JP2004245662A - 内燃機関のガスセンサおよびガス濃度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスセンサの個体差によるガス濃度の検出誤差を防止することである。
【解決手段】固体電解質材に１対の電極を形成したセルを有し、該セルとして、排気ガスが導入されるチャンバ内に臨む一方の電極がＮＯｘ に対し還元活性を呈するセルを設けて、排気ガス中のＮＯｘ 濃度に応じた検出信号を出力するガスセンサＳに、ガスセンサＳ個々の検出特性特性を規定する個別データとして、検出感度等を記憶する情報記憶媒体５１を設け、製造ばらつき等に基因して検出特性がガスセンサＳ間で異なっても、ＥＣＵ３２が情報記憶媒体５１に記憶された個別データに基づいて高精度にＮＯｘ 濃度の検出し得るようにする。
【選択図】 図９
【解決手段】固体電解質材に１対の電極を形成したセルを有し、該セルとして、排気ガスが導入されるチャンバ内に臨む一方の電極がＮＯｘ に対し還元活性を呈するセルを設けて、排気ガス中のＮＯｘ 濃度に応じた検出信号を出力するガスセンサＳに、ガスセンサＳ個々の検出特性特性を規定する個別データとして、検出感度等を記憶する情報記憶媒体５１を設け、製造ばらつき等に基因して検出特性がガスセンサＳ間で異なっても、ＥＣＵ３２が情報記憶媒体５１に記憶された個別データに基づいて高精度にＮＯｘ 濃度の検出し得るようにする。
【選択図】 図９
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のガスセンサおよびガス濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスセンサを備えたガス濃度検出装置は種々の分野で用いられており、例えば、ガスセンサを内燃機関の排気管に設けて、各気筒から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出し、空燃比を制御するものが広く普及している。また、今日、排気ガスを再循環せしめるようにしたＥＧＲ方式の内燃機関や、排気管にＮＯｘ を吸蔵可能なＮＯｘ 吸蔵還元型触媒を設けた内燃機関において、排気ガス規制に対処すべく、排気ガス中のＮＯｘ の濃度を検出して、排気ガスの再循環量の適正化や、ＮＯｘ 吸蔵還元型触媒におけるＮＯｘ の吸蔵および脱離の時期の適正化を企図したものもある。
【０００３】
内燃機関用のガスセンサは、今日、ジルコニア等を含む酸素イオン導電性の固体電解質材を用いたものが一般的である。例えば、被測定ガスが存在するガスセンサ外部とガスセンサ内部とで酸素が行き来可能にチャンバーを形成し、固体電解質材に１対の電極を形成したセルによりチャンバー内の酸素を汲み出す構造のものがある。このものでは、電極間に、電極と接続された信号線を介して電圧を印加して固体電解質材の内部にキャリアとしての酸素イオンを移動させることで、酸素を汲み出すようになっている。このようなセルを２つ設けて、チャンバ内に臨む電極のうち、一方のセルのものをＮＯｘ に対して還元活性とするとともに、他方のセルのものを不活性として、ＮＯｘ の濃度に応じて電極表面で生成される酸素の量に応じた差が生じるようにしている。ＮＯｘ に感応しない前記他方のセル（モニタセル）を設けることで、成分ガスに感応する前記一方のセル（センサセル）の検出信号に含まれるチャンバ内の残留酸素の影響を排除して、ＮＯｘ の検出精度の向上を図っている（特許文献１等参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２０２２８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ガスセンサのように高い検出精度が期待できる検出原理を用いたものでも、生産技術等が追随できなければ製造ばらつきにより所期の検出精度を実現できず、厳しい要求仕様の元では歩留りの低下等をもたらすおそれがある。
【０００６】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、高精度なガス濃度検出を実現することのできる内燃機関のガスセンサおよびガス濃度検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、固体電解質材に１対の電極が形成されたセルを備え、該セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極が、内燃機関から排出された排気ガスが導入されるチャンバー内に臨み、かつ、ＮＯｘ に対し還元活性を示すセンサセルを有し、該センサセルから前記排気ガス中のＮＯｘ 濃度に応じた検出信号を出力する内燃機関のガスセンサにおいて、
ガスセンサ個々の検出特性のデータとして、前記ＮＯｘ 濃度の検出感度または零点のオフセット量を記憶した情報記憶媒体を具備せしめて、前記検出特性データに基づいてガスセンサ間の検出特性差を相殺するようにする。
【０００８】
ＮＯｘ 濃度の検出感度または零点のオフセット量のばらつきに基因したＮＯｘ 濃度の検出誤差をなくすことができるので、検出精度を向上することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記検出特性データとして、前記検出感度は、複数の濃度範囲と１対１に対応した複数の検出感度からなるものとする。
【００１０】
濃度範囲によって検出感度が変化するような特性を有するガスセンサであっても、濃度範囲ごとに検出感度のばらつきをなくすことができるので、広い検出レンジにわたって、検出精度を向上することができる。実質的に検出レンジを広げることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極がチャンバー内に臨み、前記１対の電極間に電圧を印加することでチャンバー内の酸素を汲み出し、前記１対の電極間に前記排気ガス中の酸素濃度に応じた電流を流すポンプセルを有し、
前記情報記憶媒体には、前記酸素濃度の検出感度または零点のオフセット量を記憶せしめる。
【００１２】
請求項４記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極がチャンバー内に臨み、前記１対の電極間に電圧を印加することでチャンバー内の酸素を汲み出し、前記１対の電極間に前記排気ガス中の酸素濃度に応じた限界電流を流すポンプセルを有し、
前記情報記憶媒体には、前記ポンプセルの電極間に流れる電流に対して前記電極間に印加される電圧が対応するマップを記憶せしめる。
【００１３】
ガスセンサ個々に適合したマップに基づいてポンプセルの電極間に印加される電圧が調整されるので、ガスセンサの固体差によらず、ポンプセルを限界電流域で作動せしめることができる。
【００１４】
ポンプセルの検出感度または零点のオフセット量のばらつきに基因した酸素濃度の検出誤差をなくすことができるので、検出精度を向上することができる。
【００１５】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、前記セルを加熱する電気式のヒータを有し、
前記情報記憶媒体には、ガスセンサ個々の温度特性のデータとして、セル温度が所定の温度のときのアドミタンスを記憶せしめて、前記温度特性データに基づいてガスセンサ間の温度特性差を相殺するようにする。
【００１６】
セルのアドミタンスはその温度に依存するので、温度によりガス濃度の検出精度が影響を受ける。ここで、セルのアドミタンスが一定になるようにヒータを制御しても、ガスセンサの個体差に基因して、維持される温度のばらつきや、温度がハンチングを起こすなどのヒータ制御上の不具合が生じる。セル温度が所定の温度のときのアドミタンス、例えば、ヒータ制御において目標とするアドミタンスをガスセンサ個々に設定することで、セル温度を揃えることができる。セルの温度特性のガスセンサ間ばらつきに基因したガス濃度の検出誤差をなくすことができるので、検出精度を向上することができる。
【００１７】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし５の発明の構成において、前記情報記憶媒体は、光学的に読み取り可能なコードが形成されてなり、前記検出特性データまたは温度特性データを、前記コードにより表す。
【００１８】
ガスセンサの情報記憶媒体を電気的な手段と接続することなく、コードリーダをコードに近接せしめるだけで検出特性データまたは温度特性データを読み出すことができる。エンジンの組み立てラインのような流れ作業の中においても、エンジンに組付けられるガスセンサや既に組付けられたガスセンサの検出特性データまたは温度特性データを簡易な作業で取得することができる。
【００１９】
請求項７記載の発明では、内燃機関のガス濃度検出装置を、請求項１ないし６いずれか記載の内燃機関のガスセンサと、該ガスセンサの前記検出特性データまたは温度特性データを書き込み可能な記憶手段と、該記憶手段に記憶された前記検出特性データまたは温度特性データに基づいて、前記ガスセンサの駆動制御および検出信号処理を行う制御手段とを具備する構成とする。
