JPWO2017222003A1 - 排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法に関する。排ガス浄化システム（２００）は、燃焼装置（２０２）とＳＣＲ触媒（２０６）との間に設置された尿素水注入インジェクタ（２１０）と、ＳＣＲ触媒（２０６）の下流側に設置され、ＳＣＲ触媒（２０６）から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＨ３濃度を検出する第１ガスセンサ（１０Ａ）と、尿素水注入インジェクタ（２１０）の開度を制御する開度制御手段（２１６）とを有する。

Description

本発明は、被測定ガス中の複数目的成分の各濃度を測定することが可能なガスセンサを用いた排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法に関する。

従来から、直列２室構造を持ったＮＯｘセンサ（直列２室型ＮＯｘセンサ）、及びそれを用いたＮＯｘ測定方法（例えば特開２０１５−２００６４３号公報参照）や、酸化物半導体電極を用いた混成電位型、あるいは抵抗変化型のＮＯ_２センサ、あるいはＮＨ_３センサが知られている（例えば特開２０１３−０６８６３２号公報及び特開２００９−２４３９４２号公報参照）。

また、酸化物半導体電極の混成電位を用いてＮＨ_３濃度を測定する方法が知られている。この方法は、ＮＯｘ濃度を別のセンサで測定し、ＮＯ、ＮＯ_２が存在しない場合は酸化物半導体電極の混成電位をそのまま使用し、ＮＯ、ＮＯ_２が存在する場合は酸化物半導体電極の混成電位に補正を加える方法である（例えば特表２００９−５１１８５９号公報参照）。

近年、各国のＣＯ_２排出量規制が強化される傾向にあり、ディーゼル車の普及率が増えつつある。希薄燃焼を用いるディーゼルエンジンは、ＣＯ_２排出量が少ない代わりに過剰な酸素を含む排気ガス中のＮＯｘ浄化が困難である欠点を持つ。そのため、ＣＯ_２排出量規制の強化と同様にＮＯｘ排出量の規制も強化されつつある。現在は、ＣＯ_２排出量、すなわち、燃料消費量を損なわずにＮＯｘ浄化が行える選択還元型触媒システム（以下、ＳＣＲシステムと記す）がＮＯｘ浄化の主流を占めている。ＳＣＲシステムは、注入した尿素を排気ガスと反応させてアンモニアを生成し、アンモニアとＮＯｘを反応させてＮ_２とＯ_２に分解する。このＳＣＲシステムにおいて、ＮＯｘ浄化効率を１００％に近づけるためには、尿素の注入量を増やす必要があるが、尿素注入量を増やすと未反応のアンモニアが大気に排出されるおそれがある。このため、ＮＯｘとアンモニアを区別できるセンサが求められている。

さらには、米国において、酸化触媒（以下、ＤＯＣ触媒と記す）、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと記す）、選択還元型触媒（以下、ＳＣＲ触媒と記す）の個別故障診断の義務付けに対する準備が進められている。ＤＰＦ、ＳＣＲ触媒の故障診断は既存のＰＭセンサ、ＮＯｘセンサで可能であるが、ＤＯＣ触媒に対しては有効な故障診断手段が見つかっていない。現在は、２００℃以下の低温時のＤＯＣ触媒下流に漏れ出す炭化水素（以下、ＨＣと記す）量を測定する方法や、ＤＯＣ触媒下流に排出されるＮＯとＮＯ_２の比率から故障を判断する方法等が推奨されている。特に、ＮＯとＮＯ_２の比率におけるＮＯ_２の減少は、ＨＣ流出量の増大よりも早期に起こるため、より安全な故障診断方法として期待されている。このためＮＯとＮＯ_２を区別できるセンサが求められている。

上述した特開２０１５−２００６４３号公報記載のＮＯｘセンサ及びＮＯｘ測定方法は、ＮＯ、ＮＯ_２、ＮＨ_３をＮＯに変換し、変換後のＮＯを分解して発生したＯ_２の量、もしくは濃度を測定する。そのため、ＮＯ、ＮＯ_２、ＮＨ_３の総量は測定できても各々を区別することができなかった。

特開２０１３−０６８６３２号公報及び特開２００９−２４３９４２号公報記載の酸化物半導体電極は、ＮＯ、ＮＯ_２の選択性に優れている反面、ＮＯとＮＯ_２に対する感度の出力特性が正負逆であるため、ＮＯとＮＯ_２が共存する雰囲気下では正しくＮＯ、もしくはＮＯ_２濃度を測定することができなかった。

特表２００９−５１１８５９号公報記載のセンサは、酸化物半導体電極の排気ガス中における不安定さ、及び基板との密着強度の弱さから、長期間にわたり精度良くＮＨ_３濃度を測定することが困難であった。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、排気ガスのような未燃成分、酸素の存在下に共存する複数成分（例えばＮＯ、ＮＯ_２、ＮＨ_３）の濃度を長期間にわたり精度よく測定することができるガスセンサを使用することで、長期間にわたり精度よくＮＯｘ浄化とＮＨ_３排出量の抑制を行うことができる排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法を提供することを目的とする。

［１］ 第１の本発明に係る排ガス浄化システムは、燃焼装置と選択還元触媒（ＳＣＲ触媒と記す）との間に設置された尿素水注入インジェクタと、前記ＳＣＲ触媒の下流側に設置され、前記ＳＣＲ触媒から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を検出する第１ガスセンサと、前記尿素水注入インジェクタの開度を制御する開度制御手段とを有し、前記開度制御手段は、前記ＮＯ濃度が予め設定された第１閾値になった段階で前記開度を時間の経過と共に開く方向に制御し、前記ＮＨ_３濃度が予め設定された第２閾値になった段階で前記開度を時間の経過と共に閉じる方向に制御することを特徴とする。

［２］ 第１の本発明において、前記第１閾値は、ＮＯ濃度とＮＨ_３濃度との当量点でのＮＯ濃度よりも高い濃度に設定され、前記第２閾値は、前記当量点でのＮＨ_３濃度よりも高い濃度に設定されていることが好ましい。

［３］ 第１の本発明において、さらに、前記ＳＣＲ触媒の劣化を検知するＳＣＲ劣化検知手段を有し、前記ＳＣＲ劣化検知手段は、予め設定された開度でのＮＯ濃度とＮＨ_３濃度の比（ＮＯ／ＮＨ_３）と、予め設定された規定値とを比較し、前記比が前記規定値を超えた場合に前記ＳＣＲ触媒が劣化していると判別する。

［４］ 第１の本発明において、前記第１ガスセンサは、少なくとも酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体と、該構造体に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記構造体内に形成され、前記ガス導入口に連通する酸素濃度調整室と、前記構造体内に形成され、前記酸素濃度調整室に連通する測定室とを有するセンサ素子と、前記酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段と、前記センサ素子の温度を制御する温度制御手段と、前記測定室内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段と、を有するガスセンサであって、前記構造体のうち、前記ガス導入口と前記酸素濃度調整室との間に設けられ、前記ガス導入口に連通する予備調整室と、前記予備調整室内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段の駆動及び停止を制御する駆動制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段の駆動時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力との差、及び前記各々のセンサ出力の一方に基づいて、ＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を取得する目的成分取得手段とを有してもよい。

［５］ この場合、前記目的成分取得手段は、第１マップを使用してもよい。第１マップは、予め実験的に測定した、前記予備酸素濃度制御手段の停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力の差とで特定されるポイント毎にそれぞれＮＯ濃度及びＮＨ_３濃度の関係が登録されている。前記目的成分取得手段は、実使用中の前記予備酸素濃度制御手段の停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力の差を、前記第１マップと比較して、ＮＯ及びＮＨ_３の各濃度を求めてもよい。

［６］ あるいは、前記目的成分取得手段は、以下のようにして、ＮＯ濃度を求めてもよい。すなわち、前記目的成分取得手段は、予め実験的に測定した、前記予備酸素濃度制御手段の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力の差とＮＨ_３濃度の関係に基づいて、実使用中の前記予備酸素濃度制御手段の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力の差に対応するＮＨ_３濃度を求める。そして、前記目的成分取得手段は、前記予備酸素濃度制御手段の停止時のセンサ出力から得られるＮＯとＮＨ_３の濃度の全てをＮＯに換算した総ＮＯ濃度から予め前記センサ出力の差より求めた前記ＮＨ_３濃度を差引く演算によってＮＯ濃度を求めてもよい。

［７］ 第１の本発明において、前記燃焼装置と前記尿素水注入インジェクタとの間に設置された酸化触媒（ＤＯＣ触媒と記す）と、前記ＤＯＣ触媒と前記尿素水注入インジェクタとの間に設置され、前記ＤＯＣ触媒から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を検出する第２ガスセンサと、前記ＤＯＣ触媒の劣化を検知する酸化触媒劣化検知手段とを有し、前記酸化触媒劣化検知手段は、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ_２濃度の比（ＮＯ／ＮＯ_２）と、予め設定された第２規定値とを比較し、前記比が前記第２規定値を超えた場合に前記触ＤＯＣ媒が劣化していると判別してもよい。

［８］ この場合、前記第２ガスセンサは、少なくとも酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体と、該構造体に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記構造体内に形成され、前記ガス導入口に連通する酸素濃度調整室と、前記構造体内に形成され、前記酸素濃度調整室に連通する測定室とを有するセンサ素子と、前記酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段と、前記センサ素子の温度を制御する温度制御手段と、前記測定室内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段と、を有するガスセンサであって、前記構造体のうち、前記ガス導入口と前記酸素濃度調整室との間に設けられ、前記ガス導入口に連通する予備調整室と、前記予備調整室内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段の駆動及び停止を制御する駆動制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段の駆動時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力との差、及び前記各々のセンサ出力の一方に基づいて、ＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を取得する目的成分取得手段とを有してもよい。

［９］ さらに、前記目的成分取得手段は、第２マップを使用してもよい。第２マップは、予め実験的に測定した、前記予備酸素濃度制御手段の停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力の差とで特定されるポイント毎にそれぞれＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度の関係が登録されている。前記目的成分取得手段は、実使用中の前記予備酸素濃度制御手段の停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力の差を、前記第２マップと比較して、ＮＯ及びＮＯ_２の各濃度を求めてもよい。

［１０］ あるいは、前記目的成分取得手段は、以下のようにして、ＮＯ濃度を求めてもよい。すなわち、前記目的成分取得手段は、予め実験的に測定した、前記予備酸素濃度制御手段の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力の差とＮＯ_２濃度の関係に基づいて、実使用中の前記予備酸素濃度制御手段の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力の差に対応するＮＯ_２濃度を求める。そして、前記目的成分取得手段は、前記予備酸素濃度制御手段の停止時のセンサ出力から得られるＮＯとＮＯ_２の濃度の全てをＮＯに換算した総ＮＯ濃度から予め前記センサ出力の差より求めた前記ＮＯ_２濃度を差引く演算によってＮＯ濃度を求めてもよい。

