(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサであって、
前記排気ガスが被測ガスとして導入される被測ガス室と、
酸化物イオン伝導性を有するセンサ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の一方の側面上に配置された第一電極と、基準ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第二電極とを有するセンサセルと、
酸化物イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の一方の側面上に配置され且つ白金−金合金から構成された第三電極と、前記基準ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第四電極とを有すると共に、前記被測ガスの流れ方向において前記センサセルよりも上流側に配置されたポンプセルと、
前記第二電極の電位が前記第一電極の電位よりも高くなるように前記センサセルに電圧を印加する電圧印加回路と、
前記センサセルの出力を検出するセンサ出力検出器と、
前記電圧印加回路から前記センサセルに印加される電圧を制御する電圧制御部と、
前記電圧制御部によって窒素酸化物の分解開始電圧以上の電圧が前記センサセルに印加されたときに前記センサ出力検出器によって検出された前記センサセルの出力に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を算出する濃度算出部と、
前記ポンプセルの温度を推定する温度推定部と、
前記被測ガスの空燃比を推定する空燃比推定部と、
前記温度推定部によって推定された前記ポンプセルの温度が５００℃以上であって該ポンプセルの活性温度未満の所定の温度領域内にあり且つ前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである時間の積算値を第一積算時間として算出する時間算出部と
を備え、
前記濃度算出部は、前記第一積算時間が相対的に長い場合には、該第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、窒素酸化物センサ。
【請求項２】
前記時間算出部は、前記温度推定部によって推定された前記ポンプセルの温度が前記活性温度よりも高い基準温度以上である時間の積算値を第二積算時間として算出し、
前記濃度算出部は、前記第二積算時間が相対的に長い場合には、該第二積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、請求項１に記載の窒素酸化物センサ。
【請求項３】
前記濃度算出部は、同一の前記第一積算時間及び前記第二積算時間に対して、前記第二積算時間に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する程度が、前記第一積算時間に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する程度よりも大きくなるように前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を算出する、請求項２に記載の窒素酸化物センサ。
【請求項４】
前記時間算出部は、正の数である第一係数を前記第一積算時間に乗じた値と、前記第一係数よりも大きい第二係数を前記第二積算時間に乗じた値との和を合計積算時間として算出し、
前記濃度算出部は、前記合計積算時間が相対的に長い場合には、該合計積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、請求項３に記載の窒素酸化物センサ。
【請求項５】
前記時間算出部は、前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比のリーン度合に基づいて前記第一積算時間を補正し、
前記濃度算出部は、補正後の前記第一積算時間が相対的に長い場合には、該補正後の第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、請求項１から３のいずれか１項に記載の窒素酸化物センサ。
【請求項６】
前記時間算出部は、前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比のリーン度合に基づいて前記第一積算時間を補正し、
前記時間算出部は、前記第一係数を補正後の前記第一積算時間に乗じた値と、前記第二係数を前記第二積算時間に乗じた値との和を合計積算時間として算出する、請求項４に記載の窒素酸化物センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒素酸化物センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するために、内燃機関の排気通路に窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）を配置することが知られている。
【０００３】
特許文献１に記載されるように、ＮＯｘセンサは、排気ガスが被測ガスとして導入される被測ガス室と、被測ガス中の酸素を排出するポンプセルと、被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出するセンサセルとを備えている。ポンプセルの陰極は、酸素分解機能を有し且つＮＯｘ分解機能を有しない白金−金合金（Ｐｔ−Ａｕ合金）から構成される。一方、センサセルの陰極は、ＮＯｘ分解機能を有する白金−ロジウム合金（Ｐｔ−Ｒｈ合金）から構成される。
【０００４】
また、ＮＯｘセンサは、センサセル及びポンプセルを加熱するヒータも備えている。ヒータは、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出精度を確保すべく、センサセル及びポンプセルの温度を活性温度以上に加熱する。しかしながら、ポンプセルの温度が過剰に高くなると、ポンプセルの陰極から金（Ａｕ）が蒸散する。蒸散したＡｕは、センサセルの陰極に付着し、センサセルの出力を恒久的に低下させる。このため、ＮＯｘセンサによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する間、ポンプセルの温度は所定の制御温度（例えば７５０℃〜８００℃）に制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−０３８８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ポンプセルの温度がヒータによって制御されていたとしても、ポンプセルの温度が活性温度未満となる場合がある。例えば、内燃機関の始動時又は停止時には、ポンプセルの温度が活性温度未満になる。また、内燃機関の暖機後であっても、ポンプセルの温度が一時的に活性温度未満となる場合がある。例えば、内燃機関を搭載した車両のバッテリの電圧が低下すると、ヒータに所要の電圧を印加することができず、ポンプセルの温度が活性温度未満になる。また、内燃機関において、燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御が実施されているときにも、排気通路を流れる空気による冷却によってポンプセルの温度が活性温度未満になる。
【０００７】
本願の発明者は、ポンプセルの温度が活性温度未満の所定の温度領域内にあるときにも、ポンプセルからのＡｕの蒸散によってセンサセルの出力が低下することを見出した。ＮＯｘ濃度がセンサセルの出力から算出されるため、センサセルの出力が低下すると、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。具体的には、センサセルの出力が低下すると、ＮＯｘ濃度が実際よりも低く算出される。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、センサセルの出力低下によるＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制することができる窒素酸化物センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサであって、前記排気ガスが被測ガスとして導入される被測ガス室と、酸化物イオン伝導性を有するセンサ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の一方の側面上に配置された第一電極と、基準ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第二電極とを有するセンサセルと、酸化物イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の一方の側面上に配置され且つ白金−金合金から構成された第三電極と、前記基準ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第四電極とを有すると共に、前記被測ガスの流れ方向において前記センサセルよりも上流側に配置されたポンプセルと、前記第二電極の電位が前記第一電極の電位よりも高くなるように前記センサセルに電圧を印加する電圧印加回路と、前記センサセルの出力を検出するセンサ出力検出器と、前記電圧印加回路から前記センサセルに印加される電圧を制御する電圧制御部と、前記電圧制御部によって窒素酸化物の分解開始電圧以上の電圧が前記センサセルに印加されたときに前記センサ出力検出器によって検出された前記センサセルの出力に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を算出する濃度算出部と、前記ポンプセルの温度を推定する温度推定部と、前記被測ガスの空燃比を推定する空燃比推定部と、前記温度推定部によって推定された前記ポンプセルの温度が５００℃以上であって該ポンプセルの活性温度未満の所定の温度領域内にあり且つ前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである時間の積算値を第一積算時間として算出する時間算出部とを備え、前記濃度算出部は、前記第一積算時間が相対的に長い場合には、該第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する、窒素酸化物センサが提供される。