【００２０】
常時、ガスセンサの情報記憶媒体にアクセス可能でなくとも、当該ガスセンサの検出特性データまたは温度特性データが反映したガスセンサの駆動制御および検出信号処理を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のガス濃度検出装置を示す。ガス濃度検出装置は、図示しない内燃機関であるエンジンの排気管４１にその管壁を貫通してガスセンサＳが設けてあり、排気管４１を流通する排気ガス中の酸素濃度やＮＯｘ 濃度（以下、ガス濃度という）に応じた検出信号を出力するようになっている。ガスセンサＳは、排気管４１の取り付け穴に固定されるハウジング２１と、ハウジング２１内に絶縁保持されるセンサ素子１を有し、センサ素子１の先端部は、ハウジング２１の下端に固定されて排気管４１内に突出する素子カバー２２内に位置している。素子カバー２２は二重構造で、側壁および底壁に設けた排気口２２１から、排気管４１内の排気ガスを取り込むようになっている。ハウジング２１上端には、側壁に大気口２３１を有する筒状部材２３が固定される。排気管４１外の空気がこの大気口２３１からセンサ素子１内部の後述するダクト１０４，１０５に導入され、基準酸素濃度のガスとなる。
【００２２】
制御回路３１はガスセンサ素子１を構成する後述する各セル１ａ〜１ｃやヒータ１３を駆動制御するとともに、ガスセンサＳにおける後述するポンプセル電流およびセンサ電流の検出信号を、制御回路３１とともに制御手段３を構成するＥＣＵ３２に出力する。
【００２３】
ＥＣＵ３２は、ポンプセル電流およびセンサ電流の検出信号を処理するもので、該検出信号に基づいて、排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度（以下、適宜、ガス濃度という）を演算処理する。ガス濃度は、ＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブの制御等、種々の制御に供される。
【００２４】
センサ素子１は図２、図３、図４に示すように、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質材である固体電解質層１１１，１１２、アルミナ等の絶縁材料からなる絶縁層１１３，１１４，１１５等が板厚方向に積層する積層構造を有し、面方向に細長の全体形状が与えられている。固体電解質層１１１，１１２で挟まれた絶縁層１１４は一部が板厚方向に打ち抜かれており、固体電解質層１１１，１１２の間に、絞り部１０３を介して互いに連通する２つのチャンバー１０１，１０２が形成される。チャンバー１０１，１０２はガスセンサ１の長手方向に配置され、センサ素子１の先端側の第１のチャンバー１０１よりもセンサ素子１の基端側の第２のチャンバー１０２は２倍程度幅広である。
【００２５】
各固体電解質層１１１，１１２をそれぞれ挟んでチャンバー１０１，１０２と反対側には各固体電解質層１１１，１１２をダクト壁の一部とする大気ダクト１０４，１０５がそれぞれ形成されている。各大気ダクト１０４，１０５はガスセンサ１の基端で大気に開放している。第１の大気ダクト１０４は固体電解質層１１２を挟んで第１チャンバー１０４と対向する位置まで伸びており、第２のダクト１０５は固体電解質層１１１を挟んで第２チャンバー１０２と対向する位置まで伸びている。大気ダクト１０４，１０５は前記のごとく基準酸素濃度の空間となる。
【００２６】
第１のチャンバー１０１位置で、図２中、上側の固体電解質層１１１には、これを板厚方向に貫通するピンホール１０６が形成されており、ピンホール１０６を介して当該センサ素子１の周囲の排気ガスが第１チャンバー１０１内に導入される。ピンホール１０６の開口端は多孔質アルミナ等の多孔質拡散層１１６により覆われており、排気微粒子のチャンバー１０１内への侵入を防止している。
【００２７】
第１チャンバー１０１位置で固体電解質層１１２の上下面には固体電解質層１１２を挟んで対向する１対の電極１２１，１２２が形成されており、固体電解質層１１２と電極１２１，１２２とでポンプセル１ａが構成される。ポンプセル１ａを構成する電極１２１，１２２のうち、チャンバー１０１に面した電極１２１はＮＯＸ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成されている。以下、適宜、チャンバー１０１に面した電極１２１をチャンバー側ポンプ電極１２１といい、大気ダクト１０４に面した電極１２２を大気側ポンプ電極１２２という。
【００２８】
第２チャンバー１０２位置で固体電解質層１１１の上下面には、大気ダクト１０５に面した電極１２５を共通として、固体電解質層１１２を挟んで対向する２組の１対の電極１２３，１２５、電極１２４，１２５が形成されている。固体電解質層１１１と電極１２３，１２５とでモニタセル１ｂが構成される。また、固体電解質層１１１と電極１２４，１２５とでセンサセル１ｃが構成される。チャンバー１０２に面した電極１２３，１２４のうち、モニタセル１ｂの電極１２３がＮＯＸ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ 等の貴金属により構成され、センサセル１ｃの電極１２４がＮＯｘ の分解（還元）に活性なＰｔ 等の貴金属により構成される。以下、適宜、モニタセル１ｂのチャンバー１０２に面した電極１２３をチャンバー側モニタ電極１２３といい、センサセル１ｃのチャンバー１０２に面した電極１２４をチャンバー側センサ電極１２４という。また、モニタセル１ｂとセンサセル１ｃとに共通の大気ダクト１０５に面した電極１２５を大気側センサ／ポンプ電極１２５という。
【００２９】
また、固体電解質層１１２とともに大気ダクト１０４のダクト壁をなす絶縁層１１５には、Ｐｔ等の線パターンが埋設されて、ガスセンサ１全体を加熱するヒータ１３としてある。ヒータ１３は通電によりジュール熱を発生する電気式のものである。
【００３０】
ヒータ１３は制御回路３１からの給電で発熱し、制御回路３１は、温度に依存する電極１２１，１２２間等のアドミタンスを演算して、該アドミタンスが、固体電解質層１１１，１１２の活性温度域の温度に対応する所定値（以下、適宜、目標アドミタンスという）になるように、ヒータ１３を制御し、通電量を調整する。ヒータ１３の制御は、例えば通電デューティのＰＷＭ制御によりなし得る。また、前記アドミタンスは、例えばセル１ａ〜１ｃに印加電圧を所定量変化させてそのときの電流変化を印加電圧変化で除した値から求めることができる。
【００３１】
制御回路３１はポンプセル１ａに大気側ポンプ電極１２２側を正として電極１２１，１２２間に電圧を印加するようになっている（以下、適宜、電極１２１，１２２間に印加される電圧をポンプセル電圧ＶＰ という）。また、電極１２１，１２２間に流れる電流（以下、適宜、ポンプセル電流ＩＰ という）を検出するようになっている。ガスセンサＳの周囲を流れる排気ガスが多孔質拡散層１１６およびピンホール１０６を通って第１チャンバー１０１に導入されると、排気ガス中の酸素がチャンバ側ポンプ電極１２２で分解、イオン化して固体電解質層１１１を通り大気ダクト１０４へと排出される。このとき、第１チャンバー１０１内への酸素の流入はピンホール１０６の流通抵抗が支配的となっている。ポンプセル電圧ＶＰ を後述するように限界電流域に設定すれば、ポンプセル電流ＩＰ から排気ガス中の酸素濃度が知られる。チャンバ側ポンプ電極１２１がＮＯｘ の分解に不活性であるからＮＯｘ は第１チャンバー１０１内に残留する。
【００３２】
印加電圧は、ポンプセル電流ＩＰ に基づいて制御される。図５は、ポンプセル１ａの特性を示すもので、ポンプセル電流ＩＰ がポンプセル電圧ＶＰ に依存しない領域が限界電流域である。制御回路３１は、常に限界電流域で作動し得るように、図中、一点鎖線で示すポンプセル電流ＩＰ とポンプセル電圧ＶＰ との関係を予め制御回路３１のＲＯＭにマップとして記憶しておき、ポンプセル電圧Ｖｐ を設定する。
【００３３】
排気ガスは第１チャンバー１０１から絞り部１０３を介して第２チャンバー１０２へと拡散するから、第２チャンバー１０２には酸素濃度が低下した被測定ガスである排気ガスが存在している。
【００３４】
また、制御回路３１は、モニタセル１ｂ、センサセル１ｃに対し、それぞれ大気側センサ／ポンプ電極１２５側を正として、電極１２３，１２５間および電極１２４，１２５間に電圧を印加する（以下、適宜、電極１２３，１２５間に印加される電圧をモニタセル電圧ＶＭ 、電極１２４，１２５間に印加される電圧をセンサセル電圧ＶＳ という）。また、電極１２３，１２５間に流れる電流（以下、モニタセル電流ＩＭ という）および電極１２４，１２５間に流れる電流（以下、センサセル電流ＩＳ という）を検出する。モニタセル電圧ＶＭ 、センサセル電圧ＶＳ の印加により、各セル１ｂ，１ｃではチャンバー１０２内の余剰酸素が大気ダクト１０５へと排出される。モニタセル電圧ＶＭ 、センサセル電圧ＶＳ の電圧値を適当に選んでモニタセル１ｂ、センサセル１ｃに、それぞれ限界電流を流す。ここで、第２チャンバー１０２に面した電極１２３，１２４のうち、チャンバ側センサ電極１２４のみがＮＯｘ の分解に対して活性であるから、センサセル電流ＩＳ の方がモニタセル電流ＩＭ よりも、チャンバ側センサ電極１２４においてＮＯｘ が分解することで生じる酸素イオンの分、電流値が多くなる。モニタセル電流ＩＭ とセンサセル電流ＩＳ との差に基づいて排気ガスのＮＯｘ 濃度が得られることになる。
