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JP2024132120A - Concentration information acquisition device and concentration information acquisition method - Google Patents

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JP2024132120A
JP2024132120A JP2023042793A JP2023042793A JP2024132120A JP 2024132120 A JP2024132120 A JP 2024132120A JP 2023042793 A JP2023042793 A JP 2023042793A JP 2023042793 A JP2023042793 A JP 2023042793A JP 2024132120 A JP2024132120 A JP 2024132120A
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Japan
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temperature
gas
information acquisition
output value
correction
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Application number
JP2023042793A
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Japanese (ja)
Inventor
哲哉 伊藤
Tetsuya Ito
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Abstract

To provide a density information acquisition device and the like which can acquire accurate density information from output of a gas sensor regardless of a temperature condition and a pressure condition for the target gas contained in the exhaust gas.SOLUTION: A density information acquisition device 1 according to the present invention includes: a reception unit 41 which receives an output value of a detection cell 340 in a gas sensor 3; a temperature information acquisition unit 42 which acquires temperature information of the gas sensor 3; a pressure information acquisition unit 43 which acquires pressure information of the exhaust gas; a correction unit 44 which corrects the output value by using a correction formula to correct temperature dependency and pressure dependency of the output value; and a density information acquisition unit 42 which acquires density information on the basis of a correction formula that expresses a relationship between the density information related to density of the target gas and the output value, and the correction value of the output value corrected by the correction unit 44.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、濃度情報取得装置、及び濃度情報取得方法に関する。 The present invention relates to a concentration information acquisition device and a concentration information acquisition method.

自動車エンジン等の内燃機関の排気管に取り付けられて、排気管内の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサが知られている(例えば、特許文献1)。この種の酸素センサとしては、例えば、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとの間に、排気ガス中の酸素濃度を検出するためのガス検出室を有するガスセンサ素子を備えたものがある。酸素濃度検出セルは、固体電解質体と、それを挟むように配置された一対の電極とを備えており、両電極間に、酸素濃度に応じた起電力が発生する。また、酸素ポンプセルは、固体電解質体と、それを挟むように配置された一対の電極とを備えており、外部からガス検出室内に酸素を汲み入れ、又はガス検出室内から外部へ酸素を汲み出すように機能する。このようなガスセンサ素子では、酸素濃度検出セルの両電極間に生じる起電力と、予め定められた基準電圧(例えば、450mV)とを比較し、その比較結果に基づいて、酸素ポンプセルの両電極間に流す電流(ポンプ電流Ip)の大きさや向きが制御される。酸素センサは、その電流(ポンプ電流Ip)に基づいて、排気ガス中の酸素濃度や空燃比λを算出する。 Oxygen sensors that are attached to the exhaust pipe of an internal combustion engine such as an automobile engine and detect the oxygen concentration in the exhaust gas in the exhaust pipe are known (for example, Patent Document 1). For example, this type of oxygen sensor includes a gas sensor element having a gas detection chamber for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas between an oxygen concentration detection cell and an oxygen pump cell. The oxygen concentration detection cell includes a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged to sandwich the solid electrolyte body, and an electromotive force corresponding to the oxygen concentration is generated between the two electrodes. The oxygen pump cell includes a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged to sandwich the solid electrolyte body, and functions to pump oxygen into the gas detection chamber from the outside or pump oxygen out of the gas detection chamber to the outside. In such a gas sensor element, the electromotive force generated between the two electrodes of the oxygen concentration detection cell is compared with a predetermined reference voltage (for example, 450 mV), and the magnitude and direction of the current (pump current Ip) flowing between the two electrodes of the oxygen pump cell is controlled based on the comparison result. The oxygen sensor calculates the oxygen concentration and air-fuel ratio λ in the exhaust gas based on that current (pump current Ip).

ポンプ電流Ipと、酸素情報(空燃比λ等)との関係は、所定の関係式で表されるため、その関係式と、ポンプ電流Ipとから、酸素情報(空燃比λ等)が求められる。 The relationship between the pump current Ip and oxygen information (air-fuel ratio λ, etc.) is expressed by a predetermined relational equation, and the oxygen information (air-fuel ratio λ, etc.) can be found from that relational equation and the pump current Ip.

特開2022-15533号公報JP 2022-15533 A

前記関係式は、排気ガスの温度及び圧力が、所定の基準条件(例えば、720℃、1気圧)の場合に基づいて定められている。つまり、前記関係式は、排気ガスの温度及び圧力が、厳密には、前記基準条件の場合のみで成立すると言える。しかしながら、ポンプ電流Ipは、温度依存性及び圧力依存性を有するため、例えば、温度条件や圧力条件が、前記基準条件からずれてしまうと、前記関係式を利用しても、ポンプ電流Ipから酸素情報(空燃比λ等)を正確に求めることが難しくなる。 The above relational equation is determined based on the case where the temperature and pressure of the exhaust gas are at a predetermined reference condition (e.g., 720°C and 1 atmosphere). In other words, strictly speaking, the above relational equation is valid only when the temperature and pressure of the exhaust gas are at the above reference condition. However, since the pump current Ip has temperature dependency and pressure dependency, if, for example, the temperature conditions or pressure conditions deviate from the above reference conditions, it becomes difficult to accurately determine oxygen information (such as the air-fuel ratio λ) from the pump current Ip even when the above relational equation is used.

そこで、従来、ガスセンサの出力値(ポンプ電流Ip)に対して、温度依存性の影響を低減する温度補正や、圧力依存性の影響を低減する圧力補正が行われていた。温度補正は、予め把握しておいた、所定の基準圧力(例えば、1気圧)でのポンプ電流Ipの温度依存性を表す補正式を用いて行われる。また、圧力補正は、予め把握しておいた、所定の基準温度(例えば、720℃)でのポンプ電流Ipの圧力依存性を表す補正式を用いて行われる。 Therefore, conventionally, temperature correction is performed on the output value (pump current Ip) of the gas sensor to reduce the effect of temperature dependency, and pressure correction is performed to reduce the effect of pressure dependency. Temperature correction is performed using a correction equation that represents the temperature dependency of the pump current Ip at a predetermined reference pressure (e.g., 1 atmosphere) that is determined in advance. Pressure correction is performed using a correction equation that represents the pressure dependency of the pump current Ip at a predetermined reference temperature (e.g., 720°C) that is determined in advance.

しかしながら、前記出力値(ポンプ電流Ip)に対するこれらの補正(温度補正、圧力補正)は、温度及び圧力のうちの何れか一方のみの依存性を考慮したものであり、温度依存性と圧力依存性とを同時に考慮したものではなかった。例えば、温度補正の場合、排気ガスの圧力が基準圧力からずれてしまうと、正確な温度補正を行うことができなかった。また、圧力補正の場合についても、排気ガスの温度が基準温度からずれてしまうと、正確な圧力補正を行うことができなかった。 However, these corrections (temperature correction, pressure correction) for the output value (pump current Ip) only considered the temperature or pressure dependency, and did not consider both temperature and pressure dependencies at the same time. For example, in the case of temperature correction, if the exhaust gas pressure deviates from the reference pressure, accurate temperature correction could not be performed. Similarly, in the case of pressure correction, if the exhaust gas temperature deviates from the reference temperature, accurate pressure correction could not be performed.

一般的に、排気ガスの温度及び圧力は、何れか一方のみが、前記基準条件からずれることは少なく、温度及び圧力の双方が同時に前記基準条件からずれることが多い。例えば、内燃機関が高負荷の場合、排気ガスの温度が高温となり、かつ排気ガスの圧力が高圧となるため、温度及び圧力の双方が前記基準条件から大きくずれてしまう。そのため、ガスセンサ出力(ポンプ電流Ip)の温度補正及び圧力補正を1つにまとめて同時に行うことが求められていた。 Generally, it is rare for only one of the exhaust gas temperature and pressure to deviate from the reference conditions, and it is common for both the temperature and pressure to deviate from the reference conditions at the same time. For example, when an internal combustion engine is under high load, the exhaust gas temperature becomes high and the exhaust gas pressure becomes high, causing both the temperature and pressure to deviate significantly from the reference conditions. For this reason, there has been a demand for temperature correction and pressure correction of the gas sensor output (pump current Ip) to be combined into one and performed simultaneously.

本発明の目的は、排気ガスに含まれる対象ガスについて、温度条件及び圧力条件に関係なく、ガスセンサの出力から正確な濃度情報が得られる濃度情報取得装置及び濃度情報取得方法を提供することである。 The object of the present invention is to provide a concentration information acquisition device and a concentration information acquisition method that can obtain accurate concentration information from the output of a gas sensor for a target gas contained in exhaust gas, regardless of temperature and pressure conditions.

前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
<1> 固体電解質体と、前記固体電解質体上に配置される1組の電極とを有する検知セルを備えるガスセンサから、排気ガスに含まれる対象ガスの濃度に関連する情報を取得する濃度情報取得装置であって、前記検知セルの出力値を受信する受信部と、前記ガスセンサの温度情報を取得する温度情報取得部と、前記排気ガスの圧力情報を取得する圧力情報取得部と、前記出力値の温度依存性及び圧力依存性を補正するための補正式を利用して、前記出力値を補正する補正部と、前記対象ガスの濃度に関連する濃度情報と前記出力値との関係を表す関係式と、前記補正部により補正された前記出力値の補正値とに基づいて、前記濃度情報を取得する濃度情報取得部とを備える濃度情報取得装置。
The means for solving the above problems are as follows.
<1> A concentration information acquisition device that acquires information related to a concentration of a target gas contained in exhaust gas from a gas sensor including a detection cell having a solid electrolyte body and a set of electrodes arranged on the solid electrolyte body, the concentration information acquisition device comprising: a receiving unit that receives an output value of the detection cell; a temperature information acquisition unit that acquires temperature information of the gas sensor; a pressure information acquisition unit that acquires pressure information of the exhaust gas; a correction unit that corrects the output value using a correction equation for correcting temperature dependence and pressure dependence of the output value; and a concentration information acquisition unit that acquires the concentration information based on a relational equation expressing a relationship between concentration information related to the concentration of the target gas and the output value and a correction value of the output value corrected by the correction unit.

<2> 前記ガスセンサは、前記1組の電極の少なくとも一方を収容する検出室と、外部と前記検出室とを隔てつつ、排気ガスを前記外部側から前記検出室側へ導入する多孔質の拡散層とを有し、前記補正式は、前記拡散層の内部を移動するガス種に依存する前記拡散層の分子拡散係数と、前記拡散層の内部を移動するガス種と前記拡散層内の気孔径とに依存する前記拡散層のクヌーセン拡散係数とに基づいたパラメータを含む前記<1>に記載の濃度情報取得装置。 <2> The gas sensor has a detection chamber that houses at least one of the pair of electrodes, and a porous diffusion layer that separates the outside from the detection chamber and introduces exhaust gas from the outside to the detection chamber, and the correction formula includes parameters based on the molecular diffusion coefficient of the diffusion layer that depends on the gas species moving inside the diffusion layer, and the Knudsen diffusion coefficient of the diffusion layer that depends on the gas species moving inside the diffusion layer and the pore size in the diffusion layer. The concentration information acquisition device described in <1>.

