JP2018105204A - 排気センサの診断装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、排気センサの応答性を可及的に高い精度で推定するとともに、排気センサの応答性異常を正確に判定することを目的とする。【解決手段】排気センサの診断装置において、排気中の酸素濃度を変化させる酸素濃度制御を実行する制御部と、排気センサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する算出部であって、酸素濃度制御の実行開始から該酸素濃度制御の実行に伴って変化する排気センサの出力信号が収束するまでの基準期間における出力信号の変化率の絶対値である絶対変化率の最大値を、該絶対変化率が最大値となるときの出力信号の値と基準期間における出力信号の収束値との差分で除算することにより、応答性指標値を算出する算出部と、応答性指標値に基づいて、排気センサの応答性を推定する応答性診断部と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、排気センサの診断装置に関する。
内燃機関の空燃比を制御するため、空燃比センサを内燃機関の排気系に備えることがある。また、選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化装置において、還元剤添加量を制御するため、ＮＯｘセンサを内燃機関の排気系に備えることがある。
そして、空燃比センサの一例として、限界電流式の空燃比センサが開示されている。また、ＮＯｘセンサの一例として、限界電流式のＮＯｘセンサが開示されている。これら空燃比センサおよびＮＯｘセンサは、排気中の酸素濃度を検出する検出部と、当該検出部を保護する保護カバーと、を有している。そして、検出部は、一対の電極、当該一対の電極に挟まれるように配置される酸素イオン導電性固体電解質、および当該一対の電極のうち排気側の電極へ排気を導入させるとともにその排気の拡散を律速する多孔質状の拡散律速層を備えている。また、保護カバーは、複数の通気孔を有している。
このような空燃比センサおよびＮＯｘセンサでは、電極間に所定の電圧を印加した状態で拡散律速層を通過した排気が排気側電極に接触すると、酸素イオン導電性固体電解質を介して電極間を酸素イオンが伝播することで電極間に電流が流れる。ここで、排気側電極への排気の拡散は拡散律速層によって律速されるため、印加電圧を増加しても電流が一定に飽和する領域が生じる。この電流値（限界電流値）の大きさを検出することによって、空燃比センサにおいては空燃比を、ＮＯｘセンサにおいては排気中のＮＯｘ濃度を知ることができる。
特開２００４−００３５１３号公報 特開２０１５−１７５３０６号公報 特開２０１０−００７５３４号公報 特開２００５−１２１００３号公報
空燃比センサの出力の変化率に基づいて、空燃比センサの劣化判定を実施する従来技術では、燃料カットの実行に伴って空燃比が増加するのに応じて、センサの出力の変化率を算出する。なお、空燃比センサの劣化には、センサの出力が収束するまでの期間の長期化（応答性低下）や限界電流値の大きさの低下等が含まれる。また、出力の変化率とは、出力の単位時間当たりの変化量を表す。そして、この変化率が所定の閾値よりも小さくなる場合に、空燃比センサの応答性が低下していると判定する。
ここで、空燃比センサでは、センサの応答性は低下していないものの、センサの出力の変化率が低下することがある（例えば、センサの出力が収束するまでの期間は正常であるものの、限界電流値の大きさが低下した状態がこれに相当する）。したがって、従来技術のように、センサの出力の変化率のみに基づいて空燃比センサの応答性を診断すると、センサの応答性異常を正確に判定できない虞がある。また、センサの出力の変化率のみに基づいて空燃比センサの応答性を推定すると、その推定精度が低下する虞がある。なお、このことは空燃比センサに限られず、限界電流式のＮＯｘセンサにおいても同様である。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、排気センサの応答性を可及的に高い精度で推定するとともに、排気センサの応答性異常を正確に判定することを目的とする。
本発明は、内燃機関における排気センサの診断装置に係る発明である。そして、この排気センサは、排気中の酸素濃度を検出する検出部であって、排気に曝される排気側電極と大気に曝される大気側電極とにより構成される一対の電極と、排気を前記排気側電極へ導入させるとともに該排気側電極に到達する排気の速度を律速する多孔質の拡散律速層と、を備える検出部と、前記検出部を覆うように設けられるとともに複数の通気孔を有する保護カバーと、を有し、排気中の酸素濃度に応じた出力信号を出力する。
このような排気センサは、いわゆる限界電流式の排気センサである。当該排気センサでは、排気側電極への排気の拡散は拡散律速層によって律速されるため、印加電圧を増加しても電流が一定に飽和する領域が生じる。この電流値（限界電流値）の大きさを検出することによって、空燃比や排気中のＮＯｘ濃度を知ることができる。
ここで、本発明に係る排気センサにおいては、製造ばらつき、拡散律速層の劣化、保護カバーや拡散律速層へのＰＭやオイル成分等の付着、使用環境等（これらを「影響因子」と称する。）によって、センサの応答性や限界電流値の大きさが変化し得る。詳しくは、例えば製造ばらつきによって電極面積が小さくなると、電極面積が大きいときよりも限界電流値の大きさが減少し、例えば製造ばらつきによって拡散律速層の厚さが大きくなると、当該厚さが小さいときよりも限界電流値の大きさが減少する。また、例えば排気センサ周辺の排気の圧力が低くなると、当該圧力が高いときよりも限界電流値の大きさが減少する。なお、このように限界電流値の大きさが減少すると、センサの出力の変化率の絶対値が低下する傾向がある。
更に、保護カバーの通気孔にＰＭやオイル成分等が付着すると、保護カバー内への単位時間当たりの排気の流入量が減少し易くなる。そして、保護カバー内への単位時間当たりの排気の流入量が減少すると、内燃機関の運転状態に応じて排気中のＯ２、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の濃度が変化した場合であっても、保護カバー内の排気中のこれら濃度が内燃機関の運転状態に応じた濃度に変化するまでにある程度の時間を要することになる。また、保護カバー内へ流入した排気は拡散律速層を通って排気側電極へ導入され、当該排気側電極と大気側電極とにより構成される一対の電極間を酸素イオンが伝播することで電極間に電流が流れる。したがって、保護カバー内の排気中のＯ２、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の濃度が内燃機関の運転状態に応じた濃度に変化するまでは、排気センサの出力は内燃機関の運転状態に応じた濃度に相当する出力とはならないことになる。つまり、排気センサの応答性が低下することになる。なお、このように応答性が低下すると、センサの出力の変化率の絶対値が低下する傾向がある。
また、多孔質の拡散律速層にＰＭやオイル成分等が付着すると、拡散律速層の気孔率が低下し易くなる。一方で、多孔質の拡散律速層が劣化すると、拡散律速層の気孔率が増加する傾向にある。ここで、拡散律速層の気孔率が低下すると、当該気孔率が高いときよりも排気が拡散律速層を通過する際の抵抗が大きくなる。そのため、限界電流式の排気センサにおいては、拡散律速層の気孔率が低いほど小さな電流で電流飽和し易くなる。つまり、拡散律速層の気孔率が低いほど限界電流値の大きさが減少し易くなる。なお、拡散律速層の気孔率の変化によって排気側電極に到達する排気の速度が変化するため、拡散律速層の気孔率が変化すると、限界電流値の大きさが変化し得るだけでなく、排気センサの応答性も変化し得ることになる。ただし、拡散律速層の気孔率が変化することによる排気セン
サの出力への影響は、排気センサの応答性に対する影響よりも限界電流値の大きさに対する影響の方が大きい。
ここで、上述したように、保護カバーへＰＭやオイル成分等が付着すると、内燃機関の運転状態に応じて排気中のＯ２、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の濃度が変化した場合に、排気センサの出力がこれら濃度に応じた出力に収束するまでの期間が長期化する虞がある。つまり、排気センサの応答性が低下する虞がある。そして、応答性が低下した排気センサにおいては、正常な排気センサと比較してセンサの出力の変化率の絶対値が小さくなる。したがって、センサの出力の変化率に基づいて排気センサの応答性を推定することができるとも考えられる。
