JP5119304B2 - ガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法 - Google Patents

ガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、固体電解質体および一対の電極を備えるセルを少なくとも1つ以上有すると共にヒータを有するガスセンサに接続され、特定ガス成分の濃度を検出して外部に出力しつつ、ヒータの通電状態を制御するガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法に関する。
自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。又、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物(NO)量の低減が要求されており、NO濃度を直接測定できるNOセンサが開発されている。
このようなガスセンサとして、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を形成してなるセルを複数備えた構成のものが知られている。とりわけ、上記構成のNOセンサとして、第1酸素ポンピングセル、第2酸素ポンピングセルを積層した構造が知られている。このNOセンサにおいては、被測定ガスを導入する第1測定室が区画され、第1測定室に臨む第1酸素ポンピングセルにより、被測定ガス中の酸素濃度が一定に制御される。酸素濃度が制御された被測定ガスは第1測定室に連通する第2測定室に流入し、第2測定室に臨む第2酸素ポンピングセルに一定電圧を印加することで、被測定ガス中のNOが分解されてNO濃度に応じた電流が第2酸素ポンピングセルを流れ、この電流に基づきNO濃度が検出される。
NO濃度を正確に検出するには、NOセンサを所定の活性温度(例えば750℃以上)に加熱し各セルを活性化させる必要があることから、NOセンサには各セルと一体となってヒータが設けられ、NOセンサはヒータを通電制御する制御装置に接続されている。このようなNOセンサ制御装置として、NOセンサを構成する1つのセルの内部抵抗(インピーダンス)を測定し、その内部抵抗からNOセンサの温度(素子温度)を算出し、この温度が目標温度になるようにヒータの通電状態を制御する技術が開発されている(特許文献1参照)。通常、NOセンサ制御装置は、このようなヒータの通電状態の制御を司る他、第2酸素ポンピングセルに流れる電流を電圧変換した上で、その電圧を基にNO濃度の検出値(濃度換算値)を算出し、外部のエンジン制御装置に該検出値を出力する機能をも司る。
一方、このようなガスセンサを制御する制御装置では、セルの内部抵抗を反映した信号にノイズが重畳されて真の内部抵抗値と大きく異なってしまうことがある。そこで、制御装置にて検出される内部抵抗値の変化量に制限を掛け、ノイズの影響を軽減すると共に、正確なガスセンサの駆動制御を行う技術が開発されている(特許文献2参照)。
特開平10-142194号公報(請求項7) 特開2002-303601号公報
しかしながら、このようなNOセンサ等のガスセンサは、車両の排気管等に取り付けられるため、ガスセンサの周囲の被測定ガス(排気管を流通する排気ガス)の温度の急変に伴い、ガスセンサ(少なくとも1つ以上のセルとヒータから構成されるガスセンサ素子)が冷却され、いわゆる素子冷えが生じたり、ガスセンサ(ガスセンサ素子)の温度が急上昇したりすることがある。そして、このような素子冷え等によってセルの内部抵抗値が一時的に大きく変動すると、それに伴ってガス濃度(NO濃度等)の検出値も変動して特定ガス成分の濃度検出精度の低下を招くおそれがある。
そこで、本発明は、素子冷え等によってセルの内部抵抗値が変動しても、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度検出精度の低下を抑制することができるガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える1つ以上のセルと、前記セルを加熱するヒータとを有し、前記セルの1つを介して被測定ガス中の特定ガス成分の濃度に応じた濃度信号を出力するガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置であって、前記ガスセンサ制御装置には外部装置が接続されており、前記ガスセンサ制御装置は、前記セルの1つを内部抵抗検出対象セルとして、該内部抵抗検出対象セルの内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段と、前記濃度信号に基づいて前記特定ガス成分の濃度値を検出し、前記外部装置に出力する濃度値検出手段と、前記内部抵抗検出手段が検出した前記内部抵抗が目標値となるように、前記ヒータを通電制御するヒータ通電制御手段と、前記内部抵抗検出手段が検出した前記内部抵抗が、前記目標値を跨ぐ許容範囲内にあるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により前記内部抵抗が前記許容範囲内でないと判定されているとき、前記濃度値検出手段によって検出された前記濃度値を、無効にする所定の無効化濃度値に設定する無効設定手段と、を備えている。
本発明のガスセンサ制御装置では、自身が検出した内部抵抗検出対象セルの内部抵抗値が上記許容範囲を逸脱したとき、無効設定手段が、ガスセンサを介して検出した濃度値を無効化するために、その濃度値を無効化濃度値に強制的に設定し、濃度検出手段は、その設定された濃度値(無効化濃度値)を外部装置に対し出力する。これにより、素子冷え等による内部抵抗の急変に伴って変動した濃度値は、そのまま外部装置に出力されないため、外部装置が誤った濃度値を取得することを防げる。従って、本発明では、特定ガス成分の検出精度の低下を抑制することができる。
