JP2019094828A

JP2019094828A - 酸素濃度検出器の劣化判定装置

Info

Publication number: JP2019094828A
Application number: JP2017224523A
Authority: JP
Inventors: 勇気田代; Yuki Tashiro
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2019-06-20
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: JP7125258B2

Abstract

【課題】簡便な構成で、ヒータ付き酸素濃度検出器のヒータ素子の劣化を、内燃期間が始動してから酸素濃度検出器が活性化するまでの短時間に精度よく判定することが可能な酸素濃度検出器の劣化判定装置を提供する。【解決手段】酸素濃度検出器の劣化判定装置１では、センサ部２ａが、ヒータ素子２ｂ及び排気ガスの一方又は双方によりセンサ部２ａが加熱されて昇温する際のセンサ素子２ａの温度が活性化温度に至る所定温度範囲で、センサ部２ａの温度とセンサ電圧とが相関を示す相関領域を有し、判定部７５ｂが、ヒータ素子２ｂ及び排気ガスの一方又は双方によりセンサ部２ａが加熱される際にセンサ電圧が相関領域に対応する電圧を示す場合に、ヒータ素子２ｂの抵抗値と所定の閾値との大小関係に基づいて、ヒータ素子２ｂの劣化判定を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、酸素濃度検出器の劣化判定装置に関し、特に、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出器のヒータ素子の劣化を判定する酸素濃度検出器の劣化判定装置に関する。

近年、自動車等の車両においては、その内燃機関の排気管に排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出器（以降の実施形態中でＯ_２センサと記すことがある）が装着され、酸素濃度検出器が検出する排気ガス中の酸素濃度に基づいて内燃機関の空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する電子制御装置が搭載されている。

具体的には、かかる酸素濃度検出器は、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサ部に加え、センサ部の温度が活性化温度に到達するようにセンサ部を加熱する抵抗素子からなるヒータ素子を備えており、センサ部は、排気ガスに接触するように排気管内に配置され、ヒータ素子は、かかるセンサ部の近傍に位置するように排気管内に配置されるものである。

また、かかる電子制御装置は、内燃機関の空燃比のフィードバック制御を実行する制御機能に加え、近年の法規制にも対応するように酸素濃度検出器のヒータ素子の劣化を判定する劣化判定機能をも有する場合がある。

かかる状況下で、特許文献１は、空燃比センサの診断装置に関し、内燃機関の運転開始後、ヒータ素子の電流値が所定値未満のときに、ヒータ素子が熱劣化していると判定し、空燃比センサが正常時に活性化する所定時間の経過後に、目標空燃比を所定量変化させ、この変化を空燃比センサが検出するまでの遅れ時間が所定時間以上のときに、ヒータ素子の熱劣化を原因として空燃比センサの活性化が遅れる故障を有していると診断する構成を開示する。

特開２００１−２４１３５２号公報

しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１の構成においては、ヒータ素子の電流値に着目してヒータ素子の熱劣化を判定するものであるが、ヒータ付き酸素濃度検出器のヒータ素子の劣化を判定する際には、ヒータ素子は金属製の抵抗線から構成されており、発熱による酸化等を主とするその劣化時には抵抗値が変化（増大）するものであるから、ヒータ素子の抵抗値の実測値と、ヒータ素子が劣化しておらずその抵抗値が本来呈するものである値に対応する所定の閾値と、の大小関係を直接的に判定して、その判定結果によりヒータ素子の劣化を判定することがより適切であると考えられる。

また、本発明者の検討によれば、ヒータ素子の抵抗値が本来呈する値は、ヒータ素子の温度によって変化するものであるため、ヒータ素子の発熱状態やヒータ素子が置かれている排気ガスの温度の要素をも考慮して、ヒータ素子の抵抗値が本来呈する値を規定することが適切であると考えられる。

