水素検出装置、内燃機関の異常判定装置
【課題】酸素濃度を検出するセンサ（いわゆる空燃比センサ）を用いて安価に水素の濃淡レベルに関する情報を検出する装置を提供することを課題とする。この装置を使って内燃機関の異常判定を行う装置を提供することを課題とする。
【解決手段】水素の濃淡レベルに関する情報を検出する装置は、空燃比センサと空燃比制御手段と検出部とからなり、検出部は、空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えてから空燃比センサがこれを検出するまでの応答時間、及びリーンからリッチに切り替えてから空燃比センサがこれを検出するまでの応答時間の比もしくは差を算出して、水素の濃淡レベルを検出する。この装置を使って、気筒間ばらつきと排気浄化触媒劣化を判定する。
【解決手段】水素の濃淡レベルに関する情報を検出する装置は、空燃比センサと空燃比制御手段と検出部とからなり、検出部は、空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えてから空燃比センサがこれを検出するまでの応答時間、及びリーンからリッチに切り替えてから空燃比センサがこれを検出するまでの応答時間の比もしくは差を算出して、水素の濃淡レベルを検出する。この装置を使って、気筒間ばらつきと排気浄化触媒劣化を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素の濃淡レベルに関する情報を検出する水素検出装置、及びこの水素検出装置が検出した水素の濃淡レベルに関する情報に基づいて内燃機関の異常を判定する内燃機関の異常判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検出ガス中に水素が存在すると、空燃比センサの出力にずれが生じることが公知になっている。特許文献１には、水素が存在するとリッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出に遅れが生じることが開示されている。
【０００３】
特許文献２には、水素を含むリッチガスの影響を受けて、空燃比センサの出力がリッチ側にずれることが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２４７６８７号公報
【特許文献２】特開２００６−２９１８９３号公報
【特許文献３】特開平８―４９５８５号公報
【特許文献４】特開２００６−１５２８４５号公報
【特許文献５】特開２００３−１２０３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１や特許文献２に開示された技術内容からでは水素の濃淡レベルや水素濃度を算出することはできない。
【０００５】
そこで、本発明は上記の問題に鑑み、酸素濃度を検出するセンサを用いて安価に水素の濃淡レベルに関する情報を検出する装置を提供することを目的とする。また、酸素濃度を検出するセンサを用いて安価に水素の濃淡レベルに関する情報を検出して内燃機関の異常を判定する装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサと、センサに流入する被検出ガスの酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段と、酸素濃度制御手段が基準酸素濃度ガスに比して高濃度酸素ガス供給から低濃度酸素ガス供給へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である低酸素濃度応答時間、及び酸素濃度制御手段が基準酸素濃度ガスに比して低濃度酸素ガス供給から高濃度酸素ガス供給へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である高酸素濃度応答時間に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする水素検出装置が提供される。
【０００７】
請求項２に記載の発明によれば、被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、酸素濃度制御手段は、目標空燃比を制御する空燃比制御手段とし、低酸素濃度応答時間は、空燃比制御手段が目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間とし、高酸素濃度応答時間は、空燃比制御手段が目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間とする、ことを特徴とする請求項１記載の水素検出装置が提供される。
【０００８】
請求項３に記載の発明によれば、検出部は、高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間との比もしくは差に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出する、ことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の水素検出装置が提供される。
【０００９】
請求項４に記載の発明によれば、センサは、被検出ガスに晒される外側電極と、大気に晒される内側電極と、外側電極と内側電極とに挟まれた酸素イオン導電性電解質と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素検出装置が提供される。
【００１０】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４のいずれかに記載の水素検出装置を備え、被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、検出部が検出した水素の濃淡レベルに関する情報に基づいて内燃機関の異常を判定する異常判定手段を備えたことを特徴とする内燃機関の異常判定装置が提供される。
【００１１】
請求項６に記載の発明によれば、内燃機関は複数の気筒を備え、異常判定手段は、水素検出装置が検出した水素の濃淡レベルが所定値以上に高い場合には、気筒間ばらつきが発生したと判定する、ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の異常判定装置が提供される。
【００１２】
請求項７に記載の発明によれば、センサは、複数の気筒に接続された排気管の集合部、もしくは該集合部より下流の排気ガスの酸素濃度を検出する、ことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の異常判定装置が提供される。
【００１３】
請求項８に記載の発明によれば、センサは、排気浄化触媒下流の排気ガスの酸素濃度を検出し、異常判定手段は、水素検出装置が検出した水素の濃淡レベルが所定値以下に低い場合には、排気浄化触媒が劣化したと判定する、ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の異常判定装置が提供される。
【００１４】
請求項９に記載の発明によれば、酸素濃度を検出するセンサに流入する被検出ガスの酸素濃度が基準酸素濃度に比して高濃度から低濃度へ切り替わった場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である低酸素濃度応答時間を取得するステップと、センサに流入する被検出ガスの酸素濃度が基準酸素濃度に比して低濃度から高濃度へ切り替わった場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である高酸素濃度応答時間を取得するステップと、高酸素濃度応答時間及び低酸素濃度応答時間に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出するステップとを備えたことを特徴とする水素検出方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１乃至４に記載の発明によれば、酸素濃度制御手段とセンサを用いて、水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、空燃比制御手段とセンサを用いて、水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間との差もしくは比に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、外側電極と、内側電極と、外側電極と内側電極とに挟まれた酸素イオン導電性電解質と、を備えたセンサを用いて、水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【００１９】
請求項５乃至８に記載の発明によれば、酸素濃度制御手段とセンサを用いて、水素の濃淡レベルを検出し、水素の濃淡レベルによって内燃機関の異常を判定することを可能とする効果を奏する。
【００２０】
請求項６もしくは７に記載の発明によれば、気筒間ばらつきを判定することを可能とする効果を奏する。
【００２１】
請求項８に記載の発明によれば、排気浄化触媒の劣化を判定することを可能とする効果を奏する。
【００２２】
請求項９に記載の発明によれば、水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付して説明を簡素化ないし省略する。
【実施例１】
【００２４】
以下の順番で内燃機関に設置された本発明の水素検出装置について説明をする。
１．内燃機関の基本構成
２．空燃比センサの原理
３．リッチからリーンへの空燃比制御に対する空燃比センサの応答
４．リーンからリッチへの空燃比制御に対する空燃比センサの応答
５．空燃比センサと空燃比制御手段を組み合わせた水素検出装置の原理
６．水素の濃淡レベル検出のフローチャート
７．本実施例の別の態様
８．本実施例の効果
【００２５】
１．内燃機関の基本構成
図１及び図２は、実施例１の基本構成を説明するための模式図である。図１は内燃機関の模式的な側面図であって、気筒とその前後に設置された吸気管１９と排気ガスの通路である排気管１５の断面図を示している。図２は同じ内燃機関を上から見た模式図である。図２は、図１と共通の吸気管１９と排気管１５を図示しており、複数の気筒を持つ内燃機関の図である。内燃機関の各気筒の吸気ポートには、吸気枝管が接続されている。吸気枝管には、燃料噴射弁（２１１、２１２、２１３、２１４）が設置されている。これら複数の燃料噴射弁を代表して図１は燃料噴射弁２１を図示している。また、吸気枝管は、共通のサージタンク（不図示）に接続されている。サージタンクの上流には吸気圧を検出するエアフロメーター２３、スロットルセンサ２４が設置されている。内燃機関の各気筒の排気ポートは、共通の排気マニホルド３６に接続されている。排気マニホルド３６は、排気管の集合部３７を持つ。排気管１５には排気浄化触媒１４を内蔵する触媒コンバータ１３が設置されている。触媒コンバータ１３の下流の排気管１２には、マフラー（不図示）が設置されている。排気浄化触媒の上流と下流には空燃比センサが設置されている。触媒コンバータ１３の上流には、上流側空燃比センサ１０が、触媒コンバータ１３の下流には下流側空燃比センサ１１が設置されている。被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサは上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１に相当する。
【００２６】
この内燃機関は制御システムを備え、電子制御装置（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）１を備える。ＥＣＵ１は、マイクロコンピュータ２を有する。マイクロコンピュータ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換器、Ｉ／Ｏポート等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、マイクロコンピュータの入力ポートは、Ａ／Ｄ変換器を介して、それぞれ、上流側空燃比センサ１０、下流側空燃比センサ１１、エアフロメーター２３、スロットルセンサ２４に接続されている。ＥＣＵ１は検出した電流信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換器を介して取り込み、Ａ／Ｆ値の演算や素子インピーダンスＺａｃの演算を適宜実施する。また、マイクロコンピュータの出力ポートは、駆動回路を介して、燃料噴射弁２１に接続されている。また、出力ポートは、ＭＩＬランプ２２に接続されている。内燃機関に異常が発生した場合には、ＭＩＬランプ２２が点灯してドライバに異常を知らせるようになっている。ＥＣＵ１は本発明の基本構成をソフトウェアで実現し、ＲＯＭ内に格納されたフログラムに従い、後述するフローチャートの処理を行う。
【００２７】
ＥＣＵ１は各センサの入力信号から演算を行い、検出した吸入空気量と目標空燃比から燃料噴射量（噴射時間）を決定し、燃料噴射弁を制御する。こうして、燃料噴射弁２１から所定量の燃料の噴射が行われる。各センサの入力信号から演算を行って目標空燃比を決定するＥＣＵ１が、空燃比制御手段もしくは酸素濃度制御手段を実現するものである。ＥＣＵ１は、請求項に記載の空燃比制御手段もしくは酸素濃度制御手段と検出部とを実現するものである。ＥＣＵ１及び上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１は、水素検出装置を実現するものである。
【００２８】
空燃比フィードバック制御について説明する。ＥＣＵ１は、上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１の検出結果によって排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とのいずれに変動しているかを判定する。空燃比制御手段が目標空燃比をこの変動と反対側に補正し、実際の空燃比が理論空燃比の近傍となるように目標空燃比を修正する。例えば、特開平８―４９５８５号公報に詳しい記載がある。本実施例では、空燃比フィードバック制御に使用される空燃比センサと空燃比制御手段とを用いて、制御に特徴を持つ水素検出装置で水素の濃淡レベルに関する情報を検出することが可能である。そのため、新しいセンサなど新しいハード構成が不要であるから、安価に水素の濃淡レベルに関する情報を検出することが可能である。
【００２９】
