WO2020085133A1 - 排ガスセンサ - Google Patents

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WO2020085133A1
WO2020085133A1 PCT/JP2019/040351 JP2019040351W WO2020085133A1 WO 2020085133 A1 WO2020085133 A1 WO 2020085133A1 JP 2019040351 W JP2019040351 W JP 2019040351W WO 2020085133 A1 WO2020085133 A1 WO 2020085133A1
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exhaust gas
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sensor
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貴司 荒木
祐人 勝野
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株式会社デンソー
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Definitions

  • the present disclosure relates to an exhaust gas sensor for detecting a component contained in exhaust gas.
  • An exhaust gas sensor is used to detect a specific gas component (for example, NOx) or particulate matter (that is, Particulate Matter; hereinafter appropriately referred to as PM) contained in exhaust gas from a vehicle engine or the like.
  • the exhaust gas sensor is usually mounted so that the tip of the sensor element supported by the housing is located in the exhaust gas passage while being housed in the element cover.
  • an exhaust gas purification system that includes a particulate filter that collects particulate matter is provided with a PM sensor to detect particulate matter that leaks when the particulate filter is damaged, etc. If the PM sensor does not operate normally, erroneous detection may occur. Therefore, in order to ensure the reliability of the system, it is necessary to detect the presence or absence of an abnormality in the PM sensor itself.
  • Patent Document 1 proposes that the PM sensor is provided with a clogging detection unit that detects that the vent hole of the element cover is clogged.
  • This clogging detection means uses the temperature of the sensor element in order to enable detection even during the dead zone of the sensor element.For example, the speed of temperature change when the sensor element is heated by a heater or the upstream side. When the difference between the exhaust gas temperature and the exhaust gas temperature is larger than a predetermined value, it is determined that clogging has occurred.
  • the purpose of the present disclosure is to provide a more reliable exhaust gas sensor that enables accurate state diagnosis of the element cover that protects the sensor element.
  • a sensor element having a detection unit for detecting a specific component contained in the exhaust gas
  • An element cover having a gas flow hole for accommodating the sensor element inside and introducing or discharging exhaust gas
  • a heater that heats the sensor element by generating heat when energized
  • An exhaust gas sensor comprising: a heater control unit that controls heating of the sensor element by the heater, Using the heater information when the heater is operated by the heater control unit, it has a cover state diagnosis unit that diagnoses the state of the element cover, The cover state diagnosis unit determines whether or not the state of the element cover can be diagnosed based on the accuracy of the heater information known from the operating state of the heater and the surrounding environmental state of the element cover.
  • the exhaust gas sensor includes a propriety determination unit.
  • the cover state diagnosis unit determines whether or not the diagnosis of the element cover is possible in the diagnosis feasibility determination unit before diagnosing the state of the element cover using the heater information for heating the sensor element. .
  • the presence or absence of accuracy of the heater information is determined based on both the operating state of the heater and the surrounding environment of the element cover, and for example, the heater for heating the sensor element can operate normally and the element cover
  • the diagnosis is possible. This makes it possible to diagnose the cover state in a state where the sensor element and the surrounding environment are good, and prevent erroneous detection.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an exhaust gas sensor according to a first embodiment
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the sensor body of the exhaust gas sensor according to the first embodiment
  • FIG. 3 is an enlarged perspective view of a main part of the sensor element of the exhaust gas sensor according to the first embodiment
  • FIG. 4 is an overall configuration diagram of an exhaust gas purification system including an exhaust gas sensor according to the first embodiment
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the sensor element according to the first embodiment
  • FIG. 6 is a flowchart of the cover state diagnosis process executed in the cover state diagnosis unit of the exhaust gas sensor according to the first embodiment
  • FIG. 7 is a time chart diagram showing the heating control by the heater part of the exhaust gas sensor and the transition of the temperature of the sensor element in the first embodiment
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the heater information used in the cover state diagnosis unit of the exhaust gas sensor and the diagnosis threshold value in the first embodiment in comparison between a normal product and a cover-clogging product.
  • FIG. 9 is a flowchart of the diagnosis propriety determination process performed by the diagnosis propriety determination unit included in the cover state diagnosis unit of the exhaust gas sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart of the diagnosis propriety determination process performed by the diagnosis propriety determination unit included in the cover state diagnosis unit of the exhaust gas sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the normal range of the heater resistance and the resistance threshold value used in the diagnosis propriety determination unit of the cover state diagnosis unit according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a part of the diagnosis propriety determination process performed by the diagnostic propriety determination unit included in the cover state diagnostic unit of the exhaust gas sensor according to the modified example of Embodiment 2.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the heater resistance and the sensor temperature used in the diagnosis possibility determination unit of the cover state diagnosis unit in the modification of the second embodiment
  • FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a normal range of a sensor temperature and a resistance threshold value used in the diagnosis possibility determination unit of the cover state diagnosis unit in the modification of the second embodiment.
  • FIG. 14 is a flowchart showing a part of the heater information determination processing performed in the diagnosis possibility determination unit included in the cover state diagnosis unit of the exhaust gas sensor according to the second embodiment
  • FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the gas flow velocity and the gas temperature used in the diagnosis possibility determination unit of the cover state diagnosis unit in the second embodiment
  • FIG. 16 is a flowchart of a heater information determination process performed by the heater information determination unit included in the exhaust gas sensor cover state diagnosis unit according to the third embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining a method of setting the diagnostic threshold value A used in the heater information determining unit of the cover state diagnosing unit in the third embodiment, and is a diagram showing the relationship between the heater duty and the gas temperature.
  • FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the gas flow velocity and the gas temperature used in the diagnosis possibility determination unit of the cover state diagnosis unit in the second embodiment
  • FIG. 16 is a flowchart of a heater information determination process performed by the heater information determination unit included in the exhaust gas sensor cover state diagnosis unit according
  • FIG. 18 is a diagram for explaining a method of setting the diagnostic threshold value A used in the heater information determining unit of the cover state diagnosing unit in the third embodiment, and is a diagram showing the relationship between the heater duty and the gas flow velocity.
  • FIG. 19 is a flowchart of a heater information determination process performed by the heater information determination unit included in the exhaust gas sensor cover state diagnosis unit according to the fourth embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining a method of setting the diagnostic threshold values A and B used in the heater information determination unit of the cover state diagnosis unit in the fourth embodiment, and is a diagram showing the relationship between the heater duty and the gas temperature.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining a method of setting the diagnostic threshold values A and B used in the heater information determination unit of the cover state diagnosis unit in the fourth embodiment, and is a diagram showing the relationship between the heater duty and the gas temperature.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining a method of setting the diagnostic threshold values A and B used in the heater information determination unit of the cover state diagnosis unit in the fourth embodiment, and is a diagram showing the relationship between the heater duty and the gas flow velocity.
  • FIG. 22 is a flow chart of the heater information determination processing executed in the heater diagnosing / nondiagnosing section included in the cover state diagnosing section of the exhaust gas sensor according to the fifth embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram showing a relationship between a heater duty and a gas temperature at the time of heating control by a heater unit of an exhaust gas sensor in Test Example 1, comparing a normal product and a cover defective product, FIG.
  • FIG. 24 is a diagram showing a relationship between a sensor temperature and a heater duty at the time of heating control by a heater unit of an exhaust gas sensor and a gas flow velocity in a test example 1, in comparison between a normal product and a clogged product
  • 25: is a time chart figure which shows the transition of the heating control mode by the heater part of an exhaust gas sensor, and the temperature of a sensor element in the test example 1.
  • FIG. FIG. 26 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing another configuration example of the sensor element of the exhaust gas sensor
  • FIG. 27 is an enlarged cross-sectional view of an essential part showing a configuration example of the temperature detection part of the sensor element of the exhaust gas sensor.
  • the exhaust gas sensor S includes a sensor body S1 and a control device S2, and is applied to, for example, the vehicle exhaust gas purification device 100 shown in FIG.
  • the sensor body S1 includes a sensor element 1 including a detection unit 2, an element cover 3 that accommodates the sensor element 1 inside, and a heater 4 that heats the sensor element 1 by generating heat when energized.
  • S2 has a heater control unit 5 that controls heating of the sensor element 1 by the heater 4, and a cover state diagnosis unit 6 that diagnoses the state of the element cover 3.
  • the sensor element 1 has an elongated rectangular parallelepiped shape and extends in the axial direction X of the sensor body S1.
  • the vertical direction in FIG. 1 is defined as the axial direction X
  • the lower end side thereof is the tip end side of the sensor body S1
  • the upper end side thereof is the base end side of the sensor body S1.
  • the detection unit 2 is provided at the tip of the sensor element 1 in the axial direction X and detects a specific component contained in the exhaust gas.
  • the specific component is, for example, a particulate matter (hereinafter appropriately abbreviated as PM) contained in exhaust gas discharged from a vehicle engine or the like, or a gas component such as NOx.
  • the exhaust gas purifying apparatus 100 shown in FIG. 4 is an example in which the exhaust gas sensor S is used as a PM sensor that detects particulate matter as a specific component.
  • the element cover 3 is for protecting the sensor element 1 from poisonous substances in the exhaust gas, condensed water, etc., and has the gas circulation holes 31 and 32 so that the exhaust gas can be introduced or led out into the internal space. It is provided.
  • the sensor element 1 has a built-in heater 4 for heating the sensor element 1 (see, for example, FIG. 3), and includes a sensor control unit (Sensor Control Unit; hereinafter referred to as SCU) 50 including a heater control unit 5. It is connected via a vehicle-side electronic control unit (Electronic Control Unit; hereinafter referred to as ECU) 60 including the cover state diagnosis unit 6.
  • SCU Sensor Control Unit
  • ECU vehicle-side electronic control unit
  • the cover state diagnosis unit 6 diagnoses the state of the element cover 3 using the heater information when the heater 4 is operated.
  • the cover state diagnosing unit 6 is provided with a diagnosing possibility determining unit 61 for diagnosing the state of the element cover 3 based on the accuracy of heater information known from the operating state of the heater 4 and the surrounding environmental state of the element cover 3. Determine if possible.
  • the diagnosability determination unit 61 determines whether or not the heater information has accuracy, whether the heater 4 is in a normally operable state, and the surrounding environment state is a state in which the state of the element cover 3 can be diagnosed. It can be determined based on whether or not.
  • the diagnostic possibility determination unit 61 determines that the heater 4 is in a normally operable state based on the resistance value information of the heater 4 or the temperature information of the sensor element 1, and the periphery of the element cover 3 is determined.
  • the surrounding environment state based on the exhaust gas information is a state in which the state of the element cover can be diagnosed
  • the cover state diagnosis unit 6 compares the heater information with the preset diagnosis threshold values A and B in the heater information determination unit 62 when the diagnosis possibility determination unit 61 determines that the diagnosis is possible.
  • the heater information is, for example, the amount of electric power supplied to the heater 4 or the control amount by the heater control unit 5, and the state of the element cover 3 can be diagnosed based on the result of comparison and determination with the diagnostic thresholds A and B. it can.
  • a sensor body S1 of the exhaust gas sensor S accommodates the sensor element S1 inside a tubular housing 11, and a container-shaped element cover 3 fixed to the tip side of the housing 11 in the axial direction X, A cylindrical atmospheric cover 12 fixed to the other end side is provided.
  • the housing 11 is attached to, for example, the exhaust gas pipe 101 of the exhaust gas purifying apparatus 100 shown in FIG. 4, and the tip end side of the sensor element 1 covered by the element cover 3 is located inside the exhaust gas pipe 101.
  • the atmosphere cover 12 covers the base end side of the sensor element S1 located outside the exhaust gas pipe 101, and the sensor element 1 and the sensor control unit 50 are connected via the lead wire 13 taken out from the base end side of the atmosphere cover 12. And are electrically connected.
  • the sensor element 1 is, for example, a laminated element having a laminated structure, and the tip surface of the flat rectangular parallelepiped insulating substrate 21 is used as the detection unit 2.