［１１］ 第２の本発明に係る排ガス浄化方法は、燃焼装置とＳＣＲ触媒との間に設置された尿素水注入インジェクタと、前記ＳＣＲ触媒の下流側に設置され、前記ＳＣＲ触媒から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を検出する第１ガスセンサと、前記尿素水注入インジェクタの開度を制御する開度制御手段とを有する排ガス浄化システムを使用して排気ガスの浄化を行う排ガス浄化方法において、前記ＮＯ濃度が予め設定された第１閾値になった段階で前記開度を時間の経過と共に開く方向に制御するステップと、前記ＮＨ_３濃度が予め設定された第２閾値になった段階で前記開度を時間の経過と共に閉じる方向に制御するステップとを有することを特徴とする。

［１２］ 第２の本発明において、予め設定された開度でのＮＯ濃度とＮＨ_３濃度の比（ＮＯ／ＮＨ_３）と、予め設定された規定値とを比較し、前記比が前記規定値を超えた場合に前記ＳＣＲ触媒が劣化していると判別するステップを有してもよい。

［１３］ 第２の本発明において、前記排ガス浄化システムは、前記燃焼装置と前記尿素水注入インジェクタとの間に設置されたＤＯＣ触媒と、前記ＤＯＣ触媒と前記尿素水注入インジェクタとの間に設置され、前記ＤＯＣ触媒から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を検出する第２ガスセンサとを有し、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ_２濃度の比（ＮＯ／ＮＯ_２）と、予め設定された第２規定値とを比較し、前記比が前記第２規定値を超えた場合に前記ＤＯＣ触媒が劣化していると判別するステップを有してもよい。

本発明に係る排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法によれば、排気ガスのような未燃成分、酸素の存在下に共存する複数成分（例えばＮＯ、ＮＯ_２、ＮＨ_３）の濃度を長期間にわたり精度よく測定することができるガスセンサを使用するようにしたので、長期間にわたり精度よくＮＯｘ浄化とＮＨ_３排出量の抑制を行うことができる。

図１は、本実施の形態に係る排ガス浄化システムで使用される第１ガスセンサ及び第２ガスセンサの一構造例を示す断面図である。 図２は、第１ガスセンサを模式的に示す構成図である。 図３は、第１ガスセンサにおいて、予備ポンプセルをＯＦＦにした場合の予備調整室内、酸素濃度調整室内及び測定室内の反応を模式的に示す説明図である。 図４は、第１ガスセンサにおいて、予備ポンプセルをＯＮにした場合の予備調整室内、酸素濃度調整室内及び測定室内の反応を模式的に示す説明図である。 図５は、第１ガスセンサで使用される第１マップをグラフ化して示す図である。 図６は、第１ガスセンサで使用される第１マップをテーブルの形式で示す説明図である。 図７は、第１ガスセンサによるＮＯ及びＮＨ_３の測定処理の一例を示すフローチャートである。 図８は、第１ガスセンサを模式的に示す構成図である。 図９は、第２ガスセンサにおいて、予備ポンプセルをＯＦＦにした場合の予備調整室内、酸素濃度調整室内及び測定室内の反応を模式的に示す説明図である。 図１０は、第２ガスセンサにおいて、予備ポンプセルをＯＮにした場合の予備調整室内、酸素濃度調整室内及び測定室内の反応を模式的に示す説明図である。 図１１は、第２ガスセンサで使用される第２マップをグラフ化して示す図である。 図１２は、第２ガスセンサで使用される第２マップをテーブルの形式で示す説明図である。 図１３は、第２ガスセンサによるＮＯ及びＮＯ_２の測定処理の一例を示すフローチャートである。 図１４は、本実施の形態に係る排ガス浄化システムを示す構成図である。 図１５は、尿素水注入量の変化に対するＳＣＲ効率（％）、ＮＨ_３の排出量（ｐｐｍ）及び従来のガスセンサにて測定されたＮＯ濃度（ｐｐｍ）を示すグラフである。 図１６は、尿素水注入量の変化に対するＳＣＲ効率（％）、ＮＨ_３の排出量（ｐｐｍ）及び第１ガスセンサのセンサ出力（ＮＯ出力（μＡ））を示すグラフである。 図１７Ａは、尿素水注入量と第１ガスセンサのセンサ出力との関係を示すグラフであり、図１７Ｂは、ＮＯについてのセンサ出力（ＮＯ出力）と、ＮＨ_３についてのセンサ出力（ＮＨ_３出力）とに分離したグラフを示す。 図１８Ａは、時間の経過に伴うＮＯ出力の変化を示すグラフであり、図１８Ｂは時間の経過に伴うＮＨ_３出力の変化を示すグラフであり、図１８Ｃは、時間の経過に伴う尿素インジェクタ開度の変化を示すグラフである。 図１９は、本実施の形態に係る排ガス浄化システムの処理動作の一例を示すフローチャートである。 図２０は、第１ガスセンサ及び第２ガスセンサの変形例の一構造例を示す断面図である。

以下、本発明に係る排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法の実施の形態例を図１〜図２０を参照しながら説明する。なお、本明細書において、数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。

先ず、本実施の形態に係る排ガス浄化システム２００（図１４参照）に使用される第１ガスセンサ１０Ａ及び第２ガスセンサ１０Ｂについて、図１〜図１３を参照しながら説明する。

第１ガスセンサ１０Ａは、図１及び図２に示すように、第１センサ素子１２Ａを有する。第１センサ素子１２Ａは、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体１４と、該構造体１４に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口１６と、構造体１４内に形成され、ガス導入口１６に連通する酸素濃度調整室１８と、構造体１４内に形成され、酸素濃度調整室１８に連通する測定室２０とを有する。

酸素濃度調整室１８は、ガス導入口１６に連通する主調整室１８ａと、主調整室１８ａに連通する副調整室１８ｂとを有する。測定室２０は副調整室１８ｂに連通している。

さらに、この第１ガスセンサ１０Ａは、構造体１４のうち、ガス導入口１６と主調整室１８ａとの間に設けられ、ガス導入口１６に連通する予備調整室２１を有する。

具体的には、第１センサ素子１２Ａの構造体１４は、第１基板層２２ａと、第２基板層２２ｂと、第３基板層２２ｃと、第１固体電解質層２４と、スペーサ層２６と、第２固体電解質層２８との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層されて構成されている。各層は、それぞれジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層にて構成されている。

センサ素子１２の先端部側であって、第２固体電解質層２８の下面と第１固体電解質層２４の上面との間には、ガス導入口１６と、第１拡散律速部３０と、予備調整室２１と、第２拡散律速部３２と、酸素濃度調整室１８と、第３拡散律速部３４と、測定室２０とが備わっている。また、酸素濃度調整室１８を構成する主調整室１８ａと、副調整室１８ｂとの間に第４拡散律速部３６が備わっている。

これらガス導入口１６と、第１拡散律速部３０と、予備調整室２１と、第２拡散律速部３２と、主調整室１８ａと、第４拡散律速部３６と、副調整室１８ｂ、第３拡散律速部３４と、測定室２０とは、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。ガス導入口１６から測定室２０に至る部位を、ガス流通部とも称する。

ガス導入口１６と、予備調整室２１と、主調整室１８ａと、副調整室１８ｂと、測定室２０は、スペーサ層２６をくり抜いた態様にて設けられた内部空間である。予備調整室２１と、主調整室１８ａと、副調整室１８ｂと、測定室２０とはいずれも、各上部が第２固体電解質層２８の下面で、各下部が第１固体電解質層２４の上面で、各側部がスペーサ層２６の側面で区画されている。

第１拡散律速部３０、第３拡散律速部３４及び第４拡散律速部３６は、いずれも２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられている。第２拡散律速部３２は、１本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられている。

また、第３基板層２２ｃの上面と、スペーサ層２６の下面との間であって、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、基準ガス導入空間３８が設けられてなる。基準ガス導入空間３８は、上部をスペーサ層２６の下面で、下部を第３基板層２２ｃの上面で、側部を第１固体電解質層２４の側面で区画された内部空間である。基準ガス導入空間３８には、基準ガスとして、例えば酸素や大気が導入される。

ガス導入口１６は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１６を通じて外部空間からセンサ素子１２内に被測定ガスが取り込まれる。

第１拡散律速部３０は、ガス導入口１６から予備調整室２１に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。予備調整室２１については後述する。

第２拡散律速部３２は、予備調整室２１から主調整室１８ａに導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

主調整室１８ａは、ガス導入口１６から導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられる。酸素分圧は、主ポンプセル４０が作動することによって調整される。

主ポンプセル４０は、主内側ポンプ電極４２と、外側ポンプ電極４４と、これらの電極に挟まれた酸素イオン伝導性の固体電解質とを含んで構成される電気化学的ポンプセル（主電気化学的ポンピングセル）である。主内側ポンプ電極４２は、主調整室１８ａを区画する第１固体電解質層２４の上面、第２固体電解質層２８の下面、及び、スペーサ層２６の側面のそれぞれのほぼ全面に設けられている。外側ポンプ電極４４は、第２固体電解質層２８の上面の主内側ポンプ電極４２と対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられている。主内側ポンプ電極４２と外側ポンプ電極４４は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料で構成される。例えば平面視矩形状の多孔質サーメット電極（例えば、０．１ｗｔ％〜３０．０ｗｔ％のＡｕを含むＰｔ等の貴金属とＺｒＯ_２とのサーメット電極）として形成される。

主ポンプセル４０は、センサ素子１２の外部に備わる第１可変電源４６により第１ポンプ電圧Ｖｐ１を印加して、外側ポンプ電極４４と主内側ポンプ電極４２との間に第１ポンプ電流Ｉｐ１を流すことにより、主調整室１８ａ内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を主調整室１８ａ内に汲み入れることが可能となっている。

また、第１センサ素子１２Ａは、電気化学的センサセルである第１酸素分圧検出センサセル５０を有する。この第１酸素分圧検出センサセル５０は、主内側ポンプ電極４２と、第３基板層２２ｃの上面と第１固体電解質層２４とに挟まれる基準電極４８と、これらの電極に挟まれた酸素イオン伝導性固体電解質とによって構成されている。基準電極４８は、外側ポンプ電極４４等と同様の多孔質サーメットからなる平面視ほぼ矩形状の電極である。また、基準電極４８の周囲には、多孔質アルミナからなり、且つ、基準ガス導入空間３８につながる基準ガス導入層５２が設けられている。すなわち、基準電極４８の表面に基準ガス導入空間３８の基準ガスが基準ガス導入層５２を介して導入されるようになっている。第１酸素分圧検出センサセル５０は、主調整室１８ａ内の雰囲気と基準ガス導入空間３８の基準ガスとの間の酸素濃度差に起因して主内側ポンプ電極４２と基準電極４８との間に第１起電力Ｖ１が発生する。

