JP4609063B2

JP4609063B2 - ガス濃度センサの活性判定装置

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Publication number: JP4609063B2
Application number: JP2004364753A
Authority: JP
Inventors: 郁大塚
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: JP2006170849A

Description

本発明は、ガス濃度センサの活性判定装置に関し、特に、ガス濃度センサが不活性から活性に遷移した旨の活性判定と、活性から不活性に遷移した旨の不活性判定とを行う装置に関する。

内燃機関の燃料噴射量などの各種制御を行うために、内燃機関の排気経路に配置されたガス濃度センサまたはＡ／Ｆ（空燃比）センサが利用されている。一般的なＡ／Ｆセンサは７００°Ｃ以上などの高温下で活性状態となり、活性状態にある場合に正常なガス濃度信号が得られる。したがって、Ａ／Ｆセンサの検出値を利用するために、Ａ／Ｆセンサが活性状態にあるかを判定する必要がある。

特許文献１は、Ａ／Ｆセンサの固体電解質素子の抵抗値（アドミタンス）を、所定の活性判定値（例えばアドミタンスの目標値の４０％）と比較することで、上記判定を行う装置を開示している。すなわち、この装置では、アドミタンスが活性判定値に到達していれば当該固体電解質素子が活性化したと判定し、到達していなければ不活性と判定している。

特開２００４−１３２８４０号公報

しかし、Ａ／Ｆセンサのアドミタンスは、ガス温度の影響などの外乱を受け易いため、特許文献１の構成では、いったん活性判定が行われた後に、Ａ／Ｆセンサが十分に活性状態にあるにもかかわらず、不活性判定が行われて、活性と不活性との間で判定のハンチングが生じる場合がある。このような誤判定は、劣化によってアドミタンスの低下したＡ／Ｆセンサにおいて特によく生じる。このため、特許文献１の構成ではＡ／Ｆセンサが十分に活性状態にあるにもかかわらずこれを使用できない場合が生じ、このような場合には、空燃比を入力変数として利用する燃料噴射制御等の非常に多くの制御において、Ａ／Ｆセンサの検出結果を利用できないことになる。

そこで本発明の目的は、Ａ／Ｆセンサなどのガス濃度センサにおいて、活性判定と不活性判定との間のハンチングを防止し、動作を安定化させることのできる手段を提供することにある。

本発明によるガス濃度センサの活性判定装置は、ガス濃度センサが不活性から活性に遷移した旨の活性判定を第１の物理量に基づいて実行し、前記ガス濃度センサが活性から不活性に遷移した旨の不活性判定を、前記第１の物理量とは異なる第２の物理量に基づいて実行し、前記第２の物理量は、前記内燃機関の停止後の経過時間であることを特徴とする。
本発明の別の態様は、内燃機関の排気経路に配置されたガス濃度センサの活性状態を判定する活性判定装置であって、前記ガス濃度センサが活性である旨の活性判定を第１の物理量に基づいて実行し、前記ガス濃度センサが不活性である旨の不活性判定を、前記第１の物理量とは異なる第２の物理量に基づいて実行し、前記ガス濃度センサを加熱できるように配置されたヒータと、前記ガス濃度センサの所定の電気抵抗特性に基づいて前記ヒータへの通電をオンまたはオフにするヒータ制御手段と、を更に備え、前記第２の物理量は、前記ヒータをオフにした後の経過時間であることを特徴とするガス濃度センサの活性判定装置である。
本発明のまた別の態様は、内燃機関の排気経路に配置されたガス濃度センサの活性状態を判定する活性判定装置であって、前記ガス濃度センサが活性である旨の活性判定を第１の物理量に基づいて実行し、前記ガス濃度センサが不活性である旨の不活性判定を、前記第１の物理量とは異なる第２の物理量に基づいて実行し、前記内燃機関の冷却水温を検出する水温検出手段を更に備え、前記第２の物理量は、前記冷却水温の所定時間あたりの減少量であることを特徴とするガス濃度センサの活性判定装置である。

本発明では、ガス濃度センサが不活性から活性に遷移した旨の活性判定と、前記ガス濃度センサが活性から不活性に遷移した旨の不活性判定とを、車両の状態を示す互いに異なる物理量に基づいて実行するので、活性判定と不活性判定の各基準値を適切に設定することにより、両判定を単一の物理量に基づいて行う場合に比べて、安定した動作を実現できる。

