JP2016194288A - ガスセンサの異常診断システム - Google Patents
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Abstract
Description
(a)異常診断の実施頻度が低い(FCの実行中に限定される)。
(b)FCの実行中に排気中に含まれる酸素の濃度は高いことから、酸素の限界電流特性を発現させるにはセンサの温度を通常時(例えば、内燃機関に燃料を供給して空燃比をストイキ(理論空燃比)近傍に維持しようとしている場合における空燃比の検出時)におけるセンサの温度(例えば、600℃)よりも高い温度(例えば、750℃)に上昇させる必要がある。このように異常診断のためにセンサの温度を高めることは、省エネルギーの観点からは望ましくない。
電圧制御部は、前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧である第1印加電圧を変化させる。
温度調整部は、前記ヒータへの通電量を制御することにより前記素子部の温度を変化させる。
(1)現時点における前記水分関連値を取得する。
(2)前記第1対応関係に基づいて、前記取得された水分関連値に対応する基準水分解電流値を特定する。
(3)前記第1状態において検出される前記第1電極電流値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる水の分解に起因して前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値である水分解電流値を取得する。
以下、本発明の第1実施形態に係るガスセンサの異常診断システム(以下、「第1システム」と称される場合がある。)について説明する。第1システムが適用されるガスセンサは、限界電流式酸素センサを利用する1セル式の空燃比センサ(酸素センサ)である。
上記ガスセンサが備える素子部10は、図2に示すように、固体電解質体11s、第1アルミナ層21a、第2アルミナ層21b、第3アルミナ層21c、第4アルミナ層21d、第5アルミナ層21e、拡散抵抗部(拡散律速層)32及びヒータ41を備える。
固体電解質体11sは、ジルコニア等を含み、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質体11sを形成するジルコニアは、例えば、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)等の元素を含んでいてもよい。
第1乃至第5アルミナ層21a乃至21eは、アルミナを含む緻密(ガス不透過性)の層(緻密体)である。
拡散抵抗部32は、多孔質の拡散律速層であり、ガス透過性の層(薄板体)である。
ヒータ41は、例えば、白金(Pt)とセラミックス(例えば、アルミナ等)とのサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。
電源61は、第1電極11aと第2電極11bとの間に第2電極11bの電位が第1電極11aの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源61の作動はECUにより制御される。
電流計71は、第1電極11aと第2電極11bとの間に流れる電流(従って、固体電解質体11sを流れる電流)である電極電流の大きさを計測して、その計測値をECUに出力するようになっている。
上述したECUが備えるCPU(以降、単に「CPU」と称呼される場合がある。)は、ヒータ41によって素子部10を活性化温度以上の第1所定温度に加熱する。活性化温度とは、固体電解質(第1固体電解質体11s)の酸化物イオン伝導性が発現する「素子部10の温度」である。本例において、第1所定温度は600℃である。
ところで、前述したように、限界電流式センサにおいては、例えば、拡散抵抗部の割れ及び詰まり、多孔質電極の詰まり並びに固体電解質の伝導度の変化等により、出力特性の異常(例えば、検出値の拡大及び検出値の縮小等)が生じ得る。限界電流式センサにおいて出力特性の異常が生ずると排気中に含まれる酸素の濃度を正確に検出することができなくなり、空燃比センサとして空燃比を正確に取得することができなくなる。
