JP7325528B2 - 湿度センサ診断装置 - Google Patents
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Description
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
まず、本発明の第1の実施形態に係る湿度センサ診断装置及びそれによる診断方法を詳細に説明する。本実施形態では、自動車内の内燃機関の吸気系に設けられた湿度センサを診断する例について説明する。
図1は、第1の実施形態に係る湿度センサ診断装置の構成例を示すブロック図である。
湿度検出器101は、湿度センサ102と、静電容量電圧変換回路103と、温度センサ104(湿温度センサ)と、湿度センサ102を加熱するヒータ105とを備える。湿度センサ102は、後述する内燃機関240(図2参照)の吸気系に設けられている。
図2は、湿度センサ診断装置130が使用される内燃機関システムの一例を示す。内燃機関システム250は、内燃機関240、吸気系、排気系から構成されており、内燃機関240には点火装置201、燃料噴射装置202及び回転数検出装置203が取り付けられている。エアークリーナ200を介して吸気口から流入される空気は、スロットルバルブ213で流量を調節された後、流量検出装置204で流量が計測される。
図3は、一般的な湿度センサ(相対湿度センサ)を含む流量検出装置204(多機能センサ)の構成例を示すブロック図である。本実施形態では、湿度センサ102に相対湿度センサを用いることを想定している。相対湿度(Relative Humidity:RH)は、飽和水蒸気量(飽和水蒸気圧)に対する、実際の水蒸気量(水蒸気圧)の割合(%)で表される。
図4は、静電容量を用いた湿度センサ102の構造例を示す。図4に示した湿度センサ102の構造は、公知の構造である。図4上側に示すように、湿度センサ102は一例として感湿膜401を用いて構成される。感湿膜401の内部には、くし歯状の正極403と負極402を有し、正極403と負極402は一方のくし歯が他方のくし歯に噛み合う状態に配置されている。感湿膜401には、ポリイミド(比誘電率ε’=3)などが用いられる。
ε0:真空中の誘電率=8.854×10-12[F/m]
ε’:物質のもつ電気的特性の1つである比誘電率
(ε0との積をとることでその物質の誘電率が求まる)
S:表面積、d:ギャップ長、C:静電容量
図7は、従来の湿度センサの静電容量に応じて電圧を出力するC-V変換回路である。
湿度センサ102の正極側が、スイッチSWTを介してオペアンプ710の反転入力端子に接続され、その負極側が接地されている。コンデンサCsは、湿度センサ102の等価コンデンサ(静電容量)であり、以下では「等価コンデンサCs」と記述する。また、湿度センサ102の正極側とスイッチSWTの接続中点が、スイッチSWCを介して電源Vcと接続されている。オペアンプ710の出力端子と反転入力端子に対して、基準コンデンサCREF2とスイッチSWRがそれぞれ並列に接続されている。基準コンデンサCREF2は、湿度検出時の基準となる静電容量(以下「基準静電容量」とも称する。)を有する。オペアンプ710の非反転入力端子は接地されている。
図8は、湿度センサの劣化の要因(劣化モード)を検討した図である。劣化は特に、揮発性有機化合物(Volatile Organic Compounds:VOC)等の被毒により発生する。この被毒によって発生する劣化は、主にゲイン劣化、応答劣化、ドリフト(オフセット)劣化が考えらえる。そこで、本発明に係る湿度センサ診断装置130では、これらの3つの劣化を検出する。それぞれの劣化について簡単に説明する。
相対湿度センサ(湿度センサ102)が劣化すると、相対湿度センサの検出湿度と実湿度との間に一定の傾きが発生するが、これは相対湿度センサの出力の誤差、又は相対湿度センサの応答劣化が考えられる。劣化の要因が、相対湿度センサの出力の誤差であるとき、傾きが過大又は過小の場合には、診断によりこれらを検出する必要がある。
劣化の要因が、相対湿度センサの応答劣化であるとき、応答劣化を検出する。
被毒特性が一次の傾きのみではない場合(切片を持った特性)には、被毒により特性がオフセットする劣化を検出する。相対湿度センサの元々の特性にオフセットがないことは、被毒前(湿度センサ使用前)に確認済みである。
図9は、ゲイン劣化、ドリフト(オフセット)劣化、及び応答劣化を示すグラフである。図9上側の(1)ゲイン劣化と図9中央の(2)ドリフト(オフセット)劣化のグラフにおいて、横軸は相対湿度RH(等価コンデンサCsの静電容量)、縦軸はC-V変換回路700の出力電圧Voの絶対値を表す。また、図9下側の(3)応答劣化のグラフにおいて、横軸は時間、縦軸は相対湿度センサ電圧Voを表す。
以下、本発明の特徴であるC-V変換回路の構成について説明する。
