JP3645665B2 - 全領域酸素センサの温度制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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酸素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酸素センサとが主に用いられている。全領域酸素センサは、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】
全領域酸素センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体の２つのセルを間隔を介して対向配設し、一方のセルを間隔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隔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。この全領域酸素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】
この全領域酸素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、全領域酸素センサには、加熱用のヒータ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】
【発明が解決しようとする課題】
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】
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、ガスの流速が高いときには、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。
【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、温度を正確に一定に保ち得る全領域酸素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の全領域酸素センサの温度制御方法では、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた２つのセルを、間隔を介して対向配設し、一方のセルを前記間隔内の酸素を周囲にくみ出すもしくは酸素をくみ込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隔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それぞれ使用し、酸素濃度を測定する全領域酸素センサの、前記２つのセルの温度を、前記加熱用ヒータを用いて制御する全領域酸素センサの温度制御方法であって、
前記起電力セルに一定の値を有する抵抗値測定用の電流もしくは電圧を印加し、
前記起電力セルの抵抗値を、該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様にするために、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加開始から所定時間経過時に測定し、
測定した前記起電力セルの抵抗値が一定値となるように、前記ヒータを制御し、
前記起電力セルの抵抗値を測定した後に、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加に引き続いて該電流もしくは電圧とは逆極性の、一定の電流もしくは電圧を所定時間印加することを特徴とすることを技術的特徴とする。
【００１０】
上記の目的を達成するため、請求項２の全領域酸素センサの温度制御装置では、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた２つのセルを、間隔を介して対向配設し、一方のセルを前記間隔内の酸素を周囲にくみ出すもしくは酸素をくみ込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隔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それぞれ使用し、酸素濃度を測定する全領域酸素センサの、前記２つのセルの温度を、前記加熱用ヒータを用いて制御する全領域酸素センサの温度制御装置であって、
前記起電力セルに一定の値を有する抵抗値測定用の電流もしくは電圧を印加する第１の電流もしくは電圧印加手段と、
前記起電力セルの抵抗値を、該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様にするために、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加開始から所定時間経過時に測定を行う抵抗値測定手段と、
前記起電力セルの抵抗値を測定した後、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加に引き続いて該電流もしくは電圧とは逆極性の一定の値を有する電流もしくは電圧を所定時間印加する第２の電流もしくは電圧印加手段と、
測定した前記起電力セルの抵抗値が一定値となるように、前記ヒータを制御する温度制御手段と、から成ることを特徴とする。
【００１１】
上記の目的を達成するため、請求項３の全領域酸素センサでは請求項２の温度制御装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明では、ポンプセルにより一定雰囲気に保持されている間隔と一定酸素濃度である酸素基準室とに挟まれた起電力セルに電圧又は電流を印加して抵抗値を測定するため、全領域酸素センサの測定雰囲気中の酸素濃度とは無関係に、抵抗値を正確に測定することができる。また、該起電力セルの抵抗値を、該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様に、電圧及び電流の印加を開始した時点から所定タイミングにて測定するため、低周波の電流又は電圧によって測定した際に含まれる起電力セルの多孔質電極と固体電解質体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まず、起電力セルの固体電解質体のバルク抵抗成分が正確に測定できる。従ってセルの温度を正確に反映した抵抗値を得ることができる。
【００１３】
