JP4789011B2 - 排ガスセンサの故障診断装置 - Google Patents

Description

本発明は排ガスセンサの故障診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられて排気ガス中の特定成分の濃度を検出するのに用いられる排ガスセンサの故障診断装置に関する。

近年の内燃機関では排気エミッションを向上すべく、排気浄化システムに用いられる様々な種類の排ガスセンサが開発されている。この種の排ガスセンサとしては排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素センサが代表的であり、これは主に排気ガスの空燃比検出に用いられることから空燃比センサとも称される。例えば、三元触媒を利用した排ガス浄化システムの場合だと、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を効率的に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、酸素センサで検出された酸素濃度から実際の空燃比を求め、この実際の空燃比を所定の目標空燃比に近づけるフィードバック制御を実施している。

ところで酸素センサが故障すると排ガスエミッションが悪化するので、酸素センサの故障診断を行う装置が提案されている。例えば特許文献１に記載のものでは、燃焼カットの開始又は終了時の酸素センサの出力変化率に基づき、酸素センサの応答性を調べ、この結果に応じて酸素センサの異常を診断するようにしている。

特開２００４−３５１３号公報

このように酸素センサの故障を診断するには、空燃比がリーン側又はリッチ側に大きく急変した機会を利用して、或いは空燃比をそのように強制的に急変させ、このときの酸素センサの応答性を調べるやり方が一般的である。しかし、このように空燃比を大きく急変させると通常は空燃比の制御性が悪化し、排気エミッションが悪化してしまう。特にディーゼルエンジンの場合、空燃比が大きく急変するように排気添加量もしくはポスト噴射量を変化させると排気エミッションが顕著に悪化する。

また、空燃比を強制的に急変させて酸素センサの故障を診断しようとする場合、通常、エンジンの運転状態が定常（例えば吸入空気量が一定）のときに故障診断を実行しなければならない。しかし、特に車両用エンジンの場合、エンジンの運転状態が定常となるのは比較的希である。よって診断頻度を十分に確保できないという問題がある。

そこで、本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、診断時における排気エミッションの悪化を防止し、十分な診断頻度を確保することができる排ガスセンサの故障診断装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた排ガスセンサであって、排気通路内に配置された検出素子と、該検出素子を覆うカバーと、該カバーに設けられたガス通過孔と、前記検出素子を加熱するヒータとを有する排ガスセンサの故障診断装置において、
前記ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、
少なくとも前記ヒータに供給されている電力に基づいて、前記カバーの外側の排気温度を推定する推定手段と、
前記カバーの外側の排気温度を検出する排気温センサと、
前記推定手段によって推定された推定排気温度と、前記排気温センサによって検出された検出排気温度とを比較して前記排ガスセンサの故障を判定する故障判定手段と
を備えたことを特徴とする排ガスセンサの故障診断装置が提供される。

カバー内の排気温度（カバー内ガス温度）はカバー外の排気温度（カバー外ガス温度）に追従して変化する。そして、カバー外ガス温度が高くなるとカバー内ガス温度も高くなり、検出素子を所定温度に維持するためのヒータ供給電力は減少する。逆に、カバー外ガス温度が低くなるとカバー内ガス温度も低くなり、検出素子を所定温度に維持するためのヒータ供給電力は増加する。このようにヒータへの供給電力とカバー外ガス温度との間には一定の相関関係があると考えられる。本発明の第１の形態は、この相関関係を利用して、ヒータへの供給電力からカバー外ガス温度を推定し、これを排気温センサで検出された実際のカバー外ガス温度と比較することで、排ガスセンサの故障を検出する。この手法によれば、空燃比を敢えて大きく急変させる必要がないため排気エミッションの悪化を防止できる。また、通常の機関運転状態で故障診断が行えるので診断頻度を十分に確保することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記故障判定手段は、前記検出排気温度が前記推定排気温度より所定の許容範囲を超えて低い場合に前記排ガスセンサを気密性不良と判定し、前記検出排気温度が前記推定排気温度より所定の許容範囲を超えて高い場合に前記排ガスセンサをガス交換性不良と判定する
ことを特徴とする。

