JP2004212145A - ガスセンサの診断装置 - Google Patents
ガスセンサの診断装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004212145A JP2004212145A JP2002380436A JP2002380436A JP2004212145A JP 2004212145 A JP2004212145 A JP 2004212145A JP 2002380436 A JP2002380436 A JP 2002380436A JP 2002380436 A JP2002380436 A JP 2002380436A JP 2004212145 A JP2004212145 A JP 2004212145A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- value
- gas sensor
- concentration
- gas
- oxygen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
【課題】ガスセンサの異常を正確に診断することができて、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができるガスセンサの診断装置を提供する。
【解決手段】第一及び第二の検知手段から得られる窒素酸化物の濃度の極値と第二の検知手段から得られる酸素の濃度の極値とを検出する極値検出手段と、極値に対応する時間を検出する時間検出手段と、濃度、極値及び時間に対する演算を行う演算手段と、演算の結果と設定値とを比較する比較手段とを具備している。このため、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。
【選択図】 図1
【解決手段】第一及び第二の検知手段から得られる窒素酸化物の濃度の極値と第二の検知手段から得られる酸素の濃度の極値とを検出する極値検出手段と、極値に対応する時間を検出する時間検出手段と、濃度、極値及び時間に対する演算を行う演算手段と、演算の結果と設定値とを比較する比較手段とを具備している。このため、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質基板を用いて窒素酸化物(NOx)の濃度を検知するためのガスセンサを診断する診断装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車の内燃機関や廃棄物の焼却装置等からの排気ガスに対する規制が近年ますます厳しくなってきている。この様な規制に対処するために、例えば、自動車の内燃機関の排気系統には、排気ガスに含まれている窒素酸化物を吸蔵するための触媒が搭載されている。しかし、図7(a)に示されている様に、触媒が窒素酸化物を吸蔵するに連れて、触媒の吸蔵効果が低下し、排気系統からの窒素酸化物の排出濃度が上昇する。このため、燃料である炭化水素、アルコール、アンモニア等の還元性ガスを短時間で排気系統へ送る。
【0003】
排気系統へ還元性ガスを送ると、排気ガス自体が還元される他に触媒に吸蔵されている窒素酸化物も窒素へ還元されて触媒の吸蔵能力が回復し、窒素酸化物の排出濃度がゼロ近くまで低下して、触媒は次の吸蔵周期に入る。この様な還元処理は一定の時間間隔で行ってもよいが、触媒を通過した排気ガス中の窒素酸化物濃度を窒素酸化物センサで検知し、触媒の吸蔵効果が低下して排気系統からの窒素酸化物の排出濃度が上昇した時点で還元処理を行うことが、有効且つ経済的であって理想的である。
【0004】
窒素酸化物センサとしては、電極が固定されている酸素イオン伝導性の固体電解質基板を有するセンサが多く用いられている。しかし、排気ガスに曝される窒素酸化物センサは熱履歴を繰返して受けるので、窒素酸化物センサの胴体にはガス漏れや割れを生じる可能性がある。これらのガス漏れや割れが生じると、被検知ガス中の窒素酸化物の濃度が変動し、窒素酸化物の正確な濃度を検知することができなくて、検知性能が劣化する。
【0005】
また、固体電解質基板に固定されている電極が酸化物電極や酸化物を含む電極であると、これらの電極の化学的安定性は白金電極よりも劣っており、長時間の使用による劣化によって活性が低下したり固体電解質基板から剥離したりする可能性がある。これらの低下や剥離が生じると、窒素酸化物の正確な濃度を検知することができなくて、やはり検知性能が劣化する。
【0006】
具体的には、固体電解質基板に固定されている電極の活性が低下していくと、被検知ガスの組成の急激な変化に対する応答速度も低下していく。つまり、還元処理期間中に窒素酸化物センサから出力される窒素酸化物の検知結果は、電極の活性の低下に連れて、図7(b)に示されている様に実線の状態から破線の状態になり更に点線の状態になって、検知結果が極大Pであった時刻T1から極小になる時刻T2までの時間が長くなる。この結果、被検知ガス中の窒素酸化物濃度が実際には十分に低下しているにも拘らず還元処理が継続されて、過剰に使用された還元性ガスが放出される可能性がある。
【0007】
また、窒素酸化物センサの感度が低下すると、図7(c)に示されている様に、同じ濃度の窒素酸化物に対して、検知結果がP1からP2へ低下し更にP3へと低下していく。この結果、還元処理が開始される時点における実際の窒素酸化物の排出濃度が高くなると共に、図7(d)に示されている様に還元処理の周期も当初のTiから次第に長くなってTになり、還元性ガスが過少にしか使用されなくて未還元の窒素酸化物が排出される可能性がある。
【0008】
そこで、自己診断手段を有するガスセンサが提案されている(例えば、特開平11−2620号公報)。このガスセンサにおける自己診断手段は、所定の電極間におけるインピーダンスが所定の時間に亙って規定値に達しない場合にそのガスセンサが故障であると診断する。従って、ガスセンサが故障であるとの自己診断に基づいて、そのガスセンサを迅速に保守点検することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の自己診断手段は、電極間のインピーダンスに基づいてガスセンサの故障の有無を診断するのであって、ガスセンサの検知性能そのものの劣化を直接には診断せず、これではガスセンサの異常を必ずしも正確には診断することができない。つまり、所定の電極間におけるインピーダンスが所定の時間内に規定値に達していてもガスセンサの検知性能が劣化している場合が考えられ、ガスセンサによる検知結果の信頼性が必ずしも高くない。従って、本願の発明は、ガスセンサの異常を正確に診断することができて、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができるガスセンサの診断装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係るガスセンサの診断装置では、極値検出手段で窒素酸化物の濃度の極大値を検出することによって還元処理の開始を知ることができ、極値検出手段で窒素酸化物の濃度の極小値を検出することによって還元処理の終了を知ることができる。また、時間検出手段によって還元処理の期間や周期を知ることができる。
【0011】
更に、演算手段によって濃度、極値及び時間に対する演算を行うことができ、比較手段によって演算の結果と設定値とを比較することができる。このため、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。
【0012】
請求項2に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度が極小値である時に第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力との差の絶対値を求める。還元処理によって窒素酸化物の濃度が極小値になった時には、その窒素酸化物の濃度はゼロに近いが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。
【0013】
一方、第一の検知手段は窒素酸化物と酸素との両方に活性な窒素酸化物検知電極を有しており、第二の検知手段は酸素に活性な酸素検知電極を有している。このため、窒素酸化物の濃度が極小値である時には、第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力とは互いに略等しいはずである。従って、これらの差の絶対値が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0014】
請求項3に係るガスセンサの診断装置は、第二の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求める。還元処理によって被検知ガス中の酸素の濃度はゼロに近くなるが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。このため、還元処理終期における極小値も還元処理直前における極大値に比べて極端には低下しない。従って、これらの差が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0015】
請求項4に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求める。還元処理によって窒素酸化物の濃度はゼロに近くなるが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。
【0016】
一方、第一の検知手段は窒素酸化物と酸素との両方に活性な窒素酸化物検知電極を有している。このため、還元処理終期における極小値も還元処理直前における極大値に比べて極端には低下しない。従って、これらの差が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0017】
