JP2004138486A

JP2004138486A - ＮＯｘセンサ

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Publication number: JP2004138486A
Application number: JP2002303057A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Sakayanagi; 坂柳　佳宏
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-17
Also published as: JP4218302B2

Abstract

【課題】ＮＯ_Ｘセンサによって正確にガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出する。
【解決手段】ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するためのＮＯ_Ｘ検出手段１９を具備する。ＮＯ_Ｘ検出手段がガス中のＨ_２濃度をも検出可能である。ＮＯ_Ｘ検出手段に酸素成分を含まずＨ_２を含むガスを供給可能なＨ_２供給手段１０と、ＮＯ_Ｘ検出手段に到達するガス中のＨ_２濃度を推定するためのＨ_２濃度推定手段１０とを具備する。Ｈ_２濃度推定手段によってガス中のＨ_２濃度を推定し、Ｈ_２濃度推定手段によって推定されたガス中のＨ_２濃度とＮＯ_Ｘ検出手段によって検出されたガス中のＨ_２濃度とに基づいてＮＯ_Ｘ検出手段の出力に対する補正値を算出する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮＯ_Ｘセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス中のＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）濃度を検出するためのＮＯ_Ｘ濃度検出装置（以下、ＮＯ_Ｘセンサと称す）が、特許文献１に開示されている。こうしたＮＯ_Ｘセンサでは、様々な要因から、ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が零であることを示すＮＯ_Ｘセンサの出力値（いわゆる、零点）がずれることがある。この場合、ＮＯ_Ｘセンサによって、ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が正確には検出されないこととなる。そこで、特許文献１では、ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が零になったときのＮＯ_Ｘセンサの出力値を零点とすることによるＮＯ_Ｘセンサの零点較正を行うようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１４８９１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に記載のＮＯ_Ｘセンサは、ガス中のＮＯ_Ｘ濃度のみならず、ガス中のＨ_２（水素）濃度をも検出してしまう。すなわち、ＮＯ_Ｘセンサの出力値には、ＮＯ_Ｘ濃度に対応する出力とＨ_２濃度に対応する出力とが含まれている。したがって、ＮＯ_Ｘセンサの零点較正を行ったときのガス中のＨ_２濃度が、ＮＯ_ＸセンサによってＮＯ_Ｘ濃度を検出しているときのガス中のＨ_２濃度と異なると、ＮＯ_Ｘセンサによって検出されるＮＯ_Ｘ濃度は、真のＮＯ_Ｘ濃度を示していないことになる。
【０００５】
このように、様々な要因から、ＮＯ_Ｘセンサの零点がずれるといったように、ＮＯ_Ｘセンサの出力特性が変化する場合があり、この場合、ＮＯ_Ｘセンサによって真のＮＯ_Ｘ濃度を検出することができなくなってしまう。そこで、本発明の目的は、ＮＯ_Ｘセンサによってより正確にガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出することにある。
【０００６】
【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番目の発明では、ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するためのＮＯ_Ｘ検出手段を具備し、該ＮＯ_Ｘ検出手段がガス中のＨ_２濃度をも検出可能であるＮＯ_Ｘセンサにおいて、ＮＯ_Ｘ検出手段に酸素成分を含まずＨ_２を含むガスを供給可能なＨ_２供給手段と、ＮＯ_Ｘ検出手段に到達するガス中のＨ_２濃度を推定するためのＨ_２濃度推定手段とを具備し、上記Ｈ_２濃度推定手段によってガス中のＨ_２濃度を推定し、Ｈ_２濃度推定手段によって推定されたガス中のＨ_２濃度とＮＯ_Ｘ検出手段によって検出されたガス中のＨ_２濃度とに基づいてＮＯ_Ｘ検出手段の出力に対する補正値を算出する。
ここで、ＮＯ_Ｘ検出手段は、後述する実施形態においては、残留Ｏ_２検出セルとＮＯ_Ｘ検出セルに相当する。また、Ｈ_２供給手段、および、Ｈ_２濃度推定手段は、後述する実施形態においては、ポンプセルに相当する。
２番目の発明では、１番目の発明において、上記ＮＯ_Ｘ検出手段には内燃機関から排出される排気ガスが供給され、上記Ｈ_２供給手段は上記ＮＯ_Ｘ検出手段よりも内燃機関側に設けられて上記排気ガスからＯ_２を除去し且つ該排気ガス中のＮＯ_ＸおよびＨ_２Ｏを分解するポンプセルを有し、上記Ｈ_２濃度推定手段は内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する排気空燃比検出手段を有し、且つ、該排気空燃比検出手段によって検出された排気空燃比に基づいて上記ＮＯ_Ｘ検出手段に供給されるガス中のＨ_２濃度を推定する。
３番目の発明では、１または２番目の発明において、上記ＮＯ_Ｘ検出手段がガス中のＯ_２濃度を検出するためのＯ_２検出セルと、ガス中のＮＯ_Ｘ濃度とＯ_２濃度とを検出可能なＮＯ_Ｘ・Ｏ_２検出セルと、Ｏ_２検出セルの出力配線とＮＯ_Ｘ・Ｏ_２検出セルの出力配線とが互いに逆向きに巻装せしめられたホール素子式電流センサとを有し、該ホール素子式電流センサによって検出される電流がＮＯ_Ｘ検出手段の出力とされる。
４番目の発明では、２または３番目の発明において、上記ＮＯ_Ｘ検出手段の補正値の算出が行われていないときにポンプセルに所定の周波数で変動する電圧を印加し、このときのポンプセルの出力変動の振幅に基づいて該ポンプセルの故障を診断し、このときのＮＯ_Ｘ検出手段の出力変動の振幅に基づいて該ＮＯ_Ｘ検出手段の故障を診断すると共にＮＯ_Ｘ検出手段の出力変動から所定周波数成分を除去することによってガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は第１実施形態のＮＯ_Ｘセンサのセンサ部を示している。なお、以下で説明するＮＯ_Ｘセンサは、例えば、筒内噴射火花点火式の内燃機関や、圧縮着火式の内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するために用いられる。以下では、こうした内燃機関から排出された排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出する場合を例にとって説明する。
【０００８】
ＮＯ_Ｘセンサのセンサ部は、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の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Ｌ_１、第２層Ｌ_２、第３層Ｌ_３、第４層Ｌ_４、第５層Ｌ_５、第６層Ｌ_６と称する。
【０００９】