ここで、本発明者は、内燃機関の運転を開始しヒータ素子の通電を開始してから酸素濃度検出器の温度が活性化温度に到達するまでの期間において、酸素濃度検出器の出力電圧と酸素濃度検出器の温度との間に相関がある相関領域が存在することを知見した。これにより、かかる相関領域における酸素濃度検出器の出力電圧から酸素濃度検出器の温度、つまりヒータ素子の温度を算出し、このように算出したヒータ素子の温度からそれに対応してヒータ素子の抵抗値が本来呈するものである値を規定することが可能となることが分かる。このようにヒータ素子の抵抗値が本来的に呈するものである値が分かれば、その値に対応して所定の閾値を設定することが可能となり、この結果、ヒータ素子の抵抗値の実測値と、かかる所定の閾値と、の大小関係を直接的に判定することが可能となる。そして、その判定結果によりヒータ素子の劣化を判定することが可能となることが分かる。

本発明は、以上の検討経てなされたものであり、簡便な構成で、ヒータ付き酸素濃度検出器のヒータ素子の劣化を、内燃期間が始動してから酸素濃度検出器が活性化するまでの短時間に精度よく判定することが可能な酸素濃度検出器の劣化判定装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するべく、本発明は、車両に搭載された内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧を示す電気信号を活性化後に出力するセンサ素子及び前記センサ素子を活性化温度以上の温度になるように加熱するヒータ素子を有する酸素濃度検出器における前記ヒータ素子に通電を行う通電制御部と、前記ヒータ素子の劣化判定を行う判定部と、を備えた酸素濃度検出器の劣化判定装置であって、前記酸素濃度検出器は、前記ヒータ素子及び前記排気ガスの一方又は双方により前記センサ素子が加熱されて昇温する際の前記センサ素子の前記温度が前記活性化温度に至る所定温度範囲で、前記センサ素子の前記温度と前記電気信号の前記電圧とが相関を示す相関領域を有し、前記判定部は、前記ヒータ素子及び前記排気ガスの一方又は双方により前記センサ素子が加熱される際に前記電気信号の前記電圧が前記相関領域に対応する電圧を示す場合に、前記ヒータ素子の抵抗値と所定の閾値との大小関係に基づいて、前記ヒータ素子の前記劣化判定を行うことを第１の局面とする。

また、本発明は、第１の局面に加えて、前記所定の閾値は、前記ヒータ素子及び前記排気ガスの一方又は双方により前記センサ素子が加熱されて昇温する際に前記電気信号の前記電圧が前記相関領域に対応する電圧を示す場合に、前記相関領域に対応する前記電圧から換算された前記センサ素子の前記温度に基づいて算出されることを第２の局面とする。

また、本発明は、第１又は第２の局面に加えて、前記通電制御部は、前記劣化判定の結果が前記ヒータ素子の劣化を示す場合に、前記ヒータ素子の前記抵抗値の劣化量を補償するデューティ比で、前記ヒータ素子に対してパルス幅変調した電圧を印加して発熱させることを第３の局面とする。

以上の本発明の第１の局面にかかる酸素濃度検出器の劣化判定装置によれば、酸素濃度検出器が、ヒータ素子及び排気ガスの一方又は双方によりセンサ素子が加熱されて昇温する際のセンサ素子の温度が活性化温度に至る所定温度範囲で、センサ素子の温度と電気信号の電圧とが相関を示す相関領域を有し、判定部が、ヒータ素子及び排気ガスの一方又は双方によりセンサ素子が加熱される際に電気信号の電圧が相関領域に対応する電圧を示す場合に、ヒータ素子の抵抗値と所定の閾値との大小関係に基づいて、ヒータ素子の劣化判定を行うものであるため、簡便な構成で、ヒータ付き酸素濃度検出器のヒータ素子の劣化を、内燃期間が始動してから酸素濃度検出器が活性化するまでの短時間に精度よく判定することができる。

また、本発明の第２の局面にかかる酸素濃度検出器の劣化判定装置によれば、閾値が、ヒータ素子及び排気ガスの一方又は双方によりセンサ素子が加熱されて昇温する際に電気信号の電圧が相関領域に対応する電圧を示す場合に、相関領域に対応する電圧から換算されたセンサ素子の温度に基づいて算出されるものであるため、ヒータ素子の温度が相関領域の温度であれば、ヒータ素子の劣化判定を行うことができ、広い温度範囲において酸素濃度検出器のヒータ素子の劣化を判定することができる。

