JP2001183337A - NOxセンサ - Google Patents

NOxセンサ

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JP2001183337A
JP2001183337A JP37024899A JP37024899A JP2001183337A JP 2001183337 A JP2001183337 A JP 2001183337A JP 37024899 A JP37024899 A JP 37024899A JP 37024899 A JP37024899 A JP 37024899A JP 2001183337 A JP2001183337 A JP 2001183337A
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gas
measured
sensor element
sensor
chamber
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JP37024899A
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English (en)
Inventor
Koji Shiotani
宏治 塩谷
Shinji Tanabe
真志 田辺
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 個々のセンサ素子のばらつきを補正するため
のデータを、従来よりも簡単に取得可能に構成されたN
Oxセンサを提供すること。 【解決手段】 標準センサ素子の酸素分圧特性Pexos 、
Ip2 オフセット特性Ip2offs 、Ip2 ゲイン特性Gsを、標
準センサ素子の総合コンダクタンスCTs 、第1拡散律速
部のコンダクタンスC1s 、第2拡散律速部のコンダクタ
ンスC2s 、個々のセンサ素子10の総合コンダクタンス
CTp 、第1拡散律速部21のコンダクタンスC1p 、第2
拡散律速部23のコンダクタンスC2p を用いて補正し、
個々のセンサ素子10の酸素分圧特性Pexop 、Ip2 オフ
セット特性Ip2offp 、Ip2 ゲイン特性Gpを得る。上記補
正時には、関係式Gp=CTs・Gs/CTp,Ip2offp=C2p・Ip2off
s/C2s,Pexop=C1s・Pexos/C1pを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、NOx濃度の測定
に使用されるNOxセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、被測定ガス中の窒素酸化物(NO
x)の濃度を測定するためのNOxセンサとしては、例
えば、特開平8−271476号公報に記載されたもの
が知られている。
【0003】このNOxセンサは、第1拡散律速部を介
して被測定ガスが導入される第1室と、第2拡散律速部
を介して第1室内のガスが導入される第2室と、第1室
の内外に配置された一対の電極間に酸素イオン伝導性の
ある固体電解質を介在させてなる第1酸素イオンポンプ
セルと、第2室の内外に配置された一対の電極間に酸素
イオン伝導性のある固体電解質を介在させてなる第2酸
素イオンポンプセルとを備えたセンサ素子を利用して、
被測定ガス中のNOx濃度を算出するものである。
【0004】この種のNOxセンサにおいて、NOx濃
度は下記数式5に基づいて算出される。
【0005】
【数5】 NOx濃度=Gp×(Ip2−Ip2offp) 上記数式5において、Gpはセンサ素子のIp2ゲイン
である。Ip2は、NOx濃度の測定時に第2酸素イオ
ンポンプセルに流れるポンプ電流(以下、第2ポンプ電
流ともいう)の値である。Ip2offpは、NOx濃
度がゼロの場合における第2ポンプ電流の値に相当す
る。
【0006】これらの内、上記Gp,Ip2offp
は、酸素分圧の関数として得られるので、適切なGp,
Ip2offpに基づいてNOx濃度を算出するには、
被測定ガスの酸素分圧Pexopを測定する必要があ
る。そして、この酸素分圧Pexopは、第1酸素イオ
ンポンプセルに流れるポンプ電流(以下、第1ポンプ電
流ともいう)Ip1の関数として得られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記Gp,
Ip2offpは、個々のセンサ素子毎に異なる。ま
た、PexopとIp1との関係も、個々のセンサ素子
毎に異なる。そのため、従来は、被測定ガスとして酸素
分圧やNOx濃度が既知のガスを用いて、センサ素子1
つずつについて上記Ip1,Ip2を実測し、その実測