請求項１の発明では、起電力セルに電圧を印加する際に、前記抵抗測定用の電圧又は電流の印加に引き続いて該電流又は電圧に対して逆極性の一定の値を有する電圧又は電流を印加するため、大きな電流を流した場合に生じ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復帰するまでの復帰時間を短縮でき、抵抗値の測定後に短時間で酸素濃度の測定を再開することが可能となる。
【００１４】
請求項３の発明では、ポンプセルにより一定雰囲気に保たれた間隔と一定酸素濃度である酸素基準室とに挟まれた起電力セルに電圧又は電流を印加して抵抗値を測定するため、測定雰囲気中の酸素濃度とは無関係に、抵抗値を正確に測定することができる。また、該起電力セルの抵抗値を、該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様に測定するため、低周波の電流もしくは電圧によって測定した際に含まれる起電力セルの多孔質電極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まず、起電力セルの固体電解質体のバルク抵抗成分が正確に測定できる。
【００１５】
【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酸素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の抵抗値を、目標値に保つようヒータ７０へ電力を印加し、該セル１０の温度を設定値に維持する。
【００１６】
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＋電圧が印加されるため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−電圧が印加されるためＩｐ−電極として参照する。
【００１７】
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。拡散室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ＶｓのＶｓ−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、Ｖｓ＋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により包囲された拡散室２０が形成されている。即ち、該拡散室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。
【００１８】
ここで、測定ガスの酸素濃度と拡散室２０の酸素濃度との差に応じた酸素が、拡散室２０側に多孔質拡散層１８を介して拡散して行く。ここで、拡散室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との間で、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、拡散室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。
【００１９】
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のバルク抵抗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。
【００２０】
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Ｖｓを検出し、抵抗Ｒ１を介して流すＩｐ電流によってＶｓ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回路にてデェ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。
【００２１】
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を保ち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の起電力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。
【００２２】
スイッチＳＷ１は、オペアンプＯＰ１、即ち、サンプルホールド回路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。
【００２３】
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の起電力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。
【００２４】
スイッチＳＷ１がオフされてから時間Ｔ１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 が起電力セル２４側に流される。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。
【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ェ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、即ち、起電力セル２４のバルク抵抗値と相関する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のバルク抵抗値が目標値よりも高いときには、電圧を高め、また、目標値よりも低いときには、電圧を下げることにより、酸素センサ素子１０の温度を正確に目標温度（８００°Ｃ）に保つよう機能する。
【００２６】
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。これは、低周波の電流や電圧によって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るため、この変化分によって正確に測定が行い得なくなるからである。逆に言えばこの測定の時間を変化させることにより劣化を含めた抵抗を測定し、劣化検出に用いることが可能となる。
【００２７】
そして、時間Ｔ３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をオンし、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 を起電力セル２４側に印加する。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。
【００２８】
