酸素センサの異常診断装置
【課題】検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置を提供する。
【解決手段】検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数ｆの異なる複数の交流電圧を印加し、各周波数に対応した複数のインピーダンスを検出する。そしてこれらインピーダンスのデータのうち、高周波数側から低周波数側に向かって数えて３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるか否かを判断し、この判断結果に基づき酸素センサが正常か異常かを判定する。正常センサの場合と異常センサの場合とで、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータの有無に違いがあることを利用して、酸素センサの正常・異常を診断する。
【解決手段】検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数ｆの異なる複数の交流電圧を印加し、各周波数に対応した複数のインピーダンスを検出する。そしてこれらインピーダンスのデータのうち、高周波数側から低周波数側に向かって数えて３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるか否かを判断し、この判断結果に基づき酸素センサが正常か異常かを判定する。正常センサの場合と異常センサの場合とで、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータの有無に違いがあることを利用して、酸素センサの正常・異常を診断する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸素センサの異常診断装置に係り、特に、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置に関する。
【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不可欠である。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空燃比フィードバック制御を実施するようにしている。
【０００３】
典型的な酸素センサは、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、その内面を大気に露呈するとともに、その外面は排気ガスに曝されている。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を有している。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が利用されている。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
一方、自動車の分野では、排気エミッションが悪化した車両の走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で触媒やセンサの異常を診断することが各国法規等で要請されている。そこで酸素センサについても様々な診断装置が提案されるに至っている。
【０００７】
例えば特許文献１には、検出素子の交流インピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出し、算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別に基準値と比較し、この比較結果の組み合わせに基づいて検出素子の異常を診断する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−０２５１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸素センサの中には、検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有するものがある。本発明者らは、鋭意研究の結果、このような酸素センサの異常時に発生する固有の現象を利用して、酸素センサの異常診断を行えることを見出した。
【００１０】
そこで本発明の目的は、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常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】
【００１１】
本発明の一形態によれば、
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数のインピーダンスを検出する検出手段と、
前記複数のインピーダンスのデータのうち、高周波数側から低周波数側に向かって数えて３つめの円弧に相当するデータがあるか否かを判断し、この判断結果に基づき前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置が提供される。
【００１２】
このように検出素子の複数のインピーダンスを検出すると、得られたデータでは、正常センサの場合と異常センサの場合とで、３つめの円弧に相当するデータの有無に違いがあることが判明した。従ってこの特性を利用して、酸素センサの正常・異常を好適に診断することができる。
【００１３】
好ましくは、前記判定手段は、前記３つめの円弧に相当するデータがあると判断したとき前記酸素センサを正常と判定し、前記３つめの円弧に相当するデータがないと判断したとき前記酸素センサを異常と判定する。
【００１４】
好ましくは、前記判定手段は、前記３つめの円弧に相当するデータがないと判断したとき、前記複数のインピーダンスのデータのうち高周波数側から低周波数側に向かって数えて２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かを判断し、この判断結果に基づき異常の種類を特定する。
【００１５】
これにより、酸素センサの正常・異常を判別するのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も好適に特定することができる。
【００１６】
好ましくは、前記判定手段は、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであると判断したとき、前記異常の種類として前記検出素子の割れを特定する。
【００１７】
好ましくは、前記判定手段は、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータでないと判断したとき、前記異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する。
【００１８】
好ましくは、前記判定手段は、所定の低周波数領域で検出されたインピーダンスと所定範囲との比較により、前記３つめの円弧に相当するデータがあるか否かを判断する。
【００１９】
好ましくは、前記判定手段は、所定の低周波数領域で検出されたインピーダンスと所定範囲との比較により、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かを判断する。
【００２０】
本発明の他の形態によれば、
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数の正印加インピーダンスを検出すると共に、前記検出素子に、負の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数の負印加インピーダンスを検出する検出手段と、
前記複数ずつの正印加および負印加インピーダンスの各周波数毎の差または比を算出し、これら差または比に基づき前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置が提供される。
【００２１】
このように検出素子の複数ずつの正印加および負印加インピーダンスの差または比を算出すると、正常センサの場合と異常センサの場合とで差または比に違いがあることが判明した。従ってこの特性を利用して、酸素センサの正常・異常を好適に診断することができる。
【００２２】
好ましくは、前記判定手段は、所定の低周波数領域における前記差または比が所定範囲内にあると判断したとき前記酸素センサを正常と判定し、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲内にないと判断したとき前記酸素センサを異常と判定する。
【００２３】
好ましくは、前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲内にないと判断したとき、前記低周波数領域における差または比と前記所定範囲との比較結果に基づき異常の種類を特定する。
【００２４】
これにより、酸素センサの正常・異常を判別するのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も好適に特定することができる。
【００２５】
好ましくは、前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲より小さいと判断したとき、前記検出素子の割れを特定する。
【００２６】
好ましくは、前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲より大きいと判断したとき、前記拡散層の詰まりを特定する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。
【図２】酸素センサの取付状態を示す部分断面図である。
【図３】酸素センサの検出素子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】図３のＶ部詳細図であり、検出素子に対する電源回路の構成を模式的に示す。
【図６】検出素子に印加される電圧の波形を示すタイムチャートである。
【図７】複数のインピーダンスの検出データを示すグラフであり、正常な酸素センサの場合を示す。
【図８】複数のインピーダンスの検出データを示すグラフであり、検出素子の割れが生じている異常な酸素センサの場合を示す。
【図９】複数のインピーダンスの検出データを示すグラフであり、拡散層に目詰まりが生じている異常な酸素センサの場合を示す。
【図１０】第１実施例の異常診断処理に関するフローチャートである。
【図１１】第１実施例の異常診断処理の変形例に関するフローチャートである。
【図１２】図７のデータに基づき作製された差および比と周波数との関係を示すグラフである。
【図１３】図８のデータに基づき作製された差および比と周波数との関係を示すグラフである。
【図１４】図９のデータに基づき作製された差および比と周波数との関係を示すグラフである。
【図１５】第２実施例の異常診断処理に関するフローチャートである。
【図１６】第２実施例の異常診断処理の変形例に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施形態に係る内燃機関の構成を図１を参照して説明する。本実施形態の内燃機関（エンジン）１０は自動車用であり、火花点火式内燃機関、具体的にはガソリンエンジンである。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。吸入された空気の量（吸入空気量）はエアフローメータ１６により検出される。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、エンジン本体１２内の燃焼室に送られ、そこで燃焼される。
【００３０】
燃焼室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、その上流側に酸素センサ１９が設けられている。
【００３１】