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、前記時間算出部は、前記温度推定部によって推定された前記ポンプセルの温度が前記活性温度よりも高い基準温度以上である時間の積算値を第二積算時間として算出し、前記濃度算出部は、前記第二積算時間が相対的に長い場合には、該第二積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する。
【００１１】
第３の発明では、第２の発明において、前記濃度算出部は、同一の前記第一積算時間及び前記第二積算時間に対して、前記第二積算時間に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する程度が、前記第一積算時間に基づいて前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する程度よりも大きくなるように前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を算出する。
【００１２】
第４の発明では、第３の発明において、前記時間算出部は、正の数である第一係数を前記第一積算時間に乗じた値と、前記第一係数よりも大きい第二係数を前記第二積算時間に乗じた値との和を合計積算時間として算出し、前記濃度算出部は、前記合計積算時間が相対的に長い場合には、該合計積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する。
【００１３】
第５の発明では、第１から第３のいずれか一つの発明において、前記時間算出部は、前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比のリーン度合に基づいて前記第一積算時間を補正し、前記濃度算出部は、補正後の前記第一積算時間が相対的に長い場合には、該補正後の第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、前記センサセルの出力に対して前記被測ガス中の窒素酸化物濃度を高く算出する。
【００１４】
第６の発明では、第４の発明において、前記時間算出部は、前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比のリーン度合に基づいて前記第一積算時間を補正し、前記時間算出部は、前記第一係数を補正後の前記第一積算時間に乗じた値と、前記第二係数を前記第二積算時間に乗じた値との和を合計積算時間として算出する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、センサセルの出力低下によるＮＯｘ濃度の検出精度の悪化を抑制することができる窒素酸化物センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る窒素酸化物センサの制御装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の第一実施形態に係るＮＯｘセンサの構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】図３は、ＮＯｘセンサの拡大断面図である。
【図４】図４は、図３のＡ−Ａ線に沿ったＮＯｘセンサの断面図である。
【図５】図５は、ＰｔＯ2、Ａｕ、Ｐｔ及びＰｔ−Ａｕ合金の飽和蒸気圧と温度との関係を示す図である。
【図６】図６は、ポンプセルの温度が中間温度領域にあるときの排気ガスの空気過剰率とＡｕの蒸散量との関係を示す図である。
【図７】図７は、センサセルの出力と被測ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すマップである。
【図８】図８は、第一積算時間と補正係数との関係を示すマップである。
【図９】図９は、本発明の第一実施形態におけるＮＯｘセンサの制御を実施する際の内燃機関のオンオフ等のタイムチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第一実施形態におけるＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の第一実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、センサ出力と第一積算時間と被測ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すマップである。
【図１３】図１３は、第一積算時間とＮＯｘセンサの使用時間と補正係数との関係を示すマップである。
【図１４】図１４は、本発明の第二実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、本発明の第三実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、第一積算時間と第二積算時間と補正係数との関係を示すマップである。
【図１７】図１７は、本発明の第四実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、合計積算時間と補正係数との関係を示すマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１８】
＜第一実施形態＞
以下、図１〜図１３を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
【００１９】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）が設けられた内燃機関１を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。
【００２０】
図１を参照すると、内燃機関１は、機関本体１００と、各気筒の燃焼室２と、燃焼室２内に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁３と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５とを備える。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ（過給機）７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置される。さらに、吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１３が配置される。図１に示した内燃機関１では機関冷却水が冷却装置１３内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。
【００２１】
一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２８を内蔵したケーシング２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒２８は、例えば、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）又はＮＯｘ吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されてもよい。
【００２２】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」という）通路１４を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２３】
燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９によって燃料タンク３３から燃料配管３４を介してコモンレール１８内に供給される。コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。
【００２４】
内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。負荷センサ１０１及びエアフロメータ１０２の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１５及び燃料ポンプ１９に接続されている。
【００２５】
