JP2008139192A - 排気ガスセンサの故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスセンサの故障内容を正確に診断する。
【解決手段】故障診断装置１０は、Ｏ_２センサ１００において排気側電極１２０に接する第１空間１５を規定する第１評価室１２と、大気側電極１３０に接する内部空間１５０と連通し、第１空間１５から隔絶された第２空間１６を規定する第２評価室１３を備える。故障診断装置１０において故障診断処理が実行される際、第１空間１５には酸素ガスが、また第２空間１６には窒素ガスが導入され、ファンによって攪拌される。更に、ヒータ１７への通電制御を介してセンサ素子部１００Ａが加熱される。一方、各空間からは、採取口を介してガスが採取され、酸素濃度及び水分濃度が解析される。制御装置１１は、この酸素濃度及び水分濃度に基づいて、センサ素子部１００Ａにおける物理的損傷の有無及び内部空間１５０への水分の混入の有無等を判別し、故障状態を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＯ_２センサや空燃比センサ等の各種排気ガスセンサの故障を診断するための排気ガスセンサの故障診断装置の技術分野に関する。

この種の装置に係る従来の技術として、リニアＯ_２センサの故障を検出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたエンジンの空燃比制御装置によれば、空燃比を所定の変動周期で変動させた際にリニアＯ_２センサの出力が変化し始めるまでの時間を検出し、当該時間が所定値以上であるか否かによってリニアＯ_２センサが故障しているか否かを判断することが可能であるとされている。

尚、検出素子部のインピーダンス値の変化に基づいて検出素子部の異常の有無を判断する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、排気側電極と大気側電極を有し、大気層に元々存在した酸素をポンピングするのに要した時間に基づいて故障を検出する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

更には、空燃比センサのオフセットされた出力信号により故障を判定し、入力信号レベルにより故障内容を特定する技術も提案されている（例えば、特許文献４参照）。

更には、被検ガス雰囲気と直接触れる第２の酸素検知電極と基準電極との間に生ずる起電力と、第１の酸素検知電極と基準電極との間の起電力とを比較してセンサ異常を検知する技術も提案されている（例えば、特許文献５参照）。

特開２００６−９６２４号公報 特開２００６−９８３８３号公報 特開２００６−９０７６４号公報 特開２００５−１７１８９８号公報 ＷＯ００／３７９３０号公報

上述した各種の従来技術では、排気ガスセンサが故障しているか否かは判断し得るが、その故障内容については、特定し得ないか、或いは例えば、時間、インピーダンス或いは電圧等、故障と相関のある指標値の検出結果に基づいて間接的に推定しているに過ぎず、実質的にみて故障内容を正確に特定し得ているとは言い難い。即ち、従来の技術には、排気ガスセンサの故障内容を正確に診断することが困難であるという技術的な問題点がある。

本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであり、排気ガスセンサの故障内容を正確に診断することが可能な排気ガスセンサの故障診断装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置は、内燃機関の排気系に装着された状態において（i）大気及び排気ガスに夫々接する大気側電極及び排気側電極を備え、（ii）前記大気側電極と前記排気側電極との間に前記大気と前記排気ガスとの間の酸素濃度の差に応じた起電力を生成可能な排気ガスセンサの故障状態を、前記内燃機関から取り外された状態において診断する排気ガスセンサの故障診断装置であって、
前記排気側電極に接する第１の空間を規定する第１のガス室と、前記大気側電極に接し且つ前記第１の空間から隔絶された第２の空間を規定する第２のガス室と、前記第１及び第２のガス室のうち一方のガス室に設けられ、該一方のガス室に対応する前記第１及び第２の空間のうち一方の空間に第１のガスを導入するための第１の導入手段と、前記第１及び第２のガス室のうち他方のガス室に設けられ、該他方のガス室に対応する前記第１及び第２の空間のうち他方の空間から該他方の空間に存在するガスを採取するための第１の採取手段とを具備することを特徴とする。

本発明における排気ガスセンサは、内燃機関に装着された状態において夫々大気及び排気ガスに接する、例えば多孔質白金電極等として構成された大気側電極及び排気側電極を備え、当該大気側電極と排気側電極との間に、大気と排気ガスとの間の酸素濃度の差に応じた起電力を生成可能なセンサを包括する概念であり、例えば、大気側電極と排気側電極との間にジルコニア素子等で形成された固体電解質を介在させてなるジルコニアＯ_２センサや、空燃比センサ等の形態を採る。

本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置には、例えば筐体部分が、例えば、ガラス、樹脂材料或いは金属材料等により形成されてなる、例えばチャンバ等の第１のガス室が備わり、当該第１のガス室により、その内部に排気側電極に接する第１の空間が規定されている。この第１の空間とは、当該排気ガスセンサが内燃機関に装着された状態では排気ガスが支配的に存在する空間である。尚、「排気側電極に接する」とは、物理的に（即ち、直接）接した状態のみを表すものではなく、例えば、オーバーコート層等の各種機能膜或いは機能層等を介して間接的に接した状態を含み、排気ガスセンサと、排気ガスセンサが正常である場合に排気側電極に対し酸素の影響を及ぼし得る位置関係にあることを包括する概念である。

