JP2018189502A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子の素子温度が閾値未満で固体電解質体が未活性であっても、ブラックニングを抑制しつつ、ガス濃度の検出を行うことが可能なガス濃度検出装置を提供する。【解決手段】限界電流式のガス濃度センサに適用され、一対の電極２５，２７間に流れる素子電流に基づいてガス濃度を検出するガス濃度検出装置７において、素子電流を測定する電流測定手段７ｂと、センサ素子９の素子温度を測定する温度測定手段７ｃと、センサ素子へ印加電圧を印加する電圧印加手段７ａであって、素子電流と素子温度を示す値とに応じた印加電圧を示す所定の関係に基づき、所定タイミングで印加電圧を印加する電圧印加手段と、素子温度が所定の閾値以上の場合に、関係に基づいて印加電圧の大きさを定め、素子温度が所定の閾値未満の場合に、固体電解質体がブラックニングを起こさない一定値に印加電圧を設定する印加電圧設定手段７ｄと、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、被測定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。

従来から、例えばエンジンの排気管等の排気系に装着され、排気ガス中における特定ガス成分（酸素）の濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質体の表面に１対の電極を配置したセンサ素子を有する限界電流式の空燃比センサが知られている。
この空燃比センサは、センサ素子へ印加する印加電圧に応じて一対の電極間に流れる限界電流を検出し、限界電流に基づいて酸素濃度を検出するものである。

また、図８に示すように、限界電流を示す下限電圧と上限電圧の間の限界電流域ＧＤは、電極間の素子電流Ｉｐが高くなる（つまり酸素濃度が高くなるリーン雰囲気になる）ほど、高電圧側にシフトするので、印加電圧Ｖｐを電流Ｉｐに応じて直線的に増加させて限界電流域から外れないように調整している。
さらに、同図に示すように、限界電流域は、センサ素子の素子温度によっても変化し、素子温度がＴ１０からＴ２０に低くなると、印加電流Ｉｐが正の領域では、印加電圧Ｖｐと素子電流Ｉｐとの関係を示すグラフである特性ラインＴＬ１０（実線）が、高電圧側の特性ラインＴＬ２０（破線）にシフトする傾向にある。一方、印加電流Ｉｐが負の領域では、特性ラインは低電圧側にシフトする。そこで、素子温度を測定し、素子温度にも応じて印加電圧Ｖｐを調整している（特許文献１）。

特許3684686号公報（図３（Ｂ））

ところで、通常は、センサ素子をヒータで加熱する等して固体電解質体を活性化状態に保ち、ガス濃度を安定して検出できるようにしている。
しかしながら、車両のキーオン時などでセンサ素子が十分に温まらず、素子温度が所定の閾値未満の場合にセンサ素子に電圧を印加すると、「ブラックニング」と称される固体電解質体の特性劣化が生じるおそれがある。ブラックニングは、固体電解質体を介して電極反応が生じている状態で、固体電解質体に酸素不足が生じて固体電解質体中の金属酸化物が還元される現象である。ブラックニングが生じると、固体電解質体の特性（イオン伝導性）が劣化し、ポンピング性能が低下してガス濃度を正確に検出することが困難になる。

そして、印加電流Ｉｐが正の領域ではブラックニングは高電圧ほど起きやすいが、上述のように素子温度が低くなるほど特性ラインが高電圧側にシフトする傾向にある。このため、図８に示す素子温度Ｔ２０が閾値未満（固体電解質体が未活性）の場合、特性ラインＴＬ２０から見積もられる印加電圧Ｖｅがブラックニング発生領域ＢＬに入ってしまい、印加電圧Ｖｅを印加した際にブラックニングが生じるおそれがある。一方、印加電流Ｉｐが負の領域では、ブラックニングは低電圧ほど起きやすいので、素子温度Ｔ２０が閾値未満の場合、電圧を印加した際に同様にブラックニングが生じるおそれがある。

ここで、ブラックニングを防止するためには、素子温度が閾値未満（固体電解質体が未活性）ではセンサ素子によるガス濃度の検出を休止すればよいことになるが、そうすると、素子温度が閾値以上に達するまではガス濃度の検出を行えず、ガス濃度に応じたエンジンの最適制御等が行えないという問題がある。
このため、素子温度が閾値未満（固体電解質体が未活性）であっても、ブラックニングを抑制しつつ、およそのガス濃度の検出を行いたいという要望がある。そして、素子温度が閾値未満でもおよそのガス濃度の検出を行っておくことにより、素子温度が閾値以上になったときに直ちに正確なガス濃度の検出を行うこともできる。

