JP2022070539A - 空燃比センサの故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの故障モードとして固体電解質層のクラックを検出する。【解決手段】空燃比センサ１０の故障検出装置１は、センサ素子１１に電圧を印加する電圧印加回路３と、センサ素子の出力電流を検出する電流検出回路４と、電圧印加回路からセンサ素子に印加される電圧を制御する電圧制御部５と、空燃比センサの故障を検出する故障判定部６とを備える。故障判定部は、第１運転状態において電圧制御部によってセンサ素子に負電圧が印加されているときに電流検出回路によって検出された第１電流値と、第２運転状態において電圧制御部によってセンサ素子に負電圧が印加されているときに電流検出回路によって検出された第２電流値とを取得し、第２電流値の絶対値が第１電流値の絶対値よりも大きく且つ第２電流値の絶対値と第１電流値の絶対値との差又は比率が所定値以上である場合には、固体電解質層１２にクラックが生じていると判定する。【選択図】図７

Description

本発明は空燃比センサの故障検出装置に関する。

従来、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサを内燃機関の排気通路に配置し、空燃比検出センサの出力に基づいて混合気の空燃比をフィードバック制御することが知られている。斯かるフィードバック制御によって排気ガスの空燃比を適切な値に制御することができ、排気エミッションを低減することができる。

しかしながら、空燃比センサに素子割れのような故障が生じると、空燃比の検出精度が悪化し、排気エミッションが悪化するおそれがある。これに対して、特許文献１には、異なる内燃機関の運転条件下で空燃比センサに逆電圧が印加されたときに検出される空燃比センサの出力電流に基づいて、空燃比センサの外部と空燃比センサの大気室とを貫通するクラックの発生を検出することが記載されている。

特開２００７－２３２７０９号公報

しかしながら、空燃比センサにおいて、特許文献１に記載されるようなクラックとは別に、固体電解質層のクラックが生じる場合がある。これらの異なる故障モードが発生した空燃比センサは異なる出力異常を呈するが、特許文献１は固体電解質層のクラックを検出するための手法について何ら言及していない。

そこで、本発明の目的は、空燃比センサの故障モードとして固体電解質層のクラックを検出することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質層と、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように前記固体電解質層の一方の側面上に配置された排気側電極と、大気に曝されるように前記固体電解質層の他方の側面上に配置された大気側電極とを有するセンサ素子を備える空燃比センサの故障を検出する、空燃比センサの故障検出装置であって、前記センサ素子に電圧を印加する電圧印加回路と、前記センサ素子の出力電流を検出する電流検出回路と、前記電圧印加回路から前記センサ素子に印加される電圧を制御する電圧制御部と、前記空燃比センサの故障を検出する故障判定部とを備え、前記電圧制御部は、前記内燃機関の第１運転状態及び該第１運転状態よりも高負荷の第２運転状態において、前記排気側電極の電位が前記大気側電極の電位よりも高くなるように前記センサ素子に負電圧を印加し、前記故障判定部は、前記第１運転状態において前記センサ素子に前記負電圧が印加されているときに前記電流検出回路によって検出された第１電流値と、前記第２運転状態において前記センサ素子に前記負電圧が印加されているときに前記電流検出回路によって検出された第２電流値とを取得し、該第２電流値の絶対値が該第１電流値の絶対値よりも大きく且つ該第２電流値の絶対値と該第１電流値の絶対値との差又は比率が所定値以上である場合には、前記固体電解質層にクラックが生じていると判定する、空燃比センサの故障検出装置が提供される。

本発明によれば、空燃比センサの故障モードとして固体電解質層のクラックを検出することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。 図２は、図１の空燃比センサの部分断面図である。 図３は、センサ素子に正電圧が印加されたときの排気ガスの空燃比とセンサ素子の出力電流との関係を示す図である。 図４は、本発明の第一実施形態に係る故障検出装置の構成を概略的に示す図である。 図５は、クラックが生じた空燃比センサの部分断面図である。 図６は、第１不透過層にクラックが生じたときのセンサ素子の印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図７は、固体電解質層にクラックが生じたときのセンサ素子の印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図８Ａは、本発明の第一実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８Ｂは、本発明の第一実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８Ｃは、本発明の第一実施形態における第１電流値取得処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８Ｄは、本発明の第一実施形態における第２電流値取得処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、本発明の第二実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。 図１０Ａは、本発明の第二実施形態における第１電流値取得処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０Ｂは、本発明の第二実施形態における第２電流値取得処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に、図１～図８Ｄを参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関は火花点火式内燃機関である。内燃機関は車両に搭載される。

図１を参照すると、４２はシリンダブロック、４３はシリンダブロック４２内で往復動するピストン、４４はシリンダブロック４２上に固定されたシリンダヘッド、４５はピストン４３とシリンダヘッド４４との間に形成された燃焼室、４６は吸気弁、４７は吸気ポート、４８は排気弁、４９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁４６は吸気ポート４７を開閉し、排気弁４８は排気ポート４９を開閉する。

図１に示したように、シリンダヘッド４４の内壁面の中央部には点火プラグ５０が配置され、シリンダヘッド４４の内壁面周辺部には燃料噴射弁５１が配置される。点火プラグ５０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁５１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室４５内に噴射する。本実施形態では、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る。

