JP4305291B2 - 濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、濃度検出装置に関する。

内燃機関の精密な空燃比制御または触媒の劣化検出を目的として、排気ガス中の所定成分、例えばＮＯ_X、ＣＯ、ＨＣをそれぞれ検出するための車載用の各種センサ（以下、「排気ガスセンサ」と称す）が提案されている。このような排気ガスセンサとしては、参照電極と検出電極とのＮＯ_X等の濃度差による起電力変化を利用するセンサ（以下、「起電力式センサ」と称す）や、金属酸化物半導体の電気抵抗がＮＯ_X等の濃度により変化することを利用するセンサ（以下、「半導体式センサ」と称す）が挙げられる。

特許文献１には、起電力式センサが開示されている。このセンサでは、イオン伝導性の固体電解質の表面上にＮＯ_Xに応答する検出電極とＮＯ_Xに応答しない参照電極とが設けられ、両電極がともに同一の測定対象雰囲気に曝される。このように構成されたセンサでは、ＮＯ_Xに応答する検出電極とＮＯ_Xに応答しない参照電極との間でＮＯ_X濃度に応じた起電力が発生する。この起電力を測定することでＮＯ_X濃度が検出される。

また、上記起電力式センサおよび半導体式センサでは、ＮＯ_Xの濃度変化のみならず、センサの素子温度変化によってもその出力が変化し、これらセンサの素子温度変化に対する出力変化は大きい。このため、これらセンサを用いる場合には、ヒータ等を用いてその温度を一定に維持することで、素子温度変化による出力変化を抑制している。

特開平７−６３７２４号公報 特開２００３−１９４７５９号公報 特開２００３−５０２２７号公報 特開２００１−７４６９３号公報

ところでＮＯ_Xセンサは、低濃度から高濃度まで幅広い濃度範囲でのＮＯ_X濃度の検出が要求されることが多い。しかしながら、ＮＯ_Xセンサの素子温度を一定に維持して濃度検出を行った場合、低濃度における出力は小さいものとなる。したがって、低濃度においても高い出力を得るために、ＮＯ_X濃度が低いときには増幅回路を介して出力を増幅させる手法が採用されている。

すなわち、ＮＯ_Xセンサの検出回路として低濃度検出回路と高濃度検出回路との二つの検出回路を設け、ＮＯ_X濃度が低い場合には低濃度検出回路を介して出力し、ＮＯ_X濃度が高い場合には高濃度検出回路を介して出力する。低濃度検出回路の増幅率は高濃度検出回路の増幅率よりも高い。こうすることで、ＮＯ_X濃度が低く、よって発生する起電力が小さくても、高い出力を得ることができる。

ところが、このような手法を用いると、検出回路全体が複雑化するため製造コストの上昇を招くといった問題や、ＮＯ_X濃度が低いときに検出される出力を増幅することによって得られた値は増幅率が高いため誤差が大きいといった問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、広い濃度範囲において精度よく排気ガス中の所定成分の濃度を検出することができる低廉な濃度検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、対象雰囲気中の所定成分の濃度を検出する検出部を具備し、前記所定成分の濃度に対する上記検出部の出力が該検出部の温度に応じて異なる濃度検出装置において、上記検出部の温度を目標温度となるように制御する温度制御手段と、上記検出部の出力とは別のパラメータに基づいて上記所定成分がとり得る濃度範囲を推定する濃度範囲推定手段とをさらに具備し、上記温度制御手段は、上記濃度範囲推定手段によって推定された濃度範囲に対応する上記検出部の出力が所定出力範囲内に維持されるように上記目標温度を変更する。
第１の発明によれば、検出部の出力が所定出力範囲内に維持されるため、低濃度検出回路および高濃度検出回路の二つの検出回路を設ける必要がなく、製造コストを抑えることができる。また、例え所定成分の濃度が低いときであっても、検出部の温度を調整することにより検出部の出力が所定出力範囲内に維持されるため、高い精度で所定成分の濃度を検出することができる。
なお、「対象雰囲気」とは下記実施形態では内燃機関の排気ガスを意味し、「所定成分」とは、排気ガス中の成分、特に窒素酸化物（ＮＯ_X）、一酸化炭素（ＣＯ）または炭化水素（ＨＣ）を意味する。また、「検出部」とは、例えば、起電力式センサであれば二つの電極および固体電解質とを具備する電極構造体を意味し、半導体式センサであれば金属酸化物半導体を意味する。

第２の発明では、第１の発明において、上記温度制御手段は、上記検出部の出力が一定出力範囲内または一定値以上に維持されるように上記目標温度を調整する。
第２の発明では、検出部の出力が一定出力範囲または一定値以上に維持されるため、一定出力範囲より低い出力範囲または一定値未満の出力となることがない。したがって、検出部の出力が低い出力範囲または一定値未満の出力となった場合に用いるための増幅回路を設ける必要がない。

