(57)【要約】【課題】光学的な影響を受けることなく、精度高く排ガスの流量を検出できる排ガス流量計測装置及び排ガスの流量計測方法を提供する。【解決手段】自動車のエンジン２に接続される排気管３に、間隔Ｂを空けて上流側、下流側酸素センサ４，５を配置し、上流側、下流側酸素センサ４，５に接続される演算回路６が、上流側、下流側酸素センサ４，５の上流側、下流側信号５０，６０の位相差Ｄ〔ｓ〕を求め、間隔Ｂを位相差Ｄでわってガス流速Ｖ〔ｍ／ｓ〕を求め、ガス流速Ｖに排気管３の断面積Ａ〔ｍ２〕をかけて排ガスの流量Ｑ〔ｍ３／ｓ〕を求める。カルマン渦式流量計測装置に比して、燃焼時に生成するすす等による光学的な影響を受けることがなく検出精度の向上を図ることができる。伝熱部が必要とされる従来技術の熱電対式流量計測装置に比して、伝熱部を設けなくて済み、その分、構成の簡易化を図ることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼装置の排気側に接続されて排ガスを通す排ガス配管に所定の間隔を空けて配置され前記排ガスの所定成分濃度に対応した信号をそれぞれ出力する少なくとも２つの排ガスセンサと、該少なくとも２つの排ガスセンサに接続される演算回路と、を備え、該演算回路は、前記少なくとも２つの排ガスセンサの出力信号の位相差を求め、該位相差を用いて前記排ガスの流量を求めることを特徴とする排ガス流量計測装置。
【請求項２】
前記燃焼装置は車両のエンジンであり、前記排ガス配管は排気管であることを特徴とする請求項１記載の排ガス流量計測装置。
【請求項３】
前記排ガスの前記所定成分は酸素であり、前記排ガスセンサは酸素センサであることを特徴とする請求項１又は２記載の排ガス流量計測装置。
【請求項４】
燃焼装置の排気側に接続されて排ガスを通す排ガス配管に所定の間隔を空けて少なくとも２つの排ガスセンサを配置し、該少なくとも２つの排ガスセンサが出力する前記排ガスの所定成分濃度に対応した信号の位相差を求め、その後、前記位相差と前記所定の間隔から前記排ガスの流速を求め、前記排ガスの流速及び前記排ガス配管の断面積から前記排ガスの流量を求めることを特徴とする排ガスの流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三元触媒を用いた自動車の排ガス浄化装置などに用いられる排ガス流量計測装置及び排ガスの流量計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体の流量を計測する装置として、次の（１）〜（５）に示す方式の流量計測装置がある。
（１）フラップ式流量計測装置：  エンジンへの吸入空気量に応じてフラップを回転させて回転量でポジションを検出する。フラップがダンパの役割をして吸気脈動の影響は少ない。
（２）ホットワイヤ式流量計測装置：吸入空気量に応じて奪われる熱量により質量を検出し、この検出した質量を用いて流量を検出する。実際の質量、流量を計測する為、吸気補正や大気補正が必要なく、燃費面でも有利である。
（３）カルマン渦式流量計測装置：流体中に物を置くと後方にカルマン渦が発生し、発生数は流速に比例することを利用して流量を検出する。吸入空気量がデジタル値で得られるためＡ／Ｄ変換を必要としない。
（４）吸気管圧センサ式流量計測装置：吸気管圧力とエンジン回転速度から吸入空気量を算出する。吸気配管に計測器を必要としないため、レイアウトの自由度が高く、コストが安い。
（５）スピードスロットルα―Ｎ式流量計測装置：スロットル開度とエンジン回転数から空気量を算出する。吸気脈動に強く、吸気配管のレイアウトが自由で、汎用性がある。
【０００３】
また、他のタイプの流量計測装置として、（６）熱電対式流量計測装置がある（特許文献１参照）。この熱電対式流量計測装置は、粒子が流れる垂直管に、粒子に温度差を与える（粒子に積極的に温度むらを作り出す）ための伝熱部（冷却手段）を設け、垂直管の前記伝熱部の下流に距離Ｌの間隔をおいて１対の熱電対を取付け、１対の熱電対の出力端に、両者の時間遅れを演算する相関器を接続し、前記両者の時間遅れから粒子の移動を演算する演算器を前記相関器に接続している。そして、この熱電対式流量計測装置は、前記距離Ｌを前記時間遅れで割って粒子の移動速度を求め、この移動速度に垂直管の断面積をかけることにより粒子の容積流量を求めるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
