(57)【要約】【課題】ガスセンサの異常を正確に診断することができて、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができるガスセンサの診断装置を提供する。【解決手段】第一及び第二の検知手段から得られる窒素酸化物の濃度の極値と第二の検知手段から得られる酸素の濃度の極値とを検出する極値検出手段と、極値に対応する時間を検出する時間検出手段と、濃度、極値及び時間に対する演算を行う演算手段と、演算の結果と設定値とを比較する比較手段とを具備している。このため、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。【選択図】  図１
2004212145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検知ガスが導入されるガス検知室と、酸素イオン伝導性の固体電解質基板に設けられて窒素酸化物及び酸素に活性な窒素酸化物検知電極、参照電極及びこれらの間に接続されている電圧計を有する第一の検知手段と、酸素イオン伝導性の固体電解質基板に設けられて酸素に活性な酸素検知電極、参照電極及びこれらの間に接続されている電圧計を有する第二の検知手段と、前記ガス検知室内に対する酸素ポンプ手段とを有しており、検知した前記窒素酸化物の濃度がこの濃度を周期的にゼロにするための還元処理に用いられるガスセンサの診断装置であって、
前記第一及び第二の検知手段から得られる前記窒素酸化物の濃度の極値と前記第二の検知手段から得られる前記酸素の濃度の極値とを検出する極値検出手段と、
前記極値に対応する時間を検出する時間検出手段と、
前記濃度、前記極値及び前記時間に対する演算を行う演算手段と、
前記演算の結果と設定値とを比較する比較手段と
を具備するガスセンサの診断装置。
【請求項２】
前記窒素酸化物の濃度が極小値である時に前記第一の検知手段からの出力と前記第二の検知手段からの出力との差の絶対値を求め、
この絶対値が設定値以上である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項１に記載のガスセンサの診断装置。
【請求項３】
前記第二の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求め、
この差が設定値以上である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項１に記載のガスセンサの診断装置。
【請求項４】
前記第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求め、
この差が設定値以上である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項１に記載のガスセンサの診断装置。
【請求項５】
前記第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求め、
この最大値が設定値以下である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項１に記載のガスセンサの診断装置。
【請求項６】
前記第一の検知手段からの出力と前記第二の検知手段からの出力との差について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求め、
この最大値が設定値以下である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項１に記載のガスセンサの診断装置。
【請求項７】
前記窒素酸化物の濃度が極大値である時から次の極大値である時までの周期を求め、
この周期が設定値以上である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項１に記載のガスセンサの診断装置。
【請求項８】
前記窒素酸化物の濃度を示す検知信号の値が設定範囲以外である場合に前記ガスセンサが異常であると診断する請求項１に記載のガスセンサの診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質基板を用いて窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検知するためのガスセンサを診断する診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の内燃機関や廃棄物の焼却装置等からの排気ガスに対する規制が近年ますます厳しくなってきている。この様な規制に対処するために、例えば、自動車の内燃機関の排気系統には、排気ガスに含まれている窒素酸化物を吸蔵するための触媒が搭載されている。しかし、図７（ａ）に示されている様に、触媒が窒素酸化物を吸蔵するに連れて、触媒の吸蔵効果が低下し、排気系統からの窒素酸化物の排出濃度が上昇する。このため、燃料である炭化水素、アルコール、アンモニア等の還元性ガスを短時間で排気系統へ送る。