請求項5に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求める。被検知ガスの組成の急激な変化に対する第一の検知手段の応答速度が低下すると、この第一の検知手段からの出力が還元処理直前における極大値から還元処理終期における極小値まで変化するのに要する時間が長くなって、変化率の絶対値の最大値が小さくなる。従って、この最大値が設定値以下である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0018】
請求項6に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力との差について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求める。被検知ガスの組成の急激な変化に対する第一及び第二の検知手段の応答速度が低下すると、これら第一及び第二の検知手段からの出力が還元処理直前における極大値から還元処理終期における極小値まで変化するのに要する時間が長くなって、変化率の絶対値の最大値が小さくなる。従って、この最大値が設定値以下である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0019】
請求項7に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度が極大値である時から次の極大値である時までの周期を求める。第一の検知手段の感度が低下すると、この周期が長くなる。従って、この周期が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0020】
請求項8に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度を示す検知信号の値が設定範囲以外であるか否かを判断する。検知信号の値には適正な範囲が存在するので、この値が設定範囲以外である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、自動車の内燃機関の排気系統に使用される積層型の総窒素酸化物(NOx)センサに用いられる診断装置に適用した本願の発明の一実施形態を、図1〜7を参照しながら説明する。図2が、本実施形態の診断装置が用いられる総NOxセンサ11を示している。この総NOxセンサ11では、Y2O3が添加されているZrO2から成る酸素イオン伝導性の固体電解質基板12の一方の面に、Pt−Rh合金とNiO2、Cr2O3等の金属酸化物とから成っておりNOxと酸素との両方に活性な即ちNOxと酸素との両方によって所定の電極電位を生じる窒素酸化物(NOx)検知電極13と、Ptから成っており酸素に活性な酸素検知電極14とが固定されている。
【0022】
固体電解質基板12の他方の面であってNOx検知電極13及び酸素検知電極14に対向する位置に、Ptから成っており酸素に活性な参照電極15が固定されている。また、Y2O3が添加されているZrO2から成る酸素イオン伝導性の固体電解質基板16の一方の面に、Pt−Rh合金から成っておりNOxと酸素との両方に活性な窒素酸化物(NOx)変換電極17が固定されており、固体電解質基板16の他方の面であってNOx変換電極17に対向する位置に、酸素に活性な対向電極18が固定されている。NOx検知電極13と参照電極15との間に電圧計21が接続されており、酸素検知電極14と参照電極15との間に電圧計22が接続されている。
【0023】
NOx変換電極17と対向電極18との間に電源23が接続されて、これらのNOx変換電極17と対向電極18と電源23とで窒素酸化物(NOx)変換ポンプ24が構成されている。固体電解質基板12、16がスペーサ25を介して互いに固定されることによって、NOx検知電極13及び酸素検知電極14とNOx変換電極17とが夫々対向すると共に、これらの検知電極13と酸素検知電極14とNOx変換電極17とが臨むガス検知室26が形成されている。ガス検知室26には小孔等であるガス導入口27が設けられており、ガス導入口27を通過するガスに所定の拡散抵抗が付与される。
【0024】
固体電解質基板12の参照電極15側の面にスペーサ28を介して基板31が固定されることによって、固体電解質基板12と基板31との間に大気基準ダクト32が形成されている。基板31の大気基準ダクト32とは反対側の面に基板33が固定されており、絶縁層(図示せず)内に埋め込まれている自己加熱式のヒータ34が基板31、33同士の対向面であってガス検知室26に略対応する位置に設けられている。また、固体電解質基板16の対向電極18側の面にスペーサ35を介して基板36が固定されることによって、固体電解質基板16と基板36との間に大気基準ダクト37が形成されている。
【0025】
図示されてはいないが、電圧計21、22、NOx変換ポンプ24及びヒータ34は夫々信号検知回路、駆動回路及び加熱回路に接続されており、これらの信号検知回路や駆動回路や加熱回路等がセンサ制御ユニットに含まれている。使用時の総NOxセンサ11は、ヒータ34及び加熱回路によって、固体電解質基板12、16のイオン伝導度が高まる300〜400℃以上の温度に保持される必要がある。
【0026】
この様な総NOxセンサ11を製造するためには、Y2O3が添加されているZrO2から成る固体電解質のグリーンシートに上述の各種の電極をスクリーン印刷し、ガス検知室26及び大気基準ダクト32、37を形成する部分に昇華物質をスクリーン印刷する。また、基板31または基板33に絶縁材料及びヒータ34をスクリーン印刷し、上述のグリーンシートと基板31、33、36とスペーサ25、28、35等の必要部分に絶縁材料及び接着剤をスクリーン印刷する。これらのグリーンシートと基板31、33、36とスペーサ25、28、35等とを積層させ、乾燥や焼成等を行う。
【0027】
基板31、33、36やスペーサ25、28、35を形成するために、固体電解質基板12、16と同様にY2O3が添加されているZrO2から成る固体電解質のグリーンシートを用いてもよく、その他の部材を用いてもよい。そして、電圧計21、22、電源23及びセンサ制御ユニットへの接続を行って、総NOxセンサ11を完成させる。総NOxセンサ11のセンサ制御ユニットに本実施形態の診断装置が接続されており、この診断装置は総NOxセンサ11のセンサ制御ユニットから検知信号である電圧計21、22の出力信号を読み込んで後述する図1の処理を行う。
【0028】
診断装置は、H8/3048Fチップ(日立社製)を搭載する16ビットのワンボードマイクロコンピュータを用いて作製されている。このマイクロコンピュータは8チャンネルのA/D変換入力端子及び入力バッファを有しているが、上述の様に診断装置は電圧計21、22の出力信号を読み込むので、少なくとも2チャンネルのA/D変換入力端子及び入力バッファがあればよい。各々のA/D変換入力端子は、10ビットの分解能を有しているので、±100mVの電圧値を入力するとすれば、約0.2mVの分解能を有している。
【0029】
診断装置のマイクロコンピュータには、更に、2チャンネルのD/A変換出力端子、9チャンネルのデジタル入出力端子、RS232通信ポート等が装備されているので、診断結果に基づいて、警告を発することができる。診断装置のマイクロコンピュータにはフラッシュROMも装備されており、後述する図1の処理を行うプログラムがフラッシュROMに記憶されている。総NOxセンサ11の作動を開始すると、診断装置のマイクロコンピュータにも同時に電源が投入されて、フラッシュROMに記憶されているプログラムが自動的に実行される。
【0030】
ところで、公害関係における大気汚染物質としての窒素酸化物とはNOとNO2との総称であって、これらのNOとNO2とがNOxと略称されている。NOxのうちのNOを総NOxセンサ11で検知するためには、下記の式(1)のカソード反応と下記の式(2)のアノード反応とがNOx検知電極13で同時に生じる必要がある。また、NOxのうちのNO2を総NOxセンサ11で検知するためには、下記の式(3)のアノード反応と下記の式(4)のカソード反応とがNOx検知電極13で同時に生じる必要がある。
【0031】
O2 + 4e− → 2O2− (1)
2NO + 2O2− → 2NO2 + 4e− (2)
2O2− → O2 + 4e− (3)
2NO2 + 4e− → 2NO + 2O2− (4)
【0032】
式(1)のカソード反応の速度と式(2)のアノード反応の速度とは互いに等しい状態にあり、また、式(3)のアノード反応の速度と式(4)のカソード反応の速度とも互いに等しい状態にあり、これらの場合の電極電位である混成電位がNOx検知電極13に生じる。従って、NOx検知電極13は混成電極であり、総NOxセンサ11は混成電位型のセンサである。
【0033】
しかし、式(1)(2)の反応と式(3)(4)の反応とではNOx検知電極13の電極電位が互いに逆極性になるので、被検知ガス中にNOとNO2とが混在していると、相互干渉によって総NOx濃度を正確に検知することができない。NOx変換ポンプ24はこれらに対処するために設けられている。
【0034】
即ち、NOx変換電極17と対向電極18との間に電源23から印加される電圧に応じて、NOx変換ポンプ24は、大気基準ダクト37からガス検知室26内に酸素を導入するかまたはその反対に酸素を排出し、ガス検知室26内のNOをNO2に変換するかまたはNO2をNOに変換することによって、ガス検知室26内のNOxをNOかNO2かの何れかに単ガス化する。
【0035】
また、NOx検知電極13にはガス検知室26内のNOx濃度のみならず酸素濃度にも応じた電極電位が生じ、ガス検知室26内のNOx濃度が一定でも酸素濃度が上昇すれば、参照電極15を基準にして測定したNOx検知電極13の電極電位(ENOx−R)、つまり、電圧計21の出力値が増加する。しかし、酸素検知電極14を基準にして測定したNOx検知電極13の電極電位(ENOx−O2)、つまり、電圧計21の出力値から電圧計22の出力値を減じた値は、ガス検知室26内のNOx濃度が一定である場合に酸素濃度が上昇すると、減少する。
【0036】
