JP4893652B2 - Gas sensor control device - Google Patents
Gas sensor control device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4893652B2 JP4893652B2 JP2008037296A JP2008037296A JP4893652B2 JP 4893652 B2 JP4893652 B2 JP 4893652B2 JP 2008037296 A JP2008037296 A JP 2008037296A JP 2008037296 A JP2008037296 A JP 2008037296A JP 4893652 B2 JP4893652 B2 JP 4893652B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sensor
- circuit
- voltage
- current
- cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 138
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 claims description 99
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 83
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 65
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 51
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 51
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 50
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 32
- 230000008569 process Effects 0.000 description 25
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 13
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 7
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 7
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 6
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 6
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Description
本発明は、NOxセンサ等のガスセンサに接続され、同センサの出力から特定成分の濃度を検出するガスセンサ制御装置に関するものである。 The present invention relates to a gas sensor control device that is connected to a gas sensor such as a NOx sensor and detects the concentration of a specific component from the output of the sensor.
近年、排ガス規制や燃費規制が益々強化される傾向にあり、例えば、ディーゼルエンジンのNOx排出量低減に関する技術や、NOx浄化装置の異常検出に関する技術等が必要になってきている。また、ガソリンエンジンでも、燃費向上等を目的とするリーン域での燃焼拡大が実施されることに伴いNOx排出量が増大することから、NOx排出抑制に関する技術やNOx浄化装置の異常検出に関する技術等が必要となる。こうした事情から、NOxセンサの需要が高まりつつある。なお、NOxセンサとしては、ジルコニア固体電解質を用いた多セル方式のセンサ素子が用いられている。 In recent years, exhaust gas regulations and fuel efficiency regulations have been increasingly strengthened, and for example, a technique related to NOx emission reduction of a diesel engine, a technique related to abnormality detection of a NOx purification device, and the like are required. Also, even in gasoline engines, NOx emissions increase with the expansion of combustion in the lean region for the purpose of improving fuel efficiency, etc. Technology for suppressing NOx emissions, technology for detecting abnormalities in NOx purification devices, etc. Is required. Under these circumstances, demand for NOx sensors is increasing. As the NOx sensor, a multi-cell sensor element using a zirconia solid electrolyte is used.
ところで、上記のNOxセンサを含めガスセンサでは、当該ガスセンサの機能が正常であることを検出する必要があり、その検出項目としてセンサ素子の断線判定などがある。自動車用の排気センサでは、法規や規制等により断線判定が規定されている場合もある。ガスセンサの異常検出技術としては、例えばA/Fセンサを検出対象とし、素子インピーダンスに基づいてセンサ断線を検出するものがある。具体的には、インピーダンス検出時に印加電圧を掃引変化させた時の電流変化量、又はその際算出されるインピーダンス値に基づいて異常検出を実施する。素子インピーダンスに基づいて異常検出を実施することにより、仮にセンサ出力が「0」である場合にもそれが正常か異常かを判断できる。つまり、理論空燃比(ストイキ)を目標とする空燃比フィードバック制御が行われる場合には、センサ出力がほぼ「0」のまま保持されるが、かかる場合にも断線等の異常を検出できるようになっていた。 By the way, in gas sensors including the above-mentioned NOx sensor, it is necessary to detect that the function of the gas sensor is normal, and detection items include disconnection determination of sensor elements. In an exhaust sensor for automobiles, disconnection determination may be defined by laws and regulations. As an abnormality detection technique for a gas sensor, for example, an A / F sensor is detected, and sensor disconnection is detected based on element impedance. Specifically, abnormality detection is performed based on the amount of current change when the applied voltage is swept and changed at the time of impedance detection, or the impedance value calculated at that time. By performing abnormality detection based on the element impedance, it is possible to determine whether the sensor output is normal or abnormal even if the sensor output is “0”. In other words, when air-fuel ratio feedback control with the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric) as a target is performed, the sensor output is maintained at almost “0”, but even in such a case, an abnormality such as disconnection can be detected. It was.
しかしながら、例えばNOx検出信号のような微弱電流を検出する回路では、その微弱電流の検出とインピーダンス検出とを同一回路にて実現する場合にNOx検出精度が低下するおそれがある。つまり、インピーダンス検出時の電流レベルはmAオーダであるのに対し、NOx検出信号の電流レベルはnAオーダであり、その電流レベルは4,5桁程度相違する。したがって、NOx電流検出とインピーダンス検出とを共に精度良く検出することは困難であり、NOx濃度の検出精度低下が生じる。 However, in a circuit that detects a weak current such as a NOx detection signal, for example, when the weak current detection and the impedance detection are realized by the same circuit, the NOx detection accuracy may be lowered. That is, the current level at the time of impedance detection is in the order of mA, whereas the current level of the NOx detection signal is in the order of nA, and the current level differs by about 4 to 5 digits. Therefore, it is difficult to detect both NOx current detection and impedance detection with high accuracy, resulting in a decrease in detection accuracy of NOx concentration.
また、検出回路においてNOx検出電流が流れる電流経路上にスイッチを設け、そのスイッチを開閉する技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。かかる技術を用いれば、NOx検出回路とインピーダンス検出回路とを適宜切り替えることができ、必要に応じた電流レベルの信号を取り出すことが可能となる。
しかしながら、上述したように検出回路においてNOx検出電流が流れる電流経路上にスイッチを設けた構成では、そのスイッチが原因でNOx電流検出に影響が及ぶことが懸念される。すなわち、例えばスイッチに半導体スイッチング素子を用いる場合、そのスイッチング素子には漏れ電流(リーク電流)が生じ、少ないもので数10nAとなる。このことから、NOx濃度検出時のように微弱電流を計測する場合に計測誤差が生じるおそれがあり、改善の余地があると考えられる。 However, in the configuration in which the switch is provided on the current path through which the NOx detection current flows in the detection circuit as described above, there is a concern that the NOx current detection may be affected due to the switch. That is, for example, when a semiconductor switching element is used for the switch, a leakage current (leakage current) is generated in the switching element, which is a few tens of nA. For this reason, there is a possibility that a measurement error may occur when a weak current is measured as in NOx concentration detection, and there is room for improvement.
本発明は、ガス濃度検出精度への悪影響を抑制しつつ、活性不良や断線等の異常を適正に判定することができるガスセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。 The main object of the present invention is to provide a gas sensor control device capable of appropriately determining an abnormality such as an activation failure or disconnection while suppressing adverse effects on gas concentration detection accuracy.
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。 Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を備え、前記一対の電極間への電圧印加状態で被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた素子電流を生じさせるガスセンサに接続されるものである。そして、本制御装置では、電流計測抵抗により素子電流が計測されるとともに、出力回路により、電流計測抵抗による素子電流の計測結果が素子電流計測値として出力される。さらに、印加電圧設定回路による電圧印加の状態で出力回路から出力される素子電流計測値により特定成分の濃度(酸素濃度、NOx濃度等)が算出される。 A gas sensor control device according to the present invention includes a sensor element having a solid electrolyte body and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte body, and a specific component in a gas to be detected in a voltage application state between the pair of electrodes. It is connected to a gas sensor that generates an element current corresponding to the concentration. In this control apparatus, the element current is measured by the current measurement resistor, and the measurement result of the element current by the current measurement resistor is output as the element current measurement value by the output circuit. Further, the concentration of the specific component (oxygen concentration, NOx concentration, etc.) is calculated from the measured element current value output from the output circuit in the state of voltage application by the applied voltage setting circuit.
また、第1の発明では、電流計測抵抗のセンサ側端子と印加電圧設定回路とを電気的に接続する電気経路において素子電流が流れない経路上にスイッチ手段(図4のスイッチ回路71)が設けられており、スイッチ手段を閉じることで電流計測抵抗の両端電位差がゼロとされ、その状態でセンサ素子の起電力が検出される。そして、該検出された起電力に基づいてセンサ素子又はセンサ回路の異常判定が実施される。なお、素子電流計測値によるガス濃度検出の途中に一時的にスイッチ手段が閉じられ、起電力が検出されるとよい。
In the first invention, the switch means (
上記構成によれば、電流計測抵抗の両端電位差をゼロにすることにより、素子電流が流れない状態、すなわち素子電流≒0nAの状態を作り出すことができ、センサ素子の起電力を好適に検出できる。このとき、センサ素子において破損や活性不良等の異常が発生していたりセンサ回路において断線等の異常が発生したりしていると、センサ起電力が適正値でなくなることから、センサ起電力に基づく異常判定が可能となる。 According to the above configuration, by setting the potential difference between both ends of the current measurement resistor to zero, it is possible to create a state where no element current flows, that is, a state where the element current is approximately 0 nA, and it is possible to detect the electromotive force of the sensor element suitably. At this time, if an abnormality such as breakage or activation failure occurs in the sensor element or an abnormality such as disconnection occurs in the sensor circuit, the sensor electromotive force is not an appropriate value. Abnormality judgment becomes possible.
また本発明では、素子電流が流れない経路上にスイッチ手段が設けられているため、そのスイッチ手段、具体的にはトランジスタ等の半導体スイッチング素子によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。特に、NOx検出電流など、微弱な素子電流を計測する場合には、スイッチ手段の存在が原因で電流計測値に誤差が生じると、ガス濃度検出への影響が大きなものとなるが、こうした不都合を回避できる。 In the present invention, since the switch means is provided on the path through which the element current does not flow, an error occurs in the measured element current due to the leakage current caused by the switch means, specifically, the semiconductor switching element such as a transistor. Such inconveniences can be avoided. In particular, when measuring a weak element current such as a NOx detection current, if an error occurs in the current measurement value due to the presence of the switch means, the influence on the gas concentration detection becomes large, but such inconvenience is caused. Can be avoided.
以上本発明によれば、ガス濃度検出精度への悪影響を抑制しつつ、センサ断線等の異常を適正に判定することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to properly determine abnormality such as sensor disconnection while suppressing adverse effects on gas concentration detection accuracy.
なお、電流計測抵抗の両端電位差が「ゼロ」となる状態とは、センサ素子に流れる電流が0nA又は略0nAとなる状態に相当する。この場合、実際の回路構成では種々の回路素子等の存在により微小な電流が流れることがあり、厳密に「素子電流=0nA」の状態とならないとも考えられるが、こうした回路構成上の要因で微小電流が流れる場合も電流計測抵抗の両端電位差が「ゼロ」となる状態に該当することとしている。 The state where the potential difference between both ends of the current measuring resistor is “zero” corresponds to a state where the current flowing through the sensor element is 0 nA or approximately 0 nA. In this case, in an actual circuit configuration, a minute current may flow due to the presence of various circuit elements and the like, and it may be considered that the state of “element current = 0 nA” is not strictly met. Even when a current flows, it corresponds to a state in which the potential difference between both ends of the current measurement resistor is “zero”.
電流計測抵抗の両端電位差をゼロにするための構成として、第2の発明のように、スイッチ手段を閉じた状態で、電流計測抵抗のセンサ側端子電圧を印加電圧設定回路に対して帰還入力して当該設定回路の設定電圧を前記センサ側端子電圧と同電圧とするとよい。 As a configuration for reducing the potential difference between both ends of the current measurement resistor, the sensor side terminal voltage of the current measurement resistor is fed back to the applied voltage setting circuit with the switch means closed as in the second aspect of the invention. Thus, the setting voltage of the setting circuit may be the same voltage as the sensor-side terminal voltage.