【０００３】
排気系統へ還元性ガスを送ると、排気ガス自体が還元される他に触媒に吸蔵されている窒素酸化物も窒素へ還元されて触媒の吸蔵能力が回復し、窒素酸化物の排出濃度がゼロ近くまで低下して、触媒は次の吸蔵周期に入る。この様な還元処理は一定の時間間隔で行ってもよいが、触媒を通過した排気ガス中の窒素酸化物濃度を窒素酸化物センサで検知し、触媒の吸蔵効果が低下して排気系統からの窒素酸化物の排出濃度が上昇した時点で還元処理を行うことが、有効且つ経済的であって理想的である。
【０００４】
窒素酸化物センサとしては、電極が固定されている酸素イオン伝導性の固体電解質基板を有するセンサが多く用いられている。しかし、排気ガスに曝される窒素酸化物センサは熱履歴を繰返して受けるので、窒素酸化物センサの胴体にはガス漏れや割れを生じる可能性がある。これらのガス漏れや割れが生じると、被検知ガス中の窒素酸化物の濃度が変動し、窒素酸化物の正確な濃度を検知することができなくて、検知性能が劣化する。
【０００５】
また、固体電解質基板に固定されている電極が酸化物電極や酸化物を含む電極であると、これらの電極の化学的安定性は白金電極よりも劣っており、長時間の使用による劣化によって活性が低下したり固体電解質基板から剥離したりする可能性がある。これらの低下や剥離が生じると、窒素酸化物の正確な濃度を検知することができなくて、やはり検知性能が劣化する。
【０００６】
具体的には、固体電解質基板に固定されている電極の活性が低下していくと、被検知ガスの組成の急激な変化に対する応答速度も低下していく。つまり、還元処理期間中に窒素酸化物センサから出力される窒素酸化物の検知結果は、電極の活性の低下に連れて、図７（ｂ）に示されている様に実線の状態から破線の状態になり更に点線の状態になって、検知結果が極大Ｐであった時刻Ｔ１から極小になる時刻Ｔ２までの時間が長くなる。この結果、被検知ガス中の窒素酸化物濃度が実際には十分に低下しているにも拘らず還元処理が継続されて、過剰に使用された還元性ガスが放出される可能性がある。
【０００７】
また、窒素酸化物センサの感度が低下すると、図７（ｃ）に示されている様に、同じ濃度の窒素酸化物に対して、検知結果がＰ１からＰ２へ低下し更にＰ３へと低下していく。この結果、還元処理が開始される時点における実際の窒素酸化物の排出濃度が高くなると共に、図７（ｄ）に示されている様に還元処理の周期も当初のＴｉから次第に長くなってＴになり、還元性ガスが過少にしか使用されなくて未還元の窒素酸化物が排出される可能性がある。
【０００８】
そこで、自己診断手段を有するガスセンサが提案されている（例えば、特開平１１−２６２０号公報）。このガスセンサにおける自己診断手段は、所定の電極間におけるインピーダンスが所定の時間に亙って規定値に達しない場合にそのガスセンサが故障であると診断する。従って、ガスセンサが故障であるとの自己診断に基づいて、そのガスセンサを迅速に保守点検することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の自己診断手段は、電極間のインピーダンスに基づいてガスセンサの故障の有無を診断するのであって、ガスセンサの検知性能そのものの劣化を直接には診断せず、これではガスセンサの異常を必ずしも正確には診断することができない。つまり、所定の電極間におけるインピーダンスが所定の時間内に規定値に達していてもガスセンサの検知性能が劣化している場合が考えられ、ガスセンサによる検知結果の信頼性が必ずしも高くない。従って、本願の発明は、ガスセンサの異常を正確に診断することができて、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができるガスセンサの診断装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るガスセンサの診断装置では、極値検出手段で窒素酸化物の濃度の極大値を検出することによって還元処理の開始を知ることができ、極値検出手段で窒素酸化物の濃度の極小値を検出することによって還元処理の終了を知ることができる。また、時間検出手段によって還元処理の期間や周期を知ることができる。
【００１１】
更に、演算手段によって濃度、極値及び時間に対する演算を行うことができ、比較手段によって演算の結果と設定値とを比較することができる。このため、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。
【００１２】