NOx変換ポンプ24はガス検知室26内に対する酸素のポンプ機能を有しているが、総NOxセンサ11のガス感度を高めるために、ガス導入口27によるガスの拡散抵抗は高くされていない。そして、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度は約0〜20%のかなり広い範囲で変動する。このため、NOx変換ポンプ24の存在にも拘らず、ガス検知室26内に多量に流入するこの排気ガス中の酸素濃度に影響されて、ガス検知室26内の酸素濃度も広い範囲で変動する。
【0037】
しかし、上述の様にENOx−RとENOx−O2との酸素濃度に対する変化極性が互いに逆であるので、これらの変化率の絶対値が互いに等しくなる様な補正を行うことによって、酸素濃度に依存しない総NOx濃度の検知値を得ることができる。
そこで、総NOxセンサ11のセンサ制御ユニットは、下記の式(5)によって総NOx濃度を求めている。
総NOx濃度=(a・ENOx−R+b・ENOx−O2)/(a+b) (5)
式(5)中の係数a、bは、電極の材料、作動温度、酸素濃度の変化範囲、NOxの検知範囲等の総NOxセンサ11の作動状態によって決められる。
【0038】
以上の様な総NOxセンサ11によって被検知ガス中の総NOx濃度を検知しつつ本実施形態の診断装置によってこの総NOxセンサ11を診断するためには、総NOxセンサ11のガス導入口27からガス検知室26内へ被検知ガスを導入すると共に大気基準ダクト32、37を大気に通じさせた状態で、総NOxセンサ11の作動を開始させる。すると、既述の様にして得られた電圧計21、22からの出力信号がセンサ制御ユニットへ送られ、センサ制御ユニットで総NOx濃度が求められる。そして、この総NOx濃度に基づく制御信号が自動車の内燃機関の排気系統へ送られて、還元処理が行われる。
【0039】
一方、図1(a)に示されている様に、本実施形態の診断装置は、総NOxセンサ11のセンサ制御ユニットから検知信号を読み込んで記憶し、総NOx濃度が極値であるか否かを判断する。総NOx濃度が極小値つまり還元処理終期であれば図1(b)に示されている還元処理期間関連処理を行い、総NOx濃度が極大値つまり還元処理直前であれば図1(c)に示されている周期関連処理を行う。そして、総NOx濃度が極値でない場合は極値であるか否かの判断後に、還元処理期間関連処理または周期関連処理を行った場合はその後に、所定時間のタイマー計測を行ってから、再び検知信号を読み込んで記憶し、上述の処理を繰り返す。
【0040】
総NOx濃度が極小値であれば、図1(b)に示されている様に、還元処理期間関連処理の最初の処理として、下記の式(6)を演算する。
ΔET=(ENOx−ER)−(EO2−ER)=ENOx−EO2 (6)
この式(6)におけるENOx、EO2及びERは還元処理期間つまり図7(b)(c)中の時刻T1から時刻T2までの期間における夫々NOx検知電極13、酸素検知電極14及び参照電極15における電極電位であり、ENOx−ER及びEO2−ERは夫々電圧計21及び電圧計22からの出力信号として得られる。
【0041】
既述の様に、NOx検知電極13はNOxと酸素との両方に活性であり、酸素検知電極14は酸素に活性である。しかし、還元処理終期には、図7(a)に示されている様に、総NOx濃度はゼロに近い。このため、還元処理終期には、NOx検知電極13における電極電位と酸素検知電極14における電極電位とは互いに略等しいはずである。従って、還元処理終期には、NOx検知電極13における電極電位と酸素検知電極14における電極電位との差である式(6)のΔETはゼロに近いはずである。
【0042】
このことから、ΔETの絶対値が設定値よりも大きければ、NOx検知電極13と酸素検知電極14との何れかが異常であると考えられる。ENOx−EO2であるΔETは、式(5)中のENOx−O2と等しいので、総NOxセンサ11が出力する総NOx濃度を示す信号のオフセットに直接に関与している。そこで、ΔETを演算した後にΔETの絶対値を診断装置に記憶されている設定値と比較して、絶対値が設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。
【0043】
ΔETの絶対値が設定値以上でなければ、電圧計22からの出力信号であるEO2−ERについて、記憶しておいた還元処理直前の極大値と現在の極小値との差であるΔEO2を演算する。還元処理終期には、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度はゼロに近い。しかし、ガス検知室26内のNOをNO2に変換する場合は、NOx変換ポンプ24が大気基準ダクト37からガス検知室26内に酸素を導入する。
【0044】
また、ガス検知室26内のNO2をNOに変換する場合も、ガス検知室26内に所定濃度以上の酸素が必要であるのでこの所定濃度以上になる様にNOx変換ポンプ24が大気基準ダクト37からガス検知室26内に酸素を導入し、更に、NO2からNOへの変換に伴ってO2が生成される。従って、ガス検知室26内の被検知ガス中の酸素濃度はゼロよりかは大きい。このため、総NOxセンサ11が正常であれば、還元処理終期でも、電圧計22からの出力信号であるEO2−ERは還元処理直前に比べて極端には低下しない。
【0045】
しかし、例えば、総NOxセンサ11の胴体のガス漏れや割れ、NOx変換ポンプ24の電流低下や断線等があると、還元処理終期にはガス検知室26内の被検知ガス中の酸素濃度もゼロに近い。この結果、還元処理終期には電圧計22からの出力信号であるEO2−ERが還元処理直前に比べて極端に低下して、ΔEO2が大きくなる。このことから、ΔEO2が設定値よりも大きければ、総NOxセンサ11が異常であると考えられる。そこで、ΔEO2を演算した後にこのΔEO2を診断装置に記憶されている設定値と比較して、ΔEO2が設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。
【0046】
ΔEO2が設定値以上でなければ、電圧計21からの出力信号であるENOx−ERについて、記憶しておいた還元処理直前の極大値と現在の極小値との差であるΔENOxを演算する。上述の様に、還元処理終期には、総NOx濃度はゼロに近く、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度もゼロに近いが、NOx変換ポンプ24の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってガス検知室26内の被検知ガス中の酸素濃度はゼロよりかは大きい。一方、NOx検知電極13はNOxと酸素との両方に活性である。
【0047】
このため、総NOxセンサ11が正常であれば、還元処理終期でも還元処理直前に比べて、電圧計21からの出力信号であるENOx−ERは、電圧計22からの出力信号であるEO2−ERに比べると低下幅は大きいがやはり極端には低下しない。しかし、上述の場合と同様に、例えば、総NOxセンサ11の胴体のガス漏れや割れ、NOx変換ポンプ24の電流低下や断線等があると、還元処理終期にはガス検知室26内の被検知ガス中の酸素濃度もゼロに近い。
【0048】
この結果、還元処理終期には電圧計21からの出力信号であるENOx−ERが還元処理直前に比べて低下して、ΔENOxが大きくなる。このことから、ΔENOxが設定値よりも大きければ、総NOxセンサ11が異常であると考えられる。そこで、ΔENOxを演算した後にΔENOxを診断装置に記憶されている設定値と比較して、ΔENOxが設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。
【0049】
ΔENOxが設定値以上でなければ、下記の式(7)を演算する。
τ=TR/(ET1−ET2) (7)
この式(7)におけるET1及びET2は、NOx検知電極13の電極電位についての夫々記憶しておいた還元処理直前の極大値及び現在の極小値、つまり図7(b)(c)中の時刻T1及び時刻T2におけるNOx検知電極13の電極電位である。また、TRは時刻T1から時刻T2までの時間である。
【0050】
NOx検知電極13の活性が低下していくと、被検知ガスの組成の急激な変化に対する応答速度も低下していくので、時間TRが長くなって、τが大きくなる。このことから、τが設定値よりも大きければ、総NOxセンサ11が異常であると考えられる。そこで、τを演算した後に診断装置に記憶されている設定値と比較して、τが設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。なお、τを用いる代わりに、時刻T1から時刻T2までの電位−時間曲線を連続的に微分して、この微分値の絶対値の最大値が設定値以下である場合に、総NOxセンサ11が異常であることを警告してもよい。
【0051】
上記の式(7)におけるET1及びET2はNOx検知電極13の電極電位についての夫々還元処理直前の極大値及びこの極大値に続く極小値であるので、NOx検知電極13の応答特性と酸素検知電極14の応答特性とに差がある場合であっても、総NOxセンサ11の異常を診断することができる。しかし、NOx検知電極13の応答特性と酸素検知電極14の応答特性とに差がない場合には、NOx検知電極13の電極電位と酸素検知電極14の電極電位との差についての夫々還元処理直前の極大値及びこの極大値に続く極小値を上記の式(7)におけるET1及びET2にするか、または、この差についての時間曲線の連続的な微分値を求めてもよい。この場合には、酸素検知電極14自体の異常によっても、総NOxセンサ11の異常を診断することができる。
【0052】
