JP2003166967A - 内燃機関のガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複合型のガス濃度センサの各セルを活性状態
に保持するヒータ制御に伴う素子温度の上昇による劣化
の進行を抑制すること。 【解決手段】 複合型のガス濃度センサ１００のポンプ
セル１１０とモニタセル１２０とに対して印加する電圧
または電流を所定周期で一時的に切換え、そのときの電
圧変化及び電流変化からモニタセル１２０及びポンプセ
ル１１０の各素子抵抗が検出される。これらの素子抵抗
が所望の目標素子抵抗に一致するようヒータ１５１への
通電が制御され、センサセル１３０に流れる電流の検出
値にてＮＯx 濃度が逐次検出される。このとき、モニタ
セル１２０またはポンプセル１１０の素子抵抗が所定範
囲外となると、素子温度が劣化前と同一に維持されるよ
う素子抵抗の制御目標が劣化に連れて高く変更されるた
め、ガス濃度センサ１００の劣化を抑制することができ
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、複合型のガス濃度
センサからの検出値に基づき内燃機関の排気ガス中の特
定ガス成分の濃度を検出する内燃機関のガス濃度検出装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関のガス濃度検出装置に関
連するものとして、限界電流式の複合型のガス濃度セン
サを用い、内燃機関の排気ガス中のＮＯx （窒素酸化
物）を検出するものが知られている。この複合型のガス
濃度センサは、例えば、ポンプセル、センサセル及びモ
ニタセルからなる３セル構造を有する。このガス濃度セ
ンサのポンプセルでは、チャンバに導入した排気ガス中
の酸素の排出または汲み込みが行なわれ、また、センサ
セルでは、ポンプセルを通過したのちのガスから特定ガ
ス成分の濃度としてＮＯx 濃度が検出され、モニタセル
では、チャンバ内の残留酸素濃度が検出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述の複合
型のガス濃度センサでは、各セルのうち制御中のセル
（以下、『制御セル』と記す）を活性状態に保持するた
め、その素子抵抗が制御目標値になるようヒータ制御さ
れるが、長期にわたるセンサ使用に伴う劣化として、ヒ
ータに同一電流を流しているにもかかわらず制御セルの
素子温度が徐々に上昇する傾向にある。ここで、各セル
を活性状態に保持するための素子温度を必要以上に上昇
させると劣化が更に進行されるという不具合があった。

【０００４】そこで、この発明はかかる不具合を解決す
るためになされたもので、複合型のガス濃度センサの各
セルを活性状態に保持するヒータ制御に伴う素子温度の
上昇による劣化の進行を抑制可能な内燃機関のガス濃度
検出装置の提供を課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の内燃機関のガ
ス濃度検出装置によれば、素子抵抗検出手段にて複合型
のガス濃度センサを構成する少なくともポンプセル、セ
ンサセル、モニタセルのうち少なくとも２つのセルに対
して印加する電圧または電流が所定周期で一時的に切換
えられ、そのときの電圧変化及び電流変化から各セルの
素子抵抗が検出され、これらの素子抵抗が所望の目標素
子抵抗に一致するようヒータ制御手段にてヒータへの通
電が制御され、センサセルに流れる電流の検出値から特
定ガス成分の濃度が逐次検出される。このように、ヒー
タ制御手段によって、所定のセルの素子抵抗が所望の目
標素子抵抗に一致するよう制御される際、劣化判定手段
によって他のセルの素子抵抗が所定範囲外となるとき、
ガス濃度センサが劣化していると判定される。この際に
は、各セルの素子温度が劣化前と同一に維持されるよう
素子抵抗の制御目標が劣化に連れて高く設定される。こ
れにより、ガス濃度センサの劣化の進行が抑制され、結
果として、特定ガス成分の濃度の検出精度が向上され
る。

【０００６】請求項２の内燃機関のガス濃度検出装置に
おける素子抵抗検出手段では、ガス濃度センサの劣化判
定の際にも、センサセル以外のセルを対象に素子抵抗が
検出されるため、センサセルによる特定ガス成分の濃度
の検出が中断されることがなく、特定ガス成分の濃度検
出に影響を及ぼすことがないという効果が得られる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて説明する。

【０００８】図１は本発明の実施の形態の一実施例にか
かる内燃機関のガス濃度検出装置の電気的構成を示す概
略図である。図２及び図３は、図１のガス濃度センサ１
００の要部構成を示す断面図である。

【０００９】本実施例のガス濃度検出装置は、限界電流
式のガス濃度センサ１００を用い、被検出ガスである内
燃機関１からの排気ガス中の酸素（Ｏ_２）濃度を検出す
ると共に、特定ガス成分の濃度としてのＮＯx （窒素酸
化物）濃度を検出する。

