JP2007017154A - 排出ガスセンサの劣化検出装置 - Google Patents

排出ガスセンサの劣化検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 排出ガスセンサの劣化度を精度良く判定できるようにする。
【解決手段】 排出ガスセンサ14のセンサ素子とその周辺との間の熱エネルギーの授受(受熱と放熱の両方)を考慮した素子温度推定モデルを用いて第1の素子温度パラメータを算出する。そして、排出ガスセンサ14のセンサ素子のインピーダンスを検出して、このインピーダンスから第2の素子温度パラメータを算出する。この後、第1の素子温度パラメータと第2の素子温度パラメータとを比較して排出ガスセンサ14の劣化度を判定すると共に、この劣化度に応じてヒータ電流(発熱量)を減少させるように補正することで、センサ素子の過熱による劣化度の進行を抑制する。また、劣化度が劣化判定値以上であれば、排出ガスセンサ14の修理・交換が必要な程度まで劣化が進んでいると判断して、警告手段22に警告表示する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、センサ素子を加熱するヒータ付きの排出ガスセンサの劣化診断を行う排出ガスセンサの劣化検出装置に関する発明である。
近年の車両は、排出ガスを触媒で効率良く浄化するために、排気管に排出ガスセンサ(空燃比センサ、酸素センサ等)を設置して、この排出ガスセンサの出力に基づいて空燃比をフィードバック制御するようにしている。この排出ガスセンサは、センサ素子の温度が活性温度以下の状態では空燃比を精度良く検出できないため、センサ素子を加熱するヒータを内蔵して、このヒータによりセンサ素子を活性温度領域に昇温するようにしている。
この排出ガスセンサが劣化すると、排出ガスセンサの検出精度が低下して排出ガス浄化効率が低下する原因となるため、排出ガスセンサの劣化診断を行う機能を備えたものがある。例えば、特許文献1(特開平11−83791号公報)に記載された排出ガスセンサの劣化診断方法は、排出ガスセンサのセンサ素子のインピーダンス(内部抵抗)を測定して、このインピーダンスの測定値が目標値(劣化判定値)を越えたときに、排出ガスセンサの劣化と判定するようにしている。この特許文献1では、センサ素子の温度に応じてセンサ素子のインピーダンスが変化するという特性に着目して、温度センサで検出した排出ガス温度とヒータの消費電力とに基づいてセンサ素子の温度ひいてはインピーダンスを推定して、目標値(劣化判定値)を設定するようにしている。
特開平11−83791号公報(第2頁〜第3頁等)
上記特許文献1の排出ガスセンサの劣化診断方法では、センサ素子のインピーダンスの測定値が目標値(劣化判定値)を越えているか否かで劣化の有無を判定できるだけであり、実際に劣化がどの程度進んでいるのかどうか分からないという欠点があった。
また、センサ素子のインピーダンス(温度)は、センサ素子の受熱(排出ガス温度とヒータの消費電力)の他に、センサ素子の外部への放熱によっても変化するが、上記特許文献1の劣化診断方法では、センサ素子の受熱(排出ガスの温度とヒータの消費電力)のみに基づいてセンサ素子のインピーダンス(温度)を推定するため、推定精度が悪く、劣化診断精度も悪くなるという欠点があった。
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、排出ガスセンサの劣化度を精度良く判定することができる排出ガスセンサの劣化検出装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、排出ガスセンサのセンサ素子とその周辺との間の熱エネルギーの授受を推定して該センサ素子の特性に関するパラメータ(以下「第1のセンサ特性パラメータ」という)を第1のセンサ特性パラメータ推定手段により算出すると共に、前記センサ素子のインピーダンスを素子インピーダンス検出手段により検出して、そのインピーダンスに基づいて前記センサ素子の特性に関するパラメータ(以下「第2のセンサ特性パラメータ」という)を第2のセンサ特性パラメータ推定手段により算出し、前記第1のセンサ特性パラメータと前記第2のセンサ特性パラメータとを比較して前記排出ガスセンサの劣化度をセンサ劣化度判定手段により判定するようにしたものである。
