JPH1114593A - ガス成分濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検出ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を正確
に検出するとともに、酸素濃度も正確に検出することが
できるガス成分濃度検出装置を提供する。 【解決手段】 第１のポンプ素子８に流れる第１のポン
プ電流値ＩＰ１が第１の電流検出手段２３により検出さ
れ、第２のポンプ素子９を流れる第２のポンプ電流値Ｉ
Ｐ２が第２の電流検出手段２５により検出される。第２
のポンプ電流値ＩＰ２に応じて被検出ガス中のＮＯｘ濃
度ＣＣＴＮＯｘが検出され、第１のポンプ電流値ＩＰ１
が第２のポンプ電流値ＩＰ２に応じて補正される。該補
正後のポンプ電流値ＩＰ１Ｍに基づいて被検出ガス中の
酸素濃度ＣＣＴＯ２が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検出ガス中の所
定成分の濃度を検出するガス成分濃度検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば内燃機関の排気ガス中に含まれる
ガス成分の１つである窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」とい
う）の濃度を検出するＮＯｘ濃度センサとして、図３に
示すようなものが従来より知られている（特開平８−２
７１４７６号公報）。

【０００３】同図に示すＮＯｘ濃度センサ１０１は、酸
素イオン伝導性固体電解質からなり、第１及び第２の拡
散室１０５、１０６を形成するケーシング１０２を有す
る。ケーシング１０２には、所定の拡散抵抗を有する第
１及び第２の拡散律速通路１０３、１０４が設けられ、
排気ガスは先ず第１の拡散律速通路１０３を介して第１
の拡散室１０５に導入され、さらに第２の拡散律速通路
１０４を介して第２の拡散室１０６に導入されるように
構成されている。また、ケーシング１０２を挟んで、第
１の拡散室１０５内の酸素濃度を制御する第１のポンプ
素子１０８と、第２の拡散室１０６内の酸素濃度を制御
する第２のポンプ素子１０９と、第１の拡散室１０５内
の酸素濃度に応じた電圧を発生するセンサ素子１１０と
が設けられている。第１のポンプ素子１０８の外側の電
極１０８ａは排気ガスが充満する空間に露出し、第２の
ポンプ素子１０９の外側の電極１０９ａ及びセンサ素子
１１０の外側の電極１１０ａは、大気が導入される空間
に露出するように構成されている。第２のポンプ素子１
０９の内側の電極１０９ｂは、ＮＯｘを還元する触媒と
しての機能を有するロジウムＲｈからなる。

【０００４】第１のポンプ素子１０８には、出力電圧が
変更可能な可変電圧電源１２２が接続され、第２のポン
プ素子１０９には、一定電圧を出力する電源１２４及び
ポンプ電流値ＩＰ２を検出する電流検出部１２５が接続
され、センサ素子１１０にはその出力電圧ＶＳを検出す
る電圧検出部１２１が接続されている。

【０００５】可変電圧電源１２２の電圧は、電圧検出部
１２１によって検出されるセンサ素子１２１の出力電圧
ＶＳに応じて、該出力電圧ＶＳが基準電圧ＶＲＥＦに維
持されるように制御される。これにより、第１の拡散室
１０５内の酸素を第１のポンプ素子１０８により汲み出
し、第１の拡散室１０５内の酸素濃度が基準電圧ＶＲＥ
Ｆに対応した濃度に維持される。そして、酸素濃度が一
定値に制御された第１の拡散室１０５内のガスが第２の
拡散室１０６内に拡散し、拡散したガス中に含まれるＮ
Ｏｘ（この場合ほとんどＮＯのみである）が、第２のポ
ンプ素子１０９の電極１０９ｂの触媒としての作用によ
って還元される。そして、その還元によって生成される
酸素が第２のポンプ素子１０９により、第２の拡散室１
０６から大気側に汲み出され、ポンプ電流が流れる。こ
のポンプ電流値ＩＰ２は、第２の拡散室１０６内のＮＯ
ｘ濃度に比例するので、ＮＯｘ濃度を検出することがで
きる。

