JP4919169B2

JP4919169B2 - 酸素センサの故障診断装置

Info

Publication number: JP4919169B2
Application number: JP2007234274A
Authority: JP
Inventors: 靖志岩▼崎▼; 徹木所; 裕澤田; 雅也川路
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: JP2008292444A

Description

本発明は酸素センサの故障診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスの酸素濃度に応じた起電力を発生する酸素センサの故障診断装置に関する。

触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサを設け、その検出結果より空燃比を求めて、検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づけるフィードバック制御を実施している。

酸素センサは、排気通路内に突出するように配設された筒型の検出素子を備えている。検出素子は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面は、センサカバーを通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子は、内外の表面に電極が被覆された固体電解質により形成されている。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアなどが利用されている。検出素子の内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気ガス側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で４価の電子を放出する。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出素子の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子に起電力が発生する。こうして酸素センサは、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。

こうした酸素センサにおいて、検出素子の欠損が生じて検出素子の内外が連通すると、検出素子外部の排気ガスがその内部に侵入し、その内外の酸素分圧の差が無くなってセンサは起電力を発生しなくなる。そしてさらに、検出素子内部に排気ガスが侵入した状態で検出素子外部により酸素濃度の高い（空燃比リーンの）排気ガスが存在すると、酸素センサにおいて逆方向の起電力が発生する。従って、この逆起電力に対応した酸素センサの負（マイナス）の出力電圧を検出することで、酸素センサの検出素子の欠損、即ち酸素センサの故障を検出することができる（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−１４６８３号公報

ところで、酸素センサが上記のように欠損故障しておらず、正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサから負の出力電圧が発生する事象があることが試験により確認された。従って、この場合にも酸素センサの故障と判断してしまうことは誤判定となり、故障診断の精度を落としめる結果となる。

そこで、本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、誤判定を防止して診断精度を向上することができる酸素センサの故障診断装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた酸素センサの故障診断装置において、
前記酸素センサの出力電圧を検出するための出力電圧検出手段と、
前記出力電圧検出手段により負の出力電圧が検出されたとき、該出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の復帰状態に基づき、前記酸素センサの故障を判定する故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置が提供される。

前述したように、酸素センサが欠損故障しておらず正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサから負の出力電圧が発生することがある。その理由は、内燃機関始動前の機関停止中に検出素子内側の大気室に凝縮水などが発生し、大気室に水分が存在することがあるからである。この水分は内燃機関始動後に次第に蒸発するが、このとき水分の蒸発による体積膨張に起因して、大気室内の大気が外部に駆逐され、即ち追い出される。こうなると大気室内が所謂酸欠状態となり、検出素子内外の酸素分圧が逆転して酸素センサから負の電圧が出力される。しかしながら、この後水蒸気は大気室から追い出され、代わりに大気室内に大気が再び戻るようになる。こうなると検出素子の内外に正常な酸素分圧の差が生じるようになり、酸素センサからは正の電圧が出力されるようになる。

酸素センサが故障で負電圧が発生している場合と、酸素センサが正常でありながら水分影響で負電圧が発生している場合とでは、センサ出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際のセンサ出力電圧の挙動が異なる。そこでこの第１の形態では、その挙動の違いを利用し、出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の復帰状態に基づいて酸素センサの故障を判定する。これによれば、センサ故障の場合を水分影響の場合と区別して特定でき、これを以て誤判定を防止し、診断精度を向上することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記故障判定手段が、前記出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の復帰時間が所定時間より短いとき、前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする。

センサ故障の場合は水分影響の場合より、センサ出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の復帰時間が短い。よってその復帰時間が所定時間より短いとき、水分影響の場合と区別してセンサ故障を特定できる。これにより誤判定を防止し、診断精度を高めることができる。

本発明の第３の形態は、前記第１の形態において、
前記故障判定手段が、前記出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方が所定値より小さいとき、前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする。

出力軌跡長は、端的に言えばセンサ出力線図の長さであり、出力面積は、端的に言えばセンサ出力線図と、センサ出力＝ゼロの直線とで囲まれた面積である。センサ故障の場合は水分影響の場合より、出力軌跡長及び出力面積が小さくなる傾向にある。よって出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方が所定値より小さいとき、水分影響の場合と区別してセンサ故障を特定できる。これにより誤判定を防止し、診断精度を高めることができる。

本発明の第４の形態は、前記第１の形態において、
前記故障判定手段が、前記出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方と、負電圧最大値との比が所定値より小さいとき、前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする。

センサ故障の場合と水分影響の場合とで、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方に顕著な差が生じない場合、前記第３の形態だと両者を明確に識別できないことが起こり得る。しかし、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方に顕著な差が生じない場合であっても、センサ故障の場合は水分影響の場合に比べ、負電圧最大値が大きくなるという違いがある。よって、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方と、負電圧最大値との比を考慮することで、水分影響の場合と区別してセンサ故障を特定できる。これにより誤判定を防止し、診断精度を高めることができる。

本発明の第５の形態は、前記第１の形態において、
前記故障判定手段が、前記出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の、負電圧最大値検出時期以降の出力勾配が所定値より大きいとき、前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする。

センサ故障の場合と水分影響の場合とで、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方に顕著な差が生じない場合でも、負電圧最大値検出時期以降のセンサ出力の勾配（傾き）は、センサ故障の場合の方が水分影響の場合に比べ大きくなるという違いがある。よって、出力勾配が所定値より大きいことを以て、水分影響の場合と区別してセンサ故障を特定できる。これにより誤判定を防止し、診断精度を高めることができる。

本発明の第６の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた酸素センサの故障診断装置において、
前記酸素センサの出力電圧を検出するための出力電圧検出手段と、
前記出力電圧検出手段により負の出力電圧が検出されたとき、その負電圧検出前の排気状態に基づき、前記酸素センサの故障を判定する故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置が提供される。

センサ故障の場合と水分影響の場合とでは、負電圧検出前の排気状態が異なる。即ち、センサ故障の場合、負電圧発生前に検出素子内に酸素の少ない排気ガスが入らないと負電圧は発生しない。他方、センサ正常の場合、発生した負電圧は水分の蒸発によるものであり、負電圧発生前の排気状態と無関係である。そこでこの第６の形態では、かかる相違を利用し、負電圧検出前の排気状態に基づいて酸素センサの故障を判定することとしている。これによれば、センサ故障を水分影響の場合と区別して特定でき、これを以て誤判定を防止し、診断精度を向上することができる。

本発明の第７の形態は、前記第６の形態において、
前記負電圧検出前に、排気空燃比のリーン状態が所定時間未満しか継続していなかったとき、前記故障判定手段が前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする。

負電圧検出前に、排気空燃比のリーン状態が所定時間未満しか継続していない場合、仮にセンサが故障しているならば、負電圧検出前に検出素子内に酸素の少ないストイキ又はリッチのガスが多く浸入していると考えられる。そしてその負電圧は、排気空燃比がフューエルカット等でリーン側に変化し、検出素子内外の酸素分圧が逆転したために発生したものと考えられる。よってこの場合には、酸素センサの故障を水分影響の場合と区別して特定できる。これにより誤判定を防止し、診断精度を高めることができる。

本発明の第８の形態は、前記第１乃至第５のいずれかの形態において、
故障診断を開始するための前提条件が成立しているか否かを判定する前提条件成立判定手段を備え、
前記前提条件成立判定手段は、前記判定に際してフューエルカットが所定時間より長く継続されたか否かを判定し、且つ、フューエルカット解除を遅延させるための解除遅延処理を実行する
ことを特徴とする。

