KR102201463B1 - 가스 센서의 고장 검출 장치, 가스 센서의 고장 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 센서의 고장 검출 장치는, 이하와 같이 구성된 전자 제어 유닛 (12) 을 구비한다 : 상기 가스 센서 (10) 가 고장나 있지 않은 경우에 있어서의 한계 전류역보다 저전압측의 전압이며 또한 정의 전압인 소정 전압을, 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이에 인가하도록 제어하고 ; 상기 소정 전압이 상기 1 쌍의 전극 사이에 인가되고 있을 때에, 상기 1 쌍의 전극 사이를 흐르는 전류인 판정용 전류를 취득하고 ; 상기 취득한 상기 판정용 전류에 기초하여, 상기 가스 센서의 고장을 판정한다.

Description

가스 센서의 고장 검출 장치, 가스 센서의 고장 검출 방법{FAILURE DETECTION APPARATUS FOR GAS SENSOR AND FAILURE DETECTION METHOD FOR GAS SENSOR}
본 발명은, 가스 센서의 고장 검출 장치 및 가스 센서의 고장 검출 방법에 관한 것이다.
최근, 피검출 가스 중에 함유되는 산소나 산화물 (예를 들어, 수증기, 질소산화물, 황 산화물 등) 의 농도를 검출하는 한계 전류식의 가스 센서가 보급되어 오고 있다. 이 한계 전류식의 가스 센서는, 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 전해질과, 고체 전해질에 장착된 1 쌍의 전극과, 피검출 가스를 확산율속하여 1 쌍의 전극의 일방으로 유도하는 확산율속부를 포함하는 센서 소자를 구비하고 있다. 이와 같은 한계 전류식의 가스 센서는, 내연 기관의 배기에 함유되는 산소 농도를 검출하는 산소 농도 센서로서 사용되는 경우가 있다.
여기서, 일본 공개특허공보 2004-019542호에는, 내연 기관의 배기 통로에 있어서의 배기 정화 촉매보다 하류에 배치되는 산소 농도 센서의 고장을 검출하는 기술로서, 배기 정화 촉매보다 상류에 공연비 센서를 배치하여, 산소 농도 센서의 검출 신호가 리치한 산소 농도를 나타내며 또한 공연비 센서의 검출 신호가 린한 공연비를 나타내고 있는 기간 중에 배기 정화 촉매에 유입되는 산소량을 적산함으로써, 배기 정화 촉매의 산소 흡장 능력을 추정하고, 추정된 산소 흡장 능력이 소정의 임계값을 초과하고 있으면, 산소 농도 센서가 고장나 있는 것으로 판정하는 기술이 개시되어 있다.
그런데, 상기한 바와 같은 기술에서는, 피검출 가스에 함유되는 소정 성분의 농도가 특정 농도일 때가 아니면, 산소 농도 센서의 고장을 검출할 수 없다는 제약이 있다.
본 발명은, 피검출 가스에 함유되는 소정 성분의 농도를 검출하기 위한 한계 전류식 가스 센서의 고장 검출 장치에 있어서, 피검출 가스에 함유되는 소정 성분의 농도를 불문하고, 가스 센서의 고장을 검출할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명은, 한계 전류역보다 저압측의 전압이며 또한 정 (正) 의 전압인 소정 전압을 한계 전류식 가스 센서의 1 쌍의 전극 사이에 인가하였을 때에, 그것들 전극 사이를 흐르는 전류는, 가스 센서가 고장나 있는 경우와 고장나 있지 않은 경우에서 현저한 차를 나타내는 것에 착안하여, 가스 센서의 고장을 검출하는 기술을 제공한다.
본 발명의 제 1 양태는, 가스 센서의 고장 검출 장치에 관한 것이다. 상기 가스 센서는, 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 전해질과, 상기 고체 전해질에 장착된 1 쌍의 전극과, 피검출 가스를 확산율속하여 상기 1 쌍의 전극의 일방으로 유도하는 확산율속부를 포함하는 센서 소자를 구비하고, 상기 가스 센서는, 피검출 가스 중에 함유되는 소정 성분의 농도를 검출하도록 구성된 한계 전류식 가스 센서이다. 상기 고장 검출 장치는, 이하와 같이 구성된 전자 제어 유닛을 구비한다 : 상기 가스 센서가 고장나 있지 않은 경우에 있어서의 한계 전류역보다 저전압측의 전압이며 또한 정의 전압인 소정 전압을, 상기 1 쌍의 전극 사이에 인가하도록 제어하고 ; 상기 소정 전압이 상기 1 쌍의 전극 사이에 인가되고 있을 때에, 상기 1 쌍의 전극 사이를 흐르는 전류인 판정용 전류를 취득하고 ; 상기 취득한 상기 판정용 전류에 기초하여, 상기 가스 센서의 고장을 판정한다.
여기서 말하는 「한계 전류역」이란, 1 쌍의 전극 사이에 인가되는 전압 (이하, 「인가 전압」이라고 기재하는 경우도 있다) 과 그것들 전극 사이를 흐르는 전류 (이하, 「전극 전류」라고 기재하는 경우도 있다) 사이에, 한계 전류 특성이 발현되는 인가 전압의 범위이다. 또, 여기서 말하는 「판정용 전류에 기초하여 가스 센서의 고장을 판정한다」란, 판정용 전류를 판정용의 임계값과 비교함으로써, 가스 센서의 고장을 검출하는 양태에 한정되지 않고, 판정용 전류로부터 1 쌍의 전극 간의 저항값을 연산하여, 그 저항값을 판정용의 임계값과 비교함으로써, 가스 센서의 고장을 검출하는 양태여도 된다.
한계 전류식의 가스 센서가 고장나 있지 않은 상태에 있어서, 한계 전류역의 전압이 1 쌍의 전극 사이에 인가되면, 피검출 가스에 함유되는 소정 성분의 농도에 비례한 크기의 전류 (한계 전류) 가 그것들 전극 사이를 흐른다. 그런데, 한계 전류역의 전압이 1 쌍의 전극 사이에 인가되었을 때의 전극 전류는, 가스 센서가 고장나 있는 경우와 고장나 있지 않은 경우에 있어서 현저한 차를 발생시키기 어렵다. 이에 반해, 한계 전류역보다 저압측의 전압이며 또한 정의 전압 (소정 전압) 이 1 쌍의 전극 사이에 인가되었을 때의 전극 전류 (판정용 전류) 는, 가스 센서가 고장나 있는 경우와 고장나 있지 않은 경우에 있어서 현저한 차를 발생시키기 쉽다. 또한, 이와 같은 차는, 피검출 가스에 함유되는 소정 성분의 농도에 상관없이 발현된다. 따라서, 상기 양태에 관련된 고장 검출 장치에 의하면, 판정용 전류에 기초하여 가스 센서의 고장 검출을 실시함으로써, 피검출 가스에 함유되는 소정 성분의 농도를 불문하고, 가스 센서의 고장을 검출할 수 있다.
상기 양태에 있어서, 상기 가스 센서는, 내연 기관의 배기 통로에 배치되고, 상기 피검출 가스로서의 배기에 함유되는 상기 소정 성분으로서의 산소의 농도를 검출하도록 구성되어도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 고장 특성에 기초하여 상기 가스 센서의 고장을 판정하도록 구성되어도 되고, 상기 고장 특성은, 상기 가스 센서가 고장나 있는 경우에는 고장나 있지 않은 경우에 비해, 상기 판정용 전류가 커지는 특성이다. 이것에 의하면, 상기 고장 특성이 발현되는 고장을 검출할 수 있다.
또한, 상기 고장 특성은, 예를 들어, 피검출 가스로서의 배기가 1 쌍의 전극 중 일방의 전극뿐만 아니라 타방의 전극에도 접촉해 버리는 것과 같은 고장이 발생한 경우에 발현되기 쉽다. 상기 양태에 있어서, 상기 1 쌍의 전극 중 일방의 전극은, 대기가 도입되는 기준 가스실에 면하도록 배치되어도 되고, 상기 1 쌍의 전극 중 타방의 전극은, 상기 확산율속부를 개재하여 도입되는 상기 피검출 가스로서의 배기에 노출되도록 배치되어도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 고장의 발생시에 상기 고장 특성이 발현되는 전압을, 상기 소정 전압으로서 상기 1 쌍의 전극 사이에 인가하도록 구성되어도 된다. 상기 고장은, 상기 기준 가스실에 배기가 진입하는 고장이다.
이로써, 기준 가스실에 배기가 진입하는 고장을 보다 확실하게 검출할 수 있다.
