WO2020158269A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2020158269A1
WO2020158269A1 PCT/JP2019/050736 JP2019050736W WO2020158269A1 WO 2020158269 A1 WO2020158269 A1 WO 2020158269A1 JP 2019050736 W JP2019050736 W JP 2019050736W WO 2020158269 A1 WO2020158269 A1 WO 2020158269A1
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current detection
electrode
value
current
sensor
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PCT/JP2019/050736
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French (fr)
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忠勝 小薮
優 村田
祐輔 河本
友典 江崎
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株式会社デンソー
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Publication date
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    • 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
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/409—Oxygen concentration cells
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas sensor.
  • the gas sensor described in Patent Document 1 is provided with a measurement chamber into which exhaust gas is introduced.
  • the measurement chamber is formed as a space sandwiched by the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body.
  • the gas sensor described in Patent Document 1 has a pump cell in which a current corresponding to the oxygen concentration flows while discharging oxygen in the exhaust gas introduced into the measurement chamber to the atmosphere, and a gas component after oxygen discharge corresponds to the concentration of nitrogen oxides. And a sensor cell through which a current flows.
  • the pump cell includes a first solid electrolyte body, a pump electrode provided on one surface of the first solid electrolyte body facing the measurement chamber, and a reference electrode provided on the other surface of the first solid electrolyte body.
  • the sensor cell has a second solid electrolyte body, a sensor electrode provided on one surface of the second solid electrolyte body facing the measurement chamber, and a reference electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body.
  • the reference electrode of the sensor cell is arranged in the reference gas chamber into which the atmosphere is introduced.
  • the gas sensor described in Patent Document 1 further includes a control circuit that detects a current value flowing in each of the pump cell and the sensor cell.
  • the sensor cell has an oxygen concentration dependency that the current value of the sensor cell changes according to the change of the oxygen concentration in the exhaust gas.
  • the control circuit corrects the current value of the sensor cell based on the pump current flowing through the pump cell.
  • the concentration of nitrogen oxide is detected based on the corrected current value of the sensor cell.
  • An object of the present disclosure is to provide a gas sensor capable of detecting the concentration of a specific gas component with higher accuracy.
  • a gas sensor includes a measurement chamber, a reference gas chamber, a first cell, a first current detection unit, a second cell, a second current detection unit, a calculation unit, and a correction unit. Equipped with.
  • Exhaust gas is introduced into the measurement chamber.
  • a reference gas is introduced into the reference gas chamber.
  • the first cell has a first electrode provided in the measurement chamber and a second electrode provided in the reference gas chamber, and a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, whereby the first cell is provided in the measurement chamber. Oxygen contained in the introduced exhaust gas is removed.
  • the first current detector detects a first current flowing between the first electrode and the second electrode.
  • the second cell has a third electrode provided in the measurement chamber and a fourth electrode provided in the reference gas chamber, a voltage is applied between the third electrode and the fourth electrode, and oxygen is generated by the first cell.
  • the second current flows according to the concentration of the specific gas component contained in the removed exhaust gas.
  • the second current detector detects the second current.
  • the calculation unit calculates the concentration of the specific gas component based on the second current detection value detected by the second current detection unit.
  • the correction unit estimates the amount of change in the oxygen concentration of the reference gas chamber based on the first current detection value detected by the first current detection unit, and determines the amount of change in the oxygen concentration of the reference gas chamber based on the estimated amount of change. 2 Correct the detected current value.
  • the second current detection value is corrected based on the estimated amount of change in the oxygen concentration in the reference gas chamber. It is possible to reduce the influence of the change in the density on the second current detection value. By calculating the concentration of the specific gas component based on the corrected second current detection value, it is possible to detect the concentration of the specific gas component with higher accuracy.
  • FIG. 1 is a sectional view showing the sectional structure of the gas sensor of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view showing a sectional structure taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the gas sensor of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the control circuit of the gas sensor of the first embodiment.
  • FIG. 5 shows the relationship between the time change amount ⁇ Ip of the pump current detection value and the required correction amount ⁇ Isa of the sensor current detection value, and the relationship between the time change amount ⁇ Ip of the pump current detection value and the required correction amount ⁇ Ima of the monitor current detection value. It is a graph which shows.
  • FIG. 5 shows the relationship between the time change amount ⁇ Ip of the pump current detection value and the required correction amount ⁇ Isa of the sensor current detection value, and the relationship between the time change amount ⁇ Ip of the pump current detection value and the required correction amount ⁇ Ima of the monitor current
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the correction value calculation unit of the control circuit of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a map for calculating the gain G used in the control circuit of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the correction value calculation unit of the control circuit of the second embodiment.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment shown in FIG. 1 is arranged, for example, in an exhaust passage of a vehicle.
  • the exhaust passage is provided with an exhaust purification device that purifies harmful substances contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine, such as carbon monoxide and nitrogen oxides.
  • the gas sensor 1 detects the concentration of nitrogen oxides contained in the exhaust gas that has passed through the exhaust gas purification device, and outputs a signal according to the detected concentration of nitrogen oxides.
  • nitrogen oxides are also referred to as “NOx”.
  • NOx corresponds to a specific gas component contained in exhaust gas.
  • the gas sensor 1 includes a main body 10, a solid electrolyte body 11, a diffusion resistor 12, a pump cell 13, a sensor cell 14, a monitor cell 15, and a heater 16.
  • the main body 10 is arranged so as to sandwich the solid electrolyte body 11 in the thickness direction with a predetermined gap.
  • One of the gaps formed between the main body 10 and the solid electrolyte body 11 forms a measurement chamber 101.
  • the body portion 10 is formed with an introduction hole 103 penetrating the measurement chamber 101 from the outer peripheral surface thereof.
  • the other gap formed between the main body 10 and the solid electrolyte body 11 forms the reference gas chamber 102. Atmosphere as a reference oxygen concentration gas is introduced into the reference gas chamber 102 through an air port provided in the gas sensor 1.
  • the diffusion resistor 12 is arranged in the introduction hole 103.
  • the diffusion resistor 12 is made of a porous member such as alumina or a member having pores.
  • the diffusion resistor 12 is provided to limit the amount of exhaust gas introduced into the measurement chamber 101.
  • the pump cell 13 is arranged at a position closer to the introduction hole 103 than the sensor cell 14 and the monitor cell 15.
  • the pump cell 13 removes oxygen in the exhaust gas introduced from the introduction hole 103. In the present embodiment, the pump cell 13 corresponds to the first cell.
  • the pump cell 13 includes a solid electrolyte body 11, a pump electrode 130 arranged on the surface of the solid electrolyte body 11 on the measurement chamber 101 side, and a common electrode 17 arranged on the surface of the solid electrolyte body 11 on the reference gas chamber 102 side. It is composed by.
  • the pump electrode 130 is composed of a NOx inactive electrode that hardly decomposes NOx, for example, an electrode formed of a Pt—Au (platinum-gold) alloy.
  • the common electrode 17 is arranged so as to extend to a region corresponding to the sensor cell 14.
  • a pump voltage Vp is applied between the pump electrode 130 and the common electrode 17.
  • the pump cell 13 corresponds to the first cell
  • the pump electrode 130 corresponds to the first electrode
  • the common electrode 17 corresponds to the second electrode.
  • Exhaust gas introduced into the measurement chamber 101 through the introduction hole 103 comes into contact with the pump electrode 130.
  • oxygen in the exhaust gas contacts the pump electrode 130, oxygen ions are generated in the pump electrode 130.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 11 toward the common electrode 17, and release charges in the common electrode 17 to become oxygen.
  • This oxygen is released from the reference gas chamber 102 to the atmosphere.
  • a pump current Ip flows between the pump electrode 130 and the common electrode 17 according to the flow of electric charges at this time. Therefore, the pump current Ip shows a value according to the amount of oxygen removed from the pump cell 13, in other words, the oxygen concentration in the exhaust gas.
