JP2006162325A - 排気ガス成分濃度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機関運転中にＮＯ_Xセンサの出力較正を正確に行う。
【解決手段】 機関１の排気通路２にＮＯ_Xセンサ３３を配置して、排気中のＮＯ_X成分濃度を検出するとともに、機関でフュエルカット運転が実行されたときのＮＯ_Xを含まない排気がセンサに到達した時のセンサ出力（オフセット出力）を計測することによりセンサ出力の較正を行う。その際、フュエルカット運転が開始されると同時にＮＯ_Xセンサのヒータ設定温度を上昇させ、酸素ポンプの能力を増大させ、所定時間経過後にヒータ設定温度を通常の値に復帰させた後にオフセット出力を計測する。フュエルカット時には多量の酸素を含む排気がセンサに到達するが、フュエルカット運転開始と同時に酸素ポンプの能力が増大するため、短時間で排気中の酸素を外部に排出してセンサ出力がオフセット出力に到達する時間を短縮することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気ガス成分濃度検出方法に関し、詳細には酸素ポンプを用いた前処理部と、前処理部で処理後の排気ガス中の特定成分濃度を検出する検出部とを備えた排気ガスセンサを用いた排気ガス成分濃度検出方法に関する。

酸素ポンプを備えた前処理部で排気中の酸素を除去し、酸素を除去した排気を検出部に導いて排気中の特定成分濃度を検出する形式の排気ガスセンサが知られている。
この種の排気ガスセンサとしては、例えば排気ガス中のＮＯ_X成分濃度を検出するＮＯ_Xセンサ等がある。

例えば、ＮＯ_Xセンサでは、後述するように排気ガスをまずセンサの前処理部に導き、酸素ポンプで排気ガス中の酸素成分を除去するとともに、排気ガス中のＮＯ₂等を還元してＮＯに転換する。これにより、前処理部で処理後の排気ガスは酸素濃度が極めて低く、ＮＯ_X成分としてＮＯのみを含むようになる。

ＮＯ_Xセンサでは、さらにこの前処理後の排ガスを検出部に供給しＮＯ成分濃度を検出する。
センサ検出部では、供給された前処理後の排気ガス中のＮＯ_X（ＮＯ）成分を還元して酸素を生成し、生成した酸素を前処理部と同様な酸素ポンプを用いて外部に排出する際のポンプ電流を計測し、この電流値に基づいて排気中のＮＯ_X成分濃度を求める。

前述したように、センサの検出部に到達する排気ガスは前処理部で酸素を除去されているため酸素をほとんど含まず、ＮＯ_X成分どしてＮＯのみを含む。このため、検出部の酸素ポンプにより排出される酸素は、ＮＯの分解によって生成したもののみになる。

従って、検出部の酸素ポンプにより外部に排出され酸素の量（ポンプ電流値）は検出部におけるＮＯの量（濃度）、すなわち排気中のＮＯ_X成分濃度に比例することになり、検出部の酸素ポンプ出力に基づいて排気中のＮＯ_X成分濃度を求めることができる。

ところが、この種の排ガスセンサでは長期間使用すると、検出部の電極の劣化等により検出部の酸素ポンプ出力にドリフト（ずれ）が生じる問題がある。
このため、例えばＮＯ_Xセンサなどでは使用中にセンサ出力（検出部酸素ポンプ出力）のずれを較正し、常に検出結果を精度良く維持する必要が生じている。

センサ出力の較正方法としては、検出対象の特定成分（例えばＮＯ_X）を全く含まないガスをセンサに供給し、特定成分濃度ゼロの場合のセンサ出力（出力のゼロ点）を計測する方法が用いられる。
ところが、自動車用内燃機関などでは機関の通常運転時の排気には必ずＮＯ_X成分が含まれているため、機関の運転中にＮＯ_Xセンサ出力の較正を行うことは困難な問題がある。

この問題に対して、例えば特許文献１は内燃機関の排気通路に配置したＮＯ_Xセンサの出力を、機関のフュエルカット運転中に較正することを開示している。
すなわち、自動車用内燃機関では車両の減速走行中や下り坂でのエンジンブレーキ走行時には、機関への燃料供給を停止するフュエルカット運転が行われる。この場合には、機関では燃焼が行われないため気筒内に吸入された吸気がそのまま排気通路に排出される。

すなわち、この場合には排気通路に配置されたＮＯ_Xセンサには大気と略同じ成分のＮＯ_Xを含まない排気が供給されることになる。
特許文献１では、上記のように機関のフュエルカット運転中にはＮＯ_Xを含まない排気がＮＯ_Xセンサに供給されることに注目し、機関のフュエルカット運転中にＮＯ_Xセンサ出力のゼロ点を検出することにより機関運転中にＮＯ_Xセンサ出力の較正を行っている。