【０００６】また上記公報には記載されていないが、第
１のポンプ素子１０８に流れるポンプ電流は、排気ガス
中の酸素濃度にほぼ比例するので、第１の拡散室１０５
内の酸素濃度が、内燃機関に供給する混合気の空燃比を
理論空燃比とした場合に相当する濃度となるように基準
電圧ＶＲＥＦを設定するとともに、電流検出部１２３を
設けてポンプ電流値ＩＰ１を検出することにより、排気
ガス中の酸素濃度を、広範囲に検出することが可能とな
る。すなわち、ＮＯｘ濃度検出装置を酸素濃度検出装置
としても使用することが可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようにＮＯｘ濃度検出装置を酸素濃度検出装置として
も用いる場合に、基準電圧ＶＲＥＦを理論空燃比相当の
値（例えば０．４５Ｖ）に設定すると、第１の拡散室１
０５内でＮＯｘが乖離され、酸素が第１のポンプ素子１
０８により汲み出される。よって第２の拡散室１０６に
移動するＮＯｘ量が減少するので、ポンプ電流値ＩＰ２
によって検出されるガス中のＮＯｘ濃度は不正確なもの
（実際より少ない側にずれた値）となる。

【０００８】本発明はこの点に着目してなされたもので
あり、被検出ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を正確に検
出するとともに、酸素濃度も正確に検出することができ
るガス成分濃度検出装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１に記載の発明は、第１の拡散律速層を介して、
被検出ガスが導入される第１の拡散室と、第２の拡散律
速層を介して前記第１の拡散室に通じる第２の拡散室
と、前記第１の拡散室内の酸素濃度を制御する第１のポ
ンプ素子と、前記第２の拡散室内の窒素酸化物を還元す
る還元手段と、前記第２の拡散室内の酸素濃度を制御す
る第２のポンプ素子とを有するガス成分濃度検出装置に
おいて、前記第１のポンプ素子に流れる第１のポンプ電
流値を検出する第１の電流検出手段と、前記第２のポン
プ素子に流れる第２のポンプ電流値を検出する第２の電
流検出手段と、前記第２のポンプ電流値に応じて被検出
ガス中の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物濃度検出
手段と、前記第２のポンプ電流値に応じて、前記第１の
電流値を補正し、該補正後の第１の電流値に基づいて被
検出ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段とを
備えることを特徴とする。

【００１０】この構成によれば、第２のポンプ電流値に
応じて被検出ガス中の窒素酸化物濃度が検出されるとと
もに、第１のポンプ電流値が第２のポンプ電流値に応じ
て補正され、該補正後の第１のポンプ電流値に基づいて
被検出ガス中の酸素濃度が検出される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。

【００１２】図１は本発明の実施の一形態にかかるガス
成分濃度検出装置の構成を示す図であり、このガス成分
濃度検出装置１の基本的な構成は図３に示す従来の装置
と同様である。より具体的には、本実施形態の検出装置
１は、内燃機関から排出される排気ガスを被検出ガスと
し、排気ガス中のＮＯｘ濃度及び酸素濃度を検出するも
のである。

【００１３】検出装置１のケーシング２は、酸素イオン
伝導性固体電解質からなり、所定の拡散抵抗を有する第
１及び第２の拡散律速層３、４とともに、第１及び第２
の拡散室５、６を形成する。排気ガスは、先ず第１の拡
散律速通路３を介して第１の拡散室５に導入され、さら
に第２の拡散律速層４を介して第２の拡散室６に導入さ
れるように構成されている。また、ケーシング２を挟ん
で、第１の拡散室５内の酸素濃度を制御する第１のポン
プ素子８と、第２の拡散室６内の酸素濃度を制御する第
２のポンプ素子９と、第１の拡散室５内の酸素濃度に応
じた電圧ＶＳを発生するセンサ素子１０とが設けられて
いる。