  • the pump current Ip corresponds to the first current.
  • the sensor cell 14 is arranged at a position farther from the introduction hole 103 than the pump cell 13.
  • the sensor cell 14 detects the NOx concentration in the exhaust gas that has passed through the pump cell 13.
  • the sensor cell 14 corresponds to the second cell.
  • the sensor cell 14 includes a solid electrolyte body 11, a sensor electrode 140 arranged on the surface of the solid electrolyte body 11 on the measurement chamber 101 side, and a common electrode 17.
  • the sensor electrode 140 is composed of an NOx active electrode that easily decomposes NOx, for example, an electrode formed of a Pt—Rh (platinum-rhodium) alloy.
  • the sensor voltage Vs is applied between the sensor electrode 140 and the common electrode 17.
  • the sensor cell 14 corresponds to the second cell
  • the sensor electrode 140 corresponds to the third electrode
  • the common electrode 17 corresponds to the fourth electrode.
  • Exhaust gas that has passed through the pump electrode 130 that is, exhaust gas from which oxygen has been removed, contacts the sensor electrode 140.
  • NOx in the exhaust gas comes into contact with the sensor electrode 140
  • NOx is decomposed into nitrogen and oxygen at the sensor electrode 140.
  • residual oxygen in the exhaust gas that could not be removed by the pump electrode 130 also contacts the sensor electrode 140.
  • Oxygen ions are generated in the sensor electrode 140 by the oxygen decomposed in the sensor electrode and the residual oxygen in the exhaust gas contacting the sensor electrode 140.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 11 toward the common electrode 17, and release charges in the common electrode 17 to become oxygen. This oxygen is released from the reference gas chamber 102 to the atmosphere.
  • a sensor current Is flows between the sensor electrode 140 and the common electrode 17 according to the flow of electric charges at this time. Therefore, the sensor current Is exhibits a value according to the NOx concentration and the residual oxygen concentration in the exhaust gas. In the present embodiment, the sensor current Is corresponds to the second current.
  • the monitor cell 15 is arranged side by side with the sensor cell 14.
  • the monitor cell 15 detects the concentration of residual oxygen in the exhaust gas that has passed through the pump cell 13.
  • the monitor cell 15 includes a solid electrolyte body 11, a monitor electrode 150 arranged on the surface of the solid electrolyte body 11 on the measurement chamber 101 side, and a common electrode 17.
  • the monitor electrode 150 is composed of a NOx inactive electrode that hardly decomposes NOx, for example, an electrode formed of a Pt—Au (platinum-gold) alloy.
  • a monitor voltage Vm is applied between the monitor electrode 150 and the common electrode 17.
  • the monitor cell 15 corresponds to the third cell
  • the monitor electrode 150 corresponds to the fifth electrode
  • the common electrode 17 corresponds to the sixth electrode.
  • Oxygen ions are generated in the monitor electrode 150 by the residual oxygen in the exhaust gas coming into contact with the monitor electrode 150.
  • the oxygen ions flow in the solid electrolyte body 11 toward the common electrode 17, and release charges in the common electrode 17 to become oxygen. This oxygen is released from the reference gas chamber 102 to the atmosphere.
  • a monitor current Im flows between the monitor electrode 150 and the common electrode 17 in accordance with the flow of charges at this time. Therefore, the monitor current Im shows a value according to the concentration of residual oxygen in the exhaust gas.
  • the monitor current Im corresponds to the third current.
  • the heater 16 is provided inside the main body 10.
  • the heater 16 heats the solid electrolyte body 11 by generating heat when energized, and holds the temperature of the solid electrolyte body 11 at the activation temperature.
  • the gas sensor 1 further includes a control circuit 20 that comprehensively performs various arithmetic processes, drive control of the heater 16, and the like.
  • the control circuit 20 calculates, for example, the NOx concentration detection value DN as various calculation processes. Specifically, the control circuit 20 receives the pump current Ip output from the pump cell 13, the sensor current Is output from the sensor cell 14, and the monitor current Im output from the monitor cell 15.
  • the control circuit 20 detects the pump current Ip output from the pump cell 13, the sensor current Is output from the sensor cell 14, and the monitor current Im output from the monitor cell 15.
  • the pump current detection value Ip detected by the control circuit 20 has a correlation with the oxygen concentration in the exhaust gas.
  • the sensor current detection value Is detected by the control circuit 20 has a correlation with the NOx concentration and the residual oxygen in the exhaust gas.
  • the monitor current detection value Im detected by the control circuit 20 has a correlation with the residual oxygen in the exhaust gas. Utilizing this, the control circuit 20 subtracts the monitor current detection value Im from the sensor current detection value Is and calculates the NOx concentration detection value DN based on the subtraction value.
  • the control circuit 20 outputs the calculated NOx concentration detection value DN to a control device mounted on the vehicle, for example, a control device that controls an internal combustion engine of the vehicle.
  • the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the measurement chamber 101 may suddenly change.
  • the oxygen in the exhaust gas is discharged to the reference gas chamber 102 by the pump cell 13, so that the oxygen concentration of the reference gas chamber 102 also changes suddenly.
  • the oxygen concentration in the reference gas chamber 102 is usually approximately the same as the oxygen concentration in the atmosphere.
  • the oxygen concentration in the reference gas chamber 102 becomes a value higher than the oxygen concentration in the atmosphere.
  • Such a change in the oxygen concentration in the reference gas chamber 102 causes an error in the NOx concentration detection value detected by the control circuit 20.
  • the electromotive force generated in the sensor cell 14 has a substantially constant value. Therefore, the effective voltage actually applied to the sensor cell 14 is a value obtained by subtracting the electromotive force of the sensor cell 14 from the sensor voltage Vs.
  • the electromotive force of the sensor cell 14 changes.
  • the effective voltage of the sensor cell 14 also changes.
  • electric charges corresponding to the capacitances of the sensor electrode 140 and the common electrode 17 are stored between the sensor electrode 140 and the common electrode 17. Therefore, when the effective voltage of the sensor cell 14 changes, the electric charge stored between the sensor electrode 140 and the common electrode 17 also changes. Due to such a change in the charge of the sensor cell 14, a current corresponding to the amount of change in the charge flows in the sensor cell 14.
  • the sensor current detection value Is changes although the actual NOx concentration in the exhaust gas does not change. Similar changes occur in the monitor current detection value Im.
  • the sensor current detection value Is and the monitor current detection value Im change the NOx concentration detection value DN calculated from them, and thus the NOx concentration of the exhaust gas is erroneously detected.
  • the respective correction values Isa and Ima of the sensor current detection value Is and the monitor current detection value Im are calculated based on the time variation of the oxygen concentration in the reference gas chamber 102.
  • the sensor current detection value Is and the monitor current detection value Im are corrected based on the calculated correction values Isa and Ima.
  • the control circuit 20 utilizes the fact that there is a correlation between the time change amount of the oxygen concentration in the reference gas chamber 102 and the pump current detection value Ip to utilize the estimated value of the oxygen concentration change amount in the reference gas chamber 102.
  • the pump current detection value Ip is used as
  • the control circuit 20 includes a pump current detection unit 21, a sensor current detection unit 22, a monitor current detection unit 23, a change amount calculation unit 24, and a correction value calculation unit.
  • a sensor current correction unit 26 correspond to the first correction unit that corrects the second detected current value.
  • the correction value calculation unit 25 and the monitor current correction unit 27 correspond to the second correction unit that corrects the third current detection value.
  • the pump current detection unit 21 detects the pump current Ip output from the pump cell 13 and outputs the detected pump current detection value Ip to the change amount calculation unit 24.
  • the pump current detection unit 21 corresponds to the first current detection unit
  • the pump current detection value Ip corresponds to the first current detection value.
