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て正の直流抵抗を検出すると共に、検出素子に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出する。検出された正の直流抵抗および負の直流抵抗の比較結果に基づき、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、正の直流抵抗と負の直流抵抗との差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て正の直流抵抗を検出すると共に、検出素子に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出する。検出された正の直流抵抗および負の直流抵抗の比較結果に基づき、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、正の直流抵抗と負の直流抵抗との差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て正の直流抵抗を検出すると共に、前記検出素子に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出する検出手段と、
検出された前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗の比較結果に基づき、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】
検出素子に正の直流電圧を印加した場合と負の直流電圧を印加した場合とでは、拡散層の影響により、検出される抵抗値が異なる。酸素センサ（特に拡散層）が正常であれば、これら抵抗値の差は所定範囲内となる。しかしながら、酸素センサが異常となると、これら抵抗値の差が所定範囲外となる。よってこれら抵抗値の比較結果に応じて、酸素センサが正常か異常かを好適に判定することができる。
【００１３】
好ましくは、前記判定手段は、前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗の差または比が所定範囲内であるとき、前記酸素センサを正常と判定し、前記差または比が所定範囲外であるとき、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、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記差または比と前記所定範囲との大小関係に応じて、前記酸素センサの異常の種類を特定する。
【００１５】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が前記所定範囲より大きいとき、前記拡散層の目詰まりを特定する。
【００１６】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が前記所定範囲より小さいとき、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、検出された前記負の直流抵抗に基づき、前記検出素子が劣化しているか否かを判定する。
【００１８】
本発明の他の形態によれば、
固体電解質を一対の電極で挟んでなる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、
前記検出素子の両電極に正の直流電圧を印加して正の直流抵抗を検出し、前記検出素子の両電極に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出すると共に、前記検出素子の両電極に周波数の異なる複数の交流電圧を印加して各周波数に対応した複数の交流インピーダンスを検出する検出手段と、
検出された前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗に基づき、前記拡散層のガス流動抵抗に相関する電気的抵抗である拡散層抵抗を算出すると共に、検出された複数の交流インピーダンスのデータに基づき、前記固体電解質の電気的抵抗である電解質抵抗を算出する算出手段と、
算出された前記拡散層抵抗と前記電解質抵抗との比較結果に基づき、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。
【００１９】
好ましくは、前記判定手段は、前記拡散層抵抗および前記電解質抵抗の差または比が所定範囲内であるとき、前記酸素センサを正常と判定し、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記酸素センサを異常と判定する。
【００２０】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記差または比と前記所定範囲との大小関係に応じて、前記酸素センサの異常の種類を特定する。
【００２１】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が前記所定範囲より大きいとき、前記拡散層の目詰まりを特定する。
【００２２】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が前記所定範囲より小さいとき、前記検出素子の割れを特定する。
【発明の効果】
【００２３】
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】
【００２４】
【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】各抵抗値とその差の一例を示すグラフである。
【図７】検出素子の各状態における負の直流抵抗を示すグラフである。
【図８】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９】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１０】各直流抵抗と複数のインピーダンスとの検出データを示すグラフである。
【図１１】各抵抗値の一例を示すグラフである。
【図１２】図１１の例に基づく拡散層抵抗と電解質抵抗との差を示すグラフである。
【図１３】図１１の例に基づく拡散層抵抗と電解質抵抗との比を示すグラフである。
【図１４】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１５】第２実施例の別の異常診断処理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】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【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。
【００３２】
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。すなわち検出素子３１は、固体電解質３７を一対の電極３３Ａ，３３Ｂで挟んでなる。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。また電極３３Ａ，３３Ｂは白金等の多孔質から形成されている。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
なお、ここでは拡散層３８の他に触媒層３９を別個に設けたが、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。
【００４４】
次に、酸素センサ１９の異常診断について説明する。
【００４５】
［第１実施例］
以下に述べる第１実施例においては、ＥＣＵ２２により、検出素子３１に正の直流電圧を印加したときの正の直流抵抗を検出すると共に、検出素子３１に負の直流電圧を印加したときの負の直流抵抗を検出する。
【００４６】
この検出方法を図示して説明する。図５には、検出素子３１に正の直流電圧と負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。正の直流電圧を印加する電源を正直流電源と称し、Ｂ＋で表わす。同様に、負の直流電圧を印加する電源を負直流電源と称し、Ｂ−で表わす。交流電圧を印加する電源を交流電源と称し、Ｂａで表わす。これら電源は、ＥＣＵ２２内に構築されたスイッチング回路Ｓ１，Ｓ２によって切り替えおよび選択可能となっている。なお正直流電源Ｂ＋と負直流電源とＢ−とを共用とし、スイッチングのみで両者を切り替えても良い。
【００４７】
図示例では、正直流電源Ｂ＋のみが選択され、大気電極３３Ａに正直流電源Ｂ＋の正（＋）極が接続され、排気電極３３Ｂに正直流電源Ｂ＋の負（−）極が接続されている。この状態を、「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。
【００４８】