三元触媒１８は、これに供給される排気ガス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。こうした三元触媒１８を有効に機能させるには、燃焼室に供給される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。
【００３２】
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は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアップ）．ＲＡＭ、不揮発性メモリ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器を具備する。ＥＣＵ２２には、上記エアフローメータ１６や酸素センサ１９、及び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ＥＣＵ２２は、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、上記の空燃比フィードバック制御を行っている。空燃比フィードバック制御の概要は次の通りである。
【００３３】
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。
【００３４】
そこでＥＣＵ２２は、上記酸素センサ１９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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、穿孔されたセンサカバー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３７を有する。固体電解質３７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が利用されている。
【００３７】
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とを通じて外部と連通され、且つ大気が導出入可能となっている。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。
【００３８】
検出素子３１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３７を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気側）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内外の電極間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。
【００３９】
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側の電極３３Ａから検出素子３１を通って外側の電極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側の電極３３Ａが正極、外側の電極３３Ｂが負極となる。以下、内側の電極３３Ａを大気電極、外側の電極３３Ｂを排気電極ともいう。
【００４０】
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となっている。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。本発明はこのような様々なタイプの酸素センサに適用可能である。
【００４１】
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）を境にスイッチング的に変化し、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予め定め、実際のセンサ出力電圧を当該閾値と比較して空燃比が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。
【００４２】
なお、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フィードバック制御を行う内燃機関では、本実施形態のように、理論空燃比を境に出力電圧がスイッチング的に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こともある。本発明はこのような酸素センサ、あるいはＡ／Ｆ（空燃比）センサに対しても適用可能である。
【００４３】
ところで、図３および図５に示すように、検出素子３１の排気電極３３Ｂの外側には、内側から外側に向かって、拡散層３８と、触媒層３９と、トラップ層４０とが順次積層されている。これら拡散層３８、触媒層３９およびトラップ層４０により、排気電極３３Ｂの外側に形成された、或いは排気電極３３Ｂとその外側のガスとの間に介設された外層部４１が形成されている。
【００４４】
拡散層３８は、ガスの拡散速度を律速するものであり、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や酸化マグネシウムＭｇＯ等の多孔質から形成されている。ガスが排気電極３３Ｂに向かって拡散層３８を透過する際、ガスに抵抗が与えられ、ガスが律速される。
【００４５】
触媒層３９は、ガス中の未燃成分（特にＨ2）を酸化させて除去し、センサの出力ズレを抑制するためのものである。触媒層３９は、アルミナ等の多孔質に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の触媒貴金属粒子を担持させて構成されている。
【００４６】
トラップ層４０は、その内側の各層を保護すると共に、排気電極３３Ｂにガス以外の物質が到達するのを防止するためのものである。トラップ層４０はアルミナ等の多孔質から形成されている。
【００４７】
なお、ここでは拡散層３８の他に触媒層３９を分離して設けたが、触媒層３９を省略してもよい。この場合、拡散層３８に触媒貴金属粒子を担持させ、拡散層３８に触媒層３９の機能を持たせてもよい。またトラップ層４０を省略してもよい。
【００４８】
次に、酸素センサ１９の異常診断について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ２２により検出素子３１のインピーダンスを検出し、この検出されたインピーダンスに基づき酸素センサ１９の正常または異常を判断する所謂インピーダンス法を採用する。
【００４９】
［第１実施例］
以下に述べる第１実施例においては、検出素子３１に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加し、各周波数に対応した複数のインピーダンスを検出する。
【００５０】
このインピーダンス検出方法を図示して説明する。図５には、検出素子３１に正の直流電圧と交流電圧とを印加可能な電源回路の構成が模式的に示されている。また図６には、検出素子３１に印加される電圧の波形が示されている。
【００５１】
図５から分かるように、ここでは、大気電極３３Ａに直流電源Ｂの正（＋）極を接続し、排気電極３３Ｂに直流電源Ｂの負（−）極を接続した状態を、「検出素子３１に正の直流電圧を印加した状態」と定義する。正の直流電圧を印加した状態では、図示されるように、排気電極３３Ｂから大気電極３３Ａに向かって酸素Ｏ2がポンピングされる。
【００５２】
図６に示すように、正の直流電圧を印加した状態で、交流電源Ｃから所定周波数の交流電圧が１周期分だけ重畳的に印加される。図示例の場合、正の直流電圧の大きさは＋０．４Ｖであり、交流電圧はその振幅を±０．２Ｖとするものである。但しこれらの値は任意に変更可能である。
【００５３】
ＥＣＵ２２は、交流電圧印加時における酸素センサ１９への入力電圧Ｖおよび酸素センサ１９からの出力電流Ｉの変化を検出して、検出素子３１のインピーダンスを算出する。
【００５４】
なお、上述とは逆の「検出素子３１に負の直流電圧を印加した状態」とは、排気電極３３Ｂに直流電源Ｂの正（＋）極を接続し、大気電極３３Ａに直流電源Ｂの負（−）極を接続した状態と定義する。この状態では、大気電極３３Ａから排気電極３３Ｂに向かって酸素Ｏ2がポンピングされる。例えば、−０．４Ｖの負の直流電圧を印加した状態で交流電圧を同様に印加すると、電圧値は−０．４Ｖを基準に±０．２Ｖ変化する。
【００５５】
こうして、交流電圧の周波数を所定周波数ずつ変化させながら、その都度検出素子３１のインピーダンスを算出していくと、図７に示すような複数のインピーダンスの検出データが得られる。なお図７は正常センサの場合における結果を示す。黒四角のプロットが、正の直流電圧を印加した状態で交流電圧を印加したとき（便宜上「＋直流電圧印加時」ともいう）に得られたデータであり、白四角のプロットが、負の直流電圧を印加した状態で交流電圧を印加したとき（便宜上「−直流電圧印加時」ともいう）に得られたデータである。周波数ｆを次第に高くするにつれ、プロットはインピーダンス実数部（横軸）の高い側から低い側に（図の右側から左側に）移動する。
【００５６】
ところで、検出素子３１に正の直流電圧を印加した場合、拡散層３８により、排気電極３３Ｂに到達する酸素量が制限される。他方、検出素子３１に負の直流電圧を印加した場合だと、大気電極３３Ａ側には拡散層３８が無いため、酸素量が制限されることがない。
【００５７】
一方、図７の＋直流電圧印加時のデータについては、高周波数側（図の左側）から数えて１つめの円弧Ｒ１と、２つめの円弧Ｒ２と、３つめの円弧Ｒ３とが存在する。１つめの円弧Ｒ１は、固体電解質３７に起因する円弧であり、２つめの円弧Ｒ２は、大気電極３３Ａおよび排気電極３３Ｂの電極界面に起因する円弧である。そして３つめの円弧Ｒ３は、拡散層３８に起因する円弧である。これに対し、図７の−直流電圧印加時のデータについては、１つめの円弧Ｒ１と２つめの円弧Ｒ２は存在するが、３つめの円弧Ｒ３は存在しない。
【００５８】
このような違いが生じる理由は、＋直流電圧印加時には拡散層３８により酸素量が制限されるため、インピーダンスが大きくなるのに対し、−直流電圧印加時にはそのような制限がないため、インピーダンスも大きくならないからである。
【００５９】
図８には、検出素子３１に割れが生じている異常な酸素センサ１９の場合のインピーダンス検出データを示す。この場合、＋直流電圧印加時であっても、１つめの円弧Ｒ１と２つめの円弧Ｒ２しか現れず、拡散層３８に起因する３つめの円弧Ｒ３は現れない。その理由は、拡散層３８の割れにより酸素量を制限する能力が低下するため、＋直流電圧印加時であっても酸素量を制限できないからである。また、電極界面に起因する２つめの円弧Ｒ２は半円を示す。なお、正常センサの場合と同様、−直流電圧印加時にも３つめの円弧Ｒ３は現れない。
【００６０】
図９には、検出素子３１の拡散層３８に目詰まりが生じている異常な酸素センサ１９の場合のインピーダンス検出データを示す。＋直流電圧印加時、１つめの円弧Ｒ１と２つめの円弧Ｒ２は現れるが、拡散層３８に起因する３つめの円弧Ｒ３は現れず、且つ電極界面に起因する２つめの円弧Ｒ２が半円を示さない。その理由は、拡散層３８の目詰まりが電極界面にも影響を及ぼし、酸素量が減少するため、電極界面に起因する２つめの円弧Ｒ２が大きくなるからである。なお、拡散層３８の目詰まりの原因は、排気ガスに含まれる煤、鉛、マンガン、硫黄等である。
【００６１】
従って、以上の結果に鑑みて次の通り結論づけることができる。すなわち、＋直流電圧印加時に得られた複数のインピーダンスのデータの中に、拡散層３８に起因する３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるときには、酸素センサ１９を正常と判断することができる。また、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないときには、酸素センサ１９を異常と判断することができる。
【００６２】
また、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないとき（センサ異常であるとき）に、２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるときには、センサ異常の種類として、検出素子３１の割れ（以下単に素子割れともいう）を特定することができる。