ここで、排気ガスの成分について、燃焼室内に形成される混合気の空燃比がリッチ空燃比である場合と、リーン空燃比である場合とに分けて説明する。空燃比がリッチ空燃比のときには理論空燃比より多い燃料が噴射されるために、燃焼後に燃焼室で未燃炭化水素ＨＣ、水Ｈ２Ｏ、一酸化炭素ＣＯ等が発生する。詳細は後述するが、排気管中では水性ガスシフト反応と水蒸気改質とによって、これら成分が反応して水素Ｈ２、メタンＣＨ４、二酸化炭素ＣＯ２等が発生する。図７にあるように、空燃比がリッチ空燃比のときには、リーン空燃比のときと比して、排気ガスは、水素Ｈ２の濃度が高くなる。
【００３０】
一方、空燃比がリーン空燃比のときには、燃料のほぼすべてが燃焼に供され、燃焼後に燃焼室では酸素Ｏ２が残る。理論空燃比のときに比べ、空燃比がリーン空燃比のときには、排気ガスは酸素濃度が高くなる。
【００３１】
２．空燃比センサの原理
ここで、上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１に使用される空燃比センサについて説明する。空燃比センサは、酸素分圧に基づいて被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサである。図３は空燃比センサを説明するための模式図である。図３に示すように、空燃比センサは、カバー１０８を備える。カバー１０８は、排気ガスに晒されるように取り付けられている。カバー１０８にはその内部に排気ガスを導くための複数の通気孔１０７が設けられている。排気管中の排気ガスの最低流速は１〜２ｍ／ｓ程度であり、この通気孔１０７は内部に入り込む排気ガスの流速が１／１０程度になるように設定されている。通気孔１０７により、カバー内部における排気ガスの圧力は、大気圧とほぼ等しい。
【００３２】
カバー内には、センサ素子１０９が配置されている。センサ素子１０９は、一端が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、拡散抵抗層を実現する多孔質層１０４で覆われている。多孔質層は、セラミックス、例えば、アルミナを用いたスピネル型化合物（ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３）により構成される。多孔質層についてガス透過率（気孔率）を定義する。気孔率は多孔質層中の空間の体積を多孔質層全体の体積で割ったものである。
【００３３】
多孔質層１０４の内側には、外側電極１０３が設けられている。言い換えると、外側電極の外表面に多孔質層１０４が設けられている。多孔質層１０４の外側に触媒やコーティング層を別に設けてもよい。外側電極１０３は、多孔質層１０４を通過した排気ガスに晒されている。外側電極１０３の更に内側に酸素イオン導電性電解質である固体の電解質、酸素イオン導電性固体電解質１０２が設けられている。酸素イオン導電性固体電解質１０２は、ジルコニアからなる。酸素イオン導電性固体電解質１０２の内側の面には、内側電極１０１が設けられている。内側電極１０１及び外側電極１０３は、Ｐｔなどの金属で構成される。内側電極及び外側電極は、酸素イオン導電性固体電解質１０２表面に押圧接触した金属端子を通じて外部へ延びるリード線に接続される。
【００３４】
内側電極の内側には、大気室１１０が形成されている。大気室内には、大気が導かれる構造となっている。従って内側電極は大気に晒されている。大気室内には、ヒータ（不図示）を配置して、センサの早期活性化を図ってもよい。なお、センサ素子１０９は７００℃程度の活性温度に加熱されることにより、安定した出力特性を示す。
【００３５】
図４を使って、空燃比センサの動作原理を説明する。図４は空燃比センサの特徴部分である、外側電極１０３、内側電極１０１、酸素イオン導電性固体電解質１０２及び多孔質層１０４を模式的に示した図である。通気孔１０７によって外側電極にかかる排気ガスの圧力は大気圧とほぼ等しくなるように設定されている。そのため、空燃比センサは外側電極１０３と内側電極１０１における酸素分圧の違いに基づいて、両電極に流れる電流もしくは電圧で酸素濃度を検出している。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、酸素濃度検出素子の両面に設けた内側電極１０１、外側電極１０３間に印加電圧Ｖ０が印加される。センサ素子１０９周囲の排気ガスは多孔質層１０４の側方部位から多孔質層１０４に浸入し、外側電極１０３に達する。このとき、排気ガスがリッチであれば、図４（ｃ）に示すように、多孔質層１０４内を未燃成分分子ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ２が移動する一方、大気室の酸素Ｏ２が内側電極でイオン化され、酸素イオン導電性固体電解質内を内側電極から外側電極の向きに酸素イオン（Ｏ２-）が移動する。これは、大気側の内側電極１０１における酸素分圧が排気側の外側電極１０３における酸素分圧より大きいためである。そして、内側電極での電極反応により酸素分子Ｏ２が生成され、未燃成分分子ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ２との触媒反応により二酸化炭素ＣＯ２や水Ｈ２Ｏが生成される。こうして、外側電極から内側電極の向きに素子電流Ｉｐ（マイナス電流）が流れることになり、素子の起電力（１Ｖ）が発生する。一方、排気ガスがリーンであれば、図４（ｅ）に示すように、多孔質層内を酸素分子Ｏ２が移動し、酸素分子Ｏ２は外側電極１０３で電極反応を起こし、酸素分子Ｏ２はイオン化される。そして、酸素イオン導電性固体電解質内を外側電極１０３から内側電極１０１の向きに酸素イオン（Ｏ２-）が移動した後、内側電極１０１で酸素分子Ｏ２が生成され大気室１１０に排出される。こうして、内側電極から外側電極の向きに素子電流Ｉｐ（プラス電流）が流れることになる。素子の起電力は０Ｖである。理論空燃比時には、図４（ｄ）に示すように、素子の起電力が印加電圧と釣り合うため素子電流Ｉｐは０となる。
【００３７】
このように、両電極間の酸素濃度差、つまり両電極間の酸素分圧差に応じて、酸素イオン導電性固体電解質内を酸素イオン（Ｏ２-）が移動する。両電極間に、論空燃比で生じる起電力に相当する電圧Ｖ０=０．５Ｖ（図４（ｂ）参照）を逆向きに印加している。この図で空気過剰率（λ）＝１が理論空燃比に相当する。この原理によって、両電極間を流れる素子電流値から空燃比を検出することができる。両電極間に発生する素子の起電力は図４（ｂ）のとおり、理論空燃比近傍でいわゆるＺ特性を示す。
【００３８】
本実施例において、空燃比センサはセンサ素子１０９近傍の排気ガスの圧力と大気圧とがあまり変わらない条件で使用される。そのため、上記のとおり外側電極と内側電極との酸素分圧差に基づいて排気ガスの酸素濃度を検出することができる。空燃比センサは、素子電流Ｉｐを検出するＡ／Ｆセンサと電極間で発生する起電力を検出するＯ２センサとがある。
【００３９】
３．リッチからリーンへの変化に対する空燃比センサの応答
酸素濃度制御手段である空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えるとき、排気ガス中に水素が多く存在する場合（以下、高水素雰囲気という）と、水素がほとんど存在しない場合（以下、低水素雰囲気という）とで、空燃比センサの応答がどのように変化するか、図５を使って説明する。図５（ｂ）は、多孔質層１０４内であって外側電極近傍における、各成分の濃度分布を時系列で示した模式図である。図５（ｃ）は空燃比センサの両電極に発生する起電力電圧の時系列変化を示した図である。実線は高水素雰囲気の場合であり、破線は低水素雰囲気の場合を示している。
【００４０】
目標空燃比がリッチ空燃比（Ａ／Ｆ値１４）のときには、空燃比センサの外側電極近傍には、排気ガス成分のうち、水素Ｈ２、メタンＣＨ４、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯ成分が存在する。図５（ｂ）のｔ＜ｔ０において、この状態を示している。このとき、図４（ｃ）のように酸素分圧は内側電極より外側電極の方が低く、正の起電力が生じ（図５（ｃ）参照）、マイナス電流を生じる。
【００４１】
ｔ＝ｔ０で空燃比制御手段が目標空燃比をリッチ空燃比（Ａ／Ｆ値１４）からリーン空燃比（Ａ／Ｆ値１５）に切り替えた。すると、燃料の噴射量が変化し、燃焼の特性が変化する。排気ガス中の成分は時間経過に伴って徐々に炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯの濃度は低下して、酸素Ｏ２の濃度が増加する。成分が変化した排気ガスが燃焼室を出て、空燃比センサの外側電極１０３に到達する。ここで、高水素雰囲気の場合と低水素雰囲気の場合とを比較して説明する。高水素雰囲気の場合では、外側電極近傍にある水素Ｈ２と酸素Ｏ２が反応して（Ｏ２＋２Ｈ２→２Ｈ２Ｏ）、酸素Ｏ２が消費される。空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えたｔ＝ｔ０から、空燃比センサにリーン空燃比（Ａ／Ｆ値１５）を示すＶ１の起電力が生じる時点までの時間を高濃度応答時間（Ｔ１）とする。図５（ｃ）のとおり、高水素雰囲気の場合の高酸素濃度応答時間（Ｔ1）は、低水素雰囲気の場合の高酸素濃度応答時間（Ｔ1´）に比して大きい。すなわち、Ｔ１＞Ｔ１´である。
【００４２】
４．リーンからリッチへの空燃比制御に対する空燃比センサの応答
空燃比制御手段が目標空燃比をリーンからリッチに切り替えるとき、排気ガスが高水素雰囲気の場合と、低水素雰囲気の場合とで、空燃比センサの応答がどのように変化するか、図６を使って説明する。図６（ｂ）は、図５（ｂ）と同様で、多孔質層１０４内であって外側電極近傍における、各成分の濃度分布を時系列で示した模式図である。実線は高水素雰囲気の場合を示し、破線は低水素雰囲気の場合を示している。図６（ｃ）は空燃比センサの両電極に発生する起電力電圧の時系列変化を示した図である。実線は高水素雰囲気の場合を示し、破線は低水素雰囲気の場合を示している。
【００４３】
目標空燃比がリーン空燃比のときには、空燃比センサの外側電極近傍には、排気ガス成分のうち酸素成分が多く存在する。図６（ｂ）におけるｔ＜ｔ０でこの状態を示している。このとき、図４（ｅ）のように酸素の分圧は内側電極より外側電極の方が高く、電極間の起電力は０となり（図６（ｃ）参照）、プラス電流を生じる。
【００４４】
ｔ＝ｔ０で空燃比制御手段が目標空燃比をリーン空燃比（Ａ／Ｆ値１５）からリッチ空燃比（Ａ／Ｆ値１４）に切り替えた。すると、時間経過に伴って徐々に酸素の濃度は低下して、かわりに炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯの濃度が増加する。図８に示すとおり、水素Ｈ２は酸素Ｏ２等の拡散速度に比べて４倍程度はやい。拡散速度の違いにより、水素Ｈ２が他の成分よりも先に外側電極近傍に到着する。外側電極近傍にある水素Ｈ２と酸素Ｏ２とが反応して（Ｏ２＋２Ｈ２→２Ｈ２Ｏ）、酸素Ｏ２が消費される。高水素雰囲気では、酸素Ｏ２は急激に消費される。空燃比制御手段が目標空燃比をリーンらリッチに切り替えたｔ＝ｔ０から、空燃比センサにリッチ空燃比（Ａ／Ｆ値１４）を示すＶ２の起電力が生じる時点までの時間を低酸素濃度応答時間（Ｔ２）とする。図６（ｃ）のとおり、高水素雰囲気の場合の高酸素濃度応答時間（Ｔ２）は、低水素雰囲気の場合の低酸素濃度応答時間（Ｔ２´）に比して小さい。すなわち、Ｔ２＜Ｔ２´である。
【００４５】
５．空燃比センサと空燃比制御手段を組み合わせた水素検出装置の原理
上述のとおり、高水素雰囲気の場合には低水素雰囲気の場合と比して、高酸素濃度応答時間（Ｔ１）は大きく、低酸素濃度応答時間（Ｔ２）は小さい。このことを利用して、検出部は水素の濃淡レベルに関する情報を検出する。検出部は、高酸素濃度応答時間（Ｔ１）と低酸素濃度応答時間（Ｔ２）との両方を検出して、両者の差異（非対称性）に注目する。つまり、
Ｔ（ｄｉｖ）＝（高酸素濃度応答時間）／（低酸素濃度応答時間）＝Ｔ１／Ｔ２
を算出し、Ｔ（ｄｉｖ）をもって水素の濃淡レベルとする。なお、本実施例では比をとってＴ（ｄｉｖ）としたが、他の様態として差をとって、
Ｔ（ｄｉｆ）＝（高酸素濃度応答時間）−（低酸素濃度応答時間）＝Ｔ１−Ｔ２
を水素の濃淡レベルとしてもよい。他の様態として、高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間とから水素の濃淡レベルを対応させる実験をあらかじめ行い、図２１に示すマップを記録しておき、このマップから水素の濃淡レベルを求めてもよい。
Ｔ（Ｍａｐ）＝Ｍａｐ（（高酸素濃度応答時間）、（低酸素濃度応答時間））
【００４６】
Ｔ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）の具体的な数値データを示す。後述するが、図１０に記載のとおり、気筒間ばらつきと水素濃度（％）には相関がある。図１０の水素濃度（％）は本願の水素検出装置とは別の水素センサで検出した数値データである。気筒間ばらつきの度合いに応じ、低酸素濃度応答時間及び高酸素濃度応答時間を検出した数値データを示した図が図９である。図９及び図１０から気筒間ばらつき０％と２０％のときの水素濃度を推定すると、それぞれ０．０８％、０．９８％となり、この水素濃度と、Ｔ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係を図示したものが、図１１である。図１１では、水素濃度とＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係を直線で近似し、比例関係にあると推定したが、実験を重ねてサンプル数を増やし、水素の濃淡レベルとＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係を曲線で近似してもよいし、あらかじめ実験をしてマップを記録して、水素濃度とＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係を規定することとしてもよい。使用する空燃比センサの初期条件によって、水素濃度とＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係は適宜変わる。
【００４７】
高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間とから水素濃度を対応させる実験をあらかじめ行い、マップを記録しておき、決められたマップから水素濃度を求めてもよい。
水素濃度（％）＝Ｍａｐ2（（高酸素濃度応答時間）、（低酸素濃度応答時間））.
