JP6668218B2 - ガスの圧力測定装置及びガスの圧力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関や燃料電池からの排気ガス等の被測定ガスの圧力測定装置及び圧力測定方法に関する。

自動車等の内燃機関、焼却炉等の工業炉、燃料電池、発電プラント、及び化学プラント等で、ガスの圧力を測定したい場合がある。
例えば、エンジンの吸気管に酸素センサを取り付けて吸気中の酸素濃度を測定する際、酸素センサの出力の圧力依存性を補正するため、限界電流式の酸素センサの近くに圧力センサを取付けてガスの圧力を測定する技術が開発されている（特許文献１）。
限界電流式の酸素センサは、酸素イオン透過性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成したセルを設け、このセルに所定の拡散抵抗下で被測定ガスを導入する。これによりセルが酸素濃淡電池となって上記拡散抵抗での酸素分圧に応じた起電力を生じ、この起電力から酸素濃度を検出することができる。
ところが、被測定ガスの圧力が増えると酸素分圧も増えるため、上記拡散抵抗下での拡散が同じ酸素濃度でも通常より大きくなり、センサ出力も増えてしまう。そこで、被測定ガスの圧力を圧力センサで測定し、センサ出力の圧力依存性を補正している。

特開平１０−１７６５７７号公報

しかしながら、ダイヤフラムや歪ゲージを用いた一般の圧力センサ（素子）は耐熱性が１００℃程度と低く、エンジンの排気ガス等の高温ガスの圧力を測定することが難しいという問題がある。
従って、このような場合、高温ガスの測定場所から分岐管を伸ばし、分岐管の先に圧力センサを取り付けて室温環境で圧力測定を行うが、測定場所の真の圧力でなく、又、測定場所の温度下の圧力でない点で、測定精度が高いとはいえない。又、分岐管を設けることが困難な場合には、測定自体ができなくなったり、耐熱金属製の特殊な圧力センサを使用する必要が生じる。
そこで、本発明は、高温のガスであっても圧力を測定可能なガスの圧力測定装置及びガスの圧力測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスの圧力測定装置は、被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力値を出力する酸素センサと、所定期間における前記出力値の平均値、若しくは所定期間における前記出力値の最大値と最小値の間の値、又は、これらの値を酸素濃度に変換した変換値を、平均酸素濃度値として算出するように構成された平均酸素濃度値算出手段と、酸素濃度毎に予め求めたガスの圧力と、前記酸素センサの前記出力値又は当該出力値を酸素濃度に変換した第２の変換値との関係の群の中から、前記平均酸素濃度値に対応する酸素濃度における一の関係を抽出し、圧力測定時における前記出力値と当該一の関係から、前記被測定ガスの圧力を算出するように構成された圧力算出手段と、を備えてなる。
このガスの圧力測定装置によれば、高温の排気ガス等を測定可能な酸素センサを用い、酸素センサの出力値が圧力に依存して変化することから、逆に被測定ガスの圧力を算出するので、高温のガスであっても圧力を測定できる。
特に、圧力センサ用に分岐管を伸ばして室温で圧力測定を行う必要がないので、測定精度が向上すると共に、耐熱金属製の特殊な圧力センサ等を使用する必要がなく、費用も安価となる。

本発明のガスの圧力測定装置において、さらに、前記圧力測定時における前記出力値を酸素濃度に変換するように構成された酸素濃度算出手段を備えてもよい。
このガスの圧力測定装置によれば、所定の場所の酸素濃度と圧力とを、１つの測定機器（酸素センサ）にて同時に測定することができ、簡単な設備で酸素濃度と圧力の測定精度を向上させることができる。

本発明のガスの圧力測定方法は、被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力値を出力する酸素センサを用い、所定期間における前記出力値の平均値、若しくは所定期間における前記出力値の最大値と最小値の間の値、又は、これらの値を酸素濃度に変換した変換値を、平均酸素濃度値として算出する平均酸素濃度値算出過程と、酸素濃度毎に予め求めたガスの圧力と、前記酸素センサの前記出力値又は当該出力値を酸素濃度に変換した第２の変換値との関係の群の中から、前記平均酸素濃度値に対応する酸素濃度における一の関係を抽出し、圧力測定時における前記出力値と当該一の関係から、前記被測定ガスの圧力を算出する圧力算出過程と、を有する。
このガスの圧力測定方法によれば、高温の排気ガス等を測定可能な酸素センサを用い、酸素センサの出力値が圧力に依存して変化することから、逆に被測定ガスの圧力を算出するので、高温のガスであっても圧力を測定できる。
特に、圧力センサ用に分岐管を伸ばして室温で圧力測定を行う必要がないので、測定精度が向上すると共に、耐熱金属製の特殊な圧力センサ等を使用する必要がなく、費用も安価となる。