本発明によれば、センサ素子とその周辺との間の熱エネルギーの授受(受熱と放熱の両方)を推定して第1のセンサ特性パラメータを算出するため、第1のセンサ特性パラメータを精度良く算出することができる。そして、この精度の良い第1のセンサ特性パラメータを、センサ素子のインピーダンスから算出した第2のセンサ特性パラメータと比較して排出ガスセンサの劣化度を判定するため、排出ガスセンサの劣化度を精度良く判定することができる。
この場合、請求項2のように、第1のセンサ特性パラメータを算出する際に、少なくともセンサ素子の排出ガスからの受熱と外部への放熱とヒータによる加熱とを考慮するようにすると良い。このようにすれば、センサ素子とその周辺との間の熱エネルギーの授受(受熱と放熱の両方)を精度良く推定することができて、第1のセンサ特性パラメータの算出精度を向上できる。
また、請求項3のように、前記第1のセンサ特性パラメータと前記第2のセンサ特性パラメータは、いずれもセンサ素子の温度又はこれに相関するパラメータとすると良い。このようにすれば、第1のセンサ特性パラメータと第2のセンサ特性パラメータとのずれ量によって排出ガスセンサの劣化度を精度良く判定することができる。
また、センサ素子の周辺の熱エネルギーが安定しない領域で、センサ素子とその周辺との間の熱エネルギーの授受を推定すると、熱エネルギーの授受の推定精度が低下して第1のセンサ特性パラメータの推定精度が低下する懸念がある。
この点を考慮して、請求項4のように、センサ素子の周辺の熱エネルギーが安定した領域で、第1のセンサ特性パラメータの算出(熱エネルギーの授受の推定)を実行させる実行領域判定手段を設けた構成とすると良い。このようにすれば、熱エネルギーの授受を精度良く推定できる領域で、第1のセンサ特性パラメータを算出できるため、第1のセンサ特性パラメータの算出精度ひいては劣化度の判定精度を向上させることができる。
この場合、請求項5のように、センサ素子の周辺の熱エネルギーが安定した領域であるか否かを内燃機関の運転状態に基づいて判定するようにすれば良い。このようにすれば、内燃機関の制御に使用する各種のセンサ情報や制御情報を利用してセンサ素子の周辺の熱エネルギーが安定した領域であるか否かを精度良く判定することができる。
具体的には、請求項6のように、第1のセンサ特性パラメータ、センサ素子のインピーダンス又は第2のセンサ特性パラメータ、始動後経過時間、冷却水温、内燃機関の定常/過渡の判定結果、燃料カットの有無の少なくとも1つに基づいて、センサ素子の周辺の熱エネルギーが安定した領域であるか否かを判定するようにすると良い。
また、請求項7のように、センサ劣化度判定手段で判定した排出ガスセンサの劣化度に応じてヒータの通電量をヒータ通電補正手段により補正するようにしても良い。このようにすれば、排出ガスセンサの劣化度が進むほど、ヒータの通電量(発熱量)を減少させてセンサ素子の過昇温を抑制するという制御が可能となり、センサ素子の過熱による劣化度の進行を抑制することができる。
また、請求項8のように、センサ劣化度判定手段の判定結果に基づいて排出ガスセンサの劣化度が劣化判定値以上であるときに警告手段によって警告するようにしても良い。このようにすれば、排出ガスセンサの劣化度が進んだときに、それを運転者に警告することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン11の排気管12には、排出ガス中のCO,HC,NOx等を低減させる三元触媒等の触媒13が設けられ、この触媒13の上流側には、排出ガスの酸素濃度等のガス成分濃度、空燃比、リッチ/リーンのいずれかを検出する酸素センサ、空燃比センサ(A/Fセンサ)等の排出ガスセンサ14が設けられている。この排出ガスセンサ14のセンサ素子26(図3参照)は、例えばジルコニア固体電解質27の両端に電極28を密着させて出力を取り出す構成となっているが、センサ素子26の活性温度が高いため(約600〜700℃以上)、排出ガスの熱のみでは、エンジン始動後にセンサ素子26を早期に活性化することは困難である。そこで、排出ガスセンサ14は、センサ素子26を加熱するヒータ(図示せず)を内蔵し、このヒータの発熱によりセンサ素子26を早期に活性化させるようにしている。
