JP3587943B2 - 全領域空燃比センサの温度制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれる酸素の濃度を検出する全領域空燃比センサの温度制御方法及び温度制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
エンジンに供給する混合気の空燃比を目標値に制御し、排気ガス中のCO、NOx 、HCを軽減するために、排気系に酸素センサを設け、空燃比と相関関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御することが知られている。このフィードバック制御に用いられる酸素センサとしては、特定の酸素濃度(特に理論空燃比雰囲気)で出力がステップ状に変化するλセンサと、リーン領域からリッチ領域まで連続的に出力が変化する全領域空燃比センサとが主に用いられている。全領域空燃比センサは、上述したように排気ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき、フィードバック制御の速度及び精度を向上させ得るため、より高速な高精度制御が要求される際に用いられている。
【0003】
全領域空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体の2つのセルを間隙(測定室)を介して対向配設し、一方のセルを間隙内の酸素を周囲にくみ出すもしくは周囲から酸素をくみ込むポンプセルとして用い、また、他方のセルを酸素基準室と間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとして用い、起電力セルの出力が一定になるようにポンプセルを動作させ、その時に該ポンプセルに流す電流を、測定酸素濃度比例値として測定する。この全領域空燃比センサの動作原理は、本出願人の出願に係る特開昭62−148849号中に詳述されている。
【0004】
この全領域空燃比センサを動作させるためには、該ポンプセル及び起電力セルを所定温度以上に加熱し、酸素イオン伝導性固体電解質体の活性を高める必要がある。このため、全領域空燃比センサには、加熱用のヒータ(以下単にヒータとも言う)がポンプセル及び起電力セルの近傍に取り付けられている。
【0005】
現在、排気ガス中のCO、NOx、HC等の有害ガス成分を更に低減することが求められている。この有害ガスの除去には、酸素センサにて排気ガス中の酸素濃度を更に正確に測定し、空燃比のフィードバック制御を高速で行う必要がある。ここで、酸素センサの精度を高めるためには、酸素センサの温度を一定に保つことが要求される。一定温度を実現するために、ヒータの抵抗値を測定することにより、温度を測定し、測定温度をセル温度とほぼ等しいと見なして、ヒータの温度を一定に保つ方法が取られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、排気ガスの温度が低いときや、ガスの流速が大きいときには、セル温度とヒータ温度が一致しなくなり、高精度でセル温度を制御することができなかった。このため、本発明者は、全領域空燃比センサによる酸素濃度の測定を一時中断し、起電力セルに測定用の電流を流して、該素子の内部抵抗を測定することで、直接温度を測定する方法を案出した。しかし、この方法では、該起電力セルに電流を流した際に、起電力セルとポンプセルとの間の間隙(測定室)の酸素をくみ出すため、該起電力セルの温度測定後、該全領域空燃比センサによる酸素濃度の測定を再開した際に、しばらくの間正確に濃度測定ができなくなる、即ち、酸素濃度の測定を長期に渡って中断せざるを得ないという課題が予想される。
【0007】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、酸素濃度の測定を長時間に渡って中断することなく、温度を正確に測定し得る全領域空燃比センサの温度制御方法及び装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項1は、加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セルとを間隙を介して対向配設し、酸素濃度を測定する全領域空燃比センサの温度制御方法であって、
前記ポンプセルによるくみ出し、或いは、くみ込みと、前記起電力セルによるくみ込み、或いは、くみ出しとによる、前記隙間への酸素の出入りが相殺される逆極性の電流もしくは電圧を同時に印加して、前記起電力セル又はポンプセルの抵抗値を測定することで、該全領域空燃比センサの温度を求めることを技術的特徴とする。
【0009】
更に、請求項2は、加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セルとを間隙を介して対向配設し、酸素濃度を測定する全領域空燃比センサの温度制御装置であって、
