JP5195616B2 - 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。

内燃機関の排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。このＮＯｘセンサとして、測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出する検出セルとを備えたものがある。各セルには、固体電解質が用いられている。各セルが正常な特性を発揮するには、固体電解質の温度が一定温度以上になることが必要である。

内燃機関のエミッションを更に改善するためには、エンジン始動後、なるべく早期に、ＮＯｘセンサで検出されるＮＯｘ濃度の情報をエンジン制御に利用することが望まれている。そのためには、ＮＯｘセンサの活性を精度良く判定することが重要である。

しかしながら、各セルの活性速度（活性完了までの速さ）は、同じではない。この原因は、各セルの材質が役割に応じて異なることや、各セルとヒータとの距離が異なることなどにある。

特開２００４−１３２８４０号公報には、主ポンプセル（同公報では「第１セル」）の活性判定と検出セル（同公報では「第２セル」）の活性判定とを個別に行い、且つ、主ポンプセルの活性化が完了したと判定された後、検出セルの活性判定を行うガス濃度検出装置が開示されている。この装置によれば、検出セルの活性完了を待つことなく、主ポンプセルにより検出される酸素濃度信号を早期に利用することができる、とされている。また、この装置では、主ポンプセルが活性完了した後、所定時間が経過し、且つ補助ポンプセルの検出電流が所定範囲に入った場合に、検出セルが活性化したと判定される。上記所定時間は、検出セルの活性電極に吸着した酸素をすべて放出するのに要する時間を根拠に定める、とされている。

特開２００４−１３２８４０号公報 特開２００３−９０８１９号公報 特開２００４−３３３３７４号公報 特開平１０−１４２１９４号公報 特開平１１−１０８８８７号公報

上記従来の技術では、特定ガス濃度信号（ＮＯｘ濃度信号）を利用するには、結局、主ポンプセル、補助ポンプセルおよび検出セルのすべてが活性完了するのを待たなければならない。このため、特定ガス成分の濃度を早期に検出する観点から未だ改善の余地を残すものであった。

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、特定ガス成分の濃度を早期に取得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主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、前記主ポンプセルおよび前記補助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ＮＯｘの濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、
前記ガスセンサの暖機中に、前記検出セルのセル出力の検出を開始した時点から該セル出力が急激に低下する時点までの時間（以下、高出力時間）を特定する高出力時間特定手段と、
前記高出力時間に基づいて、測定対象ガス中の酸素濃度を推定する酸素濃度推定手段と、
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、
前記ガスセンサの暖機中に、前記高出力時間の終了時点から前記セル出力が所定の基準出力を超えるまでの時間（以下、低出力時間）を特定する低出力時間特定手段と、
前記低出力時間と前記酸素濃度とに基づいて、前記ＮＯｘの濃度を推定する濃度推定手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、
前記低出力時間の終了時点は、少なくともＮＯｘの濃度変化に応じて前記検出セルの出力が変化する点（以下、活性点）であって、
前記濃度推定手段は、
前記低出力時間と前記酸素濃度とに基づいて、前記活性点における前記ＮＯｘの濃度（以下、基準濃度）を推定する基準濃度推定手段を含み、
前記基準濃度と前記活性点からのセル出力変化とに基づいて、前記活性点以降の前記ＮＯｘの濃度を推定することを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明において、
前記低出力時間の終了時点は、少なくともＮＯｘの濃度変化に応じて前記検出セルの出力が変化する点（以下、活性点）であって、
前記検出セルの活性度に関する情報を取得する活性度取得手段を更に備え、
前記濃度推定手段は、前記活性度と前記セル出力とに基づいて、前記活性点以降の前記ＮＯｘの濃度を推定することを特徴とする。

第１の発明によれば、ガスセンサの暖機中に、セル出力の検出を開始した時点から該セル出力が急激に低下する時点までの高出力時間が特定される。このセル出力の急激な低下は、主ポンプセルおよび補助ポンプセルが測定対象ガス中の酸素を過剰に除去することにより生じるものであることから、かかる高出力時間の長さは測定対象ガス中の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、特定された高出力時間に基づいて、ガスセンサの活性前における測定対象ガス中の酸素濃度を推定することができる。

第２の発明によれば、ガスセンサの暖機中に、高出力時間の終了時点から該セル出力基準出力を超える時点までの低出力時間が特定される。この低出力時間におけるセル出力の上昇は、主ポンプセルおよび補助ポンプセルの活性が進行して、酸素除去量が規定量に収束していくことにより生じるものであるから、かかる時間の長さは測定対象ガス中の酸素濃度およびＮＯｘの濃度に大きく依存している。このため、本発明によれば、特定された低出力時間と酸素濃度とに基づいて、ガスセンサの活性前におけるＮＯｘの濃度を推定することができる。

