WO2016121380A1 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

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WO2016121380A1
WO2016121380A1 PCT/JP2016/000387 JP2016000387W WO2016121380A1 WO 2016121380 A1 WO2016121380 A1 WO 2016121380A1 JP 2016000387 W JP2016000387 W JP 2016000387W WO 2016121380 A1 WO2016121380 A1 WO 2016121380A1
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internal combustion
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竜三 加山
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株式会社デンソー
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    • F01N3/2066Selective catalytic reduction [SCR]
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    • Y02T10/40Engine management systems

Definitions

  • This disclosure relates to an internal combustion engine control device.
  • NOx sensors are known for detecting the concentration of NOx (nitrogen oxide) that is one of specific gas components in exhaust gas discharged from an internal combustion engine.
  • the NOx sensor is disposed, for example, on the downstream side of the NOx catalyst in an exhaust purification system using a selective reduction type NOx catalyst in a diesel engine.
  • the NOx concentration detected by the NOx sensor arranged in this way is used to control the amount of reducing agent added to the NOx catalyst.
  • a NOx sensor one having a three-cell structure of a pump cell, a sensor cell, and a monitor cell is known (see, for example, Patent Document 1).
  • a decomposition reaction occurs by applying a voltage between the electrodes, and oxygen in the chamber is discharged.
  • the monitor cell reacts with oxygen in the gas by applying a voltage between the electrodes, and outputs the oxygen concentration as a monitor cell current signal.
  • the sensor cell reacts with NOx gas and oxygen in the gas by applying a voltage between the electrodes, and outputs the concentration of these gases as a sensor cell current signal.
  • the detection of the NOx concentration in the exhaust gas in such a three-cell NOx sensor is performed as follows. That is, oxygen is first discharged from the exhaust gas introduced into the chamber by a pump cell disposed upstream of the chamber. Subsequently, the NOx concentration in the exhaust gas and the residual oxygen concentration are detected by a sensor cell arranged on the downstream side of the chamber, and the residual oxygen concentration is detected by the monitor cell. Based on this, the NOx concentration can be detected by comparing the current detection value in the sensor cell with the current detection value in the monitor cell.
  • the control when an abnormality such as a disconnection or a short circuit occurs in the electric system connected to the pump cell, the control is performed assuming that an abnormality has occurred in the detection of the A / F value.
  • the control when an abnormality such as a disconnection or a short circuit occurs in the electric system connected to the sensor cell or the monitor cell, the control is performed assuming that an abnormality has occurred in the detection of the NOx concentration.
  • the present inventor has found a problem that control corresponding to the degree of abnormality can be performed by paying attention to the characteristics of the NOx sensor having a three-cell structure.
  • An object of the present disclosure is to provide an internal combustion engine control device capable of optimally controlling an internal combustion engine in accordance with an abnormality occurrence site when the internal combustion engine is controlled using a three-cell structure NOx sensor. is there.
  • An internal combustion engine control apparatus includes a pump cell for exhausting oxygen outside a measurement chamber into which exhaust gas of the internal combustion engine is introduced, a residual oxygen concentration of exhaust gas from which oxygen is exhausted, and specification in the exhaust gas
  • An internal combustion engine control device having a sensor cell for detecting a gas concentration of a gas and a monitor cell for detecting a residual oxygen concentration of exhaust gas from which oxygen has been exhausted, wherein the pump cell detection detects a current output by the pump cell
  • a sensor cell detection unit that detects current output from the sensor cell, a monitor cell detection unit that detects current output from the monitor cell, and a current value detected by the pump cell detection unit, sensor cell detection unit, and monitor cell detection unit,
  • An abnormality determination unit that determines whether or not an abnormality has occurred, and a control unit that controls the internal combustion engine based on the determination result of the abnormality determination unit.
  • the control unit performs the first control on the internal combustion engine for the occurrence of an abnormality in the electric system connected to the pump cell, and performs the second control on the internal combustion engine for the occurrence of an abnormality in the electric system connected to the sensor cell.
  • the third control is executed for the internal combustion engine.
  • a pump cell detection unit that detects a current output from the pump cell
  • a sensor cell detection unit that detects a current output from the sensor cell
  • a monitor cell detection unit that detects a current output from the monitor cell
  • a pump cell detection unit and a sensor cell detection unit
  • an abnormality determination unit that determines whether or not an abnormality has occurred based on the current value detected by the monitor cell detection unit, so that the pump cell, the sensor cell, and the monitor cell respond to an abnormality that has occurred in the electrical system connected to the monitor cell. Control of the internal combustion engine becomes possible.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an engine exhaust system in which an ECU and an SCU according to an embodiment of the present disclosure are used.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the NOx sensor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a III-III cross section of FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a functional configuration of the SCU of FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the ECU and SCU of FIG.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation of a conventional ECU.
  • the engine exhaust system ES is provided with an ECU (Engine Control Unit) 10 and an SCU (Sensor Control Unit) 40 which are embodiments of the internal combustion engine control device according to the present disclosure.
  • the ECU 10 is a device that controls the diesel engine 20 and the engine exhaust system ES connected thereto.
  • the ECU 10 has a function of controlling the behavior of the diesel engine 20.
  • the ECU 10 adjusts the opening of the fuel injection valve based on the accelerator opening and the engine speed.
  • the engine exhaust system ES is provided with a diesel oxidation catalytic converter 22 and an SCR (Selective Catalytic Reduction) catalytic converter 28 in order from the diesel engine 20 side.