<3> 前記パラメータは、前記検出室内の前記排気ガスがリーン状態時のパラメータであるリーン用パラメータと、前記検出室内の前記排気ガスがリッチ状態時のパラメータであるリッチ用パラメータとを有し、前記補正式は、前記パラメータとして前記リーン用パラメータを含むリーン用補正式と、前記パラメータとして前記リッチ用パラメータを含むリッチ用補正式とを有し、前記出力値に基づいて、前記検出室内が前記リーン状態であるか、又は前記リッチ状態であるかを判定する判定部と、前記検出室内が前記リーン状態の場合に、前記補正式として前記リーン用補正式を選択し、前記検出室内が前記リッチ状態の場合に、前記補正式として前記リッチ用補正式を選択する選択部とを備える前記<2>に記載の濃度情報取得装置。 <3> The concentration information acquisition device according to <2>, in which the parameters include lean parameters that are parameters when the exhaust gas in the detection chamber is in a lean state, and rich parameters that are parameters when the exhaust gas in the detection chamber is in a rich state, and the correction formula includes a lean correction formula that includes the lean parameter as the parameter, and a rich correction formula that includes the rich parameter as the parameter, and includes a determination unit that determines whether the inside of the detection chamber is in the lean state or the rich state based on the output value, and a selection unit that selects the lean correction formula as the correction formula when the inside of the detection chamber is in the lean state, and selects the rich correction formula as the correction formula when the inside of the detection chamber is in the rich state.

<4> 前記関係式は、所定の基準温度及び所定の基準圧力の条件下のものであり、前記補正式は、前記パラメータと、前記出力値と、前記温度情報と、前記圧力情報と、前記基準温度と、前記基準圧力とに基づく式である前記<3>に記載の濃度情報取得装置。 <4> The concentration information acquisition device described in <3>, in which the relational expression is based on a predetermined reference temperature and a predetermined reference pressure, and the correction expression is based on the parameters, the output value, the temperature information, the pressure information, the reference temperature, and the reference pressure.

<5> 前記ガスセンサが取り付けられる配管には、更に前記排気ガスの温度を検出するガス温度検知装置が取り付けられており、前記温度情報取得部は、前記ガスセンサの制御温度と、前記ガス温度検知装置から受信したガス温度とのうち、高い方の温度を、前記温度情報として取得する前記<1>に記載の濃度情報取得装置。 <5> The concentration information acquisition device described in <1>, in which a gas temperature detection device that detects the temperature of the exhaust gas is further attached to the pipe to which the gas sensor is attached, and the temperature information acquisition unit acquires, as the temperature information, the higher of the control temperature of the gas sensor and the gas temperature received from the gas temperature detection device.

<6> 固体電解質体と、前記固体電解質体上に配置される1組の電極とを有する検知セルを備えるガスセンサから、排気ガス中に含まれる対象ガスの濃度に関連する情報を取得する濃度情報取得工程を備える濃度情報取得方法であって、前記検知セルの出力値を受信する受信工程と、前記ガスセンサの温度情報を取得する温度情報取得工程と、前記排気ガスの圧力情報を取得する圧力情報取得工程と、前記出力値の温度依存性及び圧力依存性を補正するための補正式を利用して、前記出力値を補正する補正工程と、を備え、前記濃度情報取得工程において、前記補正工程により補正された前記出力値の補正値と、前記対象ガスの濃度に関連する濃度情報と前記出力値との関係を表す関係式とに基づいて、前記濃度情報を取得する濃度情報取得方法。 <6> A concentration information acquisition method including a concentration information acquisition step of acquiring information related to the concentration of a target gas contained in exhaust gas from a gas sensor including a detection cell having a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body, the concentration information acquisition method including a receiving step of receiving an output value of the detection cell, a temperature information acquisition step of acquiring temperature information of the gas sensor, a pressure information acquisition step of acquiring pressure information of the exhaust gas, and a correction step of correcting the output value using a correction formula for correcting the temperature dependency and pressure dependency of the output value, and the concentration information acquisition step acquires the concentration information based on a correction value of the output value corrected by the correction step and a relational formula expressing the relationship between the concentration information related to the concentration of the target gas and the output value.

<7> 前記ガスセンサは、前記1組の電極の少なくとも一方を収容する検出室と、外部と前記検出室とを隔てつつ、排気ガスを前記外部側から前記検出室側へ導入する多孔質の拡散層とを有し、前記補正式は、前記拡散層の内部を移動するガス種に依存する前記拡散層の分子拡散係数と、前記拡散層の内部を移動するガス種と前記拡散層内の気孔径とに依存する前記拡散層のクヌーセン拡散係数とに基づいたパラメータを含む前記<6>に記載の濃度情報取得方法。 <7> The gas sensor has a detection chamber that houses at least one of the pair of electrodes, and a porous diffusion layer that separates the outside from the detection chamber and introduces exhaust gas from the outside to the detection chamber, and the correction formula includes parameters based on the molecular diffusion coefficient of the diffusion layer that depends on the gas species moving inside the diffusion layer, and the Knudsen diffusion coefficient of the diffusion layer that depends on the gas species moving inside the diffusion layer and the pore size in the diffusion layer. The concentration information acquisition method described in <6>.

<8> 前記パラメータは、前記検出室内の前記排気ガスがリーン状態時のパラメータであるリーン用パラメータ、又は前記検出室内の前記排気ガスがリッチ状態時のパラメータであるリッチ用パラメータからなり、前記補正式は、前記パラメータとして前記リーン用パラメータを含むリーン用補正式と、前記パラメータとして前記リッチ用パラメータを含むリッチ用補正式とを有し、前記出力値に基づいて、前記検出室内が前記リーン状態であるか、又は前記リッチ状態であるかを判定する判定工程と、前記検出室内が前記リーン状態の場合に、前記補正式として、前記リーン用補正式を選択し、前記検出室内が前記リッチ状態の場合に、前記補正式として、前記リッチ用補正式を選択する選択工程とを備える前記<7>に記載の濃度情報取得方法。 <8> The parameters are lean parameters, which are parameters when the exhaust gas in the detection chamber is in a lean state, or rich parameters, which are parameters when the exhaust gas in the detection chamber is in a rich state, and the correction formula has a lean correction formula that includes the lean parameter as the parameter and a rich correction formula that includes the rich parameter as the parameter, and the concentration information acquisition method described in <7> is provided with a determination step of determining whether the inside of the detection chamber is in the lean state or the rich state based on the output value, and a selection step of selecting the lean correction formula as the correction formula when the inside of the detection chamber is in the lean state, and selecting the rich correction formula as the correction formula when the inside of the detection chamber is in the rich state.

<9> 前記関係式は、所定の基準温度及び所定の基準圧力の条件下のものであり、前記補正式は、前記パラメータと、前記出力値と、前記温度情報と、前記圧力情報と、前記基準温度と、前記基準圧力とに基づく式である前記<7>に記載の濃度情報取得方法。 <9> The concentration information acquisition method described in <7>, in which the relational expression is based on a predetermined reference temperature and a predetermined reference pressure, and the correction expression is based on the parameters, the output value, the temperature information, the pressure information, the reference temperature, and the reference pressure.

<10> 前記ガスセンサが取り付けられる配管には、更に前記排気ガスの温度を検出するガス温度検知装置が取り付けられており、前記温度情報取得工程において、前記ガスセンサの制御温度と、前記ガス温度検知装置から受信したガス温度とのうち、高い方の温度を、前記温度情報として取得する前記<6>に記載の濃度情報取得方法。 <10> The concentration information acquisition method described in <6>, in which a gas temperature detection device that detects the temperature of the exhaust gas is further attached to the pipe to which the gas sensor is attached, and in the temperature information acquisition process, the higher of the control temperature of the gas sensor and the gas temperature received from the gas temperature detection device is acquired as the temperature information.

本発明によれば、排気ガスに含まれる対象ガスについて、温度条件及び圧力条件に関係なく、ガスセンサの出力から正確な濃度情報が得られる濃度情報取得装置及び濃度情報取得方法を提供することができる。 The present invention provides a concentration information acquisition device and a concentration information acquisition method that can obtain accurate concentration information from the output of a gas sensor for a target gas contained in exhaust gas, regardless of temperature and pressure conditions.

実施形態1に係る濃度情報取得装置が設けられたエンジンとその周辺機器の構成を模式的に表した説明図FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of an engine provided with a concentration information acquisition device according to the first embodiment and its peripheral devices; ガスセンサの概略構成を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a gas sensor; ガスセンサが備えるガスセンサ素子を先端側から見た斜視図FIG. 2 is a perspective view of a gas sensor element of the gas sensor, viewed from the tip side; 図3のA-A線断面図AA line cross-sectional view of FIG. 濃度情報取得装置が実行する処理のフローチャートFlowchart of a process executed by the concentration information acquisition device

<実施形態1>
実施形態1に係る濃度情報取得装置1及び濃度情報取得方法を、図1~図5を参照しつつ説明する。図1は、実施形態1に係る濃度情報取得装置1が設けられたエンジン2とその周辺機器の構成を模式的に表した説明図であり、図2は、ガスセンサ3の概略構成を示す説明図である。
<Embodiment 1>
A concentration information acquiring device 1 and a concentration information acquiring method according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 1 to Fig. 5. Fig. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an engine 2 provided with the concentration information acquiring device 1 according to the first embodiment and its peripheral devices, and Fig. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a gas sensor 3.

濃度情報取得装置1は、ガスセンサ3の出力から、排気ガスに含まれる酸素(対象ガスの一例)の濃度に関連する情報(本実施形態の場合、空燃比λ)を取得する装置である。 The concentration information acquisition device 1 is a device that acquires information (in this embodiment, the air-fuel ratio λ) related to the concentration of oxygen (an example of a target gas) contained in the exhaust gas from the output of the gas sensor 3.

なお、空燃比は、通常、空気とガソリンとの混合比(質量比)を指すが、本明細書では、空気過剰率λ(=実際の空燃比/理論空燃比)を空燃比と称し、空燃比λ=1が理論空燃比を示すものとする。 Note that the air-fuel ratio usually refers to the mixture ratio (mass ratio) of air and gasoline, but in this specification, the air excess ratio λ (= actual air-fuel ratio/stoichiometric air-fuel ratio) is referred to as the air-fuel ratio, and an air-fuel ratio λ = 1 indicates the stoichiometric air-fuel ratio.

濃度情報取得装置1は、主として、受信部41、温度情報取得部42、圧力情報取得部43、補正部44、濃度情報取得部45を備えている。濃度情報取得装置1は、更に、判定部46、選択部47を備えている。 The concentration information acquisition device 1 mainly includes a receiving unit 41, a temperature information acquisition unit 42, a pressure information acquisition unit 43, a correction unit 44, and a concentration information acquisition unit 45. The concentration information acquisition device 1 further includes a determination unit 46 and a selection unit 47.

温度情報取得部42、圧力情報取得部43、補正部44、濃度情報取得部45、判定部46及び選択部47は、ECU(Electronic Control Unit)4内のCPU(Central Processing Unit)401によって構成される。受信部41は、ECU4が備える、受信回路を含む通信回路からなる。なお、受信部41、温度情報取得部42、圧力情報取得部43、補正部44、濃度情報取得部45、判定部46及び選択部47の詳細は、後述する。 The temperature information acquisition unit 42, the pressure information acquisition unit 43, the correction unit 44, the concentration information acquisition unit 45, the determination unit 46, and the selection unit 47 are configured by a CPU (Central Processing Unit) 401 in the ECU (Electronic Control Unit) 4. The receiving unit 41 is composed of a communication circuit including a receiving circuit provided in the ECU 4. The details of the receiving unit 41, the temperature information acquisition unit 42, the pressure information acquisition unit 43, the correction unit 44, the concentration information acquisition unit 45, the determination unit 46, and the selection unit 47 will be described later.

ECU4は、自動車のエンジン2の駆動等を電子的に制御するための装置であり、CPU401、ROM402、RAM403等を搭載したマイコンチップにより構成される。 The ECU 4 is a device for electronically controlling the operation of the engine 2 of the automobile, and is composed of a microcomputer chip equipped with a CPU 401, a ROM 402, a RAM 403, etc.

