JP6442920B2 - Gas sensor control device and air-fuel ratio detection system - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサ制御装置及び空燃比検出システムに関するものである。 The present invention relates to a gas sensor control device and an air-fuel ratio detection system.
例えば車両用エンジンでは、同エンジンから排出される排気を検出対象として酸素濃度を検出する起電力出力型のガスセンサが一般に用いられている。このガスセンサは、排気の空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力信号を出力する起電力セルを有するものであり、具体的には、空燃比がリッチであれば約0.9Vの起電力信号を出力し、空燃比がリーンであれば約0Vの起電力信号を出力する。 For example, in a vehicular engine, an electromotive force output type gas sensor that detects an oxygen concentration using exhaust gas discharged from the engine as a detection target is generally used. This gas sensor has an electromotive force cell that outputs different electromotive force signals depending on whether the air-fuel ratio of exhaust is rich or lean. Specifically, if the air-fuel ratio is rich, an electromotive force signal of about 0.9 V If the air-fuel ratio is lean, an electromotive force signal of about 0 V is output.
こうしたガスセンサでは、排気の空燃比がリッチ/リーンで変化する際に実際の空燃比変化に対してセンサ出力が遅れを伴い変化することが問題視されており、その出力特性を改善すべく種々の技術が提案されている。 In such a gas sensor, when the air-fuel ratio of the exhaust gas changes rich / lean, it is regarded as a problem that the sensor output changes with a delay with respect to the actual air-fuel ratio change. Technology has been proposed.
例えば特許文献1のガスセンサ制御装置では、一対のセンサ電極の少なくともいずれかに定電流回路を接続する構成とし、ガスセンサの出力特性(起電力特性)を変更する変更要求が有ると判定された場合に、その変更要求に基づいて定電流の向きを決定するとともに、該決定した向きで定電流が流れるように定電流回路を制御するようにしている。そして、その定電流の供給により、ガスセンサの出力特性を好適に制御するようにしている。
For example, in the gas sensor control device of
ところで、特許文献1のガスセンサ制御装置では、内燃機関の排気管において触媒下流側に設けたO2センサを対象に、定電流を流してセンサ出力特性を変更するようにしており、出力特性のシフト量は1%未満であっても足りると考えられる。しかしながら、例えばO2センサを触媒上流側に配置した場合には、出力特性のシフト量を数%程度にすることが要求されると考えられ、そのための対応が必要となる。この点において、ガスセンサ制御装置として技術改善の余地があると考えられる。
By the way, in the gas sensor control device of
本発明は、ガスセンサの起電力特性をリッチ/リーンのいずれかにシフトさせる場合において空燃比の検出精度を高めることができるガスセンサ制御装置及び空燃比検出システムを提供することを主たる目的とするものである。 The main object of the present invention is to provide a gas sensor control device and an air-fuel ratio detection system capable of improving the air-fuel ratio detection accuracy when the electromotive force characteristic of a gas sensor is shifted to either rich or lean. is there.
本発明のガスセンサ制御装置は、内燃機関(10)の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力の信号を出力するガスセンサ(16)に適用されるものであり、該ガスセンサは、固体電解質体(32)と、該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極(33,34)と、前記固体電解質体において排気側及び基準ガス側のうち排気側に設けられるガス拡散抵抗部(37)とを含む起電力セル(31)を有している。そして、前記起電力セルに所定の定電流を供給する定電流供給手段(43)と、前記起電力セルの抵抗値を算出する抵抗値算出手段(41)と、前記定電流供給手段により供給される定電流と前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値とに基づいて、前記起電力セルの起電力を補正する補正手段(41)と、を備えることを特徴とする。 The gas sensor control apparatus of the present invention is applied to a gas sensor (16) that outputs an electromotive force signal corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas with the exhaust gas of the internal combustion engine (10) as a detection target. A solid electrolyte body (32), a pair of electrodes (33, 34) provided at positions sandwiching the solid electrolyte body, and a gas diffusion resistance portion provided on the exhaust side of the exhaust side and the reference gas side in the solid electrolyte body (37) including an electromotive force cell (31). The constant current supply means (43) for supplying a predetermined constant current to the electromotive force cell, the resistance value calculation means (41) for calculating the resistance value of the electromotive force cell, and the constant current supply means. Correction means (41) for correcting the electromotive force of the electromotive force cell based on the constant current and the resistance value of the electromotive force cell calculated by the resistance value calculating means.
