JP2018141718A - Oxygen level sensor control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素濃度センサ制御装置に関する。 The present invention relates to an oxygen concentration sensor control device.
近年、車両技術分野では排気ガスの排出規制が強化推進されており、排気ガス中の有害物質をより削減することが求められている。酸素濃度センサは、内燃機関の排気ガス中の空気過剰率を検出するために設けられているが、このような排気ガス中の有害物質を削減するためには酸素濃度センサの検出精度を高めることが必要となる。 In recent years, exhaust gas emission regulations have been strengthened in the vehicle technology field, and it is required to further reduce harmful substances in exhaust gas. The oxygen concentration sensor is provided to detect the excess air ratio in the exhaust gas of the internal combustion engine. In order to reduce harmful substances in the exhaust gas, the detection accuracy of the oxygen concentration sensor should be increased. Is required.
酸素濃度センサの検出精度を高めるためには、酸素濃度センサが活性する温度に早期に到達させると共に当該活性する温度に保持することが求められる。このため、従来より酸素濃度センサの温度を検出し、ヒータを用いて酸素濃度センサの温度を活性温度に保持するようにしている。 In order to increase the detection accuracy of the oxygen concentration sensor, it is required to reach the temperature at which the oxygen concentration sensor is activated at an early stage and to maintain the temperature at which the oxygen concentration sensor is activated. For this reason, conventionally, the temperature of the oxygen concentration sensor is detected, and the temperature of the oxygen concentration sensor is maintained at the activation temperature using a heater.
酸素濃度センサの温度と、酸素濃度センサを構成する素子のインピーダンスとは相関関係があるため、酸素濃度センサのインピーダンスを検出することに応じて当該酸素濃度センサの温度を検出する方法が開発されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1記載の技術によれば、酸素濃度センサに任意の固定電圧を印加し、このとき電流検出抵抗に流れる電流値と酸素濃度センサの端子間電圧とを測定し、これらの値に応じてインピーダンスを演算している。
Since there is a correlation between the temperature of the oxygen concentration sensor and the impedance of the elements constituting the oxygen concentration sensor, a method for detecting the temperature of the oxygen concentration sensor has been developed in response to detecting the impedance of the oxygen concentration sensor. (For example, refer to Patent Document 1). According to the technique described in
前述の特許文献1記載の技術を採用したときには、使用する酸素濃度センサ毎に印加可能な電圧上限値が異なることになってしまうため、電源電圧は様々なバリエーションを必要としてしまい実用性に欠けることになり好ましくない。
When the technique described in
本発明の目的は、酸素濃度センサのインピーダンスを高精度に演算できるようにした電子制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an electronic control device that can calculate the impedance of an oxygen concentration sensor with high accuracy.
請求項1記載の発明によれば、掃引電圧印加部は、1つの電源電圧源を通じて複数の掃引モードのうち何れかの掃引モードに応じた電圧を酸素濃度センサのセンサ素子に印加し、インピーダンス演算部はこのときセンサ素子に生じる電圧に応じてセンサ素子のインピーダンスを演算し、切替部は複数の掃引モードを切替えることで掃引電圧印加部による印加電圧を切替えている。このため、駆動用の電源電圧源を1つとしながらセンサ素子の印加電圧を調整することで当該センサ素子の温度を制御でき、酸素濃度センサのインピーダンスを高精度に演算できる。しかも酸素濃度センサ毎に電源電圧源を用意しなくても良くなる。 According to the first aspect of the present invention, the sweep voltage application unit applies a voltage corresponding to any one of the plurality of sweep modes to the sensor element of the oxygen concentration sensor through one power supply voltage source, and calculates impedance. The unit calculates the impedance of the sensor element according to the voltage generated in the sensor element at this time, and the switching unit switches the applied voltage by the sweep voltage applying unit by switching a plurality of sweep modes. For this reason, the temperature of the sensor element can be controlled by adjusting the applied voltage of the sensor element while using one power supply voltage source for driving, and the impedance of the oxygen concentration sensor can be calculated with high accuracy. In addition, it is not necessary to prepare a power supply voltage source for each oxygen concentration sensor.
以下、酸素濃度センサ制御装置の幾つかの実施形態を説明する。以下の実施形態中では、各実施形態間で同一機能または類似機能を備えた部分に同一符号を付して説明を行い、第2実施形態以降の各実施形態では、それ以前に説明した実施形態と同一又は類似機能を備えた構成及びその作用、連携動作説明等を必要に応じて省略する。 Hereinafter, some embodiments of the oxygen concentration sensor control device will be described. In the following embodiments, parts having the same function or similar functions are denoted by the same reference numerals in the following embodiments, and in the embodiments after the second embodiment, the embodiments described before that are described. The configuration having the same or similar function, the operation thereof, the description of the cooperative operation, and the like are omitted as necessary.
