酸素センサの故障診断装置
【課題】酸素センサの故障と回路故障とを区別して判定する。
【解決手段】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おいて、酸素センサに電圧を印加しそれを引き戻す過程で酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差ΔＶＯＸが所定値より大きいとき、少なくとも前記検出された素子インピーダンスの値に応じて、酸素センサの故障と、素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス基準故障判定手段とを備える。
【解決手段】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おいて、酸素センサに電圧を印加しそれを引き戻す過程で酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差ΔＶＯＸが所定値より大きいとき、少なくとも前記検出された素子インピーダンスの値に応じて、酸素センサの故障と、素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス基準故障判定手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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を指し、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。
【０００４】
ところで、酸素センサで発生した起電力は出力電圧として電子制御ユニットに送られる。一方、電子制御ユニットが異常な出力電圧を検知した場合、いずれかの箇所で故障が発生していると判断される。この故障部位の特定は、後の部品交換等の修理作業を迅速的確に行う上で重要である。かかる故障部位の特定を実行可能な故障診断装置としては、例えば、制御ユニットのポートの外部に生じたショートであるか、或いは制御ユニット内部のスイッチ素子の故障であるかを特定するものがある（特許文献１参照）。
【０００５】
また、従来の故障診断装置としては、他に、酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する総回数に対し、吸入空気量の増大を伴って上記反転が行われる回数の割合が所定値以上であることに基づき、酸素センサの検出素子に微細な破損が生じていると判断するものがある（特許文献２参照）。また、酸素センサの出力電圧をモニタし、リーン信号の出力割合が所定値以上となる出力分布が確認されることをもって酸素センサの検出素子の欠損有りと判定し、同センサの異常診断を行うものがある（特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１４０６４２号公報
【特許文献２】特開２００４−３４６８４７号公報
【特許文献３】特開２００３−１４６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献２，３にも述べられているように、酸素センサにおいて、検出素子にクラックが入ったり、検出素子が割れたりするという欠損故障が生じる場合がある。この欠損故障が生じると、検出素子の内外が連通し、本来大気が入っている検出素子の内側に排気ガスが出入りする。そして、この排気ガスの出入りによりセンサ出力電圧が変動する。よってこのセンサ出力電圧の変動を監視することにより酸素センサの故障を検出することができる。
【０００８】
しかしながら、酸素センサ以外の電気回路部分で故障が発生した場合にも、酸素センサ故障時と同様に、変動を伴う信号が電子制御ユニットで得られる場合がある。この場合、電子制御ユニットにおいて、酸素センサの故障なのか回路の故障なのかを判別することができず、故障部位を正確に特定できないという問題がある。
【０００９】
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、酸素センサの故障と回路故障とを区別して判定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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、第１の発明は、
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、少なくとも前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値に応じて、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
センサ故障の場合と回路故障とのいずれの場合であっても、前記印加前後の酸素センサ出力電圧が異なり、その電圧差又はその絶対値が所定値より大きくなることがある。しかしながら、酸素センサの検出素子温度が活性温度より低い低温であると酸素センサは出力電圧を発することができない。酸素センサの素子インピーダンスの値は検出素子温度に相関する値である。これらの観点に鑑み、第１の発明では、素子インピーダンスの値の大小に応じて、センサ故障と回路故障とを区別して判定することとしている。これにより故障部位の特定が可能となり、精度の高い故障診断が可能となる。
【００１２】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記インピーダンス基準故障判定手段は、前記検出された素子インピーダンスの値が所定値より大きいとき前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する
ことを特徴とする。
【００１３】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記インピーダンス基準故障判定手段は、前記検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき前記酸素センサの故障と判定する
ことを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき、少なくとも前記吸入空気量検出手段により検出された前記吸入空気量の値に応じて、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定する空気量基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
酸素センサの素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき（例えば検出素子温度が活性温度にあるとき）、酸素センサが故障状態にあれば、その出力電圧は、吸入空気量の値に応じて変動したりしなかったりする。よってこの特性を利用し、第４の発明では、吸入空気量の値に応じて、センサ故障と回路故障とを区別して判定することとしている。これによっても故障部位の特定が可能となり、精度の高い故障診断が可能となる。
【００１６】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記酸素センサの出力電圧の変動積算量を算出する変動積算量算出手段をさらに備え、
前記空気量基準故障判定手段は、前記検出された吸入空気量の値が中程度の値であり、且つ、前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値が所定値より大きいとき、前記酸素センサの故障と判定する
ことを特徴とする。
【００１７】
また、第６の発明は、第４又は第５の発明において、
前記空気量基準故障判定手段は、前記検出された吸入空気量の値が低又は高程度の値であり、且つ、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する
ことを特徴とする。
【００１８】
また、第７の発明は、
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記検出された酸素センサの出力電圧の変動積算量を算出する変動積算量算出手段と、
前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値及び前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値の少なくとも一つと、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値及び前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値の少なくとも一つとに基づき、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス・空気量基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この第７の発明において、好ましくは、インピーダンス・空気量基準故障判定手段は、前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より大きく、且つ、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する。
【００２０】
また第７の発明において、好ましくは、インピーダンス・空気量基準故障判定手段は、前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さく、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値が低又は高程度の値であり、且つ、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する。
【００２１】
また第７の発明において、好ましくは、インピーダンス・空気量基準故障判定手段は、前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さく、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値が中程度の値であり、且つ、前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値が所定値より大きいとき、前記酸素センサの故障と判定する。
【００２２】
また、第８の発明は、第１乃至第７いずれかの発明において、
前記素子インピーダンス検出回路の故障は、前記酸素センサからの電圧引き戻し時にＯＮされるスイッチ素子の故障である
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、酸素センサの故障と回路故障とを区別して判定し、故障部位の特定及び高精度な故障診断が可能になるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２５】
本発明の適用される車載用内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を、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。
【００２６】
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１９、その下流側には触媒後酸素センサ２０がそれぞれ設けられている。
【００２７】
三元触媒１８は、燃焼される混合気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲（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。
【００２８】
こうした空燃比の制御は、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１９，２０、あるいはアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ２１、機関回転速度を検出するＮＥ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、上記のような空燃比の制御を行っている。そうした電子制御ユニット２２による空燃比制御の概要は次の通りである。
【００２９】
まず電子制御ユニット２２は、上記アクセルペダルの踏み込み量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。
【００３０】
そこで電子制御ユニット２２は、上記各酸素センサ１９，２０の検出結果より把握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。
【００３１】
