JP3736443B2 - 内燃機関のガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合型のガス濃度センサからの検出値に基づき内燃機関の排気ガス中の特定ガス成分の濃度を検出する内燃機関のガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関のガス濃度検出装置に関連するものとして、限界電流式の複合型のガス濃度センサを用い、内燃機関の排気ガス中のＮＯx （窒素酸化物）を検出するものが知られている。この複合型のガス濃度センサは、例えば、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる３セル構造を有する。このガス濃度センサのポンプセルでは、チャンバに導入した排気ガス中の酸素の排出または汲み込みが行なわれ、また、センサセルでは、ポンプセルを通過したのちのガスから特定ガス成分の濃度としてＮＯx 濃度が検出され、モニタセルでは、チャンバ内の残留酸素濃度が検出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の複合型のガス濃度センサでは、各セルのうち制御中のセル（以下、『制御セル』と記す）を活性状態に保持するため、その素子抵抗が制御目標値になるようヒータ制御されるが、長期にわたるセンサ使用に伴って、ヒータに同一電流を流しているにもかかわらず制御セルの素子温度が経時的に上昇変動する傾向にある。ここで、各セルを活性状態に保持するための素子温度が上昇するとガス濃度センサによる検出値に誤差が生じるという不具合があった。
【０００４】
また、前述の複合型のガス濃度センサでは、センサ使用の過渡時には、ヒータに同一電流を流しているにもかかわらず制御セルの素子温度が一時的に変動する傾向にある。ここで、各セルを活性状態に保持するための素子温度が一時的にでも変動するとガス濃度センサによる検出値に誤差が生じるという不具合があった。
【０００５】
そこで、この発明はかかる不具合を解決するためになされたもので、複合型のガス濃度センサの各セルを活性状態に保持するヒータ制御による素子温度の経時的または一時的な変動に伴う検出誤差を補正可能な内燃機関のガス濃度検出装置の提供を課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の内燃機関のガス濃度検出装置によれば、素子抵抗検出手段にて複合型のガス濃度センサを構成する少なくともポンプセル、センサセル、モニタセルのうち少なくとも２つのセルに対して印加する電圧または電流が所定周期で一時的に切換えられ、そのときの電圧変化及び電流変化から各セルの素子抵抗が検出され、これらの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するようヒータ制御手段にてヒータへの通電が制御され、センサセルに流れる電流の検出値から特定ガス成分の濃度が逐次検出される。このように、ヒータ制御手段によって、所定のセルの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するよう制御される際、補正手段によって他のセルの素子抵抗の変化量に応じて、または他のセルの素子抵抗が所定範囲外となるとき、所定のセルの素子抵抗またはヒータへの通電量が補正される。これにより、ガス濃度センサのヒータ制御による素子温度の経時的または一時的な変動に伴う所定のセルの素子抵抗の検出誤差が補正され、結果として、特定ガス成分の濃度の検出精度が向上される。
【０００７】
請求項２の内燃機関のガス濃度検出装置における素子抵抗検出手段では、セルに対して印加する電圧または電流を一時的に切換えることで素子抵抗を検出する際、センサセル以外のセルを対象に素子抵抗が検出されるため、センサセルによる特定ガス成分の濃度の検出が中断されることがなく、特定ガス成分の濃度検出に影響を及ぼすことがないという効果が得られる。
【０００８】
請求項３の内燃機関のガス濃度検出装置における補正手段では、内燃機関の運転条件または排気温に基づき所定のセルの素子抵抗またはヒータへの通電量が補正されるため、ガス濃度センサの補正後目標素子抵抗算出の際にも、センサセルによる特定ガス成分の濃度の検出が中断されることがなく、特定ガス成分の濃度検出に影響を及ぼすことがないという効果が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置の電気的構成を示す概略図である。図２及び図３は、図１のガス濃度センサ１００の要部構成を示す断面図である。
【００１１】
本実施例のガス濃度検出装置は、限界電流式のガス濃度センサ１００を用い、被検出ガスである内燃機関１からの排気ガス中の酸素（Ｏ_２）濃度を検出すると共に、特定ガス成分の濃度としてのＮＯx （窒素酸化物）濃度を検出する。
【００１２】
まず、ガス濃度センサ１００の構造について、図２及び図３を参照して説明する。
【００１３】
図２に示すように、ガス濃度センサ１００はポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を有する３セル構造からなり、排気ガス中の酸素濃度とＮＯx 濃度とを同時に検出可能な、所謂、複合型ガスセンサとして具体化されている。なお、図２（ａ）はセンサ素子の先端部構造を示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１４】
また、ガス濃度センサ１００では、酸素イオン伝導性材料からなる固体電解質（固体電解質素子）１４１，１４２が板状に形成され、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１４３を介して上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、固体電解質１４１にはピンホール１４１ａが形成されており、このピンホール１４１ａを介してガス濃度センサ１００周囲の排気ガスが第１チャンバ１４４内に導入される。第１チャンバ１４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバ１４６に連通されている。なお、１４７は多孔質拡散層である。
