JP3835439B2

JP3835439B2 - 濃度検出装置

Info

Publication number: JP3835439B2
Application number: JP2003208061A
Authority: JP
Inventors: 佳宏坂柳
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: DE102004040291A1; US20050077177A1; DE102004040291B4; US7438791B2; JP2005061885A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するための装置（以下「ＮＯｘ検出装置」という）が、特許文献１に開示されている。当該ＮＯｘ検出装置は、そこに流入した排気ガスから酸素を排出するためのセル（特許文献１では、参照符号１１０が付され、「ポンプセル」と称されており、以下これを「ポンプセル」という）と、該ポンプセルによって酸素が排出された後の排気ガス中の酸素濃度に対応する出力値を出力するセル（特許文献１では、参照符号１２０が付され、「モニタセル」と称されており、以下これを「モニタセル」という）と、同酸素が排出された後の排気ガス中のＮＯｘを分解して酸素を生成すると共に該酸素生成後の排気ガス中の酸素濃度に対応する出力値を出力するセル（特許文献１では、参照符号１３０が付され、「センサセル」と称されており、以下これを「センサセル」という）とを具備する。
【０００３】
特許文献１記載のＮＯｘ検出装置では、ポンプセルは、排気ガス中の酸素濃度が一定値にまで低下するように、排気ガスから酸素を排出する。一方、モニタセルは、ポンプセルによって酸素が排出された後の排気ガス中の酸素濃度に対応した出力値（以下「モニタセル出力値」という）を出力する。一方、センサセルは、ポンプセルによって酸素が排出された後の排気ガス中のＮＯｘを分解して酸素を生成し、その後の排気ガス中の酸素濃度に対応した出力値（以下「センサセル出力値」という）を出力する。したがって、単純に言えば、センサセル出力値からモニタセル出力値を差し引いた値は、排気ガス中のＮＯｘ濃度に対応しているはずであるので、この値を適宜変換すれば、ＮＯｘ濃度を得ることができる。
【０００４】
ところが、特許文献１にも記載されているように（段落０１２５参照）、モニタセルとセンサセルとでは、これらのサイズが互いに異なったりこれらを構成する材料が互いに異なったりする。このため、モニタセルの出力特性とセンサセルの出力特性とは、完全には一致していない。したがって、単に、センサセル出力値からモニタセル出力値を差し引いた値は、排気ガス中のＮＯｘ濃度に対応した値とはならない。そこで、特許文献１では、こうしたモニタセルの出力特性とセンサセルの出力特性との違いを修正するための係数（以下「修正係数」という）を求め、その係数をモニタセル出力値に乗じ、この値をセンサセル出力値から差し引き、この値に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出するようにしている。
【０００５】
このように、上述したタイプのＮＯｘ検出装置では、ＮＯｘ濃度を正確に算出するためには、モニタセルの出力特性とセンサセルの出力特性とを合わせるための操作が必要である。特許文献１では、この操作を予め求めた上記修正係数をモニタセル出力値に乗じることによって行っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２０２２８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、モニタセルやセンサセルの出力特性は、ＮＯｘ検出装置の使用に伴って変化する。すなわち、ＮＯｘ検出装置を使用し続けていると、モニタセルやセンサセルの経時劣化等により、モニタセルやセンサセルの出力特性は変化してしまう。したがって、ＮＯｘ濃度を正確に算出するためには、ＮＯｘ検出装置の使用中に、上記修正係数を変化させる必要がある。この場合において、予め求めた修正係数を相変わらず利用していると、ＮＯｘ濃度を正確に算出することができない。そして、こうしたことは、一般的に、ガス中の特定成分を算出（検出）する場合にも当てはまる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ガス中の特定成分の濃度を正確に算出することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、ガス中の特定成分であって分解されることによって酸素を生成する特定成分の濃度を検出する濃度検出装置であって、ガス中の特性成分を分解して酸素を生成する酸素生成手段と、該酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度に比例した出力値を出力する第１出力手段と、上記酸素生成手段により酸素が生成された後のガス中の酸素濃度に比例した出力値を出力する第２出力手段と、上記第１出力手段の出力特性を前記第２出力手段の出力特性に合わせるための係数を用いてこれら第１出力手段からの出力値と第２出力手段からの出力値とに基づいてガス中の特定成分の濃度を算出する濃度算出手段とを具備する濃度検出装置において、上記第１出力手段に酸素濃度の異なるガスを供給するガス供給手段と、ガス中の特定成分の濃度が一定濃度となっている機関運転が行われているときに上記ガス供給手段を制御することによって酸素濃度の異なる少なくとも２種類のガスを上記第１出力手段に供給するガス供給制御手段と、該ガス供給制御手段によって酸素濃度が異なる少なくとも２種類のガスを上記第１出力手段に供給しこのときの該第１出力手段からの出力値と第２出力手段からの出力値とに基づいて上記係数を算出する手段とを具備する。ここで、第１出力手段は、後述する本発明の実施の形態では、モニタセルに相当する。また、酸素生成手段および第２出力手段は、後述する本発明の実施の形態では、センサセルに相当する。また、特定成分は、後述する本発明の実施の形態では、ＮＯｘまたはアンモニアまたはＳＯｘに相当する。
