JP4580115B2 - ガス濃度センサの異常診断方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンに供給する混合気の空燃比を目標値に制御し、排気ガス中のＣＯ、ＮＯx 、ＨＣを軽減するために、排気系に酸素センサを設け、空燃比と相関関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御することが知られている。
【０００３】
このようなフィードバック制御に用いられる酸素センサとしては、特定の酸素濃度（特に理論空燃比雰囲気）で出力がステップ状に変化するλセンサと、リーン領域からリッチ領域まで連続的に出力が変化する全領域空燃比センサとが主に用いられている。全領域空燃比センサは、上述したように排気ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき、フィードバック制御の速度及び精度を向上させ得るため、より高速で高精度な制御が要求される際に用いられている。
【０００４】
全領域空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体の２つのセルを間隔を介して対向配設し、一方のセルを間隔内の酸素を周囲に汲み出すもしくは周囲から酸素を汲み込むポンプセルとして用い、また、他方のセルを酸素基準室と間隔との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとして用い、起電力セルの出力が一定になるようにポンプセルを動作させ、その時に該ポンプセルに流す電流を、測定酸素濃度比例値として測定する。この全領域空燃比センサの動作原理は、本出願人の出願に係る特開昭６２−１４８８４９号公報中に詳述されている。
【０００５】
上記フィードバック制御による排気ガスの削減は、全領域空燃比センサの暖機が完了した後に開始している。これは、上記全領域空燃比センサが所定温度以上に加熱して酸素イオン伝導性固定電解質体（以下「固体電解質体」という。）の活性を高めた後でなければ、動作し得ないからである。このため、全領域空燃比センサに加熱用のヒータを配設し、エンジン始動後の可能な限り早い時点で動作を開始させている。
【０００６】
一方、全領域空燃比センサにおいては、従来より、センサを構成する固体電解質体それ自体には経時変化による顕著な劣化を生じることはないが、固体電解質体に取り付けられている多孔質電極、およびこの多孔質電極と固体電解質体との界面においては、経時変化による劣化が生じるものと考えられてきた。
【０００７】
具体的には、例えば耐久試験等により、固体電解質体から多孔質電極が剥離したり、電極の酸素透過率の低下等が発生するため、センサ全体の内部抵抗が徐々に増大し劣化していくことが確認されていた。そのため、このような耐久劣化がある程度以上進行すると、正確な空燃比の検出ができなくなるという性能上の問題を招くことから、本出願人は、特開平１０−１８５８５７号に開示される「全領域空燃比センサの劣化状態検出方法及び装置」により、かかる技術的課題を解決してきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、エンジンや触媒コンバータ等の性能の向上により、排気ガスの温度が上昇する傾向にあり、例えば、従来は数百℃前後であった排気ガス温度が、現在では１０００℃程度にまで至る場合がある。そのため、従来では、全領域空燃比センサの固体電解質体をヒータにより７００℃〜８００℃に加熱する制御を行っていたが、現在では、ヒータにより加熱しなくてもセンサの使用環境温度が１０００℃前後に達するような場合がある。
【０００９】
このようなセンサの使用環境の変化に伴い、本出願に係る発明者らによって、かかる高温環境下における全領域空燃比センサの耐久試験を実施したところ、経時変化による顕著な劣化を生じないものと従来より考えられてきた固体電解質体自体も、１０００℃前後の高温環境化においては、その内部抵抗が徐々に増大し得ることがわかった。
【００１０】
即ち、固体電解質体の内部抵抗の増大は、温度と時間の積分値に関与するものと考えられ、数百℃前後における使用環境では現れることのなかった固体電解質体の耐久劣化が、センサの使用温度が１０００℃前後に上昇したことによって顕著に現れたものと推測することができる。
【００１１】
そして、このような高温環境下において現れた固体電解質体自体の劣化は、その後も消失することなく残存するため、固体電解質体の内部抵抗を検出し、この内部抵抗が所定の目標値になるようにヒータを制御して使用するセンサにおいては、固体電解質体の内部抵抗の増加によってヒータの適正な温度制御を行うことができないことになる。つまり、固体電解質体の増加した内部抵抗に基づいてヒータの制御を行うと、ヒータによる過剰な発熱からセンサの異常加熱を招き得るという問題を生ずる。
【００１２】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ヒータの異常加熱を防止し得るガス濃度センサの異常診断方法を提供することにある。
【００１４】
請求項１の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間を超える場合、ならびに、前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１，２，５のいずれか１項に記載のガス濃度センサの異常診断方法において、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１〜３，５のいずれか１項に記載のガス濃度センサの異常診断方法において、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間内であることを第１条件とし、
