JP2004360563A

JP2004360563A - Exhaust gas detector

Info

Publication number: JP2004360563A
Application number: JP2003159507A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Suzuki; 裕介鈴木; Keiichiro Aoki; 圭一郎青木; Yoshihiro Sakayanagi; 佳宏坂柳
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】排気系に存在する水分を高精度に検出できる排気ガス検出装置を提供することを課題とする。
【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスが流れる排気系に設けられる排気ガスセンサ２と、当該排気ガスセンサ２のセンサ素子を加熱するヒータとを備える排気ガス検出装置１であって、排気系において排気ガスセンサ２の下流側に配置され、排気系内の水分を滞留させるための水分滞留部３と、水分滞留部３に滞留している水分を検出する水分検出手段４とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１An object of the present invention is to provide an exhaust gas detection device capable of detecting water present in an exhaust system with high accuracy.
An exhaust gas detection device includes an exhaust gas sensor provided in an exhaust system through which exhaust gas discharged from an internal combustion engine flows, and a heater for heating a sensor element of the exhaust gas sensor. It is arranged downstream of the exhaust gas sensor 2 and has a water retention section 3 for retaining moisture in the exhaust system, and a moisture detection means 4 for detecting moisture retained in the moisture retention section 3. I do.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータによってセンサ素子が加熱される排気ガスセンサを備える排気ガス検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガスを排出する内燃機関を搭載する車両では、排気ガス規制に適合するために、三元触媒等の触媒によって排気ガスに含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等）を浄化している。三元触媒は、理論空燃比近傍の狭い範囲で高い浄化率を有する。そのため、車両では、三元触媒に高い浄化能力を発揮させるために、空燃比制御を行っている。空燃比制御では、排気ガスの実際の空燃比を検出し、排気ガスの空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御している。そのため、車両には、排気ガスの空燃比を検出するために、排気管に酸素センサが設けられている。
【０００３】
酸素センサには、空燃比がリッチかあるいはリーンかを判定するＺ特性を有するラムダ型酸素センサや酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式酸素センサ等の様々なセンサがある。これら酸素センサは、ジルコニア等のセラミックのセンサ素子からなり、センサ素子が活性状態（活性温度）のときに酸素の検出が可能である。そのため、酸素センサは、素子温度を数１００℃の活性温度まで早期に上昇させるとともにその活性温度を維持するために、センサ素子をヒータによって加熱している。また、酸素センサは、保護カバーによってセンサ素子のセンシング部分が覆われており、その保護カバーに設けられた小孔から排気ガスを導入している。
【０００４】
内燃機関の始動時には、内燃機関が冷えた状態であり、排気温度も低い。そのため、排気管内も低温であり、排気管内に凝縮水が発生する場合がある。酸素センサでは、その凝縮水の一部が小孔を通って保護カバー内に浸入し、センサ素子が被水する場合がある。この際、このセンサ素子は、ヒータによる加熱によって数１００℃に達している。そのため、数１００℃のセンサ素子が凝縮水によって急冷されるので、サーマルショックによって、セラミックのセンサ素子が割れる恐れがある。このようなセンサ素子割れを防止するために、排気管内に水分が存在すると判断した場合にはセンサ素子を加熱するヒータの通電を制限する酸素濃度検出装置がある（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−４１９２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記酸素濃度検出装置では、外気温度や始動後のエンジンの運転条件等に基づいて酸素センサ近傍の排気温度を推定し、さらに、その推定した排気温度に基づいて凝縮水の有無を推定している。推定による排気温度には推定誤差が含まれているので、凝縮水が実際に発生しているにもかかわらず凝縮水が存在していないと推定したり、あるいは、実際に発生していないのに存在していると推定したりする場合がある。また、凝縮水が発生する条件は排気温度だけではないので、排気温度だけによる凝縮水の推定はその推定精度が低い。