JP6575452B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスの空燃比を検出するガス濃度検出装置に関する。

ガスセンサには、内燃機関から排気される排ガスの酸素濃度を検出する用途、排ガスの空燃比（排ガスから求められる燃焼時の空燃比）を求める用途、ＮＯｘ等の特定ガス成分を検出する用途等がある。空燃比の検出を行う空燃比センサは、空燃比の略全域、例えば、空燃比Ａ／Ｆが１０〜２０以上（大気）の広範囲において、排ガス中の空気と未燃ガスとの割合に応じてリニヤに検出できるようにしている。一方、酸素濃度の検出を行う酸素センサは、理論空燃比に比較した空燃比が、燃料が多い側であるリッチ側にあるか、空気が多い側であるリーン側にあるかを検出する。

空燃比センサにおいては、固体電解質体に設けられ、排ガスに晒される検出電極の表面を、多孔質のセラミックスからなる拡散抵抗層によって覆っている。拡散抵抗層によって検出電極への排ガスの流量が律速され、大気に晒される基準電極と検出電極との間に電圧を印加するときには、限界電流特性として、基準電極と検出電極との間に流れる電流は一定の値で飽和する。また、リッチ領域においては、基準電極から検出電極へ酸素をポンピングするよう電圧を印加し、リーン領域においては、検出電極から基準電極へ酸素をポンピングするよう電圧を印加している。そして、検出電極と基準電極との間に流れる飽和電流と空燃比との間には、正の相関があり、リッチ領域及びリーン領域における空燃比を、電流の大きさ及び向きに基づいてリニヤに検出している。

例えば、特許文献１の空燃比センサにおいては、基準電極と検出電極との間の出力電流値を、検出精度及び応答性の観点から適切な値にするために、検出電極を覆う拡散抵抗層の厚みを２００〜８００μｍとし、その気孔率を３〜５％にすることが開示されている。

また、酸素センサにおいては、空燃比がリーン側からリッチ側に変化するとき、あるいはリッチ側にあるときには、検出電極における白金等の触媒作用により、検出電極に到達する排ガス中の一酸化炭素、炭化水素等の未燃ガス成分が二酸化炭素、水等に変換される。このとき、基準電極と検出電極との間に大きな起電力が生じることを利用して、空燃比がリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出している。

特開平７−１９８６７３号公報

空燃比センサにおいては、内燃機関の燃焼状態に応じて空燃比が大きく変動することを想定して、空燃比の検出範囲を広範囲に設定するために、拡散抵抗層の厚みを大きくしている。拡散抵抗層の厚みを大きくする理由は、検出電極に到達する排ガスの量を制限して、特に、空燃比がリッチ側に大きく振れた場合の検出精度を確保するためにある。
しかし、拡散抵抗層の厚みが大きいと、排ガスが拡散抵抗層を通過して検出電極に到達するまでの時間が長くなり、空燃比センサの検出の応答性が悪化する。

また、拡散抵抗層の厚みが小さいと、より多くの排ガスが短時間で拡散抵抗層を通過して検出電極に到達することになる。そのため、空燃比がリッチ側に大きく振れた場合には、大量の未燃ガスが検出電極に到達し、この未燃ガスを酸化させて二酸化炭素、水等に変換するために、基準電極から検出電極へ大量の酸素を急激に供給する必要が生じる。一方、空燃比がリーン側に大きく振れた場合には、大量の酸素が検出電極に到達し、この酸素を検出電極から基準電極へ急激に排出する必要が生じる。
酸素の移動流量には限界があり、固体電解質体と、固体電解質体の内部に配置されるヒータとのクリアランス等によって酸素の移動流量が制限される。従って、空燃比センサの検出の応答性を向上させるためには限界があった。

