(57)【要約】【課題】本発明は、ガス濃度検出装置に関し、特定ガス成分の濃度の検出値をなるべく早期に利用開始することを目的とする。【解決手段】本発明のガス濃度検出装置は、測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、主ポンプセルおよび補助ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルとを有するガスセンサを備えたガス濃度検出装置である。本発明のガス濃度検出装置は、更に、測定対象ガスに元々含まれている酸素の濃度に関する情報を取得する酸素濃度取得手段と、ガスセンサの暖機中に、酸素濃度取得手段により取得された酸素濃度に応じて、主ポンプセルのポンプ能力を設定するポンプ能力設定手段と、ガスセンサの暖機中に、検出セルによる特定ガス成分濃度の検出値を利用可能となる時点を判定する判定手段と、を備える。【選択図】図４
2010175293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、
前記測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、
前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルにより酸素が汲み出された前記測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、
を有するガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、
前記測定対象ガスに元々含まれている酸素の濃度に関する情報を取得する酸素濃度取得手段と、
前記ガスセンサの暖機中に、前記酸素濃度取得手段により取得された酸素濃度に応じて、前記主ポンプセルのポンプ能力を設定するポンプ能力設定手段と、
前記ガスセンサの暖機中に、前記検出セルによる特定ガス成分濃度の検出値を利用可能となる時点を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記判定手段は、
前記ポンプ能力設定手段により設定されたポンプ能力に基づいて、前記検出セル近傍の酸素濃度が所定濃度に低下するまでの所要時間を算出する所要時間算出手段と、
前記算出された所要時間が経過した時点で、前記特定ガス成分濃度の検出値を利用可能と判定する手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記主ポンプセルの活性化を判定する主ポンプセル活性判定手段を備え、
前記ポンプ能力設定手段は、前記主ポンプセルが活性化したと判定された後に、前記主ポンプセルのポンプ能力を設定することを特徴とする請求項１または２記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記ガスセンサの暖機中における前記検出セルの出力の立ち上がり特性、ピーク値および立ち下がり特性の少なくとも一つに基づいて、前記主ポンプセル、前記補助ポンプセルおよび前記検出セルの少なくとも一つの劣化を判定する劣化判定手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。このＮＯｘセンサとして、測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出する検出セルとを備えたものがある。各セルには、固体電解質が用いられている。各セルが正常な特性を発揮するには、固体電解質の温度が一定温度以上になることが必要である。
【０００３】
内燃機関のエミッションを更に改善するためには、エンジン始動後、なるべく早期に、ＮＯｘセンサで検出されるＮＯｘ濃度の情報をエンジン制御に利用することが望まれている。そのためには、ＮＯｘセンサの活性を精度良く判定することが重要である。
【０００４】
しかしながら、各セルの活性速度（活性完了までの速さ）は、同じではない。この原因は、各セルの材質が役割に応じて異なることや、各セルとヒータとの距離が異なることなどにある。
【０００５】
特開２００４−１３２８４０号公報には、主ポンプセル（同公報では「第１セル」）の活性判定と検出セル（同公報では「第２セル」）の活性判定とを個別に行い、且つ、主ポンプセルの活性化が完了したと判定された後、検出セルの活性判定を行うガス濃度検出装置が開示されている。この装置によれば、検出セルの活性完了を待つことなく、主ポンプセルにより検出される酸素濃度信号を早期に利用することができる、とされている。また、この装置では、主ポンプセルが活性完了した後、所定時間が経過し、且つ補助ポンプセルの検出電流が所定範囲に入った場合に、検出セルが活性化したと判定される。上記所定時間は、検出セルの活性電極に吸着した酸素をすべて放出するのに要する時間を根拠に定める、とされている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３２８４０号公報
【特許文献２】特開２００７−１４７３８６号公報
【特許文献３】特開２００４−３３３３７４号公報
【特許文献４】特開２００４−２１２１４５号公報
【特許文献５】特開平９−２８８０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の技術では、特定ガス濃度信号（ＮＯｘ濃度信号）を利用するには、結局、主ポンプセル、補助ポンプセルおよび検出セルのすべてが活性完了するのを待たなければならない。このため、特定ガス濃度信号の利用を早期に開始することはできない。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、特定ガス成分の濃度の検出値をなるべく早期に利用開始することのできるガス濃度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガス濃度検出装置であって、
測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、
