(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質の本体内に形成され排気ガスが導入されるポンプ室と、該ポンプ室内の固体電解質壁面に設けられた陰極側電極と、前記本体外側の固体電解質壁面に設けられ排気ガスに接する陽極側電極とを備え、前記陰極側電極と陽極側電極との間に印加した電圧に応じた量の酸素を前記陰極側電極と陽極側電極とを介して前記ポンプ室から排出する第１の処理手段と、
前記本体外側の固体電解質壁面に設けられ大気に接する基準電極を備え、前記陰極側電極と基準電極との間に前記ポンプ室内の酸素濃度に応じた電圧を発生する第１の酸素濃度検出手段と、
前記第１の酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度に基づいてポンプ室内の酸素濃度が予め定めた濃度となるように前記第１の処理手段における前記印加電圧を制御する制御手段と、
前記第１の処理手段の陰極側電極と陽極側電極との間を流れる電極間電流量を用いて前記陽極側電極に接する排気ガス中の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度検出手段であって、前記陽極側電極に接する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときの前記電極間電流量の値である基準電流量と、前記ポンプ室内の酸素濃度が前記予め定めた濃度となったときの前記電極間電流量とに基づいて前記陽極側電極に接する排気ガス中の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度検出手段と、を具備する排気ガスセンサにおいて、
前記第１の酸素濃度検出手段の発生電圧が、理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度に相当する値になったときに前記第２の酸素濃度検出手段における前記電極間電流量を検出し、該検出された電流量を第２の酸素濃度検出手段における前記基準電流量として使用することを特徴とする排気ガスセンサ。
【請求項２】
前記第１の酸素濃度検出手段が発生する電圧は前記ポンプ室内の酸素濃度が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度よりも高いときには略零の一定の値をとり、前記ポンプ室内の酸素濃度が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度に近づくと急激に増大し、前記ポンプ室内の酸素濃度が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度を越えて低くなると零より大きな略一定の値をとることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサ。
【請求項３】
内燃機関の燃焼室に接続された排気通路内に配置された請求項１に記載の排気ガスセンサにおいて、前記第２の酸素濃度検出手段は、前記基準電流量と、前記陽極側電極に接する排気ガス中の酸素濃度が単位量だけ変化したときの前記電極間電流量の変化量に相当する単位電流量と、に基づいて前記陽極側電極に接する排気ガス中の酸素濃度を検出し、
前記単位電流量は、機関燃焼室への燃料供給が停止されたときの前記電極間電流量と前記基準電流量とに基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば内燃機関から排出される排気ガス中の酸素濃度とＮＯX 濃度とを検出することができるガスセンサシステムが特開平１１−３０４７５８号公報に開示されている。当該公報に記載のシステムは排気ガス中の酸素濃度に比例した量の電流が流れるようになっている回路を具備し、この回路内を流れる電流量から排気ガス中の酸素濃度が算出される。このように排気ガス中の酸素濃度に比例して発生する電流の量から排気ガス中の酸素濃度を算出するタイプのシステムでは酸素濃度を算出するときに基準となる基準電流量と単位酸素濃度に相当する単位電流量とを組み合わせて用いて上記回路内を流れている電流の量から排気ガス中の酸素濃度が算出される。
【０００３】
