WO2017110553A1 - 内燃機関のガス濃度検出装置 - Google Patents

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WO2017110553A1
WO2017110553A1 PCT/JP2016/086907 JP2016086907W WO2017110553A1 WO 2017110553 A1 WO2017110553 A1 WO 2017110553A1 JP 2016086907 W JP2016086907 W JP 2016086907W WO 2017110553 A1 WO2017110553 A1 WO 2017110553A1
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cell
common electrode
electrode
pump
sensor
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PCT/JP2016/086907
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English (en)
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竜三 加山
攻 田中
優 村田
Original Assignee
株式会社デンソー
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas concentration detection device for an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 describes a gas concentration sensor that has a three-cell structure of a pump cell, a sensor cell, and a monitor cell and detects the NOx concentration in exhaust gas.
  • the pump cell of this gas concentration sensor oxygen in exhaust gas introduced into the chamber is discharged or pumped by applying a voltage between the electrodes.
  • the NOx concentration is detected as the concentration of the specific gas component from the gas after passing through the pump cell in the gas by applying a voltage between the electrodes.
  • the monitor cell the residual oxygen concentration in the chamber is detected by applying a voltage between the electrodes.
  • the voltage applied to the cell is temporarily switched (voltage sweep), and the element resistance is calculated from the voltage change and current change at that time.
  • this element resistance as an alternative index of element temperature and performing heater control so that the element resistance becomes the target element resistance, temperature control for controlling the element temperature to a desired temperature is performed.
  • the element resistance of each cell is detected, and the heater control is optimized based on the information on the plurality of element resistances. It is desirable to let them control.
  • the detected current level tends to be different for each cell depending on the gas component and the amount of the component to which each cell reacts.
  • the pump cell is on the order of ⁇ A
  • the sensor cell and the monitor cell are on the order of nA.
  • An object of the present disclosure is to provide a gas concentration detection device for an internal combustion engine that can improve detection accuracy of element resistance used for measuring element temperature.
  • a gas concentration detection device for an internal combustion engine is a gas concentration detection device for measuring the concentration of a predetermined gas component in a gas containing oxygen, and is a plate-shaped solid electrolyte body having oxygen ion conductivity
  • a gas chamber that is formed on the first main surface side of the solid electrolyte body and into which gas is introduced; a reference gas chamber that is formed on the second main surface side of the solid electrolyte body and into which the reference gas is introduced;
  • a common electrode provided on the second main surface of the solid electrolyte body, and a pump cell for adjusting an oxygen concentration in the gas is formed by the pump electrode, the common electrode, and a part of the solid electrolyte body.
  • Sensor electrode, common electrode and solid A sensor cell for detecting the concentration of a predetermined gas component in the gas chamber based on an oxygen ion current flowing between the sensor electrode and the common electrode is formed by a part of the denatured body, and is shared with the pump electrode.
  • the oxygen concentration in the gas is adjusted according to the voltage applied to the electrode, and the element resistance of the pump cell is detected based on the response characteristics of the pump cell according to the application of the sweep voltage corresponding to the detection range of the pump cell to the common electrode
  • the pump cell control unit outputs a signal corresponding to the concentration according to the voltage application between the sensor electrode and the common electrode, and the sensor cell according to the application of the sweep voltage corresponding to the detection range of the sensor cell to the common electrode.
  • a sensor cell control unit that detects an element resistance of the sensor cell based on response characteristics.
  • a gas concentration detection device for an internal combustion engine is a gas concentration detection device that measures the concentration of a predetermined gas component in a gas containing oxygen, and is a plate-shaped device having oxygen ion conductivity.
  • a solid electrolyte body, a gas chamber formed on the first main surface side of the solid electrolyte body and into which a gas is introduced, and a reference gas formed on the second main surface side of the solid electrolyte body and into which a reference gas is introduced A chamber, a pump electrode provided on the first main surface of the solid electrolyte body, and provided on the first main surface of the solid electrolyte body, and located downstream of the position where the pump electrode is provided in the gas flow direction.
  • a monitor cell for detecting the oxygen concentration in the gas chamber based on the oxygen ion current flowing in the gas chamber is formed, and flows between the sensor electrode and the common electrode by the sensor electrode, the common electrode, and a part of the solid electrolyte body
  • a sensor cell for detecting the concentration of a predetermined gas component in the gas chamber based on the oxygen ion current is formed, and the oxygen concentration in the gas is adjusted according to the voltage application between the pump electrode and the common electrode.
  • a pump that detects the element resistance of the pump cell based on the response characteristic of the pump cell according to the application of the sweep voltage corresponding to the detection range of the pump cell to the common electrode
  • a signal corresponding to the oxygen concentration is output according to the voltage application between the control unit and the monitor electrode and the common electrode, and the monitor cell according to the application of the sweep voltage corresponding to the detection range of the monitor cell to the common electrode is output.
  • a monitor cell control unit that detects element resistance of the monitor cell based on the response characteristics.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an engine exhaust system to which a gas concentration detection device for an internal combustion engine according to a first embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the NOx sensor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a III-III cross section of FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a functional configuration of the SCU of FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart showing element resistance detection processing in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a time chart showing element resistance detection processing in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a functional configuration of the SCU in the second embodiment.
  • FIG. 8 is a flowchart showing element resistance detection processing in the second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an engine exhaust system to which a gas concentration detection device for an internal combustion engine according to a first embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the NOx sensor shown in FIG.
  • FIG. 9 is a time chart showing element resistance detection processing in the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of the NOx sensor in the third embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram when the functional configuration of the SCU of the first embodiment is applied to the NOx sensor of the third embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram when the functional configuration of the SCU of the second embodiment is applied to the NOx sensor of the third embodiment.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a functional configuration of the SCU in the fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a functional configuration of the SCU in the fifth embodiment.
  • An internal combustion engine gas concentration detection device uses the limiting current type NOx sensors 24 and 30 to detect the concentration of oxygen (O 2 ) in the exhaust gas of the internal combustion engine flowing through the engine exhaust system ES, The concentration of NOx (nitrogen oxide) as the concentration of the specific gas component is detected.
  • an SCU (Sensor Control Unit) 40 is provided in the engine exhaust system ES.
  • the SCU 40 is connected via an ECU (Engine Control Unit) 10 and a CAN (Controller Area Network) bus 50, and performs information communication with the ECU 10.
  • the ECU 10 is a device that controls the diesel engine 20 and the engine exhaust system ES connected thereto.
  • the ECU 10 has a function of controlling the behavior of the diesel engine 20.
  • the ECU 10 adjusts the opening of the fuel injection valve based on the accelerator opening and the engine speed.
  • the engine exhaust system ES is provided with a diesel oxidation catalytic converter 22 and an SCR (Selective Catalytic Reduction) catalytic converter 28 in order from the diesel engine 20 side.
  • the diesel oxidation catalyst converter 22 includes a diesel oxidation catalyst (DOC: Diesel Oxidation Catalyst) 221 and a diesel particulate filter (DPF: Diesel Particulate Filter) 222.
  • DOC Diesel Oxidation Catalyst
  • DPF Diesel Particulate Filter
  • the diesel oxidation catalytic converter 22 purifies harmful substances contained in exhaust gas by oxidation or reduction, and is a device that collects particulate matter (PM) made of carbon in particular.
  • PM particulate matter
  • the diesel oxidation catalyst 221 is mainly composed of a ceramic carrier, an oxide mixture containing aluminum oxide, cerium dioxide and zirconium dioxide as components, and a noble metal catalyst such as platinum, palladium and rhodium.
  • the diesel oxidation catalyst 221 oxidizes and purifies hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides and the like contained in the exhaust gas.
  • the diesel oxidation catalyst 221 increases the exhaust gas temperature by heat generated during the catalytic reaction.
  • the diesel particulate filter 222 is formed of a honeycomb structure in which a platinum group catalyst such as platinum or palladium is supported on a porous ceramic.
  • the diesel particulate filter 222 deposits particulate matter contained in the exhaust gas on the partition walls of the honeycomb structure.
  • the deposited particulate matter is oxidized and purified by combustion. For this combustion, a temperature increase in the diesel oxidation catalyst 221 and a decrease in the combustion temperature of the particulate matter due to the additive are used.
  • the SCR catalytic converter 28 is a device that reduces NOx to nitrogen and water as a post-treatment device for the diesel oxidation catalytic converter 22, and includes an SCR 281 that is a selective reduction type catalyst.
  • the SCR 281 can be exemplified by a catalyst in which a noble metal such as Pt is supported on the surface of a substrate such as zeolite or alumina.
  • the SCR 281 reduces and purifies NOx when the catalyst temperature is in the activation temperature range and urea as a reducing agent is added.
  • a urea addition injector 26 is provided upstream of the SCR catalytic converter 28.
  • the NOx sensor 24 is disposed between the diesel oxidation catalytic converter 22 and the urea addition injector 26, and the NOx sensor 30 is disposed downstream of the SCR catalytic converter 28, respectively.
  • the amount of urea added from the urea addition injector 26 to the SCR catalytic converter 28 is determined based on the NOx concentration detected by the NOx sensor 24 and the NOx concentration detected by the NOx sensor 30. More specifically, the amount of urea to be added is determined based on the NOx concentration detected from the exhaust gas before passing through the SCR catalytic converter 28 in the NOx sensor 24. Further, feedback is made so that the NOx concentration detected from the exhaust gas after passing through the SCR catalytic converter 28 in the NOx sensor 30 is as small as possible, and the amount of urea to be added is corrected.
  • the amount of urea determined in this way is added from the urea addition injector 26 to the SCR 281 so that NOx in the exhaust gas is appropriately reduced in the SCR 281.
  • hydrocarbons, carbon monoxide, and nitrogen oxides contained in the exhaust gas pass through the NOx sensor 24 and the NOx sensor 30, and are then discharged to the outside from the tail pipe (not shown).
  • the current output from the NOx sensor 24 and the NOx sensor 30 is detected by the SCU 40.
  • the SCU 40 calculates the NOx concentration from the current values detected from the NOx sensors 24 and 30, controls the urea addition injector 26, and transmits necessary data to the ECU 10.
  • the ECU 10 and the SCU 40 are connected to a CAN (Controller Area Network) bus 50 and perform information communication via the CAN bus 50.
  • CAN Controller Area Network
  • the SCU 40 includes a CPU, a RAM, a ROM, an input / output port, and a storage device. Since the NOx sensor 24 and the NOx sensor 30 have the same configuration, the configuration of the NOx sensor 24 will be described as an example, and the configuration of the SCU 40 will also be described.
  • the NOx sensor 24 includes a first main body 241a, a second main body 241b, a solid electrolyte body 244, a diffusion resistor 245, a pump electrode 251, a heater 247, and the like. , A sensor electrode 252, a monitor electrode 253, and a common electrode 250.
  • the pump cell 246 for adjusting the oxygen concentration in the exhaust gas is formed by the pump electrode 251, the common electrode 250, and a part of the solid electrolyte body 244.
  • a monitor cell 249 that detects an oxygen concentration in the measurement chamber 242 based on an oxygen ion current flowing between the monitor electrode 253 and the common electrode 250 is formed by the monitor electrode 253, the common electrode 250, and a part of the solid electrolyte body 244. ing.
  • a sensor cell 248 for detecting the above is formed.
  • the solid electrolyte body 244 is a plate-like member and is made of an oxygen ion conductive solid electrolyte material such as zirconia oxide.
  • the first main body portion 241a and the second main body portion 241b are disposed with the solid electrolyte body 244 interposed therebetween.
  • the first main body portion 241a is formed with a recess provided so as to recede from the solid electrolyte body 244 side, and the recess functions as a measurement chamber 242 (gas chamber).
  • One side of the measurement chamber 242 is open, and a diffusion resistor 245 is disposed on the open side.
  • the diffusion resistor 245 is made of a porous material or a material in which pores are formed. Due to the action of the diffusion resistor 245, the speed of the exhaust gas drawn into the measurement chamber 242 is regulated.
  • the measurement chamber 242 is formed on the first main surface 244a side of the solid electrolyte body 244 to introduce exhaust gas.
  • the second main body 241b is also formed with a recess provided so as to recede from the solid electrolyte body 244 side, and the recess functions as an atmospheric chamber 243 (reference gas chamber).
  • One side of the atmospheric chamber 243 is open. The gas drawn into the atmospheric chamber 243 from the solid electrolyte body 244 side is released to the atmosphere.
