JP2000356620A

JP2000356620A - ガス濃度検出装置

Info

Publication number: JP2000356620A
Application number: JP11166959A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Imamura; 弘男今村; Keigo Mizutani; 圭吾水谷; Tasuke Makino; 太輔牧野; Toshitaka Saito; 利孝斎藤
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2000-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】被検出ガスがリッチガスからリーンガスに切り
替わる時のガス濃度出力の応答遅れ時間を短縮する。【解決手段】ガス濃度センサ１００は、ポンプセル１１
０とセンサセル１２０とを有し、各セル１１０，１２０
の間に多孔質拡散層１０１が設けられる。ガス濃度セン
サ１００のポンプ第１電極１１１にはスイッチ回路３０
０が接続されており、同スイッチ回路３００を介してポ
ンプセル印加電圧が制御される。排ガスがリーンガスの
時、酸素濃度検出回路２１０によりポンプセル印加電圧
が制御される。また、排ガスがリッチガスの時、リーン
ガス時の設定電圧よりも小さい電源回路２３０の電源電
圧がポンプセル印加電圧となり、ポンプセル１１０によ
る多孔質拡散層１０１内の酸素排出が抑制される。これ
により、残留酸素とリッチガス中の可燃性成分とが反応
し、電極への可燃性成分の付着に起因してガス濃度出力
の応答遅れ時間が長引くといった問題が解消される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車用エ
ンジンから排出される特定の排ガス成分を検出するガス
濃度センサを用い、同ガス濃度センサの検出結果からガ
ス濃度出力を好適に得るためのガス濃度検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車等のエンジンは多くの排ガスを排
出するが、この排ガスを原因とする大気汚染は現代社会
に深刻な問題を引き起こしており、排ガス中の公害物質
に対する浄化基準法規が年々厳しくなってきている。こ
うした背景から、排ガス中のＮＯｘ濃度を精度良く検出
することのできるＮＯｘセンサを提供すると共に、同Ｎ
Ｏｘセンサを車両用エンジンに搭載する技術が望まれて
いる。

【０００３】従来より、排ガス中のＮＯｘ濃度の検出と
同時に酸素濃度の検出が可能な、いわゆる複合型ガスセ
ンサが各種提案されており、このガス濃度センサの構成
を図９を用いて説明する。なおこの種のガス濃度センサ
としては２セル構造や３セル構造のものが知られている
が、ここでは、酸素濃度を検出するためのポンプセルと
ＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセルとからなる２セ
ル構造を持つセンサを説明する。

【０００４】図９において、ガス濃度センサ１００は、
ポンプセル１１０、多孔質拡散層１０１、センサセル１
２０、大気ダクト１０２及びヒータ１０３を有し、これ
ら各部材が積層されて成る。なお、同センサ１００は図
の右端部にてエンジン排気管の壁面に取り付けられ、そ
の上下面及び左面が排ガスに晒されるようになってい
る。

【０００５】より詳細には、ポンプセル１１０は多孔質
拡散層１０１と排ガス空間との間に設置される。ポンプ
セル１１０の排ガス側（図の上側）にはポンプ第１電極
１１１が設置され、多孔質拡散層１０１側（図の下側）
にはポンプ第２電極１１２が設置される。また、センサ
セル１２０は多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２と
の間に設置される。センサセル１２０の多孔質拡散層１
０１側（図の上側）にはセンサ第１電極１２１が設置さ
れ、大気ダクト１０２側（図の下側）にはセンサ第２電
極１２２が設置される。多孔質拡散層１０１には図の左
側から排ガスが導入されて図の右方へと流通する。

【０００６】ポンプセル１１０及びセンサセル１２０は
積層して形成された固体電解質を有し、これら固体電解
質はＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣ
ａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として
固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼成体からなる。ま
た、多孔質拡散層１０１は、アルミナ、マグネシャ、ケ
イ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からな
る。

【０００７】ポンプセル１１０の排ガス側のポンプ第１
電極１１１と、センサセル１２０のセンサ第１，第２電
極１２１，１２２とは、白金Ｐｔ等の触媒活性の高い貴
金属からなる。一方、ポンプセル１１０の多孔質拡散層
１０１側のポンプ第２電極１１２は、ＮＯｘガスに不活
性な（ＮＯｘガスを分解し難い）Ａｕ−Ｐｔ等の貴金属
からなる。

【０００８】ヒータ１０３は絶縁層１０４に埋設され、
この絶縁層１０４とセンサセル１２０との間に大気ダク
ト１０２が構成される。基準ガス室を構成する大気ダク
ト１０２には外部から大気が導入され、その大気は酸素
濃度の基準となる基準ガスとして用いられる。絶縁層１
０４はアルミナ等にて形成され、ヒータ１０３は白金と
アルミナ等のサーメットにて形成される。

【０００９】上記構成のガス濃度センサ１００について
その動作を図１０を用いて説明する。図１０（ａ）に示
されるように、多孔質拡散層１０１には図の左側から排
ガス成分が導入され、その排ガスがポンプセル近傍を通
過する際、ポンプセル１１０に電圧を印加することで分
解反応が起こる。なお、排ガス中には酸素（Ｏ2 ）、窒
素酸化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、水（Ｈ2
Ｏ）等のガス成分が含まれる。

【００１０】既述の通りポンプセル１１０のポンプ第２
電極１１２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難
い電極）で形成されている。従って、図１０（ｂ）に示
されるように、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）のみがポンプセ
ル１１０で分解され、ポンプ第１電極１１１から排ガス
中に排出される。このとき、ポンプセル１１０に流れた
電流が排ガス中に含まれる酸素濃度として検出される。