第１酸素分圧検出センサセル５０において生じる第１起電力Ｖ１は、主調整室１８ａに存在する雰囲気の酸素分圧に応じて変化する。第１センサ素子１２Ａは、上記第１起電力Ｖ１によって、主ポンプセル４０の第１可変電源４６をフィードバック制御する。これにより、第１可変電源４６が主ポンプセル４０に印加する第１ポンプ電圧Ｖｐ１を、主調整室１８ａの雰囲気の酸素分圧に応じて制御することができる。

第４拡散律速部３６は、主調整室１８ａでの主ポンプセル４０の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを副調整室１８ｂに導く部位である。

副調整室１８ｂは、予め主調整室１８ａにおいて酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部３６を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５４による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、副調整室１８ｂ内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、この第１ガスセンサ１０Ａは、精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

補助ポンプセル５４は、電気化学的ポンプセルであり、副調整室１８ｂに面する第２固体電解質層２８の下面の略全体に設けられた補助ポンプ電極５６と、外側ポンプ電極４４と、第２固体電解質層２８とによって構成される。

なお、補助ポンプ電極５６についても、主内側ポンプ電極４２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

補助ポンプセル５４は、補助ポンプ電極５６と外側ポンプ電極４４との間に所望の第２電圧Ｖｐ２を印加することにより、副調整室１８ｂ内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から副調整室１８ｂ内に汲み入れることが可能となっている。

また、副調整室１８ｂ内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５６と、基準電極４８と、第２固体電解質層２８と、スペーサ層２６と、第１固体電解質層２４とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用の第２酸素分圧検出センサセル５８が構成されている。

なお、この第２酸素分圧検出センサセル５８にて検出される第２起電力Ｖ２に基づいて電圧制御される第２可変電源６０にて、補助ポンプセル５４がポンピングを行う。これにより、副調整室１８ｂ内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これと共に、補助ポンプセル５４の第２ポンプ電流Ｉｐ２が、第２酸素分圧検出センサセル５８の起電力Ｖ１の制御に用いられるようになっている。具体的には、第２ポンプ電流Ｉｐ２は、制御信号として第２酸素分圧検出センサセル５８に入力され、その第２起電力Ｖ２が制御されることにより、第４拡散律速部３６を通じて副調整室１８ｂ内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。第１ガスセンサ１０ＡをＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル４０と補助ポンプセル５４との働きによって、副調整室１８ｂ内での酸素濃度は各条件の所定の値に精度良く保たれる。

第３拡散律速部３４は、副調整室１８ｂで補助ポンプセル５４の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを測定室２０に導く部位である。

ＮＯｘ濃度の測定は、主として、測定室２０内に設けられた測定用ポンプセル６１の動作により行われる。測定用ポンプセル６１は、測定電極６２と、外側ポンプ電極４４と、第２固体電解質層２８と、スペーサ層２６と、第１固体電解質層２４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極６２は、測定室２０内の例えば第１固体電解質層２４の上面に直に設けられ、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を、主内側ポンプ電極４２よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。測定電極６２は、測定電極６２上の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。

測定用ポンプセル６１は、測定電極６２の周囲（測定室２０内）の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量を測定ポンプ電流Ｉｐ３、すなわち、センサ出力として検出することができる。

また、測定電極６２の周囲（測定室２０内）の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層２４と、測定電極６２と、基準電極４８とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用の第３酸素分圧検出センサセル６６が構成されている。第３酸素分圧検出センサセル６６にて検出された第３起電力Ｖ３に基づいて第３可変電源６８が制御される。

副調整室１８ｂ内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第３拡散律速部３４を通じて測定室２０内の測定電極６２に到達する。測定電極６２の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル６１によってポンピングされる。その際、第３酸素分圧検出センサセル６６にて検出された第３起電力Ｖ３が一定となるように第３可変電源６８の第３電圧Ｖｐ３が制御される。測定電極６２の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例する。従って、測定用ポンプセル６１の測定ポンプ電流Ｉｐ３を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度を算出することができる。すなわち、測定用ポンプセル６１は、測定室２０内の特定成分（ＮＯ）の濃度を測定する特定成分測定手段を構成する。

また、この第１ガスセンサ１０Ａは、電気化学的なセンサセル７０を有する。このセンサセル７０は、第２固体電解質層２８と、スペーサ層２６と、第１固体電解質層２４と、第３基板層２２ｃと、外側ポンプ電極４４と、基準電極４８とを有する。このセンサセル７０によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

さらに、第１センサ素子１２Ａにおいては、第２基板層２２ｂと第３基板層２２ｃとに上下から挟まれた態様にて、ヒータ７２が形成されている。ヒータ７２は、第１基板層２２ａの下面に設けられた図示しないヒータ電極を通して外部から給電されることにより発熱する。ヒータ７２が発熱することによって、第１センサ素子１２Ａを構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。ヒータ７２は、予備調整室２１と酸素濃度調整室１８の全域に渡って埋設されており、センサ素子１２の所定の場所を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。なお、ヒータ７２の上下面には、第２基板層２２ｂ及び第３基板層２２ｃとの電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層７４が形成されている（以下、ヒータ７２、ヒータ電極、ヒータ絶縁層７４をまとめてヒータ部とも称する）。

そして、予備調整室２１は、後述する駆動制御手段１０８（図２参照）によって駆動し、駆動中は、ガス導入口１６から導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として機能する。酸素分圧は、予備ポンプセル８０が作動することによって調整される。

予備ポンプセル８０は、予備調整室２１に面する第２固体電解質層２８の下面の略全体に設けられた予備ポンプ電極８２と、外側ポンプ電極４４と、第２固体電解質層２８とによって構成される、予備的な電気化学的ポンプセルである。

なお、予備ポンプ電極８２についても、主内側ポンプ電極４２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

予備ポンプセル８０は、予備ポンプ電極８２と外側ポンプ電極４４との間に所望の予備電圧Ｖｐ０を印加することにより、予備調整室２１内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から予備調整室２１内に汲み入れることが可能となっている。

また、この第１ガスセンサ１０Ａは、予備調整室２１内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、予備ポンプ制御用の予備酸素分圧検出センサセル８４を有する。このセンサセル８４は、予備ポンプ電極８２と、基準電極４８と、第２固体電解質層２８と、スペーサ層２６と、第１固体電解質層２４とを有する。

なお、この予備酸素分圧検出センサセル８４にて検出される予備起電力Ｖ０に基づいて電圧制御される予備可変電源８６にて、予備ポンプセル８０がポンピングを行う。これにより、予備調整室２１内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これと共に、その予備ポンプ電流Ｉｐ０が、予備酸素分圧検出センサセル８４の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、予備ポンプ電流Ｉｐ０は、制御信号として予備酸素分圧検出センサセル８４に入力され、その予備起電力Ｖ０が制御されることにより、第１拡散律速部３０から予備調整室２１内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。

なお、予備調整室２１は、緩衝空間としても機能する。すなわち、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によって生じる被測定ガスの濃度変動を、打ち消すことが可能である。

さらに、第１ガスセンサ１０Ａは、図２に模式的に示すように、酸素濃度調整室１８内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段１００と、第１センサ素子１２Ａの温度を制御する温度制御手段１０２と、測定室２０内の特定成分（ＮＯ）の濃度を測定する特定成分測定手段１０４と、予備酸素濃度制御手段１０６と、駆動制御手段１０８と、目的成分取得手段１１０とを有する。

なお、酸素濃度制御手段１００、温度制御手段１０２、特定成分測定手段１０４、予備酸素濃度制御手段１０６、駆動制御手段１０８及び目的成分取得手段１１０は、例えば１つ又は複数のＣＰＵ（中央処理ユニット）と記憶装置等を有する１以上の電子回路にて構成される。電子回路は、例えば記憶装置に記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することにより、所定の機能が実現されるソフトウェア機能部でもある。もちろん、複数の電子回路を機能に合わせて接続したＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路で構成してもよい。

従来は、ＮＯ、ＮＨ_３の目的成分に対して、酸素濃度調整室１８内で全てをＮＯに変換した後、測定室２０に導入し、これら２成分の総量を測定していた。つまり、２つの目的成分毎の濃度、すなわち、ＮＯ及びＮＨ_３の各濃度を測定することができなかった。

これに対して、第１ガスセンサ１０Ａは、上述した酸素濃度調整室１８、酸素濃度制御手段１００及び温度制御手段１０２及び特定成分測定手段１０４に加えて、予備調整室２１、予備酸素濃度制御手段１０６、駆動制御手段１０８及び目的成分取得手段１１０を具備することで、ＮＯ及びＮＨ_３の各濃度を取得することができるようにしたものである。

酸素濃度制御手段１００は、予め設定された酸素濃度の条件と、第１酸素分圧検出センサセル５０（図１参照）において生じる第１起電力Ｖ１とに基づいて、第１可変電源４６をフィードバック制御することにより、酸素濃度調整室１８内の酸素濃度を、上記条件に従った濃度に調整する。

温度制御手段１０２は、予め設定されたセンサ温度の条件と、センサ素子１２の温度を計測する温度センサ（図示せず）からの計測値とに基づいて、ヒータ７２をフィードバック制御することにより、センサ素子１２の温度を、上記条件に従った温度に調整する。

第１ガスセンサ１０Ａは、これら酸素濃度制御手段１００又は温度制御手段１０２、あるいは酸素濃度制御手段１００及び温度制御手段１０２によって、酸素濃度調整室１８内のＮＯを分解させることなく、ＮＨ_３を全てＮＯに変換するように制御する。

予備酸素濃度制御手段１０６は、予め設定された酸素濃度の条件と、予備酸素分圧検出センサセル８４（図１参照）において生じる予備起電力Ｖ０とに基づいて、予備可変電源８６をフィードバック制御することにより、予備調整室２１内の酸素濃度を、条件に従った濃度に調整する。

