JP6683956B2 - ガス検出装置 - Google Patents
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Description
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧印加部(81)と、
前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流である出力電流(Im)を検出する電流検出部(91)と、
前記電圧印加部を用いて前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧である印加電圧を制御すると共に前記電流検出部を用いて前記出力電流を取得し、前記取得した出力電流に基づいて、前記排気中に所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの判定又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の検出を行う測定制御部(20)と、
前記第1電極と前記第2電極との間に高周波電圧を印加することによって前記素子部のインピーダンスを検出する素子インピーダンス検出部(81、89)と、
供給される電力に応じた熱量の熱を発生して前記素子部を加熱する加熱部(71)と、
前記素子インピーダンス検出部に前記高周波電圧の印加による前記素子インピーダンスの検出を実行又は停止させ、且つ、前記加熱部へ供給する電力を制御することにより前記素子部の温度を制御する温度制御部(20)と、
を有し、
前記測定制御部は、前記電圧印加部を用いて前記印加電圧を、前記出力電流が酸素の限界電流となる電圧(Vaf)に設定する空燃比検出用の印加電圧制御を行って、同空燃比検出用の印加電圧制御を行っているときに取得した出力電流に基づいて前記内燃機関に供給される混合気の空燃比(A/F)の検出を行い(図11及び図15のステップ1115及び1130)、
前記電圧印加部を用いて前記印加電圧を、前記限界電流域の下限電圧よりも高く硫黄酸化物の分解開始電圧未満である第1電圧範囲内から選ばれる第1電圧から、前記硫黄酸化物の分解開始電圧よりも高い第2電圧範囲内から選ばれる第2電圧まで、上昇させる昇圧スイープを実行した後、前記第2電圧から前記第1電圧まで下降させる降圧スイープを実行する印加電圧スイープを少なくとも1サイクル行うSOx検出用の印加電圧制御を行って(図11及び図15のステップ1145)、前記降圧スイープを行っている期間に前記印加電圧が前記硫黄酸化物の分解開始電圧未満となったときに前記第1電極に吸着していた硫黄が当該第1電極において再酸化反応して硫黄酸化物へと戻ることにより前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流に起因して前記出力電流に生じる変化であって前記排気に含まれる前記硫黄酸化物の濃度が高いほど大きくなる前記出力電流に生じる変化であり、前記硫黄酸化物の分解開始電圧未満の範囲に現れる再酸化電流変化、の程度に相関を有するパラメータ(Id)を、前記出力電流に基づいて取得し(図12及び図13のステップ1320)、
前記降圧スイープは、前記再酸化電流変化が現れるように設定された所定の降圧速度で実行され、
前記パラメータに基づいて前記排気中に所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの判定(図12のステップ1230)又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の検出を行う(図13のステップ1310)、
ように構成され、
前記温度制御部は、
前記空燃比検出用の印加電圧制御を行っている場合、前記素子インピーダンス検出部に前記高周波電圧の印加による前記素子インピーダンスの検出を実行させるとともに、前記検出した前記素子部のインピーダンスが、目標インピーダンスに一致するように、前記加熱部へ供給する電力を制御することにより前記素子部の温度を制御する第1素子温度制御を実行し(図10のステップ1040、図11及び図15のステップ1190及びステップ1192)、