本発明のガスの圧力測定方法において、さらに、前記圧力測定時における前記出力値を酸素濃度に変換する酸素濃度算出過程を有してもよい。
このガスの圧力測定方法によれば、所定の場所の酸素濃度と圧力とを、１つの測定機器（酸素センサ）にて同時に測定することができ、簡単な設備で酸素濃度と圧力の測定精度を向上させることができる。

この発明によれば、高温のガスであっても圧力を測定することができる。

本発明の実施形態に係るガスの圧力測定装置のブロック図である。 酸素センサ（センサ素子）の軸線方向に直交する断面図である。 マップに記憶された、ガスの圧力と酸素センサの出力値との関係を示す模式図である。 平均酸素濃度値を算出する方法を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスの圧力測定装置５０のブロック図である。
内燃機関であるエンジン１１の排気管１２には、排気ガス（特許請求の範囲の「被測定ガス」に相当）中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を低減させる三元触媒等の触媒１３が設けられ、この触媒１３の上流側に、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１０が設けられている。
ガスの圧力測定装置５０は、エンジン運転中に酸素センサ１０の出力値を読み込んで排気ガスの圧力を測定すると共に、この出力値から排気ガスの酸素濃度を算出して空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量をフィードバック制御する。
ガスの圧力測定装置５０は、酸素センサ１０と、制御部３０とを有しており、ＥＣＵに組み込まれている。

酸素センサ１０は軸線方向に延びると共に、図２に示すように、例えば酸素イオン透過性のジルコニア固体電解質体の表面に一対の電極を形成したセルを２つ以上備え、セルからの出力に基づいて酸素濃度を算出可能なセンサ素子（図示せず）を有しており、限界電流式のセンサになっている。
具体的には、センサ素子は、２つのセル１３０、１４０を有している。
このうち、セル１４０は固体電解質層１０９の両面に形成された電極１０８、１１０を有し、電極１１０は多孔質層１１３を介して外部との間で排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素ポンプセルとなっている。
センサ素子の内部には測定室１０７が形成され、測定室１０７は所定の拡散抵抗を有する多孔質の拡散抵抗体１１５を介して外部から被測定ガスが導入される。
一方、セル１３０は、測定室１０７に面して測定室１０７内の排気ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧（起電力）を出力する酸素濃度検出セルとなっている。そして、この出力電圧が一定となるように酸素ポンプセル１４０に電圧（Ｖｐ電圧）を印加してポンプ電流Ｉｐを流し、該ポンプ電流Ｉｐに応じた排気ガス中の酸素濃度を検出するようになっている。
又、センサ素子を早期に活性化するため、センサ素子にはヒータが配置されている。

一方、制御部３０は、酸素センサ１０の出力値を検出する出力値検出回路３１と、後述するマップ３２と、平均酸素濃度値算出手段３４と、圧力算出手段３６と、エンジン制御手段３７と、出力値の圧力補正を行う出力値補正手段３８と、出力値を酸素濃度に変換する酸素濃度算出手段３９とを備える。
制御部３０は、ＣＰＵ（中央制御装置）、ＲＡＭ，ＲＯＭ等を備えたマイクロコンピュータと、所定のアナログ回路とから構成された電子制御ユニット（ＥＣＵ）となっており、ＲＯＭに格納されたコンピュータプログラムをＣＰＵが実行することで、後述する各種処理を行う。
具体的には、出力値検出回路３１はアナログ回路として構成され、平均酸素濃度値算出手段３４、圧力算出手段３６、エンジン制御手段３７、出力値補正手段３８、酸素濃度算出手段３９は、ＲＯＭに格納されたコンピュータプログラムを実行するＣＰＵとして実現される。また、マップ３２は、マイクロコンピュータとは別に設けられた記憶媒体として構成される。