(第1実施形態)
図1から図10は第1実施形態の説明図を示す。図1には、酸素濃度センサの電子制御装置101の電気的構成を概略的なブロック図により示している。
(First embodiment)
1 to 10 are explanatory views of the first embodiment. FIG. 1 is a schematic block diagram showing an electrical configuration of the
図1に示す電子制御装置101は、被検出ガスとしての排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ2の制御ブロックを備えている。酸素濃度センサ2は、センサ素子3にヒータ4を内蔵した構成とされており、内燃機関の排気経路(図示せず)に配置されている。この酸素濃度センサ2は、燃焼噴射システムのフィードバック制御を実現するためのセンサとして利用される。センサ素子3はジルコニア抵抗5などを材料とする固体電解質層を備え、排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力を生じる。したがって電子制御装置101が、センサ素子3の端子間に生じる起電力を検出することで排気ガス中の酸素濃度を検出できる。電子制御装置101は、マイコン6と、スイッチSW1,SW2と、電流検出抵抗7と、起電力検出用のコンデンサ8及び抵抗9と、ヒータ4の通電制御用の制御スイッチ10と、を備える。
The
図1に示すように、電子制御装置101のマイコン6は、図示しないがCPU、ROM、RAM等により構成され、非遷移的実体的記録媒体としてのROMに格納されたプログラムを実行する。マイコン6が、プログラムを実行することでプログラムに対応した機能が実現されるが、図1にはこの機能をブロック的に記載している。図1に示すように、マイコン6は、電流取得部としての電流検出部11、電圧取得部としての電圧検出部12、A/D変換部13、インピーダンス演算部14、掃引電圧印加部15、推定部16、ヒータ制御部17、及び、切替部18としての機能を備える。
As shown in FIG. 1, the
スイッチSW1、SW2は、電源電圧VCCの供給ノードとグランドノードとの間に接続されており、それぞれ例えばデジタルトランジスタにより構成される。スイッチSW1は、酸素濃度センサ2のセンサ素子3に電圧印加・停止切替えするための電圧印加用スイッチとして構成される。スイッチSW2は、センサ素子3に印加された電荷を放電するための電荷放電用スイッチとして構成される。
The switches SW1 and SW2 are connected between the supply node of the power supply voltage VCC and the ground node, and each is constituted by a digital transistor, for example. The switch SW1 is configured as a voltage application switch for switching voltage application / stop to the
マイコン6は、ヒータ制御部17により制御スイッチ10を通じてヒータ4の通電をオン・オフ制御可能になっている。ヒータ4は、酸素濃度センサ2のセンサ素子3の素子温度を活性温度に保持するために設けられている。酸素濃度センサ2のセンサ素子3のインピーダンスとセンサ素子3の温度との間には所定の相関関係を備えることが知られており、例えば、センサ素子3の素子温度が上昇するとインピーダンスが低下し、素子温度が下降するとインピーダンスが上昇する。簡潔に言い換えると、センサ素子3の素子温度が変化するとインピーダンスが変化することになる。
The
酸素濃度センサ2のセンサ素子3は、図1に示すように、温度変化に応じて変化するジルコニア抵抗5の抵抗成分と当該ジルコニア抵抗5の素子と電極との間の界面抵抗成分5aとに分けて等価回路上で記載できる。また図1には、センサ素子3に発生する起電力5bも図示している。酸素濃度センサ2は、その設置場所の温度/湿度の環境が変化すると共に排気ガスなどに晒されるため、それらの影響からその等価回路も経時変化し、経時変化に応じてセンサ素子3の容量成分が増加する。
As shown in FIG. 1, the
さてマイコン6の内部の掃引電圧印加部15は、スイッチSW1,SW2をそれぞれオン・オフ駆動可能となっており、酸素濃度センサ2のセンサ素子3に印加する掃引電圧を変化させることでセンサ素子3に電荷を印加・保持・放出可能になっている。
Now, the sweep
マイコン6は、切替部18により複数の掃引モードの何れかの掃引モードに切替可能になっており、掃引電圧印加部15はこれらの複数の掃引モードでセンサ素子3の印加電圧を掃引可能になっている。マイコン6は、切替部18により何れかの掃引モードに切替え、この掃引モードに応じて掃引電圧印加部15によりスイッチSW1、SW2をオン・オフ駆動して掃引電圧を印加する。このとき、各掃引モードにおいて、センサ素子3に対する印加電圧が所定電圧以上(後述図7のVz以上)に印加されない条件で飽和するように、電子制御装置101の内部の回路構成の各素子値が調整されている。
The
本実施形態では、掃引モードとして、プレ掃引モード(第1掃引モード相当)と通常掃引モード(第2掃引モード相当)が用意されている。プレ掃引モードは、スイッチSW2をオフに保持したままスイッチSW1をオン・オフパルス制御して酸素濃度センサ2のセンサ素子3への印加電圧を変化させるモードである。また、通常掃引モードは、スイッチSW2をオフに保持したままスイッチSW1をオン制御して酸素濃度センサ2のセンサ素子3に所定電圧に達するように電圧を印加するモードである。これにより、何れのモードにおいても、センサ素子3のインピーダンス及び温度Tを調整できる。
In this embodiment, a pre-sweep mode (corresponding to the first sweep mode) and a normal sweep mode (corresponding to the second sweep mode) are prepared as the sweep modes. The pre-sweep mode is a mode in which the voltage applied to the
電子制御装置101の内部にはセンサ素子3と並列にコンデンサ8及び抵抗9が接続されており、抵抗9の端子電圧を検出することでセンサ素子3の印加電圧を検出できる。マイコン6内の電圧検出部12はセンサ素子3の端子間電圧を検出し、この検出電圧を波形成形してA/D変換部13に出力し、A/D変換部13はこの検出電圧をアナログデジタル変換する。
A
他方、スイッチSW1,SW2の共通接続点とセンサ素子3との間の通電経路には電流検出抵抗7が接続されている。マイコン6内の電流検出部11は、この電流検出抵抗7の両端子間電圧を入力し、この端子間電圧を波形成形してA/D変換部13に出力し、A/D変換部13はこの出力信号をアナログデジタル変換する。これによりマイコン6は、電圧検出部12の検出電圧及び電流検出部11の検出電流を取得でき、電圧検出部12の検出電圧により酸素濃度センサ2に生じる電圧を取得できる。
On the other hand, a
マイコン6は、例えばプレ掃引モードにおいて、掃引電圧印加部15により掃引された印加電圧により酸素濃度センサ2のセンサ素子3に生じる電圧に応じて、インピーダンス演算部14により酸素濃度センサ2のセンサ素子3のインピーダンスを演算するように構成されている。