さらに、凝縮水が存在すると推定後、その凝縮水が蒸発したりあるいは流出したりして無くなるタイミングを推定するのは、更に困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、排気系に存在する水分を高精度に検出できる排気ガス検出装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る排気ガス検出装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流れる排気系に設けられる排気ガスセンサと、当該排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータとを備える排気ガス検出装置であって、排気系において排気ガスセンサの下流側に配置され、排気系内の水分を滞留させるための水分滞留部と、水分滞留部に滞留している水分を検出する水分検出手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この排気ガス検出装置では、通常、排気ガスセンサのセンサ素子をヒータで加熱し、センサ素子が活性状態のときに排気ガスに含まれる成分を検出する。排気ガス検出装置では、凝縮水の発生等によって排気系内に水分が存在する場合、その水分が水分滞留部に滞留する。そして、排気ガス検出装置では、水分検出手段によってその水分滞留部に滞留している水分を検出する。そのため、この排気ガス検出装置では、排気ガスセンサの下流側に実際に存在する水分を直接検出できるので、排気系内の水分の発生及び消滅を正確に検出することができる。排気ガスセンサの下流側に水分滞留部を配置させるのは、上流側に水分滞留部を配置した場合、水分滞留部に滞留している水分が飛散すると、排気ガスセンサのセンサ素子が被水する可能性があるからである。また、排気系内は下流ほど温度が低いため、排気ガスセンサの上流側に水分が存在する場合にはその下流側に水分が存在し、排気ガスセンサの上流側に水分が存在しない場合でも下流側に水分が存在する可能性がある。したがって、排気ガスセンサの下流側に水分滞留部を配置させれば、排気系内の水分を確実に滞留させることができる。なお、水分滞留部は、排気管等に窪みを設けてもよいし、あるいは、排気管等の形状自体が湾曲形状や凹形状を有する場合にはその部分を水分滞留部としてもよい。
【００１０】
なお、排気系は、内燃機関から排出された排気ガスが流れる系であり、排気管のみならず、排気管の途中に設けられる触媒装置等の装置も含む。排気ガスセンサは、排気系を流れる排気ガスの各種成分を検出するセンサであり、例えば、各種酸素センサ、酸化物センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサである。センサ素子は、活性温度を有しており、活性状態において排気ガスの成分を検出可能である。そのため、排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するためのヒータが必要となる。
【００１１】
本発明の上記排気ガス検出装置では、ヒータの通電を制御する制御手段を備え、制御手段は、水分検出手段における水分検出に基づいて水分滞留部に水分が滞留していると判定した場合にはヒータへの通電を制限するように構成すると好適である。
【００１２】
この排気ガス検出装置では、水分検出手段による水分の検出結果を制御手段が取り入れ、制御手段がその検出結果に基づいて水分滞留部に水分が存在するか否かを判定する。そして、排気ガス検出装置では、制御手段が水分滞留部に水分が存在すると判定した場合にはヒータの通電を制限する。通電の制限には、通電を禁止する場合や通電量を低減する場合がある。この排気ガス検出装置では、排気系内に水分が存在する場合には、ヒータへの通電を制限してセンサ素子への加熱を抑制あるいは禁止するので、センサ素子の温度が高温度にならない。そのため、センサ素子が排気系内の水分で被水しても、素子割れが発生しない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る排気ガス検出装置の実施の形態を説明する。
【００１４】
本実施の形態では、本発明に係る排気ガス検出装置を、自動車のエンジンから排出される排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ装置に適用する。本実施の形態に係る酸素センサ装置は、排気管に形成された窪みを有し、その窪みに滞留する水分（特に、凝縮水）を検出するための水分検出部を備える。
【００１５】
図１を参照して、酸素センサ装置１の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る酸素センサ装置の構成図である。
【００１６】
酸素センサ装置１は、センサ素子をヒータによって加熱して活性化し、その活性状態のセンサ素子によって排気管Ｐを流れる排気ガスの酸素濃度を検出する。また、酸素センサ装置１は、排気管Ｐ内の水分を検出でき、その検出結果に基づいてヒータへの通電を禁止する場合がある。そのために、酸素センサ装置１は、酸素センサ２、窪み３、水分検出部４、エンジンＥＣＵ５を備える。
【００１７】
なお、本実施の形態では酸素センサ装置１が特許請求の範囲に記載する排気ガス検出装置に相当し、酸素センサ２が特許請求の範囲に記載する排気ガスセンサに相当し、窪み３が特許請求の範囲に記載する水分滞留部に相当し、水分検出部４が特許請求の範囲に記載する水分検出手段に相当し、エンジンＥＣＵ５が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
【００１８】
図２も参照して、酸素センサ２について説明する。図２は、図１の酸素センサのセンシング部分の断面図である。
【００１９】
酸素センサ２は、限界電流式のセンサであり、センサ本体１０を有している。センサ本体１０は、その最外部に断面視してＵ字状の抵抗拡散層１１が配置され、その開口端部が排気管Ｐの管壁の孔に嵌め込まれた状態で固定されている。抵抗拡散層１１の内側には、固体電界質層１２（センサ素子）が外側電極層１３を挟んだ状態で配置され、固着されている。外側電極層１３の一端部には、電線１３ａが接続されている。固体電界質層１２の内側には、内側電極層１４が固着されている。内側電極層１４の一端部には、電線１４ａが接続されている。この電線１３ａ，１４ａ間にはセンサ回路（図示せず）が接続され、センサ回路から外側電極層１３と内側電極層１４との間に電圧が印加される。固体電界質層１２が活性状態の場合、排気ガス中の酸素濃度に比例して外側電極層１３と内側電極層１４との間に流れる電流が変化する。センサ回路では、その外側電極層１３と内側電極層１４との間に流れる電流を検出し、その検出した電流値及び印加電圧値をエンジンＥＣＵ５に送信する。
【００２０】