一方、エンジン11を制御する制御装置15は、エンジン運転中に排出ガスセンサ14の出力を読み込んで排出ガスの空燃比を目標空燃比に収束させるように燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比制御手段16として機能すると共に、排出ガスセンサ14のセンサ素子26の温度を活性温度範囲に維持するようにヒータの通電率DUTYを制御するヒータ通電制御手段17としても機能する。
図2に示すように、排出ガスセンサ14のセンサ素子26のインピーダンス(以下「素子インピーダンス」という)は、センサ素子26の温度に依存し、センサ素子26の温度が上昇するに従って、素子インピーダンスが低下するという特性がある。そこで、制御装置15には、素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス検出手段18としての機能が設けられている。
図3及び図4に示すように、排出ガスセンサ14のセンサ素子26は、例えばジルコニア固体電解質27に電極28を密着させて出力を取り出す構成であるため、このセンサ素子26に直流電流(直流電圧)を印加して素子インピーダンスを検出する手法では、電極28とジルコニア固体電解質27との界面の抵抗(電極界面抵抗)R1,R4も含まれてしまうため、正確な素子インピーダンス(粒子抵抗R2+粒界抵抗R3)を検出することができない。そこで、素子インピーダンス検出手段18は、各抵抗成分と並列に存在するコンデンサ成分(図4参照)に着目して、所定周波数の交流電流(交流電圧)をセンサ素子26に印加することで、電極界面抵抗分(R1,R4)の影響を除外したジルコニア固体電解質27のみの正味の素子インピーダンス(粒子抵抗R2+粒界抵抗R3)を次式により検出する(図5参照)。
素子インピーダンス=ΔV/ΔI
ここで、ΔVは電圧変化幅、ΔIは電流変化幅である。
また、制御装置15には、センサ素子26とその周辺との間の熱エネルギーの授受(受熱と放熱の両方)を推定して該センサ素子26の特性に関するパラメータ(以下「第1のセンサ特性パラメータ」という)を算出する第1のセンサ特性パラメータ推定手段19と、素子インピーダンス検出手段18で検出した素子インピーダンスに基づいてセンサ素子26の特性に関するパラメータ(以下「第2のセンサ特性パラメータ」という)を算出する第2のセンサ特性パラメータ推定手段20と、前記第1のセンサ特性パラメータと前記第2のセンサ特性パラメータとを比較して排出ガスセンサ14の劣化度を判定するセンサ劣化度判定手段21としての機能が設けられている。そして、センサ劣化度判定手段21の判定結果に基づいて排出ガスセンサ14の劣化度が劣化判定値以上であるときに警告表示する警告手段22が設けられている。以下、これら各手段の機能について具体的に説明する。
第1のセンサ特性パラメータ推定手段19は、センサ素子26とその周辺との間の熱エネルギーの授受(受熱と放熱の両方)を推定して、第1のセンサ特性パラメータとしてセンサ素子26の温度(以下「素子温度」という)Tuに相当する第1の素子温度パラメータPfを算出する素子温度推定モデルを備えている。この素子温度推定モデルは、センサ素子26の熱エネルギーの授受として、(1)排出ガスからの受熱と、(2)外気への放熱と、(3)ヒータの加熱による受熱を考慮する。
排出ガスからの受熱=A・Rem ・(Te−Tu) ……(1)
A:排出ガス伝熱係数
Te:排出ガス温度
Tu:素子温度
Re:レイノルズ数