【００３５】
なお、ポンプセル電流ＩＰ 、モニタセル電流ＩＭ 、センサセル電流ＩＳ はいずれも、各セル１ａ〜１ｃ用の電圧印加回路に、セル１ａ〜１ｃに直列に抵抗器を接続し、該抵抗器の電圧降下として読み得る。
【００３６】
ＥＣＵ３２を構成するマイクコンピュータには、これと接続されるガスセンサＳ個々の検出特性に対応したデータ（以下、適宜、個別データという）を格納するＲＯＭ３２１が設けてある。ＲＯＭ３２１は書き込み可能なＥＥＰＲＯＭ等が用いられる。
【００３７】
個別データについて図６、図７により説明する。
【００３８】
図６はポンプセル電流ＩＰ と酸素濃度の対応関係を示すもので、ＲＯＭ３２１には、検出感度（酸素濃度の変化に対するポンプセル電流ＩＰ の変化率）が記憶されている。これは、酸素濃度が既知の試験用のガスを使ってガスセンサＳ個々に、図６のポンプセル電流ＩＰ と酸素濃度の対応関係を予め計測し、計測結果に基づいて定められる。
【００３９】
図７は、センサセル電流ＩＳ とモニタセル電流ＩＭ との差分（以下、適宜、センサ電流という）とＮＯｘ 濃度の対応関係を示すもので、ＲＯＭ３２１には、センサ電流について、検出感度（ＮＯｘ 濃度の変化に対するセンサ電流（ＩＳ −ＩＭ ）の変化率）および零点（ＮＯｘ 濃度＝０）におけるオフセット量が記憶されている。これは、ＮＯｘ 濃度が既知の試験用のガスを使ってガスセンサＳ個々に、図７のセンサ電流とＮＯｘ 濃度の対応関係を予め計測し、計測結果に基づいて定められる。
【００４０】
この場合、ＮＯｘ 濃度が例えば０〜１００ｐｐｍまでの少量の範囲と１００ｐｐｍ〜の多量の範囲とについて、それぞれ検出感度を記憶し、ガスセンサＳ個々の検出特性にさらに適合させるのもよい。
【００４１】
また、図８のように、酸素濃度を変えてセンサ電流とＮＯｘ 濃度の対応関係を予め計測し、複数の酸素濃度の範囲ごとに、センサ電流とＮＯｘ 濃度の対応関係を特定する検出感度および零点オフセットを記憶するようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ３２１において、センサ電流からＮＯｘ 濃度を得るに際し、ポンプセル電流ＩＰ から知られる酸素濃度が参照されて、当該酸素濃度に対応した検出感度およびオフセットに基づいてＮＯｘ 濃度が演算されることになる。
【００４２】
さて、ＲＯＭ３２１に記憶されるこれらのデータは、ＥＣＵ３２と組み合わされるガスセンサＳのものにする必要がある訳であるが、以下、組付けようとするガスセンサＳ個々の個別データの取得と、ＲＯＭ３２１への書き込みについて説明する。ガスセンサＳは、図９（Ａ）に示すように、先端部分が排気管４１内に位置し、排気管４１外へ突出する基端部分の側面には情報記憶媒体であるＱＲコード５１が形成してある。ＱＲコード５１は、図９（Ｂ）に示すように、二次元コードであり、ガスセンサＳの筒状部材２３の表面へのレーザマーキングや、コードを印刷したラベルの貼付により、ガスセンサＳと一体化する。ＱＲコード５１は、これが形成されるガスセンサＳ個々の個別データがコード化されたものである。
【００４３】
ＱＲコード５１のコードデータは、予めガスセンサＳの製造工場で、完成したものについて、前記個別データを求める計測試験を実施することで、取得される。
【００４４】
ＱＲコード５１は、車両の組み立て工場において、例えば排気管４１およびガスセンサＳともに組付けられた状態で、コードリーダ５２により光学的に読み取られ、個別データがコンピュータ５３に記憶される。そして、ＲＯＭライタによりＥＣＵ３２のＲＯＭ３２１に書き込まれる。個別データはガスセンサＳに専属するものであるから、ガスセンサＳとＥＣＵ３２との不整合を回避すべく、コンピュータに個別データを車両の製造番号に対応づけて記憶する等、ＲＯＭ３２１の書き込みやＥＣＵ３２の車両への組付けが完了するまで、対になるガスセンサＳとＥＣＵ３２とを追跡可能な状態にしておくことになる。
【００４５】
なお、検出特性データは前記記載のものに限られない。図１０はポンプセル電流ＩＰ にポンプセル電圧ＶＰ を対応させる印加電圧マップであり、ガスセンサＳ個々に特化してある。これは、ガスセンサＳ個々について図５のＶＰ −ＩＰ 特性を予め計測し、計測結果に基づいて定められる。印加電圧マップは、排気ガス中の酸素濃度によらずポンプセル１ａが限界電流域で作動し得るように、ガスセンサＳ個々について適合されている。具体的には、限界電流域は、低圧側の、ポンプセル電流ＩＰ がポンプセル電圧ＶＰ に応じて増大する領域、および、高圧側の、ＮＯｘ の分解が発生しポンプセル電流ＩＰ が増大する領域に対する余裕度を考慮してガスセンサＳ個々に設定されることになる。
【００４６】
また、図１１はセル１ａ〜１ｃの電極１２１，１２２間、電極１２３，１２５間、電極１２４，１２５間のアドミタンスとセンサ素子１の温度の対応関係を示すもので、これが変化すると、アドミタンスが目標アドミタンスとなるようにヒータ１３を制御しても、固体電解質材の温度がガスセンサＳ間でばらつく。ヒータ１３制御で到達する固体電解質材の温度がガスセンサＳ間で揃うように、ＲＯＭ３２１には、セル１ａ〜１ｃの温度が予め設定した個体電解質材の活性温度域の所定温度のときのアドミタンスが前記目標アドミタンスとしてガスセンサＳごとに記憶されている。
【００４７】
また、常温から活性温度域に到る範囲の温度特性のガスセンサＳ間の相違を考慮して、ガスセンサＳ個々にＰＩ制御におけるゲインを最適化して、これをＲＯＭ３２１に記憶するのもよい。
【００４８】
これらの印加電圧マップや目標アドミタンス等は、制御回路３１で必要になるものであるため、エンジンの作動開始に先立ち、ＲＯＭ３２１の個別データを制御回路３１のＲＡＭに移すことになる。
【００４９】
なお、前記実施形態では、ポンプセル電圧ＶＰ をポンプセル電流ＩＰ に基づいて印加電圧マップにしたがって設定する、図１２に示す制御方式をとっているが、図１３に示すように、モニタセル電流ＩＭ に基づいて、モニタセル電流ＩＭ が所定値をとるようにポンプセル電圧ＶＭ をフィードバック制御するものにも本発明は適用することができる。この制御方式でも、ＮＯｘ 濃度はセンサ電流（ＩＳ −ＩＭ ）から得られ、酸素濃度はポンプセル電圧ＩＭ から得られることになる。
【００５０】
また、センサ構造についても図例のものに限られない。図１４は本発明を適用し得るガスセンサの一例を示すもので、このガスセンサ１Ａは、ジルコニア等の固体電解質材である固体電解質層１５１，１５２，１５３、多孔質アルミナ等の絶縁材料からなる律速層１５４、アルミナ等の絶縁材料からなる絶縁層１５５等が板厚方向に積層する積層構造を有し、面方向に細長の全体形状が与えられている。
【００５１】
固体電解質層１５２および律速層１５４は固体電解質層１５１と固体電解質層１５３とで挟まれた同じ層を形成しており、ガスセンサの先端側に律速層１５４が位置し、基端側に固体電解質層１５２が位置する。固体電解質層１５２および律速層１５４は、一部が板厚方向に打ち抜かれており、固体電解質層１５１，１５２の間に、ガスセンサ１Ａの長手方向に配置された２つのチャンバー１４１，１４２が形成されている。律速層１５４は、ガスセンサの先端側で第１のチャンバー１４１にガスセンサ１Ａ外部の被測定ガスを導入するとともに、第１のチャンバー１４１と第２のチャンバー１４２との境界部で両チャンバー１４１，１４２を連通せしめている。
【００５２】
固体電解質層１５３を挟んでチャンバー１４１，１４２と反対側には固体電解質層１５３をダクト壁の一部とする大気ダクト１４３が形成されている。大気ダクト１４３は先端側が固体電解質層１５３を挟んで第１チャンバー１４１と対向する位置まで伸び、ガスセンサ１Ａの基端で大気に開放している。ガスセンサ１Ａが内燃機関に適用される場合には、ガスセンサ１Ａがこれを保持するホルダ部材等とともに排気管の管壁を貫通して設けられて、大気ダクト１４３が排気管外部と連通する。
【００５３】
第１チャンバー１４１位置で固体電解質層１５１の上下面には固体電解質層１５１を挟んで対向する１対の電極１６１，１６２が形成されており、固体電解質層１５１と電極１６１，１６２とでポンプセル１ｄが構成される。ポンプセル１ｄを構成する電極１６１，１６２のうち、チャンバー１４１に面した電極１６１はＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成されている。