特開平１１−１４８９１０号公報

ところが、特許文献１の方法では実際上機関運転中に正確にＮＯ_Xセンサ出力の較正を行うことは困難な問題がある。
特許文献１の方法では、上述したように、機関のフュエルカット運転中にＮＯ_Xセンサ出力ゼロ点を検出することによりセンサ出力の較正を行っている。ＮＯ_Xセンサ出力のゼロ点は前述したように排気中のＮＯ_X濃度がゼロのときのセンサ出力である。機関のフュエルカット運転中にはＮＯ_Xセンサに供給される排気中のＮＯ_X成分濃度は略ゼロになるものの、実際にはＮＯ_Xセンサで検出しているのは前述したように酸素ポンプ出力、すなわち検出部における酸素濃度であり、ＮＯ_X濃度そのものではないため問題が生じる。

ＮＯ_Xセンサでは、排気ガス中の酸素成分を前処理部の酸素ポンプにより外部に排出して除去し、検出部には酸素を含まずにＮＯのみを含む排気を供給している。このため、検出部で発生する酸素はＮＯの還元によって発生したもののみとなり、検出部における酸素濃度と排気中のＮＯ_X成分濃度との間に相関が生じる。すなわち、ＮＯ_Xセンサはこの相関を利用して、実際には検出部における酸素濃度を計測することにより排気中のＮＯ_X成分濃度を求めているのである。

機関の通常運転時（フュエルカットを行っていない時）には、機関の排気中の酸素濃度は機関での燃料の燃焼のため大気の酸素濃度（約２１％）よりかなり低くなっている。前処理部では、この低酸素濃度の排気から酸素ポンプを用いて酸素の除去を行うことにより検出部に供給する排気に酸素がほとんど含まれないようにしている。

ところが、機関のフュエルカットが行われると、ＮＯ_Xセンサに到達する排気成分は大気とほぼ同じになるため、排気中の酸素濃度は急激に増大する。このため、センサ較正時にも通常と同じ酸素ポンプの制御を行っていると、前処理部における酸素濃度も急激に増大してしまい、前処理部の酸素ポンプによる排気中の酸素の除去が不十分になり、検出部には一時的に酸素を比較的多量に含んだ排気が供給されるようになる。
このため、検出部では排気中にＮＯ成分が含まれていないにもかかわらず排気の酸素濃度が増大してしまい、検出部の出力が増大するため正確なゼロ点出力を計測できない問題が生じる。

この場合、通常の酸素ポンプ制御を行っていてもある程度時間をかければ前処理部の酸素ポンプによる排気からの酸素の除去が進み、検出部における酸素濃度をほぼゼロにして正確なゼロ点出力を計測することは可能である。
ところが、通常運転時とフュエルカット時との排気中の酸素濃度の差が大きいため、一旦酸素濃度が大幅に上昇してしまうと、検出部における酸素濃度をゼロ点出力の計測に誤差が生じない程度まで下げるためには比較的長時間を必要とする問題がある。

例えば、実際のＮＯ_Xセンサを用いて実験した結果では、前処理部の酸素ポンプを通常の制御のままで運転した場合にはゼロ点出力を計測可能なまで酸素濃度が低下するのにはフュエルカット開始後数十秒から数分の時間がかかることが確認されている。

ところが、実際の車両の走行時にはフュエルカット運転が数十秒以上継続することは極めてまれであり、通常はフュエルカット運転は十秒程度しか継続しない。
このため、特許文献１の方法では実用上ＮＯ_Xセンサの出力較正を正確に行うことができない問題が生じるのである。

本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、酸素ポンプを用いた前処理部を有する排気ガスセンサの出力較正を正確に行うことが可能な排気ガス成分濃度検出方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明によれば、排気ガス中の酸素成分を除去する酸素ポンプを有する前処理部と、酸素成分除去後の排気ガス中の特定成分濃度を検出する検出部とを備えた排気ガスセンサを内燃機関の排気通路に配置し、内燃機関のフュエルカット運転中のセンサ出力に基づいてセンサ出力を較正し、較正後のセンサ出力に基づいて排気ガス中の特定成分濃度を検出する排気ガス成分濃度検出方法であって、前記センサ出力較正時に、内燃機関のフュエルカット運転開始後予め定めた時間が経過するまでの間、センサの前記前処理部温度を上昇させることを特徴とする、排気ガス成分濃度検出方法が提供される。

