を模式的に示す縦断側面図 他の実施形態について異常判別処理の流れを概略的に示すフローチャート（その１） 異常判別処理の流れを概略的に示すフローチャート（その２）

以下、空燃比センサに関する異常判別装置の幾つかの実施形態を説明する。以下の実施形態中では、各実施形態間で同一機能または類似機能を備えた部分に同一符号を付して説明を行い、同一又は類似機能を備えた構成及びその作用、連携動作説明等を必要に応じて省略する。

（第１実施形態）
図１〜図１０は第１実施形態の説明図を示す。図１には、エンジンＥＣＵとなる制御装置１００の電気的構成を概略的なブロック図により示している。図１に示す制御装置１００は、車両用エンジンのインジェクタ２に燃料噴射制御する噴射制御ＩＣ３と、車両用エンジンが排出する排気燃焼ガスを検出ガスとし排気中の酸素濃度を検出する空燃比を特定するための空燃比センサ４の各種制御処理を主に行う空燃比制御ＩＣ５と、これらの噴射制御ＩＣ３及び空燃比制御ＩＣ５に接続されるマイコン６と、を主として備え、この制御装置１００は異常判別装置として構成される。制御装置１００内には、空燃比制御ＩＣ５と空燃比センサ４との間に空燃比センサ４に生じる起電力を検出するための抵抗７を備える。

図２に示すように、制御装置１００のマイコン６は、図示しないがＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行する。このプログラムが実行されることで、プログラムに対応する方法が実行される。また、このマイコン６は、Ａ／Ｄ値取得部１１、異常判別部１２、噴射指令部１３、スイッチ制御部１４、センサインピーダンス演算部１５、ヒータ制御部１６、としての機能を備える。

また、制御装置１００の空燃比制御ＩＣ５は、Ａ／Ｄ変換部２１、２２、電圧検出部２３、端子電圧検出部２４、センサ電流検出部２５、印加電圧制御部２６、バッファアンプ２７、２８、通電制限抵抗２９、電流検出抵抗３０、スイッチ３１ａ、３１ｂ、差動増幅回路３２、を備え、マイコン６と共にフィードバック制御ループを構成し、空燃比センサ４の制御処理及びその保護処理を行う。空燃比センサ４のプラス端子Ｓ＋は、制御装置１００のプラス端子３３ａに接続されており、空燃比センサ４のマイナス端子Ｓ−は制御装置１００のマイナス端子３３ｂに接続されている。

図３に示すように、空燃比センサ４は、内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を実体的に検出するセンサセル３４により構成される。空燃比センサ４は、固体電解質層３５、拡散抵抗層３６、遮蔽層３７、及び絶縁層３８を有し、これらが図の上下に積層されることで構成される１セルタイプのものである。固体電解質層３５は、例えば長方形板状のシートにより構成されている。空燃比センサ４のセンサセル３４は、電極３９、４０が固体電解質層３５を挟んで対向配置されることで構成される。拡散抵抗層３６は電極３９へ排気を導入するための多孔質シートにより構成され、遮蔽層３７は排気の透過を抑制するための緻密層により構成される。絶縁層３８は高熱伝導性セラミックスにより構成され、電極４０に対面する部位には大気ダクト４１が構成されている。また絶縁層３８にはヒータ４２が埋設されている。空燃比センサ４のセンサセル３４の素子電流の増減は空燃比の増減（リーン／リッチ）に対応し、空燃比がリーンになれば素子電流は増大し、空燃比がリッチになれば素子電流が減少する。

