JP2010210311A - ガスセンサの劣化診断装置及びガスセンサの劣化診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度良くガスセンサの劣化を診断するガスセンサの劣化診断装置及びガスセンサの劣化診断方法を提供する。
【解決手段】内燃機関２の排気通路２２を通流する排気中の特定ガスの濃度を検出する検出素子１４ａと、検出素子１４ａを加熱するヒータ１４ｂと、を備えたガスセンサ１４の劣化を診断するガスセンサの劣化診断装置１０である。ガスセンサ１４の劣化を診断すべき条件を満たすか否かを判定する診断条件判定手段（ステップＳ１）と、劣化を診断すべき条件を満たすと判定されると、内燃機関２の空燃比を切り換えるとともにヒータ１４ｂへの通電制御を開始するヒータ制御手段（ステップＳ３）と、通電制御を開始してから検出素子１４ａの検出値が所定値になるまでの応答時間を計測する応答時間計測手段（ステップＳ４、Ｓ５）と、計測した応答時間に応じてガスセンサ１４が劣化したか否かを診断する劣化診断手段（ステップＳ６）と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスセンサの劣化診断装置及びガスセンサの劣化診断方法に関する。

排気通路にＡ／Ｆセンサ（空燃比センサ）やＯ2センサ（酸素濃度センサ）等のガスセンサを設けた内燃機関が知られている（特許文献１参照）。このようなガスセンサの実際の出力波形をモニタリングすることで、ガスセンサの劣化を診断する技術が知られている。これは、ガスセンサが劣化して内燃機関を適切に制御できなくなることを回避するためである。

特開２００６−１６１６２５号公報

しかしながら、上記のようにガスセンサの実際の出力波形をモニタリングすることでガスセンサの劣化を診断する方法は、診断に係る精度が低いという問題があった。これは、ガスセンサの出力値が触媒のＯ2ストレージや反応熱、空気量等の外乱の影響を受けやすいものであるためである。

本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、外乱の影響を受けずに精度良くガスセンサの劣化を診断するガスセンサの劣化診断装置及びガスセンサの劣化診断方法を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、内燃機関（２）の排気通路（２２）を通流する排気中の特定ガスの濃度を検出する検出素子（１４ａ）と、前記検出素子（１４ａ）を加熱するヒータ（１４ｂ）と、を備えたガスセンサ（１４）の劣化を診断するガスセンサの劣化診断装置（１０）であって、前記ガスセンサ（１４）の劣化を診断すべき条件を満たすか否かを判定する診断条件判定手段（ステップＳ１）と、前記ガスセンサ（１４）の劣化を診断すべき条件を満たすと判定されると、前記内燃機関（２）の空燃比を切り換えるとともに前記ヒータ（１４ｂ）への通電制御を開始するヒータ制御手段（ステップＳ３）と、前記通電制御を開始してから前記検出素子（１４ａ）の検出値が所定値になるまでの応答時間を計測する応答時間計測手段（ステップＳ４、Ｓ５）と、計測した前記応答時間に応じて、前記ガスセンサ（１４）が劣化したか否かを診断する劣化診断手段（ステップＳ６）と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ガスセンサの応答時間とガスセンサの劣化との相関関係を用いて、実際に計測した応答時間に応じてガスセンサの劣化を診断している。この応答時間は外乱の影響を受けるパラメータではないので、精度良くガスセンサの劣化を診断することができる。

本発明の一実施形態に係るシステム全体の構成を示す図である。 Ｏ2センサの劣化診断に係る第１の制御ロジックを示すフローチャートである。 応答時間とＯ2センサの劣化との関係を説明する図である。 図２のステップＳ１乃至Ｓ７に係る処理を実行したときのタイムチャートである。 Ｏ2センサの劣化診断に係る第２の制御ロジックを示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては本発明を、Ｏ2センサ１４（図１参照）の劣化の診断に適用した場合を例に説明する。

（システム全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るシステム全体の構成を示す図である。図１に示すシステム１は、ＥＣＵ（Engine Control Unit、ガスセンサの劣化診断装置）１０、クランク角センサ１１、アクセル開度センサ１２、Ａ／Ｆセンサ（空燃比センサ）１３、Ｏ2センサ（酸素濃度センサ、ガスセンサ）１４等により構成されるガスセンサ劣化診断システムである。このシステム１は、自動車等の車両に搭載されている。