【００１４】第１のポンプ素子８は、例えば白金（Ｐ
ｔ）からなる外側電極８ａ及び内側電極８ｂと、酸素イ
オン伝導性を有するケーシング２の一部とによって構成
され、第２のポンプ素子９は、例えば白金（Ｐｔ）から
なる外側電極９ａと、例えばロジウム（Ｒｈ）からな
り、ＮＯｘを還元する触媒としての機能を有する内側電
極９ｂと、酸素イオン伝導性を有するケーシング２の一
部とによって構成されている。センサ素子１０は、例え
ば白金からなる外側電極１０ａ及び内側電極１０ｂと、
酸素イオン伝導性を有するケーシング２の一部とによっ
て構成されている。

【００１５】第１のポンプ素子８の外側電極８ａは排気
ガスが充満する空間、すなわち内燃機関の排気通路（図
示せず）内に露出し、第２のポンプ素子９の外側電極９
ａ及びセンサ素子１０の外側電極１０ａは、大気が導入
される通路７内に露出するように構成されている。

【００１６】第１のポンプ素子８には、出力電圧が変更
可能な可変電圧電源２２及び第１のポンプ素子８に流れ
る第１のポンプ電流値ＩＰ１を検出する第１の電流検出
手段２３が接続され、第２のポンプ素子９には、一定電
圧（例えば０．４５Ｖ）を出力する電源２４及び第２の
ポンプ素子９に流れる第２のポンプ電流値ＩＰ２を検出
する第２の電流検出手段部２５が接続され、センサ素子
１０にはその出力電圧ＶＳを検出する電圧検出手段２１
が接続されている。

【００１７】ケーシング２とともに通路７を形成する絶
縁部材１１には、ヒータ１２が設けられている。ヒータ
１２には、図示しない電源から電力が供給され、ポンプ
素子８、９及びセンサ素子１０の電極が適温に加熱可能
に構成されている。

【００１８】第１及び第２の電流検出手段２３、２５
は、演算ユニット３０に接続されており、演算ユニット
３０は、検出ポンプ電流値ＩＰ１，ＩＰ２に基づいて酸
素濃度ＣＣＴＯ２及びＮＯｘ濃度ＣＣＴＮＯｘを算出す
る。演算ユニット３０は、例えばＣＰＵ（中央演算装
置）、Ａ／Ｄ変換回路、記憶回路等から構成される。

【００１９】次に以上のように構成されるガス成分濃度
検出装置１の作用を説明する。

【００２０】可変電圧電源２２の電圧は、電圧検出手段
２１によって検出されるセンサ素子２１の出力電圧ＶＳ
に応じて、該出力電圧ＶＳが基準電圧ＶＲＥＦに維持さ
れるように制御される。これにより、第１の拡散室５内
の酸素が第１のポンプ素子８により汲み出され、第１の
拡散室５内の酸素濃度が基準電圧ＶＲＥＦに対応した濃
度に維持される。そして、酸素濃度が一定値に制御され
た第１の拡散室５内のガスが第２の拡散室６内に拡散
し、該拡散したガス中に含まれるＮＯｘ（この場合ほと
んどＮＯのみである）が、第２のポンプ素子９の電極９
ｂの触媒としての機能によって還元される。そして、そ
の還元によって生成される酸素が第２のポンプ素子９に
より、第２の拡散室６から大気側に汲み出され、第２の
ポンプ素子に第２のポンプ電流が流れる。この第２のポ
ンプ電流値ＩＰ２は、図２（ｂ）に示すように第２の拡
散室６内のＮＯｘ（ＮＯ）濃度ＣＣＴＮＯｘに比例する
ので、排気ガス中のＮＯｘ濃度ＣＣＴＮＯｘは、下記式
（１）により得られる。