そこで、本発明は、センサ素子の素子温度が閾値未満で固体電解質体が未活性であっても、ブラックニングを抑制しつつ、ガス濃度の検出を行うことが可能なガス濃度検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガス濃度検出装置は、固体電解質体と該固体電解質体に設けられる少なくとも一対の電極とを有するセンサ素子を備えた限界電流式のガス濃度センサに適用され、いずれか１つの前記一対の電極間に流れる素子電流に基づいて被測定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おいて、前記素子電流を測定する電流測定手段と、前記センサ素子の素子温度を測定する温度測定手段と、前記センサ素子へ印加電圧を印加する電圧印加手段であって、前記素子電流と前記素子温度を示す値とに応じた前記印加電圧を示す所定の関係に基づき、所定タイミングで前記印加電圧を印加する電圧印加手段と、前記素子温度が所定の閾値以上の場合に、前記関係に基づいて前記印加電圧の大きさを定め、前記素子温度が所定の閾値未満の場合に、前記固体電解質体がブラックニングを起こさない一定値に前記印加電圧を設定する印加電圧設定手段と、を備えたことを特徴とする。

このガス濃度検出装置によれば、センサ素子の素子温度が閾値未満で固体電解質層が未活性であっても、ブラックニングを抑制しつつ、およそのガス濃度の検出を行うことができ、素子温度が閾値未満でもガス濃度に応じたエンジンの最適制御等を行うこともできる。

前記ガス濃度を推定するための、前記素子電流以外のガス濃度推定情報に基づいて推定ガス濃度を設定するガス濃度推定手段と、前記推定ガス濃度における前記素子温度が前記閾値以上の任意の温度での仮想限界電流域を求める仮想限界電流域設定手段と、をさらに備え、前記印加電圧設定手段は、前記素子温度が前記閾値未満の場合に、前記一定値を前記仮想限界電流域内で設定してもよい。

このガス濃度検出装置によれば、素子温度が閾値未満から閾値に上昇して固体電解質体が活性したときに、一定値は固体電解質体の活性温度域の任意の温度の限界電流域の範囲内となるから、一定値を印加電圧として印加することで、素子温度が閾値以上になったときに直ちに正確なガス濃度の検出を行うことができる。
なお、「素子温度が前記閾値以上の任意の温度」とは、閾値丁度の温度でもよいし、閾値以上の温度かつ固体電解質体が活性化したと判断する温度（活性判断温度）以下の任意の温度でもよい。ここで、活性判断温度よりも低い温度とは、活性判断に誤差許容幅を設ける場合、具体的には活性判断温度に対し、例えば２０℃低い温度を閾値として設ける場合を考慮している。
この場合、印加電圧を定めるに当たり、活性判断温度よりも誤差許容分（２０℃）低い温度（つまり、素子温度の閾値）で前記所定の関係に基づいた印加電圧の印加が開始されるが、閾値未満の場合に利用する限界電流域は、素子温度の閾値以上で、かつ活性判断温度以下の任意の温度（つまり、閾値から＋２０℃以内の温度）での限界電流域を利用する。このように、活性判断温度に誤差許容幅を設けた場合は、誤差を除いた、活性判断温度に近い温度での限界電流域を利用することもできる。

前記一定値は、前記推定ガス濃度がリーンである程、前記仮想限界電流域内の大きい値であり、前記推定ガス濃度がリッチである程、前記仮想限界電流域内の小さい値であるとよい。
このガス濃度検出装置によれば、仮想限界電流域のどの値に一定値をするかをリッチとリーンとで変更することで、素子温度が閾値以上となったとき、印加電圧の変化量が少なくて済むので、正確なガス濃度の検出をより早く行うことができる。

前記関係は、前記素子温度を表す値と前記素子電流との積に対し、前記印加電圧が比例する一次関数をなしてもよい。
このガス濃度検出装置によれば、印加電圧を迅速に算出できる。

前記センサ素子の前記固体電解質体と前記一対の電極とが温度検出部を構成し、前記温度測定手段は前記温度検出部のインピーダンスを測定し、前記温度を表す値は、前記インピーダンスであってもよい。
このガス濃度検出装置によれば、温度検出部を別個に設けずに、センサ素子が備える固体電解質体と一対の電極とによって温度を検出できる。

