JP2009210450A - NOxセンサ制御装置及び車両側制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】NOセンサ1個でNO濃度と酸素濃度を圧力によらず高精度で得られるNOセンサ制御装置を提供する。
【解決手段】第1ポンピングセル110と、被測定ガス中のNO濃度に応じた第2ポンピング電流が流れる第2ポンピングセル130とを備えたNOセンサ100に接続され、第1ポンピングセルの電極間に流れる第1ポンピング電流を検出する第1ポンピング電流検出手段52と、第2ポンピングセルの電極間に流れる第2ポンピング電流を検出する第2ポンピング電流検出手段55と、第1ポンピング電流とNOセンサ毎の酸素圧力補正情報と圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段60と、第2ポンピング電流と個々のNOセンサ毎のNO圧力補正情報と圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出するNO濃度算出手段60とを備えたNOセンサ制御装置10である。
【選択図】図1

Description

本発明は、NOセンサに接続されてNOセンサを制御するNOセンサ制御装置(例えばコントローラ)、及びNOセンサ制御装置に接続される車両側制御装置(例えばECU)に関する。
自動車の排気ガス中の特定ガスの濃度を測定するガスセンサとして、固体電解質体に一対の電極を設けたセルを少なくとも1つ以上有し、このセルの一方の電極を排気ガスが流入する測定室に面しさせるようにした構成のものが知られている。このようなガスセンサでは、セルの一対の電極間を介して得られる出力によってガス濃度を測定するものであり、所定の拡散抵抗下で測定室へ流入するガス量を律速(制御)し、測定を安定化している。しかしながら、取り付けられるガスセンサ近傍の排気ガスの圧力変動に応じて測定室への流入ガス量が変化し、特定ガスの濃度が変化していないにも関わらず出力が変化し、ガス濃度の測定誤差を与えるという問題がある。
このようなことから、所定の拡散抵抗下で被測定ガスが導入される内部空間と、固体電解質体と一対の電極とからなる第1及び第2電気化学的セルとを有する空燃比センサにおいて、被測定ガスの圧力Pgを検出し、酸素濃度を示すセンサ出力y0に圧力補正を加える際、個々の空燃比センサについて実測したガス圧力変動指数Bを考慮に入れる技術が開発されている(例えば特許文献1参照)。
ところで、近年では、固体電解質体を用いつつ被測定ガスのNO濃度を検出するNOセンサが開発されている。そして、その中でもNOセンサ1個でNO濃度と酸素濃度の両方を測定することができる(換言すれば、上記空燃比センサとしての機能をも取り込まれた)NOセンサ、及び、このセンサを制御するための制御装置が開発されている(例えば特許文献2、3参照)。このNOセンサでは、所定の拡散抵抗下で被測定ガスが第1測定室に導入され、固体電解質体と一対の第1電極とからなる第1ポンピングセルによって被測定ガスの酸素濃度が所定の濃度に調整される。そして、この酸素濃度が調整された被測定ガスが第1測定室からNO測定室に流入し、固体電解質体と一対の第2電極とからなる第2ポンピングセルにて被測定ガス中のNOが分解され、一対の第2電極間にNO濃度に応じた第2ポンピング電流が流れる。このようにして、特許文献2、3記載の技術では、第2ポンピングセルに流れる第2ポンピング電流に基づいてNO濃度が算出され、第1ポンピングセルに流れる第1ポンピング電流に基づいて酸素濃度が算出される。なお、特許文献3では、第2ポンピング電流の酸素濃度依存性を補正するために、NO濃度は、第2ポンピング電流のほかに第1ポンピング電流(酸素濃度)をも加味して最終的に求めるようになっている。
特許第2846735号公報(請求項2) 特開平10−142194号公報(要約、請求項1) 特開平11−304758号公報
しかしながら、NOセンサにおいて、被測定ガスの圧力に応じてNO及び酸素の濃度情報を共に補正する技術は開発されていない。又、個々のNOセンサ毎に、センサ出力(第1ポンピング電流、第2ポンピング電流)の圧力依存性が異なる。このため、センサ出力又はセンサ出力に基づき算出された濃度換算値の圧力変動を一律に補正すると、個々のNOセンサ毎に補正の度合が変わり、最終的にNO及び酸素の濃度情報が一定とならない。なお、NOxセンサにおいて、センサ出力又は濃度換算値の圧力依存性が個々で異なるのは、第1測定室に酸素を導くための拡散抵抗の度合が製造のバラツキによって生じるためである。
又、NO濃度を算出するための第2ポンピング電流は酸素濃度依存性を有するため、特許文献3記載の技術では酸素濃度(第1ポンピング電流に基づき算出された酸素濃度)に基づいて第2ポンピング電流を補正しているが、補正に用いる酸素濃度自体のガス圧力依存性が考慮されていない。
