JP4556504B2

JP4556504B2 - 濃度検出装置

Info

Publication number: JP4556504B2
Application number: JP2004173706A
Authority: JP
Inventors: 裕介鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2024-06-11
Also published as: JP2005351788A

Description

本発明は、濃度検出装置に関する。

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（ＮＯ_X）の濃度を検出するためのＮＯ_X濃度センサが知られており、このうちの一つにいわゆる限界電流式のＮＯ_X濃度センサがある。限界電流式のＮＯ_X濃度センサは、排気ガス中に配置された第一電極と、大気中に配置された第二電極と、これら電極間に配置されたイオン導電性の固体電解質層とを有する検査セルを具備する。両電極間に電圧を印加すると、排気ガス中に配置された第一電極においてＮＯ_Xが窒素と酸素とに分解される。分解された酸素イオンが固体電解質層を介して第一電極から第二電極に移動することによって両電極間に電流が流れる。限界電流式のＮＯ_X濃度センサでは、このときに排気ガス中のＮＯ_X濃度に比例して流れる電流の量と、排気ガス中のＮＯ_X濃度が零であるときに流れる電流の量（以下、「基準電流量」と称す）とに基づいて排気ガス中のＮＯ_X濃度が算出される。

ところで、ＮＯ_X濃度センサにおいて排気ガス中のＮＯ_X濃度を正確に検出するためには、基準電流量が正確でなければならない。しかしながらこの基準電流量は様々な要因によりずれることがある。そこで、特許文献１に記載の濃度検出装置では、内燃機関の燃焼室内に供給する燃料量が零とされたときに燃焼室下流に配置されたＮＯ_X濃度センサにおいて電流量を検出し、このときに検出された電流量を基準電流量とするようにしている。すなわち燃焼室内に供給される燃料量が零とされたときには燃焼室内にてＮＯ_Xは生成されず、ＮＯ_X濃度センサに流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度は零のはずである。したがって、このときに検出される電流量はＮＯ_X濃度が零であるときの電流量、すなわち基準電流量であると推定することができる。

特開平１１−１４８９１０号公報特開２００１−１３３４２９号公報特開平１１−２３５２８号公報特開２００２−３１０９８４号公報

ところで、上記検査セルでは、第一電極において排気ガス中のＮＯ_Xが分解されるだけでなく、排気ガス中の酸素も分解され、それに応じて第一電極と第二電極との間には電流が流れてしまうため、第一電極近傍の排気ガス中に酸素が多く存在する条件下では、ＮＯ_X濃度を正確に検出することができない。このため、限界電流式のＮＯ_X濃度センサは、上記検査セルに加えて、排気ガス中の酸素を排気ガスから排出するための酸素ポンプセルを具備する。酸素ポンプセルによって酸素を排出することにより、第一電極近傍の排気ガス中にはほとんど酸素が存在せず、これによりＮＯ_X濃度を正確に検出することとしている。また、ＮＯ_X濃度を正確に検出するためには、当然、基準電流量を推定する際にも第一電極近傍の排気ガス中に酸素がほとんど存在しないことが必要である。

しかしながら、燃焼室内への燃料供給が停止されると、ＮＯ_X濃度センサには多量の酸素を含んだ排気ガスが流れる。この場合、酸素ポンプセルは、ＮＯ_X濃度センサ近傍の排気ガス中の酸素濃度が増大するときに、排気ガス中の酸素を十分に排気することができない。このため、検出センサ近傍の排気ガス中および検出センサ上には暫く酸素が存在することとなる。したがって、このような状況で推定された基準電流量は正確にＮＯ_X濃度が零であるときの電流量を正確に表していない。

仮に、特許文献１に記載の技術を用いて基準電流量を正確に得ようとする場合には、検出セル近傍の排気ガス中の酸素が一定濃度に低くなるまで燃焼室内に供給される燃料量を零とする処理を機関運転要求とは無関係に暫く継続させる必要がある。しかしながらこれは内燃機関の運転自体には好ましいことではない。結局のところ基準電流量を正確に得ることはできず、したがってＮＯ_X濃度センサにより排気ガス中のＮＯ_X濃度を正確に検出することはできない。こうした事情に鑑み、本発明の目的は排気ガス中のＮＯ_X濃度を正確に検出することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の燃焼室から排出された排気ガス中の検出対象成分の濃度を検出するために機関排気通路に配置された濃度検出装置であって、拡散抵抗を介して排気ガスが導入される計測室と、印加電圧に応じて前記計測室内の酸素を該計測室外に選択的に排出するポンプセルと、所定電圧を印加することにより上記計測室内の検出対象成分を分解させると共にその分解量に応じた電流が流れるように構成された検出セルと、該検出セル内を流れる電流量を検出する検出手段と、排気ガス中の検出対象成分濃度が零であるときに該検出手段によって検出される検出電流量を基準電流量とし、該基準電流量に基づいた検出電流量と検出対象成分濃度との関係から排気ガス中の検出対象成分濃度を算出する算出手段とを具備し、上記ポンプセルへの印加電圧は排気ガス中の酸素濃度を一定濃度にまで低下させつつ検出対象成分を分解させることのないように上記ポンプセルが排出した酸素量または上記計測室内の排気ガス中の酸素濃度に基づいてフィードバック制御される排気ガスの濃度検出装置において、内燃機関への燃料供給が停止されている間には、燃料供給が停止されてから所定期間に亘って、上記ポンプセルへの印加電圧のフィードバック制御を中止すると共に上記ポンプセルが排出した酸素量および上記計測室内の排気ガス中の酸素濃度とは無関係に該ポンプセルへの印加電圧を上昇させて一定電圧に維持し、上記所定期間の経過後に上記検出手段によって検出された電流量を基準電流量とする基準電流量更新制御が実行される。
第１の発明によれば、燃料供給が停止されるとポンプセルへの印加電圧が上昇せしめられるため、燃料供給停止に伴って多量の酸素を含んだ排気ガスが濃度検出装置に流れても、ポンプセルは十分に酸素を排出することができ、計測室内の酸素濃度は低く維持される。このため、燃料供給停止から比較的短い時間が経過すれば基準電流量を更新することができ、常に正確な基準電流量を用いることができる。
なお、上記所定期間は、燃料供給の停止後、燃焼供給の停止により内燃機関の燃焼室で燃焼していない酸素を多量に含んだ排気ガスが当該濃度検出装置に到達するのにかかる時間よりも長い。