前記測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、
前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルにより酸素が汲み出された前記測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、
を有するガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、
前記測定対象ガスに元々含まれている酸素の濃度に関する情報を取得する酸素濃度取得手段と、
前記ガスセンサの暖機中に、前記酸素濃度取得手段により取得された酸素濃度に応じて、前記主ポンプセルのポンプ能力を設定するポンプ能力設定手段と、
前記ガスセンサの暖機中に、前記検出セルによる特定ガス成分濃度の検出値を利用可能となる時点を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記判定手段は、
前記ポンプ能力設定手段により設定されたポンプ能力に基づいて、前記検出セル近傍の酸素濃度が所定濃度に低下するまでの所要時間を算出する所要時間算出手段と、
前記算出された所要時間が経過した時点で、前記特定ガス成分濃度の検出値を利用可能と判定する手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記主ポンプセルの活性化を判定する主ポンプセル活性判定手段を備え、
前記ポンプ能力設定手段は、前記主ポンプセルが活性化したと判定された後に、前記主ポンプセルのポンプ能力を設定することを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記ガスセンサの暖機中における前記検出セルの出力の立ち上がり特性、ピーク値および立ち下がり特性の少なくとも一つに基づいて、前記主ポンプセル、前記補助ポンプセルおよび前記検出セルの少なくとも一つの劣化を判定する劣化判定手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、主ポンプセル、補助ポンプセルおよび検出セルを備えたガスセンサを暖機するに際し、測定対象ガスに元々含まれている酸素の濃度に関する情報を取得し、その取得された酸素濃度に応じて、主ポンプセルのポンプ能力を設定することができる。これにより、主ポンプセルは、補助ポンプセルの活性度にかかわらず、測定対象ガスの酸素濃度に応じた量の酸素を排出することができる。このため、検出セル近傍の酸素濃度を、早期に、適正な濃度に安定させることができる。よって、暖機開始後、ガスセンサの完全活性を待つことなく、なるべく早い時期から、検出セルによる特定ガス成分濃度の検出値を利用し始めることができる。
【００１４】
第２の発明によれば、設定された主ポンプセルのポンプ能力に基づいて、検出セル近傍の酸素濃度が所定濃度に低下するまでの所要時間を算出し、その所要時間が経過した時点で、特定ガス成分濃度の検出値を利用可能と判定することができる。これにより、特定ガス成分濃度の検出値が利用可能となるタイミングを精度良く判定することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、主ポンプセルが活性化したと判定された後に、主ポンプセルのポンプ能力を設定することができる。これにより、主ポンプセルのポンプ能力をより高精度に設定することができる。このため、検出セル近傍の酸素濃度を、より早く、適正な濃度に安定させることができる。よって、暖機開始後、更に早い時期から、検出セルによる特定ガス成分濃度の検出値を利用し始めることができる。
【００１６】
第４の発明によれば、ガスセンサの暖機中に、主ポンプセル、補助ポンプセルまたは検出セルの劣化を判定することができる。このため、早期の段階で、ガスセンサのＯＢＤ(On-Board Diagnostic)を終了することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。本実施形態のガス濃度検出装置１０は、内燃機関（以下、単に「エンジン」と称する）の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出する装置である。このガス濃度検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１を有している。
【００１８】
ＮＯｘセンサ１は、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の下方に、スペーサ４、検出セル（センサセル）５、スペーサ６、ヒータ７を順次積層することにより形成されている。
【００１９】
スペーサ４には、第１室４１と、第２室４２とが形成されている。スペーサ４の構成材料としては、例えばアルミナ等を用いることができる。第１室４１および第２室４２は、連通孔４３を介して連通している。これらの第１室４１、第２室４２および連通孔４３は、スペーサ４に抜き穴を設けることにより形成することができる。
【００２０】
主ポンプセル２は、第１室４１に流入した測定対象ガス中の余剰酸素を汲み出して除去する機能を有している。この主ポンプセル２は、固体電解質２１と、一対のポンプ電極２２，２３とで構成されている。素子である固体電解質２１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ２，ＨｆＯ２，ＴｈＯ２，ＢｉＯ３等で構成されている。この固体電解質２１を上下から挟むポンプ電極２２，２３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
【００２１】
固体電解質２１の表面に形成された第１ポンプ電極２２は、測定対象ガスである排気ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に面している。この第１ポンプ電極２２としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００２２】