第３の発明では、第１または２の発明において、上記対象雰囲気が内燃機関の排気ガスであると共に上記検出部の出力は該検出部の温度が高くなると小さくなり、上記温度制御手段は、内燃機関の通常運転時に比べて上記所定成分の濃度が高くなる高濃度制御が上記内燃機関において実行されることにより上記所定成分の濃度範囲高くなると推定される場合に、上記高濃度制御の実行開始前に上記目標温度を高くする。
高濃度制御の実行と検出部の昇温とを同時に開始すると、検出部の温度が高くなる前から所定成分の濃度が高くなってしまうことがある。この場合、検出部の出力が大きくなり過ぎてしまう。第３の発明によれば、高濃度制御の実行開始前に検出部の昇温が行われるため、このように検出部の出力が大きくなり過ぎるという事態が防止される。
なお、高濃度制御とは、例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯ_Xを離脱させるＮＯ_X離脱制御、およびＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯ_Xを離脱させる硫黄再生制御等である。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、上記対象雰囲気が内燃機関の排気ガスであり、上記濃度範囲推定手段は、内燃機関の運転状態に基づいて上記所定成分がとり得る濃度範囲が低濃度範囲であるかまたは該低濃度範囲よりも高い高濃度範囲であるかを推定し、上記温度制御手段は、上記濃度範囲推定手段により上記所定成分がとり得る濃度範囲が低濃度範囲であると推定された場合には予め定められた温度を目標温度とし、上記濃度範囲推定手段により上記所定成分がとり得る濃度範囲が高濃度範囲であると推定された場合には上記予め定められた温度とは異なる予め定められた温度を目標温度とする。
第４の発明によれば、濃度検出装置の行う制御は、内燃機関の運転状態が一定の条件を満たす場合（例えば、所定成分がとり得る濃度範囲が低濃度範囲である場合）には目標温度を予め定められた或る温度に設定し、内燃機関の運転状態が上記一定の条件を満たさない場合には目標温度を上記或る温度とは異なる予め定められた温度に設定するだけなので、濃度検出装置の制御回路は非常に簡単なものであり、よってその制御回路の製造コストを低く抑えることができる。
なお、「内燃機関の運転状態に基づいて」とは、例えば上述した高濃度制御を実行しているか否かに基づいての意である。また、濃度範囲推定手段により高濃度範囲であると推定される場合とは、例えば、ＮＯ_X離脱制御を実行している場合を意味する。

上記課題を解決するために、第５の発明では、対象雰囲気中の所定成分の濃度を検出する検出部を具備し、前記所定成分の濃度に対する上記検出部の出力が該検出部の温度に応じて異なる濃度検出装置において、上記検出部の温度を目標温度となるように制御する温度制御手段をさらに具備し、該温度制御手段は上記検出部により検出される上記所定成分の濃度が一定値以上の場合と一定値未満の場合とで目標温度を変更する。
第５の発明によれば、検出されたＮＯ_X濃度に応じて検出部の目標温度が変更される。したがって、例えば、所定成分の濃度が高いときには所定成分の濃度に対する検出部の出力が小さくなるような目標温度とし、所定成分の濃度が低いときには所定成分の濃度に対する検出部の出力が大きくなるような目標温度とすれば、所定成分の濃度の高低に無関係に所定成分の濃度を高い精度で検出することができる。また、低濃度検出回路および高濃度検出回路の二つの検出回路を設ける必要がなく、製造コストを抑えることができる。

第１〜第４の発明の濃度検出装置によれば、二つの検出回路を設ける必要がなく、また、所定成分の濃度が低くても高い精度で所定成分の濃度を検出することができる。このため、広い濃度範囲において精度よく排気ガス中の所定成分の濃度を検出することができる低廉な濃度検出装置が提供される。

第５の発明の濃度検出装置によれば、二つの検出回路を設ける必要がなく、また所定成分の濃度の高低に無関係に所定成分の濃度を高い精度で検出することができる。このため、広い濃度範囲において精度よく排気ガス中の所定成分の濃度を検出することができる低廉な濃度検出装置が提供される。

図１は、本発明の濃度検出装置が用いられる筒内噴射式の火花点火内燃機関を示している。以下では、この筒内噴射式の火花点火内燃機関を例に本発明を説明するが、圧縮着火式の内燃機関に本発明を適用することもできる。

図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はピストン、４はシリンダヘッド、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓、１１は燃料噴射弁、１２はキャビティをそれぞれ示す。燃料噴射弁１１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド４に取り付けられている。

各気筒の吸気ポート７は、それぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は、吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気ダクト１５内には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は、酸化触媒または三元触媒２０を内蔵した触媒コンバータ２１および排気管２２を介してＮＯ_X吸蔵還元触媒２３を内蔵したケーシング２４に連結される。排気マニホルド１９とサージタンク１４とは、再循環排気ガス（以下、ＥＧＲガスという）導管２６を介して互いに連結され、このＥＧＲガス導管２６内にはＥＧＲガス制御弁２７が配置される。

