JP2004258043A - Method and apparatus for detecting deterioration conditions of wide range air-fuel ratio sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれる酸素の濃度を検出する全領域空燃比センサが劣化したか否かを検出する劣化状態検出方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to a deterioration state detection method and apparatus for detecting whether or not a full area air-fuel ratio sensor for detecting the concentration of oxygen contained in exhaust gas of an engine has deteriorated.
エンジンに供給する混合気の空燃比を目標値に制御し、排気ガス中のCO、NOx 、HCを軽減するために、排気系に酸素センサを設け、空燃比と相関関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御することが知られている。このフィードバック制御に用いられる酸素センサとしては、特定の酸素濃度(特に理論空燃比雰囲気)で出力がステップ状に変化するλセンサと、リーン領域からリッチ領域まで連続的に出力が変化する全領域空燃比センサとが主に用いられている。全領域空燃比センサは、上述したように排気ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき、フィードバック制御の速度及び精度を向上させ得るため、より高速で高精度な制御が要求される際に用いられている。 An oxygen sensor is provided in the exhaust system to control the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the engine to a target value and reduce CO, NOx, and HC in the exhaust gas. It is known that the fuel supply amount is feedback-controlled according to the concentration. As the oxygen sensor used for this feedback control, there are a λ sensor whose output changes stepwise at a specific oxygen concentration (particularly a stoichiometric air-fuel ratio atmosphere) and an oxygen sensor whose output continuously changes from a lean region to a rich region. A fuel ratio sensor is mainly used. The full range air-fuel ratio sensor can continuously measure the oxygen concentration in the exhaust gas as described above, and can improve the speed and accuracy of the feedback control, so it is used when higher speed and higher accuracy control is required. Have been.
全領域空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体の2つのセルを間隔を介して対向配設し、一方のセルを間隔内の酸素を周囲にくみ出すもしくは周囲から酸素を組み込むポンプセルとして用い、また、他方のセルを酸素基準室と間隔との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとして用い、起電力セルの出力が一定になるようにポンプセルを動作させ、その時に該ポンプセルに流す電流を、測定酸素濃度比例値として測定する。この全領域空燃比センサの動作原理は、本出願人の出願に係る特開昭62−148849号中に詳述されている。 The full-range air-fuel ratio sensor has two cells of an oxygen ion conductive solid electrolyte body disposed opposite to each other with an interval therebetween, and one of the cells is used as a pump cell for extracting oxygen in the interval to the surroundings or incorporating oxygen from the surroundings. Further, the other cell is used as an electromotive force cell that generates a voltage due to a difference in oxygen concentration between the oxygen reference chamber and the space, and the pump cell is operated so that the output of the electromotive force cell becomes constant. Is measured as a measured oxygen concentration proportional value. The principle of operation of this full-range air-fuel ratio sensor is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-148849 filed by the present applicant.
上記フィードバック制御による排気ガスの削減は、全領域空燃比センサの暖機が完了した後に開始している。これは、上記全領域空燃比センサが所定温度以上に加熱して酸素イオン伝導性固定電解質の活性を高めた後でなければ、動作し得ないからである。このため、全領域空燃比センサに加熱用のヒータを配設し、エンジン始動後の可能な限り早い時点で動作を開始させている。 The reduction of exhaust gas by the feedback control is started after the warm-up of the full-range air-fuel ratio sensor is completed. This is because the whole region air-fuel ratio sensor cannot operate unless it has been heated to a predetermined temperature or higher to increase the activity of the oxygen ion conductive fixed electrolyte. For this reason, a heater for heating is arranged in the full range air-fuel ratio sensor, and the operation is started as soon as possible after the engine is started.
ここで、上記全領域空燃比センサによるフィードバック制御を開始する以前には、エンジンを停止させないように空燃比をややリッチ側に制御している事が多く、相対的に高い濃度のCO、HCが排出されている。この高濃度の有害な排ガスの排出を短時間で完了させるため、極力早い時点から全領域空燃比センサが動作し得るように、全領域空燃比センサが活性したか否かを、起電力セルに一定の電流もしくは電圧を印加して、抵抗値を測定することで判断している。 Here, before the feedback control by the full-range air-fuel ratio sensor is started, the air-fuel ratio is often controlled to be slightly rich so as not to stop the engine. Has been exhausted. In order to complete the discharge of this high-concentration harmful exhaust gas in a short time, the electromotive force cell determines whether or not the entire area air-fuel ratio sensor has been activated so that the entire area air-fuel ratio sensor can operate from the earliest possible time. Judgment is made by applying a constant current or voltage and measuring the resistance value.