すなわち、請求項１の発明では従来と同様に内燃機関のフュエルカット運転中にセンサ出力の較正を行う。しかし、本発明では機関のフュエルカット運転が開始されると同時にセンサの前処理部温度（すなわち酸素ポンプ部分の温度）を上昇させる。

良く知られているように、センサの酸素ポンプは印加電圧が同じであっても素子温度が高いほど酸素ポンプとしての能力が高くなる。このため、本発明ではフュエルカット運転が開始されると同時に酸素ポンプの温度が上昇を開始するようになり、フュエルカット運転による酸素を多く含んだ排気が排ガスセンサに到達する前から前処理部の酸素ポンプの能力が増大する。

従って、本発明では、フュエルカット時の排気がセンサに到達した場合でも検出部における排気の酸素濃度をほぼゼロに維持することが可能となり、フュエルカット開始後短時間でセンサ出力較正を実施することができるため、実際の運転においてもセンサ出力の較正を正確に行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、排気ガス中の酸素成分を除去する酸素ポンプを有する前処理部と、酸素成分除去後の排気ガス中の特定成分濃度を検出する検出部とを備えた排気ガスセンサを内燃機関の排気通路に配置し、内燃機関のフュエルカット運転中のセンサ出力に基づいてセンサ出力を較正し、較正後のセンサ出力に基づいて排気ガス中の特定成分濃度を検出する排気ガス成分濃度検出方法であって、前記センサ出力較正時に、前記前処理部の酸素ポンプ出力値または酸素ポンプ出力変化速度が予め定めた判定値以上となった時から予め定めた時間が経過するまでの間、センサの前記処理部温度を上昇させることを特徴とする、排気ガス成分濃度検出方法が提供される。

すなわち、請求項２の発明では前処理部の酸素ポンプ出力値が所定の判定値以上になった場合、或いは出力変化速度が所定の判定値以上になると同時に処理部温度（酸素ポンプ温度）を上昇させる。

酸素ポンプは、例えば印加電圧を一定とした場合には処理気体の酸素濃度が高いほどポンプの電極間を流れる電流値は大きくなる。一方、機関のフュエルカット運転が開始されると排気中の酸素濃度は急激に増大する。このため、フュエルカット開始時に機関から排出された排気がセンサ前処理部に到達すると、酸素ポンプの電流値は急激に増大する。

従って、この電流値をポンプ出力として監視することにより、電流値が所定の判定値を越えたとき（すなわち、前処理部に到達する排気の酸素濃度が所定の値を越えたとき）、或いは電流値の増大速度が所定の判定値を越えたとき（すなわち、酸素濃度の上昇速度が所定の値を越えたとき）にフュエルカット運転による酸素濃度の高い排気がセンサに到達したと判断することができる。

本発明では、上記によりフュエルカットによる酸素濃度の高い排気がセンサに到達したことを判定し素子温度を増大させるようにしているため、検出部の酸素濃度が上昇を開始した直後から前処理部の酸素ポンプ能力が増大する。
従って、本発明ではフュエルカット時の排気がセンサに到達した場合でも検出部における排気の酸素濃度をほぼゼロに維持することが可能となり、フュエルカット開始後短時間でセンサ出力較正を実施することができるため、実際の運転においてもセンサ出力の較正を正確に行うことが可能となる。

各請求項に記載の発明は、機関運転中に排気ガスセンサ出力の較正を正確に行うことが可能となるという共通の効果を奏する。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気ガス濃度検出方法を実施する構成の一例として本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の概略構成を示す図である。

図１において、１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされ、＃１から＃４気筒には直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１１から１１４が設けられている。後述するように、本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い（リーンな）空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンとされている。

図１において、２１ａは＃１、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する排気マニホルドである。

本実施形態では、個別排気通路２ａ、２ｂ上には、三元触媒からなるスタートキャタリスト５ａと５ｂがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはスタートキャタリスト５ａ、５ｂ下流側で共通の排気通路２に合流し、合流後の排気通路２上にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７が配置されている。

本実施形態のスタートキャタリスト５ａ、５ｂは公知の構成の三元触媒とされ、流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍の狭い範囲にある場合に排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xの三成分を同時に浄化する機能を有している。

また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は機関１がリーン空燃比で運転されているときにリーン空燃比排気中のＮＯ_X成分を硝酸イオンまたは硝酸塩の形で吸蔵し、機関１がリッチ空燃比で運転されるときに、吸蔵したＮＯ_X成分をリッチ空燃比排気中のＨＣ、ＣＯ成分等により還元浄化するＮＯ_Xの吸蔵還元作用を行う。

図１に３３で示すのは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側の排気通路２に配置された、排気中の特定成分の濃度を検出する排気ガスセンサである。

