(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加電圧（Ｖｐ）に応じて被検出ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（２４６）と、
前記ポンプセルにより酸素濃度が調整された後の前記被検出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するセンサセル（２４９）と、を有するガスセンサ（２４，３０）の動作を制御するための制御装置（４０）であって、
前記ポンプセルの前記印加電圧を切り替える印加電圧切替部（４１）と、
前記印加電圧切替部による前記印加電圧の切り替えに応じた前記センサセルの出力の過渡変化時の傾き（Ａ）、及び前記印加電圧の切り替えに伴う前記ポンプセルの出力変動量（ΔＩｐ）に基づいて、前記センサセルの劣化率（Ｃ）を算出する劣化率算出部（４２）と、を備え、
前記劣化率算出部は、前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きを、前記ポンプセルの出力変動量が増加するほど前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きが増加するという関係に基づいて前記ポンプセルの出力変動量で正規化し、正規化された傾きに基づいて前記センサセルの劣化率を算出する
ガスセンサの制御装置。
【請求項２】
前記劣化率算出部は、前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きを前記ポンプセルの出力変動量を用いて除することにより、前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きを正規化する
請求項１に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項３】
前記劣化率算出部は、前記正規化された傾き（Ｂ）と、正規化された初期値（Ｂ０）との比に基づいて、前記センサセルの劣化率を算出する、
請求項１又は２に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項４】
前記印加電圧切替部は、前記ポンプセルの前記印加電圧を所定値までステップ状に低減させる、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項５】
前記劣化率算出部は、前記印加電圧切替部による前記印加電圧の切り替え後、かつ、前記センサセルの出力が安定する前の所定期間内における任意の２つのタイミングにおける前記センサセルの出力（Ｉｓ１，Ｉｓ２）を始点（Ｐ１）及び終点（Ｐ２）として検出し、前記始点と前記終点を結ぶ線分の傾きを前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きとして算出する、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項６】
印加電圧（Ｖｐ）に応じて被検出ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（２４６）と、
前記ポンプセルにより酸素濃度が調整された後の前記被検出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するセンサセル（２４９）と、を有するガスセンサ（２４，３０）の動作を制御するための制御装置（４０）であって、
前記ポンプセルの前記印加電圧を切り替える印加電圧切替部（４１）と、
前記印加電圧切替部による前記印加電圧の切り替えに応じた前記センサセルの出力の過渡変化時の傾き（Ａ）、及び前記印加電圧の切り替えに伴う前記ポンプセルの出力変動量（ΔＩｐ）に基づいて、前記センサセルの劣化率（Ｃ）を算出する劣化率算出部（４２）と、を備え、
前記劣化率算出部は、前記印加電圧切替部による前記印加電圧の切り替え後、かつ、前記センサセルの出力が安定する前の所定期間内における任意の２つのタイミングにおける前記センサセルの出力（Ｉｓ１，Ｉｓ２）を始点（Ｐ１）及び終点（Ｐ２）として検出し、前記始点と前記終点を結ぶ線分の傾きを前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きとして算出する、
ガスセンサの制御装置。
【請求項７】
前記始点は、前記印加電圧の切り替えに応じて生じる前記ポンプセルの出力のテーリング最下点となるとき（Ｐ１１）、前記印加電圧の切り替えの後に第１の所定時間が経過したとき（Ｐ１２）、または、前記印加電圧の切り替えに応じて生じる前記センサセルの出力変動量の初期値の第１の所定パーセンテージまで到達したとき（Ｐ１３）、のいずれかの時点における前記センサセルの出力を含み、
前記終点は、前記印加電圧の切り替えの後に第２の所定時間が経過したとき（Ｐ２１）、または、前記初期値の第２の所定パーセンテージまで到達したとき（Ｐ２２）のいずれかの時点における前記センサセルの出力を含む、
請求項５又は６に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項８】
前記劣化率算出部は、前記始点を含む所定の始点期間及び前記終点を含む所定の終点期間においてそれぞれ複数の前記センサセルの出力を平均化処理することにより、前記始点及び前記終点を算出し、算出した前記始点及び前記終点を用いて前記傾きを算出する、
請求項５〜７のいずれか一項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項９】
前記印加電圧切替部は、前記印加電圧の切り替えを複数回実行し、
前記劣化率算出部は、前記印加電圧切替部による前記印加電圧の複数回の切り替えに応じた前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きを複数回算出し、前記複数回の傾きに基づいて前記センサセルの劣化率を算出する、
請求項１〜８のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１０】
前記劣化率算出部は、前記複数回の傾きの一部または全部を平均化処理した平均値に基づいて前記センサセルの劣化率を算出する、
請求項９に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１１】
前記ガスセンサは、内燃機関（２０）の排気系（ＥＳ）に設置され、前記内燃機関の排出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するよう構成され、
前記排出ガスの量が安定している前記内燃機関の所定の運転環境下において、前記印加電圧切替部が前記印加電圧の切り替えを行い、前記劣化率算出部が前記劣化率の算出を行う、
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１２】
前記所定の運転環境は、イグニションオフ時を含む、
請求項１１に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１３】
前記所定の運転環境は、前記内燃機関の停止時を含み、
前記印加電圧切替部は、前記内燃機関の停止時において、前記印加電圧の前記ポンプセルへの印加を停止させることにより、前記印加電圧の切り替えを行う、
請求項１１または１２に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１４】
前記内燃機関が前記所定の運転環境を継続して満たす単一区間において、
前記印加電圧切替部は、前記印加電圧の切り替えを複数回実行し、
前記劣化率算出部は、前記印加電圧切替部による前記印加電圧の複数回の切り替えに応じた前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きを複数回算出し、前記複数回の傾きに基づいて前記センサセルの前記劣化率を算出する、
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１５】
前記劣化率算出部は、前記印加電圧切替部による前記印加電圧の切り替えに応じた前記センサセルの出力の過渡変化時の傾きを算出し、前記算出した傾きと、過去に同一の運転環境下において算出した前記傾きの過去値と、に基づいて前記センサセルの劣化率を算出する、
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１６】
前記ガスセンサが、
前記ポンプセルにより調整された前記酸素濃度を検出するモニタセル（２４８）を有する、
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１７】
前記ガスセンサが、
前記被検出ガスが導入される測定室（２４２）を有し、