一方、酸素センサにおいては、空燃比を、電流の大きさに応じてリニヤに検出する必要がない。そのため、拡散抵抗層の厚みを大きくして、検出電極に到達する排ガスの量を制限する必要がほとんどない。
本願発明者らは、前述した空燃比センサと酸素センサとに必要な条件を整理し、従来の空燃比センサの応答性が改善される、全く新しいタイプのガスセンサを見出すに至った。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、空燃比の検出の応答性を高く維持することができ、排ガスの空燃比に応じて、ガスセンサを空燃比センサの用途と酸素センサの用途とに使い分けることができるガス濃度検出装置を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体における、検出ガスに晒される表面に設けられた検出電極（２２）、前記固体電解質体における、基準ガスに晒される表面に設けられた基準電極（２３）、及び前記検出電極を覆う多孔質のセラミックスからなる拡散抵抗層（２４）を有するガスセンサ（２）と、
該ガスセンサに電気的に接続されて、該ガスセンサの動作を制御する制御装置（５）と、を備え、
前記制御装置は、
内燃機関から排気される前記検出ガスとしての排ガス（Ｇ）の空燃比が、理論空燃比の近傍におけるリッチ側の下限値（Ｒ１）と理論空燃比の近傍におけるリーン側の上限値（Ｒ２）との間のストイキ範囲（Ｒ）内にあるか、前記ストイキ範囲外にあるかを判定する判定部（５３）と、
前記判定部による判定が前記ストイキ範囲内にある場合に、前記空燃比を検出する空燃比検出部（５１）と、
前記判定部による判定が前記ストイキ範囲外にある場合に、前記空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出するリッチ・リーン検出部（５２）と、を有する、ガス濃度検出装置（１）にある。

前記ガス濃度検出装置の制御装置においては、空燃比検出部とリッチ・リーン検出部とが構築されている。そして、制御装置は、排ガスの空燃比が、理論空燃比の近傍におけるリッチ側の下限値と理論空燃比の近傍におけるリーン側の上限値との間のストイキ範囲内にある場合に空燃比検出部を動作させ、排ガスの空燃比がストイキ範囲外にある場合には、リッチ・リーン検出部と動作させる。

これにより、空燃比が理論空燃比の近傍にあり、大量の未燃ガス又は酸素を含む排ガスが検出電極に到達する可能性がない状態においては、空燃比検出部によって、ガスセンサを空燃比センサとして動作させることができる。また、空燃比が理論空燃比の近傍から離れ、大量の未燃ガス又は酸素を含む排ガスが検出電極に到達する可能性がある状態においては、リッチ・リーン検出部によって、ガスセンサを酸素センサとして動作させることができる。

従って、ガスセンサの検出電極を覆う拡散抵抗層の厚みを小さくすることが可能になり、排ガスが拡散抵抗層を通過して検出電極へ到達する時間を短くすることができる。そして、空燃比検出部によって、ガスセンサを空燃比センサとして動作させる場合における、空燃比の検出の応答性を高く維持することができる。

それ故、前記ガス濃度検出装置によれば、空燃比の検出の応答性を高く維持することができ、排ガスの空燃比に応じて、ガスセンサを空燃比センサの用途と酸素センサの用途とに使い分けることができる。
「排ガスの空燃比」とは、排ガスを排気した内燃機関における混合気の燃焼時の空燃比のことを意味する。

なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置を示す説明図。 実施形態１にかかる、印加電圧とセンサ出力電流との関係を示すグラフ。 実施形態１にかかる、空燃比と浄化率との関係を示すグラフ。 実施形態１にかかる、ガスセンサを示す説明図。 実施形態１にかかる、拡散抵抗層の厚みと空燃比の検出可能範囲との関係を示すグラフ。 実施形態１にかかる、拡散抵抗層の厚みとリッチ・リーン検出の応答時間との関係を示すグラフ。 実施形態１にかかる、拡散抵抗層の厚みと空燃比検出の応答時間との関係を示すグラフ。 実施形態１にかかる、従来の空燃比センサによる空燃比制御の応答性を示すグラフ。 実施形態１にかかる、ガスセンサによる空燃比制御の応答性を示すグラフ。 実施形態１にかかる、印加電圧とセンサ出力電流との関係を、気孔率をパラメータとして示すグラフ。 実施形態１にかかる、空燃比検出とリッチ・リーン検出との切換えを行う動作を示すフローチャート。 実施形態２にかかる、空燃比検出とリッチ・リーン検出との切換えを行う動作を示すフローチャート。 実施形態３にかかる、空燃比検出とリッチ・リーン検出との切換えを行う動作を示すフローチャート。