本実施形態では、排気ガスセンサ２９として排気中のＮＯ_X成分濃度を検出するＮＯ_Xセンサが使用されている。
ＮＯ_Xセンサ２９の詳細については後に詳述する。

図１に３０で示すのは、機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。
ＥＣＵ３０は、本実施形態ではＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関１の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行なっている。
また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は機関のリーン空燃比運転中にＮＯ_Xセンサ３３の出力に応じて短時間機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行いＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xを還元浄化する。

すなわち、ＥＣＵ３０はリーン空燃比運転中にＮＯ_Xセンサ３３出力を監視しており、ＮＯ_Xセンサ３３出力が予め定めた値まで増大した場合に上述のリッチスパイク操作を行う。
ＮＯ_X吸蔵還元触媒７はリーン空燃比運転中に排気中のＮＯ_X成分を吸蔵することにより排気からＮＯ_X成分を除去する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７を通過した排気中のＮＯ_X成分濃度はほぼゼロとなっている。

ところが、吸蔵したＮＯ_X量が増大するにつれてＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵能力は低下する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の吸蔵したＮＯ_X量が増大するにつれて、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７を通過した排気中のＮＯ_X成分濃度は上昇する。
ＥＣＵ３０は、ＮＯ_Xセンサ３３で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒７通過後の排気中のＮＯ_X成分濃度が予め定めた値まで増大する毎にリッチスパイク操作を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xを還元浄化する。

これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７はＮＯ_X吸蔵能力を回復しＮＯ_Xの吸蔵を行うようになり、未浄化のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側に流出することが防止される。

次に、本実施形態のＮＯ_Xセンサ３３について説明する。
図２は、本実施形態のＮＯ_Xセンサ３３の構成を模式的に示す図である。
図２において、ＮＯ_Xセンサ３３は、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の固体電界質３３１から構成され、固体電解質内には、拡散律速部３３５を介して排気通路に連通する第１反応室３４０、第１反応室３４０と拡散律速部３３７を介して連通する第２反応室３５０及び、大気が導入される大気室３６０を備えている。拡散律速部３３５、３３７はそれぞれ第１反応室３４０、第２反応室３５０への酸素成分の拡散による流入を抑制し、排気通路内の排気と第１反応室、第１反応室と第２反応室との間の酸素濃度差を維持可能とするものである。

図２に３４１で示すのは第１反応室３４０内に配置された白金電極（陰極）、３４２で示すのは陰極３４１と固体電解質３３１を挟んでセンサ３３外部に設けられた同様な白金電極（陽極）である。また、第２反応室３５０内にはＮＯ_X検出用のロジウム（Ｒｈ）電極３５３が、大気室３６０内には白金電極３５５が、それぞれ配置されている。図に３７０で示すのは固体電解質加熱用の電気ヒータである。

図２のＮＯ_Xセンサ３３では、第１反応室３４０の電極３４１と外部電極３４２は前処理部の酸素ポンプとして、第２反応室の電極３５３と電極３５５とは、検出部の酸素ポンプとして、それぞれ機能している。
まず、第１反応室３４０（前処理部）の酸素ポンプについて説明する。

固体電解質３３１が一定の温度以上のときに電極３４１と３４２との間に電圧を印加すると陰極３４１上では第１反応室（前処理部）３４０内の排気の酸素分子がイオン化され、イオン化した酸素分子が固体電解質３３１内を陽極３４２に向かって移動して陽極３４２上で再び酸素分子になる。

このため、第１反応室３４０内の排気中の酸素が外部に排出され、第１反応室３４０内の排気酸素濃度は低下する。また、同時に酸素イオンの移動に伴って、電極３４２と３４１との間には単位時間に移動した酸素分子の量に比例する電流が流れる。

この場合、電極３４１と３４２との間に印加する電圧を増大すると、それに応じて電極間の酸素分子の移動量は大きくなり、電極間を流れる電流ＩＰ₀は増大するが、第１反応室３４０への酸素分子の流入が拡散律速部３３５により制限されているため、ある程度以上電圧を上げても電流ＩＰ₀は増大しなくなり、第１反応室内の排気の酸素濃度に応じた値で決まる電流値に収束するようになる。

本実施形態では、この電流値Ｉｐ₀が所定の値になるように、すなわち第１反応室内の排気の酸素濃度が極めて低い所定値になるように電極３４１、３４２間に印加する電圧（酸素ポンプ駆動電圧）が制御される。
これにより、第１反応室３４０内と拡散律速部３３７を介して連通する第２反応室３５０内の酸素濃度はほぼゼロ（例えば０．０１ｐｐｍ以下）に維持されるようになる。