前記ポンプセル及び前記センサセルが前記測定室に設けられる、
請求項１〜１６のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１８】
前記劣化率算出部により算出された前記劣化率に基づき、前記センサセルの出力の補正量を学習する出力補正部（４３）を備える、
請求項１〜１７のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。
【請求項１９】
前記劣化率算出部により算出された前記劣化率に基づき、エミッション悪化を判断する異常判断部（１１）を備える、
請求項１〜１８のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置（１０，４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排出ガスなどの被検出ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。ＮＯｘセンサは、例えば特許文献１に記載されるように、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルからなる３セル構造を有し、ポンプセルではセンサ室内に導入した排気ガス中の酸素の排出又は汲み出しが行われる。またモニタセルではポンプセル通過後のセンサ室内の残留酸素濃度が検出され、センサセルではポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度が検出される。
【０００３】
ＮＯｘセンサが劣化すると正確なＮＯｘ濃度が検出できなくなり、その結果、ＮＯｘセンサが自動車の排気系に設置される場合には排気エミッションが悪化するなどの不具合が生じる虞がある。そこで、従来より、ＮＯｘセンサの劣化診断手法が提案されており、例えば特許文献１には、ポンプセルへの印加電圧を強制的に切り替えて、このときのセンサセル出力の変化量に基づいてＮＯｘセンサの劣化を診断する手法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７５０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載される従来の劣化診断手法では、ポンプセルの印加電圧をステップ状に変動させた後、センサセル出力の変化量を検出するために、印加電圧の変動に応じてセンサセル出力に生じる過渡応答が収束するまで診断を待つ必要があるなど、ガスセンサの劣化診断を適切に行う点でさらなる改善の余地がある。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ出力の劣化診断を適切に行うことができるガスセンサの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るガスセンサの制御装置は、印加電圧（Ｖｐ）に応じて被検出ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（２４６）と、前記ポンプセルにより酸素濃度が調整された後の前記被検出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するセンサセル（２４９）と、を有するガスセンサ（２４，３０）の動作を制御するための制御装置（４０）であって、前記ポンプセルの前記印加電圧を切り替える印加電圧切替部（４１）と、前記印加電圧切替部による前記印加電圧の切り替えに応じた前記センサセルの出力の過渡変化時の傾き（Ａ）、及び前記印加電圧の切り替えに伴う前記ポンプセルの出力変動量（ΔＩｐ）に基づいて、前記センサセルの劣化率（Ｃ）を算出する劣化率算出部（４２）と、を備える。劣化率算出部は、センサセルの出力の過渡変化時の傾きを、ポンプセルの出力変動量が増加するほどセンサセルの出力の過渡変化時の傾きが増加するという関係に基づいて正規化し、正規化された傾きに基づいてセンサセルの劣化率を算出する。
また、上記課題を解決するために、本発明に係る他のガスセンサの制御装置は、印加電圧（Ｖｐ）に応じて被検出ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（２４６）と、前記ポンプセルにより酸素濃度が調整された後の前記被検出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するセンサセル（２４９）と、を有するガスセンサ（２４，３０）の動作を制御するための制御装置（４０）であって、前記ポンプセルの前記印加電圧を切り替える印加電圧切替部（４１）と、前記印加電圧切替部による前記印加電圧の切り替えに応じた前記センサセルの出力の過渡変化時の傾き（Ａ）、及び前記印加電圧の切り替えに伴う前記ポンプセルの出力変動量（ΔＩｐ）に基づいて、前記センサセルの劣化率（Ｃ）を算出する劣化率算出部（４２）と、を備える。劣化率算出部は、印加電圧切替部による印加電圧の切り替え後、かつ、センサセルの出力が安定する前の所定期間内における任意の２つのタイミングにおけるセンサセルの出力（Ｉｓ１，Ｉｓ２）を始点（Ｐ１）及び終点（Ｐ２）として検出し、始点と終点を結ぶ線分の傾きをセンサセルの出力の過渡変化時の傾きとして算出する。
【０００８】
本発明では、ポンプセルの印加電圧の切り替えに応じたセンサセル出力の過渡応答特性のうち過渡変化時の傾きＡを利用することにより、過渡応答特性の変化に基づく劣化度合いの把握が可能となり、センサセルの劣化率を精度良く算出できる。また、過渡変化時の傾きに基づき劣化率を求めるため、過渡応答が定常値に安定する前に検出できるので、劣化判断に要する時間が短く、迅速に劣化診断を行うことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、センサ出力の劣化診断を適切に行うことができるガスセンサの制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るガスセンサの制御装置が適用されるエンジン排気系を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示されたＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。
【図４】図４は、ＮＯｘセンサの劣化に伴うセンサセル出力の過渡特性の変化を説明するための図である。
【図５】図５は、本実施形態に係るＳＣＵ及びＥＣＵの機能ブロック図である。
【図６】図６は、本実施形態において実施される劣化検出機能のフローチャートである。
【図７】図７は、劣化率算出部が使用する始点及び終点を示す図である。
【図８】図８は、反応速度比と特性劣化率との関係を示す図である。
【図９】図９は、センサセル出力とＮＯｘ濃度との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施形態において実施される学習機能のフローチャートである。
【図１１】図１１は、実施形態の変形例において平均化処理により始点及び終点を算出する処理を説明するための図である。
【図１２】図１２は、実施形態の変形例において、複数回の過渡応答時の傾きを算出する処理を説明するための図である。
【図１３】図１３は、実施形態の変形例において、平均化処理により反応速度比を算出する処理を説明するための図である。
【図１４】図１４は、実施形態の変形例において、複数の測定室を備えるＮＯｘセンサの構成の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１２】
［実施形態］
図１〜図９を参照して本発明に係るガスセンサの劣化診断装置の一実施形態について説明する。本実施形態では、内燃機関（エンジン）の排出ガス（被検出ガス）中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサの一例として、排出ガス中のＮＯｘ濃度を計測するＮＯｘセンサ２４，３０を挙げて説明する。
【００１３】
図１に示されるように、エンジン排気系ＥＳには、ＳＣＵ（Ｓｅｎｓｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）４０が設けられている。ＳＣＵ４０は、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１０とＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス５０を介して繋がっており、ＥＣＵ１０と情報通信を行っている。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０及びそれに繋がるエンジン排気系ＥＳを制御する装置である。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０の挙動を制御する機能を有している。ＥＣＵ１０は、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて燃料噴射弁の開度を調整する。ＳＣＵ４０は、限界電流式のＮＯｘセンサ２４，３０を用い、エンジン排気系ＥＳを流れる内燃機関の排出ガス中の酸素（Ｏ２）濃度を検出すると共に、特定ガス成分の濃度としてのＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出する。
