特開2023-149694ＣＯ２質量推定システム、排ガスの組成比推定方法、およびＣＯ２質量推定方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023149694
(43)【公開日】2023-10-13
(54)【発明の名称】ＣＯ２質量推定システム、排ガスの組成比推定方法、およびＣＯ２質量推定方法
(51)【国際特許分類】
G01N 27/416 20060101AFI20231005BHJP
【ＦＩ】
G01N27/416 331
G01N27/416 321
G01N27/416 376
G01N27/416 381
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022058417
(22)【出願日】2022-03-31
(71)【出願人】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088672
【弁理士】
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【弁理士】
【氏名又は名称】有田 貴弘
(74)【代理人】
【識別番号】100134991
【弁理士】
【氏名又は名称】中尾 和樹
(74)【代理人】
【識別番号】100148507
【弁理士】
【氏名又は名称】喜多 弘行
(72)【発明者】
【氏名】近藤 裕一郎
(57)【要約】
【課題】ＣＯ２の排出質量を推定するシステムを提供する。
【解決手段】ＣＯ２質量推定システムが、被測定ガス中の酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を出力可能なガスセンサにより出力される、エンジン排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を取得する検出値取得手段と、混合気の空燃比を設定する空燃比設定手段と、排ガス中のＣＯ２の質量を演算する演算手段とを備え、演算手段が、センサ検出値に基づいて、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの排ガス中濃度を算出し、酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの大気中濃度をと空燃比を取得し、排ガス中濃度と大気中濃度と空燃比とに基づいて、燃料に含まれる少なくともＣ原子の組成比を演算し、該組成比と、エンジンに対する燃料の噴射量とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する、ようにした。
【選択図】図２
【解決手段】ＣＯ２質量推定システムが、被測定ガス中の酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を出力可能なガスセンサにより出力される、エンジン排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を取得する検出値取得手段と、混合気の空燃比を設定する空燃比設定手段と、排ガス中のＣＯ２の質量を演算する演算手段とを備え、演算手段が、センサ検出値に基づいて、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの排ガス中濃度を算出し、酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの大気中濃度をと空燃比を取得し、排ガス中濃度と大気中濃度と空燃比とに基づいて、燃料に含まれる少なくともＣ原子の組成比を演算し、該組成比と、エンジンに対する燃料の噴射量とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する、ようにした。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
車両に備わるエンジンからの排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定するシステムであって、
被測定ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を出力可能なガスセンサと、
前記ガスセンサにより出力される、エンジンからの排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を取得する、検出値取得手段と、
前記エンジンに対し供給される燃料と大気との混合気についての空燃比を設定する空燃比設定手段と、
排ガスに含まれるＣＯ２の質量を演算する演算手段と、
を備え、
前記演算手段は、
前記被測定ガスが前記排ガスであるときの前記ガスセンサにおける前記検出値に基づいて、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの排ガス中濃度を算出し、
酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの大気中濃度を取得し、
前記空燃比設定手段において設定された前記空燃比を取得し、
酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの前記排ガス中濃度と、酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの前記大気中濃度と、前記空燃比設定手段から取得された前記空燃比とに基づいて、前記燃料に含まれる少なくともＣ原子の組成比を演算し、
演算された前記組成比と、エンジンに対する前記燃料の噴射量とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する、
ことを特徴とする、ＣＯ２質量推定システム。
被測定ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を出力可能なガスセンサと、
前記ガスセンサにより出力される、エンジンからの排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を取得する、検出値取得手段と、
前記エンジンに対し供給される燃料と大気との混合気についての空燃比を設定する空燃比設定手段と、
排ガスに含まれるＣＯ２の質量を演算する演算手段と、
を備え、
前記演算手段は、
前記被測定ガスが前記排ガスであるときの前記ガスセンサにおける前記検出値に基づいて、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの排ガス中濃度を算出し、
酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの大気中濃度を取得し、
前記空燃比設定手段において設定された前記空燃比を取得し、
酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの前記排ガス中濃度と、酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの前記大気中濃度と、前記空燃比設定手段から取得された前記空燃比とに基づいて、前記燃料に含まれる少なくともＣ原子の組成比を演算し、
演算された前記組成比と、エンジンに対する前記燃料の噴射量とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する、
ことを特徴とする、ＣＯ２質量推定システム。
【請求項2】
車両に備わるエンジンからの排ガスに含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比を推定する方法であって、
被測定ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を出力可能なガスセンサから、エンジンからの排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を取得する検出値取得工程と、
前記検出値に基づいて、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの排ガス中濃度を算出する排ガス中濃度算出工程と、
酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの大気中濃度を取得する大気中濃度取得工程と、
前記エンジンに対し供給される燃料と大気との混合気についての空燃比を取得する空燃比取得工程と、
前記排ガス中濃度算出工程において算出された酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの前記排ガス中濃度と、前記大気中濃度取得工程において取得された酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの前記大気中濃度と、前記空燃比取得工程において取得された前記空燃比とに基づいて、前記燃料に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比を推定する組成比推定工程と、
を備えることを特徴とする、排ガスの組成比推定方法。
被測定ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を出力可能なガスセンサから、エンジンからの排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を取得する検出値取得工程と、
前記検出値に基づいて、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの排ガス中濃度を算出する排ガス中濃度算出工程と、
酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの大気中濃度を取得する大気中濃度取得工程と、