この予備酸素濃度制御手段１０６によって、予備調整室２１内のＮＯを分解させることなく、ＮＨ_３が全てＮＯに変換される。

駆動制御手段１０８は、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動及び停止を制御する。これによって、予備ポンプセル８０がＯＮ／ＯＦＦ制御される。予備酸素濃度制御手段１０６の駆動中は、予備ポンプセル８０がＯＮとなることから、上述したように、予備調整室２１内のＮＨ_３は全てＮＯに変換され、第２拡散律速部３２を介して酸素濃度調整室１８に流入する。予備酸素濃度制御手段１０６の停止中は、予備ポンプセル８０がＯＦＦになることから、予備調整室２１内のＮＨ_３はＮＯに変換されることなく、第２拡散律速部３２を介して酸素濃度調整室１８に流入する。

目的成分取得手段１１０は、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力と、予備酸素濃度制御手段１０６の停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力との差に基づいて、ＮＯ及びＮＨ_３の各濃度を取得する。

ここで、第１ガスセンサ１０Ａの処理動作について、図３及び図４も参照しながら説明する。

先ず、駆動制御手段１０８によって予備酸素濃度制御手段１０６が停止している期間では、図３に示すように、ガス導入口１６を通じて導入したＮＨ_３は、酸素濃度調整室１８まで到達する。酸素濃度調整室１８では、酸素濃度制御手段１００によって、ＮＨ_３を全てＮＯに変換するように制御されていることから、予備調整室２１から酸素濃度調整室１８に流入したＮＨ_３は酸素濃度調整室１８内でＮＨ_３→ＮＯの酸化反応が起こり、酸素濃度調整室１８内の全てのＮＨ_３がＮＯに変換される。従って、ガス導入口１６を通じて導入されたＮＨ_３は、第１拡散律速部３０及び第２拡散律速部３２をＮＨ_３の拡散係数２．２ｃｍ^２／ｓｅｃの速度で通過し、酸素濃度調整室１８内でＮＯに変換された後は、第３拡散律速部３４をＮＯの拡散係数１．８ｃｍ^２／ｓｅｃの速度で通過して、隣接する測定室２０内に移動する。

一方、駆動制御手段１０８によって予備酸素濃度制御手段１０６が駆動している期間では、図４に示すように、予備調整室２１内でＮＨ_３→ＮＯの酸化反応が起こり、ガス導入口１６を通じて導入された全てのＮＨ_３がＮＯに変換される。従って、ＮＨ_３は第１拡散律速部３０をＮＨ_３の拡散係数２．２ｃｍ^２／ｓｅｃで通過するが、予備調整室２１より奥にある第２拡散律速部３２以降はＮＯの拡散係数１．８ｃｍ^２／ｓｅｃの速度で測定室２０に移動する。

すなわち、予備酸素濃度制御手段１０６が停止状態から駆動状態に切り替わることで、ＮＨ_３の酸化反応が起こる場所が酸素濃度調整室１８から予備調整室２１に移動する。

ＮＨ_３の酸化反応が起こる場所が酸素濃度調整室１８から予備調整室２１に移動することは、被測定ガス中のＮＨ_３が第２拡散律速部３２を通過する際の状態がＮＨ_３からＮＯに変わることに等しい。そして、ＮＯ、ＮＨ_３は各々異なる拡散係数を持つため、第２拡散律速部３２をＮＯで通過するか、ＮＨ_３で通過するかの違いは、測定室２０に流れ込むＮＯ量の違いに相当するため、測定用ポンプセル６１に流れる測定ポンプ電流Ｉｐ３を変化させる。

この場合、予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎと、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆの変化量ΔＩｐ３は、被測定ガス中のＮＨ_３の濃度によって一義的に決まる。そのため、予備ポンプセル８０のＯＮ時又はＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎ又はＩｐ３ｏｆｆと、上述した測定ポンプ電流Ｉｐ３の変化量ΔＩｐ３とからＮＯとＮＨ_３の各濃度を算出することができる。

従って、目的成分取得手段１１０では、予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎと、該測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎと予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆとの変化量ΔＩｐ３と、第１マップ１１２Ａ（図２参照）とに基づいてＮＯ及びＮＨ_３の各濃度を取得する。

第１マップ１１２Ａは、グラフ化して示すと、図５に示すように、横軸に、被測定ガス中のＮＨ_３濃度（ｐｐｍ）が設定され、縦軸に、予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎと予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆとの差、すなわち、変化量ΔＩｐ３が設定されたグラフとなる。図５では、代表的に、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時における測定ポンプ電流値のＮＯ濃度換算値が例えば１００ｐｐｍ系、５０ｐｐｍ系、２５ｐｐｍ系、０ｐｐｍ系であるポイントをプロットしたグラフを示す。分かり易くテーブルの形式で示すと、図６に示すような内容となる。これらの濃度は、実験あるいはシミュレーションにて求めている。

図６からわかるように、第１マップ１１２Ａを使用することで、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆ（すなわち、従来の直列２室型ＮＯｘセンサと同様の測定ポンプ電流値）に基づいて、１００ｐｐｍ系、５０ｐｐｍ系、２５ｐｐｍ系、０ｐｐｍ系のいずれかを割り出し、変化量ΔＩｐ３に基づいてＮＯとＮＨ_３の各濃度を同定する。

すなわち、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと、変化量ΔＩｐ３とから第１マップ１１２Ａ上のポイントを特定することで、ＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を同定することができる。例えば従来の直列２室型ＮＯｘセンサと同様の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆが２．１３７μＡであった場合、上記直列２室型ＮＯｘセンサでは、ＮＯとＮＨ_３の合計濃度が概ね１００ｐｐｍであることしかわからなかった。しかし、第１ガスセンサ１０Ａにおいては、変化量ΔＩｐ３を組み合わせることで、ポイントｐ１では、ＮＯ濃度が１００ｐｐｍ、ＮＨ_３濃度が０ｐｐｍ、ポイントｐ２では、ＮＯ濃度が８０ｐｐｍ、ＮＨ_３濃度が１７．６ｐｐｍ、ポイントｐ３では、ＮＯ濃度が６０ｐｐｍ、ＮＨ_３濃度が３５．２ｐｐｍのようにＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を個別に特定することができる。第１マップ１１２Ａ上に該当するポイントが存在しない場合は、最も近いポイントを特定し、例えば既知の近似計算にてＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を求めればよい。

また、以下の手法にてＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を求めてもよい。すなわち、上述した図５に示すように、予め実験あるいはシミュレーションにて、変化量ΔＩｐ３とＮＨ_３濃度との関係を求めておき、予備ポンプセル８０のＯＮ時とＯＦＦ時の変化量ΔＩｐ３からＮＨ_３濃度を求める。そして、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時におけるセンサ出力から得られるＮＯ濃度、すなわち、ＮＯとＮＨ_３の濃度の全てをＮＯに換算した総ＮＯ濃度から、上述して求めたＮＨ_３濃度を差し引いてＮＯ濃度を求めてもよい。

ここで、第１ガスセンサ１０ＡによるＮＯ及びＮＨ_３の測定処理について図７のフローチャートを参照しながら説明する。

先ず、図７のステップＳ１において、第１ガスセンサ１０Ａは、ガス導入口１６を通じて予備調整室２１内にＮＯ及びＮＨ_３が混在する被測定ガスを導入する。

ステップＳ２において、駆動制御手段１０８は、予備酸素濃度制御手段１０６を駆動する。これにより、予備ポンプセル８０がＯＮとなる。

ステップＳ３において、特定成分測定手段１０４は、予備ポンプセル８０のＯＮ時におけるＮＯ濃度を測定する。すなわち、測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎを得る。この測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎは目的成分取得手段１１０に入力される。

ステップＳ４において、駆動制御手段１０８は、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動を停止する。これにより、予備ポンプセル８０がＯＦＦとなる。

ステップＳ５において、特定成分測定手段１０４は、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時におけるＮＯ濃度を測定する。すなわち、測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆを得る。この測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆは目的成分取得手段１１０に入力される。

ステップＳ６において、目的成分取得手段１１０は、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと、該測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎとの変化量ΔＩｐ３と、第１マップ１１２Ａとに基づいてＮＯ濃度及びＮＨ_３濃度を取得する。

すなわち、目的成分取得手段１１０は、測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと、変化量ΔＩｐ３とから第１マップ１１２Ａ上のポイントを特定する。そして、第１マップ１１２Ａから、特定したポイントに対応するＮＯ濃度及びＮＨ_３濃度を読み出して、今回、測定したＮＯ濃度及びＮＨ_３濃度とする。第１マップ１１２Ａ上に該当するポイントが存在しない場合は、上述したように、最も近いポイントを特定し、例えば既知の近似計算にてＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を求める。

あるいは、図５に示す変化量ΔＩｐ３とＮＨ_３濃度との関係に基づいて、予備ポンプセル８０のＯＮ時とＯＦＦ時の変化量ΔＩｐ３からＮＨ_３濃度を求める。そして、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時におけるセンサ出力から得られるＮＯ濃度、すなわち、ＮＯとＮＨ_３の濃度の全てをＮＯに換算した総ＮＯ濃度から、上述して求めたＮＨ_３濃度を差し引いてＮＯ濃度を求めてもよい。

ステップＳ７において、第１ガスセンサ１０Ａは、ＮＯ及びＮＨ_３の測定処理の終了要求（電源断、メンテナンス等）があるか否かを判別する。終了要求がなければ、ステップＳ１以降の処理を繰り返す。そして、ステップＳ７において、終了要求があった段階で、第１ガスセンサ１０ＡでのＮＯ及びＮＨ_３の測定処理を終了する。

このように、第１ガスセンサ１０Ａは、予め実験的に測定した、予備酸素濃度制御手段１０６の停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力（Ｉｐ３ｏｆｆ）と、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動時と停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力の差（ΔＩｐ３）とで特定されるポイント毎にそれぞれＮＯ濃度及びＮＨ_３濃度の関係が登録された第１マップ１１２Ａを使用するようにしている。あるいは、図５に示すように、予め実験的に求めた変化量ΔＩｐ３とＮＨ_３濃度との関係を使用するようにしている。もちろん、第１マップ１１２Ａで兼用してもよい。

そして、実使用中の予備酸素濃度制御手段１０６の停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力（Ｉｐ３ｏｆｆ）と、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動時と停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力の差（ΔＩｐ３）を、第１マップ１１２Ａと比較して、ＮＯ及びＮＨ_３の各濃度を求めるようにしている。

これにより、排気ガスのような未燃成分、酸素の存在下に共存する複数目的成分（例えばＮＯ、ＮＨ_３）の雰囲気下においても、複数目的成分の各濃度を長期間にわたり精度よく測定することができる。