請求項２に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度が極小値である時に第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力との差の絶対値を求める。還元処理によって窒素酸化物の濃度が極小値になった時には、その窒素酸化物の濃度はゼロに近いが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。
【００１３】
一方、第一の検知手段は窒素酸化物と酸素との両方に活性な窒素酸化物検知電極を有しており、第二の検知手段は酸素に活性な酸素検知電極を有している。このため、窒素酸化物の濃度が極小値である時には、第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力とは互いに略等しいはずである。従って、これらの差の絶対値が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【００１４】
請求項３に係るガスセンサの診断装置は、第二の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求める。還元処理によって被検知ガス中の酸素の濃度はゼロに近くなるが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。このため、還元処理終期における極小値も還元処理直前における極大値に比べて極端には低下しない。従って、これらの差が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【００１５】
請求項４に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との差を求める。還元処理によって窒素酸化物の濃度はゼロに近くなるが、ガス検知室内における酸素の濃度は酸素ポンプ手段の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってゼロよりかは大きい。
【００１６】
一方、第一の検知手段は窒素酸化物と酸素との両方に活性な窒素酸化物検知電極を有している。このため、還元処理終期における極小値も還元処理直前における極大値に比べて極端には低下しない。従って、これらの差が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【００１７】
請求項５に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求める。被検知ガスの組成の急激な変化に対する第一の検知手段の応答速度が低下すると、この第一の検知手段からの出力が還元処理直前における極大値から還元処理終期における極小値まで変化するのに要する時間が長くなって、変化率の絶対値の最大値が小さくなる。従って、この最大値が設定値以下である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【００１８】
請求項６に係るガスセンサの診断装置は、第一の検知手段からの出力と第二の検知手段からの出力との差について極大値とこの極大値に続く極小値との変化率の絶対値の最大値を求める。被検知ガスの組成の急激な変化に対する第一及び第二の検知手段の応答速度が低下すると、これら第一及び第二の検知手段からの出力が還元処理直前における極大値から還元処理終期における極小値まで変化するのに要する時間が長くなって、変化率の絶対値の最大値が小さくなる。従って、この最大値が設定値以下である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【００１９】
請求項７に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度が極大値である時から次の極大値である時までの周期を求める。第一の検知手段の感度が低下すると、この周期が長くなる。従って、この周期が設定値以上である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【００２０】
請求項８に係るガスセンサの診断装置は、窒素酸化物の濃度を示す検知信号の値が設定範囲以外であるか否かを判断する。検知信号の値には適正な範囲が存在するので、この値が設定範囲以外である場合にガスセンサが異常であると診断することによって、ガスセンサの異常を正確に診断することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、自動車の内燃機関の排気系統に使用される積層型の総窒素酸化物（ＮＯｘ）センサに用いられる診断装置に適用した本願の発明の一実施形態を、図１〜７を参照しながら説明する。図２が、本実施形態の診断装置が用いられる総ＮＯｘセンサ１１を示している。この総ＮＯｘセンサ１１では、Ｙ２Ｏ３が添加されているＺｒＯ２から成る酸素イオン伝導性の固体電解質基板１２の一方の面に、Ｐｔ−Ｒｈ合金とＮｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３等の金属酸化物とから成っておりＮＯｘと酸素との両方に活性な即ちＮＯｘと酸素との両方によって所定の電極電位を生じる窒素酸化物（ＮＯｘ）検知電極１３と、Ｐｔから成っており酸素に活性な酸素検知電極１４とが固定されている。