２番目の発明では、１番目の発明において、上記濃度算出手段が上記第１出力手段からの出力値に上記係数を乗じた値を上記第２出力手段からの出力値から差し引いた値を用いてガス中の特定成分の濃度を算出し、上記係数が上記特定成分の濃度が零であるガス中の各酸素濃度に対応した上記第１出力手段からの出力値の差に対する同ガス中の各酸素濃度に対応した上記第２出力手段からの出力値の差の比である。
３番目の発明では、２番目の発明において、上記特定成分がＮＯｘであり、ガス中のＮＯｘ濃度を［ＮＯｘ］で表し、上記係数をＫ_３で表し、該Ｋ_３とはそれぞれ異なる２つの係数をそれぞれＫ_１およびＫ_２で表し、上記第１出力手段によって出力される出力値をＩｍで表し、上記第２出力手段によって出力される出力値をＩｓで表したときに、上記ＮＯｘ濃度算出手段が式［ＮＯｘ］＝（Ｉｓ−Ｉｍ×Ｋ_３−Ｋ_２）×Ｋ_１に従ってガス中の特定成分の濃度を算出し、上記ガス中の特定成分の濃度が一定濃度である機関運転としてガス中のＮＯｘ濃度が零である機関運転が行われているときに上記ガス供給制御手段によって酸素濃度が第１の濃度であるガスを上記第１出力手段に供給し、該第１の濃度であるガス中の酸素濃度に対応した上記第１出力手段からの出力値および同ガス中の酸素濃度に対応した上記第２出力手段からの出力値と、上記ガス中のＮＯｘ濃度が零である機関運転が行われているときに上記ガス供給制御手段によって酸素濃度が上記第１の濃度とは異なる第２の濃度であるガスを上記第１出力手段に供給し、該第２の酸素濃度であるガス中の酸素濃度に対応した上記第１出力手段からの出力値および同ガス中の酸素濃度に対応した上記第２出力手段からの出力値とを、横軸に上記第１出力手段からの出力値をとり且つ縦軸に上記第２出力手段からの出力値をとった座標上にプロットしてこれらプロット点から導き出される直線を引いたときに該直線が縦軸に交わる点における第２出力手段からの出力値が上記係数Ｋ_２である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するためのＮＯｘセンサのセンサ部の構造を示している。以下の説明では、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するために内燃機関の排気管に取り付けられたＮＯｘセンサを例に、本実施形態のＮＯｘセンサについて説明する。
【００１１】
図１を参照すると、ＮＯｘセンサのセンサ部１は、互いに積層された酸素イオン伝導性固体電解質（例えば、酸化ジルコニウム）からなる６つの電解質層からなり、以下、これら６つの固体電解質層を、上から順に、第１層Ｌ_１、第２層Ｌ_２、第３層Ｌ_３、第４層Ｌ_４、第５層Ｌ_５、第６層Ｌ_６と称する。
【００１２】
第１層Ｌ₁と第３層Ｌ₃との間には、例えば、多孔質材料からなる（または、細孔が形成されている）第１の拡散律速部材２と第２の拡散律速部材３とが配置されている。これら拡散律速部材２，３間には、第１室４が形成されている。第２の拡散律速部材３と第２層Ｌ₂との間には、第２室５が形成されている。また、第３層Ｌ₃と第５層Ｌ₅との間には、外気に連通している大気室６が形成されている。一方、第１の拡散律速部材２の外側の面は排気ガスと接触する。したがって、排気ガスは、第１の拡散律速部材２を介して第１室４内に流入し、第１室４内は、排気ガスで満たされる。
【００１３】
一方、第１室４に面する第１層Ｌ₁の内周面上には、陰極側第１ポンプ電極７が形成されている。また、第１層Ｌ₁の外周面上には、陽極側第１ポンプ電極８が形成されている。これら第１ポンプ電極７，８間には、第１ポンプ電圧源９により電圧が印加される。第１ポンプ電極７，８間に電圧が印加されると、第１室４内の排気ガス中に含まれている酸素が、陰極側第１ポンプ電極７と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第１層Ｌ₁内を陽極側第１ポンプ電極８に向かって流れる。したがって、第１室４内の排気ガス中に含まれている酸素は、第１層Ｌ₁内を移動して外部に汲み出されることになる。このとき、外部に汲み出される酸素量は、第１ポンプ電圧源９の電圧が高くなるほど多くなる。
【００１４】
一方、大気室６に面する第３層Ｌ₃の壁面上には、基準電極１０が形成されている。ところで、酸素イオン伝導性固体電解質では、固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図１に示されている例では、大気室６内の酸素濃度のほうが第１室４内の酸素濃度よりも高いので、大気室６内の酸素は基準電極１０と接触することによって電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第３層Ｌ₃、第２層Ｌ₂、および、第１層Ｌ₁内を移動し、陰極側第１ポンプ電極７において電荷を放出する。その結果、基準電極１０と陰極側第１ポンプ電極７との間に、符号１１で示した電圧Ｖ₀が発生する。この電圧Ｖ₀は、大気室６内と第１室４内との酸素濃度差に比例する。
【００１５】