しかも、第１ガスセンサ１０Ａは、従来では実現できなかったＮＯとＮＨ_３の各濃度を測定する処理を、ハードウェアとしての各種測定装置等を別途付加することなく、第１ガスセンサ１０Ａの制御系のソフトウェアを変更するだけで、容易に実現することができる。その結果、ＮＯｘ浄化システムの制御並びに故障検知に対する精度を高めることができる。特に、ＳＣＲシステム下流の排気ガス中のＮＯ及びＮＨ_３とを区別することが可能となり、ＳＣＲシステムの尿素注入量の精密制御、及び劣化検知に寄与する。

次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ（以下、第２ガスセンサ１０Ｂと記す）について図８〜図１３を参照しながら説明する。

この第２ガスセンサ１０Ｂは、図８に示すように、上述した第１ガスセンサ１０Ａの第１センサ素子１２Ａと同様の構成を有する第２センサ素子１２Ｂを具備するが、第２目的成分がＮＯ_２である点で異なる。

従って、第２ガスセンサ１０Ｂは、これら酸素濃度制御手段１００又は温度制御手段１０２、あるいは酸素濃度制御手段１００及び温度制御手段１０２によって、酸素濃度調整室１８内のＮＯを分解させることなく、ＮＯ_２を全てＮＯに変換するように制御する。

予備酸素濃度制御手段１０６は、予め設定された酸素濃度の条件と、予備酸素分圧検出センサセル８４（図１参照）において生じる予備起電力Ｖ０とに基づいて、予備可変電源８６をフィードバック制御することにより、予備調整室２１内の酸素濃度を、条件に従った濃度に調整する。

この予備酸素濃度制御手段１０６によって、予備調整室２１内のＮＯを分解させることなく、ＮＯ_２が全てＮＯに変換される。

駆動制御手段１０８は、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動及び停止を制御する。これによって、予備ポンプセル８０がＯＮ／ＯＦＦ制御される。予備酸素濃度制御手段１０６の駆動中は、予備ポンプセル８０がＯＮとなることから、上述したように、予備調整室２１内のＮＯ_２は全てＮＯに変換され、第２拡散律速部３２を介して酸素濃度調整室１８に流入する。予備酸素濃度制御手段１０６の停止中は、予備ポンプセル８０がＯＦＦになることから、予備調整室２１内のＮＯ_２はＮＯに変換されることなく、第２拡散律速部３２を介して酸素濃度調整室１８に流入する。

目的成分取得手段１１０は、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力と、予備酸素濃度制御手段１０６の停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力との差に基づいて、ＮＯ及びＮＯ_２の各濃度を取得する。

ここで、第２ガスセンサ１０Ｂの処理動作について、図９及び図１０も参照しながら説明する。

先ず、駆動制御手段１０８によって予備酸素濃度制御手段１０６が停止している期間では、図９に示すように、ガス導入口１６を通じて導入したＮＯ_２は、酸素濃度調整室１８まで到達する。酸素濃度調整室１８では、酸素濃度制御手段１００によって、ＮＯ_２を全てＮＯに変換するように制御されていることから、予備調整室２１から酸素濃度調整室１８に流入したＮＯ_２は酸素濃度調整室１８内でＮＯ_２→ＮＯの分解反応が起こり、酸素濃度調整室１８内の全てのＮＯ_２がＮＯに変換される。

一方、駆動制御手段１０８によって予備酸素濃度制御手段１０６が駆動している期間では、図１０に示すように、予備調整室２１内でＮＯ_２→ＮＯの分解反応が起こり、ガス導入口１６を通じて導入された全てのＮＯ_２がＮＯに変換される。

すなわち、予備酸素濃度制御手段１０６が停止状態から駆動状態に切り替わることで、ＮＯ_２の分解反応が起こる場所が酸素濃度調整室１８から予備調整室２１に移動することとなる。

ＮＯ_２の分解反応が起こる場所が酸素濃度調整室１８から予備調整室２１に移動することは、被測定ガス中のＮＯ_２が第２拡散律速部３２を通過する際の状態がＮＯ_２からＮＯに変わることに等しい。そして、ＮＯ、ＮＯ_２は各々異なる拡散係数を持つため、第２拡散律速部３２をＮＯで通過するか、ＮＯ_２で通過するかの違いは、測定室２０に流れ込むＮＯ量の違いに相当するため、測定用ポンプセル６１に流れる測定ポンプ電流Ｉｐ３を変化させる。

この場合、予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎと、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆの変化量ΔＩｐ３は、被測定ガス中のＮＯ_２の濃度によって一義的に決まる。そのため、予備ポンプセル８０のＯＮ時又はＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎ又はＩｐ３ｏｆｆと、上述した測定ポンプ電流Ｉｐ３の変化量ΔＩｐ３とからＮＯとＮＯ_２の各濃度を算出することができる。

従って、目的成分取得手段１１０では、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと、該測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎとの変化量ΔＩｐ３と、第２マップ１１２Ｂ（図８参照）とに基づいてＮＯ及びＮＯ_２の各濃度を取得する。

第２マップ１１２Ｂは、グラフ化して示すと、図１１に示すように、横軸に、被測定ガス中のＮＯ_２濃度（ｐｐｍ）が設定され、縦軸に、予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎと予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆとの差、すなわち、変化量ΔＩｐ３が設定されたグラフとなる。図１１では、代表的に、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時における測定ポンプ電流値のＮＯ濃度換算値が例えば５００ｐｐｍ系、２５０ｐｐｍ系、１００ｐｐｍ系であるポイントをプロットしたグラフを示す。分かり易くテーブルの形式で示すと、図１２に示すような内容となる。これらの濃度は、実験あるいはシミュレーションにて求めている。

図１２からわかるように、第２マップ１１２Ｂを使用することで、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆ（すなわち、従来の直列２室型ＮＯｘセンサと同様の測定ポンプ電流値）に基づいて、５００ｐｐｍ系、２５０ｐｐｍ系、１００ｐｐｍ系のいずれかを割り出し、変化量ΔＩｐ３に基づいてＮＯとＮＯ_２の各濃度を同定する。

すなわち、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと、変化量ΔＩｐ３とから第２マップ１１２Ｂ上のポイントを特定することで、ＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を同定することができる。例えば従来の直列２室型ＮＯｘセンサと同様の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆが１０．６７μＡであった場合、上記直列２室型ＮＯｘセンサでは、ＮＯとＮＯ_２の合計濃度が概ね５００ｐｐｍであることしかわからなかったが、第２ガスセンサ１０Ｂにおいては、変化量ΔＩｐ３を組み合わせることでポイントｐ１０１では、ＮＯ濃度が５００ｐｐｍ、ＮＯ_２濃度が０ｐｐｍ、ポイントｐ１０２では、ＮＯ濃度が４００ｐｐｍ、ＮＯ_２濃度が１１６ｐｐｍ、ポイントｐ１０３では、ＮＯ濃度が３００ｐｐｍ、ＮＯ_２濃度が２３３ｐｐｍのようにＮＯとＮＯ_２濃度を個別に特定することができる。第２マップ１１２Ｂ上に該当するポイントが存在しない場合は、最も近いポイントを特定し、例えば既知の近似計算にてＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を求めればよい。

また、以下の手法にてＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を求めてもよい。すなわち、上述した図１１に示すように、予め実験あるいはシミュレーションにて、変化量ΔＩｐ３とＮＯ_２濃度との関係を求めておき、予備ポンプセル８０のＯＮ時とＯＦＦ時の変化量ΔＩｐ３からＮＯ_２濃度を求める。そして、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時におけるセンサ出力から得られるＮＯ濃度、すなわち、ＮＯとＮＯ_２の濃度の全てをＮＯに換算した総ＮＯ濃度から、上述して求めたＮＯ_２濃度を差し引いてＮＯ濃度を求めてもよい。

ここで、第２ガスセンサ１０ＢによるＮＯ及びＮＯ_２の測定処理について図１３のフローチャートを参照しながら説明する。

先ず、図１３のステップＳ１０１において、第２ガスセンサ１０Ｂは、ガス導入口１６を通じて予備調整室２１内にＮＯ及びＮＯ_２が混在する被測定ガスを導入する。

ステップＳ１０２において、駆動制御手段１０８は、予備酸素濃度制御手段１０６を駆動する。これにより、予備ポンプセル８０がＯＮとなる。

ステップＳ１０３において、特定成分測定手段１０４は、予備ポンプセル８０のＯＮ時におけるＮＯ濃度を測定する。すなわち、測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎを得る。この測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎは目的成分取得手段１１０に入力される。

ステップＳ１０４において、駆動制御手段１０８は、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動を停止する。これにより、予備ポンプセル８０がＯＦＦとなる。

ステップＳ１０５において、特定成分測定手段１０４は、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時におけるＮＯ濃度を測定する。すなわち、測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆを得る。この測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆは目的成分取得手段１１０に入力される。

ステップＳ１０６において、目的成分取得手段１１０は、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと、該測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎとの変化量ΔＩｐ３と、第２マップ１１２Ｂとに基づいてＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度を取得する。

すなわち、目的成分取得手段１１０は、測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆと、変化量ΔＩｐ３とから第２マップ１１２Ｂ上のポイントを特定する。そして、第２マップ１１２Ｂから、特定したポイントに対応するＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度を読み出して、今回、測定したＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度とする。第２マップ１１２Ｂ上に該当するポイントが存在しない場合は、上述したように、最も近いポイントを特定し、例えば既知の近似計算にてＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を求める。

あるいは、図１１に示す変化量ΔＩｐ３とＮＯ_２濃度との関係に基づいて、予備ポンプセル８０のＯＮ時とＯＦＦ時の変化量ΔＩｐ３からＮＯ_２濃度を求める。そして、予備ポンプセル８０のＯＦＦ時におけるセンサ出力から得られるＮＯ濃度、すなわち、ＮＯとＮＯ_２の濃度の全てをＮＯに換算した総ＮＯ濃度から、上述して求めたＮＯ_２濃度を差し引いてＮＯ濃度を求めてもよい。

ステップＳ１０７において、第２ガスセンサ１０Ｂは、ＮＯ及びＮＯ_２の測定処理の終了要求（電源断、メンテナンス等）があるか否かを判別する。終了要求がなければ、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返す。そして、ステップＳ１０７において、終了要求があった段階で、第２ガスセンサ１０ＢでのＮＯ及びＮＯ_２の測定処理を終了する。

このように、第２ガスセンサ１０Ｂは、予め実験的に測定した、予備酸素濃度制御手段１０６の停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力（Ｉｐ３ｏｆｆ）と、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動時と停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力の差（ΔＩｐ３）とで特定されるポイント毎にそれぞれＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度の関係が登録された第２マップ１１２Ｂを使用するようにしている。あるいは、図１１に示すように、予め実験的に求めた変化量ΔＩｐ３とＮＯ_２濃度との関係を使用するようにしている。もちろん、第２マップ１１２Ｂで兼用してもよい。

