JP2011095199A - ガスセンサの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサの異常診断において復帰可能な異常とそうでない異常とを区別する。
【解決手段】エンジン１０の排気管１４には、固体電解質層２４と該固体電解質層２４に配置された一対の電極２５，２６とを有するセンサ素子２１を備えるガスセンサ（Ｏ2センサ２０）が設けられている。ＥＣＵ４０は、一対の電極２５，２６からの電気信号に基づいて同ガスセンサ２０の異常診断を実施する。特に、ＥＣＵ４０は、一対の電極２５，２６のうち少なくとも一方について被水により排気管１４側との導通が生じる状態であることを判定し、該導通が生じる状態であると判定された場合にガスセンサ２０の出力値に基づくセンサ異常診断の実施を制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサの異常診断装置に関し、詳しくは、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を有するガスセンサについて、センサ出力値に基づいて同ガスセンサの異常診断を実施するガスセンサの異常診断装置に関するものである。

従来、内燃機関では、固体電解質体と一対の電極とを備えるＯ2センサ等のガスセンサが排気管に配置され、このガスセンサの出力値に基づいて空燃比制御が実施されている。また、内燃機関の空燃比制御を適正に実施すべく、ガスセンサの異常診断を実施するための方法が種々提案されている（例えば特許文献１や特許文献２参照）。

特許文献１には、Ｏ2センサの負側端子にバイアスを印加しておき、その電圧印加状態において正側端子の電圧を検出する。そして、その検出電圧がバイアス電圧以上であれば、検出電圧は空燃比リーンに伴う正常な値であると判定する。一方、検出電圧がバイアス電圧未満の場合には、正側端子においてグランド回路に対する短絡異常か又は断線異常が発生している旨判定することが開示されている。

また、特許文献２には、Ｏ2センサの負側端子にバイアスを印加しておき、その電圧印加状態において、Ｏ2センサの正側端子及び負側端子のそれぞれの端子電圧を検出することにより、正側端子又は負側端子の短絡異常の有無を判定することが開示されている。このうち、負側端子の異常診断について具体的には、負側端子の端子電圧がバイアス電圧を基準にして過大又は過小の場合に、負端子配線が電源線と混触した天絡異常か、又は負端子配線がグランド線と混触した地絡異常が発生している旨判定する。

特開２００５−１７１８９８号公報 特許第４１５７５７６号公報

例えば内燃機関の冷間始動時などにおいて、排気管内の水蒸気が凝縮し又はこれが飛散することによりガスセンサに水が付着することがある。ここで、ガスセンサに水が付着した場合、その水を介してセンサ素子の電極と排気管側とが繋がり、これらが導通状態になることが考えられる。かかる場合、センサ出力が異常値を示すことが考えられるが、これはガスセンサの付着水が消失するまでの一時的な異常である。しかしながら、上記特許文献では、このような一時的な異常（自然復帰可能な異常）とそうでない異常とを区別していない。つまり、センサや回路等が正常であるにもかかわらず、一時的な異常の発生に起因してセンサ等の異常と診断されることが考えられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ガスセンサの異常診断において、復帰可能な異常とそうでない異常とを区別することができるガスセンサの異常診断装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

本発明は、内燃機関の排気管に取り付けられ、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を備えるガスセンサに適用され、前記一対の電極からの電気信号に基づいて同ガスセンサの異常診断を実施するガスセンサの異常診断装置に関する。請求項１に記載の発明は、前記一対の電極のうち少なくとも一方について被水により前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する導通判定手段と、前記導通判定手段により前記導通が生じる状態であると判定された場合に前記ガスセンサの出力値に基づくセンサ異常診断の実施を制限する診断制限手段と、を備えることを特徴とする。

例えば内燃機関の冷間始動時といった低温環境下では、排気管内の水蒸気が凝縮し、その凝縮水がガスセンサに付着することがある。このとき、ガスセンサに付着した水により、センサ素子の電極と排気管側とが導通状態になることが考えられる。かかる場合、ガスセンサの出力が正常時とは異なるものとなり、ガスセンサの異常診断において異常ありと診断されることが考えられる。ところが、この被水による電極と排気管側との導通状態は一時的なものであり、例えばセンサ端子の断線や短絡等といった自然復帰できない異常とは区別する必要がある。