  • the detection unit 2 a plurality of linear electrodes to be a pair of detection electrodes 2a and 2b are arranged, and a plurality of electrode pairs having different polarities are alternately configured.
  • the detection unit 2 is formed, for example, by alternately disposing electrode films to be the detection electrodes 2a and 2b between a plurality of insulating sheets to be the insulating substrate 21 to form a laminated body, which is then baked and integrated. It is formed.
  • the edge portion of the electrode film which is at least partially embedded in the insulating base 21 is linearly exposed on the tip surface of the insulating base 21 to form the detection electrodes 2a and 2b.
  • the insulating base 21 can be formed using, for example, an insulating ceramic material such as alumina.
  • the PM detection control unit 51 includes, for example, a voltage application circuit for applying a PM detection voltage between the pair of detection electrodes 2a and 2b, and applies PM between the pair of detection electrodes 2a and 2b in a predetermined detection period. Collect static electricity.
  • the PM detection principle will be described with reference to the schematic diagram shown in FIG.
  • a pair of detection electrodes 2a and 2b are arranged on the surface of an insulating substrate 21 so as to face each other at a predetermined interval, and in the initial state, the pair of detection electrodes 2a and 2b are conductive. Absent.
  • PM detection control section 51 When a predetermined voltage is applied by the PM detection control section 51 during the PM detection period, PM is attracted by the electric field generated between the pair of detection electrodes 2a and 2b, and is gradually deposited.
  • the pair of detection electrodes 2a and 2b becomes conductive, the resistance value between the pair of detection electrodes 2a and 2b changes according to the amount of collected PM. Therefore, in the PM detection control unit 51, the pair of detection electrodes 2a and 2b is changed. The current between 2a and 2b can be detected.
  • a heater electrode forming a heat generating portion 41 of the heater 4 and a pair of leads for supplying electricity to the heat generating portion 41 are provided in the vicinity of the tip end surface where the detection electrodes 2a and 2b are formed.
  • the parts 42 and 43 and the detection lead part 44 are embedded. These lead portions 42, 43, 44 are pulled out to the base end side of the sensor element 1 and connected to the heater control unit 5 of the SCU 50 via the lead wire 13 (see FIG. 1).
  • the heater control unit 5 includes, for example, a pulse width modulation circuit that controls the pulse width of the heater drive signal, and the energization amount to the heat generating unit 41 is determined by the duty ratio of the pulse signal (hereinafter, referred to as heater duty (heater duty)). Can be controlled. Therefore, the heat generation amount of the heater 4 can be controlled by the heater control unit 5 to heat the sensor element 1 to a desired temperature. For example, at the time of PM detection by the PM detection control unit 51, the detection unit 2 can be heated to a temperature equal to or higher than the combustion temperature of PM, the collected PM can be burned and removed to return to the initial state.
  • the element cover 3 has, for example, a double container shape having an opening on the housing 11 side, and includes an outer cover 3a and an inner cover 3b that are coaxially arranged.
  • the outer cover 3a is composed of a tubular body having a substantially constant diameter and a front end surface that closes the tubular body, and a plurality of gas circulation holes 31 are formed through the side surface on the front end surface side so that exhaust gas can be introduced or led out from the exhaust gas pipe 101.
  • the inner cover 3b has a gas flow hole 32 penetratingly formed in the front end surface thereof to communicate the space inside the inner cover 3b and the space inside the outer cover 3a.
  • a plurality of gas circulation holes 32 are formed through the side surface on the base end side of the inner cover 3b, and the gas circulation hole 32 is provided with a guide portion 33 that is inclined toward the inner side of the inner cover 3b.
  • the exhaust gas introduced into the outer cover 3a is guided to the base end side along the outer surface of the inner cover 3b and introduced into the inner cover 3b through the gas flow holes 32.
  • the tip of the guide portion 33 is arranged toward the detection portion 2 of the sensor element 1 located on the axis of the inner cover 3b, and the exhaust gas introduced into the inner cover 3b is directed to the detection portion 2 and then the tip surface. Of the exhaust gas flowing out of the outer cover 3a to the outside and joined to the flow of the exhaust gas.
  • the gas flow holes 31, 32 on the tip end surface side of the outer cover 3a and the inner cover 3b are, for example, circular hole shapes, and the gas flow hole 32 on the base end side of the inner cover 3b is, for example, an elongated hole elongated in the axial direction X. It has a shape and is integrally formed with an elongated plate-shaped guide portion 33 formed by cutting out a side surface of the inner cover 3b.
  • the shapes of the outer cover 3a and the inner cover 3b and the shapes of the gas circulation holes 31 and 32 are not limited to the above-described ones, and may have any configuration. Further, the gas circulation hole 32 may not be provided with the guide portion 33, and the number and arrangement of the gas circulation holes 31 and 32 can be arbitrarily set. Preferably, if the gas flow holes 31 and 32 are evenly arranged on the entire circumference of the side surface of the outer cover 3a or the inner cover 3b, the gas flow holes 31 and 32 have no directivity to the gas flow.
  • the exhaust gas sensor S in the present embodiment is applied to, for example, an exhaust gas purification apparatus 100 of a diesel engine (hereinafter, abbreviated as engine) ENG, and the sensor body S1 is a diesel particulate filter (hereinafter, DPF). It is attached to the pipe wall of the exhaust gas pipe 101 on the downstream side of the exhaust gas pipe 102.
  • the exhaust gas sensor S has a tip-side half portion of the sensor body S1 in the axial direction X located inside the exhaust gas pipe 101, detects particulate matter leaking from the DPF 102, and transmits the particulate matter to the SCU 50.
  • a temperature sensor 103 is arranged between the DPF 102 and the sensor body S1 to detect the gas temperature in the exhaust gas pipe 101 on the downstream side of the DPF 102. The detection signal of the temperature sensor 103 is transmitted to the ECU 60 as exhaust gas information.
  • the ECU 60 In addition to gas temperature information from the temperature sensor 103, heater duty information from the heater control unit 5 of the SCU 50 and PM detection information from the PM detection control unit 51 are input to the ECU 60. Further, the ECU 60 is provided with a DPF regeneration control unit 63 that controls regeneration of the DPF 102 and a DPF failure diagnosis unit 64 that diagnoses a failure of the DPF 102 (see FIG. 1). The DPF regeneration control unit 63 determines whether or not the regeneration of the DPF 102 is necessary, for example, based on the driving state of the vehicle, and the DPF failure diagnosis unit 64 determines whether or not there is a failure such as a crack in the DPF 102 based on the PM detection information. judge.
  • the ECU 60 is input with an intake air amount detected by an air flow meter (not shown) and detection signals from an engine speed sensor, an accelerator opening sensor, and the like, and the operation of the engine ENG is based on these input information. Knowing the condition and controlling the entire vehicle.
  • the exhaust gas information includes, in addition to the gas temperature, information on the operation of the engine ENG such as the gas flow rate in the exhaust gas pipe 101 and the regeneration information of the DPF 102. These gas temperature and gas flow rate may be detected values or estimated values estimated from the operating state of the engine ENG and the like.
  • the engine ENG is not limited to the diesel engine and may be a gasoline engine. In that case, a gasoline particulate filter (hereinafter abbreviated as GPF) is arranged in place of the DPF 102.
  • GPF gasoline particulate filter
  • the PM detection information by the exhaust gas sensor S is mainly used for the failure diagnosis of the DPF 102 in the DPF failure diagnosis unit 64 of the ECU 60 described above.
  • the PM detection by the exhaust gas sensor S is normally performed, and therefore, not only the sensor element 1 but also the operation of the sensor element 1 is affected.
  • the state of the element cover 3 that operates is also important.
  • the gas flowability is reduced. Is decreased, and sufficient exhaust gas does not reach the sensor element 1.
  • the PM detection signal is not output from the sensor element 1, so that the failure determination or notification to the occupant is not made, and the particulate matter may be discharged to the outside of the vehicle. There is.
  • the element cover 3 is damaged and comes off or falls off, the amount of exhaust gas introduced into the sensor element 1 increases, which may cause erroneous detection.
  • the exhaust gas sensor S is provided with the cover state diagnosis unit 6 so that the state of the element cover 3 can be diagnosed (hereinafter, appropriately referred to as cover state diagnosis).
  • cover state diagnosis the heater information when the heater 4 that heats the sensor element 1 is operated by the heater control unit 5 can be used, and the heater information determination unit 62 determines the threshold value of the heater information.
  • the cover state diagnosis unit 6 is provided with a diagnosis possibility determination unit 61, and determines whether the cover state diagnosis is possible prior to the diagnosis based on the heater information.
  • step S1 it is determined whether or not the operation state of the heater 4 is in a normally operable state (that is, the heater: Normal operating condition?). If the determination in step S1 is affirmative, the process proceeds to step S2. If the determination in step S1 is negative, it is determined that the diagnosis cannot be performed, and the present process is temporarily terminated.
  • step S2 it is further determined whether or not the surrounding environment state of the element cover 3 is in a state in which the cover state diagnosis can be satisfactorily performed (ie, surrounding environment: diagnosable state?). If the determination in step S2 is affirmative, the process proceeds to step S3, and if the determination is negative, the process returns to step S1 and the subsequent steps are repeated until a practicable state is reached.
  • steps S1 and S2 determine whether or not the heater 4 built in the sensor body S1 for heating the sensor element 1 functions normally (that is, an internal factor), and the environmental conditions of the sensor body S1 are also determined. Specifically, it is to determine whether the gas temperature or the gas flow velocity of the exhaust gas flowing through the exhaust gas pipe 101 is in a predetermined state suitable for the state diagnosis of the element cover 3 (that is, outside). Factors). In the present embodiment, by determining the accuracy of the heater information of the exhaust gas sensor S from both of these internal factors and external factors, more reliable cover state diagnosis can be performed.
  • step S3 it is determined that the cover state diagnosis can be performed because both steps S1 and S2 are affirmatively determined. Then, it progresses to step S4 and heater control is started. Specifically, for example, PID control based on the deviation from the measured temperature is performed so that the heater 4 is energized by the heater control unit 5 so that the detection unit 2 of the sensor element 1 is maintained at a predetermined target temperature. Control the amount of electricity.
  • the temperature of the detection unit 2 can be measured, for example, based on the relationship between the heater resistance and the sensor temperature described later (see, for example, FIG. 12).
  • step S5 the heater power is measured as an example of the heater information
  • step S6 the process proceeds to step S6 to compare the measured value of the heater power with the diagnostic threshold A and the diagnostic threshold B.
  • the diagnostic threshold A is, for example, a lower limit threshold that can determine whether there is an abnormality due to a cover clogging
  • the diagnostic threshold B is an upper threshold that can determine whether there is an abnormality due to a cover dropping.
  • the heater information may be any information as long as it can detect the abnormality of the heater 4, and the voltage or current supplied to the heater 4, the control amount by the heater control unit 5, such as the heater duty, can be used.
  • the temperature of the sensor element 1 after the engine ENG is started (that is, the sensor temperature) is, for example, heated to a temperature at which condensed water can be removed for a certain period prior to sensor regeneration for PM detection. Controlled. At this time, the sensor body S1 is exposed to the exhaust gas temperature lower than the heating temperature, and the heater controllability changes depending on the state of the element cover 3.
  • the heater power (or the heater power) supplied to the heating portion 41 of the heater 4 during heating control is different between a normal product in which the element cover 3 is in a normal state and an abnormal product in which the cover is clogged. Difference occurs in the heater duty for controlling the. This is because the exhaust gas is not introduced and the sensor element 1 is less likely to be cooled when the gas circulation holes 31 and 32 of the element cover 3 are closed. The heater power required to heat the sensor element 1 becomes small. Therefore, based on this heater power relationship, for example, when the normal product heater power is set as the variation lower limit and the abnormal product heater power is set as the variation upper limit, from the heater power value between them, the diagnostic threshold A Can be set in advance.
  • the diagnostic threshold value B can be set in advance based on the relationship between the heater powers.
