JP5195615B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、ガス濃度検出装置に係り、特に、エンジンから排出される排気ガス中の特定ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。

従来、例えば、特開２００２−３１０９８５号公報に開示されるように、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘセンサが知られている。このＮＯｘセンサは、より具体的には、被測定ガスが導かれる第１の内部空所と、更にその雰囲気が導かれる第２の内部空所と、第１の内部空所内の酸素分圧を制御せしめる第１の酸素ポンプ手段と、第２の内部空所内の酸素を汲み出す第２の酸素ポンプ手段と、を備え、第２のポンプ手段の作動により流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガスのＮＯｘ濃度を求めることとしている。

特開２００２−３１０９８５号公報 特開平１０−３８８４５号公報 特開平１０−７１３２５号公報

上記従来の技術のように、ＮＯｘセンサでは、該センサのチャンバ内の最奥部にＮＯｘ濃度を検出するための検出セルが配置されている。このため、該センサの周囲を流通する排気ガス量が低下した場合等においては、該チャンバ内の排気ガス（測定対象ガス）のガス交換性が低下してしまうおそれがある。この場合、検出セルの出力に応答遅れが発生し、ＮＯｘ濃度を正確に検出できないおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気ガス量が低下している状態であっても、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度を高精度に検出することのできるガス濃度検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、測定対象ガス中の酸素を汲み出すポンプセルと、前記ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを内燃機関の排気経路に備えたガス濃度検出装置であって、
測定対象ガス中の酸素の目標汲み出し量を算出する目標汲み出し量算出手段と、
前記目標汲み出し量に応じて前記ポンプセルを駆動するポンプセル駆動手段と、
前記内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、前記ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
前記排気ガス量が基準量より低下した場合に、前記目標汲み出し量を嵩上げする目標汲み出し量嵩上げ手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記目標汲み出し量嵩上げ手段は、前記内燃機関へ吸入される空気量の変化に応じて、嵩上げ量を設定することを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記目標汲み出し量嵩上げ手段は、前記検出セルの電極に吸着している酸素に関する情報に応じて、嵩上げ量を設定することを特徴とする。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記検出セルの出力から検出される特定ガス成分の濃度が、測定対象ガス中の特定ガス成分の実濃度に追従した場合に、前記目標汲み出し量嵩上げ手段の実行を制限する制限手段を更に備えることを特徴とする。

第５の発明は、上記の目的を達成するため、測定対象ガス中の酸素を汲み出すポンプセルと、前記ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを内燃機関の排気経路に備えたガス濃度検出装置であって、
前記内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、前記ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
前記排気ガス量が基準量より低下した場合に、前記検出セルの出力値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、
前記補正手段は、前記検出セルの出力変化に応じて、前記検出セルの出力値を補正することを特徴とする。

第７の発明は、第５または第６の発明において、
前記補正手段は、測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に応じて、前記検出セルの出力値を補正することを特徴とする。

第８の発明は、第５乃至第７の何れか１つの発明において、
前記検出セルの出力から検出される特定ガス成分の濃度が、測定対象ガス中の特定ガス成分の実濃度に追従した場合に、前記補正手段の実行を制限する制限手段を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス（既燃ガス）量が取得される。そして、当該排気ガス量が基準量よりも低下した場合に、ポンプセルの目標汲み出し量が嵩上げされる。このため、本発明によれば、排気ガス量が低下してガスセンサの応答性が低下している場合に、検出セル近傍の残存酸素の除去能力が高められるので、応答性低下の影響を排除して特定ガス成分のガス濃度を高精度に検出することができる。

第２の発明によれば、内燃機関へ吸入される空気量の変化に応じて目標汲み出し量の嵩上げ量が設定される。ガスセンサの応答遅れは、空気量の変化に大きく依存している。このため、本発明によれば、空気量の変化に基づいて、ガスセンサの応答性に応じた最適な嵩上げ量を設定することができる。

第３の発明によれば、検出セルの電極に吸着している酸素に関する情報に応じて目標汲み出し量の嵩上げ量が設定される。ガスセンサの応答遅れは、吸着酸素量に大きく依存している。このため、本発明によれば、当該吸着酸素に関する情報に基づいて、ガスセンサの応答性に応じた最適な嵩上げ量を設定することができる。