図1(a)における判断で総NOx濃度が極大値であれば、図1(c)に示されている様に、周期関連処理として、図7(d)に示されている総NOx濃度が極大値である時から次の極大値である時までの期間である還元処理の周期Tを判定する。総NOxセンサ11の感度が低下すると、周期Tが長くなる。このことから、周期Tが設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であると考えられる。そこで、診断装置に記憶されている設定値と周期Tとを比較して、周期Tが設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。なお、周期Tと比較される設定値は例えば自動車の内燃機関の空燃比等である運転状態によって変化するので、その内燃機関に適合した設定値を診断装置に予め記憶させておく。
【0053】
実験1
以上の様な診断装置がセンサ制御ユニットに接続されている総NOxセンサ11を、自動車排気ガス模擬計測システムに据え付けた。この総NOxセンサ11の温度をヒータ34及び加熱回路によって600℃に維持し、模擬ガス混合装置によって、3000ppmのC3H8が共存する模擬ガスを供給しながら、この模擬ガスの温度を室温と800℃との間の昇温と降温とを一サイクルとして変化させた。そして、この熱サイクルを10回繰り返しつつ、総NOx濃度を示す検知信号としての出力電圧を計測した。
【0054】
図3が、この結果を示している。図3に示されている様に、検知信号としての出力電圧は、第一〜第三サイクルの間ではC3H8による排気ガスの還元のために略一定であったが、第四サイクルの800℃付近の温度で−80mV以下まで急速に低下した。実験1に用いられた総NOxセンサ11では、検知信号としての出力電圧が−60mV以下に低下すると警報ランプが点灯する様にマイクロコンピュータのフラッシュROM中のプログラムがプログラミングされているので、−60mV以下の出力領域で警報ランプが点灯した。
【0055】
この総NOxセンサ11を分解して観察したところ、熱サイクルによってガス検知室26の気密性が極端に低下してガス漏れが生じたことが判明した。このガス漏れによってガス検知室26内の酸素濃度が低下し、更に、C3H8が排気ガスによって完全には酸化されていない状態でガス検知室26内に進入しNOx検知電極13及び酸素検知電極14の表面に特異吸着してこれらの電極の表面層における酸素濃度が見かけ上低下したために、検知信号としての出力電圧が低下した。
【0056】
実験2
正常な総NOxセンサ11と性能の低下した総NOxセンサ11とを、自動車排気ガス模擬計測システムに据え付けた。両方の総NOxセンサ11の温度をヒータ34及び加熱回路によって600℃に維持し、模擬ガス混合装置によって図4に示す組成のガスを供給した。即ち、窒素を定常的に供給し、NO及び酸素を夫々20ppm/秒及び500ppm/秒の濃度増加率で供給し、NO及び酸素の供給開始から10秒が経過した時点でNO及び酸素の濃度を0ppmに戻し、その後、再び、NO及び酸素を夫々20ppm/秒及び500ppm/秒の濃度増加率で供給した。
【0057】
この様にガスの組成を周期的に変化させつつ、電圧計21、22からの出力電圧を計測した。図5、6が、夫々正常な総NOxセンサ11と性能の低下した総NOxセンサ11との結果を示している。これらの図5、6から、正常な総NOxセンサ11では酸素検知電極14の応答速度及び感度もNOx検知電極13の応答速度及び感度も大差はないが、性能の低下した総NOxセンサ11では酸素検知電極14の応答速度に比べてNOx検知電極13の応答速度が明らかに低下している。従って、上述の様に、応答速度であるτを設定値と比較することによって、総NOxセンサ11が異常であることを判断することができる。
【0058】
なお、総NOxセンサ11における固体電解質基板12、16、NOx検知電極13、酸素検知電極14、参照電極15、NOx変換電極17等の材料は、上述の材料に限定されない。また、本実施形態の診断装置は総NOxセンサ11に内蔵されていても外付けされていてもよく、総NOxセンサ11も自動車の内燃機関の排気系統のみならず廃棄物の焼却装置の排気系統等にも使用することができる。
【0059】
【発明の効果】
請求項1に係るガスセンサの診断装置では、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。このため、ガスセンサの胴体におけるガス漏れや割れ、第一及び第二検知手段や酸素ポンプ手段における性能の劣化等であるガスセンサの異常を正確に診断することができて、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができる。
【0060】
請求項2〜8に係るガスセンサの診断装置では、ガスセンサの異常を正確に診断することができるので、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の発明の一実施形態における処理の流れ図であり、(a)はメインルーチン、(b)(c)はサブルーチンである。
【図2】本願の発明の一実施形態が用いられているガスセンサの側断面図である。
【図3】本願の発明の一実施形態による実験1の結果を示すグラフである。
【図4】本願の発明の一実施形態による実験2を行うためのガスの濃度を示すグラフである。
【図5】ガスセンサが正常な場合の実験2の結果を示すグラフである。
【図6】ガスセンサの性能が低下している場合の実験2の結果を示すグラフである。
【図7】(a)は還元処理とNOxの濃度との関係を示すグラフ、(b)はガスセンサの応答速度の低下を示すグラフ、(c)はガスセンサの感度の低下を示すグラフ、(d)は感度の低下による還元処理の周期の長期化を示すグラフである。
【符号の説明】
11…総窒素酸化物センサ(ガスセンサ)、12、16…固体電解質基板、13…窒素酸化物検知電極、14…酸素検知電極、15…参照電極(第一及び第二の検知手段)、21…電圧計(第一の検知手段)、22…電圧計(第二の検知手段)、24…窒素酸化物変換ポンプ(酸素ポンプ手段)、26…ガス検知室
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質基板を用いて窒素酸化物(NOx)の濃度を検知するためのガスセンサを診断する診断装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車の内燃機関や廃棄物の焼却装置等からの排気ガスに対する規制が近年ますます厳しくなってきている。この様な規制に対処するために、例えば、自動車の内燃機関の排気系統には、排気ガスに含まれている窒素酸化物を吸蔵するための触媒が搭載されている。しかし、図7(a)に示されている様に、触媒が窒素酸化物を吸蔵するに連れて、触媒の吸蔵効果が低下し、排気系統からの窒素酸化物の排出濃度が上昇する。このため、燃料である炭化水素、アルコール、アンモニア等の還元性ガスを短時間で排気系統へ送る。
【0003】
排気系統へ還元性ガスを送ると、排気ガス自体が還元される他に触媒に吸蔵されている窒素酸化物も窒素へ還元されて触媒の吸蔵能力が回復し、窒素酸化物の排出濃度がゼロ近くまで低下して、触媒は次の吸蔵周期に入る。この様な還元処理は一定の時間間隔で行ってもよいが、触媒を通過した排気ガス中の窒素酸化物濃度を窒素酸化物センサで検知し、触媒の吸蔵効果が低下して排気系統からの窒素酸化物の排出濃度が上昇した時点で還元処理を行うことが、有効且つ経済的であって理想的である。
【0004】
窒素酸化物センサとしては、電極が固定されている酸素イオン伝導性の固体電解質基板を有するセンサが多く用いられている。しかし、排気ガスに曝される窒素酸化物センサは熱履歴を繰返して受けるので、窒素酸化物センサの胴体にはガス漏れや割れを生じる可能性がある。これらのガス漏れや割れが生じると、被検知ガス中の窒素酸化物の濃度が変動し、窒素酸化物の正確な濃度を検知することができなくて、検知性能が劣化する。
【0005】
また、固体電解質基板に固定されている電極が酸化物電極や酸化物を含む電極であると、これらの電極の化学的安定性は白金電極よりも劣っており、長時間の使用による劣化によって活性が低下したり固体電解質基板から剥離したりする可能性がある。これらの低下や剥離が生じると、窒素酸化物の正確な濃度を検知することができなくて、やはり検知性能が劣化する。
【0006】
具体的には、固体電解質基板に固定されている電極の活性が低下していくと、被検知ガスの組成の急激な変化に対する応答速度も低下していく。つまり、還元処理期間中に窒素酸化物センサから出力される窒素酸化物の検知結果は、電極の活性の低下に連れて、図7(b)に示されている様に実線の状態から破線の状態になり更に点線の状態になって、検知結果が極大Pであった時刻T1から極小になる時刻T2までの時間が長くなる。この結果、被検知ガス中の窒素酸化物濃度が実際には十分に低下しているにも拘らず還元処理が継続されて、過剰に使用された還元性ガスが放出される可能性がある。
【0007】
また、窒素酸化物センサの感度が低下すると、図7(c)に示されている様に、同じ濃度の窒素酸化物に対して、検知結果がP1からP2へ低下し更にP3へと低下していく。この結果、還元処理が開始される時点における実際の窒素酸化物の排出濃度が高くなると共に、図7(d)に示されている様に還元処理の周期も当初のTiから次第に長くなってTになり、還元性ガスが過少にしか使用されなくて未還元の窒素酸化物が排出される可能性がある。
【0008】
そこで、自己診断手段を有するガスセンサが提案されている(例えば、特開平11−2620号公報)。このガスセンサにおける自己診断手段は、所定の電極間におけるインピーダンスが所定の時間に亙って規定値に達しない場合にそのガスセンサが故障であると診断する。従って、ガスセンサが故障であるとの自己診断に基づいて、そのガスセンサを迅速に保守点検することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の自己診断手段は、電極間のインピーダンスに基づいてガスセンサの故障の有無を診断するのであって、ガスセンサの検知性能そのものの劣化を直接には診断せず、これではガスセンサの異常を必ずしも正確には診断することができない。つまり、所定の電極間におけるインピーダンスが所定の時間内に規定値に達していてもガスセンサの検知性能が劣化している場合が考えられ、ガスセンサによる検知結果の信頼性が必ずしも高くない。従って、本願の発明は、ガスセンサの異常を正確に診断することができて、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができるガスセンサの診断装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係るガスセンサの診断装置では、極値検出手段で窒素酸化物の濃度の極大値を検出することによって還元処理の開始を知ることができ、極値検出手段で窒素酸化物の濃度の極小値を検出することによって還元処理の終了を知ることができる。また、時間検出手段によって還元処理の期間や周期を知ることができる。