상기 양태에 있어서, 상기 소정 전압은, 배기의 공연비가 이론 공연비보다 린한 린 공연비일 때에, 상기 기준 가스실에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 상기 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에서 상기 판정용 전류의 정부 (正負) 가 반대가 되는 전압이어도 된다. 상기 양태에 있어서, 상기 소정 전압은, 0.1 볼트여도 된다. 상기 양태에 의하면, 기준 가스실에 배기가 진입하는 고장이 발생한 경우에, 상기 고장 특성이 보다 확실하게 발현되기 때문에, 고장 검출 정밀도를 높일 수 있다.
상기 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 취득한 상기 판정용 전류가 소정의 임계값보다 클 때에는, 상기 가스 센서가 고장나 있는 것으로 판정하도록 구성되어도 된다. 상기 양태에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 취득한 상기 판정용 전류와 상기 소정 전압에 기초하여 상기 1 쌍의 전극 간에 있어서의 저항값을 연산하도록 구성되어도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 연산한 저항값이 소정의 상한값보다 큰 경우 또는 상기 연산한 저항값이 소정의 하한값보다 작은 경우에 상기 가스 센서가 고장나 있는 것으로 판정하도록 구성되어도 된다.
상기 양태에 있어서, 상기 가스 센서는, 상기 센서 소자를 가열하기 위한 히터를 추가로 구비해도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 소정 전압을 상기 1 쌍의 전극 사이에 인가하는 경우에, 상기 센서 소자의 온도를 상기 센서 소자의 활성 온도보다 높은 소정 온도 이상으로 상승시키기 위해 상기 히터를 제어하도록 구성되어도 된다. 여기서 말하는 「센서 소자의 활성 온도」란, 고체 전해질의 산소 이온 전도성이 발현되는 온도이다.
여기서, 센서 소자의 온도가 활성 온도 이상이 되는 상태에서는, 1 쌍의 전극 사이에 소정 전압이 인가될 때의 센서 소자의 온도가 낮을 때보다 높을 때 쪽이, 기준 가스실에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 판정용 전류가 보다 한층 작아짐과 함께, 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 판정용 전류가 보다 한층 커진다. 요컨대, 센서 소자의 온도가 활성 온도 이상이 되는 상태에서는, 소정 전압이 1 쌍의 전극 사이에 인가될 때의 센서 소자의 온도가 낮을 때보다 높을 때 쪽이, 기준 가스실에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 판정용 전류의 차가 보다 한층 커진다. 따라서, 소정 전압이 1 쌍의 전극 사이에 인가될 때의 센서 소자의 온도가 소정 온도 이상이 되도록, 히터가 제어되면, 고장 검출 정밀도를 높일 수 있다.
상기한 소정 온도는, 예를 들어, 750 ℃ 내지 850 ℃ 의 범위 내에서 설정되어도 된다. 가스 센서의 센서 소자는, 대체로 600 ℃ 전후에서 활성되지만, 그것보다 높은 750 ℃ 부터 850 ℃ 까지 센서 소자가 승온되면, 1 쌍의 전극 간의 저항값이 대폭 저하됨으로써, 기준 가스실에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 판정용 전류의 차가 보다 현저하게 커진다. 그 결과, 고장 검출 정밀도를 보다 확실하게 높일 수 있다. 또한, 히터에 의해 센서 소자를 가열하는 경우에는, 센서 소자의 온도가 900 ℃ 를 초과하지 않도록 히터가 제어되는 것으로 한다. 이것은, 센서 소자의 온도가 900 ℃ 를 초과하면, 가스 센서의 측정 정밀도가 저하되거나, 가스 센서가 열 열화되거나 하기 때문이다.
본 발명의 제 2 양태는, 가스 센서의 고장 검출 방법에 관한 것이다. 상기 가스 센서는, 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 전해질과, 상기 고체 전해질에 장착된 1 쌍의 전극과, 피검출 가스를 확산율속하여 상기 1 쌍의 전극의 일방으로 유도하는 확산율속부를 포함하는 센서 소자를 구비하고, 상기 가스 센서는, 피검출 가스 중에 함유되는 소정 성분의 농도를 검출하는 한계 전류식 가스 센서이다. 상기 고장 검출 방법은, 이하를 포함한다 : 상기 가스 센서가 고장나 있지 않은 경우에 있어서의 한계 전류역보다 저전압측의 전압이며 또한 정의 전압인 소정 전압을, 상기 1 쌍의 전극 사이에 인가하도록, 전자 제어 유닛에 의해, 제어하는 것과 ; 상기 소정 전압이 상기 1 쌍의 전극 사이에 인가되고 있을 때에, 상기 1 쌍의 전극 사이를 흐르는 전류인 판정용 전류를, 상기 전자 제어 유닛에 의해, 취득하는 것과 ; 상기 판정용 전류에 기초하여, 상기 가스 센서의 고장을, 상기 전자 제어 유닛에 의해, 판정하는 것.
본 발명에 의하면, 피검출 가스에 함유되는 소정 성분의 농도를 불문하고, 한계 전류식 가스 센서의 고장을 검출할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태들의 특징들, 이점들, 및 기술적 및 산업적 중요성이 첨부하는 도면을 참조하여 이하에 기술될 것이며, 여기서 동일한 도면 번호는 동일한 엘리먼트들을 표시한다.
도 1 은, 본 발명의 대상이 되는 가스 센서가 적용되는 내연 기관과 그 흡배기계의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2 는, A/F 센서의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3 은, 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타내는 도면이다.
도 4 는, 한계 전류 (Ilc) 와 공연비 (A/F) 의 상관을 나타내는 도면이다.
도 5 는, 센서 소자에 균열이 발생한 상태의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 배기의 공연비가 린 공연비가 되는 상태에서 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타내는 도면이다.
도 7 은, 배기의 공연비가 이론 공연비가 되는 상태에서 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타내는 도면이다.
도 8 은, 배기의 공연비가 리치 공연비가 되는 상태에서 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타내는 도면이다.
도 9 는, 제 1 실시형태에 있어서, ECU 가 고장 검출 처리를 실시할 때에 실행하는 처리 루틴을 나타내는 플로 차트이다.
도 10 은, 기준 가스실에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타내는 도면이다.
도 11 은, 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타내는 도면이다.
도 12 는, 제 2 실시형태에 있어서, ECU 가 고장 검출 처리를 실시할 때에 실행하는 처리 루틴을 나타내는 플로 차트이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 도면에 기초하여 설명한다. 본 실시형태에 기재되는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 상대 배치 등은, 특별히 기재가 없는 한 발명의 기술적 범위를 그것들로만 한정하는 취지의 것은 아니다.
제 1 실시형태
본 발명의 제 1 실시형태에 대해 도 1 내지 도 9 에 기초하여 설명한다. 여기서는, 차량에 탑재되는 내연 기관으로부터 배출되는 배기를 피검출 가스로 하고, 동 배기 중에 함유되는 산소의 농도 (공연비 (A/F)) 를 소정 성분의 농도로서 검출하는 A/F 센서에, 본 발명을 적용하는 예에 대해 서술한다.
도 1 은, 본 발명의 대상이 되는 가스 센서가 적용되는 내연 기관과 그 흡배기계의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 1 에 나타내는 내연 기관 (1) 은, 복수의 기통 (2) 을 구비한 불꽃 점화식의 내연 기관 (가솔린 엔진) 이다. 또한, 내연 기관 (1) 은, 경유를 연료로서 사용하는 압축 착화식의 내연 기관 (디젤 엔진) 이어도 된다.
내연 기관 (1) 은, 기통 (2) 내로 통하는 흡기 통로 (3) 및 배기 통로 (4) 가 접속되어 있다. 흡기 통로 (3) 에 있어서의 내연 기관 (1) 근방의 부위 (예를 들어, 흡기 포트나 인테이크 매니폴드) 에는, 연료 분사 밸브 (5) 가 장착되어 있다. 또한, 연료 분사 밸브 (5) 는, 기통 (2) 내에 직접 연료를 분사 가능한 위치에 배치되어도 된다. 연료 분사 밸브 (5) 로부터 분사되는 연료는, 흡기 통로 (3) 를 흐르는 공기와 혼합되어 혼합기를 형성한다. 이와 같은 혼합기는, 기통 (2) 내에서 점화 플러그 (8) 에 의해 착화되어 연소된다.
연료 분사 밸브 (5) 보다 상류의 흡기 통로 (3) 에는, 그 흡기 통로 (3) 의 통로 단면적을 변경함으로써, 내연 기관 (1) 의 흡입 공기량을 조정하는 스로틀 밸브 (6) 가 형성된다. 흡기 통로 (3) 에 있어서의 스로틀 밸브 (6) 보다 상류의 부위에는, 흡기 통로 (3) 를 흐르는 신기 (新氣) (공기) 의 질량을 계측하는 에어플로 미터 (7) 가 형성된다.