前記SOx検出用の印加電圧制御を行っている場合であって、少なくとも前記降圧スイープを実行中である場合、前記素子インピーダンス検出部に前記高周波電圧の印加による前記素子インピーダンスの検出を停止させるとともに、前記加熱部へ供給する電力を所定電力にする第2素子温度制御を実行する(図11の1160及び図15のステップ1560)ように構成され、
前記所定の降圧速度は、
前記第2電圧から前記第1電圧に達するまでの時間が0.1秒以上5秒以下の範囲内となるような降圧速度に設定されている。
前記温度制御部は、
前記SOx検出用の印加電圧制御を行っている場合において、
前記昇圧スイープを実行中である場合(図11のステップ1155にて「No」との判定)に、前記第1素子温度制御を実行する(図11のステップ1190)ように構成されている。
前記温度制御部は、
通電制御量を変更することによって前記前記加熱部へ供給する電力を制御するように構成され、
前記第1素子温度制御を停止する時点の所定時間前の前記通電制御量を維持するか又は前記通電制御量を予め設定された一定値に維持することにより前記第2素子温度制御を実行する(図11のステップ1160又は図15のステップ1560)ように構成されている。
前記温度制御部は、
前記素子インピーダンスの検出を停止している期間に前記加熱部に供給される電力量が、予め設定された所定の電力量になるように前記第2素子温度制御を実行するように構成されている。
本発明の第1実施形態に係るガス検出装置(以下、「第1検出装置」と称呼される場合がある。)について説明する。第1検出装置は、図示しない車両に搭載された「図1に示された内燃機関10」に適用される。
次に、ガスセンサ30の構成について、図2を参照しながら説明する。ガスセンサ30が備える素子部40は、固体電解質体41s、第1アルミナ層51a、第2アルミナ層51b、第3アルミナ層51c、第4アルミナ層51d、第5アルミナ層51e、拡散抵抗部(拡散律速層)61及びヒータ71を備える。
第1大気導入路SP2は、固体電解質体41s、第3アルミナ層51c及び第4アルミナ層51dによって形成され、排気管12の外部の大気に開放されている。
次に、第1検出装置が行う作動の概要について説明する。第1検出装置は、内燃機関10から排出される排気(被検ガス)の酸素濃度を検出するように構成されている。第1検出装置は、排気中の酸素濃度に基づいて内燃機関10の燃焼室内の混合気の空燃比(A/F)を検出するように構成されている。以下、内燃機関10の燃焼室内の混合気の空燃比は、「機関の空燃比A/F又は単に空燃比A/F」とも称呼される。更に、第1検出装置は、排気に含まれる所定濃度以上のSOxの有無を判定するように構成されている。第1検出装置は、所定濃度以上のSOxの有無の検出開始から検出終了までに数秒を必要とするため、機関の空燃比A/Fが安定している状態において所定濃度以上のSOxの有無を判定するように構成されている。尚、所定濃度としては、所望の検出レベルに応じた0%より大きい任意の濃度が選ばれる。
次に、上述した機関の空燃比A/Fを検出する際の作動について説明する。第1検出装置は、ガスセンサ30がセンサ活性の状態になると、機関の空燃比A/Fを取得するために、第1電極41aが低電位となり且つ第2電極41bが高電位となるように、印加電圧Vmを酸素濃度検出用の電圧(例えば、0.3V)に設定する。即ち、第1電極41aは陰極として機能し、第2電極41bは陽極として機能する。酸素濃度検出用の電圧は、第1電極41aにおいて酸素(O2)の分解が始まる電圧(分解開始電圧)以上であって後述する酸素の限界電流が観測される電圧であり且つ酸素以外の酸素含有成分の分解開始電圧未満の電圧に設定される。これにより、排気中に含まれる酸素が第1電極41aにおいて還元分解されて酸化物イオン(O2−)となる。
[検出原理]
次に、排気(被検ガス)中のSOx濃度の検出の仕方について説明する。上述した酸素ポンピング作用は、分子中に酸素原子を含む「SOx(硫黄酸化物)及びH2O(水)等」の酸素含有成分に対しても発生する。即ち、第1電極41a及び第2電極41b間に、これらの化合物のそれぞれの分解開始電圧以上の電圧を印加すると、これらの化合物のそれぞれが還元分解されることによって、酸化物イオンが生じる。この酸化物イオンは、「酸素ポンピング作用」によって、第1電極41aから第2電極41bへと伝導される。これにより、第1電極41a及び第2電極41b間に出力電流Imが流れる。