第１層Ｌ_１と第３層Ｌ_３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１と第２の拡散律速部材２とが配置されており、これら拡散律速部材１，２間には第１室３が形成され、第２の拡散律速部材１と第２層Ｌ_２との間には第２室４が形成されている。また、第３層Ｌ_３と第５層Ｌ_５との間には外気に連通している大気室５が形成されている。一方、第１の拡散律速部材１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１を介して第１室３内に流入し、斯くして、第１室３内は排気ガスで満たされている。
【００１０】
一方、第１室３に面する第１層Ｌ_１の内周面上には、酸素除去・空燃比検出用の陰極側第１ポンプ電極６が形成され、第１層Ｌ_１の外周面上には、酸素除去・空燃比検出用の陽極側第１ポンプ電極７が形成されており、これら第１ポンプ電極６，７間には、第１ポンプ電圧源８により電圧が印加される。これら第１ポンプ電極６，７間に電圧が印加されると、第１室３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６と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第１層Ｌ_１内を陽極側第１ポンプ電極７に向けて移動する。このとき、第１ポンプ電極６，７間には、この酸素イオン量に比例した符号９で示した電流Ｉ_１が流れる。また、このとき、第１室３内の排気ガス中に含まれる酸素は、第１層Ｌ_１内を移動して外部に汲み出されることになる。以下の説明では、第１ポンプ電極６，７をまとめて、ポンプセル１０とも称す。
【００１１】
このポンプセル１０によって外部に汲み出される酸素量は第１ポンプ電圧源８の電圧が高くなるほど多くなる。図１に示した例では、第１室３内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．程度となるように、第１ポンプ電圧源８の電圧が設定されている。
【００１２】
また、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３から外部に汲み出される酸素量が多くなり、符号９で示した電流Ｉ_１が増大する。そこで、第１実施形態では、ポンプセル１０の出力値Ｉ_１と空燃比との関係を予めマップ（以下、空燃比マップと称す）の形で求めておき、この空燃比マップとポンプセル１０の出力値Ｉ_１とから空燃比が算出される。
【００１３】
なお、陰極側第１ポンプ電極６はＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ　は第１室３内ではほとんど還元されない。したがって、このＮＯ_Ｘ　は第２の拡散律速部材１を通って第２室４内に流入する。
【００１４】
一方、第２室４に面する第３層Ｌ_３の面上には、酸素濃度検出用の陰極側第２ポンプ電極１１が形成され、大気室５に面する第３層Ｌ_３の面上には、酸素濃度検出用の陽極側第２ポンプ電極１１が形成されており、これら第２ポンプ電極１１，１２間には、第２ポンプ電圧源１３により電圧が印加される。これら第２ポンプ電極１１，１２間に電圧が印加されると、第２室４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１１と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第３層Ｌ_３内を陽極側第２ポンプ電極１１に向けて移動する。このとき、第２ポンプ電極１１，１２間には、この酸素イオン量に比例した符号１４で示した電流Ｉ_２が流れる。また、このとき、第２室４内の排気ガス中に含まれる酸素は第３層Ｌ_３内を移動して大気室５に汲み出されることになる。以下の説明では、第２ポンプ電極１１，１２をまとめて、残留Ｏ_２検出セル１５とも称す。
【００１５】
この残留Ｏ_２検出セル１５によって外部に汲み出される酸素量は第２ポンプ電圧源１３の電圧が高くなるほど多くなり、符号１４で示した電流Ｉ_２が増大する。なお、図１に示した例では、第２ポンプ電圧源１３によって一定の電圧が印加されている。
【００１６】
また、陰極側第２ポンプ電極１１もＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘは陰極側第２ポンプ電極１１と接触してもほとんど還元されない。
【００１７】
一方、第２室４に面する第３層Ｌ_３の面上には、ＮＯ_Ｘ検出用の陰極側第３ポンプ電極１６が形成され、大気室５に面する第３層Ｌ_３の面上には、ＮＯ_Ｘ検出用の陽極側第３ポンプ電極１７が形成されている。陰極側第３ポンプ電極１６はＮＯ_Ｘ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４内のＮＯ_Ｘ、実際には、大部分を占めるＮＯが陰極側第３ポンプ電極１６上において、Ｎ_２とＯ_２とに分解される。図１に示したように、第３ポンプ電極１６，１７間には、第３ポンプ電圧源２１によって電圧が印加されており、したがって、陰極側第３ポンプ電極１６上において分解生成されたＯ_２は酸素イオンとなって、第３層Ｌ_３内を陽極側第３ポンプ電極１７に向けて移動する。このとき、第３ポンプ電極１６，１７間には、この酸素イオン量に比例した符号１８で示した電流Ｉ_３が流れる。なお、以下の説明では、第３ポンプ電極１６，１７をまとめて、ＮＯ_Ｘ検出セル１９とも称す。
【００１８】
第１実施形態では、ＮＯ_Ｘ濃度とＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３との関係をマップ（以下、ＮＯ_Ｘ濃度マップと称す）の形で予め求めておき、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２を引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）と上記ＮＯ_Ｘ濃度マップとから、ＮＯ_Ｘ濃度が検出される。図２に示したように、ＮＯ_Ｘ濃度を示す電流Ｉ（＝Ｉ_３−Ｉ_２）はＮＯ_Ｘ濃度に比例していることが分かる。
【００１９】
なお、第５層Ｌ_５と第６層Ｌ_６との間には、ＮＯ_Ｘセンサのセンサ部を加熱するための電気ヒータ２０が配置されており、この電気ヒータ２０によって、ＮＯ_Ｘセンサのセンサ部は７００℃から８００℃に加熱される。
【００２０】
ところで、様々な要因から、ＮＯ_Ｘ濃度に対するＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力特性が初期の特性からずれてしまうことがある。したがって、ＮＯ_Ｘ濃度を正確に検出するためには、定期的に、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力特性を適切な特性へと補正する必要がある。すなわち、ＮＯ_Ｘ濃度を正確に検出するためには、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の一次出力値を適切な補正値によって補正し、この補正後の出力値に基づいて、ＮＯ_Ｘ濃度を算出する必要がある。そこで、第１実施形態では、ＮＯ_Ｘ検出セル１９がＨ_２（水素）をも検出可能である特性を利用して、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の一次出力値の補正を行う。
【００２１】