その点に鑑み、本発明では、電極と排気管側との導通が生じる状態であることが判定される場合にガスセンサの異常診断の実施を制限する。これにより、ガスセンサの異常診断において、ガスセンサの被水に起因する復帰可能な異常とそうでない異常とを区別することができる。その結果、ガスセンサの異常診断精度を向上させることができる。

ここで、被水により電極と排気管側との導通が生じる状態であることは、例えば、内燃機関の冷間始動時において始動開始からの経過時間や積算空気量、機関温度等に基づいて推定する。あるいは、センサ等により排気管内に水が生じたことを検出し、その検出結果に基づいて判断する。また、センサ異常診断の実施制限は、同異常診断の禁止期間を設ける場合と、同異常診断の異常判定値を異常範囲側へ変更する場合とを含む。

一対の電極のいずれかが排気側に露出されている構成では、その排気側に露出する電極に排気中の凝縮水が付着しやすく、また付着した凝縮水により電極と排気管側との導通が生じやすい。したがって、請求項２に記載の発明のように、前記一対の電極が、その一方が排気側に露出された第１電極であり、他方が大気雰囲気の基準室に露出された第２電極であり、前記導通判定手段が、前記第１電極と前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定するといった構成に適用するとよい。

ガスセンサにおいては一般に電気式ヒータが付設されており、ヒータの発熱によりセンサ素子が活性化されるとともにその活性状態が保持される。ここで、ガスセンサが被水した状況下でセンサ素子を急速に加熱すると、加熱開始当初においてその水が原因となって素子割れが発生するおそれがある。そこで、ガスセンサのヒータ制御では、被水による素子割れ対策として、内燃機関の始動時等にヒータ投入電力の制限が行われる。一方、被水によるセンサ素子の電極と排気管側との導通は、素子割れのおそれが解消されたと判断される程度の少量の水がセンサ素子に付着したままの状態においても起こり得ると考えられる。すなわち、被水による素子割れのおそれが解消された状態であっても、被水によるセンサ素子の電極と排気管側との導通のおそれは継続されており、その期間ではセンサ異常診断において誤診断のおそれがある。

その点に鑑み、請求項３に記載の発明では、前記ガスセンサには、前記センサ素子を加熱するヒータが設けられ、前記導通判定手段が、前記ヒータの通電制限の解除後において前記電極と前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する。この構成によれば、ヒータによるセンサ素子の加熱制限の解除後においてセンサ出力に基づく異常診断の実施が制限されることにより、被水によるセンサ素子の電極と排気管側との導通が起こり得る状況下での異常診断の実施を好適に制限することができる。

ところで、排気管内の水発生量は、例えばエンジン始動時のエンジン温度や外気温などの種々の条件によって変化すると考えられる。また、被水により電極と排気管側との導通が一旦生じた場合、その導通状態が解消されるまでに要する時間（水が消失するまでの所要時間）についても同様に種々の条件によって変化し、具体的には、例えばエンジン運転状態や、エンジン温度の上昇速度、外気温、ヒータの投入電力等によって変化すると考えられる。その点に鑑み、請求項４に記載の発明のように、前記診断制限手段により前記センサ異常診断の実施を制限する際の制限時間を可変設定する時間設定手段を備える構成とするとよい。このとき、排気管内の水発生量が多いほど又は水の消失所要時間が長いほど、制限時間を長くするとよい。

排気の酸素濃度に応じて正負の両電極間に起電力を発生するＯ2センサでは、内燃機関の空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、例えばリッチ時の起電力が約０．９Ｖであるのに対しリーン時の起電力が約０Ｖになる。この場合、リーン状態におけるセンサ出力と、断線や短絡の発生時におけるセンサ出力とが同じ傾向を示すことにより、センサの正常／異常を正確に診断できないことが考えられる。これに鑑み、Ｏ2センサの負側電極にバイアス電源を接続することで、負側電極の電圧を接地電圧よりも高くしておくことがある。このとき、負側電極に対するバイアス印加が適正に実施されていないとガス濃度を適正に検出できないことから、バイアス印加が適正に実施されているか否かの異常診断を実施することがある。

ここで、センサ素子の電極と排気管側とが導通状態になると、電極から排気管側への電流リークが発生し、その結果、負側電極の電圧がバイアス電圧よりも低下することが考えられる。ところが、この電圧低下は一時的なものであり、排気管内の温度が上昇すること等によって復帰可能である。