m:指数
外気への放熱=B(Tu−Ta) ……(2)
B:外気伝熱係数
Tu:素子温度
Ta:外気温
ヒータの加熱=I2 ・R ……(3)
I:ヒータ電流
R:ヒータ抵抗値
これらの熱エネルギーの授受を考慮して、素子温度推定モデルは次式で定義されている。
cM・dTu/dt=[排出ガスからの受熱]−[外気への放熱]+[ヒータの加熱] =A・Rem ・(Te−Tu)−B(Tu−Ta)+I2 ・R
ここで、cMはセンサ素子26の熱容量、dTu/dtは素子温度Tuの時間微分値である。
尚、センサ素子26の放熱として、外気への放熱の他に、排気管12等の周辺部材への放熱も考慮するようにしても良い。
第1のセンサ特性パラメータ推定手段19は、この素子温度推定モデルを用いて素子温度Tuを算出して、これを第1の素子温度パラメータPf(第1のセンサ特性パラメータ)とする。
一方、第2のセンサ特性パラメータ推定手段20は、図6の素子インピーダンス→素子温度変換マップを用いて素子インピーダンス検出手段18で検出した素子インピーダンスから素子温度Tuを算出して、これを第2の素子温度パラメータPc(第2のセンサ特性パラメータ)とする。
センサ劣化度判定手段21は、第1の素子温度パラメータPfと第2の素子温度パラメータPcとの偏差|Pf−Pc|に基づいて排出ガスセンサ14の劣化度Dを算出すると共に、当該偏差|Pf−Pc|が劣化判定値Ps以上であるときに、警告手段22に警告表示する。警告手段22は、警告ランプ、又は、運転席のインストルメントパネルに設けられた警告表示部により構成されている。
更に、センサ劣化度判定手段21は、排出ガスセンサ14の劣化度Dに応じてヒータ電流(通電率DUTY)を減量補正するヒータ通電補正手段としての機能も備えている。
以上説明した排出ガスセンサ14の劣化判定処理は、図7の排出ガスセンサ劣化判定プログラムによって実行される。本プログラムが起動されると、まずステップ101で、排出ガス温度センサで検出した排出ガス温度Teを読み込む。この排出ガス温度Teは、エンジン制御に使用する各種のセンサ情報や制御情報を利用して推定するようにしても良い。この後、ステップ102に進み、この排出ガス温度Teを基準温度Tsと比較して、排出ガス温度Teが基準温度Ts以下であれば、センサ素子26の周辺の熱エネルギーが安定していないと判断して、所定時間後にステップ101に戻り、上記処理を繰り返す。
この後、排出ガス温度Teが基準温度Tsを越えた時点で、センサ素子26の周辺の熱エネルギーが安定したと判断して、ステップ103に進み、素子インピーダンス検出手段18により素子インピーダンスIpを検出した後、ステップ104に進み、図6の素子インピーダンス→素子温度変換マップを用いて、素子インピーダンスIpから第2の素子温度パラメータPcを算出する。
この後、ステップ105に進み、センサ素子26とその周辺との間の熱エネルギーの授受(受熱と放熱の両方)を考慮した素子温度推定モデルを用いて第1の素子温度パラメータPfを算出した後、ステップ106に進み、第1の素子温度パラメータPfと第2の素子温度パラメータPcとの偏差Pdを算出する。
Pd=|Pf−Pc|
或は、偏差|Pf−Pc|の時間積分値をPdとして算出しても良い。
Pd=∫|Pf−Pc|・dt
この偏差Pdを積分する期間は、熱エネルギーの安定領域の開始時間t1 から偏差積分値の算出時間aが経過するまでとすれば良い。
この後、ステップ107に進み、この偏差Pdを劣化判定値Psと比較し、当該偏差Pdが劣化判定値Ps以上であれば、排出ガスセンサ14の修理・交換が必要な程度まで劣化が進んでいると判断して、ステップ108に進み、警告手段22に警告表示して、排出ガスセンサ14の劣化を運転者に警告すると共に、この劣化の情報を書き換え可能な不揮発性メモリに保存する。
これに対して、偏差Pdが劣化判定値Ps未満であれば、排出ガスセンサ14の出力に基づく空燃比フィードバック制御が可能である判断して、ステップ109に進み、偏差Pdを引数とする劣化度算出マップ又は関数f(Pd)を用いて、現在の偏差Pdに応じた劣化度Dを算出する。