従って本発明は、被測定ガスの圧力に応じてNOと酸素の濃度情報を共に補正し、かつ個々のNOセンサ毎に異なるセンサ出力の圧力依存性を反映させることで、NOセンサ1個でNO濃度と酸素濃度を被測定ガスの圧力変動によらず高精度で得ることができるNOセンサ制御装置及び車両側制御装置の提供を目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のNOセンサ制御装置は、第1測定室の内部と外部に設けられた一対の第1電極を有すると共に、前記第1測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、前記第1測定室内の酸素濃度を調整する第1ポンピングセルと、前記第1測定室に連通するNO測定室の内部と外部に設けられた一対の第2電極を有すると共に、前記第1測定室から前記NO測定室に流入した酸素濃度が調整された被測定ガス中のNO濃度に応じた第2ポンピング電流が前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピングセルとを備えたNOセンサに接続され、前記第1ポンピングセルの前記一対の第1電極間に流れる第1ポンピング電流を検出する第1ポンピング電流検出手段と、前記第2ポンピングセルの前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピング電流を検出する第2ポンピング電流検出手段と、前記第1ポンピング電流と、個々の前記NOセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報と、外部より入力される被測定ガスの圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、前記第2ポンピング電流と、個々の前記NOセンサ毎に設定されるNO圧力補正情報と、前記圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出するNO濃度算出手段とを備えている。
このような構成とすると、被測定ガスの圧力に応じてNO及び酸素の濃度情報を補正することができる。又、個々のNOセンサ毎に、NO及び酸素の濃度情報の圧力依存性を予め実測しておき、これを酸素圧力補正係数及びNO圧力補正係数として記憶しておくことで、個々のNOセンサ毎に異なるNOx及び酸素の濃度情報の圧力依存性を補正に反映し、NOセンサ1個でNO濃度と酸素濃度を圧力によらず高精度で得ることができる。
なお、本発明において「NOの濃度情報」とは、NO濃度に応じて流れる第2ポンピング電流、及び、第2ポンピング電流に基づいて算出されたNO濃度換算値を含めたものを指す。従って、本発明では、被測定ガスの圧力に応じてNOの濃度情報を補正するには、第2ポンピング電流を上記圧力に応じて補正しても良いし、NO濃度換算値を上記圧力に応じて補正しても良い。また、「酸素の濃度情報」とは、第1ポンピング電流、及び、第1ポンピング電流に基づいて算出された酸素濃度換算値を含めたものを指す。従って、被測定ガスの圧力に応じて酸素の濃度情報を補正するには、第1ポンピング電流を上記圧力に応じて補正しても良いし、酸素濃度換算値を上記圧力に応じて補正しても良い。
前記NO濃度算出手段は、前記第2ポンピング電流と、前記NO圧力補正情報と、前記圧力情報と、前記酸素濃度算出手段が算出した前記圧力補正後酸素濃度に基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出することが好ましい。
このような構成とすると、第2ポンピング電流の酸素濃度依存性を補正する目的で、第2ポンピング電流のほか酸素濃度をも用いてNO濃度を換算するにあたり、圧力補正後の酸素濃度を用いるため、酸素濃度の圧力変化による影響がなく、より精度の高い酸素濃度依存性の補正を実行することができ、結果として高精度のNO濃度換算値が得られる。
前記酸素圧力補正情報及び前記NO圧力補正情報は、個々の前記NOセンサ側に設けられた記憶手段に格納されていてもよい。
このような構成とすると、酸素圧力補正係数やNO圧力補正係数の値をNOセンサ制御装置側に記憶させる処理が不要となる。そして、NOセンサの出荷時検査又は製造検査に伴って、酸素圧力補正係数やNO圧力補正係数をNOセンサ側の記憶手段に記憶すればよいので、これらの係数を別の作業で測定する必要がなく、作業負担が軽減する。なお、NOセンサ側に設けられる記憶媒体は、当該記憶媒体が熱害を受けにくい部分であればいずれの部位に設けられても良いが、例えばNOセンサのうちでNOセンサ制御装置に接続するためのコネクタの内部又は近傍に設けるようにすればよい。
本発明の車両側制御装置は、第1測定室の内部と外部に設けられた一対の第1電極を有すると共に、前記第1測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、前記第1測定室内の酸素濃度を調整する第1ポンピングセルと、前記第1測定室に連通するNO測定室の内部と外部に設けられた一対の第2電極とを有すると共に、前記第1測定室から前記NO測定室に流入した酸素濃度が調整された被測定ガス中のNO濃度に応じた第2ポンピング電流が前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピングセルとを備えたNOセンサにNOセンサ制御装置が接続され、該NOセンサ制御装置との間で通信する車両側制御装置であって、前記NOセンサ制御装置は、前記第1ポンピングセルの前記一対の第1電極間に流れる第1ポンピング電流を検出する第1ポンピング電流検出手段と、前記第2ポンピングセルの前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピング電流を検出する第2ポンピング電流検出手段とを備え、前記車両側制御装置は、前記第1ポンピング電流、前記第2ポンピング電流、個々の前記NOセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報、及び個々の前記NOセンサ毎に設定されるNO圧力補正情報を前記NOセンサ制御装置から受信する受信手段と、前記第1ポンピング電流と、個々の前記NOセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報と、外部より入力される被測定ガスの圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、前記第2ポンピング電流と、個々の前記NOセンサ毎に設定されるNO圧力補正情報と、前記圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出するNO濃度算出手段とを備えている。
