JP2006118976A - Temperature control system of gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両用エンジン等の内燃機関の燃焼制御等に用いることができるガスセンサの温度を制御するガスセンサ温度制御システムに関する。 The present invention relates to a gas sensor temperature control system that controls the temperature of a gas sensor that can be used for combustion control of an internal combustion engine such as a vehicle engine.
車両用エンジンの排気系にA/Fセンサのようなガスセンサを設け、排気ガス中の酸素濃度などから空燃比を検出し、これを利用してエンジンの燃焼制御を行うことがある(排気ガス制御フィードバックシステム)。特に、三元触媒を用いて効率よく排気ガスを浄化するためには車両用エンジンの燃焼室において空燃比が特定の値となるように制御することが重要である。 A gas sensor such as an A / F sensor is provided in the exhaust system of a vehicle engine, and the air-fuel ratio is detected from the oxygen concentration in the exhaust gas, and the combustion control of the engine may be performed using this (exhaust gas control). Feedback system). In particular, in order to efficiently purify exhaust gas using a three-way catalyst, it is important to control the air-fuel ratio to a specific value in the combustion chamber of the vehicle engine.
上記ガスセンサには、排気ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサ素子が内蔵されている。該ガスセンサ素子は、例えば、酸素イオン導電性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた被測定ガス側電極及び基準ガス側電極とを有すると共に、上記被測定ガス側電極に面するチャンバ空間を有する。該チャンバ空間は、多孔質拡散抵抗層及び緻密な遮蔽層により被覆されている。そして、該多孔質拡散抵抗層を介して、被測定ガスがチャンバ空間に導入されるよう構成されている(特許文献1参照)。
他にも、上記排気ガスフィードバックシステムなどで使用するガスセンサとしてはA/Fセンサの他に、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや排気ガス中の大気汚染物質であるNOxの濃度を直接検出するNOxセンサなどが知られている。
The gas sensor incorporates a gas sensor element that detects the oxygen concentration in the exhaust gas. The gas sensor element includes, for example, an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a gas side electrode to be measured and a reference gas side electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, respectively. It has a chamber space facing the measured gas side electrode. The chamber space is covered with a porous diffusion resistance layer and a dense shielding layer. And it is comprised so that to-be-measured gas may be introduce | transduced into chamber space via this porous diffusion resistance layer (refer patent document 1).
In addition to the A / F sensor, the gas sensor used in the exhaust gas feedback system or the like directly detects the oxygen concentration in the exhaust gas or the concentration of NOx that is an air pollutant in the exhaust gas. A NOx sensor to be detected is known.
上記の排気ガスフィードバックシステムに用いるガスセンサにおいて、早期活性、高検出精度等の性能が要求される。特に早期活性においては、エンジン始動後早期に活性・制御開始によって、エンジン冷始動時に大量に排出されるハイドロカーボン(HC)等の未燃ガス成分の低減に効果が得られる。 The gas sensor used in the exhaust gas feedback system requires performance such as early activation and high detection accuracy. Particularly in early activation, activation and control start early after engine startup can be effective in reducing unburned gas components such as hydrocarbon (HC) discharged in large quantities during engine cold startup.
ところで、発明者らは車両の排気管内にて長時間放置されたガスセンサ内蔵のA/Fセンサ素子が、内燃機関の始動後10数秒程度の間に、出力のリッチシフトをおこすという現象を見いだした。このリッチシフトとは、ガスセンサ素子の検出値に基づいて得た内燃機関における空燃比が、実際の空燃比よりもリッチ側を示す現象をいう。 By the way, the inventors have found a phenomenon that an A / F sensor element with a built-in gas sensor left in the exhaust pipe of a vehicle causes a rich shift in output within about 10 seconds after the start of the internal combustion engine. . The rich shift is a phenomenon in which the air-fuel ratio in the internal combustion engine obtained based on the detection value of the gas sensor element is richer than the actual air-fuel ratio.
この現象は、いつでも発生するというわけではなく、例えば、ごく短時間のエンジン停止の間に車両用内燃機関を再始動した場合には発生しない。また、シフト量は放置時間に依存して増加するものの、1〜2日程度の放置でほぼ飽和する。
このリッチシフトは車両用内燃機関の燃焼を著しく不安定にする。
即ち、リッチ信号を受けたシステムは車両用内燃機関の空燃比をリーン側に制御する方向に働くものの、実際の排気ガスの状態は空燃比センサの指示値よりリーンであるため、最悪の場合、失火(エンジン停止)に至るおそれもある。また、制御点が大きくずれることから、排気ガスにおいてNOx等の大気汚染ガスの濃度が高くなるおそれもある。
This phenomenon does not always occur. For example, this phenomenon does not occur when the vehicle internal combustion engine is restarted while the engine is stopped for a very short time. Although the shift amount increases depending on the standing time, it is almost saturated when left for about 1-2 days.
This rich shift makes the combustion of the vehicle internal combustion engine extremely unstable.