前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間内であることを第２条件とし、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間内であることを第３条件とし、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲内であることを第４条件とし、
前記第１〜第４条件の全てが当て嵌まる場合に、前記固体電解質体に異常が無く、ガス濃度センサの故障は無いと判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断することを技術的特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガス濃度センサの異常診断方法の実施形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る全領域酸素センサ（以下「センサ素子」という）とそのコントローラを示している。２つのセルを接合したセンサ素子１０は内燃機関を備える自動車等の排気ガス系に配設される。
【００３４】
このセンサ素子１０は、排気ガス中の酸素濃度を測定するとともに、センサ素子１０の温度を測定するコントローラ５０に接続されている。このセンサ素子１０には、ヒータ制御回路６０にて制御されるヒータ７０が、セラミック系接合剤を介して取り付けられている。ヒータ７０は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックからなり、その内部にはヒータ配線７２が配設されている。ヒータ制御回路６０は、コントローラ５０により測定されるセンサ素子１０の温度を目標値に保つように、ヒータ７０へ電力を供給し、センサ素子１０の温度を目標値に維持するように機能する。なお、コントローラ５０は、マイクロコンピュータ、メモリ、入出力インタフェース等を備えており、メモリに内蔵された制御プログラムにより所定の制御処理を実行し得るように構成されている。
【００３５】
センサ素子１０は、ポンプセル１４、多孔質拡散層１８、起電力セル２４および補強板３０を積層することにより構成されている。
ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性固体電解質材料である安定化または部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２、１６を有している。測定ガスに晒される表面側の多孔質電極１２は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ＋電圧が印加されるのでＩｐ＋電極として参照する。また裏面側の多孔質電極１６は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ−電圧が印加されるのでＩｐ−電極として参照する。
【００３６】
起電力セル２４も同様に安定化または部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２、２８を有している。ポンプセル１４と起電力セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された間隙２０が形成されている。
【００３７】
即ち、この間隙２０は、多孔質拡散層１８を介して測定ガス雰囲気と連通されている。間隙２０側に配設された多孔質電極２２は、起電力セル２４の起電力のマイナス電圧が生じるためＶｓ−電極として参照し、また基準酸素室２６側に配設された多孔質電極２８は、起電力セル２４の起電力のプラス電圧が生じるためＶｓ＋電極として参照する。基準酸素室２６の基準酸素は多孔質電極２２から一定量の酸素を多孔質電極２８にポンピングすることにより生成する。
【００３８】
ここで、測定ガスの酸素濃度と間隙２０の酸素濃度との差に応じた酸素が、間隙２０側に多孔質拡散層１８を介して拡散して行く。間隙２０内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室２６との間の酸素濃度差により、起電力セル２４のＶｓ＋電極２８とＶｓ−電極２２との間には、約４５０ｍＶの電位差が生じる。このため、コントローラ５０は、ポンプセル１４に流す電流Ｉｐを、上記起電力セル２４の起電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるように調整することで、間隙２０内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つためのポンプセル電流量Ｉｐに基づき、測定ガス中の酸素濃度を測定する。
【００３９】
図２(A) は、固体電解質体の内部抵抗、即ち起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs を等価回路にモデル化したものを示している。
起電力セル２４は、前述したようにジルコニアにより形成されているため、図２(A) に示すようなインピーダンスモデルにより表すことができる。そして、この図２(A) に示す電極の界面抵抗Ｒ４は、ガス雰囲気により変化するが、粒内抵抗Ｒ２および粒界抵抗Ｒ３は、ジルコニアの物性により決定され周囲温度を一定の関係にある。そのため、内部抵抗Ｒpvs とセンサ素子の温度との関係は、図２(B) に示すような特性曲線になることから、内部抵抗Ｒpvs の値により、ポンプセル１４および起電力セル２４の活性判断や、ヒータ７０による加熱温度を制御することができる。
【００４０】