【００６３】
さらに、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないとき（センサ異常であるとき）に、２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータでないときには、センサ異常の種類として、拡散層３８の目詰まりを特定することができる。
【００６４】
こうして、酸素センサ１９の正常・異常を判別できるのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も特定することができ、拡散層３８を有する酸素センサ１９に好適な異常診断装置を提供することが可能である。
【００６５】
次に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の異常診断処理を図１０を参照して説明する。
【００６６】
ステップＳ１０１では、診断を実施するのに必要な所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。例えば、酸素センサ１９の検出素子３１が十分高温となっており、酸素センサ１９が活性化している場合に前提条件成立となる。例えばＥＣＵ２２は、酸素センサ１９の出力電圧がリッチ・リーン間で所定回数反転したこと検出したとき、酸素センサ１９が活性化したと判断する。
【００６７】
前提条件が成立していなければステップＳ１０１が繰り返し実行され、前提条件が成立したならばステップＳ１０２に進む。
【００６８】
ステップＳ１０２では、検出素子３１に正の直流電圧が印加される。このときの印加電圧は例えば＋０．４Ｖである。
【００６９】
次いでステップＳ１０３では、検出素子３１に所定周波数の交流電圧が重畳的に印加される。交流電圧としては、例えば実効値（ＲＭＳ）で０．０１Ｖの交流電圧が用いられる。
【００７０】
そしてステップＳ１０４で、交流電圧印加時における検出素子３１のインピーダンスが検出される。すなわち、ＥＣＵ２２は、酸素センサ１９に対する交流電圧Ｖn（ｎ＝１，２，・・・）印加時点から、交流電圧Ｖnの周波数ｆnに応じた遅延時間の経過後に、酸素センサ１９の出力電流Ｉnを読み込む。そして、交流電圧Ｖnと出力電流Ｉnとに基づいて、インピーダンスＺnを算出する。
【００７１】
ステップＳ１０５では、インピーダンスの検出を行うべき全周波数のポイントで、インピーダンスの検出を終えたか否かが判断される。すなわち、ここでは１０ｍＨｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲内において、１桁当たり５ポイントの周波数でそれぞれインピーダンスを検出するようにしている。具体的には、１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚの間の予め定められた５ポイント（５つの周波数）でそれぞれインピーダンスを検出し、１００ｍＨｚ〜１Ｈｚの間の予め定められた５ポイント（５つの周波数）でそれぞれインピーダンスを検出する（以下同様）。周波数の変更の仕方は、ここでは徐々に増加する方法としているが、徐々に減少する方法としてもよい。
【００７２】
全ポイントでインピーダンスの検出を終えたと判断されない場合、ステップＳ１０３に戻って、周波数の増加および交流電圧の印加と、インピーダンス検出とが繰り返し実行される。こうして、図７等に示したような、全ポイントにおける複数のインピーダンスがやがて検出されることとなる。
【００７３】
全ポイントでインピーダンスの検出を終えたならばステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、全ポイントにおける複数のインピーダンスのデータの中に、図７に示したような拡散層起因の３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるか否かが判断される。具体的には、ＥＣＵ２２は、インピーダンス虚数部の変化から頂点が幾つあるかを判断し、頂点が三つある場合には３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあると判断し、頂点が二つしかない場合には３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないと判断する。
【００７４】
なお、ＥＣＵ２２は、周波数が隣り合う一対のデータのインピーダンス虚数部の大小を次々と比較していくことで頂点を決定する。
【００７５】
３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあると判断されたとき、ステップＳ１０７に進んで、酸素センサ１９は正常と判定される。
【００７６】
他方、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないと判断されたときには、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、電極界面起因の２つめの円弧Ｒ２に相当するデータが、半円を形成するデータであるか否かが判断される。
具体的には、ＥＣＵ２２は、所定の低周波数領域内（例えば１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚ）の全ポイントにおけるインピーダンスデータのインピーダンス虚数部が、ゼロ近傍の値となっているとき、半円を形成するデータであると判断する。より具体的には、ＥＣＵ２２は、当該全ポイントのインピーダンス虚数部が、ゼロ近傍の所定値（例えば−１５）より大きいとき、半円を形成するデータであると判断する。
【００７７】
なおここでいう低周波数領域とは、正常センサ（図７）の場合に３つめの円弧Ｒ３が現れる周波数領域のことである。本実施例では、周波数の最も低いポイントから数えて５つめまでのデータが低周波数領域内に属する。
【００７８】
ここで図８，図９を参照して、縦軸のインピーダンス虚数部は、その値がマイナス方向に大きくなるにつれ縦軸の上側に向かっている。よってインピーダンス虚数部が例えば−１５より大きいとは、図８，図９においては、縦軸の−１５より下側の部分を指す。図８に示すように、２つめの円弧Ｒ２が半円を形成する場合、低周波数領域内の全ポイントにおけるインピーダンス虚数部が所定値より大きくなる。逆に、図９に示すように、２つめの円弧Ｒ２が半円を形成しない場合、低周波数領域内の全ポイントにおけるインピーダンス虚数部が所定値より小さくなる。
【００７９】
代替的に、２つめの円弧Ｒ２が半円か否かは、前記低周波数領域内における所定の１ポイントのインピーダンス虚数部が所定値より大きいか否かによっても判断することができる。或いは、前記低周波数領域内における全ポイントのインピーダンス虚数部の平均値が所定値より大きいか否かによっても判断することができる。
【００８０】
ステップＳ１０８で、２つめの円弧Ｒ２に相当するデータが半円を形成するデータであると判断された場合、ステップＳ１０９に進んで、酸素センサ１９は異常と判定され、且つその異常の種類として検出素子３１の割れが特定される。
【００８１】
他方、ステップＳ１０８で、２つめの円弧Ｒ２に相当するデータが半円を形成するデータでないと判断された場合、ステップＳ１１０に進んで、酸素センサ１９は異常と判定され、且つその異常の種類として拡散層３８の目詰まりが特定される。
【００８２】
図１１には異常診断処理の変形例を示す。この変形例は図１０に示した基本例と比較して、ステップＳ１０６，Ｓ１０８がステップＳ２０６，Ｓ２０８に置き換えられたこと以外、基本例と同様である。よって同様のステップについては説明を省略し、図中の符号を１００番台から２００番台に変更するに止める。
【００８３】
ステップＳ２０６は、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるか否かの判断を、別の方法で行う点で、ステップＳ１０６と相違する。すなわち、ステップＳ２０６においてＥＣＵ２２は、前記低周波数領域内（例えば１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚ）の全ポイントにおけるインピーダンスデータのインピーダンス絶対値の平均値（これを便宜上Ｚで表示する）が、所定範囲（例えばＺ１＝２５０Ωより大きくＺ２＝５００Ωより小さい範囲）内にあるとき、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあると判断する。
【００８４】
なお、インピーダンス絶対値に代わって、インピーダンス実数部またはインピーダンス虚数部を用いてもよい。また平均値に代わって所定の１ポイントにおける値を用いてもよい。
【００８５】
Ｚ１＜Ｚ＜Ｚ２が成立するときには、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるとみなし、ステップＳ２０７に進んで酸素センサ１９が正常と判定される。
【００８６】
他方、Ｚ１＜Ｚ＜Ｚ２が成立しないときにはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８も、２つめの円弧Ｒ２に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かの判断を、別の方法で行う点で、ステップＳ１０８と相違する。すなわち、ステップＳ２０８においてＥＣＵ２２は、前記低周波数領域内の全ポイントにおけるインピーダンスデータのインピーダンス絶対値の平均値Ｚが、前記所定範囲の下限値Ｚ１以下であるとき、半円を形成するデータであると判断する。このときにはステップＳ２０９に進んで酸素センサ１９が素子割れ異常であると判定する。
【００８７】
他方、ステップＳ２０８においてＥＣＵ２２は、前記平均値Ｚが下限値Ｚ１以下でないとき、すなわち前記平均値Ｚが前記所定範囲の上限値Ｚ２以上であるとき、半円を形成するデータでないと判断する。このときにはステップＳ２１０に進んで酸素センサ１９が拡散層目詰まり異常であると判定する。
【００８８】
［第２実施例］
以下に述べる第２実施例においては、検出素子３１に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加し、各周波数に対応した複数のインピーダンス（これを正印加インピーダンスと称する）を検出する。また検出素子３１に、負の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加し、各周波数に対応した複数のインピーダンス（これを負印加インピーダンスと称する）を検出する。ここで両インピーダンスの検出時に使用する周波数は同じである。
【００８９】
図７〜図９において、＋直流電圧印加時の黒四角のプロットが、正印加インピーダンスのデータであり、−直流電圧印加時の白四角のプロットが、負印加インピーダンスのデータである。
【００９０】
図７に示す正常センサの場合、低周波数領域において正印加インピーダンスが負印加インピーダンスより大きくなり、両者の差および比が大きくなる。ここで正印加インピーダンスをＺｐ、負印加インピーダンスをＺｎで表すと、両者の差ΔＺはΔＺ＝Ｚｐ−Ｚｎで定義され、両者の比ＺａはＺａ＝Ｚｐ／Ｚｎで定義される。
【００９１】
図１２は、図７のデータに基づき作製された差ΔＺおよび比Ｚａと周波数ｆとの関係を示したグラフである。ここで正印加インピーダンスおよび負印加インピーダンスは絶対値とされている。図１２から、低周波数領域において両者の差ΔＺおよび比Ｚａが大きくなるのが明らかである。
【００９２】
こうなる理由は、前述したように、＋直流電圧印加時には拡散層３８により酸素量が制限されるため、インピーダンスが大きくなるのに対し、−直流電圧印加時にはそのような制限がないため、インピーダンスも大きくならないからである。
【００９３】
