JP6974053B2 - Air-fuel ratio detector - Google Patents
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Description
この発明は、空燃比検出装置に関する。 The present invention relates to an air-fuel ratio detector.
特許文献1に開示された空燃比検出装置は、第1固体電解質層の両面に電極を有した空燃比検出部を備えている。第1固体電解質層の一方の面の電極は、被測定ガスである排気に晒されている。第1固体電解質層の他方の面の電極は、隔壁で区画された大気室内に配置されている。これら両面の電極間に電圧を印加すると、排気中の酸素分圧と大気室の酸素分圧との差に応じた量の電流が両電極間に流れる。この電流値に基づいて排気中の酸素分圧が算出される。 The air-fuel ratio detection device disclosed in Patent Document 1 includes an air-fuel ratio detection unit having electrodes on both sides of the first solid electrolyte layer. The electrodes on one surface of the first solid electrolyte layer are exposed to the exhaust, which is the gas to be measured. The electrodes on the other side of the first solid electrolyte layer are located in an atmospheric chamber partitioned by a partition wall. When a voltage is applied between these electrodes on both sides, an amount of current corresponding to the difference between the oxygen partial pressure in the exhaust gas and the oxygen partial pressure in the atmosphere chamber flows between the two electrodes. The oxygen partial pressure in the exhaust gas is calculated based on this current value.
また、特許文献1に開示された空燃比検出装置は、大気室の酸素分圧を一定の分圧に調節するための酸素供給排出部を備えている。酸素供給排出部は、第2固体電解質層の両面に電極を備えている。第2固体電解質層の一方の面の電極は、大気室内に配置されている。第2固体電解質層の両面の電極間には電圧が印加されて電流が流れる。このときの電流値は、第1固体電解質層の両面の電極間を流れる電流値と一致するように制御される。これにより、第1固体電解質層を通過する酸素量と同量の酸素量が第2固体電解質層を通過し、大気室の酸素分圧がほぼ一定に維持される。 Further, the air-fuel ratio detection device disclosed in Patent Document 1 includes an oxygen supply / discharge unit for adjusting the oxygen partial pressure in the atmospheric chamber to a constant partial pressure. The oxygen supply / discharge unit includes electrodes on both sides of the second solid electrolyte layer. The electrodes on one surface of the second solid electrolyte layer are arranged in the atmosphere chamber. A voltage is applied between the electrodes on both sides of the second solid electrolyte layer and a current flows. The current value at this time is controlled so as to match the current value flowing between the electrodes on both sides of the first solid electrolyte layer. As a result, the same amount of oxygen as the amount of oxygen passing through the first solid electrolyte layer passes through the second solid electrolyte layer, and the oxygen partial pressure in the air chamber is maintained substantially constant.
特許文献1に開示された空燃比検出装置のようにして酸素供給排出部に流れる電流値を制御したとしても、第1固体電解質層と第2固体電解質層とを通過する酸素量が厳密には一致しない場合がある。こうした僅かな誤差が長期に亘って積み重なると、大気室の酸素分圧と実際の大気の酸素分圧との間に無視できない差が生じる虞がある。この結果、被測定ガスの酸素分圧の算出精度が悪化し、空燃比の算出精度が悪化する。 Even if the current value flowing through the oxygen supply / discharge unit is controlled as in the air-fuel ratio detector disclosed in Patent Document 1, the amount of oxygen passing through the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer is strictly. May not match. If such a slight error accumulates over a long period of time, there is a risk that a non-negligible difference will occur between the oxygen partial pressure in the atmosphere chamber and the oxygen partial pressure in the actual atmosphere. As a result, the accuracy of calculating the oxygen partial pressure of the gas to be measured deteriorates, and the accuracy of calculating the air-fuel ratio deteriorates.
上記課題を解決するための空燃比検出装置は、第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体の一方の面に配置されているとともに被測定ガスに晒されるガス検出電極と、前記第1固体電解質体の他方の面に配置されているとともに被測定ガスに晒されない基準電極と、前記ガス検出電極及び前記基準電極間に電圧を印加する電源部と、前記ガス検出電極及び前記基準電極間に流れる電流に応じて被測定ガスの酸素分圧を算出する空燃比算出部とを備えている。また、空燃比検出装置は、前記第1固体電解質体よりも前記基準電極側に配置されている第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体を挟み込む一対の電極と、前記第2固体電解質体に対して前記第1固体電解質体とは反対側に配置され、前記一対の電極のうちの一つが配置される基準大気室を区画する隔壁と、前記一対の電極間の起電力を測定する起電力測定部とを備え、前記空燃比算出部は、前記起電力測定部が測定した起電力を加味して被測定ガスの酸素分圧を算出する。 The air-fuel ratio detection device for solving the above problems includes a first solid electrolyte body, a gas detection electrode arranged on one surface of the first solid electrolyte body and exposed to the measured gas, and the first solid electrolyte body. A reference electrode that is arranged on the other surface of the solid electrolyte and is not exposed to the gas to be measured, a power supply unit that applies a current between the gas detection electrode and the reference electrode, and between the gas detection electrode and the reference electrode. It is equipped with an air-fuel ratio calculation unit that calculates the oxygen partial pressure of the measured gas according to the current flowing through the. Further, the air fuel ratio detection device includes a second solid electrolyte body arranged on the reference electrode side of the first solid electrolyte body, a pair of electrodes sandwiching the second solid electrolyte body, and the second solid electrolyte body. The electromotive force between the partition wall arranged on the opposite side of the body from the first solid electrolyte body and partitioning the reference air chamber in which one of the pair of electrodes is arranged and the pair of electrodes is measured. The electromotive force measuring unit is provided, and the air-fuel ratio calculation unit calculates the oxygen partial pressure of the measured gas in consideration of the electromotive force measured by the electromotive force measuring unit.