  • step S6 it is determined whether or not the measured value of the heater power is in a predetermined range that is greater than the lower limit diagnostic threshold A and smaller than the upper limit diagnostic threshold B (that is, the diagnostic threshold A ⁇ Heater power measurement value> Diagnostic threshold value B), it is possible to make a diagnostic determination as to whether the element cover 3 is in a normal state. That is, if the affirmative determination is made in step S6, the process proceeds to step S7, and the element cover 3 is diagnosed as normal. If the negative determination is made, the process proceeds to step S8, and the element cover 3 is diagnosed as abnormal. . Then, this process is once terminated.
  • the cover state diagnosis unit 6 includes the diagnosis feasibility determination unit 61, the heater information determination unit 62 moves only when the heater 4 functions normally and the surrounding environment does not affect the heater control. To do. That is, since the diagnosis of the cover state based on the heater information can be performed with high accuracy in a state where the heater information such as the heater power is highly accurate, it is possible to prevent erroneous detection and improve reliability.
  • FIG. 9 corresponds to step S1 of FIG. 6 above.
  • step S11 as one of the indexes indicating the operating state of the heater 4, ,
  • heater resistance The resistance value of the heat generating portion 41 of the heater 4 (hereinafter, appropriately abbreviated as heater resistance) is detected.
  • step S12 the detected heater resistance is compared with predetermined resistance thresholds Rth1 and Rth2, and is defined by the lower limit resistance threshold Rth1 and the upper limit resistance threshold Rth2 as shown in FIG. It is determined whether or not it is within the normal range (that is, Rth1 ⁇ heater resistance ⁇ Rth2).
  • the heater 4 is made of a conductive material containing a noble metal and the like, and when the heater 4 is repeatedly heated continuously or intermittently with the operation of the sensor element 1, due to agglomeration of the noble metal, The heater resistance changes. If this change becomes large, the heater will not function properly and the accuracy of the cover state diagnosis will also decrease. Therefore, for example, the heater resistance in the initial state is measured in advance, and the lower limit value of the normal range based on this initial resistance is stored as the resistance threshold value Rth1. Further, with respect to this resistance threshold Rth1, it is possible to set the resistance threshold Rth2 which is the upper limit value of the normal range from the variation of the heater resistance due to deterioration over time.
  • the amount of change for setting the resistance threshold value Rth2 can be set as appropriate, and may be obtained as a amount of change corresponding to a predetermined ratio with respect to the initial resistance, for example.
  • step S12 determines whether the operating state of the heater 4 is normal, and then the process proceeds to [1] determination of the surrounding environment state.
  • step S14 determines whether the operating state of the heater 4 is abnormal, the present process is terminated, and the cover state diagnosis is not performed.
  • the temperature of the sensor element 1 based on the heater resistance can be used as one of the indexes indicating the operating state of the heater 4.
  • the heater resistance is detected as in step S11 of FIG.
  • the temperature of the detection unit 2 of the sensor element 1 is calculated using the detected heater resistance from the relationship between the heater resistance and the sensor temperature shown in FIG. 12, for example.
  • the sensor temperature rises due to the influence of the surrounding environment, the heater resistance rises. Therefore, by storing these relationships in advance as a map or the like, the sensor temperature can be indirectly detected from the heater resistance.
  • step S23 the calculated sensor temperature is compared with predetermined temperature thresholds Tth1 and Tth2 based on the reference temperature, and as shown in FIG. 13, a lower limit temperature threshold Tth1 and an upper limit temperature threshold Tth2 are used. It is determined whether or not it is within the specified normal range (that is, Tth1 ⁇ sensor temperature ⁇ Tth2).
  • the reference temperature is, for example, the exhaust gas temperature around the sensor element 1 detected by the temperature sensor 103, and when the heater control is not performed and the exhaust gas temperature is stable, the sensor temperature is the exhaust gas temperature. Substantially equal to temperature. That is, the sensor temperature based on the heater resistance is compared with the reference temperature of the temperature sensor 103, and if the difference is within the specified range, it is determined that the heater 4 is functioning normally. Therefore, by setting the predetermined temperature thresholds Tth1 and Tth2 in consideration of the difference between the two in the normal state, the sensor temperature based on the heater resistance is compared with the reference temperature of the temperature sensor 103 to determine the operating state of the heater 4. Can be determined.
  • step S23 When the determination in step S23 is affirmative, the process proceeds to step S24, where it is determined that the operation state of the heater 4 is normal, and then the process proceeds to [1] determination of the surrounding environment state. On the other hand, if the determination in step S23 is negative, the process proceeds to step S25. In this case, the operating state of the heater 4 is determined to be abnormal, the present process is terminated, and the cover state diagnosis is not performed.
  • the ambient temperature environment is stable in order to improve the detection accuracy. For example, in a low load environment immediately after the engine ENG is started, or in a constant speed traveling state, it is desirable that the exhaust gas temperature is relatively low and the operation is performed in a stable temperature environment. It is possible to quickly shift to state diagnosis.
  • step S14 the gas temperature and the gas flow velocity, which are indices indicating the surrounding environment state, are detected.
  • the gas temperature is the temperature of the exhaust gas around the sensor and can be detected by the temperature sensor 103.
  • the gas flow velocity is the flow velocity of the exhaust gas around the sensor, and can be calculated from, for example, the gas temperature, the intake air amount detected by the above-described air flow meter (not shown), the cross-sectional area information of the exhaust gas pipe 101, and the like.
  • step S15 it is determined whether or not the detected gas temperature and gas flow velocity are within the diagnostic feasible range shown in FIG. 15, for example.
  • the presence or absence of a failure of the element cover 3 can be detected more easily when the difference in temperature variation due to gas contact is large. Therefore, as conditions for the cover state diagnosis, it is desirable that the gas temperature is low and the gas flow velocity is high.
  • the gas temperature is in the range of about 150 ° C. to 400 ° C.
  • the lower the gas temperature is, the wider the range of the gas flow rate at which diagnosis can be performed eg, at the gas temperature of 150 ° C., the gas flow rate is 15 m / s). ⁇ 40 m / s). Therefore, by storing the relationship between the gas temperature and the gas flow rate shown in FIG. 15 in advance as a map or the like, the detected gas temperature and gas flow rate are within the diagnostic feasible range or outside the diagnostic feasible range. Can be determined.
  • step S15 When the determination in step S15 is affirmative, the process proceeds to step S16, and it is determined that the surrounding environment state is in an environment in which the cover state diagnosis is possible and the accuracy of the heater information is high (that is, heater information accuracy: high). ). In that case, since it is determined that the diagnosis can be performed, the process proceeds to [2] Cover state diagnosis based on the heater information determination.
  • step S17 When a negative determination is made in step S15, the process proceeds to step S17, and it is determined that the surrounding environment state is not in an environment in which the cover state diagnosis is possible and the heater information accuracy is low (that is, heater information accuracy: low). ). In that case, it is determined that the diagnosis cannot be performed.
  • the subsequent cover state diagnosis is performed, thereby performing accurate diagnosis. be able to.
  • FIG. 16 corresponds to step S4 and subsequent steps in FIG. 6, and when the heater information determination processing (cover clogging failure) is started, first, in step S31, heater control is started. Specifically, the heater heating at the time of regeneration of the sensor element 1 shown in FIG. 7 after the engine is started can be used, and the heater duty at that time is measured in step S32. Next, in step S33, the gas temperature and the gas flow velocity are detected, and the process proceeds to step S34 to calculate the diagnostic threshold A corresponding to the cover clogging failure based on the detected gas temperature and the gas flow velocity.
  • step S31 heater control is started. Specifically, the heater heating at the time of regeneration of the sensor element 1 shown in FIG. 7 after the engine is started can be used, and the heater duty at that time is measured in step S32.
  • step S33 the gas temperature and the gas flow velocity are detected, and the process proceeds to step S34 to calculate the diagnostic threshold A corresponding to the cover clogging failure based on the detected gas temperature and the gas flow velocity.
  • the heater duty increases as the gas temperature (for example, 150 ° C. to 350 ° C.) increases in the normal product. Is low.
  • the gas temperature for example, 150 ° C. to 350 ° C.
  • the heater duty is almost constant in the range of the gas temperature of 250 ° C. or higher.
  • the heater duty is high.
  • the slope of the characteristic line becomes gentler than in the normal product, and the degree of increase in the heater duty with respect to the increase in the gas flow velocity becomes smaller.
  • the range surrounded by the characteristic lines of the normal product and the cover clogged defective product is set as the settable range of the diagnostic threshold A, and the heater duty that becomes the diagnostic threshold A is set for each combination of the gas temperature and the gas flow velocity.
  • the diagnostic threshold A is set to a larger value as the gas temperature is lower and the gas flow velocity is higher.
  • This relationship can be obtained by performing a test or the like in advance (for example, see Test Example 1 described later), and a threshold map or a threshold calculation formula based on the test result is stored and used for the cover state diagnosis. it can.
  • step S35 it is determined whether the detected heater duty is larger than the calculated diagnosis threshold A (that is, heater duty detection value> diagnosis threshold A?). If the determination in step S35 is affirmative, it is determined that there is no cover clogging failure. Therefore, the process proceeds to step S36, it is determined that the cover is normal, and the diagnosis of cover clogging failure is completed. On the other hand, if a negative determination is made in step S35, it is determined that there is a cover clogging failure, so the flow proceeds to step S37, it is determined that there is a cover abnormality, and the diagnosis of the cover clogging failure is completed.
  • the calculated diagnosis threshold A that is, heater duty detection value> diagnosis threshold A?
  • heater control is performed by the heater 4 in a normal operation state, and the gas temperature and the gas flow velocity are detected in the surrounding environment suitable for diagnosis, and the diagnosis threshold A is calculated, thereby performing the cover state diagnosis. It can be carried out accurately.
  • FIG. 19 corresponds to step S4 and subsequent steps in FIG. 6, and when the heater information determination processing (cover clogging failure) is started, first, in step S41, heater control is started. Specifically, the heater heating at the time of regeneration of the sensor element 1 shown in FIG. 7 after the engine is started can be used, and the heater duty at that time is measured in step S42. Next, in step S43, the gas temperature and the gas flow rate are detected, and the process proceeds to step S44 to calculate the diagnostic threshold A corresponding to the cover clogging failure based on the detected gas temperature and gas flow rate.
  • the method of setting the diagnostic threshold value A is the same as that in the third embodiment.
  • step S45 the diagnostic threshold value B corresponding to the cover falling failure is calculated based on the detected gas temperature and gas flow velocity.
  • the gas flow velocity is constant (for example, 25 m / s)
  • the exhaust gas is more likely to hit the sensor element 1 in the cover dropout failure product as compared with the normal product. Therefore, the temperature of the sensor element 1 is likely to decrease, and the characteristic line shifts in the direction in which the heater duty increases.
  • the characteristic curve of the product with the cover falling failure has a larger slope than that of the normal product, and the gas flow rate is higher.
  • the degree of increase of the heater duty with respect to the increase of R is higher.
  • the range surrounded by the characteristic lines of the normal product and the cover clogging defective product is set as the settable range of the diagnostic threshold B, and the heater duty that becomes the diagnostic threshold B is set for each combination of the gas temperature and the gas flow velocity.
  • the diagnostic threshold value B is larger than the diagnostic threshold value A for the same combination of gas temperature and gas flow rate, and is set to a larger value as the gas temperature is lower and the gas flow rate is higher.
  • This relationship can be stored as a threshold map or a threshold calculation formula and used for the cover state diagnosis.
  • step S46 it is determined whether the detected heater duty is larger than the calculated diagnosis threshold A (that is, heater duty detection value> diagnosis threshold A?). If the determination in step S46 is affirmative, it is determined that there is no cover clogging failure, and therefore the process proceeds to step S47. If a negative determination is made in step S46, it is determined that there is a cover clogging failure, so the process proceeds to step S48 and it is determined that there is a cover clogging failure, and the diagnosis ends.