即ち、起電力セルは、負の温度−抵抗特性を有するため、ヒータによって加熱されると徐々に抵抗値が低下して行く。即ち、抵抗値に基づき起電力セルの温度を推定し、起電力セルが活性する温度に達したことに基づき、全領域空燃比センサが測定を開始し得ると判断している。
ここで、全領域空燃比センサの起電力セルを構成する酸素イオン伝導性固体電解質体には劣化が生じないが、起電力セルに取り付けられた白金等から成る多孔質電極及び固体電解質体と多孔質電極との界面には劣化が発生する。即ち、多孔質電極が使用によって酸素イオン伝導性固体電解質体から剥離したり、電極の酸素透過率の低下等が発生して内部抵抗が徐々に増大し劣化して行く。 Here, the oxygen ion conductive solid electrolyte constituting the electromotive force cell of the full range air-fuel ratio sensor does not deteriorate, but the porous electrode and the solid electrolyte made of platinum or the like attached to the electromotive force cell have a porous structure. Deterioration occurs at the interface with the quality electrode. That is, when the porous electrode is used, the porous electrode is peeled off from the oxygen ion conductive solid electrolyte body, or the oxygen permeability of the electrode decreases, and the internal resistance gradually increases and deteriorates.
そして、劣化がある程度以上進行すると、正確な空燃比の検出が出来なくなるという問題があった。しかし、センサの劣化を正確に検出する方法は現在のところ知られていない。 Then, when the deterioration has progressed to a certain degree or more, there has been a problem that an accurate air-fuel ratio cannot be detected. However, a method for accurately detecting the deterioration of the sensor is not known at present.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、全領域空燃比センサの劣化を正確に検出できる劣化状態検出方法及び装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a deterioration state detection method and apparatus capable of accurately detecting deterioration of an air-fuel ratio sensor in all regions.
上記の目的を達成するため、請求項1は、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた2つのセルを、間隙を介して対向配設し、一方のセルを前記間隙内の酸素を周囲に汲み出すもしくは酸素を汲み込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとしてそれぞれ使用し、空燃比を測定する全領域空燃比センサにおいて、
前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する第1のステップと、
該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する第2のステップと、
該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止する第3のステップと、
前記第3のステップの後10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する第5のステップと、
前記Vs0及びVs2から前記全領域空燃比センサの活性状態を検出する第9のステップと、
前記加熱用ヒータに通電を開始してから、前記第9のステップで前記全領域空燃比センサが活性であることを検出するまでの時間Tsを検出する第10のステップと、
該第10のステップで検出された時間Tsから前記全領域空燃比センサの劣化状態を検出する第11のステップと、
からなることを技術的特徴とする。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is to dispose two cells having porous electrodes provided on both sides of an oxygen ion conductive solid electrolyte body heated by a heater, facing each other with a gap therebetween. One of the cells is used as a pump cell that pumps or pumps oxygen in the gap to the surroundings, and the other cell is used as an electromotive force cell that generates a voltage due to the difference in oxygen concentration between the oxygen reference chamber and the gap. In the full range air-fuel ratio sensor that measures the fuel ratio,
A first step of applying a current or voltage to the electromotive force cell;
A second step of detecting a voltage Vs0 between electrodes on both surfaces of the electromotive force cell;
A third step of stopping the application of the current or voltage applied to the electromotive force cell;
A fifth step of detecting a voltage Vs2 between the electrodes on both surfaces of the electromotive force cell after a lapse of 10 ms to 50 ms after the third step;
A ninth step of detecting the activation state of the full area air-fuel ratio sensor from the Vs0 and Vs2;
A tenth step of detecting a time Ts from when the energization of the heating heater is started to when the ninth step detects that the all-area air-fuel ratio sensor is active;
An eleventh step of detecting a deterioration state of the full area air-fuel ratio sensor from the time Ts detected in the tenth step;
Is a technical feature.
請求項2の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法では、請求項1において、前記第3のステップを、前記加熱用ヒータに通電を開始してから、所定時間経過後に実行することを技術的特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the method for detecting the deterioration state of the full-area air-fuel ratio sensor, the third step may be executed after a predetermined time has elapsed after the energization of the heating heater is started. Features.
請求項3の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法では、請求項1において、前記第3のステップを、前記第2のステップで検出されたVs0が所定の大きさ以下となった後に開始することを技術的特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the third step is started after Vs0 detected in the second step becomes equal to or smaller than a predetermined value. This is a technical feature.
