JP3562030B2

JP3562030B2 - 酸素センサの異常診断装置

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Publication number: JP3562030B2
Application number: JP13824495A
Authority: JP
Inventors: 和弘岡崎; 雅之高見; 朝道溝口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-06-05
Filing date: 1995-06-05
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: JPH08327586A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、限界電流方式の酸素センサに適用される異常診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば自動車用エンジンにおいては、排気ガス中の酸素濃度に応じて空燃比をリニアに検出する限界電流方式の酸素センサが採用されている。この限界電流方式の酸素センサは、電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有し、前記自動車用エンジンの空燃比制御システムでは、その時の限界電流値に応じて空燃比が求められる。
【０００３】
また、上記限界電流方式の酸素センサでは、そのセンサ異常を精度良く検出する技術が要望されており、この種の技術として例えば特開平１−２６２４６０号公報では、酸素センサの電圧−電流特性における平坦領域（限界電流域）で印加電圧を徐々に変化させ、その際の限界電流の低下の程度に応じて酸素センサの劣化状況を診断するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報では、例えば断線時等、センサ出力が変化しないような異常発生時にその異常を検出することができない。つまり、上記公報の診断方法では、断線異常時のセンサ出力が「０ｍＡ」のまま変化しない場合に、正常であると誤判定してしまうおそれがあった。
【０００５】
また、センサ出力（限界電流）が「０ｍＡ」であれば、断線異常であると判定することも考えられるが、酸素センサが正常であっても理想空燃比（ストイキ）でセンサ出力（限界電流）が「０ｍＡ」となるため、単にセンサ出力を判定するだけでは確実な異常判定を行うことができなかった。
【０００６】
この発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、限界電流式酸素センサの異常を容易に且つ正確に検出することができる酸素センサの異常診断装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有する酸素センサに適用される異常診断装置であって、前記酸素センサの電圧−電流特性上、酸素濃度に関係なく正の電流又は負の電流が流れる電圧領域の診断用電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段により診断用電圧を印加した際に、前記酸素センサにより検出される電流値が少なくとも「０」を含む所定の電流範囲内にあれば、当該酸素センサが異常である旨を診断する異常診断手段とを備えることを要旨としている。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記異常診断手段は、前記酸素センサにより検出される電流値が「０」の時に断線、素子割れ、導通不良、酸欠のいずれかの異常であるとする。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の発明において、自動車用エンジンの排気管に設けられ、カップ状に形成された酸素濃度検出素子の内側に酸素濃度既知のガスを導くと共に、その外側に排気ガスを導く酸素センサに適用され、前記異常診断手段は、前記電圧印加手段による電圧印加から所定時間が経過した後に前記酸素センサにより検出される電流値が少なくとも「０」を含む所定の電流範囲内にあれば、当該酸素センサが異常である旨を診断する。