一方、本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置には、例えば筐体部分が、例えば、ガラス、樹脂材料或いは金属材料等により形成されてなる、例えばチャンバ等の第２のガス室が備わり、当該第２のガス室により、その内部に大気側電極に接する第２の空間が規定されている。この第２の空間とは、当該排気ガスセンサが内燃機関に装着された状態では大気が支配的に存在する空間である。尚、「大気側電極に接する」とは、物理的に（即ち、直接）接した状態のみを表すものではなく、例えば、オーバーコート層等の各種機能膜或いは機能層等を介して間接的に接した状態を含み、排気ガスセンサと、排気ガスセンサが正常である場合に大気側電極に対し酸素の影響を及ぼし得る位置関係にあることを包括する概念である。この第２の空間は、例えば第１のガス室と第２のガス室とが相互にフランジ等の連結部材を介して連結されること等によって、第１の空間から隔絶されている。

これら第１及び第２のガス室のうち一方のガス室には、当該一方のガス室により規定される第１及び第２の空間のうち一方の空間に第１のガスを導入するための、例えば、導入口（或いは注入口）等の第１の導入手段が設けられている。ここで、第１の導入手段とは、当該一方の空間に対する第１のガスの導入に寄与し得る物理的な、機械的な、機構的な或いは電気的な手段を包括する概念であり、係る概念が担保される限りにおいて、必ずしも第１の導入手段のみによって当該一方の空間に対する第１のガスの導入が可能とならずともよい趣旨である。別言すれば、第１の導入手段に、更に例えば第１のガスが貯留されたガス源、ポンプ等の圧送手段、及びデリバリパイプ等の配管部材等を連結することにより係るガス源から第１のガスが導入されてもよい。反対に、第１の導入手段とは、それ自体で当該一方の空間に第１のガスを導入可能な手段であってもよい。尚、第１のガスの種類は何ら限定されず、例えば、酸素ガスや窒素ガス等であってもよい。

一方、第１の導入手段が設けられる一方のガス室とは異なる他方のガス室には、当該他方のガス室に対応する他方の空間からガスを採取するための、例えば採取口等の第１の採取手段が設けられている。ここで、第１の採取手段とは、当該他方の空間からのガスの採取に寄与し得る物理的な、機械的な、機構的な或いは電気的な手段を包括する概念であり、係る概念が担保される限りにおいて、必ずしも第１の採取手段のみによって当該他方の空間からのガスの採取が可能とならずともよい趣旨である。別言すれば、第１の採取手段に、更に例えば採取すべきガスを貯留する貯留手段、ポンプ等の圧送手段、及びデリバリパイプ等の配管部材等を連結することにより当該他方の空間からガスが採取されてもよい。反対に、第１の採取手段とは、それ自体で当該他方の空間からガスを採取可能な手段であってもよい。或いは、第１の採取手段とは、例えば当該他方の空間に露出する検出用の端子や、係る端子を介して当該他方の空間に存在するガスにおける、例えば酸素濃度や水分濃度等を検出するためのコネクタ等であってもよい。即ち、採取とは、当該他方の空間からガスを取り出すことのみに限定されない趣旨である。

ここで特に、第１の空間と第２の空間は先に述べた通り隔絶されているから、排気ガスセンサの素子部（即ち、大気側電極と排気側電極とが対向している部分）に、割れ、クラック、或いは穴等の物理的損傷が発生していなければ、一方の空間に導入された第１のガスは、他方の空間に到達しない。一方で、排気ガスセンサに、大気側電極から排気側電極に到達する割れ、クラック或いは穴等の物理的損傷が発生している場合、一方の空間に導入された第１のガスは、第１のガスがいずれの空間に導入されるにしろ、大気側電極或いは排気側電極から、例えば固体電解質を通って排気側電極或いは大気側電極へ流入することになる。従って、この場合、他方の空間、即ち、ガスが採取される空間におけるガスの状態は、一方の空間に第１のガスを導入する以前と較べて、或いはリアルタイムに又は連続的に変化することになる。

従って、本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置によれば、採取手段を介して採取された他方の空間に存在するガスにおける、例えば酸素濃度や水分濃度等、各種組成や重量比率等を、例えば外部の、又は採取手段を介して直接接続される、或いは装置内に備わる各種分析装置等の特定手段により特定すること等によって、排気ガスセンサの故障状態を、実現象として正確に診断することが可能となる。従って、排気ガスセンサの故障状態と対応付けられた各種の物理的又は電気的な指標値（例えば、電圧、電流又はインピーダンス等）に基づいて間接的に故障状態を特定する場合と較べ、測定システムの故障、誤動作、或いは測定誤差等の影響が軽減される分、診断に係る精度がより担保される。即ち、排気ガスセンサの故障内容を正確に診断することが可能となるのである。

本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置の一の態様では、前記他方の空間から採取されたガスの状態を特定する第１の特定手段を更に具備する。

この態様によれば、例えば、ガスクロマトグラフィ装置等の各種分析装置、或いは更に各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等を適宜含んでなる第１特定手段の作用により、第１の採取手段を介して採取されたガスの状態が特定される。ここで、本発明に係る「ガスの状態」とは、排気ガスセンサの故障状態の診断に供し得る状態を包括する概念であり、例えば、ガスの組成、重量比率や濃度比率等の成分比率、又は特定の成分の濃度等定量的な状態、或いは特定の成分（例えば、排気ガスセンサが正常であれば検出されるはずのない成分）の有無、又はガスの物理的若しくは化学的な性質等定性的な状態を含んでなる広い概念である。