  • the atmospheric chamber 243 is formed on the second main surface 244b side of the solid electrolyte body 244, and the reference gas is introduced.
  • a pump electrode 251 on the cathode side is provided on the diffusion resistor 245 side, which is the surface (first main surface 244a) facing the measurement chamber 242 side of the solid electrolyte body 244.
  • a common electrode 250 on the anode side is provided at a position corresponding to the pump cell 246 on the surface (second main surface 244b) of the solid electrolyte body 244 facing the atmosphere chamber 243.
  • the common electrode 250 is provided so as to cover a region corresponding to the sensor electrode 252 and the monitor electrode 253.
  • oxygen contained in the exhaust gas in the measurement chamber 242 comes into contact with the pump electrode 251 on the cathode side and becomes oxygen ions.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 244 toward the common electrode 250 on the anode side, release electric charges from the common electrode 250 to become oxygen, and are discharged from the atmospheric chamber 243 into the atmosphere.
  • the higher the voltage applied between the pump electrode 251 and the common electrode 250 the greater the amount of oxygen discharged from the exhaust gas by the pump cell 246. Conversely, as the voltage applied between the pump cell 246 and the common electrode 250 is lower, the amount of oxygen discharged from the exhaust gas by the pump cell 246 decreases. Therefore, by increasing or decreasing the voltage applied between the pump electrode 251 and the common electrode 250, the amount of residual oxygen in the exhaust gas flowing to the sensor cell 248 and the monitor cell 249 in the subsequent stage can be increased or decreased.
  • the surface of the solid electrolyte body 244 facing the measurement chamber 242 side, which is on the opposite side of the diffusion resistor 245 across the pump electrode 251 (downstream side of the pump electrode 251 in the gas flow direction) is the cathode side.
  • a monitor electrode 253 is provided.
  • a common electrode 250 on the anode side is provided at a position corresponding to the monitor electrode 253 on the surface facing the atmospheric chamber 243 of the solid electrolyte body 244.
  • the monitor cell 249 detects the oxygen concentration remaining in the exhaust gas from which oxygen has been exhausted by the pump cell 246.
  • a voltage is applied between the monitor electrode 253 and the common electrode 250, residual oxygen contained in the exhaust gas from which oxygen has been exhausted by the pump cell 246 comes into contact with the monitor electrode 253 cell 249 on the cathode side, and oxygen ions become.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 244 toward the common electrode 250 on the anode side, release electric charges from the common electrode 250 to become oxygen, and are discharged from the atmospheric chamber 243 into the atmosphere.
  • the charge at this time is detected as a current Im by a first monitor cell detection circuit 405 and a second monitor cell detection circuit 406 (described later with reference to FIG. 4), and based on this current Im, the residual oxygen concentration in the exhaust gas Can be calculated.
  • the surface of the solid electrolyte body 244 facing the measurement chamber 242 side, which is on the opposite side of the diffusion resistor 245 across the pump electrode 251 (downstream side of the pump electrode 251 in the gas flow direction) is the cathode side.
  • a sensor electrode 252 is provided.
  • a common electrode on the anode side is provided at a position corresponding to the sensor electrode 252 on the surface facing the atmospheric chamber 243 of the solid electrolyte body 244.
  • the sensor electrode 252 is made of a Pt—Rh alloy (platinum-rhodium alloy) and has a strong reducing property with respect to NOx. NOx in contact with the sensor electrode 252 is reduced and decomposed into N 2 and O 2 .
  • the decomposed O 2 receives electric charge from the sensor electrode 252 on the cathode side and becomes oxygen ions.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 244 toward the common electrode 250 on the anode side, release electric charges from the common electrode 250 to become oxygen, and are discharged from the atmospheric chamber 243 into the atmosphere.
  • the charge at this time is detected as a current Is by a first sensor cell detection circuit 403 and a second sensor cell detection circuit 404 (which will be described later with reference to FIG. 4), and based on this current Is, the concentration of NOx in the exhaust gas And the residual oxygen concentration can be calculated.
  • the pump cell 246, the monitor cell 249, and the sensor cell 248 tend to have different detected current levels for each cell. Since the monitor cell 249 and the sensor cell 248 basically output a current value corresponding to the oxygen concentration and the Nox concentration in the exhaust gas after the oxygen is exhausted by the pump cell 246, the current detected in comparison with the pump cell 246 is detected. The level is relatively small.
  • the current level detected by the pump cell 246 (hereinafter also referred to as “detection level”) is, for example, ⁇ A order, whereas the detection levels of the monitor cell 249 and the sensor cell 248 are, for example, nA order.
  • the SCU 40 controls the operation of the NOx sensors 24 and 30 configured as described above.
  • the SCU 40 applies a predetermined voltage between the sensor electrode 252 and the common electrode 250 to detect the concentrations of NOx and residual oxygen contained in the exhaust gas after the oxygen is exhausted by the pump cell 246 "concentration detection mode"
  • the NOx sensors 24 and 30 are mainly operated.
  • the SCU 40 executes an “element resistance detection mode” for detecting an element resistance used for element temperature estimation at a predetermined timing during the execution of the concentration detection mode.
  • the SCU 40 estimates the element temperature of each cell based on the element resistance of the pump cell 246, the monitor cell 249, and the sensor cell 248 detected in the element resistance detection mode, and uses the heater 247 so that the estimated element temperature becomes the set temperature. Temperature control can be performed.
  • the SCU 40 is partially or entirely configured by an analog circuit or a digital processor having a memory.
  • a functional control block is configured in the SCU 40 in order to perform a function of outputting a control signal based on the received electrical signal.
  • FIG. 4 shows the SCU 40 as such a functional control block diagram.
  • the SCU 40 includes a heater drive circuit 401, a pump cell detection circuit 402, a first sensor cell detection circuit 403 (first detection circuit), a second sensor cell detection circuit 404 (second detection circuit), and a first monitor cell detection circuit 405 ( A first detection circuit), a second monitor cell detection circuit 406 (second detection circuit), a common electrode voltage application unit 407, a microcomputer 408, and a CAN driver 409.
  • the heater drive circuit 401 is a part that controls the voltage applied to the heater 247 and controls the amount of heat generated by the heater 247.
  • the pump cell detection circuit 402 is a part that detects the current Ip output from the pump cell 246.
  • the pump cell detection circuit 402 outputs a signal indicating the detected current Ip to the microcomputer 408.
  • the first sensor cell detection circuit 403 and the second sensor cell detection circuit 404 are portions that detect the current Is output from the sensor cell 248.
  • the first sensor cell detection circuit 403 and the second sensor cell detection circuit 404 output a signal indicating the detected current Is to the microcomputer 408.
  • the first sensor cell detection circuit 403 is used in the concentration detection mode
  • the second sensor cell detection circuit 404 is used in the element resistance detection mode.
  • the second sensor cell detection circuit 404 is set so that the detection range of the current Is is relatively larger than that of the first sensor cell detection circuit 403 and can detect the current Is in a wider range (see FIG. 6). ). Therefore, the second sensor cell detection circuit 404 has a lower resolution than the first sensor cell detection circuit 403, and the detection accuracy of the current Is is relatively low.
  • the detection range for the element resistance detection mode is set wider than that for the concentration detection. Henceforth, the detection range for the element resistance detection mode is also referred to as “expanded range”, and the detection range for the concentration detection mode is Also referred to as “narrow range”.
  • the first monitor cell detection circuit 405 and the second monitor cell detection circuit 406 are parts for detecting the current Im output from the monitor cell 249.
  • the first monitor cell detection circuit 405 and the second monitor cell detection circuit 406 output a signal indicating the detected current Im to the microcomputer 408.
  • the first monitor cell detection circuit 405 is used during the concentration detection mode
  • the second monitor cell detection circuit 406 is used during the element resistance detection mode.
  • the second monitor cell detection circuit 406 is set so that the detection range of the current Im is relatively larger than that of the first monitor cell detection circuit 405 and can detect the current Im in a wider range (see FIG. 6). ). For this reason, the second monitor cell detection circuit 406 has a lower resolution than the first monitor cell detection circuit 405, and the detection accuracy of the current Im is relatively low.
  • the detection range for the concentration detection mode used in the first sensor cell detection circuit 403 and the first monitor cell detection circuit 405 is used. (Narrow range) is set relatively narrower than the detection range of the pump cell detection circuit 402 (see FIG. 6).
  • the common electrode voltage application unit 407 is a part that applies a voltage to the common electrode 250.
  • the common electrode voltage application unit 407 In the concentration detection mode, the common electrode voltage application unit 407 appropriately sets an applied voltage according to oxygen pumping (pumping) control by the pump cell 246 and concentration detection control by the monitor cell 249 and the sensor cell 248.
  • the common electrode voltage application unit 407 In the element resistance detection mode, the common electrode voltage application unit 407 applies a sweep voltage that increases or decreases the applied voltage in a stepped manner with a predetermined voltage application width ⁇ V.
  • the microcomputer 408 is a control unit in the SCU 40.
  • the microcomputer 408 outputs a control signal for controlling the temperature of the heater 247 to the heater driving circuit 401.
  • the microcomputer 408 calculates the NOx concentration in the exhaust gas based on the current Is detected by the first sensor cell detection circuit 403 and the current Im detected by the first monitor cell detection circuit 405 in the concentration detection mode.
  • the microcomputer 408 calculates the NOx concentration in the exhaust gas by subtracting the output current Im of the monitor cell 249 from the output current Is of the sensor cell 248, excluding the current value due to the residual oxygen concentration in the exhaust gas detected by the sensor cell 248. .
  • the microcomputer 408 outputs a signal indicating the calculated NOx concentration to the CAN driver 409.
  • the microcomputer 408 determines each output current change width ⁇ Ip, ⁇ Is, ⁇ Im detected according to the application of the sweep voltage and the sweep voltage change width ⁇ V in the element resistance detection mode.
  • the element resistance of the cell is calculated. This calculation process will be described later with reference to FIGS.
  • the CAN driver 409 transmits a signal output from the microcomputer 408 to the CAN bus 50 and outputs a signal received from the CAN bus 50 to the microcomputer 408.
  • the gas concentration detection apparatus for an internal combustion engine includes NOx sensors 24 and 30, an SCU 40, and an ECU 10.
  • the common electrode voltage application unit 407, the pump cell detection circuit 402, and the microcomputer 408 of the SCU 40 correspond to the “pump cell control unit that detects the element resistance of the pump cell 246”, the common electrode voltage application unit 407, the first The sensor cell detection circuit 403, the second sensor cell detection circuit 404, and the microcomputer 408 correspond to the “sensor cell control unit that detects the element resistance of the sensor cell 248”, the common electrode voltage application unit 407, the first monitor cell detection circuit 405, and the second monitor cell.
  • the detection circuit 406 and the microcomputer 408 correspond to the “monitor cell control unit that detects the element resistance of the monitor cell 249”.
  • the time chart of FIG. 6 shows (a) the applied voltage V to the common electrode 250 (FIG. 6) in the concentration detection mode, the element resistance detection mode (when the element is low temperature), and the element resistance detection mode (when the element is high temperature). (Indicated as “COM +”), (b) current Ip output from the pump cell 246 (indicated as “P ⁇ ” in FIG. 6), and (c) currents Is, Im output from the sensor cell 248 and the monitor cell 249. (Indicated as “S-, M-” in FIG. 6). The horizontal axis of each item (a) to (c) represents time.
  • FIG. 5 shows the process procedure of the element resistance detection mode in the time chart of FIG.
  • the flowchart of FIG. 5 is executed by the microcomputer 408 of the SCU 40, for example, at predetermined intervals.
  • description will be made along the flowchart of FIG. 5 with reference to the time chart of FIG.
  • step S101 it is determined whether or not a voltage application execution condition is satisfied.
  • the voltage application execution condition is a condition indicating a state in which the element resistance detection mode can be performed.
  • the microcomputer 408 receives a command from the ECU 10 to set the element resistance detection mode in a state in which the element resistance detection mode can be performed. Can be set as a condition.
  • the process proceeds to step S102, and if not, the control flow ends.
  • step S102 as a result of the determination in step S101, the element resistance detection mode can be implemented.
  • the current detection circuits of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 are switched to the expanded range.
  • the microcomputer 408 switches the circuit for detecting the current Is of the sensor cell 248 from the first sensor cell detection circuit 403 to the second sensor cell detection circuit 404, and the circuit for detecting the current Im of the monitor cell 249 is changed to the first. Switching from the first monitor cell detection circuit 405 to the second monitor cell detection circuit 406 is performed.