한편, 배기 통로 (4) 의 도중에는, 배기 정화 촉매를 수용한 촉매 케이싱 (9) 이 배치된다. 촉매 케이싱 (9) 에 수용되는 배기 정화 촉매는, 예를 들어, 삼원 촉매, NOX 흡장 환원형 촉매 (NSR (NOXStorageReduction) 촉매), 선택 환원형 촉매 (SCR (SelectiveCatalyticReduction) 촉매), 산화 촉매 등이다. 촉매 케이싱 (9) 보다 상류의 배기 통로 (4) 에는, 제 1 A/F 센서 (10a) 가 배치된다. 또, 촉매 케이싱 (9) 보다 하류의 배기 통로 (4) 에는, 제 2 A/F 센서 (10b) 가 배치된다. 이들 제 1 A/F 센서 (10a) 및 제 2 A/F 센서 (10b) (이하에서는 「A/F 센서 (10)」라고 총칭하는 경우도 있다) 는, 전술한 바와 같이, 배기 중에 함유되는 산소의 농도를 검출하는 센서로, 본 발명에 관련된 가스 센서로 간주할 수 있다. 또한, A/F 센서 (10) 의 구체적인 구성에 대해서는 후술한다.
상기한 바와 같이 구성되는 내연 기관 (1) 에는, Electronic Control Unit (ECU) (12) 이 병설 (倂設) 된다. ECU (12) 는, CPU (central processing unit), ROM (read-only memory), RAM (random access memory), 백업 RAM 등으로 구성된다. ECU (12) 는, 전술한 에어플로 미터 (7) 나 A/F 센서 (10) 에 더하여, 액셀 페달의 조작량 (액셀 개도) 을 측정하기 위한 액셀 포지션 센서 (13), 내연 기관 (1) 의 출력축 (크랭크 샤프트) 의 회전 위치를 측정하기 위한 크랭크 포지션 센서 (15), 내연 기관 (1) 을 순환하는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 수온 센서 (14) 등의 각종 센서와 전기적으로 접속되고, 그것들 각종 센서의 측정값이 그 ECU (12) 에 입력되도록 되어 있다.
또, ECU (12) 는, 내연 기관 (1) 에 장비되는 각종 기기 (예를 들어, 연료 분사 밸브 (5), 스로틀 밸브 (6), 점화 플러그 (8) 등) 와 전기적으로 접속되고, 상기 각종 센서의 측정값에 기초하여 그것들 기기를 제어하는 것이 가능하게 되어 있다. 예를 들어, ECU (12) 는, 크랭크 포지션 센서 (15) 의 측정값으로부터 연산되는 기관 회전 속도, 액셀 포지션 센서 (13) 에 의해 측정되는 액셀 개도, 수온 센서 (14) 에 의해 측정되는 냉각수 온도 등에 기초하여, 목표 연료 분사량, 목표 연료 분사 타이밍, 목표 점화 타이밍, 목표 스로틀 개도 등을 연산하고, 그것들의 목표치에 기초하여 상기 각종 기기를 제어한다.
A/F 센서의 구성
다음으로, A/F 센서 (10) 의 구성에 대해 도 2 에 기초하여 설명한다. 도 2 는, 본 실시형태에 있어서의 A/F 센서 (10) 의 구성을 나타내는 개략도이다. 본 실시형태에 있어서의 A/F 센서 (10) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 바닥이 있는 통상으로 형성되는 고체 전해질층 (101) 과, 고체 전해질층 (101) 의 외주면에 장착되는 환상의 배기측 전극 (102) 과, 고체 전해질층 (101) 의 내주면에 있어서의 배기측 전극 (102) 과 대향하는 부위에 장착되는 환상의 대기측 전극 (103) 과, 고체 전해질층 (101) 의 외측의 벽면 및 배기측 전극 (102) 을 덮도록 형성되는 확산율속층 (104) 과, 고체 전해질층 (101) 의 내부에 형성되고, 대기가 도입되는 기준 가스실 (105) 과, 기준 가스실 (105) 내에 배치되고, 고체 전해질층 (101) 을 가열하기 위한 히터 (106) 를 포함하는 센서 소자 (100) 를 구비하고 있다. 이와 같은 센서 소자 (100) 는, 배기 통로 (4) 를 흐르는 배기에 노출되도록 배치된다. 그 때, 확산율속층 (104) 의 외측에는, 그 확산율속층 (104) 에 액체 등이 부착되는 것을 방지하기 위한 보호층이 형성되어도 된다.
고체 전해질층 (101) 은, 예를 들어, ZrO2 (지르코니아), HfO2, ThO2, Bi2O3 등에 CaO, MgO, Y2O3, Yb2O3 등을 안정제로서 배당한, 산소 이온 전도성을 갖는 산화물의 소결체로 형성된다. 확산율속층 (104) 은, 알루미나, 마그네시아, 규석질, 스피넬, 멀라이트 등의 내열성 무기 물질의 다공질 소결체에 의해 형성된다. 배기측 전극 (102) 및 대기측 전극 (103) 은, Pt (백금) 등의 촉매 활성이 높은 귀금속에 의해 형성된다. 또한, 배기측 전극 (102) 및 대기측 전극 (103) 을 형성하는 재료는, 그것들 전극 사이에 원하는 전압이 인가되었을 때에, 확산율속층 (104) 을 개재하여 배기측 전극 (102) 으로 유도된 배기 중의 산소를 전기 분해할 수 있는 한, 특별히 한정되지 않는다.
또, A/F 센서 (10) 는, 센서 소자 (100) 의 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에, 대기측 전극 (103) 의 전위가 배기측 전극 (102) 의 전위보다 높아지는 전압을 인가하기 위한 전원 (107) 을 구비하고 있다. 전원 (107) 으로부터 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되는 전압의 크기는, ECU (12) 에 의해 제어되도록 되어 있다. 또한, A/F 센서 (10) 는, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이를 흐르는 전류 (즉, 고체 전해질층 (101) 을 흐르는 전류) 의 크기를 측정하기 위한 전류계 (108) 를 구비하고 있다. 전류계 (108) 의 측정값은, ECU (12) 에 입력된다.
A/F 센서에 의한 공연비 검출 동작
상기한 바와 같이 구성되는 A/F 센서 (10) 로 배기의 공연비를 검출하는 경우에는, 먼저, ECU (12) 가, 히터 (106) 에 의해 센서 소자 (100) 를 활성 온도 이상으로 가열한다. 여기서 말하는 「활성 온도」는, 고체 전해질의 산소 이온 전도성이 발현되는 온도로, 예를 들어, 600 ℃ 전후이다. 센서 소자 (100) 의 온도가 상기 활성 온도 이상으로 상승하면, ECU (12) 는, 산소의 전기 분해가 발현될 수 있는 전압을, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가한다.
여기서, 센서 소자 (100) 가 활성 온도 이상으로 승온되어 있는 상태에 있어서, 산소의 전기 분해가 발현될 수 있는 전압이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되면, 배기측 전극 (102) 에 있어서 배기 중의 산소가 전기 분해됨으로써 이온화되고, 이온화된 산소가 배기측 전극 (102) 으로부터 고체 전해질층 (101) 을 개재하여 대기측 전극 (103) 에 전도되는, 이른바 「산소 펌핑 작용」이 발현된다. 산소 펌핑 작용에 의해 배기측 전극 (102) 으로부터 대기측 전극 (103) 으로 산소 이온이 이동하면, 그것들 전극 사이에 전류가 흐른다. 그 때, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이를 흐르는 전류 (전극 전류) 는, 그것들 전극 사이에 인가되는 전압 (인가 전압) 이 증가할수록 커지는 경향을 갖는다. 단, 배기 통로 (4) 내로부터 배기측 전극 (102) 에 도달하는 배기의 양이 확산율속층 (104) 에 의해 제한됨으로써, 산소 펌핑 작용에 수반하는 산소의 소비 속도가 배기측 전극 (102) 에 대한 산소의 공급 속도를 초과하면, 산소의 전기 분해 반응이 확산율속 상태가 된다. 확산율속 상태에 있어서는, 인가 전압이 증가되어도, 전극 전류가 증가시키지 않고 대략 일정해지는, 이른바 「한계 전류 특성」이 발현된다. 한계 전류 특성이 발현되는 인가 전압의 범위는 「한계 전류역」으로 칭해지고, 이와 같은 한계 전류역의 전압이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류가 「한계 전류」로 칭해진다.