電子制御ユニット３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。エアフロメータ１６は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。排気マニホルド１９には、空燃比を検出するための空燃比センサ２８が取り付けられ、この空燃比センサ２８の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３を内蔵したケーシング２４の出口に接続された排気管２５内には、排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出可能なＮＯ_Xセンサ２９が配置され、ＮＯ_Xセンサ２９の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２は、例えば、クランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５では、このクランク角センサ４２の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して点火栓１０、燃料噴射弁１１、ステップモータ１７、および、ＥＧＲ制御弁２７に接続される。

次に、図２を参照して図１に示したＮＯ_Xセンサ２９の構造について説明する。センサ２９は、いわゆる起電力式ＮＯ_Xセンサであり、イオン導電性の固体電解質素子５１と、この固体電解質素子５１の片面に設けられた参照電極５２および検出電極５３とを具備する。固体電解質素子５１は、例えば、イットリア、カルシア、セリア、あるいはマグネシア等で完全安定化または部分安定化したジルコニア等から形成される。参照電極５２は排気管２５内を流れる排気ガス中のＮＯ_X（すなわち排気ガス中の成分のうち濃度検出対象である成分）と反応しない電極として構成される。具体的には参照電極５２は、例えば白金、金、パラジウム等の貴金属またはその合金から成り、固体電解質素子５１の表面上に焼付け、蒸着等せしめられる。検出電極５３は、固体電解質素子５１の表面上に設けられる金属硝酸塩層５３ａと、この金属硝酸塩層５３ａ上に設けられる貴金属あるいはその合金または導電性セラミックの層（以下、「貴金属層」と称す）５３ｂとを有する。金属硝酸塩層５３ａとしては硝酸ナトリウム、硝酸バリウムやその複合塩などが使用され、例えば溶融塩を固体電解質素子５１上に塗布することによって設けられる。貴金属層５３ｂは、金属硝酸塩層５３ａ上に焼付け、蒸着等せしめられる。

参照電極５２および検出電極５３は起電力測定回路５４に接続される。起電力測定回路５４は、参照電極５２と検出電極５３との間に生じる起電力に比例した電圧を出力部５５に出力する。このように構成されたＮＯ_Xセンサ２９においては、検出電極５３についてはＮＯ_Xセンサ２９が曝される排気ガス中のＮＯ_X濃度に応じて単極電位が変化するのに対し、参照電極５２についてはＮＯ_X濃度に無関係に一定の単極電位が生じる。したがって、参照電極５２と検出電極５３との間にはＮＯ_Xセンサ２９が曝される排気ガス中のＮＯ_X濃度に応じた起電力が生じ、起電力測定回路５４によってこれら電極５２、５３間に生じる起電力（以下、「電極間起電力」と称す）を測定することで、排気ガスのＮＯ_X濃度に応じた出力電圧を得ることができる。一般に、参照電極５２と検出電極５３との間にはＮＯ_X濃度の対数に比例した起電力が生じ、よってＮＯ_X濃度の対数に比例した出力電圧が得られる。

さらに、本実施形態のＮＯ_Xセンサ２９は、上記電極５２、５３が配置されている表面とは反対側の固体電解質素子５１の表面上に絶縁層５６を介して設けられたヒータ５７を有する。ヒータ５７は、固体電解質素子５１、参照電極５２および検出電極５３から成る電極構造体（検出部）５８を加熱、昇温する。このようなヒータ５７は、従来から起電力式センサに用いられているが、これは以下の理由による。

すなわち、電極間起電力は、排気ガス中のＮＯ_X濃度のみならず、電極構造体の温度に応じても変化する。この様子を図３に示す。図３は、異なるＮＯ_X濃度について電極構造体の温度と起電力との関係を示す図である。図３から分かるように、電極構造体の温度が高くなると電極間起電力は小さくなり、逆に電極構造体の温度が低くなると電極間起電力は大きくなる。よって、電極構造体の温度を一定に維持しないと、センサによって排気ガス中のＮＯ_X濃度に応じた出力を得ることが困難であり、ＮＯ_X濃度の検出精度が低いものとなってしまう。このため、ヒータにより電極構造体の温度をほぼ一定に保つように電極構造体を加熱することで、ＮＯ_X濃度の検出精度を高く維持するようにしている。

ところで、ＮＯ_Xセンサによる排気ガス中のＮＯ_X濃度の検出にあたっては、ＮＯ_X濃度が比較的低い濃度範囲（以下、「低濃度範囲」と称す）にある場合であっても、比較的高い濃度範囲（以下、「高濃度範囲」と称す）にある場合であっても、ＮＯ_X濃度を高精度に検出することができる必要がある。