負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ１０１は機関負荷を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる空気流量を検出する。さらに、入力ポート８５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ１０８が接続され、クランク角センサ１０８によって機関回転数が検出される。
【００２６】
なお、内燃機関１は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関であってもよい。また、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。
【００２７】
＜ＮＯｘセンサの構成＞
以下、図１〜図４を参照して、本発明の第一実施形態に係る窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）１０の構成について説明する。ＮＯｘセンサ１０は、内燃機関１の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出する。ＮＯｘセンサ１０は、所定の電圧を印加したときにセンサ内に流れる限界電流を検出することによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する限界電流式ＮＯｘセンサである。
【００２８】
図２は、本発明の第一実施形態に係るＮＯｘセンサ１０の構成を概略的に示すブロック図である。ＮＯｘセンサ１０はセンサ本体１０ａを備える。図１に示されるように、センサ本体１０ａは内燃機関１の排気通路に配置される。本実施形態では、センサ本体１０ａは排気通路において排気浄化触媒２８の排気流れ方向上流側に配置されている。なお、センサ本体１０ａは、排気通路の他の位置、例えば排気浄化触媒２８の排気流れ方向下流側に配置されてもよい。
【００２９】
図３は、ＮＯｘセンサ１０の拡大断面図である。図３では、センサ本体１０ａの一部が断面図で示されている。センサ本体１０ａは、先端部（図３における左側）が排気管２７に挿入された状態で排気管２７に固定される。センサ本体１０ａは、その内部に、板状の形状を有するセンサ素子１０ｂを備える。
【００３０】
図４は、図３のＡ−Ａ線に沿ったＮＯｘセンサ１０の断面図である。図４に示されるように、ＮＯｘセンサ１０のセンサ素子１０ｂは、被測ガス室３０、第一基準ガス室３１、第二基準ガス室３２、センサセル５１、ポンプセル５２及びモニタセル５３を備えている。センサ本体１０ａが内燃機関１の排気通路に配置されたとき、被測ガス室３０には、排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。第一基準ガス室３１及び第二基準ガス室３２には基準ガスが導入される。基準ガスは例えば大気である。この場合、第一基準ガス室３１及び第二基準ガス室３２は大気に開放されている。
【００３１】
センサ素子１０ｂは、複数の層を積層して構成されている。具体的には、センサ素子１０ｂは、第一固体電解質層１１、第二固体電解質層１２、拡散律速層１６、第一不透過層２１、第二不透過層２２、第三不透過層２３、第四不透過層２４及び第五不透過層２５を備える。第一固体電解質層１１及び第二固体電解質層１２は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。第一固体電解質層１１及び第二固体電解質層１２は、例えば、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等を安定剤として添加した焼結体により形成されている。また、拡散律速層１６は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１６は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。不透過層２１〜２５は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む層として形成されている。
【００３２】
センサ素子１０ｂの各層は、図４の下方から、第一不透過層２１、第二不透過層２２、第三不透過層２３、第二固体電解質層１２、拡散律速層１６及び第四不透過層２４、第一固体電解質層１１、第五不透過層２５の順に積層されている。被測ガス室３０は、第一固体電解質層１１、第二固体電解質層１２、拡散律速層１６及び第四不透過層２４によって区画形成されている。排気ガスは拡散律速層１６を通って被測ガス室３０内に導入される。拡散律速層１６は被測ガスの拡散律速を行う。なお、被測ガス室３０は、固体電解質層（本実施形態では第一固体電解質層１１及び第二固体電解質層１２）に隣接し且つ被測ガスが導入されるように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
【００３３】
第一基準ガス室３１は第一固体電解質層１１及び第五不透過層２５によって区画形成されている。第二基準ガス室３２は、第二固体電解質層１２、第二不透過層２２及び第三不透過層２３によって区画形成されている。なお、第一基準ガス室３１は、固体電解質層（本実施形態では第一固体電解質層１１）に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。また、第二基準ガス室３２は、固体電解質層（本実施形態では第二固体電解質層１２）に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
【００３４】
センサセル５１は、センサ用固体電解質層、第一電極４１及び第二電極４２を有する電気化学セルである。本実施形態では、第一固体電解質層１１がセンサ用固体電解質層として機能する。第一電極４１は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように第一固体電解質層１１の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第二電極４２は、第一基準ガス室３１内の基準ガスに曝されるように第一固体電解質層１１の第一基準ガス室３１側の表面上に配置されている。第一電極４１と第二電極４２とは、第一固体電解質層１１を挟んで互いに対向するように配置されている。
【００３５】
本実施形態では、第一電極４１は、ＮＯｘ分解機能を有する白金−ロジウム合金（Ｐｔ−Ｒｈ合金）から構成されている。例えば、第一電極４１は、Ｐｔ−Ｒｈ合金を主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第一電極４１を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第一電極４１と第二電極４２との間に所定の電圧を印加したときに、被測ガス中のＮＯｘを還元分解することができれば、いかなる材料であってもよい。
【００３６】
また、本実施形態では、第二電極４２は白金（Ｐｔ）から構成されている。例えば、第二電極４２は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第二電極４２を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第一電極４１と第二電極４２との間に所定の電圧を印加したときに、第一電極４１と第二電極４２との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。
【００３７】
ポンプセル５２は、ポンプ用固体電解質層、第三電極４３及び第四電極４４を有する電気化学セルである。本実施形態では、第二固体電解質層１２がポンプ用固体電解質層として機能する。第三電極４３は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように第二固体電解質層１２の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第四電極４４は、第二基準ガス室３２内の基準ガスに曝されるように第二固体電解質層１２の第二基準ガス室３２側の表面上に配置されている。第三電極４３と第四電極４４とは、第二固体電解質層１２を挟んで互いに対向するように配置されている。
【００３８】
本実施形態では、第三電極４３は、酸素分解機能を有し且つＮＯｘ分解機能を有しない白金−金合金（Ｐｔ−Ａｕ合金）から構成されている。例えば、第三電極４３は、Ｐｔ−Ａｕ合金を主成分として含む多孔質サーメット電極である。
【００３９】
また、本実施形態では、第四電極４４は白金（Ｐｔ）から構成されている。例えば、第四電極４４は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第四電極４４を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第三電極４３と第四電極４４との間に所定の電圧を印加したときに、第三電極４３と第四電極４４との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。
【００４０】