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１９，２０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１９，２０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。
【００３２】
こうした排気浄化システムに採用される２つの酸素センサ１９，２０は互いに同様の構成であり、また故障診断の方法も同様である。そこで以下、触媒前酸素センサ１９を例にとって説明し、触媒後酸素センサ２０については説明を省略する。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（センサ素子）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を指し、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の内部の大気室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、且つ大気が導入されるようになっている。大気室３４には、検出素子３１を加熱して早期に活性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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、センサ１９の検出結果が、理論空燃比よりもリッチかリーンかを判断している。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。
【００３６】
なお、本実施形態のように、理論空燃比での燃焼（ストイキ燃焼）のみを目的とした空燃比制御を行う内燃機関では、理論空燃比を境に出力電圧が大きく変化する特性の酸素センサが用いられることが多い。こうしたセンサは、理論空燃比よりもリッチ、及び理論空燃比よりも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。一方、希薄空燃比での燃焼を行うなど、より広範囲の空燃比での燃焼を行う内燃機関では、排気ガスの空燃比に応じてその出力電圧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こともある。本発明はこのような酸素センサに対しても適用可能である。
【００３７】
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出入りする。検出素子３１の内外に排気ガスが存在し、その内外の酸素分圧に差がないような場合、センサ起電力は発生せず、また、検出素子３１内部に排気ガスが入っている状態で、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直後や、フューエルカット直後などに起こり得る。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）の起電力が発生する。かかる原理により、酸素センサ１９が欠損故障を起こすと、排気ガスの空燃比を正確に検出できなくなるばかりでなく、検出素子３１への排気ガスの出入りにより酸素センサ１９の出力電圧値が小刻みに変動し、ノイズ成分が重畳するようになる。
【００３８】
この酸素センサ１９の欠損故障はＥＣＵ２２により次の方法で検出することができる。図６に示すように、所定周期隔てた各処理タイミングＴ（ｎ）（ｎ＝１，２，３・・・）において、当該タイミングで取得される酸素センサ出力電圧Ｖｓ（ｎ）とそれより１回前のタイミングで取得される酸素センサ出力電圧Ｖｓ（ｎ−１）との差の絶対値｜Ｖｓ（ｎ）−Ｖｓ（ｎ−１）｜を計算し、この値を各処理タイミングＴ（ｎ）毎に順次積算していく。こうして所定時間積算して得られる値、即ち変動積算量（或いは軌跡長積算値）が所定値より大きいとき、酸素センサ１９は故障と判定することができる。
【００３９】
しかしながら、前述したように、酸素センサ１９以外の電気回路部分で故障が発生した場合にも、同様に変動を伴う信号がＥＣＵ２２で得られる場合があることが確認された。従ってこのような場合には、ＥＣＵ２２において、変動が酸素センサの故障に起因するのか、回路の故障に起因するのかを判別することができず、前記の方法で故障部位を正確に特定することができない。故障部位の特定ができなければ必然的にどの部品を交換すればよいかも分からないことになり、故障時の対応を迅速に行えないという不都合も生じる。
【００４０】
そこで、本実施形態では以下のようにして酸素センサの故障と回路故障とを区別して判定することとしている。なお、かかる故障判定の方法はいずれの酸素センサ１９，２０についても同様であるので、ここでは例示的に触媒前酸素センサ１９の一方のみについて説明を行う。
【００４１】
まず、酸素センサ１９とこれが接続されるＥＣＵ２２とからなる回路構成を図７を参照して説明する。図示されるように、酸素センサ１９は、その正極３３Ａが正極線４１Ａにより、その負極３３Ｂが負極線４１Ｂにより、それぞれＥＣＵ２２に接続されている。具体的には、正極線４１Ａ及び負極線４１ＢがそれぞれＥＣＵ２２のケーシング（太実線で示す）に設けられた正極端子４２Ａ及び負極端子４２Ｂに接続されている。酸素センサ１９は、インピーダンス成分Ｒｓと起電力成分とを含むものとして等価的に示されている。ＥＣＵ２２は内部に中央処理ユニット（以下ＣＰＵという）４３を備え、ＣＰＵ４３は以下の回路を通じて正極端子４２Ａ及び負極端子４２Ｂに接続される。
【００４２】
ＥＣＵ２２は、酸素センサ１９が発生する電圧（正極３３Ａ及び負極３３Ｂ間の電圧）に基づいて排気空燃比に関する情報を取得する機能と、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓを検出する機能とを併せ持つ。このうち、酸素センサ１９の検出素子３１の素子インピーダンスＲｓを検出する機能を発揮する部分、即ち素子インピーダンス検出回路Ｂ（図中一点鎖線で囲まれる部分）については後述する。素子インピーダンス検出回路Ｂは、ＣＰＵ４３とその入出力部である第１ポート４４、第１ＡＤ変換器４５、第２ポート４６及び第２ＡＤ変換器４７を含む。
【００４３】
ＥＣＵ２２において、正極端子４２Ａは、ＣＰＵ４３の入力部である第３ＡＤ変換器４８に接続され、また、負極端子４２Ｂは接地されている。正極端子４２Ａ及び第３ＡＤ変換器４８の間には、抵抗５０及びコンデンサ５１からなるフィルタ回路が介設されている。このフィルタ回路は、十分に大きな時定数を有しており、正極端子４２Ａにおける電圧の低周波成分だけを通過させる。このため、第３ＡＤ変換器４８は、極度のノイズを減衰させつつ正極端子４２Ａの電圧値に相当するディジタル信号を精度良く生成し、ＣＰＵ４３に出力することができる。酸素センサ１９の負極３３Ｂが負極端子４２Ｂを介して接地されるので、第３ＡＤ変換器４８を通じてＣＰＵ４３に入力される電圧値はそのまま酸素センサ１９の出力電圧Ｖｓを示す値となる。このように、当該回路がセンサ出力電圧検出回路に相当する。以下、第３ＡＤ変換器４８を通じてＣＰＵ４３に入力される電圧を検出電圧ＶＯＸと称する。
【００４４】
また、ＥＣＵ２２において、出力検出用抵抗５７が酸素センサ１９と並列に設けられている。この出力検出用抵抗５７は、一端が、第３ＡＤ変換器４８の前段のフィルタ回路及び正極端子４２Ａを結ぶ配線に接続され、他端が接地されている。出力検出用抵抗５７は、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓに比して十分に大きなインピーダンスを有している。
【００４５】
次に、素子インピーダンス検出回路Ｂについて説明する。素子インピーダンス検出回路Ｂは、第１スイッチ素子７１を備えている。第１スイッチ素子７１には、所定の大きさを有する素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭが供給されている。本実施形態において、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭは５Ｖの大きさを有し、これはＥＣＵ２２の電源電圧でもある。第１スイッチ素子７１のゲートは、第１ポート４４を介してＣＰＵ４３に接続されている。ＣＰＵ４３は、必要に応じて、ＯＮ指令を発することにより第１スイッチ素子７１をＯＮ状態とする。
【００４６】
第１スイッチ素子７１は、第１抵抗７２を介して第１サンプリング点７３に接続されている。第１サンプリング点７３は、第２抵抗７４を介して正極端子４２Ａに接続されていると共に、コンデンサ７５を介して接地されている。
【００４７】
第１サンプリング点７３は、第１中間抵抗８３と、抵抗７６及びコンデンサ７７からなるフィルタ回路とを介して第１ＡＤ変換器４５に接続されている。このフィルタ回路は、十分に大きな時定数を有しており、第１サンプリング点７３における電圧の低周波成分だけを通過させる。このため、第１ＡＤ変換器４５は、極度のノイズを減衰させつつ第１サンプリング点７３の電圧値に相当するディジタル信号を精度良く生成し、ＣＰＵ４３に出力することができる。
【００４８】
第１サンプリング点７３には、また、第３抵抗７８を介して第２スイッチ素子７９が接続されている。第２スイッチ素子７９は、第１スイッチ素子７１がＯＮ状態とされることにより酸素センサ１９に供給された余剰電荷を強制放電させ、電圧印加後のセンサの出力電圧を印加前の状態に戻すために設けられている。この第２スイッチ素子７９のゲートには、第２ポート４６を介してＣＰＵ４３が接続されている。また第２スイッチ素子７９は接地されている。ＣＰＵ４３は、必要に応じて、ＯＮ指令を発することにより第２スイッチ素子７９をＯＮ状態とし、第１サンプリング点７３を第３抵抗７８を介して接地させる。
【００４９】
また、第２抵抗７４と正極端子４２Ａとの間には、第２サンプリング点８０が形成されている。第２サンプリング点８０は、第２中間抵抗８４と、抵抗８１及びコンデンサ８２からなるフィルタ回路とを介して第２ＡＤ変換器４７に接続されている。このフィルタ回路は、十分に大きな時定数を有しており、第２サンプリング点８０における電圧の低周波成分だけを通過させる。このため、第２ＡＤ変換器４７は、極度のノイズを減衰させつつ第２サンプリング点８０の電圧値に相当するディジタル信号を精度良く生成し、ＣＰＵ４３に出力することができる。第２サンプリング点８０は、また、第３ＡＤ変換器４８への分岐点をも形成し、第３ＡＤ変換器４８の前段のフィルタ回路にも接続されている。
【００５０】
酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓの検出時以外は、第１スイッチ素子７１及び第２スイッチ素子７９がともにＯＦＦされる。これにより第２サンプリング点８０には、酸素センサ１９の出力電圧に等しい電圧が発生し、この電圧が第３ＡＤ変換器４８を介してＣＰＵ４３に入力される。ＣＰＵ４３はこの入力された電圧値ＶＯＸに基づき排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチであるかリーンであるかを判定する。
【００５１】
また、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓの検出時には次のような作動が行われる。まず、第２スイッチ素子７９をＯＦＦとした状態で、第１スイッチ素子７１がＯＮされる。すると、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭが印加され、互いに直列である第１抵抗７２、第２抵抗７４及び酸素センサ１９に電流Ｉが流れる。このとき第２抵抗７４の両端の第１及び第２サンプリング点７３，８０の電圧が、それぞれ第１ＡＤ変換器４５及び第２ＡＤ変換器４７を通じてＣＰＵ４３に入力される。ＣＰＵ４３はこれら電圧差即ち第２抵抗７４の電圧降下と、既知の第２抵抗７４の抵抗値Ｒ２とから電流Ｉを求める。次いでＣＰＵ４３は電流Ｉと、既知の第１抵抗７２の抵抗値Ｒ１とから第１抵抗７２の電圧降下を計算し、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭから、第１抵抗７２及び第２抵抗７４の電圧降下を差し引いて、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓにおける電圧降下を算出する。最後にＣＰＵ４３は、電流Ｉと、素子インピーダンスＲｓにおける電圧降下とから、素子インピーダンスＲｓを算出する。
【００５２】
こうして、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭの印加中に素子インピーダンスＲｓの算出を終えたら、ＣＰＵ４３は、第１スイッチ素子７１をＯＦＦすると同時に第２スイッチ素子７９をＯＮする。すると、酸素センサ１９に対する素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭの印加は断たれ、同時に酸素センサ１９からその印加されていた電圧が引き戻される。この様子を図８（Ａ）に示す。