【００１４】
エンジン排気系ＥＳには、ディーゼルエンジン２０側から順に、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒コンバータ２８と、が設けられている。ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）２２１と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）２２２と、を有している。
【００１５】
ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、排出ガスに含まれる有害物質を酸化又は還元により浄化するものであって、特に炭素などからなる粒子状物質（ＰＭ）を捕集する装置である。
【００１６】
ディーゼル酸化触媒２２１は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物、並びに白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属触媒で構成されている。ディーゼル酸化触媒２２１は、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化させ浄化する。また、ディーゼル酸化触媒２２１は、触媒反応の際に発生する熱により排出ガス温度を上昇させる。
【００１７】
ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持され、ハニカム構造体で形成される。ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、排出ガス中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させる。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒２２１における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。
【００１８】
ＳＣＲ触媒コンバータ２８は、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２の後処理装置としてＮＯｘを窒素と水に還元する装置であって、選択還元型の触媒であるＳＣＲ２８１を有する。ＳＣＲ２８１は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持した触媒が例示できる。ＳＣＲ２８１は、触媒温度が活性温度域にあり、さらに、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化するものである。尿素添加のため、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の上流側には、尿素添加インジェクタ２６が設けられている。
【００１９】
本実施形態では、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間にＮＯｘセンサ２４が、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側にＮＯｘセンサ３０がそれぞれ配置されている。
【００２０】
ＮＯｘセンサ２４で検出されるＮＯｘ濃度と、ＮＯｘセンサ３０で検出されるＮＯｘ濃度とに基づき尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ触媒コンバータ２８に対して添加される尿素の量が決定される。より具体的には、ＮＯｘセンサ２４においてＳＣＲ触媒コンバータ２８通過前の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度に基づいて添加する尿素の量が決定される。また、ＮＯｘセンサ３０においてＳＣＲ触媒コンバータ２８を通過した後の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度が極力小さい値となるようにフィードバックし、添加する尿素の量を補正する。このように決定された量の尿素が、尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ２８１に対して添加されることで、ＳＣＲ２８１において排出ガス中のＮＯｘが適正に還元される。このように、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物は、ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０を通過した後、テールパイプ（不図示）から外部に排出される。
【００２１】
ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０が出力する電流は、ＳＣＵ４０が検出している。ＳＣＵ４０は、ＮＯｘセンサ２４，３０から検出した電流値からＮＯｘ濃度の算出や上記の尿素添加インジェクタ２６の制御などを行い、必要なデータをＥＣＵ１０に送信している。ＥＣＵ１０及びＳＣＵ４０は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス５０に繋がっており、ＣＡＮバス５０を介して情報通信を行っている。
【００２２】
ＳＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポート、及び記憶装置を含むものである。ＮＯｘセンサ２４とＮＯｘセンサ３０とは同一の構成であるため、ＮＯｘセンサ２４を例にとってその構成を説明し、併せてＳＣＵ４０の構成についても説明する。
【００２３】
図２及び図３に示されるように、ＮＯｘセンサ２４は、第１本体部２４１ａと、第２本体部２４１ｂと、固体電解質体２４４と、拡散抵抗体２４５と、ポンプ電極２５１と、ヒータ２４７と、センサ電極２５２と、モニタ電極２５３と、共通電極２５０と、を備えている。
【００２４】
ポンプ電極２５１と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、排気ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル２４６が形成されている。モニタ電極２５３と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、モニタ電極２５３と共通電極２５０との間に流れる酸素イオン電流に基づいて測定室２４２における酸素濃度を検出するモニタセル２４８が形成されている。センサ電極２５２と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、センサ電極２５２と共通電極２５０との間に流れる酸素イオン電流に基づいて測定室２４２における所定のガス成分の濃度（ＮＯｘ濃度）を検出するためのセンサセル２４９が形成されている。
【００２５】
固体電解質体２４４は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質材料によって構成されている。第１本体部２４１ａと第２本体部２４１ｂとは、固体電解質体２４４を挟んで配置されている。第１本体部２４１ａには、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されており、その凹部は測定室２４２（ガス室）として機能している。測定室２４２の一側面は開放されており、その開放された一側面に拡散抵抗体２４５が配置されている。拡散抵抗体２４５は、多孔質材料又は細孔が形成された材料からなっている。拡散抵抗体２４５の作用により、測定室２４２内に引き込まれる排出ガスの速度が律せされる。測定室２４２は、固体電解質体２４４の第１主面２４４ａの側に形成されて排出ガスが導入される。
【００２６】
第２本体部２４１ｂにも、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されており、その凹部は大気室２４３（基準ガス室）として機能している。大気室２４３の一側面は開放されている。固体電解質体２４４側から大気室２４３内に引き込まれる気体は大気に放出される。大気室２４３は、固体電解質体２４４の第２主面２４４ｂの側に形成されて基準ガスが導入される。