各気筒の吸気ポート４７はそれぞれ対応する吸気枝管５３を介してサージタンク５４に連結され、サージタンク５４は吸気管５５を介してエアクリーナ５６に連結される。吸気ポート４７、吸気枝管５３、サージタンク５４、吸気管５５等は、空気を燃焼室４５に導く吸気通路を形成する。また、吸気管５５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ５７によって駆動されるスロットル弁５８が配置される。スロットル弁５８は、スロットル弁駆動アクチュエータ５７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート４９は排気マニホルド５９に連結される。排気マニホルド５９は、各排気ポート４９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド５９の集合部は、触媒６０を内蔵したケーシング６１に連結される。ケーシング６１は排気管６２に連結される。排気ポート４９、排気マニホルド５９、ケーシング６１、排気管６２等は、燃焼室４５における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。触媒６０は、例えば、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化可能な三元触媒である。

内燃機関の各種制御は、車両に搭載された電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。すなわち、ＥＣＵ３１は内燃機関の制御装置として機能する。ＥＣＵ３１には、内燃機関等に設けられた各種センサの出力が入力され、ＥＣＵ３１は各種センサの出力等に基づいて各種アクチュエータを制御する。

ＥＣＵ３１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及び出力ポート３７を備える。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

吸気管５５には、吸気管５５内を流れる空気の流量（吸入空気流量）を検出するエアフロメータ７０が配置され、エアフロメータ７０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。したがって、エアフロメータ７０の出力はＥＣＵ３１に送信され、ＥＣＵ３１はエアフロメータ７０の出力を取得する。

また、触媒６０の上流側の排気通路（排気マニホルド５９の集合部）には、内燃機関の燃焼室４５から排出されて触媒６０に流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１０が配置される。空燃比センサ１０の詳細については、後述する。

また、内燃機関を搭載した車両には、車速を検出する車速センサ７２が設けられる。車速センサ７２は例えば車輪の回転数を検出することによって車速を検出する。車速センサ７２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。したがって、車速センサ７２の出力はＥＣＵ３１に送信され、ＥＣＵ３１は車速センサ７２の出力を取得する。

また、入力ポート３６には、クランクシャフトが所定角度（例えば１０°）回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ７３が接続され、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。したがって、クランク角センサ７３の出力はＥＣＵ３１に送信され、ＥＣＵ３１はクランク角センサ７３の出力を取得する。ＥＣＵ３１はクランク角センサ７３の出力に基づいて機関回転数を算出する。

一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、内燃機関の各種アクチュエータに接続される。本実施形態では、出力ポート３７は、点火プラグ５０、燃料噴射弁５１及びスロットル弁駆動アクチュエータ５７に接続され、ＥＣＵ３１はこれらを制御する。具体的には、ＥＣＵ３１は、点火プラグ５０の点火時期、燃料噴射弁５１の噴射時期及び噴射量、並びにスロットル弁５８の開度を制御する。

なお、上述した内燃機関は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。例えば、燃料噴射弁５１は、吸気ポート４７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。

＜空燃比センサの構成＞
以下、空燃比センサ１０の構成について詳細に説明する。図２は、図１の空燃比センサ１０の部分断面図である。図２に示されるように、空燃比センサ１０はセンサ素子１１及びヒータ２０を備える。

本実施形態では、空燃比センサ１０は、複数の層を積層して構成された積層型空燃比センサである。センサ素子１１は、固体電解質層１２、拡散律速層１３、第１不透過層１４、第２不透過層１５、排気側電極１６及び大気側電極１７を有する。固体電解質層１２、排気側電極１６及び大気側電極１７は、電気化学セルであるセンサセルを構成する。

センサ素子１１の各層は、図２の下方から、第１不透過層１４、固体電解質層１２、拡散律速層１３、第２不透過層１５の順に積層されている。固体電解質層１２と拡散律速層１３との間には被測ガス室１８が形成され、固体電解質層１２と第１不透過層１４との間には大気室１９が形成されている。すなわち、被測ガス室１８は固体電解質層１２及び拡散律速層１３によって画定され、大気室１９は固体電解質層１２及び第１不透過層１４によって画定される。

被測ガス室１８は拡散律速層１３を介して内燃機関の排気通路と連通しており、被測ガス室１８には、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。一方、大気室１９は大気に開放されており、大気室１９には大気が導入される。

固体電解質層１２は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層１２は、例えば、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として添加した焼結体である。拡散律速層１３は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１３は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の多孔質セラミックから構成される。第１不透過層１４及び第２不透過層１５は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナから構成される。

排気側電極１６は、被測ガス室１８内の被測ガス、すなわち内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように固体電解質層１２の一方（被測ガス室１８側）の側面上に配置されている。一方、大気側電極１７は、大気室１９内の大気に曝されるように固体電解質層１２の他方（大気室１９側）の側面上に配置されている。排気側電極１６と大気側電極１７とは、固体電解質層１２を挟んで互いに対向するように配置されている。排気側電極１６及び大気側電極１７は、それぞれ、白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属から構成されている。例えば、排気側電極１６及び大気側電極１７は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。

