JP6149641B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関するものである。

例えば車載エンジンから排出される排気を検出対象とし、その排気中のＮＯｘ濃度を検出するガスセンサが知られている。このガスセンサ（ＮＯｘセンサ）としては、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とをそれぞれ有してなるポンプセル及びセンサセルを具備し、チャンバ内に導入した排気中の酸素をポンプセルにより排出するとともに、センサセルにより酸素排出後のガスからＮＯｘ濃度を検出するものが実用化されている。また、こうしたガスセンサの劣化診断を実施する劣化診断装置として、ポンプセルへの印加電圧を強制的に切り替えるとともに、その印加電圧の切替に伴うセンサセルの出力変化に基づいてガスセンサの劣化を判定するものが提案されている（例えば特許文献１参照）。また、かかる劣化診断装置では、印加電圧変化量とセンサセル出力変化量とに基づいてセンサセルの出力が補正されるようになっている。

特開２００９−１７５０１３号公報

しかしながら、ポンプセルにある一定の電圧を印加した状態であっても当該ポンプセルに流れる電流が意に反する電流量となることが考えられ、ひいてはセンサセルの劣化診断の精度が低下したり、センサセルの出力補正が適正に行えなくなったりすることが懸念される。例えばポンプセルにおいては、劣化や活性の状態に応じてポンプセル電流（言うなればポンプセルによる酸素排出量）が変わることが考えられ、それに起因してチャンバ内の残留酸素濃度に影響が及ぶ。そして、その残留酸素濃度への影響によってセンサセル出力が変動してしまい、結果として劣化診断や出力補正を適正に実施できなくなる。

本発明は、ガスセンサについて適正な管理を実現することができるガスセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体（１１，１２）と該固体電解質体に配置された一対の電極（３２，３３，３６〜３８）とをそれぞれ有してなる第１セル（３１）及び第２セル（３４，３５）を備えるガスセンサ（１０）に適用され、前記ガスセンサが、ガス室（１４，１６）内に導入された被検出ガス中の酸素を前記第１セルにより排出するとともに、前記第２セルにより酸素排出後のガスから特定成分の濃度を検出するものとなっている。そして、前記第１セルによる酸素排出の量を一時的に変更する酸素排出量変更手段と、前記酸素排出量変更手段により酸素排出量が変更された状態で実際の酸素排出の変更量である実排出量を算出する第１算出手段と、前記第２セルにおいて前記酸素排出量変更手段による酸素排出量の変更に伴い生じた出力変化の量を算出する第２算出手段と、前記第１算出手段により算出された実排出量と、前記第２算出手段により算出された前記第２セルの出力変化量とに基づいて、前記第２セルにより検出される前記特定成分の濃度の補正、及び前記第２セルの劣化判定の少なくともいずれかを実施する主制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成では、第１セル（ポンプセル）による酸素排出の量を変更する場合に、その変更に伴い生じた実排出量（実際の酸素排出の変更量）が算出されるとともに、第２セル（センサセル、モニタセル）での出力変化量が算出される。この場合、仮に第１セルにおいて劣化や活性の状態等に応じて、酸素排出の指示に対する実際の酸素排出量（酸素ポンピング量）が変わったとしても、実際にどれほどの酸素排出量が生じたかを監視できる。そして、第１セルでの実排出量と第２セルでの出力変化量とに基づいて、第２セルにより検出される特定成分の濃度の補正や第２セルの劣化判定が実施されるため、その濃度算出や劣化判定の精度を向上させることができる。その結果、ガスセンサについて適正な管理を実現できる。

ＮＯｘセンサの素子内部構造とセンサ制御回路とを示す構成図。 エンジンシステムの概要を示す構成図。 ＮＯｘセンサの出力特性を示す図。 ポンプセルの出力特性の詳細を示す図。 センサ出力の補正値算出の処理手順を示すフローチャート。 補正値算出についてより具体的に説明するためのタイムチャート。 センサセル及びモニタセルの劣化判定処理を示すフローチャート。 ＮＯｘ濃度とＶｐ変更量との関係を示す図。