参照図面を図２に戻し、制御装置１００の空燃比制御ＩＣ５の内部の構成を説明する。空燃比制御ＩＣ５の印加電圧制御部２６は、マイコン６からの指令信号を受けて、バッファアンプ２７にバイアス電圧を出力し、バッファアンプ２７、通電制限抵抗２９、スイッチ３１ａ、及び、端子３３ａを通じてプラス端子Ｓ＋にバイアスを出力する。同様に、印加電圧制御部２６は、マイコン６からの指令信号を受けて、バッファアンプ２８にバイアス電圧を出力し、バッファアンプ２８、電流検出抵抗３０、及び、端子３３ｂを通じてマイナス端子Ｓ−にバイアスを出力する。マイコン６が、動作指令を行い、空燃比制御ＩＣ５により空燃比センサ４のセンサ信号を検出するときには、印加電圧制御部２６は例えばプラス端子Ｓ＋に第１所定電圧（例えば２．６Ｖ）を印加し、例えばマイナス端子Ｓ−に第２所定電圧（例えば２．２Ｖ）を印加する。

制御装置１００の内部には空燃比センサ４と並列に抵抗７が接続されている。この抵抗７は例えば１．５〜２ＭΩ程度の抵抗値のものを用いて構成されており、後述するが、スイッチ３１ａを開放したときに、当該空燃比センサ４の端子Ｓ＋、Ｓ−間に発生する起電力に応じた電流を通電するために設けられている。

差動増幅回路３２は、当該抵抗７の両端子間電圧を両差動入力端子に入力してこれらの差電圧を増幅し、スイッチ３１ｂの一方の固定端子ａ１に出力する。スイッチ３１ｂは、例えば一方及び他方の固定端子ａ１、ａ２並びに可動端子ａ３を備えた選択入力型のスイッチであり、マイコン６のスイッチ制御部１４により切替制御可能になっている。スイッチ３１ｂの他方の固定端子ａ２には制御装置１００のプラス端子３３ａが電気的に接続されている。このため、マイコン６のスイッチ制御部１４がスイッチ３１ｂを切替制御することで、差動増幅回路３２の出力電圧とプラス端子３３ａの電圧とが電圧検出部２３に切替出力される。電圧検出部２３は、この入力電圧を波形成形してＡ／Ｄ変換部２１に出力し、Ａ／Ｄ変換部２１はアナログデジタル変換してデジタル値をマイコン６に出力する。

また、センサ電流検出部２５は、電流検出抵抗３０の両端子間電圧を入力し、この電圧を増幅しＡ／Ｄ変換部２２に出力する。Ａ／Ｄ変換部２２は、この電圧をアナログデジタル変換しデジタル値をマイコン６に出力する。また、端子電圧検出部２４は、マイナス端子Ｓ−の電圧を検出して検出電圧をＡ／Ｄ変換部２２に出力し、Ａ／Ｄ変換部２２はアナログデジタル変換し、デジタル値をマイコン６に出力する。マイコン６は、これらのＡ／Ｄ変換部２１、２２から取得したデジタル値を入力する。

図３（ｂ）に示すように、空燃比センサ４のセンサセル３４にはバイアスが印加されることにより端子Ｓ＋、Ｓ−間に電流Ｉ０が流されることになるが、その電流Ｉ０の通電方向と逆方向に酸素イオン（Ｏ２−）が移動する。図３（ｂ）には酸素イオン（Ｏ２−）の移動方向をＭ１で示している。

このとき、拡散抵抗層３６は、酸素イオン（Ｏ２−）の移動を妨げるように作用する。このため図４に示すように、空燃比の違いに応じて互いに異なる限界電流域Ｉｖを生じる。マイコン６は、この限界電流域Ｉｖを検出することで現在の空燃比（Ａ／Ｆ値）を判定し、この空燃比（Ａ／Ｆ値）が常時ストイキ（例えば１４．５）となるように制御する。マイコン６は、空燃比制御ＩＣ５の印加電圧制御部２６に指令信号を出力し、印加電圧制御部２６がプラス端子Ｓ＋及びマイナス端子Ｓ−に印加するバイアスを調整する。これによりフィードバック制御できる。