【0011】
更に、演算手段によって濃度、極値及び時間に対する演算を行うことができ、比較手段によって演算の結果と設定値とを比較することができる。このため、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。
【0012】
請求項2に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度が極小値である時に第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力との差の絶対値を求める。還元処理によって窒素酸化物の濃度が極小値になった時には、その窒素酸化物の濃度はゼロに近いが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。
【0013】
一方、第一の検知手段は窒素酸化物と酸素との両方に活性な窒素酸化物検知電極を有しており、第二の検知手段は酸素に活性な酸素検知電極を有している。このため、窒素酸化物の濃度が極小値である時には、第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力とは互いに略等しいはずである。従って、これらの差の絶対値が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0014】
請求項3に係るガスセンサの診断装置は、第二の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求める。還元処理によって被検知ガス中の酸素の濃度はゼロに近くなるが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。このため、還元処理終期における極小値も還元処理直前における極大値に比べて極端には低下しない。従って、これらの差が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0015】
請求項4に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求める。還元処理によって窒素酸化物の濃度はゼロに近くなるが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。
【0016】
一方、第一の検知手段は窒素酸化物と酸素との両方に活性な窒素酸化物検知電極を有している。このため、還元処理終期における極小値も還元処理直前における極大値に比べて極端には低下しない。従って、これらの差が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0017】
請求項5に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求める。被検知ガスの組成の急激な変化に対する第一の検知手段の応答速度が低下すると、この第一の検知手段からの出力が還元処理直前における極大値から還元処理終期における極小値まで変化するのに要する時間が長くなって、変化率の絶対値の最大値が小さくなる。従って、この最大値が設定値以下である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0018】
請求項6に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力との差について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求める。被検知ガスの組成の急激な変化に対する第一及び第二の検知手段の応答速度が低下すると、これら第一及び第二の検知手段からの出力が還元処理直前における極大値から還元処理終期における極小値まで変化するのに要する時間が長くなって、変化率の絶対値の最大値が小さくなる。従って、この最大値が設定値以下である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0019】
請求項7に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度が極大値である時から次の極大値である時までの周期を求める。第一の検知手段の感度が低下すると、この周期が長くなる。従って、この周期が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0020】
請求項8に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度を示す検知信号の値が設定範囲以外であるか否かを判断する。検知信号の値には適正な範囲が存在するので、この値が設定範囲以外である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、自動車の内燃機関の排気系統に使用される積層型の総窒素酸化物(NOx)センサに用いられる診断装置に適用した本願の発明の一実施形態を、図1〜7を参照しながら説明する。図2が、本実施形態の診断装置が用いられる総NOxセンサ11を示している。この総NOxセンサ11では、Y2O3が添加されているZrO2から成る酸素イオン伝導性の固体電解質基板12の一方の面に、Pt−Rh合金とNiO2、Cr2O3等の金属酸化物とから成っておりNOxと酸素との両方に活性な即ちNOxと酸素との両方によって所定の電極電位を生じる窒素酸化物(NOx)検知電極13と、Ptから成っており酸素に活性な酸素検知電極14とが固定されている。
【0022】
固体電解質基板12の他方の面であってNOx検知電極13及び酸素検知電極14に対向する位置に、Ptから成っており酸素に活性な参照電極15が固定されている。また、Y2O3が添加されているZrO2から成る酸素イオン伝導性の固体電解質基板16の一方の面に、Pt−Rh合金から成っておりNOxと酸素との両方に活性な窒素酸化物(NOx)変換電極17が固定されており、固体電解質基板16の他方の面であってNOx変換電極17に対向する位置に、酸素に活性な対向電極18が固定されている。NOx検知電極13と参照電極15との間に電圧計21が接続されており、酸素検知電極14と参照電極15との間に電圧計22が接続されている。
【0023】
NOx変換電極17と対向電極18との間に電源23が接続されて、これらのNOx変換電極17と対向電極18と電源23とで窒素酸化物(NOx)変換ポンプ24が構成されている。固体電解質基板12、16がスペーサ25を介して互いに固定されることによって、NOx検知電極13及び酸素検知電極14とNOx変換電極17とが夫々対向すると共に、これらの検知電極13と酸素検知電極14とNOx変換電極17とが臨むガス検知室26が形成されている。ガス検知室26には小孔等であるガス導入口27が設けられており、ガス導入口27を通過するガスに所定の拡散抵抗が付与される。
【0024】
固体電解質基板12の参照電極15側の面にスペーサ28を介して基板31が固定されることによって、固体電解質基板12と基板31との間に大気基準ダクト32が形成されている。基板31の大気基準ダクト32とは反対側の面に基板33が固定されており、絶縁層(図示せず)内に埋め込まれている自己加熱式のヒータ34が基板31、33同士の対向面であってガス検知室26に略対応する位置に設けられている。また、固体電解質基板16の対向電極18側の面にスペーサ35を介して基板36が固定されることによって、固体電解質基板16と基板36との間に大気基準ダクト37が形成されている。
【0025】
図示されてはいないが、電圧計21、22、NOx変換ポンプ24及びヒータ34は夫々信号検知回路、駆動回路及び加熱回路に接続されており、これらの信号検知回路や駆動回路や加熱回路等がセンサ制御ユニットに含まれている。使用時の総NOxセンサ11は、ヒータ34及び加熱回路によって、固体電解質基板12、16のイオン伝導度が高まる300〜400℃以上の温度に保持される必要がある。
【0026】
この様な総NOxセンサ11を製造するためには、Y2O3が添加されているZrO2から成る固体電解質のグリーンシートに上述の各種の電極をスクリーン印刷し、ガス検知室26及び大気基準ダクト32、37を形成する部分に昇華物質をスクリーン印刷する。また、基板31または基板33に絶縁材料及びヒータ34をスクリーン印刷し、上述のグリーンシートと基板31、33、36とスペーサ25、28、35等の必要部分に絶縁材料及び接着剤をスクリーン印刷する。これらのグリーンシートと基板31、33、36とスペーサ25、28、35等とを積層させ、乾燥や焼成等を行う。
【0027】
基板31、33、36やスペーサ25、28、35を形成するために、固体電解質基板12、16と同様にY2O3が添加されているZrO2から成る固体電解質のグリーンシートを用いてもよく、その他の部材を用いてもよい。そして、電圧計21、22、電源23及びセンサ制御ユニットへの接続を行って、総NOxセンサ11を完成させる。総NOxセンサ11のセンサ制御ユニットに本実施形態の診断装置が接続されており、この診断装置は総NOxセンサ11のセンサ制御ユニットから検知信号である電圧計21、22の出力信号を読み込んで後述する図1の処理を行う。
【0028】