  • the sensor current detection unit 22 detects the sensor current Is output from the sensor cell 14 and outputs the detected sensor current detection value Is to the sensor current correction unit 26.
  • the sensor current detection unit 22 corresponds to the second current detection unit, and the sensor current detection value Is corresponds to the second current detection value.
  • the monitor current detection unit 23 detects the monitor current Im output from the monitor cell 15 and outputs the detected monitor current detection value Im to the monitor current correction unit 27.
  • the monitor current detection unit 23 corresponds to the third current detection unit
  • the monitor current detection value Im corresponds to the third current detection value.
  • the change amount calculation unit 24 based on the pump current detection value Ip output from the pump current detection unit 21, the time change rate ⁇ Ip of the pump current detection value Ip, in other words, the change of the pump current detection value Ip per unit time.
  • the quantity ⁇ Ip is calculated.
  • the change amount calculation unit 24 executes the calculation of the time change rate ⁇ Ip of the pump current detection value in a predetermined cycle.
  • the change amount calculation unit 24 outputs the calculated time change rate ⁇ Ip of the detected pump current value to the correction value calculation unit 25.
  • the correction value calculation unit 25 calculates the correction value Isa of the sensor current detection value Is and the correction value Ima of the monitor current detection value Im based on the time change speed ⁇ Ip of the pump current detection value output from the change amount calculation unit 24. .. Specifically, in the gas sensor 1 of the present embodiment, the relationship between the time change rate ⁇ Ip of the pump current detection value and the required correction amount ⁇ Isa of the sensor current detection value and the time of the pump current detection value as shown in FIG. A map showing the relationship between the changing speed ⁇ Ip and the required correction amount ⁇ Ima of the monitor current detection value has been obtained in advance by experiments or the like. The map shown in FIG.
  • 3 is a graph showing the necessary correction amounts ⁇ Isa and ⁇ Ima of the sensor current detection value Is and the monitor current detection value Im required for the above.
  • the time change rate ⁇ Ip of the pump current detection value is a value in the range of “ ⁇ Ip1 ⁇ Ip ⁇ Ip2” set near zero, the required correction amounts ⁇ Isa and ⁇ Ima are set to zero. The so-called dead zone is provided.
  • the map shown in FIG. 5 is stored in advance in the storage device of the control circuit 20.
  • the correction value calculator 25 calculates the required correction amount ⁇ Isa of the sensor current detection value and the necessary correction amount ⁇ Ima of the monitor current detection value from the time change speed ⁇ Ip of the pump current detection value by using the map shown in FIG. At the same time, the correction values Isa and Ima are set based on the calculated necessary correction amounts ⁇ Isa and ⁇ Ima.
  • FIG. 6 is a block diagram specifically showing a configuration of a portion of the correction value calculation unit 25 for setting the correction value Isa of the sensor current detection value Is.
  • the time change speed ⁇ Ip of the pump current detection value calculated by the change amount calculation unit 24 is input to the current value calculation unit 250.
  • the current value calculation unit 250 calculates the current value ⁇ Isa(n) of the necessary correction amount of the sensor current detection value from the time change speed ⁇ Ip of the pump current detection value by using the map shown in FIG.
  • the current value calculation unit 250 executes the calculation of the current value ⁇ Isa(n) in a predetermined cycle, and outputs the calculated current value ⁇ Isa(n) to the gain calculation unit 251 and the addition unit 252.
  • the addition unit 252 adds the current value ⁇ Isa(n) calculated by the current value calculation unit 250 and the previous value Isa(n ⁇ 1) held by the previous value holding unit 254, and the added value “ “ ⁇ Isa(n)+Isa(n ⁇ 1)” is output to the calculation value switching unit 255.
  • the calculation value switching unit 255 uses the addition value “ ⁇ Isa(n)+Isa(n ⁇ 1)” calculated by the addition unit 252 and the holding value Isak held by the calculation value holding unit 256 as a basic correction value. It is output to the multiplication unit 253 as Isab.
  • the calculation value switching unit 255 when the current value ⁇ Isa(n) is zero, the calculation value switching unit 255 outputs the holding value Isak held by the calculation value holding unit 256 to the multiplication unit 253 as the basic correction value Isab. To do. Further, when the current value ⁇ Isa(n) is a value different from zero, the calculation value switching unit 255 sets the addition value “ ⁇ Isa(n)+Isa(n ⁇ 1)” as the basic correction value Isab as the multiplication unit 253. Output to.
  • the calculated value holding unit 256 holds the basic correction value Isab output from the calculated value switching unit 255 to the multiplication unit 253. That is, when the current value ⁇ Isa(n) is zero, the held value Isak held by the calculated value holding unit 256 is output as the basic correction value Isab from the calculated value switching unit 255, so that the calculated value holding unit 256 The held value Isak is held as it is. On the other hand, when the current value ⁇ Isa(n) is a value different from zero, the addition value “ ⁇ Isa(n)+Isa(n ⁇ 1)” is output as the basic correction value Isab from the operation value switching unit 255, and therefore the operation is performed. The value holding unit 256 holds the added value “ ⁇ Isa(n)+Isa(n ⁇ 1)” as the held value Isak.
  • the gain calculation unit 251 uses the map shown in FIG. 7 based on the elapsed time t from that time, The gain G according to the constant ⁇ is calculated.
  • the elapsed time t is equal to the elapsed time from the time when the current value ⁇ Isa(n) is calculated.
  • the gain G is set to decrease with the passage of time t.
  • the map shown in FIG. 7 is stored in advance in the storage device of the control circuit 20. As shown in FIG. 6, the gain calculator 251 outputs the calculated gain G to the multiplier 253.
  • the multiplication unit 253 multiplies the basic correction value Isab output from the calculation value switching unit 255 by the gain G calculated by the gain calculation unit 251, and outputs the multiplication value “G ⁇ Isab”.
  • the multiplication value “G ⁇ Isab” is output from the correction value calculation unit 25 as the correction value Isa of the sensor current detection value Is.
  • the previous value holding unit 254 holds the correction value Isa calculated this time by the multiplication unit 253 as the previous value Isa(n ⁇ 1). Since the configuration for computing the correction value Ima of the monitor current detection value Im in the correction value computing unit 25 is similar to the configuration shown in FIG. 6, its detailed description is omitted.
  • the correction value calculation unit 25 outputs the calculated correction values Isa and Ima to the sensor current correction unit 26 and the monitor current correction unit 27, respectively.
  • the sensor current correction unit 26 corrects the sensor current detection value Is output from the sensor current detection unit 22 based on the correction value Isa output from the correction value calculation unit 25. Specifically, the sensor current correction unit 26 subtracts the correction value Isa from the sensor current detection value Is, and the subtracted value “Is ⁇ Isa” is sent to the NOx concentration calculation unit 28 as the corrected sensor current detection value Isc. Output.
  • the monitor current correction unit 27 corrects the monitor current detection value Im output from the monitor current detection unit 23 based on the correction value Ima output from the correction value calculation unit 25. Specifically, the monitor current correction unit 27 subtracts the correction value Ima from the monitor current detection value Im, and the subtracted value "Im-Ima" is sent to the NOx concentration calculation unit 28 as the corrected monitor current detection value Imc. Output.
  • the NOx concentration calculation unit 28 generates a map, a calculation formula, and the like from the corrected sensor current detection value Isc output from the sensor current correction unit 26 and the corrected monitor current detection value Imc output from the monitor current correction unit 27.
  • the NOx concentration detection value DN is calculated using this. According to the gas sensor 1 of the present embodiment described above, the actions and effects shown in the following (1) to (3) can be obtained.
