JP4045968B2

JP4045968B2 - 排気ガスセンサの劣化診断装置

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Publication number: JP4045968B2
Application number: JP2003032734A
Authority: JP
Inventors: 伸基大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2023-02-10
Also published as: JP2004245604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの組成に関する情報を検出する排気ガスセンサの劣化を検出する劣化診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の内燃機関においては燃料噴射制御・空燃比制御が行われており、大気に放出すべきでない物質の生成自体を低減したり、排ガス中に含まれるこうした物質の浄化を行うことがなされている。このような制御では、排気ガスの組成に関する情報を検出する各種の排気ガスセンサが用いられている。排気ガスセンサとしては、例えば、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサやリニア（全域）空燃比センサ、排気ガス中に含まれる炭化水素を検出するHCセンサ、排気ガス中の窒素酸化物を検出するNOxセンサなどが挙げられる。そして、これらのセンサが劣化すると、上述した制御を正確に行えなくなるため、劣化を検出する劣化診断装置も利用されている。［特許文献１］には、空燃比センサ（酸素センサ）の劣化を診断する診断装置が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許公報第３１３４６９８号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
［特許文献１］に記載の装置では、空燃比をリーン側とリッチ側とに強制的に振動させ、そのときの空燃比センサ（酸素センサ）の出力値から劣化を診断する。即ち、空燃比センサ（酸素センサ）の出力値と予め設定された閾値との比較によって劣化を診断する。しかし、予め設定した閾値との比較では、内燃機関の運転履歴や運転状況が反映されにくく、更なる検出（診断）精度の向上が望まれていた。また、劣化診断に際しては空燃比を強制的に振動させなくてはならず、エンジンの運転に影響を与えてしまうものであった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、排気ガスセンサの劣化をより一層精度良く検出することのできる排気ガスセンサの劣化診断装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の排気ガスセンサの劣化診断装置は、内燃機関から排出される排気ガスの組成に関する情報を検出する排気ガスセンサの劣化を検出するもので、内燃機関から排出される排気ガス成分を推定又は検出して特定する成分特定手段と、成分特定手段によって特定された排気ガス成分に基づいて排気ガスセンサの出力予測値を算出する出力値算出手段と、排気ガスセンサの実出力値および出力値算出手段によって算出された出力予測値の比較に基づいて排気ガスセンサの劣化を診断する劣化診断手段とを備え、劣化診断手段は、実出力値と出力予測値との差が所定値以上である場合に、排気ガスセンサが劣化していると診断することを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気ガスセンサの劣化診断装置において、出力値算出手段が、成分特定手段によって特定された排気ガス成分に基づいて、排気ガスセンサ内部での現象をモデル化して該排気ガスセンサの出力予測値を算出することを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の排気ガスセンサの劣化診断装置において、排気センサが酸素センサであり、出力値算出手段が