(57)【要約】【課題】センサセルの検出精度を向上でき、かつ、酸素濃度検出セルの検出精度を向上できる排出ガスセンサを提供する。【解決手段】排出ガスセンサとしてのＮＯｘセンサ１００は、エンジンの排出ガス中の酸素濃度を調整するポンプセルとしての第１ポンピングセル１１０と、この第１ポンピングセル１１０を通過した後の排出ガスからＮＯｘ濃度を検出するセンサセルとしての第２ポンピングセル１３０と、第１ポンピングセル１１０により調整された酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出セル１２０と、この第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出セル１８０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排出ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（１１０）と、
前記ポンプセルを通過した後の前記排出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するセンサセル（１３０）と、
前記ポンプセルにより調整された前記酸素濃度を検出する第１セル（１２０）と、
前記第１セルより前記排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、前記酸素濃度を検出する第２セル（１８０）と、
を備える排出ガスセンサ（１００）。
【請求項２】
前記第１セル及び前記第２セルが、前記ポンプセルによる前記酸素濃度の調整用の測定室（１５０）内に設けられる、
請求項１に記載の排出ガスセンサ。
【請求項３】
前記第１セルは、前記流れ方向に沿った下流側端部の位置が前記ポンプセルの下流側端部の位置より下流側になるよう設けられ、
前記第２セルは、前記流れ方向に沿った上流側端部の位置が前記ポンプセルの上流側端部の位置より上流側になるよう設けられる、
請求項２に記載の排出ガスセンサ。
【請求項４】
前記第１セルは、前記流れ方向に沿った上流側端部の位置が前記ポンプセルの下流側端部の位置より下流側になるよう設けられ、
前記第２セルは、前記流れ方向に沿った下流側端部の位置が前記ポンプセルの上流側端部の位置より上流側になるよう設けられる、
請求項３に記載の排出ガスセンサ。
【請求項５】
前記第１セルは、前記流れ方向に沿った上流側端部の位置が前記ポンプセルの下流側端部の位置より下流側になるよう設けられ、
前記第２セルは、前記流れ方向において前記ポンプセルの上流側端部と重畳する位置に設けられる、
請求項３に記載の排出ガスセンサ。
【請求項６】
前記第１セルは、前記流れ方向において前記ポンプセルの下流側端部と重畳する位置に設けられ、
前記第２セルは、前記流れ方向に沿った下流側端部の位置が前記ポンプセルの上流側端部の位置より上流側になるよう設けられる、
請求項３に記載の排出ガスセンサ。
【請求項７】
前記第１セルは、前記流れ方向において前記ポンプセルの下流側端部と重畳する位置に設けられ、
前記第２セルは、前記流れ方向において前記ポンプセルの上流側端部と重畳する位置に設けられる、
請求項３に記載の排出ガスセンサ。
【請求項８】
前記第１セルは、前記流れ方向に沿った下流側端部の位置が前記ポンプセルの上流側端部の位置より上流側になるよう設けられ、
前記第２セルは、前記流れ方向に沿った上流側端部の位置が前記ポンプセルの下流側端部の位置より下流側になるよう設けられる、
請求項２に記載の排出ガスセンサ。
【請求項９】
前記第２セルが、前記ポンプセルによる前記酸素濃度の調整用の第１測定室（１５０）内に設けられ、
前記第１セルが、前記第１測定室より下流側に前記第１測定室と連通して配置される、前記センサセルによる前記ガス成分濃度の検出用の第２測定室（１６０）に設けられる、
請求項１に記載の排出ガスセンサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の排出ガスセンサ（１００）の制御装置（１０）であって、
前記排出ガスセンサの動作中に、前記第１セルにより検出される酸素濃度と、前記第２セルにより検出される酸素濃度との両方に基づき前記ポンプセルによる前記排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行う、
排出ガスセンサの制御装置。
【請求項１１】
前記内燃機関が過渡運転中のとき、下流側の前記第１セルの出力に応じて上流側の前記第２セルの出力を補正し、前記第２セルにより検出される補正後の酸素濃度に基づき前記ポンプセルによる前記排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行う、
請求項１０に記載の排出ガスセンサの制御装置。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の排出ガスセンサの制御装置であって、
前記排出ガスセンサの動作中に、前記第１セルにより検出される酸素濃度、及び、前記第２セルにより検出される酸素濃度のいずれか一方に基づき前記ポンプセルによる前記排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行う、
排出ガスセンサの制御装置。
【請求項１３】
前記内燃機関に設けられる、前記排出ガスセンサとは別のセンサにより検出された前記排出ガスの酸素濃度に関する情報に応じて、前記第１セルにより検出される酸素濃度、及び、前記第２セルにより検出される酸素濃度から、前記ポンプセルによる前記調整制御に用いる酸素濃度を選択する、
請求項１２に記載の排出ガスセンサの制御装置。
【請求項１４】
前記第２セルにより検出された酸素濃度に応じて、前記第１セルにより検出される酸素濃度、及び、前記第２セルにより検出される酸素濃度から、前記ポンプセルによる前記調整制御に用いる酸素濃度を選択する、
請求項１２に記載の排出ガスセンサの制御装置。
【請求項１５】
前記情報が閾値より小さいとき、前記ポンプセルによる前記調整制御に用いる酸素濃度として、上流側の前記第２セルにより検出される酸素濃度を選択し、
前記情報が前記閾値以上のとき、下流側の前記第１セルにより検出される酸素濃度を選択する、
請求項１３または１４に記載の排出ガスセンサの制御装置。
【請求項１６】
前記情報から導出される空気過剰率が閾値より小さいとき、前記ポンプセルによる前記調整制御に用いる酸素濃度として、上流側の前記第２セルにより検出される酸素濃度を選択し、
前記空気過剰率が前記閾値以上のとき、下流側の前記第１セルにより検出される酸素濃度を選択する、
請求項１３または１４に記載の排出ガスセンサの制御装置。
【請求項１７】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の排出ガスセンサ（１００）と、
請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の制御装置（１０）と、
を備える排出ガスセンサシステム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排出ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する排出ガスセンサ、この排出ガスセンサに接続される制御装置、及び、これらの排出ガスセンサと制御装置とを備える排出ガスセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排出ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する排出ガスセンサとして、例えば特許文献１に記載されるように、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。
【０００３】
このＮＯｘセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質層の表面に一対の電極を形成してなるセルを１つないし複数備えたガスセンサ素子を有し、被測定ガス空間に連通する第１測定室内の酸素濃度（Ａ／Ｆ、空燃比ともいう）を酸素濃度検出セルによって測定し、第１測定室内が所定の酸素濃度になるように第１測定室内の酸素をポンプセルによって制御（汲み入れ、汲み出し）する。さらに、酸素濃度が制御された被測定ガスが第１測定室から第２測定室へ流入し、センサセルに一定電圧を印加することによって第２測定室内の被測定ガスに含まれるＮＯｘをＮ2とＯ2に分解し、この際、センサセルの一対の電極間に流れる第２ポンピング電流を測定することにより被測定ガス中のＮＯｘ濃度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−９８６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載される従来のＮＯｘセンサでは、所定の酸素濃度に制御された排出ガスをセンサセルへ供給してセンサセルの検出精度を向上できるよう、酸素濃度検出セルがセンサセルの直前に設けられている。つまり、酸素濃度検出セルにより検出される酸素濃度は、ポンプセルによる酸素濃度制御が施された後のものであり、第１測定室の酸素濃度としては検出精度に改善の余地がある。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサセルの検出精度を向上でき、かつ、酸素濃度検出セルの検出精度を向上できる排出ガスセンサ、排出ガスセンサの制御装置、及び、排出ガスセンサシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る排出ガスセンサ（１００）は、内燃機関の排出ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（１１０）と、前記ポンプセルを通過した後の前記排出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するセンサセル（１３０）と、前記ポンプセルにより調整された前記酸素濃度を検出する第１セル（１２０）と、前記第１セルより前記排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、前記酸素濃度を検出する第２セル（１８０）と、を備える。
【０００８】
同様に、上記課題を解決するために、本発明に係る排出ガスセンサの制御装置は、上記の排出ガスセンサ（１００）の制御装置（１０）であって、前記排出ガスセンサの動作中に、前記第１セルにより検出される酸素濃度と、前記第２セルにより検出される酸素濃度との両方、または、いずれか一方に基づき前記ポンプセルによる前記排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行う。
【０００９】
同様に、上記課題を解決するために、本発明に係る排出ガスセンサシステム（１）は、上記の排出ガスセンサ（１００）と、上記の制御装置（１０）と、を備える。
【００１０】
これらの構成により、本発明に係る排出ガスセンサは、第１セルを用いることで、ポンプセルにより調整された酸素濃度を検出することができるので、センサセルにより近い位置における排出ガスの酸素濃度を検出することができ、センサセルによる特定ガス成分の濃度の検出精度を向上できる。また、第２セルを用いることで、第１セルより排出ガスの流れ方向の上流側、すなわち排出ガスをセンサ内に導入する入口側により近い位置における排出ガスの酸素濃度を検出することもでき、センサ内に導入される排出ガスの現実の酸素濃度を精度良く検出することができる。したがって、本発明によれば、排出ガスセンサが酸素濃度検出用の２つのセル（第１セル、第２セル）を備えることによって、センサセルの検出精度を向上でき、かつ、酸素濃度検出セルの検出精度を向上できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、センサセルの検出精度を向上でき、かつ、酸素濃度検出セルの検出精度を向上できる排出ガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る排出ガスセンサシステムの一例としてのＮＯｘセンサシステムの概略構成を示す図である。
【図２】図２は、図１中のＮＯｘセンサの内部構成を拡大視した模式図である。
【図３】図３は、酸素濃度検出セル出力の補正処理を示すフローチャートである。
【図４】図４は、過渡運転時のＮＯｘセンサの酸素濃度検出セル及びセンサセルの出力と、補正処理後の各セルの出力とを示すタイムチャートである。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態に係るＮＯｘセンサの内部構成を拡大視した模式図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態に係るＮＯｘセンサの内部構成を拡大視した模式図である。
【図７】図７は、本発明の第４実施形態に係るＮＯｘセンサの内部構成を拡大視した模式図である。
【図８】図８は、本発明の第５実施形態に係るＮＯｘセンサの内部構成を拡大視した模式図である。
【図９】図９は、本発明の第６実施形態に係るＮＯｘセンサの内部構成を拡大視した模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の第７実施形態において実施される酸素濃度検出セルの切り替え処理を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の第７実施形態における酸素濃度検出セルの選択手法を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明の第８実施形態において実施される酸素濃度検出セルの切り替え処理を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、本発明の第８実施形態において実施される酸素濃度検出セルの切り替え処理の他の形態を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、本発明の第８実施形態における酸素濃度検出セルの選択手法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１４】
［第１実施形態］
図１〜４を参照して第１実施形態について説明する。第１実施形態では、内燃機関（エンジン）の排出ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する排出ガスセンサの一例として、排出ガス中のＮＯｘ濃度を計測するＮＯｘセンサを挙げて説明する。
【００１５】
図１に示されるように、ＮＯｘセンサシステム１（排出ガスセンサシステム）は、ＮＯｘセンサ制御装置（以下、「ＮＯｘ検出装置１０」ともいう）と、ＮＯｘセンサ１００と、を備えている。ＮＯｘセンサシステム１は、ＮＯｘ検出装置１０によってＮＯｘセンサ１００の動作を制御することで、ＮＯｘセンサ１００のセンサ出力に基づき排出ガス中のＮＯｘ濃度及び酸素濃度の計測を行う。つまり、ＮＯｘ検出装置１０が、本実施形態における排出ガスセンサ（ＮＯｘセンサ）の制御装置に相当する。また、ＮＯｘセンサシステム１は、ＮＯｘ検出装置１０によってＮＯｘセンサ１００のセンサ出力の補正を行う。
【００１６】
ＮＯｘ検出装置１０は、図示しないエンジン（内燃機関）を備える車両に搭載され、コネクタ等を介してＮＯｘセンサ１００に電気的に接続されている。
【００１７】
また、ＮＯｘ検出装置１０は、図示しない車両側の制御装置（ＥＣＵ）に電気的に接続されている。ＥＣＵは、ＮＯｘ検出装置１０で補正された排出ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ濃度のデータを受信し、それに基づいてエンジンの運転状態の制御や触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化などの処理を実行する。
【００１８】
ＮＯｘ検出装置１０は、回路基板上にマイクロコンピュータ５１と制御回路５２とを備えている。マイクロコンピュータ５１はＮＯｘ検出装置１０の全体を制御する。また、特に本実施形態では、マイクロコンピュータ５１は、制御回路５２により計測されたＮＯｘセンサ１００のセンサ出力の出力補正を行う。出力補正の詳細については図３，４を参照して後述する。
【００１９】