前記NO濃度算出手段は、前記第2ポンピング電流と、前記NO圧力補正情報と、前記圧力情報と、前記酸素濃度算出手段が算出した前記圧力補正後酸素濃度に基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出することが好ましい。
この発明によれば、被測定ガスの圧力に応じてNOと酸素の濃度情報を共に補正し、かつ個々のNOセンサ毎に異なるNO及び酸素の濃度情報の圧力依存性を反映させることで、NOセンサ1個でNO濃度と酸素濃度を圧力によらず高精度で得ることができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るNOセンサ制御装置(NO検出装置)10の構成を示すブロック図である。この実施形態は、排気ガスの圧力に応じ、NO検出装置10が酸素濃度換算値及びNO濃度換算値の圧力補正を行う例である。
NO検出装置10は図示しない内燃機関(以下、エンジンともいう)を備える車両に搭載され、NOセンサ100が有するコネクタ180に電気的に接続されている。コネクタ180内には、後述するNOセンサ100毎に設定される各種係数を格納するROM等からなる半導体メモリ(記憶手段)181が搭載されている。
又、NO検出装置10は、車両側制御装置(以下、適宜「ECU」という)200に電気的に接続されている。
ECU200は、NO検出装置10で補正された排気ガス中の酸素濃度及びNO濃度のデータを受信し、それに基づいてエンジンの運転状態の制御や触媒に蓄積されたNOの浄化などの処理を実行する。又、ECU200は、圧力センサ300から、排気管内を流れる排気ガスの圧力情報を取得し、NO検出装置10に送信するようになっている。なお、排気ガスの圧力情報は、必ずしも圧力センサ300から取得する構成に限定されず、例えば、ECU200にて別途にエンジン回転数とエンジン負荷を読み込み、これらの情報から予めROM203に記憶させておいたマップ又は計算式を用いて、圧力情報を割り出すようにしても良い。
ECU200は、ECU側CPU(中央演算処理装置)201、RAM202、ROM203、信号入出力部204、及び図示しないクロックを備え、ROM等に予め格納されたプログラムがCPUにより実行される。
NO検出装置10は、回路基板上に制御回路58とマイクロコンピュータ60とを備えている。マイクロコンピュータ60はNO検出装置10全体を制御し、CPU(中央演算処理装置)61、RAM62、ROM63、信号入出力部64、A/Dコンバータ65、及び図示しないクロックを備え、ROM等に予め格納されたプログラムがCPUにより実行される。
制御回路58は、詳しくは後述する基準電圧比較回路51、Ip1ドライブ回路52、Vs検出回路53、Icp供給回路54、Ip2検出回路55、Vp2印加回路56、ヒータ駆動回路57を備える。制御回路58は、NOセンサ100を制御すると共に、NOセンサ100に流れる第1ポンピング電流、第2ポンピング電流を検出してマイクロコンピュータ60に出力する。
なお、マイクロコンピュータ60及びIp1ドライブ回路52が本発明の「第1ポンピング電流検出手段」を構成し、マイクロコンピュータ60及びIp2検出回路55が本発明の「第2ポンピング電流検出手段」を構成する。又、マイクロコンピュータ60が本発明の「酸素濃度算出手段」及び「NO濃度算出手段」を構成する。
次に、NOセンサ100の構成について説明する。NOセンサ100は、NOセンサ素子101、同素子10を収容するハウジング、同素子101とNO検出装置10とを接続するためのコネクタ180、及び同素子101と接続されるリード線を含むものであるが、センサ自体の構成は公知であるため、以下ではNOセンサ素子101について、長手方向に沿う断面図1を参照して説明する。
NOセンサ素子101は、第1固体電解質層111、絶縁層140、第2固体電解質層121、絶縁層145、第3固体電解質層131、及び絶縁層162、163をこの順に積層した構造を有する。第1固体電解質層111と第2固体電解質層121との層間に第1測定室150が画成され、第1測定室150の左端(入口)に配置された第1拡散抵抗体151を介して外部から被測定ガスGMが導入される。
第1測定室150のうち入口と反対端には第2拡散抵抗体152が配置され、第2拡散抵抗体152を介して第1測定室150の右側には、第1測定室150と連通する第2測定室(本発明の「NO測定室」に相当)160が画成されている。第2測定室160は、第2固体電解質層121を貫通して第1固体電解質層111と第3固体電解質層131との層間に形成されている。
絶縁層162、163の間にはNOセンサ素子101の長手方向に沿って延びる長尺板状のヒータ164が埋設されている。ヒータ164はガスセンサを活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
絶縁層140,145はアルミナを主体とし、第1拡散抵抗体151及び第2拡散抵抗体152はアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ164は白金等からなる。
第1ポンピングセル110は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第1固体電解質層111と、これを挟持するように配置された内側第1ポンピング電極113及び対極となる外側第1ポンピング電極112とを備え、内側第1ポンピング電極113は第1測定室150に面している。内側第1ポンピング電極113及び外側第1ポンピング電極112はいずれも白金を主体とし、各電極の表面は多孔質体からなる保護層114でそれぞれ覆われている。
