JP4784445B2 - 排気温度測定装置及び排気温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配設される広域型の空燃比センサを利用して排気温度を測定する技術に関する。

内燃機関の排気通路中の排気の温度を検出するために、専用の温度センサを設けることはコストの上昇を招いてしまう。そこで特許文献１に記載されているように、空燃比制御用の空燃比センサでは、そのセンサ素子の抵抗値（インピーダンス）が排気温度に影響されて変化することを利用して、インピーダンスの測定結果から排気温度を推定（測定）する技術が従来より知られている。
特開２０００−２２７３６４号公報

しかしながら、このように空燃比センサ利用して排気温度を測定する場合、酸素濃度に応じた起電力を生じるセンサ出力が低レベルにある状況、つまり排気の空燃比が安定してリーン側にある状況でなければ、精度の高い排気温度の測定を行うことができない。そのため、温度測定機会が制限され、例えばターボ過給機を備える内燃機関で排気温度の過度な上昇を防止するために、また触媒の過度な温度上昇を防止するために、リッチ運転を行うような領域で排気温度を測定できないという問題があった。上記の特許文献１では、幅広い運転域で排気温度の測定を可能とするために、センサへの印加電圧として、空燃比検出用の直流電圧に交流電圧を重畳している。しかしながら、交流電圧を印加するためには交流回路が必要となり、温度センサの廃止による所期の目的に反して、構造の複雑化、大型化及びコストの増加などを招いてしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、広域型の空燃比センサを利用して、交流回路を敢えて必要としない簡素な構成でありながら、幅広い運転領域で安定して精度良く排気温度を測定することを目的としている。

拡散室中の酸素濃度に応じた起電力を生じるネルンストセル部と、排気通路と拡散室との間で酸素イオンを移動させるポンプセル部と、を有する広域型の空燃比センサを利用した排気温度測定技術であり、空燃比検出時には、上記ネルンストセル部の電圧が理論空燃比に相当する基準目標電圧となるように、上記ポンプセル部の印加電圧を制御し、このポンプセル部を流れる電流値に基づいて、上記排気通路中の排気の空燃比を検出する。そして、排気温度測定時には、上記ネルンストセル部の電圧が上記基準目標電圧よりも低いリーン側目標電圧となるように、上記ポンプセル部の印加電圧を制御し、上記ネルンストセル部の抵抗値に基づいて、上記排気温度を測定する。

本発明によれば、排気温度測定時には、ネルンストセル部の電圧が空燃比検出時の基準目標電圧よりも低いリーン側目標電圧となるように、ポンプセル部の印加電圧を制御することによって、排気の空燃比がストイキ又はリッチ側にある運転状況であっても、拡散室を安定したリーン状態にすることができ、この状態でのネルンストセル部の抵抗値に基づいて、排気温度を精度良く測定することができる。従って、広域型の空燃比センサを利用して、交流回路を敢えて必要としない簡素な構成でありながら、排気の空燃比に依存しない幅広い運転領域で、安定して精度良く排気温度を測定することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る排気温度測定装置が適用される自動車用内燃機関の排気システムを簡略的に示している。内燃機関１の排気通路２には、排気を浄化する三元触媒等の触媒３が介装されるとともに、この触媒３の上流側（及び／又は下流側）に、排気の空燃比を検出する空燃比センサ４が設けられている。この空燃比センサ４は、排気通路２を通流する排気（ガス）の空燃比を広域に検出できる、いわゆる広域型空燃比センサであって、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する。制御部５は、各種エンジン制御処理を記憶及び実行する機能を有しており、例えば、空燃比センサ４の検出信号に基づいて内燃機関１の燃焼混合気の空燃比（当量比：空気過剰率λの逆数）を検出し、これが目標当量比となるように空燃比フィードバック補正係数を比例・積分制御などにより増減設定することで、実際の当量比を目標当量比へ向けてフィードバック制御する。

上記の広域型空燃比センサ４のセンサ素子構造について、図２を参照して説明する。排気通路２内に配設されるセンサ素子の本体１０は、酸素イオン導電性を有するジルコニア等の固体電解質材料で形成される多孔質層から構成されている。この本体１０の内部には、図２で下側より、通電されることで発熱してセンサ素子を加熱するヒータ１１と、拡散室１３中の酸素濃度に応じた起電力を生じるネルンストセル部１６と、排気通路２と拡散室１３との間で酸素イオン（酸素）を移動させるポンプセル部２０と、が設けられている。拡散室１３には、本体１０に形成される排気導入孔１４を通して、γアルミナ等で形成される多孔質の拡散層１５を介して排気が導入される。また、本体１０の内部には、排気通路２の外側で基準ガスである大気と連通する大気室１２が形成されている。