一方、第1システムによる空燃比センサ(酸素センサ)の異常診断動作においては、上述したように、内燃機関に燃料が供給されているときに検出される、酸素よりも高い印加電圧において分解が始まる水の分解電流の大きさに基づいて、当該ガスセンサの出力特性の異常の有無を診断する。例えば、内燃機関に燃料が供給されていて空燃比がストイキ近傍又はストイキ近傍未満(リッチ)の状態に維持されている場合、上述したように酸素の分解電流の大きさは殆ど0(ゼロ)となる。従って、この場合、図3に示すように、水の還元分解が起こる印加電圧(VH2o)において検出される電極電流の大きさは、水の分解電流の大きさ(水分解電流値IH2o)に等しいということができる。
ここで、第1システムによって実行されるガスセンサ(空燃比センサ)の異常診断動作につき、より具体的に説明する。図5は、第1システムによって実行されるガスセンサ(空燃比センサ)の異常診断ルーチンの一例を示すフローチャートである。例えば、上述したECUが備えるCPU(以降、単に「CPU」と称呼される場合がある。)は、所定のタイミングにてステップS500から処理を開始し、ステップS505に進む。
(C2)上記内燃機関がアイドル状態にあること。
(C3)上記内燃機関が搭載される車輌が停車していること(車速=0(ゼロ))。
(C4)当該ガスセンサの素子部の温度が活性化温度以上となっていること。
以下、本発明の第2実施形態に係るガスセンサの異常診断システム(以下、「第2システム」と称される場合がある。)について説明する。第2システムが適用されるガスセンサは、限界電流式酸素センサを利用する2セル式のNOxセンサ(窒素酸化物センサ)である。当該NOxセンサにおいて、上流側の第2電気化学セル(ポンピングセル)は被検ガスとしての排気中の酸素を分解及び排出し、下流側の第1電気化学セル(センサセル)は被検ガス中の窒素酸化物を分解及び検出する。
上記ガスセンサが備える素子部10は、図6に示すように、第1固体電解質体11s、第2固体電解質体12s、第1アルミナ層21a、第2アルミナ層21b、第3アルミナ層21c、第4アルミナ層21d、第5アルミナ層21e、第6アルミナ層21f、拡散抵抗部(拡散律速層)32及びヒータ(電気ヒータ)41を備える。
固体電解質体11sは、ジルコニア等を含み、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質体11sを形成するジルコニアは、例えば、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)等の元素を含んでいてもよい。第2固体電解質体12sも固体電解質体11sと同様である。
第1乃至第6アルミナ層21a乃至21fは、アルミナを含む緻密(ガス不透過性)の層(緻密体)である。
拡散抵抗部32は、多孔質の拡散律速層であり、ガス透過性の層(薄板体)である。
ヒータ41は、例えば、白金(Pt)とセラミックス(例えば、アルミナ等)とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。
電源61は、第1電極11aと第2電極11bとの間に第2電極11bの電位が第1電極11aの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源61の作動はECUにより制御される。
電流計71は、第1電極11aと第2電極11bとの間に流れる電流(従って、第1固体電解質体11sを流れる電流)である電極電流の大きさを計測して、その計測値をECUに出力するようになっている。
電源62は、第3電極12aと第4電極12bとの間に第4電極12bの電位が第3電極12aの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源62の作動はECUにより制御される。
電流計72は、第3電極12aと第4電極12bとの間に流れる電流(従って、第2固体電解質体12sを流れる電流)である電極電流の大きさを計測して、その計測値をECUに出力するようになっている。
上述したECUが備えるCPUは、ヒータ41によって素子部10を活性化温度以上の第1所定温度に加熱する。活性化温度とは、固体電解質(第1固体電解質体11s及び第2固体電解質体12s)の酸化物イオン伝導性が発現する「素子部10の温度」である。本例において、第1所定温度は750℃である。
前述したように、従来技術に係るFC診断においては、フューエルカット(FC)を実行中であるにも拘わらず酸素の分解電流値(IFC)が、FCを実行していない通常の空燃比制御の実行時に検出される酸素の分解電流値の範囲内に所定時間以上留まった場合、当該センサの出力特性が異常であると判定される。
一方、第2システムは、上述したように、内燃機関に燃料が供給されているときに検出される、酸素よりも高い印加電圧において分解が始まる水の分解電流の大きさ(水分解電流値)に基づいて、NOxセンサの出力特性の異常の有無を診断する。