本発明の第３の形態は、前記第１又は第２の形態において、
前記排気通路に設けられた圧力センサと、前記排気通路に設けられたエアフローメータとが備えられ、
前記推定手段が、前記ヒータへの供給電力に加え、前記圧力センサによって検出された排気圧力及び前記エアフローメータによって検出された排気流量にも基づいて、前記カバーの外側の排気温度を推定する
ことを特徴とする。

本発明の第４の形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられた排ガスセンサであって、排気通路内に配置された検出素子と、該検出素子を覆うカバーと、該カバーに設けられたガス通過孔と、前記検出素子を加熱するヒータとを有する排ガスセンサの故障診断装置において、
前記ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、
前記カバーの外側の排気温度を検出する排気温センサと、
少なくとも前記排気温センサによって検出された排気温度に基づいて、前記検出素子のインピーダンスを所定の目標インピーダンスとするための前記ヒータに対する目標供給電力を算出する目標供給電力算出手段と、
前記ヒータ制御手段により前記目標供給電力に等しい電力が前記ヒータに供給されたときの前記検出素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段によって検出された前記検出素子のインピーダンスと、前記目標インピーダンスとを比較して前記排ガスセンサの故障を判定する故障判定手段と
を備えたことを特徴とする排ガスセンサの故障診断装置が提供される。

前記第１の形態では、センサ内のヒータへの供給電力からセンサ外の排気温度を推定し、これを実際の排気温度と比較することで故障判定を行う方法を採用した。これに対し当該第４の形態では、逆に、センサ外の排気温度から、検出素子のインピーダンスを所定の目標インピーダンスとするのに必要な目標供給電力を算出し、この目標供給電力に等しい電力を供給したときに検出される素子インピーダンスを目標インピーダンスと比較する。この第４の形態も、ヒータ供給電力とカバー外ガス温度との間の相関関係を利用する点で、第１の形態と同様である。そしてこの第４の形態によっても同様に、空燃比を大きく急変させる必要がないので排気エミッションの悪化を防止でき、通常の機関運転状態で劣化診断が行えるので診断頻度を十分に確保することができる。

本発明の第５の形態は、前記第４の形態において、
前記故障判定手段は、前記検出された検出素子のインピーダンスが前記目標インピーダンスより所定の許容範囲を超えて小さい場合に前記排ガスセンサをガス交換性不良と判定し、前記検出素子のインピーダンスが前記目標インピーダンスより所定の許容範囲を超えて大きい場合に前記排ガスセンサを気密性不良と判定する
ことを特徴とする。

本発明の第６の形態は、前記第４又は第５の形態において、
前記排気通路に設けられた圧力センサと、前記排気通路に設けられたエアフローメータとが備えられ、
前記目標供給電力算出手段が、前記検出された排気温度に加え、前記圧力センサによって検出された排気圧力及び前記エアフローメータによって検出された排気流量にも基づいて、前記目標供給電力を算出する
ことを特徴とする。

本発明の第７の形態は、前記第１乃至第６のいずれかの形態において、
前記排ガスセンサが、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素センサからなる
ことを特徴とする。

本発明によれば、診断時における排気エミッションの悪化を防止し、十分な診断頻度を確保することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の内燃機関の構成を図１を参照して説明する。本実施形態の内燃機関１０は車両用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであるが、本発明は他の用途や形式の内燃機関、例えば火花点火式内燃機関、具体的にはガソリンエンジンにも適用可能である。特に希薄燃焼を行うリーンバーンガソリンエンジンにも好適に適用可能である。

内燃機関１０の吸気通路１１にはエアクリーナ１４を通じて空気が吸入される。そしてその吸入空気量を検出すべく、吸気通路１１にはエアフローメータ１６が設けられている。吸気通路１１から機関本体１２に送られた吸入空気は、機関本体１２の各気筒（本実施形態では全４気筒）のシリンダ内で圧縮される。そして気筒毎に、圧縮上死点付近でインジェクタ（燃料噴射弁）１７から燃料が噴射され、燃料と空気との混合気が着火、燃焼させられる。

燃焼後の排気ガスは排気通路１３に送られる。排気通路１３には、排気ガス中の有害成分（例えばＮＯｘ）を浄化する触媒１８が設けられ、その上流側と下流側に排ガスセンサとしての酸素センサ１９，２０がそれぞれ設けられている。これら酸素センサ１９，２０は触媒１８を有効に機能させるために設けられている。