ネルンストセル部１６では、大気室１２と拡散室１３とを隔てる本体１０の一部１７を挟んで、大気室１２側に電極１８、拡散室１３側に電極１９が設けられている。このネルンストセル部１６は、拡散室１３内の酸素イオン濃度（酸素分圧）と、大気室１２内の酸素イオン濃度（酸素分圧）との比に応じた起電力（電圧）を発生する。この起電力の電圧Ｅｓを検出・モニタすることで、拡散室１３内の空燃比が理論空燃比（λ＝１）に対してリーンであるかリッチであるかを検出することができる。

ポンプセル部２０では、拡散室１３と排気雰囲気側とを隔てる本体１０の一部２１を挟んで、拡散室１３側に電極２２、排気雰囲気側の本体１０の上壁に保護層２４で覆って電極２３が設けられている。このポンプセル部２０では、電極２２，２３間に電圧が印加されると、排気通路２側と拡散室１３側との間で酸素イオンが移動して、電極２２，２３間に電流が流れる。電極２２，２３間に流れる電流値（限界電流値）Ｉｐは、拡散室１３内の酸素イオン濃度に影響される。

上記の制御部５は、空燃比センサ４により排気の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出する空燃比検出部（空燃比検出手段）５Ａと、空燃比センサ４を利用して排気温度を測定する排気温度測定部（排気温度測定手段）５Ｂと、を有している。空燃比検出部５Ａでは、図３の「Ａ／Ｆ測定」に示されるように、ネルンストセル部１６の電圧Ｅｓを検出・モニタし、この電圧Ｅｓが理論空燃比（λ＝１，ストイキ）に対応する基準目標電圧Ｅｓ０（約４５０ｍＶ前後の範囲）となるように、つまり拡散室１３の空燃比が理論空燃比となるように、ポンプセル部２０への印加電圧が制御される。これにより、排気通路２内の空燃比（図３の最上段）にかかわらず、拡散室１３内の空燃比（図３の上から２段目）が理論空燃比の近傍に保持され、この状況でのポンプセル部２０の電流値Ｉｐは排気の空燃比に応じて増減することとなる。よって、リーン側からリッチ側にわたる幅広い空燃比領域において、上記の電流値Ｉｐに基づいて排気の空燃比を精度良く検出することができる。

そして、排気温度測定部５Ｂでは、図３の「温度測定」に示されるように、ネルンストセル部１６の電圧Ｅｓを検出・モニタし、この電圧Ｅｓが上記の基準目標電圧Ｅｓ０よりも低いリーン側目標電圧Ｅｓ１（例えば約１００ｍＶ前後の範囲）となるように、ポンプセル部２０の印加電圧を制御する。これにより、排気通路２内の空燃比（図３の最上段）にかかわらず、拡散室１３内の空燃比（図３の上から２段目）が安定したリーン状態となり、拡散室１３の内部が安定したリーン雰囲気に維持される。従って、ポンプセル部２０の抵抗値に基づいて排気温度を精度良く安定して推定（測定）することができる。

図４は、上記制御部５により実行される排気温度の測定制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１では、排気温度を検出すべき運転条件であるかを判定する。例えば、フィードバック制御の中断による排気性能の低下が懸念される運転領域では、空燃比フィードバック制御を継続するために排気温度の検出を禁止する。排気温度を検出すべき運転条件の場合、ステップＳ２へ進み、上記の空燃比検出部５Ａによる空燃比の検出を停止・中断する。そして、この空燃比に基づくフィードバック制御を停止・中断し、目標値へ向けたオープン制御へ切り換える。

ヒータ１１がＯＮでセンサ素子温度が高いと正確な排気温度の測定ができないので、ステップＳ３では、ヒータ１１のＯＮ領域であるかを判定する。図５に示すように、ヒータ１１のＯＮ領域は、一般的には低回転・低負荷側に設定される。ヒータ１１のＯＮ領域であれば、ヒータ１１をＯＦＦにする。つまりヒータ１１の作動を停止する。そして、ステップＳ５では、センサ素子温度が排気温度に十分に近づいたか、つまり排気温度近傍まで低下したかを判定する。例えば、簡易的にヒータ１１のＯＦＦへの切換から所定時間が経過したかを判定する。

ステップＳ５でセンサ素子温度が排気温度に十分に近づいたと判定されると、ステップＳ６へ進み、上述したように、拡散室１３の空燃比がリーン状態となるように、ネルンストセル部１６の目標（出力）電圧を、ストイキに対応する基準目標電圧Ｅｓ０からリーン側目標電圧Ｅｓ１へ低下側へ変更する。この目標電圧の低下に伴い、ポンプセル部２０の印加電圧が増大し、このポンプセル部２０による排気通路２から拡散室１３への酸素イオンの移動量が増大して、拡散室１３がリーン状態となる。

