JP2020076639A - ガスセンサの故障検出装置、ガスセンサの故障検出方法 - Google Patents

ガスセンサの故障検出装置、ガスセンサの故障検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】被検出ガスに含まれる所定成分の濃度を問わず、限界電流式ガスセンサの故障を検出可能な技術を提供する。【解決手段】本発明は、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質に取り付けられた一対の電極と、被検出ガスを拡散律速して一対の電極の一方へ導く拡散律速部と、を含むセンサ素子を備え、被検出ガス中に含まれる所定成分の濃度を検出する限界電流式ガスセンサに適用される、故障検出装置である。該故障検出装置は、ガスセンサが故障してない場合における限界電流域より低電圧側の電圧であって且つ正の電圧である所定電圧を、一対の電極間に印加させる通電手段と、所定電圧が一対の電極間に印加されているときに、該一対の電極間を流れる電流である判定用電流を取得する取得手段と、判定用電流に基づいて、前記ガスセンサの故障を判定する判定手段と、を備える。【選択図】図９

Description

本発明は、ガスセンサの故障検出装置及びガスセンサの故障検出方法に関する。
近年、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質に取り付けられた一対の電極と、被検出ガスを拡散律速して一対の電極の一方へ導く拡散律速部と、を含むセンサ素子を備え、被検出ガス中に含まれる酸素や酸化物（例えば、水蒸気、窒素酸化物、硫黄酸化物等）の濃度を検出する限界電流式のガスセンサが普及してきている。斯様なガスセンサは、内燃機関の排気に含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度センサとして用いられる場合がある。
ここで、特許文献１には、内燃機関の排気通路における排気浄化触媒より下流に配置される酸素濃度センサの故障を検出する技術として、排気浄化触媒より上流に空燃比センサを配置して、酸素濃度センサの検出信号がリッチな酸素濃度を示し且つ空燃比センサの検出信号がリーンな空燃比を示している期間中に排気浄化触媒へ流入する酸素量を積算することで、排気浄化触媒の酸素吸蔵能力を推定し、推定された酸素吸蔵能力が所定の閾値を超えていれば、酸素センサが故障していると判定する技術が開示されている。
特開２００４−０１９５４２号公報 特開２００６−１１３０４８号公報
ところで、上記したような従来技術では、被検出ガスに含まれる所定成分の濃度が特定の濃度であるときでなければ、酸素濃度センサの故障を検出することができないという制約がある。
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検出ガスに含まれる所定成分の濃度を検出するための限界電流式ガスセンサの故障検出装置において、被検出ガスに含まれる所定成分の濃度を問わず、ガスセンサの故障を検出することができる技術を提供することにある。
本発明は、上記した課題を解決するために、限界電流域より低圧側の電圧であって且つ正の電圧である所定電圧を限界電流式ガスセンサの一対の電極間に印加した際に、それら電極間を流れる電流は、ガスセンサが故障している場合と故障していない場合とで顕著な差を示すことに着目して、ガスセンサの故障を検出するものである。
詳細には、本発明は、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質に取り付けられた一対の電極と、被検出ガスを拡散律速して一対の電極の一方へ導く拡散律速部と、を含むセンサ素子を備え、被検出ガス中に含まれる所定成分の濃度を検出する限界電流式ガスセンサに適用される、故障検出装置である。該故障検出装置は、前記ガスセンサが故障してない場合における限界電流域より低電圧側の電圧であって且つ正の電圧である所定電圧を、前記一対の電極間に印加させる通電手段と、前記通電手段によって前記所定電圧が前記一対の電極間に印加されているときに、該一対の電極間を流れる電流である判定
用電流を取得する取得手段と、前記取得手段によって取得される前記判定用電流に基づいて、前記ガスセンサの故障を判定する判定手段と、を備えるようにした。
ここでいう「限界電流域」とは、一対の電極間に印加される電圧（以下、「印加電圧」と記す場合もある。）とそれら電極間を流れる電流（以下、「電極電流」と記す場合もある。）との間に、限界電流特性が発現する印加電圧の範囲である。また、ここでいう「判定用電流に基づいてガスセンサの故障を判定する」とは、判定用電流を判定用の閾値と比較することで、ガスセンサの故障を検出する態様に限定されず、判定用電流から一対の電極間の抵抗値を演算して、その抵抗値を判定用の閾値と比較することで、ガスセンサの故障を検出する態様であってもよい。
限界電流式のガスセンサが故障していない状態において、限界電流域の電圧が一対の電極間に印加されると、被検出ガスに含まれる所定成分の濃度に比例した大きさの電流（限界電流）がそれら電極間を流れる。ところで、限界電流域の電圧が一対の電極間に印加された際の電極電流は、ガスセンサが故障している場合と故障していない場合とにおいて顕著な差を生じ難い。これに対し、限界電流域より低圧側の電圧であって且つ正の電圧（所定電圧）が一対の電極間に印加された際の電極電流（判定用電流）は、ガスセンサが故障している場合と故障していない場合とにおいて顕著な差を生じ易い。さらに、斯様な差は、被検出ガスに含まれる所定成分の濃度にかかわらず発現する。よって、本発明に係る故障検出装置によれば、判定用電流に基づいてガスセンサの故障検出を行うことで、被検出ガスに含まれる所定成分の濃度を問わず、ガスセンサの故障を検出することができる。
ここで、本発明が適用されるガスセンサは、内燃機関の排気通路に配置され、前記被検出ガスとしての排気に含まれる前記所定成分としての酸素の濃度を検出するセンサであってもよい。その場合、ガスセンサが故障している場合は故障していない場合に比べ、判定用電流が大きくなる特性である故障特性に基づいて、判定手段が、ガスセンサの故障を判定するようにしてもよい。これによれば、上記故障特性が発現する故障を検出することができる。
なお、上記故障特性は、例えば、被検出ガスとしての排気が一対の電極のうちの一方の電極のみならず他方の電極にも接触してしまうような故障が発生した場合に発現し易い。ここで、限界電流式のガスセンサが排気中の酸素濃度を検出するためのセンサとして用いられる場合には、一対の電極のうち一方の電極は、大気が導入される基準ガス室に臨むように配置される一方で、一対の電極のうち他方の電極は、拡散律速部を介して導入される被検出ガスとしての排気に曝されるように配置されるのが一般的である。斯様なガスセンサにおいて、基準ガス室に排気が進入する故障が発生すると、上記故障特性が発現し易くなる。そこで、通電手段は、基準ガス室に排気が進入する故障の発生時に上記故障特性が発現する電圧を、上記所定電圧として一対の電極間に印加するようにしてもよい。これにより、基準ガス室に排気が進入する故障をより確実に検出することができる。
なお、基準ガス室に排気が進入する故障の発生時に上記故障特性が発現する電圧としては、排気の空燃比が理論空燃比よりリーンなリーン空燃比であれば、基準ガス室に排気が進入している場合と基準ガス室に排気が進入していない場合とで判定用電流の正負が逆になる電圧（例えば、０．１ボルト）を用いることができる。斯様な電圧が所定電圧に設定されれば、基準ガス室に排気が進入する故障が発生した場合に、上記故障特性がより確実に発現するため、故障検出精度を高めることができる。
なお、基準ガス室に排気が進入する故障の発生時に上記故障特性が発現する電圧が所定電圧に設定される場合においては、判定手段は、取得手段によって取得される判定用電流が所定の閾値より大きければ、ガスセンサが故障していると判定することができる。また
、判定手段は、取得手段によって取得される前記判定用電流と前記所定電圧とに基づいて前記一対の電極間における抵抗値を演算し、その抵抗値が所定の上限値より大きい場合及びその抵抗値が所定の下限値より小さい場合に、前記ガスセンサが故障していると判定することもできる。
また、本発明に係るガスセンサが排気中の酸素濃度を検出するためのセンサに適用される場合に、該ガスセンサは、センサ素子を加熱するためのヒータを更に備えるようにしてもよい。その場合、故障検出装置は、通電手段が一対の電極間に所定電圧を印加する際に、センサ素子の温度を該センサ素子の活性温度より高い所定温度以上に上昇させるべくヒータを制御するヒータ制御手段を更に備えるようにしてもよい。ここでいう「センサ素子の活性温度」とは、固体電解質の酸素イオン伝導性が発現する温度である。