酸素センサ２は、固体電界質層１２の素子温度を早期に活性温度まで上昇させるとともにその活性化した固体電界質層１２の活性状態を維持するために、ヒータ１５を有している。ヒータ１５は、固体電界質層１２の内側に形成される空間に配設される。ヒータ１５は、電線１５ａを介してヒータ制御回路（図示せず）が接続され、ヒータ制御回路から電力が供給される。ヒータ制御回路は、エンジンＥＣＵ５によって制御され、エンジンＥＣＵ５からの制御信号に応じた電力をヒータ１５に供給する。
【００２１】
センサ本体１０の外側には、内側保護カバー１６が配設され、更に、その外側に外側保護カバー１７が配設されている。保護カバー１６，１７は、センサ本体１０が排気ガスと直接接触することを防止するとともに、センサ本体１０に対する保温性を確保する。また、保護カバー１６，１７は、センサ本体１０が排気管Ｐ内に存在する水分を被水するのを防止する。内側保護カバー１６は、円筒形状であり、開口端部が排気管Ｐの管壁に固着されている。内側保護カバー１６の側面には、排気ガスを導入するための小さいガス孔１６ａが複数個設けられている。外側保護カバー１７は、内側保護カバー１６よりも大径の円筒形状であり、開口端部が排気管Ｐの管壁に固着されている。外側保護カバー１７の側面にも、ガス孔１６ａとはセンタ本体１０を挟んで反対側の位置に、排気ガスを導入するための小さいガス孔１７ａが複数個設けられている。
【００２２】
窪み３は、酸素センサ２より下流側に存在する水分を滞留させるための窪みである。窪み３は、酸素センサ２より下流側に配置され、排気管Ｐ内において水が溜まる側に設けられる。下流側でも、酸素センサ２の周辺の水分の状況を高精度に検出するために、酸素センサ２に極力近いほうがよい。窪み３は、排気管Ｐの管壁を変形させることによって形成され、椀状である。窪み３は、水分が少ない状態でも検出できかつ溜まるまでの時間を短くするために、小径でかつ浅いほうがよい。
【００２３】
窪み３を酸素センサ２より下流側に配置させるのは、排気管Ｐでは下流ほど温度が低いので、下流ほど凝縮水が発生し易いからである。酸素センサ２の上流側で凝縮水が発生している場合にはその下流側では確実に凝縮水が発生しており、酸素センサ２の上流側で凝縮水が発生していない場合でも酸素センサ２より下流側では凝縮水が発生している可能性がある。したがって、窪み３を酸素センサ２より下流側に配置させることによって、酸素センサ２の周辺で発生している凝縮水を確実に検出することができる。また、窪み３を酸素センサ２より上流側に配置させた場合、窪み３に溜まった水分が飛散して、酸素センサ２が被水する可能性があるからである。
【００２４】
なお、水分滞留部を窪み３のように酸素センサ装置１用として特別に設けるのではなく、排気管Ｐの形状を利用したものでもよい。例えば、図４に示すように、排気管ＰにおいてＶ字状やＵ字状の湾曲形状がある場合には、その上流側に酸素センサ２を配置し、その湾曲形状を水分滞留部としてもよい。また、図５に示すように、排気管Ｐにおいて管全体が凹形状の箇所がある場合には、その上流側に酸素センサ２を配置し、その凹形状を水分滞留部としてもよい。
【００２５】
水分検出部４は、窪み３に水分が滞留しているか否かを検出するための検出部であり、２枚の電極２０，２１、電源２２、電流計２３を備えている。２枚の電極２０，２１は、窪み３の中央部で互いに向かい合うように配置される。電極２０，２１は、窪み３の底部から排気管Ｐ内に突出し、窪み３の深さ程度の高さを有する。電極２０は、電線２０ａを介して電源２２のプラス側に接続する。電極２１は、電線２１ａ，２１ｂ及び電流計２３を介して電源２２のマイナス側に接続する。電線２１ａ，２１ｂ間には、電流計２３が設けられる。電流計２３は、電線２１ａ，２１ｂ間に接続する電気抵抗（図示せず）を有し、その電気抵抗の両端電圧値をエンジンＥＣＵ５に送信する。
【００２６】
水分検出部４では、電源２２から電極２０，２１間に電圧を印加する。電極２０，２１間に水分が存在する場合、電極２０，２１間に電流が流れないので、電流計２３の電気抵抗には電流が流れない。したがって、電気抵抗の両端電圧値はゼロである。電極２０，２１間に水分が存在する場合、電極２０，２１間に電流が流れるので、電流計２３の電気抵抗には電流が流れる。したがって、電気抵抗の両端電圧値はその流れる電流に応じた電圧値となる。電極２０，２１間に流れる電流量は、電極２０，２１間の水分量が多いほど増加する。また、電流計２３の電気抵抗に流れる電流量は、電極２０，２１間に流れる電流量に比例する。したがって、電流計２３の電気抵抗の両端電圧値は、電極２０，２１間の水分量が多いほど増加する。
【００２７】
エンジンＥＣＵ５は、ＣＰＵ［ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ］、ＲＯＭ［ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ］、ＲＡＭ［ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ］等からなる電子制御ユニットである。エンジンＥＣＵ５は、各種センサが接続され、各種センサからの検出値に基づいて各種制御値等を設定し、エンジン及びエンジンに関する各部を制御する制御装置である。さらに、エンジンＥＣＵ５は、酸素センサ装置１の制御装置でもあり、酸素センサ装置１のセンサ回路、ヒータ制御回路、水分検出部４から各種検出値を取り入れ、センサ回路、ヒータ制御回路、水分検出部４を制御する。
【００２８】
エンジンＥＣＵ５では、エンジン始動時に、水分検出部４の電流計２３の電気抵抗の両端電圧値から電流値を検出し、その検出電流値が判定電流値以上か否かを判定する。判定電流値は、窪み３に水分が滞留しているか否かを判定するための電流値であり、電源２２による印加電圧や電流計２３の電気抵抗の抵抗値等に基づいて設定される。エンジンＥＣＵ５では、検出電流値が判定電流値以上の場合にはヒータ１５への通電を禁止し、検出電流値が判定電流値未満の場合にはヒータ１５への通電を許可する。
【００２９】
ヒータ１５への通電を許可した場合、エンジンＥＣＵ５では、ヒータ１５に供給する電力量を設定し、その電力量を供給するための制御信号をヒータ制御回路に送信する。設定する電力量は、酸素センサ２のセンサ素子（固体電界質層１２）が活性状態になるまではヒータ制御回路で発生できる最大電力量又はそれに近い電力量であり、活性状態になった場合にはその活性状態を維持するために必要な電力量である。センサ素子が活性状態か否かは、センサ素子の抵抗がセンサ素子の温度に依存するので、センサ素子の抵抗値に基づいて判定する。そのために、エンジンＥＣＵ５では、外側電極層１３と内側電極層１４との間に流れる電流及び印加電圧からセンサ素子の抵抗値を検出する。センサ素子が活性状態になると、エンジンＥＣＵ５では、外側電極層１３と内側電極層１４との間に流れる電流値から排気ガスの酸素濃度を検出する。