実開平４−１３８２２９号公報（段落「０００９」及び「００１０」、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、次のような問題点を有する。
（１）フラップ式流量計測装置：スロット手前（低速側）の吸気抵抗が大きく、構造上経年劣化でフラップの動きが悪くなる。このため、小型化が難しい。
（２）ホットワイヤ式流量計測装置：汚れによる経年劣化があり上流の吸気レイアウトにより特性が変化する。
（３）カルマン渦式流量計測装置：光学的に計測する為汚れの影響を受けやすく、吸気脈動にも弱い。
（４）吸気管圧センサ式流量計測装置：吸気仕様ごとにマッチングが必要である。
（５）スピードスロットルα―Ｎ式流量計測装置：複雑な過渡制御が必要で、アイドリング制御が難しい。
（６）熱電対式流量計測装置：垂直管を流れる粒子に積極的に温度むらを作り出すための伝熱部が必要であり、その分、構成が複雑なものになる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、光学的な影響を受けることなく、精度高く排ガスの流量を検出できる排ガス流量計測装置及び排ガスの流量計測方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の排ガス流量計測装置に係る発明は、燃焼装置の排気側に接続されて排ガスを通す排ガス配管に所定の間隔を空けて配置され前記排ガスの所定成分濃度に対応した信号をそれぞれ出力する少なくとも２つの排ガスセンサと、該少なくとも２つの排ガスセンサに接続される演算回路と、を備え、該演算回路は、前記少なくとも２つの排ガスセンサの出力信号の位相差を求め、該位相差を用いて前記排ガスの流量を求めることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記燃焼装置は車両のエンジンであり、前記排ガス配管は排気管であることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の構成において、前記排ガスの前記所定成分は酸素であり、前記排ガスセンサは酸素センサであることを特徴とする。
請求項１から３までのいずれかに記載の排ガス流量計測装置に係る発明によれば、排ガスセンサを用いて排ガスの流量を求めるので、光学的な影響を受けずに排ガスの流量が検出される。また、光学的な影響を受けることがないことから、燃焼時に生成するすす等の影響を受けずに排ガスの流量が検出される。
【０００８】
請求項４記載の排ガスの流量計測方法に係る発明は、燃焼装置の排気側に接続されて排ガスを通す排ガス配管に所定の間隔を空けて少なくとも２つの排ガスセンサを配置し、該少なくとも２つの排ガスセンサが出力する前記排ガスの所定成分濃度に対応した信号の位相差を求め、その後、前記位相差と前記所定の間隔から前記排ガスの流速を求め、前記排ガスの流速及び前記排ガス配管の断面積から前記排ガスの流量を求めることを特徴とする。
請求項４に記載の排ガスの流量計測方法に係る発明によれば、排ガスセンサを用いて排ガスの流量を求めるので、光学的な影響を受けずに排ガスの流量が検出される。また、光学的な影響を受けることがないことから、燃焼時に生成するすす等の影響を受けずに排ガスの流量が検出される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１実施の形態の排ガス流量計測装置を図１〜３に基づいて説明する。図１において、排ガス流量計測装置１は、自動車のエンジン（燃焼装置）２に接続するエキゾーストマニホールド２Ｍに連接されて排ガスを通す排気管（排ガス配管）３に、前記排ガスの流れの方向に沿って所定の間隔を空けて配置され前記排ガスの酸素濃度（所定成分の濃度）に対応した信号をそれぞれ出力する２つの同等仕様の酸素センサ（以下、上流側のものを上流側酸素センサ４、下流側のものを下流側酸素センサ５という。）と、該上流側、下流側酸素センサ４，５に接続される演算回路６と、を備えている。