すなわち、ポンプセル１０に印加される電圧が一定値よりも小さいときには、ポンプセル１０は、主に、第１室３から酸素のみを外部に汲み出すが、ポンプセル１０に印加される電圧が一定値よりも大きくなると、ポンプセル１０は、第１室３内のＮＯ_ＸをＮ_２（窒素）とＯ_２とに分解し、しかも、第１室３内のＨ_２Ｏ（水分）をＨ_２とＯ_２とに分解するようになる。したがって、ポンプセル１０に印加する電圧を一定値よりも大きくすれば、第１室３内のＮＯ_ＸがＮ_２とＯ_２とに分解され、ここで発生したＯ_２はポンプセル１０によって外部へ汲み出され、さらに、第１室３内のＨ_２ＯがＨ_２とＯ_２とに分解され、ここで発生したＯ_２もポンプセル１０によって外部へ汲み出されることになる。
【００２２】
したがって、このとき、第２室４に流入するガスには、Ｈ_２は含まれているが、Ｏ_２やＮＯ_Ｘはほとんど含まれていない。したがって、このとき、ＮＯ_Ｘ検出セル１９では、Ｈ_２濃度が検出されることになり、ＮＯ_Ｘ検出セル１９からは、Ｈ_２濃度に対応する出力が出力される。ここで、第２室４へ流入するガス中のＨ_２濃度が既知の値であって、Ｈ_２濃度とＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値との関係が既知であれば、ＮＯ_Ｘ検出セル１９から本来出力されるべき出力値が分かり、この出力値と実際のＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値とからＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力特性のずれが分かるはずである。
【００２３】
そこで、第１実施形態では、Ｈ_２濃度とＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値との関係をマップ（以下、Ｈ_２濃度マップと称す）の形で予め求めておき、さらに、後述するようにして第２室４に流入するガス中のＨ_２濃度を求め、その後、上述したように、ポンプセル１０に印加する電圧を一定値よりも高くして、ＮＯ_ＸやＨ_２ＯやＯ_２はほとんど含まれていないがＨ_２は含まれているガスを第２室４に供給し、このときに上記マップに基づいてＮＯ_Ｘ検出セル１９から本来出力されるべき出力値を算出して、この出力値とＮＯ_Ｘ検出セル１９の実際の出力値とから、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値に対する補正値を算出する。詳細には、ＮＯ_Ｘ検出セル１９から本来出力されるべき出力値をＮＯ_Ｘ検出セル１９の実際の出力値によって除することによって、補正値を算出する。
【００２４】
そして、第１実施形態では、ＮＯ_Ｘ濃度を検出するときには、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の一次出力値にこの補正値を乗じることによって、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の一次出力値を補正し、この補正後の出力値と上述したＮＯ_Ｘ濃度マップとから、ＮＯ_Ｘ濃度が算出される。
【００２５】
なお、ＮＯ_Ｘ検出セル１９は、第２室４に流入するガス中に残留している酸素の濃度をも検出しているので、第１実施形態では、詳細には、補正後のＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２を引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）とＮＯ_Ｘ濃度マップとから、ＮＯ_Ｘ濃度が算出される。もちろん、補正前のＮＯ_Ｘ検出セル１９の一次出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２を引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）を上記補正値によって補正し、その後、この補正された出力値とＮＯ_Ｘ濃度マップとから、ＮＯ_Ｘ濃度を算出するようにしてもよい。
【００２６】
また、ＮＯ_Ｘ濃度とＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値との関係は、Ｈ_２濃度とＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値との関係に対して、正負が逆になっているだけであり、すなわち、ＮＯ_Ｘ濃度に対応してＮＯ_Ｘ検出セル１９から出力される値は正であるのに対して、Ｈ_２濃度に対応してＮＯ_Ｘ検出セル１９から出力される値は負である。したがって、第１実施形態において、Ｈ_２濃度マップの代わりにＮＯ_Ｘ濃度マップを利用してもよい。また、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値はＨ_２濃度に対してリニアに出力される。すなわち、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値はＨ_２濃度の一次関数であり、ここでの一次関数はＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力特性に依存する。
【００２７】
次に、第２室４へ流入するガス中のＨ_２濃度の推定方法について説明する。上述したように、ポンプセル１０の出力値Ｉ_１と空燃比マップとから、空燃比を算出することができる。そして、内燃機関の燃焼室内にて発生するＨ_２Ｏは、後述するようにして、空燃比から算出可能であることから、空燃比が分かれば、燃焼室内にて発生するＨ_２Ｏは酸素ポンプセル１０によって検出される空燃比から分かる。
【００２８】
そして、もともと内燃機関に吸入された空気中に含まれていたＨ_２Ｏ、すなわち、大気中のＨ_２Ｏを後述するようにして算出しておき、この大気中のＨ_２Ｏ濃度を燃焼室内にて発生するＨ_２Ｏに加えれば、ＮＯ_Ｘセンサの第１室３内に流入する排気ガス中のＨ_２Ｏ濃度が分かる。そして、第２室４内へ流入するＨ_２は、こうした排気ガス中のＨ_２Ｏがポンプセル１０によって分解されて生成されたＨ_２であるので、この第２室４内へ流入するＨ_２も、第１室３内に流入した排気ガス中のＨ_２Ｏ濃度から分かる。詳細には、排気ガス中のＨ_２ＯのうちＨ_２に分解される割合を示す反応係数を排気ガス中のＨ_２Ｏ濃度に乗ずることによって、第２室４内へ流入するＨ_２濃度が分かる。なお、反応係数はポンプセルに印加される電圧値に依存する係数である。
【００２９】
まとめると、第１実施形態では、ポンプセル１０によって検出される空燃比から排気ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出し、斯くして算出されたＨ_２Ｏ濃度からポンプセル１０に印加する電圧を一定値よりも大きくした場合にＨ_２Ｏの分解によって発生するＨ_２の濃度を推定する。一般的に、基準ガスを利用してＮＯ_Ｘセンサの出力補正をする場合、数ｐｐｍ〜数百ｐｐｍの濃度の成分を含む基準ガスが必要とされるが、本実施形態によれば、こうした基準ガスとして数ｐｐｍ〜数百ｐｐｍの濃度のＨ_２を含むガスを容易に作り出すことができる。
【００３０】
次に、内燃機関の燃焼室にて発生するＨ_２Ｏの濃度の算出方法について説明する。燃料の燃焼は、式Ｃ_ｎＣ_２ｎ＋２＋（３ｎ＋１）Ｏ_２／２→ｎＣＯ_２＋（ｎ＋１）Ｈ_２Ｏに従って進む。ここで、燃料がガソリンである場合には、ｎ≒８であり、軽油である場合には、ｎ≒１６である。ここで、大気の組成をＮ_２（分子量２８）：Ｏ_２（分子量３２）＝０．８：０．２と近似し、燃料の分子量を１４ｎ＋２とし、混合気内の燃料の割合をα／（１＋α）とすると、空燃比Ｒは、Ｒ＝２８．８／｛（１４ｎ＋２）α｝の式で求められる。
【００３１】
さらに、燃焼後におけるＮ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２、および、Ｈ_２Ｏの組成は、
Ｈ_２：０．８／｛１＋（ｎ＋１）α／２｝