【００３０】
図１、図２を参照して、エンジンの始動時の酸素センサ装置１における凝縮水検出制御を図３のフローチャートに沿って説明する。図３は、図１の酸素センサ装置における凝縮水検出制御を示すフローチャートである。
【００３１】
エンジンが、ドライバによる操作に応じて始動する（Ｓ１）。この際、エンジンＥＣＵ５も起動し、水分検出部４では電源２２から電極２０，２１間に電圧を印加する。エンジン始動時には、エンジンが暖まっておらず、排気温度も低く、排気管Ｐ内も低温である。
【００３２】
エンジン始動後、エンジンＥＣＵ５では、凝縮水検知待ち時間が経過するまで凝縮水の検出を行わない（Ｓ２）。というのは、凝縮水はエンジン始動直後から発生するが、単位時間当たりの発生量は極僅かである。そのため、始動直後は電極２０，２１間が導通するほど凝縮水が窪み３に滞留している可能性が低い。そこで、エンジン始動後から凝縮水検出待ち時間が経過するまでは凝縮水の検出を見合わせ、確実に検出できる状態になってから検出を開始する。凝縮水検出待ち時間は、エンジン条件を考慮しないで定数として設定してもよいし、あるいは、始動時の水温や吸気温度等の条件に基づいて算出してもよい。
【００３３】
凝縮水検出待ち時間が経過すると、エンジンＥＣＵ５では、水分検出部４の電流計２３の電気抵抗の電圧値から電流値を検出し、電極２０，２１間に電流が流れているか否かの検出を開始する（Ｓ３）。エンジンＥＣＵ５では、検出電流値が判定電流値以上か否かを判定する（Ｓ４）。
【００３４】
エンジンＥＣＵ５では、検出電流値が判定電流値以上の場合、水分が窪み３に滞留していると判定し（ひいては、酸素センサ２の周辺に水分が存在すると判定し）、ヒータ１５への通電を禁止する（Ｓ５）。この場合、酸素センサ２のセンサ素子は、ヒータ１５によって加熱されてないので、低温である。そのため、排気管Ｐ内に発生している凝縮水がガス孔１６ａ，１７ａから浸入し、酸素センサ２のセンサ素子が被水した場合でも、センサ素子の割れが発生することはない。
【００３５】
また、エンジンＥＣＵ５では、検出電流値が判定電流値未満の場合、水分が窪み３に滞留していないと判定し（ひいては、酸素センサ２の周辺に水分が存在しないと判定し）、ヒータ１５への通電を許可する（Ｓ６）。これによって、エンジン始動後から凝縮水が発生していなかったこと又は凝縮水が発生していたが、エンジンの暖気に伴って蒸発しあるいは流出し、凝縮水が無くなったことを確実に検出することができるので、ヒータ１５への通電開始の最適なタイミングを検出できる。
【００３６】
続いて、エンジンＥＣＵ５ではヒータ１５に供給する電力量の設定を開始し、ヒータ制御回路によるヒータ１５への通電を開始する（Ｓ７）。この場合、酸素センサ２の周辺には凝縮水が存在しないので、酸素センサ２のセンサ素子が高温になっても、被水によるセンサ素子割れが発生することはない。
【００３７】
この酸素センサ装置１では、酸素センサ２の下流側に窪み３を設けることによって、排気管Ｐ内における酸素センサ２の周辺の水分（特に、凝縮水）の有無を窪み３内の水分の有無で確実に検出することができる。さらに、酸素センサ装置１では、窪み３の水分の有無を水分検出部４によって直接検出するので、排気管Ｐ内に水分が存在するか否かの検出精度が非常に高い。特に、酸素センサ装置１では、凝縮水が発生していることだけでなく、凝縮水が蒸発して無くなった時期も正確に検出することができる。そのため、酸素センサ装置１では、被水によるセンサ素子割れを確実に防止することができる。
【００３８】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００３９】
例えば、本実施の形態では本発明に係る排気ガス検出装置を酸素センサ装置に適用したが、酸化物センサ装置、ＮＯｘセンサ装置等の他の排気ガス検出装置に適用してもよい。また、酸素センサとしては限界電流式の酸素センサに適用したが、ラムダ型酸素センサ等の他の酸素センサにも適用可能である。
【００４０】
また、本実施の形態では自動車のエンジンに適用したが、その燃料や噴射形式については特に限定するものでなく、自動車エンジン以外の他の内燃機関にも適用可能である。
【００４１】
また、本実施の形態では排気ガスセンサ（酸素センサ）を排気管に設ける場合に適用したが、排気ガスセンサを触媒装置内に設けるなど排気系の他の箇所に設ける場合にも適用できる。
【００４２】
また、本実施の形態では制御手段をエンジンＥＣＵとしたが、排気ガス検出装置の専用のＥＣＵであってもよいし、あるいは、他の装置のＥＣＵに組み込まれてもよい。
【００４３】
また、本実施の形態ではエンジンの始動時においてのみ凝縮水を検出する構成としたが、寒冷地等においてエンジンの始動時以外にも凝縮水が発生する可能性がある場合には始動時以外にも凝縮水を検出する構成としてもよい。
【００４４】
また、本実施の形態では水分を検出した場合にはヒータへの通電を禁止する構成としたが、センサ素子割れが発生しない程度にヒータに供給する電力量を抑制する構成でもよい。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、排気系に存在する水分を高精度に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る酸素センサ装置の構成図である。
【図２】図１の酸素センサのセンシング部分の断面図である。
【図３】図１の酸素センサ装置における凝縮水検出制御を示すフローチャートである。
【図４】排気管の湾曲形状を利用した水分滞留部である。
【図５】排気管の凹形状を利用した水分滞留部である。
【符号の説明】
１…酸素センサ装置、２…酸素センサ、３…窪み、４…水分検出部、５…エンジンＥＣＵ、１０…センサ本体、１１…抵抗拡散層、１２…固体電界質層、１３…外側電極層、１３ａ…電線、１４…内側電極層、１４ａ…電線、１５…ヒータ、１５ａ…電線、１６…内側保護カバー、１６ａ…ガス孔、１７…外側保護カバー、１７ａ…ガス孔、２０，２１…電極、２０ａ，２１ａ，２１ｂ…電線、２２…電源、２３…電流計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas detection device including an exhaust gas sensor whose sensor element is heated by a heater.