  • the oxygen concentration in the reference gas chamber 102 changes, based on the time change amount ⁇ Ip of the pump current detection value, that is, the change amount in the oxygen concentration in the reference gas chamber 102. Since the sensor current detection value Is and the monitor current detection value Im are corrected based on the estimated value, it is necessary to reduce the influence of the change in the oxygen concentration of the reference gas chamber 102 on the sensor current detection value Is and the monitor current detection value Im. You can By calculating the NOx concentration based on the corrected sensor current detection value Is and the monitor current detection value Im, the NOx concentration can be detected with higher accuracy.
  • the correction value calculator 25 calculates the correction values Isa and Ima based on the time change amount ⁇ Ip of the pump current detection value.
  • the sensor current correction unit 26 corrects the sensor current detection value Is based on the correction value Isa.
  • the monitor current correction unit 27 corrects the monitor current detection value Im based on the correction value Ima. With such a configuration, it becomes possible to accurately calculate the correction values Isa and Ima according to the change in the oxygen concentration of the reference gas chamber 102.
  • the gas sensor 1 uses the gain G calculated from the map shown in FIG. Accordingly, the correction values Isa and Ima are decreased.
  • the correction value calculation unit 25 of this embodiment further includes a reset unit 257.
  • the time change amount ⁇ Ip of the pump current detection value and the correction value Isa are input to the reset unit 257.
  • the reset unit 257 determines that the oxygen concentration change direction of the reference gas chamber 102 has switched from the positive direction to the negative direction. ..
  • the reset unit 257 determines that the change direction of the oxygen concentration in the reference gas chamber 102 is changed from the negative direction to the positive direction when the time change amount ⁇ Ip of the pump current detection value is changed from the negative value to the positive value. to decide.
  • the reset unit 257 switches the oxygen concentration of the reference gas chamber 102 from the positive direction to the negative direction, or the oxygen concentration of the reference gas chamber 102 changes from the negative direction to the positive direction.
  • the correction value Isa is reset by setting the correction value Isa of the sensor current detection value Is to zero.
  • the reset unit 257 also sets the holding value Isak held in the calculated value holding unit 256 to zero as well.
  • the correction value calculator 25 also performs the same process for the correction value Ima of the monitor current detection value Im. According to the gas sensor 1 of the present embodiment described above, it is possible to further obtain the action and effect shown in the following (4).
  • the gas sensor 1 of the present embodiment when the oxygen concentration changing direction of the reference gas chamber 102 is switched from the positive direction to the negative direction, or the oxygen concentration changing direction of the reference gas chamber 102 is changed from the negative direction.
  • the correction value Isa When the switch is made in the positive direction, the correction value Isa is reset, and thus the correction value Isa is easily set appropriately thereafter. Therefore, the sensor current detection value Is can be corrected more appropriately. Similar effects and advantages can be obtained for the monitor current detection value Im.
  • each embodiment can also be implemented in the following forms.
  • the monitor cell 15 can be omitted when the concentration of residual oxygen in the exhaust gas detected by the sensor cell 14 is so low that it can be ignored.
  • the NOx concentration is calculated based on the sensor current detection value Is.
  • the correction values Isa and Ima are decreased with the lapse of time by calculating the gain G using the map shown in FIG. 7, but instead of this, for example, the correction values Isa and Ima may be decreased as the steps of the calculation cycle elapse.
  • the gas sensor 1 of each embodiment may have the electrode of the pump cell 13, the electrode of the sensor cell 14, and the electrode of the monitor cell 15 separately instead of the common electrode 17.