第３の発明によれば、低出力時間と酸素濃度に基づいて、活性点におけるＮＯｘの濃度（基準濃度）が推定される。そして、当該基準濃度と活性点からのセル出力変化に基づいて、ＮＯｘの濃度が推定される。活性点以降のセル出力変化は、実ＮＯｘ濃度に応じて変化する。このため、本発明によれば、ガスセンサの活性前であっても、ＮＯｘの濃度を推定することができる。

活性点以降のＮＯｘ出力は、検出セルの活性度が向上するほど上昇する。第４の発明によれば、この検出セルの活性度に関する情報が取得され、検出されたセル出力に重畳する活性度の影響が排除される。このため、本発明によれば、検出セルの活性度に影響されることなく、ＮＯｘの濃度を高精度に推定することができる。

本発明の実施の形態のガス濃度検出装置の構成を説明するための図である。 ＮＯｘセンサ１の暖機時におけるＮＯｘ出力の挙動を示す図である。 ＮＯｘセンサ１の起動時におけるＮＯｘ出力特性を示す図である。 ＮＯｘセンサ１の起動時におけるＮＯｘ出力特性を示す図である。 活性点以降のＮＯｘ出力の変化を示す図である。 変化率ａの時間に対する変化を説明するための図である。 実ＮＯｘ濃度変化とＮＯｘ出力変化との関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態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．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態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、「エンジン」とも称する）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。

（ＮＯｘセンサの暖機時における出力特性）
次に、図２を参照して、ＮＯｘセンサ１の暖機時における出力特性について説明する。エミッションを改善するためには、ＮＯｘセンサ１で検出されるＮＯｘ濃度を、なるべく早期にエンジン制御に利用したいという要望がある。しかしながら、ＮＯｘセンサ１は、全てのセル温度が活性温度に到達（完全活性）しなければ、上述したＮＯｘ濃度の検出を行うことができない。そこで、エンジンの冷間始動時には、ヒータ７に通電することにより、ＮＯｘセンサ１を暖機する制御が行われる。

図２は、ＮＯｘセンサ１の暖機時におけるＮＯｘ出力の挙動を示す図である。尚、図２では、ＮＯｘを３００ｐｐｍ含む実際のエンジンの排気ガスを測定対象ガスとした場合のＮＯｘ出力の変化を示している。

この図に示す場合には、時間ｔ０において該ＮＯｘセンサ１の暖機を開始し、時間ｔ１においてセンサを起動しＮＯｘ出力の検出を開始している。ここで、時間ｔ１は、検出セル５が第１検出電極５２近傍の酸素（すなわち第２室４２内の酸素）によってＮＯｘ出力を検出することができる時間に設定されている。このため、この図に示すとおり、時間ｔ１においてＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は第１検出電極５２近傍の酸素によって急激に上昇する。

また、図２に示すとおり、時間ｔ１において急激に上昇したＮＯｘ出力は、その直後急激にマイナス側に落ち込む。この理由は、次のようなものであると考えられる。すなわち、エンジンの排気ガスの酸素濃度は、大気に比して大幅に少ない。このため、主ポンプセル２の暖機が進行してポンプ能力が上がると、第２室４２内の酸素が適正値よりも除去されてしまう。その結果、ＮＯの分解によって生じた酸素までもが主ポンプセル２によって除去されてしまい、ＮＯｘ出力がマイナス側の下限値に張り付いてしまう。

その後、補助ポンプセル３の暖機が進行し、補助ポンプ出力が主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックされ始めると、主ポンプセル２のポンプ能力が適切な値に制御されていく。これにより、ＮＯｘ出力は上昇して正しい値である３００ｐｐｍに収束する。

このように、ＮＯｘセンサ１の暖機開始後、ＮＯｘ出力が正確なＮＯｘ濃度に安定するまでには時間がかかる。そこで、本実施の形態では、該ＮＯｘセンサ１の暖機開始後のＮＯｘ出力特性を利用して、センサ活性前の実ＮＯｘ濃度を推定することとする。より具体的には、測定対象ガス中の酸素濃度を推定し、該酸素濃度とＮＯｘ出力特性とに基づいて、実ＮＯｘ濃度を推定することとする。以下、これらについて更に詳細に説明する。