  • the calculated diagnosis threshold A that is, heater duty detection value> diagnosis threshold A?
  • step S47 it is determined whether or not the detected heater duty is smaller than the calculated diagnosis threshold B (that is, heater duty detection value ⁇ diagnosis threshold B?). If the determination in step S47 is affirmative, it is determined that there is no cover dropout failure, so the flow proceeds to step S49, where it is determined that the cover is normal, and the diagnosis ends. If a negative determination is made in step S47, it is determined that there is a cover drop-out failure, so the process proceeds to step S40 and it is determined that a cover drop-out failure occurs, and the diagnosis ends.
  • the calculated diagnosis threshold B that is, heater duty detection value ⁇ diagnosis threshold B?
  • step S51 it is determined whether the DPF 102 is being regenerated (that is, the DPF is being regenerated). If the determination in step S51 is negative, the process proceeds to step S52. If the determination in step S51 is affirmative, regeneration is being performed for PM combustion accumulated in the DPF 102, and the gas temperature around the sensor element 1 installed on the downstream side may be high, so diagnosis is not possible. Therefore, the subsequent cover state diagnosis is not performed.
  • step S52 the heater resistance, which is an index indicating the operating state of the heater 4, is detected.
  • step S53 it is determined whether or not the detected heater resistance is within the normal range defined by the lower limit resistance threshold Rth1 and the upper limit resistance threshold Rth2 (that is, Rth1 ⁇ heater resistance ⁇ Rth2).
  • step S53 is positively determined, the process proceeds to step S54, it is determined that the operation state of the heater 4 is normal, and the process proceeds to step S55.
  • step S59 it is determined that the diagnosis is not possible due to the abnormality in the heater resistance, and the subsequent cover state diagnosis is not performed.
  • step S55 the gas temperature and the gas flow rate are detected to determine the surrounding environment state, and the process proceeds to step S56 to determine whether the gas temperature and the gas flow rate are within the diagnostic feasible range.
  • step S56 determines whether the gas temperature and the gas flow rate are within the diagnostic feasible range.
  • the process proceeds to step S57, and it is determined that the diagnosis is possible (that is, the heater information accuracy is high). In that case, the diagnosis can be performed, and [2] the cover state diagnosis based on the heater information determination is performed.
  • step S58 determination is made outside the diagnosable region (that is, heater information accuracy: low), and the subsequent cover state diagnosis is not performed.
  • the diagnosis availability determination unit 61 determines the regeneration of the DPF 102 and the like before detecting the heater information, so that the subsequent cover state diagnosis can be efficiently performed.
  • the changes in the sensor temperature and the heater duty were compared with those of the clogged cover.
  • the heater duty increases with the start of heating by the heater control, and the sensor temperature follows and gradually rises to a predetermined temperature. After that, the heater duty for maintaining the predetermined temperature gradually decreases and becomes stable, and when the gas flow velocity increases due to the acceleration of the engine ENG, the heater duty increases again.
  • the clogged product shows the same tendency as the normal product, but the influence of gas contact on the sensor temperature is small, the rise at the start of heating is fast, and the heater duty is generally smaller than that of the normal product.
  • the heater duty of the cover clogging product is larger than the heater duty of the normal product, and the heater duty of the cover falling product is small.
  • the diagnosis threshold value A and the diagnosis threshold value B shown in the figure based on the size of the heater duty, it is possible to perform the cover state diagnosis and detect the failure due to the cover clogging or the cover falling off.
  • the abnormal heater product has almost no difference in the heater duty from the cover clogging product, and the cover state diagnosis based on the heater duty cannot be performed.
  • FIG. 25 shows an example of heater control by the heater control unit 5.
  • the detection unit 2 of the sensor element 1 can repel condensed water and suppress liquid phase poisoning. Control to a proper temperature (300 ° C to 600 ° C). After that, the temperature is controlled to a temperature at which PM is burned and the ash component is not fused (600 ° C. to 800 ° C.), the heater 4 is turned off, the detection unit is cooled, and PM is collected. After that, the temperature is controlled to a temperature at which the thermophoresis phenomenon is expressed and the poisonous substance does not adhere (exhaust gas temperature or higher). Therefore, the cover state diagnosis can be performed by utilizing the heater control in each of these control modes.
  • the exhaust gas sensor S is not limited to the PM sensor and may be used for a gas sensor such as a NOx sensor.
  • a gas sensor such as a NOx sensor.
  • FIG. 26 inside the sensor element 1, a measured gas chamber 202 into which exhaust gas is introduced and an atmospheric chamber 203 into which atmospheric air is introduced are provided with the solid electrolyte body 201 interposed therebetween.
  • a pump electrode 204 and a sensor electrode 205 are provided facing the measured gas chamber 202, and a reference electrode 206 is provided facing the atmosphere chamber 203.
  • a diffusion resistance layer 207 that communicates the measured gas chamber 202 with the outside is provided on the tip surface of the sensor element 1, and covers the surface of the tip portion of the sensor element 1 to trap a poisoning substance. 208 is provided.