一方、固体電解質２１を挟んで第１ポンプ電極２２の反対側に設けられた第２ポンプ電極２３は、第１室４１に面している。この第２ポンプ電極２３としては、ＮＯｘに対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００２３】
主ポンプセル２には、固体電解質２１とポンプ電極２２，２３とを貫通する導入孔としてのピンホール２４が形成されている。測定対象ガスである排気ガスは、後述する多孔質保護層８を透過し、ピンホール２４を通って、第１室４１に流入する。ピンホール２４の孔径は、第１室４１に導入される排気ガスの拡散速度が所定速度となるように設計されている。
【００２４】
補助ポンプセル３は、第１室４１から第２室４２に流入した測定対象ガス中の酸素濃度を検出するとともに、当該ガス中の余剰酸素を更に汲み出して除去する機能を有している。この補助ポンプセル３は、固体電解質３１と、一対のポンプ電極３２，３３とで構成されている。素子である固体電解質３１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ２，ＨｆＯ２，ＴｈＯ２，ＢｉＯ３等で構成されている。この固体電解質３１を上下から挟むポンプ電極３２，３３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
【００２５】
固体電解質３１の表面に形成された第１ポンプ電極３２は、内燃機関の排気通路内に面している。この第１ポンプ電極３２としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００２６】
一方、固体電解質３１を挟んで第１ポンプ電極３２の反対側に設けられた第２ポンプ電極３３は、第２室４２に面している。この第２ポンプ電極３３としては、ＮＯｘに対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００２７】
主ポンプセル２および補助ポンプセル３の第１ポンプ電極２２，３２は、多孔質保護層８により覆われている。多孔質保護層８は、例えば多孔質アルミナ等で構成される。この多孔質保護層８により、第１ポンプ電極２２，３２の被毒を防止することができると共に、排気ガスに含まれるスス等によるピンホール２４の目詰まりを防止することができる。
【００２８】
検出セル５は、ＮＯの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出する機能を有している。検出セル５は、固体電解質５１と、この固体電解質５１を上下から挟む一対の検出電極５２，５３とを有している。これらの検出電極５２，５３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
【００２９】
固体電解質５１の表面に形成された第１検出電極５２は、第２室４２に面している。この第１検出電極５２として、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００３０】
一方、固体電解質５１を挟んで第１検出電極５２の反対側に設けられた第２検出電極５３は、スペーサ６に形成された大気ダクト６１に面している。大気ダクト６１には、大気が導入される。この第２検出電極５３として、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。大気ダクト６１は、スペーサ６に切り欠きを設けることにより形成することができる。
【００３１】
ヒータ７は、シート状の絶縁層７２，７３と、これらの絶縁層７２，７３間に設けられたヒータ電極７１とを有している。絶縁層７２，７３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより構成される。ヒータ電極７１は、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットにより構成される。
【００３２】
本実施形態のガス濃度検出装置１０は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）９を備えている。ＥＣＵ９は、主ポンプセル制御手段９１と、補助ポンプセル制御手段９２と、検出セル制御手段９３と、ヒータ制御手段９４とを有している。このＥＣＵ９は、エンジンＥＣＵと別個に構成されていてもよく、エンジンＥＣＵの一部として構成されていてもよい。
【００３３】
主ポンプセル制御手段９１は、主ポンプセル２の第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に接続されている。主ポンプセル制御手段９１は、第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に電圧を印加するとともに、主ポンプセル２に流れる電流値を検出可能になっている。
【００３４】
補助ポンプセル制御手段９２は、補助ポンプセル３の第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３に接続されている。補助ポンプセル制御手段９２は、補助ポンプセル３の第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３に電圧を印加するとともに、補助ポンプセル３に流れる電流値を検出可能になっている。
【００３５】
検出セル制御手段９３は、検出セル５の第１検出電極５２および第２検出電極５３に接続されている。検出セル制御手段９３は、第１検出電極５２および第２検出電極５３に電圧を印加するとともに、検出セル５に流れる電流値を検出可能になっている。
【００３６】
ヒータ制御手段９４は、ヒータ電極７１に接続されている。ヒータ制御手段９４は、ヒータ電極７１に電力を供給するものである。
【００３７】
上述したようなＮＯｘセンサ１では、主ポンプセル２、補助ポンプセル３、検出セル５の各セルがそれぞれ正常な特性を発揮するためには、それらの固体電解質２１，３１，５１の温度が活性温度以上であることが必要である。しかしながら、エンジンが停止しているときや燃料カットが長時間行われたときなどには、各セルの温度は低下する。このため、エンジン始動時や、長時間の燃料カットからの復帰時には、各セルの温度を早期に活性温度以上に上昇させるため、ヒータ７に通電することにより、ＮＯｘセンサ１を暖機する制御が実行される。