前述したガス濃度検出装置にかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
本形態のガス濃度検出装置１は、図１に示すように、ガスセンサ２及び制御装置５を備え、制御装置５は、空燃比検出部５１及びリッチ・リーン検出部５２を有する。
ガスセンサ２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２１と、固体電解質体２１における、検出ガスに晒される表面に設けられた検出電極２２と、固体電解質体２１における、基準ガスＡとしての大気に晒される表面に設けられた基準電極２３と、検出電極２２を覆う多孔質のセラミックスからなる拡散抵抗層２４とを有する。制御装置５は、ガスセンサ２に電気的に接続されており、ガスセンサ２の動作を制御する。

図２に示すように、空燃比検出部５１は、内燃機関から排気される検出ガスとしての排ガスＧの空燃比が、理論空燃比の近傍におけるリッチ側の下限値Ｒ１と理論空燃比の近傍におけるリーン側の上限値Ｒ２との間のストイキ範囲Ｒ内にある場合に、空燃比を検出電極２２と基準電極２３との間に流れる電流の大きさ及び正逆方向に基づいて検出する。リッチ・リーン検出部５２は、排ガスＧの空燃比がストイキ範囲Ｒ外にある場合に、検出電極２２と基準電極２３との間を流れる電流の正逆方向に基づいて、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出する。

以下、本形態のガス濃度検出装置１について詳説する。
ガス濃度検出装置１は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管を流れる排ガスＧの空燃比を検出するものである。ガス濃度検出装置１は、内燃機関における空燃比を、排気管内に配置された三元触媒の触媒活性が効果的に維持される浄化ウィンドウの近傍にするために用いられる。図３に示すように、浄化ウィンドウは、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率が高い空燃比の範囲を示す。本形態の浄化ウィンドウは、理論空燃比の近傍、具体的には、理論空燃比を１４．５としたとき、空燃比（Ａ／Ｆ）が１４．３〜１４．７の範囲として示される。本形態の浄化ウィンドウはストイキ範囲Ｒと同じであるとする。
ガスセンサ２は、排気管内に配置され、三元触媒の配置位置よりも上流側及び下流側のいずれに配置することもできる。

図１、図４に示すように、ガスセンサ２においては、各電極２２，２３及び拡散抵抗層２４が設けられた固体電解質体２１によってセンサ素子２０が形成されている。ガスセンサ２は、センサ素子２０以外に、センサ素子２０の内部に配置されたヒータ３１、センサ素子２０を保持するハウジング３２、ハウジング３２に取り付けられ、センサ素子２０を覆う保護カバー３３、各電極２２，２３のリード部及びヒータ３１の通電部に接続されるリード線３４、ハウジング３２に取り付けられ、ブッシュ３６を介してリード線３４を保持する保持カバー３５等を備える。

図１に示すように、固体電解質体２１は、有底円筒形状に形成されている。検出電極２２は、固体電解質体２１の外側面２１１に設けられており、基準電極２３は、固体電解質体２１の内側面２１２に設けられている。固体電解質体２１は、ジルコニアを主成分とする固体電解質によって形成される。本形態の固体電解質体２１は、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアからなる。検出電極２２及び基準電極２３は、貴金属成分としての白金と、固体電解質体２１と同質の固体電解質とを含有する。検出電極２２においては、排ガスＧと貴金属成分と固体電解質との三相界面が形成される。

ヒータ３１は、セラミックスの基材と、基体に設けられた発熱体とを有し、固体電解質体２１の内部に配置されている。制御装置５によってヒータ３１の発熱体に通電が行われると、発熱体が発熱し、固体電解質体２１及び各電極２２，２３が、酸素イオン伝導性を発現する活性温度に昇温される。

図１に示すように、拡散抵抗層２４は、アルミナを主成分として形成され、排ガスＧを所定の拡散抵抗下において透過させる性質を有する。拡散抵抗層２４の厚みｔは、１００〜２００μｍの範囲内にある。拡散抵抗層２４は、アルミナ等のセラミックスのスラリーを、固体電解質体２１の検出電極２２の表面にプラズマ溶射し、スラリーを乾燥及び焼結させて形成したものである。拡散抵抗層２４は、その厚みｔが均一になるように形成されている。ただし、拡散抵抗層２４の厚みｔが部分的に変化している場合には、拡散抵抗層２４の平均厚みが１００〜２００μｍの範囲内になるようにする。この平均厚みは、拡散抵抗層２４の複数個所の厚みｔを測定し、その平均値として求められる。

