JP5981296B2 - 内燃機関の制御システム - Google Patents
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Description
本発明に係る制御システムは、排気通路内に限界電流式酸素センサ50(以下、適宜「酸素センサ」という。)が配置された内燃機関の制御システム置である。この制御システムは、排気通路内に配置された酸素センサ50が硫黄(S)被毒されているか否かを検知するように構成されている。
本発明の一実施形態に係る酸素センサ50の概略構成を図1に示す。酸素センサ50は、図1に示すように、センサ素子60とヒータ部70と多孔質保護層52とを備えている。センサ素子60は、固体電解質体62と測定電極64aと基準電極64bと拡散抵抗層66とから構成されている。センサ素子60は、固体電解質体62を備えている。固体電解質体62は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質から構成されている。かかる固体電解質としては、例えば、ジルコニア(例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ))などが挙げられる。また、固体電解質体62の外側には測定電極64aが形成されており、測定電極64aの外側には多孔質の拡散抵抗層66が形成されている。多孔質の拡散抵抗層66は、測定電極64aに対する排ガスの導入量を規制する層であり、排ガスは拡散抵抗層66の小孔を通じて測定電極64aに到達する。拡散抵抗層66の材料としては、アルミナ、ジルコニア、セリア等の多孔材を構成し得る材料を用いればよい。一方、固体電解質体62の内側には、基準電極64bが形成されており、基準電極64bの内側には保護層68が形成されている。保護層68は、ここではアルミナから構成されている。基準電極64bおよび測定電極64aは共に、白金等の触媒活性の高い貴金属を含む電極により構成されている。
以上のような知見から、本実施形態における酸素センサのS被毒検出方法(S被毒判断処理)は、ガス雰囲気測定工程と電圧印加工程とS被毒判断工程とを含んでいる。
この実施形態では、排気通路内の排ガスが還元雰囲気であることが判定され、かつ排気通路内の排ガスのガス雰囲気が変動していないと判定された場合に、S被毒判断処理を行うように構成されている。この実施形態では、制御システムの電子制御装置(ECU)の入力ポートは、エアフローセンサーやスロットル開度センサ等に接続されている。電子制御装置は、エアフローセンサーやスロットル開度(またはアクセル開度)等に基づいて、エンジンへの燃料噴射量や吸入空気量をモニターし、燃料噴射量や吸気空気量が変動しているときには、排気通路内の排ガスのガス雰囲気が変動していると判定し、一方、燃料噴射量や吸気空気量が変動していないときには、排気通路内の排ガスのガス雰囲気が変動していないと判定する。そして、排気通路内の排ガスが還元雰囲気であることが判定され、かつ排気通路内の排ガスのガス雰囲気が変動していないと判定された場合に、S被毒判断処理を行うように構成されている。
次に、本発明の他の一実施形態にかかる内燃機関の制御システムによって実行可能な制御について説明する。この実施形態では、制御システムは、S被毒判断処理においてセンサ素子がS被毒されたと判断された場合に、該センサ素子からSOxを脱離させるためのS被毒回復処理を行うように構成されている。
次に、本発明の他の一実施形態にかかる内燃機関の制御システムによって実行可能な制御について説明する。この実施形態では、制御システムは、S被毒回復処理の終了後、排気通路内の排ガスを還元雰囲気で維持しつつ、S被毒判断処理を再度実行し、再度のS被毒判断処理において、センサ素子がS被毒されていると判断されたときに再度のS被毒回復処理を行うように構成されている。すなわち、制御システムは、再度のS被毒判断処理において、センサ素子がS被毒されていないと判断されるまで、S被毒回復処理を繰り返すように構成されている。
基準電極および測定電極が共に白金を含む電極により構成された酸素センサを用意し、該酸素センサについてS耐久試験を行った。S耐久試験は、種々異なるSO2ガス濃度(0ppm,100ppm,200ppm,500ppm)のSO2ガス雰囲気にそれぞれ酸素センサを一定期間晒すことにより行った。S耐久試験後における測定電極の表面をXPSで分析した。電極表面の測定位置としては、中央部(測定位置1)および端部(測定位置2)の2箇所とした。結果を図9に示す。図9に示すように、SO2ガス濃度が高くなるほど、電極表面のS原子濃度が増大傾向となり、電極表面へのS成分の付着、すなわちS被毒が認められた。