[0002]
[Prior art]
In vehicles equipped with an internal combustion engine that emits exhaust gas, harmful components (HC, CO, NOx, etc.) contained in the exhaust gas are purified by a catalyst such as a three-way catalyst in order to comply with exhaust gas regulations. The three-way catalyst has a high purification rate in a narrow range near the stoichiometric air-fuel ratio. Therefore, in the vehicle, air-fuel ratio control is performed in order to make the three-way catalyst exhibit a high purification ability. In the air-fuel ratio control, the actual air-fuel ratio of the exhaust gas is detected, and feedback control is performed so that the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the target air-fuel ratio. Therefore, the vehicle is provided with an oxygen sensor in the exhaust pipe in order to detect the air-fuel ratio of the exhaust gas.
[0003]
There are various types of oxygen sensors, such as a lambda-type oxygen sensor having a Z characteristic for determining whether the air-fuel ratio is rich or lean, and a limiting current type oxygen sensor that outputs a limiting current in proportion to the oxygen concentration. These oxygen sensors are made of a ceramic sensor element such as zirconia, and can detect oxygen when the sensor element is in an active state (active temperature). Therefore, in the oxygen sensor, the sensor element is heated by a heater in order to quickly raise the element temperature to an activation temperature of several hundred degrees Celsius and maintain the activation temperature. Further, in the oxygen sensor, the sensing portion of the sensor element is covered by a protective cover, and exhaust gas is introduced from a small hole provided in the protective cover.
[0004]
When the internal combustion engine is started, the internal combustion engine is cold and the exhaust gas temperature is low. Therefore, the temperature inside the exhaust pipe is also low, and condensed water may be generated in the exhaust pipe. In the oxygen sensor, a part of the condensed water may enter the protective cover through the small hole, and the sensor element may be wet. At this time, the temperature of this sensor element has reached several hundred degrees Celsius due to heating by the heater. Therefore, the sensor element at several hundred degrees Celsius is rapidly cooled by the condensed water, so that the ceramic sensor element may be broken by the thermal shock. In order to prevent such cracking of the sensor element, there is an oxygen concentration detecting device that limits the energization of a heater that heats the sensor element when it is determined that moisture exists in the exhaust pipe (see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-41923 A
[Problems to be solved by the invention]
In the oxygen concentration detection device, the exhaust gas temperature near the oxygen sensor is estimated based on the outside air temperature and the operating conditions of the engine after starting, and the presence or absence of condensed water is further estimated based on the estimated exhaust gas temperature. . Since the estimated exhaust gas temperature contains an estimation error, it is estimated that condensed water does not exist even though condensed water is actually generated, or even if condensed water is not actually generated. It may be assumed that it exists. In addition, since the condition under which condensed water is generated is not limited to only the exhaust gas temperature, the estimation accuracy of the condensed water based only on the exhaust gas temperature is low. Furthermore, after estimating that condensed water exists, it is more difficult to estimate the timing at which the condensed water evaporates or flows out and disappears.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide an exhaust gas detection device capable of detecting moisture present in an exhaust system with high accuracy.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An exhaust gas detection device according to the present invention is an exhaust gas detection device including an exhaust gas sensor provided in an exhaust system through which exhaust gas discharged from an internal combustion engine flows, and a heater that heats a sensor element of the exhaust gas sensor. The exhaust system is provided downstream of the exhaust gas sensor, and includes a moisture retaining portion for retaining moisture in the exhaust system, and a moisture detecting means for detecting moisture retained in the moisture retaining portion. .
[0009]
In this exhaust gas detection device, usually, the sensor element of the exhaust gas sensor is heated by a heater, and a component contained in the exhaust gas is detected when the sensor element is in an active state. In the exhaust gas detection device, when water is present in the exhaust system due to the generation of condensed water or the like, the water stays in the water staying portion. Then, in the exhaust gas detection device, the water staying in the water staying portion is detected by the moisture detecting means. Therefore, this exhaust gas detection device can directly detect moisture actually present on the downstream side of the exhaust gas sensor, and thus can accurately detect the occurrence and disappearance of moisture in the exhaust system. The reason for disposing the water retention section on the downstream side of the exhaust gas sensor is that if the water retention section is disposed on the upstream side, if the water retained in the moisture retention section is scattered, the sensor element of the exhaust gas sensor may be wet. Because there is. In addition, since the temperature in the exhaust system is lower toward the downstream, if moisture is present on the upstream side of the exhaust gas sensor, moisture is present on the downstream side, and even if moisture is not present on the upstream side of the exhaust gas sensor, it is located on the downstream side. Moisture may be present. Therefore, by disposing the moisture retaining portion downstream of the exhaust gas sensor, moisture in the exhaust system can be reliably retained. The water retention section may be provided with a depression in the exhaust pipe or the like, or when the shape of the exhaust pipe or the like has a curved shape or a concave shape, that portion may be used as the water retention section.
[0010]
The exhaust system is a system through which exhaust gas discharged from the internal combustion engine flows, and includes not only an exhaust pipe but also a device such as a catalyst device provided in the exhaust pipe. The exhaust gas sensor is a sensor that detects various components of the exhaust gas flowing through the exhaust system, and is, for example, various oxygen sensors, oxide sensors, NOx sensors, and HC sensors. The sensor element has an active temperature and can detect a component of exhaust gas in an active state. Therefore, a heater for heating the sensor element of the exhaust gas sensor is required.
[0011]
The exhaust gas detection device of the present invention includes control means for controlling the energization of the heater, and when the control means determines that moisture is retained in the moisture retention section based on moisture detection by the moisture detection means, It is preferable that the power supply to the heater be limited.
