JP4940172B2 - NOxセンサ制御装置及び車両側制御装置 - Google Patents
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Description
又、NOx濃度を算出するための第2ポンピング電流は酸素濃度依存性を有するため、特許文献3記載の技術では酸素濃度(第1ポンピング電流に基づき算出された酸素濃度)に基づいて第2ポンピング電流を補正しているが、補正に用いる酸素濃度自体のガス圧力依存性が考慮されていない。
従って本発明は、被測定ガスの圧力に応じてNOxと酸素の濃度情報を共に補正し、かつ個々のNOxセンサ毎に異なるセンサ出力の圧力依存性を反映させることで、NOxセンサ1個でNOx濃度と酸素濃度を被測定ガスの圧力変動によらず高精度で得ることができるNOxセンサ制御装置及び車両側制御装置の提供を目的とする。
このような構成とすると、被測定ガスの圧力に応じてNOx及び酸素の濃度情報を補正することができる。又、個々のNOxセンサ毎に、NOx及び酸素の濃度情報の圧力依存性を予め実測しておき、これを酸素圧力補正係数及びNOx圧力補正係数として記憶しておくことで、個々のNOxセンサ毎に異なるNOx及び酸素の濃度情報の圧力依存性を補正に反映し、NOxセンサ1個でNOx濃度と酸素濃度を圧力によらず高精度で得ることができる。
なお、本発明において「NOxの濃度情報」とは、NOx濃度に応じて流れる第2ポンピング電流、及び、第2ポンピング電流に基づいて算出されたNOx濃度換算値を含めたものを指す。従って、本発明では、被測定ガスの圧力に応じてNOxの濃度情報を補正するには、第2ポンピング電流を上記圧力に応じて補正しても良いし、NOx濃度換算値を上記圧力に応じて補正しても良い。また、「酸素の濃度情報」とは、第1ポンピング電流、及び、第1ポンピング電流に基づいて算出された酸素濃度換算値を含めたものを指す。従って、被測定ガスの圧力に応じて酸素の濃度情報を補正するには、第1ポンピング電流を上記圧力に応じて補正しても良いし、酸素濃度換算値を上記圧力に応じて補正しても良い。
このような構成とすると、第2ポンピング電流の酸素濃度依存性を補正する目的で、第2ポンピング電流のほか酸素濃度をも用いてNOx濃度を換算するにあたり、圧力補正後の酸素濃度を用いるため、酸素濃度の圧力変化による影響がなく、より精度の高い酸素濃度依存性の補正を実行することができ、結果として高精度のNOx濃度換算値が得られる。
このような構成とすると、酸素圧力補正係数やNOx圧力補正係数の値をNOxセンサ制御装置側に記憶させる処理が不要となる。そして、NOxセンサの出荷時検査又は製造検査に伴って、酸素圧力補正係数やNOx圧力補正係数をNOxセンサ側の記憶手段に記憶すればよいので、これらの係数を別の作業で測定する必要がなく、作業負担が軽減する。なお、NOxセンサ側に設けられる記憶媒体は、当該記憶媒体が熱害を受けにくい部分であればいずれの部位に設けられても良いが、例えばNOxセンサのうちでNOxセンサ制御装置に接続するためのコネクタの内部又は近傍に設けるようにすればよい。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るNOxセンサ制御装置(NOx検出装置)10の構成を示すブロック図である。この実施形態は、排気ガスの圧力に応じ、NOx検出装置10が酸素濃度換算値及びNOx濃度換算値の圧力補正を行う例である。
NOx検出装置10は図示しない内燃機関(以下、エンジンともいう)を備える車両に搭載され、NOxセンサ100が有するコネクタ180に電気的に接続されている。コネクタ180内には、後述するNOxセンサ100毎に設定される各種係数を格納するROM等からなる半導体メモリ(記憶手段)181が搭載されている。
又、NOx検出装置10は、車両側制御装置(以下、適宜「ECU」という)200に電気的に接続されている。
ECU200は、ECU側CPU(中央演算処理装置)201、RAM202、ROM203、信号入出力部204、及び図示しないクロックを備え、ROM等に予め格納されたプログラムがCPUにより実行される。
制御回路58は、詳しくは後述する基準電圧比較回路51、Ip1ドライブ回路52、Vs検出回路53、Icp供給回路54、Ip2検出回路55、Vp2印加回路56、ヒータ駆動回路57を備える。制御回路58は、NOxセンサ100を制御すると共に、NOxセンサ100に流れる第1ポンピング電流、第2ポンピング電流を検出してマイクロコンピュータ60に出力する。