マイクロコンピュータ５１は、物理的には、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、信号入出力部、Ａ／Ｄコンバータ、およびクロック等を備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行されることで後述する種々の機能を発揮することができる。
【００２０】
制御回路５２は、ＮＯｘセンサ１００を制御すると共に、ＮＯｘセンサ１００に流れる第１ポンピング電流Ｉｐ１、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１電極間電圧Ｖｓ１、第２電極間電圧Ｖｓ２を検出してマイクロコンピュータ５１に出力する。
【００２１】
次に、ＮＯｘセンサ１００の構成について説明する。ＮＯｘセンサ１００は、ＮＯｘセンサ素子１０１、ＮＯｘセンサ素子１０１を収容するハウジング、ＮＯｘセンサ素子１０１とＮＯｘ検出装置１０とを接続するためのコネクタ、およびＮＯｘセンサ素子１０１と接続されるリード線を含むものであるが、センサ自体の構成は公知である。そのため、以下では、ＮＯｘセンサ１００のうち図１に示すＮＯｘセンサ素子１０１の断面図を参照して説明する。
【００２２】
ＮＯｘセンサ素子１０１は、第１固体電解質層１１１、絶縁層１４０、第２固体電解質層１２１、絶縁層１４５、第３固体電解質層１３１、および絶縁層１６２，１６３をこの順に積層した構造を有する。第１固体電解質層１１１と第２固体電解質層１２１との層間に第１測定室１５０が画成され、第１測定室１５０の入口（図１の左端）に配置された第１拡散抵抗体１５１を介して外部から被測定ガスＧＭが導入される。
【００２３】
第１測定室１５０のうち入口と反対端には第２拡散抵抗体１５２が配置され、第２拡散抵抗体１５２を介して第１測定室１５０の右側には、第１測定室１５０と連通する第２測定室１６０が画成されている。第２測定室１６０は、第２固体電解質層１２１を貫通して第１固体電解質層１１１と第３固体電解質層１３１との層間に形成されている。
【００２４】
絶縁層１６２，１６３の間にはＮＯｘセンサ素子１０１の長手方向に沿って延びる長尺板状のヒータ１６４が埋設されている。ヒータ１６４はガスセンサを活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて、ガスセンサの動作を安定化させるために用いられる。
【００２５】
絶縁層１４０，１４５はアルミナを主体とし、第１拡散抵抗体１５１および第２拡散抵抗体１５２はアルミナ等の多孔質物質からなる。また、ヒータ１６４は白金等からなる。
【００２６】
第１ポンピングセル１１０（ポンプセル）は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質層１１１と、これを挟持するように配置された内側第１ポンピング電極１１３および対極となる外側第１ポンピング電極１１２とを備え、内側第１ポンピング電極１１３は第１測定室１５０に面している。内側第１ポンピング電極１１３および外側第１ポンピング電極１１２はいずれも白金を主体とし、各電極の表面は多孔質体からなる保護層１１４でそれぞれ覆われている。
【００２７】
第１酸素濃度検出セル１２０（第１セル）は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質層１２１と、これを挟持するように配置された検知電極１２２および基準電極１２３とを備える。検知電極１２２は、内側第１ポンピング電極１１３より下流側で第１測定室１５０に面している。検知電極１２２および基準電極１２３は、いずれも白金を主体としている。
【００２８】
なお、絶縁層１４５は、第２固体電解質層１２１に接する基準電極１２３が内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１７０を形成している。そして、第１酸素濃度検出セル１２０に制御回路５２を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０内に送り込み、酸素基準とする。
【００２９】
第２酸素濃度検出セル１８０（第２セル）は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質層１２１と、これを挟持するように配置された検知電極１８２および基準電極１８３とを備える。検知電極１８２は、内側第１ポンピング電極１１３より上流側で第１測定室１５０に面している。検知電極１８２および基準電極１８３は、いずれも白金を主体としている。
【００３０】
なお、絶縁層１４５は、第２固体電解質層１２１に接する基準電極１８３が内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１９０を形成している。そして、第２酸素濃度検出セル１８０に制御回路５２を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１９０内に送り込み、酸素基準とする。
【００３１】
図１及び図２に示されるように、第２酸素濃度検出セル１８０は、第１測定室１５０内において、第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられている。また、第１酸素濃度検出セル１２０は、が、排出ガスの流れ方向に沿った上流側端部の位置が第１ポンピングセル１１０の下流側端部の位置より下流側になるよう設けられる。第２酸素濃度検出セル１８０は、排出ガスの流れ方向に沿った下流側端部の位置が第１ポンピングセル１１０の上流側端部の位置より上流側になるよう設けられる。
【００３２】
第２ポンピングセル１３０（センサセル）は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質層１３１と、第３固体電解質層１３１のうち第２測定室１６０に面した表面に配置された内側第２ポンピング電極１３３および対極となる第２ポンピング対電極１３２とを備えている。内側第２ポンピング電極１３３および第２ポンピング対電極１３２はいずれも白金を主体としている。
【００３３】
なお、第２ポンピング対電極１３２は、第３固体電解質層１３１上における絶縁層１４５の切り抜き部に配置され、第１酸素濃度検出セル１２０の基準電極１２３に対向して基準酸素室１７０に面している。また、第２ポンピングセル１３０は、対電極１８１も備える。対電極１８１は、第３固体電解質層１３１上における絶縁層１４５の切り抜き部に配置され、第２酸素濃度検出セル１８０の基準電極１８３に対向して基準酸素室１９０に面している。
【００３４】
そして、内側第１ポンピング電極１１３、検知電極１２２，１８２、内側第２ポンピング電極１３３はそれぞれ基準電位に接続されている。外側第１ポンピング電極１１２、基準電極１２３，１８３、第２ポンピング対電極１３２、対電極１８１は、制御回路５２に接続されている。ヒータ１６４は、制御回路５２に接続されている。
【００３５】
制御回路５２は、以下のような機能を有する。
【００３６】
制御回路５２は、内側第１ポンピング電極１１３および外側第１ポンピング電極１１２の間に第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給しつつ、その際の第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出する。このとき、内側第１ポンピング電極１１３および外側第１ポンピング電極１１２の間に電圧Ｖｐ１が生じる。
【００３７】
制御回路５２は、第１酸素濃度検出セル１２０の検知電極１２２および基準電極１２３の間の第１電極間電圧Ｖｓ１を検出する。
【００３８】
制御回路５２は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）と上記の第１電極間電圧Ｖｓ１とを比較する。そして、第１電極間電圧Ｖｓ１が上記基準電圧に等しくなるようにＩｐ１電流を制御し、ＮＯｘが分解しない程度に、第１測定室１５０内の酸素濃度を調整する。
【００３９】
制御回路５２は、第１酸素濃度検出セル１２０の検知電極１２２および基準電極１２３の間に微弱な第１電流Ｉｃｐ１を流し、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０の内部に送り込み、基準電極１２３を基準となる所定の酸素濃度に晒させる。