この発明によれば、ガス濃度検出装置のセンサ素子の素子温度が閾値未満で固体電解質体が未活性であっても、ブラックニングを抑制しつつ、ガス濃度の検出を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係るガス濃度検出装置と、ガス濃度センサとを含むシステムのブロック図である。 厚み方向から見たときのセンサ素子の部分破断図である。 図２のＡ−Ａ線に沿うセンサ素子の断面とガス濃度検出装置の構成を示す図である。 空燃比センサの印加電圧とポンプ電流との関係（Ｖ−Ｉ特性）を示す図である。 素子温度が所定の閾値以上の場合に、印加電圧を設定する具体的方法を示す図である。 素子温度が所定の閾値未満の場合に、印加電圧を設定する具体的方法を示す図である。 印加電圧設定手段及び電流測定手段が行う処理フローを示す図である。 従来の限界電流式の空燃比センサの素子温度が閾値未満の場合に、ブラックニング発生領域で電圧を印加した状態を示す図である。

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態におけるガス濃度検出装置７と、ガス濃度センサ５とを含むシステムのブロック図、図２は厚み方向から見たときのセンサ素子９の部分破断図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿うセンサ素子９の断面とガス濃度検出装置７の構成を示す図である。

図１において、例えば車両のエンジン１の排気管３に、空燃比センサ（ガス濃度センサ）５が取付けられており、ガス濃度検出装置７は、この空燃比センサ５からの出力に基づいて、エンジン１から排出される排気ガス（被測定ガス）中の特定成分のガス濃度（本実施形態では酸素濃度、従って、空燃比）を検出する。

図２及び図３に示すように、空燃比センサ５は、酸素濃度を検出する積層型のセンサ素子９を備えている。このセンサ素子９は長尺の素子であり、図示しないハウジング等に収容されている。
詳しくは、センサ素子９は、層状の固体電解質体（固体電解質層）１１と、拡散抵抗層１３と、中間絶縁層１５と、第１外側絶縁層１７と、第２外側絶縁層１９と、を備えると共に、測定室２１と基準酸素室２３とを備えている。

このうち、固体電解質層１１は、例えば部分安定化ジルコニア等の酸素イオン導電性を有する電解質体からなる矩形板状をなしている。そして、固体電解質層１１の測定室２１に対向する表面（図３の上面）に第１電極２５が配置され、基準酸素室２３に対向する表面（図３の下面）に第２電極２７が配置されている。つまり、一対の両電極２５、２７は、固体電解質層１１を挟んで対向して配置されている。なお、両電極２５、２７は例えば白金からなる。
また、両電極２５、２７及び固体電解質層１１を素子部１０と称する。

拡散抵抗層１３は、固体電解質層１１と第１外側絶縁層１７との間に配置された多孔質層であり、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる。この拡散抵抗層１３により、外部（排気管３内の空間）から測定室２１内に導入される排気ガス（酸素）の量が律速され、両電極２５、２７に流れる素子電流が限界電流となる。
中間絶縁層１５は、固体電解質層１１と第１外側絶縁層１７との間に配置された緻密な（ガス不透過性の）層であり、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる。この中間絶縁層１５は、拡散抵抗層１３と共に測定室２１の周囲を囲むように配置され、中間絶縁層１５の外周の一部が形成されず、その部位に拡散抵抗層１３が介在している。

第１外側絶縁層１７は、測定室２１、中間絶縁層１５及び拡散抵抗層１３を、図３の上方から覆うように配置された緻密な層であり、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる。
第２外側絶縁層１９は、基準酸素室２３の周囲を覆うように配置された緻密な層であり、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる。なお、図示しないが第２外側絶縁層１９には、センサ素子９を加熱するヒータが埋設されている。
測定室２１は、外部から拡散抵抗層１３を介して排気ガスが導入される直方体形状の空間であり、その内部の固体電解質層１１に第１電極２５が配置されている。
基準酸素室２３は、大気が導入される長尺の空間であり、図３の上方に開口し、その内部の固体電解質層１１に第２電極２７が配置されている。