酸素濃度検出セル120は、ジルコニアを主体とする第2固体電解質層121と、これを挟持するように配置された検知電極122及び基準電極123とを備え、検知電極122は内側第1ポンピング電極113より下流側で第1測定室150に面している。検知電極122及び基準電極123はいずれも白金を主体としている。
なお、絶縁層145は、第2固体電解質層121に接する基準電極123が内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室170を形成している。そして、酸素濃度検出セル120にIcp供給回路54を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第1測定室150から基準酸素室170内に送り込み、酸素基準とする。
第2ポンピングセル130は、ジルコニアを主体とする第3固体電解質層131と、第3固体電解質層131のうち第2測定室160に面した表面に配置された内側第2ポンピング電極133及び対極となる第2ポンピング対電極132とを備えている。内側第2ポンピング電極133及び第2ポンピング対電極132はいずれも白金を主体としている。
なお、第2ポンピング対電極132は、第3固体電解質層131上における絶縁層145の切り抜き部に配置され、基準電極123に対向して基準酸素室170に面している。
そして、内側第1ポンピング電極113、検知電極122、内側第2ポンピング電極133はそれぞれ基準電位に接続されている。外側第1ポンピング電極112はIp1ドライブ回路52に接続され、基準電極123はVs検出回路53及びIcp供給回路54に並列に接続されている。又、第2ポンピング対電極132はIp2検出回路55及びVp2印加回路56に並列に接続されている。ヒータ回路57はヒータ164に接続されている。
制御回路58における各回路は、以下のような機能を有する。
Ip1ドライブ回路52は、内側第1ポンピング電極113及び外側第1ポンピング電極112の間に第1ポンピング電流Ip1を供給しつつ、その際の第1ポンピング電流Ip1を検出する。
Vs検出回路53は、検知電極122及び基準電極123の間の電圧Vsを検出し、検出結果を基準電圧比較回路51に出力する。
基準電圧比較回路51は、基準電圧(例えば、425mV)とVs検出回路53の出力とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路52に出力する。そして、Ip1ドライブ回路52は、Vsが上記基準電圧に等しくなるようにIp1電流を制御し、第1測定室150内の酸素濃度をNOが分解しない程度に調整する。
Icp供給回路54は、検知電極122及び基準電極123の間に微弱な電流Icpを流し、酸素を第1測定室150から基準酸素室170内に送り込み、基準電極123を基準となる所定の酸素濃度に晒させる。
Vp2印加回路56は、内側第2ポンピング電極133及び第2ポンピング対電極132の間に、被測定ガスGN中のNOガスが酸素とNガスに分解する程度の一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加し、NOを窒素と酸素に分解する。
Ip2検出回路55は、NOの分解により生じた酸素が第2測定室160から汲み出されるように第2ポンピングセル130に流れる第2ポンピング電流Ip2を検出する。
Ip1ドライブ回路52は、検出した第1ポンピング電流Ip1の値をA/Dコンバータ65に出力する。又、Ip2検出回路55は、検出した第2ポンピング電流Ip2の値をA/Dコンバータ65に出力する。
A/Dコンバータ65はこれらの値をデジタル変換し、信号入出力部64を介してCPU61に出力する。
次に、制御回路58を用いたNOセンサ100の制御の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、ヒータ回路57を介してヒータ164が作動し、第1ポンピングセル110、酸素濃度検出セル120、第2ポンピングセル130を活性化温度まで加熱する。又、Icp供給回路54は、検知電極122及び基準電極123の間に微弱な電流Icpを流し、酸素を第1測定室150から基準酸素室170内に送り込み、酸素基準とする。
そして、各セル110〜130が活性化温度まで加熱されると、第1ポンピングセル110は、第1測定室150に流入した被測定ガス(排ガス)GM中の酸素を内側第1ポンピング電極113から外側第1ポンピング電極112へ向かって汲み出す。
このとき、第1測定室150内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル120の電極間電圧(端子間電圧)Vsに対応したものとなるため、この電極間電圧Vsが上記基準電圧になるように、Ip1ドライブ回路52が第1ポンピングセル110に流れる第1ポンピング電流Ip1を制御し、第1測定室150内の酸素濃度をNOが分解しない程度に調整する。
酸素濃度が調整された被測定ガスGNは第2測定室160に向かってさらに流れる。そして、Vp2印加回路56は、第2ポンピングセル130の電極間電圧(端子間電圧)として、被測定ガスGN中のNOガスが酸素とNガスに分解する程度の一定電圧Vp2(酸素濃度検出セル120の制御電圧の値より高い電圧、例えば450mV)を印加し、NOを窒素と酸素に分解する。そして、NOの分解により生じた酸素が第2測定室160から汲み出されるよう、第2ポンピングセル130に第2ポンピング電流Ip2が流れる。この際、第2ポンピング電流Ip2とNO濃度の間には直線関係があるため、Ip2検出回路55が第2ポンピング電流Ip2を検出することにより、被測定ガス中のNO濃度を検出することができる。