【００５３】
図は、第３ＡＤ変換器４８を通じてＣＰＵ４３に入力される検出電圧ＶＯＸの変化を示し、これは酸素センサ１９の正極３３Ａの電位の変化に相当する。これから分かるように、第１スイッチ素子７１をＯＮしたと同時（ｔｓ）に正極３３Ａの電位が立ち上がり、第１スイッチ素子７１をＯＦＦ且つ第２スイッチ素子７９をＯＮしたと同時（ｔｈ）に正極３３Ａの電位が急激に立ち下がる。酸素センサ１９には容量成分も含まれているので、第１スイッチ素子７１をＯＮした後単にそれをＯＦＦしただけでは、酸素センサ１９に余剰電荷が残り正極３３Ａの電位がなかなか落ちない（（Ｂ）図参照）。そこでこの余剰電荷を強制放電させるため、第２スイッチ素子７９がＯＮされる。こうすることで図示するように正極３３Ａの電位を瞬時に落とすことができる。
【００５４】
ここで、素子インピーダンスＲｓの検出は、空燃比制御等の通常制御に影響を及ぼさぬよう、通常制御の処理タイミングＴ（ｎ）の周期間隔（Ｔ（ｎ）−Ｔ（ｎ−１）、例えば４ｍｓｅｃ）内で、極短い時間で行われる。そのため、第２スイッチ素子７９をＯＮして正極３３Ａの電位を瞬時に落とすことが重要である。このような、酸素センサ１９の余剰電荷を強制放電させて正極３３Ａの電位を瞬時に落とす操作を「引き戻し」という。なお、引き戻し前に素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭを印加する操作を「掃引」ということもある。第１抵抗７２及び第２抵抗７４で電圧降下があることから、印加終了時ｔｈのピーク電圧は素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭより若干低い値となる。
【００５５】
さて、図８（Ａ）に示した波形は、酸素センサ１９及び素子インピーダンス検出回路Ｂのいずれも故障していない正常時の波形である。これに対し、いずれか一方が故障すると、図８（Ｂ）又は（Ｃ）に示すように波形が変化する。
【００５６】
図８（Ｂ）は、酸素センサ１９が正常で且つ素子インピーダンス検出回路Ｂが故障の場合、より詳しくは、酸素センサ１９が正常で且つ素子インピーダンス検出回路Ｂの第２スイッチ素子７９が故障の場合を示す。以下、この場合を単に「回路故障」ともいう。
【００５７】
示されるように、第２スイッチ素子７９が故障すると、引き戻し時に第２スイッチ素子７９がＯＮとならず、余剰電荷の放電が自然放電に任され、正極３３Ａの電位がなかなか落ちない。よって、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭの印加前後のタイミングｔｄ１，ｔｄ２で、正極３３Ａの電位即ち検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２を取得し、その差又は差の絶対値を所定値と比較することにより、第２スイッチ素子７９の故障を一応は推定することができる。
【００５８】
即ち、図８（Ａ）に示すように正常時には検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２がほぼ同等な値となるのに対し、図８（Ｂ）に示すように回路故障時には印加前の検出電圧ＶＯＸ１より印加後の検出電圧ＶＯＸ２が高くなる。よって、印加前後の検出電圧の差、即ち印加前後電圧差ΔＶＯＸ＝ＶＯＸ２−ＶＯＸ１又はその絶対値を算出し、その印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値がほぼゼロなら正常、所定値より大きければ回路故障と判断することができる。なお、印加後の検出電圧ＶＯＸ２を取得するタイミングｔｄ２は、図８（Ａ）に示すような正常時には引き戻し終了後となり、且つ図８（Ｂ）に示すような故障時には引き戻し中となるようなタイミングに設定される。
【００５９】
しかしながら、このような判定方法では回路故障とセンサ故障とを区別して判定することができない。図８（Ｃ）は、酸素センサ１９が故障で且つ素子インピーダンス検出回路Ｂが正常の場合、より詳しくは、酸素センサ１９が欠損故障で且つ素子インピーダンス検出回路Ｂの第２スイッチ素子７９が正常の場合を示す。以下、この場合を単に「センサ故障」ともいう。
【００６０】
示されるように、センサ故障時には、検出素子３１へのガスの出入りにより正極３３Ａの電位即ち検出電圧ＶＯＸが変動する。よって、印加前後の検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２がほぼ同等な値とならず、印加前の検出電圧ＶＯＸ１より印加後の検出電圧ＶＯＸ２の方が高くなったり低くなったりする。よって、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値と所定値との比較だけでは、センサ故障を推定できるに止まり、それを回路故障と区別して特定することはできない。
【００６１】
このように、センサ故障と回路故障のいずれの場合であっても、同じように印加前後の検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２に相違が見られ、よってこれらの相違を検出するのみではいずれの故障が発生したのかを特定することができない。
【００６２】
そこで、本実施形態では、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓや吸入空気量ＧＡに応じて検出電圧ＶＯＸの特性に違いがあることに着目し、これらの各領域で場合分けを行って、以下のようにしてセンサ故障と回路故障とを区別して判定することとしている。
【００６３】
まず、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓに関して説明する。酸素センサ１９において、その素子インピーダンスＲｓの値は、検出素子３１の温度に相関する値である。検出素子３１の温度が高くなるほど素子インピーダンスＲｓの値は小さくなる。一方、酸素センサ１９は、検出素子３１の温度が活性温度相当の高温に達しないと、出力電圧を発生することができない。よってこの特性を利用してセンサ故障と回路故障とが区別して判定される。
【００６４】
即ち、ＥＣＵ２２は、素子インピーダンスＲｓの検出時において、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値が所定値より大きいか否かを判断する。そして所定値より大きいと判断したとき、検出された素子インピーダンスＲｓの値と所定値とを比較して次のように判定する。
【００６５】
まず、素子インピーダンスＲｓの値が所定値より高い場合、即ち、検出素子３１が活性温度にない低温である場合には、酸素センサ１９の出力電圧が発生しないことから、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値が所定値より大きくなった原因は第２スイッチ素子７９の故障にあるとみなし、回路故障と判定する。これにより、真の故障が回路故障でありながらセンサ故障であると誤判定するのを防止でき、真の回路故障を正確に判定することができる。
【００６６】
次に、素子インピーダンスＲｓの値が所定値より低い場合、即ち、検出素子３１が活性温度にある高温である場合には、逆にセンサ故障と判定する。これは、検出素子３１が活性温度相当の高温である場合、素子インピーダンスＲｓが小さくなり、第２スイッチ素子７９が故障してＯＮにならない場合であっても、図８（Ｂ）のように引き戻しが遅れたりせず、図８（Ａ）のように引き戻しは正常時と同じように迅速に行われ、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値がほぼゼロになるからである。よって、かかる場合には、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値が所定値より大きくなった原因は酸素センサ１９の故障にあるとみなし、センサ故障と判定する。これにより、真の故障がセンサ故障でありながら回路故障であると誤判定するのを防止でき、真のセンサ故障を正確に判定することができる。
【００６７】
図９には素子インピーダンスＲｓと印加前後電圧差ΔＶＯＸとの関係を調べた実験結果を示す。これから理解されるように、素子インピーダンスＲｓが１００００Ω（＝１０ｋΩ）より小さい領域では、回路故障とセンサ故障のいずれの場合でも印加前後電圧差ΔＶＯＸがゼロ付近となり、両者を見分けることはできない。しかしながら、素子インピーダンスＲｓが１００００Ωより大きい領域では、センサ故障の場合、相変わらず印加前後電圧差ΔＶＯＸがゼロ付近であるのに対し、回路故障の場合、破線楕円で強調されているように、印加前後電圧差ΔＶＯＸはゼロより大きい約０．５Ｖ以上の値となり、且つ素子インピーダンスＲｓの増大につれ増大する傾向を示す。従って、素子インピーダンスＲｓが１００００Ωより大きい領域、つまり酸素センサの低温領域では、回路故障をセンサ故障と区別して特定することが可能である。
【００６８】
図１０にも同じく素子インピーダンスＲｓと印加前後電圧差ΔＶＯＸとの関係を調べた実験結果を示す。図９との相違点は素子インピーダンスＲｓのレンジにあり、図１０では３００Ω以下という低レンジ、即ち酸素センサが高温のときのみの値が示されている。これから理解されるように、酸素センサが正常であるときには常に印加前後電圧差ΔＶＯＸがゼロ付近となっているものの、酸素センサが故障しているときには破線円で強調されているように、印加前後電圧差ΔＶＯＸはゼロから大きく外れた値となり得る。従って、酸素センサ高温時にはセンサ故障を特定することが可能である。
【００６９】
次に、吸入空気量ＧＡに関して説明する。図１１は、（Ａ）車速、（Ｂ）吸入空気量ＧＡ及び（Ｃ）検出電圧ＶＯＸの経時的変化を調べた実験結果を示す。吸入空気量ＧＡはエアフローメータ１６で検出された値である。検出電圧ＶＯＸについては回路故障が無いものとする。また、素子インピーダンスＲｓは、検出素子３１が活性温度となるような低い値であるとする。図中、（ｉ）は吸入空気量ＧＡが低程度の値である場合、（ｉｉ）は吸入空気量ＧＡが中程度の値である場合、（ｉｉｉ）は吸入空気量ＧＡが高程度の値である場合である。検出電圧ＶＯＸに関して線Ｐ，Ｑはそれぞれ酸素センサ１９の正常時及び故障時を示す。
【００７０】
示されるように、検出電圧ＶＯＸの波形はセンサの正常時及び故障時で違いが見られ、且つその違いは（ｉｉ）吸入空気量ＧＡが中程度の値である場合のみに見られる。センサ故障の場合において、吸入空気量ＧＡが中程度の値であるときは、前述のように検出素子へのガスの出入りがあってセンサ出力電圧即ち検出電圧ＶＯＸの値は変動する。言い換えれば検出電圧ＶＯＸの波形にセンサノイズが乗ってくるようになる。
【００７１】
しかしながら、センサ故障の場合であっても、（ｉ）吸入空気量ＧＡが低程度の値であるときはそのような変動が見られない。その理由は、アイドリング等の低空気量のときは排気ガスが検出素子の欠損部から検出素子内に入らず、従ってガス交換も行われないからである。また、（ｉｉｉ）吸入空気量ＧＡが高程度の値であるときもそのような変動が見られない。その理由は、加速等の高空気量のときは排気ガスが検出素子の欠損部から検出素子内に入ることはできるが、検出素子内から出ることはできず、従ってガス交換も行われないからである。このように、検出素子へのガス交換が許容されるような中空気量のときに限ってセンサ出力が変動し、他方、検出素子へのガス交換が許容されないような低空気量又は高空気量のときにはセンサ出力が変動しない。
【００７２】
ここで、センサ出力の変動の大きさは、図６を参照して説明した方法で検出電圧ＶＯＸ（＝酸素センサ出力電圧Ｖｓ）の変動積算量Ｍｖｏｘを計算することにより、求めることができる。
【００７３】
そこで、かかる特性を利用して本実施形態では次のように故障診断がなされる。即ち、ＥＣＵ２２は、検出された素子インピーダンスＲｓの値が所定値より小さい場合（即ち酸素センサが高温である場合）において、検出された吸入空気量ＧＡの値が中程度の値であり、且つ、算出された変動積算量Ｍｖｏｘの値が所定値より大きいとき（即ちセンサ出力変動大のとき）には、センサ故障と判定する。他方、検出された吸入空気量ＧＡの値が低又は高程度の値であり、且つ、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値が所定値より大きいときには、回路故障と判定する。
【００７４】
次に、以上述べたような故障診断処理のさらなる具体例を図１２を参照しつつ説明する。図１２は当該故障診断処理を実行するルーチンのフローチャートであり、このルーチンはＥＣＵ２２により所定周期（例えば４ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行され、より具体的には図８又は図６で示したような処理タイミングＴ（ｎ）毎に実行される。