  • step S102 the current detection circuit is switched in step S102, and the detection ranges of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 are changed from the narrow range to the expanded range.
  • step S103 the process proceeds to step S103.
  • step S103 a sweep voltage having a voltage application width ⁇ V is applied to the common electrode 250.
  • the voltage applied to the common electrode at normal time is increased by ⁇ V in a stepped manner, and after a predetermined time has elapsed, the voltage is decreased by a step to a value decreased by ⁇ V, Further, a voltage change that returns in a step-like manner to the applied voltage at this place after a predetermined time has elapsed is applied as a sweep voltage.
  • step S104 current change widths ⁇ Ip, ⁇ Is, and ⁇ Im of the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell 249 are acquired.
  • the microcomputer 408 acquires a current change width ⁇ Ip that is a fluctuation amount of the current Ip according to the application of the sweep voltage via the pump cell detection circuit 402.
  • the microcomputer 408 acquires a current change width ⁇ Is that is a fluctuation amount of the current Is according to the application of the sweep voltage via the second sensor cell detection circuit 404.
  • the microcomputer 408 acquires a current change width ⁇ Im that is a fluctuation amount of the current Im corresponding to the application of the sweep voltage via the second monitor cell detection circuit 406.
  • the current change widths ⁇ Ip, ⁇ Is, and ⁇ Im of the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell 249 are all larger at the high element temperature than at the low temperature.
  • the expanded ranges of the second sensor cell detection circuit 404 and the second monitor cell detection circuit 406 are set wide enough to include the maximum values of the currents Is and Im when the element is at a high temperature (for example, the activation temperature).
  • step S105 the AC resistance values of the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell 249 are calculated from the current change widths ⁇ Ip, ⁇ Is, ⁇ Im and the voltage change width ⁇ V of the sweep voltage.
  • the microcomputer 408 can calculate the element resistance of each cell by dividing the voltage change width ⁇ V by the current change widths ⁇ Ip, ⁇ Is, and ⁇ Im.
  • the microcomputer 408 estimates the element temperature of each cell based on the calculated element resistances of the pump cell 246, sensor cell 248, and monitor cell 249, and performs temperature control using a heater based on the estimated element temperature.
  • step S106 since the element resistance detection mode is completed, the current detection circuits of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 are switched from the expanded range to the normal range. Specifically, the microcomputer 408 switches the circuit for detecting the current Is of the sensor cell 248 from the second sensor cell detection circuit 404 to the first sensor cell detection circuit 403, and the circuit for detecting the current Im of the monitor cell 249 is changed to the first. The second monitor cell detection circuit 406 is switched to the first monitor cell detection circuit 405.
  • step S106 the current detection circuit is switched in step S106, and the detection ranges of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 are changed from the expanded range to the narrow range.
  • the gas concentration detection device is configured to detect the concentration of a specific gas component from the pump cell 246 for adjusting the oxygen concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine and the exhaust gas after passing through the pump cell 246 in the measurement chamber 242.
  • a sensor cell 248 for detecting, and a monitor cell 249 for detecting the oxygen concentration from the exhaust gas after passing through the pump cell 246 in the measurement chamber 242 are provided.
  • the common electrode 250 is provided so as to face the pump electrode 251, the sensor electrode 252, and the monitor electrode 253, and a pump cell 246, a sensor cell 248, and a monitor cell 249 are formed by a combination thereof.
  • the common electrode voltage application unit 407, the pump cell detection circuit 402, and the microcomputer 408 of the SCU 40 as the pump cell control unit adjust the oxygen concentration in the exhaust gas according to the voltage application between the pump electrode 251 and the common electrode 250, and The element resistance of the pump cell 246 is detected based on the response characteristic of the pump cell 246 according to the application of the sweep voltage corresponding to the detection range of the pump cell 246 to the common electrode 250.
  • the common electrode voltage application unit 407, the first sensor cell detection circuit 403, the second sensor cell detection circuit 404, and the microcomputer 408 as the sensor cell control unit can generate specific gas components according to the voltage application between the sensor electrode 252 and the common electrode 250.
  • a signal corresponding to the concentration is output, and the element resistance of the sensor cell 248 is detected based on the response characteristic of the sensor cell 248 according to the application of the sweep voltage corresponding to the detection range of the sensor cell 248 to the common electrode 250.
  • the common electrode voltage application unit 407, the first monitor cell detection circuit 405, the second monitor cell detection circuit 406, and the microcomputer 408 as the monitor cell control unit respond to the oxygen concentration according to the voltage application between the monitor electrode 253 and the common electrode 250.
  • the device resistance of the monitor cell 249 is detected based on the response characteristic of the monitor cell 249 according to the application of the sweep voltage corresponding to the detection range of the monitor cell 249 to the common electrode 250.
  • the detection level of the pump cell 246 and Pump cell control unit (common electrode voltage application unit 407, pump cell detection circuit 402, microcomputer 408) configured in consideration of the detection range, sensor cell control configured in consideration of detection levels and detection ranges of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 (Common electrode voltage application unit 407, first sensor cell detection circuit 403, second sensor cell detection circuit 404, microcomputer 408), and monitor cell control unit (common electrode voltage application unit 407, first monitor cell detection circuit 405, second monitor cell) Detection circuit 406, myco And 408), are used in combination.
  • the element resistance of each cell can be detected with high accuracy regardless of the difference in detection level between the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell 249.
  • the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell 249 having different detection levels and detection ranges are detected using different detection circuits, the density detection accuracy of each cell can be improved even in the density detection mode.
  • the gas concentration detection device of the first embodiment can improve the detection accuracy of the element resistance used for measuring the element temperature while maintaining the detection accuracy of the gas concentration.
  • the pump cell control unit (common electrode voltage application unit 407, pump cell detection circuit 402, microcomputer 408), sensor cell control unit (common electrode voltage application unit 407, first sensor cell detection circuit 403).
  • the second sensor cell detection circuit 404, the microcomputer 408) and the monitor cell control unit (common electrode voltage application unit 407, first monitor cell detection circuit 405, second monitor cell detection circuit 406, microcomputer 408) are identical to the common electrode 250.
  • the element resistance is calculated using the current change widths ⁇ Ip, ⁇ Is, and ⁇ Im measured by the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell 249 by applying the sweep voltage ⁇ V.
  • the sensor cell control unit and the monitor cell control unit detect the element resistance and the first sensor cell detection circuit 403 and the first monitor cell detection circuit 405 that measure the current values Is and Im in the concentration detection mode for detecting the concentration of the specific gas component.
  • the element resistance detection mode the current change widths ⁇ Is and ⁇ Im are measured, and the second sensor cell detection circuit 404 and the second monitor cell whose current value detection range is set wider than the first sensor cell detection circuit 403 and the first monitor cell detection circuit 405 are measured.
  • the sweep voltage in the element resistance detection mode is adjusted to the pump cell 246 by adjusting the detection range of the detection circuit that detects the response characteristic of each cell according to the application of the same sweep voltage ⁇ V for each cell.
  • the sensor cell 248 and the monitor cell 249 correspond to the detection ranges of the cells.
  • the resolution is obtained by detecting the current value using the first sensor cell detection circuit 403 and the first monitor cell detection circuit 405 having a narrow detection range.
  • the current value is detected using the second sensor cell detection circuit 404 and the second monitor cell detection circuit 406 having a wide detection range.
  • both the first sensor cell detection circuit 403 and the first monitor cell detection circuit 405 have the second sensor cell detection circuit 404 and the second sensor cell detection circuit 405 having a wide detection range.
  • the configuration for forcibly switching to the monitor cell detection circuit 406 has been illustrated, but instead, when the detected current value does not exceed the detection range (narrow range) of the first sensor cell detection circuit 403 and the first monitor cell detection circuit 405
  • the first sensor cell detection circuit 403 and the first monitor cell detection circuit 405 are continuously used and the detected current value exceeds the detection range (narrow range) of the first sensor cell detection circuit 403 and the first monitor cell detection circuit 405 Switching only the second sensor cell detection circuit 404 and the second monitor cell detection circuit 406 It may be.
  • the second embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the SCU 60.
  • the SCU 60 of the second embodiment includes a heater drive circuit 601, a pump cell detection circuit 602, a sensor cell detection circuit 603, a monitor cell detection circuit 604, a first voltage application unit 605, and a second voltage.
  • An application unit 606, a microcomputer 607, and a CAN driver 608 are provided.
  • the heater drive circuit 601, the pump cell detection circuit 602, the sensor cell detection circuit 603, the monitor cell detection circuit 604, the microcomputer 607, and the CAN driver 608 are the heater drive circuit 401, pump cell detection circuit 402, and first sensor cell detection of the first embodiment. These correspond to the circuit 403, the first monitor cell detection circuit 405, the microcomputer 408, and the CAN driver 409, respectively.
  • the first voltage application unit 605 and the second voltage application unit 606 are portions for applying a voltage to the common electrode 250, similarly to the common electrode voltage application unit 407 of the first embodiment. However, the first voltage application unit 605 and the second voltage application unit 606 differ in the type of sweep voltage applied to the common electrode 250 in the element resistance detection mode.
  • the first voltage application unit 605 applies a sweep voltage (first sweep voltage) that increases or decreases the applied voltage stepwise with a predetermined voltage application width ⁇ V1. As shown in FIG. 9, the voltage application width ⁇ V1 is set such that the fluctuation width ⁇ Ip of the output current Ip of the pump cell 246 output according to the sweep voltage is within the detection range of the pump cell detection circuit 602.
  • the second voltage application unit 606 applies a sweep voltage (second sweep voltage) that increases or decreases the applied voltage stepwise with a predetermined voltage application width ⁇ V2.
  • the voltage application width ⁇ V2 includes a fluctuation range ⁇ Is of the output current Is of the sensor cell 248 output according to the sweep voltage and a fluctuation width ⁇ Im of the output current Im of the monitor cell 249.
  • 603 and the monitor cell detection circuit 604 are set so as to fall within the detection range.
  • the gas concentration detection apparatus for an internal combustion engine includes NOx sensors 24 and 30, an SCU 60, and an ECU 10.
  • the first voltage application unit 605, the pump cell detection circuit 602, and the microcomputer 607 of the SCU 60 correspond to the “pump cell control unit that detects the element resistance of the pump cell 246”, and the second voltage application unit 606,
  • the sensor cell detection circuit 603 and the microcomputer 607 correspond to the “sensor cell control unit that detects the element resistance of the sensor cell 248”, and the second voltage application unit 606, the monitor cell detection circuit 604, and the microcomputer 607 detect “the element resistance of the monitor cell 249”. Corresponds to the “monitor cell control unit”.
  • the configuration of the time chart of FIG. 9 is the same as that of the time chart of FIG.
  • the flowchart of FIG. 8 shows the process sequence of the element resistance detection mode in the time chart of FIG.
  • the flowchart in FIG. 8 is executed by the microcomputer 607 of the SCU 60, for example, at predetermined intervals.
  • step S201 is the same as the process in step S101 in FIG.
  • step S202 since the element resistance detection mode can be implemented as a result of the determination in step S201, it is first determined whether or not the detection cell for detecting the AC resistance is the pump cell 246.
  • the microcomputer 607 executes the element resistance detection mode at predetermined timings, and alternately detects a mode for detecting the element resistance of the pump cell 246 and a mode for detecting the element resistance of the sensor cell 248 and the monitor cell 249, or It can be switched and executed every predetermined number of times.
  • the microcomputer 607 determines that “the detection cell for detecting the AC resistance is the pump cell 246” when the element resistance detection mode executed in the current process flow is a mode for detecting the element resistance of the pump cell 246.
  • the process proceeds to step S203, and if not, the process proceeds to step S206.
  • step S203 as a result of the determination in step S202, since the detection cell for detecting the AC resistance is the pump cell 246, the sweep voltage having the voltage change width ⁇ V1 is applied to the common electrode 250.
  • the microcomputer 607 switches the circuit that applies a voltage to the common electrode 250 to the first voltage application unit 605.
  • step S204 the process proceeds to step S204.
  • step S203 switching to the first voltage application unit 605 in step S203 is performed, and the sweep voltage having the voltage change width ⁇ V1 is applied to the common electrode 250.
  • the voltage change width ⁇ V1 is set to such an extent that the current change width ⁇ Ip of the pump cell 246 to be measured falls within the detection range of the pump cell detection circuit 602.