ECU4では、CPU401がROM402に記憶された各種プログラムを実行し、各種センサ(ガスセンサ3、温度センサ8等)からの検出信号が入力されると共に、インジェクタ等を作動させるための制御信号を出力する。このようなECU4では、ガスセンサ3の出力に基づいて、エンジン2の空燃比フィードバック制御が行われる。 In the ECU 4, the CPU 401 executes various programs stored in the ROM 402, receives detection signals from various sensors (gas sensor 3, temperature sensor 8, etc.), and outputs control signals for operating the injectors, etc. In this manner, the ECU 4 performs feedback control of the air-fuel ratio of the engine 2 based on the output of the gas sensor 3.

本実施形態のエンジン2は、ガソリンを燃料とする直列4気筒サイクルの火花点火式として構成されている。エンジン2の上流側には、外部から吸入された空気が流される吸気管5が接続され、また、エンジン2の下流側には、燃料(ガソリン)の燃焼により生じた排気ガスが流される排気管(配管)6が接続されている。排気管6の途中には、三元触媒式の浄化装置7が設置されている。 The engine 2 of this embodiment is configured as an in-line 4-cylinder spark ignition type engine fueled by gasoline. An intake pipe 5 through which air drawn in from the outside flows is connected to the upstream side of the engine 2, and an exhaust pipe (piping) 6 through which exhaust gas generated by the combustion of fuel (gasoline) flows is connected to the downstream side of the engine 2. A three-way catalytic converter 7 is installed midway in the exhaust pipe 6.

吸気管5には、複数のインジェクタ(不図示)が設置されている。インジェクタは、燃料タンクに接続され、エンジン2の上流側において複数の気筒のそれぞれに設けられており、ECU4からの制御信号に応じて燃料を噴射する。なお、インジェクタよりも上流側の吸気管5には、エンジン2への空気の吸気量を調整するスロットル弁(不図示)が設けられており、そのスロットル弁の開度は、ECU4からの制御信号により制御される。 Multiple injectors (not shown) are installed in the intake pipe 5. The injectors are connected to a fuel tank and provided for each of the multiple cylinders upstream of the engine 2, and inject fuel in response to a control signal from the ECU 4. A throttle valve (not shown) that adjusts the amount of air intake to the engine 2 is provided in the intake pipe 5 upstream of the injectors, and the opening degree of the throttle valve is controlled by a control signal from the ECU 4.

外部からの吸入空気は、図示されないエアクリーナ、スロットル弁等を通過しながら吸気管5内を移動し、インジェクタから噴射された燃料(ガソリン)と混合され、所定空燃比の燃料混合気としてエンジン2の各気筒に供給される。各気筒には、それぞれ点火プラグが設けられており、各点火プラグは、ECU4からの制御信号に応じて各気筒の燃料混合気を所定のタイミングで点火する。そして、燃焼後に生じた排気ガスは、排気管6を通って外部に排出される。 Intake air from the outside moves through the intake pipe 5 while passing through an air cleaner, throttle valve, etc. (not shown), and is mixed with fuel (gasoline) injected from an injector, and is supplied to each cylinder of the engine 2 as a fuel mixture with a specified air-fuel ratio. Each cylinder is provided with an ignition plug, which ignites the fuel mixture in each cylinder at a specified timing in response to a control signal from the ECU 4. Exhaust gas produced after combustion is discharged to the outside through the exhaust pipe 6.

ガスセンサ3は、排気管6のうち、浄化装置7の上流側の箇所に配置され、その箇所における排気ガス中の酸素濃度に応じた出力(ポンプ電流Ipに対応した出力値)を生じる。その出力は、ガスセンサ制御装置31を介して、ECU4に送信される。 The gas sensor 3 is disposed in the exhaust pipe 6 at a location upstream of the purification device 7, and produces an output corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas at that location (an output value corresponding to the pump current Ip). The output is transmitted to the ECU 4 via the gas sensor control device 31.

ここで、図1等を参照しつつ、ガスセンサ3について説明する。図3は、ガスセンサ3が備えるガスセンサ素子30を先端側から見た斜視図であり、図4は、図3のA-A線断面図である。ガスセンサ3は、リニアラムダセンサ(限界電流方式のセンサ)であり、ガスセンサ制御装置31に対して電気的に接続されている。 The gas sensor 3 will now be described with reference to FIG. 1 and other figures. FIG. 3 is a perspective view of the gas sensor element 30 of the gas sensor 3, seen from the tip side, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line A-A in FIG. 3. The gas sensor 3 is a linear lambda sensor (a limiting current type sensor), and is electrically connected to the gas sensor control device 31.

ガスセンサ3は、ガスセンサ素子30と、そのガスセンサ素子30を内部で保持するハウジング(不図示)とを備えている。本実施形態のガスセンサ素子30は、2セル式であり、後述するように酸素ポンプセル340と、酸素濃度検出セル350とを備えている。 The gas sensor 3 includes a gas sensor element 30 and a housing (not shown) that holds the gas sensor element 30 inside. The gas sensor element 30 in this embodiment is of a two-cell type, and includes an oxygen pump cell 340 and an oxygen concentration detection cell 350, as described below.

ガスセンサ素子30は、図3に示されるように、全体的に細長く延びた板状をなしており、その先端側に、排気ガス中の酸素を検出する検出部が設けられている。ガスセンサ素子30の先端側は、多孔質体からなる保護層Mによって覆われている。なお、保護層Mは、説明の便宜上、図4等において適宜、省略されている。また、保護層Mを構成する多孔質体の気孔径は、後述する拡散層315の気孔径と比べて大きいため、保護層Mが排気ガスの導入量を規制することはない。 As shown in FIG. 3, the gas sensor element 30 is generally in the shape of a long and thin plate, and a detection section for detecting oxygen in the exhaust gas is provided at the tip side of the gas sensor element 30. The tip side of the gas sensor element 30 is covered with a protective layer M made of a porous body. Note that the protective layer M is omitted as appropriate in FIG. 4 and other figures for the sake of convenience. In addition, the pore diameter of the porous body constituting the protective layer M is larger than the pore diameter of the diffusion layer 315 described below, so the protective layer M does not restrict the amount of exhaust gas introduced.

ガスセンサ素子30は、ジルコニアを主体とする固体電解質体311,313と、アルミナを主体とする絶縁基体312,317,318,324とを備える。それらは、何れも細長い板状に形成されており、絶縁基体318、絶縁基体317、固体電解質体313、絶縁基体312、固体電解質体311、及び絶縁基体324の順に積層された構造となっている。 The gas sensor element 30 comprises solid electrolyte bodies 311 and 313 mainly made of zirconia, and insulating bases 312, 317, 318, and 324 mainly made of alumina. All of them are formed in a long, thin plate shape, and are structured such that insulating base 318, insulating base 317, solid electrolyte body 313, insulating base 312, solid electrolyte body 311, and insulating base 324 are layered in this order.

固体電解質体311の両面に、白金を主体とする一対の電極319,320がそれぞれ形成されている。また、同様に、固体電解質体313の両面にも一対の電極321.322がそれぞれ形成されている。電極322は、固体電解質体313と絶縁基体317との間で挟まれた状態で埋設されている。 A pair of electrodes 319, 320, mainly made of platinum, are formed on both sides of the solid electrolyte body 311. Similarly, a pair of electrodes 321, 322 are formed on both sides of the solid electrolyte body 313. The electrode 322 is embedded and sandwiched between the solid electrolyte body 313 and the insulating base 317.

絶縁基体312の長手方向の一端側には、固体電解質体311,313を一壁面としつつ、排気ガスを導入可能な中空のガス検出室(検出室)323が形成されている。なお、ガス検出室323は、固体電解質体313と、固体電解質体311との間に形成される。ガス検出室323の幅方向の両端には、ガス検出室323内に排気ガスを導入する際の導入量(流入量)を規制するための多孔質状の拡散層(拡散律速部)315が設けられている。拡散層315は、ガスセンサ素子30の厚み方向(積層方向)において、固体電解質体313と固体電解質体311との間に介在されている。ガス検出室323は、拡散層315に面しており、外部の排気ガスが、拡散層315を通過して、ガス検出室323内に導入される。なお、固体電解質体311上の電極320と、固体電解質体313上の電極321とは、ガス検出室323内にそれぞれ露出されている。 At one end of the insulating base 312 in the longitudinal direction, a hollow gas detection chamber (detection chamber) 323 into which exhaust gas can be introduced is formed, with the solid electrolyte bodies 311 and 313 as one wall surface. The gas detection chamber 323 is formed between the solid electrolyte body 313 and the solid electrolyte body 311. At both ends of the width direction of the gas detection chamber 323, a porous diffusion layer (diffusion rate control part) 315 is provided to regulate the amount of exhaust gas introduced (inflow amount) when introducing the exhaust gas into the gas detection chamber 323. The diffusion layer 315 is interposed between the solid electrolyte body 313 and the solid electrolyte body 311 in the thickness direction (stacking direction) of the gas sensor element 30. The gas detection chamber 323 faces the diffusion layer 315, and the external exhaust gas passes through the diffusion layer 315 and is introduced into the gas detection chamber 323. The electrode 320 on the solid electrolyte body 311 and the electrode 321 on the solid electrolyte body 313 are each exposed in the gas detection chamber 323.

また、絶縁基体317,318の間には、白金を主体とする発熱抵抗体326がそれらに挟まれた状態で埋設されている。絶縁基体317,318及び発熱抵抗体326は、固体電解質体311,313を加熱して活性化させるためのヒータとして機能する。 A heating resistor 326 made mainly of platinum is embedded between the insulating bases 317 and 318. The insulating bases 317 and 318 and the heating resistor 326 function as a heater for heating and activating the solid electrolyte bodies 311 and 313.

固体電解質体311上の電極319は、その表面がセラミックス(例えば、アルミナ)からなる多孔質性の保護層325によって覆われている。電極319は、排気ガス中に含まれる被毒成分(例えば、シリコン等)によって劣化しないように、保護層325によって保護されている。固体電解質体311上に積層された絶縁基体324は、電極319を覆わないように開口324aが設けられており、その開口324a内に保護層325が配設されている。 The surface of the electrode 319 on the solid electrolyte body 311 is covered with a porous protective layer 325 made of ceramics (e.g., alumina). The electrode 319 is protected by the protective layer 325 to prevent deterioration by poisonous components (e.g., silicon, etc.) contained in the exhaust gas. The insulating base 324 laminated on the solid electrolyte body 311 has an opening 324a provided so as not to cover the electrode 319, and the protective layer 325 is disposed within the opening 324a.

このように構成されたガスセンサ素子30において、固体電解質体311とその両面に設けられた一対の電極319,320は、外部からガス検出室323内に酸素を汲み入れ、又はガス検出室323から外部へ酸素を汲み出す酸素ポンプセル340として機能する。一対の電極319,320は、固体電解質体311を挟む形で配置されている。一方の電極320は、ガス検出室323に配置され、他方の電極319は、絶縁基体324の開口
324a内に配置されている。本実施形態の場合、酸素ポンプセル340が、「検知セル」に該当する。酸素ポンプセル340は、固体電解質体311と、固体電解質体311上に配置される1組の電極319,320とを有する。
In the gas sensor element 30 configured as described above, the solid electrolyte body 311 and the pair of electrodes 319, 320 provided on both sides thereof function as an oxygen pump cell 340 that pumps oxygen into the gas detection chamber 323 from the outside or pumps oxygen out from the gas detection chamber 323 to the outside. The pair of electrodes 319, 320 are arranged to sandwich the solid electrolyte body 311. One electrode 320 is arranged in the gas detection chamber 323, and the other electrode 319 is arranged in an opening 324a of the insulating base 324. In this embodiment, the oxygen pump cell 340 corresponds to the "detection cell". The oxygen pump cell 340 has the solid electrolyte body 311 and a pair of electrodes 319, 320 arranged on the solid electrolyte body 311.