[0012]
In this exhaust gas detection device, the control unit takes in the detection result of the water content by the water detection unit, and the control unit determines whether or not there is water in the water staying portion based on the detection result. Then, in the exhaust gas detection device, when the control means determines that moisture is present in the moisture retaining portion, the energization of the heater is limited. There are cases where energization is prohibited or cases where the amount of energization is reduced. In this exhaust gas detection device, when moisture is present in the exhaust system, the power supply to the heater is limited to suppress or inhibit heating of the sensor element, so that the temperature of the sensor element does not become high. Therefore, even if the sensor element is exposed to moisture in the exhaust system, the element does not crack.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an exhaust gas detection device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
In the present embodiment, the exhaust gas detection device according to the present invention is applied to an oxygen sensor device that detects the oxygen concentration of exhaust gas discharged from an automobile engine. The oxygen sensor device according to the present embodiment has a depression formed in the exhaust pipe, and includes a moisture detection unit for detecting moisture (especially, condensed water) staying in the depression.
[0015]
The configuration of the oxygen sensor device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram of the oxygen sensor device according to the present embodiment.
[0016]
The oxygen sensor device 1 heats and activates the sensor element by a heater, and detects the oxygen concentration of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe P by the activated sensor element. In addition, the oxygen sensor device 1 can detect moisture in the exhaust pipe P, and may prohibit energization of the heater based on the detection result. For this purpose, the oxygen sensor device 1 includes an oxygen sensor 2, a depression 3, a moisture detector 4, and an engine ECU 5.
[0017]
In the present embodiment, the oxygen sensor device 1 corresponds to an exhaust gas detection device described in the appended claims, the oxygen sensor 2 corresponds to an exhaust gas sensor described in the appended claims, and the depression 3 corresponds to the claimed invention. The moisture detector 4 corresponds to a moisture detector described in the claims, and the engine ECU 5 corresponds to a controller described in the claims.
[0018]
The oxygen sensor 2 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a sectional view of a sensing portion of the oxygen sensor of FIG.
[0019]
The oxygen sensor 2 is a limiting current type sensor and has a sensor main body 10. The sensor main body 10 has a U-shaped resistance diffusion layer 11 arranged in a cross-sectional view at the outermost portion thereof, and is fixed with its open end fitted into a hole in the pipe wall of the exhaust pipe P. Inside the resistance diffusion layer 11, the solid electrolyte layer 12 (sensor element) is arranged and fixed with the outer electrode layer 13 interposed therebetween. An electric wire 13 a is connected to one end of the outer electrode layer 13. The inner electrode layer 14 is fixed inside the solid electrolyte layer 12. An electric wire 14 a is connected to one end of the inner electrode layer 14. A sensor circuit (not shown) is connected between the electric wires 13a and 14a, and a voltage is applied between the outer electrode layer 13 and the inner electrode layer 14 from the sensor circuit. When the solid electrolyte layer 12 is in an active state, the current flowing between the outer electrode layer 13 and the inner electrode layer 14 changes in proportion to the oxygen concentration in the exhaust gas. The sensor circuit detects a current flowing between the outer electrode layer 13 and the inner electrode layer 14, and transmits the detected current value and applied voltage value to the engine ECU 5.
[0020]
The oxygen sensor 2 has a heater 15 in order to raise the element temperature of the solid electrolyte layer 12 to the activation temperature at an early stage and to maintain the activated solid electrolyte layer 12 in an activated state. The heater 15 is provided in a space formed inside the solid electrolyte layer 12. The heater 15 is connected to a heater control circuit (not shown) via an electric wire 15a, and is supplied with electric power from the heater control circuit. The heater control circuit is controlled by the engine ECU 5 and supplies power to the heater 15 according to a control signal from the engine ECU 5.
[0021]
An inner protective cover 16 is provided outside the sensor main body 10, and an outer protective cover 17 is further provided outside the inner protective cover 16. The protective covers 16 and 17 prevent the sensor main body 10 from directly contacting the exhaust gas, and secure the heat retention of the sensor main body 10. In addition, the protective covers 16 and 17 prevent the sensor main body 10 from being exposed to moisture existing in the exhaust pipe P. The inner protective cover 16 has a cylindrical shape, and has an open end fixed to the wall of the exhaust pipe P. On the side surface of the inner protective cover 16, a plurality of small gas holes 16a for introducing exhaust gas are provided. The outer protective cover 17 has a cylindrical shape with a larger diameter than the inner protective cover 16, and has an open end fixed to the pipe wall of the exhaust pipe P. A plurality of small gas holes 17a for introducing exhaust gas are also provided on the side surface of the outer protective cover 17 at a position opposite to the gas hole 16a with respect to the center body 10 therebetween.
[0022]
The depression 3 is a depression for retaining moisture existing downstream of the oxygen sensor 2. The depression 3 is disposed downstream of the oxygen sensor 2 and is provided on the side where water accumulates in the exhaust pipe P. Also on the downstream side, it is better to be as close as possible to the oxygen sensor 2 in order to detect the state of moisture around the oxygen sensor 2 with high accuracy. The depression 3 is formed by deforming the wall of the exhaust pipe P, and has a bowl shape. It is preferable that the depression 3 has a small diameter and is shallow, so that the time until the depression 3 can be detected and accumulated even in a state where the amount of water is small is short.
[0023]
The reason why the depression 3 is arranged on the downstream side of the oxygen sensor 2 is that the temperature is lower in the exhaust pipe P at the downstream side, and condensed water is more likely to be generated at the downstream side. When condensed water is generated on the upstream side of the oxygen sensor 2, condensed water is definitely generated on the downstream side, and even when condensed water is not generated on the upstream side of the oxygen sensor 2, Condensed water may be generated further downstream. Therefore, by disposing the depression 3 downstream of the oxygen sensor 2, it is possible to reliably detect condensed water generated around the oxygen sensor 2. Also, if the depression 3 is arranged on the upstream side of the oxygen sensor 2, the water accumulated in the depression 3 may be scattered and the oxygen sensor 2 may be wet.