前記起電力セルのマイナス端子と、前記ポンプセルのマイナス端子との共通端子に接続されたノードと、
該ノードの電位を一定に保つように前記ポンプセルのプラス端子へ電流を印加する定電流印加手段と、
前記ノードに抵抗を介して出力端子が接続され、該抵抗を介して流れる電流によって起電力セルの電位を一定に保つPID回路と、
前記起電力セルのプラス端子に起電力セルの温度測定用電流もしくは電圧を印加する印加手段と、
前記起電力セルのプラス端子と前記PID回路の入力との間に介在し、前記印加手段による起電力セルへの温度測定用電流もしくは電圧の印加時に、該PID回路の入力電位を一定に保つホールド手段と、
前記印加手段による起電力セルへの温度測定用電流もしくは電圧の印加時に、該起電力セルの電位を測定し、起電力セルの温度を測定する測定手段と、から成ることを技術的特徴とする。
【0010】
請求項1の発明では、ポンプセルと起電力セルとに、逆極性の電流もしくは電圧を同時に印加して、起電力セル及び/又はポンプセルの抵抗値を測定する。ストイキに保たれている間隙(測定室)の酸素濃度は、起電力セルへ流される電流もしくは電圧による酸素のくみ込み、また、くみ出しにより変化しようとするが、逆極性の電流もしくは電圧をポンプセル側にも流すので、該ポンプセルによって酸素がくみ出され、或いは、くみ込まれ、これにより酸素の出入りが相殺されて、該間隙(測定室)の酸素濃度がストイキに保たれる。このため、抵抗値(温度)の測定終了後に、該全領域空燃比センサにて直ちに酸素濃度の測定を再開できる。
【0011】
請求項2の発明では、印加手段が、起電力セルのプラス端子へ温度測定用電流もしくは電圧を印加した際に、起電力セルのプラス端子とPID回路の入力との間に介在しているホールド手段が、該PID回路の入力電位を一定に保ち、該PID回路の出力値を一定に維持する。このため、定電流印加手段が、該PID回路に抵抗を介して接続された該ノードの電位を一定に保つように前記ポンプセルのプラス端子へ電流を印加する。即ち、該定電流印加手段が、起電力セル側へ印加された温度測定用電流もしくは電圧と、逆極性の電流もしくは電圧をポンプセル側へ印加する。
ここで、ポンプセルと起電力セルとに、逆極性の電流もしくは電圧を同時に印加して、起電力セル及び/又はポンプセルの抵抗値を測定する。ストイキに保たれている間隙(測定室)の酸素濃度は、起電力セルへ流される電流もしくは電圧による酸素のくみ込み、また、くみ出しにより変化しようとするが、逆極性の電流もしくは電圧をポンプセル側にも流すので、該ポンプセルによって酸素がくみ出され、或いは、くみ込まれ、これにより酸素の出入りが相殺されて、該間隙(測定室)の酸素濃度がストイキに保たれる。このため、抵抗値(温度)の測定終了後に、該全領域空燃比センサにて直ちに酸素濃度の測定を再開できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施態様について図を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係る全領域空燃比センサを示している。セル10は排気ガス系に配設される。該セル10は、排気ガス中の酸素濃度を測定すると共に該セル10の温度を測定するコントローラ50に接続されている。このセル10には、ヒータ制御回路60にて制御されるヒータ70が、図示しないセラミック製接合剤を介して取り付けられている。ヒータ70は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックから成りその内部にヒータ配線72が配設されている。ヒータ制御回路60は、コントローラ50により測定されるセル10の温度を、目標値に保つようヒータ70へ電力を印加し、該セル10の温度を目標値に維持する様に機能する。
【0013】
セル10は、ポンプセル14と、多孔質拡散層18と、起電力セル24と、補強板30とを積層することにより構成されている。ポンプセル14は、酸素イオン伝導性固体電解質材料である安定化または部分安定化ジルコニア(ZrO2 ) により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極12、16を有している。測定ガスに晒される表面側の多孔質電極12は、Ip電流を流すためにIp+電圧が印加されるのでIp+電極として参照する。また、裏面側の多孔質電極16は、Ip電流を流すためにIp−電圧が印加されるのでIp−電極として参照する。
【0014】