上記の目的を達成するため、請求項4は、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた2つのセルを、間隙を介して対向配設し、一方のセルを前記間隙内の酸素を周囲に汲み出すもしくは酸素を汲み込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとしてそれぞれ使用し、空燃比を測定する全領域空燃比センサであって、
前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する印加手段と、
該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出するVs0電圧検出手段と、
前記加熱用ヒータに通電を開始してから、所定時間経過後に該起電力セルへ印加した電流もしくは電圧の印加を停止する印加停止手段と、
前記電流もしくは電圧の印加を停止してから10ms〜50msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出するVs2電圧検出手段と、
前記Vs0及びVs2から前記全領域空燃比センサの活性状態を検出する活性状態検出手段と、
前記加熱用ヒータに通電を開始してから、前記全領域空燃比センサが活性状態になるまでの活性化時間を検出する活性化時間検出手段と、
前記活性化時間から全領域空燃比センサの劣化状態を検出する劣化状態検出手段と、
を備えたことを技術的特徴とする。
In order to achieve the above object, a fourth aspect of the present invention is to dispose two cells in which porous electrodes are provided on both sides of an oxygen ion conductive solid electrolyte body heated by a heater, facing each other with a gap therebetween. One cell is used as a pump cell that pumps or pumps oxygen in the gap to the surroundings, and the other cell is used as an electromotive force cell that generates a voltage due to the difference in oxygen concentration between the oxygen reference chamber and the gap, and An all-area air-fuel ratio sensor for measuring a fuel ratio,
Application means for applying a current or voltage to the electromotive force cell,
Vs0 voltage detecting means for detecting a voltage Vs0 between electrodes on both surfaces of the electromotive force cell;
From the start of energization to the heating heater, application stop means for stopping the application of the current or voltage applied to the electromotive force cell after the elapse of a predetermined time,
Vs2 voltage detecting means for detecting a voltage Vs2 between the electrodes on both surfaces of the electromotive force cell after a lapse of 10 ms to 50 ms after stopping the application of the current or the voltage;
Active state detecting means for detecting an active state of the full area air-fuel ratio sensor from the Vs0 and Vs2;
Activation time detection means for detecting an activation time from when the heater is energized to when the full area air-fuel ratio sensor is activated,
Deterioration state detection means for detecting the deterioration state of the entire area air-fuel ratio sensor from the activation time,
Technical features are provided.
請求項1では、起電力セルへ電流もしくは電圧を印加し、該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する。また、該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止し、この停止から10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する。そして、Vs0及びVs2から全領域空燃比センサの活性状態を検出する。この後、加熱用ヒータに通電を開始してから、全領域空燃比センサが活性であることを検出するまでの時間Tsを検出する。ここで、全領域空燃比センサが劣化すると活性に達する温度が高まる。即ち、活性するまでにかかる加熱時間が長くなる。このため、活性までの時間Tsから全領域空燃比センサの劣化状態を検出する。 In the first aspect, a current or a voltage is applied to the electromotive force cell, and a voltage Vs0 between the electrodes on both surfaces of the electromotive force cell is detected. Further, the application of the current or the voltage applied to the electromotive force cell is stopped, and the voltage Vs2 between the electrodes on both surfaces of the electromotive force cell is detected after a lapse of 10 to 50 ms from the stop. Then, the activation state of the full range air-fuel ratio sensor is detected from Vs0 and Vs2. Thereafter, a time Ts from when the heating heater is energized to when the whole area air-fuel ratio sensor detects that it is active is detected. Here, when the entire area air-fuel ratio sensor is deteriorated, the temperature at which the activity is reached increases. That is, the heating time required for activation becomes longer. Therefore, the deterioration state of the air-fuel ratio sensor in all regions is detected from the time Ts until activation.
請求項2では、起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止を、加熱用ヒータに通電を開始してから所定時間経過後に実行する。即ち、活性に達する可能性が発生するまでは、断続することなく起電力セルに電流を流し(又は電圧の印加を)続ける。 According to the second aspect, the application of the current or the voltage applied to the electromotive force cell is stopped after a lapse of a predetermined time from the start of energization of the heating heater. That is, the current is continuously supplied to the electromotive force cell (or the voltage is applied) without interruption until the possibility of reaching the active state occurs.
請求項3では、起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止を、検出されたVs0が所定の大きさ以下となった後に開始する。即ち、活性に達する可能性が発生するまでは、断続することなく起電力セルに電流を流し(又は電圧の印加)続ける。 According to the third aspect, the application of the current or the voltage applied to the electromotive force cell is stopped after the detected Vs0 becomes equal to or smaller than a predetermined value. That is, the current is continuously supplied to the electromotive force cell (or the voltage is applied) without interruption until the possibility of reaching the active state occurs.