しかしながら、以上に述べた排気センサでは、排気センサの応答性の変化（排気センサの出力が収束するまでの期間の変化）によるセンサの出力への影響と、限界電流値の大きさの変化によるセンサの出力への影響と、が合わさって排気センサの出力となる。したがって、センサの出力の変化率のみに基づいて排気センサの応答性を推定すると、その推定精度が低下する虞がある。なぜなら、限界電流値の大きさが低下した（つまり、限界電流値に異常が生じている）排気センサでは、センサの応答性は低下していないものの、センサの出力の変化率の絶対値が低下することがあるからである。
そこで、第一の発明に係る排気センサの診断装置は、排気中の酸素濃度を変化させる酸素濃度制御を実行する制御部と、前記排気センサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する算出部であって、前記酸素濃度制御の実行開始から該酸素濃度制御の実行に伴って変化する前記出力信号が収束するまでの基準期間における前記出力信号の変化率の絶対値である絶対変化率の最大値を、該絶対変化率が最大値となるときの前記出力信号の値と前記基準期間における前記出力信号の収束値との差分で除算することにより、前記応答性指標値を算出する算出部と、前記応答性指標値に基づいて、前記排気センサの応答性を推定する応答性診断部と、を備える。
このような排気センサの診断装置において、酸素濃度制御の実行が開始されると排気中の酸素濃度が変化し始め、それに伴って排気センサの排気側電極に到達する排気中の酸素濃度が変化し始める。その結果、排気センサの出力電流値（ここでは、限界電流値）が変化する。そして、酸素濃度制御の実行が終了されると排気中の酸素濃度が所定濃度に収束し、それに伴って排気センサの排気側電極に到達する排気中の酸素濃度が当該所定濃度に収束する。その結果、排気センサの出力電流値（ここでは、限界電流値）が、酸素濃度制御の実行後の排気中の酸素濃度（前記所定濃度）に対応した値に収束する。つまり、酸素濃度制御が実行されると、当該酸素濃度制御の実行に伴って排気センサの出力信号が変化することになる。
ここで、酸素濃度制御では、空燃比を変化させることで排気中の酸素濃度を変化させることができる。例えば、内燃機関の運転が通常運転から燃料カットへ移行すると、燃料カットへの移行前（すなわち、通常運転）よりも空燃比がリーン空燃比へ変化する。また、内燃機関の運転が燃料カットから通常運転へ移行すると、通常運転への移行前（すなわち、燃料カット）よりも空燃比がリッチ空燃比へ変化する。酸素濃度制御では、このように空燃比を変化させることで排気中の酸素濃度を変化させることができる。なお、空燃比を変化させる手法は上記に限られず、周知の手法を用いることができる。例えば、酸素濃度制御前の空燃比（第一空燃比）と酸素濃度制御後の空燃比（第二空燃比）とを予め設定し、酸素濃度制御において空燃比を当該第一空燃比から当該第二空燃比に変化させてもよい。
そして、空燃比を変化させることで排気中の酸素濃度を変化させる場合、排気の空燃比
の変化に応じて排気センサの出力信号が変化するときに、酸素濃度制御の実行開始後からある程度の時間が経過するまでは、排気センサの出力信号の変化を検出し難くなることがある。一方で、酸素濃度制御の実行開始からある程度の時間が経過した後は、排気センサの出力信号の変化を検出し易くなる。そして、酸素濃度制御の実行開始から当該酸素濃度制御の実行に伴って変化する出力信号が収束するまでの基準期間における出力信号の変化率の大きさは、酸素濃度制御の実行開始からある程度の時間が経過した後に最大となる傾向にある。したがって、前記基準期間における出力信号の変化率の絶対値（以下、「絶対変化率」と称する場合もある。）の最大値に基づいて排気センサの応答性を判断すると、排気センサの応答性を判断し易くなる。
また、上記算出部が上述したように応答性指標値を算出することにより、上述した影響因子によって限界電流値の大きさが変化する場合の影響を排除することができる。なぜなら、酸素濃度制御の実行後の排気中の酸素濃度の収束濃度に対応した限界電流値と、前記基準期間における出力信号の収束値と、は同じであるため、絶対変化率の最大値を当該絶対変化率が最大値となるときの出力信号の値と前記基準期間における出力信号の収束値との差分で除算すると、限界電流値の大きさが変化する場合の影響が排除されるからである。そして、上記応答性診断部は、このように算出された応答性指標値に基づいて、排気センサの応答性を推定する。なお、上記応答性診断部は、応答性指標値が大きいときは小さいときよりも排気センサの応答性が高くなるように、当該排気センサの応答性を推定することができる。これにより、排気センサの応答性が可及的に高い精度で推定される。
詳しくは、例えば限界電流値が異常により低下した場合には、前記基準期間における出力信号の収束値も低下する。そして、限界電流値が低下するものの出力信号が収束するまでの期間は変化しない（つまり、排気センサの応答性は変化しない）場合に、仮に絶対変化率の最大値そのものを応答性指標値として扱うと、限界電流値が低下すると絶対変化率の最大値も低下するため、限界電流値が低下するほど応答性が低下すると誤って判断されてしまう。一方で、上記算出部が上述したように応答性指標値を算出すると、上述したように限界電流値の大きさが変化する場合の影響が排除されるため、限界電流値が変化しても出力信号が収束するまでの期間が変化しない（つまり、排気センサの応答性が変化しない）場合には、応答性指標値は変化し難くなり応答性の誤判断が避けられる。
つまり、上記算出部が上述したように応答性指標値を算出することによって、排気センサの応答性をより正確に判断することができる。例えば、保護カバーへＰＭやオイル成分等が付着して排気センサの応答性が低下するとともに、拡散律速層へもＰＭやオイル成分等が付着して限界電流値の大きさが減少するような場合であっても、応答性指標値に基づいて排気センサの応答性を推定することによって、排気センサの応答性を可及的に高い精度で推定することができる。
第一の発明に係る排気センサの診断装置は、以上に述べたような応答性指標値に基づいて、排気センサの応答性を推定することによって、排気センサの応答性を可及的に高い精度で推定することを可能とする。
また、第二の発明に係る排気センサの診断装置は、排気中の酸素濃度を変化させる酸素濃度制御を実行する制御部と、前記排気センサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する算出部であって、前記酸素濃度制御の実行開始から該酸素濃度制御の実行に伴って変化する前記出力信号が収束するまでの基準期間における前記出力信号の変化率の絶対値である絶対変化率の最大値を、該絶対変化率が最大値となるときの前記出力信号の値と前記基準期間における前記出力信号の収束値との差分で除算することにより、前記応答性指標値を算出する算出部と、前記応答性指標値に基づいて、前記排気センサの応答性の異常を診断する異常診断部と、を備える。
ここで、上記異常診断部は、例えば、応答性指標値が所定の閾値よりも小さくなると、排気センサの応答性に異常が生じていると診断することができる。なお、異常診断の手法はこれに限られず、上記異常診断部は、応答性指標値に基づいて排気センサの応答性に異常が生じているか否かを判断することができる。
そして、上記の応答性指標値の説明で述べたように、限界電流値が変化しても出力信号が収束するまでの期間が変化しない（つまり、排気センサの応答性が変化しない）場合には、応答性指標値の値は変化し難くなる。つまり、応答性指標値に基づいて排気センサの応答性の異常を診断すると、排気センサの応答性に異常が生じているか否かをより正確に判断することができる。
第二の発明に係る排気センサの診断装置は、以上に述べたように応答性指標値に基づいて排気センサの応答性の異常を診断することによって、排気センサの応答性異常をより正確に判定することを可能とする。
本発明によれば、排気センサの応答性を可及的に高い精度で推定するとともに、排気センサの応答性異常を正確に判定することができる。