さらに、本発明において、前記ガスセンサはNOセンサであり、間隔を開けて積層される2層の前記固体電解質体の間に区画され外部から前記被測定ガスを導入する第1測定室と、前記第1測定室に連通して周囲から区画される第2測定室とを備え、前記セルは、前記第1測定室に面して配置される検知電極と該検知電極の対極となる基準電極とを備え、前記第1測定室内の酸素濃度に応じた出力電圧を出力する酸素濃度測定セルと、前記第1測定室に面して配置される内側第1ポンプ電極と該内側第1ポンプ電極の対極をなすと共に前記第1測定室外に配置された第1対極電極とを備え、前記酸素濃度測定セルからの前記出力電圧が所定値となるように、前記内側第1ポンプ電極及び前記第1対極電極間に流れる電流を通電制御することで、前記第1測定室内の酸素濃度を制御する第1ポンピングセルと、前記第1測定室から前記酸素濃度が制御されたガスが導入される前記第2測定室内に面して配置される内側第2ポンプ電極と該内側第2ポンプ電極の対極をなすと共に前記第2測定室外に配置された第2対極電極とを備え、前記内側第2ポンプ電極と前記第2対極電極間に電圧を印加することにより前記第2測定室内の前記特定ガス成分であるNOの濃度に応じた電流が流れる第2ポンピングセルとを備え、前記酸素濃度測定セル、前記第1ポンピングセル、及び前記第2ポンピングセルのうちの1つが前記内部抵抗検出対象セルであることが好ましい。
このようなNOセンサは、第2ポンピングセルに流れるNOの濃度に応じた電流値がnA,μAオーダと非常に微弱であるため、素子冷え等による内部抵抗の急変が生じると、当該電流値の変化に大きな変化としてあらわれる。そこで、上述の構成を有するNOセンサに本発明を適用すると、素子冷え等による内部抵抗の急変が生じても、濃度値と併せて無効情報が出力されたり、あるいは、濃度値が無効化濃度値に設定されたりすることから、NOの濃度検出精度の低下が効果的に抑制されることになる。
本発明のガスセンサ制御方法は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える1つ以上のセルと、前記セルの少なくとも1つを加熱するヒータとを有し、前記セルの1つを介して被測定ガス中の特定ガス成分の濃度に応じた濃度信号を出力するガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置の制御方法であって、前記ガスセンサ制御装置には外部装置が接続されており、前記セルの1つを内部抵抗検出対象セルとして、該内部抵抗検出対象セルの内部抵抗を検出する内部抵抗検出過程と前記内部抵抗検出過程で検出した前記内部抵抗が目標値となるように、前記ヒータを通電制御するヒータ通電制御過程と、前記ヒータ通電制御過程による前記ヒータの通電制御のもと、前記濃度信号に基づいて前記特定ガス成分の濃度値を検出し、前記外部装置に出力する濃度値検出過程と、前記ヒータ通電制御過程による前記ヒータの通電制御のもと、前記内部抵抗が、前記目標値を跨ぐ許容範囲内にあるか否かを判定する判定過程と、前記判定過程により前記内部抵抗が前記許容範囲内でないと判定されているとき、前記濃度値検出過程によって検出された前記濃度値を、無効にする所定の無効化濃度値に設定する無効設定過程と、を有する。

この発明によれば、素子冷え等によってセルの内部抵抗値が変動しても、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度検出精度の低下を抑制することができる。
本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置、及びこれに接続されたガスセンサの構成を示すブロック図である。 NOセンサのVsセルの内部抵抗の値の時間変化率(dRpvs/dt)とNOx濃度の検出値の変動との関係を表したグラフを示す図である。 NOセンサのVsセルの内部抵抗の値の時間変化率(dRpvs/dt)とNOx濃度の検出値の変動との関係を表したグラフを示す別の図である。 NOx濃度の検出値の変動値(dRpvs=±5ppm)と交わるときのdRpvs/dtの値を求め、dRpvsとdRpvs/dt(5ppm)との関係を表した図である。 Rpvs算出処理及びヒータ制御処理のフローを示す図である。 図5に続く図である。 メインルーチンである、NOx濃度の検出値の無効化の判定をガスセンサ制御装置自身が行うNOx濃度算出処理のフローを示す図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置(コントローラ)1、及びこれに接続されたガスセンサ10の構成を示すブロック図である。ガスセンサ制御装置1は、図示しない内燃機関(以下、エンジンともいう)を備える車両に搭載され、ガスセンサ(NOセンサ)10が有するコネクタ(図示せず)に電気的に接続されると共に、車両側制御装置(ECU90)にもハーネスを介して電気的に接続されている。なお、この実施形態では、ガスセンサ10がNOセンサであり、ガスセンサ制御装置はNOセンサ制御装置として機能するので、以下、適宜「NOセンサ」、「NOセンサ制御装置」と称する。ECU90は外部装置である。
そして、NOセンサ制御装置1は、NOセンサ10から出力される信号に基づいてNO濃度の検出値(濃度換算値)を算出し、その検出値をECU90に出力し、ECU90はNO濃度に応じてエンジンの運転状態の制御や触媒に蓄積されたNOの浄化、あるいは該触媒の異常検出などの処理を実行する。NO濃度の検出値(濃度換算値)が本発明の「特定ガス成分の濃度値」に相当する。