センサ故障の場合を水分影響の場合と区別して精度良く判定するには、酸素センサの検出素子内に排気ガスを充填した状態で、検出素子外をできるだけリーンな雰囲気、最良にはフューエルカットを行って空気雰囲気とするのが好ましい。この第８の形態によれば、フューエルカット解除を遅らせてフューエルカットをより長く継続させ、検出素子外を空気雰囲気に維持することが可能となる。

好ましくは、解除遅延処理は、所定のフューエルカット条件非成立後にフューエルカットを継続するためのディレー時間を設定する処理及びフューエルカットを解除する機関回転速度を所定の基準速度より低い値に変更設定する処理の少なくとも一方である。

本発明の第９の形態は、前記第８の形態において、
前記前提条件成立判定手段は、前記フューエルカットが所定時間より長く継続されていないと判定したとき、フューエルカット解除後の燃料増量制御を禁止すること及び空燃比を弱リーンに制御することの少なくとも一方を実行する
ことを特徴とする。

このようにフューエルカット解除後の燃料増量制御を禁止したり、空燃比を弱リーンに制御したりすると、フューエルカットが実行されなかったりフューエルカット継続時間が短かった場合でも、検出素子外を一応はリーン雰囲気にしておくことができる。よって故障診断を特に問題なく行える検出素子内外のガス状態を実現することができる。

本発明によれば、誤判定を防止して診断精度を向上することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明が適用される車両用内燃機関の構成を、図１を参照して説明する。内燃機関１０の吸気通路１１には、その通路面積を可変とするスロットルバルブ１５（本実施形態では電子制御式）が設けられ、その開度制御によりエアクリーナ１４を通じて吸入される空気の量が調整される。ここで吸入された空気の量（吸入空気量）は、エアフローメータ１６により検出されている。そして吸気通路１１に吸入された空気は、スロットルバルブ１５下流に設けられたインジェクタ１７より噴射された燃料と混合された後、燃焼室１２に送られて、そこで燃焼される。

一方、燃焼室１２での燃焼により生じた排気ガスが送られる排気通路１３には、排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒１８が設けられ、その上流側には触媒前酸素センサ２０、その下流側には触媒後酸素センサ１９がそれぞれ設けられている。

三元触媒１８は、燃焼される混合気の空燃比が理論空燃比（ストイキ）近傍の狭い範囲（ウインドウ）でのみ、排気ガス中の主要有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のすべてを効率的に浄化する。そうした三元触媒１８を有効に機能させるには、混合気の空燃比を上記ウインドウの中心に合わせこむ、厳密なコントロールが必要となる。

この空燃比の制御は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２２により行われる。ＥＣＵ２２には、上記エアフローメータ１６や酸素センサ２０，１９、あるいはアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２１、機関回転速度を検出する回転速度センサ２３を始めとする各種センサ類の検出信号が入力されている。そして、それらセンサ類からの検出信号より把握される内燃機関１０や車両の運転状況に応じて、上記スロットルバルブ１５やインジェクタ１７等を駆動制御して、上記の空燃比制御を行っている。空燃比制御の概要は次の通りである。

まずＥＣＵ２２は、アクセル開度や機関回転速度の検出結果に応じて把握される吸入空気量の要求量を求め、それに応じた吸入空気量が得られるようにスロットルバルブ１５の開度を調整する。その一方、エアフローメータ１６により検出される吸入空気量の実測値に対して、理論空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それによりインジェクタ１７からの燃料噴射量を調整する。これにより、燃焼室１２で燃焼される混合気の空燃比を、ある程度に理論空燃比に近づけることはできる。ただし、それだけでは上記要求される高精度の空燃比制御には不十分である。

そこでＥＣＵ２２は、上記各酸素センサ２０，１９の出力信号より換算される空燃比の実測値に基づいて、インジェクタ１７からの燃料噴射量をフィードバック補正し、要求される空燃比制御の精度を確保している。

以上のように、この排気ガス浄化システムでは、酸素センサ２０，１９の検出結果に応じて燃料噴射量をフィードバック補正する、いわゆる空燃比フィードバック制御を実施することで、混合気の空燃比を理論空燃比近傍に保持し、高い排気ガス浄化率を確保している。なお、この排気ガス浄化システムでは、上述のように２つの酸素センサ２０，１９によって、三元触媒１８の上下流における排気ガスの酸素分圧ひいては空燃比をそれぞれ検出することで、上記空燃比フィードバック制御の更なる高精度化を図っている。

本実施形態で故障診断の対象となるのは触媒下流側の触媒後酸素センサ１９である。よってこの触媒後酸素センサ１９を中心に説明を行う。図２及び図３に示すように、酸素センサ１９は、排気通路１３内に突出するように配設された筒型の検出素子３１を備えている。検出素子３１は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面は、センサカバー３２を通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子３１は、内外の表面に電極３３Ａ，３３Ｂが被覆された固体電解質により形成されている。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアなどが利用されている。検出素子３１の内側の大気室３４は、センサ内に設けられた図示しない大気通路と、センサボディに形成された大気穴３５とを通じて外部に連通され、且つ大気が導出入可能となっている。なお大気通路又は大気穴３５にはフィルタが設けられる。大気室３４には、検出素子３１を加熱して早期に活性化させるためのヒータ３６が設けられ、ヒータ３６はＥＣＵ２２によって通電制御される。

検出素子３１を介して隔てられたその内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気ガス側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で４価の電子を放出する。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出素子３１の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子３１に起電力が発生する。こうして酸素センサ１９は、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり検出素子３１外部の排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。ここで酸素イオンが内表面側の電極３３Ａから検出素子３１を通って外表面側の電極３３Ｂに向かうことから、電流の向きは逆となり、両電極に接続された外部装置に対しては内表面側の電極３３Ａが正極、外表面側の電極３３Ｂが負極となる。

ちなみに、酸素センサには他にも、板形状の検出素子を用いたものや、検出素子にジルコニア以外の素材を用いたものなど、様々なタイプの酸素センサがある。そしてその多くでは、上記例示したセンサと同様の検出原理により排気ガスの酸素分圧を検出する構成、すなわち基準ガス（大気）と排気ガスとを隔離するよう配設された検出素子が、基準ガスに対する排気ガスの酸素分圧の差に応じて起電力を発生する構成となっている。

酸素センサ１９の出力特性を図４に例示する。示されるように、酸素センサ１９の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）を境に過渡的に変化し、酸素センサ１９に供給される排気ガス（雰囲気ガス）の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリーンな領域（Ａ／Ｆ＞Ａ／Ｆｓ、以下リーン空燃比ともいう）では０．１Ｖ程度の小さい電圧を示し、理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリッチな領域（Ａ／Ｆ＜Ａ／Ｆｓ、以下リッチ空燃比ともいう）では０．９Ｖ程度の比較的高い電圧を示す。ここでは、０．４５Ｖのセンサ出力をリッチ・リーン判定閾値として、ＥＣＵ２２が検出した酸素センサ１９の出力電圧が、理論空燃比よりもリッチ相当かリーン相当かを判断している。なお、酸素センサ１９の上記各領域でのセンサ出力電圧の大きさは、検出素子３１の温度状態に応じて変化することがある。

触媒上流側の触媒前酸素センサ２０については、本実施形態の場合、排気ガスの空燃比に応じてその出力値が線形的に変化する特性の、より分解能の高い酸素センサが用いられる。本実施形態の内燃機関が理論空燃比以外の空燃比（主にリーン空燃比）で燃焼されることがあるからである。一方、基本的に理論空燃比のみで燃焼される内燃機関の場合等では、触媒後酸素センサ１９と同じ酸素センサが用いられてもよい。このセンサは理論空燃比よりリッチ及びリーンのいずれかといった低い分解能しか持たないものの、上記ストイキ燃焼のみを行うには、それで十分なことが多いからである。いずれにしても、本発明は、触媒上流側の触媒前酸素センサ２０に対しても適用可能である。