ヒータ２０は、センサ素子１１内に配置され、センサ素子１１を加熱する。本実施形態では、ヒータ２０は第１不透過層１４に埋設されている。ヒータ２０は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミック（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ２０は、ＥＣＵ３１に電気的に接続され、ＥＣＵ３１によって制御される。ＥＣＵ３１は、ヒータ２０によって、センサ素子１１の温度、特に固体電解質層１２の温度を制御する。

図２に示されるように、センサ素子１１の排気側電極１６及び大気側電極１７には電気回路２が接続されている。電気回路２は電圧印加回路３及び電流検出回路４を有する。

電圧印加回路３はセンサ素子１１に電圧を印加する。本実施形態では、電圧印加回路３からセンサ素子１１に印加される電圧が正電圧と負電圧（逆電圧）との間で選択的に切り替えられる。大気側電極１７の電位が排気側電極１６の電位よりも高くなるようにセンサ素子１１に正電圧が印加されるときには、排気側電極１６は負極として機能し、大気側電極１７は正極として機能する。一方、排気側電極１６の電位が大気側電極１７の電位よりも高くなるようにセンサ素子１１に負電圧が印加されるときには、排気側電極１６は正極として機能し、大気側電極１７は負極として機能する。電圧印加回路３はＥＣＵ３１に電気的に接続され、ＥＣＵ３１は電圧印加回路３を介してセンサ素子１１への印加電圧を制御する。

電流検出回路４は、排気側電極１６と大気側電極１７との間を流れる電流、すなわちセンサ素子１１の出力電流を検出する。電流検出回路４はＥＣＵ３１に電気的に接続され、電流検出回路４の出力はＥＣＵ３１に送信される。

空燃比センサ１０を用いて排気ガスの空燃比を検出するときには、センサ素子１１に正電圧が印加され、排気側電極１６上の排気ガスの空燃比に応じて排気側電極１６と大気側電極１７との間を酸化物イオンが移動する。

図３は、センサ素子１１に正電圧が印加されたときの排気ガスの空燃比とセンサ素子１１の出力電流Ｉとの関係を示す図である。図３の例では、正電圧として、印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない限界電流領域内の電圧、具体的には０．４５Ｖが用いられている。

図３からわかるように、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときに、出力電流Ｉはゼロとなる。また、空燃比センサ１０では、排気ガスの酸素濃度が高いほど、すなわち排気ガスの空燃比がリーンであるほど、出力電流Ｉが大きくなる。したがって、空燃比センサ１０は排気ガスの空燃比を連続的に（リニアに）検出することができる。ＥＣＵ３１は、空燃比センサ１０によって検出された空燃比に基づいて、混合気の空燃比を適切な値にフィードバック制御する。このことによって、内燃機関のおける排気エミッションを低減することができる。

＜空燃比センサの故障検出装置＞
しかしながら、空燃比センサ１０に素子割れのような故障が生じると、空燃比の検出精度が悪化し、排気エミッションが悪化するおそれがある。このため、本実施形態では、空燃比センサの故障検出装置（以下、単に「故障検出装置」と称する）を用いて空燃比センサ１０の故障が検出される。

図４は、本発明の第一実施形態に係る故障検出装置１の構成を概略的に示す図である。故障検出装置１は、電圧印加回路３、電流検出回路４、電圧制御部５及び故障判定部６を備える。本実施形態では、ＥＣＵ３１が電圧制御部５及び故障判定部６として機能する。電圧制御部５及び故障判定部６は、ＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に記憶されたプログラムをＥＣＵ３１のＣＰＵ３５が実行することによって実現される機能モジュールである。

電圧制御部５は、電圧印加回路３からセンサ素子１１に印加される電圧を制御する。故障判定部６は空燃比センサ１０の故障を判定する。本実施形態では、故障判定部６は空燃比センサ１０の故障モードとして第１不透過層１４のクラック及び固体電解質層１２のクラックを検出する。

図５は、クラックが生じた空燃比センサ１０の部分断面図である。第１不透過層１４のクラック１４ａは、排気通路と連通している空燃比センサ１０の外部と大気室１９との間を延在する。固体電解質層１２のクラック１２ａは被測ガス室１８と大気室１９との間を延在する。これらの故障モードが発生すると、空燃比センサ１０に出力異常が生じる。

最初に、第１不透過層１４のクラック１４ａによる空燃比センサ１０の出力異常について説明する。正常な空燃比センサ１０では、大気室１９が第１不透過層１４及び固体電解質層１２によって閉じられ、大気室１９と排気通路との連通が遮断される。しかしながら、図５に示されるように、大気室１９と排気通路とを連通させるクラック１４ａが第１不透過層１４に生じると、排気通路を流れる排気ガスが大気室１９に流入する。この結果、大気室１９の大気中の酸素濃度が低下し、センサ素子１１の出力電流に異常が生じる。

図６は、第１不透過層１４にクラック１４ａが生じたときのセンサ素子１１の印加電圧と出力電流との関係を示す図である。図６の実線、一点鎖線及び破線は、それぞれ、排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合の正常なセンサ素子１１（クラック１４ａ無し）、吸入空気流量が多いときの異常なセンサ素子１１（クラック１４ａ有り）、及び吸入空気流量が少ないときの異常なセンサ素子１１（クラック１４ａ有り）の電圧電流特性を示す。

