JP6410205B2

JP6410205B2 - 制御システム

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Publication number: JP6410205B2
Application number: JP2014097654A
Authority: JP
Inventors: 正訓横山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: JP2015215212A

Description

本発明は、制御システムに関する。

従来より内燃機関の排気管には例えばＡ／Ｆセンサ（空燃比センサ）やＮＯｘセンサのように排ガス中の特定成分濃度を検出するセンサが配置される場合が多い。Ａ／Ｆセンサの場合、精度よく空燃比やＯ２濃度を検出するためにはセンサ素子部分を適切な温度（活性温度）に維持する必要がある。その温度制御は例えばセンサに備えられたヒータへの供給電力の制御により行われる。

そのようなセンサのヒータ制御の一手法が例えば下記特許文献１で提案されている。同文献では、センサ素子温度の上昇率に応じてセンサのヒータ通電量を制御するガス成分濃度測定装置が開示されている。

特許第３８４５９９８号公報

一般に個々のＡ／Ｆセンサのヒータには機差や使用年数の差などに起因する劣化程度の差などがあると考えられる。これらの差異を考慮しないでヒータ制御を行う場合、センサ素子温度にばらつきが生じ、それがひいてはＡ／Ｆ検出値のばらつき、エミッションのばらつきを生じさせる可能性がある。

したがって例えば上記特許文献１等でのヒータ制御にこの点を考慮した改善を付加すれば、Ａ／Ｆセンサのさらなる精度向上が期待できる。なお、このような課題はＡ／Ｆセンサには限定されず、適切な温度維持、追従が望まれるあらゆるセンサに共通の課題である。

そこで本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、機差や劣化程度の差などの存在下でも検出手段を適切な温度に維持、追従させることが可能な制御システムを提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係る制御システムは、第１期間において、被測定ガスの特定濃度成分を検出する検出手段の所定部位の温度を活性温度にするために加熱する加熱部に対し、前記所定部位の温度を活性温度に近づけるために算出された電力量を供給する第１制御手段と、前記第１期間外の第２期間において、所定の電力量を前記加熱部に供給する第２制御手段と、前記第２制御手段によって供給された所定の電力量による前記所定部位の温度変化に応じて、前記第１制御手段における制御ルーチン内のパラメータを調節する調節手段と、を備えたことを特徴とする。この発明によれば、第２期間には第１期間中の加熱部に対する制御を中断して所定電力量による温度変化を見て、それに応じて第１期間中の制御ルーチンのパラメータを調節する。これにより、機差や劣化程度の差などの存在下でも検出手段を適切な温度に維持、追従させることが可能となる。

また前記検出手段は内燃機関の排気通路に配置され、前記第２期間は前記内燃機関への燃料噴射をカットしている期間に含まれるとしてもよい。この発明によれば、内燃機関への燃料噴射をカットしている期間は排気中の被測定ガスの特定濃度成分を検出する必要性が相対的に低い期間であることを有効に利用して、その期間に加熱部に対する通常の制御を中断して、加熱部の特性を調べることができる。

また前記調節手段は、前記第２制御手段によって供給された電力量による前記所定部位の温度変化の程度が大きいほど、前記第１制御手段による制御で生じる前記所定部位の温度変化の程度が小さくなるように前記パラメータを調節する第１調節手段を備えたとしてもよい。この発明によれば、例えば加熱部の加熱能力が高く所定部位が温度変化しやすいほど、第１期間の制御で温度変化が小さくなるようにパラメータを調節するので、機差や劣化程度の差などの存在下でも検出手段を適切な温度に維持、追従させることが可能となる。

また前記第２期間内に前記加熱部に供給する電力量をゼロにする第３期間が含まれるとしてもよい。この発明によれば、第２期間中に一旦加熱部の温度を下げてから所定電力量での温度変化を見るので、精度よく加熱部の特性が調べられる。