ところで、長期使用による経年劣化等により、酸素センサ１９の検出素子３１にクラックが入ったり、検出素子３１が割れたりするといった検出素子３１の欠損が発生し、酸素センサ１９が故障する場合がある。この欠損によるセンサ故障の場合、図５に示すように、検出素子３１の欠損部３７を通じて検出素子３１の内外が連通し、検出素子３１外部の排気ガスがその内部に侵入する。そして検出素子３１内部に排気ガスが侵入した状態で、検出素子３１外部により酸素濃度の高い（空燃比リーンの）排気ガスが存在すると、酸素センサ１９において逆方向の起電力が発生する。このことは例えば、センサ故障状態で空燃比をリッチからリーンに切り替えた場合や、フューエルカットが行われた場合などに起こり得る。この場合、正極３３Ａの電位よりも負極３３Ｂの電位の方が高くなり、負（マイナス）の出力電圧が発生することになる。

図６はかかる故障時の酸素センサ出力電圧の変化の一例を示す。円で囲った領域に示されるように、酸素センサ１９からはしばしば負の電圧が出力される。従ってこのような負の出力電圧をＥＣＵ２２により検知することで、酸素センサの故障を一応は推定することができる。

しかしながら、前述したように、酸素センサ１９が欠損故障しておらず、正常な場合であっても、内燃機関始動後の暖機中に酸素センサ１９から負の出力電圧が発生することがある。従って、この場合にも酸素センサ１９の故障と判断してしまうことは誤判定となり、故障診断の精度を落としめる結果となる。

図７には、酸素センサが正常な場合における、内燃機関始動後の暖機中における酸素センサ出力電圧（実線）の変化を調べた試験結果を示す。なお酸素センサの検出素子のインピーダンス（以下、「素子インピーダンス」ともいう）（一点鎖線）の変化を併記した。素子インピーダンスは酸素センサの検出素子の温度（以下、「素子温」ともいう）に相関する値であり、両者は、素子温が高温になるほどに素子インピーダンスが低くなるという関係にある。従って図から素子温が次第に上昇していることが理解されよう。

図示されるように、内燃機関の始動時（ｔ＝０）から一定期間、酸素センサ出力電圧が０Ｖとなっている。これは酸素センサの素子温が未だ活性温度に達しておらず電圧を出力できないからである。その後、酸素センサの暖機が終了し、検出素子が活性化すると、破線円で示されるように、負の電圧が酸素センサから出力されることがある。この理由は、内燃機関始動前の機関停止中に検出素子内側の大気室に凝縮水などが発生し、大気室に水分が存在するからである。即ち、図２及び図３を参照して、内燃機関停止中には大気通路や大気穴３５を通じて大気室３４内に水分を含む外気が浸入し、さらに大気室３４や検出素子３１の温度も低下するので、大気室３４内に凝縮水が生成される。この凝縮水が、内燃機関始動後、ヒータ３６への通電とも相俟って、大気室３４及び検出素子３１の温度上昇と共に蒸発し、このとき水分の蒸発による体積膨張に起因して大気室３４内の空気が外部に駆逐され、即ち追い出される。こうなると大気室３４内が所謂酸欠状態となり、検出素子３１の内外の酸素分圧が逆転して酸素センサ１９から負の電圧が出力される。この後、水蒸気は大気室３４から追い出され、代わりに大気室３６内に大気が再び戻る或いは再導入されるようになる。こうなると検出素子３１の内外に正常な酸素分圧の差が生じるようになり、酸素センサ１９からは正の電圧が出力されるようになる。

かような理由で、内燃機関始動後のセンサ暖機中に正常な酸素センサから負の電圧が出力されてしまうことがあり得る。よってこの場合に酸素センサの故障と誤判定することを防止するため、本実施形態では、酸素センサ１９からの負の出力電圧が検出されたとき、この出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の復帰状態に基づき、酸素センサ１９の故障を判定することとしている。以下これについて説明する。

図８は、酸素センサ１９から負電圧が出力されたときの出力挙動を示す模式図である。実線ａは、正常な酸素センサ（「正常センサ」という）の場合であって且つ上述の水分の影響により負電圧が発生している場合である。この場合を「水分影響の場合」という。他方、一点鎖線ｂは、故障している酸素センサ（「故障センサ」という）の場合であって且つフューエルカット（Ｆ／Ｃ）等により酸素濃度の高い（空燃比リーンの）排気ガスが酸素センサに供給され、負電圧が発生している場合である。この場合を「センサ故障の場合」という。なお、ｔ＝０の時点でフューエルカットが開始されているものとする。

図から分かるように、水分影響の場合、センサ故障の場合よりも負電圧が長く発生しているのが分かる。また図では同一値に示されているが、センサ故障の場合、水分影響の場合よりも負電圧のマイナス方向のピーク値（「負電圧最大値」という）の値がマイナス側に大きい傾向にある。つまり、水分影響の場合、小さい負電圧が長時間発生する傾向にあり、センサ故障の場合、大きな負電圧が極短時間だけ発生する傾向にある。

この理由を図９を用いて説明する。図中、上段にはセンサ故障の場合を示し、下段には水分影響の場合を示す。センサ故障の場合、通常時に検出素子３１の欠損部３７から排ガスが検出素子３１内に侵入する。そしてこの排ガスは、元々検出素子３１内にあった酸素（空気）を外部に押し出し、検出素子３１内を酸欠状態へと至らしめる。次いで、フューエルカット開始直後、検出素子３１の外側には酸素が到達し、これによって検出素子３１内外の酸素分圧が逆転し、負電圧が発生する。しかしながら、フューエルカットが継続されると、検出素子３１外の空気が欠損部３７から検出素子３１内に侵入し、検出素子３１内の排ガスを外部に押し出す。これによって検出素子３１内外の酸素分圧の差が無くなり、負電圧が発生しなくなると共に、センサ出力電圧はゼロ若しくは正の電圧に復帰する。このように負電圧は、フューエルカット開始直後の極短時間だけ発生する。なお、フューエルカットに限らず、検出素子３１内に排ガスが十分存在する状態で検出素子３１外に酸素濃度のより高い（リーンの）排ガスが到達したような場合にも、同様に、その到達直後の短時間だけ負電圧が発生する。

他方、水分影響の場合、通常時に検出素子３１外に排ガスがあり、検出素子３１内では溜まった水分が蒸発して水蒸気となり、この水蒸気が元々検出素子３１内にあった酸素（空気）を外部に押し出し、検出素子３１内を酸欠状態へと至らしめる。これによっても検出素子３１内外の酸素分圧が逆転し、負電圧が発生する可能性があるが、特にこの状態でフューエルカットが行われると、フューエルカット開始直後、検出素子３１の外側に酸素が到達することから、検出素子３１内外の酸素分圧は明らかに逆転し、負電圧が発生する。その後、フューエルカット継続中、検出素子３１内では未だ溜まった水分が蒸発し続けていることから、検出素子３１内に水蒸気が満たされ、酸欠状態が継続する。よって水分が十分蒸発して、水分及び水蒸気と外気とが十分交換されるまで、負電圧は比較的長時間発生し続け、且つ、センサ出力電圧は緩やかにゼロ若しくは正の電圧に復帰するようになる。