第２の発明では、第１の発明において、上記一定電圧は、上記計測室内に空気が導入される場合にフィードバック制御により印加されるような電圧と同程度であるかまたはそれよりも高い。
第２の発明によれば、燃料供給停止に伴って多量の酸素を含んだ排気ガスが濃度検出装置に流れ込むときに、ポンプセルには高い電圧が印加されており、酸素の排出能力が高い。このため、多量の酸素を含んだ排気ガスが濃度検出装置に流れ込んでも酸素濃度を確実に低く維持することができる。

第３の発明では、第１または第２の発明において、内燃機関への燃料供給が停止されている間には、上記基準電流量更新制御と選択的に、上記ポンプセルへの印加電圧を零とし、このときに上記検出手段により検出される検出電流量と上記基準電流量とに基づいて上記検出電流値と検出対象成分濃度との関係を決定する関係決定制御が実行される。

本発明によれば、常に正確な基準電流量を用いることができるため、排気ガス中のＮＯ_X濃度を常に正確に検出することができる。

図１は本発明を筒内噴射式火花点火機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明は圧縮着火式内燃機関に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はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火栓１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面上には燃料噴射弁１１の下方から点火栓１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。

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濃度センサ２９が配置され、ＮＯ_X濃度センサ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、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を参照しつつ図１に示したＮＯ_X濃度センサ２９のセンサ部の構造について簡単に説明する。図２を参照するとＮＯ_X濃度センサ２９のセンサ部は互いに積層された６つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これら６つの固体電解質層を以下、上から順に第一層Ｌ₁、第二層Ｌ₂、第三層Ｌ₃、第四層Ｌ₄、第五層Ｌ₅、第六層Ｌ₆と称する。

図２を参照すると第一層Ｌ₁と第３層Ｌ₃との間に、例えば多孔質のまたは細孔が形成されている第一の拡散律速部材５０と第二の拡散律速部材５１とが配置されており、これら拡散律速部材５０、５１間には第一計測室５２が形成され、第二の拡散律速部材５１と第二層Ｌ₂との間には第二計測室５３が形成されている。また第三層Ｌ₃と第五層Ｌ₅との間には外気に連通している大気室５４が形成されている。一方、第一の拡散律速部材５０の外端面は排気ガスと接触している。したがって排気ガスは第一の拡散律速部材５０を介して第一計測室５２内に流入し、斯くして第一計測室５２内は排気ガスで満たされている。

一方、第一計測室５２に面する第一層Ｌ₁の面上には陰極側第一ポンプ電極５５が形成され、第一層Ｌ₁の外周面上には陽極側第一ポンプ電極５６が形成されており、これら第一ポンプ電極５５、５６間には第一ポンプ電圧源５７により電圧が印加される。第一ポンプ電極５５、５６間に電圧が印加されると第一計測室５２内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第一ポンプ電極５５と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第一層Ｌ₁内を陽極側第一ポンプ電極５６に向けて流れる。したがって第一計測室５２内の排気ガス中に含まれる酸素は第一層Ｌ₁内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第一ポンプ電圧源５７の電圧が高くなるほど多くなる。このようにして、陰極側第一ポンプ電極５５、陽極側第一ポンプ電極５６および第一ポンプ電圧源５７は、印加電圧に応じて第一計測室５２内の酸素を第一計測室５２外へと選択的に排出する第一酸素ポンプセルを構成する。

一方、大気室５４に面する第三層Ｌ₃の面上には基準電極５８が形成されている。ところで酸素イオン伝導性の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２に示した例では大気室５４内の酸素濃度の方が第一計測室５２内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第三層Ｌ₃、第二層Ｌ₂および第一層Ｌ₁内を移動し、陰極側第一ポンプ電極５５において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第一ポンプ電極５５との間に電圧Ｖ₀が発生し、この電圧Ｖ₀が第一モニタ電圧計５９によって検出される。この電圧Ｖ₀は大気室５４内と第一計測室５２内との酸素濃度差に比例する。このようにして、基準電極５８および陰極側第一ポンプ電極５５は、第一計測室５２内の酸素濃度を検出するための第一モニタセルを構成する。

第一酸素ポンプセルの第一ポンプ電圧源５７における印加電圧ＶＰ₁は、第一モニタセルの第一モニタ電圧計５９によって検出された酸素濃度に基づいてフィードバック制御される。図２に示した例では上記電圧Ｖ₀が第一計測室５２内の酸素濃度が１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第一ポンプ電圧源５７の印加電圧ＶＰ₁がフィードバック制御される。すなわち、第一計測室５２内の酸素は第一計測室５２内の酸素濃度が１p.p.m.となるように第一層Ｌ₁を通って汲み出され、それによって第一計測室５２内の酸素濃度が１p.p.m.に維持される。