前記エンジンに対し供給される燃料と大気との混合気についての空燃比を取得する空燃比取得工程と、
前記排ガス中濃度算出工程において算出された酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの前記排ガス中濃度と、前記大気中濃度取得工程において取得された酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの前記大気中濃度と、前記空燃比取得工程において取得された前記空燃比とに基づいて、前記燃料に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比を推定する組成比推定工程と、
を備えることを特徴とする、排ガスの組成比推定方法。
【請求項3】
車両に備わるエンジンからの排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する方法であって、
請求項２に記載の排ガスの組成比推定方法によって推定される、燃料に含まれるＣ原子の組成比と、エンジンに対する前記燃料の噴射量とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する質量推定工程、
を備えることを特徴とする、ＣＯ２質量推定方法。
請求項２に記載の排ガスの組成比推定方法によって推定される、燃料に含まれるＣ原子の組成比と、エンジンに対する前記燃料の噴射量とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する質量推定工程、
を備えることを特徴とする、ＣＯ２質量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動車のエンジンからの排ガスに含まれるＣＯ２の質量の推定に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車の排ガスからの排出量を管理するための計測において、二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度を計測する技術が既に公知である（例えば特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１および特許文献２に開示されたガスセンサにおいては、二酸化炭素（ＣＯ２）成分に加え、水蒸気（Ｈ２Ｏ）成分についても並行して測定することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第５９１８１７７号公報
【特許文献2】特許第６４６９４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
自動車の排ガスの排出量管理においては、排出濃度よりも排出質量の測定が重要な場合がある（排出量基準の例：９５ｇＣＯ２／ｋｍ以下）。特許文献１および特許文献２には、ＣＯ２濃度の計測方法が示されているものの、ＣＯ２質量の計測方法は示されていない。濃度にもとづいて質量を算出することもできるが、そのためには排ガスの質量流量の測定が必要となる。ＣＯ２濃度×質量流量＝ＣＯ２質量なる関係があるからである。
【0005】
しかしながら、自動車の走行時に排ガスの質量流量を測定することは必ずしも容易ではなく、測定のための構成を付加することはコスト面その他の観点から現実的ではない。むしろ、既存の構成要素や情報を用いてＣＯ２の排出質量を推定出来ることが好ましい。
【0006】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、質量流量を測定することなしに排ガスに含まれるＣＯ２の排出質量を推定する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、車両に備わるエンジンからの排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定するシステムであって、被測定ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を出力可能なガスセンサと、前記ガスセンサにより出力される、エンジンからの排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を取得する、検出値取得手段と、前記エンジンに対し供給される燃料と大気との混合気についての空燃比を設定する空燃比設定手段と、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を演算する演算手段と、を備え、前記演算手段は、前記被測定ガスが前記排ガスであるときの前記ガスセンサにおける前記検出値に基づいて、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの排ガス中濃度を算出し、酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの大気中濃度を取得し、前記空燃比設定手段において設定された前記空燃比を取得し、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの前記排ガス中濃度と、酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの前記大気中濃度と、前記空燃比設定手段から取得された前記空燃比とに基づいて、前記燃料に含まれる少なくともＣ原子の組成比を演算し、演算された前記組成比と、エンジンに対する前記燃料の噴射量とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する、ことを特徴とする。
【0008】
本発明の第２の態様は、車両に備わるエンジンからの排ガスに含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比を推定する方法であって、被測定ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を出力可能なガスセンサから、エンジンからの排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの濃度に応じた検出値を取得する検出値取得工程と、前記検出値に基づいて、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの排ガス中濃度を算出する排ガス中濃度算出工程と、酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの大気中濃度を取得する大気中濃度取得工程と、前記エンジンに対し供給される燃料と大気との混合気についての空燃比を取得する空燃比取得工程と、前記排ガス中濃度算出工程において算出された酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２のそれぞれの前記排ガス中濃度と、前記大気中濃度取得工程において取得された酸素およびＨ２Ｏのそれぞれの前記大気中濃度と、前記空燃比取得工程において取得された前記空燃比とに基づいて、前記燃料に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比を推定する組成比推定工程と、を備えることを特徴とする。
【0009】
本発明の第３の態様は、車両に備わるエンジンからの排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する方法であって、第２の態様に係る排ガスの組成比推定方法によって推定される、燃料に含まれるＣ原子の組成比と、エンジンに対する前記燃料の噴射量とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する質量推定工程、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明の第１および第３の態様によれば、排ガスの質量流量を測定せずとも、ある質量の燃料が噴射された場合の、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を、推定することができる。
【0011】
また、本発明の第２の態様によれば、排ガスの質量流量を測定せずとも、ある質量の燃料が噴射された場合の、排ガスに含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比を、推定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】ガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示す図である。
【図2】ＣＯ２質量推定システム１０００の構成を模式的に示す図である。
【図3】ＣＯ２の質量の推定に用いられる種々のパラメータの関係を、模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
＜ガスセンサの構成＞
図１は、本実施の形態に係るＣＯ２質量推定システム１０００（図２）に備わるガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示す図である。ガスセンサ２００は、センサ素子２０１によって複数種類のガス成分を検知し、その濃度を測定するマルチガスセンサである。本実施の形態においては、少なくとも水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）が、ガスセンサ２００における主たる検知対象ガス成分であるとする。また、ガスセンサ２００は、各部の動作を制御するコントローラ２１０をさらに備える。後述するように、本実施の形態においては、係るガスセンサ２００が、自動車のエンジンの排気経路に取り付けられ、係る排気経路を流れる排ガスを被測定ガスとする態様にて、使用される。図１は、センサ素子２０１の長手方向に沿った垂直断面図を含んでいる。