【００２２】
固体電解質基板１２の他方の面であってＮＯｘ検知電極１３及び酸素検知電極１４に対向する位置に、Ｐｔから成っており酸素に活性な参照電極１５が固定されている。また、Ｙ２Ｏ３が添加されているＺｒＯ２から成る酸素イオン伝導性の固体電解質基板１６の一方の面に、Ｐｔ−Ｒｈ合金から成っておりＮＯｘと酸素との両方に活性な窒素酸化物（ＮＯｘ）変換電極１７が固定されており、固体電解質基板１６の他方の面であってＮＯｘ変換電極１７に対向する位置に、酸素に活性な対向電極１８が固定されている。ＮＯｘ検知電極１３と参照電極１５との間に電圧計２１が接続されており、酸素検知電極１４と参照電極１５との間に電圧計２２が接続されている。
【００２３】
ＮＯｘ変換電極１７と対向電極１８との間に電源２３が接続されて、これらのＮＯｘ変換電極１７と対向電極１８と電源２３とで窒素酸化物（ＮＯｘ）変換ポンプ２４が構成されている。固体電解質基板１２、１６がスペーサ２５を介して互いに固定されることによって、ＮＯｘ検知電極１３及び酸素検知電極１４とＮＯｘ変換電極１７とが夫々対向すると共に、これらの検知電極１３と酸素検知電極１４とＮＯｘ変換電極１７とが臨むガス検知室２６が形成されている。ガス検知室２６には小孔等であるガス導入口２７が設けられており、ガス導入口２７を通過するガスに所定の拡散抵抗が付与される。
【００２４】
固体電解質基板１２の参照電極１５側の面にスペーサ２８を介して基板３１が固定されることによって、固体電解質基板１２と基板３１との間に大気基準ダクト３２が形成されている。基板３１の大気基準ダクト３２とは反対側の面に基板３３が固定されており、絶縁層（図示せず）内に埋め込まれている自己加熱式のヒータ３４が基板３１、３３同士の対向面であってガス検知室２６に略対応する位置に設けられている。また、固体電解質基板１６の対向電極１８側の面にスペーサ３５を介して基板３６が固定されることによって、固体電解質基板１６と基板３６との間に大気基準ダクト３７が形成されている。
【００２５】
図示されてはいないが、電圧計２１、２２、ＮＯｘ変換ポンプ２４及びヒータ３４は夫々信号検知回路、駆動回路及び加熱回路に接続されており、これらの信号検知回路や駆動回路や加熱回路等がセンサ制御ユニットに含まれている。使用時の総ＮＯｘセンサ１１は、ヒータ３４及び加熱回路によって、固体電解質基板１２、１６のイオン伝導度が高まる３００〜４００℃以上の温度に保持される必要がある。
【００２６】
この様な総ＮＯｘセンサ１１を製造するためには、Ｙ２Ｏ３が添加されているＺｒＯ２から成る固体電解質のグリーンシートに上述の各種の電極をスクリーン印刷し、ガス検知室２６及び大気基準ダクト３２、３７を形成する部分に昇華物質をスクリーン印刷する。また、基板３１または基板３３に絶縁材料及びヒータ３４をスクリーン印刷し、上述のグリーンシートと基板３１、３３、３６とスペーサ２５、２８、３５等の必要部分に絶縁材料及び接着剤をスクリーン印刷する。これらのグリーンシートと基板３１、３３、３６とスペーサ２５、２８、３５等とを積層させ、乾燥や焼成等を行う。
【００２７】
基板３１、３３、３６やスペーサ２５、２８、３５を形成するために、固体電解質基板１２、１６と同様にＹ２Ｏ３が添加されているＺｒＯ２から成る固体電解質のグリーンシートを用いてもよく、その他の部材を用いてもよい。そして、電圧計２１、２２、電源２３及びセンサ制御ユニットへの接続を行って、総ＮＯｘセンサ１１を完成させる。総ＮＯｘセンサ１１のセンサ制御ユニットに本実施形態の診断装置が接続されており、この診断装置は総ＮＯｘセンサ１１のセンサ制御ユニットから検知信号である電圧計２１、２２の出力信号を読み込んで後述する図１の処理を行う。
【００２８】
診断装置は、Ｈ８／３０４８Ｆチップ（日立社製）を搭載する１６ビットのワンボードマイクロコンピュータを用いて作製されている。このマイクロコンピュータは８チャンネルのＡ／Ｄ変換入力端子及び入力バッファを有しているが、上述の様に診断装置は電圧計２１、２２の出力信号を読み込むので、少なくとも２チャンネルのＡ／Ｄ変換入力端子及び入力バッファがあればよい。各々のＡ／Ｄ変換入力端子は、１０ビットの分解能を有しているので、±１００ｍＶの電圧値を入力するとすれば、約０．２ｍＶの分解能を有している。
【００２９】
