JP2015230166A - ガスセンサ制御システム、ガスセンサ制御装置及びガスセンサの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスセンサ制御システム1は、内部抵抗検知手段とヒータ通電制御手段とを備え、検知時間TMは、1.0msecよりも長い時間であり、目標抵抗値Rtは、リッチ雰囲気の排気ガスEGr下で、検知電極温度Tdが、検知電極3Nに排気ガスEG中の炭素が析出しない所定の非析出温度Tdnであるときに、検知される内部抵抗Riであるリッチ内部抵抗Rirの値に定められており、ヒータ通電制御手段は、リッチ雰囲気の排気ガスEGr下及びリーン雰囲気の排気ガスEGl下のいずれでも、目標抵抗値Rtを用いてフィードバック制御を行う。
【選択図】図1
Description
なお、リッチ雰囲気の排気ガスは、理論空燃比よりも燃料が多い(リッチな)ため、燃焼後の排気ガス中に酸素をほとんど含まない状態(例えば、1体積%以下)の排気ガスであり、リーン雰囲気の排気ガスは、理論空燃比よりも燃料が少ない(リーンな)ため、燃焼後の排気ガス中に酸素を多く含む(例えば、10〜20体積%)状態の排気ガスである。
このガスセンサの検知素子を構成する固体電解質体は、おおむね600℃以上の高温状態(活性化状態)で良好な酸素イオン伝導性を示す。そこでガスセンサに、検知素子を加熱するヒータを設け、検知素子を活性化状態とするべく加熱する。しかも、検知素子の内部抵抗が、その素子温度に応じて変化することを利用して、検知素子の内部抵抗が目標抵抗値になるように、ヒータへの通電をフィードバック制御することが行われている。
一方、酸素濃度が高いリーン雰囲気の排気ガス中には、検知電極の検知電極温度が、もし、リッチ雰囲気の排気ガス下ならば炭素が析出し始める温度(例えば670℃)以下になっても、化学平衡の観点から析出炭素の起源となるCOが含まれないため、検知電極に炭素が析出しない。
一方、リーン雰囲気の排気ガス下では、リッチ雰囲気よりも電極界面抵抗が小さく、検知される内部抵抗の値も小さくなるので、内部抵抗から換算される検知電極の検知電極温度は逆に高く見える。したがって、リーン雰囲気では、リッチ雰囲気と同じ目標抵抗値を用いてフィードバック制御を行うと、リッチ雰囲気の場合に比べ、検知電極の検知電極温度を低くする方向に制御がされる。但し、酸素濃度が高いリーン雰囲気では、検知電極の検知電極温度が、リッチ雰囲気で炭素が析出しない温度範囲内の温度であればもちろん、リッチ雰囲気ならば炭素が析出し始める温度(例えば670℃)よりも低い温度になった場合でも、検知電極に炭素が析出しない。しかも、リーン雰囲気では、検知電極の検知電極温度が低くなるように制御されることで、ヒータへの投入電力も低下するので、省電力となる。また、リッチ雰囲気及びリーン雰囲気のいずれでも、同じ目標抵抗値を用いて制御するので、簡易な制御となる。
このように、簡易な制御で検知電極への炭素の析出を防ぎ、しかも、全体としてヒータ通電における省電力化を図ることができる。
ガスセンサ2は、内燃機関の排気ガスEGがリッチ雰囲気の排気ガスEGrであるかリーン雰囲気の排気ガスEGlであるかを検知する酸素センサであり、ガスセンサ制御システム1は、ガスセンサ2が、図示しない車両の内燃機関の排気管に装着され、内燃機関の空燃比制御に用いられる。
また、ガスセンサ制御装置20は、マイクロプロセッサ10のほか、後述するパルス信号出力回路11、電圧シフト回路12、出力検出回路13及びヒータ制御回路14を備えている。
なお、ガスセンサ2(酸素センサ)は、検知素子3が活性化温度とされたときに、センサ出力Vout(起電力)が、理論空燃比(λ=1)を境にして、リッチ雰囲気とリーン雰囲気との間で二値的に急峻に変化し、リーン雰囲気の排気ガスEGl下では約50mV、リッチ雰囲気の排気ガスEGr下では約900mVを示す特性を有する。
そして、電圧シフト回路12のスイッチング素子Trをオンする直前のセンサ出力Voutと、電圧シフト回路12のスイッチング素子Trをオンして所定の検知時間TMが経過した後(スイッチング素子Trをオフする直前)のセンサ出力Voutとの差分から、内部抵抗Riによる電圧降下を算出して、検知素子3の内部抵抗Riを検知する。
Vo(OFF)=EV …(1)
一方、スイッチング素子Trをオンすることにより基準抵抗器R1及び検知素子3を流れる電流の大きさをIとし、スイッチング素子Trをオンしたときに出力検出回路13で測定されるセンサ出力VoutをVo(ON)とすると、このセンサ出力Vo(ON)は、起電力EVと内部抵抗Riに生じる電圧降下Ri・Iとの和となる(式(2)参照)。
Vo(ON)=EV+Ri・I …(2)