  • the temperature of the detection unit 2 is, for example, a relationship between the inter-electrode impedance of two electrodes (for example, the sensor electrode 205 and the reference electrode 206) installed with the solid electrolyte body 201 interposed therebetween and the sensor temperature (for example, see FIG. 12). ), It can be measured.
  • the temperature of the detection unit 2 should be measured using the impedance between the electrodes of the pair of detection electrodes 2a and 2b.
  • a temperature detecting thermistor can be embedded in the sensor element 1, and the temperature of the detecting unit 2 can be measured from the relationship between the thermistor resistance and the sensor temperature.
  • the example of (3) is the example shown in the above-described first embodiment, and the temperature of the detection unit 2 is measured from the relationship between the heater resistance of the heater 4 incorporated in the sensor element 1 and the sensor temperature.
  • the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the gist thereof.
  • an example of application of the engine including the DPF 102 to the exhaust gas purification system has been shown, but the system configuration including the engine can be appropriately changed.
  • the exhaust gas sensor S and the sensor element 1 can be used not only for vehicles but also for various other purposes, and the structures of the exhaust gas sensor S and the sensor element 1 can be appropriately changed.

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Abstract

検出部（２）を備えるセンサ素子（１）を内側に収容しガス流通孔（３１）、（３２）を有する素子カバー（３）と、センサ素子（１）を加熱するヒータ（４）と、センサ素子（１）の加熱を制御するヒータ制御部（５）を備える排ガスセンサＳであって、ヒータ制御部（５）によりヒータ（４）を動作させたときのヒータ情報を用いて、素子カバー（３）の状態を診断するカバー状態診断部（６）を有しており、カバー状態診断部（６）は、ヒータ（４）の動作状態と素子カバー（３）の周辺環境状態とから知られるヒータ情報の確度に基づいて、素子カバー（３）の状態の診断が可能か否かを判定する、診断可否判定部（６１）を備えている。

Description

排ガスセンサ 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１８年１０月２４日に出願された特許出願番号２０１８－２００２４３号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、排ガスに含まれる成分を検出するための排ガスセンサに関する。
　車両用エンジン等からの排ガスに含まれる特定のガス成分（例えば、ＮＯｘ）や粒子状物質（すなわち、Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ；以下、適宜ＰＭと称する）等を検出するために排ガスセンサが用いられる。排ガスセンサは、通常、ハウジングに支持されるセンサ素子の先端部が、素子カバーに収容された状態で、排ガス通路に位置するように取り付けられる。
　近年、車両用エンジンの排ガス規制が厳しくなっており、排ガスセンサについても、その故障を検出することが要求されている。例えば、粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを含む排ガス浄化システムには、ＰＭセンサが設けられて、パティキュレートフィルタの破損時等に漏れ出る粒子状物質を検出するようになっているが、ＰＭセンサが正常に動作しないと誤検出が生じるおそれがある。そこで、システムの信頼性を確保するために、ＰＭセンサそのものの異常の有無を検出することが必要となっている。
　また、センサ機能を低下させる要因の１つに、素子カバーの異常があり、例えば、カバー詰まりや脱落等が生じると、センサ素子へ導入される排ガスの状態が変化して、正常な出力が得られなくなる。これに対して、特許文献１には、ＰＭセンサに、素子カバーの通気孔が目詰まりしたことを検出する目詰まり検出手段を設けることが提案されている。この目詰まり検出手段は、センサ素子が不感帯となる期間においても検出可能とするために、センサ素子の温度を用いており、例えば、センサ素子をヒータ加熱した場合の温度変化の速さや、上流側の排ガス温度との差分が、所定値より大きい場合に目詰まりが生じたと判定するようになっている。
国際公開第２０１２／０３２６２２号
　特許文献１のように、例えば、センサ素子の温度に基づいて判定を行う場合には、センサ素子を加熱するためのヒータが正常に機能していることが前提となり、ヒータに劣化等が生じると、判定精度が低下する。また、例えば、エンジンの運転状態に応じて周辺環境が変動すると、センサ素子へのガス当たりの状態が変化し、ヒータ加熱した場合の温度変化に影響するために、誤検出のおそれがある。このように、周辺環境の影響を受けるセンサ素子の温度等を用いて、カバー状態の判定を行うことは容易でなかった。
　本開示の目的は、センサ素子を保護する素子カバーの状態診断を精度よく実施可能として、より信頼性の高い排ガスセンサを提供しようとするものである。
　本開示の一態様は、
　排ガスに含まれる特定成分を検出する検出部を備えるセンサ素子と、
　上記センサ素子を内側に収容し排ガスを導入又は導出するためのガス流通孔を有する素子カバーと、
　通電により発熱して上記センサ素子を加熱するヒータと、
　上記ヒータによる上記センサ素子の加熱を制御するヒータ制御部と、を備える排ガスセンサであって、
　上記ヒータ制御部により上記ヒータを動作させたときのヒータ情報を用いて、上記素子カバーの状態を診断するカバー状態診断部を有しており、
　上記カバー状態診断部は、上記ヒータの動作状態と上記素子カバーの周辺環境状態とから知られる上記ヒータ情報の確度に基づいて、上記素子カバーの状態の診断が可能か否かを判定する、診断可否判定部を備えている、排ガスセンサにある。
　上記排ガスセンサにおいて、カバー状態診断部は、センサ素子を加熱するヒータ情報を用いて素子カバーの状態を診断するのに先立ち、診断可否判定部において、素子カバーの診断が可能か否かを判定する。その際に、ヒータの動作状態と素子カバーの周辺環境の両方に基づいてヒータ情報の確度の有無を判断し、例えば、センサ素子を加熱するためのヒータが正常に動作可能であると共に、素子カバーの周辺環境が、ヒータ情報を用いたカバー状態の診断に及ぼす影響が小さいと判断される場合に、診断可能と判定する。これにより、センサ素子及び周辺環境が良好な状態にてカバー状態の診断を実施し、誤検出を防止することが可能になる。
　以上のごとく、上記態様によれば、センサ素子を保護する素子カバーの状態診断を精度よく実施可能として、より信頼性の高い排ガスセンサを提供することができる。
　本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、実施形態１における、排ガスセンサの全体構成図であり、 図２は、実施形態１における、排ガスセンサのセンサ本体の要部拡大断面図であり、 図３は、実施形態１における、排ガスセンサのセンサ素子の要部拡大斜視図であり、 図４は、実施形態１における、排ガスセンサを含む排ガス浄化システムの全体構成図であり、 図５は、実施形態１における、センサ素子の動作を説明するための模式的な断面図であり、 図６は、実施形態１における、排ガスセンサのカバー状態診断部において実施されるカバー状態診断処理のフローチャート図であり、 図７は、実施形態１における、排ガスセンサのヒータ部による加熱制御とセンサ素子の温度の推移を示すタイムチャート図であり、 図８は、実施形態１における、排ガスセンサのカバー状態診断部において用いられるヒータ情報と診断閾値との関係を、正常品とカバー詰まり品とで比較して示す図であり、 図９は、実施形態２における、排ガスセンサのカバー状態診断部が備える診断可否判定部において実施される診断可否判定処理のフローチャート図であり、 図１０は、実施形態２における、カバー状態診断部の診断可否判定部において用いられるヒータ抵抗の正常範囲と抵抗閾値との関係を示す図であり、 図１１は、実施形態２の変形例における、排ガスセンサのカバー状態診断部が備える診断可否判定部において実施される診断可否判定処理の一部を示すフローチャート図であり、 図１２は、実施形態２の変形例における、カバー状態診断部の診断可否判定部において用いられるヒータ抵抗とセンサ温度との関係を示す図であり、 図１３は、実施形態２の変形例における、カバー状態診断部の診断可否判定部において用いられるセンサ温度の正常範囲と抵抗閾値との関係を示す図であり、 図１４は、実施形態２における、排ガスセンサのカバー状態診断部が備える診断可否判定部において実施されるヒータ情報判定処理の一部を示すフローチャート図であり、 図１５は、実施形態２における、カバー状態診断部の診断可否判定部において用いられるガス流速とガス温度との関係を示す図であり、 図１６は、実施形態３における、排ガスセンサのカバー状態診断部が備えるヒータ情報判定部において実施されるヒータ情報判定処理のフローチャート図であり、 図１７は、実施形態３における、カバー状態診断部のヒータ情報判定部において用いられる診断閾値Ａの設定方法を説明するための図で、ヒータデューティとガス温度との関係を示す図であり、 図１８は、実施形態３における、カバー状態診断部のヒータ情報判定部において用いられる診断閾値Ａの設定方法を説明するための図で、ヒータデューティとガス流速との関係を示す図であり、 図１９は、実施形態４における、排ガスセンサのカバー状態診断部が備えるヒータ情報判定部において実施されるヒータ情報判定処理のフローチャート図であり、 図２０は、実施形態４における、カバー状態診断部のヒータ情報判定部において用いられる診断閾値Ａ、Ｂの設定方法を説明するための図で、ヒータデューティとガス温度との関係を示す図であり、 図２１は、実施形態４における、カバー状態診断部のヒータ情報判定部において用いられる診断閾値Ａ、Ｂの設定方法を説明するための図で、ヒータデューティとガス流速との関係を示す図であり、 図２２は、実施形態５における、排ガスセンサのカバー状態診断部が備えるヒータ診断可否診断部において実施されるヒータ情報判定処理のフローチャート図であり、 図２３は、試験例１における、排ガスセンサのヒータ部による加熱制御時のヒータデューティとガス温度との関係を、正常品とカバー故障品とで比較して示す図であり、 図２４は、試験例１における、排ガスセンサのヒータ部による加熱制御時のセンサ温度及びヒータデューティとガス流速との関係を、正常品とカバー詰まり品とで比較して示す図であり、 図２５は、試験例１における、排ガスセンサのヒータ部による加熱制御モードとセンサ素子の温度の推移を示すタイムチャート図。 図２６は、排ガスセンサのセンサ素子の他の構成例を示す要部拡大断面図であり、 図２７は、排ガスセンサのセンサ素子の温度検出部の構成例を示す要部拡大断面図である。
（実施形態１）
　排ガスセンサに係る実施形態について、図１～図１４を参照して説明する。
　図１～図３に示すように、排ガスセンサＳは、センサ本体Ｓ１と制御装置Ｓ２とを備えて構成され、例えば、図４に示す車両用の排ガス浄化装置１００に適用される。センサ本体Ｓ１は、検出部２を備えるセンサ素子１と、センサ素子１を内側に収容する素子カバー３と、通電により発熱してセンサ素子１を加熱するヒータ４とを有しており、制御装置Ｓ２は、ヒータ４によるセンサ素子１の加熱を制御するヒータ制御部５と、素子カバー３の状態を診断するカバー状態診断部６とを有している。
