JP2016070883A - ガスセンサシステム - Google Patents
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Abstract
Description
このため、従来より、ガスセンサが活性化するまでの間、ガスセンサに対する通電状態を、所定の活性前の通電状態とし、活性後に、通電状態を切り替えて、ガス濃度を測定するガス濃度測定用の通電状態とすることが行われている(例えば、特許文献1)。
セルの温度が低く、酸素イオン伝導性が発現していない状態における酸素ポンプセルの内部抵抗は、例えば100kΩ以上の高抵抗である。そこで、第1回路の抵抗値を、例えば、1kΩ〜10kΩ程度とすると、活性待ち期間のうち、酸素ポンプセルの内部抵抗が第1回路の抵抗値よりも大きい状態では、酸素ポンプセルに電荷が発生しても、発生した電荷は、第1回路を介して放電される。このため、活性待ち期間において、酸素ポンプセルに発生した電荷を第1回路を介して放電することができる。
また、酸素ポンプセルの内部抵抗が第1回路の抵抗値よりも大きい状態では、酸素ポンプセルに電流を流そうとしても、その多くが第1回路を流れ、酸素ポンプセルに生じる電圧降下も小さくなる。
これにより、酸素ポンプセルの両端間に生じる電圧差が小さくなり、酸素ポンプセルのブラックニングの発生を抑制することができる。
このガスセンサシステム1は、車両(図示しない)の内燃機関ENG(エンジン)の排気管EPに装着されるガスセンサ2と、これを制御するセンサ制御部40を備える。
なお、ガスセンサ2は、排気ガスEG(被測定ガス)中の酸素濃度(空燃比)をリニアに検知して、内燃機関における空燃比フィードバック制御に用いる空燃比センサ(全領域空燃比センサ)である。このガスセンサ2は、図2に示すように、酸素濃度を検知するセンサ素子部3、及びセンサ素子部3を加熱するヒータ部80を有する。
センサ制御部40は、このガスセンサ2に接続され、これを制御する。また、ガスセンサシステム1は、接続バス101を介して、車両のCANバス102に接続され、ECU100との間でデータの送受信が可能とされている。センサ制御部40は、ASIC(Application Specific IC)により構成されており、ガスセンサ2のセンサ素子部3を制御する回路のほか、デジタルシグナルプロセッサ30と、ヒータ部80を制御するヒータ部制御回路70とを備えている。
同様に、酸素濃度検知セル24は、板状でジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性を有する固体電解質体からなる電解質層24cを基体とし、その両面に多孔質の白金を主体とする一対の電極22,28(多孔質電極)が形成されている。具体的には、電解質層24cの一方の面(図中、下方)である外面24Eに第1検知電極28が、他方の面(図中、上方)である内面24Iに第2検知電極22が、それぞれ形成されている。
A/Dコンバータ41は、第1端子T1の第1端子電位V1を検知し、これをA/D変換して、プロセッサ30に入力する。同様に、A/Dコンバータ42は、第2端子T2の第2端子電位V2を検知し、これをA/D変換して、プロセッサ30に入力する。また、A/Dコンバータ43は、第3端子T3の第3端子電位V3を検知し、これをA/D変換して、プロセッサ30に入力する。
なお、A/Dコンバータ41,42,43は、後述するポンプ電流IpのPID制御に用いられるほか、ガスセンサ2の短絡異常や断線異常の診断を行う際にも用いられる。また、後述するように、酸素濃度検知セル24の内部抵抗Rpvsを検知する際にも用いられる。
さらに、第2端子T2と第3端子T3との間には、第2抵抗器R2及び第2スイッチSW2からなる第2回路46が接続されている。第2抵抗器R2の第2抵抗値R2rは、R2r=1kΩであり、第2スイッチSW2は、第2端子T2と第3端子T3との間の第2抵抗器R2を介した接続を断続する。なお、第2スイッチSW2の抵抗値(オン抵抗)は、第2抵抗値R2rに対して無視できる大きさであり、第1回路45と同様に、本実施形態では、第2回路46の抵抗値R2c=第2抵抗値R2r=1kΩである。