【００１５】
固体電解質１４２には、第１チャンバ１４４に面するようにしてポンプセル１１０が設けられており、ポンプセル１１０によって第１チャンバ１４４内に導入された排気ガス中の酸素が排出または汲み込まれると共に、この際に排気ガス中の酸素濃度が検出される。ここで、ポンプセル１１０には、固体電解質１４２を挟んで一対の電極１１１，１１２が形成され、このうち特に第１チャンバ１４４側の電極１１１はＮＯx 不活性電極（ＮＯx ガスを分解し難い電極）に形成されている。このポンプセル１１０によって、第１チャンバ１４４内に存在する酸素が分解され電極１１２より大気通路１５０側に排出される。
【００１６】
また、固体電解質１４１には、第２チャンバ１４６に面するようにしてモニタセル１２０及びセンサセル１３０が設けられている。モニタセル１２０からは、第２チャンバ１４６内の余剰酸素濃度に応じて起電力または電圧印加に伴う電流出力が発生される。また、センサセル１３０によって、ポンプセル１１０を通過したのちのガスからＮＯx 濃度が検出される。
【００１７】
特に、図２（ｂ）に示すように、排気ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセル１２０及びセンサセル１３０が並列に配置されていると共に、これら各セル１２０，１３０の大気通路１４８側の電極が共通電極１２２として形成されている。即ち、モニタセル１２０は、固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１２１及び共通電極１２２とからなり、センサセル１３０は同じく固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１３１及び共通電極１２２とからなる。なお、モニタセル１２０の電極１２１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯx ガスに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属にて形成されているのに対し、センサセル１３０の電極１３１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯx ガスに活性なＰｔ等の貴金属にて形成されている。
【００１８】
更に、図３（ａ）は、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極を第２チャンバ１４６側から見た断面図であり、図３（ｂ）は、これら各セルの電極を大気通路１４８側から見た断面図である。但し、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極は、図３（ａ）に示すように、排気ガスの流れ方向に沿って並列に配置すること以外に、排気ガスの流れ方向で前後（即ち、図３（ａ）の左右）に配置してもよい。例えば、モニタセル１２０を上流側（図３（ａ）の左側）、センサセル１３０を下流側（図３（ａ）の右側）に配置してもよい。
【００１９】
また、図２（ａ）に示すように、固体電解質１４２の下面には絶縁層１４９が設けられ、この絶縁層１４９により大気通路１５０が形成されている。また、絶縁層１４９にはセンサ全体を加熱するためのヒータ１５１が埋設されている。そして、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を含めたセンサ全体を活性状態にすべく、ヒータ１５１では外部からの給電により熱エネルギが発生される。
【００２０】
上記構成のガス濃度センサ１００において、排気ガスは多孔質拡散層１４７及びピンホール１４１ａを通って第１チャンバ１４４に導入される。そして、この排気ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、ポンプセル１１０の電極１１１，１１２間に電圧が印加されることで分解反応が起こされ、第１チャンバ１４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸素が排出または汲み込まれる。なお、このとき、第１チャンバ１４４側の電極１１１がＮＯx 不活性電極であるので、ポンプセル１１０では排気ガス中のＮＯx は分解されず、酸素のみが分解されて大気通路１５０に排出される。そして、ポンプセル１１０に流れるポンプセル電流Ｉｐにより、排気ガス中に含まれる酸素濃度が検出される。
【００２１】
この後、ポンプセル１１０近傍を通過した排気ガスは第２チャンバ１４６に流れ込み、モニタセル１２０ではガス中の余剰酸素濃度に応じた出力が発生される。モニタセル１２０の出力は、このモニタセル１２０の電極１２１，１２２間に所定の電圧が印加されることで、モニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル１３０の電極１３１，１２２間に所定の電圧が印加されることでガス中のＮＯx が還元分解され、このとき発生する酸素が大気通路１４８に排出される。この際、センサセル１３０に流れるセンサセル電流Ｉｓにより、排気ガス中に含まれるＮＯx 濃度が検出される。
【００２２】
次に、本実施例の内燃機関のガス濃度検出装置の電気的な構成について、図１を参照して説明する。なお、図１は、上述の図２及び図３に示すガス濃度センサ１００を用いたガス濃度検出装置であるが、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極配置については、便宜上、横並びの状態で示す。
【００２３】