内燃機関１０の制御全体を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２２が設けられる。ＥＣＵ２２には、上記エアフローメータ１６や酸素センサ１９，２０の他、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ２１、機関回転速度を検出するための回転速度センサ２３、排気ガスの圧力を検出するための圧力センサ２４、排気ガスの流量を検出するための排気用エアフローメータ２５、排気ガスの温度を検出するための排気温センサ２６、その他の図示しない各種センサ類の検出信号が入力されている。これらセンサ類の検出信号より把握される内燃機関１０や車両の運転状況に応じて上記インジェクタ１７等が駆動制御される。

圧力センサ２４、排気用エアフローメータ２５及び排気温センサ２６は、上流側酸素センサ１９の上流側の排気通路１３に、上流側から順に設けられている。但しこれらの配列順序はこの順序に限られない。

なお、ディーゼルエンジンである内燃機関１０の構成については図示されるものに限定されない。例えばＥＧＲ装置やスロットルバルブを設けることも可能である。

ここで、酸素センサ１９，２０について説明する。なお上流側及び下流側の２つの酸素センサ１９，２０は互いに同様の構成であり、また故障診断の方法も同様である。そこで以下、上流側の酸素センサ１９を例にとって説明し、下流側の酸素センサ２０については説明を省略する。これら酸素センサ１９，２０は、供給される排気ガスの空燃比を検出するために用いられ、空燃比センサとも称される。

図２及び図３に示すように、酸素センサ１９は、排気通路１３内に突出するように配置された筒型の検出素子（センサ素子）３１を備えている。検出素子３１は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面を排気通路１３内に露呈している。検出素子３１を外側から覆うカバー３２が設けられ、カバー３２には複数のガス通過孔３７が設けられている。カバー３２の内外にガス通過孔３７を通じて排気ガスが流通可能であり、これによって検出素子３１の外面が排気ガスに曝されることになる。検出素子３１は、内外の表面に電極３３Ａ，３３Ｂが被覆された固体電解質により形成されている。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質を指し、酸素センサ用としては例えばジルコニアなどが利用されている。検出素子３１の内部の大気室３４は、センサ内に設けられた図示しない大気通路と、センサボディに形成された大気穴３５とを通じて外部に連通され、且つ大気が導入されるようになっている。検出素子３１内部の大気室３４には、検出素子３１を加熱して早期に活性化させるためのヒータ３６が設けられ、ヒータ３６に供給される電力ひいては検出素子３１の温度がＥＣＵ２２によって制御される。

検出素子３１を介して隔てられたその内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気ガス側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で４価の電子を放出する。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出素子３１の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子３１に起電力が発生する。こうして酸素センサ１９は、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり検出素子３１外部の排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。ここで酸素イオンが内表面側の電極３３Ａから検出素子３１を通って外表面側の電極３３Ｂに向かうことから、電流の向きは逆となり、両電極に接続された外部装置に対しては内表面側の電極３３Ａが正極、外表面側の電極３３Ｂが負極となる。

ちなみに、酸素センサには他にも、板形状の検出素子を用いたものや、検出素子にジルコニア以外の素材を用いたものなど、様々なタイプの酸素センサがある。そしてその多くでは、上記例示したセンサと同様の検出原理により排気ガスの酸素分圧を検出する構成、すなわち基準ガス（大気）と排気ガスとを隔離するよう配設された検出素子が、基準ガスに対する排気ガスの酸素分圧の差に応じて起電力を発生する構成となっている。

酸素センサ１９の出力特性を図４に例示する。示されるように、酸素センサ１９の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）を境に過渡的に変化し、酸素センサ１９に供給される排気ガス（雰囲気ガス）の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリーンな領域（Ａ／Ｆ＞Ａ／Ｆｓ、以下リーン空燃比ともいう）では０．１Ｖ程度の小さい電圧が出力され、理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリッチな領域（Ａ／Ｆ＜Ａ／Ｆｓ、以下リッチ空燃比ともいう）では０．９Ｖ程度の比較的高い電圧が出力される。ここでは、０．４５Ｖのセンサ出力をリッチ・リーン判定閾値として、センサ１９の検出結果が、理論空燃比よりもリッチかリーンかを判断している。なお、酸素センサ１９の上記各領域でのセンサ出力電圧の大きさは、検出素子３１の温度状態に応じて変化することがある。

