JP5465263B2 - NOxセンサ制御装置 - Google Patents
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Description
このNOx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の表面に一対の電極を形成してなるセルを3つ備えたNOxセンサ素子を有するものが知られている。NOxセンサ素子は軸線方向に延び、軸線方向に沿って見たときに先端側から、第1ポンピングセル、酸素濃度検出セル、第2ポンピングセルが順に並んで構成され、このNOxセンサ素子は周囲を主体金具によって保持されている。
そして、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NOx測定室(第2測定室)に流入し、NOx測定室に臨む第2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が分解されて第2ポンピングセルの一対の電極間にNOx濃度に応じた電流が流れ、この電流に基づきNOx濃度が検出される。
さらに、本発明では、第1インピーダンスと第2インピーダンスとの偏差に基づき、少なくとも第3セルの出力を補正するものであり、この偏差を用いて第2セルの出力を補正してもよい。なお、第2セルについては第2インピーダンスを検出していることから、この第2インピーダンスに基づいて第2セルの出力を補正するようにしてもよい。
また、出力補正手段による第3セルの出力補正については、上記の偏差を直接用いて適宜の手法で行ってもよいが、上記の偏差を用いて第1セルと2セルとの間の温度勾配係数を算出し、この温度勾配係数を用いて第3セルの出力を補正すると精度の良い補正を実現することが可能となる。
第1セルを酸素濃度検出セルとすることで、ヒータ制御手段を通じて第1セルのインピーダンスはほぼ目標値に近い値を示すことになるため、酸素濃度検出セルの出力精度が安定する。そのため、酸素濃度検出セルの出力に基づく第1ポンピングセルの駆動が正確なものとなり、第1測定室からNOx測定室に流入する被測定ガス中の酸素濃度がほぼ一定になり、第2ポンピングセルに流れる電流に基づくNOx濃度の検出精度を高めることができる。
図1は、本発明の実施形態に係るNOxセンサ制御装置(コントローラ)1の構成を示すブロック図である。NOx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、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)にも電気的に接続されている。
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、被測定ガスの酸素濃度の検出値(濃度換算値)及びNOx濃度の検出値(濃度換算値)をそれぞれ算出し、その検出値をそれぞれECU90に出力し、ECU90は酸素濃度あるいは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。
制御回路58は、詳しくは後述する基準電圧比較回路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、ヒータ通電回路57、Rvs検出回路59a、Rip2検出回路59bを備える。制御回路58は、NOxセンサ素子100を制御すると共に、NOxセンサ素子100に流れる第1ポンピング電流、第2ポンピング電流を検出してマイクロコンピュータ60に出力する。
NOxセンサ素子100は、第1固体電解質層111、絶縁層140、第2固体電解質層121、絶縁層145、第3固体電解質層131、及び絶縁層162、163をこの順に積層した構造を有する。第1固体電解質層111と第2固体電解質層121との層間に中空の第1測定室150が画成され、第1測定室150の左端(入口)に配置された多孔質状の第1拡散抵抗体151を介して外部から被測定ガスが導入される。
第1測定室150のうち入口と反対端には多孔質状の第2拡散抵抗体152が配置され、第2拡散抵抗体152を介して第1測定室150の右側には、第1測定室150と連通する中空のNOx測定室160が画成されている。NOx測定室160は、第2固体電解質層121を貫通して第1固体電解質層111と第3固体電解質層131との層間に形成されている。
絶縁層140,145はアルミナを主体とし、第1拡散抵抗体151及び第2拡散抵抗体152はアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ164は白金等からなる。
なお、絶縁層145は、第2固体電解質層121に接する基準電極123が内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室170を形成している。そして、酸素濃度検出セル120にIcp供給回路54を用いて予め微弱な一定値の電流Icpを流すことにより、酸素を第1測定室150から基準酸素室170内に送り込み、基準酸素室170内の雰囲気が基準となる酸素雰囲気になるように制御している。
なお、第2対極電極132は、第3固体電解質層131上における絶縁層145の切り抜き部に配置され、基準電極123に対向して基準酸素室170に面している。