なお陰極側第一ポンプ電極５５はＮＯ_X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るＮＯ_Xは第一計測室５２内では還元されにくく、ＮＯ₂をＮＯに還元する程度である。したがってこのＮＯ_Xは第二の拡散律速部材５１を通って第二計測室５３内に流入する。

一方、第二計測室５３に面する第一層Ｌ₁の面上には陰極側第二ポンプ電極６０が形成されており、この陰極側第二ポンプ電極６０と陽極側第一ポンプ電極５６との間には第二ポンプ電圧源６１により電圧が印加される。これらポンプ電極６０、５６間に電圧が印加されると第二計測室５３内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第二ポンプ電極６０と接触して酸素イオンとなり、この酸素イオンは第一層Ｌ₁内を陽極側第一ポンプ電極５６に向けて流れる。したがって第二計測室５３内の排気ガス中に含まれる酸素は第一層Ｌ₁内を移動して外部に汲み出されることになり、このとき外部に汲み出される酸素量は第二ポンプ電圧源６１の電圧が高くなるほど多くなる。このようにして、陽極側第一ポンプ電極５６、陰極側第二ポンプ電極６０および第二ポンプ電圧源６１は、印加電圧に応じて第二計測室５３内の酸素を第二計測室５３外へと選択的に排出する第二酸素ポンプセルを構成する。

一方、上述したように酸素イオン伝導性の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２に示した例では大気室５４内の酸素濃度の方が第二計測室５３内の酸素濃度よりも高いので大気室５４内の酸素は基準電極５８と接触することにより電荷を受け取って酸素イオンとなり、この酸素イオンは第三層Ｌ₃、第二層Ｌ₂および第一層Ｌ₁内を移動し、陰極側第二ポンプ電極６０において電荷を放出する。その結果、基準電極５８と陰極側第二ポンプ電極６０との間に電圧Ｖ₁が発生し、この電圧Ｖ₁は第二モニタ電圧計６２によって検出される。この電圧Ｖ₁は大気室５４内と第二計測室５３内との酸素濃度差に比例する。このようにして、基準電極５８および陰極側第二ポンプ電極６０は、第二計測室５３内の酸素濃度を検出する第二モニタセルを構成する。

第二酸素ポンプセルの第二ポンプ電圧源６１における印加電圧は、第二モニタセルの第二モニタ電圧計６２によって検出された酸素濃度に基づいてフィードバック制御される。図２に示した例ではこの電圧Ｖ₁が第二計測室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.のときに生ずる電圧に一致するように第二ポンプ電圧源６１の電圧がフィードバック制御される。すなわち第二計測室５３内の酸素は第二計測室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.となるように第一層Ｌ₁を通って汲み出され、それによって第二計測室５３内の酸素濃度が０．０１p.p.m.に維持される。

なお陰極側第二ポンプ電極６０もＮＯ_X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るＮＯ_Xは陰極側第二ポンプ電極６０と接触しても還元されにくい。

一方、第二計測室５３に面する第三層Ｌ₃の面上にはＮＯ_X検出用の陰極側検出電極６３が形成されている。この陰極側検出電極６３はＮＯ_X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。したがって第二計測室５３内のＮＯ_X、実際には大部分を占めるＮＯが陰極側検出電極６３上においてＮ₂とＯ₂とに分解される。図２に示したようにこの陰極側検出電極６３と基準電極５８との間には一定電圧源６４により一定電圧が印加されており、したがって陰極側検出電極６３上において分解生成されたＯ₂は酸素イオンとなって第三層Ｌ₃内を基準電極５８に向けて移動する。このとき陰極側検出電極６３と基準電極５８との間にはこの酸素イオン量に比例した電流量ＩＳが流れ、この電流量ＩＳは検出電流計６５によって検出される。

上述したように第一計測室５２内ではＮＯ_Xはほとんど還元されず、また第二計測室５３内には酸素はほとんど存在しない。したがって電流量ＩＳは排気ガス中に含まれるＮＯ_X濃度に比例することになり、斯くして電流量ＩＳから排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出できることになる。このようにして、陰極側検出電極６３、基準電極５８および一定電圧源６４は、排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出するための検出セルを構成する。

図３は電流量ＩＳと排気ガス中のＮＯ_X濃度との関係を示している。図３から電流量ＩＳは排気ガス中のＮＯ_X濃度に比例していることがわかる。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一計測室５２から外部に汲み出される酸素量が多くなり、ポンプ電流計６６によって検出される電流量ＩＰが増大する。したがってこの電流量ＩＰから排気ガスの空燃比を検出することができる。

なお第五層Ｌ₅と第六層Ｌ₆との間にはＮＯ_X濃度センサ２９のセンサ部を加熱するための電気ヒータ６７が配置されており、この電気ヒータ６７によってＮＯ_X濃度センサ２９のセンサ部は７００℃から８００℃に加熱される。

上述した説明では、第一酸素ポンプセルの第一ポンプ電圧源５７における印加電圧ＶＰ₁および第二酸素ポンプセルの第二ポンプ電圧源６１における印加電圧ＶＰ₂は、それぞれ第一モニタセルの第一モニタ電圧計５９および第二モニタセルの第二モニタ電圧計６２によって検出された電圧にから算出された酸素濃度に基づいてフィードバック制御されるとしたが、このフィードバック制御には一定の制限が課される。この理由を第一ポンプセルを例にとって説明する。

