JP2015155850A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記取得した波形特徴値を、前記取得した複数の空燃比に基づいて、前記取得された複数の空燃比のそれぞれが所定の基準空燃比であったと仮定した場合の「波形特徴値に応じた値」へと変換し、
前記変換された波形特徴値に応じた値、及び、前記第1の期間内の前記排ガスの空燃比が前記基準空燃比であり続けた場合において予め取得された「前記波形特徴値に応じた値と前記燃料中の硫黄濃度との第1の関係」、に基づいて前記燃料中の実際の硫黄濃度を推定するように構成されることが好適である。
上述の限界電流式ガスセンサと、
上述の昇圧操作を行い、その昇圧操作の完了後、上述の降圧操作を行う処理部と、
を備え、
その処理部は、
前記昇圧操作の開始から前記降圧操作の開始までの第1の期間内における前記排ガスの空燃比に基づいて昇圧時空燃比を取得し、
前記降圧操作が行われる第2の期間内に前記一対の電極間に流れる電流の極小値を取得し、
前記取得された極小値及び前記取得された昇圧時空燃比が所定条件を満足するとき警報を発するように構成されてもよい。
前記処理部は、前記酸素除去部を用いて、前記第2の期間内に前記ポンピングセルに導かれる排ガスから酸素を除去するように構成されることが好適である。
前記処理部は、前記別のポンピングセルの一対の電極間に流れる電流に基づいて前記排ガスの空燃比を取得するように構成され得る。即ち、本発明の限界電流式ガスセンサとして2セルタイプの限界電流式ガスセンサを用い、そのうちの一方のポンピングセルによって排ガスの空燃比を検出し、他方のセルによって波形特徴値を取得してもよい。
以下、図面を参照しながら本発明の第1実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第1制御装置」とも称呼される。)について説明する。第1制御装置は、図1に概略構成を示した機関10に適用される。機関10はディーゼルエンジンである。機関10は、吸気ポート21aを含む吸気通路21、燃焼室22、排気ポート23aを含む排気通路23、吸気弁24、排気弁25、燃料噴射弁26、排ガス浄化装置27、排気還流管28及びEGR制御弁29を含んでいる。
第1セル陽極電極55Bは、第2固体電解質層51Bの他方の側の表面(具体的には、第2大気導入路57Bを形成する第2固体電解質層51Bの表面)に固着されている。
第1セル陰極電極55A及び第1セル陽極電極55B並びに第2固体電解質層51Bは、第1セル55を構成している。
第2セル陽極電極56Bは、第1固体電解質層51Aの他方の側の表面(具体的には、第1大気導入路57Aを形成する第1固体電解質層51Aの表面)に固着されている。
第2セル陰極電極56A及び第2セル陽極電極56B並びに第1固体電解質層51Aは、第2セル56を構成している。第2セル56は、「ポンピングセル」又は「センサセル」とも称呼される。
第1セル電源55Cによって第1セル陰極電極55Aと第1セル陽極電極55Bとの間に印加電圧Vpが印加されると、内部空間58内の排ガスに含まれる酸素が第1セル陰極電極55Aにて酸素イオンとなる。この酸素イオンは第2固体電解質層51Bを通って第1セル陽極電極55Bへ移動し、第1セル陽極電極55Bにて酸素となる。この酸素は第2大気導入路57Bから大気中に放出される。酸素が内部空間58から第2大気導入路57Bへ移動する現象は「ポンピング」とも称呼される。酸素イオンの移動の結果、第1セル55(即ち、第1セル陰極電極55Aと第1セル陽極電極55Bとの間)に電極電流Ipが流れる。
第2セル電源56Cによって第2セル陰極電極56Aと第2セル陽極電極56Bとの間に印加される印加電圧Vsが上昇させられると、内部空間58内の「SOx、及び、第1セルによってポンピングされずに残った酸素」が還元され、その還元により発生した酸素イオンが第1固体電解質層51Aを通って第2セル陽極電極56Bへ移動する。その結果、第2セル56(即ち、第2セル陰極電極56Aと第2セル陽極電極56Bとの間)に電極電流Isが流れる。その後、印加電圧Vsが下降させられると、第2セル陰極電極56Aに付着した硫黄(S)が再酸化され、その結果、電極電流Isが流れる。以下、この点について更に詳細に説明する。