モニタセル５３は、モニタ用固体電解質層、第五電極４５及び第六電極４６を有する電気化学セルである。本実施形態では、第一固体電解質層１１がモニタ用固体電解質層として機能する。したがって、本実施形態では、センサ用固体電解質層及びモニタ用固体電解質層は共通の固体電解質層である。第五電極４５は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように第一固体電解質層１１の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第六電極４６は、第一基準ガス室３１内の基準ガスに曝されるように第一固体電解質層１１の第一基準ガス室３１側の表面上に配置されている。第五電極４５と第六電極４６とは、第一固体電解質層１１を挟んで互いに対向するように配置されている。
【００４１】
本実施形態では、第五電極４５は、酸素分解機能を有し且つＮＯｘ分解機能を有しない白金−金合金（Ｐｔ−Ａｕ合金）から構成されている。例えば、第五電極４５は、Ｐｔ−Ａｕ合金を主成分として含む多孔質サーメット電極である。
【００４２】
また、本実施形態では、第六電極４６は白金（Ｐｔ）から構成されている。例えば、第六電極４６は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第六電極４６を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第五電極４５と第六電極４６との間に所定の電圧を印加したときに、第五電極４５と第六電極４６との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。
【００４３】
図４に示されるように、ポンプセル５２は、被測ガスの流れ方向において、センサセル５１よりも上流側に配置されている。モニタセル５３は、被測ガスの流れ方向において、ポンプセル５２とセンサセル５１との間に配置されている。また、ポンプセル５２の第三電極４３及び第四電極４４は、センサセル５１の第一電極４１及び第二電極４２並びにモニタセル５３の第五電極４５及び第六電極４６よりも大きな表面積を有する。
【００４４】
センサ素子１０ｂはヒータ５５を更に備える。本実施形態では、ヒータ５５は、図４に示されるように、第一不透過層２１と第二不透過層２２との間に配置される。ヒータ５５は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミックス（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ５５は、センサ素子１０ｂ、特にセンサセル５１、ポンプセル５２及びモニタセル５３を加熱する。
【００４５】
なお、センサ素子１０ｂの具体的な構成は、図４に示した構成とは異なっていてもよい。例えば、センサ用固体電解質層、ポンプ用固体電解質層及びモニタ用固体電解質層はそれぞれ共通の固体電解質層であっても別個の固体電解質層であってもよい。
【００４６】
図２及び図４に示されるように、ＮＯｘセンサ１０は、第一電圧印加回路６０、第二電圧印加回路７０、第三電圧印加回路９０、第一電流計６２、第二電流計７２及び第三電流計９２を更に備える。第一電圧印加回路６０は、第二電極４２の電位が第一電極４１の電位よりも高くなるようにセンサセル５１に電圧を印加する。第二電圧印加回路７０は、第四電極４４の電位が第三電極４３の電位よりも高くなるようにポンプセル５２に電圧を印加する。第三電圧印加回路９０は、第六電極４６の電位が第五電極４５の電位よりも高くなるようにモニタセル５３に電圧を印加する。
【００４７】
第一電流計６２は、センサセル５１に流れる電流（すなわち、第一電極４１と第二電極４２との間の第一固体電解質層１１内を流れる電流）をセンサセル５１の出力として検出する。したがって、第一電流計６２は、センサセル５１の出力を検出するセンサ出力検出器として機能する。第二電流計７２は、ポンプセル５２に流れる電流（すなわち、第三電極４３と第四電極４４との間の第二固体電解質層１２内を流れる電流）をポンプセル５２の出力として検出する。したがって、第二電流計７２は、ポンプセル５２の出力を検出するポンプ出力検出器として機能する。第三電流計９２は、モニタセル５３に流れる電流（すなわち、第五電極４５と第六電極４６との間の第一固体電解質層１１内を流れる電流）をモニタセル５３の出力として検出する。したがって、第三電流計９２は、モニタセル５３の出力を検出するモニタ出力検出器として機能する。
【００４８】
＜ＮＯｘ濃度の検出原理＞
以下、ＮＯｘセンサ１０を用いて排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する原理について説明する。上述したように、内燃機関１の排気通路を流れる排気ガスは拡散律速層１６を通って被測ガス室３０内に被測ガスとして導入される。被測ガス室３０内に導入された被測ガスは最初にポンプセル５２に到達する。
【００４９】
被測ガス（排気ガス）はＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）だけでなく酸素も含んでいる。センサセル５１の第一電極４１は酸素も分解するため、被測ガス中の酸素濃度が変動すると、センサセル５１の出力も変動し、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。このため、センサセル５１に到達する被測ガス中の酸素濃度を一定にすべく、ポンプセル５２によって被測ガス中の酸素を第二基準ガス室３２に排出する。
【００５０】
ポンプセル５２には、第二電圧印加回路７０から所定の電圧が印加される。この結果、被測ガス中の酸素は第三電極４３において還元分解されて酸化物イオンとなる。この酸化物イオンは、ポンプ用固体電解質層（本実施形態では第二固体電解質層１２）を介して第三電極（陰極）４３から第四電極（陽極）４４に移動し、第二基準ガス室３２に排出される。したがって、ポンプセル５２は被測ガス中の酸素を第二基準ガス室３２に排出することができる。また、ポンプセル５２には、被測ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。このため、第二電流計７２によってポンプセル５２の出力を検出することによって被測ガス中の酸素濃度、ひいては被測ガスの空燃比を検出することもできる。なお、被測ガスの空燃比とは、その被測ガスが生成されるまでに供給された燃料の質量に対する空気の質量の比率（空気の質量／燃料の質量）を意味し、被測ガス中の酸素濃度から推定される。
【００５１】
また、上述したようにポンプセル５２によって被測ガス中の酸素濃度が十分に低減されると、２ＮＯ2→２ＮＯ＋Ｏ2という反応が生じ、排気ガス中のＮＯ2がＮＯに還元される。したがって、被側ガスがセンサセル５１に到達する前に被測ガス中のＮＯｘがＮＯに単ガス化される。
【００５２】
ポンプセル５２を通過した被測ガスは次にモニタセル５３に到達する。モニタセル５３は、被測ガス中の酸素を分解することで、被測ガス中の残留酸素濃度を検出する。モニタセル５３には、第三電圧印加回路９０から所定の電圧が印加される。この結果、モニタセル５３には、被測ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。このため、第三電流計９２によってモニタセル５３の出力を検出することによって、被測ガス中の残留酸素濃度を検出することができる。残留酸素濃度が所定の低濃度になるように、第三電流計９２によって検出されるモニタセル５３の出力に基づいて、ポンプセル５２への印加電圧がフィードバック制御される。この結果、センサセル５１に到達する被測ガス中の酸素濃度が一定の値に制御される。
【００５３】
モニタセル５３を通過した被測ガスは次にセンサセル５１に到達する。センサセル５１は、被測ガス中のＮＯを分解することで、被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。センサセル５１には、第一電圧印加回路６０から所定の電圧が印加される。この結果、被測ガス中のＮＯは第一電極４１において還元分解されて酸化物イオンが発生する。この酸化物イオンは、センサ用固体電解質層（本実施形態では第一固体電解質層１１）を介して第一電極（陰極）４１から第二電極（陽極）４２に移動し、第一基準ガス室３１に排出される。センサセル５１に被測ガスが到達する前に被測ガス中のＮＯ2がＮＯに単ガス化されているため、センサセル５１には、ＮＯの分解によって排気ガス中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）濃度に応じた電流が流れる。このため、第一電流計６２によって検出されたセンサセル５１の出力を検出することによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００５４】
なお、ポンプセル５２によって被測ガス中のほとんどの酸素を除去できる場合又はポンプセル５２によって被測ガス中の酸素濃度をほぼ一定の低濃度にできる場合には、モニタセル５３によって被測ガス中の残留酸素濃度を検出しなくてもよい。このため、このような場合には、ＮＯｘセンサ１０は、モニタセル５３を備えることなく、ポンプセル５２及びセンサセル５１によって排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出してもよい。
【００５５】
＜ＮＯｘセンサの問題点＞
ＮＯｘセンサ１０では、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保するために、各電気化学セルの温度を活性温度以上にする必要がある。しかしながら、ポンプセル５２の温度が過剰に高くなると、ポンプセル５２の第三電極４３から金（Ａｕ）が蒸散する。蒸散したＡｕは、センサセル５１の第一電極４１に付着し、センサセル５１の出力を恒久的に低下させる。このため、ＮＯｘ濃度の検出時に、ＮＯｘセンサ１０のセンサ素子１０ｂの温度はヒータ５５によって所定の制御温度（例えば７５０℃〜８００℃）に制御される。この結果、ＮＯｘセンサ１０によるＮＯｘ濃度の検出精度を確保することができる。