一方、排気中にＮＯ_X（ＮＯ、ＮＯ₂）が含まれていた場合、ＮＯ_XのうちＮＯ₂は第１反応室の電極３４１上で還元され、ＮＯ_X→ＮＯ＋（１／２）Ｏ₂となる。このため、排気中に含まれていたＮＯ_Xは第１反応室で全てＮＯに転換され、第１反応室では排気中のＮＯ_X（ＮＯ、ＮＯ₂）は全てＮＯに単ガス化される。

ところが、第１反応室の酸素ポンプによっては排気中のＮＯは外部に排出されない。このため、第１反応室３４０と第２反応室３５０内のＮＯ濃度は排気中のＮＯ_Xの総濃度（ＮＯ＋ＮＯ₂）と等しくなる。
これにより、第２反応室３５０内の排気は極めて酸素濃度が低く、かつ排気中のＮＯ_X濃度に等しい濃度のＮＯ成分を含むようになる。

ところで、前述したように第２反応室３５０の酸素ポンプ電極（検出用電極）３５３はロジウム（Ｒｈ）であるため還元触媒として機能し、第２反応室３５０内のＮＯを還元する。また、大気室３６０の電極３５５と検出用電極３５３との間には所定の電圧が印加されているため、検出用電極３５３上では、ＮＯ→（１／２）Ｎ₂＋（１／２）Ｏ₂の反応が生じＮＯの還元により酸素が発生するようになる。この酸素は、電極３５３上でイオン化して電極３５５に向かって固体電解質３３１中を移動し、電極３５５上で酸素分子を形成する。

上述したように、第２反応室３５０内の酸素濃度は極めて低いため、電極３６１に向かって固体電解質中を流れる酸素イオンはその全量が排気中のＮＯ_Xの還元により生じたことになる。また、第２反応室３５０に流入する排気中のＮＯ_Xは全て第１反応室でＮＯに単ガス化している。

このため、固体電解質中を単位時間あたりに流れる酸素イオンの量は、排気中のＮＯ_X濃度（排気通路内の排気のＮＯ_X濃度）に比例した量になる。従って、この酸素イオンの移動に伴って発生する電流値（図２、Ｉｐ₁）を計測することにより排気通路内の排気のＮＯ_X濃度を検出することができる。
本実施形態のＮＯ_Xセンサ３３は、上記電流値Ｉｐ₁を電圧信号に変換し、排気中のＮＯ_X濃度に応じた電圧信号を出力するものである。

ＮＯ_Xセンサ３３は、上記のように検出部電極３５１上でＮＯを還元しているが、長期間センサを使用すると電極３５１の劣化が生じるため、センサ出力のずれ（ドリフト）が生じるようになり、排気中のＮＯ_X濃度を正確に検出することができなくなる。
従って、前述したＮＯ_X吸蔵還元触媒７のリッチスパイク実施タイミングを正確に判定し、効率的な排気浄化を行うためには定期的にＮＯ_Xセンサ３３出力を較正する必要がある。

通常、ＮＯ_Xセンサ３３の出力の較正は、ＮＯ_Xセンサ３３にＮＯ_Xを成分を全く含まないガスを供給し、そのときのＮＯ_Xセンサ出力をオフセット出力ＩＳＯとして記憶することにより行う。オフセット出力ＩＳＯは、ＮＯ_X濃度ゼロのときのセンサ出力、すなわちセンサ出力のゼロ点のオフセットを表す。
このため、通常計測時のＮＯ_Xセンサ出力をＩＳとすると、真の排気ＮＯ_X濃度ＣＲは、ＣＲ＝（ＩＳ−ＩＳＯ）×Ｋとして表される（Ｋはセンサーに固有の定数）。

前述したように、車両用内燃機関等の場合には例えば減速走行中のフュエルカット運転時にＮＯ_Xセンサ３３の出力較正を行う。
機関のフュエルカット運転時には気筒内には燃料が供給されず燃焼が起きないため、機関からの排気は大気とほぼ同一の組成となりＮＯ_X成分をほとんど含まなくなる。このため、フュエルカット時のＮＯ_Xセンサ出力をオフセット出力として使用しセンサ出力を較正することが可能となる。

ところが、実際にはフュエルカット時の排気を利用してＮＯ_Xセンサのオフセット出力を求めようとすると長時間を要する問題がある。
すなわち、フュエルカット運転が行われる前にＮＯ_Xセンサ３３に到達している機関排気は、通常の燃焼が行われている状態の排気であるため排気中の酸素濃度はかなり低くなっている。

この状態でフュエルカット運転が行われるとＮＯ_Xセンサ３３に到達する排気中の酸素濃度は急激に大気と同等の値（約２１％）まで増大するため、ＮＯ_Xセンサ３３の第１反応室３４０内の酸素濃度も急激に増大する。