その点に鑑み、請求項５に記載の発明では、前記ガスセンサが、排気の酸素濃度に応じて正負の両電極間に起電力を発生するＯ2センサであり、前記Ｏ2センサの起電力を検出する起電力検出回路において、前記Ｏ2センサの負側電極にはバイアス電源が接続されており、前記Ｏ2センサの正側電極又は負側電極の電圧に基づいて前記異常診断を実施する。こうすることにより、バイアスの一時的な異常を復帰不能な異常として診断するのを回避することができる。

エンジン制御システムの全体概略構成図。 Ｏ2センサの概略構成を示す断面図。 排ガスの空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。 起電力検出回路部の回路構成を示す図。 バイアス異常診断の処理手順を示すフローチャート。 Ｏ2センサの異常診断の処理手順を示すフローチャート。 Ｏ2センサの異常診断の具体的態様を示すタイムチャート。

以下、本発明を具体化した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、車載エンジンの排気管に設けられたＯ2センサを用い、そのＯ2センサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施するエンジン制御システムについて説明する。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。このシステムの全体概要を示す構成図を図１に示す。

図１において、エンジン１０は、例えばガソリンエンジンであり、スロットルバルブ１１や、燃料噴射弁１２、点火装置１３等を備えている。エンジン１０の排気管１４には廃棄浄化装置としての三元触媒１５が設けられており、その三元触媒１５の上流側又は下流側において、排ガスを検出対象として混合気の空燃比（酸素濃度）を検出するＯ2センサ２０が設けられている。なお、図１には、三元触媒１５の上流側にＡ／Ｆセンサ１６が設けられ、下流側にＯ2センサ２０が設けられている場合を示している。

図２は、Ｏ2センサ２０の概略構成を示す断面図である。Ｏ2センサ２０は、コップ型構造のセンサ素子２１を有している。センサ素子２１は、その中間部が金属製のハウジング２２に挿入配置され、同ハウジング２２に固定されている。なお、ハウジング２２２とセンサ素子２１との隙間Ｓには、絶縁性材料からなる部材が充填されている。ハウジング２２には、金属製の排気管１４に設けられたネジ穴に螺合するネジ部２２ａと、排気管１４の外壁に当接するフランジ部２２ｂとが設けられている。そして、ネジ部２２ａが排気管１４のネジ穴に螺合されることにより、Ｏ2センサ２０を排気管１４に取り付け可能になっている。

ハウジング２２の下端には素子カバー２３が取り付けられており、センサ素子２１の素子全体が素子カバー２３内に収容される構成となっている。素子カバー２３は、外管２３ａと内管２３ｂとを重ねた二重管構造であり、外管２３ａ及び内管２３ｂにおいて排ガスが通過可能な孔が複数設けられている。排気管１４内の排ガスが素子カバー２３の孔を通過することにより、素子カバー２３内におけるセンサ素子２１周囲の空間２９が排ガス雰囲気になっている。

センサ素子２１は、断面コップ状に形成された固体電解質層２４を有しており、その外表面において負電極としての排ガス側電極層２５が設けられ、内表面において正電極としての大気側電極層２６が設けられている。固体電解質層２４は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、ＢｉＯ2等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる。また、各電極層２５，２６はともに白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキが施されている。固体電解質層２４にて囲まれる内部空間は大気室２７となっており、その大気室２７にはヒータ２８が収容されている。ヒータ２８は、センサ素子２１を活性化するのに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子２１全体が加熱される。

上記センサ素子２１では、固体電解質層２４の外側（排ガス側電極層２５側）が排ガス雰囲気、同内側（大気側電極層２６側）が大気雰囲気となっている。すなわち、排ガス側電極層２５が排ガス側に露出され、大気側電極層２６が大気室２７に露出されている。そして、排ガス側と大気室２７との酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極層２５，２６間で起電力が発生する。なお、排ガス側電極層２５が第１電極に相当し、大気側電極層２６が第２電極に相当する。

図３は、排ガスの空燃比とセンサ素子２１の起電力との関係を示す起電力特性図である。図３に示すように、センサ素子２１は、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、理論空燃比（ストイキ）付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、燃料リッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、燃料リーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。

図１の説明に戻り、その他、本システムには、スロットルバルブ１１の開度を検出するスロットル開度センサ３１や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ３２、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ３３等の各種センサや、イグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）３４等の各種スイッチが設けられている。

ＥＣＵ４０は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（マイコン）４１を主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ４０のマイコン４１は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁１２や点火装置１３の駆動を制御する。