また、図２(A) に示すインピーダンスモデル中の静電容量Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、Ｃ２、Ｃ３＜＜Ｃ４の関係にある。そのため、所定の周波数以上の高周波成分を含んだ既知の電圧値の交番電圧またはパルス電圧を印加、あるいは所定の周波数以上の高周波成分を含んだ既知の電流値の交番電流またはパルス電流を固体電解質体に供給することにより、リードから粒界までの抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）、即ち内部抵抗Ｒpvs を測定することができる。なお、この内部抵抗Ｒpvs と区別して、電極の界面抵抗Ｒ４まで含めた全体の抵抗（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）をＲivs と称する。
【００４１】
このような起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs は、コントローラ５０により測定される。具体的には、活性状態にある起電力セル２４に所定方向の測定電流（既知）を所定期間供給し、この測定電流の供給前後に発生する起電力セル２４の電位差ΔＶｓを測定する。そして、この測定した電位差ΔＶｓを既知である測定電流値で割ることにより、起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs を算出する。なお、この測定電流による電荷が起電力セル２４のコンデンサ（図２に示すＣ２〜Ｃ４）に蓄えられるため、測定電流とは逆方向に流れる電流を、測定電流の遮断後に供給する。つまり、所定の周波数以上の高周波成分を含んだ既知の電流値の交番電圧またはパルス電圧を固体電解質体に印加する。
【００４２】
次に、このような起電力セル２４の経時変化による内部抵抗Ｒpvs の変化を、コントローラ５０による制御プログラムの制御データを用いて検出し、センサ素子１０の異常を診断する一連の処理例１〜３を図３〜図５に基づいて説明する。
【００４３】
[処理例１］
図３に示すように、処理例１は、エンジンの始動直後から開始されるもので、内部抵抗Ｒpvs の変化に基づいてセンサ素子１０の故障判定をするものである。
まず、ステップＳ１０１によりイグニッション−ＯＮを検出すると、次のステップＳ１０３によりエンジン水温が所定温度Ｔｃより低いか否かを判断し、エンジン水温Ｔｃに適合した劣化判定マップ（劣化判定ＭＡＰ−Ｈot、またはＭＡＰ−Cold）を選択する。そして、ステップＳ１０５によりエンジンの始動後、ステップＳ１０７によりＩcp電流の供給を開始する。
【００４４】
次に、ステップＳ１０９によりエンジン回転数Ｎｅ１、吸入圧力ＰＢ１およびスロットル弁の開度ＴＨ１からエンジン状態を確認する。そして、このステップＳ１０９により急激な加減速等の状態変動がエンジンにないと判断すると、次のステップＳ１１１に処理を移行しこの時の時刻Ｔ11を計時する。なお、この時刻Ｔ11は次ステップＳ１１３によるヒータ通電開始時刻に相当する。
【００４５】
続くステップＳ１１３では、ヒータ制御回路６０によりセンサ素子１０のヒータ７０の通電を開始し、さらにステップＳ１１５により起電力セル２４の電圧Ｖｓを測定する。そして、ステップＳ１１７により、電圧Ｖｓから内部抵抗Ｒpvs の測定を開始できるか否かを判断し、測定できる状態（Ｖｓ＞Ｖsrpvs ）にあると判断できれば、続くステップＳ１１９により、起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs の測定を行う。
【００４６】
ここでステップＳ１２１により、ステップＳ１１９で測定した内部抵抗Ｒpvs の値が所定値Ｒ11よりも小さいか否かを判断する。即ち、起電力セル２４が活性状態に達したか否かを判断する。もし、測定した内部抵抗Ｒpvsが所定値Ｒ11よりも小さいと判断できないときは（ステップＳ１２１でＮｏ）、起電力セル２４が異常である蓋然性が高いのでセンサ素子１０の故障と判定し、故障判定フラグ等をセットして一連の処理を終了する。
【００４７】
一方、ステップＳ１２１により、測定した内部抵抗Ｒpvsが所定値Ｒ11よりも小さいと判断したときには（ステップＳ１２１でＹｅｓ）、次のステップＳ１２３に処理を移行し、ステップＳ１２３によりエンジン回転数Ｎｅ２、吸入圧力ＰＢ２およびスロットル弁の開度ＴＨ２からエンジン状態を確認する。そして、このステップＳ１２３により急激な加減速等の状態変動がエンジンにないと判断すると、次のステップＳ１２５に処理を移行しこの時の時刻Ｔ12を計時する。なお、この時刻Ｔ12はステップＳ１２１による内部抵抗Ｒpvs の値が所定値Ｒ11よりも小さいか否かの判断時刻に相当する。
【００４８】
ステップＳ１２７では、起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs が所定の目標値Ｒ12に到達したか否かを判断する。ここで、目標値Ｒ12よりも小さい、即ち目標値Ｒ12に到達したと判断できないときは（ステップＳ１２７でＮｏ）、起電力セル２４が異常である蓋然性が高いのでセンサ素子１０の故障と判定し、故障判定フラグ等をセットして一連の処理を終了する。
【００４９】
一方、内部抵抗Ｒpvs が所定の目標値Ｒ12に到達したと判断できれば（ステップＳ１２７でＹｅｓ）、続くステップＳ１２９で再びエンジン状態を確認し、次ステップＳ１３１に処理を移行しこの時の時刻Ｔ13を計時する。なお、この時刻Ｔ13はステップＳ１２７による内部抵抗Ｒpvs の値が所定の目標値Ｒ12に到達したか否かの判断時刻に相当する。
【００５０】
ステップＳ１３３では、ステップＳ１２１、Ｓ１２７の判断処理に用いた所定値Ｒ11および所定の目標値Ｒ12と、時刻Ｔ11、Ｔ12、Ｔ13とから、起電力セル２４の劣化判定を行う。
即ち、［第１条件］ヒータ７０への通電開始時刻（第１時点）Ｔ11からステップＳ１２１による判断時刻Ｔ12（第２時点）までに要した時間（Ｔ12−Ｔ11）が、所定時間内であったか否かの判断を行う。
また、［第２条件］ヒータ７０への通電開始時刻Ｔ11からステップＳ１２７による判断時刻Ｔ13（第３時点）までに要した時間（Ｔ13−Ｔ11）が、所定時間内であったか否かの判断を行う。
【００５１】