また、固体電解質体313とその両面に設けられた一対の電極321,322は、両電極間の酸素濃度に応じて起電力を発生させる酸素濃度検出セル350として機能する。電極322は、ガス検出室323内の酸素濃度の検出のための基準となる酸素濃度を維持する酸素基準電極(基準室)として機能する。一対の電極321,322は、固体電解質体313を挟む形で配置される。一方の電極321は、ガス検出室323に配置され、他方の電極322は、後述する基準雰囲気に晒される。 The solid electrolyte body 313 and the pair of electrodes 321, 322 provided on both sides of it function as an oxygen concentration detection cell 350 that generates an electromotive force depending on the oxygen concentration between the two electrodes. The electrode 322 functions as an oxygen reference electrode (reference chamber) that maintains the oxygen concentration that serves as a reference for detecting the oxygen concentration in the gas detection chamber 323. The pair of electrodes 321, 322 are arranged to sandwich the solid electrolyte body 313. One electrode 321 is arranged in the gas detection chamber 323, and the other electrode 322 is exposed to a reference atmosphere described below.

なお、図4に示されるように、本明細書において、ガスセンサ素子30の幅方向における拡散律速部315の長さを「L」と表す。また、ガスセンサ素子30の幅方向から見た拡散律速部315の断面積を、「S」と表す。 As shown in FIG. 4, in this specification, the length of the diffusion-controlling portion 315 in the width direction of the gas sensor element 30 is represented as "L." Also, the cross-sectional area of the diffusion-controlling portion 315 as viewed in the width direction of the gas sensor element 30 is represented as "S."

次いで、ガスセンサ制御装置31について説明する。ガスセンサ制御装置31は、マイクロコンピュータ309、及び回路部330を構成主体としている。マイクロコンピュータ309は、CPU306、ROM307、RAM308等を搭載した公知の構成のマイコンチップからなる。なお、ROM307には、CPU306に各処理を実行させるための制御プログラム等が記憶されている。 Next, the gas sensor control device 31 will be described. The gas sensor control device 31 is mainly composed of a microcomputer 309 and a circuit section 330. The microcomputer 309 is made up of a microcomputer chip of a known configuration that includes a CPU 306, a ROM 307, a RAM 308, etc. The ROM 307 stores control programs and the like for causing the CPU 306 to execute various processes.

回路部330は、ガスセンサ30を駆動させる回路(例えば、ASIC:Application Specific Integrated Circuit)によって実現される。このような回路部330は、ポンプ電流供給部331、基準電圧生成部332、微小電流供給部333、AD変換部334、PID演算部335、Rpvs演算部336、デューティ演算部337、ヒータ駆動部338を備える。また、回路部330は、酸素ポンプセル340の正極側に電気的に接続されるポンプ電流端子TIp、酸素ポンプセル340の負極側と酸素濃度検出セル350の負極側とに電気的に接続される共通端子TCOM、酸素濃度検出セル350の正極側に電気的に接続される電圧検出端子TVs、ヒータ端子THを備える。 The circuit unit 330 is realized by a circuit (e.g., an ASIC: Application Specific Integrated Circuit) that drives the gas sensor 30. Such a circuit unit 330 includes a pump current supply unit 331, a reference voltage generation unit 332, a microcurrent supply unit 333, an AD conversion unit 334, a PID calculation unit 335, an Rpvs calculation unit 336, a duty calculation unit 337, and a heater drive unit 338. The circuit unit 330 also includes a pump current terminal TIp electrically connected to the positive electrode side of the oxygen pump cell 340, a common terminal TCOM electrically connected to the negative electrode side of the oxygen pump cell 340 and the negative electrode side of the oxygen concentration detection cell 350, a voltage detection terminal TVs electrically connected to the positive electrode side of the oxygen concentration detection cell 350, and a heater terminal TH.

基準電圧生成部332は、共通端子TCOMに印加される基準電圧を発生させる。本実施形態において、基準電圧は、2.7Vである。微小電流供給部333は、電圧検出端子TVsを介して酸素濃度検出セル350の電極322に接続されている。微小電流供給部333は、電圧検出端子TVsを介して酸素濃度検出セル350に微小電流Icpを供給することにより、電極322側に酸素イオンを移動させて基準となる基準雰囲気(酸素分圧:約2atm)を生成する。これにより、電極322は、排気ガス中の酸素濃度を検出するための基準となる酸素基準電極として機能する。また、微小電流供給部333は、酸素濃度検出セル350の内部抵抗値を検出するためのパルス電流Irpvsを、電圧検出端子TVsを介して酸素濃度検出セル350に供給する。微小電流供給部333は、微小電流Icp及びパルス電流Irpvsを常時供給するのではなく、マイクロコンピュータ309からの指令に基づいて、微小電流Icp及びパルス電流Irpvsを、それぞれ適切な時期に供給する。 The reference voltage generating unit 332 generates a reference voltage to be applied to the common terminal TCOM. In this embodiment, the reference voltage is 2.7 V. The microcurrent supplying unit 333 is connected to the electrode 322 of the oxygen concentration detection cell 350 via the voltage detection terminal TVs. The microcurrent supplying unit 333 supplies a microcurrent Icp to the oxygen concentration detection cell 350 via the voltage detection terminal TVs, thereby moving oxygen ions to the electrode 322 side to generate a reference atmosphere (oxygen partial pressure: about 2 atm). As a result, the electrode 322 functions as an oxygen reference electrode that serves as a reference for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas. In addition, the microcurrent supplying unit 333 supplies a pulse current Irpvs for detecting the internal resistance value of the oxygen concentration detection cell 350 to the oxygen concentration detection cell 350 via the voltage detection terminal TVs. The microcurrent supply unit 333 does not constantly supply the microcurrent Icp and the pulse current Irpvs, but supplies the microcurrent Icp and the pulse current Irpvs at appropriate times based on commands from the microcomputer 309.

ポンプ電流供給部331は、ポンプ電流端子TIpを介して、酸素ポンプセル340の電極319に接続されている。ポンプ電流供給部331は、酸素ポンプセル340に大きさ及び向きが調整されたポンプ電流Ipを供給する。 The pump current supply unit 331 is connected to the electrode 319 of the oxygen pump cell 340 via the pump current terminal TIp. The pump current supply unit 331 supplies a pump current Ip whose magnitude and direction are adjusted to the oxygen pump cell 340.

AD変換部334は、電圧検出端子TVsから入力されるアナログ信号の電圧値をデジタル信号へ変換し、PID演算部335とRpvs演算部336とに出力する。 The AD conversion unit 334 converts the voltage value of the analog signal input from the voltage detection terminal TVs into a digital signal and outputs it to the PID calculation unit 335 and the Rpvs calculation unit 336.

PID演算部335は、AD変換部334から入力されるデジタル信号に基づいて、電圧検出端子TVsにおける電圧と、共通端子TCOMにおける電圧との電圧差が、予め設定された目標電圧(例えば、450mV)となるように、ポンプ電流Ipを調整するフィードバック制御を行う。PID演算部335は、前記電圧差が、前記目標電圧となるように、PID(Proportional-Integral-Differential)演算を行うと共に、PID演算で得られた結果(デジタル信号の電流値)を、ポンプ電流供給部331へ出力する。なお、ポンプ電流供給部331は、PID演算部335から入力されるデジタル信号の電流値を、ポンプ電流Ipに変換して、上記のように、酸素ポンプセル340にポンプ電流Ipを供給する。 Based on the digital signal input from the AD conversion unit 334, the PID calculation unit 335 performs feedback control to adjust the pump current Ip so that the voltage difference between the voltage at the voltage detection terminal TVs and the voltage at the common terminal TCOM becomes a preset target voltage (e.g., 450 mV). The PID calculation unit 335 performs PID (Proportional-Integral-Differential) calculation so that the voltage difference becomes the target voltage, and outputs the result of the PID calculation (current value of the digital signal) to the pump current supply unit 331. The pump current supply unit 331 converts the current value of the digital signal input from the PID calculation unit 335 into the pump current Ip, and supplies the pump current Ip to the oxygen pump cell 340 as described above.

Rpvs演算部336は、微小電流供給部333がパルス電流Irpvsを供給しているときにAD変換部334から入力されるデジタル信号に基づいて、酸素濃度検出セル350の内部抵抗値Rpvsを算出するための演算を実行し、この内部抵抗値Rpvsを示すデジタル信号をデューティ演算部337へ出力する。 The Rpvs calculation unit 336 performs a calculation to calculate the internal resistance value Rpvs of the oxygen concentration detection cell 350 based on the digital signal input from the AD conversion unit 334 when the microcurrent supply unit 333 is supplying the pulse current Irpvs, and outputs a digital signal indicating this internal resistance value Rpvs to the duty calculation unit 337.

デューティ演算部337は、Rpvs演算部336から入力されるデジタル信号に基づいて、ガスセンサ素子30の温度を予め設定された目標温度(例えば、720℃)に維持するために必要な発熱抵抗体326の発熱量を算出する。そしてデューティ演算部337は、算出した発熱抵抗体326の発熱量に基づいて、発熱抵抗体326に供給する電力のデューティ比を算出し、算出したデューティ比に応じたPWM(Pulse Width Modulation)制御信号をヒータ駆動部338へ出力する。ヒータ駆動部338は、デューティ演算部337から入力されるPWM制御信号に基づいて、発熱抵抗体326の両端に供給される電圧VhをPWM制御して、発熱抵抗体326を発熱させる。 Based on the digital signal input from the Rpvs calculation unit 336, the duty calculation unit 337 calculates the amount of heat generated by the heating resistor 326 required to maintain the temperature of the gas sensor element 30 at a preset target temperature (e.g., 720°C). Based on the calculated amount of heat generated by the heating resistor 326, the duty calculation unit 337 then calculates the duty ratio of the power to be supplied to the heating resistor 326, and outputs a PWM (Pulse Width Modulation) control signal according to the calculated duty ratio to the heater drive unit 338. Based on the PWM control signal input from the duty calculation unit 337, the heater drive unit 338 PWM controls the voltage Vh supplied to both ends of the heating resistor 326 to cause the heating resistor 326 to generate heat.

マイクロコンピュータ309のCPU306は、ROM307に記憶されたプログラムに基づいて、ガスセンサ素子30を制御する処理を実行する。例えば、CPU306は、予め設定された取得周期(例えば、10ms)が経過する毎に、回路部330から、ポンプ電流Ipの流れる向き及びポンプ電流Ipの大きさに関する値を示すデジタルデータ(出力値)を取得すると共に、取得された前記デジタルデータを、ECU2へ送信する。 The CPU 306 of the microcomputer 309 executes a process for controlling the gas sensor element 30 based on a program stored in the ROM 307. For example, the CPU 306 acquires digital data (output values) indicating the direction of flow of the pump current Ip and values related to the magnitude of the pump current Ip from the circuit section 330 every time a preset acquisition period (e.g., 10 ms) elapses, and transmits the acquired digital data to the ECU 2.

以上のようなガスセンサ3を使用して、濃度情報取得装置1は、排気ガスに含まれる酸素の濃度情報を取得する。 Using the gas sensor 3 described above, the concentration information acquisition device 1 acquires information on the concentration of oxygen contained in the exhaust gas.