以下、本発明のガスセンサ制御装置を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジン（内燃機関）の排気管に設けられたＮＯｘセンサを用い、そのＮＯｘセンサの出力に基づいて排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出装置について説明する。そのＮＯｘ濃度検出装置が適用されるエンジンシステムとしては、図２に示す構成が想定される。

図２において、エンジン５０は例えば多気筒ディーゼルエンジンであり、燃料を噴射する複数のインジェクタ５１を有している。エンジン５０の排気管５２には排気浄化装置５３が設けられている。排気浄化装置５３は、例えばＮＯｘ吸蔵還元型触媒やアンモニア選択還元触媒等のＮＯｘ浄化触媒であり、排気がこの排気浄化装置５３を通過する際にＮＯｘ等が浄化される。また、排気浄化装置５３の下流側には、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１０が設けられている。

ＥＣＵ６０は、ＣＰＵや各種メモリ等よりなる周知のマイクロコンピュータを具備する電子制御装置であって、ＥＣＵ６０には、ＮＯｘセンサ１０の検出信号が入力される他、エンジン５０の回転速度を検出する回転センサ６１や、アクセル開度等のエンジン負荷を検出する負荷センサ６２から検出信号が入力される。ＥＣＵ６０は、これらの検出信号等に基づいてインジェクタ５１の燃料噴射制御や、排気浄化装置５３の劣化判定等を実施する。

次に、ＮＯｘセンサ１０を構成するセンサ素子１０ａについて図１を用いて説明する。センサ素子１０ａはいわゆる積層型構造を有するものであり、その内部構造を図１に示している。図の左右方向がセンサ素子１０ａの長手方向に相当する。図の右側が素子基端側（排気管取り付け部位側）であり、図の左側が素子先端側である。センサ素子１０ａは、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものであり、それら各セルが積層配置されて構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、補助ポンプセル又は第２ポンプセルと称される場合もある。

センサ素子１０ａにおいて、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質体１１，１２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質体１１には排気導入口１１ａが形成されており、この排気導入口１１ａを介してセンサ素子周囲の排気が第１チャンバ１４内に導入される。第１チャンバ１４は、絞り部１５を介して第２チャンバ１６に連通している。両チャンバ１４，１６がガス室に相当する。固体電解質体１１の図の上面側には、排気を所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層１７が設けられるとともに、大気通路１８を区画形成するための絶縁層１９が設けられている。

また、固体電解質体１２の図の下面側にはアルミナ等よりなる絶縁層２１が設けられ、この絶縁層２１により大気通路２２が形成されている。絶縁層２１には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）２３が埋設されている。この場合、ヒータ２３により、ポンプセル３１、モニタセル３４及びセンサセル３５が加熱され、これら各セル３１，３４，３５の活性化が促進される。ヒータ２３は、図示しないバッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。

図の下側の固体電解質体１２には、第１チャンバ１４に対面するようにしてポンプセル３１が設けられており、ポンプセル３１は、第１チャンバ１４内に導入された排気中の酸素を出し入れして同チャンバ１４内の残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル３１は、固体電解質体１２を挟んで設けられる上下一対の電極３２，３３を有し、そのうち特に第１チャンバ１４側の電極３２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘを分解し難い電極）となっている。ポンプセル３１は、電極３２，３３間に電圧が印加された状態で、第１チャンバ１４内に存在する酸素を分解して電極３３より大気通路２２側に排出する。

また、図の上側の固体電解質体１１には、第２チャンバ１６に対面するようにしてモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。モニタセル３４は、上述したポンプセル３１により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ１６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル３５は、第２チャンバ１６内のガスからＮＯｘ濃度を検出する。本実施形態では、ポンプセル３１が「第１セル」に相当し、モニタセル３４及びセンサセル３５が「第２セル」に相当する。また、モニタセル３４は、第２チャンバ１６内の残留酸素濃度を「特定成分の濃度」として検出し、センサセル３５は、第２チャンバ１６内のＮＯｘ濃度を「特定成分の濃度」として検出する。