他方、負直流電源Ｂ−のみが選択されると、大気電極３３Ａに負直流電源Ｂ−の負（−）極が接続され、排気電極３３Ｂに負直流電源Ｂ−の正（＋）極が接続される。この状態を、「検出素子３１に負の直流電圧を印加した状態」と定義する。負の直流電圧を印加した状態では、酸素Ｏ2のポンピングの向きは前記と逆になる。ここで、正の直流電圧と負の直流電圧とは、例えば、向きが異なるだけで電圧値は等しい。
【００４９】
ところで、検出素子３１に正の直流電圧を印加した場合（「＋直流電圧印加時」ともいう）、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（「−直流電圧印加時」ともいう）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。
【００５０】
よって、酸素センサ１９（特に拡散層３８）が正常であれば、正の直流電圧を印加したときに検出される抵抗（「正の直流抵抗」という）の値と、負の直流電圧を印加したときに検出される抵抗（「負の直流抵抗」という）の値との差は、酸素制限量に応じた所定範囲内となるはずである。ここで正の直流抵抗は、酸素量制限の影響で負の直流抵抗より大きい。
【００５１】
しかしながら、酸素センサ１９が異常となると、これら抵抗値の差が所定範囲外となる。すなわち、これら抵抗値の差は、拡散層３８のガス流動抵抗に相関した値となる。そこでこれら抵抗値の比較結果に応じて、酸素センサ１９が正常か異常かを判定するのが第１実施例の特徴である。
【００５２】
具体的には、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、正常時に比べて、正の直流抵抗と負の直流抵抗との差が小さくなる。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、正の直流抵抗が小さくなるからである。
【００５３】
他方、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、正常時に比べて、正の直流抵抗と負の直流抵抗との差が大きくなる。その理由は、拡散層３８の目詰まりにより酸素制限量が増大し、正の直流抵抗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、主に排気ガスに含まれる煤、鉛、マンガン、硫黄等である。
【００５４】
従って、上記に鑑みて次のように判定がなされる。すなわち、正の直流抵抗と負の直流抵抗との差が所定範囲内であるときには、酸素センサ１９が正常と判定される。また、当該差が所定範囲外であるときには、酸素センサ１９が異常と判定される。
【００５５】
また、当該差が所定範囲外であるとき（センサ異常であるとき）に、当該差が所定範囲より小さいときには、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）が特定される。
【００５６】
さらに、当該差が所定範囲外であるとき（センサ異常であるとき）に、当該差が所定範囲より大きいときには、センサ異常の種類として、拡散層３８の目詰まりが特定される。
【００５７】
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。
【００５８】
図６には、各抵抗値とその差の一例を示す。図中、「＋電圧印加」は正の直流抵抗Ｒｐを示し、「−電圧印加」は負の直流抵抗Ｒｎを示し、「差」は正の直流抵抗と負の直流抵抗との差Ｒａ（＝Ｒｐ−Ｒｎ）を示す。所定の正常範囲はＲａ１＜Ｒａ＜Ｒａ２を満たす範囲であり、Ｒａ１＝２００（Ω）、Ｒａ２＝４００（Ω）である。
【００５９】
図示するように、正常センサの場合だと差Ｒａは正常範囲内にある。しかしながら、素子割れ異常センサの場合だと、正常時に比べて正の直流抵抗が小さくなり、差Ｒａが正常範囲より小さくなる。他方、目詰まり異常センサの場合だと、正常時に比べて正の直流抵抗が大きくなり、差Ｒａが正常範囲より大きくなる。このような特性を利用して、酸素センサ１９の正常・異常の判別および異常の種類・箇所の特定が可能である。
【００６０】
ところで、検出素子３１に負の直流電圧を印加したときの抵抗値Ｒｎは、拡散層３８の影響を含まない値であり、一対の電極３３Ａ，３３Ｂと固体電解質３７からなる検出素子３１自体の劣化度を表す値である。従って、検出された負の直流抵抗Ｒｎのみから、検出素子３１が劣化しているか否かを判定することもできる。
【００６１】
図７には、検出素子３１の各状態における負の直流抵抗Ｒｎを示す。検出素子３１が正常の場合、負の直流抵抗Ｒｎは所定値Ｒｎ１（ここではＲｎ１＝８００（Ω））より小さい。しかしながら、検出素子３１が正常とはみなせない程劣化している場合だと、負の直流抵抗Ｒｎは所定値Ｒｎ１より大きくなる。例えば、検出素子３１の固体電解質３７を構成する粒子同士の境界部に劣化が生じている場合（「粒界劣化」の場合）だと、負の直流抵抗Ｒｎは所定値Ｒｎ１より大きくなる。また、検出素子３１の固体電解質３７を構成する粒子と、検出素子３１の電極３３Ａ，３３Ｂを構成する粒子との境界部に劣化が生じている場合（「電極界面劣化」の場合）だと、負の直流抵抗Ｒｎは所定値Ｒｎ１よりさらに大きくなる。
【００６２】
よってこの特性を利用して、検出素子３１自体の劣化の有無、ひいては劣化の種類および箇所を特定することも可能である。
【００６３】
次に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の異常診断処理を図８を参照して説明する。
【００６４】
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を検出したとき、酸素センサ１９が活性化したと判断する。
【００６５】
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。
【００６６】
ステップＳ１０２では、検出素子３１に正の直流電圧が印加され、このときの検出素子３１の抵抗すなわち正の直流抵抗（＋直流抵抗）Ｒｐが検出される。印加電圧は例えば＋０．４Ｖである。
【００６７】
次いでステップＳ１０３では、検出素子３１に負の直流電圧が印加され、このときの検出素子３１の抵抗すなわち負の直流抵抗（−直流抵抗）Ｒｎが検出される。印加電圧は例えば−０．４Ｖである。
【００６８】
そしてステップＳ１０４で、検出された正の直流抵抗Ｒｐと負の直流抵抗Ｒｎとの差Ｒａ（＝Ｒｐ−Ｒｎ）が算出される。
【００６９】
ステップＳ１０５では、負の直流抵抗Ｒｎが所定値Ｒｎ１より小さく、且つ差ＲａがＲａ１＜Ｒａ＜Ｒａ２を満たす所定の正常範囲内にあるか否かが判断される。両条件が満たされる場合、ステップＳ１０６に進んで酸素センサ１９は正常と判定される。
【００７０】
他方、両条件が満たされない場合、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、負の直流抵抗Ｒｎが所定値Ｒｎ１以上か否かが判断される。所定値Ｒｎ１以上の場合、ステップＳ１０８に進んで検出素子３１自体が劣化していると判定される。
【００７１】
他方、負の直流抵抗Ｒｎが所定値Ｒｎ１未満の場合、ステップＳ１０９に進んで差Ｒａが正常範囲より小さいか否か、具体的には正常範囲の下限値Ｒａ１以下か否かが判断される。
差Ｒａが下限値Ｒａ１以下の場合、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検出素子３１の割れが特定される。
【００７２】
他方、差Ｒａが下限値Ｒａ１より大きい場合、これは差Ｒａが正常範囲より大きく、正常範囲の上限値Ｒａ２以上であることを意味するから、ステップＳ１１１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。
【００７３】
なお、上述の実施例では正の直流抵抗と負の直流抵抗との比較方法として両者の差を取る方法を採用したが、両者の比を取る方法を採用しても良い。この場合、比をＲｐ／Ｒｎと定義することができ、こうすれば上述の差Ｒａ＝Ｒｐ−Ｒｎと同様の大小関係が得られる。
【００７４】
［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。この第２実施例においてはＥＣＵ２２により、上述の方法で検出素子３１の正および負の直流抵抗をそれぞれ検出すると共に、次の方法で検出素子３１の交流インピーダンスを検出する。
【００７５】
交流インピーダンスの検出に際しては、図５に示した電源回路において、負直流電源Ｂ−を常時選択した状態で、交流電源Ｂａを重畳的に選択する。すなわち、検出素子３１に対しては、負の直流電圧を印加した状態で、所定周波数の交流電圧を１周期分だけ重畳的に印加する。こうして印加される電圧の波形を図９に示す。図示例の場合、負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。
【００７６】
ＥＣＵ２２は、交流電圧印加時における検出素子３１への入力電圧Ｖおよび検出素子３１からの出力電流Ｉの変化を検出して、検出素子３１の交流インピーダンスを算出する。