なお、このような酸素センサのほか、排気ガスの広範な空燃比変化に応じてその出力値が線形的に変化する特性の、より分解能の高い酸素センサが用いられることもある。例えばリーンバーンガソリンエンジンの場合などである。本発明はこのような酸素センサに対しても適用可能である。

ところで、検出素子３１が活性化していないと酸素センサ１９が上述のように作動することができない。そこで、検出素子３１の温度が所定の活性化温度（例えば約７００℃）に維持されるように、ヒータ３６がＥＣＵ２２によりフィードバック制御されている。一方、ＥＣＵ２２は、酸素センサ１９の出力電圧（正極３３Ａ及び負極３３Ｂ間の電圧）に基づいて排気空燃比Ａ／Ｆを算出する機能と、検出素子３１の素子インピーダンスＲを検出する機能とを併せ持つ。検出素子３１の素子インピーダンスＲは、検出素子３１の温度が高いほど小さくなり、検出素子３１の温度が低いほど大きくなる。そこでＥＣＵ２２は、検出した素子インピーダンスＲが、前述の活性化温度に相当する目標インピーダンスＲｔに等しくなるようにヒータ３６をフィードバック制御する。

なお、本実施形態のようなディーゼルエンジンでは通常排気温度が１５０〜２５０℃とガソリンエンジンに比べて低く、排気ガスのみでは検出素子３１を活性化温度にまで加熱することができない。よって酸素センサ１９にヒータ３６が設けられ、検出素子３１を活性化温度近傍に強制的に維持するようにしている。

次に、酸素センサの故障診断について説明する。

酸素センサ１９の故障の態様としてはガス交換性不良と気密性不良とがある。ガス交換性不良とは、酸素センサ１９のカバー３２のガス通過孔３７が排ガス中の煤等で目詰まりし、カバー３２内外でのガス交換が不良となる故障である。こうなると、検出素子３１により暖められたカバー３２内の排気ガス（カバー３２の内側且つ検出素子３１の外側の排気ガス、以下、カバー内ガスという）がカバー３２外の排気ガス（カバー外ガスという）と交換され難くなり、カバー内ガスが次第に熱せられ、カバー内ガスの温度がカバー外ガスの温度に対し高温側に乖離する傾向となる。他方、気密性不良とは、検出素子３１の固定部の破損等で酸素センサ１９内部の大気通路の空気がカバー３２内に漏れ出したり、検出素子３１の割れ、亀裂等により大気室３４の空気がカバー３２内に漏れ出したりして、空気がカバー３２内に浸入してしまう故障である。こうなると、カバー内ガスが空気により冷却され、カバー内ガス温度がカバー外ガス温度に対し低温側に乖離する傾向となる。

本発明に係る故障診断は、主にこのカバー内外の温度の乖離度合いに着目して故障診断する点に特徴がある。以下、故障診断の第１の態様について説明する。

この第１の態様では、少なくともヒータ３６への供給電力Ｗに基づいてカバー外ガス温度Ｔｂが推定され、この推定されたカバー外ガス温度（推定排気温度）Ｔｂと、排気温センサ２６によって検出された実際のカバー外ガス温度（検出排気温度）Ｔａとを比較して酸素センサ１９の故障が判定される。

カバー内ガス温度はカバー外ガス温度に追従して変化する。そして、カバー外ガス温度が高くなるとカバー内ガス温度も高くなり、検出素子３１の温度が高くなり、ヒータ３６への供給電力Ｗは減少する。逆に、カバー外ガス温度が低くなるとカバー内ガス温度も低くなり、検出素子３１の温度が低くなり、ヒータ３６への供給電力Ｗは増加する。このようにヒータ３６への供給電力Ｗとカバー外ガス温度との間には一定の相関関係があると考えられる。この相関関係は予め試験等によってマップ又は関数の形式で求めることができる。よってこの相関関係を利用して、ヒータ３６への供給電力Ｗからカバー外ガス温度Ｔｂを推定し、これを実際のカバー外ガス温度Ｔａと比較することで、酸素センサ１９の故障を検出することが可能である。