Ｏ_２：｛０．２−（３ｎ＋１）α／２｝／｛１＋（ｎ＋１）α／２｝
ＣＯ_２：αｎ／｛１＋（ｎ＋１｝α／２
Ｈ_２Ｏ：α（ｎ＋１）／｛１＋（ｎ＋１）α／２｝
となる。
【００３２】
したがって、Ｈ_２Ｏの分圧は、２／｛１＋（７ｎ＋１）Ｒ／（７．２（ｎ＋１））｝となる。ここで、例えば、燃料がガソリンである場合には、ｎ≒８であるので、Ｈ_２Ｏの分圧は、２／（１＋０．８８Ｒ）となる。こうして、第１実施形態では、燃焼室内にて発生するＨ_２Ｏの濃度が算出される。
【００３３】
次に、大気中のＨ_２Ｏ濃度の算出方法について説明する。内燃機関の運転が停止せしめられているとき、あるいは、内燃機関の運転中であっても燃焼室への燃料の噴射が停止されているときには、燃焼室内ではＨ_２Ｏが発生せず、したがって、このとき、ＮＯ_Ｘセンサ周りにあるガス、あるいは、ＮＯ_Ｘセンサに到来するガス中のＨ_２Ｏは、大気中のＨ_２Ｏである。このときに、ポンプセル１０に印加する電圧が一定値よりも大きくされると、ポンプセル１０によってＨ_２ＯがＨ_２とＯ_２とに分解されるが、このとき、ポンプセル１０によってＯ_２が外部へ除去されるので、ＮＯ_Ｘ検出セル１９は、ガス中に残留しているＯ_２とＨ_２とに対応する出力値を出力する。
【００３４】
したがって、このときのＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２を差し引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）は、大気中のＨ_２Ｏの分解によって生成されたＨ_２に対応する値である。したがって、この値（Ｉ_３−Ｉ_２）と上述したＨ_２濃度マップとを用いれば、Ｈ_２濃度が算出可能であり、斯くして算出されたＨ_２濃度からＮＯ_Ｘセンサに到来したガス、すなわち、大気中のＨ_２Ｏ濃度が算出可能である。
【００３５】
そこで、第１実施形態では、上述した条件が成立したときに、ポンプセル１０に印加する電圧を一定値よりも大きくし、このときに、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２を差し引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）を検出し、この値（Ｉ_３−Ｉ_２）と上述したＨ_２濃度マップとを用いて、Ｈ_２濃度を算出し、斯くして算出されたＨ_２濃度からＨ_２Ｏ濃度を算出する。斯くして算出されたＨ_２Ｏ濃度は大気中のＨ_２Ｏ濃度である。
【００３６】
図３は、第１実施形態に従って排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を算出するためのルーチンを示している。図３に示したルーチンでは、始めに、ステップ１０において、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３が読み込まれ、次いで、ステップ１１において、残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２が読み込まれる。次いで、ステップ１２において、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３に、図４に示したルーチンに従って算出される補正値μを乗じることによって、この出力値Ｉ_３が補正される。
【００３７】
次いで、ステップ１３において、補正後の出力値Ｉ_３から出力値Ｉ_２を差し引くことによって、ＮＯ_Ｘ濃度のみを示す出力値（Ｉ_３−Ｉ_２）が算出され、次いで、ステップ１４において、この出力値（Ｉ_３−Ｉ_２）と上述したＮＯ_Ｘ濃度マップとから、排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が算出される。
【００３８】
図４は、第１実施形態に従って補正値を算出するためのルーチンを示している。図４に示したルーチンでは、始めに、ステップ２０において、ポンプセル１０の出力値Ｉ_１と上述した空燃比マップとから、空燃比が算出される。次いで、ステップ２１において、燃焼室内にて発生するＨ_２Ｏの濃度が算出され、次いで、ステップ２２において、図５に示したルーチンに従って算出される大気中のＨ_２Ｏ濃度が上記燃焼室内にて発生するＨ_２Ｏ濃度に加えられてＮＯ_Ｘセンサに到来する排気ガス中のＨ_２Ｏ濃度が算出され、次いで、ステップ２３において、ポンプセル１０に印加する電圧を一定値よりも高くした場合に第１室３内におけるＨ_２Ｏの分解によって生成するＨ_２の濃度が算出される。次いで、ステップ２４において、ステップ２３で算出されたＨ_２濃度と上述したＨ_２濃度マップとから、Ｈ_２濃度がＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３’に換算される。
【００３９】
一方、ステップ２５では、ポンプセル１０に印加する電圧が一定値よりも高くされ、次いで、ステップ２６において、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３が読み込まれる。ここで、読み込まれる出力値Ｉ_３は負の値である。
【００４０】
さらに、ステップ２７において、ステップ２４で算出された出力値Ｉ_３’をステップ２６で算出された出力値Ｉ_３で除すること（Ｉ_３’／Ｉ_３）によって、補正値μが算出され、次いで、ステップ２８において、ポンプセル１０に印加する電圧が元の値に戻される。
【００４１】
図５は、大気中のＨ_２Ｏ濃度を算出するためのルーチンを示している。図５に示したルーチンでは、始めに、ステップ３０において、一定の条件が成立しているか否かが判別される。ここでの条件とは、例えば、内燃機関の運転が停止されているという条件や、内燃機関の運転中ではあるが燃焼室への燃料の供給が停止されているという条件である。
【００４２】
ステップ３０において、条件が成立していないと判別されたときには、ルーチンはそのまま終了するが、条件が成立していると判別されたときには、ルーチンはステップ３１に進んで、ポンプセル１０に印加する電圧が一定値よりも大きくされる。次いで、ステップ３２において、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２を引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）が算出され、次いで、ステップ３３において、この値（Ｉ_３−Ｉ_２）が上述したＨ_２濃度マップを利用してＨ_２濃度に換算される。次いで、ステップ３４において、この換算されたＨ_２濃度からＨ_２Ｏ濃度が算出される。
【００４３】
ここでのＨ_２Ｏ濃度は、内燃機関の運転が停止されているときにＮＯ_Ｘセンサ周りにあるガス、あるいは、内燃機関の運転中ではあるが燃焼室への燃料の供給が停止されているときにＮＯ_Ｘセンサに到来するガス中のＨ_２Ｏ濃度であり、したがって、大気中のＨ_２Ｏ濃度に相当する。
【００４４】
次に、第２実施形態について説明する。上述したように、ＮＯ_Ｘ濃度は、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２を差し引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）に基づいて、算出される。ところが、これら出力値Ｉ_３，Ｉ_２は同じマイクロアンペアオーダーの値であり、こうした出力値Ｉ_３，Ｉ_２からＮＯ_Ｘ濃度を正確に把握するためには、これら出力値Ｉ_３，Ｉ_２の差をナノアンペアレベルで得る必要がある。ところが、第１実施形態のようなシステムでは、ナノアンペアレベルで出力値Ｉ_３，Ｉ_２の差を得ることは困難である。
【００４５】
