CN111157600A - 气体传感器的故障检测装置、气体传感器的故障检测方法 - Google Patents

气体传感器的故障检测装置、气体传感器的故障检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111157600A
CN111157600A CN201911049372.2A CN201911049372A CN111157600A CN 111157600 A CN111157600 A CN 111157600A CN 201911049372 A CN201911049372 A CN 201911049372A CN 111157600 A CN111157600 A CN 111157600A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
exhaust gas
gas sensor
voltage
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911049372.2A
Other languages
English (en)
Inventor
青木圭一郎
高冈一哉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN111157600A publication Critical patent/CN111157600A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1493—Details
    • F02D41/1495—Detection of abnormalities in the air/fuel ratio feedback system
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4175—Calibrating or checking the analyser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/22—Safety or indicating devices for abnormal conditions
    • F02D41/222—Safety or indicating devices for abnormal conditions relating to the failure of sensors or parameter detection devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N11/00—Monitoring or diagnostic devices for exhaust-gas treatment apparatus, e.g. for catalytic activity
    • F01N11/007—Monitoring or diagnostic devices for exhaust-gas treatment apparatus, e.g. for catalytic activity the diagnostic devices measuring oxygen or air concentration downstream of the exhaust apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
    • F02D41/0235—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/0295—Control according to the amount of oxygen that is stored on the exhaust gas treating apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1439—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor
    • F02D41/1441—Plural sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • F02D41/187—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow using a hot wire flow sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/22—Safety or indicating devices for abnormal conditions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/045—Circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/409—Oxygen concentration cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/282—Testing of electronic circuits specially adapted for particular applications not provided for elsewhere
    • G01R31/2829—Testing of circuits in sensor or actuator systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/023—Temperature of lubricating oil or working fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0404—Throttle position
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/08—Exhaust gas treatment apparatus parameters
    • F02D2200/0814—Oxygen storage amount

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

提供气体传感器的故障检测装置和气体传感器的故障检测方法。气体传感器的故障检测装置具备如以下这样构成的电子控制单元：进行控制以将预定电压向一对电极间施加，所述预定电压是比所述气体传感器未发生故障的情况下的界限电流域靠低电压侧的电压且是正的电压；在所述预定电压施加于所述一对电极间时，取得在所述一对电极间流动的电流即判定用电流；基于所述取得的所述判定用电流来判定所述气体传感器的故障。

Description

气体传感器的故障检测装置、气体传感器的故障检测方法
技术领域
本发明涉及气体传感器的故障检测装置及气体传感器的故障检测方法。
背景技术
近年来，检测被检测气体中包含的氧、氧化物(例如，水蒸气、氮氧化物、硫氧化物等)的浓度的界限电流式的气体传感器得到了普及。该界限电流式的气体传感器具备传感器元件，该传感器元件包括具有氧化物离子传导性的固体电解质、安装于固体电解质的一对电极、以及对被检测气体进行扩散限速并向一对电极的一方引导的扩散限速部。这样的界限电流式的气体传感器有时作为检测内燃机的排气中包含的氧浓度的氧浓度传感器来使用。
在此，在日本特开2004-019542中，作为检测配置于内燃机的排气通路中的比排气净化催化剂靠下游处的氧浓度传感器的故障的技术，公开了如下技术：在比排气净化催化剂靠上游处配置空燃比传感器，通过对在氧浓度传感器的检测信号表示浓的氧浓度且空燃比传感器的检测信号表示稀的空燃比的期间中向排气净化催化剂流入的氧量进行累计来推定排气净化催化剂的氧吸藏能力，若推定出的氧吸藏能力超过了预定的阈值，则判定为氧浓度传感器发生了故障。
发明内容
在如上所述的技术中，存在“若不是被检测气体中包含的预定成分的浓度为特定的浓度时，则无法检测氧浓度传感器的故障”这一制约。