第４の発明によれば、測定対象ガスの特定ガス成分の濃度が実濃度に追従した場合に、目標酸素汲み出し量の嵩上げが制限される。このため、本発明によれば、不要な嵩上げが実行される事態を効果的に回避することができる。

第５の発明によれば、内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、測定対象ガス中の排気ガス量が取得される。そして、当該排気ガス量が基準量よりも低下した場合に、検出セルの出力値が補正される。このため、本発明によれば、排気ガス量が低下してガスセンサの応答性が低下している場合に、直接出力値を補正して応答性低下の影響を排除することができるので、特定ガス成分のガス濃度を高精度に検出することができる。

第６の発明によれば、検出セルの出力変化に応じて検出セルの出力値の補正量が設定される。検出セルの出力変化は空気量変化に大きく依存している。このため、本発明によれば、検出セルの出力変化に基づいて、ガスセンサの応答性に応じた最適な補正量を設定することができる。

第７の発明によれば、測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に応じて検出セルの出力値の補正量が設定される。ガスセンサの応答遅れによる出力変化は、当該酸素濃度に大きく依存している。このため、本発明によれば、酸素の濃度に関する情報に基づいて、ガスセンサの応答性に応じた最適な補正量を設定することができる。

第８の発明によれば、検出された特定ガス成分の濃度が実濃度に追従した場合に、検出セルの出力値の補正が制限される。このため、本発明によれば、不要な出力補正が実行される事態を効果的に回避することができる。

本発明の実施の形態１のガス濃度検出装置の構成を説明するための図である。 測定対象ガスのＮＯｘ濃度に対するＮＯｘ出力の応答時間の関係を説明するための図である。 ＮＯｘ濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合のＮＯｘ出力変化と実ＮＯｘ変化とを比較した図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 ＮＯｘ濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合のＮＯｘ出力変化と実ＮＯｘ変化とを示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の幾つかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１のガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。本実施形態のガス濃度検出装置１０は、内燃機関（以下、単に「エンジン」と称する）の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出する装置である。このガス濃度検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１を有している。

ＮＯｘセンサ１は、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の下方に、スペーサ４、検出セル（センサセル）５、スペーサ６、ヒータ７を順次積層することにより形成されている。

スペーサ４には、第１室４１と、第２室４２とが形成されている。スペーサ４の構成材料としては、例えばアルミナ等を用いることができる。第１室４１および第２室４２は、連通孔４３を介して連通している。これらの第１室４１、第２室４２および連通孔４３は、スペーサ４に抜き穴を設けることにより形成することができる。

主ポンプセル２は、第１室４１に流入した測定対象ガス中の余剰酸素を汲み出して除去する機能を有している。この主ポンプセル２は、固体電解質２１と、一対のポンプ電極２２，２３とで構成されている。素子である固体電解質２１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ_２，ＨｆＯ_２，ＴｈＯ_２，ＢｉＯ_３等で構成されている。この固体電解質２１を上下から挟むポンプ電極２２，２３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質２１の表面に形成された第１ポンプ電極２２は、測定対象ガスである排気ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に面している。この第１ポンプ電極２２としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、固体電解質２１を挟んで第１ポンプ電極２２の反対側に設けられた第２ポンプ電極２３は、第１室４１に面している。この第２ポンプ電極２３としては、ＮＯｘに対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

主ポンプセル２には、固体電解質２１とポンプ電極２２，２３とを貫通する導入孔としてのピンホール２４が形成されている。測定対象ガスである排気ガスは、後述する多孔質保護層８を透過し、ピンホール２４を通って、第１室４１に流入する。ピンホール２４の孔径は、第１室４１に導入される排気ガスの拡散速度が所定速度となるように設計されている。

補助ポンプセル３は、第１室４１から第２室４２に流入した測定対象ガス中の酸素濃度を検出するとともに、当該ガス中の余剰酸素を更に汲み出して除去する機能を有している。この補助ポンプセル３は、固体電解質３１と、一対のポンプ電極３２，３３とで構成されている。素子である固体電解質３１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ_２，ＨｆＯ_２，ＴｈＯ_２，ＢｉＯ_３等で構成されている。この固体電解質３１を上下から挟むポンプ電極３２，３３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質３１の表面に形成された第１ポンプ電極３２は、内燃機関の排気通路内に面している。この第１ポンプ電極３２としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、固体電解質３１を挟んで第１ポンプ電極３２の反対側に設けられた第２ポンプ電極３３は、第２室４２に面している。この第２ポンプ電極３３としては、ＮＯｘに対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