センサ起電力の検出手法として、第3の発明のように、スイッチ手段を閉じた状態での電流計測抵抗のセンサ側端子電圧によりセンサ素子の起電力を検出するとよい。又は、第4の発明のように、スイッチ手段を閉じた状態でセンサ素子の正負両方の電極における電圧を計測し、それら電圧計測値の差によりセンサ素子の起電力を検出するとよい。 As a sensor electromotive force detection method, as in the third invention, the electromotive force of the sensor element may be detected by the sensor-side terminal voltage of the current measurement resistor in a state where the switch means is closed. Alternatively, as in the fourth invention, the voltage at both the positive and negative electrodes of the sensor element may be measured with the switch means closed, and the electromotive force of the sensor element may be detected from the difference between the measured voltage values.
上記第3,第4の発明のいずれにおいてもセンサ起電力を好適に検出できる。ただし、第4の発明のようにセンサ素子の正負両電極における電圧計測値の差によりセンサ素子の起電力を検出することで、より正確に起電力を検出できる。 In any of the third and fourth inventions , the sensor electromotive force can be suitably detected. However, the electromotive force of the sensor element can be detected more accurately by detecting the electromotive force of the sensor element based on the difference between the voltage measurement values at the positive and negative electrodes of the sensor element as in the fourth invention .
第5の発明では、電流計測抵抗のセンサ側端子がバイアス抵抗を介して基準電位部(例えばグランド)に接続されている。要するに、断線等の異常発生状態ではセンサ起電力が発生せず、回路出力が不定となる。この点、上記構成によれば、センサ起電力が発生しない状態でも、バイアス抵抗によって電流計測抵抗のセンサ側端子電圧が所定電圧に保持される。したがって、こうした起電力未発生の状態でも回路出力が安定し、異常値としてのセンサ起電力を検出できる。 In the fifth invention, the sensor side terminal of the current measurement resistor is connected to the reference potential portion (for example, ground) via the bias resistor. In short, the sensor electromotive force is not generated in an abnormality occurrence state such as disconnection, and the circuit output becomes indefinite. In this regard, according to the above configuration, even when no sensor electromotive force is generated, the sensor-side terminal voltage of the current measurement resistor is held at a predetermined voltage by the bias resistor. Therefore, the circuit output is stable even in the state where no electromotive force is generated, and the sensor electromotive force as an abnormal value can be detected.
第6の発明では、出力回路の出力を印加電圧設定回路に帰還入力させる第1帰還経路(図4の帰還入力経路L1)と、電流計測抵抗のセンサ側端子の電圧を印加電圧設定回路に帰還入力させる第2帰還経路(図4の帰還入力経路L2)とが設けられ、2つの帰還経路のうち第2帰還経路にスイッチ手段が設けられている。そして、通常の濃度検出時には、前記2つの帰還経路のうち第1帰還経路のみが導通状態とされ、その第1帰還経路を介して帰還入力される出力回路の出力に応じて印加電圧設定回路にて電圧設定が行われる。また、起電力検出時には、前記2つの帰還経路のうち第2帰還経路のみが導通状態とされ、その第2帰還経路を介して帰還入力される電流計測抵抗のセンサ側端子電圧に応じて印加電圧設定回路にて電圧設定が行われ、電流計測抵抗の両端電位差がゼロとされる。 In the sixth aspect of the invention, the first feedback path (feedback input path L1 in FIG. 4) for feeding back the output of the output circuit to the applied voltage setting circuit and the voltage at the sensor side terminal of the current measuring resistor are fed back to the applied voltage setting circuit. A second feedback path (feedback input path L2 in FIG. 4) to be input is provided, and switch means is provided in the second feedback path of the two feedback paths. At the time of normal concentration detection, only the first feedback path is made conductive among the two feedback paths, and the applied voltage setting circuit is set according to the output of the output circuit fed back via the first feedback path. Voltage setting. Further, at the time of detecting the electromotive force, only the second feedback path of the two feedback paths is made conductive, and the applied voltage is determined according to the sensor-side terminal voltage of the current measurement resistor that is fed back via the second feedback path. The voltage is set by the setting circuit, and the potential difference between both ends of the current measuring resistor is set to zero.
上記構成によれば、印加電圧設定回路側への帰還経路を適宜切り替えることにより、ガス濃度検出を一時的に中断してセンサ起電力を検出することができる。 According to the above configuration, by appropriately switching the feedback path to the applied voltage setting circuit side, the gas concentration detection can be temporarily interrupted to detect the sensor electromotive force.
第7の発明では、電流計測抵抗のセンサ側端子と印加電圧設定回路とを電気的に接続する電気経路に電圧フォロア又は非反転増幅回路が設けられ、その電圧フォロア又は非反転増幅回路と印加電圧設定回路との間の経路上にスイッチ手段が設けられている。かかる場合、電圧フォロア又は非反転増幅回路の出力側には素子電流が流れないことから、電流計測抵抗のセンサ側端子と印加電圧設定回路との間の電気経路に、素子電流が流れない経路を設けることができる。そして、この経路にスイッチ手段が設けられることで、スイッチ手段による素子電流への悪影響を抑制できる。 In the seventh invention, a voltage follower or non-inverting amplifier circuit is provided in an electrical path that electrically connects the sensor side terminal of the current measuring resistor and the applied voltage setting circuit, and the voltage follower or non-inverting amplifier circuit and the applied voltage are provided. Switch means is provided on the path to the setting circuit. In such a case, the element current does not flow on the output side of the voltage follower or the non-inverting amplifier circuit. Therefore, a path in which the element current does not flow is provided in the electrical path between the sensor side terminal of the current measurement resistor and the applied voltage setting circuit. Can be provided. And by providing the switch means in this path, it is possible to suppress the adverse effect on the device current by the switch means.
第8の発明では、印加電圧設定回路は、負帰還部を有するオペアンプを備えて構成され、オペアンプの出力側であって前記負帰還部の外に電流計測抵抗が設けられている。上記構成によれば、電流計測抵抗の少なくとも反センサ側端子の電圧を計測することで素子電流が計測できる。また、オペアンプの出力端子電圧、すなわち電流計測抵抗の反センサ側端子の電圧を制御することができるため、その反センサ側端子電圧をセンサ側端子電圧に対して増減させることができ、言い換えれば、電流計測抵抗の両端電位差を制御することが可能となる。したがって、電流計測抵抗の両端電位差をゼロにすることが可能となる。 In the eighth invention, the applied voltage setting circuit includes an operational amplifier having a negative feedback section, and a current measurement resistor is provided outside the negative feedback section on the output side of the operational amplifier. According to the above configuration, the element current can be measured by measuring the voltage of at least the non-sensor side terminal of the current measurement resistor. In addition, since the output terminal voltage of the operational amplifier, that is, the voltage of the anti-sensor side terminal of the current measurement resistor can be controlled, the anti-sensor side terminal voltage can be increased or decreased with respect to the sensor side terminal voltage. It is possible to control the potential difference between both ends of the current measurement resistor. Therefore, the potential difference between both ends of the current measuring resistor can be made zero.
第9の発明では、センサ素子の各電極に接続される端子部の電圧をそれぞれ計測する端子電圧計測手段を備える。そして、センサ起電力による異常判定に加え、各端子電圧に基づいてセンサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する。これにより、センサ素子の破損や活性不良、断線等の異常以外に、センサ素子の各電極側の電源ショートやグランドショートの異常も検出できることとなる。 According to a ninth aspect of the invention, there is provided terminal voltage measuring means for measuring the voltage of the terminal portion connected to each electrode of the sensor element. And in addition to the abnormality determination by a sensor electromotive force, abnormality determination of a sensor element or a sensor circuit is implemented based on each terminal voltage. As a result, in addition to abnormalities such as breakage, activation failure, and disconnection of the sensor element, it is possible to detect abnormalities in the power supply short and ground short on each electrode side of the sensor element.
第10の発明では、異常発生している旨判定された場合に、センサ素子への電圧印加を停止する電圧印加停止手段を備える。これにより、異常発生時に電圧印加を継続することによるセンサ素子への悪影響を抑制でき、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。 According to a tenth aspect of the invention, there is provided voltage application stopping means for stopping voltage application to the sensor element when it is determined that an abnormality has occurred. Thereby, the bad influence to the sensor element by continuing voltage application at the time of abnormality can be suppressed, and the sensor element can be aimed at by extension.
第11の発明のように、センサ素子が活性状態にあることを条件として起電力検出を実施するとよい。つまり、例えばセンサ始動時には、センサ素子が所定の活性温度まで上昇して活性完了した後においてセンサ起電力が適正に検出される。本発明によれば、センサ素子が未活性であること(素子温度が低いこと)に起因する起電力の検出不良を抑制できる。これにより、異常検出の精度を高めることができる。 As in the eleventh aspect, electromotive force detection may be performed on condition that the sensor element is in an active state. That is, for example, at the time of starting the sensor, the sensor electromotive force is properly detected after the sensor element rises to a predetermined activation temperature and completes the activation. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the detection failure of the electromotive force resulting from a sensor element being inactive (element temperature is low) can be suppressed. Thereby, the accuracy of abnormality detection can be improved.
本発明のガスセンサ制御装置は、以下のようなガスセンサに好適に適用される(第12の発明)。すなわち、ガスセンサは、各々に固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とよりなる第1セル及び第2セルを有するセンサ素子を備え、ガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を第1セルで所定濃度レベルに調整するとともに第2セルで第1セルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度(NOx濃度等)を検出する。そして、ガスセンサ制御装置では、第2セルにて生じる素子電流を電流計測抵抗にて計測する。かかる場合、第2セルで計測される特定成分は酸素以外の、NOx、HC等の濃度であり、その濃度検出のための素子電流は微弱である。例えば、NOx濃度検出時の素子電流はnA(ナノアンペア)オーダである。この点、上述した各々の特徴的構成によれば、微弱な素子電流であっても好適にガス濃度を検出できる。 The gas sensor control device of the present invention is suitably applied to the following gas sensors (a twelfth aspect of the present invention) . That is, the gas sensor includes a sensor element having a first cell and a second cell each composed of a solid electrolyte body and a pair of electrodes arranged on the solid electrolyte body, and oxygen in the gas to be detected introduced into the gas chamber. The amount is adjusted to a predetermined concentration level in the first cell, and the concentration (NOx concentration, etc.) of the specific component is detected from the gas after the oxygen amount adjustment in the first cell in the second cell. In the gas sensor control device, the element current generated in the second cell is measured by a current measuring resistor. In this case, the specific component measured in the second cell is a concentration of NOx, HC, etc. other than oxygen, and the device current for detecting the concentration is weak. For example, the device current when detecting the NOx concentration is on the order of nA (nanoampere). In this regard, according to each of the above-described characteristic configurations, the gas concentration can be suitably detected even with a weak element current.