【００４０】
制御回路５２は、第２酸素濃度検出セル１８０の検知電極１８２および基準電極１８３の間の第２電極間電圧Ｖｓ２を検出する。
【００４１】
制御回路５２は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）と上記の第２電極間電圧Ｖｓ２とを比較する。そして、第２電極間電圧Ｖｓ２が上記基準電圧に等しくなるようにＩｐ１電流を制御し、ＮＯｘが分解しない程度に、第１測定室１５０内の酸素濃度を調整する。
【００４２】
制御回路５２は、第２酸素濃度検出セル１８０の検知電極１８２および基準電極１８３の間に微弱な第２電流Ｉｃｐ２を流し、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１９０の内部に送り込み、基準電極１８３を基準となる所定の酸素濃度に晒させる。
【００４３】
制御回路５２は、内側第２ポンピング電極１３３と、第２ポンピング対電極１３２または対電極１８１との間に、被測定ガスＧＭ中のＮＯｘガスが酸素（Ｏ2）と窒素（Ｎ2）に分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解する。
【００４４】
制御回路５２は、ＮＯｘの分解により生じた酸素が第２測定室１６０から汲み出されるように第２ポンピングセル１３０に流れる第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出する。
【００４５】
制御回路５２は、検出した第１ポンピング電流Ｉｐ１、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１電極間電圧Ｖｓ１、第２電極間電圧Ｖｓ２の値をマイクロコンピュータ５１に出力する。
【００４６】
次に、制御回路５２を用いたＮＯｘセンサ１００の制御の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、制御回路５２を介してヒータ電圧Ｖｈが印加されたヒータ１６４が作動し、第１ポンピングセル１１０、第１酸素濃度検出セル１２０、第２酸素濃度検出セル１８０、第２ポンピングセル１３０を活性化温度まで加熱する。
【００４７】
また、制御回路５２は、第１酸素濃度検出セル１２０の検知電極１２２および基準電極１２３の間に微弱な電流Ｉｃｐ１を流し、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０内に送り込み、酸素基準とする。または、制御回路５２は、第２酸素濃度検出セル１８０の検知電極１８２および基準電極１８３の間に微弱な電流Ｉｃｐ２を流し、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１９０内に送り込み、酸素基準とする。
【００４８】
そして、各セル１１０，１２０，１８０，１３０が活性化温度まで加熱されると、第１ポンピングセル１１０は、第１測定室１５０に流入した被測定ガス（排出ガス）ＧＭ中の酸素を内側第１ポンピング電極１１３から外側第１ポンピング電極１１２へ向かって汲み出す。
【００４９】
このとき、第１測定室１５０の内部の酸素濃度は、第１酸素濃度検出セル１２０の第１電極間電圧Ｖｓ１（端子間電圧Ｖｓ１）、または、第２酸素濃度検出セル１８０の第２電極間電圧Ｖｓ２（端子間電圧Ｖｓ２）に対応したものとなるため、第１電極間電圧Ｖｓ１または第２電極間電圧Ｖｓ２が上記基準電圧になるように、制御回路５２が第１ポンピングセル１１０に流れる第１ポンピング電流Ｉｐ１を制御し、第１測定室１５０内の酸素濃度をＮＯｘができる限り分解しないように調整する。なお、第１ポンピング電流Ｉｐ１の制御のために用いる電圧値としては、第１電極間電圧Ｖｓ１または第２電極間電圧Ｖｓ２のいずれか一方を適宜選択して用いることもできるし、例えば両者の平均値を算出するなど両者を用いることもできる。図３，４を参照して後述するように、第１実施形態では、上流側の第２酸素濃度検出セル１８０の第２電極間電圧Ｖｓ２が基準電圧となるように第１ポンピング電流Ｉｐ１を制御する。
【００５０】
酸素濃度が調整された被測定ガスＧＭは第２測定室１６０に向かってさらに流れる。そして、制御回路５２は、第２ポンピングセル１３０の電極間電圧（端子間電圧）として、被測定ガスＧＭ中のＮＯｘガスが酸素とＮ2ガスに分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（酸素濃度検出セル１２０の制御電圧の値より高い電圧、例えば４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解する。そして、ＮＯｘの分解により生じた酸素が第２測定室１６０から汲み出されるよう、第２ポンピングセル１３０に第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。この際、第２ポンピング電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度の間には直線関係がある。したがって、制御回路５２が第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出することにより、マイクロコンピュータ５１は、この検出された第２ポンピング電流Ｉｐ２に基づき被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００５１】
以上のように、本実施形態では、第１ポンピングセル１１０が「内燃機関の排出ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル」に相当し、第２ポンピングセル１３０が「第１ポンピングセル１１０を通過した後の排出ガスから特定のガス成分の濃度としてのＮＯｘ濃度を検出するセンサセル」に相当する。第１酸素濃度検出セル１２０が「第１ポンピングセル１１０により調整された酸素濃度を検出する第１セル」に相当し、第２酸素濃度検出セル１８０が「第１酸素濃度検出セル１２０より上流側に設けられ、酸素濃度を検出する第２セル」に相当する。第１測定室１５０が「第１ポンピングセル１１０による酸素濃度の調整用の測定室」に相当する。
【００５２】
第１実施形態に係るＮＯｘセンサ１００の効果について説明する。特許文献１に記載されるような従来の３セルタイプのＮＯｘセンサは、それぞれ単一のポンプセル、酸素濃度検出セル、センサセルを備える。この構成では、所定の酸素濃度に制御された排出ガスをセンサセルへ供給してセンサセルの検出精度を向上できるよう、酸素濃度検出セルがセンサセルの直前に設けられている。つまり、酸素濃度検出セルにより検出される酸素濃度は、ポンプセルによる酸素濃度制御が施された後のものであり、第１測定室の酸素濃度としては検出精度に改善の余地がある。また、排出ガスを第１測定室に導入する入口から酸素濃度検出セルまでの距離が長いため、第１測定室に導入される排出ガスの現実の酸素濃度と、酸素濃度検出セルにより検出される酸素濃度との間にタイムラグがあって酸素濃度の変動に対する即応性が悪く、ポンプセルによる酸素濃度制御の応答性にも改善の余地がある。
【００５３】
このような問題の解決策として、酸素濃度検出セルをポンプセルより上流側に設けることが考えられる。これにより、ポンプセルによる酸素濃度制御が施される前の排出ガスの酸素濃度を検出でき、また、酸素濃度の変動に対する即応性も向上できる。しかし、この構成の場合、今度は酸素濃度検出セルとセンサセルとの間の距離が長くなってしまい、酸素濃度検出セルにより検出される酸素濃度と、センサセルに導入される直前の排出ガスの酸素濃度とに差異が生じる。つまり、排出ガスを所定の酸素濃度に制御してセンサセルへ供給するのが難しくなり、センサセルによるＮＯｘ濃度の検出精度が低下する虞がある。
【００５４】
これに対して、第１実施形態に係るＮＯｘセンサ１００は、エンジンの排出ガス中の酸素濃度を調整するポンプセルとしての第１ポンピングセル１１０と、この第１ポンピングセル１１０を通過した後の排出ガスからＮＯｘ濃度を検出するセンサセルとしての第２ポンピングセル１３０と、第１ポンピングセル１１０により調整された酸素濃度を検出する第１酸素濃度検出セル１２０と、この第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、酸素濃度を検出する第２酸素濃度検出セル１８０と、を備える。