データに基づいてGp,Ip2offp,Pexopと
Ip1との関係を特定し、その特定された関係を、例え
ばデータマップ、近似式等のかたちで記憶しておいて、
それを実際のNOx濃度の測定時に利用して、標準セン
サ素子(ばらつきを揃えるための基準となるセンサ素
子)と同じセンサ特性が得られるようにしていた。
【0008】しかし、このように、個々のセンサ素子1
つずつについて、上記Ip1,Ip2を実測してデータ
マップ等を作成する作業には、相応の手間がかかるた
め、これがNOxセンサの製造コストを増大させる要因
の一つになっていた。本発明は、上記問題を解決するた
めになされたものであり、その目的は、個々のセンサ素
子のばらつきを補正するためのデータを、従来よりも簡
単に取得可能に構成されたNOxセンサを提供すること
にある。
【0009】
【課題を解決するための手段、および発明の効果】以
下、本発明の構成について説明する。上記請求項1に記
載のNOxセンサは、個々のセンサ素子におけるIp2
ゲインGpを、上記数式1に基づいて算出するものであ
る。
【0010】この数式1は、発明者らが、同じ構造のセ
ンサ素子の場合、Ip2ゲインGと総合コンダクタンス
CTとの間に1/G=f・CTなる関係式が成り立ち、
しかも、fが酸素分圧に依存する一定の関数であって、
センサの個体差には依存しないことを見いだし、この知
見に基づいて導出されたものである。
【0011】すなわち、センサの個体差に依存すること
なく上記関係式1/G=f・CTが成り立つ場合、標準
センサ素子のIp2ゲインGs,総合コンダクタンスC
Ts、個々のセンサ素子のIp2ゲインGp,総合コン
ダクタンスCTpについて、それぞれ1/Gs=f・C
Ts,1/Gp=f・CTpなる関係式が成り立つの
で、(1/Gp)/CTp=(1/Gs)/CTsなる
関係式が成り立つことになり、この関係式を整理すると
上記数式1が導出される。
【0012】上記数式1の中で、標準センサ素子のIp
2ゲインGsについては、従来と同様の方法により、標
準センサ素子を用いた実測に基づいて特定される。総合
コンダクタンスCT(CTsおよびCTp)は、酸素分
圧Pexoが既知のガスを被測定ガスとして用いて、第
1酸素イオンポンプセルの動作を停止させるとともに、
第2酸素イオンポンプセルに電圧を印加して第2室内の
酸素を完全に汲み出すようにし、その時の第2ポンプ電
流Ip2を測定して、下記数式6に基づいて算出するこ
とができる。
【0013】
【数6】CT=Ip2/Pexo このように構成されたNOxセンサによれば、上記G
s,CTs,CTpを用意するだけで、上記数式1に基
づいて個々のセンサ素子のIp2ゲインGpを算出でき
るので、個々のセンサ素子1つずつについて実測データ
に基づいてGpを特定するという面倒な作業を省略する
ことができる。
【0014】もちろん、上記Gs,CTs,CTpを用
意する必要はあるが、上記Gs,CTsについては標準
センサ素子についての実測だけでデータを用意できる
し、上記CTpについては個々のセンサ素子について実
測するものの、データとして一つの数値を取得すればよ
いので、Ip2ゲインGpそのものを実測に基づいて取
得するほど手間はかからず、全体としては、個々のセン
サ素子のばらつきを補正するためのデータを、従来より
も簡単に取得できるようになる。
【0015】次に、上記請求項2に記載のNOxセンサ
は、個々のセンサ素子における第2酸素イオンポンプセ
ルのポンプ電流のオフセット成分Ip2offpを、上
記数式2に基づいて算出するものである。同構造の2つ
のセンサ素子(個々のセンサ素子と標準センサ素子)に
関し、上記数式2が成り立つことは、発明者らが数多く
の実験を重ねる中で見いだしたものである。
【0016】上記数式2の中で、標準センサ素子の第2
酸素イオンポンプセルのポンプ電流のオフセット成分I
p2offsは、従来と同様の方法により、標準センサ
素子を用いた実測に基づいて特定される。第2拡散律速
部のコンダクタンスC2(C2sおよびC2p)は、酸
素分圧Pexoが既知のガスを被測定ガスとして用い
て、第1酸素イオンポンプセルに電圧を印加して第1酸
素イオンポンプセルの出力が一定値P1となるように第
1室内の酸素を汲み出しあるいは汲み入れるとともに、
第2酸素イオンポンプセルに電圧を印加して第2室内の
酸素を完全に汲み出すようにし、その時の第2ポンプ電
流Ip2を測定して、下記数式7に基づいて算出するこ
とができる。
【0017】
【数7】C2=Ip2/P1 このように構成されたNOxセンサによれば、上記Ip
2offs,C2s,C2pを用意するだけで、上記数
式2に基づいて個々のセンサ素子の第2酸素イオンポン