NOxセンサ素子101は、第1固体電解質層111、絶縁層140、第2固体電解質層121、絶縁層145、第3固体電解質層131、及び絶縁層162、163をこの順に積層した構造を有する。第1固体電解質層111と第2固体電解質層121との層間に第1測定室150が画成され、第1測定室150の左端(入口)に配置された第1拡散抵抗体151を介して外部から被測定ガスGMが導入される。
第1測定室150のうち入口と反対端には第2拡散抵抗体152が配置され、第2拡散抵抗体152を介して第1測定室150の右側には、第1測定室150と連通する第2測定室(本発明の「NOx測定室」に相当)160が画成されている。第2測定室160は、第2固体電解質層121を貫通して第1固体電解質層111と第3固体電解質層131との層間に形成されている。
絶縁層140,145はアルミナを主体とし、第1拡散抵抗体151及び第2拡散抵抗体152はアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ164は白金等からなる。
なお、絶縁層145は、第2固体電解質層121に接する基準電極123が内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室170を形成している。そして、酸素濃度検出セル120にIcp供給回路54を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第1測定室150から基準酸素室170内に送り込み、酸素基準とする。
なお、第2ポンピング対電極132は、第3固体電解質層131上における絶縁層145の切り抜き部に配置され、基準電極123に対向して基準酸素室170に面している。
Ip1ドライブ回路52は、内側第1ポンピング電極113及び外側第1ポンピング電極112の間に第1ポンピング電流Ip1を供給しつつ、その際の第1ポンピング電流Ip1を検出する。
Vs検出回路53は、検知電極122及び基準電極123の間の電圧Vsを検出し、検出結果を基準電圧比較回路51に出力する。
基準電圧比較回路51は、基準電圧(例えば、425mV)とVs検出回路53の出力とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路52に出力する。そして、Ip1ドライブ回路52は、Vsが上記基準電圧に等しくなるようにIp1電流を制御し、第1測定室150内の酸素濃度をNOxが分解しない程度に調整する。
Icp供給回路54は、検知電極122及び基準電極123の間に微弱な電流Icpを流し、酸素を第1測定室150から基準酸素室170内に送り込み、基準電極123を基準となる所定の酸素濃度に晒させる。
Vp2印加回路56は、内側第2ポンピング電極133及び第2ポンピング対電極132の間に、被測定ガスGN中のNOxガスが酸素とN2ガスに分解する程度の一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加し、NOxを窒素と酸素に分解する。
Ip2検出回路55は、NOxの分解により生じた酸素が第2測定室160から汲み出されるように第2ポンピングセル130に流れる第2ポンピング電流Ip2を検出する。
A/Dコンバータ65はこれらの値をデジタル変換し、信号入出力部64を介してCPU61に出力する。
このとき、第1測定室150内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル120の電極間電圧(端子間電圧)Vsに対応したものとなるため、この電極間電圧Vsが上記基準電圧になるように、Ip1ドライブ回路52が第1ポンピングセル110に流れる第1ポンピング電流Ip1を制御し、第1測定室150内の酸素濃度をNOxが分解しない程度に調整する。
図2は、NOxセンサにおいて、被測定ガスGMの圧力を変動させた時に検出される第2ポンピング電流Ip2をもとに、所定の演算式に基づいて換算したNOx濃度の挙動を示す(図2(a))。このことから、被測定ガスGMの圧力が変化すると、NOx濃度の換算値が同じNOxセンサであっても変化することが分かる。
又、NOxセンサは製造バラツキに起因して第1拡散抵抗体151の拡散抵抗の度合がまちまちとなるため、被測定ガスGMの圧力が同一の条件下でも、図2(a)に示すように、個々のNOxセンサS1〜S4毎にNOx濃度の換算値が比較的大きなズレを示す。なお、図2(a)では、この第1拡散抵抗体151の拡散抵抗の度合のばらつきに対して、基準圧力(大気圧P0;図2の矢印)でのみNOx濃度の換算値が揃うように補正しているため、基準圧力でのNOx濃度の換算値は、NOxセンサS1〜S4のいずれも同じ値を示している。