That is, although the system that has received the rich signal works in the direction of controlling the air-fuel ratio of the vehicle internal combustion engine to the lean side, the actual exhaust gas state is leaner than the indicated value of the air-fuel ratio sensor, so in the worst case, There is also a risk of misfire (engine stop). In addition, since the control point is greatly deviated, the concentration of atmospheric pollutant gas such as NOx may be increased in the exhaust gas.
このリッチシフト現象に関して詳細な調査を行ったところ、ガスセンサ素子に付着し、リッチシフト現象を引き起こしている物質がH2O、すなわち水蒸気(水)であること、また付着水分は殆どが多孔質拡散抵抗層に付着していることが判明した。勿論、高湿雰囲気に放置したガスセンサ素子においてリッチシフト現象の再現も確認されている(実験例3参照)。 A detailed investigation of this rich shift phenomenon revealed that the substance that adheres to the gas sensor element and causes the rich shift phenomenon is H 2 O, that is, water vapor (water), and the adhering moisture is mostly porous diffused. It was found that it adhered to the resistance layer. Of course, the reproduction of the rich shift phenomenon has also been confirmed in the gas sensor element left in a high humidity atmosphere (see Experimental Example 3).
上記リッチシフトは次の様なプロセスにより発生〜消滅に至ると考えられる。
すなわち、リッチシフトは、ガスセンサを車両用内燃機関の排気管等といった高湿雰囲気に放置した後に発生し、高湿雰囲気にガスセンサを放置した場合、ガスセンサ内部に設置したガスセンサ素子に気化水分(水蒸気)が侵入し、主としてガスセンサ素子の多孔質拡散抵抗層に対し水分が吸着する。
The rich shift is considered to occur to disappear by the following process.
That is, the rich shift occurs after the gas sensor is left in a high-humidity atmosphere such as an exhaust pipe of a vehicle internal combustion engine. Enters and moisture is adsorbed mainly on the porous diffusion resistance layer of the gas sensor element.
この水分はガスセンサ素子を加熱することで多孔質拡散抵抗層から脱離、気化する。
気化した水分、つまり水蒸気は体積膨張しつつ多孔質拡散抵抗層を通じて外部に排出されようとするが、多孔質拡散抵抗層は大なり小なり拡散抵抗を有するため、水蒸気が多孔質拡散抵抗層を通過するにはそれなりの時間を要する。
This moisture is desorbed and vaporized from the porous diffusion resistance layer by heating the gas sensor element.
Vaporized moisture, that is, water vapor, tends to be expelled to the outside through the porous diffusion resistance layer while expanding in volume, but since the porous diffusion resistance layer has a diffusion resistance that is greater or lesser, the water vapor passes through the porous diffusion resistance layer. It takes some time to pass.
従って、ガスセンサ素子の内部(特に被測定ガス側電極近傍)で水蒸気圧が上昇し、相対的に酸素分圧が低下する。これによってガスセンサの出力にリッチシフトが発生する。
そして水蒸気は多孔質拡散抵抗層を通じて少しずつ外部に抜け、同時に素子周辺の排気ガスがA/Fセンサ素子内部に取り込まれ始める。これによって、時間の経過と共にリッチシフトが収まり、通常の出力を得る。
Therefore, the water vapor pressure increases inside the gas sensor element (particularly in the vicinity of the measured gas side electrode), and the oxygen partial pressure relatively decreases. As a result, a rich shift occurs in the output of the gas sensor.
Water vapor gradually escapes to the outside through the porous diffusion resistance layer, and at the same time, exhaust gas around the element starts to be taken into the A / F sensor element. As a result, the rich shift is reduced with the passage of time, and a normal output is obtained.
このように、水分の脱離〜気化による水蒸気の急激な体積膨張が、空燃比誤差(ΔA/F)=1〜2程度の大きなリッチシフトを引き起こすと考えられる。
勿論放置される雰囲気が乾燥していればこのような問題は発生しないが、駐車車両の排気管内は排気ガスに燃焼生成物として含まれる水分によって高湿雰囲気となっており、リッチシフトの発生しやすい環境と考えられる。
As described above, it is considered that the rapid volume expansion of water vapor due to the desorption and vaporization of water causes a large rich shift of air-fuel ratio error (ΔA / F) = 1 to 2.
Of course, this problem does not occur if the atmosphere to be left is dry, but the exhaust pipe of the parked vehicle has a high humidity atmosphere due to moisture contained in the exhaust gas as a combustion product, and a rich shift occurs. It is considered an easy environment.
