JP2011190718A - Ｏ２センサの劣化防止駆動方法及び自動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｏ２センサの動作を極力阻害することなく、Ｏ２センサの劣化防止、抑圧を可能とする。
【解決手段】
排気管５の適宜な位置には、排気ブレーキ１０が設けられると共に、その上流側の適宜な位置にはＯ２センサ１１が配設されて、酸素濃度の検出を可能としてなり、このＯ２センサ１１は、排気ブレーキ１０がオンとされた際に、ポンプ電流の通電が遮断される一方、排気ブレーキ１０がオフとされた際には、所定時間経過後に前ポンプ電流の通電が開始されるよう車両制御装置１０１により駆動されるものとなっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車両等において用いられる酸素濃度検出を行うＯ２センサに係り、特に、劣化防止、信頼性の向上等を図ったものに関する。

従来、この種の回路としては、例えば、特許文献１等には、自動車両に用いられるＯ２センサの劣化を、所定の使用条件において、Ｏ２センサからの所定の出力を得るに要する時間を計測することによって、劣化の有無を判定するようにしたものが提案されている。

特開平１０−７７８９７号公報（第３−６頁、図１−図５）

かかる従来の技術は、Ｏ２センサが劣化した状態を検出すること、或いは、劣化の兆候をある程度検出することはできるが、劣化を防止、抑圧する方策を提供するものではない。
ところが、自動車両にあっては、Ｏ２センサは、その劣化を促進するような環境条件に晒されることがあり、本来の酸素濃度検出動作を極力阻害しない範囲で劣化防止、抑圧のための何らかの方策が講ずることができれば、Ｏ２センサのさらなる長寿命化、ひいては装置の信頼性の向上を図ることができ好適である。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、Ｏ２センサの動作を極力阻害することなく、Ｏ２センサの劣化防止、抑圧を可能とする劣化防止駆動方法及び自動車両を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るＯ２センサの劣化防止駆動方法は、
排気ガスの外部への排気を遮断する排気遮断手段が排気管路に設けられると共に、前記排気遮断手段の上流側にＯ２センサが配設され、前記Ｏ２センサの検出信号がエンジン制御に供されるよう構成されてなる自動車両における前記Ｏ２センサの劣化防止駆動方法であって、
前記排気遮断手段が始動された際に、前記Ｏ２センサのポンプ電流の通電を遮断する一方、前記排気遮断手段が非動作状態とされた際に、所定時間経過後に前記Ｏ２センサのポンプ電流の通電を開始するよう構成されてなるものである。
また、上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る自動車両は、
車両の動作制御のためのソフトウェア処理が実行される車両制御装置が設けられる一方、排気ガスの外部への排気を遮断する排気遮断手段が排気管路に設けられると共に、前記排気遮断手段の上流側にＯ２センサが配設され、前記Ｏ２センサの検出信号が前記車両制御装置における車両の動作制御に供されるよう構成されてなる自動車両であって、
前記車両制御装置は、
前記排気遮断手段が始動された際に、前記Ｏ２センサのポンプ電流の通電を遮断する一方、前記排気遮断手段が非動作状態とされた際に、所定時間経過後に前記Ｏ２センサのポンプ電流の通電を開始するよう構成されてなるものである。

本発明によれば、Ｏ２センサの素子劣化が生ずる前に、ポンプ電流の通電が遮断されるため、従来と異なり、Ｏ２センサの劣化を確実に抑圧することができ、より信頼性の高い車両を提供することができる。
また、Ｏ２センサを構成する安定化ジルコニア素子や電極の分極が生ずる前に、ポンプ電流を遮断するので、従来のような劣化診断を行う回路や、Ｏ２センサにおける分極復帰のための回路などを不要とすることができ、従来に比して、低コストでより確実にＯ２センサの劣化を防止できるという効果を奏するものである。