そのため、NOx濃度の圧力変化を一律に補正すると(個々のNOxセンサに同一の補正式や補正量を適用すると)、個々のNOxセンサ毎の製造バラツキが考慮されていないために補正の度合が変わり、NOx濃度換算値が一定とならない。
そこで、第1の実施形態では、後述するように、個々のNOxセンサ毎に設定したNOx圧力補正情報、及び、圧力センサ300から得られる被測定ガスGMの圧力情報を用いてNOx濃度の圧力変化を補正することで、個々のNOxセンサの製造バラツキに起因した第2ポンピング電流Ip2の値(即ち、NOx濃度換算値)のバラツキを補償し、且つ、被測定ガスGMの圧力変動による、NOx濃度換算値のバラツキをも補償するようにしている。こうすることで、同じNOx濃度の条件下でも、NOxセンサの製造バラツキ及び被測定ガスGMの圧力変動に起因して、NOx濃度がずれることが抑制され(図2(b))、NOx濃度を精度良く検出することができる。
第1ポンピング電流に基づいて所定の演算式のもと算出(換算)される酸素濃度についても、同様に個々のNOxセンサ毎に酸素圧力補正情報を設定し、この酸素圧力補正情報及び圧力センサ300から得られる被測定ガスGMの圧力情報を用いて圧力補正を行う。
但し、圧力補正の方法は、式1のような関数を用いることに限定されず、例えば、圧力範囲毎に補正量が割当てられたマップを用いてもよい。
なお、第2ポンピング電流Ip2は被測定ガス中のNOx濃度と一定の関係を有するため、第2ポンピング電流Ip2から圧力Pでの補正前NOx濃度NOxpを計算することができる。マイクロコンピュータ60は、ROM63からIp2と被測定ガス中のNOx濃度との関係式を読み出してこの計算を行う。
なお、3点以上の既知のガス圧力下で測定した場合は、k1を所定の曲線、又は圧力範囲毎に係数が割当てられたマップとして設定してもよい。
なお、第1ポンピング電流Ip1は被測定ガス中の酸素濃度と一定の関係を有するため、第1ポンピング電流Ip1から圧力Pでの補正前酸素濃度Opを計算することができる。具体的には、マイクロコンピュータ60にて、ROM63から第1ポンピング電流Ip1と被測定ガス中の酸素濃度との関係式を読み出してこの計算を行う。
まず、マイクロコンピュータ60は、NOxセンサ100のコネクタ180に搭載されている半導体メモリ181にアクセスし、半導体メモリ181内の酸素圧力補正係数(k2)を取得する(ステップS2)。同様に、マイクロコンピュータ60は半導体メモリ181にアクセスし、半導体メモリ181内のNOx圧力補正係数(k1)を取得する(ステップS4)。
又、マイクロコンピュータ60は、ECU200を介して、被測定ガスの圧力(圧力情報)を取得する(ステップS6)。
そして、マイクロコンピュータは、ROM63から第1ポンピング電流Ip1と被測定ガスの酸素濃度との関係式を読み出して、圧力補正前の酸素濃度(酸素濃度換算値)Opを算出する(ステップS11)。
次に、マイクロコンピュータ60は、ステップS2及びS6で取得した酸素圧力補正係数及び被測定ガスの圧力を式2に代入し、圧力補正後の酸素濃度Op0を算出する(ステップS12)。ここで、Op0は、圧力P0(大気圧)での値に換算されたものである。
そして、マイクロコンピュータ60は、算出した酸素濃度Op0を、信号入出力部64を介してECU200に出力(送信)する(ステップS14)。
そして、マイクロコンピュータは、ROM63から第2ポンピング電流Ip2と被測定ガスのNOx濃度との関係式を読み出して、圧力補正前のNOx濃度(NOx濃度換算値)NOxpを算出する(ステップS19)。
次に、マイクロコンピュータ60は、ステップS4及びS6で取得したNOx圧力補正係数及び被測定ガスの圧力を式1に代入し、圧力補正後のNOx濃度NOxp0を算出する(ステップS20)。ここで、NOxp0は、圧力P0(大気圧)での値に換算されたものである。
そして、マイクロコンピュータ60は、算出したNOx濃度NOxp0を、信号入出力部64を介してECU200に出力(送信)する(ステップS22)。
さらに、酸素圧力補正係数及びNOx圧力補正係数をNOxセンサ側(の半導体メモリ)に記憶しておく場合、酸素圧力補正係数やNOx圧力補正係数の値をNOxセンサ制御装置側に記憶させる処理が不要である。そして、NOxセンサの出荷時検査に伴って、酸素圧力補正係数やNOx圧力補正係数をNOxセンサ側の半導体メモリに記憶すればよいので、これらの係数を別の作業で測定する必要がなく、作業負担が軽減する。
