JP3979240B2

JP3979240B2 - ガス濃度検出装置

Info

Publication number: JP3979240B2
Application number: JP2002268044A
Authority: JP
Inventors: 大輔小島; 寛原口; 友生川瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: DE10342270A1; JP2004108788A; US7180596B2; DE10342270B4; US20040050695A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質体に設けた複数のセルを用いて被測定ガス中の特定ガス成分、例えば、自動車内燃機関の排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境に対する関心が高まり、自動車用内燃機関から排出される排ガスに対する規制が、年々厳しくなっている。この規制に対応するため、排ガス中の有害物質、例えばＮＯｘ濃度を直接検出し、その検出結果をＥＧＲ（排気再循環）システム、触媒システム等にフィードバックすることで、より精密な制御を実現することが期待されている。
【０００３】
このようなガス濃度検出装置として、酸素イオン導電性の固体電解質体に形成した複数のセルを用い、ＮＯｘ還元に対する活性の違いを利用してＮＯｘ濃度を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。従来のガス濃度検出装置は、一般に、チャンバー内に導入される排ガス中の酸素を排出または汲み入れるポンプセルと、チャンバー内に残留する酸素濃度に応じた出力を発生するモニタセルと、チャンバー内に残留する酸素およびＮＯｘ濃度に応じた出力を発生するセンサセルにて構成され、例えば、モニタセルにより検出されるチャンバー内の酸素濃度が一定になるように、ポンプセル電圧をフィードバック制御するとともに、センサセルを流れる電流値から排ガス中のＮＯｘ濃度を検出している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２８８０８６号公報
【０００５】
また、チャンバー内は、通常、ポンプセルが設置される第１チャンバーと、センサセルおよびモニタセルが設置される第２チャンバーに区画され、絞り部を介して連結される。このようにすると、センサセルおよびモニタセル近傍の酸素濃度の変動を小さくすることができるが、ポンプセル電圧の変化による第１チャンバー内の酸素濃度変化が、直ちに第２チャンバー内の酸素濃度（モニタセル電流値）に反映されないため、第２チャンバー内の酸素濃度が安定しないおそれがある。そこで、センサセルとモニタセルの出力差から、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出することが提案されており、第２チャンバー内の酸素濃度に依存しないセンサ出力を得ることができるので、検出精度が向上する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、センサセルはＮＯｘの還元分解に活性なＰｔ−Ｒｈ電極を、モニタセルはＮＯｘの還元分解に不活性なＰｔ−Ａｕ電極を、チャンバー側電極として用いており、電極材の酸素に対する反応性 (応答性) が異なっている。これは、センサセル電極に含まれるＲｈが酸素吸蔵性を有し、モニタセルより排ガス中の酸素を取り込みやすいためで、酸素変動に対する反応性が鈍くなる。このため、例えば、エンジン運転状態が変化し排ガス中の酸素濃度が変化した時や、第２チャンバー内の残存酸素濃度が変動した時に、センサセルとモニタセルの出力電流にずれが生じる。その結果、双方の出力差が変動し、検出したＮＯｘ値が変動してしまうことから、精度よくＮＯｘの検出ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、電極材の酸素反応性の違いによる出力のずれを抑制し、排ガス中のＮＯｘ等、被測定ガス中の特定ガス成分の検出を精度よく行うことのできるガス濃度検出装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１のガス濃度検出装置は、チャンバ内に導入される被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルと、上記チャンバ内の酸素濃度を検出するためのモニタセルを備え、上記センサセルと上記モニタセルの酸素反応性が異なるガス濃度検出装置において、上記センサセルと上記モニタセルの酸素変動に対する出力応答性を略一致させる電気的補正手段を設けたものである。
【０００９】
センサセルとモニタセルの酸素反応性が異なると、チャンバ内の酸素濃度変動時等に、これらセルの出力にずれが生じる。上記構成では、上記電気的補正手段によって、上記センサセルと上記モニタセルの出力応答性をほぼ一致させることができるので、両セルの出力にずれが生じず、検出精度を大きく向上させることができる。
【００１０】
請求項２の装置では、上記電気的補正手段として、上記センサセルおよび上記モニタセルの少なくとも一方の電気的な反応を抑制する手段を設ける。例えば、上記センサセルと上記モニタセルのうち、酸素変動に対する応答性が高いセルの出力を、上記電気的補正手段を介してなますことで、両セルの出力応答性を合わせることができる。