ここで、センサ素子の温度が活性温度以上となる状態では、一対の電極間に所定電圧が印加される際のセンサ素子の温度が低いときより高いときの方が、基準ガス室に排気が進入していない場合における判定用電流がより一層小さくなるとともに、基準ガス室に排気が進入している場合における判定用電流がより一層大きくなる。つまり、センサ素子の温度が活性温度以上となる状態では、所定電圧が一対の電極間に印加される際のセンサ素子の温度が低いときよりも高いときの方が、基準ガス室に排気が進入していない場合と基準ガス室に排気が進入している場合とにおける判定用電流の差がより一層大きくなる。よって、所定電圧が一対の電極間に印加される際のセンサ素子の温度が所定温度以上となるように、ヒータが制御されれば、故障検出精度を高めることができる。
上記した所定温度は、例えば、７５０℃から８５０℃の範囲内で設定されてもよい。ガスセンサのセンサ素子は、大凡６００℃前後で活性するが、それより高い７５０℃から８５０℃までセンサ素子が昇温させられると、一対の電極間の抵抗値が大幅に低下することで、基準ガス室に排気が進入していない場合と基準ガス室に排気が進入している場合とにおける判定用電流の差がより顕著に大きくなる。その結果、故障検出精度をより確実に高めることができる。なお、ヒータによってセンサ素子を加熱する場合には、センサ素子の温度が９００℃を超えないようにヒータが制御されるものとする。これは、センサ素子の温度が９００℃を超えると、ガスセンサの測定精度が低下したり、ガスセンサが熱劣化したりするためである。
また、本発明は、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質に取り付けられた一対の電極と、被検出ガスを拡散律速して一対の電極の一方へ導く拡散律速部と、を含むセンサ素子を備え、被検出ガス中に含まれる所定成分の濃度を検出する限界電流式ガスセンサに適用される、故障検出方法として捉えることもできる。その場合の故障検出方法は、ガスセンサが故障してない場合における限界電流域より低電圧側の電圧であって且つ正の電圧である所定電圧を、一対の電極間に印加させるステップと、所定電圧が一対の電極間に印加されているときに該一対の電極間を流れる電流である判定用電流を取得するステップと、判定用電流に基づいて、ガスセンサの故障を判定するステップと、を含むようにしてもよい。
本発明によれば、被検出ガスに含まれる所定成分の濃度を問わず、限界電流式ガスセンサの故障を検出することができる。
本発明の対象となるガスセンサが適用される内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの概略構成を示す図である。 印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を示す図である。 限界電流Ｉｌｃと空燃比Ａ／Ｆとの相関を示す図である。 センサ素子に割れが発生した状態の一例を示す図である。 排気の空燃比がリーン空燃比となる状態で基準ガス室に排気が進入している場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を示す図である。 排気の空燃比が理論空燃比となる状態で基準ガス室に排気が進入している場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を示す図である。 排気の空燃比がリッチ空燃比となる状態で基準ガス室に排気が進入している場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を示す図である。 第１実施形態において、ＥＣＵが故障検出処理を行う際に実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。 基準ガス室に排気が進入していない場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を示す図である。 基準ガス室に排気が進入している場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を示す図である。 第２実施形態において、ＥＣＵが故障検出処理を行う際に実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
＜第１実施形態＞
本発明の第１の実施形態について図１から図９に基づいて説明する。ここでは、車両に搭載される内燃機関から排出される排気を被検出ガスとし、同排気中に含まれる酸素の濃度（空燃比（Ａ／Ｆ））を所定成分の濃度として検出するＡ／Ｆセンサに、本発明を適用する例について述べる。
図１は、本発明の対象となるガスセンサが適用され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、複数の気筒２を備えた火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。なお、内燃機関１は、軽油を燃料として用いる圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。
内燃機関１は、気筒２内へ通じる吸気通路３及び排気通路４が接続されている。吸気通路３における内燃機関１の近傍の部位（例えば、吸気ポートやインテークマニホールド）には、燃料噴射弁５が取り付けられている。なお、燃料噴射弁５は、気筒２内に直接燃料を噴射可能な位置に配置されてもよい。燃料噴射弁５から噴射される燃料は、吸気通路３を流れる空気と混ざり合って混合気を形成する。斯様な混合気は、気筒２内で点火プラグ８により着火されて燃焼する。
燃料噴射弁５より上流の吸気通路３には、該吸気通路３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スロットルバルブ６が設けられる。吸気通路３におけるスロットルバルブ６より上流の部位には、吸気通路３を流れる新気（空気）の質量を計測するエアフローメータ７が設けられる。
一方、排気通路４の途中には、排気浄化触媒を収容した触媒ケーシング９が配置される。触媒ケーシング９に収容される排気浄化触媒は、例えば、三元触媒、ＮＯＸ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ（NOX Storage Reduction）触媒）、選択還元型触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）、酸化触媒等である。触媒ケーシング９より上流の排気通路
４には、第１Ａ／Ｆセンサ１０ａが配置される。また、触媒ケーシング９より下流の排気通路４には、第２Ａ／Ｆセンサ１０ｂが配置される。これら第１Ａ／Ｆセンサ１０ａ及び第２Ａ／Ｆセンサ１０ｂ（以下では「Ａ／Ｆセンサ１０」と総称する場合もある。）は、前述したように、排気中に含まれる酸素の濃度を検出するセンサであり、本発明に係るガスセンサに相当する。なお、Ａ／Ｆセンサ１０の具体的な構成については後述する。
上記したように構成される内燃機関１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１２
が併設される。ＥＣＵ１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ１２は、前述のエアフローメータ７やＡ／Ｆセンサ１０に加え、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）を測定するためのアクセルポジションセンサ１３、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置を測定するためのクランクポジションセンサ１５、内燃機関１を循環する冷却水の温度を測定するための水温センサ１４等の各種センサと電気的に接続され、それら各種センサの測定値が該ＥＣＵ１２に入力されるようになっている。
また、ＥＣＵ１２は、内燃機関１に装備される各種機器（例えば、燃料噴射弁５、スロットルバルブ６、点火プラグ８等）と電気的に接続され、上記各種センサの測定値に基づいてそれらの機器を制御することが可能になっている。例えば、ＥＣＵ１２は、クランクポジションセンサ１５の測定値から演算される機関回転速度、アクセルポジションセンサ１３により測定されるアクセル開度、水温センサ１４により測定される冷却水温度等に基づいて、目標燃料噴射量、目標燃料噴射タイミング、目標点火タイミング、目標スロットル開度等を演算し、それらの目標値に基づいて上記各種機器を制御する。