本发明提供一种在用于检测被检测气体中包含的预定成分的浓度的界限电流式气体传感器的故障检测装置中无论被检测气体中包含的预定成分的浓度如何都能够检测气体传感器的故障的技术。
本发明提供一种着眼于“在将是比界限电流域靠低压侧的电压且是正的电压的预定电压施加于界限电流式气体传感器的一对电极间时，在这些电极间流动的电流在气体传感器发生了故障的情况和未发生故障的情况下呈现显著的差”来检测气体传感器的故障的技术。
本发明的第一方案涉及气体传感器的故障检测装置。所述气体传感器具备传感器元件，该传感器元件包括具有氧化物离子传导性的固体电解质、安装于所述固体电解质的一对电极、以及对被检测气体进行扩散限速并向所述一对电极的一方引导的扩散限速部，所述气体传感器是构成为检测被检测气体中包含的预定成分的浓度的界限电流式气体传感器。所述故障检测装置具备如以下这样构成的电子控制单元：进行控制以将预定电压向所述一对电极间施加，所述预定电压是比所述气体传感器未发生故障的情况下的界限电流域靠低电压侧的电压且是正的电压；在所述预定电压被施加于所述一对电极间时，取得在所述一对电极间流动的电流即判定用电流；基于所述取得的所述判定用电流来判定所述气体传感器的故障。
在此所说的“界限电流域”是指在向一对电极间施加的电压(以下，有时记为“施加电压”)与在这些电极间流动的电流(以下，有时记为“电极电流”)之间显现界限电流特性的施加电压的范围。另外，在此所说的“基于判定用电流来判定气体传感器的故障”，不限定于通过将判定用电流与判定用的阈值进行比较来检测气体传感器的故障的方案，也可以是根据判定用电流来运算一对电极间的电阻值并通过将该电阻值与判定用的阈值进行比较来检测气体传感器的故障的方案。
在界限电流式的气体传感器未发生故障的状态下，若界限电流域的电压向一对电极间施加，则与被检测气体中包含的预定成分的浓度成比例的大小的电流(界限电流)在这些电极间流动。界限电流域的电压施加于一对电极间时的电极电流难以在气体传感器发生了故障的情况和未发生故障的情况下产生显著的差。相对于此，比界限电流域靠低压侧的电压且正的电压(预定电压)施加于一对电极间时的电极电流(判定用电流)容易在气体传感器发生了故障的情况和未发生故障的情况下产生显著的差。而且，这样的差无论被检测气体中包含的预定成分的浓度如何都会显现。由此，根据上述方案的故障检测装置，通过基于判定用电流进行气体传感器的故障检测，无论被检测气体中包含的预定成分的浓度如何，都能够检测气体传感器的故障。
在上述方案中，所述气体传感器可以配置于内燃机的排气通路，构成为检测作为所述被检测气体的排气中包含的作为所述预定成分的氧的浓度。所述电子控制单元可以构成为基于故障特性来判定所述气体传感器的故障，所述故障特性是在所述气体传感器发生了故障的情况下与未发生故障的情况相比所述判定用电流变大的特性。由此，能够检测显现上述故障特性的故障。
此外，上述故障特性例如在发生了作为被检测气体的排气不仅与一对电极中的一方的电极接触也与另一方的电极接触这样的故障的情况下容易显现。在上述方案中，所述一对电极中的一方的电极可以以面对被导入大气的基准气体室的方式配置，所述一对电极中的另一方的电极可以以暴露于经由所述扩散限速部而导入的作为所述被检测气体的排气的方式配置。所述电子控制单元可以构成为，将在故障的发生时显现所述故障特性的电压作为所述预定电压而向所述一对电极间施加。所述故障是排气向所述基准气体室进入的故障。
由此，能够更可靠地检测排气向基准气体室进入的故障。
在上述方案中，所述预定电压可以是在排气的空燃比为比理论空燃比稀的稀空燃比时在排气未向所述基准气体室进入的情况和排气进入到所述基准气体室的情况下所述判定用电流的正负相反的电压。在上述方案中，所述预定电压可以是0.1伏特。根据上述方案，在发生了排气向基准气体室进入的故障的情况下，上述故障特性更可靠地显现，因此能够提高故障检测精度。
在上述方案中，所述电子控制单元可以构成为，在所述取得的所述判定用电流比预定的阈值大时，判定为所述气体传感器发生了故障。在上述方案中，所述电子控制单元可以构成为，基于所述取得的所述判定用电流和所述预定电压来运算所述一对电极间的电阻值。所述电子控制单元可以构成为，在所述运算出的电阻值比预定的上限值大的情况或所述运算出的电阻值比预定的下限值小的情况下判定为所述气体传感器发生了故障。
在上述方案中，所述气体传感器可以还具备用于加热所述传感器元件的加热器。所述电子控制单元可以构成为，在将所述预定电压向所述一对电极间施加的情况下，以使所述传感器元件的温度上升为比所述传感器元件的活性温度高的预定温度以上的方式控制所述加热器。在此所说的“传感器元件的活性温度”是显现固体电解质的氧离子传导性的温度。
在此，在传感器元件的温度成为活性温度以上的状态下，在向一对电极间施加预定电压时的传感器元件的温度高时与低时相比，排气未向基准气体室进入的情况下的判定用电流进一步变小，并且排气进入到基准气体室的情况下的判定用电流进一步变大。也就是说，在传感器元件的温度成为活性温度以上的状态下，在预定电压向一对电极间施加时的传感器元件的温度高时与低时相比，排气未向基准气体室进入的情况和排气进入到基准气体室的情况下的判定用电流之差进一步变大。由此，若以使预定电压向一对电极间施加时的传感器元件的温度成为预定温度以上的方式控制加热器，则能够提高故障检测精度。
上述的预定温度例如可以在750℃～850℃的范围内设定。气体传感器的传感器元件大概在600℃前后变得活性，但若使传感器元件升温至比这高的750℃～850℃，则一对电极间的电阻值大幅下降，从而排气未向基准气体室进入的情况和排气进入到基准气体室的情况下的判定用电流之差更显著地变大。其结果，能够更可靠地提高故障检测精度。此外，在利用加热器来加热传感器元件的情况下，以使传感器元件的温度不超过900℃的方式控制加热器。这是因为，若传感器元件的温度超过900℃，则气体传感器的测定精度下降，气体传感器发生热劣化。
本发明的第二方案涉及气体传感器的故障检测方法。所述气体传感器具备传感器元件，该传感器元件包括具有氧化物离子传导性的固体电解质、安装于所述固体电解质的一对电极、以及对被检测气体进行扩散限速并向所述一对电极的一方引导的扩散限速部，所述气体传感器是构成为检测被检测气体中包含的预定成分的浓度的界限电流式气体传感器。所述故障检测方法包括：通过电子控制单元进行控制以将预定电压向所述一对电极间施加，所述预定电压是比所述气体传感器未发生故障的情况下的界限电流域靠低电压侧的电压且是正的电压；在所述预定电压施加于所述一对电极间时，通过所述电子控制单元取得在所述一对电极间流动的电流即判定用电流；基于所述判定用电流，通过所述电子控制单元判定所述气体传感器的故障。
根据本发明，无论被检测气体中包含的预定成分的浓度如何，都能够检测界限电流式气体传感器的故障。
附图说明
本发明的典型实施例的特征、优点及技术上和工业上的意义将会在下面参照附图来描述，在这些附图中，同样的标号表示同样的要素，其中：
图1是示出应用成为本发明的对象的气体传感器的内燃机及其进排气系统的构成的概略图。
图2是示出A/F传感器的构成的概略图。
图3是示出施加电压Vev与电极电流Iec的相关性的图。
图4是示出界限电流Ilc与空燃比A/F的相关性的图。
图5是示出在传感器元件产生了破裂的状态的一例的图。
图6是示出在排气的空燃比成为稀空燃比的状态下排气进入到基准气体室的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性的图。
图7是示出在排气的空燃比成为理论空燃比的状态下排气进入到基准气体室的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性的图。
图8是示出在排气的空燃比成为浓空燃比的状态下排气进入到基准气体室的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性的图。
图9是示出在第1实施方式中ECU进行故障检测处理时执行的处理例程的流程图。
图10是示出排气未向基准气体室进入的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性的图。
图11是示出排气进入到基准气体室的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性的图。