【００１１】また、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）はポンプセ
ル１１０で完全に分解されず、その一部はそのままセン
サセル近傍まで流通する。そして、図１０（ｃ）に示さ
れるように、センサセル１２０に電圧を印加することに
より、残留酸素（Ｏ2 ）とＮＯｘとが分解される。つま
り、残留酸素（Ｏ2 ）とＮＯｘとがそれぞれセンサセル
１２０のセンサ第１電極１２１で分解され、センサセル
１２０を介してセンサ第２電極１２２から大気ダクト１
０２の大気中に排出される。このとき、センサセル１２
０に流れた電流が排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度として
検出される。残留酸素（Ｏ2 ）による分解電流はオフセ
ット電流となる。

【００１２】ポンプセル出力特性を、図１１のＶ−Ｉ線
図を用いて説明する。図１１に示されるように、ポンプ
セル１１０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。
同図において、限界電流検出域はＶ軸に対して平行な直
線部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど正電圧
側にシフトする。印加電圧線ＬＸ１は、ポンプセル１１
０の直流抵抗成分（印加電圧増加に伴い増加する傾き部
分）の角度と同等の傾きを持つ一次直線で与えられ、同
ＬＸ１に基づく電圧印加により、排ガス中の酸素濃度に
関係なく常に所望のポンプセル電流（限界電流）が検出
可能となる。因みに、ポンプ第２電極１１２がＮＯｘ不
活性電極であるためにポンプセル１１０ではＮＯｘガス
が分解されにくくなっているが、図１１に示した通り一
定の電圧以上になると、ＮＯｘが分解され、酸素濃度に
応じたポンプセル電流に加えてＮＯｘ濃度に応じたポン
プセル電流が流れる（図の破線部分）。従って、印加電
圧線ＬＸ１はＮＯｘガスを分解しない程度に設計され
る。

【００１３】次に、センサセル出力特性を図１２を用い
て説明する。図１２のＶ−Ｉ線図に示されるように、セ
ンサセル１２０はＮＯｘ濃度に対して限界電流特性を有
する。同図において、Ａ１部分では多孔質拡散層１０１
を通じてセンサセル１２０に流れ込む残留酸素によりオ
フセット分の電流（オフセット電流）が流れ、Ａ２部分
ではＮＯｘの分解電流が流れる（図では１０００ｐｐｍ
の場合を示す）。また、「Ａ１＋Ａ２」以上の電流、す
なわち図の右端の電流が大きくなる部分（ＮＯｘ濃度が
１０００ｒｐｍの時、Ａ３部分）ではＨ2 Ｏの分解電流
が流れる。このとき、ＮＯｘ分解電流を規定する限界電
流検出域はＶ軸に対して平行な直線部分からなり、排ガ
ス中のＮＯｘ濃度に対応する限界電流は「Ａ１＋Ａ２」
の電流値で検出される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、リッチガス
が多孔質拡散層１０１内に導入される時、リッチガス中
には可燃性成分（Ｈ2 、ＨＣ等）が多く含まれるため、
センサ第１電極１２１に可燃性成分が吸着する。する
と、排ガスがリッチからリーンに変化する時、センサ第
１電極１２１に吸着した可燃性成分がＮＯｘガスの分解
を阻害し、約数十秒の間、ＮＯｘ濃度出力が正しく得ら
れないという事態が発生する。一般には、排ガスがリー
ンガスである時だけでなくリッチガスである時にも、ポ
ンプセル１１０を介して多孔質拡散層１０１内の酸素が
排出されるよう当該ポンプセル１１０の印加電圧が制御
されるため、上記の通り電極に可燃性成分が吸着し、リ
ッチガスからリーンガスへの切り替え時にガス濃度出力
の応答性が悪化する。

【００１５】本発明のガス濃度検出装置は、上記問題に
着目してなされたものであって、排ガス等の被検出ガス
がリッチガスからリーンガスに切り替わる時のガス濃度
出力の応答遅れ時間を短縮することをその目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のガス濃度検出装
置はその前提として、被検出ガスを導入するためのガス
導入部と、固体電解質を挟むよう設けられる一対の電極
を有し、該電極への電圧印加に伴いガス導入部内の被検
出ガス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた
電流を流す第１セルと、同じく固体電解質を挟むよう設
けられる一対の電極を有し、該電極への電圧印加に伴い
余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた
電流を流す第２セルと、を備えるガス濃度センサを用い
る。

【００１７】そして、請求項１に記載の発明は、被検出
ガスがリッチガスであることを検出する検出手段と、被
検出ガスがリッチガスであると検出された時、第１セル
によるガス導入部の酸素排出を抑制するよう当該第１セ
ルの印加電圧を制御する制御手段と、を備えることを特
徴とする。

【００１８】請求項１に記載の発明によれば、リッチガ
ス時に第１セルによる酸素排出が抑制されるので、ガス
導入部内に残留する酸素とリッチガス中に含まれるＨ2
、ＨＣ等の可燃性成分との反応が促進される。従っ
て、リッチガスからリーンガスへの復帰時において第２
セルで特定成分の濃度（例えばＮＯｘ濃度）が検出され
る際、ガス濃度出力が遅れるといった不都合が解消され
る。つまり、第２セルの電極に可燃性成分が吸着しその
吸着した可燃性成分が原因でガス濃度出力の応答遅れ時
間が長引く、といった従来技術の問題が解消される。そ
の結果、被検出ガスがリーンからリッチへ切り替わる際
においてガス濃度出力の応答遅れ時間が短縮され、ひい
ては同ガス濃度の検出精度が向上する。

【００１９】なお因みに、本明細書で言う「被検出ガ
ス」とは、車両用エンジンの排ガス以外にも少なくとも
酸素と可燃性成分とを含むガス全般を指し、「リーンガ
ス」とはガス中の酸素が過剰となる状態を、「リッチガ
ス」とはガス中の可燃性成分が過剰となる状態を指すも
のとする。