ＥＣＵ１０は、クランク角センサ１１、アクセル開度センサ１２からエンジン２の運転状態を示す情報を、Ａ／Ｆセンサ１３やＯ2センサ１４から排気通路２２を通流する排気に関する情報を入力し、入力した情報に基づいてエンジン本体２１の動作を制御するマイクロコントローラである。エンジン本体２１の動作制御とは、例えば燃料噴射弁（不図示）の燃料噴射量を調整することで、燃焼室（不図示）で燃焼される混合気の空燃比を理論空燃比に近づけるような制御である。このＥＣＵ１０の具体的な制御内容については後述する。

クランク角センサ１１は、エンジン２のクランクシャフト（不図示）の回転角度を検知するセンサである。ＥＣＵ１０は、このクランク角センサ１１を用いてエンジン２の機関回転速度を検出する。

アクセル開度センサ１２は、エンジン２のアクセルペダル（不図示）の踏込量を検知するセンサである。ＥＣＵ１０は、このアクセル開度センサ１２を用いてエンジン２の機関負荷を検出する。

Ａ／Ｆセンサ１３は、エンジン２の排気通路２２において触媒２３よりも上流側に設けられたガスセンサである。このＡ／Ｆセンサ１３は、排気通路２２を通流する排気の空燃比を検出する。ＥＣＵ１０は、このＡ／Ｆセンサ１３を用いて排気通路２２を通流する排気の空燃比を検出する。

Ｏ2センサ１４は、エンジン２の排気通路２２において触媒２３よりも下流側に設けられたガスセンサである。このＯ2センサ１４は、検出素子１４ａとヒータ（ヒータ素子）１４ｂとを備える。検出素子１４ａとは、排気通路２２を通流する排気中の酸素ガスの濃度を検出する素子である。ＥＣＵ１０は、この検出素子１４ａを用いて排気中の酸素ガスの濃度に応じた起電力出力を検出する。ヒータ１４ｂとは、かかる検出素子１４ａを加熱する加熱素子である。ＥＣＵ１０は、このヒータ１４ｂへの通電を制御することで検出素子１４ａを加熱する。また本実施形態によればＥＣＵ１０は、これら検出素子１４ａやヒータ１４ｂなどを用いてＯ2センサ１４の劣化を診断する。

（ＥＣＵ１０の第１の制御ロジック（劣化の診断）について）
図２は、Ｏ2センサ１４の劣化診断に係る第１の制御ロジックを示すフローチャートである。ＥＣＵ１０は、エンジン２の始動時や再始動時に図２に示す制御ロジックを実行することにより、Ｏ2センサ１４の劣化を診断する。

まずステップＳ１においてＥＣＵ１０は、診断条件が成立したか否かを判定する（Ｓ１）。ここではＥＣＵ１０は、診断条件すなわちＯ2センサ１４の劣化を診断すべき条件を満たすか否かを判定する。診断条件とは、具体的には、ヒータ１４ｂへの通電がオフ状態にあること、エンジン２が始動後所定時間（例えば１００秒）経過前であること、及び、エンジン２が低空気量運転時（回転速度が低いとき）であることの３つの条件である。すなわち、エンジン２の始動時や再始動時であるかどうかを判定している。

ステップＳ１においてＹＥＳの場合には（Ｓ１、ＹＥＳ）、ステップＳ２へ進む。また、ステップＳ１においてＮＯの場合には（Ｓ１、ＮＯ）、ステップＳ１へ戻って再び処理を繰り返す。

ステップＳ２に進んだ場合にはＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆ（制御空燃比）を切り替える（Ｓ２）。ここではＥＣＵ１０は、制御空燃比をリッチ側（リーン側）からリーン側（リッチ側）に切り替える。

続いてステップＳ３に進んでＥＣＵ１０は、ヒータ１４ｂのデューティ制御（加熱制御）を開始する（Ｓ３）。ここではＥＣＵ１０は、ヒータ１４ｂへの通電を開始するとともにこの通電に係るデューティ比（デューティ値）を０から段階的に上昇させるデューティ制御を開始する。

続いてステップＳ４に進んでＥＣＵ１０は、時間計測を開始する（Ｓ４）。ここではＥＣＵ１０は、内部タイマー等を用いて時間計測を開始する。

続いてステップＳ５に進んでＥＣＵ１０は、Ｏ2センサ１４の出力値が所定値より大きいか否かを判定する（Ｓ５）。ここではＥＣＵ１０は、ステップＳ３のデューティ比の上昇に伴って徐々に活性化されるＯ2センサ１４の出力値が、活性化状態を示す値（イニシャライズＳ／Ｌ：スライスレベル）より大きくなったか否かを判定する。

ステップＳ５においてＹＥＳの場合には（Ｓ５、ＹＥＳ）、ステップＳ６へ進む。また、ステップＳ５においてＮＯの場合には（Ｓ５、ＮＯ）、ステップＳ５へ戻って再び処理を繰り返す。