【００１１】
請求項３の装置では、上記電気的な反応を抑制する手段を、上記センサセルまたは上記モニタセルの出力のうち特定の周波数成分を通過あるいは除去するフィルタとする。このようなフィルタを用いることで、上記センサセルまたは上記モニタセルの周波数応答をなまし、応答性のずれを解消することができる。
【００１２】
請求項４の装置のように、具体的には、上記電気的な反応を抑制する手段として、バンドパスフィルタが好適に用いられる。
【００１３】
上述したハード的な対応の他、上記センサセルと上記モニタセルの応答性のずれを、上記信号処理手段を用いたソフト的な対応によって、解消することもできる。
【００１４】
例えば、請求項５の装置では、上記電気的補正手段として、上記センサセルおよび上記モニタセルの少なくとも一方の出力を、その脈動の振幅および周期に基づいて補正する信号処理手段を設ける。
【００１５】
上記センサセルまたは上記モニタセルの出力について、脈動の振幅および周期を算出し、これを基に脈動が抑制されるように補正を行うことにより、酸素変動に対する出力のずれを小さくし、検出精度を大きく向上させることができる。
【００１６】
請求項６の装置では、上記信号処理手段が、上記センサセルまたは上記モニタセルの出力の脈動の振幅および周期に基づき、補正定数を可変に設定するものとする。
【００１７】
補正定数を可変として、例えば、出力の脈動の振幅が大きく周期が大きいほど補正定数を大きくなるようにすれば、脈動の振幅および周期に応じて、出力がなまされる。これにより、上記センサセルと上記モニタセルの応答性を合わせ、出力のずれを小さくすることができる。
【００１８】
請求項７の装置では、上記信号処理手段が、上記センサセルおよび上記モニタセルのそれぞれの出力に対し、その脈動の振幅および周期に基づいてそれぞれ決定されるなまし定数を用いてなまし補正を行うものとする。
【００１９】
好適には、上記センサセルと上記モニタセルの双方に対し、それぞれの脈動の振幅および周期に応じて、なまし定数を決定し、なまし補正を行うとよい。これにより、両セルと出力の振幅と位相を合わせることができるので、応答性の違いによる出力のずれをなくすことができる。
【００２０】
請求項８の装置は、上記チャンバ内に導入される被測定ガス中の酸素を外部に排出または外部から酸素を導入して上記チャンバ内の酸素濃度を調整するポンプセルを備える。
【００２１】
上記ポンプセルを用いると、例えば、上記チャンバ内の被測定ガス中の酸素を外部に排出し、上記チャンバ内を所定の低酸素濃度に制御することができる。よって、被測定ガス中の酸素濃度の変化等の影響を受けにくくなり、被測定ガス中の特定ガス成分の検出が容易になる。
【００２２】
請求項９の装置では、上記ポンプセルが、酸素イオン導電性の固体電解質体とその表面に形成した一対の電極を有し、上記一対の電極間に流れる電流値に応じて、あるいは上記モニタセルの出力に応じて上記一対の電極への印加電圧を制御することにより、上記チャンバ内の酸素濃度を制御する。
【００２３】
例えば、上記ポンプセルの一対の電極間を流れる電流が、限界電流となるように、電流値に応じて上記一対の電極への印加電圧を制御することで、上記チャンバ内を所定の低酸素濃度に制御することができる。あるいは、上記モニタセルの出力が所定の一定値となるように、上記一対の電極への印加電圧を制御しても、同様に、上記チャンバ内を所定の低酸素濃度に制御することができる。
【００２４】
請求項１０の装置では、上記センサセルが、酸素イオン導電性の固体電解質体とその表面に形成した一対の電極を有し、上記一対の電極に所定の電圧を印加した時に上記一対の電極間に流れる電流値によって、上記チャンバ内の上記特定ガス成分および残留酸素濃度を検出する。
【００２５】
上記センサセルの一対の電極に所定の電圧を印加すると、上記チャンバ内の上記特定ガス成分および残留酸素が分解されて外部へ排出される。上記チャンバ内は上記ポンプセルにより所定の酸素濃度に制御されているので、その際に流れる電流値は特定ガス成分濃度に依存して変化する。よって、この電流値から上記特定ガス成分濃度を検出することができる。
【００２６】
請求項１１の装置では、上記モニタセルが、酸素イオン導電性の固体電解質体とその表面に設けられた一対の電極を有し、上記一対の電極間に所定の電圧を印加した時に上記一対の電極間に流れる電流値、または上記一対の電極間に生じる起電力によって、上記チャンバ内の残留酸素濃度を検出する。
【００２７】
上記モニタセルの一対の電極に所定の電圧を印加すると、上記チャンバ内の残留酸素のみが分解されて外部へ排出されるので、その際に流れる電流値から残留酸素濃度を検出することができる。または、上記モニタセルの一対の電極間に酸素濃度差に応じた起電力が生じるので、この起電力から残留酸素濃度を検出することもできる。
【００２８】
請求項１２の装置では、上記センサセルおよび上記モニタセルの出力の差から、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する。
【００２９】