実線LU0により示されているように、排ガスがSOxを含んでいない場合、限界電流域(本例では、印加電圧Vsが0.2Vと0.8Vとの間にある範囲)においては、第1セル55によってポンピングされずに残った酸素の量は僅かであり且つ一定量であるから、印加電圧Vsが上昇しても電極電流Isは略一定となる。その後、更に印加電圧Vsが1.0Vに向けて上昇すると、排ガスに含まれている「O2及びSOx」以外の酸素原子を含む分子(例えば、水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)等であり、以下、「酸素原子含有分子」とも称呼する。)が分解され、その結果として生ずる酸素のポンピングに起因する電流が第1固体電解質層51Aを流れる。印加電圧Vsが0.8Vから1.0Vの範囲にある場合、酸素原子含有分子の総ては還元されてしまわないから、印加電圧Vsの上昇とともに電極電流Isは上昇する。
破線LU1により示されているように、排ガスがSOxを含んでいる場合であっても、印加電圧Vsが0.2Vから0.5V程度にまで上昇させられているときには、印加電圧Vsが低いのでSOxが還元されることはない。従って、実線LU0と同様に、電極電流Isは略一定となる。印加電圧Vsが0.5V近傍よりも高くなると、SOxが還元され、その結果として生ずる酸素のポンピングに起因する電流が第1固体電解質層51Aを流れる。但し、印加電圧Vsが0.5Vから1.0Vの範囲にある場合、SOxの総てが還元されてしまわないから、印加電圧Vsの上昇とともに電極電流Isは上昇する。なお、印加電圧Vsが0.8Vから1.0Vの範囲にある場合、酸素原子含有分子の還元に起因する電流がSOxの還元に起因する電流に重畳する。SOxの還元によって生じた硫黄(S)は、第1セル陰極電極55A上に蓄積(吸着)される。
次に、排ガスSOx濃度の検出方法について説明する。発明者は、「破線LD1に示される波形(印加電圧Vsが下降させられるときの電極電流Isの波形)は、実際の排ガスSOx濃度に応じて変化するから、そのときの電極電流Isの波形の特徴を表す値(波形特徴値)を利用することより排ガスSOx濃度Csoxを検出・取得することが可能である。」との知見を得た。
次に、燃料中の硫黄濃度Csを推定する方法について説明する。硫黄濃度Csが一定であっても「燃焼する混合気の空燃比」が変化すれば排ガス中のSOx濃度Csoxも変化する。「燃焼する混合気の空燃比」と「排ガスの空燃比AF」とは実質的に同じ値である。従って、排ガスの空燃比AFと排ガス中のSOx濃度とを用いることにより、硫黄濃度Csを推定することができる。
第1制御装置のECU30は、SOx濃度Csoxの検出を行わないとき(即ち、図6の時刻T0以前の期間)、ガスセンサ40(第2セル56)に印加される印加電圧Vsを第1電圧Vs1(本例では、0.4V)に維持している。第1電圧Vs1は、前述した「限界電流域(酸素のポンピングが限界に達している領域)」内の電圧であって且つSOxの還元が行われる電圧よりも低い電圧である。
次に、ECU30が実行する硫黄濃度Csの推定処理(硫黄濃度推定処理)を、図10に示されるフローチャートを用いてより具体的に説明する。ECU30のCPU34(以下、単に「CPU」とも称呼される。)は、所定の時間が経過するごとにステップ1000から処理を開始してステップ1005に進む。
ステップ1065:CPUは、「降圧操作の間、繰り返し実行されたステップ1050の処理により検出され、RAM36に格納された複数の電極電流Is」に基づいて電極電流Isの極小値である特定電流Ic1を取得する。
ステップ1070:CPUは、参照電流Ir1と特定電流Ic1との差である電流差分Id1(即ち、差分Id1=Ir1−Ic1)を求め、更に、図4に表されたマップ(ルックアップテーブル)に電流差分Id1を適用してSOx濃度Csoxを暫定的に取得する。
内燃機関(10)の排気経路(排気通路23)に配設され同排気経路の排ガスが導かれるポンピングセル(第2セル56)を有する限界電流式ガスセンサ(40)と、
前記ポンピングセルの一対の電極(第2セル陰極電極56A及び第2セル陽極電極56B)間への印加電圧(Vs)を所定の第1電圧(Vs1)から同第1電圧よりも高い所定の第2電圧(Vs2)まで上昇させる昇圧操作を行い、前記昇圧操作の完了後、前記印加電圧を前記第2電圧から同第2電圧よりも低い所定の第3電圧(Vs3)まで下降させる降圧操作を行う処理部(ECU30)と、
を備え、
前記処理部は、
前記昇圧操作の開始から前記降圧操作の開始までの第1の期間(時刻T0から時刻T1まで)内に前記排ガスの空燃比(AF)を複数回取得し(図10のステップ1025及びステップ1030)、