また制御装置１００のマイコン６には、センサインピーダンス演算部１５やヒータ制御部１６などの各種機能が設けられており、ある所定期間において、テスト用に変化させた掃引電圧を空燃比センサ４に印加し、この掃引電圧に応じた電流変化ΔＩ及び電圧変化ΔＶを検出し、この検出結果を除算してセンサインピーダンスＲｉ（＝ΔＶ／ΔＩ）を検出する。マイコン６は、このセンサインピーダンスＺの演算結果に基づいてセンサインピーダンスＺが所定のインピーダンスとなるように空燃比センサ４のヒータ４２に対する通電をフィードバック制御する。これにより空燃比センサ４の温度Ｔを調整できる。これにより、制御装置１００は、空燃比センサ４のセンサ電圧、センサ電流、インピーダンスＺを検出可能に構成されている。

以下、図５、図６及び図７を参照しながら異常の判別処理を説明する。制御装置１００は、異常を判定するときに図５、図６に示す処理を行う。なお、図５は天絡検出処理、図６は地絡検出処理の内容を示すが、概ね同様の流れであるため、同時に説明可能な部分は同時に説明を行う。また図７は動作の流れをタイミングチャートにより示している。

マイコン６は、スイッチ制御部１４によりセンサ開放用スイッチ３１ａをオン切替えし、空燃比制御ＩＣ５に指令信号を出力する。すると空燃比制御ＩＣ５は、空燃比センサ４のプラス端子Ｓ＋及びマイナス端子Ｓ−にそれぞれバイアス（例えばプラス端子２．６Ｖ、マイナス端子２．２Ｖ）を印加し、図７のタイミングｔ０〜ｔ１に示すように制御を行う。このとき、マイコン６は燃料噴射量を制御するように指令し、プラス端子Ｓ＋及びマイナス端子Ｓ−の電圧のデジタル値を取得し、フィードバック制御することでＡ／Ｆ値をストイキ（例えば１４．５）となるように調整する。

このような制御中又は制御停止中において、図５の天絡検出処理、図６の地絡検出処理を行う。マイコン６は、図５のステップＳ１、図６のステップＴ１において、前記のように取得したプラス端子Ｓ＋、マイナス端子Ｓ−の電圧のデジタル値に応じて短絡検出しているか否かを判定する。このときマイコン６は、図５のステップＳ１において天絡検出範囲（例えば＋Ｂ＝バッテリ電圧±所定範囲）であるか否かを判定し、マイコン６は図６のステップＴ１において地絡検出範囲（例えば０Ｖ＝グランド電圧±所定範囲）であるか否かを判定する。このステップＳ１、Ｔ１においてマイコン６は判定部として機能する。マイコン６は、これらのステップＳ１、Ｔ１の条件の何れかを満たした場合に短絡異常を生じていると判定し、天絡検出した場合には図５のステップＳ２以降、地絡検出した場合には図６のステップＴ２以降の処理を行う。

例えば図７のタイミングｔ１において天絡異常を検出すると、マイコン６は、図５のステップＳ２において天絡と判別する。マイコン６は、図５のステップＳ３においてスイッチ制御部１４によりスイッチ３１ａを開放することで空燃比センサ４のプラス端子Ｓ＋を開放する。空燃比センサ４のプラス端子Ｓ＋を開放すると、この空燃比センサ４は所謂酸素センサと同一の動作を行うことになる。そしてマイコン６は、ステップＳ４において噴射指令部１３により燃料噴射量の変更指令を噴射制御ＩＣ３へ行う。このタイミングは図７のタイミングｔ２に示している。

そのとき、噴射制御ＩＣ３は、図７のタイミングｔ２〜ｔ３において排気ガス中の空燃比をリッチ状態とするように燃料噴射量を増加させる。すると、空燃比センサ４は酸素センサと同一の作用を行う。酸素イオン（Ｏ２−）が一酸化炭素（ＣＯ）に白金（Ｐｔ）を触媒とした反応を行うことで酸素イオン（Ｏ２−）を消費する。酸素イオン（Ｏ２−）が消費されることで酸素分圧が低くなるため、排気側の電力分圧が低下し、これにより起電力を発生する。