従って、この態様によれば、係る特定されたガスの状態に基づいて、例えば、外部の診断装置により、又は第１の特定手段と物理的、機械的、機構的或いは電気的に接続された診断手段により、更には予めガスの状態に対応付けられた診断指標等に従って人為的に、排気ガスセンサにおける割れ、クラック又は穴等の物理的損傷の有無、発生部位及び規模等、排気ガスセンサの定量的又は定性的な故障状態を診断することが容易にして可能となる。

尚、この態様では、前記特定された前記他方の空間から採取されたガスの状態に基づいて前記故障状態を診断する第１の診断手段を更に具備してもよい。

この場合、排気ガスセンサの故障診断装置に、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等の形態を採り得る診断装置が備わり、特定されたガスの状態に基づいて、排気ガスセンサの故障状態を診断することが可能となるため、より効率的且つ効果的である。

尚、本発明における「故障状態を診断する」とは、故障の内容或いは規模を、定性的又は定量的な観点から幾らかなりとも特定或いは判別することを表す概念である。従って、係る第１診断手段によれば、例えば排気ガスセンサの割れ、クラック或いは穴等の有無、発生箇所、又は規模等が詳細に特定され得る。或いは排気ガスセンサの故障が比較的軽微であるか重大であるか等といった定性的な規模が、連続的に、又は段階的に特定され得る。

本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置の他の態様では、前記他方のガス室に設けられ、前記他方の空間に前記第１のガスとは異なる第２のガスを導入するための第２の導入手段を更に具備する。

この態様によれば、他方のガス室に設けられた、前述した第１の導入手段と同様の概念を有する第２の導入手段により、他方の空間に第１のガスと異なる第２のガスが導入され得る。一方の空間に導入された第１のガスが、排気ガスセンサにおける、例えばセンサ素子部の物理的損傷等により他方の空間に流入するとして、他方の空間に第１のガスと同種のガスが予め存在していれば、一方の空間から流入したガスであるのか、他方の空間に予め存在していたガスであるのかの判断が困難となる可能性がある。この場合、他方の空間に第２のガスが導入され得るため、他方の空間における、一方の空間から流入した第１のガスの存在をより高精度に検出することが可能となり、排気ガスセンサの故障診断に係る診断精度がより向上し得る。

尚、この態様では、前記第１のガスは酸素ガスであり、前記一方の空間として前記第１の空間に導入され、前記第２のガスは窒素ガスであり、前記他方の空間として前記第２の空間に導入されてもよい。

この場合、排気側電極に接する第１の空間に第１のガスとして酸素ガスが導入され得、大気側電極に接する第２の空間には窒素ガスが導入され得るため、排気ガスセンサの故障診断に係る精度が向上し得る。

本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置の他の態様では、前記一方のガス室に設けられ、前記一方の空間から前記一方の空間に存在するガスを採取するための第２の採取手段を更に具備する。

この態様によれば、他方の空間に備わる第１の採取手段と同様の概念を有する第２の採取手段により、当該一方の空間から当該一方の空間に存在するガスが採取され得る。排気ガスセンサに何ら損傷が生じていないならば、第２の採取手段により採取され得るガスは、即ち第１のガスであるが、排気ガスセンサに何らかの損傷が生じている場合には、他方の空間に存在するガスが流入し得る、或いは他方の空間へガスが流出し得るため、第２の採取手段により採取され得るガスの成分比率等が変化する。従って、この態様によれば、各々採取された第１の空間及び第２の空間におけるガスの状態を特定するプロセス等を経ることにより、排気ガスセンサの故障状態を一層高精度に診断することが可能となる。

尚、前述したように、一方の空間として第１の空間に第１のガスとして酸素ガスが導入され、他方の空間として第２の空間に第２のガスとして窒素ガスが導入された場合、第１及び第２の空間の各々において採取されたガスにおける酸素濃度の変化等を特定することにより、故障診断が実行されてもよい。

尚、この態様では、前記一方の空間から採取されたガスの状態を特定する第２の特定手段を更に具備してもよい。

この場合、上述した第１の特定手段と同様の概念を有する第２の特定手段によって、一方の空間から採取されたガスの状態が特定されるため、係る特定されたガスの状態に基づいて、例えば、外部の診断装置により、又は第２の特定手段と物理的、機械的、機構的或いは電気的に接続された診断手段により、更には或いは予めガスの状態に対応付けられた診断指標等に従って人為的に、排気ガスセンサにおける割れ、クラック又は穴等の物理的損傷の有無、発生部位及び規模等、排気ガスセンサの定量的又は定性的な故障状態を診断することが容易にして可能となる。

尚、第１の特定手段と第２の特定手段とは、少なくとも一部が相互に同一のハードウェア構成を有していてもよいし、相互に全く独立して構成されていてもよい。

また、この態様では更に、前記特定された前記一方の空間から採取されたガスの状態に基づいて前記故障状態を診断する第２の診断手段を更に具備してもよい。

この場合、上述した第１の診断手段と同様の概念を有する第２の診断手段により、一方の空間から採取されたガスの状態に基づいて排気ガスセンサの故障状態が診断されるため、排気ガスセンサの故障診断に係る精度が向上し得る。

