JP6034204B2 - 排気ガス成分検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス成分検出装置に関する。

例えば、特許文献１には、２つのポンプセルを有する排気ガスセンサが開示されている。特許文献１の排気ガスセンサは、被測定ガスが導入される空間を構成する固体電解質と、固体電解質を挟む一対の電極とをそれぞれ有する２つのポンプセルを備えている。第１のポンプセルは、酸素ポンピング作用により、空間に導かれた被測定ガスから酸素を除去する。この時、第１のポンプセルに流れる電流に基づき酸素濃度が検出される。第２のポンプセルは、酸素が除去された被測定ガス中のＨ_２ＯやＣＯ_２を分解する。このとき第２のポンプセルに流れる電流に基づいてＨ_２Ｏ濃度やＣＯ_２濃度が検出される。

特開平０２−１２２２５５号公報 特開２００２−１６８８３０号公報 国際公開第２００２/０９０９６７号パンフレット

内燃機関に供給される燃料中の硫黄成分（以下「ＳＯｘ」とも称する）による内燃機関本体の劣化や触媒被毒等を抑制するため、排気ガス中のＳＯｘを検出して、内燃機関の故障に対するウォーニングや触媒ＯＢＤ判定（On-Board Diagnostics）のレベルアップを図ることが考えられている。そのためには、排気ガス中に含まれるＳＯｘ濃度を検知できるシステムが必要となる。

上記特許文献１の技術によれば、Ｈ_２Ｏ濃度やＣＯ_２濃度は検出することができる。しかしながらＨ_２ＯやＣＯ_２濃度と異なり、排気ガス中のＳＯｘ濃度はＯ_２濃度に比べ桁違いに小さい。このため、上記特許文献１のような排気ガスセンサにおける、排気ガス中のＳＯｘ濃度に応じた分解電流は極めて微小な電流となる。従って特許文献１のような従来の排気ガスセンサでは高い精度でＳＯｘ濃度を検出することは難しく、より高い精度でＳＯｘを検知できる装置が望まれる。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、排気ガス中のＳＯｘを高精度に検出可能な排気ガス成分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、排気ガス成分検出装置であって、
排気ガスが導入される空間の外壁の一部を構成する第１固体電解質と、前記第１固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極と、を有する酸素ポンプセルと、
前記空間の外壁の一部を構成する第２固体電解質と、前記第２固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極と、前記空間に接するように配置された方の電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部と、を有するセンサセルと、
前記空間の外壁の一部を構成する第３固体電解質と、前記第３固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極と、を有する補正セルと、
前記酸素ポンプセルに電圧を印加し、前記空間内の酸素濃度を調整する第１通電手段と、
前記センサセルに、ＳＯｘを分解させる電圧を印加する第２通電手段と、
前記補正セルに、ＮＯｘを分解し、かつ、ＳＯｘを分解しない範囲の電圧を印加する第３通電手段と、
前記センサセルへの通電を所定時間停止した後、前記第２通電手段により前記センサセルに通電し、前記第３通電手段により前記補正セルに通電した場合の、前記センサセルの出力と前記補正セルの出力とに応じて、前記ＳＯｘ吸蔵部に吸蔵されたＳＯｘ量又は排気ガスのＳＯｘ濃度を推定するＳＯｘ推定手段と、
を備える。

第１の発明において、第１固体電解質と第２固体電解質とは別のものであってもよいし、同一の固体電解質の異なる部分であってもよい。また「電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部」は、該電極内にＳＯｘ吸蔵剤を混入させる等により電極内に含まれているものであってもよいし、該電極の表面上に形成されているものであってもよい。

第１の発明において、第３固体電解質は、第１、第２固体電解質とは別のものであってもよいし、第１及び/又は第２固体電解質と同一の固体電解質の異なる部分であってもよい。

第２の発明は、排気ガスが導入される空間の外壁の一部を構成する第４固体電解質と、前記第４固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極と、前記空間に接するように配置された方の電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部と、を有するセンサセルと、
前記空間の外壁の一部を構成する第５固体電解質と、前記第５固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極を有する補正セルと、
前記センサセルに、ＳＯｘを分解する電圧を印加する第４通電手段と、
前記補正セルに、ＮＯｘを分解し、かつ、ＳＯｘを分解しない範囲の電圧を印加する第５通電手段と、
前記センサセルへの通電を所定時間停止した後、前記第４通電手段によりセンサセルに通電し、前記第５通電手段により前記補正セルに通電した場合の、前記センサセルの出力と前記補正セルの出力とに応じて、前記ＳＯｘ吸蔵部に吸蔵されたＳＯｘ量又は排気ガスのＳＯｘ濃度を推定するＳＯｘ推定手段と、
を備える。