【００１０】まず、ガス濃度センサ１００の構造につい
て、図２及び図３を参照して説明する。

【００１１】図２に示すように、ガス濃度センサ１００
はポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル
１３０を有する３セル構造からなり、排気ガス中の酸素
濃度とＮＯx 濃度とを同時に検出可能な、所謂、複合型
ガスセンサとして具体化されている。なお、図２（ａ）
はセンサ素子の先端部構造を示す断面図であり、図２
（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【００１２】また、ガス濃度センサ１００では、酸素イ
オン伝導性材料からなる固体電解質（固体電解質素子）
１４１，１４２が板状に形成され、アルミナ等の絶縁材
料からなるスペーサ１４３を介して上下に所定間隔を隔
てて積層されている。このうち、固体電解質１４１には
ピンホール１４１ａが形成されており、このピンホール
１４１ａを介してガス濃度センサ１００周囲の排気ガス
が第１チャンバ１４４内に導入される。第１チャンバ１
４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバ１４６に連
通されている。なお、１４７は多孔質拡散層である。

【００１３】固体電解質１４２には、第１チャンバ１４
４に面するようにしてポンプセル１１０が設けられてお
り、ポンプセル１１０によって第１チャンバ１４４内に
導入された排気ガス中の酸素が排出または汲み込まれる
と共に、この際に排気ガス中の酸素濃度が検出される。
ここで、ポンプセル１１０には、固体電解質１４２を挟
んで一対の電極１１１，１１２が形成され、このうち特
に第１チャンバ１４４側の電極１１１はＮＯx 不活性電
極（ＮＯx ガスを分解し難い電極）に形成されている。
このポンプセル１１０によって、第１チャンバ１４４内
に存在する酸素が分解され電極１１２より大気通路１５
０側に排出される。

【００１４】また、固体電解質１４１には、第２チャン
バ１４６に面するようにしてモニタセル１２０及びセン
サセル１３０が設けられている。モニタセル１２０から
は、第２チャンバ１４６内の余剰酸素濃度に応じて起電
力または電圧印加に伴う電流出力が発生される。また、
センサセル１３０によって、ポンプセル１１０を通過し
たのちのガスからＮＯx 濃度が検出される。

【００１５】特に、図２（ｂ）に示すように、排気ガス
の流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセル１
２０及びセンサセル１３０が並列に配置されていると共
に、これら各セル１２０，１３０の大気通路１４８側の
電極が共通電極１２２として形成されている。即ち、モ
ニタセル１２０は、固体電解質１４１とそれを挟んで対
向配置された電極１２１及び共通電極１２２とからな
り、センサセル１３０は同じく固体電解質１４１とそれ
を挟んで対向配置された電極１３１及び共通電極１２２
とからなる。なお、モニタセル１２０の電極１２１（第
２チャンバ１４６側の電極）はＮＯx ガスに不活性なＡ
ｕ−Ｐｔ等の貴金属にて形成されているのに対し、セン
サセル１３０の電極１３１（第２チャンバ１４６側の電
極）はＮＯx ガスに活性なＰｔ等の貴金属にて形成され
ている。

【００１６】更に、図３（ａ）は、モニタセル１２０及
びセンサセル１３０の電極を第２チャンバ１４６側から
見た断面図であり、図３（ｂ）は、これら各セルの電極
を大気通路１４８側から見た断面図である。但し、モニ
タセル１２０及びセンサセル１３０の電極は、図３
（ａ）に示すように、排気ガスの流れ方向に沿って並列
に配置すること以外に、排気ガスの流れ方向で前後（即
ち、図３（ａ）の左右）に配置してもよい。例えば、モ
ニタセル１２０を上流側（図３（ａ）の左側）、センサ
セル１３０を下流側（図３（ａ）の右側）に配置しても
よい。

【００１７】また、図２（ａ）に示すように、固体電解
質１４２の下面には絶縁層１４９が設けられ、この絶縁
層１４９により大気通路１５０が形成されている。ま
た、絶縁層１４９にはセンサ全体を加熱するためのヒー
タ１５１が埋設されている。そして、ポンプセル１１
０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を含めたセ
ンサ全体を活性状態にすべく、ヒータ１５１では外部か
らの給電により熱エネルギが発生される。

【００１８】上記構成のガス濃度センサ１００におい
て、排気ガスは多孔質拡散層１４７及びピンホール１４
１ａを通って第１チャンバ１４４に導入される。そし
て、この排気ガスがポンプセル１１０近傍を通過する
際、ポンプセル１１０の電極１１１，１１２間に電圧が
印加されることで分解反応が起こされ、第１チャンバ１
４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸
素が排出または汲み込まれる。なお、このとき、第１チ
ャンバ１４４側の電極１１１がＮＯx 不活性電極である
ので、ポンプセル１１０では排気ガス中のＮＯx は分解
されず、酸素のみが分解されて大気通路１５０に排出さ
れる。そして、ポンプセル１１０に流れるポンプセル電
流Ｉｐにより、排気ガス中に含まれる酸素濃度が検出さ
れる。