本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置の他の態様では、前記第１の空間における前記排気ガスセンサを加熱可能な加熱手段を更に具備する。

この態様によれば、例えば第１のガス室に、第１の空間における排気ガスセンサを直接的に、或いは第１の空間に存在するガスを介して間接的に加熱することが可能な、例えばヒータ等の加熱手段が備わるため、第１の空間におけるガスをより活性化させ、損傷部位を介したガスの移動或いは拡散を促進させることが可能となる。また、故障状態の一として、第２の空間の一部に水分が混入している場合、係る加熱手段の作用によって、当該水分の気化及び拡散が促進されるから、第２の空間に存在するガスの状態を特定し得る場合には、排気ガスセンサにおける、割れ、クラック又は穴等の他に、更に第２の空間に水分が混入したことによる故障をも検出することが可能となる。即ち、より高精度に排気ガスセンサの故障状態を診断することが可能となる。

尚、この態様では、前記排気ガスセンサが所定の温度となるように前記加熱手段を制御する加熱制御手段を更に具備してもよい。

この場合、排気ガスセンサの温度を調節することが可能となるため、より効率的且つ効果的に排気ガスセンサの故障状態を診断することが可能となる。尚、所定の温度とは、排気ガスセンサを有意に昇温せしめ得る限りにおいて如何なる温度であってもよく、例えば予め実験的に、経験的に、理論的に或いはシミュレーション等に基づいて、第１の空間に存在するガスを効率的且つ効果的に活性化し得るように、或いは第２の空間に存在する水分を効率的且つ効果的に気化せしめ得るように決定されていてもよい。

本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置の他の態様では、前記第１及び第２の空間のうち少なくとも一方に存在するガスを撹拌可能な撹拌手段を更に具備する。

この態様によれば、例えばファン等の撹拌手段により、第１の空間に存在するガス又は第２の空間に存在するガス或いはその両方が撹拌され、好適には各空間内におけるガスの状態が均一化される。従って、第１或いは第２の採取手段によって採取されるガスの成分を安定させることが可能となって、例えば第１或いは第２の特定手段による特定精度が、又は第１或いは第２の診断手段による診断精度が向上する。即ち、より高精度に排気ガスセンサの故障状態が診断され得る。

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。

＜発明の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の好適な各種実施形態について説明する。

＜実施形態の構成＞
始めに、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る故障診断装置１０の構成について、その動作の一部を交えて説明する。ここに、図１は、故障診断装置１０の構成を概念的に表してなる概略構成図である。

図１において、故障診断装置１０は、例えば車両のエンジン等に好適に使用されるＯ_２センサ１００（即ち、本発明に係る「排気ガスセンサ」の一例）の故障状態を診断することが可能に構成された、本発明に係る「排気ガスセンサの故障診断装置」の一例である。尚、Ｏ_２センサ１００の詳細な構成については、後に図２を参照する形で詳述する。

故障診断装置１０は、制御装置１１を備える。制御装置１１は、不図示のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を備え、故障診断装置１０の動作全体を制御することが可能に構成されたコンピュータシステムであり、本発明に係る「第１の診断手段」、「第２の診断手段」及び「加熱制御手段」の一例である。制御装置１１は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って、後述する故障診断処理を実行することが可能に構成されている。

故障診断装置１０は、第１評価室１２及び第２評価室１３を備える。

第１評価室１２は、Ｏ_２センサ１００のセンサ素子部１００Ａ（図示破線枠参照）を覆う、例えばガラス製のチャンバであり、本発明に係る「第１のガス室」の一例である。第１評価室１２は、その内壁部と後述するフランジ１４とによって、内部に第１空間１５（即ち、本発明に係る「第１の空間」の一例）を規定している。尚、第１評価室１２は、センサ素子部１００Ａを覆うセンサカバー１１０を更に外側から覆う構成を有している。

第２評価室１３は、Ｏ_２センサ１００の大気開放部１００Ｂ（図示鎖線枠参照）を覆う、例えばガラス製のチャンバであり、本発明に係る「第２のガス室」の一例である。第２評価室１３は、その内壁部と後述するフランジ１４とによって、内部に第２空間１６（即ち、本発明に係る「第２の空間」の一例）を規定している。尚、第２評価室１３は、大気開放部１００Ｂを覆うセンサカバー１６０を更に外側から覆う構成を有している。

フランジ１４は、Ｏ_２センサ１００が、例えば車両のエンジンにおける排気管に装着される際に、当該排気管内の気密状態を維持しつつ当該排気管にＯ_２センサを接続するための結合部材である。図１においてフランジ１４の下方に広がる空間は、測定対象空間の酸素濃度を検出するためのセンサ素子部１００Ａを取り巻く空間となっており、前述した第１空間１５の一部を構成している。一方、図１においてフランジ１４の上方に広がる空間は、Ｏ_２センサ１００の大気開放部１００Ｂを取り巻く空間となっており、前述した第２空間１６の一例を構成している。このように、第１評価室１２及び第２評価室１３は、夫々フランジ１４の相異なる側に接続されており、従って、第１評価室１２及び第２評価室１３により夫々規定される第１空間１５及び第２空間１６は、相互に隔絶されている。