【００２０】ここで、第１セルによるガス導入部の酸素
排出を抑制するには、以下の構成が考えられる。すなわ
ち、請求項２に記載の発明では、被検出ガスがリッチガ
スであると検出された時、前記制御手段は、リーンガス
時に設定される第１セルの印加電圧よりも小さい電圧
（負側の電圧値）を当該第１セルに印加する。これによ
り、被検出ガスがリッチガスである時に、ガス導入部の
酸素排出が確実に抑制され、可燃性成分の電極への吸着
が防止できるようになる。

【００２１】請求項３に記載の発明では、請求項２に記
載の発明において、前記制御手段は、被検出ガスのリッ
チ度合に応じて第１セルの印加電圧を制御し、そのリッ
チ度合が大きいほど、第１セルの印加電圧を小さくす
る。つまり、被検出ガスのリッチ度合が大きいとガス中
に含まれる可燃性成分が増えるため、その可燃性成分と
十分に反応できるだけの残留酸素を確保する必要があ
る。この場合、上記の如く第１セルの印加電圧を必要に
応じて小さくすれば、被検出ガスのリッチ度合に関係な
く、常に可燃性成分の電極への吸着を防止することがで
きる。

【００２２】請求項４に記載の発明では、請求項２又は
３に記載の発明において、前記制御手段は、被検出ガス
がリーンガスである時に第１セルに電圧を印加する電源
の他に、リーンガス時に設定される第１セルの印加電圧
よりも小さい電圧の別の電源を有し、被検出ガスがリッ
チガスであると検出された時、第１セルの電源を前記別
の電源に切り替える。

【００２３】例えば、リーンガス時にはその時々のガス
濃度に応じて印加電圧を可変に設定するのに対し、リッ
チガス時には固定電圧を設定することを考える。この場
合、上記の通りリーンガス時とリッチガス時とで異なる
電源を使用することにより、リーンガス／リッチガスの
何れであっても印加電圧を好適に制御し、ガス濃度を正
しく検出することができる。

【００２４】請求項５に記載の発明では、リッチガス時
には第１セルへの電圧印加が中止されるので、かかる場
合にもやはり、当該第１セルでの酸素排出が抑制され、
電極への可燃性成分の付着に起因してガス濃度出力の応
答遅れ時間が長引くといった問題が解消される。またこ
の場合、第１セルの電極を単に接地する、又は開放する
等の、比較的簡易な構成にて発明の実施が可能となる。

【００２５】請求項６に記載の発明では、前記検出手段
は、基準ガス室とガス導入部との間に設けられる第１又
は第２セルの何れかについてガス導入部内の酸素欠乏時
に生じる当該セルの起電力に応じて被検出ガスがリッチ
ガスである旨を検出する。また、被検出ガスがリッチガ
スであると検出された時、前記制御手段は、前記した酸
素欠乏の状態が解除されることのない電圧設定域で第１
セルの印加電圧を設定する。一例として、０Ｖよりも正
側の電圧設定域で第１セルの印加電圧を設定する。

【００２６】上記の通り第１又は第２セルの起電力に応
じてリッチガス検出を行う場合、リーンガス時に比べて
第１セルの印加電圧を過剰に小さくすると（例えば負電
圧に設定すると）、ガス導入部内の酸素欠乏状態が不用
意に解除され、その際、リーンガスに復帰したと勘違い
される可能性がある。この場合、第１セルの印加電圧制
御が一旦は通常のリーンガス時の制御に戻されるが、そ
の直後に再びリッチガス時の制御に戻されることとな
り、こうしてリッチガス／リーンガスが交互に検出され
ると印加電圧のハンチングを招く。

【００２７】こうした不具合に対し、請求項６の発明に
よれば、リッチガス時において、ガス導入部内の酸素欠
乏の状態が解除されないよう第１セルの印加電圧が設定
されるため、当該印加電圧のハンチングが抑制される。

【００２８】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明
する。本実施の形態におけるガス濃度検出装置は、自動
車用ガソリンエンジンに適用されるものであって、同エ
ンジンの空燃比制御システムにおいてはガス濃度検出装
置による検出結果に基づいてエンジンへの燃料噴射量を
所望の空燃比（Ａ／Ｆ）でフィードバック制御する。特
に本実施の形態では、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）濃度とＮ
Ｏｘ濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセ
ンサを用い、同センサからガス濃度情報を取得すること
としている。

【００２９】つまり本実施の形態の装置では、検出した
酸素濃度により空燃比がフィードバック制御される一
方、検出したＮＯｘ濃度によりエンジン排気管に取り付
けられたＮＯｘ触媒（例えばＮＯｘ吸蔵還元型触媒）の
制御が実施される。ＮＯｘ触媒の制御について略述すれ
ば、ＮＯｘ触媒にて浄化されずに排出されるＮＯｘ量を
ガス濃度センサの検出結果から判定し、ＮＯｘ未浄化量
が増大した時に、ＮＯｘ浄化能力を回復させるための再
生処理を実行する。再生処理としては、ＮＯｘ触媒に対
して一時的にリッチガスを供給し、同触媒に吸着したイ
オンを除去するようにすればよい。

【００３０】図１は、ガス濃度検出装置の全体構成図で
あり、同検出装置は、大きくはガス濃度センサ１００と
制御回路２００とスイッチ回路３００とから構成され
る。ガス濃度センサ１００は、前述した図９の２セル構
造のセンサを使うこととし、その構造、動作原理、出力
特性については上述したのでここではその説明を省略す
る。また、制御回路２００は以下の通り構成される。