また前記調節手段は、前記第３期間終了後に第２制御手段によって供給された所定の電力量による前記所定部位の温度上昇の程度が大きいほど、前記第１制御手段による制御で生じる前記所定部位の温度上昇の程度が小さくなるように前記パラメータを調節する第２調節手段を備えたとしてもよい。この発明によれば、一旦温度を下げた後に所定部位が温度上昇しやすいような加熱部の特性であるほど、第１期間の制御での温度上昇が小さくなるようにパラメータを調節するので、機差や劣化程度の差などの存在下でも検出手段を適切な温度に維持、追従させることが可能となる。

本発明の制御システムの一実施形態における構成図。センサ素子部の例を示す断面図。本実施形態での処理の例を示すフローチャート。本実施形態における制御システムの構成例を示す図。本実施形態におけるエンジン始動後の推移例を示す図。ＰＩＤ出力とヒータ電圧デューティ比の変動部分の関係の例を示す図。ＰＩＤ制御部におけるゲインの補正例を示す図。本発明の処理による各種量の時間的推移の例を示す図。空燃比の算出手法の例を示す図。ヒータ電圧、電流の増分の例を示す図。センサ素子抵抗とセンサ素子温度の関係の例を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。まず図１は、本発明の一実施形態に係る制御システム１（システム）の装置構成の概略図である。システム１は主に、吸気管２０から空気を供給されたエンジン２（内燃機関、例えばディーゼルエンジン）の排気管２１に備えられてＡ／Ｆ値（空燃比）を検出するＡ／Ｆセンサ３および算出部４、そしてこれらを制御するＥＣＵ５を備える。システム１は車両（例えば自動車車両）に装備すればよい。

Ａ／Ｆセンサ３のセンサ素子部３’のより詳細な内部構造の例を示す模式的な断面図が図２に示されている。センサ素子部３’は保護層３０によって囲まれた内部空間に、ガス遮断層３１、ガス透過層３２、固体電解質層３３、ダクト３４、大気室３５、ヒータ３６、電極３７、３８を、図２に示すように積層して備える。

ガス遮断層３１およびガス透過層３２はともにアルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックからシート状に形成されている。気孔などの違いにより、ガス遮断層３１では排ガスの透過が抑制され、ガス透過層３２には排ガスが導入される。固体電解質層３３は例えば部分安定化ジルコニア等からなるシートであり、その２つの主表面上に電極３７、３８が形成されている。

電極３７、３８には算出部４から延びるリード線が接続されて電圧が印加される。固体電解質層３３の図示右側の領域にはダクト３４が配置され、ダクト３４と固体電解質層３３との間の隙間が大気室３５とされている。大気室３５には図示しない空気を誘導する通路を通じてセンサ外部の空気が誘導される。ヒータ３６はダクト３４に隣接して配置されて、算出部４からのリード線を通じてヒータ電圧ＶＨが印加されて加熱する。

算出部４は、センサ４への電力（電圧）供給を制御するとともに、それによる電流値から空燃比などを算出し（後述）、それらの情報をＥＣＵ５へ送る。算出部４は通常のコンピュータと同様に、各種演算等の情報処理のためのＣＰＵや、そのＣＰＵの作業領域としての揮発性の記憶部であるＲＡＭなどを備えて、算出処理やＥＣＵ５との間の情報送受信処理を行う。メモリ４０は不揮発性の記憶部であり、算出部４での情報処理で必要となる各種データやプログラムを記憶する。

ＥＣＵ５は、通常のコンピュータと同様の構成、すなわち各種演算等の情報処理のためのＣＰＵや、そのＣＰＵの作業領域としての揮発性の記憶部であるＲＡＭなどを備えて、システム１の制御（例えばエンジン２での燃料噴射量の指令、算出部４からの情報の取得など）全般を司る。メモリ５０は不揮発性の記憶部であり、ＥＣＵ５での情報処理で必要となる各種データやプログラムを記憶する。

上記のとおり、固体電解質層３３を挟んで、電極３７の側を排ガスが通過し、電極３７の側には空気が誘導される。この状態でセンサ３および算出部４は、排ガスのＡ／Ｆ値を図９に示された特性によって検出（算出）する。図９において横軸、縦軸はそれぞれ電極３７、３８間に印加された電圧Ｖと、それにより両電極３７、３８間に流れる電流Ｉである。図示のとおり、電圧Ｖを増加させていくとある電圧領域で電流Ｉがほぼ一定となる。