図４に第一ポンプ電圧源５７の電圧ＶＰ₁とポンプ電流計６６によって検出される電流量ＩＰとの関係を示した。図４においてＡ／Ｆ＝１６で示した曲線は排気ガスの空燃比が１６であるときの電圧ＶＰ₁と電流量ＩＰとの間の関係を示し、Ａ／Ｆ＝１８で示した曲線は排気ガスの空燃比が１８であるときの電圧ＶＰ₁と電流量ＩＰとの間の関係を示し、Ａｉｒで示した曲線は排気ガス中の酸素濃度が大気中の酸素濃度に等しいときの電圧ＶＰ₁と電流量ＩＰとの間の関係を示している。

図４から判るように電圧ＶＰ₁が零から増大すると電流量ＩＰも徐々に増大し、電圧Ｖが一定の範囲内に到達すると電流量ＩＰはほぼ一定の値となり、さらに電圧ＶＰ₁がこの一定の範囲を超えて増大すると電流量ＩＰは再び徐々に増大する。この傾向はいずれの曲線においても同じであるが電圧ＶＰ₁に無関係にほぼ一定の値をとるときの電流量ＩＰの値が各曲線で異なる。したがって電圧ＶＰ₁を変化させても電流量ＩＰの変化がほとんどない電圧ＶＰ₁を第一ポンプ電極５５、５６間に印加するようにすればそのときに検出される電流量ＩＰの値から排気ガス中の酸素濃度を知ることができ、逆に、電圧ＶＰ₁を変化させても電流量ＩＳの変化がほとんどない電圧ＶＰ₁を第一ポンプ電極５５、５６間に印加しなければ排気ガス中の酸素濃度を知ることができない。

さらに、電圧ＶＰ₁が曲線Ａ／Ｆ＝１６に関しては電圧Ｖａ、曲線Ａ／Ｆ＝１８に関しては電圧Ｖｂ、曲線Ａｉｒに関しては電圧Ｖｃを超えると電流量ＩＰが若干増大する。これは電圧ＶＰ₁が一定値以上とされたことにより排気ガス中のＮＯ_Xが窒素Ｎ₂と酸素Ｏ₂とに分解されて排気ガス中の酸素濃度が増大したためである。すなわち第一ポンプ電極５５はＮＯ_Xに対して還元性の低い材料から形成されているが第一ポンプ電極５５、５６間に一定値以上の電圧を印加するとＮＯ_Xは第一ポンプ電極５５により窒素Ｎ₂と酸素Ｏ₂とに分解される。したがって検出セルにおいてＮＯ_X濃度を検出するためには、第一ポンプ電極５５においてＮＯ_Xが窒素Ｎ₂と酸素Ｏ₂とに分解されないように第一ポンプ電極５５、５６間の印加電圧、すなわち第一酸素ポンプセルの第一ポンプ電圧源５７における印加電圧ＶＰ₁は上記一定値以下にしなければならない。

したがって、第一酸素ポンプセルの第一ポンプ電圧源５７における印加電圧ＶＰ₁のフィードバック制御においては、第一酸素ポンプセルにより排気ガス中の酸素濃度を検知するため、および第一酸素ポンプセルの第一ポンプ電極５５においてＮＯ_Xを分解しないようにするために、第一酸素ポンプセルの第一ポンプ電圧源５７における印加電圧ＶＰ₁が、電圧を変化させたときの電流量ＩＰの変化がほとんどない電圧であって上記一定値以下の電圧となるような範囲内に維持される。

ところで、上述したＮＯ_X濃度センサ２９、特に検出セルにより検出されるのは直接的には排気ガス中のＮＯ_X濃度ではなく電流量ＩＳである。すなわち排気ガス中のＮＯ_X濃度を知るためにはＮＯ_X濃度センサ２９により検出される電流量ＩＳをＮＯ_X濃度に換算する必要がある。ここで本実施形態では排気ガス中のＮＯ_X濃度が零であるときにＮＯ_X濃度センサ２９により検出される電流量ＩＳを基準電流量ＩＳ₀とし、ＮＯ_X濃度が変化したときにその変化量に応じて変化する電流量ＩＳ、すなわち単位ＮＯ_X濃度に相当する電流量ＩＳを単位電流量ＩＳ_uとして図３に示したようなＮＯ_X濃度センサ２９により検出される検出電流量ＩＳとＮＯ_X濃度との関係を導き出し、この関係に基づいてＮＯ_X濃度を推定するようにしている。

ところが上記基準電流量ＩＳ₀はＮＯ_X濃度センサ２９ごとに異なる。また上記基準電流量ＩＳ₀はＮＯ_X濃度センサ２９の経時的な劣化により徐々に変化する。ここで基準電流量ＩＳ₀を常に正確に把握していなければＮＯ_X濃度センサ２９により正確なＮＯ_X濃度を検出することはできない。云い換えればＮＯ_X濃度センサ２９によりＮＯ_X濃度を正確に検出するためには常に電流量ＩＳに基づいてＮＯ_X濃度を算出するときに正確な基準電流量ＩＳ₀を用いる必要がある。