起電力セルを有し排気を検出対象とするガスセンサ(いわゆるO2センサ)では、排気中の酸素濃度に応じて、リッチ及びリーンの2値の起電力信号を出力する。また、起電力セルの一対の電極間に定電流を流すことで、起電力セルの起電力特性をリッチ側及びリーン側のいずれかにシフトさせることが可能となる。また一方で、起電力セルにおいて固体電解質体の排気側にガス拡散抵抗部を設けた場合、ガスセンサは、一対の電極間に電圧を印加することで酸素濃度に応じた限界電流を出力する限界電流特性を有するものとなる。この場合、限界電流の出力が可能な酸素濃度域(空燃比域)は、ガス拡散抵抗部の形態(例えば層厚さやピンホール径)に応じて変更でき、その酸素濃度域の変更に伴い、起電力特性のシフト量の変更が可能となる。 A gas sensor (so-called O2 sensor) having an electromotive force cell and detecting exhaust gas outputs a rich and lean binary electromotive force signal according to the oxygen concentration in the exhaust gas. In addition, by causing a constant current to flow between the pair of electrodes of the electromotive force cell, the electromotive force characteristics of the electromotive force cell can be shifted to either the rich side or the lean side. On the other hand, when a gas diffusion resistance portion is provided on the exhaust side of the solid electrolyte body in the electromotive force cell, the gas sensor outputs a limit current corresponding to the oxygen concentration by applying a voltage between the pair of electrodes. It has characteristics. In this case, the oxygen concentration region (air-fuel ratio region) in which the limit current can be output can be changed according to the form of the gas diffusion resistance portion (for example, the layer thickness or the pinhole diameter), and along with the change of the oxygen concentration region, The shift amount of the electromotive force characteristic can be changed.
上記のようにガス拡散抵抗部を有する起電力セルでは、ガス拡散抵抗部を有していない起電力セルに比べて起電力特性のシフト量を拡張できることとなる。しかしながら、起電力特性を大きくシフトさせると、起電力信号のオフセット誤差が大きくなり、それに起因して空燃比の検出精度の低下が懸念される。起電力信号のオフセット誤差は、起電力セルの内部抵抗に起因して生じると考えられる。 As described above, in the electromotive force cell having the gas diffusion resistance portion, the shift amount of the electromotive force characteristic can be expanded as compared with the electromotive force cell not having the gas diffusion resistance portion. However, if the electromotive force characteristic is largely shifted, the offset error of the electromotive force signal becomes large, and there is a concern that the detection accuracy of the air-fuel ratio is lowered due to this. The offset error of the electromotive force signal is considered to be caused by the internal resistance of the electromotive force cell.
この点、本発明では、定電流と起電力セルの抵抗値とに基づいて、起電力セルの起電力を補正する構成にしたため、起電力信号のオフセット誤差が生じていても、それを好適に補正できる。その結果、ガスセンサの起電力特性をリッチ/リーンのいずれかにシフトさせる場合において空燃比の検出精度を高めることが可能となる。 In this regard, in the present invention, the configuration is such that the electromotive force of the electromotive force cell is corrected based on the constant current and the resistance value of the electromotive force cell. Can be corrected. As a result, when the electromotive force characteristic of the gas sensor is shifted to either rich / lean, the air-fuel ratio detection accuracy can be increased.
以下、本発明のガスセンサ制御装置を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、車載エンジン(内燃機関)の排気管に設けられたガスセンサを用い、そのガスセンサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施するエンジン制御システムについて説明する。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット(以下、ECUという)を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。図1は、本システムの全体概要を示す構成図である。 Hereinafter, an embodiment of a gas sensor control device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an engine control system that uses a gas sensor provided in an exhaust pipe of an in-vehicle engine (internal combustion engine) and performs various controls of the engine based on the output of the gas sensor will be described. In this control system, an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) is used as a center to control the fuel injection amount, control the ignition timing, and the like. FIG. 1 is a configuration diagram showing an overall outline of the present system.