本発明における活性判定に用いられる第１の物理量は、ガス濃度センサの所定の電気抵抗特性とするのが好ましく、とくにアドミタンスとするのが好ましい。

本発明における不活性判定に用いられる第２の物理量は、内燃機関の停止後の経過時間とすることができる。

また、ガス濃度センサを加熱できるように配置されたヒータと、ガス濃度センサの所定の電気抵抗特性に基づいてヒータへの通電をオンまたはオフにするヒータ制御手段と、を備えた装置では、第２の物理量は、前記ヒータをオフにした後の経過時間とすることができる。

また、内燃機関の冷却水温を検出する水温検出手段を備えた装置では、第２の物理量は、冷却水温の所定時間あたりの減少量とすることができる。

また、不活性判定に用いられる第２の物理量の基準値は、活性判定に用いられる第１の物理量の基準値に対応する第２の物理量の値よりも不活性側に設定するのが好ましい。

本発明の実施形態について、以下に図面に従って説明する。図１において、エンジン１は、例えば燃焼室内に直接ガソリン燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンであり、空燃比の制御により、リーン運転とストイキ運転とに切替え可能である。

エンジン１には、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタ２が設けられている。エンジン１の吸気ポートには、吸気通路を構成する吸気マニホールド３および吸気管４が接続されている。吸気管４の上流側の吸気経路は、不図示のエアクリーナを介して外気に連通している。

排気通路を構成する排気マニホールド６の出口部の近傍に、三元触媒７が配置されている。三元触媒７は、ストイキ運転時に効率よくＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘを処理可能である。排気通路の比較的下流側には、ＮＯｘ吸蔵触媒８が配置されている。ＮＯｘ吸蔵触媒８は、リーン運転時にＮＯｘを吸収し、ストイキまたはリッチ運転時にＮＯｘを放出してＨＣと反応させることにより還元処理するものである。ＮＯｘ吸蔵触媒８の下流側の排気通路は、不図示のマフラーを介して外気に連通している。

吸気管４には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１１、および、スロットルバルブ開度を検出するスロットルセンサ１２が設置されている。エンジン１には、冷却用ウォータージャケット内の冷却水温を検出する水温センサ１３、および、クランクシャフトの角度ないしエンジン回転数を検出するクランク角センサ１４が設置されている。排気マニホールド６には、排気中の酸素やＮＯｘなどの所定物質の濃度を検出するためのガス濃度センサであるＡ／Ｆセンサ１５が設置されている。Ａ／Ｆセンサ１５の内部には、当該Ａ／Ｆセンサ１５をその動作に適した活性温度にするためにＡ／Ｆセンサ１５を加熱するための電熱ヒータ２４が設置されている。車室内のアクセルペダルの近傍には、アクセルペダルの位置すなわち踏み込み量を検出するためのアクセルペダルセンサ１７が設置されている。

図２に示されるように、Ａ／Ｆセンサ１５は、ポンプセル２１、モニタセル２２、センサセル２３、およびヒータ２４を備えている。各セル２１，２２，２３は、酸素イオン伝導性材料からなるシート状の固体電解質素子、および当該固体電解質素子を挟んだ一対の電極を有する。

ポンプセル２１は、Ａ／Ｆセンサ１５のチャンバ内に導入した排ガス中の酸素を排出又は汲み込む働きをすると共に、酸素排出又は汲み込みの際に排ガス中の酸素濃度に応じた出力を発生する。モニタセル２２は、排ガス中の残留酸素濃度に応じた出力を発生する。センサセル２３は、排ガス中のＮＯｘを還元分解する働きをすると共に、その際に排ガス中のＮＯｘ濃度に応じた出力を発生する。ヒータ２４は、セル２１，２２，２３を含めたセンサ全体を活性状態にすべく、外部からの給電により熱エネルギを発生させる。

ガス濃度センサ１５には、駆動回路５０およびＥＣＵ６０が接続されている。

駆動回路５０は、オペアンプおよび電流検出抵抗、ＬＰＦ、ならびに、ヒータ２４を駆動するためのＭＯＳＦＥＴおよびＭＯＳＦＥＴドライバを含んでいる。駆動回路５０は、各セル２１，２２，２３の有する電極のうちの一方に基準電圧を印加すると共に、他方の電極に指令電圧を印加し、そのときに現れる各電流検出抵抗の両端子電圧を、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０に出力する。

ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、Ｉ／Ｏポート等を備える周知のマイクロコンピュータで構成されており、セル２１，２２，２３の印加電圧をＤ／Ａ変換器から適宜出力する。ＥＣＵ６０は、Ａ／Ｄ変換器から入力される各電流検出抵抗の両端子電圧に基づいて、セル２１，２２，２３に流れる電流を算出する。そしてＥＣＵ６０は、セル２１，２２，２３での測定電流に基づいて排ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ濃度を検出し、その検出値をＤ／Ａ変換器から外部に出力する。