【００１９】この後、ポンプセル１１０近傍を通過した
排気ガスは第２チャンバ１４６に流れ込み、モニタセル
１２０ではガス中の余剰酸素濃度に応じた出力が発生さ
れる。モニタセル１２０の出力は、このモニタセル１２
０の電極１２１，１２２間に所定の電圧が印加されるこ
とで、モニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、セ
ンサセル１３０の電極１３１，１２２間に所定の電圧が
印加されることでガス中のＮＯx が還元分解され、この
とき発生する酸素が大気通路１４８に排出される。この
際、センサセル１３０に流れるセンサセル電流Ｉｓによ
り、排気ガス中に含まれるＮＯx 濃度が検出される。

【００２０】次に、本実施例の内燃機関のガス濃度検出
装置の電気的な構成について、図１を参照して説明す
る。なお、図１は、上述の図２及び図３に示すガス濃度
センサ１００を用いたガス濃度検出装置であるが、モニ
タセル１２０及びセンサセル１３０の電極配置について
は、便宜上、横並びの状態で示す。

【００２１】図１において、制御回路２００は、ＣＰ
Ｕ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、Ｉ／Ｏポー
ト等からなる周知のマイクロコンピュータで構成されて
おり、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサ
セル１３０の印加電圧がＤ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ０〜
Ｄ／Ａ２）より適宜、出力される。また、制御回路２０
０には、これらポンプセル１１０、モニタセル１２０及
びセンサセル１３０に流れる電流を測定すべく、各端子
Ｖｃ，Ｖｅ，Ｖｄ，Ｖｂ，Ｖｇ，Ｖｈの電圧がＡ／Ｄコ
ンバータ（Ａ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５）より各々入力される。
そして、制御回路２００では、ポンプセル１１０やセン
サセル１３０による測定電流に基づく排気ガス中の酸素
濃度やＮＯx 濃度が検出され、それらの検出値がＤ／Ａ
コンバータ（Ｄ／Ａ３，Ｄ／Ａ４）より外部に出力され
る。

【００２２】回路構成について、詳しくは、ポンプセル
１１０において一方の電極１１２には、基準電源２０１
及びオペアンプ２０２により基準電圧Ｖａが印加され、
他方の電極１１１には、オペアンプ２０３及び電流検出
抵抗２０４を介して制御回路２００からの指令電圧Ｖｂ
が印加される。指令電圧Ｖｂの印加に際し、排気ガス中
の酸素濃度に応じてポンプセル１１０に電流が流れる
と、この電流が電流検出抵抗２０４により検出される。
つまり、電流検出抵抗２０４の両端子電圧Ｖｂ，Ｖｄが
制御回路２００に取込まれ、この電圧Ｖｂ，Ｖｄにより
ポンプセル電流Ｉｐが算出される。

【００２３】また、モニタセル１２０及びセンサセル１
３０の共通電極１２２には、基準電源２０５及びオペア
ンプ２０６により基準電圧Ｖｆが印加され、共通電極１
２２と異なる方のセンサセル電極１３１には、オペアン
プ２０７及び電流検出抵抗２０８を介して制御回路２０
０からの指令電圧Ｖｇが印加される。指令電圧Ｖｇの印
加に際し、排気ガス中のＮＯx 濃度に応じてセンサセル
１３０に電流が流れると、この電流が電流検出抵抗２０
８により検出される。つまり、電流検出抵抗２０８の両
端子電圧Ｖｇ，Ｖｈが制御回路２００に取込まれ、この
電圧Ｖｇ，Ｖｈによりセンサセル電流Ｉｓが算出され
る。

【００２４】そして、共通電極１２２と異なる方のモニ
タセル電極１２１には、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２
０９、オペアンプ２１０及び電流検出抵抗２１１を介し
て制御回路２００からの指令電圧Ｖｃが印加される。指
令電圧Ｖｃの印加に際し、排気ガス中のＮＯx 濃度に応
じてモニタセル１２０に電流が流れると、この電流が電
流検出抵抗２１１により検出される。つまり、電流検出
抵抗２１１の両端子電圧Ｖｃ，Ｖｅが制御回路２００に
取込まれ、この電圧Ｖｃ，Ｖｅによりモニタセル電流Ｉ
ｍが算出される。なお、ＬＰＦ２０９は、例えば、抵抗
及びコンデンサからなる１次フィルタにて実現される。

【００２５】また、本実施例では、モニタセル１２０を
対象に、掃引法を用いて素子抵抗に相当する素子インピ
ーダンスが検出されるようになっている。つまり、モニ
タセル１２０のインピーダンス検出時において、制御回
路２００によりモニタセル印加電圧（指令電圧Ｖｃ）が
正（＋）側または負（−）側の少なくとも何れかに瞬間
的に切換えられる。この印加電圧は、ＬＰＦ２０９によ
り正弦波的になまされつつモニタセル１２０に印加され
る。なお、交流電圧の周波数は１０〔ｋＨｚ〕以上が望
ましく、ＬＰＦ２０９の時定数は５〔μｓｅｃ〕程度に
設定される。そして、このときの電圧変化量と電流変化
量とからモニタセル１２０の素子インピーダンスが算出
される。