【００３８】
以下では、まず、ＮＯｘセンサ１の暖機完了後におけるガス濃度検出装置１０の動作について説明する。測定対象ガスとしての排気ガスは、多孔質保護層８とピンホール２４とを通って、第１室４１に導入される。この第１室４１に導入される測定対象ガスの量は、多孔質保護層８およびピンホール２４の拡散抵抗に応じて定まる。
【００３９】
主ポンプセル制御手段９１により主ポンプセル２に電圧が印加されると、第１室４１内の酸素が第２ポンプ電極２３上で酸素イオンＯ２−に還元される。この酸素イオンＯ２−は、固体電解質２１を透過して第１ポンプ電極２２側に排出される。主ポンプセル２の作動は、測定対象ガスの残留酸素濃度が所定の目標濃度となるように制御される。
【００４０】
第１室４１において酸素濃度が十分に低減された測定対象ガスは、第２室４２に流入する。補助ポンプセル制御手段９２により補助ポンプセル３に所定電圧が印加されると、第２室４２内の残留酸素が第２ポンプ電極３３上で酸素イオンＯ２−に還元される。この酸素イオンＯ２−は、固体電解質３１を透過して第１ポンプ電極３２側に排出される。この際、補助ポンプセル３には、第２室４２内の残留酸素濃度に応じた電流が流れる。よって、補助ポンプセル３の出力（以下、「補助ポンプ出力」と称する）によれば、測定対象ガス中の残留酸素濃度を検出することができる。
【００４１】
主ポンプセル２のポンプ能力（酸素汲み出し能力）は、主ポンプセル２への印加電圧に応じて決まる。ＥＣＵ９は、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度となるように、補助ポンプ出力を主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックして制御することができる。これにより、第２室４２に流入する測定対象ガスの酸素濃度を目標濃度に精度良く維持することができる。
【００４２】
上記の制御においては、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合には、主ポンプセル２の印加電圧を高め、主ポンプセル２による酸素排出量を増大させることにより、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御が行われる。このような制御に代えて、ＥＣＵ９は、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合に、補助ポンプセル３の印加電圧を高め、補助ポンプセル３による酸素排出量を増大させることによって、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御を行うようにしてもよい。
【００４３】
上述したようにして主ポンプセル２および補助ポンプセル３によって酸素が除去され、測定対象ガス中の酸素濃度が十分に低減されると、２ＮＯ２→２ＮＯ＋Ｏ２なる反応が生じ、ＮＯｘがＮＯに単ガス化される。そして、検出セル制御手段９３により検出セル５に所定電圧が印加されると、第２室４２内のＮＯが第１検出電極５２上で分解され酸素イオンＯ２−が発生する。この酸素イオンＯ２−は、固体電解質５１を透過して、第２検出電極５３から大気ダクト６１に排出される。このとき、検出セル５には、第２室４２内のＮＯ濃度に応じた電流が流れる。このようにして、検出セル５の出力（以下、「ＮＯｘ出力」と称する）によれば、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００４４】
［実施の形態１の特徴］
以上、ＮＯｘセンサ１の暖機完了後におけるガス濃度検出装置１０の動作について説明したが、本発明は、ＮＯｘセンサ１の暖機途中における制御に特徴を有している。ＮＯｘセンサ１が活性していない場合には、ヒータ７に通電することにより、ＮＯｘセンサ１を暖機する制御が行われる。エミッションを改善するためには、ＮＯｘセンサ１で検出されるＮＯｘ濃度を、なるべく早期にエンジン制御に利用したいという要望がある。これに対し、従来は、ＮＯｘセンサ１の活性を判定し、ＮＯｘセンサ１が完全に活性化したと判定された時点で、ＮＯｘ濃度検出値のエンジン制御への利用を開始することとしている。
【００４５】
ところで、ＮＯｘセンサ１が備える各セルには、上述したように、それぞれ異なる機能が求められる。すなわち、主ポンプセル２には、測定対象ガスの酸素濃度を最大２０．９％から数ｐｐｍレベルまで迅速に低減することが求められ、補助ポンプセル３には、１ｐｐｍ以下レベルの酸素濃度を精度良く検出することが求められ、検出セル５には、ＮＯを効率良く分解することが求められる。このような各々の機能を満足するため、各セルには異なる材質が用いられている。また、各セルとヒータ７との距離も同じではない。このようなことから、主ポンプセル２、補助ポンプセル３および検出セル５の活性速度（活性完了までの速さ）は、同じではなく、ばらつきがある。このため、ＮＯｘセンサ１の完全活性、つまり主ポンプセル２、補助ポンプセル３および検出セル５のすべての活性化が完了するのを待っていると、活性速度が最も遅いセルに束縛されてしまうため、ＮＯｘセンサ１によるＮＯｘ濃度検出値を早期にエンジン制御に利用することができないという問題がある。
【００４６】
ＮＯｘセンサ１によるＮＯｘ濃度検出値を早期にエンジン制御に利用するためには、検出セル５の第１検出電極５２近傍の酸素濃度（すなわち第２室４２内の酸素濃度）を如何に早く適正な濃度（目標濃度）に安定させることができるかが一つの重要なポイントである。検出セル５に流れる電流には、ＮＯｘだけでなく残留酸素の反応分も含まれるため、第２室４２内の残存酸素濃度が低くないと、ＮＯｘ濃度を正確に検出することが困難だからである。
【００４７】