【００２７】
固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面（第１主面２４４ａ）であって、拡散抵抗体２４５側には陰極側となるポンプ電極２５１が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面（第２主面２４４ｂ）であって、ポンプセル２４６と対応する位置に陽極側となる共通電極２５０が設けられている。共通電極２５０は、センサ電極２５２及びモニタ電極２５３と対応する領域までカバーするように設けられている。
【００２８】
ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、測定室２４２内の排出ガス中に含まれる酸素が陰極側のポンプ電極２５１に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。
【００２９】
なお、ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に印加する電圧が高いほど、ポンプセル２４６によって排出ガス中から排出される酸素の量は多くなる。逆にポンプセル２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧が低いほど、ポンプセル２４６によって排出ガス中から排出される酸素の量は減る。従って、ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に印加する電圧を増減することで、後段のセンサセル２４９及びモニタセル２４８に流れる排出ガス中の残留酸素の量を増減させることができる。本実施形態では、ポンプセル２４６に印加される電圧をポンプセル印加電圧Ｖｐとも表記する。また、印加電圧Ｖｐに応じて出力される電流をポンプセル出力電流Ｉｐとも表記する。
【００３０】
固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２５１を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側（ポンプ電極２５１よりもガスの流れ方向の下流側）には陰極側となるモニタ電極２５３が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、モニタ電極２５３と対応する位置に陽極側となる共通電極２５０が設けられている。
【００３１】
モニタセル２４８は、ポンプセル２４６によって酸素が排出された排出ガス中に残留する酸素濃度を検出する。モニタ電極２５３と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、ポンプセル２４６によって酸素が排出された排出ガス中に含まれる残留酸素が陰極側のモニタ電極２５３セル２４９に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、ＳＣＵ４０電流Ｉｍとして検出され、この電流Ｉｍに基づいて、排出ガス中の残留酸素濃度を算出し得る。
【００３２】
固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２５１を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側（ポンプ電極２５１よりもガスの流れ方向の下流側）には陰極側となるセンサ電極２５２が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、センサ電極２５２と対応する位置に陽極側となる共通電極２５０が設けられている。セ
【００３３】
センサ電極２５２は、Ｐｔ−Ｒｈ合金（白金−ロジウム合金）からなり、ＮＯｘに対して強い還元性を有している。センサ電極２５２に接触したＮＯｘは、Ｎ2とＯ2とに還元分解される。センサ電極２５２と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、分解されたＯ2は、陰極側のセンサ電極２５２から電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、ＳＣＵ４０により電流Ｉｓとして検出され、この電流Ｉｓに基づいて、排出ガス中のＮＯｘの濃度及び残留酸素濃度を算出し得る。センサ電極２５２及び共通電極２５０からなるセンサセル２４９は、ポンプセル２４６によって酸素が排出された排出ガス中のＮＯｘ濃度または残留酸素濃度を検出する。なお、排出ガス中のＮＯｘ濃度や酸素濃度に応じてセンサセル２４９から出力される電流をセンサセル出力電流Ｉｓとも表記する。
【００３４】
ここで、センサセル２４９は、経年劣化等の影響によって、排出ガス中の計測対象ガスの濃度が同一であっても、その出力であるセンサセル出力電流Ｉｓが変化する傾向がある。この傾向について図４を参照して説明する。図４には、（ａ）ポンプセル印加電圧Ｖｐ、（ｂ）ポンプセル出力電流Ｉｐ、（ｃ）センサセル出力電流Ｉｓの時間推移が模式的に示されている。図４では、時刻ｔ０においてポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ０からＶｐ１にステップ状に低減され、これによりポンプセル出力電流ＩｐがＩｐ０からＩｐ１へステップ状に低減すると共に、ポンプセル２４６を通過した排出ガスの残留酸素濃度が増大される。その後、センサセル２４９では、排出ガス中の残留酸素濃度の増大に応じて、センサセル出力電流Ｉｓが過渡応答を経て定常値まで増大する。
【００３５】
図４（ｃ）には、ポンプセル印加電圧Ｖｐのステップ状の低減に応じたセンサセル出力電流Ｉｓの過渡応答特性が、ＮＯｘセンサ製造時の特性（初期特性）と、ＮＯｘセンサ劣化時の特性（劣化後特性）の２種類で示されている。図４（ｃ）に示すように、センサセルに供給される排出ガスが同一の酸素濃度である場合でも、センサセル出力電流Ｉｓの初期特性と劣化時特性に差異が生じる。より詳細には、第一に、劣化時特性の定常値は初期特性の定常値より低減する傾向がある。第二に、劣化時特性の立ち上がりは初期特性のものより遅くなる傾向がある。例えば、過渡変化中の任意の時刻ｔ１，ｔ２の間の特性の傾きをみると、劣化時特性の傾きＡは、初期特性の傾きＡ０より緩くなる。これらの傾向は、センサセルの劣化が進むほど顕著になる。
【００３６】
そこで本実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置では、このようなセンサセル２４９の出力特性を利用して、ポンプセル印加電圧Ｖｐを意図的にステップ状に低減させたときのセンサセル出力電流Ｉｓの過渡変化時の傾きに基づいて、ＮＯｘセンサの劣化量（センサセル２４９の劣化率）を推定する劣化検出機能を実施する。また、本実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置では、劣化検出機能の検出結果に基づきエミッション悪化による異常を判断する異常判断機能を実施することができる。これらの機能は、すべてをＳＣＵ４０が実施する構成でもよいし、ＥＣＵ１０が実施する構成でもよいが、劣化検出機能をＳＣＵ４０が実施し、異常判断機能をＥＣＵ１０が実施する構成がより好ましい。本実施形態では、このようにＥＣＵ１０とＳＣＵ４０とを併用する構成を例示して説明する。なお、エミッションとは、ＮＯｘセンサが検出するＮＯｘだけではなく、ＨＣやＣＯ等も含む。
【００３７】
劣化検出機能をＳＣＵ４０が実施し、異常判断機能をＥＣＵ１０が実施する構成が好ましい理由は以下のとおりである。劣化検出機能は、ポンプセル２４６の印加電圧Ｖｐをステップ状に下げるのに応じて変動するセンサセル２４９の出力を監視すればよいので、ＳＣＵ４０単体で行うことができる。ただし、エンジン排ガスのＮＯｘが変動する状況下で劣化検出機能を実施する場合、センサセル２４９自体が排ガスの影響を受けて出力が変動するために、センサセル２４９の反応量は、ポンプセル印加電圧Ｖｐの低下に伴って反応したＯ２によるものなのか、そもそもの排ガスのＮＯｘに反応したものかの判断がし難い場合がある。また、エミッション悪化の判断は、ＮＯｘセンサの劣化度合いだけでなく、エンジンの運転状態や他のセンサにより検出された各種情報などを総合的に考慮することが好ましい。したがって、ＥＣＵ１０が異常判断機能を実施するのが好ましい。
【００３８】
また、本実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置は、劣化検出機能の検出結果に基づきセンサ出力の補正量を学習する学習機能も実施できる。本実施形態では、ＳＣＵ４０がこの学習機能を実施する。
【００３９】