この手法によれば、空燃比を敢えて大きく急変させる必要がないため排気エミッションの悪化を防止できる。とりわけこのような空燃比変化が排気エミッションを大きく悪化させる本実施形態のようなディーゼルエンジン、さらにはリーンバーンガソリンエンジンには好適である。しかも、通常の機関運転状態で劣化診断が行え、定常運転時に限られないので、診断頻度を十分に確保することができる。

本実施形態では、ヒータ３６への供給電力Ｗに加え、圧力センサ２４によって検出された排気圧力Ｐ及び排気用エアフローメータ２５によって検出された排気流量Ｑにも基づいて、カバー外ガス温度Ｔｂを推定している。これは推定精度の向上のためである。しかしながらこれら排気圧力Ｐ及び排気流量Ｑの値は必須ではなく、省略も可能である。なお、排気流量Ｑの値は、吸気用エアフローメータ１６で検出された吸入空気流量の値で代用することもできる。排気圧力Ｐは機関運転状態（例えば回転速度とアクセル開度）から推定してもよい。

以下、この第１の態様に係る故障診断処理を図５を参照して説明する。図示する処理は所定の演算周期毎にＥＣＵ２２によって繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、前述したように酸素センサ１９のヒータ３６がフィードバック制御される。そしてステップＳ１０２では、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲが所定の活性化温度相当の目標インピーダンスＲｔに等しくなったか否かが判断される。

素子インピーダンスＲが目標インピーダンスＲｔに等しくなっていない場合、酸素センサ１９は未だ活性化してないとみなされ、本処理が終了される。他方、素子インピーダンスＲが目標インピーダンスＲｔに等しくなっている場合、酸素センサ１９が活性化したとみなされ、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、ヒータ３６への供給電力Ｗと、圧力センサ２４によって検出された排気圧力Ｐと、排気用エアフローメータ２５によって検出された排気流量Ｑとの値が取得される。次いでステップＳ１０４では、これら供給電力Ｗ、排気圧力Ｐ及び排気流量Ｑに基づき、予め作製されたマップ又は関数に従って、推定値としてのカバー外ガス温度Ｔｂが算出される。

次に、ステップＳ１０５において、排気温センサ２６によって検出された実際のカバー外ガス温度Ｔａが取得される。そしてステップＳ１０６では、これらカバー外ガス温度同士を比較するため、推定カバー外ガス温度Ｔｂと実際のカバー外ガス温度Ｔａとの差ΔＴが求められる。差ΔＴはΔＴ＝｜Ｔｂ−Ｔａ｜で表される。なおこのような温度差を求める方法以外に温度比を求める方法を採用してもよい。

ステップＳ１０７ではこの差ΔＴと所定の故障判定値ΔＴｓとが比較される。差ΔＴが故障判定値ΔＴｓ以下の場合、実際のカバー外ガス温度Ｔａと推定カバー外ガス温度Ｔｂとのズレは、センサの製品バラツキや推定誤差等を考慮しても、許容範囲内とみなされ、ステップＳ１０８にて酸素センサ１９は正常と判定される。

他方、差ΔＴが故障判定値ΔＴｓより大きい場合、実際のカバー外ガス温度Ｔａと推定カバー外ガス温度Ｔｂとのズレは許容範囲外とみなされ、ステップＳ１０９にて酸素センサ１９は故障と判定される。

次に、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２では、酸素センサ１９の故障態様が判別される。この判別の基本的な考え方を図６を参照して説明する。

図６に、ヒータ供給電力Ｗと推定カバー外ガス温度Ｔｂとの関係を示す。仮に、ヒータ供給電力がＷ１であるときの推定カバー外ガス温度がＴｂ１であるとする。図中の四角枠内は、前記差ΔＴが故障判定値ΔＴｓ以下となるような範囲であり、この範囲内に実際のカバー外ガス温度Ｔａが入っていれば酸素センサ１９は正常、実際のカバー外ガス温度Ｔａが入っていなければ酸素センサ１９は故障と判定される。