上記構成において、第2固体電解質体を挟み込む一対の電極間の起電力は、基準電極近くの酸素分圧と基準大気室の酸素分圧との差を反映する。したがって、仮に基準電極近くの酸素分圧と大気の酸素分圧とに差があったとしても、基準大気室の酸素分圧を大気の酸素分圧に保っておけば、その差に起因した被測定ガスの酸素分圧のずれを加味した上で、被測定ガスの酸素分圧を算出できる。したがって、被測定ガスの酸素分圧の算出精度の悪化を抑制することができ、その結果、空燃比の算出精度も向上する。 In the above configuration, the electromotive force between the pair of electrodes sandwiching the second solid electrolyte reflects the difference between the oxygen partial pressure near the reference electrode and the oxygen partial pressure in the reference atmosphere chamber. Therefore, even if there is a difference between the oxygen partial pressure near the reference electrode and the oxygen partial pressure in the atmosphere, if the oxygen partial pressure in the reference atmosphere chamber is kept at the oxygen partial pressure in the atmosphere, the subject caused by the difference will be covered. The oxygen partial pressure of the measured gas can be calculated after taking into account the deviation of the oxygen partial pressure of the measured gas. Therefore, deterioration of the calculation accuracy of the oxygen partial pressure of the gas to be measured can be suppressed, and as a result, the calculation accuracy of the air-fuel ratio is also improved.
以下、内燃機関に搭載されている空燃比検出装置の一実施形態を、図面を参照して説明する。まず、内燃機関Eの概略構成について説明する。図1に示すように、内燃機関Eは、外部から吸気を導入するための吸気通路11を備えている。吸気通路11には、燃料と吸気との混合気を燃焼させる気筒10が接続されている。気筒10には、排気を外部に排出するための排気通路21が接続されている。
Hereinafter, an embodiment of the air-fuel ratio detection device mounted on the internal combustion engine will be described with reference to the drawings. First, a schematic configuration of the internal combustion engine E will be described. As shown in FIG. 1, the internal combustion engine E includes an
吸気通路11には、吸気通路11に導入される空気を濾過するエアクリーナ12が設けられている。吸気通路11におけるエアクリーナ12よりも下流側には、通路面積を可変とするスロットルバルブ13が設けられている。吸気通路11におけるエアクリーナ12とスロットルバルブ13との間には、吸気通路11に導入された空気の流量を検出するエアフロメータ14が設けられている。エアフロメータ14は、検出した空気の流量値を、内燃機関Eの制御装置である電子制御ユニット30(以下、ECU30と略記する。)に出力する。吸気通路11におけるスロットルバルブ13よりも下流側には、燃料を噴射するインジェクタ15が設けられている。
The
排気通路21には、排気中の成分を浄化する触媒22が設けられている。排気通路21における触媒22よりも上流側には、空燃比センサ50が設けられている。空燃比センサ50は、ECU30とともに空燃比検出装置100を構成している。空燃比センサ50は、排気通路21における触媒22よりも上流部分の酸素分圧に対応する電流値を検出し、その電流値をECU30に出力する。ECU30は、空燃比センサ50から入力された電流値に基づいて、気筒10に供給された混合気の空燃比を算出する。
The
ECU30には、エアフロメータ14、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ、機関回転速度を検出する回転速度センサ等の各種センサの検出値が入力される。ECU30は、各種センサの検出値から把握される内燃機関Eの状況に応じて、スロットルバルブ13やインジェクタ15等を制御して空燃比制御を行う。
The detection values of various sensors such as the
つぎに、空燃比検出装置100の具体的な構成について説明する。
図2に示すように、空燃比センサ50は、長方形板状のヒータ支持板51を備えている。なお、本実施形態では、ヒータ支持板51の面方向に直交する方向を上下方向として説明する。
Next, a specific configuration of the air-fuel
As shown in FIG. 2, the air-
ヒータ支持板51の内部には、空燃比センサ50の温度を調整するヒータ52が埋設されている。ヒータ52は電熱線であり、ヒータ用電源からの給電により発熱する。ヒータ52は、空燃比センサ50の温度がおよそ650〜750℃になるように加熱制御されている。
Inside the