For example, in the pre-sweep mode, the
またマイコン6は、例えば通常掃引モードにおいて、掃引電圧印加部15により掃引された印加電圧により酸素濃度センサ2のセンサ素子3に生じる電圧、及び、センサ素子3に流れる電流、に応じて、インピーダンス演算部14によりセンサ素子3のインピーダンスを演算するように構成されている。
Further, the
そしてマイコン6は、インピーダンス演算部14により演算されたインピーダンスに応じて、推定部16により酸素濃度センサ2のセンサ素子3の温度Tを推定するように構成されている。またマイコン6は、切替部18による掃引モードの切替処理、インピーダンス演算部14によるインピーダンスの演算処理、を繰り返すことで、センサ素子3の温度Tを適切な温度に調整制御するように構成されている。
The
上記構成の作用について説明する。イグニッションキースイッチ等の電源スイッチがオンされることで、動作用のバッテリ電源電圧が電子制御装置101に投入されると、図示しない電源回路がセンサ素子3の印加用電圧として電源電圧VCCを生成しスイッチSW1の一端子に印加する。またマイコン6は起動し図2のように処理する。
The operation of the above configuration will be described. When an operation battery power supply voltage is input to the
図2は全体の流れをフローチャートにより概略的に示している。内燃機関が冷えているときには、電源投入直後において内燃機関の温度が所定温度より低く、このため、酸素濃度センサ2のセンサ素子3のインピーダンスが所定のインピーダンス値よりも高いことが想定される。このためマイコン6は、車両のイグニッションスイッチがオンされた電源投入直後の1回目においては、図2のS1にてYESと判定し、S2において第1掃引モードとしてのプレ掃引モードに切替設定し、プレ掃引モードにて動作する。
FIG. 2 schematically shows the overall flow by a flowchart. When the internal combustion engine is cold, it is assumed that the temperature of the internal combustion engine is lower than the predetermined temperature immediately after the power is turned on, and therefore the impedance of the
図3はプレ掃引モードにおける処理内容を概略的に示しており、図4はプレ掃引モードにおける全体の流れをタイミングチャートにより概略的に示している。
なお、酸素濃度センサ2のセンサ信号の変動周期は、概ね数秒(例えば4〜5秒)単位であり、本実施形態で説明する各掃引モード(プレ掃引モード、通常掃引モード)における掃引周期(=数十m秒)に比較して大幅に長い周期となる。説明を理解し易くするため、図4等のタイミングチャートでは、センサ信号が無信号となるときの波形例を示している。
FIG. 3 schematically shows the processing contents in the pre-sweep mode, and FIG. 4 schematically shows the entire flow in the pre-sweep mode by a timing chart.
The fluctuation period of the sensor signal of the
マイコン6は、プレ掃引モードで動作し始めると、まず図3のS10においてヒータ制御部17によりヒータ4を常時オン制御する。ヒータ4に通電されることで、センサ素子3の温度を上昇させることができる。そしてマイコン6は、S11においてA/D変換部13によりセンサ素子3の端子間電圧の初期電圧を取得する。この取得する初期電圧は、掃引電圧印加部15によりセンサ素子3に電圧を印加する直前におけるセンサ素子3の端子電圧を示している。
When the
次に、マイコン6は駆動信号を各スイッチSW1、SW2に出力し、スイッチSW1をオン・オフ繰り返すようにパルス制御(例えばPWM制御)を実施する。この間、スイッチSW2はオフ制御する(図4のSW1のパルス制御期間参照)。これにより、センサ素子3の端子間への充電が開始される。マイコン6は、電圧検出部12により端子電圧を検出し、A/D変換部13を通じて酸素濃度センサ2のセンサ素子3の端子電圧の情報を入力する。
Next, the
図5はスイッチSW1がオン・オフを繰り返したときのセンサ素子3の端子電圧の変化を拡大図で示しており、図6はセンサ素子3の端子電圧の情報を1回取得する際の流れを詳細にタイミングチャートで示している。
FIG. 5 is an enlarged view showing a change in the terminal voltage of the
図5に示すように、期間T1においてスイッチSW1がオンしているときにセンサ素子3及びコンデンサ8に充電され、期間T2においてスイッチSW1がオフしているときにこれらの充電電荷が抵抗9を通じて放電される。このため、センサ素子3の端子電圧は上下に変動しながら上昇する。この処理は、所定のオン・オフ期間だけ繰り返される。
As shown in FIG. 5, the
次にマイコン6は、図3のS13においてスイッチSW1のオン・オフ期間を経過したか否かを判定する。このスイッチSW1のオン・オフ期間は、スイッチSW1をオン・オフ制御する一周期の期間を示すもので、制御開始当初は予め定められた所定値を用いるが、その後は、後述のS17で設定されるオン・オフ期間を用いることになる。
Next, the
図5に示したように、センサ素子3の端子電圧は上下動しながら徐々に増加するものの、図6に示すように時間経過に伴い上下動変化の最大値Vmax1及び最小値Vmin1が安定化する。上下動変化の最大値Vmax1及び最小値Vmin1が安定化する時間は、酸素濃度センサ2の種類やその個体差に応じて定められる。このため、このS13におけるスイッチSW1のオン・オフ期間は、例えば、シミュレーションや実験などを用いて酸素濃度センサ2の種類等に応じて予め飽和することが想定される時間を所定値として設定しておき、マイコン6がこの時間を経過したか否かを例えば内蔵タイマなどを用いて判定すると良い。
As shown in FIG. 5, the terminal voltage of the
また図5及び図6には、センサ素子3の端子電圧の保持タイミングtaをも示している。マイコン6は、図3のS13においてオン・オフ期間を経過したと判定すると、図3のS14においてスイッチSW1をオンからオフに変化させる直前のオン時のA/D変換部13のサンプリングタイミングを取得タイミングtaとし、このタイミングtaにおけるセンサ素子3の端子電圧を保持する。
5 and 6 also show the holding timing ta of the terminal voltage of the
また、スイッチSW1をオンからオフに変化させた直後のA/D変換部13のサンプリングタイミングを取得タイミングtaとして保持するようにしても良い。センサ素子3の端子電圧が極力最大値Vmax1に近くなるタイミングであれば、どのようなタイミングを取得タイミングtaとしても良い。