  • the diesel oxidation catalyst converter 22 includes a diesel oxidation catalyst (DOC: Diesel Oxidation Catalyst) 221 and a diesel particulate filter (DPF: Diesel Particulate Filter) 222.
  • DOC Diesel Oxidation Catalyst
  • DPF Diesel Particulate Filter
  • the diesel oxidation catalytic converter 22 purifies harmful substances contained in exhaust gas by oxidation or reduction, and is a device that collects particulate matter (PM) having carbon in particular.
  • PM particulate matter
  • the diesel oxidation catalyst 221 is mainly composed of a ceramic carrier, an oxide mixture containing aluminum oxide, cerium dioxide and zirconium dioxide as components, and a noble metal catalyst such as platinum, palladium and rhodium.
  • the diesel oxidation catalyst 221 oxidizes and purifies hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides and the like contained in the exhaust gas.
  • the diesel oxidation catalyst 221 increases the exhaust gas temperature by heat generated during the catalytic reaction.
  • the diesel particulate filter 222 is formed of a honeycomb structure in which a platinum group catalyst such as platinum or palladium is supported on a porous ceramic.
  • the diesel particulate filter 222 deposits particulate matter contained in the exhaust gas on the partition walls of the honeycomb structure.
  • the deposited particulate matter is oxidized and purified by combustion. For this combustion, a temperature increase in the diesel oxidation catalyst 221 and a decrease in the combustion temperature of the particulate matter due to the additive are used.
  • the SCR catalytic converter 28 is a device that reduces NOx to nitrogen and water as a post-treatment device for the diesel oxidation catalytic converter 22, and includes an SCR 281 that is a selective reduction type catalyst.
  • the SCR 281 can be exemplified by a catalyst in which a noble metal such as Pt is supported on the surface of a substrate such as zeolite or alumina.
  • the SCR 281 reduces and purifies NOx when the catalyst temperature is in the activation temperature range and urea as a reducing agent is added.
  • a urea addition injector 26 is provided upstream of the SCR catalytic converter 28.
  • the NOx sensor 24 is disposed between the diesel oxidation catalytic converter 22 and the urea addition injector 26, and the NOx sensor 30 is disposed downstream of the SCR catalytic converter 28, respectively.
  • the amount of urea added from the urea addition injector 26 to the SCR catalytic converter 28 is determined based on the NOx concentration detected by the NOx sensor 24 and the NOx concentration detected by the NOx sensor 30. More specifically, the amount of urea to be added is determined based on the NOx concentration detected from the exhaust gas before passing through the SCR catalytic converter 28 in the NOx sensor 24. Further, feedback is made so that the NOx concentration detected from the exhaust gas after passing through the SCR catalytic converter 28 in the NOx sensor 30 is as small as possible, and the amount of urea to be added is corrected.
  • the amount of urea determined in this way is added from the urea addition injector 26 to the SCR 281 so that NOx in the exhaust gas is appropriately reduced in the SCR 281.
  • hydrocarbons, carbon monoxide, and nitrogen oxides contained in the exhaust gas pass through the NOx sensor 24 and the NOx sensor 30, and are then discharged to the outside from the tail pipe (not shown).
  • the current output from the NOx sensor 24 and the NOx sensor 30 is detected by the SCU 40.
  • the SCU 40 detects an amount of gas and performs an abnormality detection process, and transmits necessary data to the ECU 10.
  • the ECU 10 and the SCU 40 are connected to a CAN (Controller Area Network) bus 50 and perform information communication via the CAN bus 50.
  • CAN Controller Area Network
  • the ECU 10 includes a CPU, a RAM, a ROM, an input / output port, and a storage device.
  • the description of the present embodiment will focus on the function of detecting an abnormality in the electrical system connected to the NOx sensors 24 and 30. Since the NOx sensor 24 and the NOx sensor 30 have the same configuration, the configuration of the NOx sensor 24 will be described as an example, and the configuration of the ECU 10 will also be described.
  • the NOx sensor 24 includes a first main body 241a, a second main body 241b, a solid electrolyte body 244, a diffusion resistor 245, a pump cell 246, a heater 247, A sensor cell 248, a monitor cell 249, and a common cell 250 are provided.
  • the solid electrolyte body 244 is a plate-like member and is made of an oxygen ion conductive solid electrolyte material such as zirconia oxide.
  • the first main body portion 241a and the second main body portion 241b are disposed with the solid electrolyte body 244 interposed therebetween.
  • the first main body 241 a is formed with a recess provided so as to recede from the solid electrolyte body 244 side, and the recess functions as the measurement chamber 242.
  • One side of the measurement chamber 242 is open, and a diffusion resistor 245 is disposed on the open side.
  • the diffusion resistor 245 includes a porous material or a material in which pores are formed. Due to the action of the diffusion resistor 245, the speed of the exhaust gas drawn into the measurement chamber 242 is regulated.
  • the second main body 241b is also formed with a recess provided so as to recede from the solid electrolyte body 244 side, and the recess functions as an atmospheric chamber 243.
  • One side of the atmospheric chamber 243 is open. The gas drawn into the atmospheric chamber 243 from the solid electrolyte body 244 side is released to the atmosphere.
  • a pump cell 246 on the cathode side is provided on the diffusion resistor 245 side, which is the surface facing the measurement chamber 242 side of the solid electrolyte body 244.
  • a common cell 250 on the anode side is provided at a position corresponding to the pump cell 246 on the surface facing the atmospheric chamber 243 of the solid electrolyte body 244.
  • the common cell 250 is provided so as to cover an area corresponding to the sensor cell 248 and the monitor cell 249.