本発明の実施の形態におけるＯ２センサの劣化防止駆動方法が適用される自動車両におけるＯ２センサの取り付け状態の概略を模式的に示す概略図である。 本発明の実施の形態におけるＯ２センサの劣化防止駆動方法が実行される車両制御装置の構成例を示す構成図である。 図２に示された車両制御装置により実行されるＯ２センサの劣化防止駆動処理の前半部分の手順を示すフローチャートである。 図３に示された車両制御装置により実行されるＯ２センサの劣化防止駆動処理の後半部分の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態におけるＯ２センサの劣化防止駆動方法が適用される自動車両におけるＯ２センサの取り付け構造について説明する。
本発明の実施の形態における自動車両は、エンジン１として、例えば、ディーゼルエンジンを用いたもので、排出ガス中の窒素酸化物 (NOx) 低減や燃費向上等のため、排気ガス再循環装置２が設けられたものとなっている。

本発明の実施の形態における排気ガス再循環装置２は、公知・周知の構成を有してなるものである。すなわち、まず、排気ガス再循環装置２においては、排気ガスのエネルギーを利用して吸入空気の圧縮を可能とするターボチャージャ３が設けられている。
また、吸気管４と排気管５の適宜な位置を連結する連結管６が設けられており、その適宜な位置には、排気管５から吸気管４側へ帰還させる排気ガス量を調整するための負圧式のＥＧＲバルブ７が設けられたものとなっている。
このＥＧＲバルブ７における導入負圧の調整には、電磁式のバキューム調整バルブ８が用いられている。

そして、排気管５の下流側にあっては、酸化触媒９、排気ブレーキ１０が順に設けられており、さらに、酸化触媒９とターボチャージャ３との間の適宜な位置には、Ｏ２センサ１１が設けられて、排気ガス中の酸素濃度の検出が可能となっている。
さらに、先の電磁式のバキューム調整バルブ８の動作制御、インジェクタ１２の通電制御などに加え、Ｏ２センサ１１の通電制御などのため、車両制御装置（図１においては、「ＥＣＵ」と表記）１０１が設けられている。

図２には、車両制御装置の構成例が示されており、以下、同図を参照しつつ、かかる構成例について説明する。
最初に、本発明の実施の形態におけるＯ２センサ１１は、本発明独自のものではなく、一般に良く知られた構造を有してなるものである。
以下、具体的に、その構造等について説明すれば、まず、Ｏ２センサ１１は、安定化ジルコニアを用いてなる基部２１の内部に、空洞状に形成された拡散層２２と、この拡散層２２と適宜な間隔を隔てて、ほぼ同一平面内において、拡散層２２同様に空洞状に形成された参照用空洞２３とが設けられており、いずれも、外部と連通する構造となっている。特に、Ｏ２センサ１１は、拡散層２２の開口部分が排気管５内に臨むように設けられるものとなっている。

拡散層２２と参照用空洞２３との間は、ネルンストセル２４と称される部位（図２においては点線楕円で囲まれた部位）となっている。
拡散層２２の壁面部分の適宜な位置には、ポンプセル内側電極２５が設けられる一方、基部２１の外面には、ポンプセル内側電極２５と平行するように、ポンプセル外側電極２６が設けられており、両者は共に後述する車両制御装置１０１に接続されている。
そして、ポンプセル内側電極２５とポンプセル外側電極２６の間の部位は、酸素が検出されるポンプセル２７と称される部位（図２においては点線楕円で囲まれた部位）となっている。
なお、ポンプセル外側電極２６は、絶縁体２８で覆われたものとなっている。

一方、参照用空洞２３内にも参照用電極２９が配設されており、後述するように車両制御装置１０１に接続されている。
また、基部２１内には、ジルコニアの活性化のためのヒータ３０が埋め込まれており、後述するように車両制御装置１０１により、その通電が制御されるものとなっている。

車両制御装置１０１は、公知・周知の構成を有してなるマイクロコンピュータ（図２においては「ＣＰＵ」と表記）４１を中心に、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶素子（図示せず）を備えると共に、入出力インターフェイス回路（図示せず）を主たる構成要素として構成されたものである。
マイクロコンピュータ４１においては、エンジン１の動作制御に必要な種々のソフトウェアが実行されるようになっており、それによって、インジェクタ１２における燃料噴射動作や、電磁式のバキューム調整バルブ８の動作が制御されるようになっている。さらに、本発明の実施の形態のマイクロコンピュータ４１においては、後述するようにＯ２センサ１１の劣化防止駆動制御処理が実行されるようになっている。