第２の発明において、第４固体電解質と第５固体電解質とは別のものであってもよいし、同一の固体電解質の異なる部分であってもよい。また「電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部」は、該電極内にＳＯｘ吸蔵剤を混入させる等により電極内に形成されているものであってもよいし、該電極の表面上に形成されているものであってもよい。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記補正セルは、前記一対の電極のうち、前記空間に接するように配置された方の電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部を有する。ここで、「電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部」は、該電極内にＳＯｘ吸蔵剤を混入させる等により電極内に含まれているものであってもよいし、該電極の表面上に形成されているものであってもよい。

本発明によれば、センサセルへの通電を所定時間停止することで、電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部にＳＯｘを吸蔵させることができる。従って、その後、センサセルにＳＯｘを分解する電圧を印加することにより、ＳＯｘ吸蔵部に吸蔵されたＳＯｘ量に応じた、大きなセンサ出力を得ることができる。これにより高い精度で、排気ガスに含まれる微量なＳＯｘ量又は濃度を検知することができる。

また、本発明によれば、補正セルにはＮＯｘを分解するがＳＯｘを分解しない電圧が印加される。従って、ＳＯｘ量又は濃度の検出時に、センサセルの出力と共に補正セルの出力が考慮されることで、排気ガス中に混入したＮＯｘの影響を排除することができ、より高い精度でＳＯｘ量又は濃度を検知することができる。

本発明の実施の形態１の排気ガスセンサの素子部の構成について説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態１の排気ガスセンサの出力特性を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２の排気ガスセンサのセンサ素子部の構成について説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２の排気ガスセンサが有するセンサセルの出力特性を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２の排気ガスセンサの出力特性を説明するための模式図である。

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。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
［排気ガスセンサの素子部の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の排気ガスセンサの素子部の構成について説明するための図である。図１に示される素子部を有する排気ガスセンサは、内燃機関の排気通路に設置され、排気ガス中のＳＯｘ量又は濃度の検出に用いられる。

図１に示されるように素子部は、間隔を空けて平行に配置された平板状のジルコニア１０、１２を備えている。ジルコニア１０、１２は酸素イオン導電性を有している。ジルコニア１０、１２の間には、アルミナ１４が配置されている。アルミナ１４はその一部に切欠きを有している。ジルコニア１０、１２の間のアルミナ１４の切欠き部に、多孔質拡散層１６が配置されている。ジルコニア１０、１２、アルミナ１４、多孔質拡散層１６に囲まれて内部空間１８（即ちアルミナ１４の切欠き部）が形成されており、内部空間１８は多孔質拡散層１６を介して外部と連通し、多孔質拡散層１６を介して内部空間１８に排気ガスが導入される。

ジルコニア１０の、内部空間１８に接する面と反対側の面に対向して、ヒータ部２０が配置されている。ヒータ部２０とジルコニア１０との間には、アルミナ２２が配置されている。アルミナ２２はその一部に切欠きを有している。ジルコニア１０、アルミナ２２、及びヒータ部２０により囲まれた空間（即ち、アルミナ２２の切欠き部）は第１大気導入路２４となっている。第１大気導入路２４には外部から大気が導入される。

ジルコニア１２の、内部空間１８に接する面とは反対側の面側には、切欠きを有するアルミナ２６と平板状のアルミナ２８とが順に配置されている。ジルコニア１２、アルミナ２６及びアルミナ２８で構成される空間（即ち、アルミナ２６の切欠き部）は第２大気導入路３０となっている。第２大気導入路３０には外部から大気が導入される。

素子部はポンプセル４０（酸素ポンプセル）とセンサセル５０とを有している。ポンプセル４０は、ジルコニア１０（第１固体電解質）と、ジルコニア１０を挟んでその両面に形成された一対の電極４２、４４とを有する。ポンプセル４０の一方の電極４２は内部空間１８内に配置され、内部空間１８内に導入される排気ガスに接する。他方の電極４４は第１大気導入路２４内に配置されて第１大気導入路２４内に導入される大気に接する。ポンプセル４０には、ポンプセル４０の電極４２、４４間に電圧を印加するための回路４６（第１通電手段）が接続されている。