プセルのポンプ電流のオフセット成分Ip2offpを
算出できるので、個々のセンサ素子1つずつについて実
測データに基づいてIp2offpを特定するという面
倒な作業を省略することができる。
【0018】もちろん、上記Ip2offs,C2s,
C2pを用意する必要はあるが、上記Ip2offs,
C2sについては標準センサ素子についての実測だけで
データを用意できるし、上記C2pについては個々のセ
ンサ素子について実測するものの、データとして一つの
数値を取得すればよいので、Ip2offpそのものを
実測に基づいて取得するほど手間はかからず、全体とし
ては、個々のセンサ素子のばらつきを補正するためのデ
ータを、従来よりも簡単に取得できるようになる。
【0019】次に、上記請求項3に記載のNOxセンサ
は、個々のセンサ素子における酸素分圧Pexopを、
上記数式3に基づいて算出するものである。同構造の2
つのセンサ素子(個々のセンサ素子と標準センサ素子)
に関し、上記数式3が成り立つことは、発明者らが数多
くの実験を重ねる中で見いだしたものである。
【0020】上記数式3の中で、酸素分圧Pexos
は、標準センサ素子における第1酸素イオンポンプセル
のポンプ電流と被測定ガスの酸素分圧との関係に基づい
て算出されるもので、標準センサ素子における第1酸素
イオンポンプセルのポンプ電流と被測定ガスの酸素分圧
との関係は、従来と同様の方法により、標準センサ素子
を用いた実測に基づいて特定される。
【0021】第1拡散律速部のコンダクタンスC1(C
1sおよびC1p)は、酸素分圧Pexoが既知のガス
を被測定ガスとして用いて、第2酸素イオンポンプセル
の動作を停止させるとともに、第1酸素イオンポンプセ
ルに電圧を印加して第1室内の酸素を完全に汲み出すよ
うにし、その時の第1ポンプ電流Ip1を測定して、下
記数式8に基づいて算出することができる。
【0022】
【数8】C1=Ip1/Pexo このように構成されたNOxセンサによれば、上記Pe
xos,C1s,C1pを用意するだけで、上記数式3
に基づいて個々のセンサ素子で適正な酸素分圧Pexo
pを算出できるので、個々のセンサ素子1つずつについ
て実測データに基づいて、第1酸素イオンポンプセルの
ポンプ電流と被測定ガスの酸素分圧との関係を特定する
という面倒な作業を省略することができる。
【0023】もちろん、上記Pexos,C1s,C1
pを用意する必要はあるが、上記Pexos,C1sに
ついては標準センサ素子についての実測だけでデータを
用意できるし、上記C1pについては個々のセンサ素子
について実測するものの、データとして一つの数値を取
得すればよいので、第1酸素イオンポンプセルのポンプ
電流と被測定ガスの酸素分圧との関係そのものを実測に
基づいて取得するほど手間はかからず、全体としては、
個々のセンサ素子のばらつきを補正するためのデータ
を、従来よりも簡単に取得できるようになる。
【0024】以上説明したようなNOxセンサは、いず
れも、上記請求項4に記載したように、個々のセンサ素
子の各コンダクタンスCTp,C1p,C2pが、標準
センサ素子の各コンダクタンスCTs,C1s,C2s
を測定した時と同じ酸素分圧の被測定ガスを利用して測
定されていると望ましい。
【0025】このように構成すれば、標準センサ素子と
同じ酸素分圧条件下で各コンダクタンスCTp,C1
p,C2pを測定することができるので、酸素分圧の違
いに起因する誤差を排除して、より信頼性の高い測定値
を得ることができる。但し、酸素分圧の違いに起因する
誤差がないか、誤差があっても許容される範囲内にあれ
ば、請求項4に記載した構成を採用することは必須では
ない。
【0026】ところで、総合コンダクタンスCTpを測
定する場合に、上記説明では、第1酸素イオンポンプセ
ルの動作を停止させるとともに、第2酸素イオンポンプ
セルに電圧を印加し、その時の第2ポンプ電流Ip2を
測定する旨を説明した。しかし、総合コンダクタンスC
Tpが大きな値になると、場合によっては、第2酸素イ
オンポンプセルの能力が不足して、第2室内の酸素を完
全に汲み出すことが困難になる恐れがあり、その場合、
総合コンダクタンスCTpを正確に測定できない可能性
もある。
【0027】このような場合には、総合コンダクタンス
CTpを、第1拡散律速部のコンダクタンスC1pと第
2拡散律速部のコンダクタンスC2pから計算で求める
とよい。すなわち、総合コンダクタンスCTpは、第1
拡散律速部と第2拡散律速部が直列に配列された総合の
拡散律速部のコンダクタンスになるので、それは流体力
学の分野において良く知られた上記数式4により算出で
きる。
【0028】このように上記数式4を用いて総合コンダ