【００５５】
この構成により、第１酸素濃度検出セル１２０を用いることで、第１ポンピングセル１１０により調整された酸素濃度を検出することができるので、第２測定室１６０の第２ポンピングセル１３０により近い位置における排出ガスの酸素濃度を検出することができ、第２ポンピングセル１３０によるＮＯｘ濃度の検出精度を向上できる。また、第２酸素濃度検出セル１８０を用いることで、第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側、すなわち排出ガスを第１測定室１５０内に導入する入口側（第１拡散抵抗体１５１）により近い位置における排出ガスの酸素濃度を検出することもでき、第１測定室１５０に導入される排出ガスの現実の酸素濃度を精度良く検出することができる。したがって、第１実施形態に係るＮＯｘセンサ１００は、２つの酸素濃度検出セル（第１酸素濃度検出セル１２０、第２酸素濃度検出セル１８０）を備えることによって、センサセル（第２ポンピングセル１３０）の検出精度を向上でき、かつ、酸素濃度検出セルの検出精度を向上できる。酸素濃度検出セルの検出精度が向上することにより、第１測定室１５０内の酸素濃度の変動に対する即応性も向上でき、ポンプセル（第１ポンピングセル１１０）による酸素濃度制御の応答性が向上する。
【００５６】
また、第１実施形態に係るＮＯｘセンサ１００において、第１酸素濃度検出セル１２０及び第２酸素濃度検出セル１８０は共に、第１ポンピングセル１１０による酸素濃度の調整用の第１測定室１５０内に設けられる。
【００５７】
この構成により、第１酸素濃度検出セル１２０と第２酸素濃度検出セル１８０との相対的な位置関係（第２酸素濃度検出セル１８０が第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられること）に基づき、第２酸素濃度検出セル１８０を入口側（第１拡散抵抗体１５１）により近い位置に配置できるので、第２酸素濃度検出セル１８０により検出される酸素濃度を、第１測定室１５０の排出ガスの現実の酸素濃度とより近いものにできる。
【００５８】
また、第１実施形態に係るＮＯｘセンサ１００において、第１酸素濃度検出セル１２０は、排出ガスの流れ方向に沿った上流側端部の位置が第１ポンピングセル１１０の下流側端部の位置より下流側になるよう設けられ、また、第２酸素濃度検出セル１８０は、流れ方向に沿った下流側端部の位置が第１ポンピングセル１１０の上流側端部の位置より上流側になるよう設けられる。
【００５９】
図１及び図２に示すように、第１ポンピングセル１１０は第１測定室１５０において排出ガスの流れ方向に沿った略中央部に配置される。したがって、上記構成により、第２酸素濃度検出セル１８０の設置位置を、第１拡散抵抗体１５１直後から第１ポンピングセル１１０の上流側端部までの領域に限定でき、流れ方向において第２酸素濃度検出セル１８０が第１ポンピングセル１１０と重畳しない位置とすることができる。これにより、第２酸素濃度検出セル１８０により検出される酸素濃度は、第１ポンピングセル１１０によって排出ガスから引かれる酸素の影響を受けず、第１ポンピングセル１１０により酸素濃度を調整される前のものとなるので、第１測定室１５０の排出ガスの現実の酸素濃度とより一層近いものにできる。また、第１酸素濃度検出セル１２０の設置位置を、第１ポンピングセル１１０の下流側端部から第２拡散抵抗体１５２手前までの領域に限定でき、流れ方向において第１酸素濃度検出セル１２０が第１ポンピングセル１１０と重畳しない位置とすることができる。これにより、第１酸素濃度検出セル１２０により検出される酸素濃度は、第１ポンピングセル１１０によって排出ガスから引かれる酸素の影響を受けず、第２測定室１６０の第２ポンピングセル１３０に導入される排出ガスの酸素濃度により近いものにできる。
【００６０】
このように、第１実施形態に係るＮＯｘセンサ１００は、第１測定室１５０内の第１ポンピングセル１１０（ポンプセル）の上流側と下流側とにそれぞれ酸素濃度検出セル１８０，１２０を設けている。ＮＯｘ検出装置１０は、これらの２つの酸素濃度検出セル１８０，１２０を車両の運転状況などの各種条件に応じて使い分けたり、両者を併用することなどによって、酸素濃度の検出精度を向上させ、結果的にＮＯｘ濃度の検出精度を向上できる。ここでは、図３，４を参照して、ＮＯｘ検出装置１０により実施される、このような２つの酸素濃度セル１８０，１２０の出力を利用したＮＯｘセンサ１００の制御方法の一例を説明する。なお、以下の説明では、２つの酸素濃度検出セル１８０，１２０のうち、上流側に設置される第２酸素濃度検出セル１８０を「上流側セル１８０」とも表記し、下流側に設置される第１酸素濃度検出セル１２０を「下流側セル１２０」とも表記する。また、第１ポンピングセル１１０及び第２ポンピングセル１３０を、それぞれ「ポンプセル１１０」及び「センサセル１３０」とも表記する。
【００６１】
図４に過渡時におけるＮＯｘセンサ１００の各セルの出力の一例を示す。図４中の（ａ）は上流側セル１８０の出力（第２電極間電圧Ｖｓ２）、（ｂ）は下流側セル１２０の出力（第１電極間電圧Ｖｓ１）、（ｃ）はセンサセル１３０の出力（第２ポンピング電流Ｉｐ２）の時間推移を示す。図４（ａ）〜（ｃ）において過渡運転時の各セルの出力であり、図３に示す補正制御前の出力を実線で示し、補正制御後の各セルの出力を点線で示す。図４の（ａ），（ｂ）に実線で示すように、過渡運転時には、排出ガスの空燃比の変動が大きくなり、これに応じて上流側セル１８０及び下流側セル１２０の出力の変動も大きくなる傾向がある。このような上流側セル１８０または下流側セル１２０の出力を用いてポンプセル１１０による第１測定室１５０内の酸素濃度の調整制御を行っても、第１測定室１５０内の酸素濃度を安定化させることができず、この結果、図４の（ｃ）に実線で示すようにセンサセル１３０の出力も不安定となって大きく変動する。
【００６２】
過渡時にセンサセル１３０によるＮＯｘ濃度の検出精度が悪化する大きな要因は、ポンプセル１１０の駆動状態が変動することにより、センサセル１３０に流入する排出ガスの酸素濃度が大きく変動することにあると考えられる。そこで、本実施形態では、センサセル１３０に流入する酸素濃度変動を下流側セル１２０で検知して、この検知結果に基づいて上流側セル１８０の出力を補正することで、ポンプセル１１０の駆動の暴れを抑制し、センサセル１３０に流入する酸素濃度変動を低減させる。
【００６３】
図３にこのような補正制御の一例を示す。図３に示すフローチャートの一連の処理は、ＮＯｘ検出装置１０のマイクロコンピュータ５１によって、例えば所定周期ごとに実施される。
【００６４】
図３の補正制御では、上流側セル１８０の出力を用いてポンプセル１１０の酸素濃度の調整の制御を行い、かつ、下流側セル１２０の変動幅に基づいて上流側セル１１０の出力を補正する。これにより、図４（ａ）に点線で示すように、ポンプセル１１０の制御に用いる上流側セル１８０の酸素濃度の振動を抑制し、この結果、図４（ｂ）に点線で示すように第２測定室１６０に導入する排出ガスの酸素濃度を安定化させ、図４（ｃ）に点線で示すように、センサセル１３０により検出されるＮＯｘ濃度も安定化させる。
【００６５】
ステップＳ１０１では、エンジンが過渡運転中か否かが判定される。ＮＯｘ検出装置１０は、例えば上流側セル１８０の出力の変動幅が所定量以上のときや、エンジンの各種運転状態に関する情報に基づいて過渡運転中であることを判定することができる。また、ＮＯｘ検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１００と同様にエンジンの排気系に設けられ、排出ガスの酸素濃度に対応する情報を検出できる他のセンサから取得した情報に基づいて過渡運転中であることを判定してもよい。ステップＳ１０１の判定の結果、過渡運転中の場合（ステップＳ１０１のＹｅｓ）にはステップＳ１０２に進み、そうでない場合（ステップＳ１０１のＮｏ）にはステップＳ１０６に進む。
【００６６】