（Ａ／Ｆセンサの構成）
次に、Ａ／Ｆセンサ１０の構成について図２に基づいて説明する。図２は、本実施形態におけるＡ／Ｆセンサ１０の概略構成を示す図である。本実施形態におけるＡ／Ｆセンサ１０は、図２に示すように、有底の筒状に形成される固体電解質層１０１と、固体電解質層１０１の外周面に取り付けられる環状の排気側電極１０２と、固体電解質層１０１の内周面における排気側電極１０２と対向する部位に取り付けられる環状の大気側電極１０３と、固体電解質層１０１の外側の壁面及び排気側電極１０２を覆うように形成される拡散律速層１０４と、固体電解質層１０１の内部に形成され、大気が導入される基準ガス室１０５と、基準ガス室１０５内に配置され、固体電解質層１０１を加熱するためのヒータ１０６と、を含むセンサ素子１００を備えている。斯様なセンサ素子１００は、排気通路４を流れる排気に曝されるように配置される。その際、拡散律速層１０４の外側には、該拡散律速層１０４に液体等が付着することを防止するための保護層が設けられてもよい。
固体電解質層１０１は、例えば、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、酸素イオン伝導性を有する酸化物の焼結体で形成される。拡散律速層１０４は、アルミナ、マグネシア、ケイ石質、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る。排気側電極１０２及び大気側電極１０３は、Ｐｔ（白金）等の触媒活性の高い貴金属により形成される。なお、排気側電極１０２及び大気側電極１０３を形成する材料は、それらの電極間に所望の電圧が印加されたときに、拡散律速層１０４を介して排気側電極１０２に導かれた排気中の酸素を電気分解することができる限り、特に限定されない。
また、Ａ／Ｆセンサ１０は、センサ素子１００の排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に、大気側電極１０３の電位が排気側電極１０２の電位より高くなるような電圧を印加するための電源１０７を備えている。電源１０７から排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加される電圧の大きさは、ＥＣＵ１２によって制御されるようになっている。さらに、Ａ／Ｆセンサ１０は、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間を流れ
る電流（すなわち、固体電解質層１０１を流れる電流）の大きさを測定するための電流計１０８を備えている。電流計１０８の測定値は、ＥＣＵ１２に入力される。
（Ａ／Ｆセンサによる空燃比検出動作）
上記したように構成されるＡ／Ｆセンサ１０で排気の空燃比を検出する場合には、先ず、ＥＣＵ１２が、ヒータ１０６によってセンサ素子１００を活性温度以上に加熱する。ここでいう「活性温度」は、固体電解質の酸素イオン伝導性が発現する温度であり、例えば、６００℃前後である。センサ素子１００の温度が上記活性温度以上へ上昇すると、ＥＣＵ１２は、酸素の電気分解が発現し得る電圧を、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加する。
ここで、センサ素子１００が活性温度以上に昇温している状態において、酸素の電気分解が発現し得る電圧が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されると、排気側電極１０２において排気中の酸素が電気分解されることでイオン化し、イオン化された酸素が排気側電極１０２から固体電解質層１０１を介して大気側電極１０３へ伝導される、所謂「酸素ポンピング作用」が発現する。酸素ポンピング作用によって排気側電極１０２から大気側電極１０３へ酸素イオンが移動すると、それら電極間に電流が流れる。その際、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間を流れる電流（電極電流）は、それらの電極間に印加される電圧（印加電圧）が増加するほど大きくなる傾向を有する。ただし、排気通路４内から排気側電極１０２へ到達する排気の量が拡散律速層１０４によって制限されることで、酸素ポンピング作用に伴う酸素の消費速度が排気側電極１０２への酸素の供給速度を超えると、酸素の電気分解反応が拡散律速状態になる。拡散律速状態においては、印加電圧が増加されても、電極電流が増加させずに略一定となる、所謂「限界電流特性」が発現する。限界電流特性が発現する印加電圧の範囲は「限界電流域」と称され、斯様な限界電流域の電圧が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときの電極電流が「限界電流」と称される。
図３は、Ａ／Ｆセンサ１０における印加電圧（Ｖｅｖ）と電極電流（Ｉｅｃ）との相関を示す図である。図３中において、実線は排気の空燃比が理論空燃比よりリーンなリーン空燃比であるときの相関を示し、一点鎖線は排気の空燃比が理論空燃比であるときの相関を示し、二点鎖線は排気の空燃比が理論空燃比よりリッチなリッチ空燃比であるときの相関を示している。なお、本実施形態におけるＡ／Ｆセンサ１０は、排気の空燃比が理論空燃比であるときの限界電流（Ｉｌｃ０）が０アンペアとなるように構成されている。
図３に示すように、印加電圧Ｖｅｖが限界電流域より低圧側の電圧となる範囲では、印加電圧Ｖｅｖが増加するにつれて電極電流Ｉｅｃが大きくなっているが、印加電圧Ｖｅｖが限界電流域の電圧となる範囲では、印加電圧Ｖｅｖの大きさにかかわらず電極電流Ｉｅｃが略一定になっている。そして、排気の空燃比がリーン空燃比であるときの限界電流（図３中のＩｅｃ２に相当）は、排気の空燃比が理論空燃比であるときの限界電流（図３中のＩｅｃ１に相当）より大きいプラス電流になる。これは、排気に含まれる余剰の酸素が排気側電極１０２でイオン化されて大気側電極１０３へ伝導されることで、電源１０７の正極から固体電解質層１０１を介して電源１０７の負極へ電流が流れるためである。なお、排気の空燃比が大きくなるほど（リーン度合が大きくなるほど）、排気側電極１０２から大気側電極１０３へ伝導される酸素イオンの量が多くなるため、それに伴って電源１０７の正極から固体電解質層１０１を介して電源１０７の負極へ流れる電流が大きくなる。
一方、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときの限界電流（図３中のＩｅｃ３に相当）は、排気の空燃比が理論空燃比であるときの限界電流（図３中のＩｅｃ１に相当）より小さいマイナス電流になる。これは、基準ガス室１０５の大気に含まれる酸素が大気側電極１０３でイオン化されて排気側電極１０２へ伝導されるとともに、排気側電極１０２へ伝
導された酸素が排気に含まれる未燃燃料成分（ＨＣやＣＯ等）を酸化させることで、電源１０７の負極から固体電解質層１０１を介して電源１０７の正極へ電流が流れるためである。なお、排気の空燃比が小さくなるほど（リッチ度合が大きくなるほど）、排気中の未燃燃料成分を酸化させるために消費される酸素量が多くなるため（すなわち、大気側電極１０３から排気側電極１０２へ伝導される酸素イオンの量が多くなるため）、それに伴って電源１０７の負極から固体電解質層１０１を介して正極へ流れる電流が大きくなる。
したがって、限界電流式のＡ／Ｆセンサ１０は、図４に示すように、排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、限界電流Ｉｌｃがプラス電流になるとともに、排気の空燃比が大きくなるほど（リーン度合が大きくなるほど）限界電流Ｉｌｃが大きくなる一方で、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときは、限界電流Ｉｌｃがマイナス電流になるとともに、排気の空燃比が小さくなるほど（リッチ度合が大きくなるほど）限界電流Ｉｌｃが小さくなる特性を有する。なお、図４は、限界電流域の電圧（例えば、０．４ボルト前後）が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときの、限界電流Ｉｌｃと排気の空燃比との相関を示している。