起電力セル24も同様に安定化または部分安定化ジルコニア(ZrO2 )により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極22、28を有している。間隙(測定室)20側に配設された多孔質電極22は、起電力セル24の起電力の−電圧が生じるためVs−電極として参照し、また、基準酸素室26側に配設された多孔質電極28は、起電力セル24の起電力の+電圧が生じるためVs+電極として参照する。なお、基準酸素室26の基準酸素は多孔質電極22から一定量の酸素を多孔質電極28にポンピングする事により生成する。ポンプセル14と起電力セル24との間には、多孔質拡散層18により包囲された間隙20が形成されている。即ち、該間隙20は、多孔質拡散層18を介して測定ガス雰囲気と連通されている。なお、本実施態様では、多孔質物質を充填して成る多孔質拡散層18を用いるが、この代わりに小孔を配設することも可能である。
【0015】
ここで、測定ガスの酸素濃度と間隙20の酸素濃度との差に応じた酸素が、間隙20側に多孔質拡散層18を介して拡散して行く。ここで、間隙20内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室26との間の酸素濃度差により、起電力セル24のVs+電極28とVs−電極22との間には、約0.45vの電位が発生する。このため、コントローラ50は、ポンプセル14に流す電流Ipを、上記起電力セル電位24の起電力Vsが0.45vとなるように調整することで、間隙20内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つためのポンプセル電流量Ipに基づき、測定ガス中の酸素濃度を測定する。
【0016】
引き続き、コントローラ50の構成を示す図2を参照して制御動作について述べる。
コントローラ50は、セル10により酸素濃度を測定する動作と、セル10の起電力セル24及びポンプセル14の抵抗値を測定することで温度を測定する動作とを行っている。ここでは、まず、酸素濃度測定について説明する。
【0017】
オペアンプOP2は、一方の入力端子に+4Vが印加され、他方の入力端子はVCENT点に接続されており、出力端子にて、ポンプセル14を介して流れるIp電流が変化しても、VCENT点に於いて4Vに保っように動作する。PID制御を行うPID回路は、起電力セル24の起電力を検出し、抵抗R1を介して流すIp電流によって該起電力を一定(0.45V)に保つようにポンプセル14の電流Ipを決定する動作を行う。このように、PID回路にて起電力セル24の起電力が0.45Vに保持された状態で、ポンプセル14に流される電流Ipの量に比例する電圧VPID がPID回路の出力端に現れ、この電圧を酸素濃度検出回路52で、図示しないA/D回路にてデジタル値に変換した後、保持しているマップから対応する酸素濃度値を検索し、この値を図示しないエンジン制御装置側へ出力する。即ち、上記PID回路の出力電圧VPID は、起電力セル24の電位Vsの目標値(0.45V)との差で決まり、測定ガス雰囲気に応じた次式のIPID が抵抗R1へ流れる。
【数1】
【0018】
引き続き、コントローラ50の起電力セル24の温度(抵抗)測定動作について説明する。オペアンプOP1は、コンデンサC1と共にサンプルホールド回路を形成し、起電力セル24の温度測定のための電圧印加中において電圧印加直前の、該起電力セル24の起電力Vsを保持してPID回路に入力する役割を果たす。オペアンプOP3は、オペアンプOP1に保持されているホールド値(抵抗値測定用電圧印加直前の起電力セル24の両面の電極間電圧Vs)と、起電力セル24に抵抗値測定用の電流−Iconst を印加した際の電位値との差分をA/D回路へ出力する。
【0019】
スイッチSW1は、オペアンプOP1、即ち、サンプルホールド回路の電圧ホールド動作を制御する。また、スイッチSW2は、起電力セル24の抵抗値測定用の一定電流−Iconst をオン・オフし、スイッチSW3は、スイッチSW2にて流される抵抗値測定用の電流−Iconst とは逆極性の一定電流+Iconst をオン・オフする。これらスイッチSW1、SW2、SW3は、相補型のトランジスタ回路(以下CMOSとも言う)から成る。
【0020】
スイッチSW1、SW2、SW3のタイミングチャートと共に起電力セル24の両面の電極間電圧Vsを図3に示す。スイッチSW1は、上述したように所定のインターバルT5(約1秒)毎に設定された時間T6(約500μs)に渡りオフし、起電力セル24の抵抗(温度)測定を可能ならしめる。なお、このオフ時間T6においては、オペアンプOP1から成るサンプルホールド回路にて、PID回路への入力値は0.45Vに維持される。なおここで、本実施態様の全領域空燃比センサの温度変化は通常の使用条件では、3°C/秒程度であるため、1秒周期で測定することで温度を十分に管理できる。また、該1秒の内の500μsは、酸素濃度が測定できなくなるが、エンジンの空燃比を制御する上で十分に短い時間である。
【0021】
スイッチSW1がオフされてから時間T1(スイッチSW1を構成するCMOSのディレイ時間であり約1μs)が経過した後、スイッチSW2が時間T3(約100μs)に渡りオンし、抵抗値測定用の一定電流−Iconst (−4.88mA)を起電力セル24側に流す。この電流−Iconst の極性は、起電力セル24に生じる内部起電力と逆極性であって、この電流−Iconst によって起電力セル24の両端の電圧が、図中に示すようにΔVs分低下する。