請求項4では、印加手段が起電力セルへ電流もしくは電圧を印加し、Vs0電圧検出手段が該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する。そして、印加停止手段が、加熱用ヒータに通電を開始してから、所定時間経過後に該起電力セルへ印加した電流もしくは電圧の印加を停止し、Vs2電圧検出手段が、電流もしくは電圧の印加を停止してから10ms〜50msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する。その後、活性状態検出手段が、Vs0及びVs2から全領域空燃比センサの活性状態を検出し、活性化時間検出手段が、加熱用ヒータに通電を開始してから、全領域空燃比センサが活性状態になるまでの活性化時間を検出する。ここで、全領域空燃比センサが劣化すると活性に達する温度が高まる。即ち、活性するまでにかかる加熱時間が長くなる。このため、劣化状態検出手段が、活性化時間に基づき全領域空燃比センサの劣化状態を検出する。
In
以下、本発明を具体化した実施態様について図を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係る全領域酸素センサを示している。2つのセルを接合したセンサ素子10は排気ガス系に配設される。該センサ素子10は、排気ガス中の酸素濃度を測定すると共に該センサ素子10の温度を測定するコントローラ50に接続されている。このセンサ素子10には、ヒータ制御回路60にて制御されるヒータ70が、図示しないセラミック系接合剤を介して取り付けられている。ヒータ70は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックから成りその内部にヒータ配線72が配設されている。ヒータ制御回路60は、コントローラ50により測定されるセンサ素子10の温度を、目標値に保つようヒータ70へ電力を印加し、該センサ素子10の温度を目標値に維持する様に機能する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a full area oxygen sensor according to one embodiment of the present invention. The
センサ素子10は、ポンプセル14と、多孔質拡散層18と、起電力セル24と、補強板30とを積層することにより構成されている。ポンプセル14は、酸素イオン伝導性固体電解質材料である安定化または部分安定化ジルコニア(ZrO2 )により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極12、16を有している。測定ガスに晒される表面側の多孔質電極12は、Ip電流を流すためにIp+電圧が印加されるのでIp+電極として参照する。また、裏面側の多孔質電極16は、Ip電流を流すためにIp−電圧が印加されるのでIp−電極として参照する。
The
起電力セル24も同様に安定化または部分安定化ジルコニア(ZrO2)により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極22、28を有している。ポンプセル14と起電力セル24との間には、多孔質拡散層18により包囲された間隙20が形成されている。即ち、該間隙20は、多孔質拡散層18を介して測定ガス雰囲気と連通されている。なお、本実施態様では、多孔質物質を充填して成る多孔質拡散層18を用いるが、この代わりに小孔を配設することも可能である。間隙(測定室)20側に配設された多孔質電極22は、起電力セル24の起電力の−電圧が生じるためVs−電極として参照し、また、基準酸素室26側に配設された多孔質電極28は、起電力セル24の起電力の+電圧が生じるためVs+電極として参照する。なお、基準酸素室26の基準酸素は多孔質電極22から一定量の酸素を多孔質電極28にポンピングする事により生成する。
The
ここで、測定ガスの酸素濃度と間隙20の酸素濃度との差に応じた酸素が、間隙20側に多孔質拡散層18を介して拡散して行く。ここで、間隙20内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室26との間の酸素濃度差により、起電力セル24のVs+電極28とVs−電極22との間には、約0.45vの電位が発生する。このため、コントローラ50は、ポンプセル14に流す電流Ipを、上記起電力セル電位24の起電力Vsが0.45vとなるように調整することで、間隙20内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つためのポンプセル電流量Ipに基づき、測定ガス中の酸素濃度を測定する。
Here, oxygen corresponding to the difference between the oxygen concentration of the measurement gas and the oxygen concentration in the
引き続き、コントローラ50による活性検出の動作について図2乃至図4を参照して説明する。
このコントローラ50は、エンジンの始動後、ヒータ制御回路60を介してヒータ70に電流を流し、センサ素子10を加熱して活性化させる。そして、起電力セル24に電流Icpを流し、起電力セル24の温度が高まり活性したか否かを起電力セル24の電圧Vsに基づき検出し、酸素濃度の測定を開始する。これと共に全領域空燃比センサ10の劣化を検出する。この動作を図2のフローチャート、起電力セル24の電圧Vsを示す図3(A)、及び、起電力セル24への電流Icpを示す図3(B)を参照して詳述する。
Subsequently, the operation of the activity detection by the