そこで、排気の空燃比を検出する場合には、ＥＣＵ１２は、センサ素子１００が上記活性温度以上に昇温している状態で、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に目標電圧Ｖｔｒｇが印加されるように電源１０７を制御することで、限界電流Ｉｌｃを取得すればよい。そして、ＥＣＵ１２は、取得された限界電流Ｉｌｃと図４に示したような相関とに基づいて、排気の空燃比を演算すればよい。ここでいう「目標電圧Ｖｔｒｇ」は、限界電流域に含まれる電圧である。なお、限界電流域の始点（限界電流域における最小の電圧）は、排気の空燃比が高くなるほど高電圧側へシフトする傾向がある。そのため、内燃機関１の運転時に排気の空燃比が取り得る最大の空燃比（リーン度合が最も大きい空燃比）の始点よりも大きな電圧（例えば、０．４ボルト前後）が目標電圧Ｖｔｒｇに定められるものとする。斯様な目標電圧Ｖｔｒｇは、予め実験やシミュレーションの結果に基づいて定められている。
（Ａ／Ｆセンサの故障）
ところで、上記したような限界電流式のＡ／Ｆセンサ１０では、被検出ガスとしての排気が基準ガス室１０５に進入するような故障が発生し得る。例えば、排気通路４内で発生した凝縮水の被水等に起因して、センサ素子１００に割れ等が生じる場合がある。すなわち、図５に示すように、固体電解質層１０１及び拡散律速層１０４を貫通する割れ（図５中のＣ１）や、固体電解質層１０１、拡散律速層１０４、及び電極１０２、１０３を貫通する割れ（図５中のＣ２）等が発生する可能性がある。斯様な割れが発生すると、排気通路４を流れる排気の一部が上記割れＣ１、Ｃ２を介して基準ガス室１０５へ進入して、基準ガス室１０５内の大気に混入する。
ここで、上記したような割れ等によって基準ガス室１０５に排気が進入している場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関について、図６から図８に基づいて説明する。図６は、排気の空燃比がリーン空燃比であるときの相関を示す。図７は、排気の空燃比が理論空燃比であるときの相関を示す。図８は、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときの相関を示す。なお、図６から図８の各図において、実線は基準ガス室１０５に排気が進入していない場合（Ａ／Ｆセンサ１０が故障していない場合）の相関を示し、一点鎖線は基準ガス室１０５に排気が進入している場合（Ａ／Ｆセンサ１０が故障している場合）の相関を示す。
排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、図６に示すように、目標電圧Ｖｔｒｇが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際の電極電流は、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合（図６中のＩｅｃ２）と基準ガス室１０５に排気が進入し
ている場合（図６中のＩｅｃ２’）とが略同等になる。これは、余剰の酸素を含むリーン空燃比の排気が基準ガス室１０５へ進入しても、排気側電極１０２と大気側電極１０３との酸素分圧の差（排気側電極１０２と大気側電極１０３との電位差）が殆ど変わらず、それによって排気側電極１０２から大気側電極１０３へ移動する酸素イオンの量も殆ど変わらないためである。よって、排気の空燃比がリーン空燃比である場合において、目標電圧Ｖｔｒｇが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際の電極電流に基づいて、Ａ／Ｆセンサ１０の故障を検出することは困難である。
一方、排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比であるときは、図７及び図８に示すように、目標電圧Ｖｔｒｇが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際の電極電流は、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合（図７中のＩｅｃ１、及び図８中のＩｅｃ３）に比べ、基準ガス室１０５に排気が進入している場合（図７中のＩｅｃ１’、及び図８中のＩｅｃ３’）の方が大きくなる（すなわち、プラス側へシフトする）。これは、理論空燃比又はリッチ空燃比の排気が基準ガス室１０５へ進入すると、排気側電極１０２と大気側電極１０３との酸素分圧の差（排気側電極１０２と大気側電極１０３との酸素分圧の差）が小さくなることで、大気側電極１０３から排気側電極１０２へ伝導される酸素イオンの量が減少するためである。ただし、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合の電極電流Ｉｅｃ１、Ｉｅｃ３と基準ガス室１０５に排気が進入している場合の電極電流Ｉｅｃ１’、Ｉｅｃ３’との差が比較的小さいため、Ａ／Ｆセンサ１０の故障を精度良く検出することができない可能性がある。特に、基準ガス室１０５へ進入する排気の量が微量である場合には、Ａ／Ｆセンサ１０のバラツキや初期公差等の影響によって故障検出精度が低下する可能性がある。よって、排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比である場合において、目標電圧Ｖｔｒｇが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際の電極電流に基づいて、Ａ／Ｆセンサ１０の故障を精度良く検出することは困難である。
（Ａ／Ｆセンサの故障検出）
本実施形態では、限界電流域より低圧側の電圧であって且つ正の電圧である所定電圧が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際の電極電流には、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合と基準ガス室１０５に排気が進入している場合とで顕著な差が現れることに着目して、Ａ／Ｆセンサ１０の故障検出を行うようにした。
ここで、基準ガス室１０５に排気が進入していない状態において、限界電流域より低圧側の電圧が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された場合は、前述の図３に示したように、印加電圧が小さくなるほど電極電流が小さくなる。特に、０．１ボルト前後の比較的小さい所定電圧（図３中のＶｐｒｅ）が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された場合には、電極電流（判定用電流）が比較的小さいマイナス電流となる。また、０．１ボルト前後の比較的小さい所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際の判定用電流は、基準ガス室１０５に排気が進入していなければ、排気の空燃比を問わず略一定の電流（図３中のＩｅｃｓｔ）になる。
これに対し、基準ガス室１０５に排気が進入している場合は、限界電流域より低圧側の電圧であって且つ正の電圧が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際の電極電流が、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合よりも大きくなる（本発明に係る「故障特性」）。特に、基準ガス室１０５に排気が進入している場合に、上記したような０．１ボルト前後の比較的小さい所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されると、排気の空燃比にかかわらず、判定用電流が上記Ｉｅｃｓｔよりも顕著に大きな値を示す。詳細には、排気の空燃比がリーン空燃比である状態において、限界電流域より低圧側の電圧であって且つ正の電圧が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときには、図６に示すように、基準ガス室１０５に排気が進
入していない場合よりも基準ガス室１０５に排気が進入している場合の方が、電極電流Ｉｅｃが大きくなる。特に、上記所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときには、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合の判定用電流（図６中のＩｅｃ２０（＝Ｉｅｃｓｔ））がマイナス電流であるのに対し、基準ガス室１０５に排気が進入している場合の判定用電流（図６中のＩｅｃ２０’）がプラス電流となる。すなわち、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合と基準ガス室１０５に排気が進入している場合とで、判定用電流の正負が逆になる。