そして、［第３条件］ステップＳ１２１による判断からステップＳ１２７による判断までに要した時間（Ｔ13−Ｔ12）が、所定時間内であったか否かの判断を行う。
さらには、［第４条件］当該時間（Ｔ13−Ｔ12）内の内部抵抗Ｒpvs の変化量を（（Ｒ11−Ｒ12）／（Ｔ13−Ｔ12））により算出し、その変化量が所定の範囲内にあるか否かの判断を行う。
【００５２】
ステップＳ１３３による［第１条件］〜［第４条件］のいずれかの判断により、起電力セル２４が劣化していないと判断されると（ステップＳ１３３でＹｅｓ）、センサ素子１０の故障はない旨の判定がなされ、一連の処理が終了する。また、起電力セル２４が劣化していないと判断できないと（ステップＳ１３３でＮｏ）、起電力セル２４が異常である蓋然性が高いのでセンサ素子１０の故障と判定し、故障判定フラグ等をセットして一連の処理を終了する。
【００５３】
[処理例２］
図４に示す通りである。
[処理例３］
図５に示す通りである。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態に係るガス濃度センサの異常診断方法によると、起電力セル２４の経時変化による起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs の変化を、内部抵抗Ｒpvs を所定の目標値にするようにプログラムされたコントローラ５０による制御プログラムの制御データを用いて検出し、センサ素子１０の異常を診断する。これにより、当該制御データから、起電力セル２４の経時変化による内部抵抗Ｒpvs の変化を検出することができるので、例えばこの内部抵抗Ｒpvs が経時変化により増加した場合には、それにより起電力セル２４の劣化、つまりセンサ素子１０の異常を診断することができる。したがって、ヒータ７０により加熱する起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs を検出し、内部抵抗Ｒpvs を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによってヒータ７０への供給電力が制御されるガス濃度センサにおいては、起電力セル２４の劣化による異常を診断することができるので、ヒータ７０の異常加熱を防止し得る効果がある。
【００５５】
【発明の効果】
固体電解質体が劣化し内部抵抗値が上昇すると、正確な温度が測定されなくなるので、センサ温度を正確にコントロールできなくなり、センサ出力が異常になるが、これまではそれが検出できなかった。その為、センサの異常な出力によって長時間エンジンが制御されることになり、自動車からの排気ガス中の有害成分が増加していた。
請求項１〜８の発明によれば、固体電解質体の劣下が検出できるのでセンサが劣化したことを正確に検出でき、早期にセンサの交換を促すことで排気ガス中の有害成分の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るセンサ素子とその異常診断装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係るセンサ素子の固体電解質体の特性を示す説明図で、図２(A) は固体電解質体の内部抵抗Ｒpvs を等価回路にモデル化したもの、図２(B) は内部抵抗Ｒpvs とセンサ素子の温度との関係を示すものである。
【図３】本実施形態に係る異常診断装置による処理例１の流れを示すフローチャートである。
【図４】本実施形態に係る異常診断装置による処理例２の流れを示すフローチャートである。
【図５】本実施形態に係る異常診断装置による処理例３の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ センサ素子（ガス濃度センサ）
１２ 多孔質電極
１４ ポンプセル（固体電解質体）
１６ 多孔質電極
１８ 多孔質拡散層
２０ 間隙
２２ 多孔質電極
２４ 起電力セル（固体電解質体）
２６ 酸素基準室
２８ 多孔質電極
５０ コントローラ
６０ ヒータ制御回路
７０ ヒータ
本発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンに供給する混合気の空燃比を目標値に制御し、排気ガス中のＣＯ、ＮＯx 、ＨＣを軽減するために、排気系に酸素センサを設け、空燃比と相関関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御することが知られている。
【０００３】
このようなフィードバック制御に用いられる酸素センサとしては、特定の酸素濃度（特に理論空燃比雰囲気）で出力がステップ状に変化するλセンサと、リーン領域からリッチ領域まで連続的に出力が変化する全領域空燃比センサとが主に用いられている。全領域空燃比センサは、上述したように排気ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき、フィードバック制御の速度及び精度を向上させ得るため、より高速で高精度な制御が要求される際に用いられている。
【０００４】
全領域空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体の２つのセルを間隔を介して対向配設し、一方のセルを間隔内の酸素を周囲に汲み出すもしくは周囲から酸素を汲み込むポンプセルとして用い、また、他方のセルを酸素基準室と間隔との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとして用い、起電力セルの出力が一定になるようにポンプセルを動作させ、その時に該ポンプセルに流す電流を、測定酸素濃度比例値として測定する。この全領域空燃比センサの動作原理は、本出願人の出願に係る特開昭６２−１４８８４９号公報中に詳述されている。
【０００５】