【００３１】図１の構成において、ガス濃度センサ１０
０のポンプ第１電極１１１にはスイッチ回路３００が接
続されており、同スイッチ回路３００を介してポンプセ
ル印加電圧が制御される。

【００３２】すなわち、スイッチ回路３００は図中Ａ，
Ｂ，Ｃの何れかに切り替えられる。スイッチ回路３００
が図示の如くＡ位置となる場合、ポンプ第１電極１１１
は酸素濃度検出回路２１０に接続され、同酸素濃度検出
回路２１０によりポンプ第１電極１１１への印加電圧が
制御される。また、スイッチ回路３００が図のＢ又はＣ
位置に切り替えられる場合、ポンプ第１電極１１１は電
源回路２３０に接続される。より詳細には、スイッチ回
路３００がＢ位置に切り替えられると、ポンプ第１電極
１１１の印加電圧が電源２３１の所定電圧Ｖｃとなり、
スイッチ回路３００がＣ位置に切り替えられると、ポン
プ第１電極１１１の印加電圧が「０Ｖ」となる。なお、
ポンプ第２電極１１２は、センサ第１電極１２１と共に
接地されている。

【００３３】電源回路２３０によれば、リーンガス時に
設定される電圧値よりも小さい電圧がポンプセル１１０
に印加されるようになっている。具体的には、図１１に
示すＶ−Ｉ線図において、印加電圧線ＬＸ１のＶ軸切片
の電圧Ｖ０が０．２Ｖ程度である場合、０．２Ｖ未満で
電源回路２３０内の電圧値が設定される。本実施の形態
ではＶｃ＝０．１Ｖとし、電源回路２３０による印加電
圧を０．２Ｖ又は０Ｖとしている。

【００３４】酸素濃度検出回路２１０において、ポンプ
電圧指令回路２１１は、図２に示す通りＣＰＵ及びＡ／
Ｄ，Ｄ／Ａコンバータ（Ａ／Ｄ１，Ａ／Ｄ２，Ｄ／Ａ
１）を備えるワンチップマイクロコンピュータにて構成
される。そして、同指令回路２１１は、図１中の各端子
Ｖａ，Ｖｂの電圧を各々入力して、その電圧値を基にポ
ンプセル１１０への指令電圧Ｖａを制御する。

【００３５】ポンプ電圧指令回路２１１からの指令電圧
Ｖａは、増幅回路２１２の非反転入力端子に入力され
る。増幅回路２１２の出力端子は、ポンプセル電流Ｉｐ
を検出するための電流検出抵抗２１３の一端に接続さ
れ、電流検出抵抗２１３の他端はスイッチ回路３００の
接点Ａと増幅回路２１２の反転入力端子とに接続されて
いる。これにより、スイッチ回路３００の接点Ａの電圧
は常にポンプ電圧指令回路２１１の指令電圧Ｖａと同じ
電圧になるよう制御される。

【００３６】一方、ガス濃度センサ１００のセンサ第２
電極１２２には、ＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘ濃
度検出回路２２０が接続されている。ＮＯｘ濃度検出回
路２２０は、一端がセンサ第２電極１２２に接続され、
他端が電源２２２に接続される電流検出抵抗２２１と、
該電流検出抵抗２２１の両端子電圧からセンサセル電流
Ｉｓを検出する電流検出回路２２３とを有し、電流検出
回路２２３の検出結果が比較回路２４０に出力される。
また、電流検出回路２２３の検出結果は、ＮＯｘ濃度出
力として図示しない他の制御装置に出力される。なお、
排ガスがリーンガスである時、センサセル電流Ｉｓは正
の電流値として検出され、リッチガスである時、センサ
セル電流Ｉｓは負の電流値として検出される。

【００３７】比較回路２４０は、電流検出回路２２３に
て検出されたセンサセル電流Ｉｓに応じて排ガスのリー
ン／リッチ判定を行い、それを基にスイッチ回路３００
に対して切り替え指令信号を出力する。より詳細には、
Ｉｓ＞ｍＡ０の時、すなわち排ガスがリーンガスである
と判定される時、比較回路２４０は、スイッチ回路３０
０に対して図のＡ接続とする旨の信号を出力する。これ
により、ポンプセル１１０への印加電圧が酸素濃度検出
回路２１０により制御される。また、Ｉｓ≦０ｍＡの
時、すなわち排ガスがリッチガスであると判定される
時、比較回路２４０は、スイッチ回路３００に対して図
のＢ又はＣ接続とする旨の信号を出力する。Ｂ接続にす
るか又はＣ接続にするかは排ガスのリッチ度合に応じて
選択され、リッチ度合が比較的小さい時はＢ接続とし、
リッチ度合が比較的大きい時はＣ接続とする。これによ
り、ポンプセル１１０への印加電圧が電源回路２３０に
より制御されることとなる。

【００３８】なお本実施の形態では、電流検出回路２２
３及び比較回路２４０が本発明の「検出手段」に相当
し、電源回路２３０及びスイッチ回路３００が「制御手
段」に相当する。

【００３９】図３は、ポンプ電圧指令回路２１１内のＣ
ＰＵにより実施される印加電圧制御手順を示すフローチ
ャートであり、同制御は、図示しないメインルーチンの
途中にて印加電圧制御サブルーチンとして実施される。

【００４０】図３において、ステップ１０１，１０２で
は、図１の電流検出抵抗２１３の両端子電圧Ｖａ，Ｖｂ
を図２のＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ２により各々読み取り、続く
ステップ１０３では、Ｉｐ＝（Ｖｂ−Ｖａ）／Ｒ１としてポンプセル電流Ｉｐを算出する。但し、Ｒ１は、
電流検出抵抗２１３の抵抗値である。