図10は、湿度センサ診断装置130に設けられるC-V変換回路の例を示す。図10に示すC-V変換回路103は、図7に示したC-V変換回路700の基準コンデンサCREF2の代わりに、コンデンサ並列回路1000と、スイッチSW1を備えた構成である。すなわち、コンデンサ並列回路1000とスイッチSW1を直列に接続した回路が、オペアンプ710の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続されている。
図11は、C-V変換回路103を利用した診断シーケンスの例を示す。
図11に示すように、診断部110は、ヒータ105をオン後、C-V変換回路103により診断シーケンスを実施する。診断部110は、1回の診断シーケンスにおいて、基準コンデンサCREF*を切り替え、基準コンデンサCREF*に対応した出力電圧Voを求める。例えば1回目の診断シーケンス(1)では、診断部110は、まず基準コンデンサCREF3に切り替えたときの出力電圧Voを検出するサブシーケンス(電圧検出シーケンス)を実施する。次いで、診断部110は、基準コンデンサCREF2に切り替えたときの出力電圧Voを検出し、最後に基準コンデンサCREF2に切り替えたときの出力電圧Voを検出する。1回目の診断シーケンス(1)が終了後、同様に2回目の診断シーケンス(2)を実施する。
図12は、湿度センサ診断装置130によるゲイン劣化の検出方法を示すグラフである。図12では、湿度センサ102に被毒物質IPA(ε’=18)が流入した場合の例を示している。図12において、横軸は基準コンデンサ(CREF*)、縦軸はC-V変換回路103の出力電圧Voの絶対値を示す。図12と後述する図13の前提条件として、吸入空気の相対湿度RH[%RH]が一定に保たれた状態であるとする。
まず、診断部110は、C-V変換回路103の基準コンデンサをCREF2に切り替え、このとき検出される出力電圧VoをV2aとする。次に、診断部110は、基準コンデンサをCREF3に切り替え、そのときの出力電圧VoをV3とする。次に、診断部110は、基準コンデンサがCREF3のときに、正常基準特性1210から求められる出力電圧VoをV3rとする。そして、診断部110は、V3とV3rを比較し、V3がV3rに対して上限マージンH及び下限マージンLの範囲内かどうかを判定する。
一方、ゲイン異常は次のように検出できる。まず、診断部110は、基準コンデンサがCREF2のときの出力電圧VoをV2aとする。そして、基準コンデンサをCREF3に切り替え、そのときの出力電圧VoをV3とする。このとき、正常基準特性1210から求められる出力電圧VoをV3rとし、V3≠V3r(上下限マージンを超える差分あり)であれば、ゲイン異常と判定する。例えば、計測した特性1240上の計測点1241は、上限マージンHを超えているため異常(NG)と判断される。
図13は、湿度センサ診断装置130によるドリフト(オフセット)劣化の検出方法を示すグラフである。図13では、湿度センサ102に被毒物質IPA(ε’=18)が流入した場合の例を示している。図13において、横軸は基準コンデンサ(CREF*)、縦軸はC-V変換回路103の出力電圧Voの絶対値を示す。
次に、湿度センサ診断装置130による温度センサの応答劣化の検出方法について説明する。
応答劣化は、ヒータON時とヒータOFF時で検出方法が異なる。図14は、ヒータON時における湿度センサ102の応答劣化挙動の一例を示したタイミングチャートである。図14では、スイッチSWC、スイッチSWT、スイッチSWR、及び出力電圧Vo(等価電圧)のタイミングが示されている。この図14のタイミングチャートの内容は、図9下側及び図11に記載された内容を含むものであり、破線は正常時の応答特性、実線は応答劣化時の応答特性を示す。
図16は、湿度センサ診断装置130によるヒータON時の湿度センサの応答劣化の検出結果例を示す。この検出結果は、ある条件の湿度センサについてのシミュレーション結果である。
図17は、湿度センサ診断装置130によるヒータOFF時の湿度センサの応答劣化の検出方法を示す。図17に示すように、ヒータOFF時の応答劣化の検出は、ヒータ105がONからOFFに変化した直後の応答劣化を検出するものであり、この場合、直接ヒータOFF時の時定数を計測する。ヒータON時の出力電圧Voの最終値Vfに対し、ヒータOFF時に、出力電圧Voがその最終値Vfの0.632倍に立ち上がるまでの時間を計測する。言い換えると、最終値“Vf”を0%、出力電圧“0”を100%としたとき、出力電圧Voが0%から63.2%に相当する電圧に到達する時間である。この時間がヒータOFF時の時定数となる。図17に示すように、応答異常のときの時定数τ2は、応答正常のときの時定数τ1よりも大きくなる。
以上、相対湿度RHに対して、ゲイン劣化、ドリフト(オフセット)劣化、及び応答劣化の検出方法について説明した。しかし、実際は、絶対湿度の劣化状態を検出する必要がある。絶対湿度SHは、式(6)で表すことができる。