ヒータ支持板51の上面には全体として長方形板状をなす第1隔壁体53が固定されている。第1隔壁体53は、例えばアルミナ製である。第1隔壁体53は、材料密度が高く、気体が通過不能となっている。第1隔壁体53には、四角形状の貫通孔53aが上下方向に貫通している。第1隔壁体53において、貫通孔53aを囲む壁部のうちの一部(図2において左側の部分)は空燃比センサ50の外側に開放されている。この開放された部分には、当該開放された部分に整合する四角柱状の拡散抵抗体54が嵌め込まれている。上下方向における拡散抵抗体54の寸法は、第1隔壁体53の厚みと同じになっている。拡散抵抗体54は、例えばアルミナ製である。拡散抵抗体54は、第1隔壁体53よりも材料密度が低く、気体が通過可能になっている。
A
第1隔壁体53及び拡散抵抗体54の上面には、長方形板状の第1固体電解質体61が固定されている。第1固体電解質体61は、酸素イオン伝導性のある電解質体である。第1固体電解質体61の酸素イオン伝導性は、ヒータ52による加熱によって第1固体電解質体61の温度が高くなるほど高まる。第1固体電解質体61の下面、第1隔壁体53の貫通孔53aの内面、及びヒータ支持板51の上面によって被測定ガス室58が区画されている。被測定ガス室58には、拡散抵抗体54を介して、被測定ガスである排気が流入する。なお、拡散抵抗体54の外面の一部は空燃比センサ50の外面の一部を構成しており、排気は拡散抵抗体54を介して被測定ガス室58に流入する。そして、拡散抵抗体54を通過する際に排気の流速が低下する。そのため、排気通路21を通過する排気の流速に脈動が生じても、被測定ガス室58に流入する排気の流入速度はほぼ一定になる。
A rectangular plate-shaped first
第1固体電解質体61の下面には、板状のガス検出電極62が固定されている。ガス検出電極62は、被測定ガス室58内に配置されており、被測定ガス室58内の排気に晒されている。第1固体電解質体61の上面には、板状の第1基準電極63が固定されている。第1基準電極63の厚み及び寸法は、ガス検出電極62の厚み及び寸法と一致している。空燃比センサ50を上側から平面視したとき、第1基準電極63は、ガス検出電極62と重なっている。第1固体電解質体61と、第1固体電解質体61を挟み込むガス検出電極62及び第1基準電極63は、排気中の酸素分圧を検出するセンサセル60として機能する。
A plate-shaped
第1固体電解質体61の上面には、全体として長方形板状をなす第2隔壁体55が固定されている。第2隔壁体55は、第1隔壁体53と同一材料でできている。第2隔壁体55には、四角形状の貫通孔55aが上下方向に貫通している。
A
第2隔壁体55の上面には、長方形板状の第2固体電解質体71が固定されている。第2固体電解質体71の厚み及び縦横の寸法は、第1固体電解質体61の厚み及び縦横の寸法と一致している。第2固体電解質体71は、第1固体電解質体61と同一材料でできている。第2固体電解質体71の下面、第2隔壁体55の貫通孔55aの内面、及び第1固体電解質体61の上面によって基準ガス室59が区画されている。基準ガス室59は、密閉されている。基準ガス室59には、予め大気が取り込まれている。基準ガス室59内のガスは、被測定ガス室58内の酸素分圧を算出するための基準ガスとなる。なお、第1基準電極63は、基準ガス室59内に配置されており、基準ガス室59内の基準ガスに晒されている。
A rectangular plate-shaped second
第2固体電解質体71の下面には、板状の第2基準電極72が固定されている。第2基準電極72の厚み及び寸法は、第1基準電極63の厚み及び寸法と一致している。第2基準電極72は、基準ガス室59内に配置されており、基準ガス室59内の基準ガスに晒されている。
A plate-shaped
第2固体電解質体71の上面には、板状の酸素電極73が固定されている。酸素電極73の厚み及び寸法は、第2基準電極72の厚み及び寸法と一致している。空燃比センサ50を上側から平面視したとき、酸素電極73は、第2基準電極72と重なっている。空燃比センサ50の外部には排気が流通しているため、酸素電極73は、排気に晒されている。第2固体電解質体71と、第2固体電解質体71を挟み込む第2基準電極72及び酸素電極73は、基準ガス室59に酸素を供給したり、基準ガス室59から酸素を排出したりする酸素供給排出セル70として機能する。
A plate-shaped
第2固体電解質体71の上面において、酸素電極73が固定されている箇所とは異なる箇所には、板状のモニタ電極91が固定されている。モニタ電極91の寸法は、酸素電極73の寸法よりも小さくなっている。モニタ電極91の厚みは、酸素電極73の厚みと一致している。本実施形態では、モニタ電極91と第2基準電極72とが第2固体電解質体71を挟む一対の電極である。
On the upper surface of the second
第2固体電解質体71の上面には、モニタ電極91を覆うように設けられた第3隔壁体93が固定されている。第3隔壁体93は、第1隔壁体53と同一材料でできている。第3隔壁体93は、第2固体電解質体71の上面から立ち上がるとともにモニタ電極91の周囲を囲うように設けられた立壁部93aと、立壁部93aの上端面に固定されている平板状の水平壁部93bと、を備えている。立壁部93aの内面、水平壁部93bの下面、及び第2固体電解質体71の上面によって、排気通路21から隔離された基準大気室95が区画されている。図示は省略するが、基準大気室95は、車両の外部と連通しており、外部の大気が基準大気室95に取り込まれるようになっている。なお、モニタ電極91は、基準大気室95内に配置されており、基準大気室95の大気に晒されている。
A
ガス検出電極62及び第1基準電極63には、これらの間に一定の電圧を印加する電源部である第1電源81が接続されている。第1電源81の正極は第1基準電極63側に接続され、第1電源81の負極はガス検出電極62側に接続されている。つまり、第1基準電極63側からガス検出電極62側に電流が流れた場合、電流値は正となる。一方、ガス検出電極62側から第1基準電極63側に電流が流れた場合、電流値は負となる。なお、図2において、電流値A1が流れる方向は、正の電流値が流れる方向に一致している。第1電源81は、ECU30によって制御されている。
A
第1基準電極63と第1電源81との間には、電流測定装置83が接続されている。電流測定装置83は、第1電源81によってガス検出電極62及び第1基準電極63の間に電圧が印加された際に、ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値を測定する電流測定部である。電流測定装置83が測定した電流値は、ECU30に入力される。