第13の発明では、ガス室内の酸素濃度が所定濃度レベルである低酸素レベルになったことを条件として起電力検出を実施するとよい。つまり、例えばセンサ始動時には、ガス室内の余剰酸素が第1セルにより十分に排出された後においてセンサ起電力が適正に検出される。本発明によれば、ガス室内に酸素が過剰に存在していること(余剰酸素が多すぎること)に起因する起電力の検出不良を抑制できる。これにより、異常検出の精度を高めることができる。 In the thirteenth invention, the electromotive force detection may be performed on the condition that the oxygen concentration in the gas chamber becomes a low oxygen level which is a predetermined concentration level. That is, for example, when the sensor is started, the sensor electromotive force is properly detected after surplus oxygen in the gas chamber is sufficiently discharged by the first cell. According to the present invention, it is possible to suppress an electromotive force detection failure caused by the presence of excessive oxygen in the gas chamber (too much excess oxygen). Thereby, the accuracy of abnormality detection can be improved.
ガス室内の残留酸素濃度は増減変化し、その残留酸素濃度に応じて第2セルでの起電力が変化すると考えられる。そこで、第14の発明では、ガス室内の残留酸素濃度を検出し、該検出したガス室内の残留酸素濃度に応じて異常判定値を可変に設定する。そして、その異常判定値と都度の検出起電力とに基づいてセンサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する。これにより、ガス室内の残留酸素濃度が増減変化しても、高精度な異常判定を実現できる。 It is considered that the residual oxygen concentration in the gas chamber increases and decreases, and the electromotive force in the second cell changes according to the residual oxygen concentration. Therefore, in the fourteenth aspect , the residual oxygen concentration in the gas chamber is detected, and the abnormality determination value is variably set according to the detected residual oxygen concentration in the gas chamber. And abnormality determination of a sensor element or a sensor circuit is implemented based on the abnormality determination value and each detected electromotive force. Thereby, even if the residual oxygen concentration in the gas chamber is increased or decreased, a highly accurate abnormality determination can be realized.
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジンの排気管に設けられたNOxセンサを用い、そのNOxセンサの出力に基づいて排気中のNOx濃度を検出するNOx濃度検出システムについて説明する。なお、車載エンジンは例えばディーゼルエンジンであり、同エンジンの排気管に設けられる排気浄化装置としてのNOx浄化触媒(NOx吸蔵還元型触媒やアンモニア選択還元触媒等)について、NOxセンサの出力に基づいて異常診断等が実施されるようになっている。例えば、NOx浄化触媒の下流側にNOxセンサが設けられ、同NOxセンサの出力から算出されるNOx濃度(NOx浄化率)が所定の異常判定値を上回る場合に、NOx浄化触媒が異常である旨診断される。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a NOx concentration detection system that uses a NOx sensor provided in an exhaust pipe of an in-vehicle engine and detects the NOx concentration in the exhaust based on the output of the NOx sensor will be described. The on-board engine is, for example, a diesel engine. An NOx purification catalyst (such as a NOx storage reduction catalyst or an ammonia selective reduction catalyst) serving as an exhaust purification device provided in the exhaust pipe of the engine is abnormal based on the output of the NOx sensor. Diagnosis etc. are to be implemented. For example, a NOx sensor is provided downstream of the NOx purification catalyst, and the NOx purification catalyst is abnormal when the NOx concentration (NOx purification rate) calculated from the output of the NOx sensor exceeds a predetermined abnormality determination value. Diagnosed.
まずは、NOxセンサを構成するセンサ素子10について図1を用いて説明する。センサ素子10はいわゆる積層型構造を有するものであり、その内部構造を図1に示している。図の左右方向がセンサ素子10の長手方向に相当する。図の右側が素子基端側(排気管取り付け部位側)であり、図の左側が素子先端側である。センサ素子10は、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる3セル構造を有するものであり、それら各セルが積層配置されて構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、補助ポンプセル又は第2ポンプセルと称される場合もある。
First, the
センサ素子10において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質体11,12はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ13を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質体11には排気導入口11aが形成されており、この排気導入口11aを介して当該センサ素子周囲の排気が第1チャンバ14内に導入される。第1チャンバ14は、絞り部15を介して第2チャンバ16に連通している。固体電解質体11の図の上面には、排気を所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層17が設けられるとともに、大気通路18を区画形成するための絶縁層19が設けられている。
In the
また、固体電解質体12の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層21が設けられ、この絶縁層21により大気通路22が形成されている。絶縁層21には、センサ全体を加熱するためのヒータ(発熱体)23が埋設されている。この場合、ヒータ23により、ポンプセル31、モニタセル34及びセンサセル35が加熱され、これら各セル31,34,35の活性化が促進される。ヒータ23は、図示しないバッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。
Further, an insulating
図の下側の固体電解質体12には、第1チャンバ14に対面するようにしてポンプセル31が設けられており、ポンプセル31は、第1チャンバ14内に導入された排気中の酸素を出し入れして同チャンバ14内の残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル31は、固体電解質体12を挟んで設けられる上下一対の電極32,33を有し、そのうち特に第1チャンバ14側の電極32はNOx不活性電極(NOxを分解し難い電極)となっている。ポンプセル31は、電極32,33間に電圧が印加された状態で、第1チャンバ14内に存在する酸素を分解して電極33より大気通路22側に排出する。
The
また、図の上側の固体電解質体11には、第2チャンバ16に対面するようにしてモニタセル34及びセンサセル35が設けられている。モニタセル34は、上述したポンプセル31により余剰酸素が排出された後に、第2チャンバ16内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル35は、第2チャンバ16内のガスからNOx濃度を検出する。
Further, a
モニタセル34及びセンサセル35は、互いに近接した位置に並べて配置されており、第2チャンバ16側に電極36,37を有するとともに、大気通路18側に共通電極38を有する構成となっている。すなわち、モニタセル34は、固体電解質体11とそれを挟んで対向配置された電極36及び共通電極38とにより構成され、センサセル35は、同じく固体電解質体11とそれを挟んで対向配置された電極37及び共通電極38とにより構成されている。モニタセル34の電極36(第2チャンバ16側の電極)はNOxに不活性なAu−Pt等の貴金属からなるのに対し、センサセル35の電極37(第2チャンバ16側の電極)はNOxに活性な白金Pt、ロジウムRh等の貴金属からなる。なお、便宜上図面ではモニタセル34及びセンサセル35を排気の流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル34,35は排気の流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。
The
ここで、ポンプセル31と、モニタセル34及びセンサセル35とは、センサ素子10の長手方向に並べて設けられており、センサ素子10の先端側にポンプセル31が設けられ、同基端側(排気管取り付け側)にモニタセル34及びセンサセル35が設けられている。
Here, the
上記構成のセンサ素子10では、排気は多孔質拡散層17及び排気導入口11aを通って第1チャンバ14に導入される。そして、この排気がポンプセル31近傍を通過する際、ポンプセル電極32,33間にポンプセル印加電圧Vpが印加されることで分解反応が起こり、第1チャンバ14内の酸素濃度に応じてポンプセル31を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第1チャンバ14側の電極32がNOx不活性電極であるため、ポンプセル31では排気中のNOxは分解されず、酸素のみが分解されて電極33から大気通路22に排出される。こうしたポンプセル31の働きにより、第1チャンバ14内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。
In the
ポンプセル31近傍を通過したガス(酸素濃度調整後のガス)は第2チャンバ16に流れ込み、モニタセル34では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル34の出力は、モニタセル電極36,38間に所定のモニタセル印加電圧Vmが印加されることでモニタセル電流Imとして検出される。また、センサセル電極37,38間に所定のセンサセル印加電圧Vsが印加されることでガス中のNOxが還元分解され、その際発生する酸素が電極38から大気通路18に排出される。このとき、センサセル35に流れた電流(センサセル電流Is)により、排気中のNOx濃度が検出される。
The gas that has passed through the vicinity of the pump cell 31 (the gas after the oxygen concentration adjustment) flows into the
NOxセンサ回路40はセンサ制御の主体となるマイコン41と制御回路部(詳細は図2で後述する)とを有しており、このマイコン41や制御回路部により、ポンプセル31の電極32,33間に印加するポンプセル電圧Vp、モニタセル34の電極36,38間に印加するモニタセル電圧Vm、センサセル35の電極37,38間に印加するセンサセル電圧Vsがそれぞれ制御される。マイコン41には、ポンプセル電流Ip、モニタセル電流Im及びセンサセル電流Isの各々の計測値が逐次入力され、マイコン41は、これらの計測値に基づいて排気中の酸素濃度やNOx濃度を算出する。
The
図2は、NOxセンサ回路40の概要を示すブロック図である。なお、NOxセンサ回路40には、図示する各回路部以外にヒータ駆動回路部も含まれるが、図2では図示を省略している。
FIG. 2 is a block diagram showing an outline of the