また、図１に示されている例では、電圧Ｖ₀が第１室４内の酸素濃度が１p.p.m. （この値は単なる例示であり、例えば、数p.p.m.〜数十p.p.m.の間の値であってもよい）のときに生ずる電圧に一致するように、第１ポンプ電圧源９の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第１室４内の酸素は、第１室４内の酸素濃度が１p.p.m.となるように、第１層Ｌ₁を通って汲み出され、それによって、第１室４内の酸素濃度が１p.p.m.に維持される。
【００１６】
なお、陰極側第１ポンプ電極７は、ＮＯｘに対しては還元性の低い材料（例えば、金（Ａｕ）と白金（Ｐｔ）との合金）から形成されており、したがって、排気ガス中に含まれているＮＯｘは、第１室４内ではほとんど還元されない。したがって、このＮＯｘは第２の拡散律速部材３を通って第２室５内に流入する。
【００１７】
一方、第２室５に面する第１層Ｌ₁の内周面上には、陰極側第２ポンプ電極１２が形成されている。陰極側第２ポンプ電極１２と陽極側第１ポンプ電極８との間には、第２ポンプ電圧源１３によって電圧が印加される。これらポンプ電極１２，８間に電圧が印加されると、第２室５内の排気ガス中に含まれている酸素が、陰極側第２ポンプ電極１２と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第１層Ｌ₁内を陽極側第１ポンプ電極８に向かって移動する。したがって、第２室５内の排気ガス中に含まれている酸素は、第１層Ｌ₁内を移動して外部に汲み出されることになる。このときに外部に汲み出される酸素量は、第２ポンプ電圧源１３の電圧が高くなるほど多くなる。また、このとき、陰極側第２ポンプ電極１２と陽極側第１ポンプ電極８との間には、この酸素イオン量に比例した符号１４で示した電流Ｉｍが流れる。
【００１８】
一方、上述したように、酸素イオン伝導性固体電解質では、固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図１に示されている例では、大気室６内の酸素濃度のほうが第２室５内の酸素濃度よりも高いので、大気室６内の酸素は、基準電極１０と接触することによって電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第３層Ｌ₃、第２層Ｌ₂、および、第１層Ｌ₁内を移動し、陰極側第２ポンプ電極１２において電荷を放出する。その結果、基準電極１０と陰極側第２ポンプ電極１２との間に、符号１５で示した電圧Ｖ₁が発生する。この電圧Ｖ₁は、大気室６内と第２室５内との酸素濃度差に比例する。
【００１９】
図１に示されている例では、電圧Ｖ₁が第２室５内の酸素濃度が０．０１p.p.m. （この値は単なる例示であって、別の値でもよい）のときに生ずる電圧に一致するように、第２ポンプ電圧源１３の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第２室５内の酸素は、第２室５内の酸素濃度が０．０１p.p.m.となるように、第１層Ｌ₁を通って汲み出され、それによって、第２室５内の酸素濃度が０．０１p.p.m.に維持される。
【００２０】
なお、陰極側第２ポンプ電極１２もＮＯｘに対しては還元性の低い材料（例えば、金（Ａｕ）と白金（Ｐｔ）との合金）から形成されており、したがって、排気ガス中に含まれているＮＯｘは、陰極側第２ポンプ電極１２と接触してもほとんど還元されない。
【００２１】
一方、第２室５に面する第３層Ｌ₃の壁面上には、ＮＯｘ検出用の陰極側ポンプ電極１６が形成されている。陰極側ポンプ電極１６は、ＮＯｘに対して強い還元性を有する材料（例えば、ロジウム（Ｒｈ）や白金（Ｐｔ））から形成されている。したがって、第２室５内のＮＯｘ（実際には、大部分を占めるＮＯ）が、陰極側ポンプ電極１６上において、Ｎ₂とＯ₂とに分解される。図１に示されているように、陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間には、一定電圧１７が印加されており、したがって、陰極側ポンプ電極１６上において分解生成されたＯ₂は、酸素イオンとなって第３層Ｌ₃内を基準電極１０に向かって移動する。このとき、陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間には、この酸素イオン量に比例した符号１８で示した電流Ｉｓが流れる。
【００２２】
一方、排気ガス中に含まれているアンモニア（ＮＨ₃）は、第１室４内においてＮＯとＨ₂Ｏとに分解され（４ＮＨ₃＋５Ｏ₂→４ＮＯ＋６Ｈ₂Ｏ）、この分解されたＮＯは、第２の拡散律速部材３を通って第２室５内に流入する。このＮＯは、陰極側ポンプ電極１６上において、Ｎ₂とＯ₂とに分解され、分解生成されたＯ₂は、酸素イオンとなって第３層Ｌ₃内を基準電極１０に向けて移動する。このときにも、電流Ｉｓは排気ガス中に含まれているＮＨ₃濃度に比例し、斯くして、電流Ｉｓから排気ガス中のＮＨ₃濃度を検出できることになる。図２は、電流Ｉｓと排気ガス中のＮＯｘ濃度およびＮＨ₃濃度との関係を示している。図２から、電流Ｉｓは排気ガス中のＮＯｘ濃度およびＮＨ₃濃度に比例していることが判る。
【００２３】
一方、排気ガス中の酸素濃度が高いほど（すなわち、空燃比がリーンであるほど）、第１室４から外部に汲み出される酸素量が多くなり、符号１９で示した電流Ｉｐが増大する。したがって、この電流Ｉｐから排気ガスの空燃比を検出することができる。
【００２４】
なお、第５層Ｌ₅と第６層Ｌ₆との間には、ＮＯｘセンサのセンサ部を加熱するための電気ヒータ２０が配置されている。この電気ヒータ２０によってＮＯｘセンサのセンサ部は、７００℃から８００℃に加熱される。
【００２５】