ヒータ供給電力がＷ１であるときに、実際のカバー外ガス温度ＴａがＰ１で示されるように正常範囲内に入っていれば酸素センサ１９は正常と判定される。他方、ヒータ供給電力がＷ１であるときに実際のカバー外ガス温度ＴａがＰ２で示されるように正常範囲より低い値を示したとする。この場合、通常想定される以上にカバー内ガス温度が下降しており、これに伴ってヒータ供給電力が大きくなっている、つまりカバー内が冷え込んでいるためと考えられる。このときは空気がカバー３２内に浸入していると考えられ、気密性不良が想定される。また、ヒータ供給電力がＷ１であるときに実際のカバー外ガス温度ＴａがＰ３で示されるように正常範囲より高い値を示したとする。この場合、通常想定される以上にカバー内ガス温度が上昇しており、これに伴ってヒータ供給電力が小さくなっている、つまりカバー内が熱くなっているためと考えられる。このときはカバー内ガスとカバー外ガスとのガス交換が阻害されており、ガス交換性不良が想定される。

図５に戻って、ステップＳ１１０では、推定カバー外ガス温度Ｔｂと実際のカバー外ガス温度Ｔａとの大小が判別される。実際のカバー外ガス温度Ｔａが推定カバー外ガス温度Ｔｂより高い場合、図６のＰ３の場合に相当し、ステップＳ１１１で酸素センサ１９はガス交換性不良と判定される。逆に、実際のカバー外ガス温度Ｔａが推定カバー外ガス温度Ｔｂより低い場合、図６のＰ２の場合に相当し、ステップＳ１１２で酸素センサ１９は気密性不良と判定される。

次に、故障診断の第２の態様について説明する。

この第２の態様では、少なくとも実際のカバー外ガス温度Ｔａに基づいて、検出素子３１のインピーダンスＲを前記活性化温度相当の目標インピーダンスＲｔとするためのヒータ目標供給電力Ｗｔが算出される。そしてこの目標供給電力Ｗｔに等しい電力がヒータ３６に供給されたときの検出素子３１の実際のインピーダンスＲが検出される。この検出された実際のインピーダンスＲと、目標インピーダンスＲｔとが比較されて酸素センサ１９の故障が判定される。即ち、概して言えば、第１の態様ではセンサ内の供給電力Ｗからセンサ外の温度Ｔｂを推定し、これを実際のセンサ外の温度Ｔａと比較するやり方であった。これに対し第２の態様では、逆に、実際のセンサ外の温度Ｔａから、素子温度を活性化温度とするのに必要なヒータ目標供給電力Ｗｔを算出し、この目標供給電力Ｗｔを供給したときの実際のインピーダンスＲを目標インピーダンスＲｔと比較する。素子インピーダンスＲは素子温度と等価であることから、当該比較は、実際の素子温度と所定の活性化温度とを比較していることにもなる。

この第２の態様も、ヒータ供給電力とカバー外ガス温度との間の相関関係を利用する点で、第１の態様と同様である。この第２の態様によっても第１の態様と同様に、空燃比を大きく急変させる必要がないので排気エミッションの悪化を防止でき、通常の機関運転状態で劣化診断が行えるので診断頻度を十分に確保することができる。

本実施形態では、実際のカバー外ガス温度Ｔａに加え、圧力センサ２４によって検出された排気圧力Ｐ及び排気用エアフローメータ２５によって検出された排気流量Ｑにも基づいて、目標供給電力Ｗｔを算出している。これは目標供給電力Ｗｔの算出精度の向上のためである。しかしながらこれら排気圧力Ｐ及び排気流量Ｑの値は必須ではなく、省略も可能である。

以下、この第２の態様に係る故障診断処理を図７を参照して説明する。図示する処理は所定の演算周期毎にＥＣＵ２２によって繰り返し実行される。

まずステップＳ２０１では、前記ステップＳ１０１と同様に、酸素センサ１９のヒータ３６がフィードバック制御される。そしてステップＳ２０２では、前記ステップＳ１０２と同様に、酸素センサ１９の素子インピーダンスＲが所定の活性化温度相当の目標インピーダンスＲｔに等しくなったか否かが判断される。

素子インピーダンスＲが目標インピーダンスＲｔに等しくなっていない場合、酸素センサ１９は未だ活性化してないとみなされ、本処理が終了される。他方、素子インピーダンスＲが目標インピーダンスＲｔに等しくなっている場合、酸素センサ１９が活性化したとみなされ、ステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、排気温センサ２６によって検出された実際のカバー外ガス温度Ｔａと、圧力センサ２４によって検出された排気圧力Ｐと、排気用エアフローメータ２５によって検出された排気流量Ｑとの値が取得される。次いでステップＳ２０４では、これら実際のカバー外ガス温度Ｔａ、排気圧力Ｐ及び排気流量Ｑに基づき、予め作製されたマップ又は関数に従って、素子インピーダンスＲを目標インピーダンスＲｔとするのに必要なヒータ目標供給電力Ｗｔが算出される。