  • oxygen contained in the exhaust gas in the measurement chamber 242 comes into contact with the pump cell 246 on the cathode side and becomes oxygen ions.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 244 toward the common cell 250 on the anode side, release electric charges in the common cell 250 to become oxygen, and are discharged from the atmospheric chamber 243 to the atmosphere.
  • the higher the voltage applied between the pump cell 246 and the common cell 250 the greater the amount of oxygen discharged from the exhaust gas by the pump cell 246. Conversely, the lower the voltage applied between the pump cell 246 and the common cell 250, the smaller the amount of oxygen discharged from the exhaust gas by the pump cell 246. Therefore, by increasing or decreasing the voltage applied between the pump cell 246 and the common cell 250, the amount of residual oxygen in the exhaust gas flowing through the sensor cell 248 and the monitor cell 249 at the subsequent stage can be increased or decreased.
  • a monitor cell 249 on the cathode side is provided on the surface facing the measurement chamber 242 side of the solid electrolyte body 244 and on the side opposite to the diffusion resistor 245 with respect to the pump cell 246 (the rear side of the pump cell 246).
  • a common cell 250 on the anode side is provided at a position corresponding to the monitor cell 249 on the surface facing the atmospheric chamber 243 of the solid electrolyte body 244.
  • the monitor cell 249 detects the oxygen concentration remaining in the exhaust gas from which oxygen has been exhausted by the pump cell 246.
  • a voltage is applied between the monitor cell 249 and the common cell 250, residual oxygen contained in the exhaust gas from which oxygen has been exhausted by the pump cell 246 comes into contact with the monitor cell 249 on the cathode side and becomes oxygen ions.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 244 toward the common cell 250 on the anode side, release electric charges in the common cell 250 to become oxygen, and are discharged from the atmospheric chamber 243 to the atmosphere.
  • the charge at this time is detected as a current Im by the monitor cell detection unit 404, and the residual oxygen concentration in the exhaust gas can be calculated based on the current Im.
  • a sensor cell 248 on the cathode side is provided on the surface facing the measurement chamber 242 side of the solid electrolyte body 244 and on the opposite side of the diffusion resistor 245 across the pump cell 246.
  • a common cell on the anode side is provided at a position corresponding to the sensor cell 248 on the surface facing the atmospheric chamber 243 of the solid electrolyte body 244.
  • the sensor cell 248 includes a Pt—Rh alloy (platinum-rhodium alloy), and has a strong reducing property with respect to NOx. NOx that has contacted the sensor cell 248 is reduced and decomposed into N 2 and O 2 .
  • the decomposed O 2 receives electric charges from the sensor cell 248 on the cathode side and becomes oxygen ions.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 244 toward the common cell 250 on the anode side, release electric charges in the common cell 250 to become oxygen, and are discharged from the atmospheric chamber 243 to the atmosphere.
  • the charge at this time is detected as the current Is by the sensor cell detection unit 403, and the concentration of NOx and the residual oxygen concentration in the exhaust gas can be calculated based on the current Is.
  • the SCU 40 is partially or entirely configured by an analog circuit or a digital processor having a memory.
  • a functional control block is configured in the SCU 40 in order to perform a function of outputting a control signal based on the received electrical signal.
  • FIG. 4 shows the SCU 40 as such a functional control block diagram.
  • the SCU 40 includes a heater control unit 401, a pump cell detection unit 402, a sensor cell detection unit 403, a monitor cell detection unit 404, a common cell detection unit 405, a microcomputer 406, a power supply circuit 407, a CAN communication unit 408, It has.
  • the microcomputer 406 is an abnormality determination unit.
  • the heater control unit 401 is a part that controls the voltage applied to the heater 247 and controls the amount of heat generated by the heater 247.
  • the pump cell detection unit 402 is a part that detects the current Ip output from the pump cell 246.
  • the pump cell detection unit 402 outputs a signal indicating the detected current Ip to the microcomputer 406.
  • the sensor cell detection unit 403 is a part that detects the current Is output from the sensor cell 248.
  • the sensor cell detection unit 403 outputs a signal indicating the detected current Is to the microcomputer 406.
  • the monitor cell detection unit 404 is a part that detects the current Im output from the monitor cell 249.
  • the monitor cell detection unit 404 outputs a signal indicating the detected current Im to the microcomputer 406.
  • the common cell detection unit 405 is a part that detects the current Icom output by the common cell 250.
  • the common cell detection unit 405 outputs a signal indicating the detected current Icom to the microcomputer 406.
  • the microcomputer 406 is a control unit in the SCU 40.
  • the microcomputer 406 outputs a control signal for controlling the temperature of the heater 247 to the heater control unit 401.
  • the microcomputer 406 is a part that calculates the NOx concentration in the exhaust gas based on the current Is detected by the sensor cell detection unit 403 and the current Im detected by the monitor cell detection unit 404.
  • the microcomputer 406 calculates the NOx concentration in the exhaust gas by subtracting the output current Im of the monitor cell 249 from the output current Is of the sensor cell 248, excluding the current value due to the residual oxygen concentration in the exhaust gas detected by the sensor cell 248. To do.
  • the microcomputer 406 outputs a signal indicating the calculated NOx concentration to the CAN communication unit 408.
  • the power supply circuit 407 is a power supply circuit in the SCU 40.
  • the CAN communication unit 408 transmits a signal output from the microcomputer 406 to the CAN bus 50 and outputs a signal received from the CAN bus 50 to the microcomputer 406.