【００１０】
【作用】
請求項１に記載の発明によれば、電圧印加手段は、酸素センサの電圧−電流特性上、酸素濃度に関係なく正の電流又は負の電流が流れる電圧領域の診断用電圧を印加する。異常診断手段は、電圧印加手段により診断用電圧を印加した際に、酸素センサにより検出される電流値が少なくとも「０」を含む所定の電流範囲内にあれば、当該酸素センサが異常である旨を診断する。
【００１１】
要するに、酸素センサは、電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有している。この場合、同電圧−電流特性においては、自動車の空燃比制御における理想空燃比であれば限界電流が「０」になる。また、酸素過多域（リーン領域）では限界電流が正の電流に、酸素過小域（リッチ領域）では限界電流が負の電流になる。一方、酸素センサが正常であれば、酸素濃度に関係なく正の電流又は負の電流が流れる電圧領域が存在し、同電圧領域では理想空燃比であっても正又は負の電流が流れる。
【００１２】
従って、上記電圧領域で診断用電圧を設定し、その電圧印加に伴うセンサ電流により異常診断を実施することにより、容易に且つ正確に異常診断が実施できる。このとき、センサ電流が「０」を含む所定範囲内にあれば、その時の酸素濃度に関係なく異常の旨が断定できるため、他のソフトウエア処理等を必要とすることなく、簡単な処理で異常診断が実現される。つまり、センサ電流がほぼ「０」の場合には、それが酸素濃度状態によるものか、異常によるものかを判別する処理が必要になるが、上記構成ではこれを必要としない。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、異常診断手段は、酸素センサにより検出される電流値が「０」の時に断線、素子割れ、導通不良、酸欠のいずれかの異常であるとする。つまり、上述の電圧領域ではセンサ電流が流れるはずであるため、センサ電流＝０であれば、異常であると特定できる。
【００１４】
なお、センサ電流＝０となる異常としては、素子割れも考えられる。即ち、この種の限界電流式酸素センサは、濃淡電池形で構成されているため、素子（固体電解質からなる酸素濃度検出素子）が割れてしまうと、素子内外が連通し、ガスの濃度差がなくなる。よって、センサ電流が「０」になる。そこで、本明細書では、断線異常とは、センサ電流が「０」になる異常のことを広義に意味し、素子割れ異常をも含むものとする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、異常診断手段は、電圧印加手段による電圧印加から所定時間が経過した後に、酸素センサにより検出される電流値が少なくとも「０」を含む所定の電流範囲内にあれば、当該酸素センサが異常である旨を診断する。つまり、酸素濃度検出素子（例えば、ジルコニア等の固体電解質）をカップ状に形成し、その内側に酸素濃度既知のガス（例えば、大気）を導くと共に、その外側に排気ガス中に導くようにした酸素センサでは、酸素濃度検出素子の内外の酸素イオン伝導性を利用して限界電流を検出する。ところが、酸素濃度検出素子の内側（大気室）に通じる通路が塞がると、同室内の酸素が欠乏し、正常な酸素濃度の検出動作が確保できなくなる。この場合、酸素過小域（リッチ領域）でのセンサ電流が流れなくなるが、酸素濃度検出素子の内側（大気室）に残留する酸素により瞬間的にはセンサ電流が流れる。従って、電圧印加後、所定時間経ってから異常診断を行うことで、上記如く時差的に異常の症状が現れる場合にも対処でき、正確な異常診断が可能となる。
【００１６】
【実施例】
（第１実施例）
以下、この発明を自動車用内燃機関の空燃比制御装置にて具体化した第１実施例を図面に従って説明する。
【００１７】
図１は、本実施例における内燃機関の空燃比制御装置の概要を示す構成図である。図１において、４気筒火花点火式ガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）１には吸気管２と排気管３とが接続されている。吸気管２の途中にはサージタンク４が設けられ、同サージタンク４の上流側には、図示しないアクセルペダルの踏み込み操作に連動するスロットルバルブ５が配設されている。また、エンジン１における各気筒毎の吸気管（吸気ポート）２には、各気筒の燃焼室７に燃料（ガソリン）を噴射供給するためのインジェクタ６が配設されている。