クタンスCTpを求めれば、総合コンダクタンスCTp
を個々のセンサ素子の測定結果から求めなくてもよくな
り、また、CTpの大きさが大きい場合にも上記数式4
による方法を用いることで、第2酸素イオンポンプセル
の能力不足に起因する問題を回避できる。
【0029】また、第2拡散律速部のコンダクタンスC
2pは、NOx分圧が第1室内の酸素分圧P1に比較し
て十分小さな場合には、上記数式7によって算出できる
が、NOx分圧が大きくなると第2ポンプ電流Ip2の
中のNOxの分解による電流寄与分が無視できなくなる
場合があるので、その場合、上記数式7では第2拡散律
速部のコンダクタンスC2pを正確に測定できなくなる
可能性もある。
【0030】そのような場合には、第2拡散律速部のコ
ンダクタンスC2pを求める際に、第1室内の酸素分圧
をP1とP1′の2種類の酸素分圧に制御して、その時
の第2ポンプ電流Ip2及びIp2′によって、以下の
数式9で算出するようにするとよい。
【0031】
【数9】 C2p=(Ip2′−Ip2)/(P1′−P1) さらに、個々のセンサ素子の各コンダクタンスCTp,
C1p,C2pは、工場出荷時に専用の測定機器を用い
て測定することもできるが、上記請求項6に記載したよ
うに、自動車に取り付けられた状態で測定されていても
よい。
【0032】このように構成すれば、自動車に取り付け
られた後にも、必要に応じて測定に適当な条件を整え
て、各コンダクタンスCTp,C1p,C2pの測定を
実施できるので、各コンダクタンスCTp,C1p,C
2pが経時変化したとしても、適時最新のコンダクタン
スCTp,C1p,C2pを取得して、以後、より正確
なNOx濃度を測定することができる。
【0033】なお、各コンダクタンスCTp,C1p,
C2pの経時変化がないか、経時変化があっても誤差と
して許容される範囲内にあれば、上記請求項6に記載し
た構成を採用することは必須ではない。さらに、自動車
に取り付けられた状態で各コンダクタンスCTp,C1
p,C2pを測定するに当たっては、被測定ガス中の酸
素分圧を既知の酸素分圧にしなければならないが、それ
には、上記請求項7に記載したように、自動車の排気ガ
ス中の酸素分圧が既知の酸素分圧となるように自動車の
運転状態を制御し、その排気ガスを被測定ガスとして利
用して、コンダクタンスCTp,C1p,C2pを測定
するとよい。
【0034】こうすれば、酸素分圧が既知の被測定ガス
をあらかじめ用意しておいて自動車の外部から導入す
る、といった面倒な手間をかけなくてもよい。なお、自
動車の排気ガス中の酸素分圧は、例えば空燃比の制御に
よってある程度制御することもできるが、上記請求項8
に記載したように、自動車の排気ガス中の酸素分圧が大
気と同じ酸素分圧となるように自動車の運転状態を制御
するのであれば、比較的簡単に排気ガス中の酸素分圧を
一定にすることができる。
【0035】より具体的には、上記請求項9に記載した
ように、燃料カット制御を行うことにより、自動車の運
転状態をいわゆるエンジンブレーキがかかるような運転
状態にすれば、自動車の排気ガス中の酸素分圧が大気と
同じ酸素分圧となるので、その時の排気ガスを被測定ガ
スとして利用して、各コンダクタンスCTp,C1p,
C2pを測定するとよい。
【0036】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
一例を挙げて説明する。以下に説明するNOxセンサ
は、図1に示すセンサ素子10を備えていて、このセン
サ素子10が自動車の排気路に配設されて、排気ガス中
のNOx濃度を検出可能に構成されている。
【0037】センサ素子10は、第1酸素イオンポンプ
セル11、酸素分圧基準セル13、および第2酸素イオ
ンポンプセル15を積層した構造になっている。第1酸
素イオンポンプセル11は、酸素イオン伝導性のある固
体電解質層11aの表裏各面に一対の多孔質電極11
b,11cを形成したものである。酸素分圧基準セル1
3は、酸素イオン伝導性のある固体電解質層13aの表
裏各面に一対の多孔質電極13b,13cを形成したも
のである。第2酸素イオンポンプセル15は、酸素イオ
ン伝導性のある固体電解質層15aの一方の面に一対の
多孔質電極15b,15cを形成したものである。
【0038】第1酸素イオンポンプセル11と酸素分圧
基準セル13との間には、第1室17が形成され、酸素
分圧基準セル13と第2酸素イオンポンプセル15との
間には、第2室19が形成されている。そして、第1室
17は、多孔質体によって形成された第1拡散律速部2
1を介して被測定ガス側に連通し、多孔質体によって形
成された第2拡散律速部23を介して第2室19に連通