図１は、本実施の形態に係るＣＯ２質量推定システム１０００（図２）に備わるガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示す図である。ガスセンサ２００は、センサ素子２０１によって複数種類のガス成分を検知し、その濃度を測定するマルチガスセンサである。本実施の形態においては、少なくとも水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）が、ガスセンサ２００における主たる検知対象ガス成分であるとする。また、ガスセンサ２００は、各部の動作を制御するコントローラ２１０をさらに備える。後述するように、本実施の形態においては、係るガスセンサ２００が、自動車のエンジンの排気経路に取り付けられ、係る排気経路を流れる排ガスを被測定ガスとする態様にて、使用される。図１は、センサ素子２０１の長手方向に沿った垂直断面図を含んでいる。
【0014】
センサ素子２０１は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる長尺板状の構造体（基体部）１４と、該構造体１４の一方端部（図面視左端部）に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口１０と、構造体１４内に形成され、ガス導入口１０から順次に連通する緩衝空間１２、第１空室２０、第２空室４０、および第３空室６１を有する。緩衝空間１２は第１拡散律速部１１を介してガス導入口１０と連通している。第１空室２０は、第２拡散律速部１３を介して緩衝空間１２と連通している。第２空室４０は、第３拡散律速部３０を介して第１空室２０と連通している。第３空室６１は、第４拡散律速部６０を介して第２空室４０と連通している。
【0015】
構造体１４は、例えば、セラミックスよりなる複数層の基板を積層して構成される。具体的には、構造体１４は、第１基板１と、第２基板２と、第３基板３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６とよりなる６つの層が、下から順に積層された構成を有する。各層は、例えばジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性の固体電解質によって構成される。
【0016】
ガス導入口１０、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３、第１空室２０、第３拡散律速部３０、第２空室４０、第４拡散律速部６０、および第３空室６１は、構造体１４の一方端部側であって、第２固体電解質層６の下面６ｂと第１固体電解質層４の上面４ａとの間に、この順に形成されている。ガス導入口１０から第３空室６１に至る部位を、ガス流通部とも称する。
【0017】
ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１空室２０と、第２空室４０と、第３空室６１とは、スペーサ層５を厚み方向に貫通するようにして形成されている。それらの空室等の図面視上部においては、第２固体電解質層６の下面６ｂが露出し、図面視下部においては第１固体電解質層４の上面４ａが露出している。それら空室等の側部は、スペーサ層５あるいはいずれかの拡散律速部にて区画されている。
【0018】
第１拡散律速部１１、第２拡散律速部１３、第３拡散律速部３０、および、第４拡散律速部６０は、いずれも２本の横長なスリットを備えている。すなわち、図面に垂直な方向に長く伸びた開口を図面視上部および下部に有している。
【0019】
また、センサ素子２０１においてガス導入口１０が設けられた一方端部とは反対側の他方端部（図面視右端部）には、基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３は、第３基板３の上面３ａとスペーサ層５の下面５ｂとの間に形成されている。また、基準ガス導入空間４３の側部は第１固体電解質層４の側面で区画されている。基準ガス導入空間４３には、基準ガスとして、例えば酸素（Ｏ２）や大気が導入される。
【0020】
ガス導入口１０は、外部空間に対して開口している部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子２０１内に被測定ガスが取り込まれる。
【0021】
第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から緩衝空間１２に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
【0022】
緩衝空間１２は、外部空間における被測定ガスの圧力変動によって生じる被測定ガスの濃度変動を打ち消すために設けられてなる。このような被測定ガスの圧力変動としては、例えば自動車の排ガスの排気圧の脈動等が挙げられる。
【0023】
第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１空室２０に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
【0024】
第１空室２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入される被測定ガスから酸素を汲み出し、さらには、被測定ガスに検知対象ガス成分として含まれているＨ２ＯおよびＣＯ２を還元（分解）して水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を生成させ、被測定ガスが酸素のみならずＨ２Ｏ、ＣＯ２についても実質的に含まないようにするための空間として設けられている。係るＨ２ＯとＣＯ２の還元（分解）は、第１ポンプセル２１が作動することによって実現される。
【0025】
第１ポンプセル２１は、第１内側ポンプ電極２２と、外側ポンプ電極２３と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
【0026】
第１ポンプセル２１においては、第１内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子２０１の外部に備わる可変電源２４によって電圧Ｖｐ１が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ１が生じる。これにより、第１空室２０内の酸素を外部空間に汲み出すことが、可能となっている。
【0027】
第１内側ポンプ電極２２は、第１空室２０を区画する第２固体電解質層６の下面６ｂの略全面および第１固体電解質層４の上面４ａの略全面にそれぞれ、天井電極２２ａおよび底部電極部２２ｂとして、設けられている。
【0028】
第１内側ポンプ電極２２は、白金を金属成分として、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
【0029】
外側ポンプ電極２３は、白金または白金と金との合金（Ｐｔ－Ａｕ合金）を金属成分として、例えば、白金またはＰｔ－Ａｕ合金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
【0030】
また、センサ素子２０１においては、第１内側ポンプ電極２２と、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって、第１空室用センサセル８０が構成されている。第１空室用センサセル８０は、第１空室２０内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。
【0031】
基準電極４２は、第１固体電解質層４と第３基板３との間に形成された電極であり、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
【0032】
基準電極４２の周囲には、多孔質アルミナからなり、且つ、基準ガス導入空間４３につながる基準ガス導入層４８が設けられている。基準電極４２の表面には、基準ガス導入空間４３の基準ガスが基準ガス導入層４８を介して導入されるようになっている。すなわち、基準電極４２は常に基準ガスと接触した状態となっている。
【0033】
第１空室用センサセル８０においては、第１内側ポンプ電極２２と基準電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ１が発生する。起電力Ｖ１は、第１空室２０における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、起電力Ｖ１は、第１空室２０における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
【0034】
第３拡散律速部３０は、第１空室２０から第２空室４０に導入される、Ｈ２およびＣＯを含みかつＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まない被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
【0035】
第２空室４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入される被測定ガスに含まれているＨ２およびＣＯのうちＨ２のみを選択的に全て酸化して再びＨ２Ｏを生成させるための空間として設けられている。係るＨ２の酸化によるＨ２Ｏの生成は、第２ポンプセル５０が作動することによって実現される。
【0036】
第２ポンプセル５０は、第２内側ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