  • the microcomputer 406 of the SCU 40 has an abnormality in either the electrical system connected to the pump cell 246, the electrical system connected to the sensor cell 248, the electrical system connected to the monitor cell 249, or the electrical system connected to the common cell 250. Judge whether or not. If no abnormality has occurred in the electric system connected to any cell, the determination in S01 is repeated, and if an abnormality has occurred in the electric system connected to any cell, the process proceeds to S02.
  • Whether or not an abnormality has occurred in the electrical system connected to any one of the cells is determined based on output currents from the pump cell detection unit 402, the sensor cell detection unit 403, the monitor cell detection unit 404, and the common cell detection unit 405. If the output current remains below the predetermined value, it is determined that the electrical system is disconnected. If the output current remains stuck to a predetermined value or more, it is determined that a short circuit has occurred.
  • S02 it is determined whether or not an abnormality has occurred in the electric system connected to the common cell 250. If an abnormality has occurred in the electric system connected to the common cell 250, the microcomputer 406 transmits a signal indicating that to the ECU 10, and proceeds to the processing of S03 and S22. If no abnormality has occurred in the electrical system connected to the common cell 250, the process proceeds to S11.
  • the reason for determining the abnormality of the common cell 250 first is that the occurrence of the abnormality of the common cell 250 affects all other cells.
  • the ECU 10 executes the first restriction control on the diesel engine 20. More specifically, if an abnormality has occurred in the electric system connected to the common cell 250, neither air-fuel ratio control nor NOx detection can be performed accurately. The engine control that is included) is executed.
  • S11 it is determined whether or not an abnormality has occurred in the electrical system connected to the pump cell 246. If an abnormality has occurred in the electric system connected to the pump cell 246, the output current Ip of the pump cell 246 is not accurate. Therefore, the microcomputer 406 transmits a signal indicating that to the ECU 10, and proceeds to the process of S03. In addition, if an abnormality occurs in the electrical system connected to the pump cell 246, exhaust gas containing excessive oxygen is sent to the sensor cell 248 side, so that the output current Is of the sensor cell 248 is not accurate. . Therefore, the microcomputer transmits a signal indicating that to the ECU 10, and proceeds to the processing of S22 as necessary. If no abnormality has occurred in the electrical system connected to the pump cell 246, the process proceeds to S21.
  • S21 it is determined whether or not an abnormality has occurred in the electrical system connected to the sensor cell 248. If an abnormality has occurred in the electrical system connected to the sensor cell 248, the microcomputer 406 transmits a signal indicating that to the ECU 10, and proceeds to the process of S22. If no abnormality has occurred in the electrical system connected to the sensor cell 248, the process proceeds to S31.
  • the ECU 10 executes the second restriction control on the diesel engine 20. More specifically, if the output current Is of the sensor cell 248 is an abnormal value, the NOx concentration in the exhaust gas cannot be accurately detected, so the control based on the NOx concentration is canceled (including a mode in which some restrictions are included). The engine control is performed. Further, since the NOx concentration cannot be accurately detected even when an abnormality has occurred in the electrical system connected to the common cell 250, an engine that cancels the control based on the NOx concentration (including an aspect that partially restricts it). Execute control.
  • S31 it is determined whether or not the third restriction control is set. If the process proceeds to S31, it means that an abnormality has occurred in the electrical system connected to the monitor cell 249. However, even if an abnormality has occurred in this part, it is not necessary to immediately set a limit for engine control. There is also.
  • the oxygen amount and the NOx amount in the exhaust gas are detected by the sensor cell 248 after most of the oxygen is drawn from the exhaust gas by the pump cell 246. Therefore, the monitor cell 249 can be said to play a role of further improving the accuracy of the detection value of the sensor cell 248. Therefore, if only the monitor cell 249 is abnormal, it can be controlled to ignore it.
  • the ECU 10 executes the third restriction control for the diesel engine 20. More specifically, if the output current Is of the monitor cell 249 is an abnormal value, it cannot be said that the NOx concentration in the exhaust gas can be detected very accurately. Therefore, the engine control that restricts the control based on the NOx concentration. Execute.
  • a pump cell detection unit 402 that detects a current output from the pump cell 246, a sensor cell detection unit 403 that detects a current output from the sensor cell 248, a monitor cell detection unit 404 that detects a current output from the monitor cell 249, and a pump cell Since the detection unit 402, the sensor cell detection unit 403, and the monitor cell detection unit 404 are provided with an abnormality determination unit 406 that determines whether or not an abnormality has occurred based on the current value detected by the detection unit 402, the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell
  • the internal combustion engine can be controlled in accordance with an abnormality that has occurred in the electrical system connected to each of the H.249.
  • FIG. 6 an example of conventional control is shown in FIG.
  • the processes of S21, S31, and S32 of this embodiment shown in FIG. 5 are not performed. Therefore, even when an abnormality has occurred only in the electrical system connected to the monitor cell 249, the control based on the NOx concentration has been canceled (including a partly limited mode), and in fact, to some extent It was not possible to make use of the detected NOx value that could be a reliable value.
  • the present embodiment it is possible to selectively use limit control according to the role of each cell, and more accurate internal combustion engine control is possible.