主ポンプセル２および補助ポンプセル３の第１ポンプ電極２２，３２は、多孔質保護層８により覆われている。多孔質保護層８は、例えば多孔質アルミナ等で構成される。この多孔質保護層８により、第１ポンプ電極２２，３２の被毒を防止することができると共に、排気ガスに含まれるスス等によるピンホール２４の目詰まりを防止することができる。

検出セル５は、ＮＯの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出する機能を有している。検出セル５は、固体電解質５１と、この固体電解質５１を上下から挟む一対の検出電極５２，５３とを有している。これらの検出電極５２，５３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質５１の表面に形成された第１検出電極５２は、第２室４２に面している。この第１検出電極５２として、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ合金と、ジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、固体電解質５１を挟んで第１検出電極５２の反対側に設けられた第２検出電極５３は、スペーサ６に形成された大気ダクト６１に面している。大気ダクト６１には、大気が導入される。この第２検出電極５３として、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。大気ダクト６１は、スペーサ６に切り欠きを設けることにより形成することができる。

ヒータ７は、シート状の絶縁層７２，７３と、これらの絶縁層７２，７３間に設けられたヒータ電極７１とを有している。絶縁層７２，７３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより構成される。ヒータ電極７１は、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットにより構成される。

本実施形態のガス濃度検出装置１０は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）９を備えている。ＥＣＵ９は、主ポンプセル制御手段９１と、補助ポンプセル制御手段９２と、検出セル制御手段９３と、ヒータ制御手段９４とを有している。このＥＣＵ９は、エンジンＥＣＵと別個に構成されていてもよく、エンジンＥＣＵの一部として構成されていてもよい。

主ポンプセル制御手段９１は、主ポンプセル２の第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に接続されている。主ポンプセル制御手段９１は、第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に電圧を印加するとともに、主ポンプセル２に流れる電流値を検出可能になっている。

補助ポンプセル制御手段９２は、補助ポンプセル３の第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３に接続されている。補助ポンプセル制御手段９２は、補助ポンプセル３の第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３に電圧を印加するとともに、補助ポンプセル３に流れる電流値を検出可能になっている。

検出セル制御手段９３は、検出セル５の第１検出電極５２および第２検出電極５３に接続されている。検出セル制御手段９３は、第１検出電極５２および第２検出電極５３に電圧を印加するとともに、検出セル５に流れる電流値を検出可能になっている。

ヒータ制御手段９４は、ヒータ電極７１に接続されている。ヒータ制御手段９４は、ヒータ電極７１に電力を供給するものである。

上述したようなＮＯｘセンサ１では、主ポンプセル２、補助ポンプセル３、検出セル５の各セルがそれぞれ正常な特性を発揮するためには、それらの固体電解質２１，３１，５１の温度が活性温度以上であることが必要である。しかしながら、エンジンが停止しているときや燃料カットが長時間行われたときなどには、各セルの温度は低下する。このため、エンジン始動時や、長時間の燃料カットからの復帰時には、各セルの温度を早期に活性温度以上に上昇させるため、ヒータ７に通電することにより、ＮＯｘセンサ１を暖機する制御が実行される。

［実施の形態１の動作］
（ガス濃度検出装置１０の基本動作）
先ず、ＮＯｘセンサ１の暖機完了後におけるガス濃度検出装置１０の動作について説明する。測定対象ガスとしての排気ガスは、多孔質保護層８とピンホール２４とを通って、第１室４１に導入される。この第１室４１に導入される測定対象ガスの量は、多孔質保護層８およびピンホール２４の拡散抵抗に応じて定まる。

主ポンプセル制御手段９１により主ポンプセル２に電圧が印加されると、第１室４１内の酸素が第２ポンプ電極２３上で酸素イオンＯ^２−に還元される。この酸素イオンＯ^２−は、固体電解質２１を透過して第１ポンプ電極２２側に排出される。主ポンプセル２の作動は、測定対象ガスの残留酸素濃度が所定の目標濃度となるように制御される。