【００２６】更に、モニタセル１２０及びセンサセル１
３０では、一方の電極が共通電極１２２として形成され
ているため、基準電圧側のドライブ回路が削減できると
いう利点や、ガス濃度センサ１００からのリード線の取
出し本数が削減できるという利点が得られる。また、モ
ニタセル１２０とセンサセル１３０とは同じ固体電解質
１４１で隣合って形成されているため、掃引時には隣の
電極に電流が流れ、インピーダンスの検出精度が悪化す
ることが懸念されるが、共通電極１２２が設けられてい
ることで一方の電極が同電位となり、この影響が低減さ
れる。

【００２７】ところで、モニタセル１２０では残留酸素
を検出する際に数〔μＡ〕程度の電流しか流れないのに
対し、インピーダンス検出のための掃引時には数〔ｍ
Ａ〕程度の電流が流れる。このオーダの異なる電流を同
じ検出抵抗で検出すると、オーバレンジしたり、検出精
度が悪くなったりする。そこで、本実施例では、モニタ
セル１２０による残留酸素検出時とインピーダンス検出
時とで電流検出抵抗を切換えることとする。

【００２８】具体的には、電流検出抵抗２１１に並列
に、別の電流検出抵抗２１２とスイッチ回路２１３（例
えば、半導体スイッチ）とが設けられている。そして、
制御回路２００のＩ／Ｏポートからの出力により、スイ
ッチ回路２１３がＯＮ（オン）／ＯＦＦ（オフ）される
よう構成されている。この場合、通常のガス濃度検出時
には、スイッチ回路２１３がＯＦＦ（開放）され、電流
検出抵抗２１１による数１００〔ｋΩ〕程度の抵抗でモ
ニタセル電流Ｉｍが検出される。これに対し、インピー
ダンス検出時には、スイッチ回路２１３がＯＮ（閉鎖）
され、電流検出抵抗２１１，２１２による数１００
〔Ω〕程度の抵抗でモニタセル電流Ｉｍが検出される。

【００２９】また、制御回路２００内のＣＰＵによっ
て、制御指令値ＤｕｔｙがＩ／Ｏポートから出力されＭ
ＯＳＦＥＴドライバ２５１が駆動される。このとき、Ｍ
ＯＳＦＥＴ２５２により電源２５３（例えば、バッテリ
電源）からヒータ１５１へ供給される電力がＰＷＭ制御
される。

【００３０】次に、本発明の実施の形態の一実施例にか
かる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御
回路２００内のＣＰＵにおけるガス濃度センサ１００の
各セルに対するヒータ制御の処理手順を示す図４のフロ
ーチャートに基づいて説明する。なお、このヒータ制御
ルーチンは制御回路２００への電源投入に伴い所定時間
毎にＣＰＵにて繰返し実行される。

【００３１】図４において、まず、ステップＳ１０１で
は、前回のＡ／Ｆ（酸素濃度）及びＮＯx 濃度の検出時
から所定時間Ｔａが経過しているかが判定される。この
所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ及びＮＯx 濃度の検出周期に相
当する時間であって、例えば、Ｔａ＝４〔ｍｓｅｃ〕程
度に設定される。ステップＳ１０１の判定条件が成立、
即ち、所定時間Ｔａが経過しているときにはステップＳ
１０２に移行し、Ａ／Ｆ及びＮＯx 濃度の検出処理が実
行される。

【００３２】このＡ／Ｆ（酸素濃度）の検出処理では、
その時々のポンプセル電流Ｉｐに応じたポンプセル印加
電圧が設定されると共に、その電圧印加時のポンプセル
電流Ｉｐが検出される。この検出されたポンプセル電流
ＩｐがＡ／Ｆ値に変換される。また、ＮＯx 濃度の検出
処理では、所定のセンサセル印加電圧が設定されると共
に、その電圧印加時のセンサセル電流Ｉｓが検出され
る。この検出されたセンサセル電流ＩｓがＮＯx 濃度値
に変換される。

【００３３】次にステップＳ１０３に移行して、前回の
素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過して
いるかが判定される。この所定時間Ｔｂは、素子インピ
ーダンスＺＡＣの検出周期に相当する時間であって、例
えば、運転状態に応じて１２８〔ｍｓｅｃ〕，２〔ｓｅ
ｃ〕等の時間が選択的に設定される。ステップＳ１０３
の判定条件が成立、即ち、所定時間Ｔｂが経過している
ときにはステップＳ１０４に移行し、後述の素子インピ
ーダンスＺＡＣの検出処理が実行される。次にステップ
Ｓ１０５に移行して、ヒータ１５１に対する通電制御が
実行され、本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ１
０１の判定条件が成立せず、即ち、所定時間Ｔａが未だ
経過していないとき、またはステップＳ１０３の判定条
件が成立せず、即ち、所定時間Ｔｂが未だ経過していな
いときには、何もすることなく本ルーチンを終了する。