[0024]
In addition, instead of providing the water retention portion specifically for the oxygen sensor device 1 like the depression 3, the one using the shape of the exhaust pipe P may be used. For example, as shown in FIG. 4, when the exhaust pipe P has a V-shaped or U-shaped curved shape, the oxygen sensor 2 may be arranged upstream of the exhaust pipe P, and the curved shape may be used as a water retention portion. . In addition, as shown in FIG. 5, when there is a portion in the exhaust pipe P where the entire pipe has a concave shape, the oxygen sensor 2 may be arranged on the upstream side thereof, and the concave shape may be used as a water retention portion.
[0025]
The moisture detecting section 4 is a detecting section for detecting whether or not moisture stays in the depression 3, and includes two electrodes 20 and 21, a power supply 22, and an ammeter 23. The two electrodes 20 and 21 are arranged so as to face each other at the center of the depression 3. The electrodes 20 and 21 protrude from the bottom of the depression 3 into the exhaust pipe P, and have a height approximately equal to the depth of the depression 3. The electrode 20 is connected to the positive side of the power supply 22 via the electric wire 20a. The electrode 21 is connected to the minus side of the power supply 22 via the electric wires 21a and 21b and the ammeter 23. An ammeter 23 is provided between the electric wires 21a and 21b. The ammeter 23 has an electric resistance (not shown) connected between the electric wires 21a and 21b, and transmits a voltage value between both ends of the electric resistance to the engine ECU 5.
[0026]
In the moisture detecting section 4, a voltage is applied between the electrodes 20 and 21 from the power supply 22. When moisture exists between the electrodes 20 and 21, no current flows between the electrodes 20 and 21, and thus no current flows through the electric resistance of the ammeter 23. Therefore, the voltage value between both ends of the electric resistance is zero. When moisture exists between the electrodes 20 and 21, a current flows between the electrodes 20 and 21, and thus a current flows through the electric resistance of the ammeter 23. Therefore, the voltage value between both ends of the electric resistance becomes a voltage value corresponding to the flowing current. The amount of current flowing between the electrodes 20 and 21 increases as the amount of water between the electrodes 20 and 21 increases. The amount of current flowing through the electric resistance of the ammeter 23 is proportional to the amount of current flowing between the electrodes 20 and 21. Therefore, the voltage value across the electric resistance of the ammeter 23 increases as the amount of water between the electrodes 20 and 21 increases.
[0027]
The engine ECU 5 is an electronic control unit including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. The engine ECU 5 is a control device that is connected to various sensors, sets various control values and the like based on detection values from the various sensors, and controls the engine and various parts related to the engine. Further, the engine ECU 5 is also a control device of the oxygen sensor device 1, and takes in various detected values from the sensor circuit, the heater control circuit, and the moisture detection unit 4 of the oxygen sensor device 1, and outputs the sensor circuit, the heater control circuit, and the moisture detection unit 4. Control.
[0028]
When the engine is started, the engine ECU 5 detects a current value from a voltage value between both ends of the electric resistance of the ammeter 23 of the moisture detecting unit 4 and determines whether or not the detected current value is equal to or greater than a determination current value. The determination current value is a current value for determining whether or not moisture remains in the depression 3 and is set based on a voltage applied by the power supply 22, a resistance value of an electric resistance of the ammeter 23, and the like. The engine ECU 5 prohibits energization to the heater 15 when the detected current value is equal to or greater than the determination current value, and permits energization to the heater 15 when the detected current value is less than the determination current value.
[0029]
When the energization of the heater 15 is permitted, the engine ECU 5 sets the amount of power to be supplied to the heater 15 and transmits a control signal for supplying the amount of power to the heater control circuit. The amount of power to be set is the maximum amount of power that can be generated by the heater control circuit until the sensor element (solid electrolyte layer 12) of the oxygen sensor 2 is activated or close to it. Is the amount of power required to maintain its active state. Whether the sensor element is in the active state is determined based on the resistance value of the sensor element because the resistance of the sensor element depends on the temperature of the sensor element. For this purpose, the engine ECU 5 detects the resistance value of the sensor element from the current flowing between the outer electrode layer 13 and the inner electrode layer 14 and the applied voltage. When the sensor element is activated, the engine ECU 5 detects the oxygen concentration of the exhaust gas from the value of the current flowing between the outer electrode layer 13 and the inner electrode layer 14.
[0030]
With reference to FIG. 1 and FIG. 2, the condensed water detection control in the oxygen sensor device 1 when the engine is started will be described with reference to the flowchart of FIG. FIG. 3 is a flowchart showing condensed water detection control in the oxygen sensor device of FIG.
[0031]
The engine starts according to the operation by the driver (S1). At this time, the engine ECU 5 is also activated, and the moisture detector 4 applies a voltage between the electrodes 20 and 21 from the power supply 22. When the engine is started, the engine is not warm, the exhaust temperature is low, and the temperature in the exhaust pipe P is low.
[0032]
After starting the engine, the engine ECU 5 does not detect the condensed water until the condensed water detection waiting time has elapsed (S2). That is, the condensed water is generated immediately after the engine is started, but the amount generated per unit time is extremely small. Therefore, immediately after the start, the possibility that the condensed water stays in the recess 3 is low as the conduction between the electrodes 20 and 21 is low. Therefore, the detection of the condensed water is suspended until the condensed water detection waiting time elapses after the start of the engine, and the detection is started after the detection of the condensed water is completed. The condensed water detection waiting time may be set as a constant without considering the engine conditions, or may be calculated based on conditions such as a water temperature at the start and an intake air temperature.