  • step S204 the current change width ⁇ Ip of the pump cell 246 is acquired.
  • the microcomputer 607 acquires a current change width ⁇ Ip, which is a fluctuation amount of the current Ip according to the application of the sweep voltage having the voltage change width ⁇ V1, via the pump cell detection circuit 602.
  • a current change width ⁇ Ip which is a fluctuation amount of the current Ip according to the application of the sweep voltage having the voltage change width ⁇ V1, via the pump cell detection circuit 602.
  • the current change width ⁇ Ip of the pump cell 246 to be measured is within the detection range of the pump cell detection circuit 602, while the sensor cell is output according to the sweep voltage of the voltage change width ⁇ V1.
  • the current change widths ⁇ Is and ⁇ Im of H.248 and the monitor cell 249 exceed the detection ranges of the sensor cell detection circuit 603 and the monitor cell detection circuit 604.
  • step S205 the AC resistance value of the pump cell 246 is calculated from the current change width ⁇ Ip and the voltage change width ⁇ V1 of the sweep voltage.
  • the microcomputer 607 can calculate the element resistance of the pump cell 246 by dividing the voltage change width ⁇ V1 by the current change width ⁇ Ip.
  • step S206 as a result of the determination in step S202, since the detection cell for detecting the AC resistance is not the pump cell 246 but the sensor cell 248 and the monitor cell 249, the sweep voltage having the voltage change width ⁇ V2 is applied to the common electrode 250.
  • the microcomputer 607 switches the circuit that applies a voltage to the common electrode 250 to the second voltage application unit 606.
  • step S207 the process proceeds to step S207.
  • step S206 switching to the second voltage application unit 606 in step S206 is performed, and the sweep voltage having the voltage change width ⁇ V2 is applied to the common electrode 250.
  • the voltage change width ⁇ V2 is set such that the current change widths ⁇ Is and ⁇ Im of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 to be measured fall within the detection ranges of the sensor cell detection circuit 603 and the monitor cell detection circuit 604. Further, the voltage change width ⁇ V2 is smaller than the voltage change width ⁇ V1 for detecting the element resistance of the pump cell 246, as shown in FIG.
  • step S207 current change widths ⁇ Is and ⁇ Im of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 are acquired.
  • the microcomputer 607 acquires a current change width ⁇ Is that is a fluctuation amount of the current Is according to the application of the sweep voltage having the voltage change width ⁇ V ⁇ b> 2 via the sensor cell detection circuit 603.
  • the microcomputer 408 acquires a current change width ⁇ Im, which is a fluctuation amount of the current Im corresponding to the application of the sweep voltage having the voltage change width ⁇ V2, via the monitor cell detection circuit 604.
  • the current Ip of the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell 249 according to the application of the sweep voltage of the voltage change width ⁇ V2 in the mode in which the element resistances of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 are detected in the period from time t3 to t4 , Is, Im responses are shown.
  • the current change widths ⁇ Is and ⁇ Im of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 to be measured are within the detection ranges of the sensor cell detection circuit 603 and the monitor cell detection circuit 604, while the current of the pump cell 246 is
  • the change width ⁇ Ip is extremely small with respect to the detection range of the pump cell detection circuit 602.
  • step S208 the AC resistance values of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 are calculated from the current change widths ⁇ Is and ⁇ Im and the voltage change width ⁇ V2 of the sweep voltage.
  • the microcomputer 607 can calculate the element resistances of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 by dividing the voltage change width ⁇ V2 by the current change widths ⁇ Is and ⁇ Im, for example.
  • the gas concentration detection device of the second embodiment is a pump cell in which the first voltage application unit 605, the pump cell detection circuit 602, and the microcomputer 607 of the SCU 40 adjust the oxygen concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the second voltage application unit 606, the sensor cell detection circuit 603, and the microcomputer 607 function as a pump cell control unit that detects the element resistance of H.246, and a signal corresponding to the concentration of a specific gas component from the exhaust gas after passing through the pump cell 246.
  • Functions as a sensor cell control unit that detects the element resistance of the sensor cell 248, and the second voltage application unit 606, the monitor cell detection circuit 604, and the microcomputer 607 respond to the oxygen concentration from the exhaust gas after passing through the pump cell 246.
  • the pump cell control unit (the first voltage application unit 605, the pump cell detection circuit 602, the microcomputer 608) applies a sweep voltage having a voltage change width ⁇ V1 to the common electrode 250.
  • the element resistance of the pump cell 246 is calculated using the current change width ⁇ Ip measured by the pump cell 246.
  • the sensor cell control unit (second voltage application unit 606, sensor cell detection circuit 603, microcomputer 607) and the monitor cell control unit (second voltage application unit 606, monitor cell detection circuit 604, microcomputer 607) have a voltage change width across the common electrode 250.
  • the element resistances of the sensor cell 248 and the monitor cell 249 are calculated using the current change widths ⁇ Is and ⁇ Im measured by the sensor cell 248 and the monitor cell 249. That is, in the second embodiment, the sweep voltage in the element resistance detection mode is applied to the pump cell 246, the sensor cell 248, and the monitor cell 249 by applying sweep voltages having different voltage change widths ⁇ V1 and ⁇ V2, respectively. It corresponds to the detection range of each cell of the monitor cell 249.
  • the gas concentration detection device of the second embodiment is also the same as the first embodiment. Similarly, the effect that the detection accuracy of element resistance can be improved can be produced.
  • a third embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the third embodiment differs from the first and second embodiments in the configuration of the NOx sensor cell.
  • a single sensor cell 248A is installed in the subsequent stage of the pump cell 246.
  • the sensor cell 248A detects the concentration of a specific gas component from the exhaust gas after passing through the pump cell 246.
  • the SCU 40A when the NOx sensor 24A is controlled similarly to the first embodiment, as shown in FIG. 11, the SCU 40A has a first monitor cell detection circuit 405 as compared with the SCU 40 of the first embodiment.
  • the second monitor cell detection circuit 406 is not provided.
  • the gas concentration detection apparatus for an internal combustion engine according to the third embodiment includes the NOx sensor 24A, the SCU 40A, and the ECU 10.
  • the common electrode voltage application unit 407, the pump cell detection circuit 402, and the microcomputer 408 of the SCU 40A correspond to the “pump cell control unit that detects the element resistance of the pump cell 246”, and the common electrode voltage application unit 407 and the first sensor cell detection circuit 403.
  • the second sensor cell detection circuit 404 and the microcomputer 408 correspond to the “sensor cell control unit that detects the element resistance of the sensor cell 248A”.
  • the gas concentration detection apparatus for an internal combustion engine includes the NOx sensor 24A, the SCU 60A, and the ECU 10.
  • the first voltage application unit 605, the pump cell detection circuit 602, and the microcomputer 607 of the SCU 60A correspond to the “pump cell control unit that detects the element resistance of the pump cell 246”, and the second voltage application unit 606, the sensor cell detection circuit 603, the microcomputer Reference numeral 607 corresponds to “a sensor cell control unit that detects an element resistance of the sensor cell 248A”.
  • the gas concentration detection device of the third embodiment also includes elements that function as a pump cell control unit and a sensor cell control unit, as in the first and second embodiments, the same operation as in the first and second embodiments. There is an effect.
  • a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the fourth embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the SCU 40B.
  • the SCU 40B of the fourth embodiment does not include the second monitor cell detection circuit 406 among the components of the SCU 40 of the first embodiment.
  • the fourth embodiment is common to the first embodiment in that it functions as a gas concentration detection device for NOx sensors 24, 30 having a pump cell 246, a sensor cell 248, and a monitor cell 249.
  • the SCU 40B of the fourth embodiment includes “a pump cell control unit that detects the element resistance of the pump cell 246” and “a sensor cell control unit that detects the element resistance of the sensor cell 248” among the functions of the SCU 40 of the first embodiment.
  • it does not have a function related to the “monitor cell control unit for detecting the element resistance of the monitor cell 249”.
  • a function equivalent to the SCU 40B of the fourth embodiment can be realized by the SCU 60 of the second embodiment.
  • the gas concentration detection device of the fourth embodiment also includes elements that function as a pump cell control unit and a sensor cell control unit, as in the first and second embodiments. Therefore, the same operation as in the first to third embodiments is provided. There is an effect.
  • the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the fifth embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the SCU 40C.
  • the SCU 40C of the fifth embodiment does not include the second sensor cell detection circuit 404 among the components of the SCU 40 of the first embodiment.
  • the fifth embodiment is common to the first embodiment in that it functions as a gas concentration detection device for NOx sensors 24, 30 having a pump cell 246, a sensor cell 248, and a monitor cell 249.
  • the SCU 40C of the fifth embodiment includes the “pump cell control unit for detecting the element resistance of the pump cell 246” and the “monitor cell control unit for detecting the element resistance of the monitor cell 249” among the functions of the SCU 40 of the first embodiment.
  • it does not have a function relating to “a sensor cell control unit for detecting an element resistance of the sensor cell 248”.
  • a function equivalent to that of the SCU 40C of the fifth embodiment can be realized by the SCU 60 of the second embodiment.
  • the gas concentration detection apparatus of the fifth embodiment includes elements that function as a pump cell control unit and a monitor cell control unit as in the first and second embodiments, the same operation as in the first and second embodiments. There is an effect.

