JP5287506B2 - センサの異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサの異常診断装置に関する。

内燃機関の停止後に触媒の下流側に設けられる酸素センサの較正を行うときは、該酸素センサの周囲に大気を充満させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、排気管や触媒の温度によっては、排気管内に大気を充満させているときに水が凝縮する虞がある。そして、この水がセンサに付着すると、センサが故障する虞がある。

特開２００７−２０５３２８号公報 特開２００８−２２７２号公報 特開２００８−６４００７号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、センサの異常診断装置において、センサの異常診断時に水がセンサに付着することを抑制することができる技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明によるセンサの異常診断装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明によるセンサの異常診断装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ排気中の所定成分を検知するセンサの周辺の排気通路内に空気を導入したときの該センサの出力値に基づいて該センサの異常を診断するセンサの異常診断装置において、
前記センサの周辺の排気通路内へ空気を導入する複数の空気導入手段と、
前記複数の空気導入手段のなかで、前記センサの周辺の排気通路内への空気の導入が完了するまでの時間が、前記排気通路内で水が凝縮するまでの時間よりも短くなるものを選択する選択手段と、
を備えることを特徴とする。

所定成分には複数の成分が含まれていても良い。センサの周辺の排気通路内に空気を導入するとは、センサにより検知されるガスが排気から空気に置き換わることを意味する。センサの周辺とは、少なくともセンサに検知される範囲である。ここで、空気は予めその成分が分かっているため、センサの周辺に空気を導入したときのセンサの出力値と、空気の成分で出力されるはずの値（基準値）とを比較することにより該センサの異常を診断することができる。例えばセンサの出力値と基準値との差が閾値より大きい場合にセンサが異常であると判定できる。この異常には、例えばセンサの出力値がオフセットされる異常が含まれる。また、センサの出力値と基準値との差に基づいてセンサを較正したり、または出力値を補正したりすることができる。

空気導入手段は複数備わり、選択手段はその中の少なくとも１つを選択して空気を導入する。ここで、選択手段は、センサの周辺の排気通路内への空気の導入が完了するまでの時間と、排気通路内で水が凝縮するまでの時間と、を夫々の空気導入手段毎に比較する。

そして、センサの周辺の排気通路内への空気の導入が完了するまでの時間が、排気通路内で水が凝縮するまでの時間よりも短くなる空気導入手段を選択することにより、排気通路内に液体の水が生じる前にセンサの異常診断を完了させることができる。これにより、センサの異常診断時に該センサに水が付着することが抑制される。

本発明においては、前記複数の空気導入手段は、
前記センサよりも上流の排気通路に設けられ該排気通路内へ還元剤を噴射する噴射弁から該排気通路内のガスを逆流させる手段、
前記センサよりも上流の排気通路内へ二次空気を吐出する手段、
前記内燃機関の吸気通路に設けられるスロットルを開き且つ前記排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路に設けられるＥＧＲ弁を開く手段、
前記スロットルを開き且つ内燃機関をモータリングする手段、
のなかの少なくとも２つであっても良い。

センサよりも上流の排気通路に設けられ該排気通路内へ還元剤を噴射する噴射弁から該排気通路内のガスを逆流させる手段によれば、排気通路内の既燃ガスが噴射弁内に吸引される。そうすると排気通路内の圧力が低下するため、排気通路の出口からセンサへ向かって空気が逆流する。これにより、センサの周辺の排気通路内へ空気を導入することができる。

センサよりも上流の排気通路内へ二次空気を吐出する手段によれば、二次空気がセンサに向かって流れる。これにより、センサの周辺の排気通路内へ空気を導入することができる。

内燃機関の吸気通路に設けられるスロットルを開き且つ排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路に設けられるＥＧＲ弁を開く手段によれば、吸気通路からＥＧＲ通路を介して排気通路へ空気が流れる。これにより、センサの周辺の排気通路内へ空気を導入することができる。

スロットルを開き且つ内燃機関をモータリングする手段によれば、吸気通路から気筒内を通過した空気が、排気通路へ排出される。これにより、センサの周辺の排気通路内へ空気を導入することができる。