【００７５】
先ず、ステップＳ１０１において、検出電圧ＶＯＸが取得される。次いでステップＳ１０２において、当該処理タイミングＴ（ｎ）に最も近いタイミングで検出された素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭ印加前の検出電圧ＶＯＸ１と、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭ印加後の検出電圧ＶＯＸ２とが取得される（図８参照）。さらに、ステップＳ１０３において、これら印加前後の検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２を用いて印加前後電圧差ΔＶＯＸ（＝ＶＯＸ２−ＶＯＸ１）が算出される。その後ステップＳ１０４において、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭ印加時に算出された素子インピーダンスＲｓが取得される。
【００７６】
次に、ステップＳ１０５においては、その素子インピーダンスＲｓが所定の第１しきい値Ｒｓ１より大きいか否か、即ち酸素センサの検出素子温度が低温であるか否かが判断される。この第１しきい値Ｒｓ１は、例えば図９の実験結果に基づいて１００００Ωとされる。
【００７７】
素子インピーダンスＲｓが第１しきい値Ｒｓ１より大きい場合、ステップＳ１０６に進んで、印加前後電圧差ΔＶＯＸが所定の第１しきい値ΔＶＯＸｓ１より大きいか否かが判断される。この第１しきいΔＶＯＸｓ１は、例えば図９の実験結果に基づいて０．５Ｖとされる。
【００７８】
印加前後電圧差ΔＶＯＸが第１しきい値ΔＶＯＸｓ１より大きい場合、ステップＳ１０７に進んで回路故障と判定される。
【００７９】
そして、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０１で取得された検出電圧ＶＯＸの値が保存されて本ルーチンが終了される。
【００８０】
一方、ステップＳ１０５において、素子インピーダンスＲｓが第１しきい値Ｒｓ１以下と判断された場合、即ち酸素センサの検出素子温度が低温でないと判断された場合、ステップＳ１０９において、素子インピーダンスＲｓが所定の第２しきい値Ｒｓ２より小さいか否かが判断される。この第２しきい値Ｒｓ２は、ステップＳ１０５の第１しきい値Ｒｓ１より小さい値とされ、より詳細には、素子インピーダンスＲｓが第２しきい値Ｒｓ２より小さい場合に酸素センサの検出素子温度が活性温度且つ高温となるような値とされている。この第２しきい値Ｒｓ２は、例えば図１０の実験結果に基づいて５００Ωとされる。
【００８１】
素子インピーダンスＲｓが第２しきい値Ｒｓ２より小さい場合、ステップＳ１１０において、エアフローメータ１６により検出された吸入空気量ＧＡが所定の第１しきい値ＧＡｓ１より小さいか又は所定の第２しきい値ＧＡｓ２より大きいか否かが判断される。ここでＧＡｓ１＜ＧＡｓ２であり、例えば第１しきい値ＧＡｓ１は５ｇ／ｓｅｃ、第２しきい値ＧＡｓ２は１５ｇ／ｓｅｃとされる。このステップＳ１１０においては実質的に、吸入空気量ＧＡが低空気量又は高空気量であるか否かが判断されている。
【００８２】
吸入空気量ＧＡが第１しきい値ＧＡｓ１より小さいか又は第２しきい値ＧＡｓ２より大きい場合、即ち吸入空気量ＧＡが低空気量又は高空気量である場合、ステップＳ１１１において、印加前後電圧差ΔＶＯＸの絶対値が所定の第２しきい値ΔＶＯＸｓ２より大きいか否かが判断される。この第２しきい値ΔＶＯＸｓ２は、ステップＳ１０６の第１しきい値ΔＶＯＸｓ１より小さい値とされ、例えば０．１Ｖとされる。
【００８３】
印加前後電圧差ΔＶＯＸの絶対値が第２しきい値ΔＶＯＸｓ２より大きい場合、ステップＳ１１２に進んで回路故障と判定される。即ち、低空気量又は高空気量のときは酸素センサが故障していても検出素子へのガスの交換がなくセンサノイズは発生しない。従って、この場合に印加前後電圧差ΔＶＯＸの絶対値が第２しきい値ΔＶＯＸｓ２より大きくなった原因は、第２スイッチ素子７９の故障にあるとみなすことができる。よってここでは回路故障と判定する。この後、ステップＳ１０８において検出電圧ＶＯＸの値が保存され、本ルーチンが終了される。
【００８４】
一方、ステップＳ１０９において、素子インピーダンスＲｓが第２しきい値Ｒｓ２以上と判断された場合、本ルーチンが終了される。即ち、素子インピーダンスＲｓが第２しきい値Ｒｓ２以上で且つ第１しきい値Ｒｓ１以下の場合は、センサ素子温度が活性温度手前の中間温度にあるとして故障診断を行わない。
【００８５】
また、ステップＳ１１０において、吸入空気量ＧＡが第１しきい値ＧＡｓ１以上で且つ第２しきい値ＧＡｓ２以下である場合、即ち中空気量である場合は、ステップＳ１１３に進む。
【００８６】
ステップＳ１１３においては、ＣＰＵ４３に内蔵のカウンタがカウントアップされる。そしてステップＳ１１４において、検出電圧ＶＯＸに基づき、変動積算量Ｍｖｏｘが計算される。次のステップＳ１１５においては、カウンタが所定時間ｔｋｓを超えたか否かが判断される。この所定時間ｔｋｓは、変動積算量Ｍｖｏｘを計算する上での積算時間に相当し、例えば１０ｓｅｃとされる。カウンタが所定時間ｔｋｓを超えていなければ（即ち積算が終了してなければ）ステップＳ１０８を経てルーチン終了となり、カウンタが所定時間ｔｋｓを超えていれば（即ち積算が終了していれば）ステップＳ１１６に進む。
【００８７】
ステップＳ１１６では、最終的に算出された変動積算量Ｍｖｏｘが所定のしきい値Ｍｖｏｘｓを超えているか否か、即ち、センサ出力電圧の変動量がセンサ故障時相当となるほどに大きいか否かが判断される。しきい値Ｍｖｏｘｓは例えば１０Ｖとされる。変動積算量Ｍｖｏｘが所定のしきい値Ｍｖｏｘｓを超えていないと判断されたときは、ステップＳ１０８を経てルーチン終了となる。
【００８８】
他方、変動積算量Ｍｖｏｘが所定のしきい値Ｍｖｏｘｓを超えていると判断されたときは、ステップＳ１１７でセンサ故障と判定される。そしてステップＳ１１８でカウンタがリセットされ、ステップＳ１０８で今回の検出電圧ＶＯＸが保存されてルーチンが終了される。
【００８９】
このように本実施形態によれば、酸素センサの素子インピーダンス及び（又は）吸入空気量の大きさによって場合分けをすることにより、センサ故障と回路故障とを区別して判定することができる。これによって故障部位の特定が可能となり、故障診断の精度を向上することができる。
【００９０】
なお、本実施形態においては、ＥＣＵ２２によりインピーダンス基準故障判定手段、空気量基準故障判定手段及びインピーダンス・空気量基準故障判定手段が構成される。
【００９１】
本発明は他の実施形態を採ることも可能で、例えば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。また、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。
【００９２】
本発明は、素子インピーダンス検出時に電圧印加はできるが引き戻しができなくなるような回路故障が起きるものに対して有効である。従って、素子インピーダンス検出回路の故障には、例えば、引き戻し用スイッチ素子（第２スイッチ素子７９）と接地点との間の断線等も含めることができる。
【００９３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本実施形態に係る車載用内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】酸素センサの取付状態を示す断面図である。
【図３】酸素センサの検出素子周辺の拡大断面図である。
【図４】酸素センサの出力特性を示すグラフである。
【図５】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。
【図６】変動積算量の算出方法を説明するための図である。
【図７】酸素センサ及びＥＣＵを含む電気回路の構成を示す図である。
【図８】素子インピーダンス検出時における検出電圧の変化を示す図である。
【図９】素子インピーダンスと印加前後電圧差との関係を調べた実験結果を示すグラフである。
【図１０】素子インピーダンスと印加前後電圧差との関係を調べた実験結果を示すグラフである。
【図１１】（Ａ）車速、（Ｂ）吸入空気量及び（Ｃ）検出電圧の経時的変化を調べた実験結果を示すグラフである。
【図１２】故障診断処理を実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００９５】
１０ 内燃機関
１３ 排気通路
１９，２０ 酸素センサ
２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ 検出素子
４３ 中央処理ユニット（ＣＰＵ）
７９ 第２スイッチ素子
Ｂ 素子インピーダンス検出回路
Ｒｓ 素子インピーダンス
Ｒｓ１ 素子インピーダンスの第１しきい値
Ｒｓ２ 素子インピーダンスの第２しきい値
ＶＯＭ 素子インピーダンス検出用電圧
ＶＯＸ 検出電圧
ＶＯＸ１ 印加前検出電圧
ＶＯＸ２ 印加後検出電圧
ΔＶＯＸ 印加前後電圧差
ΔＶＯＸｓ１ 印加前後電圧差の第１しきい値
ΔＶＯＸｓ２ 印加前後電圧差の第２しきい値
ＧＡ 吸入空気量
ＧＡ１ 吸入空気量の第１しきい値
ＧＡ２ 吸入空気量の第２しきい値
Ｍｖｏｘ 変動積算量
Ｍｖｏｘｓ 変動積算量のしきい値
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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を指し、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。
【０００４】
ところで、酸素センサで発生した起電力は出力電圧として電子制御ユニットに送られる。一方、電子制御ユニットが異常な出力電圧を検知した場合、いずれかの箇所で故障が発生していると判断される。この故障部位の特定は、後の部品交換等の修理作業を迅速的確に行う上で重要である。かかる故障部位の特定を実行可能な故障診断装置としては、例えば、制御ユニットのポートの外部に生じたショートであるか、或いは制御ユニット内部のスイッチ素子の故障であるかを特定するものがある（特許文献１参照）。
【０００５】
また、従来の故障診断装置としては、他に、酸素センサの出力信号がリッチ信号からリーン信号に反転する総回数に対し、吸入空気量の増大を伴って上記反転が行われる回数の割合が所定値以上であることに基づき、酸素センサの検出素子に微細な破損が生じていると判断するものがある（特許文献２参照）。また、酸素センサの出力電圧をモニタし、リーン信号の出力割合が所定値以上となる出力分布が確認されることをもって酸素センサの検出素子の欠損有りと判定し、同センサの異常診断を行うものがある（特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１４０６４２号公報
【特許文献２】特開２００４−３４６８４７号公報
【特許文献３】特開２００３−１４６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献２，３にも述べられているように、酸素センサにおいて、検出素子にクラックが入ったり、検出素子が割れたりするという欠損故障が生じる場合がある。この欠損故障が生じると、検出素子の内外が連通し、本来大気が入っている検出素子の内側に排気ガスが出入りする。そして、この排気ガスの出入りによりセンサ出力電圧が変動する。よってこのセンサ出力電圧の変動を監視することにより酸素センサの故障を検出することができる。
【０００８】
しかしながら、酸素センサ以外の電気回路部分で故障が発生した場合にも、酸素センサ故障時と同様に、変動を伴う信号が電子制御ユニットで得られる場合がある。この場合、電子制御ユニットにおいて、酸素センサの故障なのか回路の故障なのかを判別することができず、故障部位を正確に特定できないという問題がある。
【０００９】
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、酸素センサの故障と回路故障とを区別して判定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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、第１の発明は、
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、少なくとも前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値に応じて、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