도 3 은, A/F 센서 (10) 에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타내는 도면이다. 도 3 중에 있어서, 실선은 배기의 공연비가 이론 공연비보다 린한 린 공연비일 때의 상관을 나타내고, 일점 쇄선은 배기의 공연비가 이론 공연비일 때의 상관을 나타내며, 이점 쇄선은 배기의 공연비가 이론 공연비보다 리치한 리치 공연비일 때의 상관을 나타내고 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 A/F 센서 (10) 는, 배기의 공연비가 이론 공연비일 때의 한계 전류 (Ilc0) 가 0 암페어가 되도록 구성되어 있다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 인가 전압 (Vev) 이 한계 전류역보다 저압측의 전압이 될 때, 인가 전압 (Vev) 이 증가함에 따라 전극 전류 (Iec) 가 커지고 있지만, 인가 전압 (Vev) 이 한계 전류역의 전압이 될 때, 인가 전압 (Vev) 의 크기에 상관없이 전극 전류 (Iec) 가 대략 일정해져 있다. 그리고, 배기의 공연비가 린 공연비일 때의 한계 전류 (도 3 중의 Iec2 에 상당) 는, 배기의 공연비가 이론 공연비일 때의 한계 전류 (도 3 중의 Iec1 에 상당) 보다 큰 플러스 전류가 된다. 이것은, 배기에 함유되는 잉여 산소가 배기측 전극 (102) 에서 이온화되어 대기측 전극 (103) 에 전도됨으로써, 전원 (107) 의 정극으로부터 고체 전해질층 (101) 을 개재하여 전원 (107) 의 부극으로 전류가 흐르기 때문이다. 또한, 배기의 공연비가 커질수록 (린 정도가 커질수록), 배기측 전극 (102) 으로부터 대기측 전극 (103) 에 전도되는 산소 이온의 양이 많아지기 때문에, 그것에 수반하여 전원 (107) 의 정극으로부터 고체 전해질층 (101) 을 개재하여 전원 (107) 의 부극으로 흐르는 전류가 커진다.
한편, 배기의 공연비가 리치 공연비일 때의 한계 전류 (도 3 중의 Iec3 에 상당) 는, 배기의 공연비가 이론 공연비일 때의 한계 전류 (도 3 중의 Iec1 에 상당) 보다 작은 마이너스 전류가 된다. 이것은, 기준 가스실 (105) 의 대기에 함유되는 산소가 대기측 전극 (103) 에서 이온화되어 배기측 전극 (102) 에 전도됨과 함께, 배기측 전극 (102) 에 전도된 산소가 배기에 함유되는 미연 연료 성분 (HC 나 CO 등) 을 산화시킴으로써, 전원 (107) 의 부극으로부터 고체 전해질층 (101) 을 개재하여 전원 (107) 의 정극으로 전류가 흐르기 때문이다. 또한, 배기의 공연비가 작아질수록 (리치 정도가 커질수록), 배기 중의 미연 연료 성분을 산화시키기 위해 소비되는 산소량이 많아지기 때문에 (즉, 대기측 전극 (103) 으로부터 배기측 전극 (102) 에 전도되는 산소 이온의 양이 많아지기 때문에), 그것에 수반하여 전원 (107) 의 부극으로부터 고체 전해질층 (101) 을 개재하여 정극으로 흐르는 전류가 커진다.
따라서, 한계 전류식의 A/F 센서 (10) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 배기의 공연비가 린 공연비일 때에는, 한계 전류 (Ilc) 가 플러스 전류가 됨과 함께, 배기의 공연비가 커질수록 (린 정도가 커질수록) 한계 전류 (Ilc) 가 커지는 한편, 배기의 공연비가 리치 공연비일 때에는, 한계 전류 (Ilc) 가 마이너스 전류가 됨과 함께, 배기의 공연비가 작아질수록 (리치 정도가 커질수록) 한계 전류 (Ilc) 가 작아지는 특성을 갖는다. 또한, 도 4 는, 한계 전류역의 전압 (예를 들어, 0.4 볼트 전후) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의, 한계 전류 (Ilc) 와 배기의 공연비의 상관을 나타내고 있다.
그래서, 배기의 공연비를 검출하는 경우에는, ECU (12) 는, 센서 소자 (100) 가 상기 활성 온도 이상으로 승온되어 있는 상태에서, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 목표 전압 (Vtrg) 이 인가되도록 전원 (107) 을 제어함으로써, 한계 전류 (Ilc) 를 취득하면 된다. 그리고, ECU (12) 는, 취득된 한계 전류 (Ilc) 와 도 4 에 나타낸 바와 같은 상관에 기초하여, 배기의 공연비를 연산하면 된다. 여기서 말하는 「목표 전압 (Vtrg)」은, 한계 전류역에 포함되는 전압이다. 또한, 한계 전류역의 시점 (始點) (한계 전류역에 있어서의 최소의 전압) 은, 배기의 공연비가 높아질수록 고전압측으로 시프트되는 경향이 있다. 그 때문에, 내연 기관 (1) 의 운전시에 배기의 공연비가 취할 수 있는 최대의 공연비 (린 정도가 가장 큰 공연비) 의 시점보다 큰 전압 (예를 들어, 0.4 볼트 전후) 이 목표 전압 (Vtrg) 으로 정해지는 것으로 한다. 이와 같은 목표 전압 (Vtrg) 은, 미리 실험이나 시뮬레이션의 결과에 기초하여 정해져 있다.
A/F 센서의 고장
그런데, 상기한 바와 같은 한계 전류식의 A/F 센서 (10) 에서는, 피검출 가스로서의 배기가 기준 가스실 (105) 에 진입하는 것과 같은 고장이 발생할 수 있다. 예를 들어, 배기 통로 (4) 내에서 발생한 응축수의 피수 (被水) 등에서 기인하여, 센서 소자 (100) 에 균열 등이 발생하는 경우가 있다. 즉, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 고체 전해질층 (101) 및 확산율속층 (104) 을 관통하는 균열 (도 5 중의 C1) 이나, 고체 전해질층 (101), 확산율속층 (104), 및 전극 (102, 103) 을 관통하는 균열 (도 5 중의 C2) 등이 발생할 가능성이 있다. 이와 같은 균열이 발생하면, 배기 통로 (4) 를 흐르는 배기의 일부가 상기 균열 (C1, C2) 을 통해 기준 가스실 (105) 에 진입하여, 기준 가스실 (105) 내의 대기에 혼입된다.
여기서, 상기한 바와 같은 균열 등에 의해 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관에 대해, 도 6 내지 도 8 에 기초하여 설명한다. 도 6 은, 배기의 공연비가 린 공연비일 때의 상관을 나타낸다. 도 7 은, 배기의 공연비가 이론 공연비일 때의 상관을 나타낸다. 도 8 은, 배기의 공연비가 리치 공연비일 때의 상관을 나타낸다. 또한, 도 6 내지 도 8 의 각 도면에 있어서, 실선은 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우 (A/F 센서 (10) 가 고장나 있지 않은 경우) 의 상관을 나타내고, 일점 쇄선은 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우 (A/F 센서 (10) 가 고장나 있는 경우) 의 상관을 나타낸다.
배기의 공연비가 린 공연비일 때에는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 목표 전압 (Vtrg) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우 (도 6 중의 Iec2) 와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우 (도 6 중의 Iec2') 가 대략 동등해진다. 이것은, 잉여 산소를 함유하는 린 공연비의 배기가 기준 가스실 (105) 에 진입해도, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 의 산소 분압의 차 (배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 의 전위차) 가 거의 변하지 않고, 그로 인해 배기측 전극 (102) 으로부터 대기측 전극 (103) 으로 이동하는 산소 이온의 양도 대부분 변하지 않기 때문이다. 따라서, 배기의 공연비가 린 공연비인 경우에 있어서, 목표 전압 (Vtrg) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류에 기초하여, A/F 센서 (10) 의 고장을 검출하는 것은 곤란하다.
한편, 배기의 공연비가 이론 공연비 또는 리치 공연비일 때에는, 도 7 및 도 8 에 나타내는 바와 같이, 목표 전압 (Vtrg) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우 (도 7 중의 Iec1, 및 도 8 중의 Iec3) 에 비해, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우 (도 7 중의 Iec1', 및 도 8 중의 Iec3') 쪽이 커진다 (즉, 플러스측으로 시프트된다). 이것은, 이론 공연비 또는 리치 공연비의 배기가 기준 가스실 (105) 에 진입하면, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 의 산소 분압의 차 (배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 의 전위차) 가 작아짐으로써, 대기측 전극 (103) 으로부터 배기측 전극 (102) 에 전도되는 산소 이온의 양이 감소하기 때문이다. 단, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우의 전극 전류 (Iec1, Iec3) 와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우의 전극 전류 (Iec1', Iec3') 의 차가 비교적 작기 때문에, A/F 센서 (10) 의 고장을 양호한 정밀도로 검출할 수 없을 가능성이 있다. 특히, 기준 가스실 (105) 에 진입하는 배기의 양이 미량인 경우에는, A/F 센서 (10) 의 편차나 초기 공차 등의 영향에 의해 고장 검출 정밀도가 저하될 가능성이 있다. 따라서, 배기의 공연비가 이론 공연비 또는 리치 공연비인 경우에 있어서, 목표 전압 (Vtrg) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류에 기초하여, A/F 센서 (10) 의 고장을 양호한 정밀도로 검출하는 것은 곤란하다.