A
第2基準電極72及び酸素電極73には、これらの間に電圧を印加する第2電源82が接続されている。第2電源82の正極は第2基準電極72側に接続され、第2電源82の負極は酸素電極73側に接続されている。つまり、第2基準電極72側から酸素電極73側に電流が流れた場合、電流値は正となる。一方、酸素電極73側から第2基準電極72側に電流が流れた場合、電流値は負となる。なお、図2において、電流値A2が流れる方向は、正の電流値が流れる方向に一致している。第2電源82は、第2基準電極72及び酸素電極73に印加する電圧を可変制御する。第2電源82による電圧の印加及び、そのときの電圧の大きさは、ECU30によって制御されている。
A
第2基準電極72及びモニタ電極91には、電圧測定装置97が接続されている。電圧測定装置97は、第2基準電極72とモニタ電極91との間に生じる起電力(電圧)を測定する起電力測定部である。電圧測定装置97が測定した起電力はECU30に入力される。
A
ECU30は、被測定ガス室58の排気中の酸素分圧を算出するとともに、その酸素分圧に基づいて、気筒10に供給された混合気の空燃比を算出する空燃比算出部として機能する。ここで、排気中の酸素分圧の算出原理について説明する。
The
ECU30は、第1電源81によってガス検出電極62及び第1基準電極63の間に電圧を印加した際にガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値A1に基づいて排気中の酸素分圧を算出する。例えば気筒10に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンの場合、第1固体電解質体61を通じて被測定ガス室58の排気中から基準ガス室59に酸素が取り込まれる。このとき、第1電源81の負極側であるガス検出電極62側から第1電源81の正極側である第1基準電極63側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第1電源81の正極側である第1基準電極63側から第1電源81の負極側であるガス検出電極62側に向かって電流が流れる。つまり、電流測定装置83が測定する電流値A1は正となる。
The
一方、気筒10に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチの場合には、第1固体電解質体61を通じて被測定ガス室58の排気中に基準ガス室59から酸素が持ち出される。このとき、第1電源81の正極側である第1基準電極63側から第1電源81の負極側であるガス検出電極62側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第1電源81の負極側であるガス検出電極62側から第1電源81の正極側である第1基準電極63側に向かって電流が流れる。つまり、電流測定装置83が測定する電流値A1は負となる。
On the other hand, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the
図3の実線は、基準ガス室59の酸素分圧が大気の酸素分圧である状態(以下、基準状態と記す)における、各空燃比に対する電圧−電流特性を示している。各空燃比において、電圧−電流特性には、電圧を増加させても電流値が変化しない限界電流領域が存在する。この限界電流領域での電流値である限界電流値は、排気中の酸素分圧(混合気の空燃比)とともに大きくなる。つまり、限界電流値と排気中の酸素分圧とは1対1の関係にある。したがって、限界電流値を測定することで、その限界電流値に基づいて、排気中の酸素分圧を算出することができる。なお、排気中の酸素分圧を算出する際に、実際に第1電源81がガス検出電極62及び第1基準電極63の間に印加する電圧は、一定の印加電圧Vpである。この印加電圧Vpは、各空燃比での限界電流領域が互いに重なり合っている領域内の電圧である。この印加電圧Vpを印加することにより、混合気の空燃比が如何なる値であっても、限界電流を通電可能である。
The solid line in FIG. 3 shows the voltage-current characteristics for each air-fuel ratio in a state where the oxygen partial pressure of the
ここで、空燃比センサ50の使用に伴って、基準ガス室59の酸素分圧は、大気の酸素分圧とは異なった分圧になる場合がある。この場合、各空燃比に対する電圧−電流特性は、基準ガス室59の酸素分圧が大気の酸素分圧である場合のものとは異なるものとなる。図3の2点鎖線は、例えば混合気の空燃比が17である場合において、基準ガス室59の酸素分圧が大気の酸素分圧とは異なっている場合の電圧−電流特性の例を示している。基準ガス室59の酸素分圧が大気の酸素分圧とは異なっていることに伴って電圧−電流特性が変化すると、所定の印加電圧Vpをガス検出電極62及び第1基準電極63の間に印加した際、基準状態で検出されるはずの限界電流値Ip1とは異なる電流値Ip2が検出される。したがって、基準ガス室59の酸素分圧が大気の酸素分圧とは異なっているにも拘らず、基準ガス室59の酸素分圧が大気の酸素分圧であるとの前提のもとで算出を行うと、排気中の酸素分圧の算出精度が悪化する。そこで、本実施形態のECU30は、基準ガス室59の酸素分圧と大気の酸素分圧との差(以下、基準ガス室59における酸素分圧差と記す)を加味して排気中の酸素分圧を算出する。
Here, with the use of the air-
ECU30は、基準ガス室59における酸素分圧差を、電圧測定装置97で測定される起電力から把握する。ここで、電圧測定装置97で測定される起電力は、以下に説明するとおり、基準ガス室59と基準大気室95とにおける酸素分圧の差を反映している。例えば基準ガス室59と基準大気室95との酸素分圧に差がある場合、基準ガス室59に配置されている第2基準電極72と、基準大気室95に配置されているモニタ電極91とのうち、酸素分圧が高い側に配置されている電極では酸素分子が電子を受け取って酸素イオンとなる。一方、酸素分圧が低い側に配置されている電極では酸素イオンが電子を乖離して酸素分子に戻る。こうして両電極に電位差が生じることで、第2基準電極72とモニタ電極91との間に起電力が生じる。この起電力が電圧測定装置97で測定される。
The