なお、上記のメカニズムによるリッチシフトは、A/Fセンサ素子のような、限界電流式の酸素センサ素子を応用した素子において発生するが、酸素濃淡起電力式の酸素センサ素子を応用した素子においても、同様のメカニズムによるリッチシフト現象が確認されている。酸素濃淡起電力式の酸素センサ素子であっても被測定ガス側電極を多孔質体で覆って構成することが多く、また多孔質体は気孔が粗くともそれなりの拡散抵抗を有するため、素子内部から水蒸気が抜けるのにそれなりの時間が必要となるためである。 The rich shift due to the above mechanism occurs in an element using a limiting current type oxygen sensor element such as an A / F sensor element, but also in an element using an oxygen concentration electromotive force type oxygen sensor element. A rich shift phenomenon due to a similar mechanism has been confirmed. Even in the oxygen concentration electromotive force type oxygen sensor element, the gas side electrode to be measured is often covered with a porous body, and the porous body has a diffusion resistance even if the pores are rough. This is because a certain amount of time is required for water vapor to escape from the water.
上述のリッチシフト現象の抑制には、エンジン停止時におけるガスセンサ素子への水蒸気の付着防止が効果的であり、特に制御システムにおいて、エンジン停止時のガスセンサ素子の温度を水分付着抑制条件にて維持するという方法が考えられる。 In order to suppress the above-described rich shift phenomenon, it is effective to prevent water vapor from adhering to the gas sensor element when the engine is stopped. In particular, in the control system, the temperature of the gas sensor element when the engine is stopped is maintained under moisture adhesion suppression conditions. The method is considered.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、出力のリッチシフトを抑制することができるガスセンサ温度制御システムを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor temperature control system capable of suppressing a rich shift in output.
本発明は、内燃機関の排気系に配設され、被測定ガス中の特定ガス濃度を測定するガスセンサの温度を制御するガスセンサ温度制御システムであって、
上記ガスセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体における一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた被測定ガス側電極及び基準ガス側電極と、上記被測定ガス側電極を覆うと共に上記被測定ガスを透過させる多孔質拡散抵抗層とを有するガスセンサ素子を内蔵しており、
上記内燃機関の停止時において、上記ガスセンサ素子を430℃以上の温度にて加熱することを特徴とするガスセンサ温度制御システムにある(請求項1)。
The present invention is a gas sensor temperature control system that controls the temperature of a gas sensor that is disposed in an exhaust system of an internal combustion engine and measures a specific gas concentration in a gas to be measured.
The gas sensor includes an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a measurement gas side electrode and a reference gas side electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and the measurement gas side electrode. A gas sensor element having a porous diffusion resistance layer that covers and allows the gas to be measured to pass therethrough is built-in,
In the gas sensor temperature control system, the gas sensor element is heated at a temperature of 430 ° C. or higher when the internal combustion engine is stopped.
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上述したごとく、ガスセンサ出力のリッチシフトの主たる原因は、内燃機関停止時に、ガスセンサ素子、特に多孔質拡散抵抗層に付着した水分にあると考えられる。
上記ガスセンサ温度制御システムにおいては、内燃機関の停止時において、ガスセンサ素子を430℃以上の温度にて加熱する。
Next, the effects of the present invention will be described.
As described above, it is considered that the main cause of the rich shift of the gas sensor output is the moisture adhering to the gas sensor element, particularly the porous diffusion resistance layer when the internal combustion engine is stopped.
In the gas sensor temperature control system, the gas sensor element is heated at a temperature of 430 ° C. or higher when the internal combustion engine is stopped.
そのため、内燃機関の停止時において、ガスセンサ素子への水分の付着を抑制することができる。
また、ガスセンサ素子に付着した水分を充分に除去することができる。即ち、後述するごとく、ガスセンサ素子に付着する水分としては、物理的に付着する水分と、化学変化により形を変えて付着する水分とがある。この物理的に付着した水分は、約100℃に加熱すれば脱離させることができるが、化学的に付着した水分は、約400℃以上に加熱しなければ脱離させることができない。それ故、本発明のように、ガスセンサ素子を430℃以上の温度にて加熱することにより、化学的に付着した水分をも脱離することができる。
Therefore, when the internal combustion engine is stopped, it is possible to suppress the adhesion of moisture to the gas sensor element.
In addition, moisture adhering to the gas sensor element can be sufficiently removed. That is, as will be described later, the moisture adhering to the gas sensor element includes physically adhering moisture and moisture adhering in a shape changed by a chemical change. This physically attached moisture can be desorbed if heated to about 100 ° C., but chemically attached moisture cannot be desorbed unless heated to about 400 ° C. or higher. Therefore, by chemically heating the gas sensor element at a temperature of 430 ° C. or higher as in the present invention, chemically attached moisture can be desorbed.
そして、後述するごとく、ガスセンサ素子の温度を430℃以上とすることにより、リッチシフト量を急激に低減することができる。
従って、内燃機関の停止時において、ガスセンサ素子を430℃以上の温度にて加熱することにより、内燃機関始動時のリッチシフトの発生を抑制することができる。
As described later, the rich shift amount can be drastically reduced by setting the temperature of the gas sensor element to 430 ° C. or higher.
Therefore, by causing the gas sensor element to be heated at a temperature of 430 ° C. or higher when the internal combustion engine is stopped, the occurrence of a rich shift when starting the internal combustion engine can be suppressed.
