JP2010256127A - Gas concentration detector - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ガス濃度検出装置に係り、特に、エンジンから排出される排気ガス中の特定ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。 The present invention relates to a gas concentration detection device, and more particularly to a gas concentration detection device that detects the concentration of a specific gas in exhaust gas discharged from an engine.
従来、例えば、特開2002−310985号公報に開示されるように、被測定ガス中のNOx濃度を測定するNOxセンサが知られている。このNOxセンサは、より具体的には、被測定ガスが導かれる第1の内部空所と、更にその雰囲気が導かれる第2の内部空所と、第1の内部空所内の酸素分圧を制御せしめる第1の酸素ポンプ手段と、第2の内部空所内の酸素を汲み出す第2の酸素ポンプ手段と、を備え、第2のポンプ手段の作動により流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガスのNOx濃度を求めることとしている。 Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-310985, a NOx sensor that measures the NOx concentration in a gas to be measured is known. More specifically, the NOx sensor has a first internal space through which the gas to be measured is introduced, a second internal space through which the atmosphere is further introduced, and an oxygen partial pressure in the first internal space. A gas to be measured on the basis of a pump current flowing by the operation of the second pump means, comprising: a first oxygen pump means to be controlled; and a second oxygen pump means for pumping out oxygen in the second internal space. NOx concentration is determined.
上記従来の技術のように、NOxセンサでは、該センサのチャンバ内の最奥部にNOx濃度を検出するための検出セルが配置されている。このため、該センサの周囲を流通する排気ガス量が低下した場合等においては、該チャンバ内の排気ガス(測定対象ガス)のガス交換性が低下してしまうおそれがある。この場合、検出セルの出力に応答遅れが発生し、NOx濃度を正確に検出できないおそれがある。 As in the prior art, in the NOx sensor, a detection cell for detecting the NOx concentration is arranged at the innermost part in the chamber of the sensor. For this reason, when the amount of exhaust gas flowing around the sensor is decreased, the gas exchangeability of the exhaust gas (measurement target gas) in the chamber may be decreased. In this case, a response delay occurs in the output of the detection cell, and the NOx concentration may not be accurately detected.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気ガス量が低下している状態であっても、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度を高精度に検出することのできるガス濃度検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can detect the concentration of a specific gas component in a measurement target gas with high accuracy even when the amount of exhaust gas is decreasing. An object of the present invention is to provide a gas concentration detection device capable of performing the above.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、測定対象ガス中の酸素を汲み出すポンプセルと、前記ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを内燃機関の排気経路に備えたガス濃度検出装置であって、
測定対象ガス中の酸素の目標汲み出し量を算出する目標汲み出し量算出手段と、
前記目標汲み出し量に応じて前記ポンプセルを駆動するポンプセル駆動手段と、
前記内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、前記ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
前記排気ガス量が基準量より低下した場合に、前記目標汲み出し量を嵩上げする目標汲み出し量嵩上げ手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the first invention is a pump cell that pumps out oxygen in a measurement target gas, and a detection that detects the concentration of a specific gas component contained in the measurement target gas from which oxygen has been pumped out by the pump cell. A gas concentration detection device including a gas sensor having a cell in an exhaust path of an internal combustion engine,
A target pumping amount calculating means for calculating a target pumping amount of oxygen in the measurement target gas;
Pump cell driving means for driving the pump cell according to the target pumping amount;
An exhaust gas amount acquisition means for acquiring an exhaust gas amount in the measurement target gas introduced into the gas sensor based on information on the operating state of the internal combustion engine and the concentration of oxygen in the measurement target gas;
A target pumping amount raising means for raising the target pumping amount when the exhaust gas amount is lower than a reference amount;
It is characterized by providing.
第2の発明は、第1の発明において、
前記目標値嵩上げ手段は、前記内燃機関へ吸入される空気量の変化に応じて、嵩上げ量を設定することを特徴とする。
According to a second invention, in the first invention,
The target value raising means sets the raising amount according to a change in the amount of air taken into the internal combustion engine.
第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記目標値嵩上げ手段は、前記検出セルの電極に吸着している酸素に関する情報に応じて、嵩上げ量を設定することを特徴とする。
According to a third invention, in the first or second invention,
The target value raising means sets the raising amount according to information on oxygen adsorbed on the electrode of the detection cell.
第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、
前記検出セルの出力から検出される特定ガス成分の濃度が、測定対象ガス中の特定ガス成分の実濃度に追従した場合に、前記目標値嵩上げ手段の実行を制限する制限手段を更に備えることを特徴とする。
A fourth invention is any one of the first to third inventions,
The apparatus further comprises limiting means for restricting execution of the target value raising means when the concentration of the specific gas component detected from the output of the detection cell follows the actual concentration of the specific gas component in the measurement target gas. Features.
第5の発明は、上記の目的を達成するため、測定対象ガス中の酸素を汲み出すポンプセルと、前記ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを内燃機関の排気経路に備えたガス濃度検出装置であって、
前記内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、前記ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
前記排気ガス量が基準量より低下した場合に、前記検出セルの出力値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, a pump cell that pumps out oxygen in the measurement target gas, and detection that detects a concentration of a specific gas component contained in the measurement target gas from which oxygen has been pumped out by the pump cell A gas concentration detection device including a gas sensor having a cell in an exhaust path of an internal combustion engine,
An exhaust gas amount acquisition means for acquiring an exhaust gas amount in the measurement target gas introduced into the gas sensor based on information on the operating state of the internal combustion engine and the concentration of oxygen in the measurement target gas;
Correction means for correcting the output value of the detection cell when the exhaust gas amount falls below a reference amount;
It is characterized by providing.