A/F 센서의 고장 검출
본 실시형태에서는, 한계 전류역보다 저압측의 전압이며 또한 정의 전압인 소정 전압이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류에는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에서 현저한 차가 나타나는 것에 착안하여, A/F 센서 (10) 의 고장 검출을 실시하도록 하였다.
여기서, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 상태에 있어서, 한계 전류역보다 저압측의 전압이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가된 경우에는, 전술한 도 3 에 나타낸 바와 같이, 인가 전압이 작아질수록 전극 전류가 작아진다. 특히, 0.1 볼트 전후의 비교적 작은 소정 전압 (도 3 중의 Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가된 경우에는, 전극 전류 (판정용 전류) 가 비교적 작은 마이너스 전류가 된다. 또, 0.1 볼트 전후의 비교적 작은 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 판정용 전류는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않으면, 배기의 공연비를 불문하고 대략 일정한 전류 (도 3 중의 Iecst) 가 된다.
이에 반해, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에는, 한계 전류역보다 저압측의 전압이며 또한 정의 전압이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류가, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우보다 커진다 (본 발명에 관련된 「고장 특성」). 특히, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에, 상기한 바와 같은 0.1 볼트 전후의 비교적 작은 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되면, 배기의 공연비에 상관없이, 판정용 전류가 상기 Iecst 보다 현저하게 큰 값을 나타낸다. 상세하게는, 배기의 공연비가 린 공연비인 상태에 있어서, 한계 전류역보다 저압측의 전압이며 또한 정의 전압이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우보다 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우 쪽이, 전극 전류 (Iec) 가 커진다. 특히, 상기 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우의 판정용 전류 (도 6 중의 Iec20 (＝ Iecst)) 가 마이너스 전류인 데에 반해, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우의 판정용 전류 (도 6 중의 Iec20') 가 플러스 전류가 된다. 즉, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에서, 판정용 전류의 정부가 반대가 된다.
또, 배기의 공연비가 이론 공연비가 되는 상태에 있어서, 한계 전류역보다 저압측의 전압이며 또한 정의 전압이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에도, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우보다 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우 쪽이, 전극 전류 (Iec) 가 커진다. 그리고, 상기 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우의 판정용 전류 (도 7 중의 Iec10 (＝ Iecst)) 가 마이너스 전류인 데에 반해, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우의 판정용 전류 (도 7 중의 Iec10') 가 플러스 전류가 된다.
또한, 배기의 공연비가 리치 공연비가 되는 상태에 있어서, 한계 전류역보다 저압측의 전압이며 또한 정의 전압이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에도, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우보다 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우 쪽이, 전극 전류 (Iec) 가 커진다. 그리고, 상기 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우의 판정용 전류 (도 8 중의 Iec30') 는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우의 판정용 전류 (도 8 중의 Iec30 (＝ Iecst)) 와 마찬가지로 마이너스 전류가 되지만, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우의 판정용 전류 (도 8 중의 Iec30) 에 대해 현저하게 커진다.
또한, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 판정용 전류의 차는, 배기의 공연비가 작은 경우보다 큰 경우 쪽이 커지는 경향이 있다.
여기서, 도 6 내지 도 8 에 나타낸 바와 같은 고장 특성은, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에는 진입하고 있지 않는 경우에 비해, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이의 산소 분압의 차가 작아짐으로써, 대기측 전극 (103) 으로부터 배기측 전극 (102) 에 전도되는 산소 이온의 양이 적어지기 때문에, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 전압이 인가되었을 때에 대기측 전극 (103) 으로부터 배기측 전극 (102) 으로 전류가 흐르기 쉬워지는 것에 의하는 것으로 생각된다.
그래서, 본 실시형태에서는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장 발생시에 상기 고장 특성이 발현되는 전압을, 상기 소정 전압 (Vpre) 으로 정하도록 하였다. 그리고, 이와 같은 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류인 판정용 전류에 기초하여, A/F 센서 (10) 의 고장을 판정하도록 하였다. 구체적으로는, 상기와 같이 정해진 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에 전류계 (108) 에 의해 측정되는 판정용 전류가 소정의 임계값보다 크면, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장이 발생되어 있는 것으로 판정되도록 하였다. 여기서 말하는 「소정의 임계값」은, 상기 Iecst 에, 소정의 마진을 가산한 값이다.
처리 플로
본 실시형태에 있어서의 고장 검출 처리의 흐름에 대해 도 9 에 기초하여 설명한다. 도 9 는, 본 실시예에 관련된 고장 검출 처리에 있어서 ECU (12) 가 실행하는 처리 루틴을 나타내는 플로 차트이다. 도 9 에 나타내는 처리 루틴은, 내연 기관 (1) 의 운전 기간 중에 소정 주기로 실행되는 처리 루틴으로, 미리 ECU (12) 의 ROM 등에 미리 기억되어 있는 것으로 한다.
도 9 의 처리 루틴에서는, ECU (12) 는, 먼저 S101 에 있어서, 고장 검출 플래그 (Fdiag) 가 ON 인지를 판별한다. 여기서 말하는 고장 검출 플래그 (Fdiag) 는, 고장 검출 처리가 종료되었을 때에 ON 으로 되고, 내연 기관 (1) 의 운전이 정지될 때 (예를 들어, 이그니션·스위치가 ON 으로부터 OFF 로 전환되었을 때) 에 OFF 로 되는 플래그이다. S101 에 있어서 부정 판정된 경우 (고장 검출 플래그 (Fdiag) ＝ ON) 는, ECU (12) 는, S102 내지 S114 의 처리를 스킵하고, S115 로 진행된다. 한편, S101 에 있어서 긍정 판정된 경우 (고장 검출 플래그 (Fdiag) ＝ OFF) 는, ECU (12) 는, S102 로 진행된다.
S102 에서는, ECU (12) 는, A/F 센서 (10) 의 센서 소자 (100) 가 활성되어 있는지를 판별한다. 구체적으로는, ECU (12) 는, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 고주파 전압을 인가하였을 때의 임피던스로부터 센서 소자 (100) 의 온도를 연산하고, 그 온도가 활성 온도 이상이면, 센서 소자 (100) 가 활성되어 있는 것으로 판정한다. 또한, 센서 소자 (100) 의 온도는, 별개의 온도 센서를 형성하여 검출되어도 된다. S102 에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU (12) 는, 본 처리 루틴의 실행을 종료한다. 한편, S102 에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU (12) 는, S103 으로 진행된다.
S103 에서는, ECU (12) 는, 고장 검출 조건이 성립되어 있는지를 판별한다. 여기서 말하는 「고장 검출 조건」은, 배기 유량이 소정 유량 이상인 것 (혹은, 배기 유량이 소정 유량 이상인 상태가 일정 시간 이상 계속되고 있는 것), 내연 기관 (1) 의 난기가 완료되어 있는 것 등이다. 또한, 여기서 말하는 「소정 유량」은, 배기 유량이 그 소정 유량 이상이면, 센서 소자 (100) 의 균열이 미소해도, 배기가 기준 가스실 (105) 에 진입할 수 있는 배기 유량이며, 미리 실험이나 시뮬레이션의 결과에 기초하여 정해져 있다. S103 에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU (12) 는, 본 처리 루틴의 실행을 종료한다. 한편, S103 에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU (12) 는, S104 로 진행된다.
S104 에서는, ECU (12) 는, A/F 센서 (10) 의 측정값에 기초하여 목표 분사량을 보정하는, 이른바 「공연비 피드백 제어 (F/B 제어)」를 정지하고, 대신에 소정의 목표 공연비에 기초하여 목표 분사량을 결정하는 오픈 제어를 개시한다. 이것은, 고장 검출 처리에 있어서는, A/F 센서 (10) 의 인가 전압 (배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되는 전압) 이 한계 전류역보다 저압측의 전압으로 변경됨으로써, A/F 센서 (10) 가 배기의 공연비를 정확하게 측정할 수 없게 되기 때문이다. 또한, 여기서 말하는 「소정의 목표 공연비」는, 특정 공연비일 필요는 없고, 예를 들어, 내연 기관 (1) 의 운전 상태에 따라 정해지면 된다. 또한, 고장 검출 처리의 대상이 되는 A/F 센서 (10) 가 촉매 케이싱 (9) 보다 하류에 배치되는 제 2 A/F 센서 (10b) 이면, 당해 S104 의 처리가 실시되지 않도록 해도 된다.