また、本発明の第３の局面にかかる酸素濃度検出器の劣化判定装置によれば、通電制御部が、劣化判定の結果がヒータ素子の劣化を示す場合に、ヒータ素子の抵抗値の劣化量を補償するデューティ比で、ヒータ素子に対してパルス幅変調した電圧を印加して発熱させるものであるため、ヒータ素子が劣化したとしてもヒータ素子を適切に発熱させることができ、酸素濃度検出器を正常に活性化することができる温度に昇温することができる。

図１は、本発明の実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置が実行する劣化判定処理のタイムチャートの一例を示すと共に、ヒータ素子の温度推定可能領域を示す図である。図３（ａ）は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置が実行する劣化判定処理のフローチャートの一例を示す図であり、図３（ｂ）は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置が実行する劣化判定処理で用いるヒータ素子の抵抗値の閾値の一例を示す図である。図４は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置が実行する劣化判定処理後のヒータ素子への通電制御処理のフローチャートの一例を示す図である。

以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置につき、詳細に説明する。

〔構成〕
まず、図１を参照して、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置の構成について、詳細に説明する。

図１は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置の概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１は、図示を省略する車両、典型的には自動二輪車等の鞍乗り型車両に搭載され、図示を省略する内燃機関としてのエンジンから排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出器２のヒータ素子２ｂの劣化を判定するものである。

ここで、酸素濃度検出器２は、エンジンの燃焼室と連通してエンジンの排気ガスを外部に排気する排気管３に装着され、センサ部２ａと、ヒータ素子２ｂと、を備えている。センサ部２ａは、固体電解質であるジルコニア素子を一対の電極で挟んだＯ_２センサにより構成されている。センサ部２ａは、排気ガス中の酸素濃度の高低を活性化後に検出し、このように検出した酸素濃度の高低（Ｒｉｃｈ及びＬｅａｎ）に応じた電圧（詳細は後述する図２（ｂ）に示すＶＨ及びＶＬ）を示す電気信号を出力する。ヒータ素子２ｂは、抵抗素子によって構成され、センサ部２ａの近傍に位置するように排気管３内に配置されている。また、ヒータ素子２ｂは、車両に搭載されているバッテリ等の電源Ｖｃｃからの電力が印加されるのに応じてセンサ部２ａの温度が活性化温度に到達するようにセンサ部２ａを加熱する。

なお、センサ部２ａとしては、このような高低の２値的な電圧ＶＨ及びＶＬを呈する電気信号を出力するＯ_２センサに代えて、排気ガス中の酸素濃度に応じた連続的な出力電圧を呈する電気信号を出力するＡＦ（Ａｉｒ−Ｆｕｅｌ：空燃比）センサや、排気ガス中の酸素濃度に応じた連続的な線形の出力電圧を呈する電気信号を出力するＬＡＦ（ＬｉｎｅａｒＡｉｒ−Ｆｕｅｌ）センサを用いて、排気ガス中の酸素濃度の検出精度を向上してもよい。

本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１は、クランク角センサ４、スロットル開度センサ５、吸気圧センサ６、及びＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）７を備えている。

クランク角センサ４は、エンジンのクランクシャフトの回転角度をクランク角として検出し、このように検出したクランク角を示す電気信号を、図示を省略する入力回路を介してＥＣＵ７に出力する。

スロットル開度センサ５は、図示を省略する吸気管からエンジンに流入する外気の量を調整する図示を省略するスロットルバルブの開度をスロットル開度として検出し、このように検出したスロットル開度を示す電気信号を、図示を省略する入力回路を介してＥＣＵ７に出力する。

吸気圧センサ６は、吸気管からエンジンに流入する外気の圧力を吸気圧として検出し、このように検出した吸気圧を示す電気信号を、図示を省略する入力回路を介してＥＣＵ７に出力する。