【００７７】
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１０に示すような複数の交流インピーダンスの検出データが得られる。なおこれらデータは実線で省略して描かれているが、実際には、概ね複数（三つ）の半円を描くよう、複数のデータに対応する複数のプロットが配列されることとなる。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。
【００７８】
なお、実数軸上の右から１番目のプロットＰ１は、＋直流電圧印加時に検出された正の直流抵抗Ｒｐのデータである。また実数軸上の右から２番目のプロットＰ２は、−直流電圧印加時に検出された負の直流抵抗Ｒｎのデータである。
【００７９】
図１０の交流インピーダンスのデータは、検出素子３１の各部の抵抗を表している。まず、実数軸上（或いは付近、以下同様）の右から２番目のプロットＰ２と３番目のプロットＰ３との間の交流インピーダンス実数部は、検出素子３１の電極界面（電極３３Ａ，３３Ｂの粒子と固体電解質３７の粒子との境界部）の抵抗Ｒｘを表している。
【００８０】
次に、実数軸上の右から３番目のプロットＰ３と４番目のプロットＰ４との間の交流インピーダンス実数部は、固体電解質３７の粒界（固体電解質３７の粒子間の境界部）の抵抗Ｒｙを表している。
【００８１】
また実数軸上の右から４番目のプロットＰ４と５番目のプロットＰ５との間の交流インピーダンス実数部は、固体電解質３７の粒子自体の抵抗Ｒｚを表している。粒界抵抗Ｒｙと粒子抵抗Ｒｚの合計が、固体電解質３７の抵抗Ｒｙｚ（＝Ｒｙ＋Ｒｚ）である（以下これを「電解質抵抗」という）。
【００８２】
なお、実数軸上の右から５番目のプロットＰ５と原点との間の交流インピーダンス実数部は、検出素子３１とＥＣＵ２２とを接続するリード線等の抵抗を表している。実数軸上の右から１番目のプロットＰ１と２番目のプロットＰ２との間の交流インピーダンス実数部は、前記第１実施例で述べたような、拡散層３８のガス流動抵抗を反映した電気的抵抗Ｒａ（＝Ｒｐ−Ｒｎ）を表している。以下、この抵抗Ｒａを「拡散層抵抗」という。
【００８３】
２番目のプロットＰ２と３番目のプロットＰ３との間に１つめの円弧Ｃ１ができ、３番目のプロットＰ３と４番目のプロットＰ４との間に２つめの円弧Ｃ２ができ、４番目のプロットＰ４と５番目のプロットＰ５との間に３つめの円弧Ｃ３ができるのが分かる。プロットＰ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５はそれぞれ、円弧Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の虚数軸方向における極小ピークをなす。
【００８４】
ところで、前述したように、拡散層抵抗Ｒａは、拡散層３８のガス流動抵抗に相応した電気的抵抗値である。他方、電解質抵抗Ｒｙｚは、拡散層３８の影響を含まない、固体電解質３７の純粋な抵抗値である。
【００８５】
よって、酸素センサ１９（特に拡散層３８）が正常であれば、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差は、拡散層３８の酸素制限量に応じた所定範囲内となるはずである。しかしながら、酸素センサ１９が異常となると、これらの差が所定範囲外となる。そこでこれら抵抗値の比較結果に応じて、酸素センサ１９が正常か異常かを判定するのが第２実施例の特徴である。
【００８６】
具体的には、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、正常時に比べて、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差が小さくなる。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、拡散層抵抗Ｒａが小さくなるからである。
【００８７】
他方、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、正常時に比べて、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差が大きくなる。その理由は、拡散層３８の目詰まりにより酸素制限量が増大し、拡散層抵抗Ｒａが大きくなるからである。
【００８８】
従って、上記に鑑みて次のように判定がなされる。すなわち、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差が所定範囲内であるときには、酸素センサ１９が正常と判定される。また、当該差が所定範囲外であるときには、酸素センサ１９が異常と判定される。
【００８９】
また、当該差が所定範囲外であるとき（センサ異常であるとき）に、当該差が所定範囲より小さいときには、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）が特定される。さらに、当該差が所定範囲外であるとき（センサ異常であるとき）に、当該差が所定範囲より大きいときには、センサ異常の種類として、拡散層３８の目詰まりが特定される。
【００９０】
こうして、第２実施例によっても、酸素センサ１９の正常・異常を判別でき、特に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。
【００９１】
図１１には、各抵抗値の一例を示す。図中、「直流」は正の直流抵抗Ｒｐを示し、「粒子」は粒子抵抗Ｒｚを示し、「粒界」は粒界抵抗Ｒｙを示す。また「界面」は電極界面抵抗Ｒｘを示し、「拡散」は拡散層抵抗Ｒａを示す。拡散層抵抗Ｒａの所定の正常範囲はＲａ１＜Ｒａ＜Ｒａ２を満たす範囲であり、Ｒａ１＝２００（Ω）、Ｒａ２＝４００（Ω）である。
【００９２】
図示するように、正常センサの場合だと拡散層抵抗Ｒａは正常範囲内にある。しかしながら、素子割れ異常センサの場合だと、正常時に比べて正の直流抵抗Ｒｐおよび拡散層抵抗Ｒａが小さくなり、拡散層抵抗Ｒａが正常範囲より小さくなる。他方、目詰まり異常センサの場合だと、正常時に比べて正の直流抵抗Ｒｐおよび拡散層抵抗Ｒａが大きくなり、拡散層抵抗Ｒａが正常範囲より大きくなる。
【００９３】
図１２には、図１１の例に基づく拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差Ｒｄ（＝Ｒａ−Ｒｙｚ）を示す。この差Ｒｄの所定の正常範囲はＲｄ１＜Ｒｄ＜Ｒｄ２を満たす範囲であり、Ｒｄ１＝−１００（Ω）、Ｒｄ２＝１００（Ω）である。
【００９４】
正常センサの場合、差Ｒｄは正常範囲内にある。しかしながら、素子割れ異常センサの場合だと、正常時に比べて差Ｒｄが小さくなり、差Ｒｄが正常範囲より小さくなる。他方、目詰まり異常センサの場合だと、正常時に比べて差Ｒｄが大きくなり、差Ｒｄが正常範囲より大きくなる。
【００９５】
よって、このような特性を利用して、酸素センサ１９の正常・異常の判別および異常の種類・箇所の特定が可能である。
【００９６】
ところで、かかる判別および特定は、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの比Ｒｒ（＝Ｒａ／Ｒｙｚ）によっても可能である。図１３には各場合の比Ｒｒを示す。比Ｒｒの所定の正常範囲はＲｒ１＜Ｒｒ＜Ｒｒ２を満たす範囲であり、Ｒｒ１＝０．４、Ｒｒ２＝１．４である。
【００９７】
正常センサの場合、比Ｒｒは正常範囲内にある。しかしながら、素子割れ異常センサの場合だと、正常時に比べて比Ｒｒが小さくなり、比Ｒｒが正常範囲より小さくなる。他方、目詰まり異常センサの場合だと、正常時に比べて比Ｒｒが大きくなり、比Ｒｒが正常範囲より大きくなる。よってこのような特性を利用して、酸素センサ１９の正常・異常の判別および異常の種類・箇所の特定が可能である。
【００９８】
次に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の異常診断処理を図１４を参照して説明する。まず差Ｒｄを用いる方法を説明する。
【００９９】
ステップＳ２０１〜Ｓ２０４は前記ステップＳ１０１〜１０４と同様である。ここでステップＳ２０４の差Ｒａとは拡散層抵抗Ｒａを意味する。
【０１００】
続くステップＳ２０５では、図１０に示したような複数の交流インピーダンスが検出される。この検出は次のよ方法で行われる。
【０１０１】
まず検出素子３１に、負の直流電圧が印加された状態で、特定周波数の交流電圧が重畳的に印加される。負の直流電圧の大きさは例えば−０．４Ｖである。そして交流電圧としては、例えば実効値（ＲＭＳ）で０．０１Ｖの交流電圧が用いられる。
【０１０２】
次に、この交流電圧印加時における検出素子３１の交流インピーダンスが検出される。すなわち、ＥＣＵ２２は、交流電圧Ｖn（ｎ＝１，２，・・・）の印加時点から、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、交流インピーダンスＺnを算出する。
【０１０３】