【0037】
第２ポンプセル５０においては、第２内側ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子２０１の外部に備わる可変電源５２によって電圧Ｖｐ２が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ２が生じる。これにより、外部空間から第２空室４０内に酸素を汲み入れることが、可能となっている。
【0038】
第２内側ポンプ電極５１は、第２空室４０を区画する第２固体電解質層６の下面６ｂの略全面および第１固体電解質層４の上面４ａの略全面にそれぞれ、天井電極５１ａおよび底部電極部５１ｂとして、設けられている。
【0039】
第２内側ポンプ電極５１は、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として、例えば、係るＰｔ－Ａｕ合金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
【0040】
また、センサ素子２０１においては、第２内側ポンプ電極５１と、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって、第２空室用センサセル８１が構成されている。第２空室用センサセル８１は、第２空室４０内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。
【0041】
第２空室用センサセル８１においては、第２内側ポンプ電極５１と基準電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ２が発生する。起電力Ｖ２は、第２空室４０における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、起電力Ｖ２は、第２空室４０における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
【0042】
第４拡散律速部６０は、第２空室４０から第３空室６１に導入される、Ｈ２ＯおよびＣＯを含みかつＣＯ２および酸素を実質的に含まない被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
【0043】
第３空室６１は、第４拡散律速部６０を通じて導入される被測定ガスに含まれているＣＯを全て酸化して再びＣＯ２を生成させるための空間として設けられている。係るＣＯの酸化によるＣＯ２の生成は、第３ポンプセル４１が作動することによって実現される。
【0044】
第３ポンプセル４１は、第３内側ポンプ電極４４と、外側ポンプ電極２３と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
【0045】
第３ポンプセル４１においては、第３内側ポンプ電極４４と外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子２０１の外部に備わる可変電源４６によって電圧Ｖｐ３が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ３が生じる。これにより、外部空間から第３空室６１内に酸素を汲み入れることが、可能となっている。
【0046】
第３内側ポンプ電極４４は、第３空室６１を区画する第１固体電解質層４の上面４ａの略全面に設けられている。
【0047】
第３内側ポンプ電極４４は、白金を金属成分として、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
【0048】
また、センサ素子２０１においては、第３内側ポンプ電極４４と、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって、第３空室用センサセル８２が構成されている。第３空室用センサセル８２は、第３空室６１内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。
【0049】
第３空室用センサセル８２においては、第３内側ポンプ電極４４と基準電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ３が発生する。起電力Ｖ３は、第３空室６１における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、起電力Ｖ３は、第３空室６１における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
【0050】
また、センサ素子２０１はさらに、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的センサセル８３を有する。このセンサセル８３において外側ポンプ電極２３と基準電極４２の間に生じる起電力Ｖｒｅｆは、センサ素子２０１の外部に存在する被測定ガスの酸素分圧に応じた値となる。
【0051】
以上に加えて、センサ素子２０１は、第２基板２と第３基板３とに上下から挟まれた態様にて、ヒータ７２を備える。ヒータ７２は、第１基板１の下面１ｂに設けられたヒータ電極７１を介して外部から給電されることにより発熱する。ヒータ７２は、緩衝空間１２から第３空室６１に至る範囲の全域に亘って埋設されており、センサ素子２０１を所定の温度に加熱しさらには保温することができるようになっている。ヒータ７２が発熱することによって、センサ素子２０１を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。
【0052】
ヒータ７２の上下には、第２基板２および第３基板３との電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層７４が形成されている。以下、ヒータ７２、ヒータ電極、ヒータ絶縁層７４をまとめてヒータ部とも称する。また、ヒータ部には、圧力放散孔７５が備わっている。圧力放散孔７５は、第３基板３を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で設けられてなる。
【0053】
コントローラ２１０は、例えば１つまたは複数のＣＰＵ（中央処理ユニット）と記憶装置等を有する１以上の電子回路により構成される。電子回路は、例えば記憶装置に記憶されている所定のプログラムをＣＰＵが実行することにより、所定の機能的構成要素が実現されるソフトウェア機能部でもある。もちろん、複数の電子回路を機能に合わせて接続したＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路等で構成してもよい。
【0054】
＜マルチガス検知と濃度特定＞
次に、上述のような構成を有するガスセンサ２００において実現される、複数のガス種の検知（マルチガス検知）と、検知されたガスの濃度の特定の仕方について説明する。以降においては、被測定ガスが酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２を含む排ガスであるとする。
次に、上述のような構成を有するガスセンサ２００において実現される、複数のガス種の検知（マルチガス検知）と、検知されたガスの濃度の特定の仕方について説明する。以降においては、被測定ガスが酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２を含む排ガスであるとする。
【0055】
本実施の形態に係るガスセンサ２００が備えるセンサ素子２０１においては、ガス導入口１０から素子内部へと取り込まれた被測定ガスが、緩衝空間１２を経て第１空室２０へと導入される。
【0056】
第１空室２０においては、第１ポンプセル２１が作動することにより、導入された被測定ガスから酸素が汲み出される。これにより、被測定ガスに含まれているＨ２ＯおよびＣＯ２の還元（分解）反応（２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２、２ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２）が進行し、Ｈ２ＯおよびＣＯ２は実質的に全て、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）と酸素とに分解され、これにより生じた酸素も汲み出される。なお、Ｈ２ＯおよびＣＯ２が実質的に全て分解されるとは、Ｈ２ＯおよびＣＯ２が第２空室４０に導入されないことを意味する。
【0057】
これは、コントローラ２１０が、第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ１の目標値（制御電圧）を１０００ｍＶ～１５００ｍＶの範囲で所望する酸素分圧（酸素濃度）に応じて（好ましくは１０００ｍＶに）設定し、係る目標値が達成されるよう、可変電源２４が第１ポンプセル２１に印加する電圧Ｖｐ１を実際の起電力Ｖ１の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。係る場合において、電圧Ｖｐ１は、ＩＲ過電圧と反応過電圧との和である。
【0058】
例えば酸素を多く含む被測定ガスが第１空室２０に到達すると起電力Ｖ１の値が目標値から大きく変位するので、コントローラ２１０は、係る変位が減少するように、可変電源２４が第１ポンプセル２１に印加するポンプ電圧Ｖｐ１を制御する。
【0059】
起電力Ｖ１の目標値（制御電圧）が１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第１空室２０内の酸素分圧は十分に低められる。Ｖ１＝１０００ｍＶの場合であれば、１０－２０ａｔｍ程度となる。そして、第１空室２０内の被測定ガスは、Ｈ２およびＣＯを含む一方でＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まないものとなる。係る被測定ガスは、第２空室４０に導入される。