ＥＣＵ７は、マイクロコンピュータ等を含む演算処理装置であり、電源Ｖｃｃから電力が供給されて動作する。ＥＣＵ７は、分圧回路７１、ローサイドドライバ７２、電流読出回路７３、入力回路７４、及びＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）７５を備えている。

分圧回路７１は、酸素濃度検出器２のヒータ素子２ｂに印加される電源Ｖｃｃの電圧を分圧し、分圧された電圧をＣＰＵ７５に供給する。

ローサイドドライバ７２は、酸素濃度検出器２のヒータ素子２ｂの下流側（負極側）に接続され、ＣＰＵ７５からの制御信号に従ってヒータ素子２ｂの下流側の通電を断続するようにスイッチング動作するトランジスタ素子である。

電流読出回路７３は、ローサイドドライバ７２を介して酸素濃度検出器２のヒータ素子２ｂの下流側に接続されている。かかる電流読出回路７３は、ヒータ素子２ｂを流れる電流を検出し、このように検出した電流を示す電気信号をＣＰＵ７５に出力する。

入力回路７４は、酸素濃度検出器２のセンサ部２ａから出力された酸素濃度の高低に応じた電圧（ＶＨ及びＶＬ）を示す電気信号をＣＰＵ７５に出力する。

ＣＰＵ７５は、図示を省略するメモリから必要な制御プログラム及び制御データを読み出して、制御プログラムを実行することによって、酸素濃度検出器の劣化判定装置１全体の動作を制御する。

また、ＣＰＵ７５は、通電制御部７５ａ及び判定部７５ｂを機能ブロックとして備えている。通電制御部７５ａは、酸素濃度検出器２のヒータ素子２ｂへの通電を制御する。また、判定部７５ｂは、酸素濃度検出器２のヒータ素子２ｂの劣化判定を行う。なお、通電制御部７５ａ及び判定部７５ｂの各々の処理の詳細については、後述する。

このような構成を有する酸素濃度検出器の劣化判定装置１は、以下に示す劣化判定処理を実行することにより、簡便な構成で、酸素濃度検出器２のヒータ素子２ｂの劣化を、エンジンが始動してから酸素濃度検出器２のセンサ部２ａが活性化するまでの短時間に精度よく判定する。以下、更に図２、図３（ａ）及び図３（ｂ）をも参照して、劣化判定処理を実行する際の酸素濃度検出器の劣化判定装置１の動作について、詳細に説明する。

〔劣化判定処理〕
まず、図２をも参照して、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１が実行する劣化判定処理の原理について、詳細に説明する。

図２は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１が実行する劣化判定処理のタイムチャートの一例を示すと共に、ヒータ素子２ｂの温度推定可能領域（ヒータ温度推定可能領域）を示す図である。なお、図２において、ヒータ素子２ｂの通電（ヒータ素子ＯＮ）は、ヒータ素子２ｂへの結露等を防ぐために、車両のイグニッションスイッチのオンへの切り替え時点（時刻ｔ＝ｔ１：エンジン始動（エンジンＲＵＮ）時点）と同時に開始されるのではなく、エンジンのクランクシャフトが回転して排気工程を経て排気管３内が掃気された時点（時刻ｔ＝ｔ２）に開始されている。

図２に示すように、エンジンが始動すると共にヒータ素子２ｂの通電を開始してからセンサ部２ａの温度（ヒータ素子２ｂの温度に実質等しい）がその雰囲気温度からヒータ素子２ｂ及び排気ガスにより加熱されて昇温し活性化温度ＴＡに到達するまでの期間（時刻ｔ＝ｔ２からｔ３）において、センサ部２ａの出力電圧（センサ電圧）とセンサ部２ａの温度との間に相関がある相関領域が存在する。そこで、本実施形態では、かかる領域をヒータ温度推定可能領域として、ヒータ温度推定可能領域におけるセンサ電圧からセンサ部２ａの温度（センサ電圧Ｖ２以上センサ電圧Ｖ１以下の範囲内にある電圧の値に対応するセンサ部２ａの温度）、つまりヒータ素子２ｂの温度を算出する。