上記センサセルからは特定ガス成分および残留酸素濃度に応じた出力が、上記モニタセルからは残留酸素濃度に応じた出力が得られるので、その出力の差をとることで、酸素濃度に依存しない出力が得られ、精度よい検出が可能である。この時、両セルの酸素に対する応答性に差があると、出力の差が変動し、検出値が変動するおそれがあるが、本発明では、上記電気的補正手段により、これらセルの出力応答性を略一致させることができるので、検出精度がさらに向上する。
【００３０】
請求項１３の装置では、上記チャンバ内において、上記センサセルおよび上記モニタセルを近接させて配置する。
【００３１】
上記モニタセルと上記センサセルとを近接位置に配置すると、上記チャンバ内に酸素分布が生じても、上記モニタセルで検出される酸素濃度は、上記センサセル上における酸素濃度をほぼ正確に反映する。よって、上記チャンバ内の酸素分布の影響を小さくすることができ、より精度よい検出が可能となる。
【００３２】
請求項１４の装置では、上記特定ガス成分がＮＯｘであり、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極がＮＯｘの還元分解に活性な電極材からなり、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極がＮＯｘの還元分解に不活性な電極材からなる。
【００３３】
例えば、ＮＯｘ濃度を検出する場合には、上記センサセルの電極をＮＯｘ分解活性なＰｔ−Ｒｈ電極等とし、上記モニタセルの電極をＮＯｘ分解不活性なＰｔ−Ａｕ電極等とすれば、両セルの出力差からＮＯｘ濃度を、精度よく検出することができる。そして、その結果を用いてＥＧＲ、触媒システム等を効果的に制御することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について図１〜図４を基に説明する。図１（ａ）に示すように、本発明のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ１０１と制御回路１０２で構成されており、例えば、図２に示す内燃機関（ディーゼルエンジン）２００の排気管２０２に設置されて、排ガス（被測定ガス）中のＮＯｘ（特定ガス成分）濃度を検出する。内燃機関２００は、各気筒に共通のコモンレール２０３を有し、該コモンレール２０３に蓄圧される高圧燃料を、燃料噴射弁２０４により対応する気筒内に噴射する構成となっている。また、排気マニホールド２０５と吸気マニホールド２０７を連結するＥＧＲ通路２０６が設けられ、該ＥＧＲ通路２０６を介して、排ガスの一部が吸気へ還流されるようになっている。
【００３５】
排気マニホールド２０５に続く排気管２０２には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持した後処理装置２０９と酸化触媒２１０が配設してあり、排気マニホールド２０５には、ＮＯｘ還元剤となる燃料を排気に添加するための排気燃料添加弁２０８が設けられる。本発明のＮＯｘセンサ１０１は、酸化触媒２１０の上流位置に設置されて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒通過後の排ガスを取り込み、制御回路１０２は、ＮＯｘセンサ１０１からの信号を基にＮＯｘ濃度を検出して、その検出値をＥＣＵ２０１に出力する。ＥＣＵ２０１は、例えば、検出されたＮＯｘ濃度から、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の劣化診断を行う、あるいは、ＥＧＲシステムのフィードバック制御を行う。
【００３６】
図１（ａ）において、ＮＯｘセンサ１０１は、図２の排気管２０２壁に固定される筒状ハウジング１０５と、ハウジング１０５内に絶縁保持されるセンサ素子１０４を有し、センサ素子１０４の先端部（図の下端部）は、ハウジング１０５下端に固定されて排気管２０２内に突出する素子カバー１０３内に収容されている。素子カバー１０３は内外二重構造で、側壁および底壁に設けた排気口１０６から、排気管２０２内の排ガスを取り込むようになっている。ハウジング１０５上端には、側壁に大気口１０８を有する筒状部材１０７が固定される。
【００３７】
図１（ｂ）は、センサ素子１０４の先端部を拡大して示すもので、センサ素子１０４は、排ガスが導入される第１チャンバ１２０および第２チャンバ１２１と、大気に連通する大気通路１３０、１３１と、第１チャンバ１２０側に設けられるポンプセル１４０と、第２チャンバ１２１側に設けられるセンサセル１５０およびモニタセル１６０とを有している。センサセル１５０とモニタセル１６０はセンサ素子１０４の長手方向に隣接して配されている。第１チャンバ１２０は第２チャンバ１２１と絞り１１０を介して連通しており、第１チャンバ１２０には、多孔質拡散層１０９およびピンホール１１１を介して排ガスが導入される。
【００３８】
センサ素子１０４は、センサセル１５０およびモニタセル１６０を構成するシート状の固体電解質体１７１の下方に、第１チャンバ１２０および第２チャンバ１２１を構成するスペーサ１７２を介して、ポンプセル１４０を構成するシート状の固体電解質体１７３を積層し、さらに大気通路１３０を構成するスペーサ１７４およびシート状のヒータ１１２を積層してなる。固体電解質体１７１の上方には、多孔質拡散層１０９および大気通路１３１を構成するスペーサ１７５が積層される。固体電解質体１７１、１７３は、ジルコニア等の酸素イオン導電性を有する固体電解質からなり、スペーサ１７２、１７４、１７５は、アルミナ等の絶縁材料で構成される。多孔質拡散層１０９は多孔質アルミナ等からなる。