この酸素イオン伝導性固体電解質体の配向現象と考えられる正規の起電力までの復帰時間について、図４を参照して説明する。図４（Ａ）は、抵抗値測定用の上記電流−Ｉconst に相当する４．８８ｍＡの電流をパルス状に起電力セル２４へ印加し、その後該電流を止めた場合の起電力セルの起電力Ｖｓの変化を示し、図４（Ｂ）は、上記電流−Ｉconst に相当する４．８８ｍＡの電流をパルス状に印加した後、該電流の−Ｉconst と逆極性の電流＋Ｉconst をパルス状に起電力セル２４へ印加した場合、即ち、交番状に印加した場合の起電力セルの起電力Ｖｓの変化を示している。図４（Ａ）に示すように４．８８ｍＡの電流をパルス状に１回加えただけの場合には、復帰までに１６msec必要となった。これに対して、図４（Ｂ）に示すように電流を交番状に加えた場合は、０．５msecで復帰することができた。この様に、本実施態様では、電流を交番状に加えることで起電力セル２４を用いる酸素濃度の測定を短時間で再開し得るようにしいてる。
【００２９】
この一定電流＋Ｉconst の印加のための時間Ｔ３の経過後、スイッチＳＷ３がオフとなった後、時間Ｔ４が経過したタイミングで、スイッチＳＷ１がオンし、起電力セル２４の起電力Ｖｓが再び、オペアンプＯＰ１を介してＰＩＤ回路に加えられ、酸素濃度の測定が再開される。そして、インターバルＴ５の経過後スイッチＳＷ１がオフし、再び起電力セル２４の抵抗値を測定する。
【００３０】
本実施態様では、ポンプセル１４ではなく起電力セル２４の抵抗値を測定することでセル１０の温度を測定している。この作用について図５のグラフを参照して説明する。図５（Ａ）は、起電力セル２４側に交流電流を印加して抵抗値を測定した際のグラフであり、図５（Ｂ）は、ポンプセル１４側に交流電流を印加して抵抗値を測定した際のグラフである。図中で縦軸には測定された抵抗値を、また、横軸にはセル１０温度に相当するヒータ電圧を取っている。ここで、○は、Ａ／Ｆ２３（リーン状態）雰囲気中にて２０Hz（低周波）で測定した際の値を、●は、Ａ／Ｆ２３（リーン状態）雰囲気中にて１ＫHz（高周波）で測定した際の値を、Δは、理論空燃比の雰囲気中にて２０Hz（低周波）で測定した際の値を、■は、理論空燃比の雰囲気中にて１ＫHz（高周波）で測定した際の値を示している。
【００３１】
本実施態様に相当する図５（Ａ）のグラフでは、理論空燃比の雰囲気中で測定された抵抗値と、リーン雰囲気中で測定された抵抗値とがほぼ等しく、酸素基準室によらず正確に抵抗値が測定できることが分かる。これに対して、図５（Ｂ）のグラフでは、理論空燃比の雰囲気中で測定された抵抗値と、リーン雰囲気中で測定された抵抗値とが異なり、酸素基準室により抵抗値が正確に測定できないことが分かる。これは、起電力セル２４（図１参照）に電流を印加した際に、該起電力セル２４は、理論空燃比の雰囲気に固定されている拡散室２０と、一定酸素濃度である酸素基準室２６とに挟まれているので該起電力セルの両側の酸素濃度は常に一定である。これに対して、ポンプセル１４は、酸素濃度の変化している測定ガスと、理論空燃比の雰囲気に固定されている拡散室２０とに挟まれ、ポンプセルの両側の酸素濃度差は測定ガス中の酸素濃度によって常に変動するからである。
【００３２】
【効果】
以上記述したように請求項１及び３の全領域酸素センサの温度制御方法及び装置では、理論空燃比の雰囲気である間隔と一定酸素濃度である酸素基準室とに挟まれた起電力セルに電圧又は電流を印加して抵抗値を測定するため、測定雰囲気中の酸素濃度とは無関係に、抵抗値を正確に測定することができる。また、該起電力セルの抵抗値を、多孔質電極と固体電解質体の界面の抵抗成分が含まれないように測定するため、低周波の電流や電圧によって測定した場合に含まれる起電力セルの多孔質電極と固体電解質体の界面の劣化等による抵抗の変化分によ影響を受けず、正確にセンサ素子の温度を測定できる。
【００３３】
請求項１又は２の発明では、起電力セルに抵抗測定用の電圧もしくは電流を印加する際に、前記抵抗測定用の電圧もしくは電流の印加に引き続いて該抵抗測定用の電圧もしくは電流とは逆極性の電圧もしくは電流を印加するため、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でき、抵抗値の測定後に短時間で酸素濃度の測定を再開することが可能となる。
【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酸素センサ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。
【図４】図４（Ａ）は、抵抗値測定用電流をパルス状に一回起電力セルへ印加した際の起電力セル起電力Ｖｓを示し、図４（Ｂ）は、電流を交番状に印加した際の起電力セル起電力Ｖｓを示している。
【図５】図５（Ａ）は、起電力セルに交流電流を印加して抵抗値を測定したグラフであり、図５（Ｂ）は、ポンプセルに交流電流を印加して抵抗値を測定したグラフである。
【符号の説明】
１０ セル
１４ ポンプセル
２０ 拡散室
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
【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酸素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酸素センサとが主に用いられている。全領域酸素センサは、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】
全領域酸素センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体の２つのセルを間隔を介して対向配設し、一方のセルを間隔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隔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。この全領域酸素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】
この全領域酸素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、全領域酸素センサには、加熱用のヒータ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】
【発明が解決しようとする課題】
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】