モニタセル３４及びセンサセル３５は、互いに近接した位置に並べて配置されており、第２チャンバ１６側に電極３６，３７を有するとともに、大気通路１８側に共通電極３８を有する構成となっている。すなわち、モニタセル３４は、固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３６及び共通電極３８とにより構成され、センサセル３５は、同じく固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３７及び共通電極３８とにより構成されている。モニタセル３４の電極３６（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル３５の電極３７（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上図面ではモニタセル３４及びセンサセル３５を排気の流れ方向（図の左右方向）に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル３４，３５は排気の流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。

ここで、ポンプセル３１と、モニタセル３４及びセンサセル３５とは、センサ素子１０ａの長手方向に並べて設けられており、センサ素子１０ａの先端側にポンプセル３１が設けられ、同基端側（排気管取り付け側）にモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。

上記構成のセンサ素子１０ａでは、排気は多孔質拡散層１７及び排気導入口１１ａを通って第１チャンバ１４に導入される。そして、この排気がポンプセル３１近傍を通過する際、ポンプセル電極３２，３３間にポンプセル電圧Ｖｐが印加されることで分解反応が起こり、第１チャンバ１４内の酸素濃度に応じてポンプセル３１を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４側の電極３２がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル３１では排気中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極３３から大気通路２２に排出される。こうしたポンプセル３１の働きにより、第１チャンバ１４内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。

ポンプセル３１近傍を通過したガス（酸素濃度調整後のガス）は第２チャンバ１６に流れ込み、モニタセル３４では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル３４の出力は、モニタセル電極３６，３８間に所定のモニタセル電圧Ｖｍが印加されることでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極３７，３８間に所定のセンサセル電圧Ｖｓが印加されることでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極３８から大気通路１８に排出される。このとき、センサセル３５に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排気中のＮＯｘ濃度が検出される。

センサ制御回路４０はセンサ制御の主体となるマイコン４１と、電圧印加部や電流検出部等を有する回路部とを有しており、このマイコン４１や回路部により、ポンプセル３１の電極３２，３３間に印加するポンプセル電圧Ｖｐ、モニタセル３４の電極３６，３８間に印加するモニタセル電圧Ｖｍ、センサセル３５の電極３７，３８間に印加するセンサセル電圧Ｖｓがそれぞれ制御される。マイコン４１には、ポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の検出値が逐次入力され、マイコン４１は、これらの検出値に基づいて排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を算出する。マイコン４１は、例えば図２のＥＣＵ６０内に設けられているとよい。

なお、マイコン４１では、各セルの電流検出値が図示しないＡ／Ｄ変換器を介して入力されるようになっている。この場合、セルごとに定められた電流検出範囲（濃度検出範囲に相当）内において電流が検出され、その電流検出値が、Ａ／Ｄ変換器の電圧変換範囲（例えば０〜５Ｖ）で変換されてマイコン４１に取り込まれる。

次に、ＮＯｘセンサ１０の出力特性について図３を用いて説明する。図３において（ａ）はポンプセル３１の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を示し、（ｂ）はセンサセル３５の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を示している。図３（ａ）の横軸はポンプセル電圧Ｖｐ、縦軸はポンプセル電流Ｉｐである。また、図３（ｂ）の横軸はセンサセル電圧Ｖｓ、縦軸はセンサセル電流Ｉｓである。

図３（ａ）において、電圧軸（横軸）に略平行な平坦部分はポンプセル電流Ｉｐを特定する限界電流域であって、このポンプセル電流Ｉｐの増減が排気中の酸素濃度に対応している。つまり、排気中の酸素濃度が増えるほどポンプセル電流Ｉｐが増大し、排気中の酸素濃度が減るほどポンプセル電流Ｉｐが減少する。限界電流域は、酸素濃度が増えるほど高電圧側にシフトし、それに合わせて、ポンプセル電圧Ｖｐを決定するための印加電圧特性（印加電圧線Ｖｐ０）が高電圧側にシフトされるようになっている。また、限界電流域よりも低電圧側の傾き部分は抵抗支配域である。抵抗支配域の傾きは素子温度に依存し、素子温度が低いほど傾きが小さいものとなる。