つづいて、ECU30が行う第2電源82の制御について説明する。ここで、特許文献1に開示されている空燃比検出装置の手法に倣えば、基準ガス室59の酸素分圧が一定に維持されるように第2電源82を制御することになる。これに対して、本実施形態では、常に一定量の酸素が基準ガス室59に取り込まれるように第2電源82を制御する。具体的には、ECU30は、ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値A1と、第2基準電極72及び酸素電極73の間に流れる電流値A2との和が予め設定された正の値の一定値となるように第2電源82を制御している。このようにして第2電源82を制御することにより、常に一定量の酸素が基準ガス室59に取り込まれる。
Next, the control of the
例えば電流値A1が大きな正の値である場合、つまり、第1固体電解質体61を通じて被測定ガス室58の排気中から基準ガス室59に取り込まれる酸素の量が多い場合、ECU30は、電流値A2が小さな正の値となるように第2電源82を制御する。この場合、第2基準電極72側から酸素電極73側に少量の電流が流れる。そして、比較的少量の酸素が第2固体電解質体71を通じて空燃比センサ50の外部の排気中から基準ガス室59に取り込まれる。
For example, when the current value A1 is a large positive value, that is, when the amount of oxygen taken into the
一方、電流値A1が小さな正の値である場合、つまり、第1固体電解質体61を通じて被測定ガス室58の排気中から基準ガス室59に取り込まれる酸素の量が少ない場合、ECU30は、電流値A2が大きな正の値となるように第2電源82を制御する。この場合、第2基準電極72側から酸素電極73側に多量の電流が流れる。そして、多量の酸素が第2固体電解質体71を通じて空燃比センサ50の外部の排気中から基準ガス室59に取り込まれる。また、電流値A1が負の値である場合、つまり、第1固体電解質体61を通じて基準ガス室から被測定ガス室58の排気中に酸素が持ち出される場合、ECU30は、電流値A2が大きな正の値となるように第2電源82を制御する。この場合、第2基準電極72側から酸素電極73側に多量の電流が流れる。そして、多量の酸素が第2固体電解質体71を通じて空燃比センサ50の外部の排気中から基準ガス室59に取り込まれる。
On the other hand, when the current value A1 is a small positive value, that is, when the amount of oxygen taken into the
つぎに、ECU30が実行する空燃比算出処理について図4を用いて説明する。ECU30はイグニッションスイッチがオンにされると、所定周期毎に空燃比算出処理を実行する。なお、ECU30は、イグニッションスイッチがオンにされた時点で、第1電源81を通じて所定の印加電圧Vpをガス検出電極62及び第1基準電極63の間に印加する。また、ECU30は、イグニッションスイッチがオンにされた時点で、第2電源82を上述のように制御する。
Next, the air-fuel ratio calculation process executed by the
図4に示すように、ECU30は、空燃比算出処理が開始されると、ステップS20に進む。ステップS20において、ECU30は、電流測定装置83で測定された電流値A1を取得する。そして、ECU30は、ステップS30において、電圧測定装置97で測定された起電力Vを取得する。この後、ECU30は、ステップS40に処理を進める。
As shown in FIG. 4, the
ステップS40において、ECU30は、自身に予め記憶されている起電力マップを参照する。起電力マップには、第2基準電極72とモニタ電極91との間に生じる起電力と、基準ガス室59における酸素分圧差と、の関係が規定されている。上記起電力と、基準ガス室59における酸素分圧差とは1対1の関係にある。起電力が0の場合、基準ガス室59における酸素分圧差は0である。起電力が大きいほど、基準ガス室59における酸素分圧差は大きくなる。ECU30は、起電力マップから、電圧測定装置97で測定された起電力Vに対応する、基準ガス室59における酸素分圧差Cを読み取る。そして、ECU30は、ステップS50に処理を進める。
In step S40, the
ステップS50において、ECU30は、電流測定装置83で測定された電流値A1が、基準ガス室59における酸素分圧差に応じて基準状態で検出されるべき電流値からずれてしまった量AZを算出する。AZはつぎの式(1)によって算出される。
In step S50, the
AZ=A1×C/大気の酸素分圧 ・・・式(1)
この後、ECU30は、ステップS60において、電流測定装置83で測定された電流値A1をつぎの式(2)によって補正する。
AZ = A1 × C / Atmospheric oxygen partial pressure ・ ・ ・ Equation (1)
After that, in step S60, the
A1m=A1+AZ ・・・式(2)
ここで、A1mは補正後の電流値である。この後、ECU30は、ステップS70に処理を進める。
A1m = A1 + AZ ・ ・ ・ Equation (2)
Here, A1m is the corrected current value. After that, the
ステップS70において、ECU30は、自身に予め記憶されている電流マップを参照する。電流マップには、基準状態において所定の印加電圧Vpを印加した際にガス検出電極62及び第1基準電極63の間を流れる電流値と、排気中の酸素分圧と、の関係が規定されている。上記電流値と排気中の酸素分圧とは1対1の関係にある。ECU30は、電流マップから、補正後の電流値A1mに対応する、排気中の酸素分圧を読み取る。この後、ECU30は、ステップS80に処理を進める。
In step S70, the
ステップS80において、ECU30は、排気中の酸素分圧に基づいて、気筒10に供給される混合気の空燃比を算出する。こうしてECU30は一連の処理を終了する。
つぎに、本実施形態の空燃比検出装置の効果について説明する。
In step S80, the
Next, the effect of the air-fuel ratio detection device of the present embodiment will be described.