実施例１に係る空燃比センサを適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 図１における空燃比センサ付近の模式的な拡大断面図である。 図２におけるＡ−Ａ’線視断面図である。 燃料カット処理が実行されるときの、燃料カット処理実行フラグ、空燃比センサの出力、センサ出力変化率、および出力変化率最大値の時間推移を示す図である。 第一の発明の実施例（実施例１）に係る排気センサの診断装置において実行される制御フローを示すフローチャートである。 燃料カット処理が実行されるときの、燃料カット処理実行フラグ、空燃比センサの出力、センサ出力変化率、出力変化率最大値、第一出力値、第二出力値、および応答性指標値の時間推移を示す図である。 第二の発明の実施例（実施例２）に係る排気センサの診断装置において実行される制御フローを示すフローチャートである。 実施例３に係るＮＯｘセンサを適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 図８におけるＮＯｘセンサ付近の模式的な拡大断面図である。 図９におけるＢ−Ｂ’線視断面図である。
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
＜実施例１＞
以下、図面を用いて本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ガソリン等を燃料とする火花点火式の内燃機関であり、点火プラグ２および燃料噴射弁３を備えている。
内燃機関１は吸気通路４と接続されている。吸気通路４には、エアフローメータ４０およびスロットル弁４１が設けられている。エアフローメータ４０は、吸気通路４内を流れる吸気（空気）の量（質量）に応じた電気信号を出力する。スロットル弁４１は、吸気通路４におけるエアフローメータ４０よりも下流側に配置されている。スロットル弁４１は、吸気通路４内の通路断面積を変更することで、内燃機関１の吸入空気量を調整する。
内燃機関１は排気通路５と接続されている。排気通路５には三元触媒５１が設けられている。また、三元触媒５１よりも上流の排気通路５には、三元触媒５１に流入する排気の空燃比を検出する空燃比センサ６が設けられている。この空燃比センサ６の詳細については後述する。なお、本実施例においては空燃比センサ６が、本発明における排気センサに相当する。
そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上記のエアフローメータ４０、空燃比センサ６に加え、アクセル開度センサ７、およびクランクポジションセンサ８等の各種センサが電気的に接続されている。アクセル開度センサ７は、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関した電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１の機関出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。そして、これらのセンサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ７の出力信号に基づいて内燃機関１の機関負荷を導出し、クランクポジションセンサ８の出力信号に基づいて内燃機関１の機関回転速度を導出する。また、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ４０の出力値に基づいて三元触媒５１に流入する排気の流量（以下、「排気流量」と称する場合もある。）を推定する。
また、ＥＣＵ２０には、点火プラグ２、燃料噴射弁３、およびスロットル弁４１等の各種装置が電気的に接続されている。ＥＣＵ２０によって、これら各種装置が制御される。例えば、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ６の出力信号から三元触媒５１に流入する排気の空燃比を検出し、三元触媒５１に流入する排気の空燃比が目標空燃比（例えば、理論空燃比）に一致するように燃料噴射弁３からの燃料噴射量を制御する。
次に、図２および図３に基づいて、空燃比センサ６の構造について簡単に説明する。図２は、図１における空燃比センサ６付近の模式的な拡大断面図である。また、図３は、図２におけるＡ−Ａ’線視断面図である。
図２において、空燃比センサ６は、後述するセンサ本体１０と、該センサ本体１０を覆う耐熱性のハウジング部材でありその一部が排気通路５に露出している保護カバー９とを含んで構成される。センサ本体１０は保護カバー９に覆われることでその機械的強度が担保される。
そして、図３に示すように保護カバー９の表面には複数の通気孔９ａが形成されており、保護カバー９内外を相互に連通させている。すなわち、空燃比センサ６は、排気通路５を流通する排気が、保護カバー９の通気孔９ａを通過してセンサ本体１０に到達するように構成されている。なお、図３では、保護カバー９は一重構造となっているが、保護カバー９は通気孔９ａが形成された二重構造であってもよい。
次に、センサ本体１０の概略構成について説明する。センサ本体１０は酸素イオン導電性固体電解質からなるセンサ素子１１を備える。センサ素子１１は例えば酸化ジルコニウム（ジルコニア）によって構成される。そして、センサ素子１１の一方の側面には排気側
電極１２が形成され、その他方の側面には大気側電極１３が形成される。これら排気側電極１２および大気側電極１３は、白金など触媒活性の高い金属材料で構成される。このように排気側電極１２および大気側電極１３が形成されることで、センサ素子１１は一対の電極によって挟まれる。
そして、排気側電極１２のセンサ素子１１側の側面とは反対側の側面には、拡散律速層１４が積層されている。この拡散律速層１４は、排気側電極１２と、排気側電極１２が形成されたセンサ素子１１の一方の側面と、を覆うように積層されている。拡散律速層１４はセラミクス等の多孔質物質で構成された部材であり、排気の拡散を律速する機能を有する。すなわち、拡散律速層１４は、排気中の種々の成分が、適当な拡散速度で拡散できる程度に細孔化、緻密化されている。また、拡散律速層１４のセンサ素子１１側の側面とは反対側の側面には、保護層１６が積層されている。そして、センサ素子１１と拡散律速層１４との間にはガス室１５が形成されている。このガス室１５には、拡散律速層１４を介して排気が導入される。ここで、排気側電極１２はガス室１５内に配置されるため、排気側電極１２は拡散律速層１４を介して排気に曝されることになる。なお、ガス室１５は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極１２の表面上に拡散律速層１４が直接接触するように構成されてもよい。
また、センサ素子１１の他方の側面には、ヒータ層１７が積層されている。ヒータ層１７にはヒータ１８が埋設されていて、ヒータ１８は、図示しない外部の電気回路から電力の供給を受けることにより、センサ本体１０を所望の活性温度（例えば、７００℃）に加熱することができる。なお、この電気回路はＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ヒータ１８に供給される電力はＥＣＵ２０によって制御される。そして、センサ素子１１とヒータ層１７との間には大気室１９が形成されている。大気室１９は、図示しない大気孔を介して大気に連通されており、空燃比センサ６が排気通路５内に配置された状態であっても、大気側電極１３は大気に曝された状態に維持される。なお、本実施例においては以上に説明したセンサ本体１０が、本発明における検出部に相当する。
ここで、空燃比センサ６によって排気の空燃比を検出する原理について説明する。通気孔９ａから保護カバー９内部に導入された排気は、拡散律速層１４に流入し、その内部を排気側電極１２に向かって拡散しながら進行する。排気中には、ＣＯ、ＨＣ等の還元剤と、Ｏ２、ＮＯｘ等の酸化剤が含まれている。これらの各成分は、排気側電極１２の表面に到達する過程、或いは排気側電極１２に到達した後において平衡状態に至るまで反応し合う。そして、排気の空燃比が理論空燃比となっている場合は、酸化剤と還元剤が共に消滅する。これに対して、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ空燃比である場合は還元剤が残存し、リーン空燃比である場合は酸化剤が残存することになる。