上述のS耐久試験の前後におけるセンサ応答出力を測定した。具体的には、酸素センサをモデルガス装置に組み付け、還元雰囲気(A/F値13)で10秒間保持した後、酸化雰囲気(A/F値18)に切り替えた後のセンサ応答出力を測定した。センサ素子温度は700℃、監視電圧は0.4Vとした。上記センサ応答出力測定を上述のS耐久試験の前後に行った。図8に、500ppmのS耐久試験前後におけるセンサ応答出力を示す。図8に示すように、S耐久試験後のセンサ出力は耐久前に比べて遅延することが確かめられた。ここでは省略するが、100ppm,200ppmのS耐久試験前後についても同様の傾向が得られた。電極表面に付着したSに起因して上記遅延が生じたものと解される。
上述のS耐久試験後の酸素センサについて、種々異なるガス雰囲気下においてV−I波形を測定した。異なるガス雰囲気は、それぞれ空燃比(A/F値)を13,14.5,18とした。結果を図2に示す。図2に示すように、S被毒なし(0ppm)の酸素センサでは、ガス雰囲気に関係なく、0.1V〜0.7Vの範囲において出力電流が一定になる限界電流領域が発現した。これに対し、S被毒あり(100ppm,200ppm,500ppm)の酸素センサでは、A/F値が13の場合に、0.5V〜0.7Vの電圧範囲において限界電流値の上昇が認められた。
上述の500ppmのS耐久試験後の酸素センサについて、S被毒回復処理を行った。S被毒回復処理は、上記500ppmのS耐久試験後の酸素センサを、還元ガス雰囲気下(A/F値13)において、センサ素子に0.6Vの電圧を印加しつつ、750℃の高温域で10秒間、保持することにより行った。そして、初期(S耐久試験前)、S耐久試験後(S被毒後)およびS被毒回復処理後の63%応答時間を評価した。具体的には、各状態の酸素センサをモデルガス装置に組み付け、還元雰囲気(A/F値13)で10秒間保持した後、酸化雰囲気(A/F値18)に切り替えた後のセンサ応答出力を測定した。そして、そのとき(A/F値18)の限界電流値を100%とし、出力電流が3%から63%まで上昇するのに要した時間を63%応答時間とした。センサ素子温度は700℃、監視電圧は0.4Vとした。63%応答時間が短いほど、センサ応答性が良好であることを示唆している。結果を図10に示す。図10に示すように、S被毒後(S耐久試験後)は初期(S耐久試験前)に比べて応答時間が増大傾向であったが、S被毒回復処理後は、初期の水準まで再び応答時間が減少した。この結果から、上述のS被毒回復処理によって、センサ素子のS被毒が解消され、該S被毒に起因するセンサ応答遅れを解消できることが確かめられた。
20 電子制御装置
30 ガス雰囲気測定部
40 電圧印加部
50 酸素センサ
52 多孔質保護層
60 センサ素子
62 固体電解質体
64a 測定電極
64b 基準電極
66 拡散抵抗層
68 保護層
70 ヒータ部
72 絶縁基体
74 発熱抵抗体
100 制御システム
Claims (9)
- 排気通路内に限界電流式酸素センサが配置された内燃機関の制御システムであって、
前記排気通路内の排ガスが還元雰囲気であることが判定された場合に、前記限界電流式酸素センサのセンサ素子に相対的に低い電圧と相対的に高い電圧とを印加してそれぞれ出力電流を測定し、それらの出力電流差の有無または大小に基づいて、前記センサ素子が硫黄(S)被毒されたか否かを判断するS被毒判断処理を行うように構成されている、内燃機関の制御システム。 - 前記相対的に高い電圧を印加して得られた出力電流が、前記相対的に低い電圧を印加して得られた出力電流よりも大きく、かつそれらの出力電流差が所定の基準値T1を上回った場合に、前記センサ素子がS被毒されたと判断する、請求項1に記載の制御システム。
- 前記排気通路内の排ガスが還元雰囲気であることが判定され、かつ前記排気通路内の排ガスのガス雰囲気が変動していないと判定された場合に、前記S被毒判断処理を行うように構成されている、請求項1または2に記載の制御システム。
- 前記S被毒判断処理において前記センサ素子がS被毒されたと判断された場合に、該センサ素子からSOxを脱離させるためのS被毒回復処理を行うように構成されている、請求項1〜3の何れか一つに記載の制御システム。
- 前記S被毒回復処理として、前記センサ素子に対して、前記S被毒判断処理における前記相対的に高い電圧と同じレベルまたはそれ以上のレベルの電圧を印加する、請求項4に記載の制御システム。
- 前記S被毒回復処理として、前記センサ素子を通常の制御温度よりも高い温度に加熱する、請求項4または5に記載の制御システム。
- 前記S被毒回復処理として、前記排気通路内の排ガスが還元雰囲気で維持されるように制御する、請求項4〜6の何れか一つに記載の制御システム。
- 前記S被毒回復処理の継続時間が所定の基準タイムを上回ったときに該S被毒回復処理を終了するように構成されている、請求項4〜7の何れか一つに記載の制御システム。
- 前記S被毒回復処理の終了後、前記排気通路内の排ガスを還元雰囲気で維持しつつ、前記S被毒判断処理を再度実行し、
前記再度のS被毒判断処理において、前記センサ素子がS被毒されていると判断されたときに再度のS被毒回復処理を行うように構成されている、請求項8に記載の制御システム。
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