JP4949470B2 - 亀裂した多室固体電解質ガスセンサの診断 - Google Patents

Description

本発明は、誤作動を起こすガスセンサの破損、特にガスセンサの亀裂を検出するための方法に関連し、ガスセンサは検出方法の実行に適しており、ガスセンサは少なくとも二つの室を包含して一つの室は基準ガスを包含する。

上記の種類のガスセンサは、例えば、車両から排出される排気ガスのＮＯｘ含有量を測定するのに使用される。今後の小型車および大型車に対する法的規制により、複雑な後処理システムの使用と診断の両方が必要とされる。これらの後処理システムは、燃焼エンジンの排気のＮＯｘ含有量を検知するためのガスセンサなどの複数の部品を包含する。エラーに強い診断と誤作動部品を特定する能力のため、個々の部品の機能を調べる方法が非常に有益である。

一般的なガスセンサ、特にＮＯｘセンサでは、２ＮＯをＮ_２＋２Ｏ⁻に還元することによりＮＯｘ濃度が判断されるので、酸素の濃度を基準として用いる。このようなガスセンサは少なくとも二つの室を包含し、一つの室は排気ガスを導入するための車両の排気パイプと接続状態にあって、明確に規定された一定の酸素濃度を有し、第２室はやはり所定濃度の酸素を有する基準ガス、例えば大気を包含する。第１室には、酸素を検出して、規定ガス濃度が得られるようにガスを調整するために検出手段が配置されている。結果として、第２室の酸素濃度は規定濃度まで低下する。ポンプ手段により、第２室の酸素の濃度は一定に保たれる。一方、必要なポンプ流は、排気ガスのＮＯｘ濃度の基準として使用される。第２室内の還元ＮＯから生じる酸素は、排気ガスのＮＯｘ濃度に比例する。上述の種類のＮＯｘセンサの例は、特許文献１に開示されている。

上述したガスセンサの測定方法は既定の酸素濃度に左右され、その上昇は還元反応により生じる。ゆえに、センサの破損、特に亀裂による第１および／または第２室への酸素の漏出が検出される必要がある。

これは、例えば酸素センサの場合に、第１室の酸素濃度が一定の酸素濃度となるように調整されることを意味する。第１室に出入する酸素のポンプ流は、排気ガスの酸素濃度と相関する。空気側または排気側から酸素が漏出する結果となる第１室における亀裂、または排気側から酸素が漏出する結果となる基準室における亀裂は、センサ信号のオフセットエラーにつながる。

そのため、センサの電子機器のため適当な検査プログラムを実行することによりセンサの誤作動を検出することを想定したソフトウェアプログラムの実行が提案されている。いわゆるＯＢＤ＝車載診断装置の例は、特許文献２に開示されている。

不都合なことに、検査プログラムはセンサの電子部品の破損または切断を検出できるに過ぎない。「ハードウェア」の破損、特に室の一つの故障を検出することはできない。

さらに、特許文献３は、システムの部品の入力側および出力側の温度が監視される排気ガス処理システムの監視システムを開示している。このような部品の入力側および出力側の温度が常に非常に高い場合には、この部品が破損している統計的確率も非常に高い。

不都合なことに、排気ガス処理システムの部品が実際に破損しているかどうかの的確な判断は可能ではない。

欧州特許出願公開第１ ４６４ ９５４号明細書 米国特許第６，５８８，２５１号明細書 米国特許第６，３６７，３２０号明細書

そのため、ガスセンサのハードウェア部品の破損を検出できる対応の検出手段を包含する検出方法およびガスセンサを提供することが、本発明の目的である。

この目的は、請求項１に記載の検出方法と、請求項８に記載のガスセンサと、請求項１９に記載のガスセンサを包含する車両とによって解決される。

本発明によれば、検出方法は、ガスセンサの室のガス濃度を時間と相関させて判断することによりガスセンサの破損を検出するという着想に基づいている。そのため、調査される室のガスがポンプ排出されて、室をポンプ排出するのに必要な時間または室の残留ガス濃度が測定される。測定時間および／または残留ガス濃度は所定の閾値と比較される。必要時間および／または残留ガス濃度が、（例えば、場合に応じて、所定閾値を超える、通過する、または達しないことにより）対応の所定閾値により規定される正常動作モードの間隔の外側にある場合には、破損が検出される。