上流側、下流側酸素センサ４，５（燃料ガスセンサ）は、車両の排ガス制御（ストイキ制御）等に用いられる固体電解質型とされている。また、上流側、下流側酸素センサ４，５は、後述する限界電流のＡ／Ｆセンサと異なり限界電流特性を有しないものの、酸素濃度に対応した大きさの出力信号（起電力）を発生するようにしており、起電力発生型となっている。上流側、下流側酸素センサ４，５の出力信号（上流側、下流側信号５０，６０という。）の一例を、図３に実線、点線で示す。
【００１０】
排気管３の直径は、エンジン２の排気量及び回転数並びに排ガスの流れに対する抵抗等から定め５０〜２００ｍｍの範囲の値とされている。なお、排気管３の断面積をＡ〔ｍ２〕とする。
上流側、下流側酸素センサ４，５は間隔Ｂ〔ｍ〕を空けて配置されている。間隔Ｂ〔ｍ〕は、エンジン２の排気量及び回転数により定め、かつ排気管３の上流側酸素センサ４の配置部分と下流側酸素センサ５の配置部分で、排ガスの性状が大きくは変化しないように小さい値に設定されており、例えば５０〜１０００ｍｍの範囲の値とされている。
【００１１】
演算回路６は、図２に示すように、上流側酸素センサ４の出力信号（前記上流側信号５０）及び下流側酸素センサ５の出力信号（前記下流側信号６０）を入力し（ステップＳ１、Ｓ２）、この２つの出力信号（上流側、下流側信号５０，６０）の位相差Ｄ〔ｓ〕（後述する時間差に相当する。）を求める（ステップＳ３）。この位相差Ｄの算出方法を以下に説明する。
【００１２】
一般に自動車では、燃料噴射又は燃焼制御を行うことにより、燃焼ガスひいては排ガスの性状（酸素成分の割合など）が変化する。この排ガスの性状変化に伴い、上流側酸素センサ４は、排ガスの性状変化（この場合、酸素濃度変化）に対応した大きさの信号（上流側信号５０）を出力する。そして、この上流側信号５０について、横軸に時間をとり、縦軸に大きさ（電圧〔Ｖ〕）をとって示すと、例えば図３の実線で示すような波形パターンとなる。この図３では、上流側信号５０は、５つの山形状部（便宜上、図３左側から右側に順に第１、第２  …  第５山形状部５１，５２，  …  ５５という。）からなる波形パターンとなっている。第１、第４山形状部５１，５４は、第２、第３、第５山形状部５２，５３，５５に比して大きいピーク値を有している。また、第４山形状部５４のピーク値（以下、上流側信号ピーク値という。）Ｐ０は、第１山形状部５１のピーク値より大きくなっている。
【００１３】
一方、前記間隔Ｂ（上流側、下流側酸素センサ４，５間の距離）は上述したように短く設定されているので、排ガスは、上流側酸素センサ４の配置部分から下流側酸素センサ５の配置部分まで、性状がほとんど変化せずに一定速度で移動する。このため、上流側酸素センサ４が所定の大きさの上流側信号５０を出力すると、下流側酸素センサ５は、一定の時間差（前記位相差Ｄに相当する。以下、位相差Ｄという。）の遅れをもって、前記所定の大きさの上流側信号５０と略同等の大きさの下流側信号６０を出力する。
【００１４】
例えば、上流側酸素センサ４が上流側信号５０の第１山形状部５１のピーク値を出力した時点から、位相差Ｄの遅れをもって、下流側酸素センサ５が下流側信号６０の第１山形状部６１のピーク値を出力する。また、同様にして上流側酸素センサ４が上流側信号ピーク値Ｐ０を出力した時点から、位相差Ｄの遅れをもって、下流側酸素センサ５が下流側信号６０の第４山形状部６４のピーク値（以下、下流側信号ピーク値という。）Ｐ１〔Ｐ０≒Ｐ１〕を出力する。
【００１５】