そこで、第２実施形態では、図６に示したようにセンサ部の電流センサ部が構成される。すなわち、第２実施形態の電流センサ部は環状の鉄心２２を有し、この鉄心２２に、その一方の側で、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３が巻装せしめられ、他方の側で、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４が巻装せしめられる。ここで、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３の巻装方向とＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４の巻装方向とは、各配線２３，２４内を流れる電流によって鉄心２２に発生せしめられる磁界の向きが互いに逆になるように、逆になっている。
【００４６】
さらに、鉄心２２には、ホール素子２５が配設されている。ホール素子２５には一定の電圧が印加されており、したがって、鉄心２２内に発生せしめられた磁界によってホール素子２５内に電流が発生することとなる。ここでの電流は、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２を差し引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）に相当し、ナノアンペアオーダーの値である。この電流は、増幅器ＡＭＰによって増幅せしめられ、アナログ−デジタル変換器ＡＤを介してデジタル変換される。
【００４７】
このように、各検出セル１５，１９の配線２３，２４によって互いに打ち消し合うように磁界を鉄心２２に発生させ、互いに打ち消し合った残りの磁束によってホール素子に発生せしめられる電流値は、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３と残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２との差を非常に高い精度で示している。したがって、第２実施形態によれば、非常に高い精度で、ＮＯ_Ｘ濃度が検出される。
【００４８】
また、各検出セル１５，１９の配線２３，２４から出力を取り出し、これら出力を増幅器によって増幅させた上で、これら出力値の差を算出するようにしていると、増幅器の出力特性がその温度などによって僅かに変化しても、算出される出力値の差は本来算出されるべき値から大きくずれてしまう。しかしながら、第２実施形態によれば、各検出セル１５，１９の出力値の差に相当する電流値を増幅器で増幅して出力するので、斯くして出力された出力は本来出力されるべき値から大きくずれることはほとんどない。
【００４９】
なお、第２実施形態において、ホール素子２５の代わりに、磁気抵抗効果を利用して磁束を検出することができるＭＲ素子や、ＭＩ素子（磁気インダクタンス素子）を利用してもよい。また、鉄心２２の代わりに、強誘電体を利用してもよい。また、上述したホール素子２５式の電流センサを用いる場合において、この電流センサの定格電流値が１００ｍＡであって、検出精度が±１ｍＡである場合には、各セルの配線２３，２４を１００万回ほど鉄心２２に巻装すればよい。
【００５０】
次に、第３実施形態について説明する。上述したように、各検出セル１９，１５の出力値Ｉ_３，Ｉ_２はマイクロアンペアレベルの値であるので、これら出力値Ｉ３，Ｉ２の差がナノアンペアレベルの値ではなく、マイクロアンペアレベルの値であることもある。ところが、第２実施形態のように構成した電流センサ部のダイナミックレンジは１００ｎＡ程度であり、この電流センサ部はマイクロアンペアレベルの値を検出することができない。
【００５１】
そこで、第３実施形態では、図７に示したようにセンサ部の電流センサ部が構成される。すなわち、第３実施形態の電流センサ部は環状の２つの鉄心２２ａ、２２ｂを有し、第１の鉄心２２ａに、その一方の側で、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３が１００万回ほど巻装せしめられ、他方の側で、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４が１００万回ほど巻装せしめられる。ここで、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３の巻装方向とＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４の巻装方向とは、各配線２３，２４内を流れる電流によって鉄心２２に発生せしめられる磁界の向きが互いに逆になるように、逆になっている。
【００５２】
一方、第２の鉄心２２ｂには、その一方の側で、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３が１０万回ほど巻装せしめられ、他方の側で、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４が１０万回ほど巻装せしめられる。ここで、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３の巻装方向とＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４の巻装方向とは、各配線２３，２４内を流れる電流によって鉄心２２に発生せしめられる磁界の向きが逆になっているように、逆になっている。
【００５３】
さらに、各鉄心２２ａ、２２ｂには、それぞれ、ホール素子２５ａ、２５ｂが配設されている。ホール素子２５ａ、２５ｂにはそれぞれ一定の電圧が印加されており、したがって、各鉄心２２ａ、２２ｂ内に発生せしめられた磁界によって各ホール素子２５ａ、２５ｂ内に電流が発生することとなる。ここでの電流は、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３から残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ２を差し引いた値（Ｉ_３−Ｉ_２）に相当する。各電流値Ｉ_３，Ｉ_２は増幅器ＡＭＰによって増幅せしめられ、アナログ−デジタル変換器ＡＤを介してデジタル変換される。
【００５４】
第３実施形態によれば、非常に高い精度で、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３と残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２との差を検出することができる。そして、第１の鉄心２２ａを備えた電流センサ部のダイナミックレンジは１００ｎＡほどであり、第２の鉄心２２ｂを備えた電流センサ部のダイナミックレンジは１００ｎＡ〜１０μＡほどである。したがって、第３実施形態によれば、より広い範囲の値の電流値を検出することができる。
【００５５】
次に、第４実施形態について説明する。第２実施形態および第３実施形態のように、鉄心２２に各検出セル１５，１９の配線２３，２４を巻装し、この配線の巻数が非常に多い場合、この配線の巻装部分のインダクタンスによって起電力が発生する。この場合、第２ポンプ電圧源１３および第３ポンプ電圧源２１によって各検出セル１５，１９に印加される電圧の値が上記起電力によって変化してしまう可能性がある。この場合、ＮＯ_Ｘ濃度が正確に検出されないことになる。
【００５６】