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Abstract

内燃機関のガス濃度検出装置（４０）は、ポンプセル（２４６）の検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極（２５０）への印加に応じた前記ポンプセルの応答特性に基づき前記ポンプセルの素子抵抗を検出する。また、ガス濃度検出装置（４０）は、センサセル（２４８）の検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記センサセルの応答特性に基づき前記センサセルの素子抵抗を検出する。

Description

内燃機関のガス濃度検出装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１５年１２月２２日に出願された日本国特許出願２０１５－２４９３６１号に基づくものであって、その優先権の利益を主張するものであり、その特許出願の全ての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。
　本開示は、内燃機関のガス濃度検出装置に関する。
　内燃機関の排出ガス中から特定のガス成分の濃度を検出するためのガス濃度検出装置として、複数の検出セルを有するものが知られている。例えば特許文献１には、ポンプセル、センサセル、及びモニタセルの３セル構造を有し、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するガス濃度センサが記載されている。このガス濃度センサのポンプセルでは、電極間に電圧を印加することでチャンバに導入した排気ガス中の酸素の排出または汲み込みが行われる。センサセルでは、電極間に電圧を印加することで、ガス中のポンプセルを通過したのちのガスから特定ガス成分の濃度としてＮＯｘ濃度が検出される。モニタセルでは、電極間に電圧を印加することで、チャンバ内の残留酸素濃度が検出される。
　また、このようなガス濃度センサでは、セルに印加する電圧を一時的に切り替え（電圧掃引）、そのときの電圧変化及び電流変化から素子抵抗が算出される。この素子抵抗を素子温度の代替指標として用い、素子抵抗が目標素子抵抗になるようにヒータ制御を行うことで、素子温度を所望の温度に制御する温度制御が行われる。
特許第３７３６４４３号明細書
　上記の複数の検出セルを有するガス濃度センサにおいて、各セルの素子温度をより緻密に制御するには、各々のセルの素子抵抗を検出し、複数の素子抵抗の情報を基にヒータ制御を最適に制御させることが望ましい。
　一方、各セルが反応するガス成分や成分量によっては、各セルごとに検出される電流レベルが異なる傾向がある。例えばポンプセルはμＡオーダであるのに対して、センサセルやモニタセルはｎＡオーダである。素子抵抗の検出精度を担保させるためには、各々のセルに印加する電圧を個別に設定させる必要があり回路の複雑化、高コスト化を招いてしまう。
　本開示の目的は、素子温度を計測するために用いる素子抵抗の検出精度を向上できる内燃機関のガス濃度検出装置を提供することにある。
　本開示の一態様による内燃機関のガス濃度検出装置は、酸素を含むガスにおける、所定のガス成分の濃度を測定するガス濃度検出装置であって、酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体と、固体電解質体の第１主面の側に形成されてガスが導入されるガス室と、固体電解質体の第２主面の側に形成されて基準ガスが導入される基準ガス室と、固体電解質体の第１主面に設けられたポンプ電極と、固体電解質体の第１主面に設けられ、ポンプ電極が設けられた位置よりもガスの流れ方向の下流側に位置するセンサ電極と、固体電解質体の第２主面に設けられた共通電極と、を備え、ポンプ電極と共通電極と固体電解質体の一部とによって、ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルが形成されており、センサ電極と共通電極と固体電解質体の一部とによって、センサ電極と共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいてガス室における所定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセルが形成されており、ポンプ電極と共通電極との間の電圧印加に応じてガス中の酸素濃度を調整すると共に、ポンプセルの検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極への印加に応じたポンプセルの応答特性に基づきポンプセルの素子抵抗を検出するポンプセル制御部と、センサ電極と共通電極との間の電圧印加に応じて濃度に応じた信号を出力すると共に、センサセルの検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極への印加に応じたセンサセルの応答特性に基づきセンサセルの素子抵抗を検出するセンサセル制御部と、を備える。
　同様に、本開示の一態様による内燃機関のガス濃度検出装置は、酸素を含むガスにおける、所定のガス成分の濃度を測定するガス濃度検出装置であって、酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体と、固体電解質体の第１主面の側に形成されてガスが導入されるガス室と、固体電解質体の第２主面の側に形成されて基準ガスが導入される基準ガス室と、固体電解質体の第１主面に設けられたポンプ電極と、固体電解質体の第１主面に設けられ、ポンプ電極が設けられた位置よりもガスの流れ方向の下流側に位置するセンサ電極と、固体電解質体の第１主面に設けられ、ポンプ電極が設けられた位置よりもガスの流れ方向の下流側に位置するモニタ電極と、固体電解質体の第２主面に設けられた共通電極と、を備え、ポンプ電極と共通電極と固体電解質体の一部とによって、ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルが形成されており、モニタ電極と共通電極と固体電解質体の一部とによって、モニタ電極と共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいてガス室における酸素濃度を検出するためのモニタセルが形成されており、センサ電極と共通電極と固体電解質体の一部とによって、センサ電極と共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいてガス室における所定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセルが形成されており、ポンプ電極と共通電極との間の電圧印加に応じてガス中の酸素濃度を調整すると共に、ポンプセルの検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極への印加に応じたポンプセルの応答特性に基づきポンプセルの素子抵抗を検出するポンプセル制御部と、モニタ電極と共通電極との間の電圧印加に応じて酸素濃度に応じた信号を出力すると共に、モニタセルの検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極への印加に応じたモニタセルの応答特性に基づきモニタセルの素子抵抗を検出するモニタセル制御部と、を備える。
図１は、第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置が適用されるエンジン排気系を模式的に示す図である。 図２は、図１に示されたＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図である。 図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図４は、図１のＳＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。 図５は、第１実施形態における素子抵抗検出処理を示すフローチャートである。 図６は、第１実施形態における素子抵抗検出処理を示すタイムチャートである。 図７は、第２実施形態におけるＳＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。 図８は、第２実施形態における素子抵抗検出処理を示すフローチャートである。 図９は、第２実施形態における素子抵抗検出処理を示すタイムチャートである。 図１０は、第３実施形態におけるＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図である。 図１１は、第１実施形態のＳＣＵの機能的な構成を第３実施形態のＮＯｘセンサに適用する場合のブロック図である。 図１１は、第２実施形態のＳＣＵの機能的な構成を第３実施形態のＮＯｘセンサに適用する場合のブロック図である。 図１３は、第４実施形態におけるＳＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。 図１４は、第５実施形態におけるＳＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。
　以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
［第１実施形態］
　図１～図６を参照して第１実施形態について説明する。一実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、限界電流式のＮＯｘセンサ２４，３０を用い、エンジン排気系ＥＳを流れる内燃機関の排出ガス中の酸素（Ｏ2）濃度を検出すると共に、特定ガス成分の濃度としてのＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出する。
　図１に示されるように、エンジン排気系ＥＳには、ＳＣＵ（Ｓｅｎｓｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）４０が設けられている。ＳＣＵ４０は、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）１０とＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス５０を介して繋がっており、ＥＣＵ１０と情報通信を行っている。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０及びそれに繋がるエンジン排気系ＥＳを制御する装置である。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０の挙動を制御する機能を有している。ＥＣＵ１０は、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて燃料噴射弁の開度を調整する。
　エンジン排気系ＥＳには、ディーゼルエンジン２０側から順に、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒コンバータ２８と、が設けられている。ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　Ｃａｔａｌｙｓｔ）２２１と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｆｉｌｔｅｒ）２２２と、を有している。
　ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、排出ガスに含まれる有害物質を酸化又は還元により浄化するものであって、特に炭素などからなる粒子状物質（ＰＭ）を捕集する装置である。
　ディーゼル酸化触媒２２１は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物、並びに白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属触媒で構成されている。ディーゼル酸化触媒２２１は、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化させ浄化する。また、ディーゼル酸化触媒２２１は、触媒反応の際に発生する熱により排出ガス温度を上昇させる。
　ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持され、ハニカム構造体で形成される。ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、排出ガス中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させる。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒２２１における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。
　ＳＣＲ触媒コンバータ２８は、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２の後処理装置としてＮＯｘを窒素と水に還元する装置であって、選択還元型の触媒であるＳＣＲ２８１を有する。ＳＣＲ２８１は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持した触媒が例示できる。ＳＣＲ２８１は、触媒温度が活性温度域にあり、さらに、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化するものである。尿素添加のため、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の上流側には、尿素添加インジェクタ２６が設けられている。
　本実施形態では、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間にＮＯｘセンサ２４が、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側にＮＯｘセンサ３０がそれぞれ配置されている。
　ＮＯｘセンサ２４で検出されるＮＯｘ濃度と、ＮＯｘセンサ３０で検出されるＮＯｘ濃度とに基づき尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ触媒コンバータ２８に対して添加される尿素の量が決定される。より具体的には、ＮＯｘセンサ２４においてＳＣＲ触媒コンバータ２８通過前の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度に基づいて添加する尿素の量が決定される。また、ＮＯｘセンサ３０においてＳＣＲ触媒コンバータ２８を通過した後の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度が極力小さい値となるようにフィードバックし、添加する尿素の量を補正する。このように決定された量の尿素が、尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ２８１に対して添加されることで、ＳＣＲ２８１において排出ガス中のＮＯｘが適正に還元される。このように、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物は、ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０を通過した後、テールパイプ（不図示）から外部に排出される。
　ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０が出力する電流は、ＳＣＵ４０が検出している。ＳＣＵ４０は、ＮＯｘセンサ２４，３０から検出した電流値からＮＯｘ濃度の算出や上記の尿素添加インジェクタ２６の制御などを行い、必要なデータをＥＣＵ１０に送信している。ＥＣＵ１０及びＳＣＵ４０は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス５０に繋がっており、ＣＡＮバス５０を介して情報通信を行っている。
　ＳＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポート、及び記憶装置を含むものである。ＮＯｘセンサ２４とＮＯｘセンサ３０とは同一の構成であるため、ＮＯｘセンサ２４を例にとってその構成を説明し、併せてＳＣＵ４０の構成についても説明する。
　図２及び図３に示されるように、ＮＯｘセンサ２４は、第１本体部２４１ａと、第２本体部２４１ｂと、固体電解質体２４４と、拡散抵抗体２４５と、ポンプ電極２５１と、ヒータ２４７と、センサ電極２５２と、モニタ電極２５３と、共通電極２５０と、を備えている。
　ポンプ電極２５１と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、排気ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル２４６が形成されている。モニタ電極２５３と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、モニタ電極２５３と共通電極２５０との間に流れる酸素イオン電流に基づいて測定室２４２における酸素濃度を検出するモニタセル２４９が形成されている。センサ電極２５２と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、センサ電極２５２と共通電極２５０との間に流れる酸素イオン電流に基づいて測定室２４２における所定のガス成分の濃度（ＮＯｘ濃度）を検出するためのセンサセル２４８が形成されている。
　固体電解質体２４４は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質材料によって構成されている。第１本体部２４１ａと第２本体部２４１ｂとは、固体電解質体２４４を挟んで配置されている。第１本体部２４１ａには、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されており、その凹部は測定室２４２（ガス室）として機能している。測定室２４２の一側面は開放されており、その開放された一側面に拡散抵抗体２４５が配置されている。拡散抵抗体２４５は、多孔質材料又は細孔が形成された材料からなっている。拡散抵抗体２４５の作用により、測定室２４２内に引き込まれる排出ガスの速度が律せされる。測定室２４２は、固体電解質体２４４の第１主面２４４ａの側に形成されて排出ガスが導入される。
　第２本体部２４１ｂにも、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されており、その凹部は大気室２４３（基準ガス室）として機能している。大気室２４３の一側面は開放されている。固体電解質体２４４側から大気室２４３内に引き込まれる気体は大気に放出される。大気室２４３は、固体電解質体２４４の第２主面２４４ｂの側に形成されて基準ガスが導入される。
　固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面（第１主面２４４ａ）であって、拡散抵抗体２４５側には陰極側となるポンプ電極２５１が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面（第２主面２４４ｂ）であって、ポンプセル２４６と対応する位置に陽極側となる共通電極２５０が設けられている。共通電極２５０は、センサ電極２５２及びモニタ電極２５３と対応する領域までカバーするように設けられている。
　ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、測定室２４２内の排出ガス中に含まれる酸素が陰極側のポンプ電極２５１に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。
　なお、ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に印加する電圧が高いほど、ポンプセル２４６によって排出ガス中から排出される酸素の量は多くなる。逆にポンプセル２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧が低いほど、ポンプセル２４６によって排出ガス中から排出される酸素の量は減る。従って、ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に印加する電圧を増減することで、後段のセンサセル２４８及びモニタセル２４９に流れる排出ガス中の残留酸素の量を増減させることができる。
　固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２５１を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側（ポンプ電極２５１よりもガスの流れ方向の下流側）には陰極側となるモニタ電極２５３が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、モニタ電極２５３と対応する位置に陽極側となる共通電極２５０が設けられている。
　モニタセル２４９は、ポンプセル２４６によって酸素が排出された排出ガス中に残留する酸素濃度を検出する。モニタ電極２５３と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、ポンプセル２４６によって酸素が排出された排出ガス中に含まれる残留酸素が陰極側のモニタ電極２５３セル２４９に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、第１モニタセル検出回路４０５及び第２モニタセル検出回路４０６（図４を参照しながら後述する）により電流Ｉｍとして検出され、この電流Ｉｍに基づいて、排出ガス中の残留酸素濃度を算出し得る。
　固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２５１を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側（ポンプ電極２５１よりもガスの流れ方向の下流側）には陰極側となるセンサ電極２５２が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、センサ電極２５２と対応する位置に陽極側となる共通電極が設けられている。
　センサ電極２５２は、Ｐｔ－Ｒｈ合金（白金－ロジウム合金）からなり、ＮＯｘに対して強い還元性を有している。センサ電極２５２に接触したＮＯｘは、Ｎ2とＯ2とに還元分解される。センサ電極２５２と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、分解されたＯ2は、陰極側のセンサ電極２５２から電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、第１センサセル検出回路４０３及び第２センサセル検出回路４０４（図４を参照しながら後述する）により電流Ｉｓとして検出され、この電流Ｉｓに基づいて、排出ガス中のＮＯｘの濃度及び残留酸素濃度を算出し得る。
　ここで、ポンプセル２４６と、モニタセル２４９及びセンサセル２４８とは、各セルごとに検出される電流レベルが異なる傾向がある。モニタセル２４９及びセンサセル２４８は、基本的にはポンプセル２４６により酸素を排出された後の排出ガス中の酸素濃度及びＮｏｘ濃度に応じた電流値を出力するため、ポンプセル２４６と比較して検出される電流レベルが相対的に小さい。ポンプセル２４６により検出される電流レベル（以下「検出レベル」ともいう）は例えばμＡオーダであるのに対して、モニタセル２４９及びセンサセル２４８の検出レベルは例えばｎＡオーダである。
　ＳＣＵ４０は、上記のような構成のＮＯｘセンサ２４，３０の動作を制御する。ＳＣＵ４０は、センサ電極２５２と共通電極２５０との間に所定電圧を印加して、ポンプセル２４６によって酸素が排出された後の排出ガス中に含まれるＮＯｘ及び残留酸素の濃度を検出する「濃度検出モード」で主にＮＯｘセンサ２４，３０を作動させる。ＳＣＵ４０は、この濃度検出モードの実行中に所定のタイミングで、素子温度推定に用いる素子抵抗を検出する「素子抵抗検出モード」を実行する。ＳＣＵ４０は、素子抵抗検出モードにて検出したポンプセル２４６、モニタセル２４９、センサセル２４８の素子抵抗に基づき各セルの素子温度を推定し、推定された素子温度が設定温度になるようにヒータ２４７を用いて温度制御を行うことができる。
　ＳＣＵ４０は、その一部又は全部が、アナログ回路で構成されるか、メモリを備えたデジタルプロセッサとして構成される。いずれにしても、受信した電気信号に基づいて制御信号を出力する機能を果たすため、ＳＣＵ４０には機能的な制御ブロックが構成される。図４は、ＳＣＵ４０を、このような機能的な制御ブロック図として示したものである。
　続いて、ＳＣＵ４０の機能的な構成要素について説明する。ＳＣＵ４０は、ヒータ駆動回路４０１と、ポンプセル検出回路４０２と、第１センサセル検出回路４０３（第１検出回路）と、第２センサセル検出回路４０４（第２検出回路）と、第１モニタセル検出回路４０５（第１検出回路）と、第２モニタセル検出回路４０６（第２検出回路）と、共通電極電圧印加部４０７と、マイコン４０８と、ＣＡＮドライバ４０９と、を備えている。
　ヒータ駆動回路４０１は、ヒータ２４７に印加する電圧を制御し、ヒータ２４７の発熱量を制御する部分である。
　ポンプセル検出回路４０２は、ポンプセル２４６が出力する電流Ｉｐを検出する部分である。ポンプセル検出回路４０２は、検出した電流Ｉｐを示す信号をマイコン４０８に出力する。
　第１センサセル検出回路４０３及び第２センサセル検出回路４０４は、センサセル２４８が出力する電流Ｉｓを検出する部分である。第１センサセル検出回路４０３と、第２センサセル検出回路４０４は、検出した電流Ｉｓを示す信号をマイコン４０８に出力する。第１センサセル検出回路４０３は、上記の濃度検出モードの際に用いられ、第２センサセル検出回路４０４は、上記の素子抵抗検出モードの際に用いられる。第２センサセル検出回路４０４は、電流Ｉｓの検出レンジが第１センサセル検出回路４０３のものと比較して相対的に大きく、より広い範囲で電流Ｉｓを検出できるように設定されている（図６参照）。このため、第２センサセル検出回路４０４は、第１センサセル検出回路４０３と比べて分解能が低くなり、電流Ｉｓの検出精度が相対的に低いものとなっている。素子抵抗検出モード用の検出レンジは、濃度検出用のものより広く設定されているため、以降では素子抵抗検出モード用の検出レンジを「拡大レンジ」とも表記し、濃度検出モード用の検出レンジを「狭レンジ」とも表記する。
　第１モニタセル検出回路４０５及び第２モニタセル検出回路４０６は、モニタセル２４９が出力する電流Ｉｍを検出する部分である。第１モニタセル検出回路４０５及び第２モニタセル検出回路４０６は、検出した電流Ｉｍを示す信号をマイコン４０８に出力する。第１モニタセル検出回路４０５は、上記の濃度検出モードの際に用いられ、第２モニタセル検出回路４０６は、上記の素子抵抗検出モードの際に用いられる。第２モニタセル検出回路４０６は、電流Ｉｍの検出レンジが第１モニタセル検出回路４０５のものと比較して相対的に大きく、より広い範囲で電流Ｉｍを検出できるように設定されている（図６参照）。このため、第２モニタセル検出回路４０６は、第１モニタセル検出回路４０５と比べて分解能が低くなり、電流Ｉｍの検出精度が相対的に低いものとなっている。なお、上述のように、モニタセル２４９及びセンサセル２４８の検出レベルはポンプセル２４６のものより相対的に小さいので、第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５にて用いる濃度検出モード用の検出レンジ（狭レンジ）は、ポンプセル検出回路４０２の検出レンジより相対的に狭く設定されている（図６参照）。
　共通電極電圧印加部４０７は、共通電極２５０に電圧を印加する部分である。共通電極電圧印加部４０７は、上記の濃度検出モードの際には、ポンプセル２４６による酸素汲み出し（ポンピング）制御、モニタセル２４９及びセンサセル２４８による濃度検出制御に応じて印加電圧を適宜設定する。また、共通電極電圧印加部４０７は、素子抵抗検出モードの際には、この印加電圧を所定の電圧印加幅ΔＶでステップ状に増減させる掃引電圧を印加する。
　マイコン４０８は、ＳＣＵ４０内の制御部である。マイコン４０８は、ヒータ駆動回路４０１にヒータ２４７の温度を制御するための制御信号を出力する。マイコン４０８は、濃度検出モードの際に、第１センサセル検出回路４０３が検出した電流Ｉｓ及び第１モニタセル検出回路４０５が検出した電流Ｉｍに基いて、排出ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。マイコン４０８は、センサセル２４８の出力電流Ｉｓからモニタセル２４９の出力電流Ｉｍを減算することで、センサセル２４８の検出した排出ガス中の残留酸素濃度による電流値を除き、排出ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。マイコン４０８は、算出したＮＯｘ濃度を示す信号をＣＡＮドライバ４０９に出力する。また、マイコン４０８は、素子抵抗検出モードの際に、掃引電圧の印加に応じて検出される各セルの出力電流の変化幅ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍと、掃引電圧の変化幅ΔＶに基づいて、各セルの素子抵抗を算出する。この算出処理については図５及び図６を参照して後述する。
　ＣＡＮドライバ４０９は、マイコン４０８が出力する信号をＣＡＮバス５０に送信し、ＣＡＮバス５０から受信する信号をマイコン４０８に出力する。
　第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ２４，３０と、ＳＣＵ４０と、ＥＣＵ１０とを備えるものである。
　第１実施形態では、ＳＣＵ４０の共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８が、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」に対応し、共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８が、「センサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に対応し、共通電極電圧印加部４０７、第１モニタセル検出回路４０５、第２モニタセル検出回路４０６、マイコン４０８が、「モニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部」に対応する。
　次に、図５及び図６を参照して第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置の動作について説明する。図６のタイムチャートは、ガス濃度検出装置の濃度検出モード、素子抵抗検出モード（素子低温時）、素子抵抗検出モード（素子高温時）における（ａ）共通電極２５０への印加電圧Ｖ（図６中では「ＣＯＭ＋」と表記）と、（ｂ）ポンプセル２４６が出力する電流Ｉｐ（図６中には「Ｐ－」と表記）と、（ｃ）センサセル２４８及びモニタセル２４９が出力する電流Ｉｓ，Ｉｍ（図６中には「Ｓ－、Ｍ－」と表記）を示す。各項目（ａ）～（ｃ）の横軸は時間を表す。図５のフローチャートは、図６のタイムチャートのうち素子抵抗検出モードの処理の手順を示す。図５のフローチャートは、ＳＣＵ４０のマイコン４０８により、例えば所定周期ごとに実施される。以下、図６のタイムチャートを参照しつつ、図５のフローチャートに沿って説明する。
　ステップＳ１０１では、電圧印加実施条件が成立しているか否かが判定される。電圧印加実施条件とは、素子抵抗検出モードを実施可能な状態を示す条件であり、具体的には、マイコン４０８が、素子抵抗検出モードを実施可能な状態に設定する旨の指令をＥＣＵ１０から受信していることを条件として設定することができる。ステップＳ１０１の判定の結果、電圧印加実施条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進み、そうでない場合には本制御フローを終了する。
　ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１の判定の結果、素子抵抗検出モードを実施可能な状態であるので、まず、センサセル２４８及びモニタセル２４９の電流検出回路が拡大レンジに切り替えられる。具体的には、マイコン４０８が、センサセル２４８の電流Ｉｓを検出するための回路を第１センサセル検出回路４０３から第２センサセル検出回路４０４に切り替え、モニタセル２４９の電流Ｉｍを検出するための回路を第１モニタセル検出回路４０５から第２モニタセル検出回路４０６に切り替える。
　図６のタイムチャートでは、時刻ｔ１及び時刻ｔ３において、ステップＳ１０２の電流検出回路の切り替えが行われ、センサセル２４８及びモニタセル２４９の検出レンジが狭レンジから拡大レンジに変更されている。ステップＳ１０２の処理が完了するとステップＳ１０３に進む。
　ステップＳ１０３では、共通電極２５０に電圧印加幅ΔＶの掃引電圧が印加される。図６のタイムチャートでは、時刻ｔ１及び時刻ｔ３において通常時の共通電極への印加電圧からΔＶだけステップ状に増加させ、所定時間経過後に印加電圧からΔＶだけ減少した値までステップ状に減少させ、さらに所定時間経過後に当所の印加電圧までステップ状に戻る電圧変化が掃引電圧として印加されている。ステップＳ１０３の処理が完了するとステップＳ１０４に進む。
　ステップＳ１０４では、ポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍが取得される。マイコン４０８は、ポンプセル検出回路４０２を介して、掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｐの変動量である電流変化幅ΔＩｐを取得する。同様に、マイコン４０８は、第２センサセル検出回路４０４を介して、掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｓの変動量である電流変化幅ΔＩｓを取得する。同様に、マイコン４０８は、第２モニタセル検出回路４０６を介して、掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｍの変動量である電流変化幅ΔＩｍを取得する。ステップＳ１０４の処理が完了するとステップＳ１０５に進む。
　図６の例では、時刻ｔ１～ｔ２の区間において素子温度が低温のときの、変化幅ΔＶの掃引電圧の印加に応じたポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流Ｉｐ，Ｉｓ、Ｉｍの応答が示される。また、時刻ｔ３～ｔ４の区間において素子温度が高温のときの、変化幅ΔＶの掃引電圧の印加に応じたポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流Ｉｐ，Ｉｓ、Ｉｍの応答が示される。図６に示すように、同一の掃引電圧の印加があった場合に、ポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍは、素子高温時のほうが低温時よりもすべて大きくなる傾向がある。第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６の拡大レンジは、素子高温時（例えば活性温度）の電流Ｉｓ及びＩｍの最大値を包含できる程度に広く設定されている。
　ステップＳ１０５では、電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍと掃引電圧の電圧変化幅ΔＶよりポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の交流抵抗値が計算される。マイコン４０８は、例えば電圧変化幅ΔＶを電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍで除算することにより、各セルの素子抵抗を算出できる。マイコン４０８は、算出したポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の素子抵抗に基づき、各セルの素子温度を推定し、推定した素子温度に基づきヒータを用いた温度制御を行う。ステップＳ１０５の処理が完了するとステップＳ１０６に進む。
　ステップＳ１０６では、素子抵抗検出モードが終了したので、センサセル２４８及びモニタセル２４９の電流検出回路が拡大レンジから通常レンジに切り替えられる。具体的には、マイコン４０８が、センサセル２４８の電流Ｉｓを検出するための回路を第２センサセル検出回路４０４から第１センサセル検出回路４０３に切り替え、モニタセル２４９の電流Ｉｍを検出するための回路を第２モニタセル検出回路４０６から第１モニタセル検出回路４０５に切り替える。
　図６のタイムチャートでは、時刻ｔ２及び時刻ｔ４において、ステップＳ１０６の電流検出回路の切り替えが行われ、センサセル２４８及びモニタセル２４９の検出レンジが拡大レンジから狭レンジに変更されている。ステップＳ１０６の処理が完了すると本制御フローを終了する。
　次に、第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置の効果について説明する。
　第１実施形態のガス濃度検出装置は、内燃機関の排出ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセル２４６と、測定室２４２においてポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセル２４８と、測定室２４２においてポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから酸素濃度を検出するためのモニタセル２４９と、を備える。共通電極２５０は、ポンプ電極２５１、センサ電極２５２、及び、モニタ電極２５３のそれぞれと対向配置するよう設けられ、これらの組み合わせによって、ポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９が形成されている。ポンプセル制御部としてのＳＣＵ４０の共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８は、ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間の電圧印加に応じて排出ガス中の酸素濃度を調整すると共に、ポンプセル２４６の検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極２５０への印加に応じたポンプセル２４６の応答特性に基づきポンプセル２４６の素子抵抗を検出する。センサセル制御部としての共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８は、センサ電極２５２と共通電極２５０との間の電圧印加に応じて特定ガス成分の濃度に応じた信号を出力すると共に、センサセル２４８の検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極２５０への印加に応じたセンサセル２４８の応答特性に基づきセンサセル２４８の素子抵抗を検出する。モニタセル制御部としての共通電極電圧印加部４０７、第１モニタセル検出回路４０５、第２モニタセル検出回路４０６、マイコン４０８は、モニタ電極２５３と共通電極２５０との間の電圧印加に応じて酸素濃度に応じた信号を出力すると共に、モニタセル２４９の検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極２５０への印加に応じたモニタセル２４９の応答特性に基づきモニタセル２４９の素子抵抗を検出する。