Alternatively, the sampling timing of the A /
その後、マイコン6は、スイッチSW1のオフ状態を保持したまま、図3のS15においてスイッチSW2をオフ→オン→オフすることでコンデンサ8の蓄積電荷を放電させる(図6の期間T3参照)。このときのスイッチSW2のオン期間T3は、コンデンサ8に蓄積された電荷を全て抵抗9等から放電可能にする時間に設定される。すなわちマイコン6は、充電時間が長ければ放電時間も長く設定し充電時間が短ければ放電時間を短く設定すると良いが放電時間は適宜調整すれば良い。
After that, the
次にマイコン6は、図3のS16においてインピーダンス演算部14によりセンサ素子3のインピーダンスを演算する。電流検出抵抗7の抵抗値は、センサ素子3に直列接続される抵抗の抵抗値、及び、センサ素子3の抵抗成分の抵抗値に比べて十分に小さいため、ここでは無視できる。このため、マイコン6は、電圧検出部12の検出電圧を用いてインピーダンス演算部14によりインピーダンスを演算できる。ここで、インピーダンスを極力素早く算出するためには、電圧検出部12により検出された電圧に基づいて一意的に決定されるインピーダンスを用いることが望ましい。
Next, the
図7はセンサ素子3のインピーダンスの温度依存性を概略的に示している。酸素濃度センサ2のセンサ素子3は、例えば、400℃以下のときにはインピーダンスが10kΩ以上になるが、500℃であれば130Ω、600℃で64Ω、700℃で20Ω、800℃で15Ω、900℃で12Ω、程度となる。
FIG. 7 schematically shows the temperature dependence of the impedance of the
例えば、内燃機関の始動前において、センサ素子3の温度が例えば常温(例えば25℃)程度であれば、センサ素子3のジルコニア抵抗5のインピーダンスは10kΩを超える。酸素濃度センサ2のセンサ素子3の使用温度範囲は、所定の温度範囲Ta(例えば、450℃〜950℃)であり、酸素濃度センサ2のセンサ素子3の目標制御温度をそれらの間の目標温度範囲Tb(例えば530℃〜720℃)に定めているが、このときのインピーダンスは数Ω〜数十Ωである。このため、センサ素子3の温度が所定の温度範囲Taを下回る温度(例えば〜450℃)となる場合、センサ素子3のインピーダンスは数百Ω程度以上となるが、この場合には、インピーダンスの算出精度が必要以上に要求されることはない。
For example, before the start of the internal combustion engine, if the temperature of the
このような場合、マイコン6のインピーダンス演算部14は、電流検出部11による検出電流を用いることなく電圧検出部12から一意にインピーダンスを算出すると良い。このとき、インピーダンス演算部14は例えば電流値を固定値とし、電圧検出部12の検出電圧を当該電流固定値で除することに応じて演算しても良いし、予め電圧値に一意に対応づけられたインピーダンスをテーブルとしてマイコン6の内部に記憶しておきこのテーブルを参照してインピーダンスを演算するようにしても良い。またマイコン6は、A/D変換部13により電圧を取得したタイミングtaと同様のタイミングにおいて電流検出部11から電流を検出し、電圧検出部12の検出電圧を電流検出部11の検出電流で除することに応じてインピーダンスを演算するようにしても良い。
In such a case, the impedance calculation unit 14 of the
マイコン6は、図3のS16においてインピーダンス演算部14によりインピーダンスを演算すると、推定部16によりインピーダンスに応じた温度Tを推定できる。その後、マイコン6は、図3のS17においてスイッチSW1の次回のオン・オフ期間を設定する。例えばマイコン6は、センサ素子3のインピーダンスが比較的高く温度Tが低く推定されるほどオン・オフ期間を長くし、センサ素子3のインピーダンスが比較的低く温度Tが高く推定されるほどオン・オフ期間を短く設定する(後述の図7参照)。なお、プレ掃引モードに維持されている間には、温度Tが目標温度範囲Tbより低いため、オン・オフ期間を所定値のまま一定にしても良い。
The
その後、マイコン6は、図2に示す処理に戻してセンサ素子3のインピーダンスに応じて掃引モードを切替える。図2に示すように、マイコン6は、S3においてインピーダンスが所定のインピーダンス値以上(本実施形態では第1及び第2インピーダンス値Ra以上)となる間、S3にてNOと判定し、S2においてプレ掃引モードに設定し、前述した図3のS10〜S17の処理を繰り返す。
Thereafter, the
すなわちマイコン6は、S12においてインピーダンス演算部14により演算されたセンサ素子3のインピーダンス値が所定の第1インピーダンス値以上(すなわちRa以上)のときに掃引電圧印加部15によりスイッチSW1をオン・オフパルス制御してセンサ素子3への印加電圧を変化させ、S16においてインピーダンス演算部14によりインピーダンスを演算させる。これらの処理は繰り返される。
In other words, the
また例えば、センサ素子3の初期温度が常温(例えば25℃)付近となっているときには、前述したように、イグニッションスイッチ等の電源スイッチがオンされ電子制御装置101に電源電圧が供給されると、マイコン6はプレ掃引モードにおいてヒータ制御部17によりヒータ4を常時オン制御している。
Further, for example, when the initial temperature of the
言い換えると、マイコン6は、プレ掃引モードにおいてインピーダンス演算部14により演算されたセンサ素子3のインピーダンス値が所定の第2インピーダンス値以上(すなわちRa以上)のときにヒータ制御部17によりヒータ4を常時オン制御している。
In other words, when the impedance value of the
ヒータ4が常時オン制御されると、センサ素子3の温度Tは徐々に上昇する。センサ素子3の温度Tが上昇すると、センサ素子3のインピーダンスは徐々に低下する。この結果、マイコン6が、インピーダンス演算部14によりインピーダンスを演算することでセンサ素子3の温度上昇を検出できる。
When the heater 4 is always on-controlled, the temperature T of the
またマイコン6は、図2のS3においてインピーダンス演算部14により演算されたインピーダンスが所定のインピーダンス値Ra(温度Tra相当)よりも低くなったと判定すると、S4において第2掃引モードとしての通常掃引モードに移行する。
If the
図8は通常掃引モードにおける処理内容を概略的に示しており、図9は通常掃引モードにおける全体の流れをタイミングチャートにより概略的に示しており、図10はその一部の拡大図を示している。通常掃引モードに移行すると、マイコン6のヒータ制御部17は、S20においてヒータ4をオン・オフ制御する。言い換えると、マイコン6は、インピーダンス演算部14により演算されたセンサ素子3のインピーダンス値が第2インピーダンス値Raよりも低いときにヒータ制御部17によりヒータ4をオン・オフ制御する。このときヒータ4のオン・オフ制御は、例えばPWM制御することで行われるものである。このとき、例えばPWM周期は数百m秒程度に設定される。