水蒸気圧E=RH×EW/100[kPa]
飽和水蒸気圧EW=α×exp(β×T/(λ+T))[kPa]
α:0.6112、β:17.62、λ:243.5
0.662:水の分子量/乾燥空気の分子量
RH:相対湿度[%RH]、T:温度[℃]、P:大気圧[kPa]
図18は、ゲイン/ドリフト診断領域判定部111によるゲイン/ドリフト診断領域判定処理の手順例を示すフローチャートである。図18の各ステップは、ゲイン/ドリフト診断における診断領域判定条件を示す。
図19は、湿度センサ診断装置130のC-V変換回路103の出力処理例を示すフローチャートである。本実施形態では、図18において内燃機関システム250の状態がゲイン/ドリフト診断領域内であると判定された場合に、C-V変換回路103の出力電圧Voを測定する。
図20は、ゲイン/ドリフト基準特性比較部112及びゲイン/ドリフト判定部114によるゲイン/ドリフト劣化検出処理の手順例を示すフローチャートである。
図21は、ヒータON応答劣化診断領域判定部115によるヒータON時の応答劣化診断領域判定処理の手順例を示すフローチャートである。図21の各ステップは、ヒータON時の応答劣化診断における診断領域判定条件である。
図22は、ヒータON応答劣化診断時定数検出部116及びヒータON応答劣化判定部117によるヒータON時の立ち下がり応答劣化検出処理の手順例を示すフローチャートである。
図23は、ヒータON応答劣化診断時定数検出部116及びヒータON応答劣化判定部117によるヒータON時の立ち上がり応答劣化検出処理の手順例を示すフローチャートである。本フローチャートは、図22の立ち下がり応答劣化指標Idを「立ち上がり応答劣化指標Iu」に、診断シーケンス回数Nuを「診断シーケンス回数Nu」に置き換えたものであり、図22と類似の処理ステップを有する。
図24は、ヒータOFF応答劣化診断領域判定部118によるヒータOFF時の応答劣化診断領域判定処理の手順例を示すフローチャートである。図24の各ステップは、ヒータOFF時の応答劣化診断における診断領域判定条件である。
図25は、ヒータOFF応答劣化診断時定数検出部119及びヒータOFF応答劣化判定部120によるヒータOFF時の立ち上がり応答劣化検出処理の手順例を示すフローチャートである。
第2の実施形態は、第1の実施形態のC-V変換回路103(図10参照)に対して、コンデンサ並列回路1000の代わりに、基準コンデンサの静電容量を増幅する回路が設けられた構成である。
Claims (15)
- 内燃機関の吸気系に設けられた静電容量の変化によって吸入空気の湿度を検出する湿度センサを診断する湿度センサ診断装置であって、
静電容量が異なる複数の基準コンデンサと、前記基準コンデンサを切り替えるスイッチとを有し、前記湿度センサの前記静電容量に応じて電圧を出力する静電容量電圧変換回路と、
前記静電容量電圧変換回路の出力電圧を前記湿度センサの基準特性から求められる基準電圧と比較し、比較結果に基づいて前記湿度センサを診断する診断部と、を備え、
前記診断部は、前記静電容量電圧変換回路の前記出力電圧が一定範囲内の状態において、前記スイッチにより前記静電容量電圧変換回路の前記静電容量を変化させることにより前記出力電圧を変化させ、変化後の前記出力電圧を前記基準電圧と比較する
湿度センサ診断装置。 - 前記湿度センサの温度がヒータにより一定に保たれている
請求項1に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記静電容量電圧変換回路の出力電圧を前記湿度センサの基準特性から求められる前記基準電圧と比較し、前記出力電圧と前記基準電圧の差異が所定値以内である場合には前記湿度センサは正常と判定し、前記出力電圧と前記基準電圧の差異が所定値を超える場合には前記湿度センサにゲイン劣化又はドリフト劣化による異常ありと判定する
請求項2に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記湿度センサのゲイン劣化又はドリフト劣化を検出しなかった場合に、前記湿度センサの応答速度に基づいて前記湿度センサの劣化を診断する応答劣化診断に移行可能である
請求項3に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記ヒータがオン時の前記湿度センサの前記応答劣化診断において、前記静電容量電圧変換回路に対し、充電時に前記出力電圧の立ち下がりの時定数を演算し、放電時に前記出力電圧の立ち上がりの時定数を演算する
請求項4に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、充電時に前記出力電圧の信号を微分し、次いで微分した値を2乗し、その後2乗した値を積分することで、前記出力電圧の立ち下がり時定数の逆数を演算する
請求項5に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、放電時に前記出力電圧の信号を微分し次いで2乗し、その後積分することで、前記出力電圧の立ち上がり時定数の逆数を演算する