例えば、内燃機関の排気管２５に設けられたＮＯ_X吸蔵還元触媒２３等の排気浄化触媒の劣化を判定する場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３の劣化により浄化されずにＮＯ_X吸蔵還元触媒２３の下流に流出することとなった微量（例えば、数十ｐｐｍ以下）のＮＯ_Xを検出する必要がある。すなわち、この場合、低濃度範囲にあるＮＯ_X濃度を高精度に検出することができる必要がある。

一方、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３は、このＮＯ_X吸蔵還元触媒２３に流入する排気ガスの空燃比（ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３上流側の排気通路２５、燃焼室５および吸気通路に供給された空気と燃料との比率）がリーンであるときには排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵すると共にほぼ理論空燃比またはリッチになるとＮＯ_X吸蔵還元触媒２３に吸蔵されているＮＯ_Xを離脱・還元させる。そしてＮＯ_X吸蔵還元触媒２３では、そのＮＯ_X吸蔵能力を維持するために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３に吸蔵されているＮＯ_Xを定期的に離脱させる必要があり、そのためにＮＯ_X吸蔵還元触媒２３に流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比またはリッチにする制御（以下、「ＮＯ_X離脱制御」と称す）を行う必要がある。このＮＯ_X離脱制御を行う場合、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３からのＮＯ_Xの離脱量が多いと、ＮＯ_Xが還元されずにＮＯ_X吸蔵還元触媒２３の下流に流出する。流出したＮＯ_X量に基づいてＮＯ_X離脱制御の調整を行うのに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３の下流に流出することとなったＮＯ_Xの量を検出する必要がある。この場合、上述したＮＯ_X吸蔵還元触媒２３の劣化を検出する場合に比べて高い濃度（例えば、１０００ｐｐｍ程度）でＮＯ_Xが流出することがあり、特にそのような場合のＮＯ_X濃度の検出が必要であるため、高濃度範囲にあるＮＯ_X濃度を高精度に検出することができる必要がある。

このように低濃度範囲および高濃度範囲のいずれの濃度範囲においてもＮＯ_X濃度を高精度に検出することについての要求に対し、従来では、二重の検出回路を設けることで対処してきた。すなわち、高濃度範囲にあるＮＯ_X濃度を検出すべきときには高濃度検出回路を用い、低濃度範囲にあるＮＯ_X濃度を検出すべきときには低濃度検出回路を用いる。ＮＯ_X濃度が低いときの方が高いときに比べて電極間起電力が小さいことから、低濃度検出回路における増幅率は高濃度検出回路における増幅率よりも高く設定されている。

しかしながら、このように二重の検出回路を設けると検出回路が複雑なものとなり、その製造に必要なコストも高いものとなる。さらに、低濃度検出回路を用いた場合には小さい電極間起電力を高い増幅率で増幅してＮＯ_Xセンサからの出力とするため、排気ガス中のＮＯ_X濃度が低いときにはセンサ出力における誤差が大きくなってしまう。

ここで、上述したように起電力式のＮＯ_Xセンサ２９においては、電極構造体５８の温度に応じて電極間起電力が変わり、これに伴ってＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧も変わる。図３に示したように排気ガス中のＮＯ_X濃度が同一であっても、電極構造体５８の温度が低くなると電極間起電力およびＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧が大きくなる。

図４は、排気ガス中のＮＯ_X濃度とＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧との関係を電極構造体５８の温度が異なるそれぞれの場合について示したものである。ｘ軸は排気ガス中のＮＯ_X濃度の対数を示し、ｙ軸はセンサの出力電圧を示す。図中の二本のグラフは、それぞれ電極構造体５８の温度が高い場合（６５０℃）と電極構造体５８の温度が低い場合（６００℃）におけるＮＯ_X濃度とＮＯ_Xセンサ２９の出力との関係を示す。図４より、ＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧が排気ガス中のＮＯ_X濃度の対数に比例することが分かる。

また、図４から分かるように、電極構造体５８の温度が低い場合には電極構造体５８の温度が高い場合に比べて、全ＮＯ_X濃度域において出力電圧が大きく且つ全ＮＯ_X濃度域においてＮＯ_X濃度の対数に対する出力電圧の比例係数が大きい。したがって、電極構造体５８の温度が高い場合、排気ガス中のＮＯ_X濃度が高くてもＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧が高くなり過ぎることはない。しかしながら、この場合、排気ガス中のＮＯ_X濃度が低いとＮＯ_X濃度変化に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧の変化が小さい。このため、電極構造体５８の温度が高いときは、排気ガス中のＮＯ_X濃度が高いときにＮＯ_X濃度を検出するのに向いている。

一方、電極構造体５８の温度が低い場合、排気ガス中のＮＯ_X濃度が低くても僅かなＮＯ_X濃度変化に対してＮＯ_Xセンサ２９の大きな出力電圧の変化を得られる。しかしながら、この場合、排気ガス中のＮＯ_X濃度が高いとＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧が大きくなり過ぎてしまう。このため、電極構造体５８の温度が低いときは、排気ガス中のＮＯ_X濃度が低いときにＮＯ_X濃度を検出するのに向いている。