【００１８】
各気筒の燃焼室７には点火プラグ８が配設されている。イグナイタ１０ではバッテリ１１の電圧から高電圧が生成され、その高電圧がディストリビュータ１２により各点火プラグ８に分配される。ディストリビュータ１２には、エンジン１のクランク軸の回転に伴い所定のクランク角毎（例えば、３０°ＣＡ毎）にクランク角信号を発生するクランク角センサ２１が配設されている。また、サージタンク４には吸気管内圧力センサ２２が設けられ、同センサ２２により吸気管内圧力（吸気負圧）が検出される。エンジン１のシリンダブロックにはエンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ２３が設けられている。
【００１９】
また、エンジン１の排気管３には限界電流式の酸素センサ２６が設けられており、この酸素センサ２６は排気ガス中の酸素濃度に比例してリニアな検出信号を出力する。なお、酸素センサ２６の下流には図示しない触媒コンバータが配設されており、同コンバータにて排気ガスが浄化されるようになっている。
【００２０】
上記各センサの検出信号は電子制御装置（以下、ＥＣＵという）４０に入力される。ＥＣＵ４０は、バッテリ１１を電源として動作し、イグニションスイッチ２８のオン信号によりエンジン１を始動させると共に、エンジン運転中は酸素センサ２６の出力信号に基づいて空燃比補正係数を増減補正することで空燃比を目標空燃比（例えば、理論空燃比）近傍にフィードバック制御する。また、ＥＣＵ４０は後述するセンサ異常診断処理を実行して酸素センサ２６の異常の有無を診断し、異常時には警告灯２９を点灯して運転者に異常発生の旨を警告する。
【００２１】
図３は、酸素センサ２６の概略断面、及び酸素センサ２６の電圧−電流特性を示す図である。図３（ａ）において、酸素センサ２６は排気管３の内部に向けて突設されており、同センサ２６はカバー３１、センサ本体３２及びヒータ３３に大別される。カバー３１は断面コ字状をなし、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔３１ａが形成されている。センサ本体３２は空燃比リーン領域における酸素濃度、若しくは空燃比リッチ領域における一酸化炭素（ＣＯ）等の可燃ガス濃度に対応する限界電流を発生する。
【００２２】
センサ本体３２の構成について詳述する。センサ本体３２において、断面カップ状に形成された固体電解質３４の外表面には、排気ガス側電極層３６が固着され、内表面には大気側電極層３７が固着されている。また、排気ガス側電極層３６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体電解質３４は、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＴｈＯ２、Ｂｉ２Ｏ３等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３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り、拡散抵抗層３５は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。排気ガス側電極層３６及び大気側電極層３７は共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、固体電解質３４の表面に多孔質の化学メッキ等にて形成されている。なお、排気ガス側電極層３６の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ^２及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一方、大気側電極層３７の面積及び厚さは、１０ｍｍ^２以上及び０．５〜２．０μｍ程度となっている。固体電解質３４は、酸素濃度検出素子に相当する。