第１室４１において酸素濃度が十分に低減された測定対象ガスは、第２室４２に流入する。補助ポンプセル制御手段９２により補助ポンプセル３に所定電圧が印加されると、第２室４２内の残留酸素が第２ポンプ電極３３上で酸素イオンＯ^２−に還元される。この酸素イオンＯ^２−は、固体電解質３１を透過して第１ポンプ電極３２側に排出される。この際、補助ポンプセル３には、第２室４２内の残留酸素濃度に応じた電流が流れる。よって、補助ポンプセル３の出力（以下、「補助ポンプ出力」と称する）によれば、測定対象ガス中の残留酸素濃度を検出することができる。

主ポンプセル２のポンプ能力（酸素汲み出し能力）は、主ポンプセル２への印加電圧に応じて決まる。ＥＣＵ９は、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度となるように、補助ポンプ出力を主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックして制御することができる。これにより、第２室４２に流入する測定対象ガスの酸素濃度を目標濃度に精度良く維持することができる。

上記の制御においては、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合には、主ポンプセル２の印加電圧を高め、主ポンプセル２による酸素排出量を増大させることにより、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御が行われる。尚、このような制御に代えて、ＥＣＵ９は、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合に、補助ポンプセル３の印加電圧を高め、補助ポンプセル３による酸素排出量を増大させることによって、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御を行うようにしてもよい。

上述したようにして主ポンプセル２および補助ポンプセル３によって酸素が除去され、測定対象ガス中の酸素濃度が十分に低減されると、２ＮＯ_２→２ＮＯ＋Ｏ_２なる反応が生じ、ＮＯｘがＮＯに単ガス化される。そして、検出セル制御手段９３により検出セル５に所定電圧が印加されると、第２室４２内のＮＯが第１検出電極５２上で分解され酸素イオンＯ^２−が発生する。この酸素イオンＯ^２−は、固体電解質５１を透過して、第２検出電極５３から大気ダクト６１に排出される。このとき、検出セル５には、第２室４２内のＮＯ濃度に応じた電流が流れる。このようにして、検出セル５の出力（以下、「ＮＯｘ出力」と称する）によれば、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

（実施の形態１の特徴的動作）
次に、図１乃至図３を参照して、本実施の形態１の特徴的動作について説明する。図１に示すとおり、本実施の形態のガス濃度検出装置１０では、ＮＯｘセンサ１の周囲を流通する排気ガスの一部を測定対象ガスとしてセンサ内部へ取り込み、ＮＯｘ濃度を検出することとしている。より具体的には、測定対象ガスは、ピンホール２４を通過して第１室４１内に導入される。第１室４１では、主ポンプセル２によって酸素成分が除去される。酸素成分が除去された測定対象ガスは、次に第２室４２内に導入され、検出セル５によってＮＯｘ出力が検出される。

このように、測定対象ガスは、検出セル５の近傍に到達するまでに、ピンホール２４→第１室４１→連通孔４３→第２室４２と続く拡散経路を通過することとなる。このため、排気ガス量が少量である運転状態の場合には、センサ内の測定対象ガスのガス交換性が低下し、ＮＯｘ出力に応答遅れが発生するおそれがある。

図２は、測定対象ガスのＮＯｘ濃度に対するＮＯｘ出力の応答時間の関係を説明するための図である。測定対象ガス中のＮＯｘ濃度が高濃度から低濃度となる減速時には、該ＮＯｘ濃度が低濃度から高濃度となる加速時に比して、排気ガス量が少量となる。このため、この図に示すとおり、内燃機関の減速時と加速時とでは、ＮＯｘ出力の応答時間に大きな差異が生じてしまう。

図３は、ＮＯｘ濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合のＮＯｘ出力変化と実ＮＯｘ変化とを比較した図である。この図に示すとおり、ＮＯｘ濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合、ＮＯｘ出力に応答遅れが生じてしまう結果、該ＮＯｘ出力が実ＮＯｘ値よりも大きな値を出力してしまう。

そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力に応答遅れが発生していると判定された場合に、酸素の目標汲み出し量を嵩上げすることとする。より具体的には、排気ガスが少量である場合にＮＯｘ出力に応答遅れが発生する。そこで、内燃機関の運転状態および酸素濃度に基づいて排気ガス量を推定し、かかる排気ガス量が所定量以下となった場合に、酸素の目標汲み出し量を嵩上げすることとする。これにより、検出セル近傍の余剰酸素を除去することができるので、ＮＯｘ出力の応答遅れを効果的に低減することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図４を参照して、本実施の形態１の具体的処理について説明する。図４は、本実施の形態１において、ＥＣＵ９が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンによれば、まず、ＮＯｘセンサ１のＮＯｘ出力が正常であるか否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ１の暖機判定やＯＢＤ判定が行われる。その結果、ＮＯｘ出力が正常ではないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１００において、ＮＯｘ出力が正常であると判定された場合には、次のステップに移行し、内燃機関の運転情報が取得される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、内燃機関への要求仕事に対する運転情報の中で、特に排気ガス量に関連する因子情報（例えば、吸入空気量等）が取得される。

次に、酸素濃度情報が取得される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ１からの酸素濃度情報として、例えば、補助ポンプ出力に基づいて検出された測定対象ガス中の酸素濃度や、該酸素濃度履歴から推定される第１検出電極５２への酸素吸着量等が取得される。また、内燃機関からの酸素濃度情報として、例えば、排気ガスの空燃比やフューエルカットの実行有無等が取得される。

次に、排気ガス量が低下状態か否かが判定される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において取得された運転情報、および上記ステップ１０４において取得された酸素濃度情報に基づいて、ＮＯｘセンサ１内に導入される排気ガス(既燃ガス)量が推定される。そして、この排気ガス量が基準量を超えるか否かが判定される。基準量は、ＮＯｘセンサ出力に応答遅れが発生する排気ガス量として、予め設定された値が使用される。その結果、排気ガス量が低下状態ではないと判定された場合には、上記ステップ１０２に戻り、再びステップ１０２〜１０６の処理が実行される。

一方、上記ステップ１０６において、排気ガス量が低下状態であると判定された場合には、ＮＯｘ出力に応答遅れが発生すると判断されて、次のステップに移行し、第１室４１および第２室４２内の酸素濃度の嵩上げ目標値が算出される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、酸素濃度の基本目標値に、空気量変化に基づく目標値と酸素吸着量に基づく目標値とを加算することにより、嵩上げ目標値が算出される。空気量変化に基づく目標値は、上記ステップ１０２において取得された吸入空気量をパラメータとしたマップに基づいて特定される。具体的には、吸入空気量が低下するほど目標値は大きな値に特定される。また、酸素吸着量に基づく目標値は、上記ステップ１０２において取得された第１検出電極５２への酸素吸着量をパラメータとしたマップに基づいて特定される。具体的には、酸素吸着量が大きいほど目標値は大きな値に特定される。

次に、ポンプ補正が実施される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８において算出された嵩上げ目標値を実現するための印加電圧が主ポンプセル２および補助ポンプセル３に印加される。

次に、補正終了判定が実施される（ステップ１１２）。ここでは、具体的には、ＮＯｘ出力に基づくＮＯｘ濃度が実濃度に追従したか否か、すなわち応答遅れが解消したか否かが判定される。応答遅れ解消の判定としては、例えば、内燃機関が低ＮＯｘの条件から外れた時点、内燃機関の出力が増加した時点、ＮＯｘ出力が０ｐｐｍ程度まで変化した時点等で判定することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、排気ガス流量の低下状態が判定された場合に、酸素濃度の目標値が嵩上げされるので、ＮＯｘ出力の応答遅れを効果的に解消することができる。これにより、排気ガス量が少量である場合であっても、ＮＯｘ濃度を正確に把握することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、主ポンプセル２と補助ポンプセル３とを用いて、ＮＯｘセンサ１内の酸素濃度を目標濃度に制御することとしているが、酸素濃度制御の方法はこれに限られない。すなわち、主ポンプセルのみを有するＮＯｘセンサにおいて、該主ポンプセルを用いてＮＯｘセンサ１内の酸素濃度を目標濃度に制御することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、主ポンプセル２および補助ポンプセル３が、前記第１の発明における「ポンプセル」に相当している。また、ＥＣＵ９が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「排気ガス量取得手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「目標汲み出し量嵩上げ手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ９が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第４の発明における「制限手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ９に後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