【００３４】なお、ヒータ１５１に対する通電制御に関
しては、素子インピーダンスＺＡＣが所望の目標値に一
致するようヒータ１５１に通電制御されるものであれ
ば、任意の制御手法が適用できる。一例としては、ガス
濃度センサ１００の素子温が低く、素子インピーダンス
ＺＡＣが比較的大きい場合には、例えば、デューティ比
１００〔％〕の全通電制御によりヒータ１５１に通電さ
れる。また、素子温が上昇すると、周知のＰＩＤ制御手
法等を用いて制御デューティ比が算出され、このデュー
ティ比によりヒータ１５１に通電される。

【００３５】次に、上述の図４のステップＳ１０４にお
ける素子インピーダンスＺＡＣの検出処理について、図
５のフローチャートを参照して説明する。

【００３６】図５において、まず、ステップＳ２０１で
は、スイッチ回路２１３がＯＦＦからＯＮに切換えられ
る。これにより、それまで数１００〔ｋΩ〕程度であっ
た検出抵抗が数１００〔Ω〕程度に切換えられる。次に
ステップＳ２０２に移行して、モニタセル１２０の印加
電圧（指令電圧Ｖｃ）が操作され、それまでの残留酸素
濃度検出用の印加電圧に対して電圧が正側に数１０〜１
００〔μｓｅｃ〕程度の時間で一時的に切換えられ変化
される。

【００３７】次にステップＳ２０３に移行して、このと
きのモニタセル印加電圧の変化量とモニタセル電流Ｉｍ
の変化量とが読込まれる。次にステップＳ２０４に移行
して、電圧変化量と電流変化量とから素子インピーダン
スＺＡＣ（＝電圧変化量／電流変化量）が算出される。
次にステップＳ２０５に移行して、スイッチ回路２１３
がＯＮからＯＦＦに戻されたのち、本ルーチンを終了す
る。

【００３８】これにより、以下に示すような効果が得ら
れる。

【００３９】ガス濃度センサ１００のモニタセル１２０
を対象に素子インピーダンスＺＡＣが検出されるので、
素子インピーダンスＺＡＣの検出に際し、センサセル１
３０でのＮＯx 濃度検出が中断されることはない。即
ち、ＮＯx 濃度の不検出期間ができることはない。また
同様に、ポンプセル１１０でのＡ／Ｆ検出（酸素濃度検
出）が中断されることはなく、Ａ／Ｆの不検出期間がで
きることもない。したがって、ＮＯx 濃度検出やＡ／Ｆ
検出に影響を及ぼすことなく素子インピーダンスＺＡＣ
を好適に検出することができる。

【００４０】また、この際、モニタセル１２０とセンサ
セル１３０とは近接した状態で配置されており、モニタ
セル１２０での素子インピーダンスＺＡＣに基づきヒー
タ１５１に対する通電制御が実行されることで、これら
モニタセル１２０とセンサセル１３０とが共に所望の活
性状態に保持されることとなる。つまり、センサセル１
３０での温度変動が抑制され、この結果、ＮＯx 濃度の
検出精度が向上される。

【００４１】また、ガス濃度センサ１００において、モ
ニタセル１２０とセンサセル１３０とで一方の電極が共
通化されており、共通電極ではない方のモニタセル電極
で印加電圧が一時的に切換えられ、素子インピーダンス
ＺＡＣが検出される。このため、構成の簡素化を図りつ
つ、適正なる素子インピーダンス検出を実施することが
できる。但し、モニタセル１２０及びセンサセル１３０
で共通電極を設けず、各セルで個別に電極を設けてもよ
い。この場合、モニタセル印加電圧を一時的に変化させ
る電極は、モニタセル１２０の何れの電極であってもよ
い。

【００４２】そして、モニタセル１２０による残留酸素
濃度検出時と素子インピーダンス検出時とで、電流検出
抵抗の抵抗値が切換えられるので、モニタセル１２０で
の電流検出に際し、オーバレンジしたり、検出精度が悪
くなったりする等の不都合が解消される。

【００４３】次に、上述の図４のステップＳ１０４にお
ける素子インピーダンスＺＡＣの検出処理の変形例につ
いて、図６のフローチャートを参照して説明する。

【００４４】上述の素子インピーダンスＺＡＣの検出処
理では、モニタセル１２０を対象に素子インピーダンス
が検出されるのに対し、本変形例では、ポンプセル１１
０を対象に素子インピーダンスが検出される。

【００４５】なお、内燃機関のガス濃度検出装置の構成
上の違いとしては、ポンプセル１１０での素子インピー
ダンスの検出に際して、制御回路２００から出力される
ポンプセル印加電圧（指令電圧Ｖｂ）を正弦波的になま
すことができるよう制御回路２００のＤ／Ａ１にＬＰＦ
が接続される。

【００４６】図６において、まず、ステップＳ３０１で
は、ポンプセル１１０の印加電圧（指令電圧Ｖｂ）が操
作され、それまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対して電
圧が正側に数１０〜１００〔μｓｅｃ〕程度の時間で一
時的に切換えられ変化される。次にステップＳ３０２に
移行して、このときのポンプセル印加電圧の変化量とポ
ンプセル電流Ｉｐの変化量とが読込まれる。次にステッ
プＳ３０３に移行して、電圧変化量と電流変化量とから
素子インピーダンスＺＡＣ（＝電圧変化量／電流変化
量）が算出され、本ルーチンを終了する。