拡散抵抗層２４の厚みｔとは、固体電解質体２１及び各電極２２，２３の厚み方向Ｔに沿った方向の厚みのことをいう。固体電解質体２１及び各電極２２，２３の厚み方向Ｔとは、検出電極２２と基準電極２３とが固体電解質体２１を介して対向する方向のことをいう。

拡散抵抗層２４の厚みｔが１００μｍ未満である場合には、空燃比検出部５１によって空燃比を検出できる範囲が狭くなり過ぎるおそれがある。
図５には、拡散抵抗層２４の厚みｔ（μｍ）と、空燃比を、検出電極２２と基準電極２３との間に流れる電流の大きさに応じてリニヤに検出できる範囲（Ａ／Ｆ）との関係を示す。拡散抵抗層２４の厚みｔが１００μｍであるときに、燃料に対する空気の比率である空燃比（Ａ／Ｆ）の検出可能範囲は、１４．３〜１４．７の範囲となる。そして、拡散抵抗層２４の厚みｔが１００μｍ未満になると、空燃比の検出可能範囲は、さらに狭くなり、理論空燃比（ストイキ）である１４．５の近傍付近のみとなる。

空燃比の検出可能範囲は、空燃比検出部５１によって空燃比を検出するための理論空燃比の近傍の範囲であるストイキ範囲Ｒを決定するための範囲となる。そして、ストイキ範囲Ｒを１４．３〜１４．７の範囲よりも広くするために、拡散抵抗層２４の厚みｔは１００μｍ以上とする。なお、ストイキ範囲Ｒは、拡散抵抗層２４の厚みｔが２００μｍであるときの空燃比の範囲として１４．２〜１４．８とすることもできる。
また、ストイキ範囲Ｒは、三元触媒による浄化率を高く維持するための浄化ウィンドウを決定する範囲となる。

拡散抵抗層２４の厚みｔが２００μｍ超過である場合には、リッチ・リーン検出部５２による、空燃比がリッチ側にあるかリーン側にあるかのリッチ・リーン検出の応答時間が長くなるおそれがある。リッチ・リーン検出の応答時間は、排ガスＧが拡散抵抗層２４を通過して検出電極２２に到達するまでの時間に起因する。
図６には、拡散抵抗層２４の厚みｔ（μｍ）と、リッチ・リーン検出の応答時間（ｍｓ）との関係を示す。拡散抵抗層２４の厚みｔが２００μｍであるときには、リッチ・リーン検出の応答時間は２００ｍｓとなる。この応答時間は、拡散抵抗層２４の表面にある排ガスＧが拡散抵抗層２４を通過して検出電極２２まで到達する時間とする。ガスセンサ２を、リッチ・リーン検出を行う酸素センサとして用いる場合に、ガスセンサ２に要求される応答時間は、２００ｍｓ以下である。従って、ガスセンサ２の応答性を確保するために、拡散抵抗層２４の厚みｔは２００μｍ以下とする。

本形態の拡散抵抗層２４の厚みｔは、従来の空燃比センサにおける拡散抵抗層の厚みに比べて極めて小さい。
図７には、拡散抵抗層の厚み（μｍ）と空燃比検出の応答時間（ｍｓ）との関係を示す。従来の空燃比センサにおける拡散抵抗層の厚みは、空燃比の検出範囲を広範囲に設定するために、６５０〜８００μｍ程度としている。このとき、空燃比を検出する際の応答時間は、６３０〜７７０ｍｓ程度となる。この応答時間は、拡散抵抗層２４の表面にある排ガスＧが拡散抵抗層２４を通過して検出電極２２まで到達する時間とする。一方、本形態のガスセンサ２における拡散抵抗層２４の厚みは、従来に比べて極めて小さく、１００〜２００μｍとしている。このとき、空燃比を検出する際の応答時間は、１００〜２００ｍｓとなる。