、排気ガスセンサの内部現象のモデル化を、コーティング層内での酸素の拡散、電極上での反応、及び、酸素イオンの濃度差による起電力発生の各段階に分けて行うことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４に記載の排気ガスセンサの劣化診断装置は、内燃機関から排出される排気ガスの組成に関する情報を検出する排気ガスセンサの劣化を検出する劣化診断装置であって、内燃機関から排出される排気ガス成分を推定又は検出することで特定する成分特定手段と、成分特定手段によって特定された排気ガス成分に基づいて排気ガスセンサ内部での現象をモデル化して該排気ガスセンサの出力予測値を算出する出力値算出手段と、排気ガスセンサの実出力値および出力値算出手段によって算出された出力予測値の比較に基づいて排気ガスセンサの内部現象モデルのパラメータを修正するモデル修正手段と、モデル修正手段によるパラメータの修正量が所定以上となった場合に排気ガスセンサが劣化していると診断する劣化診断手段とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の劣化診断装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の劣化診断装置を有する内燃機関の構成を図１に示す。本実施形態の劣化診断装置は、図１に示される酸素センサ１の劣化を診断するものである。そして、この診断機能は、エンジン２の制御を司っている電子制御ユニット（ＥＣＵ）３の内部に組み込まれている。本実施形態の酸素センサ１は、排気通路４上に配設された排気浄化触媒５の上流側に配設されており、排気浄化触媒５に流入する排気ガス中の酸素濃度を検出している。
【００１１】
酸素センサ１の構造を模式的に図２に示す。図２に示される構造は、酸素センサとして一般的なものである。酸素センサは、排気ガス中の酸素濃度を検出するもので、空燃比が理論空燃比に対して濃いか薄いかによってその出力をオン−オフ的に変化させるものである。図２に示されるように、酸素センサ１は、その内部に筒状の検出部１００を有している。検出部１００の一端側は閉じられており、検出部１００の内部は大気と連通されている。一方、検出部１００の外側は排気通路４内の排気ガスと接している。なお、検出部１００のさらに外側には、金属（耐熱ステンレス）製のセンサカバー１０１が配設されている。センサカバー１０１は、検出部１００を排気ガス中のゴミ・水滴などから保護するものである。
【００１２】
検出部１００の拡大断面（図２中の点線丸部）を図３に示す。検出部１００は、ジルコニア固体電解質１０２の内外表面に白金電極１０３が形成されて構成されている。固体電解質１０２は、３００度以上の高温で酸素イオン導電体として働く。白金電極１０３は、メッキなどの方法で多孔質白金層を固体電解質１０２の内外表面に形成させたものである。排気通路４側の白金電極１０３のさらに外側には、白金電極１０３の保護のための多孔質セラミックのコーティング層（オーバーコート層ともいう）１０４が形成されている。
【００１３】
固体電解質１０２の内部は酸素イオンが自由に動ける状態であり、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１０３表面で受け取られて酸素イオン（Ｏ^2-）となり、固体電解質１０２中を低濃度側に移動して反対側の白金電極１０３に到達する。この酸素イオンの移動現象は、電子ｅ^-の移動となり、一対の白金電極１０３間に起電力を発生させる。この起電力によって酸素センサ１の出力電圧が決定される。
【００１４】
ここでは、この現象を物理則に従ってモデル化し、酸素センサ１が出力すると思われる値を演算によって算出する。算出した出力値と実際のセンサ出力値とを比較することで〔第一実施形態〕（あるいは算出した出力値に基づくモデルパラメータ修正量に基づいて〔第二実施形態〕）酸素センサ１の劣化を診断する。以下、この酸素センサ１の出力値をモデルによって算出する行程について詳しく説明する。
【００１５】