まず、NOセンサ10の構成について説明する。なお、NOセンサ10は、センサ素子100を有しており、図1において、センサ素子100は、先端側部分における内部構造の断面図として示され、図中のNOセンサ制御装置1に向いている側がセンサ素子100の先端側となっている。
センサ素子100は細長で長尺な板状をなし、エンジンの排気管(図示外)に取り付けるためのハウジング(図示外)内でこのセンサ素子100を保持してNOセンサ10が構成されている。NOセンサ10からは、このセンサ素子100の出力する信号を取り出すための信号線が引き出されており、NOセンサ10とは離れた位置に取り付けられるガスセンサ制御装置1に電気的に接続されている。
センサ素子100は、3層の板状の固体電解質体111,121,131を、これらの間にアルミナ等からなる絶縁体140,145をそれぞれ挟んで層状に形成した構造を有する。また、固体電解質体131側の外層(図1における固体電解質体121と反対側)には、アルミナを主体とするシート状の絶縁層162,163を積層し、その間にPtを主体とするヒータパターン164を埋設したヒータ素子161が設けられている。尚、ヒータパターン164に電流を流すことにより発熱を行うヒータ素子161が、本発明における「ヒータ」に相当する。
固体電解質体111,121,131は、固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。
センサ素子10の各層の積層方向において、固体電解質体111の両面には、固体電解質体111を挟むように多孔質性の電極112,113がそれぞれ設けられている。この電極112,113は、Pt又はPt合金あるいはPtとセラミックスを含むサーメット等から形成されている。また、電極112,113の表面上にはセラミックスからなる多孔質性の保護層114が設けられており、電極112,113が排気ガスに含まれる被毒性ガス(還元雰囲気)に晒されることにより電極が劣化しないように保護している。
そして、両電極112,113間に電流を流すことで、電極112の接する雰囲気(センサ素子10の外部の雰囲気)と電極113の接する雰囲気(後述する第1測定室150内の雰囲気)との間で、固体電解質体111を介して酸素の汲み出しおよび汲み入れ(いわゆる酸素ポンピング)を行うことができる。本実施の形態では、固体電解質体111および電極112,113を、Ip1セル110と称することとする。尚、Ip1セル110が、本発明における「セル(詳細には第1ポンピングセル)」に相当し、電極112,113が、本発明における「一対の電極」に相当する。より詳しくは、電極112,113はそれぞれ、本発明における「第1対極電極」、「内側第1ポンプ電極」に相当する。
次に、固体電解質体121は、絶縁体140を挟んで固体電解質体111と対向するように配置されている。この固体電解質体121の両面にも、固体電解質体121を挟むように多孔質性の電極122,123がそれぞれ設けられており、同様に、Pt又はPt合金あるいはPtとセラミックスを含むサーメット等から形成されている。そのうちの電極122は、固体電解質体111と向き合う側の面に形成されている。
また、固体電解質体111と固体電解質体121との間には小空間としての中空の第1測定室150が形成されており、固体電解質体111側の電極113と、固体電解質体121側の電極122とが第1測定室150内に配置されている。この第1測定室150は、排気通路内を流通する排気ガスがセンサ素子10内に最初に導入される小空間である。第1測定室150のセンサ素子10における先端側には、第1測定室150内外の仕切りとして、第1測定室150内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する多孔質性の第1拡散抵抗部151が設けられている。同様に、第1測定室150のセンサ素子10における後端側にも、後述する第2測定室160につながる開口部141と第1測定室150との仕切りとして、排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する第2拡散抵抗部152が設けられている。
固体電解質体121および両電極122,123は、主として、固体電解質体121により隔てられた雰囲気(電極122の接する第1測定室150内の雰囲気と、電極123の接する後述する基準酸素室170内の雰囲気)間の酸素分圧差に応じて起電力を発生することができるものであり、本実施の形態ではVsセル120と称することとする。尚、Vsセル120が、本発明における「セル(詳細には酸素濃度検知セル)」に相当し、電極122,123が、本発明における「一対の電極」に相当する。より詳しくは、電極122,123はそれぞれ、本発明における「検知電極」、「基準電極」に相当する。
また、本実施の形態のVsセル120は、本発明における「内部抵抗検出対象セル」にも相当する。
次に、固体電解質体131は、絶縁体145を挟んで固体電解質体121と対向するように配置されている。固体電解質体131の固体電解質体121側の面にも同様に、Pt又はPt合金あるいはPtとセラミックスを含むサーメット等から形成された多孔質性の電極132,133がそれぞれ設けられている。尚、電極132,133が、本発明における「一対の電極」に相当する。