印加電圧が正電圧である場合に排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、酸化物イオンが排気側電極１６から大気側電極１７へ移動する。このときの酸化物イオンの移動量は、クラック１４ａによる大気中の酸素濃度の低下の影響をほとんど受けない。また、印加電圧が正電圧である場合に排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときには、酸化物イオンはほとんど移動しない。したがって、印加電圧が正電圧である場合に排気ガスの空燃比が理論空燃比以上であるときには、第１不透過層１４にクラック１４ａが生じたとしても、センサ素子１１の出力電流にほとんど異常は生じない。図６に示される電圧電流特性では、排気ガスの空燃比が理論空燃比であるため、印加電圧が正であるときには、異常なセンサ素子１１と正常なセンサ素子１１との間で出力電流の相違は生じていない。

一方、印加電圧が正電圧である場合に排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、酸化物イオンが大気側電極１７から排気側電極１６へ移動する。このときの酸化物イオンの移動量は、クラック１４ａによる大気中の酸素濃度の低下によって減少する。したがって、印加電圧が正電圧である場合に排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるときには、第１不透過層１４にクラック１４ａが生じると、センサ素子１１の出力電流の絶対値が小さくなる。

また、印加電圧が負電圧である場合には、大気側電極１７上の大気中の酸素濃度に応じて大気側電極１７から排気側電極１６に酸化物イオンが移動する。このときの酸化物イオンの移動量は、クラック１４ａによる大気中の酸素濃度の低下によって減少する。したがって、図６に示されるように、印加電圧が負電圧である場合、第１不透過層１４にクラック１４ａが生じると、センサ素子１１の出力電流の絶対値が小さくなる。

また、基本的に、内燃機関が高負荷の運転状態にあるときには、吸入空気流量が多くなり、この結果、排気通路を流れる排気ガスの圧力が高くなる。このため、吸入空気流量が多いときには、吸入空気流量が少ないときに比べて、排気ガスの圧力が高くなり、排気通路からクラック１４ａを通って大気室１９に流入する排気ガスの量が多くなる。また、大気室１９の大気中の酸素濃度の低下量は、大気室１９に流入する排気ガスの量に比例して大きくなる。したがって、図６に示されるように、印加電圧が負電圧である場合、吸入空気流量が多いときのセンサ素子１１の出力電流の絶対値は、吸入空気流量が少ないときのセンサ素子１１の出力電流の絶対値よりも小さくなる。

また、大気室１９の大気中の酸素濃度の低下量は、大気室１９に流入する排気ガスの空燃比がリッチなほど大きくなる。したがって、印加電圧が負電圧である場合に、センサ素子１１の出力電流の絶対値は、排気ガスの空燃比がリッチなほど小さくなる。

次いで、固体電解質層１２のクラック１２ａによる空燃比センサ１０の出力異常について説明する。正常な空燃比センサ１０では、大気室１９が第１不透過層１４及び固体電解質層１２によって閉じられ、大気室１９と被測ガス室１８との連通が遮断される。しかしながら、図５に示されるように、被測ガス室１８と大気室１９とを連通させるクラック１２ａが固体電解質層１２に生じると、被測ガス室１８の排気ガスと大気室１９の大気とが混合される。この結果、被測ガス室１８の排気ガス中の酸素濃度が高くなり、大気室１９の大気中の酸素濃度が低下する。このため、クラック１２ａの発生によってセンサ素子１１の出力電流に異常が生じる。

図７は、固体電解質層１２にクラック１２ａが生じたときのセンサ素子１１の印加電圧と出力電流との関係を示す図である。図７の実線、一点鎖線及び破線は、それぞれ、排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）である場合の正常なセンサ素子１１（クラック１２ａ無し）、吸入空気流量が多いときの異常なセンサ素子１１（クラック１２ａ有り）、及び吸入空気流量が少ないときの異常なセンサ素子１１（クラック１２ａ有り）の電圧電流特性を示す。

印加電圧が正電圧である場合、センサ素子１１の出力電流は、図３に示されるように排気ガスの空燃比に応じて変化する。上述したように、固体電解質層１２にクラック１２ａが生じると、被測ガス室１８の排気ガス中の酸素濃度が高くなる。したがって、図７に示されるように、印加電圧が正電圧である場合、固体電解質層１２にクラック１２ａが生じると、センサ素子１１の出力電流がリーン側（プラス側）にずれる。

また、吸入空気流量が多いときには、吸入空気流量が少ないときに比べて、被測ガス室１８に流入する排気ガスの圧力が高くなり、被測ガス室１８の排気ガスと大気室１９の大気との混合が生じにくくなる。言い換えれば、吸入空気流量が少ないときには、吸入空気流量が多いときに比べて、被測ガス室１８に流入する排気ガスの圧力が低くなり、被測ガス室１８の排気ガスと大気室１９の大気との混合が生じやすくなる。また、被測ガス室１８の排気ガス中の酸素濃度の増加量は、排気ガスと混合する大気の量に比例して大きくなる。したがって、図７に示されるように、印加電圧が正電圧である場合、吸入空気流量が少ないときのセンサ素子１１の出力電流は、吸入空気流量が多いときのセンサ素子１１の出力電流よりもリーン側（プラス側）にずれる。