【００３９】
ポンプセル１４０は、固体電解質体１７３とその上下表面に対向配置された一対の電極１４１、１４２からなり、第１チャンバ１２０内に導入された排ガス中の酸素を大気通路１３０に排出または汲み入れて、第１チャンバ１２０内の酸素濃度を調整する。一対の電極のうち第１チャンバ１２０側の電極１４１には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ多孔質サーメット電極が、大気通路１３０側の電極１４２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が好適に使用される。なお、多孔質サーメット電極は、金属成分とジルコニア、アルミナ等のセラミックスをペースト化し、焼成することにより形成される。
【００４０】
モニタセル１６０は、固体電解質体１７１とその上下表面に対向配置された一対の電極１６１、１６２からなり、第１チャンバ１２０から絞り１１０を経て第２チャンバ１２１内に導入された排ガス中の残留酸素濃度を検出する。一対の電極のうち第２チャンバ１２１側の電極１６１には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ多孔質サーメット電極が、大気通路１３１側の電極１６２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が用いられ、これら電極１６１、１６２間に、所定の電圧を印加することにより、残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。
【００４１】
センサセル１５０は、固体電解質体１７１とその上下表面に対向配置された一対の電極１５１、１６２からなる。センサセル１５０は、モニタセル１６０に隣接して設けられ、一対の電極のうち大気通路１３１側の電極１６２はモニタセル１６０と共通電極となっている。センサセル１５０は、第２チャンバ１２１内に導入された排ガス中のＮＯｘ濃度および残留酸素濃度を検出するもので、第２チャンバ１２１側の電極１５１には、ＮＯｘの還元分解に対して活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ多孔質サーメット電極が用いられる。これら電極１５１、１６２間に、所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度および残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。
【００４２】
ヒータ１１２は、アルミナ等の絶縁材料からなるシート内に、ヒータ電極を埋設してなる。ヒータ電極は、外部からの給電により発熱し、素子全体を加熱して、上記各セル１４０、１５０、１６０を活性化温度以上に保持する。
【００４３】
上記構成のＮＯｘセンサ１０１の動作原理を説明する。図１（ｂ）において、被測定ガスである排ガスは、多孔質拡散層１０９、ピンホール１１１を通過して第１チャンバ１２０に導入される。導入されるガス量は、多孔質拡散層１０９、ピンホール１１１の拡散抵抗により決定される。ここで、ポンプセル１４０の電極１４１、１４２に、大気通路１３０側の電極１４２が＋極となるように電圧を印加すると、第１チャンバ１２０側の電極１４１上で排ガス中の酸素が還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１４２側へ排出される (図の矢印の方向）。印加電圧の向きを逆にすると、大気通路１３０側から第１チャンバ１２０側へ酸素が導入される。
【００４４】
ポンプセル１４０では、この酸素ポンプ作用を利用し、印加電圧の大きさと向きを調整して酸素を出し入れすることにより、チャンバ内の酸素濃度を制御することができる。通常は、ＮＯｘ検出時の酸素の影響を小さくするために、第１チャンバ１２０に導入される酸素を排出して、第２チャンバ１２１内を所定の低酸素濃度に保持する。なお、第１チャンバ１２０側の電極１４１はＮＯｘ不活性電極であるので、ポンプセル１４０において排ガス中のＮＯｘが分解することはない。
【００４５】
本実施の形態では、ポンプセル１４０の制御を、電流検出器１８１で測定されるポンプセル電流Ｉｐに応じて予め定められた印加電圧マップを用いて行う。ポンプセル１４０は、酸素濃度に対して限界電流特性を有し、ポンプセル印加電圧Ｖｐとポンプセル電流Ｉｐの関係を示すＶ−Ｉ特性図において、限界電流検出域はＶ軸に略平行な直線部分からなり、酸素濃度が高いほど電圧値が大きくなる方向にシフトする。従って、ポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐを可変制御することにより、第１チャンバ１２０に導入された酸素を速やかに排出し、第１チャンバ１２０内を所定の低酸素濃度に制御する。これにより、特定ガスであるＮＯｘを検出する際の妨害ガスとなる酸素の影響を小さくできる。
【００４６】
