JP2017201246A - 窒素酸化物センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】NOxセンサ10は、被測ガス室30と、センサセル51と、ポンプセル52と、電圧印加回路60と、センサ出力検出器62と、センサセルへの印加電圧を制御する電圧制御部80aと、被測ガス中のNOx濃度を算出する濃度算出部80eと、ポンプセルの温度を推定する温度推定部80bと、被測ガスの空燃比を推定する空燃比推定部80dと、ポンプセルの温度が500℃以上であってポンプセルの活性温度未満の所定の温度領域内にあり且つ被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである時間の積算値を第一積算時間として算出する時間算出部80cとを備える。濃度算出部は、第一積算時間が相対的に長い場合には、第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、センサセルの出力に対して被測ガス中のNOx濃度を高く算出する。
【選択図】図2
Description
以下、図1〜図13を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
図1は、本発明の第一実施形態に係る窒素酸化物センサ(NOxセンサ)が設けられた内燃機関1を概略的に示す図である。図1に示される内燃機関1は、圧縮自着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)である。内燃機関1は例えば車両に搭載される。
以下、図1〜図4を参照して、本発明の第一実施形態に係る窒素酸化物センサ(NOxセンサ)10の構成について説明する。NOxセンサ10は、内燃機関1の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度を検出する。NOxセンサ10は、所定の電圧を印加したときにセンサ内に流れる限界電流を検出することによって排気ガス中のNOx濃度を算出する限界電流式NOxセンサである。
以下、NOxセンサ10を用いて排気ガス中のNOx濃度を検出する原理について説明する。上述したように、内燃機関1の排気通路を流れる排気ガスは拡散律速層16を通って被測ガス室30内に被測ガスとして導入される。被測ガス室30内に導入された被測ガスは最初にポンプセル52に到達する。
NOxセンサ10では、NOx濃度の検出精度を確保するために、各電気化学セルの温度を活性温度以上にする必要がある。しかしながら、ポンプセル52の温度が過剰に高くなると、ポンプセル52の第三電極43から金(Au)が蒸散する。蒸散したAuは、センサセル51の第一電極41に付着し、センサセル51の出力を恒久的に低下させる。このため、NOx濃度の検出時に、NOxセンサ10のセンサ素子10bの温度はヒータ55によって所定の制御温度(例えば750℃〜800℃)に制御される。この結果、NOxセンサ10によるNOx濃度の検出精度を確保することができる。
以下、本実施形態におけるNOxセンサ10の制御について説明する。図2に示されるように、NOxセンサ10は、電圧制御部80a、温度推定部80b、時間算出部80c、空燃比推定部80d、濃度算出部80e及びヒータ制御部80fを更に備える。本実施形態では、電圧制御部80a、温度推定部80b、時間算出部80c、空燃比推定部80d、濃度算出部80e及びヒータ制御部80fはECU80の一部である。
Osac=Osbc×A …(1)
以下、図9のタイムチャートを参照して、NOxセンサ10の制御について具体的に説明する。図9は、本発明の第一実施形態におけるNOxセンサ10の制御を実施する際の、内燃機関1のオンオフ、ヒータ55のオンオフ、ポンプセル52の温度、被測ガスの空燃比、第一積算時間ET1及び補正係数Aの概略的なタイムチャートである。図示した例では、ポンプセル52の温度はポンプセル52のインピーダンスに基づいて算出されている。また、被測ガスの空燃比はポンプセル52の出力に基づいて算出されている。
以下、図10のフローチャートを参照して、被測ガス中のNOx濃度を算出するための制御について説明する。図10は、本発明の第一実施形態におけるNOx濃度算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関1の始動後、ECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
図11は、本発明の第一実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関1の始動後、ECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
Cnac=Cnbc×A …(2)
ここで、CnbcはステップS106において算出されたNOx濃度であり、AはステップS104において算出された補正係数である。なお、NOx濃度の補正に用いられる補正係数の値は、ステップS105においてセンサ出力の補正に用いられる補正係数の値とは異なる。
第二実施形態に係るNOxセンサは、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係るNOxセンサの構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図14は、本発明の第二実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関1の始動後、ECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図14におけるステップS301及びステップS302は、図11におけるステップS201及びステップS202と同様であることから説明を省略する。
AT=ΔT×AFe/AFr…(3)
ここで、ΔTは本制御ルーチンの実行間隔に相当する時間であり、AFeは空燃比推定部80dによって推定された被測ガスの空燃比であり、AFrは、基準となる被測ガスの空燃比であり、例えば理論空燃比よりもリーンな所定の値である。