これらの手段を組み合わせることによってもセンサの周辺に空気を導入することができる。

本発明においては、前記空気導入手段の夫々には優先度が設定され、前記選択手段は、前記センサの周辺の排気通路内への空気の導入が完了するまでの時間が、前記排気通路内で水が凝縮するまでの時間よりも短くなる空気導入手段のなかで優先度が最も高いものを選択することができる。

つまり、水が凝縮するまでにセンサの周辺の排気通路内への空気の導入が完了する空気導入手段が複数ある場合には、その中から優先度が最も高いものを選択する。優先度は予め決定されていても良く、また、そのときの状況により変更しても良い。このようにすることで、空気導入手段の選択が容易になると共に、そのときの状況に合った選択が可能となる。

本発明によれば、センサの異常診断装置において、センサの異常診断時に水がセンサに付着することを抑制することができる。

実施例に係る内燃機関及びその吸気系、排気系の概略構成を示す図である。 内燃機関が停止してからの経過時間とＮＯxセンサ周辺のＮＯx濃度との関係を示したタイムチャートである。 実施例に係るＮＯxセンサの異常診断のフローを示したフローチャートである。

以下、本発明に係るセンサの異常診断装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有するディーゼル機関である。そして本実施例では、尿素ＳＣＲシステムを採用している。

内燃機関１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されている。吸気通路２には、該吸気通路２を流れる吸気の量を調節するスロットル４が備わる。

また、排気通路３の途中には、選択還元型ＮＯx触媒５（以下、ＮＯx触媒５という。）が備えられている。

ＮＯx触媒５よりも上流の排気通路３には、排気中に還元剤として尿素水を噴射する噴
射弁６０が取り付けられている。噴射弁６０は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して排気中へ尿素水を噴射する。噴射弁６０には尿素または排気通路３内のガスが流通する尿素通路６１の一端が接続されている。尿素通路６１の他端は２つに分岐して、尿素水を吐出する尿素水ポンプ６２及びガスを吸引する吸引ポンプ６３に接続される。

尿素水ポンプ６２を作動させつつ噴射弁６０を開くと、該噴射弁６０から排気中へ尿素水が噴射される。この尿素水は、排気の熱で加水分解されアンモニア（ＮＨ_３）となり、ＮＯx触媒５に吸着する。このＮＨ_３がＮＯxを還元させる。一方、吸引ポンプ６３を作動させつつ噴射弁６０を開くと、排気通路３内の排気が噴射弁６０に吸引される。

また、内燃機関１には、排気通路３内を流通する排気の一部（以下、ＥＧＲガスという。）を吸気通路２へ再循環させるＥＧＲ装置が備えられている。このＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路７０、ＥＧＲ弁７１を備えて構成されている。ＥＧＲ通路７０は、噴射弁６０よりも上流の排気通路３と、スロットル４よりも下流の吸気通路２と、を接続している。このＥＧＲ通路７０を通って、ＥＧＲガスが再循環される。また、ＥＧＲ弁７１は、ＥＧＲ通路７０の通路断面積を調節することにより、該ＥＧＲ通路７０を流れるＥＧＲガスの量を調節する。

さらに、噴射弁６０よりも上流の排気通路３には、二次空気が流通する空気供給通路８０の一端が接続されている。空気供給通路８０の他端は、ポンプ８１に接続されている。ポンプ８１が作動すると空気を吐出する。この空気が空気供給通路８０を流通して排気通路３内へ供給される。

ＮＯx触媒５よりも下流の排気通路３には、排気中のＮＯx濃度を測定するＮＯxセンサ
９が取り付けられている。また、内燃機関１には、該内燃機関１のクランクシャフトを回転させるスタータモータ１１が設けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１２を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１３、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１４が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、スロットル４、スタータモータ１１、噴射弁６０、尿素水ポンプ６２、吸引ポンプ６３、ＥＧＲ弁７１、ポンプ８１が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。