そして、このように算出したヒータ素子２ｂの温度からそれに対応してヒータ素子２ｂの抵抗値（ヒータ抵抗値）が無劣化状態において本来呈するものである値を規定すると共に、ヒータ素子２ｂの抵抗値が本来的に呈するものである値に対応する所定の閾値を算出する。これにより、ヒータ素子２ｂの抵抗値の実測値と、かかる所定の閾値と、の大小関係を直接的に判定し、その判定結果によりヒータ素子２ｂの劣化を判定することができることになる。

次に、図３（ａ）及び図３（ｂ）をも参照して、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１が実行する劣化判定処理の流れについて、詳細に説明する。

図３（ａ）は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１が実行する劣化判定処理のフローチャートの一例を示す図であり、図３（ｂ）は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１が実行する劣化判定処理で用いるヒータ素子の抵抗値の閾値の一例を示す図である。

図３（ａ）に示す劣化判定処理は車両のイグニッションスイッチがオフ状態からオン状態に切り替えられたタイミング（図２に示す時刻ｔ＝ｔ１）で開始となり、劣化判定処理はステップＳ１の処理に進む。かかる劣化判定処理は、典型的には車両のイグニッションスイッチがオフ状態からオン状態に切り替えられたタイミング毎に、１回のみ実行されれば足りる。

ステップＳ１の処理では、判定部７５ｂが、入力回路７４を介してセンサ部２ａの出力電圧（Ｏ_２センサ電圧）を検出する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、劣化判定処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、判定部７５ｂが、ステップＳ１の処理において検出されたＯ_２センサ電圧が図２に示した温度推定可能領域に対応する電圧範囲内（所定範囲内）にあるか否かを判別する。判別の結果、Ｏ_２センサ電圧が所定範囲内にある場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、判定部７５ｂは、劣化判定処理をステップＳ３の処理に進める。一方、Ｏ_２センサ電圧が所定範囲内にない場合には（ステップＳ２：Ｎｏ）、判定部７５ｂは、今回の一連の劣化判定処理を終了する。

ステップＳ３の処理では、判定部７５ｂが、通電制御部７５ａによってヒータ素子２ｂが通電されているか否かを判別する。判別の結果、ヒータ素子２ｂが通電されている場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、判定部７５ｂは、劣化判定処理をステップＳ４の処理に進める。一方、ヒータ素子２ｂが通電されていない場合には（ステップＳ３：Ｎｏ）、判定部７５ｂは、今回の一連の劣化判定処理を終了する。