次に、本実施形態におけるＮＯｘ濃度検出（算出）方法について説明する。上述したように、符号１８で示した電流Ｉｓは、陰極側ポンプ電極１６上においてＮＯｘから分解生成されたＯ_２が酸素イオンとなって陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間を流れたときのこの酸素イオン量に比例した値をとる。したがって、概して言えば、電流Ｉｓは、陰極側ポンプ電極１６上においてＮＯｘから分解生成せしめられた酸素の濃度に比例した値をとる。言い換えれば、電流Ｉｓは、第２室５内のＮＯｘ濃度に比例した値をとる。したがって、この電流Ｉｓの値から第２室５内のＮＯｘ濃度（すなわち、排気ガス中のＮＯｘ濃度）を知ることができるはずである。
【００２６】
ところが、厳密に言えば、陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間を流れる酸素イオンには、陰極側第２ポンプ電極１２から第１層Ｌ_１内を移動して外部に汲み出されずに第２室５内に残って陰極側ポンプ電極１６にて生成されて該陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間を流れる酸素イオンも含まれている。したがって、電流Ｉｓには、第２室５内のＮＯｘから生成される酸素イオン量に起因する電流と、第２室５内に元々存在した酸素から生成される酸素イオン量に起因する電流とが含まれていることになる。
【００２７】
ここで、上述したように、符号１４で示した電流Ｉｍは、陰極側第２ポンプ電極１２と接触して生成されて陰極側第２ポンプ電極と陽極側第１ポンプ電極８との間を流れた酸素イオン量に比例した値をとる。したがって、電流Ｉｍは、第２室５内に元々存在した酸素から生成される酸素イオン量に起因する電流に相当する。
【００２８】
このように、電流Ｉｓに、第２室５内のＮＯｘに起因する電流と第２室５内に元々存在した酸素に起因する電流とが含まれ、一方、電流Ｉｍに、第２室５内に元々存在した酸素に起因する電流が含まれていることから、次式（１）に示したように、電流Ｉｓから電流Ｉｍを差し引いた値Ｉｎは、第２室５内のＮＯｘ濃度に比例した値をとるはずである。
Ｉｎ＝Ｉｓ−Ｉｍ …（１）
【００２９】
ところが、さらに厳密に言えば、陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０とから構成されて電流Ｉｓを出力する手段を「センサセル」と称し、陰極側第２ポンプ電極と陽極側第１ポンプ電極８とから構成されて電流Ｉｍを出力する手段を「モニタセル」と称するとしたとき、センサセルの出力特性とモニタセルの出力特性とは、これらのサイズやこれらを構成する材料の種類等に起因して異なっていることがある。このようにセンサセルとモニタセルとの間で出力特性に違いがあると、上式（１）に従って算出される値Ｉｎは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に比例した値になるとは限らない。
【００３０】
さらに、センサセルには、それ固有の出力誤差があるし、モニタセルにも、それ固有の出力誤差がある。これら出力誤差を考慮しても、上式（１）に従って算出される値Ｉｎは、排気ガス中のＮＯｘ濃度に比例した値になるとは言えない。
【００３１】
そこで、本実施形態では、センサセルから出力される電流（以下「センサセル電流」ともいう）Ｉｓとモニタセルから出力される電流（以下「モニタセル電流」という）Ｉｍとに基づいて、次式（２）に従って、ＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］を算出する。
［ＮＯｘ］＝（Ｉｓ−Ｉｍ×Ｋ_３−Ｋ_２）×Ｋ_１ …（２）
ここで、Ｋ_３は、モニタセルの出力特性を補正してセンサセルの出力特性に合わせるための係数である。また、Ｋ_２は、係数Ｋ_３によって補正された後のモニタセルの出力特性をセンサセルの出力特性に合わせるための係数である。すなわち、モニタセル電流Ｉｍに係数Ｋ_３を乗ずることでは、モニタセルの出力特性をセンサセルの出力特性に完全に合わせることができないので、係数Ｋ_２は、係数Ｋ_３によって合わせられないモニタセルの出力特性とセンサセルの出力特性とのずれを補正するものである。また、Ｋ_１は、値Ｉｓ−Ｉｍ×Ｋ_３−Ｋ_２をＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］に変換するための係数である。
これによれば、係数Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３が適切な値となっている限り、上式（２）に従って、排気ガス中のＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００３２】
ところで、ＮＯｘセンサの使用に伴うモニタセルやセンサセルの劣化に伴って、モニタセルやセンサセルの出力特性が変化してしまうことがある。この場合、係数Ｋ_３の値としてモニタセルやセンサセルの劣化前に求めた値を使用し、上式（２）に従ってＮＯｘ濃度を算出したとしても、この算出されたＮＯｘ濃度が真のＮＯｘ濃度ではない可能性がある。したがって、ＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）するためには、モニタセルやセンサセルの出力特性の変化に応じて、適宜、係数Ｋ_３の値を変更（更新）する必要がある。
【００３３】