一方、印加電圧が負電圧である場合には、大気側電極１７上の大気中の酸素濃度に応じて大気側電極１７から排気側電極１６に酸化物イオンが移動する。このときの酸化物イオンの移動量は、クラック１２ａによる大気中の酸素濃度の低下によって減少する。したがって、印加電圧が負電圧である場合、固体電解質層１２にクラック１２ａが生じると、センサ素子１１の出力電流の絶対値が小さくなる。

上述したように、吸入空気流量が少ないときには、吸入空気流量が多いときに比べて、被測ガス室１８の排気ガスと大気室１９の大気との混合が生じやすくなる。また、大気室１９の大気中の酸素濃度の低下量は、大気と混合する排気ガスの量に比例して大きくなる。したがって、図７に示されるように、印加電圧が負電圧である場合、吸入空気流量が少ないときのセンサ素子１１の出力電流の絶対値は、吸入空気流量が多いときのセンサ素子１１の出力電流の絶対値よりも小さくなる。

上記の説明から分かるように、第１不透過層１４のクラック１４ａによる故障モードと、固体電解質層１２のクラック１２ａによる故障モードとでは、印加電圧が負電圧である場合に、吸入空気流量の増減に対するセンサ素子１１の出力電流の絶対値の増減傾向が異なる。この知見に基づいて、本実施形態では、吸入空気流量が異なるときにセンサ素子１１に負電圧を印加し、センサ素子１１に負電圧が印加されているときに検出されたセンサ素子１１の出力電流に基づいて空燃比センサ１０の故障の有無及び種別が判別される。

基本的に、吸入空気流量は、機関負荷に応じて変化し、異なる機関負荷に対して異なる値を示す。このため、電圧制御部５は、内燃機関の第１運転状態及び第１運転状態よりも高負荷の第２運転状態において、排気側電極１６の電位が大気側電極１７の電位よりも高くなるようにセンサ素子１１に負電圧を印加する。故障判定部６は、第１運転状態においてセンサ素子１１に負電圧が印加されているときに電流検出回路４によって検出された第１電流値と、第１運転状態よりも高負荷の第２運転状態においてセンサ素子１１に負電圧が印加されているときに電流検出回路４によって検出された第２電流値とを取得し、これら電流値に基づいて空燃比センサ１０の故障を判定する。

具体的には、故障判定部６は、第２電流値の絶対値が第１電流値の絶対値よりも大きく且つ第２電流値の絶対値と第１電流値の絶対値との差又は比率が所定値以上である場合には、固体電解質層１２にクラックが生じていると判定する。したがって、故障検出装置１を用いて、空燃比センサ１０の故障モードとして固体電解質層１２のクラック１２ａを検出することができる。

また、故障判定部６は、第１電流値の絶対値が第２電流値の絶対値よりも大きく且つ第１電流値の絶対値と第２電流値の絶対値との差又は比率が所定値以上である場合には、第１不透過層１４にクラックが生じていると判定する。したがって、故障検出装置１を用いて、空燃比センサ１０の故障モードとして第１不透過層１４のクラック１４ａを検出することができる。

＜故障判定処理＞
以下、図８Ａ～図８Ｄのフローチャートを参照して、空燃比センサ１０の故障を検出するための制御について詳細に説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第一実施形態における故障判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関の始動後、ＥＣＵ３１によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、電圧制御部５は電圧印加回路３を介して所定の正電圧をセンサ素子１１に印加する。所定の正電圧は、予め定められ、印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない限界電流領域内の電圧（０．１５Ｖ～０．７Ｖ）に設定される。本実施形態では、所定の正電圧は例えば０．４５Ｖに設定される。

次いで、ステップＳ１０２において、故障判定部６は、故障判定条件が成立しているか否かを判定する。故障判定条件は、例えば、空燃比センサ１０のセンサ素子１１の温度が所定の活性温度以上であるときに成立する。センサ素子１１の温度は例えばセンサ素子１１のインピーダンスに基づいて算出される。なお、故障判定条件は、触媒６０の温度が所定の活性温度以上であること、内燃機関の始動後に所定時間が経過していること、内燃機関の始動後に空燃比センサ１０の故障判定が未だ行われていないこと等を含んでいてもよい。

ステップＳ１０２において故障判定条件が成立していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０２において故障判定条件が成立していると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、故障判定部６は、第１フラグＦ１がゼロに設定されているか否かを判定する。第１フラグＦ１は、第１電流値が取得されたときに１に設定され、第１フラグＦ１の初期値はゼロである。第１フラグＦ１がゼロに設定されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、故障判定部６は、内燃機関の運転状態が第１運転状態であるか否かを判定する。第１運転状態は、低負荷の定常運転状態であり、例えばアイドル運転状態に設定される。なお、アイドル運転状態とは、アクセル開度がゼロ（機関負荷がゼロ）であるときに燃焼室４５における混合気の燃焼によって機関回転数が所定の低回転数（例えば４００～１０００ｒｐｍ）に維持されている運転状態を意味する。

ステップＳ１０４において内燃機関の運転状態が第１運転状態であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、本制御ルーチンのサブルーチンとして、図８Ｃに示される第１電流値取得処理の制御ルーチンが実行される。