　センサ素子１は、細長い直方体形状で、センサ本体Ｓ１の軸方向Ｘに延びている。ここでは、図１における上下方向を軸方向Ｘとし、その下端側をセンサ本体Ｓ１の先端側、上端側をセンサ本体Ｓ１の基端側としている。検出部２は、軸方向Ｘにおけるセンサ素子１の先端部に設けられて、排ガスに含まれる特定成分を検出する。特定成分は、例えば、車両用エンジン等から排出される排ガスに含まれる粒子状物質（以下、適宜ＰＭと略称する）や、ＮＯｘ等のガス成分である。
　図４に示す排ガス浄化装置１００は、排ガスセンサＳを、特定成分としての粒子状物質を検出するＰＭセンサとして用いた例としている。
　素子カバー３は、センサ素子１を排ガス中の被毒物質や凝縮水等から保護するためのものであり、ガス流通孔３１、３２を有して、内部の空間に排ガスを導入又は導出可能に設けられる。センサ素子１は、センサ素子１を加熱するためのヒータ４を内蔵しており（例えば、図３参照）、ヒータ制御部５を含むセンサ制御部（Sensor Control Unit；以下、ＳＣＵと称する）５０を介して、カバー状態診断部６を含む車両側の電子制御部（Electronic Control Unit；以下、ＥＣＵと称する）６０と接続されている。
　カバー状態診断部６は、ヒータ４を動作させたときのヒータ情報を用いて、素子カバー３の状態を診断する。カバー状態診断部６には、診断可否判定部６１が設けられ、ヒータ４の動作状態と素子カバー３の周辺環境状態とから知られるヒータ情報の確度に基づいて、素子カバー３の状態の診断が可能か否かを判定する。
　このとき、診断可否判定部６１は、ヒータ情報の確度の有無を、ヒータ４が正常動作可能な状態にあるか否か、及び、周辺環境状態が素子カバー３の状態を診断可能な状態にあるか否か、に基づいて判定することができる。
　具体的には、診断可否判定部６１は、ヒータ４の抵抗値情報又はセンサ素子１の温度情報に基づいて、ヒータ４が正常動作可能な状態にあると判定されると共に、素子カバー３の周辺の排ガス情報に基づく周辺環境状態が、上記素子カバーの状態を診断可能な状態にあると判定されるときに、素子カバー３の状態の診断が可能と判定する。
　そして、カバー状態診断部６は、診断可否判定部６１によって診断可能と判定されたときに、ヒータ情報判定部６２において、ヒータ情報を、予め設定した診断閾値Ａ、Ｂと比較する。ヒータ情報は、例えば、ヒータ４へ供給される電力量や、ヒータ制御部５による制御量であり、診断閾値Ａ、Ｂとの比較判定結果に基づいて、素子カバー３の状態を診断することができる。
　次に、排ガスセンサＳの詳細構成について、説明する。
　図１において、排ガスセンサＳのセンサ本体Ｓ１は、筒状のハウジング１１の内側にセンサ素子Ｓ１を収容すると共に、ハウジング１１の軸方向Ｘの先端側に固定される容器状の素子カバー３と、他端側に固定される筒状の大気カバー１２を備えている。ハウジング１１は、例えば、図４に示す排ガス浄化装置１００の排ガス管１０１に取り付けられて、素子カバー３によって覆われたセンサ素子１の先端側が、排ガス管１０１内に突出位置している。大気カバー１２は、排ガス管１０１の外部に位置するセンサ素子Ｓ１の基端側を覆っており、大気カバー１２の基端側から取り出されるリード線１３を介して、センサ素子１とセンサ制御部５０とが電気的に接続されている。
　図２、図３に一例を示すように、センサ素子１は、例えば、積層構造を有する積層型素子であり、偏平な直方体形状の絶縁性基体２１の先端面を検出部２としている。検出部２には、一対の検出電極２ａ、２ｂとなる複数の線状電極が配置されており、交互に極性の異なる複数の電極対を構成している。検出部２は、例えば、絶縁性基体２１となる複数の絶縁性シートの間に、検出電極２ａ、２ｂとなる電極膜を交互に配設して積層体とし、焼成して一体化することにより形成される。このとき、絶縁性基体２１に少なくとも一部が埋設される電極膜の端縁部が、絶縁性基体２１の先端面に線状に露出して、検出電極２ａ、２ｂを構成する。絶縁性基体２１は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料を用いて構成することができる。
　絶縁性基体２１の内部には、一対の検出電極２ａ、２ｂに接続される、図示しないリード部が埋設されている。これらリード部は、センサ素子１の基端側に引き出されて、リード線１３を介してＳＣＵ５０のＰＭ検出制御部５１に接続される（図１参照）。ＰＭ検出制御部５１は、例えば、一対の検出電極２ａ、２ｂ間にＰＭ検出用電圧を印加するための電圧印加回路を備え、所定の検出期間において、一対の検出電極２ａ、２ｂ間にＰＭを静電捕集する。
　ここで、図５に示す模式図によりＰＭ検出原理を説明する。センサ素子１の検出部２は、絶縁性基体２１の表面に一対の検出電極２ａ、２ｂが所定間隔をおいて対向配設されており、初期状態において一対の検出電極２ａ、２ｂは導通していない。ＰＭ検出期間に、ＰＭ検出制御部５１によって所定の電圧が印加されると、一対の検出電極２ａ、２ｂ間に発生する電界によってＰＭが引き寄せられ、徐々に堆積する。これにより、一対の検出電極２ａ、２ｂ間が導通すると、ＰＭ捕集量に応じて一対の検出電極２ａ、２ｂ間の抵抗値が変化し、したがって、ＰＭ検出制御部５１において、一対の検出電極２ａ、２ｂ間の電流を検出することができる。
　また、絶縁性基体２１の内部には、検出電極２ａ、２ｂが形成される先端面の近傍に、ヒータ４の発熱部４１を構成するヒータ電極と、発熱部４１に通電するための一対のリード部４２、４３と、検出用リード部４４が埋設されている。これらリード部４２、４３、４４は、センサ素子１の基端側に引き出されて、リード線１３を介してＳＣＵ５０のヒータ制御部５に接続される（図１参照）。
　ヒータ制御部５は、例えば、ヒータ駆動信号のパルス幅を制御するパルス幅変調回路を備え、パルス信号のデューティ比(以下、ヒータデューティ（ヒータＤｕｔｙ）と称する)によって、発熱部４１への通電量を制御することができる。
　したがって、ヒータ制御部５によってヒータ４の発熱量を制御し、センサ素子１を、所望の温度に加熱することができる。例えば、ＰＭ検出制御部５１によるＰＭ検出時には、これに先立って、検出部２をＰＭの燃焼温度以上に加熱し、捕集されたＰＭを燃焼除去して初期状態に戻すことができる。
　素子カバー３は、例えば、ハウジング１１側が開口する二重容器状で、同軸配置されるアウタカバー３ａとインナカバー３ｂからなる。アウタカバー３ａは、概略一定径の筒状体とこれを閉鎖する先端面からなり、先端面側の側面に、複数のガス流通孔３１が貫通形成されて、排ガス管１０１から排ガスを導入又は導出可能となっている。インナカバー３ｂは、先端面にガス流通孔３２が貫通形成されて、インナカバー３ｂ内の空間とアウタカバー３ａ内の空間とを連通している。
　また、インナカバー３ｂの基端側の側面に、複数のガス流通孔３２が貫通形成されており、ガス流通孔３２には、インナカバー３ｂの内側へ向けて傾斜するガイド部３３が設けられている。これにより、アウタカバー３ａ内に導入された排ガスは、インナカバー３ｂの外側面に沿って基端側へ誘導され、ガス流通孔３２からインナカバー３ｂ内へ導入される。ガイド部３３の先端は、インナカバー３ｂの軸線上に位置するセンサ素子１の検出部２に向けて配置され、インナカバー３ｂ内へ導入される排ガスは、検出部２に向かった後、先端面のガス流通孔３２から導出され、アウタカバー３ａから外部へ導出される排ガスの流れに合流する。
　アウタカバー３ａとインナカバー３ｂの先端面側のガス流通孔３１、３２は、例えば、円形孔形状であり、インナカバー３ｂの基端側のガス流通孔３２は、例えば、軸方向Ｘに細長い長孔形状で、インナカバー３ｂの側面を切り欠いて形成される細長い板状のガイド部３３と一体的に形成される。
　なお、アウタカバー３ａとインナカバー３ｂの形状や、ガス流通孔３１、３２の形状は、上記したものに限らず、任意の構成とすることができる。また、ガス流通孔３２にガイド部３３を設けない構成であってもよく、ガス流通孔３１、３２の数や配置も、任意に設定することができる。好適には、ガス流通孔３１、３２が、アウタカバー３ａ又はインナカバー３ｂの側面の全周に均等配置されるようにすると、ガス流れに対する指向性を有しない構成となる。
　図４に示すように、本形態における排ガスセンサＳは、例えば、ディーゼルエンジン（以下、エンジンと略称する）ＥＮＧの排ガス浄化装置１００に適用され、センサ本体Ｓ１は、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと略称する）１０２の下流側において、排ガス管１０１の管壁に取り付けられる。排ガスセンサＳは、センサ本体Ｓ１の軸方向Ｘの先端側半部が排ガス管１０１内に位置し、ＤＰＦ１０２から漏れ出る粒子状物質を検出して、ＳＣＵ５０に送信する。ＤＰＦ１０２とセンサ本体Ｓ１の間には、温度センサ１０３が配設されて、ＤＰＦ１０２の下流側における排ガス管１０１内のガス温度を検出している。温度センサ１０３の検出信号は、排ガス情報としてＥＣＵ６０へ送信される。
　ＥＣＵ６０には、温度センサ１０３からのガス温度情報の他、ＳＣＵ５０のヒータ制御部５からのヒータデューティ情報やＰＭ検出制御部５１からのＰＭ検出情報が入力される。また、ＥＣＵ６０には、ＤＰＦ１０２の再生制御を行うＤＰＦ再生制御部６３やＤＰＦ１０２の故障診断を行うＤＰＦ故障診断部６４が設けられる（図１参照）。ＤＰＦ再生制御部６３は、例えば、車両の運転状態等からＤＰＦ１０２の再生実施の要否を判定し、ＤＰＦ故障診断部６４は、例えば、ＰＭ検出情報に基づいてＤＰＦ１０２の割れ等の故障の有無を判定する。
　なお、ＥＣＵ６０には、図示しないエアフローメータにより検出される吸入空気量や、エンジン回転数センサ、アクセル開度センサ等からの検出信号が入力されており、これら入力情報に基づいて、エンジンＥＮＧの運転状態を知り、車両全体を制御している。
　排ガス情報には、ガス温度の他、排ガス管１０１内のガス流量等のエンジンＥＮＧの運転に関する情報や、ＤＰＦ１０２の再生情報が含まれる。これらガス温度やガス流量は、検出値であっても、エンジンＥＮＧの運転状態等から推定される推定値であってもよい。
　また、エンジンＥＮＧは、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンでもよい。その場合には、ＤＰＦ１０２に代えて、ガソリンパティキュレートフィルタ（以下、ＧＰＦと略称する）が配置される。
　次に、ＥＣＵ６０のカバー状態診断部６の詳細について、説明する。
　排ガスセンサＳによるＰＭ検出情報は、主に、上述したＥＣＵ６０のＤＰＦ故障診断部６４におけるＤＰＦ１０２の故障診断に用いられる。このとき、ＤＰＦ１０２の故障を確実に検出するには、排ガスセンサＳによるＰＭ検出が正常に実施されることが必要であり、そのためには、センサ素子１のみならず、センサ素子１の動作に影響する素子カバー３の状態も重要となる。
　例えば、素子カバー３のガス流通孔３１、３２に粒子状物質等が付着して堆積することにより、または何らかの意図もしくは誤って閉塞されることにより、カバー詰まりが生じた場合には、ガス流通性が低下して、センサ素子１に十分な排ガスが到達しなくなる。
　このような場合には、仮にＤＰＦ１０２が故障していても、センサ素子１からＰＭ検出信号が出力されないために、故障判定や乗員への報知がなされず、粒子状物質が車外に排出されるおそれがある。一方、素子カバー３が破損して外れたり、脱落したりした場合には、センサ素子１に導入される排ガスが増加し、誤検出を生じるおそれがある。
　そこで、排ガスセンサＳには、カバー状態診断部６が設けられて、素子カバー３の状態の診断（以下、適宜、カバー状態診断と称する）を可能とする。カバー状態診断には、ヒータ制御部５によりセンサ素子１を加熱するヒータ４を動作させたときのヒータ情報を用いることができ、ヒータ情報判定部６２において、ヒータ情報の閾値判定がなされる。その場合に、ヒータ情報による閾値判定を信頼性よく行うには、ヒータ４が正常に動作していると共に、ヒータ情報が外部の要因等の影響を受けない環境にあることが必要となる。そのために、カバー状態診断部６には、診断可否判定部６１が設けられ、ヒータ情報による診断に先立ち、カバー状態診断が可能か否かの判定を行う。
　このとき、カバー状態診断部６において実行される手順の概要を、図６を用いて説明する。図６のステップＳ１～ステップＳ３は、カバー状態診断部６の診断可否判定部６１に対応しており、ステップＳ４～ステップＳ７は、ヒータ情報判定部６２に対応する。
　図６において、素子カバー３のカバー状態診断処理が開始されると、まず、ステップＳ１にて、ヒータ４の動作状態が、正常動作可能な状態にあるか否かを判定する（すなわち、ヒータ：正常動作状態？）。ステップＳ１が肯定判定された場合には、ステップＳ２へ進み、ステップＳ１が否定判定された場合には、診断実施不可と判断されて、本処理を一旦終了する。
　ステップＳ２では、さらに、素子カバー３の周辺環境状態が、カバー状態診断を、良好に実施可能な状態にあるか否かを判定する（すなわち、周辺環境：診断可能状態？）。ステップＳ２が肯定判定された場合には、ステップＳ３へ進み、否定判定された場合には、ステップＳ１へ戻って、実施可能な状態となるまで、以降のステップを繰り返す。
　これらステップＳ１、Ｓ２は、センサ本体Ｓ１に内蔵されてセンサ素子１を加熱するヒータ４が、正常に機能するか否かを判定すると共に（すなわち、内的要因）、センサ本体Ｓ１の周辺環境状態、具体的には、排ガス管１０１内を流通する排ガスのガス温度やガス流速が、素子カバー３の状態診断に適した所定の状態となっているか否かを判定するものである（すなわち、外的要因）。
　本形態では、これら内的要因と外的要因の両方から、排ガスセンサＳのヒータ情報の確度を判断することで、より信頼性の高いカバー状態診断が可能になる。
　ステップＳ３では、ステップＳ１、Ｓ２の両方が肯定判定されたことにより、カバー状態診断を実施可能と判断する。その後、ステップＳ４へ進んで、ヒータ制御を開始する。具体的には、ヒータ制御部５によりヒータ４に通電して、センサ素子１の検出部２が所定の目標温度に保持されるように、例えば、測定温度との偏差に基づくＰＩＤ制御を行い、通電量を制御する。なお、検出部２の温度は、例えば、後述するヒータ抵抗とセンサ温度の関係（例えば、図１２参照）に基づいて、測定することができる。