ステップＳ１０２では、上流側セル１８０及び下流側セル１２０から出力が検出される。具体的には、ＮＯｘ検出装置１０は、上記の第１酸素濃度検出セル１２０の第１電極間電圧Ｖｓ１と、第２酸素濃度検出セル１８０の第２電極間電圧Ｖｓ２とを各セルから取得する。ステップＳ１０２の処理が完了するとステップＳ１０３に進む。
【００６７】
ステップＳ１０３では、下流側セル１２０の出力の変動幅に基づき補正量が決定される。ここで出力の変動幅とは、例えば図４の（ｂ）に示すように、下流側セル１２０の出力の所定期間内の上限値と下限値との差分を用いることができる。また、補正量は、例えば、変動幅の大小に応じてその大小を決定することができる。ステップＳ１０３の処理が完了するとステップＳ１０４に進む。
【００６８】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３にて決定された補正量を用いて上流側セル１８０の出力が補正される。例えば、第２電極間電圧Ｖｓ２の振動が激しく、変動幅が大きい場合には、この変動幅を減らすように補正量を１以下の数値に設定し、第２電極間電圧Ｖｓ２にこの補正量を乗ずることによって、出力の変動幅を相対的に低減させることができる。ステップＳ１０４の処理が完了するとステップＳ１０５に進む。
【００６９】
ステップＳ１０５では、補正後の上流側セル１８０の出力を用いてポンプセル１１０による酸素濃度の調整制御が実施される。ステップＳ１０５の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【００７０】
ステップＳ１０６では、ステップＳ１０１にて過渡運転中ではなく通常運転中と判定されたので、図４に示すような酸素濃度セル１８０，１２０の出力の変動は発生しにくいと判断し、補正処理は行われず、上流側セル１８０の出力をそのまま使ってポンプセル１１０による酸素濃度の調整制御が実施される。ステップＳ１０６の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【００７１】
このように、第１実施形態に係るＮＯｘ検出装置１０は、上記のＮＯｘセンサ１００の動作中に、下流側セル１２０により検出される酸素濃度と、上流側セル１８０により検出される酸素濃度との両方に基づきポンプセル１１０による排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行う。
【００７２】
この構成により、上流側セル１８０により高精度に検出される第１測定室１５０内の排出ガスの酸素濃度の情報と、下流側セル１２０により高精度に検出されるセンサセル１３０直前の酸素濃度の情報と、の両方を用いてポンプセル１１０を制御できるので、ポンプセル１１０による排出ガス中の酸素濃度の調整をより一層適切に行うことができる。また、ＮＯｘ検出装置１０は、上記のＮＯｘセンサ１００の動作中に上流側セル１８０及び下流側セル１２０の出力を常時検出し、両者の出力を監視するので、ＮＯｘセンサ１００の動作状態を詳細に監視することができ、ＮＯｘセンサ１００による各種制御を高精度に行うことが可能となる。
【００７３】
また、第１実施形態に係るＮＯｘ検出装置１０は、車両が過渡運転中のとき、下流側セル１２０の出力に応じて、上流側セル１８０の出力を補正し、上流側セル１８０により検出される補正後の酸素濃度に基づきポンプセル１１０による排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行う。
【００７４】
この構成により、センサセル１３０に流入する酸素濃度変動を下流側セル１２０で検知して、この検知結果に基づいて上流側セル１８０の出力を補正することで、ポンプセル１１０の駆動の暴れを抑制し、センサセル１３０に流入する酸素濃度変動を低減できるので、過渡運転時においてもＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出を精度良く行うことができる。
【００７５】
なお、第１実施形態では、下流側セル１２０により検出される酸素濃度と、上流側セル１８０により検出される酸素濃度との両方に基づきポンプセル１１０による排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行う構成の一例として、下流側セル１２０の出力に応じて上流側セル１８０の出力を補正する構成を例示したが、他の構成を適用することも可能である。例えば、上流側セル１８０の出力と下流側セル１２０の出力との平均値を算出してこの平均値を用いてポンプセル１１０の制御を行う構成や、上流側セル１８０の出力と下流側セル１２０の出力とを入力情報とする所定の関数により制御量を算出し、この制御量を用いてポンプセル１１０の制御を行う構成としてもよい。
【００７６】
［第２実施形態］
図５を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第２酸素濃度検出セル１８０の流れ方向の位置が第１実施形態と異なる。図５に示すように、第２酸素濃度検出セル１８０は、排出ガスの流れ方向において第１ポンピングセル１１０の上流側端部と重畳する位置に設けられる。
【００７７】
言い換えると、第２酸素濃度検出セル１８０は、排出ガスの流れ方向に沿った下流側端部から少なくとも一部分が、第１ポンピングセル１１０の上流側端部の位置より下流側へ入り込んでいる。さらに言い換えると、第２酸素濃度検出セル１８０は、その下流側端部が第１ポンピングセル１１０の上流側端部と同一となる位置から、図５に示すように、その上流側端部が第１ポンピングセル１１０の上流側端部と同一となる位置までの間の領域に配置される。
【００７８】
第２実施形態においても、２つの酸素濃度検出セル（第１酸素濃度検出セル１２０、第２酸素濃度検出セル１８０）を備え、第２酸素濃度検出セル１８０が、第１測定室１５０内において第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、第１実施形態と同様の構成であるので、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、第２実施形態の構成においても、第１実施形態のＮＯｘ検出装置１０による制御を同様に実施できる。
【００７９】
［第３実施形態］
図６を参照して第３実施形態について説明する。第３実施形態は、第１酸素濃度検出セル１２０の流れ方向の位置が第１実施形態と異なる。図６に示すように、第１酸素濃度検出セル１２０は、排出ガスの流れ方向において第１ポンピングセル１１０の下流側端部と重畳する位置に設けられる。
【００８０】
言い換えると、第１酸素濃度検出セル１２０は、図６に示すように、排出ガスの流れ方向に沿った上流側端部から少なくとも一部分が、第１ポンピングセル１１０の下流側端部の位置より上流側へ入り込んでいる。さらに言い換えると、第１酸素濃度検出セル１２０は、その上流側端部が第１ポンピングセル１１０の下流側端部と同一となる位置から、その下流側端部が第１ポンピングセル１１０の下流側端部と同一となる位置までの間の領域に配置される。
【００８１】
第３実施形態においても、２つの酸素濃度検出セル（第１酸素濃度検出セル１２０、第２酸素濃度検出セル１８０）を備え、第２酸素濃度検出セル１８０が、第１測定室１５０内において第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、第１実施形態と同様の構成であるので、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、第３実施形態の構成においても、第１実施形態のＮＯｘ検出装置１０による制御を同様に実施できる。
【００８２】
［第４実施形態］
図７を参照して第４実施形態について説明する。第４実施形態は、第１酸素濃度検出セル１２０及び第２酸素濃度検出セル１８０の流れ方向の位置が共に第１実施形態と異なる。図７に示すように、第１酸素濃度検出セル１２０は、排出ガスの流れ方向において第１ポンピングセル１１０の下流側端部と重畳する位置に設けられ、また、第２酸素濃度検出セル１８０は、排出ガスの流れ方向において第１ポンピングセル１１０の上流側端部と重畳する位置に設けられる。
【００８３】
言い換えると、第１酸素濃度検出セル１２０は、排出ガスの流れ方向に沿った上流側端部から少なくとも一部分が、第１ポンピングセル１１０の下流側端部の位置より上流側へ入り込んでおり、第２酸素濃度検出セル１８０は、排出ガスの流れ方向に沿った下流側端部から少なくとも一部分が、第１ポンピングセル１１０の上流側端部の位置より下流側へ入り込んでいる。