【００２１】 ＣＣＴＮＯｘ＝ＫＮＯｘ×ＩＰ２ …（１） ここで、ＫＮＯｘは実験的に決定される比例定数であ
る。

【００２２】ただしより厳密には、第２の拡散室６内に
拡散するガス中にも酸素が残存するので、ＮＯｘ濃度Ｃ
ＣＴＮＯｘ＝０であっても、第２のポンプ電流値ＩＰ２
＝０とはならない。したがって、ＣＣＴＮＯｘ＝０のと
きのポンプ電流値（以下「オフセット電流値」という）
をＩＰ２０とすると、ＮＯｘ濃度ＣＣＴＮＯｘは、下記
式（１ａ）により得ることができる。第２のポンプ電流
値ＩＰ２が、オフセット電流値ＩＰ２０より十分大きい
ときは、上記式（１）による算出結果とほぼ同一のＮＯ
ｘ濃度値となる。

【００２３】 ＣＣＴＮＯｘ＝ＫＮＯｘ×（ＩＰ２−ＩＰ２０） …（１ａ） 一方、基準電圧ＶＲＥＦは、本実施形態では０．３Ｖ程
度に設定され、第１の拡散室５内の酸素濃度は、内燃機
関に供給される混合気の空燃比がほぼ理論空燃比である
ときの濃度よりややリーン側の値となるように制御され
る。すなわち、電圧検出手段２１の検出電圧ＶＳ＝ＶＲ
ＥＦ（≒０．３Ｖ）となるように可変電圧電源２２の出
力電圧が制御され、その状態での第１のポンプ電流値Ｉ
Ｐ１が、第１の電流検出手段２３により検出される。

【００２４】基準電圧ＶＲＥＦを理論空燃比相当の値
（約０．４５Ｖ）とすると、第１の拡散室５内でＮＯｘ
が還元されてＮとＯに乖離するため、ＮＯｘ濃度を正確
に検出できない。そこで、ＶＲＥＦ＝０．３Ｖ程度とす
ることにより、第１の拡散室５内でのＮＯｘの乖離を防
止し、第２のポンプ電流値ＩＰ２によってＮＯｘ濃度を
正確に検出することができる。

【００２５】ただし、第１のポンプ電流値ＩＰ１は、基
準電圧ＶＲＥＦを理論空燃比相当の値（約０．４５Ｖ）
に設定したときに比べて、差電圧ΔＶＲＥＦ＝約０．１
５Ｖ（＝０．４５Ｖ−０．３Ｖ）分だけ小さい値となっ
ているため、この第１のポンプ電流値ＩＰ１をそのまま
用いたのでは、排気ガス中の酸素濃度を正確に検出する
ことはできない。

【００２６】ここで、差電圧ΔＶＲＥＦに対応する第１
のポンプ電流値ＩＰ１の減少分は、第２のポンプ電流値
ＩＰ２に比例すると考えられる。第２のポンプ電流値Ｉ
Ｐ２は、排気ガス中のＮＯｘ濃度にほぼ比例するパラメ
ータであるが、ＮＯｘに含まれる酸素はもともと排気ガ
ス中の酸素濃度として検出されるべきものだからであ
る。

【００２７】そこで本実施形態では、下記式（２）によ
り補正ポンプ電流値ＩＰ１Ｍを算出し、 ＩＰ１Ｍ＝ＩＰ１＋α×ＩＰ２ …（２） この補正ポンプ電流値ＩＰ１Ｍを下記式（３）に適用し
て酸素濃度ＣＣＴＯ２を算出するようにしている。

【００２８】 ＣＣＴＯ２＝ＫＯ２×ＩＰ１Ｍ …（３） 上記式（２）のαは、実験的に定められ、第２の拡散律
速層４の拡散抵抗の逆数に比例する係数である。

【００２９】このように第１のポンプ電流値ＩＰ１を第
２のポンプ電流値に応じて補正した補正電流値ＩＰ１Ｍ
を用いることにより、基準電圧ＶＲＥＦを理論空燃比相
当の値（０．４５Ｖ）より低いリーン側の値（０．３
Ｖ）に設定しても、排気ガス中の酸素濃度ＣＣＴＯ２を
正確に検出することができる。