図2において、NOxセンサ回路40には、ポンプセル31の電極32,33にそれぞれ接続される正側端子PS+及び負側端子PS−と、モニタセル34及びセンサセル35の共通電極38に接続される共通端子COM+と、モニタセル34及びセンサセル35の各電極36,37にそれぞれ接続される負側端子MS−,SS−とが設けられている。
In FIG. 2, the
ポンプセル31の正側端子PS+には、ポンプセル31に印加するためのポンプセル印加電圧を可変設定するポンプセル駆動回路部42が接続され、負側端子PS−には、ポンプセル電流Ipを検出するIp検出回路部43が接続されている。ポンプセル駆動回路部42では、Ip検出回路部43により検出されたポンプセル電流Ipに応じてポンプセル印加電圧が制御される。Ip検出回路部43により検出されたポンプセル電流Ipはマイコン41に逐次入力される。
A pump cell
また、センサセル35とモニタセル34との正側の共通端子COM+には、これら各セル34,35に共通の電圧を印加するセンサセル/モニタセル駆動回路部44が接続され、各セル35,34の負側端子SS−,MS−にはそれぞれ、センサセル電流Isを検出するIs検出回路部45、モニタセル電流Imを検出するIm検出回路部46が接続されている。Is検出回路部45とIm検出回路部46とにはマイコン41が接続されており、各検出回路部45,46でセンサセル電流Is、モニタセル電流Imに応じて計測された電流計測値VS1,VM1がマイコン41に逐次入力される。また、センサセル/モニタセル駆動回路部44、Is検出回路部45及びIm検出回路部46では、それぞれ各端子COM+,SS−,MS−における端子電圧が計測され、その端子電圧(Vcom,VS2,VM2)がマイコン41に逐次入力されるようになっている。詳細は後述する。
A sensor cell / monitor
その他、センサセル/モニタセル駆動回路部44には、異常発生時等においてモニタセル34及びセンサセル35の保護を図るべくこれら各セルへの電圧印加を中止させるセンサセル/モニタセル保護回路部48が接続されている。
In addition, the sensor cell / monitor cell
以下、NOxセンサ回路40を構成する各回路部の詳細を説明する。ただし、本実施形態では、ポンプセル31に関する回路構成は何ら既存のものと変わりないため、ポンプセル駆動回路部42とIp検出回路部43とについては説明を省略する。
Hereinafter, the details of each circuit unit constituting the
図3は、センサセル/モニタセル駆動回路部44の回路構成図である。図3において、定電圧源(定電圧Vcc)には2つの抵抗からなる抵抗分圧回路51が接続され、その抵抗分圧回路51の分圧電圧VX1がオペアンプ52の+入力端子に入力される。オペアンプ52の出力端子にはスイッチ回路53と保護抵抗54とを介して共通端子COM+が接続されている。オペアンプ52の負帰還部には保護抵抗55が設けられている。共通端子COM+にはESD(静電気放電)対応用のコンデンサ56が接続されている。
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the sensor cell / monitor cell
また、共通端子COM+と同電圧となる図の点A1には、保護抵抗57を介して電圧フォロア58が接続されており、本駆動回路部44では、共通端子COM+の電圧が共通端子電圧Vcomとして出力される。
In addition, a
スイッチ回路53は、後述するセンサセル/モニタセル保護回路部48から入力される電圧印加停止信号SG1に基づいてON/OFF(開閉)される構成となっており、電圧印加停止信号SG1が反転回路59を介してスイッチ回路53に入力される。本構成では、SG1=ロウの場合(電圧印加許可の場合)にスイッチ回路53が閉鎖され、抵抗分圧回路51の分圧電圧VX1が共通端子COM+に印加される。また、SG1=ハイの場合(電圧印加停止の場合)にスイッチ回路53が開放され、共通端子COM+への分圧電圧VX1の印加が遮断される。
The
次に、Is検出回路部45の構成を図4を用いて説明する。図4において、センサセル35の負側端子SS−には、電流計測抵抗61と差動増幅回路62とが直列に接続されている。この場合特に、電流計測抵抗61は、差動増幅回路62を構成するオペアンプの出力側であって負帰還部の外(帰還系の外)に設けられている。差動増幅回路62の+入力端子には、定電圧Vccを2つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路63が接続され、−入力端子には、帰還入力経路L1が接続されている。
Next, the configuration of the Is
また、電流計測抵抗61の両端(B1点、B2点)のうち、負側端子SS−側であるB1点(電流計測抵抗61のセンサ側端子)には保護抵抗64を介して電圧フォロア65が接続されており、電圧フォロア65の出力端子が差動増幅回路66の+入力端子に接続されている。また、差動増幅回路66の−入力端子にはB2点(電流計測抵抗61の反センサ側端子)が接続されている。したがって、電流計測抵抗61にセンサセル電流Isが流れると、そのセンサセル電流Isに応じて電流計測抵抗61の両端(B1点、B2点)で電位差が生じ、その電位差が差動増幅回路66にて所定の増幅率で増幅された後、センサセル電流計測値VS1として出力される。
A
差動増幅回路66の出力であるセンサセル電流計測値VS1は、帰還入力経路L1を通じて差動増幅回路62の−入力端子に入力されるようになっている。これに関して詳しくは、「出力回路」としての差動増幅回路66の出力端子と、「印加電圧設定回路」としての差動増幅回路62の−入力端子とは帰還入力経路L1により接続されており、その帰還入力経路L1の途中に、当該経路L1を断続(開閉)するためのスイッチ回路67と、抵抗及びコンデンサよりなるノイズ除去用のLPF(ローパスフィルタ)68とが設けられている。通常時はスイッチ回路67が閉鎖されており、差動増幅回路66の出力であるセンサセル電流計測値VS1が差動増幅回路62に帰還入力される。なお、スイッチ回路67は、例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子により構成されている(後述する各スイッチ回路も同様)。
The sensor cell current measurement value VS1 that is the output of the
電圧フォロア65の出力電圧は、B1点の電圧(すなわち、センサセル35の負側端子SS−の電圧)と同じであり、その出力電圧がセンサセル端子電圧VS2として出力されるようになっている。
The output voltage of the
また、電圧フォロア65の出力端子と差動増幅回路62の+入力端子とは帰還入力経路L2により接続されており、その帰還入力経路L2の途中に、当該経路L2を断続(開閉)するためのスイッチ回路71が設けられている。通常時はスイッチ回路71が開放されており、閉鎖されることで電圧フォロア65の出力であるセンサセル端子電圧VS2が差動増幅回路62に帰還入力される。ここで、電圧フォロア65は入力インピーダンスが大きく、その出力側に素子電流が流れないことから、帰還入力経路L2を、素子電流が流れない経路とすることができる。そして、この経路にスイッチ回路71が設けられている。
The output terminal of the
帰還入力経路L1,L2にそれぞれ設けられるスイッチ回路67,71は、マイコン41から入力されるハイ/ロウ2値の回路切替信号SG2に基づいてON/OFF(開閉)される構成となっており、回路切替信号SG2はそのまま一方のスイッチ回路67に入力されるとともに、反転回路72を介して他方のスイッチ回路71に入力される。本実施形態では、SG2=ハイの場合に、スイッチ回路67が閉鎖、スイッチ回路71が開放となり、2つの帰還入力経路L1,L2のうち帰還入力経路L1のみが導通状態とされる。また、SG2=ロウの場合に、スイッチ回路67が開放、スイッチ回路71が閉鎖となり、2つの帰還入力経路L1,L2のうち帰還入力経路L2のみが導通状態とされる。要するに、スイッチ回路67,71は開閉時期が逆となる態様で開閉され、それにより帰還入力経路L1,L2のいずれか一方のみが導通状態とされる構成となっている。
The
通常時にNOx濃度を検出する場合、すなわち排気中のNOx濃度に応じて流れるセンサセル電流Isを計測する場合には、マイコン41から回路切替信号SG2としてハイ信号が出力され、差動増幅回路66の出力VS1が帰還入力経路L1を介して差動増幅回路62の−入力端子に入力される。そして、差動増幅回路66の出力VS1に応じて差動増幅回路62の出力が増減する。このとき、センサセル電流Isが大きいほど出力VS1が大きくなり、それに伴い差動増幅回路62の出力が減少する。
When detecting the NOx concentration at normal time, that is, when measuring the sensor cell current Is flowing according to the NOx concentration in the exhaust, a high signal is output from the
これに対し、電流計測抵抗61の両端電位差をゼロにし、同電流計測抵抗61に流れる電流が0nAとなる状態にする場合には、マイコン41から回路切替信号SG2としてロウ信号が出力され、電圧フォロア65の出力VS2が帰還入力経路L2を介して差動増幅回路62の+入力端子に入力される。このとき、差動増幅回路62によれば、電流計測抵抗61の反センサ側端子(B2点)の電圧が、同電流計測抵抗61のセンサ側端子(B1点)と同じで電圧に調整される。これにより、電流計測抵抗61の両端電位差がゼロになり、電流計測抵抗61に電流が流れない状態(電流=0nAの状態)となる。かかる場合、電流計測抵抗61に電流が流れない状態はNOx濃度=0ppmの状態に相当し、差動増幅回路66の出力VS1は本来チャンバ内の残留酸素濃度分の所定値になるが、仮にオフセット誤差が生じていれば、その誤差分だけ出力値にずれが生じる。したがって、その出力によりオフセット誤差を求めることができる。
On the other hand, when the potential difference between both ends of the current measuring
また、マイコン41から回路切替信号SG2としてロウ信号が出力された場合には、電流計測抵抗61に電流が流れない状態となることから、センサセル35の負側端子SS−にはセンサセル起電力に応じた電圧が生じ、それがセンサセル端子電圧VS2として計測される。
Further, when a low signal is output as the circuit switching signal SG2 from the
電流計測抵抗61の両端(B1点、B2点)のうち、B1点にはバイアス電流抵抗75とESD対応用のコンデンサ76とが接続されている。つまり、これらバイアス電流抵抗75、ESD対応用のコンデンサ76は一端が電流計測抵抗61のセンサ側端子に接続され、他端が接地されている。バイアス電流抵抗75の抵抗値は、例えば1MΩ又はそれ以上である。
Of both ends (points B1 and B2) of the current measuring
ここで、B1点(電流計測抵抗61のセンサ側端子)にバイアス電流抵抗75が接続されていることにより、断線や素子割れ等の異常が生じている状態下で上記のようにセンサセル起電力を計測する場合において、センサセル端子電圧VS2を固定電圧とすることができる。言い換えると、センサセル端子電圧VS2として起電力異常に対応する値を取得することが可能となる。つまり、断線や素子割れ等の異常発生状態ではセンサセル35で起電力が発生せず、センサセル端子電圧VS2(図のB1点電圧)が不定となるが、バイアス電流抵抗75を設けた上記構成によれば、センサ起電力が発生しない状態でも、センサセル端子電圧VS2を所定電圧(バイアス電流抵抗75の抵抗値に応じた電圧)に保持することができる。したがって、こうした起電力未発生の状態でもセンサセル端子電圧VS2が安定し、異常値としてのセンサ起電力を検出できる。
Here, since the bias
なお、本実施形態では、バイアス電流抵抗75の低電位側をグランドに接続しているが、これに限らず、固定電位となる他の基準電位部に接続する構成であってもよい。例えば、バイアス電流抵抗75の一端を電源回路に接続する構成や、グランド電圧〜電源電圧の範囲内の所定電圧を出力する回路部に接続する構成であってもよい。
In the present embodiment, the low potential side of the bias
上記のようにバイアス電流抵抗75を設けた場合、そのバイアス電流抵抗75を通じて電流が流れるため、その分、電流計測抵抗61に流れる電流が減じられることも考えられる。ゆえに、バイアス電流抵抗75に流れる電流をあらかじめ計測しておき、その計測電流分を電流補正する構成としてもよい。
When the bias
Im検出回路部46は、Is検出回路部45と同様の回路構成を有しており、説明が重複するため図示及び詳細な説明を省略する。すなわち、Im検出回路部46としても図4の回路がそのまま用いられる。なお、図2に示すように、Im検出回路部46に対しては、マイコン41からモニタセル用の回路切替信号SG3が出力され、この回路切替信号SG3により、通常時における残留酸素濃度検出の状態と、電流計測抵抗の両端電位差をゼロとする状態(電流=0nAとする状態)とが切り替えられるようになっている(上述した回路切替信号SG2と同様)。また、Im検出回路部46では、図4のセンサセル電流計測値VS1に代えてモニタセル電流計測値VM1が出力されるとともに、センサセル端子電圧VS2に代えてモニタセル端子電圧VM2が出力されるようになっている。電流計測抵抗の両端電位差をゼロとする状態では、モニタセル端子電圧VM2によりモニタセル起電力が計測される。
The Im
図2に示すマイコン41では、Is検出回路部45から出力されるセンサセル電流計測値VS1とIm検出回路部46から出力されるモニタセル電流計測値VM1とが入力され、それら各入力値に基づいて(Is−Im)値が算出される。そして、その(Is−Im)値に基づいて排気中のNOx濃度が算出される。
In the