ところでこうした基準電流量や単位電流量はそのときの回路の状態により初期の値から変化することがある。したがって排気ガス中の酸素濃度を正確に検出するためには適時に現在、酸素濃度の算出に用いられている基準電流量や単位電流量を変化後の値に更新する必要がある。基準電流量や単位電流量は回路温度が変化すると変化するので上記公報に記載のガスセンサシステムでは回路温度ごとに基準電流量や単位電流量に対する補正量を予め実験により求めておき、ガスセンサシステム使用中に検出される回路温度に応じて補正量を選び出し、この補正量により基準電流量や単位電流量を補正するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが実際には基準電流量や単位電流量を変化させるファクターは回路温度以外にもあり、したがって実験により予め求められた回路温度に関する補正量に基づいて基準電流量や単位電流量を補正しても斯くして補正された基準電流量や単位電流量は真の値とはならない。このため上記公報に記載のガスセンサシステムにおいては排気ガス中の酸素濃度は正確には検出されない。
【０００５】
もちろん回路温度以外に基準電流量や単位電流量を変化させるファクターを選択し、これらファクターごとに補正量を予め実験により求めておき、これら補正量により基準電流量や単位電流量を補正すれば真の値の基準電流量や単位電流量を得ることはできる。しかしながら基準電流量や単位電流量を変化させるファクターを全て選び出すことは困難である。いずれにしても排気ガス中の酸素濃度は正確には検出されない。
【０００６】
こうした事情に鑑み本発明の目的は排気ガス中の酸素濃度を正確に検出することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために１番目の発明によれば、固体電解質の本体内に形成され排気ガスが導入されるポンプ室と、該ポンプ室内の固体電解質壁面に設けられた陰極側電極と、前記本体外側の固体電解質壁面に設けられ排気ガスに接する陽極側電極とを備え、前記陰極側電極と陽極側電極との間に印加した電圧に応じた量の酸素を前記陰極側電極と陽極側電極とを介して前記ポンプ室から排出する第１の処理手段と、前記本体外側の固体電解質壁面に設けられ大気に接する基準電極を備え、前記陰極側電極と基準電極との間に前記ポンプ室内の酸素濃度に応じた電圧を発生する第１の酸素濃度検出手段と、前記第１の酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度に基づいてポンプ室内の酸素濃度が予め定めた濃度となるように前記第１の処理手段における前記印加電圧を制御する制御手段と、前記第１の処理手段の陰極側電極と陽極側電極との間を流れる電極間電流量を用いて前記陽極側電極に接する排気ガス中の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度検出手段であって、前記陽極側電極に接する排気ガスの空燃比が理論空燃比であるときの前記電極間電流量の値である基準電流量と、前記ポンプ室内の酸素濃度が前記予め定めた濃度となったときの前記電極間電流量とに基づいて前記陽極側電極に接する排気ガス中の酸素濃度を検出する第２の酸素濃度検出手段と、を具備する排気ガスセンサにおいて、前記第１の酸素濃度検出手段の発生電圧が、理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度に相当する値になったときに前記第２の酸素濃度検出手段における前記電極間電流量を検出し、該検出された電流量を第２の酸素濃度検出手段における前記基準電流量として使用することを特徴とする排気ガスセンサが提供される。これによれば第１の酸素濃度検出手段が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度を検出したときに基準電流量が更新される。
【０００８】
２番目の発明によれば１番目の発明において、前記第１の酸素濃度検出手段が発生する電圧は前記ポンプ室内の酸素濃度が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度よりも高いときには略零の一定の値をとり、前記ポンプ室内の酸素濃度が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度に近づくと急激に増大し、前記ポンプ室内の酸素濃度が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度を越えて低くなると零より大きな略一定の値をとる。
【０００９】