【００２３】
ヒータ３３は大気側電極層３７内の大気室３８に収容されており、その発熱エネルギーによりセンサ本体３２（大気側電極層３７、固体電解質３４、排気ガス側電極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３は、センサ本体３２を活性化するに十分な発熱容量を有している。
【００２４】
また、酸素センサ２６の一部は排気管３外部に露出しており、その露出部にはキャップ３９が取り付けられている。キャップ３９には、大気室３８に大気を導入するための大気導入孔３９ａが形成されている。
【００２５】
上記構成の酸素センサ２６において、センサ本体３２は理論空燃比点にて濃淡起電力を発生し、理論空燃比点よりリーン領域の酸素濃度（固体電解質３４内の酸素イオンの流れ）に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排気ガス側電極層３６の面積、拡散抵抗層３５の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、センサ本体３２は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体３２を活性化するのに約６５０℃以上の高温が必要とされると共に、同センサ本体３２の活性温度範囲が狭いため、エンジン１の排気ガスのみによる加熱では活性領域を制御できない。そのため、ヒータ３３の加熱制御によりセンサ本体３２の温度制御が実施される。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ本体３２はＣＯ濃度に応じた限界電流を発生する。
【００２６】
また、図３（ｂ）に示すように、酸素センサ２６の電圧−電流特性は、当該酸素センサ２６の検出酸素濃度（空燃比）に比例するセンサ本体３２の固体電解質３４への流入電流と、同固体電解質３４への印加電圧との関係が直線的であることを示す。そして、センサ本体３２が活性状態にあるとき、図示の特性線Ｌ１でもって安定した状態を示す。かかる場合、特性線Ｌ１の電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体３２の限界電流を特定する。この限界電流の増減は空燃比の増減（即ち、リーン・リッチ）に対応しており、空燃比がリーン側になるほど限界電流は増大し、空燃比がリッチ側になるほど限界電流は減少する。
【００２７】
また、この電圧−電流特性において電圧軸Ｖに平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配域となっており、その抵抗支配域における特性線Ｌ１の傾きは、センサ本体３２における固体電解質３４の内部抵抗により特定される。この内部抵抗は温度変化に伴い変化するため、センサ本体３２の温度が低下すると内部抵抗の増大により上記傾きが小さくなる。なお、同図において、空燃比が理想空燃比（ストイキ）である場合には、センサ電流（限界電流）が「０」となる。抵抗支配域における特性線Ｌ１は、酸素センサ２６の起電力により僅かに正電圧側にずれている。
【００２８】
そして、特性線Ｌ１において、センサ本体３２の固体電解質３４に印加電圧Ｖａを印加すれば、その時の空燃比に対応した限界電流値Ｉａが検出されることになる。この場合、エンジン１が空燃比のリーン領域のみを使用する、いわゆる”リーンバーンエンジン”であれば、限界電流は常に正の電流値となる。また、上記リーンバーンエンジンでは、センサ本体３２の固体電解質３４に負の印加電圧Ｖｎを印加することにより、センサ本体３２に流れる電流が酸素濃度に依存せず温度のみに比例する負のセンサ電流Ｉｎが検出される。但し、リッチ領域の空燃比を検出する場合には、負側（又は正側）の印加電圧を印加することにより、そのリッチ空燃比に応じた負の限界電流が検出されることになる。
【００２９】
一方、図３（ｂ）において、電圧Ｖ１は理想空燃比（ほぼ１４．７）における限界電流域（Ｖ軸に一致した平坦域）の下限よりも小さな電圧であり、その電圧Ｖ１以下の電圧領域（図のＡ１で示す領域）は、いかなる空燃比であってもセンサ電流が負の電流値となる領域に相当する。また、電圧Ｖ２は理想空燃比における限界電流域の上限よりも大きな電圧であり、その電圧Ｖ２以上の電圧領域（図のＡ２で示す領域）は、いかなる空燃比であってもセンサ電流が正の電流値となる領域に相当する。