図1において、エンジン10は、例えばガソリンエンジンであり、電子制御式のスロットルバルブ11や、燃料噴射弁12、点火装置13等を備えている。エンジン10の排気管14(排気部)には排気浄化装置としての触媒15a,15bが設けられている。触媒15a,15bは、例えばいずれも三元触媒よりなり、そのうち触媒15aが上流側触媒としての第1触媒、触媒15bが下流側触媒としての第2触媒である。三元触媒は、周知のとおり排気の有害三成分であるCO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)、NOx(NO等の窒素酸化物)を浄化するものであり、ハニカム状、格子状等をなすセラミックス製の担体に白金、パラジウム、ロジウム等の金属を担持させることで構成されている。この場合、三元触媒ではリッチ成分であるCO、HCが酸化作用により浄化され、リーン成分であるNOxが還元作用により浄化される。
In FIG. 1, an
第1触媒15aの上流側と、触媒15a,15bの間(第1触媒15aの下流側でかつ第2触媒15bの上流側)とにはそれぞれO2センサ16,17が設けられている。O2センサ16,17は、排気の空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力する。
その他、本システムには、スロットルバルブ11の開度を検出するスロットル開度センサ21や、エンジンの所定クランク角毎に(例えば30°CA周期で)矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ22、エンジン10の吸入空気量を検出する空気量センサ23、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ24等の各種センサが設けられている。
In addition, the present system includes a
ECU25は、周知のCPU、ROM、RAM等よりなるマイクロコンピュータ(マイコン)を主体として構成されており、ROMに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン10の各種制御を実施する。すなわち、ECU25は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁12や点火装置13の駆動を制御する。
The ECU 25 is mainly composed of a microcomputer (microcomputer) composed of a well-known CPU, ROM, RAM, and the like, and executes various control programs stored in the ROM, so that the engine can be operated according to the engine operating state each time. 10 various controls are executed. That is, the
特に燃料噴射量制御に関して、ECU25は、第1触媒上流側及び下流側のO2センサ16,17の検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御を実施することとしている。この場合、ECU25は、上流側O2センサ16により検出されたフロント空燃比が目標空燃比(例えば理論空燃比)になるようにメインフィードバック制御を実施するとともに、フロント空燃比がリッチ又はリーンに変化してから実際にリッチ判定又はリーン判定がなされるまでの遅延時間を、下流側O2センサ17により検出されたリア空燃比に基づいて可変に設定するサブフィードバック制御を実施する。このメインフィードバック制御及びサブフィードバック制御を以下に簡単に説明する。
In particular, regarding fuel injection amount control, the ECU 25 performs air-fuel ratio feedback control based on detection signals from the
ECU25は、上流側O2センサ16の出力値V1(フロント空燃比に相当)が基準値(例えば0.45V)よりもリッチになってからリッチ遅延時間が経過した時点で、空燃比がリッチになったとのリッチ判定を行い、V1が基準値よりもリーンになってからリーン遅延時間が経過した時点で、空燃比がリーンになったとのリーン判定を行う。そして、ECU25は、リッチ/リーンの判定結果に基づいて、スキップ及び積分によりフィードバック補正量(噴射補正量)を増減させ、そのフィードバック補正量により燃料噴射量を補正する。かかる制御がメインフィードバック制御に該当する。また、ECU25は、サブフィードバック制御として、下流側O2センサ17の出力値V2(リア空燃比に相当)がリッチかリーンかに応じてリッチ遅延時間及びリーン遅延時間を可変に制御する。この場合、出力値V2が基準値よりも大きければ(リア空燃比がリッチであれば)、リッチ遅延時間の短縮、及びリーン遅延時間の延長のうち少なくともいずれかを実施する。また、出力値V2が基準値よりも小さければ(リア空燃比がリーンであれば)、リッチ遅延時間の延長及びリーン遅延時間の短縮の少なくともいずれかを実施する。
The
次に、O2センサ16,17についてその構成を説明する。O2センサ16,17はいずれも同様の基本構成を有するものであるが、ここでは特にO2センサ16について説明する。O2センサ16はコップ型構造のセンサ素子31を有しており、図2にはセンサ素子31の断面構成を示す。実際には当該センサ素子31は素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっており、エンジン排気管内に配設されている。センサ素子31が起電力セルに相当する。
Next, the configuration of the
センサ素子31において、固体電解質層32は断面コップ状に形成されており、その外表面には排気側電極33が設けられ、内表面には大気側電極34が設けられている。これら各電極33,34は固体電解質層32の表面に層状に設けられている。固体電解質層32は、ZrO2、HfO2、ThO2、Bi2O3等にCaO、MgO、Y2O3、Yb2O3等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる。また、各電極33,34は共に白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。各電極33,34が一対の対向電極(センサ電極)となっている。固体電解質層32にて囲まれる内部空間は、基準ガスである大気が導入される大気室35(基準室)となっており、その大気室35内にはヒータ36が収容されている。ヒータ36は、センサ素子31を活性化するに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子全体が加熱される。O2センサ16の活性温度は、例えば500〜650℃程度である。なお、大気室35は、基準ガスとしての大気が導入されることでその内部が所定酸素濃度に保持されている。