診断装置は、H8/3048Fチップ(日立社製)を搭載する16ビットのワンボードマイクロコンピュータを用いて作製されている。このマイクロコンピュータは8チャンネルのA/D変換入力端子及び入力バッファを有しているが、上述の様に診断装置は電圧計21、22の出力信号を読み込むので、少なくとも2チャンネルのA/D変換入力端子及び入力バッファがあればよい。各々のA/D変換入力端子は、10ビットの分解能を有しているので、±100mVの電圧値を入力するとすれば、約0.2mVの分解能を有している。
【0029】
診断装置のマイクロコンピュータには、更に、2チャンネルのD/A変換出力端子、9チャンネルのデジタル入出力端子、RS232通信ポート等が装備されているので、診断結果に基づいて、警告を発することができる。診断装置のマイクロコンピュータにはフラッシュROMも装備されており、後述する図1の処理を行うプログラムがフラッシュROMに記憶されている。総NOxセンサ11の作動を開始すると、診断装置のマイクロコンピュータにも同時に電源が投入されて、フラッシュROMに記憶されているプログラムが自動的に実行される。
【0030】
ところで、公害関係における大気汚染物質としての窒素酸化物とはNOとNO2との総称であって、これらのNOとNO2とがNOxと略称されている。NOxのうちのNOを総NOxセンサ11で検知するためには、下記の式(1)のカソード反応と下記の式(2)のアノード反応とがNOx検知電極13で同時に生じる必要がある。また、NOxのうちのNO2を総NOxセンサ11で検知するためには、下記の式(3)のアノード反応と下記の式(4)のカソード反応とがNOx検知電極13で同時に生じる必要がある。
【0031】
O2 + 4e− → 2O2− (1)
2NO + 2O2− → 2NO2 + 4e− (2)
2O2− → O2 + 4e− (3)
2NO2 + 4e− → 2NO + 2O2− (4)
【0032】
式(1)のカソード反応の速度と式(2)のアノード反応の速度とは互いに等しい状態にあり、また、式(3)のアノード反応の速度と式(4)のカソード反応の速度とも互いに等しい状態にあり、これらの場合の電極電位である混成電位がNOx検知電極13に生じる。従って、NOx検知電極13は混成電極であり、総NOxセンサ11は混成電位型のセンサである。
【0033】
しかし、式(1)(2)の反応と式(3)(4)の反応とではNOx検知電極13の電極電位が互いに逆極性になるので、被検知ガス中にNOとNO2とが混在していると、相互干渉によって総NOx濃度を正確に検知することができない。NOx変換ポンプ24はこれらに対処するために設けられている。
【0034】
即ち、NOx変換電極17と対向電極18との間に電源23から印加される電圧に応じて、NOx変換ポンプ24は、大気基準ダクト37からガス検知室26内に酸素を導入するかまたはその反対に酸素を排出し、ガス検知室26内のNOをNO2に変換するかまたはNO2をNOに変換することによって、ガス検知室26内のNOxをNOかNO2かの何れかに単ガス化する。
【0035】
また、NOx検知電極13にはガス検知室26内のNOx濃度のみならず酸素濃度にも応じた電極電位が生じ、ガス検知室26内のNOx濃度が一定でも酸素濃度が上昇すれば、参照電極15を基準にして測定したNOx検知電極13の電極電位(ENOx−R)、つまり、電圧計21の出力値が増加する。しかし、酸素検知電極14を基準にして測定したNOx検知電極13の電極電位(ENOx−O2)、つまり、電圧計21の出力値から電圧計22の出力値を減じた値は、ガス検知室26内のNOx濃度が一定である場合に酸素濃度が上昇すると、減少する。
【0036】
NOx変換ポンプ24はガス検知室26内に対する酸素のポンプ機能を有しているが、総NOxセンサ11のガス感度を高めるために、ガス導入口27によるガスの拡散抵抗は高くされていない。そして、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度は約0〜20%のかなり広い範囲で変動する。このため、NOx変換ポンプ24の存在にも拘らず、ガス検知室26内に多量に流入するこの排気ガス中の酸素濃度に影響されて、ガス検知室26内の酸素濃度も広い範囲で変動する。
【0037】
しかし、上述の様にENOx−RとENOx−O2との酸素濃度に対する変化極性が互いに逆であるので、これらの変化率の絶対値が互いに等しくなる様な補正を行うことによって、酸素濃度に依存しない総NOx濃度の検知値を得ることができる。
そこで、総NOxセンサ11のセンサ制御ユニットは、下記の式(5)によって総NOx濃度を求めている。
総NOx濃度=(a・ENOx−R+b・ENOx−O2)/(a+b) (5)
式(5)中の係数a、bは、電極の材料、作動温度、酸素濃度の変化範囲、NOxの検知範囲等の総NOxセンサ11の作動状態によって決められる。
【0038】
以上の様な総NOxセンサ11によって被検知ガス中の総NOx濃度を検知しつつ本実施形態の診断装置によってこの総NOxセンサ11を診断するためには、総NOxセンサ11のガス導入口27からガス検知室26内へ被検知ガスを導入すると共に大気基準ダクト32、37を大気に通じさせた状態で、総NOxセンサ11の作動を開始させる。すると、既述の様にして得られた電圧計21、22からの出力信号がセンサ制御ユニットへ送られ、センサ制御ユニットで総NOx濃度が求められる。そして、この総NOx濃度に基づく制御信号が自動車の内燃機関の排気系統へ送られて、還元処理が行われる。
【0039】
一方、図1(a)に示されている様に、本実施形態の診断装置は、総NOxセンサ11のセンサ制御ユニットから検知信号を読み込んで記憶し、総NOx濃度が極値であるか否かを判断する。総NOx濃度が極小値つまり還元処理終期であれば図1(b)に示されている還元処理期間関連処理を行い、総NOx濃度が極大値つまり還元処理直前であれば図1(c)に示されている周期関連処理を行う。そして、総NOx濃度が極値でない場合は極値であるか否かの判断後に、還元処理期間関連処理または周期関連処理を行った場合はその後に、所定時間のタイマー計測を行ってから、再び検知信号を読み込んで記憶し、上述の処理を繰り返す。
【0040】
総NOx濃度が極小値であれば、図1(b)に示されている様に、還元処理期間関連処理の最初の処理として、下記の式(6)を演算する。
ΔET=(ENOx−ER)−(EO2−ER)=ENOx−EO2 (6)
この式(6)におけるENOx、EO2及びERは還元処理期間つまり図7(b)(c)中の時刻T1から時刻T2までの期間における夫々NOx検知電極13、酸素検知電極14及び参照電極15における電極電位であり、ENOx−ER及びEO2−ERは夫々電圧計21及び電圧計22からの出力信号として得られる。
【0041】
既述の様に、NOx検知電極13はNOxと酸素との両方に活性であり、酸素検知電極14は酸素に活性である。しかし、還元処理終期には、図7(a)に示されている様に、総NOx濃度はゼロに近い。このため、還元処理終期には、NOx検知電極13における電極電位と酸素検知電極14における電極電位とは互いに略等しいはずである。従って、還元処理終期には、NOx検知電極13における電極電位と酸素検知電極14における電極電位との差である式(6)のΔETはゼロに近いはずである。
【0042】
このことから、ΔETの絶対値が設定値よりも大きければ、NOx検知電極13と酸素検知電極14との何れかが異常であると考えられる。ENOx−EO2であるΔETは、式(5)中のENOx−O2と等しいので、総NOxセンサ11が出力する総NOx濃度を示す信号のオフセットに直接に関与している。そこで、ΔETを演算した後にΔETの絶対値を診断装置に記憶されている設定値と比較して、絶対値が設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。
【0043】
ΔETの絶対値が設定値以上でなければ、電圧計22からの出力信号であるEO2−ERについて、記憶しておいた還元処理直前の極大値と現在の極小値との差であるΔEO2を演算する。還元処理終期には、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度はゼロに近い。しかし、ガス検知室26内のNOをNO2に変換する場合は、NOx変換ポンプ24が大気基準ダクト37からガス検知室26内に酸素を導入する。
【0044】
また、ガス検知室26内のNO2をNOに変換する場合も、ガス検知室26内に所定濃度以上の酸素が必要であるのでこの所定濃度以上になる様にNOx変換ポンプ24が大気基準ダクト37からガス検知室26内に酸素を導入し、更に、NO2からNOへの変換に伴ってO2が生成される。従って、ガス検知室26内の被検知ガス中の酸素濃度はゼロよりかは大きい。このため、総NOxセンサ11が正常であれば、還元処理終期でも、電圧計22からの出力信号であるEO2−ERは還元処理直前に比べて極端には低下しない。
【0045】
しかし、例えば、総NOxセンサ11の胴体のガス漏れや割れ、NOx変換ポンプ24の電流低下や断線等があると、還元処理終期にはガス検知室26内の被検知ガス中の酸素濃度もゼロに近い。この結果、還元処理終期には電圧計22からの出力信号であるEO2−ERが還元処理直前に比べて極端に低下して、ΔEO2が大きくなる。このことから、ΔEO2が設定値よりも大きければ、総NOxセンサ11が異常であると考えられる。そこで、ΔEO2を演算した後にこのΔEO2を診断装置に記憶されている設定値と比較して、ΔEO2が設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。
【0046】
ΔEO2が設定値以上でなければ、電圧計21からの出力信号であるENOx−ERについて、記憶しておいた還元処理直前の極大値と現在の極小値との差であるΔENOxを演算する。上述の様に、還元処理終期には、総NOx濃度はゼロに近く、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度もゼロに近いが、NOx変換ポンプ24の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってガス検知室26内の被検知ガス中の酸素濃度はゼロよりかは大きい。一方、NOx検知電極13はNOxと酸素との両方に活性である。