センサ故障の場合と回路故障とのいずれの場合であっても、前記印加前後の酸素センサ出力電圧が異なり、その電圧差又はその絶対値が所定値より大きくなることがある。しかしながら、酸素センサの検出素子温度が活性温度より低い低温であると酸素センサは出力電圧を発することができない。酸素センサの素子インピーダンスの値は検出素子温度に相関する値である。これらの観点に鑑み、第１の発明では、素子インピーダンスの値の大小に応じて、センサ故障と回路故障とを区別して判定することとしている。これにより故障部位の特定が可能となり、精度の高い故障診断が可能となる。
【００１２】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記インピーダンス基準故障判定手段は、前記検出された素子インピーダンスの値が所定値より大きいとき前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する
ことを特徴とする。
【００１３】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記インピーダンス基準故障判定手段は、前記検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき前記酸素センサの故障と判定する
ことを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき、少なくとも前記吸入空気量検出手段により検出された前記吸入空気量の値に応じて、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定する空気量基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
酸素センサの素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき（例えば検出素子温度が活性温度にあるとき）、酸素センサが故障状態にあれば、その出力電圧は、吸入空気量の値に応じて変動したりしなかったりする。よってこの特性を利用し、第４の発明では、吸入空気量の値に応じて、センサ故障と回路故障とを区別して判定することとしている。これによっても故障部位の特定が可能となり、精度の高い故障診断が可能となる。
【００１６】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記酸素センサの出力電圧の変動積算量を算出する変動積算量算出手段をさらに備え、
前記空気量基準故障判定手段は、前記検出された吸入空気量の値が中程度の値であり、且つ、前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値が所定値より大きいとき、前記酸素センサの故障と判定する
ことを特徴とする。
【００１７】
また、第６の発明は、第４又は第５の発明において、
前記空気量基準故障判定手段は、前記検出された吸入空気量の値が低又は高程度の値であり、且つ、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する
ことを特徴とする。
【００１８】
また、第７の発明は、
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記検出された酸素センサの出力電圧の変動積算量を算出する変動積算量算出手段と、
前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値及び前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値の少なくとも一つと、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値及び前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値の少なくとも一つとに基づき、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス・空気量基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この第７の発明において、好ましくは、インピーダンス・空気量基準故障判定手段は、前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より大きく、且つ、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する。
【００２０】
また第７の発明において、好ましくは、インピーダンス・空気量基準故障判定手段は、前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さく、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値が低又は高程度の値であり、且つ、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する。
【００２１】
また第７の発明において、好ましくは、インピーダンス・空気量基準故障判定手段は、前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さく、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値が中程度の値であり、且つ、前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値が所定値より大きいとき、前記酸素センサの故障と判定する。
【００２２】
また、第８の発明は、第１乃至第７いずれかの発明において、
前記素子インピーダンス検出回路の故障は、前記酸素センサからの電圧引き戻し時にＯＮされるスイッチ素子の故障である
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、酸素センサの故障と回路故障とを区別して判定し、故障部位の特定及び高精度な故障診断が可能になるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２５】
本発明の適用される車載用内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を、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。
【００２６】
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１９、その下流側には触媒後酸素センサ２０がそれぞれ設けられている。
【００２７】
三元触媒１８は、燃焼される混合気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲（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。
【００２８】
こうした空燃比の制御は、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１９，２０、あるいはアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ２１、機関回転速度を検出するＮＥ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、上記のような空燃比の制御を行っている。そうした電子制御ユニット２２による空燃比制御の概要は次の通りである。
【００２９】
まず電子制御ユニット２２は、上記アクセルペダルの踏み込み量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。
【００３０】
そこで電子制御ユニット２２は、上記各酸素センサ１９，２０の検出結果より把握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。
【００３１】
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１９，２０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１９，２０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。
【００３２】
こうした排気浄化システムに採用される２つの酸素センサ１９，２０は互いに同様の構成であり、また故障診断の方法も同様である。そこで以下、触媒前酸素センサ１９を例にとって説明し、触媒後酸素センサ２０については説明を省略する。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（センサ素子）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を指し、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の内部の大気室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、且つ大気が導入されるようになっている。大気室３４には、検出素子３１を加熱して早期に活性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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、センサ１９の検出結果が、理論空燃比よりもリッチかリーンかを判断している。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。
【００３６】
なお、本実施形態のように、理論空燃比での燃焼（ストイキ燃焼）のみを目的とした空燃比制御を行う内燃機関では、理論空燃比を境に出力電圧が大きく変化する特性の酸素センサが用いられることが多い。こうしたセンサは、理論空燃比よりもリッチ、及び理論空燃比よりも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。一方、希薄空燃比での燃焼を行うなど、より広範囲の空燃比での燃焼を行う内燃機関では、排気ガスの空燃比に応じてその出力電圧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こともある。本発明はこのような酸素センサに対しても適用可能である。
【００３７】
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出入りする。検出素子３１の内外に排気ガスが存在し、その内外の酸素分圧に差がないような場合、センサ起電力は発生せず、また、検出素子３１内部に排気ガスが入っている状態で、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直後や、フューエルカット直後などに起こり得る。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）の起電力が発生する。かかる原理により、酸素センサ１９が欠損故障を起こすと、排気ガスの空燃比を正確に検出できなくなるばかりでなく、検出素子３１への排気ガスの出入りにより酸素センサ１９の出力電圧値が小刻みに変動し、ノイズ成分が重畳するようになる。
【００３８】
この酸素センサ１９の欠損故障はＥＣＵ２２により次の方法で検出することができる。図６に示すように、所定周期隔てた各処理タイミングＴ（ｎ）（ｎ＝１，２，３・・・）において、当該タイミングで取得される酸素センサ出力電圧Ｖｓ（ｎ）とそれより１回前のタイミングで取得される酸素センサ出力電圧Ｖｓ（ｎ−１）との差の絶対値｜Ｖｓ（ｎ）−Ｖｓ（ｎ−１）｜を計算し、この値を各処理タイミングＴ（ｎ）毎に順次積算していく。こうして所定時間積算して得られる値、即ち変動積算量（或いは軌跡長積算値）が所定値より大きいとき、酸素センサ１９は故障と判定することができる。
【００３９】
しかしながら、前述したように、酸素センサ１９以外の電気回路部分で故障が発生した場合にも、同様に変動を伴う信号がＥＣＵ２２で得られる場合があることが確認された。従ってこのような場合には、ＥＣＵ２２において、変動が酸素センサの故障に起因するのか、回路の故障に起因するのかを判別することができず、前記の方法で故障部位を正確に特定することができない。故障部位の特定ができなければ必然的にどの部品を交換すればよいかも分からないことになり、故障時の対応を迅速に行えないという不都合も生じる。
【００４０】
そこで、本実施形態では以下のようにして酸素センサの故障と回路故障とを区別して判定することとしている。なお、かかる故障判定の方法はいずれの酸素センサ１９，２０についても同様であるので、ここでは例示的に触媒前酸素センサ１９の一方のみについて説明を行う。
【００４１】