In the
上記センサ素子31では、固体電解質層32の外側(電極33側)が排気雰囲気、同内側(電極34側)が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差(酸素分圧の差)に応じて電極33,34間で起電力が発生する。つまり、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力が発生する。この場合、基準側電極である大気側電極34からすれば、排気側電極33の側は酸素が低濃度であり、センサ素子31において大気側電極34を正側、排気側電極33を負側として起電力が発生する。これにより、O2センサ16は、排気の酸素濃度(すなわち空燃比)に応じた起電力信号を出力する。
In the
図3は、排気の空燃比とセンサ素子31の起電力との関係を示す起電力特性図である。図3において、横軸は空気過剰率λであり、λ=1がストイキ(理論空燃比)である。センサ素子31は、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、ストイキ付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、リッチ時のセンサ起電力は約0.9Vであり、リーン時のセンサ起電力は約0Vである。
FIG. 3 is an electromotive force characteristic diagram showing the relationship between the air-fuel ratio of the exhaust gas and the electromotive force of the
また、本実施形態のO2センサ16においては、一般的なO2センサに対して構成の一部を変更しており、図2に示すセンサ素子31では、固体電解質層32の排気側及び大気側のうち排気側に、排気の拡散を制限するガス拡散抵抗層37が設けられている。ガス拡散抵抗層37は、アルミナ、スピネル、ジルコニア等の多孔質体よりなり、排気側電極33を覆うようにしてセンサ素子31の外表面に設けられている。これにより、排気は、所定の透過率でガス拡散抵抗層37を通過して排気側電極33に到達するものとなっている。
Further, in the
上記構成のセンサ素子31は、基本的には起電力出力を行う起電力セルであるものの、一対の電極33,34間に電圧を印加することで酸素濃度に応じた限界電流を出力する限界電流特性を有するものとなっている。そして詳しくは、ガス拡散抵抗層37の形態(例えば層厚さやピンホール径)に応じて、限界電流出力が可能なA/F域(酸素濃度域)が変わり、例えばガス拡散抵抗層37の厚さが大きくなるほど、限界電流出力が可能なA/Fがリーン側に拡張されるようになっている。具体的には、図4(a)に示すように、ガス拡散抵抗層37の厚さが100μmの場合には、A/F=15をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。図4(b)に示すように、ガス拡散抵抗層37の厚さが200μmの場合には、A/F=16をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。また、図4(c)に示すように、ガス拡散抵抗層37の厚さが300μmの場合には、A/F=18をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。
Although the
また、図2に示すように、センサ素子31(O2センサ16)にはセンサ制御部40が接続されており、排気の空燃比(酸素濃度)に応じてセンサ素子31にて起電力が発生すると、その起電力に相当するセンサ検出信号(起電力信号)がセンサ制御部40内のマイコン41に対して出力される。マイコン41は、センサ素子31から出力される起電力信号をA/D変換器等を介して取り込み、その起電力信号に基づいて排気の空燃比(特に触媒下流の空燃比)を算出する。センサ制御部40は、図1に示すECU25内に設けられている。なお、ECU25においては、エンジン制御機能とセンサ制御機能とを有する演算手段としてマイコン41が設けられている。この場合、マイコン41は、上述した各種センサの検出結果に基づいて、エンジン回転速度や吸入空気量を算出する。ただし、ECU25において、エンジン制御用のマイコンとセンサ制御用のマイコンとが別々に設けられる構成であってもよい。
As shown in FIG. 2, a
また、マイコン41は、センサ素子31の活性状態の判定を行うとともに、その判定結果に基づき、ヒータ駆動回路42を通じてヒータ36の駆動を制御する。
The
また本実施形態では、O2センサ16の出力特性(起電力特性)を変更すべく、センサ素子31において一対の電極33,34の間に所定の定電流を供給する構成(酸素ポンピングを実施する構成)としており、その出力特性の変更により空燃比フィードバック制御における制御性の向上を図るようにしている。排気→大気の向きに定電流を流した場合においてセンサ出力特性が変更される原理は以下のとおりである。
In the present embodiment, in order to change the output characteristics (electromotive force characteristics) of the
図5に示すように、O2センサ16の排気側電極33の付近には、CO、HC、NOx、O2がそれぞれ存在しており、その状況下で、固体電解質層32を通じて大気側電極34から排気側電極33に酸素イオンが移動するように、センサ素子31に電流を流す。すなわち、センサ素子31において酸素ポンピングを実施する。この場合、排気側電極33では、固体電解質層32を通じて排気側電極33の側に移動した酸素がCO、HCと反応し、CO2やH2Oが生成される。これにより、排気側電極33の付近におけるCO、HCが除去され、O2センサ16の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点がリッチ側にシフトする。つまり、空気過剰率λと起電力との関係を示すセンサ起電力特性が全体的にリッチ側にシフトし、それに伴い、起電力がストイキ値(0.45V)となるλ点、すなわちリッチ/リーン変曲点がリッチ側にシフトする。
As shown in FIG. 5, CO, HC, NOx, and O2 exist in the vicinity of the
図2に示すように、センサ制御部40においては、センサ素子31の大気側電極34とマイコン41とを電気的に接続する電気経路の途中に定電流供給手段としての定電流回路43が接続されている。定電流回路43は、センサ素子31において固体電解質層32を通じて排気側電極33から大気側電極34の向き、及び大気側電極34から排気側電極33の向きの少なくともいずれかで定電流を流すことを可能とするものである。また、定電流回路43は、PWM駆動部を有し、PWM制御(デューティ制御)による電流調整が可能となる構成であってもよい。この場合、定電流回路43によれば、センサ素子31において固体電解質層32を通じて排気側→大気側の向き、又は大気側→排気側の向きのいずれかで電流が流れることになり、それに伴い固体電解質層32において酸素イオンが移動する。本実施形態では、マイコン41の指令に基づいて定電流回路43が定電流の供給を行うようにしている。
As shown in FIG. 2, in the