かかる交流電圧の印加と交流インピーダンスの検出とを、周波数ｆを変えながら繰り返し行う。例えば１０ｍＨｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲において、１桁当たり５ポイントの周波数でそれぞれ交流インピーダンスを検出する。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）でそれぞれ交流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）でそれぞれ交流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。こうしてやがて、全ポイントにおける複数の交流インピーダンスが検出される。
【０１０４】
次いでステップＳ２０６において、複数の交流インピーダンスの検出データに基づき、電解質抵抗Ｒｙｚが算出される。すなわち、複数の交流インピーダンスデータの中から、図１０に示した３番目のプロットＰ３と５番目のプロットＰ５に対応するデータを抽出し、これらデータ間の交流インピーダンス実数部を算出し、これを以て電解質抵抗Ｒｙｚとする。
【０１０５】
なお、例えば３番目のプロットＰ３に対応する極小ピークのデータであるかどうかは、ＥＣＵ２２が、周波数の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決定する。５番目のプロットＰ５についても同様である。
【０１０６】
こうして拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとが検出されたならば、これらの差Ｒｄ（＝Ｒａ−Ｒｙｚ）がステップＳ２０７において算出される。
【０１０７】
次に、ステップＳ２０８において、差ＲｄがＲｄ１＜Ｒｄ＜Ｒｄ２を満たす所定の正常範囲内にあるか否かが判断される。この条件が満たされる場合、ステップＳ２０９に進んで酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１０８】
他方、条件が満たされない場合、ステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では、差Ｒｄが正常範囲より小さいか否か、具体的には正常範囲の下限値Ｒｄ１以下か否かが判断される。
差Ｒｄが下限値Ｒｄ１以下の場合、ステップＳ２１１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。
【０１０９】
他方、差Ｒｄが下限値Ｒｄ１より大きい場合、これは差Ｒｄが正常範囲より大きく、正常範囲の上限値Ｒｄ２以上であることを意味するから、ステップＳ２１２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。
【０１１０】
次に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の別の異常診断処理を図１５に示す。ここでの処理は、差Ｒｄの代わりに比Ｒｒが用いられること以外、図１４に示した処理と同じである。
【０１１１】
ステップＳ３０１〜Ｓ３０６はステップＳ２０１〜Ｓ２０６と同様である。ステップＳ３０７では、検出された拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの比Ｒｒ（＝Ｒａ／Ｒｙｚ）が算出される。
【０１１２】
次に、ステップＳ３０８において、比ＲｒがＲｒ１＜Ｒｒ＜Ｒｒ２を満たす所定の正常範囲内にあるか否かが判断される。この条件が満たされる場合、ステップＳ３０９に進んで酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１１３】
他方、条件が満たされない場合、ステップＳ３１０に進む。ステップＳ３１０では、比Ｒｒが正常範囲より小さいか否か、具体的には正常範囲の下限値Ｒｒ１以下か否かが判断される。
比Ｒｒが下限値Ｒｒ１以下の場合、ステップＳ３１１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。
【０１１４】
他方、比Ｒｒが下限値Ｒｒ１より大きい場合、これは比Ｒｒが正常範囲より大きく、正常範囲の上限値Ｒｒ２以上であることを意味するから、ステップＳ３１２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。
【０１１５】
ところで、図１０に示したように、本実施例によれば検出素子３１の各部位（電極界面、粒子、粒界、固体電解質）の抵抗ひいては劣化度を検出できるので、これら抵抗ひいては劣化度のデータを他の制御に活用することができる。例えば、検出素子３１の温度制御（ヒータ制御）に関し、抵抗が基準値より大きくなるほど劣化度が大きく、素子温度とインピーダンスの関係が基準状態からずれていることが推定される。よって、検出された抵抗値に応じて素子温度とインピーダンスの関係を補正することで、素子温度の検出精度およびヒータ制御の制御性を向上することが可能となる。
【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
２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ 検出素子
３３Ａ，３３Ｂ 電極
３７ 固体電解質
３８ 拡散層
４１ 外層部
【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て正の直流抵抗を検出すると共に、前記検出素子に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出する検出手段と、
検出された前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗の比較結果に基づき、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】
検出素子に正の直流電圧を印加した場合と負の直流電圧を印加した場合とでは、拡散層の影響により、検出される抵抗値が異なる。酸素センサ（特に拡散層）が正常であれば、これら抵抗値の差は所定範囲内となる。しかしながら、酸素センサが異常となると、これら抵抗値の差が所定範囲外となる。よってこれら抵抗値の比較結果に応じて、酸素センサが正常か異常かを好適に判定することができる。
【００１３】
好ましくは、前記判定手段は、前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗の差または比が所定範囲内であるとき、前記酸素センサを正常と判定し、前記差または比が所定範囲外であるとき、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、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記差または比と前記所定範囲との大小関係に応じて、前記酸素センサの異常の種類を特定する。
【００１５】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が前記所定範囲より大きいとき、前記拡散層の目詰まりを特定する。
【００１６】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が前記所定範囲より小さいとき、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、検出された前記負の直流抵抗に基づき、前記検出素子が劣化しているか否かを判定する。
【００１８】
本発明の他の形態によれば、
固体電解質を一対の電極で挟んでなる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、
前記検出素子の両電極に正の直流電圧を印加して正の直流抵抗を検出し、前記検出素子の両電極に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出すると共に、前記検出素子の両電極に周波数の異なる複数の交流電圧を印加して各周波数に対応した複数の交流インピーダンスを検出する検出手段と、
検出された前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗に基づき、前記拡散層のガス流動抵抗に相関する電気的抵抗である拡散層抵抗を算出すると共に、検出された複数の交流インピーダンスのデータに基づき、前記固体電解質の電気的抵抗である電解質抵抗を算出する算出手段と、
算出された前記拡散層抵抗と前記電解質抵抗との比較結果に基づき、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。
【００１９】
好ましくは、前記判定手段は、前記拡散層抵抗および前記電解質抵抗の差または比が所定範囲内であるとき、前記酸素センサを正常と判定し、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記酸素センサを異常と判定する。