図2に示すように、排出ガスセンサ14の劣化が進むほど、素子インピーダンスが大きくなるため、図8に示すように、排出ガスセンサ14の劣化が進むほど、ヒータ通電率DUTYが等しい場合において、素子インピーダンスから算出される素子温度(第2の素子温度パラメータPc)がより低い温度に算出され、実際の素子温度(第1の素子温度パラメータPf)との偏差(Pd)が大きくなる。この特性を考慮して、劣化度算出マップ又は関数f(Pd)は、第1の素子温度パラメータPfと第2の素子温度パラメータPcとの偏差Pdが大きくなるほど、劣化度Dが大きくなるように設定されている。
劣化度Dの算出後、ステップ110に進み、劣化度Dを引数とするヒータ電流補正係数算出マップ又は関数f(D)を用いて、現在の劣化度Dに応じたヒータ電流補正係数Kを算出する。そして、このヒータ電流補正係数Kを用いてヒータ通電制御手段17で設定したヒータ通電率DUTYを減量補正することで、現在の劣化度Dに応じてヒータ電流(発熱量)を減少させる。これにより、排出ガスセンサ14の劣化度Dが大きくなるほど、ヒータ電流(発熱量)を減少させてセンサ素子26の過昇温を抑制するという制御が可能となり、センサ素子26の過熱による劣化度の進行を抑制することができる。
尚、前記ステップ102の処理は、排出ガスセンサ14の劣化判定を実行する実行領域を判定する実行領域判定手段として機能する。このステップ102では、排出ガス温度Teに基づいてセンサ素子26の周辺の熱エネルギーが安定した領域であるか否かを判定するようにしたが、例えば、第1の素子温度パラメータPf(第1のセンサ特性パラメータ)、素子インピーダンス又は第2の素子温度パラメータPc(第2のセンサ特性パラメータ)、始動後経過時間、冷却水温、エンジン11の定常/過渡の判定結果、燃料カットの有無の少なくとも1つに基づいて、センサ素子26の周辺の熱エネルギーが安定した領域であるか否かを判定するようにしても良い。センサ素子26の周辺の熱エネルギーが安定した領域で、第1の素子温度パラメータPfを算出すれば、熱エネルギーの授受を精度良く推定できる領域で、第1の素子温度パラメータPfを算出できるため、第1の素子温度パラメータPfの算出精度ひいては劣化度Dの判定精度を向上させることができる。
以上説明した本実施例では、センサ素子26とその周辺との間の熱エネルギーの授受(受熱と放熱の両方)を考慮した素子温度推定モデルを用いて第1の素子温度パラメータPfを算出するようにしたので、第1の素子温度パラメータPfを精度良く算出することができる。そして、この精度の良い第1の素子温度パラメータPfを、素子インピーダンスから算出した第2の素子温度パラメータPcと比較して排出ガスセンサ14の劣化度Dを判定するため、排出ガスセンサ14の劣化度Dを精度良く判定することができる。
尚、本実施例では、第1の素子温度パラメータPfと第2の素子温度パラメータPcとの偏差Pdに基づいて排出ガスセンサ14の劣化度Dを算出するようにしたが、第1の素子温度パラメータPfと第2の素子温度パラメータPcとの比に基づいて排出ガスセンサ14の劣化度Dを算出するようにしても良く、要は、第1の素子温度パラメータPfと第2の素子温度パラメータPcとのずれ量を評価する数値を算出して排出ガスセンサ14の劣化度Dを算出するようにすれば良い。
また、第1の素子温度パラメータPf(第1のセンサ特性パラメータ)と第2の素子温度パラメータPc(第2のセンサ特性パラメータ)は、いずれも素子温度の推定値に限定されず、素子温度に相関するパラメータや素子インピーダンスに相関するパラメータを用いるようにしても良い。
本発明の一実施例のシステム全体の機能を示すブロック図である。 排出ガスセンサの非劣化時と劣化時の素子インピーダンスの特性を示す図である。 センサ素子の構造を説明する図である。 センサ素子の等価回路を示す回路図である。 素子インピーダンスの検出方法を説明する図である。 素子インピーダンス→素子温度変換マップを説明する図である。 排出ガスセンサ劣化判定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 素子インピーダンスから算出する素子温度と排出ガスセンサの劣化度との関係を説明するタイムチャートである。