また、排気の空燃比が理論空燃比となる状態において、限界電流域より低圧側の電圧であって且つ正の電圧が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときも、図７に示すように、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合よりも基準ガス室１０５に排気が進入している場合の方が、電極電流Ｉｅｃが大きくなる。そして、上記所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときには、基準ガス室１０５に排気が進入してない場合の判定用電流（図７中のＩｅｃ１０（＝Ｉｅｃｓｔ））がマイナス電流であるのに対し、基準ガス室１０５に排気が進入している場合の判定用電流（図７中のＩｅｃ１０’）がプラス電流となる。
さらに、排気の空燃比がリッチ空燃比となる状態において、限界電流域より低圧側の電圧であって且つ正の電圧が排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときも、図８に示すように、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合よりも基準ガス室１０５に排気が進入している場合の方が、電極電流Ｉｅｃが大きくなる。そして、上記所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときには、基準ガス室１０５に排気が進入している場合の判定用電流（図８中のＩｅｃ３０’）は、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合の判定用電流（図８中のＩｅｃ３０（＝Ｉｅｃｓｔ））と同様にマイナス電流になるものの、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合の判定用電流（図８中のＩｅｃ３０）に対して顕著に大きくなる。
なお、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合と基準ガス室１０５に排気が進入している場合とにおける判定用電流の差は、排気の空燃比が小さい場合よりも大きい場合の方が大きくなる傾向がある。
ここで、図６から図８に示したような故障特性は、基準ガス室１０５に排気が進入している場合は進入していない場合に比べ、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間の酸素分圧の差が小さくなることで、大気側電極１０３から排気側電極１０２へ伝導される酸素イオンの量が少なるため、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に電圧が印加された際に大気側電極１０３から排気側電極１０２へ電流が流れ易くなることに因ると考えられる。
そこで、本実施形態では、基準ガス室１０５に排気が進入することに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障発生時に上記故障特性が発現する電圧を、上記所定電圧Ｖｐｒｅに定めるようにした。そして、斯様な所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際の電極電流である判定用電流に基づいて、Ａ／Ｆセンサ１０の故障を判定するようにした。具体的には、上記のように定められた所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加された際に電流計１０８によって測定される判定用電流が所定の閾値より大きければ、基準ガス室１０５に排気が進入することに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障が発生していると判定されるようにした。ここでいう「所定の閾値」は、上記Ｉｅｃｓｔに、所定のマージンを加算した値である。
（処理フロー）
本実施形態における故障検出処理の流れについて図９に基づいて説明する。図９は、本
実施例に係る故障検出処理においてＥＣＵ１２が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。図９に示す処理ルーチンは、内燃機関１の運転期間中に所定の周期で実行される処理ルーチンであり、予めＥＣＵ１２のＲＯＭ等に予め記憶されているものとする。
図９の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１２は、先ずＳ１０１において、故障検出フラグＦｄｉａｇがＯＮであるかを判別する。ここでいう故障検出フラグＦｄｉａｇは、故障検出処理が終了した際にＯＮにされ、内燃機関１の運転が停止されるとき（例えば、イグニッション・スイッチがＯＮからＯＦＦへ切り替えられたとき）にＯＦＦにされるフラグである。Ｓ１０１において否定判定された場合（故障検出フラグＦｄｉａｇ＝ＯＮ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０２からＳ１１４の処理をスキップして、Ｓ１１５へ進む。一方、Ｓ１０１において肯定判定された場合（故障検出フラグＦｄｉａｇ＝ＯＦＦ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０２へ進む。
Ｓ１０２では、ＥＣＵ１２は、Ａ／Ｆセンサ１０のセンサ素子１００が活性しているかを判別する。具体的には、ＥＣＵ１２は、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に高周波電圧を印加したときのインピーダンスからセンサ素子１００の温度を演算し、その温度が活性温度以上であれば、センサ素子１００が活性していると判定する。なお、センサ素子１００の温度は、別個の温度センサを設けて検出されてもよい。Ｓ１０２において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０２において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０３へ進む。
Ｓ１０３では、ＥＣＵ１２は、故障検出条件が成立しているかを判別する。ここでいう「故障検出条件」は、排気流量が所定流量以上であること（若しくは、排気流量が所定流量以上の状態が一定時間以上継続していること）、内燃機関１の暖機が完了していること等である。なお、ここでいう「所定流量」は、排気流量が該所定流量以上であれば、センサ素子１００の割れが微小であっても、排気が基準ガス室１０５に進入し得る排気流量であり、予め実験やシミュレーションの結果に基づいて定められている。Ｓ１０３において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０３において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０４へ進む。
Ｓ１０４では、ＥＣＵ１２は、Ａ／Ｆセンサ１０の測定値に基づいて目標噴射量を補正する、所謂「空燃比フィードバック制御（Ｆ／Ｂ制御）」を停止し、代わりに所定の目標空燃比に基づいて目標噴射量を決定するオープン制御を開始する。これは、故障検出処理においては、Ａ／Ｆセンサ１０の印加電圧（排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加される電圧）が限界電流域より低圧側の電圧に変更されることで、Ａ／Ｆセンサ１０が排気の空燃比を正確に測定することができなくなるためである。なお、ここでいう「所定の目標空燃比」は、特定の空燃比である必要はなく、例えば、内燃機関１の運転状態に応じて定められればよい。なお、故障検出処理の対象となるＡ／Ｆセンサ１０が触媒ケーシング９より下流に配置される第２Ａ／Ｆセンサ１０ｂであれば、当該Ｓ１０４の処理が行われないようにしてもよい。
Ｓ１０５では、Ａ／Ｆセンサ１０の印加電圧Ｖｅｖを目標電圧Ｖｔｒｇから所定電圧Ｖｐｒｅへ変更すべく電源１０７を制御する。ここでいう所定電圧Ｖｐｒｅは、前述したように、基準ガス室１０５に排気が進入する故障の発生時に上記故障特性が発現する印加電圧である。より具体的には、所定電圧Ｖｐｒｅは、排気の空燃比が理論空燃比よりリーンなリーン空燃比であれば、前述の図６に示したように、基準ガス室１０５に排気が進入している場合と基準ガス室１０５に排気が進入していない場合とで判定用電流の正負が逆になる印加電圧であり、本例においては、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合における判定用電流が排気の空燃比にかかわらず略一定値（図３中のＩｅｃｓｔ）となる印加電圧（例えば、０．１ボルト）が所定電圧Ｖｐｒｅに設定される。なお、ＥＣＵ１２が