図１において、制御回路２００は、ＣＰＵ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、Ｉ／Ｏポート等からなる周知のマイクロコンピュータで構成されており、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の印加電圧がＤ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ０〜Ｄ／Ａ２）より適宜、出力される。また、制御回路２００には、これらポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０に流れる電流を測定すべく、各端子Ｖｃ，Ｖｅ，Ｖｄ，Ｖｂ，Ｖｇ，Ｖｈの電圧がＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５）より各々入力される。そして、制御回路２００では、ポンプセル１１０やセンサセル１３０による測定電流に基づく排気ガス中の酸素濃度やＮＯx 濃度が検出され、それらの検出値がＤ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ３，Ｄ／Ａ４）より外部に出力される。
【００２４】
回路構成について、詳しくは、ポンプセル１１０において一方の電極１１２には、基準電源２０１及びオペアンプ２０２により基準電圧Ｖａが印加され、他方の電極１１１には、オペアンプ２０３及び電流検出抵抗２０４を介して制御回路２００からの指令電圧Ｖｂが印加される。指令電圧Ｖｂの印加に際し、排気ガス中の酸素濃度に応じてポンプセル１１０に電流が流れると、この電流が電流検出抵抗２０４により検出される。つまり、電流検出抵抗２０４の両端子電圧Ｖｂ，Ｖｄが制御回路２００に取込まれ、この電圧Ｖｂ，Ｖｄによりポンプセル電流Ｉｐが算出される。
【００２５】
また、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の共通電極１２２には、基準電源２０５及びオペアンプ２０６により基準電圧Ｖｆが印加され、共通電極１２２と異なる方のセンサセル電極１３１には、オペアンプ２０７及び電流検出抵抗２０８を介して制御回路２００からの指令電圧Ｖｇが印加される。指令電圧Ｖｇの印加に際し、排気ガス中のＮＯx 濃度に応じてセンサセル１３０に電流が流れると、この電流が電流検出抵抗２０８により検出される。つまり、電流検出抵抗２０８の両端子電圧Ｖｇ，Ｖｈが制御回路２００に取込まれ、この電圧Ｖｇ，Ｖｈによりセンサセル電流Ｉｓが算出される。
【００２６】
そして、共通電極１２２と異なる方のモニタセル電極１２１には、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２０９、オペアンプ２１０及び電流検出抵抗２１１を介して制御回路２００からの指令電圧Ｖｃが印加される。指令電圧Ｖｃの印加に際し、排気ガス中のＮＯx 濃度に応じてモニタセル１２０に電流が流れると、この電流が電流検出抵抗２１１により検出される。つまり、電流検出抵抗２１１の両端子電圧Ｖｃ，Ｖｅが制御回路２００に取込まれ、この電圧Ｖｃ，Ｖｅによりモニタセル電流Ｉｍが算出される。なお、ＬＰＦ２０９は、例えば、抵抗及びコンデンサからなる１次フィルタにて実現される。
【００２７】
また、本実施例では、モニタセル１２０を対象に、掃引法を用いて素子抵抗に相当する素子インピーダンスが検出されるようになっている。つまり、モニタセル１２０のインピーダンス検出時において、制御回路２００によりモニタセル印加電圧（指令電圧Ｖｃ）が正（＋）側または負（−）側の少なくとも何れかに瞬間的に切換えられる。この印加電圧は、ＬＰＦ２０９により正弦波的になまされつつモニタセル１２０に印加される。なお、交流電圧の周波数は１０〔ｋＨｚ〕以上が望ましく、ＬＰＦ２０９の時定数は５〔μｓｅｃ〕程度に設定される。そして、このときの電圧変化量と電流変化量とからモニタセル１２０の素子インピーダンスが算出される。
【００２８】
更に、モニタセル１２０及びセンサセル１３０では、一方の電極が共通電極１２２として形成されているため、基準電圧側のドライブ回路が削減できるという利点や、ガス濃度センサ１００からのリード線の取出し本数が削減できるという利点が得られる。また、モニタセル１２０とセンサセル１３０とは同じ固体電解質１４１で隣合って形成されているため、掃引時には隣の電極に電流が流れ、インピーダンスの検出精度が悪化することが懸念されるが、共通電極１２２が設けられていることで一方の電極が同電位となり、この影響が低減される。
【００２９】
ところで、モニタセル１２０では残留酸素を検出する際に数〔μＡ〕程度の電流しか流れないのに対し、インピーダンス検出のための掃引時には数〔ｍＡ〕程度の電流が流れる。このオーダの異なる電流を同じ検出抵抗で検出すると、オーバレンジしたり、検出精度が悪くなったりする。そこで、本実施例では、モニタセル１２０による残留酸素検出時とインピーダンス検出時とで電流検出抵抗を切換えることとする。
【００３０】
具体的には、電流検出抵抗２１１に並列に、別の電流検出抵抗２１２とスイッチ回路２１３（例えば、半導体スイッチ）とが設けられている。そして、制御回路２００のＩ／Ｏポートからの出力により、スイッチ回路２１３がＯＮ（オン）／ＯＦＦ（オフ）されるよう構成されている。この場合、通常のガス濃度検出時には、スイッチ回路２１３がＯＦＦ（開放）され、電流検出抵抗２１１による数１００〔ｋΩ〕程度の抵抗でモニタセル電流Ｉｍが検出される。これに対し、インピーダンス検出時には、スイッチ回路２１３がＯＮ（閉鎖）され、電流検出抵抗２１１，２１２による数１００〔Ω〕程度の抵抗でモニタセル電流Ｉｍが検出される。
【００３１】
また、制御回路２００内のＣＰＵによって、制御指令値ＤｕｔｙがＩ／Ｏポートから出力されＭＯＳＦＥＴドライバ２５１が駆動される。このとき、ＭＯＳＦＥＴ２５２により電源２５３（例えば、バッテリ電源）からヒータ１５１へ供給される電力がＰＷＭ制御される。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回路２００内のＣＰＵにおけるガス濃度センサ１００の各セルに対するヒータ制御の処理手順を示す図４のフローチャートに基づいて説明する。なお、このヒータ制御ルーチンは制御回路２００への電源投入に伴い所定時間毎にＣＰＵにて繰返し実行される。
【００３３】
図４において、まず、ステップＳ１０１では、前回のＡ／Ｆ（酸素濃度）及びＮＯx 濃度の検出時から所定時間Ｔａが経過しているかが判定される。この所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ及びＮＯx 濃度の検出周期に相当する時間であって、例えば、Ｔａ＝４〔ｍｓｅｃ〕程度に設定される。ステップＳ１０１の判定条件が成立、即ち、所定時間Ｔａが経過しているときにはステップＳ１０２に移行し、Ａ／Ｆ及びＮＯx 濃度の検出処理が実行される。