図１０及び図１１には、センサ故障の場合と水分影響の場合とで負電圧発生状況を調べた試験結果をそれぞれ示す。まず、図１０に示すセンサ故障の場合、図中円内に見られるように、フューエルカット開始直後に極短時間だけ負電圧が発生していることが分かる。そして、その負電圧継続時間は０．６秒或いは１．５秒という値であった。なお、この試験結果において、素子インピーダンスｅは約１７０Ω、素子温にして約５５０℃であり、素子温は活性開始温度である４００℃よりも高く、酸素センサは十分活性化している。

他方、図１１に示す水分影響の場合、図中のセンサ出力ｃの円内に見られるように、酸素センサの活性開始直後、長時間に亘って負電圧が発生していることが分かる。その負電圧継続時間は１３３秒という値であった。この試験結果は、機関始動後の酸素センサ暖機中のものであり、図中の素子インピーダンスｅの円内に見られるように、素子インピーダンスｅは約５０ｋΩから約２ｋΩに、素子温にして約３００℃から約４５０℃に変化している。素子温の活性開始温度は、十分な精度を満足できる値として一応４００℃と予め定められているものの、それより若干低くてもセンサは電圧を出力可能であり、この実質的な活性化状態が開始したと同時に水分影響で負電圧が発生する。

このように、センサ故障の場合と水分影響の場合とでは、センサ出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際のセンサ出力電圧の挙動が異なる。そこで本発明では、この挙動の違いを利用してセンサ故障の場合を水分影響の場合と区別して判定することとしている。

その第１の態様は、センサ出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の復帰時間を計測してその復帰時間を所定時間と比較し、復帰時間が所定時間より短いとき、酸素センサ１９を故障と判定するものである。前述したように、センサ故障の場合は水分影響の場合より復帰時間が短いので、その復帰時間が所定時間より短いとき、センサの故障を水分影響の場合と区別して特定することができる。これにより誤判定を防止し、診断精度を高めることができる。

第２の態様は、センサ出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際のセンサ出力の軌跡長（「出力軌跡長」という）を所定値と比較し、出力軌跡長が所定値より小さいとき、酸素センサ１９を故障と判定するものである。出力軌跡長は、端的に言えば図８に示されたようなセンサ出力線図の長さである。センサ故障の場合は水分影響の場合より出力軌跡長が小さくなる傾向にあるので、その出力軌跡長が所定値より小さいとき、センサの故障を水分影響の場合と区別して特定することができる。これにより誤判定を防止し、診断精度を高めることができる。

第３の態様は、センサ出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際のセンサ出力の面積（「出力面積」という）を所定値と比較し、出力面積が所定値より小さいとき、酸素センサ１９を故障と判定するものである。出力面積は、端的に言えば図８に示されたようなセンサ出力線図と、センサ出力＝ゼロの直線とで囲まれた面積である。センサ故障の場合は水分影響の場合より出力面積が小さくなる傾向にあるので、その出力面積が所定値より小さいとき、センサの故障を水分影響の場合と区別して特定することができる。これにより誤判定を防止し、診断精度を高めることができる。

なお、第２及び第３の態様を合体し、出力軌跡長と出力面積との両方が各々に対応する所定値より小さいとき、酸素センサ１９を故障と判定してもよい。

以下、故障診断の第１乃至第３の態様の具体的処理を説明する。まず図１２に、故障診断の第１の態様の具体的処理を示す。この処理は所定の処理周期毎にＥＣＵ２２によって繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、故障診断を開始するための前提条件が成立しているか否かが判断される。この前提条件が成立している場合とは、例えば、１）エンジン始動後であること、２）機関水温が所定温度（例えば０℃）を超えていること、３）酸素センサ１９の暖機が終了していること、の全てが満たされている場合である。機関水温は図示しない水温センサで検出される。また、酸素センサ１９の暖機が終了しているか否かは例えば次のようにして判断される。即ち、ＥＣＵ２２によって検出された素子インピーダンスＲｓが、活性開始温度（本実施形態では４００℃）相当の所定値を下回っていれば暖機終了、そうでなければ暖機未終了と判断される。

前提条件が成立していない場合には本処理が終了される。他方、前提条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進み、酸素センサ１９からの出力電圧、即ちセンサ出力Ｖｓが取得或いは検出される。

次にステップＳ１０３において、取得されたセンサ出力Ｖｓが所定値Ｖｓ０と比較される。所定値Ｖｓ０は本実施形態では０（Ｖ）に設定されているが、アナログ−デジタル変換誤差や回路誤差等を考慮して、０（Ｖ）より僅かに小さい値、例えば−５０（ｍＶ）などに設定されてもよい。或いは、０（Ｖ）より僅かに大きい値、例えば５０（ｍＶ）などに設定されてもよい。これにより、実質的に、酸素センサ１９から負電圧が発生したか否かが判断される。

センサ出力Ｖｓが所定値Ｖｓ０より小さいとき、即ち負電圧が発生しているときには、ステップＳ１０４で負電圧履歴フラグがオンされ、負電圧が発生したことの履歴が記憶される。そして、ステップＳ１０５で、ＥＣＵ２２に備えられた負電圧継続時間カウンタのカウンタ値Ｃがカウントアップされ、本処理が終了される。ステップＳ１０５が繰り返し実行されることにより、センサ出力Ｖｓが負となった時からゼロ以上に復帰する時までの復帰時間が順次計測されていくことになる。

他方、センサ出力Ｖｓが所定値Ｖｓ０以上のとき、即ち負電圧が発生していないとき或いはセンサ出力Ｖｓが負からゼロ以上に復帰したときには、ステップＳ１０６で負電圧履歴フラグがオンか否かが判断される。負電圧履歴フラグがオンでないとき、即ちオフのときは、本処理が終了される。なお、センサ出力Ｖｓが正である通常時には、ステップＳ１０３：ＮＯ、ステップＳ１０６：ＮＯとなって正常・故障の判定はなされない。

他方、負電圧履歴フラグがオンならば、ステップＳ１０７で、負電圧継続時間カウンタ値Ｃが所定値Ｃ１，Ｃ２（但しＣ１＜Ｃ２）の間の範囲内にあるか否かが判断される。所定値Ｃ１及びＣ２は、例えば図１０の試験結果に基づき、０及び２（ｓｅｃ）に相当する比較的小さい値に設定される。つまりここでは、負電圧継続時間カウンタ値Ｃ即ち復帰時間が、センサ故障とみなせるほどに小さい値であるか否かが判断されている。実質的には、復帰時間が、Ｃ２相当未満の極短時間であるか否かが判断されている。

負電圧継続時間カウンタ値Ｃが所定値Ｃ１より大きく且つ所定値Ｃ２より小さい場合、ステップＳ１０８に進んで、負電圧履歴フラグがオフされ、負電圧継続時間カウンタがクリアされる。そして、ステップＳ１０９において、酸素センサ１９が故障と判定され、本処理が終了される。

他方、負電圧継続時間カウンタ値Ｃが所定値Ｃ１以下か又は所定値Ｃ２以上の場合（実質的には所定値Ｃ２以上の場合）、センサは正常だが単に水分影響で負電圧が発生している可能性がある。この場合には故障判定が保留され、ステップＳ１１０に進んでステップＳ１０８と同様、負電圧履歴フラグがオフされ、負電圧継続時間カウンタがクリアされる。そしてステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１では、酸素センサ１９を正常と判定するための所定条件が成立しているか否かが判断される。この条件とは、故障センサの場合に必ず負電圧が発生する条件で負電圧が発生しないことである。故障センサの場合に必ず負電圧が発生する条件とは、例えば、内燃機関の高負荷運転後のフューエルカット開始直後の場合などである。高負荷運転となっていることは、吸入空気量やアクセル開度の検出値が所定値以上となっていることで判断でき、フューエルカット開始直後であることは、フューエルカットフラグがオンとなった時から所定時間以内であることを以て判断できる。

