JP6753786B2 - 濃度算出装置およびガス検出装置 - Google Patents

Description

本開示は、酸素の濃度を算出する濃度算出装置およびガス検出装置に関する。

特許文献１のように、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素センサが知られている。

特開２０１５−１４８５３８号公報

特許文献１に記載の酸素センサにおいて、被測定ガスに含まれるアンモニアの燃焼によって酸素濃度の検出精度が低下してしまうという問題があった。
本開示は、酸素濃度の検出精度を向上させることを目的とする。

本開示の一態様は、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を算出する濃度算出装置であって、第１取得部と、第２取得部と、補正部とを備える。
第１取得部は、第１検出部から第１濃度信号を取得するように構成される。第１検出部は、被測定ガスが流入する測定室における酸素の濃度に応じて値が変化する第１濃度信号を出力する。

第２取得部は、被測定ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて値が変化する第２濃度信号を出力する第２検出部から第２濃度信号を取得するように構成される。
補正部は、第２濃度信号および第１濃度信号に基づいて、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求めるように構成される。

第１検出部では、アンモニアと酸素が測定室に導入される。このため、被測定ガスに含まれるアンモニアが第１検出部の測定室に導入される場合に、アンモニアが燃焼することにより酸素が消費される。これにより、被測定ガスにアンモニアと酸素が含まれる場合には、被測定ガスに含まれる酸素の濃度と、測定室における酸素の濃度とが相違する。

これに対し、本開示の濃度算出装置は、第２濃度信号および第１濃度信号に基づいて、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求める。このため、本開示の濃度算出装置は、被測定ガスに含まれるアンモニアの濃度に基づいて、アンモニアの燃焼により消費される酸素量を算出することができ、この算出結果と、測定室における酸素の濃度とに基づいて、アンモニアの燃焼により酸素が消費される前の酸素濃度を算出することができる。これにより、本開示の濃度算出装置は、被測定ガスに含まれる酸素の濃度の検出精度を向上させることができる。

本開示の一態様では、第１算出部と、第２算出部とを備え、補正部は、第２算出濃度に基づいて第１算出濃度を補正することで、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求めるようにしてもよい。第１算出部は、第１検出部から出力された第１濃度信号に基づいて、第１算出濃度を算出するように構成される。第２算出部は、第２検出部から出力された第２濃度信号に基づいて、第２算出濃度を算出するように構成される。

本開示の一態様では、補正部は、予め設定された補正係数と第２算出濃度との乗算値と、第１算出濃度とを加算することで、第１算出濃度を補正するようにしてもよい。これにより、本開示の濃度算出装置は、１回の乗算と１回の加算を実行するという簡便な演算により第１算出濃度を補正することができ、濃度算出装置の処理負荷を低減することができる。

本開示の一態様では、測定室は、拡散抵抗体を介して被測定ガスが流入するように構成されるようにしてもよい。拡散抵抗体があることで、気相反応がより安定して発生するため、本開示の濃度算出装置は、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を、より正確に求めることができる。

本開示の一態様では、第１検出部と第２検出部が、一体型のガスセンサとして構成されているようにしてもよい。これにより、本開示の濃度算出装置は、被測定ガスの略同一領域における酸素濃度とアンモニア濃度を検出することができる。

本開示の別の態様は、第１検出部と、第２検出部と、本開示の一態様の濃度算出装置とを備えるガス検出装置である。
このように構成された本開示のガス検出装置は、本開示の一態様の濃度算出装置を備えたガスセンサであり、本開示の濃度算出装置と同様の効果を得ることができる。

マルチガスセンサ２の内部構造を示す断面図である。 センサ素子部５と制御部３の概略構成を示す図である。 第１アンモニア検出部１０２と第２アンモニア検出部１０３の構造を示す断面図である。 ガス濃度算出処理を示すフローチャートである。 補正前酸素濃度のアンモニア濃度依存性を示すグラフである。

以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のマルチガス検出装置１は、車両に搭載され、内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化するためにＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒を設置し、還元剤として尿素をＳＣＲ触媒へ供給するシステムであって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒やディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）を備えるシステムに用いられるものである。より具体的には、マルチガス検出装置１は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒やＳＣＲ触媒の下流側における排気ガスに含まれる酸素、アンモニア、二酸化窒素および窒素酸化物の濃度を検出する。以下、マルチガス検出装置１を搭載する車両を自車両という。酸素、アンモニア、二酸化窒素および窒素酸化物をそれぞれ、Ｏ_２、ＮＨ_３、ＮＯ_２およびＮＯｘともいう。

マルチガス検出装置１は、図１に示すマルチガスセンサ２と、図２に示す制御部３とを備える。
マルチガスセンサ２は、図１に示すように、センサ素子部５と、主体金具１０と、セパレータ３４と、接続端子３８とを備える。なお、以下の説明では、マルチガスセンサ２のセンサ素子部５が配置されている側（すなわち、図１の下側）を先端側、接続端子３８が配置されている側（すなわち、図１の上側）を後端側という。