センサセル５０は、ジルコニア１２（第２固体電解質）と、ジルコニア１２を挟んでその両面に形成された一対の電極５２、５４とを有している。センサセル５０の一方の電極５２は、内部空間１８内に配置されている。電極５２には、その表面を覆うようにＳＯｘ吸蔵層５６（ＳＯｘ吸蔵部）が形成されている。ＳＯｘ吸蔵層５６は、主にジルコニアで構成されている。電極５２及びＳＯｘ吸蔵層５６は、内部空間１８内に導入される排気ガスに接する。他方の電極５４は第２大気導入路３０に配置され、第２大気導入路３０に導入される大気に接する。センサセル５０には、センサセル５０の電極５２、５４間に所定の電圧を印加するための回路５８（第２通電手段）が接続されている。回路５８には、回路５８を開回路、閉回路とするスイッチ素子６０と、電極５２、５４間に流れる電流を検出する検出部６２が備えられている。

［排気ガス成分検出時の動作］
次に、上記のように構成された素子部を有する排気ガスセンサにより、排気ガス中の硫黄成分であるＳＯｘ濃度を検出する際の動作について説明する。

ＳＯｘ濃度検出時にはヒータ部２０により素子部が所定の温度に加熱される。より具体的には、ヒータ部２０に所定の電力が供給され、これによりポンプセル４０とセンサセル５０とがそれぞれ所定の目標温度に加熱される。

ヒータ部２０の加熱により、ポンプセル４０近傍は、一定の、センサ活性温度（７００℃程度に維持される）。被測定ガスである排気ガスは、多孔質拡散層１６を介して内部空間１８内に導入される。ポンプセル４０の電極４２、４４間には、所定の電圧が印加される。所定の電圧は、ＮＯｘを分解するがＳＯｘを分解しない範囲に制御される。その結果ポンプセル４０の酸素ポンピング作用により、内部空間１８内の酸素が第１大気導入路２４側に汲み出される。これにより、内部空間１８内の酸素濃度がごく低濃度に調整される。

排気ガスセンサのＳＯｘ濃度検出をする場合、ＳＯｘ濃度検出に先立って、センサセル５０に接続された回路５８のスイッチ素子６０を基準時間開いた状態で維持する。即ち、回路５８は開回路状態となり、センサセル５０が通電されない状態で維持される。このときヒータ部２０により、センサセル５０の温度は６００℃以下に維持される。以下、このように回路５８が開回路とされ、センサセル５０が６００℃以下に制御されている状態を「第１状態」とも称する。第１状態に維持することで、ＳＯｘ吸蔵層５６に排気ガス中のＳＯｘが吸蔵される。第１状態が基準時間維持される。なお、基準時間は、ＳＯｘ吸蔵層５６に、検出に必要な量のＳＯｘを吸蔵させるのに十分な時間であり、検出精度や必要な検出頻度等に応じて適宜設定される。

第１状態の継続時間が基準時間を超えた後、スイッチ素子６０を閉じ、回路５８を閉回路とする。これによりセンサセル５０が通電され、ＳＯｘ濃度の検出が開始される。ここで電極５２と電極５４との間に印加される電圧は、ＳＯｘを分解する電圧である。また、このときヒータ部２０により、センサセル５０の温度は７００℃以上の温度に維持される。以下、このように回路５８が閉回路とされ、センサセル５０がヒータにより７００℃以上に加熱されている状態を「第２状態」とも称する。

第１状態から第２状態に切り替えられると、電極５２表面のＳＯｘ吸蔵層５６に吸蔵されていたＳＯｘが電極５２上で分解され、酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンはジルコニア１２内を伝導し、電極５４側にポンピングされる。このときセンサセル５０を含む回路５８には、ポンピングされた酸素量に比例する電流が流れる。従って、回路５８に流れる電流は、分解されたＳＯｘ量と相関を有する。従って、第２状態において、回路５８に流れる総電流量（電流積算値）を求めることで、ＳＯｘ吸蔵層５６に吸蔵されたＳＯｘ量を求めることができる。このＳＯｘ量は排気ガス中のＳＯｘ濃度と相関を有する。検出されたＳＯｘ量と、センサセル５０に印加した電圧の大きさ、第１状態の継続維持時間（基準時間）、及び、排気ガス流量等のエンジン情報に応じて、排気ガスのＳＯｘ濃度が検出される。

なお、本実施の形態１の排気ガスセンサが用いられるシステムは、図示しない制御装置を備えている。排気ガスセンサのポンプセル４０及びセンサセル５０からの出力信号は、制御装置に取り込まれる。制御装置において、これらの出力（又は出力に基づく電流値）が積算されるなどして、ＳＯｘ量、ＳＯｘ濃度等が検出される。また、制御装置は、ポンプセル４０の回路４６、センサセル５０の回路５８とスイッチ素子６０、及びヒータ部２０の回路等に電気的に接続されている。制御装置は、予め記憶された制御プログラムに従って、ポンプセル４０への通電や、センサセル５０へのスイッチ素子６０の開閉状態や、ヒータ部２０への電力供給状態を制御する。