　この構成により、ポンプセル２４６と比較して検出レベルが小さいセンサセル２４８及びモニタセル２４９を備え、かつ、これらのセルに対応する共通電極２５０を備えるＮＯｘセンサ２４，３０の構成において、ポンプセル２４６の検出レベル及び検出レンジを考慮して構成されるポンプセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８）と、センサセル２４８及びモニタセル２４９の検出レベル及び検出レンジを考慮して構成されるセンサセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８）、及び、モニタセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、第１モニタセル検出回路４０５、第２モニタセル検出回路４０６、マイコン４０８）と、が併用される。これにより、ポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９の各セルの掃引電圧に対する電流の応答特性が各セルの検出レンジに適切に収まるように検出でき、この応答特性応じて各セルの素子抵抗を個別に検出することができる。すなわち、素子抵抗検出モードにおいて、ポンプセル２４６とセンサセル２４８及びモニタセル２４９との間の検出レベルの差異の影響によらず、各セルの素子抵抗を高精度に検出できる。また、検出レベルや検出レンジの異なるポンプセル２４６とセンサセル２４８及びモニタセル２４９とを別の検出回路を用いて電流を検出するので、濃度検出モードにおいても各セルの濃度検出精度を良好にできる。この結果、第１実施形態のガス濃度検出装置は、ガス濃度の検出精度を維持しつつ、素子温度を計測するために用いる素子抵抗の検出精度を向上できる。
　また、第１実施形態のガス濃度検出装置において、ポンプセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８）、センサセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８）、及び、モニタセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、第１モニタセル検出回路４０５、第２モニタセル検出回路４０６、マイコン４０８）は、共通電極２５０に同一の掃引電圧ΔＶを印加することによりポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９により計測される電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍを用いて素子抵抗を算出する。また、センサセル制御部及びモニタセル制御部は、特定ガス成分の濃度を検出する濃度検出モードにおいて電流値Ｉｓ、Ｉｍを計測する第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５と、素子抵抗を検出する素子抵抗検出モードにおいて電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍを計測し、電流値の検出レンジが第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５より広く設定される第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６と、を有する。すなわち第１実施形態では、同一の掃引電圧ΔＶの印加に応じた各セルの応答特性を検出する検出回路の検出レンジを、セルごとに調整することによって、素子抵抗検出モードにおける掃引電圧をポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９の各セルの検出レンジに対応するものとしている。
　この構成により、センサセル２４８及びモニタセル２４９の出力電流値が比較的小さい濃度検出モードでは、検出レンジが狭い第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５を用いて電流値を検出することで分解能を高めてガス濃度の検出精度を維持できる。また、掃引電圧の印加によりセンサセル２４８及びモニタセル２４９の出力電流値が比較的大きくなる素子抵抗検出モードでは検出レンジが広い第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６を用いて電流値を検出することで、電流値の極大値が検出レンジを超えて計測できない状況が生じるのを回避でき、これにより素子抵抗の検出精度を向上できる。
　なお、第１実施形態では、濃度検出モードから素子抵抗検出モードに切り替える際に、第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５を共に、検出レンジが広い第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６に強制的に切り替える構成を例示したが、この代わりに、検出される電流値が第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５の検出レンジ（狭レンジ）を超えないときは第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５を継続して使用し、検出される電流値が第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５の検出レンジ（狭レンジ）を超えた場合にのみ第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６切り替える構成としてもよい。
［第２実施形態］
　図７～図９を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態は、ＳＣＵ６０の構成が第１実施形態と異なる。
　図７に示すように、第２実施形態のＳＣＵ６０は、ヒータ駆動回路６０１と、ポンプセル検出回路６０２と、センサセル検出回路６０３と、モニタセル検出回路６０４と、第１電圧印加部６０５と、第２電圧印加部６０６と、マイコン６０７と、ＣＡＮドライバ６０８と、を備えている。
　ヒータ駆動回路６０１と、ポンプセル検出回路６０２、センサセル検出回路６０３と、モニタセル検出回路６０４、マイコン６０７と、ＣＡＮドライバ６０８は、第１実施形態のヒータ駆動回路４０１、ポンプセル検出回路４０２、第１センサセル検出回路４０３、第１モニタセル検出回路４０５、マイコン４０８、ＣＡＮドライバ４０９、とそれぞれ対応する。
　第１電圧印加部６０５及び第２電圧印加部６０６は、第１実施形態の共通電極電圧印加部４０７と同様に、共通電極２５０に電圧を印加する部分である。ただし、第１電圧印加部６０５及び第２電圧印加部６０６は、素子抵抗検出モードの際に共通電極２５０に印加する掃引電圧の種類が異なる。第１電圧印加部６０５は、印加電圧を所定の電圧印加幅ΔＶ１でステップ状に増減させる掃引電圧（第１の掃引電圧）を印加する。この電圧印加幅ΔＶ１は、図９に示すように、掃引電圧に応じた出力されるポンプセル２４６の出力電流Ｉｐの変動幅ΔＩｐが、ポンプセル検出回路６０２の検出レンジに収まる程度に設定される。
　同様に、第２電圧印加部６０６は、印加電圧を所定の電圧印加幅ΔＶ２でステップ状に増減させる掃引電圧（第２の掃引電圧）を印加する。この電圧印加幅ΔＶ２は、図９に示すように、掃引電圧に応じた出力されるセンサセル２４８の出力電流Ｉｓの変動幅ΔＩｓ、及び、モニタセル２４９の出力電流Ｉｍの変動幅ΔＩｍが、センサセル検出回路６０３及びモニタセル検出回路６０４の検出レンジに収まる程度に設定される。
　第２実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ２４，３０と、ＳＣＵ６０と、ＥＣＵ１０とを備えるものである。また、第２実施形態では、ＳＣＵ６０の第１電圧印加部６０５、ポンプセル検出回路６０２、マイコン６０７が、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」に対応し、第２電圧印加部６０６、センサセル検出回路６０３、マイコン６０７が、「センサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に対応し、第２電圧印加部６０６、モニタセル検出回路６０４、マイコン６０７が、「モニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部」に対応する。
　次に、図８及び図９を参照して第２実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置の動作について説明する。図９のタイムチャートの構成は、図６のタイムチャートと同様である。図８のフローチャートは、図９のタイムチャートのうち素子抵抗検出モードの処理の手順を示す。図８のフローチャートは、ＳＣＵ６０のマイコン６０７により、例えば所定周期ごとに実施される。
　以下、図９のタイムチャートを参照しつつ、図８のフローチャートに沿って説明する。なお、ステップＳ２０１の処理は図５のステップＳ１０１の処理と同様であるので説明を省略する。
　ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１の判定の結果、素子抵抗検出モードを実施可能な状態であるので、まず、交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６であるか否かが判定される。マイコン６０７は、例えば、素子抵抗検出モードを所定のタイミングごとに実行すると共に、ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するモードと、センサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を検出するモードとを交互に、または、所定回数ごとに切り替えて実行することができる。本ステップでは、マイコン６０７は、今回の処理フローで実行する素子抵抗検出モードが、ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するモードであるか場合に、「交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６である」と判断する。ステップＳ２０２の判定の結果、交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６である場合にはステップＳ２０３に進み、そうでない場合にはステップＳ２０６に進む。
　ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２の判定の結果、交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６であるので、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧が印加される。マイコン６０７は、共通電極２５０に電圧を印加する回路を第１電圧印加部６０５に切り替える。ステップＳ２０３の処理が完了するとステップＳ２０４に進む。
　図９のタイムチャートでは、時刻ｔ１～ｔ２の区間において、ステップＳ２０３の第１電圧印加部６０５への切り替えが行われ、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧が印加されている。なお、この電圧変化幅ΔＶ１は、計測対象であるポンプセル２４６の電流変化幅ΔＩｐがポンプセル検出回路６０２の検出レンジに収まる程度に設定されている。
　ステップＳ２０４では、ポンプセル２４６の電流変化幅ΔＩｐが取得される。マイコン６０７は、ポンプセル検出回路６０２を介して、電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｐの変動量である電流変化幅ΔＩｐを取得する。ステップＳ２０４の処理が完了するとステップＳ２０５に進む。
　図９の例では、時刻ｔ１～ｔ２の区間においてポンプセル２４６の素子抵抗を検出するモードにおける、電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧の印加に応じたポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流Ｉｐ，Ｉｓ、Ｉｍの応答が示される。図９の例では、このとき、計測対象であるポンプセル２４６の電流変化幅ΔＩｐは、ポンプセル検出回路６０２の検出レンジに収まっており、一方、電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧に応じて出力されるセンサセル２４８及びモニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｓ，ΔＩｍは、センサセル検出回路６０３及びモニタセル検出回路６０４の検出レンジを超過している。
　ステップＳ２０５では、電流変化幅ΔＩｐと掃引電圧の電圧変化幅ΔＶ１よりポンプセル２４６の交流抵抗値が計算される。マイコン６０７は、例えば電圧変化幅ΔＶ１を電流変化幅ΔＩｐで除算することにより、ポンプセル２４６の素子抵抗を算出できる。ステップＳ２０５の処理が完了すると本制御フローを終了する。
　ステップＳ２０６では、ステップＳ２０２の判定の結果、交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６ではなく、センサセル２４８及びモニタセル２４９であるので、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧が印加される。マイコン６０７は、共通電極２５０に電圧を印加する回路を第２電圧印加部６０６に切り替える。ステップＳ２０６の処理が完了するとステップＳ２０７に進む。
　図９のタイムチャートでは、時刻ｔ３～ｔ４の区間において、ステップＳ２０６の第２電圧印加部６０６への切り替えが行われ、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧が印加されている。なお、この電圧変化幅ΔＶ２は、計測対象であるセンサセル２４８及びモニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｓ，ΔＩｍがセンサセル検出回路６０３及びモニタセル検出回路６０４の検出レンジに収まる程度に設定されている。また、この電圧変化幅ΔＶ２は、図９に示すように、ポンプセル２４６の素子抵抗検出用の電圧変化幅ΔＶ１より小さい。
　ステップＳ２０７では、センサセル２４８及びモニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍが取得される。マイコン６０７は、センサセル検出回路６０３を介して、電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｓの変動量である電流変化幅ΔＩｓを取得する。同様に、マイコン４０８は、モニタセル検出回路６０４を介して、電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｍの変動量である電流変化幅ΔＩｍを取得する。ステップＳ２０７の処理が完了するとステップＳ２０８に進む。
　図９の例では、時刻ｔ３～ｔ４の区間においてセンサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を検出するモードにおける、電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧の印加に応じたポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流Ｉｐ，Ｉｓ、Ｉｍの応答が示される。図９の例では、このとき、計測対象であるセンサセル２４８及びモニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｓ，ΔＩｍは、センサセル検出回路６０３及びモニタセル検出回路６０４の検出レンジに収まっており、一方、ポンプセル２４６の電流変化幅ΔＩｐは、ポンプセル検出回路６０２の検出レンジに対して極端に小さくなっている。
　ステップＳ２０８では、電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍと掃引電圧の電圧変化幅ΔＶ２よりセンサセル２４８及びモニタセル２４９の交流抵抗値が計算される。マイコン６０７は、例えば電圧変化幅ΔＶ２を電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍで除算することにより、センサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を算出できる。ステップＳ２０８の処理が完了すると本制御フローを終了する。
　第２実施形態のガス濃度検出装置も、第１実施形態と同様に、ＳＣＵ４０の第１電圧印加部６０５、ポンプセル検出回路６０２、マイコン６０７が、内燃機関の排出ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部として機能し、第２電圧印加部６０６、センサセル検出回路６０３、マイコン６０７が、ポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから特定のガス成分の濃度に応じた信号を出力するセンサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部として機能し、第２電圧印加部６０６、モニタセル検出回路６０４、マイコン６０７が、ポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから酸素濃度に応じた信号を出力するモニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部として機能する。したがって、第２実施形態のガス濃度検出装置は、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　また、第２実施形態のガス濃度検出装置において、ポンプセル制御部（第１電圧印加部６０５、ポンプセル検出回路６０２、マイコン６０８）は、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧を印加することにより、ポンプセル２４６により計測される電流変化幅ΔＩｐを用いてポンプセル２４６の素子抵抗を算出する。センサセル制御部（第２電圧印加部６０６、センサセル検出回路６０３、マイコン６０７）、及び、モニタセル制御部（第２電圧印加部６０６、モニタセル検出回路６０４、マイコン６０７）は、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ１より小さい電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧を印加することにより、センサセル２４８及びモニタセル２４９により計測される電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍを用いてセンサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を算出する。すなわち第２実施形態では、ポンプセル２４６と、センサセル２４８及びモニタセル２４９とに、それぞれ異なる電圧変化幅ΔＶ１，ΔＶ２の掃引電圧を印加することによって、素子抵抗検出モードにおける掃引電圧をポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９の各セルの検出レンジに対応するものとしている。