ステップＳ６に進んだ場合にはＥＣＵ１０は、時間計測を終了する（Ｓ６）。ここではＥＣＵ１０は、ステップＳ４で開始した時間計測を終了する。ステップＳ４乃至Ｓ６により、Ｏ2センサが活性化するまでの応答時間が計測される。

続いてステップＳ７に進んでＥＣＵ１０は、応答時間に応じてＯ2センサ１４の劣化を診断する（Ｓ７）。ここではＥＣＵ１０は、ステップＳ４乃至Ｓ６で計測した応答時間に応じてＯ2センサ１４の劣化を診断する。具体的な内容は後述する。

以上のように本実施形態に係るＥＣＵ１０は、エンジン２の始動時や再始動時に図２に示す制御ロジックを実行することにより、Ｏ2センサ１４の劣化を診断する。特にステップＳ７においてＥＣＵ１０は、計測したＯ2センサ１４の応答時間に応じてＯ2センサの劣化を診断する。以降、ステップＳ７において利用されるＯ2センサ１４の応答時間とＯ2センサ１４の劣化との関係、ステップＳ１乃至Ｓ７の具体的な内容の順に説明する。

（応答時間とＯ2センサ１４の劣化との関係について）
図３は、応答時間とＯ2センサ１４の劣化の関係を説明する図である。図３では横軸にＯ2センサ１４の素子温度を、縦軸に応答時間を示す。図３（ａ）、（ｂ）は、劣化していない新品のＯ2センサ１４の応答時間を示している。なお、ＴＲＳ、ＴＬＳは、それぞれリッチ空燃比からリーン空燃比、リーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えたときの応答時間を示す。一方、図３（ｃ）、（ｄ）は、劣化したＯ2センサ１４の応答時間を示している。

この図３に示されるように、応答時間とＯ2センサ１４の劣化との間には、応答時間が長いとＯ2センサ１４は劣化していないものであり、応答時間が短いとＯ2センサ１４は劣化したものであるという関係がある。この関係は素子温度の大小、ＴＲＳ又はＴＬＳを問わず、また触媒のＯ2ストレージや反応熱、空気量等の外乱の影響を受ける状況下においても成立している。これにより、Ｏ2センサ１４の応答時間を用いてＯ2センサの劣化を診断することが可能になる。

（ステップＳ１乃至Ｓ７について）
図４は、図２のステップＳ１乃至Ｓ７に係る処理を実行したときのタイムチャートである。図４（ａ）は、Ｏ2センサ１４（詳しくは検出素子１４ａ）の出力値を示す。図４（ｂ）は、ヒータ１４ｂへの通電に係るデューティ比を示す。図４（ｃ）は、計測タイマーを示す。図４（ｄ）は、Ｏ2センサの素子温度を示す。図４（ｅ）は、Ａ／Ｆ（制御空燃比）を示す。なお、以下ではフローチャートとの対比が分かりやすくするために、フローチャートのステップ番号にＳを付して記載する。

時刻ｔ０において、エンジン２が始動したものとする。そうすると、時刻ｔ０〜ｔ１の間にＥＣＵ１０は図２に示す制御ロジックを開始する（Ｓ１、ＹＥＳ）。

時刻ｔ１では、図４（ｅ）に示すように、Ａ／Ｆ（制御空燃比）を切り替える（Ｓ２）。ここではリッチ側（１５．０）からリーン側（１４．４）に切り替えている。その後、図４（ｂ）に示すように、ヒータ１４ｂへの通電に係るデューティ比を０から段階的に上昇させる（Ｓ３）。さらに、図４（ｃ）に示すように、時間計測を開始する（Ｓ４）。

時刻ｔ１〜ｔ２（又はｔ３）では、図４（ａ）に示すように、デューティ比（加熱温度）の上昇に伴ってＯ2センサ１４の出力値が上昇する。

ここでＯ2センサ１４が劣化している場合には、時刻ｔ２でＯ2センサ１４の出力値が所定値（図ではイニシャライズＳ／Ｌ：スライスレベル）を越える（Ｓ５、ＹＥＳ）。この場合には、時刻ｔ２において、図４（ｃ）に示すように、時間計測を終了する（Ｓ６）。一方、Ｏ2センサ１４が劣化していない場合には、時刻ｔ３でＯ2センサ１４の出力値が所定値（イニシャライズＳ／Ｌ：スライスレベル）を超える（Ｓ５、ＹＥＳ）。この場合には、時刻ｔ３において、図４（ｃ）に示すように、時間計測を終了する（Ｓ６）。