ところで、主ポンプセル２のポンプ能力（主ポンプセル２が汲み出すことのできる酸素濃度）は、主ポンプセル２への印加電圧と相関する。前述したように、ＮＯｘセンサ１の暖機完了後は、補助ポンプ出力を主ポンプセル２への印加電圧にフィードバックする制御が行われる。すなわち、補助ポンプセル３によって検出される酸素濃度に基づいて主ポンプセル２のポンプ能力をフィードバック制御することにより、第２室４２内の酸素濃度を一定に保つようにしている。しかしながら、補助ポンプセル３が十分に活性化する前は、補助ポンプセル３が酸素濃度を検出できないため、主ポンプセル２のポンプ能力をフィードバック制御することができない。このため、従来のガス濃度検出装置では、補助ポンプセル３の活性前においては、主ポンプセル２のポンプ能力を所定値に固定するのが普通である。以下では、まず、比較例として、そのような従来のガス濃度検出装置について説明する。図１２は、補助ポンプセル３の活性前における主ポンプセル２のポンプ能力を所定の固定能力としてＮＯｘセンサ１を暖機した場合のＮＯｘ出力の変化を示すグラフである。
【００４８】
図１２中の（Ａ）は、ＮＯｘを含まない大気（空気）を測定対象ガスとした場合のＮＯｘ出力の変化を示している。この図に示す場合には、暖機開始直後、ＮＯｘ出力は、急激に立ち上がる。この理由は、次のようなものである。ＮＯｘセンサ１の暖機開始前、第２室４２内の酸素濃度は、大気と同じく、２０．９％となっている。このため、暖機開始直後の第１検出電極５２近傍の酸素濃度は、極めて高い。暖機開始直後は、検出セル５がほとんど活性していないため、その検出感度は弱い。しかしながら、第１検出電極５２の酸素濃度が極めて高いため、検出セル５が僅かに活性しただけで、大きなＮＯｘ出力が現れるのである。
【００４９】
その後、主ポンプセル２の活性が高まるにつれて、主ポンプセル２によって酸素が排出され、第２室４２内の酸素濃度が低下していく。その結果、ＮＯｘ出力はピークを過ぎて下降に転じる。補助ポンプセル３の活性が高まると、補助ポンプ出力が主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックされ始める。これにより、主ポンプセル２のポンプ能力が当初の固定能力よりも高くなり、第２室４２内の酸素濃度が更に低下していく。その結果、ＮＯｘ出力は更に低下していき、正しい値である０ｐｐｍに収束する。
【００５０】
一方、図１２中の（Ｂ）は、ＮＯｘを２００ｐｐｍ含む実際のエンジンの排気ガスを測定対象ガスとした場合のＮＯｘ出力の変化を示している。この図に示す場合には、暖機開始直後、ＮＯｘ出力は、急激にマイナス側に落ち込む。この理由は、次のようなものであると考えられる。エンジンの排気ガスの酸素濃度は、大気よりも大幅に少ない。このため、主ポンプセル２が上記（Ａ）の場合と同じポンプ能力で酸素を排出すると、第２室４２内から酸素が排出され過ぎ、ＮＯの分解によって生じた酸素までもが主ポンプセル２によって排出されてしまう。その結果、ＮＯｘ出力が大きくマイナス側に偏ると考えられる。この場合も、補助ポンプセル３の活性が高まり、補助ポンプ出力が主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックされ始めると、主ポンプセル２のポンプ能力が適切な値に制御されていく。これにより、ＮＯｘ出力は、正しい値である２００ｐｐｍに収束する。
【００５１】
以上説明した図１２の例から明らかなように、補助ポンプセル３の活性前における主ポンプセル２のポンプ能力を所定の固定能力とした場合には、暖機開始直後のＮＯｘ出力は、大きく偏った値を示す。そして、ＮＯｘ出力が正しい値に収束するまでの時間が長い。これは、暖機開始後、第２室４２内の酸素濃度（検出セル５の第１検出電極５２近傍の酸素濃度）が適正な濃度に安定するまでに時間がかかるためである。
【００５２】
そこで、本実施形態では、暖機開始後、第２室４２内の酸素濃度をなるべく早く適正な濃度に安定させるため、測定対象ガス（排気ガス）に元々含まれている酸素の濃度に関する情報に基づいて、主ポンプセル２のポンプ能力を決定することとした。排気ガス中の酸素濃度は、排気ガスの空燃比から算出することができる。排気ガス中の酸素濃度が分かれば、主ポンプセル２で汲み出すべき酸素の量も分かる。よって、排気ガス中の酸素濃度に合わせて主ポンプセル２のポンプ能力を設定すれば、補助ポンプセル３によるフィードバックが作用しなくても、第２室４２内の酸素濃度を適正な濃度に安定させることができる。このため、補助ポンプセル３の活性完了を待たずに、実ＮＯｘ濃度を検出することが可能となり、ＮＯｘ出力をエンジン制御に早期に利用可能となる。
【００５３】
なお、主ポンプセル２のポンプ能力を決定する際に参照する排気ガスの空燃比（酸素濃度情報）としては、例えば、エンジンＥＣＵで算出されている空燃比（目標空燃比または推定空燃比等）の値や、排気通路に設置されたＡ／Ｆセンサ（空燃比センサ）で検出された空燃比の値を用いることができる。
【００５４】
図２は、ＮＯｘを含まない大気を測定対象ガスとし、主ポンプセル２のポンプ能力を２０．８％に設定して暖機を行った場合のＮＯｘ出力の変化を示す図である。図２に示すように、この場合のＮＯｘ出力は、主ポンプセル２を固定能力とした図１２（Ａ）の場合と比べて、暖機開始直後の立ち上がりのピークが大幅に小さく、また、早い時点で、正しい値である０ｐｐｍに収束している。これは、主ポンプセル２のポンプ能力を測定対象ガスの酸素濃度に対応した値に設定したことにより、第２室４２内の酸素濃度を迅速に低下させて適正濃度に安定させることができるからである。
【００５５】
図３は、大気雰囲気に１００ｐｐｍのＮＯを添加したものを測定対象ガスとし、主ポンプセル２のポンプ能力を２０．８％に設定して暖機を行った場合のＮＯｘ出力の変化を示す図である。図２の場合と同様に、この場合のＮＯｘ出力も、暖機開始直後の立ち上がりのピークが小さく、また、早い時点で、正しい値である１００ｐｐｍに収束している。
【００５６】
図２および図３に示す結果からも、主ポンプセル２のポンプ能力を測定対象ガスの酸素濃度に対応した値に決定することにより、早い時点で実ＮＯｘ濃度を検出することが可能となり、ＮＯｘ出力を早期にエンジン制御に利用可能となることが分かる。
【００５７】