一方、ＮＯ_Xセンサ３３の第１反応室３４０の酸素ポンプはフュエルカット運転時も通常と同じ制御が行われている。この制御は、ポンプ電流Ｉｐ₀が所定値になるようにポンプの駆動電圧を調整するものだが、ポンプ駆動電圧に対するポンプ電流変化の感度は比較的大きいため、制御ゲインは比較的小さく設定されている。このため、酸素濃度変化に対する酸素ポンプ能力の変化応答性はかなり低くなっており、第１反応室３４０内の酸素濃度が急激に増大したような場合には、それに応じて酸素ポンプの能力が大幅に増大するのには比較的長い時間を要し、第１反応室内の酸素濃度を十分に低い値にまで復帰させるのには時間を要することになる。

このため、従来フュエルカット運転時には第１反応室３４０内の酸素濃度が一時的に上昇し、それに応じて第２反応室３５０内の酸素濃度も増大してしまう問題が生じていた。
前述したように、ＮＯ_Xセンサ３３の検出部では、ＮＯの還元により生成した酸素イオンの量をＮＯ_X成分濃度として検出しているため、第２反応室３５０内に酸素が存在すると、ＮＯ成分が存在する場合と同様にセンサ出力が増大してしまう。

このように検出部である第２反応室内の酸素濃度が上昇すると、排気中にＮＯ_X成分が存在しない場合でも正確なオフセット出力を検出することができなくなるのである。

もちろん、通常の酸素ポンプ駆動電圧制御を行っている場合でも、ある程度時間が経過すれば酸素ポンプ能力が増大して第１反応室内の酸素が外部に排出され、それに応じて第２反応室内の酸素濃度も低下するようになり、ＮＯ_Xセンサ３３出力は正確なオフセット出力に収束する。

ところが、このためにはフュエルカット運転開始後数十秒から数分の時間が必要とされるが、実際の車両の運転ではこのように長時間フュエルカット運転が継続することはほとんどない。従って、従来の方法では機関の運転中にＮＯ_Xセンサ出力の較正を行うことは実際上困難であった。

本実施形態では、以下に説明する方法でこの問題を解決している。
すなわち、本実施形態ではＥＣＵ３０は機関１のフュエルカット運転を開始すると同時に、ＮＯ_Xセンサ３３のヒーター３７０を制御して固体電解質３３１及び酸素ポンプ電極３４０の温度を上昇させる。

電極温度が上昇すると電極上での界面活性が増大するため、電極での酸素のイオン化速度が増大する。又、同時に固体電解質３３１温度の増大より固体電解質内の酸素の移動速度も増大するため、酸素ポンプの能力が大きく増大するようになる。

このように、フュエルカット運転開始と同時にヒータ３７０温度を上昇させることにより、実際に機関１のフュエルカット運転時の排気がＮＯ_Xセンサ３３に到達した時点では酸素ポンプの能力が増大している状態になり、第１反応室３４０内の酸素濃度の上昇幅は小さくなる。更に、一旦上昇した第１反応室３４０内の酸素濃度を短時間で通常の低酸素濃度状態に復帰させることができる。

また、一旦通常の低酸素濃度状態に復帰後は、通常の制御でもポンプ駆動電圧が酸素ポンプ出力（電流）に応じて制御されるため、一旦低酸素濃度状態に復帰後は通常の酸素ポンプ制御により低酸素濃度状態が維持されるようになる。

本実施形態では、ヒータ３７０のインピーダンスを検出して固体電解質３３１温度を推定するとともに、固体電解質３３１の温度が予め定めた設定温度になるようにヒータ通電電流をフィードバック制御している。

ＥＣＵ３０は、機関１のフュエルカットを開始すると同時にヒータ３７０の設定温度を所定幅（例えば２０°Ｃ〜１００°Ｋ程度）だけ上昇させる。そして、予め定めた時間だけ上記設定温度を維持し、その後設定温度を上昇前の値まで低下させるとともに、温度低下後のＮＯ_Xセンサ３３の出力をオフセット出力ＩＳＯとして記憶する。
ここで、上記設定温度を上昇させる時間は、検出部（第２反応室）内の酸素濃度が略ゼロに低下するのに要する時間であり、予め実験などにより決定される。

実験の結果、本実施形態のように、フュエルカット運転開始と同時にセンサ温度を上昇させて酸素ポンプ能力を増大することにより、従来数十秒から数分を要していた第２反応室内の酸素濃度の低減を１０秒以内で完了可能であることが確認されている。