图12是示出在第2实施方式中ECU进行故障检测处理时执行的处理例程的流程图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的具体的实施方式进行说明。本实施方式所记载的构成部件的尺寸、材质、形状、相对配置等，只要没有特别的记载，就并非旨在将发明的技术范围限定于此。
第1实施方式
基于图1～图9对本发明的第1实施方式进行说明。在此，对将本发明应用于A/F传感器的例子进行叙述，该A/F传感器将从搭载于车辆的内燃机排出的排气作为被检测气体，将该排气中包含的氧的浓度(空燃比(A/F))作为预定成分的浓度而检测。
图1是示出应用成为本发明的对象的气体传感器的内燃机及其进排气系统的构成的概略图。图1所示的内燃机1是具备多个汽缸2的火花点火式的内燃机(汽油发动机)。此外，内燃机1也可以是使用轻油作为燃料的压缩着火式的内燃机(柴油发动机)。
内燃机1连接有通向汽缸2内的进气通路3及排气通路4。在进气通路3中的内燃机1附近的部位(例如，进气口、进气歧管)安装有燃料喷射阀5。此外，燃料喷射阀5也可以配置于能够向汽缸2内直接喷射燃料的位置。从燃料喷射阀5喷射的燃料与在进气通路3中流动的空气混合而形成混合气。这样的混合气在汽缸2内由火花塞8点火而燃烧。
在比燃料喷射阀5靠上游的进气通路3设置有通过变更该进气通路3的通路截面积来调整内燃机1的吸入空气量的节气门6。在进气通路3中的比节气门6靠上游的部位设置有计测在进气通路3中流动的新气(空气)的质量的空气流量计7。
另一方面，在排气通路4的中途配置有收容有排气净化催化剂的催化剂壳体9。收容于催化剂壳体9的排气净化催化剂例如是三元催化剂、NOX吸藏还原型催化剂(NSR(NOXStorageReduction)催化剂)、选择还原型催化剂(SCR(SelectiveCatalyticReduction)催化剂)、氧化催化剂等。在比催化剂壳体9靠上游的排气通路4配置有第1A/F传感器10a。另外，在比催化剂壳体9靠下游的排气通路4配置有第2A/F传感器10b。如前所述，这些第1A/F传感器10a及第2A/F传感器10b(以下有时统称为“A/F传感器10”)是检测排气中包含的氧的浓度的传感器，可以视为本发明的气体传感器。此外，关于A/F传感器10的具体的构成将在后面叙述。
在如上述这样构成的内燃机1一并设置有Electronic Control Unit(ECU；电子控制单元)12。ECU12由CPU(central processing unit：中央处理单元)、ROM(read-onlymemory：只读存储器)、RAM(random access memory：随机存取存储器)、备用RAM等构成。ECU12除了前述的空气流量计7、A/F传感器10之外，还与用于测定加速器踏板的操作量(加速器开度)的加速器位置传感器13、用于测定内燃机1的输出轴(曲轴)的旋转位置的曲轴位置传感器15、用于测定在内燃机1中循环的冷却水的温度的水温传感器14等各种传感器电连接，这各种传感器的测定值向该ECU12输入。
另外，ECU12与装备于内燃机1的各种设备(例如，燃料喷射阀5、节气门6、火花塞8等)电连接，能够基于上述各种传感器的测定值来控制这些设备。例如，ECU12基于根据曲轴位置传感器15的测定值而运算的内燃机转速、由加速器位置传感器13测定的加速器开度、由水温传感器14测定的冷却水温度等来运算目标燃料喷射量、目标燃料喷射定时、目标点火定时、目标节气门开度等，基于这些目标值来控制上述各种设备。
A/F传感器的构成
接着，基于图2对A/F传感器10的构成进行说明。图2是示出本实施方式中的A/F传感器10的构成的概略图。如图2所示，本实施方式中的A/F传感器10具备传感器元件100，该传感器元件100包括形成为有底的筒状的固体电解质层101、安装于固体电解质层101的外周面的环状的排气侧电极102、安装于固体电解质层101的内周面中的与排气侧电极102相对的部位的环状的大气侧电极103、形成为覆盖固体电解质层101的外侧的壁面及排气侧电极102的扩散限速层104、形成于固体电解质层101的内部且被导入大气的基准气体室105、以及配置于基准气体室105内且用于加热固体电解质层101的加热器106。这样的传感器元件100以暴露于在排气通路4中流动的排气的方式配置。此时，在扩散限速层104的外侧也可以设置有用于防止液体等向该扩散限速层104附着的保护层。
固体电解质层101例如由将CaO、MgO、Y2O3、Yb2O3等作为稳定剂向ZrO2(二氧化锆)、HfO2、ThO2、Bi2O3等分配而得到的具有氧离子传导性的氧化物的烧结体形成。扩散限速层104由氧化铝、氧化镁、硅石、尖晶石、莫来石等耐热性无机物质的多孔质烧结体形成。排气侧电极102及大气侧电极103由Pt(铂)等催化剂活性高的贵金属形成。此外，形成排气侧电极102及大气侧电极103的材料只要在向这些电极间施加了期望的电压时能够将经由扩散限速层104而导入到排气侧电极102的排气中的氧电解即可，没有特别的限定。
另外，A/F传感器10具备用于向传感器元件100的排气侧电极102与大气侧电极103之间施加大气侧电极103的电位比排气侧电极102的电位高那样的电压的电源107。从电源107向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加的电压的大小由ECU12控制。而且，A/F传感器10具备用于测定在排气侧电极102与大气侧电极103之间流动的电流(即，在固体电解质层101中流动的电流)的大小的电流计108。电流计108的测定值向ECU12输入。
A/F传感器的空燃比检测动作
在利用如上述这样构成的A/F传感器10来检测排气的空燃比的情况下，首先，ECU12利用加热器106将传感器元件100加热为活性温度以上。在此所说的“活性温度”是显现固体电解质的氧离子传导性的温度，例如是600℃前后。当传感器元件100的温度上升为上述活性温度以上时，ECU12将能够显现氧的电解的电压向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加。
在此，在传感器元件100升温为活性温度以上的状态下，若能够显现氧的电解的电压向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加，则会显现在排气侧电极102中排气中的氧通过电解而离子化且离子化后的氧从排气侧电极102经由固体电解质层101而向大气侧电极103传导的所谓“氧泵作用”。当通过氧泵作用而氧离子从排气侧电极102向大气侧电极103移动时，电流在这些电极间流动。此时，在排气侧电极102与大气侧电极103之间流动的电流(电极电流)具有向这些电极间施加的电压(施加电压)越增加则越大的倾向。不过，通过从排气通路4内向排气侧电极102到达的排气的量由扩散限速层104限制，当伴随于氧泵作用的氧的消耗速度超过氧向排气侧电极102的供给速度时，氧的电解反应成为扩散限速状态。在扩散限速状态下，显现“即使施加电压增加，电极电流也不增加而大致一定”的所谓“界限电流特性”。显现界限电流特性的施加电压的范围被称作“界限电流域”，这样的界限电流域的电压施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流被称作“界限电流”。
图3是示出A/F传感器10中的施加电压(Vev)与电极电流(Iec)的相关性的图。在图3中，实线示出排气的空燃比是比理论空燃比稀的稀空燃比时的相关性，单点划线示出排气的空燃比是理论空燃比时的相关性，双点划线示出排气的空燃比是比理论空燃比浓的浓空燃比时的相关性。此外，本实施方式中的A/F传感器10构成为排气的空燃比是理论空燃比时的界限电流(Ilc0)成为0安培。
如图3所示，在施加电压Vev成为比界限电流域靠低压侧的电压时，随着施加电压Vev增加而电极电流Iec变大，但在施加电压Vev成为界限电流域的电压时，无论施加电压Vev的大小如何，电极电流Iec都大致一定。并且，排气的空燃比是稀空燃比时的界限电流(相当于图3中的Iec2)成为比排气的空燃比是理论空燃比时的界限电流(相当于图3中的Iec1)大的正电流。这是因为，通过排气中包含的剩余的氧被排气侧电极102离子化并向大气侧电极103传导，从电源107的正极经由固体电解质层101而向电源107的负极流动电流。此外，排气的空燃比越大(稀程度越大)，则从排气侧电极102向大气侧电极103传导的氧离子的量越多，因此，伴随于此而从电源107的正极经由固体电解质层101向电源107的负极流动的电流变大。