電極132が形成された位置には絶縁体145が配置されておらず、独立した空間としての基準酸素室170が形成されている。この基準酸素室170内には、Vsセル120の電極123も配置されている。尚、基準酸素室170内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。また、電極133が形成された位置にも絶縁体145が配置されておらず、基準酸素室170との間に絶縁体145を隔て、独立した小空間としての中空の第2測定室160が形成されている。そして、この第2測定室160に連通するように、固体電解質体121および絶縁体140のそれぞれに開口部125,141が設けられており、前述したように、第1測定室150と開口部141とが、これらの間に第2拡散抵抗部152を挟んで接続されている。
固体電解質体131および両電極132,133は、上記のIp1セル110と同様に、絶縁体145により隔てられた雰囲気(電極132の接する基準酸素室170内の雰囲気と、電極133の接する第2測定室160内の雰囲気)間にて酸素の汲み出しを行うことができるものである。
本実施の形態では、固体電解質体131および両電極132,133を、Ip2セル130と称することとする。Ip2セル130が、本発明における「セル(詳細には第2ポンピングセル)」に相当し、電極132,133が、本発明における「一対の電極」に相当する。より詳しくは、電極132,133はそれぞれ、本発明における「第2対極電極」、「内側第2ポンプ電極」に相当する。
尚、Ip1セル110の第1測定室150側の電極113と、Vsセル120の第1測定室150側の電極122と、Ip2セル130の第2測定室160側の電極133とは、それぞれ、コントローラ1において基準電位に接続され、ヒータ素子161の一方の電極は接地されている。
次に、センサ素子100と電気的に接続されたガスセンサ制御装置1の構成について説明する。ガスセンサ制御装置1は、マイクロコンピュータ60と、電気回路部58等を有している。そして、マイクロコンピュータ60は、CPU61と、RAM62およびROM63と、A/Dコンバータ65と、ECU90と通信すると共に、CPU61及びA/Dコンバータ65と接続される信号入出力部64と、図示外のタイマクロック等と、を備えている。
電気回路部58は、基準電圧比較回路51、Ip1ドライブ回路52、Vs検出回路53、Icp供給回路54、Ip2検出回路55、Vp2印加回路56、ヒータ駆動回路57および抵抗検出回路59から構成され、NOセンサ10(センサ素子100)を用いた排気ガス中のNO濃度検出を行う。
Icp供給回路54は、Vsセル120の電極122,123間に電流Icpを供給し、第1測定室150内から基準酸素室170内への酸素の汲み出しを行っている。Vs検出回路53は、電極122,123間の電圧Vsを検出するための回路であり、その検出結果を基準電圧比較回路51に対し出力している。基準電圧比較回路51は、Vs検出回路53に検出されたVsセル120の電極122,123間の電圧Vsを、基準となる基準電圧(例えば425mV)と比較するための回路であり、その比較結果をIp1ドライブ回路52に対し出力している。
Ip1ドライブ回路52は、Ip1セル110の電極112,113間に電流Ip1を供給するための回路である。電流Ip1の大きさや向きは、基準電圧比較回路51によるVsと基準電圧との比較結果に基づき、Vsセル120の電極122,123間の電圧が予め設定された基準電圧と略一致するように調整されている。その結果、Ip1セル110により、第1測定室150内からセンサ素子10外部への酸素の汲み出し、あるいはセンサ素子10外部から第1測定室150内への酸素の汲み入れが行われる。すなわち、Ip1セル110は、Vsセル120の電極122,123間の電圧が一定値(基準電圧の値)に保たれるように、第1測定室150内における酸素濃度の調整を行っている。
また、Vp2印加回路56は、Ip2セル130の電極132,133間へ、被測定ガス(排気ガス)中のNO(具体的にはNO)を酸素とNに分解させる一定電圧Vp2(例えば450mV)を印加するための回路であり、NOを窒素と酸素に分解すると共に、第2測定室160内から基準酸素室170(電極133から電極132)に酸素の汲み出しを行う。Ip2検出回路55は、Ip2セル130の電極132,133間に流れた電流Ip2の値の検出を行う回路である。
ヒータ駆動回路57は、CPU61により制御され、ヒータ素子161のヒータパターン164へ電流を流し、固体電解質体111,121,131(つまり、Ip1セル110、Vsセル120、Ip2セル130)の加熱を行うと共に、固体電解質体111,121,131の温度を所定の温度(換言すれば、目標値)に保たせるための回路である。ヒータパターン164はヒータ素子161内で繋がる一本の電極パターンであり、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路57に接続されている。
このヒータ駆動回路57およびCPU61は、固体電解質体111,121,131(本実施例では、具体的に固体電解質体121)が狙いとする温度になるように、後述するVsセル120の内部抵抗値に基づいて、ヒータパターン164をPWM通電制御して当該ヒータパターン164に電流を流す制御を行えるように構成されている。尚、ヒータ駆動回路57およびCPU61が本発明の「ヒータ通電制御手段」に相当する。