【0060】
第２空室４０においては、第２ポンプセル５０が作動することにより酸素が汲み入れられ、導入された被測定ガスに含まれているＨ２のみが酸化される。
【0061】
係る酸素の汲み入れは、コントローラ２１０が、第２空室用センサセル８１における起電力Ｖ２の目標値（制御電圧）を２５０ｍＶ～４５０ｍＶの範囲で所望する酸素分圧（酸素濃度）に応じて（好ましくは３５０ｍＶに）設定し、係る目標値が達成されるよう、可変電源５２が第２ポンプセル５０に印加する電圧Ｖｐ２を実際の起電力Ｖ２の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。
【0062】
係る態様にて第２ポンプセル５０が作動することで、第２空室４０内においては、２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏなる酸化（燃焼）反応が促進されて、ガス導入口１０から導入されたＨ２Ｏの量と相関性を有する量のＨ２Ｏが再び生成される。なお本実施の形態において、Ｈ２ＯあるいはＣＯ２の量が相関性を有するとは、ガス導入口１０から導入されたＨ２ＯあるいはＣＯ２の量と、それらの分解によって生じたＨ２およびＣＯが酸化させられることによって再び生成するＨ２ＯあるいはＣＯ２の量とが、同量または測定精度の点から許容される一定の誤差範囲内にある、ということである。
【0063】
起電力Ｖ２の目標値が２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第２空室４０の酸素分圧は、Ｈ２はほぼ全て酸化されるもののＣＯは酸化されない範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ２＝３５０ｍＶの場合であれば、１０－７ａｔｍ程度となる。
【0064】
また、起電力Ｖ２が目標値に保たれているときに第２ポンプセル５０を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２（以下、水蒸気検出電流Ｉｐ２とも称する）は、第２空室４０におけるＨ２の燃焼によって生成するＨ２Ｏの濃度に略比例する（水蒸気検出電流Ｉｐ２と生成するＨ２Ｏの濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＨ２Ｏの量は、ガス導入口１０から導入された後、第１空室２０においていったん分解された、被測定ガス中のＨ２Ｏの量と相関性を有する。よって、水蒸気検出電流Ｉｐ２が検出されることで、被測定ガス中のＨ２Ｏが検知されたことになる。
【0065】
また、水蒸気検出電流Ｉｐ２と被測定ガスにおける水蒸気濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（水蒸気特性データ）を、水蒸気濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定しておけば、コントローラ２１０によって取得される水蒸気検出電流Ｉｐ２の値を水蒸気特性データと照合することにより、当該水蒸気検出電流Ｉｐ２に対応する水蒸気濃度の値を特定することができる。
【0066】
なお、仮に、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中にＨ２Ｏが存在していなかった場合には、当然ながら第１空室２０におけるＨ２Ｏの分解は生じず、それゆえ第２空室４０にＨ２が導入されることはないので、水蒸気検出電流Ｉｐ２はほぼゼロとなる。
【0067】
Ｈ２が酸化されてＨ２Ｏとなることで、被測定ガスは、Ｈ２ＯおよびＣＯを含みかつＣＯ２および酸素を実質的に含まないものとなる。係る被測定ガスが第３空室６１に導入される。第３空室６１においては、第３ポンプセル４１が作動することにより酸素が汲み入れられ、導入された被測定ガスに含まれているＣＯが酸化される。
【0068】
係る酸素の汲み入れは、コントローラ２１０が、第３空室用センサセル８２における起電力Ｖ３の目標値（制御電圧）を１００ｍＶ～３００ｍＶの範囲で所望する酸素分圧（酸素濃度）に応じて（好ましくは２００ｍＶ）に設定し、係る目標値が達成されるよう、可変電源４６が第３ポンプセル４１に印加する電圧Ｖｐ３を実際の起電力Ｖ３の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。
【0069】
係る態様にて第３ポンプセル４１が作動することで、第３空室６１内においては、２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２なる酸化（燃焼）反応が促進されて、ガス導入口１０から導入されたＣＯ２の量と相関性を有する量のＣＯ２が再び生成される。
【0070】
起電力Ｖ３の目標値が１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第２空室４０の酸素分圧は、ＣＯがほぼ全て酸化される範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ３＝２００ｍＶの場合であれば、１０－４ａｔｍ程度となる。
【0071】
また、起電力Ｖ３が目標値に保たれているときに第３ポンプセル４１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ３（以下、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３とも称する）は、第３空室６１におけるＣＯの燃焼によって生成するＣＯ２の濃度に略比例する（二酸化炭素検出電流Ｉｐ３と生成するＣＯ２の濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＣＯ２の量は、ガス導入口１０から導入された後、第１空室２０においていったん分解された、被測定ガス中のＣＯ２の量と相関性を有する。よって、第３ポンプセル制御部１１１Ｄにおいて二酸化炭素検出電流Ｉｐ３が検出されることで、被測定ガス中のＣＯ２が検知されたことになる。
【0072】
また、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３と被測定ガスにおける二酸化炭素濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（二酸化炭素特性データ）を、二酸化炭素濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定しておけば、コントローラ２１０によって取得される二酸化炭素検出電流Ｉｐ３の値を二酸化炭素特性データと照合することにより、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３に対応する二酸化炭素濃度の値を特定することができる。
【0073】
なお、仮に、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中にＣＯ２が存在していなかった場合には、当然ながら第１空室２０におけるＣＯ２の分解は生じず、それゆえ第３空室６１にＣＯが導入されることはないので、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３はほぼゼロとなる。
【0074】
以上のように、本実施の形態に係るガスセンサ２００においては、水蒸気濃度および二酸化炭素濃度を好適に特定することが可能である。
【0075】
加えて、ガスセンサ２００においては、間接的ではあるが、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求めることも可能である。概略的にいえば、第１空室２０から汲み出される酸素の濃度と、第２空室４０および第３空室６１へと汲み入れられる酸素の濃度との差分値が、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中の酸素の濃度に相当する。また、被測定ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度はそれぞれ、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３に略比例する値である。それゆえ、被測定ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度をそれぞれ、Ｃｅ_O2、Ｃｅ_H2O、Ｃｅ_CO2とすると、これらの値は以下のように表すことができる。ただし、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３は酸素が汲み出される向きを正とし、a１～a５は実験的に定められる比例定数である。
【0076】
Ｃｅ_O2＝a１・Ip1+a２・Ip2+a３・Ip3 ・・・・（１）
Ｃｅ_H2O＝a４・Ip2 ・・・・（２）
Ｃｅ_CO2＝a５・Ip3 ・・・・（３）
式（１）をあらかじめ特定しておけば、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の検出値から被測定ガス中の酸素の濃度を求めることも可能である。また、式（２）、式（３）はそれぞれ、水蒸気特性データと二酸化炭素特性データを示す式に他ならない。
Ｃｅ_H2O＝a４・Ip2 ・・・・（２）
Ｃｅ_CO2＝a５・Ip3 ・・・・（３）
式（１）をあらかじめ特定しておけば、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の検出値から被測定ガス中の酸素の濃度を求めることも可能である。また、式（２）、式（３）はそれぞれ、水蒸気特性データと二酸化炭素特性データを示す式に他ならない。