図８Ｃは、本発明の第一実施形態における第１電流値取得処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。最初に、ステップＳ２０１において、故障判定部６は、空燃比センサ１０を用いた空燃比のフィードバック制御を停止し、オープン制御（開ループ制御）を開始する。オープン制御では、混合気の空燃比が目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁５１の燃料噴射量ＦＡが目標空燃比ＴＡＦ及び吸入空気量ＩＡに基づいて下記式（１）によって算出される。吸入空気量ＩＡはエアフロメータ７０の出力に基づいて算出される。
ＦＡ＝ＩＡ／ＴＡＦ …（１）

本実施形態では、オープン制御における目標空燃比ＴＡＦが理論空燃比（１４．６）に設定される。このことによって、空燃比センサ１０の故障を判定するときに排気エミッションが悪化することを抑制することができる。

次いで、ステップＳ２０２では、電圧制御部５は電圧印加回路３を介して所定の負電圧をセンサ素子１１に印加する。所定の負電圧は、予め定められ、例えば－０．５Ｖに設定される。例えば、電圧制御部５は、電圧印加回路３に設けられたスイッチ素子を用いて、センサ素子１１の印加電圧を正電圧と負電圧との間で選択的に切り替える。

次いで、ステップＳ２０３では、故障判定部６は、負電圧の印加後、第１運転状態が所定時間継続されたか否かを判定する。所定時間は、予め定められ、例えば０．５秒～５秒に設定される。ステップＳ２０３において第１運転状態が所定時間継続されたと判定された場合、本サブルーチンはステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４では、故障判定部６は、電流検出回路４によって検出された第１電流値Ｉ１を取得する。

次いで、ステップＳ２０５において、故障判定部６は第１フラグＦ１を１に設定する。ステップＳ２０５の後、本サブルーチンは終了する。一方、ステップＳ２０３において第１運転状態が所定時間継続されなかったと判定された場合、本サブルーチンはステップＳ２０４及びＳ２０５をスキップして終了する。

再び図８Ａを参照すると、ステップＳ１０３において第１フラグＦ１が１であると判定された場合、又はステップＳ１０４において内燃機関の運転状態が第１運転状態ではないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、故障判定部６は、第２フラグＦ２がゼロであるか否かを判定する。第２フラグＦ２は、第２電流値が取得されたときに１に設定され、第２フラグＦ２の初期値はゼロである。第２フラグＦ２が１に設定されていると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第２フラグＦ２がゼロに設定されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、故障判定部６は、内燃機関の運転状態が第２運転状態であるか否かを判定する。第２運転状態は、第１運転状態よりも高負荷の運転状態であり、例えば中高速（例えば６０ｋｍ／ｈ～８０ｋｍ／ｈ）の定常走行状態に設定される。この場合、故障判定部６は、車速センサ７２の出力に基づいて、内燃機関の運転状態が第２運転状態であるか否かを判定する。

ステップＳ１０７において内燃機関の運転状態が第２運転状態ではないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０７において内燃機関の運転状態が第２運転状態であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、本制御ルーチンのサブルーチンとして、図８Ｄに示される第２電流値取得処理の制御ルーチンが実行される。

図８Ｄは、本発明の第一実施形態における第２電流値取得処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。最初に、ステップＳ３０１において、図８ＣのステップＳ２０１と同様に、故障判定部６は、空燃比センサ１０を用いた空燃比のフィードバック制御を停止し、理論空燃比を目標空燃比とするオープン制御（開ループ制御）を開始する。

次いで、ステップＳ３０２では、図８ＢのステップＳ２０２と同様に、電圧制御部５は電圧印加回路３を介して所定の負電圧をセンサ素子１１に印加する。

次いで、ステップＳ３０３では、故障判定部６は、負電圧の印加後、第２運転状態が所定時間継続されたか否かを判定する。所定時間は、予め定められ、例えば０．５秒～５秒に設定される。ステップＳ３０３において第２運転状態が所定時間継続されたと判定された場合、本サブルーチンはステップＳ３０４に進む。

ステップＳ３０４では、故障判定部６は、電流検出回路４によって検出された第２電流値Ｉ２を取得する。

次いで、ステップＳ３０５において、故障判定部６は第２フラグＦ２を１に設定する。ステップＳ３０５の後、本サブルーチンは終了する。一方、ステップＳ３０３において第２運転状態が所定時間継続されなかったと判定された場合、本サブルーチンはステップＳ３０４及びＳ３０５をスキップして終了する。

ステップＳ１０５又はＳ１０８のサブルーチンの後、本制御ルーチンは図８ＢのステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、図８ＡのステップＳ１０１と同様に、電圧制御部５は電圧印加回路３を介して所定の正電圧をセンサ素子１１に印加する。

次いで、ステップＳ１１０において、故障判定部６は、空燃比センサ１０を用いた空燃比のフィードバック制御を再開する。フィードバック制御では、空燃比センサ１０によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁５１の燃料噴射量が決定される。