【００３４】
このＡ／Ｆ（酸素濃度）の検出処理では、その時々のポンプセル電流Ｉｐに応じたポンプセル印加電圧が設定されると共に、その電圧印加時のポンプセル電流Ｉｐが検出される。この検出されたポンプセル電流ＩｐがＡ／Ｆ値に変換される。また、ＮＯx 濃度の検出処理では、所定のセンサセル印加電圧が設定されると共に、その電圧印加時のセンサセル電流Ｉｓが検出される。この検出されたセンサセル電流ＩｓがＮＯx 濃度値に変換される。
【００３５】
次にステップＳ１０３に移行して、前回の素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過しているかが判定される。この所定時間Ｔｂは、素子インピーダンスＺＡＣの検出周期に相当する時間であって、例えば、運転状態に応じて１２８〔ｍｓｅｃ〕，２〔ｓｅｃ〕等の時間が選択的に設定される。ステップＳ１０３の判定条件が成立、即ち、所定時間Ｔｂが経過しているときにはステップＳ１０４に移行し、後述の素子インピーダンスＺＡＣの検出処理が実行される。次にステップＳ１０５に移行して、ヒータ１５１に対する通電制御が実行され、本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ１０１の判定条件が成立せず、即ち、所定時間Ｔａが未だ経過していないとき、またはステップＳ１０３の判定条件が成立せず、即ち、所定時間Ｔｂが未だ経過していないときには、何もすることなく本ルーチンを終了する。
【００３６】
なお、ヒータ１５１に対する通電制御に関しては、素子インピーダンスＺＡＣが所望の目標値に一致するようヒータ１５１に通電制御されるものであれば、任意の制御手法が適用できる。一例としては、ガス濃度センサ１００の素子温が低く、素子インピーダンスＺＡＣが比較的大きい場合には、例えば、デューティ比１００〔％〕の全通電制御によりヒータ１５１に通電される。また、素子温が上昇すると、周知のＰＩＤ制御手法等を用いて制御デューティ比が算出され、このデューティ比によりヒータ１５１に通電される。
【００３７】
次に、上述の図４のステップＳ１０４における素子インピーダンスＺＡＣの検出処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００３８】
図５において、まず、ステップＳ２０１では、スイッチ回路２１３がＯＦＦからＯＮに切換えられる。これにより、それまで数１００〔ｋΩ〕程度であった検出抵抗が数１００〔Ω〕程度に切換えられる。次にステップＳ２０２に移行して、モニタセル１２０の印加電圧（指令電圧Ｖｃ）が操作され、それまでの残留酸素濃度検出用の印加電圧に対して電圧が正側に数１０〜１００〔μｓｅｃ〕程度の時間で一時的に切換えられ変化される。
【００３９】
次にステップＳ２０３に移行して、このときのモニタセル印加電圧の変化量とモニタセル電流Ｉｍの変化量とが読込まれる。次にステップＳ２０４に移行して、電圧変化量と電流変化量とから素子インピーダンスＺＡＣ（＝電圧変化量／電流変化量）が算出される。次にステップＳ２０５に移行して、スイッチ回路２１３がＯＮからＯＦＦに戻されたのち、本ルーチンを終了する。
【００４０】
これにより、以下に示すような効果が得られる。
【００４１】
ガス濃度センサ１００のモニタセル１２０を対象に素子インピーダンスＺＡＣが検出されるので、素子インピーダンスＺＡＣの検出に際し、センサセル１３０でのＮＯx 濃度検出が中断されることはない。即ち、ＮＯx 濃度の不検出期間ができることはない。また同様に、ポンプセル１１０でのＡ／Ｆ検出（酸素濃度検出）が中断されることはなく、Ａ／Ｆの不検出期間ができることもない。したがって、ＮＯx 濃度検出やＡ／Ｆ検出に影響を及ぼすことなく素子インピーダンスＺＡＣを好適に検出することができる。
【００４２】
また、この際、モニタセル１２０とセンサセル１３０とは近接した状態で配置されており、モニタセル１２０での素子インピーダンスＺＡＣに基づきヒータ１５１に対する通電制御が実行されることで、これらモニタセル１２０とセンサセル１３０とが共に所望の活性状態に保持されることとなる。つまり、センサセル１３０での温度変動が抑制され、この結果、ＮＯx 濃度の検出精度が向上される。
【００４３】
また、ガス濃度センサ１００において、モニタセル１２０とセンサセル１３０とで一方の電極が共通化されており、共通電極ではない方のモニタセル電極で印加電圧が一時的に切換えられ、素子インピーダンスＺＡＣが検出される。このため、構成の簡素化を図りつつ、適正なる素子インピーダンス検出を実施することができる。但し、モニタセル１２０及びセンサセル１３０で共通電極を設けず、各セルで個別に電極を設けてもよい。この場合、モニタセル印加電圧を一時的に変化させる電極は、モニタセル１２０の何れの電極であってもよい。
【００４４】
そして、モニタセル１２０による残留酸素濃度検出時と素子インピーダンス検出時とで、電流検出抵抗の抵抗値が切換えられるので、モニタセル１２０での電流検出に際し、オーバレンジしたり、検出精度が悪くなったりする等の不都合が解消される。
【００４５】
次に、上述の図４のステップＳ１０４における素子インピーダンスＺＡＣの検出処理の変形例について、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００４６】
上述の素子インピーダンスＺＡＣの検出処理では、モニタセル１２０を対象に素子インピーダンスが検出されるのに対し、本変形例では、ポンプセル１１０を対象に素子インピーダンスが検出される。
【００４７】
なお、内燃機関のガス濃度検出装置の構成上の違いとしては、ポンプセル１１０での素子インピーダンスの検出に際して、制御回路２００から出力されるポンプセル印加電圧（指令電圧Ｖｂ）を正弦波的になますことができるよう制御回路２００のＤ／Ａ１にＬＰＦが接続される。
【００４８】