ここで、排気側電極１２と、大気側電極１３と、これらに挟まれたセンサ素子１１とからなる領域を「セル２５」と称する。本実施例では、排気側電極１２および大気側電極１３間には、図示しない電源供給ラインを介して所定の印加電圧が印加される。電極間に印加電圧が印加された状態で、排気側電極１２の表面まで到達した排気中に酸化剤が残存している場合（排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン空燃比である場合）には、排気中の酸素が酸素イオンとなってセンサ素子１１を介して排気側電極１２から大気側電極１３へ伝播することによって、セル２５に電流が流れる。他方、排気側電極１２側に還元剤が残存している場合（排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ空燃比である場合）は、大気中の酸素が酸素イオンとなってセンサ素子１１を介して大気側電極１３から排気側電極１２へ伝播し、当該還元剤と反応することによって、セル２５に上記とは逆向きの電流が流れる。なお、排気の空燃比が理論空燃比である場合には、原則としてセンサ素子１１を介して電極間を酸素イオンが伝播することがないので、セル２５に電流は流れない。
そして、拡散律速層１４によって排気の拡散速度が律速されると、印加電圧を増加しても電流値が一定に飽和する領域が生じる。この電流値は限界電流値と称される。ここで、排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン空燃比である場合には、排気側電極１２への酸化剤の拡散が拡散律速層によって律速されるため電流が限界電流値に飽和し、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ空燃比である場合には、排気側電極１２への還元剤の拡散が拡散律速層によって律速されるため電流が限界電流値に飽和する。これらの限界電流値を検出することで、排気の空燃比を検出することができる。
このような空燃比センサ６では、保護カバー９の通気孔９ａにＰＭやオイル成分等が付着すると、保護カバー９内への単位時間当たりの排気の流入量が減少し易くなる。そして、保護カバー９内への単位時間当たりの排気の流入量が減少すると、内燃機関１の運転状態に応じて排気中のＯ２、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の濃度が変化した場合であっても、保護カバー９内の排気中のこれら濃度が内燃機関１の運転状態に応じた濃度に変化するまでにある程度の時間を要することになる。したがって、保護カバー９内の排気中のＯ２、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の濃度が内燃機関１の運転状態に応じた濃度に変化するまでは、空燃比センサ６の出力は内燃機関１の運転状態に応じた濃度に相当する出力とはならないことになる。つまり、空燃比センサ６の応答性が低下することになる。
また、上記の空燃比センサ６では、拡散律速層１４にＰＭやオイル成分等が付着すると、拡散律速層１４の気孔率が低下し易くなる。一方で、拡散律速層１４が劣化すると、拡散律速層１４の気孔率が増加する傾向にある。ここで、拡散律速層１４の気孔率が低下すると、当該気孔率が高いときよりも排気が拡散律速層１４を通過する際の抵抗が大きくなる。そのため、拡散律速層１４の気孔率が低いほど、セル２５に流れる電流は小さな電流で電流飽和し易くなる。つまり、拡散律速層１４の気孔率が低いほど限界電流値の大きさが減少し易くなる。
以上に述べた空燃比センサ６では、空燃比センサ６の応答性の変化（空燃比センサ６の出力が収束するまでの期間の変化）によるセンサの出力への影響と、限界電流値の大きさの変化によるセンサの出力への影響と、が合わさって空燃比センサ６の出力となる。このような空燃比センサ６の出力が、排気中の酸素濃度の変化に応じて変化するときの時間推移について以下に説明する。本実施例では、ＥＣＵ２０が燃料カット処理を実行することによって、排気中の酸素濃度を変化させる。なお、本実施例においては燃料カット処理が、本発明における酸素濃度制御に相当し、ＥＣＵ２０が燃料カット処理を実行することで、本発明に係る制御部として機能する。
内燃機関１において燃料カット処理が実行されるときの、燃料カット処理実行フラグ、空燃比センサ６の出力、空燃比センサ６の出力の変化率（以下、「センサ出力変化率」と称する場合もある。）、および空燃比センサ６の出力の変化率の最大値（以下、「出力変化率最大値」と称する場合もある。）の時間推移を図４に示す。ここで、センサ出力変化率とは、空燃比センサ６の出力の単位時間当たりの変化量を表す。なお、図４において、ＥＣＵ２０は、通常運転時に三元触媒５１に流入する排気の空燃比が理論空燃比に一致するように燃料噴射弁３からの燃料噴射量を制御している。また、図４の空燃比センサ６の出力およびセンサ出力変化率および出力変化率最大値の時間推移において、実線で表される線Ｌ１は、応答性および限界電流値の大きさが正常な状態である空燃比センサ６（以下、「正常センサ」と称する場合もある。）の時間推移を示し、破線で表される線Ｌ２は、限界電流値の大きさは正常な状態で応答性に異常が生じている空燃比センサ６（以下、「応答性異常センサ」と称する場合もある。）の時間推移を示し、一点鎖線で表される線Ｌ３は、応答性は正常な状態で限界電流値の大きさが低下している空燃比センサ６（以下、「出力低下センサ」と称する場合もある。）の時間推移を示す。
図４に示す制御では、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで内燃機関１は通常運転を行っている。このとき、排気の空燃比は理論空燃比となっているため、空燃比センサ６の出力は０になる。そして、時刻ｔ１において燃料カット処理実行フラグが０から１になり、ＥＣＵ２０が燃料カット処理を実行すると、ある程度の遅れ時間経過後に排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン空燃比となる。そして、この排気が空燃比センサ６の保護カバー９の通気孔９ａを通過してセンサ本体１０に到達することによって、空燃比センサ６の出力が０から増加し始める。
ここで、空燃比センサ６の出力の増加の過程においては、出力増加の開始直後は当該出力増加が比較的緩慢になり、出力増加の開始からある程度の時間経過後に当該出力増加が大きくなる傾向にある。そのため、図４の線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に示すように、時刻ｔ２において空燃比センサ６の出力が０から増加し始め、その後センサ出力変化率が大きくなっていき、時刻ｔ３において、正常センサではセンサ出力変化率がＲ１に、応答性異常センサではセンサ出力変化率がＲ２に、出力低下センサではセンサ出力変化率がＲ３になる。そして、時刻ｔ３以降は、上記のいずれのセンサにおいても時間の経過とともにセンサ出力変化率が低下していき、時刻ｔ４において、正常センサではセンサ出力がＣ１に、出力低下センサではセンサ出力がＣ３に収束し、時刻ｔ５において、応答性異常センサのセンサ出力がＣ１に収束する。
このような、空燃比センサ６の出力の変化の過程において、燃料カット処理の実行に伴って空燃比センサ６の出力が変化し始めてからセンサ出力が収束するまでの期間（以下、「基準期間」と称する場合もある。）に着目すると、応答性異常センサでは正常センサおよび出力低下センサよりも当該基準期間が長くなっている。つまり、応答性異常センサでは応答性が低下していることが判る。一方、基準期間におけるセンサ出力の収束値に着目すると、出力低下センサでは当該収束値がＣ１よりも小さなＣ３となっていて、当該収束値がＣ１となっている正常センサおよび応答性異常センサよりも収束値が小さくなっている。つまり、出力低下センサでは限界電流値の大きさが低下していることが判る。
また、図４に示すように、時刻ｔ３におけるセンサ出力変化率が基準期間における出力変化率最大値となっている。この出力変化率最大値において、応答性異常センサにおける値Ｒ２は、正常センサにおける値Ｒ１よりも小さくなっている。これは、応答性異常センサにおいては、センサ出力が０からＣ１に変化するまでの期間が正常センサにおける当該期間よりも長くなっているためである。つまり、応答性が低下するほど出力変化率最大値が小さくなるため、この出力変化率最大値に基づいて空燃比センサ６の応答性を推定することができるとも考えられる。