また、図３（ｂ）において、電圧軸（横軸）に略平行な平坦部分はセンサセル電流Ｉｓを特定する限界電流域であって、このセンサセル電流Ｉｓの増減が排気中のＮＯｘ濃度に対応している。つまり、排気中のＮＯｘ濃度が増えるほどセンサセル電流Ｉｓが増大し、排気中のＮＯｘ濃度が減るほどセンサセル電流Ｉｓが減少する。センサセル電圧Ｖｓは、所定ＮＯｘ濃度相当のセンサセル電流Ｉｓを限界電流域で検出可能とする所定値Ｖｓ０で設定されている。ポンプセル出力特性と同様に、限界電流域よりも低電圧側の傾き部分は抵抗支配域であり、その傾きは素子温度が低いほど小さいものとなる。

なお、ポンプセル３１での電流出力とセンサセル３５での電流出力とはオーダーが異なっており、ポンプセル３１はｍＡオーダーでポンプセル電流Ｉｐを出力し、センサセル３５はμＡオーダーでセンサセル電流Ｉｓを出力する。また、ＮＯｘ濃度の検出範囲は最大３０００ｐｐｍとしている。

本実施形態のセンサ制御回路４０では、ポンプセル３１により酸素排出の量を一時的に強制変更し、その際のセンサセル出力の変化量及びモニタセル出力の変化量に基づいて、センサセル３５及びモニタセル３４の感度補正を実施することとしている。つまり、ＮＯｘセンサ１０において、ポンプセル３１での酸素排出量（酸素ポンピング量）を強制的に変えると、それに応じて酸素排出後の酸素濃度（第２チャンバ１６内の酸素濃度）が変わり、その酸素濃度の変更量に応じた分のセンサセル出力の変化及びモニタセル出力の変化が生じる。ただし、センサセル３５やモニタセル３４において個体差や劣化等に起因して感度の誤差が生じていると、酸素濃度の変更分に対するセンサセル出力／モニタセル出力の各変化量が本来の変化量と異なってしまう。そこで、酸素ポンピング量を変化させた場合のセンサセル出力／モニタセル出力の各変化量を求め、それらの出力変化量に基づいてセンサセル出力（ＮＯｘ濃度に相当）及びモニタセル出力（残留酸素濃度に相当）についての補正を実施する。

また、本実施形態では特に、ポンプセル３１での酸素排出量のばらつきによるセンサ検出信号の精度低下を抑制すべく、酸素ポンピング量の変更を指示した後に実際の酸素ポンピング量（実排出量）を求め、その実際の酸素ポンピング量を用いてセンサセル出力及びモニタセル出力の各補正値を算出することとしている。具体的には、ポンプセル電圧Ｖｐの変更を指示する場合に、その指示の前後のポンプセル電流Ｉｐにより、実際の酸素ポンピング量に相当するポンプセル電流の変化量ΔＩｐ（以下、ポンプセル出力変化量ΔＩｐとも言う）を算出する。そして、ポンプセル出力変化量ΔＩｐを用いてセンサセル出力及びモニタセル出力の各補正値を算出する。

ここで、ポンプセル３１の出力特性の詳細について図４を用いて説明する。図４に示す出力特性では、Ａ−Ｂ間が限界電流域であり、この限界電流域は横軸のポンプセル電圧Ｖｐに対して概ね一定のポンプセル電流Ｉｐを出力する領域となっている。ただし詳細に見ると、限界電流域には傾きがあり、ポンプセル電圧Ｖｐを変更することでポンプセル電流Ｉｐに変化が生じる。例えば、ポンプセル電圧ＶｐをＶｐ１からＶｐ２に変更すると、ポンプセル電流ＩｐがＩｐ１からＩｐ２に変化する。この場合、ポンプセル電流Ｉｐが（Ｉｐ１−Ｉｐ２）分だけ減少することで、ポンプセル３１における酸素排出量が減り、ＮＯｘセンサ１０の第２チャンバ１６内における残留酸素濃度が増加する。そして、それに応じてセンサセルの出力、モニタセル出力に変化が生じることとなる。なお、ポンプセル電流Ｉｐはポンプセル３１における酸素排出能力とみなすことができ、Ｉｐの減少により酸素排出能力が低下していると言える。