ポンプセル１４０近傍を通過した排ガスは、絞り１１０を介して第１チャンバ１２０と連通する第２チャンバ１２１に流入する。排ガス中に残留する微量の酸素は、モニタセル１６０の電極１６１、１６２間に、大気通路１３１側の電極１６２が＋極となるように所定の電圧を印加すると、第２チャンバ１２１側の電極１６１上で還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１６２側へ排出される (図の矢印の方向）。電極１６１はＮＯｘ不活性電極であるため、電流検出器１８３で測定されるモニタセル電流Ｉｍは、第２チャンバ１２１内の電極１６１に到達する酸素量に依存し、ＮＯｘ量には依存しない。従って、モニタセル電流Ｉｍを検出することで、残留酸素濃度を検出することができる。
【００４７】
一方、センサセル１５０では、第２チャンバ１２１側の電極１５１がＮＯｘ活性電極であるため、電極１５１、１６２間に、大気通路１３１側の電極１６２が＋極となるように所定の電圧を印加すると、第２チャンバ１２１側の電極１６１上で排ガス中の残留酸素およびＮＯｘが還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１６２側へ排出される (図の矢印の方向）。従って、電流検出器１８２で測定されるセンサセル電流Ｉｓは、第２チャンバ１２１に到達する酸素量およびＮＯｘ量に依存したものとなる。センサセル１５０とモニタセル１６０は第２チャンバ１２１内で隣接しており、第２チャンバ１２１側の電極１５１、１６１に到達する酸素量はほぼ等しいので、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍ（酸素量分）を減算することで、ＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００４８】
このように、隣接配置したセンサセル１５０とモニタセル１６０の出力差を用いてＮＯｘ濃度を検出すると、チャンバ内の酸素量に依存しない出力が得られる。ただし、実際には、センサセル１５０の電極１５１（Ｐｔ−Ｒｈ）とモニタセル１６０の第２チャンバ１２１側の電極１６１（Ｐｔ−Ａｕ）の材質が異なるため、酸素に対する反応性 (応答性）に差が生ずる。特に、センサセル１５０では、Ｒｈの酸素吸蔵性により酸素を取り込みやすく、酸素変動に対して鈍感となる。
【００４９】
そこで、本発明では、センサセル１５０とモニタセル１６０の酸素変動に対する出力応答性を略一致させる電気的補正手段を設ける。これを実現するために、本実施の形態では、モニタセル１６０の出力を、電気的な反応を抑制する手段、例えば、フィルタを介して補正する。フィルタを介して特定の周波数成分を通過ないし除去することで、モニタセル電流Ｉｍの周波数応答をなまし、酸素に対する反応性 (応答性）差を解消することができる。
【００５０】
具体的には、図３（ａ）に示すように、制御回路１０２にバンドパスフィルタ (帯域通過フィルタ）１１３を設けて、電流検出器１８３で測定されるモニタセル電流Ｉｍから特定の周波数成分のみを通過させる。バンドパスフィルタ１１３の通過域は、例えば、モデルガスを用いてセンサセル１５０とモニタセル１６０の出力特性を調べ、周波数分析した結果を基に設定される。図４（ａ）は、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍの生出力を、図４（ｂ）は、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流ＩｍのＦＦＴ分析結果を示し、図４（ａ）から、センサセル電流Ｉｓに対し、モニタセル電流Ｉｍが大きく変動していることが分かる。これは、酸素濃度分布等による酸素変動にモニタセル１６０がより敏感に反応するためである。これを抑制するには、図４（ｂ）から、高周波側で約２．５Ｈｚ、低周波側で約０．３Ｈｚを目安とし、強度差の大きい０．３Ｈｚ〜２．５Ｈｚの信号周波数成分が除去されるように設定すればよい。
【００５１】
制御回路１０２は、バンドパスフィルタ１１３を通過したモニタセル１６０の電流出力をＡ／Ｄ変換器１１４を介してマイコン１１５に取り込む一方、電流検出器１８２で測定されるセンサセル電流ＩｓをＡ／Ｄ変換器１１４を介してマイコン１１５に取り込み、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍを減算して、ＮＯｘ濃度を算出する。図３（ｂ）は、フィルタ通過後のモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓ、および両電流の差を示す図で、モニタセル電流Ｉｍが安定してモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓの応答性がほぼ一致し、両電流の差で表されるＮＯｘ濃度を精度よく検出できることがわかる。
【００５２】
なお、上記第１の実施の形態では、電気的補正手段として、バンドパスフィルタを用いたが、用途や必要特性に応じて特定の周波数成分のみを通過ないし除去することができれば、それ以外のフィルタを使用することもできる。それ以外のフィルタとしては、例えば、ローパスフィルタ（低域通過フィルタ）、ハイパスフィルタ（高域通過フィルタ）、バンドストップフィルタ（帯域阻止フィルタ）等が挙げられる。センサセル１５０とモニタセル１６０の酸素変動に対する出力応答性を略一致させる、その他の電気的な反応を抑制する手段を使用することもできる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施の形態を図５、６を用いて説明する。本実施の形態におけるＮＯｘセンサ１０１の構成と基本作動は、上記第１の実施の形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。本実施の形態では、制御回路１０２にバンドパスフィルタ１１３を設けず、これに代わる電気的補正手段として、センサセル１５０およびモニタセル１６０の出力をそれぞれなまし補正する信号処理手段を設ける。この際、センサセル１５０およびモニタセル１６０の各出力電流の脈動の振幅Ｌとその周期Ｔに基づき、なまし定数Ｎを可変とし、それぞれについて設定されたなまし定数Ｎを用いてなまし補正することにより、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓの振幅と位相を合わせることができる。