FIG. 8 schematically shows the processing contents in the normal sweep mode, FIG. 9 schematically shows the whole flow in the normal sweep mode by a timing chart, and FIG. 10 shows a partial enlarged view thereof. Yes. When shifting to the normal sweep mode, the
そしてマイコン6は、S21においてA/D変換部13によりセンサ素子3の端子電圧の初期電圧を取得する。この初期電圧は、掃引電圧印加部15により電圧を印加する直前のセンサ素子3の端子電圧を示している。電圧印加直後に取得しても良い。
Then, the
次に、マイコン6は駆動信号を各スイッチSW1、SW2に出力し、スイッチSW2をオフしたままスイッチSW1をオン制御する。マイコン6の掃引電圧印加部15がスイッチSW1をオンに継続制御すると、図9及び図10に示すように酸素濃度センサ2のセンサ素子3の端子電圧は所定の時定数に応じて増加する。
Next, the
マイコン6は、電圧検出部12により端子電圧を検出し、A/D変換部13を通じてセンサ素子3の端子電圧を取得する。そしてマイコン6は、S23においてオン期間経過したか否かを判定する。このオン期間は、制御開始当初は予め定められた所定値を用いるが、その後は、後述のS28にて設定されるオン期間を用いることになる。センサ素子3の端子電圧は所定の時定数に応じて増加するものの、図10に示すように時間経過に伴い端子電圧は安定化する。
The
図10には電圧の取得タイミングtbをも示している。マイコン6は、図8のS23においてオン期間が経過したと判定するとS23でYESと判定し、S24においてスイッチSW1をオンからオフに変化させる直前におけるA/D変換部13のサンプリングタイミングを取得タイミングtbとし、このタイミングtbにおける端子電圧を取得し、そしてS25においてスイッチSW1をオフする。
FIG. 10 also shows the voltage acquisition timing tb. When the
なお、スイッチSW1をオンからオフに変化させた直後の時点を取得タイミングtbとしても良い。このときセンサ素子3の端子電圧を極力最大化できるタイミングであれば、どのようなタイミングを取得タイミングtbとしても良い。マイコン6は、このタイミングtbにおいて取得した電圧を最大値Vmax2と見做す。
Note that the time immediately after the switch SW1 is changed from on to off may be set as the acquisition timing tb. At this time, any timing may be used as the acquisition timing tb as long as the terminal voltage of the
図7には、プレ掃引モードにおけるセンサ素子3の端子電圧の最大値Vmax1、通常掃引モードにおけるセンサ素子3の端子電圧の最大値Vmax2、をインピーダンス及び温度との相関関係で示している。この図7に示すように、通常掃引モードにおいては、スイッチSW2をオフ制御したままスイッチSW1をオン継続制御しているため、プレ掃引モードに比較して最大値Vmax2が高くなる。
In FIG. 7, the maximum value Vmax1 of the terminal voltage of the
逆に、プレ掃引モードにおいては、マイコン6はスイッチSW2をオフ制御したままスイッチSW1をオン・オフパルス制御しているため、通常掃引モードの最大値Vmaxに比較して最大値Vmax1を抑制できる。温度Tが比較的低いときにはインピーダンスが比較的高くなるため、センサ素子3の端子電圧も高くなる傾向があるが、図7に示したように、インピーダンスが比較的高いときにはプレ掃引モードにおいてスイッチSW1をオン・オフパルス制御しているため最大値Vmax1を抑制できる。このため、たとえセンサ素子3の端子電圧の定格電圧に対応した規定範囲Vzが予め定められていたとしても、何れのモードにおいてもセンサ素子3の端子電圧の最大値Vmax1、Vmax2を規定範囲Vzに抑えることができる。
On the other hand, in the pre-sweep mode, the
その後、マイコン6は、図8のS26において掃引電圧印加部15によりスイッチSW2をオフ→オン→オフすることでコンデンサ8の蓄積電荷を放電させる(図10のオン期間T4参照)。このとき、スイッチSW2のオン期間T4は、コンデンサ8に蓄積された電荷を全て放電可能にする時間に設定される。すなわちマイコン6は、コンデンサ8の充電時間が長ければ放電時間も長く設定し、充電時間が短ければ放電時間を短く設定する。なおコンデンサ8の放電時間は適宜調整すれば良い。
After that, the
また、マイコン6は、図8のS27においてインピーダンス演算部14によりセンサ素子3のインピーダンスを演算する。ここでは、前述したように電流検出部11の検出電流を用いることなく電圧検出部12による検出電圧に基づいて一意に決定されるインピーダンスをインピーダンス演算部14の演算結果として用いても良いが、インピーダンス演算精度を高めるため、電流検出部11により検出される電流を用いて、電圧検出部12の検出電圧を電流検出部11の検出電流で除算することに応じて極力正確に演算することが望ましい。すなわち、センサ素子3の温度が閾値温度(例えば、450℃)を超えることが想定されるときには、インピーダンスの算出精度は相応に要求されることになるためである。
Further, the
例えば、目標温度範囲(例えば530℃〜720℃)の間の所定目標温度(例えば600℃)とするためには、数Ω、0.数Ω単位の変動を正確に検出しなければ精度よく所定目標温度(例えば600℃)に制御できないが、このようなときには、電流検出部11による検出電流、及び、電圧検出部12による検出電圧を用いてインピーダンスを演算することが望ましい。これによりインピーダンス演算精度を向上できると共に温度Tの推定精度も向上できる。
For example, in order to obtain a predetermined target temperature (for example, 600 ° C.) within a target temperature range (for example, 530 ° C. to 720 ° C.), several Ω,. It is impossible to accurately control to a predetermined target temperature (for example, 600 ° C.) unless a change of several Ω is accurately detected. In such a case, the detection current by the
そしてマイコン6は、図8のS28において演算されたインピーダンスに応じてスイッチSW1のオン期間を設定する。図7に示すように、例えばマイコン6は、インピーダンスが比較的低くセンサ素子3の温度Tが例えば目標温度範囲Tbの中の所定値(例えば所定目標温度又は上限値Tu)よりも高いときには、掃引電圧印加部15によるスイッチSW1のオン期間を短くし、インピーダンスが比較的高く温度Tが目標温度範囲Tbの中の所定値(例えば所定目標温度又は下限値Td)よりも低いときにはスイッチSW1のオン期間を長く設定する。