これら第1回路45及び第2回路46は、ガスセンサ2の短絡異常の診断に用いる回路であり、ガスセンサ2の短絡異常の診断を行う際に、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2をオンにする。一方、後述するように、ガスセンサ2の活性待ち処理の際には、第1スイッチSW1はオンとするが、第2スイッチSW2はオフとし、第2回路46は使用しない。また、ガスセンサ2の断線異常の診断時や、ガスセンサ2の通常の使用時には、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2をいずれもオフとし、第1回路45及び第2回路46は使用しない。なお、第1回路45及び第2回路46を用いて行う短絡異常及び断線異常の診断については、説明を省略する。
さらに、第2端子T2には、第4スイッチSW4を介して、+2.5Vの基準電位Vrefを出力する基準電位回路としてのオペアンプ44の出力が接続している。第4スイッチSW4は、オペアンプ44から第2端子T2への基準電位Vrefの印加をオンオフする。
また、第3端子T3には、第5スイッチSW5を介して、プロセッサ30からの指示で酸素濃度検知セル24に一定の微小電流Icp(=20μA)や、後述する内部抵抗Rpvsを検知するための内部抵抗検知電流Irpvsを流すD/Aコンバータ(電流DAC)48の出力が接続している。第5スイッチSW5は、電流DAC48から第3端子T3を通じて酸素濃度検知セル24へ流す微小電流Icpなどをオンオフする。
なお、ガスセンサ2の通常の使用時には、第3スイッチSW3〜第5スイッチSW5をオンにするが、初期設定後や、ガスセンサ2の短絡異常や断線異常を検知した場合などには、第3スイッチSW3〜第5スイッチSW5をオフにする。
さらに、プロセッサ30は、酸素濃度検知セル24にこのような一定の微小電流Icpを流しつつ、酸素濃度検知セル24の両端に発生する検知セル電圧Vs(A/Dコンバータ43で検知する第3端子電位V3とA/Dコンバータ42で検知する第2端子電位V2との差)が所定の電圧になるように、酸素ポンプセル14に流すポンプ電流Ipを制御する、いわゆるデジタル方式によるPID制御を行う。これにより、多孔質層18を通じて測定室20に導入された排気ガスEG中の酸素の汲み入れ及び汲み出しが行われる。
ここでは、プロセッサ30によるポンプ電流Ipのデジタル方式のPID制御や、ヒータ部80のPWM制御の詳細については、説明を省略する。
また、所定のタイミングが経過する毎に微小電流Icpに一時的な変化を生じさせることで、酸素濃度検知セル24の内部抵抗を検知し、これを用いて、ヒータ部80への通電のフィードバック制御を行う。
本明細書では、ガスセンサ2の短絡異常及び断線異常の診断(図4のステップSA及びステップSB)の詳細については説明を省略し、センサ制御部40によるガスセンサ2の活性待ちの処理(図4のステップSC)について、図2のほか、図5のプロセッサ30の処理動作を示すフローチャートを参照して説明する。
ステップS1では、第2スイッチSW2及び第3スイッチSW3をオフにする一方、第1スイッチSW1、第4スイッチSW4及び第5スイッチSW5をオンにする。なお、第4スイッチSW4をオンとすることにより、オペアンプ44から第2端子T2に基準電位Vref(=+2.5V)を印加する。また、第5スイッチSW5をオンすることにより、電流DAC48の出力を第3端子T3に入力する。
なお、第1回路45の抵抗値R1c(=第1抵抗値R1r)は1kΩであるが、この値は、酸素ポンプセル14に酸素イオン伝導性が発現していない状態における酸素ポンプセル14の内部抵抗(100kΩ以上)よりも小さい。また、この第1回路45の抵抗値R1c(=第1抵抗値R1r=1kΩ)は、ガスセンサ2の活性状態における酸素ポンプセル14の内部抵抗(450Ω以下)よりも大きい値でもある。