このとき、０．９Ｖ程度の起電力を生じることが確認されており、バッテリ電圧＋Ｂ（＝１４Ｖ程度）に比較して無視できない程度に生じることが確認されている。このとき生じる起電力は抵抗７を通じて検出できる。このときの起電力の検出状態が、プラス端子Ｓ＋、マイナス端子Ｓ−の短絡状態（すなわち天絡／地絡）に応じて異なるため、本実施形態ではこの差異を利用して異常箇所を判別する。なお図７のタイミングｔ４以降には、マイナス端子Ｓ−が天絡したときの各ノードの電圧値を示している。

異常を判別するときには、マイコン６は、差動増幅回路３２の出力を検出するようにスイッチ３１ｂを切り替える。このときマイコン６は、スイッチ３１ｂの端子ａ１を端子ａ３に接続するように切替える。そして、空燃比制御ＩＣ５の電圧検出部２３は、ステップＳ５において空燃比センサ４の端子間電圧を検出する。

そして、Ａ／Ｄ変換部２１、２２がデジタル値に変換し、マイコン６はステップＳ６においてＡ／Ｄ変換値を取得する。マイコン６は、ステップＳ７において空燃比センサ４の端子間電圧が所定値（例えばバッテリ電圧＋Ｂ＋０．５Ｖ）以上であるか否かを判定し、端子間電圧が所定値以上であれば、ステップＳ８において異常箇所をマイナス端子Ｓ−と判別し、ステップＳ９において待避モードに移行、指示し、フェールセーフ処理する。このときマイコン６は、待避モードにおいて空燃比制御を無効、中止するように空燃比制御ＩＣ５や噴射制御ＩＣ３に指令し、これにより制御装置１００は空燃比制御処理なしで燃料噴射制御処理を継続する。

またマイコン６は、ステップＳ７において空燃比センサ４の端子間電圧が所定値未満でありステップＳ７においてＮＯと判定すると、ステップＳ１０において異常箇所をプラス端子Ｓ＋と判別し、ステップＳ１１において待機モードに移行、指示し、フェールセーフ処理する。このときもマイコン６は、待避モードにおいて空燃比制御を無効、中止するように空燃比制御ＩＣ５や噴射制御ＩＣ３に指令し、これにより、制御装置１００は空燃比制御処理なしで燃料噴射制御処理を継続する。

他方、マイコン６は、地絡検出した場合に図６のステップＴ２において地絡と判別すると、ステップＴ３においてスイッチ制御部１４によりスイッチ３１ａを開放することにより空燃比センサ４のプラス端子Ｓ＋を開放する。そしてマイコン６は、ステップＴ４において噴射指令部１３により燃料噴射量の変更指令を行う。マイコン６はストイキに調整している場合には、排気ガス中の空燃比をリッチ状態とするように燃料噴射量を増加させる。すると、空燃比センサ４には起電力を生じるが、この起電力は抵抗７を通じて電圧として検出できる。

マイコン６は、差動増幅回路３２の出力を検出するようにスイッチ３１ｂを切替える。そして、空燃比制御ＩＣ５の電圧検出部２３は、ステップＴ５において空燃比センサ４の端子間電圧を検出する。そして、Ａ／Ｄ変換部２１が検出された空燃比センサ４の端子間電圧をデジタル値に変換して出力し、マイコン６はステップＴ６においてＡ／Ｄ変換値を取得する。マイコン６は、ステップＴ７において空燃比センサ４の端子間電圧が所定値以上であるか否かを判定し、端子間電圧が所定値以上であれば、ステップＴ８において異常箇所をマイナス端子Ｓ−と判別し、ステップＴ９において待避モードに移行、指示し、フェールセーフ処理する。このときマイコン６は、待避モードにおいて空燃比制御を無効、中止するように空燃比制御ＩＣ５や噴射制御ＩＣ３に指令し、これにより制御装置１００は、空燃比制御処理なしで制御処理を継続する。