(1)基準ガス室59における酸素分圧が大気の酸素分圧とは異なっている場合、ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値が、基準ガス室59の酸素分圧が大気の酸素分圧であるとした場合に検出されるべき電流値とは異なってしまう。このような電流値を用いて排気中の酸素分圧を算出すると、当然不適当な酸素分圧を算出してしまうことになる。
(1) When the oxygen partial pressure in the
これに対して本実施形態では、第2固体電解質体71を挟んで基準ガス室59とは反対側に基準大気室95を設けている。そして、基準ガス室59に第2基準電極72を配置するとともに、基準大気室95にモニタ電極91を配置し、これらの第2基準電極72及びモニタ電極91の間の起電力を測定している。こうして第2基準電極72とモニタ電極91との間に生じる起電力を測定することで、基準ガス室59における酸素分圧差を把握することができるようになる。ECU30は、この酸素分圧差に基づいてガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値A1を補正し、補正した電流値A1mから排気中の酸素分圧を算出する。したがって、仮に基準ガス室59における酸素分圧が大気の酸素分圧とは異なっていても、基準ガス室59における酸素分圧差に起因した電流値のずれを加味して排気中の酸素分圧を算出できる。そのため、酸素分圧の算出精度の悪化を抑制することができ、その結果、気筒10に供給される混合比の空燃比の算出精度が向上する。
On the other hand, in the present embodiment, the
(2)本実施形態では、ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値A1と、第2基準電極72及び酸素電極73の間に流れる電流値A2との和が予め設定された正の値の一定値となるように第2電源82を制御している。このようにして第2電源82を制御することにより、常に一定量の酸素が基準ガス室59に取り込まれる。この場合、基準ガス室59内の酸素が不足することは考えにくい。
(2) In the present embodiment, the sum of the current value A1 flowing between the
一方、第2電源82の制御方法次第では、基準ガス室59の酸素分圧が0になる場合がある。基準ガス室59の酸素分圧が0になると、基準ガス室59から被測定ガス室58への酸素の持ち出しができなくなる。そのため、気筒10に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチであれば、第1電源81によってガス検出電極62及び第1基準電極63の間に電圧を印加しても、基準ガス室59から被測定ガス室58への酸素の移動が不能になる。この場合、ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に電流が流れない。ここで、基準ガス室59の酸素分圧が0になっている状態で例えば特許文献1に開示されている空燃比検出装置の手法に倣って第2電源82を制御した場合、ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値A1が0であれば、第2基準電極72及び酸素電極73の間に流れる電流値A2も0となる。電流値A2が0であれば、第2固体電解質体71を通じて空燃比センサ50の外部の排気中から基準ガス室59に酸素が取り込まれることがないため、基準ガス室59の酸素分圧は0の状態が維持されてしまう。この結果、電流値A1もまた0の状態が維持されてしまい、排気中の酸素分圧を適切に算出することができない。
On the other hand, depending on the control method of the
これに対して、本実施形態によれば、常に一定量の酸素が基準ガス室59に取り込まれるため、基準ガス室59の酸素分圧が0になる事態を回避できる。そのため、排気中の酸素分圧を適切に算出でき、気筒10に供給される混合気の空燃比の算出精度が向上する。
On the other hand, according to the present embodiment, since a constant amount of oxygen is always taken into the
(3)上記(2)に記したようにして常に一定量の酸素を基準ガス室59に取り込むように第2電源82を制御した場合、基準ガス室59の酸素分圧が0になる事態を回避できるとしても、基準ガス室59の酸素分圧が大気の酸素分圧よりも多くなる酸素過剰な状況を招く虞がある。しかし、本実施形態では、基準ガス室59における酸素分圧差に基づいて、ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値A1を補正し、補正後の電流値A1mに基づいて排気中の酸素分圧を算出している。したがって、基準ガス室59における酸素分圧が酸素過剰な状況になっても排気中の酸素分圧の算出精度が悪化することを抑制できる。つまり、本実施形態においては、基準ガス室59が酸欠状態となって排気中の酸素分圧の算出精度が悪化することもなく、かつ、基準ガス室59が酸素過剰となって排気中の酸素分圧の算出精度が悪化することもない。この結果、気筒10に供給される混合気の空燃比の算出精度が向上する。