【0022】
スイッチSW2が、起電力セル24のプラス端子へ温度測定用定電流−Iconst を印加している間は、スイッチSW1がオフとなり、コンデンサC1の一定電位が、PID回路の入力電位を一定に保ち、該PID回路の出力電圧VPID を一定に維持する。ここで、該定電流−Iconst は、+8Vが印加されている数100KΩの高い値を有する抵抗R3側には流れ込まない。また、オペアンプOP2の入力端子には、高インピーダンスのため流れ込まない。従って、該定電流−Iconst は、抵抗R1を介してPID回路側へ流れようとするが、上述したようにPID回路は、一定の出力電圧VPID を維持している。
【0023】
このため、オペアンプOP2が、VCENTの電位を一定に保つように前記ポンプセル14のプラス端子へ電流を印加する。即ち、該オペアンプOP2が、起電力セル24側へ印加された温度測定用定電流−Iconst と、逆極性の電流をポンプセル14側へ印加する。図3中に、該逆極性の電流によって発生したポンプセル14側の電位Vpを示す。
【0024】
本実施態様では、起電力セル24側に定電流−Iconst を印加して抵抗値を測定する際に、ポンプセル14側にも逆極性の電流が同時に印加されることとなる。ここで、理論空燃比に保たれている間隙(測定室)20の酸素濃度は、起電力セル24へ電流を流すと酸素のくみ込み、また、くみ出しが生じて変化しようとするが、逆極性の電流−Iconst をポンプセル14側に流しているので、該ポンプセル14によって酸素がくみ出され、或いは、くみ込まれ、これにより酸素の出入りが相殺されて、該間隙(測定室)20の酸素濃度が理論空燃比に保たれる。このため、後述するように抵抗値(温度)の測定終了後に、該全領域空燃比センサにて直ちに酸素濃度の測定を再開できる。
【0025】
ここで、電流−Iconst の印加を開始した後、時間T2(約60μs)が経過してから、当該時点(印加開始から60μs経過時)でのオペアンプOP3の出力を、A/D変換回路がアナログ値からデジタル値に変換してヒータ制御回路側60へ出力する。ヒータ制御回路60は、この測定された値から起電力セル24の抵抗値と相関する値、即ち、該起電力セル24の温度を把握する。この起電力セル24の温度測定と同時に、上述したように電流−Iconst と逆極性の電流がポンプセル14側へも流れているため、該ヒータ制御回路60は、この電流により生じるポンプセル14の電圧値Vp(図3参照)からポンプセル14の温度を把握する。
【0026】
このように、本実施態様においては、ポンプセル14側に温度測定用の電源装置を別途設けることなく、酸素濃度測定用に配設されたオペアンプOP1から電流を流すことで、起電力セル24の温度測定用の装置スイッチSW2を設けることのみで、ポンプセル14側へ逆極性の電流を印加し得ると共に温度を併せて測定することができる。また、この実施態様では、ポンプセル14と起電力セル24との温度を別々に測定するため、いずれか一方の温度のみが上昇しても、これを検出し故障を未然に防ぐことが可能となる。
【0027】
ヒータ制御回路60は、この測定された値、即ち、起電力セル24又はポンプセル14の抵抗値が目標値となるようにヒータ70への通電を制御する。この制御は実質的に、起電力セル24又はポンプセル14の温度が目標値よりも高いときには、電圧を下げ、また、目標値よりも低いときには、電圧を上げることにより、酸素センサ素子10の温度を正確に目標値(800°C)に保つよう機能する。
【0028】
なお、ここで、電流−Iconst の印加開始から60μs経過時の値を測定するのは、測定された抵抗値に前記多孔質電極と前記固体電解質体の界面における抵抗成分が含まれないようにするためである。即ち、時間T2は、短時間であるほど温度を正確に反映する起電力セル24のバルク抵抗値に近い値を測定し得るが、スイッチSW2の切り換え後、−Iconst を出力する図示しない定電流回路が安定するのに十分な時間を取るため、上記60μsを設定してある。言い換えるなら、時間が経過してから測定を行うと起電力セル24の多孔質電極22、28と固体電解質体との界面の劣化等による該界面における抵抗成分の変化分を含む値が検出され、この変化分によって正確に測定が行い得なくなるので、回路構成上の最短時間である60μs後に測定を行っている。
【0029】
そして、時間T3(約100μs)の経過により、スイッチSW2をオフすると同時に、スイッチSW3をオンする。ここで、スイッチSW2の切り換え時間を100μs(T3)としたのは、上記60μs経過後に取り込んだ値を、A/D変換回路がデジタル値に変換するのに約20μsかかり、図示しないCPUは、データを取り込んだ後に、スイッチSW3をオンにするため、余裕を見て100μsに設定してある。そして、スイッチSW3をオンした後、スイッチSW2をオンした時間とほぼ等しい時間T3に渡り、抵抗値測定用の上記電流−Iconst とは逆極性の一定電流+Iconst (+4.88mA)を起電力セル24側に印加する。