S105 에서는, ECU (12) 는, A/F 센서 (10) 의 인가 전압 (Vev) 을 목표 전압 (Vtrg) 으로부터 소정 전압 (Vpre) 으로 변경하기 위해 전원 (107) 을 제어한다. 여기서 말하는 소정 전압 (Vpre) 은, 전술한 바와 같이, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 고장의 발생시에 상기 고장 특성이 발현되는 인가 전압이다. 보다 구체적으로는, 소정 전압 (Vpre) 은, 배기의 공연비가 이론 공연비보다 린한 린 공연비이면, 전술한 도 6 에 나타낸 바와 같이, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에서 판정용 전류의 정부가 반대가 되는 인가 전압이고, 본 예에 있어서는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 판정용 전류가 배기의 공연비에 상관없이 대략 일정값 (도 3 중의 Iecst) 이 되는 인가 전압 (예를 들어, 0.1 볼트) 이 소정 전압 (Vpre) 으로 설정된다.
S106 에서는, ECU (12) 는, 인가 전압 (Vev) 이 목표 전압 (Vtrg) 으로부터 소정 전압 (Vpre) 으로 전환된 시점으로부터 소정 시간 (Δt) 이 경과되었는지를 판별한다. 여기서 말하는 「소정 시간 (Δt)」은, 인가 전압 (Vev) 의 전환이 실시되고 나서, 인가 전압 (Vev) 의 전환이 전극 전류 (Iec) 에 반영될 때까지 필요로 하는 시간이며, 미리 실험이나 시뮬레이션의 결과에 기초하여 정해져 있다. S106 에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU (12) 는, 그 S106 의 처리를 반복 실행한다. 한편, S106 에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU (12) 는, S107 로 진행된다.
S107 에서는, ECU (12) 는, 전류계 (108) 의 측정값을 판독함으로써, 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 에 인가되고 있을 때의 전극 전류인 판정용 전류 (Idet) 를 취득한다.
S108 에서는, ECU (12) 는, 상기 S107 에서 취득된 판정용 전류 (Idet) 가 소정의 임계값 (Ithre) 보다 큰지를 판별한다. 여기서 말하는 「소정의 임계값 (Ithre)」은, 전술한 바와 같이, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 판정용 전류 (도 3 중의 Iecst 에 상당) 에, 소정의 마진을 가산한 값이다.
상기 S108 에 있어서 긍정 판정된 경우 (Idet ＞ Ithre) 에는, ECU (12) 는, S109 로 진행되어, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장이 발생되어 있는 것으로 판정한다. 이어서, ECU (12) 는, S110 으로 진행되어, A/F 센서 (10) 의 고장이 발생되어 있는 것을 차량의 운전자에게 알리기 위해, 경고등의 점등 처리 등을 실시한다.
한편, 상기 S108 에 있어서 부정 판정된 경우 (Idet ≤ Ithre) 에는, ECU (12) 는, S111 로 진행되어, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장이 발생되어 있지 않는 것 (A/F 센서 (10) 가 정상적인 것) 으로 판정한다. 이어서, ECU (12) 는, S112 로 진행되어, A/F 센서 (10) 의 인가 전압 (Vev) 을 소정 전압 (Vpre) 으로부터 목표 전압 (Vtrg) 으로 되돌리기 위해 전원 (107) 을 제어한다. 그리고, ECU (12) 는, 소정의 목표 공연비에 기초하여 목표 분사량을 결정하는 오픈 제어를 정지하고, 대신에 A/F 센서 (10) 의 측정값에 기초하여 목표 분사량을 보정하는 공연비 피드백 제어 (F/B 제어) 를 재개한다 (S113). 또한, 고장 검출 처리의 대상이 되는 A/F 센서 (10) 가 촉매 케이싱 (9) 보다 하류에 배치되는 제 2 A/F 센서 (10b) 인 경우로서, 전술한 S104 의 처리가 실시되고 있지 않는 경우이면, 당해 S113 의 처리가 실시되지 않는 것으로 한다.
ECU (12) 는, S110 또는 S113 의 처리를 다 실행하면, S114 로 진행되어, 고장 검출 플래그 (Fdiag) 를 OFF 로부터 ON 으로 전환한다. 계속해서, S115 에서는, ECU (12) 는, 내연 기관 (1) 의 운전이 정지되었는지를 판별한다. 구체적으로는, ECU (12) 는, 이그니션·스위치가 ON 으로부터 OFF 로 전환되면, 내연 기관 (1) 의 운전이 정지된 것으로 판정한다. 또한, S115 에 있어서 부정 판정된 경우에는, ECU (12) 는, 본 처리 루틴의 실행을 종료한다. 한편, S115 에 있어서 긍정 판정된 경우에는, ECU (12) 는, S116 으로 진행되어, 고장 검출 플래그 (Fdiag) 를 ON 으로부터 OFF 로 전환하여, 본 처리 루틴의 실행을 종료한다.
이상 서술한 처리 루틴에 의해 A/F 센서 (10) 의 고장 검출 처리가 실시되면, 배기의 공연비 (배기에 함유되는 산소의 농도) 를 불문하고, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장을 양호한 정밀도로 검출할 수 있다.
또한, 도 9 의 처리 루틴에서는, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 판정용 전류가 배기의 공연비에 상관없이 대략 일정값 (도 3 중의 Iecst) 이 되는 인가 전압 (예를 들어, 0.1 볼트) 이 소정 전압 (Vpre) 으로 설정되는 예에 대해 서술하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 상기 고장 특성이 발현되는 인가 전압이면 된다. 그 때, 소정 전압 (Vpre) 이 0.1 볼트보다 큰 인가 전압으로 설정되면, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 판정용 전류가 배기의 공연비마다 상이할 가능성이 있다. 따라서, 그 경우에 있어서의 소정의 임계값은, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 판정용 전류 (Idet) 가 취할 수 있는 최대값보다 큰 값으로 설정되어도 된다. 또, 고장 검출 처리의 대상이 되는 A/F 센서 (10) 가 촉매 케이싱 (9) 보다 상류에 배치되는 제 1 A/F 센서 (10a) 이면, 그 제 1 A/F 센서 (10a) 에 유입되는 배기의 공연비를 목표 공연비로부터 추정할 수 있기 때문에, 소정의 임계값을 배기의 공연비마다 상이한 값으로 설정해도 된다. 예를 들어, 배기의 공연비가 커질수록, 소정의 임계값이 큰 값으로 설정되어도 된다.
제 2 실시형태
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 대해, 도 10 내지 도 12 에 기초하여 설명한다. 여기서는, 전술한 제 1 실시예와 상이한 구성에 대해 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 생략한다.
전술한 제 1 실시형태와 본 실시형태의 차이점은, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 소정 전압을 인가할 때에, 히터 (106) 에 의해 센서 소자 (100) 를 활성 온도보다 높은 소정 온도 이상으로 가열하는 점에 있다.
여기서, 센서 소자 (100) 를 소정 온도 이상 (예를 들어, 750 ℃ ∼ 800 ℃) 으로 가열한 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 도 10 및 도 11 에 나타낸다. 도 10 은, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타낸다. 도 11 은, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서의 인가 전압 (Vev) 과 전극 전류 (Iec) 의 상관을 나타낸다. 또한, 도 10 및 도 11 의 각 도면에 있어서, 실선은 센서 소자 (100) 를 소정 온도 이상으로 가열한 경우의 상관을 나타내고, 일점 쇄선은 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도 (예를 들어, 600 ℃ 전후) 인 경우의 상관을 나타내고 있다. 또, 도 10 및 도 11 의 각 도면에 있어서, L1 및 l1 은, 배기의 공연비가 이론 공연비일 때의 상관을 나타내고, L2 및 l2 는, 배기의 공연비가 린 공연비일 때의 상관을 나타내며, L3 및 l3 은, 배기의 공연비가 리치 공연비일 때의 상관을 나타내고 있다.