なお、排気管6には、更に排気ガスの温度を検出する温度センサ(ガス温度検知装置)8が取り付けられている。温度センサ8は、ガスセンサ3と同様、浄化装置7の上流側の箇所に配置されている。温度センサ8は、公知の構成を備えており、例えば、温度に応じて電気的特性が変化する感温部と、その感温部からの電気信号を外部に出力するための電極線とを有する感温素子と、電極線に電気的に接続されたシース芯線(信号線)とを備えている。シース芯線の先端部は、感温素子に電気的に接続されている。また、シース芯線の後端部は、抵抗溶接により加締め端子に接続されており、その加締め端子を介して外部回路の接続用のリード線に接続されている。このような温度センサ8は、リード線を介して、外部回路であるECU4に電気的に接続されている。温度センサ8の出力は、リード線を介して、ECU4に送信される。 The exhaust pipe 6 is further fitted with a temperature sensor (gas temperature detector) 8 for detecting the temperature of the exhaust gas. The temperature sensor 8 is arranged upstream of the purification device 7, similar to the gas sensor 3. The temperature sensor 8 has a known configuration, and includes, for example, a temperature sensor having a temperature sensor whose electrical characteristics change according to temperature and an electrode wire for outputting an electrical signal from the temperature sensor to the outside, and a sheath core wire (signal wire) electrically connected to the electrode wire. The tip of the sheath core wire is electrically connected to the temperature sensor. The rear end of the sheath core wire is connected to a crimp terminal by resistance welding, and is connected to a lead wire for connecting an external circuit via the crimp terminal. Such a temperature sensor 8 is electrically connected to the ECU 4, which is an external circuit, via the lead wire. The output of the temperature sensor 8 is transmitted to the ECU 4 via the lead wire.

次いで、受信部41、温度情報取得部42、圧力情報取得部43、補正部44、濃度情報取得部45、判定部46、及び選択部47について説明する。 Next, the receiving unit 41, the temperature information acquiring unit 42, the pressure information acquiring unit 43, the correcting unit 44, the concentration information acquiring unit 45, the determining unit 46, and the selecting unit 47 will be described.

受信部41は、酸素ポンプセル(検知セル)340の1組の電極319,320間に流されるポンプ電流Ipに対応した出力値を受信する処理を実行する。本実施形態の場合、受信部41は、ECU4のCPU401からの指示に基づいて、予め設定された取得周期(例えば、10ms)が経過する毎に、酸素ポンプセル340に供給されるポンプ電流Ipの流れる向き及びポンプ電流Ipの大きさに関する値を示すデジタルデータ(出力値)を、ガスセンサ制御装置31を介して受信する。 The receiver 41 executes a process of receiving an output value corresponding to the pump current Ip flowing between a pair of electrodes 319, 320 of the oxygen pump cell (detection cell) 340. In this embodiment, the receiver 41 receives digital data (output value) indicating the direction of flow of the pump current Ip supplied to the oxygen pump cell 340 and a value related to the magnitude of the pump current Ip, via the gas sensor control device 31, every time a preset acquisition period (e.g., 10 ms) elapses, based on an instruction from the CPU 401 of the ECU 4.

温度情報取得部42は、ガスセンサ3の温度情報を取得する処理を実行する。本実施形態の場合、温度情報取得部42は、ガスセンサ3の温度情報として、ガスセンサ3の制御温度と、温度センサ8から受信したガス温度とのうち、高い方の温度を採用する。ガスセンサ3の制御温度(目標温度)は、ガスセンサ制御装置31より供給される。温度情報取得部42は、例えば、予め設定された取得周期(例えば、10ms)が経過する毎に、温度センサ8が検出した排気ガスの温度(ガス温度)を受信する。 The temperature information acquisition unit 42 executes a process for acquiring temperature information of the gas sensor 3. In this embodiment, the temperature information acquisition unit 42 adopts the higher of the control temperature of the gas sensor 3 and the gas temperature received from the temperature sensor 8 as the temperature information of the gas sensor 3. The control temperature (target temperature) of the gas sensor 3 is supplied by the gas sensor control device 31. The temperature information acquisition unit 42 receives the exhaust gas temperature (gas temperature) detected by the temperature sensor 8, for example, every time a preset acquisition period (for example, 10 ms) has elapsed.

なお、他の実施形態において、温度情報取得部42は、ガスセンサ3の制御温度(目標温度)を、温度情報として採用してもよいし、温度センサ8から受信したガス温度を、温度情報として採用してもよい。ただし、本実施形態のように、ガスセンサ3の制御温度と、温度センサ8から受信したガス温度とのうち、高い方の温度を、ガスセンサ3の温度情報とすると、より正確に、酸素(対象ガス)の濃度情報を把握することができる。 In other embodiments, the temperature information acquisition unit 42 may use the control temperature (target temperature) of the gas sensor 3 as the temperature information, or may use the gas temperature received from the temperature sensor 8 as the temperature information. However, as in this embodiment, if the higher of the control temperature of the gas sensor 3 and the gas temperature received from the temperature sensor 8 is used as the temperature information of the gas sensor 3, it is possible to more accurately grasp the concentration information of oxygen (target gas).

圧力情報取得部43は、排気ガスの圧力情報を取得する処理を実行する。排気ガスの圧力(全圧)は、例えば、エンジンパラメータ(吸入空気量、エンジン回転数、スロットル開度等)9を用いて把握することができる。圧力情報取得部43は、例えば、予め設定された取得周期(例えば、10ms)が経過する毎に、エンジンパラメータ9を受信すると共に、そのエンジンパラメータ9から、公知の手法により、排気ガスの圧力を取得する。 The pressure information acquisition unit 43 executes a process to acquire exhaust gas pressure information. The exhaust gas pressure (total pressure) can be grasped, for example, using engine parameters (intake air volume, engine speed, throttle opening, etc.) 9. The pressure information acquisition unit 43 receives the engine parameters 9, for example, every time a preset acquisition period (for example, 10 ms) elapses, and acquires the exhaust gas pressure from the engine parameters 9 using a known method.

補正部44は、受信部41が受信した前記出力値の温度依存性及び圧力依存性を補正するための補正式を利用して、前記出力値を補正する処理を実行する。ここで、受信部41が受信した出力値(ポンプ電流Ip)を「Ip」とし、補正後の出力値を「Ip」とした場合、補正式は、以下のように表される。 The correction unit 44 executes a process of correcting the output value by using a correction formula for correcting the temperature dependency and pressure dependency of the output value received by the receiving unit 41. Here, if the output value (pump current Ip) received by the receiving unit 41 is "Ip b " and the corrected output value is "Ip a ", the correction formula is expressed as follows.

Figure 2024132120000002
Figure 2024132120000002

式(1)中、Kは、拡散層315を拡散(分子拡散)するときの分子拡散係数の比例係数であり、Kは、拡散層315を拡散(クヌーセン拡散)するときのクヌーセン拡散係数の比例係数であり、K/Kは、拡散層315を拡散するときの分子拡散とクヌーセン拡散の2種類の複合具合を表したパラメータ(つまり、ポンプ電流Ipの温度依存性及び圧力依存性を表したパラメータ)である。後述するように、K/Kは、実験により、予め求められる。K/Kは、予めECU4のROM402に記憶されている。 In formula (1), KM is a proportional coefficient of the molecular diffusion coefficient when diffusing (molecular diffusion) in the diffusion layer 315, KK is a proportional coefficient of the Knudsen diffusion coefficient when diffusing (Knudsen diffusion) in the diffusion layer 315, and KM / KK is a parameter representing the combined state of the two types of diffusion, molecular diffusion and Knudsen diffusion, when diffusing in the diffusion layer 315 (i.e., a parameter representing the temperature dependency and pressure dependency of the pump current Ip). As described later, KM / KK is obtained in advance by experiment. KM / KK is stored in advance in the ROM 402 of the ECU 4.

また、式(1)中、Tは基準状態における基準温度であり、Pは基準状態における基準圧力である。本実施形態の場合、基準温度Tは720℃、基準圧力(全圧)Pは1気圧にそれぞれ設定される。基準温度T及び基準圧力Pは、予めECU4のROM402に記憶されている。なお、補正後の出力値Ipは、基準温度T及び基準圧力Pにおけるものである。 In addition, in formula (1), T a is a reference temperature in the reference state, and P a is a reference pressure in the reference state. In the case of this embodiment, the reference temperature T a is set to 720° C., and the reference pressure (total pressure) P a is set to 1 atmosphere. The reference temperature T a and the reference pressure P a are stored in advance in the ROM 402 of the ECU 4. The corrected output value Ip a is at the reference temperature T a and the reference pressure P a .

また、式(1)中、Tは、基準温度Tと異なる温度である。本実施形態の場合、温度Tは、温度情報取得部42により取得されるガスセンサ3の温度である。また、式(1)中、Pは、基準圧力Pと異なる圧力である。本実施形態の場合、圧力Pは圧力情報取得部43により取得される排気ガスの圧力(つまり、排気ガスの実際の圧力(全圧))である。なお、温度T及び圧力Pは、出力値(ポンプ電流)Ipと、同じ時刻に取得されたものである。 In addition, in formula (1), Tb is a temperature different from the reference temperature T a . In this embodiment, the temperature T b is the temperature of the gas sensor 3 acquired by the temperature information acquisition unit 42. In addition, in formula (1), Pb is a pressure different from the reference pressure P a . In this embodiment, the pressure Pb is the pressure of the exhaust gas acquired by the pressure information acquisition unit 43 (i.e., the actual pressure (total pressure) of the exhaust gas). Note that the temperature T b and the pressure P b are acquired at the same time as the output value (pump current) Ip b .

ここで、補正式(1)の導出方法を説明する。ガスセンサ3が備える酸素ポンプセル340の電極319,320間を流れるポンプ電流Ipは、以下に示される理論式(2)で表される。 Here, we will explain how to derive the correction formula (1). The pump current Ip flowing between the electrodes 319, 320 of the oxygen pump cell 340 of the gas sensor 3 is expressed by the theoretical formula (2) shown below.

Figure 2024132120000003
Figure 2024132120000003

式(2)におけるFはファラデー定数[C/mol]、Rは気体定数[J/K/mol]、Tは絶対温度[K]、DO2は拡散層315における酸素の拡散係数[m/s]、Sは拡散層315の断面積[m]、Lは拡散層315の長さ[m]、Peは酸素分圧[Pa]、Pは排気ガスの全圧[Pa]である。 In equation (2), F is the Faraday constant [C/mol], R is the gas constant [J/K/mol], T is the absolute temperature [K], DO2 is the diffusion coefficient of oxygen in the diffusion layer 315 [ m2 /s], S is the cross-sectional area of the diffusion layer 315 [ m2 ], L is the length of the diffusion layer 315 [m], Pe is the oxygen partial pressure [Pa], and P is the total pressure of the exhaust gas [Pa].

拡散層315の気孔径が、酸素の平均自由行程より大きい場合、酸素は拡散層315が無い場合と同じように、分子間で衝突しながら拡散する(所謂、分子拡散)。これに対して、拡散層315の気孔径が酸素の平均自由行程より小さい場合、酸素分子間の衝突よりも気孔壁との衝突が支配的になる(所謂、クヌーセン拡散)。実際の拡散層315における拡散は、これら2種の拡散(分子拡散、及びクヌーセン拡散)の複合したものと考えられる。そのため、DO2は、以下に示される式(3)で表される。 When the pore diameter of the diffusion layer 315 is larger than the mean free path of oxygen, oxygen diffuses while colliding with other molecules (so-called molecular diffusion) in the same way as when there is no diffusion layer 315. On the other hand, when the pore diameter of the diffusion layer 315 is smaller than the mean free path of oxygen, collisions with the pore walls become more prevalent than collisions between oxygen molecules (so-called Knudsen diffusion). The actual diffusion in the diffusion layer 315 is considered to be a combination of these two types of diffusion (molecular diffusion and Knudsen diffusion). Therefore, D O2 is expressed by the following formula (3).

Figure 2024132120000004
Figure 2024132120000004

式(3)におけるDは分子拡散係数であり、Dはクヌーセン拡散係数である。 In equation (3), D M is the molecular diffusion coefficient, and D K is the Knudsen diffusion coefficient.