また、センサ素子31の排気側電極33と接地点(グランド)との間には、排気側電極33に正電圧を印加する電圧回路45が設けられている。電圧回路45は、所定のオフセット電圧を出力する電源部46と、オペアンプからなるバッファ回路47とを備えており、排気側電極33にはオフセット電圧と同じ電圧が印加されるようになっている。オフセット電圧は例えば2.0Vである。
Further, a
ここで、上記のとおりガス拡散抵抗層37を有するセンサ素子31では、定電流を供給することによる起電力特性のシフト量の拡張が可能となっている。つまり、起電力特性のリーンシフト量及びリッチシフト量の拡張が可能となっている。これを図4で説明した事項と照らし合わせると、以下のとおりである。
Here, in the
図4(a)のようにガス拡散抵抗層37の厚さを100μmにして、A/F=15までの限界電流出力を可能とした場合には、センサ素子31に定電流を流すことによって、リッチ/リーンの変曲点がA/F=15になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。図4(b)のようにガス拡散抵抗層37の厚さを200μmにして、A/F=16までの限界電流出力を可能とした場合には、センサ素子31に定電流を流すことによって、リッチ/リーンの変曲点がA/F=16になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。また、図4(c)のようにガス拡散抵抗層37の厚さを300μmにして、A/F=18までの限界電流出力を可能とした場合には、センサ素子31に定電流を流すことによって、リッチ/リーンの変曲点がA/F=18になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。
As shown in FIG. 4A, when the thickness of the gas
また、本願発明者によれば、ガス拡散抵抗層37の厚さを大きくすることで、シフト量を大きくできることに加え、センサ素子31に印加する定電流を大きくすることで、シフト量を大きくできることが確認されている。図6には、センサ素子31の印加電流と、起電力特性をシフトさせた状態での特性変曲点のA/Fとの関係を示す。なお、図6では、ガス拡散抵抗層37の厚さを100μm、200μm、300μmとする場合について印加電流と特性変曲点のA/Fとの関係を示している。
According to the inventors of the present application, in addition to increasing the shift amount by increasing the thickness of the gas
図6によれば、リッチ/リーンの変曲点がA/F=15となるようにリーンシフトさせる場合において、ガス拡散抵抗層37の厚さが300μmであれば印加電流を2.5mA程度とし、ガス拡散抵抗層37の厚さが200μmであれば印加電流を3.4mA程度とし、ガス拡散抵抗層37の厚さが100μmであれば印加電流を5.8mA程度とすればよいことが分かる。
According to FIG. 6, when the lean shift is performed so that the rich / lean inflection point is A / F = 15, the applied current is about 2.5 mA if the thickness of the gas
触媒上流側に設けられたO2センサ16では、触媒下流側のO2センサ17に比べて、起電力特性のリッチシフト又はリーンシフトとして要求されるシフト量が大きくなる。また一方で、起電力出力を可能とし、かつ固体電解質層32の排気側にガス拡散抵抗層37を有するセンサ素子31では、所定の電圧印加状態下での限界電流出力が可能となっており、こうした構成を採用することで、起電力特性のシフト量を拡張することが可能となる。かかる場合、ガス拡散抵抗層37を有するセンサ素子31を用いることで、起電力特性のリッチシフト又はリーンシフトの要求量が大きくなっても好適なる対処が可能となっている。
In the
また、センサ素子31に定電流を供給する場合には、起電力特性の電圧レベルを詳細に示すと、図7のように起電力特性がシフトすると考えられる。なお、図7では、0Vを基準にしてセンサ素子31の起電力特性を示すが、上記のとおり排気側電極33に電圧回路45が接続された構成では、2.0Vを基準にして起電力信号が出力されるものとなっている。つまり、センサ素子31の一対の電極33,34の間に負の電流(排気側→大気側に流れる電流)を流すと、センサ素子31の起電力特性がリッチ側にシフトし、逆に、一対の電極33,34の間に正の電流(大気側→排気側に流れる電流)を流すと、センサ素子31の起電力特性がリーン側にシフトする。この場合、上述のとおりガス拡散抵抗層37を有するセンサ素子31では、起電力特性(λ)をリッチ側及びリーン側に最大20%ほど(例えば3〜10%ほど)シフトさせることが可能となる。
Further, when supplying a constant current to the
なお、例えば気体燃料としてCNGを用いるエンジンでは、理論空燃比(λ=1)と触媒ウインドウとのずれを解消すべく、O2センサの起電力特性を6%ほどリッチ側にシフトするとよいことが確認されている。また、リーン燃焼を行うエンジンでは、O2センサの起電力特性を3〜4%ほどリーン側にシフトするとよいことが確認されている。 For example, in an engine using CNG as the gaseous fuel, it is confirmed that the electromotive force characteristic of the O2 sensor should be shifted to the rich side by about 6% in order to eliminate the deviation between the theoretical air-fuel ratio (λ = 1) and the catalyst window. Has been. Further, it has been confirmed that in an engine that performs lean combustion, the electromotive force characteristic of the O2 sensor should be shifted to the lean side by about 3 to 4%.
ちなみに、既存技術として、触媒下流側のO2センサについてセンサ素子に定電流を流して起電力特性をシフトさせる技術があるが、かかる技術では、起電力特性のシフト量は最大でも1%程度を想定したものであり、センサ素子に流す定電流は0.5mA程度となっている。 By the way, as an existing technology, there is a technology that shifts the electromotive force characteristics by sending a constant current to the sensor element of the O2 sensor on the downstream side of the catalyst. In such technology, the shift amount of the electromotive force characteristics is assumed to be about 1% at the maximum. The constant current flowing through the sensor element is about 0.5 mA.