第1検出装置は、「再酸化電流変化の程度」を適切に(精度良く)表すパラメータを取得し、このパラメータに基づいて、SOx濃度検出を行う。より具体的に述べると、第1検出装置は、降圧スイープ中において印加電圧Vmが「第1電圧範囲(SOxの分解開始電圧未満)から選ばれた上述の再酸化電流検出電圧Vsen」であるときの出力電流Im(以下、「再酸化電流Is」と称呼する。)を取得する。更に、第1検出装置は、後述するベース電流Ibasを取得する。そして、第1検出装置は、ベース電流Ibasと再酸化電流Isとの差分Id(=Ibas−Is)を、「再酸化電流変化の程度を(適切に)表すパラメータ」として取得する。
第1検出装置は、以上説明したSOx濃度の検出原理を用いて、SOx濃度検出を次のように行うようになっている。
・第1検出装置は、上述した、再酸化電流変化が大きく現れる「所定の掃引速度」にて印加電圧スイープを実行する。この場合、特に大切な点は、降圧スイープ速度である。
このとき、第1検出装置は、排気中の酸素濃度を用いて検出される機関の空燃比A/Fに基づいて印加電圧スイープの電圧範囲を決定する。
・第1検出装置は、降圧スイープ中の再酸化電流検出電圧Vsenにおける出力電流Imを再酸化電流Isとして取得する。
・第1検出装置は、ベース電流Ibasと再酸化電流Isとの差分Id(=Ibas−Is)を算出する。
・第1検出装置は、差分Idに基づいて、所定濃度以上のSOx濃度が含まれているか否かを判定する。尚、差分Idは、0以上の値であるから、差分Idの大きさと等しい。
ところで、既述した通り、図3(A)に示したように、内燃機関10の始動が開始した時点である時刻t0になると、第1検出装置はヒータ71によって固体電解質体41sを加熱するように、ヒータ71へ供給する電力を制御する通電制御を開始する。具体的に述べると、第1検出装置は、目標インピーダンスフィードバックによるヒータ通電制御を実行する。
次に、第1検出装置の具体的作動について説明する。所定時間が経過する毎に、ECU20のCPU(以下、単に「CPU」と称呼する。)は、ガスセンサ30を使用して図10乃至図12のフローチャートにより示したルーチンのそれぞれを実行する。
・電流取得完了フラグXa:電流取得完了フラグXaは、その値が「1」の場合、現時点において差分Idの算出に必要な「再酸化電流Is」の取得が完了していることを表す。電流取得完了フラグXaは、その値が「0」の場合、現時点において「再酸化電流Is」の取得が完了してないことを表す。
・印加電圧スイープ実行フラグXsw:印加電圧スイープ実行フラグXswは、その値が「1」の場合、現時点において印加電圧スイープ(SOx検出用の印加電圧制御)が実行中であることを示す。印加電圧スイープ実行フラグXswは、その値が「0」の場合、現時点において印加電圧スイープが実行中ではないことを示す。
・SOx濃度検出完了フラグXSOx:SOx濃度検出完了フラグXSOxは、その値が「1」の場合、現時点においてSOx濃度検出が完了したことを示す。SOx濃度検出完了フラグXSOxは、その値が「0」の場合、現時点においてSOx濃度検出が完了していないことを示す。
ステップ1040:CPUは第1素子温度制御を実行する。即ち、CPUは素子インピーダンス検出処理を実行し、検出した素子インピーダンスを予め設定した目標インピーダンスに一致させるようにヒータ71へ供給する電力を制御する。
ステップ1050:CPUは、第1電極41a及び第2電極41b間に酸素濃度検出用(即ち、A/F検出用)の印加電圧Vaf(具体的に述べると0.3V)を印加する。即ち、CPUは、印加電圧Vmを酸素濃度検出用の印加電圧Vafに設定する。
・内燃機関10が暖機後の状態である(即ち、冷却水温THWが暖機水温THWth以上である。)。
・ガスセンサ30がセンサ活性である。
・燃料カット(フューエルカット)状態ではない。