【００４８】
以下、低酸素濃度応答時間と高酸素濃度応答時間の両方を検出して両者の差異（非対称性）に注目し、比、差もしくはマップであるＴ（ｄｉｖ）、Ｔ（ｄｉｆ）もしくはＴ（Ｍａｐ）を算出して水素の濃淡レベルとし、水素濃度を検出したことについて、効果を説明する。
【００４９】
上述のとおり、高水素雰囲気では高酸素濃度応答時間は大きい。このことから、水素の濃淡レベルと高酸素濃度応答時間との関係を比例させて、水素の濃淡レベルや水素濃度を推定する方法が考えられえる。同様に、水素の濃淡レベルと低酸素濃度応答時間との関係を比例させて、水素の濃淡レベルや水素濃度を推定する方法が考えられえる。しかし、二つの応答時間（高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間）のうち、一方の応答時間だけから水素濃度を推定する方法では問題がある。なぜなら、これら応答時間は空燃比センサの個体差や、水素及び酸素等の拡散速度によって変化するからである。
【００５０】
酸素分子や炭化水素等の拡散速度は多孔質層１０４のガス透過率（気孔率）の違いにより変化するため、製造時の個体差や経時変化等によりガス透過率が相違すると、それに伴う拡散速度の違いによりセンサ特性が変わる。例えば、経時変化により多孔質層１０４に微小なクラック（マイクロクラック）が生じると、ガス透過率が増加する。また逆に、多孔質層１０４で目詰まりが生じると、ガス透過率が減少する。従って、センサ特性が変わる。また、内燃機関の燃焼の状態、運転状態、大気の温度及び機関の温度等、さまざまな内燃機関の内外の環境等によって引き起こされる温度変化によっても拡散速度は変化する。つまり、高酸素濃度応答時間と水素濃度との関係や低酸素濃度応答時間と水素の濃淡レベルとの関係は不変ではなく、環境、経年変化や製造時の個体差等を原因として変化する。このため、高酸素濃度応答時間から水素の濃淡レベルを推定すると誤差が大きくなるおそれがある。同様に、低酸素濃度応答時間から水素の濃淡レベルを推定すると誤差が大きくなるおそれがある。
【００５１】
ところが、Ｔ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）を使って水素の濃淡レベルや水素濃度を検出すると、この問題によって生じる水素濃度検出誤差を小さくすることができる。これについて説明する。
【００５２】
なんらかの原因でガス透過率の違いが発生し、よって拡散速度が変化した場合に応答時間がどのように変化するかについて、図１２、図１３を使って説明する。図１２（ｂ）では、図５と同様に縦軸に外側電極近傍での各成分の濃度、空燃比センサの出力電圧の時系列変化を示した図である。実線はなんらかの原因で酸素や水素の拡散速度が大きい場合を示し、破線は酸素と水素の拡散速度が小さい場合を示している。図からわかるように、酸素と水素の拡散速度が大きい場合は高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間の両方が小さくなる。
【００５３】
よって、Ｔ１とＴ２の差異（非対称性）に注目した値であるＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）の値はガス透過率の違いを原因とする検出誤差は比較的小さい。Ｔ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）によって水素の濃淡レベルや水素濃度を推定する本実施例の方法では、高酸素濃度応答時間と水素の濃淡レベルや水素濃度とを関連付ける方法や、低酸素濃度応答時間と水素の濃淡レベルや水素濃度とを関連付ける方法よりも検出誤差を少なくすることができる。言い換えると、本実施例では、環境、経年変化や製造時の個体差等による検出誤差がより少ない素の濃淡レベルや水素濃度を検出することができる。
【００５４】
６．水素の濃淡レベル検出のフローチャート
空燃比センサによって水素の濃淡レベル、水素濃度を検出する方法について動作原理と効果を説明した。以下、図１４を使って本実施例の水素検出装置による水素の濃淡レベル、水素濃度の検出についてフローチャートを用いて順を追って説明する。この水素濃度検出ルーチンはＥＣＵ１によって実行される。
【００５５】
まず、Ｓ１では下記の条件を全て満たしているかどうかが判定される。全て条件を満たしていればＳ２へ進み、一つでも満たしていなければ、このルーチンを終了する。
（１）エンジンが暖気完了していること。（例えば冷却水温が所定値以上であること。）
（２）空燃比センサが暖気完了していること。
このステップで内燃機関の暖機が完了し、かつ空燃比センサが活性化温度に達していて排気ガスの成分を検出できる状態にあるか否かを判断することで、誤った水素の濃淡レベル、水素濃度を算出してしまうことを防いでいる。この他、下記の条件を加えてもよい。
（３）空燃比センサが異常（故障）と判定されていないこと。
【００５６】
次にＳ２では高濃度応答時間Ｔ１を計測する。空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンへ、すなわちＡ／Ｆ値を１４から１５へと切り替えてこの時点をｔ＝ｔ０とする。この時点から空燃比センサがＡ／Ｆ値１４の出力値からＡ／Ｆ値１５の出力値に切り替わり、Ａ／Ｆ値１５に相当する電圧Ｖ１を検出する時点までの時間を計測して応答時間とする。この応答時間を高酸素濃度応答時間（Ｔ１）と言う。
【００５７】
次にＳ３では低濃度応答時間Ｔ２を計測する。空燃比制御手段が目標空燃比をリーンからリッチへ、すなわちＡ／Ｆ値を１５から１４へと切り替えてこの時点をｔ＝ｔ０とする。この時点から空燃比センサがＡ／Ｆ値１５の出力値からＡ／Ｆ値１４の出力値に切り替わり、Ａ／Ｆ値１４に相当する電圧Ｖ２を検出する時点までの時間を計測して応答時間とする。この応答時間を低酸素濃度応答時間（Ｔ２）と言う。
【００５８】
次にＳ３でＴ１とＴ２の差異を算出する。すなわち、
Ｔ（ｄｉｖ）＝（高酸素濃度応答時間）／（低酸素濃度応答時間）＝Ｔ１／Ｔ２
を算出する。Ｔ（ｄｉｖ）をもって水素の濃淡レベルとする。次にＳ４では、図１１のマップを読み出し、Ｔ（ｄｉｖ）から水素濃度（％）を算出している。
【００５９】
検出部がフローチャートのうちＳ２及びＳ３における計測とＳ４におけるＴ（ｄｉｖ）算出とを実行する。ＥＣＵ１は空燃比制御手段と検出部とを備え、ＥＣＵ１と上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１とで水素検出装置が実現される。
【００６０】
本実施例のフローチャートでは、Ｓ２、Ｓ３において空燃比制御手段が設定する目標空燃比の値をリーン空燃比としてＡ／Ｆ値１４、リッチ空燃比としてＡ／Ｆ値１５を採用した。これは、空燃比フィードバック制御を実行中の内燃機関において、空燃比制御手段は空燃比フィードバック制御をいったん中止し、水素の濃淡レベルや水素濃度を検出する目的で、目標空燃比を制御することを意味する。このように、Ａ／Ｆ値として１４、１５を採用して、空燃比制御手段が空燃比フィードバック制御をいったん中止することにより、図９にあるように、応答時間は０．５秒から、１．１秒程度と比較的大きな値をとる。そのため、水素及び酸素の拡散速度の違いによって生じる応答時間の差異（非対称性）がより大きくなり、より正確に水素の濃淡レベルや水素濃度を検出できる。
【００６１】
７．本実施例の別の態様
本実施例では空燃比制御手段が設定する目標空燃比の値をリーン空燃比としてＡ／Ｆ値１４、リッチ空燃比としてＡ／Ｆ値１５を採用した。しかし、別の態様として別のＡ／Ｆ値を採用してもよい。空燃比制御手段が理論空燃比をはさんで目標空燃比を切り替え、所定の目標空燃比とするようにすればよい。空燃比フィードバック制御実行中にこのルーチンを行うことができるように、リーン空燃比及びリッチ空燃比のＡ／Ｆ値を理論空燃比の近傍の値に設定してもよい。
【００６２】
なお、本実施例では、高酸素濃度応答時間Ｔ１の定義として、ｔ＝ｔ０から空燃比センサにＡ／Ｆ値１５に相当するＶ１の起電力が生じる時点までとし、低酸素濃度応答時間Ｔ２の定義として、ｔ＝ｔ０から空燃比センサにＡ／Ｆ値１４に相当するＶ２の起電力が生じる時点までとした。しかし、本実施例の別の態様として、Ｖ１とＶ２とは適宜変更してもよい。Ｖ１´としてＶ１とＶ０（０．５Ｖ）との間の値でＶ１に十分近い値として、Ｔ１をｔ＝ｔ０から空燃比センサにＶ１´の起電力が生じる時点までと定義してもよい。Ｖ２´としてＶ２とＶ０（０．５Ｖ）との間の値でＶ２に十分近い値として、Ｔ２をｔ＝ｔ０から空燃比センサにＶ２´の起電力が生じる時点までと定義してもよい。
【００６３】
本実施例の別の態様として、Ｔ１、Ｔ２の計測の開始時間は適宜変更できる。Ｔ１の定義として、ｔ０以降のある時点、例えば理論空燃比に相当する電圧（０．５Ｖ）を空燃比センサが検出してから、Ｖ１の電圧を検出するまでとし、Ｔ２の定義として、ｔ０以降のある時点、例えば理論空燃比に相当する電圧Ｖ０（０．５Ｖ）を空燃比センサが検出してから、Ｖ２の電圧を検出するまでとしてもよい。
【００６４】
８．本実施例の効果
このような水素検出装置を用いて、水素の濃淡レベルや水素濃度を検出するようにすれば、空燃比センサと空燃比制御手段を併せて用い、制御に特徴を持たせて水素の濃淡レベルや水素濃度に関する情報を検出するようにしたので、安価に水素の濃淡レベルや水素濃度に関する情報を検出することができる。また、高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間との差異（非対称性）に注目して水素の濃淡レベルや水素濃度を検出するようにしたので、温度や個体差等による検出誤差を少なくして水素の濃淡レベルや水素濃度に関する情報を検出することができる。
【実施例２】
【００６５】
以下の順番で本発明の水素検出装置を適用した気筒間ばらつきの問題が発生したかどうかを判定する内燃機関の異常判定装置について説明する。
１．気筒間ばらつきと水素の発生について
２．水素検出装置を利用した判定方法（フローチャート）
【００６６】
１．気筒間ばらつきと水素の発生について
排気エミッション向上のために、内燃機関の異常を早期に検出されることが望まれている。内燃機関の異常の一つに内燃機関の燃焼異常が挙げられる。この一つの原因として、複数の気筒を有する内燃機関において、ある気筒において燃料噴射量や吸入空気が何らかの原因で多くなる、あるいは少なくなるためである。この気筒間で燃焼のばらつきが生じる問題を気筒間ばらつきの問題と言う。気筒別の空燃比と目標空燃比との偏差を気筒間ばらつき（％）と言う。
【００６７】
気筒間ばらつきの問題が発生すると、燃費の悪化や排気エミッションが悪化するという問題を生じる。特開２００６−１５２８４５号公報には各気筒の空燃比を推定する技術が開示されている。しかし、この方法で正確に各気筒の空燃比を測定するためには、排気管の集合部に空燃比センサを設置しなければならない。排気管とセンサの取り付け位置が制限されるという問題や、排気管の自由な設計を妨げるという問題がある。
【００６８】
図７に示すとおり、目標空燃比がリッチ空燃比のときに機関の燃焼によって水素が発生する。このことを説明する。理論空燃比より多い燃料が噴射されるために、燃焼室で水Ｈ２Ｏ、一酸化炭素ＣＯ、未燃炭化水素ＨＣ等が発生する。燃焼室や排気マニホルドは高温であって還元反応が促進される環境下にあるので、排気管中の排気ガスはこれらの成分が反応して、
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ２＋Ｈ２ （水性ガスシフト反応）
ＨＣ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋（５／２）Ｈ２ （水蒸気改質）
等の水性ガス還元反応が生じる。よって水素が発生する。この反応は、高温ほど起こりやすく、また排気空燃比がリッチであるほど、すなわち未燃炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ成分が多いほど起こりやすい。従って、リッチかつ高温になるほど排気中の水素濃度が高くなる。よって、リッチ空燃比のときには水素Ｈ２、メタンＣＨ４、炭化水素ＨＣ、二酸化炭素ＣＯ２等が主成分となる。
【００６９】
そこで、気筒間ばらつきが発生すると、ある気筒では排気ガスが意図せず目標空燃比よりリッチな空燃比となる。すると水素が多く発生する。この気筒から出た排気ガスと他の気筒から出た排気ガスが集合部３７で集合されても、集合部３７の下流に水素が流入する。なぜなら、この水素と反応して相殺するガス成分は他の気筒で発生はしないためである。こうして、気筒間ばらつきが生じると排気管では水素の濃度が高くなる（図１０参照）。なお、気筒間ばらつきが発生すると、ある気筒では排気ガスが目標空燃比よりリッチな空燃比となり、他の気筒では排気ガスがリーンな空燃比となり、集合部３７より下流では、リッチ排気ガスとリーン排気ガスとが合流し、酸素濃度に注目すれば目標空燃比であることが検出される場合がある。そのため、集合部３７より下流の空燃比センサで空燃比（酸素濃度）を検出するようにする判定方法では、気筒間ばらつきが発生していることを判定できない。そこで、本実施例では、上流側空燃比センサ１０と空燃比制御手段とを用い、実施例１に記載の技術で排気管の水素を検出する。
【００７０】
２．水素検出装置を利用した判定方法（フローチャート）
本実施例の内燃機関の異常判定装置は、上流側空燃比センサ１０を用いて排気ガス中の水素を検出する。以下、図１５を使って本実施例の内燃機関の異常判定装置による気筒間ばらつき判定についてフローチャートを用いて順を追って説明する。この気筒間ばらつき判定ルーチンはＥＣＵ１によって実行される。ＥＣＵ１はこのルーチンを例えば１０分ごとに実行する。
【００７１】
まず、Ｓ１１では下記の条件を全て満たしているかどうかが判定される。全て条件を満たしていればＳ１２へ進み、一つでも満たしていなければ、このルーチンを終了する。
（１）エンジンが暖気完了していること。
（２）空燃比センサが暖気完了していること。
このステップで内燃機関の暖機が完了し、かつ空燃比センサが活性化温度に達していて排気ガスの成分を検出できる状態にあるか否かを判断することで、誤った判定をしてしまうことを防いでいる。
この他、下記の条件を加えてもよい。
（３）空燃比センサが異常（故障）と判定されていないこと。
【００７２】
Ｓ１２では、気筒間ばらつき検出条件成立か否かを判断する。これは、定常運転状態の条件と燃料カットが行われていないという条件とが満たされているかどうかを判断する。この二つの条件がともに成立していればＳ１３に進み、一つでも成立していなければ、このルーチンを終了する。このステップで気筒間ばらつきが発生していることが検出できない条件であることがあらかじめ分かっている場合には、気筒間ばらつきの判定を行わない。
【００７３】
Ｓ１３及びＳ１４はＳ２及びＳ３とそれぞれ同じであるので説明を省略する。図１６、図１７のとおり、空燃比制御手段がリーンからリッチ、リッチからリーンへの切り替えを行う。この図のように、空燃比制御手段はこの切り替えを連続して行い、検出部はこのＴ１及びＴ２の計測を連続して行うことが好ましい。
【００７４】
Ｓ１５では、Ｔ１／Ｔ２＞Ｋか否かが判定される。この条件が成立する場合はＳ１６に進み気筒間ばらつきが発生したと判定して、ＭＩＬランプ２２を点灯させる。成立しない場合はこのルーチンを終了する。このＫは気筒間ばらつきダイアグ判定値としてあらかじめ決められた値である。Ｔ１／Ｔ２は実施例１におけるＴ（ｄｉｖ）に相当し、水素の濃淡レベルに相当する。つまり、Ｓ１５では、水素の濃淡レベルが所定値以上であるか否かを判定している。このステップでは、水素の濃淡レベルが所定値以上であれば気筒間ばらつきが発生していると判定している。