【００４１】その後、ステップ１０４では、図１１に示
した印加電圧線ＬＸ１を用い、前記算出したポンプセル
電流Ｉｐに対応するポンプセル１１０への目標印加電圧
を求める（マップ演算する）。更にステップ１０５で
は、前記求めた目標印加電圧を指令電圧ＶａとしてＤ／
Ａ１を介して出力し、その後本ルーチンを一旦終了す
る。

【００４２】次に、本ガス濃度検出装置の動作を、排ガ
スがリーンガスからリッチガスに変化し、その後リーン
ガスに復帰するまでの期間について図４のタイムチャー
トを参照しながら説明する。但し、図４中、（ａ）は排
ガスの空燃比を、（ｂ）はポンプセル印加電圧を、
（ｃ）はセンサセル電流Ｉｓを、（ｄ）はスイッチ回路
３００の切替動作の様子を、それぞれ示す。

【００４３】さて、図の時刻ｔ１以前では排ガスがリー
ンガスであるので、スイッチ回路３００の切替位置が図
１のＡ位置となっており、酸素濃度検出回路２１０によ
りその時々のポンプセル電流Ｉｐ（排ガス中の酸素濃
度）に応じてポンプセル１１０への印加電圧が制御され
る。このとき、図１１の印加電圧線ＬＸ１上で印加電圧
が設定されるのは上記図３で述べた通りである。こうし
たポンプセル１１０の印加電圧制御により、多孔質拡散
層１０１内の酸素濃度が比較的低濃度に維持される。

【００４４】また、同じくリーンガス時には、多孔質拡
散層１０１内の余剰酸素がセンサセル１２０を介して大
気ダクト１０２側に流出することから、センサセル電流
Ｉｓがセンサ第２電極１２２→センサ第１電極１２１の
向き（大気ダクト１０２側→多孔質拡散層１０１側の向
き）に流れ、それが電流検出回路２２３にて検出され
る。図４中には、この時のＩｓを正電流として示す。比
較回路２４０は、センサセル電流Ｉｓに基づいて排ガス
がリーンガスであると判断し、スイッチ回路３００の切
替位置を図１のＡ位置のまま保持する。

【００４５】時刻ｔ１で排ガスがリッチガスに移行する
と、次第に多孔質拡散層１０１内の酸素が欠乏するた
め、センサセル１２０に大きな起電力（酸素濃淡電池）
が生じ、リーンガス時とは逆にセンサセル電流Ｉｓがセ
ンサ第１電極１２１→センサ第２電極１２２の向き（多
孔質拡散層１０１側→大気ダクト１０２側の向き）に流
れ、それが負電流として電流検出回路２２３にて検出さ
れる。

【００４６】時刻ｔ１直後には、センサセル電流Ｉｓは
０〜Ｉｔｈ（Ｉｔｈ＜０ｍＡ）の範囲内にあるため、そ
れを比較回路２４０が判断しスイッチ回路３００を切り
替える。すなわち、排ガスがリッチガスとなるが、その
リッチ度合は比較的小さいと判断されてスイッチ回路３
００の切替位置が図１のＢ位置となり、電源回路２３０
により所定電圧Ｖｃがポンプセル１１０に印加される。
このとき、それまでの印加電圧よりも小さめの電圧が印
加されるため、ポンプセル１１０による多孔質拡散層１
０１内の酸素排出が抑制され、同拡散層１０１内に残留
する酸素とリッチガス中の可燃性成分（Ｈ2 、ＨＣ等）
との反応が促進される。つまり、残留酸素と可燃性成分
（Ｈ2 、ＨＣ等）とが反応し、センサ第１電極１２１に
吸着されることのないＨ2 ＯやＣＯ2 が生成される。

【００４７】その後、排ガスのリッチ度合が大きくな
り、センサセル電流Ｉｓが所定値Ｉｔｈを下回ると、ス
イッチ回路３００の切替位置が図１のＣ位置となり、ポ
ンプセル印加電圧は０Ｖとなる。これにより、ポンプセ
ル１１０による多孔質拡散層１０１内の酸素排出が中断
される。従って、やはり同拡散層１０１内に残留する酸
素とリッチガス中の可燃性成分（Ｈ2 、ＨＣ等）との反
応が促進され、可燃性成分に代えて、センサ第１電極１
２１に吸着されることのないＨ2 ＯやＣＯ2 が生成され
る。

【００４８】なお、排ガスのリッチ度合が大きいとガス
中に含まれる可燃性成分が増えるが、それに応じてポン
プセル印加電圧を小さくするので、その可燃性成分と十
分に反応できるだけの残留酸素が確保される。そのた
め、排ガスのリッチ度合に関係なく、常に可燃性成分の
電極への吸着が防止される。

【００４９】因みに本実施の形態の装置では、リッチガ
ス時にはガス濃度検出が一時的に中断されるようになっ
ている。従って、リッチガス時にポンプセル印加電圧が
上記の通り通常の指令値とは異なる値に制御されて多孔
質拡散層１０１内の残留酸素量が変化しても、その時の
ＮＯｘ濃度出力が使われることはなく、同ＮＯｘ濃度が
誤検出されることはない。

【００５０】その後、時刻ｔ３でＩｓ≧Ｉｔｈになる
と、スイッチ回路３００の切替位置がＢ位置に戻され、
更に時刻ｔ４でＩｓ≧０ｍＡになると、スイッチ回路３
００の切替位置がＡ位置に戻される。時刻ｔ４で排ガス
がリッチガスからリーンガスに復帰する際、センサ第１
電極１２１に可燃性成分等が吸着していないのでＮＯｘ
の分解が阻害されることはなく、正常なＮＯｘ濃度出力
が開始されるまでに要する復帰時間が短縮される。つま
り、リーンガス復帰時における応答遅れ時間が短縮さ
れ、リーンガスへの復帰直後からＮＯｘ濃度が正しく検
出できる。時刻ｔ４以降は、通常通りその時々のポンプ
セル電流Ｉｐ（排ガス中の酸素濃度）に応じてポンプセ
ル印加電圧が制御される。