ＥＣＵ１０は、ＮＯxセンサ９のオフセット量（基準値からのずれ量）に基づいて該Ｎ
Ｏxセンサ９の異常を診断する。また、ＮＯxセンサ９のオフセット量に基づいて該ＮＯx
センサ９の較正を行なうこともできる。このようなＮＯxセンサ９の異常の診断やＮＯxセンサ９の較正は、ＮＯxセンサ９の周囲に大気を導入したときの出力値に基づいて行なわ
れる。ここで、大気の成分は予め分かっているので、大気を導入したときのＮＯxセンサ
９の出力値は所定の値（基準値）となるはずである。例えば、大気中にＮＯxは殆ど含ま
れていないため、大気の中のＮＯx濃度をＮＯxセンサ９にて検知したときに、ＮＯx濃度
は０となるはずである。そして、ＮＯx濃度が０がとならない場合には、ＮＯxセンサ９から出力されるＮＯx濃度分だけ出力値が基準値からずれていることになる。

ここで、ＮＯxセンサ９の異常を診断するときには、該ＮＯxセンサ９の周辺のＮＯx濃
度が十分に低くなっている必要がある。つまり、排気通路３内に排気が残留していると、ＮＯxセンサ９の異常を診断することが困難となる。

図２は、内燃機関１が停止してからの経過時間とＮＯxセンサ９周辺のＮＯx濃度との関係を示したタイムチャートである。これは、内燃機関１の停止後にＮＯxセンサ９の周辺
に空気を導入するための手段を何ら用いていない場合の図である。このように、内燃機関１が停止してからＮＯx濃度が十分に低下するまでにはある程度の時間がかかる。そうす
ると、ＮＯx濃度が十分に低下する前に排気通路３内で水が凝縮する場合がある。ＮＯxセンサ９は例えばヒータにより加熱しつつＮＯx濃度を測定するため、ＮＯxセンサ９の異常を診断するときにもヒータにより高温となる。この高温のＮＯxセンサ９に凝縮水が付着
すると、該ＮＯxセンサ９が故障する虞がある。

これに対し本実施例では、ＮＯxセンサ９の異常を診断するときに、まず、排気通路３
内へ空気を導入する。この空気は、ＮＯxセンサ９の周辺に導入されれば良い。つまり、
排気通路３内を全て空気で満たす必要は無い。このようにＮＯxセンサ９周辺のＮＯx濃度を低下させてから該ＮＯxセンサ９の異常を診断する。すなわち、凝縮水が発生する前に
ＮＯxセンサ９の異常診断を完了させる。

ここで、本実施例では、ＮＯxセンサ９の周辺に空気を導入するために以下の（１）か
ら（４）の何れかを実行する。
（１）吸引ポンプ６３を作動させつつ噴射弁６０を開く。これにより、噴射弁６０を排気が逆流する。すなわち、排気通路３内の排気を噴射弁６０に吸引させる。そうすると、排気通路３の出口から排気通路３内へ空気が導入される。
（２）ポンプ８１を作動させる。そうすると、空気供給通路８０から排気通路３内へ空気（二次空気）が供給させる。
（３）スロットル４及びＥＧＲ弁７１を開く。これにより、吸気通路２から排気通路３への空気の流れを確保する。
（４）スロットル４を開き且つＥＧＲ弁７１を閉じつつ、スタータモータ１１を作動させる。すなわち、スタータモータ１１により、内燃機関１をモータリングする。これにより、吸気通路２から気筒内を通過した空気を排気通路３内へ供給する。

このように本実施例では、ＮＯxセンサ９の周辺に空気を導入する手段を複数備えてい
る。ＥＣＵ１０は、（１）から（４）の中から１つ以上の手段を選択してＮＯxセンサ９
の周辺に空気を導入する。なお、（１）から（４）以外の他の手段を加えてその中から１つ以上の手段を選択しても良い。これらは内燃機関１の停止時に燃料噴射が停止された後、または内燃機関１の停止後に実行される。