次に、ガス濃度検出装置７の電気的構成について説明する。
図３に示すように、ガス濃度検出装置７は、センサ素子９（従って、空燃比センサ５）の動作を制御して、排気ガスの酸素濃度（従って、空燃比）を検出する装置であり、マイコン３１と電気制御回路３３とを備えている。
マイコン３１は、周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えた電子制御装置である。ＲＯＭには、後述する印加電圧線やヒステリシスなど、制御に必要なデータが記憶されている。
電気制御回路３３は、マイコン３１によって制御され、両電極２５、２７間に電圧（印加電圧Ｖｐ）を印加すると共に、両電極２５、２７に流れる素子電流（ポンプ電流Ｉｐ）を測定する。
マイコン３１及び電気制御回路３３は、電圧印加手段７ａ、電流測定手段７ｂ、温度測定手段７ｃ、印加電圧設定手段７ｄ、ガス濃度推定手段７ｅ、仮想限界電流域設定手段７ｆをそれぞれ実現する。

次に、空燃比センサ５の基本的な動作のうち、酸素のポンピングについて説明する。
図３に示すように、センサ素子９の周囲の排気ガスは、拡散抵抗層１３を介して測定室２１内に導入される。なお、ここでは第１電極２５が負、第２電極２７が正となるように電圧を印加する場合について説明する。

まず、排気ガス中の燃料がストイキ（理論空燃比：Ａ/Ｆ＝１４．６）より少ない場合（いわゆるリーンの場合）には、排気ガス中の酸素は、両電極２５、２７間に印加電圧Ｖｐを印加することにより、第１電極２５にて酸素イオンとなる。これにより、酸素イオンが第１電極２５から固体電解質層１１を通過して第２電極２７へ移動することができ、この酸素イオンは第２電極２７で酸素となって基準酸素室２３に排出される。つまり、測定室２１から酸素の汲み出しが行われ、第２電極２７から第１電極２５に正電流である素子電流（以下、ポンプ電流Ｉｐともいう）が流れる。

一方、排気ガス中の燃料がストイキより多い場合（いわゆるリッチの場合）には、リーンの場合とは逆に、基準酸素室２３内の酸素は、第２電極２７にて酸素イオンとなる。これにより、酸素イオンが第２電極２７から固体電解質層１１を通過して第１電極２５へ移動することができ、この酸素イオンは第１電極２５で酸素となって測定室２１に排出される。つまり、測定室２１へ酸素の汲み入れが行われ、第１電極２５から第２電極２７に負電流である素子電流（ポンプ電流Ｉｐ）が流れる。
従って、後述するように、ポンプ電流Ｉｐに基づいて排気ガス中の空燃比を検出することができる。

次に、印加電圧Ｖｐとポンプ電流Ｉｐとの関係、及びガス濃度検出に用いる印加電圧線ＩＤについて説明する。なお、印加電圧線ＩＤが特許請求の範囲の「所定の関係」に相当する。
図４に示すように、印加電圧Ｖｐとポンプ電流Ｉｐとの関係を示すグラフ（特性ラインＴＬ）は、印加電圧Ｖｐの増加に比例してポンプ電流Ｉｐが変化する比例部分ＨＢと、電圧軸に平行な平坦部分、及びこの平坦部分よりも印加電圧Ｖｐが高い領域で印加電圧Ｖｐの増加に比例してポンプ電流Ｉｐが増加する高電圧部分ＨＣとを有している。
高電圧部分ＨＣでは、電子伝導による電流が生じ、酸素濃度の増加に対して電流の増加する割合が急激に大きくなるため、ガス濃度センサ５が測定不能になったり、センサ素子９が破損するので、高電圧部分ＨＣでセンサ素子９を動作させないようにする必要がある。

比例部分ＨＢは、センサ素子９の素子部１０（詳しくは固体電解質層１１）の直流内部抵抗（以下、単にインピーダンスＲｉともいう）に影響される抵抗支配領域である。つまり、抵抗支配領域では、印加電圧Ｖｐの増加に比例してポンプ電流Ｉｐが増加する。なお、インピーダンスＲｉは、センサ素子９（固体電解質層１１）の温度（素子温度）によっても変化する。
また、平坦部分は、印加電圧Ｖｐが変化してもポンプ電流Ｉｐが実質的に変化せず一定の値（限界電流）を保つ領域である。この平坦部分は、酸素濃度（従って、空燃比）に対応したポンプ電流Ｉｐを示す限界電流域ＧＤであり、限界電流の変化が、空燃比の変化に対応している。