本実施の形態２では、排気ガス流量の低下状態が判定された場合に、検出されたＮＯｘ出力を直接補正することに特徴がある。すなわち、実施の形態１において上述したとおり、内燃機関の減速等によりＮＯｘ濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合、ＮＯｘ出力に応答遅れが発生する。この応答遅れ分に相当するＮＯｘ出力は、吸入空気量の変化および酸素濃度情報に基づいて推定することができる。そこで、本実施の形態２では、次式（１）に基づいてＮＯｘ出力を補正し、応答遅れを排除することとする。以下、ＮＯｘ出力の補正方法について詳細に説明する

図５は、ＮＯｘ濃度が高濃度から低濃度へ変化した場合のＮＯｘ出力変化と実ＮＯｘ変化とを示す図である。尚、この図では、時間ｔにおけるＮＯｘ出力Ｉ（ｔ）とし、時間ｔから応答遅れが発生した場合を示している。この図に示すとおり、時間ｔからΔｔ後の（ｔ＋Δｔ）では、ＮＯｘ出力に応答遅れが発生している。この応答遅れによる出力変化量ΔＩは、Ｉ（ｔ）の時間微分値をｉ（ｔ）とすると、以下の式で表すことができる。
出力変化量ΔＩ＝ｉ（ｔ）×Ｋ ・・・（１）

上式（１）によれば、ＮＯｘ出力の下降割合が大きいほど、出力変化量ΔＩはマイナス方向に大きな値となる。ＮＯｘ出力の変化は吸入空気量変化に大きく依存している。このため、上式（１）を用いることにより、出力変化量ΔＩに吸入空気量の変化を反映されることができる。

また、上式（１）における補正値Ｋは、測定対象ガス中の酸素濃度変化を反映させた補正値であり、以下の式で表すことができる。
Ｋ＝ｋ×Ｏ（ｔ） ・・・（２）

上式（２）において、Ｏ（ｔ）は、時間ｔにおける酸素濃度の時間微分値であり、ｋは係数である。上式（２）によれば、酸素濃度の上昇割合が高いほど補正値Ｋが大きな値となる。このため、上式（１）における出力変化量ΔＩは、酸素濃度の上昇割合が高いほどマイナス方向に大きな値となる。

このように、上式（１）および（２）によれば、吸入空気量の変化および酸素濃度を反映させたＮＯｘ出力の出力変化量ΔＩを算出することができる。したがって、次式（３）に示すように、時間ｔにおけるＮＯｘ出力Ｉ（ｔ）からΔｔ後の出力変化量ΔＩを排除することにより、Δｔ後の正確なＮＯｘ出力Ｉ（ｔ＋Δｔ）を算出することができる。
Ｉ（ｔ＋Δｔ）＝Ｉ（ｔ）＋ΔＩ ・・・（３）

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図６を参照して、本実施の形態２の具体的処理について説明する。図６は、本実施の形態２において、ＥＣＵ９が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、まず、ＮＯｘセンサ１のＮＯｘ出力が正常であるか否かが判定される（ステップ２００）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００と同様の処理が実行される。その結果、ＮＯｘ出力が正常ではないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ２００において、ＮＯｘ出力が正常であると判定された場合には、次のステップに移行し、内燃機関の運転情報が取得される（ステップ２０２）。次に、酸素濃度情報が取得される（ステップ２０４）。次に、排気ガス量が低下状態か否かが判定される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２〜１０６と同様の処理が実行される。その結果、排気ガス量が低下状態ではないと判定された場合には、上記ステップ２０２に戻り、再びステップ２０２〜２０６の処理が実行される。

一方、上記ステップ２０６において、排気ガス量が低下状態であると判定された場合には、ＮＯｘ出力に応答遅れが発生すると判断されて、次のステップに移行し、出力変化量ΔＩが算出される。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップ２０４において取得された酸素濃度情報を用いて上式（２）を演算することにより、補正値Ｋが算出される。次に、上記ステップ２０２において取得された吸入空気量等の運転情報および補正値Ｋを用いて上式（１）を演算することにより、出力変化量ΔＩが算出される。

次に、濃度補正が実施される（ステップ２１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ２０８において算出された出力変化量ΔＩを上式（３）に代入することにより、濃度補正後のＮＯｘ出力が算出される。