またマイコン６はステップＴ７において端子間電圧が所定値未満であると判定すると、ステップＴ１０において異常箇所をプラス端子Ｓ＋と判別し、ステップＴ１１において待機モードに移行、指示し、フェールセーフ処理する。このときもマイコン６は、待避モードにおいて空燃比制御を無効、中止するように空燃比制御ＩＣ５や噴射制御ＩＣ３に指令し、これにより制御装置１００は空燃比制御処理なしで燃料噴射制御処理を継続する。

＜天絡時、地絡時におけるプラス端子、マイナス端子に生じる電圧の原理説明＞
以下、前述した流れに沿って処理したときに、異常を判別できる理由について説明する。プラス端子Ｓ＋が天絡した場合、又は、マイナス端子Ｓ−が天絡した場合には、プラス端子Ｓ＋とマイナス端子Ｓ−にはそれぞれ図８に示す標準的な電圧を生じる。

空燃比センサ４のプラス端子Ｓ＋が天絡すると、プラス端子Ｓ＋にはバッテリ電圧＋Ｂが印加される。図９にプラス端子Ｓ＋が天絡したときの等価回路を示すように、空燃比センサ４の起電力とバッテリ電圧＋Ｂとが並列接続されるものとして等価的に記述できる。

すなわち、たとえ空燃比センサ４に０．９Ｖ程度の起電力を生じたとしても、プラス端子Ｓ＋には１４Ｖ程度のバッテリ電圧＋Ｂが大きく生じることになり、起電力が無視可能な程度にしか生じない。このため、バッテリ電圧＋Ｂと同等の電圧がプラス端子Ｓ＋に生じる。また、マイナス端子Ｓ−にはバッテリ電圧＋Ｂから空燃比センサ４の内部抵抗の電圧降下分だけ電圧低下した電位を生じる。このため、バッテリ電圧＋Ｂから微小電圧だけ低下することになるが、概ねバッテリ電圧＋Ｂと同等の電圧が発生する。

また、空燃比センサ４のマイナス端子Ｓ−が天絡すると、マイナス端子Ｓ−には基準となるグランドレベルに対してバッテリ電圧＋Ｂが印加されることになる。図１０にマイナス端子Ｓ−が天絡したときの等価回路を示すように、空燃比センサ４の起電力とバッテリ電圧＋Ｂとが直列接続されるものとして等価的に記述できる。

すなわち、空燃比センサ４が０．９Ｖ程度の起電力を生じたときには、プラス端子Ｓ＋にバッテリ電圧＋Ｂ＋０．９Ｖ＝１４．９Ｖの電圧が生じることになり、マイナス端子Ｓ−にバッテリ電圧＋Ｂの電圧が生じることになる。

このため、マイコン６が図５のステップＳ７において空燃比センサ４の端子間電圧を所定値（例えばバッテリ電圧＋Ｂ＋０．５Ｖ）と比較することに応じて異常箇所を判別すれば、異常箇所がマイナス端子Ｓ−に生じているか、プラス端子Ｓ＋に生じているか、を正確に判別できる。

また、プラス端子Ｓ＋が地絡した場合、又は、マイナス端子Ｓ−が地絡した場合には、プラス端子Ｓ＋とマイナス端子Ｓ−にはそれぞれ図８に示すように電圧を生じる。空燃比センサ４のプラス端子Ｓ＋が地絡すると、プラス端子Ｓ＋にはグランド電位が印加される。マイナス端子Ｓ−はこのプラス端子Ｓ＋の電圧の影響を受けて概ねグランド電位となる。また、空燃比センサ４のマイナス端子Ｓ−が地絡すると、マイナス端子Ｓ−はグランド電位となるが、プラス端子Ｓ＋には空燃比センサ４により０．９Ｖ程度の起電力を生じることになる。