以上のごとく、本発明によれば、出力のリッチシフトを抑制することができるガスセンサ温度制御システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a gas sensor temperature control system capable of suppressing an output rich shift.
本発明(請求項1)において、上記ガスセンサとしては、例えば、自動車エンジン等の各種車両用内燃機関の排気管に設置して、排気ガスフィードバックシステムに使用する空燃比センサ(A/Fセンサ)、排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ、また排気管に設置する三元触媒の劣化検知等に利用するNOx等の大気汚染物質濃度を調べるNOxセンサ等がある。
また、上記ガスセンサ素子としては、固体電解質体を有底筒状のコップ型に形成したコップ型のガスセンサ素子や、平板状の固体電解質体を用いた積層型のガスセンサ素子等がある。
In the present invention (Claim 1), as the gas sensor, for example, an air-fuel ratio sensor (A / F sensor) installed in an exhaust pipe of an internal combustion engine for various vehicles such as an automobile engine and used for an exhaust gas feedback system, There are oxygen sensors that measure the oxygen concentration in exhaust gas, and NOx sensors that measure the concentration of air pollutants such as NOx that are used for detecting deterioration of a three-way catalyst installed in an exhaust pipe.
Examples of the gas sensor element include a cup-type gas sensor element in which the solid electrolyte body is formed into a bottomed cylindrical cup-type, and a laminated gas sensor element using a flat-plate-shaped solid electrolyte body.
また、上記ガスセンサ素子の加熱は、500℃以下の温度にて行うことが好ましい(請求項2)。
この場合には、加熱に要する消費電力を低減することができる。
上記加熱温度が500℃を超える場合には、加熱温度を高くしてもリッチシフト抑制の効果は特に向上せず、消費電力の浪費となるおそれがある。
Moreover, it is preferable to heat the said gas sensor element at the temperature of 500 degrees C or less (Claim 2).
In this case, power consumption required for heating can be reduced.
When the heating temperature exceeds 500 ° C., even if the heating temperature is increased, the effect of suppressing the rich shift is not particularly improved, and power consumption may be wasted.
また、上記ガスセンサ素子の加熱は、間欠的に行うことが好ましい(請求項3)。
この場合にも、加熱に要する消費電力を抑制することができる。即ち、水分は比較的長い時間を経てガスセンサ素子に付着するため、間欠的に素子を加熱するこで、充分に水分の吸着を防止できる。
The gas sensor element is preferably heated intermittently (Claim 3).
Also in this case, power consumption required for heating can be suppressed. That is, since moisture adheres to the gas sensor element after a relatively long time, adsorption of moisture can be sufficiently prevented by heating the element intermittently.
また、上記ガスセンサ素子の加熱は、該ガスセンサ素子の温度が430℃未満の状態が所定時間継続したとき行うことが好ましい(請求項4)。
この場合には、ガスセンサ素子への水分の付着を効率的に防ぎ、リッチシフトを効率的に抑制することができる。
即ち、ガスセンサ素子の温度が430℃未満の状態が長時間継続したときに、水分の付着のおそれが生ずる。そこで、この水分の付着を充分に防ぐことができる範囲内に、ガスセンサ素子の温度が430℃未満となる時間を短くするよう制御することにより、加熱にかかる電力消費を抑制しつつ、水分の付着を防止することができる。その結果、効率的に、リッチシフトの抑制を行うことができる。
The gas sensor element is preferably heated when the temperature of the gas sensor element is lower than 430 ° C. for a predetermined time.
In this case, it is possible to efficiently prevent moisture from adhering to the gas sensor element and efficiently suppress rich shift.
That is, when the temperature of the gas sensor element is lower than 430 ° C. for a long time, there is a risk of moisture adhesion. Therefore, by controlling the gas sensor element temperature to be less than 430 ° C. within a range in which this moisture adhesion can be sufficiently prevented, the moisture adhesion is suppressed while suppressing power consumption for heating. Can be prevented. As a result, the rich shift can be efficiently suppressed.
また、上記ガスセンサ素子の加熱は、所定の時間間隔をおいて間欠的に行い、上記時間間隔は、被測定ガス雰囲気の温度及び湿度に基づいて決定することが好ましい(請求項5)。
この場合にも、効率的に、リッチシフトの抑制を行うことができる。
即ち、ガスセンサ素子への単位時間あたりの水分付着量は、被測定ガス雰囲気の温度、湿度に基づいて詳細に予想することができる。例えば、上記温度及び湿度を基に、単位時間あたりのガスセンサ素子に衝突する水分子(H2O)の個数を導き出して、衝突時の付着確率を一定と見なした場合の単位時間当たりの水分子付着量を予測することができる。
そこで、被測定ガス雰囲気の温度及び湿度を測定することによって水分付着量を見積もり、付着量が所定の値に達したときに素子加熱を行うことで、よりきめ細かい制御が可能となる。その結果、より電力消費を抑えながらのリッチシフトの抑制が可能となる。
The gas sensor element is heated intermittently at a predetermined time interval, and the time interval is preferably determined based on the temperature and humidity of the gas atmosphere to be measured.