ここで、第2システムによって実行されるガスセンサ(NOxセンサ)の異常診断動作につき、より具体的に説明する。尚、本例においては、内燃機関に供給される混合気の空燃比を当該ガスセンサによって検出し、当該空燃比から特定される基準水分解電流値をそのまま使用するのではなく、前述したように、フューエルカット(FC)実行時に検出された酸素の分解電流値に基づいて基準水分解電流値を補正する。更に、本例においては、FC実行時に検出された酸素の分解電流値が基準値から大幅に逸脱している場合には、当該ガスセンサが異常であると判定し、水分解電流値に基づく当該ガスセンサの異常診断を行わない。
そこで、先ず、FC実行時に検出された酸素の分解電流値(大気分解電流値)に基づく当該ガスセンサの異常診断(FC診断)について説明する。図9は、第2システムによって実行されるガスセンサ(NOxセンサ)のFC診断ルーチンの一例を示すフローチャートである。例えば、上述したECUが備えるCPU(以降、単に「CPU」と称呼される場合がある。)は、所定のタイミングにてステップS900から処理を開始し、ステップS905に進む。
(F2)フューエルカット(FC)の実行が開始されてから所定時間が経過したこと。
(F3)当該ガスセンサの素子部の温度が活性化温度以上となっていること。
次に、第2システムによって実行される水分解電流値に基づく当該ガスセンサの異常診断について説明する。図10は、第2システムによって実行されるガスセンサ(NOxセンサ)の異常診断ルーチンの一例を示すフローチャートである。例えば、上述したECUが備えるCPUは、所定のタイミングにてステップS1000から処理を開始し、ステップS1005に進む。
以下、本発明の第3実施形態に係るガスセンサの異常診断システム(以下、「第3システム」と称される場合がある。)について説明する。第3システムが適用されるガスセンサは、限界電流式酸素センサを利用する2セル式のSOxセンサ(硫黄酸化物センサ)である。当該SOxセンサにおいて、上流側の第2電気化学セル(ポンピングセル)は被検ガスとしての排気中の酸素を分解及び排出し、下流側の第1電気化学セル(センサセル)は被検ガス中の硫黄酸化物を分解及び検出する。但し、本例に示すSOxセンサは、下流側の第1電気化学セル(センサセル)における水の分解電流の大きさが被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度に応じて変化する現象に基づいて同硫黄酸化物の濃度を検出する。
上記ガスセンサが備える素子部10は、図6を参照しながら説明した第2システムが適用されるガスセンサが備える素子部10と同様の構成を有するので、ここでは繰り返して説明しない。
上述したECUが備えるCPUは、ヒータ41によって素子部10を活性化温度以上の第1所定温度に加熱する。活性化温度とは、固体電解質(第1固体電解質体11s及び第2固体電解質体12s)の酸化物イオン伝導性が発現する「素子部10の温度」である。本例において、第1所定温度は600℃である。
第2システムについて前述したNOxセンサと同様に、SOxセンサにおいても、被検ガス中に比較的大量に存在する酸素の分解電流の大きさに基づいて行われる従来技術に係るガスセンサの出力特性の異常診断方法によっては、排気中に僅かしか存在しない硫黄酸化物の濃度の微小な出力特性の変化については正確且つ容易に検出することができない。
一方、第3システムは、第2システムと同様に、内燃機関に燃料が供給されているときに検出される、酸素よりも高い印加電圧において分解が始まる水の分解電流の大きさ(水分解電流値)に基づいて、SOxセンサの出力特性の異常の有無を診断する。
ここで、第3システムによって実行されるガスセンサ(SOxセンサ)の異常診断動作につき、より具体的に説明する。尚、本例においては、第2システムについての例示と同様に、内燃機関に供給される混合気の空燃比を当該ガスセンサによって検出し、当該空燃比から特定される基準水分解電流値をそのまま使用するのではなく、フューエルカット(FC)実行時に検出された酸素の分解電流値に基づいて基準水分解電流値を補正する。更に、本例においては、FC実行時に検出された酸素の分解電流値が基準値から大幅に逸脱している場合には、当該ガスセンサが異常であると判定し、水分解電流値に基づく当該ガスセンサの異常診断を行わない。
FC実行時に検出された酸素の分解電流値(大気分解電流値)に基づく当該ガスセンサの異常診断(FC診断)については、図9を参照しながら説明した、第2システムによって実行されるガスセンサ(NOxセンサ)のFC診断と同様である。従って、第3システムによって実行されるガスセンサ(SOxセンサ)のFC診断についての説明は割愛する。
