JP3589872B2 - Method and apparatus for detecting exhaust gas concentration - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
内燃機関から排出されるガスに含まれる有害ガス成分の濃度を測定する排出ガス濃度検出方法及びその装置に関し、特にNOxガスセンサの出力のゼロ点を校正する方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
排出ガス規制の強化に伴って排出ガス中の有害ガス成分であるCO、HC、NOxの濃度を直接測定可能なセンサが強く求められている。そこで、酸化物半導体タイプ、あるいはZrO等の酸素イオン導電体を用いた限界電流タイプのガスセンサの開発が進められている。酸化物半導体タイプのガスセンサは、酸化物半導体の電気抵抗の変化が該酸化物半導体への所定ガス成分の吸着量に比例することを利用したセンサである。一方、限界電流タイプのガスセンサ(NOxセンサ)として、例えば、酸素イオン導電体上にNOx解離触媒能を有する電極を配置して酸素イオンポンプセルを構成し、前記酸素イオンポンプセルが面する空間に酸素濃度が制御されたガスを拡散させ、該空間においてNOxを分解し、解離した酸素イオンを前記酸素イオンポンプセルを用いて汲み出し、前記酸素イオンポンプセルに流れる電流よりNOxガス濃度を求めるセンサが提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、酸化物半導体タイプのガスセンサはその再現性に問題がある。一方、限界電流タイプのセンサにおいては、再現性や繰り返し精度に問題はないものの、原理的に検出する電流(前記酸素イオンポンプセルに流れる電流)が数マイクロアンペア程度と非常に小さいという問題がある。また、前記電極表面上の触媒作用により有害ガス成分(例えば、NOx)の分解を制御あるいは抑制しているため、長期間の使用により触媒活性が変化しゼロ点(所定成分の濃度が実質的にゼロであることを示すガスセンサの検出出力)がシフトするという問題を抱えている。このため、いずれのタイプのガスセンサも、内燃機関、特に車両の排ガス系に取り付けられるセンサのように使用環境が大きく変化し、長期に渡って使用されるセンサとして用いられるには至っていない。
【0004】
上記事情を鑑みて、本発明の目的は、長期間に渡って精度の高いガス濃度測定を行うことができるガスセンサを用いた排出ガス濃度検出方法及びその装置、特にNOxガスセンサの検出出力のゼロ点を校正する方法及びその装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第1の手段は、内燃機関の排気管に取り付けられ、前記内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出方法であって、前記NOxセンサに大気雰囲気を導入して、前記第1酸素ポンプセルに流れる電流から前記NOxセンサに導入されるガス中の酸素濃度を測定し、該測定された酸素濃度が大気中の酸素濃度に相当するときの前記NOxセンサの検出出力に基づいて、前記NOx濃度がゼロであることを示す該NOxセンサの検出出力のゼロ点を校正する手段ないし工程と、前記校正された検出出力に基づいて前記NOx濃度を検出する手段ないし工程と、を有することを特徴としている。本発明の第2の手段は、内燃機関への燃料供給をカットして、前記NOxセンサに導入されるガス中の前記NOx濃度を実質的にゼロ又は大気と実質的に同一のレベルとし、且つ前記第1酸素ポンプセルに流れる電流から前記NOxセンサに導入されるガス中の酸素濃度を測定する手段ないし工程と、該測定された酸素濃度が大気中の酸素濃度に相当するときの前記NOxセンサの検出出力に基づいて、前記NOx濃度がゼロであることを示す該NOxセンサの検出出力のゼロ点を校正する手段ないし工程と、前記校正された検出出力に基づいて前記NOx濃度を検出する手段ないし工程と、を有することを特徴としている。
【0006】
第3の手段は、内燃機関の空燃比をリッチとして排出ガス中の所定成分を還元する手段ないし工程と、この還元により前記所定成分の濃度を実質的にゼロ又は大気と実質的に同一のレベルとした際の該ガスセンサの検出出力に基づいて、前記所定成分の濃度がゼロであることを示す該ガスセンサの検出出力のゼロ点を校正する手段ないし工程と、前記校正された検出出力に基づいて前記所定成分の濃度を検出する手段ないし工程と、を有することを特徴としている。第4の手段は、内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度が推定可能あるいは既知となる条件で内燃機関を運転する手段ないし工程と、該運転条件下におけるNOxセンサの検出出力に基づいて該NOxセンサの検出出力の校正を行う手段ないし工程と、前記校正された検出出力に基づいて前記NOx濃度を検出する手段ないし工程と、有することを特徴としている。
【0007】
第5の手段は、前記NOxセンサは、第1及び第2空隙部、第1及び第2拡散抵抗部、第1及び第2酸素イオンポンプセルを備え、前記第1拡散抵抗部を介して前記ガスが前記第1空隙部に拡散し、前記第1酸素イオンポンプセルが前記第1拡散抵抗部を介して前記第1空隙部に拡散したガス中の酸素濃度が所定濃度となるように該第1空隙部から酸素を汲み出し、酸素濃度が前記所定濃度とされたガスが前記第1空隙部から前記第2拡散抵抗部を介して前記第2空隙部へ拡散し、前記第2空隙部でNOxを分解し、前記第2酸素イオンポンプセルにより解離した酸素イオンを汲み出して該第2酸素イオンポンプセルに流れる電流よりNOx濃度を検出するものであることを特徴としている。
第6の手段は、NOx吸蔵型触媒の下流に前記NOxセンサが取り付けられ、前記NOx吸蔵型触媒に吸蔵されたNOxを浄化するために一時的に空燃比をリッチにした際の前記NOxセンサの検出出力に基づいて前記ゼロ点の校正を行うことを特徴としている。
【0008】
第7の手段は、内燃機関の排気管に取り付けられ、前記内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出方法であって、前記NOx濃度が推定可能あるいは既知となる条件で内燃機関を運転し、該運転条件下において前記第1酸素ポンプセルに流れる電流から前記NOxセンサに導入されるガス中の酸素濃度を測定し、該測定された酸素濃度が大気中の酸素濃度に相当するときの前記NOxセンサの検出出力に基づいて該NOxセンサの検出出力の校正を行い、前記校正された検出出力に基づいて前記NOx濃度を検出することを特徴としている。
第8の手段は、内燃機関の排気管に取り付けられ、前記内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサであって、内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサと、前記NOx濃度が推定可能あるいは既知となる前記内燃機関の運転条件を設定する運転条件設定手段と、前記運転条件設定手段により設定された前記運転条件下において前記第1酸素ポンプセルに流れる電流から前記NOxセンサに導入されるガス中の酸素濃度を測定し、該測定された酸素濃度が大気中の酸素濃度に相当するときの前記NOxセンサの検出出力に基づいて該NOxセンサの検出出力の校正を行う校正手段とを備えたことを特徴としている。
【0009】
本発明に基づくガスセンサの検出出力の校正方法は、内燃機関の運転条件の中でも、有害排出ガス成分の濃度が推定できる条件下のガスセンサの検出出力に基づいて、ガスセンサの校正(キャリブレーション)を行うことを特徴としている。一般に電子制御式の燃料供給装置を有する車両の内燃機関においては、例えば、減速時など出力が不要となる際には燃料供給をカットするため、排出ガス中のNOx、HC、CO等の有害ガス成分の濃度は大気とほぼ同じレベルになる。一方、通常の運転条件下では内燃機関から排出される有害ガス成分の濃度は、大気中のレベルと比較すると大幅に高い。従って、燃料カットが働く際にガスセンサの校正を行うことにより、長期間使用後も有害排出ガス成分の濃度が正確に検出できることとなる。また、前述のように、ガスセンサの長期使用により変化するのは検出出力のゼロ点(オフセット)であるため、このゼロ点を補正すればよい。すなわち、燃料カットが働いた際の検出出力を例えばNOx濃度ゼロを示すレベルとすればよい。
【0010】
また、ガスセンサの検出出力のオフセット値(被検出成分の濃度がゼロの場合の検出出力、ゼロ点の検出出力)に酸素濃度依存性がある場合(酸素濃度によってオフセット値が変化する場合)には、被検出成分の濃度と酸素濃度が既知である前記燃料カットの際の検出出力値に基づいてすべての(各酸素濃度に対する)オフセットを補正すればよい。例えば、メモリに格納された所定酸素濃度に対応するオフセットの初期値(OF1)と、前記燃料カットの際の前記所定酸素濃度に対応する検出出力値(OF2)の差、“OF1−OF2”をメモリに格納されている各々の酸素濃度に対応するオフセット値OF[O]から引き、その値を新たなオフセット値OF[O]としてメモリに格納すれば良い。また、酸素濃度を測定可能なセンサでは、燃料カット時には大気中とほとんど同じ酸素濃度、すなわち酸素濃度20.9%のガスがセンサに供給されるため、感度(ゲイン)の校正が可能である。例えば、後述のNOxセンサに本発明の検出方法を適用することにより、第1酸素ポンプ電流の感度の校正ができ、耐久使用後も正確な酸素濃度の測定ができる。
【0011】
また、ガスセンサがNOxセンサであり、このNOxセンサをNOx吸蔵触媒の下流に設置する場合には、吸蔵されたNOxを還元するためにリッチ雰囲気のスパイクを入れる。このタイミングではNOxの排出量はほとんどないため、上記と同様にゼロ点の校正が可能である。さらに、この場合、リッチ雰囲気のスパイクを入れた前後でNOxセンサの検出出力を比較すれば、オフセットの変化を考慮する必要なく触媒の劣化(NOx吸蔵量の低下)が検出可能である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。本発明が好ましく適用されるガスセンサは、内燃機関の排気ガス中の有害成分、例えば可燃性のCO、HC、NOx成分の濃度を検出可能なガスセンサである。COセンサとして、例えば、In等の酸化物半導体素子を用いたガスセンサが適用される。また、HCセンサとして、いずれも被検ガス中に曝された酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子を備え、該酸素濃淡電池素子に発生する起電力が所定値以下に到達したときの該酸素ポンプ素子に流れる電流値から可燃ガス成分濃度を求めるガスセンサが適用される。また、酸素ポンプセルと、酸素センサセルと、酸化物半導体からなる可燃ガス成分濃度検知部を備えたガスセンサが適用される。また、NOxセンサとして2組の拡散抵抗部、酸素イオンポンプセル及び空隙をそれぞれ備えたNOxセンサが適用される。このNOxセンサの測定原理は下記の通りである。
【0013】