また、マイコン４１は、Ｏ2センサ２０のヒータ通電制御を実施している。この通電制御により、エンジン始動時にはヒータ２８の発熱によりセンサ素子２１を活性化し、一旦活性化が完了した後には適宜通電を行うことによりその活性状態を保持する。センサ素子２１の活性化に際しては、例えばエンジン１０の冷間始動時において排気管１４内で生じる水がセンサ素子２１に付着することがあり、かかる状態でセンサ素子２１を急速に加熱することによりセンサ素子２１が破損する（素子割れが発生する）おそれがある。そこで、本制御では、エンジン１０の始動時において排気管１４内の水発生のおそれが高い状況下では、その水発生のおそれが抑制されるまでヒータ２８の通電開始を遅延している。

ＥＣＵ４０には、Ｏ2センサ２０の起電力を検出する起電力検出回路部４２が設けられている。マイコン４１は、例えば燃料噴射量の制御において、起電力検出回路部４２で検出した起電力に基づいて実空燃比が目標空燃比（理論空燃比）となるよう空燃比制御を実施する。

図４は、起電力検出回路部４２の回路構成を示す図である。図４において、起電力検出回路部４２には、センサ素子２１の大気側電極層２６に接続される正側端子（Ｓ＋端子）と、排ガス側電極層２５に接続される負側端子（Ｓ−端子）とが設けられている。Ｓ＋端子及びＳ−端子はそれぞれマイコン４１の＋入力端子、−入力端子に接続されており、マイコン４１においてセンサ素子２１の各端子電圧が逐次計測されるようになっている。

起電力検出回路部４２には、定電圧源（定電圧Ｖｃｃ）に接続される２つの抵抗からなる抵抗分圧回路４３が設けられており、その抵抗分圧回路４３の分圧電圧がＳ−端子に印加されている。すなわち、Ｓ−端子にバイアスを印加することで同端子電圧をオフセットさせており、これにより、センサ素子２１の負側端子電圧を接地電圧よりも高い所定のバイアス電圧Ｖｂｉ（例えば１・５Ｖ）にしている。したがって、センサ素子２１の正端子電圧ＶＯ＋は、Ｏ2センサ２０が正常であればバイアス電圧Ｖｂｉ以上の値となる。このように、本システムでは、Ｓ−端子にバイアス電圧Ｖｂｉを印加することにより、燃料リーンに伴いセンサ起電力が０Ｖ近傍となる場合（正常時）と、正側端子の短絡や断線に起因してセンサ起電力が０Ｖ近傍となる場合（異常時）とを判別可能にしている。

ここで、センサ素子２１の負側端子（Ｓ−端子）の短絡等の異常が発生した場合、センサ素子２１の負側端子電圧ＶＯ−がバイアス電圧Ｖｂｉからずれてしまい、排気中の酸素濃度を精度よく検出できないことが考えられる。そこで、マイコン４１は、負側端子のバイアス印加が適正に行われていることを診断するための処理（バイアス異常診断処理）として、センサ素子２１の負側端子電圧ＶＯ−を読み取り、その読み取り電圧ＶＯ−が適正範囲内であるか否かを判定する。そして、負側端子電圧ＶＯ−が適正範囲外である場合にバイアス印加が適正に実施されていない、つまりＯ2センサ２０の異常あり（負側端子の短絡等の異常あり）旨診断している。

図５は、前提となるバイアス異常診断処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ４０のマイコン４１により所定周期毎に実行される。

図５において、まずステップＳ１０１では、バイアス異常診断の実行条件が成立しているか否かを判定する。この実行条件は、ＩＧスイッチ３４がオン状態であること及びバッテリ電圧が判定値以上であること等の少なくともいずれかを含む。

バイアス異常診断の実行条件が成立している場合にはステップＳ１０２へ進み、センサ素子２１の負側端子電圧ＶＯ−を読み込み、ステップＳ１０３において、読み込んだ負側端子電圧ＶＯ−が適正範囲外か否かを判定する。負側端子電圧ＶＯ−の適正範囲として具体的には、例えばＳ−端子の印加電圧が１．５Ｖの場合、その適正範囲を１．３〜１．５Ｖとする。そして、負側端子電圧ＶＯ−が適正範囲内であればステップＳ１０４へ進み、バイアスの印加が適正に行われている（Ｏ2センサ２０の負側端子は正常である）旨判定する。そして本処理を終了する。