この一定の電流値Ｉｐ（限界電流値）は、排ガスのＡ／Ｆ値が大きくなるほど大きくなる性質がある。この性質を用いることにより、限界電流値Ｉｐによって排ガスのＡ／Ｆ値が算出できる。図９ではＡ／Ｆ値が整数値の場合のみが示されているが、Ａ／Ｆ値が非整数値の場合も含めて限界電流値ＩｐとＡ／Ｆ値との関係（関数関係）をマップのかたちで例えばメモリ４０にあらかじめ記憶しておけばよい。そして算出部４から電圧Ｖを印加して限界電流値Ｉｐを求めて、Ｉｐの値とマップからＡ／Ｆ値を求めればよい。

またセンサ３および算出部４はセンサ素子部３’の温度（素子温度）も、図１０、図１１等により検出（算出）する。図１０に示すように、例えば上記のとおりＡ／Ｆ値を求めるために電極３７、３８間に電圧Ｖを印加している期間中（それ以外の期間中でもよい）に、電圧値を相対的に短い期間、相対的に小さい値ΔＶだけ増加（あるいは減少）させる。これにより電極３７、３８間の電流値Ｉも相対的に短い期間、相対的に小さい値ΔＩだけ増加（あるいは減少）することとなる。

こうして求められたΔＶとΔＩとの比、つまりΔＶ／ΔＩがセンサ素子部３’（例えば固体電解質層３３）の電気抵抗Ｚ（素子抵抗）である。素子抵抗Ｚと素子温度Ｔの間には図１１に示されるような主に単調減少の傾向の関係が存在する。図１１の関係を予めマップのかたちでメモリ４０に記憶しておいて、上記のように算出部４が求めた素子抵抗Ｚとマップから素子温度Ｔを求めればよい。

素子温度Ｔの制御は例えば図４（におけるＰＩＤ制御部４１、変換部４２、センサ素子（固体電解質層３３）やヒータ３６からなるループ部分）に示されるように行われる。すなわち、算出部４は上記のように素子温度Ｔを求めたら、それと目標素子温度Ｔ０（活性温度と同じとすればよい）との間で差分値を算出する。そして、その差分値をＰＩＤ制御部４１に入力し、ＰＩＤ制御部４１の出力ｖ（ＰＩＤ出力）をさらに変換部４２に入力する。

ＰＩＤ制御部４１は図示のとおりゲインＫＰを有する比例項、ゲインＫＤを有する微分項、ゲインＫＩを有する積分項の和からなる。変換部４２はＰＩＤ出力ｖを０％以上１００％以下のＶＨのデューティ比（ＤｕｔｙＣｙｃｌｅ、オンオフ制御において全期間中のオン制御期間長の比率）に変換する。こうして決定されたデューティ比をヒータ電圧ＶＨのデューティ比の変動部分とする。そして図４に示すようにこの変動部分を、予め定めておいたヒータ電圧ＶＨのデューティ比の固定部分（固定デューティ比）に加算して、その結果の数値をデューティ比とするヒータ電圧ＶＨがヒータ３６に印加される。

なお以上のような素子温度Ｔのフィードバック制御はエンジン始動後を除く期間に行うとしてよい。そしてエンジン始動後の期間は上記のようなフィードバック制御を行わずに、ヒータ電圧のデューティ比を予め定めておいた所定のデューティ比にするフィードフォワード制御（オープン制御）を行ってもよい。その例が図５に示されている。