またこの場合、図8の等価回路に示すように、センサ素子31は内部抵抗Riを有している。そのため、図8(a)のように起電力特性をリッチシフトさせるべくセンサ素子31に負の電流を流すと、内部抵抗Riによって、起電力特性はその全体が電圧減少となる向きにシフトする。また、図8(b)のように起電力特性をリーンシフトさせるべくセンサ素子31に正の電流を流すと、内部抵抗Riによって、起電力特性はその全体が電圧増加となる向きにシフトする。
In this case, as shown in the equivalent circuit of FIG. 8, the
ここで、センサ起電力特性を図7のようにリッチシフト又はリーンシフトさせる場合には、起電力特性が電圧減少又は増加の向きに比較的大きくシフトする。そのため、O2センサ16の検出値である起電力値のずれが生じ、それに起因して、センサ出力を用いて実施される空燃比制御等に悪影響が及ぶことが懸念される。
Here, when the sensor electromotive force characteristic is rich-shifted or lean-shifted as shown in FIG. 7, the electromotive force characteristic shifts relatively large in the direction of voltage decrease or increase. Therefore, there is a concern that an electromotive force value that is a detection value of the
そこで本実施形態では、センサ素子31に供給される定電流とセンサ素子31の内部抵抗(抵抗値)とに基づいて、センサ素子31の起電力を補正することとしている。この場合特に、起電力特性をリッチシフトさせた状態では起電力を増補正(電圧増加側に補正)し、起電力特性をリーンシフトさせた状態では起電力セルの起電力を減補正(電圧減少側に補正)するようにしている。
Therefore, in the present embodiment, the electromotive force of the
図9は起電力補正の処理手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン41により所定周期で繰り返し実施される。
FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure for electromotive force correction, and this processing is repeatedly performed by the
図9において、ステップS11では、今現在が定電流回路43による定電流の供給状態であるか否かを判定し、YESである場合に、続くステップS12では、センサ素子31に対して供給している定電流の値と、センサ素子31の内部抵抗の値とを取得する。このとき、定電流の値はマイコン41の指令値でもよいし、例えば定電流回路43内に設けた電流検出部の検出値でもよい。また、センサ素子31の内部抵抗は、以下の抵抗算出手法により算出されるとよい。すなわち、所定時間ごとに、図示しない電圧切替回路によりセンサ素子31の印加電圧を一時的に交流変化させ、その電圧変化に応じて生じる電流変化量を算出する。そして、電圧変化量と電流変化量とに基づいてセンサ素子31の交流インピーダンスを算出するとともに、その交流インピーダンスと定数とによりセンサ素子31の内部抵抗(直流抵抗)を算出する。又は、図示しない電圧切替回路によりセンサ素子31の印加電圧を一時的に所定値に切り替え、その電圧変化後に応じて生じる電流変化量(収束値)を算出する。そして、電圧変化量と電流変化量とに基づいてセンサ素子31の内部抵抗(直流抵抗)を算出する。
In FIG. 9, in step S11, it is determined whether or not the current state is a constant current supply state by the constant
その後、ステップS13では、センサ素子31の起電力特性をリッチシフトしている状態か否かを判定する。そして、リッチシフトの状態であればステップS14に進み、リーンシフトの状態であればステップS15に進む。
Thereafter, in step S13, it is determined whether or not the electromotive force characteristics of the
ステップS14では、起電力特性をリッチシフトさせた状態において起電力出力を増補正する。このとき、例えば図10の関係を用いて起電力補正値を算出し、その起電力補正値により起電力出力を増補正するとよい。図10によれば、定電流が大きいほど(ここでは負側に大きいほど)、又は内部抵抗が大きいほど、起電力補正値が大きい値として算出されるようになっている。 In step S14, the electromotive force output is increased and corrected in a state where the electromotive force characteristic is richly shifted. At this time, for example, an electromotive force correction value may be calculated using the relationship shown in FIG. 10, and the electromotive force output may be increased and corrected using the electromotive force correction value. According to FIG. 10, the larger the constant current (here, the larger the negative side), or the larger the internal resistance, the larger the electromotive force correction value is calculated.
また、ステップS15では、起電力特性をリーンシフトさせた状態において起電力出力を減補正する。このとき、例えば図10の関係を用いて起電力補正値を算出し、その起電力補正値により起電力出力を減補正するとよい。図10によれば、定電流が大きいほど(ここでは正側に大きいほど)、又は内部抵抗が大きいほど、起電力補正値が大きい値として算出されるようになっている。 In step S15, the electromotive force output is corrected to decrease in a state where the electromotive force characteristic is lean-shifted. At this time, for example, an electromotive force correction value may be calculated using the relationship shown in FIG. 10, and the electromotive force output may be reduced and corrected using the electromotive force correction value. According to FIG. 10, the larger the constant current (in this case, the larger the positive current) or the larger the internal resistance, the greater the electromotive force correction value is calculated.
図11には、リッチシフト、リーンシフトさせた起電力特性についてオフセット補正後の特性を示している。図11において、リッチシフトさせた起電力特性については起電力が増補正されており、これにより、起電力特性のリッチ/リーン変曲点の電圧値が0.45Vになっている。また、リーンシフトさせた起電力特性については起電力が減補正されており、これにより、起電力特性のリッチ/リーン変曲点の電圧値が0.45Vになっている。要するに、ステップS14,S15のオフセット補正によれば、リッチシフトさせた特性、リーンシフトさせた特性のいずれについても、定電流を供給していないベースの特性と同様に、リッチ/リーン変曲点の電圧値を0.45Vに合わせることが可能となっている。 FIG. 11 shows the characteristics after offset correction of the electromotive force characteristics subjected to rich shift and lean shift. In FIG. 11, the electromotive force characteristic that has been rich-shifted is corrected to increase, so that the voltage value at the rich / lean inflection point of the electromotive force characteristic is 0.45V. In addition, the electromotive force characteristic subjected to the lean shift is reduced and corrected, so that the voltage value at the rich / lean inflection point of the electromotive force characteristic is 0.45V. In short, according to the offset correction in steps S14 and S15, the rich / lean inflection point of both the rich shifted characteristic and the lean shifted characteristic is the same as the characteristic of the base not supplying constant current. The voltage value can be adjusted to 0.45V.