しかしながら、出力変化率最大値において、出力低下センサにおける値Ｒ３も、正常センサにおける値Ｒ１よりも小さくなっている。これは、出力低下センサにおいては、センサ出力が収束するまでの期間は正常センサと同一であるものの、出力低下センサにおける収束値（Ｃ３）が正常センサにおける収束値（Ｃ１）よりも小さくなっているためである。つまり、出力低下センサでは、応答性が低下していないものの、出力変化率最大値が正常センサよりも低下してしまう。したがって、センサ出力変化率のみに基づいて空燃比センサ６の応答性を推定すると、その推定精度が低下する虞がある。
そこで、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ６の応答性と相関を有する応答性指標値を算出する。詳しくは、燃料カット処理の実行開始から当該燃料カット処理の実行に伴って変化する空燃比センサ６の出力が収束するまでの基準期間における空燃比センサ６の出力の変化率の絶対値（以下、「絶対変化率」と称する場合もある。）の最大値を、当該絶対変化率が最大値となるときの空燃比センサ６の出力値と前記基準期間における空燃比センサ６の出力の収束値との差分で除算することにより、応答性指標値を算出する。そして、ＥＣＵ
２０は、この応答性指標値に基づいて、空燃比センサ６の応答性を推定する。なお、ＥＣＵ２０が応答性指標値を算出することで、本発明に係る算出部として機能し、ＥＣＵ２０が空燃比センサ６の応答性を推定することで、第一の発明に係る応答性診断部として機能する。
ここで、本発明に係る排気センサの診断装置であるＥＣＵ２０が実行する制御フローについて図５に基づいて説明する。図５は、第一の発明の実施例（本実施例）に係る制御フローを示すフローチャートである。本実施例では、ＥＣＵ２０によって、本フローが内燃機関１の運転中に所定の演算周期で繰り返し実行される。本実施例では、所定期間Δｔ間隔で本フローが実行されることになる。
本フローでは、先ず、Ｓ１０１において、空燃比センサ６の応答性の推定を実行する実行条件が成立しているか否かが判別される。Ｓ１０１では、前回に空燃比センサ６の応答性を推定した後、例えば内燃機関１が搭載された車両が所定距離走行したとき、または内燃機関１が所定時間運転を行ったとき、または内燃機関１が機関停止されその後再始動されたとき等に、肯定判定される。なお、上記は例示であって、Ｓ１０１では周知の技術に基づいて空燃比センサ６の応答性の推定を実行する実行条件が成立しているか否かを判別することができる。そして、Ｓ１０１において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０２の処理へ進み、Ｓ１０１において否定判定された場合、本フローの実行が終了される。
Ｓ１０１において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０２において、燃料カット処理の実行中であるか否かが判別される。上述したように、例えばＥＣＵ２０が通常運転時に三元触媒５１に流入する排気の空燃比が理論空燃比に一致するように燃料噴射弁３からの燃料噴射量を制御している場合には、燃料カット処理の実行中には、理論空燃比となっていた排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン空燃比に変化する。このようにして排気中の酸素濃度が変化すると、空燃比センサ６の出力が変化することになるため、後述する応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出することが可能となる。そして、Ｓ１０２において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０３の処理へ進み、Ｓ１０２において否定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１１６の処理へ進む。
Ｓ１０２において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０３において、空燃比センサ６の出力値の現在値（以下、「出力現在値」と称する場合もある。）Ｃｒｔｎｏｗが取得される。Ｓ１０３では、空燃比センサ６のセンサ本体１０に到達する排気の空燃比に応じた限界電流値の現在値が、出力現在値Ｃｒｔｎｏｗとして取得される。
次に、Ｓ１０４において、絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗが算出される。Ｓ１０４では、Ｓ１０３で取得した出力現在値Ｃｒｔｎｏｗから空燃比センサ６の出力値の過去値（以下、「出力過去値」と称する場合もある。）Ｃｒｔｏｌｄを減算した値の絶対値を、所定期間Δｔで除することによって、絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗが算出される。ここで、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄは、後述するＳ１０８の処理によってその値が更新され、または後述するＳ１１５の処理によってその値が初期化され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。
次に、Ｓ１０５において、Ｓ１０４で算出した絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗが絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘよりも大きいか否かが判別される。ここで、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘは、後述するＳ１０６の処理によってその値が更新され、または後述するＳ１１５の処理によってその値が初期化され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。そして、Ｓ１０５において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０６の処理へ進み、Ｓ１０５において否定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０８の処理へ進む。
Ｓ１０５において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０６において、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが更新される。Ｓ１０６では、絶対変化率の最大値ＲｃｍａｘがＳ１０４で算出した絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗに更新される。次に、Ｓ１０７において、絶対変化率が最大値となるときの空燃比センサ６の出力値（以下、「第一出力値」と称する場合もある。）Ｃｒｔ１が取得される。Ｓ１０７では、例えば、このときの出力現在値Ｃｒｔｎｏｗが第一出力値Ｃｒｔ１として取得される。
次に、Ｓ１０８において、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄが更新される。Ｓ１０８では、出力過去値ＣｒｔｏｌｄがＳ１０３で取得した出力現在値Ｃｒｔｎｏｗに更新される。
次に、Ｓ１０９において、空燃比センサ６の出力値の収束を判定する収束判定フラグｎｆｌａｇが読込まれる。収束判定フラグｎｆｌａｇは、空燃比センサ６の出力値が収束したと判定される場合に１に設定されるフラグであって、本フローとは異なる周知のフローにしたがってその値が設定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶される。Ｓ１０９では、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている収束判定フラグｎｆｌａｇが読込まれる。収束判定フラグｎｆｌａｇは、例えば、燃料カット処理の実行開始後に一旦増加した絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗが０近傍の所定値以下まで減少したときに１に設定される。