そこで、第４実施形態では、図８に示したようにセンサ部の電流センサ部が構成される。すなわち、第４実施形態では、第２実施形態の電流センサ部において、各配線２３，２４の巻装部分によって発生せしめられた起電力によって、第２ポンプ電極１１，１２間または第３ポンプ電極１６，１７間に印加される電圧が低下する場合には、その分だけ、第２ポンプ電極１１，１２間または第３ポンプ電極１６，１７間に印加される電圧が高くなるように、一方、各配線２３，２４の巻装部分によって発生せしめられた起電力によって、第２ポンプ電極１１，１２間または第３ポンプ電極１６，１７間に印加される電圧が上昇する場合には、その分だけ、第２ポンプ電極１１，１２間または第３ポンプ電極１６，１７間に印加される電圧が低くなるように、各ポンプセル１０の配線２３，２４内にオペアンプ２６，２７が配置される。これによれば、第２ポンプ電極１１，１２間および第３ポンプ電極１６，１７間には所定の電圧が印加されるので、ＮＯ_Ｘ濃度が正確に検出される。
【００５７】
次に、第５実施形態について説明する。第２実施形態〜第４実施形態では、鉄心２２、２２ａ、２２ｂへの配線の巻数が非常に多い。そこで、第５実施形態では、この鉄心への配線の巻数が少なくても、電流値を精度高く検出可能とする。すなわち、第５実施形態では、図９に示したように、電流センサ部が構成される。
【００５８】
第５実施形態では、電流センサ部は、ＭＲ素子２８を備えた直方体の外形の環状の鉄心２２を有する。鉄心２２の誘電率は１５００［Ｔ］である。また、図９に示したように、鉄心２２の幅は一様に２ｍｍであり、鉄心２２の中央の溝の幅は１ｍｍであり、鉄心２２の厚みは２ｍｍである。鉄心２２の中央の溝の長さＬは、各検出セルの配線２３，２４の巻数に応じて変わり、配線の直径をφとし、配線の巻数をＮとすると、Ｌ＝Ｎφである。
【００５９】
第５実施形態の鉄心２２に発生する磁束密度は以下のようになる。すなわち、磁束密度Ｂは、式Ｂ＝μＮＩ／Ｌから求められる。ここで、μは誘電率であり、Ｎは配線２３，２４の巻数であり、Ｉは電流値であり、Ｌは磁束の経路長である。本実施形態では、μ＝１５００［Ｔ］であり、ＩはＩ_３−Ｉ_２であり、Ｌは１０＋２Ｎφであるので、上述した式から、Ｂ＝１５００Ｎ（Ｉ_３−Ｉ_２）／（１０×１０^−３＋２Ｎφ）となる。
【００６０】
ここで、Ｉ_３−Ｉ_２を１［ｎＡ］とし、φを０．３［ｍｍ］とすると、Ｂ＝１５００Ｎ×１×１０^−９／（１０×１０^−３＋２Ｎ×０．３×１０^−３）＝１．５×１０^−３×Ｎ／（１０＋０．６Ｎ）となる。
【００６１】
ここで、Ｎ＝１０である場合には、Ｂ≒０．９４×１０^−３［Ｔ］となり、この値はＭＲ素子２８によって十分に測定可能な範囲である。
【００６２】
次に、第６実施形態について説明する。ＮＯ_Ｘセンサにおいては、セルの配線が断線故障することがある。ここで、このセルの配線の断線故障を診断する方法として、例えば、ポンプセルに印加している電圧を一時的に零とし、このときにセルの出力値が大きく変動すれば、そのセルは正常であると判定し、セルの出力値がほとんど変動しなければ、そのセルは断線故障していると判定するという方法が考えられる。
【００６３】
ところが、この方法では、セルの断線故障を診断するためには、ポンプセルに印加している電圧を一時的に零としなければならず、このとき、排気ガス中の酸素はポンプセルによって外部に汲み出されなくなり、したがって、第１室３および第２室４内の酸素濃度が一気に上昇する。このため、その後、セルの断線故障診断を終了し、ＮＯ_Ｘ濃度の検出を開始するためにポンプセルに所定の電圧を印加したとしても、第１室３および第２室４内の酸素濃度は非常に高いので、第１室３および第２室４内の酸素濃度は即座には所定の値にまで低下せず、この間、正確なＮＯ_Ｘ濃度を検出することができない。
【００６４】
すなわち、上述した方法によると、セルの断線故障診断が行われると、ＮＯ_Ｘ濃度の検出精度を低下させてしまうことになる。第６実施形態では、ＮＯ_Ｘ濃度の検出精度を低下させることなく、セルの断線故障を診断できるようにする。以下、第６実施形態のセルの断線故障の診断方法について説明する。
【００６５】
例えば、第１実施形態において、第１ポンプ電圧源８の電圧に所定の周波数の正弦波の交流電圧が重畳されると、図１１（Ａ）に示したように、ポンプセル１０に印加される電圧は一定の周期でもって上下に変動する。ここで、ポンプセル１０が断線しておらずに正常である場合には、ポンプセル１０によって外部に汲み出される酸素量も一定の周期でもって上下に変動するので、図１１（Ｂ）に示したように、ポンプセル１０の出力値Ｉ_１も一定の周期でもって上下に変動する。
【００６６】
したがって、ポンプセル１０に印加される電圧を一定の周期でもって上下に変動させたときに、ポンプセル１０の出力値Ｉ_１の変動幅が一定の値よりも大きければ、ポンプセル１０は正常であり、ポンプセル１０の出力値Ｉ_１の変動幅が一定の値よりも小さく、特に、ほぼ零であれば、ポンプセル１０は断線故障していると診断することができる。
【００６７】
そこで、第６実施形態では、図１０に示したように、ポンプセル１０の配線に発振回路ＯＣが接続され、ポンプセル１０の断線故障を診断すべきときには、この発振回路ＯＣによって、第１ポンプ電圧源８の電圧に所定の周期の正弦波の交流電圧が重畳される。さらに、第６実施形態では、ポンプセル１０の配線には、順に、共振回路ＲＣ、振幅−電圧変換器Ａ／Ｖ、コンパレータＣＯが接続され、共振回路ＲＣによってポンプセル１０の出力値の所定の周期の周波数成分が取り出され、次いで、この周波数成分が振幅−電圧変換器Ａ／Ｖによって電圧に変換され、次いで、この電圧値が所定値よりも大きいか否かがコンパレータＣＯによって判定される。ここで、電圧値が所定値よりも大きい場合には、ポンプセル１０は正常であると判定され、電圧値が所定値よりも小さい場合には、ポンプセル１０は断線故障していると判定される。
【００６８】
また、第１ポンプ電圧源８の電圧に発振回路ＯＣによって所定の周波数の交流電圧が重畳され、ポンプセル１０が正常であるときには、第２室４に流入するガス中に残留する酸素の濃度も一定の周期でもって上下に変動する。ここで、残留Ｏ_２検出セル１５が断線しておらずに正常である場合には、残留Ｏ_２検出セル１５によって外部に汲み出される酸素量も一定の周期でもって上下に変動するので、図１１（Ｃ）に示したように、残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２も一定の周期でもって上下に変動する。
【００６９】
そこで、第６実施形態では、図１０に示したように、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３にも、順に、共振回路ＲＣ、振幅−電圧変換器Ａ／Ｄ、コンパレータＣＯが接続され、共振回路ＲＣによって残留Ｏ_２検出セル１５の出力値の所定の周期の周波数成分が取り出され、次いで、この周波数成分が振幅−電圧変換器Ａ／Ｖによって電圧に変換され、次いで、この電圧値が所定値よりも大きいか否かが判定される。ここで、電圧値が所定値よりも大きい場合には、ポンプセル１０が正常であると判定され、電圧値が所定値よりも小さい場合には、ポンプセル１０は断線故障していると判定される。
【００７０】
同様に、第１ポンプ電圧源８の電圧に所定の周波数の交流電圧が重畳され、ポンプセル１０が正常であるときには、第２室４に流入するガス中に残留する酸素の濃度も一定の周期でもって上下に変動し、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値にはこの酸素濃度に対応する出力が含まれる。したがって、ＮＯ_Ｘ検出セル１９が断線しておらずに正常である場合には、ＮＯ_Ｘ検出セル１９によって外部に汲み出される酸素量も一定の周期でもって上下に変動するので、図１１（Ｄ）に示したように、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３も一定の周期でもって上下に変動する。
【００７１】