【0030】
これは、起電力セル24を構成する酸素イオン伝導性固体電解質体の配向現象によって内部起電力が影響を受け本来の酸素濃度差を反映する内部起電力値を出力しない状態から、正常な状態に復帰するまでの復帰時間を短縮させ、抵抗値の測定後に酸素濃度の測定を短時間で再開し得るようにするためである。
【0031】
そして、スイッチSW3をオフした後、時間T4(約300μs)経過した後、スイッチSW1をオンにして、全領域空燃比センサによる酸素濃度の測定を再開する。ここで、300μsのディレイ時間を持たせているのは、上述したように電流−Iconst とは逆極性の一定電流+Iconst (+4.88mA)を起電力セル24に印加しても、起電力セル24の両面の電極間電圧Vsは直ぐには初期値に戻らないため、この時点でスイッチSW1をオンにしてサンプルホールドを解除すると、PID回路の出力電位VPID が変化し、排気ガス中の酸素濃度が温度測定開始以前と同じでも酸素濃度出力が変化するからである。この300μsのディレイ時間は、余裕を見て設定してあるため、更に短くすることは可能である。
【0032】
なお、上述した実施態様では、ポンプセル14及び起電力セル24の温度測定のために定電流を流したが、この代わりに、電圧を印加することで温度測定を行い得ることは言うまでもない。また、この実施態様では、起電力セル24及びポンプセル14の抵抗値を測定したが、これらの一方のみを測定するようにも構成できる。
【0033】
【効果】
以上記述したように請求項1又は請求項2の全領域空燃比センサの温度制御方法では、ポンプセルと起電力セルとに、逆極性の電流を同時に印加して、起電力セル及びポンプセルの抵抗値を測定する。理論空燃比に保たれている間隙(測定室)の酸素濃度は、起電力セルへ流される電流による酸素のくみ込み、また、くみ出しにより変化しようとするが、逆極性の電流をポンプセル側にも流すので、該ポンプセルによって酸素がくみ出され、或いは、くみ込まれ、これにより酸素の出入りが相殺されて、該間隙(測定室)の酸素濃度が理論空燃比に保たれる。このため、抵抗値(温度)の測定終了後に、該全領域空燃比センサにて直ちに酸素濃度の測定を再開できる。また、間隙あるいは基準酸素室の酸素濃度の変化によって温度測定精度が低下する事を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様に係る全領域空燃比センサの構成を示す説明図である。
【図2】図1に示すコントローラの回路図である。
【図3】スイッチSW1、SW2、SW3のタイミングチャートである。
【符号の説明】
10 セル
14 ポンプセル
20 間隙
24 起電力セル
50 コントローラ
60 ヒータ制御回路
70 ヒータ
Vs 起電力セル電圧
Ip ポンプセル電流
Claims (2)
- 加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セルとを間隙を介して対向配設し、酸素濃度を測定する全領域空燃比センサの温度制御方法であって、
前記ポンプセルによるくみ出し、或いは、くみ込みと、前記起電力セルによるくみ込み、或いは、くみ出しとによる、前記隙間への酸素の出入りが相殺される逆極性の電流もしくは電圧を同時に印加して、前記起電力セル又はポンプセルの抵抗値を測定することで、該全領域空燃比センサの温度を求めることを特徴とする全領域空燃比センサの温度制御方法。 - 加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セルとを間隙を介して対向配設し、酸素濃度を測定する全領域空燃比センサの温度制御装置であって、
前記起電力セルのマイナス端子と、前記ポンプセルのマイナス端子との共通端子に接続されたノードと、
該ノードの電位を一定に保つように前記ポンプセルのプラス端子へ電流を印加する定電流印加手段と、
前記ノードに抵抗を介して出力端子が接続され、該抵抗を介して流れる電流によって起電力セルの電位を一定に保つPID回路と、
前記起電力セルのプラス端子に起電力セルの温度測定用電流もしくは電圧を印加する印加手段と、
前記起電力セルのプラス端子と前記PID回路の入力との間に介在し、前記印加手段による起電力セルへの温度測定用電流もしくは電圧の印加時に、該PID回路の入力電位を一定に保つホールド手段と、
前記印加手段による起電力セルへの温度測定用電流もしくは電圧の印加時に、該起電力セルの電位を測定し、起電力セルの温度を測定する測定手段と、から成ることを特徴とする全領域空燃比センサの温度制御装置。
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