　さらに、ステップＳ５において、ヒータ情報の一例として、ヒータ電力を測定し、ステップＳ６へ進んで、ヒータ電力の測定値を、診断閾値Ａ及び診断閾値Ｂと比較する。診断閾値Ａは、例えば、カバー詰まりによる異常の有無を判断可能な下限側の閾値であり、診断閾値Ｂは、例えば、カバー脱落による異常の有無を判断可能な上限側の閾値である。
　なお、ヒータ情報としては、ヒータ４の異常を検出可能な情報であればよく、ヒータ４に供給される電圧や電流、ヒータ制御部５による制御量、例えば、ヒータデューティ等を用いることができる。
　図７に示すように、エンジンＥＮＧの始動後のセンサ素子１の温度（すなわち、センサ温度）は、例えば、ＰＭ検出のためのセンサ再生に先立つ一定の期間、凝縮水を除去可能な温度に加熱制御される。このとき、センサ本体Ｓ１は、加熱温度より低い排ガス温度に曝されることになり、素子カバー３の状態によってヒータ制御性が変化する。
　例えば、図８に示すように、素子カバー３が正常な状態にある正常品と、カバー詰まりがある異常品とでは、加熱制御時にヒータ４の発熱部４１に供給されるヒータ電力（又はヒータ電力を制御するヒータデューティ）に差が生じる。これは、素子カバー３のガス流通孔３１、３２が塞がれた状態では、排ガスが導入されず、センサ素子１が冷やされにくくなるためであり、素子カバー３が正常な状態と比較して、センサ素子１の加熱に必要なヒータ電力は小さくなる。そこで、このヒータ電力の関係に基づいて、例えば、正常品のヒータ電力を、ばらつき下限とし、異常品のヒータ電力を、ばらつき上限としたときに、これらの間のヒータ電力値から、診断閾値Ａを、予め設定することができる。
　一方、素子カバー３が脱落した状態にある場合には、センサ素子１が直接排ガスに露出して、加熱温度より低い排ガス温度に曝されることになる。その場合には、素子カバー３が正常な状態と比較して、センサ素子１の加熱に必要なヒータ電力は大きくなる。そこで、同様にして、これらヒータ電力の関係に基づいて、診断閾値Ｂを、予め設定することができる。
　したがって、ステップＳ６において、ヒータ電力の測定値が、下限側の診断閾値Ａより大きく、上限側の診断閾値Ｂより小さい、所定の範囲にあるか否かを判定することで（すなわち、診断閾値Ａ＜ヒータ電力測定値＜診断閾値Ｂ）、素子カバー３が正常な状態にあるか否か診断定することができる。すなわち、ステップＳ６が肯定判定された場合には、ステップＳ７へ進んで、素子カバー３は正常と診断し、否定判定された場合には、ステップＳ８へ進んで、素子カバー３は異常と診断する。その後、本処理を一旦終了する。
　本形態によれば、カバー状態診断部６が診断可否判定部６１を備えるので、ヒータ４が正常に機能し、かつ、周辺環境がヒータ制御に影響しない状態においてのみ、ヒータ情報判定部６２に移行する。すなわち、ヒータ電力等のヒータ情報の確度が高い状態で、ヒータ情報に基づくカバー状態の診断を精度よく実施できるので、誤検出を防止することが可能であり、信頼性が向上する。
（実施形態２）
　本形態では、図９～図１５に示すフローチャートを用いて、診断可否判定部６１による判定手順を、より具体的に説明する。
　なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
　図９は、上記図６のステップＳ１に対応するものであり、カバー状態診断の診断可否判定処理が開始されると、まず、ステップＳ１１にて、ヒータ４の動作状態を示す指標の１つとして、ヒータ４の発熱部４１の抵抗値（以下、適宜、ヒータ抵抗と略称する）を検出する。次いで、ステップＳ１２にて、検出したヒータ抵抗を、所定の抵抗閾値Ｒth１、Ｒth2と比較して、図１０に示すように、下限側の抵抗閾値Ｒth１と上限側の抵抗閾値Ｒth2とで規定される正常範囲内にあるか否かを判定する（すなわち、Ｒth１＜ヒータ抵抗＜Ｒth2）。
　なお、ヒータ抵抗は、例えば、図示しないヒータ抵抗検出回路により、検出用リード部４４を介して所定の電圧を印加したときに、ヒータ４の発熱部４１に流れる電流を検出することにより算出することができる（すなわち、ヒータ抵抗＝印加電圧／検出電流）。
　ここで、ヒータ４は、貴金属等を含む導電性材料から構成されており、センサ素子１の動作に伴い、連続的又は断続的に加熱されることが繰り返されると、貴金属材料の凝集等により、ヒータ抵抗が変化する。この変化が大きくなるとヒータが正常に機能しなくなり、カバー状態診断の精度も低下する。
　そこで、例えば、予め初期状態におけるヒータ抵抗を測定しておき、この初期抵抗に基づく正常範囲の下限値を、抵抗閾値Ｒth１として記憶する。さらに、この抵抗閾値Ｒth１に対して、経年劣化等によるヒータ抵抗の変化量から、正常範囲の上限値となる抵抗閾値Ｒth2を設定することができる。そして、判定時におけるヒータ抵抗の測定値が、抵抗閾値Ｒth2を超えた場合には、ヒータ４は正常に機能しないと判定して、以降の判定を行わない。
　このとき、抵抗閾値Ｒth2を設定するための変化量は、適宜設定することができ、例えば、初期抵抗に対して所定の割合に相当する変化量として求めてもよい。
　ステップＳ１２が肯定判定された場合には、ステップＳ１３へ進んで、ヒータ４の動作状態は正常と判定した後、［１］周辺環境状態の判定へ進む。
　一方、ステップＳ１２が否定判定された場合には、ステップＳ１４へ進む。この場合は、ヒータ４の動作状態は異常と判定して、本処理を終了し、カバー状態診断は実施しない。
　また、図１１に示すように、ヒータ４の動作状態を示す指標の１つとして、ヒータ抵抗に基づくセンサ素子１の温度を用いることもできる。
　その場合には、診断可否判定処理を開始すると、まず、ステップＳ２１において、上記図９のステップＳ１１と同様に、ヒータ抵抗を検出する。次いで、ステップＳ２２において、例えば、図１２に示すヒータ抵抗とセンサ温度との関係から、検出したヒータ抵抗を用いて、センサ素子１の検出部２の温度を算出する。
　このとき、図１２に示すように、例えば、周辺環境等の影響を受けてセンサ温度が上昇すると、ヒータ抵抗が上昇する。したがって、これらの関係を予めマップ等として記憶しておくことにより、ヒータ抵抗から、間接的にセンサ温度を検出することができる。
　さらに、ステップＳ２３において、算出したセンサ温度を、基準温度に基づく所定の温度閾値Ｔth１、Ｔth2と比較して、図１３に示すように、下限側の温度閾値Ｔth１と上限側の温度閾値Ｔth2とで規定される正常範囲内にあるか否かを判定する（すなわち、Ｔth１＜センサ温度＜Ｔth2）。
　ここで、基準温度は、例えば、温度センサ１０３によって検出される、センサ素子１の周辺の排ガス温度であり、ヒータ制御が実施されておらず、排ガス温度が安定した状態においては、センサ温度は排ガス温度と実質的に同等となる。つまり、ヒータ抵抗に基づくセンサ温度を、温度センサ１０３による基準温度を比較し、その差が規定範囲内にあるときは、ヒータ４は正常に機能していると判断される。そこで、正常時の両者の差を考慮して、所定の温度閾値Ｔth１、Ｔth2を設定することで、ヒータ抵抗に基づくセンサ温度を、温度センサ１０３による基準温度を比較し、ヒータ４の動作状態を判定することができる。
　ステップＳ２３が肯定判定された場合には、ステップＳ２４へ進んで、ヒータ４の動作状態は正常と判定した後、［１］周辺環境状態の判定へ進む。
　一方、ステップＳ２３が否定判定された場合には、ステップＳ２５へ進む。この場合は、ヒータ４の動作状態は異常と判定して、本処理を終了し、カバー状態診断は実施しない。
　以上のような方法によるヒータ動作状態の判定に際しては、周辺温度環境が安定した状態であることが、検出精度を向上させる上で望ましい。例えば、エンジンＥＮＧの始動直後の低負荷環境時や、定速度走行状態のように、排ガスの温度が比較的低く、安定した温度環境において実施されることが望ましく、その後の周辺環境の判定やカバー状態診断へ速やかに移行することができる。
　上記図９のステップＳ１３にて正常判定された場合には、次いで、図１４の周辺環境状態の判定へ移行する。上記図１１のステップＳ２４にて正常判定された場合も同様である。
　図１４は、上記図６のステップＳ２に対応するものであり、まず、ステップＳ１４において、周辺環境状態を示す指標となる、ガス温度及びガス流速を検出する。ガス温度は、センサ周辺の排ガスの温度であり、温度センサ１０３によって検出することができる。ガス流速は、センサ周辺の排ガスの流速であり、例えば、ガス温度の他、上述した図示しないエアフローメータにより検出される吸入空気量や、排ガス管１０１の断面積情報等から算出することができる。
　ステップＳ１５では、検出されたガス温度及びガス流速が、例えば、図１５に示す診断実施可能範囲にあるか否かを判定する。一般的には、素子カバー３の故障の有無は、ガス当たりによる温度変動の違いが大きい方が検出しやすい。そのため、カバー状態診断の条件としては、ガス温度が低い方が、また、ガス流速が大きい方が望ましい。例えば、ガス温度が１５０℃～４００℃程度の範囲にあるとき、ガス温度が低いほど、診断実施可能なガス流速の範囲が広くなる（例えば、ガス温度：１５０℃において、ガス流速：１５ｍ／ｓ～４０ｍ／ｓ程度）。
　そこで、図１５に示すガス温度とガス流速の関係を、予めマップ等として記憶しておくことで、検出されたガス温度及びガス流速が、診断実施可能範囲にあるか診断実施可能範囲外にあるかを判定することができる。
　ステップＳ１５が肯定判定された場合には、ステップＳ１６へ進んで、周辺環境状態が、カバー状態診断が可能な環境にあり、ヒータ情報の確度が高いと判定される（すなわち、ヒータ情報確度：高）。その場合には、診断実施可と判断されるので、続いて、［２］ヒータ情報判定に基づくカバー状態診断へ移行する。
　ステップＳ１５が否定判定された場合には、ステップＳ１７へ進んで、周辺環境状態が、カバー状態診断が可能な環境になく、ヒータ情報の確度が低いと判定される（すなわち、ヒータ情報確度：低）。その場合には、診断実施不可と判断される。
　このようにして、センサ素子１が正常な動作状態にあり、周辺環境もカバー状態診断に適した状態であることを確認した上で、以降のカバー状態診断を行うことで、精度良い診断を行うことができる。
（実施形態３）
　本形態では、図１６～図１８に示すフローチャートを用いて、ヒータ情報判定部６２による診断手順の他の例について、具体的に説明する。上記実施形態１では、カバー状態診断のためのヒータ情報として、ヒータ電力を用いたが、本形態では、ヒータデューティを用いる。また、カバー状態として、特に、カバー詰まりによる故障診断を行う場合の診断閾値Ａの設定方法を説明する。
　図１６は、上記図６のステップＳ４以降に対応するものであり、ヒータ情報判定処理（カバー詰まり故障）を開始したら、まず、ステップＳ３１において、ヒータ制御を開始する。
　具体的には、上記図７に示したエンジン始動後のセンサ素子１の再生時におけるヒータ加熱を利用することができ、その際のヒータデューティを、ステップＳ３２において測定する。次いで、ステップＳ３３において、ガス温度及びガス流速を検出し、ステップＳ３４に進んで、検出したガス温度及びガス流速に基づいて、カバー詰まり故障に対応する診断閾値Ａを算出する。
　図１７にヒータデューティとガス温度の関係を示すように、ガス流速が一定（例えば、２５ｍ／ｓ）の場合、正常品では、ガス温度（例えば、１５０℃～３５０℃）が高くなるほど、ヒータデューティが低くなる関係にある。
　これに対して、カバー詰まり故障品では、ガス流通孔３１、３２を通過するガス流量が低下し、センサ素子１に排ガスが当たりにくくなる。そのために、センサ素子１の温度が低下しにくくなり、ヒータデューティが小さくなる方向に特性線がシフトする。また、ガス温度２５０℃以上の範囲では、ヒータデューティがほぼ一定となる。
　また、図１８にヒータデューティとガス流速の関係を示すように、ガス温度が一定（例えば、１５０℃）の場合、正常品では、ガス流速（例えば、１５ｍ／ｓ～４０ｍ／ｓ）が高くなるほど、ヒータデューティが高くなる関係にある。
　これに対して、カバー詰まり故障品では、正常品よりも特性線の傾斜が緩やかとなり、ガス流速の上昇に対するヒータデューティの増加の程度が小さくなる。
　そこで、これら関係において、正常品とカバー詰まり故障品の特性線で囲まれる範囲を診断閾値Ａの設定可能範囲とし、ガス温度及びガス流速の組み合わせごとに、診断閾値Ａとなるヒータデューティを設定することができる。
　その一例を、下記表１に示すように、ガス温度が低いほど、また、ガス流速が高いほど、診断閾値Ａは大きい値に設定される。この関係は、予め試験等を行って得ることができ（例えば、後述する試験例１参照）、その試験結果に基づく閾値マップや閾値算出式を記憶しておいて、カバー状態診断に用いることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次いで、ステップＳ３５において、検出されたヒータデューティが、算出された診断閾値Ａより大きいか否かを判定する（すなわち、ヒータデューティ検出値＞診断閾値Ａ？）。ステップＳ３５が肯定判定されたら、カバー詰まり故障はないと判断されるので、ステップＳ３６へ進んでカバー正常と判定し、カバー詰まり故障の診断を終了する。
　一方、ステップＳ３５が否定判定されたら、カバー詰まり故障はあると判断されるので、ステップＳ３７へ進んでカバー異常と判定し、カバー詰まり故障の診断を終了する。
　このようにして、正常な動作状態にあるヒータ４によりヒータ制御を行い、また、診断に適した周辺環境においてガス温度及びガス流速を検出し、診断閾値Ａを算出することで、カバー状態診断を精度よく実施することができる。
（実施形態４）