【００８４】
第４実施形態においても、２つの酸素濃度検出セル（第１酸素濃度検出セル１２０、第２酸素濃度検出セル１８０）を備え、第２酸素濃度検出セル１８０が、第１測定室１５０内において第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、第１実施形態と同様の構成であるので、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、第４実施形態の構成においても、第１実施形態のＮＯｘ検出装置１０による制御を同様に実施できる。
【００８５】
［第５実施形態］
図８を参照して第５実施形態について説明する。第５実施形態は、第１酸素濃度検出セル１２０及び第２酸素濃度検出セル１８０の流れ方向の位置が共に第１実施形態と異なる。図８に示すように、第１酸素濃度検出セル１２０は、排出ガスの流れ方向に沿った下流側端部の位置が第１ポンピングセル１１０の上流側端部の位置より上流側になるよう設けられ、第２酸素濃度検出セル１８０は、前記流れ方向に沿った上流側端部の位置が第１ポンピングセル１１０の下流側端部の位置より下流側になるよう設けられる。
【００８６】
言い換えると、第１酸素濃度検出セル１２０及び第２酸素濃度検出セル１８０が共に、排出ガスの流れ方向に沿って第１ポンピングセル１１０と完全に重畳している。さらに言い換えると、第１酸素濃度検出セル１２０は、排出ガスの流れ方向に沿ってその全体が第１ポンピングセル１１０の下流側端部の位置より上流側へ入り込んでおり、第２酸素濃度検出セル１８０は、排出ガスの流れ方向に沿ってその全体が第１ポンピングセル１１０の上流側端部の位置より下流側へ入り込んでいる。
【００８７】
第５実施形態においても、２つの酸素濃度検出セル（第１酸素濃度検出セル１２０、第２酸素濃度検出セル１８０）を備え、第２酸素濃度検出セル１８０が、第１測定室１５０内において第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、第１実施形態と同様の構成であるので、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、第５実施形態の構成においても、第１実施形態のＮＯｘ検出装置１０による制御を同様に実施できる。
【００８８】
［第６実施形態］
図９を参照して第６実施形態について説明する。第６実施形態は、第１酸素濃度検出セル１２０の流れ方向の位置が第１実施形態と異なる。図９に示すように、第１酸素濃度検出セル１２０は、上記実施形態とは異なり第１測定室１５０ではなく、第１測定室１５０より下流側にこの第１測定室１５０と連通して配置される第２測定室１６０に設けられている。第２測定室１６０は、第２ポンピングセル１３０（センサセル１３０）によるＮＯｘ濃度の検出用の測定室である。
【００８９】
第６実施形態においても、２つの酸素濃度検出セル（第１酸素濃度検出セル１２０、第２酸素濃度検出セル１８０）を備え、第２酸素濃度検出セル１８０が、第１測定室１５０内において第１酸素濃度検出セル１２０より排出ガスの流れ方向の上流側に設けられ、第１実施形態と同様の構成であるので、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、第６実施形態の構成においても、第１実施形態のＮＯｘ検出装置１０による制御を同様に実施できる。
【００９０】
さらに、第６実施形態では、第１酸素濃度検出セル１２０が、センサセル１３０と同じ第２測定室１６０内に設置され、第２ポンピングセル１３０により近い位置における排出ガスの酸素濃度を検出することができるので、第２ポンピングセル１３０によるＮＯｘ濃度の検出精度をさらに向上できる。
【００９１】
［第７実施形態］
図１０及び図１１を参照して第７実施形態について説明する。第７実施形態は、ＮＯｘ検出装置１０により実施される、２つの酸素濃度セル１８０，１２０の出力を利用したＮＯｘセンサ１００の制御方法が第１実施形態と異なる。
【００９２】
第７実施形態では、ＮＯｘ検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１００の動作中に、第１酸素濃度検出セル１２０（下流側セル１２０）により検出される酸素濃度、及び、第２酸素濃度検出セル１８０（上流側セル１８０）により検出される酸素濃度のいずれか一方に基づき、ポンプセル１１０による排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行う。言い換えると、ＮＯｘ検出装置１０は、エンジンの運転状態等に応じて、ポンプセル１１０の制御に用いる酸素濃度の情報を、上流側セル１８０から取得するか、または、下流側セル１２０から取得するかを切り替える。
【００９３】
図１１を参照して運転状態に応じたこの切替制御について説明する。ここでは、切替の判断基準となる運転状態の一例として過渡運転時と定常運転時での切り替えを挙げる。図１１の横軸は時間、縦軸は排出ガスのＡ／Ｆ値（空燃比または酸素濃度）を示す。図１１に示すように、定常運転時にはＡ／Ｆ値は変動が少なく安定して推移するのに対して、過渡運転時にはＡ／Ｆ値は相対的に大きく変動する傾向がある。上流側セル１８０または下流側セル１２０のどちらの出力をポンプセル１１０の制御に優先的に用いるべきかはＡ／Ｆ値に応じて変化する。以下図１０のフローチャートに沿って説明する。図１０に示すフローチャートの一連の処理は、ＮＯｘ検出装置１０のマイクロコンピュータ５１によって、例えば所定周期ごとに実施される。
【００９４】
ステップＳ２０１では、エンジンが過渡運転中か否かが判定される。ＮＯｘ検出装置１０は、例えば上流側セル１８０により検出される酸素濃度の情報に基づき過渡運転中か否かを判定でき、例えば、上流側セル１８０の出力の変動幅が所定量以上のとき過渡運転中であることを判定することができる。また、ＮＯｘ検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１００と同様にエンジンの排気系に設けられ、排出ガスの酸素濃度に対応する情報を検出できる他のセンサから取得した情報に基づいて過渡運転中であることを判定してもよく、この場合、例えばセンサ出力の変動幅が所定量以上のとき過渡運転中であることを判定することができる。また、ＮＯｘ検出装置１０は、エンジンの各種運転状態に関する情報に基づいて過渡運転中であることを判定してもよい。ステップＳ２０１の判定の結果、過渡運転中の場合（ステップＳ２０１のＹｅｓ）にはステップＳ２０２に進み、そうでない場合（ステップＳ２０１のＮｏ）にはステップＳ２０３に進む。
【００９５】
ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１にて過渡運転中と判定されたので、上流側セル１８０の出力でポンプセル制御が行われる。図１１に示すように、過渡運転時には、Ａ／Ｆの変動が大きく、ＮＯｘセンサ１００に導入される排出ガスの酸素濃度も大きく変動するので、ポンプセル１１０による酸素濃度の調整制御に対する即応性の要求が高くなる。そこでこの場合、ＮＯｘ濃度の検出精度より酸素濃度の検出精度を優先させるべく、上流側セル１８０が選択される。ステップＳ２０２の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【００９６】
ステップＳ２０３では、ステップＳ２０１にて定常運転中と判定されたので、下流側セル１２０の出力でポンプセル制御が行われる。図１１に示すように、定常運転時には、Ａ／Ｆの変動が小さく、ＮＯｘセンサ１００に導入される排出ガスの酸素濃度も大きく変動することがないので、ポンプセル１１０による酸素濃度の調整制御に対する即応性の要求は低い。そこでこの場合、酸素濃度の検出精度よりＮＯｘ濃度の検出精度を優先させるべく、下流側セル１２０が選択される。ステップＳ２０３の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【００９７】