（起動時出力による酸素濃度推定）
先ず、図３を参照して、センサ起動時におけるＮＯｘ出力特性を用いた酸素濃度推定について説明する。図３は、ＮＯｘセンサ１の起動時におけるＮＯｘ出力特性を示す図である。この図に示すとおり、時刻ｔ１においてＮＯｘセンサ１を起動すると、上述した理由によってＮＯｘ出力が一時的に高濃度となる。この高濃度を出力している時間（以下、「高濃度出力時間」と称する）は、第２室４２内の酸素濃度と主ポンプセル２および補助ポンプセル３のセル能力（活性度合）とに大きく依存している。より具体的には、第２室４２内の酸素濃度が低いほど残存酸素を除去する時間が短くなるため、高濃度出力時間は短くなる。また、ポンプセルのセル能力（活性度合）が高いほど残存酸素の除去能力が高くなるため、該高濃度出力時間は短くなる。

そこで、本実施の形態では、これらのポンプセルのセル能力、および高濃度出力時間に基づいて、第２室４２内の酸素濃度を推定することとする。より具体的には、高濃度出力時間およびセル能力をパラメータとする酸素濃度推定マップを記憶しておき、かかるマップに従い酸素濃度を推定することとする。この際、セル能力としてのパラメータは、各セルへの供給電圧、ヒータ抵抗、インピーダンス等を用いることができる。これにより、ＮＯｘセンサ１の活性前であっても、第２室４２内の酸素濃度を精度よく推定することができる。また、第２室４２内の酸素濃度履歴を把握しておくことで、第１検出電極５２の酸素吸着量を推定することができる。

（ＮＯｘ濃度推定）
次に、図４を参照して、センサ起動時におけるＮＯｘ出力特性を用いたＮＯｘ濃度推定について説明する。図４は、ＮＯｘセンサ１の起動時におけるＮＯｘ出力特性を示す図である。この図に示すとおり、高濃度出力時間の後、ＮＯｘ出力は下限値に張り付く。この張り付き時間（以下、「下限出力保持時間」と称する）は、第２室４２内の酸素濃度と、検出セル５、主ポンプセル２、および補助ポンプセル３のセル能力（活性度合）とに大きく依存している。

そこで、本実施の形態では、第２室４２内の酸素濃度、セル能力、および下限出力保持時間に基づいて、ＮＯｘ濃度を推定することとする。より具体的には、酸素濃度、下限出力保持時間、およびセル能力をパラメータとするＮＯｘ推定マップを記憶しておき、かかるマップに従いＮＯｘ濃度を推定することとする。この際、セル能力としてのパラメータは、各セルへの供給電圧、ヒータ抵抗、インピーダンス等を用いることができる。また、酸素濃度は、上述した酸素濃度推定によって推定された酸素濃度を用いることができる。これにより、ＮＯｘセンサ１の活性前であっても、ＮＯｘ濃度を精度よく推定することができる。

（下限出力保持時間経過後のＮＯｘ濃度）
検出セル５のＮＯｘに対する感度が上がるにつれてＮＯｘ出力は上昇する。そして、ＮＯｘ出力が下限値を超えると、該ＮＯｘ出力を検出することが可能となる。この時点が、図４に示す下限出力保持時間の終了時点であり、この時点では、少なくとも実ＮＯｘの濃度変化に応じてＮＯｘ出力が変化する。そこで、かかる時点を検出セル５の活性点と判定することとする。この活性点におけるＮＯｘ濃度（以下、「基準ＮＯｘ濃度」と称する）は、上述した下限出力保持時間等に基づいて推定することができる。このため、該活性点におけるＮＯｘ濃度と活性点以降のＮＯｘ出力とに基づいて、該活性点以降のＮＯｘ濃度を推定することができる。

但し、上記活性点では、検出セル５が完全に活性しているとは限らない。このため、活性点以降のＮＯｘ出力は、実ＮＯｘ濃度の変化だけでなく検出セル５の活性度の変化によっても変動する。そこで、本実施の形態では、次式（１）を用いてＮＯｘ出力から該検出セル５の活性度の変化分を除去することとする。
実ＮＯｘ濃度＝ＮＯｘ出力−活性向上分 ・・・（１）

上式（１）において、活性向上分は、検出セル５の活性度が向上することによるＮＯｘ出力の上昇分を示している。この活性向上分は、検出セル５における第１検出電極５２の吸着酸素量が多いほど小さくなる。このため、該吸着酸素量をｋとすると、活性向上分は次式（２）によって算出することができる。
活性向上分＝ｋ×時間 ・・・（２）