(1)排出ガスが拡散抵抗を有する第1拡散抵抗部を通って第1空隙部に流入する。(2)第1酸素イオンポンプセルにより、第1空隙部の酸素をすべてのNOxが分解しない程度に汲み出す(酸素分圧検知電極から出力される信号により第1空隙部の酸素分圧を制御する)。(3)第2拡散抵抗部を通って第1空隙部のガス(酸素濃度が制御されたガス)が第2空隙部に流入する。(4)第2空隙部のNOxは、第2酸素イオンポンプセルにより更に酸素を汲み出すことにより、NガスとOガスとに分解される。(5)このとき、第2酸素イオンポンプセルに流れる第2酸素ポンプ電流Ip2とNOxガス濃度の間には直線関係があるため、Ip2を検出することによりNOxガス濃度を検出可能である。(6)また、第1酸素イオンポンプセルが第1空隙部の酸素を汲み出す際に第1酸素イオンポンプセルに流れる第1酸素ポンプ電流Ip1から、排出ガス中の酸素濃度が測定可能であり、この酸素濃度の測定値を用いて第1空隙部でのNOx分解率を求め、さらにはNOxガス濃度を補正することもできる。
【0014】
次に、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおける前記NOxセンサの好ましい使用方法を説明する。図7(a)を参照して、ガソリンエンジン(特にリーンバーンエンジン)の排気ガス浄化システムにおいては、ガソリンエンジンから下流側に向かって、排気管に酸素センサ▲1▼、NOx吸蔵型三元触媒、酸素センサ▲2▼(酸素センサを兼用する上記詳説したNOxセンサ)が順に取り付けられている。酸素センサ▲1▼はエンジン空燃比制御のためのセンサであり、その検出出力に基づいてエンジンに供給する燃料、空気などが制御される。一方、NOx吸蔵型三元触媒の下流に配置された酸素センサ兼用のNOxセンサは、NOx濃度を検出して、三元触媒の作動状態及びその劣化判別を行うためのセンサであり、例えば、その検出出力に基づいて三元触媒が最適作動するようにエンジンなどが制御される。このNOx吸蔵型三元触媒は、三元触媒にNOx吸蔵効果を付与したものであり、空気過剰率λ=1(ストイキ点)では通常の三元触媒として作動し、リーン状態ではNOxを一時的に蓄え、定期的にリッチスパイクを入れることにより一時的に蓄えたNOxが浄化される。一般的に、NOx吸蔵型三元触媒の材質は、PtにNOx吸蔵効果を有するBa等が添加されたものである。
【0015】
また、NOx吸蔵型触媒の下流に配置された前記NOxセンサを用いてNOx吸蔵型触媒の劣化の度合いを検出することができる。すなわち、NOx吸蔵型触媒に吸蔵されたNOxを還元するためにリッチ雰囲気のスパイク(好ましくは、およそ3秒間、空燃比14〜14.5)を入れる際に、このスパイク前後でNOxセンサの検出出力が変化する。劣化していない場合には、スパイク後リーン状態に戻った際のNOxセンサの出力がスパイク前より低下する。これに対して、劣化している場合には、スパイク後リーン状態に戻った際にNOxが浄化されず、NOxセンサの出力は高いままである。よって、リッチスパイク前後のNOxセンサの出力の変化から触媒の劣化が判断できる。また、前記スパイクを入れた際にはNOxがほとんど発生しないため、NOxセンサのゼロ点の校正も可能となる。
【0016】
図7(b)を参照して、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおいては、ディーゼルエンジンから下流側に向かって、排気管にHC源としての軽油を排気ガス中に噴射するための軽油噴射弁、HCセンサ(不図示)、NOx選択還元触媒、上記詳説したNOxセンサが順に取り付けられている。NOx選択還元触媒は軽油噴射により添加されたHCを還元剤としてNOxを窒素とCO、HOとに分解することによりこれを浄化する作用をなす。HCセンサは、NOx選択還元触媒の上流側に配置され、排気ガス中に噴射すべき軽油の量をフィードバック制御するために、軽油噴射後の排気ガス中のHC濃度をモニタする機能を果たすものである。さらに、HC添加前後のNOxセンサの出力変化よりNOx選択還元触媒の劣化が検知可能である。すなわち、NOx浄化能を有する触媒によれば、HCを添加することにより該触媒下流のNOx濃度が低下し、NOxセンサ出力が減少するのに対して、浄化能が劣化した触媒によれば、HCを添加してもNOx濃度が低下しないため、NOxセンサの出力が低下しない。
【0017】
図8は、本発明の一実施形態に係るNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出システムの制御構成を説明するための図である。図8を参照して、前記検出システムは、内燃機関と、排気系に設置された触媒と、触媒の下流に設置されたNOxセンサと、エンジン・コントロール・ユニット(ECU)と、NOxセンサコントローラから構成される。エンジン・コントロール・ユニットは、内燃機関の運転条件(空燃比など)を設定し、触媒の劣化を判断する。NOxセンサコントローラは、NOxセンサを制御する手段と、NOxセンサに流れる第1、第2酸素ポンプ電流Ip1,Ip2を検出し出力する手段と、酸素濃度とIp2オフセット値の関係を示すマップを格納するメモリと、酸素濃度(例えばIp1)に応じてIp2のオフセットを前記メモリから読み出し、これと前記検出手段の出力に基づいて所定の演算を実行し、演算結果をメモリに出力する演算部と、エンジン・コントロール・ユニットから運転条件を示す信号が入力され、Ip1,Ip2検出手段の出力信号が入力され、メモリにオフセット補正信号を出力して、演算部からメモリに出力された信号に基づいてメモリに新たなオフセット値を格納させるオフセット補正手段と、から構成される。
【0018】
このシステムの動作を説明する。NOxセンサコントローラの検出手段はNOxセンサの第2酸素ポンプ電流Ip2を検出し演算部に出力し、演算部はこれをメモリに出力している。ここで、エンジン・コントロール・ユニットが排出ガス中のNOx濃度を実質的にゼロ又は大気と実質的に同一のレベルとする運転条件を設定する。一例としてこの運転条件を燃料カット時、すなわちNOx濃度がゼロ、酸素濃度が20.9%とする。オフセット補正手段にエンジン・コントロール・ユニットから出力される前記条件を示す信号とIp1,Ip2検出手段から出力される該条件に対応したIp1,Ip2信号が入力されると、オフセット補正手段はメモリに所定のオフセット補正信号を出力し、メモリに前記条件の際に検出されたIp2を酸素濃度20.9%と関連づけて格納させる。この格納された値が、酸素濃度20.9%に対応するNOxセンサ検出出力の校正された新たなオフセット値となる。また、演算部は、メモリに格納されている各酸素濃度にそれぞれ対応する各オフセット値を読み出し、読み出した各値と、前記条件におけるIp2と、メモリに格納されていた酸素濃度20.9%に対応するオフセット値に基づいて、所定の演算を行う。この演算結果に基づいて各酸素濃度に対応する各オフセット値が校正され、メモリに格納される。このようなガスセンサの検出出力の校正は、内燃機関運転中に周期的に行うことが好ましい。アイドリング時に行うことも可能である。
【0019】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。ガスセンサとして、図1に示す構造のNOxセンサを用いた。図1のNOxセンサは、固体電解質層5−1を挟んで設けられた一対の電極6a、6bを備えた第1酸素イオンポンプセル6、固体電解質層5−2を挟んで設けられた一対の酸素分圧検知電極7a、7bを備えた酸素濃度測定セル7、固体電解質層5−3、固体電解質層5−4表面に設けられた一対の電極8a、8bを備えた第2酸素イオンポンプセル8の順に積層されて成る。固体電解質層5−1,5−2,5−3,5−4の層間には絶縁層11−1、11−2,11−3がそれぞれ形成されている。第1酸素イオンポンプセル6と酸素濃度測定セル7の層間には、図中左右側の絶縁層11−1及び上下側の固体電解質層5−1、5−2によって第1測定室(空隙部)2が画成され、同様に絶縁層11−3及び固体電解質層5−3、5−4により第2酸素イオンポンプセル8の上部に第2測定室(空隙部)4が画成されている。さらに、第1測定室2の一方でセンサ短手方向両側(図1中正面及び背面)には拡散抵抗を有する第1拡散孔(拡散抵抗部)1がそれぞれ設けられ、第1測定室2の他方には第2拡散孔(拡散抵抗部)3の開口が第1拡散孔1と離間して設けられている。第2拡散孔3は、酸素濃度測定セル7及び固体電解質層5−3を貫通して第1、第2測定室2、4を拡散抵抗を持って連通する。
【0020】
このセンサでは、第2酸素イオンポンプセル8を構成する固体電解質5−4の同一面上に、多孔質金属(Pt、Rh合金など)の電極8a、8bが共に形成されている。電極8a、8bは、絶縁層11−3によって互いに隔離されているが、固体電解質層5−4を介して酸素イオンが伝導し、これによる第2酸素ポンプ電流Ip2が流れる。電極8bは固体電解質層5−4、絶縁層11−3、及びリード部8dによって、センサ外気との直接的な接触が防止されていると共に、拡散抵抗を有する多孔質のリード部8dを介して第2酸素イオンポンプセル8により汲み出された酸素を外部に導出できる。更に、電極8a、8bには、それぞれリード部(線)8c(図2参照)、8dが電気的に接続され、第2測定室4の外側電極8bに電気的に接続するリード部8dは多孔質とされ、酸素イオンを拡散することができる。従って、第2酸素イオンポンプセル8により、NOxガスより分解され電極8aから8bに汲み出された酸素はリード部8dを介して放出される。図2は、図1中の矢視A線で示す平面断面図に相当する。図2を参照して、リード部8dが外気(大気又は被測定ガス雰囲気中)に接触し、外気と電極8bとを拡散抵抗を介して連通していることが分かる。
【0021】
図1に示したNOxセンサの測定原理は、実施の形態の欄で上述した通りであって、NOxセンサの各電極にリード部を介してコントローラの端子が電気的に接続されて、第1拡散孔1を介して第1測定室2に導入された排出ガス中の酸素濃度に応じた起電力が酸素濃度測定セル7の一対の電極7a、7b間に発生し、この起電力による電圧が一定となるように第1酸素イオンポンプセル6に印加される電圧が制御される(コントローラによる制御はマイクロコンピュータを用いたデジタル制御でもよく、アナログ制御でもよい)。そして、第1酸素イオンポンプセル6によって第1測定室2から余剰の酸素が汲み出され一定の酸素濃度に制御された被測定ガスが第2拡散孔3を介して第2測定室4に拡散し、第2酸素イオンポンプセル8の一対の電極8a、8bに電圧が印加されて残存する酸素が更に汲み出されると共に、このPt合金製(又はRh合金製など)の電極の触媒作用により、NOxがNとOに分解され、このOがイオンとなって第2酸素イオンポンプセル8の固体電解質層5−4を伝導することにより、第2測定室4内外に設けられた第2酸素イオンポンプセル8の一対の電極8a、8b間に分解されたNOxガス量に応じた第2酸素ポンプ電流Ip2が流れる。このIp2を測定することにより、NOxガス濃度が測定できる。
【0022】
このNOxセンサによれば、第2測定室4内の第2酸素イオンポンプセル8の電極8aと反対極となる電極8bが、素子内部(積層した固体電解質間)に設置されたことにより、固体電解質層5−4、絶縁層11−3が電極8bの保護手段となり、且つリード部8dが拡散抵抗手段となって、被測定ガス(排ガス)の雰囲気から電極8bが遮断されて直接外気に接触することがなくされ、且つ電極8b周辺において汲み出された酸素がプールされることとなり、電極8b周囲(近傍)の酸素濃度が安定化され、第2酸素イオンポンプセル8の一対の電極8a、8b間に発生する起電力が安定化する。更に、発生する起電力が安定化することにより、第2酸素イオンポンプセル8に印加されるポンプ電圧Vp2の有効ポンプ電圧(Vp2−起電力)が安定化され、NOxガス濃度測定の酸素濃度依存性が減少する。
【0023】
[製造例]