ＳＣＵ４０は、上記の劣化検出機能を実施するための機能ブロックとして、図５に示すように印加電圧切替部４１と、劣化率算出部４２と、を備える。また、ＳＣＵ４０は、上記の学習機能を実施するための機能ブロックとして出力補正部４３を備える。ＥＣＵ１０は、上記の異常判断機能を実施するための機能ブロックとして、図５に示すように異常判断部１１を備えている。
【００４０】
印加電圧切替部４１は、ポンプセル２４６へ印加するポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える要素である。本実施形態では、印加電圧切替部４１は、劣化検出機能の実施時に、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ１からＶｐ０までステップ状に低減させる。
【００４１】
劣化率算出部４２は、印加電圧切替部４１によるポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じたセンサセル２４９の出力の過渡変化時の傾きに基づいて、センサセル２４９の劣化率を算出する。
【００４２】
出力補正部４３は、センサセル出力電流Ｉｓを補正してセンサセル出力を生成する要素であって、劣化率算出部４２により算出された劣化率に基づき、センサセル出力の補正量を学習する。
【００４３】
異常判断部１１は、ＳＣＵ４０の劣化率算出部４２により算出されたセンサセル２４９劣化率に基づき、エンジン排気系ＥＳのエミッション悪化を判断する。異常判断部１１は、好ましくは、センサセル２４９の劣化率の他に、ＮＯｘセンサ２４，３０の出力、他のセンサ類からＥＣＵ１０が取得する各種センサ情報、エンジンの運転状態等を総合的に考慮することにより、エミッション悪化の有無を精度良く判断することができる。
【００４４】
本実施形態に係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ２４，３０）の制御装置は、主にＳＣＵ４０の劣化検出機能（印加電圧切替部４１、劣化率算出部４２）を備えて構成され、さらに、ＳＣＵ４０の学習機能（出力補正部４３）またはＥＣＵ１０の異常判断機能（異常判断部１１）を備えることもできる。
【００４５】
次に、図６のフローチャートを参照して上記の劣化検出機能の動作について説明する。図６のフローチャートは、ＳＣＵ４０により例えば所定周期ごとに実施される。
【００４６】
ステップＳ１０１では、印加電圧切替部４１により、劣化検出機能の実施条件が成立しているか否かが判定される。本ステップの実施条件とは、ＳＣＵ４０の劣化検出機能を実施可能な状態を示す条件であり、具体的には、ＳＣＵ４０が、劣化検出機能を実施可能な状態に設定する旨の指令をＥＣＵ１０から受信していることを条件として設定することができる。ＥＣＵ１０は、例えば、排出ガスの量が比較的安定しているエンジン２０の所定の運転環境下のときにこの指令をＳＣＵ４０に送信できる。所定の運転環境下とは、例えば、フューエルカット運転中、イグニションオフ（ＩＧ／ＯＦＦ）状態、またはソークタイマ作動中を上げることができる。特にイグニションオフのときを実施条件とすることが望ましい。イグニションオフ時には、エンジンが停止しておりエンジン排気系ＥＳにおいて排出ガスの流れが無くなるため、ガス環境が安定しており劣化検出機能を安定して行うことが可能となるからである。ステップＳ１０１の判定の結果、劣化検出機能の実施条件が成立している場合には（ステップＳ１０１のＹｅｓ）ステップＳ１０２に進み、劣化検出機能の実施条件が成立していない場合には（ステップＳ１０１のＮｏ）本制御フローを終了する。
【００４７】
ステップＳ１０２では、劣化率算出部４２により、ポンプセル出力電流Ｉｐ０が検出される。本ステップで検出される電流は、ポンプセル印加電圧の変更前の電流である。ステップＳ１０２の処理が完了するとステップＳ１０３に進む。
【００４８】
ステップＳ１０３では、印加電圧切替部４１により、ポンプセル印加電圧がＶｐ０からＶｐ１へステップ状に低減させる制御が行われる。図４（ａ）のタイムチャートでは時刻ｔ０においてこの制御が行われる。なお、本ステップにおいてポンプセル印加電圧Ｖｐを低減させる際の電圧変化の波形は、後述する初期値Ｂ０（ステップＳ１０８参照）を計測したときのものと同一となるように、所定の波形が用いられることが好ましい。この電圧変化の所定波形としては、例えば図４（ａ）に示すようなステップ波形など、任意のものを用いることができる。ステップＳ１０３の処理が完了するとステップＳ１０４に進む。
【００４９】
ステップＳ１０４では、センサセル出力電流の始点Ｐ１及び終点Ｐ２検出される。始点Ｐ１及び終点Ｐ２は、ステップＳ１０３にて行われた印加電圧切替部４１によるポンプセル印加電圧の切り替えに応じた過渡応答中の任意の２つのタイミングにおけるセンサセル出力である。始点Ｐ１は、過渡応答中の時刻ｔ１におけるセンサセル出力電流Ｉｓ１を示し、終点Ｐ２は、過渡応答中の時刻ｔ２におけるセンサセル出力電流Ｉｓ２を示す。始点Ｐ１の時刻ｔ１は、終点Ｐ２の時刻ｔ２より早い。
【００５０】
ここで、始点Ｐ１及び終点Ｐ２を設定できる範囲は、印加電圧切替部４１によるポンプセル印加電圧の切り替え後、かつ、センサセル２４９の出力が安定する前の所定期間内である。
【００５１】
図７に示すように、始点Ｐ１の検出タイミングは、例えば以下の３点から選択できる。
（１）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるポンプセル出力電流Ｉｐのテーリング最下点ＰＬとなるとき（図７中の点Ｐ１１）
（２）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えの後に所定時間Ｅ１（第１の所定時間）が経過したとき（図７中の点Ｐ１２）
（３）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル出力変動量の初期値の５％まで到達したとき（図７中の点Ｐ１３）
ここで、「センサセル２４９の出力変動量の初期値」とは、ＮＯｘセンサ２４，３０の製造時において今回と同様のポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え（Ｖｐ０→Ｖｐ１へ低減）を行ったときの、センサセル２４９の出力の切り替え前の基準値（図７の線Ｌ０）と切り替え後の定常値との偏差である。「初期値の５％まで到達したとき」とは、図７に示すように、出力変動量の初期値の５％分だけ基準値から上積みした値（図７の線Ｌ１）までセンサセル出力電流Ｉｓが到達したとき、である。なお、「５％」とは、単なる一例であって、少なくとも下記（５）にて設定されるものより小さいパーセンテージであればよく、５％以外の任意の割合（第１の所定パーセンテージ）を設定することができる。
【００５２】
また、図７に示すように、終点Ｐ２の検出タイミングは、例えば以下の２点から選択できる。
（４）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えの後に所定時間Ｅ２（第２の所定時間）が経過したとき（図７中の点Ｐ２１）
（５）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル出力変動量の初期値の９５％まで到達したとき（図７中の点Ｐ２２）
ここで、「初期値の９５％まで到達したとき」とは、図７に示すように、出力変動量の初期値の９５％分だけ基準値から上積みした値（図７の線Ｌ２）までセンサセル出力電流Ｉｓが到達したとき、である。なお、「９５％」とは、単なる一例であって、少なくとも上記（３）にて設定されるものより大きいパーセンテージであればよく、９５％以外の任意の割合（第２の所定パーセンテージ）を設定することができる。
【００５３】
なお、劣化診断の早期処理を考慮すると、始点Ｐ１及び終点Ｐ２は共に可能な限り早く設定するのが好ましく、図７を参照して説明した上記の具体例（１）〜（５）のなかでは、始点Ｐ１を上記（１）に設定し、終点Ｐ２を上記（４）に設定するのが最も好ましい。ステップＳ１０４の処理が完了するとステップＳ１０５に進む。
【００５４】
ステップＳ１０５では、劣化率算出部４２により、ポンプセル出力電流Ｉｐ１が検出される。本ステップで検出される電流は、ポンプセル印加電圧の変更後の電流である。ステップＳ１０５の処理が完了するとステップＳ１０６に進む。
【００５５】
ステップＳ１０６では、劣化率算出部４２により、ステップＳ１０４にて検出した始点Ｐ１及び終点Ｐ２を用いて、センサセル２４９の出力の過渡変化時の傾きＡが算出される。傾きＡは、例えば下記の（１）式により算出される。
【数１】
0006776533.tif 000002
ここで、ΔＩｓは、始点Ｐ１のセンサセル出力電流Ｉｓ１と、終点Ｐ２のセンサセル出力電流Ｉｓ２との偏差である。Δｔは、始点Ｐ１の時刻ｔ１と終点Ｐ２の時刻ｔ２との偏差である。なお、図４に示す初期特性における傾きＡ０も、上記（１）式を用いて算出できる。ステップＳ１０６の処理が完了するとステップＳ１０７に進む。
【００５６】