【００２０】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記差または比と前記所定範囲との大小関係に応じて、前記酸素センサの異常の種類を特定する。
【００２１】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が前記所定範囲より大きいとき、前記拡散層の目詰まりを特定する。
【００２２】
好ましくは、前記判定手段は、前記差または比が前記所定範囲より小さいとき、前記検出素子の割れを特定する。
【発明の効果】
【００２３】
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】
【００２４】
【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】各抵抗値とその差の一例を示すグラフである。
【図７】検出素子の各状態における負の直流抵抗を示すグラフである。
【図８】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９】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１０】各直流抵抗と複数のインピーダンスとの検出データを示すグラフである。
【図１１】各抵抗値の一例を示すグラフである。
【図１２】図１１の例に基づく拡散層抵抗と電解質抵抗との差を示すグラフである。
【図１３】図１１の例に基づく拡散層抵抗と電解質抵抗との比を示すグラフである。
【図１４】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１５】第２実施例の別の異常診断処理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】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【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。
【００３２】
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。すなわち検出素子３１は、固体電解質３７を一対の電極３３Ａ，３３Ｂで挟んでなる。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。また電極３３Ａ，３３Ｂは白金等の多孔質から形成されている。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
なお、ここでは拡散層３８の他に触媒層３９を別個に設けたが、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。
【００４４】
次に、酸素センサ１９の異常診断について説明する。
【００４５】
［第１実施例］
以下に述べる第１実施例においては、ＥＣＵ２２により、検出素子３１に正の直流電圧を印加したときの正の直流抵抗を検出すると共に、検出素子３１に負の直流電圧を印加したときの負の直流抵抗を検出する。
【００４６】
この検出方法を図示して説明する。図５には、検出素子３１に正の直流電圧と負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。正の直流電圧を印加する電源を正直流電源と称し、Ｂ＋で表わす。同様に、負の直流電圧を印加する電源を負直流電源と称し、Ｂ−で表わす。交流電圧を印加する電源を交流電源と称し、Ｂａで表わす。これら電源は、ＥＣＵ２２内に構築されたスイッチング回路Ｓ１，Ｓ２によって切り替えおよび選択可能となっている。なお正直流電源Ｂ＋と負直流電源とＢ−とを共用とし、スイッチングのみで両者を切り替えても良い。
【００４７】
図示例では、正直流電源Ｂ＋のみが選択され、大気電極３３Ａに正直流電源Ｂ＋の正（＋）極が接続され、排気電極３３Ｂに正直流電源Ｂ＋の負（−）極が接続されている。この状態を、「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。
【００４８】
他方、負直流電源Ｂ−のみが選択されると、大気電極３３Ａに負直流電源Ｂ−の負（−）極が接続され、排気電極３３Ｂに負直流電源Ｂ−の正（＋）極が接続される。この状態を、「検出素子３１に負の直流電圧を印加した状態」と定義する。負の直流電圧を印加した状態では、酸素Ｏ2のポンピングの向きは前記と逆になる。ここで、正の直流電圧と負の直流電圧とは、例えば、向きが異なるだけで電圧値は等しい。
【００４９】
ところで、検出素子３１に正の直流電圧を印加した場合（「＋直流電圧印加時」ともいう）、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（「−直流電圧印加時」ともいう）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。
【００５０】
よって、酸素センサ１９（特に拡散層３８）が正常であれば、正の直流電圧を印加したときに検出される抵抗（「正の直流抵抗」という）の値と、負の直流電圧を印加したときに検出される抵抗（「負の直流抵抗」という）の値との差は、酸素制限量に応じた所定範囲内となるはずである。ここで正の直流抵抗は、酸素量制限の影響で負の直流抵抗より大きい。
【００５１】
しかしながら、酸素センサ１９が異常となると、これら抵抗値の差が所定範囲外となる。すなわち、これら抵抗値の差は、拡散層３８のガス流動抵抗に相関した値となる。そこでこれら抵抗値の比較結果に応じて、酸素センサ１９が正常か異常かを判定するのが第１実施例の特徴である。
【００５２】
具体的には、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、正常時に比べて、正の直流抵抗と負の直流抵抗との差が小さくなる。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、正の直流抵抗が小さくなるからである。
【００５３】
他方、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、正常時に比べて、正の直流抵抗と負の直流抵抗との差が大きくなる。その理由は、拡散層３８の目詰まりにより酸素制限量が増大し、正の直流抵抗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、主に排気ガスに含まれる煤、鉛、マンガン、硫黄等である。
【００５４】
従って、上記に鑑みて次のように判定がなされる。すなわち、正の直流抵抗と負の直流抵抗との差が所定範囲内であるときには、酸素センサ１９が正常と判定される。また、当該差が所定範囲外であるときには、酸素センサ１９が異常と判定される。
【００５５】
また、当該差が所定範囲外であるとき（センサ異常であるとき）に、当該差が所定範囲より小さいときには、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）が特定される。
【００５６】
さらに、当該差が所定範囲外であるとき（センサ異常であるとき）に、当該差が所定範囲より大きいときには、センサ異常の種類として、拡散層３８の目詰まりが特定される。
【００５７】
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。
【００５８】
図６には、各抵抗値とその差の一例を示す。図中、「＋電圧印加」は正の直流抵抗Ｒｐを示し、「−電圧印加」は負の直流抵抗Ｒｎを示し、「差」は正の直流抵抗と負の直流抵抗との差Ｒａ（＝Ｒｐ−Ｒｎ）を示す。所定の正常範囲はＲａ１＜Ｒａ＜Ｒａ２を満たす範囲であり、Ｒａ１＝２００（Ω）、Ｒａ２＝４００（Ω）である。
【００５９】
図示するように、正常センサの場合だと差Ｒａは正常範囲内にある。しかしながら、素子割れ異常センサの場合だと、正常時に比べて正の直流抵抗が小さくなり、差Ｒａが正常範囲より小さくなる。他方、目詰まり異常センサの場合だと、正常時に比べて正の直流抵抗が大きくなり、差Ｒａが正常範囲より大きくなる。このような特性を利用して、酸素センサ１９の正常・異常の判別および異常の種類・箇所の特定が可能である。
【００６０】
ところで、検出素子３１に負の直流電圧を印加したときの抵抗値Ｒｎは、拡散層３８の影響を含まない値であり、一対の電極３３Ａ，３３Ｂと固体電解質３７からなる検出素子３１自体の劣化度を表す値である。従って、検出された負の直流抵抗Ｒｎのみから、検出素子３１が劣化しているか否かを判定することもできる。
【００６１】