続いてステップＳ７に進んでＥＣＵ１０は、計測した応答時間が所定のクライテリアより小さいときにはＯ2センサが劣化したと診断し、計測した応答時間が所定のクライテリアより大きいときにはＯ2センサ１４が劣化していないと診断する（図４（ｃ）参照）。

以上のように図４を用いてステップＳ１乃至Ｓ７に係る処理について説明してきたが、このようにＥＣＵ１０は、Ｏ2センサ１４の応答時間とＯ2センサ１４との関係を用いてＯ2センサ１４の劣化を診断している。そのため、エンジン２の始動時からすぐに、且つアクティブにＡ／Ｆをリッチ側とリーン側との間で切り替えることなくＯ2センサ１４の劣化を診断することが可能になる。また、低空気量運転時に診断しているため、燃費への跳ね返りが小さく触媒のＯ2ストレージ等の外乱の影響も少なく、精度良く劣化を診断することができる。

なお、ステップＳ２について補足する。ステップ２ではＥＣＵ１０は、Ａ／Ｆ（制御空燃比）を切り替えている。これは、のちのステップＳ４乃至Ｓ６で応答時間を計測する際の精度を向上させるためである。

（ＥＣＵ１０の第２の制御ロジック（劣化の診断）について）
図５は、Ｏ2センサ１４の劣化診断に係る第２の制御ロジックを示すフローチャートである。前述の第１の制御ロジックでは、エンジン２の始動時や再始動時の診断について説明した。ここではＥＣＵ１０は、エンジン２のアイドル運転時や低速（例えば４０ｋｍ／ｈ以下）運転時のような低空気量運転時に図５に示す制御ロジックを実行することにより、Ｏ2センサ１４の劣化を診断する。なお、ステップＳ１４は、図２に示す制御ロジックのステップＳ２乃至Ｓ７と同様であるとしてここでは説明を省略する。

まずステップＳ１１においてＥＣＵ１０は、診断条件が成立したか否かを判定する（Ｓ１１）。ここではＥＣＵ１０は、診断条件すなわちＯ2センサ１４の劣化を診断すべき条件を満たすか否かを判定する。診断条件とは、具体的には、減速後又は燃料カット後一定時間経過したこと、減速時のリッチ化制御（リッチスパイク）が終了したこと、及び、エンジン２が低空気量運転時（速度が低いとき）であることの３つの条件である。すなわちエンジン２の低空気量運転時であるかどうかを判定している。

ステップＳ１１においてＹＥＳの場合には（Ｓ１１、ＹＥＳ）、ステップＳ１２へ進む。また、ステップＳ１１においてＮＯの場合には（Ｓ１１、ＮＯ）、ステップＳ１１へ戻って再び処理を繰り返す。

ステップＳ１２に進んだ場合にＥＣＵ１０は、ヒータ１４ｂのデューティ制御（加熱制御）を終了する（Ｓ１２）。ここではＥＣＵ１０は、既にヒータ１４ｂへ通電している場合にこの通電を終了させる。その後、一旦Ｏ2センサ１４の温度を下げるために、所定時間経過すると（Ｓ１３）、ステップＳ１４以降のＯ2センサ１４の劣化診断処理に移行する。

以上のように本実施形態に係るＥＣＵ１０は、エンジン２の低空気量運転時に図５に示す制御ロジックを実行することにより、Ｏ2センサ１４の劣化を診断する。特にステップＳ１２、１３によりＥＣＵ１０はＯ2センサ１４の素子温度を意図的に低下させている。これにより、ステップＳ１４以降のＯ2センサ１４の劣化診断処理に係る精度を向上させることができる。また、前述の第１の制御ロジックで説明したエンジン２の始動時や再始動時に加えてアイドル運転時や低速運転時にもＯ2センサ１４の劣化を診断できるため、診断頻度を向上させることができる。

（まとめ）
以上のように、本実施形態によればＥＣＵ１０は、Ｏ2センサ１４の応答時間とＯ2センサ１４の劣化との相関関係を用いて、実際に計測したＯ2センサ１４の応答時間に応じてＯ2センサ１４の劣化を診断している。この応答時間は外乱の影響を受けるパラメータではないので、精度良くＯ2センサ１４の劣化を診断することができる。

また、本実施形態によればＥＣＵ１０は、Ｏ2センサ１４の素子温度が低いことをＯ2センサ１４の劣化を診断すべき条件としている。そのため、燃費への跳ね返りが小さく触媒のＯ2ストレージ等の外乱の影響も少なく、精度良くＯ2センサ１４の劣化を診断することができる。