している。
【0039】また、上記各部を加熱して活性化するため
に一対のヒータ25,27を備えている。このように構
成されたNOxセンサによって、排気ガス中のNOx濃
度を測定する際には、NOxセンサが目標温度を維持す
るようにヒータ25,27に与える電力が制御される。
また、NO(一酸化窒素)を僅かに分解させる程度の電
圧が第1酸素イオンポンプセル11に印加される。この
時、酸素分圧基準セル13からの出力電圧が一定値とな
るように第1酸素イオンポンプセル11に印加する電圧
がフィードバック制御され、第1酸素イオンポンプセル
11の電極間には第1ポンプ電流が流れる。また、NO
xを分解させる程度の電圧が第2酸素イオンポンプセル
15に印加され、第2酸素イオンポンプセル15の電極
間には第2ポンプ電流が流れる。
【0040】この状態において、被測定ガスである排気
ガスは、センサ素子10の外部から第1拡散律速部21
を介してセンサ素子10の内部へと拡散し、第1室17
内へ到達する。その際、被測定ガス中の酸素は、多孔質
電極11cに接触することによってイオン化し、その酸
素イオンが第1酸素イオンポンプセル11の作用で第1
室17外へと汲み出される。
【0041】また、第1室17内に残るガスは、第2拡
散律速部23を介して第2室19へと拡散する。この第
2室19内では、NOxが窒素と酸素に分解し、その酸
素がイオン化し、この酸素イオンが第2酸素イオンポン
プセル15の作用で第2測定室19外へと汲み出され
る。
【0042】この時、第1酸素イオンポンプセル11に
流れる第1ポンプ電流の電流値Ip1が、排気ガス中の
酸素分圧に応じた値を示し、第2酸素イオンポンプセル
15に流れる第2ポンプ電流の電流値Ip2が、排気ガ
ス中のNOx濃度に応じた値を示す。
【0043】次に、このNOxセンサにおけるNOx濃
度の測定方法について説明する。このNOxセンサにお
いては、まず、あらかじめ標準センサ素子が選ばれて、
その特性が実測され、その特性については例えばデータ
マップ化するなどして記憶される。
【0044】具体的には、酸素分圧Pexosが既知の
被測定ガスを用いて、その酸素分圧Pexosの被測定
ガスを測定した際の第1ポンプ電流Ip1を実測し、標
準センサ素子における酸素分圧Pexosと第1ポンプ
電流Ip1との関係を求め、この関係(以下、酸素分圧
特性ともいう)を記憶しておく。
【0045】また、酸素分圧Pexosが既知でNOx
が含まれていない被測定ガスを用いて、その酸素分圧P
exosの被測定ガスを測定した際の第2ポンプ電流I
p2を実測する。ここで実測された第2ポンプ電流Ip
2は、標準センサ素子における第2ポンプ電流のオフセ
ット成分Ip2offsとなるので、ここから標準セン
サ素子における酸素分圧Pexosと第2ポンプ電流の
オフセット成分Ip2offsとの関係を求め、この関
係(以下、Ip2オフセット特性ともいう)を記憶して
おく。
【0046】また、NOx濃度および酸素濃度(酸素分
圧)が既知の被測定ガスを用いて、その被測定ガスを測
定した際の第2ポンプ電流Ip2を実測し、既知のNO
x濃度、および実測されたIp2,Ip2offpを用
いて、NOx濃度=Gs×(Ip2−Ip2offs)
なる関係式(上記数式5と同じ関係式)に基づいてIp
2ゲインGpを逆算し、ここから標準センサ素子におけ
る酸素分圧PexosとIp2ゲインGsとの関係を求
め、この関係(以下、Ip2ゲイン特性ともいう)を記
憶しておく。
【0047】さらに、標準センサ素子の総合コンダクタ
ンスCTs,第1拡散律速部21のコンダクタンスC1
s,第2拡散律速部23のコンダクタンスC2sを測定
して記憶しておく。本実施形態において、標準センサ素
子の総合コンダクタンスCTs,第1拡散律速部21の
コンダクタンスC1s,第2拡散律速部23のコンダク
タンスC2sは、標準センサ素子を実際に自動車の排気
路に配設して、燃料カット制御を行うことにより、自動
車の運転状態をいわゆるエンジンブレーキがかかるよう
な運転状態にし、これにより、自動車の排気ガス中の酸
素分圧を大気と同じ酸素分圧として、その時の排気ガス
を被測定ガスとして利用して、各コンダクタンスCT
s,C1s,C2sが測定される。
【0048】総合コンダクタンスCTsについては、第
1酸素イオンポンプセル11の動作を停止させるととも
に、第2酸素イオンポンプセル15に電圧を印加して第
2室19内の酸素を完全に汲み出すようにし、その時の
第2ポンプ電流Ip2を測定して、関係式CTs=Ip
2/Pexosに基づいて算出し、その値を記憶してお
く。
【0049】第1拡散律速部のコンダクタンスC1sに
ついては、第2酸素イオンポンプセル15の動作を停止