第6の発明は、第5の発明において、
前記補正手段は、前記検出セルの出力変化に応じて、前記検出セルの出力値を補正することを特徴とする。
According to a sixth invention, in the fifth invention,
The correction means corrects the output value of the detection cell in accordance with an output change of the detection cell.
第7の発明は、第5または第6の発明において、
前記補正手段は、測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に応じて、前記検出セルの出力値を補正することを特徴とする。
A seventh invention is the fifth or sixth invention, wherein
The correction means corrects the output value of the detection cell according to information on the concentration of oxygen in the measurement target gas.
第8の発明は、第5乃至第7の何れか1つの発明において、
前記濃度検出手段により検出される特定ガス成分の濃度が、測定対象ガス中の特定ガス成分の実濃度に追従した場合に、前記目標値嵩上げ手段の実行を制限する制限手段を更に備えることを特徴とする。
According to an eighth invention, in any one of the fifth to seventh inventions,
The apparatus further comprises a limiting unit that limits execution of the target value raising unit when the concentration of the specific gas component detected by the concentration detection unit follows the actual concentration of the specific gas component in the measurement target gas. And
第1の発明によれば、内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス(既燃ガス)量が取得される。そして、当該排気ガス量が基準量よりも低下した場合に、ポンプセルの目標汲み出し量が嵩上げされる。このため、本発明によれば、排気ガス量が低下してガスセンサの応答性が低下している場合に、検出セル近傍の残存酸素の除去能力が高められるので、応答性低下の影響を排除して特定ガス成分のガス濃度を高精度に検出することができる。 According to the first aspect of the invention, the amount of exhaust gas (burned gas) in the measurement target gas introduced into the gas sensor is acquired based on the information regarding the operating state of the internal combustion engine and the concentration of oxygen in the measurement target gas. The When the exhaust gas amount falls below the reference amount, the target pumping amount of the pump cell is increased. For this reason, according to the present invention, when the exhaust gas amount is reduced and the responsiveness of the gas sensor is reduced, the ability to remove residual oxygen in the vicinity of the detection cell is enhanced, thereby eliminating the influence of the responsiveness reduction. Thus, the gas concentration of the specific gas component can be detected with high accuracy.
第2の発明によれば、内燃機関へ吸入される空気量の変化に応じて目標汲み出し量の嵩上げ量が設定される。ガスセンサの応答遅れは、空気量の変化に大きく依存している。このため、本発明によれば、空気量の変化に基づいて、ガスセンサの応答性に応じた最適な嵩上げ量を設定することができる。 According to the second invention, the target pumping amount is set in accordance with the change in the amount of air taken into the internal combustion engine. The response delay of the gas sensor greatly depends on the change in the air amount. For this reason, according to this invention, the optimal raising amount according to the responsiveness of a gas sensor can be set based on the change of air quantity.
第3の発明によれば、検出セルの電極に吸着している酸素に関する情報に応じて目標汲み出し量の嵩上げ量が設定される。ガスセンサの応答遅れは、吸着酸素量に大きく依存している。このため、本発明によれば、当該吸着酸素に関する情報に基づいて、ガスセンサの応答性に応じた最適な嵩上げ量を設定することができる。 According to the third invention, the raising amount of the target pumping amount is set according to the information on the oxygen adsorbed on the electrode of the detection cell. The response delay of the gas sensor greatly depends on the amount of adsorbed oxygen. For this reason, according to this invention, the optimal raising amount according to the responsiveness of a gas sensor can be set based on the information regarding the said adsorption | suction oxygen.
第4の発明によれば、測定対象ガスの特定ガス成分の濃度が実濃度に追従した場合に、目標酸素汲み出し量の嵩上げが制限される。このため、本発明によれば、不要な嵩上げが実行される事態を効果的に回避することができる。 According to the fourth invention, when the concentration of the specific gas component of the measurement target gas follows the actual concentration, the increase in the target oxygen pumping amount is limited. For this reason, according to this invention, the situation where unnecessary raising is performed can be avoided effectively.
第5の発明によれば、内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、測定対象ガス中の排気ガス量が取得される。そして、当該排気ガス量が基準量よりも低下した場合に、検出セルの出力値が補正される。このため、本発明によれば、排気ガス量が低下してガスセンサの応答性が低下している場合に、直接出力値を補正して応答性低下の影響を排除することができるので、特定ガス成分のガス濃度を高精度に検出することができる。 According to the fifth aspect, the amount of exhaust gas in the measurement target gas is acquired based on the information related to the operating state of the internal combustion engine and the concentration of oxygen in the measurement target gas. Then, when the exhaust gas amount falls below the reference amount, the output value of the detection cell is corrected. For this reason, according to the present invention, when the exhaust gas amount is reduced and the responsiveness of the gas sensor is reduced, it is possible to directly correct the output value and eliminate the influence of the reduced responsiveness. The gas concentration of the component can be detected with high accuracy.