【００４７】ここで、ポンプセル１１０で素子インピー
ダンスＺＡＣが検出される場合、Ａ／Ｆ検出時及びイン
ピーダンス検出時には何れも数ｍＡ程度の電流が流れ
る。このため、上述の図１に示すようなスイッチ回路２
１３を設けて検出抵抗の切換えを行なう必要はない。

【００４８】このように、本変形例でも、素子インピー
ダンスＺＡＣの検出に際し、同様にセンサセル１３０で
のＮＯx 濃度検出が中断されることはない。即ち、ＮＯ
x 濃度の不検出期間ができることはない。したがって、
ＮＯx 濃度検出に影響を及ぼすことなく、素子インピー
ダンスＺＡＣを好適に検出することができる。

【００４９】また、この場合、ポンプセル１１０が所望
の活性状態に保持できるため、ポンプセル１１０での酸
素排出機能が適正に作用し、チャンバ１４４内の残留酸
素濃度を一定に保つことができ、ＮＯx 濃度の検出精度
が確保される。

【００５０】次に、本実施例のガス濃度センサ１００の
ヒータ制御による各セルの劣化前及び劣化後における素
子温度〔℃〕と素子抵抗〔Ω〕との関係について、図７
に示す特性図を参照して説明する。

【００５１】図７において、ガス濃度センサ１００のヒ
ータ１５１への通電を制御するヒータ制御され、各セル
が劣化前から劣化後と徐々に劣化が進むに連れて、白抜
き矢印にて『劣化』として示すように、各セルの素子抵
抗の制御目標を一定に維持した場合、素子温度は高くな
るという特性を有する。このように、各セルは素子温度
が高くなると劣化が促進されてしまうため、各セルが活
性状態を保持可能な素子温度より必要以上に高くならな
いようにすることが重要である。そこで、各セルの素子
温度の上昇を抑え劣化前に維持するには、白抜き矢印に
て『補正』として示すように、各セルの素子抵抗の制御
目標を劣化の進み具合に連れて高く設定することで達成
できる。

【００５２】次に、本発明の実施の形態の一実施例にか
かる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御
回路２００内のＣＰＵにおける劣化判定の処理手順を示
す図８のフローチャートに基づき、図９を参照して説明
する。ここで、図９は図８の処理に対応する各種制御量
等の遷移状態を示すタイムチャートである。なお、この
劣化判定ルーチンは制御回路２００への電源投入に伴い
所定時間毎にＣＰＵにて繰返し実行される。

【００５３】図８において、ステップＳ４０１では、内
燃機関の運転状態が定常であるかが判定される。ステッ
プＳ４０１の判定条件が成立せず、即ち、内燃機関の運
転状態が過渡であるときにはステップＳ４０２に移行
し、このときの制御セルであるモニタセル１２０の素子
抵抗Ｒmsが検出される。

【００５４】このモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsの検
出では、上述したように、モニタセル１２０の印加電圧
（指令電圧Ｖｃ）が操作され、それまでの残留酸素濃度
検出用の印加電圧に対して電圧が正側に数１０〜１００
〔μｓｅｃ〕程度の時間で一時的に切換えられ変化され
る。このときのモニタセル印加電圧の変化量とモニタセ
ル電流Ｉｍの変化量とが読込まれる。そして、モニタセ
ル１２０の素子抵抗Ｒmsは、この際の電圧変化量と電流
変化量とから素子インピーダンスＺＡＣ（＝電圧変化量
／電流変化量）として検出される。

【００５５】次にステップＳ４０３に移行して、モニタ
セル１２０の素子抵抗Ｒmsが劣化判定のための所定値α
以上であるかが判定される。ステップＳ４０３の判定条
件が成立、即ち、モニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが所
定値α以上と大きくなったときにはステップＳ４０４に
移行し、劣化判定フラグＸＲＥＫＫＡが「１」にセット
され（図９に示す時刻ｔ02）、本ルーチンを終了する。

【００５６】一方、ステップＳ４０３の判定条件が成立
せず、即ち、モニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが所定値
α未満と小さいときにはステップＳ４０５に移行し、劣
化判定フラグＸＲＥＫＫＡが「０」にセットされたまま
（図９に示す時刻ｔ02以前）、本ルーチンを終了する。
ここで、ステップＳ４０１の判定条件が成立、即ち、内
燃機関の運転状態が定常であるときには、何もすること
なく本ルーチンを終了する。

【００５７】なお、図１０に初期からの劣化度合いに応
じて制御セルの目標素子抵抗補正量〔Ω〕を設定するマ
ップを示すように、ステップＳ４０４で劣化判定フラグ
ＸＲＥＫＫＡが「１」にセットされたときには、このと
きの制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが
制御セル目標素子抵抗補正量に基づき変更される。即
ち、モニタセル１２０の劣化後における素子抵抗Ｒms
が、図９に示す時刻ｔ02以降に目標値補正として示すよ
うに変更され、劣化後の素子温度が劣化前と同一に維持
される。