Then, the
また、マイコン6は、図8のS29においてヒータ制御部17によりヒータ4を例えばオン・オフPWM制御する際のデューティ比を設定する。例えばマイコン6は、温度Tが目標温度範囲Tbの中の所定値(例えば所定目標温度または上限値Tu)よりも高いときには、デューティ比を低く設定し、温度Tが目標温度範囲Tbの中の所定値(例えば所定目標温度または下限値Td)よりも低いときには、デューティ比を高く設定する。
Further, the
またマイコン6は、図2に示すように、電源投入直後でなくても(S1でNO)、仮にセンサ素子3のインピーダンスが所定のインピーダンス値以上となることで(S3でNO)、当該センサ素子3の温度が所定の温度Traよりも低いときには、S2においてプレ掃引モードに切替えて処理を実行する。すなわち、マイコン6は、切替部18による掃引モードの切替処理、及びインピーダンス演算部14によるインピーダンスの演算処理を繰り返すことで、センサ素子3のインピーダンスを目標範囲に調整することができ、当該センサ素子3の温度Tを目標温度範囲Tb、ひいては目標温度範囲Tbの中の所定目標温度に制御できるようになる。
Further, as shown in FIG. 2, even if the
<本実施形態に係る概念的なまとめ>
マイコン6は、掃引電圧印加部15により1つの電源電圧VCCからスイッチSW1を通じてセンサ素子3に電圧を印加しており、そして酸素濃度センサ2のセンサ素子3のインピーダンスに応じて掃引モードを切替えることで、スイッチSW1のオン・オフ制御及びオン制御を選択してセンサ素子3に掃引する電圧を切替えている。このため、駆動用の電源電圧VCCの電圧源を1つにしながらセンサ素子3の印加電圧を調整することでセンサ素子3の温度Tを制御できるようになり、酸素濃度センサ2毎に電源電圧源を用意しなくても良くなる。これにより、電源電圧に様々なバリエーションを要することなく、インピーダンスを演算できる。
<Conceptual summary according to this embodiment>
The
しかも、酸素濃度センサ2のセンサ素子3が活性するための目標温度範囲Tbに早期に到達させることができ、かつ到達後は、一定の目標温度範囲Tbに保持できる。またマイコン6は、インピーダンス演算部14により演算されたインピーダンスに応じて推定部16により酸素濃度センサ2のセンサ素子3の温度Tを推定できる。
Moreover, the target temperature range Tb for activating the
マイコン6が、切替部18により電源投入直後にプレ掃引モードに切替え、掃引電圧印加部15によりスイッチSW1をオン・オフパルス制御してセンサ素子3への印加電圧を変化させるようにしているため、電源投入直後にたとえセンサ素子3のインピーダンスが極端に高くなっていたとしても当該センサ素子3の印加電圧の最大値Vmax1を抑制でき、センサ素子3への印加電圧を規定範囲Vzに抑制できる。
Since the
また、センサ素子3のインピーダンスが所定の第1インピーダンス値Ra以上のときにプレ掃引モードに切替えるようにしているため、センサ素子3の印加電圧の最大値Vmax1を同様に抑制でき、センサ素子3の端子電圧を規定範囲Vzに抑制できる。
Further, since the pre-sweep mode is switched when the impedance of the
センサ素子3のインピーダンスが所定の第1インピーダンス値Raよりも低いときに通常動作モードに切替えるようにしているため、通常動作モードに移行したときにおいてもセンサ素子3の印加電圧の最大値Vmax2が高くなることがなくなり、センサ素子3への印加電圧を規定範囲Vzに抑制できる。このように図1に示したハードウェア構成を利用しつつセンサ素子3への印加電圧を調整できるようになり利便性を向上できる。また、たとえ環境の急激な変化を生じた場合においても、演算されたインピーダンスに応じて制御することでセンサ素子3の端子電圧を規定範囲Vzに抑制できる。
Since the switching to the normal operation mode is performed when the impedance of the
マイコン6がインピーダンス演算部14により電圧検出部12の検出値に応じてインピーダンスを演算するときには、センサ素子3のインピーダンスを素早く演算処理できる。
マイコン6がインピーダンス演算部14により電圧検出部12の検出値と電流検出部11の検出値とに応じてインピーダンスを演算するときには当該インピーダンスを正確に演算でき温度Tを正確に導出できる。
When the
When the
マイコン6は、センサ素子3のインピーダンスが所定のインピーダンス値以上(すなわちRa以上)のときには、ヒータ制御部17によりヒータ4を常時オン制御し、インピーダンス値Raよりも低いときには、ヒータ制御部17によりヒータ4への通電をオン・オフパルス制御するようにしている。このため、インピーダンス値Raに対応した所定の閾値温度Traよりも低温となるときには温度Tを素早く上昇させることができ、目標温度範囲Tbに近接しているときには温度Tを正確に制御できる。
The
(第2実施形態)
図11は第2実施形態の追加説明図を示している。図11は第1実施形態の図7に代わるタイミングチャートを示しているが、ここで第1実施形態と異なるところは、ヒータ4の制御切替条件である。前述実施形態と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 11 shows an additional explanatory diagram of the second embodiment. FIG. 11 shows a timing chart in place of FIG. 7 in the first embodiment. Here, the difference from the first embodiment is the control switching condition of the heater 4. The same parts as those in the previous embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
第1実施形態では、プレ掃引モードではヒータ4を常時オン制御し、通常掃引モードではヒータ4をオン・オフ制御する形態を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図11に示すように、目標温度範囲Tbの下限値Tdを跨いだときに、ヒータ4の常時オン制御とオン・オフ制御とを切り替えるようにしても良い。 In the first embodiment, the heater 4 is always turned on in the pre-sweep mode, and the heater 4 is turned on / off in the normal sweep mode. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 11, when the lower limit value Td of the target temperature range Tb is crossed, the always-on control and the on / off control of the heater 4 may be switched.