【００５４】
具体的には、信号処理手段となるマイコン１１５にて、図５に示すフローチャートが実施される。図５において、本処理を開始したら、まず、ステップ１０１で、内燃機関２００がＮＯｘ一定運転状態にあるかどうかを判定する。ＮＯｘ濃度が一定の運転状態とは、例えば、フューエルカットから所定時間経過後でＮＯｘ排出量が０となる条件とし、これにより燃焼ばらつき、ＥＧＲ等によるＮＯｘ変動要因をカットすることができる。ステップ１０１でＮＯｘ一定運転状態と判定されたら、ステップ１０２に進んで、電流検出器１８２、３で測定されるセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流ＩｍをＡ／Ｄ変換器１１４を介してマイコン１１５に読み込む。
【００５５】
次いで、ステップ１０３において、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍの脈動の振幅Ｌと周期Ｔを、それぞれ算出する。さらに、ステップ１０４で、算出した振幅Ｌと周期Ｔから、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍのなまし定数Ｎをそれぞれ決定する。ここで、振幅Ｌおよび周期Ｔとなまし定数Ｎの関係は、予めマップデータとしてマイコン１１５に記録してあり、図５中に示すように、振幅Ｌまたは周期Ｔが大きいほどなまし定数Ｎが大きくなるように設定される。
【００５６】
ステップ１０５で、決定されたなまし定数Ｎを、設定用ＲＡＭに格納した後、ステップ１０６で、このなまし定数Ｎを用いて、下記式（１）によりセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍのなまし補正をそれぞれ実施する。
Ｉ（ｉ）＝｛（Ｎ−１）＊Ｉ（ｉ−１）＋Ｉ（ｉ）｝／Ｎ・・・（１）
【００５７】
このように、なまし定数Ｎを可変とし、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍについて、それぞれなまし定数Ｎを設定して出力の補正を行うことにより、両電流の振幅と位相を合わせることができる。図６（ａ）は、なまし補正を行わない場合の、図６（ｂ）は、なまし補正を行った場合の、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓ、および両電流の差を示す図で、本実施の形態の処理を行うことにより、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓの応答性の違いによる出力ずれがなくなり、ＮＯｘ濃度を表す両電流の差に脈動がなくなって、ＮＯｘ濃度を精度よく検出できることがわかる。
【００５８】
上記第２の実施の形態では、上記式（１）によるなまし補正を行ったが、移動平均の回数を可変にして出力を平均化する信号処理を行ってもよい。この場合も、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍの脈動の振幅または周期が大きいほど、平均化処理の回数が多くなるように設定することで、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓの応答性を略一致させ、検出制度を向上させる同様の効果が得られる。
【００５９】
以上のように、センサセル１５０とモニタセル１６０の酸素反応性が異なるＮＯｘセンサに、ハードまたはソフト的な電気的補正手段を設けて、センサセル１５０とモニタセル１６０の電流出力応答を略一致させることで、ＮＯｘの検出精度を大きく向上できる。特に、上記各実施の形態のように、センサセル１５０とモニタセル１６０の出力差を検出値とするセンサに適用すると、応答性の違いによる出力ずれをなくすことができるので、より効果的である。
【００６０】
ここで、ＮＯｘセンサ１０１構成は、上記第１、第２の各実施の形態の構成（図１）に限るものではなく、例えば、図７に第３の実施の形態として示す構成とすることもできる。上記第１、第２の各実施の形態では、センサセル１５０とモニタセル１６０を素子の長手方向に隣合うように配設したが、図７のように、本実施の形態におけるセンサ素子１０４は、センサセル１５０とモニタセル１６０が、素子の長手方向の同等位置に、略対称に配置してある。その他の構成および基本的な作動は上記第１、第２の各実施の形態と同様である。
【００６１】