第6の発明によれば、検出セルの出力変化に応じて検出セルの出力値の補正量が設定される。検出セルの出力変化は空気量変化に大きく依存している。このため、本発明によれば、検出セルの出力変化に基づいて、ガスセンサの応答性に応じた最適な補正量を設定することができる。 According to the sixth aspect, the correction amount of the output value of the detection cell is set in accordance with the change in the output of the detection cell. The output change of the detection cell greatly depends on the air amount change. For this reason, according to this invention, the optimal correction amount according to the responsiveness of a gas sensor can be set based on the output change of a detection cell.
第7の発明によれば、測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に応じて検出セルの出力値の補正量が設定される。ガスセンサの応答遅れによる出力変化は、当該酸素濃度に大きく依存している。このため、本発明によれば、酸素の濃度に関する情報に基づいて、ガスセンサの応答性に応じた最適な補正量を設定することができる。 According to the seventh aspect, the correction amount of the output value of the detection cell is set according to the information regarding the concentration of oxygen in the measurement target gas. The output change due to the response delay of the gas sensor greatly depends on the oxygen concentration. For this reason, according to the present invention, it is possible to set an optimal correction amount according to the responsiveness of the gas sensor based on the information on the oxygen concentration.
第8の発明によれば、検出された特定ガス成分の濃度が実濃度に追従した場合に、検出セルの出力値の補正が制限される。このため、本発明によれば、不要な出力補正が実行される事態を効果的に回避することができる。 According to the eighth aspect, when the detected concentration of the specific gas component follows the actual concentration, the correction of the output value of the detection cell is limited. For this reason, according to the present invention, it is possible to effectively avoid a situation in which unnecessary output correction is performed.
以下、図面に基づいてこの発明の幾つかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1のガス濃度検出装置10の構成を説明するための図である。本実施形態のガス濃度検出装置10は、内燃機関(以下、単に「エンジン」と称する)の排気ガス中のNOx(窒素酸化物)の濃度を検出する装置である。このガス濃度検出装置10は、NOxセンサ1を有している。
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a gas
NOxセンサ1は、主ポンプセル2および補助ポンプセル3の下方に、スペーサ4、検出セル(センサセル)5、スペーサ6、ヒータ7を順次積層することにより形成されている。
The
スペーサ4には、第1室41と、第2室42とが形成されている。スペーサ4の構成材料としては、例えばアルミナ等を用いることができる。第1室41および第2室42は、連通孔43を介して連通している。これらの第1室41、第2室42および連通孔43は、スペーサ4に抜き穴を設けることにより形成することができる。
A
主ポンプセル2は、第1室41に流入した測定対象ガス中の余剰酸素を汲み出して除去する機能を有している。この主ポンプセル2は、固体電解質21と、一対のポンプ電極22,23とで構成されている。素子である固体電解質21は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたZrO2,HfO2,ThO2,BiO3等で構成されている。この固体電解質21を上下から挟むポンプ電極22,23は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
The
固体電解質21の表面に形成された第1ポンプ電極22は、測定対象ガスである排気ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に面している。この第1ポンプ電極22としては、例えば、Pt等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
The
一方、固体電解質21を挟んで第1ポンプ電極22の反対側に設けられた第2ポンプ電極23は、第1室41に面している。この第2ポンプ電極23としては、NOxに対して不活性な電極、例えば、Pt−Au合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
On the other hand, the
主ポンプセル2には、固体電解質21とポンプ電極22,23とを貫通する導入孔としてのピンホール24が形成されている。測定対象ガスである排気ガスは、後述する多孔質保護層8を透過し、ピンホール24を通って、第1室41に流入する。ピンホール24の孔径は、第1室41に導入される排気ガスの拡散速度が所定速度となるように設計されている。
The
補助ポンプセル3は、第1室41から第2室42に流入した測定対象ガス中の酸素濃度を検出するとともに、当該ガス中の余剰酸素を更に汲み出して除去する機能を有している。この補助ポンプセル3は、固体電解質31と、一対のポンプ電極32,33とで構成されている。素子である固体電解質31は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたZrO2,HfO2,ThO2,BiO3等で構成されている。この固体電解質31を上下から挟むポンプ電極32,33は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
The
固体電解質31の表面に形成された第1ポンプ電極32は、内燃機関の排気通路内に面している。この第1ポンプ電極32としては、例えば、Pt等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
The