センサ素子部５は、軸線Ｏ方向に延びる板形状を有する。センサ素子部５の後端には電極端子部５Ａ，５Ｂが配置されている。図１においては、図示を容易にするために、センサ素子部５に形成された電極端子部を、電極端子部５Ａおよび電極端子部５Ｂのみとしているが、実際には、後述するＮＯｘ検出部１０１、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３が有する電極等の数に応じて複数の電極端子部が形成されている。

主体金具１０は、マルチガスセンサ２を内燃機関の排気管に固定するネジ部１１が外表面に形成された筒状の部材である。主体金具１０は、軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔１２と、貫通孔１２の径方向内側に突出する棚部１３とを備える。棚部１３は、貫通孔１２の径方向外側から中心に向かって先端側へ近づく傾きを有する内向きのテ―パ面として形成されている。

主体金具１０は、センサ素子部５の先端側を、貫通孔１２から先端側に突出させ、センサ素子部５の後端側を貫通孔１２の後端側に突出させた状態で保持する。
主体金具１０の貫通孔１２の内部には、先端側から後端側に向かって順に、センサ素子部５の径方向周囲を取り囲む筒状の部材であるセラミックホルダ１４と、粉末充填層である滑石リング１５，１６と、セラミックスリーブ１７とが積層されている。

セラミックスリーブ１７と主体金具１０の後端側の端部との間には、加締めパッキン１８が配置されている。セラミックホルダ１４と主体金具１０の棚部１３との間には、金属ホルダ１９が配置されている。金属ホルダ１９は、内部に滑石リング１５とセラミックホルダ１４が収容され、滑石リング１５が圧縮充填されることによって金属ホルダ１９と滑石リング１５とは気密状に一体化されている。主体金具１０の後端側の端部は、加締めパッキン１８を介してセラミックスリーブ１７を先端側に向かって押し付けるように加締められる部分である。また、滑石リング１６が主体金具１０の内部で圧縮充填されることで、主体金具１０の内周面とセンサ素子部５の外周面との間の気密が確保されている。

主体金具１０の先端側の端部には、ガス流通孔付きの外部プロテクタ２１およびガス流通孔付きの内部プロテクタ２２が設けられている。外部プロテクタ２１および内部プロテクタ２２は、先端側の端部が閉塞されたステンレス鋼などの金属材料から形成された筒状の部材である。内部プロテクタ２２は、センサ素子部５の先端側の端部を覆った状態で主体金具１０に溶接され、外部プロテクタ２１は、内部プロテクタ２２を覆った状態で主体金具１０に溶接されている。

主体金具１０の後端側の端部外周には、筒状に形成された外筒３１の先端側の端部が溶接によって固定されている。さらに、外筒３１の後端側の端部である開口には、この開口を閉塞するグロメット３２が配置されている。

グロメット３２には、リード線４１が挿入されるリード線挿入孔３３が形成されている。リード線４１は、センサ素子部５の電極端子部５Ａおよび電極端子部５Ｂに電気的に接続される。

セパレータ３４は、センサ素子部５の後端側に配置された筒状に形成された部材である。セパレータ３４の内部に形成された空間は、軸線Ｏ方向に貫通する挿入孔３５である。セパレータ３４の外表面には、径方向外側に突出する鍔部３６が形成されている。

セパレータ３４の挿入孔３５には、センサ素子部５の後端部が挿入され、電極端子部５Ａ，５Ｂがセパレータ３４の内部に配置される。
セパレータ３４と外筒３１との間には、筒状に形成された金属製の保持部材３７が配置されている。保持部材３７は、セパレータ３４の鍔部３６と接触するとともに外筒３１の内面と接触することにより、セパレータ３４を外筒３１に対して固定した状態で保持する。

接続端子３８は、セパレータ３４の挿入孔３５内に配置される部材であり、センサ素子部５の電極端子部５Ａおよび電極端子部５Ｂと、リード線４１とをそれぞれ独立に電気的に接続する導電部材である。なお、図１では、図示を容易にするために、２つの接続端子３８のみが図示されている。

マルチガス検出装置１の制御部３は、図２に示すように、自車両に搭載された電子制御装置２００と電気的に接続されている。電子制御装置２００は、制御部３で算出された排気ガス中のＯ_２濃度、ＮＯ_２濃度、ＮＯｘ濃度およびアンモニア濃度（以下、ＮＨ_３濃度）を示すデータを受信し、受信データに基づいて内燃機関の運転状態の制御処理を実行したり、触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化処理を実行したりする。