なお、以下に説明するモデルの演算は、エンジン２に付随して設けられた電子制御ユニット（ＥＣＵ）３によって行われる。ＥＣＵは、ＣＰＵ・ＲＡＭ・ＲＯＭ（必要であればＨＤＤやＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体及びその読取ドライブ）などを有しており、以下の演算はＲＯＭ（あるいはＨＤＤや記録媒体）内に格納されたプログラムによって行われる。演算に必要なマップなどもＲＯＭ（あるいはＨＤＤや記録媒体）内に格納されている。また、ＥＣＵ３には、後述する各種センサ類が接続されており、これに基づいてエンジン１の運転全体（点火時期制御や燃料噴射制御など）を司っている。
【００１６】
まず、エンジン２から排出される排気ガス成分をエンジン回転数とエンジン負荷とから推定する。エンジン回転数は、エンジン２のクランクシャフトの回転数を検出する回転数センサによって検出される。エンジン負荷は、吸入空気量やスロットル開度から算出される。吸入空気量は、吸気通路上に設けた負圧センサやエアフロメータによって検出される。スロットル開度は、スロットルバルブに付随して設けられるスロットルポジショニングセンサによって検出される。
【００１７】
このとき、エンジン回転数及びエンジン負荷に加えて、燃焼圧（筒内圧）を参照してもよい。燃焼圧は、エンジン２の燃焼室近傍に配設された燃圧センサによって検出される。燃料性状が軽質か重質かによって燃焼後の排ガス組成は変化する。そこで、燃料性状が軽質か重質かによって変化する燃焼圧（筒内圧）に基づいて燃料性状を判断し、排ガス組成の推定に反映させる。燃焼圧には、燃焼状況（完全燃焼か一部不完全燃焼か）も反映されるので、燃焼状況による排ガス組成変化も反映されると考えることもできる。このようにして、酸素センサ１の部分に流れてくる排気ガスの組成を推定したら、次に、この推定されたガス組成に基づいて、酸素センサ１の出力値をモデルを用いて算出する。
【００１８】
ここでは、酸素センサ１が電圧を出力する行程を次の三段階に分解してモデル化している。
[1]コーティング層１０４内での酸素の拡散
[2]白金電極１０３上での反応
[3]酸素イオン濃度差による起電力発生
【００１９】
まず[1]コーティング層１０４内での酸素の拡散について説明する。上述したように排気通路内部側の白金電極１０３上には多孔質セラミックからなるコーティング層１０４が形成されている。排気ガス中の酸素は、このコーティング層１０４内部の細孔内を拡散して白金電極１０３に達する。なお、コーティング層１０４は、その細孔内に酸素分子を保持し、白金電極１０３上での反応が安定的に行われるようにする役割も負っている。コーティング層１０４の断面を図４に示す。
【００２０】
本実施形態では、酸素センサ１の出力電圧発生に関して、酸素Ｏ₂の濃度のみではなく、他のガス種（Ｈ₂Ｏ，ＣＯ，ＣＯ₂，ＮＯ，Ｈ₂，Ｎ₂，ＣＨ₄，ＮＨ₃など）の濃度も考慮している。酸素Ｏ₂濃度のみを考慮してセンサ出力値を推定することも可能であるが、これらの酸素Ｏ₂以外のガス種によっても一対の白金電極１０３間に電子の移動を生じさせ得るので（負の電圧を生成するものもある）、本実施形態では精度向上のためにこれらのガス種についても同時に考慮している。
【００２１】
ここで、図４に示されるように、時間Ｔ＝Ｔ_kであるときのコーティング層１０４の排気ガス側ガス種ｉの濃度（モル分率）をｘ_ik、コーティング層１０４の白金電極１０３側ガス種ｉの濃度（モル分率）をｘe_ikと表す。また、コーティング層１０４の厚さをＬとする。コーティング層１０４内のガス種ｉの拡散は、これらのｘ_ik，ｘe_ik，Ｌによって決まる。時間Ｔ＝Ｔ_kに対応する拡散後のガス種ｉの濃度をｘ'e_ikと表すこととする。さらに、時間Ｔ＝Ｔ_kから単位時間Δt経過した後の時間をＴ_(k+1)と表す。
【００２２】
コーティング層１０４内部の細孔径はサブミクロン程度と比較的大きいので、細孔内拡散ではなく自由拡散として捉えることが可能である。そこで、拡散現象に関するFickの第一法則から、時間Ｔ＝Ｔ_kにおける拡散に際しての流束J_ik[mol・m/s]は下記式(1)によって得られる。また、下記式(1)中の有効拡散係数Ｄ_ik,_eff[m²/s]は下記式(2)によって得られる。
【００２３】
【数１】