そこで、本発明はこのような性質を利用して、ＮＯ_Xセンサ２９の出力以外のパラメータに基づいて排気ガス中のＮＯ_Xがとり得る濃度範囲（以下、「予想濃度範囲」と称す）を推定し、予想濃度範囲に対応するＮＯ_Xセンサ２９の出力が所定出力範囲内に維持されるように、電極構造体５８の温度を調整するようにしている。すなわち、予想濃度範囲が低く、よって微量のＮＯ_Xを検出しようとする場合には、電極構造体５８の温度を比較的低温（例えば６００℃。以下、「低設定温度」と称す）にして、ＮＯ_X濃度に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧を高いものとする。一方、予想濃度範囲が高く、よって多量のＮＯ_Xを検出しようとする場合には、電極構造体５８の温度を比較的高温（例えば、６５０℃。以下、「高設定温度」と称す）にして、ＮＯ_X濃度に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力を低いものとする。

このように、予想濃度範囲が低いときにＮＯ_X濃度に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧を上げ、予想濃度範囲が高いときにＮＯ_X濃度に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧を下げることで、結果的に、ＮＯ_X濃度が各予想温度範囲にあるときにおけるＮＯ_X濃度に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力範囲を所定の出力範囲内に維持することができる。すなわち、本発明の濃度検出装置によれば、予想濃度範囲に応じて電極構造体５８の温度を変更することで、ＮＯ_X濃度が予想濃度範囲にあるときにおけるＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧が所定の出力範囲内に維持される。したがって、本発明の濃度検出装置では予想濃度範囲が低いときに用いる検出回路と予想濃度範囲が高いときに用いる検出回路との二重の検出回路を設けることなく、各予想濃度範囲におけるＮＯ_X濃度を高精度に検出することができる。

本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３下流の排気管２５にＮＯ_Xセンサ２９が設けられている。そして、上述した予想濃度範囲を推定するのに用いられるＮＯ_Xセンサ２９の出力以外のパラメータとしては、例えば内燃機関の運転状態を表すパラメータ（以下、「運転パラメータ」と称す）等が利用される。

例えば、内燃機関が通常運転を行っているときには、機関本体１から排出された排気ガス中のＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒２３によって浄化されるため、ＮＯ_Xセンサ２９に達する排気ガス中にはＮＯ_Xはほとんど存在しない。したがって、各種運転パラメータにより内燃機関が通常運転を行っていると判断されるときには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３下流を流れる排気ガス中のＮＯ_X濃度は低く、上述したようにＮＯ_X吸蔵触媒２３の劣化を判定するのに適しており、予想濃度範囲が低濃度範囲とされる。

一方、ＮＯ_X離脱制御が行われているときには、上述したようにＮＯ_X吸蔵還元触媒２３からのＮＯ_Xの離脱量が多いとＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒２３の下流に流出し、ＮＯ_Xセンサ２９に達する排気ガス中のＮＯ_X濃度が高くなる。したがって、各種運転パラメータにより内燃機関がＮＯ_X離脱制御を行っていると判断されるときには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３下流を流れる排気がガス中のＮＯ_X濃度が高くなる場合があり、予想濃度範囲が高濃度範囲とされる。なお、ＮＯ_X離脱制御中、実際にはＮＯ_X濃度は低い場合もあるが、このような場合であっても予想濃度範囲は高濃度範囲とされる。

また、ＮＯ_X離脱制御以外で、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３下流を流れる排気ガス中のＮＯ_Xの予想濃度範囲が高濃度範囲とされる制御（高濃度制御）としては硫黄被毒再生制御等が挙げられる。ここで、硫黄被毒再生制御とは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３に吸蔵されたＳＯ_Xを離脱させるために行う制御をいい、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３に吸蔵されたＮＯ_Xを離脱させるために行うＮＯ_X離脱制御とは異なる制御である。すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３は排気ガス中のＮＯ_XだけでなくＳＯ_Xをも吸蔵し、吸蔵されたＳＯ_XはＮＯ_X離脱制御によっては離脱されないため、ＮＯ_X離脱制御とは別に、吸蔵されたＳＯ_Xを離脱させるために硫黄被毒再生制御が行われる。この硫黄被毒再生制御でもＮＯ_X離脱制御と同様にＮＯ_X吸蔵還元触媒２３に吸蔵されたＮＯ_Xが離脱せしめられ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３からのＮＯ_Xの離脱量が多いと、ＮＯ_Xが還元されずにＮＯ_X吸蔵還元触媒２３の下流に流出する。よって、硫黄被毒再生制御が行われているときにも排気ガス中のＮＯ_Xの予想濃度範囲が高濃度範囲とされる。