ところで、NOセンサ100は、第1拡散抵抗体151を介して外部から被測定ガスGMを導入するが、本発明の第1の実施形態のように圧力補正を行わない場合には、センサ周りの被測定ガスGMの圧力変動に伴い、第1測定室150及び第2測定室160へのガス流入量が変化する。ガス流入量が変化すると、第1ポンピングセル110及び第2ポンピングセル130での各ポンピング電流が変化し、算出される酸素濃度及びNO濃度も変化する。
図2は、NOセンサにおいて、被測定ガスGMの圧力を変動させた時に検出される第2ポンピング電流Ip2をもとに、所定の演算式に基づいて換算したNO濃度の挙動を示す(図2(a))。このことから、被測定ガスGMの圧力が変化すると、NO濃度の換算値が同じNOxセンサであっても変化することが分かる。
又、NOxセンサは製造バラツキに起因して第1拡散抵抗体151の拡散抵抗の度合がまちまちとなるため、被測定ガスGMの圧力が同一の条件下でも、図2(a)に示すように、個々のNOセンサS1〜S4毎にNOx濃度の換算値が比較的大きなズレを示す。なお、図2(a)では、この第1拡散抵抗体151の拡散抵抗の度合のばらつきに対して、基準圧力(大気圧P;図2の矢印)でのみNOx濃度の換算値が揃うように補正しているため、基準圧力でのNOx濃度の換算値は、NOxセンサS1〜S4のいずれも同じ値を示している。
そのため、NO濃度の圧力変化を一律に補正すると(個々のNOセンサに同一の補正式や補正量を適用すると)、個々のNOセンサ毎の製造バラツキが考慮されていないために補正の度合が変わり、NOx濃度換算値が一定とならない。
そこで、第1の実施形態では、後述するように、個々のNOセンサ毎に設定したNO圧力補正情報、及び、圧力センサ300から得られる被測定ガスGMの圧力情報を用いてNO濃度の圧力変化を補正することで、個々のNOセンサの製造バラツキに起因した第2ポンピング電流Ip2の値(即ち、NOx濃度換算値)のバラツキを補償し、且つ、被測定ガスGMの圧力変動による、NOx濃度換算値のバラツキをも補償するようにしている。こうすることで、同じNOx濃度の条件下でも、NOxセンサの製造バラツキ及び被測定ガスGMの圧力変動に起因して、NOx濃度がずれることが抑制され(図2(b))、NOx濃度を精度良く検出することができる。
第1ポンピング電流に基づいて所定の演算式のもと算出(換算)される酸素濃度についても、同様に個々のNOセンサ毎に酸素圧力補正情報を設定し、この酸素圧力補正情報及び圧力センサ300から得られる被測定ガスGMの圧力情報を用いて圧力補正を行う。
本発明の第1の実施形態に係るNOセンサ制御装置10においては、以下の式1
Figure 2009210450
に従ってNO濃度の圧力補正を行う(但し、NOxp;圧力補正前の圧力PでのNO濃度(第2ポンピング電流に基づくNOx濃度換算値)、NOxp0;圧力補正後の圧力PでのNO濃度(NOx濃度換算値)、P;被測定ガスの圧力(kPa)、P;大気圧(=101.3kPa)、k;NO圧力補正係数(NO圧力補正情報))。
但し、圧力補正の方法は、式1のような関数を用いることに限定されず、例えば、圧力範囲毎に補正量が割当てられたマップを用いてもよい。
なお、第2ポンピング電流Ip2は被測定ガス中のNO濃度と一定の関係を有するため、第2ポンピング電流Ip2から圧力Pでの補正前NO濃度NOxpを計算することができる。マイクロコンピュータ60は、ROM63からIp2と被測定ガス中のNO濃度との関係式を読み出してこの計算を行う。
ここで、NO圧力補正係数(k)は、図3に示されるマップから選ばれ、個々のNOセンサ毎に割当てられたランクに対応したkが、そのNOセンサのNO圧力補正係数として設定される。なお、個々のガスセンサ制御装置においては、上記補正ランクのうち1つのみを用いる。この場合、ガスセンサ制御装置を出荷する前、個々のNOセンサの半導体メモリ181には図3のマップが予め記憶されている。そして、外部検査機器に個々のNOセンサを接続し、基準ガスを用いて複数の既知のガス圧力下で第2ポンピング電流Ip2に基づくNOx濃度換算値を算出し、kを決定する。例えば、2点で測定した場合は、kを直線の傾きとして設定する。この時のkが図3のマップのkのいずれに近似するかを判定し、判定したランクをそのNOセンサに用いる。例えばマップにそのランクを示すフラグを設定することにより、マップ内の1つの補正ランクに該当するデータのみが参照される。なお、基準ガスとしては、NOが90ppm、H2Oが3%、O2が9%、残部がN2の構成からなるものを用いた。このようにして、個々のNOセンサに対するkの値が半導体メモリ181に記憶される。
なお、3点以上の既知のガス圧力下で測定した場合は、kを所定の曲線、又は圧力範囲毎に係数が割当てられたマップとして設定してもよい。
又、本発明の第1の実施形態に係るNOセンサ制御装置10においては、以下の式2
Figure 2009210450
に従って酸素濃度の圧力補正を行う(但し、O;圧力補正前の圧力Pでの酸素濃度(第1ポンピング電流に基づく酸素濃度換算値)、Op0;圧力補正後の圧力Pでの酸素濃度(酸素濃度換算値)、P;被測定ガスの圧力(kPa)、P;大気圧(=101.3kPa)、k;酸素圧力補正係数(酸素圧力補正情報))。
なお、第1ポンピング電流Ip1は被測定ガス中の酸素濃度と一定の関係を有するため、第1ポンピング電流Ip1から圧力Pでの補正前酸素濃度Oを計算することができる。具体的には、マイクロコンピュータ60にて、ROM63から第1ポンピング電流Ip1と被測定ガス中の酸素濃度との関係式を読み出してこの計算を行う。