【００５８】次に、本発明の実施の形態の一実施例にか
かる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御
回路２００内のＣＰＵにおける劣化判定の処理手順の変
形例を示す図１１のフローチャートに基づき、図１２を
参照して説明する。ここで、図１２は図１１の処理に対
応する各種制御量等の遷移状態を示すタイムチャートで
ある。なお、この劣化判定ルーチンは制御回路２００へ
の電源投入に伴い所定時間毎にＣＰＵにて繰返し実行さ
れる。

【００５９】図１１において、ステップＳ５０１では、
内燃機関の運転状態が定常であるかが判定される。ステ
ップＳ５０１の判定条件が成立せず、即ち、内燃機関の
運転状態が過渡であるときにはステップＳ５０２に移行
し、ポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsが検出される。

【００６０】このポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの検
出では、上述したように、ポンプセル１１０の印加電圧
（指令電圧Ｖｂ）が操作され、それまでのＡ／Ｆ検出用
の印加電圧に対して電圧が正側に数１０〜１００〔μｓ
ｅｃ〕程度の時間で一時的に切換えられ変化される。こ
のときのポンプセル印加電圧の変化量とポンプセル電流
Ｉｐの変化量とが読込まれる。そして、ポンプセル１１
０の素子抵抗Ｒpsは、この電圧変化量と電流変化量とか
ら素子インピーダンスＺＡＣ（＝電圧変化量／電流変化
量）として検出される。

【００６１】次にステップＳ５０３に移行して、ポンプ
セル１１０の素子抵抗Ｒpsが劣化判定のための所定値β
以上であるかが判定される。ステップＳ５０３の判定条
件が成立、即ち、ポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsが所
定値β以上と大きくなったときにはステップＳ５０４に
移行し、劣化判定フラグＸＲＥＫＫＡが「１」にセット
され（図１２に示す時刻ｔ12）、本ルーチンを終了す
る。

【００６２】一方、ステップＳ５０３の判定条件が成立
せず、即ち、ポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsが所定値
β未満と未だ小さいときにはステップＳ５０５に移行
し、劣化判定フラグＸＲＥＫＫＡが「０」にセットされ
たまま（図１２に示す時刻ｔ12以前）、本ルーチンを終
了する。ここで、ステップＳ５０１の判定条件が成立、
即ち、内燃機関の運転状態が定常であるときには、何も
することなく本ルーチンを終了する。

【００６３】なお、図１０に初期からの劣化度合いに応
じて制御セルの目標素子抵抗補正量〔Ω〕を設定するマ
ップを示すように、ステップＳ５０４で劣化判定フラグ
ＸＲＥＫＫＡが「１」にセットされたときには、このと
きの制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが
制御セル目標素子抵抗補正量に基づき変更される。即
ち、モニタセル１２０の劣化後における素子抵抗Ｒms
が、図１２に示す時刻ｔ12以降に目標値補正として示す
ように変更され、劣化後の素子温度が劣化前と同一に維
持される。

【００６４】このように、本実施例及び変形例の内燃機
関のガス濃度検出装置は、第１チャンバ１４４に導入し
た被検出ガス中の酸素を排出または汲み込むポンプセル
１１０と、ポンプセル１１０を通過したのちのガスから
特定ガス成分としてのＮＯx濃度を検出するセンサセル
１３０と、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度を検出
するモニタセル１２０とを有し、各セルを形成する固体
電解質の素子抵抗に基づき各セルを活性状態に保持する
複合型のガス濃度センサ１００と、ガス濃度センサ１０
０の少なくとも２つのセルに対して印加する電圧または
電流を所定周期で一時的に切換え、そのときの電圧変化
及び電流変化から各セルの素子抵抗を検出する制御回路
２００にて達成される素子抵抗検出手段と、前記素子抵
抗検出手段で検出された各セルの素子抵抗が所望の目標
素子抵抗に一致するよう各セルに対応して設けられたヒ
ータ１５１への通電を制御する制御回路２００にて達成
されるヒータ制御手段と、センサセル１３０に流れる電
流を検出し、その検出値から特定ガス成分の濃度を逐次
検出する制御回路２００にて達成されるガス濃度検出手
段と、前記ヒータ制御手段により所定のセルの素子抵抗
が所望の目標素子抵抗に一致するよう制御する際、他の
セルの素子抵抗が所定範囲外となるとき、ガス濃度セン
サ１００が劣化していると判定する制御回路２００にて
達成される劣化判定手段とを具備するものである。