一方、固体電解質31を挟んで第1ポンプ電極32の反対側に設けられた第2ポンプ電極33は、第2室42に面している。この第2ポンプ電極33としては、NOxに対して不活性な電極、例えば、Pt−Au合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
On the other hand, the
主ポンプセル2および補助ポンプセル3の第1ポンプ電極22,32は、多孔質保護層8により覆われている。多孔質保護層8は、例えば多孔質アルミナ等で構成される。この多孔質保護層8により、第1ポンプ電極22,32の被毒を防止することができると共に、排気ガスに含まれるスス等によるピンホール24の目詰まりを防止することができる。
The
検出セル5は、NOの還元分解により生じる酸素量からNOx濃度を検出する機能を有している。検出セル5は、固体電解質51と、この固体電解質51を上下から挟む一対の検出電極52,53とを有している。これらの検出電極52,53は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
The
固体電解質51の表面に形成された第1検出電極52は、第2室42に面している。この第1検出電極52として、例えば、Pt−Rh合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
The
一方、固体電解質51を挟んで第1検出電極52の反対側に設けられた第2検出電極53は、スペーサ6に形成された大気ダクト61に面している。大気ダクト61には、大気が導入される。この第2検出電極53として、例えば、Pt等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。大気ダクト61は、スペーサ6に切り欠きを設けることにより形成することができる。
On the other hand, the
ヒータ7は、シート状の絶縁層72,73と、これらの絶縁層72,73間に設けられたヒータ電極71とを有している。絶縁層72,73は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより構成される。ヒータ電極71は、例えば、Ptとアルミナ等のセラミックスとのサーメットにより構成される。
The
本実施形態のガス濃度検出装置10は、制御装置としてのECU(Electronic Control Unit)9を備えている。ECU9は、主ポンプセル制御手段91と、補助ポンプセル制御手段92と、検出セル制御手段93と、ヒータ制御手段94とを有している。このECU9は、エンジンECUと別個に構成されていてもよく、エンジンECUの一部として構成されていてもよい。
The gas
主ポンプセル制御手段91は、主ポンプセル2の第1ポンプ電極22および第2ポンプ電極23に接続されている。主ポンプセル制御手段91は、第1ポンプ電極22および第2ポンプ電極23に電圧を印加するとともに、主ポンプセル2に流れる電流値を検出可能になっている。
The main pump cell control means 91 is connected to the
補助ポンプセル制御手段92は、補助ポンプセル3の第1ポンプ電極32および第2ポンプ電極33に接続されている。補助ポンプセル制御手段92は、補助ポンプセル3の第1ポンプ電極32および第2ポンプ電極33に電圧を印加するとともに、補助ポンプセル3に流れる電流値を検出可能になっている。
The auxiliary pump cell control means 92 is connected to the
検出セル制御手段93は、検出セル5の第1検出電極52および第2検出電極53に接続されている。検出セル制御手段93は、第1検出電極52および第2検出電極53に電圧を印加するとともに、検出セル5に流れる電流値を検出可能になっている。
The detection cell control means 93 is connected to the
ヒータ制御手段94は、ヒータ電極71に接続されている。ヒータ制御手段94は、ヒータ電極71に電力を供給するものである。
The heater control means 94 is connected to the
上述したようなNOxセンサ1では、主ポンプセル2、補助ポンプセル3、検出セル5の各セルがそれぞれ正常な特性を発揮するためには、それらの固体電解質21,31,51の温度が活性温度以上であることが必要である。しかしながら、エンジンが停止しているときや燃料カットが長時間行われたときなどには、各セルの温度は低下する。このため、エンジン始動時や、長時間の燃料カットからの復帰時には、各セルの温度を早期に活性温度以上に上昇させるため、ヒータ7に通電することにより、NOxセンサ1を暖機する制御が実行される。
In the
[実施の形態1の動作]
(ガス濃度検出装置10の基本動作)
先ず、NOxセンサ1の暖機完了後におけるガス濃度検出装置10の動作について説明する。測定対象ガスとしての排気ガスは、多孔質保護層8とピンホール24とを通って、第1室41に導入される。この第1室41に導入される測定対象ガスの量は、多孔質保護層8およびピンホール24の拡散抵抗に応じて定まる。
[Operation of Embodiment 1]
(Basic operation of the gas concentration detector 10)
First, the operation of the gas
主ポンプセル制御手段91により主ポンプセル2に電圧が印加されると、第1室41内の酸素が第2ポンプ電極23上で酸素イオンO2−に還元される。この酸素イオンO2−は、固体電解質21を透過して第1ポンプ電極22側に排出される。主ポンプセル2の作動は、測定対象ガスの残留酸素濃度が所定の目標濃度となるように制御される。
When a voltage is applied to the
第1室41において酸素濃度が十分に低減された測定対象ガスは、第2室42に流入する。補助ポンプセル制御手段92により補助ポンプセル3に所定電圧が印加されると、第2室42内の残留酸素が第2ポンプ電極33上で酸素イオンO2−に還元される。この酸素イオンO2−は、固体電解質31を透過して第1ポンプ電極32側に排出される。この際、補助ポンプセル3には、第2室42内の残留酸素濃度に応じた電流が流れる。よって、補助ポンプセル3の出力(以下、「補助ポンプ出力」と称する)によれば、測定対象ガス中の残留酸素濃度を検出することができる。
The measurement target gas whose oxygen concentration is sufficiently reduced in the
主ポンプセル2のポンプ能力(酸素汲み出し能力)は、主ポンプセル2への印加電圧に応じて決まる。ECU9は、補助ポンプセル3によって検出される残留酸素濃度が目標濃度となるように、補助ポンプ出力を主ポンプセル2の印加電圧にフィードバックして制御することができる。これにより、第2室42に流入する測定対象ガスの酸素濃度を目標濃度に精度良く維持することができる。
The pump capacity (oxygen pumping capacity) of the
上記の制御においては、補助ポンプセル3によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合には、主ポンプセル2の印加電圧を高め、主ポンプセル2による酸素排出量を増大させることにより、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御が行われる。尚、このような制御に代えて、ECU9は、補助ポンプセル3によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合に、補助ポンプセル3の印加電圧を高め、補助ポンプセル3による酸素排出量を増大させることによって、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御を行うようにしてもよい。