そこで、本実施形態では、ＮＯｘ濃度を正確に算出するために適した係数Ｋ_３の値を以下のようにして新たに算出し、斯くして算出された係数Ｋ_３を使用して上式（２）に従ってＮＯｘ濃度を算出する。すなわち、ＮＯｘを含んでいない排気ガス（すなわち、ＮＯｘ濃度が零である排気ガス）がＮＯｘセンサに供給される。そして、第１ポンプ電圧源９の電圧と第２ポンプ電圧源１３の電圧とを制御して、第２室５内に元々存在する酸素の濃度を様々な濃度（少なくとも、２種類の濃度）とする。そして、各酸素濃度毎に電流Ｉｍと電流Ｉｓとを検出し、図３に示されているように、これらを座標（電流Ｉｍを横軸とし、電流Ｉｓを縦軸とした座標）にプロットする。そして、これらプロット点を直線で結び（実際には、完全な直線では結べないので、これらプロット点から直線を導き出すことになる）、この直線の傾きを求める。この傾きが上記係数Ｋ_３であるので、これを新たな係数Ｋ_３とする。こうして求められた係数Ｋ_３を利用すれば、ＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００３４】
次に、こうして求められた係数Ｋ_３がそのときのモニタセルの出力特性をそのときのセンサセルの出力特性に合わせるための係数である理由について説明する。上述から判るように、センサセル電流Ｉｓには、ＮＯｘ濃度に比例した電流と、第２室５内に元々存在する酸素の濃度に比例した電流と、センサセル固有の出力誤差に起因する電流とが含まれている。したがって、ＮＯｘ濃度に比例してセンサセルから出力される電流を「Ｉｓ_ｎ」とし、第２室５内に元々存在する酸素の濃度に比例してセンサセルから出力される電流を「Ｉｓ_ｏ」とし、センサセル固有の出力誤差に起因する電流を「Ｉｓ_ｏｆｆ」としたとき、センサセル電流Ｉｓは、次式（３）で表される。
Ｉｓ＝Ｉｓ_ｎ＋Ｉｓ_ｏ＋Ｉｓ_ｏｆｆ …（３）
【００３５】
一方、モニタセル電流Ｉｍには、第２室５内に元々存在する酸素の濃度に比例した電流と、モニタセル固有の出力誤差に起因する電流とが含まれている。したがって、第２室５内に元々存在する酸素の濃度に比例してモニタセルから出力される電流を「Ｉｍ_ｏ」とし、モニタセル固有の出力誤差に起因する電流を「Ｉｍ_ｏｆｆ」としたとき、モニタセル電流Ｉｍは、次式（４）で表される。
Ｉｍ＝Ｉｍ_ｏ＋Ｉｍ_ｏｆｆ …（４）
【００３６】
ここで、これら式（３）および（４）を用いて、上式（２）を変形すると、次式（５）が得られる。
［ＮＯｘ］＝（Ｉｓ_ｎ＋Ｉｓ_ｏ＋Ｉｓ_ｏｆｆ−（Ｉｍ_ｏ＋Ｉｍ_ｏｆｆ）×Ｋ_３−Ｋ_２）×Ｋ_１ …（５）
これをさらに変形すると、次式（６）が得られる。
［ＮＯｘ］＝Ｉｓ_ｎ×Ｋ_１＋（Ｉｓ_ｏ−Ｉｍ_ｏ×Ｋ_３）×Ｋ_１＋（Ｉｓ_ｏｆｆ−Ｉｍ_ｏｆｆ×Ｋ_３−Ｋ_２）×Ｋ_１ …（６）
【００３７】
上式（６）において、Ｉｓ_ｏ−Ｉｍ_ｏ×Ｋ_３＝０とならなければならないことから、次式（７）が得られる。また、上式（６）において、Ｉｓ_ｏｆｆ−Ｉｍ_ｏｆｆ×Ｋ_３−Ｋ_２＝０とならなければならないことから、次式（８）が得られる。
Ｋ_３＝Ｉｓ_ｏ／Ｉｍ_ｏ …（７）
Ｋ_２＝Ｉｓ_ｏｆｆ−Ｉｍ_ｏｆｆ×Ｋ_３ …（８）
【００３８】
一方、ＮＯｘ濃度が零である排気ガスがＮＯｘセンサに供給されると、ＮＯｘ濃度は零であるので、ＮＯｘ濃度に比例してセンサセルから出力される電流Ｉｓ_ｎは零である。したがって、上式（３）から次式（９）が得られる。そして、第２室５内に元々存在する酸素の濃度に比例してセンサセルから出力される電流Ｉｓ_ｏを、α×［Ｏ_２］（αは係数であり、［Ｏ_２］は酸素濃度である）で置き換えて、式（９）を変形すると、式（１０）が得られる。
Ｉｓ＝Ｉｓ_ｏ＋Ｉｓ_ｏｆｆ …（９）
Ｉｓ＝α×［Ｏ_２］＋Ｉｓ_ｏｆｆ …（１０）
【００３９】
一方、第２室５内に元々存在する酸素の濃度に比例してモニタセルから出力される電流Ｉｍ_ｏをβ×［Ｏ_２］（βは係数であり、［Ｏ_２］は酸素濃度である）で置き換えて、上式（４）を変形すると、次式（１１）が得られる。
Ｉｍ＝β×［Ｏ_２］＋Ｉｍ_ｏｆｆ …（１１）
【００４０】
そして、上式（１０）を変形すると、次式（１２）が得られ、上式（１１）を変形すると、次式（１３）が得られる。
［Ｏ_２］＝（Ｉｓ−Ｉｓ_ｏｆｆ）／α …（１２）
［Ｏ_２］＝（Ｉｍ−Ｉｍ_ｏｆｆ）／β …（１３）
そして、これら式（１２）および（１３）を用いて、項［Ｏ_２］を除去すると、次式（１４）が得られる。
（Ｉｓ−Ｉｓ_ｏｆｆ）／α＝（Ｉｍ−Ｉｍ_ｏｆｆ）／β …（１４）
この式（１４）を変形すると、次式（１５）が得られる。
Ｉｓ−Ｉｓ_ｏｆｆ＝（Ｉｍ−Ｉｍ_ｏｆｆ）×α／β …（１５）
この式（１５）をさらに変形すると、次式（１６）が得られる。
Ｉｓ＝（α／β）×Ｉｍ＋（Ｉｓ_ｏｆｆ−（α／β）×Ｉｍ_ｏｆｆ） …（１６）
ここで、α／βを「ｂ」で置き換え、Ｉｓ_ｏｆｆ−（α／β）×Ｉｍ_ｏｆｆを「ｃ」で置き換えると、上式（１６）から次式（１７）が得られる。
Ｉｓ＝ｂ×Ｉｍ＋ｃ …（１７）
【００４１】
ここで、上式（７）で示されているように、Ｋ_３＝Ｉｓ_ｏ／Ｉｍ_ｏであり、上述したのと同様に、Ｉｓ_ｏをα×［Ｏ_２］に置き換え、Ｉｍ_ｏをβ×［Ｏ_２］に置き換えて係数Ｋ_３を算出すると、次式（１８）に示したように、Ｋ_３はα／βとなる。
Ｋ_３＝α×［Ｏ_２］／（β×［Ｏ_２］）＝α／β …（１８）
ここで、α／βは上式（１７）における係数ｂである。
【００４２】
一方、上式（８）で示されているように、Ｋ_２＝Ｉｓ_ｏｆｆ−Ｉｍ_ｏｆｆ×Ｋ_３であり、また、上式（１８）で示されているように、Ｋ_３＝α／βであるので、係数Ｋ_２は、次式（１９）に示したように、Ｉｓ_ｏｆｆ−（α／β）×Ｉｍ_ｏ _ｆｆとなる。
Ｋ_２＝Ｉｓ_ｏｆｆ−（α／β）×Ｉｍ_ｏｆｆ …（１９）
ここで、Ｉｓ_ｏｆｆ−（α／β）×Ｉｍ_ｏｆｆは上式（１７）における係数ｃである。
【００４３】
こうしたことから、上式（１７）は、次式（２０）に示したように表せる。
Ｉｓ＝Ｋ_３×Ｉｍ＋Ｋ_２ …（２０）