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

 内燃機関(20)の排出ガスが導入される測定室(242)外に酸素を排出するためのポンプセル(246)と、酸素が排出された排出ガスの残留酸素濃度及び排出ガス中の特定のガス濃度を検出するためのセンサセル(248)と、酸素が排出された排出ガスの残留酸素濃度を検出するためのモニタセル(249)と、を有する内燃機関制御装置であって、ポンプセル検出部(402)と、センサセル検出部(403)と、モニタセル検出部(404)と、異常判断部(406)と、制御部(10)と、を備え、制御部は、ポンプセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、内燃機関に対して第1制御を、センサセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、内燃機関に対して第2制御を、モニタセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、内燃機関に対して第3制御を、それぞれ実行する内燃機関制御装置。

Description

内燃機関制御装置 関連出願の相互参照
 本出願は、2015年1月29日に出願された日本特許出願番号2015-15736号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
 本開示は、内燃機関制御装置に関するものである。
 内燃機関から排出される排出ガス中の特定ガス成分の1つであるNOx(窒素酸化物)濃度を検出するためのものとして、NOxセンサが知られている。NOxセンサは、例えば、ディーゼルエンジンにおける選択還元型NOx触媒を用いた排気浄化システムにおいて、NOx触媒の下流側に配置される。このように配置されたNOxセンサが検出するNOx濃度は、NOx触媒に対する還元剤添加量の制御に用いられる。
 NOxセンサとしては、ポンプセル、センサセル及びモニタセルの3セル構造を有するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。ポンプセルは、電極間に電圧を印加することで分解反応が起こり、チャンバ内の酸素を排出する。モニタセルは、電極間に電圧を印加することで、ガス中の酸素に反応して、酸素濃度をモニタセル電流信号として出力する。センサセルは、電極間に電圧を印加することで、ガス中のNOxガス及び酸素に反応し、これらのガス濃度をセンサセル電流信号として出力する。
 このような3セル構造のNOxセンサにおける排出ガス中のNOx濃度の検出は次のようにして行う。すなわち、チャンバに導入された排出ガスから、まずチャンバの上流側に配置されたポンプセルによって酸素を排出する。続いて、チャンバの下流側に配置されたセンサセルによって、排出ガス中のNOx濃度と残留した酸素濃度を検出するとともに、モニタセルによって残留した酸素濃度を検出する。これに基づいて、センサセルでの電流検出値とモニタセルの電流検出値とを比較することで、NOx濃度を検出することが可能になる。
特開2003-120399号公報
 従来の3セル構造のNOxセンサでは、ポンプセルに繋がる電気系統に断線やショートといった異常が発生した場合には、A/F値の検出に異常が発生したものとして制御を行っていた。一方、センサセルやモニタセルに繋がる電気系統に断線やショートといった異常が発生した場合には、NOx濃度の検出に異常が発生したものとして制御を行っていた。このような従来の異常対処制御に対して、本発明者は、3セル構造のNOxセンサの特性に着目すればより異常の程度に見合った制御が可能であるという課題を見出した。
 本開示の目的は、3セル構造のNOxセンサを用いて内燃機関の制御を行うにあたって、異常発生部位に応じて最適な内燃機関の制御を行うことが可能な内燃機関制御装置を提供することにある。
 本開示の一態様による内燃機関制御装置は、内燃機関の排出ガスが導入される測定室外に酸素を排出するためのポンプセルと、酸素が排出された排出ガスの残留酸素濃度及び排出ガス中の特定のガス濃度を検出するためのセンサセルと、酸素が排出された排出ガスの残留酸素濃度を検出するためのモニタセルと、を有する内燃機関制御装置であって、ポンプセルが出力する電流を検出するポンプセル検出部と、センサセルが出力する電流を検出するセンサセル検出部と、モニタセルが出力する電流を検出するモニタセル検出部と、ポンプセル検出部、センサセル検出部、及びモニタセル検出部が検出する電流値に基づいて、異常発生の有無を判断する異常判断部と、異常判断部の判断結果に基づいて、内燃機関を制御する制御部と、を備える。制御部は、ポンプセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、内燃機関に対して第1制御を、センサセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、内燃機関に対して第2制御を、モニタセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、内燃機関に対して第3制御を、それぞれ実行する。
 本開示では、ポンプセルが出力する電流を検出するポンプセル検出部と、センサセルが出力する電流を検出するセンサセル検出部と、モニタセルが出力する電流を検出するモニタセル検出部と、ポンプセル検出部、センサセル検出部、及びモニタセル検出部が検出する電流値に基づいて、異常発生の有無を判断する異常判断部と、を設けているので、ポンプセル、センサセル、及びモニタセルそれぞれに繋がる電気系統で発生した異常に応じた内燃機関の制御が可能になる。
 本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、本開示の実施形態であるECU及びSCUが用いられるエンジン排気系を模式的に示す図であり、 図2は、図1に示されたNOxセンサの構成を模式的に示す図であり、 図3は、図2のIII-III断面を示す断面図であり、 図4は、図1のSCUの機能的な構成を示すブロック図であり、 図5は、図1のECU及びSCUの動作を示すフローチャートであり、 図6は、従来のECUの動作を示すフローチャートである。
 以下、添付図面を参照しながら本開示の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
 図1に示されるように、エンジン排気系ESには、本開示に係る内燃機関制御装置の実施形態であるECU(Engine Control Unit)10及びSCU(Sensor Control Unit)40が設けられている。ECU10は、ディーゼルエンジン20及びそれに繋がるエンジン排気系ESを制御する装置である。ECU10は、ディーゼルエンジン20の挙動を制御する機能を有している。ECU10は、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて燃料噴射弁の開度を調整する。