In the above control, when the residual oxygen concentration detected by the
上述したようにして主ポンプセル2および補助ポンプセル3によって酸素が除去され、測定対象ガス中の酸素濃度が十分に低減されると、2NO2→2NO+O2なる反応が生じ、NOxがNOに単ガス化される。そして、検出セル制御手段93により検出セル5に所定電圧が印加されると、第2室42内のNOが第1検出電極52上で分解され酸素イオンO2−が発生する。この酸素イオンO2−は、固体電解質51を透過して、第2検出電極53から大気ダクト61に排出される。このとき、検出セル5には、第2室42内のNO濃度に応じた電流が流れる。このようにして、検出セル5の出力(以下、「NOx出力」と称する)によれば、排気ガス中のNOx濃度を検出することができる。
As described above, when oxygen is removed by the
(実施の形態1の特徴的動作)
次に、図1乃至図3を参照して、本実施の形態1の特徴的動作について説明する。図1に示すとおり、本実施の形態のガス濃度検出装置10では、NOxセンサ1の周囲を流通する排気ガスの一部を測定対象ガスとしてセンサ内部へ取り込み、NOx濃度を検出することとしている。より具体的には、測定対象ガスは、ピンホール24を通過して第1室41内に導入される。第1室41では、主ポンプセル2によって酸素成分が除去される。酸素成分が除去された測定対象ガスは、次に第2室42内に導入され、検出セル5によってNOx出力が検出される。
(Characteristic operation of the first embodiment)
Next, the characteristic operation of the first embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, in the gas
このように、測定対象ガスは、検出セル5の近傍に到達するまでに、ピンホール24→第1室41→連通孔43→第2室42と続く拡散経路を通過することとなる。このため、排気ガス量が少量である運転状態の場合には、センサ内の測定対象ガスのガス交換性が低下し、NOx出力に応答遅れが発生するおそれがある。
As described above, the measurement target gas passes through the diffusion path that continues from the
図2は、測定対象ガスのNOx濃度に対するNOx出力の応答時間の関係を説明するための図である。測定対象ガス中のNOx濃度が高濃度から低濃度となる減速時には、該NOx濃度が低濃度から高濃度となる加速時に比して、排気ガス量が少量となる。このため、この図に示すとおり、内燃機関の減速時と加速時とでは、NOx出力の応答時間に大きな差異が生じてしまう。 FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship of the response time of the NOx output to the NOx concentration of the measurement target gas. At the time of deceleration when the NOx concentration in the measurement target gas changes from a high concentration to a low concentration, the amount of exhaust gas becomes smaller than at the time of acceleration when the NOx concentration changes from a low concentration to a high concentration. For this reason, as shown in this figure, there is a large difference in the response time of the NOx output between the deceleration and acceleration of the internal combustion engine.
図3は、NOx濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合のNOx出力変化と実NOx変化とを比較した図である。この図に示すとおり、NOx濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合、NOx出力に応答遅れが生じてしまう結果、該NOx出力が実NOx値よりも大きな値を出力してしまう。 FIG. 3 is a diagram comparing the NOx output change and the actual NOx change when the NOx concentration changes from a high concentration to a low concentration. As shown in this figure, when the NOx concentration changes from a high concentration to a low concentration, a response delay occurs in the NOx output, and as a result, the NOx output outputs a value larger than the actual NOx value.
そこで、本実施の形態では、NOx出力に応答遅れが発生していると判定された場合に、酸素の目標汲み出し量を嵩上げすることとする。より具体的には、排気ガスが少量である場合にNOx出力に応答遅れが発生する。そこで、内燃機関の運転状態および酸素濃度に基づいて排気ガス量を推定し、かかる排気ガス量が所定量以下となった場合に、酸素の目標汲み出し量を嵩上げすることとする。これにより、検出セル近傍の余剰酸素を除去することができるので、NOx出力の応答遅れを効果的に低減することができる。 Therefore, in this embodiment, when it is determined that a response delay has occurred in the NOx output, the target pumping amount of oxygen is increased. More specifically, a response delay occurs in the NOx output when the amount of exhaust gas is small. Therefore, the exhaust gas amount is estimated based on the operating state of the internal combustion engine and the oxygen concentration, and when the exhaust gas amount becomes a predetermined amount or less, the target pumping amount of oxygen is increased. As a result, surplus oxygen in the vicinity of the detection cell can be removed, so that a response delay in NOx output can be effectively reduced.