次に、図1に示したNOxセンサの製造例を説明する。図3は、図1に示したNOxセンサのレイアウト図である。図3に示すシート及びペーストはグリーン状態であるが、図1に示したNOxセンサに付した符号と同一符号を付した。図3中左上から左下、そして右上から右下の順にZrOグリーンシート及び電極用ペーストなどが積層され、乾燥、焼成されて一体のセンサが作製される。絶縁コート、電極などペースト材料は、所定のZrOグリーンシートにスクリーン印刷されることにより、積層形成される。次に、ZrOグリーンシートなど各構成部品の製造例を説明する。
【0024】
[ZrOシート(5−1層〜5−4層)成形]: ZrO粉末を600℃×2時間、大気炉にて仮焼した。仮焼したZrO粉末30kg、分散剤150g、有機溶剤10kgを球石60kgとともにトロンメルに入れ、約50時間混合し、分散させ、これに有機バインダー4kgを有機溶剤10kgに溶解させたものを添加し、20時間混合して10Pa・s程度の粘度を有するスラリーを得た。このスラリーからドクターブレード法により、厚さ0.4mm程度のZrOグリーンシートを作製し、100℃×1時間乾燥した。
【0025】
[印刷用ペースト]
(1)第1酸素イオンポンプ電極6a、酸素分圧検知電極(酸素基準電極)7b、第2酸素イオンポンプ電極8a、8b用: Pt粉末20g、ZrO粉末2.8g、適量の有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、4時間混合し、分散させ、これに有機バインダー2gを有機溶剤20gに溶解させたものを添加し、さらに粘度調整剤5gを添加し、4時間混合して粘度150Pa・s程度のペーストを作製した。
【0026】
(2)第1酸素イオンポンプ電極6b、酸素分圧検知電極(酸素基準電極)7a用: Pt粉末19.8g、ZrO粉末2.8g、Au粉末0.2g、適量の有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、4時間混合し、分散させ、これに有機バインダー2gを有機溶剤20gに溶解させたものを添加し、さらに粘度調整剤5gを添加し、4時間混合して粘度150Pa・s程度のペーストを作製した。
【0027】
(3)絶縁コート、保護コート用: アルミナ粉末50gと適量の有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、12時間混合し、溶解させ、さらに粘度調整剤20gを添加し、3時間混合して粘度100Pa・s程度のペーストを調整した。
【0028】
(4)Pt入り多孔質用(リード線用): アルミナ粉末10g、Pt粉末1.5g、有機バインダー2.5g、有機溶剤20gを、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、4時間混合し、さらに粘度調整剤を10gを添加し、4時間混合して粘度100Pa・s程度のペーストを調整した。
【0029】
(5)第1拡散孔用: 平均粒径2μm程度のアルミナ粉末10g、有機バインダー2g、有機溶剤20gを、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、混合し、分散させ、さらに粘度調整剤10gを添加し、4時間混合して粘度400pa・s程度のペーストを調整した。
【0030】
(6)カーボンコート用: カーボン粉末4g、有機バインダー2g、有機溶剤40gを、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、混合し、分散させ、さらに粘度調整剤5gを添加し、4時間混合してペーストを作製した。なお、カーボンコートを印刷形成することにより、一例を挙げれば、第1酸素イオンポンプ電極6bと酸素基準電極7aとの接触が防止される。また、カーボンコートは第1測定室2及び第2測定室4を形成するために用いられる。カーボンは焼成途中で焼失するので、カーボンコート層は焼成体には存在しない。
【0031】
[ペレット体]
(7)第2拡散孔用: 平均粒径数μm程度のアルミナ粉末20g、有機バインダー8g、有機溶剤20gを、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、1時間混合し、造粒し、金型プレスにて約2t/cm圧を加え直径1.3mm、厚さ0.8mmの円柱状のプレス成形体(グリーン状態)を作製した。このグリーン状態のプレス成形体を2、3層目のZrOグリーンシートの所定箇所に挿入し、圧着して一体化した後焼成することにより、センサ中に第2拡散孔3を形成する。
【0032】
[ZrO積層方法]
2、3層目圧着後、第2拡散孔3が貫通する部分(直径1.3mm)を打ち抜く。打ち抜き後、第2拡散孔3となるグリーン円柱状成形体を埋め込み、1〜4層のZrOグリーンシートを加圧力:5kg/cm,加圧時間:1分で圧着する。
【0033】
[脱バインダー及び焼成]
圧着した成形体を、400℃×2時間かけて脱バインダーし、1500℃×1時間焼成する。
【0034】
[使用例]
このように作製された図1に示した構造を有するNOxセンサを実機に適用して500時間の耐久試験を実施した。NOx濃度検出装置の構成は図8に示したものと同様であり、NOxセンサの取付位置は図7(a)に示したものと同様である。さらに、NOxセンサを制御するコントローラは、後述のモデルガス評価装置を用いて設定されたNOxセンサの検出出力(第2酸素ポンプ電流)のゲイン値((標準NOx濃度−0)/(発生電流量−オフセット))とオフセット値をそのメモリに格納している。特にオフセットについてはその酸素濃度依存性をキャンセルする目的で、酸素濃度0%から20.9%(21%)までの各酸素濃度に対応するオフセット値がメモリにそれぞれ格納されており、前記第1酸素ポンプ電流から求められる酸素濃度に基づいて所定のオフセット値が読み出されNOxガス濃度算出に用いられるオフセット値が最適に設定される。
【0035】
前記コントローラ及び前記NOxセンサを2組用意して、それらのNOxセンサの初期特性をモデルガス評価装置で測定し、分析計出力がNOx濃度がゼロを示す際に、第2酸素ポンプ電流に基づくコントローラの検出出力がゼロとなるようにコントローラをそれぞれ調整した。次に、これらのNOxセンサを排気量3000ccのガソリンエンジンの排気管にそれぞれ取り付けて、各々のコントローラでNOxセンサを制御しながら図4に示すモードで500時間の耐久試験を行った(図中回転数の後の数字は相対的なアクセル開度を示す)。一方のコントローラは、本発明の一実施例に係るガスセンサの使用方法を実行して、耐久モード中の燃料カット時にオフセット(ゼロ点)の校正を行った。他方のコントローラはゼロ点の校正を行わなかった。一方のコントローラによる校正方法は下記の通りである。
【0036】
すなわち、図5を参照して、一方のコントローラは、ガソリンエンジンのECU(エンジンコントロールユニット)から出力された燃料カットの信号が入力した際に、第2酸素ポンプ電流に比例するコントローラの検出出力の値を、O=20.9%に対応するオフセット値(OF2)として記憶する。次に、メモリに格納されているO=20.9%に対応するオフセット値(OF1)を読み出し、OF1とOF2の差をとる。この“OF1−OF2”をメモリに格納されている各々の酸素濃度に対応するオフセット値OF[O]から引き、その値(OF[O]−(OF1−OF2))を、校正された新たなオフセット値OF[O]としてメモリに格納する。
【0037】
図6に耐久試験の結果を示す。図6に示す耐久試験の結果を参照して、校正を実行した実施例に係るシステムによれば、500時間の耐久試験後でもコントローラのNOx濃度検出出力はほとんど変化しなかった。これに対し、校正を実行しなかった比較例のシステムは、出力が約400ppm上昇した。
【0038】
【発明の効果】
本発明によれば、内燃機関の運転条件のなかで被検出成分の濃度が推定可能あるいは既知の運転条件時に、ガスセンサの校正を実行することにより、耐久使用後のガスセンサの検出出力のシフトを相殺し、精度良く被検出成分の濃度検出ができる。本発明が適用されるガスセンサとしては、NOxセンサの他にHCセンサ、COセンサでも良く、あるいは酸素濃度を測定可能なセンサでは、例えば燃料カット時には酸素濃度がゼロではなく、酸素濃度20.9%のガスが導入されるため、酸素濃度に関する感度の校正が可能となる。また、燃料カット時、空燃比がリッチ時に本発明の校正を実行できるため、校正をするための特別の運転条件を設定する必要がない。特に、本発明はNOxセンサに適用され、長期間に渡ってppmオーダのNOx濃度の正確な測定を可能とする特に、NOx吸蔵型触媒の下流に内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサを取り付けた場合、吸蔵されたNOxを還元するために空燃比をリッチ雰囲気とするモードがあるが、このモードを利用して前記校正を実行することができると共に前記NOx吸蔵型触媒の劣化状態も検知することができるまた空燃比をリッチとすることができないディーゼルエンジンを用いたシステムの排気管内に配置されるNOx選択還元型触媒の劣化状態も検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例において使用したNOxセンサの構造を説明するための模式図である。
【図2】図2は、図1中の矢視A線で示す平面断面を説明するための図である。
【図3】図1に示したNOxセンサのレイアウトを説明するための図である。
【図4】図1に示したNOxセンサを用いて行った耐久試験モードを説明するための図である。
【図5】本発明の一実施例に係るNOxセンサの検出出力の校正方法を説明するための図である。
【図6】耐久試験の結果を説明するための図であり、図中四角のプロットが実施例、三角のプロットが比較例のデータを示す。
【図7】(a)及び(b)は、本発明の一実施の形態に係るNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出装置を説明するための図であり、(a)はガソリンエンジン(特にリーンバーンエンジン)の排気ガス浄化システム、(b)はディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムに適用された排出ガス濃度検出装置を説明するための図である。
【図8】本発明の一実施形態に係るNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出システムを説明するための図である。
【符号の説明】
1:第1拡散孔(拡散抵抗部)
2:第1測定室(空隙部)
3:第2拡散孔(拡散抵抗部)
4:第2測定室(空隙部)
5−1,…,5−4:固体電解質層
6:第1酸素イオンポンプセル
6a,6b:電極
6c:リード部
7:酸素濃度測定セル
7a,7b:電極
8:第2酸素イオンポンプセル
8a,8b:電極
8c,8d:リード部
11−1,…,11−3:絶縁層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an exhaust gas concentration detection method for measuring the concentration of a harmful gas component contained in gas discharged from an internal combustion engine and a device therefor, and more particularly to a method and a device for calibrating a zero point of an output of a NOx gas sensor.