第２チャンバ１２１内の酸素濃度分布は、排ガスの導入経路に沿った方向、ここでは素子の長手方向で生じやすいが、本実施の形態の配置とすると、第２チャンバ２０１のガス流れに対してセンサセル１５０とモニタセル１６０が同等位置となる。このため、酸素濃度分布によらず、センサセル１５０の電極１５１とモニタセル１６０の電極１６１上の酸素濃度が同じになる。従って、第２チャンバ１２１内の残留酸素に対するセンサセル１５０とモニタセル１６０の感度を同じくすることができ、より精度の高い検出が可能になる。
【００６２】
また、上記各実施の形態では、センサセル１５０とモニタセル１６０の電流出力の差からＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ１０１を用いたが、本発明を、モニタそれ以外のＮＯｘセンサ１０１に適用することもできる。これを、図８に第４の実施の形態として示す。
【００６３】
図８において、センサ素子１０４は、ジルコニア等の固体電解質体１７６、１７７、１７８を順に積層して、その内部に第１チャンバ１２０、第２チャンバ１２１を形成しており、多孔質抵抗層１１７、１１８を通って排ガスが導入されるようになっている。第１チャンバ１２０には、第１ポンプセル１４３とモニタセル１６０が、第２チャンバ１２１には、センサセル１５０と第２ポンプセル１４６が設けられる。第１ポンプセル１４３は固体電解質体１７６の上下表面に一対の電極１４４、１４５を有し、モニタセル１６０は、固体電解質体１７８の上下表面に一対の電極１６１、１１６を有する。電極１１６は大気通路１３２に面する大気電極で、センサセル１５０、第２ポンプセル１４６と共通電極となっている。センサセル１５０は、固体電解質体１７８の上下表面に一対の電極１５１、１１６を有し、第２ポンプセル１４６は、固体電解質体１７６下面の電極１４７と大気電極１１６からなる。大気通路１３２の下方にはヒータ１１２が設けられる。
【００６４】
上記構成において、排ガスは多孔質抵抗層１１７を通って第１チャンバ１２０に導入され、ガス中の大部分の酸素は、第１ポンプセル１４３によって排気側へ排出される。この時、第１チャンバ１２０内の酸素濃度は、モニタセル１６０の電極１６１、１１６間に生じる起電力Ｖｍによって検出され、この検出値が所定の一定値になるように、第１ポンプセル１４３への印加電圧Ｖｐ1 を制御することで、第１チャンバ１２０内を所定の低酸素濃度とする。排ガスは、さらに多孔質抵抗層１１８を通って第２チャンバ１２１に導入され、ガス中の残留酸素は、第２ポンプセル１４６により分解されて大気通路１３２へ排出される。第２ポンプセル１４６の印加電圧Ｖｐ２は、第２ポンプセル１４６を流れる電流Ｉｐ2 に応じて制御される。ＮＯｘは、センサセル１５０に所定の電圧Ｖｓを印加することにより、チャンバ側の電極１５１上で分解されて大気通路１３２へ排出される。その際、センサセル１５０に流れる電流ＩｓがＮＯｘ濃度として検出される。
【００６５】
このように、モニタセル１６０の電圧出力（Ｖｍ）によって第１ポンプセル１４３への印加電圧Ｖｐ1 を制御する構成においても、上記第１、第２の実施の形態で示した電気的補正手段を用いることができる。ここで、本実施の形態では、モニタセル１６０の電圧出力（Ｖｍ）によって第１ポンプセル１４３への印加電圧Ｖｐ1 を制御するように構成されており、センサセル１５０との出力差を算出してＮＯｘ濃度とする上記第１、第２の実施の形態とは異なるが、センサセル１５０とモニタセル１６０の出力特性（例えば、酸素濃度を縦軸、時間を横軸とする）は、上記図４（ａ）とほぼ同じになる。つまり、モニタセル１６０の酸素に対する反応性が大きいために、これを基に第１ポンプセル１４３を制御すると、第１チャンバ１２０内の酸素濃度が安定せず、結果的にセンサセル１５０の出力に影響を及ぼすおそれがある。そこで、本実施の形態においても、上記第１、第２の実施の形態で示した電気的補正手段を用いて、モニタセル１６０の出力をなますことで、検出精度を向上させる同様の効果が得られる。
【００６６】
図９に本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態の構成は、上記第４の実施の形態とほぼ同様であり、第１チャンバ１２０に、第１モニタセル１６３を設けるとともに、第２チャンバ１２１に、第２モニタセル１６４を設けた点でのみ異なっている。第１モニタセル１６３の電極は、第１ポンプセル１４３と共通の電極１４４と大気電極１１６からなり、第２モニタセル１６４の電極は、第２ポンプセル１４６と共通の電極１４７と大気電極１１６からなる。
【００６７】
この構成では、第１モニタセル１６３の電極１４４、１１６間に生じる起電力Ｖｍ1 によって、第１チャンバ１２０内の酸素濃度を検出し、第１ポンプセル１４３への印加電圧Ｖｐ1 を制御するとともに、第２モニタセル１６４の電極１４７、１１６間に生じる起電力Ｖｍ2 によって、第２チャンバ１２１内の酸素濃度を検出し、第２ポンプセル１４６への印加電圧Ｖｐ2 を制御するようになっている。この構成においても、上記第１、第２の実施の形態で示した電気的補正手段を用いることができ、同様の効果が得られる。
【００６８】
上記各実施の形態では、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度の検出に本発明を適用する構成について説明したが、本発明は、ＮＯｘ以外の特定ガス成分を検出するガス濃度検出装置にも適用可能である。また、内燃機関の排ガス以外のガスを被測定ガスとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態におけるガス濃度検出装置構成を示し、（ａ）はガス濃度検出装置の全体構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図でＮＯｘセンサのセンサ素子先端部の模式的断面図である。