前記降圧操作が行われる第2の期間(時刻T1から時刻T2まで)内に前記一対の電極間に流れる電流の波形の特徴を表す波形特徴値(特定電流Ic1)を取得し(図10のステップ1060乃至ステップ1070)、
前記取得した波形特徴値と前記取得された複数の空燃比(AF)とを用いて前記内燃機関の燃料中の実際の硫黄濃度を推定する(図10のステップ1035、ステップ1070及びステップ1075)、
ように構成されている。
前記取得した波形特徴値を、前記取得した複数の空燃比に基づいて、前記取得された複数の空燃比のそれぞれが所定の基準空燃比(AFm)であったと仮定した場合の波形特徴値に応じた値(補正後SOx濃度Csoxm)へと変換し(図10のステップ1070及びステップ1075)、
前記変換された波形特徴値に応じた値、及び、前記第1の期間内の前記排ガスの空燃比が前記基準空燃比であり続けた場合において予め取得された前記波形特徴値に応じた値と前記燃料中の硫黄濃度との第1の関係(図8の直線L20)、に基づいて前記燃料中の実際の硫黄濃度を推定するように構成されている(図10のステップ1075)。
前記処理部は、前記酸素除去部を用いて、前記第2の期間内(及び前記第1の期間内)に前記ポンピングセル(第2セル56)に導かれる排ガスから酸素を除去するように構成されている。
次に、本発明の第2実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第2制御装置」とも称呼される。)について説明する。第1制御装置が適用される機関10は、2セルタイプの限界電流式ガスセンサ40を備えていた。これに対し、第2制御装置が適用される機関11は、限界電流式ガスセンサ40に代え「空燃比センサ44及び1セルタイプの限界電流式ガスセンサ45」を備えている。加えて、第1制御装置は、空燃比AFを一定に保つ制御を行っていなかった。これに対し、第2制御装置は、降圧操作の間、空燃比AFを一定に保つ制御を行う。以下、これらの相違点を中心に説明する。
第2電極65Bは、固体電解質層61の他方の側の表面(具体的には、大気導入路66を形成する固体電解質層61の表面)に固着されている。
第1電極65A及び第2電極65B並びに固体電解質層61は、ポンピングセル65を構成している。
次に、ECU31が実行する硫黄濃度Csの推定処理(硫黄濃度推定処理)を、図16及び図17に示されるフローチャートを用いてより具体的に説明する。なお、図16に示したステップのうち、図10に示された説明済みのステップについては、図10のそれらのステップに付された符号と同じ符号が付されている。これらのステップについての詳細な説明は適宜省略される。但し、図16においては、印加電圧Vsは印加電圧Vmに変更されており、電極電流Isは電極電流Imに変更されている。更に、参照電流Ir1、特定電流Ic1及び閾値Csth1は、参照電流Ir2、特定電流Ic2及び閾値Csth2にそれぞれ変更されている。
次に、本発明の第3実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第3制御装置」とも称呼される。)について説明する。第1制御装置は、限界電流式ガスセンサ40によって検出される空燃比AF及びSOx濃度Csoxに基づいて硫黄濃度Csを推定し、推定された硫黄濃度Csが所定の濃度閾値Csth1を超えるとき、車両の運転者に対して報知していた。これに対し、第3制御装置は、限界電流式ガスセンサ40によって検出される「昇圧操作中の空燃比AFの平均値」及び「特定電流Ic1」のそれぞれが所定の条件を満たすとき、車両の運転者に対して報知する点のみにおいて相違する。即ち、第3制御装置は、昇圧操作中の空燃比の平均値が所定の空燃比閾値AFthよりも大きく且つ特定電流Ic1が所定の電流閾値Icthよりも小さいとき、車両の運転者に対して硫黄濃度Csが高い状態であることを報知する。これにより、運転者は同状態に応じた措置を講じることが可能となる。以下、この点を中心に説明する。
次に、第3制御装置のECU32が実行する硫黄濃度報知処理を、図18に示されるフローチャートを用いてより具体的に説明する。なお、図18に示したステップのうち、図10に示された説明済みのステップについては、図10のそれらのステップに付された符号と同じ符号が付されている。これらのステップについての詳細な説明は適宜省略される。