なお、このときの電流Iの大きさは、次式(3)で与えられる。
I=(Vcc−EV)/(R1+Ri) …(3)
Ri=R1(Vo(ON)−Vo(OFF))/(Vcc−Vo(ON)) …(4)
また、表1は、ギブスの自由エネルギー(式(7)の(2ΔG1+ΔG2)の値)と検知電極温度Tdの関係を示したものであり、検知電極温度Tdが約670℃(正確には、671.13℃)のときに、(2ΔG1+ΔG2)の値が0となる。また、図2は、この表1の関係をグラフに示したものである。
式(6): 2C+O2=2CO+ΔG2
式(7): 式(5)×2+式(6)
2C+2H2O=2H2+2CO+(2ΔG1+ΔG2)
そこで、本実施形態では、検知時間TMを1.0msecよりも長い時間、具体的には、TM=10.0msecとしている。これにより、排気ガスEGがリッチ雰囲気の排気ガスEGrであるかリーン雰囲気の排気ガスEGlであるかによって、検知される内部抵抗Riの値が大きく異なることになる。
本実施形態では、非析出温度Tdnとして、炭素が析出し始める非析出下限温度Tdb(約670℃)よりも高い、非析出温度範囲TdnR(670℃以上)内の温度のTdn=708℃とする。本実施形態の検知素子3において、リッチ雰囲気の排気ガスEGr下で、検知電極温度Tdがこの非析出温度Tdn(=708℃)であるときに、検知されるリッチ内部抵抗Rirは、880Ωである。そこで、本実施形態では、目標抵抗値Rtを、Rt=880Ω(=リッチ内部抵抗Rir)に設定している(表2参照)。
表3に、検知時間TM=10.0msec、目標抵抗値Rt=880Ω(=リッチ内部抵抗Rir)として、ヒータ4をフィードバック通電制御した場合において、リッチ雰囲気の排気ガスEGr及びリーン雰囲気の排気ガスEGl下での検知電極3Nの検知電極温度Tdとヒータ4への投入電力との関係を示す。
なお、この非析出温度Tdnとリーン下温度Tdlとの関係は、表2の最下段と同じ関係である。また、リーン下温度Tdlは、リッチ雰囲気の排気ガスEGr下ならば炭素が析出し始める非析出下限温度Tdb(約670℃)よりも低いが、前述したように、リーン雰囲気の排気ガスEGl下では、検知電極3Nの検知電極温度Tdが、非析出下限温度Tdb以下になっても、検知電極3Nに炭素が析出しない。
この図4に示すフローチャートは、マイクロプロセッサ10が実行するプログラムのうち、センサ出力Voutの取得のほか、内部抵抗Riを検知し、ヒータ4の通電制御を行う処理のフローを示している。
これにより、表3に示すように、リッチ雰囲気の排気ガスEGr下では、検知電極温度Tdが、非析出下限温度Tdb(約670℃)よりも高い708℃(=非析出温度Tdn)となるように制御される。一方、リーン雰囲気の排気ガスEGl下では、検知電極温度Tdが、非析出温度範囲TdnRの下限の非析出下限温度Tdb(約670℃)よりも低い641℃(=リーン下温度Tdl)となるように制御される。
一方、リーン雰囲気の排気ガスEGl下では、リッチ雰囲気と同じ目標抵抗値Rt(=880Ω)を用いてフィードバック制御を行うと、リッチ雰囲気の場合に比べ、検知電極3Nの検知電極温度Tdを低くする方向に制御がされる。そして、酸素濃度が高いリーン雰囲気では、検知電極3Nの検知電極温度Tdが、リッチ雰囲気で炭素が析出しない非析出温度範囲TdnR内の温度であればもちろん、リッチ雰囲気ならば炭素が析出し始める非析出下限温度Tdbよりも低い温度になった場合でも、検知電極3Nに炭素が析出しない。しかも、リーン雰囲気では、検知電極3Nの検知電極温度Tdが低くなるように制御されることで、ヒータ4への投入電力も低下する(表3参照)ので、省電力となる。また、リッチ雰囲気及びリーン雰囲気のいずれでも、同じ目標抵抗値Rtを用いて制御するので、簡易な制御となる。
このように、簡易な制御で検知電極3Nへの炭素の析出を防ぎ、しかも、全体としてヒータ通電における省電力化を図ることができる。
また、本実施形態に示したガスセンサ2の制御方法により、ガスセンサ2を制御すれば、簡易な制御で検知電極3Nへの炭素の析出を防ぎ、しかも、ヒータ通電における省電力化を図ることができる。
また、本実施形態において、検知した内部抵抗Riが目標抵抗値Rtとなるように、ヒータ4への通電をフィードバック制御するマイクロプロセッサ10の実行ステップ(即ち、ステップS3,S4を実行しているマイクロプロセッサ10)が、ヒータ通電制御ステップに相当する。