図５の例では、時刻ｔ０でのエンジン２の始動後にオープン制御を開始している。このオープン制御では、ヒータ電圧ＶＨのデューティ比をＤ０１、Ｄ０２、Ｄ０３、１００％とするモードをそれぞれヒータ通電モード０、１、２、３とし、適切なタイミング（図５では時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３）でモード０からモード３へ順に切り替える。切り換えるタイミングは、例えば図示しない排ガス温度センサによって排ガス温度を検出し、その推移を見ながら、迅速に昇温するように、かつセンサ３の被水割れ（排気管２１内の凝縮水がセンサ３に付着した状態で低温から急速に昇温するとセンサ３が破損する現象）を回避するように、算出部４で切り換えればよい。

時刻ｔ３後に素子温度Ｔが十分目標素子温度Ｔ０に近くなったら（図５では時刻ｔ４）、算出部４は、上記のような素子温度Ｔのフィードバック制御（ヒータ通電モード４）に切り替える。これにより時刻ｔ５以降では、フィードバック制御の効果によって素子温度Ｔが目標素子温度の近くに（活性温度以上に）維持されている。なお図５では素子抵抗（インピーダンス）の推移が示されているが、上記のとおりこれは素子温度Ｔの推移に書き直せる。図５に示された処理は図４においては切替部４４を下方の端子に接続して所定デューティ比を上記のようにＤ０１、Ｄ０２、Ｄ０３、１００％と切り替えることに対応する。図４のうちで上記以外の部分は本発明の主要部であり後述する。

上記の構成のもとでシステム１は本発明に係る処理を実行する。その処理手順の例が図３に示されている。図３の処理手順は上述の図４のブロック線図と組み合わせて予めプログラム化しておいて、例えばメモリ４０（あるいはメモリ５０）に記憶しておいて、算出部４（あるいはＥＣＵ５）が自動的に呼び出して実行すればよい。以下では算出部４が実行する場合を説明する。なお図３の各処理手順や図４の各ブロックは部分的に個別のハードウェアで構成してもよい。図３（および図４）の処理手順は例えば所定の周期で周期的に実行すればよい。

図３の処理手順ではまずＳ１０で算出部４はシステム１が装備された車両が減速中であるか否かを判定する。減速中であるか否かの情報は例えば図示しない速度センサから車内通信を通じて取得した車速情報から判断すればよい。減速中である場合（Ｓ１０：Ｙｅｓ）はＳ２０に進み、減速中でない場合（Ｓ１０：Ｎｏ）は図３の処理を終了する。

Ｓ１０が否定判断（Ｎｏ）の場合、算出部４は図４において切替部４４を変換部４２の側に接続すればよい。これにより、上述のようにＰＩＤ制御部４１、変換部４２によって素子温度Ｔを活性温度Ｔ０に維持、追従させるフィードバック制御が行われる。下記ではこのようなフィードバック制御によるヒータ３への通電を通常通電と呼称する場合がある。

Ｓ２０に進んだら算出部４は、センサ４に対するヒータ電圧ＶＨ（のディーティ比）をゼロにする。この処理は図４においては切替部４４を下側に接続してＶＨのデューティ比にゼロが入力されることに対応する。これにより通常のＰＩＤ制御部４１、変換部４２によるフィードバック制御は中断されて、ヒータ電圧ＶＨがゼロとなる。

次にＳ３０で算出部４は車両の減速が継続中であるか否かを判定する。減速が継続中である場合（Ｓ３０：Ｙｅｓ）はＳ４０に進み、減速が終了している場合（Ｓ３０：Ｎｏ）はＳ５０に進む。Ｓ５０に進んだ場合はヒータ３６へ通電を通常通電（上述）にする。これにより減速（エンジン２への燃料噴射カット）が終了したらただちに通常通電に戻ることができる。

Ｓ４０に進んだら算出部４は、Ｓ２０で開始したヒータ３６への通電オフ期間が所定期間以上となったか否かを判定する。所定期間以上となった場合（Ｓ４０：Ｙｅｓ）はＳ６０に進み、まだ所定期間に達していない場合（Ｓ４０：Ｎｏ）はＳ３０に戻って上記手順を繰り返す。

Ｓ６０に進んだら算出部４はヒータ３６へ印加する電圧ＶＨのデューティ比をゼロから所定デューティ比（Ｄ１）へ変更する。この処理は図４においては切替部４４はそのまま下方の端子に接続して、ヒータ電圧ＶＨのデューティ比をＤ１に変更することに対応する。