【００７５】
検出部はフローチャートのうちＳ１３及びＳ１４における計測とＳ１５におけるＴ１／Ｔ２の算出とを実行する。Ｓ１５における判定は異常判定手段が実行する部分である。ＥＣＵ１は空燃比制御手段、検出部及び異常判定手段を備え、ＥＣＵ１と上流側空燃比センサ１０とで内燃機関の異常判定装置が実現される。
【００７６】
気筒間ばらつきダイアグ判定値Ｋはエンジン回転数、負荷のマップで与えてもよい。空燃比センサの設置場所は排気ガスが検出できる場所であればどこにあってもよい。このように、空燃比センサの設置場所に制約がなく、排気管の設計に制約が生じるということもない。そのため排気管の設計が自由に行える。好ましくは、排気浄化触媒の上流で集合部３７より下流に空燃比センサを設置することがよい。言い換えると、上流側空燃比センサ１０を利用するとよい。更に好ましくは排気浄化触媒の上流近傍で凝縮水の被水を避けられる場所に設置することがよい。なぜなら、空燃比センサが凝縮水で被水してしまうと、空燃比センサに異常をきたすおそれがあるからである。
【００７７】
このようにして、気筒間ばらつきを判定すると、実施例１の技術を使って水素の濃淡レベルに関する情報を検出するため、安価で温度や空燃比センサの個体差等による検出誤差が少ない気筒間ばらつきの判定をすることができる。また、空燃比センサの設置場所に制限がなく、排気管の設計が自由に行える。更に空燃比センサは集合部より下流に設置することで凝縮水の被水を避けることができ、空燃比センサに異常が発生することを避けることができる。
【実施例３】
【００７８】
以下の順番で本発明の水素検出装置を適用した排気浄化触媒劣化が発生したかどうかを判定する内燃機関の異常判定装置について説明する。
１．触媒劣化と水性ガスシフト反応
２．水素検出装置を利用した判定方法（フローチャート）
【００７９】
１．触媒劣化と水性ガスシフト反応
内燃機関の異常の一つである内燃機関の排気浄化系の異常に、排気浄化触媒劣化が挙げられる。以下、触媒劣化の問題と言う。排気浄化触媒は、未燃炭化水素ＨＣ、酸化窒素ＮＯｘや一酸化炭素ＣＯを吸着吸収、放出還元して浄化をしている。この排気浄化触媒が劣化をして、排気ガスを正常に浄化できない場合は、大気中に未浄化排気ガスが放出されるおそれがあり排気エミッションの悪化につながる。
【００８０】
これまで、排気浄化触媒の劣化を判定する手法として、酸素吸蔵量（ＳＯＣ）を推定する技術が知られているが、近年の研究では貴金属の使用を抑えた排気浄化触媒が開発されている。すると、酸素吸蔵量と排気浄化触媒の劣化との相関関係が弱くなるために、酸素吸蔵量を検出しない別の方法で排気浄化触媒の劣化を判定する方法を確立する必要がある。排気浄化触媒は劣化すると、排気浄化触媒中の貴金属が脱落するなどして、活性度が落ちるために、還元性能が低下する。すると、水性ガスシフト反応（Ｈ２Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ２＋Ｈ２）の反応性が低下するため、排気浄化触媒の下流で水素の発生が少なくなるという特徴がある。つまり、新しい排気浄化触媒は水素を大量に発生させ、劣化した排気浄化触媒は少量の水素を発生させる。排気浄化触媒下流の水素を検出することで、貴金属の使用を抑えた排気浄化触媒の劣化判定を、酸素吸蔵量を基に判定するより正確に行うことができる。特開２００３−１２０３８３号公報には触媒の下流に水素センサと排気空燃比センサを設置する技術が開示されている。しかし、水素センサを異常判定のために設けることはコスト上問題がある。そこで、本実施例では、下流側空燃比センサ１１と空燃比制御手段とを用い、実施例１に記載の技術で排気浄化触媒下流の水素を検出する。
【００８１】
２．水素検出装置を利用した判定方法（フローチャート）
本実施例の内燃機関の異常判定装置は、下流側空燃比センサ１１を用いて排気ガス中の水素を検出する。以下、図１８を使って本実施例の内燃機関の異常判定装置による排気浄化触媒劣化判定についてフローチャートを用いて順を追って説明する。この触媒劣化ルーチンはＥＣＵ１によって実行される。ＥＣＵ１はこのルーチンを例えば１０分ごとに実行する。
【００８２】
まず、Ｓ２１では下記の条件を全て満たしているかどうかが判定される。全て条件を満たしていればＳ２２へ進み、一つでも満たしていなければ、このルーチンを終了する。
（１）エンジンが暖気完了していること。
（２）空燃比センサが暖気完了していること。
（３）排気浄化触媒が暖気完了していること。
このステップで内燃機関の暖機が完了し、かつ空燃比センサが活性化温度に達していて排気ガスの成分を検出できる状態にあるか否かを判断することで、誤った判定をしてしまうことを防いでいる。この他、下記の条件を加えてもよい。
（４）空燃比センサが異常（故障）と判定されていないこと。
【００８３】
Ｓ２２では触媒劣化検出条件か否かを判定する。これは、定常運転状態の条件や燃料カットが行われていないという条件が満たされているかどうかを判断する。この条件が成立していればＳ２３に進み、成立していなければ、このルーチンを終了する。このステップで排気浄化触媒の劣化が発生していることが検出できない条件であることがあらかじめ分かっている場合には、排気浄化触媒の劣化判定を行わない。
【００８４】
Ｓ２３及びＳ２４はＳ１３及びＳ１４とそれぞれ同じであるので説明を省略する。図１９、図２０のとおり、空燃比制御手段がリーンからリッチ、リッチからリーンへの切り替えを行う。この図のように、空燃比制御手段はこの切り替えを連続して行い、検出部はこのＴ１及びＴ２の計測を連続して行うことが好ましい。
【００８５】
Ｓ２５では、Ｔ１／Ｔ２＜Ｋ´か否かが判定される。この条件が成立する場合はＳ２６に進み排気浄化触媒の劣化が発生したと判定して、ＭＩＬランプ２２を点灯させる。成立しない場合はこのルーチンを終了する。このＫは触媒劣化判定値としてあらかじめ決められた値である。Ｔ１／Ｔ２は実施例１におけるＴ（ｄｉｖ）に相当し、水素の濃淡レベルに相当する。つまり、Ｓ２５では、水素の濃淡レベルが所定値以下であるか否かを判定している。このステップでは、水素の濃淡レベルが所定値以下であれば触媒劣化していると判定している。
【００８６】
検出部はフローチャートのうちＳ２３及びＳ２４における計測とＳ２５におけるＴ１／Ｔ２の算出を実行する。Ｓ２５における判定は異常判定手段が実行する部分である。ＥＣＵ１は空燃比制御手段、検出部及び異常判定手段を備え、ＥＣＵ１と下流側空燃比センサ１１とで内燃機関の異常判定装置が実現される。
【００８７】
触媒劣化判定値Ｋ´はエンジン回転数や負荷のマップで与えてもよい。空燃比センサの設置場所は排気浄化触媒の下流の排気ガスが検出できる場所であればどこにあってもよい。
【００８８】
なお、本実施例では酸素濃度制御装置を実現するものとして空燃比制御手段を利用した。しかし、本実施例の他の様態として排気浄化触媒上流に二次空気を流入させるシステムの内燃機関にあっては、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する装置である二次空気制御装置をもって酸素濃度制御装置としてもよい。
【００８９】
このようにして、排気浄化触媒の劣化を判定すると、実施例１の技術を使って水素の濃淡レベルに関する情報を検出するため、安価で空燃比センサの温度や個体差等による検出誤差が少ない排気浄化触媒の劣化判定をすることができる。
【００９０】
なお、本発明の水素検出装置は内燃機関の異常判定装置における利用に限定されるものではない。本発明の水素検出装置を備え、被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、検出部が検出した水素の濃淡レベルに関する情報に基づいて内燃機関を制御する制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置を提供することができる。空燃比制御手段が空燃比フィードバック制御を実行中に、水素の濃淡レベルを検出してもよい。しかし、空燃比制御手段は空燃比フィードバック制御をいったん中止し、水素の濃淡レベルを検出する目的で、目標空燃比を制御して、検出部が水素の濃淡レベルを検出すこととしてもよい。空燃比制御手段は空燃比フィードバック制御をいったん中止し、このように水素の濃淡レベルを検出すれば、上述のとおり、より正確に水素の濃淡レベルを検出できるので、内燃機関の制御をより正確に達成できる。
【００９１】
なお、本発明の水素検出装置は内燃機関における利用に限定されるものではない。起電力が基準酸素濃度付近でＺ特性を示し、酸素分圧に基づいて被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサと、センサに流入する被検出ガスの酸素濃度を基準酸素濃度と比して高濃度、低濃度に制御する酸素濃度制御手段を備えて、高酸素濃度高応答時間と低酸素濃度応答時間とを計測できれば、水素の濃淡レベルを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】内燃機関の全体構成を示す模式的な側面図である。
【図２】複数の気筒を持つ内燃機関の全体構成を上から見た模式図である。
【図３】センサ素子を中心に空燃比センサ示す模式図である。
【図４】空燃比センサの動作原理を示す模式図である。
【図５】空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた場合、空燃比センサ外側電極近傍における各成分の濃度の時系列変化とＯ２センサの電圧の時系列変化とを説明する図である。
【図６】空燃比制御手段が目標空燃比をリーンからリッチに切り替えた場合、空燃比センサ外側電極近傍における各成分の濃度の時系列変化とＯ２センサの電圧の時系列変化とを説明する図である。
【図７】目標空燃比がリッチ及びリーンの場合に燃焼によって生成する水素の量を示した図である。
【図８】拡散係数を示した図と表である。
【図９】気筒間ばらつき有無の場合で空燃比センサの応答時間を示した図である。
【図１０】気筒間ばらつきの程度（％）と水素濃度の関係を示した図である。
【図１１】Ｔ（ｄｉｖ）、Ｔ（ｄｉｆ）と水素濃度との関係を示した図である。
【図１２】空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた場合、空燃比センサ外側電極近傍における各成分の濃度の時系列変化とＯ２センサの電圧の時系列変化とを説明する図である。
【図１３】空燃比制御手段が目標空燃比をリーンからリッチに切り替えた場合、空燃比センサ外側電極近傍における各成分の濃度の時系列変化とＯ２センサの電圧の時系列変化とを説明する図である。
【図１４】実施例１に記載の水素濃度検出ルーチンを示した図である。
【図１５】実施例２に記載の気筒間ばらつき判定ルーチンを示した図である。
【図１６】実施例２に記載の気筒間ばらつきが大きい場合と小さい場合とでＡ／Ｆセンサで検出される電流の応答が変化することを説明した図である。
【図１７】実施例２に記載の気筒間ばらつきが大きい場合と小さい場合とでＯ２センサで検出される電圧の応答が変化することを説明した図である。
【図１８】実施例３に記載の排気浄化触媒劣化判定ルーチンを示した図である。
【図１９】実施例３に記載の排気浄化触媒劣化が大きい場合と小さい場合とでＡ／Ｆセンサで検出される電流の応答が変化することを説明した図である。
【図２０】実施例３に記載の排気浄化触媒劣化が大きい場合と小さい場合とでＯ２センサで検出される電圧の応答が変化することを説明した図である。
【図２１】Ｔ１とＴ２からＴ（Ｍａｐ）を求めるためのマップである。
【符号の説明】
【００９３】
１ ＥＣＵ
１０ 上流側空燃比センサ
１１ 下流側空燃比センサ
１３ 触媒コンバータ
１４ 排気浄化触媒
１５ 排気管
２０ スロットルバルブ
２１ 燃料噴射弁
２２ ＭＩＬランプ
２３ エアフロメーター
２４ スロットルセンサ
３６ 排気マニホルド
３７ 集合部
１０１ 内側電極
１０２ 酸素イオン導電性固体電解質
１０３ 外側電極
１０４ 多孔質層
１０７ 通気孔
１０８ カバー
１０９ センサ素子
１１０ 大気室
２１１、２１２、２１３、２１４ 燃料噴射弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素の濃淡レベルに関する情報を検出する水素検出装置、及びこの水素検出装置が検出した水素の濃淡レベルに関する情報に基づいて内燃機関の異常を判定する内燃機関の異常判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検出ガス中に水素が存在すると、空燃比センサの出力にずれが生じることが公知になっている。特許文献１には、水素が存在するとリッチ空燃比からリーン空燃比への変化の検出に遅れが生じることが開示されている。
【０００３】
特許文献２には、水素を含むリッチガスの影響を受けて、空燃比センサの出力がリッチ側にずれることが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２４７６８７号公報
【特許文献２】特開２００６−２９１８９３号公報
【特許文献３】特開平８―４９５８５号公報
【特許文献４】特開２００６−１５２８４５号公報
【特許文献５】特開２００３−１２０３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１や特許文献２に開示された技術内容からでは水素の濃淡レベルや水素濃度を算出することはできない。
【０００５】
そこで、本発明は上記の問題に鑑み、酸素濃度を検出するセンサを用いて安価に水素の濃淡レベルに関する情報を検出する装置を提供することを目的とする。また、酸素濃度を検出するセンサを用いて安価に水素の濃淡レベルに関する情報を検出して内燃機関の異常を判定する装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサと、センサに流入する被検出ガスの酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段と、酸素濃度制御手段が基準酸素濃度ガスに比して高濃度酸素ガス供給から低濃度酸素ガス供給へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である低酸素濃度応答時間、及び酸素濃度制御手段が基準酸素濃度ガスに比して低濃度酸素ガス供給から高濃度酸素ガス供給へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である高酸素濃度応答時間に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする水素検出装置が提供される。
【０００７】
請求項２に記載の発明によれば、被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、酸素濃度制御手段は、目標空燃比を制御する空燃比制御手段とし、低酸素濃度応答時間は、空燃比制御手段が目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間とし、高酸素濃度応答時間は、空燃比制御手段が目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間とする、ことを特徴とする請求項１記載の水素検出装置が提供される。