[0002]
[Prior art]
With the tightening of exhaust gas regulations, there is a strong demand for sensors capable of directly measuring the concentrations of CO, HC and NOx, which are harmful gas components in exhaust gas. Therefore, an oxide semiconductor type or ZrO2Development of a limiting current type gas sensor using an oxygen ion conductor such as the above has been advanced. An oxide semiconductor gas sensor is a sensor that utilizes a fact that a change in electric resistance of an oxide semiconductor is proportional to an amount of a predetermined gas component adsorbed on the oxide semiconductor. On the other hand, as a limiting current type gas sensor (NOx sensor), for example, an electrode having NOx dissociation catalytic ability is arranged on an oxygen ion conductor to constitute an oxygen ion pump cell, and the oxygen ion pump cell faces a space facing the oxygen ion pump cell. A sensor that diffuses a gas whose oxygen concentration is controlled, decomposes NOx in the space, pumps out dissociated oxygen ions using the oxygen ion pump cell, and obtains a NOx gas concentration from a current flowing through the oxygen ion pump cell. Proposed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, oxide semiconductor type gas sensors have a problem in reproducibility. On the other hand, in the limiting current type sensor, although there is no problem in reproducibility and repetition accuracy, there is a problem that the current to be detected in principle (the current flowing in the oxygen ion pump cell) is as small as about several microamps. . In addition, since the decomposition of harmful gas components (for example, NOx) is controlled or suppressed by the catalytic action on the electrode surface, the catalytic activity changes over a long period of use and the zero point (the concentration of the predetermined component is substantially reduced). There is a problem that the detection output of the gas sensor indicating zero is shifted. For this reason, the use environment of any type of gas sensor greatly changes like a sensor attached to an internal combustion engine, particularly an exhaust gas system of a vehicle, and has not been used as a sensor used for a long time.
[0004]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for detecting an exhaust gas concentration using a gas sensor capable of performing highly accurate gas concentration measurement over a long period of time, in particular, a zero point of a detection output of a NOx gas sensor. And a method for calibrating the same.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a first means of the present invention is a method for detecting an exhaust gas concentration using a NOx sensor attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and detecting a NOx concentration in gas exhausted from the internal combustion engine. The method,Atmospheric atmosphere is introduced into the NOx sensor, and the concentration of oxygen in the gas introduced into the NOx sensor is measured from the current flowing through the first oxygen pump cell, and the measured oxygen concentration corresponds to the concentration of oxygen in the atmosphere. WhenMeans or a step of calibrating a zero point of the detection output of the NOx sensor indicating that the NOx concentration is zero, based on the detection output of the NOx sensor, and calculating the NOx concentration based on the calibrated detection output. Detecting means or step. The second means of the present invention cuts off the fuel supply to the internal combustion engine to make the NOx concentration in the gas introduced into the NOx sensor substantially zero or substantially the same level as the atmosphere,A means or a step of measuring the oxygen concentration in the gas introduced into the NOx sensor from the current flowing in the first oxygen pump cell, and a method for measuring the oxygen concentration when the measured oxygen concentration corresponds to the oxygen concentration in the atmosphere.Means or a step of calibrating a zero point of the detection output of the NOx sensor indicating that the NOx concentration is zero, based on the detection output of the NOx sensor, and calculating the NOx concentration based on the calibrated detection output. Detecting means or step.
[0006]
The third means is a means or a step of reducing a predetermined component in the exhaust gas by enriching the air-fuel ratio of the internal combustion engine, and the concentration of the predetermined component is reduced to substantially zero or substantially the same level as the atmosphere by this reduction. Based on the detected output of the gas sensor at the time of, based on the means or process for calibrating the zero point of the detected output of the gas sensor indicating that the concentration of the predetermined component is zero, based on the calibrated detected output Means or steps for detecting the concentration of the predetermined component. The fourth means is that the gas discharged from the internal combustion engineNOxMeans or steps for operating the internal combustion engine under conditions where the concentration can be estimated or known;NOxBased on the detection output of the sensor.NOxMeans or a step of calibrating the detection output of the sensor, and based on the calibrated detection output,NOxAnd means or steps for detecting the concentration.
[0007]
The fifth means isThe NOx sensor includes first and second gaps, first and second diffusion resistance sections, and first and second oxygen ion pump cells, and the gas flows through the first gap through the first diffusion resistance section. The first oxygen ion pump cell diffuses oxygen through the first diffusion resistance portion, and diffuses oxygen from the first void portion so that the oxygen concentration in the gas diffused into the first void portion becomes a predetermined concentration. Pumping out, the gas having an oxygen concentration of the predetermined concentration diffuses from the first gap through the second diffusion resistor to the second gap, decomposes NOx in the second gap, It is characterized in that oxygen ions dissociated by a two oxygen ion pump cell are pumped out and the NOx concentration is detected from a current flowing through the second oxygen ion pump cell.
Sixth means,The NOx sensor is attached downstream of the NOx storage type catalyst, and the NOx sensor is mounted on the basis of the detection output of the NOx sensor when the air-fuel ratio is temporarily made rich to purify the NOx stored in the NOx storage type catalyst. It is characterized by performing zero point calibration.
[0008]
A seventh means is an exhaust gas concentration detecting method which is attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and uses a NOx sensor for detecting a NOx concentration in gas exhausted from the internal combustion engine, wherein the NOx concentration can be estimated. Alternatively, the internal combustion engine is operated under known conditions,Measuring the oxygen concentration in the gas introduced into the NOx sensor from the current flowing in the first oxygen pump cell, and measuring the oxygen concentration in the gas when the measured oxygen concentration corresponds to the oxygen concentration in the atmosphere.The detection output of the NOx sensor is calibrated based on the detection output of the NOx sensor, and the NOx concentration is detected based on the calibrated detection output.
Eighth means is a NOx sensor attached to an exhaust pipe of the internal combustion engine for detecting a NOx concentration in gas exhausted from the internal combustion engine, and detects a NOx concentration in gas exhausted from the internal combustion engine. A NOx sensor, operating condition setting means for setting operating conditions of the internal combustion engine at which the NOx concentration can be estimated or known, and under the operating conditions set by the operating condition setting means.The oxygen concentration in the gas introduced into the NOx sensor is measured from the current flowing in the first oxygen pump cell, and when the measured oxygen concentration corresponds to the oxygen concentration in the atmosphere.And a calibration means for calibrating the detection output of the NOx sensor based on the detection output of the NOx sensor.
[0009]
The calibration method of the detection output of the gas sensor according to the present invention performs the calibration (calibration) of the gas sensor based on the detection output of the gas sensor under the condition that the concentration of the harmful exhaust gas component can be estimated among the operating conditions of the internal combustion engine. It is characterized by: Generally, in an internal combustion engine of a vehicle having an electronic control type fuel supply device, for example, harmful gases such as NOx, HC, and CO in exhaust gas are used to cut off fuel supply when output becomes unnecessary such as during deceleration. The concentrations of the components are at about the same level as the atmosphere. On the other hand, under normal operating conditions, the concentration of harmful gas components emitted from the internal combustion engine is significantly higher than the level in the atmosphere. Therefore, by calibrating the gas sensor during the fuel cut, the concentration of the harmful exhaust gas component can be accurately detected even after long-term use. Further, as described above, since the zero point (offset) of the detection output changes due to long-term use of the gas sensor, the zero point may be corrected. That is, the detection output when the fuel cut is activated may be set to, for example, a level indicating zero NOx concentration.