另一方面，排气的空燃比是浓空燃比时的界限电流(相当于图3中的Iec3)成为比排气的空燃比是理论空燃比时的界限电流(相当于图3中的Iec1)小的负电流。这是因为，通过基准气体室105的大气中包含的氧被大气侧电极103离子化并向排气侧电极102传导并且传导到排气侧电极102的氧使排气中包含的未燃燃料成分(HC、CO等)氧化，从电源107的负极经由固体电解质层101而向电源107的正极流动电流。此外，排气的空燃比越小(浓程度越大)，则为了使排气中的未燃燃料成分氧化而消耗的氧量越多(即，从大气侧电极103向排气侧电极102传导的氧离子的量越多)，因此，伴随于此而从电源107的负极经由固体电解质层101向正极流动的电流变大。
因此，如图4所示，界限电流式的A/F传感器10具有如下特性：在排气的空燃比是稀空燃比时，界限电流Ilc成为正电流，并且排气的空燃比越大(稀程度越大)则界限电流Ilc越大，另一方面，在排气的空燃比是浓空燃比时，界限电流Ilc成为负电流，并且排气的空燃比越小(浓程度越大)则界限电流Ilc越小。此外，图4示出了界限电流域的电压(例如，0.4伏特前后)施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的界限电流Ilc与排气的空燃比的相关性。
于是，在检测排气的空燃比的情况下，ECU12在传感器元件100升温为上述活性温度以上的状态下，通过控制电源107以向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加目标电压Vtrg，来取得界限电流Ilc即可。然后，ECU12基于取得的界限电流Ilc和如图4所示的相关性来运算排气的空燃比即可。在此所说的“目标电压Vtrg”是包含于界限电流域的电压。此外，界限电流域的起点(界限电流域中的最小的电压)具有排气的空燃比越高则越向高电压侧偏移的倾向。因而，比在内燃机1的运转时排气的空燃比可取的最大的空燃比(稀程度最大的空燃比)的起点大的电压(例如，0.4伏特前后)被定为目标电压Vtrg。这样的目标电压Vtrg预先基于实验、模拟的结果而定。
A/F传感器的故障
在如上所述的界限电流式的A/F传感器10中，有可能发生作为被检测气体的排气向基准气体室105进入这样的故障。例如，有时会因在排气通路4内产生的冷凝水的水淹等而在传感器元件100产生破裂等。即，如图5所示，有可能产生贯通固体电解质层101及扩散限速层104的破裂(图5中的C1)、贯通固体电解质层101、扩散限速层104及电极102、103的破裂(图5中的C2)等。若产生这样的破裂，则在排气通路4中流动的排气的一部分会经由上述破裂C1、C2而向基准气体室105进入，向基准气体室105内的大气混入。
在此，基于图6～图8对因如上所述的破裂等而排气进入到基准气体室105的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性进行说明。图6示出排气的空燃比是稀空燃比时的相关性。图7示出排气的空燃比是理论空燃比时的相关性。图8示出排气的空燃比是浓空燃比时的相关性。此外，在图6～图8的各图中，实线示出排气未向基准气体室105进入的情况(A/F传感器10未发生故障的情况)下的相关性，单点划线示出排气进入到基准气体室105的情况(A/F传感器10发生了故障的情况)下的相关性。
在排气的空燃比是稀空燃比时，如图6所示，目标电压Vtrg施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流在排气未向基准气体室105进入的情况(图6中的Iec2)和排气进入到基准气体室105的情况(图6中的Iec2’)下大致相等。这是因为，即使包括剩余的氧的稀空燃比的排气向基准气体室105进入，排气侧电极102与大气侧电极103的氧分压之差(排气侧电极102与大气侧电极103的电位差)也几乎不变，由此，从排气侧电极102向大气侧电极103移动的氧离子的量也几乎不变。由此，在排气的空燃比是稀空燃比的情况下，难以基于目标电压Vtrg施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流来检测A/F传感器10的故障。
另一方面，在排气的空燃比是理论空燃比或浓空燃比时，如图7及图8所示，目标电压Vtrg施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流在排气进入到基准气体室105的情况下(图7中的Iec1’及图8中的Iec3’)与排气未向基准气体室105进入的情况(图7中的Iec1及图8中的Iec3)相比变大(即，向正侧偏移)。这是因为，当理论空燃比或浓空燃比的排气向基准气体室105进入时，排气侧电极102与大气侧电极103的氧分压之差(排气侧电极102与大气侧电极103的电位差)变小，从而从大气侧电极103向排气侧电极102传导的氧离子的量减少。不过，由于排气未向基准气体室105进入的情况下的电极电流Iec1、Iec3与排气进入到基准气体室105的情况下的电极电流Iec1’、Iec3’之差较小，所以可能无法高精度地检测A/F传感器10的故障。尤其是，在向基准气体室105进入的排气的量是微量的情况下，有可能因A/F传感器10的偏差、初始公差等影响而导致故障检测精度下降。由此，在排气的空燃比是理论空燃比或浓空燃比的情况下，难以基于目标电压Vtrg施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流来高精度地检测A/F传感器10的故障。
A/F传感器的故障检测
在本实施方式中，着眼于“在是比界限电流域靠低压侧的电压且是正的电压的预定电压施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流中，在排气未向基准气体室105进入的情况和排气进入到基准气体室105的情况下会出现显著的差”来进行A/F传感器10的故障检测。
在此，在排气未向基准气体室105进入的状态下，在比界限电流域靠低压侧的电压施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间的情况下，如前述的图3所示，施加电压越小则电极电流越小。尤其是，在0.1伏特前后的较小的预定电压(图3中的Vpre)施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间的情况下，电极电流(判定用电流)成为较小的负电流。另外，若排气未向基准气体室105进入，则无论排气的空燃比如何，0.1伏特前后的较小的预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的判定用电流都成为大致一定的电流(图3中的Iecst)。
相对于此，在排气进入到基准气体室105的情况下，与排气未向基准气体室105进入的情况相比，比界限电流域靠低压侧的电压且正的电压施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流变大(本发明的“故障特性”)。尤其是，在排气进入到基准气体室105的情况下，若如上所述的0.1伏特前后的较小的预定电压Vpre向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加，则无论排气的空燃比如何，判定用电流都呈现比上述Iecst显著大的值。详细而言，在排气的空燃比是稀空燃比的状态下，在比界限电流域靠低压侧的电压且正的电压施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，如图6所示，在排气进入到基准气体室105的情况下与排气未向基准气体室105进入的情况相比，电极电流Iec变大。尤其是，在上述预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流(图6中的Iec20(＝Iecst))是负电流，相对于此，排气进入到基准气体室105的情况下的判定用电流(图6中的Iec20’)成为正电流。即，在排气未向基准气体室105进入的情况和排气进入到基准气体室105的情况下，判定用电流的正负相反。