また、本実施形態では、ＮＯｘ出力をエンジン制御に利用可能となるタイミングを次のようにして判定することとした。第２室４２内の酸素濃度が適正濃度まで低減されていれば、ＮＯｘ出力には、実ＮＯｘ濃度が反映されていると判断できる。なお、この時点で検出セル５が完全活性に至っていない場合には、検出セル５の活性度に応じて、ＮＯｘ出力を補正すればよい。
【００５８】
第２室４２内の酸素濃度が適正濃度に低下するまでの所要時間は、暖機開始時点での第２室４２内の酸素濃度と、主ポンプセル２のポンプ能力とに基づいて計算することができる。暖機開始時点での第２室４２内の酸素濃度は、暖機開始直後のＮＯｘ出力の立ち上がりの傾きおよびピーク値に基づいて推定することができる。暖機開始時点での第２室４２内の酸素濃度が高いほど、暖機開始直後のＮＯｘ出力の立ち上がりの傾きおよびピーク値が大きくなるという相関関係があるからである。そこで、本実施形態では、暖機開始直後のＮＯｘ出力の立ち上がりの傾きおよびピーク値に基づいて暖機開始時点での第２室４２内の酸素濃度を推定し、その推定された値と主ポンプセル２のポンプ能力とから、第２室４２内の酸素濃度が適正濃度に低下するまでの所要時間を計算し、その計算された所要時間が経過した時点で、ＮＯｘ出力をエンジン制御に利用可能と判定することとした。
【００５９】
更に、本実施形態では、暖機開始直後のＮＯｘ出力の立ち上がりの傾き（以下、単に「立ち上がり」とも言う）と、ピーク値と、ピークを越えた後の下降の傾き（以下「立ち下がり」と言う）とに基づいて、各セルの劣化等のＯＢＤ(On-Board Diagnostic)を行うこととした。
【００６０】
［実施の形態１における具体的処理］
図４乃至図７は、本実施形態においてＮＯｘセンサ１の暖機中にＥＣＵ９が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンによれば、まず、ＮＯｘセンサ１への通電がオンされているか否かが判定される（ステップ１００）。ＮＯｘセンサ１への通電がオンされていると判定された場合には、次に、主ポンプセル２の活性情報が取得される（ステップ１０２）。主ポンプセル２の活性情報とは、主ポンプセル２の活性度と相関のある情報（パラメータ）であり、例えば、素子温度、インピーダンス、ヒータ７の抵抗などである。
【００６１】
続いて、上記ステップ１０２で取得された主ポンプセル２の活性情報に基づいて、主ポンプセル２の活性判定が行われ（ステップ１０４）、主ポンプセル２が活性化したか否かが判定される（ステップ１０６）。このステップ１０６において、主ポンプセル２が未だ活性化していないと判定された場合には、ステップ１０４へ戻り、主ポンプセル２が活性化するのを待つ。
【００６２】
一方、ステップ１０６において、主ポンプセル２が活性化したと判定された場合には、次に、主ポンプセル２のポンプ能力を決定する処理が実行される（ステップ１０８）。このステップ１０８においては、まず、ＮＯｘセンサ１の周囲の排気ガスの酸素濃度を表す情報として、エンジンＥＣＵで算出されている空燃比（目標空燃比または推定空燃比等）の値、あるいはＡ／Ｆセンサで検出された空燃比の値が読み込まれる。そして、その空燃比の値から、ＮＯｘセンサ１の周囲の排気ガスの酸素濃度が算出される。主ポンプセル２のポンプ能力は、その算出された酸素濃度に対応した値に決定される。主ポンプセル制御手段９１は、このステップ１０８で決定されたポンプ能力に対応した電圧を主ポンプセル２に印加する。
【００６３】
続いて、Ｏ２出力あるいはＡ／Ｆ出力のＯＢＤ判定が実行される（ステップ１１０）。図５は、このステップ１１０で実行されるサブルーチンのフローチャートである。ＮＯｘセンサ１の主ポンプ出力および補助ポンプ出力は、排気ガス中の酸素濃度と相関する。このため、ＮＯｘセンサ１の主ポンプ出力および補助ポンプ出力から、排気ガスの空燃比を表すＯ２出力もしくはＡ／Ｆ出力を算出することが可能である。あるいは、ＮＯｘセンサ１内に空燃比検出セルを別個に設けることによって、Ｏ２出力あるいはＡ／Ｆ出力を検出することもできる。また、エンジンの排気通路には、ＮＯｘセンサ１とは別に、Ｏ２センサ、Ａ／Ｆセンサ等の排気ガスセンサが設置されている。本実施形態では、ＮＯｘセンサ１のＯ２出力あるいはＡ／Ｆ出力と、他の排気ガスセンサのＯ２出力あるいはＡ／Ｆ出力とを比較することにより、他の排気ガスセンサの劣化（またはＮＯｘセンサ１の劣化）をＯＢＤ判定することとした（図５のステップ２００）。そのＯＢＤ判定の結果、異常が認められた場合には、ＭＩＬ（Malfunction Indicator Lamp）が点灯される（ステップ２０２）。一方、上記ステップ２００で、劣化が認められないか、または劣化度が許容範囲内であった場合には、正常と判定され、図５のサブルーチンの処理が終了される。
【００６４】
図４のルーチンに戻ると、上記ステップ１１０に続いて、Ｏ２出力あるいはＡ／Ｆ出力の学習処理が実行される（ステップ１１２）。このステップ１１２では、上記ステップ１１０のＯＢＤ判定において許容範囲内の劣化が認められた場合に、その劣化度を学習値として取り込むことにより、Ｏ２出力あるいはＡ／Ｆ出力をより正確な値に補正できるようにするための処理が実行される。
【００６５】
次いで、補助ポンプ出力を主ポンプセル２への印加電圧にフィードバックする処理が開始される（ステップ１１４）。
【００６６】
続いて、ＮＯｘ出力に基づいたＯＢＤ判定が実行される（ステップ１１６）。以下、ＮＯｘ出力に基づいたＯＢＤ判定の方法について、図８乃至図１１を参照して説明する。図８は、主ポンプセル２が劣化している場合における暖機中のＮＯｘ出力の変化を示す図である。主ポンプセル２が劣化して、そのポンプ能力が低下した場合には、図８に示すような出力波形を呈する。すなわち、正常時と比べて、初期の立ち上がりが急峻になる。従って、立ち上がり速度に基づいて、主ポンプセル２の劣化を判定することができる。
【００６７】