このため、本実施形態によれば、通常の車両走行中のエンジンブレーキなどによるフュエルカット運転中でも十分にＮＯ_Xセンサのオフセット出力を計測することが可能となっている。

また、ヒータ設定温度の上昇により、第２反応室内の酸素濃度が低下して略ゼロに収束すると、それに応じてセンサ出力（検出部電極電流）も一旦増大した後速やかに低下して真のオフセット電流の値に収束する。
従って、ヒータ設定温度を一定時間上昇させる代わりにセンサ出力の変化速度が予め定めた値より小さくなったときにヒータ設定温度を元の値に復帰させるようにしても良い。

なお、本実施形態でオフセット出力を計測するときにセンサ温度を低下させてから測定するのは、温度が上がった状態で計測を行うと検出電極の活性も上がっているため、オフセット出力も増大してしまい、真のオフセット出力を計測することができないためである。従って、本実施形態のように温度を低下させた後オフセット電流を計測する代わりに、予め温度によるセンサ出力計測値の変化を求めておき、高温のままオフセット出力を計測して計測値に温度補正を加えるようにしても良い。

本実施形態ではセンサの温度を上昇させることにより酸素ポンプ能力を増大させているが、理論的にはセンサ温度を上昇させる代わりに酸素ポンプ駆動電圧を増大させて酸素ポンプ能力を増大させることも可能である。
但し、前述したように、駆動電圧変化に対する酸素ポンプ能力（ポンプ電流）変化の感度は比較的大きいため駆動電圧を増大させるとポンプ電流の制御が困難になる場合がある。このため、本実施形態では酸素ポンプ能力の感度が比較的小さいセンサ温度を増大させるようにしている。

図３は、上記に説明した本実施形態のセンサ出力較正（オフセット出力計測）操作を具体的に示すフローチャートである。
本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に繰り返されるルーチンとして行われる。

図３の操作において、ステップ３０１では現在機関１のフュエルカット運転が実行されているか否かが判定される。フュエルカット運転が実行されていない場合にはステップ３０３から３０７でフラグＣＭＰとカウンタＣＴとの値をゼロリセットするとともに、ヒータ３７０の設定温度ｔｓを通常の値ｔ₀にセットして操作を終了する。これにより、ＮＯ_Xセンサ３３温度は通常の設定値ｔ₀に制御される。

ステップ３０１でフュエルカット運転が実行されていた場合には、次にステップ３０９でフラグＣＭＰの値が０にセットされているか否かが判定される。ＣＭＰはフュエルカット運転中にＮＯ_Xセンサの出力較正（オフセット出力の検出）が完了した場合にステップ３２７で１にセットされるフラグである。

このため、ステップ３０９でＣＭＰ≠０であった場合には、今回のフュエルカット運転中に既にＮＯ_Xセンサの出力較正が完了しているため、ステップ３１１から３２７の操作を繰り返すことなく直ちに操作を終了する。

ステップ３０９でＣＭＰ＝０であった場合には、すなわち今回のフュエルカット運転では未だＮＯ_Xセンサの出力較正が完了していないため、ステップ３１１に進み、カウンタＣＴの値を１増加させる。カウンタＣＴはフュエルカット運転開始前は常にステップ３０５でリセットされているため、これにより、カウンタＣＴの値はフュエルカット運転開始後の時間に対応するようになる。

そして、ステップ３１３ではカウンタＣＴの値が所定値ＣＴ１に到達したか否か、すなわち、フュエルカット運転開始後カウンタ値ＣＴ１に対応する所定時間が経過したか否かを判断し、所定時間が経過していない場合には、ステップ３１５に進み、ヒータ３７０の設定温度ｔｓを通常の温度よりｔ₀よりαだけ高い温度に設定する。αは２０°Ｋから１００°Ｋ程度の値である。これにより、ヒータ３７０の設定温度はフュエルカット運転開始と同時に通常より高い温度に設定されるようになり、センサー３３温度が上昇し、第１反応室の酸素ポンプ能力が増大する。

ステップ３１３でカウンタ値がＣＴ１に到達した場合、すなわち所定時間が経過した場合にはステップ３１３から３１７に進みヒータ３７０設定温度は再び通常の値ｔ₀に戻される。そして、設定温度をｔ₀に戻したあと、カウンタＣＴの値が所定値ＣＴ２に到達すると（ステップ３１９）ステップ３２１でその時点でのＮＯ_Xセンサ３３の出力ＩＳがオフセット出力ＩＳＯとして記憶され、ステップ３２３ではフラグＣＭＰの値が１にセットされる。