図７には、検出素子３１の各状態における負の直流抵抗Ｒｎを示す。検出素子３１が正常の場合、負の直流抵抗Ｒｎは所定値Ｒｎ１（ここではＲｎ１＝８００（Ω））より小さい。しかしながら、検出素子３１が正常とはみなせない程劣化している場合だと、負の直流抵抗Ｒｎは所定値Ｒｎ１より大きくなる。例えば、検出素子３１の固体電解質３７を構成する粒子同士の境界部に劣化が生じている場合（「粒界劣化」の場合）だと、負の直流抵抗Ｒｎは所定値Ｒｎ１より大きくなる。また、検出素子３１の固体電解質３７を構成する粒子と、検出素子３１の電極３３Ａ，３３Ｂを構成する粒子との境界部に劣化が生じている場合（「電極界面劣化」の場合）だと、負の直流抵抗Ｒｎは所定値Ｒｎ１よりさらに大きくなる。
【００６２】
よってこの特性を利用して、検出素子３１自体の劣化の有無、ひいては劣化の種類および箇所を特定することも可能である。
【００６３】
次に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の異常診断処理を図８を参照して説明する。
【００６４】
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を検出したとき、酸素センサ１９が活性化したと判断する。
【００６５】
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。
【００６６】
ステップＳ１０２では、検出素子３１に正の直流電圧が印加され、このときの検出素子３１の抵抗すなわち正の直流抵抗（＋直流抵抗）Ｒｐが検出される。印加電圧は例えば＋０．４Ｖである。
【００６７】
次いでステップＳ１０３では、検出素子３１に負の直流電圧が印加され、このときの検出素子３１の抵抗すなわち負の直流抵抗（−直流抵抗）Ｒｎが検出される。印加電圧は例えば−０．４Ｖである。
【００６８】
そしてステップＳ１０４で、検出された正の直流抵抗Ｒｐと負の直流抵抗Ｒｎとの差Ｒａ（＝Ｒｐ−Ｒｎ）が算出される。
【００６９】
ステップＳ１０５では、負の直流抵抗Ｒｎが所定値Ｒｎ１より小さく、且つ差ＲａがＲａ１＜Ｒａ＜Ｒａ２を満たす所定の正常範囲内にあるか否かが判断される。両条件が満たされる場合、ステップＳ１０６に進んで酸素センサ１９は正常と判定される。
【００７０】
他方、両条件が満たされない場合、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、負の直流抵抗Ｒｎが所定値Ｒｎ１以上か否かが判断される。所定値Ｒｎ１以上の場合、ステップＳ１０８に進んで検出素子３１自体が劣化していると判定される。
【００７１】
他方、負の直流抵抗Ｒｎが所定値Ｒｎ１未満の場合、ステップＳ１０９に進んで差Ｒａが正常範囲より小さいか否か、具体的には正常範囲の下限値Ｒａ１以下か否かが判断される。
差Ｒａが下限値Ｒａ１以下の場合、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検出素子３１の割れが特定される。
【００７２】
他方、差Ｒａが下限値Ｒａ１より大きい場合、これは差Ｒａが正常範囲より大きく、正常範囲の上限値Ｒａ２以上であることを意味するから、ステップＳ１１１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。
【００７３】
なお、上述の実施例では正の直流抵抗と負の直流抵抗との比較方法として両者の差を取る方法を採用したが、両者の比を取る方法を採用しても良い。この場合、比をＲｐ／Ｒｎと定義することができ、こうすれば上述の差Ｒａ＝Ｒｐ−Ｒｎと同様の大小関係が得られる。
【００７４】
［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。この第２実施例においてはＥＣＵ２２により、上述の方法で検出素子３１の正および負の直流抵抗をそれぞれ検出すると共に、次の方法で検出素子３１の交流インピーダンスを検出する。
【００７５】
交流インピーダンスの検出に際しては、図５に示した電源回路において、負直流電源Ｂ−を常時選択した状態で、交流電源Ｂａを重畳的に選択する。すなわち、検出素子３１に対しては、負の直流電圧を印加した状態で、所定周波数の交流電圧を１周期分だけ重畳的に印加する。こうして印加される電圧の波形を図９に示す。図示例の場合、負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。
【００７６】
ＥＣＵ２２は、交流電圧印加時における検出素子３１への入力電圧Ｖおよび検出素子３１からの出力電流Ｉの変化を検出して、検出素子３１の交流インピーダンスを算出する。
【００７７】
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１０に示すような複数の交流インピーダンスの検出データが得られる。なおこれらデータは実線で省略して描かれているが、実際には、概ね複数（三つ）の半円を描くよう、複数のデータに対応する複数のプロットが配列されることとなる。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。
【００７８】
なお、実数軸上の右から１番目のプロットＰ１は、＋直流電圧印加時に検出された正の直流抵抗Ｒｐのデータである。また実数軸上の右から２番目のプロットＰ２は、−直流電圧印加時に検出された負の直流抵抗Ｒｎのデータである。
【００７９】
図１０の交流インピーダンスのデータは、検出素子３１の各部の抵抗を表している。まず、実数軸上（或いは付近、以下同様）の右から２番目のプロットＰ２と３番目のプロットＰ３との間の交流インピーダンス実数部は、検出素子３１の電極界面（電極３３Ａ，３３Ｂの粒子と固体電解質３７の粒子との境界部）の抵抗Ｒｘを表している。
【００８０】
次に、実数軸上の右から３番目のプロットＰ３と４番目のプロットＰ４との間の交流インピーダンス実数部は、固体電解質３７の粒界（固体電解質３７の粒子間の境界部）の抵抗Ｒｙを表している。
【００８１】
また実数軸上の右から４番目のプロットＰ４と５番目のプロットＰ５との間の交流インピーダンス実数部は、固体電解質３７の粒子自体の抵抗Ｒｚを表している。粒界抵抗Ｒｙと粒子抵抗Ｒｚの合計が、固体電解質３７の抵抗Ｒｙｚ（＝Ｒｙ＋Ｒｚ）である（以下これを「電解質抵抗」という）。
【００８２】
なお、実数軸上の右から５番目のプロットＰ５と原点との間の交流インピーダンス実数部は、検出素子３１とＥＣＵ２２とを接続するリード線等の抵抗を表している。実数軸上の右から１番目のプロットＰ１と２番目のプロットＰ２との間の交流インピーダンス実数部は、前記第１実施例で述べたような、拡散層３８のガス流動抵抗を反映した電気的抵抗Ｒａ（＝Ｒｐ−Ｒｎ）を表している。以下、この抵抗Ｒａを「拡散層抵抗」という。
【００８３】
２番目のプロットＰ２と３番目のプロットＰ３との間に１つめの円弧Ｃ１ができ、３番目のプロットＰ３と４番目のプロットＰ４との間に２つめの円弧Ｃ２ができ、４番目のプロットＰ４と５番目のプロットＰ５との間に３つめの円弧Ｃ３ができるのが分かる。プロットＰ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５はそれぞれ、円弧Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の虚数軸方向における極小ピークをなす。
【００８４】
ところで、前述したように、拡散層抵抗Ｒａは、拡散層３８のガス流動抵抗に相応した電気的抵抗値である。他方、電解質抵抗Ｒｙｚは、拡散層３８の影響を含まない、固体電解質３７の純粋な抵抗値である。
【００８５】
よって、酸素センサ１９（特に拡散層３８）が正常であれば、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差は、拡散層３８の酸素制限量に応じた所定範囲内となるはずである。しかしながら、酸素センサ１９が異常となると、これらの差が所定範囲外となる。そこでこれら抵抗値の比較結果に応じて、酸素センサ１９が正常か異常かを判定するのが第２実施例の特徴である。
【００８６】
具体的には、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、正常時に比べて、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差が小さくなる。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、拡散層抵抗Ｒａが小さくなるからである。
【００８７】
他方、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、正常時に比べて、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差が大きくなる。その理由は、拡散層３８の目詰まりにより酸素制限量が増大し、拡散層抵抗Ｒａが大きくなるからである。
【００８８】
従って、上記に鑑みて次のように判定がなされる。すなわち、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差が所定範囲内であるときには、酸素センサ１９が正常と判定される。また、当該差が所定範囲外であるときには、酸素センサ１９が異常と判定される。