また、ポンプセル３１の出力特性においては限界電流域の傾きに差異が生じることが考えられ、その差異が生じていると、ポンプセル電流Ｉｐの変化量（酸素排出の指示に対する実際の酸素排出量）に影響が及び、ひいては補正値算出の精度低下を招来する。限界電流域の傾きの差異が生じる要因としては、ポンプセル３１の個体差、劣化等の経時変化、活性状態の違い等が考えられる。この点、上記のとおりＶｐ変更前後のポンプセル電流Ｉｐによりポンプセル出力変化量ΔＩｐを算出するとともに、Ｖｐ変更前後のセンサセル３５及びモニタセル３４の出力変化量ΔＩｓ，ΔＩｍを算出し、それらΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍを用いてセンサセル３５及びモニタセル３４のそれぞれの出力補正値を算出するようにした。そのため、仮に限界電流域の傾きに差異が生じていてもその差異を反映した状態で補正値の算出を行うことができる。

本実施形態では、センサセル３５は最大３０００ｐｐｍ程度のＮＯｘ濃度を検出するものであり、その検出範囲内で酸素濃度の変更が行われることが望ましい。それゆえ、ポンプセル３１の出力特性において限界電流域内に収まる幅でポンプセル電圧Ｖｐの変更が行われるとよい。

図５は、センサ出力の補正値算出の処理手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４１により所定周期で繰り返し実施される。

図５において、ステップＳ１１では、センサ出力の補正値（センサセル３５、モニタセル３４の各出力補正値）を算出するための実施条件が成立しているか否かを判定する。その実施条件には、
・ＮＯｘセンサ１０が所定の活性状態になっていること、
・エンジン５０が燃料カット状態であること、
・燃料カットの開始後、所定時間（センサ出力安定の待ち時間）が経過していること、
・ポンプセル３１が正常であること、
が含まれ、これらが全て成立していれば、補正値算出の実施条件が成立していると判定される。なお、ポンプセル３１が正常であることの判定は任意の手法で行われればよいが、例示すると、酸素濃度が既知の状態（例えば大気状態）においてポンプセル電流Ｉｐが既定の所定値（例えば大気相当値）になっているかどうかに基づいて正常判定が実施されるとよい。

また、ステップＳ１２では、車両のイグニッションスイッチ（電源スイッチ）のオン後において補正値の算出が未実施であるか否かを判定する。そして、ステップＳ１１，Ｓ１２のいずれかがＮＯであればそのまま本処理を終了し、ステップＳ１１，Ｓ１２が共にＹＥＳであれば後続のステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、ポンプセル電圧Ｖｐの変更指示を行った後か否かを判定する。Ｖｐ変更の指示前であれば、ステップＳ１４に進み、Ｖｐ変更前におけるポンプセル電流Ｉｐ１、センサセル電流Ｉｓ１、モニタセル電流Ｉｍ１をそれぞれ読み込む。続くステップＳ１５では、ポンプセル電圧Ｖｐの変更指示を実施する。このとき、ポンプセル電圧Ｖｐの変更量は、ＮＯｘ濃度で３０００ｐｐｍ相当となる酸素濃度の減少変化を生じさせるものである。ただし、ポンプセル電圧Ｖｐの変更量は、３０００ｐｐｍよりも少ない酸素濃度の減少変化を生じさせるものであってもよく、例えば２０００〜３０００ｐｐｍ相当の酸素濃度の減少変化を生じさせるものであればよい。

また、Ｖｐ変更の指示後であれば、ステップＳ１６に進み、ポンプセル電圧Ｖｐの変更後に所定時間（各電流の収束時間）が経過したか否かを判定する。この場合、Ｖｐ変更後に所定時間が経過していれば、ステップＳ１７に進み、Ｖｐ変更後におけるポンプセル電流Ｉｐ２、センサセル電流Ｉｓ２、モニタセル電流Ｉｍ２をそれぞれ読み込む。続くステップＳ１８では、ポンプセル３１、センサセル３５、モニタセル３４についてＶｐ変更の前後における出力変化量ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍをそれぞれ算出する（ΔＩｐ＝Ｉｐ１−Ｉｐ２、ΔＩｓ＝Ｉｓ２−Ｉｓ１、ΔＩｍ＝Ｉｍ２−Ｉｍ１）。この場合、ポンプセル３１の出力変化量ΔＩｐはポンプセル電流Ｉｐの減少量として算出され、センサセル３５及びモニタセル３４の各出力変化量ΔＩｓ，ΔＩｍはセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍの増加量として算出される。