【００２４】
【数２】

【００２５】
上記式(1)中の「コーティング層１０４のガス種ｉの白金電極１０３側モル分率ｘe_ik」は、「白金電極１０３上のガス種ｉの平衡後モル分率の前回値ｘ"e_i(k-1)」に等しい。即ち、ｘe_ik＝ｘ"e_i(k-1)である。また、ｘ"e_ikの初期値は、任意の数値が与えられる。初期値が任意であっても、ここで説明するモデルの計算を継続して行うことでｘ"e_ikは正確な値に収束する。白金電極１０３上のガス種ｉの平衡後モル分率ｘ"e_i(k-1)については後述する。
【００２６】
また、上記式(2)で示される有効拡散係数Ｄ_ik,_effの値が大きいほど拡散しやすい。上記式(2)中のＤ_ijは、ガス種ｉのガス種ｊに対する相互拡散係数であり、ガス種ｉとガス種ｊとの組み合わせで固有の値である。即ち、Ｄ_ij＝Ｄ_jiであり、ここでは、自己拡散（Ｄ_ii）については考慮していない。このため、上記式(2)中の右辺分母（Σ）においては、ｉ＝ｊとなる場合を和に加えていない。即ち、上記式(2)中の右辺分母（Σ）は、ガス種ｉ以外のすべてのガス種ｊ毎に算出した［（ガス種ｊのモル分率）／（ガス種ｊとの相互拡散係数）］の総和である。なお、本実施形態では、空気及び排気ガス中の多くを窒素が占めていることを考慮して、各ガス種ｉ毎に対する窒素Ｎ₂との相互拡散係数（Ｄ_iN2）のみを演算に用いることとしている。
【００２７】
なお、相互拡散係数Ｄ_ijは、温度依存性があるので温度に基づいてマップ化され、ＥＣＵ３内のＲＯＭやＲＡＭなどの記録部に格納されている。なお、このときに用いる温度は、温度センサを設けて検出してもよいが、通常の酸素センサ１は活性化温度への早期昇温のためのヒータを内蔵しているので、このヒータ温度を用いてもよい。次に、上述したように求めた流束J_ikを用いて、排気ガス中のモル分率ｘ_ikのガス種ｉがコーティング層１０４内に拡散した後のモル分率ｘ'e_ikを下記式(3)によって算出する。このモル分率ｘ'e_ikは、上述したガス種毎に算出される。
【００２８】
【数３】

【００２９】
このようにして、上述したステップ[1]の算出が終了する。そして、このステップ[1]で算出したｘ'e_ikが、次のステップ[2]の入力となる。次に、[2]白金電極１０３上での反応について説明する。白金電極１０３上では、白金の触媒作用によってモル分率ｘ'e_ikのガス種ｉは平衡状態に達してモル分率ｘ"e_ikとなる。白金電極１０３上での反応を各ガス種ｉ毎に個別に算出することによって、平衡後のモル分率（濃度）ｘ"e_ikを求める方法もあるが、これらの現象は複雑であるし、演算量も多くなることから、ここでは系全体のGibbsエネルギーＧ^tを用いて平衡後のモル分率ｘ"e_ikを求める。
【００３０】
GibbsエネルギーＧ^tを用いて平衡後のモル分率ｘ"e_ikを求めるに際して、まず、平衡前のモル分率ｘ'e_ikを各ガス種ｉ毎に並べた行列Ｘ’と平衡後のモル分率ｘ"e_ikを同様に各ガス種ｉ毎に並べた行列Ｘ”を下記式(4),(5)のように規定する。また、各ガス種ｉの分子内の各元素数に注目して、各ガス種ｉ分子の構成を示す行列Ａも下記式(6)のように規定する。行列Ａの各行は、行列Ｘ₀，Ｘの各ガス種ｉに対応している。また、行列Ａの各列は、左から、各ガス種ｉ分子中の炭素Ｃ・水素Ｈ・酸素Ｏ・窒素Ｎの各元素数に対応している。
【００３１】
【数４】

【００３２】
【数５】

【００３３】
【数６】

【００３４】
ここで、炭素Ｃ・水素Ｈ・酸素Ｏ・窒素Ｎの各元素のモル濃度を示す行列をＤとすれば、平衡の前後で各元素の総数は保存されるので下記式(7)が成立する。なお、行列Ａ^Tは行列Ａの転置行列である。また、系の全GibbsエネルギーＧ^tは下記式(8)のように表される。下記式(8)中のμ_iはガス種ｉの化学ポテンシャルである。
【００３５】
【数７】