 エンジン排気系ESには、ディーゼルエンジン20側から順に、ディーゼル酸化触媒コンバータ22と、SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒コンバータ28と、が設けられている。ディーゼル酸化触媒コンバータ22は、ディーゼル酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)221と、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)222と、を有している。
 ディーゼル酸化触媒コンバータ22は、排出ガスに含まれる有害物質を酸化又は還元により浄化するものであって、特に炭素などを有する粒子状物質(PM)を捕集する装置である。
 ディーゼル酸化触媒221は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物、並びに白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属触媒で構成されている。ディーゼル酸化触媒221は、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化させ浄化する。また、ディーゼル酸化触媒221は、触媒反応の際に発生する熱により排出ガス温度を上昇させる。
 ディーゼルパティキュレートフィルタ222は、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持され、ハニカム構造体で形成される。ディーゼルパティキュレートフィルタ222は、排出ガス中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させる。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒221における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。
 SCR触媒コンバータ28は、ディーゼル酸化触媒コンバータ22の後処理装置としてNOxを窒素と水に還元する装置であって、選択還元型の触媒であるSCR281を有する。SCR281は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にPtなどの貴金属を担持した触媒が例示できる。SCR281は、触媒温度が活性温度域にあり、さらに、還元剤としての尿素が添加されているときにNOxを還元浄化するものである。尿素添加のため、SCR触媒コンバータ28の上流側には、尿素添加インジェクタ26が設けられている。
 本実施形態では、ディーゼル酸化触媒コンバータ22と尿素添加インジェクタ26との間にNOxセンサ24が、SCR触媒コンバータ28の下流側にNOxセンサ30がそれぞれ配置されている。
 NOxセンサ24で検出されるNOx濃度と、NOxセンサ30で検出されるNOx濃度とに基づき尿素添加インジェクタ26からSCR触媒コンバータ28に対して添加される尿素の量が決定される。より具体的には、NOxセンサ24においてSCR触媒コンバータ28通過前の排出ガスから検出されるNOx濃度に基づいて添加する尿素の量が決定される。また、NOxセンサ30においてSCR触媒コンバータ28を通過した後の排出ガスから検出されるNOx濃度が極力小さい値となるようにフィードバックし、添加する尿素の量を補正する。このように決定された量の尿素が、尿素添加インジェクタ26からSCR281に対して添加されることで、SCR281において排出ガス中のNOxが適正に還元される。このように、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物は、NOxセンサ24及びNOxセンサ30を通過した後、テールパイプ(不図示)から外部に排出される。
 NOxセンサ24及びNOxセンサ30が出力する電流は、SCU40が検出している。SCU40は、ガス量を検出すると共に異常検出処理を行って、必要なデータをECU10に送信している。ECU10及びSCU40は、CAN(Controller Area Network)バス50に繋がっており、CANバス50を介して情報通信を行っている。
 ECU10は、CPU、RAM、ROM、入出力ポート、及び記憶装置を含むものである。特に本実施形態の説明では、NOxセンサ24,30に繋がる電気系統の異常を検出する機能を中心に説明をする。NOxセンサ24とNOxセンサ30とは同一の構成であるため、NOxセンサ24を例にとってその構成を説明し、併せてECU10の構成についても説明する。
 図2及び図3に示されるように、NOxセンサ24は、第1本体部241aと、第2本体部241bと、固体電解質体244と、拡散抵抗体245と、ポンプセル246と、ヒータ247と、センサセル248と、モニタセル249と、共通セル250と、を備えている。
 固体電解質体244は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質材料によって構成されている。第1本体部241aと第2本体部241bとは、固体電解質体244を挟んで配置されている。第1本体部241aには、固体電解質体244側から後退するように設けられた凹部が形成されており、その凹部は測定室242として機能している。測定室242の一側面は開放されており、その開放された一側面に拡散抵抗体245が配置されている。拡散抵抗体245は、多孔質材料又は細孔が形成された材料を有する。拡散抵抗体245の作用により、測定室242内に引き込まれる排出ガスの速度が律せされる。
 第2本体部241bにも、固体電解質体244側から後退するように設けられた凹部が形成されており、その凹部は大気室243として機能している。大気室243の一側面は開放されている。固体電解質体244側から大気室243内に引き込まれる気体は大気に放出される。
 固体電解質体244の測定室242側に臨む面であって、拡散抵抗体245側には陰極側となるポンプセル246が設けられている。固体電解質体244の大気室243に臨む面であって、ポンプセル246と対応する位置に陽極側となる共通セル250が設けられている。共通セル250は、センサセル248及びモニタセル249と対応する領域までカバーするように設けられている。
 ポンプセル246と共通セル250との間に電圧が印加されると、測定室242内の排出ガス中に含まれる酸素が陰極側のポンプセル246に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通セル250に向かって固体電解質体244内を流れ、共通セル250において電荷を放出して酸素となり、大気室243から大気中に排出される。