図６において、まず、ステップＳ３０１では、ポンプセル１１０の印加電圧（指令電圧Ｖｂ）が操作され、それまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対して電圧が正側に数１０〜１００〔μｓｅｃ〕程度の時間で一時的に切換えられ変化される。次にステップＳ３０２に移行して、このときのポンプセル印加電圧の変化量とポンプセル電流Ｉｐの変化量とが読込まれる。次にステップＳ３０３に移行して、電圧変化量と電流変化量とから素子インピーダンスＺＡＣ（＝電圧変化量／電流変化量）が算出され、本ルーチンを終了する。
【００４９】
ここで、ポンプセル１１０で素子インピーダンスＺＡＣが検出される場合、Ａ／Ｆ検出時及びインピーダンス検出時には何れも数ｍＡ程度の電流が流れる。このため、上述の図１に示すようなスイッチ回路２１３を設けて検出抵抗の切換えを行なう必要はない。
【００５０】
このように、本変形例でも、素子インピーダンスＺＡＣの検出に際し、同様にセンサセル１３０でのＮＯx 濃度検出が中断されることはない。即ち、ＮＯx 濃度の不検出期間ができることはない。したがって、ＮＯx 濃度検出に影響を及ぼすことなく、素子インピーダンスＺＡＣを好適に検出することができる。
【００５１】
また、この場合、ポンプセル１１０が所望の活性状態に保持できるため、ポンプセル１１０での酸素排出機能が適正に作用し、チャンバ１４４内の残留酸素濃度を一定に保つことができ、ＮＯx 濃度の検出精度が確保される。
【００５２】
次に、本実施例のガス濃度センサ１００のヒータ制御による各セルの劣化前及び劣化後における素子温度〔℃〕と素子抵抗〔Ω〕との関係について、図７に示す特性図を参照して説明する。
【００５３】
図７において、ガス濃度センサ１００のヒータ１５１への通電を制御するヒータ制御され、各セルが劣化前から劣化後と徐々に劣化が進むに連れて、白抜き矢印にて『劣化』として示すように、各セルの素子抵抗の制御目標を一定に維持した場合、素子温度は高くなるという特性を有する。このように、各セルは素子温度が高くなると劣化が促進されてしまうため、各セルが活性状態を保持可能な素子温度より必要以上に高くならないようにすることが重要である。そこで、各セルの素子温度の上昇を抑え劣化前に維持するには、白抜き矢印にて『補正』として示すように、各セルの素子抵抗の制御目標を劣化の進み具合に連れて高く設定することで達成できる。
【００５４】
次に、本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回路２００内のＣＰＵにおける補正後モニタセル目標素子抵抗演算の処理手順を示す図８のフローチャートに基づき、図９を参照して説明する。ここで、図９は図８におけるポンプセル１１０の素子抵抗Ｒps〔Ω〕の初期からの変移量に応じて制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量〔Ω〕を算出するマップである。なお、この補正後モニタセル目標素子抵抗演算ルーチンは制御回路２００への電源投入に伴い所定時間毎にＣＰＵにて繰返し実行される。
【００５５】
図８において、まず、ステップＳ４０１で、内燃機関の運転状態が定常であるかが判定される。ステップＳ４０１の判定条件が成立せず、即ち、内燃機関の運転状態が過渡であるときには、何もすることなく本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ４０１の判定条件が成立、即ち、内燃機関の運転状態が定常であるときにはステップＳ４０２に移行し、このときの制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが検出される。
【００５６】
このモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsの検出では、上述したように、モニタセル１２０の印加電圧（指令電圧Ｖｃ）が操作され、それまでの残留酸素濃度検出用の印加電圧に対して電圧が正側に数１０〜１００〔μｓｅｃ〕程度の時間で一時的に切換えられ変化される。このときのモニタセル印加電圧の変化量とモニタセル電流Ｉｍの変化量とが読込まれる。そして、モニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsは、この際の電圧変化量と電流変化量とから素子インピーダンスＺＡＣ（＝電圧変化量／電流変化量）として検出される。
【００５７】
次にステップＳ４０３に移行して、ポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsが検出される。このポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの検出では、上述したように、ポンプセル１１０の印加電圧（指令電圧Ｖｂ）が操作され、それまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対して電圧が正側に数１０〜１００〔μｓｅｃ〕程度の時間で一時的に切換えられ変化される。このときのポンプセル印加電圧の変化量とポンプセル電流Ｉｐの変化量とが読込まれる。そして、ポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsは、この電圧変化量と電流変化量とから素子インピーダンスＺＡＣ（＝電圧変化量／電流変化量）として検出される。
【００５８】
次にステップＳ４０４に移行して、図９に示すマップに基づき、ステップＳ４０３で算出されたポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの初期からの変化量に応じて、このときの制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH が算出される。次にステップＳ４０５に移行して、ステップＳ４０２で算出されたモニタセル１２０の素子抵抗ＲmsにステップＳ４０４で算出されたモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH が加算され、補正後のモニタセル１２０の目標素子抵抗ＲMSHBが算出され、本ルーチンを終了する。
【００５９】