すなわち、ステップ３１３から３２１では、機関１のフュエルカット開始と同時にセンサ３３の温度を上昇させ（ステップ３１５）その状態で所定の時間が経過するまで保持し（ステップ３１３）、その後センサ温度を通常の温度まで低下させた後センサのオフセット出力ＩＳＯを計測している。センサ温度を高く保持する時間（カウンタ値ＣＴ１に相当）は、フュエルカット運転によりセンサに到達した排気中の比較的多量の酸素をセンサの第１反応室３４０から酸素ポンプにより排除し、第２反応室（検出部）３５０内の酸素濃度をほぼゼロにするのに十分な時間である。

前述したように、この時間は本実施形態のようにフュエルカット運転開始と同時にセンサ温度を上昇させることにより、１０秒以下に短縮することができる。

通常の運転における排気中のＮＯ_X濃度ＣＲはＮＯ_Xセンサ出力ＩＳと上記により計測したオフセット出力ＩＳＯとを用いて、ＣＲ＝（ＩＳ−ＩＳＯ）×Ｋとして表される。

なお、図３の操作では、ＮＯ_Xセンサ３３の昇温操作もフュエルカット操作も同じＥＣＵ３０により実行されるため、フュエルカット操作開始のタイミングとセンサの昇温開始のタイミングとを容易に一致させることができるが、例えばフュエルカット操作とＮＯ_Xセンサ３３との制御が別の系統で行われているような場合には、フュエルカット操作開始のタイミングの検出を行うことが難しい場合がある。

このような場合には、ＮＯ_Xセンサ３３の第１反応室内の酸素濃度上昇速度、或いは酸素濃度そのものが所定値より高くなったときにセンサの昇温を開始することにより、フュエルカット操作開始と同時にセンサの昇温を開始した場合と同等の効果を得ることができる。
図４は、フュエルカット開始後の第１反応室内の酸素濃度の時間変化（増大）、すなわち第１反応室の酸素ポンプ出力（電極３４１、３４２間を流れる電流値）の時間変化を示す図である。

図４に示すように、機関のフュエルカットが開始されフュエルカット中の排気がＮＯ_Xセンサに到達すると酸素ポンプ出力（第１反応室内の酸素濃度）は急激に増大する。従って、図４に示すように酸素ポンプ出力の増大速度（単位時間当たりの増大量、図４Δ）が適宜な判定値を越えた時、または酸素ポンプ出力そのものが適宜な判定値ＩＲを越えた時にセンサの昇温を開始するようにしても、短時間でＮＯ_Xセンサ３３出力を真のオフセット出力ＩＳＯに収束させることが可能となる。

本発明の排気ガス濃度検出方法を自動車用内燃機関に適用した場合の、装置概略構成を説明する図である。 一般的なＮＯ_Xセンサの構造及び作動原理を説明する図である。 本発明の排気ガス濃度検出方法におけるセンサ出力の較正操作の一例を説明するフローチャートである。 本発明の排ガス濃度検出方法におけるセンサ出力の較正操作の図３とは別の例を説明する図である。

符号の説明

１ 機関本体
２ 排気通路
７ ＮＯ_X吸蔵還元触媒
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
３３ ＮＯ_Xセンサ
３７０ ヒーター
３４０ 第１反応室（前処理部）
３５０ 第２反応室（検出部）

Claims (2)

1. 排気ガス中の酸素成分を除去する酸素ポンプを有する前処理部と、酸素成分除去後の排気ガス中の特定成分濃度を検出する検出部とを備えた排気ガスセンサを内燃機関の排気通路に配置し、内燃機関のフュエルカット運転中のセンサ出力に基づいてセンサ出力を較正し、較正後のセンサ出力に基づいて排気ガス中の特定成分濃度を検出する排気ガス成分濃度検出方法であって、
   前記センサ出力較正時に、内燃機関のフュエルカット運転開始後予め定めた時間が経過するまでの間、センサの前記前処理部温度を上昇させることを特徴とする、排気ガス成分濃度検出方法。
2. 排気ガス中の酸素成分を除去する酸素ポンプを有する前処理部と、酸素成分除去後の排気ガス中の特定成分濃度を検出する検出部とを備えた排気ガスセンサを内燃機関の排気通路に配置し、内燃機関のフュエルカット運転中のセンサ出力に基づいてセンサ出力を較正し、較正後のセンサ出力に基づいて排気ガス中の特定成分濃度を検出する排気ガス成分濃度検出方法であって、
   前記センサ出力較正時に、前記前処理部の酸素ポンプ出力値または酸素ポンプ出力変化速度が予め定めた判定値以上となった時から予め定めた時間が経過するまでの間、センサの前記処理部温度を上昇させることを特徴とする、排気ガス成分濃度検出方法。
   
   

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