【００５１】ここで、リッチガス時におけるポンプセル
印加電圧とリーンガス復帰時における応答遅れ時間と
は、図５の関係を有することが本発明者らにより見出さ
れ、同図５によれば、ポンプセル印加電圧が小さいほど
応答遅れ時間が短くなることが分かる。従って、該ポン
プセル印加電圧を単純に小さくすれば、応答遅れ時間は
短縮できることになる。しかしながら、上記の通りセン
サセル１２０の起電力により排ガスのリーン／リッチ判
定を行う場合、仮に、リッチガス時にポンプセル印加電
圧を負電圧とすることを考えると、ポンプセル１１０を
介して多孔質拡散層１０１内に酸素が供給されて同多孔
質拡散層１０１内の残留酸素量が不用意に増え、一時的
にリーンガス判定がなされ、その後再びリッチガス判定
がなされる、といった動作が繰り返される。つまり、リ
ッチガスのまま継続されていてもリッチガス判定とリー
ンガス判定とが交互に繰り返されてしまい、ポンプセル
印加電圧がハンチングするという不都合を招く。

【００５２】これに対し、リッチガス時におけるポンプ
セル印加電圧の負側の下限値を設定し、当該印加電圧を
０Ｖ以上で規定すれば、センサセル起電力により判定さ
れるリッチガス判定が不用意にくつがえることはなく、
ポンプセル印加電圧のハンチングが防止できる。要する
に本実施の形態の装置では、リッチガス時のポンプセル
印加電圧（電源回路２３０の電圧）を０又は０．２Ｖと
することで、リーンガス復帰時における応答遅れ時間の
短縮と、リッチガス時におけるポンプセル印加電圧のハ
ンチング防止とが両立できる。

【００５３】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。（イ）リッチガス時のポンプセル印加電圧をリーンガス
時の設定電圧よりも小さくし、ポンプセル１１０による
酸素排出を抑制したので、リーンガスからリッチガスへ
の切り替え時にガス濃度出力の応答遅れ時間が短縮さ
れ、ひいては同ガス濃度の検出精度が向上する。

【００５４】（ロ）排ガスのリッチ度合に応じてポンプ
セル印加電圧を０又は０．２Ｖとしたので、排ガスのリ
ッチ度合に関係なく、常に可燃性成分の電極への吸着を
防止することができる。

【００５５】（ハ）ポンプセル印加電圧を可変に制御す
る酸素濃度検出回路２１０とは別に電源回路２３０を設
け、同電源回路２３０によりリッチガス時のポンプセル
印加電圧を制御したので、リーンガス／リッチガスの何
れであっても印加電圧を好適に制御し、ガス濃度を正し
く検出することができる。

【００５６】（ニ）リッチガス時に、多孔質拡散層１０
１内の酸素欠乏の状態が不用意に解除されることのない
電圧域でポンプセル印加電圧を設定したため、当該印加
電圧のハンチングが抑制される。

【００５７】（第２の実施の形態）次に、本発明におけ
る第２の実施の形態を図６を用いて説明する。図６のガ
ス濃度センサ１５０は、前記図１のガス濃度センサ１０
０の構成の一部を変更しており、以下には、図６のガス
濃度センサ１５０並びに制御回路２０１の構成を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００５８】図６に示すガス濃度センサ１５０では、前
記図１に示すガス濃度センサ１００と比較して、第１セ
ルとしてのポンプセル１６０が上流側に、第２セルとし
てのセンサセル１７０が下流側に位置することは同じで
あるが、ポンプセル１６０とセンサセル１７０の設置場
所が上下逆になっている。

【００５９】つまり、酸素濃度を検出するためのポンプ
セル１６０が多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２と
の間に設けられ、ＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセ
ル１７０が多孔質拡散層１０１と排ガス空間との間に設
けられる。各セル１６０，１７０に設置されるポンプ第
１，第２電極１６１，１６２及びセンサ第１，第２電極
１７１，１７２のうち、多孔質拡散層１０１側のポンプ
第１電極１６１のみが、Ａｕ−Ｐｔ等、ＮＯｘガスに不
活性な貴金属で形成される電極（ＮＯｘガスを分解し難
い電極）であり、その他の電極は白金等、触媒活性の高
い貴金属で形成される。ガス濃度センサ１５０（セル１
６０，１７０）によるガス濃度の検出原理については既
述のセンサ１００と同じであるため、その説明を省略す
る。

【００６０】図７は、ガス濃度センサ１５０のポンプセ
ル出力特性を示すＶ−Ｉ線図である。同図７によれば、
排ガスがリーンガスである時は勿論のこと、リッチガス
であってもポンプセル電流（限界電流）が計測できるこ
とが分かる。つまり、ガス濃度センサ１５０では、前記
図１のガス濃度センサ１００とは異なり、ポンプセル１
６０が多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２との間に
設置されるために、リッチガス時（多孔質拡散層１０１
内の酸素欠乏時）に生じるポンプセル１６０の起電力に
応じて排ガスがリッチガスである旨が検出できる。

【００６１】図７中、前記図１１と同様の印加電圧線Ｌ
Ｘ１が用意されており、リーンガス領域（ポンプセル電
流＞０ｍＡの領域）においてはこのＬＸ１を用いてポン
プセル印加電圧が可変に設定される。また、リッチガス
領域（ポンプセル電流＜０ｍＡの領域）では、前記ＬＸ
１よりも負側の別の印加電圧線ＬＸ２を用い、ポンプセ
ル印加電圧が可変に設定される。