診断装置のマイクロコンピュータには、更に、２チャンネルのＤ／Ａ変換出力端子、９チャンネルのデジタル入出力端子、ＲＳ２３２通信ポート等が装備されているので、診断結果に基づいて、警告を発することができる。診断装置のマイクロコンピュータにはフラッシュＲＯＭも装備されており、後述する図１の処理を行うプログラムがフラッシュＲＯＭに記憶されている。総ＮＯｘセンサ１１の作動を開始すると、診断装置のマイクロコンピュータにも同時に電源が投入されて、フラッシュＲＯＭに記憶されているプログラムが自動的に実行される。
【００３０】
ところで、公害関係における大気汚染物質としての窒素酸化物とはＮＯとＮＯ２との総称であって、これらのＮＯとＮＯ２とがＮＯｘと略称されている。ＮＯｘのうちのＮＯを総ＮＯｘセンサ１１で検知するためには、下記の式（１）のカソード反応と下記の式（２）のアノード反応とがＮＯｘ検知電極１３で同時に生じる必要がある。また、ＮＯｘのうちのＮＯ２を総ＮＯｘセンサ１１で検知するためには、下記の式（３）のアノード反応と下記の式（４）のカソード反応とがＮＯｘ検知電極１３で同時に生じる必要がある。
【００３１】
Ｏ２  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｏ２−                          （１）
２ＮＯ  ＋  ２Ｏ２−  →  ２ＮＯ２  ＋  ４ｅ−            （２）
２Ｏ２−  →  Ｏ２  ＋  ４ｅ−                          （３）
２ＮＯ２  ＋  ４ｅ−  →  ２ＮＯ  ＋  ２Ｏ２−            （４）
【００３２】
式（１）のカソード反応の速度と式（２）のアノード反応の速度とは互いに等しい状態にあり、また、式（３）のアノード反応の速度と式（４）のカソード反応の速度とも互いに等しい状態にあり、これらの場合の電極電位である混成電位がＮＯｘ検知電極１３に生じる。従って、ＮＯｘ検知電極１３は混成電極であり、総ＮＯｘセンサ１１は混成電位型のセンサである。
【００３３】
しかし、式（１）（２）の反応と式（３）（４）の反応とではＮＯｘ検知電極１３の電極電位が互いに逆極性になるので、被検知ガス中にＮＯとＮＯ２とが混在していると、相互干渉によって総ＮＯｘ濃度を正確に検知することができない。ＮＯｘ変換ポンプ２４はこれらに対処するために設けられている。
【００３４】
即ち、ＮＯｘ変換電極１７と対向電極１８との間に電源２３から印加される電圧に応じて、ＮＯｘ変換ポンプ２４は、大気基準ダクト３７からガス検知室２６内に酸素を導入するかまたはその反対に酸素を排出し、ガス検知室２６内のＮＯをＮＯ２に変換するかまたはＮＯ２をＮＯに変換することによって、ガス検知室２６内のＮＯｘをＮＯかＮＯ２かの何れかに単ガス化する。
【００３５】
また、ＮＯｘ検知電極１３にはガス検知室２６内のＮＯｘ濃度のみならず酸素濃度にも応じた電極電位が生じ、ガス検知室２６内のＮＯｘ濃度が一定でも酸素濃度が上昇すれば、参照電極１５を基準にして測定したＮＯｘ検知電極１３の電極電位（ＥＮＯｘ−Ｒ）、つまり、電圧計２１の出力値が増加する。しかし、酸素検知電極１４を基準にして測定したＮＯｘ検知電極１３の電極電位（ＥＮＯｘ−Ｏ２）、つまり、電圧計２１の出力値から電圧計２２の出力値を減じた値は、ガス検知室２６内のＮＯｘ濃度が一定である場合に酸素濃度が上昇すると、減少する。
【００３６】
ＮＯｘ変換ポンプ２４はガス検知室２６内に対する酸素のポンプ機能を有しているが、総ＮＯｘセンサ１１のガス感度を高めるために、ガス導入口２７によるガスの拡散抵抗は高くされていない。そして、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度は約０〜２０％のかなり広い範囲で変動する。このため、ＮＯｘ変換ポンプ２４の存在にも拘らず、ガス検知室２６内に多量に流入するこの排気ガス中の酸素濃度に影響されて、ガス検知室２６内の酸素濃度も広い範囲で変動する。
【００３７】
しかし、上述の様にＥＮＯｘ−ＲとＥＮＯｘ−Ｏ２との酸素濃度に対する変化極性が互いに逆であるので、これらの変化率の絶対値が互いに等しくなる様な補正を行うことによって、酸素濃度に依存しない総ＮＯｘ濃度の検知値を得ることができる。
そこで、総ＮＯｘセンサ１１のセンサ制御ユニットは、下記の式（５）によって総ＮＯｘ濃度を求めている。
総ＮＯｘ濃度＝（ａ・ＥＮＯｘ−Ｒ＋ｂ・ＥＮＯｘ−Ｏ２）／（ａ＋ｂ）    （５）
式（５）中の係数ａ、ｂは、電極の材料、作動温度、酸素濃度の変化範囲、ＮＯｘの検知範囲等の総ＮＯｘセンサ１１の作動状態によって決められる。
【００３８】
以上の様な総ＮＯｘセンサ１１によって被検知ガス中の総ＮＯｘ濃度を検知しつつ本実施形態の診断装置によってこの総ＮＯｘセンサ１１を診断するためには、総ＮＯｘセンサ１１のガス導入口２７からガス検知室２６内へ被検知ガスを導入すると共に大気基準ダクト３２、３７を大気に通じさせた状態で、総ＮＯｘセンサ１１の作動を開始させる。すると、既述の様にして得られた電圧計２１、２２からの出力信号がセンサ制御ユニットへ送られ、センサ制御ユニットで総ＮＯｘ濃度が求められる。そして、この総ＮＯｘ濃度に基づく制御信号が自動車の内燃機関の排気系統へ送られて、還元処理が行われる。