分子拡散係数Dは、温度Tの1.75乗に比例し、かつ圧力Pに反比例することが知られている。そのため、分子拡散係数Dは、以下に示される式(4)により表される。なお、式(4)中のKは、上述したように、分子拡散係数Dの比例係数である。 It is known that the molecular diffusion coefficient D M is proportional to the 1.75th power of the temperature T and inversely proportional to the pressure P. Therefore, the molecular diffusion coefficient D M is expressed by the following formula (4). Note that, as described above, K M in formula (4) is the proportionality coefficient of the molecular diffusion coefficient D M.

Figure 2024132120000005
Figure 2024132120000005

また、クヌーセン拡散係数Dは、温度の0.5乗に比例することが知られている。そのため、クヌーセン拡散係数Dは、以下に示される式(5)により表される。なお、式(5)中のKは、上述したように、クヌーセン拡散係数Dの比例係数である。 It is also known that the Knudsen diffusion coefficient DK is proportional to the 0.5 power of temperature. Therefore, the Knudsen diffusion coefficient DK is expressed by the following formula (5). Note that, as described above, KK in formula (5) is the proportionality coefficient of the Knudsen diffusion coefficient DK .

Figure 2024132120000006
Figure 2024132120000006

上記式(3)、式(4)及び式(5)より、DO2は、以下に示される式(6)で表される。 From the above formulas (3), (4), and (5), DO2 is expressed by the following formula (6).

Figure 2024132120000007
Figure 2024132120000007

得られた式(6)より、上記理論式(2)は、以下に示される式(7)で表される。 From the obtained formula (6), the above theoretical formula (2) can be expressed as the following formula (7).

Figure 2024132120000008
Figure 2024132120000008

ここで、基準となる状態1(温度T、酸素分圧P、圧力(全圧)P)において、ガスセンサ3が備える酸素ポンプセル340の電極319,320間を流れるポンプ電流Ipを、「Ip」とする。また、状態1に対して、温度条件及び圧力条件が異なる状態2(温度T、酸素分圧Pe、圧力(全圧)P)におけるポンプ電流Ipを、「Ip」とする。温度条件及び圧力条件が、状態1から状態2へ変化した場合におけるポンプ電流Ipの変化量ΔIpは、式(7)を用いると、以下に示される式(8)で表される。なお、排気ガス雰囲気は一定であるため、P/P=Pe/Pである。 Here, the pump current Ip flowing between the electrodes 319, 320 of the oxygen pump cell 340 of the gas sensor 3 in the reference state 1 (temperature T1 , oxygen partial pressure Pe , pressure (total pressure) P1 ) is defined as " Ip1 ". The pump current Ip in state 2 (temperature T2 , oxygen partial pressure Pe, pressure (total pressure) P2 ) in which the temperature and pressure conditions are different from those in state 1 is defined as " Ip2 ". The amount of change ΔIp in the pump current Ip when the temperature and pressure conditions change from state 1 to state 2 is expressed by the following formula (8) using formula (7). Note that since the exhaust gas atmosphere is constant, Pe / P1 = Pe/ P2 .

Figure 2024132120000009
Figure 2024132120000009

式(8)より、Ip/Ipは、以下に示される式(9)で表される。 From equation (8), Ip 2 /Ip 1 is expressed by equation (9) shown below.

Figure 2024132120000010
Figure 2024132120000010

そして、式(9)を変形すると、基準状態におけるIpと、基準状態と異なるIpとの関係を表した式(10)が得られる。 Then, by modifying equation (9), equation (10) is obtained, which expresses the relationship between Ip1 in the reference state and Ip2 which is different from the reference state.

Figure 2024132120000011
Figure 2024132120000011

このようにして得られた式(10)が、上述した補正式(1)として使用される。 The equation (10) obtained in this way is used as the correction equation (1) described above.

ガスセンサ3は、1組の電極319,320の少なくとも一方の電極320を収容する検出室323と、外部とガス検出室(検出室)323とを隔てつつ、排気ガスを外部側からガス検出室323側へ導入する多孔質の拡散層315とを有する。上述した補正式(1)は、拡散層315の内部を移動するガス種に依存する拡散層315の分子拡散係数Dと、拡散層315の内部を移動するガス種と拡散層315内の気孔径rとに依存する拡散層315のクヌーセン拡散係数Dとに基づいたパラメータ(K/K)を含んでいる。 The gas sensor 3 has a detection chamber 323 that houses at least one electrode 320 of a pair of electrodes 319, 320, and a porous diffusion layer 315 that separates the gas detection chamber (detection chamber) 323 from the outside and introduces exhaust gas from the outside to the gas detection chamber 323. The above-mentioned correction formula (1) includes a parameter (K M /K K ) based on a molecular diffusion coefficient D M of the diffusion layer 315 that depends on the gas species moving inside the diffusion layer 315, and a Knudsen diffusion coefficient D K of the diffusion layer 315 that depends on the gas species moving inside the diffusion layer 315 and a pore radius r in the diffusion layer 315.

分子拡散係数Dは、以下に示される式(11)で表される。 The molecular diffusion coefficient D M is expressed by the following equation (11).

Figure 2024132120000012
Figure 2024132120000012

式(11)中、MはガスA(拡散溶質)の分子量であり、MはガスB(拡散溶媒)の分子量であり、(Σν)はガスAの拡散体積であり、(Σν)はガスBの拡散体積であり、Tは温度であり、Pは圧力(全圧)である。なお、上述したKを、以下に示される式(12)で表すと、分子拡散係数Dは、上述した式(4)となる。 In formula (11), M A is the molecular weight of gas A (diffusing solute), M B is the molecular weight of gas B (diffusing solvent), (Σν) A is the diffusion volume of gas A, (Σν) B is the diffusion volume of gas B, T is the temperature, and P is the pressure (total pressure). When the above-mentioned K M is expressed by the following formula (12), the molecular diffusion coefficient D M becomes the above-mentioned formula (4).

Figure 2024132120000013
Figure 2024132120000013

また、クヌーセン拡散係数Dは、以下に示される式(13)で表される。 The Knudsen diffusion coefficient DK is expressed by the following formula (13).

Figure 2024132120000014
Figure 2024132120000014

式(13)中、rは拡散層315の気孔径であり、Tは温度であり、MはガスA(拡散溶質)の分子量である。なお、上述したKを、以下に示される式(14)で表すと、クヌーセン拡散係数Dは、上述した式(5)となる。 In formula (13), r is the pore size of the diffusion layer 315, T is the temperature, and M A is the molecular weight of gas A (diffusing solute). When the above-mentioned K K is expressed by the following formula (14), the Knudsen diffusion coefficient D K becomes the above-mentioned formula (5).

Figure 2024132120000015
Figure 2024132120000015

ところで、式(8)を変形すると、K/Kは、以下に示される式(15)で表される。 By the way, by modifying the formula (8), K M /K K is expressed by the following formula (15).

Figure 2024132120000016
Figure 2024132120000016

式(15)で表されるように、K/Kは、状態1及び状態2の各条件(T、T、P、P、Ip、Ip)により求められる。そのため、K/Kは、例えば、状態1,2の条件を適宜、変更等しつつ、実験により、予め求めることができる。 As expressed in formula (15), KM / KK is determined from the conditions ( T1 , T2, P1 , P2 , Ip1 , Ip2 ) of states 1 and 2. Therefore, KM / KK can be determined in advance, for example, by experiment while appropriately changing the conditions of states 1 and 2.

なお、補正式(1)に含まれる前記パラメータ(K/K)として、ガス検出室323内の排気ガスがリーン状態時のパラメータであるリーン用パラメータ、又はガス検出室323内の排気ガスがリッチ状態時のパラメータであるリッチ用パラメータが使用される。排気ガスがリーン状態の場合、上記式(11)等における「ガスA」は、酸素であり、「ガスB」は、窒素である。そのため、リーン状態の場合、Mは酸素の分子量、Mは窒素の分子量となる。これに対して、排気ガスがリッチ状態の場合、上記式(11)等における「ガスA」は、HやCOであり、「ガスB」は、窒素である。そのため、リッチ状態の場合、MはHやCOの分子量、Mは窒素の分子量となる。 As the parameter (K M /K K ) included in the correction formula (1), a lean parameter, which is a parameter when the exhaust gas in the gas detection chamber 323 is in a lean state, or a rich parameter, which is a parameter when the exhaust gas in the gas detection chamber 323 is in a rich state, is used. When the exhaust gas is in a lean state, "gas A" in the above formula (11) etc. is oxygen, and "gas B" is nitrogen. Therefore, in the lean state, M A is the molecular weight of oxygen, and M B is the molecular weight of nitrogen. On the other hand, when the exhaust gas is in a rich state, "gas A" in the above formula (11) etc. is H 2 or CO, and "gas B" is nitrogen. Therefore, in the rich state, M A is the molecular weight of H 2 or CO, and M B is the molecular weight of nitrogen.

ガス検出室323内の排気ガスの状態は、判定部46により行われる。判定部46は、出力値(ポンプ電流Ip)に基づいて、ガス検出室323内がリーン状態であるか、又はリッチ状態であるかを判定する。判定部46は、例えば、前記出力値と、予め定められた閾値とを比較することで、リーン状態であるか否かを判定する。 The state of the exhaust gas in the gas detection chamber 323 is determined by the determination unit 46. The determination unit 46 determines whether the inside of the gas detection chamber 323 is in a lean state or a rich state based on the output value (pump current Ip). The determination unit 46 determines whether the inside of the gas detection chamber 323 is in a lean state or a rich state, for example, by comparing the output value with a predetermined threshold value.

補正式(1)としては、前記パラメータ(K/K)としてリーン用パラメータを含むリーン用補正式、又は前記パラメータ(K/K)としてリッチ用パラメータを含むリッチ用補正式が使用される。例えば、判定部46がリーン状態と判定した場合、選択部47は、補正式(1)として、リーン用パラメータを含むリーン用補正式を選択する。これに対して、判定部46がリーン状態ではない(リッチ状態)と判定した場合、選択部47は、補正式(1)として、リッチ用パラメータを含むリッチ用補正式を選択する。 As the correction formula (1), a lean correction formula including a lean parameter as the parameter ( KM / KK ), or a rich correction formula including a rich parameter as the parameter ( KM / KK ) is used. For example, when the determination unit 46 determines that the fuel consumption is lean, the selection unit 47 selects the lean correction formula including the lean parameter as the correction formula (1). On the other hand, when the determination unit 46 determines that the fuel consumption is not lean (rich), the selection unit 47 selects the rich correction formula including the rich parameter as the correction formula (1).

濃度情報取得部45は、酸素(対象ガスの一例)の濃度に関連する濃度情報(本実施形態の場合、空燃比λ)と出力値(ポンプ電流Ip)との関係を表す関係式と、補正部44により補正された出力値(つまり、補正値)Ipとに基づいて、前記濃度情報(空燃比λ)を取得する処理を実行する。 The concentration information acquisition unit 45 executes a process of acquiring the concentration information (air-fuel ratio λ) based on a relational expression that expresses the relationship between concentration information (air-fuel ratio λ in this embodiment) related to the concentration of oxygen (an example of a target gas) and the output value (pump current Ip) and the output value (i.e., correction value) Ip a corrected by the correction unit 44.

「空燃比λと出力値(ポンプ電流Ip)との関係を表す関係式」は、上述した基準状態(基準温度T=720℃、基準圧力P=1気圧)におけるものであり、実験等により予め予め定められる。この関係式は、ECU4のROM402に記憶されている。濃度情報取得部45は、この関係式により、補正された出力値(補正値)Ipを、それに対応した空燃比λに変換する。 The "relational expression expressing the relationship between the air-fuel ratio λ and the output value (pump current Ip)" is for the above-mentioned reference state (reference temperature T a =720° C., reference pressure P a =1 atm) and is determined in advance through experiments or the like. This relational expression is stored in the ROM 402 of the ECU 4. The concentration information acquisition unit 45 converts the corrected output value (corrected value) Ip a into the air-fuel ratio λ corresponding thereto using this relational expression.