  • One or more of the control circuit 20 and the control method thereof described in the present disclosure are provided by configuring a processor and a memory programmed to perform one or more functions embodied by a computer program. It may be realized by a plurality of dedicated computers.
  • the control circuit 20 and the control method thereof described in the present disclosure may be realized by a dedicated computer provided by configuring a processor including one or a plurality of dedicated hardware logic circuits.
  • the control circuit 20 and the control method thereof described in the present disclosure are configured by a combination of a processor and a memory programmed to perform one or more functions, and a processor including one or more hardware logic circuits. It may also be realized by one or more dedicated computers.
  • the computer program may be stored in a computer-readable non-transitional tangible recording medium as an instruction executed by a computer.
  • the dedicated hardware logic circuit and the hardware logic circuit may be realized by a digital circuit including a plurality of logic circuits or an analog circuit.

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Abstract

ガスセンサは、第１電流検出部（２１）と、第２電流検出部（２２）と、演算部（２８）と、補正部（２５）と、を備える。第１電流検出部は、第１セルを流れる第１電流を検出する。第２電流検出部は、第２セルを流れる第２電流を検出する。演算部は、第２電流検出部により検出される第２電流検出値に基づいて特定のガス成分の濃度を演算する。補正部は、第１電流検出部により検出される第１電流検出値に基づいて基準ガス室の酸素濃度の変化量を推定するとともに、基準ガス室の酸素濃度の変化量推定値に基づいて第２電流検出値を補正する。

Description

ガスセンサ 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１９年１月３１日に出願された日本国特許出願２０１９－０１６２２０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、ガスセンサに関する。
　従来、下記の特許文献１に記載のガスセンサがある。特許文献１に記載のガスセンサには、排ガスが導入される測定室が設けられている。測定室は、第１固体電解質体と、第２固体電解質体とにより挟まれる空間として形成されている。特許文献１に記載のガスセンサは、測定室に導入される排ガス中の酸素を大気に排出しつつ酸素濃度に応じた電流が流れるポンプセルと、酸素排出後のガス成分から窒素酸化物の濃度に応じた電流が流れるセンサセルとを備えている。ポンプセルは、第１固体電解質体と、第１固体電解質体において測定室に面する一方の表面に設けられるポンプ電極と、第１固体電解質体の他方の表面に設けられる基準電極とにより構成されている。センサセルは、第２固体電解質体と、第２固体電解質体において測定室に面する一方の表面に設けられるセンサ電極と、固体電解質体の他方の表面に設けられる基準電極とを有している。センサセルの基準電極は、大気が導入される基準ガス室に配置されている。
　特許文献１に記載のガスセンサは、ポンプセル及びセンサセルのそれぞれを流れる電流値を検出する制御回路を更に備えている。センサセルには、排ガス中の酸素濃度の変化に応じてセンサセルの電流値が変化するという酸素濃度依存性が存在する。このセンサセルの電流値における酸素濃度依存性を解消するために、制御回路では、ポンプセルを流れるポンプ電流に基づいて、センサセルの電流値が補正されるようになっている。特許文献１に記載のガスセンサでは、補正されたセンサセルの電流値に基づいて窒素酸化物の濃度が検出される。
特開２００２－１１６１８０号公報
　特許文献１に記載のガスセンサにおいては、センサセルの基準電極のみが基準ガス室に配置されているが、ポンプセルの基準電極及びセンサセルの基準電極の両方を基準ガス室に配置することも可能である。しかしながら、このような構造をガスセンサにおいて採用した場合、以下のような課題が生じる可能性がある。
　ポンプセルの基準電極が基準ガス室に配置されている場合、排ガス中の酸素がポンプセルにより基準ガス室に排出される。そのため、排ガス中の酸素濃度が急変すると、基準ガス室の酸素濃度も急変することになるため、基準ガス室の酸素濃度が実際の大気の酸素濃度よりも高くなる可能性がある。このようにして基準ガス室の酸素濃度が高くなると、センサ電極と基準電極との間に発生している起電力に変化が生じる。センサ電極と基準電極との間には、それらの静電容量に応じた電荷が蓄えられている。センサ電極と基準電極との間に発生している起電力が変化すると、センサ電極と基準電極との間に蓄えられている電荷にも変化が生じる。これが、センサセルの電流値を変化させる要因となる。このように基準ガス室の酸素濃度の変化に起因してセンサセルの電流値に変化が生じることにより、窒素酸化物の濃度検出値にも変化が生じる。これが、窒素酸化物の濃度検出値に誤差を生じさせる要因となる。
　本開示の目的は、より高い精度で特定のガス成分の濃度を検出することが可能なガスセンサを提供することにある。
　本開示の一態様によるガスセンサは、測定室と、基準ガス室と、第１セルと、第１電流検出部と、第２セルと、第２電流検出部と、演算部と、補正部と、を備える。測定室には、排ガスが導入される。基準ガス室には、基準ガスが導入される。第１セルは、測定室に設けられる第１電極と、基準ガス室に設けられる第２電極とを有し、第１電極及び第２電極の間に電圧が印加されることにより、測定室に導入される排ガスに含まれる酸素を除去する。第１電流検出部は、第１電極及び第２電極の間に流れる第１電流を検出する。第２セルは、測定室に設けられる第３電極と、基準ガス室に設けられる第４電極とを有し、第３電極及び第４電極の間に電圧が印加され、第１セルにより酸素が除去された排ガスに含まれる特定のガス成分の濃度に応じた第２電流が流れる。第２電流検出部は、第２電流を検出する。演算部は、第２電流検出部により検出される第２電流検出値に基づいて特定のガス成分の濃度を演算する。補正部は、第１電流検出部により検出される第１電流検出値に基づいて基準ガス室の酸素濃度の変化量を推定するとともに、基準ガス室の酸素濃度の変化量推定値に基づいて第２電流検出値を補正する。
　この構成によれば、基準ガス室の酸素濃度に変化が生じた際に、基準ガス室の酸素濃度の変化量推定値に基づいて第２電流検出値が補正されるため、基準ガス室の酸素濃度の変化が第２電流検出値に与える影響を小さくすることができる。この補正された第２電流検出値に基づいて特定のガス成分の濃度が演算されることにより、より高い精度で特定のガス成分の濃度を検出することが可能となる。
図１は、第１実施形態のガスセンサの断面構造を示す断面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図３は、第１実施形態のガスセンサの電気的な構成を示すブロック図である。 図４は、第１実施形態のガスセンサの制御回路の構成を示すブロック図である。 図５は、ポンプ電流検出値の時間変化量ΔＩｐとセンサ電流検出値の必要補正量ΔＩｓａとの関係、及びポンプ電流検出値の時間変化量ΔＩｐとモニタ電流検出値の必要補正量ΔＩｍａとの関係を示すグラフである。 図６は、第１実施形態の制御回路の補正値演算部の構成を示すブロック図である。 図７は、第１実施形態の制御回路において用いられるゲインＧを演算するためのマップである。 図８は、第２実施形態の制御回路の補正値演算部の構成を示すブロック図である。
　以下、ガスセンサの実施形態について図面を参照しながら説明する。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に示される本実施形態のガスセンサ１は、例えば車両の排気通路に配置される。排気通路には、内燃機関から排出される排ガスに含まれる有害物質、例えば一酸化炭素や窒素酸化物を浄化する排気浄化装置が設けられている。ガスセンサ１は、排気浄化装置を通過した排ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検出するとともに、検出した窒素酸化物の濃度に応じた信号を出力する。以下では、窒素酸化物を「ＮＯｘ」とも称する。本実施形態では、ＮＯｘが、排ガスに含まれる特定のガス成分に相当する。