【００５６】
しかしながら、ポンプセル５２の温度がヒータ５５によって制御されていたとしても、ポンプセル５２の温度が活性温度未満となる場合がある。例えば、内燃機関１の始動時又は停止時には、ポンプセル５２の温度が活性温度未満になる。また、内燃機関１の暖機後であっても、ポンプセル５２の温度が一時的に活性温度未満となる場合がある。例えば、内燃機関１を搭載した車両のバッテリの電圧が低下すると、ヒータ５５に所要の電圧を印加することができず、ポンプセル５２の温度が活性温度未満になる。また、内燃機関１において、燃焼室２への燃料の供給を停止する燃料カット制御が実施されているときにも、排気通路を流れる空気による冷却によってポンプセル５２の温度が活性温度未満になる。
【００５７】
本願の発明者は、ポンプセル５２の温度が活性温度未満の所定の温度領域内にあるときにも、ポンプセル５２からのＡｕの蒸散によってセンサセルの出力が低下することを見出した。この現象は、以下に説明するようなメカニズムに基づくものと考えられている。
【００５８】
図５は、二酸化白金（ＰｔＯ2）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）及び白金−金（Ｐｔ−Ａｕ）合金の飽和蒸気圧と温度との関係を示す図である。ポンプセル５２の温度が制御温度領域ＴＣ（７５０℃〜８００℃）に制御されているときには、ポンプセル５２の酸素排出能力が高いため、第三電極４３においてＰｔ−Ａｕ合金中のＰｔはほとんど酸化されない。また、図５に示されるようにＰｔ−Ａｕ合金の飽和蒸気圧が比較的低いため、Ｐｔ−Ａｕ合金中のＰｔ及びＡｕは制御温度領域ＴＣにおいて第三電極４３から蒸散しない。
【００５９】
一方、バッテリ電圧の低下等によってポンプセル５２の温度が制御温度領域ＴＣよりも低くなると、ポンプセル５２の酸素排出能力が低下する。このとき、被測ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）よりもリーンであると、ポンプセル５２の第三電極４３がリーン雰囲気となる。この結果、ポンプセル５２の第三電極４３において、Ｐｔ−Ａｕ合金中のＰｔが酸化され、ＰｔＯ2が生成される。
【００６０】
図５に示されるように、ＰｔＯ2の飽和蒸気圧はＰｔ−Ａｕ合金及びＰｔの飽和蒸気圧よりもはるかに高い。このため、ポンプセル５２の温度が制御温度領域ＴＣよりも低い場合であっても、第三電極４３において生成されたＰｔＯ2が第三電極４３から蒸散する。この結果、Ｐｔ−Ａｕ合金中のＰｔが蒸散されるため、第三電極４３においてＡｕが単体の状態で存在することになる。図５に示されるように、Ａｕの飽和蒸気圧は、ＰｔＯ2の飽和蒸気圧よりも低いがＰｔ−Ａｕ合金の飽和蒸気圧よりも高い。このため、ポンプセル５２の温度が制御温度領域ＴＣよりも低い中間温度領域ＴＭ（５００℃〜７５０℃）にあるとき、第三電極４３からＡｕが蒸散する。なお、ポンプセル５２の温度が中間温度領域ＴＭ（５００℃〜７５０℃）よりも低い低温度領域ＴＬ（５００℃未満）にあるときには、Ａｕの飽和蒸気圧がかなり低くなるため、Ａｕの蒸散はほとんど発生しない。
【００６１】
したがって、ポンプセル５２の温度が中間温度領域ＴＭにあるときに、被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合には、第三電極４３からＡｕが蒸散する。図６は、ポンプセル５２の温度が中間温度領域ＴＭにあるときの排気ガスの空気過剰率λとＡｕの蒸散量との関係を示す図である。
【００６２】
ポンプセル５２の第三電極４３からＡｕが蒸散すると、蒸散したＡｕがセンサセル５１の第一電極４１に付着し、センサセル５１の出力が低下する。この結果、ＮＯｘセンサ１０によるＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。
【００６３】
＜ＮＯｘセンサの制御＞
以下、本実施形態におけるＮＯｘセンサ１０の制御について説明する。図２に示されるように、ＮＯｘセンサ１０は、電圧制御部８０ａ、温度推定部８０ｂ、時間算出部８０ｃ、空燃比推定部８０ｄ、濃度算出部８０ｅ及びヒータ制御部８０ｆを更に備える。本実施形態では、電圧制御部８０ａ、温度推定部８０ｂ、時間算出部８０ｃ、空燃比推定部８０ｄ、濃度算出部８０ｅ及びヒータ制御部８０ｆはＥＣＵ８０の一部である。
【００６４】
電圧制御部８０ａは、第一電圧印加回路６０を制御することによって、第一電圧印加回路６０からセンサセル５１に印加される電圧を制御する。また、電圧制御部８０ａは、第二電圧印加回路７０を制御することによって、第二電圧印加回路７０からポンプセル５２に印加される電圧を制御する。また、電圧制御部８０ａは、第三電圧印加回路９０を制御することによって、第三電圧印加回路９０からモニタセル５３に印加される電圧を制御する。
【００６５】
濃度算出部８０ｅは、電圧制御部８０ａによってＮＯｘの分解開始電圧以上の電圧がセンサセル５１に印加されたときに第一電流計６２によって検出されたセンサセル５１の出力に基づいて被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。具体的には、濃度算出部８０ｅは、センサセル５１の出力が高いほど、被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する。濃度算出部８０ｅは、例えば、図７に示したようなマップを用いて被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。このマップでは、被測ガス中のＮＯｘ濃度がセンサセル５１の出力の関数として示される。
【００６６】
温度推定部８０ｂはポンプセル５２の温度を推定する。温度推定部８０ｂは、例えば、ポンプセル５２のインピーダンスに基づいてポンプセル５２の温度を推定する。ポンプセル５２のインピーダンスは、電圧制御部８０ａによってポンプセル５２に高周波の電圧が印加されたときに第二電流計７２によって検出されるポンプセル５２の出力に基づいて算出される。なお、センサセル５１及びモニタセル５３の温度がポンプセル５２の温度と相関するため、温度推定部８０ｂはセンサセル５１又はモニタセル５３のインピーダンスに基づいてポンプセル５２の温度を推定してもよい。
【００６７】
ヒータ制御部８０ｆは、ＮＯｘセンサ１０のヒータ５５を制御することによって、センサ素子１０ｂの温度、すなわちセンサセル５１、ポンプセル５２及びモニタセル５３の温度を制御する。具体的には、ヒータ制御部８０ｆは、温度推定部８０ｂによって推定されたポンプセル５２の温度が制御温度ＴＣ（例えば７５０℃〜８００℃）になるように、ヒータ５５への印加電圧をフィードバック制御する。
【００６８】
空燃比推定部８０ｄは被測ガス（排気ガス）の空燃比を推定する。空燃比推定部８０ｄは、例えば、第二電流計７２によって検出されるポンプセル５２の出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定する。なお、センサ本体１０ａの近傍の排気通路に空燃比センサが設けられている場合、空燃比推定部８０ｄはこの空燃比センサの出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定してもよい。
【００６９】
時間算出部８０ｃは、温度推定部８０ｂによって推定されたポンプセル５２の温度が５００℃以上であってポンプセル５２の活性温度未満の所定の温度領域内にあり且つ空燃比推定部８０ｄによって推定された被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである時間の積算値を第一積算時間として算出する。所定の温度領域は、例えば、５００℃以上７５０℃未満の中間温度領域ＴＭである。
【００７０】
図６から分かるように、ポンプセル５２の温度が中間温度領域ＴＭ内にあり且つ被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときにポンプセル５２からＡｕが蒸散する。このため、時間算出部８０ｃによって算出される第一積算時間が長いほど、ポンプセル５２から蒸散するＡｕの量が多くなり、センサセル５１の出力低下が大きくなる。したがって、時間算出部８０ｃによって算出される第一積算時間が長いほど、センサセル５１の出力から算出される被測ガス中のＮＯｘ濃度が低くなる。
【００７１】
そこで、本実施形態では、濃度算出部８０ｅは、第一積算時間が相対的に長い場合には、第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、センサセル５１の出力に対して被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する。言い換えれば、濃度算出部８０ｅは、第一積算時間が長くなるにつれて、センサセル５１の出力に対して被測ガス中のＮＯｘ濃度を段階的に（ステップ状に）又はリニアに高く算出する。このことによって、ＮＯｘセンサ１０はセンサセル５１の出力低下によるＮＯｘ濃度の検出精度の悪化を抑制することができる。
【００７２】
例えば、濃度算出部８０ｅは、第一積算時間に基づいて、第一電流計６２によって検出されたセンサセル５１の出力を補正する。補正後のセンサセル５１の出力Ｏｓａｃは、例えば、下記式（１）により算出される。