ここで、酸素圧力補正係数(k)は、図3と同様なマップから選ばれ、個々のNOセンサ毎に割当てられたランクに対応したkがそのNOセンサの酸素圧力補正係数として設定される。そして、半導体メモリ181には、いずれかのkの値が記憶される。なお、このk2は、上述したk1と同様に、外部検査機器に個々のNOセンサを接続し、基準ガスを用いて複数の既知のガス圧力下で第1ポンピング電流Ip1に基づく酸素濃度換算値を算出して決定する。
次に、本発明の第1の実施形態に係るNOセンサ制御装置10における圧力補正の処理フローについて、図4を参照して説明する。なお、本発明における酸素濃度算出手段及びNO濃度算出手段を特に区別せずにマイクロコンピュータ60の動作として説明する。
まず、マイクロコンピュータ60は、NOセンサ100のコネクタ180に搭載されている半導体メモリ181にアクセスし、半導体メモリ181内の酸素圧力補正係数(k)を取得する(ステップS2)。同様に、マイクロコンピュータ60は半導体メモリ181にアクセスし、半導体メモリ181内のNO圧力補正係数(k)を取得する(ステップS4)。
又、マイクロコンピュータ60は、ECU200を介して、被測定ガスの圧力(圧力情報)を取得する(ステップS6)。
次いで、マイクロコンピュータ60は、メインループの処理を行う(ステップS8)。まず、マイクロコンピュータ60は、Ip1ドライブ回路52から第1ポンピング電流Ip1の値(実際には、第1ポンピング電流Ip1を電圧変換した検出信号)を取得する(ステップS10)。
そして、マイクロコンピュータは、ROM63から第1ポンピング電流Ip1と被測定ガスの酸素濃度との関係式を読み出して、圧力補正前の酸素濃度(酸素濃度換算値)Opを算出する(ステップS11)。
次に、マイクロコンピュータ60は、ステップS2及びS6で取得した酸素圧力補正係数及び被測定ガスの圧力を式2に代入し、圧力補正後の酸素濃度Op0を算出する(ステップS12)。ここで、Op0は、圧力P(大気圧)での値に換算されたものである。
そして、マイクロコンピュータ60は、算出した酸素濃度Op0を、信号入出力部64を介してECU200に出力(送信)する(ステップS14)。
同様に、マイクロコンピュータ60は、Ip2検出回路55から第2ポンピング電流Ip2の値(実際には、第2ポンピング電流Ip2を電圧変換した検出信号)を取得する(ステップS18)。
そして、マイクロコンピュータは、ROM63から第2ポンピング電流Ip2と被測定ガスのNO濃度との関係式を読み出して、圧力補正前のNO濃度(NO濃度換算値)NOxpを算出する(ステップS19)。
次に、マイクロコンピュータ60は、ステップS4及びS6で取得したNO圧力補正係数及び被測定ガスの圧力を式1に代入し、圧力補正後のNO濃度NOxp0を算出する(ステップS20)。ここで、NOxp0は、圧力P(大気圧)での値に換算されたものである。
そして、マイクロコンピュータ60は、算出したNO濃度NOxp0を、信号入出力部64を介してECU200に出力(送信)する(ステップS22)。
マイクロコンピュータ60は、ステップS26で処理の終了の有無を判定し、処理を続ける場合はステップS8に戻る。
以上のように、第1の実施形態によれば、被測定ガスの圧力に応じてNO及び酸素の濃度情報(具体的には、NO濃度換算値及び酸素濃度換算値)を補正することができる。又、個々のNOセンサ毎に、NO及び酸素の濃度情報の圧力依存性を予め実測しておき、これを酸素圧力補正係数及びNO圧力補正係数として記憶しておくことで、個々のNOセンサ毎に異なる濃度情報の圧力依存性を補正に反映し、NOセンサ1個でNO濃度と酸素濃度を被測定ガスの圧力変動によらず高精度で出力することができる。
さらに、酸素圧力補正係数及びNO圧力補正係数をNOセンサ側(の半導体メモリ)に記憶しておく場合、酸素圧力補正係数やNO圧力補正係数の値をNOセンサ制御装置側に記憶させる処理が不要である。そして、NOセンサの出荷時検査に伴って、酸素圧力補正係数やNO圧力補正係数をNOセンサ側の半導体メモリに記憶すればよいので、これらの係数を別の作業で測定する必要がなく、作業負担が軽減する。
次に、本発明の第2の実施形態に係るNOセンサ制御装置について説明する。第2の実施形態に係るNOセンサ制御装置は、マイクロコンピュータ60での処理が異なること以外は第1の実施形態と同一の構成を有する。
ところで、第1の実施形態で説明したNOセンサでは、被測定ガス中のNO濃度及び圧力が一定であっても、被測定ガス中の酸素濃度が変動するとそれに伴い第2ポンピング電流Ip2が変化する、という酸素濃度依存性が少なからず存在する(図5(a))。そのため、NO濃度の検出精度をより高めるには、上述した圧力依存性に加えてこの酸素濃度依存性をも考慮した補正することが望ましい。
そこで、第1ポンピング電流Ip1に基づいて求められる圧力補正前の酸素濃度換算値を用いて、上記の式1のもとで求められたNO濃度換算値を補正することが考えられるが、圧力補正前の酸素濃度換算値自体が被測定ガスの圧力変動の影響を受けているため、精度の良い酸素濃度依存性の補正を行っているとはいえない。
そこで、本第2の実施形態では、酸素濃度換算値を用いてNO濃度換算値を補正するにあたり、酸素濃度換算値を単に第1酸素ポンピング電流Ip1から算出するのではなく、酸素圧力補正情報及び被測定ガスGMの圧力をも加味した上記の式2にて算出することで、圧力補正後の酸素濃度Op0を用いてNO濃度換算値を補正するようにしている。なお、補正にあたっては、NOセンサ毎に所定のガス圧下での酸素濃度依存性を予め求めておき(図5(a)参照)、これを考慮した補正式、又は、補正量を酸素濃度に応じて設定したマップを準備し、これをマイクロコンピュータに記憶させる。そして、圧力補正後の酸素濃度Op0を上記の関係式又はマップに当てはめてNO濃度換算値を補正すればよい。これにより、図5(b)に示すように、被測定ガス中の酸素濃度に依存してNO濃度が変動するのを、効果的に抑制することができる。