ステップＳ４の処理では、判定部７５ｂが、分圧回路７１を介してヒータ素子２ｂに印加されている電圧（ヒータ電圧）を検出する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、劣化判定処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、判定部７５ｂが、電流読出回路７３を介してヒータ素子２ｂに通電されている電流（ヒータ電流）を検出する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、劣化判定処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、判定部７５ｂが、ステップＳ４の処理において検出されたヒータ電圧とステップＳ５の処理において検出されたヒータ電流とを用いて、具体的にはステップＳ４の処理において検出されたヒータ電圧をステップＳ５の処理において検出されたヒータ電流で除して、ヒータ素子２ｂの抵抗値（センサ活性化ヒータ抵抗値）を算出する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、劣化判定処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７の処理では、判定部７５ｂが、ヒータ温度推定可能領域におけるセンサ電圧とセンサ部２ａの温度（センサ温度）との間の相関関係に基づいて、ステップＳ１の処理において検出されたＯ_２センサ電圧をセンサ温度に換算する。かかる換算は、メモリに予め記憶されたセンサ電圧及びセンサ温度間のテーブルデータによってもよいし、センサ電圧及びセンサ温度間の関係を規定した計算式によってもよい。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、劣化判定処理はステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ８の処理では、判定部７５ｂが、ステップＳ７の処理において換算されたヒータ素子２ｂの温度から、それに対応してヒータ素子２ｂの抵抗値（ヒータ抵抗値）が本来呈するものである値を規定すると共に、ヒータ素子２ｂの抵抗値が本来的に呈するものである値に対応する故障判定値（ヒータ素子２ｂが故障していると判定する抵抗値）を算出する。かかる故障判定値の算出は、ヒータ抵抗値が本来呈するものである値の算出を行うことなく、ヒータ素子２ｂの温度及び故障判定値間のテーブルデータやヒータ素子２ｂの温度及び故障判定値間の関係を規定した計算式によって直接的に行うことが効率的である。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、劣化判定処理はステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ９の処理では、判定部７５ｂが、ステップＳ７の処理において換算されたヒータ素子２ｂの温度から、それに対応してヒータ素子２ｂの抵抗値（ヒータ抵抗値）が本来呈するものである値を規定すると共に、ヒータ素子２ｂの抵抗値が本来的に呈するものである値に対応する劣化判定値（ヒータ素子２ｂが劣化していると判定する抵抗値）を算出する。かかる異常判定値の算出は、ヒータ抵抗値が本来呈するものと推定される値の算出を行うことなく、ヒータ素子２ｂの温度及び異常判定値間のテーブルデータやヒータ素子２ｂの温度及び異常判定値間の関係を規定した計算式によって直接的に行うことが効率的である。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、劣化判定処理はステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ１０の処理では、判定部７５ｂが、ステップＳ６の処理において算出されたセンサ活性化ヒータ抵抗値がステップＳ８の処理において算出された故障判定値（閾値１）以上であるか否かを判別する。判別の結果、センサ活性化ヒータ抵抗値が故障判定値以上である場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、判定部７５ｂは、劣化判定処理をステップＳ１４の処理に進める。一方、センサ活性化ヒータ抵抗値が故障判定値未満である場合には（ステップＳ１０：Ｎｏ）、判定部７５ｂは、劣化判定処理をステップＳ１１の処理に進める。

ステップＳ１１の処理では、判定部７５ｂが、ステップＳ６の処理において算出されたセンサ活性化ヒータ抵抗値がステップＳ９の処理において算出された劣化判定値（閾値２）以下であるか否かを判別する。判別の結果、センサ活性化ヒータ抵抗値が劣化判定値以下である場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、判定部７５ｂは、劣化判定処理をステップＳ１２の処理に進める。一方、センサ活性化ヒータ抵抗値が劣化判定値より大きい場合には（ステップＳ１１：Ｎｏ）、判定部７５ｂは、劣化判定処理をステップＳ１３の処理に進める。

ステップＳ１２の処理では、判定部７５ｂは、図３（ｂ）に示すように、ヒータ素子２ｂは正常であると判定し、ヒータ素子２ｂが正常であるか否かを示す正常判定フラグの値を１（正常）に設定する。これにより、ステップＳ１２の処理は完了し、今回の一連の劣化判定処理は終了する。

ステップＳ１３の処理では、判定部７５ｂは、図３（ｂ）に示すように、ヒータ素子２ｂは劣化していると判定し、ヒータ素子２ｂが劣化しているか否かを示す劣化判定フラグの値を１（劣化）に設定する。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、今回の一連の劣化判定処理は終了する。

ステップＳ１４の処理では、判定部７５ｂは、図３（ｂ）に示すように、ヒータ素子２ｂは故障していると判定し、ヒータ素子２ｂが故障しているか否かを示す故障判定フラグの値を１（故障）に設定する。これにより、ステップＳ１４の処理は完了し、今回の一連の劣化判定処理は終了する。

〔ヒータ通電処理〕
最後に、図４をも参照して、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１が実行する劣化判定処理後のヒータ素子２ｂへの通電制御処理の流れについて、詳細に説明する。

図４は、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１が実行する劣化判定処理後のヒータ素子への通電制御処理のフローチャートの一例を示す図である。図４に示すフローチャートは、図３（ａ）に示す劣化判定処理が終了したタイミングで開始となり、ヒータ素子２ｂへの通電制御処理（ヒータ通電処理）はステップＳ２１の処理に進む。