また、一般に自動車では、アクセル操作に伴う燃料噴射時またはリッチスパイクと呼ばれる触媒活性回復のために行われる燃料増量制御時に、燃焼ガスひいては排ガスの性状が大きく変化し、アクセル操作量などによってはその変化が極めて大きくなる。このような排ガスの性状の大きな変化に対して、上流側酸素センサ４及び下流側酸素センサ５は、図３に示すように時間に対応して大きさが変化する上流側、下流側信号５０，６０を出力する。そして、上述した排ガスの性状が極めて大きく変化する場合（このように排ガスの性状が極めて大きく変化する場合に対して、それ以外の場合、すなわち排ガスの性状が大きくは変化しない場合を便宜上、通常状態という。）には、上流側、下流側信号５０，６０は、例えば上流側信号ピーク値Ｐ０及び下流側信号ピーク値Ｐ１のように通常状態に比べて極めて大きい値となる。
【００１６】
この実施の形態では、上述したように排ガスの性状が極めて大きく変化するタイミングを利用して次のように位相差Ｄを求めるようにしている。なお、演算回路６は、位相差測定のために基準値（位相差測定用基準値）Ｋを記憶している。位相差測定用基準値Ｋは、前記通常状態時のように排ガスの性状が大きくは変化しない場合に上流側酸素センサ４及び下流側酸素センサ５が出力する信号に比して大きい値とされている。本実施の形態では、位相差測定用基準値Ｋは、上流側信号ピーク値Ｐ０及び下流側信号ピーク値Ｐ１と略同等（Ｐ０及びＰ１より僅かに小さい値）とされている。
【００１７】
演算回路６は、上流側信号５０の値が位相差測定用基準値Ｋに達すると、時間計測を開始し、この時間計測を、下流側信号６０の値が位相差測定用基準値Ｋに達するまで行う。そして、この時間計測により、排ガスが上流側酸素センサ４から下流側酸素センサ５までに要する時間、すなわち２つの出力信号（上流側信号５０及び下流側信号６０）の位相差Ｄを求める（前記ステップＳ３）。
【００１８】
上述したように求めた位相差Ｄを用い、ガス流速Ｖを次式（ｉ）により求める（ステップＳ４）。
ガス流速Ｖ〔ｍ／ｓ〕＝間隔Ｂ〔ｍ〕／位相差Ｄ〔ｓ〕      …  （ｉ）
【００１９】
次に、次式（ｉｉ）に示すようにガス流速Ｖ〔ｍ／ｓ〕に排気管３の断面積Ａをかけてガス流量Ｑ〔ｍ３／ｓ〕を求める（ステップＳ５）。
ガス流量Ｑ〔ｍ３／ｓ〕＝ガス流速Ｖ〔ｍ／ｓ〕×排気管３の断面積Ａ〔ｍ２〕…  （ｉｉ）
【００２０】
本実施の形態の作用、効果を以下に、説明する。
上述しように構成した排ガス流量計測装置１では、酸素センサ（上流側、下流側酸素センサ４，５）を用いてガス流量Ｑを求めるので、上述した従来技術のカルマン渦式流量計測装置に比して、光学的な影響を受けることなく排ガスの流量を検出でき、検出精度の向上を図ることができる。また、光学的な影響を受けることなく排ガスの流量を検出できるので、燃焼時に生成するすす等の影響を受けることがなく、その分、検出精度が良好なものとなる。また、酸素センサ（上流側、下流側酸素センサ４，５）を用いて排ガスの流量を求めるので、排ガスの温度変動の影響を受けることがなく、その分、検出精度が良好なものとなる。
【００２１】
さらに、上述した従来技術のフラップ式流量計測装置に比して、フラップのような可動体を用いることなく排ガスの流量を検出するので、構成の簡易化を図ることができる。
また、上述した従来技術のホットワイヤ式流量計測装置では、汚れによる経年劣化を惹起するが、これに対して、本実施の形態では、流量計測の元となる位相差Ｄを算出する上で汚れはほとんど影響することがなく、ホットワイヤ式流量計測装置に比して良好な検出精度を維持することができる。
また、吸気管圧センサ式流量計測装置では、吸気仕様ごとにマッチングが必要であって不便であるが、本実施の形態によれば、適用対象毎に上述したマッチングを施す必要がなく、便利なものとなる。
【００２２】
また、複雑な過渡制御が要求されるスピードスロットルα―Ｎ式流量計測装置に比して、簡易な演算制御により流量計測を行え、便利なものになる。
また、垂直管を流れる粒子に積極的に温度むらを作り出すために伝熱部が必要とされる従来技術の熱電対式流量計測装置に比して、流体の温度を変化させるような伝熱部を設けなくて済み、その分、構成の簡易化を図ることができる。
【００２３】