また、本実施形態では、いわゆる掃引法を用い、モニタセル２２を対象に、電気抵抗特性としてのアドミタンスが検出されるようになっている。つまり、モニタセル２２のアドミタンス検出時において、ＥＣＵ６０および駆動回路５０により、モニタセル印加電圧（指令電圧Ｖｃ）が正側又は負側の少なくとも何れかに瞬間的に（例えば数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で）切り換えられる。この印加電圧は、駆動回路５０に含まれるＬＰＦにより正弦波的になまされつつ、モニタセル２２の両電極に印加される。交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦの時定数は５μｓｅｃ程度で設定される。そして、その時の電圧変化量と電流変化量とからモニタセル２２のアドミタンスが算出される（アドミタンス＝電流変化量／電圧変化量）。

なお、電気抵抗特性として、アドミタンスに代えてその逆数であるインピーダンスを検出する構成であっても良い。また、モニタセル２２のアドミタンス（又はインピーダンス）を検出することに代えて、ポンプセル２１のアドミタンス（又はインピーダンス）を検出する構成や、センサセル２３のアドミタンス（又はインピーダンス）を検出する構成としても良い。

また、ＥＣＵ６０は、制御指令値ＤｕｔｙをＩ／Ｏポートから出力して、駆動回路５０のＭＯＳＦＥＴドライバを駆動する。このとき、駆動回路５０のＭＯＳＦＥＴにより直流電源（例えばバッテリ電源）からヒータ２４へ供給される電力がＰＷＭ制御される。

次に、上記の如く構成されたガス濃度検出装置の動作を説明する。図３は、ＥＣＵ６０により実施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはＥＣＵ６０への電源投入に伴い起動される。

図３において、先ずステップＳ１００では、前回のＡ／Ｆ（酸素濃度）の検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆの検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定される。そして、ステップＳ１００がＹＥＳであることを条件に、後続のステップＳ１１０で、Ａ／Ｆ活性判定の処理を実施する。Ａ／Ｆ活性判定は、ポンプセル２１が活性完了して正常なＡ／Ｆ出力が得られるようになったか否かを判定するものであり、ＮＯｘ活性判定は、センサセル２３が活性完了して正常なＮＯｘ濃度出力が得られるようになったか否かを判定するものである。これらの活性判定の詳細は後述する。

その後、ステップＳ１３０では、Ａ／ＦおよびＮＯｘ濃度の検出処理を実施する。Ａ／Ｆ（酸素濃度）の検出処理では、その時々のモニタセル２２の電流Ｉｐに応じた印加電圧を設定すると共に、その電圧印加時に計測されるモニタセル２２の電流ＩｐのＡ／Ｄ値を取り込む。そして、該取り込んだモニタセル２２の電流ＩｐをＡ／Ｆ値に換算する。また、ＮＯｘ濃度の検出処理では、所定のセンサセル印加電圧を設定してその電圧印加時に計測されるセンサセル電流ＩｓのＡ／Ｄ値を取り込むと共に、所定のモニタセル印加電圧を設定してその電圧印加時に計測されるモニタセル電流ＩｍのＡ／Ｄ値を取り込む。そして、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍを減算し、その差分値であるＮＯｘ検出電流（Ｉｓ−Ｉｍ）をＮＯｘ濃度値に換算する。これらＡ／Ｆ値やＮＯｘ濃度値は、燃料噴射制御やＶＶＴ（可変バルブタイミング機構）の制御などの種々の制御において利用される。なお、このステップＳ１２０では、後述するＡ／Ｆ活性フラグが「１」であるときにのみ、このような検出処理および出力が有効に行われ、そうでなければ、このような検出処理および出力は行われない。

Ａ／ＦおよびＮＯｘ濃度の検出後、ステップＳ１４０では、前回のアドミタンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、アドミタンスの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップＳ１４０がＹＥＳであることを条件に、ステップＳ１５０でアドミタンスを検出し、更に続くステップＳ１６０でヒータ通電制御を実施する。