次に、Ｓ１１０において、Ｓ１０９で読込んだ収束判定フラグｎｆｌａｇが１となっているか否かが判別される。Ｓ１１０において肯定判定された場合は空燃比センサ６の出力値が収束したと判定される場合であって、この場合ＥＣＵ２０はＳ１１１の処理へ進む。一方、Ｓ１１０において否定判定された場合は空燃比センサ６の出力値が収束していないと判定される場合であって、この場合本フローの実行が終了される。なお、上述したように、本フローは所定期間Δｔ間隔で繰り返し実行されるため、今回Ｓ１１０において否定判定されて本フローの実行が終了された場合であっても、次回以降の本フローの実行においてＳ１１０で肯定判定されれば、次回以降の本フローの実行における後述するＳ１１４の処理によって空燃比センサ６の応答性が推定される。
Ｓ１１０において肯定判定された場合、次に、Ｓ１１１において、空燃比センサ６の出力の収束値（以下、「第二出力値」と称する場合もある。）Ｃｒｔ２が取得される。Ｓ１１１では、周知の手法を用いて第二出力値Ｃｒｔ２を取得することができる。次に、Ｓ１１２において、第一出力値Ｃｒｔ１と第二出力値Ｃｒｔ２との差分Ｃｒｔｄｉｆが算出される。
次に、Ｓ１１３において、応答性指標値Ｖａｌｉｎが算出される。Ｓ１１３では、絶対変化率の最大値ＲｃｍａｘをＳ１１２で算出した差分Ｃｒｔｄｉｆで除することによって、応答性指標値Ｖａｌｉｎが算出される。次に、Ｓ１１４において、この応答性指標値Ｖａｌｉｎに基づいて、空燃比センサ６の応答性が推定される。Ｓ１１４では、応答性指標値Ｖａｌｉｎが大きいときは小さいときよりも空燃比センサ６の応答性が高くなるように、当該空燃比センサ６の応答性を推定することができる。
次に、Ｓ１１５において、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄおよび絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが初期化される。本フローでは、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄは、内燃機関１の通常運転時の排気の空燃比に応じた限界電流値に初期化され、例えばＥＣＵ２０が通常運転時に三元触媒５１に流入する排気の空燃比が理論空燃比に一致するように燃料噴射弁３からの燃料噴射量を制御している場合には、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄは０に初期化される。また、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘは０に初期化される。そして、Ｓ１１５の処理の後、本フローの実行が終了される。
また、Ｓ１０２において否定判定された場合、次に、Ｓ１１６において、出力過去値Ｃ
ｒｔｏｌｄおよび絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが初期化される。これにより、本フローによる空燃比センサ６の応答性の推定が完了する前に燃料カット処理が終了した場合であっても、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄおよび絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが初期化されることになる。このＳ１１６の処理は、上記のＳ１１５の処理と実質的に同一である。そして、Ｓ１１６の処理の後、本フローの実行が終了される。
以上のように算出される応答性指標値Ｖａｌｉｎについて、タイムチャートに基づいて説明を行う。図６は、上記の図４に示した燃料カット処理実行フラグ、空燃比センサ６の出力、センサ出力変化率、および出力変化率最大値の時間推移において、第一出力値Ｃｒｔ１、第二出力値Ｃｒｔ２、および応答性指標値Ｖａｌｉｎの時間推移を追加したものである。
図６に示すように、時刻ｔ３において、正常センサでは第一出力値Ｃｒｔ１がＣ１１となり、応答性異常センサおよび出力低下センサでは第一出力値Ｃｒｔ１がＣ２３となる。ここで、応答性異常センサにおける第一出力値Ｃｒｔ１と、出力低下センサにおける第一出力値Ｃｒｔ１と、は異なる値となり得るものの、図６においては、これら値がほとんど同じあるため、便宜上応答性異常センサおよび出力低下センサにおける第一出力値Ｃｒｔ１をＣ２３としている。そして、正常センサおよび出力低下センサの出力が収束する時刻ｔ４において、正常センサでは第二出力値Ｃｒｔ２がＣ１となり、出力低下センサでは第二出力値Ｃｒｔ２がＣ３となる。また、応答性異常センサの出力が収束する時刻ｔ５において、応答性異常センサにおける第二出力値Ｃｒｔ２がＣ１となる。
そして、正常センサおよび出力低下センサにおいては、時刻ｔ４でセンサ出力が収束すると応答性指標値Ｖａｌｉｎが算出される。また、応答性異常センサにおいては、時刻ｔ５でセンサ出力が収束すると応答性指標値Ｖａｌｉｎが算出される。ここで、図６に示すように、正常センサおよび出力低下センサでは応答性指標値ＶａｌｉｎがＶ１となっていて、応答性異常センサでは応答性指標値ＶａｌｉｎがＶ１よりも小さなＶ２となっている。このように、応答性が低下している応答性異常センサの応答性指標値Ｖａｌｉｎのみが、正常センサにおける応答性指標値Ｖａｌｉｎよりも低下することになる。
第一の発明に係る排気センサの診断装置は、以上に述べたように応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出し、当該応答性指標値Ｖａｌｉｎに基づいて空燃比センサ６の応答性を推定することによって、空燃比センサ６の応答性を可及的に高い精度で推定することを可能とする。
［変形例１］
次に、上述した実施例１の第１の変形例について説明する。なお、本変形例において、上述した実施例１と実質的に同一の構成、実質的に同一の制御処理については、その詳細な説明を省略する。
上述した実施例１では、ＥＣＵ２０は燃料カット処理を実行することによって、排気中の酸素濃度を変化させる。ＥＣＵ２０が燃料カット処理を実行すると、排気の空燃比がそれまでよりもリーン空燃比に変化するからである。一方、燃料カット処理から復帰するときには、理論空燃比よりもリーン空燃比となっていた排気の空燃比がリッチ側に変化することになる。したがって、本変形例では、ＥＣＵ２０は燃料カット処理からの復帰処理を実行することによって、排気中の酸素濃度を変化させる。なお、本変形例においては復帰処理が、本発明における酸素濃度制御に相当し、ＥＣＵ２０が復帰処理を実行することで、本発明に係る制御部として機能する。
ここで、本変形例における制御フローについて、上記の図５に示したフローチャートを
参考にして説明する。本変形例における制御フローでは、Ｓ１０１において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０２の処理に代えて、燃料カット処理からの復帰中であるか否かが判別される。ここで、燃料カット処理からの復帰中とは、ＥＣＵ２０が復帰処理の実行を開始してから或る期間経過するまでであって、当該期間は予め定められている。なお、復帰処理により変化する空燃比センサ６の出力値が、当該期間中に収束するように定められているものとする。また、本変形例では、空燃比センサ６の出力値は、例えば通常運転時の空燃比に相当する出力値に収束する。そして、燃料カット処理からの復帰中には、理論空燃比よりもリーン空燃比となっていた排気の空燃比がリッチ側に変化することになる。これにより排気中の酸素濃度が変化し、空燃比センサ６の出力が変化することになるため、応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出することが可能となる。そして、上記判別において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０３の処理へ進み、上記判別において否定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１１６の処理へ進む。
以上に述べたように、燃料カット処理からの復帰中においても応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出することができる。そして、応答性指標値Ｖａｌｉｎに基づいて空燃比センサ６の応答性を推定することによって、空燃比センサ６の応答性を可及的に高い精度で推定することができる。
［変形例２］
次に、上述した実施例１の第２の変形例について説明する。なお、本変形例において、上述した実施例１と実質的に同一の構成、実質的に同一の制御処理については、その詳細な説明を省略する。