符号の説明
11…エンジン(内燃機関)、12…排気管、13…触媒、14…排出ガスセンサ、15…制御装置、16…空燃比制御手段、17…ヒータ通電制御手段、18…素子インピーダンス検出手段、19…第1のセンサ特性パラメータ推定手段、20…第2のセンサ特性パラメータ推定手段、21…センサ劣化度判定手段、22…警告手段、26…センサ素子、27…ジルコニア固体電解質、28…電極

Claims (8)

  1. 内燃機関の排出ガスの酸素濃度等のガス成分濃度、空燃比、リッチ/リーンのいずれかを検出するセンサ素子と、このセンサ素子を加熱するヒータとを有する排出ガスセンサの劣化検出装置において、
    前記センサ素子とその周辺との間の熱エネルギーの授受を推定して該センサ素子の特性に関するパラメータ(以下「第1のセンサ特性パラメータ」という)を算出する第1のセンサ特性パラメータ推定手段と、
    前記センサ素子のインピーダンスを検出する素子インピーダンス検出手段と、
    前記素子インピーダンス検出手段で検出したインピーダンスに基づいて前記センサ素子の特性に関するパラメータ(以下「第2のセンサ特性パラメータ」という)を算出する第2のセンサ特性パラメータ推定手段と、
    前記第1のセンサ特性パラメータと前記第2のセンサ特性パラメータとを比較して前記排出ガスセンサの劣化度を判定するセンサ劣化度判定手段と
    を備えていることを特徴とする排出ガスセンサの劣化検出装置。
  2. 前記第1のセンサ特性パラメータ推定手段は、少なくとも前記センサ素子の排出ガスからの受熱と外部への放熱と前記ヒータによる加熱とを考慮して前記第1のセンサ特性パラメータを算出することを特徴とする請求項1に記載の排出ガスセンサの劣化検出装置。
  3. 前記第1のセンサ特性パラメータと前記第2のセンサ特性パラメータは、いずれも前記センサ素子の温度又はこれに相関するパラメータであることを特徴とする請求項1又は2に記載の排出ガスセンサの劣化検出装置。
  4. 前記センサ素子の周辺の熱エネルギーが安定した領域で前記第1のセンサ特性パラメータ推定手段による前記第1のセンサ特性パラメータの算出を実行させる実行領域判定手段を備えていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の排出ガスセンサの劣化検出装置。
  5. 前記実行領域判定手段は、前記センサ素子の周辺の熱エネルギーが安定した領域であるか否かを内燃機関の運転状態に基づいて判定することを特徴とする請求項4に記載の排出ガスセンサの劣化検出装置。
  6. 前記実行条件判定手段は、前記第1のセンサ特性パラメータ、前記センサ素子のインピーダンス又は前記第2のセンサ特性パラメータ、始動後経過時間、冷却水温、内燃機関の定常/過渡の判定結果、燃料カットの有無の少なくとも1つに基づいて前記センサ素子の周辺の熱エネルギーが安定した領域であるか否かを判定することを特徴とする請求項4又は5に記載の排出ガスセンサの劣化検出装置。
  7. 前記センサ劣化度判定手段で判定した前記排出ガスセンサの劣化度に応じて前記ヒータの通電量を補正するヒータ通電補正手段を備えていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の排出ガスセンサの劣化検出装置。
  8. 前記センサ劣化度判定手段の判定結果に基づいて前記排出ガスセンサの劣化度が劣化判定値以上であるときに警告する警告手段を備えていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の排出ガスセンサの劣化検出装置。
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