次に、第3システムによって実行される水分解電流値に基づく当該ガスセンサの異常診断について説明する。図14は、第3システムによって実行されるガスセンサ(SOxセンサ)の異常診断ルーチンの一例を示すフローチャートである。図14に示したフローチャートに含まれる各ステップは、図10に示したフローチャートに含まれる各ステップに対応しており、それぞれの図における対応するステップの番号の下2桁は同じになっている。先ず、上述したECUが備えるCPUは、所定のタイミングにてステップS1400から処理を開始し、ステップS1405に進む。
(x)検出対象となる被検ガス成分が、図10では窒素酸化物であるのに対し、図14では硫黄酸化物である点。
(z)次のステップS1425(ステップS1025に対応)において水分解電流値を取得するために第1印加電圧のみならず素子部10の温度をも変更する点。
Claims (13)
- 酸化物イオン伝導性を有する固体電解質体と同固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第1電極及び第2電極とを含む第1電気化学セルと、緻密体と、拡散抵抗部と、を備え、前記固体電解質体と前記緻密体と前記拡散抵抗部とにより画定される内部空間に前記拡散抵抗部を介して被検ガスとしての内燃機関の排気が導入され、前記第1電極が前記内部空間に露呈し且つ前記第2電極が前記内部空間とは異なる空間である第1別空間に露呈するように構成された素子部と、
通電されたときに発熱して前記素子部を加熱するヒータと、
前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧である第1印加電圧を変化させる電圧制御部と、
前記ヒータへの通電量を制御することにより前記素子部の温度を変化させる温度調整部と、
前記電圧制御部を用いて前記第1印加電圧を制御し、前記温度調整部を用いて前記素子部の温度を制御し、前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値である第1電極電流値を取得する測定制御部と、
を備え、
前記第1電極は、前記素子部の温度が前記固体電解質体の酸化物イオン伝導性が発現する温度である活性化温度以上の第1所定温度となっており且つ前記第1印加電圧が所定の第1電圧帯に含まれる第1所定電圧となっている第1状態において前記被検ガス中に含まれる水(H2O)を分解することが可能であり、且つ、前記素子部の温度が前記第1所定温度となっており且つ前記第1印加電圧が所定の第2電圧帯に含まれる第2所定電圧となっている第2状態において前記被検ガス中に含まれる分子構造中に酸素原子を含む成分である被検成分を分解することが可能であるように構成され、
前記測定制御部は、前記第2状態において取得される前記第1電極電流値を前記被検ガス中に含まれる前記被検成分の濃度に関連を有する値である被検成分濃度関連値として取得するように構成された、
ガスセンサが異常であるか否かを診断する、
ガスセンサの異常診断システムにおいて、
前記測定制御部は、
前記被検ガス中に含まれる水の濃度に対応する値である水分関連値と、正常な前記ガスセンサの前記第1電気化学セルが前記第1状態にあるときに前記被検ガス中に含まれる水の分解に起因して前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値である基準水分解電流値との対応関係である第1対応関係を予め記憶しており、
前記内燃機関に燃料が供給されているときに、
現時点における前記水分関連値を取得し、
前記第1対応関係に基づいて、前記取得された水分関連値に対応する基準水分解電流値を特定し、
前記第1状態において取得される前記第1電極電流値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる水の分解に起因して前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値である水分解電流値を取得し、
前記水分解電流値から前記特定された基準水分解電流値を減じた値の前記特定された基準水分解電流値に対する比である水分検出偏差が所定の第1上限値よりも大きい場合、又は、前記水分検出偏差が所定の第1下限値よりも小さい場合、前記ガスセンサが異常であると判定するように構成された、
ガスセンサの異常診断システム。 - 請求項1に記載の異常診断システムにおいて、