【００６５】つまり、複合型のガス濃度センサ１００の
ポンプセル１１０、モニタセル１２０、センサセル１３
０のうちポンプセル１１０とモニタセル１２０とに対し
て印加する電圧または電流を所定周期で一時的に切換
え、そのときの電圧変化及び電流変化からモニタセル１
２０の素子抵抗Ｒmsとポンプセル１１０の素子抵抗Ｒps
とが検出される。そして、これらの素子抵抗が所望の目
標素子抵抗に一致するようヒータ１５１への通電が制御
され、センサセル１３０に流れる電流の検出値から特定
ガス成分としてのＮＯx 濃度が逐次検出される。このと
き、モニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが所定範囲外、即
ち、劣化判定のための所定値α以上またはポンプセル１
１０の素子抵抗Ｒpsが所定範囲外、即ち、劣化判定のた
めの所定値β以上となると、ガス濃度センサ１００が劣
化していると判定される。この際には、モニタセル１２
０の素子温度が劣化前と同一に維持されるよう素子抵抗
の制御目標が劣化に連れて高く設定される。これによ
り、ガス濃度センサ１００の劣化の進行を抑制すること
ができ、結果として、ＮＯx 濃度の検出精度を向上する
ことができる。

【００６６】また、本実施例及び変形例の内燃機関のガ
ス濃度検出装置の制御回路２００にて達成される素子抵
抗検出手段は、センサセル１３０以外のセルであるポン
プセル１１０及びモニタセル１２０を対象にそれらの素
子抵抗Ｒms，Ｒpsを検出するものである。このため、ガ
ス濃度センサ１００の劣化判定の際にも、センサセル１
３０によるＮＯx 濃度の検出が中断されることがなく、
ＮＯx 濃度検出に影響を及ぼすことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のガス濃度検出装置を示す概略構成図であ
る。

【図２】 図２は図１のガス濃度センサの構成を示す詳
細断面図である。

【図３】 図３は図２のモニタセル及びセンサセルの電
極配置を示す断面図である。

【図４】 図４は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回
路のＣＰＵにおけるガス濃度センサの各セルに対するヒ
ータ制御の処理手順を示すフローチャートである。

【図５】 図５は図４における素子インピーダンスを検
出する処理手順を示すフローチャートである。

【図６】 図６は図４における素子インピーダンスを検
出する処理手順の変形例を示すフローチャートである。

【図７】 図７は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のガス濃度検出装置で用いられているガス濃
度センサの素子温度と素子抵抗との関係を劣化前及び劣
化後とで示す特性図である。

【図８】 図８は本発明の実施の形態の一実施例にかか
る内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回
路のＣＰＵにおけるガス濃度センサの各セルの劣化判定
の処理手順を示すフローチャートである。

【図９】 図９は図８の処理に対応する各種制御量等の
遷移状態を示すタイムチャートである。

【図１０】 図１０は図８による劣化判定の際、劣化度
合いに応じて制御セルの目標素子抵抗補正量を設定する
マップである。

【図１１】 図１１は本発明の実施の形態の一実施例に
かかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制
御回路のＣＰＵにおけるガス濃度センサの各セルの劣化
判定の処理手順の変形例を示すフローチャートである。

【図１２】 図１２は図１１の処理に対応する各種制御
量等の遷移状態を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１００ ガス濃度センサ １１０ ポンプセル １２０ モニタセル １３０ センサセル １４４ 第１チャンバ １４６ 第２チャンバ １５１ ヒータ ２００ 制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G060 AA08 AE27 AF06 AF07 AG05 AG11 BD02 HA01 HA07 HB06 HC02 HC09 HC13 HC19 HC21 HE02 3G084 DA27 EA04 EA07 EA11 FA29

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバに導入した被検出ガス中の酸素
   を排出または汲み込むポンプセルと、前記ポンプセルを
   通過したのちのガスから特定ガス成分の濃度を検出する
   センサセルと、前記チャンバ内の残留酸素濃度を検出す
   るモニタセルとを少なくとも有し、各セルを形成する固
   体電解質の素子抵抗に基づき各セルを活性状態に保持す
   る複合型のガス濃度センサと、 前記ガス濃度センサの少なくとも２つのセルに対して印
   加する電圧または電流を所定周期で一時的に切換え、そ
   のときの電圧変化及び電流変化から各セルの素子抵抗を
   検出する素子抵抗検出手段と、 前記素子抵抗検出手段で検出された各セルの素子抵抗が
   所望の目標素子抵抗に一致するよう各セルに対応して設
   けられたヒータへの通電を制御するヒータ制御手段と、 前記センサセルに流れる電流を検出し、その検出値から
   特定ガス成分の濃度を逐次検出するガス濃度検出手段
   と、 前記ヒータ制御手段により所定のセルの素子抵抗が所望
   の目標素子抵抗に一致するよう制御する際、他のセルの
   素子抵抗が所定範囲外となるとき、前記ガス濃度センサ
   が劣化していると判定する劣化判定手段とを具備するこ
   とを特徴とする内燃機関のガス濃度検出装置。
2. 【請求項２】 前記素子抵抗検出手段は、前記センサセ
   ル以外のセルを対象に素子抵抗を検出することを特徴と
   する請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置。