させるとともに、第1酸素イオンポンプセル11に電圧
を印加して第1室17内の酸素を完全に汲み出すように
し、その時の第1ポンプ電流Ip1を測定して、関係式
C1s=Ip1/Pexosに基づいて算出し、その値
を記憶しておく。
【0050】第2拡散律速部のコンダクタンスC2sに
ついては、第1酸素イオンポンプセル11に電圧を印加
して第1酸素イオンポンプセル11の出力が一定値P1
となるように第1室17内の酸素を汲み出しあるいは汲
み入れるとともに、第2酸素イオンポンプセル15に電
圧を印加して第2室19内の酸素を完全に汲み出すよう
にし、その時の第2ポンプ電流Ip2を測定して、関係
式C2=Ip2/P1に基づいて算出し、その値を記憶
しておく。
【0051】以上のようにして、実測に基づいて取得し
た標準センサ素子の各種特性は、メモリなどの記憶手段
によって記憶され、これらは個々のセンサ素子でのNO
x測定時に参照される。また、個々のセンサ素子10に
ついても、総合コンダクタンスCTp,第1拡散律速部
21のコンダクタンスC1p,第2拡散律速部23のコ
ンダクタンスC2pは、標準センサ素子と同じ測定条件
を整えた環境下で事前に測定され、その値が記憶され
る。なお、これらの測定方法は標準センサ素子とまった
く同じ手順となるので、その具体的な測定方法について
の説明は省略する。
【0052】次に、上述した標準センサ素子の各種特
性、および個々のセンサ素子10の各コンダクタンスを
用いて、実際にNOx濃度を測定する方法について説明
する。自動車の排気路に配設されたセンサ素子10に
は、NOx濃度不明の排気ガスが被測定ガスとして導入
される。この被測定ガスは、まず第1拡散律速部21を
介して第1室17に導入される。ここで、第1酸素イオ
ンポンプセル11には、酸素分圧基準セル13が目標電
圧Vsを維持するように電圧が印加され、これに伴って
第1酸素イオンポンプセル11が酸素をイオン化してポ
ンピングする。そしてこの時、第1酸素イオンポンプセ
ル11に流れる第1ポンプ電流Ip1が測定される。
【0053】また、第2室19には、第2拡散律速部2
3を介して第1室17から被測定ガスの一部が導入され
る。ここで、第2酸素イオンポンプセル15にも電圧が
印加されていて、これに伴って第2酸素イオンポンプセ
ル15がNOxを分解し、その分解生成物である酸素イ
オンをポンピングする。そしてこの時、第2酸素イオン
ポンプセル15に流れる第2ポンプ電流Ip2が測定さ
れる。
【0054】こうして第1ポンプ電流Ip1、および第
2ポンプ電流Ip2を実測したら、後は、上記のように
して事前に求められている標準センサ素子および個々の
センサ素子10の各コンダクタンスCTs,C1s,C
2s,CTp,C1p,C2pを用いて、上記数式1〜
数式3に基づいて、標準センサ素子の酸素分圧特性、I
p2オフセット特性、Ip2ゲイン特性を補正すること
により、個々のセンサ素子10に対応した酸素分圧Pe
xop、第2ポンプ電流のオフセット成分Ip2off
p、Ip2ゲインGpを求める。
【0055】ここで、上記数式1に基づいて、標準セン
サ素子のIp2ゲイン特性を、個々のセンサ素子10に
対応したIp2ゲイン特性に補正できるのは、次のよう
な理由による。発明者らの実験によれば、同構造のいく
つかのセンサ素子10をサンプルとして選び、同一条件
下でIp2ゲインGと総合コンダクタンスCTを実測
し、両者の関係を調べたところ、図2に示すように、I
p2ゲインGと総合コンダクタンスCTの間に、1/G
=f・CTなる関係式で近似可能な関係が見いだされ
た。
【0056】この関係式中のf(図2においては2.6
5×10-2)は、酸素分圧に依存して変動する(すなわ
ち、酸素分圧の関数となる)ものの、センサ素子の個体
差には依存しない値である。センサの個体差に依存する
ことなく上記関係式1/G=f・CTが成り立つ場合、
標準センサ素子のIp2ゲインGs,総合コンダクタン
スCTs、個々のセンサ素子のIp2ゲインGp,総合
コンダクタンスCTpについて、それぞれ1/Gs=f
・CTs,1/Gp=f・CTpなる関係式が成り立つ
ので、(1/Gp)/CTp=(1/Gs)/CTsな
る関係式が成り立つことになる。したがって、この関係
式を整理すると、Gp=CTs・Gs/CTp(すなわ
ち、上記数式1)なる関係式が導出されるのである。
【0057】また、これと同様に、第2ポンプ電流のオ
フセット成分Ip2offと第2拡散律速部23のコン
ダクタンスC2との間、酸素分圧Pexoと第1拡散律
速部21のコンダクタンスC1との間にも、センサ素子
の個体差に依存しない線形な関係が成り立ち、その関係
を整理すると、Ip2offp=C2p・Ip2off