また、図８に示すように、補助ポンプ出力に基づいたフィードバック制御が開始されると、ＮＯｘ出力は低下し始め、収束する。このフィードバック制御において、ＥＣＵ９は、主ポンプセル２のポンプ能力の不足を、補助ポンプセル３の印加電圧を高めることによって補うように制御する。このため、主ポンプセル２が劣化している場合には、主ポンプセル２の印加電圧に対する補助ポンプセル３の印加電圧の比が、正常時と比べて大きくなる。よって、ＮＯｘ出力の収束後における、主ポンプセル２の印加電圧に対する補助ポンプセル３の印加電圧の比が過大であるかどうかによって、主ポンプセル２の劣化を判定することもできる。
【００６８】
図９は、補助ポンプセル３が劣化している場合における暖機中のＮＯｘ出力の変化を示す図である。補助ポンプセル３が劣化して、そのポンプ能力が低下した場合には、図９に示すような出力波形を呈する。すなわち、正常時と比べて、ピーク値が大きくなるとともに、ピーク後の立ち下がりが緩慢になる。従って、ピーク値と、立ち下がり速度とに基づいて、補助ポンプセル３の劣化を判定することができる。なお、補助ポンプセル３の劣化が更に進んだ場合には、図１０に示すような出力波形を呈するが、この場合も、上記の基準に従って劣化を判定することができる。
【００６９】
図１１は、検出セル５が劣化している場合における暖機中のＮＯｘ出力の変化を示す図である。検出セル５が劣化した場合には、図１１に示すような出力波形を呈する。すなわち、この場合には、検出セル５による酸素濃度検出性が低下するため、初期の立ち上がりが緩やかになり、ピーク値が低下するとともに、立ち下がりも緩やかとなる。従って、立ち上がり速度と、ピーク値と、立ち下がり速度とに基づいて、検出セル５の劣化を判定することができる。
【００７０】
ステップ１１６では、上述したような方法によって、主ポンプセル２、補助ポンプセル３および検出セル５のＯＢＤ判定が実行される。図６は、ステップ１１６で実行されるサブルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、まず、ＮＯｘ出力の立ち上がりについての情報（例えば立ち上がり速度）が格納される（ステップ３００）。続いて、ＮＯｘ出力のピーク値が格納され（ステップ３０２）、更に、ＮＯｘ出力の立ち下がりについての情報（例えば立ち下がり速度）が格納される（ステップ３０４）。これらの値が格納されると、次に、これらの値と、所定の判定値とを比較することにより、異常判定が実行される（ステップ３０６）。すなわち、立ち上がり速度が過大であることが認められた場合には、主ポンプセル２が劣化していると判定され、ピーク値が過大であり、且つ立ち下がり速度が過小であることが認められた場合には、補助ポンプセル３が劣化していると判定され、立ち上がり速度、ピーク値および立ち下がり速度が何れも過小であることが認められた場合には、検出セル５が劣化していると判定される。このステップ３０６において、異常が認められた場合には、ＭＩＬが点灯される（ステップ３０８）。
【００７１】
図４のルーチンに戻ると、上記ステップ１１６に続いて、ＮＯｘ出力の学習処理が実行される（ステップ１１８）。図７は、このステップ１１８で実行されるサブルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンによれば、まず、学習制御を実行する上での前提条件（例えば、上記ステップ１１８において各セルの異常がないと判定されていること）が成立しているかどうかが判定される（ステップ４００）。そして、前提条件が成立していると判定された場合には、学習値が取り込まれる（ステップ４０２）。ここでの学習内容としては、例えば、主ポンプセル２の印加電圧が学習される。すなわち、上記ステップ１０８において主ポンプセル２のポンプ能力を決定する際の基礎とした空燃比の値と、ＮＯｘ出力の立ち上がり特性との関係を学習することにより、主ポンプセル２の印加電圧を補正するための学習値が取得される。また、ＥＣＵ９が保有するＮＯｘ出力推定値を学習するようにしてもよい。このＮＯｘ出力推定値は、実際のＮＯｘ出力がエンジン制御に利用可能となるまでの間に用いられる値である。
【００７２】
上記ステップ１１８の処理に続いて、ＮＯｘ出力をエンジン制御に利用可能となったかどうかが判定される（ステップ１２０）。前述したように、第２室４２内の酸素濃度が適正濃度まで低減されていれば、ＮＯｘ出力をエンジン制御に利用可能である。このステップ１２０においては、第２室４２内の酸素濃度が適正濃度に低下するまでの所要時間を、暖機開始時点での第２室４２内の酸素濃度（以下「初期酸素濃度」と称する）と、主ポンプセル２のポンプ能力とに基づいて計算する。前述したように、初期酸素濃度が高いほど、暖機開始直後のＮＯｘ出力の立ち上がり速度およびピーク値が大きくなる。それらの値の間に成立する関係を予め調べて作成されたマップがＥＣＵ９に記憶されている。このステップ１２０では、そのマップと、上記ステップ３００，３０２で格納された立ち上がり速度およびピーク値とに基づいて、初期酸素濃度が算出される。そして、この算出された初期酸素濃度と、上記ステップ１０８で決定された主ポンプセル２のポンプ能力とに基づいて、第２室４２内の酸素濃度が適正濃度に低下するまでの所要時間が算出される。この算出された所要時間が経過した時点で、ＮＯｘ出力をエンジン制御に利用可能であると判定される。
【００７３】
上記ステップ１２０の処理に続いて、ＮＯｘ出力を補正する処理が実行される（ステップ１２２）。ＥＣＵ９には、検出セル５の活性度に応じてＮＯｘ出力を補正する補正値を算出するためのマップが予め記憶されている。このステップ１２２では、検出セル５の活性度と相関のある情報（例えば、暖機開始時からの経過時間、ヒータ７の抵抗など）を取得することによって検出セル５の活性度が判定され、上記マップに従い、ＮＯｘ出力が補正される。これにより、検出セル５が未だ完全活性に至っていない段階であっても、正確なＮＯｘ出力を得ることができる。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ１が完全活性に至る前の時点で、ＮＯｘ出力をエンジン制御に利用可能とすることができる。このため、エンジンシステムの制御パラメータを早期の段階から適切に制御することができ、エミッションを十分に改善することができる。
【００７５】