Ｏｓａｃ＝Ｏｓｂｃ×Ａ      …（１）
【００７３】
ここで、Ｏｓｂｃは、第一電流計６２によって検出されたセンサセル５１の出力であり、Ａは補正係数である。補正係数Ａは、１以上の正の数であり、第一積算時間が長いほど大きくされる。例えば、補正係数Ａは、図８に示したようなマップを用いて算出される。このマップでは、補正係数Ａが第一積算時間ＥＴ１の関数として示される。なお、補正係数Ａは、図８に破線で示したように、第一積算時間ＥＴ１が長くなるにつれて段階的（ステップ状）に大きくされてもよい。
【００７４】
濃度算出部８０ｅは、補正後のセンサセル５１の出力Ｏｓａｃから被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。例えば、濃度算出部８０ｅは、図７に示したようなマップを用いて被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。この結果、第一積算時間ＥＴ１が相対的に長い場合には第一積算時間ＥＴ１が相対的に短い場合に比べて、第一電流計６２によって検出されたセンサセル５１の出力に対して被測ガス中のＮＯｘ濃度が高く算出される。
【００７５】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図９のタイムチャートを参照して、ＮＯｘセンサ１０の制御について具体的に説明する。図９は、本発明の第一実施形態におけるＮＯｘセンサ１０の制御を実施する際の、内燃機関１のオンオフ、ヒータ５５のオンオフ、ポンプセル５２の温度、被測ガスの空燃比、第一積算時間ＥＴ１及び補正係数Ａの概略的なタイムチャートである。図示した例では、ポンプセル５２の温度はポンプセル５２のインピーダンスに基づいて算出されている。また、被測ガスの空燃比はポンプセル５２の出力に基づいて算出されている。
【００７６】
図示した例では、時刻ｔ１において内燃機関１が始動される。時刻ｔ１において、第一積算時間ＥＴ１及び補正係数Ａは、それぞれ、内燃機関１の前回の運転の停止時にＥＣＵ８０のＲＡＭ８３に保存されていた値に設定されている。
【００７７】
内燃機関１が始動されると、ＮＯｘセンサ１０のセンサ素子１０ｂを活性化すべく、ＮＯｘセンサ１０のヒータ５５がオンにされる。図示した例では、ポンプセル５２の目標温度は、ポンプセル５２の活性温度（例えば７５０℃）よりも高い７７５℃に設定されている。
【００７８】
ポンプセル５２の温度は、時刻ｔ２において５００℃に達し、時刻ｔ３において７５０℃に達する。したがって、ポンプセル５２の温度は、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで、５００℃以上７５０℃未満の中間温度領域ＴＭ内にある。また、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで、被測ガスの空燃比は理論空燃比（１４．６）よりもリーンな値に維持されている。
【００７９】
このため、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで第一積算時間ＥＴ１が増大される。これに伴い、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで補正係数Ａも増大される。時刻ｔ３の後、ポンプセル５２の温度は、目標温度（７７５℃）まで上昇し、目標温度に維持される。
【００８０】
図示した例では、時刻ｔ４において、ポンプセル５２の温度が活性温度未満に低下している。ポンプセル５２の温度は、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、中間温度領域ＴＭ内に維持されている。また、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、被測ガスの空燃比は理論空燃比よりもリーンな値に維持されている。
【００８１】
このため、時刻ｔ４から時刻ｔ５まで第一積算時間ＥＴ１が増大される。これに伴い、時刻ｔ４から時刻ｔ５まで補正係数Ａも増大される。時刻ｔ５の後、ポンプセル５２の温度は再び目標温度に維持される。
【００８２】
＜ＮＯｘ濃度算出処理＞
以下、図１０のフローチャートを参照して、被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出するための制御について説明する。図１０は、本発明の第一実施形態におけるＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００８３】
最初に、ステップＳ１０１において、温度推定部８０ｂが、センサ素子１０ｂが活性状態にあるか否かを判定する。温度推定部８０ｂは、センサ素子１０ｂの温度が活性温度以上である場合、センサ素子１０ｂが活性状態にあると判定する。一方、温度推定部８０ｂは、センサ素子１０ｂの温度が活性温度未満である場合、センサ素子１０ｂが活性状態にないと判定する。センサ素子１０ｂの温度は、センサセル５１、ポンプセル５２又はモニタセル５３のインピーダンスに基づいて算出される。
【００８４】
ステップＳ１０１においてセンサ素子１０ｂが活性状態にないと判定された場合、ＮＯｘセンサ１０を用いて被測ガス中のＮＯｘ濃度を精度良く算出することができないため、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１においてセンサ素子１０ｂが活性状態にあると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。
【００８５】
ステップＳ１０２では、電圧制御部８０ａが、センサセル５１への印加電圧を第一電圧Ｖ１に設定し、ポンプセル５２及びモニタセル５３への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する。第一電圧Ｖ１は、ＮＯｘの分解開始電圧以上の電圧であり、例えば０．４Ｖである。第二電圧Ｖ２は、酸素の限界電流領域内の電圧であって水の分解開始電圧未満の電圧であり、例えば０．４Ｖである。第一電圧Ｖ１及び第二電圧Ｖ２は同じ電圧であってもよい。
【００８６】
次いで、ステップＳ１０３において、濃度算出部８０ｅが第一電流計６２からセンサセル５１の出力（センサ出力Ｏｓ）を取得する。次いで、ステップＳ１０４では、濃度算出部８０ｅが補正係数Ａを算出する。具体的には、濃度算出部８０ｅは、後述する積算時間算出処理によって算出される第一積算時間ＥＴ１に基づいて、図８に示したようなマップを用いて補正係数Ａを算出する。
【００８７】
次いで、ステップＳ１０５において、濃度算出部８０ｅが、ステップＳ１０３において取得したセンサ出力Ｏｓを補正する。具体的には、濃度算出部８０ｅは、上記式（１）を用いてセンサ出力Ｏｓを補正する。次いで、ステップＳ１０６において、濃度算出部８０ｅが、ステップＳ１０５において算出された補正後のセンサ出力から被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。具体的には、濃度算出部８０ｅは、図７に示したようなマップを用いて被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【００８８】
＜積算時間算出処理＞
図１１は、本発明の第一実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００８９】
最初にステップＳ２０１において、温度推定部８０ｂが、ポンプセル５２の温度Ｔｐが５００℃以上であってポンプセル５２の活性温度未満の所定の温度領域内にあるか否かを判定する。具体的には、温度推定部８０ｂは、ポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１以上第二温度Ｔ２未満の温度であるか否かを判定する。ポンプセル５２の温度Ｔｐはポンプセル５２、センサセル５１又はモニタセル５３のインピーダンスに基づいて算出される。第一温度Ｔ１は、ポンプセル５２から単体のＡｕが所定量以上蒸散する温度領域の下限値であり、例えば５００℃である。第二温度Ｔ２は、ポンプセル５２の活性温度以下の温度であり、例えば活性温度（例えば７５０℃）である。
【００９０】
ステップＳ２０１においてポンプセル５２の温度Ｔｐが所定の温度領域内にあると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、空燃比推定部８０ｄが、被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるか否かを判定する。空燃比推定部８０ｄは、例えば、第二電流計７２によって検出されるポンプセル５２の出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定する。
【００９１】
ステップＳ２０２において被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、時間算出部８０ｃが第一積算時間ＥＴ１を更新する。具体的には、時間算出部８０ｃは、現在の第一積算時間ＥＴ１に加算時間ＡＴを加算した値を新たな第一積算時間ＥＴ１とする。加算時間ＡＴは、本制御ルーチンの実行間隔に相当する時間とされる。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。なお、ＮＯｘセンサ１０が未使用のときの第一積算時間ＥＴ１の初期値はゼロである。
【００９２】