上述したようにＮＯ_X濃度に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力を変更するためには電極構造体５８の温度を調整する必要があり、このような電極構造体５８の温度の調整はヒータ５７によって行われる。すなわち、電極構造体５８の作動温度は、その温度を低設定温度とする場合であっても高設定温度とする場合であっても電極構造体５８が配置される排気管２５内を流れる排気ガスの温度よりも高く、したがっていずれの場合であってもヒータ５７によって電極構造体５８を昇温する必要がある。よって、電極構造体５８の温度の調整は、電極構造体５８の作動温度を高設定温度とする場合と低設定温度とする場合とでヒータ５７から電極構造体５８に加える熱量を変えることによって行われる。

具体的には、電極構造体５８を目標温度に調整するのは以下のような制御のうちのいずれかの制御によって行われる。一つ目の制御としては、ヒータ５７の抵抗値が上記目標温度に応じて変わる所定値となるようにヒータ５７の温度を制御するフィードバック制御が挙げられる。これは、ヒータ５７の抵抗値がヒータ５７の温度に応じて変わることを利用したものである。二つ目の制御としては、電極構造体５８の温度を検出する温度センサ（例えば熱電対）によって電極構造体５８の温度を実際に検出し、この温度センサによって検出される温度が上記目標温度となるようにヒータ５７の温度を制御するフィードバック制御が挙げられる。三つ目の制御としては、ＮＯ_Xセンサ２９のインピーダンスが上記目標温度に応じて変わる所定値となるようにヒータ５７の温度を制御するフィードバック制御が挙げられる。これは、ＮＯ_Xセンサ２９のインピーダンスが電極構造体５８の温度に応じて変わることを利用したものである。

なお、内燃機関が通常運転を行っているときにＮＯ_X離脱制御を開始しようとする場合、ＮＯ_X離脱制御の実行開始前に電極構造体５８の目標温度を高くし、ＮＯ_X離脱制御の実行が開始されるときには電極構造体５８の温度が高設定温度となっているようにする。すなわち、予想濃度範囲が低濃度範囲にあるときであってＮＯ_X離脱制御を開始することにより予想濃度範囲が高くなることが推定される場合には、ＮＯ_X離脱制御の実行開始によりＮＯ_X濃度が実際に高くなる前に予め電極構造体５８の目標温度が高温とされる。

すなわち、電極構造体５８の温度を低設定温度から高設定温度にするのに多少の時間がかかるため、ＮＯ_X離脱制御の実行開始と電極構造体５８の目標温度の変更とを同時に行うと、電極構造体５８の温度が高設定温度になる前から実際のＮＯ_X濃度が高くなってしまう場合がある。このため、ＮＯ_Xセンサ２９の出力が大きくなり過ぎてしまう事態が生じる可能性がある。これに対して、本実施形態では、電極構造体５８の温度を予め上昇させて、実際のＮＯ_X濃度が高濃度範囲に達したときには電極構造体５８が高設定温度となっているようにすることで、ＮＯ_Xセンサ２９の出力が大きくなり過ぎてしまう事態の発生を防止している。

図５は、電極構造体５８の温度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。まずステップ１０１では、ＮＯ_X離脱制御が実行されているか否かが判定される。ＮＯ_X離脱制御が実行されているか否かは、例えば燃料噴射量やスロットル開度等の内燃機関の運転パラメータを制御するＥＣＵ３１によりＮＯ_X離脱制御が実行されているか否かにより判定される。ステップ１０１においてＮＯ_X離脱制御が実行されていないと判定された場合には、ステップ１０２へと進む。ステップ１０２ではＮＯ_X離脱制御開始条件が成立しているか否かが判定される。ＮＯ_X離脱制御開始条件は、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒２３によるＮＯ_X吸蔵量が一定量を超えた等、ＮＯ_X吸蔵還元触媒２３からＮＯ_Xを離脱させる必要があるときに成立する。

ステップ１０２においてＮＯ_X離脱制御開始条件が成立していないと判定された場合にはステップ１０３へと進む。ステップ１０３では電極構造体５８の目標温度Ｔｔｒが低設定温度（本実施形態では６００℃）に設定される。したがって、ヒータ５７により電極構造体５８の温度が低設定温度となるようにフィードバック制御が行われる。次いでステップ１０４では、高温フラグＸＴがセット解除状態（ＸＴ＝０）とされる。高温フラグＸＴは、電極構造体５８の温度が高温となっているときにセットされ、高温となっていないときにはセット解除されるフラグである。