上記フィードバック制御による排気ガスの削減は、全領域空燃比センサの暖機が完了した後に開始している。これは、上記全領域空燃比センサが所定温度以上に加熱して酸素イオン伝導性固定電解質体（以下「固体電解質体」という。）の活性を高めた後でなければ、動作し得ないからである。このため、全領域空燃比センサに加熱用のヒータを配設し、エンジン始動後の可能な限り早い時点で動作を開始させている。
【０００６】
一方、全領域空燃比センサにおいては、従来より、センサを構成する固体電解質体それ自体には経時変化による顕著な劣化を生じることはないが、固体電解質体に取り付けられている多孔質電極、およびこの多孔質電極と固体電解質体との界面においては、経時変化による劣化が生じるものと考えられてきた。
【０００７】
具体的には、例えば耐久試験等により、固体電解質体から多孔質電極が剥離したり、電極の酸素透過率の低下等が発生するため、センサ全体の内部抵抗が徐々に増大し劣化していくことが確認されていた。そのため、このような耐久劣化がある程度以上進行すると、正確な空燃比の検出ができなくなるという性能上の問題を招くことから、本出願人は、特開平１０−１８５８５７号に開示される「全領域空燃比センサの劣化状態検出方法及び装置」により、かかる技術的課題を解決してきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、エンジンや触媒コンバータ等の性能の向上により、排気ガスの温度が上昇する傾向にあり、例えば、従来は数百℃前後であった排気ガス温度が、現在では１０００℃程度にまで至る場合がある。そのため、従来では、全領域空燃比センサの固体電解質体をヒータにより７００℃〜８００℃に加熱する制御を行っていたが、現在では、ヒータにより加熱しなくてもセンサの使用環境温度が１０００℃前後に達するような場合がある。
【０００９】
このようなセンサの使用環境の変化に伴い、本出願に係る発明者らによって、かかる高温環境下における全領域空燃比センサの耐久試験を実施したところ、経時変化による顕著な劣化を生じないものと従来より考えられてきた固体電解質体自体も、１０００℃前後の高温環境化においては、その内部抵抗が徐々に増大し得ることがわかった。
【００１０】
即ち、固体電解質体の内部抵抗の増大は、温度と時間の積分値に関与するものと考えられ、数百℃前後における使用環境では現れることのなかった固体電解質体の耐久劣化が、センサの使用温度が１０００℃前後に上昇したことによって顕著に現れたものと推測することができる。
【００１１】
そして、このような高温環境下において現れた固体電解質体自体の劣化は、その後も消失することなく残存するため、固体電解質体の内部抵抗を検出し、この内部抵抗が所定の目標値になるようにヒータを制御して使用するセンサにおいては、固体電解質体の内部抵抗の増加によってヒータの適正な温度制御を行うことができないことになる。つまり、固体電解質体の増加した内部抵抗に基づいてヒータの制御を行うと、ヒータによる過剰な発熱からセンサの異常加熱を招き得るという問題を生ずる。
【００１２】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ヒータの異常加熱を防止し得るガス濃度センサの異常診断方法を提供することにある。
【００１４】
請求項１の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間を超える場合、ならびに、前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１，２，５のいずれか１項に記載のガス濃度センサの異常診断方法において、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１〜３，５のいずれか１項に記載のガス濃度センサの異常診断方法において、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを技術的特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明は、ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間内であることを第１条件とし、
前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間内であることを第２条件とし、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間内であることを第３条件とし、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲内であることを第４条件とし、
前記第１〜第４条件の全てが当て嵌まる場合に、前記固体電解質体に異常が無く、ガス濃度センサの故障は無いと判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断することを技術的特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガス濃度センサの異常診断方法の実施形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る全領域酸素センサ（以下「センサ素子」という）とそのコントローラを示している。２つのセルを接合したセンサ素子１０は内燃機関を備える自動車等の排気ガス系に配設される。
【００３４】
このセンサ素子１０は、排気ガス中の酸素濃度を測定するとともに、センサ素子１０の温度を測定するコントローラ５０に接続されている。このセンサ素子１０には、ヒータ制御回路６０にて制御されるヒータ７０が、セラミック系接合剤を介して取り付けられている。ヒータ７０は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックからなり、その内部にはヒータ配線７２が配設されている。ヒータ制御回路６０は、コントローラ５０により測定されるセンサ素子１０の温度を目標値に保つように、ヒータ７０へ電力を供給し、センサ素子１０の温度を目標値に維持するように機能する。なお、コントローラ５０は、マイクロコンピュータ、メモリ、入出力インタフェース等を備えており、メモリに内蔵された制御プログラムにより所定の制御処理を実行し得るように構成されている。