このように、濃度情報取得部45では、受信部41が受信する、ガスセンサ3からの出力(ポンプ電流Ip)を、そのまま利用せず、補正部44により補正された補正値Ipを利用するため、前記出力時の温度T及び圧力Pに関係なく、正確な濃度情報(空燃比λ)が得られる。 In this way, the concentration information acquisition unit 45 does not directly use the output (pump current Ip b ) from the gas sensor 3 received by the receiving unit 41, but uses the correction value Ip a corrected by the correction unit 44, so that accurate concentration information (air-fuel ratio λ) can be obtained regardless of the temperature T b and pressure P b at the time of the output.

次いで、図5を参照しつつ、濃度情報取得装置1が、排気ガス中の酸素の濃度情報(空燃比λ)を取得する際に実行する処理(つまり、濃度情報取得方法)について説明する。 Next, with reference to FIG. 5, the process (i.e., the concentration information acquisition method) that the concentration information acquisition device 1 executes when acquiring oxygen concentration information (air-fuel ratio λ) in exhaust gas will be described.

図5は、濃度情報取得装置1(ECU4)が実行する処理のフローチャートである。濃度情報取得装置1は、先ず、ステップS100において、ガスセンサ3のIp出力(ポンプ電流Ip)のサンプリングタイミングであるか否か判断する。本実施形態の場合、例えば、10ms毎に、Ip出力のサンプリングが行われる(つまり、Ip出力の取得周期が、10ms)。ステップS100において、Ip出力のサンプリングのタイミングである場合、ステップS110に移行し、Ip出力のサンプリングのタイミングでない場合、再び、ステップS100へ戻される。 Figure 5 is a flowchart of the process executed by the concentration information acquisition device 1 (ECU 4). First, in step S100, the concentration information acquisition device 1 determines whether it is time to sample the Ip output (pump current Ip) of the gas sensor 3. In the case of this embodiment, for example, the Ip output is sampled every 10 ms (i.e., the Ip output acquisition period is 10 ms). In step S100, if it is time to sample the Ip output, the process proceeds to step S110, and if it is not time to sample the Ip output, the process returns to step S100 again.

ステップS110において、濃度情報取得装置1の受信部41は、酸素ポンプセル(検知セル)340の出力値(Ip出力)を受信する(受信工程)。受信部41は、酸素ポンプセル340に供給されるポンプ電流Ipの流れる向き及びポンプ電流Ipの大きさに関する値を示すデジタルデータ(出力値)を、ガスセンサ制御装置31を介して受信する。 In step S110, the receiving unit 41 of the concentration information acquiring device 1 receives the output value (Ip b output) of the oxygen pump cell (detection cell) 340 (receiving step). The receiving unit 41 receives digital data (output value) indicating the direction of flow of the pump current Ip b supplied to the oxygen pump cell 340 and the value related to the magnitude of the pump current Ip b via the gas sensor control device 31.

次いで、ステップS120において、判定部46が、出力値(ポンプ電流Ip)に基づいて、ガス検出室323内がリーン状態であるか、又はリッチ状態であるかを判定する処理を実行する(判定工程)。判定部46は、例えば、前記出力値と、予め定められた閾値とを比較することで、リーン状態であるか否かを判定する。リーン状態と判定されると、ステップS130へ移行し、リーン状態でない状態(リッチ状態)と判定されると、ステップS140へ移行する。 Next, in step S120, the determination unit 46 executes a process of determining whether the inside of the gas detection chamber 323 is in a lean state or a rich state based on the output value (pump current Ip b ) (determination step). The determination unit 46 determines whether the inside of the gas detection chamber 323 is in a lean state or a rich state, for example, by comparing the output value with a predetermined threshold value. If it is determined that the inside of the gas detection chamber 323 is in a lean state, the process proceeds to step S130, and if it is determined that the inside of the gas detection chamber 323 is not in a lean state (rich state), the process proceeds to step S140.

判定部46がリーン状態と判定した後、ステップS130において、選択部47が、リーン用パラメータ(リーン用のK/K)を含むリーン用補正式を選択する(選択工程)。その後、ステップS150へ移行する。これに対して、判定部46がリーン状態でない(リッチ状態)と判定した後、ステップS140において、選択部47が、リッチ用パラメータ(リッチ用のK/K)を含むリッチ用補正式を選択する(選択工程)。その後、ステップS150へ移行する。 After the determination unit 46 determines that the mixture is in a lean state, in step S130, the selection unit 47 selects a lean correction formula including lean parameters ( KM / KK for lean) (selection process). Then, the process proceeds to step S150. On the other hand, after the determination unit 46 determines that the mixture is not in a lean state (rich state), in step S140, the selection unit 47 selects a rich correction formula including rich parameters ( KM / KK for rich) (selection process). Then, the process proceeds to step S150.

ステップS150において、温度情報取得部42がガスセンサ素子30の温度Tbを取得し(温度情報取得工程)、圧力情報取得部43が排気ガスの圧力Tbを取得する(圧力情報取得工程)。 In step S150, the temperature information acquisition unit 42 acquires the temperature Tb of the gas sensor element 30 (temperature information acquisition process), and the pressure information acquisition unit 43 acquires the exhaust gas pressure Tb (pressure information acquisition process).

なお、ステップS150における温度情報取得工程では、ガスセンサ3(ガスセンサ素子30)の温度情報として、ガスセンサ3(ガスセンサ素子30)の制御温度と、温度センサ8から受信したガス温度とのうち、高い方の温度が採用される。 In the temperature information acquisition process in step S150, the higher of the control temperature of the gas sensor 3 (gas sensor element 30) and the gas temperature received from the temperature sensor 8 is used as the temperature information of the gas sensor 3 (gas sensor element 30).

その後、ステップS160へ移行し、補正部44が、出力値(Ip出力)の温度依存性及び圧力依存性を補正するための補正式(1)を用いて、前記出力値(Ip出力)を補正する処理を実行する(補正工程)。なお、補正式(1)としては、ステップS130においてリーン用パラメータが選択された場合、リーン用パラメータ(リーン用のK/K)を含むリーン用補正式が使用され、ステップS140においてリッチ用パラメータが選択された場合、リッチ用パラメータ(リッチ用のK/K)を含むリッチ用補正式が使用される。出力値(Ip出力)が補正部44により補正されると、補正後のIp出力(補正値)が得られる。 Then, the process proceeds to step S160, where the correction unit 44 executes a process of correcting the output value (Ip b output) using a correction formula (1) for correcting the temperature dependency and pressure dependency of the output value (Ip b output) (correction step). Note that, as the correction formula (1), if lean parameters are selected in step S130, a lean correction formula including lean parameters (K M /K K for lean) is used, and if rich parameters are selected in step S140, a rich correction formula including rich parameters (K M /K K for rich) is used. When the output value (Ip b output) is corrected by the correction unit 44, a corrected Ip a output (corrected value) is obtained.

次いで、ステップS170へ移行し、濃度情報取得部45が、空燃比λと出力値(ポンプ電流Ip)との関係を表す関係式と、補正部44により補正された出力値(補正値)Ipとに基づいて、空燃比λを取得する処理を実行する(濃度情報取得工程)。このように、濃度情報取得部45では、受信部41が受信する、ガスセンサ3からの出力(出力値、ポンプ電流Ip)を、そのまま利用せず、補正部44により補正された補正値Ipを利用するため、前記出力時の温度T及び圧力Pに関係なく、正確な濃度情報(空燃比λ)が得られる。 Next, the process proceeds to step S170, where the concentration information acquisition unit 45 executes a process of acquiring the air-fuel ratio λ based on the relational expression expressing the relationship between the air-fuel ratio λ and the output value (pump current Ip) and the output value (correction value) Ip a corrected by the correction unit 44 (concentration information acquisition step). In this way, the concentration information acquisition unit 45 does not directly use the output (output value, pump current Ip b ) from the gas sensor 3 received by the receiving unit 41, but uses the correction value Ip a corrected by the correction unit 44, so that accurate concentration information (air-fuel ratio λ) can be obtained regardless of the temperature T b and pressure P b at the time of the output.

以上のように、本実施形態の濃度情報取得装置1及び濃度情報取得方法によれば、ガスセンサ出力(ポンプ電流Ip)の温度補正及び圧力補正を、補正式(1)を利用して1つにまとめて同時に行うため、排気ガスに含まれる酸素(対象ガス)について、温度条件及び圧力条件に関係なく、ガスセンサ3の出力(ポンプ電流Ip)から正確な濃度情報が得られる。なお、本実施形態の場合、濃度情報取得装置1により得られた、正確な酸素の濃度情報(空燃比λ)を利用して、エンジン2の空燃比フィードバック制御が行われる。 As described above, according to the concentration information acquisition device 1 and the concentration information acquisition method of this embodiment, the temperature correction and pressure correction of the gas sensor output (pump current Ip) are performed simultaneously as one using the correction formula (1), so that accurate concentration information for oxygen (target gas) contained in the exhaust gas can be obtained from the output (pump current Ip) of the gas sensor 3 regardless of the temperature and pressure conditions. Note that in this embodiment, the accurate oxygen concentration information (air-fuel ratio λ) obtained by the concentration information acquisition device 1 is used to perform air-fuel ratio feedback control of the engine 2.

<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described above and illustrated in the drawings, and the following embodiments, for example, are also included within the technical scope of the present invention.

(1)上記実施形態では、2セル式のガスセンサ素子を含むガスセンサを利用したが、他の実施形態においては、公知の1セル式のガスセンサ素子を含むガスセンサを利用してもよい。 (1) In the above embodiment, a gas sensor including a two-cell gas sensor element is used, but in other embodiments, a gas sensor including a known one-cell gas sensor element may be used.

(2)上記実施形態において、対象ガスは酸素であったが、本発明はこれに限られず、他の実施形態においては、例えば、NO等を対象ガスとしてもよい。NO濃度を測定するガスセンサとしては、公知のもの(例えば、特開2020-3286号公報)が利用される。このガスセンサは、固体電解質体と、その固体電解質体上に形成されるNO検出用の一組の電極とを備えるセルを備えており、前記電極間に流れるNO由来の酸素(酸素イオン)に応じた電流(出力値、第2ポンプ電流)に基づいて、NO濃度を測定することができる。他の実施形態においては、このようなNO検出用のガスセンサの出力値における温度補正及び圧力補正を、所定の補正式を利用して1つにまとめて同時に行いつつ、得られた補正値に基づいて、正確なNO濃度を求めてもよい。 (2) In the above embodiment, the target gas is oxygen, but the present invention is not limited to this, and in other embodiments, for example, NO x or the like may be the target gas. A known gas sensor (for example, JP 2020-3286 A) is used as a gas sensor for measuring the NO x concentration. This gas sensor is provided with a cell including a solid electrolyte body and a pair of electrodes for detecting NO x formed on the solid electrolyte body, and the NO x concentration can be measured based on a current (output value, second pump current) corresponding to oxygen (oxygen ions) derived from NO x flowing between the electrodes. In other embodiments, the temperature correction and pressure correction in the output value of such a gas sensor for detecting NO x may be performed simultaneously by combining them into one using a predetermined correction formula, and an accurate NO x concentration may be obtained based on the obtained correction value.