Also in this case, the rich shift can be efficiently suppressed.
That is, the moisture adhesion amount per unit time to the gas sensor element can be predicted in detail based on the temperature and humidity of the measured gas atmosphere. For example, based on the temperature and humidity, the number of water molecules (H 2 O) that collide with the gas sensor element per unit time is derived, and the water per unit time when the adhesion probability at the time of collision is considered to be constant. The amount of molecular adhesion can be predicted.
Therefore, by measuring the temperature and humidity of the gas atmosphere to be measured, the amount of moisture adhesion is estimated, and element heating is performed when the amount of adhesion reaches a predetermined value, thereby enabling finer control. As a result, it is possible to suppress a rich shift while further reducing power consumption.
また、上記ガスセンサ素子は、該ガスセンサ素子を加熱するセラミックヒータを一体的に配設してなることが好ましい(請求項6)。
この場合には、内燃機関の始動からより早期に、正確なセンサ出力を得ることができる。
即ち、上記セラミックヒータをガスセンサ素子に一体化することにより、ガスセンサ素子の早期活性化を図ると共にリッチシフトをより抑制することができる。セラミックヒータを一体化したガスセンサ素子は加熱効果が高いことから活性温度への到達が早い。仮に活性温度に到達した時点で水分の脱離が充分なされていないとすると、結局正確なセンサ出力が得られない。これに対し、本発明においては、内燃機関の始動前に予め水分の付着が抑えられるため、上記ガスセンサの高い加熱効果を存分に発揮することができる。
Preferably, the gas sensor element is integrally provided with a ceramic heater for heating the gas sensor element.
In this case, an accurate sensor output can be obtained earlier from the start of the internal combustion engine.
That is, by integrating the ceramic heater with the gas sensor element, it is possible to activate the gas sensor element at an early stage and to further suppress a rich shift. Since the gas sensor element integrated with the ceramic heater has a high heating effect, it quickly reaches the activation temperature. If the moisture is not sufficiently desorbed when the activation temperature is reached, an accurate sensor output cannot be obtained after all. On the other hand, in the present invention, since the adhesion of moisture is suppressed in advance before the internal combustion engine is started, the high heating effect of the gas sensor can be fully exhibited.
(実施例1)
本発明のガスセンサ温度制御システムにつき、図1〜図3を用いて説明する。
本例のガスセンサ温度制御システムは、内燃機関の排気系に配設され、被測定ガス中の特定ガス濃度を測定するガスセンサの温度を制御するシステムである。
上記ガスセンサは、図1、図2に示すごとく、酸素イオン伝導性の固体電解質体2と、該固体電解質体2における一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた被測定ガス側電極31及び基準ガス側電極32と、上記被測定ガス側電極を覆うと共に上記被測定ガスを透過させる多孔質拡散抵抗層4とを有するガスセンサ素子1を内蔵している。
Example 1
The gas sensor temperature control system of the present invention will be described with reference to FIGS.
The gas sensor temperature control system of this example is a system that is disposed in an exhaust system of an internal combustion engine and controls the temperature of a gas sensor that measures a specific gas concentration in a gas to be measured.
As shown in FIGS. 1 and 2, the gas sensor includes an oxygen ion conductive
そして、上記ガスセンサ温度制御システムは、内燃機関の停止時において、上記ガスセンサ素子1を430℃〜500℃の温度にて間欠的に加熱する。例えば、90分毎に1〜2分間程度の加熱を行い、ガスセンサ素子1の温度を430〜500℃とする。この間欠的な加熱の間、即ち加熱を行っていない間には、ガスセンサ素子1の温度が430℃未満となることもある。
The gas sensor temperature control system intermittently heats the
上記ガスセンサ素子1は、図1、図2に示すごとく、該ガスセンサ素子1を加熱するセラミックヒータ5を一体的に配設してなる。即ち、上記固体電解質体2における基準ガス側電極32が配設された面に、セラミックヒータ5が積層されている。該セラミックヒータ5は、ヒータ基板51と該ヒータ基板51の内部に形成された発熱体52とからなる。ヒータ基板51は、凹部が形成され固体電解質体2側に配される内側ヒータ基板512と、平板状の外側ヒータ基板511とからなる。そして、ヒータ基板51の上記凹部と固体電解質体2との間に、基準ガスを導入する基準ガス室162が形成されている。該基準ガス室162に基準ガス側電極32が形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
固体電解質体2の先端部における被測定ガス側電極31が配設された面には、開口部を有するスペーサ11と、多孔質拡散抵抗層4と、遮蔽層12とが、順次積層されている。
上記スペーサ11は、固体電解質体2と多孔質拡散抵抗層4との間に、被測定ガスを導入する被測定ガス室161を形成している。該被測定ガス室161に被測定ガス側電極31が配設されている。
A
The
上記多孔質拡散抵抗層4は、その端面41から侵入する被測定ガスを透過させて、上記被測定ガス室161に導入することができる。このとき、被測定ガスは、所定の拡散抵抗を受けつつ透過する。
また、上記遮蔽層12及びスペーサ11は、被測定ガスを透過させない程度に緻密に形成されている。
なお、上記スペーサ11、多孔質拡散抵抗層4、遮蔽層12、及びヒータ基板51は、それぞれアルミナセラミックにより形成されている。
The porous
Further, the
The
また、内燃機関の停止時におけるガスセンサ素子の温度制御は、上記セラミックヒータ5により行う。即ち、ガスセンサに接続されたECU(エンジンコントロールユニット)からの制御信号により、セラミックヒータ5のON、OFF制御を行う。なお、内燃機関の稼動時においては、従来と同様に、ガスセンサ素子1の温度制御を行う。
The temperature of the gas sensor element when the internal combustion engine is stopped is controlled by the
次に、本例の作用効果につき説明する。
上述したごとく、ガスセンサ出力のリッチシフトの主たる原因は、内燃機関停止時に、ガスセンサ素子1、特に多孔質拡散抵抗層4に付着した水分にあると考えられる。
上記ガスセンサ温度制御システムにおいては、内燃機関の停止時において、ガスセンサ素子1を430℃以上の温度にて加熱する。
Next, the function and effect of this example will be described.