【０００８】
請求項３に記載の発明によれば、検出部は、高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間との比もしくは差に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出する、ことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の水素検出装置が提供される。
【０００９】
請求項４に記載の発明によれば、センサは、被検出ガスに晒される外側電極と、大気に晒される内側電極と、外側電極と内側電極とに挟まれた酸素イオン導電性電解質と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素検出装置が提供される。
【００１０】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４のいずれかに記載の水素検出装置を備え、被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、検出部が検出した水素の濃淡レベルに関する情報に基づいて内燃機関の異常を判定する異常判定手段を備えたことを特徴とする内燃機関の異常判定装置が提供される。
【００１１】
請求項６に記載の発明によれば、内燃機関は複数の気筒を備え、異常判定手段は、水素検出装置が検出した水素の濃淡レベルが所定値以上に高い場合には、気筒間ばらつきが発生したと判定する、ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の異常判定装置が提供される。
【００１２】
請求項７に記載の発明によれば、センサは、複数の気筒に接続された排気管の集合部、もしくは該集合部より下流の排気ガスの酸素濃度を検出する、ことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の異常判定装置が提供される。
【００１３】
請求項８に記載の発明によれば、センサは、排気浄化触媒下流の排気ガスの酸素濃度を検出し、異常判定手段は、水素検出装置が検出した水素の濃淡レベルが所定値以下に低い場合には、排気浄化触媒が劣化したと判定する、ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の異常判定装置が提供される。
【００１４】
請求項９に記載の発明によれば、酸素濃度を検出するセンサに流入する被検出ガスの酸素濃度が基準酸素濃度に比して高濃度から低濃度へ切り替わった場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である低酸素濃度応答時間を取得するステップと、センサに流入する被検出ガスの酸素濃度が基準酸素濃度に比して低濃度から高濃度へ切り替わった場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である高酸素濃度応答時間を取得するステップと、高酸素濃度応答時間及び低酸素濃度応答時間に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出するステップとを備えたことを特徴とする水素検出方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１乃至４に記載の発明によれば、酸素濃度制御手段とセンサを用いて、水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、空燃比制御手段とセンサを用いて、水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間との差もしくは比に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、外側電極と、内側電極と、外側電極と内側電極とに挟まれた酸素イオン導電性電解質と、を備えたセンサを用いて、水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【００１９】
請求項５乃至８に記載の発明によれば、酸素濃度制御手段とセンサを用いて、水素の濃淡レベルを検出し、水素の濃淡レベルによって内燃機関の異常を判定することを可能とする効果を奏する。
【００２０】
請求項６もしくは７に記載の発明によれば、気筒間ばらつきを判定することを可能とする効果を奏する。
【００２１】
請求項８に記載の発明によれば、排気浄化触媒の劣化を判定することを可能とする効果を奏する。
【００２２】
請求項９に記載の発明によれば、水素の濃淡レベルに関する情報を検出することを可能とする効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付して説明を簡素化ないし省略する。
【実施例１】
【００２４】
以下の順番で内燃機関に設置された本発明の水素検出装置について説明をする。
１．内燃機関の基本構成
２．空燃比センサの原理
３．リッチからリーンへの空燃比制御に対する空燃比センサの応答
４．リーンからリッチへの空燃比制御に対する空燃比センサの応答
５．空燃比センサと空燃比制御手段を組み合わせた水素検出装置の原理
６．水素の濃淡レベル検出のフローチャート
７．本実施例の別の態様
８．本実施例の効果
【００２５】
１．内燃機関の基本構成
図１及び図２は、実施例１の基本構成を説明するための模式図である。図１は内燃機関の模式的な側面図であって、気筒とその前後に設置された吸気管１９と排気ガスの通路である排気管１５の断面図を示している。図２は同じ内燃機関を上から見た模式図である。図２は、図１と共通の吸気管１９と排気管１５を図示しており、複数の気筒を持つ内燃機関の図である。内燃機関の各気筒の吸気ポートには、吸気枝管が接続されている。吸気枝管には、燃料噴射弁（２１１、２１２、２１３、２１４）が設置されている。これら複数の燃料噴射弁を代表して図１は燃料噴射弁２１を図示している。また、吸気枝管は、共通のサージタンク（不図示）に接続されている。サージタンクの上流には吸気圧を検出するエアフロメーター２３、スロットルセンサ２４が設置されている。内燃機関の各気筒の排気ポートは、共通の排気マニホルド３６に接続されている。排気マニホルド３６は、排気管の集合部３７を持つ。排気管１５には排気浄化触媒１４を内蔵する触媒コンバータ１３が設置されている。触媒コンバータ１３の下流の排気管１２には、マフラー（不図示）が設置されている。排気浄化触媒の上流と下流には空燃比センサが設置されている。触媒コンバータ１３の上流には、上流側空燃比センサ１０が、触媒コンバータ１３の下流には下流側空燃比センサ１１が設置されている。被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサは上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１に相当する。
【００２６】
この内燃機関は制御システムを備え、電子制御装置（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）１を備える。ＥＣＵ１は、マイクロコンピュータ２を有する。マイクロコンピュータ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換器、Ｉ／Ｏポート等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、マイクロコンピュータの入力ポートは、Ａ／Ｄ変換器を介して、それぞれ、上流側空燃比センサ１０、下流側空燃比センサ１１、エアフロメーター２３、スロットルセンサ２４に接続されている。ＥＣＵ１は検出した電流信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換器を介して取り込み、Ａ／Ｆ値の演算や素子インピーダンスＺａｃの演算を適宜実施する。また、マイクロコンピュータの出力ポートは、駆動回路を介して、燃料噴射弁２１に接続されている。また、出力ポートは、ＭＩＬランプ２２に接続されている。内燃機関に異常が発生した場合には、ＭＩＬランプ２２が点灯してドライバに異常を知らせるようになっている。ＥＣＵ１は本発明の基本構成をソフトウェアで実現し、ＲＯＭ内に格納されたフログラムに従い、後述するフローチャートの処理を行う。
【００２７】
ＥＣＵ１は各センサの入力信号から演算を行い、検出した吸入空気量と目標空燃比から燃料噴射量（噴射時間）を決定し、燃料噴射弁を制御する。こうして、燃料噴射弁２１から所定量の燃料の噴射が行われる。各センサの入力信号から演算を行って目標空燃比を決定するＥＣＵ１が、空燃比制御手段もしくは酸素濃度制御手段を実現するものである。ＥＣＵ１は、請求項に記載の空燃比制御手段もしくは酸素濃度制御手段と検出部とを実現するものである。ＥＣＵ１及び上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１は、水素検出装置を実現するものである。
【００２８】
空燃比フィードバック制御について説明する。ＥＣＵ１は、上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１の検出結果によって排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ側とリーン側とのいずれに変動しているかを判定する。空燃比制御手段が目標空燃比をこの変動と反対側に補正し、実際の空燃比が理論空燃比の近傍となるように目標空燃比を修正する。例えば、特開平８―４９５８５号公報に詳しい記載がある。本実施例では、空燃比フィードバック制御に使用される空燃比センサと空燃比制御手段とを用いて、制御に特徴を持つ水素検出装置で水素の濃淡レベルに関する情報を検出することが可能である。そのため、新しいセンサなど新しいハード構成が不要であるから、安価に水素の濃淡レベルに関する情報を検出することが可能である。
【００２９】
ここで、排気ガスの成分について、燃焼室内に形成される混合気の空燃比がリッチ空燃比である場合と、リーン空燃比である場合とに分けて説明する。空燃比がリッチ空燃比のときには理論空燃比より多い燃料が噴射されるために、燃焼後に燃焼室で未燃炭化水素ＨＣ、水Ｈ２Ｏ、一酸化炭素ＣＯ等が発生する。詳細は後述するが、排気管中では水性ガスシフト反応と水蒸気改質とによって、これら成分が反応して水素Ｈ２、メタンＣＨ４、二酸化炭素ＣＯ２等が発生する。図７にあるように、空燃比がリッチ空燃比のときには、リーン空燃比のときと比して、排気ガスは、水素Ｈ２の濃度が高くなる。
【００３０】
一方、空燃比がリーン空燃比のときには、燃料のほぼすべてが燃焼に供され、燃焼後に燃焼室では酸素Ｏ２が残る。理論空燃比のときに比べ、空燃比がリーン空燃比のときには、排気ガスは酸素濃度が高くなる。
【００３１】
２．空燃比センサの原理
ここで、上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１に使用される空燃比センサについて説明する。空燃比センサは、酸素分圧に基づいて被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサである。図３は空燃比センサを説明するための模式図である。図３に示すように、空燃比センサは、カバー１０８を備える。カバー１０８は、排気ガスに晒されるように取り付けられている。カバー１０８にはその内部に排気ガスを導くための複数の通気孔１０７が設けられている。排気管中の排気ガスの最低流速は１〜２ｍ／ｓ程度であり、この通気孔１０７は内部に入り込む排気ガスの流速が１／１０程度になるように設定されている。通気孔１０７により、カバー内部における排気ガスの圧力は、大気圧とほぼ等しい。
【００３２】
カバー内には、センサ素子１０９が配置されている。センサ素子１０９は、一端が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、拡散抵抗層を実現する多孔質層１０４で覆われている。多孔質層は、セラミックス、例えば、アルミナを用いたスピネル型化合物（ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３）により構成される。多孔質層についてガス透過率（気孔率）を定義する。気孔率は多孔質層中の空間の体積を多孔質層全体の体積で割ったものである。
【００３３】
多孔質層１０４の内側には、外側電極１０３が設けられている。言い換えると、外側電極の外表面に多孔質層１０４が設けられている。多孔質層１０４の外側に触媒やコーティング層を別に設けてもよい。外側電極１０３は、多孔質層１０４を通過した排気ガスに晒されている。外側電極１０３の更に内側に酸素イオン導電性電解質である固体の電解質、酸素イオン導電性固体電解質１０２が設けられている。酸素イオン導電性固体電解質１０２は、ジルコニアからなる。酸素イオン導電性固体電解質１０２の内側の面には、内側電極１０１が設けられている。内側電極１０１及び外側電極１０３は、Ｐｔなどの金属で構成される。内側電極及び外側電極は、酸素イオン導電性固体電解質１０２表面に押圧接触した金属端子を通じて外部へ延びるリード線に接続される。
【００３４】
内側電極の内側には、大気室１１０が形成されている。大気室内には、大気が導かれる構造となっている。従って内側電極は大気に晒されている。大気室内には、ヒータ（不図示）を配置して、センサの早期活性化を図ってもよい。なお、センサ素子１０９は７００℃程度の活性温度に加熱されることにより、安定した出力特性を示す。
【００３５】
図４を使って、空燃比センサの動作原理を説明する。図４は空燃比センサの特徴部分である、外側電極１０３、内側電極１０１、酸素イオン導電性固体電解質１０２及び多孔質層１０４を模式的に示した図である。通気孔１０７によって外側電極にかかる排気ガスの圧力は大気圧とほぼ等しくなるように設定されている。そのため、空燃比センサは外側電極１０３と内側電極１０１における酸素分圧の違いに基づいて、両電極に流れる電流もしくは電圧で酸素濃度を検出している。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、酸素濃度検出素子の両面に設けた内側電極１０１、外側電極１０３間に印加電圧Ｖ０が印加される。センサ素子１０９周囲の排気ガスは多孔質層１０４の側方部位から多孔質層１０４に浸入し、外側電極１０３に達する。このとき、排気ガスがリッチであれば、図４（ｃ）に示すように、多孔質層１０４内を未燃成分分子ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ２が移動する一方、大気室の酸素Ｏ２が内側電極でイオン化され、酸素イオン導電性固体電解質内を内側電極から外側電極の向きに酸素イオン（Ｏ２-）が移動する。これは、大気側の内側電極１０１における酸素分圧が排気側の外側電極１０３における酸素分圧より大きいためである。そして、内側電極での電極反応により酸素分子Ｏ２が生成され、未燃成分分子ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ２との触媒反応により二酸化炭素ＣＯ２や水Ｈ２Ｏが生成される。こうして、外側電極から内側電極の向きに素子電流Ｉｐ（マイナス電流）が流れることになり、素子の起電力（１Ｖ）が発生する。一方、排気ガスがリーンであれば、図４（ｅ）に示すように、多孔質層内を酸素分子Ｏ２が移動し、酸素分子Ｏ２は外側電極１０３で電極反応を起こし、酸素分子Ｏ２はイオン化される。そして、酸素イオン導電性固体電解質内を外側電極１０３から内側電極１０１の向きに酸素イオン（Ｏ２-）が移動した後、内側電極１０１で酸素分子Ｏ２が生成され大気室１１０に排出される。こうして、内側電極から外側電極の向きに素子電流Ｉｐ（プラス電流）が流れることになる。素子の起電力は０Ｖである。理論空燃比時には、図４（ｄ）に示すように、素子の起電力が印加電圧と釣り合うため素子電流Ｉｐは０となる。