以下、ＥＣＵ１０が上記（１）から（４）の中から１つの手段を選択する場合について説明する。ＥＣＵ１０は、排気通路３内に水が凝縮する前に、ＮＯxセンサ９の周辺に空
気を導入可能な手段を選択する。つまり、排気通路３内に水が凝縮するまでの時間Ｔ１と、ＮＯxセンサ９周辺への空気の導入が完了するまでの時間Ｔ２と、を夫々の手段毎に比
較する。そして、Ｔ１＞Ｔ２となる手段を選択する。

排気通路３内に水が凝縮するまでの時間Ｔ１は、ＮＯx触媒５の温度や外気温度等に基
づいて算出する。この時間Ｔ１は、周知の算出式を用いて求めても良く、また予め実験等により求めてマップ化しておいても良い。

また、ＮＯxセンサ９周辺への空気の導入が完了するまでの時間Ｔ２は、予め実験等に
より求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。

Ｔ１＞Ｔ２となる手段が複数ある場合には、例えば、Ｔ２の値が最も短い手段を選択しても良く、優先度の最も高い手段を選択しても良い。Ｔ２の値が最も短い手段を選択することにより、ＮＯxセンサ９の異常の診断に要する時間を短縮することができるため、内
燃機関１の短期間の停止であっても診断を完了させることができる。これにより、ＮＯx
センサ９の異常診断をより確実に行なうことができる。

また、優先度の最も高い手段を選択することにより、そのときの状況に合わせた選択が可能となる。例えば、バッテリの蓄電量が少ない場合には、スタータモータ１１を回転させると次回の内燃機関１の始動が困難となる虞があるため、上記（４）の優先度を低くする。このときには、電力消費量の少ない順に優先度を高くする。例えば（３）の優先度を最も高くする。電力消費量の少ない順に優先度を高くすることにより、燃費の悪化を抑制し得る。

さらに、例えば内燃機関１の温度を低下させたくない場合には、気筒内を空気が通過する（４）の優先度を低くする。また、ハイブリッド車においてモータで走行しているときや、車両の停止中に内燃機関１を自動的に停止させる場合には、内燃機関１がすぐに始動する可能性が高いため、速やかに空気を導入することができる手段の優先度を高くする。この優先度は、スタータモータ１１、吸引ポンプ６３、ポンプ８１等の性能により変わる。

また、例えば（１）等の所定の手段の優先度を予め最も高くしても良い。

次に図３は、本実施例に係るＮＯxセンサ９の異常診断のフローを示したフローチャー
トである。本ルーチンはＥＣＵ１０により所定時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、内燃機関１が停止されたか否か判定される。なお、内燃機関１の停止要求があるか否か判定しても良い。すなわち、ＮＯxセンサ９の異常を診断するた
めに必要となる条件が成立しているか否か判定している。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、否定判定がなされた場合にはＮＯxセンサ９
の異常診断を行なうことができないため本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０２では、内燃機関１が停止してからの経過時間をカウントするためのカウンタＴＣに０を代入する。つまり、初期値として０を代入する。この後、カウンタＴＣには例えば１秒毎に経過時間が代入される。

ステップＳ１０３では、排気通路３内に水が凝縮するまでの時間Ｔ１を算出する。ＮＯxセンサ９の周辺に水が凝縮するまでの時間としても良い。ここでは、ＮＯx触媒５の温度及び外気温度等を予め記憶されている算出式に代入して時間Ｔ１を得る。また、ＮＯx触
媒５の温度及び外気温度等と時間Ｔ１との関係をマップ化しておき、該マップにより時間Ｔ１を得ても良い。さらに、例えば所定の温度（例えば１００℃）以下となるまでの時間としても良い。

ステップＳ１０４では、ＮＯxセンサ９周辺への空気の導入が完了するまでの時間Ｔ２
を夫々の手段毎に算出する。例えばＥＣＵ１０に予め記憶されているマップに基づいて算出する。