そして、実使用中の予備酸素濃度制御手段１０６の停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力（Ｉｐ３ｏｆｆ）と、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動時と停止時における特定成分測定手段１０４からのセンサ出力の差（ΔＩｐ３）を、第２マップ１１２Ｂと比較して、ＮＯ及びＮＯ_２の各濃度を求めるようにしている。

これにより、排気ガスのような未燃成分、酸素の存在下に共存する複数目的成分（例えばＮＯ、ＮＯ_２）の雰囲気下においても、複数目的成分の各濃度を長期間にわたり精度よく測定することができる。

しかも、第２ガスセンサ１０Ｂは、従来では実現できなかったＮＯとＮＯ_２の各濃度を測定する処理を、ハードウェアとしての各種測定装置等を別途付加することなく、第２ガスセンサ１０Ｂの制御系のソフトウェアを変更するだけで、容易に実現することができる。その結果、ＮＯｘ浄化システムの制御並びに故障検知に対する精度を高めることができる。特に、ＤＯＣ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）触媒下流の排気ガス中のＮＯとＮＯ_２とを区別することが可能となり、ＤＯＣ触媒の劣化検知に寄与する。

本発明の要旨は、下記（ａ）〜（ｃ）であり、ＮＨ_３やＮＯ_２がＮＯに変化する反応はセンサ出力の変動が得られる範囲から任意に選ぶことができる。
（ａ） ＮＨ_３やＮＯ_２がＮＯに変化する反応を、所定の拡散抵抗を持った拡散律速部の前後で意図的に発生させる。
（ｂ） （ａ）によって、ＮＯとＮＨ_３又はＮＯとＮＯ_２の拡散係数の違いによって生ずるセンサ出力の変動からＮＨ_３もしくはＮＯ_２の濃度を求める。
（ｃ） さらに、センサ出力自身によって得られるＮＯとＮＨ_３の合計濃度、もしくはＮＯとＮＯ_２の合計濃度と前記変動によって得られるＮＨ_３もしくはＮＯ_２の濃度を比較してＮＯ濃度を得る。

次に、第１ガスセンサ１０Ａ及び第２ガスセンサ１０Ｂを有する本実施の形態に係る排ガス浄化システム２００について図１４〜図１９を参照しながら説明する。

この排ガス浄化システム２００は、図１４に示すように、ディーゼルエンジン等の燃焼装置２０２の排ガスを浄化するシステムである。排ガス浄化システム２００は、燃焼装置２０２からのハイドロカーボンや酸化炭素を還元するＤＯＣ触媒２０４と、ＤＯＣ触媒２０４の下流側に設置されたＳＣＲ触媒２０６と、尿素タンク２０８に貯留された尿素水を、ＳＣＲ触媒２０６にその上流側から注入する尿素水注入インジェクタ２１０とを有する。注入は噴霧による注入も含む。燃焼装置２０２は、例えばＥＣＵ２１２（電子制御装置）による所定の燃焼制御に基づいて負荷（クランク軸等）にエネルギーを付与する。

そして、第１ガスセンサ１０Ａの第１センサ素子１２ＡはＳＣＲ触媒２０６の下流側に設置され、第２ガスセンサ１０Ｂの第２センサ素子１２ＢはＤＯＣ触媒２０４とＳＣＲ触媒２０６との間、より詳細には、ＤＯＣ触媒２０４と尿素水注入インジェクタ２１０との間に設置される。

第１ガスセンサ１０Ａを駆動制御する第１制御回路２１４Ａは、第１センサ素子１２ＡとＥＣＵ２１２との間に接続され、第２ガスセンサ１０Ｂを駆動制御する第２制御回路２１４Ｂは、第２センサ素子１２ＢとＥＣＵ２１２との間に接続されている。

第１制御回路２１４Ａは、第１ガスセンサ１０Ａに特化した上述した酸素濃度制御手段１００、温度制御手段１０２、特定成分測定手段１０４、予備酸素濃度制御手段１０６、駆動制御手段１０８、目的成分取得手段１１０等を有する。

同様に、第２制御回路２１４Ｂも、第２ガスセンサ１０Ｂに特化した上述した酸素濃度制御手段１００、温度制御手段１０２、特定成分測定手段１０４、予備酸素濃度制御手段１０６、駆動制御手段１０８、目的成分取得手段１１０等を有する。

また、ＥＣＵ２１２内には、第１制御回路２１４ＡからのＮＯ濃度及びＮＨ_３濃度に基づいて尿素水注入インジェクタ２１０の開度を制御する開度制御手段２１６と、ＮＯ濃度及びＮＨ_３濃度に基づいてＳＣＲ触媒２０６の劣化状態を検知するＳＣＲ劣化検知手段２１８と、第２制御回路２１４ＢからのＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度に基づいてＤＯＣ触媒２０４の劣化状態を検知するＤＯＣ劣化検知手段２２０とを有する。

なお、ＥＣＵ２１２についても、例えば１つ又は複数のＣＰＵ（中央処理ユニット）と記憶装置等を有する１以上の電子回路にて構成される。上記開度制御手段２１６、ＳＣＲ劣化検知手段２１８、ＤＯＣ劣化検知手段２２０は、例えば記憶装置に記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することにより、所定の機能が実現されるソフトウェア機能部でもある。もちろん、複数の電子回路を機能に合わせて接続したＦＰＧＡ等の集積回路で構成してもよい。

先ず、比較のために、尿素水の注入量を増加させた場合における従来のガスセンサにて測定されたＮＯ濃度の変化、ＮＨ_３の排出量の変化、ＳＣＲ効率の変化を図１５を参照しながら説明する。

図１５は左側の縦軸にＳＣＲ効率（ＳＣＲ触媒２０６のＮＯｘ浄化効率（％））、右側の縦軸にＮＨ_３の排出量（ｐｐｍ）及び従来のガスセンサにて測定されたＮＯ濃度（ｐｐｍ）を示し、横軸に尿素水注入量を示す。図１５において、特性曲線ＬａがＮＯ濃度を示し、特性曲線ＬｂがＳＣＲ効率を示し、特性曲線ＬｃがＮＨ_３排出量を示す。

図１５からわかるように、尿素水注入量を増加させると、ＳＣＲ効率は高くなるが、排出されるＮＨ_３の量が増加する。そのため、ガスセンサによる目標検知範囲Ｚａとして、ＳＣＲ効率の下限が９０％で、且つ、ＮＨ_３排出量の上限が１０ｐｐｍの範囲に設定することが好ましい。

しかし、ＮＨ_３排出量の増加による干渉の影響によって、ＳＣＲ効率が９０％以上の領域では、ガスセンサの感度（尿素水注入量の増加幅に対するガスセンサの測定値の変化幅ΔＮＯ）が小さくなり、しかも、エラー成分Ｅｒも含まれるため、尿素水注入量の精密な制御ができないという問題があった。

一方、尿素水の注入量を増加させた場合における第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力の変化、ＮＨ_３排出量の変化、ＳＣＲ効率の変化を図１６に示す。図１６において、左側の縦軸にＳＣＲ効率（％）、右側の縦軸にＮＨ_３排出量（ｐｐｍ）及び第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力Ｉｐ３（μＡ）を示し、横軸に尿素水注入量を示す。図１６において、特性曲線Ｌｄがセンサ出力を示し、特性曲線ＬｂがＳＣＲ効率を示し、特性曲線ＬｃがＮＨ_３排出量を示す。

第１ガスセンサ１０Ａでは、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動及び停止、すなわち、予備ポンプセル８０のＯＮ及びＯＦＦに応じて特定成分測定手段１０４からのセンサ出力Ｉｐ３が変動する。このセンサ出力Ｉｐ３の変動（ΔＩｐ３）は、ＮＨ_３の濃度が高くなるにつれて大きくなっている。従って、上述したように、予備ポンプセル８０のＯＮ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎと、該測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｎと予備ポンプセル８０のＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３ｏｆｆとの変化量ΔＩｐ３と、第１マップ１１２Ａとに基づいてＮＯ及びＮＨ_３の各濃度を取得することができる。

従来では、酸素濃度調整室１８で、ＮＯを分解させることなく、ＮＨ_３を酸化反応させてＮＯに変換した際のセンサ出力のみでＮＯとＮＨ_３の濃度を測定していた。これに対し、第１ガスセンサ１０Ａでは、予備調整室２１で、ＮＯを分解させることなく、ＮＨ_３を酸化反応させずにそのまま酸素濃度調整室１８に導入させた際のセンサ出力Ｉｐ３ｏｆｆに加えて、変化量ΔＩｐ３に基づいて、第１マップ１１２ＡからＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を取得している。変化量ΔＩｐ３は、上記該センサ出力Ｉｐ３ｏｆｆと、予備調整室２１で、ＮＯを分解させることなく、ＮＨ_３を酸化反応させた際のセンサ出力Ｉｐ３ｏｎとの変化量を示す。

そのため、第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力に対応する濃度は、ＮＨ_３濃度（変化量ΔＩｐ３に対応する濃度）と、ＮＯ濃度（第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力に対応する濃度−変化量ΔＩｐ３に対応する濃度）とに分けることができる。

そのため、第１ガスセンサ１０Ａによる目標検知範囲Ｚａとして、上述のように、ＳＣＲ効率の下限が９０％で、ＮＨ_３排出量の上限が１０ｐｐｍの範囲に設定して、例えばセンサ出力Ｉｐ３ｏｆｆの変化幅が小さくなっても、正確にＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を取得することが可能となる。

その結果、ＮＨ_３濃度とＮＯ濃度がそれぞれ所定の個別の濃度以下になるように尿素水注入量を調整すれば、ＮＯｘ浄化システムを正確に制御することができる。

ここで、尿素水注入量と第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力との関係を図１７Ａ及び図１７Ｂを参照しながら説明する。

図１７Ａは、尿素水注入量の過不足と第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力との関係を示す。尿素水注入量が当量点よりも少ない領域では、尿素水注入によって生成されたＮＨ_３の全てがＮＯｘの分解に消費されるため、ＮＨ_３の流出はほとんどない。そのため、第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力は、予備ポンプセル８０のＯＮ時のセンサ出力とＯＦＦ時のセンサ出力とが略同等となり、図１７Ａの実線Ｌｄ１に示すように、尿素水注入量が増加するにつれて直線状に低下する。そして、当量点においてセンサ出力は最低となる。