[0010]
If the offset value of the detection output of the gas sensor (the detection output when the concentration of the detected component is zero, the detection output at the zero point) has oxygen concentration dependency (when the offset value changes depending on the oxygen concentration), All offsets (for each oxygen concentration) may be corrected based on the detected output value at the time of the fuel cut in which the concentration of the detected component and the oxygen concentration are known. For example, the difference between the initial value of the offset (OF1) corresponding to the predetermined oxygen concentration stored in the memory and the detection output value (OF2) corresponding to the predetermined oxygen concentration at the time of the fuel cut, "OF1-OF2" The offset value OF [O corresponding to each oxygen concentration stored in the memory2] And subtract that value from the new offset value OF [O2] May be stored in the memory. In a sensor capable of measuring the oxygen concentration, a gas having an oxygen concentration almost the same as that in the atmosphere, that is, a gas having an oxygen concentration of 20.9% is supplied to the sensor at the time of fuel cut, so that the sensitivity (gain) can be calibrated. For example, by applying the detection method of the present invention to a NOx sensor described later, the sensitivity of the first oxygen pump current can be calibrated, and the oxygen concentration can be accurately measured even after endurance use.
[0011]
When the gas sensor is a NOx sensor, and this NOx sensor is installed downstream of the NOx storage catalyst, a spike having a rich atmosphere is provided to reduce the stored NOx. At this timing, since there is almost no NOx emission, the zero point can be calibrated in the same manner as described above. Further, in this case, by comparing the detection output of the NOx sensor before and after the spike of the rich atmosphere is applied, it is possible to detect the deterioration of the catalyst (reduction of the NOx storage amount) without having to consider the change in the offset.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. A gas sensor to which the present invention is preferably applied is a gas sensor capable of detecting the concentration of harmful components in exhaust gas of an internal combustion engine, for example, flammable CO, HC, and NOx components. As a CO sensor, for example, In2O3A gas sensor using an oxide semiconductor element such as the above is applied. Further, each of the HC sensors includes an oxygen pump element and an oxygen concentration cell element exposed to a test gas, and the oxygen pump element when an electromotive force generated in the oxygen concentration cell element reaches a predetermined value or less. A gas sensor for obtaining a combustible gas component concentration from a current value flowing through the gas sensor is applied. In addition, a gas sensor including an oxygen pump cell, an oxygen sensor cell, and a combustible gas component concentration detector made of an oxide semiconductor is applied. Further, as the NOx sensor, a NOx sensor having two sets of diffusion resistance parts, an oxygen ion pump cell, and a gap is applied. The measurement principle of this NOx sensor is as follows.
[0013]
(1) Exhaust gas flows into the first void portion through the first diffusion resistance portion having diffusion resistance. (2) The first oxygen ion pump cell pumps out oxygen in the first gap to such an extent that all NOx is not decomposed (the oxygen partial pressure in the first gap is controlled by a signal output from the oxygen partial pressure detection electrode) Do). (3) The gas in the first gap (the gas whose oxygen concentration is controlled) flows into the second gap through the second diffusion resistor. (4) The NOx in the second void is reduced to N by pumping out oxygen further by the second oxygen ion pump cell.2Gas and O2Decomposed into gas. (5) At this time, since there is a linear relationship between the second oxygen pump current Ip2 flowing through the second oxygen ion pump cell and the NOx gas concentration, the NOx gas concentration can be detected by detecting Ip2. (6) Also, the oxygen concentration in the exhaust gas can be measured from the first oxygen pump current Ip1 flowing through the first oxygen ion pump cell when the first oxygen ion pump cell pumps out the oxygen in the first gap. Using the measured value of the oxygen concentration, the NOx decomposition rate in the first void portion can be obtained, and the NOx gas concentration can be corrected.
[0014]
Next, a preferred method of using the NOx sensor in an exhaust gas purification system for a gasoline engine or a diesel engine will be described. Referring to FIG. 7A, in an exhaust gas purification system of a gasoline engine (particularly, a lean burn engine), an oxygen sensor (1) and a NOx storage type three-way catalyst are provided in an exhaust pipe from a gasoline engine to a downstream side. And an oxygen sensor {circle around (2)} (the above-described NOx sensor also serving as an oxygen sensor) are sequentially mounted. The oxygen sensor {circle around (1)} is a sensor for controlling the air-fuel ratio of the engine, and controls the fuel, air and the like supplied to the engine based on the detection output. On the other hand, the NOx sensor serving also as an oxygen sensor disposed downstream of the NOx storage type three-way catalyst is a sensor for detecting the NOx concentration and determining the operating state of the three-way catalyst and its deterioration. The engine and the like are controlled so that the three-way catalyst operates optimally based on the detected output. This NOx storage type three-way catalyst is obtained by imparting a NOx storage effect to the three-way catalyst. When the excess air ratio λ = 1 (stoichiometric point), the three-way catalyst operates as a normal three-way catalyst, and temporarily stores NOx in a lean state. , And the temporarily stored NOx is purified by periodically adding a rich spike. Generally, the material of the NOx storage type three-way catalyst is Pt to which Ba or the like having a NOx storage effect is added.
[0015]
Further, the degree of deterioration of the NOx storage type catalyst can be detected by using the NOx sensor arranged downstream of the NOx storage type catalyst. That is, when a spike in a rich atmosphere (preferably, an air-fuel ratio of 14 to 14.5 for about 3 seconds) is introduced to reduce the NOx stored in the NOx storage type catalyst, the detection output of the NOx sensor before and after this spike is applied. Changes. If not deteriorated, the output of the NOx sensor when returning to the lean state after the spike is lower than before the spike. On the other hand, in the case of deterioration, NOx is not purified when returning to the lean state after the spike, and the output of the NOx sensor remains high. Therefore, the deterioration of the catalyst can be determined from the change in the output of the NOx sensor before and after the rich spike. Further, when the spike is applied, almost no NOx is generated, so that the zero point of the NOx sensor can be calibrated.
[0016]
Referring to FIG. 7 (b), in the exhaust gas purification system for a diesel engine, a light oil injection valve for injecting light oil as an HC source into the exhaust gas from the diesel engine to the exhaust pipe into the exhaust pipe, An HC sensor (not shown), a NOx selective reduction catalyst, and a NOx sensor described in detail above are sequentially mounted. The NOx selective reduction catalyst converts NOx to nitrogen and CO using HC added by light oil injection as a reducing agent.2, H2It decomposes into O to purify it. The HC sensor is arranged on the upstream side of the NOx selective reduction catalyst, and performs a function of monitoring the HC concentration in the exhaust gas after light oil injection in order to feedback-control the amount of light oil to be injected into the exhaust gas. is there. Further, the deterioration of the NOx selective reduction catalyst can be detected from the output change of the NOx sensor before and after the addition of HC. That is, according to the catalyst having the NOx purifying ability, the addition of HC reduces the NOx concentration downstream of the catalyst and decreases the NOx sensor output, whereas the catalyst having the deteriorated purifying ability has the HC Does not decrease the NOx concentration, so that the output of the NOx sensor does not decrease.
[0017]
FIG. 8 is a diagram for explaining a control configuration of the exhaust gas concentration detection system using the NOx sensor according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, the detection system includes an internal combustion engine, a catalyst installed in an exhaust system, a NOx sensor installed downstream of the catalyst, an engine control unit (ECU), and a NOx sensor controller. Be composed. The engine control unit sets the operating conditions (such as the air-fuel ratio) of the internal combustion engine and determines the deterioration of the catalyst. The NOx sensor controller stores means for controlling the NOx sensor, means for detecting and outputting the first and second oxygen pump currents Ip1 and Ip2 flowing through the NOx sensor, and a map showing the relationship between the oxygen concentration and the Ip2 offset value. A memory, an operation unit that reads an offset of Ip2 from the memory according to the oxygen concentration (for example, Ip1), executes a predetermined operation based on this and an output of the detection unit, and outputs an operation result to the memory; A signal indicating operating conditions is input from the control unit, an output signal of the Ip1 and Ip2 detecting means is input, an offset correction signal is output to the memory, and the offset correction signal is output to the memory based on the signal output from the arithmetic unit to the memory. Offset correction means for storing a new offset value.
[0018]
The operation of this system will be described. The detection means of the NOx sensor controller detects the second oxygen pump current Ip2 of the NOx sensor and outputs it to the calculation unit, which outputs this to the memory. Here, the engine control unit sets an operating condition for setting the NOx concentration in the exhaust gas to substantially zero or substantially the same level as the atmosphere. As an example, this operating condition is set at the time of fuel cut, that is, the NOx concentration is zero and the oxygen concentration is 20.9%. When the signal indicating the condition output from the engine control unit and the Ip1 and Ip2 signals corresponding to the condition output from the Ip1 and Ip2 detecting means are input to the offset correcting means, the offset correcting means stores a predetermined value in the memory. Is output, and Ip2 detected under the above condition is stored in the memory in association with the oxygen concentration of 20.9%. This stored value becomes the calibrated new offset value of the NOx sensor detection output corresponding to the oxygen concentration of 20.9%. Further, the calculation unit reads out each offset value corresponding to each oxygen concentration stored in the memory, and converts each read value, Ip2 under the above-described conditions, and the oxygen concentration 20.9% stored in the memory. A predetermined operation is performed based on the corresponding offset value. Each offset value corresponding to each oxygen concentration is calibrated based on the calculation result and stored in the memory. The calibration of the detection output of the gas sensor is preferably performed periodically during the operation of the internal combustion engine. It is also possible to perform it at idling.