続いてＳ７０で算出部４はＳ６０で開始した所定デューティ比Ｄ１でのヒータ３６の通電期間が所定時間以上となったか否かを判定する。所定時間以上となった場合（Ｓ７０：Ｙｅｓ）はＳ８０に進み、まだ所定時間に達していない場合（Ｓ７０：Ｎｏ）はＳ３０に戻って上記手順を繰り返す。

Ｓ８０に進んだら算出部４はその時点での素子温度Ｔ１を算出する。算出方法は上記のようにすればよい。そしてＳ９０で算出部４は、Ｓ８０で求めた素子温度Ｔ１を、ヒータ３６が平均特性（中央特性）を有する場合に上記のようにヒータ電圧がゼロとＤ１のデューティ比を経た後での素子温度（素子温度中央値）と比較する。ここで平均特性（中央特性）とは、機差ばらつきに関する平均的な特性（中央特性）や経年劣化がない新品の場合の特性などを指すとすればよい。素子温度中央値は予め求めておいて例えばメモリ４０（やメモリ５０）に記憶しておけばよい。

Ｓ１００で算出部４はＳ９０での比較結果に基づいて素子温度Ｔのフィードバック制御におけるゲインやデューティ比を例えば以下のように補正する。この処理は、図４や図５の例ではゲインＫＰ、ＫＤ、ＫＩやＳの入出力関係、所定デューティ比Ｄ０ｉ（ｉ＝１、２、３）を調節部４３によって調節（補正）することに対応する。

Ｓ９０における比較で素子温度Ｔ１が素子温度中央値よりも高い場合、それは機差や劣化程度などの影響でヒータ３６が平均的なヒータよりも加熱しやすい特性であることを意味する。したがって図６に示すように、素子温度Ｔ１が高いほどＶＨのデューティ比が小さくなるようにＳの入出力関係を補正すればよい。同様に図７に示すように、素子温度Ｔ１が高いほどＫＰ、ＫＤ、ＫＩやＤ０ｉ（ｉ＝１、２、３）をより小さい値に補正すればよい。

逆にＳ９０における比較で素子温度Ｔ１が素子温度中央値よりも低い場合、それは機差や劣化程度などの影響でヒータ３６が平均的なヒータよりも加熱しにくい特性であることを意味する。したがって図６に示すように、素子温度Ｔ１が低いほどＶＨのデューティ比が大きくなるようにＳの入出力関係を補正すればよい。同様に図７に示すように、素子温度Ｔ１が低いほどＫＰ、ＫＤ、ＫＩやＤ０ｉ（ｉ＝１、２、３）をより大きい値に補正すればよい。

以上が図３の処理手順である。この処理を行った場合のシステム１の時間的推移の例が図８に示されている。この推移例では、車両の減速により時刻ｔ６からｔ９の期間でエンジン２での燃料噴射がカットされている。そしてＳ４０が肯定判断（Ｙｅｓ）となる時点が時刻ｔ７となっており、時刻ｔ６からｔ７までヒータ３６への通電がオフとなっている。

また時刻ｔ８がＳ７０が肯定判断となる時点であり、時刻ｔ７からｔ８までヒータ電圧ＶＨが所定デューティ比Ｄ１となっている。Ｓ８０では時刻ｔ８での素子温度Ｔ１が検出される。そのＴ１がＳ９０で素子温度中央値と比較される。

図３の処理を実行することにより、減速中の燃料噴射カット期間が有効に利用されてヒータ３６の特性が調べられ、その結果に基づいてただちに素子温度のフィードバック制御ルーチンが補正される。例えば図８で波形Ｃ２が中央特性のヒータの場合の応答波形ならば、波形Ｃ２における時刻ｔ８での値が素子温度中央値である。