３番目の発明によれば１番目の発明において、前記排気ガスセンサは内燃機関の燃焼室に接続された排気通路内に配置され、前記第２の酸素濃度検出手段は、前記基準電流量と、前記陽極側電極に接する排気ガス中の酸素濃度が単位量だけ変化したときの前記電極間電流量の変化量に相当する単位電流量と、に基づいて前記陽極側電極に接する排気ガス中の酸素濃度を検出し、前記単位電流量は、機関燃焼室への燃料供給が停止されたときの前記電極間電流量と前記基準電流量とに基づいて算出される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を筒内噴射式火花点火機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明は圧縮着火式内燃機関に適用することもできる。図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートを夫々示す。図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火栓１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面上には燃料噴射弁１１の下方から点火栓１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００１１】
各気筒の吸気ポート７は夫々対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気ダクト１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は酸化触媒または三元触媒２０を内蔵した触媒コンバータ２１および排気管２２を介してＮＯX 吸収剤２３を内蔵したケーシング２４に連結される。排気マニホルド１９とサージタンク１４とは再循環排気ガス（以下、ＥＧＲガスという）導管２６を介して互いに連結され、このＥＧＲガス導管２６内にはＥＧＲガス制御弁２７が配置される。
【００１２】
電子制御ユニット３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。エアフロメータ１６は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。排気マニホルド１９には空燃比を検出するための空燃比センサ２８が取付けられ、この空燃比センサ２８の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。またＮＯX 吸収剤２３を内蔵したケーシング２４の出口に接続された排気管２５内には排気ガス中のＮＯX 濃度およびアンモニア濃度を共に検出可能なＮＯX アンモニアセンサ２９と、空燃比センサ３０とが配置され、これらＮＯX アンモニアセンサ２９および空燃比センサ３０の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００１３】
またアクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４２の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火栓１０、燃料噴射弁１１、ステップモータ１７およびＥＧＲ制御弁２７に接続される。
【００１４】
次に図２を参照しつつ図１に示したＮＯX アンモニアセンサ２９のセンサ部の構造について簡単に説明する。図２を参照するとＮＯX アンモニアセンサ２９のセンサ部は互いに積層された６つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これら６つの固体電解質層を以下、上から順に第１層Ｌ1 、第２層Ｌ2 、第３層Ｌ3 、第４層Ｌ4 、第５層Ｌ5 、第６層Ｌ6 と称する。
【００１５】
図２を参照すると第１層Ｌ1 と第３層Ｌ3 との間に例えば多孔質のまたは細孔が形成されている第１の拡散律速部材５０と第２の拡散律速部材５１とが配置されており、これら拡散律速部材５０，５１間には第１室（ポンプ室）５２が形成され、第２の拡散律速部材５１と第２層Ｌ2 との間には第２室５３が形成されている。また第３層Ｌ3 と第５層Ｌ5 との間には外気に連通している大気室５４が形成されている。一方、第１の拡散律速部材５０の外端面は排気ガスと接触している。したがって排気ガスは第１の拡散律速部材５０を介して第１室５２内に流入し、斯くして第１室５２内は排気ガスで満たされている。
【００１６】
一方、第１室５２に面する第１層Ｌ1 の内周面上には陰極側第１ポンプ電極５５が形成され、第１層Ｌ1 の外周面上には陽極側第１ポンプ電極５６が形成されており、これら第１ポンプ電極５５，５６間には第１ポンプ電圧源５７により電圧が印加される。第１ポンプ電極５５，５６間に電圧が印加されると第１室５２内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第１ポンプ電極５５と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ1 内を陽極側第１ポンプ電極５６に向けて流れる。したがって第１室５２内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ1 内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第１ポンプ電圧源５７の電圧が高くなるほど多くなる。