まず、酸素センサ１９とこれが接続されるＥＣＵ２２とからなる回路構成を図７を参照して説明する。図示されるように、酸素センサ１９は、その正極３３Ａが正極線４１Ａにより、その負極３３Ｂが負極線４１Ｂにより、それぞれＥＣＵ２２に接続されている。具体的には、正極線４１Ａ及び負極線４１ＢがそれぞれＥＣＵ２２のケーシング（太実線で示す）に設けられた正極端子４２Ａ及び負極端子４２Ｂに接続されている。酸素センサ１９は、インピーダンス成分Ｒｓと起電力成分とを含むものとして等価的に示されている。ＥＣＵ２２は内部に中央処理ユニット（以下ＣＰＵという）４３を備え、ＣＰＵ４３は以下の回路を通じて正極端子４２Ａ及び負極端子４２Ｂに接続される。
【００４２】
ＥＣＵ２２は、酸素センサ１９が発生する電圧（正極３３Ａ及び負極３３Ｂ間の電圧）に基づいて排気空燃比に関する情報を取得する機能と、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓを検出する機能とを併せ持つ。このうち、酸素センサ１９の検出素子３１の素子インピーダンスＲｓを検出する機能を発揮する部分、即ち素子インピーダンス検出回路Ｂ（図中一点鎖線で囲まれる部分）については後述する。素子インピーダンス検出回路Ｂは、ＣＰＵ４３とその入出力部である第１ポート４４、第１ＡＤ変換器４５、第２ポート４６及び第２ＡＤ変換器４７を含む。
【００４３】
ＥＣＵ２２において、正極端子４２Ａは、ＣＰＵ４３の入力部である第３ＡＤ変換器４８に接続され、また、負極端子４２Ｂは接地されている。正極端子４２Ａ及び第３ＡＤ変換器４８の間には、抵抗５０及びコンデンサ５１からなるフィルタ回路が介設されている。このフィルタ回路は、十分に大きな時定数を有しており、正極端子４２Ａにおける電圧の低周波成分だけを通過させる。このため、第３ＡＤ変換器４８は、極度のノイズを減衰させつつ正極端子４２Ａの電圧値に相当するディジタル信号を精度良く生成し、ＣＰＵ４３に出力することができる。酸素センサ１９の負極３３Ｂが負極端子４２Ｂを介して接地されるので、第３ＡＤ変換器４８を通じてＣＰＵ４３に入力される電圧値はそのまま酸素センサ１９の出力電圧Ｖｓを示す値となる。このように、当該回路がセンサ出力電圧検出回路に相当する。以下、第３ＡＤ変換器４８を通じてＣＰＵ４３に入力される電圧を検出電圧ＶＯＸと称する。
【００４４】
また、ＥＣＵ２２において、出力検出用抵抗５７が酸素センサ１９と並列に設けられている。この出力検出用抵抗５７は、一端が、第３ＡＤ変換器４８の前段のフィルタ回路及び正極端子４２Ａを結ぶ配線に接続され、他端が接地されている。出力検出用抵抗５７は、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓに比して十分に大きなインピーダンスを有している。
【００４５】
次に、素子インピーダンス検出回路Ｂについて説明する。素子インピーダンス検出回路Ｂは、第１スイッチ素子７１を備えている。第１スイッチ素子７１には、所定の大きさを有する素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭが供給されている。本実施形態において、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭは５Ｖの大きさを有し、これはＥＣＵ２２の電源電圧でもある。第１スイッチ素子７１のゲートは、第１ポート４４を介してＣＰＵ４３に接続されている。ＣＰＵ４３は、必要に応じて、ＯＮ指令を発することにより第１スイッチ素子７１をＯＮ状態とする。
【００４６】
第１スイッチ素子７１は、第１抵抗７２を介して第１サンプリング点７３に接続されている。第１サンプリング点７３は、第２抵抗７４を介して正極端子４２Ａに接続されていると共に、コンデンサ７５を介して接地されている。
【００４７】
第１サンプリング点７３は、第１中間抵抗８３と、抵抗７６及びコンデンサ７７からなるフィルタ回路とを介して第１ＡＤ変換器４５に接続されている。このフィルタ回路は、十分に大きな時定数を有しており、第１サンプリング点７３における電圧の低周波成分だけを通過させる。このため、第１ＡＤ変換器４５は、極度のノイズを減衰させつつ第１サンプリング点７３の電圧値に相当するディジタル信号を精度良く生成し、ＣＰＵ４３に出力することができる。
【００４８】
第１サンプリング点７３には、また、第３抵抗７８を介して第２スイッチ素子７９が接続されている。第２スイッチ素子７９は、第１スイッチ素子７１がＯＮ状態とされることにより酸素センサ１９に供給された余剰電荷を強制放電させ、電圧印加後のセンサの出力電圧を印加前の状態に戻すために設けられている。この第２スイッチ素子７９のゲートには、第２ポート４６を介してＣＰＵ４３が接続されている。また第２スイッチ素子７９は接地されている。ＣＰＵ４３は、必要に応じて、ＯＮ指令を発することにより第２スイッチ素子７９をＯＮ状態とし、第１サンプリング点７３を第３抵抗７８を介して接地させる。
【００４９】
また、第２抵抗７４と正極端子４２Ａとの間には、第２サンプリング点８０が形成されている。第２サンプリング点８０は、第２中間抵抗８４と、抵抗８１及びコンデンサ８２からなるフィルタ回路とを介して第２ＡＤ変換器４７に接続されている。このフィルタ回路は、十分に大きな時定数を有しており、第２サンプリング点８０における電圧の低周波成分だけを通過させる。このため、第２ＡＤ変換器４７は、極度のノイズを減衰させつつ第２サンプリング点８０の電圧値に相当するディジタル信号を精度良く生成し、ＣＰＵ４３に出力することができる。第２サンプリング点８０は、また、第３ＡＤ変換器４８への分岐点をも形成し、第３ＡＤ変換器４８の前段のフィルタ回路にも接続されている。
【００５０】
酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓの検出時以外は、第１スイッチ素子７１及び第２スイッチ素子７９がともにＯＦＦされる。これにより第２サンプリング点８０には、酸素センサ１９の出力電圧に等しい電圧が発生し、この電圧が第３ＡＤ変換器４８を介してＣＰＵ４３に入力される。ＣＰＵ４３はこの入力された電圧値ＶＯＸに基づき排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチであるかリーンであるかを判定する。
【００５１】
また、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓの検出時には次のような作動が行われる。まず、第２スイッチ素子７９をＯＦＦとした状態で、第１スイッチ素子７１がＯＮされる。すると、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭが印加され、互いに直列である第１抵抗７２、第２抵抗７４及び酸素センサ１９に電流Ｉが流れる。このとき第２抵抗７４の両端の第１及び第２サンプリング点７３，８０の電圧が、それぞれ第１ＡＤ変換器４５及び第２ＡＤ変換器４７を通じてＣＰＵ４３に入力される。ＣＰＵ４３はこれら電圧差即ち第２抵抗７４の電圧降下と、既知の第２抵抗７４の抵抗値Ｒ２とから電流Ｉを求める。次いでＣＰＵ４３は電流Ｉと、既知の第１抵抗７２の抵抗値Ｒ１とから第１抵抗７２の電圧降下を計算し、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭから、第１抵抗７２及び第２抵抗７４の電圧降下を差し引いて、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓにおける電圧降下を算出する。最後にＣＰＵ４３は、電流Ｉと、素子インピーダンスＲｓにおける電圧降下とから、素子インピーダンスＲｓを算出する。
【００５２】
こうして、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭの印加中に素子インピーダンスＲｓの算出を終えたら、ＣＰＵ４３は、第１スイッチ素子７１をＯＦＦすると同時に第２スイッチ素子７９をＯＮする。すると、酸素センサ１９に対する素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭの印加は断たれ、同時に酸素センサ１９からその印加されていた電圧が引き戻される。この様子を図８（Ａ）に示す。
【００５３】
図は、第３ＡＤ変換器４８を通じてＣＰＵ４３に入力される検出電圧ＶＯＸの変化を示し、これは酸素センサ１９の正極３３Ａの電位の変化に相当する。これから分かるように、第１スイッチ素子７１をＯＮしたと同時（ｔｓ）に正極３３Ａの電位が立ち上がり、第１スイッチ素子７１をＯＦＦ且つ第２スイッチ素子７９をＯＮしたと同時（ｔｈ）に正極３３Ａの電位が急激に立ち下がる。酸素センサ１９には容量成分も含まれているので、第１スイッチ素子７１をＯＮした後単にそれをＯＦＦしただけでは、酸素センサ１９に余剰電荷が残り正極３３Ａの電位がなかなか落ちない（（Ｂ）図参照）。そこでこの余剰電荷を強制放電させるため、第２スイッチ素子７９がＯＮされる。こうすることで図示するように正極３３Ａの電位を瞬時に落とすことができる。
【００５４】
ここで、素子インピーダンスＲｓの検出は、空燃比制御等の通常制御に影響を及ぼさぬよう、通常制御の処理タイミングＴ（ｎ）の周期間隔（Ｔ（ｎ）−Ｔ（ｎ−１）、例えば４ｍｓｅｃ）内で、極短い時間で行われる。そのため、第２スイッチ素子７９をＯＮして正極３３Ａの電位を瞬時に落とすことが重要である。このような、酸素センサ１９の余剰電荷を強制放電させて正極３３Ａの電位を瞬時に落とす操作を「引き戻し」という。なお、引き戻し前に素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭを印加する操作を「掃引」ということもある。第１抵抗７２及び第２抵抗７４で電圧降下があることから、印加終了時ｔｈのピーク電圧は素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭより若干低い値となる。
【００５５】
さて、図８（Ａ）に示した波形は、酸素センサ１９及び素子インピーダンス検出回路Ｂのいずれも故障していない正常時の波形である。これに対し、いずれか一方が故障すると、図８（Ｂ）又は（Ｃ）に示すように波形が変化する。
【００５６】
図８（Ｂ）は、酸素センサ１９が正常で且つ素子インピーダンス検出回路Ｂが故障の場合、より詳しくは、酸素センサ１９が正常で且つ素子インピーダンス検出回路Ｂの第２スイッチ素子７９が故障の場合を示す。以下、この場合を単に「回路故障」ともいう。
【００５７】
示されるように、第２スイッチ素子７９が故障すると、引き戻し時に第２スイッチ素子７９がＯＮとならず、余剰電荷の放電が自然放電に任され、正極３３Ａの電位がなかなか落ちない。よって、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭの印加前後のタイミングｔｄ１，ｔｄ２で、正極３３Ａの電位即ち検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２を取得し、その差又は差の絶対値を所定値と比較することにより、第２スイッチ素子７９の故障を一応は推定することができる。
【００５８】
即ち、図８（Ａ）に示すように正常時には検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２がほぼ同等な値となるのに対し、図８（Ｂ）に示すように回路故障時には印加前の検出電圧ＶＯＸ１より印加後の検出電圧ＶＯＸ２が高くなる。よって、印加前後の検出電圧の差、即ち印加前後電圧差ΔＶＯＸ＝ＶＯＸ２−ＶＯＸ１又はその絶対値を算出し、その印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値がほぼゼロなら正常、所定値より大きければ回路故障と判断することができる。なお、印加後の検出電圧ＶＯＸ２を取得するタイミングｔｄ２は、図８（Ａ）に示すような正常時には引き戻し終了後となり、且つ図８（Ｂ）に示すような故障時には引き戻し中となるようなタイミングに設定される。
【００５９】
しかしながら、このような判定方法では回路故障とセンサ故障とを区別して判定することができない。図８（Ｃ）は、酸素センサ１９が故障で且つ素子インピーダンス検出回路Ｂが正常の場合、より詳しくは、酸素センサ１９が欠損故障で且つ素子インピーダンス検出回路Ｂの第２スイッチ素子７９が正常の場合を示す。以下、この場合を単に「センサ故障」ともいう。
【００６０】
示されるように、センサ故障時には、検出素子３１へのガスの出入りにより正極３３Ａの電位即ち検出電圧ＶＯＸが変動する。よって、印加前後の検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２がほぼ同等な値とならず、印加前の検出電圧ＶＯＸ１より印加後の検出電圧ＶＯＸ２の方が高くなったり低くなったりする。よって、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値と所定値との比較だけでは、センサ故障を推定できるに止まり、それを回路故障と区別して特定することはできない。