正常判定条件が成立していない場合には本処理が終了される。他方、正常判定条件が成立している場合にはステップＳ１１２に進み、酸素センサ１９が正常と判定され、本処理が終了される。このように、センサ故障と判定しない場合に一律にセンサ正常と判定するのではなく、センサ故障と判定しない場合に、正常判定条件が成立した場合に限ってセンサ正常と判定するので、正常判定の正確性を増し、診断精度を向上することができる。

次に、図１３に、故障診断の第２の態様の具体的処理を示す。この処理も所定の処理周期毎にＥＣＵ２２によって繰り返し実行される。なお、故障診断の第３の態様の具体的処理は第２の態様のそれとほぼ同じであり、異なるのは、第２の態様の「出力軌跡長」が「出力面積」に置き換わることだけである。よって第３の態様の具体的処理については、図１３に括弧書きで「面積」の文字を付記し、相違点を説明するのみに止める。

ステップＳ２０１〜Ｓ２０４は前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０４と同様である。ステップＳ２０４の後にステップＳ２０５に進み、負電圧が発生しているときの出力軌跡長Ｒが積算される。即ち、図１４に示すように、今回ｔ_nのセンサ出力Ｖｓ_nと前回ｔ_n-1のセンサ出力Ｖｓ_n-1との差の絶対値（＝｜Ｖｓ_n−Ｖｓ_n-1｜）が、今回ｔ_nの出力軌跡長Ｒ_nとして算出され、この今回ｔ_nの出力軌跡長Ｒ_nが、前回ｔ_n-1に算出された出力軌跡長積算値ΣＲ_n-1に加算され、今回ｔ_nの出力軌跡長積算値ΣＲ_nが算出される。なお図中Δｔは処理周期を表す。

第３の態様の場合はここで出力面積Ｒが積算される。即ち、図１４に示すように、今回ｔ_nにおける０とセンサ出力Ｖｓ_nとの差の絶対値（＝｜０−Ｖｓ_n｜）が、今回ｔ_nの出力面積Ｒ_nとして算出され、この今回ｔ_nの出力面積Ｒ_nが、前回ｔ_n-1に算出された出力面積積算値ΣＲ_n-1に加算され、今回ｔ_nの出力面積積算値ΣＲ_nが算出される。こうして積算される出力面積は最終的に図１４のハッチング領域の面積を表すこととなる。

図１３に戻って、ステップＳ２０６は前記ステップＳ１０６と同様である。ステップＳ２０６で負電圧履歴フラグがオンならば、ステップＳ２０７で、最終的に算出された出力軌跡長積算値（第３の態様の場合には出力面積積算値、以下同様）ΣＲが所定値ΣＲ１より小さいか否かが判断される。所定値ΣＲ１は比較的小さい値に設定されており、即ちここでは、出力軌跡長積算値ΣＲがセンサ故障とみなせるほどに小さい値であるか否かが判断されている。

出力軌跡長積算値ΣＲが所定値ΣＲ１より小さい場合、ステップＳ２０８に進んで、負電圧履歴フラグがオフされ、出力軌跡長積算値ΣＲがクリアされる。そして、ステップＳ２０９において、酸素センサ１９が故障と判定され、本処理が終了される。

他方、出力軌跡長積算値ΣＲが所定値ΣＲ１以上の場合、ステップＳ２１０に進んでステップＳ２０８と同様の処理がなされ、ステップＳ２１１に進む。そしてステップＳ２１１では前記ステップＳ１１１同様、所定の正常判定条件が成立しているか否かが判断される。正常判定条件が成立していない場合には本処理が終了され、他方、正常判定条件が成立している場合にはステップＳ２１２で酸素センサ１９が正常と判定され、本処理が終了される。

なお、第２及び第３の態様を組み合わせた場合には、ステップＳ２０５の積算、ステップＳ２０７の比較及びステップＳ２０８，Ｓ２１０の積算値クリアが、出力軌跡長と出力面積との両方について行われることになる。

次に、故障診断の第４及び第５の態様を説明する。この第４及び第５の態様は、第２及び第３の態様の欠点を克服することを狙いとする。第２及び第３の態様では、センサ出力の軌跡長及び面積の大小によってセンサ故障の場合と水分影響の場合とを区別していた。しかし、これだと、図１５に示すように、センサ故障の場合（一点鎖線ｂ）と水分影響の場合（実線ａ）とで、出力軌跡長又は出力面積に顕著な差が生じない場合に、両者を識別できないことが起こり得る。この場合とは、例えば、酸素センサ１９の大気室３４に水分が少量しか含まれていなかった場合である。この場合、水分が比較的短時間で蒸発してしまって、外気との交換が短時間で終了する。

そこで、第４の態様では、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方を、負電圧のマイナス方向のピーク値即ち負電圧最大値で規格化し、その値に基づいて両者を識別する。ここで、負電圧最大値はそれ自体正の値とし、センサ出力電圧のマイナスピーク値がマイナス側に向かうほど、負電圧最大値は大きくなるものとする。図１５に示すように、センサ故障の場合は水分影響の場合に比べ、負電圧最大値Ｖｓｐが大きくなるという違いがある（Ｖｓｐ_b＞Ｖｓｐ_a）。そこで、出力軌跡長又は面積Ｒと負電圧最大値Ｖｓｐとの比即ち負電圧比Ｙ（＝Ｒ／Ｖｓｐ）を定義する。こうすると、出力軌跡長又は面積Ｒが同一でも、センサ故障の場合は水分影響の場合に比べ、負電圧比Ｙが小さくなる。よって、負電圧比Ｙが所定値より小さいことを以て、水分影響の場合と区別して酸素センサ１９を故障と特定できる。

他方、第５の態様では、センサ出力が負からゼロ以上に復帰する際の、負電圧最大値検出時期以降の出力勾配に基づいて、両者を識別する。即ち、図１５に示すように、負電圧最大値Ｖｓｐが検出された時期以降のセンサ出力の勾配（傾き）Ｚは、センサ故障の場合の方が水分影響の場合に比べ大きくなるという違いがある（Ｚ_b＞Ｚ_a）。よって、出力勾配Ｚが所定値より大きいことを以て、水分影響の場合と区別して酸素センサ１９を故障と特定できる。出力軌跡長又は面積Ｒが同一でも、これとは無関係にセンサ故障を特定できる。

以下、図１６を用いて、故障診断の第４の態様の具体的処理を説明する。この処理も所定の処理周期毎にＥＣＵ２２によって繰り返し実行される。なお、負電圧比Ｙは、出力軌跡長と負電圧最大値との比及び出力面積と負電圧最大値との比のいずれであってもよいが、ここでは前者を採用し、後者については図１６に括弧書きで「面積」の文字を付記するに止める。

ステップＳ３０１〜Ｓ３０５は前記ステップＳ２０１〜Ｓ２０５と同様である。ステップＳ３０５の後にステップＳ３０６に進み、負電圧最大値Ｖｓｐが更新される。即ち、今回のセンサ出力Ｖｓの絶対値と、前回までに記憶された負電圧最大値Ｖｓｐとが比較され、前者が後者より大きければ前者が新たな負電圧最大値Ｖｓｐとして記憶され、前者が後者以下ならば後者の値が負電圧最大値Ｖｓｐとして記憶保持される。