【００１７】
一方、大気室５４に面する第３層Ｌ3 の内周面上には基準電極５８が形成されている。ところで酸素イオン伝導性固体電解質では固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示した例では大気室５４内の酸素濃度の方が第１室５２内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ3 、第２層Ｌ2 および第１層Ｌ1 内を移動し、陰極側第１ポンプ電極５５において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第１ポンプ電極５５との間に符号５９で示した電圧Ｖ0 が発生する。この電圧Ｖ0 は大気圧室５４内と第１室５２内との酸素濃度差に比例する。
【００１８】
図２に示した例ではこの電圧Ｖ0 が第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第１ポンプ電圧源５７の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第１室５２内の酸素は第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.となるように第１層Ｌ1 を通って汲み出され、それによって第１室５２内の酸素濃度が１p.p.m.に維持される。
【００１９】
なお陰極側第１ポンプ電極５５はＮＯX に対しては還元性の低い材料、例えば金Ａｕと白金Ｐｔとの合金から形成されており、したがって排気ガス中に含まれるＮＯX は第１室５２内ではほとんど還元されない。したがってこのＮＯX は第２の拡散律速部材５１を通って第２室５３内に流入する。
一方、第２室５３に面する第１層Ｌ1 の内周面上には陰極側第２ポンプ電極６０が形成されており、この陰極側第２ポンプ電極６０と陽極側第１ポンプ電極５５６との間には第２ポンプ電圧源６１により電圧が印加される。これらポンプ電極６０，５６間に電圧が印加されると第２室５３内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第２ポンプ電極６０と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ1 内を陽極側第１ポンプ電極５６に向けて流れる。したがって第２室５３内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ1 内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第２ポンプ電圧源６１の電圧が高くなるほど多くなる。
【００２０】
一方、前述したように酸素イオン伝導性固体電解質では固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示した例では大気室５４内の酸素濃度の方が第２室５３内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ3 、第２層Ｌ2 および第１層Ｌ1 内を移動し、陰極側第２ポンプ電極６０において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第２ポンプ電極６０との間に符号６２で示した電圧Ｖ1 が発生する。この電圧Ｖ1 は大気圧室５４内と第２室５３内との酸素濃度差に比例する。
【００２１】
図２に示した例ではこの電圧Ｖ1 が第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第２ポンプ電圧源６１の電圧がフィードバック制御される。すなわち第２室５３内の酸素は第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.となるように第１層Ｌ1 を通って汲み出され、それによって第２室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.に維持される。
【００２２】
なお陰極側第２ポンプ電極６０もＮＯX に対しては還元性の低い材料、例えば金Ａｕと白金Ｐｔとの合金から形成されており、したがって排気ガス中に含まれるＮＯX は陰極側第２ポンプ電極６０と接触してもほとんど還元されない。