特に、酸素濃度センサ2のセンサ素子3の温度が目標温度範囲Tbの下限値Tdより低いときには、目標温度範囲Tbに達するまでヒータ4を常時オン制御することが望ましい。すなわち温度Tとインピーダンス値とを対応づけて説明すると、マイコン6は、インピーダンス演算部14により演算されたセンサ素子3のインピーダンス値が所定の第2インピーダンス値以上(すなわちRaa以上)のときにヒータ制御部17によりヒータ4を常時オン制御し、所定の第2インピーダンス値Raaよりも低いときにヒータ制御部17によりヒータ4をオン・オフパルス(例えばオンオフデューティ)制御すると良い。ここで、図11に示すように、第2インピーダンス値Raaは第1インピーダンス値Raよりも小さい値に設定されている。
In particular, when the temperature of the
逆に、酸素濃度センサ2の温度が目標温度範囲Tbの上限値Tuより高いときには、目標温度範囲Tbに達するまでヒータ4を常時オフ制御するようにしても良い。
本実施形態においても、前述実施形態と同様の作用効果を奏する。また、第2インピーダンス値Raaは第1インピーダンス値Raよりも小さく設定されているため、第2インピーダンス値Raaよりも低い範囲でヒータ4を常時オン制御することでセンサ素子3の温度Tを素早く目標温度範囲Tbに調整できるようになる。
Conversely, when the temperature of the
Also in this embodiment, there exists an effect similar to the above-mentioned embodiment. Further, since the second impedance value Raa is set to be smaller than the first impedance value Ra, the temperature T of the
(他の実施形態)
本開示は、前述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができ、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。例えば以下に示す変形又は拡張が可能である。
(Other embodiments)
The present disclosure is not limited to the above-described embodiment, can be implemented with various modifications, and can be applied to various embodiments without departing from the gist thereof. For example, the following modifications or expansions are possible.
前述実施形態では、イグニッションスイッチ等の電源スイッチがオンされたときに、センサ素子3の温度が温度Tra(例えば400℃)よりも十分に低い値(例えば25℃)となる環境下から上昇する形態を説明したが、これに限定されるものではなく、例えばイグニッションスイッチがオンされて内燃機関が動作し始め、これによりセンサ素子3の温度が十分に高温(例えば600℃)とされた状態から、電源スイッチがオフされ、その後、直ぐに再度オンされたときの動作にも適用できる。
In the above embodiment, when a power switch such as an ignition switch is turned on, the temperature of the
すなわち、例えば第1実施形態の処理内容に照らし合わせて説明すれば、イグニッションスイッチがオフされ再度オンされ再度電源投入されたときにも、電子制御装置101は、図2、図3、図8のフローチャートに基づき処理を行う。このとき電源投入直後の1回目には図2のS2においてプレ掃引モードにて処理するが、マイコン6がS15においてインピーダンスを演算処理した結果、インピーダンスが十分に低く温度Tが十分に高いと判定されたときには、マイコン6は、2回目以降、図2のS3において所定のインピーダンス値よりも低いと判定することになり通常掃引モードにて処理することになる。これにより、前述実施形態と同様の効果が得られる。説明は省略するが、第2実施形態でも同様に適用できる。
That is, for example, in the light of the processing contents of the first embodiment, even when the ignition switch is turned off, turned on again, and turned on again, the
電圧取得部として、センサ素子3の端子電圧を検出する電圧検出部12を適用した形態を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、センサ素子3の端子電圧の分圧抵抗(図示せず)により分圧電圧を取得するようにしても良いし、センサ素子3に生じる電圧に応じて何らかの値(取得値相当)を取得できるのであれば回路はどのように構成しても良い。
Although the configuration in which the
電流取得部として、電流検出抵抗7に流れる電流を検出する電流検出部11を適用した形態を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、センサ素子3に流れる電流に応じて何らかの値(取得値相当)を取得できるのであれば回路はどのように構成しても良い。
Although a mode in which the
また、ヒータ4のオン制御とオン・オフ制御との切替タイミングを、第1実施形態ではプレ掃引モードと通常掃引モードとを切替えるタイミングと一致させると共に、第2実施形態では、目標温度範囲Tbの下限値Tdを跨ぐタイミングと一致させている形態を示しているが、これらは特に一致させる必要はない。すなわち、酸素濃度センサ2のセンサ素子3のインピーダンスの値に応じて定められたタイミングでも良く、また、前述の目標温度範囲Tbの下限値Tdとは独立して定められた所定温度又はこれに対応するインピーダンスの値を跨ぐタイミングを切替タイミングとしても良い。
In addition, the switching timing between the ON control and the ON / OFF control of the heater 4 is made to coincide with the timing of switching between the pre-sweep mode and the normal sweep mode in the first embodiment, and in the second embodiment, the target temperature range Tb is set. Although a form in which the timing crosses the lower limit value Td is shown, these do not need to be particularly matched. That is, the timing determined according to the impedance value of the
推定部16が、インピーダンス演算部14により演算されたインピーダンスに応じて酸素濃度センサ2のセンサ素子3の温度Tを推定するようにした形態を示したが、例えばセンサ素子3のインピーダンスと温度Tとが一意に対応づけられる場合等には温度Tを推定しなくても良く、推定部16は必要に応じて設ければ良い。
Although the
電源電圧VCCの供給端子及びグランドノード間に接続されたスイッチSW1、SW2をオン・オフに切替えることで酸素濃度センサ2のセンサ素子3の印加電圧を変化させる形態を示したが、このスイッチSW1、SW2の回路構成に限定されるものではない。
Although the switch SW1, SW2 connected between the supply terminal of the power supply voltage VCC and the ground node is switched on / off to change the applied voltage of the
マイコン6を構成する機能の一部又は全部を、一つあるいは複数のIC等により構成しても良いし、特にマイコン6以外のロジック回路等により構成しても良い。
特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、本発明の一つの態様として前述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。前述実施形態の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略した態様も実施形態と見做すことが可能である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において、考え得るあらゆる態様も実施形態と見做すことが可能である。
A part or all of the functions constituting the
The reference numerals in parentheses described in the claims indicate the correspondence with the specific means described in the embodiment described above as one aspect of the present invention, and limit the technical scope of the present invention. It is not a thing. An aspect in which a part of the above-described embodiment is omitted as long as the problem can be solved can be regarded as the embodiment. In addition, any conceivable aspect can be regarded as an embodiment as long as it does not depart from the essence of the invention specified by the words described in the claims.