本発明の好適な実施例では、ガスセンサに包含される室の各々について方法が実施される。

本発明の別の好適な実施例によれば、ガスセンサが動作を開始する時に方法が実施される。

好適な実施例による進歩性を持つガスセンサは、一つの室が基準ガスを包含する少なくとも二つの室と、室の一つからガスをポンプ排出するための第１ポンプ手段と、時間と相関させてガス濃度を測定するための第１測定手段とを包含する。さらに、ガスセンサは、測定されたガス濃度を所定値と比較するための比較手段も包含する。

進歩性を持つガスセンサは、基準ガスとして空気を使用するＮＯｘセンサであることが好ましい。ガスセンサは、ＮＯｘばかりでなく様々なガスを検知するのに各々が適した複数の室を包含すると好都合である。複数のガスを検知するため、ガスセンサが、一つの室に、または複数の室に異なる物質を含み、異なるガスを検知するように物質が選択されてもよい。

さらなる長所および好適な実施例は、従属請求項に規定される。

以下の図面の詳細な説明を参照すると、本発明をより明白に理解できるだろう。しかし、説明および図面は好適な実施例の例示に過ぎず、本発明がこれに限定されることを意図するものではない。

図１は、例えば、ＺｒＯ_２などの酸素イオン伝導性固体電解質を有するセラミックで各々が構成される固体電解質層を６層積層することにより構築される、車両の排気ガスのＮＯｘ濃度を測定するためのガスセンサ２の好適な実施例を示す。

ガスセンサ２は、ガスセンサ２の端部に設けられて所定の開口面積を有し車両の排気管と接続状態にあるガス導入第１孔４を有する。第１室６は、測定ガスとしての排気ガスが導入されるガス導入孔４と接続状態にある。さらにガスセンサ２は、第１室６から、第１室６と第２室８とを接続する第２孔５を通って測定ガスが導入される第２室８と、ＮＯｘを測定するための基準として作用するように基準ガス、例えば大気が導入される基準室１０とを有する。

ガスセンサ２はまた、第１室６に導入される測定ガスに含有される酸素の分圧を制御して実質的に一定にする第１ポンプ手段１２と、第２室８に導入される酸素の分圧を制御して所定値を持つようにする第２ポンプ手段１４と、第２室８から導入された測定ガスに含有されるＮＯｘ成分を還元して、ＮＯｘの還元により発生する酸素をポンプ排出する測定ポンプ手段１６とを含む。測定ガスのＮＯｘの濃度は、測定ポンプ手段１６の駆動に使用されて測定ポンプ手段１６により検出される電流の値から判断される。

第１ポンプ手段１２は、多孔質サーメット電極などを有して第１室６に配置される内側ポンプ電極１８と、多孔質サーメット電極などを有して第１室６の外側に配置される外側ポンプ電極２０とを包含する。固体電解質層は、両方の電極１８，２０の間に設けられる。

内側ポンプ電極１８と外側ポンプ電極２０との間には、電源により制御電圧Ｖ_０が印加されて、外側ポンプ電極２０と内側ポンプ電極１８との間で正または負の方向にポンプ電流Ｉ_０を流す。したがって、酸素が第１室６から外側へポンプ排出されるか、外側から第１室へポンプ吸入される。

第１室６の酸素濃度は車両エンジンの燃焼状態―濃淡燃焼⇔高低酸素濃度―に左右されるので、ガスセンサ２は、第１室６の酸素濃度を規定レベルに保つため第１ポンプ手段１２による酸素のポンプ出入を制御するフィードバックシステム（不図示）を包含する。

第２室８の酸素濃度は第１室６の酸素含有量により制御されるので、第１室６の規定酸素濃度の制御が必要である。さらに、第２室の酸素濃度を充分に低くして内側電極２４からのイオンポンプ排出に大きく寄与しないように酸素濃度を制御することが必要である。ＮＯの大部分は、第２室の電極２２ではなく内側電極２４に作用する。これは、ＮＯに対して低い還元性を持つ物質、例えばＰｔを電極２２に、ＮＯに対して高い還元性を持つ物質、例えばＲｈを電極２４に使用することにより、達成される。