ステップＳ１０７では、劣化率算出部４２により、ステップＳ１０６にて算出された傾きＡが正規化される。劣化率算出部４２は、下記（２）式に示すように、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴うポンプセル出力電流Ｉｐの変動量を用いて、ステップＳ１０６にて算出された傾きＡを除すことにより正規化し、正規化された傾きＢを算出する。
【数２】
0006776533.tif 000003
ここで、ΔＩｐは、ステップＳ１０２にて検出されたポンプセル印加電圧の変更前のポンプセル出力電流Ｉｐ０と、ステップＳ１０５にて検出されたポンプセル印加電圧の変更後のポンプセル出力電流Ｉｐ１との偏差である。ステップＳ１０７の処理が完了するとステップＳ１０８に進む。
【００５７】
ステップＳ１０８では、劣化率算出部４２により、ステップＳ１０７にて正規化された傾きＢと、初期値Ｂ０との比に基づいて、センサセル２４９の劣化率Ｃが算出される。ここで、初期値Ｂ０は、ＮＯｘセンサ２４，３０の製造時（すなわち、センサセル２４９が図４（ｃ）に示す初期特性を示す状態）において、今回と同様のポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え（Ｖｐ０→Ｖｐ１へ低減）を行い、上記（１）式、（２）式を用いて算出された正規化された傾きの初期値である。また、正規化された傾きＢと、初期値Ｂ０との比Ｂ／Ｂ０は、図４（ｃ）に示す劣化後特性及び初期特性における過渡応答速度の比率を意味するものである。比Ｂ／Ｂ０は、センサセル２４９に導入された酸素に対する「反応速度比」と表すことができる。
【００５８】
この反応速度比Ｂ／Ｂ０は、図８に示すように、センサセル２４９の出力特性の劣化率Ｃ［％］と相関関係にある。より詳細には、反応速度比Ｂ／Ｂ０が大きくなるほど、すなわちセンサセル２４９の劣化後特性と初期特性との間の差異が少なくなるほど、劣化率Ｃは小さくなり、センサセル２４９の劣化度合いが小さくなる。一方、反応速度比Ｂ／Ｂ０が小さくなるほど、すなわちセンサセル２４９の劣化後特性と初期特性との間の差異が大きくなるほど、劣化率Ｃは大きくなり、センサセル２４９の劣化度合いが大きくなる。したがって、劣化率算出部４２は、反応速度比Ｂ／Ｂ０を用いて劣化率Ｃを算出することができる。劣化率算出部４２は、算出した劣化率Ｃの情報を、出力補正部４３と、ＥＣＵ１０の異常判断部１１に出力する。ステップＳ１０８の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【００５９】
次に、図９及び図１０を参照して上記の学習機能の動作について説明する。上述したように、ＮＯｘセンサ２４，３０のセンサセル２４９は、経年劣化等の影響によって、排出ガス中のＮＯｘ濃度が同一であっても、その出力であるセンサセル出力電流Ｉｓが変化する傾向がある。この傾向について図９に示す。図９の横軸は、センサセル２４９に導入された排出ガス中のＮＯｘ濃度を示し、図９の縦軸は、このＮＯｘ濃度に応じてセンサセル２４９が出力するセンサセル出力電流Ｉｓを示す。また、図９には、ＮＯｘセンサ製造時におけるＮＯｘ濃度とセンサセル出力との間の特性（初期特性）と、センサセル２４９の劣化率がＣ［％］の場合の特性（現特性）との２種類の特性が図示されている。
【００６０】
図９に示すように、ＮＯｘ濃度とセンサセル出力との特性は、初期特性の傾きα０が最も大きく、現特性の傾きα１は劣化率Ｃに応じて減少する傾向がある。現特性の傾きα１は、劣化率Ｃと初期特性の傾きα０を用いて下記の（３）式で表すことができる。
【数３】
0006776533.tif 000004
【００６１】
本実施形態の学習機能では、このような劣化率Ｃと特性の傾きα１との関係を利用して、現特性を初期特性に戻す方向にセンサセル出力を補正する。言い換えると、劣化検出機能にて算出した劣化率Ｃを用いて、センサセルの出力の補正量（後述する補正係数ｋ）を学習する。
【００６２】
図１０のフローチャートに沿って学習機能の動作の手順を説明する。図１０のフローチャートは、ＳＣＵ４０の出力補正部４３により例えば所定周期ごとに実施される。
【００６３】
ステップＳ２０１では、劣化率算出部４２により算出されたセンサセル２４９の劣化率Ｃの情報が取得される。ステップＳ２０１の処理が完了するとステップＳ２０２に進む。
【００６４】
ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１にて取得した劣化率Ｃを用いて補正係数ｋが算出される。補正係数ｋは、図９に示した現特性を初期特性に戻すために現在のセンサセルの劣化率Ｃに応じて適宜調整される、センサ出力電流Ｉｓの補正量である。補正係数ｋは、図９に示す現特性の傾きα１と、初期特性の傾きα０との比に基づき調整され、傾きα１が傾きα０に対して相対的に小さくなるほど大きくなるように設定される。補正係数ｋは、このようなα１とα０との関係と、上記（３）式に基づき、例えば下記の（４）式で算出できる。
【数４】
0006776533.tif 000005
ステップＳ２０２の処理が完了するとステップＳ２０３に進む。
【００６５】
ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２にて算出された補正係数ｋを用いてセンサセル出力が補正される。出力補正部４３は、例えば下記の（５）式に示す補正式を用いてセンサセル出力の補正を行う。
【数５】
0006776533.tif 000006
ここで、Ｄは、補正後のセンサセル出力を示し、図９の初期特性と同等のＮＯｘ濃度との対応関係をもつ。α０は、図９の初期特性の傾きを示し、予めＳＣＵ４０が記憶している固定値である。Ｉｓは、現特性のセンサセル２４９から検出されたセンサセル出力電流を示し、Ｉｍは、モニタセル２４８から検出されたモニタセル出力電流を示す。ＳＣＵ４０は、出力補正部４３により算出された補正後のセンサセル出力Ｄを用いてＮＯｘ濃度を算出することにより、センサセルの劣化度合いの影響を受けずに精度良くＮＯｘ濃度を検出することができる。ステップＳ２０３の処理が完了すると本制御フローを終了する。
【００６６】
次に、本実施形態に係るＮＯｘセンサ２４，３０の制御装置の効果について説明する。
【００６７】
本実施形態に係るＮＯｘセンサ２４，３０の制御装置としてのＳＣＵ４０は、印加電圧Ｖｐに応じてエンジンの排出ガスの酸素濃度を調整するポンプセル２４６と、ポンプセル２４６により酸素濃度が調整された後の排出ガスからＮＯｘ濃度を検出するセンサセル２４９と、を有するＮＯｘセンサ２４，３０の動作を制御するための制御装置として機能する。ＳＣＵ４０は、劣化検出機能の実施の際に、ポンプセル２４６の印加電圧Ｖｐを切り替える印加電圧切替部４１と、印加電圧切替部４１による印加電圧Ｖｐの切り替えに応じたセンサセル２４９の出力の過渡変化時の傾きＡに基づいて、センサセル２４９の劣化率Ｃを算出する劣化率算出部４２と、を備える。
【００６８】
この構成により、センサセル２４９の劣化を応答性としてみることができる。言い換えると、図４を参照して説明したように、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じたセンサセル２４９の出力の過渡応答特性は、センサセル２４９の劣化度合いに応じて変化する傾向がある。本実施形態では、この過渡応答特性のうち過渡変化時の傾きＡを利用することにより、過渡応答特性の変化に基づく劣化度合いの把握が可能となり、センサセル２４９の劣化率Ｃを精度良く算出できる。また、過渡変化時の傾きＡに基づき劣化率を求めるため、過渡応答が定常値に安定する前に検出できるので、劣化判断に要する時間が短く、迅速に劣化診断を行うことができる。以上より、本実施形態は上記構成によりセンサ出力の劣化診断を適切に行うことができる。
【００６９】
また、本実施形態において、印加電圧切替部４１は、劣化検出機能の実施の際に、ポンプセル２４６の印加電圧Ｖｐを通常使用時のＶｐ０から所定値Ｖｐ１までステップ状に低減させる。この構成により、劣化検出機能の実施によるポンプセル２４６への負荷がなく、ポンプセル２４６の素子損傷（ブラックニング）や電極劣化の懸念が無いため、常に最適な劣化診断が可能となる。なお、「ブラックニング」とは、具体的には、固体電界質であるＺｒＯ2の酸素イオンが電界によって抜けて酸素欠陥の状態になることにより、ＺｒＯ2の外観が黒化して強度等の特性が劣化することを意味する。
【００７０】
また、本実施形態において、劣化率算出部４２は、印加電圧切替部４１による印加電圧Ｖｐの切り替えに応じたセンサセル２４９の出力の過渡変化時の傾きＡと初期値との比に基づいて、センサセルの劣化率を算出する。この構成により、過渡変化時の傾きＡを初期値（センサ製造時の過渡変化時の傾き）と比較することで、初期状態からの劣化度合いを精度良く推定することができる。
【００７１】