 なお、ポンプセル246と共通セル250との間に印加する電圧が高いほど、ポンプセル246によって排出ガス中から排出される酸素の量は多くなる。逆にポンプセル246と共通セル250との間に印加する電圧が低いほど、ポンプセル246によって排出ガス中から排出される酸素の量は減る。従って、ポンプセル246と共通セル250との間に印加する電圧を増減することで、後段のセンサセル248及びモニタセル249に流れる排出ガス中の残留酸素の量を増減させることができる。
 固体電解質体244の測定室242側に臨む面であって、ポンプセル246を挟んで拡散抵抗体245とは反対側(ポンプセル246よりも後段側)には陰極側となるモニタセル249が設けられている。固体電解質体244の大気室243に臨む面であって、モニタセル249と対応する位置に陽極側となる共通セル250が設けられている。
 モニタセル249は、ポンプセル246によって酸素が排出された排出ガス中に残留する酸素濃度を検出する。モニタセル249と共通セル250との間に電圧が印加されると、ポンプセル246によって酸素が排出された排出ガス中に含まれる残留酸素が陰極側のモニタセル249に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通セル250に向かって固体電解質体244内を流れ、共通セル250において電荷を放出して酸素となり、大気室243から大気中に排出される。この際の電荷は、モニタセル検出部404により電流Imとして検出され、この電流Imに基づいて、排出ガス中の残留酸素濃度を算出し得る。
 固体電解質体244の測定室242側に臨む面であって、ポンプセル246を挟んで拡散抵抗体245とは反対側には陰極側となるセンサセル248が設けられている。固体電解質体244の大気室243に臨む面であって、センサセル248と対応する位置に陽極側となる共通セルが設けられている。
 センサセル248は、Pt-Rh合金(白金-ロジウム合金)を有し、NOxに対して強い還元性を有している。センサセル248に接触したNOxは、NとOとに還元分解される。センサセル248と共通セル250との間に電圧が印加されると、分解されたOは、陰極側のセンサセル248から電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通セル250に向かって固体電解質体244内を流れ、共通セル250において電荷を放出して酸素となり、大気室243から大気中に排出される。この際の電荷は、センサセル検出部403により電流Isとして検出され、この電流Isに基づいて、排出ガス中のNOxの濃度及び残留酸素濃度を算出し得る。
 SCU40は、その一部又は全部が、アナログ回路で構成されるか、メモリを備えたデジタルプロセッサとして構成される。いずれにしても、受信した電気信号に基づいて制御信号を出力する機能を果たすため、SCU40には機能的な制御ブロックが構成される。図4は、SCU40を、このような機能的な制御ブロック図として示したものである。
 続いて、SCU40の機能的な構成要素について説明する。SCU40は、ヒータ制御部401と、ポンプセル検出部402と、センサセル検出部403と、モニタセル検出部404と、共通セル検出部405と、マイクロコンピュータ406と、電源回路407と、CAN通信部408と、を備えている。本実施形態では、マイクロコンピュータ406は、異常判断部である。
 ヒータ制御部401は、ヒータ247に印加する電圧を制御し、ヒータ247の発熱量を制御する部分である。
 ポンプセル検出部402は、ポンプセル246が出力する電流Ipを検出する部分である。ポンプセル検出部402は、検出した電流Ipを示す信号をマイクロコンピュータ406に出力する。
 センサセル検出部403は、センサセル248が出力する電流Isを検出する部分である。センサセル検出部403は、検出した電流Isを示す信号をマイクロコンピュータ406に出力する。
 モニタセル検出部404は、モニタセル249が出力する電流Imを検出する部分である。モニタセル検出部404は、検出した電流Imを示す信号をマイクロコンピュータ406に出力する。
 共通セル検出部405は、共通セル250が出力する電流Icomを検出する部分である。共通セル検出部405は、検出した電流Icomを示す信号をマイクロコンピュータ406に出力する。
 マイクロコンピュータ406は、SCU40内の制御部である。マイクロコンピュータ406は、ヒータ制御部401にヒータ247の温度を制御するための制御信号を出力する。マイクロコンピュータ406は、センサセル検出部403が検出した電流Is及びモニタセル検出部404が検出した電流Imに基いて、排出ガス中のNOx濃度を算出する部分である。マイクロコンピュータ406は、センサセル248の出力電流Isからモニタセル249の出力電流Imを減算することで、センサセル248の検出した排出ガス中の残留酸素濃度による電流値を除き、排出ガス中のNOx濃度を算出する。マイクロコンピュータ406は、算出したNOx濃度を示す信号をCAN通信部408に出力する。
 電源回路407は、SCU40内の電源回路である。CAN通信部408は、マイクロコンピュータ406が出力する信号をCANバス50に送信し、CANバス50から受信する信号をマイクロコンピュータ406に出力する。
 続いて、図5を参照しながら、SCU40及びECU10の動作について説明する。S01では、SCU40のマイクロコンピュータ406が、ポンプセル246に繋がる電気系統か、センサセル248に繋がる電気系統か、モニタセル249に繋がる電気系統か、共通セル250に繋がる電気系統かのいずれかに異常が発生しているか否かを判断する。いずれのセルに繋がる電気系統にも異常が発生していなければS01の判断を繰り返し、いずれかのセルに繋がる電気系統に異常が発生していればS02の処理に進む。
 いずれかのセルに繋がる電気系統に異常が発生しているか否かは、ポンプセル検出部402、センサセル検出部403、モニタセル検出部404、共通セル検出部405からの出力電流によって判断する。出力電流が所定値以下に落ちたままになってしまっていれば、電気系統が断線していると判断する。出力電流が所定値以上に張り付いたままになってしまっていればショートしていると判断する。
 S02では、共通セル250に繋がる電気系統に異常が発生しているか否かを判断する。共通セル250に繋がる電気系統に異常が発生していれば、マイクロコンピュータ406はその旨を示す信号をECU10に送信し、S03の処理及びS22の処理に進む。共通セル250に繋がる電気系統に異常が発生していなければ、S11の処理に進む。このように共通セル250の異常判断を最初に行っているのは、共通セル250の異常発生が他の全てのセルに影響するためである。