この式（２０）における電流ＩｓおよびＩｍは、ＮＯｘ濃度が零である排気ガスがＮＯｘセンサに供給されたときのものである。したがって、ＮＯｘ濃度が零であって酸素濃度が異なる複数種類の排気ガスをモニタセルに供給し、各種類の排気ガスに対応して電流ＩｓおよびＩｍを検出して取得し、これら電流値ＩｓおよびＩｍを図３に示されているような座標にプロットし、これらプロット点を直線で結んだときに、この直線の傾きが係数Ｋ_３に相当することが判る。なお、上式（２０）から、座標上の直線が縦軸に交わる点における縦軸の値（切片）が係数Ｋ_２に相当することも判る。
【００４４】
以上説明した方法によれば、ＮＯｘセンサの使用中に、係数Ｋ_３が適時更新されるだけでなく、係数Ｋ_２も適時更新されるので、常に、ＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００４５】
なお、上述した実施形態において、第２室５内に元々存在する酸素の濃度を２種類の酸素濃度とし、各酸素濃度に対応してセンサセルにて検出される電流Ｉｓの差を各酸素濃度に対応してモニタセルにて検出される電流Ｉｍの差で除した値を、上記係数Ｋ_３としてもよい。言い換えれば、第２室５内に元々存在する酸素の濃度を２種類の酸素濃度とし、各酸素濃度に対応してモニタセルにて検出される電流Ｉｍの差に対する各酸素濃度に対応してセンサセルにて検出される電流Ｉｓの差の比を、上記係数Ｋ_３としてもよい。したがって、より一般的に言えば、本発明は、ＮＯｘ濃度が零であって酸素濃度が異なる少なくとも２種類の排気ガスをモニタセルに供給したときのモニタセルからの出力値（電流Ｉｍ）とセンサセルからの出力値（電流Ｉｓ）とに基づいて、上記係数Ｋ_３を算出するものと言える。
【００４６】
また、上述した係数Ｋ_３の算出（更新）は、ＮＯｘセンサの使用中に係数Ｋ_３を新たに算出する必要があると判断されたとき、あるいは、ＮＯｘセンサの使用中に所定の時期が到来したとき（例えば、ＮＯｘセンサの使用時間が所定時間に達したとき）、あるいは、ＮＯｘセンサの使用前に行われる。
【００４７】
また、上述した係数Ｋ_３の算出（更新）を、ＮＯｘ濃度が零である排気ガスがＮＯｘセンサに到来したとき（例えば、内燃機関の燃料噴射弁から燃料が噴射されず、したがって、燃焼室内で燃焼が行われていないときや、燃焼室内の空燃比が理論空燃比よりもリッチであって、燃焼室内にてＮＯｘが発生しないようなとき）に行うようにしてもよい。この場合には、ＮＯｘ濃度が零である排気ガスを強制的に作り出す必要がないので、このために機関運転状態（例えば、燃料噴射弁から噴射させる燃料の量）を変更する必要もなく、機関運転状態を良好なまま維持することができるという利点がある。
【００４８】
ところで、上述した実施形態では、ＮＯｘ濃度が零である排気ガスをＮＯｘセンサに供給することによって、係数Ｋ_３およびＫ_２が算出される。すなわち、上述した実施形態によれば、係数Ｋ_３と係数Ｋ_２とを同時に算出することができる。以下の実施形態によれば、係数Ｋ_２を算出することはできないが、係数Ｋ_３を算出することができる。すなわち、本実施形態では、ＮＯｘ濃度が一定濃度である排気ガスがＮＯｘセンサに供給される。そして、第１ポンプ電圧源９の電圧と第２ポンプ電圧源１３の電圧とを制御して、第２室５内に元々存在する酸素の濃度を様々な濃度（少なくとも、２種類の濃度）とする。そして、各酸素濃度毎に電流Ｉｍと電流Ｉｓとを検出し、図３に示されているように、これらを座標にプロットする。そして、これらプロット点を直線で結び（実際には、完全な直線では結べないので、これらプロット点から直線を導き出すことになる）、この直線の傾きを求める。この傾きが係数Ｋ_３であるので、これを新たな係数Ｋ_３とする。
【００４９】
次に、こうして求められた係数Ｋ_３がそのときのモニタセルの出力特性をそのときのセンサセルの出力特性に合わせるための係数である理由について説明する。ＮＯｘ濃度が一定濃度である排気ガスがＮＯｘセンサに供給されると、ＮＯｘ濃度は一定濃度であるので、ＮＯｘ濃度に比例してセンサセルから出力される電流Ｉｓ_ｎは一定値である。また、センサセル固有の出力誤差に起因する電流Ｉｓ_ｏｆｆも一定である。したがって、上式（３）において、Ｉｓ_ｎ＋Ｉｓ_ｏｆｆを「ｄ」で置き換えると、次式（２１）が得られる。
Ｉｓ＝Ｉｓ_ｏ＋ｄ …（２１）
そして、上述した方法と同様に、第２室５内に元々存在する酸素の濃度に比例してセンサセルから出力される電流Ｉｓ_ｏを、α×［Ｏ_２］（αは係数であり、［Ｏ_２］は酸素濃度である）で置き換えて、式（２１）を変形すると、次式（２２）が得られる。
Ｉｓ＝α×［Ｏ_２］＋ｄ …（２２）
【００５０】
一方、上述した方法と同様に、第２室５内に元々存在する酸素の濃度に比例してモニタセルから出力される電流Ｉｍ_ｏは、次式（２３）に示されているように表される。
Ｉｍ＝β×［Ｏ_２］＋Ｉｍ_ｏｆｆ …（２３）
【００５１】
そして、これら式（２２）および（２３）を用いて、項［Ｏ_２］を除去すると、次式（２４）が得られる。
Ｉｓ＝（α／β）×Ｉｍ＋（α／β）×（ｄ−Ｉｍ_ｏｆｆ） …（２４）
ここで、α／β＝Ｋ_３であるので、上式（２４）は、次式（２５）に示されているように変形できる。
Ｉｓ＝Ｋ_３×Ｉｍ＋（α／β）×（ｄ−Ｉｍ_ｏｆｆ） …（２５）
そして、この式（２４）における電流ＩｓおよびＩｍは、ＮＯｘ濃度が一定濃度である排気ガスがＮＯｘセンサに供給されたときのものである。したがって、ＮＯｘ濃度が一定濃度であって酸素濃度が異なる複数種類の排気ガスを第１ポンプ電圧源９の電圧を制御する（高くしたり低くしたりする）ことによってモニタセルに供給し、各種類の排気ガスに対応して電流ＩｓおよびＩｍを検出して取得し、これら電流値ＩｓおよびＩｍを図３に示されているような座標にプロットし、これらプロット点を直線で結んだときに、この直線の傾きが係数Ｋ_３に相当することが判る。