次いで、ステップＳ１１１において、故障判定部６は、第１フラグＦ１及び第２フラグＦ２が１であるか否かを判定する。第１フラグＦ１及び第２フラグＦ２の少なくとも一方がゼロであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第１フラグＦ１及び第２フラグＦ２が１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１２では、故障判定部６は、第２電流値Ｉ２の絶対値から第１電流値Ｉ１の絶対値を減算した値が第１判定値Ｋ１以上であるか否かを判定する。第１判定値Ｋ１は、予め定められ、正の値に設定される。

ステップＳ１１２において第２電流値Ｉ２の絶対値から第１電流値Ｉ１の絶対値を減算した値が第１判定値Ｋ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１３に進む。ステップＳ１１３では、故障判定部６は、空燃比センサ１０が異常であり、固体電解質層１２にクラックが生じていると判定する。このとき、故障判定部６は、車両に設けられた警告灯を点灯させてもよい。また、故障判定部６は、固体電解質層１２のクラックに対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させてもよい。

一方、ステップＳ１１２において第２電流値Ｉ２の絶対値から第１電流値Ｉ１の絶対値を減算した値が第１判定値Ｋ１未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１４に進む。ステップＳ１１４では、故障判定部６は、第１電流値Ｉ１の絶対値から第２電流値Ｉ２の絶対値を減算した値が第２判定値Ｋ２以上であるか否かを判定する。第２判定値Ｋ２は、予め定められ、正の値に設定される。

ステップＳ１１４において第１電流値Ｉ１の絶対値から第２電流値Ｉ２の絶対値を減算した値が第２判定値Ｋ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１５に進む。ステップＳ１１５では、故障判定部６は、空燃比センサ１０が異常であり、第１不透過層１４にクラックが生じていると判定する。このとき、故障判定部６は、車両に設けられた警告灯を点灯させてもよい。また、故障判定部６は、第１不透過層１４のクラックに対応する故障コードをＥＣＵ３１のメモリ（ＲＯＭ３４又はＲＡＭ３３）又は他の記憶装置に記憶させてもよい。

一方、ステップＳ１１４において第１電流値Ｉ１の絶対値から第２電流値Ｉ２の絶対値を減算した値が第２判定値Ｋ２未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１６に進む。ステップＳ１１６では、故障判定部６は、空燃比センサ１０が正常であると判定する。

ステップＳ１１３、Ｓ１１５又はＳ１１６の後、本制御ルーチンはステップＳ１１７に進む。ステップＳ１１７では、故障判定部６は第１フラグＦ１及び第２フラグＦ２をゼロにリセットする。ステップＳ１１７の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ１１２において、故障判定部６は、第２電流値Ｉ２の絶対値を第１電流値Ｉ１の絶対値で除算した値が第１判定値Ｋ１以上であるか否かを判定してもよい。すなわち、故障判定部６は、下記式（２）が成立するか否かを判定してもよい。
｜Ｉ２｜／｜Ｉ１｜≧Ｋ１ …（２）
この場合、第１判定値Ｋ１は１よりも大きな値に設定される。

同様に、ステップＳ１１４において、故障判定部６は、第１電流値Ｉ１の絶対値を第２電流値Ｉ２の絶対値で除算した値が第２判定値Ｋ２以上であるか否かを判定してもよい。すなわち、故障判定部６は、下記式（３）が成立するか否かを判定してもよい。
｜Ｉ１｜／｜Ｉ２｜≧Ｋ２ …（３）
この場合、第２判定値Ｋ２は１よりも大きな値に設定される。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る故障検出装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る故障検出装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図９は、本発明の第二実施形態に係る空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関等を概略的に示す図である。第二実施形態では、内燃機関を搭載した車両に、大気圧を検出する大気圧センサ７４が設けられる。大気圧センサ７４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。したがって、大気圧センサ７４の出力はＥＣＵ３１に送信され、ＥＣＵ３１は大気圧センサ７４の出力を取得する。

上述したように空燃比センサ１０の大気室１９には大気が導入されるが、大気圧は、内燃機関を搭載する車両の走行環境に応じて変化する。例えば、大気圧は、車両が走行する道路の標高が高くなるほど低くなる。大気圧が低くなると、空燃比センサ１０が正常であっても、センサ素子１１に負電圧が印加されたときに大気側電極１７から排気側電極１６に移動する酸化物イオンの移動量が減少する。すなわち、大気圧が低くなると、空燃比センサ１０が正常であっても、センサ素子１１に負電圧が印加されたときのセンサ素子１１の出力電流の絶対値が小さくなる。

このため、第二実施形態では、故障判定部６は、大気圧センサ７４によって検出された大気圧に基づいて第１電流値の絶対値及び第２電流値の絶対値を補正する。このことによって、大気圧の変動によるクラックの誤検出を低減することができ、ひいては空燃比センサ１０の故障の検出精度を高めることができる。

第二実施形態では、図８Ａ及び図８Ｂの故障判定処理の制御ルーチンが実行されるときに、ステップＳ１０５のサブルーチンとして図１０Ａの第１電流値取得処理の制御ルーチンが実行され、ステップＳ１０８のサブルーチンとして図１０Ｂの第２電流値取得処理の制御ルーチンが実行される。