一方、第２室５３に面する第３層Ｌ3 の内周面上にはＮＯX 検出用の陰極側ポンプ電極６３が形成されている。この陰極側ポンプ電極６３はＮＯX に対して強い還元性を有する材料、例えばロジウムＲｈや白金Ｐｔから形成されている。したがって第２室５３内のＮＯX 、実際には大部分を占めるＮＯが陰極側ポンプ電極６３上においてＮ2 とＯ2 とに分解される。図２に示したようにこの陰極側ポンプ電極６３と基準電極５８との間には一定電圧６４が印加されており、したがって陰極側ポンプ電極６３上において分解生成されたＯ2 は酸素イオンとなって第３層Ｌ3 内を基準電極５８に向けて移動する。このとき陰極側ポンプ電極６３と基準電極５８との間にはこの酸素イオン量に比例した符号６５で示した電流Ｉ1 が流れる。
【００２３】
前述したように第１室５２内ではＮＯX はほとんど還元されず、また第２室５３内には酸素はほとんど存在しない。したがって電流Ｉ1 は排気ガス中に含まれるＮＯX 濃度に比例することになり、斯くして電流Ｉ1 から排気ガス中のＮＯX 濃度を検出できることになる。
一方、排気ガス中に含まれるアンモニアＮＨ3 は第１室５２内においてＮＯとＨ2 Ｏとに分解され（４ＮＨ3 ＋５Ｏ2 →４ＮＯ＋６Ｈ2 Ｏ）、この分解されたＮＯは第２の拡散律速部材５１を通って第２室５３内に流入する。このＮＯは陰極側ポンプ電極６３上においてＮ2 とＯ2 とに分解され、分解生成されたＯ2 は酸素イオンとなって第３層Ｌ3 内を基準電極５８に向けて移動する。このときにも電流Ｉ1 は排気ガス中に含まれるＮＨ3 濃度に比例し、斯くして電流Ｉ1 から排気ガス中のＮＨ3 濃度を検出できることになる。
【００２４】
図３は電流Ｉ1 と排気ガス中のＮＯX 濃度およびＮＨ3 濃度との関係を示している。図３から電流Ｉ1 は排気ガス中のＮＯX 濃度およびＮＨ3 濃度に比例していることがわかる。
一方、排気ガス中の酸素濃度が高いほど、すなわち空燃比がリーンであるほど第１室５２から外部に汲み出される酸素量が多くなり、符号６６で示した電流Ｉ2 が増大する。図４にこの電流Ｉ2 と排気ガス中の酸素濃度との関係を示した。図４に示したように排気ガス中の酸素濃度［Ｏ2 ］が増大するに従って電流Ｉ2 も徐々に増大する。図４において電流値Ｉ2Rは排気ガス中の酸素濃度が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度（以下、理論空燃比酸素濃度と称す。）Ｃ0 であるときの電流Ｉ2 の値である。また図４において傾きＩ2uは排気ガス中の酸素濃度が単位濃度だけ増大したときの電流Ｉ2 の増大量、すなわち単位酸素濃度に相当する単位電流量である。本実施例によれば図４に示した関係に基づいて電流Ｉ2 から排気ガスの空燃比を検出することができる。
【００２５】
一方、符号５９で示した電圧Ｖ0 は排気ガス中の酸素濃度に従って変化する。この変化の様子を図５に示した。図５においてＣ0 は理論空燃比酸素濃度であり、Ｖ0Rは排気ガス中の酸素濃度が理論空燃比酸素濃度であるときの電圧Ｖ0 の値である。図５に示したように排気ガス中の酸素濃度［Ｏ2 ］が非常に少ないときには排気ガス中の酸素濃度と大気中の酸素濃度との差が大きいので電圧Ｖ0 は最も大きい電圧値Ｖ0MAXとなる。排気ガス中の酸素濃度［Ｏ2 ］が理論空燃比酸素濃度Ｃ0 に近づくと電圧Ｖ0 は徐々に小さくなり、排気ガス中の酸素濃度［Ｏ2 ］が理論空燃比酸素濃度Ｃ0 に達したところで電圧Ｖ0 は急激に小さくなり、排気ガス中の酸素濃度［Ｏ2 ］が理論空燃比酸素濃度Ｃ0 を超えると電圧Ｖ0 は徐々に小さくなる。排気ガス中の酸素濃度［Ｏ2 ］が非常に多いときには排気ガス中の酸素濃度と大気中の酸素濃度との差が小さいので電圧Ｖ0 は最も小さい値Ｖ0MINとなる。
【００２６】
電圧Ｖ0 が図５に示したような特性を示す理由は以下の通りである。上述したように電圧Ｖ0 は大気室５４内の酸素濃度と第１室５２内の酸素濃度との間に差があるとき、すなわち基準電極５８上に付着する酸素分子の数と陰極側第１ポンプ電極５５上に付着する酸素分子の数との間に差があるときに酸素イオンが基準電極５８から第３層Ｌ3 、第２層Ｌ2 、および第１層Ｌ1 を介して陰極側第１ポンプ電極５５に移動することにより発生する。
【００２７】
すなわち電圧Ｖ0 のレベルはあくまで基準電極５８上に付着する酸素分子の数と陰極側第１ポンプ電極５５上に付着する酸素分子の数との差を表しており、単純に大気室５４内の酸素濃度と第１室５２内の酸素濃度との間の差を表しているわけではない。大気室５４内には多量の酸素分子が存在し、したがって基準電極５８上には可能なかぎり多量の酸素分子が付着している。すなわち基準電極５８上に付着する酸素分子の数は常に最大の値で一定であるので陰極側第１ポンプ電極５５上に付着する酸素分子の数が少なくなったとしても酸素分子の数自体が非常に少ない場合には陰極側第１ポンプ電極５５に単位時間当たりに到達する酸素イオンの量が増大するのにも限界がある。このため第１室５２内の酸素濃度が非常に低いときには電圧Ｖ0 は排気ガス中の酸素濃度に関係なく略一定の最大値Ｖ0MAXとなる。