도 10 중의 L1 및 l1 이 나타내는 바와 같이, 배기의 공연비가 이론 공연비인 상태에 있어서, 한계 전류역의 목표 전압 (Vtrg) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않으면, 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 이상인 경우와 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도인 경우에 있어서의 전극 전류가 동등 (도 10 중의 Iec1) 해진다. 이에 반해, 배기의 공연비가 이론 공연비인 상태에 있어서, 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않으면, 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도인 경우의 전극 전류 (도 10 중의 Iecst) 보다 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 이상인 경우의 전극 전류 (도 10 중의 Iecst') 쪽이 작아진다. 이것은, 한계 전류역에서는, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이의 저항 (이하, 「전극 간 저항」이라고 기재하는 경우도 있다) 의 크기가 전극 전류에 미치는 영향보다, 확산율속층 (104) 에 의한 배기의 확산율속 작용이 전극 전류에 미치는 영향 쪽이 지배적인 데에 반해, 한계 전류역보다 저압측에서는, 확산율속층 (104) 에 의한 배기의 확산율속 작용이 전극 전류에 미치는 영향보다, 전극 간 저항의 크기가 전극 전류에 미치는 영향 쪽이 지배적이 되기 때문이다. 요컨대, 센서 소자 (100) 의 온도가 높은 경우에는 낮은 경우에 비해, 전극 간 저항의 크기가 작아짐으로써, 한계 전류역보다 저압측에 있어서 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이를 이동하는 산소 이온의 양이 증가하기 때문에, 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때의 전극 전류가 마이너스 전류측으로 시프트된다.
또, 도 10 중의 L2, l2, L3, 및 l3 이 나타내는 바와 같이, 배기의 공연비가 린 공연비인 상태, 및 배기의 공연비가 리치 공연비인 상태에 있어서도, 한계 전류역의 목표 전압 (Vtrg) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않으면, 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 이상인 경우와 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도인 경우에 있어서의 전극 전류가 동등 (도 10 중의 Iec2, Iec3) 해진다. 또, 배기의 공연비가 린 공연비인 상태, 및 배기의 공연비가 리치 공연비인 상태에 있어서도, 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않으면, 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도인 경우의 전극 전류 (도 10 중의 Iecst) 보다 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 이상인 경우의 전극 전류 (도 10 중의 Iecst') 쪽이 작아진다.
한편, 도 11 중의 L1 및 l1 이 나타내는 바와 같이, 배기의 공연비가 이론 공연비인 상태에 있어서, 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있으면, 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도인 경우의 전극 전류 (도 11 중의 Iec10') 보다 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 이상인 경우의 전극 전류 (도 11 중의 Iec10") 쪽이 커진다. 또, 도 11 중의 L2 및 l2 가 나타내는 바와 같이, 배기의 공연비가 린 공연비인 상태에 있어서, 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있으면, 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도인 경우의 전극 전류 (도 11 중의 Iec20') 보다 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 이상인 경우의 전극 전류 (도 11 중의 Iec20") 쪽이 커진다. 또한, 도 11 중의 L3 및 l3 이 나타내는 바와 같이, 배기의 공연비가 리치 공연비인 상태에 있어서, 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있으면, 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도인 경우의 전극 전류 (도 11 중의 Iec30') 보다 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 이상인 경우의 전극 전류 (도 11 중의 Iec30") 쪽이 커진다. 이것들로부터 분명한 바와 같이, 소정 전압 (Vpre) 이 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 인가되었을 때에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입 발생하고 있으면, 배기의 공연비를 불문하고, 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도인 경우보다 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 이상인 경우 쪽이, 전극 전류가 커진다 (플러스 전류측으로 시프트된다).
도 10 및 도 11 에 나타낸 바와 같은 특성에 의하면, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 소정 전압 (Vpre) 이 인가될 때에, 센서 소자 (100) 의 온도를 소정 온도 이상으로 높여 두면, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 판정용 전류의 차를 확대시킬 수 있다. 그 결과, 센서 소자 (100) 에 극미소한 균열이 발생한 경우이더라도, 그것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장을 양호한 정밀도로 검출할 수 있다.
처리 플로
본 실시형태에 있어서의 고장 검출 처리의 흐름에 대해 도 12 에 기초하여 설명한다. 도 12 는, 본 실시예에 관련된 고장 검출 처리에 있어서 ECU (12) 가 실행하는 처리 루틴을 나타내는 플로 차트이다. 또한, 도 12 중에 있어서, 전술한 도 9 에 나타내는 처리 루틴과 동일한 처리에는 동일한 부호를 교부하고 있다.
도 12 의 처리 루틴에서는, ECU (12) 는, S104 의 처리를 실행한 후에, S201 로 진행되어, 센서 소자 (100) 의 온도 (Tsens) 가 소정 온도 (Tpre) 이상인지를 판별한다. 여기서 말하는 「소정 온도 (Tpre)」는, 전술한 바와 같이, 센서 소자 (100) 의 활성 온도보다 높은 온도로서, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 있어서의 판정용 전류의 차가, 센서 소자 (100) 의 온도가 활성 온도일 때보다 확대되는, 센서 소자 (100) 의 온도로, 예를 들어, 750 ℃ ∼ 800 ℃ 이다. 또한, 센서 소자 (100) 의 온도 (Tsens) 는, 전술한 제 1 실시형태에서 서술한 바와 같이, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 고주파 전압을 인가하였을 때의 임피던스로부터 연산되어도 되고, 별개로 형성된 온도 센서에 의해 측정되어도 된다.
상기 S201 에 있어서 부정 판정된 경우 (Tsens ＜ Tpre) 는, ECU (12) 는, S202 로 진행되어, 센서 소자 (100) 를 소정 온도 (Tpre) 이상으로 승온시키기 위해 히터 (106) 를 제어한다 (가열 처리). 예를 들어, ECU (12) 는, 센서 소자 (100) 의 온도 (Tsens) 와 소정 온도 (Tpre) 의 차에 기초하여, 히터 (106) 의 통전량을 제어해도 된다. 즉, 센서 소자 (100) 의 온도 (Tsens) 와 소정 온도 (Tpre) 의 차가 큰 경우에는 작은 경우에 비해, 히터 (106) 의 통전량이 크게 되어도 된다. 그런데, 센서 소자 (100) 가 900 ℃ 이상으로 과승온되면, A/F 센서 (10) 의 측정 정밀도가 저하되거나, 센서 소자 (100) 가 열 열화되거나 할 가능성이 있다. 그 때문에, 상기 가열 처리에서는, 센서 소자 (100) 의 온도가 900 ℃ 를 초과하지 않도록, 히터 (106) 의 통전량을 피드백 제어해도 된다.
ECU (12) 는, 상기 S202 의 처리를 다 실행하면, 상기 S201 의 처리로 되돌아간다. 그리고, S201 의 처리에서 긍정 판정되면 (Tsens ≥ Tpre), ECU (12) 는, S105 내지 S107 의 처리를 순차적으로 실행한다. 또한, 상기 가열 처리에 의해 센서 소자 (100) 가 소정 온도 (Tpre) 로 가열된 직후에는, 그 센서 소자 (100) 의 온도 변화 (전극 간 저항의 변화) 가 전극 전류 (Iec) 에 반영되지 않을 가능성이 있기 때문에, 상기 S201 에 있어서 긍정 판정된 시점으로부터 소정의 대기 시간 (예를 들어, 2 sec 정도) 을 두고 나서, ECU (12) 가 S105 의 처리를 실행하도록 해도 된다.
또, 도 12 의 처리 루틴에서는, ECU (12) 는, S107 의 처리를 다 실행하면, 전술한 도 9 의 처리 루틴에 있어서의 S108 대신에 S203 의 처리를 실행한다. S203 에서는, ECU (12) 는, S107 에서 취득된 판정용 전류 (Idet) 가 소정의 임계값 (Ithre') 보다 큰지를 판별한다. 여기서 말하는 「소정의 임계값 (Ithre')」은, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않으며, 또한 센서 소자 (100) 의 온도가 소정 온도 (Tpre) 이상인 경우에 있어서의 판정용 전류 (도 10 중의 Iecst' 에 상당) 에 소정의 마진을 가산한 값이다. ECU (12) 는, 그 S203 에 있어서 긍정 판정된 경우 (Idet ＞ Ithre') 에 S109 로 진행되는 한편, 그 S203 에 있어서 부정 판정된 경우 (Idet ≤ Ithre') 에 S111 로 진행된다.
도 12 의 처리 루틴에 의해 A/F 센서 (10) 의 고장 검출 처리가 실시되면, 배기의 공연비의 여하를 불문하고, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것과 같은 A/F 센서 (10) 의 고장을 보다 양호한 정밀도로 검출할 수 있다. 특히, 센서 소자 (100) 의 극미소한 균열에서 기인하여 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 것과 같은 경우이더라도, A/F 센서 (10) 의 고장을 보다 확실하게 검출하는 것이 가능해진다.
다른 실시형태
전술한 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 소정 전압 (Vpre) 이 인가되었을 때에 전류계 (108) 에 의해 측정되는 전극 전류 (판정용 전류 (Idet)) 를, 소정의 임계값 (Ithre) 과 비교함으로써, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장을 검출하는 예에 대해 서술하였지만, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이에 소정 전압 (Vpre) 이 인가되었을 때에 있어서의 그것들 전극 간의 저항의 크기에 기초하여, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장을 검출해도 된다.