[0019]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. As the gas sensor, a NOx sensor having the structure shown in FIG. 1 was used. The NOx sensor of FIG. 1 includes a first oxygen ion pump cell 6 including a pair of electrodes 6a and 6b provided with a solid electrolyte layer 5-1 therebetween, and a pair of electrodes provided with a solid electrolyte layer 5-2 therebetween. Oxygen concentration measuring cell 7 provided with oxygen partial pressure detecting electrodes 7a, 7b, second oxygen ion pump cell provided with solid electrolyte layer 5-3, and a pair of electrodes 8a, 8b provided on the surface of solid electrolyte layer 5-4 8 in that order. Insulating layers 11-1, 11-2, and 11-3 are formed between the solid electrolyte layers 5-1, 5-2, 5-3, and 5-4, respectively. Between the first oxygen ion pump cell 6 and the oxygen concentration measurement cell 7, a first measurement chamber (a gap portion) is formed by left and right insulating layers 11-1 and upper and lower solid electrolyte layers 5-1 and 5-2 in the figure. 2), and similarly, a second measurement chamber (gap) 4 is defined above the second oxygen ion pump cell 8 by the insulating layer 11-3 and the solid electrolyte layers 5-3 and 5-4. I have. Further, first diffusion holes (diffusion resistance portions) 1 having diffusion resistance are provided on both sides (front and back in FIG. 1) of the sensor in the lateral direction of the sensor in the first measurement chamber 2, respectively. On the other hand, an opening of the second diffusion hole (diffusion resistance portion) 3 is provided separately from the first diffusion hole 1. The second diffusion hole 3 penetrates through the oxygen concentration measurement cell 7 and the solid electrolyte layer 5-3 to communicate the first and second measurement chambers 2, 4 with a diffusion resistance.
[0020]
In this sensor, both electrodes 8a and 8b of a porous metal (Pt, Rh alloy, etc.) are formed on the same surface of the solid electrolyte 5-4 constituting the second oxygen ion pump cell 8. Although the electrodes 8a and 8b are separated from each other by the insulating layer 11-3, oxygen ions are conducted through the solid electrolyte layer 5-4, and the second oxygen pump current Ip2 flows. The electrode 8b is prevented from being in direct contact with the outside air of the sensor by the solid electrolyte layer 5-4, the insulating layer 11-3, and the lead portion 8d, and via the porous lead portion 8d having diffusion resistance. The oxygen pumped by the second oxygen ion pump cell 8 can be led out. Further, lead portions (lines) 8c (see FIG. 2) and 8d are electrically connected to the electrodes 8a and 8b, respectively, and the lead portion 8d electrically connected to the outer electrode 8b of the second measurement chamber 4 is porous. It is capable of diffusing oxygen ions. Therefore, oxygen decomposed from the NOx gas and pumped to the electrodes 8a to 8b by the second oxygen ion pump cell 8 is released through the lead 8d. FIG. 2 corresponds to a plan cross-sectional view indicated by the arrow A line in FIG. Referring to FIG. 2, it can be seen that the lead portion 8d is in contact with the outside air (in the atmosphere or the atmosphere of the gas to be measured), and communicates the outside air with the electrode 8b via the diffusion resistance.
[0021]
The measurement principle of the NOx sensor shown in FIG. 1 is as described above in the section of the embodiment, and the terminal of the controller is electrically connected to each electrode of the NOx sensor via a lead portion, and the first diffusion is performed. An electromotive force corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas introduced into the first measurement chamber 2 through the hole 1 is generated between the pair of electrodes 7a and 7b of the oxygen concentration measurement cell 7, and the voltage due to the electromotive force is constant. The voltage applied to the first oxygen ion pump cell 6 is controlled such that the control is performed by digital control using a microcomputer or by analog control. Excess oxygen is pumped from the first measurement chamber 2 by the first oxygen ion pump cell 6, and the gas to be measured whose oxygen concentration is controlled to a certain level is diffused into the second measurement chamber 4 through the second diffusion holes 3. Then, a voltage is applied to the pair of electrodes 8a and 8b of the second oxygen ion pump cell 8, and the remaining oxygen is further pumped out, and the catalytic action of the Pt alloy (or Rh alloy) electrode causes NOx is N2And O2Is decomposed into2Becomes ions and conducts through the solid electrolyte layer 5-4 of the second oxygen ion pump cell 8, so that a pair of electrodes 8 a and 8 b of the second oxygen ion pump cell 8 provided inside and outside the second measurement chamber 4 is formed. A second oxygen pump current Ip2 flows in accordance with the amount of NOx gas decomposed. By measuring this Ip2, the NOx gas concentration can be measured.
[0022]
According to this NOx sensor, since the electrode 8b, which is the opposite electrode to the electrode 8a of the second oxygen ion pump cell 8 in the second measurement chamber 4, is installed inside the element (between the stacked solid electrolytes), The electrolyte layer 5-4 and the insulating layer 11-3 serve as protection means for the electrode 8b, and the lead portion 8d serves as diffusion resistance means, so that the electrode 8b is cut off from the atmosphere of the gas to be measured (exhaust gas) and directly contacts the outside air. Oxygen pumped around the electrode 8b is pooled, the oxygen concentration around (near) the electrode 8b is stabilized, and the pair of electrodes 8a, The electromotive force generated between 8b is stabilized. Further, since the generated electromotive force is stabilized, the effective pump voltage (Vp2−electromotive force) of the pump voltage Vp2 applied to the second oxygen ion pump cell 8 is stabilized, and the NOx gas concentration measurement depends on the oxygen concentration. Sex is reduced.
[0023]
[Production example]
Next, an example of manufacturing the NOx sensor shown in FIG. 1 will be described. FIG. 3 is a layout diagram of the NOx sensor shown in FIG. Although the sheet and paste shown in FIG. 3 are in a green state, the same reference numerals are given to the reference numerals assigned to the NOx sensor shown in FIG. In FIG. 3, ZrO is from the upper left to the lower left and from the upper right to the lower right2A green sheet, an electrode paste, and the like are stacked, dried, and fired to produce an integrated sensor. Paste materials such as insulating coats and electrodes2The screen is printed on the green sheet to form a laminate. Next, ZrO2A production example of each component such as a green sheet will be described.
[0024]
[ZrO2Sheet (5-1 layer to 5-4 layer) molding]: ZrO2The powder was calcined in an atmospheric furnace at 600 ° C. for 2 hours. Calcined ZrO230 kg of powder, 150 g of dispersant, and 10 kg of organic solvent are placed in a trommel together with 60 kg of cobblestone, mixed and dispersed for about 50 hours, and a solution obtained by dissolving 4 kg of organic binder in 10 kg of organic solvent is added thereto and mixed for 20 hours. Thus, a slurry having a viscosity of about 10 Pa · s was obtained. From this slurry, ZrO having a thickness of about 0.4 mm was obtained by a doctor blade method.2A green sheet was prepared and dried at 100 ° C. × 1 hour.
[0025]
[Printing paste]
(1) For the first oxygen ion pump electrode 6a, oxygen partial pressure detection electrode (oxygen reference electrode) 7b, and second oxygen ion pump electrodes 8a and 8b: Pt powder 20g, ZrO22.8 g of powder and an appropriate amount of an organic solvent are placed in a grinder (or pot mill), mixed and dispersed for 4 hours, and a solution obtained by dissolving 2 g of an organic binder in 20 g of an organic solvent is added thereto. 5 g of the agent was added and mixed for 4 hours to prepare a paste having a viscosity of about 150 Pa · s.
[0026]
(2) First oxygen ion pump electrode 6b, oxygen partial pressure detection electrode (oxygen reference electrode) 7a: 19.8 g of Pt powder, ZrO22.8 g of powder, 0.2 g of Au powder, and an appropriate amount of an organic solvent were placed in a grinder (or pot mill), mixed for 4 hours and dispersed, and 2 g of an organic binder was dissolved in 20 g of an organic solvent. Then, 5 g of a viscosity modifier was further added and mixed for 4 hours to prepare a paste having a viscosity of about 150 Pa · s.
[0027]
(3) For insulation coating and protection coating: 50 g of alumina powder and an appropriate amount of an organic solvent are put in a grinder (or pot mill), mixed and dissolved for 12 hours, further added with 20 g of a viscosity modifier, and mixed for 3 hours. Thus, a paste having a viscosity of about 100 Pa · s was prepared.
[0028]
(4) Pt-containing porous material (for lead wire): 10 g of alumina powder, 1.5 g of Pt powder, 2.5 g of organic binder, and 20 g of organic solvent are put in a grinder (or pot mill) and mixed for 4 hours. Further, 10 g of a viscosity modifier was added and mixed for 4 hours to prepare a paste having a viscosity of about 100 Pa · s.
[0029]
(5) For the first diffusion hole: 10 g of alumina powder having an average particle size of about 2 μm, 2 g of an organic binder, and 20 g of an organic solvent are put into a grinder (or pot mill), mixed, dispersed, and further, 10 g of a viscosity modifier is added. The mixture was added and mixed for 4 hours to prepare a paste having a viscosity of about 400 pa · s.
[0030]
(6) For carbon coating: 4 g of a carbon powder, 2 g of an organic binder, and 40 g of an organic solvent are put into a grinder (or pot mill), mixed and dispersed, further added with 5 g of a viscosity modifier, and mixed for 4 hours. A paste was made. In addition, by forming a carbon coat by printing, for example, contact between the first oxygen ion pump electrode 6b and the oxygen reference electrode 7a is prevented. The carbon coat is used for forming the first measurement chamber 2 and the second measurement chamber 4. Since carbon is burned off during firing, the carbon coat layer does not exist in the fired body.
[0031]
[Pellets]
(7) For second diffusion hole: 20 g of alumina powder having an average particle size of about several μm, 8 g of an organic binder, and 20 g of an organic solvent are put into a grinder (or a pot mill), mixed for 1 hour, granulated, and then molded. About 2t / cm by press2A pressure was applied to produce a cylindrical press-formed body (green state) having a diameter of 1.3 mm and a thickness of 0.8 mm. This green-state press-formed body is formed into a second or third layer of ZrO.2The second diffusion hole 3 is formed in the sensor by inserting it into a predetermined portion of the green sheet, pressing and integrating and firing.