【００３５】
センサ素子１０は、ポンプセル１４、多孔質拡散層１８、起電力セル２４および補強板３０を積層することにより構成されている。
ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性固体電解質材料である安定化または部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２、１６を有している。測定ガスに晒される表面側の多孔質電極１２は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ＋電圧が印加されるのでＩｐ＋電極として参照する。また裏面側の多孔質電極１６は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ−電圧が印加されるのでＩｐ−電極として参照する。
【００３６】
起電力セル２４も同様に安定化または部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２、２８を有している。ポンプセル１４と起電力セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された間隙２０が形成されている。
【００３７】
即ち、この間隙２０は、多孔質拡散層１８を介して測定ガス雰囲気と連通されている。間隙２０側に配設された多孔質電極２２は、起電力セル２４の起電力のマイナス電圧が生じるためＶｓ−電極として参照し、また基準酸素室２６側に配設された多孔質電極２８は、起電力セル２４の起電力のプラス電圧が生じるためＶｓ＋電極として参照する。基準酸素室２６の基準酸素は多孔質電極２２から一定量の酸素を多孔質電極２８にポンピングすることにより生成する。
【００３８】
ここで、測定ガスの酸素濃度と間隙２０の酸素濃度との差に応じた酸素が、間隙２０側に多孔質拡散層１８を介して拡散して行く。間隙２０内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室２６との間の酸素濃度差により、起電力セル２４のＶｓ＋電極２８とＶｓ−電極２２との間には、約４５０ｍＶの電位差が生じる。このため、コントローラ５０は、ポンプセル１４に流す電流Ｉｐを、上記起電力セル２４の起電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるように調整することで、間隙２０内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つためのポンプセル電流量Ｉｐに基づき、測定ガス中の酸素濃度を測定する。
【００３９】
図２(A) は、固体電解質体の内部抵抗、即ち起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs を等価回路にモデル化したものを示している。
起電力セル２４は、前述したようにジルコニアにより形成されているため、図２(A) に示すようなインピーダンスモデルにより表すことができる。そして、この図２(A) に示す電極の界面抵抗Ｒ４は、ガス雰囲気により変化するが、粒内抵抗Ｒ２および粒界抵抗Ｒ３は、ジルコニアの物性により決定され周囲温度を一定の関係にある。そのため、内部抵抗Ｒpvs とセンサ素子の温度との関係は、図２(B) に示すような特性曲線になることから、内部抵抗Ｒpvs の値により、ポンプセル１４および起電力セル２４の活性判断や、ヒータ７０による加熱温度を制御することができる。
【００４０】
また、図２(A) に示すインピーダンスモデル中の静電容量Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、Ｃ２、Ｃ３＜＜Ｃ４の関係にある。そのため、所定の周波数以上の高周波成分を含んだ既知の電圧値の交番電圧またはパルス電圧を印加、あるいは所定の周波数以上の高周波成分を含んだ既知の電流値の交番電流またはパルス電流を固体電解質体に供給することにより、リードから粒界までの抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）、即ち内部抵抗Ｒpvs を測定することができる。なお、この内部抵抗Ｒpvs と区別して、電極の界面抵抗Ｒ４まで含めた全体の抵抗（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）をＲivs と称する。
【００４１】
このような起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs は、コントローラ５０により測定される。具体的には、活性状態にある起電力セル２４に所定方向の測定電流（既知）を所定期間供給し、この測定電流の供給前後に発生する起電力セル２４の電位差ΔＶｓを測定する。そして、この測定した電位差ΔＶｓを既知である測定電流値で割ることにより、起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs を算出する。なお、この測定電流による電荷が起電力セル２４のコンデンサ（図２に示すＣ２〜Ｃ４）に蓄えられるため、測定電流とは逆方向に流れる電流を、測定電流の遮断後に供給する。つまり、所定の周波数以上の高周波成分を含んだ既知の電流値の交番電圧またはパルス電圧を固体電解質体に印加する。
【００４２】
次に、このような起電力セル２４の経時変化による内部抵抗Ｒpvs の変化を、コントローラ５０による制御プログラムの制御データを用いて検出し、センサ素子１０の異常を診断する一連の処理例１〜３を図３〜図５に基づいて説明する。