上述した実施例１では、ＥＣＵ２０は燃料カット処理を実行することによって、排気中の酸素濃度を変化させる。これに対して、本変形例では、ＥＣＵ２０は、空燃比センサ６の応答性を推定するために空燃比を変化させる空燃比制御を実行することによって、排気中の酸素濃度を変化させる。この空燃比制御では、例えば、理論空燃比よりもリッチ空燃比となっている空燃比を、理論空燃比よりもリーン空燃比に変化させる。なお、本変形例においては空燃比制御が、本発明における酸素濃度制御に相当し、ＥＣＵ２０が空燃比制御を実行することで、本発明に係る制御部として機能する。
ここで、本変形例における制御フローについて、上記の図５に示したフローチャートを参考にして説明する。本変形例における制御フローでは、Ｓ１０１において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０２の処理に代えて、空燃比制御の実行中であるか否かが判別される。空燃比制御の実行中には排気中の酸素濃度が変化し、空燃比センサ６の出力が変化することになるため、応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出することが可能となる。なお、本変形例では、例えば、理論空燃比よりもリッチ空燃比となっている空燃比を、理論空燃比よりもリーン空燃比に変化させるので、空燃比センサ６の出力値は、このリーン空燃比に相当する出力値に収束する。そして、上記判別において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０３の処理へ進み、上記判別において否定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１１６の処理へ進む。
以上に述べたように、空燃比制御の実行中においても応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出することができる。そして、応答性指標値Ｖａｌｉｎに基づいて空燃比センサ６の応答性を推定することによって、空燃比センサ６の応答性を可及的に高い精度で推定することができる。
＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について説明する。なお、本実施例において、上述した実施例１と実質的に同一の構成、実質的に同一の制御処理については、その詳細な説明を省
略する。
上述した実施例１は、応答性指標値に基づいて空燃比センサ６の応答性を推定するものである。これに対して、本実施例では、ＥＣＵ２０が、応答性指標値に基づいて空燃比センサ６の応答性の異常を診断する。なお、ＥＣＵ２０が空燃比センサ６の応答性の異常診断を行うことで、第二の発明に係る異常診断部として機能する。
ここで、本実施例における制御フローについて図７に基づいて説明する。図７は、第二の発明の実施例（本実施例）に係る制御フローを示すフローチャートであって、上記の図５に示したフローチャートのＳ１１４、Ｓ１１５の処理に代えてＳ４１４からＳ４１８の処理が実行されるものである。
図７に示す制御フローでは、Ｓ１０１´において、空燃比センサ６の応答性の異常診断を実行する実行条件が成立しているか否かが判別される。Ｓ１０１´では、前回に異常診断を実行した後、例えば内燃機関１が搭載された車両が所定距離走行したとき、または内燃機関１が所定時間運転を行ったとき、または内燃機関１が機関停止されその後再始動されたとき等に、肯定判定される。なお、上記は例示であって、Ｓ１０１´では周知の技術に基づいて空燃比センサ６の応答性の異常診断を実行する実行条件が成立しているか否かを判別することができる。そして、Ｓ１０１´において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０２の処理へ進み、Ｓ１０１´において否定判定された場合、本フローの実行が終了される。
また、図７に示す制御フローでは、Ｓ１１３の処理の後に、Ｓ４１４において、Ｓ１１３で算出した応答性指標値Ｖａｌｉｎが判定閾値Ｖｔｈ以上となっているか否かが判別される。ここで、上述したように、応答性指標値Ｖａｌｉｎは、空燃比センサ６の応答性と相関を有する。したがって、応答性指標値Ｖａｌｉｎと判定閾値Ｖｔｈとを比較することによって、空燃比センサ６の応答性の異常を診断することができる。この判定閾値Ｖｔｈは、空燃比センサ６の応答性に異常が生じているか否かを判定するための閾値であって、応答性指標値Ｖａｌｉｎが判定閾値Ｖｔｈよりも小さくなると、空燃比センサ６の応答性に異常が生じていると判定することができる。なお、判定閾値Ｖｔｈは、ＥＣＵ２０のＲＯＭに予め記憶されている。そして、Ｓ４１４において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ４１５の処理へ進み、Ｓ４１４において否定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ４１７の処理へ進む。
Ｓ４１４において肯定判定された場合、次に、Ｓ４１５において、空燃比センサ６の応答性が正常であると判定される。そして、次に、Ｓ４１６において、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄおよび絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが初期化される。このＳ４１６の処理は、上述したＳ１１５の処理と実質的に同一である。そして、Ｓ４１６の処理の後、本フローの実行が終了される。
一方、Ｓ４１４において否定判定された場合、次に、Ｓ４１７において、空燃比センサ６の応答性に異常が生じていると判定される。そして、次に、Ｓ４１８において、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄおよび絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが初期化される。このＳ４１８の処理は、上述したＳ１１５の処理と実質的に同一である。そして、Ｓ４１８の処理の後、本フローの実行が終了される。
以上に述べたように、応答性指標値Ｖａｌｉｎに基づいて空燃比センサ６の応答性の異常を診断することによって、空燃比センサ６の応答性異常をより正確に判定することができる。
＜実施例３＞
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図８は、本実施例に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図８に示す内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。なお、本実施例において、上述した実施例１と実質的に同一の構成、実質的に同一の制御処理については、その詳細な説明を省略する。
内燃機関１の排気通路５には選択還元型ＮＯｘ触媒５２（以下、「ＳＣＲ触媒５２」と称する場合もある。）が設けられている。そして、ＳＣＲ触媒５２よりも上流の排気通路５には、尿素水添加弁５３が設けられている。尿素水添加弁５３によって、ＳＣＲ触媒５２にアンモニアの前駆体である尿素が供給される。そして、供給された尿素が加水分解されることで生成されたアンモニアがＳＣＲ触媒５２に吸着し、この吸着したアンモニアを還元剤として、排気中のＮＯｘが還元される。また、ＳＣＲ触媒５２よりも上流の排気通路５には、第一ＮＯｘセンサ６ａが設けられていて、ＳＣＲ触媒５２よりも下流の排気通路５には、第二ＮＯｘセンサ６ｂが設けられている。これらＮＯｘセンサの詳細については後述する。なお、本実施例においては第一ＮＯｘセンサ６ａ、第二ＮＯｘセンサ６ｂが、本発明における排気センサに相当する。
次に、図９および図１０に基づいて、第一ＮＯｘセンサ６ａ、第二ＮＯｘセンサ６ｂの構造について簡単に説明する。図９は、図８における第一ＮＯｘセンサ６ａ付近の模式的な拡大断面図である。また、図１０は、図９におけるＢ−Ｂ’線視断面図である。なお、第一ＮＯｘセンサ６ａおよび第二ＮＯｘセンサ６ｂは同一の構造を有するため、以下の説明においては、第一ＮＯｘセンサ６ａおよび第二ＮＯｘセンサ６ｂをまとめて「ＮＯｘセンサ」と称する。
本実施例に係るＮＯｘセンサは、実施例１の空燃比センサ６と同様に、センサ本体１００と保護カバー９０とを含んで構成される。そして、保護カバー９０の表面には複数の通気孔９０ａが形成されている。なお、図１０では、保護カバー９０は一重構造となっているが、保護カバー９０は通気孔９０ａが形成された二重構造であってもよい。