[0032]
[ZrO2Lamination method]
After the second and third layers are pressed, a portion (diameter: 1.3 mm) through which the second diffusion hole 3 penetrates is punched. After the punching, a green cylindrical shaped body to be the second diffusion hole 3 is buried, and 1 to 4 layers of ZrO2Green sheet pressure: 5kg / cm2Pressing time: 1 minute.
[0033]
[Binder removal and firing]
The pressed compact is debindered at 400 ° C. × 2 hours and baked at 1500 ° C. × 1 hour.
[0034]
[Example of use]
The thus manufactured NOx sensor having the structure shown in FIG. 1 was applied to a real machine and a 500-hour durability test was performed. The configuration of the NOx concentration detecting device is the same as that shown in FIG. 8, and the mounting position of the NOx sensor is the same as that shown in FIG. Further, the controller that controls the NOx sensor determines the gain value ((standard NOx concentration−0) / (current generation amount) of the detection output (second oxygen pump current) of the NOx sensor set using the model gas evaluation device described later. Offset)) and the offset value are stored in the memory. In particular, offset values corresponding to oxygen concentrations from 0% to 20.9% (21%) are stored in a memory for the purpose of canceling the oxygen concentration dependency of the offset. A predetermined offset value is read out based on the oxygen concentration obtained from the oxygen pump current, and the offset value used for calculating the NOx gas concentration is optimally set.
[0035]
Two sets of the controller and the NOx sensor are prepared, and the initial characteristics of the NOx sensors are measured by a model gas evaluation device. When the analyzer output indicates that the NOx concentration is zero, the controller based on the second oxygen pump current is used. Each controller was adjusted so that the detection output of was zero. Next, these NOx sensors were attached to the exhaust pipe of a gasoline engine with a displacement of 3000 cc, respectively, and a durability test was performed for 500 hours in the mode shown in FIG. 4 while controlling the NOx sensors with the respective controllers (rotation in the figure). The number after the number indicates the relative accelerator opening). One controller executed the method of using the gas sensor according to one embodiment of the present invention, and calibrated the offset (zero point) at the time of fuel cut in the endurance mode. The other controller did not calibrate the zero point. The calibration method by one controller is as follows.
[0036]
That is, referring to FIG. 5, when a fuel cut signal output from an ECU (engine control unit) of a gasoline engine is input, one controller detects a detection output of the controller proportional to the second oxygen pump current. Value is O2= 20.9% as an offset value (OF2). Next, the O stored in the memory2= 20.9% is read, and the difference between OF1 and OF2 is calculated. This “OF1-OF2” is stored in a memory as an offset value OF [O corresponding to each oxygen concentration.2] And the value (OF [O2]-(OF1-OF2)) to the new calibrated offset value OF [O2] In the memory.
[0037]
FIG. 6 shows the results of the durability test. Referring to the results of the durability test shown in FIG. 6, according to the system according to the example in which the calibration was performed, the NOx concentration detection output of the controller hardly changed even after the 500-hour durability test. In contrast, the output of the system of the comparative example in which the calibration was not performed increased by about 400 ppm.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, the shift of the detection output of the gas sensor after the durable use is offset by performing the calibration of the gas sensor when the concentration of the component to be detected can be estimated or known under the operating conditions of the internal combustion engine. However, the concentration of the component to be detected can be accurately detected. The gas sensor to which the present invention is applied may be an HC sensor or a CO sensor in addition to the NOx sensor, or a sensor capable of measuring the oxygen concentration, for example, when the fuel cut, the oxygen concentration is not zero and the oxygen concentration is 20.9% Is introduced, the sensitivity of oxygen concentration can be calibrated. In addition, since the calibration of the present invention can be performed when the fuel is cut or when the air-fuel ratio is rich, there is no need to set special operating conditions for the calibration. In particular, the present invention is applied to NOx sensors and enables accurate measurement of NOx concentration on the order of ppm over a long period of time..In particular, when a NOx sensor that detects the NOx concentration in the gas exhausted from the internal combustion engine is attached downstream of the NOx storage catalyst, there is a mode in which the air-fuel ratio is set to a rich atmosphere in order to reduce the stored NOx. The calibration can be performed using this mode,,The deterioration state of the NOx storage catalyst can also be detected..Also,The deterioration state of the NOx selective reduction catalyst disposed in the exhaust pipe of a system using a diesel engine that cannot make the air-fuel ratio rich can also be detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a structure of a NOx sensor used in one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a plane cross section indicated by an arrow A line in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram for explaining a layout of the NOx sensor shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a view for explaining a durability test mode performed using the NOx sensor shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of calibrating the detection output of the NOx sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining the results of the durability test, in which square plots indicate data in the example and triangular plots indicate data in the comparative example.
7A and 7B are diagrams for explaining an exhaust gas concentration detection device using a NOx sensor according to one embodiment of the present invention, and FIG. 7A is a diagram illustrating a gasoline engine (particularly, a lean engine). FIG. 2B is a diagram for explaining an exhaust gas concentration detection device applied to an exhaust gas purification system of a burn engine), and FIG.
FIG. 8 is a diagram for explaining an exhaust gas concentration detection system using a NOx sensor according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: 1st diffusion hole (diffusion resistance part)
2: First measurement chamber (gap)
3: Second diffusion hole (diffusion resistance part)
4: Second measurement chamber (gap)
5-1 ... 5-4: Solid electrolyte layer
6: First oxygen ion pump cell
6a, 6b: electrode
6c: Lead part
7: Oxygen concentration measurement cell
7a, 7b: electrodes
8: Second oxygen ion pump cell
8a, 8b: electrodes
8c, 8d: lead part
11-1,..., 11-3: insulating layer

Claims (8)

内燃機関の排気管に取り付けられ、前記内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出方法であって、
前記NOxセンサは、第1及び第2空隙部、第1及び第2拡散抵抗部、第1及び第2酸素イオンポンプセルを備え、
前記第1拡散抵抗部を介して前記ガスが前記第1空隙部に拡散し、前記第1酸素イオンポンプセルが前記第1拡散抵抗部を介して前記第1空隙部に拡散したガス中の酸素濃度が所定濃度となるように該第1空隙部から酸素を汲み出し、酸素濃度が前記所定濃度とされたガスが前記第1空隙部から前記第2拡散抵抗部を介して前記第2空隙部へ拡散し、前記第2空隙部でNOxを分解し、前記第2酸素イオンポンプセルにより解離した酸素イオンを汲み出して該第2酸素イオンポンプセルに流れる電流よりNOx濃度を検出するものであり、
前記NOxセンサに大気雰囲気を導入して、前記第1酸素ポンプセルに流れる電流から前記NOxセンサに導入されるガス中の酸素濃度を測定し、該測定された酸素濃度が大気中の酸素濃度に相当するときの前記NOxセンサの検出出力に基づいて、前記NOx濃度がゼロであることを示す該NOxセンサの検出出力のゼロ点を校正し、前記校正された検出出力に基づいて前記NOx濃度を検出することを特徴とするNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出方法。
An exhaust gas concentration detection method using a NOx sensor attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and detecting a NOx concentration in gas exhausted from the internal combustion engine,
The NOx sensor includes first and second void portions, first and second diffusion resistance portions, first and second oxygen ion pump cells,
The gas diffuses into the first gap through the first diffusion resistor, and the oxygen in the gas diffuses into the first gap through the first oxygen ion pump cell through the first diffusion resistor. Oxygen is pumped out of the first gap so that the concentration becomes a predetermined concentration, and a gas having an oxygen concentration of the predetermined concentration flows from the first gap to the second gap through the second diffusion resistor. Diffusing, decomposing NOx in the second void, pumping out oxygen ions dissociated by the second oxygen ion pump cell, and detecting NOx concentration from a current flowing through the second oxygen ion pump cell;
Atmospheric atmosphere is introduced into the NOx sensor, and the concentration of oxygen in the gas introduced into the NOx sensor is measured from the current flowing through the first oxygen pump cell, and the measured oxygen concentration corresponds to the concentration of oxygen in the atmosphere. The zero point of the detection output of the NOx sensor, which indicates that the NOx concentration is zero, is calibrated based on the detection output of the NOx sensor when the NOx concentration is zero, and the NOx concentration is detected based on the calibrated detection output. Exhaust gas concentration detection method using a NOx sensor.
内燃機関の排気管に取り付けられ、前記内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出方法であって、
前記NOxセンサは、第1及び第2空隙部、第1及び第2拡散抵抗部、第1及び第2酸素イオンポンプセルを備え、
前記第1拡散抵抗部を介して前記ガスが前記第1空隙部に拡散し、前記第1酸素イオンポンプセルが前記第1拡散抵抗部を介して前記第1空隙部に拡散したガス中の酸素濃度が所定濃度となるように該第1空隙部から酸素を汲み出し、酸素濃度が前記所定濃度とされたガスが前記第1空隙部から前記第2拡散抵抗部を介して前記第2空隙部へ拡散し、前記第2空隙部でNOxを分解し、前記第2酸素イオンポンプセルにより解離した酸素イオンを汲み出して該第2酸素イオンポンプセルに流れる電流よりNOx濃度を検出するものであり、
前記内燃機関への燃料供給をカットして、前記NOxセンサに導入されるガス中の前記NOx濃度を実質的にゼロ又は大気と実質的に同一のレベルとし、且つ前記第1酸素ポンプセルに流れる電流から前記NOxセンサに導入されるガス中の酸素濃度を測定し、該測定された酸素濃度が大気中の酸素濃度に相当するときの前記NOxセンサの検出出力に基づいて、前記NOx濃度がゼロであることを示す該NOxセンサの検出出力のゼロ点を校正し、前記校正された検出出力に基づいて前記NOx濃度を検出することを特徴とする排出ガス濃度検出方法。
An exhaust gas concentration detection method using a NOx sensor attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and detecting a NOx concentration in gas exhausted from the internal combustion engine,
The NOx sensor includes first and second void portions, first and second diffusion resistance portions, first and second oxygen ion pump cells,
The gas diffuses into the first gap through the first diffusion resistor, and the oxygen in the gas diffuses into the first gap through the first oxygen ion pump cell through the first diffusion resistor. Oxygen is pumped out of the first gap so that the concentration becomes a predetermined concentration, and a gas having an oxygen concentration of the predetermined concentration flows from the first gap to the second gap through the second diffusion resistor. Diffusing, decomposing NOx in the second void, pumping out oxygen ions dissociated by the second oxygen ion pump cell, and detecting NOx concentration from a current flowing through the second oxygen ion pump cell;
Cutting the fuel supply to the internal combustion engine so that the NOx concentration in the gas introduced to the NOx sensor is substantially zero or substantially the same level as the atmosphere, and the current flowing through the first oxygen pump cell Measuring the oxygen concentration in the gas introduced into the NOx sensor, and based on the detection output of the NOx sensor when the measured oxygen concentration corresponds to the oxygen concentration in the atmosphere, the NOx concentration is zero. A method for detecting an exhaust gas concentration, comprising: calibrating a zero point of a detection output of the NOx sensor indicating that the NOx sensor is present, and detecting the NOx concentration based on the calibrated detection output.