第１評価室１２には、ヒータ１７が設置されている。ヒータ１７は、第１空間１５を加熱することが可能に構成された、本発明に係る「加熱手段」の一例である。また、ヒータ１７は、発熱部が第１空間１５に露出すると共に、その制御用の配線部材が、第１空間１５の気密が保たれるように第１評価室１２の外部に露出した構成を有しており、当該配線部材は、温調器１８と電気的に接続されている。

温調器１８は、第１空間１５の温度を調整することが可能に構成された温度調整用のコントローラであり、制御装置１１と共に本発明に係る「加熱制御手段」の一例をなす。温調器１８は、例えば交流１００Ｖ電源等の電源装置１９と接続されており、当該電源装置１９からの電力の供給を受け、ヒータ１７への通電量を制御することが可能に構成されている。また、温調器１８は、制御装置１１と電気的に接続されており、その動作が制御装置１１により上位に制御される構成となっている。

第１評価室１２及び第２評価室１３には、夫々ファン２０及びファン２１が設置されている。ファン２０及び２１は、相互に同一のハードウェア構成を有する、本発明に係る「撹拌手段」の一例である。ファン２０及び２１は、夫々制御装置１１と電気的に接続されており、制御装置１１による制御を受けて、夫々第１空間１５及び第２空間１６において回転駆動される構成となっている。この回転駆動がなされた状態において、各ファンは、各空間内のガスを撹拌せしめ得る構成となっている。

一方、第１評価室１２には、ガス導入口２２が設けられている。ガス導入口２２は、第１空間１５に外部からガスを導入するための管状部材であり、本発明に係る「第１の導入手段」の一例である。ガス導入口２２は、第１評価室１２の外部まで伸長しており、当該伸長部分に図示せぬバルブが設けられている。係るバルブは、制御装置１１によってその開閉状態が制御される構成となっている。

尚、本実施形態において、ガス導入口２２には、酸素タンク２００が接続されており、制御装置１１により上述した不図示のバルブが開弁せしめられた際に、第１空間１５に酸素ガス（即ち、本発明に係る「第１のガス」の一例）が供給される構成となっている。

他方、第２評価室１３には、ガス導入口２３が設けられている。ガス導入口２３は、第２空間１６に外部からガスを導入するための管状部材であり、本発明に係る「第２の導入手段」の一例である。ガス導入口２３は、第２評価室１３の外部まで伸長しており、当該伸長部分に図示せぬバルブが設けられている。係るバルブは、制御装置１１によってその開閉状態が制御される構成となっている。

尚、本実施形態において、ガス導入口２３には、窒素タンク３００が接続されており、制御装置１１により上述した不図示のバルブが開弁せしめられた際に、第２空間１６に窒素ガス（即ち、本発明に係る「第２のガス」の一例）が供給される構成となっている。

第１評価室１２には、採取口２４が設けられている。採取口２４は、第１空間１５に一部が露出しており、その露出部位においてガスを採取することが可能に構成された、本発明に係る「第２の採取手段」の一例である。尚、採取口２４は、積極的にガスを採取する構成は有しておらず、あくまで第１空間１５を滞留する過程で採取口２４に到達したガスを比較的緩やかにトラップする構成となっている。

第２評価室１３には、採取口２６が設けられている。採取口２６は、第２空間１６に一部が露出しており、その露出部位におけるガスを採取することが可能に構成された、本発明に係る「第１の採取手段」の一例である。尚、採取口２６は、積極的にガスを採取する構成は有しておらず、あくまで第２空間１６を滞留する過程で採取口２６に到達したガスを比較的緩やかにトラップする構成となっている。

採取口２４及び２６には、夫々相互に独立したデリバリ２５及び２７が接続されている。デリバリ２５及び２７は、採取されたガスに対し化学的に安定な金属製の管状部材であり、夫々他方の端部が解析装置２８に接続されている。

解析装置２８は、デリバリ２５及び２７を介して送り込まれたガスにおける、酸素濃度Ｄｏ及び水分濃度Ｄｗを解析することが可能に構成された装置であり、本発明に係る「第１の特定手段」及び「第２の特定手段」の一例である。解析装置２８は、第１空間１５及び第２空間１６から夫々独立して取り込まれるガスを夫々独立に解析することが可能に構成されている。また、解析装置２８は、制御装置１１と電気的に接続されており、その動作は制御装置１１によって上位に制御される構成となっている。更に、解析装置２８により解析された各種濃度のデータは、制御装置１１に一定の周期で出力される構成となっている。

次に、図２を参照し、Ｏ_２センサ１００の詳細な構成について説明する。ここに、図２は、Ｏ_２センサ１００における主としてセンサ素子部１００Ａの断面構成を表してなる模式断面図である。尚、同図において、図１と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。