ところで、第1の実施形態で説明したNOxセンサでは、被測定ガス中のNOx濃度及び圧力が一定であっても、被測定ガス中の酸素濃度が変動するとそれに伴い第2ポンピング電流Ip2が変化する、という酸素濃度依存性が少なからず存在する(図5(a))。そのため、NOx濃度の検出精度をより高めるには、上述した圧力依存性に加えてこの酸素濃度依存性をも考慮した補正することが望ましい。
そこで、第1ポンピング電流Ip1に基づいて求められる圧力補正前の酸素濃度換算値を用いて、上記の式1のもとで求められたNOx濃度換算値を補正することが考えられるが、圧力補正前の酸素濃度換算値自体が被測定ガスの圧力変動の影響を受けているため、精度の良い酸素濃度依存性の補正を行っているとはいえない。
第2の実施形態の場合、図4のステップS20とS22の間に、新たなステップS30を行うこと以外は第1の実施形態と同様である。ここで、ステップS30において、マイクロコンピュータ60は、ステップS12で算出された圧力補正後の酸素濃度Op0をキーとしつつマイクロコンピュータに記憶された上記の関係式又はマップを用いて、圧力補正後のNOxp0を補正する。そして、ステップS22にて、酸素濃度依存性を補正した圧力補正後のNOxp0を、信号入出力部64を介してECU200に出力(送信)する。
なお、本発明の実施形態において、圧力補正を除き、第1ポンピング電流Ip1から酸素濃度を換算する方法や第2ポンピング電流Ip2からNOx濃度を換算する方法、NOx検出装置10の制御回路58の構成や回路配置については、特開平11−23528号公報や特開平11−304758号公報に記載されているものと同様である。
又、信号入出力部204が本発明の「受信手段」を構成し、ECU側CPU201が本発明の「酸素濃度算出手段」及び「NOx濃度算出手段」を構成する。
まず、ECU側CPU201は、マイクロコンピュータ60を介して半導体メモリ181にアクセスし、メモリ181内の酸素圧力補正係数(k2)を取得する(ステップS2)。同様に、ECU側CPU201は、半導体メモリ181内のNOx圧力補正係数(k1)を取得する(ステップS4)。
又、ECU側CPU201は、圧力センサ300から被測定ガスの圧力情報を取得する(ステップS6)。
そして、ECU側CPU201は、ROMから第1ポンピング電流Ip1と被測定ガスの酸素濃度との関係式を読み出して、圧力補正前の酸素濃度(酸素濃度換算値)Opを算出する(ステップS11)。
次に、ECU側CPU201は、ステップS2及びS6で取得した酸素圧力補正係数及び被測定ガスの圧力を上記の式2に代入し、圧力補正後の酸素濃度Op0を算出する(ステップS12)。ここで、Op0は、圧力P0(大気圧)での値に換算されたものである。なお、第1ポンピング電流Ip1は被測定ガス中の酸素濃度と一定の関係を有するため、第1ポンピング電流Ip1から圧力Pでの補正前酸素濃度Opを計算することができる。ECU側CPU201は、所定のROMから第1ポンピング電流Ip1と被測定ガス中の酸素濃度との関係式を読み出してこの計算を行う。
そして、ECU側CPU201は、ROMから第2ポンピング電流Ip1と被測定ガスのNOx濃度との関係式を読み出して、圧力補正前のNOx濃度(NOx濃度換算値)NOxpを算出する(ステップS19)。
次に、ECU側CPU201は、ステップS4及びS6で取得したNOx圧力補正係数及び被測定ガスの圧力を上記の式1に代入し、圧力補正後のNOx濃度NOxp0を算出する(ステップS20)。ここで、NOxp0は、圧力P0(大気圧)での値に換算されたものである。なお、第2ポンピング電流Ip2は被測定ガス中のNOx濃度と一定の関係を有するため、第2ポンピング電流Ip2から圧力Pでの補正前NOx濃度NOxpを計算することができる。ECU側CPU201は、所定のROMから第2ポンピング電流Ip2と被測定ガス中のNOx濃度との関係式を読み出してこの計算を行う。
なお、ECU側CPU201が外部に対して酸素濃度及びNOx濃度を出力する必要がない場合には、図4及び図6において、ステップS14及びS22を省略しても良い。
52 Ip1ドライブ回路(第1ポンピング電流検出回路)
55 Ip2検出回路(第2ポンピング電流検出回路)
60 マイクロコンピュータ(酸素濃度算出手段、NOx濃度算出手段)
100 NOxセンサ
110 第1ポンピングセル
112、113 第1電極
130 第2ポンピングセル
150 第1測定室
160 NOx測定室
181 記憶手段
200 車両側制御装置
201 車両側CPU(酸素濃度算出手段、NOx濃度算出手段)
204 受信手段(信号入出力部)