図6は、第2の実施形態に係るNOセンサ制御装置における圧力補正の処理フローを示す。なお、第2の実施形態において、第1の実施形態と同一の処理については、図4と同一の符号を付して説明を省略する。
第2の実施形態の場合、図4のステップS20とS22の間に、新たなステップS30を行うこと以外は第1の実施形態と同様である。ここで、ステップS30において、マイクロコンピュータ60は、ステップS12で算出された圧力補正後の酸素濃度Op0をキーとしつつマイクロコンピュータに記憶された上記の関係式又はマップを用いて、圧力補正後のNOxp0を補正する。そして、ステップS22にて、酸素濃度依存性を補正した圧力補正後のNOxp0を、信号入出力部64を介してECU200に出力(送信)する。
以上のように、第2の実施形態によれば、圧力補正後の酸素濃度Op0を用いて圧力補正後のNOxp0を補正しているため、被測定ガスの圧力変動と被測定ガスの酸素濃度の変動による影響を抑制したより精度の高いNO濃度換算値が得られる。
なお、本発明の実施形態において、圧力補正を除き、第1ポンピング電流Ip1から酸素濃度を換算する方法や第2ポンピング電流Ip2からNO濃度を換算する方法、NO検出装置10の制御回路58の構成や回路配置については、特開平11−23528号公報や特開平11−304758号公報に記載されているものと同様である。
次に、本発明の実施形態に係る車両側制御装置について説明する。この実施形態は、NOセンサ制御装置の代わりにECU(車両側制御装置)200で圧力補正の処理を行うこと以外は、上記第1及び第2の実施形態と同様であるので、上記第1及び第2の実施形態の説明に用いたフロー(図4、図6)と同一部分の説明を省略する。但し、ECU側CPU201は自ら圧力補正後の酸素濃度及びNO濃度の算出を行うため、図4、図6におけるステップS14、S22は不要となる。
又、信号入出力部204が本発明の「受信手段」を構成し、ECU側CPU201が本発明の「酸素濃度算出手段」及び「NO濃度算出手段」を構成する。
以下、上記第1の実施形態を例とし、図4に従ってECU側CPU201の行う処理について説明する。なお、第2の実施形態についても図6と同様のフローに従ってECU側CPU201が処理を実行すればよいため、以下では説明を省略する。
まず、ECU側CPU201は、マイクロコンピュータ60を介して半導体メモリ181にアクセスし、メモリ181内の酸素圧力補正係数(k)を取得する(ステップS2)。同様に、ECU側CPU201は、半導体メモリ181内のNO圧力補正係数(k)を取得する(ステップS4)。
又、ECU側CPU201は、圧力センサ300から被測定ガスの圧力情報を取得する(ステップS6)。
次いで、ECU側CPU201は、メインループの処理を行う(ステップS8)。まず、ECU側CPU201は、マイクロコンピュータ60を介して、Ip1ドライブ回路52から第1ポンピング電流Ip1の値(実際には、第1ポンピング電流Ip1を電圧変換した検出信号)を取得する(ステップS10)。
そして、ECU側CPU201は、ROMから第1ポンピング電流Ip1と被測定ガスの酸素濃度との関係式を読み出して、圧力補正前の酸素濃度(酸素濃度換算値)Opを算出する(ステップS11)。
次に、ECU側CPU201は、ステップS2及びS6で取得した酸素圧力補正係数及び被測定ガスの圧力を上記の式2に代入し、圧力補正後の酸素濃度Op0を算出する(ステップS12)。ここで、Op0は、圧力P(大気圧)での値に換算されたものである。なお、第1ポンピング電流Ip1は被測定ガス中の酸素濃度と一定の関係を有するため、第1ポンピング電流Ip1から圧力Pでの補正前酸素濃度Oを計算することができる。ECU側CPU201は、所定のROMから第1ポンピング電流Ip1と被測定ガス中の酸素濃度との関係式を読み出してこの計算を行う。
同様にECU側CPU201は、マイクロコンピュータ60を介して、Ip2検出回路55から第2ポンピング電流Ip2の値(実際には、第2ポンピング電流Ip2を電圧変換した検出信号)を取得する(ステップS18)。
そして、ECU側CPU201は、ROMから第2ポンピング電流Ip1と被測定ガスのNO濃度との関係式を読み出して、圧力補正前のNO濃度(NO濃度換算値)NOxpを算出する(ステップS19)。
次に、ECU側CPU201は、ステップS4及びS6で取得したNO圧力補正係数及び被測定ガスの圧力を上記の式1に代入し、圧力補正後のNO濃度NOxp0を算出する(ステップS20)。ここで、NOxp0は、圧力P(大気圧)での値に換算されたものである。なお、第2ポンピング電流Ip2は被測定ガス中のNO濃度と一定の関係を有するため、第2ポンピング電流Ip2から圧力Pでの補正前NO濃度NOxpを計算することができる。ECU側CPU201は、所定のROMから第2ポンピング電流Ip2と被測定ガス中のNO濃度との関係式を読み出してこの計算を行う。
ECU側CPU201は、ステップS26で処理の終了の有無を判定し、処理を続ける場合はステップS8に戻る。
なお、ECU側CPU201が外部に対して酸素濃度及びNO濃度を出力する必要がない場合には、図4及び図6において、ステップS14及びS22を省略しても良い。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