また、本実施形態によればＥＣＵ１０は、エンジン２が始動してからＯ2センサ１４の素子温度が所定温度に達するまでの間はＯ2センサ１４の劣化を診断すべき条件を満たすと判定している。そのため、エンジン２の始動時や再始動時に精度良くＯ2センサ１４の劣化を診断することができる。

また、本実施形態によればＥＣＵ１０は、エンジン２が低空気量運転時にはＯ2センサ１４の劣化を診断すべき条件を満たすと判定している。アイドル運転時や低速運転時にもＯ2センサ１４の劣化を診断できるため、診断頻度を向上させることができる。

また、本実施形態によればＥＣＵ１０は、既にヒータ１４ｂへ通電している場合には、この通電を終了して所定時間経過後にデューティ制御を開始する。そのため、Ｏ2センサ１４の素子温度を意図的に低下させることで、診断頻度を向上させることができる。

また、本実施形態によればＥＣＵ１０は、計測した応答時間が所定時間より小さいときにはＯ2センサ１４が劣化したと診断し、計測した応答時間が所定時間より大きいときにＯ2センサ１４が劣化していないと診断する。そのため、Ｏ2センサ１４の応答時間とＯ2センサ１４の劣化との相関関係を具体的に用いて、精度良くＯ2センサ１４の劣化を診断することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記説明においては本発明に係るガスセンサがエンジン２の排気通路２２に設けられたＯ2センサ１４である場合を例に説明してきたが、この場合には限らない。例えばその他の酸素濃度センサであってもよい。

１０ ＥＣＵ（ガスセンサの劣化診断装置）
１１ クランク角センサ
１２ アクセル開度センサ
１３ Ａ／Ｆセンサ
１４ Ｏ2センサ（ガスセンサ）
１４ａ 検出素子
１４ｂ ヒータ
ステップＳ１ 診断条件判定手段
ステップＳ３ ヒータ制御手段
ステップＳ４、Ｓ５ 応答時間計測手段
ステップＳ６ 劣化診断手段

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路を通流する排気中の特定ガスの濃度を検出する検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータと、を備えたガスセンサの劣化を診断するガスセンサの劣化診断装置であって、
   前記ガスセンサの劣化を診断すべき条件を満たすか否かを判定する診断条件判定手段と、
   前記ガスセンサの劣化を診断すべき条件を満たすと判定されると、前記内燃機関の空燃比を切り換えるとともに前記ヒータへの通電制御を開始するヒータ制御手段と、
   前記通電制御を開始してから前記検出素子の検出値が所定値になるまでの応答時間を計測する応答時間計測手段と、
   計測した前記応答時間に応じて、前記ガスセンサが劣化したか否かを診断する劣化診断手段と、
   を有することを特徴とするガスセンサの劣化診断装置。
2. 前記ガスセンサの劣化を診断すべき条件とは、前記ガスセンサの素子温度が低いことであることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの劣化診断装置。
3. 前記診断条件判定手段は、前記内燃機関が始動してから前記ガスセンサの素子温度が所定温度に達するまでの間は前記ガスセンサの劣化を診断すべき条件を満たすと判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサの劣化診断装置。
4. 前記診断条件判定手段は、前記内燃機関が低空気量運転時には前記ガスセンサの劣化を診断すべき条件を満たすと判定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサの劣化診断装置。
5. 前記ヒータ制御手段は、既に前記ヒータへ通電している場合には、この通電を終了して所定時間経過後に前記通電制御を開始することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサの劣化診断装置。
6. 前記劣化診断手段は、計測した前記応答時間が所定時間より小さいときには前記ガスセンサが劣化したと診断し、計測した前記応答時間が所定時間より大きいときに前記ガスセンサが劣化していないと診断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサの劣化診断装置。
7. 内燃機関の排気通路を通流する排気中の特定ガスの濃度を検出する検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータと、を備えたガスセンサの劣化を診断するガスセンサの劣化診断方法であって、
   前記ガスセンサの劣化を診断すべき条件を満たすか否かを判定する診断条件判定工程と、
   前記ガスセンサの劣化を診断すべき条件を満たすと判定されると、前記内燃機関の空燃比を切り換えるとともに前記ヒータへの通電制御を開始するヒータ制御工程と、
   前記通電制御を開始してから前記検出素子の検出値が所定値になるまでの応答時間を計測する応答時間計測工程と、
   計測した前記応答時間に応じて、前記ガスセンサが劣化したか否かを診断する劣化診断工程と、
   を有することを特徴とするガスセンサの劣化診断方法。

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