【００３０】
図２は、ＥＣＵ４０の電気的構成を示す図である（但し、酸素センサ２６のキャップ３９を省略して示す）。図２において、センサ本体３２の排気ガス側電極層３６には、バイアス制御回路４１が接続され、同バイアス制御回路４１にはセンサ電流検出回路４５を介してセンサ本体３２の大気側電極層３７が接続されている。バイアス制御回路４１は正バイアス用直流電源４２、負バイアス用直流電源４３及び切り換えスイッチ回路４４によって構成されている。正バイアス用直流電源４２の負側電極及び負バイアス用直流電源４３の正側電極は共に排気ガス側電極層３６に接続されている。
【００３１】
切り換えスイッチ回路４４は、第１切り換え状態にて正バイアス用直流電源４２の正側電極のみをセンサ電流検出回路４５に接続すると共に、第２切り換え状態にて負バイアス用直流電源４３の負側電極のみをセンサ電流検出回路４５に接続する。つまり、切り換えスイッチ回路４４が第１切り換え状態にある場合、正バイアス用直流電源４２がセンサ本体３２の固体電解質３４を正バイアスし、同固体電解質３４には正方向の電流が流れる。一方、切り換えスイッチ回路４４が第２切り換え状態にある場合、負バイアス用直流電源４３が固体電解質３４を負バイアスし、同固体電解質３４には負方向の電流が流れる。
【００３２】
センサ電流検出回路４５は、センサ本体３２の大気側電極層３７から切り換えスイッチ回路４４へ流れる電流又はその逆方向へ流れる電流、つまり、固体電解質３４を流れる電流を検出する。また、ヒータ制御回路４６は、酸素センサ２６の素子温やヒータ温度に応じてバッテリ電源ＶＢからヒータ３３に供給される電力をデューティ制御し、ヒータ３３の加熱制御を行う。ヒータ３３に流れる電流は電流検出抵抗５０により検出される。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器４７は、センサ電流、ヒータ電流、及びヒータ３３の印加電圧をデジタル信号に変換してマイクロコンピュータ４８に出力する。マイクロコンピュータ４８は、各種演算処理を実行するＣＰＵ４８ａやＲＯＭ，ＲＡＭからなるメモリ４８ｂ等により構成され、所定のコンピュータプログラムに従いバイアス制御回路４１及びヒータ制御回路４６を制御する。エンジン制御部４９は、エンジン情報としての前記各種センサ信号を入力し、吸気温、吸気負圧、冷却水温、エンジン回転数、車速等を検知する。そして、これらのエンジン情報に基づきインジェクタ６による燃料噴射を制御する。また、マイクロコンピュータ４８からの異常判定信号に従い警告灯を点灯表示させる。なお、本実施例では、マイクロコンピュータ４８内のＣＰＵ４８ａにより電圧印加手段及び異常診断手段が構成されている。
【００３４】
次に、本実施例における空燃比検出処理及び異常診断処理の内容につい説明する。なお、図４は、酸素センサ２６の各種の異常形態を示す図である。図５は、ＥＣＵ４０内のＣＰＵ４８ａにより実行され、空燃比検出及び酸素センサ２６の異常診断を行う空燃比検出ルーチンを示すフローチャートである。
【００３５】
先ず、図４（ａ）〜（ｃ）を用いて酸素センサ２６の異常形態を説明する。なお、図４の特性線Ｌ２は異常時の電圧−電流特性を示す。つまり、図４（ａ）は、センサ電流が全く流れない異常（ｉ＝０）を示す。具体的には、酸素センサ２６の素子割れやワイヤハーネス等の断線時には上記異常が発生する。
【００３６】
また、図４（ｂ）は、僅かにセンサ電流が流れるものの、その電流値が微小である異常を示す。具体的には、酸素センサ２６を電気的に接続するコネクタの導通不良が発生した時に上記異常が発生する。即ち、例えばコネクタが外れかかったり、コネクタの導通部に錆が発生したりした場合には、コネクタの導通抵抗が約１００〜２００ｋΩに増大し（通常は１Ω程度）、上記事態を招く。
【００３７】