つまり、空燃比がリーン側になるほど、ポンプ電流Ｉｐが示す限界電流は増加し、空燃比がリッチ側になるほど、限界電流は減少するので、限界電流から空燃比を求めることができる。
例えば、図４に示す特性ラインＴＬにおいて、各空燃比に応じた各限界電流域ＧＤのすべてを通るように、印加電圧特性を示す１本の直線状の印加電圧線ＩＤを設定し、印加電圧線ＩＤに従って所定の印加電圧Ｖｐを印加し、その際に得られる（限界電流を示す）ポンプ電流Ｉｐに基づいて、空燃比を求めることができる。

なお、図４の特性ラインＴＬは、センサ素子９が所定の素子温度の場合を示し、既に述べたように、特性ラインＴＬ自体も素子温度によって変化する。このため、例えばリーン雰囲気の場合、印加電圧Ｖｐを印加するタイミングと別のタイミングで、図４に示すように、正の限界電流域ＧＤとは無関係なマイナスの電圧Ｖｘを印加し、そのときの比例部分ＨＢと交わる素子電流Ｉｘを測定し、インピーダンスＲｉ＝Ｖｘ/Ｉｘを求める。インピーダンスＲｉは素子温度と一定の関係を持つから、これより素子温度を求め、その素子温度に対応した特性ラインＴＬを用いることとなる。なお、このとき求めたインピーダンスＲｉは直流抵抗成分である。
従って、センサ素子９の固体電解質層１１と一対の電極２５，２７とが特許請求の範囲の「温度検出部」を構成する。又、インピーダンスＲｉが特許請求の範囲の「温度を表す値」に相当し、温度測定手段７ｃは温度検出部のインピーダンスを測定することとなる。
一方、リッチ雰囲気の場合、図４の負の限界電流域ＧＤとは無関係なプラスの電圧を印加し、そのときの比例部分ＨＢと交わる素子電流を測定し、同様にインピーダンスＲｉを求める。

次に、図５、図６を参照し、印加電圧Ｖｐを設定する具体的な手順について説明する。
まず、温度測定手段７ｃは、上述のようにしてインピーダンスＲｉを測定し、それに基づいて素子温度を求める。素子温度が所定の閾値以上（固体電解質体が活性）の場合、図５に基づいて以下の手順で印加電圧Ｖｐを設定する。
図５において、電圧印加手段７ａは、両電極２５、２７間に初期の印加電圧Ｖ０を印加する。この印加電圧Ｖ０は、特性ラインＴＬ０の限界電流域ＧＤの範囲内であり、電流測定手段７ｂは、素子電流（ポンプ電流）Ｉ０を限界電流として測定し、限界電流Ｉ０に対応する酸素濃度（空燃比）を求める。
次の測定タイミングにて、電圧印加手段７ａは、直前のタイミングで測定されたポンプ電流Ｉ０に応じた印加電圧線ＩＤに基づき、両電極２５、２７間に印加電圧Ｖ１を印加する。例えば、印加電圧線ＩＤとしては、以下の一次式を用いることができる。
印加電圧Ｖｐ＝インピーダンスＲｉ×（ポンプ電流Ｉｐ）＋β （１）
βとしては定数を用いることができる。従って、印加電圧線ＩＤはインピーダンスＲｉ（すなわち、センサ素子９の温度）とポンプ電流Ｉｐとによって変化する。このように、インピーダンスＲｉ及びポンプ電流Ｉｐから印加電圧線ＩＤによって求められ、次のタイミングで印加される印加電圧Ｖｐを、適宜「想定電圧」という。

上記式（１）にＩｐ＝Ｉ０を代入すると、印加電圧（想定電圧）Ｖ１は、印加電圧線ＩＤが特性ラインＴＬ０と丁度交わるときの値となる。このとき、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）が変化しなければ、印加電圧Ｖ１に対してポンプ電流（限界電流）Ｉ０が検出される。
一方、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）が増えた場合、印加電圧Ｖ１に対するポンプ電流Ｉ１はＩ０より大きくなる。従って、電流測定手段７ｂは、ポンプ電流Ｉ１を限界電流として測定し、限界電流Ｉ１に対応する酸素濃度（空燃比）を求める。次いで、電圧印加手段７ａは、上記式（１）にＩｐ＝Ｉ１を代入したときの印加電圧Ｖ２を印加する。印加電圧Ｖ２は、印加電圧線ＩＤが特性ラインＴＬ１と丁度交わるときの値であり、特性ラインＴＬ１は特性ラインＴＬ０よりも酸素濃度が高いときのラインである。
このようにして、酸素濃度が高くなるほど、限界電流域ＧＤが高電圧側にシフトするのに応じ、印加電圧を増加させて限界電流域ＧＤから外れないようにしている。