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、ガスの流速が高いときには、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。
【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、温度を正確に一定に保ち得る全領域酸素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の全領域酸素センサの温度制御方法では、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた２つのセルを、間隔を介して対向配設し、一方のセルを前記間隔内の酸素を周囲にくみ出すもしくは酸素をくみ込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隔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それぞれ使用し、酸素濃度を測定する全領域酸素センサの、前記２つのセルの温度を、前記加熱用ヒータを用いて制御する全領域酸素センサの温度制御方法であって、
前記起電力セルに一定の値を有する抵抗値測定用の電流もしくは電圧を印加し、
前記起電力セルの抵抗値を、該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様にするために、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加開始から所定時間経過時に測定し、
測定した前記起電力セルの抵抗値が一定値となるように、前記ヒータを制御し、
前記起電力セルの抵抗値を測定した後に、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加に引き続いて該電流もしくは電圧とは逆極性の、一定の電流もしくは電圧を所定時間印加することを特徴とすることを技術的特徴とする。
【００１０】
上記の目的を達成するため、請求項２の全領域酸素センサの温度制御装置では、加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた２つのセルを、間隔を介して対向配設し、一方のセルを前記間隔内の酸素を周囲にくみ出すもしくは酸素をくみ込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隔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それぞれ使用し、酸素濃度を測定する全領域酸素センサの、前記２つのセルの温度を、前記加熱用ヒータを用いて制御する全領域酸素センサの温度制御装置であって、
前記起電力セルに一定の値を有する抵抗値測定用の電流もしくは電圧を印加する第１の電流もしくは電圧印加手段と、
前記起電力セルの抵抗値を、該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様にするために、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加開始から所定時間経過時に測定を行う抵抗値測定手段と、
前記起電力セルの抵抗値を測定した後、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加に引き続いて該電流もしくは電圧とは逆極性の一定の値を有する電流もしくは電圧を所定時間印加する第２の電流もしくは電圧印加手段と、
測定した前記起電力セルの抵抗値が一定値となるように、前記ヒータを制御する温度制御手段と、から成ることを特徴とする。
【００１１】
上記の目的を達成するため、請求項３の全領域酸素センサでは請求項２の温度制御装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明では、ポンプセルにより一定雰囲気に保持されている間隔と一定酸素濃度である酸素基準室とに挟まれた起電力セルに電圧又は電流を印加して抵抗値を測定するため、全領域酸素センサの測定雰囲気中の酸素濃度とは無関係に、抵抗値を正確に測定することができる。また、該起電力セルの抵抗値を、該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様に、電圧及び電流の印加を開始した時点から所定タイミングにて測定するため、低周波の電流又は電圧によって測定した際に含まれる起電力セルの多孔質電極と固体電解質体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まず、起電力セルの固体電解質体のバルク抵抗成分が正確に測定できる。従ってセルの温度を正確に反映した抵抗値を得ることができる。
【００１３】
請求項１の発明では、起電力セルに電圧を印加する際に、前記抵抗測定用の電圧又は電流の印加に引き続いて該電流又は電圧に対して逆極性の一定の値を有する電圧又は電流を印加するため、大きな電流を流した場合に生じ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復帰するまでの復帰時間を短縮でき、抵抗値の測定後に短時間で酸素濃度の測定を再開することが可能となる。
【００１４】
請求項３の発明では、ポンプセルにより一定雰囲気に保たれた間隔と一定酸素濃度である酸素基準室とに挟まれた起電力セルに電圧又は電流を印加して抵抗値を測定するため、測定雰囲気中の酸素濃度とは無関係に、抵抗値を正確に測定することができる。また、該起電力セルの抵抗値を、該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様に測定するため、低周波の電流もしくは電圧によって測定した際に含まれる起電力セルの多孔質電極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まず、起電力セルの固体電解質体のバルク抵抗成分が正確に測定できる。
【００１５】
【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酸素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の抵抗値を、目標値に保つようヒータ７０へ電力を印加し、該セル１０の温度を設定値に維持する。
【００１６】
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＋電圧が印加されるため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−電圧が印加されるためＩｐ−電極として参照する。