　本形態では、図１９～図２１に示すフローチャートを用いて、ヒータ情報判定部６２による診断手順の他の例について、具体的に説明する。本実施形態においても、上記実施形態１と同様に、カバー状態診断のためのヒータ情報として、ヒータデューティを用いる。また、カバー状態としては、カバー詰まりに加えてカバー脱落による故障診断を行うものとし、その場合の診断閾値Ａ、Ｂの設定方法を説明する。
　図１９は、上記図６のステップＳ４以降に対応するものであり、ヒータ情報判定処理（カバー詰まり故障）を開始したら、まず、ステップＳ４１において、ヒータ制御を開始する。
　具体的には、上記図７に示したエンジン始動後のセンサ素子１の再生時におけるヒータ加熱を利用することができ、その際のヒータデューティを、ステップＳ４２において測定する。次いで、ステップＳ４３において、ガス温度及びガス流速を検出し、ステップＳ４４に進んで、検出したガス温度及びガス流速に基づいて、カバー詰まり故障に対応する診断閾値Ａを算出する。診断閾値Ａの設定方法は、上記実施形態３と同様である。
　さらに、ステップＳ４５において、検出したガス温度及びガス流速に基づいて、カバー脱落故障に対応する診断閾値Ｂを算出する。
　図２０にヒータデューティとガス温度の関係を示すように、ガス流速が一定（例えば、２５ｍ／ｓ）の場合、正常品に対して、カバー脱落故障品では、センサ素子１に排ガスが当たりやすくなるために、センサ素子１の温度が低下しやすくなり、ヒータデューティが大きくなる方向に特性線がシフトする。
　また、図２１にヒータデューティとガス流速の関係を示すように、ガス温度が一定（例えば、１５０℃）の場合、カバー脱落故障品では、正常品よりも特性線の傾斜が大きくなり、ガス流速の上昇に対するヒータデューティの増加の程度が大きくなる。
　そこで、これら関係において、正常品とカバー詰まり故障品の特性線で囲まれる範囲を診断閾値Ｂの設定可能範囲とし、ガス温度及びガス流速の組み合わせごとに、診断閾値Ｂとなるヒータデューティを設定することができる。
　その一例を、下記表２に示すように、診断閾値Ｂは、同じガス温度及びガス流速の組み合わせに対する診断閾値Ａよりも大きく、ガス温度が低いほど、また、ガス流速が高いほど大きい値に設定される。この関係を、閾値マップや閾値算出式として記憶しておき、カバー状態診断に用いることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　次いで、ステップＳ４６において、検出されたヒータデューティが、算出された診断閾値Ａより大きいか否かを判定する（すなわち、ヒータデューティ検出値＞診断閾値Ａ？）。ステップＳ４６が肯定判定されたら、カバー詰まり故障はないと判断されるので、ステップＳ４７へ進む。ステップＳ４６が否定判定されたら、カバー詰まり故障はあると判断されるので、ステップＳ４８へ進んでカバー詰まり故障と判定し、診断を終了する。
　ステップＳ４７では、検出されたヒータデューティが、算出された診断閾値Ｂより小さいか否かを判定する（すなわち、ヒータデューティ検出値＜診断閾値Ｂ？）。ステップＳ４７が肯定判定されたら、カバー脱落故障はないと判断されるので、ステップＳ４９へ進んでカバー正常と判定し、診断を終了する。ステップＳ４７が否定判定されたら、カバー脱落故障はあると判断されるので、ステップＳ４０へ進んでカバー脱落故障と判定し、診断を終了する。
　このようにして、正常な動作状態にあるヒータ４によりヒータ制御を行い、また、診断に適した周辺環境においてガス温度及びガス流速を検出し、診断閾値Ａ及び診断閾値Ｂを算出することで、カバー状態診断を精度よく実施することができる。
（実施形態５）
　本形態では、図２２に示すフローチャートを用いて、カバー状態診断部６の診断可否判定部６１による判定手順の他の例を説明する。
　本形態では、排ガスセンサＳのセンサ本体Ｓ１の上流側にＤＰＦ１０２（又はＧＰＦ）が位置する場合について、周辺環境状態として、ＤＰＦ１０２等の再生による温度上昇を考慮して、診断可否判定部６１を行うものとする。
　図２２において、診断可否判定処理が開始されると、まず、ステップＳ５１にて、ＤＰＦ１０２が再生中か否かを判定する（すなわち、ＤＰＦ再生中？）。ステップＳ５１が否定判定された場合には、ステップＳ５２へ進む。ステップＳ５１が肯定判定された場合には、ＤＰＦ１０２に堆積したＰＭ燃焼のための再生中であり、下流側に設置されたセンサ素子１の周辺のガス温度が高くなる可能性があるため、診断不可と判定して、以降のカバー状態診断を実施しない。
　ステップＳ５２では、ヒータ４の動作状態を示す指標であるヒータ抵抗を検出する。次いで、ステップＳ５３にて、検出したヒータ抵抗が、下限側の抵抗閾値Ｒth１と上限側の抵抗閾値Ｒth2とで規定される正常範囲内にあるか否かを判定する（すなわち、Ｒth１＜ヒータ抵抗＜Ｒth2）。ステップＳ５３が肯定判定された場合には、ステップＳ５４へ進んで、ヒータ４の動作状態は正常と判定し、ステップＳ５５へ進む。ステップＳ５３が否定判定された場合には、ステップＳ５９へ進んで、ヒータ抵抗異常により診断不可と判定し、以降のカバー状態診断を実施しない。
　ステップＳ５５では、周辺環境状態の判定のために、ガス温度及びガス流速を検出し、ステップＳ５６へ進んで、ガス温度及びガス流速が診断実施可能範囲か否かを判定する。ステップＳ５６が肯定判定された場合には、ステップＳ５７へ進んで、診断可能領域（すなわち、ヒータ情報確度：高）と判定する。その場合には、診断実施可となり、［２］ヒータ情報判定に基づくカバー状態診断へ移行する。ステップＳ５６が否定判定された場合には、ステップＳ５８へ進んで、診断可能領域外（すなわち、ヒータ情報確度：低）判定し、以降のカバー状態診断を実施しない。
　このように、診断可否判定部６１において、ヒータ情報を検出するのに先立ち、ＤＰＦ１０２等の再生を判定することで、以降のカバー状態診断を効率よく実施することができる。
（試験例１）
　ここで、図２３に示すように、評価用の排ガスセンサＳを用いて、所定の周辺環境状態で、ヒータ制御部５によるセンサ素子１の温度制御を行った場合の、ガス流速とヒータデューティの関係を調べた。評価条件は、以下の通りとした。
・ＰＭセンサ: 正常品(カバー詰まりなし)、カバー詰まり品、カバー脱落品
・ガス温度 : ２００℃～３００℃
・ガス流速：～３０ｍ／ｓ
　評価は、ＰＭ検出用のセンサ素子１と新品の素子カバー３を備えるセンサ本体（ｎ＝５）を正常品として、実機試験を行い、図２３に示すように、排ガスの状態を変化させたときの、センサ温度とヒータデューティの変化を、カバー詰まり品と比較した。カバー詰まり品は、正常品と同じセンサ本体（ｎ＝５）を用い、素子カバー３を、ガス流通孔３１、３２を目詰まりさせたもの付け替えて、また、カバー脱落品は素子カバー３を外して、同様の試験を行った。また、ヒータ４の発熱部４１に劣化があるヒータ異常品についても同様の試験を行った。
　図２４に示すように、正常品では、ヒータ制御による加熱開始と共に、ヒータデューティが増大し、センサ温度が追従して、所定の温度まで徐々に上昇する。その後、所定の温度を維持するためのヒータデューティは徐々に小さくなって安定し、エンジンＥＮＧの加速により、ガス流速が上昇すると、ヒータデューティは再び大きくなる。
　これに対して、カバー詰まり品は、正常品と同様の傾向を示すものの、ガス当たりによるセンサ温度への影響が小さく、加熱開始時の立ち上がりが速く、ヒータデューティが全体に正常品より小さくなる。
　そのために、図２３に示すように、ガス流速の全範囲において、正常品のヒータデューティに対して、カバー詰まり品のヒータデューティは大きくなり、カバー脱落品のヒータデューティは小さくなった。このように、ヒータデューティの大きさから、図中に示す診断閾値Ａ、診断閾値Ｂを設定することで、カバー状態診断を実施し、カバー詰まりやカバー脱落による故障を検出可能であることがわかる。
　なお、ヒータ異常品は、カバー詰まり品に対してヒータデューティの差がほとんどなく、ヒータデューティによるカバー状態診断は実施できない。
　図２５は、ヒータ制御部５によるヒータ制御の一例を示しており、例えば、エンジンＥＮＧの始動直後は、センサ素子１の検出部２を、凝縮水を撥水すると共に液相被毒を抑制可能な温度に制御する（３００℃～６００℃）。その後、ＰＭ燃焼し、かつアッシュ成分が融着しない温度に制御し（６００℃～８００℃）、ヒータ４をオフとして、検出部を冷却しＰＭ捕集を行う。その後は、熱泳動現象を発現して被毒物が付着しない温度に制御する（排ガス温度以上）。
　したがって、これら各制御モードにおけるヒータ制御を利用して、カバー状態診断を実施することができる。
　上記実施形態では、排ガスセンサＳをＰＭセンサに用いる場合について、説明したが、ＰＭセンサに限らず、ＮＯｘセンサ等のガスセンサに用いることもできる。その場合には、図２６に示すように、センサ素子１の内部に、固体電解質体２０１を挟んで、排ガスが導入される被測定ガス室２０２と大気が導入される大気室２０３が設けられ、被測定ガス室２０２に面して、ポンプ電極２０４とセンサ電極２０５が、大気室２０３に面して基準電極２０６が設けられる。センサ素子１の先端面には、被測定ガス室２０２と外部とを連通する拡散抵抗層２０７が設けられ、センサ素子１の先端部の表面を覆って、被毒物質を捕捉するためのトラップ層２０８が設けられる。
　このようなガスセンサに用いた場合にも、センサ素子１に内蔵されるヒータ４を用いて、検出部２のヒータ制御を行う際に、同様にして、図示しない素子カバー３の状態を診断することができる。また、検出部２の温度は、例えば、固体電解質体２０１を挟んで設置される２つの電極（例えば、センサ電極２０５と基準電極２０６）の電極間インピーダンスとセンサ温度の関係（例えば、図１２参照）に基づいて、測定することができる。
　なお、図２７に示す（１）の例のように、ＰＭセンサに用いられるセンサ素子１においても、検出部２の温度を、一対の検出電極２ａ、２ｂの電極間インピーダンスを用いて測定することができる。また、（２）の例のように、センサ素子１内に、温度検出用のサーミスタを埋設して、サーミスタ抵抗とセンサ温度の関係から、検出部２の温度を測定することができる。（３）の例は、上述した実施形態１に示した例であり、センサ素子１に内蔵されるヒータ４のヒータ抵抗とセンサ温度の関係から、検出部２の温度を測定する。
　本開示は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
　例えば、上記実施形態では、ＤＰＦ１０２を含むエンジンの排ガス浄化システムへの適用例を示したが、エンジンを含むシステム構成は、適宜変更することができる。また、車両用に限らず、各種用途に利用することができ、排ガスセンサＳやセンサ素子１の構造も、適宜変更することができる。

Claims (8)

  1. 　排ガスに含まれる特定成分を検出する検出部（２）を備えるセンサ素子（１）と、
    　上記センサ素子を内側に収容し排ガスを導入又は導出するためのガス流通孔（３１、３２）を有する素子カバー（３）と、
    　通電により発熱して上記センサ素子を加熱するヒータ（４）と、
    　上記ヒータによる上記センサ素子の加熱を制御するヒータ制御部（５）と、を備える排ガスセンサ（Ｓ）であって、
    　上記ヒータ制御部により上記ヒータを動作させたときのヒータ情報を用いて、上記素子カバーの状態を診断するカバー状態診断部（６）を有しており、
    　上記カバー状態診断部は、上記ヒータの動作状態と上記素子カバーの周辺環境状態とから知られる上記ヒータ情報の確度に基づいて、上記素子カバーの状態の診断が可能か否かを判定する、診断可否判定部（６１）を備えている、排ガスセンサ。
  2. 　上記診断可否判定部は、上記ヒータ情報の確度の有無を、上記ヒータが正常動作可能な状態にあるか否か、及び、上記周辺環境状態が上記素子カバーの状態を診断可能な状態にあるか否か、に基づいて判定する、請求項１に記載の排ガスセンサ。
  3. 　上記診断可否判定部は、上記ヒータの抵抗値情報又は上記センサ素子の温度情報に基づいて、上記ヒータが正常動作可能な状態にあると判定されると共に、上記素子カバーの周辺の排ガス情報に基づく上記周辺環境状態が、上記素子カバーの状態を診断可能な状態にあると判定されるときに、上記素子カバーの状態の診断が可能と判定する、請求項２に記載の排ガスセンサ。
  4. 　上記排ガス情報は、ガス温度及びガス流速のうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載の排ガスセンサ。
  5. 　上記特定成分は、粒子状物質であり、
    　上記センサ素子は、排ガスが流通する排ガス管（１０１）内に、上記素子カバーに覆われた状態で位置し、
    　上記素子カバーに対して排ガス流れ方向の上流側には、上記粒子状物質の捕集用フィルタ（１０２）が配設されており、
    　上記排ガス情報は、上記捕集用フィルタの再生情報を含む、請求項３又は４に記載の排ガスセンサ。
  6. 　上記ヒータ制御部は、上記センサ素子の目標温度に応じて、上記ヒータへの通電を制御するものであり、
    　上記ヒータ情報は、上記ヒータへ供給される電力量又は上記ヒータ制御部による上記ヒータの制御量を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の排ガスセンサ。
  7. 　上記カバー状態診断部は、上記診断可否判定部によって診断可能と判定されたときに、上記ヒータへ供給される電力量又は上記ヒータ制御部による上記ヒータの制御量を診断閾値（Ａ、Ｂ）と比較して、上記素子カバーの状態を診断する、請求項６に記載の排ガスセンサ。
  8. 　上記診断閾値は、上記素子カバーの上記周辺環境状態に応じて設定される、請求項７に記載の排ガスセンサ。
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