図１０Ａは、本発明の第二実施形態における第１電流値取得処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。ステップＳ４０１～Ｓ４０３は図８ＣのステップＳ２０１～Ｓ２０３と同様に実行される。ステップＳ４０３において第１運転状態が所定時間継続されたと判定された場合、本サブルーチンはステップＳ４０４に進む。

ステップＳ４０４では、故障判定部６は、電流検出回路４によって検出された第１電流値Ｉ１と、大気圧センサ７４によって検出された大気圧Ｐ１とを取得する。

次いで、ステップＳ４０５において、故障判定部６は、マップ又は計算式を用いて、大気圧Ｐ１に基づいて第１電流値Ｉ１の絶対値を補正する。マップ又は計算式は、大気圧Ｐ１が低いほど第１電流値Ｉ１の絶対値が大きくなるように作成される。

次いで、ステップＳ４０６において、故障判定部６は第１フラグＦ１を１に設定し、ステップＳ４０６の後、本サブルーチンは終了する。

図１０Ｂは、本発明の第二実施形態における第２電流値取得処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。ステップＳ５０１～Ｓ５０３は図８ＤのステップＳ３０１～Ｓ３０３と同様に実行される。ステップＳ５０３において第２運転状態が所定時間継続されたと判定された場合、本サブルーチンはステップＳ５０４に進む。

ステップＳ５０４では、故障判定部６は、電流検出回路４によって検出された第２電流値Ｉ２と、大気圧センサ７４によって検出された大気圧Ｐ２とを取得する。

次いで、ステップＳ５０５において、故障判定部６は、マップ又は計算式を用いて、大気圧Ｐ２に基づいて第２電流値Ｉ２の絶対値を補正する。マップ又は計算式は、大気圧Ｐ２が低いほど第２電流値Ｉ２の絶対値が大きくなるように作成される。

次いで、ステップＳ５０６において、故障判定部６は第２フラグＦ２を１に設定し、ステップＳ５０６の後、本サブルーチンは終了する。

第二実施形態では、図８ＢのステップＳ１１２及びＳ１１４において、第１電流値の絶対値及び第２電流値の絶対値として、図１０Ａ及び図１０Ｂのサブルーチンによって算出された補正後の値が用いられる。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、空燃比センサの故障検出装置が適用される内燃機関は圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。

また、故障検出装置１を用いて、触媒６０の下流側に配置された空燃比センサの故障判定が行われてもよい。また、故障検出装置１によって故障判定が行われる空燃比センサは触媒６０の上流側及び下流側に配置されてもよい。この場合、下流側空燃比センサの故障判定が行われるときには、図８ＣのステップＳ２０１、図８ＤのステップＳ３０１、図１０ＡのステップＳ４０１及び図１０ＢのステップＳ５０１において、下流側空燃比センサを用いた空燃比制御（例えば目標空燃比の切替等）のみが停止され、上流側空燃比センサを用いた空燃比のフィードバック制御が継続されてもよい。

また、第２運転状態が第１運転状態よりも高負荷の運転状態であれば、第１運転状態及び第２運転状態として任意の運転状態を設定することができる。例えば、第１運転状態が低速（例えば２０ｋｍ／ｈ～４０ｋｍ／ｈ）の定常走行状態に設定され、第２運転状態が中高速（例えば６０ｋｍ／ｈ～８０ｋｍ／ｈ）の定常走行状態に設定されてもよい。また、第１運転状態が、吸入空気流量が下側基準値以下である定常運転状態に設定され、第２運転状態が、吸入空気流量が下側基準値よりも大きな上側基準値以上である定常運転状態に設定されてもよい。

１ 空燃比センサの故障検出装置
３ 電圧印加回路
４ 電流検出回路
５ 電圧制御部
６ 故障判定部
１０ 空燃比センサ
１１ センサ素子
１２ 固体電解質層
１６ 排気側電極
１７ 大気側電極

Claims (1)

1. 酸化物イオン伝導性を有する固体電解質層と、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスに曝されるように前記固体電解質層の一方の側面上に配置された排気側電極と、大気に曝されるように前記固体電解質層の他方の側面上に配置された大気側電極とを有するセンサ素子を備える空燃比センサの故障を検出する、空燃比センサの故障検出装置であって、
   前記センサ素子に電圧を印加する電圧印加回路と、
   前記センサ素子の出力電流を検出する電流検出回路と、
   前記電圧印加回路から前記センサ素子に印加される電圧を制御する電圧制御部と、
   前記空燃比センサの故障を判定する故障判定部と
   を備え、
   前記電圧制御部は、前記内燃機関の第１運転状態及び該第１運転状態よりも高負荷の第２運転状態において、前記排気側電極の電位が前記大気側電極の電位よりも高くなるように前記センサ素子に負電圧を印加し、
   前記故障判定部は、前記第１運転状態において前記センサ素子に前記負電圧が印加されているときに前記電流検出回路によって検出された第１電流値と、前記第２運転状態において前記センサ素子に前記負電圧が印加されているときに前記電流検出回路によって検出された第２電流値とを取得し、該第２電流値の絶対値が該第１電流値の絶対値よりも大きく且つ該第２電流値の絶対値と該第１電流値の絶対値との差又は比率が所定値以上である場合には、前記固体電解質層にクラックが生じていると判定する、空燃比センサの故障検出装置。

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