・機関の空燃比A/Fが安定している。即ち、内燃機関10の運転状態がアイドル状態か、又は、車両の運転状態が定常走行状態である。尚、内燃機関10の運転状態がアイドル状態であるか否かは、「アクセルペダル操作量APが「0」であり、且つ、機関回転速度NEが所定回転数以下である状態」が所定アイドル時間以上継続しているか否かを判定することにより判定される。車両の運転状態が定常走行状態であるか否かは、「アクセルペダル操作量APの単位時間あたりの変化量が閾値操作変化量以下であり且つ図示しない車速センサにより検出される車両の速度の単位時間あたりの変化量が閾値車速変化量以下である状態」が所定定常走行閾値時間以上継続しているか否かを判定することにより判定される。
・イグニッション・キー・スイッチがオフ位置からオン位置へと変更されたのちにオフ位置へと変更される前に(即ち、今回の内燃機関10の始動後において)、一度も、SOx濃度検出が行われていない(SOx濃度検出完了フラグXSOxの値が「1」ではない。)。
ステップ1185:CPUは、印加電圧Vmを酸素濃度検出用の印加電圧Vafに設定する。
次に、本発明の第1変形例に係るガス検出装置(以下、「第1変形検出装置」と称呼される場合がある。)について説明する。
次に、本発明の第2実施形態に係るガス検出装置(以下、「第2検出装置」と称呼される場合がある。)について説明する。第2検出装置は、以下の点のみにおいて、第1検出装置と相違している。
・第1検出装置は、SOx検出用の印加電圧制御を行っている場合であって、昇圧スイープを行っている場合、第1素子温度制御を実行し、降圧スイープを行っている場合、第1素子温度制御を停止して、第2素子温度制御を実行するように構成されている。これに対して、第2検出装置は、SOx検出用の印加電圧制御を行っている場合(昇圧スイープを行っている場合、及び、降圧スイープを行っている場合)、第2素子温度制御を実行するように構成されている。
以下、この相違点を中心として説明する。
図14に示したように、第2検出装置は、SOx検出用の印加電圧制御を行っている場合(時刻t2から時刻t3までの期間)、第2素子温度制御を実行する。
次に、第2検出装置の具体的について説明する。所定時間が経過する毎に、ECU20のCPUは、ガスセンサ30を使用して、図10、図11に代えて図15、及び、図12のフローチャートにより示したルーチンのそれぞれを実行する。図10及び図12に示したルーチンに基づく作動は、第1検出装置のそれらのルーチンに基づく作動と同一であり、既に説明済みである。よって、それらの説明を省略する。
次に、本発明の第2変形例に係るガス検出装置(以下、「第2変形検出装置」と称呼される場合がある。)について説明する。
以上、本発明の各実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の各実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づく各種の変形例を採用し得る。
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質体と前記固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第1電極及び第2電極とを含む電気化学セルと、前記排気通路を流れる排気が通過可能な多孔質材料からなる拡散抵抗体とを備え、前記排気通路を流れる排気が前記拡散抵抗体を通して前記第1電極に到達するように構成された素子部と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、
前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流である出力電流を検出する電流検出部と、
前記電圧印加部を用いて前記第1電極と前記第2電極との間に印加される電圧である印加電圧を制御すると共に前記電流検出部を用いて前記出力電流を取得し、前記取得した出力電流に基づいて、前記排気中に所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの判定又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の検出を行う測定制御部と、