(3) When the
なお、基準ガス室59は密閉されているとはいえ、例えば第1固体電解質体61と第2隔壁体55との間の僅かな隙間から気体が進入し得る。したがって、内燃機関Eの停止時のように空燃比検出装置100が動作していない場合に、基準ガス室59内は大気と僅かずつガス交換して、基準ガス室59内の酸素分圧が大気の酸素分圧に近づいていく。
Although the
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・空燃比センサ50を構成している各種部材の形状や配置は、空燃比センサが上記実施形態と同様に機能することを条件として、適宜変更可能である。例えば、ガス検出電極62と第1基準電極63の形状や大きさ、水平方向の位置を互いに異なるものとしてもよい。第2基準電極72と酸素電極73についても同様である。第1固体電解質体61、第2固体電解質体71、ヒータ支持板51、第1隔壁体53、第2隔壁体55は例えば正方形等、長方形以外の形状にしてもよい。基準ガス室59は被測定ガス室58及び排気通路21から隔離されていればよく、密閉構造とすることなく外部の大気と連通させてもよい。第3隔壁体93は、大気と連通している基準大気室95であって基準ガス室59、被測定ガス室58、及び排気通路21から隔離されている基準大気室95を区画できる形状であれば、どのような形状でもよい。
The above embodiment can also be modified and implemented as follows.
The shapes and arrangements of the various members constituting the air-
・基準ガス室59を廃止してもよい。基準ガス室59を廃止した場合の空燃比検出装置の例を図5に示す。この空燃比検出装置100aの空燃比センサ50aでは、基準ガス室を廃止し、かつ、第1基準電極と第2基準電極とを共通化している。すなわち、第1固体電解質体61の上面には、共通基準電極163が固定されている。また、第1固体電解質体61の上面には、第2固体電解質体171が固定されている。第2固体電解質体171の下面には、上側に凹んだ凹部171aが形成されている。この凹部171aに共通基準電極163が配置されている。共通基準電極163及びガス検出電極62には、第1電源81が接続されている。また、共通基準電極163と第1電源81との間には、電流測定装置83が接続されている。また、共通基準電極163及び酸素電極73には、第2電源82が接続されている。また、共通基準電極163及びモニタ電極91には、電圧測定装置97が接続されている。なお、空燃比検出装置100aにおいては、共通基準電極163とモニタ電極91とが、第2固体電解質体71を挟み込む一対の電極となる。また、空燃比検出装置100aにおいては、第1固体電解質体61、ガス検出電極62、及び共通基準電極163がセンサセルを構成し、第2固体電解質体71、共通基準電極163、及び酸素電極73が酸素供給排出セルを構成する。
-The
・被測定ガス室58を廃止し、ガス検出電極62を拡散抵抗体54で覆う構成としてもよい。この場合、拡散抵抗体54を通過した排気が直にガス検出電極62に供給される。
・ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値A1の補正方法は、起電力マップ、及び、上記式(1)、式(2)を用いた補正方法に限定されるものではなく、電圧測定装置97で測定された起電力Vに応じて電流値A1を適正に補正できる方法であれば、どのようは方法であってもよい。
The
The method for correcting the current value A1 flowing between the
・上記実施形態では、電流値A1に対して補正を行い、補正後の電流値A1mに基づいて酸素分圧を算出した。しかし、電流値A1に基づいてまず酸素分圧を算出し、その後、その酸素分圧を起電力Vに基づいて補正してもよい。 -In the above embodiment, the current value A1 is corrected, and the oxygen partial pressure is calculated based on the corrected current value A1m. However, the oxygen partial pressure may be calculated first based on the current value A1, and then the oxygen partial pressure may be corrected based on the electromotive force V.