After starting the engine, the
先ず、コントローラ50は、エンジンの始動後、ヒータ制御回路60を介してヒータ70への電流の印加を開始し、また、起電力セル24に一定電流Icpを流すと共に該起電力セル24の両面の多孔質電極22、28間の電圧を測定する(S10)。そして、起電力セル24の電圧Vsが、活性に達する可能性が発生する電位Vss(図3(A)参照)以下になったかを判断する(S12)。即ち、活性に達する可能性が発生するまでは、後述するように断続することなく起電力セル24に電流を流し続ける。
First, after starting the engine, the
そして、起電力セル24の電圧Vsが、活性に達する可能性が発生する電位Vss以下になると(S12がYes)、起電力セル24の電位Vs0を測定した後(S15)、所定インターバルが経過したかを判断し(S14)、図3(A)、図3(B)に示す所定インターバルとなる時間t2において(S14がYes)、起電力セル24への電流Icpを遮断する(S16)。図3(A)に示す電流遮断時の波形図を拡大して図4に示す。
When the voltage Vs of the
電流遮断直後(10μs〜10ms経過後)の時刻t3において(S18がYes)、コントローラ50は、該時刻t3での起電力セル24の電位Vs1を測定することで、電圧遮断直前の電位Vs0と該時刻t3での電位Vs1との差、即ち、電圧降下Vsd1を算出する(S20)。そして、起電力セル24の内部抵抗Rvs1を算出、その後予め用意してあるマップから素子温度を検索する(S22)。その後、電流Icpを断にした時刻t2から10〜50ms経過して時刻t4になると(S24がYes)、該時刻t4での起電力セル24の電位Vs2を測定することで、電圧遮断直前の電位Vs0と該時刻t4での電位Vs2との差、即ち、電圧降下Vsd2を算出する(S26)。その後、起電力セル24の劣化成分を含んだ内部抵抗Rvs2を算出、または、予め用意してあるマップから検索する(S28)。
At the time t3 immediately after the current interruption (after 10 μs to 10 ms has elapsed) (Yes at S18), the
ここで、電流Icpを遮断した際の起電力セル24の電圧Vsについて、図4を参照して説明する。まず、起電力セル24の電圧Vsは次式で表される。
ここで、Rvsは起電力セル24の内部抵抗を、また、EMFは起電力セル24の内部起電力を示している。
Here, the voltage Vs of the
Here, Rvs indicates the internal resistance of the
電流Icpをオフにしたときに、起電力セル24の電圧Vsは急激に低下し、内部起電力EMFとなる。ここで、電流Icpは既知の値であるため、上述したように電圧降下Vsd1を測定し、この値を電流Icpで割ることにより、起電力セル24の内部抵抗Rvs1を求めることができる。この内部抵抗Rvs1は、起電力セル24の温度により変化する値であるため、上述したようにマップを検索することで、起電力セル24の温度を求めることができる(上記S20、S22)。なお、この電流遮断直後の電圧降下Vsd1は、起電力セル24の温度にのみ依存し、後述するように起電力セル24の劣化に直接的には影響されない。
When the current Icp is turned off, the voltage Vs of the
上述したように急激に低下した後、起電力セル24の電圧Vsは更に徐々に低下して行く。この緩やかな電位低下は、主に起電力セル24、即ち、センサ素子10の劣化に依存する。センサ素子10の起電力セル24は、上述したように部分安定化ジルコニア板の表面と裏面に白金の多孔質電極22、28を取り付けてなるが、長期の使用により、該部分安定化ジルコニア板と多孔質電極22、28との間で、剥離が発生すると共に、多孔質電極22、28の酸素透過性が低下して、内部抵抗が増加する。しかしながら、部分安定化ジルコニアから成る全領域空燃比センサにおいては、この劣化による内部抵抗は、上述した電流遮断直後には直接的に現れないため、本実施態様では、電流Icp断の時刻t2から10〜50ms経過した時刻t4において、電圧降下Vsd2を測定し、劣化分を含んだ内部抵抗Rvs2を計算している。
After drastically decreasing as described above, the voltage Vs of the
次なるステップ(S30)ではRvs2が所定値以下であるか否かを判定し、もしRvs2が所定値以下であれば素子が活性化したと判断し、次のステップに進む。もし、所定値以下ならば、素子は活性化していないと判断し、再び活性化判断の処理ルーチンを繰り返す。 In the next step (S30), it is determined whether or not Rvs2 is equal to or less than a predetermined value. If Rvs2 is equal to or less than the predetermined value, it is determined that the element is activated, and the process proceeds to the next step. If the value is equal to or smaller than the predetermined value, it is determined that the element is not activated, and the activation determination processing routine is repeated again.