従来の空燃比センサにおいては、空燃比検出の応答時間が長く、図８に示すように、エンジン制御ユニット５Ｂによって空燃比の制御を行う際には、空燃比が目標空燃比になるまでに長い時間を要した。一方、本形態のガスセンサ２においては、空燃比検出の応答時間が短縮され、図９に示すように、エンジン制御ユニット５Ｂによって空燃比の制御を行う際に、空燃比が目標空燃比になるまでに要する時間を短縮することができる。これにより、本形態のガス濃度検出装置１の空燃比検出部５１による空燃比の検出を行う際には、エミッション（大気汚染物質）の低減に貢献することができる。

拡散抵抗層２４の気孔率は、４〜９％の範囲内にある。拡散抵抗層２４の気孔率は、拡散抵抗層２４の外形全体の容積における気孔の容積の割合とする。拡散抵抗層２４の外形全体の容積には、気孔の容積も含まれる。気孔には、拡散抵抗層２４の表面に現れる開気孔と、拡散抵抗層２４の内部に配置された閉気孔とが存在する。
気孔率は、水銀ポロシメータとして、気孔に水銀等の液体が充填される前と、気孔に水銀等の液体が充填された後との質量変化に基づいて求めることができる。また、気孔率は、拡散抵抗層２４の複数の断面を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察することによって求めることもできる。

拡散抵抗層２４の気孔率が４％未満である場合には、排ガスＧが拡散抵抗層２４を通過しにくくなり過ぎ、検出電極２２と基準電極２３との間に流れる電流であるセンサ出力電流が小さくなり、空燃比の検出精度が低下するおそれがある。
図１０には、空燃比が１４．７である場合において、検出電極２２と基準電極２３との間に印加する電圧（Ｖ）と、センサ出力電流（ｍＡ）との関係を示す。センサ出力電流は、ガスセンサ２の検出精度を維持するためには、０．５ｍＡ以上であることが好ましい。センサ出力電流が小さくなると、電流検出誤差の割合が大きくなり、空燃比の検出精度が低下する。拡散抵抗層２４の気孔率が４％であるときにセンサ出力電流は０．５ｍＡとなり、気孔率が４％未満になると、センサ出力電流がさらに小さくなる。従って、必要な大きさのセンサ出力電流を確保するために、気孔率を４％以上とする。

拡散抵抗層２４の気孔率が９％超過である場合には、排ガスＧが拡散抵抗層２４を通過しやすくなり過ぎ、検出電極２２と基準電極２３との間に印加する電圧が変化してもセンサ出力電流が変化しない限界電流特性を得にくくなり、空燃比の検出精度が低下するおそれがある。
限界電流特性は、検出電極２２と基準電極２３との間に電圧が印加される際に、拡散抵抗層２４による排ガスＧの流量の律速を受けて、検出電極２２に到達する排ガスＧの流量が制限されるため、電圧が変化してもセンサ出力電流が変化しない関係として得られる。しかし、気孔率が９％超過になるまで大きくなると、拡散抵抗層２４が排ガスＧの流量の律速として機能にしなくなり、限界電流特性が得られないおそれがある。この場合、センサ出力電流にばらつきが生じやすくなり、空燃比の検出精度が低下するおそれがある。

図１０において、気孔率が９％以下である場合には、限界電流特性が得られる一方、気孔率が９％超過、例えば１０％になると、限界電流特性が得られないおそれがある。従って、限界電流特性が得られるようにするために、気孔率は９％以下とする。

図１に示すように、制御装置５は、検出電極２２と基準電極２３との間に電圧を印加する電圧印加手段６１、検出電極２２と基準電極２３との間に流れる電流を検出する電流検出手段６２、ヒータ３１の発熱体に通電を行う通電手段６３等を備えている。これらの手段６１，６２，６３は、制御装置５としてのセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）５Ａにおいて形成されている。

電圧印加手段６１は、検出電極２２から基準電極２３へ酸素イオンが移動するよう、基準電極２３がプラス側の電極になるよう電圧を印加する。
空燃比検出部５１によって検出される空燃比がリーン領域にある場合には、基準電極２３から検出電極２２へ電流が流れる。一方、空燃比検出部５１によって検出される空燃比がリッチ領域にある場合には、固体電解質体２１を介する検出電極２２と基準電極２３との間に発生する起電力により、空燃比がリーン領域にある場合とは逆方向である、検出電極２２から基準電極２３へ電流が流れる。