吸着酸素量ｋは、上述した高濃度出力時間や下限出力保持時間等に基づいて推定することができる。また、吸着酸素量ｋは時間毎に変化するので、センサ通電後の時間に応じてマップ等で与えることとしてもよい。これにより、活性向上分を算出することができるので、上式（１）を用いて、実ＮＯｘ濃度を精度よく推定することができる。

ところで、実ＮＯｘ濃度は、ＮＯｘ出力の時間当たりの変化率から求めることとしてもよい。図５は、活性点以降のＮＯｘ出力の変化を示す図である。この図に示すとおり、活性点以降の時間当たりのＮＯｘ出力の変化率をそれぞれａ１，ａ２，・・・とする。そして、変化率ａの時間に対する変化をグラフに表すと図６のようになる。この図に示すとおり、時間が経過するほど変化率ａが小さくなっている。これは、変化率ａが検出セル５の吸着酸素量に応じて決定されるからである。

また、実ＮＯｘ濃度の変動に対するＮＯｘ出力の変化量は、この変化率ａに応じて変化する。図７は、実ＮＯｘ濃度変化とＮＯｘ出力変化との関係を説明するための図である。この図に示すとおり、変化率ａが大きいほど、ＮＯｘ出力の変化が大きくなることが分かる。この図に示すとおり、変化率ａｎ（ｎは自然数）のときの実ＮＯｘ濃度に対するＮＯｘ出力の変化量をｂｎ（ｎは自然数）とすると、センサ出力が変化した場合の実ＮＯｘ濃度は、次式（３）で表すことができる。
実ＮＯｘ濃度＝基準ＮＯｘ濃度＋Ｋ×ｂｎ×（センサ出力変化量−ａｎ）・・・（３）

上式（３）において、Ｋは係数を示している。このように、変曲点以降のＮＯｘ出力の時間当たりの変化率ａを用いて、実ＮＯｘ濃度を精度よく推定することができる。

（通常処理への移行判定）
ＮＯｘセンサ１が完全活性した場合には、上述したＮＯｘ濃度推定が不要となる。そこで、本実施の形態では、ＮＯｘセンサ１の完全活性が判定された場合に、ＮＯｘ濃度の推定処理を終了し、ＮＯｘ出力の通常処理を行うこととする。ＮＯｘセンサ１の完全活性の判定としては、例えば、ＮＯｘ出力変化が所定時間一定値を下回った場合にＮＯｘセンサ１の完全活性を判定することができる。これは、ＮＯｘセンサ１が完全に安定し、且つＮＯｘ濃度の変動が小さい場合には、ＮＯｘ出力変化が小さくなるからである。また、上述した、ＮＯｘ出力変化に替えて、変化率ａを用いて判定を行うこととしてもよい。

また、ＮＯｘセンサ１の完全活性を判定する他の方法として、ＮＯｘ出力変化が所定量を上回った場合にも、ＮＯｘセンサ１の完全活性を判定することができる。これは、一定量以上のＮＯｘ出力変化は、該ＮＯｘセンサ１が完全に活性し、且つ実ＮＯｘ濃度の変動が大きい場合に発生するからである。

また、ＮＯｘセンサ１の完全活性を判定する他の方法として、例えば、下限出力時間からの経過時間や素子温度に関連するパラメータに基づいて判定することとしてもよい。

［実施の形態における具体的処理］
次に、図８を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図８は、本実施の形態において、ＥＣＵ９が実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンによれば、先ず、ＮＯｘセンサ１が起動される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、検出セル１によるＮＯｘ出力の検出が開始される。次に、ＮＯｘ出力が取り込まれる（ステップ１０２）。

図８に示すルーチンでは、次に、検出セル５の第１検出電極に吸着している吸着酸素量が推定される(ステップ１０４)。ここでは、先ず、ＮＯｘ出力挙動から高濃度出力時間が取得される。そして、当該高濃度出力時間およびＮＯｘセンサ１の各セル能力に基づいて、第２室４２内の酸素濃度および吸着酸素量が推定される。

次に、ＮＯｘ出力挙動から下限出力保持時間が算出される（ステップ１０６）。次に、ＮＯｘ濃度が推定される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０４において推定された第２室４２内の酸素濃度、セル能力、および上記ステップ１０６において算出された下限出力保持時間に基づいて、ＮＯｘ濃度が推定される。