【００４３】
[処理例１］
図３に示すように、処理例１は、エンジンの始動直後から開始されるもので、内部抵抗Ｒpvs の変化に基づいてセンサ素子１０の故障判定をするものである。
まず、ステップＳ１０１によりイグニッション−ＯＮを検出すると、次のステップＳ１０３によりエンジン水温が所定温度Ｔｃより低いか否かを判断し、エンジン水温Ｔｃに適合した劣化判定マップ（劣化判定ＭＡＰ−Ｈot、またはＭＡＰ−Cold）を選択する。そして、ステップＳ１０５によりエンジンの始動後、ステップＳ１０７によりＩcp電流の供給を開始する。
【００４４】
次に、ステップＳ１０９によりエンジン回転数Ｎｅ１、吸入圧力ＰＢ１およびスロットル弁の開度ＴＨ１からエンジン状態を確認する。そして、このステップＳ１０９により急激な加減速等の状態変動がエンジンにないと判断すると、次のステップＳ１１１に処理を移行しこの時の時刻Ｔ11を計時する。なお、この時刻Ｔ11は次ステップＳ１１３によるヒータ通電開始時刻に相当する。
【００４５】
続くステップＳ１１３では、ヒータ制御回路６０によりセンサ素子１０のヒータ７０の通電を開始し、さらにステップＳ１１５により起電力セル２４の電圧Ｖｓを測定する。そして、ステップＳ１１７により、電圧Ｖｓから内部抵抗Ｒpvs の測定を開始できるか否かを判断し、測定できる状態（Ｖｓ＞Ｖsrpvs ）にあると判断できれば、続くステップＳ１１９により、起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs の測定を行う。
【００４６】
ここでステップＳ１２１により、ステップＳ１１９で測定した内部抵抗Ｒpvs の値が所定値Ｒ11よりも小さいか否かを判断する。即ち、起電力セル２４が活性状態に達したか否かを判断する。もし、測定した内部抵抗Ｒpvsが所定値Ｒ11よりも小さいと判断できないときは（ステップＳ１２１でＮｏ）、起電力セル２４が異常である蓋然性が高いのでセンサ素子１０の故障と判定し、故障判定フラグ等をセットして一連の処理を終了する。
【００４７】
一方、ステップＳ１２１により、測定した内部抵抗Ｒpvsが所定値Ｒ11よりも小さいと判断したときには（ステップＳ１２１でＹｅｓ）、次のステップＳ１２３に処理を移行し、ステップＳ１２３によりエンジン回転数Ｎｅ２、吸入圧力ＰＢ２およびスロットル弁の開度ＴＨ２からエンジン状態を確認する。そして、このステップＳ１２３により急激な加減速等の状態変動がエンジンにないと判断すると、次のステップＳ１２５に処理を移行しこの時の時刻Ｔ12を計時する。なお、この時刻Ｔ12はステップＳ１２１による内部抵抗Ｒpvs の値が所定値Ｒ11よりも小さいか否かの判断時刻に相当する。
【００４８】
ステップＳ１２７では、起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs が所定の目標値Ｒ12に到達したか否かを判断する。ここで、目標値Ｒ12よりも小さい、即ち目標値Ｒ12に到達したと判断できないときは（ステップＳ１２７でＮｏ）、起電力セル２４が異常である蓋然性が高いのでセンサ素子１０の故障と判定し、故障判定フラグ等をセットして一連の処理を終了する。
【００４９】
一方、内部抵抗Ｒpvs が所定の目標値Ｒ12に到達したと判断できれば（ステップＳ１２７でＹｅｓ）、続くステップＳ１２９で再びエンジン状態を確認し、次ステップＳ１３１に処理を移行しこの時の時刻Ｔ13を計時する。なお、この時刻Ｔ13はステップＳ１２７による内部抵抗Ｒpvs の値が所定の目標値Ｒ12に到達したか否かの判断時刻に相当する。
【００５０】
ステップＳ１３３では、ステップＳ１２１、Ｓ１２７の判断処理に用いた所定値Ｒ11および所定の目標値Ｒ12と、時刻Ｔ11、Ｔ12、Ｔ13とから、起電力セル２４の劣化判定を行う。
即ち、［第１条件］ヒータ７０への通電開始時刻（第１時点）Ｔ11からステップＳ１２１による判断時刻Ｔ12（第２時点）までに要した時間（Ｔ12−Ｔ11）が、所定時間内であったか否かの判断を行う。
また、［第２条件］ヒータ７０への通電開始時刻Ｔ11からステップＳ１２７による判断時刻Ｔ13（第３時点）までに要した時間（Ｔ13−Ｔ11）が、所定時間内であったか否かの判断を行う。
【００５１】
そして、［第３条件］ステップＳ１２１による判断からステップＳ１２７による判断までに要した時間（Ｔ13−Ｔ12）が、所定時間内であったか否かの判断を行う。
さらには、［第４条件］当該時間（Ｔ13−Ｔ12）内の内部抵抗Ｒpvs の変化量を（（Ｒ11−Ｒ12）／（Ｔ13−Ｔ12））により算出し、その変化量が所定の範囲内にあるか否かの判断を行う。
【００５２】
ステップＳ１３３による［第１条件］〜［第４条件］のいずれかの判断により、起電力セル２４が劣化していないと判断されると（ステップＳ１３３でＹｅｓ）、センサ素子１０の故障はない旨の判定がなされ、一連の処理が終了する。また、起電力セル２４が劣化していないと判断できないと（ステップＳ１３３でＮｏ）、起電力セル２４が異常である蓋然性が高いのでセンサ素子１０の故障と判定し、故障判定フラグ等をセットして一連の処理を終了する。
【００５３】
[処理例２］
図４に示す通りである。
[処理例３］
図５に示す通りである。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態に係るガス濃度センサの異常診断方法によると、起電力セル２４の経時変化による起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs の変化を、内部抵抗Ｒpvs を所定の目標値にするようにプログラムされたコントローラ５０による制御プログラムの制御データを用いて検出し、センサ素子１０の異常を診断する。これにより、当該制御データから、起電力セル２４の経時変化による内部抵抗Ｒpvs の変化を検出することができるので、例えばこの内部抵抗Ｒpvs が経時変化により増加した場合には、それにより起電力セル２４の劣化、つまりセンサ素子１０の異常を診断することができる。したがって、ヒータ７０により加熱する起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs を検出し、内部抵抗Ｒpvs を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによってヒータ７０への供給電力が制御されるガス濃度センサにおいては、起電力セル２４の劣化による異常を診断することができるので、ヒータ７０の異常加熱を防止し得る効果がある。