As described above, it is considered that the main cause of the rich shift of the gas sensor output is the moisture adhering to the
In the gas sensor temperature control system, the
そのため、内燃機関の停止時において、ガスセンサ素子1への水分の付着を抑制することができる。
また、ガスセンサ素子1に付着した水分を充分に除去することができる。即ち、ガスセンサ素子1に付着する水分としては、物理的な凝集により付着する水分の他に、化学変化により形を変えて付着する水分がある。即ち、排気管内における水蒸気が、アルミナを主成分とする多孔質拡散抵抗層4に侵入したとき、アルミナ(Al2O3)と水(H2O)とが以下の化学反応を経て、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)となって、化学的に付着する。
2Al2O3+3H2O→2Al(OH)3
Therefore, it is possible to suppress the adhesion of moisture to the
Moreover, the water | moisture content adhering to the
2Al 2 O 3 + 3H 2 O → 2Al (OH) 3
物理的に付着した水分は、約100℃に加熱すれば脱離させることができるが、化学的に付着した水分は、約400℃以上に加熱しなければ脱離させることができない。
それ故、本発明のように、ガスセンサ素子1を430℃以上の温度にて加熱することにより、化学的に付着した水分をも脱離することができる。
The physically attached moisture can be desorbed if heated to about 100 ° C., but chemically attached moisture cannot be desorbed unless heated to about 400 ° C. or higher.
Therefore, by chemically heating the
そして、実験例2に示すごとく、ガスセンサ素子1の温度を430℃以上とすることにより、リッチシフト量を急激に低減することができる。
従って、内燃機関の停止時において、ガスセンサ素子1を430℃以上の温度にて加熱することにより、内燃機関始動時のリッチシフトの発生を抑制することができる。
As shown in Experimental Example 2, the rich shift amount can be drastically reduced by setting the temperature of the
Therefore, when the internal combustion engine is stopped, the
また、上記ガスセンサ素子1の加熱は、500℃以下の温度にて行うため、加熱に要する消費電力を低減することができる。即ち、後述する実験例2(図5)に示すごとく、500℃を超えて加熱温度を高くしても、リッチシフト抑制の効果は特に向上しないためである。
また、上記ガスセンサ素子1の加熱は、間欠的に行うため、加熱に要する消費電力を抑制することができる。即ち、水分は比較的長い時間を経てガスセンサ素子1に付着するため、間欠的に素子を加熱することで、充分に水分の吸着を防止できる。このことは、ごく短時間(例えば90分未満)のエンジン停止の後にエンジンを再始動した場合には、リッチシフトが発生しないことから、水分の付着には比較的長い時間を要するものと考えられるからである。
Moreover, since the said
Moreover, since the
以上のごとく、本例によれば、出力のリッチシフトを抑制することができるガスセンサ温度制御システムを提供することができる。 As described above, according to this example, it is possible to provide a gas sensor temperature control system that can suppress a rich shift in output.
(実験例1)
本例は、図4に示すごとく、ガスセンサ素子1に付着した水分の脱離温度を調べた例である。
まず、ガスセンサ素子1に水分を吸着させた。この水分吸着は、95%の高湿雰囲気にガスセンサ素子1を15時間放置することにより行った。
(Experimental example 1)
In this example, as shown in FIG. 4, the desorption temperature of water adhering to the
First, moisture was adsorbed to the
次いで、このガスセンサ素子1をヘリウム(He)雰囲気において徐々に加熱し、温度を徐々に上昇させた。
そして、各温度域において、ガスセンサ素子1から離脱した水分の量を、質量分析器を用いて検出した。
その結果を、図4に示す。
Next, the
Then, in each temperature range, the amount of moisture released from the
The result is shown in FIG.