又、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）が減った場合、印加電圧Ｖ１に対するポンプ電流Ｉ１'はＩ０より小さくなる。従って、電流測定手段７ｂは、ポンプ電流Ｉ１'を限界電流として測定し、限界電流Ｉ１'に対応する酸素濃度（空燃比）を求める。次いで、電圧印加手段７ａは、上記式（１）にＩｐ＝Ｉ１'を代入したときの印加電圧Ｖ２'を印加する。印加電圧Ｖ２'は、印加電圧線ＩＤが特性ラインＴＬ１'と丁度交わるときの値であり、特性ラインＴＬ１'は特性ラインＴＬ０よりも酸素濃度が低いときのラインである。
このようにして、酸素濃度が低くなるほど、限界電流域ＧＤが低電圧側にシフトするのに応じ、印加電圧を減少させて限界電流域ＧＤから外れないようにしている。
なお、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）がさらに減ってリッチになった場合には、図示はしないが、マイナスのポンプ電流を限界電流として測定し、限界電流に対応する酸素濃度（空燃比）を同様にして求める。

ところが、車両のキーオン時などでセンサ素子が十分に温まらず、素子温度が閾値未満で固体電解質体が未活性の場合がある。この場合にセンサ素子９に電圧を印加してガス濃度を検出しようとすると、ブラックニングが生じるおそれがあるのは既に述べた通りである。一方、素子温度が閾値未満（固体電解質体が未活性）であっても、ブラックニングを抑制しつつ、およそのガス濃度の検出を行いたいという要望がある。
そこで、温度測定手段７ｃが測定した素子温度が閾値未満（固体電解質体が未活性）の場合、図６に基づいて以下の手順で印加電圧Ｖｐを設定する。なお、図６の特性ラインＴＬ３は、素子温度が閾値未満における、その素子温度での特性ラインを示す。又、特性ラインＴＬ４は、後述する仮想限界電流域ＧＤｖの特性ラインを示す。

まず、特性ラインＴＬ３は、印加電圧Ｖｂ以上の電圧を印加するとブラックニング発生領域ＢＬに入ることが予めわかっているとする。ブラックニング発生領域ＢＬは、例えば事前に固体電解質層１１の材料、素子温度、被測定ガスの酸素濃度等に応じて求めておけばよく、ブラックニング発生領域ＢＬを例えば被測定ガスの酸素濃度（＝ポンプ電流Ｉｐ）、印加電圧Ｖｐとの関係を示すマップや関係式として、マイコン３１のＲＯＭに記憶してもよい。
そして、リーン雰囲気の場合、印加電圧設定手段７ｄは、適宜上述のマップ等を参照し、固体電解質層１１がブラックニングを起こす印加電圧Ｖｂ未満の一定値に印加電圧Ｖｓを設定する。
次に、電圧印加手段７ａは、図５と同様にして両電極２５、２７間に印加電圧Ｖｓを印加し、そのときのポンプ電流Ｉｖを限界電流として測定し、限界電流Ｉｖに対応する酸素濃度（空燃比）を求める。

次の測定タイミングにて、素子温度が閾値以上であれば、電圧印加手段７ａは、図５と同様な処理を行い、素子温度が閾値未満であれば、印加電圧設定手段７ｄは上記と同様、固体電解質層１１がブラックニングを起こす印加電圧未満の一定値に印加電圧を設定する。

これにより、センサ素子９の素子温度が閾値未満で固体電解質層１１が未活性であっても、ブラックニングを抑制しつつ、およそのガス濃度の検出を行うことができ、素子温度が閾値未満でもガス濃度に応じたエンジンの最適制御等が行え、素子温度が閾値以上になったときに直ちに正確なガス濃度の検出を行うこともできる。

なお、リッチ雰囲気の場合、印加電圧設定手段７ｄは、適宜上述のマップ等を参照し、固体電解質層１１がブラックニングを起こす印加電圧−Ｖｂより大きな一定値に印加電圧−Ｖｓを設定する。
次に、電圧印加手段７ａは、図５と同様にして両電極２５、２７間に印加電圧−Ｖｓを印加し、そのときのポンプ電流−Ｉｖを限界電流として測定し、限界電流−Ｉｖに対応する酸素濃度（空燃比）を求める。以下、上記と同様にして処理を続ける。