このため、マイコン６が図６のステップＴ７において空燃比センサ４の端子間電圧を所定値（例えば０．５Ｖ）と比較することに応じて異常箇所を判別すれば、異常箇所がマイナス端子Ｓ−に生じているか、プラス端子Ｓ＋に生じているか、を正確に判別できるようになる。

以上、説明したように本実施形態によれば、噴射指令部１３は、プラス端子Ｓ＋へのバイアス印加を停止すると共にインジェクタ２から噴射させる燃料噴射量を調整することで排気ガス中の空燃比をリッチ状態とするように指令し、異常判別部１２は、噴射指令部１３により排気ガス中の空燃比がリッチ状態とされているときに空燃比センサ４に生じる起電力を検出し、起電力の値に応じてプラス端子Ｓ＋及びマイナス端子Ｓ−の何れが天絡又は地絡の異常をしているか判別するようにした。これにより、プラス端子Ｓ＋又はマイナス端子Ｓ−の何れの端子が短絡したかを判別できるようになる。また、トラブルシューティング時に、異常箇所の特定作業時間を短縮でき、例えば修理時間、費用を削減することが可能となる。

また、抵抗７が空燃比センサ４と並列に起電力を取得するために接続されている。これにより極力小規模な回路で構成することができる。
また、マイコン６はプラス端子Ｓ＋側の電圧とマイナス端子Ｓ−側の電圧との差を端子間電圧として検出することで起電力を取得し当該起電力に応じて異常を判別している。このため、プラス端子Ｓ＋、マイナス端子Ｓ−の浮きや各種素子値のバラつきの影響を受けることなく起電力を検出でき、起電力の検出精度を向上できる。

（第２実施形態）
図１１及び図１２は、第２実施形態の追加説明図を示している。第２実施形態では、２セルタイプの空燃比センサ２を制御するための制御装置２００に適用した例を示す。図１１には制御装置２００の電気的構成例を示し、図１２には２セルタイプの空燃比センサ２０４の構成例を示す。

図１２に示すように、空燃比センサ２０４は、３つの固体電解質層４３、４４、４５を備えており、固体電解質層４３には一対の電極４６、４７が対向配置され、固体電解質層４４には一対の電極４８、４９が対向配置されている。このような空燃比センサ２０４の素子構造では、固体電解質層４３及び電極４６、４７によりポンプセル５０が構成されており、固体電解質層４４及び電極４８、４９により起電力セル５１が構成される。起電力セル５１は、所謂酸素検知セル、酸素濃度検出セルとも称される。ポンプセル５０及び起電力セル５１が空燃比センサ２０４を構成する。

固体電解質層４３と４４の間には多孔質拡散層５２が配設されており、多孔質拡散層５２により囲われる領域において固体電解質層４３と４４との間にスペースを設けており、このスペースがガス検出室５２ａとして確保されている。このガス検出室５２ａは排気ガスの導入孔として構成される。また、これらのポンプセル５０及び起電力セル５１に近接してヒータ４２が構成されている。

電極４６はプラス端子としての端子ＩＰに接続されており、電極４９はマイナス端子としての端子ＵＮに接続されている。また、電極４７及び４８は端子ＶＭに共通接続されており、これらの空燃比センサ２０４の端子ＩＰ、ＶＭ、ＵＮはそれぞれ制御装置２００の端子２３３ａ、５３、２３３ｂに接続されている。これらのポンプセル５０及び起電力セル５１を電気的に表すと、図１１に示すように表すことができる。

図１１に示すように、制御装置２００の空燃比制御ＩＣ２０５は、Ａ／Ｄ変換部２１、電圧検出部２３、端子電圧検出部２４、センサ電流検出部２５、印加電圧制御部２６、バッファアンプ２７、２８、通電制限抵抗２９、電流検出抵抗３０、スイッチ３１ａ、３１ｂ、差動増幅回路３２、と共に、起電力検出部５４、を備え、マイコン６と共にフィードバック制御ループを構成し、空燃比センサ２０４の制御処理及びその保護処理を行う。基本的な構成は第１実施形態と同様である。起電力検出用の抵抗２０７は、端子ＩＰと端子ＵＮとの間に接続されている。