内燃機関(10)の排気経路(23)に配設され同排気経路の排ガスが導かれるポンピングセル(第2セル56)を有する限界電流式ガスセンサ(40)と、
前記ポンピングセルの一対の電極(第2セル陰極電極56A及び第2セル陽極電極56B)間への印加電圧(Vs)を所定の第1電圧(Vs1)から同第1電圧よりも高い所定の第2電圧(Vs2)まで上昇させる昇圧操作を行い、前記昇圧操作の完了後、前記印加電圧を前記第2電圧から同第2電圧よりも低い所定の第3電圧(Vs3)まで下降させる降圧操作を行う処理部(ECU32)と、
を備え、
前記処理部は、
前記昇圧操作の開始から前記降圧操作の開始までの第1の期間(時刻T0から時刻T1まで)内における前記排ガスの空燃比(AF)に基づいて昇圧時空燃比(平均空燃比AFave)を取得し(図18のステップ1030及びステップ1810)、
前記降圧操作が行われる第2の期間(時刻T1から時刻T2まで)内に前記一対の電極間に流れる電流の極小値(特定電流Ic1)を取得し(図18のステップ1065)、
前記取得された極小値及び前記取得された昇圧時空燃比が所定条件を満足するとき警報を発する(図18のステップ1820及びステップ1085)ように構成されたている。
前記取得された極小値(特定電流Ic1)が所定の電流閾値(Icth)よりも小さく、且つ、前記取得された昇圧時空燃比(平均空燃比AFave)が所定の空燃比閾値(AFth)よりも大きいときに満足される条件である。
前記第1の期間内における前記排ガスの空燃比を複数回取得し(図18のステップ1025及びステップ1030)、前記取得された複数の空燃比の平均値を前記昇圧時空燃比として採用する(図18のステップ1810)ように構成されている。
上述したように、燃料中の硫黄濃度Csが同一であっても、昇圧操作中の空燃比AFが大きければ、排ガスSOx濃度Csoxが小さくなるので、特定電流Ic1が高くなる。従って、CPUは、電流閾値Icthaを、図19に示されるように平均空燃比AFaveが大きくなるほど大きくなる値に設定し、特定電流Ic1がこの電流閾値Icthaよりも小さいとき、前記所定条件を満足していると判定してもよい。
前記取得された極小値(特定電流Ic1)が、「前記取得された昇圧時空燃比(平均空燃比AFave)が大きいほど大きくなる電流閾値(電流閾値Ictha)」より小さいときに満足される条件(前述した図18のステップ1820の変形例)である。
次に、本発明の第4実施形態に係る内燃機関の制御装置(以下、「第4制御装置」とも称呼される。)について説明する。第3制御装置が機関10に適用されていたのに対し、第4制御装置は機関11に適用される。加えて、第2制御装置は、降圧操作の間、空燃比AFが「降圧操作開始時の空燃比」と等しくなるように空燃比維持制御を実行していた。これに対し、第4制御装置は、降圧操作の間、空燃比AFが基準空燃比AFmと等しくなるように基準空燃比維持制御を実行する。加えて、第2制御装置は、空燃比AFs及び電流差分Id2(=参照電流Ir2−特定電流Ic2)に基づいて補正処理を行うことによって硫黄濃度Csを推定し、硫黄濃度Csが濃度閾値Csth2より高ければ運転者へ報知していた。一方、第4制御装置は、第3実施形態と同様に、補正処理を行わず、平均空燃比AFave及び特定電流Ic2が所定条件を満たせば硫黄濃度Csが高いと判定して運転者へ報知する。以下、これらの相違点を中心に説明する。
次に、第4制御装置のECU33が実行する硫黄濃度報知処理を、図20及び図21に示されるフローチャートを用いてより具体的に説明する。なお、図20に示したステップのうち、図10、図16及び図18の何れかに示された説明済みのステップについては、それらのステップに付された符号と同じ符号が付されている。加えて、図21に示したステップのうち、図17に示された説明済みのステップについては、そのステップに付された符号と同じ符号が付されている。これらのステップについての詳細な説明は適宜省略される。
Claims (12)
- 内燃機関の排気経路に配設され同排気経路の排ガスが導かれるポンピングセルを有する限界電流式ガスセンサと、
前記ポンピングセルの一対の電極間への印加電圧を所定の第1電圧から同第1電圧よりも高い所定の第2電圧まで上昇させる昇圧操作を行い、前記昇圧操作の完了後、前記印加電圧を前記第2電圧から同第2電圧よりも低い所定の第3電圧まで下降させる降圧操作を行う処理部と、
を備え、
前記処理部は、