一方、負側端子電圧ＶＯ−が適正範囲外の場合にはステップＳ１０５へ進み、異常判定カウンタＴｆを値１だけインクリメントする。その後、ステップＳ１０６において、異常判定カウンタＴｆが判定値よりも大きいか否かを判定し、異常判定カウンタＴｆが判定値よりも大きい場合には、ステップＳ１０７へ進み、バイアスの印加が適正に実施されていない（センサ素子２１の負側端子の異常あり）旨と判定し、警告ランプの点灯等により異常発生の旨を報知する。

ところで、例えばエンジン１０の冷間始動時では、排気管１４内が低温状態になっている。かかる状態では、排気管１４内の水蒸気が凝縮し、その凝縮水がＯ2センサ２０に掛かることにより排ガス側電極層２５の被水が起きることが考えられる。

排ガス側電極層２５の被水が生じた場合、その水を介して排ガス側電極層２５と排気管１４側とが連通した状態となり、これにより排ガス側電極層２５と排気管１４側とが導通状態になるおそれがある。より具体的には、排ガス側電極層２５は排ガス雰囲気の空間２９に露出しているため、エンジン冷間始動時など排気管１４内が低温状態の場合には排ガス側電極層２５に凝縮水が付着しやすい環境となっている。また、排ガス側電極層２５に凝縮水が付着した場合、その付着した凝縮水が例えば図２の隙間ＳＷの部分まで浸入し、排ガス側電極層２５と金属製のハウジング２２とが凝縮水を介して連通された状態になることが考えられる。この場合、排ガス側電極層２５→凝縮水→ハウジング２２→排気管１４の経路により、排ガス側電極層２５と排気管１４とが連通した状態となる。なお、隙間ＳＷにおける被水は、例えば、充填部材を浸み込むようにして同隙間に水が浸入することにより生じる。

このように排ガス側電極層２５と排気管１４側とが導通状態になった場合、定電圧源から供給されるバイアス電流のリーク（漏洩）発生により、センサ素子２１の負側端子電圧ＶＯ−が適正値よりも低下することがある。この場合、上記のバイアス異常診断処理によりバイアス印加が適正に実施されていない、つまりＯ2センサ２０の異常ありと診断される。ところが、この排ガス側電極層２５の被水は一時的なものであり、例えばエンジン１０の暖機が進行して排気管１４内が高温状態になったりヒータ２８によりセンサ素子２１が加熱されたりすることでその隙間ＳＷの水が蒸発することにより、負側端子電圧ＶＯ−は正常値に戻ることとなる。この場合、もはや異常状態とは言えない。したがって、このような被水に伴う復帰可能な一時的な異常を、短絡や断線等といった自然復帰できない異常と同じように異常ありと診断し、その後の異常対応のための処理を同じとするのは適切でない。

そこで、本実施形態では、排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通が生じる状態であるか否かを判定し、該導通が生じる状態であると判定された場合に、Ｏ2センサ２０の出力値に基づくセンサ異常診断（バイアス異常診断）の実施を制限することとしている。

図６は、本実施形態におけるＯ2センサ２０の異常診断処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ４０のマイコン４１により所定周期毎に実行される。

図６において、まずステップＳ２０１では、ヒータ２８の通電実行条件が成立しているか否かを判定する。ヒータ通電実行条件は、センサ素子２１の被水による素子割れ発生のおそれが解消されたと推定される状況において成立する条件であり、具体的には、
・ＩＧスイッチ３４のオンからの経過時間が判定値ＴＭ１以上になったこと
・スロットル開度センサ３１の出力値に基づき算出されるエンジン始動時からの積算空気量が判定値Ｑ１以上であること
・冷却水温センサ３３による冷却水温が判定値ＴＷ１以上であること
・センサ素子２１の温度が判定値ＴＳ１以上であること
などの少なくともいずれかの条件とする。

ヒータ通電実行条件が不成立の場合には、ステップＳ２０２へ進み、センサ素子２１の素子割れ防止対策としてヒータ２８の通電を制限する。通電制限としては、ヒータ通電を禁止すること、及び全通電を基準とした電力制限を行いながらヒータ通電を行うことを含む。一方、ヒータ通電実行条件が成立している場合にはステップＳ２０３へ進み、ヒータ２８の通電を許可する。つまり、センサ素子２１が活性化していなければ、ヒータ２８の通電によりセンサ素子２１の加熱を行う。