【００５４】
また、第１チャンバー１４１および大気ダクト１４３位置で固体電解質層１５３の上下面には固体電解質層１５３を挟んで対向する１対の電極１６３，１６５が形成されており、固体電解質層１５３と電極１６３，１６５とでモニタセル１ｅが構成される。モニタセル１ｅを構成する電極１６３，１６５のうち、チャンバー１４１に面した電極１６３はＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成されている。なお、大気ダクト１４３に面した電極１６５は第２チャンバー１４２位置まで伸びる、電極１６３よりも長い電極であり、後述するセンサセル１ｆ、別のポンプセル１ｇと共通の電極である。
【００５５】
第２チャンバー１４２位置で固体電解質層１５３の上下面には、固体電解質層１５３を挟んで対向する１対の電極１６４，１６５が形成されている。固体電解質層１５３と電極１６４，１６５とでセンサセル１ｆが構成される。
【００５６】
また、第２チャンバー１４２に面して固体電解質層１５１には、電極１６６が形成されており、固体電解質層１５１〜１５３と電極１６６，１６５とで別のポンプセル１ｇが構成される。この別のポンプセル１ｇはセンサセル１ｆと同様に、一方の電極１６４，１６６が第２チャンバー１４２に面し、他方の電極１６５が大気ダクト１４３に面した構造となっている。
【００５７】
第２チャンバー１４２に面した電極１６４，１６６のうち、センサセル１ｆの電極１６４はＮＯｘ の分解（還元）に活性なＰｔ等の貴金属により構成され、別のポンプセル１ｇの電極１６６がＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成される。
【００５８】
また、固体電解質層１５３とともに大気ダクト１４３のダクト壁をなす絶縁層１５５には、図２のものと同様にＰｔ等の線パターンが埋設されて、ガスセンサ全体を加熱するヒータ１７としてある。
【００５９】
このガスセンサ１Ａでは、モニタセル１ｅで発生する起電圧（以下、適宜、モニタセル起電圧という）ＶＭ１に基づいて、該モニタセル起電圧ＶＭ１が基準電圧となるように、すなわち、第１チャンバー１４１内の酸素濃度が一定かつ低濃度となるように、ポンプセル１ｄの印加電圧がフィードバック制御され、第１チャンバー１４１内の酸素が排出される。第１チャンバー１４１と連通する第２チャンバー１４２内の酸素も同程度に排出される。
【００６０】
そして、第２チャンバー１４２内に残った酸素が別のポンプセル１ｇにより排出される。センサセル１ｆには、第２チャンバー１４２に面した電極１６４におけるＮＯｘ の分解に基因した電流ＩＳ が流れる。この電流ＩＳ は第２チャンバー１４２内のＮＯｘ の濃度に応じたものとなる。また、ポンプセル１ｇには、第２チャンバー１４２内の酸素の濃度に応じた電流ＩＰ２が流れる。
【００６１】
かかる構造のガスセンサ１Ａでは、ＮＯｘ 濃度はセンサ電流（ＩＳ −ＩＰ２）から得られ、酸素濃度はポンプセル電流ＩＰ１から得られることになる。ガスセンサ１Ａにおいても、その検出特性や温度特性の個別データを予め計測し、ＥＣＵや制御回路において、ガスセンサ１Ａの個体差を吸収するように補正等を行うことで、検出精度を向上せしめることができる。
【００６２】
あるいは、図１５に示すガスセンサにも適用することができる。ガスセンサ１Ｂは、電極の構成以外は図１４のものと同じである。電極は、図１４の電極１６３を省略した構成となっている。そして、固体電解質層１５１とこれを挟む電極１６１，１６２とにより第１のポンプセル１ｄが構成され、固体電解質層１５１〜１５３と電極１６２，１６５とにより第１のモニタセル１ｈが構成される。第１のモニタセル１ｈで発生する起電圧（以下、適宜、モニタセル起電圧という）ＶＭ１に基づいて、該モニタセル起電圧ＶＭ１が基準電圧となるように、すなわち、第１チャンバー１４１内の酸素濃度が一定かつ低濃度となるように、第１ポンプセル１ｄの電極１６１，１６２間への印加電圧がフィードバック制御され、第１チャンバー１４１内の酸素が排出される。
【００６３】
また、固体電解質層１５１とこれを挟む電極１６６，１６２とにより第２のポンプセル１ｉが構成され、固体電解質層１５１〜１５３と電極１６６，１６５とにより第２のモニタセル１ｊが構成される。第２のモニタセル１ｊで発生する起電圧（以下、適宜、モニタセル起電圧という）ＶＭ２に基づいて、該モニタセル起電圧ＶＭ２が基準電圧となるように、すなわち、第２チャンバー１４２内の酸素濃度が一定かつ低濃度となるように、第２ポンプセル１ｉの電極１６６，１６２間への印加電圧がフィードバック制御され、第２チャンバー１４２内の酸素が排出される。
【００６４】
固体電解質層１５３とこれを挟む電極１６４，１６５とによりセンサセル１ｆが構成され、第２チャンバー１４２に面した電極１６４におけるＮＯｘ の分解に基因した電流ＩＳ が流れる。この電流ＩＳ は第２チャンバー１４２内のＮＯｘ の濃度に応じたものとなる。
【００６５】
かかる構造のガスセンサ１Ｂでは、ＮＯｘ 濃度はセンサセル電流ＩＳ から得られ、酸素濃度はポンプセル電圧ＩＰ１から得られることになる。ガスセンサ１Ｂにおいても、その検出特性や温度特性の個別データを予め計測し、ＥＣＵや制御回路において、ガスセンサ１Ｂの個体差を吸収する補正等を行うことで、検出精度を向上せしめることができる。
【００６６】
なお、ＱＲコード５１は、ガスセンサＳの筒状部材２３の側面に設けているが、制御回路３１との接続用のリード線を、筒状部材２３の端面ではなく、筒状部材２３の側面から突出する構造として、筒状部材２３の端面に設けてもよい。コードスキャナ５２での読み取り作業をスムーズに行い得るように、ガスセンサＳの設置場所等を考慮してガスセンサＳの基端部分を設計し、ＱＲコード５１位置を設定するのがよい。また、個別データを記憶する情報記憶媒体としてＱＲコードを用いた例を示したが、バーコード等、他のコードでもよいし、また、抵抗器やＲＯＭ等をガスセンサに搭載してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサおよびガス濃度検出装置の構成図である。
【図２】図１におけるＡの拡大断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の作動を示す第１のグラフである。
【図６】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の作動を示す第２のグラフである。
【図７】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の作動を示す第３のグラフである。
【図８】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の変形例を示すグラフである。
【図９】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置を示す図である。
【図１０】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の別の変形例を示すグラフである。
【図１１】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置のさらに別の変形例を示すグラフである。
【図１２】前記ガスセンサの制御方式を示す図である。
【図１３】前記ガスセンサの別の制御方式を示す図である。
【図１４】前記ガスセンサの変形例を示す要部断面図である。
【図１５】前記ガスセンサの別の変形例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
Ｓ ガスセンサ
１，１Ａ，１Ｂ ガスセンサ本体
１ａ，１ｄ，１ｇ，１ｉ ポンプセル
１ｂ，１ｈ，１ｊ モニタセル
１ｃ，１ｆ センサセル
１３，１７ ヒータ
１０１，１０２，１０４，１０５ チャンバー
１１１，１１２，１５１，１５２，１５３ 固体電解質層
１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６ 電極
３ 制御手段
３１ 制御回路
３２ ＥＣＵ
４１ 排気管
５１ ＱＲコード（情報記憶媒体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のガスセンサおよびガス濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスセンサを備えたガス濃度検出装置は種々の分野で用いられており、例えば、ガスセンサを内燃機関の排気管に設けて、各気筒から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出し、空燃比を制御するものが広く普及している。また、今日、排気ガスを再循環せしめるようにしたＥＧＲ方式の内燃機関や、排気管にＮＯｘ を吸蔵可能なＮＯｘ 吸蔵還元型触媒を設けた内燃機関において、排気ガス規制に対処すべく、排気ガス中のＮＯｘ の濃度を検出して、排気ガスの再循環量の適正化や、ＮＯｘ 吸蔵還元型触媒におけるＮＯｘ の吸蔵および脱離の時期の適正化を企図したものもある。