一方、尿素水注入量が当量点を超えると、過剰な尿素がＮＨ_３として残存するため、残存するＮＨ_３排出量が予備ポンプセル８０のＯＮ時のセンサ出力とＯＦＦ時のセンサ出力との変化量ΔＩｐ３として検出される。すなわち、図１７Ａの実線Ｌｄ２に示すように、第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力は矩形状を示す。そして、ＮＨ_３の流出量の増加に伴い、変化量ΔＩｐ３が大きくなる。

図１７Ａに示す第１ガスセンサ１０Ａのセンサ出力は、図１７Ｂに示すように、ＮＯについてのセンサ出力（ＮＯ出力）と、ＮＨ_３についてのセンサ出力（ＮＨ_３出力）とに分離することができる。この場合、ＮＯ出力は、尿素水注入量の不足領域において当量点に向かって直線的に減少してゆく。そして、ＮＯ出力は、尿素水流入量の当量点で最低値となり、尿素水注入量の過剰領域で最低値を維持する。

ＮＨ_３出力は、ＮＯ出力とは反対に、尿素水注入量の不足領域及び当量点で最低値を示し、尿素水注入量の過剰領域では、過剰な尿素によって発生するＮＨ_３の濃度に応じた出力を示す。

このような尿素水注入量に対するＮＯ出力及びＮＨ_３出力の変化を利用して、尿素水注入インジェクタ２１０の開度（以下、尿素インジェクタ開度と記す）を制御することで、よりＮＯｘ浄化効率の高い条件で排ガス浄化システム２００を制御することができる。

一例として、ＮＯ出力（ＮＯ濃度）及びＮＨ_３出力（ＮＨ_３濃度）の変化を用いた尿素インジェクタ開度の制御について、図１８Ａ〜図１８Ｃを参照しながら説明する。図１８Ａは、時間の経過に伴うＮＯ出力の変化を示すグラフであり、図１８Ｂは、時間の経過に伴うＮＨ_３出力の変化を示すグラフであり、図１８Ｃは、時間の経過に伴う尿素インジェクタ開度の変化を示すグラフである。

先ず、ＮＯ出力（ＮＯ濃度）が第１閾値Ｔｈ１に到達した時点ｔ０から尿素インジェクタ開度を広げてゆく。第１閾値Ｔｈ１は、ＮＯ出力とＮＨ_３出力の各当量点でのＮＯ出力よりも高い値に設定される。

尿素水注入量が当量点に達する時点ｔ１までＮＯ出力は減少し、当量点の通過後もＮＯ出力は最低値を維持する。

当量点を通過した時点ｔ１からＮＨ_３出力（ＮＨ_３濃度）が増加を始めるので、ＮＨ_３出力が第２閾値Ｔｈ２に到達した時点ｔ２で尿素インジェクタ開度を絞り始める。第２閾値Ｔｈ２は、ＮＯ出力とＮＨ_３出力の各当量点でのＮＨ_３出力よりも高い値に設定される。例えば２〜１０ｐｐｍに対応するＮＨ_３出力の値に設定される。

尿素インジェクタ開度を絞り続けるとＮＨ_３出力が減少を始め、当量点に到達した時点ｔ３においてＮＨ_３出力は最低値に達し、当量点の通過後も最低値を維持する。

当量点を通過した時点ｔ３からＮＯ出力の増加が始まり、その後の時点ｔ４において第１閾値Ｔｈ１に達するので、時点ｔ４で尿素インジェクタ開度を広げ始める。その後は、時点ｔ０以降の制御動作と同じであるため、その説明を省略する。

上述のように、第１ガスセンサ１０Ａは、ＳＣＲ触媒２０６下流の排気ガス中のＮＯ及びＮＨ_３とを区別することが可能である。この場合、ＳＣＲ触媒２０６の劣化検知には、ＮＯ／ＮＨ_３比率を測定することが効果的である。従って、図１４に示すように、ＥＣＵ２１２内のＳＣＲ劣化検知手段２１８において、第１制御回路２１４ＡからのＮＯ濃度とＮＨ_３濃度に基づいてＮＯ／ＮＨ_３を演算することで、ＳＣＲ触媒２０６の劣化検知を実施することができる。ＳＣＲ触媒２０６の劣化の情報は、例えば表示装置２２２を通じて表示される。また、ＳＣＲ触媒２０６下流の排気ガスにＮＯ_２が存在していても、実験により求められた補正値、もしくは経験的な補正値により、実質的に問題のないＳＣＲ触媒システムの制御が可能である。

同様に、第２ガスセンサ１０Ｂは、ＤＯＣ触媒２０４下流の排気ガス中のＮＯとＮＯ_２とを区別することが可能である。この場合、ＤＯＣ触媒２０４の初期の劣化（酸化能力の低下）では、ＨＣ等の未燃成分の排出量の増加よりも、ＮＯ／ＮＯ_２比率の変化（ＮＯ_２が減少）が顕著である。従って、ＥＣＵ２１２内のＤＯＣ劣化検知手段２２０において、第２制御回路２１４ＢからのＮＯ濃度とＮＯ_２濃度に基づいてＮＯ／ＮＯ_２を演算することで、ＤＯＣ触媒２０４の劣化検知を実施することができる。ＤＯＣ触媒２０４の劣化の情報は、例えば表示装置２２２を通じて表示される。

ここで、本実施の形態に係る排ガス浄化システム２００の処理動作について図１９のフローチャートを参照しながら説明する。

先ず、ステップＳ２０１において、開度制御手段２１６は、第１制御回路２１４ＡからのＮＯ出力（ＮＯ濃度）が第１閾値Ｔｈ１に達したか否かを判別する。第１閾値Ｔｈ１に達していれば、ステップＳ２０２に進み、開度制御手段２１６は、尿素インジェクタ開度を時間の経過と共に開く方向に制御する。

上記ステップＳ２０１において、ＮＯ出力（ＮＯ濃度）が第１閾値Ｔｈ１に達していないと判別された場合は、ステップＳ２０３に進み、開度制御手段２１６は、第１制御回路２１４ＡからのＮＨ_３出力（ＮＨ_３濃度）が第２閾値Ｔｈ２に達したか否かを判別する。第２閾値Ｔｈ２に達していれば、ステップＳ２０４に進み、開度制御手段２１６は、尿素インジェクタ開度を時間の経過と共に閉じる方向に制御する。

上記ステップＳ２０２あるいはステップＳ２０４での処理が終了した段階、又はステップＳ２０３において、ＮＨ_３出力（ＮＨ_３濃度）が第２閾値Ｔｈ２に達していないと判別された場合は、次のステップＳ２０５に進み、開度制御手段２１６は、尿素インジェクタ開度が所定の開度、例えば全開の３／４の開度（３／４開度という）に達したか否かを判別する。開度が３／４開度に達していれば、ステップＳ２０６に進み、ＳＣＲ劣化検知手段２１８は、第１制御回路２１４ＡからのＮＯ濃度とＮＨ_３濃度に基づいてＮＯ／ＮＨ_３を演算する。

上記ステップＳ２０６での処理が終了した段階、又はステップＳ２０５において、尿素インジェクタ開度が３／４開度に達していないと判別された場合は、次のステップＳ２０７において、ＳＣＲ劣化検知手段２１８は、演算結果に応じたＳＣＲ触媒２０６の劣化情報を表示装置２２２に表示する。例えば演算結果が１を超過していれば、ＳＣＲ触媒２０６が劣化している旨のメッセージを表示し、演算結果が１以下であれば、ＳＣＲ触媒２０６が劣化していない旨のメッセージを表示する。

その後、ステップＳ２０８において、ＤＯＣ劣化検知手段２２０は、第２制御回路２１４ＢからのＮＯ濃度とＮＯ_２濃度に基づいてＮＯ／ＮＯ_２を演算する。その後、ステップＳ２０９において、ＤＯＣ劣化検知手段２２０は、演算結果に応じたＤＯＣ触媒２０４の劣化情報を表示装置２２２に表示する。例えば演算結果が１を超過していれば、ＤＯＣ触媒２０４が劣化している旨のメッセージを表示し、演算結果が１以上（ほとんどの場合は１）であれば、ＤＯＣ触媒２０４が劣化していない旨のメッセージを表示する。

その後、ステップＳ２１０において、排ガス浄化システム２００に対する終了要求（電源断、メンテナンス要求等）があるか否かを判別する。終了要求がなければ、ステップＳ２０１に戻り、該ステップＳ２０１以降の処理を繰り返す。終了要求があれば、排ガス浄化システム２００での処理を終了する。

通常、従来の直列２室型ＮＯｘセンサと、酸化物半導体電極の抵抗変化、もしくは混成電位を利用したＮＨ_３センサとをＳＣＲ触媒の下流側に取り付けて、各々の成分を別々に測定することでＳＣＲシステムの制御、故障診断を行う方法が考えられる。

しかしながら、各々のセンサの感度、及び応答速度の違い、加えて各々のセンサの経時劣化の違いから、長期にわたって精度よく尿素水注入量の制御、ＳＣＲ触媒２０６の劣化検知を実施することができない。

これは、ＤＯＣ触媒２０４の劣化検知についても同様であり、ＤＯＣ触媒２０４の下流側に、従来の直列２室型ＮＯｘセンサと、酸化物半導体電極の抵抗変化、もしくは混成電位を利用したＮＯ_２センサとを取り付けて、各々の成分を別々に測定することでＤＯＣ触媒２０４の劣化検知を行う方法が考えられる。

本実施の形態に係る排ガス浄化システム２００は、ＮＨ_３のような極めて不安定な成分においても、確実に拡散係数差を検出することができ、１本のセンサ素子でＮＯとＮＨ_３の各濃度を検出できる第１ガスセンサ１０Ａを用いるようにしている。

すなわち、１本の第１ガスセンサ１０Ａからの出力、すなわち、ＮＯ濃度とＮＨ_３濃度に基づいて、尿素水注入量の制御とＳＣＲ触媒２０６の劣化検知を行うことで、従来のような、直列２室型ＮＯｘセンサとその他のセンサとの組み合わせによる個体間の出力ばらつきの影響を受けない。さらには、センサ出力の経時変化の個体間のばらつきの影響も受けないため、長期間にわたり精度よくＮＯｘ浄化とＮＨ_３排出量の抑制を行うことができる。

しかも、１本の第２ガスセンサ１０Ｂからの出力、すなわち、ＮＯ濃度とＮＯ_２濃度に基づいて、ＤＯＣ触媒２０４の劣化検知を行うようにしたので、長期間にわたり精度よくＤＯＣ触媒２０４の劣化検知を行うことができる。

なお、本発明に係るガスセンサ及び被測定ガス中の複数目的成分の濃度測定方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