このため基準電流量ＩＳ₀を適宜更新する必要があるが、このような更新方法として例えば以下の方法が考えられる。すなわち、基準電流量ＩＳ₀は排気ガス中のＮＯ_X濃度が零であるときにＮＯ_X濃度センサ２９により検出される電流量であるため、排気ガス中のＮＯ_X濃度が零となっている条件下でＮＯ_X濃度センサ２９によって検出された電流量ＩＳを基準電流量ＩＳ₀として更新する方法である。排気ガス中のＮＯ_X濃度が零となっている条件下とは、例えば、内燃機関の燃焼室５内への燃料供給を停止する制御（以下、「フューエルカット制御」と称す）が行われている間、機関始動前および機関停止後等が挙げられる。

ここで、フューエルカット制御中に基準電流量ＩＳ₀を更新する場合について考える。図５は、フューエルカット制御を開始してから各種パラメータの変化の様子を示した図である。図５（ａ）を参照すると、時刻ｔ₀においてフューエルカット制御が開始されて内燃機関の燃焼室５内への燃料供給量Ｑが零にされる。その後、時刻ｔ₁において、燃焼室５内で燃焼が行われていないときの排気ガス、すなわち酸素を多量に含んだ排気ガスがＮＯ_X濃度センサ２９に到達し、第一計測室５２に流入する。このため第一計測室５２内の排気ガス中の酸素濃度が急激に上昇し、これに伴って第一酸素ポンプセルのポンプ電流計６６によって検出される電流量ＩＰが上昇する。一方、モニタセルの第一モニタ電圧計５９に基づいて算出される第一計測室５２内の酸素濃度も高くなるため、それに伴って第一ポンプ電圧源５７の印加電圧ＶＰ₁も上昇せしめられ、第一酸素ポンプセルの酸素排出能力が高められる。

しかしながら第一酸素ポンプセルの酸素排出能力はフューエルカット制御による排気ガス中の酸素濃度の急上昇に追従することができず、よって第一計測室５２内の排気ガスから完全には酸素を除去することができない。これは、第一ポンプ電圧源５７の印加電圧ＶＰがフィードバック制御により調整されているので応答遅れがあること、および図４を参照して説明したようにフィードバック制御では一定以上に電圧を上げることができないことによる。

このため、内燃機関においてフィードバック制御が開始されて酸素濃度の高い排気ガスがＮＯ_X濃度センサ２９に達しても、第一計測室５２および第二計測室５３内の酸素濃度は低下しにくい。また、一旦計測室内の排気ガスの酸素濃度が上昇してしまうと、各電極の表面上に酸素が吸着してしまい、酸素濃度が低くなった後にその吸着された酸素が離脱せしめられるため、計測室内の排気ガス中の酸素濃度が安定しない。このため、図５（ａ）に示したように、検出電流計６５によって検出される電流量ＩＳは徐々に低下することとなり、安定するまでに時間がかかる。

基準電流量ＩＳ₀を更新するためには、計測室内の排気ガスの酸素濃度がフューエルカット制御を行っていない場合と同程度にまで安定している必要があり、よって検出電流計６５によって検出される電流量ＩＳが安定しなければ基準電流量ＩＳ₀を更新することができない。このため、基準電流量ＩＳ₀を更新するためには電流量ＩＳの安定を待つ必要がある。しかしながら、フューエルカット制御は長期間継続的に行われるような制御ではないため、多くの場合、電流量ＩＳが安定する前にフューエルカット制御が終了してしまう。このため、上述した方法では実際には機関運転中に基準電流量Ｉ₀を更新するのは困難である。

そこで、本実施形態では、図５（ｂ）に示したようにフューエルカット制御の開始と同時に第一ポンプ電圧源５７の印加電圧ＶＰ₁を上昇させる高電圧制御が実行される。このときの印加電圧ＶＰ₁は、拡散律速部材５０を介して第一計測室５２に空気が導入される場合にフィードバック制御により第一ポンプ電圧源５７が印加すると予想される電圧と同程度以上であり、この電圧よりも高いのが好ましい。

高電圧制御が開始されると、フューエルカット制御により酸素濃度の高い排気ガスがＮＯ_X濃度センサ２９に到達する前から第一酸素ポンプ電圧源５７の印加電圧ＶＰ₁が上昇せしめられるため、上述したように第一酸素ポンプセルの陰極側第一ポンプ電極５５において排気ガス中のＮＯ_Xが窒素Ｎ₂と酸素Ｏ₂に分解されると共に第一計測室５２内の排気ガス中の酸素が排出される。このため、第二計測室５３内の排気ガス中のＮＯ_Xおよび酸素は減少し、ほぼ零となる。よって、図５（ｂ）に示したように、時刻ｔ０の後直ぐにＮＯ_X濃度センサ２９の出力電流量ＩＳはほぼ零となる。

その後、時刻ｔ₁において、フューエルカット制御により酸素濃度の高い排気ガスがＮＯ_X濃度センサ２９に到達しても、酸素ポンプセルの第一ポンプ電圧源５７の印加電圧ＶＰ₁は高く維持されており、よって酸素ポンプセルによる酸素排出能力は高く維持されるため、第一計測室５２内に流入した酸素は第一計測室５２内で滞留することなく排出される。したがって、本実施形態では、フューエルカット制御を開始してからも、第二計測室５３内の排気ガス中の酸素濃度が高いものとなることはなく、よってＮＯ_X濃度センサ２９の出力電流量ＩＳもフューエルカット制御開始後、直ぐに安定する。