図１３も同様に、図８のデータに基づき作製された、差ΔＺおよび比Ｚａと周波数ｆとの関係を示したグラフである。素子割れセンサの場合、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとは全周波数域でそれ程変わらず、両者の差ΔＺは全周波数域で小さい。また両者の比Ｚａも全周波数域でほぼ一定の１である。
【００９４】
こうなる理由は、前述したように、拡散層３８の割れにより酸素量を制限する能力が低下するため、＋直流電圧印加時であっても−直流電圧印加時と同様に酸素量を制限できないからである。
【００９５】
図１４も同様に、図９のデータに基づき作製された、差ΔＺおよび比Ｚａと周波数ｆとの関係を示したグラフである。拡散層目詰まりセンサの場合、低周波数領域において、正印加インピーダンスが正常センサのときよりも顕著に負印加インピーダンスより大きくなり、両者の差ΔＺおよび比Ｚａが正常センサのときよりも顕著に大きくなる。
【００９６】
こうなる理由は、拡散層３８の目詰まりによって、＋直流電圧印加時に正常センサのときよりも大きく酸素量が制限されるため、＋直流電圧印加時に−直流電圧印加時よりも顕著にインピーダンスが大きくなるからである。
【００９７】
そこで本実施例では、上記の特性を有効に活用して、複数ずつの正印加および負印加インピーダンスの各周波数毎の差ΔＺまたは比Ｚａに基づき酸素センサ１９が正常か異常かを判定する。また異常と判定した場合、検出素子３１の割れまたは拡散層３８の目詰まりを特定する。
【００９８】
こうして、酸素センサ１９の正常・異常を判別できるのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も特定することができ、拡散層３８を有する酸素センサ１９に好適な異常診断装置を提供することが可能である。
【００９９】
図１５に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の異常診断処理の内容を示す。ここで示す方法は差ΔＺを用いる方法である。
【０１００】
ステップＳ３０１〜Ｓ３０５は前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０５と同様である。ステップＳ３０５で全ポイントの正印加インピーダンスの検出を終えたと判断された場合、こんどはステップＳ３０６〜Ｓ３０９で全ポイントの負印加インピーダンスの検出が行われる。なお、順序を逆にし、全ポイントの負印加インピーダンスを検出した後に全ポイントの正印加インピーダンスを検出してもよい。また、１周波数当たりの正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとを検出し、周波数を順次変えていくていく方法を採用してもよい。
【０１０１】
ステップＳ３０６では、検出素子３１に負の直流電圧が印加される。このときの印加電圧は例えば−０．４Ｖである。
【０１０２】
ステップＳ３０７では、前記ステップＳ１０３と同様、検出素子３１に所定周波数の交流電圧が重畳的に印加される。
【０１０３】
ステップＳ３０８では、前記ステップＳ１０４と同様、交流電圧印加時における検出素子３１のインピーダンスが検出される。
【０１０４】
ステップＳ３０９では、前記ステップＳ１０５と同様、全ポイントで負印加インピーダンスの検出を終えたか否かが判断される。終えてなければステップＳ３０６〜Ｓ３０８が繰り返し実行され、周波数を順次増加（減少でもよい）しつつ、インピーダンスが検出される。
【０１０５】
全ポイントで負付加インピーダンスの検出を終えたならばステップＳ３１０に進む。ステップＳ３１０では、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとの絶対値同士の差ΔＺが、各周波数毎に、全ポイントに対して算出される。なお正印加インピーダンスと負印加インピーダンスについては、絶対値の代わりに実数部を用いることも可能である。
【０１０６】
次いでステップＳ３１１では、所定の低周波数領域における差ΔＺが所定範囲内にあるか否かが判断される。具体的には、ＥＣＵ２２は、１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚの低周波数領域における、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとの絶対値同士の差の平均値（便宜上これをΔＺで表す）が、Ｚ３＝５０Ωより大きく且つＺ４＝５００Ωより小さい範囲内にあるか否かを判断する。なお、平均値の代わりに、低周波数領域内の所定の１ポイントの値を用いてもよい。
【０１０７】
Ｚ３＜ΔＺ＜Ｚ４が成立するときには、ステップＳ３１２に進んで、酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１０８】
他方、Ｚ３＜ΔＺ＜Ｚ４が成立しないときにはステップＳ３１３に進む。ステップＳ３１３においては、前記差の平均値ΔＺが前記所定範囲の下限値Ｚ３と比較される。前記差の平均値ΔＺが下限値Ｚ３以下と判断されたときには、ステップＳ３１４に進んで、酸素センサ１９は素子割れ異常であると判定される。
【０１０９】
他方、ステップＳ３１３において、前記差の平均値ΔＺが下限値Ｚ３以下でない、すなわち前記所定範囲の上限値Ｚ４以上であると判断されたときには、ステップＳ３１５に進んで、酸素センサ１９は拡散層目詰まり異常であると判定される。
【０１１０】
図１６には異常診断処理の変形例を示す。この変形例は比Ｚａを用いる方法であり、図１５に示した基本例と比較して、ステップＳ３１０，Ｓ３１１，Ｓ３１３がステップＳ４１０，Ｓ４１１，Ｓ４１３に置き換えられたこと以外、基本例と同様である。よって同様のステップについては説明を省略し、図中の符号を３００番台から４００番台に変更するに止める。
【０１１１】
ステップＳ４１０では、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとの絶対値同士の比Ｚａが、各周波数毎に、全ポイントに対して算出される。なお前記同様、絶対値の代わりに実数部を用いてもよい。
【０１１２】
ステップＳ４１１では、所定の低周波数領域における比Ｚａが所定範囲内にあるか否かが判断される。具体的には、ＥＣＵ２２は、前記低周波数領域（１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚ）における、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとの絶対値同士の比の平均値（便宜上これをＺａで表す）が、Ｚ５＝１．１より大きく且つＺ６＝３より小さい範囲内にあるか否かを判断する。なお平均値の代わりに所定の１ポイントの値を用いてもよい。
【０１１３】
Ｚ５＜Ｚａ＜Ｚ６が成立するときには、ステップＳ４１２に進んで、酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１１４】
他方、Ｚ５＜Ｚａ＜Ｚ６が成立しないときにはステップＳ４１３に進む。ステップＳ４１３においては、前記比の平均値Ｚａが前記所定範囲の下限値Ｚ５と比較される。前記比の平均値Ｚａが下限値Ｚ５以下であると判断されたときには、ステップＳ４１４に進んで、酸素センサ１９は素子割れ異常であると判定される。
【０１１５】
他方、ステップＳ４１３において、前記比の平均値Ｚａが下限値Ｚ５以下でない、すなわち前記所定範囲の上限値Ｚ６以上であると判断されたときには、ステップＳ４１５に進んで、酸素センサ１９は拡散層目詰まり異常であると判定される。
【０１１６】
以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関は自動車用以外であってもよく、その用途や形式に特に制限はない。酸素センサも内燃機関以外への適用が可能である。前記実施形態における各数値は任意に変更が可能である。
【０１１７】
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。
【符号の説明】
【０１１８】
１９ 酸素センサ
３１ 検出素子
３８ 拡散層
４１ 外層部
ｆ 周波数
Ｒ３ ３つめの円弧
Ｒ２ ２つめの円弧
ΔＺ 差
Ｚａ 比
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸素センサの異常診断装置に係り、特に、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置に関する。
【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不可欠である。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空燃比フィードバック制御を実施するようにしている。
【０００３】
典型的な酸素センサは、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、その内面を大気に露呈するとともに、その外面は排気ガスに曝されている。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を有している。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が利用されている。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
一方、自動車の分野では、排気エミッションが悪化した車両の走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で触媒やセンサの異常を診断することが各国法規等で要請されている。そこで酸素センサについても様々な診断装置が提案されるに至っている。
【０００７】
例えば特許文献１には、検出素子の交流インピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出し、算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別に基準値と比較し、この比較結果の組み合わせに基づいて検出素子の異常を診断する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−０２５１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸素センサの中には、検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有するものがある。本発明者らは、鋭意研究の結果、このような酸素センサの異常時に発生する固有の現象を利用して、酸素センサの異常診断を行えることを見出した。
【００１０】
そこで本発明の目的は、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常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】
【００１１】
本発明の一形態によれば、
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数のインピーダンスを検出する検出手段と、
前記複数のインピーダンスのデータのうち、高周波数側から低周波数側に向かって数えて３つめの円弧に相当するデータがあるか否かを判断し、この判断結果に基づき前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置が提供される。
【００１２】
このように検出素子の複数のインピーダンスを検出すると、得られたデータでは、正常センサの場合と異常センサの場合とで、３つめの円弧に相当するデータの有無に違いがあることが判明した。従ってこの特性を利用して、酸素センサの正常・異常を好適に診断することができる。
【００１３】
好ましくは、前記判定手段は、前記３つめの円弧に相当するデータがあると判断したとき前記酸素センサを正常と判定し、前記３つめの円弧に相当するデータがないと判断したとき前記酸素センサを異常と判定する。
【００１４】