另外，在排气的空燃比为理论空燃比的状态下，在比界限电流域靠低压侧的电压且正的电压施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时也是，如图7所示，在排气进入到基准气体室105的情况下与排气未向基准气体室105进入的情况相比，电极电流Iec变大。并且，在上述预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流(图7中的Iec10(＝Iecst))是负电流，相对于此，排气进入到基准气体室105的情况下的判定用电流(图7中的Iec10’)成为正电流。
而且，在排气的空燃比为浓空燃比的状态下，在比界限电流域靠低压侧的电压且正的电压施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时也是，如图8所示，在排气进入到基准气体室105的情况下与排气未向基准气体室105进入的情况相比，电极电流Iec变大。并且，在上述预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，排气进入到基准气体室105的情况下的判定用电流(图8中的Iec30’)与排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流(图8中的Iec30(＝Iecst))同样地成为负电流，但相对于排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流(图8中的Iec30)显著变大。
此外，排气未向基准气体室105进入的情况和排气进入到基准气体室105的情况下的判定用电流之差具有在排气的空燃比大的情况下与小的情况相比变大的倾向。
在此，如图6～图8所示的故障特性可认为起因于：在排气进入到基准气体室105的情况下，与排气未向基准气体室105进入的情况相比，排气侧电极102与大气侧电极103之间的氧分压之差变小，从而从大气侧电极103向排气侧电极102传导的氧离子的量变少，因此在向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加了电压时容易从大气侧电极103向排气侧电极102流动电流。
于是，在本实施方式中，将在由排气向基准气体室105进入引起的A/F传感器10的故障发生时显现上述故障特性的电压设定为上述预定电压Vpre。然后，基于这样的预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流即判定用电流，判定A/F传感器10的故障。具体而言，若在如上述这样设定的预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时由电流计108测定的判定用电流比预定的阈值大，则判定为发生了由排气向基准气体室105进入引起的A/F传感器10的故障。在此所说的“预定的阈值”是对上述Iecst加上预定的余裕而得到的值。
处理流程
基于图9对本实施方式中的故障检测处理的流程进行说明。图9是示出在本实施例的故障检测处理中ECU12执行的处理例程的流程图。图9所示的处理例程是在内燃机1的运转期间中以预定的周期执行的处理例程，预先存储于ECU12的ROM等。
在图9的处理例程中，ECU12首先在S101中判别故障检测标志Fdiag是否是ON。在此所说的故障检测标志Fdiag是在故障检测处理结束时被设为ON且在内燃机1的运转停止时(例如，点火开关从接通切换为断开时)被设为OFF的标志。在S101中作出了否定判定的情况下(故障检测标志Fdiag＝ON)，ECU12跳过S102～S114的处理，进入S115。另一方面，在S101中作出了肯定判定的情况下(故障检测标志Fdiag＝OFF)，ECU12进入S102。
在S102中，ECU12判别A/F传感器10的传感器元件100是否处于活性。具体而言，ECU12根据向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加了高频电压时的阻抗来运算传感器元件100的温度，若该温度为活性温度以上，则判定为传感器元件100处于活性。此外，传感器元件100的温度也可以设置单独的温度传感器来检测。在S102中作出了否定判定的情况下，ECU12结束本处理例程的执行。另一方面，在S102中作出了肯定判定的情况下，ECU12进入S103。
在S103中，ECU12判别故障检测条件是否成立。在此所说的“故障检测条件”是排气流量为预定流量以上(或者排气流量为预定流量以上的状态持续了一定时间以上)、内燃机1的预热已完成等。此外，在此所说的“预定流量”是若排气流量为该预定流量以上，则即使传感器元件100的破裂微小，排气也能向基准气体室105进入的排气流量，预先基于实验、模拟的结果而定。在S103中作出了否定判定的情况下，ECU12结束本处理例程的执行。另一方面，在S103中作出了肯定判定的情况下，ECU12进入S104。
在S104中，ECU12停止基于A/F传感器10的测定值来修正目标喷射量的所谓“空燃比反馈控制(F/B控制)”，取而代之，开始基于预定的目标空燃比来决定目标喷射量的开放控制。这是因为，在故障检测处理中，通过A/F传感器10的施加电压(向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加的电压)变更为比界限电流域靠低压侧的电压，A/F传感器10无法准确地测定排气的空燃比。此外，在此所说的“预定的目标空燃比”无需是特定的空燃比，例如根据内燃机1的运转状态而定即可。此外，若成为故障检测处理的对象的A/F传感器10是配置于比催化剂壳体9靠下游处的第2A/F传感器10b，则也可以不进行该S104的处理。
在S105中，ECU12控制电源107以将A/F传感器10的施加电压Vev从目标电压Vtrg向预定电压Vpre变更。如前所述，在此所说的预定电压Vpre是在排气向基准气体室105进入的故障的发生时显现上述故障特性的施加电压。更具体而言，预定电压Vpre是“若排气的空燃比是比理论空燃比稀的稀空燃比，则如前述的图6所示，在排气进入到基准气体室105的情况和排气未向基准气体室105进入的情况下判定用电流的正负相反”的施加电压，在本例中，排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流无论排气的空燃比如何都成为大致一定值(图3中的Iecst)的施加电压(例如，0.1伏特)被设定为预定电压Vpre。
在S106中，ECU12判别从施加电压Vev从目标电压Vtrg切换为预定电压Vpre的时间点起是否经过了预定时间Δt。在此所说的“预定时间Δt”是从进行施加电压Vev的切换起到施加电压Vev的切换反映于电极电流Iec为止所需的时间，预先基于实验、模拟的结果而定。在S106中作出了否定判定的情况下，ECU12反复执行该S106的处理。另一方面，在S106中作出了肯定判定的情况下，ECU12进入S107。
在S107中，ECU12通过读入电流计108的测定值来取得预定电压Vpre施加于排气侧电极102和大气侧电极103时的电极电流即判定用电流Idet。
在S108中，ECU12判别在上述S107中取得的判定用电流Idet是否比预定的阈值Ithre大。如前所述，在此所说的“预定的阈值Ithre”是对排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流(相当于图3中的Iecst)加上预定的余裕而得到的值。
在上述S108中作出了肯定判定的情况下(Idet>Ithre)，ECU12进入S109，判定为发生了由排气向基准气体室105进入引起的A/F传感器10的故障。接着，ECU12进入S110，为了向车辆的驾驶员通知发生了A/F传感器10的故障而进行警告灯的点亮处理等。
另一方面，在上述S108中作出了否定判定的情况下(Idet≤Ithre)，ECU12进入S111，判定为未发生由排气向基准气体室105进入引起的A/F传感器10的故障(A/F传感器10正常)。接着，ECU12进入S112，控制电源107以将A/F传感器10的施加电压Vev从预定电压Vpre恢复为目标电压Vtrg。然后，ECU12停止基于预定的目标空燃比来决定目标喷射量的开放控制，取而代之，再次开始基于A/F传感器10的测定值来修正目标喷射量的空燃比反馈控制(F/B控制)(S113)。此外，若是成为故障检测处理的对象的A/F传感器10是配置于比催化剂壳体9靠下游处的第2A/F传感器10b的情况且是未进行前述的S104的处理的情况，则不进行该S113的处理。