センサ素子部５は、ＮＯｘ検出部１０１と、第１アンモニア検出部１０２と、第２アンモニア検出部１０３を備える。なお、第２アンモニア検出部１０３は、図２には示されておらず、図３に示されている。第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３は、ＮＯｘ検出部１０１の長手方向（すなわち、図２の左右方向）における基準電極１４３と略同位置において、ＮＯｘ検出部１０１の幅方向（すなわち、図２の奥行き方向）における位置が互いに異なるように並列に配置されている。このため、図２では、第１アンモニア検出部１０２と第２アンモニア検出部１０３のうち、第１アンモニア検出部１０２のみを示している。

ＮＯｘ検出部１０１は、絶縁層１１３、セラミック層１１４、絶縁層１１５、セラミック層１１６、絶縁層１１７、セラミック層１１８、絶縁層１１９および絶縁層１２０が順次積層されて構成されている。絶縁層１１３，１１５，１１７，１１９，１２０、および、セラミック層１１４，１１６，１１８は、アルミナを主体として形成されている。

ＮＯｘ検出部１０１は、セラミック層１１４とセラミック層１１６との間に形成される第１測定室１２１を備える。ＮＯｘ検出部１０１は、第１測定室１２１に隣接するようにしてセラミック層１１４とセラミック層１１６との間に配置された拡散抵抗体１２２を介して、外部から第１測定室１２１の内部に排気ガスを導入する。拡散抵抗体１２２は、アルミナ等の多孔質材料で形成されている。

ＮＯｘ検出部１０１は、第１ポンピングセル１３０を備える。第１ポンピングセル１３０は、固体電解質層１３１と、ポンピング電極１３２，１３３を備える。
固体電解質層１３１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。第１測定室１２１と接触する領域における一部分のセラミック層１１４が除去され、セラミック層１１４の代わりに固体電解質層１３１が埋め込まれている。

ポンピング電極１３２，１３３は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極１３２は、固体電解質層１３１において第１測定室１２１と接触する面上に配置される。ポンピング電極１３３は、固体電解質層１３１を挟んでポンピング電極１３２とは反対側で固体電解質層１３１の面上に配置される。ポンピング電極１３３が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層１１３は除去され、絶縁層１１３の代わりに多孔質体１３４が充填される。多孔質体１３４は、ポンピング電極１３３と外部との間でガス（例えば、酸素）の出入りを可能とする。

ＮＯｘ検出部１０１は、酸素濃度検出セル１４０を備える。酸素濃度検出セル１４０は、固体電解質層１４１と、検知電極１４２と、基準電極１４３を備える。
固体電解質層１４１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。固体電解質層１３１よりも後端側（すなわち、図２の右側）の領域における一部分のセラミック層１１６が除去され、セラミック層１１６の代わりに固体電解質層１４１が埋め込まれている。

検知電極１４２と基準電極１４３は、白金を主体として形成されている。検知電極１４２は、固体電解質層１４１における第１測定室１２１と接触する面上に配置される。基準電極１４３は、固体電解質層１４１を挟んで検知電極１４２とは反対側で固体電解質層１４１の面上に配置される。

ＮＯｘ検出部１０１は、基準酸素室１４６を備える。基準酸素室１４６は、基準電極１４３が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層１１７が除去されることにより形成された貫通孔である。

ＮＯｘ検出部１０１は、第１測定室１２１の下流側に第２測定室１４８を備える。第２測定室１４８は、検知電極１４２および基準電極１４３よりも後端側で固体電解質層１４１および絶縁層１１７を貫通して形成される。ＮＯｘ検出部１０１は、第１測定室１２１から排出された排気ガスを第２測定室１４８の内部に導入する。

ＮＯｘ検出部１０１は、第２ポンピングセル１５０を備える。第２ポンピングセル１５０は、固体電解質層１５１と、ポンピング電極１５２，１５３を備える。
固体電解質層１５１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。基準酸素室１４６および第２測定室１４８と接触する領域とその周辺の領域のセラミック層１１８が除去され、セラミック層１１８の代わりに固体電解質層１５１が埋め込まれている。

ポンピング電極１５２，１５３は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極１５２は、固体電解質層１５１において第２測定室１４８と接触する面上に配置される。ポンピング電極１５３は、基準酸素室１４６を挟んで基準電極１４３とは反対側で固体電解質層１５１の面上に配置される。基準酸素室１４６の内部において、ポンピング電極１５３を覆うように多孔質体１４７が配置されている。

ＮＯｘ検出部１０１は、ヒータ１６０を備える。ヒータ１６０は、白金を主体として形成され、通電されることで発熱する発熱抵抗体であり、絶縁層１１９と絶縁層１２０との間に配置される。

第１アンモニア検出部１０２は、ＮＯｘ検出部１０１の外表面、より具体的には、絶縁層１２０の上に形成されている。第１アンモニア検出部１０２は、ＮＯｘ検出部１０１における基準電極１４３と軸線Ｏ方向（すなわち、図２の左右方向）に略同位置に配置されている。