起電力検出部５４は、空燃比の変化に基づいて変化する起電力セル５１の起電力を端子ＵＮから端子２３３ｂを通じて検出するように接続されている。また、スイッチ３１ａは、ポンプセル５０の端子ＩＰとバッファアンプ２７との間に介在して構成されており、マイコン６のスイッチ制御部１４による制御に基づいて、バッファアンプ２７と端子ＩＰとの間を接続すると共に、異常判別処理を行うときにはバッファアンプ２７の出力を端子ＩＰから開放するように接続されている。

またマイコン６は、センサ電流検出部２５の検出値、端子電圧検出部２４の検出値、起電力セル５１の端子ＵＮの検出値をＡ／Ｄ変換部２２を通じて入力し、この入力値に応じて、図４に示す限界電流域Ｉｖを検出し現在の空燃比（Ａ／Ｆ値）を判定し、指令信号を空燃比制御ＩＣ２０５に出力する。空燃比制御ＩＣ２０５の印加電圧制御部２６は、この指令信号に応じてポンプセル５０に正又は負方向の電圧を印加することでポンプセル５０に電流を通電させる。

このとき、空燃比（Ａ／Ｆ値）がリーン状態であるときには、酸素イオン（Ｏ２−）が電極４６から電極４７に向けて移動することで、電流が電極４７から電極４６に向けて流れる。このとき、マイコン６は、印加電圧制御部２６に指令信号を出力することで、端子ＩＰに高電位を印加すると共に端子ＶＭに低電位を印加し端子ＩＰ−ＶＭ間に正電圧を印加する。これにより、制御装置２００は起電力セル５１の電極４８及び４９間に生じる起電力が常時ストイキ（例えば０．４５Ｖ）となるように調整制御する。

空燃比（Ａ／Ｆ値）がリッチ状態であるときには、酸素イオン（Ｏ２−）が電極４７から電極４６に向けて移動することで、電流が電極４６から電極４７に向けて流れる。このとき、マイコン６は、印加電圧制御部２６に指令信号を出力することで、端子ＩＰに低電位を印加すると共に端子ＶＭに高電位を印加して端子ＩＰ−ＶＭ間に負電圧を印加する。これにより、前述同様に起電力セル５１の電極４８及び４９間に生じる起電力が常時ストイキ（例えば０．４５Ｖ）となるように調整制御する。このとき移動する酸素イオン量を調整することで、起電力セル５１に生じる起電力が常時ストイキレベル（例えば０．４５Ｖ）となるように制御する。異常判別処理においては、第１実施形態において図５〜図７を参照して説明した方法と同様であり、プラス端子として端子ＩＰの電圧の変化を検出することで判別できる。このため、その詳細説明を省略する。このように、本実施形態の２セルタイプの空燃比センサ２０４を用いた場合においても、異常判別処理を行うことができる。

（他の実施形態）
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができ、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。例えば以下に示す変形又は拡張が可能である。

例えば第１実施形態においては、端子Ｓ＋、Ｓ−間の端子間電圧を差動増幅回路３２によって検出し異常を判別する形態を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図５の一部に代わる図１３、図６の一部に代わる図１４に示すように、マイコン６は、ステップＳ５ａ、Ｔ５ａにおいて空燃比センサ２０４のプラス端子Ｓ＋側の端子電圧、又は、マイナス端子Ｓ−側の端子電圧を検出し、ステップＳ７ａ、Ｔ７ａにおいて所定電圧（例えばバッテリ電圧＋Ｂ＋０．５Ｖ、０．５Ｖ）とを比較することで、プラス端子Ｓ＋及びマイナス端子Ｓ−の何れの端子が天絡又は地絡しているかの異常を判別するようにしても良い。