ステップＳ１０５では、ＮＯxセンサ９付近に空気を導入するための手段を選択する。
つまり、Ｔ１＞Ｔ２となる手段を選択する。複数ある場合には、例えば優先度が最も高い手段を選択する。なお、本実施例ではステップＳ１０５を処理するＥＣＵ１０が、本発明における選択手段に相当する。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５により選択された手段によりＮＯxセンサ９
の付近に空気を導入する。

ステップＳ１０７では、内燃機関１の停止してからの経過時間ＴＣが、ＮＯxセンサ９
周辺への空気の導入が完了するまでの時間Ｔ２以上であるか否か判定される。すなわち、ＮＯxセンサ９周辺への空気の導入が完了したか否か判定している。ステップＳ１０７で
肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７を再度実行する。つまり、ＮＯxセンサ９の付近に空気が導入されるまで次
のステップには進まない。

ステップＳ１０８では、ＮＯxセンサ９により検知されるＮＯx濃度の誤差ΔＮＯxを算
出する。この誤差ΔＮＯxは、ＮＯxセンサ９により得られるＮＯx濃度の絶対値とする。
すなわち、ＮＯxセンサ９周辺は空気で満たされているためＮＯx濃度は０となるはずなので、このときにＮＯxセンサ９により得られるＮＯx濃度がそのまま誤差となる。

ステップＳ１０９では、ステップＳ１０９で算出される誤差ΔＮＯxが閾値よりも小さ
いか否か判定される。この閾値は、ＮＯxセンサ９に異常があると判定される誤差の下限
値である。ステップＳ１０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１１へ進む。

ステップＳ１１０では、ＮＯxセンサ９は正常であると判定される。また、ステップＳ
１１１では、ＮＯxセンサ９に異常があると判定される。

このようにして、複数の空気導入手段の中から１つを選択してＮＯxセンサ９の付近に
空気を導入することで、ＮＯxセンサ９に凝縮水が付着することを抑制できる。これによ
り、ＮＯxセンサ９の故障を抑制しつつＮＯxセンサ９の異常診断を行なうことができる。また、誤差ΔＮＯxに基づいてセンサ９の出力値を補正することもできる。なお、本実施
例ではＮＯxセンサ９について説明したが、空燃比センサ、酸素濃度センサ、ＨＣ濃度セ
ンサ等にも同様にして適用することができる。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ スロットル
５ 選択還元型ＮＯx触媒
９ ＮＯxセンサ
１１ スタータモータ
１２ アクセルペダル
１３ アクセル開度センサ
１４ クランクポジションセンサ
６０ 噴射弁
６１ 尿素通路
６２ 尿素水ポンプ
６３ 吸引ポンプ
７０ ＥＧＲ通路
７１ ＥＧＲ弁
８０ 空気供給通路
８１ ポンプ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気中の所定成分を検知するセンサの周辺の排気通路内に空気を導入したときの該センサの出力値に基づいて該センサの異常を診断するセンサの異常診断装置において、
   前記センサの周辺の排気通路内へ空気を導入する複数の空気導入手段と、
   前記複数の空気導入手段のなかで、前記センサの周辺の排気通路内への空気の導入が完了するまでの時間が、前記排気通路内で水が凝縮するまでの時間よりも短くなるものを選択する選択手段と、
   を備えることを特徴とするセンサの異常診断装置。
2. 前記複数の空気導入手段は、
   前記センサよりも上流の排気通路に設けられ該排気通路内へ還元剤を噴射する噴射弁から該排気通路内のガスを逆流させる手段、
   前記センサよりも上流の排気通路内へ二次空気を吐出する手段、
   前記内燃機関の吸気通路に設けられるスロットルを開き且つ前記排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路に設けられるＥＧＲ弁を開く手段、
   前記スロットルを開き且つ内燃機関をモータリングする手段、
   のなかの少なくとも２つであることを特徴とする請求項１に記載のセンサの異常診断装置。
3. 前記空気導入手段の夫々には優先度が設定され、前記選択手段は、前記センサの周辺の排気通路内への空気の導入が完了するまでの時間が、前記排気通路内で水が凝縮するまでの時間よりも短くなる空気導入手段のなかで優先度が最も高いものを選択することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサの異常診断装置。

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