前記第1電極は、前記第1印加電圧が前記第1電圧帯よりも低い前記第2電圧帯にある前記第2状態において前記被検ガス中に含まれる前記被検成分としての酸素を分解することが可能であるように構成され、
前記測定制御部は、前記第1印加電圧が前記第1電圧帯よりも低い前記第2電圧帯にある前記第2状態において取得された前記被検成分濃度関連値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の分解に起因して前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値である第1酸素分解電流値を取得するように構成された、
異常診断システム。 - 請求項2に記載の異常診断システムであって、
前記測定制御部は、
前記被検ガス中に含まれる水の濃度を検出する湿度センサを更に備え、
前記検出された水の濃度を前記水分関連値として取得するように構成され、
前記湿度センサによって検出される水の濃度を前記水分関連値とする前記第1対応関係を予め記憶している、
異常診断システム。 - 請求項2に記載の異常診断システムにおいて、
前記測定制御部は、
前記取得された第1酸素分解電流値を前記水分関連値として取得するように構成され、
正常な前記ガスセンサの前記第1電気化学セルが前記第2状態にあるときに取得される前記第1酸素分解電流値を前記水分関連値とする前記第1対応関係を予め記憶している、
異常診断システム。 - 請求項4に記載の異常診断システムにおいて、
前記測定制御部は、
前記内燃機関に燃料が供給されておらず且つ正常な前記ガスセンサの前記第1電気化学セルが前記第2状態にあるときに前記被検ガス中に含まれる酸素の分解に起因して前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値である第1基準大気分解電流値を予め記憶しており、
前記内燃機関に燃料が供給されていないときに前記第2状態において取得される前記第1電極電流値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の分解に起因して前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値である第1大気分解電流値を取得し、
前記取得された第1大気分解電流値の前記第1基準大気分解電流値に対する比に基づいて前記特定された基準水分解電流値を補正するように構成された、
異常診断システム。 - 請求項5に記載の異常診断システムにおいて、
前記測定制御部は、前記取得された第1大気分解電流値から前記第1基準大気分解電流値を減じた値の前記第1基準大気分解電流値に対する比である第1大気検出偏差が所定の第2上限値よりも大きい場合、又は、前記第1大気検出偏差が所定の第2下限値よりも小さい場合、前記ガスセンサが異常であると判定するように構成された、
異常診断システム。 - 請求項1に記載の異常診断システムであって、
前記素子部は、前記固体電解質体又は前記固体電解質体とは別個の固体電解質体と同固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第3電極及び第4電極とを含む第2電気化学セルを更に備え、前記第3電極が前記内部空間に露呈し且つ前記第4電極が前記内部空間とは異なる空間である第2別空間に露呈するように構成され、前記第3電極は前記第1電極よりも前記拡散抵抗部に近い位置に形成され、
前記電圧制御部は、前記第3電極と前記第4電極との間に第2印加電圧を印加するようにも構成され、
前記第3電極は、前記素子部の温度が前記第1所定温度となっており且つ前記第2印加電圧が印加されている第3状態において前記被検ガス中に含まれる酸素を分解して前記内部空間から排出することが可能であるように構成され、
前記第1電極は、前記第1印加電圧が前記第1電圧帯よりも低い前記第2電圧帯にある前記第2状態において前記被検ガス中に含まれる前記被検成分としての窒素酸化物を分解することが可能であるように構成され、
前記測定制御部は、
前記第1印加電圧が前記第1電圧帯よりも低い前記第2電圧帯にある前記第2状態において取得された前記被検成分濃度関連値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる窒素酸化物の分解に起因して前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値であるNOx分解電流値を取得するように構成された、
異常診断システム。 - 請求項1に記載の異常診断システムであって、