【００３０】上記式（２）及び（３）によって得れられ
る第１のポンプ電流値ＩＰ１と酸素濃度ＣＣＴＯ２との
関係は、図２（ａ）に示すように、ＮＯｘ濃度ＣＣＴＯ
２が小さいときは、直線Ａで示すようになり、ＮＯｘ濃
度ＣＣＴＮＯｘが大きいときは、直線Ｂで示すようにな
る。

【００３１】上記数式（１）〜（３）の演算は、演算ユ
ニット３０で行われ、ポンプ電流値ＩＰ１，ＩＰ２が酸
素濃度ＣＣＴＯ２及びＮＯｘ濃度ＣＣＴＮＯｘに変換さ
れる。

【００３２】以上のように本実施形態によれば、第１の
ポンプ素子８に流れる第１のポンプ電流値ＩＰ１が、Ｎ
Ｏｘ濃度に比例する第２のポンプ電流値ＩＰ２に応じて
補正され、補正後の補正ポンプ電流値ＩＰ１Ｍを酸素濃
度ＣＣＴＯ２に変換するようにしたので、排気ガス中の
ＮＯｘ濃度を正確に検出するとともに、酸素濃度を正確
に検出することができる。

【００３３】本実施形態では、第２のポンプ素子９の内
側電極９ｂが還元手段に相当し、演算ユニット３０が酸
素濃度検出手段に相当する。

【００３４】なお本発明は上述した実施形態に限るもの
ではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した
実施形態では、式（１）〜（３）を用いて第１及び第２
のポンプ電流値ＩＰ１，ＩＰ２を酸素濃度ＣＣＴＯ２に
変換したが、第１及び第２のポンプ電流値ＩＰ１，ＩＰ
２に対応する酸素濃度ＣＣＴＯ２を予め算出して得られ
たマップをメモリに記憶しておき、検出したポンプ電流
値ＩＰ１，ＩＰ２に応じてそのマップを検索し、必要に
応じて補間演算を行うことにより、変換するようにして
もよい。

【００３５】また、第２のポンプ素子９の内側電極９ｂ
とは別に、ＮＯｘを還元する触媒を第２の拡散室６内に
配置するようにしてもよく、その場合にはその触媒が還
元手段に相当する。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、第
２のポンプ電流値に応じて被検出ガス中の窒素酸化物濃
度が検出されるとともに、第１のポンプ電流値が第２の
ポンプ電流値に応じて補正され、該補正後の第１のポン
プ電流値に基づいて被検出ガス中の酸素濃度が検出され
るので、被検出ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度を正
確に検出するだけでなく、酸素濃度も正確に検出するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態にかかるガス成分濃度検
出装置の要部の構成を示す図である。

【図２】ポンプ電流値とガス成分濃度との関係を示す図
である。

【図３】従来の窒素酸化物濃度センサの構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ ガス成分濃度検出装置 ２ ケーシング ３ 第１の拡散律速層 ４ 第２の拡散律速層 ５ 第１の拡散室 ６ 第２の拡散室 ８ 第１のポンプ素子 ９ 第２のポンプ素子 ２３ 第１の電流検出手段 ２５ 第２の電流検出手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の拡散律速層を介して、被検出ガス
   が導入される第１の拡散室と、第２の拡散律速層を介し
   て前記第１の拡散室に通じる第２の拡散室と、前記第１
   の拡散室内の酸素濃度を制御する第１のポンプ素子と、
   前記第２の拡散室内の窒素酸化物を還元する還元手段
   と、前記第２の拡散室内の酸素濃度を制御する第２のポ
   ンプ素子とを有するガス成分濃度検出装置において、 前記第１のポンプ素子に流れる第１のポンプ電流値を検
   出する第１の電流検出手段と、前記第２のポンプ素子に
   流れる第２のポンプ電流値を検出する第２の電流検出手
   段と、前記第２のポンプ電流値に応じて被検出ガス中の
   窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物濃度検出手段と、
   前記第２のポンプ電流値に応じて、前記第１の電流値を
   補正し、該補正後の第１の電流値に基づいて被検出ガス
   中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段とを備えるこ
   とを特徴とするガス成分濃度検出装置。