空燃比フィードバック制御においては、オフセット補正後の起電力に基づいて、実空燃比が目標値に対してリッチかリーンかが判定され、その判定結果に基づいて、燃料噴射量の増減補正が適宜実施される。 In the air-fuel ratio feedback control, it is determined whether the actual air-fuel ratio is rich or lean with respect to the target value based on the electromotive force after offset correction, and the fuel injection amount increase / decrease correction is appropriately performed based on the determination result. Is done.
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。 According to the embodiment described in detail above, the following excellent effects can be obtained.
ガス拡散抵抗層37を有するセンサ素子31では、ガス拡散抵抗層37を有していないセンサ素子に比べて起電力特性のシフト量を拡張できることとなる。しかしながら、起電力特性を大きくシフトさせると、起電力信号のオフセット誤差が大きくなり、それに起因して空燃比の検出精度の低下が懸念される。この点、本実施形態では、定電流とセンサ素子31の内部抵抗とに基づいて起電力補正を実施する構成にしたため、起電力信号のオフセット誤差が生じていても、それを好適に補正できる。その結果、O2センサ16の起電力特性をリッチ/リーンのいずれかにシフトさせる場合において空燃比の検出精度を高めることが可能となる。
In the
触媒上流側センサとして設けられるO2センサ16では、エンジン10から排出される排気をそのまま検出するため、空燃比フィードバック制御を実施する上で起電力特性のシフト量を拡張することが要求されるが、こうした要求が生じる場合にも空燃比を適正に検出できる。
Since the
センサ素子31に流れる定電流が大きいほど、又はセンサ素子31の内部抵抗が大きいほど、起電力信号のオフセット誤差が大きくなることを考慮して、起電力補正値を設定した。これにより、定電流や素子内部抵抗が変わったとしても、適正な起電力補正を実施できる。
The electromotive force correction value is set in consideration of the fact that the offset error of the electromotive force signal increases as the constant current flowing through the
センサ素子31に定電流が供給されている状態において、定電流が供給されていない状態とリッチ/リーン変曲点の電圧値が同じになるように起電力を補正する構成とした。これにより、気体燃料を燃焼させるエンジンやリーン燃焼を行わせるエンジンにおいて、目標空燃比に対してリッチかリーンかの判定(噴射量の増減判定)を好適に実施できる。この場合、定電流の供給状態と非供給状態とで、判定基準を同じにしたままリッチ/リーンの判定を実施できる。
In the state where a constant current is supplied to the
起電力特性をリッチシフトさせた状態では起電力セルの起電力を増補正(電圧増加側に補正)し、起電力特性をリーンシフトさせた状態では起電力セルの起電力を減補正(電圧減少側に補正)するようにした。これにより、定電流の向きに起因して生じるオフセット誤差を好適に解消できる。 When the electromotive force characteristic is richly shifted, the electromotive force of the electromotive force cell is increased (corrected to increase voltage), and when the electromotive force characteristic is shifted lean, the electromotive force of the electromotive force cell is decreased (voltage decreased). Corrected to the side). Thereby, the offset error caused by the direction of the constant current can be preferably eliminated.
ガス拡散抵抗層37を有するセンサ素子31の場合、ガス拡散抵抗層37を有していないセンサ素子に比べて起電力特性のシフト量が拡張されるため、起電力特性をリッチシフトさせた状態では、起電力特性のリーン検出域での起電力出力が0Vを下回ることが考えられる。起電力出力が0Vを下回ると、空燃比を正確に検出できなくなることが懸念される。この点、排気側電極33と接地点との間に電圧回路45を設けたため、起電力特性をリッチシフトさせた状態でも起電力特性の全域で起電力出力を適正に検出できるようになる。
In the case of the
(他の実施形態)
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。
(Other embodiments)
You may change the said embodiment as follows, for example.
・触媒上流側及び下流側の各O2センサ16,17について各々に定電流を供給する構成にしてもよく、かかる場合には各O2センサ16,17で定電流の値を相違させるとよい。このとき、触媒上流側のO2センサ16に供給する定電流を、触媒下流側のO2センサ17に供給する定電流よりも大きくするとよい。
A constant current may be supplied to each of the
・ガス拡散抵抗部を有するO2センサとして、所定厚さのガス拡散抵抗層を有する構成に代えて、所定径のピンホールを有する構成であってもよい。 As an O2 sensor having a gas diffusion resistance portion, a configuration having a pinhole of a predetermined diameter may be used instead of the configuration having a gas diffusion resistance layer having a predetermined thickness.