次に、センサセル/モニタセル保護回路部48の構成を図5を用いて説明する。このセンサセル/モニタセル保護回路部48では、例えば、センサセル35及びモニタセル34の正負両側における回路部分(正側の共通端子COM+、負側端子SS−,MS−に接続された回路部分)の電源ショート異常やグランドショート異常が検出される。本実施形態では、センサセル/モニタセル保護回路部48が「電圧印加停止手段」に相当する。
Next, the configuration of the sensor cell / monitor cell
図5において、本保護回路部48には、センサセル/モニタセル駆動回路部44から出力される共通端子電圧Vcomと、Is検出回路部45から出力されるセンサセル端子電圧VS2と、Im検出回路部46から出力されるモニタセル端子電圧VM2とが各々入力される。その他、同保護回路部48には、マイコン41から異常判定信号SG4が入力される。異常判定信号SG4については後で詳述するが、略述すると、異常判定信号SG4は、正常時にSG4=ハイ、異常発生時にSG4=ロウとされる2値信号である。そして、センサセル/モニタセル保護回路部48は、これらの各入力信号に基づいて電圧印加停止信号SG1を生成し、同信号SG1をセンサセル/モニタセル駆動回路部44に対して出力する。その詳細を以下に説明する。
In FIG. 5, the
センサセル/モニタセル保護回路部48は、5つの比較回路81〜85を有している。各比較回路81〜85の動作は以下のとおりである。
The sensor cell / monitor cell
第1比較回路81は、共通端子電圧Vcom(正常時4.4V)と基準電圧Vref1(例えば4.6V)とを大小比較する。この場合、正常時にはVcom<Vref1であって第1比較回路81の出力がロウであるが、異常時にVcom>Vref1になると第1比較回路81の出力がハイになる。例えば、共通端子COM+に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第1比較回路81の出力がハイになる。
The
第2比較回路82は、センサセル端子電圧VS2(正常時4.0V)と基準電圧Vref2(例えば3.8V)とを大小比較する。この場合、正常時にはVS2>Vref2であって第2比較回路82の出力がロウであるが、異常時にVS2<Vref2になると第2比較回路82の出力がハイになる。例えば、センサセル35の負側端子SS−に接続される部位でグランドショートが生じた場合、第2比較回路82の出力がハイになる。
The
第3比較回路83は、モニタセル端子電圧VM2(正常時4.0V)と基準電圧Vref3(例えば3.8V)とを大小比較する。この場合、正常時にはVM2>Vref3であって第3比較回路83の出力がロウであるが、異常時にVM2<Vref3になると第3比較回路83の出力がハイになる。例えば、モニタセル34の負側端子MS−に接続される部位でグランドショートが生じた場合、第3比較回路83の出力がハイになる。
The
第4比較回路84は、共通端子電圧Vcomとセンサセル端子電圧VS2とを大小比較する。この場合、正常時にはVcom>VS2であって第4比較回路84の出力がロウであるが、異常時にVcom<VS2になると第4比較回路84の出力がハイになる。例えば、共通端子COM+に接続される部位でグランドショートが生じた場合、又はセンサセル35の負側端子SS−に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第4比較回路84の出力がハイになる。
The
第5比較回路85は、共通端子電圧Vcomとモニタセル端子電圧VM2とを大小比較する。この場合、正常時にはVcom>VM2であって第5比較回路85の出力がロウであるが、異常時にVcom<VM2になると第5比較回路85の出力がハイになる。例えば、共通端子COM+に接続される部位でグランドショートが生じた場合、又はモニタセル34の負側端子MS−に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第5比較回路85の出力がハイになる。
The
なお図示は略するが、基準電圧Vref1〜Vref3は、いずれも定電圧Vccを2つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路により生成されるものである。 Although not shown, the reference voltages Vref1 to Vref3 are all generated by a resistance voltage dividing circuit that divides the constant voltage Vcc by two resistors.
そして、5つの比較回路81〜85の各出力と、マイコン41からの異常判定信号SG4とがOR回路86に入力される。この場合、OR回路86の複数の入力のうち何れかがハイであれば、電圧印加停止信号SG1としてハイ信号が出力される。SG1=ハイであれば、前述のとおりセンサセル/モニタセル駆動回路部44においてスイッチ回路53が開放され、共通端子COM+への電圧印加が遮断される(図3参照)。つまり、センサセル35及びモニタセル34について電源ショートやグランドショートといった異常が発生している場合、あるいはマイコン41からハイレベルの異常判定信号SG4が出力されている場合には、センサセル35及びモニタセル34への電圧印加が停止されてこれら各セルの保護が図られる。より具体的には、センサセル35及びモニタセル34への過電流が防止されることで、センサ素子の破損等を抑制できる。
The outputs of the five
次に、マイコン41により実行されるセンサ出力補正値の算出処理と、センサ起電力による異常検出処理とについて説明する。センサ出力補正値の算出処理は、NOx濃度検出の途中においてIs検出回路部45やIm検出回路部46における電流計測抵抗の両端電位差を一時的にゼロとし、その状態での回路出力により出力補正値(特に本実施形態ではオフセット補正値)を算出するものである。また、異常検出処理は、上記のとおり電流計測抵抗の両端電位差を一時的にゼロとすることで得られたセンサセル35又はモニタセル34の起電力値に基づいて、断線や素子割れ、素子活性不良等の異常の有無を検出するものである。
Next, sensor output correction value calculation processing executed by the
まずは、センサ出力補正値の算出処理について図6のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図6に示す処理は、マイコン41により所定の時間周期で繰り返し実行される。ここでは、Is検出回路部45の出力値(VS1)におけるオフセット補正値を算出する手順を説明する。
First, sensor output correction value calculation processing will be described with reference to the flowchart of FIG. The process shown in FIG. 6 is repeatedly executed by the
図6において、ステップS11では、今現在、オフセット補正値の算出タイミングであるか否かを判定する。本実施形態ではオフセット補正値の算出周期を10秒としており、10秒が経過する度にステップS11が肯定される。オフセット補正値の算出周期は、例えば回路の温度変化が生じる速さに応じて設定されるのが望ましい。オフセット補正値の算出タイミングであれば、ステップS12に進み、センサセル35が所定の活性温度(例えば750℃)まで昇温されているか否かを判定する。具体的には、エンジン始動時からの経過時間やヒータ投入電力、又はセンサセル35におけるインピーダンス検出値などに基づいて、センサセル35の昇温状態が判定される。
In FIG. 6, in step S <b> 11, it is determined whether it is now the timing for calculating the offset correction value. In this embodiment, the calculation cycle of the offset correction value is 10 seconds, and step S11 is affirmed every
センサセル35が所定の活性温度まで昇温されていればステップS13に進み、Is検出回路部45に対して出力される回路切替信号SG2をハイからロウに切り替える。これにより、Is検出回路部45において差動増幅回路62への帰還入力経路L1,L2の導通切替(ここではL1→L2への切替)が行われ、それに伴い、電流計測抵抗61に流れる電流が意図的に0nAにされる。続くステップS14では、回路切替信号SG2のハイ→ロウの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。
If the
そして、待機処理により所定時間待機した後、ステップS15では、差動増幅回路66の出力VS1を読み込み、そのVS1値によりオフセット補正値Foffを算出する。本実施形態では、その時のVS1値を電流換算してオフセット補正値Foffとし、そのオフセット補正値Foffをバックアップ用デバイス(例えば、EEPROMやバックアップRAM)に記憶する。言い加えると、オフセット補正値Foffは、学習値としてバックアップ用デバイスに記憶されるとともに適宜更新されるものとなっている。
Then, after waiting for a predetermined time by the standby process, in step S15, the output VS1 of the
その後、ステップS16では、回路切替信号SG2をロウからハイに切り替える。これにより、差動増幅回路62への帰還入力経路がL1に戻され、それに伴いIs検出回路部45が通常のNOx濃度検出状態に戻される。続くステップS17では、回路切替信号SG2のロウ→ハイの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、通常のNOx濃度検出が再開される(ステップS18)。
Thereafter, in step S16, the circuit switching signal SG2 is switched from low to high. As a result, the feedback input path to the
上記のように算出されたオフセット補正値Foffは、NOx濃度検出時において、逐次計測されたセンサセル電流Is(VS1の電流換算値)の補正に適宜用いられる。すなわち、NOx濃度検出時に計測されたセンサセル電流Isからオフセット補正値Foffが減算されて補正後センサセル電流が算出され(補正後センサセル電流=Is−Foff)、その補正後センサセル電流に基づいてNOx濃度が算出される。 The offset correction value Foff calculated as described above is appropriately used for correcting the sensor cell current Is (current converted value of VS1) that is sequentially measured when NOx concentration is detected. That is, the corrected sensor cell current is calculated by subtracting the offset correction value Foff from the sensor cell current Is measured at the time of detecting the NOx concentration (corrected sensor cell current = Is−Foff), and the NOx concentration is calculated based on the corrected sensor cell current. Calculated.
実際には、Is検出回路部45だけでなくIm検出回路部46についても同様にオフセット補正値の算出が行われ、それら2つの検出回路部45,46におけるオフセット補正値を両方用いてNOx濃度の算出が行われる。この場合、センサセル電流Is(計測値)からセンサセル用のオフセット補正値が減算されて補正後センサセル電流が算出されるとともに、モニタセル電流Im(計測値)からモニタセル用のオフセット補正値が減算されて補正後モニタセル電流が算出され、それら補正後センサセル電流と補正後モニタセル電流との差(=補正後センサセル電流−補正後モニタセル電流)に基づいてNOx濃度が算出される。
Actually, the offset correction value is calculated not only for the Is
ここで、図7に示すように、NOxセンサ回路40では、センサセル電流Is、モニタセルIm、(Is−Im)についてそれぞれオフセット誤差が生じる。図中、「センサ出力」はセンサ素子10にて実際に生じた電流値であり、「回路検出値」は、実際のセンサ出力に対してNOxセンサ回路40(Is検出回路部45、Im検出回路部46)で計測された計測値である。
Here, as shown in FIG. 7, in the
かかる場合において、センサ出力に対するオフセット誤差をオフセット補正値として求め、このオフセット補正値を用いてセンサセル電流Is、モニタセル電流Imをそれぞれ補正することにより、回路検出値のオフセット誤差に起因するNOx濃度の算出精度低下を抑制できる。 In such a case, the offset error with respect to the sensor output is obtained as an offset correction value, and the sensor cell current Is and the monitor cell current Im are corrected using the offset correction value, thereby calculating the NOx concentration caused by the offset error of the circuit detection value. Decrease in accuracy can be suppressed.