したがって、実際に得られた波形が例えばＣ１の場合は、時刻ｔ８における素子温度Ｔ１が中央値よりも高いので上記Ｓ１００ではフィードバックゲインやデューティ比をより小さい数値に補正する。また実際に得られた波形が例えばＣ３の場合は、時刻ｔ８における素子温度Ｔ１が中央値よりも低いので上記Ｓ１００ではフィードバックゲインやデューティ比をより大きい数値に補正する。

こうした処理により、機差や劣化程度のばらつきが存在しても、Ａ／Ｆセンサ３が適切に活性温度に維持、追従して、精度のよい空燃比が常に検出できる。その際、ヒータ特性を調べる処理がエンジンへの燃料噴射カット中に行われるので、Ａ／Ｆ値の検出の必要性が相対的に低い期間を有効に利用してヒータ特性を調べることができる。

なお上記例では時刻ｔ６からｔ７までのヒータ電圧をオフとしたが、本発明はそれ以外の実施形態もあり得る。例えば図８に示したＤ２のように時刻ｔ６からｔ８までヒータ電圧ＶＨのデューティ比をゼロでない数値にしてもよい。この場合、素子温度が図８の波形Ｃ４に示すように時刻ｔ６以降下がり続ける場合が考えられるが、こうした場合における時刻ｔ８での素子温度Ｔ１を、素子温度中央値（ヒータ特性が中央特性の場合の時刻ｔ８での素子温度）と比較して、上記と同様に素子温度Ｔ１が素子温度中央値よりも高い（低い）ほど、フィードバックのゲインやヒータ電圧のデューティ比をより小さい（大きい）数値に補正すればよい。

上記実施例は特許請求の範囲に記載された趣旨を逸脱しない範囲で任意に変更してよい。例えば図６は一例に過ぎず、ＳにおけるＰＩＤ出力ｖとヒータ電圧ＶＨのデューティ比との関係は例えば単調増加（非減少）関数の範囲内で適切に定めればよい。また図６や図７における素子温度Ｔ１とＶＨデューティ比やＫＰ、ＫＤ、ＫＩ、Ｄ０ｉ（ｉ＝１、２、３）との関係も、Ｔ６が高いほどＶＨデューティ比やＫＰ、ＫＤ、ＫＩ、Ｄ０ｉ（ｉ＝１、２、３）を減少させるとの範囲内で適切に定めればよい。また図５におけるエンジン始動後のデューティ比の推移も一例であり、適切な推移を予め定めておけばよい。上記実施例はＡ／Ｆセンサに関する例だが、本発明はこれに限定されず、例えばＮＯｘセンサ等でもよい。

１制御システム
３Ａ／Ｆセンサ（検出手段）
３’ センサ素子部（所定部位）
３６ヒータ（加熱部）

Claims

第１期間において、被測定ガスの特定濃度成分を検出する検出手段の所定部位の温度を活性温度にするために加熱する加熱部に対し、前記所定部位の温度を活性温度に近づけるために算出された電力量を供給する第１制御手段と、
前記第１期間外の第２期間において、所定の電力量を前記加熱部に供給する第２制御手段と、
前記第２制御手段によって供給された所定の電力量による前記所定部位の温度変化に応じて、前記第１制御手段における制御ルーチン内のパラメータを調節する調節手段と、
を備え、
前記第２期間内に前記加熱部に供給する電力量をゼロにする第３期間が含まれることを特徴とする制御システム。
前記検出手段は内燃機関の排気通路に配置され、
前記第２期間は前記内燃機関への燃料噴射をカットしている期間に含まれる請求項１に記載の制御システム。
前記調節手段は、前記第２制御手段によって供給された電力量による前記所定部位の温度変化の程度が大きいほど、前記第１制御手段による制御で生じる前記所定部位の温度変化の程度が小さくなるように前記パラメータを調節する第１調節手段を備えた請求項１又は２に記載の制御システム。
前記調節手段は、前記第３期間終了後に第２制御手段によって供給された所定の電力量による前記所定部位の温度上昇の程度が大きいほど、前記第１制御手段による制御で生じる前記所定部位の温度上昇の程度が小さくなるように前記パラメータを調節する第２調節手段を備えた請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御システム。