(3)上記実施形態において、受信部、温度情報取得部、圧力情報取得部、補正部、濃度情報取得部、判定部及び選択部は、ECUにより構成されていたが、本発明はこれに限られず、他の実施形態においては、例えば、ガスセンサ制御装置や、マイクロコンピュータ等で構成される専用の制御装置等により構成されてもよい。 (3) In the above embodiment, the receiving unit, the temperature information acquiring unit, the pressure information acquiring unit, the correction unit, the concentration information acquiring unit, the determining unit, and the selecting unit are configured by an ECU, but the present invention is not limited to this. In other embodiments, they may be configured by, for example, a gas sensor control unit, a dedicated control unit configured by a microcomputer, etc.

(4)他の実施形態においては、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部を、ハードウェアで置き換えてもよい。 (4) In other embodiments, some of the configuration implemented by software may be replaced by hardware.

1…濃度情報取得装置、2…エンジン、3…ガスセンサ、31…ガスセンサ制御装置、4…ECU、41…受信部、42…温度情報取得部、43…圧力情報取得部、44…補正部、45…濃度情報取得部、46…判定部、47…選択部、5…吸気管、6…排気管(配管)、7…浄化装置(触媒部)、8…温度センサ、9…エンジンパラメータ 1...concentration information acquisition device, 2...engine, 3...gas sensor, 31...gas sensor control device, 4...ECU, 41...receiving unit, 42...temperature information acquisition unit, 43...pressure information acquisition unit, 44...correction unit, 45...concentration information acquisition unit, 46...determination unit, 47...selection unit, 5...intake pipe, 6...exhaust pipe (piping), 7...purification device (catalyst unit), 8...temperature sensor, 9...engine parameters

Claims (10)

固体電解質体と、前記固体電解質体上に配置される1組の電極とを有する検知セルを備えるガスセンサから、排気ガスに含まれる対象ガスの濃度に関連する情報を取得する濃度情報取得装置であって、
前記検知セルの出力値を受信する受信部と、
前記ガスセンサの温度情報を取得する温度情報取得部と、
前記排気ガスの圧力情報を取得する圧力情報取得部と、
前記出力値の温度依存性及び圧力依存性を補正するための補正式を利用して、前記出力値を補正する補正部と、
前記対象ガスの濃度に関連する濃度情報と前記出力値との関係を表す関係式と、前記補正部により補正された前記出力値の補正値とに基づいて、前記濃度情報を取得する濃度情報取得部とを備える濃度情報取得装置。
A concentration information acquisition device that acquires information related to a concentration of a target gas contained in exhaust gas from a gas sensor including a detection cell having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body,
a receiving unit for receiving an output value of the detection cell;
a temperature information acquiring unit for acquiring temperature information of the gas sensor;
a pressure information acquisition unit that acquires pressure information of the exhaust gas;
a correction unit that corrects the output value by using a correction formula for correcting the temperature dependency and the pressure dependency of the output value;
A concentration information acquisition device comprising: a concentration information acquisition unit that acquires the concentration information based on a relational equation that represents the relationship between concentration information related to the concentration of the target gas and the output value, and a correction value of the output value corrected by the correction unit.
前記ガスセンサは、前記1組の電極の少なくとも一方を収容する検出室と、外部と前記検出室とを隔てつつ、排気ガスを前記外部側から前記検出室側へ導入する多孔質の拡散層とを有し、
前記補正式は、前記拡散層の内部を移動するガス種に依存する前記拡散層の分子拡散係数と、前記拡散層の内部を移動するガス種と前記拡散層内の気孔径とに依存する前記拡散層のクヌーセン拡散係数とに基づいたパラメータを含む請求項1に記載の濃度情報取得装置。
the gas sensor includes a detection chamber that houses at least one of the pair of electrodes, and a porous diffusion layer that separates the detection chamber from the outside and introduces exhaust gas from the outside to the detection chamber;
2. The concentration information acquisition device according to claim 1, wherein the correction formula includes parameters based on a molecular diffusion coefficient of the diffusion layer that depends on the gas species moving inside the diffusion layer, and a Knudsen diffusion coefficient of the diffusion layer that depends on the gas species moving inside the diffusion layer and a pore size in the diffusion layer.
前記パラメータは、前記検出室内の前記排気ガスがリーン状態時のパラメータであるリーン用パラメータと、前記検出室内の前記排気ガスがリッチ状態時のパラメータであるリッチ用パラメータとを有し、
前記補正式は、前記パラメータとして前記リーン用パラメータを含むリーン用補正式と、前記パラメータとして前記リッチ用パラメータを含むリッチ用補正式とを有し、
前記出力値に基づいて、前記検出室内が前記リーン状態であるか、又は前記リッチ状態であるかを判定する判定部と、
前記検出室内が前記リーン状態の場合に、前記補正式として前記リーン用補正式を選択し、前記検出室内が前記リッチ状態の場合に、前記補正式として前記リッチ用補正式を選択する選択部とを備える請求項2に記載の濃度情報取得装置。
the parameters include lean parameters which are parameters when the exhaust gas in the detection chamber is in a lean state, and rich parameters which are parameters when the exhaust gas in the detection chamber is in a rich state,
The correction formula includes a lean correction formula including the lean parameter as the parameter, and a rich correction formula including the rich parameter as the parameter,
a determination unit that determines whether the inside of the detection chamber is in the lean state or the rich state based on the output value;
3. The concentration information acquisition device according to claim 2, further comprising a selection unit that selects the lean correction formula as the correction formula when the inside of the detection chamber is in the lean state, and selects the rich correction formula as the correction formula when the inside of the detection chamber is in the rich state.
前記関係式は、所定の基準温度及び所定の基準圧力の条件下のものであり、
前記補正式は、前記パラメータと、前記出力値と、前記温度情報と、前記圧力情報と、前記基準温度と、前記基準圧力とに基づく式である請求項3に記載の濃度情報取得装置。
The above-mentioned relationship is under the conditions of a predetermined reference temperature and a predetermined reference pressure,
The concentration information acquiring device according to claim 3 , wherein the correction formula is based on the parameter, the output value, the temperature information, the pressure information, the reference temperature, and the reference pressure.
前記ガスセンサが取り付けられる配管には、更に前記排気ガスの温度を検出するガス温度検知装置が取り付けられており、
前記温度情報取得部は、前記ガスセンサの制御温度と、前記ガス温度検知装置から受信したガス温度とのうち、高い方の温度を、前記温度情報として取得する請求項1に記載の濃度情報取得装置。
A gas temperature detector for detecting the temperature of the exhaust gas is further attached to the pipe to which the gas sensor is attached,
2 . The concentration information acquiring device according to claim 1 , wherein the temperature information acquiring unit acquires, as the temperature information, a higher temperature out of a control temperature of the gas sensor and a gas temperature received from the gas temperature detection device.
固体電解質体と、前記固体電解質体上に配置される1組の電極とを有する検知セルを備えるガスセンサから、排気ガス中に含まれる対象ガスの濃度に関連する情報を取得する濃度情報取得工程を備える濃度情報取得方法であって、
前記検知セルの出力値を受信する受信工程と、
前記ガスセンサの温度情報を取得する温度情報取得工程と、
前記排気ガスの圧力情報を取得する圧力情報取得工程と、
前記出力値の温度依存性及び圧力依存性を補正するための補正式を利用して、前記出力値を補正する補正工程と、を備え、
前記濃度情報取得工程において、前記補正工程により補正された前記出力値の補正値と、前記対象ガスの濃度に関連する濃度情報と前記出力値との関係を表す関係式とに基づいて、前記濃度情報を取得する濃度情報取得方法。
A concentration information acquiring method comprising: a concentration information acquiring step of acquiring information related to a concentration of a target gas contained in exhaust gas from a gas sensor including a detection cell having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body,
a receiving step of receiving an output value of the detection cell;
a temperature information acquiring step of acquiring temperature information of the gas sensor;
a pressure information acquiring step of acquiring pressure information of the exhaust gas;
and a correction step of correcting the output value by using a correction formula for correcting the temperature dependency and the pressure dependency of the output value,
A concentration information acquisition method in which, in the concentration information acquisition process, the concentration information is acquired based on a correction value of the output value corrected in the correction process and a relational equation that represents the relationship between concentration information related to the concentration of the target gas and the output value.
前記ガスセンサは、前記1組の電極の少なくとも一方を収容する検出室と、外部と前記検出室とを隔てつつ、排気ガスを前記外部側から前記検出室側へ導入する多孔質の拡散層とを有し、
前記補正式は、前記拡散層の内部を移動するガス種に依存する前記拡散層の分子拡散係数と、前記拡散層の内部を移動するガス種と前記拡散層内の気孔径とに依存する前記拡散層のクヌーセン拡散係数とに基づいたパラメータを含む請求項6に記載の濃度情報取得方法。
the gas sensor includes a detection chamber that houses at least one of the pair of electrodes, and a porous diffusion layer that separates the detection chamber from the outside and introduces exhaust gas from the outside to the detection chamber;
7. The concentration information acquisition method according to claim 6, wherein the correction formula includes parameters based on a molecular diffusion coefficient of the diffusion layer that depends on the type of gas moving inside the diffusion layer, and a Knudsen diffusion coefficient of the diffusion layer that depends on the type of gas moving inside the diffusion layer and a pore size in the diffusion layer.
前記パラメータは、前記検出室内の前記排気ガスがリーン状態時のパラメータであるリーン用パラメータ、又は前記検出室内の前記排気ガスがリッチ状態時のパラメータであるリッチ用パラメータからなり、
前記補正式は、前記パラメータとして前記リーン用パラメータを含むリーン用補正式と、前記パラメータとして前記リッチ用パラメータを含むリッチ用補正式とを有し、
前記出力値に基づいて、前記検出室内が前記リーン状態であるか、又は前記リッチ状態であるかを判定する判定工程と、
前記検出室内が前記リーン状態の場合に、前記補正式として、前記リーン用補正式を選択し、前記検出室内が前記リッチ状態の場合に、前記補正式として、前記リッチ用補正式を選択する選択工程とを備える請求項7に記載の濃度情報取得方法。
the parameters include lean parameters which are parameters when the exhaust gas in the detection chamber is in a lean state, or rich parameters which are parameters when the exhaust gas in the detection chamber is in a rich state,
The correction formula includes a lean correction formula including the lean parameter as the parameter, and a rich correction formula including the rich parameter as the parameter,
a determination step of determining whether the inside of the detection chamber is in the lean state or the rich state based on the output value;
The concentration information acquisition method according to claim 7, further comprising a selection step of selecting the lean correction formula as the correction formula when the inside of the detection chamber is in the lean state, and selecting the rich correction formula as the correction formula when the inside of the detection chamber is in the rich state.
前記関係式は、所定の基準温度及び所定の基準圧力の条件下のものであり、
前記補正式は、前記パラメータと、前記出力値と、前記温度情報と、前記圧力情報と、前記基準温度と、前記基準圧力とに基づく式である請求項7に記載の濃度情報取得方法。
The above-mentioned relationship is under the conditions of a predetermined reference temperature and a predetermined reference pressure,
The concentration information acquiring method according to claim 7 , wherein the correction formula is an equation based on the parameter, the output value, the temperature information, the pressure information, the reference temperature, and the reference pressure.
前記ガスセンサが取り付けられる配管には、更に前記排気ガスの温度を検出するガス温度検知装置が取り付けられており、
前記温度情報取得工程において、前記ガスセンサの制御温度と、前記ガス温度検知装置から受信したガス温度とのうち、高い方の温度を、前記温度情報として取得する請求項6に記載の濃度情報取得方法。
A gas temperature detector for detecting the temperature of the exhaust gas is further attached to the pipe to which the gas sensor is attached,
7. The concentration information acquiring method according to claim 6, wherein in the temperature information acquiring step, a higher temperature out of a control temperature of the gas sensor and the gas temperature received from the gas temperature detection device is acquired as the temperature information.
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