【0077】
＜ＣＯ２質量推定システム＞
次に、本実施の形態に係るＣＯ２質量推定システム１０００について説明する。図２は、ＣＯ２質量推定システム１０００の構成を模式的に示す図である。ＣＯ２質量推定システム１０００は、概略、ガスセンサ２００における検出電流を利用して、自動車のエンジンの排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定するシステムである。
次に、本実施の形態に係るＣＯ２質量推定システム１０００について説明する。図２は、ＣＯ２質量推定システム１０００の構成を模式的に示す図である。ＣＯ２質量推定システム１０００は、概略、ガスセンサ２００における検出電流を利用して、自動車のエンジンの排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定するシステムである。
【0078】
図２に示すように、ＣＯ２質量推定システム１０００は、ガスセンサ２００のほか、自動車の各部の動作を制御するＥＣＵ（電子制御装置）１００と、自動車のエンジン３００の内部（燃焼室）に燃料を噴射する燃料噴射装置３０１と、エンジン３００の給気経路Ｐ１に設けられ、エンジン３００に対して空気を供給する吸気部４００とを備える。ガスセンサ２００は、エンジン３００の排気経路Ｐ２に取り付けられている。すなわち、本実施の形態に係るＣＯ２質量推定システム１０００は、自動車の構成要素を含んで構成され、自動車に組み込まれて使用される。
【0079】
ガスセンサ２００は、上述した構成を有するものであり、本来的には、排気経路Ｐ２を流れる排ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度を測定し、エンジン３００の運転状態を把握する目的で使用されるものである。本実施の形態においては、係るガスセンサ２００を、ＣＯ２質量推定システム１０００におけるＣＯ２質量の推定に利用する。
【0080】
ＥＣＵ１００は、少なくとも１つのＩＣ（集積回路）を含む電子回路によって構成される。電子回路は少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）を含む。ＥＣＵ１００が有する各機能は、プロセッサがソフトウェアを実行することによって実現され得る。ソフトウェアは、プログラムとして記述され、メモリ（図示せず）に格納される。プログラムを格納するためのメモリは、ＥＣＵ１００に含まれていてよく、例えば、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。
【0081】
ＥＣＵ１００は、機能的構成要素として、統括制御部１１０と、燃料噴射制御部１２０と、吸気制御部１３０と、センサ検出値取得部１４０と、ＣＯ２質量演算部１５０とを、主として備える。
【0082】
統括制御部１１０は、運転者によりなされる自動車に対する操作の状態に応じて、ＥＣＵ１００の各制御部に対し制御指示を与えることにより、自動車全体の動作を統括的に制御する。
【0083】
燃料噴射制御部１２０は、統括制御部１１０からの制御指示のもと、燃料噴射装置３０１からの燃料の噴射を制御する。また、燃料噴射制御部１２０は、燃料噴射量の実測値を示す信号を統括制御部１１０に与える。
【0084】
吸気制御部１３０は、統括制御部１１０からの制御指示のもと、吸気部４００からの吸気を制御する。
【0085】
燃料噴射制御部１２０と吸気制御部１３０とはそれぞれ、統括制御部１１０が自動車の運転状況に応じて設定した空燃比Ａ／Ｆに応じた、燃料の噴射と吸気とが行われるよう、燃料噴射装置３０１と吸気部４００とを制御する。
【0086】
センサ検出値取得部１４０は、ガスセンサ２００において検出される種々の検出値を示す信号を取得する。係る検出値としては、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、酸素ポンプ電流（水蒸気検出電流）Ｉｐ２、および酸素ポンプ電流（二酸化炭素検出電流）Ｉｐ３の値などが例示される。
【0087】
ＣＯ２質量演算部１５０は、センサ検出値取得部１４０において取得されるガスセンサ２００の検出値と、統括制御部１１０から発せられる空燃比Ａ／Ｆと燃料噴射量の値とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量の推定値を演算する。ＣＯ２質量演算部１５０には（より詳細には、これを構成する図示しないメモリには）、あらかじめ実験的に特定された式（１）～式（３）が（より具体的にはこれらを与える比例定数ａ１～ａ５が）格納されてなる。
【0088】
＜ＣＯ２質量の推定手順＞
次に、本実施の形態に係るＣＯ２質量推定システム１０００において行われる、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する処理の手順について説明する。図３は、ＣＯ２質量推定システム１０００に備わるＣＯ２質量演算部１５０において行うＣＯ２の質量の推定に用いられる、種々のパラメータの関係を、模式的に示す図である。
次に、本実施の形態に係るＣＯ２質量推定システム１０００において行われる、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する処理の手順について説明する。図３は、ＣＯ２質量推定システム１０００に備わるＣＯ２質量演算部１５０において行うＣＯ２の質量の推定に用いられる、種々のパラメータの関係を、模式的に示す図である。
【0089】
概略的にいえば、本実施の形態においては、ガスセンサ２００における酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、およびＩｐ３の検出値と、ＥＣＵ１００の統括制御部１１０が設定する空燃比とに基づいて燃料の組成（少なくとも単位質量の燃料に含まれるＣ原子の質量）を推定し、係る推定された燃料の組成と、燃料噴射装置３０１における燃料の噴射量の実測値とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量を推定する。ただし、本実施の形態において行うＣＯ２の質量の推定は、燃料がエンジン３００において完全燃焼し、排ガスに未燃のＣＯ、ＨＣが含まれないことを前提とする。
【0090】
まず、エンジン３００の内部で燃焼により発生する排ガスが排気経路Ｐ２を流れている状況での、ガスセンサ２００における酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、およびＩｐ３の検出値と、被測定ガスたる排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度Ｃｅ_O2、Ｃｅ_H2O、Ｃｅ_CO2との間には、上述した式（１）～（３）の関係が成立する。
【0091】
そして、ある質量の排ガスに含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量と、式（１）～（３）で表される排ガス中の酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度との間には、
原子の質量∝Σ（対象ガスの濃度×対象ガス１分子中の当該原子数）×原子量
なる比例関係が成立する。すなわち、ある質量の排ガスに含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量ｍｅ_C、ｍｅ_H、ｍｅ_Oと、式（１）～（３）で表される排ガス中の酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度Ｃｅ_O2、Ｃｅ_H2O、Ｃｅ_CO2との間には、
ｍｅ_Ｃ＝k１・Ｃｅ_CO2×1×12＝k１・12・Ｃｅ_CO2 ・・・・（４）
ｍｅ_Ｈ＝k１・Ｃｅ_H2O×2×1＝k１・2・Ｃｅ_H2O ・・・・（５）
ｍｅ_Ｏ＝k１・(Ｃｅ_O2×2+Ｃｅ_H2O×1+Ｃｅ_CO2×2)×16
＝k１・(32・Ｃｅ_O2+16・Ｃｅ_H2O+32・Ｃｅ_CO2) ・・・・（６）
なる関係が成立する。ただし、ｋ１は適当な比例係数である。
原子の質量∝Σ（対象ガスの濃度×対象ガス１分子中の当該原子数）×原子量
なる比例関係が成立する。すなわち、ある質量の排ガスに含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量ｍｅ_C、ｍｅ_H、ｍｅ_Oと、式（１）～（３）で表される排ガス中の酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度Ｃｅ_O2、Ｃｅ_H2O、Ｃｅ_CO2との間には、
ｍｅ_Ｃ＝k１・Ｃｅ_CO2×1×12＝k１・12・Ｃｅ_CO2 ・・・・（４）
ｍｅ_Ｈ＝k１・Ｃｅ_H2O×2×1＝k１・2・Ｃｅ_H2O ・・・・（５）
ｍｅ_Ｏ＝k１・(Ｃｅ_O2×2+Ｃｅ_H2O×1+Ｃｅ_CO2×2)×16
＝k１・(32・Ｃｅ_O2+16・Ｃｅ_H2O+32・Ｃｅ_CO2) ・・・・（６）
なる関係が成立する。ただし、ｋ１は適当な比例係数である。
【0092】
また、エンジン３００の内部での燃焼による排ガスが発生されない状況においては、吸気部４００において吸気された大気がそのまま排気経路Ｐ２を流れる。すると、係る状況においてガスセンサ２００により検出される酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、およびＩｐ３の検出値を、以下の式（１'）および式（２'）に代入すれば、大気に含まれる酸素およびＨ２Ｏの濃度Ｃａ_O2およびＣａ_H2Oを特定することができる。
【0093】
Ｃa_O2＝a１・Ip1+a２・Ip2+a３・Ip3 ・・・・（１'）
Ｃa_H2O＝a４・Ip2 ・・・・（２'）