［本実施の形態の具体的な制御］
図２は、本発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図２のルーチンは、一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図２のルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、スイッチ素子６０が開いているか否かが判別される。

ステップＳ１００においてスイッチ素子６０が開いていることが認められると、ステップＳ１０２において、センサセル５０の温度が６００℃に制御される。具体的にはヒータ部２０が備えるヒータへの供給電圧が制御され、センサセル５０の温度が６００℃程度に維持される。

次に、ステップＳ１０４において、スイッチ素子６０の継続開時間が基準時間を超えたか否かが判別される。ここで継続開時間は、スイッチ素子６０が開状態にされてからの継続時間である。継続開時間は制御装置に接続されたタイマー等によってカウントされる。また、基準時間は適宜設定され、予め制御装置に記憶された時間である。

ステップＳ１０４において、スイッチ素子６０の継続開時間が基準時間を超えたことが認められない場合、今回の処理は一旦、終了する。一方、ステップＳ１０４において、スイッチ素子６０の継続開時間が基準時間を超えたことが認められると、次に、スイッチ素子６０が閉じられる（Ｓ１０６）。スイッチ素子６０は制御装置からの制御信号によって閉じられ、これによりセンサセル５０の電極５２、５４間にＳＯｘを分解する所定の電圧が印加される。

ステップＳ１００において、スイッチ素子６０が開いていることが認められない場合、又は、ステップＳ１０６においてスイッチ素子６０が閉じられた場合、次に、ステップＳ１０８において、センサセル５０の温度が７００℃以上に制御される。具体的にはヒータ部２０のヒータへの供給電圧が制御され、センサセルの温度が７００℃以上に制御される。

次に、ステップＳ１１０において、センサ電流が積算される。センサ電流積算値は、今回スイッチ素子６０が閉じられ、第２状態が維持されている間、回路５８に流れたセンサ電流の積算値であり、ステップＳ１１０の処理により、前回までのセンサ電流積算値に今回のセンサ電流が加算される。

次に、ステップＳ１１２において、センサ電流が基準値以下になったか否かが判別される。センサ電流が基準値まで小さくなったことで、ＳＯｘ吸蔵層５６に吸蔵されたＳＯｘが所定量まで分解されたか否かが判別される。従って、基準値はゼロ又はその近傍の値である。具体的な基準値は予め設定され制御装置に記憶されている。ステップＳ１１２においてセンサ電流が基準値以下であることが認められない場合、今回の処理は一旦終了する。

一方、ステップＳ１１２においてセンサ電流が基準値以下となったことが認められると、次に、ステップＳ１１４においてＳＯｘ濃度が検出される。ＳＯｘ濃度は、現在までに積算されたセンサ電流積算値に応じて求められる。次に、ステップＳ１１６においてセンサ電流積算値がゼロクリアされ、ステップＳ１１８においてスイッチ素子６０が開かれ、今回の処理が終了する。

以上の処理によれば、基準時間の間、ＳＯｘ吸蔵層５６にＳＯｘを吸蔵させた後、センサ電流の積算値を求め、これに応じたＳＯｘ量に基づき、排気ガスのＳＯｘ濃度が求められる。従って、高い精度で排気ガス中のＳＯｘ濃度を求めることができる。

図３は、本実施の形態１の排気ガスセンサの出力特性について説明するための図である。図３において横軸は電圧印加時間、縦軸はセンサセル５０の出力電流を表している。図３に示される例では、スイッチ素子６０を開いた状態で、被測定ガスとして、内部空間１８にＮ_２バランスガス中に濃度０ｐｐｍでＳＯ_２を含むガスと、Ｎ_２バランスガス中に濃度５００ｐｐｍでＳＯ_２を含むガスとをそれぞれ流通させ、その後、スイッチ素子６０を閉じてセンサセル５０の電極５２、５４間に、電圧（ここでは０．７Ｖ）を印加したときの、センサ電流を検出している。図３において、ＳＯ_２が０ｐｐｍのガスの場合を破線（ａ）、ＳＯ_２が５００ｐｐｍのガスの場合を実線（ｂ）で表している。

図３から、ＳＯ_２濃度が５００ｐｐｍという低濃度のガスを流通させた場合（実線（ｂ））でも、ＳＯ_２が０ｐｐｍの場合（破線（ａ））と比較して、大きなセンサ電流を検出されることがわかる。即ち、センサセル５０のセンサ電流に基づいて、ＳＯｘ吸蔵層５６に吸蔵していたＳＯｘ量を検出することができ、これに基づいて、高い精度で排気ガスのＳＯｘ濃度が検出することができる。