Ｓ１０５の処理を実行することにより、本発明に係る「通電手段」が実現される。
Ｓ１０６では、ＥＣＵ１２は、印加電圧Ｖｅｖが目標電圧Ｖｔｒｇから所定電圧Ｖｐｒｅへ切り換えられた時点から所定時間Δｔが経過したかを判別する。ここでいう「所定時間Δｔ」は、印加電圧Ｖｅｖの切り替えが行われてから、印加電圧Ｖｅｖの切り替えが電極電流Ｉｅｃに反映されるまでに要する時間であり、予め実験やシミュレーションの結果に基づいて定められている。Ｓ１０６において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、該Ｓ１０６の処理を繰り返し実行する。一方、Ｓ１０６において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０７へ進む。
Ｓ１０７では、ＥＣＵ１２は、電流計１０８の測定値を読み込むことで、所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３とに印加されている際の電極電流である判定用電流Ｉｄｅｔを取得する。なお、ＥＣＵ１２がＳ１０７の処理を実行することにより、本発明に係る「取得手段」が実現される。
Ｓ１０８では、ＥＣＵ１２は、上記Ｓ１０７で取得された判定用電流Ｉｄｅｔが所定の閾値Ｉｔｈｒｅより大きいかを判別する。ここでいう「所定の閾値Ｉｔｈｒｅ」は、前述したように、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合における判定用電流（図３中のＩｅｃｓｔに相当）に、所定のマージンを加算した値である。
上記Ｓ１０８において肯定判定された場合（Ｉｄｅｔ＞Ｉｔｈｒｅ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０９へ進み、基準ガス室１０５に排気が進入することに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障が発生していると判定する。次いで、ＥＣＵ１２は、Ｓ１１０へ進み、Ａ／Ｆセンサ１０の故障が発生していることを車両の運転者に知らせるべく、警告灯の点灯処理等を行う。
一方、上記Ｓ１０８において否定判定された場合（Ｉｄｅｔ≦Ｉｔｈｒｅ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１１１へ進み、基準ガス室１０５に排気が進入することに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障が発生していない（Ａ／Ｆセンサ１０が正常である）と判定する。次いで、ＥＣＵ１２は、Ｓ１１２へ進み、Ａ／Ｆセンサ１０の印加電圧Ｖｅｖを所定電圧Ｖｐｒｅから目標電圧Ｖｔｒｇに戻すべく電源１０７を制御する。そして、ＥＣＵ１２は、所定の目標空燃比に基づいて目標噴射量を決定するオープン制御を停止し、代わりにＡ／Ｆセンサ１０の測定値に基づいて目標噴射量を補正する空燃比フィードバック制御（Ｆ／Ｂ制御）を再開する（Ｓ１１３）。なお、故障検出処理の対象となるＡ／Ｆセンサ１０が触媒ケーシング９より下流に配置される第２Ａ／Ｆセンサ１０ｂである場合であって、前述のＳ１０４の処理が行われていない場合であれば、当該Ｓ１１３の処理が行われないものとする。
なお、ＥＣＵ１２がＳ１０８、Ｓ１０９、及びＳ１１１の処理を実行することにより、本発明に係る「判定手段」が実現される。
ＥＣＵ１２は、Ｓ１１０又はＳ１１３の処理を実行し終えると、Ｓ１１４へ進み、故障検出フラグＦｄｉａｇをＯＦＦからＯＮへ切り換える。続いて、Ｓ１１５では、ＥＣＵ１２は、内燃機関１の運転が停止されたかを判別する。具体的には、ＥＣＵ１２は、イグニッション・スイッチがＯＮからＯＦＦへ切り換えられると、内燃機関１の運転が停止されたと判定する。なお、Ｓ１１５において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１１５において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１１６へ進み、故障検出フラグＦｄｉａｇをＯＮからＯＦＦへ切り換えて、本処理ルーチンの実行を終了する。
以上述べた処理ルーチンによってＡ／Ｆセンサ１０の故障検出処理が行われると、排気の空燃比（排気に含まれる酸素の濃度）を問わずに、基準ガス室１０５に排気が進入することに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障を精度良く検出することができる。
なお、図９の処理ルーチンでは、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合における判定用電流が排気の空燃比にかかわらず略一定値（図３中のＩｅｃｓｔ）となる印加電圧（例えば、０．１ボルト）が所定電圧Ｖｐｒｅに設定される例について述べたが、これに限定されるものではなく、上記故障特性が発現する印加電圧であればよい。その際、所定電圧Ｖｐｒｅが０．１ボルトより大きい印加電圧に設定されると、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合における判定用電流が排気の空燃比毎に相違する可能性がある。よって、その場合における所定の閾値は、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合における判定用電流Ｉｄｅｔが取り得る最大値より大きな値に設定されてもよい。また、故障検出処理の対象となるＡ／Ｆセンサ１０が触媒ケーシング９より上流に配置される第１Ａ／Ｆセンサ１０ａであれば、該第１Ａ／Ｆセンサ１０ａに流入する排気の空燃比を目標空燃比から推定することができるため、所定の閾値を排気の空燃比毎に異なる値に設定してもよい。例えば、排気の空燃比が大きくなるほど、所定の閾値が大きな値に設定されてもよい。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２の実施例について、図１０から図１２に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については省略する。
前述の第１の実施形態と本実施形態との相違点は、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に所定電圧を印加する際に、ヒータ１０６によってセンサ素子１００を活性温度より高い所定温度以上に加熱する点にある。
ここで、センサ素子１００を所定温度以上（例えば、７５０℃〜８００℃）に加熱した場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を図１０及び図１１に示す。図１０は、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を示す。図１１は、基準ガス室１０５に排気が進入している場合における印加電圧Ｖｅｖと電極電流Ｉｅｃとの相関を示す。なお、図１０及び図１１の各図において、実線はセンサ素子１００を所定温度以上に加熱した場合の相関を示し、一点鎖線はセンサ素子１００の温度が活性温度（例えば、６００℃前後）である場合の相関を示している。また、図１０及び図１１の各図において、Ｌ１及びｌ１は、排気の空燃比が理論空燃比であるときの相関を示し、Ｌ２及びｌ２は、排気の空燃比がリーン空燃比であるときの相関を示し、Ｌ３及びｌ３は、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときの相関を示している。
図１０中のＬ１及びｌ１が示すように、排気の空燃比が理論空燃比である状態において、限界電流域の目標電圧Ｖｔｒｇが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときに、基準ガス室１０５に排気が進入していなければ、センサ素子１００の温度が所定温度以上である場合とセンサ素子１００の温度が活性温度である場合とにおける電極電流が同等（図１０中のＩｅｃ１）になる。これに対し、排気の空燃比が理論空燃比である状態において、所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときに、基準ガス室１０５に排気が進入していなければ、センサ素子１００の温度が活性温度である場合の電極電流（図１０中のＩｅｃｓｔ）よりもセンサ素子１００の温度が所定温度以上である場合の電極電流（図１０中のＩｅｃｓｔ’）の方が小さくなる。これは、限界電流域では、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間の抵抗（以下、「電極間抵抗」と記す場合もある。）の大きさが電極電流に及ぼす影響よりも、拡散律速層