さらに、図４（ｃ）は、負の電圧印加時にのみ電流が微小になる異常を示す。具体的には、例えば酸素センサ２６に取り付けられたキャップ３９の大気導入孔３９ａ（図３参照）がゴミや油等で塞がってしまった場合、同センサ２６の大気室３８へ大気が導入できなくなり、同大気室３８内の酸素が欠乏する（酸欠状態となる）。この場合、酸素センサ２６の固体電解質３４での酸素イオン伝導が妨げられ、負の電流が減少して上記異常を招く。
【００３８】
次いで、図５の空燃比検出ルーチンを説明する。さて、イグニションスイッチ２８のオン操作に伴うＥＣＵ４０への電源投入に伴い図５のルーチンが開始され、ＣＰＵ４８ａは、先ずステップ１０１で前回の異常診断から所定時間（例えば、１〜数秒程度）が経過したか否かを判別する。このとき、ステップ１０１が否定判別されれば、ＣＰＵ４８ａはステップ１０２に進み、それ以降の空燃比検出処理（ステップ１０２〜１０４）を実施する。また、ステップ１０１が肯定判別されれば、ＣＰＵ４８ａはステップ１０５に進み、それ以降の異常診断処理（ステップ１０５〜１１０）を実施する。
【００３９】
詳しくは、ステップ１０１が否定判別された場合、ＣＰＵ４８ａはステップ１０２で空燃比を検出するための印加電圧Ｖａ（図３参照）を設定し、その電圧Ｖａを酸素センサ２６に印加する。この場合、印加電圧Ｖａは固定値であっても可変値であってもよい。印加電圧Ｖａを可変値とする場合、例えば図６に示す印加電圧設定線Ｌ３を用い、その設定線Ｌ３上でその時の限界電流値Ｉａ（空燃比）に応じた印加電圧Ｖａを設定する（Ｖａ＝Ｚ・Ｉａ＋Ｖｅ）。但し、設定線Ｌ３の傾きＺは素子の内部抵抗にほぼ一致し、Ｖ軸との切片Ｖｅは理想空燃比（Ｉａ＝０ｍＡ）での限界電流域のほぼ中間点に相当する。
【００４０】
そして、Ｖａ印加後、ＣＰＵ４８ａは、ステップ１０３で図２のセンサ電流検出回路４５により検出された限界電流値Ｉａを検知し、続くステップ１０４で図７の限界電流−空燃比マップを用いてその時の限界電流値Ｉａに対応する空燃比を求める。この空燃比の検出結果は、マイクロコンピュータ４８からエンジン制御部４９に送られ、エンジン制御部４９はその時の空燃比に応じた空燃比フィードバック制御を実行する。以後、ステップ１０１が肯定判別されるまで、ＣＰＵ４８ａはステップ１０１〜１０４を繰り返し実行する。
【００４１】
一方、ステップ１０１が肯定判別されると、ＣＰＵ４８ａはステップ１０５に進み、診断用電圧としての負の印加電圧Ｖｎを印加する。ここで「Ｖｎ」は、図３に示す電圧−電流特性上、必ず負のセンサ電流Ｉｎが流れるような電圧値（Ｖｎ＜Ｖ１）であり、本実施例ではＶｎ＝−０．２〔ボルト〕に設定されている。
【００４２】
そして、Ｖｎ印加後、ＣＰＵ４８ａは、ステップ１０６で図２のセンサ電流検出回路４５により検出された負のセンサ電流Ｉｎを検知し、続くステップ１０７で当該負のセンサ電流Ｉｎが所定の異常判定値Ｉｎｃ（本実施例では、−５ｍＡ）よりも小さい値であるか否かを判別する。このとき、例えば前述の図４（ａ），（ｂ）に示す形態の異常（断線異常等）が発生していればＩｎ≒０〔ｍＡ〕となり、ステップ１０７が否定判別される（Ｉｎ≧Ｉｎｃ）。即ち、負のセンサ電流Ｉｎは少なくとも「０」を含む所定範囲内の電流値となる。かかる場合、ＣＰＵ４８ａはステップ１１０に進み、異常判定信号をエンジン制御部４９に対して出力する。このとき、Ｉｎ＝０〔ｍＡ〕であるなら、断線又は素子割れがあるものとしてそれを特定する情報を出力してもよい。エンジン制御部４９は、ＣＰＵ４８ａからの異常判定信号を受けて警告灯２９を点灯表示させると共に、空燃比フィードバック制御を中断する。
【００４３】
また、ステップ１０７が肯定判別された場合（Ｉｎ＜Ｉｎｃ）、ＣＰＵ４８ａはステップ１０８に進み、所定時間Ｔａ（本実施例では、１００ｍｓ）だけ待機する。そして、所定時間Ｔａの待機後、ＣＰＵ４８ａはステップ１０９で再びその時の負のセンサ電流Ｉｎが所定の異常判定値Ｉｎｃ（−５ｍＡ）よりも小さい値であるか否かを判別する。この場合、酸素センサ２６が正常であれば負のセンサ電流は異常判定値Ｉｎｃよりも小さく（Ｉｎ＜Ｉｎｃ）、ＣＰＵ４８ａはステップ１０９を肯定判別してステップ１０１に戻る。その後、ＣＰＵ４８ａは、再びステップ１０２〜１０４で空燃比検出を実施する。
【００４４】