さらに、本発明の実施の形態における車両制御装置１０１は、Ｏ２センサ１１の動作制御のため、ポンプ電流制御部４２、Ｏ２センサ素子温度測定部（図２においては「ＴＥＭＰ−ＭＥＡＳ」と表記）４３と、ヒータＰＷＭ制御部（図２においては「ＰＷＭ−ＣＯＮ」と表記）４４などが設けられて構成されたものとなっている。
ポンプ電流制御部４２は、演算増幅器５１を主たる構成要素として反転増幅回路が構成されたものとなっている。すなわち、まず、演算増幅器５１の反転入力端子と出力端子との間には、反転入力端子側から帰還抵抗器５２、コンデンサ５３が順に直列接続されて設けられ、出力端子は、ポンプ電流用スイッチ素子５７の一端に接続されたものとなっている。

ポンプ電流用スイッチ素子５７は、マイクロコンピュータ４１によりその開閉成が制御されるようになっているもので、例えば、ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子からなる公知・周知の構成を有するものである。かかるポンプ電流用スイッチ素子５７の他端は、電圧測定用抵抗器５８の一端に接続されており、この電圧測定用抵抗器５８の他端は、Ｏ２センサ１１のポンプセル外側電極２６に接続されている。
電圧測定用抵抗器５８の電圧は、図示されないＡ／Ｄ変換器を介してマイクロコンピュータ４１へ入力され、後述するようにＯ２センサ１１の劣化駆動制御に供されるようになっている。

一方、演算増幅器５１の非反転入力端子には、第１の入力抵抗器５４を介して、所定電圧（Ｖ１＋Ｖref）が印加されるようになっている。すなわち車両制御装置１０１には、ポンプ電流制御部用供給電圧Ｖ１を出力する供給電圧用電源５９と、基準電圧Ｖrefを出力する基準電圧用電源６０とがグランド側から供給電圧用電源５９、基準電圧用電源６０の順となるように直列接続されており、供給電圧用電源５９の負極はグランドに接続され、基準電圧用電源６０の正極が、第１の入力抵抗器５４に接続されたものとなっている。
そして、供給電圧用電源５９の正極と基準電圧用電源６０の負極との接続点に、Ｏ２センサ１１のポンプセル内側電極２５が接続されたものとなっている。

また、演算増幅器５１の反転入力端子は、第２の入力抵抗器５５を介してＯ２センサ１１の参照用電極２９に接続されている。さらに、第２の入力抵抗器５５と参照用電極２９との接続点は、Ｏ２センサ素子温度測定部４３の入力段に接続されると共に、この接続点とグランドとの間には、ノイズ除去用のコンデンサ５６が接続されている。

Ｏ２センサ素子温度測定部４３は、次述するようにＯ２センサ１１によって得られる電圧信号を、後述するＯ２センサ１１の劣化防止駆動制御処理等のためにマイクロコンピュータ４１へ供するよう構成されてなるものである。
すなわち、Ｏ２センサ素子温度測定部４３は、Ｏ２センサ素子の温度に対応した電圧である第２の入力抵抗器５５と参照用電極２９との相互の接続点に得られるＯ２センサ１１から入力電圧、すなわち、ポンプ電流制御部用供給電圧Ｖ１とネルンスト電圧ＶNとの和の電圧（Ｖ１＋ＶN）（以下、便宜的に「Ｏ２センサ素子温度対応電圧」と称する）を、Ｏ２センサ素子の温度情報として所定の信号形式でマイクロコンピュータ４１へ出力するよう構成されたものとなっている
なお、ここで、Ｏ２センサ素子の温度とは、Ｏ２センサ１１の中の特に、ネルンストセル２４付近の温度を意味する。
かかるＯ２センサ素子温度測定部４３は、本発明特有のものではなく、基本的に従来の車両制御装置において用いられていたものと同様の構成を有してなるものである。