上記実施の形態の排ガス流量計測装置１は、例えばＮＯｘ吸蔵還元型三元触媒を備えた電子制御噴射装置のフィードバック制御に用いられ、排ガス流量計測装置１で得られる流量データに基づいて、三元触媒に吸蔵されているＮＯｘ量を推定することが可能であり、これにより、その推定値が予め定めた基準値に達すると、触媒を還元するように燃焼制御を行い、三元触媒からＮＯｘが排出されないようにすることができる。
【００２４】
上記実施の形態では、時間計測の開始及び終了を、上流側信号５０の値が位相差測定用基準値Ｋに達した段階、下流側信号６０の値が位相差測定用基準値Ｋに達した段階で行う場合を例にしたが、これに代えて、位相差測定用基準値Ｋ以上の状態が所定時間継続した段階で、時間計測の開始及び終了を行うようにしてもよい。このようにして時間計測を行うことにより、位相差Ｄの算出精度を向上させることができる。
【００２５】
上記実施の形態では、排ガスセンサとして２つの酸素センサ（上流側、下流側酸素センサ４，５）を用いた例を説明したが、本発明はこれに限らず、３つ以上の酸素センサを設けて流量計測を行うように構成してもよい。このことは、後述するＡ／Ｆセンサ等の他の排ガスセンサについても同様に言えることである。
【００２６】
上記実施の形態では、排ガス流量計測装置１を自動車に用い、燃焼装置がエンジン２である場合を例にしたが、本発明はこれに限らず、燃焼ガスを排出する他の燃焼装置に用いるようにしてもよい。
【００２７】
上記第１実施の形態では、排ガスセンサが限界電流特性を有しない起電力発生型の酸素センサ（上流側、下流側酸素センサ４，５）である場合を例にしたが、これに代えて、限界電流型のＡ／Ｆ（空燃比）センサ〔所定電圧を電極間に印加して酸素イオンを移動させて電流を流すいわゆる酸素ポンプ作用をするセンサであり、限界電流特性を有する。〕を用いるようにしてもよい（第２実施の形態）。この場合には、第１実施の形態の図３の電圧値で表される信号（上流側、下流側信号５０，６０）に対して、図４に示すように、電流値で表される信号（上流側、下流側信号５０ａ，６０ａ）が出力される。
また、排ガスセンサとして、第１実施の形態では酸素センサ（上流側、下流側酸素センサ４，５）、また第２実施の形態では限界電流型のＡ／Ｆセンサを用いているが、これに代えて、ＮＯｘ、ＣＯ，ＣＯ２など酸素以外の他の成分を検出する排ガスセンサを用いるようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１から３までのいずれかに記載の排ガス流量計測装置に係る発明によれば、排ガスセンサを用いて排ガスの流量を求めるので、光学的な影響を受けることなく排ガスの流量を検出でき、検出精度の向上を図ることができる。また、光学的な影響を受けることなく排ガスの流量を検出できるので、燃焼時に生成するすす等の影響を受けることがなく、その分、検出精度が良好なものとなる。
請求項４に記載の排ガスの流量計測方法に係る発明によれば、排ガスセンサを用いて排ガスの流量を求めるので、光学的な影響を受けることなく排ガスの流量を検出でき、検出精度の向上を図ることができる。また、光学的な影響を受けることなく排ガスの流量を検出できるので、燃焼時に生成するすす等の影響を受けることがなく、その分、検出精度が良好なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る排ガス流量計測装置を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の演算回路の演算内容を説明するためのブロック図である。
【図３】図１の上流側、下流側酸素センサの出力信号の波形図である。
【図４】本発明の第２実施の形態に係る排ガス流量計測装置のＡ／Ｆセンサの出力信号を示す波形図である。
【符号の説明】
１    排ガス流量計測装置
３  排気管（排ガス配管）
４，５  上流側、下流側酸素センサ（排ガスセンサ）
６  演算回路
５０  上流側信号
６０  下流側信号
Ｂ  間隔
Ｄ  位相差
Ｑ  ガス流量
【図１】
2004170357.tif 000003
【図２】
2004170357.tif 000004
【図３】
2004170357.tif 000005
【図４】
2004170357.tif 000006