　図１に示されるように、ガスセンサ１は、本体部１０と、固体電解質体１１と、拡散抵抗体１２と、ポンプセル１３と、センサセル１４と、モニタセル１５と、ヒータ１６とを備えている。
　本体部１０は、所定の隙間を有して固体電解質体１１を厚さ方向に挟むように配置されている。本体部１０と固体電解質体１１との間に形成される一方の隙間は、測定室１０１を形成している。本体部１０には、その外周面から測定室１０１に貫通する導入孔１０３が形成されている。本体部１０と固体電解質体１１との間に形成される他方の隙間は、基準ガス室１０２を形成している。基準ガス室１０２には、ガスセンサ１に設けられる大気口を介して基準酸素濃度ガスとしての大気が導入される。
　拡散抵抗体１２は、導入孔１０３に配置されている。拡散抵抗体１２は、アルミナ等の多孔質部材や、細孔を有する部材からなる。拡散抵抗体１２は、測定室１０１内に導入される排気量を制限するために設けられている。
　ポンプセル１３は、センサセル１４及びモニタセル１５よりも導入孔１０３に近い位置に配置されている。ポンプセル１３は、導入孔１０３から導入される排ガス中の酸素を除去する。本実施形態では、ポンプセル１３が第１セルに相当する。
　ポンプセル１３は、固体電解質体１１と、固体電解質体１１の測定室１０１側の表面に配置されるポンプ電極１３０と、固体電解質体１１の基準ガス室１０２側の表面に配置される共通電極１７とにより構成されている。ポンプ電極１３０は、ＮＯｘを分解し難いＮＯｘ不活性電極、例えばＰｔ－Ａｕ（白金－金）合金により形成される電極からなる。共通電極１７は、センサセル１４に対応する領域まで延びるように配置されている。ポンプ電極１３０と共通電極１７との間には、ポンプ電圧Ｖｐが印加されている。本実施形態では、ポンプセル１３が第１セルに相当し、ポンプ電極１３０が第１電極に相当し、共通電極１７が第２電極に相当する。
　ポンプ電極１３０には、導入孔１０３を通じて測定室１０１に導入される排ガスが接触する。ポンプ電極１３０に排ガス中の酸素が接触すると、ポンプ電極１３０において酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、固体電解質体１１内を共通電極１７に向かって流れ、共通電極１７において電荷を放出して酸素となる。この酸素は、基準ガス室１０２から大気に放出される。この際の電荷の流れに応じてポンプ電極１３０と共通電極１７との間にポンプ電流Ｉｐが流れる。したがって、ポンプ電流Ｉｐは、ポンプセル１３における酸素の除去量、換言すれば排ガス中の酸素濃度に応じた値を示す。本実施形態では、ポンプ電流Ｉｐが第１電流に相当する。
　図２に示されるように、センサセル１４は、ポンプセル１３よりも導入孔１０３から離間した位置に配置されている。センサセル１４は、ポンプセル１３を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。本実施形態では、センサセル１４が第２セルに相当する。
　図１に示されるように、センサセル１４は、固体電解質体１１と、固体電解質体１１の測定室１０１側の表面に配置されるセンサ電極１４０と、共通電極１７とにより構成されている。センサ電極１４０は、ＮＯｘを分解し易いＮＯｘ活性電極、例えばＰｔ－Ｒｈ（白金－ロジウム）合金により形成される電極からなる。センサ電極１４０と共通電極１７との間には、センサ電圧Ｖｓが印加されている。本実施形態では、センサセル１４が第２セルに相当し、センサ電極１４０が第３電極に相当し、共通電極１７が第４電極に相当する。
　センサ電極１４０には、ポンプ電極１３０を通過した排ガス、すなわち酸素が除去された排ガスが接触する。センサ電極１４０に排ガス中のＮＯｘが接触することにより、センサ電極１４０においてＮＯｘが窒素及び酸素に分解される。また、センサ電極１４０には、ポンプ電極１３０により除去することができなかった排ガス中の残留酸素も接触する。センサ電極において分解された酸素、及び排ガス中の残留酸素がセンサ電極１４０に接触することにより、センサ電極１４０において酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、固体電解質体１１内を共通電極１７に向かって流れ、共通電極１７において電荷を放出して酸素となる。この酸素は、基準ガス室１０２から大気に放出される。この際の電荷の流れに応じてセンサ電極１４０と共通電極１７との間にセンサ電流Ｉｓが流れる。したがって、センサ電流Ｉｓは、排ガス中のＮＯｘ濃度及び残留酸素の濃度に応じた値を示す。本実施形態では、センサ電流Ｉｓが第２電流に相当する。
　図２に示されるように、モニタセル１５は、センサセル１４と並ぶように配置されている。モニタセル１５は、ポンプセル１３を通過した排気中の残留酸素の濃度を検出する。
　図１に示されるように、モニタセル１５は、固体電解質体１１と、固体電解質体１１の測定室１０１側の表面に配置されるモニタ電極１５０と、共通電極１７とにより構成されている。モニタ電極１５０は、ＮＯｘを分解し難いＮＯｘ不活性電極、例えばＰｔ－Ａｕ（白金－金）合金により形成される電極からなる。モニタ電極１５０と共通電極１７との間には、モニタ電圧Ｖｍが印加されている。本実施形態では、モニタセル１５が第３セルに相当し、モニタ電極１５０が第５電極に相当し、共通電極１７が第６電極に相当する。
　モニタ電極１５０には、ポンプ電極１３０により酸素が除去された排ガスが接触する。排ガス中の残留酸素がモニタ電極１５０に接触することにより、モニタ電極１５０において酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、固体電解質体１１内を共通電極１７に向かって流れ、共通電極１７において電荷を放出して酸素となる。この酸素は、基準ガス室１０２から大気に放出される。この際の電荷の流れに応じてモニタ電極１５０と共通電極１７との間にモニタ電流Ｉｍが流れる。したがって、モニタ電流Ｉｍは、排ガス中の残留酸素の濃度に応じた値を示す。本実施形態では、モニタ電流Ｉｍが第３電流に相当する。
　ヒータ１６は、本体部１０の内部に設けられている。ヒータ１６は、通電に基づき発熱することにより固体電解質体１１を加熱し、固体電解質体１１の温度を活性化温度に保持する。
　図３に示されるように、ガスセンサ１は、各種演算処理やヒータ１６の駆動制御等を統括的に行う制御回路２０を更に備えている。制御回路２０は、各種演算処理として、例えばＮＯｘ濃度検出値ＤＮの演算を行う。具体的には、制御回路２０には、ポンプセル１３から出力されるポンプ電流Ｉｐ、センサセル１４から出力されるセンサ電流Ｉｓ、及びモニタセル１５から出力されるモニタ電流Ｉｍが取り込まれている。制御回路２０は、ポンプセル１３から出力されるポンプ電流Ｉｐ、センサセル１４から出力されるセンサ電流Ｉｓ、及びモニタセル１５から出力されるモニタ電流Ｉｍを検出する。制御回路２０により検出されるポンプ電流検出値Ｉｐは、排ガス中の酸素濃度と相関関係がある。制御回路２０により検出されるセンサ電流検出値Ｉｓは、排ガス中のＮＯｘ濃度及び残留酸素と相関関係がある。制御回路２０により検出されるモニタ電流検出値Ｉｍは、排ガス中の残留酸素と相関関係がある。これを利用し、制御回路２０は、センサ電流検出値Ｉｓからモニタ電流検出値Ｉｍを減算するとともに、その減算値に基づいてＮＯｘ濃度検出値ＤＮを演算する。制御回路２０は、演算されたＮＯｘ濃度検出値ＤＮを、車両に搭載される制御装置、例えば車両の内燃機関を制御する制御装置に出力する。
　ところで、このような構成を有するガスセンサ１にあっては、例えば内燃機関で燃料カット制御が行われたような場合、測定室１０１に導入される排ガスの酸素濃度が急変する可能性がある。測定室１０１に導入される排ガスの酸素濃度が急変すると、その排ガス中の酸素がポンプセル１３によって基準ガス室１０２に排出されることで、基準ガス室１０２の酸素濃度も急変する。基準ガス室１０２の酸素濃度は、通常、大気の酸素濃度と略同等になっている。ポンプセル１３により基準ガス室１０２に排出される酸素が急変すると、基準ガス室１０２の酸素濃度が大気の酸素濃度よりも大きい値となる。このような基準ガス室１０２の酸素濃度の変化が、制御回路２０により検出されるＮＯｘ濃度検出値に誤差を生じさせる要因となる。
　具体的には、基準ガス室１０２の酸素濃度が大気の酸素濃度に保持されている場合、センサセル１４に生じる起電力は略一定値となっている。そのため、センサセル１４に実際に加わっている実効電圧は、センサ電圧Ｖｓからセンサセル１４の起電力を減算した値となる。
　一方、排ガスの酸素濃度の増加に起因して基準ガス室１０２の酸素濃度が増加し始めたとすると、センサセル１４の起電力に変化が生じる。このセンサセル１４の起電力の変化に伴ってセンサセル１４の実効電圧にも変化が生じる。センサセル１４では、センサ電極１４０と共通電極１７との間にそれらの静電容量に応じた電荷が蓄えられている。そのため、センサセル１４の実効電圧に変化が生じると、センサ電極１４０と共通電極１７との間に蓄えられている電荷にも変化が生じる。このようなセンサセル１４の電荷の変化により、電荷の変化量に応じた電流がセンサセル１４に流れる。この場合、実際の排ガス中のＮＯｘ濃度は変化していないにも関わらず、センサ電流検出値Ｉｓに変化が生じる。同様の変化はモニタ電流検出値Ｉｍにも生じる。このようなセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍにより、それらから演算されるＮＯｘ濃度検出値ＤＮに変化が生じるため、排ガスのＮＯｘ濃度が誤って検出されてしまう。
　そこで、本実施形態のガスセンサ１の制御回路２０では、基準ガス室１０２の酸素濃度の時間変化量に基づいてセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍのそれぞれの補正値Ｉｓａ，Ｉｍａが演算されるとともに、演算された補正値Ｉｓａ，Ｉｍａに基づいてセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍが補正されるようになっている。なお、制御回路２０では、基準ガス室１０２の酸素濃度の時間変化量とポンプ電流検出値Ｉｐとの間に相関関係があることを利用して、基準ガス室１０２の酸素濃度の変化量推定値としてポンプ電流検出値Ｉｐが用いられている。