活性化したと判断された場合、S32で、予め保持されているマップを検索し、上記ステップにて求めたRvs1及びRvs2を用いて素子の劣化を判定する(S32)。図7にマップの一例を示す。 If it is determined that the element has been activated, a map stored in advance is searched in S32, and deterioration of the element is determined using Rvs1 and Rvs2 obtained in the above step (S32). FIG. 7 shows an example of the map.
一方、Rvs1とRvs2を用いて計算から劣化を判定することも出来る。単純なモデルではRvs2とRvs1の差が多孔質電極と個体電解質体の界面における抵抗成分と考えられる。そして、この抵抗成分がある大きさより大きいときに劣化したと判定されるのであるが、この界面における抵抗成分も基本的に温度依存性を有している。そこで、以下の式を用いて温度補償した上で、その大きさが所定値Rrよりも大きいか否かで劣化を判定する手法を用いる。
マップ若しくは数式によってセンサが劣化したと判断した場合、メモリにその結果を記録し、全領域空燃比センサの空燃比検出動作は開始しない(S34)。一方、センサが劣化していない場合は酸素濃度の測定を開始し(S36)、活性判断のプログラムを終了する。
この第1実施態様においては、全領域空燃比センサの活性を検出できるのに加えて、経年変化による起電力セル24の劣化を正確に判断できる。
If it is determined that the sensor has deteriorated by using a map or a mathematical expression, the result is recorded in the memory, and the air-fuel ratio detection operation of the full-range air-fuel ratio sensor does not start (S34). On the other hand, if the sensor has not deteriorated, the measurement of the oxygen concentration is started (S36), and the program for determining the activity ends.
In the first embodiment, in addition to being able to detect the activity of the air-fuel ratio sensor in all regions, it is possible to accurately determine the deterioration of the
引き続き、本発明の第2実施態様に係る全領域空燃比センサのコントローラによる活性及び劣化検出の動作について図5を参照して説明する。なお、第2実施態様の全領域空燃比センサの構成、及び、電流を遮断する方法は、図1及び図3を参照して上述した第1実施態様と同様であるため、図1及び図3を参照すると共にその説明は省略する。 Next, an operation of detecting activation and deterioration by the controller of the full range air-fuel ratio sensor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the full-range air-fuel ratio sensor and the method of interrupting the current according to the second embodiment are the same as those of the first embodiment described above with reference to FIGS. And its description is omitted.
第2実施態様のコントローラ50は、エンジンの始動後、ヒータ制御回路60を介してヒータ70に電流を流し、センサ素子10を加熱して活性化させる。そして、起電力セル24に電流Icpを流し、起電力セル24の温度が高まり活性したかを起電力セル24の電圧Vsに基づき検出し、酸素濃度の測定を開始すると共に該起電力セル24の劣化を判断する。この動作を図5のフローチャート、起電力セル24の電圧Vsを示す図3(A)、起電力セル24への電流Icpを示す図3(B)、及び、電流Icpの遮断時の波形を拡大して示す図6を参照して詳述する。
After starting the engine, the
先ず、コントローラ50は、エンジンの始動後、ヒータ制御回路60を介してヒータ70への電流の印加を開始する。また、これに併せて、起電力セル24に一定電流Icpを流すと共に該起電力セル24の両面の多孔質電極22、28間の電圧を測定する(S50)。そして、活性するまでの時間を測定するタイマをスタートした後(S52)、起電力セル24の電圧Vsが活性に達する可能性の発生する時間、即ち、最短で活性に達し得る時間(図3(A)参照)T5が経過したかを判断する(S54)。即ち、活性に達する可能性が発生するまでは、後述するように断続することなく起電力セル24に電流を流し続ける。
First, after the engine is started, the
そして、活性に達する可能性の有る時間となると(S54がYes)、所定インターバルが経過したかを判断し(S56)、図3(A)及び図3(B)に示す所定インターバルとなる時間t2において(S56がYes)、起電力セル24の電位Vs0を測定した後(S57)、起電力セル24への電流Icpを遮断する(S58)。図3(A)に示す電流遮断時の波形図を拡大して図6に示す。
Then, when it is time to reach the activity (Yes in S54), it is determined whether a predetermined interval has elapsed (S56), and a time t2 at which the predetermined interval shown in FIGS. 3A and 3B is reached. (Yes in S56), the potential Vs0 of the
電流を遮断してから10〜50ms経過して時刻t4になると(S60がYes)、該時刻t4における起電力セル24の電位Vs2を測定することで、電圧遮断直前の電位Vs0と該時刻t4での電位Vs2との差、即ち、電圧降下Vsd2を算出する(S62)。そして、起電力セル24の内部抵抗(劣化成分を含む抵抗値Rvs3)を算出、または、予め用意してあるマップから検索する(S64)。その後、算出した起電力セル24の内部抵抗Rvs3が、予め設定されている所定値に達したかによって、素子の活性を判断する(S66)。
When 10 to 50 ms have elapsed since the current was interrupted and time t4 is reached (Yes in S60), the potential Vs2 of the
ここで、活性に達していない場合には(S66がNo)、更に加熱を続けると共に、ステップ56に戻り、上記インターバルが経過したかを判断し、該インターバルの経過により(S56がYes)、電流Icpを遮断して(S58)、上述した処理を再開する。 If the activity has not been reached (No in S66), the heating is further continued, and the process returns to step 56 to determine whether or not the above-mentioned interval has elapsed. Icp is cut off (S58), and the above-described processing is restarted.