第三実施形態に係るNOxセンサは、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係るNOxセンサの構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図15は、本発明の第三実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関1の始動後、ECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図15におけるステップS402〜ステップS404は、図11におけるステップS201〜ステップS203と同様であることから説明を省略する。
第四実施形態に係るNOxセンサは、以下に説明する点を除いて、基本的に第三実施形態に係るNOxセンサの構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第三実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図17は、本発明の第四実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関1の始動後、ECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図17におけるステップS501〜ステップS505は、図15におけるステップS401〜ステップS405と同様であることから説明を省略する。
10 NOxセンサ
10b センサ素子
11 第一固体電解質層
12 第二固体電解質層
30 被測ガス室
41 第一電極
42 第二電極
43 第三電極
44 第四電極
51 センサセル
52 ポンプセル
60 第一電圧印加回路
62 第一電流計
80 電子制御ユニット(ECU)
80a 電圧制御部
80b 温度推定部
80c 時間算出部
80d 空燃比推定部
80e 濃度算出部
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサであって、
前記排気ガスが被測ガスとして導入される被測ガス室と、
酸化物イオン伝導性を有するセンサ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の一方の側面上に配置された第一電極と、基準ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第二電極とを有するセンサセルと、
酸化物イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の一方の側面上に配置され且つ白金−金合金から構成された第三電極と、前記基準ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第四電極とを有すると共に、前記被測ガスの流れ方向において前記センサセルよりも上流側に配置されたポンプセルと、
前記第二電極の電位が前記第一電極の電位よりも高くなるように前記センサセルに電圧を印加する電圧印加回路と、
前記センサセルの出力を検出するセンサ出力検出器と、
前記電圧印加回路から前記センサセルに印加される電圧を制御する電圧制御部と、
前記電圧制御部によって窒素酸化物の分解開始電圧以上の電圧が前記センサセルに印加されたときに前記センサ出力検出器によって検出された前記センサセルの出力に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を算出する濃度算出部と、
前記ポンプセルの温度を推定する温度推定部と、
前記被測ガスの空燃比を推定する空燃比推定部と、
前記温度推定部によって推定された前記ポンプセルの温度が500℃以上であって該ポンプセルの活性温度未満の所定の温度領域内にあり且つ前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである時間の積算値を第一積算時間として算出する時間算出部と
を備え、
前記濃度算出部は、前記第一積算時間が相対的に長い場合には、該第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、窒素酸化物センサ。 - 前記時間算出部は、前記温度推定部によって推定された前記ポンプセルの温度が前記活性温度よりも高い基準温度以上である時間の積算値を第二積算時間として算出し、
前記濃度算出部は、前記第二積算時間が相対的に長い場合には、該第二積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、請求項1に記載の窒素酸化物センサ。 - 前記濃度算出部は、同一の前記第一積算時間及び前記第二積算時間に対して、前記第二積算時間に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する程度が、前記第一積算時間に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する程度よりも大きくなるように前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を算出する、請求項2に記載の窒素酸化物センサ。
- 前記時間算出部は、正の数である第一係数を前記第一積算時間に乗じた値と、前記第一係数よりも大きい第二係数を前記第二積算時間に乗じた値との和を合計積算時間として算出し、
前記濃度算出部は、前記合計積算時間が相対的に長い場合には、該合計積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、請求項3に記載の窒素酸化物センサ。 - 前記時間算出部は、前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比のリーン度合に基づいて前記第一積算時間を補正し、
前記濃度算出部は、補正後の前記第一積算時間が相対的に長い場合には、該補正後の第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、請求項1から3のいずれか1項に記載の窒素酸化物センサ。 - 前記時間算出部は、前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比のリーン度合に基づいて前記第一積算時間を補正し、
前記時間算出部は、前記第一係数を補正後の前記第一積算時間に乗じた値と、前記第二係数を前記第二積算時間に乗じた値との和を合計積算時間として算出する、請求項4に記載の窒素酸化物センサ。
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