図７は、印加電圧設定手段７ｄ及び電流測定手段７ｂが行う処理フローを示す。
まず、印加電圧設定手段７ｄは、素子電流（ポンプ電流）Ｉｐを所定の初期値Ｉｐ０に設定する（ステップＳ２）。次に、印加電圧設定手段７ｄは、温度測定手段７ｃが測定したインピーダンスＲｉが閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ４）。
ステップＳ４でＮｏ（素子温度が閾値以上で固体電解質体が活性）の場合、印加電圧設定手段７ｄは、図５に示すようにして、本フローの前回に用いた素子電流Ｉｐから印加電圧線ＩＤに基づいて算出した印加電圧Ｖｐを設定する（ステップＳ６）。
そして、電圧印加手段７ａはこの印加電圧Ｖｐを印加し電流測定手段７ｂはこのときの素子電流Ｉｐを限界電流として測定し（ステップＳ８）、酸素濃度（空燃比）を求める（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０の後、印加電圧設定手段７ｄはサンプリング時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ１２）、「Ｙｅｓ」であればステップＳ４に戻り、「Ｎｏ」であれば経過するまで待機する。

なお、図７のフローのスタートでは、ステップＳ６において、素子電流Ｉｐは初期値Ｉｐ０であるから、図５より初期値Ｉｐ０に対応する印加電圧Ｖｐを印加電圧線ＩＤから設定する。そして、ステップＳ１２が「Ｙｅｓ」で本フローを繰り返す際には、この印加電圧Ｖｐを印加したときの素子電流Ｉｐ１から、印加電圧線ＩＤに基づいて次の印加電圧Ｖｐ１を順次設定することになる。

一方、ステップＳ４でＹｅｓ（素子温度が閾値未満で固体電解質体が未活性）の場合、印加電圧設定手段７ｄは、印加電圧Ｖｐとして一定値Ｖｃを設定する（ステップＳ１４）。この一定値Ｖｃは、図６で印加電圧Ｖｂ未満の値（Ｖｓ等）に相当する。

ところで、ステップＳ４でＹｅｓの場合に、印加電圧Ｖｐとして設定する一定値Ｖｃとしては、図６の印加電圧Ｖｂ未満の値であればよいが、ステップＳ４がＮｏ（素子温度が閾値丁度）になったときに、に直ちに正確なガス濃度の検出を行えるよう、素子温度が閾値丁度のときの限界電流域（仮想限界電流域ＧＤｖ）の範囲内に一定値Ｖｃを設定することが好ましい。
このようなことから、ガス濃度推定手段７ｅは素子電流以外の情報からガス濃度を推定し、仮想限界電流域設定手段７ｆが、その推定ガス濃度における素子温度が閾値丁度のときに仮想限界電流域ＧＤｖ（図６の特性ラインＴＬ４の限界電流域）を求めるとよい。
この場合、印加電圧設定手段７ｄは、仮想限界電流域ＧＤｖで一定値Ｖｃを設定することになる。例えば、図６の場合、一定値Ｖｃは、仮想限界電流域ＧＤｖの最大電圧Ｖｍａｘ以下に設定される。
これにより、素子温度が閾値未満から閾値丁度に上昇して固体電解質体が活性したときに、一定値Ｖｃはこのときの特性ラインＴＬ４の限界電流域の範囲内となるから、一定値Ｖｃを印加電圧として印加することで、素子温度が閾値以上になったときに直ちに正確なガス濃度の検出を行うことができる。なお、素子の活性温度と、上述の閾値とが一致しない場合、素子温度が、閾値丁度の温度でなく、閾値よりも高い温度であるときの限界電流域を、仮想限界電流域としてもよい。

なお、ガス濃度推定手段７ｅは、例えば車両のＥＣＵであり、例えばエンジンの回転数や吸入空気量、スロットル開度等とガス濃度との関係を示す情報（特許請求の範囲の「素子電流以外のガス濃度推定情報」）から、素子温度が閾値未満のときにこれらエンジンの回転数等の情報を取得し、ＲＯＭ等に格納されたガス濃度情報（マップ情報）からガス濃度を推定する。
又、仮想限界電流域設定手段７ｆは、ＲＯＭ等にガス濃度に関連づけて格納された特性ラインを取得し、仮想限界電流域ＧＤｖを求める。なお、この特性ラインは例えば、ガス濃度に関連づけたマップでもよく、ガス濃度との関係式でもよい。