他方、ステップ66において活性温度に達したと判断した際には(S66がYes)、活性するまでの時間を測定するタイマを停止し、電流Icpの印加開始、即ち、ヒータ70による加熱開始から全領域空燃比センサが活性するまでの時間Tsを計測する(S68)。そして、その時間Tsが、活性までの最長時間を越えているか判断する(S70)。即ち、上述したように起電力セル24が劣化とすると活性する為の温度が高くなり、活性するまでの加熱時間が長くなる。このため第2実施態様では、劣化していない素子を適正に加熱した場合に素子の活性に必要と予測される最長の時間を、予め加熱最長時間として設定し、この最長時間を時間Tsが越えるか否かで素子の劣化を判断する。
On the other hand, when it is determined in
ここで、時間Tsが最長時間を越えない場合には(S70がNo)、ポンプセル14への電流の印加を開始し、該全領域空燃比センサによる排気ガス中の酸素濃度の測定を始める(S74)。他方、該時間Tsが最長時間を越える場合には(S70がYes)、エンジンコントロールユニット等に設けられている車両の状態を記憶するためのメモリに、全領域空燃比センサの劣化を記録し(S72)、その後、全領域空燃比センサによる酸素濃度の検出は開始しない。このメモリの記録に基づき、定期点検等の際に、該全領域空燃比センサが新品と交換され、以後、エンジンの空燃比の制御が適切に行い得るようになる。
Here, if the time Ts does not exceed the maximum time (No in S70), the application of the current to the
この第2実施態様においては、全領域空燃比センサの活性の有無を検出できるのに加えて、経年変化による起電力セル24の劣化を正確に判断できる。
In the second embodiment, in addition to being able to detect the presence / absence of activation of the full-range air-fuel ratio sensor, it is possible to accurately determine the deterioration of the
なお、上述した第1実施態様では、図2に示すステップ12にて、起電力セル24の電圧Vsが所定値以下に成ったかを判断した後、活性検出の為に電流遮断を開始した。また、第2実施態様では、図5に示したステップ54にて、所定時間が経過したことを判断した後に、活性検出の為に電流遮断を開始した。しかしながら、第2実施態様の所定時間経過を以て活性検出の為に電流遮断を開始する方法(S54)を、第1実施態様の改変例を示す図8のように、ステップ13にて判断することで第1実施態様に適用することも可能である。同様に、第1実施態様の所定電圧以下となることを以て活性検出の為に電流遮断を開始する方法(S12)を、第2実施態様の改変例を示す図9のように、ステップ55にて判断することで第2実施態様に適用するも可能である。
In the first embodiment described above, in
更に、上記第1、第2実施態様では、定電流を起電力セル24へ印加したが、この代わりに、定電圧を印加し、これを所定インターバルで遮断するようにも構成できる。また、上記実施例では、全領域空燃比センサの暖機時にその劣化を検出するようにしたが、通常の運転時においても起電力セルに流す電流を遮断する事で、同様に劣化状態を検出することが出来る。
Further, in the first and second embodiments, a constant current is applied to the
以上記述したように請求項1、及び、請求項4の全領域空燃比センサの劣化状態検出装置では、起電力セルへの電流もしくは電圧の印加を停止してから10ms〜50ms後の該起電力セルの電圧から起電力セルが活性したか否かを検出し、該活性までにかかる時間に基づき劣化の有無を判断するため、全領域空燃比センサの劣化状態を正確に検出することができる。
As described above, in the deterioration state detecting device for the full range air-fuel ratio sensor according to
請求項2又は請求項3の全領域空燃比センサの劣化状態検出方法では、活性に達する可能性が発生するまでは、断続することなく起電力セルに電流を流し続けるため、活性化及び劣化状態を検出する動作を、不必要に実行する事無く、わずかな動作で活性化及び劣化を検出することが出来る。
In the method for detecting the deterioration state of the full-range air-fuel ratio sensor according to
10 センサ素子
14 ポンプセル
20 間隔
22、28 多孔質電極
24 起電力セル
50 コントローラ
60 ヒータ制御回路
70 ヒータ
Vs 起電力セル電圧
Icp 起電力セル電流
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する第1のステップと、
該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出する第2のステップと、
該起電力セルに印加した電流もしくは電圧の印加を停止する第3のステップと、
前記第3のステップの後10ms〜50msの時間経過後に該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出する第5のステップと、
前記Vs0及びVs2から前記全領域空燃比センサの活性状態を検出する第9のステップと、
前記加熱用ヒータに通電を開始してから、前記第9のステップで前記全領域空燃比センサが活性であることを検出するまでの時間Tsを検出する第10のステップと、
該第9のステップで検出された時間Tsから前記全領域空燃比センサの劣化状態を検出する第10のステップと、
からなる全領域空燃比センサの劣化状態検出方法。 Two cells having porous electrodes provided on both sides of an oxygen ion conductive solid electrolyte body heated by a heater are disposed to face each other with a gap therebetween, and one of the cells is provided with oxygen in the gap surrounding the cell. A pump cell that pumps or pumps oxygen, the other cell is used as an electromotive force cell that generates a voltage due to a difference in oxygen concentration between the oxygen reference chamber and the gap, and in an all-area air-fuel ratio sensor that measures the air-fuel ratio,