ECU12当结束执行S110或S113的处理后，进入S114，将故障检测标志Fdiag从OFF向ON切换。接着，在S115中，ECU12判别内燃机1的运转是否已被停止。具体而言，当点火开关从接通切换为断开时，ECU12判定为内燃机1的运转已被停止。此外，在S115中作出了否定判定的情况下，ECU12结束本处理例程的执行。另一方面，在S115中作出了肯定判定的情况下，ECU12进入S116，将故障检测标志Fdiag从ON向OFF切换，结束本处理例程的执行。
若通过以上所述的处理例程而进行A/F传感器10的故障检测处理，则无论排气的空燃比(排气中包含的氧的浓度)如何，都能够高精度地检测由排气向基准气体室105进入引起的A/F传感器10的故障。
此外，在图9的处理例程中，对排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流无论排气的空燃比如何都成为大致一定值(图3中的Iecst)的施加电压(例如，0.1伏特)被设定为预定电压Vpre的例子进行了叙述，但不限定于此，只要是显现上述故障特性的施加电压即可。此时，若预定电压Vpre被设定为比0.1伏特大的施加电压，则排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流有可能针对排气的各空燃比而不同。由此，该情况下的预定的阈值也可以设定为比排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流Idet可取的最大值大的值。另外，若成为故障检测处理的对象的A/F传感器10是配置于比催化剂壳体9靠上游处的第1A/F传感器10a，则能够根据目标空燃比来推定向该第1A/F传感器10a流入的排气的空燃比，因此也可以将预定的阈值设定为针对排气的各空燃比而不同的值。例如，排气的空燃比越大，则预定的阈值可以被设定为越大的值。
第2实施方式
接着，基于图10～图12对本发明的第2实施例进行说明。在此，对与前述的第1实施例不同的构成进行说明，对同样的构成省略说明。
前述的第1实施方式与本实施方式的不同点在于“在向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加预定电压时，利用加热器106将传感器元件100加热为比活性温度高的预定温度以上”这一点。
在此，在图10及图11中示出将传感器元件100加热为预定温度以上(例如，750℃～800℃)的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性。图10示出排气未向基准气体室105进入的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性。图11示出排气进入到基准气体室105的情况下的施加电压Vev与电极电流Iec的相关性。此外，在图10及图11的各图中，实线示出将传感器元件100加热为预定温度以上的情况下的相关性，单点划线示出传感器元件100的温度是活性温度(例如，600℃前后)的情况下的相关性。另外，在图10及图11的各图中，L1及l1示出排气的空燃比是理论空燃比时的相关性，L2及l2示出排气的空燃比是稀空燃比时的相关性，L3及l3示出排气的空燃比是浓空燃比时的相关性。
如图10中的L1及l1所示，在排气的空燃比是理论空燃比的状态下，在界限电流域的目标电压Vtrg施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，若排气未向基准气体室105进入，则传感器元件100的温度为预定温度以上的情况和传感器元件100的温度为活性温度的情况下的电极电流相等(图10中的Iec1)。相对于此，在排气的空燃比是理论空燃比的状态下，在预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，若排气未向基准气体室105进入，则传感器元件100的温度为预定温度以上的情况下的电极电流(图10中的Iecst’)比传感器元件100的温度为活性温度的情况下的电极电流(图10中的Iecst)小。这是因为，在界限电流域中，同排气侧电极102与大气侧电极103之间的电阻(以下，有时记为“电极间电阻”)的大小对电极电流造成的影响相比，扩散限速层104对排气的扩散限速作用对电极电流造成的影响是支配性的，相对于此，在比界限电流域靠低压侧，与扩散限速层104对排气的扩散限速作用对电极电流造成的影响相比，电极间电阻的大小对电极电流造成的影响是支配性的。也就是说，在传感器元件100的温度高的情况下与低的情况相比，电极间电阻的大小变小，从而在比界限电流域靠低压侧处在排气侧电极102与大气侧电极103之间移动的氧离子的量增加，因此预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时的电极电流向负电流侧偏移。
另外，如图10中的L2、l2、L3及l3所示，在排气的空燃比是稀空燃比的状态及排气的空燃比是浓空燃比的状态下也是，在界限电流域的目标电压Vtrg施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，若排气未向基准气体室105进入，则传感器元件100的温度为预定温度以上的情况和传感器元件100的温度为活性温度的情况下的电极电流相等(图10中的Iec2、Iec3)。另外，在排气的空燃比是稀空燃比的状态及排气的空燃比是浓空燃比的状态下也是，在预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，若排气未向基准气体室105进入，则传感器元件100的温度为预定温度以上的情况下的电极电流(图10中的Iecst’)比传感器元件100的温度为活性温度的情况下的电极电流(图10中的Iecst)小。
另一方面，如图11中的L1及l1所示，在排气的空燃比是理论空燃比的状态下，在预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，若排气进入到基准气体室105，则传感器元件100的温度为预定温度以上的情况下的电极电流(图11中的Iec10”)比传感器元件100的温度为活性温度的情况下的电极电流(图11中的Iec10’)大。另外，如图11中的L2及l2所示，在排气的空燃比是稀空燃比的状态下，在预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，若排气进入到基准气体室105，则传感器元件100的温度为预定温度以上的情况下的电极电流(图11中的Iec20”)比传感器元件100的温度为活性温度的情况下的电极电流(图11中的Iec20’)大。而且，如图11中的L3及l3所示，在排气的空燃比为浓空燃比的状态下，在预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，若排气进入到基准气体室105，则传感器元件100的温度为预定温度以上的情况下的电极电流(图11中的Iec30”)比传感器元件100的温度为活性温度的情况下的电极电流(图11中的Iec30’)大。从这些明显可知，在预定电压Vpre施加于排气侧电极102与大气侧电极103之间时，若排气进入到基准气体室105，则无论排气的空燃比如何，都是在传感器元件100的温度为预定温度以上的情况下与传感器元件100的温度为活性温度的情况相比电极电流变大(向正电流侧偏移)。
根据如图10及图11所示的特性，在向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加预定电压Vpre时，若将传感器元件100的温度提高为预定温度以上，则能够使排气进入到基准气体室105的情况和排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流之差扩大。其结果，即使在传感器元件100产生了极微小的破裂的情况下，也能够高精度地检测由此引起的A/F传感器10的故障。
处理流程
基于图12对本实施方式中的故障检测处理的流程进行说明。图12是示出在本实施例的故障检测处理中ECU12执行的处理例程的流程图。此外，在图12中，对与前述的图9所示的处理例程同样的处理标注同一标号。