ステップＳ２１の処理では、通電制御部７５ａが、故障判定フラグの値が１であるか否かを判別することにより、ヒータ素子２ｂが故障していると判定されているか否かを判別する。判別の結果、ヒータ素子２ｂが故障していると判定されている場合（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、通電制御部７５ａは、ヒータ通電処理をステップＳ２７の処理に進める。一方、ヒータ素子２ｂが故障していると判定されていない場合には（ステップＳ２１：Ｎｏ）、通電制御部７５ａは、ヒータ通電処理をステップＳ２２の処理に進める。

ステップＳ２２の処理では、通電制御部７５ａが、正常判定フラグ及び劣化判定フラグの値に基づいてヒータ素子２ｂの状態を判定済みであるか否かを判別する。判別の結果、ヒータ素子２ｂの状態を判定済みである場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、通電制御部７５ａは、ヒータ通電処理をステップＳ２３の処理に進める。一方、ヒータ素子２ｂの状態を判定済みでない場合には（ステップＳ２２：Ｎｏ）、通電制御部７５ａは、ヒータ通電処理をステップＳ２４の処理に進める。

ステップＳ２３の処理では、通電制御部７５ａが、劣化判定フラグの値が１であるか否かを判別することにより、ヒータ素子２ｂが劣化していると判定されているか否かを判別する。判別の結果、ヒータ素子２ｂが劣化していると判定されている場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、通電制御部７５ａは、ヒータ通電処理をステップＳ２５の処理に進める。一方、ヒータ素子２ｂが劣化していると判定されていない場合には（ステップＳ２３：Ｎｏ）、通電制御部７５ａは、ヒータ通電処理をステップＳ２４の処理に進める。

ステップＳ２４の処理では、通電制御部７５ａが、エンジンの負荷状態に応じてセンサ部２ａを活性化するのに最適なデューティ比でヒータ素子２ｂに対してパルス幅変調した電圧を印加する（ヒータ通常通電）。ここで、エンジンの負荷状態は、実車適合データに基づいて電源電圧（電源Ｖｃｃの電圧）、スロットル開度センサ５からの電気信号に基づくスロットル開度、クランク角センサ４からの電気信号に基づくエンジン回転数、及び吸気圧センサ６からの電気信号に基づく吸気圧等から決定することができる。これにより、ステップＳ２４の処理は完了し、今回の一連のヒータ通電処理は終了する。

ステップＳ２５の処理では、通電制御部７５ａが、劣化判定処理において算出されたセンサ活性化ヒータ抵抗値を標準のセンサ活性化ヒータ抵抗値で除算した値をヒータ素子２ｂの抵抗値の劣化量を補償するための抵抗値増加割合として算出する。これにより、ステップＳ２５の処理は完了し、ヒータ通電処理はステップＳ２６の処理に進む。

ステップＳ２６の処理では、通電制御部７５ａが、エンジンの負荷状態に応じてセンサ部２ａを活性化するのに最適なデューティ比にステップＳ２５の処理において算出された抵抗値増加割合を乗算したデューティ比でヒータ素子２ｂに対してパルス幅変調した電圧を印加する（ヒータ割増通電）。これにより、ステップＳ２６の処理は完了し、今回の一連のヒータ通電処理は終了する。

ステップＳ２７の処理では、通電制御部７５ａが、ヒータ素子２ｂへの通電を停止する。これにより、ステップＳ２７の処理は完了し、今回の一連のヒータ通電処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１では、センサ部２ａが、ヒータ素子２ｂ及び排気ガスの一方又は双方によりセンサ部２ａが加熱されて昇温する際のセンサ素子２ａの温度が活性化温度に至る所定温度範囲で、センサ部２ａの温度とセンサ電圧とが相関を示す相関領域を有し、判定部７５ｂが、ヒータ素子２ｂ及び排気ガスの一方又は双方によりセンサ部２ａが加熱される際にセンサ電圧が相関領域に対応する電圧を示す場合に、ヒータ素子２ｂの抵抗値と所定の閾値との大小関係に基づいて、ヒータ素子２ｂの劣化判定を行うので、簡便な構成で、ヒータ素子２ｂの劣化を、エンジンが始動してセンサ部２ａが活性化するまでの短時間に精度よく判定することができる。