【００１７】
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。拡散室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ＶｓのＶｓ−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、Ｖｓ＋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により包囲された拡散室２０が形成されている。即ち、該拡散室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。
【００１８】
ここで、測定ガスの酸素濃度と拡散室２０の酸素濃度との差に応じた酸素が、拡散室２０側に多孔質拡散層１８を介して拡散して行く。ここで、拡散室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との間で、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、拡散室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。
【００１９】
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のバルク抵抗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。
【００２０】
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Ｖｓを検出し、抵抗Ｒ１を介して流すＩｐ電流によってＶｓ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回路にてデェ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。
【００２１】
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を保ち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の起電力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。
【００２２】
スイッチＳＷ１は、オペアンプＯＰ１、即ち、サンプルホールド回路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。
【００２３】
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の起電力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。
【００２４】
スイッチＳＷ１がオフされてから時間Ｔ１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 が起電力セル２４側に流される。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。
【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ェ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、即ち、起電力セル２４のバルク抵抗値と相関する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のバルク抵抗値が目標値よりも高いときには、電圧を高め、また、目標値よりも低いときには、電圧を下げることにより、酸素センサ素子１０の温度を正確に目標温度（８００°Ｃ）に保つよう機能する。
【００２６】
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。これは、低周波の電流や電圧によって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るため、この変化分によって正確に測定が行い得なくなるからである。逆に言えばこの測定の時間を変化させることにより劣化を含めた抵抗を測定し、劣化検出に用いることが可能となる。
【００２７】
そして、時間Ｔ３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をオンし、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 を起電力セル２４側に印加する。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。
【００２８】
この酸素イオン伝導性固体電解質体の配向現象と考えられる正規の起電力までの復帰時間について、図４を参照して説明する。図４（Ａ）は、抵抗値測定用の上記電流−Ｉconst に相当する４．８８ｍＡの電流をパルス状に起電力セル２４へ印加し、その後該電流を止めた場合の起電力セルの起電力Ｖｓの変化を示し、図４（Ｂ）は、上記電流−Ｉconst に相当する４．８８ｍＡの電流をパルス状に印加した後、該電流の−Ｉconst と逆極性の電流＋Ｉconst をパルス状に起電力セル２４へ印加した場合、即ち、交番状に印加した場合の起電力セルの起電力Ｖｓの変化を示している。図４（Ａ）に示すように４．８８ｍＡの電流をパルス状に１回加えただけの場合には、復帰までに１６msec必要となった。これに対して、図４（Ｂ）に示すように電流を交番状に加えた場合は、０．５msecで復帰することができた。この様に、本実施態様では、電流を交番状に加えることで起電力セル２４を用いる酸素濃度の測定を短時間で再開し得るようにしいてる。
【００２９】
この一定電流＋Ｉconst の印加のための時間Ｔ３の経過後、スイッチＳＷ３がオフとなった後、時間Ｔ４が経過したタイミングで、スイッチＳＷ１がオンし、起電力セル２４の起電力Ｖｓが再び、オペアンプＯＰ１を介してＰＩＤ回路に加えられ、酸素濃度の測定が再開される。そして、インターバルＴ５の経過後スイッチＳＷ１がオフし、再び起電力セル２４の抵抗値を測定する。
【００３０】