　具体的には、図４に示されるように、制御回路２０は、ポンプ電流検出部２１と、センサ電流検出部２２と、モニタ電流検出部２３と、変化量演算部２４と、補正値演算部２５と、センサ電流補正部２６と、モニタ電流補正部２７と、ＮＯｘ濃度演算部２８とを備えている。本実施形態では、補正値演算部２５及びセンサ電流補正部２６が、第２電流検出値を補正する第１補正部に相当する。また、補正値演算部２５及びモニタ電流補正部２７が、第３電流検出値を補正する第２補正部に相当する。
　ポンプ電流検出部２１は、ポンプセル１３から出力されるポンプ電流Ｉｐを検出するとともに、検出されたポンプ電流検出値Ｉｐを変化量演算部２４に出力する。本実施形態では、ポンプ電流検出部２１が第１電流検出部に相当し、ポンプ電流検出値Ｉｐが第１電流検出値に相当する。
　センサ電流検出部２２は、センサセル１４から出力されるセンサ電流Ｉｓを検出するとともに、検出されたセンサ電流検出値Ｉｓをセンサ電流補正部２６に出力する。本実施形態では、センサ電流検出部２２が第２電流検出部に相当し、センサ電流検出値Ｉｓが第２電流検出値に相当する。
　モニタ電流検出部２３は、モニタセル１５から出力されるモニタ電流Ｉｍを検出するとともに、検出されたモニタ電流検出値Ｉｍをモニタ電流補正部２７に出力する。本実施形態では、モニタ電流検出部２３が第３電流検出部に相当し、モニタ電流検出値Ｉｍが第３電流検出値に相当する。
　変化量演算部２４は、ポンプ電流検出部２１から出力されるポンプ電流検出値Ｉｐに基づいて、ポンプ電流検出値Ｉｐの時間変化速度ΔＩｐ、換言すればポンプ電流検出値Ｉｐの単位時間当たりの変化量ΔＩｐを演算する。変化量演算部２４は、ポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐの演算を所定の周期で実行する。変化量演算部２４は、演算されたポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐを補正値演算部２５に出力する。
　補正値演算部２５は、変化量演算部２４から出力されるポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐに基づいてセンサ電流検出値Ｉｓの補正値Ｉｓａ及びモニタ電流検出値Ｉｍの補正値Ｉｍａを演算する。
　具体的には、本実施形態のガスセンサ１では、図５に示されるようなポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐとセンサ電流検出値の必要補正量ΔＩｓａとの関係、及びポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐとモニタ電流検出値の必要補正量ΔＩｍａとの関係を示すマップが予め実験等により求められている。図５に示されるマップは、ポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐに対するセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍのそれぞれの時間変動量を実験等により求めた上で、それらの変動量を相殺するために必要なセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍのそれぞれの必要補正量ΔＩｓａ，ΔＩｍａをグラフ化したものである。図５に示されるマップでは、ポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐが、零付近に設定された「ΔＩｐ１≦ΔＩｐ≦ΔＩｐ２」の範囲の値である場合、必要補正量ΔＩｓａ，ΔＩｍａが零に設定される、いわゆる不感帯が設けられている。図５に示されるマップは、制御回路２０の記憶装置に予め記憶されている。補正値演算部２５は、ポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐから、図５に示されるマップを用いることによりセンサ電流検出値の必要補正量ΔＩｓａ及びモニタ電流検出値の必要補正量ΔＩｍａを演算するとともに、演算された必要補正量ΔＩｓａ，ΔＩｍａに基づいて補正値Ｉｓａ，Ｉｍａを設定する。
　図６は、補正値演算部２５においてセンサ電流検出値Ｉｓの補正値Ｉｓａを設定する部分の構成を具体的に示したブロック図である。
　図６に示されるように、補正値演算部２５では、変化量演算部２４により演算されたポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐが今回値演算部２５０に入力される。今回値演算部２５０は、図５に示されるマップを用いることにより、ポンプ電流検出値の時間変化速度ΔＩｐからセンサ電流検出値の必要補正量の今回値ΔＩｓａ（ｎ）を演算する。今回値演算部２５０は、今回値ΔＩｓａ（ｎ）の演算を所定の周期で実行するとともに、演算された今回値ΔＩｓａ（ｎ）をゲイン演算部２５１及び加算部２５２に出力する。
　加算部２５２は、今回値演算部２５０により演算される今回値ΔＩｓａ（ｎ）と、前回値保持部２５４により保持されている前回値Ｉｓａ（ｎ－１）とを加算するとともに、その加算値「ΔＩｓａ（ｎ）＋Ｉｓａ（ｎ－１）」を演算値切替部２５５に出力する。
　演算値切替部２５５は、加算部２５２により演算される加算値「ΔＩｓａ（ｎ）＋Ｉｓａ（ｎ－１）」、及び演算値保持部２５６により保持されている保持値Ｉｓａｋのいずれかを基礎補正値Ｉｓａｂとして乗算部２５３に出力する。具体的には、演算値切替部２５５は、今回値ΔＩｓａ（ｎ）が零である場合には、演算値保持部２５６により保持されている保持値Ｉｓａｋを基礎補正値Ｉｓａｂとして乗算部２５３に出力する。また、演算値切替部２５５は、今回値ΔＩｓａ（ｎ）が零とは異なる値である場合には、加算値「ΔＩｓａ（ｎ）＋Ｉｓａ（ｎ－１）」を基礎補正値Ｉｓａｂとして乗算部２５３に出力する。
　演算値保持部２５６は、演算値切替部２５５から乗算部２５３に出力される基礎補正値Ｉｓａｂを保持する。すなわち、今回値ΔＩｓａ（ｎ）が零である場合、演算値保持部２５６により保持されている保持値Ｉｓａｋが演算値切替部２５５から基礎補正値Ｉｓａｂとして出力されるため、演算値保持部２５６は保持値Ｉｓａｋをそのまま保持する。一方、今回値ΔＩｓａ（ｎ）が零とは異なる値である場合、加算値「ΔＩｓａ（ｎ）＋Ｉｓａ（ｎ－１）」が演算値切替部２５５から基礎補正値Ｉｓａｂとして出力されるため、演算値保持部２５６は加算値「ΔＩｓａ（ｎ）＋Ｉｓａ（ｎ－１）」を保持値Ｉｓａｋとして保持する。
　ゲイン演算部２５１は、今回値演算部２５０により演算された今回値ΔＩｓａ（ｎ）が入力された場合、その時点からの経過時間ｔに基づいて、図７に示されるマップを用いることにより、時定数τに応じたゲインＧを演算する。経過時間ｔは、今回値ΔＩｓａ（ｎ）が演算された時点からの経過時間に等しい。図７に示されるマップでは、時間ｔの経過に伴ってゲインＧが減衰するように設定されている。図７に示されるマップは、制御回路２０の記憶装置に予め記憶されている。図６に示されるように、ゲイン演算部２５１は、演算されたゲインＧを乗算部２５３に出力する。
　乗算部２５３は、演算値切替部２５５から出力される基礎補正値Ｉｓａｂに、ゲイン演算部２５１により演算されるゲインＧを乗算するとともに、その乗算値「Ｇ×Ｉｓａｂ」を出力する。この乗算値「Ｇ×Ｉｓａｂ」は、補正値演算部２５からセンサ電流検出値Ｉｓの補正値Ｉｓａとして出力される。
　図６に示されるように、前回値保持部２５４は、乗算部２５３により今回演算された補正値Ｉｓａを前回値Ｉｓａ（ｎ－１）として保持する。
　なお、補正値演算部２５においてモニタ電流検出値Ｉｍの補正値Ｉｍａを演算する構成は、図６に示される構成と類似の構成であるため、その詳細な説明は割愛する。
　図４に示されるように、補正値演算部２５は、演算された補正値Ｉｓａ，Ｉｍａをセンサ電流補正部２６及びモニタ電流補正部２７にそれぞれ出力する。
　センサ電流補正部２６は、補正値演算部２５から出力される補正値Ｉｓａに基づいて、センサ電流検出部２２から出力されるセンサ電流検出値Ｉｓを補正する。具体的には、センサ電流補正部２６は、センサ電流検出値Ｉｓから補正値Ｉｓａを減算するとともに、その減算値「Ｉｓ－Ｉｓａ」を補正後のセンサ電流検出値ＩｓｃとしてＮＯｘ濃度演算部２８に出力する。
　モニタ電流補正部２７は、補正値演算部２５から出力される補正値Ｉｍａに基づいて、モニタ電流検出部２３から出力されるモニタ電流検出値Ｉｍを補正する。具体的には、モニタ電流補正部２７は、モニタ電流検出値Ｉｍから補正値Ｉｍａを減算するとともに、その減算値「Ｉｍ－Ｉｍａ」を補正後のモニタ電流検出値ＩｍｃとしてＮＯｘ濃度演算部２８に出力する。
　ＮＯｘ濃度演算部２８は、センサ電流補正部２６から出力される補正後のセンサ電流検出値Ｉｓｃ、及びモニタ電流補正部２７から出力される補正後のモニタ電流検出値Ｉｍｃからマップや演算式等を用いてＮＯｘ濃度検出値ＤＮを演算する。
　以上説明した本実施形態のガスセンサ１によれば、以下の（１）～（３）に示される作用及び効果を得ることができる。
　（１）本実施形態のガスセンサ１では、基準ガス室１０２の酸素濃度に変化が生じた際に、ポンプ電流検出値の時間変化量ΔＩｐに基づいて、すなわち基準ガス室１０２の酸素濃度の変化量推定値に基づいてセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍが補正されるため、基準ガス室１０２の酸素濃度の変化がセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍに与える影響を小さくすることができる。これらの補正されたセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍに基づいてＮＯｘ濃度が演算されることにより、より高い精度でＮＯｘ濃度を検出することが可能となる。