なお、本実施の形態１では、ポンプセル４０、センサセル５０の固体電解質として、ジルコニアを用いる場合について説明した。しかし、本発明は、これに限られるものではなく、酸素イオン導電性を有するものであれば、他の固体電解質を用いるものであってもよい。これは、実施の形態２についても同様である。

また、本実施の形態１では、異なるジルコニア１０、１２のそれぞれに、ポンプセル４０とセンサセル５０とが形成されている場合について説明した。このように固体電解質を異なるものとすることで、センサセルの出力（電流値）のノイズが抑えられる。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、１つの固体電解質の異なる部分に、ポンプセルとセンサセルとが配置されているものであってもよい。また、この場合、２つの大気導入路を有する場合に限らず、共通の１つの大気導入路に、電極４４と５４とが配置されたものとしてもよい。これは、実施の形態２についても同様である。

また、本実施の形態１では、排気ガスセンサがポンプセル４０を有する場合について説明した。このようにポンプセル４０を有することで、内部空間１８内の酸素濃度を一定にすることができるため、高い精度でＳＯｘ量又は濃度を検出することができる。しかし、本発明は、これに限られるものではなく、ポンプセル４０を有しないものであってもよい。この場合にも、例えば酸素濃度が一定の測定条件下で測定することによりある程度正確に、ＳＯｘ量又は濃度を検出することができる。これは実施の形態２についても同様である。

また、ポンプセル４０に印加される電圧がＮＯｘを分解するがＳＯｘを分解しない電圧である場合について説明した。これによりポンプセル４０でもある程度のＮＯｘが分解されるため、センサセル５０においてＳＯｘ量をより正確に検出することができる。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、ポンプセル４０に印加される電圧は内部空間１８内の酸素濃度を調整するため、酸素をポンピングするのに必要な大きさの電圧であればよい。このような場合であっても、本発明は、ＳＯｘ吸蔵層５６にＳＯｘを吸蔵させた後、吸蔵されたＳＯｘの分解電流を検出するものであるため、ＮＯｘの分解電流による出力影響はある程度小さく抑えられる。従って、高い精度でＳＯｘを測定することができる。これは、実施の形態２においても同様である。

また、本実施の形態１においてポンプセル４０は、酸素を第１大気導入路２４側に排出することで、内部空間１８内の酸素濃度をごく低濃度に調整する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、ポンプセルは、酸素をポンピングすることで、内部空間１８内の酸素濃度を一定範囲の濃度に保つものであればよい。これは実施の形態２においても同様である。

また、本実施の形態１において、ＳＯｘ吸蔵層５６は、主にジルコニアで構成されている場合について説明した。しかし、本発明においてＳＯｘ吸蔵層５６を構成するＳＯｘ吸蔵剤は、これに限られるものではなく、ＳＯｘを吸蔵する機能がある他の材料を用いてもよい。具体的には、ジルコニアの他、アルミナや硫酸塩が挙げられる。またこれらの吸蔵剤の１又は２以上の材料を混合して用いてもよい。また、本発明は、電極５２の表面にＳＯｘ吸蔵層５６が形成されている場合に限られるものではなく、電極５２がＳＯｘ吸蔵部を含むものであってもよい。このようなＳＯｘ吸蔵部を含む電極は、例えば、電極５２の構成材料（例えば白金）のペーストにＳＯｘ吸蔵剤を混ぜ、これを焼成する等により形成することができる。これは実施の形態２においても同様である。

また、本実施の形態１では、ポンプセル４０を７００℃とし、かつ、ＳＯｘ吸蔵層５６にＳＯｘを吸蔵させる第１状態では、センサセル５０の目標温度を６００℃以下とし、吸蔵したＳＯｘを分解することでＳＯｘ量を検出する第２状態では、センサセル５０の目標温度を７００℃以上とする場合について説明した。しかしながら、本発明において目標温度は、これに限られるものではない。

例えばＳＯｘ吸蔵層５６にＳＯｘを吸蔵させる第１状態の場合には、低温であることが好ましいが、本発明は必ずしも６００℃以下に限られるものではない。また、ＳＯｘを分解する第２状態では、高温であることが望ましく、７００℃以上が好適であり、またセンサ出力の信頼性や劣化等を考慮すると８００℃以下であることが望ましい。しかしながら、本発明は必ずしもこの温度範囲に限られるものではない。ＳＯｘ分解時の第２状態の温度は、固体電解質の材料によっても異なるため、その材料に応じて、適正な温度に設定すればよい。また、本発明は、このように第１状態と第２状態との間で目標温度を変更する場合に限られるものでもなく、一定の温度範囲に維持されるものであってもよい。これは実施の形態２においても同様である。