図２において、Ｏ_２センサ１００におけるセンサ素子部１００Ａは概略筒状をなしており、下方の一端部において閉じられている。センサ素子部１００Ａの内部には、内部空間１５０が形成されており、この内部空間１５０は、大気開放部１００Ｂ（図２では不図示）に連通している。大気開放部１００Ｂは、エンジン等に装着された状態において大気に開放される部位であり、前述したセンサカバー１６０を介して第２空間１６と相互に連通している。従って、内部空間１５０は、大気開放部１００Ｂを介して第２空間１６と連通する構成となっている。即ち、この内部空間１５０は、第２空間１６の一部とみなしてよく、第２空間１６と共に本発明に係る「第２の空間」の一例となっている。このため、内部空間１５０の雰囲気は、理想的には第２空間１６の雰囲気と略等しく保たれる。

図２において、センサ素子部１００Ａは、排気側電極１２０、大気側電極１３０及び固体電解質１４０を備える。

固体電解質１４０は、ジルコニアで構成されており、例えば３００度以上の高温条件下で酸素イオン導電体として機能するように構成されている。排気側電極１２０及び大気側電極１３０は、この固体電解質１４０の内外表面にメッキなどの方法で形成された、多孔質白金電極である。固体電解質１４０の内部は酸素イオンが自由に動ける状態にあり、その両側に酸素濃度差（酸素分圧の差）があると、その濃度差を減らすように酸素イオンが一方側から他方側に移動する。その際、高濃度側の酸素は、多孔質白金電極として構成された排気側電極１２０又は大気側電極１３０の表面で受け取られて酸素イオンとなり、固体電解質１４０中を低濃度側に移動して反対側の電極に到達する。この酸素イオンの移動現象は、電子の移動となり、排気側電極１２０及び大気側電極１３０からなる一対の電極間に起電力を発生させる。この起電力は、Ｏ_２センサ１００の出力電圧となる。

尚、図示は省略するが、排気側電極１２０には、多孔質セラミックで形成された保護膜としてのオーバーコート層が形成されており、排気側電極１２０は、当該オーバーコート層を介して第１空間１５と接している。

センサ素子部１００Ａの外側には、耐熱ステンレス製のセンサカバー１１０が配設されている。センサカバー１１０には、多数の通気孔１１０Ａが形成されており、センサ素子部１００Ａに向かうガスの流速を減衰せしめ得る構成となっている。また、センサカバー１１０は、センサ素子部１００Ａをゴミや水滴等から保護する機能も有している。尚、図示は省略するが、大気開放部１００Ｂもセンサカバー１１０と同様の物理構成を有するセンサカバー１６０で覆われている。

＜実施形態の動作＞
故障診断装置１０では、制御装置１１により故障診断処理が実行されることによって、Ｏ_２センサ１００の故障状態が診断される。ここで、図３を参照し、故障診断処理の詳細について説明する。ここに、図３は、故障診断処理のフローチャートである。

図３において、制御装置１１は始めに、ファン２０及び２１を稼動させる（ステップＡ１０）。ファン２０及び２１を稼動させると、制御装置１１は、第２評価室１３内の第２空間１６に窒素ガスを導入する（ステップＡ１１）。ここで、制御装置１１は、ガス導入口２３に配設されたバルブを開弁せしめ、窒素タンク３００からガス導入口２３を介して窒素ガスを導入する。尚、本実施形態では、予め図示せぬ真空排気系の作用により、第２評価室１３は所定の真空状態とされており、窒素ガスの導入により、第２評価室１３内は、窒素雰囲気で満たされる。但し、第２評価室１３の内部は、必ずしも真空排気される必要は無く、また窒素ガスの導入量も比較的自由に、好適には実践上の不都合が生じない程度に酸素濃度を低下させ得る限りにおいて自由に決定されてよい。

第２評価室１３に窒素ガスが導入されると、制御装置１１は、第１評価室１２に酸素ガスを導入する（ステップＡ１２）。ここで、制御装置１１は、ガス導入口２２に配設されたバルブを開弁せしめ、酸素タンク２００からガス導入口２２を介して酸素ガスを導入する。尚、本実施形態では、予め図示せぬ真空排気系の作用により、第１評価室１２は所定の真空状態とされており、酸素ガスの導入により、第１評価室１２内は、酸素雰囲気で満たされる。但し、第１評価室１２の内部は、必ずしも真空排気される必要は無く、また酸素ガスの導入量も比較的自由に、好適には実践上の不都合が生じない程度に十分な酸素が導入される限りにおいて自由に決定されてよい。

ステップＡ１１及びステップＡ１２に係る処理が終了すると、第１空間１５及び第２空間１６に夫々導入された酸素ガス及び窒素ガスが均一に拡散するまで、以降の処理が待機状態に制御されるが、実際には、ファン２０及び２１の作用により、極めて短時間で両空間に夫々のガスが均一に拡散する。

制御装置１１は、次に、ヒータ１７を稼動させる（ステップＡ１３）。ここで、制御装置１１は、温調器１８を制御し、第１空間１５が所定温度となるようにヒータ１７への通電量を制御する。尚、制御装置１１は、図１においては不図示の温度センサにより検出される第１空間１５の温度が設定値に維持されるように、ヒータ１７への通電量をフィードバック制御している。従って、第１空間１５の温度は、所定温度で略一定に保たれる。尚、係る所定温度は、センサ素子部１００Ａを十分に温め得る温度として決定されている。