本実施態様では、ポンプセル１４ではなく起電力セル２４の抵抗値を測定することでセル１０の温度を測定している。この作用について図５のグラフを参照して説明する。図５（Ａ）は、起電力セル２４側に交流電流を印加して抵抗値を測定した際のグラフであり、図５（Ｂ）は、ポンプセル１４側に交流電流を印加して抵抗値を測定した際のグラフである。図中で縦軸には測定された抵抗値を、また、横軸にはセル１０温度に相当するヒータ電圧を取っている。ここで、○は、Ａ／Ｆ２３（リーン状態）雰囲気中にて２０Hz（低周波）で測定した際の値を、●は、Ａ／Ｆ２３（リーン状態）雰囲気中にて１ＫHz（高周波）で測定した際の値を、Δは、理論空燃比の雰囲気中にて２０Hz（低周波）で測定した際の値を、■は、理論空燃比の雰囲気中にて１ＫHz（高周波）で測定した際の値を示している。
【００３１】
本実施態様に相当する図５（Ａ）のグラフでは、理論空燃比の雰囲気中で測定された抵抗値と、リーン雰囲気中で測定された抵抗値とがほぼ等しく、酸素基準室によらず正確に抵抗値が測定できることが分かる。これに対して、図５（Ｂ）のグラフでは、理論空燃比の雰囲気中で測定された抵抗値と、リーン雰囲気中で測定された抵抗値とが異なり、酸素基準室により抵抗値が正確に測定できないことが分かる。これは、起電力セル２４（図１参照）に電流を印加した際に、該起電力セル２４は、理論空燃比の雰囲気に固定されている拡散室２０と、一定酸素濃度である酸素基準室２６とに挟まれているので該起電力セルの両側の酸素濃度は常に一定である。これに対して、ポンプセル１４は、酸素濃度の変化している測定ガスと、理論空燃比の雰囲気に固定されている拡散室２０とに挟まれ、ポンプセルの両側の酸素濃度差は測定ガス中の酸素濃度によって常に変動するからである。
【００３２】
【効果】
以上記述したように請求項１及び３の全領域酸素センサの温度制御方法及び装置では、理論空燃比の雰囲気である間隔と一定酸素濃度である酸素基準室とに挟まれた起電力セルに電圧又は電流を印加して抵抗値を測定するため、測定雰囲気中の酸素濃度とは無関係に、抵抗値を正確に測定することができる。また、該起電力セルの抵抗値を、多孔質電極と固体電解質体の界面の抵抗成分が含まれないように測定するため、低周波の電流や電圧によって測定した場合に含まれる起電力セルの多孔質電極と固体電解質体の界面の劣化等による抵抗の変化分によ影響を受けず、正確にセンサ素子の温度を測定できる。
【００３３】
請求項１又は２の発明では、起電力セルに抵抗測定用の電圧もしくは電流を印加する際に、前記抵抗測定用の電圧もしくは電流の印加に引き続いて該抵抗測定用の電圧もしくは電流とは逆極性の電圧もしくは電流を印加するため、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でき、抵抗値の測定後に短時間で酸素濃度の測定を再開することが可能となる。
【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酸素センサ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。
【図４】図４（Ａ）は、抵抗値測定用電流をパルス状に一回起電力セルへ印加した際の起電力セル起電力Ｖｓを示し、図４（Ｂ）は、電流を交番状に印加した際の起電力セル起電力Ｖｓを示している。
【図５】図５（Ａ）は、起電力セルに交流電流を印加して抵抗値を測定したグラフであり、図５（Ｂ）は、ポンプセルに交流電流を印加して抵抗値を測定したグラフである。
【符号の説明】
１０ セル
１４ ポンプセル
２０ 拡散室
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 (3)
- 加熱用ヒータによって加熱される酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた２つのセルを、間隔を介して対向配設し、一方のセルを前記間隔内の酸素を周囲にくみ出すもしくは酸素をくみ込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隔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それぞれ使用し、酸素濃度を測定する全領域酸素センサの、前記２つのセルの温度を、前記加熱用ヒータを用いて制御する全領域酸素センサの温度制御方法であって、
前記起電力セルに一定の値を有する抵抗値測定用の電流もしくは電圧を印加し、
前記起電力セルの抵抗値を、該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様にするために、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加開始から所定時間経過時に測定し、
測定した前記起電力セルの抵抗値が一定値となるように、前記ヒータを制御し、
前記起電力セルの抵抗値を測定した後に、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加に引き続いて該電流もしくは電圧とは逆極性の、一定の値を有する電流もしくは電圧を所定時間印加することを特徴とする全領域酸素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酸素イオン伝導性固体電解質体の両面に多孔質電極が設けられた２つのセルを、間隔を介して対向配設し、一方のセルを前記間隔内の酸素を周囲にくみ出すもしくは酸素をくみ込むポンプセル、他方のセルを酸素基準室と前記間隔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それぞれ使用し、酸素濃度を測定する全領域酸素センサの、前記２つのセルの温度を、前記加熱用ヒータを用いて制御する全領域酸素センサの温度制御装置であって、
前記起電力セルに一定の値を有する抵抗値測定用の電流もしくは電圧を印加する第１の電流もしくは電圧印加手段と、
前記起電力セルの抵抗値を、該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様にするために、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加開始から所定時間経過時に測定を行う抵抗値測定手段と、
前記起電力セルの抵抗値を測定した後、前記抵抗値測定用電流もしくは電圧の印加に引き続いて該電流もしくは電圧とは逆極性の一定の値を有する電流もしくは電圧を所定時間印加する第２の電流もしくは電圧印加手段と、
測定した前記起電力セルの抵抗値が一定値となるように、前記ヒータを制御する温度制御手段と、から成ることを特徴とする全領域酸素センサの温度制御装置。 - 請求項２の温度制御装置を備えた全領域酸素センサ。
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