図１に示すように、空燃比検出部５１及びリッチ・リーン検出部５２は、センサ制御ユニット５Ａよりも上位にある制御装置５としてのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５Ｂのコンピュータ内に構築されている。
図２に示すように、空燃比検出部５１においては、正方向及び逆方向への印加電圧（Ｖ）と、センサ出力電流（ｍＡ）との関係が記憶されている。そして、空燃比検出部５１においては、センサ出力電流の大きさの変化及びセンサ出力電流の正逆方向に基づき、理論空燃比の近傍における弱リッチ領域及び弱リーン領域の空燃比を検出する。

本形態の電圧印加手段６１は、空燃比検出部５１及びリッチ・リーン検出部５２のいずれが動作する場合においても、検出電極２２と基準電極２３との間に電圧を継続して印加する。
本形態のリッチ・リーン検出部５２は、検出電極２２と基準電極２３との間に流れる電流の正逆方向を確認することによって極めて簡単に、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出することができる。

制御装置５は、電流検出手段６２によって検出するセンサ出力電流が、ストイキ範囲Ｒ（浄化ウィンドウの範囲）の下限値Ｒ１に対応した下限閾値と、上限値Ｒ２に対応した上限閾値との間にあるか否かを判定する判定部５３を有する。そして、判定部５３の動作によって、ガス濃度検出装置１によって、空燃比検出とリッチ・リーン検出とのいずれを行うかの切換えが行われる。

図１１には、本形態のガス濃度検出装置１の制御装置５による空燃比検出とリッチ・リーン検出との切換えを行う動作をフローチャートによって示す。
制御装置５は、電流検出手段６２によって、所定の測定時間間隔で検出電極２２と基準電極２３との間に流れるセンサ出力電流を検出する（ステップＳ１１）。次いで、制御装置５の判定部５３は、このセンサ出力電流が、下限閾値と上限閾値との間にあるか否かを判定する（Ｓ１２）。そして、センサ出力電流が下限閾値と上限閾値との間にある場合には、制御装置５の空燃比検出部５１によって空燃比検出を行う（Ｓ１３）。一方、センサ出力電流が下限閾値と上限閾値との間にない場合には、制御装置５のリッチ・リーン検出部５２によってリッチ・リーン検出を行う（Ｓ１４）。

ガス濃度検出装置１が搭載された車両が加速時及び減速時以外の定常走行時にあるときには、エンジン制御ユニット５Ｂにより、エンジンの空燃比が、理論空燃比の近傍である浄化ウィンドウの範囲内に維持されるよう制御される。このとき、制御装置５は、空燃比検出部５１を動作させて、空燃比を精密に検出し、検出した空燃比をエンジン制御ユニット５Ｂへフィードバックする。

車両が加速時にあるときには、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に制御される。このとき、エンジンの空燃比は、浄化ウィンドウの範囲をリッチ側に外れることになる。また、制御装置５はリッチ・リーン検出部５２を動作させ、リッチ・リーン検出部５２は、センサ出力電流が基準電極２３から検出電極２２へ流れる逆方向の電流を検知することになる。そして、制御装置５は、検出した空燃比がリッチ側にあることをエンジン制御ユニット５Ｂへフィードバックする。

車両が減速時にあるときには、空燃比が理論空燃比よりもリーン側に制御される。このとき、エンジンの空燃比は、浄化ウィンドウの範囲をリーン側に外れることになる。また、制御装置５はリッチ・リーン検出部５２を動作させ、リッチ・リーン検出部５２は、センサ出力電流が検出電極２２から基準電極２３へ流れる正方向の電流を検知することになる。そして、制御装置５は、検出した空燃比がリーン側にあることをエンジン制御ユニット５Ｂへフィードバックする。