一方、ステップ１０２においてＮＯ_X離脱制御開始条件が成立していると判定された場合にはステップ１０５へと進む。ステップ１０５では電極構造体５８の目標温度Ｔｔｒが高設定温度（本実施形態では６５０℃）に設定される。したがって、ヒータ５７により電極構造体５８の温度が高温となるようにフィードバック制御が行われる。次いで、ステップ１０６では、遅延制御が行われる。この遅延制御とは、ＮＯ_X離脱制御開始条件が成立しているにも関わらず、ＮＯ_X離脱制御の開始をその条件成立から一定時間遅らせる制御である。この一定時間は、電極構造体５８の目標温度Ｔｔｒが低設定温度から高設定温度に変更されてからヒータ９により実際に電極構造体５８の温度が高設定温度になるまでにかかると予想される時間であり、本実施形態では予め定められている。そして、この遅延制御の終了と共に、ＮＯ_X離脱制御が開始される。次いで、ステップ１０７では、高温フラグＸＴがセットされる（ＸＴ＝１）。

ＮＯ_X離脱制御が開始されると、次のルーチンにおいてステップ１０１からステップ１０８へと進む。ステップ１０８ではひき続き電極構造体５８の目標温度Ｔｔｒが高設定温度に設定され、続くステップ１０９では高温フラグＸＴがセット状態に維持される（ＸＴ＝１）。

図６は、ＮＯ_Xセンサ２９による濃度算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップ１５１では、ＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧Ｖｓが検出される。次いでステップ１５２では、上記温度制御で用いられる高温フラグＸＴがセットされているか否かが判定される。ステップ１５２において高温フラグＸＴがセットされていない（ＸＴ＝０）と判定された場合、すなわち電極構造体５８の温度が低設定温度となっている場合には、ステップ１５３へと進む。ステップ１５３では、ステップ１５１で検出された出力電圧Ｖｓおよび低温用マップからＮＯ_X濃度が算出される。一方、ステップ１５２において高温フラグＸＴがセットされている（ＸＴ＝１）と判定された場合、すなわち電極構造体５８の温度が高設定温度となっている場合には、ステップ１５４へと進む。ステップ１５４では、ステップ１５１で検出された出力電圧Ｖｓおよび高温用マップからＮＯ_X濃度が算出される。

なお、低温用マップおよび高温用マップは、ＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧ＶｓとＮＯ_X濃度との関係を示した二次元マップであり、例えば図４に示したようなマップである。特に、低温用マップは図４の６００℃の直線に対応するマップであり、高温用マップは図４の６５０℃の直線に対応するマップである。これらマップはＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に格納されており、これらマップにおける出力電圧ＶｓとＮＯ_X濃度との関係は、予め実験によりまたは計算により求められる。

なお、上記実施形態では、電極構造体の温度を低濃度範囲および高濃度範囲の二つの濃度範囲にそれぞれ対応する低設定温度と高設定温度のいずれかに調整する場合について説明しているが、このように三つまたはそれ以上の濃度範囲にそれぞれ対応する三つまたはそれ以上の温度に調整するようにしてもよい。この場合、ＥＣＵ３１には各設定温度毎に電極構造体の温度とＮＯ_X濃度との関係を示すマップが格納される。このように、設定温度を増やすことにより、各濃度範囲に対応するＮＯ_Xセンサ２９の出力範囲をより狭い範囲に限定することができるようになる。

次に、本発明の第二実施形態の濃度検出装置について説明する。第二実施形態の濃度検出装置の構成は基本的に第一実施形態の濃度検出装置の構成と同様である。

ただし、第二実施形態の濃度検出装置では、第一実施形態の濃度検出装置と異なり、センサによって検出されるＮＯ_X濃度が一定値以上である場合と、一定値未満の場合とで目標温度を変更するようにしている。すなわち、ＮＯ_X濃度が一定値以上である場合には目標温度を高くし、ＮＯ_X濃度が一定値未満である場合には目標温度を低くする。これにより、ＮＯ_X濃度が高いときにはＮＯ_X濃度に対するセンサ出力が小さくなり、ＮＯ_X濃度が低いときにはＮＯ_X濃度に対するセンサ出力が大きくなる。

具体的には、電極構造体の温度が低設定温度になっている場合にセンサの出力が上記一定値に対応する出力以上となった場合、すなわちＮＯ_X濃度が上記一定値以上になった場合には電極構造体の目標温度を高設定温度に変更する。逆に、電極構造体の温度が高設定温度になっている場合にセンサの出力が上記一定値に対応する出力未満となった場合、すなわちＮＯ_Xの濃度が上記一定値未満になった場合には電極構造体の目標温度を低設定温度に変更する。

なお、上記各実施形態では、電極構造体５８の温度が上昇するとＮＯ_X濃度に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧が小さくなる形式の起電力式センサを用いた場合について説明しているが、起電力式センサの構成によっては電極構造体５８の温度が上昇するとＮＯ_X濃度に対するＮＯ_Xセンサ２９の出力電圧が大きくなる形式の起電力式センサも存在する。このような起電力式センサについても上記実施形態と同様に用いることが可能である。この場合、予想濃度範囲が低濃度範囲とされている場合、例えば内燃機関の通常運転時には電極構造体の温度を高温にし、一方、検出対象温度が高く設定されている場合、例えばＮＯ_X離脱制御実行時には電極構造体の温度を低温にすることとなる。