次に、センサ本体１００の概略構成について説明する。本実施例に係るＮＯｘセンサのセンサ本体１００は、実施例１の空燃比センサ６と同様に、排気に曝される排気側電極１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃと、大気に曝される大気側電極１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃと、排気側電極と大気側電極とによって挟まれるセンサ素子１１０、２１０と、排気側電極に到達する排気の速度を律速する多孔質の拡散律速層１４０と、を備える。そして、図１０に示すように、排気側電極と、大気側電極と、これらに挟まれたセンサ素子とからなる領域が複数設けられている。これら領域を「ポンプセル２５０ａ」、「モニタセル２５０ｂ」、「センサセル２５０ｃ」と称する。
そして、センサ素子１１０とセンサ素子２１０との間には第一ガス室１５０ａ、第二ガス室１５０ｂが形成されている。第一ガス室１５０ａには、拡散律速層１４０およびピンホール２２０を介して排気が導入される。また、センサ素子１１０とヒータ層１７０との間には、大気に連通されている大気室１９０ａが形成されている。ここで、ポンプセル２５０ａを形成する排気側電極１２０ａ、大気側電極１３０ａに電圧を印加すると、ポンピング作用により、第一ガス室１５０ａの酸素を大気室１９０ａへ排出することができる。
また、ポンプセル２５０ａ近傍を通過した排気は、絞り２４０を介して第一ガス室１５０ａと連通する第二ガス室１５０ｂに流入する。ここで、ポンプセル２５０ａによって第一ガス室１５０ａの酸素が大気室１９０ａへ排出される場合には、第二ガス室１５０ｂは所定の低酸素濃度の状態にされる。また、センサ素子２１０にスペーサ２３０が積層され
ることによって、センサ素子２１０とスペーサ２３０との間に大気室１９０ｂが形成される。なお、大気室１９０ｂは、大気に連通されている。そして、第二ガス室１５０ｂに残留する酸素は、モニタセル２５０ｂを形成する排気側電極１２０ｂ、大気側電極１３０ｂに電圧を印加することによって、ポンピング作用により、大気室１９０ｂへ移動する。ここで、排気側電極１２０ｂがＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極として構成されることで、残留酸素濃度に応じた出力電流が得られることになる。
また、センサセル２５０ｃを形成する排気側電極１２０ｃ、大気側電極１３０ｃにおいて、排気側電極１２０ｃはＮＯｘの還元分解に対して活性な電極として構成される。そして、センサセル２５０ｃを形成する排気側電極１２０ｃ、大気側電極１３０ｃに電圧を印加することによって、ポンピング作用により、第二ガス室１５０ｂのＮＯｘおよび残留酸素が大気室１９０ｂへ移動する。このときには、ＮＯｘ濃度および残留酸素濃度に応じた出力電流が得られることになる。そして、センサセル２５０ｃの出力電流からモニタセル２５０ｂの出力電流を減算することで、ＮＯｘ濃度を検出することができる。
このように、本実施例に係るＮＯｘセンサは、ポンプセル２５０ａにおいて第一ガス室１５０ａにおける酸素濃度に応じた電流を出力し、モニタセル２５０ｂにおいて第二ガス室１５０ｂにおける酸素濃度に応じた電流を出力し、センサセル２５０ｃにおいて第二ガス室１５０ｂにおけるＮＯｘ濃度および酸素濃度に応じた電流を出力する。つまり、本実施例に係るＮＯｘセンサは、排気中の酸素濃度に応じた電流を出力することになる。そして、排気側電極１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃへの排気の拡散は拡散律速層１４０によって律速されるため、印加電圧を増加しても電流が一定に飽和する領域が生じる。つまり、限界電流が生じる。
このようなＮＯｘセンサでは、実施例１の空燃比センサ６と同様に、保護カバー９０の通気孔９０ａにＰＭやオイル成分等が付着すると、ＮＯｘセンサの応答性が低下する虞がある。また、拡散律速層１４０にＰＭやオイル成分等が付着すると、限界電流値の大きさが減少する虞がある。そして、ＮＯｘセンサの応答性の変化（ＮＯｘセンサの出力が収束するまでの期間の変化）によるセンサの出力への影響と、限界電流値の大きさの変化によるセンサの出力への影響と、が合わさってＮＯｘセンサの出力となる。したがって、ＮＯｘセンサの出力の変化率のみに基づいてＮＯｘセンサの応答性を推定すると、その推定精度が低下する虞がある。また、ＮＯｘセンサの出力の変化率のみに基づいてＮＯｘセンサの応答性を診断すると、センサの応答性異常を正確に判定できない虞がある。
そこで、ＥＣＵ２０は、実施例１と同様にして、ＮＯｘセンサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する。そして、この応答性指標値に基づいて、ＮＯｘセンサの応答性を推定する。これにより、ＮＯｘセンサの応答性を可及的に高い精度で推定することができる。
また、ＥＣＵ２０は、実施例２と同様にして、応答性指標値に基づいてＮＯｘセンサの応答性の異常を診断する。これにより、ＮＯｘセンサの応答性異常をより正確に判定することができる。
１・・・・内燃機関
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・吸気通路
５・・・・排気通路
６・・・・空燃比センサ
９・・・・保護カバー
９ａ・・・通気孔
１０・・・センサ本体
１１・・・センサ素子
１２・・・排気側電極
１３・・・大気側電極
１４・・・拡散律速層
２０・・・ＥＣＵ
４０・・・エアフローメータ
５１・・・三元触媒

Claims (2)

  1. 排気中の酸素濃度を検出する検出部であって、排気に曝される排気側電極と大気に曝される大気側電極とにより構成される一対の電極と、排気を前記排気側電極へ導入させるとともに該排気側電極に到達する排気の速度を律速する多孔質の拡散律速層と、を備える検出部と、
    前記検出部を覆うように設けられるとともに複数の通気孔を有する保護カバーと、
    を有し、排気中の酸素濃度に応じた出力信号を出力する排気センサを備えた内燃機関における、排気センサの診断装置であって、
    排気中の酸素濃度を変化させる酸素濃度制御を実行する制御部と、
    前記排気センサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する算出部であって、前記酸素濃度制御の実行開始から該酸素濃度制御の実行に伴って変化する前記出力信号が収束するまでの基準期間における前記出力信号の変化率の絶対値である絶対変化率の最大値を、該絶対変化率が最大値となるときの前記出力信号の値と前記基準期間における前記出力信号の収束値との差分で除算することにより、前記応答性指標値を算出する算出部と、
    前記応答性指標値に基づいて、前記排気センサの応答性を推定する応答性診断部と、
    を備える、排気センサの診断装置。
  2. 排気中の酸素濃度を検出する検出部であって、排気に曝される排気側電極と大気に曝される大気側電極とにより構成される一対の電極と、排気を前記排気側電極へ導入させるとともに該排気側電極に到達する排気の速度を律速する多孔質の拡散律速層と、を備える検出部と、
    前記検出部を覆うように設けられるとともに複数の通気孔を有する保護カバーと、
    を有し、排気中の酸素濃度に応じた出力信号を出力する排気センサを備えた内燃機関における、排気センサの診断装置であって、
    排気中の酸素濃度を変化させる酸素濃度制御を実行する制御部と、
    前記排気センサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する算出部であって、前記酸素濃度制御の実行開始から該酸素濃度制御の実行に伴って変化する前記出力信号が収束するまでの基準期間における前記出力信号の変化率の絶対値である絶対変化率の最大値を、該絶対変化率が最大値となるときの前記出力信号の値と前記基準期間における前記出力信号の収束値との差分で除算することにより、前記応答性指標値を算出する算出部と、
    前記応答性指標値に基づいて、前記排気センサの応答性の異常を診断する異常診断部と、
    を備える、排気センサの診断装置。
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