【００３６】
【数８】

【００３７】
白金電極１０３上で平衡状態に達したということは、上記式(7)が成立し、かつ、上記式(8)で示される全Gibbsエネルギーが最小値を持つということに等しい。上述したように、上記式(7)は平衡前後で各元素総数が保存されることを示している。一方、上記式(8)で示される全Gibbsエネルギーが最小値を持つということは、反応が収束した、即ち、平衡状態に達したことを示す。即ち、上記式(7)を成立させ、かつ、上記式(8)の全Gibbsエネルギーが最小値を持つｘ"e_ikを求めることで、平衡後の各ガス種ｉの濃度（モル分率）を求めることとなり、これを演算によって算出する。
【００３８】
なお、上述したように、この白金電極１０３上のガス種ｉの平衡後モル分率ｘ"e_ikが、次回のコーティング層１０４のガス種ｉの白金電極１０３側モル分率ｘe_i(k+1)となる。このようにして、上述したステップ[2]の算出が終了する。そして、このステップ[2]で算出したｘ"e_ikを用いて、次のステップ[3]で酸素センサ１の出力を算出する。次に、[3]酸素イオン濃度差による起電力発生について説明する。
【００３９】
上述したように、複数のガス種ｉによってそれぞれ起電力が生じ、それらを合算したものが酸素センサ１の出力電圧となる。そこで、まず、三相（白金電極１０３、固体電解質１０２、及び、これらの間に達した各ガス種ｉを含む排気ガス）の境界に吸着する各ガス種ｉの占有率θ_ikを求める。占有率θ_ikは、各ガス種ｉ毎に異なり、Langmuirの吸着等温式によって下記式(9)のように計算される。なお、下記式(9)中のＫ_iは吸着平衡定数であり、吸着のしやすさ（吸着・脱離平衡時）を表している。吸着平衡定数Ｋ_iは、ガス種ｉ毎に異なり、温度依存性を持つ。このため、吸着平衡定数Ｋ_iは温度に基づいてマップ化され、ＥＣＵ内のＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部に格納されている。このときに用いる温度は、上述したように酸素センサ１のヒータ温度を用いてもよい。
【００４０】
【数９】

【００４１】
下記式(9)の分母は、各ガス種ｉ毎の吸着平衡定数Ｋ_iとモル分率ｘ"e_ikとの積の総和に１を加えたものであり、分子は、当該ガス種ｉの吸着平衡定数Ｋ_iとモル分率ｘ"e_ikとの積である。ここで用いているモル分率ｘ"e_ikがステップ[2]で算出したモル分率である。各ガス種ｉ毎の占有率θ_ikを算出する一方で、各ガス種ｉによって発生される基準電位を算出する。ここでは、酸素Ｏ₂に加えて、水素Ｈ₂、一酸化炭素ＣＯが、酸素センサ１の出力電圧に影響を与えるガス種ｉとして考慮されている。酸素Ｏ₂による基準電位は下記式(10)によって得られる。同様に、一酸化炭素ＣＯによる基準電位は下記式(11)、水素Ｈ₂による基準電位は下記式(12)によって得られる。
【００４２】
【数１０】

【００４３】
【数１１】

【００４４】
【数１２】

【００４５】
上記式(10)〜(12)中のＶ⁰ _iは各ガス種ｉ毎に定められる標準セルポテンシャルである。標準セルポテンシャルＶ⁰ _iは、ガス種ｉ毎に決定される定数で、あらかじめ実験等によって求められ、ＥＣＵ内のＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部に格納されている。Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度（上述したように酸素センサ１のヒータ温度を利用してもよい）である。また、ｘa_iは、大気側の各ガス種ｉのモル分率であり、本実施形態では定数としてＥＣＵ内のＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部に格納されている。
【００４６】
そして最終的に、算出された各ガス種ｉ毎の占有率θ_ik及び基準電位Ｖ_iを用いて、ノートンの定理により下記式(13)によって酸素センサ１の出力電圧Ｖ’を算出する。なお、本実施形態の場合、下記式(13)に対して適用するガス種ｉは、上述したように酸素Ｏ₂、水素Ｈ₂、一酸化炭素ＣＯのみである。
【００４７】
【数１３】