そこで、第６実施形態では、図１０に示したように、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４にも、順に、共振回路ＲＣ、振幅−電圧変換器、コンパレータＣＯが接続され、共振回路ＲＣによってＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値の所定の周期の周波数成分が取り出され、次いで、この周波数成分が振幅−電圧変換器Ａ／Ｖによって電圧に変換され、次いで、この電圧値が所定値よりも大きいか否かが判定される。ここで、電圧値が所定値よりも大きい場合には、ＮＯ_Ｘ検出セル１９が正常であると判定され、電圧値が所定値よりも小さい場合には、ＮＯ_Ｘ検出セル１９は断線故障していると判定される。
【００７２】
なお、第６実施形態において、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３に発振回路を接続し、この発振回路によって第２ポンプ電圧源１３の電圧に所定の周波数の交流電圧を重畳させると共に、ポンプセル１０の配線に接続されている発振回路からは交流電圧は発生させないようにし、上述した方法と同じ方法によって、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３の断線故障を診断するようにしてもよい。上述した第６実施形態によれば、残留Ｏ_２検出セル１５の断線故障診断はポンプセル１０が正常であるときにのみ可能であったが、これによれば、ポンプセル１０が断線故障している場合であっても、残留Ｏ_２検出セル１５の断線故障を診断することができる。
【００７３】
同様に、第６実施形態において、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４に発振回路を接続し、この発振回路によって第３ポンプ電圧源２１の電圧に所定の周波数の交流電圧を重畳させると共に、ポンプセル１０の配線に接続されている発振回路からは交流電圧は発生させないようにし、上述した方法と同じ方法によって、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４の断線故障を診断するようにしてもよい。上述した第６実施形態によれば、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の断線故障診断はポンプセル１０が正常であるときにのみ可能であったが、これによれば、ポンプセル１０が断線故障している場合であっても、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の断線故障を診断することができる。
【００７４】
なお、図１１（Ｃ）および図１１（Ｄ）において、出力値Ｉ_２，Ｉ_３が比較的高いのは、第１ポンプ電圧源８の電圧に発振回路によって所定の周波数の交流電圧が重畳されたときに、ポンプセル１０に印加される電圧が一時的に低くなり、第２室４に流入するガス中に残留する酸素の濃度が一時的に高くなったためである。
【００７５】
ところで、図１０に示したように、第６実施形態では、発振回路によって第１ポンプ電圧源８の電圧に所定の周期の交流電圧が重畳されている間、各セルの出力値Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３はローパスフィルタＬＦを介して検出される。ローパスフィルタＬＦでは、所定の周期で上下に変動している電流値がマスキングされ、電流の周波数成分が除去される。これによれば、各セルの出力値が所定の周期でもって上下に変動しているときにも、各セルの出力値Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３に基づいて、空燃比やＮＯ_Ｘ濃度が検出可能である。
【００７６】
なお、第６実施形態において、各セルの断線故障を診断するときだけでなく、常時、発振回路から所定の周期で変動する電圧を印加しておき、ＮＯ_Ｘ濃度および空燃比の検出と各セルの断線故障とを同時に行うようにしてもよい。また、発振回路から発生せしめられる正弦波の電圧の周期は、ＮＯ_Ｘセンサの制御周期とは異なり且つその倍数ではない周期である。
【００７７】
図１２および図１３は、第６実施形態に従って各セルの異常を検出し且つ空燃比およびＮＯ_Ｘ濃度を検出するためのルーチンを示している。図１２に示したルーチンでは、始めに、ステップ４０において、発振回路によってポンプセル１０に印加される電圧が一定の周期でもって上下に変動せしめられる。次いで、ステップ４１において、図１４（Ａ）のルーチンに従ってポンプセル１０の異常が診断される。
【００７８】
図１４に示したルーチンでは、始めに、ステップ６０において、ポンプセル１０の出力値Ｉ_１の振幅Ｔが読み込まれ、次いで、ステップ６１において、この振幅Ｔがほとんど零である（Ｔ≒０）か否かが判別される。ステップ６１において、Ｔ≒０ではないと判別されたときには、ポンプセル１０は正常であるので、ルーチンはそのまま終了するが、Ｔ≒０であると判別されたときには、ルーチンはステップ６２に進んで、ポンプセル１０が異常であること、すなわち、ポンプセル１０の配線が断線故障している旨が表示される。
【００７９】
図１２のルーチンに戻ると、ステップ４２では、ポンプセル１０が正常であるか否かが判別される。ステップ４２において、ポンプセル１０が異常であると判別されたときには、ルーチンはそのまま終了するが、ポンプセル１０が正常であると判別されたときには、ルーチンはステップ４３に進んで、ポンプセル１０の出力値Ｉ_１が読み込まれ、次いで、ステップ４４において、この出力値Ｉ_１が上述したローパスフィルタＬＦによってマスキングされ、次いで、ステップ４５において、このマスキングされた出力値Ｉ_１に基づいて空燃比が算出される。
【００８０】
次いで、ステップ４６では、図１４（Ｂ）のルーチンに従って残留Ｏ_２検出セル１５の異常が診断される。図１４（Ｂ）に示したルーチンでは、始めに、ステップ７０において、残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２の振幅Ｔが読み込まれ、次いで、ステップ７１において、この振幅Ｔがほとんど零である（Ｔ≒０）か否かが判別される。ステップ７１において、Ｔ≒０ではないと判別されたときには、残留Ｏ_２検出セル１５は正常であるので、ルーチンはそのまま終了するが、Ｔ≒０であると判別されたときには、ルーチンはステップ７２に進んで、残留Ｏ_２検出セル１５が異常であること、すなわち、残留Ｏ_２検出セル１５の配線２３が断線故障している旨が表示される。
【００８１】
図１２のルーチンに戻ると、ステップ４７では、図１４（Ｃ）のルーチンに従ってＮＯ_Ｘ検出セル１９の異常が診断される。図１４（Ｃ）に示したルーチンでは、始めに、ステップ８０において、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３の振幅Ｔが読み込まれ、次いで、ステップ８１において、この振幅Ｔがほとんど零である（Ｔ≒０）か否かが判別される。ステップ８１において、Ｔ≒０ではないと判別されたときには、ＮＯ_Ｘ検出セル１９は正常であるので、ルーチンはそのまま終了するが、Ｔ≒０であると判別されたときには、ルーチンはステップ８２に進んで、ＮＯ_Ｘ検出セル１９が異常であること、すなわち、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の配線２４が断線故障している旨が表示される。
【００８２】
図１３のルーチンに戻ると、ステップ４８では、残留Ｏ_２検出セル１５が正常であるか否かが判別される。ステップ４８において、残留Ｏ_２検出セル１５が異常であると判別されたときには、ルーチンはそのまま終了するが、残留Ｏ_２検出セル１５が正常であると判別されたときには、ルーチンはステップ４９に進んで、ＮＯ_Ｘ検出セル１９が正常であるか否かが判別される。ステップ４９において、ＮＯ_Ｘ検出セル１９が異常であると判別されたときには、ルーチンはそのまま終了するが、ＮＯ_Ｘ検出セル１９が正常であると判別されたときには、ルーチンはステップ５０に進む。
【００８３】
ステップ５０では、残留Ｏ_２検出セル１５の出力値Ｉ_２が読み込まれ、次いで、ステップ５１において、この出力値Ｉ_２が上述したローパスフィルタＬＦによってマスキングされ、次いで、ステップ５２において、ＮＯ_Ｘ検出セル１９の出力値Ｉ_３が読み込まれ、次いで、ステップ５３において、この出力値Ｉ_３が上述したローパスフィルタＬＦによってマスキングされ、次いで、ステップ５４において、これら出力値Ｉ_２，Ｉ_３に基づいてＮＯ_Ｘ濃度が算出される。
【００８４】
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。
【００８５】
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ＮＯ_Ｘ　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。
【００８６】
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ＮＯ_Ｘ　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ＮＯ_Ｘ　濃度およびアンモニア濃度を共に検出可能なＮＯ_Ｘ　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ＮＯ_Ｘ　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。
【００８７】
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。
【００８８】
【発明の効果】
１番目の発明によれば、既知のＨ_２濃度とＮＯ_Ｘ検出手段によって実際に検出されるＨ_２濃度とに基づいてＮＯ_Ｘ検出手段の出力に対する補正値が算出されるので、この補正値はＮＯ_Ｘ検出手段の出力をガス中のＮＯ_Ｘ濃度に正確に対応させることができる値である。したがって、本発明によれば、ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が正確に検出される。
２番目の発明によれば、ＮＯ_Ｘセンサを内燃機関に搭載した状態でＮＯ_Ｘ検出手段の補正値を算出可能である。
Ｏ_２検出セルの出力配線とＮＯ_Ｘ・Ｏ_２検出セルの出力配線とが互いに逆向きに巻装せしめられることによってホール素子には、Ｏ_２検出セルの出力とＮＯ_Ｘ・Ｏ_２検出セルの出力との差分に相当する出力がホール素子に発生する。そして、このようにホール素子に発生する出力はＯ_２検出セルの出力とＮＯ_Ｘ・Ｏ_２検出セルの出力との差分を精度高く示す。したがって、３番目の発明によれば、ＮＯ_Ｘセンサの出力精度が高くなる。
４番目の発明によれば、ＮＯ_Ｘ検出手段の故障診断とＮＯ_Ｘ濃度の検出とを同時に実行可能であるので、ＮＯ_Ｘ濃度の検出中においてもＮＯ_Ｘ検出手段の故障を診断可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のＮＯ_Ｘセンサのセンサ部を示す図である。
【図２】ＮＯ_Ｘ濃度と電流値Ｉとの関係を示す図である。
【図３】第１実施形態に従ってＮＯ_Ｘ濃度を算出するためのルーチンを示す図である。
【図４】第１実施形態に従って補正値を算出するためのルーチンを示す図である。
【図５】第１実施形態に従って大気中のＨ_２Ｏ濃度を算出するためのルーチンを示す図である。
【図６】第２実施形態のＮＯ_Ｘセンサのセンサ部を示す図である。
【図７】第３実施形態のＮＯ_Ｘセンサのセンサ部を示す図である。
【図８】第４実施形態のＮＯ_Ｘセンサのセンサ部を示す図である。
【図９】第５実施形態のＮＯ_Ｘセンサのセンサ部を示す図である。
【図１０】第６実施形態のＮＯ_Ｘセンサのセンサ部を示す図である。
【図１１】発振回路によって第１ポンプ電圧源の電圧に所定の周期の交流電圧が重畳されたときにポンプセルに印加される電圧等の推移を示す図である。
【図１２】第６実施形態に従って各セルの異常を検出し且つ空燃比およびＮＯ_Ｘ濃度を検出するためのルーチンの一部を示す図である。
【図１３】第６実施形態に従って各セルの異常を検出し且つ空燃比およびＮＯ_Ｘ濃度を検出するためのルーチンの一部を示す図である。
【図１４】（Ａ）は図１２のステップ４１において行われるポンプセル異常診断ルーチンを示し、（Ｂ）は図１２のステップ４６において行われる残留Ｏ_２検出セル異常診断ルーチンを示し、（Ｃ）は図１２のステップ４７において行われるＮＯ_Ｘ検出セル異常診断ルーチンを示す図である。
【符号の説明】
１…第１の拡散律速部材
２…第２の拡散律速部材
３…第１室
４…第２室
５…大気室
８…第１ポンプ電圧源
１０…ポンプセル
１３…第２ポンプ電圧源
１５…残留Ｏ_２検出セル
１９…ＮＯ_Ｘ検出セル
２１…第３ポンプ電圧源
２２、２２ａ、２２ｂ…鉄心
２３、２４…配線
２５、２５ａ、２５ｂ…ホール素子
ＯＣ…発振回路

Claims

ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するためのＮＯ_Ｘ検出手段を具備し、該ＮＯ_Ｘ検出手段がガス中のＨ_２濃度をも検出可能であるＮＯ_Ｘセンサにおいて、ＮＯ_Ｘ検出手段に酸素成分を含まずＨ_２を含むガスを供給可能なＨ_２供給手段と、ＮＯ_Ｘ検出手段に到達するガス中のＨ_２濃度を推定するためのＨ_２濃度推定手段とを具備し、上記Ｈ_２濃度推定手段によってガス中のＨ_２濃度を推定し、Ｈ_２濃度推定手段によって推定されたガス中のＨ_２濃度とＮＯ_Ｘ検出手段によって検出されたガス中のＨ_２濃度とに基づいてＮＯ_Ｘ検出手段の出力に対する補正値を算出することを特徴とするＮＯ_Ｘセンサ。
上記ＮＯ_Ｘ検出手段には内燃機関から排出される排気ガスが供給され、上記Ｈ_２供給手段は上記ＮＯ_Ｘ検出手段よりも内燃機関側に設けられて上記排気ガスからＯ_２を除去し且つ該排気ガス中のＮＯ_ＸおよびＨ_２Ｏを分解するポンプセルを有し、上記Ｈ_２濃度推定手段は内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する排気空燃比検出手段を有し、且つ、該排気空燃比検出手段によって検出された排気空燃比に基づいて上記ＮＯ_Ｘ検出手段に供給されるガス中のＨ_２濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載のＮＯ_Ｘセンサ。
上記ＮＯ_Ｘ検出手段がガス中のＯ_２濃度を検出するためのＯ_２検出セルと、ガス中のＮＯ_Ｘ濃度とＯ_２濃度とを検出可能なＮＯ_Ｘ・Ｏ_２検出セルと、Ｏ_２検出セルの出力配線とＮＯ_Ｘ・Ｏ_２検出セルの出力配線とが互いに逆向きに巻装せしめられたホール素子式電流センサとを有し、該ホール素子式電流センサによって検出される電流がＮＯ_Ｘ検出手段の出力とされることを特徴とする請求項１または２に記載のＮＯ_Ｘセンサ。
上記ＮＯ_Ｘ検出手段の補正値の算出が行われていないときにポンプセルに所定の周波数で変動する電圧を印加し、このときのポンプセルの出力変動の振幅に基づいて該ポンプセルの故障を診断し、このときのＮＯ_Ｘ検出手段の出力変動の振幅に基づいて該ＮＯ_Ｘ検出手段の故障を診断すると共にＮＯ_Ｘ検出手段の出力変動から所定周波数成分を除去することによってガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出することを特徴とする請求項２または３に記載のＮＯ_Ｘセンサ。