好ましくは、前記判定手段は、前記３つめの円弧に相当するデータがないと判断したとき、前記複数のインピーダンスのデータのうち高周波数側から低周波数側に向かって数えて２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かを判断し、この判断結果に基づき異常の種類を特定する。
【００１５】
これにより、酸素センサの正常・異常を判別するのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も好適に特定することができる。
【００１６】
好ましくは、前記判定手段は、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであると判断したとき、前記異常の種類として前記検出素子の割れを特定する。
【００１７】
好ましくは、前記判定手段は、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータでないと判断したとき、前記異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する。
【００１８】
好ましくは、前記判定手段は、所定の低周波数領域で検出されたインピーダンスと所定範囲との比較により、前記３つめの円弧に相当するデータがあるか否かを判断する。
【００１９】
好ましくは、前記判定手段は、所定の低周波数領域で検出されたインピーダンスと所定範囲との比較により、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かを判断する。
【００２０】
本発明の他の形態によれば、
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数の正印加インピーダンスを検出すると共に、前記検出素子に、負の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数の負印加インピーダンスを検出する検出手段と、
前記複数ずつの正印加および負印加インピーダンスの各周波数毎の差または比を算出し、これら差または比に基づき前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置が提供される。
【００２１】
このように検出素子の複数ずつの正印加および負印加インピーダンスの差または比を算出すると、正常センサの場合と異常センサの場合とで差または比に違いがあることが判明した。従ってこの特性を利用して、酸素センサの正常・異常を好適に診断することができる。
【００２２】
好ましくは、前記判定手段は、所定の低周波数領域における前記差または比が所定範囲内にあると判断したとき前記酸素センサを正常と判定し、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲内にないと判断したとき前記酸素センサを異常と判定する。
【００２３】
好ましくは、前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲内にないと判断したとき、前記低周波数領域における差または比と前記所定範囲との比較結果に基づき異常の種類を特定する。
【００２４】
これにより、酸素センサの正常・異常を判別するのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も好適に特定することができる。
【００２５】
好ましくは、前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲より小さいと判断したとき、前記検出素子の割れを特定する。
【００２６】
好ましくは、前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲より大きいと判断したとき、前記拡散層の詰まりを特定する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。
【図２】酸素センサの取付状態を示す部分断面図である。
【図３】酸素センサの検出素子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】図３のＶ部詳細図であり、検出素子に対する電源回路の構成を模式的に示す。
【図６】検出素子に印加される電圧の波形を示すタイムチャートである。
【図７】複数のインピーダンスの検出データを示すグラフであり、正常な酸素センサの場合を示す。
【図８】複数のインピーダンスの検出データを示すグラフであり、検出素子の割れが生じている異常な酸素センサの場合を示す。
【図９】複数のインピーダンスの検出データを示すグラフであり、拡散層に目詰まりが生じている異常な酸素センサの場合を示す。
【図１０】第１実施例の異常診断処理に関するフローチャートである。
【図１１】第１実施例の異常診断処理の変形例に関するフローチャートである。
【図１２】図７のデータに基づき作製された差および比と周波数との関係を示すグラフである。
【図１３】図８のデータに基づき作製された差および比と周波数との関係を示すグラフである。
【図１４】図９のデータに基づき作製された差および比と周波数との関係を示すグラフである。
【図１５】第２実施例の異常診断処理に関するフローチャートである。
【図１６】第２実施例の異常診断処理の変形例に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施形態に係る内燃機関の構成を図１を参照して説明する。本実施形態の内燃機関（エンジン）１０は自動車用であり、火花点火式内燃機関、具体的にはガソリンエンジンである。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。吸入された空気の量（吸入空気量）はエアフローメータ１６により検出される。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、エンジン本体１２内の燃焼室に送られ、そこで燃焼される。
【００３０】
燃焼室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、その上流側に酸素センサ１９が設けられている。
【００３１】
三元触媒１８は、これに供給される排気ガス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。こうした三元触媒１８を有効に機能させるには、燃焼室に供給される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。
【００３２】
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は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアップ）．ＲＡＭ、不揮発性メモリ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器を具備する。ＥＣＵ２２には、上記エアフローメータ１６や酸素センサ１９、及び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ＥＣＵ２２は、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、上記の空燃比フィードバック制御を行っている。空燃比フィードバック制御の概要は次の通りである。
【００３３】
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。
【００３４】
そこでＥＣＵ２２は、上記酸素センサ１９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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、穿孔されたセンサカバー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３７を有する。固体電解質３７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が利用されている。
【００３７】
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とを通じて外部と連通され、且つ大気が導出入可能となっている。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。
【００３８】
検出素子３１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３７を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気側）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内外の電極間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。
【００３９】
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側の電極３３Ａから検出素子３１を通って外側の電極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側の電極３３Ａが正極、外側の電極３３Ｂが負極となる。以下、内側の電極３３Ａを大気電極、外側の電極３３Ｂを排気電極ともいう。
【００４０】
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となっている。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。本発明はこのような様々なタイプの酸素センサに適用可能である。
【００４１】
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）を境にスイッチング的に変化し、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予め定め、実際のセンサ出力電圧を当該閾値と比較して空燃比が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。
【００４２】
なお、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フィードバック制御を行う内燃機関では、本実施形態のように、理論空燃比を境に出力電圧がスイッチング的に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こともある。本発明はこのような酸素センサ、あるいはＡ／Ｆ（空燃比）センサに対しても適用可能である。
【００４３】
ところで、図３および図５に示すように、検出素子３１の排気電極３３Ｂの外側には、内側から外側に向かって、拡散層３８と、触媒層３９と、トラップ層４０とが順次積層されている。これら拡散層３８、触媒層３９およびトラップ層４０により、排気電極３３Ｂの外側に形成された、或いは排気電極３３Ｂとその外側のガスとの間に介設された外層部４１が形成されている。
【００４４】
拡散層３８は、ガスの拡散速度を律速するものであり、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や酸化マグネシウムＭｇＯ等の多孔質から形成されている。ガスが排気電極３３Ｂに向かって拡散層３８を透過する際、ガスに抵抗が与えられ、ガスが律速される。
【００４５】
触媒層３９は、ガス中の未燃成分（特にＨ2）を酸化させて除去し、センサの出力ズレを抑制するためのものである。触媒層３９は、アルミナ等の多孔質に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の触媒貴金属粒子を担持させて構成されている。
【００４６】
トラップ層４０は、その内側の各層を保護すると共に、排気電極３３Ｂにガス以外の物質が到達するのを防止するためのものである。トラップ層４０はアルミナ等の多孔質から形成されている。