同図に示すごとく、100℃および400℃近傍の2つの温度領域で水分が脱離していることが確認された。
100℃近傍において脱離した水分は、上述の物理的に付着した水分であると考えられ、400℃近傍において脱離した水分は、上述の化学的に付着した水分であると考えられる。
As shown in the figure, it was confirmed that moisture was desorbed in two temperature regions near 100 ° C. and 400 ° C.
Moisture desorbed in the vicinity of 100 ° C. is considered to be the above-mentioned physically attached moisture, and moisture desorbed in the vicinity of 400 ° C. is considered to be the above-mentioned chemically attached moisture.
(実験例2)
本例は、実験例1の結果を受けて、図5に示すごとく、ガスセンサ素子1の加熱温度とリッチシフト量との関係につき調査した例である。
一旦高湿雰囲気(湿度95%)に15時間放置して水分を付着させたガスセンサ素子1を、室温から600℃までの間の種々の一定温度雰囲気に5分間程度放置して加熱した。その後、室温で冷却した後にリッチシフト量の測定を行った。
測定結果を、図5に示す。
(Experimental example 2)
This example is an example in which the relationship between the heating temperature of the
The
The measurement results are shown in FIG.
同図に示されるように、加熱温度400〜430℃近傍を境として、リッチシフト量が急激に減少する温度領域が見出された。
従って、実施例1に示すごとく、内燃機関の停止時において、ガスセンサ素子1を430℃以上の温度で加熱しておくことにより、リッチシフトを大幅に抑制することができることが分かる。
As shown in the figure, a temperature region was found in which the rich shift amount suddenly decreased with the heating temperature in the vicinity of 400 to 430 ° C as a boundary.
Therefore, as shown in Example 1, it is understood that the rich shift can be significantly suppressed by heating the
(実験例3)
本例は、図6に示すごとく、ガスセンサ素子1の高湿雰囲気への放置時間とリッチシフト量の調査を行った例である。
上記高湿雰囲気は、湿度95%の雰囲気である。
同図のS0に示すごとく、放置時間が長くなると、リッチシフトが大きく発生することがわかる。また、リッチシフトは、およそ90〜120分経過の後に発生し始めることが確認された。
(Experimental example 3)
In this example, as shown in FIG. 6, the time for leaving the
The high humidity atmosphere is an atmosphere having a humidity of 95%.
As shown in S0 of the figure, it can be seen that the rich shift occurs greatly as the leaving time becomes longer. Further, it was confirmed that the rich shift started to occur after approximately 90 to 120 minutes.
この結果から、90分毎に430℃の温度でガスセンサ素子1を加熱することにより、リッチシフトを充分に抑制することができることが分かる。
なお、仮に、3時間毎に加熱を行った場合には、図6の曲線S1に示すごとく、若干のリッチシフトが生ずるおそれはあるが、温度制御をしない場合(S0)に比べて、大幅にリッチシフトを抑制することができる。
From this result, it is understood that the rich shift can be sufficiently suppressed by heating the
If heating is performed every 3 hours, a slight rich shift may occur as shown by the curve S1 in FIG. 6, but it is significantly higher than when temperature control is not performed (S0). Rich shift can be suppressed.
(実施例2)
本例は、図7に示すごとく、内燃機関停止時におけるガスセンサ素子1の加熱は、被測定ガス雰囲気の温度及び湿度に基づいて決定した時間間隔をおいて間欠的に行う、ガスセンサ温度制御システムの例である。
即ち、ガスセンサ素子1への単位時間あたりの水分付着量は、被測定ガス雰囲気の温度、湿度に基づいて詳細に予想することができる。例えば、上記温度及び湿度を基に、単位時間あたりのガスセンサ素子に衝突する水分子(H2O)の個数を導き出して、衝突時の付着確率を一定と見なした場合の単位時間当たりの水分子付着量を予測することができる。
そこで、被測定ガス雰囲気の温度及び湿度を測定することによって水分付着量を見積もり、付着量が所定の値に達したときに素子加熱を行う。
(Example 2)
In this example, as shown in FIG. 7, the
That is, the moisture adhesion amount per unit time to the
Therefore, the amount of moisture adhesion is estimated by measuring the temperature and humidity of the gas atmosphere to be measured, and element heating is performed when the amount of adhesion reaches a predetermined value.
具体的な水分付着量の見積もり方法につき、以下に説明する。
即ち、ガスセンサ素子1への水分付着量Nは、被測定ガス雰囲気の水蒸気密度と水分子の運動速度との積を時間t〔分〕にて積分した値に比例する。そして、水蒸気密度は飽和水蒸気圧P〔atm〕と湿度W〔%〕との積に比例し、水分子の運動速度は絶対温度T〔K〕の1/2乗に比例する。従って、水分付着量Nに関しては、比例定数kを用いて、以下の式(1)が成り立つ。なお、式(1)において、被測定ガス雰囲気の温度、湿度はそれぞれ時間tの関数であるためT(t)、W(t)と表し、飽和水蒸気圧はそれぞれ温度Tの関数であるためP(T(t))と表す。
A specific method for estimating the amount of water adhesion will be described below.