本発明の第1の実施形態に係るNOセンサ制御装置の構成を示すブロック図である。 被測定ガスの圧力を変動させた時のNO濃度(センサ出力)を示す図である。 NO圧力補正係数(k)を示すマップを表す図である。 本発明の第1の実施形態に係るNOセンサ制御装置における圧力補正の処理フローを示す図である。 Ip2からNO濃度を換算する関係式を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係るNOセンサ制御装置における圧力補正の処理フローを示す図である。
符号の説明
10 NOセンサ制御装置
52 Ip1ドライブ回路(第1ポンピング電流検出回路)
55 Ip2検出回路(第2ポンピング電流検出回路)
60 マイクロコンピュータ(酸素濃度算出手段、NO濃度算出手段)
100 NOセンサ
110 第1ポンピングセル
112、113 第1電極
130 第2ポンピングセル
150 第1測定室
160 NO測定室
181 記憶手段
200 車両側制御装置
201 車両側CPU(酸素濃度算出手段、NO濃度算出手段)
204 受信手段(信号入出力部)
GM 被測定ガス
Ip1 第1ポンピング電流
Ip2 第2ポンピング電流

Claims (5)

  1. 第1測定室の内部と外部に設けられた一対の第1電極を有すると共に、前記第1測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、前記第1測定室内の酸素濃度を調整する第1ポンピングセルと、前記第1測定室に連通するNO測定室の内部と外部に設けられた一対の第2電極を有すると共に、前記第1測定室から前記NO測定室に流入した酸素濃度が調整された被測定ガス中のNO濃度に応じた第2ポンピング電流が前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピングセルとを備えたNOセンサに接続され、
    前記第1ポンピングセルの前記一対の第1電極間に流れる第1ポンピング電流を検出する第1ポンピング電流検出手段と、
    前記第2ポンピングセルの前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピング電流を検出する第2ポンピング電流検出手段と、
    前記第1ポンピング電流と、個々の前記NOセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報と、外部より入力される被測定ガスの圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、
    前記第2ポンピング電流と、個々の前記NOセンサ毎に設定されるNO圧力補正情報と、前記圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出するNO濃度算出手段とを備えたNOセンサ制御装置。
  2. 前記NO濃度算出手段は、前記第2ポンピング電流と、前記NO圧力補正情報と、前記圧力情報と、前記酸素濃度算出手段が算出した前記圧力補正後酸素濃度に基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出する請求項1記載のNOセンサ制御装置。
  3. 前記酸素圧力補正情報及び前記NO圧力補正情報は、個々の前記NOセンサ側に設けられた記憶手段に格納されている請求項1又は2記載のNOセンサ制御装置。
  4. 第1測定室の内部と外部に設けられた一対の第1電極を有すると共に、前記第1測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、前記第1測定室内の酸素濃度を調整する第1ポンピングセルと、前記第1測定室に連通するNO測定室の内部と外部に設けられた一対の第2電極とを有すると共に、前記第1測定室から前記NO測定室に流入した酸素濃度が調整された被測定ガス中のNO濃度に応じた第2ポンピング電流が前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピングセルとを備えたNOセンサにNOセンサ制御装置が接続され、該NOセンサ制御装置との間で通信する車両側制御装置であって、
    前記NOセンサ制御装置は、前記第1ポンピングセルの前記一対の第1電極間に流れる第1ポンピング電流を検出する第1ポンピング電流検出手段と、前記第2ポンピングセルの前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピング電流を検出する第2ポンピング電流検出手段とを備え、
    前記車両側制御装置は、前記第1ポンピング電流、前記第2ポンピング電流、個々の前記NOセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報、及び個々の前記NOセンサ毎に設定されるNO圧力補正情報を前記NOセンサ制御装置から受信する受信手段と、
    前記第1ポンピング電流と、個々の前記NOセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報と、外部より入力される被測定ガスの圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、
    前記第2ポンピング電流と、個々の前記NOセンサ毎に設定されるNO圧力補正情報と、前記圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出するNO濃度算出手段とを備えた車両側制御装置。
  5. 前記NO濃度算出手段は、前記第2ポンピング電流と、前記NO圧力補正情報と、前記圧力情報と、前記酸素濃度算出手段が算出した前記圧力補正後酸素濃度に基づき、被測定ガス中の圧力補正後NO濃度を算出する請求項4記載の車両側制御装置。
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