次に、ステップＳ２０５において、ヒータ目標供給電力Ｗｔに等しい電力がヒータ３６に供給される。そしてステップＳ２０６で、ＥＣＵ２２の素子インピーダンス検出機能により、実際の素子インピーダンスＲが検出される。

次いで、ステップＳ２０７において、実際の素子インピーダンスＲと目標インピーダンスＲｔとを比較するため、実際の素子インピーダンスＲと目標インピーダンスＲｔとの差ΔＲが求められる。差ΔＲはΔＲ＝｜Ｒ−Ｒｔ｜で表される。なおこのようなインピーダンス差を求める方法以外にインピーダンス比を求める方法を採用してもよい。

ステップＳ２０８ではこの差ΔＲと所定の故障判定値ΔＲｓとが比較される。差ΔＲが故障判定値ΔＲｓ以下の場合、目標インピーダンスＲｔに対する実際のインピーダンスＲのズレは、センサの製品バラツキや算出誤差等を考慮しても、許容範囲内とみなされ、ステップＳ２０９にて酸素センサ１９は正常と判定される。

他方、差ΔＲが故障判定値ΔＲｓより大きい場合、目標インピーダンスＲｔに対する実際のインピーダンスＲのズレは許容範囲外とみなされ、ステップＳ２１０にて酸素センサ１９は故障と判定される。

次に、ステップＳ２１１〜Ｓ２１３では酸素センサ１９の故障態様が判別される。この判別の基本的な考え方を図６に類似の図８を参照して説明する。

図８は、ヒータ目標供給電力Ｗｔと素子インピーダンスＲとの関係を示す。ここでは仮に、目標供給電力Ｗｔ１に等しい電力がヒータ３６に供給されたときに実際の素子インピーダンスＲが目標インピーダンスＲｔとなるのが正しい状態であるとする。図中の四角枠内は、前記差ΔＲが故障判定値ΔＲｓ以下となるような範囲であり、この範囲内に実際の素子インピーダンスＲが入っていれば酸素センサ１９は正常、実際の素子インピーダンスＲが入っていなければ酸素センサ１９は故障と判定される。

ヒータ目標供給電力がＷｔ１であるときに、実際の素子インピーダンスＲがＰ１’で示されるように正常範囲内に入っていれば酸素センサ１９は正常と判定される。他方、ヒータ目標供給電力がＷｔ１であるときに実際の素子インピーダンスＲがＰ２’で示されるように正常範囲より低い値を示したとする。この場合、通常想定される以上に素子温度が上昇しているので、カバー内ガスとカバー外ガスとのガス交換が阻害されており、ガス交換性不良が想定される。また、ヒータ目標供給電力がＷｔ１であるときに実際の素子インピーダンスＲがＰ３’で示されるように正常範囲より高い値を示したとする。この場合、通常想定される以上に素子温度が下降しているので、空気がカバー３２内に浸入し、気密性不良が想定される。

図７に戻って、ステップＳ２１１では、実際の素子インピーダンスＲと目標インピーダンスＲｔとの大小が判別される。実際の素子インピーダンスＲが目標インピーダンスＲｔより小さい場合、図８のＰ２’の場合に相当し、ステップＳ２１２で酸素センサ１９はガス交換性不良と判定される。逆に、実際の素子インピーダンスＲが目標インピーダンスＲｔより大きい場合、図８のＰ３’の場合に相当し、ステップＳ２１３で酸素センサ１９は気密性不良と判定される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、前記実施形態では排ガスセンサとして酸素センサ（空燃比センサ）を用いたが、これに限らず、例えば排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサや排気ガス中のＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ等を用いてもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本実施形態の内燃機関の構成を示す概略図である。 酸素センサの取付状態を示す断面図である。 酸素センサの検出素子周辺の拡大断面図である。 酸素センサの出力特性を示すグラフである。 故障診断の第１の態様に係るフローチャートである。 故障診断の第１の態様における故障態様の判別方法を説明するためのグラフである。 故障診断の第２の態様に係るフローチャートである。 故障診断の第２の態様における故障態様の判別方法を説明するためのグラフである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１３ 排気通路
１９，２０ 酸素センサ
２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２４ 圧力センサ
２５ 排気用エアフローメータ
２６ 排気温センサ
３１ 検出素子
３２ カバー
３６ ヒータ
３７ ガス通過孔
Ｗ 供給電力
Ｗｔ 目標供給電力
Ｔａ 実際のカバー外ガス温度
Ｔｂ 推定カバー外ガス温度
Ｒ 素子インピーダンス
Ｒｔ 目標インピーダンス