【００４７】
なお、ここでは拡散層３８の他に触媒層３９を分離して設けたが、触媒層３９を省略してもよい。この場合、拡散層３８に触媒貴金属粒子を担持させ、拡散層３８に触媒層３９の機能を持たせてもよい。またトラップ層４０を省略してもよい。
【００４８】
次に、酸素センサ１９の異常診断について説明する。本実施形態では、ＥＣＵ２２により検出素子３１のインピーダンスを検出し、この検出されたインピーダンスに基づき酸素センサ１９の正常または異常を判断する所謂インピーダンス法を採用する。
【００４９】
［第１実施例］
以下に述べる第１実施例においては、検出素子３１に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加し、各周波数に対応した複数のインピーダンスを検出する。
【００５０】
このインピーダンス検出方法を図示して説明する。図５には、検出素子３１に正の直流電圧と交流電圧とを印加可能な電源回路の構成が模式的に示されている。また図６には、検出素子３１に印加される電圧の波形が示されている。
【００５１】
図５から分かるように、ここでは、大気電極３３Ａに直流電源Ｂの正（＋）極を接続し、排気電極３３Ｂに直流電源Ｂの負（−）極を接続した状態を、「検出素子３１に正の直流電圧を印加した状態」と定義する。正の直流電圧を印加した状態では、図示されるように、排気電極３３Ｂから大気電極３３Ａに向かって酸素Ｏ2がポンピングされる。
【００５２】
図６に示すように、正の直流電圧を印加した状態で、交流電源Ｃから所定周波数の交流電圧が１周期分だけ重畳的に印加される。図示例の場合、正の直流電圧の大きさは＋０．４Ｖであり、交流電圧はその振幅を±０．２Ｖとするものである。但しこれらの値は任意に変更可能である。
【００５３】
ＥＣＵ２２は、交流電圧印加時における酸素センサ１９への入力電圧Ｖおよび酸素センサ１９からの出力電流Ｉの変化を検出して、検出素子３１のインピーダンスを算出する。
【００５４】
なお、上述とは逆の「検出素子３１に負の直流電圧を印加した状態」とは、排気電極３３Ｂに直流電源Ｂの正（＋）極を接続し、大気電極３３Ａに直流電源Ｂの負（−）極を接続した状態と定義する。この状態では、大気電極３３Ａから排気電極３３Ｂに向かって酸素Ｏ2がポンピングされる。例えば、−０．４Ｖの負の直流電圧を印加した状態で交流電圧を同様に印加すると、電圧値は−０．４Ｖを基準に±０．２Ｖ変化する。
【００５５】
こうして、交流電圧の周波数を所定周波数ずつ変化させながら、その都度検出素子３１のインピーダンスを算出していくと、図７に示すような複数のインピーダンスの検出データが得られる。なお図７は正常センサの場合における結果を示す。黒四角のプロットが、正の直流電圧を印加した状態で交流電圧を印加したとき（便宜上「＋直流電圧印加時」ともいう）に得られたデータであり、白四角のプロットが、負の直流電圧を印加した状態で交流電圧を印加したとき（便宜上「−直流電圧印加時」ともいう）に得られたデータである。周波数ｆを次第に高くするにつれ、プロットはインピーダンス実数部（横軸）の高い側から低い側に（図の右側から左側に）移動する。
【００５６】
ところで、検出素子３１に正の直流電圧を印加した場合、拡散層３８により、排気電極３３Ｂに到達する酸素量が制限される。他方、検出素子３１に負の直流電圧を印加した場合だと、大気電極３３Ａ側には拡散層３８が無いため、酸素量が制限されることがない。
【００５７】
一方、図７の＋直流電圧印加時のデータについては、高周波数側（図の左側）から数えて１つめの円弧Ｒ１と、２つめの円弧Ｒ２と、３つめの円弧Ｒ３とが存在する。１つめの円弧Ｒ１は、固体電解質３７に起因する円弧であり、２つめの円弧Ｒ２は、大気電極３３Ａおよび排気電極３３Ｂの電極界面に起因する円弧である。そして３つめの円弧Ｒ３は、拡散層３８に起因する円弧である。これに対し、図７の−直流電圧印加時のデータについては、１つめの円弧Ｒ１と２つめの円弧Ｒ２は存在するが、３つめの円弧Ｒ３は存在しない。
【００５８】
このような違いが生じる理由は、＋直流電圧印加時には拡散層３８により酸素量が制限されるため、インピーダンスが大きくなるのに対し、−直流電圧印加時にはそのような制限がないため、インピーダンスも大きくならないからである。
【００５９】
図８には、検出素子３１に割れが生じている異常な酸素センサ１９の場合のインピーダンス検出データを示す。この場合、＋直流電圧印加時であっても、１つめの円弧Ｒ１と２つめの円弧Ｒ２しか現れず、拡散層３８に起因する３つめの円弧Ｒ３は現れない。その理由は、拡散層３８の割れにより酸素量を制限する能力が低下するため、＋直流電圧印加時であっても酸素量を制限できないからである。また、電極界面に起因する２つめの円弧Ｒ２は半円を示す。なお、正常センサの場合と同様、−直流電圧印加時にも３つめの円弧Ｒ３は現れない。
【００６０】
図９には、検出素子３１の拡散層３８に目詰まりが生じている異常な酸素センサ１９の場合のインピーダンス検出データを示す。＋直流電圧印加時、１つめの円弧Ｒ１と２つめの円弧Ｒ２は現れるが、拡散層３８に起因する３つめの円弧Ｒ３は現れず、且つ電極界面に起因する２つめの円弧Ｒ２が半円を示さない。その理由は、拡散層３８の目詰まりが電極界面にも影響を及ぼし、酸素量が減少するため、電極界面に起因する２つめの円弧Ｒ２が大きくなるからである。なお、拡散層３８の目詰まりの原因は、排気ガスに含まれる煤、鉛、マンガン、硫黄等である。
【００６１】
従って、以上の結果に鑑みて次の通り結論づけることができる。すなわち、＋直流電圧印加時に得られた複数のインピーダンスのデータの中に、拡散層３８に起因する３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるときには、酸素センサ１９を正常と判断することができる。また、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないときには、酸素センサ１９を異常と判断することができる。
【００６２】
また、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないとき（センサ異常であるとき）に、２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるときには、センサ異常の種類として、検出素子３１の割れ（以下単に素子割れともいう）を特定することができる。
【００６３】
さらに、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないとき（センサ異常であるとき）に、２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータでないときには、センサ異常の種類として、拡散層３８の目詰まりを特定することができる。
【００６４】
こうして、酸素センサ１９の正常・異常を判別できるのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も特定することができ、拡散層３８を有する酸素センサ１９に好適な異常診断装置を提供することが可能である。
【００６５】
次に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の異常診断処理を図１０を参照して説明する。
【００６６】
ステップＳ１０１では、診断を実施するのに必要な所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。例えば、酸素センサ１９の検出素子３１が十分高温となっており、酸素センサ１９が活性化している場合に前提条件成立となる。例えばＥＣＵ２２は、酸素センサ１９の出力電圧がリッチ・リーン間で所定回数反転したこと検出したとき、酸素センサ１９が活性化したと判断する。
【００６７】
前提条件が成立していなければステップＳ１０１が繰り返し実行され、前提条件が成立したならばステップＳ１０２に進む。
【００６８】
ステップＳ１０２では、検出素子３１に正の直流電圧が印加される。このときの印加電圧は例えば＋０．４Ｖである。
【００６９】
次いでステップＳ１０３では、検出素子３１に所定周波数の交流電圧が重畳的に印加される。交流電圧としては、例えば実効値（ＲＭＳ）で０．０１Ｖの交流電圧が用いられる。
【００７０】
そしてステップＳ１０４で、交流電圧印加時における検出素子３１のインピーダンスが検出される。すなわち、ＥＣＵ２２は、酸素センサ１９に対する交流電圧Ｖn（ｎ＝１，２，・・・）印加時点から、交流電圧Ｖnの周波数ｆnに応じた遅延時間の経過後に、酸素センサ１９の出力電流Ｉnを読み込む。そして、交流電圧Ｖnと出力電流Ｉnとに基づいて、インピーダンスＺnを算出する。
【００７１】
ステップＳ１０５では、インピーダンスの検出を行うべき全周波数のポイントで、インピーダンスの検出を終えたか否かが判断される。すなわち、ここでは１０ｍＨｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲内において、１桁当たり５ポイントの周波数でそれぞれインピーダンスを検出するようにしている。具体的には、１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚの間の予め定められた５ポイント（５つの周波数）でそれぞれインピーダンスを検出し、１００ｍＨｚ〜１Ｈｚの間の予め定められた５ポイント（５つの周波数）でそれぞれインピーダンスを検出する（以下同様）。周波数の変更の仕方は、ここでは徐々に増加する方法としているが、徐々に減少する方法としてもよい。
【００７２】
全ポイントでインピーダンスの検出を終えたと判断されない場合、ステップＳ１０３に戻って、周波数の増加および交流電圧の印加と、インピーダンス検出とが繰り返し実行される。こうして、図７等に示したような、全ポイントにおける複数のインピーダンスがやがて検出されることとなる。
【００７３】
全ポイントでインピーダンスの検出を終えたならばステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、全ポイントにおける複数のインピーダンスのデータの中に、図７に示したような拡散層起因の３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるか否かが判断される。具体的には、ＥＣＵ２２は、インピーダンス虚数部の変化から頂点が幾つあるかを判断し、頂点が三つある場合には３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあると判断し、頂点が二つしかない場合には３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないと判断する。
【００７４】
なお、ＥＣＵ２２は、周波数が隣り合う一対のデータのインピーダンス虚数部の大小を次々と比較していくことで頂点を決定する。
【００７５】
３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあると判断されたとき、ステップＳ１０７に進んで、酸素センサ１９は正常と判定される。
【００７６】
他方、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがないと判断されたときには、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、電極界面起因の２つめの円弧Ｒ２に相当するデータが、半円を形成するデータであるか否かが判断される。
具体的には、ＥＣＵ２２は、所定の低周波数領域内（例えば１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚ）の全ポイントにおけるインピーダンスデータのインピーダンス虚数部が、ゼロ近傍の値となっているとき、半円を形成するデータであると判断する。より具体的には、ＥＣＵ２２は、当該全ポイントのインピーダンス虚数部が、ゼロ近傍の所定値（例えば−１５）より大きいとき、半円を形成するデータであると判断する。