上述のように算出された補正後のモニタセル１２０の目標素子抵抗ＲMSHBを用いた目標値補正について、図９及び図１０を参照して説明する。ここで、図１０は図８の処理に対応する制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒms〔Ω〕及びポンプセル１１０の素子抵抗Ｒps〔Ω〕の遷移状態を示すタイムチャートである。
【００６０】
図９に示すマップにより算出されたポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの初期からの変化量に応じた制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH に基づき、モニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが補正される。即ち、図１０において、モニタセル１２０の劣化後における素子抵抗Ｒmsが、時刻ｔ02以降に目標値補正として示すように上昇補正され、劣化後の素子温度が劣化前及び劣化中と同一に維持される。
【００６１】
次に、本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回路２００内のＣＰＵにおける補正後モニタセル目標素子抵抗演算の処理手順の第１の変形例を示す図１１のフローチャートに基づき、図１２を参照して説明する。ここで、図１２は図１１におけるポンプセル１１０の素子抵抗Ｒps〔Ω〕の定常時からの変移量に応じて制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量〔Ω〕を算出するマップである。なお、この補正後モニタセル目標素子抵抗演算ルーチンは制御回路２００への電源投入に伴い所定時間毎にＣＰＵにて繰返し実行される。
【００６２】
図１１において、まず、ステップＳ５０１で、内燃機関の運転状態が定常であるかが判定される。ステップＳ５０１の判定条件が成立、即ち、内燃機関の運転状態が定常であるときには、何もすることなく本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ５０１の判定条件が成立せず、即ち、内燃機関の運転状態が過渡であるときにはステップＳ５０２に移行し、このときの制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが上述したように検出される。
【００６３】
次にステップＳ５０３に移行して、ポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsが上述したように検出される。次にステップＳ５０４に移行して、図１２に示すマップに基づき、ステップＳ５０３で算出されたポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの定常時からの変化量に応じて、このときの制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH が算出される。次にステップＳ５０５に移行して、ステップＳ５０２で算出されたモニタセル１２０の素子抵抗ＲmsにステップＳ５０４で算出されたモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH が加算され、補正後におけるモニタセル１２０の目標素子抵抗ＲMSHBが算出され、本ルーチンを終了する。
【００６４】
上述のように算出された補正後のモニタセル１２０の目標素子抵抗ＲMSHBを用いた目標素子温度補正について、図１２及び図１３を参照して説明する。ここで、図１３は図１１の処理に対応する制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒms〔Ω〕及びポンプセル１１０の素子抵抗Ｒps〔Ω〕の遷移状態を示すタイムチャートである。
【００６５】
図１２に示すマップにより算出されたポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの定常時からの変化量に応じた制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH に基づき、モニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが補正される。即ち、図１３において、内燃機関の運転状態の過渡におけるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが、時刻ｔ11〜時刻ｔ12に目標素子温度補正として示すように、このときのポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの変化量に応じて小さくなるよう補正されることで、モニタセル１２０の素子温度が内燃機関の運転状態が定常であるときと同一に維持される。
【００６６】
このように、本実施例及び変形例の内燃機関のガス濃度検出装置は、第１チャンバ１４４に導入した被検出ガス中の酸素を排出または汲み込むポンプセル１１０と、ポンプセル１１０を通過したのちのガスから特定ガス成分としてのＮＯx 濃度を検出するセンサセル１３０と、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度を検出するモニタセル１２０とを少なくとも有し、各セルを形成する固体電解質の素子抵抗に基づき各セルを活性状態に保持する複合型のガス濃度センサ１００と、ガス濃度センサ１００の少なくとも２つのセルに対して印加する電圧または電流を所定周期で一時的に切換え、そのときの電圧変化及び電流変化から各セルの素子抵抗を検出する制御回路２００にて達成される素子抵抗検出手段と、前記素子抵抗検出手段で検出された各セルの素子抵抗のうち、所定のセルの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するように、セル全体に対して設けられたヒータ１５１への通電を制御する制御回路２００にて達成されるヒータ制御手段と、センサセル１３０に流れる電流を検出し、その検出値から特定ガス成分の濃度を逐次検出する制御回路２００にて達成されるガス濃度検出手段と、前記ヒータ制御手段により所定のセルの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するよう制御する際、他のセルの素子抵抗の変化量に応じて、所定のセルの素子抵抗を補正する制御回路２００にて達成される補正手段とを具備するものである。