上記高電圧制御は、フューエルカット制御によりＮＯ_X濃度センサ２９周りの排気ガスの酸素濃度が空気の酸素濃度に相当する濃度にまで上昇してから、終了せしめられる（時刻ｔ₃）。すなわち、フューエルカット制御が行われた場合、ＮＯ_X濃度センサ２９周りの排気ガスの酸素濃度が急激に上昇する過渡状態にあるときには一時的に高電圧制御が行われ、酸素濃度が安定すると再びフィードバック制御が行われる。酸素ポンプセルは酸素濃度の高い排気ガス中の酸素を第一計測室５２内から排出するのに十分な排出能力を有するため、高電圧制御を終了して再びフィードバック制御を開始しても酸素濃度は低いまま維持される。

したがって、本実施形態によれば、フィードバック制御開始から比較的短時間で、第二計測室５３内にほとんどＮＯ_Xが存在せず且つほとんど酸素が存在しない状態（より詳細には、酸素ポンプセルの印加電圧がフィードバック制御されている場合における第二計測室５３内の酸素濃度と同程度の酸素濃度となっている状態）となる。この時、検出電流計６５によって検出される電流量ＩＳは排気ガス中のＮＯ_X濃度がほぼ零であり、且つ酸素濃度がほぼ零であるときの電流の量、すなわち基準電流量ＩＳ₀に相当する。そして本実施形態によれば斯くして得られた基準電流量ＩＳ₀が現在の基準電流量ＩＳ₀と置き換えられる。したがって、本実施形態によれば、フューエルカット制御開始から比較的短時間で基準電流量ＩＳ₀を更新することができ、この基準電流量ＩＳ₀を用いて正確なＮＯ_X濃度が算出される。

なお、基準電流量ＩＳ₀を更新するために検出電流計６５によって検出される電流量ＩＳを用いるのは、高電圧制御が終了してから僅かに時間が経過してからであるのが好ましい。これは、高電圧制御が終了してフィードバック制御に切り換えたばかりの時期には、第二計測室５４内の酸素濃度が僅かな時間だけ安定しないことも考えられるためである。

図６は基準電流量ＩＳ₀を更新するための基準電流量更新制御ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。

図６を参照すると、まずステップ１０１においてフューエルカット制御（Ｆ／Ｃ）の実行中であるか否かが判定される。フューエルカット制御の実行中であるか否かは、ＥＣＵ３１から燃料噴射弁１１への指令等に基づいて判断される。ステップ１０１においてフューエルカット制御実行中である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、時間カウンタＴＣに１が加算される（ＴＣ＝ＴＣ＋１）。時間カウンタＴＣは、フューエルカット制御が開始されてからの時間を表すカウンタである。次いで、ステップ１０３では、時間カウンタＴＣが第一所定時間ＴＣ₁未満であるか否かが判定される。ここで、第一所定時間ＴＣ₁は、フューエルカット制御開始から酸素濃度の高い排気ガスがＮＯ_X濃度センサに到達するのに必要と予想される時間よりも長い予め定められた時間である。

ステップ１０３において、時間カウンタＴＣが第一所定時間ＴＣ₁未満であると判定された場合（ＴＣ＜ＴＣ₁）には、ステップ１０４へと進み高電圧制御が実行される。一方、ステップ１０３において、時間カウンタＴＣが第一所定時間ＴＣ₁以上であると判定された場合（ＴＣ≧ＴＣ₁）にはステップ１０５へと進む。ステップ１０５では、時間カウンタＴＣが第二所定時間ＴＣ₂未満であるか否かが判定される。ここで、第二所定時間ＴＣ₂は、第一所定時間ＴＣ₁に僅かな時間を加えたものである。ステップ１０５において、時間カウンタＴＣが第二所定時間ＴＣ₂未満であると判定された場合（ＴＣ＜ＴＣ₂）にはステップ１０６へと進む。ステップ１０６では、第一ポンプセルの第一ポンプ電圧源５７における印加電圧ＶＰ₁はフィードバック制御により決定される。ただし、時間カウンタＴＣが第二所定時間ＴＣ₂未満であると判定された場合には、基準電流量ＩＳ₀の更新が行われない。これは、高電圧制御からフィードバック制御に切換えた場合に、切換えが行われてから僅かな時間においては応答遅れ等によりＮＯ_X濃度センサ２９の出力電流量ＩＳが安定しないためである。

一方、ステップ１０５において、時間カウンタＴＣが第二所定時間ＴＣ₂以上であると判定された場合（ＴＣ≧ＴＣ₂）にはステップ１０７へと進む。ステップ１０７では、引き続きフィードバック制御が行われる。次いで、ステップ１０８では、このときＮＯ_X濃度センサ２９によって検出された電流量ＩＳが基準電流量ＩＳ₀とされる。

その後、フューエルカット制御が終了せしめられると、次のルーチンにおいてステップ１０１からステップ１０９へと進む。ステップ１０９では、時間カウンタＴＣが零にリセットされ（ＴＣ＝０）、次いでステップ１１０では、第一モニタ電圧計５９の出力電圧Ｖ₀に基づいて第一ポンプ電圧源５７における印加電圧ＶＰ₁のフィードバック制御が行われる。

図７はＮＯ_X濃度センサによってＮＯ_X濃度を算出するためのＮＯ_X濃度算出制御のルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。まず、ステップ１２１では、ＮＯ_X濃度センサ２９により電流量ＩＳが検出される。次いでステップ１２２では、ステップ１２１で検出された電流量ＩＳおよび基準電流量ＩＳ₀に基づいて、下記式（１）によりＮＯ_X濃度が推定される。
ＤＮＯＸ＝（ＩＳ−ＩＳ₀）／ＩＳ_u
ここで、ＩＳ_uは単位電流量であり、本実施形態では予め定められている。