第２ポンプ手段１４も、例えば多孔質サーメット電極で構成されて第２室８に配置される内側ポンプ電極２２を含む。第１室６の外側に配置される外側ポンプ電極２０は、第２ポンプ手段１４のための外側電極としても作用する。第１ポンプ手段１２に対応して、両電極２０，２２の間には固体電解質層が設けられる。

第２ポンプ手段１４の外側ポンプ電極２０と内側ポンプ電極２２との間には、電源により第２制御電圧Ｖ_１が印加される。したがって、酸素が第２室８から外側へポンプ排出されるか、外側から第２室へポンプ吸入される。

第２室８の部分的酸素濃度の値は、検出手段（不図示）により検出される。ＮＯｘ測定に影響しない（非常に低い）所定値に第２室８の酸素レベルを維持するため、ポンプ出入プロセスを制御するフィードバックパラメータとして検出値が使用される。

第２室のＮＯ濃度が内側ポンプ電極２２によって低下しないように、そして最内電極２４への酸素の作用を回避するため、第２室８の酸素濃度の制御が必要である。そのため、測定ガスに含有されるＮＯ成分に対して弱い還元能力を持つか還元能力を持たない物質を使用することも好ましい。

測定ポンプ手段１６は、例えば多孔質サーメット電極で構成される検出電極２４と、基準室１０に配置される基準電極２６と、電極２４，２６の間に設けられる固体電解質層とを含む。

検出電極２４に導入された測定ガスのＮＯｘは、２ＮＯ→Ｎ_２＋２Ｏ⁻の反応により検出電極２４で還元される。

この目的のため、検出電極２４は、ＮＯｘを還元することのできる金属としてのＲｈおよびＰｔの合金とセラミックスとしてのジルコニアとを包含する多孔質サーメットで構成される。したがって、検出電極２４は、第２室８に存在するＮＯｘを還元するためのＮＯｘ還元触媒として機能する。さらに、検出電極２４と基準電極２６との間に電源により定電圧Ｖ_２が印加されると、第２室８に含有される酸素が基準室１０からポンプ排出される。測定ポンプ手段１６のポンプ作用に応じて流れるポンプ電流Ｉ_２は検出され、第２室８の酸素濃度に比例する値、つまり、第２室８の酸素濃度と検出電極２４により実施されるＮＯｘの還元によって発生する酸素濃度との合計である値を持つ。そのため、ポンプ電流Ｉ_２は、ＮＯｘの濃度に比例する。

ＮＯｘ濃度の判断は第２室の既定酸素濃度に左右されるので、亀裂など、酸素の漏出を生じる第２室の破損の結果が、ＮＯｘ測定の質の低下または完全な失敗、したがってガスセンサ２全体の誤作動を発生させることは明らかである。そのため、第２室のわずかな亀裂が測定結果に重大な悪影響を及ぼすことがある。

結果的に、小さな亀裂でも確実に検出される必要がある。本発明によれば、亀裂の場合には、酸素がポンプ排出されるのと同時に酸素が漏れて室に入るので、第２室の破損の可能性の基準は、例えば第２室から酸素をポンプ排出するのに必要な時間である。結果的に、室からポンプ排出するのに必要な時間が増加する、および／または所定時間後にも室で利用可能な酸素の濃度が、対応する無破損のガスセンサの値と比較して高くなるのである。

大気環境に置かれた異なる亀裂状態を持つ複数のＮＯｘガスセンサのＮＯｘガスセンサ出力信号（Ｖ）について時間と相関させた図を示す図２に、この作用が見られる。センサ出力信号（Ｖ）はｙ軸上に描かれ、時間ｔはｘ軸上に描かれている。上で説明したようにセンサ出力信号（Ｖ）はＮＯｘ濃度に比例する。