１０４による排気の拡散律速作用が電極電流に及ぼす影響の方が支配的であるのに対し、限界電流域より低圧側では、拡散律速層１０４による排気の拡散律速作用が電極電流に及ぼす影響よりも、電極間抵抗の大きさが電極電流に及ぼす影響の方が支配的になるためである。つまり、センサ素子１００の温度が高い場合は低い場合に比べ、電極間抵抗の大きさが小さくなることで、限界電流域より低圧側において排気側電極１０２と大気側電極１０３との間を移動する酸素イオンの量が増加するため、所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときの電極電流がマイナス電流側へシフトする。
また、図１０中のＬ２、ｌ２、Ｌ３、及びｌ３が示すように、排気の空燃比がリーン空燃比である状態、及び排気の空燃比がリッチ空燃比である状態においても、限界電流域の目標電圧Ｖｔｒｇが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときに、基準ガス室１０５に排気が進入していなければ、センサ素子１００の温度が所定温度以上である場合とセンサ素子１００の温度が活性温度である場合とにおける電極電流が同等（図１０中のＩｅｃ２、Ｉｅｃ３）になる。また、排気の空燃比がリーン空燃比である状態、及び排気の空燃比がリッチ空燃比である状態においても、所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときに、基準ガス室１０５に排気が進入していなければ、センサ素子１００の温度が活性温度である場合の電極電流（図１０中のＩｅｃｓｔ）よりもセンサ素子１００の温度が所定温度以上である場合の電極電流（図１０中のＩｅｃｓｔ’）の方が小さくなる。
一方、図１１中のＬ１及びｌ１が示すように、排気の空燃比が理論空燃比である状態において、所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときに、基準ガス室１０５に排気が進入していれば、センサ素子１００の温度が活性温度である場合の電極電流（図１１中のＩｅｃ１０’）よりもセンサ素子１００の温度が所定温度以上である場合の電極電流（図１１中のＩｅｃ１０”）の方が大きくなる。また、図１１中のＬ２及びｌ２が示すように、排気の空燃比がリーン空燃比である状態において、所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときに、基準ガス室１０５に排気が進入していれば、センサ素子１００の温度が活性温度である場合の電極電流（図１１中のＩｅｃ２０’）よりもセンサ素子１００の温度が所定温度以上である場合の電極電流（図１１中のＩｅｃ２０”）の方が大きくなる。さらに、図１１中のＬ３及びｌ３が示すように、排気の空燃比がリッチ空燃比である状態において、所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときに、基準ガス室１０５に排気が進入していれば、センサ素子１００の温度が活性温度である場合の電極電流（図１１中のＩｅｃ３０’）よりもセンサ素子１００の温度が所定温度以上である場合の電極電流（図１１中のＩｅｃ３０”）の方が大きくなる。これらから明らかなように、所定電圧Ｖｐｒｅが排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に印加されたときに、基準ガス室１０５に排気が進入発生していれば、排気の空燃比を問わず、センサ素子１００の温度が活性温度である場合よりもセンサ素子１００の温度が所定温度以上である場合の方が、電極電流が大きくなる（プラス電流側へシフトする）。
図１０及び図１１に示したような特性によれば、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に所定電圧Ｖｐｒｅが印加されるときに、センサ素子１００の温度を所定温度以上に高めておけば、基準ガス室１０５に排気が進入している場合と基準ガス室１０５に排気が進入していない場合とにおける判定用電流の差を拡大させることができる。その結果、センサ素子１００に極微小な割れが発生した場合であっても、それに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障を精度良く検出することができる。
（処理フロー）
本実施形態における故障検出処理の流れについて図１２に基づいて説明する。図１２は
、本実施例に係る故障検出処理においてＥＣＵ１２が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１２中において、前述の図９に示す処理ルーチンと同様の処理には同一の符号を付している。
図１２の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０４の処理を実行した後に、Ｓ２０１へ進み、センサ素子１００の温度Ｔｓｅｎｓが所定温度Ｔｐｒｅ以上であるかを判別する。ここでいう「所定温度Ｔｐｒｅ」は、前述したように、センサ素子１００の活性温度より高い温度であって、基準ガス室１０５に排気が進入している場合と基準ガス室１０５に排気が進入していない場合とにおける判定用電流の差が、センサ素子１００の温度が活性温度であるときよりも拡大する、センサ素子１００の温度であり、例えば、７５０℃〜８００℃である。なお、センサ素子１００の温度Ｔｓｅｎｓは、前述の第１の実施形態で述べたように、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に高周波電圧を印加したときのインピーダンスから演算されてもよく、別個に設けられた温度センサによって測定されてもよい。
上記Ｓ２０１において否定判定された場合（Ｔｓｅｎｓ＜Ｔｐｒｅ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ２０２へ進み、センサ素子１００を所定温度Ｔｐｒｅ以上に昇温させるべくヒータ１０６を制御する（加熱処理）。例えば、ＥＣＵ１２は、センサ素子１００の温度Ｔｓｅｎｓと所定温度Ｔｐｒｅとの差に基づいて、ヒータ１０６の通電量を制御してもよい。すなわち、センサ素子１００の温度Ｔｓｅｎｓと所定温度Ｔｐｒｅとの差が大きい場合は小さい場合に比べ、ヒータ１０６の通電量が大きくされてもよい。ところで、センサ素子１００が９００℃以上に過昇温すると、Ａ／Ｆセンサ１０の測定精度が低下したり、センサ素子１００が熱劣化したりする可能性がある。そのため、上記加熱処理では、センサ素子１００の温度が９００℃を超えないように、ヒータ１０６の通電量をフィードバック制御してもよい。なお、ＥＣＵ１２がＳ２０２の処理を実行することで、本発明に係る「ヒータ制御手段」が実現される。
ＥＣＵ１２は、上記Ｓ２０２の処理を実行し終えると、上記Ｓ２０１の処理へ戻る。そして、Ｓ２０１の処理で肯定判定されると（Ｔｓｅｎｓ≧Ｔｐｒｅ）、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０５からＳ１０７の処理を順次実行する。なお、上記加熱処理によってセンサ素子１００が所定温度Ｔｐｒｅへ加熱された直後は、該センサ素子１００の温度変化（電極間抵抗の変化）が電極電流Ｉｅｃに反映されない可能性があるため、上記Ｓ２０１において肯定判定された時点から所定の待機時間（例えば、２ｓｅｃ程度）をおいてから、ＥＣＵ１２がＳ１０５の処理を実行するようにしてもよい。
また、図１２の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０７の処理を実行し終えると、前述の図９の処理ルーチンにおけるＳ１０８の代わりにＳ２０３の処理を実行する。Ｓ２０３では、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０７で取得された判定用電流Ｉｄｅｔが所定の閾値Ｉｔｈｒｅ’より大きいかを判別する。ここでいう「所定の閾値Ｉｔｈｒｅ’」は、基準ガス室１０５に排気が進入しておらず、且つセンサ素子１００の温度が所定温度Ｔｐｒｅ以上である場合における判定用電流（図１０中のＩｅｃｓｔ’に相当）に所定のマージンを加算した値である。ＥＣＵ１２は、該Ｓ２０３において肯定判定された場合（Ｉｄｅｔ＞Ｉｅｃｓｔ’）にＳ１０９へ進む一方で、該Ｓ２０３において否定判定された場合（Ｉｄｅｔ≦Ｉｅｃｓｔ’）にＳ１１１へ進む。