【００３７】
このように、両電極間の酸素濃度差、つまり両電極間の酸素分圧差に応じて、酸素イオン導電性固体電解質内を酸素イオン（Ｏ２-）が移動する。両電極間に、論空燃比で生じる起電力に相当する電圧Ｖ０=０．５Ｖ（図４（ｂ）参照）を逆向きに印加している。この図で空気過剰率（λ）＝１が理論空燃比に相当する。この原理によって、両電極間を流れる素子電流値から空燃比を検出することができる。両電極間に発生する素子の起電力は図４（ｂ）のとおり、理論空燃比近傍でいわゆるＺ特性を示す。
【００３８】
本実施例において、空燃比センサはセンサ素子１０９近傍の排気ガスの圧力と大気圧とがあまり変わらない条件で使用される。そのため、上記のとおり外側電極と内側電極との酸素分圧差に基づいて排気ガスの酸素濃度を検出することができる。空燃比センサは、素子電流Ｉｐを検出するＡ／Ｆセンサと電極間で発生する起電力を検出するＯ２センサとがある。
【００３９】
３．リッチからリーンへの変化に対する空燃比センサの応答
酸素濃度制御手段である空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えるとき、排気ガス中に水素が多く存在する場合（以下、高水素雰囲気という）と、水素がほとんど存在しない場合（以下、低水素雰囲気という）とで、空燃比センサの応答がどのように変化するか、図５を使って説明する。図５（ｂ）は、多孔質層１０４内であって外側電極近傍における、各成分の濃度分布を時系列で示した模式図である。図５（ｃ）は空燃比センサの両電極に発生する起電力電圧の時系列変化を示した図である。実線は高水素雰囲気の場合であり、破線は低水素雰囲気の場合を示している。
【００４０】
目標空燃比がリッチ空燃比（Ａ／Ｆ値１４）のときには、空燃比センサの外側電極近傍には、排気ガス成分のうち、水素Ｈ２、メタンＣＨ４、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯ成分が存在する。図５（ｂ）のｔ＜ｔ０において、この状態を示している。このとき、図４（ｃ）のように酸素分圧は内側電極より外側電極の方が低く、正の起電力が生じ（図５（ｃ）参照）、マイナス電流を生じる。
【００４１】
ｔ＝ｔ０で空燃比制御手段が目標空燃比をリッチ空燃比（Ａ／Ｆ値１４）からリーン空燃比（Ａ／Ｆ値１５）に切り替えた。すると、燃料の噴射量が変化し、燃焼の特性が変化する。排気ガス中の成分は時間経過に伴って徐々に炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯの濃度は低下して、酸素Ｏ２の濃度が増加する。成分が変化した排気ガスが燃焼室を出て、空燃比センサの外側電極１０３に到達する。ここで、高水素雰囲気の場合と低水素雰囲気の場合とを比較して説明する。高水素雰囲気の場合では、外側電極近傍にある水素Ｈ２と酸素Ｏ２が反応して（Ｏ２＋２Ｈ２→２Ｈ２Ｏ）、酸素Ｏ２が消費される。空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えたｔ＝ｔ０から、空燃比センサにリーン空燃比（Ａ／Ｆ値１５）を示すＶ１の起電力が生じる時点までの時間を高濃度応答時間（Ｔ１）とする。図５（ｃ）のとおり、高水素雰囲気の場合の高酸素濃度応答時間（Ｔ1）は、低水素雰囲気の場合の高酸素濃度応答時間（Ｔ1´）に比して大きい。すなわち、Ｔ１＞Ｔ１´である。
【００４２】
４．リーンからリッチへの空燃比制御に対する空燃比センサの応答
空燃比制御手段が目標空燃比をリーンからリッチに切り替えるとき、排気ガスが高水素雰囲気の場合と、低水素雰囲気の場合とで、空燃比センサの応答がどのように変化するか、図６を使って説明する。図６（ｂ）は、図５（ｂ）と同様で、多孔質層１０４内であって外側電極近傍における、各成分の濃度分布を時系列で示した模式図である。実線は高水素雰囲気の場合を示し、破線は低水素雰囲気の場合を示している。図６（ｃ）は空燃比センサの両電極に発生する起電力電圧の時系列変化を示した図である。実線は高水素雰囲気の場合を示し、破線は低水素雰囲気の場合を示している。
【００４３】
目標空燃比がリーン空燃比のときには、空燃比センサの外側電極近傍には、排気ガス成分のうち酸素成分が多く存在する。図６（ｂ）におけるｔ＜ｔ０でこの状態を示している。このとき、図４（ｅ）のように酸素の分圧は内側電極より外側電極の方が高く、電極間の起電力は０となり（図６（ｃ）参照）、プラス電流を生じる。
【００４４】
ｔ＝ｔ０で空燃比制御手段が目標空燃比をリーン空燃比（Ａ／Ｆ値１５）からリッチ空燃比（Ａ／Ｆ値１４）に切り替えた。すると、時間経過に伴って徐々に酸素の濃度は低下して、かわりに炭化水素ＨＣや一酸化炭素ＣＯの濃度が増加する。図８に示すとおり、水素Ｈ２は酸素Ｏ２等の拡散速度に比べて４倍程度はやい。拡散速度の違いにより、水素Ｈ２が他の成分よりも先に外側電極近傍に到着する。外側電極近傍にある水素Ｈ２と酸素Ｏ２とが反応して（Ｏ２＋２Ｈ２→２Ｈ２Ｏ）、酸素Ｏ２が消費される。高水素雰囲気では、酸素Ｏ２は急激に消費される。空燃比制御手段が目標空燃比をリーンらリッチに切り替えたｔ＝ｔ０から、空燃比センサにリッチ空燃比（Ａ／Ｆ値１４）を示すＶ２の起電力が生じる時点までの時間を低酸素濃度応答時間（Ｔ２）とする。図６（ｃ）のとおり、高水素雰囲気の場合の高酸素濃度応答時間（Ｔ２）は、低水素雰囲気の場合の低酸素濃度応答時間（Ｔ２´）に比して小さい。すなわち、Ｔ２＜Ｔ２´である。
【００４５】
５．空燃比センサと空燃比制御手段を組み合わせた水素検出装置の原理
上述のとおり、高水素雰囲気の場合には低水素雰囲気の場合と比して、高酸素濃度応答時間（Ｔ１）は大きく、低酸素濃度応答時間（Ｔ２）は小さい。このことを利用して、検出部は水素の濃淡レベルに関する情報を検出する。検出部は、高酸素濃度応答時間（Ｔ１）と低酸素濃度応答時間（Ｔ２）との両方を検出して、両者の差異（非対称性）に注目する。つまり、
Ｔ（ｄｉｖ）＝（高酸素濃度応答時間）／（低酸素濃度応答時間）＝Ｔ１／Ｔ２
を算出し、Ｔ（ｄｉｖ）をもって水素の濃淡レベルとする。なお、本実施例では比をとってＴ（ｄｉｖ）としたが、他の様態として差をとって、
Ｔ（ｄｉｆ）＝（高酸素濃度応答時間）−（低酸素濃度応答時間）＝Ｔ１−Ｔ２
を水素の濃淡レベルとしてもよい。他の様態として、高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間とから水素の濃淡レベルを対応させる実験をあらかじめ行い、図２１に示すマップを記録しておき、このマップから水素の濃淡レベルを求めてもよい。
Ｔ（Ｍａｐ）＝Ｍａｐ（（高酸素濃度応答時間）、（低酸素濃度応答時間））
【００４６】
Ｔ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）の具体的な数値データを示す。後述するが、図１０に記載のとおり、気筒間ばらつきと水素濃度（％）には相関がある。図１０の水素濃度（％）は本願の水素検出装置とは別の水素センサで検出した数値データである。気筒間ばらつきの度合いに応じ、低酸素濃度応答時間及び高酸素濃度応答時間を検出した数値データを示した図が図９である。図９及び図１０から気筒間ばらつき０％と２０％のときの水素濃度を推定すると、それぞれ０．０８％、０．９８％となり、この水素濃度と、Ｔ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係を図示したものが、図１１である。図１１では、水素濃度とＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係を直線で近似し、比例関係にあると推定したが、実験を重ねてサンプル数を増やし、水素の濃淡レベルとＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係を曲線で近似してもよいし、あらかじめ実験をしてマップを記録して、水素濃度とＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係を規定することとしてもよい。使用する空燃比センサの初期条件によって、水素濃度とＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）との関係は適宜変わる。
【００４７】
高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間とから水素濃度を対応させる実験をあらかじめ行い、マップを記録しておき、決められたマップから水素濃度を求めてもよい。
水素濃度（％）＝Ｍａｐ2（（高酸素濃度応答時間）、（低酸素濃度応答時間））.
【００４８】
以下、低酸素濃度応答時間と高酸素濃度応答時間の両方を検出して両者の差異（非対称性）に注目し、比、差もしくはマップであるＴ（ｄｉｖ）、Ｔ（ｄｉｆ）もしくはＴ（Ｍａｐ）を算出して水素の濃淡レベルとし、水素濃度を検出したことについて、効果を説明する。
【００４９】
上述のとおり、高水素雰囲気では高酸素濃度応答時間は大きい。このことから、水素の濃淡レベルと高酸素濃度応答時間との関係を比例させて、水素の濃淡レベルや水素濃度を推定する方法が考えられえる。同様に、水素の濃淡レベルと低酸素濃度応答時間との関係を比例させて、水素の濃淡レベルや水素濃度を推定する方法が考えられえる。しかし、二つの応答時間（高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間）のうち、一方の応答時間だけから水素濃度を推定する方法では問題がある。なぜなら、これら応答時間は空燃比センサの個体差や、水素及び酸素等の拡散速度によって変化するからである。
【００５０】
酸素分子や炭化水素等の拡散速度は多孔質層１０４のガス透過率（気孔率）の違いにより変化するため、製造時の個体差や経時変化等によりガス透過率が相違すると、それに伴う拡散速度の違いによりセンサ特性が変わる。例えば、経時変化により多孔質層１０４に微小なクラック（マイクロクラック）が生じると、ガス透過率が増加する。また逆に、多孔質層１０４で目詰まりが生じると、ガス透過率が減少する。従って、センサ特性が変わる。また、内燃機関の燃焼の状態、運転状態、大気の温度及び機関の温度等、さまざまな内燃機関の内外の環境等によって引き起こされる温度変化によっても拡散速度は変化する。つまり、高酸素濃度応答時間と水素濃度との関係や低酸素濃度応答時間と水素の濃淡レベルとの関係は不変ではなく、環境、経年変化や製造時の個体差等を原因として変化する。このため、高酸素濃度応答時間から水素の濃淡レベルを推定すると誤差が大きくなるおそれがある。同様に、低酸素濃度応答時間から水素の濃淡レベルを推定すると誤差が大きくなるおそれがある。
【００５１】
ところが、Ｔ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）を使って水素の濃淡レベルや水素濃度を検出すると、この問題によって生じる水素濃度検出誤差を小さくすることができる。これについて説明する。
【００５２】
なんらかの原因でガス透過率の違いが発生し、よって拡散速度が変化した場合に応答時間がどのように変化するかについて、図１２、図１３を使って説明する。図１２（ｂ）では、図５と同様に縦軸に外側電極近傍での各成分の濃度、空燃比センサの出力電圧の時系列変化を示した図である。実線はなんらかの原因で酸素や水素の拡散速度が大きい場合を示し、破線は酸素と水素の拡散速度が小さい場合を示している。図からわかるように、酸素と水素の拡散速度が大きい場合は高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間の両方が小さくなる。
【００５３】
よって、Ｔ１とＴ２の差異（非対称性）に注目した値であるＴ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）の値はガス透過率の違いを原因とする検出誤差は比較的小さい。Ｔ（ｄｉｖ） もしくはＴ（ｄｉｆ）によって水素の濃淡レベルや水素濃度を推定する本実施例の方法では、高酸素濃度応答時間と水素の濃淡レベルや水素濃度とを関連付ける方法や、低酸素濃度応答時間と水素の濃淡レベルや水素濃度とを関連付ける方法よりも検出誤差を少なくすることができる。言い換えると、本実施例では、環境、経年変化や製造時の個体差等による検出誤差がより少ない素の濃淡レベルや水素濃度を検出することができる。
【００５４】
６．水素の濃淡レベル検出のフローチャート
空燃比センサによって水素の濃淡レベル、水素濃度を検出する方法について動作原理と効果を説明した。以下、図１４を使って本実施例の水素検出装置による水素の濃淡レベル、水素濃度の検出についてフローチャートを用いて順を追って説明する。この水素濃度検出ルーチンはＥＣＵ１によって実行される。
【００５５】
まず、Ｓ１では下記の条件を全て満たしているかどうかが判定される。全て条件を満たしていればＳ２へ進み、一つでも満たしていなければ、このルーチンを終了する。
（１）エンジンが暖気完了していること。（例えば冷却水温が所定値以上であること。）
（２）空燃比センサが暖気完了していること。
このステップで内燃機関の暖機が完了し、かつ空燃比センサが活性化温度に達していて排気ガスの成分を検出できる状態にあるか否かを判断することで、誤った水素の濃淡レベル、水素濃度を算出してしまうことを防いでいる。この他、下記の条件を加えてもよい。
（３）空燃比センサが異常（故障）と判定されていないこと。
【００５６】
次にＳ２では高濃度応答時間Ｔ１を計測する。空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンへ、すなわちＡ／Ｆ値を１４から１５へと切り替えてこの時点をｔ＝ｔ０とする。この時点から空燃比センサがＡ／Ｆ値１４の出力値からＡ／Ｆ値１５の出力値に切り替わり、Ａ／Ｆ値１５に相当する電圧Ｖ１を検出する時点までの時間を計測して応答時間とする。この応答時間を高酸素濃度応答時間（Ｔ１）と言う。
【００５７】
次にＳ３では低濃度応答時間Ｔ２を計測する。空燃比制御手段が目標空燃比をリーンからリッチへ、すなわちＡ／Ｆ値を１５から１４へと切り替えてこの時点をｔ＝ｔ０とする。この時点から空燃比センサがＡ／Ｆ値１５の出力値からＡ／Ｆ値１４の出力値に切り替わり、Ａ／Ｆ値１４に相当する電圧Ｖ２を検出する時点までの時間を計測して応答時間とする。この応答時間を低酸素濃度応答時間（Ｔ２）と言う。
【００５８】
次にＳ３でＴ１とＴ２の差異を算出する。すなわち、
Ｔ（ｄｉｖ）＝（高酸素濃度応答時間）／（低酸素濃度応答時間）＝Ｔ１／Ｔ２
を算出する。Ｔ（ｄｉｖ）をもって水素の濃淡レベルとする。次にＳ４では、図１１のマップを読み出し、Ｔ（ｄｉｖ）から水素濃度（％）を算出している。
【００５９】
検出部がフローチャートのうちＳ２及びＳ３における計測とＳ４におけるＴ（ｄｉｖ）算出とを実行する。ＥＣＵ１は空燃比制御手段と検出部とを備え、ＥＣＵ１と上流側空燃比センサ１０もしくは下流側空燃比センサ１１とで水素検出装置が実現される。