一方、ステップＳ２０１においてポンプセル５２の温度Ｔｐが所定の温度領域内にないと判定された場合、又はステップＳ２０２において被測ガスの空燃比が理論空燃比以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、第一積算時間ＥＴ１の値が現在の値に維持される。
【００９３】
なお、図１０のＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンにおいて、ステップＳ１０５が省略され、ステップＳ１０６の後に被測ガス中のＮＯｘ濃度が補正されてもよい。この場合、ステップＳ１０６において、濃度算出部８０ｅは、ステップＳ１０３において取得されたセンサ出力Ｏｓに基づいて被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。ステップＳ１０６の後、濃度算出部８０ｅは、ステップＳ１０６において算出したＮＯｘ濃度を補正する。濃度算出部８０ｅは、例えば、下記式（２）を用いて補正後のＮＯｘ濃度Ｃｎａｃを算出する。
Ｃｎａｃ＝Ｃｎｂｃ×Ａ      …（２）
ここで、ＣｎｂｃはステップＳ１０６において算出されたＮＯｘ濃度であり、ＡはステップＳ１０４において算出された補正係数である。なお、ＮＯｘ濃度の補正に用いられる補正係数の値は、ステップＳ１０５においてセンサ出力の補正に用いられる補正係数の値とは異なる。
【００９４】
また、ステップＳ１０６において、濃度算出部８０ｅは、図１２に示したようなマップを用いて被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出してもよい。この場合、ステップＳ１０４及びステップＳ１０５は省略される。図１２のマップでは、被測ガス中のＮＯｘ濃度Ｃがセンサ出力Ｏｓ及び第一積算時間ＥＴ１の関数として示される。このマップでは、センサ出力Ｏｓが一定である場合、ＮＯｘ濃度Ｃは、第一積算時間ＥＴ１が長いほど高くされている。また、第一積算時間ＥＴ１が一定である場合、ＮＯｘ濃度Ｃは、センサ出力Ｏｓが高いほど高くされている。
【００９５】
なお、ＮＯｘセンサ１０は、ポンプセル５２からのＡｕの蒸散の有無に関わらず、使用に伴って徐々に劣化し、その出力が低下する。このため、センサ出力が第一積算時間ＥＴ１だけでなくＮＯｘセンサ１０の使用時間に基づいて補正されてもよい。例えば、図１０のステップＳ１０５の後に、ＮＯｘセンサ１０の使用時間に基づいて、ステップＳ１０５において補正されたセンサ出力を更に補正してもよい。この場合、センサ出力は、ＮＯｘセンサ１０の使用時間が長いほど高くなるように補正される。ＮＯｘセンサ１０の使用時間は、例えばＮＯｘセンサ１０のヒータ５５がオンにされていた時間の合計である。
【００９６】
また、ステップＳ１０４において、第一積算時間ＥＴ１及びＮＯｘセンサ１０の使用時間に基づいて補正係数Ａを算出してもよい。例えば、補正係数Ａは、図１３に示したようなマップを用いて算出される。このマップでは、補正係数Ａが第一積算時間ＥＴ１及びＮＯｘセンサ１０の使用時間ＵＴの関数として示される。このマップでは、第一積算時間ＥＴ１が一定である場合、補正係数Ａは、使用時間ＵＴが長いほど大きくされている。また、使用時間ＵＴが一定である場合、補正係数Ａは、第一積算時間ＥＴ１が長いほど大きくされている。
【００９７】
＜第二実施形態＞
第二実施形態に係るＮＯｘセンサは、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係るＮＯｘセンサの構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００９８】
図６から分かるように、ポンプセル５２の温度が中間温度領域ＴＭにあるときのポンプセル５２からのＡｕの蒸散量は、被測ガスの空燃比のリーン度合が高いほど多くなる。このため、第二実施形態では、時間算出部８０ｃは、空燃比推定部８０ｄによって推定された被測ガスの空燃比のリーン度合に基づいて第一積算時間を補正し、濃度算出部は、補正後の第一積算時間が相対的に長い場合には、補正後の第一積算時間が相対的に短い場合に比べて、センサセル５１の出力に対して被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する。
【００９９】
具体的には、時間算出部８０ｃは、リーン度合が相対的に高い場合には、リーン度合が相対的に低い場合に比べて、補正後の第一積算時間を長くする。言い換えれば、時間算出部８０ｃは、リーン度合が高くなるにつれて、補正後の第一積算時間を段階的に（ステップ状に）又はリニアに長くする。
【０１００】
このことによって、被測ガスの空燃比のリーン度合、ひいてはＡｕの蒸散量に応じて、センサセル５１の出力から被測ガス中のＮＯｘ濃度が適切に算出される。この結果、センサセルの出力低下によるＮＯｘ濃度の検出精度の低下をより一層抑制することができる。
【０１０１】
＜積算時間算出処理＞
図１４は、本発明の第二実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１４におけるステップＳ３０１及びステップＳ３０２は、図１１におけるステップＳ２０１及びステップＳ２０２と同様であることから説明を省略する。
【０１０２】
ステップＳ３０２において被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３では、時間算出部８０ｃが、空燃比推定部８０ｄによって推定された被測ガスの空燃比に基づいて、加算時間ＡＴを算出する。例えば、時間算出部８０ｃは、下記式（３）を用いて加算時間ＡＴを算出する。
ＡＴ＝ΔＴ×ＡＦｅ／ＡＦｒ…（３）
ここで、ΔＴは本制御ルーチンの実行間隔に相当する時間であり、ＡＦｅは空燃比推定部８０ｄによって推定された被測ガスの空燃比であり、ＡＦｒは、基準となる被測ガスの空燃比であり、例えば理論空燃比よりもリーンな所定の値である。
【０１０３】
次いで、ステップＳ３０４において、時間算出部８０ｃが、ステップＳ３０３において算出された加算時間ＡＴを現在の第一積算時間ＥＴ１に加算した値を新たな第一積算時間ＥＴ１とする。したがって、ステップＳ３０３及びステップＳ３０４において、空燃比推定部８０ｄによって推定された被測ガスの空燃比のリーン度合に基づいて第一積算時間が補正される。ステップＳ３０４の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１０４】
なお、第二実施形態においても、図１０に示したＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンが実行される。このとき、ステップＳ１０４において、濃度算出部８０ｅは、ステップＳ３０４において算出された補正後の第一積算時間ＥＴ１に基づいて補正係数Ａを算出する。
【０１０５】
＜第三実施形態＞
第三実施形態に係るＮＯｘセンサは、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係るＮＯｘセンサの構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１０６】
内燃機関１の機関負荷の増大等によって排気ガスの温度が高くなると、ポンプセル５２の温度が活性温度よりも過剰に高くなる場合がある。この場合、被測ガスの空燃比に関わらずポンプセル５２からＡｕが蒸散し、センサセル５１の出力が恒久的に低下する。
【０１０７】
このため、第三実施形態では、センサセル５１の出力低下によるＮＯｘ濃度の検出精度の低下をより一層抑制すべく、以下の制御が実行される。時間算出部８０ｃは、第一積算時間に加えて、温度推定部８０ｂによって推定されたポンプセル５２の温度が活性温度よりも高い基準温度以上である時間の積算値を第二積算時間として算出する。また、濃度算出部８０ｅは、第二積算時間が相対的に長い場合には、第二積算時間が相対的に短い場合に比べて、センサセル５１の出力に対して被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する。言い換えれば、濃度算出部８０ｅは、第二積算時間が長くなるにつれて、センサセル５１の出力に対して被測ガス中のＮＯｘ濃度を段階的に（ステップ状に）又はリニアに高く算出する。このことによって、高温時のＡｕの蒸散によってセンサセル５１の出力が低下することによるＮＯｘ濃度の検出精度の低下も抑制することができる。
【０１０８】
＜積算時間算出処理＞
図１５は、本発明の第三実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１５におけるステップＳ４０２〜ステップＳ４０４は、図１１におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０３と同様であることから説明を省略する。
【０１０９】
最初に、ステップＳ４０１において、温度推定部８０ｂが、ポンプセル５２の温度Ｔｐが基準温度Ｔｒ以上であるか否かを判定する。基準温度Ｔｒは、ポンプセル５２の活性温度（例えば７５０℃）よりも高い予め定められた温度であり、例えば９００℃である。ポンプセル５２の温度Ｔｐはポンプセル５２、センサセル５１又はモニタセル５３のインピーダンスに基づいて算出される。
【０１１０】
ステップＳ４０１においてポンプセル５２の温度Ｔｐが基準温度Ｔｒ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０２に進む。一方、ステップＳ４０１においてポンプセル５２の温度Ｔｐが基準温度Ｔｒ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０５に進む。