ヒータ通電制御は、素子活性化のための制御であり、アドミタンスを所望の目標値に保持することができるものであれば、任意の制御手法が適用できる。その一例として、ガス濃度センサ１５の素子温度が低く、アドミタンスが比較的小さい場合には、例えばデューティ比１００％の全通電制御によりヒータ通電を実施する。また、素子温が上昇すると、ＰＩＤ制御等、周知のフィードバック手法を用いて制御デューティ比を算出し、そのデューティ比によりヒータ通電を実施する。そして、素子温度が十分に高く、アドミタンスが所定値以上である場合には、デューティー比は０％とされ、ヒータ２４への給電は行われない。

次に、Ａ／Ｆ活性判定の処理（上記図３のステップＳ１１０の処理）について、図４を用いて説明する。

図４において、ステップＳ１１１では、アドミタンスが所定の活性判定値αに到達したか否かを判別する。活性判定値αは、アドミタンスの目標値を基準として定められるものであり、例えば前記目標値の４０％とされる。但し、活性判定値αを前記目標値の何％にするかはアドミタンスの上昇率に対するモニタセル２２の電流Ｉｐの正常化の度合に応じて決定されると良く、アドミタンスの上昇に対してモニタセル２２の電流の正常化が遅いセンサの場合は目標値の４０％以上、例えば８０％や１００％とすれば良いし、アドミタンスの上昇に対してモニタセル２２の電流の正常化が早いセンサの場合は目標値の４０％以下、例えば２０％や１０％とすれば良い。

そして、アドミタンスが活性判定値αに到達していればステップＳ１１２に進み、Ａ／Ｆ活性（すなわち、モニタセル２２の活性完了）である旨判定され、Ａ／Ｆ活性か不活性かを表すＡ／Ｆ活性フラグが「１」にされる。他方、アドミタンスが活性判定値αに到達していなければ、ステップＳ１１２の処理がスキップされる。

次に、ステップＳ１１３では、エンジン停止後の経過時間が、所定の経過時間判定値Ｔｃに達しているかを判別する。経過時間判定値Ｔｃは、その時間Ｔｃにわたってエンジンが停止した場合にＡ／Ｆセンサがほぼ確実に不活性状態に移行していると考えられるような長さに予め設定される。そして、エンジン停止後の経過時間が、所定の経過時間判定値Ｔｃに達していればステップＳ１１４に進み、Ａ／Ｆ不活性（すなわち、モニタセル２２が不活性状態）である旨判定され、Ａ／Ｆ活性フラグが「０」にされる。他方、エンジン停止後の経過時間が経過時間判定値Ｔｃに達していなければ、ステップＳ１１４の処理がスキップされる。

その後、上述したとおり、図３のメインルーチンのステップＳ１２０において、ＥＣＵ６０では、Ａ／Ｆ活性フラグが「１」（すなわち、活性完了）を表すものであればＡ／Ｆ出力が有効とされ、そうでなければ同Ａ／Ｆ出力が無効とされる。

なお、ＮＯｘ活性判定は、アドミタンスが所定の活性判定値に到達しているか否かによって行われ、到達していなければ不活性、到達していれば活性の判定がそれぞれ行われる。

以上の処理の結果、本実施形態では、Ａ／Ｆセンサ１５が不活性から活性に遷移した旨の活性判定と、Ａ／Ｆセンサ１５が活性から不活性に遷移した旨の不活性判定とが、車両の状態を示す互いに異なる物理量に基づいて実行される。その結果、本実施形態では、活性判定と不活性判定の各基準値を適切に設定することにより、両判定を単一の物理量に基づいて行う場合に比べて、安定した動作を実現することができる。

不活性判定に用いられる第２の物理量の基準値は、活性判定に用いられる第１の物理量の基準値に対応する第２の物理量の値よりも不活性側に設定するのが好ましい。すなわち、上記実施形態では、ステップＳ１１４の不活性判定において用いられる経過時間判定値Ｔｃの値は、ステップＳ１１２の活性判定において用いられるアドミタンスの活性判定値αに対応するエンジン停止後の経過時間（つまり、エンジン停止からその時間だけ経過した場合のアドミタンス値がαであるような経過時間）よりも、Ａ／Ｆセンサ１５の不活性側（より不活性である状態に対応する側。エンジン停止後の経過時間であれば、長い側）に設定するのが好ましく、このように構成された装置によれば、本発明の所期の効果を特に好適に実現することができる。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。