二つの両矢印は、酸素濃度の低下が検出される前の、酸素のポンプ排出に必要な時間の二つの例Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}，Ｔ_{ｄａｍａｇｅｄ}を示す。酸素濃度が低下すると、対応してセンサ出力信号（Ｖ）が低下する。図２に見られるように、時間Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}とＴ_{ｄａｍａｇｅｄ}は異なり、Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}はｔ２とｔ１との間の時間差に等しい。時間ｔ１では、一定の上昇段階の後でセンサ出力信号（Ｖ）が最大値に達し、時間ｔ２では、センサ出力信号（Ｖ）が最大値から再び低下する。Ｔ_{ｄａｍａｇｅｄ}は、二つの類似事象の間の対応の時間差（つまり、センサ出力信号が上昇段階の後で最大値に達する事象と、最大から再び低下し始める事象との間の時間）である。時間Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}は無破損のセンサで測定され、時間Ｔ_{ｄａｍａｇｅｄ}は破損した室から酸素がポンプ排出される時に測定される。図の曲線で示されているように、時間Ｔは無限であってもよく、これは、センサが完全に破損している場合に対応する（曲線３６参照）。

センサが破損しているかどうかの判断のためには、測定時間Ｔ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}を所定閾値、好ましくは時間Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}と比較することで充分である。測定時間Ｔ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}がＴ_{ｉｎｔａｃｔ}を超える場合には、ユーザ／ドライバはセンサが破損していることを通知される。

センサが破損しているかどうかを判断する別の可能性は、時間Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}の後のセンサ出力信号（Ｖ）を所定値と比較することである。センサが無破損である場合には、信号の低下が予想される。センサ出力信号値が所定値を超えると、センサが破損している。

後で、例えば時間ｔ３で信号値を比較することも可能である。測定されたセンサ出力信号がライン４０で示された閾値を超える場合には、破損が検出される。

図２では、実線で示された曲線３０は無破損のガスセンサの作用を示す。時点ｔ１ではポンプ排出プロセスが開始される。センサが室から酸素をポンプ排出する時間中、センサ信号は最大値である。時間Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}の後、ＮＯｘセンサ信号は低下し、現在のＮＯｘ濃度に対応する値に達する。図２は、空気中、つまり検出可能な濃度のＮＯｘが存在しない状態での測定を例として挙げている。

曲線３２は、少し破損したガスセンサの作用を示す。図に見られるように、測定可能なセンサ信号が低下する点に達するのに必要な時間Ｔ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}が長くなっている。加えて、センサ信号は無破損のセンサと同じ値を示していない。亀裂したガスセンサを示す曲線３４によって示されているように、ガスセンサの破損がさらに深刻である場合にはこの作用は一層強くなる。曲線３６で示されたようにセンサの破損がひどい場合には、センサ信号の低下はもはや検出されず、一定の最大値を示す。

ガスセンサ２は、酸素イオンの伝導性を向上させるため熱を発生させるヒータを含んでもよい。ガスセンサ２に対する電気絶縁性を得るため、アルミナなどで構成されるセラミック層がヒータの上下面を被覆してもよい。

本発明はまた、二つの室によるＮＯｘガスセンサの使用に制限されず、他の種類のガスセンサにも適用可能である。すなわち、本発明は各々が異なるガスを測定する複数の「第２室」を有するガスセンサに適用可能なのである。また、各物質が異なるガスを感知する一つの「第２室」に配置された様々な物質の使用によって、異なるガスを測定することが可能である。

進歩性を持つガスセンサの実施例の基本的部品を示す概略図である。 進歩性を持つ検出方法についての好適な実施例による、大気環境に置かれた異なる故障状態を持つ複数のガスセンサについて時間とともに記されたガスセンサ信号の図である。

符号の説明

２ ガスセンサ
４ 第１ガス導入孔
５ 第２ガス導入孔
６ 第１室
８ 第２室
１０ 基準室
１２ 第１ポンプ手段
１４ 第２ポンプ手段
１６ 測定ポンプ手段
１８ 内側電極
２０ 外側電極
２２ 内側電極
２４ 検出電極
２６ 基準電極
３０ 破損していないガスセンサのセンサ出力信号を示す曲線
３２ 若干破損したガスセンサのセンサ出力信号を示す曲線
３４ 破損したガスセンサのセンサ出力信号を示す曲線
３６ 著しく破損したガスセンサのセンサ出力信号を示す曲線
４０ 閾値

Claims (19)