次に、ＮＯｘ出力が所定値を超えたか否かが判定される（ステップ１１０）。所定値は、下限値以上の値であって、ＮＯｘセンサ１における検出セルが実ＮＯｘ変動に応じて変化する出力として予め設定された値が用いられる。その結果、ＮＯｘ出力が所定値を超えていないと判定された場合には、本ステップが繰り返し実行される。一方、本ステップ１１０において、ＮＯｘ出力が所定値を超えたと判定された場合には、検出セル５の活性判定が行われる(ステップ１１２)。

次に、上記ステップ１０６において算出された下限出力保持時間等を用いて、当該変曲点におけるＮＯｘ濃度（基準ＮＯｘ濃度）が算出される（ステップ１１４）。次に、ＮＯｘ出力挙動に基づいて、時間当たりのＮＯｘ出力の変化量ａが算出される（ステップ１１６）。次に、実ＮＯｘが推定される（ステップ１１８）ここでは、具体的には、上記ステップ１１４において算出された基準ＮＯｘ濃度、上記ステップ１１６において算出された変化量ａ等を上式（３）に代入することにより、実ＮＯｘ濃度が算出される。

次にＮＯｘセンサ１が完全活性に達したか否かが判定される（ステップ１２０）。その結果、未だＮＯｘセンサ１が完全活性に達していないと判定された場合には、実ＮＯｘ濃度の推定処理が必要と判断されて、再度上記ステップ１１６に移行し、実ＮＯｘ濃度が算出される。一方、上記ステップ１２０において、ＮＯｘセンサ１が完全活性に達したと判定された場合には、実ＮＯｘ濃度の推定処理が不要になったと判断されて、次のステップに移行し、ＮＯｘ出力の通常処理が行われる（ステップ１２２）。

以上説明したように、本実施の形態のガス濃度検出装置１０によれば、ＮＯｘセンサ１の完全活性前であっても、ＮＯｘ出力挙動に基づいて、ＮＯｘ濃度を早期に取得することができる。

尚、上述した実施の形態においては、ＮＯｘセンサ１が、前記第１の発明における「ガスセンサ」に、高濃度出力時間が、前記第１の発明における「高出力時間」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ９が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「高出力時間特定手段」および「酸素濃度推定手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態においては、下限出力保持時間が、前記第２の発明における「低出力時間」に相当しているとともに、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２の発明における「低出力時間特定手段」が、上記ステップ１１４または上記ステップ１１８の処理を実行することにより前記第２の発明における「濃度推定手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態においては、基準ＮＯｘ濃度が、前記第３の発明における「基準濃度」に相当しているとともに、ＥＣＵ９が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第３の発明における「基準濃度推定手段」が実現されている。

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 (4)

1. 測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、前記主ポンプセルおよび前記補助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ＮＯｘの濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、
   前記ガスセンサの暖機中に、前記検出セルのセル出力の検出を開始した時点から該セル出力が急激に低下する時点までの時間（以下、高出力時間）を特定する高出力時間特定手段と、
   前記高出力時間に基づいて、測定対象ガス中の酸素濃度を推定する酸素濃度推定手段と、
   を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記ガスセンサの暖機中に、前記高出力時間の終了時点から前記セル出力が所定の基準出力を超えるまでの時間（以下、低出力時間）を特定する低出力時間特定手段と、
   前記低出力時間と前記酸素濃度とに基づいて、前記ＮＯｘの濃度を推定する濃度推定手段と、
   を更に備え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. 前記低出力時間の終了時点は、少なくともＮＯｘの濃度変化に応じて前記検出セルの出力が変化する点（以下、活性点）であって、
   前記濃度推定手段は、
   前記低出力時間と前記酸素濃度とに基づいて、前記活性点における前記ＮＯｘの濃度（以下、基準濃度）を推定する基準濃度推定手段を含み、
   前記基準濃度と前記活性点からのセル出力変化とに基づいて、前記活性点以降の前記ＮＯｘの濃度を推定することを特徴とする請求項２記載のガス濃度検出装置。
4. 前記低出力時間の終了時点は、少なくともＮＯｘの濃度変化に応じて前記検出セルの出力が変化する点（以下、活性点）であって、
   前記検出セルの活性度に関する情報を取得する活性度取得手段を更に備え、
   前記濃度推定手段は、前記活性度と前記セル出力とに基づいて、前記活性点以降の前記ＮＯｘの濃度を推定することを特徴とする請求項２記載のガス濃度検出装置。

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