続くステップ２０４では、擬似アース解消条件が成立しているか否かを判定する。擬似アース解消条件は、被水による排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通状態のおそれ（擬似的に接地された状態になるおそれ）が解消されたと推定される状況において成立する条件であり、具体的には、
（１）ＩＧスイッチ３４のオンからの経過時間が判定値ＴＭ２になったこと
（２）スロットル開度センサ３１の出力値に基づき算出されるエンジン始動時からの積算空気量が判定値Ｑ２以上であること
（３）冷却水温センサ３３による冷却水温が判定値ＴＷ２以上であること
（４）センサ素子２１の温度が判定値ＴＳ２以上であること
（５）センサ素子２１が活性状態であること
などの少なくともいずれかの条件とする。

擬似アース解消条件のうち（１）〜（４）は、ヒータ通電実行条件と同じパラメータを用いており、これにより被水による擬似アースが生じる状態か否かを判定している。ここで、被水により排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通状態が生じる（擬似アースが生じる）ときと、被水により素子割れが生じるときとを比較した場合、擬似アースの方がより少量の水によって起こり得ると考えられる。すなわち、被水による擬似アースは、素子割れのおそれが解消されたと判断される程度の少量の水が排ガス側電極層２５に付着した状態においても起こり得る。したがって、被水による素子割れのおそれが解消された状態であっても、被水による擬似アースのおそれは継続されており、その期間ではセンサ異常診断において誤診断のおそれがある。そこで、本実施形態では、（１）〜（４）の各判定値ＴＭ２、Ｑ２、ＴＷ２、ＴＳ２を、ヒータ通電実行条件における各判定値ＴＭ１、Ｑ１、ＴＷ１、ＴＳ１よりも高い値に設定してある。これにより、例えばエンジン１０の冷間始動後には、センサ素子２１への水の付着がたとえ少量であっても、その水付着が解消されるまでの期間、バイアス異常診断の実施を制限するようにしている。

そして、擬似アース解消条件が成立している場合には、ステップＳ２０５へ進み、上記図５に示すバイアス異常診断処理を実行する。これに対し、擬似アース解消条件が成立していない場合には、ステップＳ２０６へ進み、バイアス異常診断処理の実施を制限する。バイアス異常診断処理の実施制限としては、例えば同処理の実行を禁止するか、又は異常判定カウンタＴｆの判定値を大きくなる側に変更する。あるいは、上記図５のステップＳ１０３において、負側端子電圧ＶＯ−の適正範囲を拡大して負側端子電圧ＶＯ−と適正範囲との比較を行う。

図７は、本システムにおけるＯ2センサ２０の異常診断の具体的態様を示すタイムチャートである。図中、実線は排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通状態が生じる状態のときにバイアス異常診断の実施を制限する場合を示し、一点鎖線は該導通状態が生じる状態のときにバイアス異常診断の実施を制限しない場合を示している。なお、図７では、エンジン冷間始動時を想定している。

図７において、タイミングｔ１１でＩＧスイッチ３４がオンされることにより、スロットル開度制御や燃料噴射制御、点火制御といったエンジン１０の運転に関する各種制御が開始される。これにより、燃料の燃焼が開始されてエンジン回転速度が上昇する。今、エンジン冷間始動時を想定していることから、ＩＧスイッチ３４のオン直後では排気管１４内が低温状態になっている。そのため、排気管１４内又はセンサ素子２１に凝縮水が付着している可能性がある。そこで、凝縮水によるセンサ素子割れ発生を抑制すべく、ＩＧスイッチ３４のオン直後ではヒータ２８によるセンサ素子２１の加熱制限として、例えばヒータ通電が禁止される。また、凝縮水により排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通状態が生じるおそれがあるため、バイアス異常診断の実施制限として、例えば同診断の実施が禁止される。

そして、例えばスロットルバルブ１１を通過する空気量について、ＩＧ−ＯＮのタイミングｔ１１からの積算値（積算空気量）が判定値Ｑ１以上になると、そのタイミングｔ１４でヒータ通電実行条件が成立したと判定され、ヒータ２８によるセンサ素子２１の加熱制限が解除される（ヒータ通電が開始される）。また、その後、タイミングｔ１６で積算空気量が判定値Ｑ２以上になると、擬似アース解消条件が成立したと判定され、バイアス異常診断の実施制限が解除される（バイアス異常診断の実行が開始される）。