在图12的处理例程中，ECU12执行S104的处理后，进入S201，判别传感器元件100的温度Tsens是否为预定温度Tpre以上。如前所述，在此所说的“预定温度Tpre”是比传感器元件100的活性温度高的温度，是排气进入到基准气体室105的情况和排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电流之差与传感器元件100的温度是活性温度时相比扩大的传感器元件100的温度，例如是750℃～800℃。此外，如在前述的第1的实施方式中所述那样，传感器元件100的温度Tsens可以根据向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加了高频电压时的阻抗来运算，也可以由单独设置的温度传感器测定。
在上述S201中作出了否定判定的情况下(Tsens<Tpre)，ECU12进入S202，以使传感器元件100升温为预定温度Tpre以上的方式控制加热器106(加热处理)。例如，ECU12可以基于传感器元件100的温度Tsens与预定温度Tpre之差来控制加热器106的通电量。即，在传感器元件100的温度Tsens与预定温度Tpre之差大的情况下，与小的情况相比，可以增大加热器106的通电量。若传感器元件100过升温为900℃以上，则有可能导致A/F传感器10的测定精度下降或者传感器元件100发生热劣化。因而，在上述加热处理中，也可以以使传感器元件100的温度不超过900℃的方式对加热器106的通电量进行反馈控制。
ECU12当结束执行上述S202的处理后，返回上述S201的处理。然后，在S201的处理中作出肯定判定时(Tsens≥Tpre)，ECU12依次执行S105～S107的处理。此外，在通过上述加热处理而传感器元件100刚被加热为预定温度Tpre后，该传感器元件100的温度变化(电极间电阻的变化)有可能不向电极电流Iec反映，因此也可以从在上述S201中作出肯定判定的时间点起隔开预定的待机时间(例如，2sec左右)后，ECU12执行S105的处理。
另外，在图12的处理例程中，ECU12当结束执行S107的处理后，取代前述的图9的处理例程中的S108而执行S203的处理。在S203中，ECU12判别在S107中取得的判定用电流Idet是否比预定的阈值Ithre’大。在此所说的“预定的阈值Ithre’”是对排气未向基准气体室105进入且传感器元件100的温度为预定温度Tpre以上的情况下的判定用电流(相当于图10中的Iecst’)加上预定的余裕而得到的值。ECU12在该S203中作出了肯定判定的情况下(Idet>Ithre’)进入S109，另一方面，在该S203中作出了否定判定的情况下(Idet≤Ithre’)进入S111。
若通过图12的处理例程而进行A/F传感器10的故障检测处理，则无论排气的空燃比如何，都能够更高精度地检测排气向基准气体室105进入这样的A/F传感器10的故障。尤其是，即使在因传感器元件100的极微小的破裂而排气进入到基准气体室105这样的情况下，也能够更可靠地检测A/F传感器10的故障。
其他实施方式
在前述的第1及第2实施方式中，对通过将在向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加了预定电压Vpre时由电流计108测定的电极电流(判定用电流Idet)与预定的阈值Ithre进行比较来检测由排气向基准气体室105进入引起的A/F传感器10的故障的例子进行了叙述，但也可以基于向排气侧电极102与大气侧电极103之间施加了预定电压Vpre时的这些电极间的电阻的大小来检测由排气向基准气体室105进入引起的A/F传感器10的故障。
具体而言，ECU12首先通过将预定电压Vpre和判定用电流Idet向以下的式(1)代入来运算排气侧电极102与大气侧电极103之间的电阻(以下，有时记为“判定用电阻Rdet”)。Rdet＝Vpre/(-Idet)…(1)
在此，若排气的空燃比是理论空燃比或稀空燃比，则在排气未向基准气体室105进入的情况和排气进入到基准气体室105的情况下判定用电流Idet的正负相反，因此排气进入到基准气体室105的情况下的判定用电阻成为比排气未向基准气体室105进入的情况下的判定用电阻小的负电阻。另外，若排气的空燃比是浓空燃比，则在排气未向基准气体室105进入的情况和排气进入到基准气体室105的情况下判定用电流Idet的正负不会相反，但在排气进入到基准气体室105的情况下，与排气未向基准气体室105进入的情况相比，判定用电流Idet大幅变大，因此在排气进入到基准气体室105的情况下与排气未向基准气体室105进入的情况相比，判定用电阻大幅变大。
于是，也可以在判定用电阻Rdet超过了预定的上限值的情况及判定用电阻Rdet低于预定的下限值(＝0)的情况下，判定为发生了由排气向基准气体室105进入引起的A/F传感器10的故障。此外，如上所述，在此所说的“预定的上限值”是在排气进入到基准气体室105的情况下排气的空燃比是浓空燃比时的判定用电阻Rdet可取的最小值，预先基于实验、模拟的结果而求出即可。
其他
在前述的各实施方式中，对将本发明应用于检测内燃机的排气中包含的氧的浓度的A/F传感器的例子进行了叙述，但应用本发明的气体传感器不限定于此，也可以应用于利用氧泵作用来检测排气中的氮氧化物(NOX)、硫氧化物(SOX)、水(H2O)、二氧化碳(CO2)等的浓度的界限电流式的气体传感器。另外，成为应用本发明的气体传感器的检测对象的气体(被检测气体)不限定于内燃机的排气，也可以是在各种产品的制造过程中排出的气体。

Claims (9)

1.一种气体传感器的故障检测装置，所述气体传感器具备传感器元件，该传感器元件包括具有氧化物离子传导性的固体电解质、安装于所述固体电解质的一对电极、以及对被检测气体进行扩散限速并向所述一对电极的一方引导的扩散限速部，所述气体传感器是构成为检测被检测气体中包含的预定成分的浓度的界限电流式气体传感器，其中，
所述故障检测装置具备电子控制单元，该电子控制单元构成为：
进行控制以将预定电压向所述一对电极间施加，所述预定电压是比所述气体传感器未发生故障的情况下的界限电流域靠低电压侧的电压且是正的电压；
在所述预定电压被施加于所述一对电极间时，取得判定用电流，所述判定用电流是在所述一对电极间流动的电流；
基于所述取得的所述判定用电流来判定所述气体传感器的故障。
2.根据权利要求1所述的气体传感器的故障检测装置，其中，
所述气体传感器配置于内燃机的排气通路，构成为检测作为所述被检测气体的排气中包含的作为所述预定成分的氧的浓度，
所述电子控制单元构成为基于故障特性来判定所述气体传感器的故障，
所述故障特性是在所述气体传感器发生了故障的情况下与未发生故障的情况相比所述判定用电流变大的特性。
3.根据权利要求2所述的气体传感器的故障检测装置，其中，
所述一对电极中的一方的电极以面对被导入大气的基准气体室的方式配置，
所述一对电极中的另一方的电极以暴露于经由所述扩散限速部而导入的作为所述被检测气体的排气的方式配置，
所述电子控制单元构成为，将在故障的发生时显现所述故障特性的电压作为所述预定电压而向所述一对电极间施加，
所述故障是排气向所述基准气体室进入的故障。
4.根据权利要求3所述的气体传感器的故障检测装置，其中，
所述预定电压是在排气的空燃比为稀空燃比时在排气未向所述基准气体室进入的情况和排气进入到所述基准气体室的情况下所述判定用电流的正负相反的电压，
所述稀空燃比比理论空燃比稀。
5.根据权利要求4所述的气体传感器的故障检测装置，其中，
所述预定电压是0.1伏特。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的气体传感器的故障检测装置，其中，
所述电子控制单元构成为，在所述取得的所述判定用电流比预定的阈值大时，判定为所述气体传感器发生了故障。
7.根据权利要求3～5中任一项所述的气体传感器的故障检测装置，其中，
所述电子控制单元构成为，基于所述取得的所述判定用电流和所述预定电压来运算所述一对电极间的电阻值，
所述电子控制单元构成为，在所述运算出的电阻值比预定的上限值大的情况或所述运算出的电阻值比预定的下限值小的情况下判定为所述气体传感器发生了故障。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的气体传感器的故障检测装置，其中，
所述气体传感器还具备用于加热所述传感器元件的加热器，
所述电子控制单元构成为，在将所述预定电压向所述一对电极间施加的情况下，以使所述传感器元件的温度上升为比所述传感器元件的活性温度高的预定温度以上的方式控制所述加热器。