 S03では、ECU10がディーゼルエンジン20に対して第1制限制御を実行する。より具体的には、共通セル250に繋がる電気系統に異常が発生していれば、空燃比制御もNOxの検出も正確に行えないので、空燃比制御をキャンセル(一部制限するような態様も含む)するようなエンジン制御を実行する。
 S11では、ポンプセル246に繋がる電気系統に異常が発生しているか否かを判断する。ポンプセル246に繋がる電気系統に異常が発生していれば、ポンプセル246の出力電流Ipが正確でないことになるので、マイクロコンピュータ406はその旨を示す信号をECU10に送信し、S03の処理に進む。また、ポンプセル246に繋がる電気系統に異常が発生していれば、センサセル248側に酸素が過剰に含まれた排出ガスが送り込まれることになるため、センサセル248の出力電流Isも正確でないことになる。そこで、マイクロコンピュータはその旨を示す信号をECU10に送信し、必要に応じてS22の処理に進む。ポンプセル246に繋がる電気系統に異常が発生していなければ、S21の処理に進む。
 S21では、センサセル248に繋がる電気系統に異常が発生いているか否かを判断する。センサセル248に繋がる電気系統に異常が発生していれば、マイクロコンピュータ406はその旨を示す信号をECU10に送信し、S22の処理に進む。センサセル248に繋がる電気系統に異常が発生していなければ、S31の処理に進む。
 S22では、ECU10がディーゼルエンジン20に対して第2制限制御を実行する。より具体的には、センサセル248の出力電流Isが異常値であれば排出ガス中のNOx濃度検出が正確に行えないので、NOx濃度に基づく制御をキャンセル(一部制限するような態様も含む)するようなエンジン制御を実行する。また、共通セル250に繋がる電気系統に異常が発生している場合もNOx濃度検出が正確に行えないので、NOx濃度に基づく制御をキャンセル(一部制限するような態様も含む)するようなエンジン制御を実行する。
 S31では、第3制限制御の設定があるか否かを判断する。S31の処理に進んでいるということは、モニタセル249に繋がる電気系統に異常が発生していることになるけれども、この部分に異常が発生していても直ちにエンジン制御に制限を設ける必要が無い場合もある。本実施形態のNOxセンサ24は、ポンプセル246によって排気ガス中から大部分の酸素を引いてからセンサセル248によって排気ガス中の酸素量及びNOx量を検知している。従って、モニタセル249は、センサセル248の検出値の精度をより高める役割を果たしているとも言えるため、モニタセル249のみの異常であれば、それを無視する制御もあり得るものである。S31ではこのような観点から、第3制限制御の設定有無を判断している。第3制限制御の設定がなければ処理を終了する。第3制限制御の設定があれば、マイクロコンピュータ406はモニタセル249に異常が発生していることを示す信号をECU10に送信し、S32の処理に進む。
 S32では、ECU10がディーゼルエンジン20に対して第3制限制御を実行する。より具体的には、モニタセル249の出力電流Isが異常値であれば排出ガス中のNOx濃度検出が極めて正確に行えているとは言えないので、NOx濃度に基づく制御を制限するようなエンジン制御を実行する。
 本開示では、ポンプセル246が出力する電流を検出するポンプセル検出部402と、センサセル248が出力する電流を検出するセンサセル検出部403と、モニタセル249が出力する電流を検出するモニタセル検出部404と、ポンプセル検出部402、センサセル検出部403、及びモニタセル検出部404が検出する電流値に基づいて、異常発生の有無を判断する異常判断部406と、を設けているので、ポンプセル246、センサセル248、及びモニタセル249それぞれに繋がる電気系統で発生した異常に応じた内燃機関の制御が可能になる。
 比較のため、従来の制御の一例を図6に示す。図6に示されるように、従来の制御では、図5に示す本実施形態のS21、S31、S32の処理を行っていなかった。そのため、モニタセル249に繋がる電気系統のみに異常が発生している場合であっても、NOx濃度に基づく制御をキャンセル(一部制限するような態様も含む)してしまっており、実際にはある程度信頼できる値である可能性のあるNOx検出値を生かすことができなかった。一方、本実施形態では、各セルの役割に応じた制限制御の使い分けができるようになっており、より正確な内燃機関制御が可能である。
 以上、具体例を参照しつつ本開示の実施の形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。
 本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

 

Claims (4)

  1.  内燃機関(20)の排出ガスが導入される測定室(242)外に酸素を排出するためのポンプセル(246)と、酸素が排出された前記排出ガスの残留酸素濃度及び前記排出ガス中の特定のガス濃度を検出するためのセンサセル(248)と、酸素が排出された前記排出ガスの残留酸素濃度を検出するためのモニタセル(249)と、を有する内燃機関制御装置であって、
     前記ポンプセルが出力する電流を検出するポンプセル検出部(402)と、
     前記センサセルが出力する電流を検出するセンサセル検出部(403)と、
     前記モニタセルが出力する電流を検出するモニタセル検出部(404)と、
     前記ポンプセル検出部、前記センサセル検出部、及び前記モニタセル検出部が検出する電流値に基づいて、異常発生の有無を判断する異常判断部(406)と、
     前記異常判断部の判断結果に基づいて、前記内燃機関を制御する制御部(10)と、
    を備え、
     前記制御部は、前記ポンプセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、前記内燃機関に対して第1制御を、前記センサセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、前記内燃機関に対して第2制御を、前記モニタセルに繋がる電気系統の異常発生に対しては、前記内燃機関に対して第3制御を、それぞれ実行する内燃機関制御装置。
  2.  前記制御部は、前記第2制御と前記第3制御とを異なる制御として実行する請求項1に記載の内燃機関制御装置。
  3.  前記制御部は、前記異常判断部が異常発生無しと判断した場合に前記内燃機関を制御する通常制御と、前記第1制御及び前記第2制御とを異なる制御として実行する請求項1に記載の内燃機関制御装置。
  4.  前記制御部は、前記通常制御と前記第3制御とを同一の制御として実行する請求項3に記載の内燃機関制御装置。

     
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