JP5119304B2 - ガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法 - Google Patents
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Description
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NOx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NOx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NOxが分解されてNOx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NOx濃度が検出される。
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。
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(NOx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NOxセンサであり、ガスセンサ制御装置はNOxセンサ制御装置として機能するので、以下、適宜「NOxセンサ」、「NOxセンサ制御装置」と称する。ECU90は外部装置である。
そして、NOxセンサ制御装置1は、NOxセンサ10から出力される信号に基づいてNOx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NOx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NOx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。NOx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。
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NOxセンサ10が構成されている。NOx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、NOx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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、NOxセンサ10(センサ素子100)を用いた排気ガス中のNOx濃度検出を行う。
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。
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。
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。
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。
図2は、図1に示すNOx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NOx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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
なお、CPU61が「無効設定手段」に相当する。
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。
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)
- 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。 - 前記ガスセンサはNOx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NOx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。 - 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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