上述の例では、副調整室１８ｂに隣接して測定室２０を設け、測定室２０内に測定電極６２を配置するようにしたが、その他、図２０に示すように、副調整室１８ｂ内に測定電極６２を配置し、測定電極６２を被覆するように、第３拡散律速部３４となるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックス多孔体にて構成される膜を形成してもよい。この場合、測定電極６２の周囲が測定室２０として機能することになる。

また、上述の例では予備調整室２１内にて第２目的成分であるＮＨ_３、もしくはＮＯ_２が変換率１００％でＮＯに変換される例を示したが、ＮＨ_３もしくはＮＯ_２の変換率は１００％である必要はなく、被測定ガス中のＮＨ_３濃度もしくはＮＯ_２濃度と再現性の良い相関が得られる範囲で変換率を任意に設定することできる。

また、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動は、予備調整室２１内から酸素を汲み出す方向でも、汲み入れる方向でも良く、第２目的成分であるＮＨ_３もしくはＮＯ_２の存在によって、測定用ポンプセル６１の出力である測定ポンプ電流Ｉｐ３が再現性良く変化すれば良い。

さらには、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動は、一定電圧の印加のＯＮ−ＯＦＦでも、予備調整室２１内の酸素濃度に基づいた可変電圧のＯＮ−ＯＦＦでも良い。

加えて、予備酸素濃度制御手段１０６の駆動時間、停止時間は、第１目的成分、第２目的成分の所望の検出精度に応じて任意に設定することができる。
なお、本発明の実施に当たっては、本発明の思想を損なわない範囲で自動車用部品としての信頼性向上のための諸手段が付加されても良い。

Claims (13)

1. 燃焼装置（２０２）と選択還元触媒（２０６）との間に設置された尿素水注入インジェクタ（２１０）と、
   前記選択還元触媒（２０６）の下流側に設置され、前記選択還元触媒（２０６）から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を検出する第１ガスセンサ（１０Ａ）と、
   前記尿素水注入インジェクタ（２１０）の開度を制御する開度制御手段（２１６）とを有し、
   前記開度制御手段（２１６）は、
   前記ＮＯ濃度が予め設定された第１閾値（Ｔｈ１）になった段階で前記開度を時間の経過と共に開く方向に制御し、
   前記ＮＨ_３濃度が予め設定された第２閾値（Ｔｈ２）になった段階で前記開度を時間の経過と共に閉じる方向に制御することを特徴とする排ガス浄化システム。
2. 請求項１記載の排ガス浄化システムにおいて、
   前記第１閾値（Ｔｈ１）は、ＮＯ濃度とＮＨ_３濃度との当量点でのＮＯ濃度よりも高い濃度に設定され、
   前記第２閾値（Ｔｈ２）は、前記当量点でのＮＨ_３濃度よりも高い濃度に設定されていることを特徴とする排ガス浄化システム。
3. 請求項１又は２記載の排ガス浄化システムにおいて、
   さらに、前記選択還元触媒（２０６）の劣化を検知するＳＣＲ劣化検知手段（２１８）を有し、
   前記ＳＣＲ劣化検知手段（２１８）は、
   予め設定された開度でのＮＯ濃度とＮＨ_３濃度の比（ＮＯ／ＮＨ_３）と、予め設定された規定値とを比較し、前記比が前記規定値を超えた場合に前記選択還元触媒（２０６）が劣化していると判別することを特徴とする排ガス浄化システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化システムにおいて、
   前記第１ガスセンサ（１０Ａ）は、
   少なくとも酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体（１４）と、該構造体（１４）に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口（１６）と、前記構造体（１４）内に形成され、前記ガス導入口（１６）に連通する酸素濃度調整室（１８）と、前記構造体（１４）内に形成され、前記酸素濃度調整室（１８）に連通する測定室（２０）とを有するセンサ素子（１２Ａ）と、
   前記酸素濃度調整室（１８）内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段（１００）と、
   前記センサ素子（１２Ａ）の温度を制御する温度制御手段（１０２）と、
   前記測定室（２０）内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段（１０４）と、を有するガスセンサであって、
   前記構造体（１４）のうち、前記ガス導入口（１６）と前記酸素濃度調整室（１８）との間に設けられ、前記ガス導入口（１６）に連通する予備調整室（２１）と、
   前記予備調整室（２１）内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段（１０６）と、
   前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動及び停止を制御する駆動制御手段（１０８）と、
   前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力との差、及び前記各々のセンサ出力の一方に基づいて、ＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を取得する目的成分取得手段（１１０）とを有することを特徴とする排ガス浄化システム。
5. 請求項４記載の排ガス浄化システムにおいて、
   前記目的成分取得手段（１１０）は、
   予め実験的に測定した、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力の差とで特定されるポイント毎にそれぞれＮＯ濃度及びＮＨ_３濃度の関係が登録された第１マップ（１１２Ａ）を使用し、
   実使用中の前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力の差を、前記第１マップ（１１２Ａ）と比較して、ＮＯ及びＮＨ_３の各濃度を求めることを特徴とする排ガス浄化システム。
6. 請求項４記載の排ガス浄化システムにおいて、
   前記目的成分取得手段（１１０）は、
   予め実験的に測定した、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力の差とＮＨ_３濃度の関係に基づいて、実使用中の前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力の差に対応するＮＨ_３濃度を求め、
   前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の停止時のセンサ出力から得られるＮＯとＮＨ_３の濃度の全てをＮＯに換算した総ＮＯ濃度から予め前記センサ出力の差より求めた前記ＮＨ_３濃度を差引く演算によってＮＯ濃度を求めることを特徴とする排ガス浄化システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガス浄化システムにおいて、
   前記燃焼装置（２０２）と前記尿素水注入インジェクタ（２１０）との間に設置された酸化触媒（２０４）と、
   前記酸化触媒（２０４）と前記尿素水注入インジェクタ（２１０）との間に設置され、前記酸化触媒（２０４）から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を検出する第２ガスセンサ（１０Ｂ）と、
   前記酸化触媒（２０４）の劣化を検知する酸化触媒劣化検知手段（２２０）とを有し、
   前記酸化触媒劣化検知手段（２２０）は、
   前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ_２濃度の比（ＮＯ／ＮＯ_２）と、予め設定された第２規定値とを比較し、前記比が前記第２規定値を超えた場合に前記酸化触媒（２０４）が劣化していると判別することを特徴とする排ガス浄化システム。
8. 請求項７記載の排ガス浄化システムにおいて、
   前記第２ガスセンサ（１０Ｂ）は、
   少なくとも酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体（１４）と、該構造体（１４）に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口（１６）と、前記構造体（１４）内に形成され、前記ガス導入口（１６）に連通する酸素濃度調整室（１８）と、前記構造体（１４）内に形成され、前記酸素濃度調整室（１８）に連通する測定室（２０）とを有するセンサ素子（１２Ｂ）と、
   前記酸素濃度調整室（１８）内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段（１００）と、
   前記センサ素子（１２Ｂ）の温度を制御する温度制御手段（１０２）と、
   前記測定室（２０）内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段（１０４）と、を有するガスセンサであって、
   前記構造体（１４）のうち、前記ガス導入口（１６）と前記酸素濃度調整室（１８）との間に設けられ、前記ガス導入口（１６）に連通する予備調整室（２１）と、
   前記予備調整室（２１）内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段（１０６）と、
   前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動及び停止を制御する駆動制御手段（１０８）と、
   前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力との差、及び前記各々のセンサ出力の一方に基づいて、ＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を取得する目的成分取得手段（１１０）とを有することを特徴とする排ガス浄化システム。
9. 請求項８記載の排ガス浄化システムにおいて、
   前記目的成分取得手段（１１０）は、
   予め実験的に測定した、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力の差とで特定されるポイント毎にそれぞれＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度の関係が登録された第２マップ（１１２Ｂ）を使用し、
   実使用中の前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力の差を、前記第２マップ（１１２Ｂ）と比較して、ＮＯ及びＮＯ_２の各濃度を求めることを特徴とする排ガス浄化システム。
10. 請求項８記載の排ガス浄化システムにおいて、
    前記目的成分取得手段（１１０）は、
    予め実験的に測定した、前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力の差とＮＯ_２濃度の関係に基づいて、実使用中の前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の駆動時と停止時における前記特定成分測定手段（１０４）からのセンサ出力の差に対応するＮＯ_２濃度を求め、
    前記予備酸素濃度制御手段（１０６）の停止時のセンサ出力から得られるＮＯとＮＯ_２の濃度の全てをＮＯに換算した総ＮＯ濃度から予め前記センサ出力の差より求めた前記ＮＯ_２濃度を差引く演算によってＮＯ濃度を求めることを特徴とする排ガス浄化システム。
11. 燃焼装置（２０２）と選択還元触媒（２０６）との間に設置された尿素水注入インジェクタ（２１０）と、
    前記選択還元触媒（２０６）の下流側に設置され、前記選択還元触媒（２０６）から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＨ_３濃度を検出する第１ガスセンサ（１０Ａ）と、
    前記尿素水注入インジェクタ（２１０）の開度を制御する開度制御手段（２１６）とを有する排ガス浄化システム（２００）を使用して排気ガスの浄化を行う排ガス浄化方法において、
    前記ＮＯ濃度が予め設定された第１閾値（Ｔｈ１）になった段階で前記開度を時間の経過と共に開く方向に制御するステップと、
    前記ＮＨ_３濃度が予め設定された第２閾値（Ｔｈ２）になった段階で前記開度を時間の経過と共に閉じる方向に制御するステップとを有することを特徴とする排ガス浄化方法。
12. 請求項１１記載の排ガス浄化方法において、
    予め設定された開度でのＮＯ濃度とＮＨ_３濃度の比（ＮＯ／ＮＨ_３）と、予め設定された規定値とを比較し、前記比が前記規定値を超えた場合に前記選択還元触媒（２０６）が劣化していると判別するステップを有することを特徴とする排ガス浄化方法。
13. 請求項１１又は１２記載の排ガス浄化方法において、
    前記排ガス浄化システム（２００）は、
    前記燃焼装置（２０２）と前記尿素水注入インジェクタ（２１０）との間に設置された酸化触媒（２０４）と、
    前記酸化触媒（２０４）と前記尿素水注入インジェクタ（２１０）との間に設置され、前記酸化触媒（２０４）から出力される排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を検出する第２ガスセンサ（１０Ｂ）とを有し、
    前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ_２濃度の比（ＮＯ／ＮＯ_２）と、予め設定された第２規定値とを比較し、前記比が前記第２規定値を超えた場合に前記酸化触媒（２０４）が劣化していると判別するステップを有することを特徴とする排ガス浄化方法。

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