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技術 ガスセンサ制御装置及び空燃比検出システム

出願人 株式会社デンソー
発明者 川瀬友生三島崇生
出願日 2014年8月21日 (5年6ヶ月経過) 出願番号 2014-168783
公開日 2016年4月4日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2016-045050
状態 特許登録済
技術分野 濃淡電池(酸素濃度の測定)
主要キーワード 交流変化 発熱エネルギ 非供給状態 発熱容量 起電力信号 起電力値 排気雰囲気 電圧切替回路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

ガスセンサ起電力特性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検出精度を高める。

解決手段

O2センサ16は、エンジン排気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。O2センサ16は、固体電解質層32と、固体電解質層32を挟む位置に設けられる一対の電極33,34と、固体電解質層32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層37とを含むセンサ素子31を有している。センサ素子31には定電流回路43が接続されている。マイコン41は、センサ素子31の抵抗値を算出する。また、マイコン41は、定電流回路43により供給される定電流とセンサ素子31の抵抗値とに基づいて、センサ素子31の起電力を補正する。

概要

背景

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、排気の空燃比リッチ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。

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。

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。

概要

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。O2センサ16は、エンジン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。O2センサ16は、固体電解質層32と、固体電解質層32を挟む位置に設けられる一対の電極33,34と、固体電解質層32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層37とを含むセンサ素子31を有している。センサ素子31には定電流回路43が接続されている。マイコン41は、センサ素子31の抵抗値を算出する。また、マイコン41は、定電流回路43により供給される定電流とセンサ素子31の抵抗値とに基づいて、センサ素子31の起電力を補正する。

目的

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ステムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

内燃機関(10)の排気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、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)を有しており、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ガスセンサ制御装置

請求項2

前記補正手段は、前記定電流供給手段により供給される定電流が大きいほど、又は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が大きいほど、前記起電力を補正する補正量を大きくするものである請求項1に記載のガスセンサ制御装置。

請求項3

前記補正手段は、前記起電力セルに定電流が供給されている状態において、前記定電流が供給されていない状態とリッチ及びリーン変曲点電圧値が同じになるように前記起電力を補正する請求項1又は2に記載のガスセンサ制御装置。

請求項4

前記定電流供給手段は、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にシフトさせるべく、前記固体電解質体において排気側から基準ガス側に定電流を流すものであり、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。

請求項5

前記定電流供給手段は、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ーン側にシフトさせるべく、前記固体電解質体において基準ガス側から排気側に定電流を流すものであり、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。

請求項6

前記起電力セルにおける前記一対の電極の一方は起電力出力時に正側となる基準側電極(34)、他方は起電力出力時に負側となる排気側電極(33)であり、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。

請求項7

前記内燃機関の排気部排気浄化用触媒(15a)が設けられ、その触媒の上流側に触媒上流側センサ(16)として前記ガスセンサが設けられており、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。

請求項8

請求項1乃至7のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置と、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ステム

技術分野

0001

本発明は、ガスセンサ制御装置及び空燃比検出ステムに関するものである。

背景技術

0002

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、排気の空燃比リッチ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。

0003

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。

0004

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。

先行技術

0005

特開2012−63345号公報

発明が解決しようとする課題

0006

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。

0007

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。

課題を解決するための手段

0008

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。

0009

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。

0010

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。

0011

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。

図面の簡単な説明

0012

エンジン制御システムの全体を示す概略構成図。
センサ素子断面構成センサ制御部の概略構成とを示す図。
空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。
センサ素子の限界電流特性を示す図。
センサ素子におけるガス成分の反応を説明するための概略図。
センサ素子の印加電流と特性変曲点のA/Fとの関係を示す図。
空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。
センサ素子及びその周辺部分の等価回路図
起電力補正の処理手順を示すフローチャート
センサ素子の内部抵抗と定電流と起電力補正値との関係を示す図。
オフセット補正後の起電力特性を示す図。

実施例

0013

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。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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は素子全体ハウジング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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

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。

0039

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。

0040

またこの場合、図8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。

0041

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。

0042

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。

0043

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。

0044

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。

0045

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。

0046

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。

0047

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。

0048

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。

0049

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。

0050

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。

0051

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。

0052

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。

0053

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。

0054

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。

0055

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。

0056

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。

0057

(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。

0058

・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。

0059

・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。

0060

・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。

0061

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)。

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