また、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１では、所定の閾値が、ヒータ素子２ｂ及び排気ガスの一方又は双方によりセンサ部２ａが加熱されて昇温する際にセンサ電圧が相関領域に対応する電圧を示す場合に、相関領域に対応する電圧から換算されたセンサ部２ａの温度に基づいて算出されるので、ヒータ素子２ｂの温度が相関領域の温度であれば、ヒータ素子２ｂの劣化判定を行うことができ、広い温度範囲においてヒータ素子２ｂの劣化を判定することができる。

また、本実施形態における酸素濃度検出器の劣化判定装置１では、通電制御部７５ａが、劣化判定の結果がヒータ素子２ｂの劣化を示す場合に、ヒータ素子２ｂの抵抗値の劣化量を補償するデューティ比で、ヒータ素子２ｂに対してパルス幅変調した電圧を印加して発熱させるので、ヒータ素子２ｂが劣化したとしてもヒータ素子２ｂを適切に発熱させることができ、センサ部２ａを正常に活性化することができる温度に昇温することができる。

なお、本発明は、構成要素の種類、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、かかる構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。

以上のように、本発明は、簡便な構成で、ヒータ付き酸素濃度検出器のヒータ素子の劣化を、内燃期間が始動してから酸素濃度検出器が活性化するまでの短時間に精度よく判定することが可能な酸素濃度検出器の劣化判定装置を提供することができるものであり、その汎用普遍的な性格から自動車や二輪自動車等の車両に搭載されている酸素濃度検出器に広範に適用され得るものと期待される。

１…酸素濃度検出器の劣化判定装置
２…酸素濃度検出器
２ａ…センサ部
２ｂ…ヒータ素子
３…排気管
４…クランク角センサ
５…スロットル開度センサ
６…吸気圧センサ
７…ＥＣＵ
７１…分圧回路
７２…ローサイドドライバ
７３…電流読出回路
７４…入力回路
７５…ＣＰＵ
７５ａ…通電制御部
７５ｂ…判定部
Ｖｃｃ…電源

Claims

車両に搭載された内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に応じた電圧を示す電気信号を活性化後に出力するセンサ素子及び前記センサ素子を活性化温度以上の温度になるように加熱するヒータ素子を有する酸素濃度検出器における前記ヒータ素子に通電を行う通電制御部と、前記ヒータ素子の劣化判定を行う判定部と、を備えた酸素濃度検出器の劣化判定装置であって、
前記酸素濃度検出器は、前記ヒータ素子及び前記排気ガスの一方又は双方により前記センサ素子が加熱されて昇温する際の前記センサ素子の前記温度が前記活性化温度に至る所定温度範囲で、前記センサ素子の前記温度と前記電気信号の前記電圧とが相関を示す相関領域を有し、
前記判定部は、前記ヒータ素子及び前記排気ガスの一方又は双方により前記センサ素子が加熱される際に前記電気信号の前記電圧が前記相関領域に対応する電圧を示す場合に、前記ヒータ素子の抵抗値と所定の閾値との大小関係に基づいて、前記ヒータ素子の前記劣化判定を行うことを特徴とする酸素濃度検出器の劣化判定装置。
前記所定の閾値は、前記ヒータ素子及び前記排気ガスの一方又は双方により前記センサ素子が加熱されて昇温する際に前記電気信号の前記電圧が前記相関領域に対応する電圧を示す場合に、前記相関領域に対応する前記電圧から換算された前記センサ素子の前記温度に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度検出器の劣化判定装置。
前記通電制御部は、前記劣化判定の結果が前記ヒータ素子の劣化を示す場合に、前記ヒータ素子の前記抵抗値の劣化量を補償するデューティ比で、前記ヒータ素子に対してパルス幅変調した電圧を印加して発熱させることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃度検出器の劣化判定装置。