次に、本実施の形態におけるVsセル120の内部抵抗(インピーダンス)値の測定方法について説明する。なお、このVsセル120の内部抵抗の測定は、所定の周期のもと定期的に実行される。Vsセル120の内部抵抗(内部抵抗値)の測定方法としては、Vsセル120に形成された電極122,123間に、抵抗検出回路59を構成する定電流源回路から定電流Iを一定時間流し、それに応答して変化する電極122,123間の電圧Vを抵抗検出回路59により測定する。そして、定電流Iを付与した際の電圧Vの変化量と、定電流Iとに基づいて、マイクロコンピュータ60のCPU61にて内部抵抗の値として演算するようにすれば良い。より詳細には、抵抗検出回路59に設けた定電流源回路から定電流IをVsセル120に流す前の電極122,123間の電圧と、上記定電流源回路から定電流IをVsセル120に流してから一定時間経過後(例えば、60μs経過後)の電極122,123間の電圧を抵抗検出回路59を介して、CPU61が入力し、入力した2つの電圧の差電圧(変化量)ΔVから、予め設定された計算式又はマップを用いてVsセル120の内部抵抗の値を求めるようにする。この抵抗検出回路59の回路構成およびVsセル120の内部抵抗の測定手法自身は公知であることから、これ以上の説明は省略する。抵抗検出回路59およびCPU61が、本発明の「内部抵抗検出手段」に相当する。
尚、Vsセル120の内部抵抗の抵抗値の測定に限られず、Ip1セル110やIp2セル130に対しても、上記と同様にして内部抵抗の抵抗値を測定することもできる。
次に、このような構成のガスセンサ制御装置1によるNO濃度の検出動作について説明する。
まず、センサ素子100を構成する固体電解質体111,121,131が、ヒータ駆動回路57から駆動電流が流されたヒータパターン164の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ip1セル110、Vsセル120、及びIp2セル130が動作するようになる。
一方、排気通路(図示外)内を流通する排気ガスは、第1拡散抵抗部151による流通量の制限を受けつつ第1測定室150内に導入される。ここで、Icp供給回路54によりVsセル120には電極123側から電極122側へ微弱な電流Icpが流されている。このため排気ガス中の酸素は、負極側となる第1測定室150内の電極122から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体121内を流れ、基準酸素室170内に移動する。つまり、電極122,123間で電流Icpが流されることによって、第1測定室150内の酸素が基準酸素室170内に送り込まれ、電極123が基準電極として機能することになる。
Vs検出回路53では電極122,123間の電圧が検出されており、この電圧が基準電圧比較回路51により基準電圧(425mV)と比較され、その比較結果がIp1ドライブ回路52に出力されている。ここで、電極122,123間の電位差が425mV付近で一定となるように、第1測定室150内の酸素濃度を調整すれば、第1測定室150内の排気ガス中の酸素濃度は所定値(例えば、10−8〜10−9atm)に近づくこととなる。
そこで、Ip1ドライブ回路52では、第1測定室150内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、電極112側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1を流し、センサ素子100外部から第1測定室150内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第1測定室150内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ip1ドライブ回路52は、電極113側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1を流し、第1測定室150内からセンサ素子100外部へ酸素の汲み出しを行う。
このように、第1測定室150において酸素濃度が調整された排気ガスは、第2拡散抵抗部152を介し、第2測定室160内に導入される。第2測定室160内で電極133と接触した排気ガス中のNOxは、電極133を触媒としてNとOに分解(還元)される。そして分解された酸素は、電極133から電子を受け取り、酸素イオンとなって固体電解質体131内を流れ、電極132に移動する。このとき、第1測定室150で汲み残された残留酸素も同様に、Ip2セル130によって基準酸素室170内に移動する。このため、Ip2セル130を流れる電流は、NOx由来の電流および残留酸素由来の電流となる。
ここで、第1測定室150で汲み残された残留酸素の濃度は上記のように所定値に調整されているため、その残留酸素由来の電流は略一定とみなすことができ、NOx由来の電流の変動に対し影響は小さく、Ip2セル130を流れる電流はNOx濃度に比例することとなる。ガスセンサ制御装置1では、Ip2検出回路55によりIp2セル130を流れる電流Ip2を検出し、その電流値から、マイクロコンピュータ60が公知の残留酸素由来のオフセット電流の補正計算処理を行い、排気ガス中のNOx濃度の検出を行う。
なお、Ip2検出回路55及びマイクロコンピュータ60が、本発明の「濃度値検出手段」に相当する。
又、本実施の形態のガスセンサ制御装置1においては、素子冷え等によりVsセル120の内部抵抗値が所定の範囲を超えて変動した場合には、NOx濃度の検出値が不正確であるとして、これを所定値(この例では0)に強制的に設定すると共に、その所定値を検出値(濃度値)としてECU90に出力する処理を行う。
ここで、ガスセンサ制御装置1における上記所定値をECU90に出力する処理を説明する前に、図2〜図4を参照し、素子冷えまたは素子の急昇温により、内部抵抗検出対象セルであるVsセル120の内部抵抗値が変動した場合に、NOx濃度の検出値に与える影響について説明する。