なお、ＣＯ２の濃度も求めることはできるが、大気のＣＯ２の濃度は３００ｐｐｍ程度と低いため、以降の演算においては無視して０とする。なお、ガスセンサ２００とは別体のガスセンサを用いて、排気経路Ｐ２とは異なる箇所において測定を行うことにより、Ｃａ_O2およびＣａ_H2Oを特定する態様であってもよい。
Ｃa_H2O＝a４・Ip2 ・・・・（２'）
なお、ＣＯ２の濃度も求めることはできるが、大気のＣＯ２の濃度は３００ｐｐｍ程度と低いため、以降の演算においては無視して０とする。なお、ガスセンサ２００とは別体のガスセンサを用いて、排気経路Ｐ２とは異なる箇所において測定を行うことにより、Ｃａ_O2およびＣａ_H2Oを特定する態様であってもよい。
【0094】
大気に含まれる酸素およびＨ２Ｏの濃度Ｃａ_O2およびＣａ_H2Oを用いると、単位質量の大気に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量ｍａ_C、ｍａ_H、ｍａ_Oは、以下のように表される。ただし、大気の平均分子量をＭair＝28.8とする。
【0095】
ｍａ_C＝0 ・・・・（７）
ｍａ_H＝(Ｃａ_H2O×2×1)／Ｍair＝2・Ｃａ_H2O／Ｍair ・・・・（８）
ｍａ_O＝(Ｃａ_O2×2+Ｃａ_H2O×1)×16／Ｍair
＝(32・Ｃａ_O2+16・Ｃａ_H2O)／Ｍair ・・・・（９）
一方、燃料はほぼＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子のみで構成されていることを踏まえると、単位質量の燃料に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量ｍｆ_C、ｍｆ_H、ｍｆ_Oの間には、以下の関係が成立する。
ｍａ_H＝(Ｃａ_H2O×2×1)／Ｍair＝2・Ｃａ_H2O／Ｍair ・・・・（８）
ｍａ_O＝(Ｃａ_O2×2+Ｃａ_H2O×1)×16／Ｍair
＝(32・Ｃａ_O2+16・Ｃａ_H2O)／Ｍair ・・・・（９）
一方、燃料はほぼＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子のみで構成されていることを踏まえると、単位質量の燃料に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量ｍｆ_C、ｍｆ_H、ｍｆ_Oの間には、以下の関係が成立する。
【0096】
ｍｆ_C+ｍｆ_H+ｍｆ_O＝1 ・・・・（１０）
また、燃料と大気との混合気に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量はいずれも、燃料に含まれる当該原子の質量と大気に含まれる当該原子の質量との和であり、係る混合気における大気質量と燃料質量の比が空燃比Ａ／Ｆである。空燃比Ａ／Ｆの値をｒ(＝大気質量／燃料質量)とすると、単位質量の燃料が係る空燃比Ａ／Ｆにて大気と混合された混合気に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量ｍｍ_C、ｍｍ_H、ｍｍ_Oは、以下のように表される。
また、燃料と大気との混合気に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量はいずれも、燃料に含まれる当該原子の質量と大気に含まれる当該原子の質量との和であり、係る混合気における大気質量と燃料質量の比が空燃比Ａ／Ｆである。空燃比Ａ／Ｆの値をｒ(＝大気質量／燃料質量)とすると、単位質量の燃料が係る空燃比Ａ／Ｆにて大気と混合された混合気に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の質量ｍｍ_C、ｍｍ_H、ｍｍ_Oは、以下のように表される。
【0097】
ｍｍ_C＝ｍｆ_C+ｍａ_C・ｒ ・・・・（１１）
ｍｍ_H＝ｍｆ_H+ｍａ_H・ｒ ・・・・（１２）
ｍｍ_O＝ｍｆ_O+ｍａ_O・ｒ ・・・・（１３）
完全燃焼時（エンジンの通常運転時）には、混合気の組成と排ガスの組成は等しいので、以下の関係が成り立つ。
ｍｍ_H＝ｍｆ_H+ｍａ_H・ｒ ・・・・（１２）
ｍｍ_O＝ｍｆ_O+ｍａ_O・ｒ ・・・・（１３）
完全燃焼時（エンジンの通常運転時）には、混合気の組成と排ガスの組成は等しいので、以下の関係が成り立つ。
【0098】
ｍｍ_C＝ｍｅ_C ・・・・（１４）
ｍｍ_H＝ｍｅ_H ・・・・（１５）
ｍｍ_O＝ｍｅ_O ・・・・（１６）
式（４）～式（１６）を組み合わせると、式（４）～式（６）における比例係数ｋ１が以下の式（１７）のように表される。
ｍｍ_H＝ｍｅ_H ・・・・（１５）
ｍｍ_O＝ｍｅ_O ・・・・（１６）
式（４）～式（１６）を組み合わせると、式（４）～式（６）における比例係数ｋ１が以下の式（１７）のように表される。
【0099】
ｋ１＝{Ｍair+(32・Ｃａ_O2+18・Ｃａ_H2O)・ｒ}／{Ｍair・(32・Ｃｅ_O2+18・Ｃｅ_H2O+44・Ｃｅ_CO2)}
・・・・（１７）
式（１７）において、大気の平均分子量Ｍairは既知の固定値である。Ｃａ_O2およびＣａ_H2Oは、ガスセンサ２００にて測定される、大気に含まれる酸素およびＨ２Ｏの濃度である。Ｃｅ_O2、Ｃｅ_H2O、およびＣｅ_CO2は、同じくガスセンサ２００にて測定される、排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度である。また、空燃比ｒは、自動車の運転状況に応じて統括制御部１１０により設定される値である。それゆえ、比例係数ｋ１は、式（１７）より具体的に求めることが出来る。
・・・・（１７）
式（１７）において、大気の平均分子量Ｍairは既知の固定値である。Ｃａ_O2およびＣａ_H2Oは、ガスセンサ２００にて測定される、大気に含まれる酸素およびＨ２Ｏの濃度である。Ｃｅ_O2、Ｃｅ_H2O、およびＣｅ_CO2は、同じくガスセンサ２００にて測定される、排ガスに含まれる酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度である。また、空燃比ｒは、自動車の運転状況に応じて統括制御部１１０により設定される値である。それゆえ、比例係数ｋ１は、式（１７）より具体的に求めることが出来る。
【0100】
係る比例係数ｋ１を用いると、式（４）、式（１１）、および式（１４）より、単位質量の燃料に含まれるＣ原子の質量ｍｆ_Cを示す以下の式（１８）が得られる。
【0101】
ｍｆ_C＝ｍｍ_C＝ｍｅ_C＝ｋ１・12・Ｃｅ_CO2 ・・・・（１８）
なお、単位質量の燃料に含まれるＨ原子の質量ｍｆ_Hと、Ｏ原子の質量ｍｆ_Oを示す式についても、同様に求めることが出来る。係る場合、式（１８）とそれら２つの式とから得られる比ｍｆ_C：ｍｆ_H：ｍｆ_Oは、燃料に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比となる。
なお、単位質量の燃料に含まれるＨ原子の質量ｍｆ_Hと、Ｏ原子の質量ｍｆ_Oを示す式についても、同様に求めることが出来る。係る場合、式（１８）とそれら２つの式とから得られる比ｍｆ_C：ｍｆ_H：ｍｆ_Oは、燃料に含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比となる。
【0102】
さらには、式（１０）を踏まえると、ｍｆ_Cの値は組成比ｍｆ_C：ｍｆ_H：ｍｆ_Oなる燃料におけるＣ原子の組成にも該当するので、式（１８）は、燃料中のＣ原子の組成を算出する式であるともいえる。
【0103】
完全燃焼時、燃料に含まれるＣ原子は全てＣＯ２に変化するので、質量Ｍｆの燃料が噴射されたことにより生じる排ガスに含まれるＣＯ２の質量Ｍｅ_CO2は、Ｍｆとｍｆ_Cの値を用い、以下の式（１９）により求めることが出来る。
【0104】
Ｍｅ_CO2＝Ｍｆ・ｍｆ_C・（ＣＯ２の分子量／Ｃの原子量）
＝Ｍｆ・ｍｆ_C・（44/12） ・・・・（１９）
あるいは、式（１９）に式（１８）を代入することで得られる以下の式（２０）から、ＣＯ２の質量Ｍｅ_CO2を求める態様であってもよい。
＝Ｍｆ・ｍｆ_C・（44/12） ・・・・（１９）
あるいは、式（１９）に式（１８）を代入することで得られる以下の式（２０）から、ＣＯ２の質量Ｍｅ_CO2を求める態様であってもよい。
【0105】
Ｍｅ_CO2＝44・Ｍｆ・ｋ１・Ｃｅ_CO2 ・・・・（２０）
本実施の形態においてＣＯ２質量推定システム１０００が所定のタイミングでＣＯ２質量の推定を実行する場合、まず、センサ検出値取得部１４０がガスセンサ２００から連続的にあるいは所定のタイミングで断続的に取得している、被測定ガスが排ガスであるときの酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、およびＩｐ３の検出値と、被測定ガスが大気であるときの酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、およびＩｐ３の検出値とが、センサ検出値取得部１４０からＣＯ２質量演算部１５０に与えられる。
本実施の形態においてＣＯ２質量推定システム１０００が所定のタイミングでＣＯ２質量の推定を実行する場合、まず、センサ検出値取得部１４０がガスセンサ２００から連続的にあるいは所定のタイミングで断続的に取得している、被測定ガスが排ガスであるときの酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、およびＩｐ３の検出値と、被測定ガスが大気であるときの酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、およびＩｐ３の検出値とが、センサ検出値取得部１４０からＣＯ２質量演算部１５０に与えられる。
【0106】