本形態の制御装置５は、排ガスＧの空燃比が、理論空燃比の近傍におけるリッチ側の下限値Ｒ１と理論空燃比の近傍におけるリーン側の上限値Ｒ２との間のストイキ範囲Ｒ内にある場合に空燃比検出部５１を動作させ、排ガスＧの空燃比がストイキ範囲Ｒ外にある場合には、リッチ・リーン検出部５２を動作させる。
これにより、空燃比が理論空燃比の近傍である１４．３〜１４．７の範囲内にあり、大量の未燃ガス又は酸素を含む排ガスＧが検出電極２２に到達する可能性がない状態においては、空燃比検出部５１によって、ガスセンサ２を空燃比センサとして動作させることができる。また、空燃比が理論空燃比の近傍から離れ、リッチ領域における大量の未燃ガス又はリーン領域における大量の空気を含む排ガスＧが検出電極２２に到達する可能性がある状態においては、リッチ・リーン検出部５２によって、ガスセンサ２を酸素センサとして動作させることができる。

従って、ガスセンサ２の検出電極２２を覆う拡散抵抗層２４の厚みｔを１００〜２００μｍの範囲内に小さくすることが可能になり、排ガスＧが拡散抵抗層２４を通過して検出電極２２へ到達する時間を短くすることができる。そして、空燃比検出部５１によって、ガスセンサ２を空燃比センサとして動作させる場合における、空燃比の検出の応答性を高く維持することができる。

それ故、本形態のガス濃度検出装置１によれば、空燃比の検出の応答性を高く維持することができ、排ガスＧの空燃比に応じて、ガスセンサ２を空燃比センサの用途と酸素センサの用途とに使い分けることができる。

（実施形態２）
本形態のガス濃度検出装置１の制御装置５における電圧印加手段６１は、空燃比検出部５１が動作する場合に、検出電極２２と基準電極２３との間に電圧を印加し、リッチ・リーン検出部５２が動作する場合には、検出電極２２と基準電極２３との間に電圧を印加しない。
本形態の制御装置５としてのエンジン制御ユニット５Ｂは、図１に示すように、電圧印加手段６１による電圧の印加を行う状態と、電圧印加手段６１による電圧の印加を停止する状態とを形成可能な切換部５４を有する。切換部５４は、電圧の印加をオン・オフする構成とする。

空燃比検出部５１による動作は、実施形態１の場合と同様である。本形態のリッチ・リーン検出部５２は、電圧印加手段６１による電圧の印加がない状態において、検出電極２２と基準電極２３との間に生じる起電力を検出して、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出する。
本形態のガス濃度検出装置１においても、その他の構成は、実施形態１の場合と同様である。

図１２には、本形態のガス濃度検出装置１の制御装置５による空燃比検出とリッチ・リーン検出との切換えを行う動作をフローチャートによって示す。
制御装置５は、電流検出手段６２によって、所定の測定時間間隔で検出電極２２と基準電極２３との間に流れるセンサ出力電流を検出する（ステップＳ２１）。次いで、制御装置５の判定部５３は、このセンサ出力電流が、下限閾値と上限閾値との間にあるか否かを判定する（Ｓ２２）。そして、センサ出力電流が下限閾値と上限閾値との間にある場合には、制御装置５の空燃比検出部５１によって空燃比検出を行う（Ｓ２３）。このとき、電圧印加手段６１によって検出電極２２と基準電極２３との間には電圧が印加される状態が継続される。

一方、センサ出力電流が下限閾値と上限閾値との間にない場合には、制御装置５は、電圧印加手段６１による検出電極２２と基準電極２３との間への電圧の印加を停止する（Ｓ２４）。次いで、制御装置５のリッチ・リーン検出部５２によってリッチ・リーン検出を行う（Ｓ２５）。その後、制御装置５によって、電圧印加手段６１による検出電極２２と基準電極２３との間への電圧の印加が再開される（Ｓ２６）。

本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素等は、実施形態１における構成要素等と同様である。本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態３）
本形態のガス濃度検出装置１の制御装置５は、判定部５３の代わりに、車両が定常走行時であるか否かの検出をする走行判定部を有している。そして、走行判定部の動作によって、ガス濃度検出装置１によって、空燃比検出とリッチ・リーン検出とのいずれを行うかの切換えを行ってもよい。この場合、車両には、車両が加減速をしているか否かを検出する加速度センサを設ける。