[実施の形態1における具体的処理]
次に、図4を参照して、本実施の形態1の具体的処理について説明する。図4は、本実施の形態1において、ECU9が実行するルーチンのフローチャートである。図4に示すルーチンによれば、まず、NOxセンサ1のNOx出力が正常であるか否かが判定される(ステップ100)。ここでは、具体的には、NOxセンサ1の暖機判定やOBD判定が行われる。その結果、NOx出力が正常ではないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。
[Specific Processing in Embodiment 1]
Next, specific processing of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart of a routine executed by the
一方、上記ステップ100において、NOx出力が正常であると判定された場合には、次のステップに移行し、内燃機関の運転情報が取得される(ステップ102)。ここでは、具体的には、内燃機関への要求仕事に対する運転情報の中で、特に排気ガス量に関連する因子情報(例えば、吸入空気量等)が取得される。
On the other hand, when it is determined in
次に、酸素濃度情報が取得される(ステップ104)。ここでは、具体的には、NOxセンサ1からの酸素濃度情報として、例えば、補助ポンプ出力に基づいて検出された測定対象ガス中の酸素濃度や、該酸素濃度履歴から推定される第1検出電極52への酸素吸着量等が取得される。また、内燃機関からの酸素濃度情報として、例えば、排気ガスの空燃比やフューエルカットの実行有無等が取得される。
Next, oxygen concentration information is acquired (step 104). Here, specifically, as the oxygen concentration information from the
次に、排気ガス量が低下状態か否かが判定される(ステップ106)。ここでは、具体的には、上記ステップ102において取得された運転情報、および上記ステップ104において取得された酸素濃度情報に基づいて、NOxセンサ1内に導入される排気ガス(既燃ガス)量が推定される。そして、この排気ガス量が基準量を超えるか否かが判定される。基準量は、NOxセンサ出力に応答遅れが発生する排気ガス量として、予め設定された値が使用される。その結果、排気ガス量が低下状態ではないと判定された場合には、上記ステップ102に戻り、再びステップ102〜106の処理が実行される。
Next, it is determined whether or not the exhaust gas amount is in a lowered state (step 106). Here, specifically, the amount of exhaust gas (burned gas) introduced into the
一方、上記ステップ106において、排気ガス量が低下状態であると判定された場合には、NOx出力に応答遅れが発生すると判断されて、次のステップに移行し、第1室41および第2室42内の酸素濃度の嵩上げ目標値が算出される(ステップ108)。ここでは、具体的には、酸素濃度の基本目標値に、空気量変化に基づく目標値と酸素吸着量に基づく目標値とを加算することにより、嵩上げ目標値が算出される。空気量変化に基づく目標値は、上記ステップ102において取得された吸入空気量をパラメータとしたマップに基づいて特定される。具体的には、吸入空気量が低下するほど目標値は大きな値に特定される。また、酸素吸着量に基づく目標値は、上記ステップ102において取得された第1検出電極52への酸素吸着量をパラメータとしたマップに基づいて特定される。具体的には、酸素吸着量が大きいほど目標値は大きな値に特定される。
On the other hand, if it is determined in
次に、ポンプ補正が実施される(ステップ110)。ここでは、具体的には、上記ステップ108において算出された嵩上げ目標値を実現するための印加電圧が主ポンプセル2および補助ポンプセル3に印加される。
Next, pump correction is performed (step 110). Here, specifically, an applied voltage for realizing the raising target value calculated in
次に、補正終了判定が実施される(ステップ112)。ここでは、具体的には、NOx出力に基づくNOx濃度が実濃度に追従したか否か、すなわち応答遅れが解消したか否かが判定される。応答遅れ解消の判定としては、例えば、内燃機関が低NOxの条件から外れた時点、内燃機関の出力が増加した時点、NOx出力が0ppm程度まで変化した時点等で判定することができる。 Next, correction end determination is performed (step 112). Specifically, it is determined whether or not the NOx concentration based on the NOx output follows the actual concentration, that is, whether or not the response delay has been eliminated. The response delay cancellation can be determined, for example, when the internal combustion engine deviates from the low NOx condition, when the output of the internal combustion engine increases, when the NOx output changes to about 0 ppm, or the like.
以上説明したように、本実施形態によれば、排気ガス流量の低下状態が判定された場合に、酸素濃度の目標値が嵩上げされるので、NOx出力の応答遅れを効果的に解消することができる。これにより、排気ガス量が少量である場合であっても、NOx濃度を正確に把握することができる。 As described above, according to the present embodiment, the target value of the oxygen concentration is raised when it is determined that the exhaust gas flow rate is reduced, so that the NOx output response delay can be effectively eliminated. it can. Thereby, even if the amount of exhaust gas is small, the NOx concentration can be accurately grasped.
ところで、上述した実施の形態1においては、主ポンプセル2と補助ポンプセル3とを用いて、NOxセンサ1内の酸素濃度を目標濃度に制御することとしているが、酸素濃度制御の方法はこれに限られない。すなわち、主ポンプセルのみを有するNOxセンサにおいて、該主ポンプセルを用いてNOxセンサ1内の酸素濃度を目標濃度に制御することとしてもよい。
In the first embodiment described above, the oxygen concentration in the
尚、上述した実施の形態1においては、主ポンプセル2および補助ポンプセル3が、前記第1の発明における「ポンプセル」に相当している。また、ECU9が、上記ステップ106の処理を実行することにより前記第1の発明における「排気ガス量取得手段」が、上記ステップ108の処理を実行することにより前記第1の発明における「目標汲み出し量嵩上げ手段」が、それぞれ実現されている。
In the first embodiment described above, the
また、上述した実施の形態1においては、ECU9が、上記ステップ112の処理を実行することにより前記第4の発明における「制限手段」が、それぞれ実現されている。
In the first embodiment described above, the “restricting means” in the fourth aspect of the present invention is realized by the
実施の形態2.
[実施の形態2の特徴]
次に、図5および図6を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態のシステムは、図1に示すハードウェア構成を用いて、ECU9に後述する図6に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
[Features of Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 and FIG. The system of the present embodiment can be realized by causing the
本実施の形態2では、排気ガス流量の低下状態が判定された場合に、検出されたNOx出力を直接補正することに特徴がある。すなわち、実施の形態1において上述したとおり、内燃機関の減速等によりNOx濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合、NOx出力に応答遅れが発生する。この応答遅れ分に相当するNOx出力は、吸入空気量の変化および酸素濃度情報に基づいて推定することができる。そこで、本実施の形態2では、次式(1)に基づいてNOx出力を補正し、応答遅れを排除することとする。以下、NOx出力の補正方法について詳細に説明する The present second embodiment is characterized in that the detected NOx output is directly corrected when a decrease state of the exhaust gas flow rate is determined. That is, as described above in the first embodiment, when the NOx concentration changes from a high concentration to a low concentration due to deceleration of the internal combustion engine, a response delay occurs in the NOx output. The NOx output corresponding to the response delay can be estimated based on the change in the intake air amount and the oxygen concentration information. Therefore, in the second embodiment, the NOx output is corrected based on the following equation (1) to eliminate the response delay. The NOx output correction method will be described in detail below.