【００４８】
なお、ここでは、各種センサやＥＣＵ等が成分特定手段や出力値算出手段として機能している。以上説明したように、酸素センサ１の内部現象をモデル化し、このモデルを用いて算出した酸素センサ１の出力電圧（出力予測値）Ｖ’と酸素センサ１の実際の出力電圧（実出力値）Ｖとを比較し、その差が所定値以上である場合に、酸素センサ１が劣化したと判断する〔第一実施形態〕。所定値は、固定としてもよいし、各種条件（例えば空燃比）に応じて可変としてもよい。出力電圧（出力予測値）Ｖ’と酸素センサ１の実際の出力電圧（実出力値）Ｖとの間に所定値以上の開きがあるということは、酸素センサ１が予想される出力を出すことができない状態、即ち、劣化状態となっていると判断できる。
【００４９】
このように、モデルを用いて算出した出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとを比較することで、より正確に劣化を診断することができる。従来のように、あらかじめ決められた所定値と酸素センサの実出力値とを比較する場合、あらかじめ決められた所定値には十分に内燃機関の状態が反映されないので精度に不満があった。しかし、本実施形態のように、モデルを用いて算出した、内燃機関の状態が十分に反映された出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとに基づいて劣化診断することで、精度を向上させることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、モデルを用いて算出した出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとの比較に際しては、両者の差分に基づいて診断を行ったが、両者の比などに基づいて診断を行ってもよい。ここでは、ＥＣＵなどが劣化診断手段として機能している。本実施形態では、出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとの比較し、これに基づいて酸素センサ１の劣化を直接診断したが、以下の第に実施形態のような診断方法を採ることもできる。
【００５１】
第二実施形態でも、やはり上述したモデルを用いた手法によって酸素センサ１の出力電圧（出力予測値）Ｖ’を算出するとともに、出力電圧（実出力値）Ｖを検出する。そして、このモデルを用いて算出した出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとの比較に基づいて、モデルのパラメータ、ここでは上述した標準セルポテンシャルＶ⁰ _iを補正している。
【００５２】
この補正は、当然モデルの推定精度を向上させるように補正が行われる。具体的には、両者が一致するように、標準セルポテンシャルＶ⁰ _iの値を増減させて補正している。あるいは、モデルを用いて算出した出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとの偏差（あるいは比でもよい）に基づいて増加分や減少分を算出することとしてもよいし、増加割合（例えば、標準セルポテンシャルＶ⁰ _iの値を補正前に比べて110％とする）や減少割合で補正してもよい。ここでは、上述したＥＣＵ３などがやはりモデル修正手段として機能している。
【００５３】
そして、このときのパラメータの修正量（全く修正を行っていない初期値に対する修正量：修正量の積算値）が所定量以上となった場合に、酸素センサ１が劣化していると診断する〔第二実施形態〕。パラメータの修正量が所定値以上であるということは、モデルと実際との間にある程度の差が生じており、酸素センサ１が予想される出力を出すことができない状態、即ち、劣化状態となっていると判断できる。
【００５４】
このように、モデルを用いて算出した出力電圧（出力予測値）Ｖ’と実際の出力電圧（実出力値）Ｖとの比較によりモデルのパラメータを修正し、その修正量に基づいて劣化診断を行うことで、より正確に診断を行うことができる。なお、本実施形態では、モデルのパラメータとして標準セルポテンシャルＶ⁰ _iを補正したが、他のパラメータ、例えば、上述した吸着平衡定数Ｋ_iを補正してもよい。あるいは、いくつかのパラメータを補正し、それらのいずれかの補正量、あるいは、複数のパラメータの補正量の複合条件で酸素センサ１の劣化を診断するようであってもよい。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、排気ガスセンサが酸素センサであったが、排気ガスセンサがリニア（全域）空燃比センサ、HCセンサ、NOxセンサなどであってもよい。また、上述した実施形態では、エンジン２の排気通路４上に設置された排気浄化触媒５の上流側に配置された酸素センサ（排気ガスセンサ）１の劣化を診断するものであった。しかし、図５に示されるように、排気浄化触媒５の上流側と下流側とに酸素センサ（排気ガスセンサ）１ａ，１ｂが配設されるような場合に、下流側の酸素センサ（排気ガスセンサ）１ｂの劣化を診断するものに対しても本発明は適用し得る。
【００５６】
この場合は、排気浄化触媒５の内部での現象をも物理則に従ってモデル化し（触媒モデル）、エンジン２から排出される燃焼後の排気ガスの排ガス組成に基づいて排気浄化触媒５から排出される排気ガスの排ガス組成を求め、これに基づいて上述した手法によって酸素センサ（排気ガスセンサ）１ｂの出力値を算出すればよい。そして、その後算出した出力値と実際のセンサ出力値とを比較することで、あるいは、算出した出力値に基づくモデルパラメータ修正量に基づいて、酸素センサ１ｂの劣化を診断することができる。
【００５７】
また、上述した実施形態では、エンジン２から排出される排気ガスの排ガス組成をエンジン回転数及びエンジン負荷（さらに燃焼圧）に基づいて決定していた。しかし、吸入空気量や燃料噴射量、その他の燃焼条件（点火時期やバルブタイミング、吸気温、ＥＧＲ量など）に基づいて、エンジン２内部での燃焼現象を物理則に従ってモデル化し（燃焼モデル）、このモデルによって算出された排ガス組成に基づいて上述した手法によって酸素センサ１の出力値を算出して酸素センサ１の劣化を診断してもよい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の排気ガスセンサの劣化診断装置では、排気ガスセンサ内部の現象をモデル化して排気ガスセンサが出力すると思われる値を演算によって算出し、算出した出力値と実際のセンサ出力値とを比較することで、あるいは、算出した出力値に基づくモデルパラメータの修正量に基づいて、排気ガスセンサの劣化を診断する。このため、モデルを用いて算出した、内燃機関の状態が十分に反映された出力電圧（出力予測値）と実際の出力電圧（実出力値）とに基づいて劣化診断することになり、診断精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の劣化診断装置の一実施形態を有する内燃機関の構成図である。
【図２】酸素センサ（排気ガスセンサ）の構造を示す断面図である。
【図３】酸素センサ（排気ガスセンサ）の検出部を拡大して示す断面図である。
【図４】酸素センサ（排気ガスセンサ）のコーティング層を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明の劣化診断装置の他の実施形態を適用した内燃機関の構成図である。
【符号の説明】
１，１ｂ…酸素センサ（排気ガスセンサ）、２…エンジン（内燃機関）、３…ＥＣＵ（成分特定手段・出力値算出手段・劣化診断手段・モデル修正手段）、４…排気通路、５…排気浄化触媒、１００…検出部、１０１…センサカバー、１０２…固体電解質、１０３…白金電極、１０４…コーティング層。