【００８９】
また、当該差が所定範囲外であるとき（センサ異常であるとき）に、当該差が所定範囲より小さいときには、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）が特定される。さらに、当該差が所定範囲外であるとき（センサ異常であるとき）に、当該差が所定範囲より大きいときには、センサ異常の種類として、拡散層３８の目詰まりが特定される。
【００９０】
こうして、第２実施例によっても、酸素センサ１９の正常・異常を判別でき、特に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。
【００９１】
図１１には、各抵抗値の一例を示す。図中、「直流」は正の直流抵抗Ｒｐを示し、「粒子」は粒子抵抗Ｒｚを示し、「粒界」は粒界抵抗Ｒｙを示す。また「界面」は電極界面抵抗Ｒｘを示し、「拡散」は拡散層抵抗Ｒａを示す。拡散層抵抗Ｒａの所定の正常範囲はＲａ１＜Ｒａ＜Ｒａ２を満たす範囲であり、Ｒａ１＝２００（Ω）、Ｒａ２＝４００（Ω）である。
【００９２】
図示するように、正常センサの場合だと拡散層抵抗Ｒａは正常範囲内にある。しかしながら、素子割れ異常センサの場合だと、正常時に比べて正の直流抵抗Ｒｐおよび拡散層抵抗Ｒａが小さくなり、拡散層抵抗Ｒａが正常範囲より小さくなる。他方、目詰まり異常センサの場合だと、正常時に比べて正の直流抵抗Ｒｐおよび拡散層抵抗Ｒａが大きくなり、拡散層抵抗Ｒａが正常範囲より大きくなる。
【００９３】
図１２には、図１１の例に基づく拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの差Ｒｄ（＝Ｒａ−Ｒｙｚ）を示す。この差Ｒｄの所定の正常範囲はＲｄ１＜Ｒｄ＜Ｒｄ２を満たす範囲であり、Ｒｄ１＝−１００（Ω）、Ｒｄ２＝１００（Ω）である。
【００９４】
正常センサの場合、差Ｒｄは正常範囲内にある。しかしながら、素子割れ異常センサの場合だと、正常時に比べて差Ｒｄが小さくなり、差Ｒｄが正常範囲より小さくなる。他方、目詰まり異常センサの場合だと、正常時に比べて差Ｒｄが大きくなり、差Ｒｄが正常範囲より大きくなる。
【００９５】
よって、このような特性を利用して、酸素センサ１９の正常・異常の判別および異常の種類・箇所の特定が可能である。
【００９６】
ところで、かかる判別および特定は、拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの比Ｒｒ（＝Ｒａ／Ｒｙｚ）によっても可能である。図１３には各場合の比Ｒｒを示す。比Ｒｒの所定の正常範囲はＲｒ１＜Ｒｒ＜Ｒｒ２を満たす範囲であり、Ｒｒ１＝０．４、Ｒｒ２＝１．４である。
【００９７】
正常センサの場合、比Ｒｒは正常範囲内にある。しかしながら、素子割れ異常センサの場合だと、正常時に比べて比Ｒｒが小さくなり、比Ｒｒが正常範囲より小さくなる。他方、目詰まり異常センサの場合だと、正常時に比べて比Ｒｒが大きくなり、比Ｒｒが正常範囲より大きくなる。よってこのような特性を利用して、酸素センサ１９の正常・異常の判別および異常の種類・箇所の特定が可能である。
【００９８】
次に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の異常診断処理を図１４を参照して説明する。まず差Ｒｄを用いる方法を説明する。
【００９９】
ステップＳ２０１〜Ｓ２０４は前記ステップＳ１０１〜１０４と同様である。ここでステップＳ２０４の差Ｒａとは拡散層抵抗Ｒａを意味する。
【０１００】
続くステップＳ２０５では、図１０に示したような複数の交流インピーダンスが検出される。この検出は次のよ方法で行われる。
【０１０１】
まず検出素子３１に、負の直流電圧が印加された状態で、特定周波数の交流電圧が重畳的に印加される。負の直流電圧の大きさは例えば−０．４Ｖである。そして交流電圧としては、例えば実効値（ＲＭＳ）で０．０１Ｖの交流電圧が用いられる。
【０１０２】
次に、この交流電圧印加時における検出素子３１の交流インピーダンスが検出される。すなわち、ＥＣＵ２２は、交流電圧Ｖn（ｎ＝１，２，・・・）の印加時点から、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、交流インピーダンスＺnを算出する。
【０１０３】
かかる交流電圧の印加と交流インピーダンスの検出とを、周波数ｆを変えながら繰り返し行う。例えば１０ｍＨｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲において、１桁当たり５ポイントの周波数でそれぞれ交流インピーダンスを検出する。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）でそれぞれ交流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）でそれぞれ交流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。こうしてやがて、全ポイントにおける複数の交流インピーダンスが検出される。
【０１０４】
次いでステップＳ２０６において、複数の交流インピーダンスの検出データに基づき、電解質抵抗Ｒｙｚが算出される。すなわち、複数の交流インピーダンスデータの中から、図１０に示した３番目のプロットＰ３と５番目のプロットＰ５に対応するデータを抽出し、これらデータ間の交流インピーダンス実数部を算出し、これを以て電解質抵抗Ｒｙｚとする。
【０１０５】
なお、例えば３番目のプロットＰ３に対応する極小ピークのデータであるかどうかは、ＥＣＵ２２が、周波数の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決定する。５番目のプロットＰ５についても同様である。
【０１０６】
こうして拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとが検出されたならば、これらの差Ｒｄ（＝Ｒａ−Ｒｙｚ）がステップＳ２０７において算出される。
【０１０７】
次に、ステップＳ２０８において、差ＲｄがＲｄ１＜Ｒｄ＜Ｒｄ２を満たす所定の正常範囲内にあるか否かが判断される。この条件が満たされる場合、ステップＳ２０９に進んで酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１０８】
他方、条件が満たされない場合、ステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では、差Ｒｄが正常範囲より小さいか否か、具体的には正常範囲の下限値Ｒｄ１以下か否かが判断される。
差Ｒｄが下限値Ｒｄ１以下の場合、ステップＳ２１１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。
【０１０９】
他方、差Ｒｄが下限値Ｒｄ１より大きい場合、これは差Ｒｄが正常範囲より大きく、正常範囲の上限値Ｒｄ２以上であることを意味するから、ステップＳ２１２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。
【０１１０】
次に、ＥＣＵ２２が実行する本実施例の別の異常診断処理を図１５に示す。ここでの処理は、差Ｒｄの代わりに比Ｒｒが用いられること以外、図１４に示した処理と同じである。
【０１１１】
ステップＳ３０１〜Ｓ３０６はステップＳ２０１〜Ｓ２０６と同様である。ステップＳ３０７では、検出された拡散層抵抗Ｒａと電解質抵抗Ｒｙｚとの比Ｒｒ（＝Ｒａ／Ｒｙｚ）が算出される。
【０１１２】
次に、ステップＳ３０８において、比ＲｒがＲｒ１＜Ｒｒ＜Ｒｒ２を満たす所定の正常範囲内にあるか否かが判断される。この条件が満たされる場合、ステップＳ３０９に進んで酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１１３】
他方、条件が満たされない場合、ステップＳ３１０に進む。ステップＳ３１０では、比Ｒｒが正常範囲より小さいか否か、具体的には正常範囲の下限値Ｒｒ１以下か否かが判断される。
比Ｒｒが下限値Ｒｒ１以下の場合、ステップＳ３１１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。
【０１１４】
他方、比Ｒｒが下限値Ｒｒ１より大きい場合、これは比Ｒｒが正常範囲より大きく、正常範囲の上限値Ｒｒ２以上であることを意味するから、ステップＳ３１２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。
【０１１５】
ところで、図１０に示したように、本実施例によれば検出素子３１の各部位（電極界面、粒子、粒界、固体電解質）の抵抗ひいては劣化度を検出できるので、これら抵抗ひいては劣化度のデータを他の制御に活用することができる。例えば、検出素子３１の温度制御（ヒータ制御）に関し、抵抗が基準値より大きくなるほど劣化度が大きく、素子温度とインピーダンスの関係が基準状態からずれていることが推定される。よって、検出された抵抗値に応じて素子温度とインピーダンスの関係を補正することで、素子温度の検出精度およびヒータ制御の制御性を向上することが可能となる。