ステップＳ３０７は前記ステップＳ２０６と同様である。ステップＳ３０７で負電圧履歴フラグがオンならば、ステップＳ３０８において負電圧比Ｙ＝ΣＲ／Ｖｓｐが算出される。そしてステップＳ３０９でこの負電圧比Ｙが所定値Ｙ１より小さいか否かが判断される。所定値Ｙ１は比較的小さい値に設定されている。

負電圧比Ｙが所定値Ｙ１より小さい場合、ステップＳ３１０に進んで、負電圧履歴フラグがオフされ、出力軌跡長積算値ΣＲがクリアされ、負電圧最大値Ｖｓｐがクリアされる。そして、ステップＳ３１１において、酸素センサ１９が故障と判定され、本処理が終了される。

他方、負電圧比Ｙが所定値Ｙ１以上の場合、ステップＳ３１２に進んでステップＳ３１０と同様の処理がなされ、ステップＳ３１３で前記ステップＳ２１１同様、所定の正常判定条件が成立しているか否かが判断される。正常判定条件が成立していない場合には本処理が終了され、他方、正常判定条件が成立している場合にはステップＳ３１４で酸素センサ１９が正常と判定され、本処理が終了される。

なお、負電圧比Ｙとして、出力軌跡長と負電圧最大値との比及び出力面積と負電圧最大値との比といった二つの負電圧比を用いることもできる。この場合には、ステップＳ３０５の積算及びステップＳ３１０，Ｓ３１２の積算値クリアが、出力軌跡長と出力面積との両方について行われ、ステップＳ３０９の比較が二つの負電圧比のそれぞれについて行われることになる。

次に、図１７を用いて、故障診断の第５の態様の具体的処理を説明する。この処理も所定の処理周期毎にＥＣＵ２２によって繰り返し実行される。

ステップＳ４０１〜Ｓ４０４及びＳ４０５は前記ステップＳ３０１〜Ｓ３０４及びＳ３０６と同様である。ステップＳ４０５の後にステップＳ４０６に進み、負電圧最大値Ｖｓｐの検出時期ｔｐが更新される。即ち、ステップＳ４０５で負電圧最大値Ｖｓｐが新たな値に更新される度に、その新たな値に対応する今回時期（今回の処理タイミング）が、新たな負電圧最大値検出時期ｔｐとして更新記憶される。

ステップＳ４０７は前記ステップＳ３０７と同様である。ステップＳ４０７で負電圧履歴フラグがオンならば、ステップＳ４０８において出力勾配Ｚが算出される。出力勾配Ｚは式：Ｚ＝Ｖｓｐ／（ｔ_n−ｔｐ）によって算出される。ｔ_nは、負電圧がゼロ以上の電圧に復帰した現在時点即ち今回時期を表す。これによって、図１５に示したような、負電圧最大値Ｖｓｐの検出ないし発生時点から、負電圧がゼロ以上の電圧に復帰した時点までの間の出力勾配Ｚが算出されることとなる。

なお、出力勾配Ｚの算出方法はこれに限定されず、負電圧最大値検出時期ｔｐ以降で負電圧発生中のいずれの期間の出力勾配であってもよい。本実施形態では負電圧最大値検出時期ｔｐ以降の全期間の出力勾配を算出するようにしたが、前半期間、後半期間、中間期間など、部分期間の出力勾配を算出するようにしてもよい。

次いで、ステップＳ４０９では、出力勾配Ｚが所定値Ｚ１より大きいか否かが判断される。所定値Ｚ１は比較的大きい値に設定されている。

出力勾配Ｚが所定値Ｚ１より大きい場合、ステップＳ４１０に進んで、負電圧履歴フラグがオフされ、負電圧最大値Ｖｓｐがクリアされ、負電圧最大値検出時期ｔｐがクリアされる。そして、ステップＳ４１１において、酸素センサ１９が故障と判定され、本処理が終了される。

他方、出力勾配Ｚが所定値Ｚ１以下の場合、ステップＳ４１２に進んでステップＳ４１０と同様の処理がなされ、ステップＳ４１３で前記ステップＳ３１３同様、所定の正常判定条件が成立しているか否かが判断される。正常判定条件が成立していない場合には本処理が終了され、他方、正常判定条件が成立している場合にはステップＳ４１４で酸素センサ１９が正常と判定され、本処理が終了される。

ところで、これら第１〜第５の態様は、センサ故障の場合と水分影響の場合とでセンサ出力の挙動が異なることを利用して、センサ故障の場合を水分影響の場合と区別して判定するものであった。これに対し、次に述べる第６の態様は、センサ故障の場合と水分影響の場合とで負電圧検出前の排気状態が異なることを利用して、その排気状態に基づき、センサ故障を水分影響の場合と区別して判定する。なお、排気状態が機関運転状態に応じて変わることから、排気状態を機関運転状態に置き換えてもよい。

図１８及び図１９には、負電圧発生前の排気空燃比がストイキよりリーンの場合と、ストイキ又はそれよりリッチの場合とで、負電圧発生状況を調べた別の試験結果をそれぞれ示す。まず、図１８に示すリーンの場合、見られるように、空燃比ａが強制的に一定のリーン値となるように制御されている（Ａ／Ｆ＝１５．１）。一点鎖線ｂ，ｄは水分影響（正常センサ）の場合を示し、実線ｃ，ｅは故障センサの場合を示す。この試験結果は、機関始動後の酸素センサ暖機中のものであり、素子インピーダンスｄ，ｅは次第に低い値に、即ち素子温は次第に高い値に推移している。検出素子が活性開始すると同時にセンサ出力が発生するが、このとき、水分影響の場合のセンサ出力ｂは負となっており、故障センサの場合のセンサ出力ｃは正となっている。水分影響の場合にセンサ出力ｂが負となる理由は前述したとおりである。故障センサの場合にセンサ出力ｃが正となる理由は、検出素子の活性開始前に既に検出素子の欠損部を通じて検出素子内にリーンガスが取り込まれており、検出素子が活性開始となっても、検出素子内外に酸素の少ないリーンガスが存在し、両者の酸素分圧の差が生じず、酸素分圧が逆転しないためである。なお理論上は活性開始後にゼロの電圧が出力されるはずであるが、活性開始直後はセンサ出力が安定せず、微妙に正の値を出力する傾向にあるので、センサ出力が正となっている。

次に、図１９に示す例の場合、見られるように空燃比ａは、通常リッチ（Ａ／Ｆ＝１４．１）に強制的に制御され、時々フューエルカットが実行される関係でリーンとなっている。一点鎖線ｂ，ｄは正常センサの場合を示し、実線ｃ，ｅは故障センサの場合を示す。この試験結果は、酸素センサが十分暖機された後のものであり、素子インピーダンスｄ，ｅは十分小さな値に、即ち素子温は十分高い値になっている。フューエルカット開始直後、正常センサの場合のセンサ出力ｂはリーン空燃比に対応した小さな正電圧となっている。これに対し、故障センサの場合のセンサ出力ｃは負となっている。故障センサの場合にセンサ出力ｃが負となる理由は前述した通りである。

このように、故障センサの負電圧は、負電圧発生前に検出素子内に酸素の少ないガスが入らないと発生しない。他方、正常センサの負電圧は、水分の蒸発によるものであり、負電圧発生前のガス状態と無関係である。かかる観点から、第６の態様では、負電圧検出前の排気状態に基づいて、センサ故障を水分影響の場合と区別して判定する。