続くステップS3では、酸素濃度検知セル24の内部抵抗を用いた、ヒータ部80への通電のフィードバック制御(Rpvs制御ともいう)を開始する。具体的には、図示しないヒータ通電制御ルーチンを別途実行して、次述する内部抵抗Rpvsが目標抵抗値となるように、ヒータ部80への通電をフィードバック制御する。なお、前述したように、断線異常の診断(図4のステップSB)において、ヒータ部80への通電によるガスセンサ2のセンサ素子部3の加熱は既に開始している。このため、断線異常の診断中に、酸素ポンプセル14及び酸素濃度検知セル24は、酸素イオン伝導性を発現しており、酸素ポンプセル14及び酸素濃度検知セル24の内部抵抗は、それぞれ100kΩ以下まで低下している。
さらに、続くステップS4では、時間を計測するタイマをスタートさせる。
所定時間TMが経過しても、ステップS8でYesとならない場合には、ステップS9でYesとなり、ステップS11に進む。
さらに、ステップS13に進み、ガスセンサ2の活性不良と判定して、ECU100に異常内容(活性不良の判定結果)を報告する。その後、活性化後の酸素濃度の検知処理(図4のステップSD)には進まず、プロセッサ30の処理を終了する(システム終了)。
その後、活性化後の処理である酸素濃度の検知処理(図4のステップSD)に移行する。
また、ステップS2を実行しているプロセッサ30が、活性前定電流出力手段に相当する。
また、ステップS6を実行しているプロセッサ30が、変化量検出手段に相当し、ステップS7を実行しているプロセッサ30が、内部抵抗検知手段に相当する。さらに、ステップS8を実行しているプロセッサ30が、活性化判別手段に相当する。
また、センサ制御部40のヒータ部制御回路70並びにステップS3及び図示しないヒータ通電制御ルーチンを実行しているプロセッサ30が、ヒータ通電制御手段に相当する。
これにより、活性待ち期間のうち、酸素ポンプセル14の内部抵抗が第1回路45の抵抗値R1c(=第1抵抗値R1r)よりも大きい状態では、酸素ポンプセル14に電荷が発生しても、発生した電荷は、主として第1回路45(第1抵抗器R1)を介して放電される。一方、酸素ポンプセル14の内部抵抗が第1回路45の抵抗値R1c(=第1抵抗値R1r)と同じあるいはこれよりも小さくなると、酸素ポンプセル14に発生した電荷は、酸素ポンプセル14の内部抵抗と第1回路45(第1抵抗器R1)とで放電される。このため、活性待ち期間において、酸素ポンプセル14に発生した電荷を酸素ポンプセル14の内部抵抗または第1回路45(第1抵抗器R1)を介して放電することができる。
また、酸素ポンプセル14の内部抵抗が第1回路45の抵抗値R1c(=第1抵抗値R1r)よりも大きい状態では、酸素ポンプセル14に電流を流そうとしても、その多くが第1回路45(第1抵抗器R1)を流れ、酸素ポンプセル14に生じる電圧降下も小さくなる。
これにより、酸素ポンプセル14の両端間に生じる電位差が小さくなり、酸素ポンプセル14のブラックニングの発生を抑制することができる。
例えば、実施形態では、ガスセンサ2として、排気ガスEG中の酸素濃度(空燃比)を検知する空燃比センサ(全領域空燃比センサ)を用いたが、「ガスセンサ」は、空燃比センサに限られず、窒素酸化物(NOx)の濃度を検知するNOxセンサなどであっても良い。
また、センサ制御部40は、ECU100に内蔵される形態で設けられても良い。
しかし、アナログのPID回路を含むASICと、別途設けたマイクロプロセッサとで構成したセンサ制御部を備え、PID制御をアナログ方式により行うガスセンサシステムに本発明を適用しても良い。
また、ガスセンサ2が活性化したか否かの判別は、実施形態のように酸素濃度検知セル24の内部抵抗Rpvsを用いるものに限定されず、酸素ポンプセル14の内部抵抗、あるいは、ヒータ部80のヒータ抵抗を活性判定するための基準値と比較して判断したり、ヒータ部80の積算通電時間に基づいて判断したりするようにしても良い。