ヒータ１７を稼動させると、制御装置１１は、解析装置２８を制御し、第１空間１５及び第２空間１６における酸素濃度Ｄｏ及び水分濃度Ｄｗの解析を開始する（ステップＡ１４）。解析装置２８による各濃度の解析結果は、制御装置１１に一定の周期で出力される。制御装置１１は、解析装置２８から送られてくる検出結果に相当するデータを、時系列に従って順次ＲＡＭに記憶する。

一方、制御装置１１は、酸素濃度Ｄｏ及び水分濃度Ｄｗの解析を開始してからの経過時間Ｔを記憶しており、次なるステップとして、経過時間Ｔが閾値Ｔｔｈに到達したか否かを判別する（ステップＡ１５）。ここで、閾値Ｔｔｈは、センサ素子部１００Ａに生じた極微小な損傷をも検出可能な程度に長い時間に設定されている。

経過時間Ｔが閾値Ｔｔｈに満たない場合（ステップＡ１５：ＮＯ）、制御装置１１はステップＡ１５に係る処理を繰り返すと共に、経過時間Ｔが閾値Ｔｔｈに到達した場合（ステップＡ１５：ＹＥＳ）、制御装置１１は、記憶された解析結果に基づいてＯ_２センサ１００の故障診断を実行する（ステップＡ１６）。故障診断が実行されると、故障診断処理は終了する。

ここで、故障診断の詳細について説明する。センサ素子部１００Ａにおいて、例えば排気側電極１２０（或いは大気側電極１３０）から大気側電極１３０（或いは排気側電極１２０）へ達する素子割れ、クラック又は穴等の物理的損傷が生じている場合、排気側電極１２０と接する空間から内部空間１５０へガスが流出する。或いは内部空間１５０から排気側電極１２０が接する空間へガスが流出する。センサ素子部１００Ａが正常な状態であれば、これら両空間は相互に隔絶されているから、このようなガスの流出は発生しない。従って、両空間のガスの状態に基づいて、故障状態の診断を行うことができる。

故障診断装置１０においてＯ_２センサ１００の故障状態が診断される際、制御装置１１は、Ｏ_２センサ１００が下記（１）〜（３）の各状態に該当するか否かを判別することによって診断を行う。

（１）物理的損傷の発生
（２）内部空間における水分の混入
（３）上記（１）及び（２）に該当しない他の故障
上述したステップＡ１６に係る処理において、制御装置１１は、ＲＡＭに記憶された、第１空間１５及び第２空間１６各々における酸素濃度Ｄｏ及び水分濃度Ｄｗを参照する。第１空間１５には予め酸素ガスが導入されており、また第２空間１６には予め窒素ガスが導入されている。従って、センサ素子割れ等の物理的損傷が発生していないならば、第２空間１６における酸素濃度Ｄｏは限りなくゼロに近いはずであり、また、第１空間１５における酸素濃度Ｄｏは、経時的に変化しないはずである。制御装置１１には、予めこの点に鑑みたアルゴリズムが与えられており、第２空間１６における酸素濃度Ｄｏが基準値を超え、且つ第１空間１５における酸素濃度Ｄｏが経時的に変化（好適には、低下）している場合に、少なくともＯ_２センサが上記（１）の状態に該当する旨の判別を行う。この際、係る基準値は、ＲＯＭに予め記憶されていてもよい。

尚、物理的損傷の発生に係る判別の態様は、これに限定されず、例えば、第２空間１６において酸素濃度Ｄｏが基準値を超えるか、又は第１空間１５における酸素濃度Ｄｏが経時的に低下している場合に、物理的損傷が発生している旨の判別がなされてもよい。

また、第２空間１６における酸素濃度Ｄｏの上昇速度及び第１空間１５における酸素濃度Ｄｏの低下速度は、夫々理想的には物理的損傷の規模或いは発生部位に相関するから、制御装置１１は、当該上昇速度或いは低下速度に基づいて、物理的損傷の規模を連続的に或いは段階的に判別し、或いは発生部位を特定し、Ｏ_２センサ１００の故障状態をより精細に診断してもよい。この際、例えばＲＯＭに、当該上昇速度及び低下速度と、物理的損傷の規模或いは発生部位との相関を表してなるマップ等が記憶されている場合には、係るマップを参照して当該判別を行ってもよい。更には、故障診断処理が実行された環境に係る各種環境条件等を加味して当該判別がなされてもよい。

一方、第１空間１５における水分濃度Ｄｗが変化しないにもかかわらず、第２空間１６における水分濃度Ｄｗが変化している場合、ヒータ１７による加熱によって内部空間１５０に付着した水滴が気化し、第２空間１６に拡散したと考えることができる。従って、制御装置１１は、第１空間１５における水分濃度Ｄｗが変化せず、且つ第２空間１６における水分濃度Ｄｗが変化している場合には、Ｏ_２センサ１００が少なくとも（２）の状態に該当する旨の判別を行う。無論、（２）の状態と上記（１）の状態とは相反するものでなく、同時に生じ得る事象である。尚、水分には酸素も含まれるから、この場合、第２空間１６においては、水分濃度Ｄｗのみならず酸素濃度Ｄｏも変化し得る。従って、制御装置１１は、水分濃度Ｄｗ及び酸素濃度Ｄｏの変化に基づいて多角的に（２）の状態に係る判別をおこなってもよい。