　（２）補正値演算部２５は、ポンプ電流検出値の時間変化量ΔＩｐに基づいて補正値Ｉｓａ，Ｉｍａを演算する。センサ電流補正部２６は、補正値Ｉｓａに基づいてセンサ電流検出値Ｉｓを補正する。モニタ電流補正部２７は、補正値Ｉｍａに基づいてモニタ電流検出値Ｉｍを補正する。このような構成によれば、基準ガス室１０２の酸素濃度の変化に応じた補正値Ｉｓａ，Ｉｍａを精度良く演算することが可能となる。
　（３）仮に基準ガス室１０２の酸素濃度が急変した場合、その後は時間の経過に伴って基準ガス室１０２の酸素濃度が所定値に収束する。基準ガス室１０２の酸素濃度が所定値に収束するにしたがって、センサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍの変動量は小さくなる。このようなセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍの変化に対応するために、本実施形態のガスセンサ１では、図７に示されるマップから演算されるゲインＧを用いることにより、時間の経過に伴って補正値Ｉｓａ，Ｉｍａを減少させている。これにより、基準ガス室１０２の酸素濃度が所定値に収束する際のセンサ電流検出値Ｉｓ及びモニタ電流検出値Ｉｍの変化に対応した、より適切な補正値Ｉｓａ，Ｉｍａを演算することができるため、より高い精度でＮＯｘ濃度を演算することが可能となる。
　＜第２実施形態＞
　次に、ガスセンサ１の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態のガスセンサ１との相違点を中心に説明する。
　図８に示されるように、本実施形態の補正値演算部２５は、リセット部２５７を更に備えている。リセット部２５７には、ポンプ電流検出値の時間変化量ΔＩｐと、補正値Ｉｓａとが入力されている。リセット部２５７は、ポンプ電流検出値の時間変化量ΔＩｐが正の値から負の値に切り替わった場合、基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が正の方向から負の方向に切り替わったと判断する。また、リセット部２５７は、ポンプ電流検出値の時間変化量ΔＩｐが負の値から正の値に切り替わった場合、基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が負の方向から正の方向に切り替わったと判断する。リセット部２５７は、基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が正の方向から負の方向に切り替わった場合、又は基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が負の方向から正の方向に切り替わった場合、センサ電流検出値Ｉｓの補正値Ｉｓａを零に設定することにより、補正値Ｉｓａをリセットする。また、リセット部２５７は、演算値保持部２５６に保持されている保持値Ｉｓａｋも同様に零に設定する。
　なお、補正値演算部２５は、モニタ電流検出値Ｉｍの補正値Ｉｍａについても同様の処理を行う。
　以上説明した本実施形態のガスセンサ１によれば、以下の（４）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
　（４）基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が正の方向から負の方向に切り替わった場合、又は基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が負の方向から正の方向に切り替わった場合、センサセル１４に生じる起電力の変化方向が逆方向に切り替わる。そのため、センサ電流検出値Ｉｓの補正方向を逆方向に切り替える必要がある。このような状況において、基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が切り替わる前に設定されていた補正値Ｉｓａを前回値Ｉｓａ（ｎ－１）としてそのまま用いると、補正値Ｉｓａが適切に設定されないおそれがある。この点、本実施形態のガスセンサ１では、基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が正の方向から負の方向に切り替わった場合、又は基準ガス室１０２の酸素濃度の変化方向が負の方向から正の方向に切り替わった場合、補正値Ｉｓａがリセットされるため、その後に補正値Ｉｓａが適切に設定され易くなる。よって、より適切にセンサ電流検出値Ｉｓを補正することが可能となる。モニタ電流検出値Ｉｍに関しても、同様の作用及び効果を得ることができる。
　＜他の実施形態＞
　なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
　・各実施形態のガスセンサ１では、センサセル１４により検出される排ガス中の残留酸素の濃度が無視できるほど少ない場合には、モニタセル１５を排除することも可能である。このようなガスセンサ１では、センサ電流検出値Ｉｓに基づいてＮＯｘ濃度が演算される。
　・各実施形態のガスセンサ１では、図７に示されるマップを用いてゲインＧを演算することにより、時間の経過に伴って補正値Ｉｓａ，Ｉｍａを減少させることとしたが、これに代えて、例えば演算周期のステップの経過に伴って補正値Ｉｓａ，Ｉｍａを減少させてもよい。
　・各実施形態のガスセンサ１は、共通電極１７に代えて、ポンプセル１３の電極、センサセル１４の電極、及びモニタセル１５の電極を別々に有するものであってもよい。
　・本開示に記載の制御回路２０及びその制御方法は、コンピュータプログラムにより具体化された１つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された１つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御回路２０及びその制御方法は、１つ又は複数の専用ハードウェア論理回路を含むプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御回路２０及びその制御方法は、１つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと１つ又は複数のハードウェア論理回路を含むプロセッサとの組み合わせにより構成された１つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。専用ハードウェア論理回路及びハードウェア論理回路は、複数の論理回路を含むデジタル回路、又はアナログ回路により実現されてもよい。
　・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、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、及びその配置、条件、形状等は、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 (5)

  1. 　排ガスが導入される測定室（１０１）と、
    　基準ガスが導入される基準ガス室（１０２）と、
    　前記測定室に設けられる第１電極（１３０）と、前記基準ガス室に設けられる第２電極（１７）とを有し、前記第１電極及び前記第２電極の間に電圧が印加されることにより、前記測定室に導入される排ガスに含まれる酸素を除去する第１セル（１３）と、
    　前記第１電極及び前記第２電極の間に流れる第１電流を検出する第１電流検出部（２１）と、
    　前記測定室に設けられる第３電極（１４０）と、前記基準ガス室に設けられる第４電極（１７）とを有し、前記第３電極及び前記第４電極の間に電圧が印加され、前記第１セルにより酸素が除去された排ガスに含まれる特定のガス成分の濃度に応じた第２電流が流れる第２セル（１４）と、
    　前記第２電流を検出する第２電流検出部（２２）と、
    　前記第２電流検出部により検出される第２電流検出値に基づいて特定のガス成分の濃度を演算する演算部（２８）と、
    　前記第１電流検出部により検出される第１電流検出値に基づいて前記基準ガス室の酸素濃度の変化量を推定するとともに、前記基準ガス室の酸素濃度の変化量推定値に基づいて前記第２電流検出値を補正する補正部（２５，２６）と、を備える
    　ガスセンサ。
  2. 　前記補正部は、前記第１電流検出値の時間変化速度に基づいて前記基準ガス室の酸素濃度の変化量を推定するものであって、前記第１電流検出値の時間変化速度に基づいて補正値を演算し、前記補正値に基づいて前記第２電流検出値を補正する
    　請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 　前記補正部は、時間の経過に伴って、又はステップの経過に伴って前記補正値を減少させる
    　請求項２に記載のガスセンサ。
  4. 　前記補正部は、前記基準ガス室の酸素濃度の変化方向が正の方向から負の方向に切り替わった場合、又は負の方向から正の方向に切り替わった場合、前記補正値をリセットする
    　請求項２又は３に記載のガスセンサ。
  5. 　前記補正部を第１補正部とするとき、
    　前記測定室に設けられる第５電極（１５０）と、前記基準ガス室に設けられる第６電極（１７）とを有し、前記第５電極及び前記第６電極の間に電圧が印加されることにより、前記第１セルにより酸素が除去された排ガスに含まれる残留酸素の濃度に応じた第３電流が流れる第３セル（１５）と、
    　前記第３電流を検出する第３電流検出部（２３）と、
    　前記基準ガス室の酸素濃度の変化量推定値に基づいて、前記第３電流検出部により検出される第３電流検出値を補正する第２補正部（２５，２７）と、を更に備える
    　請求項１～４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
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