A first step of applying a current or voltage to the electromotive force cell;
A second step of detecting a voltage Vs0 between electrodes on both surfaces of the electromotive force cell;
A third step of stopping the application of the current or voltage applied to the electromotive force cell;
A fifth step of detecting a voltage Vs2 between the electrodes on both surfaces of the electromotive force cell after a lapse of 10 ms to 50 ms after the third step;
A ninth step of detecting the activation state of the full area air-fuel ratio sensor from the Vs0 and Vs2;
A tenth step of detecting a time Ts from when the energization of the heating heater is started to when the ninth step detects that the all-area air-fuel ratio sensor is active;
A tenth step of detecting a deterioration state of the full area air-fuel ratio sensor from the time Ts detected in the ninth step;
A method for detecting the deterioration state of the full-range air-fuel ratio sensor comprising:
前記起電力セルへ電流もしくは電圧を印加する印加手段と、
該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs0を検出するVs0電圧検出手段と、
前記加熱用ヒータに通電を開始してから、所定時間経過後に該起電力セルへ印加した電流もしくは電圧の印加を停止する印加停止手段と、
前記電流もしくは電圧の印加を停止してから10ms〜50msの時間経過後の該起電力セルの両面の電極間の電圧Vs2を検出するVs2電圧検出手段と、
前記Vs0及びVs2から前記全領域空燃比センサの活性状態を検出する活性状態検出手段と、
前記加熱用ヒータに通電を開始してから、前記全領域空燃比センサが活性状態になるまでの活性化時間を検出する活性化時間検出手段と、
前記活性化時間から全領域空燃比センサの劣化状態を検出する劣化状態検出手段と、
を備えた全領域空燃比センサの劣化状態検出装置。 Two cells having porous electrodes provided on both sides of an oxygen ion conductive solid electrolyte body heated by a heater are disposed to face each other with a gap therebetween, and one of the cells is provided with oxygen in the gap surrounding the cell. A pump cell that pumps or pumps oxygen, the other cell is used as an electromotive force cell that generates a voltage due to an oxygen concentration difference between the oxygen reference chamber and the gap, and is a full area air-fuel ratio sensor that measures the air-fuel ratio,
Application means for applying a current or voltage to the electromotive force cell,
Vs0 voltage detecting means for detecting a voltage Vs0 between electrodes on both surfaces of the electromotive force cell;
From the start of energization to the heating heater, application stop means for stopping the application of the current or voltage applied to the electromotive force cell after the elapse of a predetermined time,
Vs2 voltage detecting means for detecting a voltage Vs2 between the electrodes on both surfaces of the electromotive force cell after a lapse of 10 ms to 50 ms after stopping the application of the current or the voltage;
Active state detecting means for detecting an active state of the full area air-fuel ratio sensor from the Vs0 and Vs2;
Activation time detection means for detecting an activation time from when the heater is energized to when the full area air-fuel ratio sensor is activated,
Deterioration state detection means for detecting the deterioration state of the entire area air-fuel ratio sensor from the activation time,
Deterioration state detection device for the full range air-fuel ratio sensor comprising:
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