s/C2s(すなわち、上記数式2)、Pexop=C
1s・Pexos/C1p(すなわち、上記数式3)な
る関係式が導出されるのである。
【0058】そして、これら個々のセンサ素子10に対
応した酸素分圧Pexop、第2ポンプ電流のオフセッ
ト成分Ip2offp、Ip2ゲインGpを、上記数式
5に代入してNOx濃度を求めることになる。このよう
にしてNOx濃度を求めれば、個々のセンサ素子10に
ついては、酸素分圧特性、Ip2オフセット特性、Ip
2ゲイン特性を実測に基づいて求めなくてもよくなるの
で、センサ素子10の特性を特定するためにかかる工数
を大幅に削減することができる。なお、各コンダクタン
スCTp,C1p,C2pについては、個々のセンサ素
子について測定する必要があるが、酸素分圧特性、Ip
2オフセット特性、Ip2ゲイン特性を取得することに
比べれば、はるかに手間がかからない。
【0059】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明は上記具体的な一実施形態に限定されず、こ
の他にも種々の形態で実施することができる。例えば、
上記実施形態においては、上記数式1〜数式3に基づい
て、標準センサ素子の酸素分圧特性、Ip2オフセット
特性、およびIp2ゲイン特性を補正することにより、
個々のセンサ素子10に対応した酸素分圧Pexop、
第2ポンプ電流のオフセット成分Ip2offp、およ
びIp2ゲインGpを求めていたが、酸素分圧Pexo
p、第2ポンプ電流のオフセット成分Ip2offp、
およびIp2ゲインGpの内、いずれか1つまたは2つ
を上記実施形態と同様に求めることとして、残りについ
ては、例えば従来と同様の手順で求めるなど、上記実施
形態とは別の手法を採用してNOx濃度を測定すること
もできる。
【0060】また、上記実施形態では、自動車の排気路
にセンサ素子を配設して、センサ素子の各コンダクタン
スを測定していたが、これに限らず、専用の測定機器を
利用して各コンダクタンスを測定するようにしても構わ
ない。さらに、上記実施形態では、センサ素子の各コン
ダクタンスを測定する際に、燃料カット制御を行って特
定酸素分圧の排気ガスを生成していたが、酸素分圧が既
知の排気ガスを生成することができれば、燃料カット以
外の制御を行ってもよいし、排気ガス中の酸素分圧が既
知であれば、その酸素分圧が大気とは異なっていても構
わない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態として説明したNOxセン
サの概略構成を表わす従断面図である。
【図2】 Ip2ゲインGと総合コンダクタンスCTと
の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
10・・・センサ素子、11・・・第1酸素イオンポン
プセル、13・・・酸素分圧基準セル、15・・・第2
酸素イオンポンプセル、11a,13a,15a・・・
固体電解質層、11b,11c,13b,13c,15
b,15c・・・多孔質電極、17・・・第1室、19
・・・第2室、21・・・第1拡散律速部、23・・・
第2拡散律速部、25,27・・・ヒータ。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガスの流通を制限する第1拡散律速部を介
    して被測定ガスが導入される第1室と、ガスの流通を制
    限する第2拡散律速部を介して前記第1室内のガスが導
    入される第2室と、前記第1室の内外に配置された一対
    の電極間に酸素イオン伝導性のある固体電解質を介在さ
    せてなる第1酸素イオンポンプセルと、前記第2室の内
    外に配置された一対の電極間に酸素イオン伝導性のある
    固体電解質を介在させてなる第2酸素イオンポンプセル
    とを備えたセンサ素子を利用して、前記被測定ガス中の
    NOx濃度を算出するNOxセンサにおいて、 個々の前記センサ素子におけるIp2ゲインGpを、下
    記数式1に基づいて算出するNOxセンサ。 【数1】Gp=CTs・Gs/CTp (但し、Gp:個々のセンサ素子のIp2ゲイン、CT
    s:標準センサ素子の総合コンダクタンス、Gs:標準
    センサ素子のIp2ゲイン、CTp:個々のセンサ素子
    の総合コンダクタンス。)
  2. 【請求項2】ガスの流通を制限する第1拡散律速部を介
    して被測定ガスが導入される第1室と、ガスの流通を制
    限する第2拡散律速部を介して前記第1室内のガスが導
    入される第2室と、前記第1室の内外に配置された一対
    の電極間に酸素イオン伝導性のある固体電解質を介在さ