GM 被測定ガス
Ip1 第1ポンピング電流
Ip2 第2ポンピング電流
Claims (5)
- 第1測定室の内部と外部に設けられた一対の第1電極を有すると共に、前記第1測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、前記第1測定室内の酸素濃度を調整する第1ポンピングセルと、前記第1測定室に連通するNOx測定室の内部と外部に設けられた一対の第2電極を有すると共に、前記第1測定室から前記NOx測定室に流入した酸素濃度が調整された被測定ガス中のNOx濃度に応じた第2ポンピング電流が前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピングセルとを備えたNOxセンサに接続され、
前記第1ポンピングセルの前記一対の第1電極間に流れる第1ポンピング電流を検出する第1ポンピング電流検出手段と、
前記第2ポンピングセルの前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピング電流を検出する第2ポンピング電流検出手段と、
前記第1ポンピング電流と、個々の前記NOxセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報と、外部より入力される被測定ガスの圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、
前記第2ポンピング電流と、個々の前記NOxセンサ毎に設定されるNOx圧力補正情報と、前記圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後NOx濃度を算出するNOx濃度算出手段とを備えたNOxセンサ制御装置。 - 前記NOx濃度算出手段は、前記第2ポンピング電流と、前記NOx圧力補正情報と、前記圧力情報と、前記酸素濃度算出手段が算出した前記圧力補正後酸素濃度に基づき、被測定ガス中の圧力補正後NOx濃度を算出する請求項1記載のNOxセンサ制御装置。
- 前記酸素圧力補正情報及び前記NOx圧力補正情報は、個々の前記NOxセンサ側に設けられた記憶手段に格納されている請求項1又は2記載のNOxセンサ制御装置。
- 第1測定室の内部と外部に設けられた一対の第1電極を有すると共に、前記第1測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、前記第1測定室内の酸素濃度を調整する第1ポンピングセルと、前記第1測定室に連通するNOx測定室の内部と外部に設けられた一対の第2電極とを有すると共に、前記第1測定室から前記NOx測定室に流入した酸素濃度が調整された被測定ガス中のNOx濃度に応じた第2ポンピング電流が前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピングセルとを備えたNOxセンサにNOxセンサ制御装置が接続され、該NOxセンサ制御装置との間で通信する車両側制御装置であって、
前記NOxセンサ制御装置は、前記第1ポンピングセルの前記一対の第1電極間に流れる第1ポンピング電流を検出する第1ポンピング電流検出手段と、前記第2ポンピングセルの前記一対の第2電極間に流れる第2ポンピング電流を検出する第2ポンピング電流検出手段とを備え、
前記車両側制御装置は、前記第1ポンピング電流、前記第2ポンピング電流、個々の前記NOxセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報、及び個々の前記NOxセンサ毎に設定されるNOx圧力補正情報を前記NOxセンサ制御装置から受信する受信手段と、
前記第1ポンピング電流と、個々の前記NOxセンサ毎に設定される酸素圧力補正情報と、外部より入力される被測定ガスの圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後酸素濃度を算出する酸素濃度算出手段と、
前記第2ポンピング電流と、個々の前記NOxセンサ毎に設定されるNOx圧力補正情報と、前記圧力情報とに基づき、被測定ガス中の圧力補正後NOx濃度を算出するNOx濃度算出手段とを備えた車両側制御装置。 - 前記NOx濃度算出手段は、前記第2ポンピング電流と、前記NOx圧力補正情報と、前記圧力情報と、前記酸素濃度算出手段が算出した前記圧力補正後酸素濃度に基づき、被測定ガス中の圧力補正後NOx濃度を算出する請求項4記載の車両側制御装置。
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