前記素子部は、前記固体電解質体又は前記固体電解質体とは別個の固体電解質体と同固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第3電極及び第4電極とを含む第2電気化学セルを更に備え、前記第3電極が前記内部空間に露呈し且つ前記第4電極が前記内部空間とは異なる空間である第2別空間に露呈するように構成され、前記第3電極は前記第1電極よりも前記拡散抵抗部に近い位置に形成され、
前記電圧制御部は、前記第3電極と前記第4電極との間に第2印加電圧を印加するようにも構成され、
前記第3電極は、前記素子部の温度が前記第1所定温度となっており且つ前記第2印加電圧が印加されている第3状態において前記被検ガス中に含まれる酸素を分解して前記内部空間から排出することが可能であるように構成され、
前記第1電極は、前記第2状態において前記被検ガス中に含まれる前記被検成分としての硫黄酸化物を分解することが可能であるように構成され、
前記測定制御部は、
前記第2状態において取得された前記被検成分濃度関連値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の分解に起因して前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流の値であるSOx分解電流値を取得するように構成された、
異常診断システム。 - 請求項7又は8に記載の異常診断システムであって、
前記測定制御部は、
前記被検ガス中に含まれる水の濃度を検出する湿度センサを更に備え、
前記検出された水の濃度を前記水分関連値として取得するように構成され、
前記湿度センサによって検出される水の濃度を前記水分関連値とする前記第1対応関係を予め記憶している、
異常診断システム。 - 請求項7又は8に記載の異常診断システムにおいて、
前記測定制御部は、
前記第3状態において前記被検ガス中に含まれる酸素の分解に起因して前記第3電極と前記第4電極との間に流れる電流の値である第2酸素分解電流値を取得し、
前記取得された第2酸素分解電流値を前記水分関連値として取得するように構成され、
正常な前記ガスセンサの前記第2電気化学セルが前記第3状態にあるときに取得される前記第2酸素分解電流値を前記水分関連値とする前記第1対応関係を予め記憶している、
異常診断システム。 - 請求項10に記載の異常診断システムにおいて、
前記測定制御部は、
前記内燃機関に燃料が供給されておらず且つ正常な前記ガスセンサの前記第2電気化学セルが前記第3状態にあるときに前記被検ガス中に含まれる酸素の分解に起因して前記第3電極と前記第4電極との間に流れる電流の値である第2基準大気分解電流値を予め記憶しており、
前記内燃機関に燃料が供給されていないときに前記第3状態において取得される前記第2酸素分解電流値に基づいて、前記被検ガス中に含まれる酸素の分解に起因して前記第3電極と前記第4電極との間に流れる電流の値である第2大気分解電流値を取得し、
前記取得された第2大気分解電流値の前記第2基準大気分解電流値に対する比に基づいて前記特定された基準水分解電流値を補正するように構成された、
異常診断システム。 - 請求項11に記載の異常診断システムにおいて、
前記測定制御部は、前記取得された第2大気分解電流値から前記第2基準大気分解電流値を減じた値の前記第2基準大気分解電流値に対する比である第2大気検出偏差が所定の第3上限値よりも大きい場合、又は、前記第2大気検出偏差が所定の第3下限値よりも小さい場合、前記ガスセンサが異常であると判定するように構成された、
異常診断システム。 - 請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の異常診断システムにおいて、
前記測定制御部は、前記第1電極が前記第1状態において前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物を分解することが可能である場合、前記第1状態において水分解電流値を取得するときに、前記温度調整部を用いて、前記活性化温度以上であって且つ前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の分解生成物が前記第1電極に吸着する速度である吸着速度よりも同分解生成物が前記第1電極から脱離する速度である脱離速度の方が大きくなる温度である第2所定温度に前記素子部の温度を維持するように構成された、
異常診断システム。
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