図１２の処理ルーチンによってＡ／Ｆセンサ１０の故障検出処理が行われると、排気の空燃比の如何を問わずに、基準ガス室１０５に排気が進入するようなＡ／Ｆセンサ１０の故障をより精度良く検出することができる。特に、センサ素子１００の極微小な割れに起因して基準ガス室１０５に排気が進入しているような場合であっても、Ａ／Ｆセンサ１０の故障をより確実に検出することが可能となる。
＜他の実施形態＞
前述した第１及び第２の実施形態では、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に所定電圧Ｖｐｒｅが印加された際に電流計１０８によって測定される電極電流（判定用電流Ｉｄｅｔ）を、所定の閾値Ｉｔｈｒｅと比較することで、基準ガス室１０５に排気が進入することに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障を検出する例について述べたが、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間に所定電圧Ｖｐｒｅが印加された際におけるそれら電極間の抵抗の大きさに基づいて、基準ガス室１０５に排気が進入することに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障を検出してもよい。
具体的には、ＥＣＵ１２は、先ず、所定電圧Ｖｐｒｅと判定用電流Ｉｄｅｔとを以下の式（１）に代入することで、排気側電極１０２と大気側電極１０３との間の抵抗（以下、「判定用抵抗Ｒｄｅｔ」と記す場合もある。）を演算する。
Ｒｄｅｔ＝Ｖｐｒｅ／（−Ｉｄｅｔ）・・・（１）
ここで、排気の空燃比が理論空燃比又はリーン空燃比であれば、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合と基準ガス室１０５に排気が進入している場合とで判定用電流Ｉｄｅｔの正負が逆になるため、基準ガス室１０５に排気が進入している場合の判定用抵抗は、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合の判定用抵抗より小さいマイナス抵抗になる。また、排気の空燃比がリッチ空燃比であれば、基準ガス室１０５に排気が進入していない場合と基準ガス室１０５に排気が進入している場合とで判定用電流Ｉｄｅｔの正負が逆にならないものの、基準ガス室１０５に排気が進入している場合は基準ガス室１０５に排気が進入していない場合に比べ、判定用電流Ｉｄｅｔが大幅に大きくなるため、基準ガス室１０５に排気が進入している場合は基準ガス室１０５に排気が進入していない場合に比べ、判定用抵抗が大幅に大きくなる。
そこで、判定用抵抗Ｒｄｅｔが所定の上限値を超えている場合、及び判定用抵抗Ｒｄｅｔが所定の下限値（＝０）を下回っている場合に、基準ガス室１０５に排気が進入することに起因するＡ／Ｆセンサ１０の故障が発生していると判定してもよい。なお、ここでいう「所定の上限値」は、上記したように、基準ガス室１０５に排気が進入している場合において、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときの判定用抵抗Ｒｄｅｔが取り得る最小値であり、予め実験やシミュレーションの結果に基づいて求めておけばよい。
＜その他＞
前述した各実施形態では、内燃機関に排気に含まれる酸素の濃度を検出するＡ／Ｆセンサに本発明を適用する例について述べたが、本発明を適用するガスセンサはこれに限定されるものではなく、酸素ポンピング作用を利用して排気中の窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、水（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）等の濃度を検出する限界電流域のガスセンサに適用することも可能である。また、本発明を適用するガスセンサの検出対象となるガス（被検出ガス）は、内燃機関の排気に限定されるものではなく、各種製品の製造過程で排出されるガスであってもよい。
１ 内燃機関
４ 排気通路
１０ａ 第１Ａ／Ｆセンサ
１０ｂ 第２Ａ／Ｆセンサ
１２ ＥＣＵ
１００ センサ素子
１０１ 固体電解質層
１０２ 排気側電極
１０３ 大気側電極
１０４ 拡散律速層
１０５ 基準ガス室
１０６ ヒータ
１０７ 電源
１０８ 電流計

Claims (9)

  1. 酸化物イオン伝導性を有する固体電解質と、前記固体電解質に取り付けられた一対の電極と、被検出ガスを拡散律速して前記一対の電極の一方へ導く拡散律速部と、を含むセンサ素子を備え、被検出ガス中に含まれる所定成分の濃度を検出する限界電流式ガスセンサに適用される、故障検出装置であって、
    前記ガスセンサが故障してない場合における限界電流域より低電圧側の電圧であって且つ正の電圧である所定電圧を、前記一対の電極間に印加させる通電手段と、
    前記通電手段によって前記所定電圧が前記一対の電極間に印加されているときに、該一対の電極間を流れる電流である判定用電流を取得する取得手段と、
    前記取得手段によって取得される前記判定用電流に基づいて、前記ガスセンサの故障を判定する判定手段と、
    を備える、ガスセンサの故障検出装置。
  2. 前記ガスセンサは、内燃機関の排気通路に配置され、前記被検出ガスとしての排気に含まれる前記所定成分としての酸素の濃度を検出するものであり、
    前記ガスセンサが故障している場合は故障していない場合に比べ、前記判定用電流が大きくなる特性である故障特性に基づいて、前記判定手段が、前記ガスセンサの故障を判定する、
    請求項１に記載のガスセンサの故障検出装置。
  3. 前記一対の電極のうち一方の電極は、大気が導入される基準ガス室に臨むように配置される一方で、前記一対の電極のうち他方の電極は、前記拡散律速部を介して導入される前記被検出ガスとしての排気に曝されるように配置されており、
    前記通電手段は、前記基準ガス室に排気が進入する故障の発生時に前記故障特性が発現する電圧を、前記所定電圧として前記一対の電極間に印加する、
    請求項２に記載のガスセンサの故障検出装置。
  4. 前記所定電圧は、排気の空燃比が理論空燃比よりリーンなリーン空燃比であれば、前記基準ガス室に排気が進入していない場合と前記基準ガス室に排気が進入している場合とで前記判定用電流の正負が逆になる電圧である、
    請求項３に記載のガスセンサの故障検出装置。
  5. 前記所定電圧は、０．１ボルトに設定される、
    請求項４に記載のガスセンサの故障検出装置。
  6. 前記判定手段は、前記取得手段によって取得される前記判定用電流が所定の閾値より大きければ、前記ガスセンサが故障していると判定する、
    請求項３から５の何れか１項に記載のガスセンサの故障検出装置。
  7. 前記判定手段は、前記取得手段によって取得される前記判定用電流と前記所定電圧とに基づいて前記一対の電極間における抵抗値を演算し、その抵抗値が所定の上限値より大きい場合及びその抵抗値が所定の下限値より小さい場合に前記ガスセンサが故障していると判定する、
    請求項３から５の何れか１項に記載のガスセンサの故障検出装置。
  8. 前記ガスセンサは、前記センサ素子を加熱するためのヒータを更に備え、
    前記故障検出装置は、前記通電手段が前記所定電圧を前記一対の電極間に印加する場合に、前記センサ素子の温度を該センサ素子の活性温度より高い所定温度以上に上昇させるべく前記ヒータを制御するヒータ制御手段を更に備える、
    請求項１から５の何れか１項に記載のガスセンサの故障検出装置。
  9. 酸化物イオン伝導性を有する固体電解質と、前記固体電解質に取り付けられた一対の電極と、被検出ガスを拡散律速して前記一対の電極の一方へ導く拡散律速部と、を含むセンサ素子を備え、被検出ガス中に含まれる所定成分の濃度を検出する限界電流式ガスセンサに適用される、故障検出方法であって、
    前記ガスセンサが故障してない場合における限界電流域より低電圧側の電圧であって且つ正の電圧である所定電圧を、前記一対の電極間に印加させるステップと、
    前記所定電圧が前記一対の電極間に印加されているときに、該一対の電極間を流れる電流である判定用電流を取得するステップと、
    前記判定用電流に基づいて、前記ガスセンサの故障を判定するステップと、
    を含む、ガスセンサの故障検出方法。
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