1. ガスセンサ（２）の破損、特に亀裂を検出するための診断方法であって、該ガスセンサ（２）が少なくとも二つの室（６，８，１０）を有して一つの室（１０）が基準ガスを包含する、方法において、
   前記室（６，８，１０）の一つからガスをポンプ排出する段階と、
   前記基準ガスの濃度に比例する変数の値を時間と相関させて測定する段階と、
   前記測定変数値および／または前記測定時間を所定閾値と比較する段階と、
   前記測定変数値および／または前記測定時間が、対応の前記所定閾値により規定される正常動作モードの範囲を外れた場合に、前記センサ（２）の破損を検出する段階と、
   から成ることを特徴とする方法。
2. 前記測定変数値が前記所定閾値に達しない、および／または前記測定時間が前記所定閾値を超えた場合に、前記測定変数値および／または前記測定時間が、前記正常動作モードの範囲を外れたと判断する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記所定閾値が所定時間（Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}）であり、該所定閾値と比較される前記時間が、前記測定変数値の変化が検出された後の時間（Ｔ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}）である、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記測定変数値が、前記センサ出力信号の所定値と比較される前記ガスセンサ出力信号である、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記測定変数値と前記センサ出力信号の所定値との比較が所定時間の後に行なわれる、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記ガスセンサ（２）が動作を開始した時に前記方法が実施される、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ガスセンサに包含される各室（６；８；１０）について前記方法が実施される、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. 一つの室（１０）が基準ガスを包含する、少なくとも二つの室（６，８，１０）と、
   前記室の一つからガスをポンプ排出するための第１ポンプ手段（１２，１４）と、
   ガス濃度に比例する変数の値を測定するための第１測定手段（Ｖ，Ｉ）と、
   を包含する、ガスを検知するためのガスセンサ（２）、特に燃焼エンジンのためのガスセンサ（２）において、
   前記第１測定手段（Ｖ，Ｉ）が前記変数値を時間と相関させて測定するのに適しており、
   前記ガスセンサ（２）がさらに、前記測定変数値および／または前記測定時間を所定閾値と比較するための比較手段を包含し、
   前記ガスセンサがさらに、前記測定変数値および／または前記測定時間が、対応の所定閾値により規定される正常動作モードの範囲を外れた場合に破損が検出されたと判断するための判断手段を包含する、
   ことを特徴とするガスセンサ。
9. 前記ガスセンサがさらに、前記測定変数値が前記所定閾値を下回る、および／または前記測定時間が前記所定閾値を超えた場合に破損が検出された場合に、前記測定変数値および／または前記測定時間が、前記正常動作モードの範囲を外れたと判断するための判断手段を包含する、
   請求項８に記載のガスセンサ。
10. 前記所定閾値が所定時間（Ｔ_{ｉｎｔａｃｔ}）であり、該所定閾値と比較される時間が、前記測定変数値の変化が検出された後の時間（Ｔ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}）である、
    請求項８または９に記載のガスセンサ。
11. 前記測定変数値が、前記センサ出力信号の所定値と比較される前記ガスセンサ出力信号である、
    請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のガスセンサ。
12. 前記測定変数値と前記センサ出力信号の所定値との比較が所定時間の後に行なわれる、
    請求項１１に記載のガスセンサ。
13. 前記ガスが、少なくとも二つのガス成分を包含する混合ガスである、
    請求項８ないし１２のいずれか１項に記載のガスセンサ。
14. 前記ガスセンサが空気または酸素を基準ガスとして含むＮＯｘセンサである、
    請求項８ないし１３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
15. 前記ガスセンサが、複数の異なる特定ガス成分を検知するのに適している、
    請求項８ないし１４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
16. 前記ガスセンサが、各室が異なる特定ガスを検知する複数の室を包含する、
    請求項１５に記載のガスセンサ。
17. 前記ガスセンサが、各々が異なるガスの検知に適した複数の異なる物質を包含する、
    請求項１５に記載のガスセンサ。
18. 前記複数の異なる物質が、前記室内の複数の異なる箇所に設けられる、
    請求項１７に記載のガスセンサ。
19. 請求項８ないし１８のいずれか１項に記載のガスセンサを有する車両。

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