マイクロコンピュータ４１は、Ｏ２センサ素子温度測定部４３から入力された上述のＯ２センサ素子温度対応電圧に応じてポンプ電流用スイッチ素子５７のオン・オフを制御するよう構成されたものとなっている。
また、マイクロコンピュータ４１は、Ｏ２センサ素子温度測定部４３から入力された上述のＯ２センサ素子温度対応電圧を、Ｏ２センサ素子の温度情報としてヒータＰＷＭ制御部４４へ出力するようになっている。

ヒータＰＷＭ制御部４４は、マイクロコンピュータ４１から入力されたＯ２センサ素子の温度情報に基づいて、ヒータ用スイッチ素子６１のオン・オフをＰＷＭ制御するよう構成されたものとなっている。すなわち、ヒータＰＷＭ制御部４４は、Ｏ２センサ素子の温度が低い状態にあっては、デューティ比を大きく、すなわち、換言すれば、一周期の間にヒータ用スイッチ素子６１がオンとされる時間を長くする一方、Ｏ２センサ素子の温度が高い状態にあっては、デューティ比を小さく、すなわち、換言すれば、一周期の間にヒータ用スイッチ素子６１がオンとされる時間を短くするよう構成されてなるものである。かかるヒータＰＷＭ制御部４４は、先のＯ２センサ素子温度測定部４３同様、従来の車両制御装置において用いられていたものと基本的に同様の構成を有してなるものである。

ヒータ用スイッチ素子６１は、その一端がグランドに接続される一方、他端は、ヒータ３０の他端に接続されたものとなっている。そして、ヒータ３０の他端は、車両制御装置１０１の外側でバッテリ６２の正極に接続されたものとなっている。しかして、ヒータ３０は、ヒータ用スイッチ素子６１がオンとされた状態において、バッテリ６２の電圧ＶBが印加されるようになっている。

次に、上述の構成を有する車両制御装置１０１において実行されるＯ２センサ１１の劣化防止駆動処理の手順について図３及び図４を参照しつつ説明する。
車両制御装置１０１による処理が開始されると、最初に、イグニッションスイッチ（図示せず）がオンとされており、かつ、エンジン（図示せず）がオンとされているか否かが判定され（図３のステップＳ１０２参照）、イグニッションスイッチ（図示せず）がオンとされており、かつ、エンジン（図示せず）がオンとされていると判定されると、次述するステップＳ１０４の処理へ進むこととなる。

なお、イグニッションスイッチ（図示せず）のオン・オフ情報、エンジンのオン・オフの情報は、本発明の実施の形態における車両制御装置１０１がエンジン（図示せず）の動作制御をも実行するものであることを前提としており、それらの情報は、本来、そのエンジンの動作制御に供されるよう入力されるものであるので、その情報を流用すれば良く、Ｏ２センサ１１の劣化防止駆動処理のために独自に入力する必要はないものである。

ステップＳ１０４においては、ヒータＰＷＭ制御部４４によるヒータ３０のプレヒートを開始させるべくヒータＰＷＭ制御部４４へ対して、マイクロコンピュータ４１から所定の信号が出力されることとなる。そして、ヒータＰＷＭ制御部４４においては、それに対応して、プレヒートのための所定のデューティ比でヒータ用スイッチ素子６１のオン・オフが開始され、ヒータ３０がプレヒート状態とされることとなる。
次いで、マイクロコンピュータ４１により、Ｏ２センサ１１を用いて酸素濃度を検出するのに適した使用環境条件にあるか否かが判定されることとなる（図３のステップＳ１０６参照）。

ここで、適切な使用環境条件にあるか否かの判断条件として、本発明の実施の形態においては、具体的には、Ｏ２センサ１１に水滴が付着しているか否か、エンジン回転数が所定回転数（例えば、３００rpm）を超えているか否か、バッテリー電圧が所定電圧（例えば、１０Ｖ）を超えているか否かの三つが判定されるものとなっている。

ここで、Ｏ２センサ１１に水滴が付着しているか否かは、排気ガスの熱量を所定の演算により算出し、その値によって、水滴の有無の判定する従来から行われている方法によって判定されるものとなっている。
なお、バッテリ電圧は、先にステップＳ１０２で説明したエンジン回転数同様、車両制御装置１０１によるエンジン（図示せず）の動作制御のために本来入力されるものであるので、その入力情報を流用するようにすると好適である。