また、ステップ１０９において酸素センサ２６が異常であればＩｎ≧Ｉｎｃとなり、ＣＰＵ４８ａはステップ１０９を否定判別してステップ１１０に進む。つまり、例えば前述の図４（ｃ）に示す形態の異常（酸欠異常）が発生した場合には、図８に示すように、負の印加電圧Ｖｎが印加された直後に大気室３８内に残留している酸素により瞬間的に負の電流が流れるものの、所定時間Ｔａの待機中にその酸素がなくなると、酸素センサ２６の固体電解質３４での酸素イオン伝導が妨げられ、負のセンサ電流が殆ど流れなくなる。なお、図８の実線は正常時の動作を示す。そのため、上記の酸欠異常時には、ステップ１０７で正常判定された後、ステップ１０９で異常判定される。
【００４５】
以上詳述したように本実施例によれば、酸素センサ２６の電圧−電流特性上、必ず負の電流が流れる電圧領域で診断用電圧（Ｖｎ）を設定し、その電圧印加に伴うセンサ電流Ｉｎにより異常診断を実施したため、容易に且つ正確な異常診断が実現できる。
【００４６】
このとき、限界電流式酸素センサに関する従来の開示技術は、主に限界電流域（電圧−電流特性の平坦領域）に着目したものであったため、酸素センサの断線異常を特定することが困難であったが、本実施例では限界電流域から外れた領域（実際には、限界電流域の下限，上限±０．１Ｖ程度）に着目することで断線異常を特定することができる。このとき、コネクタの導通不良等、微小電流しか流れない異常も検出できる。
【００４７】
また、負のセンサ電流Ｉｎが「０」を含む所定範囲内にあれば、その時の空燃比に関係なく異常の旨が断定できるため、ＣＰＵ４８ａによる他の確認処理を必要とすることない。つまり、異常診断時の印加電圧を特定せずにセンサ電流で異常診断する場合、仮にセンサ電流＝０〔ｍＡ〕となると、それが実際に理想空燃比であることによるものか、断線異常によるものかを判別する処理が必要になるが、上記構成では上記処理を行わなくとも断線異常であると特定できる。その結果、ＣＰＵ４８ａ（又はエンジン制御部４９）による演算負荷増大を招くことなく正確な異常診断を行うことができる。
【００４８】
また、本実施例の特徴として、診断用電圧（Ｖｎ）の印加直後に負のセンサ電流Ｉｎによる異常診断を行うと共に、所定時間Ｔａの待機後に再度負のセンサ電流Ｉｎによる異常診断を行うようにしたため、酸素センサ２６の酸欠異常等、時差的に異常の症状が現れる場合にも対処できる。
【００４９】
（第２実施例）
以下、第２実施例について第１実施例との相違点のみを説明する。図９は第２実施例における空燃比検出ルーチンを示すフローチャートである。
【００５０】
図９において、ステップ２０１〜２０４は、図５のステップ１０１〜１０４の処理と同じであり、通常時はステップ２０１が否定判別されて空燃比検出処理が実施される。また、所定の診断周期（１〜数秒）で異常診断処理（ステップ２０５〜２０８）が実施される。このとき、ＣＰＵ４８ａは、ステップ２０５で診断用電圧としての正の印加電圧Ｖｐを印加する。ここで「Ｖｐ」は、図１０に示す電圧−電流特性上、いかなる空燃比であっても必ず正のセンサ電流Ｉｐが流れるような電圧値（Ｖｐ＞Ｖ２）であり（図１０のＡ２領域の電圧値）、本実施例ではＶｐ＝１．０〔ボルト〕に設定されている。
【００５１】
そして、Ｖｐ印加後、ＣＰＵ４８ａは、ステップ２０６で正のセンサ電流Ｉｐを検出し、続くステップ２０７で当該正のセンサ電流Ｉｐが所定の異常判定値Ｉｐｃ（本実施例では、１ｍＡ）よりも大きい値であるか否かを判別する。このとき、酸素センサ２６が正常であれば正のセンサ電流Ｉｐが異常判定値Ｉｐｃよりも大きな値となり（Ｉｐ＞Ｉｐｃ）、ＣＰＵ４８ａはステップ２０７を肯定判別してステップ２０１に戻る。
【００５２】
また、例えば前述の図４（ａ），（ｂ）に示す形態の異常（断線異常等）が発生していればＩｐ≒０〔ｍＡ〕となり、ステップ２０７が否定判別される（Ｉｐ≦Ｉｐｃ）。かかる場合、ＣＰＵ４８ａはステップ２０８に進み、異常判定信号をエンジン制御部４９に対して出力する。エンジン制御部４９は、ＣＰＵ４８ａからの異常判定信号を受けて警告灯２９を点灯表示させると共に、空燃比制御を中断する。
【００５３】