また、特に、実施の形態１では限定していないが、ＳＯｘ濃度の検出精度を高めるためには、ＳＯｘの吸蔵とＳＯｘ量の検出とを、アイドリング中又は定速走行中に実行することが望ましい。これは実施の形態２においても同様である。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２の素子部の構成について説明するための模式図である。図４の素子部の構成は、センサセル５０に隣接して補正セル７０が形成されている点を除き、図１の素子部と同一である。具体的に、図４の素子部は、ジルコニア１２（第２、第３固体電解質）の第２大気導入路３０側の面に電極５４を有している。一方、ジルコニア１２の内部空間１８側の面に、電極５４と対向するように、センサセル５０の一方の電極５２が形成されると共に、補正セル７０の電極７２が形成されている。電極７２は、電極５２と同様に、ＳＯｘ吸蔵層７４で被覆されている。

つまり実施の形態２の排気ガスセンサは、ポンプセル４０、センサセル５０、補正セル７０を備え、センサセル５０は一対の電極５２、５４を有し、補正セル７０は一対の電極５４、７２を有している。内部空間１８内に配置されるセンサセル５０の電極５２と補正セル７０の電極７２とは同一の材料、同一の形状に形成されている。また、センサセル５０のＳＯｘ吸蔵層５６と補正セル７０のＳＯｘ吸蔵層７４は同一の材料、同一の形状に形成されている。

センサセル５０の電極５２と５４との間に電圧を印加するための回路５８に並列に、補正セルの電極５４と７２との間に所定の電圧を印加するための回路７６（第３通電手段）が接続されている。回路７６には、補正セル７０のセンサ電流を検出するための検出部７８が設置されている。回路５８と回路７６においてスイッチ素子６０は共有される。即ち、スイッチ素子６０が開かれると、回路５８、７６は共に開回路となり、センサセル５０も補正セル７０も通電されていない状態となる。また、スイッチ素子６０が閉じられると、回路５８、７６が共に閉回路となり、センサセル５０も補正セル７０も通電された状態となる。

ところで、センサセル５０には、ＳＯｘを分解する電圧が印加される。ＳＯｘを分解する電圧は、ＮＯｘをも分解する大きさの電圧であるため、被測定ガス中にＳＯｘとＮＯｘとのいずれもが含まれる場合には、ＳＯｘ分解電流と共にＮＯｘ分解電流が流れる。従って、センサセル５０の出力には、ＳＯｘの分解電流のみならず、ＮＯｘの分解電流が含まれることとなる。

図５は、本実施の形態２のセンサセル５０の、ＮＯ濃度が５００ｐｐｍ、ＳＯ_２濃度が５００ｐｐｍのＮ_２バランスガスの流通下における電圧―電流特性を示す図である。図５において横軸は電圧、縦軸はセンサセル５０の電流を表している。図５に示されるように、電極５２、５４間に印加する電圧を高くしていくと、まず０．３〜０．５Ｖ程度の間、１〜２μＡ程度に電流値が安定し、その後、電流値は上昇し、０．６〜０．８Ｖ程度の間、３μＡ程度に安定する。ここで、０．３〜０．５Ｖ程度の間に安定的流れる電流は、ＮＯの分解電流であり、０．６〜０．８Ｖ程度の間に安定的に流れる電流は、ＳＯ_２との分解電流である。このようにＮＯｘとＳＯｘが存在する環境下では、センサセル５０には、ＳＯｘの分解電流とＮＯｘの分解電流とが流れるが、ＮＯｘとＳＯｘとでは、その分解電流が流れる電圧が異なる。つまり、ＳＯｘとＮＯｘとでは、分解に必要な電圧が異なっており、ＳＯｘを分解するのに必要な電圧の下限値の方が、ＮＯｘを分解するのに必要な電圧の下限値より高い。

本実施の形態２では、排気ガスのＳＯｘ濃度の検出に際しては、実施の形態１と同様に、上記第１状態を基準時間維持した後、スイッチ素子６０が閉じ第２状態に切り替える。第２状態において、センサセル５０の電極５２と電極５４との間に印加される電圧は、ＮＯｘとＳＯｘとを共に分解する第１電圧（ここでは０．７Ｖ）である。これにより得られるセンサセル５０の出力であるセンサ電流は、ＳＯｘ吸蔵層５６に吸蔵されたＳＯｘ量と、排気ガスに含まれるＮＯｘ量とに応じたものとなる。

一方、上記第２状態において、補正セル７０の電極５４と電極７２との間に印加される電圧は、ＮＯｘは分解するがＳＯｘは分解しない、第１電圧より低い第２電圧（ここでは０．４Ｖ）である。これにより得られる補正セル７０の出力電流は、内部空間１８内に流入する排気ガス中のＮＯｘ量のみに応じた電流値となる。