図8は、センサセル起電力に基づく異常検出処理を示すフローチャートである。本処理は、マイコン41により所定の時間周期で繰り返し実行される。
FIG. 8 is a flowchart showing an abnormality detection process based on the sensor cell electromotive force. This process is repeatedly executed by the
図8において、ステップS21では、今現在、異常検出タイミングであるか否かを判定する。本実施形態では異常検出周期を0.5秒としており、0.5秒が経過する度にステップS21が肯定される。異常検出タイミングであれば、ステップS22に進み、センサセル35が所定の活性温度(例えば750℃)まで昇温されているか否かを判定する(上記ステップS12と同様)。また、ステップS23では、エンジン始動後においてセンサ素子10のチャンバ14,16内の酸素が十分に排出され、残留酸素濃度が所定の低酸素レベルになっているか否かを判定する。例えば、エンジン始動時からの経過時間などに基づいて、残留酸素の排出状況が判定される。
In FIG. 8, in step S <b> 21, it is determined whether or not it is an abnormality detection timing now. In the present embodiment, the abnormality detection cycle is set to 0.5 seconds, and step S21 is affirmed every time 0.5 seconds elapse. If it is an abnormality detection timing, the process proceeds to step S22, and it is determined whether or not the
そして、ステップS22,S23が共に肯定されるとステップS24に進み、Is検出回路部45に対して出力される回路切替信号SG2をハイからロウに切り替える。これにより、Is検出回路部45において差動増幅回路62への帰還入力経路L1,L2の導通切替(ここではL1→L2への切替)が行われ、それに伴い、電流計測抵抗61に流れる電流が意図的に0nAにされる。続くステップS25では、回路切替信号SG2のハイ→ロウの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。
When both steps S22 and S23 are affirmed, the process proceeds to step S24, and the circuit switching signal SG2 output to the Is
そして、待機処理により所定時間待機した後、ステップS26では、共通端子電圧Vcomとセンサセル端子電圧VS2とを読み込み、そのVom値とVS2値とによりセンサセル35の起電力値を検出する。具体的には、共通端子電圧Vcom(センサセル正側端子の起電力計測値)からセンサセル端子電圧VS2(センサセル負側端子の起電力計測値)を減算することで、センサセル35の起電力値を算出する。またこのとき、センサセル35の起電力値をバックアップ用デバイス(例えば、EEPROMやバックアップRAM)に記憶する。
Then, after waiting for a predetermined time by the standby process, in step S26, the common terminal voltage Vcom and the sensor cell terminal voltage VS2 are read, and the electromotive force value of the
その後、ステップS27では、上記ステップS26で検出した起電力値があらかじめ定めた正常範囲に入っているか否かを判定する。具体的には、センサ素子10のチャンバ内は基本的に弱リーン状態にあり、センサセル35の起電力は0.2V程度の電圧値となる。ゆえに、0.2V±0.1Vの範囲(0.1〜0.3Vの範囲)を正常範囲としている。ただし、通常時のセンサセル印加電圧が0.4V(=4.4V−4.0V)であることを考慮し、正常範囲を0.1〜0.4Vとしてもよい。
Thereafter, in step S27, it is determined whether or not the electromotive force value detected in step S26 is within a predetermined normal range. Specifically, the inside of the chamber of the
起電力値が正常範囲に入っていれば、ステップS28に進み、断線や素子割れ等の異常が発生していないとして正常判定を実施する。また、起電力値が正常範囲に入っていなければ、ステップS29に進み、起電力異常が連続して所定回数発生しているか否かを判定する。そして、起電力異常が連続して所定回数発生していれば、ステップS30に進み、断線や素子割れ等の異常が発生しているとして異常判定を実施する。 If the electromotive force value is within the normal range, the process proceeds to step S28, and normality determination is performed assuming that no abnormality such as disconnection or element cracking has occurred. If the electromotive force value is not within the normal range, the process proceeds to step S29, where it is determined whether or not an electromotive force abnormality has occurred continuously a predetermined number of times. If the electromotive force abnormality has continuously occurred a predetermined number of times, the process proceeds to step S30, and abnormality determination is performed on the assumption that abnormality such as disconnection or element cracking has occurred.
断線や素子割れ等の異常が発生している旨判定された場合には、ステップS31でセンサセル/モニタセル保護回路部48に対して異常判定信号SG4としてハイ信号を出力する。
When it is determined that an abnormality such as disconnection or element cracking has occurred, a high signal is output as the abnormality determination signal SG4 to the sensor cell / monitor cell
その後、ステップS32では、回路切替信号SG2をロウからハイに切り替える。これにより、差動増幅回路62への帰還入力経路がL1に戻され、それに伴いIs検出回路部45が通常のNOx濃度検出状態に戻される。続くステップS33では、回路切替信号SG2のロウ→ハイの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、通常のNOx濃度検出が再開される(ステップS34)。
Thereafter, in step S32, the circuit switching signal SG2 is switched from low to high. As a result, the feedback input path to the
図示は省略するが、モニタセル34についても同様にモニタセル起電力に基づく異常検出処理が実施される。その手順は図8の手順に準ずる。簡単に説明すると、Im検出回路部46において電流計測抵抗の両端電位差がゼロとなる状態とし、その状態下でモニタセル端子電圧VM2によりモニタセル起電力を検出する。そして、そのモニタセル起電力が正常範囲(0.1〜0.3Vの範囲、又は0.1〜0.4Vの範囲)に入っているか否かにより異常判定を実施する。これにより、モニタセル34について断線や素子割れ等の異常が検出される。
Although not shown, the abnormality detection process based on the monitor cell electromotive force is similarly performed for the
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。 According to the embodiment described in detail above, the following excellent effects can be obtained.
Is検出回路部45(又はIm検出回路部46)において、素子電流(センサセル電流、モニタセル電流)が流れない経路上にスイッチ回路71を設け、スイッチ回路71を閉じた状態でセンサセル35の起電力を検出し、その起電力に基づいて異常判定を実施する構成としたため、素子割れや活性不良、断線等の異常が発生している場合にその異常の発生を好適に検出できる。
In the Is detection circuit unit 45 (or Im detection circuit unit 46), a
この場合特に、素子電流が流れない経路上にスイッチ回路71が設けられているため(逆に言えば、素子電流が流れる経路上にはスイッチ回路が設けられていないため)、そのスイッチ回路71によるリーク電流、具体的にはトランジスタ等の半導体スイッチング素子によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。つまり、スイッチ回路71でリーク電流が生じたとしても素子電流計測としては何ら影響はない(仮に影響が生じたとしてもそれは極めて微小である)。本実施形態のように微弱なNOx検出電流を計測する場合には、スイッチ回路の存在が原因で電流計測値に誤差が生じると、NOx濃度検出への影響が大きなものとなるが、こうした不都合を回避できる。
In this case, in particular, since the
スイッチ回路71を閉じた状態でセンサセル35の正負両方の端子電圧(共通端子電圧Vcomとセンサセル端子電圧VS2)を計測し、それら各電圧の差によりセンサセル35の起電力を検出する構成とした(モニタセル34も同様)。これにより、正確に起電力を検出できる。ただし、センサセル端子電圧VS2のみで起電力を検出することも可能である。
With the
Is検出回路部45(又はIm検出回路部46)において、2つの帰還入力経路L1,L2にそれぞれスイッチ回路67,71を設け、通常のNOx濃度検出か、起電力検出時かに応じてスイッチ回路67,71を開閉して、導通状態となる帰還入力経路を適宜切り替える構成とした。これにより、差動増幅回路62への帰還入力経路を適宜切り替えることで、NOx濃度検出を一時的に中断して起電力検出を実施することができる。
In the Is detection circuit unit 45 (or the Im detection circuit unit 46),
電流計測抵抗61のセンサ側端子をバイアス電流抵抗75を介してグランド(基準電位部)に接続する構成としたため、センサ起電力が発生しない状態でも、バイアス電流抵抗75によって電流計測抵抗61のセンサ側端子電圧を所定電圧に保持できる。したがって、こうした起電力未発生の状態でも回路出力が安定し、異常値としてのセンサ起電力を検出できる。
Since the sensor side terminal of the
センサセル/モニタセル保護回路部48において、センサセル35及びモニタセル34の各端子電圧である共通端子電圧Vcom、センサセル端子電圧VS2及びモニタセル端子電圧VM2に基づいて異常判定を実施する構成とした(実際には、各端子電圧に基づいて異常判定信号SG4を出力する構成とした)。これにより、センサ起電力に基づいて素子割れや活性不良、断線等の異常が検出できることに加え、各端子電圧に基づいてセンサセル35及びモニタセル34の各電極側の電源ショートやグランドショートの異常も検出できることとなる。
In the sensor cell / monitor cell
断線等の異常が発生している旨判定された場合に異常判定信号SG4をハイ信号とし、センサセル/モニタセル駆動回路部44においてセンサセル35及びモニタセル34への電圧印加を停止する構成とした。これにより、異常発生時に各セルへの電圧印加を継続することによるセンサ素子への悪影響を抑制でき、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。
When it is determined that an abnormality such as disconnection has occurred, the abnormality determination signal SG4 is set to a high signal, and voltage application to the
そもそも微弱電流が流れることを想定しているNOxセンサ回路40では、各種の異常(特に端子部での電源ショート、グランドショート)が発生するとセンサ素子に過大な電流が流れてしまい、センサ素子の破壊や出力特性の変化が発生するなど悪影響が及ぶ。この点、上記のように異常発生時に各セルへの電圧印加を停止することにより、センサ素子の保護を図ることができる。
In the
異常検出処理(図8)において、センサセル35(又はモニタセル34)が温度活性の状態にあること、エンジン始動後においてセンサ素子10のチャンバ14,16内の酸素が十分に排出されていることを条件としてセンサ起電力を検出する構成としたため、センサ起電力を適正に検出することができる。すなわち、センサ素子10が未活性であること(素子温度が低いこと)に起因する起電力の検出不良や、チャンバ内の余剰酸素が多すぎることに起因する起電力の検出不良を抑制できる。これにより、異常検出の精度を高めることができる。
In the abnormality detection process (FIG. 8), it is a condition that the sensor cell 35 (or the monitor cell 34) is in a temperature active state and oxygen in the
同じく異常検出処理(図8)において、スイッチ回路67,71の開閉切替時に出力安定を待つための待機時間を設けたため、センサ起電力を安定した状態で検出することができ、異常検出の精度を高めることができる。なお、待機処理では、所定時間だけ待機することに代えて、センサ起電力の時間当たりの変化量(変化率)が所定以下となるまで待機するようにしてもよい。
Similarly, in the abnormality detection process (FIG. 8), a standby time is provided for waiting for output stabilization when switching the
また、Is検出回路部45(又はIm検出回路部46)において、スイッチ回路71を閉じた状態で差動増幅回路66の出力VS1(又はVM1)によりオフセット補正値Foffを算出する構成とした。本構成では、NOxセンサ回路40においてオフセット誤差が生じている場合において、そのオフセット誤差に相当するオフセット補正値Foffを好適に求めることができる。また、素子電流が流れない経路上にスイッチ回路71が設けられているため、前述のとおりスイッチ回路71によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。
In the Is detection circuit unit 45 (or Im detection circuit unit 46), the offset correction value Foff is calculated from the output VS1 (or VM1) of the
上記のようにオフセット補正値Foffを好適に算出でき、かつスイッチ回路のリーク電流を原因とする悪影響を排除できることから、ひいてはNOx濃度の検出精度を向上させることができる。また、NOxセンサ回路40において温度特性や経時変化を原因として出力誤差が生じ、さらに同出力誤差の変化が生じる場合にも、その出力特性を好適に解消しつつ適正にNOx濃度を検出できる。
Since the offset correction value Foff can be suitably calculated as described above, and the adverse effect caused by the leakage current of the switch circuit can be eliminated, the detection accuracy of the NOx concentration can be improved. Further, even when an output error occurs in the
スイッチ回路71を閉じることで電流計測抵抗61の両端電位差をゼロとし、その電位差ゼロの状態で差動増幅回路66の出力VS1(又はVM1)からオフセット補正値Foffを算出する構成とした。これにより、NOx濃度=0ppmでの計測状態における出力VS1(又はVM1)によりオフセット補正値Foffを好適に算出することができる。
By closing the
また、差動増幅回路62の負帰還部の外に電流計測抵抗61を設けたため、同差動増幅回路62の出力(電流計測抵抗61の反センサ側端子電圧)を制御することが可能となり、電流計測抵抗61の両端電位差を可変に調整することができる。したがって、電流計測抵抗61の両端電位差をゼロにすることが可能となる。
In addition, since the
センサセル35及びモニタセル34の正側電極に共通の駆動回路部44を接続するとともに、それら各セル35,34の負側電極にIs検出回路部45及びIm検出回路部46をそれぞれ接続した構成において、Is検出回路部45及びIm検出回路部46にそれぞれスイッチ回路71を設け、各検出回路部45,46にて取得した電流計測値VS1,VM1により各検出回路部45,46のオフセット補正値をそれぞれ算出する構成とした。これにより、各検出回路部45,46の特性ばらつき(回路誤差)がセルごとに算出できる。したがって、各セル34,35の共通の駆動回路部であるセンサセル/モニタセル駆動回路部44にスイッチ回路を設けた場合と比較して、算出されるオフセット補正値の精度を高めることができる。
In the configuration in which the common
センサ出力補正値の算出処理(図6)において、センサセル35(又はモニタセル34)が温度活性の状態にあることを条件としてオフセット補正値Foffを算出する構成としたため、回路出力が安定した状態でオフセット補正値Foffを精度良く求めることができる。 In the calculation process of the sensor output correction value (FIG. 6), the offset correction value Foff is calculated on condition that the sensor cell 35 (or the monitor cell 34) is in the temperature active state. The correction value Foff can be obtained with high accuracy.