他方、上記したような、第１空間１５における酸素濃度Ｄｏ及び水分濃度Ｄｗの変化や、第２空間１６における酸素濃度Ｄｏ及び水分濃度Ｄｗの変化が顕在化しない場合、少なくとも（１）及び（２）に該当する故障は発生していないものと判別することができる。但し、故障診断装置１０による故障診断に供されるＯ_２センサは、顕著には車両のエンジン等に搭載され、ＯＢＤ（On Board Diagnosis）等を経て少なくとも故障している旨の判別がなされたものであるから、この場合、制御装置１１は、Ｏ_２センサ１００が、上記（１）にも（２）にも該当しない、（３）の状態である旨の判別を行う。

以上、説明したように、本実施形態に係る故障診断装置１０によれば、故障診断処理により、例えばセンサ素子部１００Ａにおける物理的損傷の有無（或いは更に規模や発生部位）及び内部空間への水分の混入等を、ガスの拡散といった物理的な実現象に基づいて正確に検出することが可能となるため、Ｏ_２センサ１００の故障状態を正確に診断することが可能となるのである。

尚、本実施形態における故障診断装置１０には、解析装置２８が備わっており、また制御装置１１により実行される故障診断処理によって故障状態の診断がなされるが、本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置の態様としては、これに限定されず、例えばより簡素な構成を採ることも可能である。例えば、本発明に係る排気ガスセンサの故障診断装置は、故障診断装置１０から解析装置２８及び制御装置１１を取り外した構成を有していてもよい。この場合、例えば採取口２４及び２６から採取されたガスが、外部の解析装置によって解析されてもよい。更には、当該解析の結果に基づいて、外部の診断装置により、或いは人為的な判断により故障状態の診断がなされてもよい。即ち、本発明に係る故障診断装置とは、Ｏ_２センサ１００等の各種排気ガスセンサにおける、物理的損傷の発生或いは水分の混入等といった各種故障状態を、ガスの拡散或いは移動といった物理的な実現象として具現化し且つ抽出し得る物理的、機械的、機構的、電気的或いは化学的な構成を有する装置を包括する概念である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う排気ガスセンサの故障診断装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る故障検出装置の構成を概念的に表してなる概略構成図である。 Ｏ_２センサにおけるセンサ素子部の断面構成を表す模式断面図である。 図１の故障診断装置において制御装置により実行される故障診断処理のフローチャートである。

符号の説明

１０…故障診断装置、１１…制御装置、１２…第１評価室、１３…第２評価室、１４…フランジ、１５…第１空間、１６…第２空間、１７…ヒータ、１８…温調器、２２、２３…導入口、２４、２６…採取口、２８…解析装置、１００…Ｏ_２センサ、１００Ａ…センサ素子部、１１０…カバー、１２０…排気側電極、１３０…大気側電極、１４０…固体電解質。

Claims (11)

1. 内燃機関の排気系に装着された状態において（i）大気及び排気ガスに夫々接する大気側電極及び排気側電極を備え、（ii）前記大気側電極と前記排気側電極との間に前記大気と前記排気ガスとの間の酸素濃度の差に応じた起電力を生成可能な排気ガスセンサの故障状態を、前記内燃機関から取り外された状態において診断する排気ガスセンサの故障診断装置であって、
   前記排気側電極に接する第１の空間を規定する第１のガス室と、
   前記大気側電極に接し且つ前記第１の空間から隔絶された第２の空間を規定する第２のガス室と、
   前記第１及び第２のガス室のうち一方のガス室に設けられ、該一方のガス室に対応する前記第１及び第２の空間のうち一方の空間に第１のガスを導入するための第１の導入手段と、
   前記第１及び第２のガス室のうち他方のガス室に設けられ、該他方のガス室に対応する前記第１及び第２の空間のうち他方の空間から該他方の空間に存在するガスを採取するための第１の採取手段と
   を具備することを特徴とする排気ガスセンサの故障診断装置。
2. 前記他方の空間から採取されたガスの状態を特定する第１の特定手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
3. 前記特定された前記他方の空間から採取されたガスの状態に基づいて前記故障状態を診断する第１の診断手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項２に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
4. 前記他方のガス室に設けられ、前記他方の空間に前記第１のガスとは異なる第２のガスを導入するための第２の導入手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
5. 前記第１のガスは酸素ガスであり、前記一方の空間として前記第１の空間に導入され、
   前記第２のガスは窒素ガスであり、前記他方の空間として前記第２の空間に導入される
   ことを特徴とする請求項４に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
6. 前記一方のガス室に設けられ、前記一方の空間から前記一方の空間に存在するガスを採取するための第２の採取手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
7. 前記一方の空間から採取されたガスの状態を特定する第２の特定手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項６に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
8. 前記特定された前記一方の空間から採取されたガスの状態に基づいて前記故障状態を診断する第２の診断手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項７に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
9. 前記第１の空間における前記排気ガスセンサを加熱可能な加熱手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
10. 前記排気ガスセンサが所定の温度となるように前記加熱手段を制御する加熱制御手段を更に具備する
    ことを特徴とする請求項９に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。
11. 前記第１及び第２の空間のうち少なくとも一方に存在するガスを撹拌可能な撹拌手段を更に具備する
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の排気ガスセンサの故障診断装置。

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