【００７７】
なおここでいう低周波数領域とは、正常センサ（図７）の場合に３つめの円弧Ｒ３が現れる周波数領域のことである。本実施例では、周波数の最も低いポイントから数えて５つめまでのデータが低周波数領域内に属する。
【００７８】
ここで図８，図９を参照して、縦軸のインピーダンス虚数部は、その値がマイナス方向に大きくなるにつれ縦軸の上側に向かっている。よってインピーダンス虚数部が例えば−１５より大きいとは、図８，図９においては、縦軸の−１５より下側の部分を指す。図８に示すように、２つめの円弧Ｒ２が半円を形成する場合、低周波数領域内の全ポイントにおけるインピーダンス虚数部が所定値より大きくなる。逆に、図９に示すように、２つめの円弧Ｒ２が半円を形成しない場合、低周波数領域内の全ポイントにおけるインピーダンス虚数部が所定値より小さくなる。
【００７９】
代替的に、２つめの円弧Ｒ２が半円か否かは、前記低周波数領域内における所定の１ポイントのインピーダンス虚数部が所定値より大きいか否かによっても判断することができる。或いは、前記低周波数領域内における全ポイントのインピーダンス虚数部の平均値が所定値より大きいか否かによっても判断することができる。
【００８０】
ステップＳ１０８で、２つめの円弧Ｒ２に相当するデータが半円を形成するデータであると判断された場合、ステップＳ１０９に進んで、酸素センサ１９は異常と判定され、且つその異常の種類として検出素子３１の割れが特定される。
【００８１】
他方、ステップＳ１０８で、２つめの円弧Ｒ２に相当するデータが半円を形成するデータでないと判断された場合、ステップＳ１１０に進んで、酸素センサ１９は異常と判定され、且つその異常の種類として拡散層３８の目詰まりが特定される。
【００８２】
図１１には異常診断処理の変形例を示す。この変形例は図１０に示した基本例と比較して、ステップＳ１０６，Ｓ１０８がステップＳ２０６，Ｓ２０８に置き換えられたこと以外、基本例と同様である。よって同様のステップについては説明を省略し、図中の符号を１００番台から２００番台に変更するに止める。
【００８３】
ステップＳ２０６は、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるか否かの判断を、別の方法で行う点で、ステップＳ１０６と相違する。すなわち、ステップＳ２０６においてＥＣＵ２２は、前記低周波数領域内（例えば１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚ）の全ポイントにおけるインピーダンスデータのインピーダンス絶対値の平均値（これを便宜上Ｚで表示する）が、所定範囲（例えばＺ１＝２５０Ωより大きくＺ２＝５００Ωより小さい範囲）内にあるとき、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあると判断する。
【００８４】
なお、インピーダンス絶対値に代わって、インピーダンス実数部またはインピーダンス虚数部を用いてもよい。また平均値に代わって所定の１ポイントにおける値を用いてもよい。
【００８５】
Ｚ１＜Ｚ＜Ｚ２が成立するときには、３つめの円弧Ｒ３に相当するデータがあるとみなし、ステップＳ２０７に進んで酸素センサ１９が正常と判定される。
【００８６】
他方、Ｚ１＜Ｚ＜Ｚ２が成立しないときにはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８も、２つめの円弧Ｒ２に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かの判断を、別の方法で行う点で、ステップＳ１０８と相違する。すなわち、ステップＳ２０８においてＥＣＵ２２は、前記低周波数領域内の全ポイントにおけるインピーダンスデータのインピーダンス絶対値の平均値Ｚが、前記所定範囲の下限値Ｚ１以下であるとき、半円を形成するデータであると判断する。このときにはステップＳ２０９に進んで酸素センサ１９が素子割れ異常であると判定する。
【００８７】
他方、ステップＳ２０８においてＥＣＵ２２は、前記平均値Ｚが下限値Ｚ１以下でないとき、すなわち前記平均値Ｚが前記所定範囲の上限値Ｚ２以上であるとき、半円を形成するデータでないと判断する。このときにはステップＳ２１０に進んで酸素センサ１９が拡散層目詰まり異常であると判定する。
【００８８】
［第２実施例］
以下に述べる第２実施例においては、検出素子３１に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加し、各周波数に対応した複数のインピーダンス（これを正印加インピーダンスと称する）を検出する。また検出素子３１に、負の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加し、各周波数に対応した複数のインピーダンス（これを負印加インピーダンスと称する）を検出する。ここで両インピーダンスの検出時に使用する周波数は同じである。
【００８９】
図７〜図９において、＋直流電圧印加時の黒四角のプロットが、正印加インピーダンスのデータであり、−直流電圧印加時の白四角のプロットが、負印加インピーダンスのデータである。
【００９０】
図７に示す正常センサの場合、低周波数領域において正印加インピーダンスが負印加インピーダンスより大きくなり、両者の差および比が大きくなる。ここで正印加インピーダンスをＺｐ、負印加インピーダンスをＺｎで表すと、両者の差ΔＺはΔＺ＝Ｚｐ−Ｚｎで定義され、両者の比ＺａはＺａ＝Ｚｐ／Ｚｎで定義される。
【００９１】
図１２は、図７のデータに基づき作製された差ΔＺおよび比Ｚａと周波数ｆとの関係を示したグラフである。ここで正印加インピーダンスおよび負印加インピーダンスは絶対値とされている。図１２から、低周波数領域において両者の差ΔＺおよび比Ｚａが大きくなるのが明らかである。
【００９２】
こうなる理由は、前述したように、＋直流電圧印加時には拡散層３８により酸素量が制限されるため、インピーダンスが大きくなるのに対し、−直流電圧印加時にはそのような制限がないため、インピーダンスも大きくならないからである。
【００９３】
図１３も同様に、図８のデータに基づき作製された、差ΔＺおよび比Ｚａと周波数ｆとの関係を示したグラフである。素子割れセンサの場合、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとは全周波数域でそれ程変わらず、両者の差ΔＺは全周波数域で小さい。また両者の比Ｚａも全周波数域でほぼ一定の１である。
【００９４】
こうなる理由は、前述したように、拡散層３８の割れにより酸素量を制限する能力が低下するため、＋直流電圧印加時であっても−直流電圧印加時と同様に酸素量を制限できないからである。
【００９５】
図１４も同様に、図９のデータに基づき作製された、差ΔＺおよび比Ｚａと周波数ｆとの関係を示したグラフである。拡散層目詰まりセンサの場合、低周波数領域において、正印加インピーダンスが正常センサのときよりも顕著に負印加インピーダンスより大きくなり、両者の差ΔＺおよび比Ｚａが正常センサのときよりも顕著に大きくなる。
【００９６】
こうなる理由は、拡散層３８の目詰まりによって、＋直流電圧印加時に正常センサのときよりも大きく酸素量が制限されるため、＋直流電圧印加時に−直流電圧印加時よりも顕著にインピーダンスが大きくなるからである。
【００９７】
そこで本実施例では、上記の特性を有効に活用して、複数ずつの正印加および負印加インピーダンスの各周波数毎の差ΔＺまたは比Ｚａに基づき酸素センサ１９が正常か異常かを判定する。また異常と判定した場合、検出素子３１の割れまたは拡散層３８の目詰まりを特定する。
【００９８】
こうして、酸素センサ１９の正常・異常を判別できるのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も特定することができ、拡散層３８を有する酸素センサ１９に好適な異常診断装置を提供することが可能である。
【００９９】
図１５に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の異常診断処理の内容を示す。ここで示す方法は差ΔＺを用いる方法である。
【０１００】
ステップＳ３０１〜Ｓ３０５は前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０５と同様である。ステップＳ３０５で全ポイントの正印加インピーダンスの検出を終えたと判断された場合、こんどはステップＳ３０６〜Ｓ３０９で全ポイントの負印加インピーダンスの検出が行われる。なお、順序を逆にし、全ポイントの負印加インピーダンスを検出した後に全ポイントの正印加インピーダンスを検出してもよい。また、１周波数当たりの正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとを検出し、周波数を順次変えていくていく方法を採用してもよい。
【０１０１】
ステップＳ３０６では、検出素子３１に負の直流電圧が印加される。このときの印加電圧は例えば−０．４Ｖである。
【０１０２】
ステップＳ３０７では、前記ステップＳ１０３と同様、検出素子３１に所定周波数の交流電圧が重畳的に印加される。
【０１０３】
ステップＳ３０８では、前記ステップＳ１０４と同様、交流電圧印加時における検出素子３１のインピーダンスが検出される。
【０１０４】
ステップＳ３０９では、前記ステップＳ１０５と同様、全ポイントで負印加インピーダンスの検出を終えたか否かが判断される。終えてなければステップＳ３０６〜Ｓ３０８が繰り返し実行され、周波数を順次増加（減少でもよい）しつつ、インピーダンスが検出される。
【０１０５】
全ポイントで負付加インピーダンスの検出を終えたならばステップＳ３１０に進む。ステップＳ３１０では、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとの絶対値同士の差ΔＺが、各周波数毎に、全ポイントに対して算出される。なお正印加インピーダンスと負印加インピーダンスについては、絶対値の代わりに実数部を用いることも可能である。
【０１０６】
次いでステップＳ３１１では、所定の低周波数領域における差ΔＺが所定範囲内にあるか否かが判断される。具体的には、ＥＣＵ２２は、１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚの低周波数領域における、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとの絶対値同士の差の平均値（便宜上これをΔＺで表す）が、Ｚ３＝５０Ωより大きく且つＺ４＝５００Ωより小さい範囲内にあるか否かを判断する。なお、平均値の代わりに、低周波数領域内の所定の１ポイントの値を用いてもよい。
【０１０７】
Ｚ３＜ΔＺ＜Ｚ４が成立するときには、ステップＳ３１２に進んで、酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１０８】
他方、Ｚ３＜ΔＺ＜Ｚ４が成立しないときにはステップＳ３１３に進む。ステップＳ３１３においては、前記差の平均値ΔＺが前記所定範囲の下限値Ｚ３と比較される。前記差の平均値ΔＺが下限値Ｚ３以下と判断されたときには、ステップＳ３１４に進んで、酸素センサ１９は素子割れ異常であると判定される。
【０１０９】
他方、ステップＳ３１３において、前記差の平均値ΔＺが下限値Ｚ３以下でない、すなわち前記所定範囲の上限値Ｚ４以上であると判断されたときには、ステップＳ３１５に進んで、酸素センサ１９は拡散層目詰まり異常であると判定される。
【０１１０】
図１６には異常診断処理の変形例を示す。この変形例は比Ｚａを用いる方法であり、図１５に示した基本例と比較して、ステップＳ３１０，Ｓ３１１，Ｓ３１３がステップＳ４１０，Ｓ４１１，Ｓ４１３に置き換えられたこと以外、基本例と同様である。よって同様のステップについては説明を省略し、図中の符号を３００番台から４００番台に変更するに止める。
【０１１１】