【００５２】
以上説明した方法によれば、ＮＯｘセンサの使用中に、係数Ｋ_３が適時更新されるので、常に、ＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００５３】
なお、この実施形態においても、第２室５内に元々存在する酸素の濃度を２種類の酸素濃度とし、各酸素濃度に対応してセンサセルにて検出される電流Ｉｓの差を各酸素濃度に対応してモニタセルにて検出される電流Ｉｍの差で除した値を、係数Ｋ_３としてもよい。言い換えれば、第２室５内に元々存在する酸素の濃度を２種類の酸素濃度とし、各酸素濃度に対応してモニタセルにて検出される電流Ｉｍの差に対する各酸素濃度に対応してセンサセルにて検出される電流Ｉｓの差の比を、係数Ｋ_３としてもよい。
【００５４】
また、この係数Ｋ_３の算出（更新）は、ＮＯｘセンサの使用中に係数Ｋ_３を新たに算出する必要があると判断されたとき、あるいは、ＮＯｘセンサの使用中に所定の時期が到来したとき（例えば、ＮＯｘセンサの使用時間が所定時間に達したとき）、あるいは、ＮＯｘセンサの使用前に行われる。
【００５５】
また、この係数Ｋ_３の算出（更新）を、ＮＯｘ濃度が一定濃度である排気ガスがＮＯｘセンサに到来したとき（例えば、機関運転状態が定常状態であるとき）に行うようにしてもよい。この場合には、ＮＯｘ濃度が一定濃度である排気ガスを強制的に作り出す必要がないので、このために機関運転状態（例えば、燃料噴射弁から噴射させる燃料の量）を変更する必要もなく、機関運転状態を良好なまま維持することができるという利点がある。
【００５６】
なお、上記係数Ｋ_１は、以下のようにして算出可能である。すなわち、ＮＯｘ濃度が予め定められた濃度（以下「所定濃度」という）であって酸素濃度が一定濃度であるガスを、ＮＯｘセンサに供給する。このとき、上式（６）において、ＮＯｘ濃度に関係する項は、Ｉｓ_ｎ×Ｋ_１だけであり、ガス中の酸素濃度は一定であるので、残りの項（Ｉｓ_ｏ−Ｉｍ_ｏ×Ｋ_３）×Ｋ_１＋（Ｉｓ_ｏｆｆ−Ｉｍ_ｏｆｆ×Ｋ_３−Ｋ_２）×Ｋ_１は一定値である。さらに、この残りの項は、係数Ｋ_２およびＫ_３が適切な値となっていれば、零となるので、結局のところ、ＮＯｘ濃度が所定濃度であって酸素濃度が一定濃度であるガスをＮＯｘセンサに供給したときには、上式（６）は、次式（２１）に示されているようになる。
［ＮＯｘ］＝Ｉｓ_ｎ×Ｋ_１ …（２６）
【００５７】
したがって、ＮＯｘセンサに供給されたガス中のＮＯｘ濃度（すなわち、上式（２１）の左辺の［ＮＯｘ］）が判っており、Ｉｓ_ｎはセンサセルから出力される電流Ｉｓである（実際には、電流Ｉｓには、センサセル固有の出力誤差に起因する電流Ｉｓ_ｏｆｆが含まれているので、Ｉｓ_ｎは電流Ｉｓで近似できると言ったほうが正確である）ので、上式（２１）から、係数Ｋ_１を算出することができる。
【００５８】
なお、センサセル電流Ｉｓに基づいて、排気ガス中のアンモニア濃度を算出（検出）する場合にも、上述した方法と同様の方法を利用して、排気ガス中のアンモニア濃度を正確に算出（検出）することができる。また、センサセル電流Ｉｓに基づいて、排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）濃度を算出（検出）する場合にも、上述した方法と同様の方法を利用して、排気ガス中のＳＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００５９】
もちろん、上述した実施形態では、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出（検出）しているが、上述した方法は、一般的に、ＮＯｘを含んでいるガス中のＮＯｘ濃度を検出する場合にも適用可能である。
【００６０】
また、本発明は、図４に示したようなセンサ部１を備えたＮＯｘセンサにも同様に適用可能である。すなわち、図４に示したセンサ部１は、図１に示したセンサ部と同様に、互いに積層された酸素イオン伝導性固体からなる６つの電解質層Ｌ_１〜Ｌ_６を有する。そして、図１に示した例と同様に、第１層Ｌ_１と第３層Ｌ_３との間には、第１の拡散律速部材２と第２の拡散律速部材３とが配置され、第１室４と第２室５とが形成されている。また、図１に示した例と同様に、第３層Ｌ_３と第５層Ｌ_５との間には、大気室６が形成されている。そして、図１に示した例と同様に、第１層Ｌ_１の内周面上に陰極側第１ポンプ電極７が形成され、第１層Ｌ_１の外周面上に陽極側第１ポンプ電極８が形成され、これら電極７，８間には、第１ポンプ電圧源９により電圧が印加される。これら電極７，８間に第１ポンプ電圧源９により電圧が印加されると、第１室４内の酸素が第１層Ｌ_１を介して外部に汲み出され、このとき、汲み出される酸素の量に比例した符号１９で示した限界電流Ｉｐが流れる。図４に示した例では、限界電流Ｉｐに基づいて電圧源９の電圧値がフィードバック制御される。
【００６１】
また、第２室５に面する第１層Ｌ_１の内周面上に陰極側第２ポンプ電極１２が形成され、第１層Ｌ_１の外周面上に陽極側第２ポンプ電極８０が形成され、これら電極１２，８０間には、第２ポンプ電圧源１３により電圧が印加される。これら電極１２，８０間に第２ポンプ電圧源１３により電圧が印加されると、第２室５内の酸素が第１層Ｌ_１を介して外部に汲み出され、このとき、汲み出される酸素の量に比例した符号１４で示した限界電流Ｉｍが流れる。すなわち、限界電流Ｉｍは、第２室５内の酸素濃度を示していることになる。
【００６２】