    せてなる第1酸素イオンポンプセルと、前記第2室の内
    外に配置された一対の電極間に酸素イオン伝導性のある
    固体電解質を介在させてなる第2酸素イオンポンプセル
    とを備えたセンサ素子を利用して、前記被測定ガス中の
    NOx濃度を算出するNOxセンサにおいて、個々の前
    記センサ素子における前記第2酸素イオンポンプセルの
    ポンプ電流のオフセット成分Ip2offpを、下記数
    式2に基づいて算出するNOxセンサ。 【数2】 Ip2offp=C2p・Ip2offs/C2s (但し、Ip2offp:個々のセンサ素子の第2酸素
    イオンポンプセルのポンプ電流のオフセット成分、C2
    p:個々のセンサ素子の第2拡散律速部のコンダクタン
    ス、Ip2offs:標準センサ素子の第2酸素イオン
    ポンプセルのポンプ電流のオフセット成分、C2s:標
    準センサ素子の第2拡散律速部のコンダクタンス。)
  3. 【請求項3】ガスの流通を制限する第1拡散律速部を介
    して被測定ガスが導入される第1室と、ガスの流通を制
    限する第2拡散律速部を介して前記第1室内のガスが導
    入される第2室と、前記第1室の内外に配置された一対
    の電極間に酸素イオン伝導性のある固体電解質を介在さ
    せてなる第1酸素イオンポンプセルと、前記第2室の内
    外に配置された一対の電極間に酸素イオン伝導性のある
    固体電解質を介在させてなる第2酸素イオンポンプセル
    とを備えたセンサ素子を利用して、前記被測定ガス中の
    NOx濃度を算出するNOxセンサにおいて、個々の前
    記センサ素子における酸素分圧Pexopを、下記数式
    3に基づいて算出するNOxセンサ。 【数3】 Pexop=C1s・Pexos/C1p (但し、Pexop:個々のセンサ素子で測定される被
    測定ガスの酸素分圧、C1s:標準センサ素子の第1拡
    散律速部のコンダクタンス、Pexos:標準センサ素
    子における第1酸素イオンポンプセルのポンプ電流と被
    測定ガスの酸素分圧との関係に基づいて、個々のセンサ
    素子の第1酸素イオンポンプセルのポンプ電流値から求
    められる被測定ガスの酸素分圧、C1p:個々のセンサ
    素子の第1拡散律速部のコンダクタンス。)
  4. 【請求項4】個々の前記センサ素子の前記各コンダクタ
    ンスCTp,C1p,C2pが、前記標準センサ素子の
    前記各コンダクタンスCTs,C1s,C2sを測定し
    た時と同じ酸素分圧の被測定ガスを利用して測定されて
    いる請求項1〜請求項3のいずれかに記載したNOxセ
    ンサ。
  5. 【請求項5】個々の前記センサ素子の総合コンダクタン
    スCTpが、個々の前記センサ素子の前記第1拡散律速
    部のコンダクタンスC1pと個々の前記センサ素子の前
    記第2拡散律速部のコンダクタンスC2pから、下記数
    式4に基づいて算出されている請求項1に記載したNO
    xセンサ。 【数4】 CTp=(C1p×C2p)/(C1p+C2p)
  6. 【請求項6】個々の前記センサ素子の前記各コンダクタ
    ンスCTp,C1p,C2pが、自動車に取り付けられ
    た状態で測定されている請求項1〜請求項5のいずれか
    に記載したNOxセンサ。
  7. 【請求項7】前記自動車の排気ガス中の酸素分圧が既知
    の酸素分圧となるように前記自動車の運転状態を制御
    し、その排気ガスを前記被測定ガスとして利用して、個
    々の前記センサ素子の前記各コンダクタンスCTp,C
    1p,C2pが測定されている請求項6に記載したNO
    xセンサ。
  8. 【請求項8】前記自動車の排気ガス中の酸素分圧が大気
    と同じ酸素分圧となるように前記自動車の運転状態を制
    御し、その排気ガスを前記被測定ガスとして利用して、
    個々の前記センサ素子の前記各コンダクタンスCTp,
    C1p,C2pが測定されている請求項7に記載したN
    Oxセンサ。
  9. 【請求項9】燃料カット制御によって前記自動車の排気
    ガス中の酸素分圧が大気と同じ酸素分圧となるように前
    記自動車の運転状態を制御し、その排気ガスを前記被測
    定ガスとして利用して、個々の前記センサ素子の前記各
    コンダクタンスCTp,C1p,C2pが測定されてい
    る請求項8に記載したNOxセンサ。
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