Claims

内燃機関から排出される排気ガスの組成に関する情報を検出する排気ガスセンサの劣化を検出する劣化診断装置であって、
前記内燃機関から排出される排気ガス成分を推定又は検出することで特定する成分特定手段と、
前記成分特定手段によって特定された排気ガス成分に基づいて前記排気ガスセンサの出力予測値を算出する出力値算出手段と、
前記排気ガスセンサの実出力値および前記出力値算出手段によって算出された前記出力予測値の比較に基づいて前記排気ガスセンサの劣化を診断する劣化診断手段とを備え、
前記劣化診断手段は、前記実出力値と前記出力予測値との差が所定値以上である場合に、前記排気ガスセンサが劣化していると診断することを特徴とする排気ガスセンサの劣化診断装置。
前記出力値算出手段が、前記成分特定手段によって特定された排気ガス成分に基づいて、前記排気ガスセンサ内部での現象をモデル化して該排気ガスセンサの出力予測値を算出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劣化診断装置。
前記排気センサが酸素センサであり、前記出力値算出手段が、前記排気ガスセンサの内部現象のモデル化を、コーティング層内での酸素の拡散、電極上での反応、及び、酸素イオンの濃度差による起電力発生の各段階に分けて行うことを特徴とする請求項２に記載の排気ガスセンサの劣化診断装置。
前記機関から排出される排気ガスの組成に関する情報を検出する排気ガスセンサの劣化を検出する劣化診断装置であって、
前記内燃機関から排出される排気ガス成分を推定又は検出することで特定する成分特定手段と、
前記成分特定手段によって特定された排気ガス成分に基づいて前記排気ガスセンサ内部での現象をモデル化して該排気ガスセンサの出力予測値を算出する出力値算出手段と、
前記排気ガスセンサの実出力値および前記出力値算出手段によって算出された前記出力予測値の比較に基づいて前記排気ガスセンサの内部現象モデルのパラメータを修正するモデル修正手段と、
前記モデル修正手段によるパラメータの修正量が所定以上となった場合に前記排気ガスセンサが劣化していると診断する劣化診断手段とを備えていることを特徴とする排気ガスセンサの劣化診断装置。