また、図１に示した例と同様に、大気室６に面する第３層Ｌ_３の壁面上に陽極側電極１０が形成され、第２室５に面する第３層Ｌ_３の壁面上に陰極側ポンプ電極１６が形成され、これら電極１０，１６間には、電圧源１７により電圧が印加される。これら電極１０，１６間に電圧源１７により電圧が印加されると、陰極側ポンプ電極１６上にてＮＯｘが窒素（Ｎ_２）と酸素（Ｏ_２）とに分解される共に、こうして分解生成された酸素およびもともと第２室５内にある酸素が第３層Ｌ_３を介して外部（大気室６）へと汲み出される。このとき、汲み出される酸素の量に比例した符号１８で示した限界電流Ｉｓが流れる。すなわち、限界電流Ｉｓは、第２室５内にもともと存在した酸素とＮＯｘから分解生成された酸素とをトータルした総酸素の濃度を示していることになる。したがって、図４に示した例では、限界電流Ｉｓから限界電流Ｉｍを差し引いた値が排気ガス中のＮＯｘ濃度を示していることになる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、濃度検出装置の使用中に、第１出力手段の出力特性が変わったり、第２出力手段の出力特性が変わったりしても、その都度、第１出力手段の出力特性を第２出力手段の出力特性に合わせるための係数を算出することができる。したがって、特定成分の濃度を正確に算出することができる。また、上記係数は、個々の濃度検出装置毎に異なる可能性があるので、濃度検出装置の使用中に、当該係数を算出することができなければ、濃度検出装置の使用前に、各濃度検出装置毎に上記係数を求めておく必要がある。こうした係数を求めることは、煩雑な作業である。しかしながら、本発明によれば、濃度検出装置の使用中に、上記係数を算出することができる。したがって、本発明には、濃度検出装置の使用前に、各濃度検出装置毎に上記係数を求めておく必要がないという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＮＯｘセンサのセンサ部を示す図である。
【図２】ＮＯｘ濃度およびアンモニア濃度と電流Ｉｐとの関係を示す図である。
【図３】ＮＯｘ濃度が零である排気ガスをＮＯｘセンサに供給したときにモニタセルから出力される電流Ｉｍとセンサセルから出力される電流Ｉｓとの関係を示す図である。
【図４】図１に示したセンサ部とは別の構成のセンサ部を示す図である。
【符号の説明】
１…ＮＯｘセンサのセンサ部
４…第１室
５…第２室
１０…基準電極
１２…陰極側第２ポンプ電極
１４…モニタセルから出力される電流値
１６…ＮＯｘ検出用の陰極側ポンプ電極
１８…センサセルから出力される電流値

Claims

ガス中の特定成分であって分解されることによって酸素を生成する特定成分の濃度を検出する濃度検出装置であって、ガス中の特性成分を分解して酸素を生成する酸素生成手段と、該酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度に比例した出力値を出力する第１出力手段と、上記酸素生成手段により酸素が生成された後のガス中の酸素濃度に比例した出力値を出力する第２出力手段と、上記第１出力手段の出力特性を前記第２出力手段の出力特性に合わせるための係数を用いてこれら第１出力手段からの出力値と第２出力手段からの出力値とに基づいてガス中の特定成分の濃度を算出する濃度算出手段とを具備する濃度検出装置において、上記第１出力手段に酸素濃度の異なるガスを供給するガス供給手段と、ガス中の特定成分の濃度が一定濃度となっている機関運転が行われているときに上記ガス供給手段を制御することによって酸素濃度の異なる少なくとも２種類のガスを上記第１出力手段に供給するガス供給制御手段と、該ガス供給制御手段によって酸素濃度が異なる少なくとも２種類のガスを上記第１出力手段に供給しこのときの該第１出力手段からの出力値と第２出力手段からの出力値とに基づいて上記係数を算出する手段とを具備することを特徴とする濃度検出装置。
上記濃度算出手段が上記第１出力手段からの出力値に上記係数を乗じた値を上記第２出力手段からの出力値から差し引いた値を用いてガス中の特定成分の濃度を算出し、上記係数が上記特定成分の濃度が零であるガス中の各酸素濃度に対応した上記第１出力手段からの出力値の差に対する同ガス中の各酸素濃度に対応した上記第２出力手段からの出力値の差の比であることを特徴とする請求項１に記載の濃度検出装置。
上記特定成分がＮＯｘであり、ガス中のＮＯｘ濃度を［ＮＯｘ］で表し、上記係数をＫ_３で表し、該Ｋ_３とはそれぞれ異なる２つの係数をそれぞれＫ_１およびＫ_２で表し、上記第１出力手段によって出力される出力値をＩｍで表し、上記第２出力手段によって出力される出力値をＩｓで表したときに、上記ＮＯｘ濃度算出手段が式［ＮＯｘ］＝（Ｉｓ−Ｉｍ×Ｋ_３−Ｋ_２）×Ｋ_１に従ってガス中の特定成分の濃度を算出し、上記ガス中の特定成分の濃度が一定濃度である機関運転としてガス中のＮＯｘ濃度が零である機関運転が行われているときに上記ガス供給制御手段によって酸素濃度が第１の濃度であるガスを上記第１出力手段に供給し、該第１の濃度であるガス中の酸素濃度に対応した上記第１出力手段からの出力値および同ガス中の酸素濃度に対応した上記第２出力手段からの出力値と、上記ガス中のＮＯｘ濃度が零である機関運転が行われているときに上記ガス供給制御手段によって酸素濃度が上記第１の濃度とは異なる第２の濃度であるガスを上記第１出力手段に供給し、該第２の酸素濃度であるガス中の酸素濃度に対応した上記第１出力手段からの出力値および同ガス中の酸素濃度に対応した上記第２出力手段からの出力値とを、横軸に上記第１出力手段からの出力値をとり且つ縦軸に上記第２出力手段からの出力値をとった座標上にプロットしてこれらプロット点から導き出される直線を引いたときに該直線が縦軸に交わる点における第２出力手段からの出力値が上記係数Ｋ_２であることを特徴とする請求項２に記載の濃度検出装置。