図5は、NOx濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合のNOx出力変化と実NOx変化とを示す図である。尚、この図では、時間tにおけるNOx出力I(t)とし、時間tから応答遅れが発生した場合を示している。この図に示すとおり、時間tからΔt後の(t+Δt)では、NOx出力に応答遅れが発生している。この応答遅れによる出力変化量ΔIは、I(t)の時間微分値をi(t)とすると、以下の式で表すことができる。
出力変化量ΔI=i(t)×K ・・・(1)
FIG. 5 is a diagram showing a change in NOx output and a change in actual NOx when the NOx concentration changes from a high concentration to a low concentration. In this figure, the NOx output I (t) at time t is assumed and a response delay occurs from time t. As shown in this figure, there is a response delay in the NOx output at (t + Δt) after Δt from time t. The output change amount ΔI due to the response delay can be expressed by the following equation, where i (t) is a time differential value of I (t).
Output change amount ΔI = i (t) × K (1)
上式(1)によれば、NOx出力の下降割合が大きいほど、出力変化量ΔIはマイナス方向に大きな値となる。NOx出力の変化は吸入空気量変化に大きく依存している。このため、上式(1)を用いることにより、出力変化量ΔIに吸入空気量の変化を反映されることができる。 According to the above equation (1), the greater the NOx output decrease rate, the greater the output change amount ΔI in the minus direction. The change in the NOx output greatly depends on the change in the intake air amount. For this reason, by using the above equation (1), the change in the intake air amount can be reflected in the output change amount ΔI.
また、上式(1)における補正値Kは、測定対象ガス中の酸素濃度変化を反映させた補正値であり、以下の式で表すことができる。
K=k×O(t) ・・・(2)
Further, the correction value K in the above equation (1) is a correction value reflecting the oxygen concentration change in the measurement target gas, and can be represented by the following equation.
K = k × O (t) (2)
上式(2)において、O(t)は、時間tにおける酸素濃度の時間微分値であり、kは係数である。上式(2)によれば、酸素濃度の上昇割合が高いほど補正値Kが大きな値となる。このため、上式(1)における出力変化量ΔIは、酸素濃度の上昇割合が高いほどマイナス方向に大きな値となる。 In the above equation (2), O (t) is a time differential value of the oxygen concentration at time t, and k is a coefficient. According to the above equation (2), the correction value K becomes larger as the increase rate of the oxygen concentration is higher. Therefore, the output change amount ΔI in the above equation (1) becomes a larger value in the minus direction as the increase rate of the oxygen concentration is higher.
このように、上式(1)および(2)によれば、吸入空気量の変化および酸素濃度を反映させたNOx出力の出力変化量ΔIを算出することができる。したがって、次式(3)に示すように、時間tにおけるNOx出力I(t)からΔt後の出力変化量ΔIを排除することにより、Δt後の正確なNOx出力I(t+Δt)を算出することができる。
I(t+Δt)=I(t)+ΔI ・・・(3)
Thus, according to the above equations (1) and (2), the output change amount ΔI of the NOx output reflecting the change in the intake air amount and the oxygen concentration can be calculated. Therefore, as shown in the following equation (3), the accurate NOx output I (t + Δt) after Δt is calculated by eliminating the output change amount ΔI after Δt from the NOx output I (t) at time t. Can do.
I (t + Δt) = I (t) + ΔI (3)
[実施の形態2における具体的処理]
次に、図6を参照して、本実施の形態2の具体的処理について説明する。図6は、本実施の形態2において、ECU9が実行するルーチンのフローチャートである。図6に示すルーチンによれば、まず、NOxセンサ1のNOx出力が正常であるか否かが判定される(ステップ200)。ここでは、具体的には、上記ステップ100と同様の処理が実行される。その結果、NOx出力が正常ではないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。
[Specific Processing in Second Embodiment]
Next, specific processing of the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart of a routine executed by the
一方、上記ステップ200において、NOx出力が正常であると判定された場合には、次のステップに移行し、内燃機関の運転情報が取得される(ステップ202)。次に、酸素濃度情報が取得される(ステップ204)。次に、排気ガス量が低下状態か否かが判定される(ステップ206)。ここでは、具体的には、上記ステップ102〜106と同様の処理が実行される。その結果、排気ガス量が低下状態ではないと判定された場合には、上記ステップ202に戻り、再びステップ202〜206の処理が実行される。
On the other hand, if it is determined in
一方、上記ステップ206において、排気ガス量が低下状態であると判定された場合には、NOx出力に応答遅れが発生すると判断されて、次のステップに移行し、出力変化量ΔIが算出される。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップ204において取得された酸素濃度情報を用いて上式(2)を演算することにより、補正値Kが算出される。次に、上記ステップ202において取得された吸入空気量等の運転情報および補正値Kを用いて上式(1)を演算することにより、出力変化量ΔIが算出される。
On the other hand, if it is determined in
次に、濃度補正が実施される(ステップ210)。ここでは、具体的には、上記ステップ208において算出された出力変化量ΔIを上式(3)に代入することにより、濃度補正後のNOx出力が算出される。
Next, density correction is performed (step 210). Specifically, the NOx output after concentration correction is calculated by substituting the output change amount ΔI calculated in
次に、補正終了判定が実施される(ステップ212)。ここでは、具体的には、NOx出力に基づくNOx濃度が実濃度に追従したか否か、すなわち応答遅れが解消したか否かが判定される。応答遅れ解消の判定としては、上記ステップ112の判定に加え、例えば、I(t)の時間微分値をi(t)が所定値以下となった時点等で判定することができる。
Next, correction end determination is performed (step 212). Specifically, it is determined whether or not the NOx concentration based on the NOx output follows the actual concentration, that is, whether or not the response delay has been eliminated. In addition to the determination in
以上説明したように、本実施形態によれば、排気ガス流量の低下状態が判定された場合に、NOx出力が補正されるので、NOx出力の応答遅れを効果的に解消することができる。これにより、排気ガス量が少量である場合であっても、NOx濃度を正確に把握することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the NOx output is corrected when it is determined that the exhaust gas flow rate is reduced, it is possible to effectively eliminate the response delay of the NOx output. Thereby, even if the amount of exhaust gas is small, the NOx concentration can be accurately grasped.