【００６７】
つまり、複合型のガス濃度センサ１００のポンプセル１１０、モニタセル１２０、センサセル１３０のうちポンプセル１１０とモニタセル１２０とに対して印加する電圧または電流を所定周期で一時的に切換え、そのときの電圧変化及び電流変化からモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsとポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsとが検出される。そして、これらの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するようヒータ１５１への通電が制御され、センサセル１３０に流れる電流の検出値から特定ガス成分としてのＮＯx 濃度が逐次検出される。このとき、他のセルであるポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの変化量に応じて所定のセル、即ち、制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが補正される。これにより、ガス濃度センサ１００のヒータ制御による素子温度の経時的または一時的な変動に伴う所定のセルの素子抵抗の検出誤差を補正することができ、結果として、ＮＯx 濃度の検出精度を向上することができる。
【００６８】
また、本実施例及び変形例の内燃機関のガス濃度検出装置の制御回路２００にて達成される素子抵抗検出手段は、センサセル１３０以外のセルであるポンプセル１１０及びモニタセル１２０を対象にそれらの素子抵抗Ｒps，Ｒmsを検出するものである。このため、ガス濃度センサ１００の補正後モニタセル目標素子抵抗算出の際にも、センサセル１３０によるＮＯx 濃度の検出が中断されることがなく、ＮＯx 濃度検出に影響を及ぼすことがない。
【００６９】
次に、本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回路２００内のＣＰＵにおける補正後モニタセル目標素子抵抗演算の処理手順の第２の変形例を示す図１４のフローチャートに基づき、図１５を参照して説明する。ここで、図１５は図１４における排気温ＴＥＭＰＨ〔℃〕の定常時からの変移量に応じて制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量〔Ω〕を算出するマップである。なお、この補正後モニタセル目標素子抵抗演算ルーチンは制御回路２００への電源投入に伴い所定時間毎にＣＰＵにて繰返し実行される。
【００７０】
図１４において、まず、ステップＳ６０１で、内燃機関の運転状態が定常であるかが判定される。ステップＳ６０１の判定条件が成立、即ち、内燃機関の運転状態が定常であるときには、何もすることなく本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ６０１の判定条件が成立せず、即ち、内燃機関の運転状態が過渡であるときにはステップＳ６０２に移行し、このときの制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが上述したように検出される。
【００７１】
次にステップＳ６０３に移行して、内燃機関の排気通路に配設された排気温センサ（図示略）によって、ガス濃度センサ１００の近傍における排気ガスの排気温ＴＥＭＰＨが検出される。次にステップＳ６０４に移行して、図１５に示すマップに基づき、ステップＳ６０３で算出された排気温ＴＥＭＰＨの定常時からの変化量に応じて、このときの制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH が算出される。次にステップＳ６０５に移行して、ステップＳ６０２で算出されたモニタセル１２０の素子抵抗ＲmsにステップＳ６０４で算出されたモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH が加算され、補正後におけるモニタセル１２０の目標素子抵抗ＲMSHBが算出され、本ルーチンを終了する。
【００７２】
上述のように算出された補正後のモニタセル１２０の目標素子抵抗ＲMSHBを用いた目標素子温度補正について、図１５及び図１６を参照して説明する。ここで、図１６は図１４の処理に対応する制御セルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒms〔Ω〕及びポンプセル１１０の素子抵抗Ｒps〔Ω〕の遷移状態を示すタイムチャートである。
【００７３】
図１５に示すマップにより算出された排気温ＴＥＭＰＨの定常時からの変化量に応じた制御セルであるモニタセル１２０の目標素子抵抗補正量ＲMSH に基づき、モニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが補正される。即ち、図１６において、内燃機関の運転状態の過渡におけるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsが、時刻ｔ21〜時刻ｔ22に目標素子温度補正として示すように、このときのポンプセル１１０の素子抵抗Ｒpsの変化量に応じて小さくなるよう補正されることで、モニタセル１２０の素子温度が内燃機関の運転状態が定常であるときと同一に維持される。
【００７４】
このように、本変形例の内燃機関のガス濃度検出装置の制御回路２００にて達成される補正手段は、内燃機関（図示略）の排気温ＴＥＭＰＨに基づき所定のセルであるモニタセル１２０の素子抵抗Ｒmsを補正するものである。このため、ガス濃度センサ１００の補正後モニタセル目標素子抵抗算出の際にも、センサセル１３０によるＮＯx 濃度の検出が中断されることがなく、ＮＯx 濃度検出に影響を及ぼすことがない。
【００７５】