請求項5に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記出力電圧の立ち下がり時定数の逆数が閾値以上の場合には、前記出力電圧の立ち下がりの応答特性が正常と判定し、閾値未満の場合には、前記出力電圧の立ち下がりの応答特性が異常と判定する
請求項6に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記出力電圧の立ち上がり時定数の逆数が閾値以上の場合には、前記出力電圧の立ち上がりの応答特性が正常と判定し、閾値未満の場合には、前記出力電圧の立ち上がりの応答特性が異常と判定する
請求項7に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記ヒータをオンからオフに切り替えたときの前記湿度センサの前記応答劣化診断において、
前記静電容量電圧変換回路に対し、前記ヒータがオフ時の前記出力電圧の立ち上がり時定数を演算し、また、前記ヒータがオン時の放電時の前記出力電圧の立ち上がり時定数の逆数に対しさらに逆数をとって時定数化し、
前記ヒータがオフ時の前記出力電圧の立ち上がり時定数を、前記ヒータがオン時の前記出力電圧の立ち上がり時定数を基に時定数化した値と比較し、
前記ヒータがオフ時の前記出力電圧の立ち上がり時定数が前記時定数化した値以下の場合には、前記ヒータがオフ時の前記出力電圧の応答特性が正常と判定し、
前記ヒータがオフ時の前記出力電圧の立ち上がり時定数が前記時定数化した値を超える場合には、前記ヒータがオフ時の前記出力電圧の応答特性が異常と判定する
請求項4に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記内燃機関の回転数、前記内燃機関の負荷、冷却水の温度、前記内燃機関を搭載する車両の速度、吸気温、大気圧、及びバッテリ電圧の各々が所定範囲内であること、前記内燃機関に設けられて用いられるセンサが正常であること、並びに前記ヒータがオンしていることという条件が全て成立しているかどうかに基づいて、前記内燃機関の状態が前記湿度センサのゲイン劣化又はドリフト劣化の検出処理を実施できるゲイン/ドリフト診断領域に該当するかどうかを判定するゲイン/ドリフト診断領域判定部を備え、
前記診断部は、前記ゲイン/ドリフト診断領域判定部において、前記内燃機関の状態が前記ゲイン/ドリフト診断領域に該当すると判定した場合に、前記湿度センサのゲイン劣化又はドリフト劣化を検出する処理に移行可能である
請求項3に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記内燃機関の状態が、前記湿度センサの前記ヒータがオン時の前記湿度センサの応答速度に基づいて前記湿度センサの劣化を検出する応答劣化検出処理を実施できる第1の応答劣化診断領域に該当するかどうかを判定する第1の応答劣化診断領域判定部を備え、
前記第1の応答劣化診断領域判定部は、少なくとも前記ヒータがオフしている場合、又は、前記ゲイン劣化又はドリフト劣化が検出された場合には、前記内燃機関の状態が前記第1の応答劣化診断領域に該当しないと判定し、前記診断部は、前記第1の応答劣化診断領域判定部の判定結果を受けて、前記ヒータがオン時の前記応答劣化検出処理に移行しない
請求項4に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記内燃機関の状態が、前記湿度センサの前記ヒータがオフ時の前記湿度センサの応答速度に基づいて前記湿度センサの劣化を検出する応答劣化検出処理を実施できる第2の応答劣化診断領域に該当するかどうかを判定する第2の応答劣化診断領域判定部を備え、
前記第2の応答劣化診断領域判定部は、少なくとも前記ヒータがオンしている場合、又は、前記ゲイン劣化又はドリフト劣化が検出された場合には、前記内燃機関の状態が前記第2の応答劣化診断領域に該当しないと判定し、前記診断部は、前記第2の応答劣化診断領域判定部の判定結果を受けて、前記ヒータがオフ時の前記応答劣化検出処理に移行しない
請求項4に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記静電容量電圧変換回路は、空気中の水分の比誘電率と当該湿度センサ内に設けられた前記水と異なる比誘電率を持つ物質との関係で変化する静電容量に基づいて、湿度に相当する電圧を出力する
請求項1に記載の湿度センサ診断装置。 - 前記診断部は、前記スイッチにより同じ前記基準コンデンサに2回切り替え、当該基準コンデンサに切り替えたときに前記静電容量電圧変換回路で得られる2つの出力電圧の差分が、前記一定範囲内であることを確認する
請求項1に記載の湿度センサ診断装置。
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