又、一定値Ｖｃは、推定ガス濃度がリーンである程、仮想限界電流域ＧＤｖ内の大きい値（図６の右側）であり、推定ガス濃度がリッチである程、仮想限界電流域内の小さい値（図６の左側）であるとよい。
このようにすると、リーン雰囲気では、仮想限界電流域ＧＤｖが、素子温度が閾値未満のときの限界電流域（ＧＤ）に比べ低い領域にあるので、一定値Ｖｃを仮想限界電流域ＧＤｖ内の大きい値にすることで、素子温度が閾値未満のときにブラックニングを起こさない一定値にしつつ、その後、素子温度が閾値以上に上昇したときは限界電流域内になることで、素子温度が閾値以上になったときに直ちに正確なガス濃度の検出を行うことができる。
一方、リッチ雰囲気では、仮想限界電流域ＧＤｖが、素子温度が閾値未満のときの限界電流域に比べ高い領域にあるので、同様に、一定値Ｖｃを仮想限界電流域ＧＤｖ内の小さい値にすることで、素子温度が閾値未満のときにブラックニングを起こさない一定値にしつつ、その後、素子温度が閾値以上に上昇したときは限界電流域内になることで、素子温度が閾値以上になったときに直ちに正確なガス濃度の検出を行うことができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
ポンプ電流に応じた印加電圧を示す所定の関係は、上記印加電圧線ＩＤに限られず、例えば直線以外の曲線や、ＲＯＭ等に格納したマップ等であってもよい。
又、上記実施形態では、式（１）でポンプ電流Ｉｐから印加電圧Ｖｐを求め、求めたＶｐを電極間に印加したが、電極間の印加電圧がＶｐとなるようにポンプ電流を調整してもよい。この場合は、印加電圧を直接調整するのではなく、ポンプ電流を調整することで、間接的に電極間の電圧が所定電圧となるようにしている。この場合でも、電極間の電圧とその時のポンプ電流との関係から、酸素濃度を測定することができる。

５ ガス濃度センサ
７ ガス濃度検出装置
７ａ 電圧印加手段
７ｂ 電流測定手段
７ｃ 温度測定手段
７ｄ 印加電圧設定手段
７ｅ ガス濃度推定手段
７ｆ 仮想限界電流域設定手段
９ センサ素子
１１ 固体電解質体（固体電解質層）
２５，２７ 一対の電極
Ｖｐ，Ｖ０，Ｖ１ 印加電圧
Ｉｐ、Ｉ０，Ｉ１ 素子電流（ポンプ電流）
ＧＤ 限界電流域
ＧＤｖ 仮想限界電流域

Claims (5)

1. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる少なくとも一対の電極とを有するセンサ素子を備えた限界電流式のガス濃度センサに適用され、いずれか１つの前記一対の電極間に流れる素子電流に基づいて被測定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おいて、
   前記素子電流を測定する電流測定手段と、
   前記センサ素子の素子温度を測定する温度測定手段と、
   前記センサ素子へ印加電圧を印加する電圧印加手段であって、前記素子電流と前記素子温度を示す値とに応じた前記印加電圧を示す所定の関係に基づき、所定タイミングで前記印加電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記素子温度が所定の閾値以上の場合に、前記関係に基づいて前記印加電圧の大きさを定め、前記素子温度が所定の閾値未満の場合に、前記固体電解質体がブラックニングを起こさない一定値に前記印加電圧を設定する印加電圧設定手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記ガス濃度を推定するための、前記素子電流以外のガス濃度推定情報に基づいて推定ガス濃度を設定するガス濃度推定手段と、
   前記推定ガス濃度における前記素子温度が前記閾値以上の任意の温度での仮想限界電流域を求める仮想限界電流域設定手段と、をさらに備え、
   前記印加電圧設定手段は、前記素子温度が前記閾値未満の場合に、前記一定値を前記仮想限界電流域内で設定することを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
3. 前記一定値は、前記推定ガス濃度がリーンである程、前記仮想限界電流域内の大きい値であり、前記推定ガス濃度がリッチである程、前記仮想限界電流域内の小さい値であることを特徴とする請求項２記載のガス濃度検出装置。
4. 前記関係は、前記素子温度を表す値と前記素子電流との積に対し、前記印加電圧が比例する一次関数をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
5. 前記センサ素子の前記固体電解質体と前記一対の電極とが温度検出部を構成し、前記温度測定手段は前記温度検出部のインピーダンスを測定し、
   前記温度を表す値は、前記インピーダンスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。

Images