【００６２】また、図６の装置において、ガス濃度セン
サ１５０のポンプ第２電極１６２には酸素濃度検出回路
２５０が接続されている。ポンプ電圧指令回路２５１
は、例えばＣＰＵ及びＡ／Ｄ，Ｄ／Ａコンバータを備え
るワンチップマイクロコンピュータにて構成され、その
時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧
を可変に制御する。ポンプ電圧指令回路２５１からの指
令電圧Ｖａは、増幅回路２５２の非反転入力端子に入力
される。増幅回路２５２の出力端子は、ポンプセル電流
Ｉｐを検出するための電流検出抵抗２５３の一端に接続
され、電流検出抵抗２５３の他端はポンプ第２電極１６
２と増幅回路２５２の反転入力端子とに接続されてい
る。これにより、ポンプ第２電極１６２の電圧は常に指
令電圧Ｖａと同じ電圧になるよう制御される。

【００６３】一方、センサセル１７０のセンサ第１電極
１７１は、センサセル電流Ｉｓを検出するための電流検
出抵抗２６２を介して電源２６１に接続されている。こ
こで、センサセル電流Ｉｓは電流検出抵抗２６２の両端
子電圧Ｖｄ，Ｖｅから検出される。なお、ポンプ第１電
極１６１及びセンサ第２電極１７２は何れも接地されて
いる。

【００６４】次に、ポンプ電圧指令回路２５１内のＣＰ
Ｕにより実施される印加電圧制御を図８のフローチャー
トに従い説明する。本実施の形態では、前記図３のルー
チンに置き換えてこの図８のルーチンが実施される。

【００６５】図８において、ステップ２０１では、電流
検出抵抗２５３の両端子電圧Ｖａ，Ｖｂを各々読み取
り、ポンプセル電流Ｉｐを算出する（Ｉｐ＝（Ｖｂ−Ｖ
ａ）／Ｒ１）。続くステップ２０２では、前記算出した
ポンプセル電流Ｉｐ（Ｉｐの向き）に基づいて排ガスの
リーン／リッチ判定を行う。

【００６６】排ガスがリーンガスであると判定される
時、ステップ２０３に進み、図７中の印加電圧線ＬＸ１
を用い、前記算出したポンプセル電流Ｉｐに対応するポ
ンプセル１６０への目標印加電圧を求める（マップ演算
する）。更にステップ２０５では、前記求めた目標印加
電圧を指令電圧Ｖａとして出力し、その後本ルーチンを
一旦終了する。

【００６７】また、排ガスがリッチガスであると判定さ
れる時、ステップ２０４に進み、図７中の印加電圧線Ｌ
Ｘ２を用い、前記算出したポンプセル電流Ｉｐに対応す
るポンプセル１６０への目標印加電圧を求める（マップ
演算する）。更にステップ２０５では、前記求めた目標
印加電圧を指令電圧Ｖａとして出力し、その後本ルーチ
ンを一旦終了する。なお、本実施の形態では、図８のス
テップ２０２が本発明の「検出手段」に相当し、ステッ
プ２０４が「制御手段」に相当する。

【００６８】以上第２の実施の形態によれば、上記第１
の実施の形態と同様、リッチガス時のポンプセル印加電
圧を、リーンガス時の設定電圧よりも小さくし、ポンプ
セル１１０による酸素排出を抑制するので、リーンガス
からリッチガスへの切り替え時にガス濃度出力の応答遅
れ時間が短縮され、ひいては同ガス濃度の検出精度が向
上する。また併せて、ポンプセル印加電圧のハンチング
が抑制される。

【００６９】また特に、図７中の印加電圧線ＬＸ２を用
いてその時々のリッチ度合に応じてポンプセル印加電圧
が設定できるので、常に適正な印加電圧制御が可能とな
り、可燃性成分の電極への吸着を確実に防止することが
できる。

【００７０】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。上記第１の実施の形態では、排ガスがリッ
チガスである時、多孔質拡散層１０１の酸素排出を抑制
するようポンプセル印加電圧を２段階（０又は０．１
Ｖ）に設定したが、この構成を以下のように変更する。
例えば、リッチガス時のポンプセル印加電圧として一つ
の電圧値を設定しておく。或いは、同印加電圧として３
段階以上の異なる電圧値を設定しておく。これら何れの
場合にも、ポンプセル印加電圧を、リーンガス時の電圧
値よりも小さく（図１１中、ＬＸ１のＶ軸切片電圧Ｖ０
よりも小さく）、且つ０Ｖ以上の電圧値とし、リーン復
帰時におけるガス濃度出力の応答遅れ時間の短縮化とポ
ンプセル印加電圧のハンチング防止との両立を図るよう
にする。第２の実施の形態の装置についても同様に、上
記の如く多段階にポンプセル印加電圧を制御してもよ
い。

【００７１】また、上記各実施の形態において、リッチ
ガス時にはポンプセルへの電圧印加を中止するよう構成
する。かかる場合にもやはり、当該ポンプセルでの酸素
排出が抑制され、電極への可燃性成分の付着に起因して
ガス濃度出力の応答遅れ時間が長引くといった問題が解
消される。またこの場合、ポンプセルの電極を単に接地
する、又は開放する等の、比較的簡易な構成にて発明の
実施が可能となる。