なお、上記実施形態では、フューエルカット制御と高電圧制御とは同時に実行されることとしているが、これら制御は同時に実行されなくてもよい。すなわち、高電圧制御の開始時期は、フューエルカット制御が開始されてからこのフューエルカット制御により酸素濃度の高い排気ガスがＮＯ_X濃度センサ２９に到達するまでの間であれば、如何なる時期に高電圧制御を開始してもよい。
また、上記説明では、高電圧制御において第一ポンプ電圧源５７の印加電圧ＶＰ₁のみを上げるものとしているが、同様に第二ポンプ電圧源６１の印加電圧ＶＰ₂を上げるようにしてもよい。

ところで基準電流量ＩＳ₀だけでなく単位電流量ＩＳ_uもＮＯ_X濃度センサ２９ごとに異なり、またＮＯ_X濃度センサ２９の経時的な劣化により徐々に変化する。ここで単位電流量ＩＳ_uを正確に把握していなければＮＯ_X濃度センサ２９によりＮＯ_X濃度を正確に検出することはできない。したがって基準電流量ＩＳ₀の場合と同様に正確な単位電流量ＩＳ_uを常に把握する必要がある。

そこで本発明の第二実施形態では以下の方法に従って単位電流量ＩＳ_uを適宜、更新して常に正確な単位電流量ＩＳ_uを用いてＮＯ_X濃度を検出するようにする。すなわち、本実施形態ではフューエルカット制御が実行されたときに第一ポンプ電圧源５７の印加電圧ＶＰ₁および第二ポンプ電圧源６１の印加電圧ＶＰ₂を零とする。内燃機関の燃焼室５への燃料供給が停止されたときには第一の拡散律速部材５０を通って第一計測室５２内に流入する排気ガス中の酸素濃度は大気中の酸素濃度にほぼ等しい。しかも排気ガス中のＮＯ_X濃度は零である。そして第一ポンプ電圧源５７の電圧が零とされるので第一計測室５２内の排気ガスからは酸素は汲み出されず、したがって第二の拡散律速部材５１を通って第二計測室５３に流入する排気ガス中の酸素濃度も大気中の酸素濃度にほぼ等しい。さらに第二ポンプ電圧源６１の電圧が零とされるので第二計測室５３内の排気ガスからも酸素は汲み出されない。したがって検出電流計６５により検出される電流値ＩＳは大気中の酸素濃度に相当する値である。大気中の酸素濃度は既知の値であるのでこのときの電流値ＩＳと基準電流量ＩＳ₀とに基づいて単位電流量ＩＳ_uを算出することができ、斯くしてＮＯ_X濃度センサ２９により検出される電流量ＩＳと排気ガス中のＮＯ_X濃度との関係を正確に知ることができる。これにより本実施形態によれば排気ガス中のＮＯ_X濃度をＮＯ_X濃度センサ２９により正確に検出することができる。

図８は、単位電流量の算出制御の制御ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割り込みによって実行される。まず、ステップ２０１において、フューエルカット制御（Ｆ／Ｃ）の実行中であるか否かが判定される。ステップ２０１においてフューエルカット制御実行中であると判定された場合にはステップ２０２へと進む。ステップ２０２では、時間カウンタＴＣに１が加算される（ＴＣ＝ＴＣ＋１）。次いで、ステップ２０３では、第一ポンプ電圧源５７の電圧ＶＰ₁および第二ポンプ電圧源６１の電圧ＶＰ₂が零とされる。次いで、ステップ２０４では、時間カウンタＴＣが第三所定時間ＴＣ₃以上であるか否か、すなわちフューエルカット制御を開始して両ポンプ電圧源５７、６１の電圧が零とされてから第三所定時間ＴＣ₃が経過しているか否かが判定される。第三所定時間ＴＣ₃は、フューエルカット制御の開始および両ポンプ電圧源５７、６１による電圧印加中止が行われてから検出電流計６５によって検出される電流量ＩＳが安定するまでに必要と考えられる予め定められた時間である。

ステップ２０４において、フューエルカット制御の開始等を実行してから第三所定時間ＴＣ₃が経過していないと判定されると（ＴＣ＜ＴＣ₃）、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ２０４において、フューエルカット制御の開始等を実行してから第三所定時間ＴＣ₃が経過するとステップ２０５へと進む。ステップ２０５では、検出電流計６５によって検出される電流量ＩＳが検出される。次いで、ステップ２０６では、検出電流計６５によって検出された電流量ＩＳを所定値ａで除算することにより、単位電流量ＩＳ_uが算出される。（ＩＳ_u＝ＩＳ／ａ）。ここで、所定値ａは、空気と同程度の酸素濃度に相当する電流量ＩＳから単位ＮＯ_X濃度に相当する単位電流量ＩＳ_uを算出するのに用いられる係数である。算出された単位電流量ＩＳ_uは、図７のステップ１２２において利用される。

なお、第一実施形態の濃度検出装置と第二実施形態の濃度検出装置とを組合せ用いることも可能である。この場合、フューエルカット制御が実行されたときに図６に示した基準電流量ＩＳ₀を更新するための基準電流量更新制御と、図８に示した単位電流量の算出制御とを同時に実行することができないため、例えばフューエルカット制御が行われる毎に交互に実行する等して、これら両制御を別々のタイミングで実行することが必要である。

また、本発明の適用は、上記実施形態に示した構成のＮＯ_X濃度センサに限定されるものではなく、少なくとも一つの酸素ポンプセルと、少なくとも一つの検出セルを有すれば如何なるＮＯ_X濃度センサであってもよい。このようなＮＯ_X濃度センサの構成の別の例としては、図９に示したＮＯ_X濃度センサ７０が挙げられる。