図６は、本発明の実施の形態２におけるセンサの出力特性について説明するための図である。図６において横軸は電圧印加時間を表し、縦軸は電流値を表している。また図５において実線（ａ）はセンサセル５０のセンサ電流、破線（ｂ）は補正セル７０のセンサ電流を表している。

図６の例では、スイッチ素子６０を開いた状態で、ＳＯ_２濃度が５００ｐｐｍ、ＮＯ濃度が５００ｐｐｍのＮ_２バランスガスを１０分流通させ、その後、スイッチ素子６０を閉じた場合の、センサセル５０と補正セル７０とに流れるセンサ電流を示している。上記したようにセンサセル５０には、吸蔵されたＳＯ_２量と、非測定ガス中のＮＯ量に応じた分解電流が流れる（実線（ａ）参照）。一方、補正セル７０にはＮＯ量のみに応じた分解電流が流れる（破線（ｂ））参照）。

ところで、本実施の形態２では、電極は同じ形状に形成されている。従って、センサセル５０には補正セル７０と同じ量のＮＯｘ分解電流が含まれると考えられる。そこで、本実施の形態２では、実施の形態１と同様に、スイッチ素子６０を開いた第１状態で経過時間が基準時間を超えた後、センサセル５０に第１電圧、補正セル７０に第２電圧を印加し、センサセル５０の出力電流の積算値と、補正セル７０の出力電流の積算値とを検出する。更に検出されたセンサセル５０の電流積算値から、補正セル７０の電流積算値を減算することで、センサセル５０の電流積算値を補正する。センサセル５０の出力から、排気ガス中のＮＯｘ量に応じた分解電流分を排除することができる。従って、補正されたセンサセル５０の電流積算値により、より正確にＳＯｘ濃度又はＳＯｘ量を検出することができる。また、補正セル７０の電流積算値に基づいて、ＮＯｘ量又はＮＯｘ濃度が求められる。

以上説明したように、本実施の形態２によれば、被測定ガスにＮＯｘが含まれる場合にも、ＮＯｘの影響を排除してＳＯｘ濃度を検出することができる。従って、より高精度にＳＯｘ濃度を検知することができる。

なお、上記の実施の形態２によれば、電極５４をセンサセル５０、補正セル７０の共通の電極として用いる場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、センサセル５０、補正セル７０の大気側の電極が、別々に構成されたものであってもよい。また、センサセル５０と補正セル７０とは、同一のジルコニア１２を固体電解質とする場合について説明した。しかし、本発明においては、これに限られるものではなく、例えば、補正セル７０が、ジルコニア１０の一部を固体電解質とするものであってもよい。

また、本実施の形態２においては、補正セルの電極７２上にＳＯｘ吸蔵層７４を設ける場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、電極７２内にＳＯｘ吸蔵部を有するものであってもよい。また、補正セルがＳＯｘ吸蔵層７４を有しないものであってもよい。

また、本実施の形態２においては、センサセル５０の電極５２と補正セル７０の電極７２とが同一の材料、同一の形状に形成され、かつ、それぞれが同一の材料、同一の形状のＳＯｘ吸蔵層５６、７４に被覆されている場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、それぞれの電極やＳＯｘ吸蔵層が異なる材料、異なる形状に形成されたものであってもよい。

このように、電極材料やＳＯｘ吸蔵層の材料や形状を異なるものとする場合、センサセル５０と補正セル７０とのそれぞれに流れるＮＯｘ分解電流の大きさが異なるものとなる。従って、電極やＳＯｘ吸蔵層の材料や形状が異なる場合、ＮＯｘ分解電流の大きさの差を補正する補正係数を予め設定しておいて、センサセル５０の出力を、補正セル７０の出力で補正する際に、補正係数を乗じるようにすることが望ましい。

具体的に、例えば、電極５２と電極７２とで電極の表面積を異なるものとしたような場合には、その表面積に比例して、ＮＯｘ分解電流の大きさが異なる。従って、この表面積の差分を補正する補正係数を設定して、これによりセンサセル５０の出力又は補正セル７０の出力を補正することにより、センサセル５０の出力からＮＯｘ分解電流分をより正確に除去することができる。