第１アンモニア検出部１０２は、絶縁層１２０の上に形成される第１基準電極２１１と、第１基準電極２１１の表面および側面を覆う第１固体電解質体２１２と、第１固体電解質体２１２の表面に形成される第１検知電極２１３とを備える。同様に、第２アンモニア検出部１０３は、図３に示すように、絶縁層１２０の上に形成される第２基準電極２２１と、第２基準電極２２１の表面および側面を覆う第２固体電解質体２２２と、第２固体電解質体２２２の表面に形成される第２検知電極２２３とを備える。

第１基準電極２１１および第２基準電極２２１は、電極材として白金を主体に構成されており、具体的には、Ｐｔおよび酸化ジルコニウムを含む材料から構成されている。第１固体電解質体２１２および第２固体電解質体２２２は、イットリア安定化ジルコニア等の酸素イオン伝導性材料で構成されている。第１検知電極２１３および第２検知電極２２３は、電極材として金を主体に構成されており、具体的には、Ａｕおよび酸化ジルコニウムを含む材料から構成されている。なお、第１検知電極２１３および第２検知電極２２３の電極材は、アンモニアに対する感度とＮＯｘに対する感度との比が第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３において異なるように、選択されている。

また、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３は、多孔質からなる保護層２３０によって一体に覆われている。保護層２３０は、第１検知電極２１３および第２検知電極２２３への被毒物質の付着を防止するとともに、外部から第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３に流入するアンモニアの拡散速度を調整するものである。このように、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３は混成電位式のセンシング部として機能する。

図２に示すように、制御部３は、制御回路１８０と、マイクロコンピュータ１９０（以下、マイコン１９０）を備える。
制御回路１８０は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。制御回路１８０は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１、Ｖｓ検出回路１８２、基準電圧比較回路１８３、Ｉｃｐ供給回路１８４、Ｖｐ２印加回路１８５、Ｉｐ２検出回路１８６、ヒータ駆動回路１８７および起電力検出回路１８８を備える。

そして、ポンピング電極１３２、検知電極１４２およびポンピング電極１５２は、基準電位に接続される。ポンピング電極１３３は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１に接続される。基準電極１４３は、Ｖｓ検出回路１８２とＩｃｐ供給回路１８４に接続される。ポンピング電極１５３は、Ｖｐ２印加回路１８５とＩｐ２検出回路１８６に接続される。ヒータ１６０は、ヒータ駆動回路１８７に接続される。

Ｉｐ１ドライブ回路１８１は、ポンピング電極１３２とポンピング電極１３３との間に電圧Ｖｐ１を印加して第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給するとともに、供給した第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出する。

Ｖｓ検出回路１８２は、検知電極１４２と基準電極１４３との間の電圧Ｖｓを検出し、検出した結果を基準電圧比較回路１８３へ出力する。
基準電圧比較回路１８３は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）とＶｓ検出回路１８２の出力（すなわち、電圧Ｖｓ）とを比較し、比較結果をＩｐ１ドライブ回路１８１へ出力する。そしてＩｐ１ドライブ回路１８１は、電圧Ｖｓが基準電圧と等しくなるように、第１ポンピング電流Ｉｐ１の流れる向きと第１ポンピング電流Ｉｐ１の大きさとを制御するとともに、第１測定室１２１内の酸素濃度を、ＮＯｘが分解しない程度の所定値に調整する。

Ｉｃｐ供給回路１８４は、検知電極１４２と基準電極１４３との間に微弱な電流Ｉｃｐを流す。これにより、酸素が第１測定室１２１から固体電解質層１４１を介して基準酸素室１４６に送り込まれるため、基準酸素室１４６は、基準となる所定の酸素濃度に設定される。

Ｖｐ２印加回路１８５は、ポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間に、一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加する。これにより、第２測定室１４８では、第２ポンピングセル１５０を構成するポンピング電極１５２，１５３の触媒作用によって、ＮＯｘが解離される。この解離により得られた酸素イオンがポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間の固体電解質層１５１を移動することにより第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。Ｉｐ２検出回路１８６は、第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出する。

ヒータ駆動回路１８７は、発熱抵抗体であるヒータ１６０の一端にヒータ通電用の正電圧を印加するともに、ヒータ１６０の他端にヒータ通電用の負電圧を印加することにより、ヒータ１６０を駆動する。

起電力検出回路１８８は、第１基準電極２１１と第１検知電極２１３との間の起電力（以下、第１アンモニア起電力）と、第２基準電極２２１と第２検知電極２２３との間の起電力（以下、第２アンモニア起電力）を検出し、検出結果を示す信号をマイコン１９０へ出力する。

マイコン１９０は、ＣＰＵ１９１、ＲＯＭ１９２、ＲＡＭ１９３および信号入出力部１９４を備える。マイクロコンピュータの各種機能は、ＣＰＵ１９１が非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、ＲＯＭ１９２が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御部３を構成するマイクロコンピュータの数は１つでも複数でもよい。また、マイコン１９０が実行する機能の一部または全部を、一つあるいは複数のＩＣ等によりハードウェア的に構成してもよい。