図2は、図1に示すNOセンサ10をNOx濃度=0であり、且つ、所定の温度下の雰囲気(具体的には、大気雰囲気)中に配置し、Vsセル120の内部抵抗値が目標値(300Ω)となるようにヒータ素子161を駆動制御させた状態で、素子冷えが起こったと想定して、上記目標値に対し、故意に300Ωに所定の値(図2に記載の+2Ω,+3Ω,+4Ω,+5Ω,+10Ω,+15Ω)をそれぞれ加算した値に変更し、変更した各値のもとでのVsセル120の内部抵抗値(以下、適宜「Rpvs」と表記する)の時間変化率(dRpvs/dt)とNOx濃度の検出値の変動(ppm)との関係を表したグラフを示す。例えば、図2の2Ωでのグラフは、300Ωから302Ωに変化させるまでの時間t1をヒータ素子161への通電制御を変更させることによって種々変化させ、Rpvsの時間変化に対するNOx濃度の検出値の影響を見ている。従って、この場合、dRpvs/dtは、(302−300)/t1で表されることになる。
また、図3は、図1に示すNOセンサ10をNOx濃度=0であり、且つ、所定の温度下の雰囲気(具体的には、大気雰囲気)中に配置し、Vsセル120の内部抵抗値が目標値(300Ω)となるようにヒータ素子161を駆動制御させた状態で、センサ素子10が急昇温したと想定して、上記目標値に対し、故意に300Ωに所定の値(図3に記載の−2Ω,−3Ω,−4Ω,−5Ω,−10Ω,−15Ω)をそれぞれ減算した値に変更し、変更した各値のもとでのVsセル120の内部抵抗値(以下、適宜「Rpvs」と表記する)の時間変化率(dRpvs/dt)とNOx濃度の検出値の変動(ppm)との関係を表したグラフを示す。
例えば、図2の2Ωでの挙動を見ると、dRpvs/dtの値が大きくなるほど(つまり、Rpvsが300Ωから302Ωに変化する時間が短く、急激に温度が低下したと想定されるほど)、NOx濃度の検出値の変動も大きくなる。図2の3Ω〜15Ωでの挙動を見ても同様の傾向がある。しかしながら、2Ωでの挙動の方が、3Ω〜15Ωのそれぞれの挙動に比べてNOx濃度の検出値の変動が小さい。このことから、Rrvsの変動時間が速やかである場合であって、dRpvs(つまり、300ΩからのRpvsの変動)が小さくなるほどNOx濃度の検出値の変動を小さく抑えられ、逆にdRpvsが大きくなると、NOx濃度の検出値の変動も大きくなり、濃度検出精度に影響を与える。以上の結果は、図3についても同様である。
ここで、NOセンサ10に求められるNOx濃度の検出値の精度は±5ppm以内が良好であることから、この範囲を図2、図3の縦軸(NOx濃度の検出値の変動)に当てはめると、図2及び図3における太い実線の枠内がNOx濃度の検出値の変動(精度)が±5ppm以内の領域を示す。このとき、各dRpvs毎(例えば、図2では2〜15Ωの各プロット毎)に、横軸(dRpvs/dt)の値がNOx濃度の検出値の変動値(+5ppmまたは−5ppm)と交わるときの値(以下、この値を「dRpvs/dt(5ppm)と表記する」)を求め、dRpvsとdRpvs/dt(5ppm)との関係として表すと図4になる。
なお、図4は、図2及び図3に相当するグラフを複数本のNOxセンサ10(本実施形態では3本のNOxセンサ10)で作成し、3つの図2のグラフ及び3つの図3のグラフのもと、NOx濃度の検出値の変動値が−5ppmまたは+5ppmと交わる各dRpvsの値でのdRpvs/dtを求め、各dRpvs毎で求められた3つのdRpvs/dtの値を平均化した値をプロットするようにして、図4を作成している。
図4から、dRpvsがゼロに近い値(換言すれば、300Ωからの変動値が小さい)ほど、dRpvs/dt(5ppm)が大きくなる。例えば、上記した図2の2Ωでのグラフを見ると、dRpvs/dtが大きくなっても(図2でdRpvs/dt=300程度)、NOx濃度の検出値の変動値が5ppm以内の太枠内に収まっている。これは、Rpvsを急激に変化させてもNOx濃度の検出値の変動が小さく(換言すれば、検出精度が維持され易く)、その分だけRpvsの急変への許容量(つまりdRpvs/dt(5ppm))が大きいことを示している。
これに対し、dRpvsが大きくなると、dRpvs/dt(5ppm)が小さくなり、Rpvsの急変への許容量が減り、わずかでもRpvsが時間的に変化するとNOx濃度の検出値の変動値が5ppmを超えてしまうことになる。つまり、素子冷えや素子の急昇温によるRpvsの急変に対し、dRpvsが小さいほどNOx濃度の検出値の変動を所定範囲内に収めることができる。但し、一般的な、ヒータ素子161への通電手法のもとでは、dRpvs/dt(5ppm)=100Ω/秒を超えるRpvsの急変はあまり生じないので、dRpvs/dt(5ppm)=100Ω/秒以上となるdRpvs=2Ωが現実的なdRpvsの上限値である。以上のことから、この実施形態では、dRpvsの上限値を2Ω以下とする。この値(2Ω)が、本発明における(内部抵抗)の目標値の「許容範囲」に相当する。
次に、図5〜図8を参照し、本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置1による、NOx濃度の検出値の無効化処理について説明する。 図5、図6は、Rpvs算出処理及びヒータ制御処理のフローを示す。まず、ECU90からセンサ通電開始信号が信号入出力部64を介してCPU61に入力される。CPU61は、この指示に基づいてヒータ駆動回路57を制御し、ヒータ素子161の通電を開始する(ステップS1)。次いで、CPU61は、Vsセル120の内部抵抗値(Rpvs)を算出する(ステップS2)。Rpvsが350Ω未満に低下すると(ステップS3でYES)、CPU61は、Ip1セル110,Ip2セル130の駆動(制御)を開始する(ステップS5)。次いで、CPU61は、Rpvsが250ΩになるようにターゲットRpvs=250Ωに設定し、ヒータ駆動回路57を制御してヒータ素子161の通電(PWM通電)を制御する(ステップS6)。尚、ステップS6の処理では、同時に時間計測を開始する。