図３に示すように、マップ３２は、ガス中の酸素濃度（酸素分圧に相当）毎に予め測定して求めたガスの圧力と、酸素センサ１０の出力値又はこの値を酸素濃度に変換した変換値との関係を複数記憶してなる。
上述のように、限界電流式の酸素センサ１０においては、ガスの圧力が増えるほど出力値も増えるので、出力値に対してガスの圧力が右上がりとなっている。又、ガス中の酸素濃度が多いほど、出力値は大きくなる。
従って、ガス中の酸素濃度毎に、ガスの圧力と、酸素センサ１０の出力値（変換値）との関係が得られることになる。なお、図３では、出力値とガスの圧力が比例する（直線上にある）よう模式的に表したが、両者の関係は曲線であってもよい。
又、マップの代わりに、ガス中の酸素濃度毎に、ガスの圧力と、酸素センサ１０の出力値（変換値）との関係式を用いてもよい。

次に、制御部３０による処理について説明する。
図４は、平均酸素濃度値算出手段３４が平均酸素濃度値を算出する方法を示す模式図である。まず、排気管１２内の排気ガスの圧力は時間とともに変動するため、図４に示すように、時間とともに酸素センサ１０の出力値も変動する。但し、この間、排気ガス中の酸素濃度は大きく変動しないと考えられるので、酸素センサ１０の出力値を平均化した値は排気ガス中の実際の酸素濃度に近いと考えられる。
そこで、平均酸素濃度値算出手段３４は、所定期間Ｌ１における酸素センサ１０の出力値を積算して平均値を採るか、又は所定期間Ｌ１における出力値の最大値Ｍａｘと最小値Ｍｉｎの間の値（中間値等）を、平均酸素濃度値として算出する。出力値を酸素濃度に変換した変換値を、平均酸素濃度値としてもよい。
なお、酸素センサ１０の出力値の振幅は一定とは限らず、振幅が大きく変わることもあるので、出力値の最大値Ｍａｘと最小値Ｍｉｎを用いるよりは、所定期間Ｌ１における平均値を用いる方がよい。

次に、圧力算出手段３６は、算出された平均酸素濃度値ＡＶに基づき、マップ３２を参照し、平均酸素濃度値ＡＶに対応する酸素濃度におけるガスの圧力と、酸素センサ１０の出力値との関係（一の関係）を抽出する。例えば、ＡＶ＝酸素濃度１０％である場合、図３の「Ｏ_２＝１０％」に関係Ｆ２を抽出する。
そして、圧力算出手段３６は、関係Ｆ２に基づき、所定期間Ｌ１の以後の圧力測定時における酸素センサ１０の出力値（ここでは、所定期間Ｌ１の最後の時間ｔ１の出力値Ａ１）に対応するガスの圧力Ｂ１を算出し、適宜外部装置へ出力する。
なお、一般に出力値検出回路３１は、酸素センサ１０の出力値を連続でなく、所定時間毎に離散的に取得する。

なお、所定期間Ｌ１の酸素センサ１０の出力値から平均酸素濃度値ＡＶを求めた後、実際の圧力測定時における酸素センサ１０の出力値として、所定期間Ｌ１から時間が経ち過ぎたときの値を用いて圧力を算出すると、正確性を欠く可能性がある。
従って、図４に示すように、所定期間Ｌ１の最後の時間ｔ１の出力値Ａ１、又は所定期間Ｌ１の経過した直後の時間ｔ２の出力値Ａ２を用いて圧力を算出することが好ましい。
又、所定期間Ｌ１から時間が経ってから圧力を測定したい場合に、平均酸素濃度値として所定期間Ｌ１における値を用いると、その後の状況を反映せずに正確性を欠く可能性がある。
従って、図４に示すように、例えば、時間ｔ２の出力値Ａ２を用いて圧力を算出したい場合には、この時間ｔ２に最も近い所定期間Ｌ２（この例では、時間ｔ２が所定期間Ｌ２の最後）における平均酸素濃度値を用いるのがよい。

以上のように、本実施形態によれば、高温の排気ガス等を測定可能な酸素センサを用い、酸素センサの出力値が圧力に依存して変化することから、逆に被測定ガスの圧力を算出するので、高温のガスであっても圧力を測定できる。
特に、圧力センサ用に分岐管を伸ばして室温で圧力測定を行う必要がないので、測定精度が向上すると共に、耐熱金属製の特殊な圧力センサを使用する必要がなく、費用も安価となる。