ＣＰＵ１９１は、ＲＯＭ１９２に記憶されたプログラムに基づいて、センサ素子部５を制御するための処理を実行する。信号入出力部１９４は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１、Ｖｓ検出回路１８２、Ｉｐ２検出回路１８６、ヒータ駆動回路１８７および起電力検出回路１８８に接続される。信号入出力部１９４は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１、Ｖｓ検出回路１８２、Ｉｐ２検出回路１８６および起電力検出回路１８８からのアナログ信号の電圧値をディジタルデータに変換してＣＰＵ１９１へ出力する。

またＣＰＵ１９１は、信号入出力部１９４を介してヒータ駆動回路１８７へ駆動信号を出力することにより、ヒータ１６０に供給する電力をパルス幅変調により通電制御して、ヒータ１６０が目標の温度になるようにしている。なお、ヒータ１６０の通電制御は、ＮＯｘ検出部１０１を構成するセル（例えば、酸素濃度検出セル１４０）のインピーダンスを検出し、検出したインピーダンスが目標値となるように供給電力量を制御する公知の手法によって実現することができる。

またＣＰＵ１９１は、ＲＯＭ１９２から各種データを読み込み、第１ポンピング電流Ｉｐ１の値、第２ポンピング電流Ｉｐ２の値、第１アンモニア起電力の値および第２アンモニア起電力の値から種々の演算処理を行う。

ＲＯＭ１９２は、「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」、「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」、「第１ポンピング電流−酸素濃度関係式」、「第２ポンピング電流−ＮＯｘ濃度出力関係式」、「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度−補正アンモニア濃度関係式」、「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度−補正ＮＯ_２濃度関係式」、「ＮＯｘ濃度出力＆補正アンモニア濃度＆補正ＮＯ_２濃度−補正ＮＯｘ濃度関係式」を記憶する。

なお、「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度−補正アンモニア濃度関係式」は下記の補正式（１）に相当する。「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度−補正ＮＯ_２濃度関係式」は下記の補正式（２）に相当する。「ＮＯｘ濃度出力＆補正アンモニア濃度＆補正ＮＯ_２濃度−補正ＮＯｘ濃度関係式」は下記の補正式（３）に相当する。

また、各種データは、上述のように所定の関係式として設定されていてもよいし、センサの出力から各種ガス濃度を算出するものであればよく、例えばテーブルとして設定されていてもよい。その他にも、予めガス濃度が既知のガスモデルを用いて得られた値とされていてもよい。

「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」および「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」は、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３から出力されたアンモニア起電力と、アンモニア濃度出力との関係を表す式である。

「第１ポンピング電流−酸素濃度関係式」は、第１ポンピング電流と、排気ガス中の酸素濃度（すなわち、Ｏ_２濃度）との関係を表す式である。「第２ポンピング電流−ＮＯｘ濃度出力関係式」は、第２ポンピング電流と、ＮＯｘ濃度出力との関係を表す式である。

「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度−補正アンモニア濃度関係式」は、酸素濃度、アンモニア濃度およびＮＯ_２濃度の影響を受けた第１，２アンモニア濃度出力と、酸素濃度およびＮＯ_２濃度の影響を除去した補正アンモニア濃度との関係を表す式である。「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度−補正ＮＯ_２濃度関係式」は、酸素濃度、アンモニア濃度およびＮＯ_２濃度の影響を受けた第１，２アンモニア濃度出力と、酸素濃度およびアンモニア濃度の影響を除去した補正ＮＯ_２濃度との関係を表す式である。「ＮＯｘ濃度出力＆補正アンモニア濃度＆補正ＮＯ_２濃度−補正ＮＯｘ濃度関係式」は、アンモニア濃度およびＮＯ_２濃度の影響を受けたＮＯｘ濃度出力と、アンモニア濃度およびＮＯ_２濃度の影響を除去した補正ＮＯｘ濃度との関係を表す式である。

次に、第１ポンピング電流Ｉｐ１、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力から、ＮＯ_２濃度、ＮＯｘ濃度およびアンモニア濃度を求める演算処理について説明する。この演算処理は、マイコン１９０のＣＰＵ１９１において実行される。

ＣＰＵ１９１は、第１ポンピング電流Ｉｐ１、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力が入力されると、酸素濃度、ＮＯｘ濃度出力、第１アンモニア濃度出力および第２アンモニア濃度出力を求める演算処理を行う。具体的には、ＲＯＭ１９２から「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」、「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」、「第１ポンピング電流Ｉｐ１−酸素濃度関係式」、「第２ポンピング電流Ｉｐ２−ＮＯｘ濃度出力関係式」を呼び出し、これらの関係式を用いて酸素濃度および各濃度出力を算出する処理を行う。