【００２８】
一方、第１室５２内の酸素濃度が徐々に増大し、陰極側第１ポンプ電極５５上に付着する酸素分子の数が或る一定の数以上となると電圧Ｖ0 は徐々に小さくなる。このように電圧Ｖ0 が徐々に小さくなるのは第１室５２内への酸素分子の流入が第１の拡散律速部材５０により抑制されているからである。そして陰極側第１ポンプ電極５５上に付着する酸素分子の数がさらに多くなると、すなわち第１室５２内の酸素濃度が理論空燃比酸素濃度Ｃ0 に達すると陰極側第１ポンプ電極５５に単位時間当たりに到達する酸素イオンの量が急激に減少するので電圧Ｖ0 も急激に小さくなる。
【００２９】
さらに第１室５２内の酸素濃度が徐々に増大していゆくと電圧Ｖ0 は徐々に小さくなる。このように電圧Ｖ0 が徐々に小さくなるのは上述したように第１室５２内への酸素分子の流入が第１の拡散律速部材５０により抑制されているからである。そして陰極側第１ポンプ電極５５上に付着する酸素分子の数が非常に多くなると電圧Ｖ0 は最小値Ｖ0MINとなり、第１室５２内の酸素濃度がこれ以上増大してももはや陰極側第１ポンプ電極５５上にはこれ以上、酸素分子は付着することができないので第１室５２内の酸素濃度が或る一定濃度に達すれば電圧Ｖ0 は最小値Ｖ0MINとなり、第１室５２内の酸素濃度がこの一定濃度以上となっても電圧Ｖ0 は最小値Ｖ0MINで略一定となる。
【００３０】
なお第５層Ｌ5 と第６層Ｌ6 との間にはＮＯX アンモニアセンサ２９のセンサ部を加熱するための電気ヒータ６７が配置されており、この電気ヒータ６７によってＮＯX アンモニアセンサ２９のセンサ部は７００℃から８００℃に加熱される。
ところで上述したように排気ガス中の酸素濃度と電流Ｉ2 との間には図４に示した関係が成立する。すなわち本実施例のＮＯX アンモニアセンサ２９によれば電流Ｉ2 と基準電流量Ｉ2Rと単位電流量Ｉ2uとを用いて排気ガス中の酸素濃度を検出することができ、したがって排気ガスの空燃比を検出することができる。ところが基準電流量Ｉ2Rや単位電流量Ｉ2uはＮＯX アンモニアセンサ２９ごとに異なるばかりでなく、陰極側第１ポンプ電極５５や陽極側第１ポンプ電極５６の性能変化、さらには電流Ｉ2 を検出するための検出器の性能変化により経時的に変化する。
【００３１】
したがって排気ガスの空燃比を正確に検出するためにはそのときの基準電流量Ｉ2Rと単位電流量Ｉ2uとを正確に把握しておく必要がある。そこで本実施例では適時に基準電流量Ｉ2Rと単位電流量Ｉ2uとを検出し、排気ガスの空燃比を算出するために用いられる基準電流量Ｉ2Rと単位電流量Ｉ2uとを更新する。以下、これら基準電流量Ｉ2Rおよび単位電流量Ｉ2uの更新方法について説明する。
【００３２】
初めに基準電流量Ｉ2Rの具体的な更新方法について説明する。図５に示したように第１室５２内に理論空燃比の排気ガスが流入したときには電圧Ｖ0 は基準電圧Ｖ0Rを横切る。ここで基準電極５８や陰極側第１ポンプ電極５５の性能が変化しているときには発生する電圧Ｖ0 の絶対値は変化するが上述したように電圧Ｖ0 は基準電極５８上に付着している酸素分子の数と陰極側第１ポンプ電極５５上に付着している酸素分子の数との間の差により発生するので基準電圧Ｖ0Rと理論空燃比酸素濃度Ｃ0 との関係は変化しない。
【００３３】
すなわち基準電極５８や陰極側第１ポンプ電極５５の性能が変化したとしても第１室５２内に理論空燃比の排気ガスが流入したときには電圧Ｖ0 は必ず基準電圧Ｖ0Rを横切る。したがって電圧Ｖ0 が基準電圧Ｖ0Rを横切ったときの電流値Ｉ2 は基準電流量Ｉ2Rである。そこで本実施例では電圧Ｖ0 が基準電圧Ｖ0Rを横切ったときに検出される電流値Ｉ2 が基準電流量Ｉ2Rとされる。
【００３４】
次に単位電流量Ｉ2uの具体的な更新方法について説明する。本実施例では燃焼室５への燃料供給が停止されたときの電流Ｉ2 の値を利用してそのときの単位電流量Ｉ2uを検出する。すなわち燃焼室５への燃料供給が停止されたときにＮＯX アンモニアセンサ２９に流入する排気ガス中の酸素濃度は大気中の酸素濃度に略等しい。したがって燃焼室５への燃料供給が停止されたときに検出される電流Ｉ2 の値は既知である大気中の酸素濃度を表している。したがって燃焼室５への燃料供給が停止されたときに検出される電流Ｉ2 の値と基準電流量Ｉ2Rとから単位電流量Ｉ2uを算出することができる。斯くして本実施例によれば基準電流量Ｉ2Rと単位電流量Ｉ2uとが適時に真の値に更新されるので排気ガスの空燃比を正確に検出することができる。