【００６０】
本実施例のフローチャートでは、Ｓ２、Ｓ３において空燃比制御手段が設定する目標空燃比の値をリーン空燃比としてＡ／Ｆ値１４、リッチ空燃比としてＡ／Ｆ値１５を採用した。これは、空燃比フィードバック制御を実行中の内燃機関において、空燃比制御手段は空燃比フィードバック制御をいったん中止し、水素の濃淡レベルや水素濃度を検出する目的で、目標空燃比を制御することを意味する。このように、Ａ／Ｆ値として１４、１５を採用して、空燃比制御手段が空燃比フィードバック制御をいったん中止することにより、図９にあるように、応答時間は０．５秒から、１．１秒程度と比較的大きな値をとる。そのため、水素及び酸素の拡散速度の違いによって生じる応答時間の差異（非対称性）がより大きくなり、より正確に水素の濃淡レベルや水素濃度を検出できる。
【００６１】
７．本実施例の別の態様
本実施例では空燃比制御手段が設定する目標空燃比の値をリーン空燃比としてＡ／Ｆ値１４、リッチ空燃比としてＡ／Ｆ値１５を採用した。しかし、別の態様として別のＡ／Ｆ値を採用してもよい。空燃比制御手段が理論空燃比をはさんで目標空燃比を切り替え、所定の目標空燃比とするようにすればよい。空燃比フィードバック制御実行中にこのルーチンを行うことができるように、リーン空燃比及びリッチ空燃比のＡ／Ｆ値を理論空燃比の近傍の値に設定してもよい。
【００６２】
なお、本実施例では、高酸素濃度応答時間Ｔ１の定義として、ｔ＝ｔ０から空燃比センサにＡ／Ｆ値１５に相当するＶ１の起電力が生じる時点までとし、低酸素濃度応答時間Ｔ２の定義として、ｔ＝ｔ０から空燃比センサにＡ／Ｆ値１４に相当するＶ２の起電力が生じる時点までとした。しかし、本実施例の別の態様として、Ｖ１とＶ２とは適宜変更してもよい。Ｖ１´としてＶ１とＶ０（０．５Ｖ）との間の値でＶ１に十分近い値として、Ｔ１をｔ＝ｔ０から空燃比センサにＶ１´の起電力が生じる時点までと定義してもよい。Ｖ２´としてＶ２とＶ０（０．５Ｖ）との間の値でＶ２に十分近い値として、Ｔ２をｔ＝ｔ０から空燃比センサにＶ２´の起電力が生じる時点までと定義してもよい。
【００６３】
本実施例の別の態様として、Ｔ１、Ｔ２の計測の開始時間は適宜変更できる。Ｔ１の定義として、ｔ０以降のある時点、例えば理論空燃比に相当する電圧（０．５Ｖ）を空燃比センサが検出してから、Ｖ１の電圧を検出するまでとし、Ｔ２の定義として、ｔ０以降のある時点、例えば理論空燃比に相当する電圧Ｖ０（０．５Ｖ）を空燃比センサが検出してから、Ｖ２の電圧を検出するまでとしてもよい。
【００６４】
８．本実施例の効果
このような水素検出装置を用いて、水素の濃淡レベルや水素濃度を検出するようにすれば、空燃比センサと空燃比制御手段を併せて用い、制御に特徴を持たせて水素の濃淡レベルや水素濃度に関する情報を検出するようにしたので、安価に水素の濃淡レベルや水素濃度に関する情報を検出することができる。また、高酸素濃度応答時間と低酸素濃度応答時間との差異（非対称性）に注目して水素の濃淡レベルや水素濃度を検出するようにしたので、温度や個体差等による検出誤差を少なくして水素の濃淡レベルや水素濃度に関する情報を検出することができる。
【実施例２】
【００６５】
以下の順番で本発明の水素検出装置を適用した気筒間ばらつきの問題が発生したかどうかを判定する内燃機関の異常判定装置について説明する。
１．気筒間ばらつきと水素の発生について
２．水素検出装置を利用した判定方法（フローチャート）
【００６６】
１．気筒間ばらつきと水素の発生について
排気エミッション向上のために、内燃機関の異常を早期に検出されることが望まれている。内燃機関の異常の一つに内燃機関の燃焼異常が挙げられる。この一つの原因として、複数の気筒を有する内燃機関において、ある気筒において燃料噴射量や吸入空気が何らかの原因で多くなる、あるいは少なくなるためである。この気筒間で燃焼のばらつきが生じる問題を気筒間ばらつきの問題と言う。気筒別の空燃比と目標空燃比との偏差を気筒間ばらつき（％）と言う。
【００６７】
気筒間ばらつきの問題が発生すると、燃費の悪化や排気エミッションが悪化するという問題を生じる。特開２００６−１５２８４５号公報には各気筒の空燃比を推定する技術が開示されている。しかし、この方法で正確に各気筒の空燃比を測定するためには、排気管の集合部に空燃比センサを設置しなければならない。排気管とセンサの取り付け位置が制限されるという問題や、排気管の自由な設計を妨げるという問題がある。
【００６８】
図７に示すとおり、目標空燃比がリッチ空燃比のときに機関の燃焼によって水素が発生する。このことを説明する。理論空燃比より多い燃料が噴射されるために、燃焼室で水Ｈ２Ｏ、一酸化炭素ＣＯ、未燃炭化水素ＨＣ等が発生する。燃焼室や排気マニホルドは高温であって還元反応が促進される環境下にあるので、排気管中の排気ガスはこれらの成分が反応して、
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ２＋Ｈ２ （水性ガスシフト反応）
ＨＣ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋（５／２）Ｈ２ （水蒸気改質）
等の水性ガス還元反応が生じる。よって水素が発生する。この反応は、高温ほど起こりやすく、また排気空燃比がリッチであるほど、すなわち未燃炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ成分が多いほど起こりやすい。従って、リッチかつ高温になるほど排気中の水素濃度が高くなる。よって、リッチ空燃比のときには水素Ｈ２、メタンＣＨ４、炭化水素ＨＣ、二酸化炭素ＣＯ２等が主成分となる。
【００６９】
そこで、気筒間ばらつきが発生すると、ある気筒では排気ガスが意図せず目標空燃比よりリッチな空燃比となる。すると水素が多く発生する。この気筒から出た排気ガスと他の気筒から出た排気ガスが集合部３７で集合されても、集合部３７の下流に水素が流入する。なぜなら、この水素と反応して相殺するガス成分は他の気筒で発生はしないためである。こうして、気筒間ばらつきが生じると排気管では水素の濃度が高くなる（図１０参照）。なお、気筒間ばらつきが発生すると、ある気筒では排気ガスが目標空燃比よりリッチな空燃比となり、他の気筒では排気ガスがリーンな空燃比となり、集合部３７より下流では、リッチ排気ガスとリーン排気ガスとが合流し、酸素濃度に注目すれば目標空燃比であることが検出される場合がある。そのため、集合部３７より下流の空燃比センサで空燃比（酸素濃度）を検出するようにする判定方法では、気筒間ばらつきが発生していることを判定できない。そこで、本実施例では、上流側空燃比センサ１０と空燃比制御手段とを用い、実施例１に記載の技術で排気管の水素を検出する。
【００７０】
２．水素検出装置を利用した判定方法（フローチャート）
本実施例の内燃機関の異常判定装置は、上流側空燃比センサ１０を用いて排気ガス中の水素を検出する。以下、図１５を使って本実施例の内燃機関の異常判定装置による気筒間ばらつき判定についてフローチャートを用いて順を追って説明する。この気筒間ばらつき判定ルーチンはＥＣＵ１によって実行される。ＥＣＵ１はこのルーチンを例えば１０分ごとに実行する。
【００７１】
まず、Ｓ１１では下記の条件を全て満たしているかどうかが判定される。全て条件を満たしていればＳ１２へ進み、一つでも満たしていなければ、このルーチンを終了する。
（１）エンジンが暖気完了していること。
（２）空燃比センサが暖気完了していること。
このステップで内燃機関の暖機が完了し、かつ空燃比センサが活性化温度に達していて排気ガスの成分を検出できる状態にあるか否かを判断することで、誤った判定をしてしまうことを防いでいる。
この他、下記の条件を加えてもよい。
（３）空燃比センサが異常（故障）と判定されていないこと。
【００７２】
Ｓ１２では、気筒間ばらつき検出条件成立か否かを判断する。これは、定常運転状態の条件と燃料カットが行われていないという条件とが満たされているかどうかを判断する。この二つの条件がともに成立していればＳ１３に進み、一つでも成立していなければ、このルーチンを終了する。このステップで気筒間ばらつきが発生していることが検出できない条件であることがあらかじめ分かっている場合には、気筒間ばらつきの判定を行わない。
【００７３】
Ｓ１３及びＳ１４はＳ２及びＳ３とそれぞれ同じであるので説明を省略する。図１６、図１７のとおり、空燃比制御手段がリーンからリッチ、リッチからリーンへの切り替えを行う。この図のように、空燃比制御手段はこの切り替えを連続して行い、検出部はこのＴ１及びＴ２の計測を連続して行うことが好ましい。
【００７４】
Ｓ１５では、Ｔ１／Ｔ２＞Ｋか否かが判定される。この条件が成立する場合はＳ１６に進み気筒間ばらつきが発生したと判定して、ＭＩＬランプ２２を点灯させる。成立しない場合はこのルーチンを終了する。このＫは気筒間ばらつきダイアグ判定値としてあらかじめ決められた値である。Ｔ１／Ｔ２は実施例１におけるＴ（ｄｉｖ）に相当し、水素の濃淡レベルに相当する。つまり、Ｓ１５では、水素の濃淡レベルが所定値以上であるか否かを判定している。このステップでは、水素の濃淡レベルが所定値以上であれば気筒間ばらつきが発生していると判定している。
【００７５】
検出部はフローチャートのうちＳ１３及びＳ１４における計測とＳ１５におけるＴ１／Ｔ２の算出とを実行する。Ｓ１５における判定は異常判定手段が実行する部分である。ＥＣＵ１は空燃比制御手段、検出部及び異常判定手段を備え、ＥＣＵ１と上流側空燃比センサ１０とで内燃機関の異常判定装置が実現される。
【００７６】
気筒間ばらつきダイアグ判定値Ｋはエンジン回転数、負荷のマップで与えてもよい。空燃比センサの設置場所は排気ガスが検出できる場所であればどこにあってもよい。このように、空燃比センサの設置場所に制約がなく、排気管の設計に制約が生じるということもない。そのため排気管の設計が自由に行える。好ましくは、排気浄化触媒の上流で集合部３７より下流に空燃比センサを設置することがよい。言い換えると、上流側空燃比センサ１０を利用するとよい。更に好ましくは排気浄化触媒の上流近傍で凝縮水の被水を避けられる場所に設置することがよい。なぜなら、空燃比センサが凝縮水で被水してしまうと、空燃比センサに異常をきたすおそれがあるからである。
【００７７】
このようにして、気筒間ばらつきを判定すると、実施例１の技術を使って水素の濃淡レベルに関する情報を検出するため、安価で温度や空燃比センサの個体差等による検出誤差が少ない気筒間ばらつきの判定をすることができる。また、空燃比センサの設置場所に制限がなく、排気管の設計が自由に行える。更に空燃比センサは集合部より下流に設置することで凝縮水の被水を避けることができ、空燃比センサに異常が発生することを避けることができる。
【実施例３】
【００７８】
以下の順番で本発明の水素検出装置を適用した排気浄化触媒劣化が発生したかどうかを判定する内燃機関の異常判定装置について説明する。
１．触媒劣化と水性ガスシフト反応
２．水素検出装置を利用した判定方法（フローチャート）
【００７９】
１．触媒劣化と水性ガスシフト反応
内燃機関の異常の一つである内燃機関の排気浄化系の異常に、排気浄化触媒劣化が挙げられる。以下、触媒劣化の問題と言う。排気浄化触媒は、未燃炭化水素ＨＣ、酸化窒素ＮＯｘや一酸化炭素ＣＯを吸着吸収、放出還元して浄化をしている。この排気浄化触媒が劣化をして、排気ガスを正常に浄化できない場合は、大気中に未浄化排気ガスが放出されるおそれがあり排気エミッションの悪化につながる。
【００８０】
これまで、排気浄化触媒の劣化を判定する手法として、酸素吸蔵量（ＳＯＣ）を推定する技術が知られているが、近年の研究では貴金属の使用を抑えた排気浄化触媒が開発されている。すると、酸素吸蔵量と排気浄化触媒の劣化との相関関係が弱くなるために、酸素吸蔵量を検出しない別の方法で排気浄化触媒の劣化を判定する方法を確立する必要がある。排気浄化触媒は劣化すると、排気浄化触媒中の貴金属が脱落するなどして、活性度が落ちるために、還元性能が低下する。すると、水性ガスシフト反応（Ｈ２Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ２＋Ｈ２）の反応性が低下するため、排気浄化触媒の下流で水素の発生が少なくなるという特徴がある。つまり、新しい排気浄化触媒は水素を大量に発生させ、劣化した排気浄化触媒は少量の水素を発生させる。排気浄化触媒下流の水素を検出することで、貴金属の使用を抑えた排気浄化触媒の劣化判定を、酸素吸蔵量を基に判定するより正確に行うことができる。特開２００３−１２０３８３号公報には触媒の下流に水素センサと排気空燃比センサを設置する技術が開示されている。しかし、水素センサを異常判定のために設けることはコスト上問題がある。そこで、本実施例では、下流側空燃比センサ１１と空燃比制御手段とを用い、実施例１に記載の技術で排気浄化触媒下流の水素を検出する。
【００８１】
２．水素検出装置を利用した判定方法（フローチャート）
本実施例の内燃機関の異常判定装置は、下流側空燃比センサ１１を用いて排気ガス中の水素を検出する。以下、図１８を使って本実施例の内燃機関の異常判定装置による排気浄化触媒劣化判定についてフローチャートを用いて順を追って説明する。この触媒劣化ルーチンはＥＣＵ１によって実行される。ＥＣＵ１はこのルーチンを例えば１０分ごとに実行する。
【００８２】
まず、Ｓ２１では下記の条件を全て満たしているかどうかが判定される。全て条件を満たしていればＳ２２へ進み、一つでも満たしていなければ、このルーチンを終了する。
（１）エンジンが暖気完了していること。
（２）空燃比センサが暖気完了していること。
（３）排気浄化触媒が暖気完了していること。
このステップで内燃機関の暖機が完了し、かつ空燃比センサが活性化温度に達していて排気ガスの成分を検出できる状態にあるか否かを判断することで、誤った判定をしてしまうことを防いでいる。この他、下記の条件を加えてもよい。
（４）空燃比センサが異常（故障）と判定されていないこと。
【００８３】
Ｓ２２では触媒劣化検出条件か否かを判定する。これは、定常運転状態の条件や燃料カットが行われていないという条件が満たされているかどうかを判断する。この条件が成立していればＳ２３に進み、成立していなければ、このルーチンを終了する。このステップで排気浄化触媒の劣化が発生していることが検出できない条件であることがあらかじめ分かっている場合には、排気浄化触媒の劣化判定を行わない。
【００８４】
Ｓ２３及びＳ２４はＳ１３及びＳ１４とそれぞれ同じであるので説明を省略する。図１９、図２０のとおり、空燃比制御手段がリーンからリッチ、リッチからリーンへの切り替えを行う。この図のように、空燃比制御手段はこの切り替えを連続して行い、検出部はこのＴ１及びＴ２の計測を連続して行うことが好ましい。
【００８５】
Ｓ２５では、Ｔ１／Ｔ２＜Ｋ´か否かが判定される。この条件が成立する場合はＳ２６に進み排気浄化触媒の劣化が発生したと判定して、ＭＩＬランプ２２を点灯させる。成立しない場合はこのルーチンを終了する。このＫは触媒劣化判定値としてあらかじめ決められた値である。Ｔ１／Ｔ２は実施例１におけるＴ（ｄｉｖ）に相当し、水素の濃淡レベルに相当する。つまり、Ｓ２５では、水素の濃淡レベルが所定値以下であるか否かを判定している。このステップでは、水素の濃淡レベルが所定値以下であれば触媒劣化していると判定している。
【００８６】