なお、「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」および「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」は、第１アンモニア検出部１０２と第２アンモニア検出部１０３が使用環境中で出力し得るアンモニア起電力の全範囲において、被測定ガス中のアンモニア濃度とアンモニア検出部のアンモニア濃度出力とが概ね直線関係になるように設定された式である。このような換算式でもって換算することによって、後の補正式において、傾き及びオフセットの変化を利用した計算を可能とする。

そして、酸素濃度、ＮＯｘ濃度出力、第１アンモニア濃度出力および第２アンモニア濃度出力が求められると、ＣＰＵ１９１は、以下に説明する補正式を用いた演算を行うことで、排気ガス中のアンモニア濃度、ＮＯ_２濃度およびＮＯｘ濃度を求める。

補正式（１）：ｘ＝Ｆ（Ａ，Ｂ，Ｄ）
＝（ｅＡ−ｃ）＊（ｊＢ−ｈ−ｆＡ＋ｄ）／（ｅＡ−ｃ−ｉＢ＋ｇ）＋ｆＡ−ｄ
補正式（２）：ｙ＝Ｆ’（Ａ，Ｂ，Ｄ）
＝（ｊＢ−ｈ−ｆＡ＋ｄ）／（ｅＡ−ｃ−ｉＢ＋ｇ）
補正式（３）：ｚ＝Ｃ−ａｘ＋ｂｙ
ここで、ｘはアンモニア濃度であり、ｙはＮＯ_２濃度であり、ｚはＮＯｘ濃度である。また、Ａは第１アンモニア濃度出力であり、Ｂは第２アンモニア濃度出力であり、ＣはＮＯｘ濃度出力であり、Ｄは酸素濃度である。そして、式（１）のＦは、ｘが（Ａ，Ｂ，Ｄ）の関数であることを表し、式（２）のＦ’は、ｙが（Ａ，Ｂ，Ｄ）の関数であることを表す。さらに、ａ，ｂは補正係数であり、ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ，ｊは酸素濃度Ｄを用いて計算される係数（すなわち、Ｄによって決まる係数）である。

ＣＰＵ１９１は、上述の補正式（１）〜（３）に、第１アンモニア濃度出力、第２アンモニア濃度出力、ＮＯｘ濃度出力および酸素濃度を代入して演算することによって、排気ガス中のアンモニア濃度、ＮＯ_２濃度およびＮＯｘ濃度を求める。

なお、補正式（１）および補正式（２）は、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３の特性に基づいて定まる式であり、補正式（３）はＮＯｘ検出部１０１の特性に基づいて定まる式である。また補正式（１）〜（３）は、あくまでも補正式の一例を示したものであり、ガス検知特性に応じて、他の補正式および係数等を適宜使用してもよい。

そして、制御部３のマイコン１９０は、ガス濃度算出処理を実行する。ガス濃度算出処理は、ヒータ１６０に電力が供給されることによりヒータ１６０が発熱してセンサ素子部５が活性化温度になった後に、予め設定された実行周期が経過する毎に実行される処理である。

ここで、ガス濃度算出処理の手順を説明する。
ガス濃度算出処理が実行されると、マイコン１９０のＣＰＵ１９１は、図４に示すように、まずＳ１０にて、第１ポンピング電流Ｉｐ１、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力の検出結果を制御回路１８０から取得する。そしてＳ２０にて、酸素濃度を算出する。具体的には、「第１ポンピング電流Ｉｐ１−酸素濃度関係式」を用いて酸素濃度を算出する。

さらにＳ３０にて、上述の演算、すなわち、Ｓ２０で算出された酸素濃度と補正式（１）を用いた演算により、アンモニア濃度を算出する。
そしてＳ４０にて、Ｓ２０で算出された酸素濃度と、「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」と、「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」と、「第２ポンピング電流−ＮＯｘ濃度出力関係式」と、「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度−補正ＮＯ_２濃度関係式」と、「ＮＯｘ濃度出力＆補正アンモニア濃度＆補正ＮＯ_２濃度−補正ＮＯｘ濃度関係式」とを用いて、上述の演算により、ＮＯ_２濃度およびＮＯｘ濃度を算出する。

次にＳ５０にて、Ｓ２０で算出された酸素濃度を補正する。以下、Ｓ２０で算出された酸素濃度を補正前酸素濃度という。Ｓ５０では、具体的には、Ｓ２０で算出された補正前酸素濃度をＣ（Ｏ_２）とし、Ｓ３０で算出されたアンモニア濃度をＣ（ＮＨ_３）とし、予め設定された補正係数をαとし、補正後の酸素濃度をＣｃ（Ｏ_２）として、下式（４）により酸素濃度を補正する。なお、本実施形態では、補正係数αは１．２５に設定されている。

Ｃｃ（Ｏ_２） ＝ Ｃ（Ｏ_２）＋ α×Ｃ（ＮＨ_３） ・・・（４）
また補正係数αは、下式（５）で示す化学反応式に基づいて設定されている。すなわち、補正係数αは、理論的にアンモニア分子の５／４（＝１．２５）倍の酸素分子が消費されることに基づいて設定されている。