内燃機関から排出されるガス中の所定成分の濃度を検出するガスセンサを用いた排出ガス濃度検出方法であって、
前記内燃機関の空燃比をリッチとして前記所定成分を還元することにより、該所定成分の濃度を実質的にゼロ又は大気と実質的に同一のレベルとした際の該ガスセンサの検出出力に基づいて、前記所定成分の濃度がゼロであることを示す該ガスセンサの検出出力のゼロ点を校正し、前記校正された検出出力に基づいて前記所定成分の濃度を検出することを特徴とする排出ガス濃度検出方法。
An exhaust gas concentration detection method using a gas sensor that detects the concentration of a predetermined component in gas exhausted from an internal combustion engine,
By reducing the predetermined component by making the air-fuel ratio of the internal combustion engine rich, based on the detection output of the gas sensor when the concentration of the predetermined component is substantially zero or substantially the same level as the atmosphere, Exhaust gas concentration detection, wherein the zero point of the detection output of the gas sensor indicating that the concentration of the predetermined component is zero is calibrated, and the concentration of the predetermined component is detected based on the calibrated detection output. Method.
前記ガスセンサがNOxセンサであることを特徴とする請求項記載の排出ガス濃度検出方法。4. The exhaust gas concentration detecting method according to claim 3 , wherein the gas sensor is a NOx sensor. 前記NOxセンサは、第1及び第2空隙部、第1及び第2拡散抵抗部、第1及び第2酸素イオンポンプセルを備え、
前記第1拡散抵抗部を介して前記ガスが前記第1空隙部に拡散し、前記第1酸素イオンポンプセルが前記第1拡散抵抗部を介して前記第1空隙部に拡散したガス中の酸素濃度が所定濃度となるように該第1空隙部から酸素を汲み出し、酸素濃度が前記所定濃度とされたガスが前記第1空隙部から前記第2拡散抵抗部を介して前記第2空隙部へ拡散し、前記第2空隙部でNOxを分解し、前記第2酸素イオンポンプセルにより解離した酸素イオンを汲み出して該第2酸素イオンポンプセルに流れる電流よりNOx濃度を検出するものであることを特徴とする請求項4記載の排出ガス濃度検出方法。
The NOx sensor includes first and second void portions, first and second diffusion resistance portions, first and second oxygen ion pump cells,
The gas diffuses into the first gap through the first diffusion resistor, and the oxygen in the gas diffuses into the first gap through the first oxygen ion pump cell through the first diffusion resistor. Oxygen is pumped out of the first gap so that the concentration becomes a predetermined concentration, and a gas having an oxygen concentration of the predetermined concentration flows from the first gap to the second gap through the second diffusion resistor. It diffuses and decomposes NOx in the second void, pumps out oxygen ions dissociated by the second oxygen ion pump cell, and detects NOx concentration from a current flowing through the second oxygen ion pump cell. The exhaust gas concentration detection method according to claim 4, wherein
NOx吸蔵型触媒の下流に前記NOxセンサが取り付けられ、前記NOx吸蔵型触媒に吸蔵されたNOxを浄化するために一時的に空燃比をリッチにした際の前記NOxセンサの検出出力に基づいて前記ゼロ点の校正を行うことを特徴とする請求項1、2、4又は5記載の排出ガス濃度検出方法。The NOx sensor is attached downstream of the NOx storage type catalyst, and the NOx sensor is mounted on the basis of the detection output of the NOx sensor when the air-fuel ratio is temporarily made rich to purify the NOx stored in the NOx storage type catalyst. The exhaust gas concentration detection method according to claim 1, wherein zero point calibration is performed. 内燃機関の排気管に取り付けられ、前記内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサを用いた排出ガス濃度検出方法であって、
前記NOxセンサは、第1及び第2空隙部、第1及び第2拡散抵抗部、第1及び第2酸素イオンポンプセルを備え、
前記第1拡散抵抗部を介して前記ガスが前記第1空隙部に拡散し、前記第1酸素イオンポンプセルが前記第1拡散抵抗部を介して前記第1空隙部に拡散したガス中の酸素濃度が所定濃度となるように該第1空隙部から酸素を汲み出し、酸素濃度が前記所定濃度とされたガスが前記第1空隙部から前記第2拡散抵抗部を介して前記第2空隙部へ拡散し、前記第2空隙部でNOxを分解し、前記第2酸素イオンポンプセルにより解離した酸素イオンを汲み出して該第2酸素イオンポンプセルに流れる電流よりNOx濃度を検出するものであり、
前記NOx濃度が推定可能あるいは既知となる条件で内燃機関を運転し、該運転条件下において前記第1酸素ポンプセルに流れる電流から前記NOxセンサに導入されるガス中の酸素濃度を測定し、該測定された酸素濃度が大気中の酸素濃度に相当するときの前記NOxセンサの検出出力に基づいて該NOxセンサの検出出力の校正を行い、前記校正された検出出力に基づいて前記NOx濃度を検出することを特徴とする排出ガス濃度検出方法。
An exhaust gas concentration detection method using a NOx sensor attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and detecting a NOx concentration in gas exhausted from the internal combustion engine,
The NOx sensor includes first and second void portions, first and second diffusion resistance portions, first and second oxygen ion pump cells,
The gas diffuses into the first gap through the first diffusion resistor, and the oxygen in the gas diffuses into the first gap through the first oxygen ion pump cell through the first diffusion resistor. Oxygen is pumped out of the first gap so that the concentration becomes a predetermined concentration, and a gas having an oxygen concentration of the predetermined concentration flows from the first gap to the second gap through the second diffusion resistor. Diffusing, decomposing NOx in the second void, pumping out oxygen ions dissociated by the second oxygen ion pump cell, and detecting NOx concentration from a current flowing through the second oxygen ion pump cell;
The internal combustion engine is operated under conditions where the NOx concentration can be estimated or known, and under the operating conditions , the concentration of oxygen in the gas introduced into the NOx sensor is measured from the current flowing through the first oxygen pump cell. The detected output of the NOx sensor is calibrated based on the detected output of the NOx sensor when the measured oxygen concentration corresponds to the oxygen concentration in the atmosphere, and the NOx concentration is detected based on the calibrated detected output. A method for detecting an exhaust gas concentration, comprising:
内燃機関の排気管に取り付けられ、前記内燃機関から排出されるガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサであって、第1及び第2空隙部、第1及び第2拡散抵抗部、第1及び第2酸素イオンポンプセルを備え、前記第1拡散抵抗部を介して前記ガスが前記第1空隙部に拡散し、前記第1酸素イオンポンプセルが前記第1拡散抵抗部を介して前記第1空隙部に拡散したガス中の酸素濃度が所定濃度となるように該第1空隙部から酸素を汲み出し、酸素濃度が前記所定濃度とされたガスが前記第1空隙部から前記第2拡散抵抗部を介して前記第2空隙部へ拡散し、前記第2空隙部でNOxを分解し、前記第2酸素イオンポンプセルにより解離した酸素イオンを汲み出して該第2酸素イオンポンプセルに流れる電流よりNOx濃度を検出するNOxセンサと、
前記NOx濃度が推定可能あるいは既知となる前記内燃機関の運転条件を設定する運転条件設定手段と、前記運転条件設定手段により設定された前記運転条件下において前記第1酸素ポンプセルに流れる電流から前記NOxセンサに導入されるガス中の酸素濃度を測定し、該測定された酸素濃度が大気中の酸素濃度に相当するときの前記NOxセンサの検出出力に基づいて該NOxセンサの検出出力の校正を行う校正手段と、を備えたことを特徴とする排出ガス濃度検出装置。
A NOx sensor attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine and detecting a NOx concentration in gas exhausted from the internal combustion engine, the NOx sensor comprising: a first and a second gap; a first and a second diffusion resistance; A second oxygen ion pump cell, wherein the gas is diffused into the first gap through the first diffusion resistance portion, and the first oxygen ion pump cell is connected to the first diffusion resistance portion through the first diffusion resistance portion. Oxygen is pumped from the first gap so that the oxygen concentration in the gas diffused into the gap becomes a predetermined concentration, and the gas having the oxygen concentration set to the predetermined concentration flows from the first gap to the second diffusion resistance section. And diffuses into the second gap through the second gap, decomposes NOx in the second gap, pumps out oxygen ions dissociated by the second oxygen ion pump cell, and obtains NOx from a current flowing through the second oxygen ion pump cell. N to detect concentration And x sensor,
And operating condition setting means for setting the operating conditions of the internal combustion engine in which the NOx concentration of the estimable or known, from the current flowing through the Oite the first oxygen pumping cell to the operating conditions set by the operation condition setting unit The oxygen concentration in the gas introduced into the NOx sensor is measured, and the detection output of the NOx sensor is calibrated based on the detection output of the NOx sensor when the measured oxygen concentration corresponds to the oxygen concentration in the atmosphere. And a calibration means for performing the following.
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