【０００３】
内燃機関用のガスセンサは、今日、ジルコニア等を含む酸素イオン導電性の固体電解質材を用いたものが一般的である。例えば、被測定ガスが存在するガスセンサ外部とガスセンサ内部とで酸素が行き来可能にチャンバーを形成し、固体電解質材に１対の電極を形成したセルによりチャンバー内の酸素を汲み出す構造のものがある。このものでは、電極間に、電極と接続された信号線を介して電圧を印加して固体電解質材の内部にキャリアとしての酸素イオンを移動させることで、酸素を汲み出すようになっている。このようなセルを２つ設けて、チャンバ内に臨む電極のうち、一方のセルのものをＮＯｘ に対して還元活性とするとともに、他方のセルのものを不活性として、ＮＯｘ の濃度に応じて電極表面で生成される酸素の量に応じた差が生じるようにしている。ＮＯｘ に感応しない前記他方のセル（モニタセル）を設けることで、成分ガスに感応する前記一方のセル（センサセル）の検出信号に含まれるチャンバ内の残留酸素の影響を排除して、ＮＯｘ の検出精度の向上を図っている（特許文献１等参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２０２２８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ガスセンサのように高い検出精度が期待できる検出原理を用いたものでも、生産技術等が追随できなければ製造ばらつきにより所期の検出精度を実現できず、厳しい要求仕様の元では歩留りの低下等をもたらすおそれがある。
【０００６】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、高精度なガス濃度検出を実現することのできる内燃機関のガスセンサおよびガス濃度検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、固体電解質材に１対の電極が形成されたセルを備え、該セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極が、内燃機関から排出された排気ガスが導入されるチャンバー内に臨み、かつ、ＮＯｘ に対し還元活性を示すセンサセルを有し、該センサセルから前記排気ガス中のＮＯｘ 濃度に応じた検出信号を出力する内燃機関のガスセンサにおいて、
ガスセンサ個々の検出特性のデータとして、前記ＮＯｘ 濃度の検出感度または零点のオフセット量を記憶した情報記憶媒体を具備せしめて、前記検出特性データに基づいてガスセンサ間の検出特性差を相殺するようにする。
【０００８】
ＮＯｘ 濃度の検出感度または零点のオフセット量のばらつきに基因したＮＯｘ 濃度の検出誤差をなくすことができるので、検出精度を向上することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記検出特性データとして、前記検出感度は、複数の濃度範囲と１対１に対応した複数の検出感度からなるものとする。
【００１０】
濃度範囲によって検出感度が変化するような特性を有するガスセンサであっても、濃度範囲ごとに検出感度のばらつきをなくすことができるので、広い検出レンジにわたって、検出精度を向上することができる。実質的に検出レンジを広げることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極がチャンバー内に臨み、前記１対の電極間に電圧を印加することでチャンバー内の酸素を汲み出し、前記１対の電極間に前記排気ガス中の酸素濃度に応じた電流を流すポンプセルを有し、
前記情報記憶媒体には、前記酸素濃度の検出感度または零点のオフセット量を記憶せしめる。
【００１２】
請求項４記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極がチャンバー内に臨み、前記１対の電極間に電圧を印加することでチャンバー内の酸素を汲み出し、前記１対の電極間に前記排気ガス中の酸素濃度に応じた限界電流を流すポンプセルを有し、
前記情報記憶媒体には、前記ポンプセルの電極間に流れる電流に対して前記電極間に印加される電圧が対応するマップを記憶せしめる。
【００１３】
ガスセンサ個々に適合したマップに基づいてポンプセルの電極間に印加される電圧が調整されるので、ガスセンサの固体差によらず、ポンプセルを限界電流域で作動せしめることができる。
【００１４】
ポンプセルの検出感度または零点のオフセット量のばらつきに基因した酸素濃度の検出誤差をなくすことができるので、検出精度を向上することができる。
【００１５】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、前記セルを加熱する電気式のヒータを有し、
前記情報記憶媒体には、ガスセンサ個々の温度特性のデータとして、セル温度が所定の温度のときのアドミタンスを記憶せしめて、前記温度特性データに基づいてガスセンサ間の温度特性差を相殺するようにする。
【００１６】
セルのアドミタンスはその温度に依存するので、温度によりガス濃度の検出精度が影響を受ける。ここで、セルのアドミタンスが一定になるようにヒータを制御しても、ガスセンサの個体差に基因して、維持される温度のばらつきや、温度がハンチングを起こすなどのヒータ制御上の不具合が生じる。セル温度が所定の温度のときのアドミタンス、例えば、ヒータ制御において目標とするアドミタンスをガスセンサ個々に設定することで、セル温度を揃えることができる。セルの温度特性のガスセンサ間ばらつきに基因したガス濃度の検出誤差をなくすことができるので、検出精度を向上することができる。
【００１７】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし５の発明の構成において、前記情報記憶媒体は、光学的に読み取り可能なコードが形成されてなり、前記検出特性データまたは温度特性データを、前記コードにより表す。
【００１８】
ガスセンサの情報記憶媒体を電気的な手段と接続することなく、コードリーダをコードに近接せしめるだけで検出特性データまたは温度特性データを読み出すことができる。エンジンの組み立てラインのような流れ作業の中においても、エンジンに組付けられるガスセンサや既に組付けられたガスセンサの検出特性データまたは温度特性データを簡易な作業で取得することができる。
【００１９】
請求項７記載の発明では、内燃機関のガス濃度検出装置を、請求項１ないし６いずれか記載の内燃機関のガスセンサと、該ガスセンサの前記検出特性データまたは温度特性データを書き込み可能な記憶手段と、該記憶手段に記憶された前記検出特性データまたは温度特性データに基づいて、前記ガスセンサの駆動制御および検出信号処理を行う制御手段とを具備する構成とする。
【００２０】
常時、ガスセンサの情報記憶媒体にアクセス可能でなくとも、当該ガスセンサの検出特性データまたは温度特性データが反映したガスセンサの駆動制御および検出信号処理を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のガス濃度検出装置を示す。ガス濃度検出装置は、図示しない内燃機関であるエンジンの排気管４１にその管壁を貫通してガスセンサＳが設けてあり、排気管４１を流通する排気ガス中の酸素濃度やＮＯｘ 濃度（以下、ガス濃度という）に応じた検出信号を出力するようになっている。ガスセンサＳは、排気管４１の取り付け穴に固定されるハウジング２１と、ハウジング２１内に絶縁保持されるセンサ素子１を有し、センサ素子１の先端部は、ハウジング２１の下端に固定されて排気管４１内に突出する素子カバー２２内に位置している。素子カバー２２は二重構造で、側壁および底壁に設けた排気口２２１から、排気管４１内の排気ガスを取り込むようになっている。ハウジング２１上端には、側壁に大気口２３１を有する筒状部材２３が固定される。排気管４１外の空気がこの大気口２３１からセンサ素子１内部の後述するダクト１０４，１０５に導入され、基準酸素濃度のガスとなる。
【００２２】
制御回路３１はガスセンサ素子１を構成する後述する各セル１ａ〜１ｃやヒータ１３を駆動制御するとともに、ガスセンサＳにおける後述するポンプセル電流およびセンサ電流の検出信号を、制御回路３１とともに制御手段３を構成するＥＣＵ３２に出力する。
【００２３】
ＥＣＵ３２は、ポンプセル電流およびセンサ電流の検出信号を処理するもので、該検出信号に基づいて、排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度（以下、適宜、ガス濃度という）を演算処理する。ガス濃度は、ＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブの制御等、種々の制御に供される。
【００２４】