４ＮＨ_３ ＋ ５Ｏ_２ → ４ＮＯ ＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（５）
図５は、被測定ガスに含まれる酸素の濃度が１５％である場合と７％である場合における補正前酸素濃度のアンモニア濃度依存性を示すグラフである。図５における上のグラフが、酸素濃度が１５％である場合のアンモニア濃度依存性を示し、図５における下のグラフが、酸素濃度が７％である場合のアンモニア濃度依存性を示す。

図５に示すように、被測定ガスに含まれるアンモニアの濃度が高くなるに伴い、補正前酸素濃度が低くなっている。
被測定ガスに含まれる酸素の濃度が１５％および７％である場合における補正前酸素濃度のアンモニア濃度依存性はそれぞれ、図５のグラフにおける直線Ｌ１および直線Ｌ２で示すように、下式（６）および下式（７）で表される。なお、下式（６），（７）において、Ｙ［％］は補正前酸素濃度であり、Ｘ［％］はアンモニア濃度である。

Ｙ ＝ −１．３０Ｘ ＋ １４．９ ・・・（６）
Ｙ ＝ −１．２８Ｘ ＋ ７．０３ ・・・（７）
上式（６），（７）の一次式における傾きの絶対値はそれぞれ１．３０，１．２８であり、上式（５）に基づいて理論的に算出される酸素分子の消費割合（すなわち、１．２５）とほぼ一致している。

Ｓ５０の処理が終了すると、図４に示すように、ガス濃度算出処理を一旦終了する。
このように構成されたマイコン１９０は、排気ガスに含まれる酸素の濃度を算出する。
そしてマイコン１９０は、ＮＯｘ検出部１０１から第１ポンピング電流Ｉｐ１を取得する。

ＮＯｘ検出部１０１は、排気ガスが流入する第１測定室１２１における酸素の濃度に応じて値が変化する第１ポンピング電流Ｉｐ１を出力する。
マイコン１９０は、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３からそれぞれ第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力を取得する。第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３はそれぞれ、排気ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて値が変化する第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力を出力する。

マイコン１９０は、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力と第１ポンピング電流Ｉｐ１とに基づいて、排気ガスに含まれる酸素の濃度を求める。
ＮＯｘ検出部１０１では、アンモニアと酸素が第１測定室１２１に導入される。このため、排気ガスに含まれるアンモニアがＮＯｘ検出部１０１の第１測定室１２１に導入される場合に、アンモニアが燃焼することにより酸素が消費される。これにより、排気ガスにアンモニアと酸素が含まれる場合には、排気ガスに含まれる酸素の濃度と、第１測定室１２１における酸素の濃度とが相違する。

これに対し、マイコン１９０は、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力と第１ポンピング電流Ｉｐ１とに基づいて、排気ガスに含まれる酸素の濃度を求める。このため、マイコン１９０は、排気ガスに含まれるアンモニアの濃度に基づいて、アンモニアの燃焼により消費される酸素量を算出することができ、この算出結果と、第１測定室１２１における酸素の濃度とに基づいて、アンモニアの燃焼により酸素が消費される前の酸素濃度を算出することができる。これにより、マイコン１９０は、排気ガスに含まれる酸素の濃度の検出精度を向上させることができる。

またマイコン１９０は、ＮＯｘ検出部１０１から出力された第１ポンピング電流Ｉｐ１に基づいて、酸素濃度を算出する。またマイコン１９０は、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３からそれぞれ出力された第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力に基づいて、アンモニア濃度を算出する。そしてマイコン１９０は、アンモニア濃度に基づいて酸素濃度を補正することで、排気ガスに含まれる酸素の濃度を求める。

またマイコン１９０は、予め設定された補正係数αとアンモニア濃度との乗算値と、酸素濃度とを加算することで、酸素濃度を補正する。これにより、マイコン１９０は、１回の乗算と１回の加算を実行するという簡便な演算により酸素濃度を補正することができ、マイコン１９０の処理負荷を低減することができる。

また、第１測定室１２１は、拡散抵抗体１２２を介して排気ガスが流入するように構成される。拡散抵抗体１２２があることで、気相反応がより安定して発生するため、マイコン１９０は、排気ガスに含まれる酸素の濃度を、より正確に求めることができる。

また、ＮＯｘ検出部１０１と第１アンモニア検出部１０２と第２アンモニア検出部１０３が、一体型のマルチガスセンサ２として構成されている。これにより、マイコン１９０は、排気ガスの略同一領域における酸素濃度とアンモニア濃度を検出することができる。

以上説明した実施形態において、マイコン１９０は濃度算出装置に相当し、Ｓ１０は第１取得部および第２取得部としての処理に相当し、Ｓ５０は補正部としての処理に相当する。