図２０に、故障診断の第６の態様の具体的処理を示す。この処理も所定の処理周期毎にＥＣＵ２２によって繰り返し実行される。

ステップＳ５０１、Ｓ５０２は前記ステップＳ４０１、Ｓ４０２と同様である。次のステップＳ５０３では排気空燃比がストイキより大きい値か否か、即ちストイキよりリーンであるか否かが判断される。ここで排気空燃比の値としては、空燃比制御に用いる目標空燃比の値や、吸入空気量及び燃料噴射量から算出される混合気空燃比の値などで代用することもできるが、本実施形態では、より酸素センサ１９に近い位置での排気空燃比とするため、触媒前酸素センサ２０で検出された排気空燃比を用いている。

排気空燃比がストイキより大きい値の場合、ステップＳ５０４で、ＥＣＵ２２に備えられたリーン運転継続カウンタのカウンタ値Ｋがカウントアップされる。他方、排気空燃比がストイキ以下の値の場合、即ちストイキ又はリッチの値の場合、ステップＳ５０５で、リーン運転継続カウンタのカウンタ値Ｋがクリアされる。

その後、ステップＳ５０６に進み、前記ステップＳ４０３同様、センサ出力Ｖｓが所定値Ｖｓ０より小さいか否か、即ち負電圧が検出されたか否かが判断される。

センサ出力Ｖｓが所定値Ｖｓ０より小さいとき、ステップＳ５０７に進んで、リーン運転継続カウンタ値Ｋが所定値Ｋ１より小さいか否かが判断される。所定値Ｋ１は比較的小さい値である。即ちここでは、負電圧検出と同時に、その前（特に直前）のリーン運転継続時間が所定時間より少ないか否かが判断されており、これは即ち、負電圧検出前に、排気空燃比のリーン状態が所定時間未満しか継続していなかったか否かが判断されているのと同義である。リーン運転継続カウンタ値Ｋが所定値Ｋ１より小さい場合、ステップＳ５０８にて酸素センサ１９は故障と判定され、本処理が終了される。

負電圧検出前に、排気空燃比のリーン状態が所定時間未満しか継続していない場合、仮にセンサが故障しているならば、負電圧検出前に検出素子内に酸素の少ないストイキ又はリッチのガスが多く浸入していると考えられる。そしてその負電圧は、排気空燃比がフューエルカット等でリーン側に変化し、検出素子内外の酸素分圧が逆転したために発生したものと考えられる。なお、フューエルカットの開始時、即ち触媒前酸素センサ２０で最初にリーン空燃比が検出された時から、負電圧発生時までの間には、短いながらも時間遅れがある。

この時間遅れの原因は、単に通路長に基づく輸送遅れの他、触媒が酸素吸蔵型の場合に触媒での酸素吸蔵時間があることによる。よって、負電圧検出前に排気空燃比のリーン状態が所定時間未満しか継続していない場合とは、負電圧検出前に先の時間遅れに基づくリーン状態が短時間続き、さらにその前がストイキ又はリッチ状態であったともいえる。いずれにしても、負電圧検出前に、排気空燃比のリーン状態が所定時間未満しか継続していない場合には、酸素センサ１９の故障を水分影響の場合と区別して判定できる。

他方、ステップＳ５０７でリーン運転継続カウンタ値Ｋが所定値Ｋ１以上の場合、水分影響で負電圧が発生している可能性があるため、故障判定を保留して本処理が直ちに終了される。

ステップＳ５０６でセンサ出力Ｖｓが所定値Ｖｓ０以上のとき、即ち負電圧が発生していないときには、ステップＳ５０９で前記ステップＳ４１３同様、所定の正常判定条件が成立しているか否かが判断される。正常判定条件が成立していない場合には本処理が終了され、他方、正常判定条件が成立している場合にはステップＳ５１０で酸素センサ１９が正常と判定され、本処理が終了される。

ところで、センサ故障の場合を水分影響の場合と区別して精度良く判定するには、酸素センサ１９の検出素子３１内に排気ガスを十分に充填し、且つ検出素子３１外をできるだけリーンな雰囲気、最良にはフューエルカット（Ｆ／Ｃ）時の如く空気雰囲気にするような状態を確保した上で故障診断を行うのが好ましい。そこで第１〜５の態様に関連して、前記ステップＳ１０１、Ｓ２０１、Ｓ３０１及びＳ４０１の少なくとも一つにおいて、次のような前提条件成立判定処理を行い、その結果として前提条件成立の有無を判定することも可能である。

図２１に前提条件成立判定処理を示す。この処理は所定の処理周期毎にＥＣＵ２２によって繰り返し実行される。

まずステップＳ６０１では、前提条件のうちの基本的条件、即ち基本前提条件が成立しているか否かが判断される。この基本前提条件が成立している場合とは、例えば前記ステップＳ１０１等で述べた条件、即ち１）エンジン始動後であること、２）機関水温が所定温度（例えば０℃）を超えていること、３）酸素センサ１９の暖機が終了していること、の全てが満たされている場合である。基本前提条件が成立していない場合には本処理が終了される。他方、基本前提条件が成立している場合にはステップＳ６０２に進み、酸素センサ１９に供給される排気ガスの空燃比がストイキ又はそれよりリッチであるか否かが判断される。具体的には、触媒前センサ２０で検出された空燃比がストイキ又はそれよりリッチであるか否かが判断される。

判断結果がノーの場合には本処理が終了される。他方、判断結果がイエスの場合、ステップＳ６０３に進み、エアフローメータ１６で検出された吸入空気量Ｇａが所定値Ｇａｓ（例えば２０ｇ／ｓ）より大きいか否かが判断される。吸入空気量Ｇａは排気ガス量の代用値として用いられており、ここでは実質的に、故障センサの場合に検出素子３１内への排気ガスの浸入を許容するほどに、酸素センサ１９に供給される排気ガスの流量が十分大きいか否かが判断されている。

次いでステップＳ６０４にてステップＳ６０３の吸入空気量検出値Ｇａが積算され、その積算値ΣＧａが算出される。そしてステップＳ６０５で積算値ΣＧａが所定値ΣＧａｓ（例えば１０００ｇ）と比較される。ここでは実質的に、故障センサの場合に検出素子３１内にストイキ又はリッチの排気ガスが診断に適した十分な量だけ浸入したか否かが判断されている。積算値ΣＧａが所定値ΣＧａｓ以下の場合、本処理が終了され、他方、積算値ΣＧａが所定値ΣＧａｓより大きい場合、ステップＳ６０６にて、故障センサの場合に検出素子３１内にストイキ又はリッチの排気ガスが十分に充填されたという条件、即ちガス充填条件が成立とされる。

次いでステップＳ６０７にて、フューエルカット解除を遅延させるための解除遅延処理として、フューエルカット解除（或いはフューエルカットから通常制御への復帰）の際の所定のディレー時間ｔｄが設定される。

即ち、フューエルカットは、所定のフューエルカット条件の成立の有無に応じて実行又は解除される。このフューエルカット条件とは、１）アクセル開度センサ２１によって検出されたアクセル開度Ａｃが全閉とみなせる開度であること、及び２）回転速度センサ２３で検出された機関回転速度Ｎｅが所定のアイドル速度より若干高い所定速度Ｎｅｆｃ以上であること、の二条件を満たすことである。ＥＣＵ２０はフューエルカット条件が成立するとインジェクタ１７の通電を停止して燃料噴射を停止し、フューエルカットを実行する。他方、ＥＣＵ２０はフューエルカット条件が非成立となるとフューエルカットを解除し、燃料噴射を実行ないし再開する。

ここで通常時は、フューエルカット条件が非成立となるとその時から直ちにフューエルカットが解除されるのだが、本処理ではフューエルカット条件非成立後にもフューエルカットを継続させるため、前記ディレー時間ｔｄが設定される。つまりフューエルカット条件非成立時からディレー時間ｔｄの経過後にフューエルカットが解除される。