【００３９】
一方、図１（ａ）に示されている様に、本実施形態の診断装置は、総ＮＯｘセンサ１１のセンサ制御ユニットから検知信号を読み込んで記憶し、総ＮＯｘ濃度が極値であるか否かを判断する。総ＮＯｘ濃度が極小値つまり還元処理終期であれば図１（ｂ）に示されている還元処理期間関連処理を行い、総ＮＯｘ濃度が極大値つまり還元処理直前であれば図１（ｃ）に示されている周期関連処理を行う。そして、総ＮＯｘ濃度が極値でない場合は極値であるか否かの判断後に、還元処理期間関連処理または周期関連処理を行った場合はその後に、所定時間のタイマー計測を行ってから、再び検知信号を読み込んで記憶し、上述の処理を繰り返す。
【００４０】
総ＮＯｘ濃度が極小値であれば、図１（ｂ）に示されている様に、還元処理期間関連処理の最初の処理として、下記の式（６）を演算する。
ΔＥＴ＝（ＥＮＯｘ−ＥＲ）−（ＥＯ２−ＥＲ）＝ＥＮＯｘ−ＥＯ２    （６）
この式（６）におけるＥＮＯｘ、ＥＯ２及びＥＲは還元処理期間つまり図７（ｂ）（ｃ）中の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間における夫々ＮＯｘ検知電極１３、酸素検知電極１４及び参照電極１５における電極電位であり、ＥＮＯｘ−ＥＲ及びＥＯ２−ＥＲは夫々電圧計２１及び電圧計２２からの出力信号として得られる。
【００４１】
既述の様に、ＮＯｘ検知電極１３はＮＯｘと酸素との両方に活性であり、酸素検知電極１４は酸素に活性である。しかし、還元処理終期には、図７（ａ）に示されている様に、総ＮＯｘ濃度はゼロに近い。このため、還元処理終期には、ＮＯｘ検知電極１３における電極電位と酸素検知電極１４における電極電位とは互いに略等しいはずである。従って、還元処理終期には、ＮＯｘ検知電極１３における電極電位と酸素検知電極１４における電極電位との差である式（６）のΔＥＴはゼロに近いはずである。
【００４２】
このことから、ΔＥＴの絶対値が設定値よりも大きければ、ＮＯｘ検知電極１３と酸素検知電極１４との何れかが異常であると考えられる。ＥＮＯｘ−ＥＯ２であるΔＥＴは、式（５）中のＥＮＯｘ−Ｏ２と等しいので、総ＮＯｘセンサ１１が出力する総ＮＯｘ濃度を示す信号のオフセットに直接に関与している。そこで、ΔＥＴを演算した後にΔＥＴの絶対値を診断装置に記憶されている設定値と比較して、絶対値が設定値以上であれば、総ＮＯｘセンサ１１が異常であることを警告する。
【００４３】
ΔＥＴの絶対値が設定値以上でなければ、電圧計２２からの出力信号であるＥＯ２−ＥＲについて、記憶しておいた還元処理直前の極大値と現在の極小値との差であるΔＥＯ２を演算する。還元処理終期には、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度はゼロに近い。しかし、ガス検知室２６内のＮＯをＮＯ２に変換する場合は、ＮＯｘ変換ポンプ２４が大気基準ダクト３７からガス検知室２６内に酸素を導入する。
【００４４】
また、ガス検知室２６内のＮＯ２をＮＯに変換する場合も、ガス検知室２６内に所定濃度以上の酸素が必要であるのでこの所定濃度以上になる様にＮＯｘ変換ポンプ２４が大気基準ダクト３７からガス検知室２６内に酸素を導入し、更に、ＮＯ２からＮＯへの変換に伴ってＯ２が生成される。従って、ガス検知室２６内の被検知ガス中の酸素濃度はゼロよりかは大きい。このため、総ＮＯｘセンサ１１が正常であれば、還元処理終期でも、電圧計２２からの出力信号であるＥＯ２−ＥＲは還元処理直前に比べて極端には低下しない。
【００４５】
しかし、例えば、総ＮＯｘセンサ１１の胴体のガス漏れや割れ、ＮＯｘ変換ポンプ２４の電流低下や断線等があると、還元処理終期にはガス検知室２６内の被検知ガス中の酸素濃度もゼロに近い。この結果、還元処理終期には電圧計２２からの出力信号であるＥＯ２−ＥＲが還元処理直前に比べて極端に低下して、ΔＥＯ２が大きくなる。このことから、ΔＥＯ２が設定値よりも大きければ、総ＮＯｘセンサ１１が異常であると考えられる。そこで、ΔＥＯ２を演算した後にこのΔＥＯ２を診断装置に記憶されている設定値と比較して、ΔＥＯ２が設定値以上であれば、総ＮＯｘセンサ１１が異常であることを警告する。
【００４６】
ΔＥＯ２が設定値以上でなければ、電圧計２１からの出力信号であるＥＮＯｘ−ＥＲについて、記憶しておいた還元処理直前の極大値と現在の極小値との差であるΔＥＮＯｘを演算する。上述の様に、還元処理終期には、総ＮＯｘ濃度はゼロに近く、排気系統からの排気ガス中の酸素濃度もゼロに近いが、ＮＯｘ変換ポンプ２４の作用や窒素酸化物から生成された酸素によってガス検知室２６内の被検知ガス中の酸素濃度はゼロよりかは大きい。一方、ＮＯｘ検知電極１３はＮＯｘと酸素との両方に活性である。