ここで、エンジン始動直後において、排気管１４内の凝縮水が排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通状態が生じた場合について考える。この場合、該導通状態にかかわらずバイアス異常診断を実施する構成（図中の一点鎖線）では、導通状態になったタイミングｔ１２でセンサ素子２１の負側端子が擬似アースの状態になることにより、センサ素子２１の負側端子電圧ＶＯ−が適正値（本実施形態では１．５Ｖ）よりも低下する。そして、負側端子電圧ＶＯ−が適正範囲の下限値Ｖｂｔｈを下回ると、そのタイミングｔ１３以降において異常判定カウンタＴｆが増加する。そして、異常判定カウンタＴｆが判定値Ｔｆｔｈを上回ると、そのタイミングｔ１５で負側端子の電圧印加が異常である旨判定される。このときの異常判定は、被水により排ガス側電極層２５と排気管１４側とが導通状態となったことによる一時的な異常に基づくものである。

これに対し、本実施形態では、図の実線に示すように、ＩＧスイッチ３４のオン後、積算空気量が判定値Ｑ２以上となり、擬似アース解消条件が成立したと判定されるまでの期間、バイアス異常診断の実施が制限される。つまり、例えばエンジン１０の冷間始動時等において被水が僅かでも生じるおそれのある期間では、バイアス異常診断の実施が制限される。したがって、排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通による一時的な異常に基づきバイアス電圧が異常である旨診断されるのが回避される。

以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。

排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通が生じる状態であるか否かを判定し、該導通が生じる状態であると判定された場合に、Ｏ2センサ２０の出力値に基づくセンサ異常診断の実施を制限する構成としたため、Ｏ2センサ２０の異常診断において、Ｏ2センサ２０の被水に起因する復帰可能な異常とそうでない異常とを区別することができる。その結果、Ｏ2センサ２０の異常診断精度を向上させることができる。

Ｏ2センサ２０では、排ガス側電極層２５が排ガス側に露出しているため、排ガス側電極層２５に排気管１４内の凝縮水が付着しやすく、その凝縮水による被水により排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通状態が生じやすい。この点、本実施形態では、排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通が生じる状態であると判定された場合にバイアス異常診断処理の実施を制限する構成としたため、被水に起因するバイアスの一時的な異常を復帰不能な異常として診断するのを回避することができる。

排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通が生じる状態であるか否かの判定を、素子割れ防止対策のためのヒータ通電制限を解除した後に実施する構成としたため、素子割れのおそれが解消されたと判断される程度の少量の水が排ガス側電極層２５に付着したままの状態においてもバイアスの異常診断処理の実施を制限することができる。これにより、被水による排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通が起こり得る状況下での異常診断の実施を好適に制限することができる。また、排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通が生じる状態の発生が解消された場合にバイアス異常診断を速やかに実施できるため、バイアス異常の発生時においてその異常を正確にかつできるだけ速やかに検出することができる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・センサ異常診断（バイアス異常診断）の実施を制限する制限時間を可変に設定し、その設定した制限時間に応じてセンサ異常診断の実施を制限する構成とする。具体的には、排気管１４内の水発生量が、例えばエンジン始動時のエンジン温度や外気温などの種々の条件によって変化することに鑑み、排気管１４内の水発生量に応じて制限時間を可変に設定する。このとき、水発生量が多いほど制限時間を長く設定するとよい。

あるいは、排気管１４内に一旦発生した水が消失するまでに要する時間（水消失所要時間）が、例えばエンジン運転状態や、エンジン温度の上昇速度、外気温、ヒータ２８の投入電力等によって変化することに鑑み、水消失所要時間に応じて制限時間を可変に設定する。このとき、水消失所要時間が長いほど制限時間を長く設定するとよい。

・上記実施形態では、排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通が生じる状態であるか否かの判定を、擬似アース解消条件の成否によって判定する構成としたが、水検知センサ等の水検知手段を排気管１４内に設けておき、その検出結果に基づいて、一対の電極のうち少なくとも一方と該電極について被水により排気管１４側との導通が生じる状態であることを判定してもよい。

・上記実施形態では、センサ素子２１の排ガス側電極層２５と排気管１４側との導通状態が生じる場合について説明したが、大気側電極層２６と排気管１４側との導通状態が生じる場合において、センサ素子２１の正側端子に関するセンサ異常診断の実施を制限する構成としてもよい。例えば固体電解質層２４にひび割れ等が発生した場合、その部位から排気管１４中の凝縮水が浸入することによって大気側電極層２６と排気管１４側とが導通状態になることが考えられる。この場合、センサ素子２１の正側端子が擬似的に接地された状態となり、その結果、センサ素子２１の不活性異常又は正側端子の短絡等の異常ありと診断されるおそれがある。したがって、大気側電極層２６と排気管１４側との導通状態が生じる場合、すなわち擬似アース解消条件が成立するまでの期間、センサ素子２１の正側端子に関する異常診断の実施を制限してもよい。