一方、Rpvsが350Ω以上の場合(ステップS3でNO)、CPU61は、サンプリング時間が経過したか否かを判定し(ステップS4)、ステップS4でNoであれば次のサンプリング時間になるまで待機する。そして、次のサンプリング時間になると(ステップS4でYES)、ステップS2の処理に戻る。
ステップS6で時間計測を開始してから一定時間(一例として、30秒等)が経過すると(ステップS7でYES)、CPU61はターゲットRpvs=300Ωに設定し、ヒータ駆動回路57を制御してヒータ素子161の通電(PWM通電)を制御する(ステップS9)。一方、ステップS7の判断処理で、NOの場合、CPU61は次のサンプリング時間になるまで待機する。
ここで、以後、ターゲットRpvs=300Ωになるようにヒータ素子161の通電が制御されることから、300Ωが本発明の「(内部抵抗Rpvsの)目標値」に相当する。
ステップS9の処理が終了すると、CPU61は、NOx-availableフラグを立上げ(ステップS10)、次いでRpvsを算出する(ステップS12)。ここで「NOx-availableフラグ」は、図5、図6のルーチンとは別のメインルーチン(後述の図7の処理フロー)で算出されたNOx濃度値を、無効化するか否かの判定に用いられる。
次に、CPU61は、Rpvsが300±2Ω未満であるか否か(換言すれば、298Ωより大きく、302Ω未満であるか否か)を判定する(ステップS14)。ここで、上記したように300Ωが「目標値」であり、±2Ωが本発明の「目標値を跨ぐ許容範囲」に相当する。従って、ステップS14は、「内部抵抗が目標値を跨ぐ許容範囲内」にあるか否かを判定する処理である。又、CPU61が本発明の「判定手段」に相当する。
CPU61は、ステップS14でYesであれば、サンプリング時間が経過したか否かを判定する(ステップS16)。さらにCPU61は、ステップS16でNoであれば次のサンプリング時間になるまで待機し、次のサンプリング時間になると(ステップS16でYES)、ステップS12の処理に戻る。
一方、ステップS14でNoであれば、CPU61は、NOx-availableフラグを立下げる(ステップS18)。さらにCPU61は、サンプリング時間が経過したか否かを判定し(ステップS20)、ステップS20でNoであれば次のサンプリング時間になるまで待機し、次のサンプリング時間になると(ステップS20でYES)、ステップS22に移行する。
次いでCPU61は、Rpvsを算出し(ステップS22)、Rpvsが300±2Ω未満であるか否かを判定する(ステップS24)。さらにCPU61は、ステップS24でYesであればステップS10の処理に戻り、ステップS24でNoであればステップS20の処理に戻る。
次に、図7を参照し、メインルーチンであるNOx濃度算出処理のフローについて説明する。NOx濃度の検出値の無効化の判定(最終的な判定)は、ガスセンサ制御装置1自身によって行われる。
まず、CPU61は、ステップS5でECU90からセンサ通電開始信号が信号入出力部64を介してCPU61に入力されているか否かを判定する(ステップS50)。ステップS50でYesであれば、CPU61は、Ip2出力を取得し(ステップS52)、ステップS50でNoであればステップS50の処理に戻る。なお、Ip2出力は、前述した図5のステップS6にて駆動が開始されることにより、CPU6に対して出力されるものである。ステップS52に続き、CPU61はIp2出力に基づいてNOx濃度を算出する(ステップS54)。ここで、Ip2出力(具体的には、Ip2セル130を流れる電流Ip2)を検出し、NOx濃度を算出する。
次に、CPU61は、ステップS56でNOx-availableフラグがHighであるか(立ち上がっているか)否かを判定する。ステップS56でYesの場合、CPU61は算出したNOx濃度の値を外部装置であるECU90に対して出力し(ステップS58)、次にサンプリング時間が経過したか否かを判定する(ステップS62)。ステップS62でNoであれば次のサンプリング時間になるまで待機し、次のサンプリング時間になると(ステップS62でYES)、ステップS50に移行する。
なお、本実施の形態のガスセンサ制御装置1は、図示しないCAN回路(車両のネットワークとのインターフェース)を備えており、CAN回路はECU90に接続されている。そして、ステップS58では、CPU61はNOx濃度の値をCAN回路を介してECU90に対して出力(送信)する。
一方、ステップS56でNoの場合、CPU61はNOx濃度を所定値(この例では0)に強制的に設定すると共に、その所定値を検出値(濃度値)としてECU90に対し出力する(ステップS60)。ステップS60の後はステップS62に移行する。
なお、CPU61が「無効設定手段」に相当する。
このように、本実施の形態のガスセンサ制御装置1では、ステップS60でNOx出力(NOx濃度)を強制的に0に設定し、その値をECU90にCAN回路を介して出力(送信)することで、素子冷え等に起因した誤ったNOx出力をECU90に出力することがなく、NOx検出精度が低下してしまうことを抑制することができる。なお、ステップS60で設定するNOx濃度の値は0に限られず、NOx検出精度の低下を抑制できる値であればよい(例えば、微小な正の値等)。