【００６１】
このように、センサ故障と回路故障のいずれの場合であっても、同じように印加前後の検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２に相違が見られ、よってこれらの相違を検出するのみではいずれの故障が発生したのかを特定することができない。
【００６２】
そこで、本実施形態では、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓや吸入空気量ＧＡに応じて検出電圧ＶＯＸの特性に違いがあることに着目し、これらの各領域で場合分けを行って、以下のようにしてセンサ故障と回路故障とを区別して判定することとしている。
【００６３】
まず、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲｓに関して説明する。酸素センサ１９において、その素子インピーダンスＲｓの値は、検出素子３１の温度に相関する値である。検出素子３１の温度が高くなるほど素子インピーダンスＲｓの値は小さくなる。一方、酸素センサ１９は、検出素子３１の温度が活性温度相当の高温に達しないと、出力電圧を発生することができない。よってこの特性を利用してセンサ故障と回路故障とが区別して判定される。
【００６４】
即ち、ＥＣＵ２２は、素子インピーダンスＲｓの検出時において、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値が所定値より大きいか否かを判断する。そして所定値より大きいと判断したとき、検出された素子インピーダンスＲｓの値と所定値とを比較して次のように判定する。
【００６５】
まず、素子インピーダンスＲｓの値が所定値より高い場合、即ち、検出素子３１が活性温度にない低温である場合には、酸素センサ１９の出力電圧が発生しないことから、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値が所定値より大きくなった原因は第２スイッチ素子７９の故障にあるとみなし、回路故障と判定する。これにより、真の故障が回路故障でありながらセンサ故障であると誤判定するのを防止でき、真の回路故障を正確に判定することができる。
【００６６】
次に、素子インピーダンスＲｓの値が所定値より低い場合、即ち、検出素子３１が活性温度にある高温である場合には、逆にセンサ故障と判定する。これは、検出素子３１が活性温度相当の高温である場合、素子インピーダンスＲｓが小さくなり、第２スイッチ素子７９が故障してＯＮにならない場合であっても、図８（Ｂ）のように引き戻しが遅れたりせず、図８（Ａ）のように引き戻しは正常時と同じように迅速に行われ、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値がほぼゼロになるからである。よって、かかる場合には、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値が所定値より大きくなった原因は酸素センサ１９の故障にあるとみなし、センサ故障と判定する。これにより、真の故障がセンサ故障でありながら回路故障であると誤判定するのを防止でき、真のセンサ故障を正確に判定することができる。
【００６７】
図９には素子インピーダンスＲｓと印加前後電圧差ΔＶＯＸとの関係を調べた実験結果を示す。これから理解されるように、素子インピーダンスＲｓが１００００Ω（＝１０ｋΩ）より小さい領域では、回路故障とセンサ故障のいずれの場合でも印加前後電圧差ΔＶＯＸがゼロ付近となり、両者を見分けることはできない。しかしながら、素子インピーダンスＲｓが１００００Ωより大きい領域では、センサ故障の場合、相変わらず印加前後電圧差ΔＶＯＸがゼロ付近であるのに対し、回路故障の場合、破線楕円で強調されているように、印加前後電圧差ΔＶＯＸはゼロより大きい約０．５Ｖ以上の値となり、且つ素子インピーダンスＲｓの増大につれ増大する傾向を示す。従って、素子インピーダンスＲｓが１００００Ωより大きい領域、つまり酸素センサの低温領域では、回路故障をセンサ故障と区別して特定することが可能である。
【００６８】
図１０にも同じく素子インピーダンスＲｓと印加前後電圧差ΔＶＯＸとの関係を調べた実験結果を示す。図９との相違点は素子インピーダンスＲｓのレンジにあり、図１０では３００Ω以下という低レンジ、即ち酸素センサが高温のときのみの値が示されている。これから理解されるように、酸素センサが正常であるときには常に印加前後電圧差ΔＶＯＸがゼロ付近となっているものの、酸素センサが故障しているときには破線円で強調されているように、印加前後電圧差ΔＶＯＸはゼロから大きく外れた値となり得る。従って、酸素センサ高温時にはセンサ故障を特定することが可能である。
【００６９】
次に、吸入空気量ＧＡに関して説明する。図１１は、（Ａ）車速、（Ｂ）吸入空気量ＧＡ及び（Ｃ）検出電圧ＶＯＸの経時的変化を調べた実験結果を示す。吸入空気量ＧＡはエアフローメータ１６で検出された値である。検出電圧ＶＯＸについては回路故障が無いものとする。また、素子インピーダンスＲｓは、検出素子３１が活性温度となるような低い値であるとする。図中、（ｉ）は吸入空気量ＧＡが低程度の値である場合、（ｉｉ）は吸入空気量ＧＡが中程度の値である場合、（ｉｉｉ）は吸入空気量ＧＡが高程度の値である場合である。検出電圧ＶＯＸに関して線Ｐ，Ｑはそれぞれ酸素センサ１９の正常時及び故障時を示す。
【００７０】
示されるように、検出電圧ＶＯＸの波形はセンサの正常時及び故障時で違いが見られ、且つその違いは（ｉｉ）吸入空気量ＧＡが中程度の値である場合のみに見られる。センサ故障の場合において、吸入空気量ＧＡが中程度の値であるときは、前述のように検出素子へのガスの出入りがあってセンサ出力電圧即ち検出電圧ＶＯＸの値は変動する。言い換えれば検出電圧ＶＯＸの波形にセンサノイズが乗ってくるようになる。
【００７１】
しかしながら、センサ故障の場合であっても、（ｉ）吸入空気量ＧＡが低程度の値であるときはそのような変動が見られない。その理由は、アイドリング等の低空気量のときは排気ガスが検出素子の欠損部から検出素子内に入らず、従ってガス交換も行われないからである。また、（ｉｉｉ）吸入空気量ＧＡが高程度の値であるときもそのような変動が見られない。その理由は、加速等の高空気量のときは排気ガスが検出素子の欠損部から検出素子内に入ることはできるが、検出素子内から出ることはできず、従ってガス交換も行われないからである。このように、検出素子へのガス交換が許容されるような中空気量のときに限ってセンサ出力が変動し、他方、検出素子へのガス交換が許容されないような低空気量又は高空気量のときにはセンサ出力が変動しない。
【００７２】
ここで、センサ出力の変動の大きさは、図６を参照して説明した方法で検出電圧ＶＯＸ（＝酸素センサ出力電圧Ｖｓ）の変動積算量Ｍｖｏｘを計算することにより、求めることができる。
【００７３】
そこで、かかる特性を利用して本実施形態では次のように故障診断がなされる。即ち、ＥＣＵ２２は、検出された素子インピーダンスＲｓの値が所定値より小さい場合（即ち酸素センサが高温である場合）において、検出された吸入空気量ＧＡの値が中程度の値であり、且つ、算出された変動積算量Ｍｖｏｘの値が所定値より大きいとき（即ちセンサ出力変動大のとき）には、センサ故障と判定する。他方、検出された吸入空気量ＧＡの値が低又は高程度の値であり、且つ、印加前後電圧差ΔＶＯＸ又はその絶対値が所定値より大きいときには、回路故障と判定する。
【００７４】
次に、以上述べたような故障診断処理のさらなる具体例を図１２を参照しつつ説明する。図１２は当該故障診断処理を実行するルーチンのフローチャートであり、このルーチンはＥＣＵ２２により所定周期（例えば４ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行され、より具体的には図８又は図６で示したような処理タイミングＴ（ｎ）毎に実行される。
【００７５】
先ず、ステップＳ１０１において、検出電圧ＶＯＸが取得される。次いでステップＳ１０２において、当該処理タイミングＴ（ｎ）に最も近いタイミングで検出された素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭ印加前の検出電圧ＶＯＸ１と、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭ印加後の検出電圧ＶＯＸ２とが取得される（図８参照）。さらに、ステップＳ１０３において、これら印加前後の検出電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２を用いて印加前後電圧差ΔＶＯＸ（＝ＶＯＸ２−ＶＯＸ１）が算出される。その後ステップＳ１０４において、素子インピーダンス検出用電圧ＶＯＭ印加時に算出された素子インピーダンスＲｓが取得される。
【００７６】
次に、ステップＳ１０５においては、その素子インピーダンスＲｓが所定の第１しきい値Ｒｓ１より大きいか否か、即ち酸素センサの検出素子温度が低温であるか否かが判断される。この第１しきい値Ｒｓ１は、例えば図９の実験結果に基づいて１００００Ωとされる。
【００７７】
素子インピーダンスＲｓが第１しきい値Ｒｓ１より大きい場合、ステップＳ１０６に進んで、印加前後電圧差ΔＶＯＸが所定の第１しきい値ΔＶＯＸｓ１より大きいか否かが判断される。この第１しきいΔＶＯＸｓ１は、例えば図９の実験結果に基づいて０．５Ｖとされる。
【００７８】
印加前後電圧差ΔＶＯＸが第１しきい値ΔＶＯＸｓ１より大きい場合、ステップＳ１０７に進んで回路故障と判定される。
【００７９】
そして、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０１で取得された検出電圧ＶＯＸの値が保存されて本ルーチンが終了される。
【００８０】
一方、ステップＳ１０５において、素子インピーダンスＲｓが第１しきい値Ｒｓ１以下と判断された場合、即ち酸素センサの検出素子温度が低温でないと判断された場合、ステップＳ１０９において、素子インピーダンスＲｓが所定の第２しきい値Ｒｓ２より小さいか否かが判断される。この第２しきい値Ｒｓ２は、ステップＳ１０５の第１しきい値Ｒｓ１より小さい値とされ、より詳細には、素子インピーダンスＲｓが第２しきい値Ｒｓ２より小さい場合に酸素センサの検出素子温度が活性温度且つ高温となるような値とされている。この第２しきい値Ｒｓ２は、例えば図１０の実験結果に基づいて５００Ωとされる。
【００８１】
素子インピーダンスＲｓが第２しきい値Ｒｓ２より小さい場合、ステップＳ１１０において、エアフローメータ１６により検出された吸入空気量ＧＡが所定の第１しきい値ＧＡｓ１より小さいか又は所定の第２しきい値ＧＡｓ２より大きいか否かが判断される。ここでＧＡｓ１＜ＧＡｓ２であり、例えば第１しきい値ＧＡｓ１は５ｇ／ｓｅｃ、第２しきい値ＧＡｓ２は１５ｇ／ｓｅｃとされる。このステップＳ１１０においては実質的に、吸入空気量ＧＡが低空気量又は高空気量であるか否かが判断されている。
【００８２】
吸入空気量ＧＡが第１しきい値ＧＡｓ１より小さいか又は第２しきい値ＧＡｓ２より大きい場合、即ち吸入空気量ＧＡが低空気量又は高空気量である場合、ステップＳ１１１において、印加前後電圧差ΔＶＯＸの絶対値が所定の第２しきい値ΔＶＯＸｓ２より大きいか否かが判断される。この第２しきい値ΔＶＯＸｓ２は、ステップＳ１０６の第１しきい値ΔＶＯＸｓ１より小さい値とされ、例えば０．１Ｖとされる。
【００８３】
印加前後電圧差ΔＶＯＸの絶対値が第２しきい値ΔＶＯＸｓ２より大きい場合、ステップＳ１１２に進んで回路故障と判定される。即ち、低空気量又は高空気量のときは酸素センサが故障していても検出素子へのガスの交換がなくセンサノイズは発生しない。従って、この場合に印加前後電圧差ΔＶＯＸの絶対値が第２しきい値ΔＶＯＸｓ２より大きくなった原因は、第２スイッチ素子７９の故障にあるとみなすことができる。よってここでは回路故障と判定する。この後、ステップＳ１０８において検出電圧ＶＯＸの値が保存され、本ルーチンが終了される。
【００８４】
一方、ステップＳ１０９において、素子インピーダンスＲｓが第２しきい値Ｒｓ２以上と判断された場合、本ルーチンが終了される。即ち、素子インピーダンスＲｓが第２しきい値Ｒｓ２以上で且つ第１しきい値Ｒｓ１以下の場合は、センサ素子温度が活性温度手前の中間温度にあるとして故障診断を行わない。
【００８５】
また、ステップＳ１１０において、吸入空気量ＧＡが第１しきい値ＧＡｓ１以上で且つ第２しきい値ＧＡｓ２以下である場合、即ち中空気量である場合は、ステップＳ１１３に進む。
【００８６】