・上記実施形態では、ガスセンサとしてＯ2センサ２０を適用したが、一対の電極に電圧が印加された状態で排ガス中の酸素濃度に応じた電流を流す広域検出タイプのＡ／Ｆセンサ（Ａ／Ｆ：空燃比）に適用してもよい。例えば断面コップ状のセンサ素子を有する所謂コップ型のＡ／Ｆセンサにおいて、センサ素子は、固体電解質層と、該固体電解質層を挟んで設けられた一対の電極と、固体電解質層の外表面（排気側）の電極を取り囲む多孔質の拡散抵抗層とを有している。また、一対の電極は、固体電解質層の外表面において排ガスと接触する排ガス側電極層と、固体電解質層の内表面において大気と接触する大気側電極層とからなる。この構成のセンサ素子では、その周囲の排ガスが拡散抵抗層を透過して排ガス側電極に達する。そして、固体電解質層に電圧を印加することにより、空燃比リーン時には排気ガス中の酸素濃度に応じた酸素イオン電流が発生し、空燃比リッチ時には未燃ガス濃度に応じた酸素イオン電流が発生する。

この構成のセンサ素子において、例えば拡散抵抗層にひび割れ等が生じた場合、その部位から排気管中の凝縮水が浸入することによって排ガス側電極層と排気管１４側とが導通状態になることが考えられる。この場合、センサ素子の負側端子が擬似的に接地された状態になり、その結果、センサ素子の電圧印加を適正に実施できずセンサ異常ありと診断されることが考えられる。したがって、Ａ／Ｆセンサを本発明に適用した場合にも、上記効果と同様の効果、すなわちガスセンサの異常診断において、復帰可能な異常とそうでない異常とを区別するといった効果を奏すると言える。

・上記実施形態では、コップ型のＯ2センサについて説明したが、固体電解質層や絶縁層を積層してなる積層型のセンサ素子を有するＯ2センサに本発明を適用してもよい。

・上記実施形態では、ガスセンサとしてＯ2センサを適用したが、Ｏ2センサ以外のガスセンサ（例えばＣＯセンサやＮＯｘセンサなど）に適用してもよい。

１０…エンジン、１４…排気管、２０…Ｏ2センサ（ガスセンサ）、２１…センサ素子、２２…ハウジング、２４…固体電解質層、２５…排ガス側電極層（第１電極）、２６…大気側電極層（第２電極）、２８…ヒータ、４０…ＥＣＵ（導通判定手段、診断制限手段、時間設定手段）。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気管に取り付けられ、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を備えるガスセンサに適用され、前記一対の電極からの電気信号に基づいて同ガスセンサの異常診断を実施するガスセンサの異常診断装置において、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方について被水により前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する導通判定手段と、
   前記導通判定手段により前記導通が生じる状態であると判定された場合に前記ガスセンサの出力値に基づくセンサ異常診断の実施を制限する診断制限手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサの異常診断装置。
2. 前記一対の電極は、その一方が排気側に露出された第１電極であり、他方が大気雰囲気の基準室に露出された第２電極であり、
   前記導通判定手段は、前記第１電極と前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する請求項１に記載のガスセンサの異常診断装置。
3. 前記ガスセンサには、前記センサ素子を加熱するヒータが設けられ、
   前記導通判定手段は、前記ヒータの通電制限の解除後において前記電極と前記排気管側との導通が生じる状態であることを判定する請求項１又は２に記載のガスセンサの異常診断装置。
4. 前記診断制限手段により前記センサ異常診断の実施を制限する際の制限時間を可変設定する時間設定手段を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサの異常診断装置。
5. 前記ガスセンサは、排気の酸素濃度に応じて正負の両電極間に起電力を発生するＯ2センサであり、
   前記Ｏ2センサの起電力を検出する起電力検出回路において、前記Ｏ2センサの負側電極にはバイアス電源が接続されており、
   前記Ｏ2センサの正側電極又は負側電極の電圧に基づいて前記異常診断を実施する請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサの異常診断装置。

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