本発明のガスセンサ制御方法は、内部抵抗検出過程(図5のステップS2、図6のステップS12,S22)、濃度値検出過程(図7のステップS54)、ヒータ通電制御過程(図5のステップS6,S9)、判定過程(図6のステップS14)と、無効設定過程(図7のステップS60)を有する。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、ガスセンサとしてはNOxセンサに限られず、酸素センサ等に適用することもできる。また、上記実施の形態の許容範囲は、内部抵抗の目標値を基準にして+側、−側に同値(2Ω)を設定させるようにしたが、当該目標値を基準にして+側、−側に異なる値を設定してもよいし、+側だけ又は−側だけ設定して、目標値を下限値又は上限値とする範囲にしてもよい。
1 ガスセンサ制御装置
10 ガスセンサ
55 濃度値検出手段(Ip2検出回路)
57 ヒータ通電制御手段(ヒータ駆動回路)
59 内部抵抗検出手段(抵抗検出回路)
61 内部抵抗検出手段、濃度値検出手段、ヒータ通電制御手段、判定手段、無効設定手段、濃度値出力手段(CPU)
90 外部装置(ECU)
110 セル(第1ポンピングセル)
120 内部抵抗検出対象セル(酸素濃度測定セル)
130 セル(第2ポンピングセル)
111、121、131 固体電解質体
112、113 一対の電極(第1対極電極、内側第1ポンプ電極)
122、123 一対の電極(検知電極、基準電極)
132、133 一対の電極(第2対極電極、内側第2ポンプ電極)
150 第1測定室
160 第2測定室

Claims (3)

  1. 固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える1つ以上のセルと、前記セルの少なくとも1つを加熱するヒータとを有し、前記セルの1つを介して被測定ガス中の特定ガス成分の濃度に応じた濃度信号を出力するガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置であって、前記ガスセンサ制御装置には外部装置が接続されており、
    前記ガスセンサ制御装置は、
    前記セルの1つを内部抵抗検出対象セルとして、該内部抵抗検出対象セルの内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段と、
    前記濃度信号に基づいて前記特定ガス成分の濃度値を検出し、前記外部装置に出力する濃度値検出手段と、
    前記内部抵抗検出手段が検出した前記内部抵抗が目標値となるように、前記ヒータを通電制御するヒータ通電制御手段と、
    前記内部抵抗検出手段が検出した前記内部抵抗が、前記目標値を跨ぐ許容範囲内にあるか否かを判定する判定手段と、
    前記判定手段により前記内部抵抗が前記許容範囲内でないと判定されているとき、前記濃度値検出手段によって検出された前記濃度値を、無効にする所定の無効化濃度値に設定にする無効設定手段と、
    を備えるガスセンサ制御装置。
  2. 前記ガスセンサはNOセンサであり、間隔を開けて積層される2層の前記固体電解質体の間に区画され外部から前記被測定ガスを導入する第1測定室と、前記第1測定室に連通して周囲から区画される第2測定室とを備え、
    前記セルは、前記第1測定室に面して配置される検知電極と該検知電極の対極となる基準電極とを備え、前記第1測定室内の酸素濃度に応じた出力電圧を出力する酸素濃度測定セルと、
    前記第1測定室に面して配置される内側第1ポンプ電極と該内側第1ポンプ電極の対極をなすと共に前記第1測定室外に配置された第1対極電極とを備え、前記酸素濃度測定セルからの前記出力電圧が所定値となるように、前記内側第1ポンプ電極及び前記第1対極電極間に流れる電流を通電制御することで、前記第1測定室内の酸素濃度を制御する第1ポンピングセルと、
    前記第1測定室から前記酸素濃度が制御されたガスが導入される前記第2測定室内に面して配置される内側第2ポンプ電極と該内側第2ポンプ電極の対極をなすと共に前記第2測定室外に配置された第2対極電極とを備え、前記内側第2ポンプ電極と前記第2対極電極間に電圧を印加することにより前記第2測定室内前記特定ガス成分であるNOの濃度に応じた電流が流れる第2ポンピングセルとを備え、
    前記酸素濃度測定セル、前記第1ポンピングセル、及び前記第2ポンピングセルのうちの1つが前記内部抵抗検出対象セルである請求項1記載のガスセンサ制御装置。
  3. 固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える1つ以上のセルと、前記セルの少なくとも1つを加熱するヒータとを有し、前記セルの1つを介して被測定ガス中の特定ガス成分の濃度に応じた濃度信号を出力するガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置の制御方法であって、前記ガスセンサ制御装置には外部装置が接続されており、
    前記セルの1つを内部抵抗検出対象セルとして、該内部抵抗検出対象セルの内部抵抗を検出する内部抵抗検出過程と
    前記内部抵抗検出過程で検出した前記内部抵抗が目標値となるように、前記ヒータを通電制御するヒータ通電制御過程と、
    前記ヒータ通電制御過程による前記ヒータの通電制御のもと、前記濃度信号に基づいて前記特定ガス成分の濃度値を検出し、前記外部装置に出力する濃度値検出過程と、
    前記ヒータ通電制御過程による前記ヒータの通電制御のもと、前記内部抵抗が、前記目標値を跨ぐ許容範囲内にあるか否かを判定する判定過程と、
    前記判定過程により前記内部抵抗が前記許容範囲内でないと判定されているとき、前記濃度値検出過程によって検出された前記濃度値を、無効にする所定の無効化濃度値に設定する無効設定過程と、を有するガスセンサ制御方法。
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