以上第２実施例では、診断用電圧として正の印加電圧Ｖｐを用いて異常診断を行ったが、電圧−電流特性上、いかなる空燃比でもセンサ電流が正の電流値となるような診断用電圧を用いることにより、上記第１実施例と同様に、容易且つ正確に異常診断を行うことができる。
【００５４】
なお、本発明は上記実施例の他に、次の様態にて具体化することができる。
上記第１実施例では、図５のフローで診断用電圧としての負の印加電圧Ｖｎを「−０．２ボルト」としたが、勿論これを変更してもよい。この場合、変更しうる範囲は、図３（ｂ）のＡ１領域内の電圧であればよい。
【００５５】
また、上記第２実施例では、図９のフローで診断用電圧としての正の印加電圧Ｖｎを「１．０ボルト」としたが、勿論これを変更してもよい。この場合、変更しうる範囲は、図３（ｂ）のＡ２領域内の電圧であればよい。
【００５６】
また、上述した図３（ｂ）の酸素センサ２６の電圧−電流特性においては、抵抗支配域における特性線Ｌ１の傾きが素子の内部抵抗値に相当する。従って、この内部抵抗値から抵抗支配域の直線のＶ軸との切片（Ｖ１）を求め、この「Ｖ１」を求めた上で、特性上、必ず負のセンサ電流Ｉｎが流れる負の印加電圧Ｖｎを設定するようにしてもよい（Ｖｎ＜Ｖ１）。
【００５７】
さらに、上記実施例では、異常診断時において、負の電流を判定する際には負のセンサ電流Ｉｎが−５ｍＡよりも上か否かを判別し、正の電流を判定する際には正のセンサ電流Ｉｐが１ｍＡよりも下か否かを判別したが、いずれも場合にも単にセンサ電流が「０」か否かを判別するように変更してもよい。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、限界電流式酸素センサの異常を容易に且つ正確に検出することができるという優れた効果を発揮する。
【００５９】
請求項２に記載の発明によれば、酸素センサの異常を特定することができる。請求項３に記載の発明によれば、診断用電圧を印加したタイミングに対して時差的にその症状が現れる異常をも検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における空燃比制御装置の概略を示す全体構成図。
【図２】ＥＣＵ内の電気的構成を示す図。
【図３】酸素センサの断面構成、及び同センサの電圧−電流特性を示す図。
【図４】酸素センサの異常形態を示す図。
【図５】空燃比検出ルーチンを示すフローチャート。
【図６】電圧−電流特性に印加電圧設定線を付記した図。
【図７】限界電流−空燃比の関係を示すマップ。
【図８】印加電圧とセンサ電流の波形を示すタイムチャート。
【図９】第２実施例における空燃比検出ルーチンを示すフローチャート。
【図１０】電圧−電流特性を示す図。
【符号の説明】
１…エンジン、３…排気管、２６…酸素センサ、３４…酸素濃度検出素子としての固体電解質、４８ａ…電圧印加手段，異常診断手段としてのＣＰＵ。

Claims

電圧印加時に酸素濃度に対応したほぼ一定の限界電流を出力する電圧−電流特性を有する酸素センサに適用される異常診断装置であって、
前記酸素センサの電圧−電流特性上、酸素濃度に関係なく正の電流又は負の電流が流れる電圧領域の診断用電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段により診断用電圧を印加した際に、前記酸素センサにより検出される電流値が少なくとも「０」を含む所定の電流範囲内にあれば、当該酸素センサが異常である旨を診断する異常診断手段と
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
前記異常診断手段は、前記酸素センサにより検出される電流値が「０」の時に断線、素子割れ、導通不良、酸欠のいずれかの異常であるとする請求項１に記載の酸素センサの異常診断装置。
自動車用エンジンの排気管に設けられ、カップ状に形成された酸素濃度検出素子の内側に酸素濃度既知のガスを導くと共に、その外側に排気ガスを導く酸素センサに適用され、
前記異常診断手段は、前記電圧印加手段による電圧印加から所定時間が経過した後に前記酸素センサにより検出される電流値が少なくとも「０」を含む所定の電流範囲内にあれば、当該酸素センサが異常である旨を診断する請求項１又は２に記載の酸素センサの異常診断装置。