【0047】
このため、総NOxセンサ11が正常であれば、還元処理終期でも還元処理直前に比べて、電圧計21からの出力信号であるENOx−ERは、電圧計22からの出力信号であるEO2−ERに比べると低下幅は大きいがやはり極端には低下しない。しかし、上述の場合と同様に、例えば、総NOxセンサ11の胴体のガス漏れや割れ、NOx変換ポンプ24の電流低下や断線等があると、還元処理終期にはガス検知室26内の被検知ガス中の酸素濃度もゼロに近い。
【0048】
この結果、還元処理終期には電圧計21からの出力信号であるENOx−ERが還元処理直前に比べて低下して、ΔENOxが大きくなる。このことから、ΔENOxが設定値よりも大きければ、総NOxセンサ11が異常であると考えられる。そこで、ΔENOxを演算した後にΔENOxを診断装置に記憶されている設定値と比較して、ΔENOxが設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。
【0049】
ΔENOxが設定値以上でなければ、下記の式(7)を演算する。
τ=TR/(ET1−ET2) (7)
この式(7)におけるET1及びET2は、NOx検知電極13の電極電位についての夫々記憶しておいた還元処理直前の極大値及び現在の極小値、つまり図7(b)(c)中の時刻T1及び時刻T2におけるNOx検知電極13の電極電位である。また、TRは時刻T1から時刻T2までの時間である。
【0050】
NOx検知電極13の活性が低下していくと、被検知ガスの組成の急激な変化に対する応答速度も低下していくので、時間TRが長くなって、τが大きくなる。このことから、τが設定値よりも大きければ、総NOxセンサ11が異常であると考えられる。そこで、τを演算した後に診断装置に記憶されている設定値と比較して、τが設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。なお、τを用いる代わりに、時刻T1から時刻T2までの電位−時間曲線を連続的に微分して、この微分値の絶対値の最大値が設定値以下である場合に、総NOxセンサ11が異常であることを警告してもよい。
【0051】
上記の式(7)におけるET1及びET2はNOx検知電極13の電極電位についての夫々還元処理直前の極大値及びこの極大値に続く極小値であるので、NOx検知電極13の応答特性と酸素検知電極14の応答特性とに差がある場合であっても、総NOxセンサ11の異常を診断することができる。しかし、NOx検知電極13の応答特性と酸素検知電極14の応答特性とに差がない場合には、NOx検知電極13の電極電位と酸素検知電極14の電極電位との差についての夫々還元処理直前の極大値及びこの極大値に続く極小値を上記の式(7)におけるET1及びET2にするか、または、この差についての時間曲線の連続的な微分値を求めてもよい。この場合には、酸素検知電極14自体の異常によっても、総NOxセンサ11の異常を診断することができる。
【0052】
図1(a)における判断で総NOx濃度が極大値であれば、図1(c)に示されている様に、周期関連処理として、図7(d)に示されている総NOx濃度が極大値である時から次の極大値である時までの期間である還元処理の周期Tを判定する。総NOxセンサ11の感度が低下すると、周期Tが長くなる。このことから、周期Tが設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であると考えられる。そこで、診断装置に記憶されている設定値と周期Tとを比較して、周期Tが設定値以上であれば、総NOxセンサ11が異常であることを警告する。なお、周期Tと比較される設定値は例えば自動車の内燃機関の空燃比等である運転状態によって変化するので、その内燃機関に適合した設定値を診断装置に予め記憶させておく。
【0053】
実験1
以上の様な診断装置がセンサ制御ユニットに接続されている総NOxセンサ11を、自動車排気ガス模擬計測システムに据え付けた。この総NOxセンサ11の温度をヒータ34及び加熱回路によって600℃に維持し、模擬ガス混合装置によって、3000ppmのC3H8が共存する模擬ガスを供給しながら、この模擬ガスの温度を室温と800℃との間の昇温と降温とを一サイクルとして変化させた。そして、この熱サイクルを10回繰り返しつつ、総NOx濃度を示す検知信号としての出力電圧を計測した。
【0054】
図3が、この結果を示している。図3に示されている様に、検知信号としての出力電圧は、第一〜第三サイクルの間ではC3H8による排気ガスの還元のために略一定であったが、第四サイクルの800℃付近の温度で−80mV以下まで急速に低下した。実験1に用いられた総NOxセンサ11では、検知信号としての出力電圧が−60mV以下に低下すると警報ランプが点灯する様にマイクロコンピュータのフラッシュROM中のプログラムがプログラミングされているので、−60mV以下の出力領域で警報ランプが点灯した。
【0055】
この総NOxセンサ11を分解して観察したところ、熱サイクルによってガス検知室26の気密性が極端に低下してガス漏れが生じたことが判明した。このガス漏れによってガス検知室26内の酸素濃度が低下し、更に、C3H8が排気ガスによって完全には酸化されていない状態でガス検知室26内に進入しNOx検知電極13及び酸素検知電極14の表面に特異吸着してこれらの電極の表面層における酸素濃度が見かけ上低下したために、検知信号としての出力電圧が低下した。
【0056】
実験2
正常な総NOxセンサ11と性能の低下した総NOxセンサ11とを、自動車排気ガス模擬計測システムに据え付けた。両方の総NOxセンサ11の温度をヒータ34及び加熱回路によって600℃に維持し、模擬ガス混合装置によって図4に示す組成のガスを供給した。即ち、窒素を定常的に供給し、NO及び酸素を夫々20ppm/秒及び500ppm/秒の濃度増加率で供給し、NO及び酸素の供給開始から10秒が経過した時点でNO及び酸素の濃度を0ppmに戻し、その後、再び、NO及び酸素を夫々20ppm/秒及び500ppm/秒の濃度増加率で供給した。
【0057】
この様にガスの組成を周期的に変化させつつ、電圧計21、22からの出力電圧を計測した。図5、6が、夫々正常な総NOxセンサ11と性能の低下した総NOxセンサ11との結果を示している。これらの図5、6から、正常な総NOxセンサ11では酸素検知電極14の応答速度及び感度もNOx検知電極13の応答速度及び感度も大差はないが、性能の低下した総NOxセンサ11では酸素検知電極14の応答速度に比べてNOx検知電極13の応答速度が明らかに低下している。従って、上述の様に、応答速度であるτを設定値と比較することによって、総NOxセンサ11が異常であることを判断することができる。
【0058】
なお、総NOxセンサ11における固体電解質基板12、16、NOx検知電極13、酸素検知電極14、参照電極15、NOx変換電極17等の材料は、上述の材料に限定されない。また、本実施形態の診断装置は総NOxセンサ11に内蔵されていても外付けされていてもよく、総NOxセンサ11も自動車の内燃機関の排気系統のみならず廃棄物の焼却装置の排気系統等にも使用することができる。
【0059】
【発明の効果】
請求項1に係るガスセンサの診断装置では、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。このため、ガスセンサの胴体におけるガス漏れや割れ、第一及び第二検知手段や酸素ポンプ手段における性能の劣化等であるガスセンサの異常を正確に診断することができて、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができる。
【0060】
請求項2〜8に係るガスセンサの診断装置では、ガスセンサの異常を正確に診断することができるので、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の発明の一実施形態における処理の流れ図であり、(a)はメインルーチン、(b)(c)はサブルーチンである。
【図2】本願の発明の一実施形態が用いられているガスセンサの側断面図である。
【図3】本願の発明の一実施形態による実験1の結果を示すグラフである。
【図4】本願の発明の一実施形態による実験2を行うためのガスの濃度を示すグラフである。
【図5】ガスセンサが正常な場合の実験2の結果を示すグラフである。
【図6】ガスセンサの性能が低下している場合の実験2の結果を示すグラフである。
【図7】(a)は還元処理とNOxの濃度との関係を示すグラフ、(b)はガスセンサの応答速度の低下を示すグラフ、(c)はガスセンサの感度の低下を示すグラフ、(d)は感度の低下による還元処理の周期の長期化を示すグラフである。
【符号の説明】
11…総窒素酸化物センサ(ガスセンサ)、12、16…固体電解質基板、13…窒素酸化物検知電極、14…酸素検知電極、15…参照電極(第一及び第二の検知手段)、21…電圧計(第一の検知手段)、22…電圧計(第二の検知手段)、24…窒素酸化物変換ポンプ(酸素ポンプ手段)、26…ガス検知室
Claims (8)
- 被検知ガスが導入されるガス検知室と、酸素イオン伝導性の固体電解質基板に設けられて窒素酸化物及び酸素に活性な窒素酸化物検知電極、参照電極及びこれらの間に接続されている電圧計を有する第一の検知手段と、酸素イオン伝導性の固体電解質基板に設けられて酸素に活性な酸素検知電極、参照電極及びこれらの間に接続されている電圧計を有する第二の検知手段と、前記ガス検知室内に対する酸素ポンプ手段とを有しており、検知した前記窒素酸化物の濃度がこの濃度を周期的にゼロにするための還元処理に用いられるガスセンサの診断装置であって、
前記第一及び第二の検知手段から得られる前記窒素酸化物の濃度の極値と前記第二の検知手段から得られる前記酸素の濃度の極値とを検出する極値検出手段と、
前記極値に対応する時間を検出する時間検出手段と、
前記濃度、前記極値及び前記時間に対する演算を行う演算手段と、
前記演算の結果と設定値とを比較する比較手段と