そして、ステップＳ１０６において、全ての使用環境条件が満たされていると判定された場合（ＹＥＳの場合）、すなわち、Ｏ２センサ１１に水滴が付着していないと判定され、エンジン回転数が所定回転数を超えていると判定され、かつ、バッテリー電圧が所定電圧を超えていると判定された場合には、後述するステップＳ１１０の処理へ進むこととなる。
一方、ステップ１０６において、いずれかの使用環境条件が満たされていないと判定された場合（ＮＯの場合）、Ｏ２センサ素子の温度は、現時点の温度に維持されることとなり、再度、ステップＳ１０６の判定が行われることとなる（図３のステップＳ１０８参照）。

ステップＳ１１０においては、Ｏ２センサ素子の温度をプレヒート状態から酸素濃度検出に適する温度にすべく、Ｏ２センサ素子温度が徐々に上昇せしめられる。すなわち、ヒータＰＷＭ制御部４４は、マイクロコンピュータ４１から入力されたＯ２センサ素子の温度情報に基づいて、Ｏ２センサ素子温度を上げるべく、ヒータ用スイッチ素子６１のオン・オフのディーティ比を大きくして、ヒータ用スイッチ素子６１をオン・オフし、その結果、ヒータ温度が徐上昇せしめられることとなる。

次いで、マイクロコンピュータ４１により、Ｏ２センサ素子の温度が所定の目標温度を超えたか否かが判定されることとなる（図３のステップＳ１１２参照）。
そして、ステップＳ１１２において、Ｏ２センサ素子の温度は、所定の目標温度を超えていると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、次述するステップＳ１１６の処理へ進む一方、Ｏ２センサ素子の温度は、所定の目標温度を超えていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、先のステップＳ１１０の処理と同様にしてＯ２センサ素子の温度の上昇が継続され、再度、ステップＳ１１２の判定が行われることとなる（図３のステップＳ１１４参照）。

ステップＳ１１６においては、Ｏ２センサ素子の温度が目標温度に維持されるようヒータ３０の通電が維持されることとなる。すなわち、マイクロコンピュータ４１からのＯ２センサ素子の温度情報に基づいて、Ｏ２センサ素子の温度が目標温度に維持されるようヒータＰＷＭ制御部４４によりヒータ用スイッチ素子６１のオン・オフされることで、ヒータ３０の温度がフィードバック制御されることとなる。

次いで、ステップＳ１１８においては、ポンプ電流用スイッチ素子５７がマイクロコンピュータ４１からの制御により、オン（導通状態）とされ、ポンプ電流の通電が開始され、Ｏ２センサ１１は、酸素濃度の検出状態とされる。
次いで、ステップＳ１２０において、排気ブレーキ（エキブレ）１０がオンとされているか否かが判定される。なお、排気ブレーキ１０が装備された自動車車両においては、車両の動作制御に供するため、通常、排気ブレーキ１０がオン状態となったことを検出するセンサ（図示せず）が設けられているので、このステップＳ１２０における排気ブレーキ１０がオンとされているか否かには、その既存のセンサの出力を流用するようにすると好適である。

ステップＳ１２０において、排気ブレーキ１０はオンであると判定された場合（ＹＥＳの場合）には、次述するステップＳ１３０（図４参照）の処理へ進む一方、排気ブレーキ１０はオンではないと判定された場合（ＮＯの場合）には、後述するステップＳ１２２の処理へ進むこととなる。
ステップＳ１３０（図４参照）においては、排気ブレーキ１０使用時の排気圧上昇に起因してＯ２センサ１１の劣化が促進されることを防ぐため、マイクロコンピュータ４１の指令に応じてポンプ電流用スイッチ素子５７がオフとされて、ポンプ電流制御部４２によるポンプ電流の通電が遮断されることとなる。

次いで、排気ブレーキ１０がオフとされたか否かが判定され（図４のステップＳ１３２参照）、排気ブレーキ１０は未だオフとされていないと判定された場合（ＮＯの場合）は、排気ブレーキ１０がオフとされたと判定されるまでポンプ電流の遮断状態が維持されることとなる（図４のステップＳ１３８参照）。一方、排気ブレーキ１０がオフとされたと判定された場合（ＹＥＳの場合）には、マイクロコンピュータ４１内において、いわゆるソフトウェアタイマが始動されることとなる（図４のステップＳ１３４参照）。