次に、補正終了判定が実施される（ステップ２１２）。ここでは、具体的には、ＮＯｘ出力に基づくＮＯｘ濃度が実濃度に追従したか否か、すなわち応答遅れが解消したか否かが判定される。応答遅れ解消の判定としては、上記ステップ１１２の判定に加え、例えば、Ｉ（ｔ）の時間微分値をｉ（ｔ）が所定値以下となった時点等で判定することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、排気ガス流量の低下状態が判定された場合に、ＮＯｘ出力が補正されるので、ＮＯｘ出力の応答遅れを効果的に解消することができる。これにより、排気ガス量が少量である場合であっても、ＮＯｘ濃度を正確に把握することができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、主ポンプセル２と補助ポンプセル３とを用いて、ＮＯｘセンサ１内の酸素濃度を目標濃度に制御することとしているが、酸素濃度制御の方法はこれに限られない。すなわち、主ポンプセルのみを有するＮＯｘセンサにおいて、該主ポンプセルを用いてＮＯｘセンサ１内の酸素濃度を目標濃度に制御することとしてもよい。

また、上述した実施の形態２においては、出力変化量ΔＩを算出する際に、測定対象ガスの酸素濃度の変化の影響を反映させることとしているが、該酸素濃度に替えて、或いは該酸素濃度に加えて、第１検出電極５２の酸素吸着量の変化の影響を反映させることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、主ポンプセル２および補助ポンプセル３が、前記第１の発明における「ポンプセル」に相当している。また、ＥＣＵ９が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより前記第５の発明における「排気ガス量取得手段」が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより前記第５の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ９が、上記ステップ２１２の処理を実行することにより前記第８の発明における「制限手段」が、それぞれ実現されている。

１ ＮＯｘセンサ
２ 主ポンプセル
２１ 固体電解質
２２ 第１ポンプ電極
２３ 第２ポンプ電極
３ 補助ポンプセル
３１ 固体電解質
３２ 第１ポンプ電極
３３ 第２ポンプ電極
４ スペーサ
４１ 第１室
４２ 第２室
４３ 連通孔
５ 検出セル
５１ 固体電解質
５２ 第１検出電極
５３ 第２検出電極
６ スペーサ
６１ 大気ダクト
７ ヒータ
７１ ヒータ電極
７２，７３ 絶縁層
８ 多孔質保護層
１０ ガス濃度検出装置

Claims (8)

1. 測定対象ガス中の酸素を汲み出すポンプセルと、前記ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを内燃機関の排気経路に備えたガス濃度検出装置であって、
   測定対象ガス中の酸素の目標汲み出し量を算出する目標汲み出し量算出手段と、
   前記目標汲み出し量に応じて前記ポンプセルを駆動するポンプセル駆動手段と、
   前記内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、前記ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
   前記排気ガス量が基準量より低下した場合に、前記目標汲み出し量を嵩上げする目標汲み出し量嵩上げ手段と、
   を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記目標汲み出し量嵩上げ手段は、前記内燃機関へ吸入される空気量の変化に応じて、嵩上げ量を設定することを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
3. 前記目標汲み出し量嵩上げ手段は、前記検出セルの電極に吸着している酸素に関する情報に応じて、嵩上げ量を設定することを特徴とする請求項１または２記載のガス濃度検出装置。
4. 前記検出セルの出力から検出される特定ガス成分の濃度が、測定対象ガス中の特定ガス成分の実濃度に追従した場合に、前記目標汲み出し量嵩上げ手段の実行を制限する制限手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
5. 測定対象ガス中の酸素を汲み出すポンプセルと、前記ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを内燃機関の排気経路に備えたガス濃度検出装置であって、
   前記内燃機関の運転状態および測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に基づいて、前記ガスセンサ内へ導入される測定対象ガス中の排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
   前記排気ガス量が基準量より低下した場合に、前記検出セルの出力値を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
6. 前記補正手段は、前記検出セルの出力変化に応じて、前記検出セルの出力値を補正することを特徴とする請求項５記載のガス濃度検出装置。
7. 前記補正手段は、測定対象ガス中の酸素の濃度に関する情報に応じて、前記検出セルの出力値を補正することを特徴とする請求項５または６記載のガス濃度検出装置。
8. 前記検出セルの出力から検出される特定ガス成分の濃度が、測定対象ガス中の特定ガス成分の実濃度に追従した場合に、前記補正手段の実行を制限する制限手段を更に備えることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項記載のガス濃度検出装置。

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