【図２】本発明のガス濃度検出装置を適用した内燃機関の概略構成図である。
【図３】第１の実施の形態のガス濃度検出装置における制御回路構成を示す図である。
【図４】（ａ）は、モデルガスを用いて測定したセンサセル電流およびモニタセル電流の出力特性図、（ｂ）は、センサセル電流およびモニタセル電流のＦＦＴ分析結果を示す図である。
【図５】第２の実施の形態におけるなまし補正処理のフローチャートを示す図である。
【図６】（ａ）はなまし補正を行わない場合のセンサセル電流およびモニタセル電流の出力特性図、（ｂ）は、なまし補正を行った場合のセンサセル電流およびモニタセル電流の出力特性図である。
【図７】第３の実施の形態におけるガス濃度検出装置構成を示し、（ａ）はＮＯｘセンサのセンサ素子先端部の模式的断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】第４の実施の形態におけるＮＯｘセンサのセンサ素子先端部の模式的断面図である。
【図９】第５の実施の形態におけるＮＯｘセンサのセンサ素子先端部の模式的断面図である。
【符号の説明】
１０１ＮＯｘセンサ
１０２制御回路
１０４ガスセンサ素子
１１０絞り
１１１ピンホール
１１３バンドパスフィルタ
１１５マイコン
１２０第１チャンバ
１２１第２チャンバ
１３０、１３１大気通路
１４０ポンプセル
１５０センサセル
１６０モニタセル

Claims

チャンバ内に導入される被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルと、上記チャンバ内の酸素濃度を検出するためのモニタセルを備え、上記センサセルと上記モニタセルの酸素反応性が異なるガス濃度検出装置において、上記センサセルと上記モニタセルの酸素変動に対する出力応答性を略一致させる電気的補正手段を設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。
上記電気的補正手段として、上記センサセルおよび上記モニタセルの少なくとも一方の電気的な反応を抑制する手段を設ける請求項１記載のガス濃度検出装置。
上記電気的な反応を抑制する手段は、上記センサセルまたは上記モニタセルの出力のうち特定の周波数成分を通過あるいは除去するフィルタである請求項２記載のガス濃度検出装置。
上記電気的な反応を抑制する手段はバンドパスフィルタである請求項３記載のガス濃度検出装置。
上記電気的補正手段として、上記センサセルおよび上記モニタセルの少なくとも一方の出力を、その脈動の振幅および周期に基づいて補正する信号処理手段を設ける請求項１記載のガス濃度検出装置。
上記信号処理手段は、上記センサセルまたは上記モニタセルの出力の脈動の振幅および周期に基づき、補正定数を可変に設定する請求項５記載のガス濃度検出装置。
上記信号処理手段は、上記センサセルおよび上記モニタセルのそれぞれの出力に対し、その脈動の振幅および周期に基づいてそれぞれ決定されるなまし定数を用いてなまし補正を行う請求項６記載のガス濃度検出装置。
上記チャンバ内に導入される被測定ガス中の酸素を外部に排出または外部から酸素を導入して上記チャンバ内の酸素濃度を調整するポンプセルを備える請求項１ないし７のいずれか記載のガス濃度検出装置。
上記ポンプセルが、酸素イオン導電性の固体電解質体とその表面に形成した一対の電極を有し、上記一対の電極間に流れる電流値に応じて、あるいは上記モニタセルの出力に応じて上記一対の電極への印加電圧を制御することにより、上記チャンバ内の酸素濃度を制御する請求項８記載のガス濃度検出装置。
上記センサセルが、酸素イオン導電性の固体電解質体とその表面に形成した一対の電極を有し、上記一対の電極に所定の電圧を印加した時に上記一対の電極間に流れる電流値によって、上記チャンバ内の上記特定ガス成分および残留酸素濃度を検出する請求項８または９記載のガス濃度検出装置。
上記モニタセルが、酸素イオン導電性の固体電解質体とその表面に設けられた一対の電極を有し、上記一対の電極間に所定の電圧を印加した時に上記一対の電極間に流れる電流値、または上記一対の電極間に生じる起電力によって、上記チャンバ内の残留酸素濃度を検出する請求項８ないし１０のいずれか記載のガス濃度検出装置。
上記センサセルおよび上記モニタセルの出力の差から、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する請求項１ないし１１のいずれか記載のガス濃度検出装置。
上記チャンバ内において、上記センサセルおよび上記モニタセルを近接させて配置する請求項１ないし１２のいずれか記載のガス濃度検出装置。
上記特定ガス成分がＮＯｘであり、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極がＮＯｘの還元分解に活性な電極材からなり、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極がＮＯｘの還元分解に不活性な電極材からなる請求項１ないし１３のいずれか記載のガス濃度検出装置。