また本発明は、前述した実施形態に準拠して記述したが、本発明は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本発明は、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、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、本開示の範畴や思想範囲に入るものである。 Moreover, although this invention was described based on embodiment mentioned above, it understands that this invention is not limited to the said embodiment and structure. The present invention includes various modifications and modifications within an equivalent range. In addition, various combinations and forms, as well as other combinations and forms including one element, more or less, are within the scope and spirit of the present disclosure.
図面中、101は電子制御装置、2は酸素濃度センサ、3はセンサ素子、4はヒータ、11は電流検出部(電流取得部)、12は電圧検出部(電圧取得部)、14はインピーダンス演算部、15は掃引電圧印加部、16は推定部、17はヒータ制御部、18は切替部、を示す。 In the drawing, 101 is an electronic control device, 2 is an oxygen concentration sensor, 3 is a sensor element, 4 is a heater, 11 is a current detection unit (current acquisition unit), 12 is a voltage detection unit (voltage acquisition unit), and 14 is an impedance calculation. 15, a sweep voltage application unit, 16 an estimation unit, 17 a heater control unit, and 18 a switching unit.
Claims (12)
前記掃引電圧印加部により掃引された印加電圧により前記酸素濃度センサのセンサ素子に生じる電圧に応じて前記センサ素子のインピーダンスを演算するインピーダンス演算部(14)と、
前記複数の掃引モードを切替えることで前記掃引電圧印加部による印加電圧を切替える切替部(18)と、を備える電子制御装置。 The sensor element (3) of the oxygen concentration sensor (2) for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine with a voltage corresponding to any one of the plurality of sweep modes through one power supply voltage source (VCC). ) Sweep voltage application unit (15) to be applied to,
An impedance calculator (14) that calculates the impedance of the sensor element in accordance with the voltage generated in the sensor element of the oxygen concentration sensor by the applied voltage swept by the sweep voltage applying unit;
An electronic control device comprising: a switching unit (18) that switches an applied voltage by the sweep voltage applying unit by switching the plurality of sweep modes.
前記インピーダンス演算部は、前記電圧取得部の取得値に応じてインピーダンスを演算する請求項1から7の何れか一項に記載の電子制御装置。 A voltage acquisition unit (12) for acquiring a value corresponding to the voltage generated in the sensor element;
The electronic control device according to claim 1, wherein the impedance calculation unit calculates an impedance according to an acquired value of the voltage acquisition unit.
前記インピーダンス演算部は、前記電圧取得部の取得値と前記電流取得部の取得値とに応じてインピーダンスを演算する請求項8記載の電子制御装置。 A current acquisition unit (11) for acquiring a value corresponding to the current flowing through the sensor element;
The electronic control device according to claim 8, wherein the impedance calculation unit calculates an impedance according to an acquisition value of the voltage acquisition unit and an acquisition value of the current acquisition unit.
前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第2インピーダンス値以上のときには、前記ヒータ制御部は前記ヒータを常時オン制御し、
前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第2インピーダンス値よりも低いときには、前記ヒータ制御部は前記ヒータへの通電をオン・オフパルス制御する請求項1から9の何れか一項に記載の電子制御装置。 A heater controller (17) for controlling a heater (4) for adjusting the temperature of the sensor element of the oxygen concentration sensor;
When the impedance calculated by the impedance calculation unit is greater than or equal to a predetermined second impedance value, the heater control unit always controls the heater to be on,
10. The heater control unit performs on / off pulse control of energization of the heater when the impedance calculated by the impedance calculation unit is lower than a predetermined second impedance value. 10. Electronic control device.
前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第2インピーダンス値(Ra、Raa)以上のときには、前記ヒータ制御部は前記ヒータを常時オン制御し、
前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第2インピーダンス値よりも低いときには、前記ヒータ制御部は前記ヒータへの通電をオン・オフパルス制御するものであり、
前記第2インピーダンス値は前記第1インピーダンス値よりも低く設定されている請求項5または7記載の電子制御装置。 A heater controller (17) for controlling a heater for adjusting the temperature of the oxygen concentration sensor;
When the impedance calculated by the impedance calculation unit is equal to or greater than a predetermined second impedance value (Ra, Raa), the heater control unit always controls the heater to be on,
When the impedance calculated by the impedance calculation unit is lower than a predetermined second impedance value, the heater control unit controls on / off pulse energization to the heater,
The electronic control device according to claim 5 or 7, wherein the second impedance value is set lower than the first impedance value.
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JP6705397B2 (en) | 2020-06-03 |
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