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排ガスセンサであって、排気通路内に配置された検出素子と、該検出素子を覆うカバーと、該カバーに設けられたガス通過孔と、前記検出素子を加熱するヒータとを有する排ガスセンサの故障診断装置において、
   前記検出素子の温度が所定温度に維持されるよう、前記ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、
   少なくとも前記ヒータに供給されている電力に基づいて、前記カバーの外側の排気温度を推定する推定手段と、
   前記カバーの外側の排気温度を検出する排気温センサと、
   前記推定手段によって推定された推定排気温度と、前記排気温センサによって検出された検出排気温度とを比較して、前記カバー内外の排気ガスの温度乖離を生じさせるような前記排ガスセンサの故障を判定する故障判定手段と
   を備えたことを特徴とする排ガスセンサの故障診断装置。
2. 前記故障判定手段は、前記検出排気温度が前記推定排気温度より所定の許容範囲を超えて低い場合に前記排ガスセンサを気密性不良と判定し、前記検出排気温度が前記推定排気温度より所定の許容範囲を超えて高い場合に前記排ガスセンサをガス交換性不良と判定する
   ことを特徴とする請求項１記載の排ガスセンサの故障診断装置。
3. 前記排気通路に設けられた圧力センサと、前記排気通路に設けられたエアフローメータとが備えられ、
   前記推定手段が、前記ヒータへの供給電力に加え、前記圧力センサによって検出された排気圧力及び前記エアフローメータによって検出された排気流量にも基づいて、前記カバーの外側の排気温度を推定する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の排ガスセンサの故障診断装置。
4. 内燃機関の排気通路に設けられた排ガスセンサであって、排気通路内に配置された検出素子と、該検出素子を覆うカバーと、該カバーに設けられたガス通過孔と、前記検出素子を加熱するヒータとを有する排ガスセンサの故障診断装置において、
   前記検出素子の温度が所定温度に維持されるよう、前記ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、
   前記カバーの外側の排気温度を検出する排気温センサと、
   少なくとも前記排気温センサによって検出された排気温度に基づいて、前記検出素子のインピーダンスを所定の目標インピーダンスとするための前記ヒータに対する目標供給電力を算出する目標供給電力算出手段と、
   前記ヒータ制御手段により前記目標供給電力に等しい電力が前記ヒータに供給されたときの前記検出素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
   前記インピーダンス検出手段によって検出された前記検出素子のインピーダンスと、前記目標インピーダンスとを比較して、前記カバー内外の排気ガスの温度乖離を生じさせるような前記排ガスセンサの故障を判定する故障判定手段と
   を備えたことを特徴とする排ガスセンサの故障診断装置。
5. 前記故障判定手段は、前記検出された検出素子のインピーダンスが前記目標インピーダンスより所定の許容範囲を超えて小さい場合に前記排ガスセンサをガス交換性不良と判定し、前記検出素子のインピーダンスが前記目標インピーダンスより所定の許容範囲を超えて大きい場合に前記排ガスセンサを気密性不良と判定する
   ことを特徴とする請求項４記載の排ガスセンサの故障診断装置。
6. 前記排気通路に設けられた圧力センサと、前記排気通路に設けられたエアフローメータとが備えられ、
   前記目標供給電力算出手段が、前記検出された排気温度に加え、前記圧力センサによって検出された排気圧力及び前記エアフローメータによって検出された排気流量にも基づいて、前記目標供給電力を算出する
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の排ガスセンサの故障診断装置。
7. 前記排ガスセンサが、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素センサからなる
   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ガスセンサの故障診断装置。

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