・ガス検出電極62及び第1基準電極63に対する第1電源81の接続構造を、上記実施形態の接続構造から反転させてもよい。つまり、第1電源81の正極をガス検出電極62側に接続し、第1電源81の負極を第1基準電極63側に接続する。この場合、第2基準電極72及び酸素電極73に対する第2電源82の接続構造を上記実施形態の接続構造から反転させ、つまり、第2電源82の正極を酸素電極73側に接続し、第2電源82の負極を第2基準電極72側に接続し、その上で電流値A1と電流値A2との和が予め設定された負の値の一定値になるように第2電源82を制御すれば、上記実施形態と同様、常に一定量の酸素が基準ガス室59に取り込むことができる。
The connection structure of the
・第2電源82の制御に関して、ガス検出電極62及び第1基準電極63の間に流れる電流値A1と、第2基準電極72及び酸素電極73の間に流れる電流値A2との和が0となるように第2電源82を制御してもよい。
Regarding the control of the
・第2電源82の制御に関して、常に一定の電圧を第2基準電極72及び酸素電極73の間に印加してもよいし、常に一定の電流を第2基準電極72及び酸素電極73の間に流してもよい。この場合、一般的な内燃機関Eの運転領域において基準ガス室59内の酸素分圧が過度に低下しないような十分な電圧、電流を設定すればよい。
-Regarding the control of the
30…ECU(空燃比算出部)、61…第1固体電解質体、62…ガス検出電極、63…第1基準電極、81…第1電源(電源部)、71…第2固体電解質体、72…第2基準電極、91…モニタ電極、93…第3隔壁体(隔壁)、95…基準大気室、97…電圧測定装置(起電力測定部)、100,100a…空燃比検出装置、163…共通基準電極、171…第2固体電解質体。
30 ... ECU (air fuel ratio calculation unit), 61 ... first solid electrolyte body, 62 ... gas detection electrode, 63 ... first reference electrode, 81 ... first power supply (power supply unit), 71 ... second solid electrolyte body, 72 ... 2nd reference electrode, 91 ... monitor electrode, 93 ... 3rd partition body (partition partition), 95 ... reference atmosphere chamber, 97 ... voltage measuring device (electromotive force measuring unit), 100, 100a ... air fuel ratio detecting device, 163 ... Common reference electrode, 171 ... Second solid electrolyte.
Claims (2)
前記第1基準電極が配置される基準ガス室を、前記第1固体電解質体と共に区画する第2固体電解質体と、
前記第2固体電解質体のうちの前記基準ガス室側の面に配置されている第2基準電極と、
前記第2固体電解質体のうちの前記第1固体電解質体とは反対側の面に配置されているモニタ電極と、
前記第2固体電解質体に対して前記第1固体電解質体とは反対側に配置され、前記モニタ電極が配置される基準大気室を区画する隔壁と、
前記第2基準電極及び前記モニタ電極間の起電力を測定する起電力測定部とを備え、
前記空燃比算出部は、前記起電力測定部が測定した起電力を加味して被測定ガスの酸素分圧を算出する空燃比検出装置。 A first solid electrolyte, a gas detection electrode arranged on one surface of the first solid electrolyte and exposed to the gas to be measured, and a gas detection electrode arranged on the other surface of the first solid electrolyte. a first reference electrode that is not exposed to the measurement gas, and a power supply unit for applying a voltage between the gas sensing electrode and the first reference electrode, the depending on the current flowing between the gas sensing electrode and the first reference electrode It is an air fuel ratio detection device equipped with an air fuel ratio calculation unit that calculates the oxygen partial pressure of the measurement gas.
A second solid electrolyte that partitions the reference gas chamber in which the first reference electrode is arranged together with the first solid electrolyte.
A second reference electrode arranged on the surface of the second solid electrolyte body on the reference gas chamber side, and
A monitor electrode arranged on the surface of the second solid electrolyte body opposite to the first solid electrolyte body,
A partition wall arranged on the side opposite to the first solid electrolyte body with respect to the second solid electrolyte body and partitioning a reference air chamber in which the monitor electrode is arranged,
It is provided with an electromotive force measuring unit for measuring an electromotive force between the second reference electrode and the monitor electrode.
The air-fuel ratio calculation unit is an air-fuel ratio detection device that calculates the oxygen partial pressure of the gas to be measured by adding the electromotive force measured by the electromotive force measurement unit.
前記第1固体電解質体よりも前記基準電極側に配置されているとともに、前記第1固体電解質体側の面に前記基準電極が配置されている第2固体電解質体と、
前記第2固体電解質体のうちの前記第1固体電解質体とは反対側の面に配置されているモニタ電極と、
前記第2固体電解質体に対して前記第1固体電解質体とは反対側に配置され、前記モニタ電極が配置される基準大気室を区画する隔壁と、
前記基準電極及び前記モニタ電極間の起電力を測定する起電力測定部とを備え、
前記空燃比算出部は、前記起電力測定部が測定した起電力を加味して被測定ガスの酸素分圧を算出する空燃比検出装置。 A first solid electrolyte, a gas detection electrode arranged on one surface of the first solid electrolyte and exposed to the gas to be measured, and a gas detection electrode arranged on the other surface of the first solid electrolyte. A reference electrode that is not exposed to the measured gas, a power supply unit that applies a voltage between the gas detection electrode and the reference electrode, and the oxygen partial pressure of the measured gas according to the current flowing between the gas detection electrode and the reference electrode. It is an air-fuel ratio detection device equipped with an air-fuel ratio calculation unit that calculates
A second solid electrolyte body in which the reference electrode is arranged on the reference electrode side of the first solid electrolyte body and the reference electrode is arranged on the surface on the first solid electrolyte body side .
A monitor electrode arranged on the surface of the second solid electrolyte body opposite to the first solid electrolyte body,
A partition wall arranged on the side opposite to the first solid electrolyte body with respect to the second solid electrolyte body and partitioning a reference air chamber in which the monitor electrode is arranged,
It is provided with an electromotive force measuring unit for measuring an electromotive force between the reference electrode and the monitor electrode.
The air-fuel ratio calculation unit is an air-fuel ratio detection device that calculates the oxygen partial pressure of the gas to be measured by adding the electromotive force measured by the electromotive force measurement unit.
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