センサ素子１は図２、図３、図４に示すように、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質材である固体電解質層１１１，１１２、アルミナ等の絶縁材料からなる絶縁層１１３，１１４，１１５等が板厚方向に積層する積層構造を有し、面方向に細長の全体形状が与えられている。固体電解質層１１１，１１２で挟まれた絶縁層１１４は一部が板厚方向に打ち抜かれており、固体電解質層１１１，１１２の間に、絞り部１０３を介して互いに連通する２つのチャンバー１０１，１０２が形成される。チャンバー１０１，１０２はガスセンサ１の長手方向に配置され、センサ素子１の先端側の第１のチャンバー１０１よりもセンサ素子１の基端側の第２のチャンバー１０２は２倍程度幅広である。
【００２５】
各固体電解質層１１１，１１２をそれぞれ挟んでチャンバー１０１，１０２と反対側には各固体電解質層１１１，１１２をダクト壁の一部とする大気ダクト１０４，１０５がそれぞれ形成されている。各大気ダクト１０４，１０５はガスセンサ１の基端で大気に開放している。第１の大気ダクト１０４は固体電解質層１１２を挟んで第１チャンバー１０４と対向する位置まで伸びており、第２のダクト１０５は固体電解質層１１１を挟んで第２チャンバー１０２と対向する位置まで伸びている。大気ダクト１０４，１０５は前記のごとく基準酸素濃度の空間となる。
【００２６】
第１のチャンバー１０１位置で、図２中、上側の固体電解質層１１１には、これを板厚方向に貫通するピンホール１０６が形成されており、ピンホール１０６を介して当該センサ素子１の周囲の排気ガスが第１チャンバー１０１内に導入される。ピンホール１０６の開口端は多孔質アルミナ等の多孔質拡散層１１６により覆われており、排気微粒子のチャンバー１０１内への侵入を防止している。
【００２７】
第１チャンバー１０１位置で固体電解質層１１２の上下面には固体電解質層１１２を挟んで対向する１対の電極１２１，１２２が形成されており、固体電解質層１１２と電極１２１，１２２とでポンプセル１ａが構成される。ポンプセル１ａを構成する電極１２１，１２２のうち、チャンバー１０１に面した電極１２１はＮＯＸ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成されている。以下、適宜、チャンバー１０１に面した電極１２１をチャンバー側ポンプ電極１２１といい、大気ダクト１０４に面した電極１２２を大気側ポンプ電極１２２という。
【００２８】
第２チャンバー１０２位置で固体電解質層１１１の上下面には、大気ダクト１０５に面した電極１２５を共通として、固体電解質層１１２を挟んで対向する２組の１対の電極１２３，１２５、電極１２４，１２５が形成されている。固体電解質層１１１と電極１２３，１２５とでモニタセル１ｂが構成される。また、固体電解質層１１１と電極１２４，１２５とでセンサセル１ｃが構成される。チャンバー１０２に面した電極１２３，１２４のうち、モニタセル１ｂの電極１２３がＮＯＸ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ 等の貴金属により構成され、センサセル１ｃの電極１２４がＮＯｘ の分解（還元）に活性なＰｔ 等の貴金属により構成される。以下、適宜、モニタセル１ｂのチャンバー１０２に面した電極１２３をチャンバー側モニタ電極１２３といい、センサセル１ｃのチャンバー１０２に面した電極１２４をチャンバー側センサ電極１２４という。また、モニタセル１ｂとセンサセル１ｃとに共通の大気ダクト１０５に面した電極１２５を大気側センサ／ポンプ電極１２５という。
【００２９】
また、固体電解質層１１２とともに大気ダクト１０４のダクト壁をなす絶縁層１１５には、Ｐｔ等の線パターンが埋設されて、ガスセンサ１全体を加熱するヒータ１３としてある。ヒータ１３は通電によりジュール熱を発生する電気式のものである。
【００３０】
ヒータ１３は制御回路３１からの給電で発熱し、制御回路３１は、温度に依存する電極１２１，１２２間等のアドミタンスを演算して、該アドミタンスが、固体電解質層１１１，１１２の活性温度域の温度に対応する所定値（以下、適宜、目標アドミタンスという）になるように、ヒータ１３を制御し、通電量を調整する。ヒータ１３の制御は、例えば通電デューティのＰＷＭ制御によりなし得る。また、前記アドミタンスは、例えばセル１ａ〜１ｃに印加電圧を所定量変化させてそのときの電流変化を印加電圧変化で除した値から求めることができる。
【００３１】
制御回路３１はポンプセル１ａに大気側ポンプ電極１２２側を正として電極１２１，１２２間に電圧を印加するようになっている（以下、適宜、電極１２１，１２２間に印加される電圧をポンプセル電圧ＶＰ という）。また、電極１２１，１２２間に流れる電流（以下、適宜、ポンプセル電流ＩＰ という）を検出するようになっている。ガスセンサＳの周囲を流れる排気ガスが多孔質拡散層１１６およびピンホール１０６を通って第１チャンバー１０１に導入されると、排気ガス中の酸素がチャンバ側ポンプ電極１２２で分解、イオン化して固体電解質層１１１を通り大気ダクト１０４へと排出される。このとき、第１チャンバー１０１内への酸素の流入はピンホール１０６の流通抵抗が支配的となっている。ポンプセル電圧ＶＰ を後述するように限界電流域に設定すれば、ポンプセル電流ＩＰ から排気ガス中の酸素濃度が知られる。チャンバ側ポンプ電極１２１がＮＯｘ の分解に不活性であるからＮＯｘ は第１チャンバー１０１内に残留する。
【００３２】
印加電圧は、ポンプセル電流ＩＰ に基づいて制御される。図５は、ポンプセル１ａの特性を示すもので、ポンプセル電流ＩＰ がポンプセル電圧ＶＰ に依存しない領域が限界電流域である。制御回路３１は、常に限界電流域で作動し得るように、図中、一点鎖線で示すポンプセル電流ＩＰ とポンプセル電圧ＶＰ との関係を予め制御回路３１のＲＯＭにマップとして記憶しておき、ポンプセル電圧Ｖｐ を設定する。
【００３３】
排気ガスは第１チャンバー１０１から絞り部１０３を介して第２チャンバー１０２へと拡散するから、第２チャンバー１０２には酸素濃度が低下した被測定ガスである排気ガスが存在している。
【００３４】
また、制御回路３１は、モニタセル１ｂ、センサセル１ｃに対し、それぞれ大気側センサ／ポンプ電極１２５側を正として、電極１２３，１２５間および電極１２４，１２５間に電圧を印加する（以下、適宜、電極１２３，１２５間に印加される電圧をモニタセル電圧ＶＭ 、電極１２４，１２５間に印加される電圧をセンサセル電圧ＶＳ という）。また、電極１２３，１２５間に流れる電流（以下、モニタセル電流ＩＭ という）および電極１２４，１２５間に流れる電流（以下、センサセル電流ＩＳ という）を検出する。モニタセル電圧ＶＭ 、センサセル電圧ＶＳ の印加により、各セル１ｂ，１ｃではチャンバー１０２内の余剰酸素が大気ダクト１０５へと排出される。モニタセル電圧ＶＭ 、センサセル電圧ＶＳ の電圧値を適当に選んでモニタセル１ｂ、センサセル１ｃに、それぞれ限界電流を流す。ここで、第２チャンバー１０２に面した電極１２３，１２４のうち、チャンバ側センサ電極１２４のみがＮＯｘ の分解に対して活性であるから、センサセル電流ＩＳ の方がモニタセル電流ＩＭ よりも、チャンバ側センサ電極１２４においてＮＯｘ が分解することで生じる酸素イオンの分、電流値が多くなる。モニタセル電流ＩＭ とセンサセル電流ＩＳ との差に基づいて排気ガスのＮＯｘ 濃度が得られることになる。
【００３５】
なお、ポンプセル電流ＩＰ 、モニタセル電流ＩＭ 、センサセル電流ＩＳ はいずれも、各セル１ａ〜１ｃ用の電圧印加回路に、セル１ａ〜１ｃに直列に抵抗器を接続し、該抵抗器の電圧降下として読み得る。
【００３６】
ＥＣＵ３２を構成するマイクコンピュータには、これと接続されるガスセンサＳ個々の検出特性に対応したデータ（以下、適宜、個別データという）を格納するＲＯＭ３２１が設けてある。ＲＯＭ３２１は書き込み可能なＥＥＰＲＯＭ等が用いられる。
【００３７】
個別データについて図６、図７により説明する。
【００３８】
図６はポンプセル電流ＩＰ と酸素濃度の対応関係を示すもので、ＲＯＭ３２１には、検出感度（酸素濃度の変化に対するポンプセル電流ＩＰ の変化率）が記憶されている。これは、酸素濃度が既知の試験用のガスを使ってガスセンサＳ個々に、図６のポンプセル電流ＩＰ と酸素濃度の対応関係を予め計測し、計測結果に基づいて定められる。
【００３９】
図７は、センサセル電流ＩＳ とモニタセル電流ＩＭ との差分（以下、適宜、センサ電流という）とＮＯｘ 濃度の対応関係を示すもので、ＲＯＭ３２１には、センサ電流について、検出感度（ＮＯｘ 濃度の変化に対するセンサ電流（ＩＳ −ＩＭ ）の変化率）および零点（ＮＯｘ 濃度＝０）におけるオフセット量が記憶されている。これは、ＮＯｘ 濃度が既知の試験用のガスを使ってガスセンサＳ個々に、図７のセンサ電流とＮＯｘ 濃度の対応関係を予め計測し、計測結果に基づいて定められる。
【００４０】