そして、所定のタイマ時間が経過したと判定されると、再び先のステップＳ１１８の処理（図３参照）へ戻り、ステップＳ１１８以降の処理が繰り返されることとなる（図４のステップ１３０参照）。すなわち、ポンプ電流の通電が再開され、Ｏ２センサ１１が酸素検出可能な状態とされることとなる。
このように、所定のタイマ時間が経過した後にポンプ電流の通電を行うのは、排気ブレーキ１０がオフとされた後、排気ガス中の酸素濃度が安定した状態で酸素濃度の検出を行うようにするためである。
なお、所定のタイマ時間は、車両の規模等によってその適切な値が異なるため、試験やシミュレーション等の結果に基づいて、車両毎に適切な値を設定するのが好適である。
また、排気ブレーキ１０がオフした後、ポンプ電流の通電の再開に、所定時間を見る代わりに、センサ周辺の排気圧力が所定値以下かどうかを見るようにしても良い。

一方、先のステップＳ１２０において、排気ブレーキ１０はオンではないと判定され（ＮＯの場合）、ステップＳ１２２の処理へ進むと、排気圧上昇によるＯ２センサ１１の劣化は生じないとして、ポンプ電流の通電が継続され、次いで、イグニッションスイッチ（図示せず）がオフとされたか否かが判定されることとなる（図３のステップ１２４参照）。
そして、ステップＳ１２４において、イグニッションスイッチ（図示せず）がオフとされたと判定された場合（ＹＥＳの場合）には、Ｏ２センサ１１の駆動の必要なしとして、マイクロコンピュータ４１からの指令に応じてポンプ電流用スイッチ素子５７がオフとされると同時に、ヒータＰＷＭ制御部４４によりヒータ用スイッチ素子６１がオフとされ、ポンプ電流及びヒータ電流の通電が遮断され、Ｏ２センサ１１は非駆動状態とされる。

また、ステップＳ１２４において、イグニッションスイッチ（図示せず）はオフとされていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、ポンプ電流の通電が継続され（図３のステップＳ１２８参照）、再び先のステップＳ１１８の処理へ戻り、ステップＳ１１８以降の処理が繰り返されることとなる。

Ｏ２センサの低コストでより確実な劣化防止が要請される自動車両に適する。

１０…排気ブレーキ
１１…Ｏ２センサ
４１…マイクロコンピュータ
４２…ポンプ電流制御部
４３…Ｏ２センサ素子温度測定部
４４…ヒータＰＷＭ制御部
１０１…車両制御装置

Claims (2)

1. 排気ガスの外部への排気を遮断する排気遮断手段が排気管路に設けられると共に、前記排気遮断手段の上流側にＯ２センサが配設され、前記Ｏ２センサの検出信号がエンジン制御に供されるよう構成されてなる自動車両における前記Ｏ２センサの劣化防止駆動方法であって、
   前記排気遮断手段が始動された際に、前記Ｏ２センサのポンプ電流の通電を遮断する一方、前記排気遮断手段が非動作状態とされた際に、所定時間経過後に前記Ｏ２センサのポンプ電流の通電を開始することを特徴とするＯ２センサの劣化防止駆動方法。
2. 車両の動作制御のためのソフトウェア処理が実行される車両制御装置が設けられる一方、排気ガスの外部への排気を遮断する排気遮断手段が排気管路に設けられると共に、前記排気遮断手段の上流側にＯ２センサが配設され、前記Ｏ２センサの検出信号が前記車両制御装置における車両の動作制御に供されるよう構成されてなる自動車両であって、
   前記車両制御装置は、
   前記排気遮断手段が始動された際に、前記Ｏ２センサのポンプ電流の通電を遮断する一方、前記排気遮断手段が非動作状態とされた際に、所定時間経過後に前記Ｏ２センサのポンプ電流の通電を開始するよう構成されてなることを特徴とする自動車両。

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