また、センサセル５０において、ＳＯｘの分解電流は、ＳＯｘ吸蔵層５６に吸蔵されたＳＯｘを分解して生じるものであるが、ＮＯｘはＳＯｘ吸蔵層５６に吸蔵されないため、ＮＯｘの分解電流は、内部空間１８に流通する排気ガス中のＮＯｘを分解して生じるものである。例えば、図４に示されるような構成のように、多孔質拡散層１６側から排気ガスが導入される構成の場合、その配置位置によって、ＮＯｘ濃度の異なるガスが、補正セル７０とセンサセル５０とに届くことが考えられる。このため、補正セル７０とセンサセル５０との電極５２、７２やＳＯｘ吸蔵層５６、７４が同一であっても、補正セル７０とセンサセル５０とに含まれるＮＯｘ分解電流が同一でない場合もある。このように配置位置によって分解電流の大きさが異なることが予想される場合には、予め実験やシミュレーション等により、その差を補正する係数を求めておいて、補正セル７０の出力又はセンサセル５０の出力を補正することにより、センサセル５０の出力からＮＯｘ分解電流分を、より正確に排除することができる。

また、本実施の形態２では、排気ガスセンサが、ポンプセル４０、センサセル５０、補正セル７０の３つのセルを有する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、例えばポンプセル４０を有しないものであってもよい。この場合、補正セル７０に流れる電流には、Ｏ_２濃度に分解電流分も含まれる。従って、補正セル７０の出力に応じて、センサセル５０の出力を補正することで、Ｏ_２及びＮＯｘの影響をある程度排除することができる。従って、ＳＯｘ量又はＳＯｘ濃度を正確に検出することができる。なお、このようにポンプセル４０を有しない構成において、ジルコニア１２は、本発明の「第４固体電解質」及び「第５固体電解質」に該当し、回路５８は「第４通電手段」に該当し、回路７６は「第５通電手段」に該当する。

また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０、１２ ジルコニア
１４ アルミナ
１６ 多孔質拡散層
１８ 内部空間
２０ ヒータ部
２２ アルミナ
２４ 第１大気導入路
２６、２８ アルミナ
３０ 第２大気導入路
４０ ポンプセル
４２、４４ 電極
４６ 回路
５０ センサセル
５２、５４ 電極
５６ ＳＯｘ吸蔵層
５８ 回路
６０ スイッチ素子
６２ 検出部
７０ 補正セル
７２ 電極
７４ ＳＯｘ吸蔵層
７６ 回路
７８ 検出部

Claims (3)

1. 排気ガスが導入される空間の外壁の一部を構成する第１固体電解質と、前記第１固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極と、を有する酸素ポンプセルと、
   前記空間の外壁の一部を構成する第２固体電解質と、前記第２固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極と、前記空間に接するように配置された方の電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部と、を有するセンサセルと、
   前記空間の外壁の一部を構成する第３固体電解質と、前記第３固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極と、を有する補正セルと、
   前記酸素ポンプセルに電圧を印加し、前記空間内の酸素濃度を調整する第１通電手段と、
   前記センサセルに、ＳＯｘを分解させる電圧を印加する第２通電手段と、
   前記補正セルに、ＮＯｘを分解し、かつ、ＳＯｘを分解しない範囲の電圧を印加する第３通電手段と、
   前記センサセルへの通電を所定時間停止した後、前記第２通電手段により前記センサセルに通電し、前記第３通電手段により前記補正セルに通電した場合の、前記センサセルの出力と前記補正セルの出力とに応じて、前記ＳＯｘ吸蔵部に吸蔵されたＳＯｘ量又は排気ガスのＳＯｘ濃度を推定するＳＯｘ推定手段と、
   を備えることを特徴とする排気ガス成分検出装置。
2. 排気ガスが導入される空間の外壁の一部を構成する第４固体電解質と、前記第４固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極と、前記空間に接するように配置された方の電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部と、を有するセンサセルと、
   前記空間の外壁の一部を構成する第５固体電解質と、前記第５固体電解質を挟み、かつ、一方が前記空間に接するように配置された一対の電極を有する補正セルと、
   前記センサセルに、ＳＯｘを分解する電圧を印加する第４通電手段と、
   前記補正セルに、ＮＯｘを分解し、かつ、ＳＯｘを分解しない範囲の電圧を印加する第５通電手段と、
   前記センサセルへの通電を所定時間停止した後、前記第４通電手段によりセンサセルに通電し、前記第５通電手段により前記補正セルに通電した場合の、前記センサセルの出力と前記補正セルの出力とに応じて、前記ＳＯｘ吸蔵部に吸蔵されたＳＯｘ量又は排気ガスのＳＯｘ濃度を推定するＳＯｘ推定手段と、
   を備えることを特徴とする排気ガス成分検出装置。
3. 前記補正セルは、前記一対の電極のうち、前記空間に接するように配置された方の電極に形成されたＳＯｘ吸蔵部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス成分検出装置。

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