【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
２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１ 検出素子
３３Ａ，３３Ｂ 電極
３７ 固体電解質
３８ 拡散層
４１ 外層部
【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て正の直流抵抗を検出すると共に、前記検出素子に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出する検出手段と、
検出された前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗の比較結果に基づき、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、前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗の差または比が所定範囲内であるとき、前記酸素センサを正常と判定し、前記差または比が所定範囲外であるとき、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、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記差または比と前記所定範囲との大小関係に応じて、前記酸素センサの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、前記差または比が前記所定範囲より大きいとき、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、前記差または比が前記所定範囲より小さいとき、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、検出された前記負の直流抵抗に基づき、前記検出素子が劣化しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項７】
固体電解質を一対の電極で挟んでなる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、
前記検出素子の両電極に正の直流電圧を印加して正の直流抵抗を検出し、前記検出素子の両電極に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出すると共に、前記検出素子の両電極に周波数の異なる複数の交流電圧を印加して各周波数に対応した複数の交流インピーダンスを検出する検出手段と、
検出された前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗に基づき、前記拡散層のガス流動抵抗に相関する電気的抵抗である拡散層抵抗を算出すると共に、検出された複数の交流インピーダンスのデータに基づき、前記固体電解質の電気的抵抗である電解質抵抗を算出する算出手段と、
算出された前記拡散層抵抗と前記電解質抵抗との比較結果に基づき、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８】
前記判定手段は、前記拡散層抵抗および前記電解質抵抗の差または比が所定範囲内であるとき、前記酸素センサを正常と判定し、前記差または比が所定範囲外であるとき、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７に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記判定手段は、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記差または比と前記所定範囲との大小関係に応じて、前記酸素センサの異常の種類を特定する
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、前記差または比が前記所定範囲より大きいとき、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、前記差または比が前記所定範囲より小さいとき、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９または１０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て正の直流抵抗を検出すると共に、前記検出素子に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出する検出手段と、
検出された前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗の比較結果に基づき、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、前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗の差または比が所定範囲内であるとき、前記酸素センサを正常と判定し、前記差または比が所定範囲外であるとき、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、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記差または比と前記所定範囲との大小関係に応じて、前記酸素センサの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、前記差または比が前記所定範囲より大きいとき、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、前記差または比が前記所定範囲より小さいとき、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、検出された前記負の直流抵抗に基づき、前記検出素子が劣化しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項７】
固体電解質を一対の電極で挟んでなる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、
前記検出素子の両電極に正の直流電圧を印加して正の直流抵抗を検出し、前記検出素子の両電極に負の直流電圧を印加して負の直流抵抗を検出すると共に、前記検出素子の両電極に周波数の異なる複数の交流電圧を印加して各周波数に対応した複数の交流インピーダンスを検出する検出手段と、
検出された前記正の直流抵抗および前記負の直流抵抗に基づき、前記拡散層のガス流動抵抗に相関する電気的抵抗である拡散層抵抗を算出すると共に、検出された複数の交流インピーダンスのデータに基づき、前記固体電解質の電気的抵抗である電解質抵抗を算出する算出手段と、
算出された前記拡散層抵抗と前記電解質抵抗との比較結果に基づき、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８】
前記判定手段は、前記拡散層抵抗および前記電解質抵抗の差または比が所定範囲内であるとき、前記酸素センサを正常と判定し、前記差または比が所定範囲外であるとき、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７に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記判定手段は、前記差または比が所定範囲外であるとき、前記差または比と前記所定範囲との大小関係に応じて、前記酸素センサの異常の種類を特定する
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、前記差または比が前記所定範囲より大きいとき、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、前記差または比が前記所定範囲より小さいとき、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９または１０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】
【公開番号】特開２０１１−１８５６１５（Ｐ２０１１−１８５６１５Ａ）
【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２０１０−４８１５１（Ｐ２０１０−４８１５１）
【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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