なお、本実施形態では、主ポンプセル２が活性化したと判定された後に主ポンプセル２のポンプ能力を決定しているが、本発明では、主ポンプセル２の完全活性の前に、ポンプ能力を決定してもよい。この場合には、主ポンプセル２のポンプ能力と印加電圧との関係が活性度に応じてどのように変化するかを予め把握してＥＣＵ９に記憶しておき、主ポンプセル２に印加すべき電圧を主ポンプセル２の活性度に応じて補正するようにすればよい。
【００７６】
また、本実施形態では、第２室４２内の残存酸素濃度が適正濃度まで低減された時点を、ＮＯｘ出力が利用可能となった時点として判定しているが、本発明においてＮＯｘ出力が利用可能となる時点を判定する方法はこれに限定されるものでなく、例えば次の（１）〜（３）のようにして判定してもよい。
【００７７】
（１）第２室４２内の残存酸素濃度が未だ適正濃度まで低減されていない時点においては、ＮＯｘ出力には、ＮＯの反応による出力に加えて、残存酸素の反応による出力が含まれている。この時点において、残存酸素濃度を知ることができれば、ＮＯｘ出力のうち、ＮＯの反応による分の出力を分離して取り出すことにより、実際のＮＯｘ濃度を検出可能である。そこで、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の活性速度を予め把握しておき、その活性速度に基づいて第２室４２内の残存酸素濃度を推定するようにすれば、残存酸素濃度が適正濃度まで低減される前の時点において、ＮＯｘ出力を利用可能と判定してもよい。
【００７８】
（２）ＮＯｘ出力の立ち下がりが所定濃度以下に到達した時点で、ＮＯｘ出力を利用可能と判定してもよい。
【００７９】
（３）エンジンから排出される排気ガス中の実際のＮＯｘ濃度は、一定ではなく、運転状態によってはＮＯｘ濃度が急増する場合もある。このため、実際のＮＯｘ濃度がＮＯｘ出力に十分に反映されるようになると、ＮＯｘ出力は実際のＮＯｘ濃度の変動に伴って変動する。逆に言えば、ＮＯｘ出力が、ある程度大きな振幅で変動するようになれば、ＮＯｘ出力が利用可能になっていると判断することができる。そこで、ＮＯｘ出力の立ち下がりの後、所定濃度以上を示したときのＮＯｘ出力を積算し、その積算出力が所定値を超えた時点で、ＮＯｘ出力を利用可能と判定してもよい。
【００８０】
また、上述した実施の形態１では、「特定ガス成分」としてＮＯｘの濃度を検出する装置を例に説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えばＣＯ、ＨＣなどの他の濃度を検出する装置にも適用可能である。
【００８１】
また、本発明は、主ポンプセル２、補助ポンプセル３および検出セル５のうちで、主ポンプセル２の活性速度が最も速いようなガスセンサを用いたガス濃度検出装置に特に好適である。
【００８２】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ９が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「酸素濃度取得手段」および「ポンプ能力設定手段」が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより前記第１および第２の発明における「判定手段」が、上記ステップ１０２〜１０６の処理を実行することにより前記第３の発明における「主ポンプセル活性判定手段」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記第４の発明における「劣化判定手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施の形態１のガス濃度検出装置の構成を説明するための図である。
【図２】ＮＯｘを含まない大気を測定対象ガスとし、主ポンプセルのポンプ能力を２０．８％に設定して暖機を行った場合のＮＯｘ出力の変化を示す図である。
【図３】大気雰囲気に１００ｐｐｍのＮＯを添加したものを測定対象ガスとし、主ポンプセルのポンプ能力を２０．８％に設定して暖機を行った場合のＮＯｘ出力の変化を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図８】主ポンプセルが劣化している場合における暖機中のＮＯｘ出力の変化を示す図である。
【図９】補助ポンプセルが劣化している場合における暖機中のＮＯｘ出力の変化を示す図である。
【図１０】補助ポンプセルが劣化している場合における暖機中のＮＯｘ出力の変化を示す図である。
【図１１】検出セルが劣化している場合における暖機中のＮＯｘ出力の変化を示す図である。
【図１２】補助ポンプセルの活性前における主ポンプセルのポンプ能力を所定の固定能力としてＮＯｘセンサ１を暖機した場合のＮＯｘ出力の変化を示すグラフ（比較例）である。
【符号の説明】
【００８４】
１    ＮＯｘセンサ
２    主ポンプセル
２１  固体電解質
２２  第１ポンプ電極
２３  第２ポンプ電極
３    補助ポンプセル
３１  固体電解質
３２  第１ポンプ電極
３３  第２ポンプ電極
４    スペーサ
４１  第１室
４２  第２室
４３  連通孔
５    検出セル
５１  固体電解質
５２  第１検出電極
５３  第２検出電極
６    スペーサ
６１  大気ダクト
７    ヒータ
７１  ヒータ電極
７２，７３  絶縁層
８    多孔質保護層
１０  ガス濃度検出装置
【図１】
2010175293.tif 000003
【図２】
2010175293.tif 000004
【図３】
2010175293.tif 000005
【図４】
2010175293.tif 000006
【図５】
2010175293.tif 000007
【図６】
2010175293.tif 000008
【図７】
2010175293.tif 000009
【図８】
2010175293.tif 000010
【図９】
2010175293.tif 000011
【図１０】
2010175293.tif 000012
【図１１】
2010175293.tif 000013
【図１２】
2010175293.tif 000014