【００３５】
なお上記実施例においては電圧Ｖ0 が基準電圧Ｖ0Rを横切ったときに検出される電流量Ｉ2 を基準電流量Ｉ2Rとしているが、これに代えて空燃比センサ３０により排気ガスの空燃比が理論空燃比であることが検出されたときにＮＯX アンモニアセンサ２９により検出される電流量Ｉ2 を基準電流量Ｉ2Rとしてもよく、或いは内燃機関の運転状態が理論空燃比での運転状態とされたときにＮＯX アンモニアセンサ２９により検出される電流量Ｉ2 を基準電流量Ｉ2Rとしてもよい。
【００３６】
ところで内燃機関の運転状態がリーン空燃比の下での運転状態とされているときにはＮＯX がＮＯX 吸収剤２３に流入し、ＮＯX 吸収剤２３に吸収される。ＮＯX 吸収剤２３が吸収することができるＮＯX の量には限界がある。そこで上記実施例ではＮＯX 吸収剤２３のＮＯX 吸収量が限界量に達する前に内燃機関の空燃比をリッチとし、燃料を還元剤としてＮＯX 吸収剤２３に供給し、この還元剤によりＮＯX 吸収剤２３からＮＯX を放出させ還元する。このときにＮＯX 吸収剤２３から流出する排気ガスの空燃比は図６に示したような挙動を示す。
【００３７】
図６に示したように内燃機関の空燃比が時刻ｔ1 においてリッチとされ、燃料が燃焼室５からＮＯX 吸収剤２３に達するとＮＯX 吸収剤２３から流出する排気ガスの空燃比はリーンから理論空燃比に向かい、少しの間、理論空燃比となる。このようにＮＯX 吸収剤２３から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるのはＮＯX 吸収剤２３に流入する排気ガス中の燃料がＮＯX 吸収剤２３におけるＮＯX 放出還元作用に消費されるからである。
【００３８】
その後、図６の時刻ｔ2 で示したようにＮＯX 吸収剤２３から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比からリッチとなる。これはＮＯX 吸収剤２３に吸収されているＮＯX の量がほぼ零となり、ＮＯX 吸収剤２３に流入する排気ガス中の燃料がＮＯX 吸収剤２３において消費されなくなったからである。時刻ｔ2 において内燃機関の空燃比がリーンに戻されると時刻ｔ3 においてＮＯX 吸収剤２３から流出する排気ガスの空燃比がリーンとなる。
【００３９】
このようにＮＯX 吸収剤２３に吸収されているＮＯX を還元処理するために内燃機関の空燃比がリッチとされてから或る一定の期間においてはＮＯX 吸収剤２３から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比となる。ここで上記実施例においてＮＯX アンモニアセンサ２９はＮＯX 吸収剤２３の下流側に配置されている。そこでＮＯX 吸収剤２３に吸収されているＮＯX を還元処理するために内燃機関の空燃比がリッチとされてから或る一定の期間、すなわちＮＯX 吸収剤２３から流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比となっている期間にＮＯX アンモニアセンサ２９に流入する排気ガスの空燃比は理論空燃比であるのでこのときにＮＯX アンモニアセンサ２９により検出される電流Ｉ2 の量を基準電流量Ｉ2Rとしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば第１の酸素濃度検出手段が理論空燃比の排気ガス中の酸素濃度を検出したときに基準電流量が更新される。このため第２の酸素濃度検出手段にて用いられる基準電流量が正確な値に更新されるので排気ガスの酸素濃度が正確に検出されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】ＮＯX アンモニアセンサのセンサ部の構造を示す図である。
【図３】ＮＯX アンモニアセンサによる検出電流を示す図である。
【図４】第１室内の酸素濃度［Ｏ2 ］と電流Ｉ2 との間の関係を示す図である。
【図５】第１室内の酸素濃度［Ｏ2 ］と電圧Ｖ0 との間の関係を示す図である。
【図６】ＮＯX 吸収剤内のＮＯX を還元処理するために内燃機関の空燃比がリッチとされたときにＮＯX 吸収剤から流出する排気ガスの空燃比の変動を示す図である。
【符号の説明】
１１…燃料噴射弁
２３…ＮＯX 吸収剤
２９…ＮＯX アンモニアセンサ
３０…空燃比センサ
【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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