EP 排気管
EG 排気ガス(被測定ガス)
100 ECU
1 ガスセンサシステム
2 ガスセンサ
3 センサ素子部
14 酸素ポンプセル
12 第1ポンプ電極
16 第2ポンプ電極
24 酸素濃度検知セル
28 第1検知電極
22 第2検知電極
20 測定室
26 基準酸素室
80 ヒータ部
Ip ポンプ電流
Icp 微小電流(定電流)
Irpvs 内部抵抗検知電流
T1 第1端子
T2 第2端子
T3 第3端子
L1 第1配線
L2 第2配線
L3 第3配線
V1 第1端子電位
V2 第2端子電位
V3 第3端子電位
Vref 基準電位
Vex 検査電位
30 デジタルシグナルプロセッサ
40 センサ制御部
41 A/Dコンバータ
42 A/Dコンバータ
43 A/Dコンバータ
44 オペアンプ(基準電位回路)
45 第1回路
R1 第1抵抗器
R1r 第1抵抗値
R1c 第1回路の抵抗値
SW1 第1スイッチ
46 第2回路
R2 第2抵抗器
R2r 第2抵抗値
R2c 第2回路の抵抗値
SW2 第2スイッチ
47 D/Aコンバータ(ポンプ電流出力回路)
48 D/Aコンバータ(定電流出力回路)
SW3 第3スイッチ(ポンプ電流スイッチ)
SW4 第4スイッチ
SW5 第5スイッチ
70 ヒータ部制御回路(ヒータ通電制御手段)
S1 1−2端子間接続手段,活性前基準電位印加手段,第1遮断手段
S2 活性前定電流出力手段
S3 ヒータ通電制御手段
S6 変化量検出手段
S7 内部抵抗検知手段
S8 活性化判別手段
Claims (3)
- 第1端子及び第2端子に電気的に導通する酸素ポンプセル、並びに、上記第2端子及び第3端子に電気的に導通する酸素濃度検知セルを有するガスセンサと、
上記第1端子、上記第2端子及び上記第3端子を通じて上記ガスセンサを制御するセンサ制御部と、を備える
ガスセンサシステムであって、
上記センサ制御部は、
上記第1端子と上記第2端子との間を断続可能に接続し、
上記酸素ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない状態における上記酸素ポンプセルの内部抵抗よりも小さい抵抗値を有する
第1回路と、
上記ガスセンサが活性化するまでの活性待ち期間内に、上記第1端子と上記第2端子とを上記第1回路を介して接続する1−2端子間接続手段と、を備える
ガスセンサシステム。 - 請求項1に記載のガスセンサシステムであって、
前記センサ制御部は、
前記第2端子に接続して、所定の基準電位を印加する基準電位回路と、
前記活性待ち期間のうち、前記1−2端子間接続手段により前記第1端子と前記第2端子とを前記第1回路を介して接続している間、上記基準電位回路により上記第2端子に上記基準電位を印加する活性前基準電位印加手段と、を備える
ガスセンサシステム。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサシステムであって、
前記ガスセンサは、
被測定ガスが導入される測定室を内部に有し、
前記酸素ポンプセルは、
上記測定室外に配置されて前記第1端子に導通する第1ポンプ電極、及び、上記測定室に面して配置されて前記第2端子に導通する第2ポンプ電極を有し、
前記センサ制御部は、
上記第1端子を通じて上記酸素ポンプセルに、ポンプ電流を流すポンプ電流出力回路と、
上記ポンプ電流出力回路から上記第1端子を通じて上記酸素ポンプセルへ流す上記ポンプ電流をオンオフするポンプ電流スイッチと、
前記活性待ち期間のうち、前記1−2端子間接続手段により上記第1端子と上記第2端子とを前記第1回路を介して接続している間、上記ポンプ電流スイッチをオフにする第1遮断手段と、を備える
ガスセンサシステム。
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