　この構成により、第１実施形態と同様に、電流値の極大値が検出レンジを超えて計測できない状況が生じるのを回避できるので、第２実施形態のガス濃度検出装置も、第１実施形態と同様に、素子抵抗の検出精度を向上できるという効果を奏することができる。
［第３実施形態］
　図１０～図１２を参照して第３実施形態について説明する。第３実施形態は、ＮＯｘセンサのセルの構成が第１、第２実施形態と異なる。図１０に示すように、第３実施形態のＮＯｘセンサ２４Ａは、ポンプセル２４６の後段に設置されるセルが、単一のセンサセル２４８Ａである。センサセル２４８Ａは、ポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから特定のガス成分の濃度を検出する。
　第３実施形態において、ＮＯｘセンサ２４Ａを第１実施形態と同様に制御する場合には、図１１に示すように、ＳＣＵ４０Ａは、第１実施形態のＳＣＵ４０と比較して、第１モニタセル検出回路４０５及び第２モニタセル検出回路４０６を備えない構成となる。この場合、第３実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ２４Ａと、ＳＣＵ４０Ａと、ＥＣＵ１０とを備えるものである。また、ＳＣＵ４０Ａの共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８が、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」に対応し、共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８が、「センサセル２４８Ａの素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に対応する。
　同様に、第３実施形態において、ＮＯｘセンサ２４Ａを第２実施形態と同様に制御する場合には、図１２に示すように、ＳＣＵ６０Ａは、第１実施形態のＳＣＵ６０と比較して、モニタセル検出回路６０４を備えない構成となる。この場合、第３実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ２４Ａと、ＳＣＵ６０Ａと、ＥＣＵ１０とを備えるものである。また、ＳＣＵ６０Ａの第１電圧印加部６０５、ポンプセル検出回路６０２、マイコン６０７が、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」に対応し、第２電圧印加部６０６、センサセル検出回路６０３、マイコン６０７が、「センサセル２４８Ａの素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に対応する。
　したがって、第３実施形態のガス濃度検出装置も、第１、第２実施形態と同様に、ポンプセル制御部及びセンサセル制御部として機能する要素を備えるので、第１，第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
［第４実施形態］
　図１３を参照して第４実施形態について説明する。第４実施形態は、ＳＣＵ４０Ｂの構成が第１実施形態と異なる。
　図１３に示すように、第４実施形態のＳＣＵ４０Ｂは、第１実施形態のＳＣＵ４０の構成要素のうち第２モニタセル検出回路４０６を備えていない。第４実施形態は、ポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９を有するＮＯｘセンサ２４，３０のためのガス濃度検出装置として機能する点では第１実施形態と共通する。しかし、第４実施形態のＳＣＵ４０Ｂは、第１実施形態のＳＣＵ４０の機能のうち、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」と、「センサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部」を備える一方で、「モニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部」に関する機能を備えていない。
　なお、第４実施形態のＳＣＵ４０Ｂと同等の機能を第２実施形態のＳＣＵ６０によっても実現することができる。
　したがって、第４実施形態のガス濃度検出装置も、第１，第２実施形態と同様に、ポンプセル制御部及びセンサセル制御部として機能する要素を備えるので、第１～第３実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
［第５実施形態］
　図１４を参照して第５実施形態について説明する。第５実施形態は、ＳＣＵ４０Ｃの構成が第１実施形態と異なる。
　図１４に示すように、第５実施形態のＳＣＵ４０Ｃは、第１実施形態のＳＣＵ４０の構成要素のうち第２センサセル検出回路４０４を備えていない。第５実施形態は、ポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９を有するＮＯｘセンサ２４，３０のためのガス濃度検出装置として機能する点では第１実施形態と共通する。しかし、第５実施形態のＳＣＵ４０Ｃは、第１実施形態のＳＣＵ４０の機能のうち、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」と、「モニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部」を備える一方で、「センサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に関する機能を備えていない。
　なお、第５実施形態のＳＣＵ４０Ｃと同等の機能を第２実施形態のＳＣＵ６０によっても実現することができる。
　したがって、第５実施形態のガス濃度検出装置は、第１，第２実施形態と同様に、ポンプセル制御部及びモニタセル制御部として機能する要素を備えるので、第１，第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

Claims (10)

  1. 　酸素を含むガスにおける、所定のガス成分の濃度を測定するガス濃度検出装置であって、
    　酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体（２４４）と、
    　前記固体電解質体の第１主面（２４４ａ）の側に形成されて前記ガスが導入されるガス室（２４２）と、
    　前記固体電解質体の第２主面（２４４ｂ）の側に形成されて基準ガスが導入される基準ガス室（２４３）と、
    　前記固体電解質体の前記第１主面に設けられたポンプ電極（２５１）と、
    　前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するセンサ電極（２５２）と、
    　前記固体電解質体の前記第２主面に設けられた共通電極（２５０）と、を備え、
    　前記ポンプ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセル（２４６）が形成されており、
    　前記センサ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記センサ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における前記所定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセル（２４８，２４８Ａ）が形成されており、
    　前記ポンプ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記ガス中の酸素濃度を調整すると共に、前記ポンプセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記ポンプセルの応答特性に基づき前記ポンプセルの素子抵抗を検出するポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８，６０５，６０２，６０７）と、
    　前記センサ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記濃度に応じた信号を出力すると共に、前記センサセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記センサセルの応答特性に基づき前記センサセルの素子抵抗を検出するセンサセル制御部（４０７，４０３，４０４，４０８，６０６，６０３，６０７）と、
    を備える、内燃機関のガス濃度検出装置（２４，２４Ａ，３０，４０，４０Ａ，４０Ｂ，６０，６０Ａ）。
  2. 　前記ポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８）及び前記センサセル制御部（４０７，４０３，４０４，４０８）は、前記共通電極に同一の前記掃引電圧を印加することにより前記ポンプセル及び前記センサセルにより計測される電流値を用いて前記素子抵抗を算出し、
    　前記センサセル制御部は、前記濃度を検出するときに前記電流値を計測する第１検出回路（４０３）と、前記素子抵抗を検出するときに前記電流値を計測し、前記電流値の検出レンジが前記第１検出回路より広く設定される第２検出回路（４０４）と、を有する、
    請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，２４Ａ，３０，４０，４０Ａ，４０Ｂ）。
  3. 　前記センサセル制御部は、前記素子抵抗を検出するとき、検出される電流値が前記第１検出回路の検出レンジを超えないときは前記第１検出回路を用い、検出される電流値が前記第１検出回路の検出レンジを超えるときに前記第２検出回路に切り替える、
    請求項２に記載の内燃機関のガス濃度検出装置。
  4. 　前記ポンプセル制御部（６０５，６０２，６０７）は、前記共通電極に第１の掃引電圧を印加することにより前記ポンプセルにより計測される電流値を用いて前記ポンプセルの素子抵抗を算出し、
    　前記センサセル制御部（６０６，６０３，６０７）は、前記共通電極に前記第１の掃引電圧より小さい第２の掃引電圧を印加することにより前記センサセルにより計測される電流値を用いて前記センサセルの素子抵抗を算出する、
    請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，２４Ａ，３０，６０，６０Ａ）。
  5. 　前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するモニタ電極（２５３）を備え、
    　前記モニタ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記モニタ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における酸素濃度を検出するためのモニタセル（２４９）が形成されており、
    　前記モニタ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて酸素濃度に応じた信号を出力すると共に、前記モニタセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記モニタセルの応答特性に基づき前記モニタセルの素子抵抗を検出するモニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８，６０６，６０４，６０７）を更に備える、
    　請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０，６０）。
  6. 　前記ポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８）、前記モニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８）、及び前記センサセル制御部（４０７，４０３，４０４，４０８）は、前記共通電極に同一の前記掃引電圧を印加することにより前記ポンプセル、前記モニタセル、及び前記センサセル（２４８）により計測される電流値を用いて前記素子抵抗を算出し、
    　前記モニタセル制御部及び前記センサセル制御部は、前記濃度を検出するときに前記電流値を計測する第１検出回路（４０３，４０５）と、前記素子抵抗を検出するときに前記電流値を計測し、前記電流値の検出レンジが前記第１検出回路より広く設定される第２検出回路（４０４，４０６）と、を有する、
    請求項５に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０）。
  7. 　前記ポンプセル制御部（６０５，６０２，６０７）は、前記共通電極に第１の掃引電圧を印加することにより前記ポンプセルにより計測される電流値を用いて前記ポンプセルの素子抵抗を算出し、
    　前記モニタセル制御部（６０６，６０４，６０７）及び前記センサセル制御部（６０６，６０３，６０７）は、前記共通電極に前記第１の掃引電圧より小さい第２の掃引電圧を印加することにより前記モニタセル及び前記センサセル（２４８）により計測される電流値を用いて前記モニタセル及び前記センサセルの素子抵抗を算出する、
    請求項５に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，６０）。
  8. 　酸素を含むガスにおける、所定のガス成分の濃度を測定するガス濃度検出装置であって、
    　酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体（２４４）と、
    　前記固体電解質体の第１主面（２４４ａ）の側に形成されて前記ガスが導入されるガス室（２４２）と、
    　前記固体電解質体の第２主面（２４４ｂ）の側に形成されて基準ガスが導入される基準ガス室（２４３）と、
    　前記固体電解質体の前記第１主面に設けられたポンプ電極（２５１）と、
    　前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するセンサ電極（２５２）と、
    　前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するモニタ電極（２５３）と、
    　前記固体電解質体の前記第２主面に設けられた共通電極（２５０）と、を備え、
    　前記ポンプ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセル（２４６）が形成されており、
    　前記モニタ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記モニタ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における酸素濃度を検出するためのモニタセル（２４９）が形成されており、
    　前記センサ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記センサ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における前記所定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセル（２４８）が形成されており、
    　前記ポンプ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記ガス中の酸素濃度を調整すると共に、前記ポンプセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記ポンプセルの応答特性に基づき前記ポンプセルの素子抵抗を検出するポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８，６０５，６０２，６０７）と、
    　前記モニタ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて酸素濃度に応じた信号を出力すると共に、前記モニタセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記モニタセルの応答特性に基づき前記モニタセルの素子抵抗を検出するモニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８，６０６，６０４，６０７）と、
    を備える、内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０Ｃ，６０）。
  9. 　前記ポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８）及び前記モニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８）は、前記共通電極に同一の前記掃引電圧を印加することにより前記ポンプセル及び前記モニタセルにより計測される電流値を用いて前記素子抵抗を算出し、
    　前記モニタセル制御部は、前記濃度を検出するときに前記電流値を計測する第１検出回路（４０５）と、前記素子抵抗を検出するときに前記電流値を計測し、前記電流値の検出レンジが前記第１検出回路より広く設定される第２検出回路（４０６）と、を有する、
    請求項８に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０Ｃ）。
  10. 　前記ポンプセル制御部（６０５，６０２，６０７）は、前記共通電極に第１の掃引電圧を印加することにより前記ポンプセルにより計測される電流値を用いて前記ポンプセルの素子抵抗を算出し、
    　前記モニタセル制御部（６０６，６０４，６０７）は、前記共通電極に前記第１の掃引電圧より小さい第２の掃引電圧を印加することにより前記モニタセルにより計測される電流値を用いて前記モニタセルの素子抵抗を算出する、
    請求項８に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，６０）。
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JPH09292364A (ja) * 1996-02-28 1997-11-11 Denso Corp 酸素濃度センサの素子抵抗検出方法
JP2003166970A (ja) * 2001-12-03 2003-06-13 Denso Corp 内燃機関のガス濃度検出装置
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