[0033]
When the condensed water detection waiting time elapses, the engine ECU 5 detects a current value from the voltage value of the electric resistance of the ammeter 23 of the moisture detection unit 4 and detects whether or not a current is flowing between the electrodes 20 and 21. Start (S3). The engine ECU 5 determines whether the detected current value is equal to or greater than the determination current value (S4).
[0034]
When the detected current value is equal to or greater than the determination current value, the engine ECU 5 determines that moisture is staying in the depression 3 (and, consequently, determines that moisture is present around the oxygen sensor 2), and energizes the heater 15. Prohibition (S5). In this case, the temperature of the sensor element of the oxygen sensor 2 is low because it is not heated by the heater 15. Therefore, even if the condensed water generated in the exhaust pipe P enters through the gas holes 16a and 17a and the sensor element of the oxygen sensor 2 is wet, the crack of the sensor element does not occur.
[0035]
When the detected current value is less than the determination current value, the engine ECU 5 determines that moisture does not stay in the depression 3 (and, consequently, determines that there is no moisture around the oxygen sensor 2). Is permitted (S6). As a result, it is necessary to reliably detect that no condensed water has been generated since the start of the engine or that condensed water has been generated. Therefore, it is possible to detect the optimal timing of starting the energization of the heater 15.
[0036]
Subsequently, the engine ECU 5 starts setting the amount of electric power to be supplied to the heater 15, and starts energizing the heater 15 by the heater control circuit (S7). In this case, since condensed water does not exist around the oxygen sensor 2, even if the temperature of the sensor element of the oxygen sensor 2 becomes high, the sensor element does not crack due to being wet.
[0037]
In the oxygen sensor device 1, the presence or absence of moisture (especially, condensed water) around the oxygen sensor 2 in the exhaust pipe P is determined by providing the recess 3 on the downstream side of the oxygen sensor 2. It can be detected reliably. Furthermore, in the oxygen sensor device 1, since the presence or absence of moisture in the depression 3 is directly detected by the moisture detection unit 4, the detection accuracy of whether or not moisture exists in the exhaust pipe P is extremely high. In particular, the oxygen sensor device 1 can accurately detect not only the occurrence of condensed water but also the time when the condensed water has evaporated and disappeared. Therefore, in the oxygen sensor device 1, it is possible to reliably prevent the sensor element from being cracked due to being wet.
[0038]
As described above, the embodiments according to the present invention have been described, but the present invention is not limited to the above embodiments, but may be implemented in various forms.
[0039]
For example, in the present embodiment, the exhaust gas detection device according to the present invention is applied to an oxygen sensor device, but may be applied to other exhaust gas detection devices such as an oxide sensor device and a NOx sensor device. Although the limiting current type oxygen sensor is used as the oxygen sensor, the present invention can be applied to other oxygen sensors such as a lambda type oxygen sensor.
[0040]
In the present embodiment, the present invention is applied to an automobile engine. However, the fuel and the injection type are not particularly limited, and the present invention can be applied to other internal combustion engines other than the automobile engine.
[0041]
In the present embodiment, the exhaust gas sensor (oxygen sensor) is applied to the exhaust pipe. However, the present invention can be applied to the case where the exhaust gas sensor is installed in another part of the exhaust system such as in the catalyst device.
[0042]
Further, in this embodiment, the control means is an engine ECU, but may be a dedicated ECU for the exhaust gas detection device, or may be incorporated in an ECU of another device.
[0043]
Further, in the present embodiment, the condensed water is detected only at the time of starting the engine. However, when condensed water may be generated other than at the time of starting the engine in a cold region, etc. May also be configured to detect condensed water.
[0044]
Further, in the present embodiment, the configuration is such that the current supply to the heater is prohibited when moisture is detected. However, the configuration may be such that the amount of power supplied to the heater is suppressed to the extent that the sensor element does not crack.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention, moisture present in an exhaust system can be detected with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an oxygen sensor device according to the present embodiment.
FIG. 2 is a sectional view of a sensing portion of the oxygen sensor of FIG.
FIG. 3 is a flowchart showing condensed water detection control in the oxygen sensor device of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing a water retention portion using a curved shape of an exhaust pipe.
FIG. 5 is a diagram showing a water retention portion using a concave shape of an exhaust pipe.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oxygen sensor apparatus, 2 ... Oxygen sensor, 3 ... Depression, 4 ... Moisture detection part, 5 ... Engine ECU, 10 ... Sensor main body, 11 ... Resistance diffusion layer, 12 ... Solid electrolyte layer, 13 ... Outer electrode layer, 13a ... electric wire, 14 ... inner electrode layer, 14a ... electric wire, 15 ... heater, 15a ... electric wire, 16 ... inner protective cover, 16a ... gas hole, 17 ... outer protective cover, 17a ... gas hole, 20, 21 ... electrode, 20a, 21a, 21b ... electric wire, 22 ... power supply, 23 ... ammeter

Claims

An exhaust gas sensor including an exhaust gas sensor provided in an exhaust system through which exhaust gas discharged from an internal combustion engine flows, and a heater for heating a sensor element of the exhaust gas sensor,
A water retention part for retaining water in the exhaust system, which is disposed downstream of the exhaust gas sensor in the exhaust system;
An exhaust gas detection device comprising: a water detection unit configured to detect water retained in the water retention unit.

Comprising control means for controlling the energization of the heater,
2. The controller according to claim 1, wherein the control unit limits energization to the heater when the control unit determines based on the moisture detection by the moisture detection unit that moisture is retained in the moisture retaining unit. 3. Exhaust gas detector.