図９を参照すると第一層Ｌ₁と第三層Ｌ₃との間には測定室７１が形成され、第三層Ｌ₃と第五層Ｌ₅との間には外気に連通している大気室７２が形成されている。第一層Ｌ₁には測定室７１に通じる開口７３が形成されていると共に第一層Ｌ₁の外面上には開口７３を覆うように拡散律速部材７４が設けられる。拡散律速部材７４の外面は排気ガスと接触しており、したがって排気ガスは拡散律速部材７４を介して測定室７１内に流入し、斯くして測定室７１内は排気ガスで満たされている。

第一層Ｌ₁の両面上にはそれぞれ一つずつ電極７５、７６が配置され、これら電極間にはポンプ電圧源７７によって電圧が印加される。これら電極７５、７６およびポンプ電圧源７７は、計測室７１内の排気ガスから酸素を排出する酸素ポンプセルを構成する。このポンプ電圧源７７により印加される電圧は、上記電極７５、７６間に流れる電流、すなわち当該酸素ポンプセルが排出した酸素量に基づいてフィードバック制御される。一方、第三層Ｌ₃の両面上にもそれぞれ一つずつ電極７８、７９が配置され、これら電極間には検出電圧源８０によって電圧が印加される。検出電圧源８０の電圧は一定であり、この一定電圧を印加した場合に電極７８、７９間に流れる電流に基づいて排気ガス中のＮＯ_X濃度が検出される。このように構成されたＮＯ_X濃度センサにおいても、上記実施形態と同様にフューエルカット制御中に基準電流量および単位電流量を検出することにより、ＮＯ_X濃度を正確に算出することができる。

なお、上記説明では、ＮＯ_X濃度センサのみについて言及しているが、排気ガス中の他の成分を検出するセンサについても本発明を適用することができる。ただし、この場合、センサによって検出対象となっている成分（以下、「検出対象成分」と称す）を検出する際に、酸素が存在すると検出対象成分の濃度と共に酸素濃度も一緒に検出してしまうので、このような事態を防止するために予め酸素を排出しておく酸素ポンプセルを設けなければならないようなセンサであることが必要である。

内燃機関の全体図である。ＮＯ_X濃度センサのセンサ部の構造を示す図である。ＮＯ_X濃度センサによる検出電流を示す図である。酸素ポンプセルにおける印加電圧と電流量との関係を示した図である。フューエルカット制御を開始してから各種パラメータの変化の様子を示す。基準電流量を更新するための基準電流量更新制御のフローチャートである。ＮＯ_X濃度センサによってＮＯ_X濃度を算出するためのＮＯ_X濃度算出制御のフローチャートである。単位電流量の算出制御のフローチャートである。ＮＯ_X濃度センサのセンサ部の構造を示す図である。

符号の説明

５０、５１…拡散律速部材
５２…第一計測室
５３…第二計測室
５４…大気室
５５…陰極側第一ポンプ電極
５６…陽極側第一ポンプ電極
５７…第一ポンプ電圧源
５８…基準電極
５９…第一モニタ電圧計
６０…陰極側第二ポンプ電極
６１…第二ポンプ電圧源
６２…第二モニタ電圧計
６３…陰極側検出電極
６４…一定電圧源
６５…検出電流計
６６…ポンプ電流計

Claims

内燃機関の燃焼室から排出された排気ガス中の検出対象成分の濃度を検出するために機関排気通路に配置された濃度検出装置であって、
拡散抵抗を介して排気ガスが導入される計測室と、印加電圧に応じて前記計測室内の酸素を該計測室外に選択的に排出するポンプセルと、所定電圧を印加することにより上記計測室内の検出対象成分を分解させると共にその分解量に応じた電流が流れるように構成された検出セルと、該検出セル内を流れる電流量を検出する検出手段と、排気ガス中の検出対象成分濃度が零であるときに該検出手段によって検出される検出電流量を基準電流量とし、該基準電流量に基づいた検出電流量と検出対象成分濃度との関係から排気ガス中の検出対象成分濃度を算出する算出手段とを具備し、
上記ポンプセルへの印加電圧は排気ガス中の酸素濃度を一定濃度にまで低下させつつ検出対象成分を分解させることのないように上記ポンプセルが排出した酸素量または上記計測室内の排気ガス中の酸素濃度に基づいてフィードバック制御される排気ガスの濃度検出装置において、
内燃機関への燃料供給が停止されている間には、燃料供給が停止されてから所定期間に亘って、上記ポンプセルへの印加電圧のフィードバック制御を中止すると共に上記ポンプセルが排出した酸素量および上記計測室内の排気ガス中の酸素濃度とは無関係に該ポンプセルへの印加電圧を上昇させて一定電圧に維持し、上記所定期間の経過後に上記検出手段によって検出された電流量を基準電流量とする基準電流量更新制御が実行される濃度検出装置。
上記一定電圧は、上記計測室内に空気が導入される場合にフィードバック制御により印加されるような電圧と同程度であるかまたはそれよりも高い請求項１に記載の濃度検出装置。
内燃機関への燃料供給が停止されている間には、上記基準電流量更新制御と選択的に、上記ポンプセルへの印加電圧を零とし、このときに上記検出手段により検出される検出電流量と上記基準電流量とに基づいて上記検出電流値と検出対象成分濃度との関係を決定する関係決定制御が実行される請求項１または２に記載の濃度検出装置。