ステップＳ４１０では、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとの絶対値同士の比Ｚａが、各周波数毎に、全ポイントに対して算出される。なお前記同様、絶対値の代わりに実数部を用いてもよい。
【０１１２】
ステップＳ４１１では、所定の低周波数領域における比Ｚａが所定範囲内にあるか否かが判断される。具体的には、ＥＣＵ２２は、前記低周波数領域（１０ｍＨｚ〜１００ｍＨｚ）における、正印加インピーダンスと負印加インピーダンスとの絶対値同士の比の平均値（便宜上これをＺａで表す）が、Ｚ５＝１．１より大きく且つＺ６＝３より小さい範囲内にあるか否かを判断する。なお平均値の代わりに所定の１ポイントの値を用いてもよい。
【０１１３】
Ｚ５＜Ｚａ＜Ｚ６が成立するときには、ステップＳ４１２に進んで、酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１１４】
他方、Ｚ５＜Ｚａ＜Ｚ６が成立しないときにはステップＳ４１３に進む。ステップＳ４１３においては、前記比の平均値Ｚａが前記所定範囲の下限値Ｚ５と比較される。前記比の平均値Ｚａが下限値Ｚ５以下であると判断されたときには、ステップＳ４１４に進んで、酸素センサ１９は素子割れ異常であると判定される。
【０１１５】
他方、ステップＳ４１３において、前記比の平均値Ｚａが下限値Ｚ５以下でない、すなわち前記所定範囲の上限値Ｚ６以上であると判断されたときには、ステップＳ４１５に進んで、酸素センサ１９は拡散層目詰まり異常であると判定される。
【０１１６】
以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関は自動車用以外であってもよく、その用途や形式に特に制限はない。酸素センサも内燃機関以外への適用が可能である。前記実施形態における各数値は任意に変更が可能である。
【０１１７】
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。
【符号の説明】
【０１１８】
１９ 酸素センサ
３１ 検出素子
３８ 拡散層
４１ 外層部
ｆ 周波数
Ｒ３ ３つめの円弧
Ｒ２ ２つめの円弧
ΔＺ 差
Ｚａ 比
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数のインピーダンスを検出する検出手段と、
前記複数のインピーダンスのデータのうち、高周波数側から低周波数側に向かって数えて３つめの円弧に相当するデータがあるか否かを判断し、この判断結果に基づき前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記３つめの円弧に相当するデータがあると判断したとき前記酸素センサを正常と判定し、前記３つめの円弧に相当するデータがないと判断したとき前記酸素センサを異常と判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記３つめの円弧に相当するデータがないと判断したとき、前記複数のインピーダンスのデータのうち高周波数側から低周波数側に向かって数えて２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かを判断し、この判断結果に基づき異常の種類を特定する
ことを特徴とする請求項２に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであると判断したとき、前記異常の種類として前記検出素子の割れを特定する
ことを特徴とする請求項３に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータでないと判断したとき、前記異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する
ことを特徴とする請求項３または４に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項６】
前記判定手段は、所定の低周波数領域で検出されたインピーダンスと所定範囲との比較により、前記３つめの円弧に相当するデータがあるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記判定手段は、所定の低周波数領域で検出されたインピーダンスと所定範囲との比較により、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項８】
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数の正印加インピーダンスを検出すると共に、前記検出素子に、負の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数の負印加インピーダンスを検出する検出手段と、
前記複数ずつの正印加および負印加インピーダンスの各周波数毎の差または比を算出し、これら差または比に基づき前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記判定手段は、所定の低周波数領域における前記差または比が所定範囲内にあると判断したとき前記酸素センサを正常と判定し、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲内にないと判断したとき前記酸素センサを異常と判定する
ことを特徴とする請求項８に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項１０】
前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲内にないと判断したとき、前記低周波数領域における差または比と前記所定範囲との比較結果に基づき異常の種類を特定する
ことを特徴とする請求項９に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項１１】
前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲より小さいと判断したとき、前記検出素子の割れを特定する
ことを特徴とする請求項１０に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項１２】
前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲より大きいと判断したとき、前記拡散層の詰まりを特定する
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項１】
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数のインピーダンスを検出する検出手段と、
前記複数のインピーダンスのデータのうち、高周波数側から低周波数側に向かって数えて３つめの円弧に相当するデータがあるか否かを判断し、この判断結果に基づき前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記３つめの円弧に相当するデータがあると判断したとき前記酸素センサを正常と判定し、前記３つめの円弧に相当するデータがないと判断したとき前記酸素センサを異常と判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記３つめの円弧に相当するデータがないと判断したとき、前記複数のインピーダンスのデータのうち高周波数側から低周波数側に向かって数えて２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かを判断し、この判断結果に基づき異常の種類を特定する
ことを特徴とする請求項２に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであると判断したとき、前記異常の種類として前記検出素子の割れを特定する
ことを特徴とする請求項３に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータでないと判断したとき、前記異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する
ことを特徴とする請求項３または４に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項６】
前記判定手段は、所定の低周波数領域で検出されたインピーダンスと所定範囲との比較により、前記３つめの円弧に相当するデータがあるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記判定手段は、所定の低周波数領域で検出されたインピーダンスと所定範囲との比較により、前記２つめの円弧に相当するデータが半円を形成するデータであるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項８】
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に、正の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数の正印加インピーダンスを検出すると共に、前記検出素子に、負の直流電圧を印加した状態で周波数の異なる複数の交流電圧を印加することにより、各周波数に対応した複数の負印加インピーダンスを検出する検出手段と、
前記複数ずつの正印加および負印加インピーダンスの各周波数毎の差または比を算出し、これら差または比に基づき前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記判定手段は、所定の低周波数領域における前記差または比が所定範囲内にあると判断したとき前記酸素センサを正常と判定し、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲内にないと判断したとき前記酸素センサを異常と判定する
ことを特徴とする請求項８に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項１０】
前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲内にないと判断したとき、前記低周波数領域における差または比と前記所定範囲との比較結果に基づき異常の種類を特定する
ことを特徴とする請求項９に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項１１】
前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲より小さいと判断したとき、前記検出素子の割れを特定する
ことを特徴とする請求項１０に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項１２】
前記判定手段は、前記低周波数領域における差または比が前記所定範囲より大きいと判断したとき、前記拡散層の詰まりを特定する
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の酸素センサの異常診断装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１８５６１４（Ｐ２０１１−１８５６１４Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４８１５０（Ｐ２０１０−４８１５０）
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【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２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【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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