・ガスセンサは、上記構成のO2センサ以外に、起電力セルとポンプセルとを備える、いわゆる2セル構造のガスセンサであってもよい。この場合、2セル式ガスセンサの起電力セルについても起電力特性を好適に変更できるとともに、適正なる空燃比検出を実現できるものとなる。また、起電力セル(センサ素子)として、コップ型構造のもの以外に、積層型構造のものを用いることも可能である。 The gas sensor may be a so-called two-cell gas sensor including an electromotive force cell and a pump cell in addition to the O2 sensor having the above configuration. In this case, the electromotive force characteristics of the electromotive force cell of the two-cell gas sensor can be suitably changed, and proper air-fuel ratio detection can be realized. Further, as the electromotive force cell (sensor element), it is also possible to use a laminated type structure in addition to the cup type structure.
10…エンジン(内燃機関)、16…O2センサ(ガスセンサ)、31…センサ素子(起電力セル)、32…固体電解質層、33…排気側電極、34…大気側電極、41…マイコン(抵抗値算出手段、補正手段)、43…定電流回路(定電流供給手段)。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記起電力セルに所定の定電流を供給することにより、前記起電力セルの起電力と空燃比との関係を示す起電力特性をリッチ側又はリーン側にシフトさせるものであり、
前記起電力セルに前記定電流を供給する定電流供給手段(43)と、
前記起電力セルの抵抗値を算出する抵抗値算出手段(41)と、
前記起電力特性をリッチ側又はリーン側にシフトさせる際に、前記定電流供給手段により供給される定電流と前記抵抗値算出手段により算出した前記起電力セルの抵抗値とに基づいて、前記起電力セルの起電力を補正する補正手段(41)と、
を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。 The present invention is applied to a gas sensor (16) that outputs an electromotive force signal corresponding to the air-fuel ratio of the exhaust gas as an object of detection of the exhaust gas of the internal combustion engine (10). An electromotive force cell (31) including a pair of electrodes (33, 34) provided at a position sandwiching the gas and a gas diffusion resistance portion (37) provided on the exhaust side of the exhaust side and the reference gas side in the solid electrolyte body Have
By supplying a predetermined constant current to the electromotive force cell, the electromotive force characteristic indicating the relationship between the electromotive force of the electromotive force cell and the air-fuel ratio is shifted to the rich side or the lean side,
Wherein the electromotive force cell and a constant current supply means for supplying a constant current (43),
Resistance value calculating means (41) for calculating the resistance value of the electromotive force cell;
When shifting the electromotive force characteristic to the rich side or the lean side, the electromotive force cell is based on the constant current supplied by the constant current supply means and the resistance value of the electromotive force cell calculated by the resistance value calculation means. Correction means (41) for correcting the electromotive force of the power cell;
A gas sensor control device comprising:
前記補正手段は、前記起電力特性をリッチシフトさせた状態で、前記起電力セルの起電力を電圧増加側に補正する請求項1乃至3のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。 Said constant current supply means, prior to shifting the KiOkoshi power characteristics to the rich side, which flows a constant current to the reference gas from the exhaust side in the solid electrolyte body,
The gas sensor control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the correction unit corrects the electromotive force of the electromotive force cell to a voltage increase side in a state where the electromotive force characteristic is richly shifted.
前記補正手段は、前記起電力特性をリーンシフトさせた状態で、前記起電力セルの起電力を電圧減少側に補正する請求項1乃至4のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。 Said constant current supply means, prior to shifting the KiOkoshi power characteristics to the lean side, which flows a constant current to the exhaust side from the reference gas in the solid electrolyte body,
The gas sensor control device according to any one of claims 1 to 4, wherein the correction unit corrects the electromotive force of the electromotive force cell to a voltage decrease side in a state where the electromotive force characteristic is lean-shifted.
前記排気側電極と接地点との間には前記排気側電極に正電圧を印加する電圧回路(45)が設けられている請求項1乃至5のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。 One of the pair of electrodes in the electromotive force cell is a reference side electrode (34) that becomes a positive side when an electromotive force is output, and the other is an exhaust side electrode (33) that becomes a negative side when an electromotive force is output,
The gas sensor control device according to any one of claims 1 to 5, wherein a voltage circuit (45) for applying a positive voltage to the exhaust side electrode is provided between the exhaust side electrode and a grounding point.
前記触媒上流側センサの検出信号に基づいて、排気の空燃比が目標値になるように燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比制御機能を有している請求項1乃至6のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。 An exhaust purification catalyst (15a) is provided in the exhaust part of the internal combustion engine, and the gas sensor is provided as a catalyst upstream sensor (16) on the upstream side of the catalyst,
7. The air-fuel ratio control function according to claim 1, further comprising: an air-fuel ratio control function that feedback-controls the fuel injection amount so that the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes a target value based on a detection signal of the catalyst upstream sensor. The gas sensor control device described.
前記ガスセンサと、
を備えることを特徴とする空燃比検出システム。 A gas sensor control device according to any one of claims 1 to 7,
The gas sensor;
An air-fuel ratio detection system comprising:
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