ステップＳ１１３においては、ＣＰＵ４３に内蔵のカウンタがカウントアップされる。そしてステップＳ１１４において、検出電圧ＶＯＸに基づき、変動積算量Ｍｖｏｘが計算される。次のステップＳ１１５においては、カウンタが所定時間ｔｋｓを超えたか否かが判断される。この所定時間ｔｋｓは、変動積算量Ｍｖｏｘを計算する上での積算時間に相当し、例えば１０ｓｅｃとされる。カウンタが所定時間ｔｋｓを超えていなければ（即ち積算が終了してなければ）ステップＳ１０８を経てルーチン終了となり、カウンタが所定時間ｔｋｓを超えていれば（即ち積算が終了していれば）ステップＳ１１６に進む。
【００８７】
ステップＳ１１６では、最終的に算出された変動積算量Ｍｖｏｘが所定のしきい値Ｍｖｏｘｓを超えているか否か、即ち、センサ出力電圧の変動量がセンサ故障時相当となるほどに大きいか否かが判断される。しきい値Ｍｖｏｘｓは例えば１０Ｖとされる。変動積算量Ｍｖｏｘが所定のしきい値Ｍｖｏｘｓを超えていないと判断されたときは、ステップＳ１０８を経てルーチン終了となる。
【００８８】
他方、変動積算量Ｍｖｏｘが所定のしきい値Ｍｖｏｘｓを超えていると判断されたときは、ステップＳ１１７でセンサ故障と判定される。そしてステップＳ１１８でカウンタがリセットされ、ステップＳ１０８で今回の検出電圧ＶＯＸが保存されてルーチンが終了される。
【００８９】
このように本実施形態によれば、酸素センサの素子インピーダンス及び（又は）吸入空気量の大きさによって場合分けをすることにより、センサ故障と回路故障とを区別して判定することができる。これによって故障部位の特定が可能となり、故障診断の精度を向上することができる。
【００９０】
なお、本実施形態においては、ＥＣＵ２２によりインピーダンス基準故障判定手段、空気量基準故障判定手段及びインピーダンス・空気量基準故障判定手段が構成される。
【００９１】
本発明は他の実施形態を採ることも可能で、例えば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。また、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。
【００９２】
本発明は、素子インピーダンス検出時に電圧印加はできるが引き戻しができなくなるような回路故障が起きるものに対して有効である。従って、素子インピーダンス検出回路の故障には、例えば、引き戻し用スイッチ素子（第２スイッチ素子７９）と接地点との間の断線等も含めることができる。
【００９３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本実施形態に係る車載用内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】酸素センサの取付状態を示す断面図である。
【図３】酸素センサの検出素子周辺の拡大断面図である。
【図４】酸素センサの出力特性を示すグラフである。
【図５】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。
【図６】変動積算量の算出方法を説明するための図である。
【図７】酸素センサ及びＥＣＵを含む電気回路の構成を示す図である。
【図８】素子インピーダンス検出時における検出電圧の変化を示す図である。
【図９】素子インピーダンスと印加前後電圧差との関係を調べた実験結果を示すグラフである。
【図１０】素子インピーダンスと印加前後電圧差との関係を調べた実験結果を示すグラフである。
【図１１】（Ａ）車速、（Ｂ）吸入空気量及び（Ｃ）検出電圧の経時的変化を調べた実験結果を示すグラフである。
【図１２】故障診断処理を実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００９５】
１０ 内燃機関
１３ 排気通路
１９，２０ 酸素センサ
２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ 検出素子
４３ 中央処理ユニット（ＣＰＵ）
７９ 第２スイッチ素子
Ｂ 素子インピーダンス検出回路
Ｒｓ 素子インピーダンス
Ｒｓ１ 素子インピーダンスの第１しきい値
Ｒｓ２ 素子インピーダンスの第２しきい値
ＶＯＭ 素子インピーダンス検出用電圧
ＶＯＸ 検出電圧
ＶＯＸ１ 印加前検出電圧
ＶＯＸ２ 印加後検出電圧
ΔＶＯＸ 印加前後電圧差
ΔＶＯＸｓ１ 印加前後電圧差の第１しきい値
ΔＶＯＸｓ２ 印加前後電圧差の第２しきい値
ＧＡ 吸入空気量
ＧＡ１ 吸入空気量の第１しきい値
ＧＡ２ 吸入空気量の第２しきい値
Ｍｖｏｘ 変動積算量
Ｍｖｏｘｓ 変動積算量のしきい値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、少なくとも前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値に応じて、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
【請求項２】
前記インピーダンス基準故障判定手段は、前記検出された素子インピーダンスの値が所定値より大きいとき前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する
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。
【請求項３】
前記インピーダンス基準故障判定手段は、前記検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき前記酸素センサの故障と判定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の酸素センサの故障診断装置。
【請求項４】
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき、少なくとも前記吸入空気量検出手段により検出された前記吸入空気量の値に応じて、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定する空気量基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
【請求項５】
前記酸素センサの出力電圧の変動積算量を算出する変動積算量算出手段をさらに備え、
前記空気量基準故障判定手段は、前記検出された吸入空気量の値が中程度の値であり、且つ、前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値が所定値より大きいとき、前記酸素センサの故障と判定する
ことを特徴とする請求項４記載の酸素センサの故障診断装置。
【請求項６】
前記空気量基準故障判定手段は、前記検出された吸入空気量の値が低又は高程度の値であり、且つ、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する
ことを特徴とする請求項４又は５記載の酸素センサの故障診断装置。
【請求項７】
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記検出された酸素センサの出力電圧の変動積算量を算出する変動積算量算出手段と、
前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値及び前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値の少なくとも一つと、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値及び前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値の少なくとも一つとに基づき、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス・空気量基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
【請求項８】
前記素子インピーダンス検出回路の故障は、前記酸素センサからの電圧引き戻し時にＯＮされるスイッチ素子の故障である
ことを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。
【請求項１】
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、少なくとも前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値に応じて、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
【請求項２】
前記インピーダンス基準故障判定手段は、前記検出された素子インピーダンスの値が所定値より大きいとき前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する
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。
【請求項３】
前記インピーダンス基準故障判定手段は、前記検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき前記酸素センサの故障と判定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の酸素センサの故障診断装置。
【請求項４】
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値が所定値より小さいとき、少なくとも前記吸入空気量検出手段により検出された前記吸入空気量の値に応じて、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定する空気量基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
【請求項５】
前記酸素センサの出力電圧の変動積算量を算出する変動積算量算出手段をさらに備え、
前記空気量基準故障判定手段は、前記検出された吸入空気量の値が中程度の値であり、且つ、前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値が所定値より大きいとき、前記酸素センサの故障と判定する
ことを特徴とする請求項４記載の酸素センサの故障診断装置。
【請求項６】
前記空気量基準故障判定手段は、前記検出された吸入空気量の値が低又は高程度の値であり、且つ、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値が所定値より大きいとき、前記素子インピーダンス検出回路の故障と判定する
ことを特徴とする請求項４又は５記載の酸素センサの故障診断装置。
【請求項７】
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おいて、
前記酸素センサに対し所定の素子インピーダンス検出用電圧を印加しその後それを引き戻し、この印加過程で前記酸素センサの素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出回路と、
前記酸素センサの出力電圧を検出するためのセンサ出力電圧検出回路と、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記検出された酸素センサの出力電圧の変動積算量を算出する変動積算量算出手段と、
前記素子インピーダンス検出回路により検出された素子インピーダンスの値及び前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量の値の少なくとも一つと、前記センサ出力電圧検出回路によって検出された前記印加前後の酸素センサ出力電圧の電圧差又はその絶対値及び前記変動積算量算出手段により算出された変動積算量の値の少なくとも一つとに基づき、前記酸素センサの故障と、前記素子インピーダンス検出回路の故障とを区別して判定するインピーダンス・空気量基準故障判定手段と
を備えたことを特徴とする酸素センサの故障診断装置。
【請求項８】
前記素子インピーダンス検出回路の故障は、前記酸素センサからの電圧引き戻し時にＯＮされるスイッチ素子の故障である
ことを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の酸素センサの故障診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−７６１９１（Ｐ２００８−７６１９１Ａ）
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５４８４３（Ｐ２００６−２５４８４３）
【出願日】平成１８年９月２０日（２００６．９．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２０日（２００６．９．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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