ところで、上述した実施の形態2においては、主ポンプセル2と補助ポンプセル3とを用いて、NOxセンサ1内の酸素濃度を目標濃度に制御することとしているが、酸素濃度制御の方法はこれに限られない。すなわち、主ポンプセルのみを有するNOxセンサにおいて、該主ポンプセルを用いてNOxセンサ1内の酸素濃度を目標濃度に制御することとしてもよい。
In the second embodiment described above, the oxygen concentration in the
また、上述した実施の形態2においては、出力変化量ΔIを算出する際に、測定対象ガスの酸素濃度の変化の影響を反映させることとしているが、該酸素濃度に替えて、或いは該酸素濃度に加えて、第1検出電極52の酸素吸着量の変化の影響を反映させることとしてもよい。
In the second embodiment described above, when calculating the output change amount ΔI, the influence of the change in the oxygen concentration of the measurement target gas is reflected, but instead of the oxygen concentration or the oxygen concentration. In addition, the influence of the change in the oxygen adsorption amount of the
尚、上述した実施の形態2においては、主ポンプセル2および補助ポンプセル3が、前記第1の発明における「ポンプセル」に相当している。また、ECU9が、上記ステップ206の処理を実行することにより前記第5の発明における「排気ガス量取得手段」が、上記ステップ208の処理を実行することにより前記第5の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。
In the second embodiment described above, the
また、上述した実施の形態2においては、ECU9が、上記ステップ212の処理を実行することにより前記第8の発明における「制限手段」が、それぞれ実現されている。
In the second embodiment described above, the “restricting means” according to the eighth aspect of the present invention is realized by the
1 NOxセンサ
2 主ポンプセル
21 固体電解質
22 第1ポンプ電極
23 第2ポンプ電極
3 補助ポンプセル
31 固体電解質
32 第1ポンプ電極
33 第2ポンプ電極
4 スペーサ
41 第1室
42 第2室
43 連通孔
5 検出セル
51 固体電解質
52 第1検出電極
53 第2検出電極
6 スペーサ
61 大気ダクト
7 ヒータ
71 ヒータ電極
72,73 絶縁層
8 多孔質保護層
10 ガス濃度検出装置
DESCRIPTION OF
Claims (8)
測定対象ガス中の酸素の目標汲み出し量を算出する目標汲み出し量算出手段と、
前記目標汲み出し量に応じて前記ポンプセルを駆動するポンプセル駆動手段と、
前記内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、前記ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
前記排気ガス量が基準量より低下した場合に、前記目標汲み出し量を嵩上げする目標汲み出し量嵩上げ手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。 A gas sensor having a pump cell that pumps out oxygen in the measurement target gas and a detection cell that detects a concentration of a specific gas component contained in the measurement target gas from which oxygen has been pumped out by the pump cell is provided in an exhaust path of the internal combustion engine. Gas concentration detection device,
A target pumping amount calculating means for calculating a target pumping amount of oxygen in the measurement target gas;
Pump cell driving means for driving the pump cell according to the target pumping amount;
An exhaust gas amount acquisition means for acquiring an exhaust gas amount in the measurement target gas introduced into the gas sensor based on information on the operating state of the internal combustion engine and the concentration of oxygen in the measurement target gas;
A target pumping amount raising means for raising the target pumping amount when the exhaust gas amount is lower than a reference amount;
A gas concentration detection device comprising:
前記内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、前記ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
前記排気ガス量が基準量より低下した場合に、前記検出セルの出力値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。 A gas sensor having a pump cell that pumps out oxygen in the measurement target gas and a detection cell that detects a concentration of a specific gas component contained in the measurement target gas from which oxygen has been pumped out by the pump cell is provided in an exhaust path of the internal combustion engine. Gas concentration detection device,
An exhaust gas amount acquisition means for acquiring an exhaust gas amount in the measurement target gas introduced into the gas sensor based on information on the operating state of the internal combustion engine and the concentration of oxygen in the measurement target gas;
Correction means for correcting the output value of the detection cell when the exhaust gas amount falls below a reference amount;
A gas concentration detection device comprising:
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