ところで、上記実施例及び変形例では、ヒータ制御にて所定のセルの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するよう制御する際、他のセルの素子抵抗の変化量に応じて所定のセルの素子抵抗またはヒータへの通電量を補正するとしたが、本発明を実施する場合には、これに限定されるものではなく、他のセルの素子抵抗が予め設定された所定範囲外となるとき補正するようにしてもよい。
【００７６】
また、上記実施例及び変形例では、所定のセルの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するよう制御する際、所定のセルの素子抵抗を補正して素子温度補正するとしたが、本発明を実施する場合には、これに限定されるものではなく、ヒータ１５１への通電量を補正して素子温度補正するようにしてもよい。
【００７７】
そして、上記変形例では、内燃機関の排気通路に排気温センサを配設して排気ガスの排気温を直接検出するとしたが、本発明を実施する場合には、これに限定されるものではなく、排気温センサを用いることなく、推定された排気温を適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置を示す概略構成図である。
【図２】 図２は図１のガス濃度センサの構成を示す詳細断面図である。
【図３】 図３は図２のモニタセル及びセンサセルの電極配置を示す断面図である。
【図４】 図４は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回路のＣＰＵにおけるガス濃度センサの各セルに対するヒータ制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】 図５は図４における素子インピーダンスを検出する処理手順を示すフローチャートである。
【図６】 図６は図４における素子インピーダンスを検出する処理手順の変形例を示すフローチャートである。
【図７】 図７は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で用いられているガス濃度センサの素子温度と素子抵抗との関係を劣化前及び劣化後とで示す特性図である。
【図８】 図８は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回路のＣＰＵにおける補正後モニタセル目標素子抵抗演算の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】 図９は図８におけるポンプセル素子抵抗の初期からの変移量に応じて制御セル目標素子抵抗補正量を算出するマップである。
【図１０】 図１０は図８の処理に対応する各セルの素子抵抗等の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１１】 図１１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回路のＣＰＵにおける補正後モニタセル目標素子抵抗演算の処理手順の第１の変形例を示すフローチャートである。
【図１２】 図１２は図１１におけるポンプセル素子抵抗の定常時からの変移量に応じて制御セル目標素子抵抗補正量を算出するマップである。
【図１３】 図１３は図１１の処理に対応する各セルの素子抵抗等の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１４】 図１４は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関のガス濃度検出装置で使用されている制御回路のＣＰＵにおける補正後モニタセル目標素子抵抗演算の処理手順の第２の変形例を示すフローチャートである。
【図１５】 図１５は図１４における排気温の定常時からの変移量に応じて制御セル目標素子抵抗補正量を算出するマップである。
【図１６】 図１６は図１４の処理に対応する各セルの素子抵抗等の遷移状態を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１００ ガス濃度センサ
１１０ ポンプセル
１２０ モニタセル
１３０ センサセル
１４４ 第１チャンバ
１４６ 第２チャンバ
１５１ ヒータ
２００ 制御回路

Claims (3)

1. チャンバに導入した被検出ガス中の酸素を排出または汲み込むポンプセルと、前記ポンプセルを通過したのちのガスから特定ガス成分の濃度を検出するセンサセルと、前記チャンバ内の残留酸素濃度を検出するモニタセルとを少なくとも有し、各セルを形成する固体電解質の素子抵抗に基づき各セルを活性状態に保持する複合型のガス濃度センサと、
   前記ガス濃度センサの少なくとも２つのセルに対して印加する電圧または電流を所定周期で一時的に切換え、そのときの電圧変化及び電流変化から各セルの素子抵抗を検出する素子抵抗検出手段と、
   前記素子抵抗検出手段で検出された各セルの素子抵抗のうち、所定のセルの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するように、セル全体に対して設けられたヒータへの通電を制御するヒータ制御手段と、
   前記センサセルに流れる電流を検出し、その検出値から特定ガス成分の濃度を逐次検出するガス濃度検出手段と、
   前記ヒータ制御手段により所定のセルの素子抵抗が所望の目標素子抵抗に一致するよう制御する際、他のセルの素子抵抗の変化量に応じて、または他のセルの素子抵抗が所定範囲外となるとき前記所定のセルの素子抵抗または前記ヒータへの通電量を補正する補正手段と
   を具備することを特徴とする内燃機関のガス濃度検出装置。
2. 前記素子抵抗検出手段は、前記センサセル以外のセルを対象に素子抵抗を検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置。
3. 前記補正手段は、内燃機関の運転条件または排気温に基づき前記所定のセルの素子抵抗または前記ヒータへの通電量を補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置。

Images