また、上記各実施形態では、検出電極と参照電極とを共に排気ガスに曝してＮＯ_Xを検出する形態の起電力式センサを用いた場合について説明しているが、例えば検出電極のみを排気ガスに曝し、参照電極を排気ガスに曝さずに大気雰囲気に曝すようにした形態の起電力式センサ等、他のタイプの起電力式センサを用いてもよい。また、上記実施形態では、起電力式センサを用いた場合について説明しているが、他のタイプのセンサに用いてもよい。ただし、他のタイプの起電力式センサおよび他のタイプのセンサとしては、その出力値が対象雰囲気中のＮＯ_X等の濃度のみならず、センサの検出部の温度によって変化するようなセンサであることが必要である。

他のタイプのセンサとしては、半導体式センサが挙げられる。半導体式センサとは、金属酸化物半導体の電気抵抗が対象雰囲気中のＮＯ_X等の濃度により変化することを利用し、金属酸化物半導体を対象雰囲気中に配置すると共にこの金属酸化物半導体に一定の電圧を印加して、流れる電流を測定することにより対象雰囲気中のＮＯ_X等の濃度を検出するセンサである。金属酸化物半導体の電気抵抗もＮＯ_X等の濃度のみならず、金属酸化物半導体自体の温度によっても変化するため、上記実施形態と同様に使用することができる。

さらに、上記各実施形態では内燃機関の排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出するための濃度検出装置の場合について説明しているが、濃度検出装置の対象雰囲気は内燃機関の排気ガス中に限られるものではない。また、濃度検出装置の対象雰囲気が内燃機関の排気ガスである場合でも、濃度検出対象成分はＮＯ_Xに限られず、ＣＯやＨＣ等の他の成分であってもよい。

本発明のセンサが利用される内燃機関を示す図である。 本発明のセンサの構造を示す。 異なるＮＯ_X濃度における電極構造体の温度と起電力との関係を示す。 ＮＯ_X濃度とセンサの出力電圧との関係を電極構造体の温度が異なるそれぞれの場合について示す。 電極構造体の温度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 センサによる濃度算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１…機関本体
２３…ＮＯ_X吸蔵還元触媒
２５…排気管
２９…ＮＯ_Xセンサ
３１…ＥＣＵ
５１…固体電解質素子
５２…参照電極
５３…検出電極
５４…起電力測定回路
５６…絶縁体
５７…ヒータ
５８…電極構造体

Claims (5)

1. 対象雰囲気中の所定成分の濃度を検出する検出部を具備し、前記所定成分の濃度に対する上記検出部の出力が該検出部の温度に応じて異なる濃度検出装置において、
   上記検出部の温度を目標温度となるように制御する温度制御手段と、上記検出部の出力とは別のパラメータに基づいて上記所定成分がとり得る濃度範囲を推定する濃度範囲推定手段とをさらに具備し、上記温度制御手段は、上記濃度範囲推定手段によって推定された濃度範囲に対応する上記検出部の出力が所定出力範囲内に維持されるように上記目標温度を変更する濃度検出装置。
2. 上記温度制御手段は、上記検出部の出力が一定出力範囲内または一定値以上に維持されるように上記目標温度を調整する請求項１に記載の濃度検出装置。
3. 上記対象雰囲気が内燃機関の排気ガスであると共に上記検出部の出力は該検出部の温度が高くなると小さくなり、上記温度制御手段は、内燃機関の通常運転時に比べて上記所定成分の濃度が高くなる高濃度制御が上記内燃機関において実行されることにより上記所定成分の濃度範囲高くなると推定される場合に、上記高濃度制御の実行開始前に上記目標温度を高くする請求項１または２に記載の濃度検出装置。
4. 上記対象雰囲気が内燃機関の排気ガスであり、上記濃度範囲推定手段は、内燃機関の運転状態に基づいて上記所定成分がとり得る濃度範囲が低濃度範囲であるかまたは該低濃度範囲よりも高い高濃度範囲であるかを推定し、上記温度制御手段は、上記濃度範囲推定手段により上記所定成分がとり得る濃度範囲が低濃度範囲であると推定された場合には予め定められた温度を目標温度とし、上記濃度範囲推定手段により上記所定成分がとり得る濃度範囲が高濃度範囲であると推定された場合には上記予め定められた温度とは異なる予め定められた温度を目標温度とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の濃度検出装置。
5. 対象雰囲気中の所定成分の濃度を検出する検出部を具備し、前記所定成分の濃度に対する上記検出部の出力が該検出部の温度に応じて異なる濃度検出装置において、
   上記検出部の温度を目標温度となるように制御する温度制御手段をさらに具備し、該温度制御手段は上記検出部により検出される上記所定成分の濃度が一定値以上の場合と一定値未満の場合とで目標温度を変更する濃度検出装置。

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