このようにディレー時間ｔｄを設定し、フューエルカット解除を遅らせるようにすれば、単純にフューエルカットを長く継続できるのみならず、例えば意図せぬ短時間のアクセル操作（踏み込み）によりフューエルカットが解除されてしまうのを回避できる。即ち、当該アクセル操作によりフューエルカット条件が一時的に非成立となっても、ディレー時間ｔｄ中にアクセルが戻されてフューエルカット条件が再成立する可能性がある。これによりフューエルカットをより長く継続でき、検出素子３１外を空気雰囲気に確実に維持することが可能となる。

次に、ステップＳ６０８ではフューエルカットが実行されているか否かが判断される。

フューエルカットが実行されている場合、ステップＳ６０９において、フューエルカット解除を遅延させるための解除遅延処理として、フューエルカットを解除する機関回転速度が、基準速度である前記所定速度Ｎｅｆｃから、これよりも低い値Ｎｅｆｃ’に変更設定される。こうしてもディレー時間ｔｄを設定した場合と同様に、フューエルカット条件が非成立となり難くなり、フューエルカット解除を遅らせることができる。そして検出素子３１外を空気雰囲気に確実に維持することが可能となる。

次いでステップＳ６１０では、フューエルカットが所定時間ｔｆｃｓより長く継続されたか否かが判断される。この判断結果がイエスの場合、ステップＳ６１１に進んで前提条件成立とされ、本処理が終了される。つまりこの場合はストイキ又はリッチの排気ガスが検出素子３１内に十分満たされ、その後検出素子３１外が十分に空気雰囲気となった場合なので、前提条件成立とし、その後の故障診断処理を許容する。

他方、ステップＳ６０８でフューエルカットが実行されてないと判断した場合、及びステップＳ６１０でフューエルカットが所定時間ｔｆｃｓより長く継続されてないと判断した場合、ステップＳ６１２でフューエルカット解除後の燃料増量制御が禁止され、且つ空燃比が弱リーン、即ちストイキよりも若干リーンに制御される。なお、フューエルカットが所定時間より長く継続されてない場合には、フューエルカットが実行されてない場合が含まれる。

フューエルカット解除後の燃料増量制御は通常制御時に行われる制御であり、フューエルカット解除後、燃料噴射量をストイキ相当の値よりも増量する制御である。フューエルカット解除直後には壁面への付着燃料が殆ど無く、その影響で燃焼室内の混合気がストイキよりリーン気味となるので、これを補うべく燃料増量制御が行われる。また、フューエルカットから通常制御への復帰直後に機関回転速度がアイドル速度よりも落ち込んだりハンチングを起こしたりする場合があるので、これを防止する目的で燃料増量制御が行われる。

このようにフューエルカット解除後の燃料増量制御が禁止され、且つ弱リーン制御が実施されると、フューエルカットが実行されなかったりフューエルカット継続時間が短かった場合でも、検出素子３１外を一応はリーン雰囲気にしておくことができる。よってセンサ故障の場合に検出素子３１内をストイキ又はリッチ雰囲気とし、検出素子３１外をリーン雰囲気とし、故障診断処理を特に問題なく行える検出素子内外のガス状態を実現することができる。なお、弱リーン制御は少なくとも故障診断処理の終了時まで継続されるのが好ましい。

こうして燃料増量制御が禁止され、且つ弱リーン制御が実施されたならば、ステップＳ６１１に進んで前提条件成立とされ、本処理が終了される。

なお、ここではディレー時間の設定とフューエルカット解除速度の変更設定との両者を行うようにしたが、いずれか一方のみを行う変形例も可能である。同様に、ここではフューエルカット解除後の燃料増量制御禁止と弱リーン制御との両者を行うようにしたが、いずれか一方のみを行う変形例も可能である。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関は車載用に限定されず、酸素センサの配置方法や設置位置も任意に変更が可能である。また、前記実施形態で用いられた数値等は任意に変更が可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本実施形態に係る内燃機関を示す図である。酸素センサの取付状態を示す断面図である。酸素センサの検出素子周辺の拡大断面図である。酸素センサの出力特性を示すグラフである。酸素センサの検出素子に欠損部が生じた場合の拡大断面図である。酸素センサの故障時における出力電圧の変化を示すグラフである。酸素センサが正常な場合における、内燃機関始動後の暖機中における酸素センサ出力電圧の変化を調べた試験結果を示す。酸素センサから負電圧が出力されたときの出力挙動を示す模式図である。故障センサ及び正常センサの場合における負電圧発生原理を説明するための図である。センサ故障の場合で負電圧発生状況を調べた試験結果である。水分影響の場合で負電圧発生状況を調べた試験結果である。故障診断の第１の態様の具体的処理を示すフローチャートである。故障診断の第２及び第３の態様の具体的処理を示すフローチャートである。出力軌跡長及び出力面積の算出方法を説明するための図である。出力軌跡長又は出力面積に顕著な差が生じない場合の例を示す図である。故障診断の第４の態様の具体的処理を示すフローチャートである。故障診断の第５の態様の具体的処理を示すフローチャートである。負電圧発生前の排気空燃比がリーンの場合の試験結果である。負電圧発生前の排気空燃比がストイキ又はリッチの場合の試験結果である。故障診断の第６の態様の具体的処理を示すフローチャートである。前提条件成立判定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１３排気通路
１９触媒後酸素センサ
２０触媒前酸素センサ
２２電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１検出素子
３４大気室
Ｖｓ酸素センサ出力電圧（センサ出力）
Ｃ負電圧継続時間カウンタ値
Ｒ出力軌跡長（出力面積）
Ｖｓｐ負電圧最大値
Ｙ負電圧比
Ｚ出力勾配
Ａ／Ｆ空燃比
Ｋリーン運転継続カウンタ値
ｔｄディレー時間
Ｎｅｆｃフューエルカットを解除する基準速度

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた酸素センサの故障診断装置において、
前記酸素センサの出力電圧を検出するための出力電圧検出手段と、
前記出力電圧検出手段により負の出力電圧が検出されたとき、該出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の復帰状態に基づき、前記酸素センサの故障を判定する故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
前記故障判定手段が、前記出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の復帰時間が所定時間より短いとき、前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする請求項１記載の酸素センサの故障診断装置。
前記故障判定手段が、前記出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方が所定値より小さいとき、前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする請求項１記載の酸素センサの故障診断装置。
前記故障判定手段が、前記出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の、出力軌跡長及び出力面積の少なくとも一方と、負電圧最大値との比が所定値より小さいとき、前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする請求項１記載の酸素センサの故障診断装置。
前記故障判定手段が、前記出力電圧が負からゼロ以上に復帰する際の、負電圧最大値検出時期以降の出力勾配が所定値より大きいとき、前記酸素センサを故障と判定する
ことを特徴とする請求項１記載の酸素センサの故障診断装置。
故障診断を開始するための前提条件が成立しているか否かを判定する前提条件成立判定手段を備え、
前記前提条件成立判定手段は、前記判定に際してフューエルカットが所定時間より長く継続されたか否かを判定し、且つ、フューエルカット解除を遅延させるための解除遅延処理を実行する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。
前記前提条件成立判定手段は、前記フューエルカットが所定時間より長く継続されていないと判定したとき、フューエルカット解除後の燃料増量制御を禁止すること及び空燃比を弱リーンに制御することの少なくとも一方を実行する
ことを特徴とする請求項６記載の酸素センサの故障診断装置。