【００４７】
このため、総ＮＯｘセンサ１１が正常であれば、還元処理終期でも還元処理直前に比べて、電圧計２１からの出力信号であるＥＮＯｘ−ＥＲは、電圧計２２からの出力信号であるＥＯ２−ＥＲに比べると低下幅は大きいがやはり極端には低下しない。しかし、上述の場合と同様に、例えば、総ＮＯｘセンサ１１の胴体のガス漏れや割れ、ＮＯｘ変換ポンプ２４の電流低下や断線等があると、還元処理終期にはガス検知室２６内の被検知ガス中の酸素濃度もゼロに近い。
【００４８】
この結果、還元処理終期には電圧計２１からの出力信号であるＥＮＯｘ−ＥＲが還元処理直前に比べて低下して、ΔＥＮＯｘが大きくなる。このことから、ΔＥＮＯｘが設定値よりも大きければ、総ＮＯｘセンサ１１が異常であると考えられる。そこで、ΔＥＮＯｘを演算した後にΔＥＮＯｘを診断装置に記憶されている設定値と比較して、ΔＥＮＯｘが設定値以上であれば、総ＮＯｘセンサ１１が異常であることを警告する。
【００４９】
ΔＥＮＯｘが設定値以上でなければ、下記の式（７）を演算する。
τ＝ＴＲ／（ＥＴ１−ＥＴ２）    （７）
この式（７）におけるＥＴ１及びＥＴ２は、ＮＯｘ検知電極１３の電極電位についての夫々記憶しておいた還元処理直前の極大値及び現在の極小値、つまり図７（ｂ）（ｃ）中の時刻Ｔ１及び時刻Ｔ２におけるＮＯｘ検知電極１３の電極電位である。また、ＴＲは時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間である。
【００５０】
ＮＯｘ検知電極１３の活性が低下していくと、被検知ガスの組成の急激な変化に対する応答速度も低下していくので、時間ＴＲが長くなって、τが大きくなる。このことから、τが設定値よりも大きければ、総ＮＯｘセンサ１１が異常であると考えられる。そこで、τを演算した後に診断装置に記憶されている設定値と比較して、τが設定値以上であれば、総ＮＯｘセンサ１１が異常であることを警告する。なお、τを用いる代わりに、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの電位−時間曲線を連続的に微分して、この微分値の絶対値の最大値が設定値以下である場合に、総ＮＯｘセンサ１１が異常であることを警告してもよい。
【００５１】
上記の式（７）におけるＥＴ１及びＥＴ２はＮＯｘ検知電極１３の電極電位についての夫々還元処理直前の極大値及びこの極大値に続く極小値であるので、ＮＯｘ検知電極１３の応答特性と酸素検知電極１４の応答特性とに差がある場合であっても、総ＮＯｘセンサ１１の異常を診断することができる。しかし、ＮＯｘ検知電極１３の応答特性と酸素検知電極１４の応答特性とに差がない場合には、ＮＯｘ検知電極１３の電極電位と酸素検知電極１４の電極電位との差についての夫々還元処理直前の極大値及びこの極大値に続く極小値を上記の式（７）におけるＥＴ１及びＥＴ２にするか、または、この差についての時間曲線の連続的な微分値を求めてもよい。この場合には、酸素検知電極１４自体の異常によっても、総ＮＯｘセンサ１１の異常を診断することができる。
【００５２】
図１（ａ）における判断で総ＮＯｘ濃度が極大値であれば、図１（ｃ）に示されている様に、周期関連処理として、図７（ｄ）に示されている総ＮＯｘ濃度が極大値である時から次の極大値である時までの期間である還元処理の周期Ｔを判定する。総ＮＯｘセンサ１１の感度が低下すると、周期Ｔが長くなる。このことから、周期Ｔが設定値以上であれば、総ＮＯｘセンサ１１が異常であると考えられる。そこで、診断装置に記憶されている設定値と周期Ｔとを比較して、周期Ｔが設定値以上であれば、総ＮＯｘセンサ１１が異常であることを警告する。なお、周期Ｔと比較される設定値は例えば自動車の内燃機関の空燃比等である運転状態によって変化するので、その内燃機関に適合した設定値を診断装置に予め記憶させておく。
【００５３】
実験１
以上の様な診断装置がセンサ制御ユニットに接続されている総ＮＯｘセンサ１１を、自動車排気ガス模擬計測システムに据え付けた。この総ＮＯｘセンサ１１の温度をヒータ３４及び加熱回路によって６００℃に維持し、模擬ガス混合装置によって、３０００ｐｐｍのＣ３Ｈ８が共存する模擬ガスを供給しながら、この模擬ガスの温度を室温と８００℃との間の昇温と降温とを一サイクルとして変化させた。そして、この熱サイクルを１０回繰り返しつつ、総ＮＯｘ濃度を示す検知信号としての出力電圧を計測した。
【００５４】
図３が、この結果を示している。図３に示されている様に、検知信号としての出力電圧は、第一〜第三サイクルの間ではＣ３Ｈ８による排気ガスの還元のために略一定であったが、第四サイクルの８００℃付近の温度で−８０ｍＶ以下まで急速に低下した。実験１に用いられた総ＮＯｘセンサ１１では、検知信号としての出力電圧が−６０ｍＶ以下に低下すると警報ランプが点灯する様にマイクロコンピュータのフラッシュＲＯＭ中のプログラムがプログラミングされているので、−６０ｍＶ以下の出力領域で警報ランプが点灯した。