9.一种气体传感器的故障检测方法，所述气体传感器具备传感器元件，该传感器元件包括具有氧化物离子传导性的固体电解质、安装于所述固体电解质的一对电极、以及对被检测气体进行扩散限速并向所述一对电极的一方引导的扩散限速部，所述气体传感器是构成为检测被检测气体中包含的预定成分的浓度的界限电流式气体传感器，其中，
所述故障检测方法包括：
通过电子控制单元进行控制以将预定电压向所述一对电极间施加，所述预定电压是比所述气体传感器未发生故障的情况下的界限电流域靠低电压侧的电压且是正的电压；
在所述预定电压施加于所述一对电极间时，通过所述电子控制单元取得判定用电流，该判定用电流是在所述一对电极间流动的电流；及
基于所述判定用电流，通过所述电子控制单元判定所述气体传感器的故障。
CN201911049372.2A 2018-11-07 2019-10-31 气体传感器的故障检测装置、气体传感器的故障检测方法 Pending CN111157600A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018210004A JP7103176B2 (ja) 2018-11-07 2018-11-07 ガスセンサの故障検出装置、ガスセンサの故障検出方法
JP2018-210004 2018-11-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111157600A true CN111157600A (zh) 2020-05-15

Family

ID=68468621

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911049372.2A Pending CN111157600A (zh) 2018-11-07 2019-10-31 气体传感器的故障检测装置、气体传感器的故障检测方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20200141892A1 (zh)
EP (1) EP3650848A1 (zh)
JP (1) JP7103176B2 (zh)
KR (1) KR102201463B1 (zh)
CN (1) CN111157600A (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7314734B2 (ja) * 2019-09-17 2023-07-26 株式会社デンソーウェーブ 流体加熱装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4886028A (en) * 1988-02-26 1989-12-12 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Apparatus for controlling air-fuel ratio of internal combustion engine
JP2012068150A (ja) * 2010-09-24 2012-04-05 Toyota Motor Corp 酸素センサの異常診断装置
CN105545514A (zh) * 2014-10-23 2016-05-04 丰田自动车株式会社 空燃比传感器的异常诊断装置
CN105587419A (zh) * 2014-11-11 2016-05-18 丰田自动车株式会社 空燃比传感器的异常诊断装置
CN108120759A (zh) * 2016-11-30 2018-06-05 丰田自动车株式会社 用于气体检测装置的控制装置和用于气体检测装置的控制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004019542A (ja) 2002-06-17 2004-01-22 Toyota Motor Corp 酸素センサの異常検出装置
JP2015075082A (ja) * 2013-10-11 2015-04-20 トヨタ自動車株式会社 空燃比センサの制御装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4886028A (en) * 1988-02-26 1989-12-12 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Apparatus for controlling air-fuel ratio of internal combustion engine
JP2012068150A (ja) * 2010-09-24 2012-04-05 Toyota Motor Corp 酸素センサの異常診断装置
CN105545514A (zh) * 2014-10-23 2016-05-04 丰田自动车株式会社 空燃比传感器的异常诊断装置
CN105587419A (zh) * 2014-11-11 2016-05-18 丰田自动车株式会社 空燃比传感器的异常诊断装置
CN108120759A (zh) * 2016-11-30 2018-06-05 丰田自动车株式会社 用于气体检测装置的控制装置和用于气体检测装置的控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20200141892A1 (en) 2020-05-07
JP7103176B2 (ja) 2022-07-20
KR102201463B1 (ko) 2021-01-11
JP2020076639A (ja) 2020-05-21
EP3650848A1 (en) 2020-05-13
KR20200052829A (ko) 2020-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9052280B2 (en) Deterioration diagnosis device for catalyst
US10365183B2 (en) Abnormality diagnosis system of air-fuel ratio sensor
US9903292B2 (en) Abnormality diagnosis system of air-fuel ratio sensor
JPH08271475A (ja) 酸素濃度検出装置
JP2007147383A (ja) センサ素子劣化判定装置およびセンサ素子劣化判定方法
US10066534B2 (en) Internal combustion engine
KR101442391B1 (ko) 내연 기관의 배출 제어 시스템
KR101399192B1 (ko) 내연 기관의 배출 제어 시스템
US8418439B2 (en) NOx sensor ambient temperature compensation
US9890725B2 (en) Gas sensor control device
KR102201463B1 (ko) 가스 센서의 고장 검출 장치, 가스 센서의 고장 검출 방법
JP6562047B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP2012068150A (ja) 酸素センサの異常診断装置
US10968807B2 (en) Catalyst deterioration detection system
JP3609616B2 (ja) 酸素濃度検出装置
JP6065888B2 (ja) 空燃比センサの異常診断装置
JP6455389B2 (ja) センサ制御装置
CN113389625B (zh) 用于排气传感器的控制装置
JP2004245843A (ja) 酸素濃度検出装置
JP2007086090A (ja) 酸素濃度検出装置
JP2016196854A (ja) 空燃比センサの異常診断装置
Ding et al. NO x sensor ambient temperature compensation
JP2008249362A (ja) 酸素センサの制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200515