検出部はフローチャートのうちＳ２３及びＳ２４における計測とＳ２５におけるＴ１／Ｔ２の算出を実行する。Ｓ２５における判定は異常判定手段が実行する部分である。ＥＣＵ１は空燃比制御手段、検出部及び異常判定手段を備え、ＥＣＵ１と下流側空燃比センサ１１とで内燃機関の異常判定装置が実現される。
【００８７】
触媒劣化判定値Ｋ´はエンジン回転数や負荷のマップで与えてもよい。空燃比センサの設置場所は排気浄化触媒の下流の排気ガスが検出できる場所であればどこにあってもよい。
【００８８】
なお、本実施例では酸素濃度制御装置を実現するものとして空燃比制御手段を利用した。しかし、本実施例の他の様態として排気浄化触媒上流に二次空気を流入させるシステムの内燃機関にあっては、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する装置である二次空気制御装置をもって酸素濃度制御装置としてもよい。
【００８９】
このようにして、排気浄化触媒の劣化を判定すると、実施例１の技術を使って水素の濃淡レベルに関する情報を検出するため、安価で空燃比センサの温度や個体差等による検出誤差が少ない排気浄化触媒の劣化判定をすることができる。
【００９０】
なお、本発明の水素検出装置は内燃機関の異常判定装置における利用に限定されるものではない。本発明の水素検出装置を備え、被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、検出部が検出した水素の濃淡レベルに関する情報に基づいて内燃機関を制御する制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置を提供することができる。空燃比制御手段が空燃比フィードバック制御を実行中に、水素の濃淡レベルを検出してもよい。しかし、空燃比制御手段は空燃比フィードバック制御をいったん中止し、水素の濃淡レベルを検出する目的で、目標空燃比を制御して、検出部が水素の濃淡レベルを検出すこととしてもよい。空燃比制御手段は空燃比フィードバック制御をいったん中止し、このように水素の濃淡レベルを検出すれば、上述のとおり、より正確に水素の濃淡レベルを検出できるので、内燃機関の制御をより正確に達成できる。
【００９１】
なお、本発明の水素検出装置は内燃機関における利用に限定されるものではない。起電力が基準酸素濃度付近でＺ特性を示し、酸素分圧に基づいて被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサと、センサに流入する被検出ガスの酸素濃度を基準酸素濃度と比して高濃度、低濃度に制御する酸素濃度制御手段を備えて、高酸素濃度高応答時間と低酸素濃度応答時間とを計測できれば、水素の濃淡レベルを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】内燃機関の全体構成を示す模式的な側面図である。
【図２】複数の気筒を持つ内燃機関の全体構成を上から見た模式図である。
【図３】センサ素子を中心に空燃比センサ示す模式図である。
【図４】空燃比センサの動作原理を示す模式図である。
【図５】空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた場合、空燃比センサ外側電極近傍における各成分の濃度の時系列変化とＯ２センサの電圧の時系列変化とを説明する図である。
【図６】空燃比制御手段が目標空燃比をリーンからリッチに切り替えた場合、空燃比センサ外側電極近傍における各成分の濃度の時系列変化とＯ２センサの電圧の時系列変化とを説明する図である。
【図７】目標空燃比がリッチ及びリーンの場合に燃焼によって生成する水素の量を示した図である。
【図８】拡散係数を示した図と表である。
【図９】気筒間ばらつき有無の場合で空燃比センサの応答時間を示した図である。
【図１０】気筒間ばらつきの程度（％）と水素濃度の関係を示した図である。
【図１１】Ｔ（ｄｉｖ）、Ｔ（ｄｉｆ）と水素濃度との関係を示した図である。
【図１２】空燃比制御手段が目標空燃比をリッチからリーンに切り替えた場合、空燃比センサ外側電極近傍における各成分の濃度の時系列変化とＯ２センサの電圧の時系列変化とを説明する図である。
【図１３】空燃比制御手段が目標空燃比をリーンからリッチに切り替えた場合、空燃比センサ外側電極近傍における各成分の濃度の時系列変化とＯ２センサの電圧の時系列変化とを説明する図である。
【図１４】実施例１に記載の水素濃度検出ルーチンを示した図である。
【図１５】実施例２に記載の気筒間ばらつき判定ルーチンを示した図である。
【図１６】実施例２に記載の気筒間ばらつきが大きい場合と小さい場合とでＡ／Ｆセンサで検出される電流の応答が変化することを説明した図である。
【図１７】実施例２に記載の気筒間ばらつきが大きい場合と小さい場合とでＯ２センサで検出される電圧の応答が変化することを説明した図である。
【図１８】実施例３に記載の排気浄化触媒劣化判定ルーチンを示した図である。
【図１９】実施例３に記載の排気浄化触媒劣化が大きい場合と小さい場合とでＡ／Ｆセンサで検出される電流の応答が変化することを説明した図である。
【図２０】実施例３に記載の排気浄化触媒劣化が大きい場合と小さい場合とでＯ２センサで検出される電圧の応答が変化することを説明した図である。
【図２１】Ｔ１とＴ２からＴ（Ｍａｐ）を求めるためのマップである。
【符号の説明】
【００９３】
１ ＥＣＵ
１０ 上流側空燃比センサ
１１ 下流側空燃比センサ
１３ 触媒コンバータ
１４ 排気浄化触媒
１５ 排気管
２０ スロットルバルブ
２１ 燃料噴射弁
２２ ＭＩＬランプ
２３ エアフロメーター
２４ スロットルセンサ
３６ 排気マニホルド
３７ 集合部
１０１ 内側電極
１０２ 酸素イオン導電性固体電解質
１０３ 外側電極
１０４ 多孔質層
１０７ 通気孔
１０８ カバー
１０９ センサ素子
１１０ 大気室
２１１、２１２、２１３、２１４ 燃料噴射弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサと、
前記センサに流入する前記被検出ガスの酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段と、
前記酸素濃度制御手段が基準酸素濃度ガスに比して高濃度酸素ガス供給から低濃度酸素ガス供給へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である低酸素濃度応答時間、及び前記酸素濃度制御手段が前記基準酸素濃度ガスに比して低濃度酸素ガス供給から高濃度酸素ガス供給へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である高酸素濃度応答時間に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする水素検出装置。
【請求項２】
前記被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、
前記酸素濃度制御手段は、目標空燃比を制御する空燃比制御手段とし、
前記低酸素濃度応答時間は、前記空燃比制御手段が目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間とし、
前記高酸素濃度応答時間は、前記空燃比制御手段が目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間とする、
ことを特徴とする請求項１記載の水素検出装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記高酸素濃度応答時間と前記低酸素濃度応答時間との比もしくは差に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出する、
ことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の水素検出装置。
【請求項４】
前記センサは、
被検出ガスに晒される外側電極と、
大気に晒される内側電極と、
前記外側電極と前記内側電極とに挟まれた酸素イオン導電性電解質と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の水素検出装置を備え、
前記被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、
前記検出部が検出した前記水素の濃淡レベルに関する情報に基づいて内燃機関の異常を判定する異常判定手段を備えたことを特徴とする内燃機関の異常判定装置。
【請求項６】
前記内燃機関は複数の気筒を備え、
前記異常判定手段は、前記水素検出装置が検出した前記水素の濃淡レベルが所定値以上に高い場合には、気筒間ばらつきが発生したと判定する、
ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の異常判定装置。
【請求項７】
前記センサは、複数の気筒に接続された排気管の集合部、もしくは該集合部より下流の排気ガスの酸素濃度を検出する、
ことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の異常判定装置。
【請求項８】
前記センサは、排気浄化触媒下流の排気ガスの酸素濃度を検出し、
前記異常判定手段は、前記水素検出装置が検出した前記水素の濃淡レベルが所定値以下に低い場合には、排気浄化触媒が劣化したと判定する、
ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の異常判定装置。
【請求項９】
酸素濃度を検出するセンサに流入する被検出ガスの酸素濃度が基準酸素濃度に比して高濃度から低濃度へ切り替わった場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である低酸素濃度応答時間を取得するステップと、
前記センサに流入する前記被検出ガスの酸素濃度が前記基準酸素濃度に比して低濃度から高濃度へ切り替わった場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である高酸素濃度応答時間を取得するステップと、
前記高酸素濃度応答時間及び前記低酸素濃度応答時間に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出するステップと、
を備えたことを特徴とする水素検出方法。
【請求項１】
被検出ガスの酸素濃度を検出するセンサと、
前記センサに流入する前記被検出ガスの酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段と、
前記酸素濃度制御手段が基準酸素濃度ガスに比して高濃度酸素ガス供給から低濃度酸素ガス供給へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である低酸素濃度応答時間、及び前記酸素濃度制御手段が前記基準酸素濃度ガスに比して低濃度酸素ガス供給から高濃度酸素ガス供給へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である高酸素濃度応答時間に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする水素検出装置。
【請求項２】
前記被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、
前記酸素濃度制御手段は、目標空燃比を制御する空燃比制御手段とし、
前記低酸素濃度応答時間は、前記空燃比制御手段が目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間とし、
前記高酸素濃度応答時間は、前記空燃比制御手段が目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比へ切り替えた場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間とする、
ことを特徴とする請求項１記載の水素検出装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記高酸素濃度応答時間と前記低酸素濃度応答時間との比もしくは差に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出する、
ことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の水素検出装置。
【請求項４】
前記センサは、
被検出ガスに晒される外側電極と、
大気に晒される内側電極と、
前記外側電極と前記内側電極とに挟まれた酸素イオン導電性電解質と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の水素検出装置を備え、
前記被検出ガスは、内燃機関から排出される排気ガスとし、
前記検出部が検出した前記水素の濃淡レベルに関する情報に基づいて内燃機関の異常を判定する異常判定手段を備えたことを特徴とする内燃機関の異常判定装置。
【請求項６】
前記内燃機関は複数の気筒を備え、
前記異常判定手段は、前記水素検出装置が検出した前記水素の濃淡レベルが所定値以上に高い場合には、気筒間ばらつきが発生したと判定する、
ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の異常判定装置。
【請求項７】
前記センサは、複数の気筒に接続された排気管の集合部、もしくは該集合部より下流の排気ガスの酸素濃度を検出する、
ことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の異常判定装置。
【請求項８】
前記センサは、排気浄化触媒下流の排気ガスの酸素濃度を検出し、
前記異常判定手段は、前記水素検出装置が検出した前記水素の濃淡レベルが所定値以下に低い場合には、排気浄化触媒が劣化したと判定する、
ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の異常判定装置。
【請求項９】
酸素濃度を検出するセンサに流入する被検出ガスの酸素濃度が基準酸素濃度に比して高濃度から低濃度へ切り替わった場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である低酸素濃度応答時間を取得するステップと、
前記センサに流入する前記被検出ガスの酸素濃度が前記基準酸素濃度に比して低濃度から高濃度へ切り替わった場合に、該切り替えがセンサ出力に反映されるまでの応答時間である高酸素濃度応答時間を取得するステップと、
前記高酸素濃度応答時間及び前記低酸素濃度応答時間に基づいて水素の濃淡レベルに関する情報を検出するステップと、
を備えたことを特徴とする水素検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００９−１３９６７（Ｐ２００９−１３９６７Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８０２８３（Ｐ２００７−１８０２８３）
【出願日】平成１９年７月９日（２００７．７．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月９日（２００７．７．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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