【００５５】
【発明の効果】
固体電解質体が劣化し内部抵抗値が上昇すると、正確な温度が測定されなくなるので、センサ温度を正確にコントロールできなくなり、センサ出力が異常になるが、これまではそれが検出できなかった。その為、センサの異常な出力によって長時間エンジンが制御されることになり、自動車からの排気ガス中の有害成分が増加していた。
請求項１〜８の発明によれば、固体電解質体の劣下が検出できるのでセンサが劣化したことを正確に検出でき、早期にセンサの交換を促すことで排気ガス中の有害成分の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るセンサ素子とその異常診断装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係るセンサ素子の固体電解質体の特性を示す説明図で、図２(A) は固体電解質体の内部抵抗Ｒpvs を等価回路にモデル化したもの、図２(B) は内部抵抗Ｒpvs とセンサ素子の温度との関係を示すものである。
【図３】本実施形態に係る異常診断装置による処理例１の流れを示すフローチャートである。
【図４】本実施形態に係る異常診断装置による処理例２の流れを示すフローチャートである。
【図５】本実施形態に係る異常診断装置による処理例３の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ センサ素子（ガス濃度センサ）
１２ 多孔質電極
１４ ポンプセル（固体電解質体）
１６ 多孔質電極
１８ 多孔質拡散層
２０ 間隙
２２ 多孔質電極
２４ 起電力セル（固体電解質体）
２６ 酸素基準室
２８ 多孔質電極
５０ コントローラ
６０ ヒータ制御回路
７０ ヒータ
Claims (8)
- ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを特徴とするガス濃度センサの異常診断方法。 - ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを特徴とするガス濃度センサの異常診断方法。 - ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを特徴とするガス濃度センサの異常診断方法。 - ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを特徴とするガス濃度センサの異常診断方法。 - ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間を超える場合、ならびに、前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを特徴とするガス濃度センサの異常診断方法。 - 請求項１，２，５のいずれか１項に記載のガス濃度センサの異常診断方法において、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを特徴とするガス濃度センサの異常診断方法。 - 請求項１〜３，５のいずれか１項に記載のガス濃度センサの異常診断方法において、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲を超える場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定することを特徴とするガス濃度センサの異常診断方法。 - ヒータにより加熱される固体電解質体の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値を所定の目標値にするようにプログラムされた制御プログラムによって前記ヒータへの供給電力が制御されるガス濃度センサについて、そのガス濃度センサの異常を診断するガス濃度センサの異常診断方法において、
第１時点にて前記ヒータに所定電圧を印加して通電を開始した後に、前記内部抵抗値を検出可能な状態になった第２時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値以上の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
第２時点にて前記内部抵抗値が所定値未満の場合には、第３時点にて前記内部抵抗値を検出し、
第３時点にて前記内部抵抗値が前記所定の目標値未満の場合には、前記固体電解質体が異常であり、ガス濃度センサが故障していると判定し、
前記第１時点から前記第２時点までの時間が所定時間内であることを第１条件とし、
前記第１時点から前記第３時点までの時間が所定時間内であることを第２条件とし、
前記第２時点から前記第３時点までの時間が所定時間内であることを第３条件とし、
前記第２時点から前記第３時点までの時間における前記内部抵抗値の変化量が所定の範囲内であることを第４条件とし、
前記第１〜第４条件の全てが当て嵌まる場合に、前記固体電解質体に異常が無く、ガス濃度センサの故障は無いと判定することにより、
前記固体電解質体の経時変化による前記内部抵抗値の変化に基づいてガス濃度センサの異常を診断することを特徴とするガス濃度センサの異常診断方法。
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