구체적으로는, ECU (12) 는, 먼저, 소정 전압 (Vpre) 과 판정용 전류 (Idet) 를 이하의 식 (1) 에 대입함으로써, 배기측 전극 (102) 과 대기측 전극 (103) 사이의 저항 (이하, 「판정용 저항 (Rdet)」이라고 기재하는 경우도 있다) 을 연산한다.
Rdet ＝ Vpre/(-Idet) ··· (1)
여기서, 배기의 공연비가 이론 공연비 또는 린 공연비이면, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에서 판정용 전류 (Idet) 의 정부가 반대가 되기 때문에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우의 판정용 저항은, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우의 판정용 저항보다 작은 마이너스 저항이 된다. 또, 배기의 공연비가 리치 공연비이면, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에서 판정용 전류 (Idet) 의 정부가 반대가 되지 않기는 하지만, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에는 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 비해, 판정용 전류 (Idet) 가 대폭 커지기 때문에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에는 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있지 않는 경우에 비해, 판정용 저항이 대폭 커진다.
그래서, 판정용 저항 (Rdet) 이 소정의 상한값을 초과하고 있는 경우, 및 판정용 저항 (Rdet) 이 소정의 하한값 (＝ 0) 을 하회하고 있는 경우에, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하는 것에서 기인하는 A/F 센서 (10) 의 고장이 발생되어 있는 것으로 판정해도 된다. 또한, 여기서 말하는 「소정의 상한값」은, 상기한 바와 같이, 기준 가스실 (105) 에 배기가 진입하고 있는 경우에 있어서, 배기의 공연비가 리치 공연비일 때의 판정용 저항 (Rdet) 이 취할 수 있는 최소값이며, 미리 실험이나 시뮬레이션의 결과에 기초하여 구해 두면 된다.
그 외
전술한 각 실시형태에서는, 내연 기관에 배기에 함유되는 산소의 농도를 검출하는 A/F 센서에 본 발명을 적용하는 예에 대해 서술하였지만, 본 발명을 적용하는 가스 센서는 이것에 한정되는 것은 아니고, 산소 펌핑 작용을 이용하여 배기 중의 질소 산화물 (NOX), 황 산화물 (SOX), 물 (H2O), 이산화탄소 (CO2) 등의 농도를 검출하는 한계 전류식의 가스 센서에 적용하는 것도 가능하다. 또, 본 발명을 적용하는 가스 센서의 검출 대상이 되는 가스 (피검출 가스) 는, 내연 기관의 배기에 한정되는 것은 아니고, 각종 제품의 제조 과정에서 배출되는 가스여도 된다.

Claims (9)

  1. 가스 센서 (10) 의 고장 검출 장치로서, 상기 가스 센서 (10) 는, 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 전해질 (101) 과, 상기 고체 전해질 (101) 에 장착된 1 쌍의 전극 (102, 103) 과, 피검출 가스를 확산율속하여 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 의 일방으로 유도하는 확산율속부 (104) 를 포함하는 센서 소자 (100) 와, 상기 센서 소자 (100) 를 가열하기 위한 히터를 구비하고, 상기 가스 센서 (10) 는, 피검출 가스 중에 함유되는 소정 성분의 농도를 검출하도록 구성된 한계 전류식 가스 센서이고, 상기 고장 검출 장치는,
    이하와 같이 구성된 전자 제어 유닛 (12) 을 포함하는, 가스 센서 (10) 의 고장 검출 장치:
    소정 전압을, 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이에 인가하도록 제어하고, 상기 소정 전압은 상기 가스 센서 (10) 가 고장나 있지 않은 경우에 있어서의 한계 전류역보다 저전압측의 전압이며 또한 정의 전압이고 ;
    상기 소정 전압이 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이에 인가되어 있을 때에, 판정용 전류를 취득하고, 상기 판정용 전류는 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이를 흐르는 전류이고 ;
    상기 취득한 상기 판정용 전류에 기초하여, 상기 가스 센서 (10) 의 고장을 판정하고 ; 및
    상기 소정 전압을 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이에 인가하는 경우에, 상기 센서 소자 (100) 의 온도를 상기 센서 소자 (100) 의 활성 온도보다 높은 소정 온도 이상으로 상승시키기 위해 상기 히터를 제어한다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 센서 (10) 는, 내연 기관 (1) 의 배기 통로 (4) 에 배치되고, 상기 피검출 가스로서의 배기에 함유되는 상기 소정 성분으로서의 산소의 농도를 검출하도록 구성되고,
    상기 전자 제어 유닛 (12) 은, 고장 특성에 기초하여 상기 가스 센서 (10) 의 고장을 판정하도록 구성되고,
    상기 고장 특성은, 상기 가스 센서 (10) 가 고장나 있는 경우에는 고장나 있지 않은 경우에 비해, 상기 판정용 전류가 커지는 특성인, 가스 센서 (10) 의 고장 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 중 일방의 전극은, 대기가 도입되는 기준 가스실에 면하도록 배치되어 있고,
    상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 중 타방의 전극은, 상기 확산율속부 (104) 를 개재하여 도입되는 상기 피검출 가스로서의 배기에 노출되도록 배치되어 있고,
    상기 전자 제어 유닛 (12) 은, 고장의 발생시에 상기 고장 특성이 발현되는 전압을, 상기 소정 전압으로서 상기 1 쌍의 전극 사이에 인가하도록 구성되고,
    상기 고장은, 상기 기준 가스실에 배기가 진입하는 고장인, 가스 센서 (10) 의 고장 검출 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소정 전압은, 배기의 공연비가 린 공연비일 때에, 상기 기준 가스실에 배기가 진입하고 있지 않는 경우와 상기 기준 가스실에 배기가 진입하고 있는 경우에서 상기 판정용 전류의 정부가 반대가 되는 전압이고,
    상기 린 공연비는 이론 공연비보다 린한, 가스 센서 (10) 의 고장 검출 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 소정 전압은, 0.1 볼트인, 가스 센서 (10) 의 고장 검출 장치.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛 (12) 은, 상기 취득한 상기 판정용 전류가 소정의 임계값보다 클 때에는, 상기 가스 센서 (10) 가 고장나 있는 것으로 판정하도록 구성되는, 가스 센서 (10) 의 고장 검출 장치.
  7. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛 (12) 은, 상기 취득한 상기 판정용 전류와 상기 소정 전압에 기초하여 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 간에 있어서의 저항값을 연산하도록 구성되고,
    상기 전자 제어 유닛 (12) 은, 상기 연산한 저항값이 소정의 상한값보다 큰 경우 또는 상기 연산한 저항값이 소정의 하한값보다 작은 경우에 상기 가스 센서 (10) 가 고장나 있는 것으로 판정하도록 구성되는, 가스 센서 (10) 의 고장 검출 장치.
  8. 삭제
  9. 가스 센서 (10) 의 고장 검출 방법으로서, 상기 가스 센서 (10) 는, 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 전해질 (101) 과, 상기 고체 전해질 (101) 에 장착된 1 쌍의 전극 (102, 103) 과, 피검출 가스를 확산율속하여 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 의 일방으로 유도하는 확산율속부 (104) 를 포함하는 센서 소자 (100) 와, 상기 센서 소자 (100) 를 가열하기 위한 히터를 구비하고, 상기 가스 센서 (10) 는, 피검출 가스 중에 함유되는 소정 성분의 농도를 검출하는 한계 전류식 가스 센서이고, 상기 고장 검출 방법은 :
    상기 가스 센서 (10) 가 고장나 있지 않은 경우에 있어서의 한계 전류역보다 저전압측의 전압이며 또한 정의 전압인 소정 전압을, 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이에 인가하도록, 전자 제어 유닛 (12) 에 의해, 제어하는 것과 ;
    상기 소정 전압이 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이에 인가되어 있을 때에, 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이를 흐르는 전류인 판정용 전류를, 상기 전자 제어 유닛 (12) 에 의해, 취득하는 것과 ;
    상기 판정용 전류에 기초하여, 상기 가스 센서 (10) 의 고장을, 상기 전자 제어 유닛 (12) 에 의해, 판정하는 것과 ;
    상기 소정 전압을 상기 1 쌍의 전극 (102, 103) 사이에 인가하는 경우에, 상기 센서 소자 (100) 의 온도를 상기 센서 소자 (100) 의 활성 온도보다 높은 소정 온도 이상으로 상승시키기 위해, 상기 전자 제어 유닛 (12) 에 의해, 상기 히터를 제어하는 것을 포함하는, 가스 센서 (10) 의 고장 검출 방법.
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