同じくセンサ出力補正値の算出処理(図6)において、スイッチ回路67,71の開閉切替時に出力安定を待つための待機時間を設けたため、回路出力が安定した状態でセンサセル電流計測値VS1を取得することができ、都度のNOx濃度値やオフセット補正値Foffを精度良く求めることができる。なお、待機処理では、所定時間だけ待機することに代えて、VS1の時間当たりの変化量(変化率)が所定以下となるまで待機するようにしてもよい。
Similarly, in the sensor output correction value calculation process (FIG. 6), a waiting time for waiting for output stabilization is provided when switching the
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the description of the above embodiment, and may be implemented as follows, for example.
・上記実施形態では、Is検出回路部45において「印加電圧設定回路」を差動増幅回路62により構成したが(図4参照)、これを変更し、「印加電圧設定回路」を非反転増幅回路により構成することも可能である。図9に示す回路構成について図4との相違点を中心に説明する。共通の構成については同一の符号を付している。なお、図9では、印加電圧設定回路として非反転増幅回路を採用することに伴い、その電圧入力に関する構成を変更している。
In the above embodiment, the “applied voltage setting circuit” is configured by the
図9では、印加電圧設定回路として非反転増幅回路101が設けられている。非反転増幅回路101の−入力端子は電流計測抵抗61のセンサ側端子(B1点)に接続されており、B1点の電圧は非反転増幅回路101の+入力端子の電圧に保持される。非反転増幅回路101の+入力端子には、スイッチ回路102を介して抵抗分圧回路63の分圧点が接続されるとともに、スイッチ回路71を介して電圧フォロア65の出力端子が接続されている。
In FIG. 9, a
スイッチ回路102,71は、マイコン41から入力される回路切替信号SG2に基づいてON/OFF(開閉)される構成となっており、回路切替信号SG2がそのまま一方のスイッチ回路102に入力されるとともに、反転回路103を介して他方のスイッチ回路71に入力される。本実施形態では、SG2=ハイの場合に、スイッチ回路102が閉鎖、スイッチ回路71が開放となり、抵抗分圧回路63の分圧電圧VX3が非反転増幅回路101の+入力端子に入力される。また、SG2=ロウの場合に、スイッチ回路102が開放、スイッチ回路71が閉鎖となり、電圧フォロア65の出力が非反転増幅回路101の+入力端子に入力される。要するに、スイッチ回路102,71は開閉時期が逆となる態様で開閉し、それにより非反転増幅回路101の入力電圧が変更される構成となっている。
The
本構成において、通常時にNOx濃度を検出する場合には、回路切替信号SG2がハイ信号とされ、センサセル35の負側端子SS−に電圧VX3が印加される。これにより、排気中のNOx濃度に応じたセンサセル電流Isが計測される。これに対し、オフセット補正値を算出する場合には、回路切替信号SG2がロウ信号とされ、電圧フォロア65の出力VS2が帰還入力経路L2を介して非反転増幅回路101の+入力端子に入力される。これにより、電流計測抵抗61の両端電位差がゼロになり、電流計測抵抗61に電流が流れない状態となる(電流=0nA)。したがって、その時のセンサ出力VS1によりオフセット補正値を算出できる。また、センサセル端子電圧VS2によりセンサ起電力の検出も可能となる。
In this configuration, when the NOx concentration is normally detected, the circuit switching signal SG2 is set to a high signal, and the voltage VX3 is applied to the negative terminal SS− of the
・上記実施形態では、断線等の各種異常が発生している場合に、センサセル/モニタセル駆動回路部44による電圧印加を停止することでセンサ保護を図る構成としたが、これを他に変更してもよい。具体的には、センサセル/モニタセル駆動回路部44において、保護抵抗54を、あらかじめ定めた上限電流(例えばエージング電流)で制限するべく大きな抵抗値(数100kΩ〜1MΩ程度)のものとしたり、オペアンプ52の電流出力を制限しておいたりする。これにより、例えば、センサセル35の負側端子で電源ショートやグランドショート等の異常が発生しても、同セルに流れる最大電流が制限され、センサ素子の保護を図ることができる。この場合、セル印加電圧が、センサ特性を整えるための電気エージング電圧以下に抑えられる構成であるとよい。
In the above embodiment, when various abnormalities such as disconnection occur, the sensor cell / monitor cell
・上記実施形態では、Is検出回路部45において帰還入力経路L2に素子電流を流さない構成として、電流計測抵抗61のセンサ側端子と差動増幅回路62とを電気的に接続する電気経路に電圧フォロア65を設ける構成としたが、この電圧フォロア65に代えて非反転増幅回路を設ける構成としてもよい。つまりこの場合、非反転増幅回路と差動増幅回路62との間の経路(帰還入力経路L2)にスイッチ回路71が設けられることとなる。
In the above embodiment, the Is
・上記実施形態では、図2で説明したようにセンサセル電流計測値VS1とモニタセル電流計測値VM1とをマイコン41に入力し、同マイコン41にて(Is−Im)値を算出する構成としたが、これを以下のように変更することも可能である。すなわち、例えば差動増幅回路により構成される[Is−Im]算出回路部を設け、その[Is−Im]算出回路部に、Is検出回路部45から出力されるセンサセル電流計測値VS1とIm検出回路部46から出力されるモニタセル電流計測値VM1とを各々入力させる。そして、同算出回路部において(Is−Im)値を算出し、その(Is−Im)値をマイコン41に出力する。
In the above embodiment, as described with reference to FIG. 2, the sensor cell current measurement value VS1 and the monitor cell current measurement value VM1 are input to the
・異常検出処理において、センサ起電力に基づいて異常検出するための異常判定値(図8のステップS27の正常範囲)を、チャンバ14,16内の残留酸素濃度に応じて可変に設定する構成としてもよい。具体的には、ポンプセル電流Ipにより残留酸素濃度を検出し、その残留酸素濃度が多いほど異常判定値を小さくする。また、検出ガスがリッチガスである場合(残留酸素濃度=0の場合)には、異常判定値を大きくする。これにより、チャンバ内の残留酸素濃度が増減変化しても、高精度な異常判定を実現できる。なお、ポンプセル電流Ipそのものに基づいて異常判定値を設定することも可能である。
In the abnormality detection process, the abnormality determination value for detecting an abnormality based on the sensor electromotive force (normal range in step S27 in FIG. 8) is variably set according to the residual oxygen concentration in the
・センサセル電流又はモニタセル電流が規定値よりも低いことを条件として、センサ起電力に基づく異常判定を実行するようにしてもよい。すなわち、断線異常を検出する場合において、センサセル電流又はモニタセル電流が計測されれば、断線異常が生じていないと判断できる。また、センサセル電流又はモニタセル電流が計測されなければ、断線異常が生じていること以外に、活性不良が生じていること、元々電流値が0であること等が考えられる。したがって、センサセル電流又はモニタセル電流が規定値よりも低い場合に異常判定を実行することで、断線異常の特定が可能となる。 -You may make it perform abnormality determination based on a sensor electromotive force on condition that a sensor cell current or a monitor cell current is lower than a regulation value. That is, when a disconnection abnormality is detected, if the sensor cell current or the monitor cell current is measured, it can be determined that no disconnection abnormality has occurred. Further, if the sensor cell current or the monitor cell current is not measured, it is conceivable that an activation failure has occurred, the current value is originally 0, in addition to the occurrence of disconnection abnormality. Therefore, when the sensor cell current or the monitor cell current is lower than the specified value, it is possible to identify the disconnection abnormality by executing the abnormality determination.
・上記実施形態では、センサ素子として、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる3セル構造を有するものを適用したが、これを変更しても良い。例えば、センサ素子として、ポンプセル及びセンサセルからなる、いわゆる2セル構造を有するものを適用する。なお、モニタセル(第3セル)を用いる場合に、そのモニタセルが起電力を出力する起電力セルであってもよい。 In the above embodiment, a sensor element having a so-called three-cell structure composed of a pump cell, a sensor cell, and a monitor cell is applied, but this may be changed. For example, a sensor element having a so-called two-cell structure composed of a pump cell and a sensor cell is applied. When a monitor cell (third cell) is used, the monitor cell may be an electromotive force cell that outputs an electromotive force.
・検出対象の特定成分がNOx以外であってもよい。例えば、排気中のHCやCOを検出対象とするガスセンサであってもよい。この場合、ポンプセルにて排気中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからHCやCOを分解してHC濃度やCO濃度を検出する。 The specific component to be detected may be other than NOx. For example, it may be a gas sensor that detects HC or CO in the exhaust. In this case, surplus oxygen in the exhaust is discharged by the pump cell, and HC and CO are decomposed from the gas after the surplus oxygen is discharged by the sensor cell to detect the HC concentration and the CO concentration.
・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ディーゼルエンジン以外にガソリンエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とするセンサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、排気以外のガスを検出対象としたり、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。 -It can also be embodied as a sensor control device for a gas sensor provided in an intake passage of the engine or a gas sensor used for other types of engines such as a gasoline engine in addition to a diesel engine. The gas sensor may be a gas to be detected other than exhaust gas or used for purposes other than automobiles.