That is, the amount N of water adhering to the
そして、被測定ガス雰囲気の湿度100%、温度300Kにて、ガスセンサ素子1を90分間放置した場合の水分付着量を、リッチシフトが発生し始める限界の水分付着量(限界水分付着量)として設定する。この条件は、予め確認しておくことにより得られる条件である。
この限界水分付着量は、上記の式(1)から、6110kとなる。
Then, the moisture adhesion amount when the
This limit moisture adhesion amount is 6110k from the above equation (1).
そして、実際の水分付着量Nを、上記式(1)を用いて計算し、この計算値Nが基準値6000kに達したときに、図7の曲線S2に示すごとく、ガスセンサ素子1の加熱を行う。この基準値6000kは、上記限界水分付着量(6110k)よりも若干小さい値として設定した値である。
Then, the actual water adhesion amount N is calculated using the above formula (1), and when the calculated value N reaches the reference value 6000 k, the
なお、被測定ガス雰囲気の温度(図7の曲線S3)および湿度(曲線S4)の測定、並びに付着水分量の計算処理は、例えば数秒〜1分ごとに逐次行う程度で充分である。
その他は、実施例1と同様である。
Note that it is sufficient that the measurement of the temperature (curve S3 in FIG. 7) and humidity (curve S4) of the gas atmosphere to be measured and the calculation process of the amount of adhering water are sequentially performed every few seconds to 1 minute, for example.
Others are the same as in the first embodiment.
この場合にも、効率的に、リッチシフトの抑制を行うことができる。即ち、より電力消費を抑えながらのリッチシフトの抑制が可能となる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
Also in this case, the rich shift can be efficiently suppressed. That is, it is possible to suppress a rich shift while further reducing power consumption.
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
(実施例3)
本例は、ガスセンサ素子1の温度が430℃未満の状態が所定時間継続したとき、ガスセンサ素子1の加熱を行う例である。
即ち、内燃機関停止時においてガスセンサ素子1の温度をモニタリングしておき、430℃未満となった時点から、例えば60分経過したとき、セラミックヒータ5に通電して、ガスセンサ素子1の加熱を開始する。そして、ガスセンサ素子1の温度が、例えば500℃に達した時点でセラミックヒータ5への通電を終了する。そのまま放置して再びガスセンサ素子1の温度が430℃を切ってから60分を経過したとき、上記と同様の操作を繰り返す。
この所定時間(430℃未満の状態が継続する時間)は、リッチシフトが生じない程度の時間として、予め調査した上で決定する。
その他は、実施例1と同様である。
(Example 3)
In this example, the
That is, the temperature of the
This predetermined time (the time during which the state of less than 430 ° C. continues) is determined after an examination in advance as a time that does not cause a rich shift.
Others are the same as in the first embodiment.
この場合には、ガスセンサ素子1への水分の付着を効率的に防ぎ、リッチシフトを効率的に抑制することができる。
即ち、ガスセンサ素子1の温度が430℃未満の状態が長時間継続したときに、水分の付着のおそれが生ずる。そこで、この水分の付着を充分に防ぐことができる範囲内に、ガスセンサ素子1の温度が430℃未満となる時間を短くするよう制御することにより、加熱にかかる電力消費を抑制しつつ、水分の付着を防止することができる。その結果、効率的に、リッチシフトの抑制を行うことができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In this case, it is possible to efficiently prevent moisture from adhering to the
That is, when the temperature of the
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
1 ガスセンサ素子
2 固体電解質体
31 被測定ガス側電極
32 基準ガス側電極
4 多孔質拡散抵抗層
5 セラミックヒータ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記ガスセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体における一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた被測定ガス側電極及び基準ガス側電極と、上記被測定ガス側電極を覆うと共に上記被測定ガスを透過させる多孔質拡散抵抗層とを有するガスセンサ素子を内蔵しており、
上記内燃機関の停止時において、上記ガスセンサ素子を430℃以上の温度にて加熱することを特徴とするガスセンサ温度制御システム。 A gas sensor temperature control system that is disposed in an exhaust system of an internal combustion engine and controls the temperature of a gas sensor that measures a specific gas concentration in a gas to be measured,
The gas sensor includes an oxygen ion conductive solid electrolyte body, a measurement gas side electrode and a reference gas side electrode provided on one surface and the other surface of the solid electrolyte body, and the measurement gas side electrode. A gas sensor element having a porous diffusion resistance layer that covers and allows the gas to be measured to pass therethrough is built-in,
A gas sensor temperature control system, wherein the gas sensor element is heated at a temperature of 430 ° C. or higher when the internal combustion engine is stopped.
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- 2004-10-21 JP JP2004306885A patent/JP2006118976A/en not_active Withdrawn
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