この場合、ＮＯｘ 濃度が例えば０〜１００ｐｐｍまでの少量の範囲と１００ｐｐｍ〜の多量の範囲とについて、それぞれ検出感度を記憶し、ガスセンサＳ個々の検出特性にさらに適合させるのもよい。
【００４１】
また、図８のように、酸素濃度を変えてセンサ電流とＮＯｘ 濃度の対応関係を予め計測し、複数の酸素濃度の範囲ごとに、センサ電流とＮＯｘ 濃度の対応関係を特定する検出感度および零点オフセットを記憶するようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ３２１において、センサ電流からＮＯｘ 濃度を得るに際し、ポンプセル電流ＩＰ から知られる酸素濃度が参照されて、当該酸素濃度に対応した検出感度およびオフセットに基づいてＮＯｘ 濃度が演算されることになる。
【００４２】
さて、ＲＯＭ３２１に記憶されるこれらのデータは、ＥＣＵ３２と組み合わされるガスセンサＳのものにする必要がある訳であるが、以下、組付けようとするガスセンサＳ個々の個別データの取得と、ＲＯＭ３２１への書き込みについて説明する。ガスセンサＳは、図９（Ａ）に示すように、先端部分が排気管４１内に位置し、排気管４１外へ突出する基端部分の側面には情報記憶媒体であるＱＲコード５１が形成してある。ＱＲコード５１は、図９（Ｂ）に示すように、二次元コードであり、ガスセンサＳの筒状部材２３の表面へのレーザマーキングや、コードを印刷したラベルの貼付により、ガスセンサＳと一体化する。ＱＲコード５１は、これが形成されるガスセンサＳ個々の個別データがコード化されたものである。
【００４３】
ＱＲコード５１のコードデータは、予めガスセンサＳの製造工場で、完成したものについて、前記個別データを求める計測試験を実施することで、取得される。
【００４４】
ＱＲコード５１は、車両の組み立て工場において、例えば排気管４１およびガスセンサＳともに組付けられた状態で、コードリーダ５２により光学的に読み取られ、個別データがコンピュータ５３に記憶される。そして、ＲＯＭライタによりＥＣＵ３２のＲＯＭ３２１に書き込まれる。個別データはガスセンサＳに専属するものであるから、ガスセンサＳとＥＣＵ３２との不整合を回避すべく、コンピュータに個別データを車両の製造番号に対応づけて記憶する等、ＲＯＭ３２１の書き込みやＥＣＵ３２の車両への組付けが完了するまで、対になるガスセンサＳとＥＣＵ３２とを追跡可能な状態にしておくことになる。
【００４５】
なお、検出特性データは前記記載のものに限られない。図１０はポンプセル電流ＩＰ にポンプセル電圧ＶＰ を対応させる印加電圧マップであり、ガスセンサＳ個々に特化してある。これは、ガスセンサＳ個々について図５のＶＰ −ＩＰ 特性を予め計測し、計測結果に基づいて定められる。印加電圧マップは、排気ガス中の酸素濃度によらずポンプセル１ａが限界電流域で作動し得るように、ガスセンサＳ個々について適合されている。具体的には、限界電流域は、低圧側の、ポンプセル電流ＩＰ がポンプセル電圧ＶＰ に応じて増大する領域、および、高圧側の、ＮＯｘ の分解が発生しポンプセル電流ＩＰ が増大する領域に対する余裕度を考慮してガスセンサＳ個々に設定されることになる。
【００４６】
また、図１１はセル１ａ〜１ｃの電極１２１，１２２間、電極１２３，１２５間、電極１２４，１２５間のアドミタンスとセンサ素子１の温度の対応関係を示すもので、これが変化すると、アドミタンスが目標アドミタンスとなるようにヒータ１３を制御しても、固体電解質材の温度がガスセンサＳ間でばらつく。ヒータ１３制御で到達する固体電解質材の温度がガスセンサＳ間で揃うように、ＲＯＭ３２１には、セル１ａ〜１ｃの温度が予め設定した個体電解質材の活性温度域の所定温度のときのアドミタンスが前記目標アドミタンスとしてガスセンサＳごとに記憶されている。
【００４７】
また、常温から活性温度域に到る範囲の温度特性のガスセンサＳ間の相違を考慮して、ガスセンサＳ個々にＰＩ制御におけるゲインを最適化して、これをＲＯＭ３２１に記憶するのもよい。
【００４８】
これらの印加電圧マップや目標アドミタンス等は、制御回路３１で必要になるものであるため、エンジンの作動開始に先立ち、ＲＯＭ３２１の個別データを制御回路３１のＲＡＭに移すことになる。
【００４９】
なお、前記実施形態では、ポンプセル電圧ＶＰ をポンプセル電流ＩＰ に基づいて印加電圧マップにしたがって設定する、図１２に示す制御方式をとっているが、図１３に示すように、モニタセル電流ＩＭ に基づいて、モニタセル電流ＩＭ が所定値をとるようにポンプセル電圧ＶＭ をフィードバック制御するものにも本発明は適用することができる。この制御方式でも、ＮＯｘ 濃度はセンサ電流（ＩＳ −ＩＭ ）から得られ、酸素濃度はポンプセル電圧ＩＭ から得られることになる。
【００５０】
また、センサ構造についても図例のものに限られない。図１４は本発明を適用し得るガスセンサの一例を示すもので、このガスセンサ１Ａは、ジルコニア等の固体電解質材である固体電解質層１５１，１５２，１５３、多孔質アルミナ等の絶縁材料からなる律速層１５４、アルミナ等の絶縁材料からなる絶縁層１５５等が板厚方向に積層する積層構造を有し、面方向に細長の全体形状が与えられている。
【００５１】
固体電解質層１５２および律速層１５４は固体電解質層１５１と固体電解質層１５３とで挟まれた同じ層を形成しており、ガスセンサの先端側に律速層１５４が位置し、基端側に固体電解質層１５２が位置する。固体電解質層１５２および律速層１５４は、一部が板厚方向に打ち抜かれており、固体電解質層１５１，１５２の間に、ガスセンサ１Ａの長手方向に配置された２つのチャンバー１４１，１４２が形成されている。律速層１５４は、ガスセンサの先端側で第１のチャンバー１４１にガスセンサ１Ａ外部の被測定ガスを導入するとともに、第１のチャンバー１４１と第２のチャンバー１４２との境界部で両チャンバー１４１，１４２を連通せしめている。
【００５２】
固体電解質層１５３を挟んでチャンバー１４１，１４２と反対側には固体電解質層１５３をダクト壁の一部とする大気ダクト１４３が形成されている。大気ダクト１４３は先端側が固体電解質層１５３を挟んで第１チャンバー１４１と対向する位置まで伸び、ガスセンサ１Ａの基端で大気に開放している。ガスセンサ１Ａが内燃機関に適用される場合には、ガスセンサ１Ａがこれを保持するホルダ部材等とともに排気管の管壁を貫通して設けられて、大気ダクト１４３が排気管外部と連通する。
【００５３】
第１チャンバー１４１位置で固体電解質層１５１の上下面には固体電解質層１５１を挟んで対向する１対の電極１６１，１６２が形成されており、固体電解質層１５１と電極１６１，１６２とでポンプセル１ｄが構成される。ポンプセル１ｄを構成する電極１６１，１６２のうち、チャンバー１４１に面した電極１６１はＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成されている。
【００５４】
また、第１チャンバー１４１および大気ダクト１４３位置で固体電解質層１５３の上下面には固体電解質層１５３を挟んで対向する１対の電極１６３，１６５が形成されており、固体電解質層１５３と電極１６３，１６５とでモニタセル１ｅが構成される。モニタセル１ｅを構成する電極１６３，１６５のうち、チャンバー１４１に面した電極１６３はＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成されている。なお、大気ダクト１４３に面した電極１６５は第２チャンバー１４２位置まで伸びる、電極１６３よりも長い電極であり、後述するセンサセル１ｆ、別のポンプセル１ｇと共通の電極である。
【００５５】
第２チャンバー１４２位置で固体電解質層１５３の上下面には、固体電解質層１５３を挟んで対向する１対の電極１６４，１６５が形成されている。固体電解質層１５３と電極１６４，１６５とでセンサセル１ｆが構成される。
【００５６】
また、第２チャンバー１４２に面して固体電解質層１５１には、電極１６６が形成されており、固体電解質層１５１〜１５３と電極１６６，１６５とで別のポンプセル１ｇが構成される。この別のポンプセル１ｇはセンサセル１ｆと同様に、一方の電極１６４，１６６が第２チャンバー１４２に面し、他方の電極１６５が大気ダクト１４３に面した構造となっている。
【００５７】
第２チャンバー１４２に面した電極１６４，１６６のうち、センサセル１ｆの電極１６４はＮＯｘ の分解（還元）に活性なＰｔ等の貴金属により構成され、別のポンプセル１ｇの電極１６６がＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成される。
【００５８】
また、固体電解質層１５３とともに大気ダクト１４３のダクト壁をなす絶縁層１５５には、図２のものと同様にＰｔ等の線パターンが埋設されて、ガスセンサ全体を加熱するヒータ１７としてある。
【００５９】
このガスセンサ１Ａでは、モニタセル１ｅで発生する起電圧（以下、適宜、モニタセル起電圧という）ＶＭ１に基づいて、該モニタセル起電圧ＶＭ１が基準電圧となるように、すなわち、第１チャンバー１４１内の酸素濃度が一定かつ低濃度となるように、ポンプセル１ｄの印加電圧がフィードバック制御され、第１チャンバー１４１内の酸素が排出される。第１チャンバー１４１と連通する第２チャンバー１４２内の酸素も同程度に排出される。