従って、本実施の形態では、酸素濃度検出セル120が特許請求の範囲の「第1セル」に相当する。又、本実施の形態では、第2ポンピングセル130が特許請求の範囲の「第2セル」に相当し、第1ポンピングセル110が特許請求の範囲の「第3セル」に相当する。
Ip1ドライブ回路52は、内側第1ポンピング電極113及び第1対極電極112の間に第1ポンピング電流Ip1を供給しつつ、その際の第1ポンピング電流Ip1を検出する。Vs検出回路53は、検知電極122及び基準電極123の間の電圧(起電力)Vsを検出し、検出結果を基準電圧比較回路51に出力する。
基準電圧比較回路51は、基準電圧(例えば、425mV)とVs検出回路53の出力とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路52に出力する。そして、Ip1ドライブ回路52は、電圧Vsが上記基準電圧に等しくなるように第1ポンピング電流Ip1の大きさ及び通電方向を制御し、第1測定室150内の酸素濃度を所定の低酸素濃度に調整する。
Icp供給回路54は、検知電極122及び基準電極123の間に微弱な電流Icpを流し、酸素を第1測定室150から基準酸素室170内に送り込む。
Vp2印加回路56は、内側第2ポンピング電極133及び第2対極電極132の間に、被測定ガス中のNOx(具体的にはNO)が酸素とN
2 に分解する程度の一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加し、NOxを窒素と酸素に分解する。
Ip2検出回路55は、NOxの分解により生じた酸素がNOx測定室160から汲み出されるように第2ポンピングセル130(内側第2ポンピング電極133及び第2対極電極132の間)に流れる第2ポンピング電流Ip2を電圧変換して検出する。
A/Dコンバータ65はこれらの値をデジタル変換し、信号入出力部64を介してCPU61に出力する。
Rip2検出回路59bは、マイコン60の指示に応じて所定のタイミング毎に第2ポンピングセル130に一定のパルス状電圧を供給し又は供給を停止する制御を行い、パルス状電圧を供給したときの第2ポンピングセル130の電流変化量をマイコン60に出力する。
ここで、ガスセンサ素子の各セル120、130の内部抵抗(インピーダンス)が各セル120、130の温度に依存することから、これらインピーダンスを検出することで、各セル120、130の温度を測定することが可能である。そして、各セル120、130の出力変化量と、各セル120、130に供給した上記電流又は電圧とに基づき各セル120、130のインピーダンスの値を算出し、さらにインピーダンスの値と各セル120、130の温度の関係(例えばマップ)に基づき、各セル120、130の温度を算出する。
なお、Rvs検出回路59a及びマイクロコンピュータ60(のCPU61)が特許請求の範囲の「第1インピーダンス検出手段」に相当し、Rip2検出回路59b及びマイクロコンピュータ60(のCPU61)が特許請求の範囲の「第2インピーダンス検出手段」に相当する。又、酸素濃度検出セル120のインピーダンスが特許請求の範囲の「第1インピーダンス」に相当し、第2ポンピングセル130のインピーダンスが特許請求の範囲の「第2インピーダンス」に相当する。
まず、Rvs検出回路59aで測定した電圧変化量(差電圧)に基づき、CPU61で酸素濃度検出セル120のインピーダンスRpvsを算出し、このインピーダンスRpvsが目標値になるようにヒータ164の通電制御を実行する。これにより、酸素濃度検出セル120が目標温度に実質的に維持される。
なお、ヒータ164の通電制御処理は、インピーダンスRpvsが目標値になるように、例えばヒータ164への通電を行うためのデューティ比を算出するPWM制御(PWM通電)により行うことができる。
ここで、酸素濃度検出セル120はヒータで一定の温度となるように温度制御されているため、主体金具の温度が変動してもほぼセル温度Tsが略一定に保たれており、各曲線は酸素濃度検出セル120の位置(セル温度Ts)でほぼ交差している。又、第1ポンピングセル110及び第2ポンピングセル130のセル温度をそれぞれT1,T2とする。なお、本発明においては、1つのセル(第1セル)の目標温度がヒータ164で制御されている必要がある。これは、図2、図3において、温度(インピーダンス)の値がほぼ一定となるセルがないと、第1セルのインピーダンスと第2セルのインピーダンスとの偏差を求めたときに、温度勾配の変動を精度よくつかむことができなくなるためである。
図5は、温度勾配係数Kdと温度補償量Tcoとの関係を示すテーブルであり、このテーブルはROM63に格納しておくことができる。具体的には、テーブルには、NOxセンサ素子の温度を種々変化させたときのそれぞれの温度勾配係数Kdと温度補償量Tcoとの関係(主体金具の温度が400℃(図3の実線)のときの温度勾配係数Kd1に対し温度補償量Tco1、定常温度(150℃)(図3の破線)のときの温度勾配係数Kd2に対し温度補償量Tco2)が記憶されている。なお、図5では理解を容易にするために、2つの温度勾配係数Kdと温度補償量Tcoとの関係を示したテーブルを示しているが、温度補償を精度良く行うために、3つ以上の温度勾配係数Kdと温度補償量Tcoとの関係を示したテーブルを適用しても良いことは言うまでもない。
図6において、所定時間Taが経過するまでメインルーチンの処理のタイミング待ちを行う(ステップS10)。ステップS10で「Yes」であれば、ステップS12に移行し、CPU61は第1ポンピングセル110の出力(第1ポンピング電流)Ip1を取得する。一方、ステップS10で「No」であれば、メインルーチンの最初に戻る。