また、本実施形態において、劣化率算出部４２は、印加電圧切替部４１による印加電圧Ｖｐの切り替えに応じたセンサセル２４９の出力の過渡変化時の傾きＡを算出し、算出した傾きＡを印加電圧の切り替えに伴うポンプセルの出力変動量ΔＩｐを用いて除すことにより傾きＡを正規化し、正規化された傾きＢと、正規化された初期値Ｂ０との比に基づいて、センサセル２４９の劣化率Ｃを算出する。
【００７２】
この構成により、ポンプセル２４６の動作の差異の影響を無くすように正規化した上で過渡変化時の傾き（正規化後の傾きＢ）を初期値と比較することで、初期状態からの劣化度合いをより一層精度良く推定することができる。
【００７３】
また、本実施形態において、劣化率算出部４２は、印加電圧切替部４１による印加電圧Ｖｐの切り替え後、かつ、センサセル２４９の出力が安定する前の所定期間内における任意の２つのタイミングにおけるセンサセル２４９の出力を始点Ｐ１及び終点Ｐ２として検出し、始点Ｐ１と終点Ｐ２を結ぶ線分の傾きをセンサセル２４９の出力の過渡変化時の傾きＡとして算出する。
【００７４】
この構成により、センサセル出力の過渡応答中の任意の区間を設定して過渡変化時の傾きＡを算出できるので、劣化検出機能の自由度を向上できると共に、劣化率の推定精度を高めることができる。
【００７５】
また、本実施形態において、劣化率算出部４２が検出する始点Ｐ１としては、（１）印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるポンプセル２４６の出力（ポンプセル出力電流Ｉｐ）のテーリング最下点ＰＬとなるとき（図７の点Ｐ１１）、（２）印加電圧Ｖｐの切り替えの後に第１の所定時間Ｅ１が経過したとき（図７の点Ｐ１２）、または、（３）印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル２４９の出力変動量の初期値の５％まで到達したとき（図７の点Ｐ１３）、のいずれかの時点におけるセンサセル２４９の出力Ｉｓを含む。また、劣化率算出部４２が検出する終点Ｐ２としては、（４）印加電圧Ｖｐの切り替えの後に第２の所定時間Ｅ２が経過したとき（図７の点Ｐ２１）、または、（５）印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル２４９の出力変動量の初期値の９５％まで到達したとき（図７の点Ｐ２２）のいずれかの時点における前記センサセルの出力を含む。
【００７６】
この構成により、上記（１）〜（３）の中から始点Ｐ１と選択し、上記（４）〜（５）から終点Ｐ２を選択することにより、センサセルの劣化度合いに応じた過渡応答特性の変化を検出しやすいように傾きＡを算出することが可能となるので、劣化率の推定精度をより一層高めることができる。
【００７７】
また、本実施形態において、ＮＯｘセンサ２４，３０は、エンジン２０の排気系ＥＳに設置され、エンジン２０の排出ガス中からＮＯｘ濃度を検出するよう構成される。そして、排出ガスの量が安定しているエンジン２０の所定の運転環境下（例えば、フューエルカット運転中、イグニションオフ状態、またはソークタイマ作動中）において、ＳＣＵ４０の印加電圧切替部４１が劣化検出機能に係る印加電圧Ｖｐを切り替えを行い、劣化率算出部４２が劣化率の算出を行う。
【００７８】
この構成により、劣化検出機能の実施中に生じるセンサセル２４９の出力変動が、排出ガス中のＮＯｘ濃度の変動の影響をほとんど受けず、印加電圧切替部４１による印加電圧Ｖｐの切り替えを主な影響とするものにできるので、劣化率算出部４２が算出するセンサセル出力の過渡変化時の傾きＡとセンサセルの劣化度合いとの相関性を高めることができ、劣化率の推定精度をより一層高めることができる。
【００７９】
また、本実施形態において、上記の排出ガスの量が安定しているエンジン２０の所定の運転環境は、特にイグニションオフ時を含むのが好ましい。所定の運転環境の具体例としては、例えばフューエルカット運転中、イグニションオフ時、ソークタイマ作動中が挙げられる。このうち、イグニションオフ時とソークタイマ作動中は、ガス環境が安定しやすいため、フューエルカット運転中よりも検出精度が良い。しかしながら、ソークタイマは搭載されている車両が限定されるため、運転条件としては、イグニションオフ時が最も望ましい。
【００８０】
また、本実施形態において、ＮＯｘセンサ２４，３０が、排出ガスが導入される測定室２４２を有し、ポンプセル２４６及びセンサセル２４９が測定室２４２に設けられる。この構成により、測定室２４２の酸素濃度を調整するポンプセル２４６と、酸素濃度を検出するセンサセル２４９とが同じ測定室２４２内に設けられることにより、ポンプセルの印加電圧の切り替えに応じてセンサセル２４９の過渡変化を敏感に生じさせることができるので、劣化率の算出をより一層迅速に行うことができる。
【００８１】
また、本実施形態に係るＮＯｘセンサ２４，３０の制御装置としてのＳＣＵ４０は、劣化率算出部４２により算出された劣化率Ｃに基づき、センサセル２４９の出力の補正量（補正係数ｋ）を学習する出力補正部４３を備える。この構成により、センサセル２４９の劣化度合いに応じて適切にセンサ出力を補正することができるので、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出精度を向上できる。
【００８２】
また、本実施形態に係るＮＯｘセンサ２４，３０の制御装置としてのＥＣＵ４０は、ＳＣＵ４０の劣化率算出部４２により算出された劣化率Ｃに基づき、エミッション悪化を判断する異常判断部１１を備える。センサセル２４９の劣化度合いが増せばＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出精度が低下する虞があり、エミッション悪化の一因となりうる。異常判断部１１が、判断材料の一つとしてセンサセル２４９の劣化度合いに関する高精度な情報を考慮することにより、エミッション悪化の発生有無をより一層高精度に判断することが可能となる。
【００８３】
ここで、本実施形態と、先行技術文献として開示した特許文献１（特開２００９−１７５０１３号公報）に記載される従来の劣化診断手法との相違点について説明する。
【００８４】
特許文献１では、ポンプセル印加電圧を切り替えた際のセンサセル出力の初期値と安定後の値との間の変化量に基づき、センサセルの劣化診断が行われる。この場合、センサセル出力の過渡応答が収束するまで待つ必要があるため、劣化診断に時間がかかる、劣化診断の機会が少なくなる、などのデメリットがある。これに対し本実施形態では、ポンプセル印加電圧を切り替えた際のセンサセル出力の過渡変化時の傾きＡに基づいて劣化診断が行われる。このため、センサセル出力の過渡応答が収束する前に劣化診断をすることが可能となり、特許文献１の手法と比較して、劣化診断に要する時間を短くでき、劣化診断の機会を増やすことができる。
【００８５】
また、特許文献１では、ポンプセル印加電圧を通常制御時よりも高く切り替える。この場合、ポンプセルの電極劣化や素子損傷（ブラックニング）の可能性がある、などのデメリットがある。これに対し本実施形態では、ポンプセル印加電圧を通常制御時より低く切り替える。このため、ポンプセル２４６への負荷がなく、ポンプセル２４６の電極劣化や素子損傷の懸念が無いため、常に最適な劣化診断が可能となる。
【００８６】
また、特許文献１では、センサセル出力の変化量ΔＩｓをポンプセル印加電圧Ｖｐの変化量で除算することにより、劣化診断の判定値が算出される。一方、本実施形態では、センサセル出力の変化量ΔＩｓをポンプセル出力電流の変化量ΔＩｐで除算することにより、特性劣化率Ｃの算出に用いる正規化傾きＢが算出される。どちらもＯ2漏れ量の規格化を狙っているが、本実施形態のポンプセル出力電流の変化量ΔＩｐを用いる手法の方が、漏れ量をより正確に示すことができる。また、同じ電圧変化量でも個々のセンサや、同じセンサでも初期／劣化後ではＯ2漏れ量が異なるため、特許文献１のように印加電圧量Ｖｐによる規格化では、この漏れ量の差異を帳消しできない。そのため、本実施形態にように電流変化量ΔＩｐで規格化した方が、Ｏ2漏れ量の規格化の精度を向上できる。
【００８７】
さらに、特許文献１の手法は劣化診断のみを行うのに対して、本実施形態の手法は劣化診断だけでなく、センサセル出力の出力補正も適切に行うことができる。
【００８８】
［変形例］
次に図１１〜図１４を参照して上記実施形態の変形例について説明する。
【００８９】
上記実施形態では、劣化率算出部４２が過渡変化時の傾きＡの算出に用いる始点Ｐ１及び終点Ｐ２として、過渡応答中の任意の２点を選択する構成を例示したが、この代わりに、複数のセンサセル出力を平均化して始点Ｐ１及び終点Ｐ２を算出する構成でもよい。この場合、例えば図１１に示すように、始点Ｐ１を含む所定の始点期間Ｆ１及び終点Ｐ２を含む所定の終点期間Ｆ２において、それぞれ複数のセンサセル２４９の出力を平均化処理して、平均化されたセンサセル出力Ｉｓ１＿ａｖｅ，Ｉｓ２＿ａｖｅを算出する。そして、平均化処理により算出された始点Ｐ１（Ｉｓ１＿ａｖｅ，ｔ１）及び終点Ｐ２（Ｉｓ２＿ａｖｅ，ｔ２）を用いて傾きＡを算出する。これにより、過渡応答中のセンサセル出力Ｉｓのばらつきの影響を低減でき、劣化診断の精度を向上できる。