【００６０】
そして、第２チャンバー１４２内に残った酸素が別のポンプセル１ｇにより排出される。センサセル１ｆには、第２チャンバー１４２に面した電極１６４におけるＮＯｘ の分解に基因した電流ＩＳ が流れる。この電流ＩＳ は第２チャンバー１４２内のＮＯｘ の濃度に応じたものとなる。また、ポンプセル１ｇには、第２チャンバー１４２内の酸素の濃度に応じた電流ＩＰ２が流れる。
【００６１】
かかる構造のガスセンサ１Ａでは、ＮＯｘ 濃度はセンサ電流（ＩＳ −ＩＰ２）から得られ、酸素濃度はポンプセル電流ＩＰ１から得られることになる。ガスセンサ１Ａにおいても、その検出特性や温度特性の個別データを予め計測し、ＥＣＵや制御回路において、ガスセンサ１Ａの個体差を吸収するように補正等を行うことで、検出精度を向上せしめることができる。
【００６２】
あるいは、図１５に示すガスセンサにも適用することができる。ガスセンサ１Ｂは、電極の構成以外は図１４のものと同じである。電極は、図１４の電極１６３を省略した構成となっている。そして、固体電解質層１５１とこれを挟む電極１６１，１６２とにより第１のポンプセル１ｄが構成され、固体電解質層１５１〜１５３と電極１６２，１６５とにより第１のモニタセル１ｈが構成される。第１のモニタセル１ｈで発生する起電圧（以下、適宜、モニタセル起電圧という）ＶＭ１に基づいて、該モニタセル起電圧ＶＭ１が基準電圧となるように、すなわち、第１チャンバー１４１内の酸素濃度が一定かつ低濃度となるように、第１ポンプセル１ｄの電極１６１，１６２間への印加電圧がフィードバック制御され、第１チャンバー１４１内の酸素が排出される。
【００６３】
また、固体電解質層１５１とこれを挟む電極１６６，１６２とにより第２のポンプセル１ｉが構成され、固体電解質層１５１〜１５３と電極１６６，１６５とにより第２のモニタセル１ｊが構成される。第２のモニタセル１ｊで発生する起電圧（以下、適宜、モニタセル起電圧という）ＶＭ２に基づいて、該モニタセル起電圧ＶＭ２が基準電圧となるように、すなわち、第２チャンバー１４２内の酸素濃度が一定かつ低濃度となるように、第２ポンプセル１ｉの電極１６６，１６２間への印加電圧がフィードバック制御され、第２チャンバー１４２内の酸素が排出される。
【００６４】
固体電解質層１５３とこれを挟む電極１６４，１６５とによりセンサセル１ｆが構成され、第２チャンバー１４２に面した電極１６４におけるＮＯｘ の分解に基因した電流ＩＳ が流れる。この電流ＩＳ は第２チャンバー１４２内のＮＯｘ の濃度に応じたものとなる。
【００６５】
かかる構造のガスセンサ１Ｂでは、ＮＯｘ 濃度はセンサセル電流ＩＳ から得られ、酸素濃度はポンプセル電圧ＩＰ１から得られることになる。ガスセンサ１Ｂにおいても、その検出特性や温度特性の個別データを予め計測し、ＥＣＵや制御回路において、ガスセンサ１Ｂの個体差を吸収する補正等を行うことで、検出精度を向上せしめることができる。
【００６６】
なお、ＱＲコード５１は、ガスセンサＳの筒状部材２３の側面に設けているが、制御回路３１との接続用のリード線を、筒状部材２３の端面ではなく、筒状部材２３の側面から突出する構造として、筒状部材２３の端面に設けてもよい。コードスキャナ５２での読み取り作業をスムーズに行い得るように、ガスセンサＳの設置場所等を考慮してガスセンサＳの基端部分を設計し、ＱＲコード５１位置を設定するのがよい。また、個別データを記憶する情報記憶媒体としてＱＲコードを用いた例を示したが、バーコード等、他のコードでもよいし、また、抵抗器やＲＯＭ等をガスセンサに搭載してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサおよびガス濃度検出装置の構成図である。
【図２】図１におけるＡの拡大断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の作動を示す第１のグラフである。
【図６】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の作動を示す第２のグラフである。
【図７】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の作動を示す第３のグラフである。
【図８】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の変形例を示すグラフである。
【図９】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置を示す図である。
【図１０】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置の別の変形例を示すグラフである。
【図１１】前記ガスセンサおよびガス濃度検出装置のさらに別の変形例を示すグラフである。
【図１２】前記ガスセンサの制御方式を示す図である。
【図１３】前記ガスセンサの別の制御方式を示す図である。
【図１４】前記ガスセンサの変形例を示す要部断面図である。
【図１５】前記ガスセンサの別の変形例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
Ｓ ガスセンサ
１，１Ａ，１Ｂ ガスセンサ本体
１ａ，１ｄ，１ｇ，１ｉ ポンプセル
１ｂ，１ｈ，１ｊ モニタセル
１ｃ，１ｆ センサセル
１３，１７ ヒータ
１０１，１０２，１０４，１０５ チャンバー
１１１，１１２，１５１，１５２，１５３ 固体電解質層
１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６ 電極
３ 制御手段
３１ 制御回路
３２ ＥＣＵ
４１ 排気管
５１ ＱＲコード（情報記憶媒体）
Claims (7)
- 固体電解質材に１対の電極が形成されたセルを備えてなり、該セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極が、内燃機関から排出された排気ガスが導入されるチャンバー内に臨み、かつ、ＮＯｘ に対し還元活性を示すセンサセルを設けて前記排気ガス中のＮＯｘ 濃度に応じた検出信号を出力する内燃機関のガスセンサにおいて、
ガスセンサ個々の検出特性のデータとして、前記ＮＯｘ 濃度の検出感度または零点のオフセット量を記憶した情報記憶媒体を具備せしめて、前記検出特性データに基づいてガスセンサ間の検出特性差を相殺するようにしたことを特徴とする内燃機関のガスセンサ。 - 請求項１記載の内燃機関のガスセンサにおいて、前記検出特性データとして、前記検出感度は、複数の濃度範囲と１対１に対応した複数の検出感度からなる内燃機関のガスセンサ。
- 請求項１または２いずれか記載の内燃機関のガスセンサにおいて、前記セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極がチャンバー内に臨み、前記１対の電極間に電圧を印加することでチャンバー内の酸素を汲み出し、前記１対の電極間に前記排気ガス中の酸素濃度に応じた電流を流すポンプセルを有し、
前記情報記憶媒体には、前記酸素濃度の検出感度または零点のオフセット量を記憶した内燃機関のガスセンサ。 - 請求項１または２いずれか記載の内燃機関のガスセンサにおいて、前記セルとして、前記１対の電極のうち一方の電極がチャンバー内に臨み、前記１対の電極間に電圧を印加することでチャンバー内の酸素を汲み出し、前記１対の電極間に前記排気ガス中の酸素濃度に応じた限界電流を流すポンプセルを有し、
前記情報記憶媒体には、前記ポンプセルの電極間に流れる電流に対して前記電極間に印加される電圧が対応するマップを記憶せしめた内燃機関のガスセンサ。 - 請求項１ないし４いずれか記載の内燃機関のガスセンサにおいて、前記セルを加熱する電気式のヒータを有し、
前記情報記憶媒体には、ガスセンサ個々の温度特性のデータとして、セル温度が所定の温度のときのアドミタンスを記憶せしめて、前記温度特性データに基づいてガスセンサ間の温度特性差を相殺するようにした内燃機関のガスセンサ。 - 請求項１ないし５いずれか記載の内燃機関のガスセンサにおいて、前記情報記憶媒体は、光学的に読み取り可能なコードが形成されてなり、前記検出特性データまたは温度特性データを、前記コードにより表した内燃機関のガスセンサ。
- 請求項１ないし６いずれか記載の内燃機関のガスセンサと、該ガスセンサの前記検出特性データまたは温度特性データを書き込み可能な記憶手段と、該記憶手段に記憶された前記検出特性データまたは温度特性データに基づいて、前記ガスセンサの駆動制御および検出信号処理を行う制御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。
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