マイコン６を構成する機能の一部又は全部を、一つあるいは複数のＩＣ等により構成しても良いし、ＡＳＩＣ等により構成しても良い。
前述した複数の実施形態を組み合わせて構成しても良い。なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、本発明の一つの態様として前述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図面中、１００、２００は制御装置（異常判別装置）、２はインジェクタ、４、２０４は空燃比センサ、６はマイコン（判定部、異常判別部、噴射指令部）、７、２０７は抵抗、１２は異常判別部、１３は噴射指令部、Ｓ＋、ＩＰは端子（プラス端子）、Ｓ−、ＵＮは端子（マイナス端子）、５０はポンプセル、５１は起電力セル、を示す。

Claims (7)

1. 内燃機関の排気ガス中の空燃比を検出するために設けられ、プラス端子（Ｓ＋、ＩＰ）とマイナス端子（Ｓ−、ＵＮ）との間に接続される空燃比センサ（４、２０４）について前記プラス端子及び前記マイナス端子にバイアスを与えることで前記空燃比センサを機能させるものにおいて、異常を生じた場合に前記空燃比センサに関する異常を判別する異常判別装置であって、
   前記プラス端子に対するバイアス印加を停止すると共にインジェクタ（２）から噴射する燃料噴射量を調整することで排気ガス中の空燃比をリッチ状態とするように指令する噴射指令部（６、１３）と、
   前記噴射指令部により排気ガス中の空燃比がリッチ状態とされているときに前記空燃比センサに生じる起電力を検出し、起電力の値に応じて前記プラス端子及びマイナス端子の何れが天絡又は地絡の異常をしているか判別する異常判別部（６、１２）と、
   を備える空燃比センサの異常判別装置。
2. 請求項１記載の異常判別装置において、
   前記プラス端子と前記マイナス端子との間には前記空燃比センサと並列に前記起電力を取得するための抵抗（７、２０７）を接続して構成され、
   前記異常判別部は、前記抵抗に生じる起電力に応じて異常を判別する空燃比センサの異常判別装置。
3. 請求項１または２記載の異常判別装置において、
   前記異常判別部は、前記空燃比センサのプラス端子の電圧と前記マイナス端子の電圧との端子間電圧を検出する（Ｓ５）ことで前記起電力を取得し当該起電力に応じて異常を判別する空燃比センサの異常判別装置。
4. 請求項１または２記載の異常判別装置において、
   前記異常判別部は、前記空燃比センサのプラス端子の電圧、又は／及び、前記マイナス端子の電圧とを検出し（Ｓ５ａ、Ｔ５ａ）、この端子電圧と所定値とを比較する（Ｓ７ａ、Ｔ７ａ）ことで異常を判別する空燃比センサの異常判別装置。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の異常判別装置において、
   前記空燃比センサ（４）は、センサ電圧、センサ電流、インピーダンスを検出可能に構成された１セルタイプである空燃比センサの異常判別装置。
6. 請求項１から４の何れか一項に記載の異常判別装置において、
   前記空燃比センサ（２０４）は、ポンプセル（５０）と起電力セル（５１）とを前記プラス端子（ＩＰ）と前記マイナス端子（ＵＮ）との間に直列接続して構成され、センサ電圧、センサ電流、インピーダンスを検出可能に構成された２セルタイプである空燃比センサの異常判別装置。
7. 請求項１から６の何れか一項に記載の異常判別装置において、
   前記空燃比センサに関する異常を判別する前に、前記プラス端子及びマイナス端子は天絡検出範囲であるか否か、及び、地絡検出範囲であるか否かを判定する判定部（６、Ｓ１、Ｔ１）を備え、
   前記異常判別部は、前記判定部により天絡検出範囲又は地絡検出範囲であると判定されたことを条件として異常の判別処理を行う異常判別装置。

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