CO に応じた第1ポンピング電流Ip1の変化量は、マップとして格納されていてもよく、両者の関係式(演算式)として設定されていてもよい。
そして、ステップS100で温度勾配係数Kdの算出処理が終了すると、CPU61は、上記したように酸素濃度検出セル120の第1インピーダンスRvsに基づくヒータ164の通電制御を行い(ステップS22)、メインルーチンの最初に戻る。
まず、CPU61の指示に応じ、Rvs検出回路59aは酸素濃度検出セル(Vsセル)120に定電流を供給し(ステップS102)、そのときの酸素濃度検出セル120の電圧変化量を検出する(ステップS104)。次いで、Rvs検出回路59aは、酸素濃度検出セル120への定電流の供給を停止し(ステップS106)、上記電圧変化量から酸素濃度検出セル120の第1インピーダンスRvsを算出する(ステップS108)。
また、CPU61の指示に応じ、Rip2検出回路59bは第2ポンピングセル130にパルス状電圧を供給し(ステップS110)、そのときの第2ポンピングセル130の電流変化量を検出する(ステップS112)。次いで、Rip2検出回路59bは、第2ポンピングセル130へのパルス状電圧の供給を停止し(ステップS114)、上記電流変化量から第2ポンピングセル130の第2インピーダンスRip2を算出する(ステップS116)。
そして、CPU61は、Rvs及びRip2に基づいてTs及びT2を求め、さらに温度勾配係数Kd(=(Ts−T2)/ΔXs2)を算出し、ROM63に記憶された温度勾配係数を更新する(ステップ118)。このようにして、本実施の形態では、ステップS14にて被測定ガス中の酸素濃度を算出するために必要な温度勾配係数Kdを随時更新していくのである。
また、上記実施形態では、第2ポンピング電流Ip2の補正を最新の第2インピーダンスRip2を用いて行うようにしたが、第1ポンピング電流Ip1の補正と同様に、ステップS118で算出される温度勾配係数Kdを用いて、第2ポンピング電流Ip2の補正を行って当該電流Ip2の温度補償を行うようにして、NOx濃度を算出するようにしてもよい。
10 NOxセンサ
57,60 ヒータ制御手段(ヒータ通電回路、マイコン)
59a、60 第1インピーダンス検出手段(Rvs検出回路及びマイコン)
59b、60 第2インピーダンス検出手段(Rip2検出回路及びマイコン)
60 出力補正手段(マイコン)
100 NOxセンサ素子
110 第1ポンピングセル
120 第2ポンピングセル
130 酸素濃度検知セル
111、121、131 固体電解質体
150 第1測定室
160 NOx測定室
164 ヒータ
O 軸線
Claims (3)
- NOxセンサに接続されるNOxセンサ制御装置であって、
前記NOxセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、第1測定室に導入される被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力を行う酸素濃度検出セルと、
酸素イオン電導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、前記酸素濃度検出セルの出力が所定の値となるように、前記第1測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行って前記第1測定室内の酸素濃度を調整すると共に、被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力が流れる第1ポンピングセルと、
酸素イオン伝導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、前記第1測定室からNOx測定室に流入し酸素濃度が調整された被測定ガス中のNOx濃度に応じたポンピング電流が流れる第2ポンピングセルと、
ヒータと、を備えたNOxセンサ素子を有し、
前記NOxセンサ素子の軸線方向に沿う先端側から、前記第1ポンピングセル、前記酸素濃度検出セル、前記第2ポンピングセルが順に並び、
前記NOxセンサ制御装置は、
前記酸素濃度検出セル、前記第1ポンピングセル、前記第2ポンピングセルのうちの1つである第1セルの第1インピーダンスを検出する第1インピーダンス検出手段と、
前記第1セルの前記第1インピーダンス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制御手段と、
前記酸素濃度検出セル、前記第1ポンピングセル、前記第2ポンピングセルのうちの1つであり、且つ、前記第1セルとは異なる第2セルの第2インピーダンスを検出する第2インピーダンス検出手段と、
前記第1インピーダンスと前記第2インピーダンスとの偏差に基づき、少なくとも前記第1セル、前記第2セルとは異なる第3セルの出力を補正する出力補正手段と、を備える
NOxセンサ制御装置。 - 前記第1セルは、前記酸素濃度検出セルである請求項1記載のNOxセンサ制御装置。
- 前記出力補正手段は、前記偏差を用いて前記第1セルと前記2セルとの間の温度勾配係数を算出し、この温度勾配係数を用いて前記第3セルの出力を補正する請求項1または請求項2に記載のNOxセンサ制御装置。
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