ＣＯ２質量演算部１５０は、これらの値を用いて、Ｃｅ_O2、Ｃｅ_H2O、Ｃｅ_CO2、Ｃa_O2、およびＣa_H2Oを演算する。なお、式（１）～式（３）および式（１'）～式（２'）のそれぞれの右辺の比例定数は使用するガスセンサ２００に固有のものであり、あらかじめ実験的に特定されているものとする。
【0107】
なお、大気の組成は排ガスの組成に比して変動が少なく、また自動車の運転状況によっては、推定が実行されるタイミングに併せて大気を被測定ガスとする測定が行えない場合もあるので、従前に算出されたうえでＥＣＵ１００に格納されているかあるいは別途に特定されたＣa_O2およびＣa_H2Oの値が用いられる態様であってもよい。
【0108】
ＣＯ２質量演算部１５０はまた、統括制御部１１０から空燃比Ａ／Ｆの値ｒを取得する。そして、式（１７）に基づき比例係数ｋ１を算出する。
【0109】
ＣＯ２質量演算部１５０はさらに、燃料噴射制御部１２０から統括制御部１１０に与えられる、燃料噴射装置３０１において噴射された燃料の質量Ｍｆの値を取得する。そして、式（１８）によりＣ原子の質量ｍｆ_Cを算出したうえで式（１９）によりＣＯ２の質量Ｍｅ_CO2を算出する。あるいは、式（２０）に基づいてＣＯ２の質量Ｍｅ_CO2を算出する。
【0110】
本実施の形態に係るＣＯ２質量推定システム１０００においては、以上の手順を経ることで、ある質量の燃料が噴射された場合の、排ガスに含まれるＣ原子、Ｈ原子、およびＯ原子の組成比を、推定することが出来る。さらには、ＣＯ２の排出質量を、推定することができる。係る手順によれば、排ガスの質量流量を測定せずとも、ガスセンサ２００における検出値と、空燃比と、燃料噴射量という、自動車の運転時にＥＣＵ１００において把握される値あるいは設定される値に基づいて、ＣＯ２の排出質量を推定することができる。
【実施例0111】
ガソリン乗用車を対象として、ＣＯ２質量推定システム１０００による排ガスにおけるＣＯ２質量の推定を実施した。
【0112】
まず、あらかじめモデルガスを用いて、ガスセンサ２００における酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３［単位：ｍＡ］と排ガスにおける酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２の濃度Ｃｅ_O2、Ｃｅ_H2O、Ｃｅ_CO2［単位：％］との関係を示す式（１）～（３）の比例定数をa1～a5［単位：％／ｍＡ］を実験的に特定したところ、以下のようになった。
【0113】
Ｃｅ_O2＝20.0・Ip1+22.0・Ip2+57.1・Ip3；
Ｃｅ_H2O＝-10.0・Ip2；
Ｃｅ_CO2＝-71.4・Ip3。
Ｃｅ_H2O＝-10.0・Ip2；
Ｃｅ_CO2＝-71.4・Ip3。
【0114】
係るガスセンサ２００をガソリン乗用車のテールパイプに取り付け、以下の条件で当該乗用車を運転し、ガスセンサ２００による排ガスの測定を行った。
【0115】
乗用車の車速：６０ｋｍ／ｈ一定；
測定時間：６０秒；
単位時間あたり燃料噴射量：０．３４ｇ／ｓ；
空燃比ｒ：１４．３。
測定時間：６０秒；
単位時間あたり燃料噴射量：０．３４ｇ／ｓ；
空燃比ｒ：１４．３。
【0116】
その結果得られた酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の値は以下のようであった。
【0117】
Ｉｐ１＝１．６３ｍＡ；
Ｉｐ２＝－１．０４ｍＡ；
Ｉｐ３＝－０．１７ｍＡ。
Ｉｐ２＝－１．０４ｍＡ；
Ｉｐ３＝－０．１７ｍＡ。
【0118】
また、あらかじめ特定された大気に含まれている酸素の濃度Ｃa_O2およびＨ２Ｏの濃度Ｃa_H2Oはそれぞれ、以下の通りであった。
【0119】
大気の酸素濃度Ｃa_O2：２０．７％；
大気のＨ２Ｏ濃度Ｃa_H2O：１．０％。
大気のＨ２Ｏ濃度Ｃa_H2O：１．０％。
【0120】
これらの値を用いて、式（１７）より比例定数ｋ１の値を求めると、
ｋ１＝０．６０６６９：
となった。
ｋ１＝０．６０６６９：
となった。
【0121】
一方、排ガスにおけるＣＯ２の濃度Ｃｅ_CO2は、
Ｃｅ_CO2＝-71.4・Ip3＝－７１．４×（－０．１７）＝１２．１％
と算出された。
Ｃｅ_CO2＝-71.4・Ip3＝－７１．４×（－０．１７）＝１２．１％
と算出された。
【0122】
これらの値を式（１８）に代入すると、単位質量の燃料に含まれるＣ原子の質量ｍｆ_Cは、
ｍｆ_C＝ｋ１・12・Ｃｅ_CO2＝０．６０６６９×１２×１２．１＝８８％
となった。なお、燃料の組成比は、
ｍｆ_C：ｍｆ_H：ｍｆ_O＝８８:１２：０
であった。
ｍｆ_C＝ｋ１・12・Ｃｅ_CO2＝０．６０６６９×１２×１２．１＝８８％
となった。なお、燃料の組成比は、
ｍｆ_C：ｍｆ_H：ｍｆ_O＝８８:１２：０
であった。
【0123】
最終的に、（燃料を０．３４ｇ／ｓで６０秒間噴射したときの）排ガスにおけるＣＯ２質量の推定値Ｍｅ_CO2は、
Ｍｅ_CO2＝Ｍｆ・ｍｆ_C・（44/12）
＝(０．３４×６０)・(８８／１００)・(４４／１２)
＝６６ｇ
と算出された。
Ｍｅ_CO2＝Ｍｆ・ｍｆ_C・（44/12）
＝(０．３４×６０)・(８８／１００)・(４４／１２)
＝６６ｇ
と算出された。
【0124】
なお、比較のため、定容量希釈サンプリング装置において同時に測定したＣＯ２排出質量の値は、推定値Ｍｅ_CO2とほぼ同等の６４ｇであった。両者の誤差は３％程度であった。
【0125】
係る結果は、質量流量の測定を行わずとも、ＣＯ２排出質量を推定できることを、示している。
【符号の説明】
【0126】
１０ ガス導入口
１１ 第１拡散律速部
１３ 第２拡散律速部
１４ 構造体
２０ 第１空室
２１ 第１ポンプセル
２２ 第１内側ポンプ電極
２４、５２、４６ 可変電源
３０ 第３拡散律速部
４０ 第２空室
４１ 第３ポンプセル
４２ 基準ポンプ電極
４３ 基準ガス導入空間
４４ 第３内側ポンプ電極
５０ 第２ポンプセル
５１ 第２内側ポンプ電極
６０ 第４拡散律速部
６１ 第３空室
７２ ヒータ
８０ 第１空室用センサセル
８１ 第２空室用センサセル
８２ 第３空室用センサセル
２００ ガスセンサ
２０１ センサ素子
３０１ 燃料噴射装置
４００ 吸気部
１０００ ＣＯ２質量推定システム
１１ 第１拡散律速部
１３ 第２拡散律速部
１４ 構造体
２０ 第１空室
２１ 第１ポンプセル
２２ 第１内側ポンプ電極
２４、５２、４６ 可変電源
３０ 第３拡散律速部
４０ 第２空室
４１ 第３ポンプセル
４２ 基準ポンプ電極
４３ 基準ガス導入空間
４４ 第３内側ポンプ電極
５０ 第２ポンプセル
５１ 第２内側ポンプ電極
６０ 第４拡散律速部
６１ 第３空室
７２ ヒータ
８０ 第１空室用センサセル
８１ 第２空室用センサセル
８２ 第３空室用センサセル
２００ ガスセンサ
２０１ センサ素子
３０１ 燃料噴射装置
４００ 吸気部
１０００ ＣＯ２質量推定システム
【図1】
【図2】
【図3】
【手続補正書】
【提出日】2023-04-21
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0052】
ヒータ７２の上下には、第２基板２および第３基板３との電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層７４が形成されている。以下、ヒータ７２、ヒータ電極、ヒータ絶縁層７４をまとめてヒータ部７０とも称する。また、ヒータ部７０には、圧力放散孔７５が備わっている。圧力放散孔７５は、第３基板３を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で設けられてなる。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0070】
起電力Ｖ３の目標値が１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第３空室６１の酸素分圧は、ＣＯがほぼ全て酸化される範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ３＝２００ｍＶの場合であれば、１０－４ａｔｍ程度となる。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0071】
また、起電力Ｖ３が目標値に保たれているときに第３ポンプセル４１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ３（以下、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３とも称する）は、第３空室６１におけるＣＯの燃焼によって生成するＣＯ２の濃度に略比例する（二酸化炭素検出電流Ｉｐ３と生成するＣＯ２の濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＣＯ２の量は、ガス導入口１０から導入された後、第１空室２０においていったん分解された、被測定ガス中のＣＯ２の量と相関性を有する。よって、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３が検出されることで、被測定ガス中のＣＯ２が検知されたことになる。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0087】
ＣＯ２質量演算部１５０は、センサ検出値取得部１４０において取得されるガスセンサ２００の検出値と、統括制御部１１０から発せられる空燃比Ａ／Ｆと燃料噴射量の値とに基づいて、排ガスに含まれるＣＯ２の質量の推定値を演算する。ＣＯ２質量演算部１５０には（より詳細には、これを構成する図示しないメモリには）、あらかじめ実験的に特定された式（１）～式（３）が（より具体的にはこれらを与える比例定数ａ
１
～ａ
５
が）格納されてなる。