このように、拡散室１３をリーン雰囲気として、ネルンストセル部１６の出力電圧を十分に低くした状態で、特開昭５８−１７３５１号公報に記載されているような手法と同様に、ネルンストセル部１６の抵抗値を測定し（ステップＳ７）、この抵抗値に基づいて排気温度を正確に得ることができる（ステップＳ８）。

そして、排気温度の測定が終了すると、通常の運転状態へ復帰させる。つまり、図５に示すような制御マップを参照してヒータ１１のＯＮ・ＯＦＦの切換を行い（ステップＳ９）、ヒータ１１をＯＮに切り換える場合には、センサ素子温度が空燃比検出可能な状態まで上昇するのを待って、例えば一定時間経過後に、上記の空燃比検出部５Ａによる空燃比の検出を再開する（ステップＳ１０）。これにより空燃比フィードバック制御を適宜再開することができる。

以上のような本実施例によれば、排気温度測定時には、ネルンストセル部１６の電圧が空燃比検出時の基準目標電圧Ｅｓ０よりも低いリーン側目標電圧Ｅｓ１となるように、ポンプセル部２０の印加電圧を制御することによって、排気の空燃比がストイキ又はリッチ側にある運転状況であっても、拡散室１３を安定したリーン状態にすることができ、この状態でのネルンストセル部１６の抵抗値に基づいて、排気温度を精度良く測定することができる。従って、広域型の空燃比センサ４を利用して、交流回路等を敢えて必要としない簡素な構成でありながら、排気の空燃比に依存しない幅広い運転領域で、安定して精度良く排気温度を測定することができる。

また、排気温度の測定時には、空燃比検出部５Ａによる空燃比の検出を中断しているために、不安定な空燃比フィードバック制御が行われることを未然に回避することができる。更に、排気温度の測定時には、ヒータ１１の作動を停止し、かつ、センサ素子温度が排気温度近傍まで低下するのをまってから排気温度を検出しているために、その検出精度・安定度を更に向上することができる。

本発明の一実施例の排気温度測定装置が適用される内燃機関の排気システムを簡略的に示す構成図。 図１の広域型空燃比センサのセンサ素子構造を示す図。 本実施例に係る空燃比検出状態及び温度測定状態での空燃比，電流値Ｉｐ及び電圧Ｅｓ等を示すタイムチャート。 本実施例に係る排気温度の測定制御の流れを示すフローチャート。 上記空燃比センサのヒータの作動領域を示す特性図。

符号の説明

１…内燃機関
２…排気通路
４…空燃比センサ
５…制御部
５Ａ…空燃比検出部（空燃比検出手段）
５Ｂ…排気温度測定部（排気温度測定手段）
１１…ヒータ
１２…大気室
１３…拡散室
１６…ネルンストセル部
２０…ポンプセル部

Claims (4)

1. 拡散室中の酸素濃度に応じた起電力を生じるネルンストセル部と、排気通路と拡散室との間で酸素イオンを移動させるポンプセル部と、を有する広域型の空燃比センサを利用した排気温度測定装置であって、
   上記ネルンストセル部の電圧が理論空燃比に相当する基準目標電圧となるように、上記ポンプセル部の印加電圧を制御し、このポンプセル部を流れる電流値に基づいて、上記排気通路中の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   上記ネルンストセル部の電圧が上記基準目標電圧よりも低いリーン側目標電圧となるように、上記ポンプセル部の印加電圧を制御し、上記ネルンストセル部の抵抗値に基づいて、上記排気温度を測定する排気温度測定手段と、
   を有することを特徴とする排気温度測定装置。
2. 上記排気温度測定手段による排気温度の測定時には、上記空燃比検出手段による空燃比の検出を中断することを特徴とする請求項１に記載の排気温度測定装置。
3. 上記空燃比センサがセンサ素子を加熱するヒータを有し、
   上記排気温度測定手段による排気温度の測定時には、上記ヒータの作動を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気温度測定装置。
4. 拡散室中の酸素濃度に応じた起電力を生じるネルンストセル部と、排気通路と拡散室との間で酸素イオンを移動させるポンプセル部と、を有する広域型の空燃比センサを利用した排気温度測定方法であって、
   空燃比検出時には、上記ネルンストセル部の電圧が理論空燃比に相当する基準目標電圧となるように、上記ポンプセル部の印加電圧を制御し、このポンプセル部を流れる電流値に基づいて、上記排気通路中の排気の空燃比を検出し、
   排気温度測定時には、上記ネルンストセル部の電圧が上記基準目標電圧よりも低いリーン側目標電圧となるように、上記ポンプセル部の印加電圧を制御し、上記ネルンストセル部の抵抗値に基づいて、上記排気温度を測定することを特徴とする排気温度測定方法。

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