また、Ｓ２０は第１算出部としての処理に相当し、Ｓ３０は第２算出部としての処理に相当する。
また、第１測定室１２１は測定室に相当し、ＮＯｘ検出部１０１は第１検出部に相当し、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３は第２検出部に相当する。

また、排気ガスは被測定ガスに相当し、第１ポンピング電流Ｉｐ１は第１濃度信号に相当し、Ｓ２０で算出された酸素濃度は第１算出濃度に相当する。
また、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力は第２濃度信号に相当し、Ｓ３０で算出されたアンモニア濃度は第２算出濃度に相当する。

また、補正係数αは補正係数に相当し、マルチガスセンサ２は一体型のガスセンサに相当し、マルチガス検出装置１はガス検出装置に相当する。
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。

例えば上記実施形態では、ＮＯｘ検出部１０１から出力される信号に基づいて酸素濃度を算出するものを示した。酸素の濃度に応じて値が変化する信号を出力するセンサはＮＯｘ検出部に限定されるものではない。例えば、上記測定室と上記酸素濃度検出セルに加えて、外部から通電されるポンピング電流に応じて上記測定室への酸素の汲み入れ又は汲み出しを行うポンピングセルを備えて構成される全領域空燃比センサから出力される信号に基づいて酸素濃度を算出するものが挙げられる。

また上記実施形態では、上式（５）で示す化学反応式に基づいて補正係数αを１．２５に設定したものを示した。しかし、アンモニア分子により酸素分子が消費される消費割合は、拡散抵抗体１２２により排気ガスの拡散が律速される度合いにより変化すると考えられる。同様に、上記消費割合は、センサ素子部５内において、第１測定室１２１の内部に排気ガスを導入するガス導入口が配置される位置と、第１測定室１２１が配置される位置とにより変化すると考えられる。このため、例えば図５に示したように補正前酸素濃度のアンモニア濃度依存性を実際に測定し、この測定結果に基づいて、補正係数αを設定するようにしてもよい。

また上記実施形態では、補正前の酸素濃度を用いてアンモニア濃度を補正する処理を行ったが、補正前のアンモニア濃度を用いて酸素の補正を行ってもよい。しかし、酸素濃度を用いてアンモニア濃度を補正する処理を行うことで、より正確にアンモニア濃度を算出することができる。

また上記実施形態では、拡散抵抗体１２２により排気ガスの拡散が律速されるものを示した。しかし、拡散抵抗は多孔質の拡散抵抗体に限定されるものではなく、スリット、素子の保護層等、被測定ガスが測定室に流入する経路上で拡散抵抗を付与するものであればよく、プロテクタの構造やセンサの位置を設定することで、拡散抵抗を付与することができる。

上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

上述したマイコン１９０の他、当該マイコン１９０を構成要素とするシステム、当該マイコン１９０としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、濃度算出方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…マルチガス検出装置、２…マルチガスセンサ、３…制御部、１０１…検出部、１０２…第１アンモニア検出部、１０３…第２アンモニア検出部、１２１…第１測定室、１２２…拡散抵抗体、１４０…酸素濃度検出セル、１９０…マイコン

Claims (6)

1. 被測定ガスに含まれる酸素の濃度を算出する濃度算出装置であって、
   被測定ガスが流入する測定室における酸素の濃度に応じて値が変化する第１濃度信号を出力する第１検出部から前記第１濃度信号を取得するように構成された第１取得部と、
   前記被測定ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて値が変化する第２濃度信号を出力する第２検出部から前記第２濃度信号を取得するように構成された第２取得部と、
   前記第２濃度信号および前記第１濃度信号に基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求めるように構成された補正部と
   を備える濃度算出装置。
2. 請求項１に記載の濃度算出装置であって、
   前記第１検出部から出力された前記第１濃度信号に基づいて、第１算出濃度を算出するように構成された第１算出部と、
   前記第２検出部から出力された前記第２濃度信号に基づいて、第２算出濃度を算出するように構成された第２算出部とを備え、
   前記補正部は、前記第２算出濃度に基づいて前記第１算出濃度を補正することで、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求める濃度算出装置。
3. 請求項２に記載の濃度算出装置であって、
   前記補正部は、予め設定された補正係数と前記第２算出濃度との乗算値と、前記第１算出濃度とを加算することで、前記第１算出濃度を補正する濃度算出装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の濃度算出装置であって、
   前記測定室は、拡散抵抗体を介して前記被測定ガスが流入するように構成される濃度算出装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の濃度算出装置であって、
   前記第１検出部と前記第２検出部が、一体型のガスセンサとして構成されている濃度算出装置。
6. 被測定ガスが流入する測定室における酸素の濃度に応じて値が変化する第１濃度信号を出力する第１検出部と、
   前記被測定ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて値が変化する第２濃度信号を出力する第２検出部と、
   請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の濃度算出装置と
   を備えるガス検出装置。

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