【００５５】
この総ＮＯｘセンサ１１を分解して観察したところ、熱サイクルによってガス検知室２６の気密性が極端に低下してガス漏れが生じたことが判明した。このガス漏れによってガス検知室２６内の酸素濃度が低下し、更に、Ｃ３Ｈ８が排気ガスによって完全には酸化されていない状態でガス検知室２６内に進入しＮＯｘ検知電極１３及び酸素検知電極１４の表面に特異吸着してこれらの電極の表面層における酸素濃度が見かけ上低下したために、検知信号としての出力電圧が低下した。
【００５６】
実験２
正常な総ＮＯｘセンサ１１と性能の低下した総ＮＯｘセンサ１１とを、自動車排気ガス模擬計測システムに据え付けた。両方の総ＮＯｘセンサ１１の温度をヒータ３４及び加熱回路によって６００℃に維持し、模擬ガス混合装置によって図４に示す組成のガスを供給した。即ち、窒素を定常的に供給し、ＮＯ及び酸素を夫々２０ｐｐｍ／秒及び５００ｐｐｍ／秒の濃度増加率で供給し、ＮＯ及び酸素の供給開始から１０秒が経過した時点でＮＯ及び酸素の濃度を０ｐｐｍに戻し、その後、再び、ＮＯ及び酸素を夫々２０ｐｐｍ／秒及び５００ｐｐｍ／秒の濃度増加率で供給した。
【００５７】
この様にガスの組成を周期的に変化させつつ、電圧計２１、２２からの出力電圧を計測した。図５、６が、夫々正常な総ＮＯｘセンサ１１と性能の低下した総ＮＯｘセンサ１１との結果を示している。これらの図５、６から、正常な総ＮＯｘセンサ１１では酸素検知電極１４の応答速度及び感度もＮＯｘ検知電極１３の応答速度及び感度も大差はないが、性能の低下した総ＮＯｘセンサ１１では酸素検知電極１４の応答速度に比べてＮＯｘ検知電極１３の応答速度が明らかに低下している。従って、上述の様に、応答速度であるτを設定値と比較することによって、総ＮＯｘセンサ１１が異常であることを判断することができる。
【００５８】
なお、総ＮＯｘセンサ１１における固体電解質基板１２、１６、ＮＯｘ検知電極１３、酸素検知電極１４、参照電極１５、ＮＯｘ変換電極１７等の材料は、上述の材料に限定されない。また、本実施形態の診断装置は総ＮＯｘセンサ１１に内蔵されていても外付けされていてもよく、総ＮＯｘセンサ１１も自動車の内燃機関の排気系統のみならず廃棄物の焼却装置の排気系統等にも使用することができる。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１に係るガスセンサの診断装置では、窒素酸化物の濃度を示す信号のオフセット並びに第一の検知手段の応答速度及び感度を含むガスセンサの種々の性能指標を求めてそれらの設定値と比較することができる。このため、ガスセンサの胴体におけるガス漏れや割れ、第一及び第二検知手段や酸素ポンプ手段における性能の劣化等であるガスセンサの異常を正確に診断することができて、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができる。
【００６０】
請求項２〜８に係るガスセンサの診断装置では、ガスセンサの異常を正確に診断することができるので、ガスセンサによる検知結果の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の発明の一実施形態における処理の流れ図であり、（ａ）はメインルーチン、（ｂ）（ｃ）はサブルーチンである。
【図２】本願の発明の一実施形態が用いられているガスセンサの側断面図である。
【図３】本願の発明の一実施形態による実験１の結果を示すグラフである。
【図４】本願の発明の一実施形態による実験２を行うためのガスの濃度を示すグラフである。
【図５】ガスセンサが正常な場合の実験２の結果を示すグラフである。
【図６】ガスセンサの性能が低下している場合の実験２の結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）は還元処理とＮＯｘの濃度との関係を示すグラフ、（ｂ）はガスセンサの応答速度の低下を示すグラフ、（ｃ）はガスセンサの感度の低下を示すグラフ、（ｄ）は感度の低下による還元処理の周期の長期化を示すグラフである。
【符号の説明】
１１…総窒素酸化物センサ（ガスセンサ）、１２、１６…固体電解質基板、１３…窒素酸化物検知電極、１４…酸素検知電極、１５…参照電極（第一及び第二の検知手段）、２１…電圧計（第一の検知手段）、２２…電圧計（第二の検知手段）、２４…窒素酸化物変換ポンプ（酸素ポンプ手段）、２６…ガス検知室
【図１】
2004212145.tif 000003
【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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