【００９０】
上記実施形態では、劣化率算出部４２は、印加電圧切替部４１によるポンプセル印加電圧の切り替え処理が１回実行されたときにセンサセル出力の過渡変化時の傾きＡを１回だけ算出し、この１つの傾きＡを用いて劣化率Ｃを算出する。これに対して、図１２に示すように、印加電圧切替部４１が印加電圧の切り替えを複数回実行し、劣化率算出部４２がセンサセル出力の過渡変化時の傾きＡ１〜Ａ３を複数回算出し、これらの複数回の傾きＡ１〜Ａ３に基づいてセンサセル２４９の劣化率Ｃを算出する構成としてもよい。図１２には、（ａ）ポンプセル出力電流Ｉｐ、（ｂ）センサセル出力電流Ｉｓの時間遷移が示されている。ポンプセル出力電流Ｉｐの挙動は、ポンプセル印加電圧Ｖｐの挙動に連動するものである。図１２（ａ）に示すように、ポンプセル２４６は、ポンプセル印加電圧Ｖｐを所定値Ｖｐ１（図４（ａ）参照）に下げるサイクル１と、ポンプセル印加電圧Ｖｐを上げて通常電圧Ｖｐ０（図４（ａ）参照）に戻すサイクル２とを繰り返す。このとき、図１２（ｂ）に示すように、センサセル出力はポンプセル印加電圧Ｖｐの増減に応じて過渡応答を繰り返す。劣化率算出部４２は、ポンプセル２４６がサイクル１の状態のときに上記の劣化検出機能を実行し、センサセル２４９の複数回の過渡変化時の傾きＡ１，Ａ２，Ａ３を算出することができる。劣化率算出部４２は、これらの複数回の傾きＡ１〜Ａ３を劣化率Ｃの算出に用いることで、劣化検出機能の頑強性を向上でき、劣化判定などの誤診断を防ぐことができる。
【００９１】
なお、印加電圧切替部４１は、図１２に示すサイクル１及びサイクル２の繰り返し動作を、排出ガスの量が安定している所定の運転環境（例えば、フューエルカット運転中、イグニションオフ状態、またはソークタイマ作動中）を継続して満たす単一区間において行うことができる。劣化率算出部４２は、この単一区間の複数回のサイクル１において、複数回のセンサセル出力の過渡変化時の傾きＡ１〜Ａ３を算出し、これらの傾きＡ１〜Ａ３に基づいてセンサセル２４９の劣化率Ｃを算出することができる。上述のとおり、本実施形態の劣化検出機能では、過渡変化時の傾きに基づいて劣化率を算出するため、劣化診断を迅速に行うことができ、一回の診断に要する時間が短くで済むので、一度の機会に複数回の診断を行うことが可能であり、効率的かつ高精度に劣化診断を行うことができる。
【００９２】
また、劣化率算出部４２は、排出ガスの量が安定している所定の運転環境において、過去に同一の運転環境下において算出したセンサセル出力の過渡変化時の傾きの過去値を用いて劣化率Ｃを算出することもできる。例えば、図１２（ｂ）の例に併せて説明すると、劣化率算出部４２が所定の運転環境下で、印加電圧切替部４１による印加電圧Ｖｐの切り替えに応じたセンサセル出力の過渡変化時の傾きＡ３を算出する。このとき、過去に同一の運転環境下において算出した傾きの過去値Ａ１，Ａ２を読み出す。そして、今回の処理で算出した傾きＡ３と、読み出した過去値Ａ１，Ａ２に基づいて、センサセル２４９の劣化率Ｃを算出する。
【００９３】
また、劣化率算出部４２は、図１２を参照して説明したように複数回のセンサセル出力の過渡変化時の傾きに基づき劣化率の算出を行う場合には、例えば、算出した複数の傾きを平均化処理して用いることができる。同様に、図６のステップＳ１０８にて劣化率Ｃの算出に用いる反応速度比Ｂ／Ｂ０の複数回の算出値を平均化処理して用いることができる。図１３には、複数回の反応速度比Ｂ／Ｂ０が符号Ｇで表されている。図中のｎは、任意の算出回数を示す。図１３に示すように、例えば５回分の反応速度比Ｇの平均値Ｇ＿ａｖｅを算出して劣化率Ｃの算出に用いることができる。ここで、Ｎ＋５回目のデータＧ（ｎ＋５）を例にとると、ｎ＋５回目から直近の過去４回分のデータＧ（ｎ＋１），Ｇ（ｎ＋２），Ｇ（ｎ＋３）、Ｇ（ｎ＋４）の全部を含めて５個のデータの平均値Ｇ＿ａｖｅ（ｎ＋５）が算出される。なお、平均化処理に用いるデータは、直近の連続するデータに限られず、例えば明らかに異質なデータが間引きされた一部のデータのみを用いることもできる。例えば、図１３のＮ回目のデータＧ（ｎ）の平均値Ｇ＿ａｖｅ（ｎ）、及び、Ｎ＋１回目のデータＧ（ｎ＋１）の平均値Ｇ＿ａｖｅ（ｎ＋１）では、他のデータと明らかに異質なＮ＋３番目のデータＧ（ｎ＋３）を除外して平均化処理が行われている。
【００９４】
また、印加電圧切替部４１は、劣化検出機能を実施する運転環境が、例えばイグニションオフ状態などエンジン２０が停止している状態の場合には、ポンプセル印加電圧を通常電圧Ｖｐ０から所定値Ｖｐ１に低減させる動作の代わりに、ポンプセル２４６へのポンプセル印加電圧Ｖｐの印加を停止させることにより、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えを行うこともできる。これにより、劣化検出機能の実施時には、ＳＣＵ４０からポンプセル２４６へ電源供給をする必要がないため、燃費悪化を抑制できる。
【００９５】
また、上記実施形態では、単一の測定室２４２内にポンプセル２４６及びセンサセル２４９が共に設けられる構成のＮＯｘセンサ２４，３０を例示したが、この構成には限られない。例えば、ＮＯｘセンサが複数の測定室を備え、ポンプセル及びセンサセルがそれぞれ別の測定室に設けられる構成であってもよい。このような構成の一例を図１４に示す。図１４に示すＮＯｘセンサ１１０のセンサ素子１１０ａは、排気導入口を有する第１チャンバ１４と、この第１チャンバ１４と絞り部１５を介して連通される第２チャンバ１６とを備える。両チャンバ１４，１６が上記実施形態の測定室２４２に相当する。ポンプセル３１は、一対の電極３２，３３を有し、そのうち一方の電極３２が第１チャンバ１４内に露出するよう設けられている。モニタセル３４は、対向配置される電極３６と共通電極３８とを有し、電極３６が第２チャンバ内に露出するよう設けられている。同様に、センサセル３５は、モニタセル３４と隣接して設けられ、対向配置される電極３７と共通電極３８とを有し、電極３７が第２チャンバ内に露出するよう設けられている。このように、ポンプセル３１及びセンサセル３５がそれぞれ別の測定室（第１チャンバ１４、第２チャンバ１６）に設けられる構成においても、上記実施形態の劣化検出機能などの各機能を実施することができる。
【００９６】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【００９７】
上記実施形態では、センサセル２４９の劣化検出機能を実施する際に、ポンプセル印加電圧をＶｐ０からＶｐ１へステップ状に低減させる構成を例示したが、ポンプセル２４６の印加電圧の切り替えに応じてセンサセル２４９の出力が過渡変化を生じればよく、例えばポンプセル印加電圧をステップ状に増加させる構成とすることも可能である。同様に、ポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える際の電圧変化の波形は、ステップ波形に限定されず、センサセル２４９の出力に過渡変化を生じさせることができる任意のものを用いることができる。
【００９８】
上記実施形態では、傾きＡを正規化した値Ｂとこれに対応する初期値Ｂ０との比に基づきセンサセル２４９の劣化率Ｃを算出する構成を例示したが、これに限られない。例えば、傾きＡを正規化せずに、傾きＡと初期特性の傾きＡ０との比に基づき劣化率Ｃを求めることもできるし、傾きＡと傾きＡ０とを比率以外の手法により比較することで劣化率Ｃを求める構成でもよい。また、傾きＡを初期特性の傾きＡ０以外の他の閾値と比較したり、関数を用いるなど、初期値との比較以外の手法で劣化率Ｃを求める構成でもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１０：ＥＣＵ（ガスセンサの制御装置）
１１：異常判断部
２４，３０：ＮＯｘセンサ（ガスセンサ）
２４２：測定室
２４６：ポンプセル
２４８：モニタセル
２４９：センサセル
４０：ＳＣＵ（ガスセンサの制御装置）
４１：印加電圧切替部
４２：劣化率算出部
４３：出力補正部
Ａ：過渡変化時の傾き
Ａ０：初期値
Ｂ：正規化された傾き
Ｂ０：正規化された初期値
Ｃ：センサセルの劣化率
Ｖｐ：ポンプセル印加電圧
ΔＩｐ：ポンプセル出力電流の出力変動量
Ｉｓ：センサセル出力電流
Ｐ１，Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３：始点
Ｐ２，Ｐ２１，Ｐ２２：終点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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