例えば、本発明における活性判定に用いられる第１の物理量は、上記実施形態のように、ガス濃度センサの所定の電気抵抗特性とするのが好ましく、とくにアドミタンスとするのが好ましいが、それ以外の物理量であってもよい。そのような第１の物理量としては、例えば、エアフローメータ１１によって検出される吸入空気量の積算値、ＥＣＵ６０および駆動回路５０によるヒータ２４への供給電力の積算値、ＥＣＵ６０によって積算されたエンジン１の始動後の経過時間、クランク角センサ１４によって検出されるエンジン回転数、もしくは、スロットルセンサ１２またはアクセルペダルセンサ１７の検出値およびその時のエンジン回転数に基づいて算出される要求負荷を採用することができる。また、Ａ／Ｆセンサ15の検出値事態を第1の物理量として用いてもよい。また、第１の物理量は、単独で用いてもよいし、複数種類のものをＡＮＤ条件・ＯＲ条件もしくは所定の関数によって組合せて使用してもよい。

また、本発明における不活性判定に用いられる第２の物理量は、上記実施形態のように、内燃機関の停止後の経過時間とするのが好ましいが、それ以外の物理量であってもよい。そのような第２の物理量としては、例えば、電熱ヒータ２４などのヒータと、ガス濃度センサの活性状態に基づいてヒータへの通電をオンまたはオフにするヒータ制御手段と、を備えた装置では、第２の物理量として、ヒータをオフにした後の経過時間を採用することができる。また、第２の物理量として、水温センサ１３によって検出される冷却水温の所定時間あたりの減少量を採用することができる。このように、第２の物理量としては、主にエンジンの停止に起因して変化する各種の物理量を任意に採用することができる。また、第２の物理量は、単独で用いてもよいし、複数種類のものをＡＮＤ条件・ＯＲ条件もしくは所定の関数によって組合せて使用してもよい。

また、上記実施形態では、ガス濃度センサの一例としてのＡ／Ｆセンサ１５に本発明を適用した例について説明したが、本発明は他の種類のガス濃度センサ、例えばＯ_２センサや、さらにはＮＯｘセンサ等の酸素以外の気相物質を検出するものについて適用することも可能である。

本発明の実施形態が適用される車両の概略構成図である。本発明の実施形態に係るＡ／Ｆセンサおよびその制御系を示すブロック図である。本発明の実施形態におけるガス濃度検出に係る処理を示すフロー図である。本発明の実施形態におけるＡ／Ｆ活性判定に係る処理を示すフロー図である。

符号の説明

１エンジン
３吸気マニホールド
６排気マニホールド
１５Ａ／Ｆセンサ
２４電熱ヒータ
５０駆動回路
６０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の排気経路に配置されたガス濃度センサの活性状態を判定する活性判定装置であって、
前記ガス濃度センサが活性である旨の活性判定を第１の物理量に基づいて実行し、前記ガス濃度センサが不活性である旨の不活性判定を、前記第１の物理量とは異なる第２の物理量に基づいて実行し、
前記第２の物理量は、前記内燃機関の停止後の経過時間であることを特徴とするガス濃度センサの活性判定装置。
内燃機関の排気経路に配置されたガス濃度センサの活性状態を判定する活性判定装置であって、
前記ガス濃度センサが活性である旨の活性判定を第１の物理量に基づいて実行し、前記ガス濃度センサが不活性である旨の不活性判定を、前記第１の物理量とは異なる第２の物理量に基づいて実行し、
前記ガス濃度センサを加熱できるように配置されたヒータと、前記ガス濃度センサの所定の電気抵抗特性に基づいて前記ヒータへの通電をオンまたはオフにするヒータ制御手段と、を更に備え、
前記第２の物理量は、前記ヒータをオフにした後の経過時間であることを特徴とするガス濃度センサの活性判定装置。
内燃機関の排気経路に配置されたガス濃度センサの活性状態を判定する活性判定装置であって、
前記ガス濃度センサが活性である旨の活性判定を第１の物理量に基づいて実行し、前記ガス濃度センサが不活性である旨の不活性判定を、前記第１の物理量とは異なる第２の物理量に基づいて実行し、
前記内燃機関の冷却水温を検出する水温検出手段を更に備え、
前記第２の物理量は、前記冷却水温の所定時間あたりの減少量であることを特徴とするガス濃度センサの活性判定装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の活性判定装置であって、
前記第１の物理量は、前記ガス濃度センサの所定の電気抵抗特性であることを特徴とする活性判定装置。
請求項４に記載の活性判定装置であって、
前記所定の電気抵抗特性は、アドミタンスであることを特徴とする活性判定装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の活性判定装置であって、
前記不活性判定に用いられる第２の物理量の基準値は、前記活性判定に用いられる第１の物理量の基準値に対応する第２の物理量の値よりも、不活性側に設定されていることを特徴とする活性判定装置。