図１３には、制御装置５の走行検出部による空燃比検出とリッチ・リーン検出との切換えを行う動作をフローチャートによって示す。
制御装置５は、加速度センサによって、所定の測定時間間隔で車両の加速度又は減速度を検出する（ステップＳ３１）。次いで、制御装置５の走行判定部は、車両が加減速時（加速時、減速時）にあるのか、又はこれら以外の定常走行時にあるのかを判定する（ステップＳ３２）。そして、車両が定常走行時にある場合には、制御装置５の空燃比検出部５１によって空燃比検出を行う（Ｓ３３）。一方、車両が加減速時にある場合には、制御装置５のリッチ・リーン検出部５２によってリッチ・リーン検出を行う（Ｓ３４）。この場合にも、判定部５３を用いる場合と同様の作用効果が得られる。

本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素等は、実施形態１における構成要素等と同様である。本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

実施形態１，２において、ガスセンサ２は、空燃比センサを構成するものとし、空燃比センサの使用方法を拡張して、酸素センサとしても利用できるようにすることができる。この場合、空燃比センサは、定常時には、ストイキ範囲Ｒ（浄化ウィンドウの範囲）において空燃比検出を行うために使用され、ストイキ範囲Ｒを外れた場合にのみリッチ・リーン検出を行うために使用される。そして、拡散抵抗層２４の厚みｔが１００〜２００μｍと小さい、従来にない空燃比センサを構成することができる。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態に適用することが可能である。

１ ガス濃度検出装置
２ ガスセンサ
２１ 固体電解質体
２２ 検出電極
２３ 基準電極
２４ 拡散抵抗層
５ 制御装置
５１ 空燃比検出部
５２ リッチ・リーン検出部
Ｒ ストイキ範囲

Claims (7)

1. 酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体における、検出ガスに晒される表面に設けられた検出電極（２２）、前記固体電解質体における、基準ガスに晒される表面に設けられた基準電極（２３）、及び前記検出電極を覆う多孔質のセラミックスからなる拡散抵抗層（２４）を有するガスセンサ（２）と、
   該ガスセンサに電気的に接続されて、該ガスセンサの動作を制御する制御装置（５）と、を備え、
   前記制御装置は、
   内燃機関から排気される前記検出ガスとしての排ガス（Ｇ）の空燃比が、理論空燃比の近傍におけるリッチ側の下限値（Ｒ１）と理論空燃比の近傍におけるリーン側の上限値（Ｒ２）との間のストイキ範囲（Ｒ）内にあるか、前記ストイキ範囲外にあるかを判定する判定部（５３）と、
   前記判定部による判定が前記ストイキ範囲内にある場合に、前記空燃比を検出する空燃比検出部（５１）と、
   前記判定部による判定が前記ストイキ範囲外にある場合に、前記空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出するリッチ・リーン検出部（５２）と、を有する、ガス濃度検出装置（１）。
2. 前記空燃比検出部は、前記検出電極と前記基準電極との間に流れる電流の大きさ及び正逆方向に基づいて前記空燃比を検出するよう構成されており、
   前記リッチ・リーン検出部は、前記検出電極と前記基準電極との間に生じる電流又は起電力に基づいて、前記空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出するよう構成されている、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. 前記制御装置は、前記空燃比検出部及び前記リッチ・リーン検出部のいずれが動作する場合においても、前記検出電極と前記基準電極との間に電圧を印加する電圧印加手段（６１）を有し、
   前記リッチ・リーン検出部は、前記検出電極と前記基準電極との間に流れる電流の正逆方向に基づいて、前記空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出する、請求項２に記載のガス濃度検出装置。
4. 前記制御装置は、前記空燃比検出部が動作する場合において、前記検出電極と前記基準電極との間に電圧を印加する電圧印加手段（６１）を有し、
   前記リッチ・リーン検出部は、前記検出電極と前記基準電極との間に生じる起電力を検出して、前記空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出する、請求項２に記載のガス濃度検出装置。
5. 前記拡散抵抗層の厚み（ｔ）は、１００〜２００μｍの範囲内にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。
6. 前記拡散抵抗層の気孔率は、４〜９％の範囲内にある、請求項５に記載のガス濃度検出装置。
7. 前記固体電解質体は、有底円筒形状に形成されており、
   前記検出電極は、前記固体電解質体の外側面（２１１）に設けられており、前記基準電極は、前記固体電解質体の内側面（２１２）に設けられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。

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