を具備するガスセンサの診断装置。 - 前記窒素酸化物の濃度が極小値である時に前記第一の検知手段からの出力と前記第二の検知手段からの出力との差の絶対値を求め、
この絶対値が設定値以上である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項1に記載のガスセンサの診断装置。 - 前記第二の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求め、
この差が設定値以上である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項1に記載のガスセンサの診断装置。 - 前記第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求め、
この差が設定値以上である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項1に記載のガスセンサの診断装置。 - 前記第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求め、
この最大値が設定値以下である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項1に記載のガスセンサの診断装置。 - 前記第一の検知手段からの出力と前記第二の検知手段からの出力との差について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求め、
この最大値が設定値以下である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項1に記載のガスセンサの診断装置。 - 前記窒素酸化物の濃度が極大値である時から次の極大値である時までの周期を求め、
この周期が設定値以上である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項1に記載のガスセンサの診断装置。 - 前記窒素酸化物の濃度を示す検知信号の値が設定範囲以外である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項1に記載のガスセンサの診断装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002380436A JP2004212145A (ja) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | ガスセンサの診断装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002380436A JP2004212145A (ja) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | ガスセンサの診断装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004212145A true JP2004212145A (ja) | 2004-07-29 |
Family
ID=32816664
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002380436A Pending JP2004212145A (ja) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | ガスセンサの診断装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004212145A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004279418A (ja) * | 2003-03-13 | 2004-10-07 | Robert Bosch Gmbh | NOxセンサの診断方法 |
JP2006105965A (ja) * | 2004-10-02 | 2006-04-20 | Robert Bosch Gmbh | 内燃機関の排気ガス領域内に配置されたNOxセンサの診断方法および装置 |
US20130139489A1 (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-06 | Cummins Inc. | Method and algorithm for diagnosing an nh3 sensor in an scr system using measurements from two channels of the sensor |
JPWO2013076843A1 (ja) * | 2011-11-24 | 2015-04-27 | トヨタ自動車株式会社 | 音源検出装置 |
CN107677311A (zh) * | 2017-09-25 | 2018-02-09 | 无锡沃尔福汽车技术有限公司 | 一种氮氧传感器检测装置 |
-
2002
- 2002-12-27 JP JP2002380436A patent/JP2004212145A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004279418A (ja) * | 2003-03-13 | 2004-10-07 | Robert Bosch Gmbh | NOxセンサの診断方法 |
JP4589016B2 (ja) * | 2003-03-13 | 2010-12-01 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | NOxセンサの診断方法 |
JP2006105965A (ja) * | 2004-10-02 | 2006-04-20 | Robert Bosch Gmbh | 内燃機関の排気ガス領域内に配置されたNOxセンサの診断方法および装置 |
JPWO2013076843A1 (ja) * | 2011-11-24 | 2015-04-27 | トヨタ自動車株式会社 | 音源検出装置 |
US20130139489A1 (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-06 | Cummins Inc. | Method and algorithm for diagnosing an nh3 sensor in an scr system using measurements from two channels of the sensor |
US9482137B2 (en) * | 2011-12-01 | 2016-11-01 | Cummins Inc. | Method and algorithm for diagnosing an NH3 sensor in an SCR system using measurements from two channels of the sensor |
CN107677311A (zh) * | 2017-09-25 | 2018-02-09 | 无锡沃尔福汽车技术有限公司 | 一种氮氧传感器检测装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7972488B2 (en) | Sensor deterioration judging apparatus and sensor deterioration judging method | |
JP6744231B2 (ja) | 触媒劣化診断方法および触媒劣化診断システム | |
US10605763B2 (en) | Method of reducing output degradation of gas sensor | |
US20040238378A1 (en) | Nox measurement device, nox sensor self-diagnosis device, and self-diagnosis method thereof | |
JP3551054B2 (ja) | 空燃比検出装置 | |
JP4949470B2 (ja) | 亀裂した多室固体電解質ガスセンサの診断 | |
JP2000137018A (ja) | ガス濃度検出装置とそれに用いるガス濃度センサ | |
JP3664980B2 (ja) | 複合ガスセンサ | |
JP2000155109A (ja) | ガス濃度検出装置 | |
JP6794272B2 (ja) | アンモニアセンサのキャリブレーション方法 | |
JP6658672B2 (ja) | ガスセンサ制御装置 | |
JP6965578B2 (ja) | ガスセンサ制御装置 | |
JP6234568B2 (ja) | 窒素酸化物を検出するためのガスセンサ、および、かかるガスセンサの動作方法 | |
WO2006088073A1 (ja) | ガス濃度検出ユニットの異常診断方法及びガス濃度検出ユニットの異常診断装置 | |
JP2002116180A (ja) | ガス濃度検出装置とそれに用いるガス濃度センサ | |
JP2010210403A (ja) | 異常診断方法、及びガス濃度測定装置 | |
JP2009229148A (ja) | ガスセンサ制御装置 | |
JP4108990B2 (ja) | オゾン分解触媒用の診断システムおよびその作動法 | |
JP2004037100A (ja) | ガスセンサ素子 | |
JP2004212145A (ja) | ガスセンサの診断装置 | |
JP2006300625A (ja) | 酸素センサの異常検出装置 | |
JP4893652B2 (ja) | ガスセンサ制御装置 | |
JP3973851B2 (ja) | ガスセンサ素子 | |
JP5209742B2 (ja) | センサ制御装置およびセンサ制御方法 | |
JP3352002B2 (ja) | 窒素酸化物吸蔵触媒の機能低下検出方法及び装置 |