前記昇圧操作の開始から前記降圧操作の開始までの第1の期間内に前記排ガスの空燃比を複数回取得し、
前記降圧操作が行われる第2の期間内に前記一対の電極間に流れる電流の波形の特徴を表す波形特徴値を取得し、
前記取得した波形特徴値と前記取得された複数の空燃比とを用いて前記内燃機関の燃料中の実際の硫黄濃度を推定する、
ように構成された、内燃機関の制御装置。 - 請求項1に記載の内燃機関の制御装置において、
前記処理部は、前記波形特徴値として、前記第2の期間内に前記一対の電極間に流れる電流の極小値を取得するように構成された制御装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の内燃機関の制御装置において、
前記処理部は、
前記取得した波形特徴値を、前記取得した複数の空燃比に基づいて、前記取得された複数の空燃比のそれぞれが所定の基準空燃比であったと仮定した場合の波形特徴値に応じた値へと変換し、
前記変換された波形特徴値に応じた値、及び、前記第1の期間内の前記排ガスの空燃比が前記基準空燃比であり続けた場合において予め取得された前記波形特徴値に応じた値と前記燃料中の硫黄濃度との第1の関係、に基づいて前記燃料中の実際の硫黄濃度を推定するように構成された制御装置。 - 請求項3に記載の内燃機関の制御装置において、
前記処理部は、前記波形特徴値に応じた値として前記排ガスの硫黄酸化物濃度を採用している制御装置。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
前記処理部は、前記推定された硫黄濃度が所定の濃度閾値よりも大きいとき警報を発するように構成された制御装置。 - 内燃機関の排気経路に配設され同排気経路の排ガスが導かれるポンピングセルを有する限界電流式ガスセンサと、
前記ポンピングセルの一対の電極間への印加電圧を所定の第1電圧から同第1電圧よりも高い所定の第2電圧まで上昇させる昇圧操作を行い、前記昇圧操作の完了後、前記印加電圧を前記第2電圧から同第2電圧よりも低い所定の第3電圧まで下降させる降圧操作を行う処理部と、
を備え、
前記処理部は、
前記昇圧操作の開始から前記降圧操作の開始までの第1の期間内における前記排ガスの空燃比に基づいて昇圧時空燃比を取得し、
前記降圧操作が行われる第2の期間内に前記一対の電極間に流れる電流の極小値を取得し、
前記取得された極小値及び前記取得された昇圧時空燃比が所定条件を満足するとき警報を発するように構成された、内燃機関の制御装置。 - 請求項6に記載の内燃機関の制御装置において、
前記所定条件は、
前記取得された極小値が所定の電流閾値よりも小さく、且つ、前記取得された昇圧時空燃比が所定の空燃比閾値よりも大きいときに満足される条件である制御装置。 - 請求項6に記載の内燃機関の制御装置において、
前記所定条件は、
前記取得された極小値が、前記取得された昇圧時空燃比が大きいほど大きくなる電流閾値より小さいときに満足される条件である制御装置。 - 請求項6乃至請求項8の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
前記処理部は、
前記第1の期間内における前記排ガスの空燃比を複数回取得し、前記取得された複数の空燃比の平均値を前記昇圧時空燃比として採用するように構成された制御装置。 - 請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
前記限界電流式ガスセンサは、前記ポンピングセルに導かれる排ガスから酸素を除去することが可能な酸素除去部を更に備え、
前記処理部は、前記酸素除去部を用いて、少なくとも前記第2の期間内に前記ポンピングセルに導かれる排ガスから酸素を除去するように構成された、
制御装置。 - 請求項10に記載の内燃機関の制御装置において、
前記酸素除去部は、前記ポンピングセルとは別のポンピングセルであり、
前記処理部は、前記別のポンピングセルの一対の電極間に流れる電流に基づいて前記排ガスの空燃比を取得するように構成された、制御装置。 - 請求項1乃至請求項11の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置において、
前記処理部は、前記第2の期間内に、前記排ガスの空燃比が一定に保たれるように前記内燃機関を制御するように構成された制御装置。
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