例えば、実施形態では、パルス信号出力回路11及び電圧シフト回路12(図1参照)を用いて、スイッチング素子Tr及び基準抵抗器R1を介し、検知素子3に電流Iを流すことで、検知素子3の基準電極3Pと検知電極3Nとの間を流れる電流をほぼ0からIに一時的に変化させて、内部抵抗Riを検知する構成とした。しかし、例えば、検知素子3の基準電極3Pに外部の電圧を一時的に印加する回路(例えば、電圧シフト回路12の基準抵抗器R1に代えて、電流計を介在させて、電源電圧Vccを印加する回路)を用いることで、検知素子3の検知電極3Nと基準電極3Pとの間の電圧(センサ出力Vout)を一時的に変化させて、内部抵抗Riを検知する構成とすることもできる。
2 ガスセンサ(酸素センサ)
3 検知素子
3N 検知電極
3P 基準電極
4 ヒータ
EG 排気ガス
EGr リッチ雰囲気の排気ガス
EGl リーン雰囲気の排気ガス
AR 基準雰囲気
Ri 内部抵抗
Rt 目標抵抗値
Vout センサ出力
I 電流
10 マイクロプロセッサ
11 パルス信号出力回路(内部抵抗検知手段)
12 電圧シフト回路(内部抵抗検知手段)
13 出力検出回路(内部抵抗検知手段)
14 ヒータ制御回路(ヒータ通電制御手段)
20 ガスセンサ制御装置
S3 内部抵抗検知手段
S4 ヒータ通電制御手段
S3,S4 ヒータ通電制御ステップ
Claims (5)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを含み、これを制御するガスセンサ制御システムであって、
上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、
上記内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、
上記検知時間は、
1.0msecよりも長い時間であり、
上記目標抵抗値は、
リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、
上記ヒータ通電制御手段は、
上記リッチ雰囲気の排気ガス下及びリーン雰囲気の排気ガス下のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行う
ガスセンサ制御システム。 - 請求項1に記載のガスセンサ制御システムであって、
前記リッチ雰囲気の排気ガス下で、前記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない前記検知電極温度の温度範囲を非析出温度範囲とし、
前記リーン雰囲気の排気ガス下で、前記内部抵抗が前記目標抵抗値となっているときの上記検知電極温度をリーン下温度としたとき、
前記検知時間及び前記目標抵抗値を、
上記リーン下温度が上記非析出温度範囲よりも低い温度となる値に定めてなる
ガスセンサ制御システム。 - 請求項2に記載のガスセンサ制御システムであって、
前記検知時間を、
前記非析出温度と前記リーン下温度との差が10℃以上となる値に定めてなる
ガスセンサ制御システム。 - 酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを制御するガスセンサ制御装置であって、
上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、
上記内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、
上記検知時間は、
1.0msecよりも長い時間であり、
上記目標抵抗値は、
リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、
上記ヒータ通電制御手段は、
上記リッチ雰囲気の排気ガス下及びリーン雰囲気の排気ガス下のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行う
ガスセンサ制御装置。 - 酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを制御するガスセンサの制御方法であって、
上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて検知した上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御ステップを備え、
上記検知時間は、
1.0msecよりも長い時間であり、
上記目標抵抗値は、
リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、
上記ヒータ通電制御ステップで、
上記リッチ雰囲気の排気ガス下及びリーン雰囲気の排気ガス下のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行う
ガスセンサの制御方法。
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