【０１１１】
ステップＳ４０５では、時間算出部８０ｃが第二積算時間ＥＴ２を更新する。具体的には、時間算出部８０ｃは、現在の第二積算時間ＥＴ２に加算時間ＡＴを加算した値を新たな第二積算時間ＥＴ２とする。加算時間ＡＴは、本制御ルーチンの実行間隔に相当する時間とされる。ステップＳ４０５の後、本制御ルーチンは終了する。なお、ＮＯｘセンサ１０が未使用のときの第二積算時間ＥＴ２の初期値はゼロである。
【０１１２】
なお、第三実施形態においても、図１０に示したＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンが実行される。このとき、ステップＳ１０４において、濃度算出部８０ｅは、図１５の積算時間算出処理の制御ルーチンにおいて算出された第一積算時間ＥＴ１及び第二積算時間ＥＴ２に基づいて補正係数Ａを算出する。例えば、濃度算出部８０ｅは、図１６に示したようなマップを用いて補正係数Ａを算出する。
【０１１３】
このマップでは、補正係数Ａが第一積算時間ＥＴ１及び第二積算時間ＥＴ２の関数として示される。このマップでは、第一積算時間ＥＴ１が一定である場合、補正係数Ａは、第二積算時間ＥＴ２が長いほど大きくされている。また、第二積算時間ＥＴ２が一定である場合、補正係数Ａは、第一積算時間ＥＴ１が長いほど大きくされている。
【０１１４】
＜第四実施形態＞
第四実施形態に係るＮＯｘセンサは、以下に説明する点を除いて、基本的に第三実施形態に係るＮＯｘセンサの構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第三実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【０１１５】
高温時（９００℃以上）におけるポンプセル５２からのＡｕの蒸散量は、中間温度領域ＴＭにおけるポンプセル５２からのＡｕの蒸散量よりも多い。このため、ポンプセル５２の温度が所定時間だけ基準温度Ｔｒ以上であるときのセンサセル５１の出力低下は、ポンプセル５２の温度が上記所定時間だけ中間温度領域ＴＭ内にあるときのセンサセル５１の出力低下よりも大きい。
【０１１６】
そこで、第四実施形態では、濃度算出部８０ｅは、同一の第一積算時間及び第二積算時間に対して、第二積算時間に基づいて前記被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する程度が、第一積算時間に基づいて被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する程度よりも大きくなるように被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。言い換えれば、濃度算出部８０ｅは、第二積算時間の単位時間当たり被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する程度が、第一積算時間の単位時間当たり被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する程度よりも大きくなるように被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。
【０１１７】
このことによって、Ａｕの蒸散量に応じて、センサセル５１の出力から被測ガス中のＮＯｘ濃度が適切に算出される。この結果、センサセルの出力低下によるＮＯｘ濃度の検出精度の低下をより一層抑制することができる。
【０１１８】
例えば、第四実施形態では、図１０に示したＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンと、図１４に示した積算時間算出処理の制御ルーチンとが実行される。この場合、ステップＳ１０４において、濃度算出部８０ｅは、図１５の積算時間算出処理の制御ルーチンにおいて算出された第一積算時間ＥＴ１及び第二積算時間ＥＴ２に基づいて補正係数Ａを算出する。例えば、濃度算出部８０ｅは、図１６に示したようなマップを用いて補正係数Ａを算出する。このとき、補正係数Ａは、同一の第一積算時間ＥＴ１及び第二積算時間ＥＴ２に対して、第二積算時間ＥＴ２に基づいて補正係数Ａを高く算出する程度が、第一積算時間に基づいて補正係数Ａを高く算出する程度よりも大きくなるように算出される。
【０１１９】
また、第四実施形態では、以下に説明する方法によって被測ガス中のＮＯｘ濃度が算出されてもよい。時間算出部８０ｃは、正の数である第一係数を第一積算時間に乗じた値と、第一係数よりも大きい第二係数を第二積算時間に乗じた値との和を合計積算時間として算出する。また、濃度算出部８０ｅは、合計積算時間が相対的に長い場合には、合計積算時間が相対的に短い場合に比べて、センサセル５１の出力に対して被測ガス中のＮＯｘ濃度を高く算出する。言い換えれば、濃度算出部８０ｅは、合計積算時間が長くなるにつれて、センサセル５１の出力に対して被測ガス中のＮＯｘ濃度を段階的に（ステップ状に）又はリニアに高く算出する。
【０１２０】
＜積算時間算出処理＞
図１７は、本発明の第四実施形態における積算時間算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１７におけるステップＳ５０１〜ステップＳ５０５は、図１５におけるステップＳ４０１〜ステップＳ４０５と同様であることから説明を省略する。
【０１２１】
ステップＳ５０４の後、本制御ルーチンはステップＳ５０６に進む。ステップＳ５０６では、時間算出部８０ｃが合計積算時間ＥＴｓｕｍを更新する。具体的には、時間算出部８０ｃは、ステップＳ５０４において更新された第一積算時間ＥＴ１に第一係数αを乗じた値を現在の合計積算時間ＥＴｓｕｍに加算した値を新たな合計積算時間ＥＴｓｕｍとする。第一係数αは、正の数であり、例えば１である。ステップＳ５０６の後、本制御ルーチンは終了する。なお、ＮＯｘセンサ１０が未使用のときの合計積算時間ＥＴｓｕｍの初期値はゼロである。
【０１２２】
ステップＳ５０５の後、本制御ルーチンはステップＳ５０７に進む。ステップＳ５０７では、時間算出部８０ｃが合計積算時間ＥＴｓｕｍを更新する。具体的には、時間算出部８０ｃは、ステップＳ５０５において更新された第二積算時間ＥＴ２に第二係数βを乗じた値を現在の合計積算時間ＥＴｓｕｍに加算した値を新たな合計積算時間ＥＴｓｕｍとする。第二係数βは、第一係数αよりも大きな数であり、例えば１．５である。ステップＳ５０７の後、本制御ルーチンは終了する。
【０１２３】
なお、第三実施形態においても、図１０に示したＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンが実行される。このとき、ステップＳ１０４において、濃度算出部８０ｅは、図１７の積算時間算出処理の制御ルーチンにおいて算出された合計積算時間ＥＴｓｕｍに基づいて補正係数Ａを算出する。例えば、濃度算出部８０ｅは、図１８に示したようなマップを用いて補正係数Ａを算出する。このマップでは、補正係数Ａが合計積算時間ＥＴｓｕｍの関数として示される。なお、補正係数Ａは、図１８に破線で示したように、合計積算時間ＥＴｓｕｍが長くなるにつれて段階的（ステップ状）に大きくされてもよい。
【０１２４】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、図１４におけるステップＳ３０３及びステップＳ３０４が、図１５におけるステップＳ４０４又は図１７におけるステップＳ５０４の代わりに実行されてもよい。
【符号の説明】
【０１２５】
１    内燃機関
１０    ＮＯｘセンサ
１０ｂ    センサ素子
１１    第一固体電解質層
１２    第二固体電解質層
３０    被測ガス室
４１    第一電極
４２    第二電極
４３    第三電極
４４    第四電極
５１    センサセル
５２    ポンプセル
６０    第一電圧印加回路
６２    第一電流計
８０    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８０ａ    電圧制御部
８０ｂ    温度推定部
８０ｃ    時間算出部
８０ｄ    空燃比推定部
８０ｅ    濃度算出部
【図１】
0006447568.tif 000002
【図２】
0006447568.tif 000003
【図３】
0006447568.tif 000004
【図４】
0006447568.tif 000005
【図５】
0006447568.tif 000006
【図６】
0006447568.tif 000007
【図７】
0006447568.tif 000008
【図８】
0006447568.tif 000009
【図９】
0006447568.tif 000010
【図１０】
0006447568.tif 000011
【図１１】
0006447568.tif 000012
【図１２】
0006447568.tif 000013
【図１３】
0006447568.tif 000014
【図１４】
0006447568.tif 000015
【図１５】
0006447568.tif 000016
【図１６】
0006447568.tif 000017
【図１７】
0006447568.tif 000018
【図１８】
0006447568.tif 000019