前記第1電極と前記第2電極との間に高周波電圧を印加することによって前記素子部のインピーダンスを検出する素子インピーダンス検出部と、
供給される電力に応じた熱量の熱を発生して前記素子部を加熱する加熱部と、
前記素子インピーダンス検出部に前記高周波電圧の印加による前記素子インピーダンスの検出を実行又は停止させ、且つ、前記加熱部へ供給する電力を制御することにより前記素子部の温度を制御する温度制御部と、
を有し、
前記測定制御部は、前記電圧印加部を用いて前記印加電圧を、前記出力電流が酸素の限界電流となる電圧に設定するように空燃比検出用の印加電圧制御を行って、同空燃比検出用の印加電圧制御を行っているときに取得した出力電流に基づいて前記内燃機関に供給される混合気の空燃比の検出を行い、
前記電圧印加部を用いて前記印加電圧を、前記限界電流域の下限電圧よりも高く硫黄酸化物の分解開始電圧未満である第1電圧範囲内から選ばれる第1電圧から、前記硫黄酸化物の分解開始電圧よりも高い第2電圧範囲内から選ばれる第2電圧まで、上昇させる昇圧スイープを実行した後、前記第2電圧から前記第1電圧まで下降させる降圧スイープを実行する印加電圧スイープを少なくとも1サイクル行うSOx検出用の印加電圧制御を行って、前記降圧スイープを行っている期間に前記印加電圧が前記硫黄酸化物の分解開始電圧未満となったときに前記第1電極に吸着していた硫黄が当該第1電極において再酸化反応して硫黄酸化物へと戻ることにより前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流に起因して前記出力電流に生じる変化であって前記排気に含まれる前記硫黄酸化物の濃度が高いほど大きくなる前記出力電流に生じる変化であり、前記硫黄酸化物の分解開始電圧未満の範囲に現れる再酸化電流変化、の程度に相関を有するパラメータを、前記出力電流に基づいて取得し、
前記降圧スイープは、前記再酸化電流変化が現れるように設定された所定の降圧速度で実行され、
前記パラメータに基づいて前記排気中に所定濃度以上の硫黄酸化物が含まれているか否かの判定又は前記排気中の硫黄酸化物の濃度の検出を行う、
ように構成され、
前記温度制御部は、
前記空燃比検出用の印加電圧制御を行っている場合、前記素子インピーダンス検出部に前記高周波電圧の印加による前記素子インピーダンスの検出を実行させるとともに、前記検出した前記素子部のインピーダンスが、目標インピーダンスに一致するように、前記加熱部へ供給する電力を制御することにより前記素子部の温度を制御する第1素子温度制御を実行し、
前記SOx検出用の印加電圧制御を行っている場合であって、少なくとも前記降圧スイープを実行中である場合、前記素子インピーダンス検出部に前記高周波電圧の印加による前記素子インピーダンスの検出を停止させるとともに、前記加熱部へ供給する電力を所定電力にする第2素子温度制御を実行するように構成され、
前記所定の降圧速度は、
前記第2電圧から前記第1電圧に達するまでの時間が0.1秒以上5秒以下の範囲内となるような降圧速度に設定されている、
ガス検出装置。 - 請求項1に記載のガス検出装置において、
前記温度制御部は、
前記SOx検出用の印加電圧制御を行っている場合において、
前記昇圧スイープを実行中である場合に、前記第1素子温度制御を実行するように構成された、
ガス検出装置。 - 請求項1又は請求項2に記載のガス検出装置において、
前記温度制御部は、
通電制御量を変更することによって前記前記加熱部へ供給する電力を制御するように構成され、
前記第1素子温度制御を停止する時点の所定時間前の前記通電制御量を維持するか又は前記通電制御量を予め設定された一定値に維持することにより前記第2素子温度制御を実行するように構成された、
ガス検出装置。 - 請求項1又は請求項2に記載のガス検出装置において、
前記温度制御部は、
前記素子インピーダンスの検出を停止している期間に前記加熱部に供給される電力量が、予め設定された所定の電力量になるように前記第2素子温度制御を実行するように構成された、
ガス検出装置。
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