【００７２】上記各実施の形態では、多孔質拡散層１０
１（ガス導入部）と大気ダクト１０２（基準ガス室）と
の間に設けられるセルにおいて多孔質拡散層１０１内の
酸素欠乏時に生じる当該セルの起電力に応じて排ガスが
リッチガスである旨を検出したが、この構成を変更す
る。例えばエンジン運転状態に基づいて排ガスのリーン
／リッチ判定を行うこととする。より具体的には、エン
ジン制御ＥＣＵにおいて、吸入空気量と燃料噴射量との
比から空燃比を求め、該求めた空燃比により排ガスのリ
ーン／リッチ判定を行う。この場合、上記各実施の形態
とは異なり、リッチガス時に多孔質拡散層１０１へ酸素
が供給されて同拡散層１０１内の酸素欠乏状態が解除さ
れても、リーンガスであると誤判定されることはない。
従って、ポンプセル印加電圧の下限値を規定してハンチ
ング防止を図る必要はなく、例えば同印加電圧を負の電
圧域に設定してもよい。但し、同ポンプセル印加電圧
は、ジルコニア（固体電解質）に印加してもよい電圧範
囲内で設定され、その下限は−１Ｖ程度である。

【００７３】２セル構造のセンサ以外にも、３セル構造
のガス濃度センサや、ポンプセル又はセンサセルを複数
に分割して設け、それにより４個以上のセルを持つガス
濃度センサにも適用できる。また、上記実施の形態にお
けるガス濃度センサでは、ガス導入部として多孔質拡散
層を用いたが、ガス導入部としてはこの構成に限定され
ず、スリットやスルーホールにてガス導入部を構成する
ものでもよい。

【００７４】酸素濃度とＮＯｘ濃度とを検出可能なガス
濃度センサの他、酸素濃度とＨＣ濃度又はＣＯ濃度とを
検出可能なガス濃度センサにも適用できる。ＨＣ濃度又
はＣＯ濃度を検出する場合、ポンプセルにて排ガス（被
検出ガス）中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰
酸素排出後のガス成分からＨＣ又はＣＯを分解する。こ
れにより、酸素濃度に加え、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度が検
出できる。

【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の
全体構成図。

【図２】ポンプ電圧指令回路の構成図。

【図３】印加電圧制御サブルーチンを示すフローチャー
ト。

【図４】ガス濃度検出装置の動作説明のためのタイムチ
ャート。

【図５】リッチガス時におけるポンプセル印加電圧とリ
ーンガス復帰時における応答遅れ時間との関係を示す
図。

【図６】第２の実施の形態におけるガス濃度検出装置の
全体構成図。

【図７】ガス濃度センサのポンプセル出力特性を示すＶ
−Ｉ線図。

【図８】印加電圧制御サブルーチンを示すフローチャー
ト。

【図９】ガス濃度センサの構成を示す要部断面図。

【図１０】ガス濃度センサの動作原理を説明するための
図。

【図１１】ガス濃度センサのポンプセル出力特性を示す
Ｖ−Ｉ線図。

【図１２】ガス濃度センサのセンサセル出力特性を示す
Ｖ−Ｉ線図。

【符号の説明】

１００，１５０…ガス濃度センサ、１１０，１６０…第
１セルとしてのポンプセル、１２０，１７０…第２セル
としてのセンサセル、１０１…ガス導入部としての多孔
質拡散層、１０２…基準ガス室としての大気ダクト、２
１１，２５１…ポンプ電圧指令回路、２２３…電流検出
回路、２３０…電源回路、２４０…比較回路、３００…
スイッチ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２７Ｃ (72)発明者水谷圭吾愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者牧野太輔愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者斎藤利孝愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検出ガスを導入するためのガス導入部
と、固体電解質を挟むよう設けられる一対の電極を有
し、該電極への電圧印加に伴いガス導入部内の被検出ガ
ス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた電流
を流す第１セルと、同じく固体電解質を挟むよう設けら
れる一対の電極を有し、該電極への電圧印加に伴い余剰
酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流
を流す第２セルと、を備えるガス濃度センサを用いたガ
ス濃度検出装置において、被検出ガスがリッチガスであることを検出する検出手段
と、被検出ガスがリッチガスであると検出された時、第１セ
ルによるガス導入部の酸素排出を抑制するよう当該第１
セルの印加電圧を制御する制御手段と、を備えることを
特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】被検出ガスがリーンガスである時、第１セ
ルの印加電圧を正の領域で設定するガス濃度検出装置で
あって、被検出ガスがリッチガスであると検出された時、前記制
御手段は、リーンガス時に設定される第１セルの印加電
圧よりも小さい電圧を当該第１セルに印加する請求項１
に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】請求項２に記載のガス濃度検出装置におい
て、前記制御手段は、被検出ガスのリッチ度合に応じて第１
セルの印加電圧を制御し、そのリッチ度合が大きいほ
ど、第１セルの印加電圧を小さくするガス濃度検出装
置。
【請求項４】請求項２又は３に記載のガス濃度検出装置
において、前記制御手段は、被検出ガスがリーンガスである時に第
１セルに電圧を印加する電源の他に、リーンガス時に設
定される第１セルの印加電圧よりも小さい電圧の別の電
源を有し、被検出ガスがリッチガスであると検出された
時、第１セルの電源を前記別の電源に切り替えるガス検
出濃度装置。
【請求項５】請求項１に記載のガス濃度検出装置におい
て、前記制御手段は、リッチガス時には第１セルへの電圧印
加を中止するガス濃度検出装置。
【請求項６】前記検出手段は、基準ガス室とガス導入部
との間に設けられる第１又は第２セルの何れかについて
ガス導入部内の酸素欠乏時に生じる当該セルの起電力に
応じて被検出ガスがリッチガスである旨を検出するもの
であり、被検出ガスがリッチガスであると検出された時、前記制
御手段は、前記した酸素欠乏の状態が解除されることの
ない電圧設定域で第１セルの印加電圧を設定する請求項
１〜５の何れかに記載のガス濃度検出装置。