又、図１に示すように、本実施形態においては、酸素濃度算出手段３９が、圧力測定時における出力値を酸素濃度に変換し、適宜外部装置へ出力することができる。これにより、所定の場所の酸素濃度と圧力とを、１つの測定機器（酸素センサ）にて同時に測定することができ、簡単な設備で酸素濃度と圧力の測定精度を向上させることができる。
具体的には、出力値補正手段３８は、出力値検出回路３１からもとの出力値（例えばＡ１）を取得すると共に、圧力算出手段３６からＡ１における圧力Ｂ１を取得する。この圧力Ｂ１から逆に、マップ３２を用いて出力値Ａ１を基準圧力（例えば大気圧）における出力値Ａ１'に補正する。そして、酸素濃度算出手段３９はこの補正値を取得し、基準圧力における酸素濃度を算出する。
なお、酸素濃度算出手段３９は、算出した酸素濃度をエンジン制御手段３７に出力し、エンジン制御手段３７はこの酸素濃度から空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量をフィードバック制御する。

本発明のガスの圧力測定方法は、上記した平均酸素濃度値算出手段３４の処理を行う平均酸素濃度値算出過程と、圧力算出手段の処理を行う圧力算出過程とを有する。さらに、酸素濃度算出手段の処理を行う酸素濃度算出過程を有してもよい。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、所定期間として、エンジンのクランク角が０〜３６０度の一周期を用いてもよい。
又、上記実施形態では、本発明のガスの圧力測定装置５０をＥＣＵに組み込んだ構成としたが、ＥＣＵとは別体にしてガスの圧力測定装置を設けても良い。つまり、酸素センサ１０とＥＣＵとの間に、上述の各種処理を実行可能なマイクロコンピュータ及びアナログ回路を回路基板に搭載した別体のガスの圧力測定装置を設置しても良い。
被測定ガスの種類や温度も限定されない。

１０ 酸素センサ
３４ 平均酸素濃度値算出手段
３６ 圧力算出手段
３９ 酸素濃度算出手段
５０ ガスの圧力測定装置
Ａ１、Ａ２ 出力値
Ｌ１，Ｌ２ 所定期間
ＡＶ 平均酸素濃度値
Ｆ１〜Ｆ３ 関係の群
Ｆ２ 一の関係
Ｍａｘ 出力値の最大値
Ｍｉｎ 出力値の最小値

Claims (4)

1. 被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力値を出力する酸素センサと、
   所定期間における前記出力値の平均値、若しくは所定期間における前記出力値の最大値と最小値の間の値、又は、これらの値を酸素濃度に変換した変換値を、平均酸素濃度値として算出するように構成された平均酸素濃度値算出手段と、
   酸素濃度毎に予め求めたガスの圧力と、前記酸素センサの前記出力値又は当該出力値を酸素濃度に変換した第２の変換値との関係の群の中から、前記平均酸素濃度値に対応する酸素濃度における一の関係を抽出し、圧力測定時における前記出力値と当該一の関係から、前記被測定ガスの圧力を算出するように構成された圧力算出手段と、
   を備えたガスの圧力測定装置。
2. さらに、前記圧力測定時における前記出力値を酸素濃度に変換するように構成された酸素濃度算出手段を備えた請求項１に記載のガスの圧力測定装置。
3. 被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力値を出力する酸素センサを用い、
   所定期間における前記出力値の平均値、若しくは所定期間における前記出力値の最大値と最小値の間の値、又は、これらの値を酸素濃度に変換した変換値を、平均酸素濃度値として算出する平均酸素濃度値算出過程と、
   酸素濃度毎に予め求めたガスの圧力と、前記酸素センサの前記出力値又は当該出力値を酸素濃度に変換した第２の変換値との関係の群の中から、前記平均酸素濃度値に対応する酸素濃度における一の関係を抽出し、圧力測定時における前記出力値と当該一の関係から、前記被測定ガスの圧力を算出する圧力算出過程と、
   を有するガスの圧力測定方法。
4. さらに、前記圧力測定時における前記出力値を酸素濃度に変換する酸素濃度算出過程を有する請求項３に記載のガスの圧力測定方法。

Images