このように、ＮＯｘセンサ１００の動作中に、第１酸素濃度検出セル１２０（下流側セル１２０）により検出される酸素濃度、及び、第２酸素濃度検出セル１８０（上流側セル１８０）により検出される酸素濃度のいずれか一方に基づき、ポンプセル１１０による排出ガス中の酸素濃度の調整制御を行うことにより、個々の酸素濃度検出セルの使用頻度を抑制でき、ＮＯｘセンサ１００の消費電力やエンジン燃費改善が可能となり、また、ＮＯｘセンサ１００の耐久劣化を抑制できる。
【００９８】
また、過渡運転中か否かの判定に他センサにより検出される酸素濃度の情報を利用し、この情報に応じて下流側セル１２０により検出される酸素濃度、及び、上流側セル１８０により検出される酸素濃度から、ポンプセル１１０による調整制御に用いる酸素濃度が選択される場合、高応答で適切なセルの選択が可能となる。
【００９９】
また、過渡運転中か否かの判定に上流側セル１８０により検出される酸素濃度の情報を利用し、この情報に応じて下流側セル１２０により検出される酸素濃度、及び、上流側セル１８０により検出される酸素濃度から、ポンプセル１１０による調整制御に用いる酸素濃度が選択される場合、別途のセンサ設置が不要となり製造コストを低減できる。
【０１００】
なお、本実施形態では、エンジンの運転状態等に応じて、ポンプセル１１０の制御に用いる酸素濃度の情報を、上流側セル１８０から取得するか、または、下流側セル１２０から取得するかを切り替える構成において、切替の判断基準となる運転状態の一例として過渡運転時と定常運転時での切り替えを挙げたが、例えば、排出ガスのＡ／Ｆがリーン時とリッチ時とで切り替えるなど他の構成を適用することも可能である。
【０１０１】
［第８実施形態］
図１２〜図１４を参照して第８実施形態について説明する。第８実施形態は、第７実施形態に示したエンジンの運転状態等に応じて、ポンプセル１１０の制御に用いる酸素濃度の情報を、上流側セル１８０から取得するか、または、下流側セル１２０から取得するかを切り替える制御の他の形態を示すものである。
【０１０２】
図１２のフローチャートは、排出ガスのＡ／Ｆ値（酸素濃度）に応じて優先すべきセルを上流側セル１８０と下流側セル１２０から選択する構成を示す。図１２及び図１３に示すフローチャートの一連の処理は、ＮＯｘ検出装置１０のマイクロコンピュータ５１によって、例えば所定周期ごとに実施される。
【０１０３】
ステップＳ３０１では、Ａ／Ｆ値を検出可能であるか否かが判定される。具体的にはＡ／Ｆ値を取得する対象が動作中であるか否かが判定される。この対象としては、例えば第７実施形態と同様に、ＮＯｘセンサ１００と同様にエンジンの排気系に設けられ、排出ガスのＡ／Ｆ値に対応する情報を検出できる他のセンサ、または、上流側セル１８０を含む。ステップＳ３０１の判定の結果、対象がＡ／Ｆ値を検出可能である場合（ステップＳ３０１のＹｅｓ）にはステップＳ３０２に進み、そうでない場合（ステップＳ３０１のＮｏ）には本制御フローを終了する。
【０１０４】
ステップＳ３０２では、計測対象から排出ガスのＡ／Ｆ値が取得される。ステップＳ３０２の処理が完了するとステップＳ３０３に進む。
【０１０５】
ステップＳ３０３では、Ａ／Ｆ値が閾値以上であるか否かが判定される。Ａ／Ｆ値が閾値以上のとき（ステップＳ３０３のＹｅｓ）ステップＳ３０４に進み、そうでない場合（ステップＳ３０３のＮｏ）にはステップＳ３０５に進む。
【０１０６】
ステップＳ３０４では、ステップＳ３０３にて排出ガスのＡ／Ｆ値が閾値以上と判定され、排出ガスの空燃比がリーン状態であるので、下流側の第１酸素濃度検出セル１２０（下流側セル１２０）の出力が優先され、ポンプセル１１０による調整制御に用いる酸素濃度として、下流側セル１２０により検出される酸素濃度が選択される。Ａ／Ｆがリーンであるときは、排出ガス中の酸素濃度が高いため、ポンプセル１１０で引き切れずに排出ガスに残留した酸素（残留Ｏ2）がセンサセル１２０に流入し、ＮＯｘ濃度の検出精度が悪化する要因となりうる。そこでこの場合、酸素濃度の検出精度よりＮＯｘ濃度の検出精度を優先させるべく、下流側セル１２０が選択される。ステップＳ３０４の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【０１０７】
一方、ステップＳ３０５では、ステップＳ３０３にて排出ガスのＡ／Ｆ値が閾値より小さいと判定され、排出ガスの空燃比がリッチ状態またはストイキ状態であるので、上流側の第２酸素濃度検出セル１８０（上流側セル１８０）の出力が優先され、ポンプセル１１０による調整制御に用いる酸素濃度として、上流側セル１８０により検出される酸素濃度が選択される。Ａ／Ｆがリッチまたはストイキであるときは、ＮＯｘの排出量が少ないこと、また、センサセル１２０に流入する残留Ｏ2が少ないことから、ＮＯｘ濃度の検出精度より酸素濃度の検出精度を優先させるべく、上流側セル１８０が選択される。ステップＳ３０５の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【０１０８】
図１３のフローチャートは、排出ガスの空気過剰率λに応じて優先すべきセルを上流側セル１８０と下流側セル１２０から選択する構成を示す。まず空気過剰率λによる切り替えについて図１４を参照して説明する。図１４の横軸は時間、縦軸は排出ガスの空気過剰率λを示す。図１４に示すように、排出ガスの空燃比がリッチ状態またはストイキ状態の場合には、空気過剰率λは１以下となるのに対して、排出ガスの空燃比がリーン状態の場合には空気過剰率λは１以上となる。図１４の例では、排出ガスがリッチまたはストイキ状態の場合には上流側セル１８０が選択され、排出ガスがリーン状態の場合には下流側セルが選択される。
【０１０９】
図１３のステップＳ４０１，Ｓ４０２は、図１２のステップＳ３０１，Ｓ３０２と同様の処理なので説明を省略する。
【０１１０】
ステップＳ４０３では、ステップＳ４０２にて取得されたＡ／Ｆ値の空気過剰率λが所定の閾値（ここでは１）以上であるか否かが判定される。空気過剰率λが閾値以上のとき（ステップＳ４０３のＹｅｓ）ステップＳ４０４に進み、そうでない場合（ステップＳ４０３のＮｏ）にはステップＳ４０５に進む。
【０１１１】
ステップＳ４０４では、ステップＳ４０３にて排出ガスの空気過剰率λが閾値以上と判定され、排出ガスの空燃比がリーン状態であるので、下流側の第１酸素濃度検出セル１２０（下流側セル１２０）の出力が優先され、ポンプセル１１０による調整制御に用いる酸素濃度として、下流側セル１２０により検出される酸素濃度が選択される。ステップＳ４０４の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【０１１２】
一方、ステップＳ４０５では、ステップＳ４０３にて排出ガスの空気過剰率λが閾値より小さいと判定され、排出ガスの空燃比がリッチ状態またはストイキ状態であるので、上流側の第２酸素濃度検出セル１８０（上流側セル１８０）の出力が優先され、ポンプセル１１０による調整制御に用いる酸素濃度として、上流側セル１８０により検出される酸素濃度が選択される。ステップＳ４０５の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【０１１３】
なお、図１２〜１４の例では、排出ガスがリーン状態のときに下流側セル１２０を選択し、リッチまたはストイキ状態のときに上流側セル１８０を選択する構成を例示したが、例えば、触媒劣化時やフューエルカット時など特殊な運転領域においては、上記の例とは逆にリーン状態のときに上流側セル１８０を選択し、リッチまたはストイキ状態のときに下流側セル１２０を選択する構成とすることもできる。
【０１１４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【０１１５】
１：ＮＯｘセンサシステム（排出ガスセンサシステム）
１０：ＮＯｘ検出装置（制御装置）
１００：ＮＯｘセンサ（排出ガスセンサ）
１１０：第１ポンピングセル（ポンプセル）
１３０：第２ポンピングセル（センサセル）
１２０：第１酸素濃度検出セル、下流側セル（第１セル）
１８０：第２酸素濃度検出セル、上流側セル（第２セル）
１５０：第１測定室（測定室）
１６０：第２測定室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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