10…センサ素子、11…固体電解質体、14…第1チャンバ(ガス室)、16…第2チャンバ(ガス室)、23…ヒータ、31…ポンプセル(第1セル)、32,33…電極、34…モニタセル(第3セル)、35…センサセル(第2セル)、36〜38…電極、40…NOxセンサ回路、41…マイコン(起電力検出手段、異常判定手段)、44…センサセル/モニタセル駆動回路部、45…Is検出回路部、46…Im検出回路部、48…センサセル/モニタセル保護回路部(電圧印加停止手段)、61…電流計測抵抗、62…差動増幅回路(印加電圧設定回路)、65…電圧フォロア、66…差動増幅回路(出力回路)、71…スイッチ回路(スイッチ手段)、75…バイアス電流抵抗、101…非反転増幅回路(印加電圧設定回路)、102…スイッチ回路、L1…帰還入力経路(第1帰還経路)、L2…帰還入力経路(第2帰還経路)。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記センサ素子の一方の電極に接続され、前記素子電流を計測する電流計測抵抗と、
前記電流計測抵抗による素子電流の計測結果を素子電流計測値として出力する出力回路と、
前記電流計測抵抗の反センサ側端子に接続され、前記センサ素子に印加する印加電圧を設定する印加電圧設定回路と、
を備え、前記印加電圧設定回路による電圧印加の状態で前記出力回路から出力される素子電流計測値により前記特定成分の濃度を算出するガスセンサ制御装置において、
前記電流計測抵抗のセンサ側端子と前記印加電圧設定回路とを電気的に接続し前記電流計測抵抗のセンサ側端子の電圧を前記印加電圧設定回路の入力部に入力する電気経路が、当該電気経路に電圧フォロア又は非反転増幅回路が設けられることで前記素子電流が流れない経路となっており、
前記電気経路において前記電圧フォロア又は前記非反転増幅回路と前記印加電圧設定回路との間の経路上に設けられ、当該電気経路を開閉するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段を閉じることで前記電流計測抵抗の両端電位差をゼロにし、その状態で、前記被検出ガス中の酸素濃度に応じて前記一対の電極間に生じる前記センサ素子の起電力を検出する起電力検出手段と、
前記起電力検出手段により検出した起電力に基づいて前記センサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する異常判定手段と、
を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。 Disposed in the solid electrolyte body and said solid electrolyte body possess the electrode serving as a pair, one of the pair of electrodes is provided in the gas chamber of gas to be detected is introduced, the air chamber and the other being introduced air a sensor element that provided on, which is connected to the gas sensor to produce a device current corresponding to the concentration of a specific component of the detection gas in the gas chamber at the voltage application state to between the pair of electrodes ,
A current measuring resistor connected to one electrode of the sensor element and measuring the element current;
An output circuit for outputting a measurement result of the element current by the current measurement resistor as an element current measurement value;
An applied voltage setting circuit that is connected to the non-sensor side terminal of the current measuring resistor and sets an applied voltage to be applied to the sensor element;
In the gas sensor control device for calculating the concentration of the specific component from the measured element current value output from the output circuit in the state of voltage application by the applied voltage setting circuit,
An electrical path for electrically connecting the sensor-side terminal of the current measurement resistor and the applied voltage setting circuit and inputting the voltage of the sensor-side terminal of the current measurement resistance to the input unit of the applied voltage setting circuit is the electrical path Is provided with a voltage follower or a non-inverting amplifier circuit to prevent the element current from flowing,
Switch means provided on a path between the voltage follower or the non-inverting amplifier circuit and the applied voltage setting circuit in the electrical path, and opens and closes the electrical path;
By closing the switch means, the potential difference between both ends of the current measuring resistor is made zero, and in this state, an electromotive force for detecting the electromotive force of the sensor element generated between the pair of electrodes according to the oxygen concentration in the detected gas is detected. Power detection means;
An abnormality determining means for performing an abnormality determination of the sensor element or sensor circuit based on the electromotive force detected by the electromotive force detecting means;
A gas sensor control device comprising:
前記2つの帰還経路のうち第2帰還経路に前記スイッチ手段が設けられ、
通常の濃度検出時には、前記2つの帰還経路のうち第1帰還経路のみを導通状態としその第1帰還経路を介して帰還入力される前記出力回路の出力に応じて前記印加電圧設定回路にて電圧設定を行わせる一方、
前記起電力検出手段による起電力検出時には、前記2つの帰還経路のうち第2帰還経路のみを導通状態としその第2帰還経路を介して帰還入力される前記電流計測抵抗のセンサ側端子電圧に応じて前記印加電圧設定回路にて電圧設定を行わせ、前記電流計測抵抗の両端電位差をゼロとする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。 A first feedback path for feedback-inputting the output of the output circuit to the applied voltage setting circuit, and a second feedback path for feedback-inputting the voltage of the sensor-side terminal of the current measurement resistor to the applied voltage setting circuit;
The switch means is provided in a second feedback path of the two feedback paths,
During normal concentration detection, only the first feedback path of the two feedback paths is in a conductive state, and the voltage is applied by the applied voltage setting circuit in accordance with the output of the output circuit that is fed back via the first feedback path. While letting you configure
When the electromotive force is detected by the electromotive force detection means, only the second feedback path of the two feedback paths is made conductive, and the sensor side terminal voltage of the current measuring resistor is fed back via the second feedback path. The gas sensor control device according to any one of claims 1 to 5, wherein voltage setting is performed by the applied voltage setting circuit so that a potential difference between both ends of the current measurement resistor is zero.
前記異常判定手段は、前記起電力による異常判定に加え、前記端子電圧計測手段により計測した各端子電圧に基づいて前記センサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する請求項1乃至7のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。 Terminal voltage measuring means for measuring the voltage of the terminal portion connected to each electrode of the sensor element,
The abnormality determining means, the addition to the abnormality determination by the electromotive force, the terminal voltage any one of claims 1 to 7 based on the terminal voltage measured by the measuring means carrying out the abnormality determination of the sensor element or the sensor circuit The gas sensor control device according to Item.
前記第2セルにて生じる素子電流を前記電流計測抵抗にて計測するものである請求項1乃至10のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。 The gas sensor, the oxygen of the each have a first cell and the second cell becomes more solid electrolyte body and said solid electrolyte body arranged pair of electrodes as a sensor element, the detection target gas introduced into the gas chamber Adjusting the amount to a predetermined concentration level in the first cell and detecting the concentration of the specific component from the gas after the oxygen amount adjustment in the first cell in the second cell;
The gas sensor control device according to any one of claims 1 to 10 , wherein an element current generated in the second cell is measured by the current measurement resistor.
前記異常判定手段は、前記検出したガス室内の残留酸素濃度に応じて異常判定値を可変に設定し、その異常判定値と都度の検出起電力とに基づいて前記センサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する請求項11又は12に記載のガスセンサ制御装置。 Means for detecting residual oxygen concentration in the gas chamber;
The abnormality determination unit variably sets an abnormality determination value according to the detected residual oxygen concentration in the gas chamber, and determines abnormality of the sensor element or sensor circuit based on the abnormality determination value and each detected electromotive force. The gas sensor control device according to claim 11 or 12 , wherein
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008037296A JP4893652B2 (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Gas sensor control device |
EP09153115.2A EP2093562B1 (en) | 2008-02-19 | 2009-02-18 | Gas sensor control device system |
CN200910008212.3A CN101514974B (en) | 2008-02-19 | 2009-02-19 | Gas sensor control device |
US12/388,625 US8092663B2 (en) | 2008-02-19 | 2009-02-19 | Gas sensor control device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008037296A JP4893652B2 (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Gas sensor control device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009198196A JP2009198196A (en) | 2009-09-03 |
JP4893652B2 true JP4893652B2 (en) | 2012-03-07 |
Family
ID=41141860
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008037296A Expired - Fee Related JP4893652B2 (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Gas sensor control device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4893652B2 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4874282B2 (en) * | 2008-03-20 | 2012-02-15 | 株式会社デンソー | Gas sensor control device |
JP6344262B2 (en) * | 2015-02-24 | 2018-06-20 | 株式会社デンソー | Exhaust sensor |
JP6536485B2 (en) * | 2016-05-30 | 2019-07-03 | 株式会社デンソー | Abnormality discrimination device |
EP3875951A1 (en) | 2020-03-06 | 2021-09-08 | Robert Bosch GmbH | Evaluation and control unit for a gas sensor |
JP7601022B2 (en) | 2022-02-09 | 2024-12-17 | 豊田合成株式会社 | Method and apparatus for inspecting light-emitting device |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61234352A (en) * | 1985-04-10 | 1986-10-18 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Air/fuel ratio detector |
JP3674292B2 (en) * | 1997-06-19 | 2005-07-20 | 株式会社デンソー | Air-fuel ratio detection device |
JP2002016180A (en) * | 1999-10-29 | 2002-01-18 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
JP3988609B2 (en) * | 2002-10-07 | 2007-10-10 | 株式会社デンソー | Oxygen sensor abnormality detection device |
JP4872198B2 (en) * | 2004-04-16 | 2012-02-08 | 株式会社デンソー | Gas concentration detector |
JP4646129B2 (en) * | 2004-12-28 | 2011-03-09 | 日本特殊陶業株式会社 | Abnormality diagnosis method for gas concentration measuring device and abnormality diagnostic device for gas concentration measuring device |
-
2008
- 2008-02-19 JP JP2008037296A patent/JP4893652B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009198196A (en) | 2009-09-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4894867B2 (en) | Gas sensor control device | |
US7972488B2 (en) | Sensor deterioration judging apparatus and sensor deterioration judging method | |
JP4646129B2 (en) | Abnormality diagnosis method for gas concentration measuring device and abnormality diagnostic device for gas concentration measuring device | |
US7142976B2 (en) | Abnormality diagnosis method and apparatus for gas concentration measuring device | |
JP2000137018A (en) | Gas concentration detector, and gas concentration sensor used therefor | |
JP5140005B2 (en) | Gas sensor control device and gas sensor control method | |
JP4974304B2 (en) | Sensor control device | |
JP6149641B2 (en) | Gas sensor control device | |
US8092663B2 (en) | Gas sensor control device | |
JP3551054B2 (en) | Air-fuel ratio detector | |
JP4415771B2 (en) | Gas concentration detector | |
JP4893652B2 (en) | Gas sensor control device | |
JP3310274B2 (en) | Gas concentration detector and gas concentration sensor used for it | |
US20050061667A1 (en) | Gas concentration measurement apparatus | |
JP4874282B2 (en) | Gas sensor control device | |
US10316780B2 (en) | Controller and abnormality detecting method of air-fuel-ratio sensor | |
JP2017215158A (en) | Abnormality determination device | |
JP2020122741A (en) | Controller for gas sensor | |
JP4826566B2 (en) | Exhaust gas sensor element temperature control device | |
JP2015105843A (en) | Gas sensor control device | |
JP4111169B2 (en) | Gas concentration detector | |
JP4016964B2 (en) | Gas concentration detector | |
JP2006300625A (en) | Oxygen sensor abnormality detection device | |
JP4570094B2 (en) | Gas detection device and gas sensor control circuit used in the gas detection device | |
JP2023145123A (en) | NOx sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100517 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110831 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110906 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111101 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111122 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111205 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4893652 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150106 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |