JP2004198351A - Gas concentration detection apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種のガス濃度検出装置として、限界電流式のガス濃度センサを用い、例えば車両用エンジンから排出される排ガス中のNOx(窒素酸化物)を検出するものがある。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セル構造を有し、ポンプセルでは、第1チャンバに導入した排ガス中の酸素の排出又は汲み込みが行われ同時に排ガス中の酸素濃度検出が行われる。また、センサセルでは、ポンプセルを通過した後の第2チャンバ内のガスからNOx濃度(特定成分のガス濃度)が検出され、モニタセルでは、同第2チャンバ内の残留酸素濃度が検出される(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特許第2885336号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記ガス濃度センサでは、当該センサを放置しておくと第1及び第2のチャンバ内に大気が導入され、比較的高濃度(約20.9%)の酸素が充満する。すると、センサ作動開始直後には、第1及び第2のチャンバ内における高濃度の酸素が原因で正確なセンサ出力が得られなくなるという事態が生ずる。実機でのデータを解析すると、ガス濃度センサの作動開始直後には、センサセル電流が過剰に大きくなり、その後、所定のNOx濃度検出範囲の安定した電流値に収束するのに長い時間を要することが確認された。従って、センサセル電流、すなわちNOx濃度出力の正常化に要する時間が長引くことが問題となる。
【0005】
一方、NOx濃度に応じて流れるセンサセル電流はnA(ナノアンペア)オーダの電流値であり、この微弱電流を精度良く検出するには電流検出抵抗の抵抗値を数百kΩ以上にまで大きくする必要がある。すると、チャンバ内に充満する高濃度酸素の排出に長い時間を要し、やはり上述の如くセンサセル電流、すなわちNOx濃度出力の正常化に要する時間が長引くという問題を生ずる。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガス濃度センサの作動開始時等においてチャンバ(ガス室)内の状態を早期にガス濃度検出に最適な状態とし、正確なガス濃度出力をいち早く得ることができるガス濃度検出装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載のガス濃度検出装置は、次の構成のガス濃度センサに適用される。すなわち、ガス濃度センサは、各々に固体電解質と該固体電解質に配置された一対の電極とよりなる第1セル及び第2セルを有し、第1セルではガス室に導入した被検出ガス中の酸素量が所定の低濃度レベルに調整され、第2セルでは第1セルでの酸素量調整後のガスから特定成分のガス濃度が検出される。また、前記第2セルの一対の電極のうちガス室に対面する電極は特定成分に対して活性な特定成分活性電極となっている。そして、請求項1に記載の発明ではその特徴として、酸素離脱手段により、前記第2セルの特定成分活性電極に吸着した酸素が強制的に離脱される。なお、特定成分活性電極とは、NOx等の特定成分を分解・還元し得る能力を有する電極を言う。
【0008】
要するに、上記構成のガス濃度センサでは、センサ放置状態等において特定成分活性電極に酸素が吸着すると、第2セルの出力が過剰に大きくなり、センサ作動開始直後において特定成分活性電極の吸着酸素が排除されるまで正確なガス濃度検出ができない。例えばNOxセンサにあってNOx活性電極としてロジウムを用いた場合には当該電極に多くの酸素が吸着し、その酸素排除に長い時間を要することから上記問題が顕著になる。これに対し本発明では、第2セルの特定成分活性電極に吸着した酸素を強制的に離脱する構成としたため、吸着酸素が早期に排除できる。それ故、センサ作動開始時等においてガス室内の状態が早期にガス濃度検出に最適な状態となり、正確なガス濃度出力をいち早く得ることができるようになる。
【0009】
前記酸素離脱手段として具体的には、請求項2に記載したように、所定期間内で通常よりも高い電圧を前記第2セルの電極間に印加すると良い。この場合、第2セルへの印加電圧を高くすることにより、第2セルの特定成分活性電極に多くのエネルギが付与され、当該活性電極において吸着酸素の分解が促進される。故に、吸着酸素が早期に排除できる。
【0010】
一般にジルコニア等よりなる固体電解質では0〜0.9Vの範囲で電圧が印加され、通常時は0.45V程度の電圧が印加される。かかる場合において、請求項3に記載したように、通常時の印加電圧に対して0.2V以上高い電圧を前記第2セルの電極間に印加すると良い。つまりこれは、第2セルに0.65V以上の電圧を印加することに相当し、実際には0.65V〜0.9Vの範囲で、より望ましくは0.7V前後で当該印加電圧を設定すると良い。
【0011】
請求項4に記載の発明では、前記酸素離脱手段により、ガス濃度センサの作動開始直後において酸素離脱の処理が実施される。つまり、第2セルの特定成分活性電極における酸素吸着の問題は、ガス濃度センサを放置状態から作動開始した直後に起こるものであり、かかる作動開始直後に酸素離脱の処理を実施するのが望ましい。
【0012】
ガス濃度センサとして、ガス室が、被検出ガスが導入される第1ガス室と前記第2セルが設けられる第2ガス室とよりなり且つ、第1セルが、第1ガス室側及び第2ガス室側に各々分離して設けられた第1の酸素ポンプセル及び第2の酸素ポンプセルを有するものがある。このガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置では、請求項5に記載したように、前記酸素離脱手段により、ガス濃度センサの作動開始直後において前記第2の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えることを条件に酸素離脱の処理が実施されると良い。なお、第1の酸素ポンプセル及び第2の酸素ポンプセルは、それぞれにポンプセル及びモニタセルとも称される。
【0013】
つまり、上記構成のガス濃度センサおいて、センサ放置後であれば作動開始直後には、第2ガス室内に充満する比較的高濃度の酸素により第2の酸素ポンプセル(モニタセル)の出力も過剰に大きくなるが、ガス濃度センサの作動停止直後の再作動時であれば、こうした事態は生じない。故に、第2の酸素ポンプセルの出力レベルに応じて酸素離脱の処理を実施すれば、当該酸素離脱の処理を必要時にのみ実施することができるようになる。
【0014】
上記請求項5の発明では請求項6に記載したように、前記酸素離脱手段は、前記第2の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えた後、同所定値以下に収束したことを条件に酸素離脱の処理を終了すると良い。つまり、第2セルに比べて第2の酸素ポンプセルは出力の収束が早く、その出力レベルによれば第2ガス室内の余剰酸素の排出が進んだこと、ひいては第2セル電極の酸素離脱が進んだことが判断できる。故に、適正な期間での酸素離脱の処理が実施できる。
【0015】
また、請求項7に記載の発明では、前記第2セルの特定成分活性電極における酸素吸着の状態を推測し、該推測した酸素吸着の状態に応じて、前記酸素離脱手段により酸素離脱を実施するための所定期間の長さを可変に設定する。この場合、実際の酸素吸着の程度に合わせて酸素離脱の処理が実施でき、当該処理の適正化が可能となる。例えば、ガス濃度センサの放置時間に応じて酸素吸着の状態を推測することとし、放置時間が長いほど、酸素離脱を実施する所定時間を長くする。
【0016】
また、請求項8,9に記載の発明では、ガス成分排出手段により、前記ガス室内に存在する酸素又は特定成分が強制的に早期排出される。センサ放置状態等においてガス室内に大気が導入されると、当該ガス室内が酸素過多の状態となり、センサ作動開始直後において特定成分のガス濃度検出に支障が出る。また、ガス室内で特定成分過多となる場合にも、当該特定成分のガス濃度検出に支障が出る。これに対し本発明によれば、ガス室内で余剰となる酸素や特定成分が早期に排出できることから、センサ作動開始時等においてガス室内の状態が早期にガス濃度検出に最適な状態となり、正確なガス濃度出力をいち早く得ることができるようになる。特に、上記請求項1乃至7の発明とガス成分排出手段とを組み合わせることで相乗的な効果が期待でき、より一層望ましいガス濃度検出装置が実現できる。
【0017】
請求項10に記載の発明では、ガス濃度センサの作動開始直後における所定期間でガス成分排出の処理が実施される。つまり、ガス室(特に後述する第2ガス室)内での酸素過多の問題は、ガス濃度センサを放置状態から作動開始した直後に起こるものであり、かかる作動開始直後に酸素排出の処理を実施するのが望ましい。
【0018】
ガス室が第1ガス室及び第2ガス室に区画され、第2セルが第1ガス室よりも下流の第2ガス室側に設けられるセンサ構成にあっては、第2ガス室には第1セルによる酸素ポンプ作用が及ばない。故に、請求項11に記載したように、前記ガス成分排出手段により、第2ガス室内の余剰酸素又は余剰特定成分が排出される構成とすると良い。
【0019】
前記第1セルが、第1ガス室側及び第2ガス室側に各々分離して設けられた第1の酸素ポンプセル及び第2の酸素ポンプセルを有するガス濃度センサでは、請求項12に記載したように、ガス濃度センサの作動開始直後において前記第2の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えることを条件にガス成分排出の処理が実施されると良い。センサ放置後であれば作動開始直後には、第2ガス室内に充満する比較的高濃度の酸素により第2の酸素ポンプセル(モニタセル)の出力も過剰に大きくなるが、ガス濃度センサの作動停止直後の再作動時であれば、こうした影響は小さくなる。故に、第2の酸素ポンプセルの出力レベルに応じてガス成分排出の処理を実施すれば、当該処理を必要時にのみ実施することができるようになる。
【0020】
上記請求項12の発明では請求項13に記載したように、前記ガス成分排出手段は、前記第2の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えた後、同所定値以下に収束したことを条件にガス成分排出の処理を終了すると良い。つまり、第2セルに比べて第2の酸素ポンプセルは出力の収束が早く、その出力レベルによれば第2ガス室内の余剰酸素の排出が進んだことが判断できる。故に、適正な期間でのガス濃度排出の処理が実施できる。
【0021】
また、請求項14に記載の発明では、前記第2ガス室内の余剰酸素の量又は余剰特定成分の量を推測し、該推測した余剰酸素の量又は余剰特定成分の量に応じて、前記ガス成分排出手段によりガス成分排出を実施するための所定期間の長さを可変に設定する。この場合、実際の酸素吸着の程度に合わせてガス成分排出の処理が実施でき、当該処理の適正化が可能となる。例えば、ガス濃度センサの放置時間に応じて余剰酸素の量又は余剰特定成分の量を推測することとし、放置時間が長いほど、ガス濃度排出を実施する所定時間を長くする。
【0022】
また、請求項15に記載の発明では、ガス室内が特定成分の高濃度雰囲気に移行した際において、当該ガス室内に存在する特定成分が強制的に早期排出される。仮に被検出ガス中における特定成分のガス濃度が一時的に増加すると、それに対応してガス室内が特定成分過多の状態となるが、当該特定成分の排出が早期に実施できる。
【0023】
車両用エンジンでは、例えば高負荷運転時や高回転運転時等においてNOxの排出量が増える傾向にあり、NOx過多の状態となればその余剰分を排出できるまで正確なNOx濃度出力が得られなくなる。そこで、請求項16に記載したように、エンジンがNOx排出増加傾向となる運転状態に移行した際、ガス室内に存在するNOxが強制的に早期排出されると良い。
【0024】
また、請求項17に記載の発明では、前記ガス成分排出手段は電流操作手段を備え、該電流操作手段により、前記第2セルに流れる電流が所定期間にて強制的に増大される。つまり、第2セルでは、特定成分を還元又は分解しその際発生する酸素イオン量に応じて電流を流すが、その電流は微弱電流であり、検出精度向上のため電流検出抵抗は高抵抗のものが使用される。故に、第2セルによる酸素等の排出能力は元々低レベルに制限されるが、本発明により、酸素等の排出能力が高められる(後述する第2の酸素ポンプセルを用いる場合も同様)。
【0025】
より具体的な構成として、請求項18に記載したように、前記第2セルの電流検出のための電流検出抵抗を、ガス濃度検出に適した抵抗値とそれよりも小さな抵抗値とで切り替え可能とし、前記電流操作手段は、電流検出抵抗の抵抗値を小さいものに切り替えることにより第2セル電流を強制的に大きくすると良い。
【0026】
かかる場合、請求項19に記載したように、前記電流検出抵抗は並列関係にある少なくとも2つの抵抗を有し、これら抵抗を選択的に接続又は遮断する構成であると良い。
【0027】
また、素子抵抗値(例えば素子インピーダンス)を検出する構成を有するガス濃度検出装置では、第2セルの印加電圧又は電流を交流的に変化させ、その時の電流及び電圧の変化量を電流検出抵抗により計測して素子抵抗値が検出される。このとき、ガス濃度検出時とガス濃度センサの素子抵抗検出時とでは第2セルに流れる電流レベルが大小相違するため、電流検出抵抗の抵抗値を切り替えることが考えられる。かかる構成において、請求項20に記載したように、前記電流操作手段は、素子抵抗検出時に適用する抵抗を用いて第2セル電流を強制的に大きくすると良い。本構成では、新たに構成を付加せずとも上記の電流操作が実現でき、コスト面でのメリットも得られるようになる。
【0028】
ガス濃度センサとして、ガス室が、被検出ガスが導入される第1ガス室と前記第2セルが設けられる第2ガス室とよりなり且つ、第1セルが、第1ガス室側及び第2ガス室側に各々分離して設けられた第1の酸素ポンプセル及び第2の酸素ポンプセルを有するものを用いる場合、請求項21に記載したように、前記電流操作手段は、前記第2セルに代えて又はこれに加えて、第2の酸素ポンプセル(モニタセル)に流れる電流を所定期間にて強制的に大きくし前記第2ガス室内に存在する酸素を強制的に排出させると良い。本構成では、第2の酸素ポンプセルによる酸素排出能力が高められる。故に、既述の発明と同様に、所望の効果が達成できる。
【0029】
上記請求項21の発明でも、大小異なる抵抗値を切り替える構成や、素子抵抗検出用の抵抗を流用する構成等が採用できる(上記請求項18〜20と同様)。すなわち、
・請求項22に記載の発明では、第2の酸素ポンプセルの電流検出のための電流検出抵抗を、酸素濃度検出に適した抵抗値とそれよりも小さな抵抗値とで切り替え可能とし、前記電流操作手段は、電流検出抵抗の抵抗値を小さいものに切り替えることにより第2の酸素ポンプセル電流を強制的に大きくする。
・請求項23に記載の発明では、前記電流検出抵抗は並列関係にある少なくとも2つの抵抗を有し、これら抵抗を選択的に接続又は遮断する構成とした。
・請求項24に記載の発明では、前記電流操作手段は、素子抵抗検出時に適用する抵抗を用いて第2の酸素ポンプセル電流を強制的に大きくする。
【0030】
一方、請求項25に記載の発明では、ガス濃度センサは、固体電解質と該固体電解質に配置された一対の電極とよりなる検出セルを有し、前記一対の電極のうちガス室に対面する電極を特定成分に対して活性な特定成分活性電極としている。そして、酸素離脱手段により、前記検出セルの特定成分活性電極に吸着した酸素が強制的に離脱される。本発明によれば、検出セルの特定成分活性電極に吸着した酸素が早期に排除できるため、センサ作動開始時等においてガス室内の状態が早期にガス濃度検出に最適な状態となり、正確なガス濃度出力をいち早く得ることができるようになる。
【0031】
請求項26に記載の発明では、前記酸素離脱手段は、所定時間内で通常よりも高い電圧を前記検出セルの電極間に印加する。従って、検出セルの特定成分活性電極に多くのエネルギが付与され、当該活性電極において吸着酸素の分解が促進される。故に、吸着酸素が早期に排除できる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるガス濃度検出装置は、例えば自動車用エンジンに適用されるものであって、限界電流式ガス濃度センサを用い、被検出ガスである排ガスから酸素濃度を検出すると共に特定成分のガス濃度としてのNOx濃度を検出する。
【0033】
先ずはじめに、ガス濃度センサの構成を図2を用いて説明する。図2のガス濃度センサは、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルからなる3セル構造を有し、排ガス中の酸素濃度とNOx濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサとして具体化されている。なお、ポンプセル及びモニタセルが「第1セル」に相当し、これら各セルにより、チャンバ(ガス室)に導入した排ガス中の酸素量が所定の低濃度レベルに調整される。また、センサセルが「第2セル」に相当し、同センサセルにより、酸素量調整後のガスからNOx濃度が検出される。モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素ポンプの機能を具備しており、ポンプセルが「第1の酸素ポンプセル」に相当し、モニタセルが「第2の酸素ポンプセル」に相当する。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線断面図である。
【0034】
ガス濃度センサ100において、ジルコニア等の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はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ143を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質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を介して当該センサ周囲の排ガスが第1チャンバ144内に導入される。第1チャンバ144は、絞り部145を介して第2チャンバ146に連通している。第1チャンバ144が「第1ガス室」に相当し、第2チャンバ146が「第2ガス室」に相当する。符号147は多孔質拡散層である。
【0035】
図の下側の固体電解質142には、第1チャンバ144に対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は、第1チャンバ144内に導入した排ガス中の酸素を排出又は汲み込む働きをすると共に酸素排出又は汲み込みの際に排ガス中の酸素濃度を検出する。ここで、ポンプセル110は、固体電解質142を挟んで上下一対の電極111,112を有し、そのうち特に第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)である。ポンプセル110は、第1チャンバ144内に存在する酸素を分解して電極112より大気通路150側に排出する。
【0036】
また、図の上側の固体電解質141には、第2チャンバ146に対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は、第2チャンバ146内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。また、センサセル130は、ポンプセル110を通過した後のガスからNOx濃度を検出する。
【0037】
特に本実施の形態では、図2(b)に示すように、排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120及びセンサセル130が並列に配置されると共に、これら各セル120,130の大気通路148側の電極が共通電極122となっている。すなわち、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とにより構成され、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とにより構成されている。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Au−Pt等の貴金属からなるのに対し、センサセル130の電極131(第2チャンバ146側の電極)はNOxガスに活性なロジウムRh、白金Pt等の貴金属からなり、この電極131が「特定成分活性電極」に相当する。
【0038】
図3(a)は、モニタセル120及びセンサセル130の電極配置を第2チャンバ146側から見た平断面図であり、図3(b)は、これら各セルの電極配置を大気通路148側から見た平断面図である。本構成によれば、モニタセル120及びセンサセル130では排ガス導入距離が同じになる。その結果、ポンプセル110通過後の残留酸素に対するモニタセル120とセンサセル130との感度が同等になり、精度の高いガス濃度検出が可能になる。但し、モニタセル120及びセンサセル130の電極は、図3(a)のように、排ガスの流れ方向に沿って並列に配置すること以外に、排ガスの流れ方向に前後(すなわち、図の左右)に配置することも可能である。例えば、モニタセル120を上流側(図の左側)に、センサセル130を下流側(図の右側)に配置する。また、各セルにおいて共通電極122を用いることも必須ではなく、各セル個別の電極を用いることも可能である。
【0039】
固体電解質142の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層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。ヒータ151はポンプセル110、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、外部からの給電により熱エネルギを発生させる。
【0040】
上記構成のガス濃度センサ100において、排ガスは多孔質拡散層147及びピンホール141aを通って第1チャンバ144に導入される。そして、この排ガスがポンプセル110近傍を通過する際、ポンプセル電極111,112間に電圧Vpを印加することで分解反応が起こり、第1チャンバ144内の酸素濃度に応じてポンプセル110を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第1チャンバ144側のポンプセル電極111がNOx不活性電極であるので、ポンプセル110では排ガス中の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に流れた電流(ポンプセル電流Ip)により、排ガス中に含まれる酸素濃度が検出される。
【0041】
その後、ポンプセル110近傍を通過した排ガスは第2チャンバ146に流れ込み、モニタセル120では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル120の出力は、モニタセル電極121,122間に所定の電圧Vmを印加することでモニタセル電流Imとして検出される。また、センサセル電極131,122間に所定の電圧Vsを印加することでガス中のNOxが還元分解され、その際発生する酸素が大気通路148に排出される。その際、センサセル130に流れた電流(センサセル電流Is)により、排ガス中に含まれるNOx濃度が検出される。
【0042】
因みに、ポンプセル110では、その都度の排ガス中の酸素濃度(すなわちポンプセル電流Ip)に応じて印加電圧Vpが可変に制御されるようになっており、一例として、当該ポンプセル110の限界電流特性に基づき作成された印加電圧マップを用い、その都度のポンプセル電流Ipに応じて印加電圧Vpが制御される。これにより、排ガス中の酸素濃度が高くなるほど印加電圧が高電圧側にシフトするようにして印加電圧制御が実施される。それ以外に、第2チャンバ146内の残留酸素濃度が一定になるように、言い換えればモニタセル電流Imが一定となるように印加電圧Vpがフィードバック制御される構成であっても良い。以上の制御により、第1チャンバ144に導入された排ガス中の酸素をいち早く排出し、酸素排出後における残留酸素濃度を所望の低濃度レベルに保持することが可能となる。
【0043】
ところで、上述した通りガス濃度センサ100では、ポンプセル110で排ガス中の余剰酸素が排出された後、低濃度レベルの残留酸素を含むガスがモニタセル120及びセンサセル130に給送される。そして、モニタセル120においてはガス中の残留酸素濃度に応じてモニタセル電流Imが計測され、センサセル130においてはガス中のNOx濃度に応じてセンサセル電流Isが計測される。但しこのとき、センサセル130では、本来ガス中のNOxだけが還元分解されてそれに伴う電流値が計測されるのが望ましいが、実際にはガス中の残留酸素分(微量酸素量)に応じた電流成分も併せて計測される。つまり、計測されるセンサセル電流IsにはNOx反応分と残留酸素反応分とが含まれ、このうち残留酸素反応分がオフセット誤差となる。そこで本実施の形態では、センサセル電流Isからオフセット誤差分を排除すべく、計測されたセンサセル電流Isからモニタセル電流Imを減算し、その差分値(Is−Im)に基づいてNOx濃度出力を得るようにしている。
【0044】
次に、ガス濃度検出装置の電気的な構成を図1を用いて説明する。なお図1には、前述のガス濃度センサ100を用いたガス濃度検出装置を示すが、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。
【0045】
図1において、制御回路200は、CPU、A/D変換器、D/A変換器、I/Oポート等を備える周知のマイクロコンピュータで構成されており、各セル110〜130の印加電圧指令値をD/A変換器(D/A0〜D/A2)より適宜出力する。また、制御回路200は、各セル110〜130に流れる電流の計測結果を取り込むべく、各端子Vc、Ve、Vd、Vb、Vg、Vhの電圧をA/D変換器(A/D0〜A/D5)より各々入力する。制御回路200は、ポンプセル110やセンサセル130で計測された電流値に基づいて排ガス中の酸素濃度(A/F)やNOx濃度を演算し、その演算結果をD/A変換器(D/A4,D/A3)や通信回路を介して外部のエンジンECU等に出力する。
【0046】
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の指令電圧Vbが印加される。指令電圧Vbの印加に際し、排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、そ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に取り込まれ、その電圧Vb,Vdによりポンプセル電流Ipが算出される。
【0047】
なお、エンジン運転状態の変化等によりポンプセル電流Ipが変化する際、その変化量が大きいと電流の取込値にテーリング等が発生し、電流計測の精度が落ちてしまう。故に、そのテーリング防止のために毎回の電流変化幅を制限し、更になまし処理を施してポンプセル電流の計測値を確定することとしている。
【0048】
また、モニタセル120及びセンサセル130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122とは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200の指令電圧Vgが印加される。指令電圧Vgの印加に際し、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、その電流が電流検出抵抗208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に取り込まれ、その電圧Vg,Vhによりセンサセル電流Isが算出される。
【0049】
また、共通電極122とは異なる方のモニタセル電極121には、オペアンプ209及び電流検出抵抗210を介して制御回路200の指令電圧Vcが印加される。指令電圧Vcの印加に際し、ガス中の残留酸素濃度に応じてモニタセル120に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗210により検出される。つまり、電流検出抵抗210の両端子電圧Vc,Veが制御回路200に取り込まれ、その電圧Vc,Veによりモニタセル電流Imが算出される。
【0050】
ヒータ駆動系の構成は図示を省略するが、制御回路200内のCPUは、ヒータ駆動用のMOSFET等に対してデューティ制御信号を出力し、電源(例えばバッテリ電源)からヒータ151への供給電力をPWM制御する。このとき、モニタセル120及びセンサセル130での検出電流はヒータ電流に比べて微弱な電流であるため、ヒータ通電に伴い発生するノイズが上記各セル120,130による検出電流に悪影響を及ぼすおそれがある。そのノイズ対策として本実施の形態では、センサセル130及びモニタセル120用の各電流検出抵抗208,210に並列にそれぞれコンデンサ211,212を設けてフィルタを構成している。これにより、ヒータ通電に伴うノイズの問題が効果的に抑制できることとなる。また、上述した通りセンサセル電流Isとモニタセル電流Imとの差分値(Is−Im)に基づいてNOx濃度出力を得るようにしている。そのため、センサセル130及びモニタセル120において電流検出抵抗208,210とフィルタ用コンデンサ211,212の定数を合わせて時定数などを一致させると良い。
【0051】
なお、センサセル電流Isとモニタセル電流Imとの差分値(Is−Im)を求める場合において、センサセル電流信号とモニタセル電流信号とを差動増幅回路に入力し、該差動増幅回路の出力(すなわち、Is−Im)を制御回路200にてA/D変換する構成とするのが望ましい。これにより、差動増幅回路のゲインを大きくすることができ、NOx濃度信号(Is−Im)のダイナミックレンジが広がる。故に、NOx濃度の検出精度が向上する。
【0052】
また本実施の形態では、いわゆる掃引法を用い、センサセル130を対象に「素子抵抗値」としての素子インピーダンスが検出される。つまり、センサセル130のインピーダンス検出時において、制御回路200により、センサセル印加電圧(指令電圧Vg)が正側又は負側の少なくとも何れかに瞬間的に(例えば数10〜100μsec程度の時間で)切り替えられる。この交流的に変化する電圧は、図示しないローパスフィルタ(LPF)により正弦波的になまされつつセンサセル130に印加される。交流電圧の周波数は10kHz以上が望ましく、LPFの時定数は5μsec程度で設定される。そして、その時の電圧変化量と電流変化量とからセンサセル130の素子インピーダンスが算出される(インピーダンス=電圧変化量/電流変化量)。センサセル130の印加電圧を交流的に変化させる構成の他、センサセル130に流れる電流を交流的に変化させる構成であっても良い。
【0053】
ガス濃度センサ100のヒータ制御に際し、素子インピーダンスを所定の目標値に制御する素子抵抗フィードバック制御が実施される。これにより、各セル110〜130が所望の活性状態に保持されるようになっている。
【0054】
なお、素子抵抗値として、素子インピーダンスに代えてその逆数である素子アドミタンスを検出する構成であっても良い。また、センサセル130のインピーダンス(又はアドミタンス)を検出することに代えて、モニタセル120のインピーダンス(又はアドミタンス)を検出する構成や、ポンプセル110のインピーダンス(又はアドミタンス)を検出する構成としても良い。
【0055】
因みに、モニタセル120及びセンサセル130では、一方の電極を共通電極122としたため、基準電圧側のドライブ回路が削減できるというメリットや、ガス濃度センサ100からのリード線の取り出し本数が削減できるというメリットが得られる。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で隣り合って形成されるため、掃引時には隣の電極に電流が流れ、素子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を設けることで一方の電極が同じ電位となり、この影響が低減できる。
【0056】
また、センサセル130ではNOxにより流れる電流はμAオーダであり、検出したいNOx濃度範囲ではnA(ナノアンペア)オーダという非常に微弱な電流値となる。そのため、検出精度を確保しようとすると、電流検出抵抗208の抵抗値はMΩオーダとなる。これに対し、インピーダンス検出のための掃引時にはmAオーダの電流が流れる。このオーダの異なる電流を同じ検出抵抗で検出すると、オーバーレンジしたり、検出精度が悪くなったりする。そこで本実施の形態では、センサセル130によるNOx濃度検出時とインピーダンス検出時とで電流検出抵抗を切り替えることとしている。具体的には、電流検出抵抗208に並列に、別の電流検出抵抗215とスイッチ回路216(例えば、半導体スイッチ)とを設けている。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216をON/OFFさせるよう構成している。この場合、通常のガス濃度検出時には、スイッチ回路216がOFF(開放)され、電流検出抵抗208によるMΩオーダの抵抗でセンサセル電流Is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216がON(閉鎖)され、電流検出抵抗208及び215による数百Ω程度の抵抗でセンサセル電流Isが検出される。
【0057】
ところで、上記構成のガス濃度センサ100では、センサ作動開始前(エンジン始動前)の放置状態においてセンサセル130のNOx活性電極に多くの酸素が吸着されることや、センサ放置状態では第1及び第2チャンバ144,146内に大気レベルの比較的高濃度(約20.9%)の酸素が充満されることから、センサ作動開始後において正確なNOx濃度出力が得られるまでに長い時間を要するという事態が生ずる。特に、NOx活性電極にロジウムを添加した本構成では、ロジウムの酸素吸着(酸素ストレージ)により上記不都合を招く。そこで、本実施の形態のガス濃度検出装置では、上記不都合を解消すべく、次の対策を講ずることとしている。
(1)センサ作動開始直後において、センサセル電極に通常時よりも高い電圧を印加し、センサセル電極(NOx活性電極)の吸着酸素を強制的に離脱させる(酸素離脱手段)。
(2)センサ作動開始直後において、センサセル130用の電流検出抵抗を低抵抗に切り替えてセンサセル電流を大きくし、第2チャンバ146内の酸素を強制的に早期排出させる(ガス成分排出手段、電流操作手段)。
【0058】
ここで、上記(2)についてその概要を説明する。センサセル130に接続された電流検出抵抗208はMΩオーダの抵抗値を有し、仮に抵抗値が1MΩであればセンサセル130に流せる電流は最大6μA程度となる。モニタセル120も同様であることから、第2チャンバ側のセンサセル130及びモニタセル120で流せる電流、すなわちセンサセル電流とモニタセル電流との合計は最大12μA程度となる。これが第2チャンバ側で流せる最大電流になり、同第2チャンバ側での酸素排出能力にも相当する。この場合、センサセル130及びモニタセル120で流せる電流が上記の如く制限されるため、第2チャンバ146での余剰酸素排出が遅れ、ひいてはNOx濃度出力の正常化が遅れるという事態を招く。エンジンの通常運転状態で第1チャンバ144内に導入されるガス中の酸素はポンプセル110にて排出されるが、エンジン始動前に第1及び第2のチャンバ144,146に満たされた大気による酸素はポンプセル110による排出に加え、センサセル130又はモニタセル120にて早期に排出してやる必要がある。
【0059】
上述した図1の構成では、電流検出抵抗208に並列に別の電流検出抵抗215とスイッチ回路216とが接続され、スイッチ回路216のON/OFFによりセンサセル電流検出のための抵抗値が大小切り替えられるようになっている。従って、電流検出抵抗208,215の抵抗値をそれぞれ1MΩ、500Ωとした場合、スイッチ回路216をOFFすることで、センサセル130を流れる電流が電流検出抵抗208の抵抗値1MΩにより検出されるのに対し、スイッチ回路216をONすることで、同じくセンサセル130を流れる電流が電流検出抵抗208及び215の合成抵抗値499.8Ωにより検出される。故に、センサセル130に流せる電流レベルが操作できるようになり(本実施の形態では、最大20mA程度の電流)、第2チャンバ146内における余剰酸素の早期排出を強制的に行わせることができるようになる。
【0060】
素子インピーダンスの値は数十Ω程度であるため、インピーダンス検出のための電流検出抵抗は数百Ωオーダの抵抗値となる。この場合、インピーダンス検出のための電流検出抵抗の抵抗値はNOx濃度検出のための抵抗値より格段に小さいため、このインピーダンス検出用の抵抗を利用することができる。これにより、新たな構成を付加せずともセンサセル電流の上記操作を行うことができ、コスト面でのメリットも得られるようになる。
【0061】
以下、上記対策の具体的な実施態様を説明する。図4は、センサセル印加電圧の制御手順を示すフローチャートであり、この処理は制御回路200内のCPUにより所定時間周期で実施される。
【0062】
図4において、先ずステップS101では、モニタセル電流Imが所定の判定値Kaよりも大きいか否かを判別する。判定値Kaは、第2チャンバ146内の酸素が高濃度になっていることを判定するための判定レベルであり、例えばKa=500nAとする。この場合、第2チャンバ146内の酸素が高濃度となり、モニタセル電流Imが過剰に大きくなると、センサセル電極(NOx活性電極)に多くの酸素が吸着されていると推測でき、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替え(センサセル電流操作)の処理を要する旨判断される。
【0063】
また、ステップS102では、ガス濃度センサ100の作動開始後、所定時間が経過したか否かを判別する。この所定時間は、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理を実施するための実施期間に相当し、固定の時間としても良いし、可変設定される時間としても良い。所定時間を固定とする場合、例えば50秒とする。また、所定時間を可変とする場合、センサセル電極の酸素吸着状態に応じて当該所定時間を設定する。例えば、素子インピーダンスの値、ポンプセル電流(すなわち第1チャンバ144内の酸素濃度)、センサ放置時間(すなわちエンジン停止時間)などに応じてセンサセル電極の酸素吸着状態を推測し、その推測結果に応じて所定時間を設定することが考えられる。
【0064】
そして、Im≦Kaであるか、又は所定時間経過後であれば、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理を実施することなく、通常の印加電圧制御を実施する。すなわち、ステップS103ではセンサセル印加電圧を例えば0.45Vとして設定し、続くステップS104ではスイッチ回路216をOFFする。その後、ステップS107では、上記設定したセンサセル印加電圧を出力する。これにより、センサセル印加電圧=0.45V、電流検出抵抗=1MΩといった条件でセンサセル130の初期制御が実施される。
【0065】
これに対し、Im>Kaであり且つ所定時間の経過前であれば、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理を実施する。すなわち、ステップS105ではセンサセル印加電圧を通常時よりも高い0.7Vとし、続くステップS106ではスイッチ回路216をONする。「0.7V」の印加電圧は一例であり、通常時の印加電圧に対して0.2V以上高い電圧、実際には0.65V〜0.9Vの範囲内の電圧でセンサセル印加電圧が設定されると良い。その後、ステップS107では、上記設定したセンサセル印加電圧を出力する。これにより、センサセル印加電圧=0.7V、電流検出抵抗=約500Ωといった条件でセンサセル130の初期制御(ここでは、センサセル印加電圧の高電圧化及び抵抗切り替えの処理)が実施される。
【0066】
なお、上記ステップS101におけるモニタセル電流Imの条件は、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理の開始条件としてのみ採用しても良く、或いは、当該モニタセル電流条件をなくすことも可能である。またこの他に、上記ステップS102における時間条件をなくすことも可能である。
【0067】
次に、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理による具体的な作用効果を説明する。但し便宜上、先ずはじめにセンサセル印加電圧の高電圧化についてその作用効果を図5を従い説明する。図5は、高電圧化処理に際してのセンサセル電流Is、モニタセル電流Im等の推移を示すタイムチャートである。なお、図中の一点鎖線は、センサ作動開始当初からセンサセル印加電圧固定(Vs=0.45V固定)とした場合の電流推移を示す。以下の説明では、センサ作動開始時には、センサセル電極に多くの酸素が吸着され、且つ第2チャンバ146内がほぼ大気状態になっていることとしている。
【0068】
センサ作動開始に伴いセンサセル電流Is及びモニタセル電流Imは共に急上昇し、計測可能な上限値(例えば2500nA)に達する。モニタセル電流Imは判定値Kaを超える。また、素子アドミタンスMAdm(素子インピーダンスの逆数)は、活性化の進行に伴い図示の如く変化する。このとき、センサセル印加電圧Vsとして通常時よりも高電圧の0.7Vが設定され、センサセル130に印加される。その後、第2チャンバ146内の酸素の低濃度化に伴いモニタセル電流Imがセンサセル電流Isよりも先に低下し始め、該モニタセル電流Imが判定値Ka以下になると、センサセル印加電圧Vsが通常時の0.45Vに変更される(図のタイミングt1)。但し、センサセル印加電圧の高電圧化の開始条件とするモニタセル電流Imの判定値と終了条件とする同判定値とを異なるレベルに設定することも可能である。
【0069】
センサセル電流Isはモニタセル電流Imよりも遅れて低下し、図の実線で示すように推移する。このとき、センサセル印加電圧固定とした場合の電流推移(図の一点鎖線)と比較すると、本実施の形態ではセンサセル電流Isが早期に低下することが分かる。実線及び一点鎖線で示すセンサセル電流Isの推移の違いは、センサ作動開始当初においてセンサセル印加電圧Vsを高くしたことによるものであり、センサセル印加電圧の高電圧化によりセンサセル電極(NOx活性電極)に高エネルギが付与される。従って、当該センサセル電極において吸着酸素の分解が促進され、結果としてセンサセル電流が早期に低下する。
【0070】
実際には、所定レベル(例えば10ppm)のNOx濃度出力が得られるまでの時間を比較すると、センサセル印加電圧の高電圧化を行わない場合よりも約100秒程度の時間短縮が可能となる。つまり、NOx濃度出力の正常化が早まり、これはセンサセル130としての活性化が早まることであるとも言える。
【0071】
また、図6は、センサセル印加電圧の高電圧化に加え、抵抗切り替え(チャンバ内酸素の強制排出)の処理を実施した際のセンサセル電流Is、モニタセル電流Im等の推移を示すタイムチャートである。なお、図中の一点鎖線は、電流検出抵抗の切り替えを行わない場合の電流推移を示す。
【0072】
センサ作動開始直後、スイッチ回路216がONされると、電流検出抵抗208,215の合成抵抗を通じてセンサセル130に電流が流れる。このとき、前出の事例で言えば合成抵抗が約500Ωとなり、センサセル電流Isは最大で0.04mA(40nA)程度流れる。故に、センサセル130による酸素排出能力が高められ、第2チャンバ146内の酸素排出が促進される。その後、モニタセル電流Imが判定値Ka以下になると、スイッチ回路216がOFFされる(図のタイミングt11)。以降、電流検出抵抗208の抵抗1MΩにより通常通りセンサセル電流Isの計測(すなわち、NOx濃度検出)が実施される。
【0073】
センサセル電流Isはモニタセル電流Imよりも遅れて低下し、図の実線で示すように推移する。このとき、電流検出抵抗の切り替えを行わない場合の電流推移(図の一点鎖線)と比較すると、本実施の形態ではセンサセル電流Is及びモニタセルImが早期に低下することが分かる。従って、第2チャンバ146の余剰酸素の早期排出により、センサセル電流Isが早期に収束し、ひいてはNOx濃度出力がいち早く早期正できるようになる。
【0074】
実際には、所定レベル(例えば10ppm)のNOx濃度出力が得られるまでの時間を比較すると、抵抗切り替えを行わない場合よりも約100秒程度の時間短縮が可能となる。
【0075】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【0076】
センサ作動開始直後において、センサセル130のNOx活性電極に吸着した酸素が強制的に離脱されること、及び、第2チャンバ146内に存在する余剰酸素が強制的に早期排出されることにより、センサ作動開始時において第2チャンバ146内の状態が早期にNOx濃度検出に最適な状態となり、正確なNOx濃度出力をいち早く得ることができるようになる。
【0077】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
【0078】
上記実施の形態では、(1)センサセル印加電圧を高電圧化してセンサセル電極の吸着酸素を強制離脱させること、及び、(2)電流検出抵抗を大小切り替えてチャンバ内酸素を強制排出させることを共に実施する構成であったが、その実施態様を変更する。つまり、上記(1)のみを実施する構成、又は上記(2)のみを実施する構成としたり、上記(1),(2)をその都度のセンサ状態に応じて選択的に実施する構成としたりしても良い。
【0079】
上記実施の形態では、第2チャンバ146内における酸素の強制排出を実施するにあたりセンサセル130側の電流検出抵抗を切り替える構成としたが、これに代えてモニタセル120側の電流検出抵抗を切り替える構成とすることも可能である。又は、センサセル130及びモニタセル120の両方で電流検出抵抗を切り替える構成とすることも可能である。モニタセル120側で抵抗切り替えを行う場合にも、上記同様、素子インピーダンス検出用の抵抗を流用すると良い。本構成であっても、モニタセル120による酸素排出能力が高められ、第2チャンバ146内に存在する酸素が強制的に排出される。故に、既述の実施の形態と同様に、所望の効果が達成できる。
【0080】
上記図6のタイムチャートからも分かるように、センサセル130(又はモニタセル120)の電流検出抵抗を大小切り替えると、通常は計測できない電流レベルまで電流計測が可能となる。本実施の形態の場合、センサセル130(又はモニタセル120)に最大20mA程度まで電流を流すことが可能となり、mAオーダまでの電流計測が可能となる。このとき、センサ作動開始直後にセンサセル電流(又はモニタセル電流)がどの程度の電流レベルに達するかを計測することが可能となり、その電流レベルに応じてセンサセル電極への吸着酸素量を推測したり、第2チャンバ内の余剰酸素量を推測したりすることが可能となる。従って、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理を実施するための所定時間を、その電流レベルに応じて設定するといった構成を採用することも可能となる。
【0081】
上記実施の形態では、センサセル印加電圧の高電圧化を行う際、所定期間内でセンサセル印加電圧を一定値(0.7V)としたが、その電圧値を所定期間内で変化させる構成であっても良い。例えば、高電圧の印加後、徐々に電圧を降下させて通常値に移行させる構成とする。
【0082】
車両用エンジンでは、例えば高負荷運転時や高回転運転時等においてNOxの排出量が増える傾向にあり、第2チャンバ146内でNOx過多の状態となればその余剰分が排出されるまで正確なNOx濃度出力が得られなくなる。そこで、エンジンがNOx排出増加傾向となる運転状態に移行した際において、センサセル130に流れる電流を増大し、結果として第2チャンバ146内に存在するNOxを強制的に早期排出するよう構成すると良い。具体的には、スロットル開度信号や燃料噴射量等に応じてその都度のエンジン負荷状態を判定し、又はエンジン回転数信号に応じてその都度のエンジン回転状態を判定し、高負荷状態又は高回転状態であれば、電流検出抵抗を低抵抗側に切り替えれば良い。
【0083】
上記実施の形態では、図2の構造のガス濃度センサ100について適用例を説明したが、勿論他のガス濃度センサについて適用しても良く、適用可能なガス濃度センサの具体例を以下に説明する。
【0084】
図7に示すガス濃度センサ300では、符号301,302,303,304で示すシート状の部材が全て固体電解質(例えばジルコニア)で構成されており、これら固体電解質301〜304が図の上下に積層されている。固体電解質301,303の間には、多孔質アルミナ等の絶縁材料からなる律速層305a,305bを隔てて第1チャンバ306及び第2チャンバ307が区画形成されている。固体電解質304により大気通路308が形成され、同固体電解質304にはヒータ309が埋設されている。
【0085】
また、ガス濃度センサ300には、第1ポンプセル310、第2ポンプセル320、センサセル330及びモニタセル340が設けられており、本センサ300の特徴としてこれら各セルが固体電解質同士により結合されている。かかる構成において、第1ポンプセル310では、一対の電極311,312間に電圧Vp1が印加され、その時流れる第1ポンプセル電流Ip1が検出される。第2ポンプセル320では、電極313,314間に電圧Vp2が印加され、その時流れる第2ポンプセル電流Ip2が検出される。センサセル330では、電極314,315間に電圧Vsが印加され、その時流れるセンサセル電流Isが検出される。更に、モニタセル340では、電極314,316間で起電力信号Vmが検出される。なお、第1チャンバ306及び第2チャンバ307に対面する各セルの電極312,313,315,316のうち、センサセル330の電極315はNOxに対して活性なロジウム、白金等よりなるNOx活性電極(特定成分活性電極)であり、他の電極はNOxに対して不活性なNOx不活性電極である。
【0086】
排ガスは、センサ先端部の律速層305aを介して第1チャンバ306に導入される。排ガス中の大部分の酸素は、モニタセル340の起電力信号Vmにより検出されると共に、この信号Vmに応じて第1ポンプセル310の印加電圧Vp1が制御されることで電極311から外部へ排出される。残ったガスは律速層305bを通過して第2チャンバ307に導入され、当該ガス中の残留酸素は第2ポンプセル320にて電圧Vp2の印加により分解されて大気通路308に排出される。また、ガス中のNOxは、センサセル330にて電圧Vsの印加により分解されて大気通路308に排出され、その際流れたセンサセル電流Isに基づいてNOx濃度値が算出される。
【0087】
なお図7のガス濃度センサ300では、第1ポンプセル310及び第2ポンプセル320が「第1セル」に、センサセル330が「第2セル」にそれぞれ相当する。また、第1チャンバ306が「第1ガス室」に、第2チャンバ307が「第2ガス室」にそれぞれ相当する。
【0088】
また、センサセル330を対象に素子インピーダンスを検出する構成とした場合において、センサセル330用の電流検出回路350には、センサセル330によるNOx濃度検出時とインピーダンス検出時とで電流検出抵抗を切り替える構成が付加されている。電流検出回路350の詳細についての図示は省略するが、図1に示すセンサセル用回路構成と同様に、高抵抗(MΩオーダ)の電流検出抵抗、それに並列接続された低抵抗(数百Ωオーダ)の電流検出抵抗、抵抗値を大小切り替えるためのスイッチ回路などが設けられている。この場合、通常のガス濃度検出時には、高抵抗の電流検出抵抗でセンサセル電流Isが検出され、インピーダンス検出時には、低抵抗の電流検出抵抗でセンサセル電流Isが検出される。
【0089】
そして更に、上記構成において、(1)センサセル印加電圧を高電圧化してセンサセルNOx活性電極の吸着酸素を強制離脱させること、及び、(2)電流検出抵抗を大小切り替えてチャンバ内酸素を強制排出させることとしている。これにより、センサ作動開始時において第2チャンバ307内の状態が早期にNOx濃度検出に最適な状態となり、正確なNOx濃度出力をいち早く得ることができるようになる。但し、上記(1)のみを実施する構成、上記(2)のみを実施する構成、上記(1),(2)をその都度のセンサ状態に応じて選択的に実施する構成が適宜採用できる。また、センサセル330に代えて第2ポンプセル320側の電流検出抵抗を切り替える構成、又は、センサセル330及び第2ポンプセル320の両方で電流検出抵抗を切り替える構成とすることも可能である。
【0090】
NOx濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分のガス濃度としてHC濃度やCO濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからHCやCOを分解してHC濃度やCO濃度を検出する。更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態におけるガス濃度検出装置の概要を示す構成図である。
【図2】ガス濃度センサの構成を示す断面図である。
【図3】モニタセル及びセンサセルの電極配置を示す平断面図である。
【図4】センサセルの印加電圧制御処理を示すフローチャートである。
【図5】センサ作動開始時におけるセンサセル電流やモニタセル電流等の推移を示すタイムチャートである。
【図6】センサ作動開始時におけるセンサセル電流やモニタセル電流等の推移を示すタイムチャートである。
【図7】別のガス濃度センサの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
100…ガス濃度センサ、110…ポンプセル、111,112…電極、120…モニタセル、121,122…電極、130…センサセル、131…電極、141,142…固体電解質、144…第1チャンバ、146…第2チャンバ、200…制御回路、208,210,215…電流検出抵抗、216…スイッチ回路、300…ガス濃度センサ、301,303…固体電解質、306…第1チャンバ、307…第2チャンバ、310…第1ポンプセル、311〜316…電極、320…第2ポンプセル、330…センサセル、340…モニタセル。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas concentration detection device that detects a gas concentration of a specific component in a gas to be detected.
[0002]
[Prior art]
As this type of gas concentration detecting device, there is a device which uses a limiting current type gas concentration sensor and detects, for example, NOx (nitrogen oxide) in exhaust gas discharged from a vehicle engine. The gas concentration sensor has, for example, a three-cell structure including a pump cell, a sensor cell, and a monitor cell. In the pump cell, oxygen in exhaust gas introduced into the first chamber is discharged or pumped, and at the same time, oxygen concentration in exhaust gas is detected. Is Further, the sensor cell detects the NOx concentration (gas concentration of a specific component) from the gas in the second chamber after passing through the pump cell, and the monitor cell detects the residual oxygen concentration in the second chamber (for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2885336
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the gas concentration sensor, when the sensor is left unattended, the atmosphere is introduced into the first and second chambers, and is filled with a relatively high concentration (about 20.9%) of oxygen. Then, immediately after the start of the sensor operation, a situation arises in which accurate sensor output cannot be obtained due to the high concentration of oxygen in the first and second chambers. Analyzing the data from the actual machine, it is found that immediately after the operation of the gas concentration sensor, the sensor cell current becomes excessively large, and then it takes a long time to converge to a stable current value in a predetermined NOx concentration detection range. confirmed. Therefore, there is a problem that the time required for normalizing the sensor cell current, that is, the NOx concentration output is prolonged.
[0005]
On the other hand, the sensor cell current flowing according to the NOx concentration is a current value on the order of nA (nano-ampere), and it is necessary to increase the resistance value of the current detection resistor to several hundred kΩ or more in order to accurately detect this weak current. is there. Then, it takes a long time to discharge the high-concentration oxygen filled in the chamber, which also causes a problem that the time required for normalizing the sensor cell current, that is, the NOx concentration output is prolonged.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a purpose thereof is to make a state in a chamber (gas chamber) an optimal state for gas concentration detection at an early stage at the start of operation of a gas concentration sensor, and the like. An object of the present invention is to provide a gas concentration detecting device capable of promptly obtaining an accurate gas concentration output.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The gas concentration detecting device according to
[0008]
In short, in the gas concentration sensor having the above-described configuration, when oxygen is adsorbed on the specific component active electrode while the sensor is left unattended, the output of the second cell becomes excessively large, and the adsorbed oxygen of the specific component active electrode is eliminated immediately after the sensor operation starts. Gas concentration cannot be detected accurately until it is detected. For example, when rhodium is used as a NOx active electrode in a NOx sensor, a large amount of oxygen is adsorbed on the electrode, and it takes a long time to remove the oxygen. On the other hand, in the present invention, since the oxygen adsorbed on the specific component active electrode of the second cell is forcibly released, the adsorbed oxygen can be eliminated early. Therefore, at the start of the operation of the sensor or the like, the state in the gas chamber becomes an optimal state for detecting the gas concentration at an early stage, and an accurate gas concentration output can be obtained promptly.
[0009]
Specifically, as the oxygen desorbing means, it is preferable to apply a higher voltage than usual within a predetermined period between the electrodes of the second cell, as described in claim 2. In this case, by increasing the voltage applied to the second cell, a large amount of energy is applied to the specific component active electrode of the second cell, and the decomposition of adsorbed oxygen is promoted at the active electrode. Therefore, the adsorbed oxygen can be eliminated early.
[0010]
In general, a voltage in the range of 0 to 0.9 V is applied to a solid electrolyte made of zirconia or the like, and a voltage of about 0.45 V is normally applied. In such a case, as described in claim 3, it is preferable to apply a voltage higher than the normal applied voltage by 0.2 V or more between the electrodes of the second cell. That is, this corresponds to applying a voltage of 0.65 V or more to the second cell, and in practice, setting the applied voltage in the range of 0.65 V to 0.9 V, more preferably around 0.7 V good.
[0011]
According to the fourth aspect of the present invention, the oxygen desorbing means performs the process of desorbing oxygen immediately after the start of the operation of the gas concentration sensor. In other words, the problem of oxygen adsorption on the specific component active electrode of the second cell occurs immediately after the gas concentration sensor starts operating from a standing state, and it is desirable to perform the oxygen desorption process immediately after the operation starts.
[0012]
As a gas concentration sensor, the gas chamber includes a first gas chamber into which a gas to be detected is introduced, and a second gas chamber in which the second cell is provided, and the first cell is connected to the first gas chamber and the second gas chamber. Some have a first oxygen pump cell and a second oxygen pump cell which are separately provided on the gas chamber side. In the gas concentration detecting device using the gas concentration sensor, as described in claim 5, the output of the second oxygen pump cell exceeds a predetermined value immediately after the start of the operation of the gas concentration sensor by the oxygen desorbing means. The condition of oxygen desorption is preferably carried out under the following conditions. Note that the first oxygen pump cell and the second oxygen pump cell are also referred to as a pump cell and a monitor cell, respectively.
[0013]
That is, in the gas concentration sensor having the above configuration, if the sensor is left unattended, immediately after the operation starts, the output of the second oxygen pump cell (monitor cell) is excessively increased due to the relatively high concentration of oxygen filled in the second gas chamber. However, such a situation does not occur if the gas concentration sensor is restarted immediately after the operation is stopped. Therefore, if the process of desorbing oxygen is performed according to the output level of the second oxygen pump cell, the process of desorbing oxygen can be performed only when necessary.
[0014]
In the fifth aspect of the present invention, as described in the sixth aspect, after the output of the second oxygen pump cell exceeds a predetermined value, the oxygen desorbing means converges on the condition that the output converges to the predetermined value or less. It is good to end the withdrawal process. That is, the output of the second oxygen pump cell converges faster than that of the second cell, and according to the output level, the excess oxygen in the second gas chamber is discharged, and thus the oxygen desorption of the second cell electrode is advanced. Can be determined. Therefore, the process of oxygen desorption can be performed for an appropriate period.
[0015]
In the invention according to claim 7, the state of oxygen adsorption in the specific component active electrode of the second cell is estimated, and oxygen is released by the oxygen desorbing means according to the estimated state of oxygen adsorption. Variably set the length of the predetermined period for the operation. In this case, the process of desorbing oxygen can be performed according to the actual degree of oxygen adsorption, and the process can be optimized. For example, the state of oxygen adsorption is estimated according to the standing time of the gas concentration sensor, and the longer the leaving time, the longer the predetermined time for performing oxygen desorption.
[0016]
According to the eighth and ninth aspects of the present invention, oxygen or a specific component present in the gas chamber is forcibly discharged early by the gas component discharging means. If the atmosphere is introduced into the gas chamber while the sensor is left unattended, the gas chamber becomes excessively oxygen, which hinders the detection of the gas concentration of the specific component immediately after the operation of the sensor is started. In addition, when the specific component is excessive in the gas chamber, the detection of the gas concentration of the specific component is hindered. On the other hand, according to the present invention, since the excess oxygen and specific components in the gas chamber can be discharged early, the state in the gas chamber becomes an optimal state for detecting the gas concentration at the beginning of operation of the sensor, etc. Gas concentration output can be obtained quickly. In particular, a synergistic effect can be expected by combining the inventions of
[0017]
According to the tenth aspect, the process of discharging the gas component is performed in a predetermined period immediately after the start of the operation of the gas concentration sensor. That is, the problem of excessive oxygen in the gas chamber (particularly, a second gas chamber described later) occurs immediately after the gas concentration sensor is started to operate from a state of being left unattended. It is desirable to do.
[0018]
In a sensor configuration in which the gas chamber is divided into a first gas chamber and a second gas chamber, and the second cell is provided on the second gas chamber side downstream of the first gas chamber, the second gas chamber has a second gas chamber. The oxygen pump action by one cell does not reach. Therefore, as described in claim 11, it is preferable that the gas component discharging means is configured to discharge the excess oxygen or the excess specific component in the second gas chamber.
[0019]
The gas concentration sensor according to claim 12, wherein the first cell has a first oxygen pump cell and a second oxygen pump cell which are separately provided on a first gas chamber side and a second gas chamber side, respectively. Preferably, immediately after the start of the operation of the gas concentration sensor, the gas component discharging process is performed on condition that the output of the second oxygen pump cell exceeds a predetermined value. If the sensor is left unattended, the output of the second oxygen pump cell (monitor cell) becomes excessively large immediately after the start of operation due to the relatively high concentration of oxygen filling the second gas chamber. When the is restarted, these effects are reduced. Therefore, if the gas component discharge processing is performed according to the output level of the second oxygen pump cell, the processing can be performed only when necessary.
[0020]
According to the twelfth aspect of the present invention, as described in the thirteenth aspect, the gas component discharging means is provided on condition that the output of the second oxygen pump cell converges to a predetermined value or less after the output exceeds a predetermined value. It is preferable to end the gas component discharging process. In other words, the output of the second oxygen pump cell converges faster than that of the second cell, and it can be determined from the output level that the discharge of excess oxygen in the second gas chamber has progressed. Therefore, the process of discharging the gas concentration in an appropriate period can be performed.
[0021]
In the invention according to claim 14, the amount of surplus oxygen or the amount of surplus specific component in the second gas chamber is estimated, and the gas is supplied in accordance with the estimated amount of surplus oxygen or the amount of surplus specific component. The length of the predetermined period for performing the gas component discharge by the component discharge means is variably set. In this case, the gas component discharge processing can be performed according to the actual degree of oxygen adsorption, and the processing can be optimized. For example, the amount of the excess oxygen or the amount of the excess specific component is estimated according to the leaving time of the gas concentration sensor, and the longer the leaving time is, the longer the predetermined time for performing the gas concentration discharge is.
[0022]
In the invention according to claim 15, when the inside of the gas chamber shifts to a high concentration atmosphere of a specific component, the specific component present in the gas chamber is forcibly discharged early. If the gas concentration of the specific component in the gas to be detected temporarily increases, the gas chamber becomes correspondingly excessive in the specific component, but the specific component can be discharged early.
[0023]
In a vehicle engine, for example, the amount of NOx emission tends to increase during high-load operation or high-speed operation. If the amount of NOx becomes excessive, an accurate NOx concentration output cannot be obtained until the excess can be exhausted. . Therefore, as described in claim 16, when the engine shifts to an operating state in which NOx emission tends to increase, NOx present in the gas chamber may be forcibly exhausted early.
[0024]
In the invention according to claim 17, the gas component discharging means includes a current operating means, and the current operating means forcibly increases the current flowing through the second cell in a predetermined period. In other words, in the second cell, a specific component is reduced or decomposed, and a current flows according to the amount of oxygen ions generated at that time. The current is a weak current, and the current detection resistor has a high resistance to improve detection accuracy. Is used. Therefore, the discharge capacity of oxygen and the like by the second cell is originally limited to a low level, but the discharge capacity of oxygen and the like is enhanced by the present invention (the same applies to the case where a second oxygen pump cell described later is used).
[0025]
As a more specific configuration, as described in claim 18, the current detection resistor for current detection of the second cell can be switched between a resistance value suitable for gas concentration detection and a smaller resistance value. The current operation means may forcibly increase the second cell current by switching the resistance value of the current detection resistor to a smaller value.
[0026]
In such a case, it is preferable that the current detection resistor has at least two resistors in a parallel relationship and selectively connects or disconnects these resistors.
[0027]
In a gas concentration detection device having a configuration for detecting an element resistance value (for example, an element impedance), the applied voltage or current of the second cell is changed in an alternating manner, and the current and the amount of change in the voltage at that time are detected by a current detection resistor. The element resistance is detected by measurement. At this time, the level of the current flowing through the second cell differs between when the gas concentration is detected and when the element resistance of the gas concentration sensor is detected. Therefore, it is possible to switch the resistance value of the current detection resistor. In this configuration, it is preferable that the current operation means forcibly increases the second cell current by using a resistor applied at the time of detecting the element resistance. In the present configuration, the above-described current operation can be realized without adding a new configuration, and a merit in cost can be obtained.
[0028]
As a gas concentration sensor, the gas chamber includes a first gas chamber into which a gas to be detected is introduced, and a second gas chamber in which the second cell is provided, and the first cell is connected to the first gas chamber and the second gas chamber. In the case of using one having a first oxygen pump cell and a second oxygen pump cell which are separately provided on the gas chamber side, as described in claim 21, the current operating means is replaced with the second cell. In addition to or in addition to this, the current flowing through the second oxygen pump cell (monitor cell) may be forcibly increased for a predetermined period to forcibly discharge oxygen present in the second gas chamber. With this configuration, the oxygen discharge capacity of the second oxygen pump cell is enhanced. Therefore, a desired effect can be achieved similarly to the above-described invention.
[0029]
Also in the invention of the twenty-first aspect, a configuration in which resistance values different in magnitude are switched, a configuration in which a resistance for detecting an element resistance is diverted, and the like can be adopted (similar to the above-described claims 18 to 20). That is,
In the invention according to claim 22, the current detection resistor for current detection of the second oxygen pump cell can be switched between a resistance value suitable for oxygen concentration detection and a resistance value smaller than that, and the current operation The means forcibly increases the second oxygen pump cell current by switching the resistance value of the current detection resistor to a smaller value.
In the twenty-third aspect of the present invention, the current detection resistor has at least two resistors in a parallel relationship, and these resistors are selectively connected or disconnected.
In the invention described in claim 24, the current operating means forcibly increases the second oxygen pump cell current by using a resistor applied when detecting the element resistance.
[0030]
On the other hand, in the invention according to claim 25, the gas concentration sensor has a detection cell including a solid electrolyte and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte, and an electrode facing the gas chamber among the pair of electrodes. Is a specific component active electrode active for the specific component. Then, the oxygen adsorbed on the specific component active electrode of the detection cell is forcibly released by the oxygen releasing means. According to the present invention, since the oxygen adsorbed on the specific component active electrode of the detection cell can be removed early, the state in the gas chamber becomes optimal for gas concentration detection at an early stage such as at the start of operation of the sensor. Output can be obtained quickly.
[0031]
In the invention according to claim 26, the oxygen desorbing means applies a voltage higher than usual between the electrodes of the detection cell within a predetermined time. Accordingly, a large amount of energy is applied to the specific component active electrode of the detection cell, and the decomposition of adsorbed oxygen is promoted at the active electrode. Therefore, the adsorbed oxygen can be eliminated early.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The gas concentration detection device according to the present embodiment is applied to, for example, an automobile engine, and uses a limiting current type gas concentration sensor to detect the oxygen concentration from the exhaust gas to be detected and to detect a gas having a specific component. The NOx concentration as the concentration is detected.
[0033]
First, the configuration of the gas concentration sensor will be described with reference to FIG. The gas concentration sensor of FIG. 2 has a three-cell structure including a pump cell, a monitor cell, and a sensor cell, and is embodied as a so-called composite gas sensor that can simultaneously detect the oxygen concentration and the NOx concentration in exhaust gas. Note that the pump cell and the monitor cell correspond to the “first cell”, and these cells adjust the amount of oxygen in the exhaust gas introduced into the chamber (gas chamber) to a predetermined low concentration level. The sensor cell corresponds to the “second cell”, and the sensor cell detects the NOx concentration from the gas after the oxygen amount adjustment. The monitor cell has a function of an oxygen pump in gas, similarly to the pump cell. The pump cell corresponds to a “first oxygen pump cell”, and the monitor cell corresponds to a “second oxygen pump cell”. FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating the structure of the distal end portion of the sensor element, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 2A.
[0034]
In the
[0035]
A
[0036]
Further, a
[0037]
In particular, in the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the
[0038]
FIG. 3A is a plan sectional view of the electrode arrangement of the
[0039]
An insulating
[0040]
In the
[0041]
Thereafter, the exhaust gas that has passed near the
[0042]
Incidentally, in the
[0043]
By the way, as described above, in the
[0044]
Next, the electrical configuration of the gas concentration detection device will be described with reference to FIG. Although FIG. 1 shows a gas concentration detection device using the above-described
[0045]
In FIG. 1, a
[0046]
More specifically, in the
[0047]
When the pump cell current Ip changes due to a change in the engine operating state or the like, if the amount of the change is large, tailing or the like occurs in the current intake value, and the accuracy of the current measurement decreases. Therefore, in order to prevent the tailing, the current variation width is limited each time, and a smoothing process is further performed to determine the measured value of the pump cell current.
[0048]
The reference voltage Vf is applied to the
[0049]
The command voltage Vc of the
[0050]
Although the configuration of the heater driving system is not shown, the CPU in the
[0051]
When a difference value (Is−Im) between the sensor cell current Is and the monitor cell current Im is obtained, the sensor cell current signal and the monitor cell current signal are input to a differential amplifier circuit, and the output of the differential amplifier circuit (ie, It is preferable that the
[0052]
In the present embodiment, an element impedance as an “element resistance value” is detected for the
[0053]
In controlling the heater of the
[0054]
Note that, instead of the element impedance, the element admittance, which is the reciprocal of the element impedance, may be detected as the element resistance value. Instead of detecting the impedance (or admittance) of the
[0055]
Incidentally, in the
[0056]
In the
[0057]
By the way, in the
(1) Immediately after the start of the sensor operation, a voltage higher than usual is applied to the sensor cell electrode to forcibly release the adsorbed oxygen from the sensor cell electrode (NOx active electrode) (oxygen desorbing means).
(2) Immediately after the start of operation of the sensor, the current detection resistor for the
[0058]
Here, the outline of the above (2) will be described. The
[0059]
In the configuration of FIG. 1 described above, another
[0060]
Since the value of the element impedance is about several tens of ohms, the current detection resistor for detecting the impedance has a resistance value on the order of several hundred ohms. In this case, since the resistance value of the current detection resistor for detecting the impedance is much smaller than the resistance value for detecting the NOx concentration, the resistance for detecting the impedance can be used. As a result, the above-described operation of the sensor cell current can be performed without adding a new configuration, and a merit in cost can be obtained.
[0061]
Hereinafter, specific embodiments of the above measures will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a control procedure of the sensor cell applied voltage. This processing is executed by the CPU in the
[0062]
In FIG. 4, first, in step S101, it is determined whether or not the monitor cell current Im is larger than a predetermined determination value Ka. The determination value Ka is a determination level for determining that oxygen in the
[0063]
In step S102, it is determined whether or not a predetermined time has elapsed after the start of the operation of the
[0064]
Then, if Im ≦ Ka or after a lapse of a predetermined time, normal applied voltage control is performed without performing the process of increasing the applied voltage of the sensor cell or switching the resistance. That is, in step S103, the sensor cell applied voltage is set to, for example, 0.45 V, and in the subsequent step S104, the
[0065]
On the other hand, if Im> Ka and before the lapse of the predetermined time, the process of increasing the voltage applied to the sensor cell and switching the resistance is performed. That is, in step S105, the voltage applied to the sensor cell is set to 0.7 V, which is higher than normal, and in the subsequent step S106, the
[0066]
Note that the condition of the monitor cell current Im in step S101 may be employed only as a condition for starting the process of increasing the applied voltage of the sensor cell or switching the resistance, or the monitor cell current condition may be eliminated. In addition, it is also possible to eliminate the time condition in step S102.
[0067]
Next, a specific operation and effect of the process of increasing the voltage applied to the sensor cell and switching the resistance will be described. However, for the sake of convenience, the effect of increasing the voltage applied to the sensor cell will first be described with reference to FIG. FIG. 5 is a time chart showing changes in the sensor cell current Is, the monitor cell current Im, and the like during the high voltage processing. The dashed line in the figure shows the current transition when the sensor cell applied voltage is fixed (Vs = 0.45 V fixed) from the beginning of the sensor operation. In the following description, it is assumed that a large amount of oxygen is adsorbed on the sensor cell electrode at the start of the sensor operation, and that the inside of the
[0068]
With the start of the sensor operation, the sensor cell current Is and the monitor cell current Im both rise sharply and reach a measurable upper limit (for example, 2500 nA). The monitor cell current Im exceeds the determination value Ka. The element admittance MAdm (reciprocal of the element impedance) changes as the activation proceeds, as shown in the figure. At this time, 0.7 V, which is a higher voltage than usual, is set as the sensor cell applied voltage Vs and applied to the
[0069]
The sensor cell current Is decreases later than the monitor cell current Im and changes as shown by the solid line in the figure. At this time, in comparison with the current transition when the applied voltage of the sensor cell is fixed (the dashed line in the figure), it is understood that the sensor cell current Is decreases early in the present embodiment. The difference between the changes in the sensor cell current Is indicated by the solid line and the dashed line is due to the increase in the sensor cell applied voltage Vs at the beginning of the sensor operation, and the sensor cell electrode (NOx active electrode) becomes high due to the increase in the sensor cell applied voltage. Energy is applied. Therefore, the decomposition of the adsorbed oxygen is promoted in the sensor cell electrode, and as a result, the sensor cell current decreases early.
[0070]
Actually, when comparing the time until a NOx concentration output of a predetermined level (for example, 10 ppm) is obtained, the time can be reduced by about 100 seconds as compared with a case where the voltage applied to the sensor cell is not increased. That is, it can be said that the normalization of the NOx concentration output is accelerated, which means that the activation of the
[0071]
FIG. 6 is a time chart showing changes in the sensor cell current Is, the monitor cell current Im, and the like when a process of switching resistance (forcibly discharging oxygen in the chamber) is performed in addition to increasing the voltage applied to the sensor cell. Note that the alternate long and short dash line in the figure indicates a current transition when the current detection resistor is not switched.
[0072]
Immediately after the start of the sensor operation, when the
[0073]
The sensor cell current Is decreases later than the monitor cell current Im and changes as shown by the solid line in the figure. At this time, in comparison with the current transition when the current detection resistor is not switched (the dashed line in the figure), it can be seen that in the present embodiment, the sensor cell current Is and the monitor cell Im decrease early. Therefore, due to the early discharge of the surplus oxygen in the
[0074]
Actually, when comparing the time until the NOx concentration output of a predetermined level (for example, 10 ppm) is obtained, the time can be reduced by about 100 seconds as compared with the case where the resistance switching is not performed.
[0075]
According to the present embodiment described in detail above, the following excellent effects can be obtained.
[0076]
Immediately after the sensor operation is started, the oxygen adsorbed on the NOx active electrode of the
[0077]
The present invention is not limited to the description in the above embodiment, and may be implemented, for example, as follows.
[0078]
In the above embodiment, both (1) increasing the applied voltage of the sensor cell to forcibly desorb the adsorbed oxygen from the sensor cell electrode, and (2) forcibly discharging the oxygen in the chamber by switching the current detection resistance between large and small. Although the configuration is implemented, the embodiment is changed. In other words, a configuration in which only the above (1) is performed, a configuration in which only the above (2) is performed, or a configuration in which the above (1) and (2) are selectively performed according to the sensor state at each time are adopted. You may.
[0079]
In the above-described embodiment, the configuration in which the current detection resistance on the
[0080]
As can be seen from the time chart of FIG. 6, when the current detection resistance of the sensor cell 130 (or the monitor cell 120) is switched, the current can be measured to a current level that cannot be measured normally. In the case of the present embodiment, it is possible to supply a current of up to about 20 mA to the sensor cell 130 (or the monitor cell 120), and it is possible to measure a current up to the order of mA. At this time, it is possible to measure how much the sensor cell current (or monitor cell current) reaches immediately after the start of the sensor operation, and to estimate the amount of oxygen adsorbed on the sensor cell electrode according to the current level, It is possible to estimate the amount of surplus oxygen in the second chamber. Therefore, it is also possible to adopt a configuration in which the predetermined time for performing the process of increasing the applied voltage of the sensor cell or switching the resistance is set according to the current level.
[0081]
In the above embodiment, when the voltage applied to the sensor cell is increased, the voltage applied to the sensor cell is set to a constant value (0.7 V) within a predetermined period, but the voltage value is changed within the predetermined period. Is also good. For example, after applying a high voltage, the voltage is gradually decreased to shift to a normal value.
[0082]
In a vehicle engine, for example, during a high-load operation or a high-speed operation, the amount of NOx emission tends to increase, and if the amount of NOx in the
[0083]
In the above-described embodiment, an example of application to the
[0084]
In the
[0085]
Further, the
[0086]
The exhaust gas is introduced into the
[0087]
In the
[0088]
In the case where the element impedance is detected for the
[0089]
Further, in the above configuration, (1) the applied voltage to the sensor cell is increased to forcibly release the adsorbed oxygen from the sensor cell NOx active electrode, and (2) the current detection resistor is switched between large and small to forcibly discharge oxygen in the chamber. I'm supposed to. As a result, at the start of the sensor operation, the state in the
[0090]
In addition to the gas concentration sensor capable of detecting the NOx concentration, the present invention can be applied to a gas concentration sensor capable of detecting the HC concentration and the CO concentration as the gas concentrations of the specific components. In this case, surplus oxygen in the gas to be detected is discharged by the pump cell, and HC and CO are decomposed by the sensor cell to detect HC concentration and CO concentration. Furthermore, it is also possible to use the gas concentration detecting device other than those for automobiles, and to use gas other than exhaust gas as the gas to be detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an outline of a gas concentration detection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a gas concentration sensor.
FIG. 3 is a plan sectional view showing electrode arrangement of a monitor cell and a sensor cell.
FIG. 4 is a flowchart showing an applied voltage control process of a sensor cell.
FIG. 5 is a time chart showing changes in a sensor cell current, a monitor cell current, and the like at the start of sensor operation.
FIG. 6 is a time chart showing changes in a sensor cell current, a monitor cell current, and the like at the start of sensor operation.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of another gas concentration sensor.
[Explanation of symbols]
100 gas concentration sensor, 110 pump cell, 111, 112 electrode, 120 monitor cell, 121, 122 electrode, 130 sensor cell, 131 electrode, 141, 142 solid electrolyte, 144 first chamber, 146th 2 chambers, 200 control circuit, 208, 210, 215 current detection resistor, 216 switch circuit, 300 gas concentration sensor, 301, 303 solid electrolyte, 306 first chamber, 307 second chamber, 310 1st pump cell, 311-316 ... electrode, 320 ... 2nd pump cell, 330 ... sensor cell, 340 ... monitor cell.
Claims (26)
前記第2セルの特定成分活性電極に吸着した酸素を強制的に離脱させるための酸素離脱手段を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。Each has a first cell and a second cell each comprising a solid electrolyte and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte, and the first cell has a predetermined low concentration of oxygen in the gas to be detected introduced into the gas chamber. The second cell detects the gas concentration of a specific component from the gas after the adjustment of the oxygen amount in the first cell in the second cell, and the electrode facing the gas chamber among the pair of electrodes in the second cell. In a gas concentration detection device applied to a gas concentration sensor that is a specific component active electrode active for a specific component,
A gas concentration detection device comprising an oxygen desorbing means for forcibly desorbing oxygen adsorbed on the specific component active electrode of the second cell.
前記ガス室内に存在する酸素又は特定成分を強制的に早期排出させるためのガス成分排出手段を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。Each has a first cell and a second cell each comprising a solid electrolyte and a pair of electrodes disposed on the solid electrolyte, and the first cell has a predetermined low concentration of oxygen in the gas to be detected introduced into the gas chamber. In a gas concentration detection device applied to a gas concentration sensor that detects a gas concentration of a specific component from the gas after adjusting the oxygen amount in the first cell in the second cell while adjusting to a level,
A gas concentration detecting device, comprising: gas component discharging means for forcibly discharging oxygen or a specific component present in the gas chamber at an early stage.
前記電流操作手段は、素子抵抗検出時に適用する抵抗を用いて第2セル電流を強制的に大きくする請求項17乃至19の何れかに記載のガス濃度検出装置。Means for alternatingly changing the applied voltage or current of the second cell, measuring the current and the amount of change in voltage at that time with a current detection resistor to detect the element resistance value. In a gas concentration detection device configured so that the resistance value of the current detection resistor can be switched between at the time of detection,
20. The gas concentration detection device according to claim 17, wherein the current operation means forcibly increases the second cell current using a resistor applied at the time of detecting an element resistance.
前記電流操作手段は、素子抵抗検出時に適用する抵抗を用いて第2の酸素ポンプセル電流を強制的に大きくする請求項21乃至23の何れかに記載のガス濃度検出装置。A means for alternatingly changing the applied voltage or current of the second oxygen pump cell, measuring the current and the amount of change in voltage at that time with a current detection resistor and detecting the element resistance value, and detecting the oxygen concentration. In a gas concentration detection device configured so that the resistance value of the current detection resistor can be switched between when the element resistance is detected,
24. The gas concentration detection device according to claim 21, wherein the current operation means forcibly increases the second oxygen pump cell current using a resistance applied when detecting element resistance.
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