その後、ステップＳ１９では、センサセル３５及びモニタセル３４の出力変化量ΔＩｓ，ΔＩｍをポンプセル３１の出力変化量ΔＩｐにて除算することで、センサセル３５及びモニタセル３４の出力感度値Ｋｓ，Ｋｍを算出する（Ｋｓ＝ΔＩｓ／ΔＩｐ、Ｋｍ＝ΔＩｍ／ΔＩｐ）。

その後、ステップＳ２０では、ステップＳ１９で算出した各セル３５，３４の出力感度値Ｋｓ，Ｋｍと、各セル３５，３４の感度基準値Ｒｓ，Ｒｍとを用いて、これら各セル３５，３４の出力補正値Ｈｓ，Ｈｍを算出する（Ｈｓ＝Ｋｓ／Ｒｓ、Ｈｍ＝Ｋｍ／Ｒｍ）。なお、感度基準値Ｒｓ，Ｒｍは、Ｖｐ変更量に応じて定められるものであって、かつ劣化等が生じていない初期状態での感度値としてあらかじめ定められている。

その後、ステップＳ２１では、上記算出した出力補正値Ｈｓ，Ｈｍを学習値としてバックアップ用のメモリに記憶する。なお、バックアップ用のメモリは、例えばＥＣＵ６０内に設けられたＥＥＰＲＯＭ（登録商標）であるとよい。そしてその後、ステップＳ２２では、ポンプセル電圧Ｖｐを変更前の電圧値に戻す。

出力補正値Ｈｓ，Ｈｍ（学習値）は、通常制御時において必要に応じて読み出され、その出力補正値Ｈｓ，Ｈｍによりセンサセル出力、モニタセル出力の補正が実施される。つまりこの場合、出力補正値Ｈｓ，ＨｍによりＮＯｘ濃度及び残留酸素濃度の補正が実施されることになる。センサセル出力、モニタセル出力は次式により物理値に変換されるとよい。
センサセル出力物理値＝センサセル出力×Ｇｓ×Ｈｓ
モニタセル出力物理値＝モニタセル出力×Ｇｍ×Ｈｍ
なお、Ｇｓ，Ｇｍはそれぞれ、センサセル出力、モニタセル出力を物理値に変換する変換係数である。

図６は、補正値算出についてより具体的に説明するためのタイムチャートである。

図６において、タイミングｔ１以前は所定空燃比（リーン空燃比）となっており、ポンプセル３１では第１チャンバ１４内の酸素濃度に応じたポンプセル電流Ｉｐを出力し、センサセル３５では第２チャンバ１６内のＮＯｘ濃度及び酸素濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓを出力し、モニタセル３４では第２チャンバ１６内の酸素濃度に応じたモニタセル電流Ｉｍを出力している。

タイミングｔ１ではエンジン５０が燃料カット状態になり、空燃比が一気にリーン側（大気側）に移行する。そしてそれに伴いポンプセル電流Ｉｐが大気相当値まで増加する。また、排気中のＮＯｘが減る（略ゼロになる）ことで、Ｉｓが低下し、Ｉｓ＝Ｉｍの状態となる。つまり、燃料カット中においてはＮＯｘ濃度の影響を受けないセンサセル電流Ｉｓの取得が可能となっている。なお、図６では、空燃比が大気側に移行してもポンプセル電圧Ｖｐを一定としているが、図３（ａ）に示すように空燃比に応じてポンプセル電圧Ｖｐを変更することが可能である。

その後、燃料カットの開始から所定時間が経過したタイミングｔ２では、ポンプセル電圧Ｖｐの減少側への変更が指示され、それに伴い各電流Ｉｐ，Ｉｓ，Ｉｍがそれぞれ変化する。そして、Ｖｐ変更前後の各電流Ｉｐ，Ｉｓ，Ｉｍから、出力変化量ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍが算出される。さらに、これら出力変化量ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍ等を用いて、センサセル３５及びモニタセル３４の出力感度値Ｋｓ，Ｋｍや出力補正値Ｈｓ，Ｈｍが算出される。このとき、燃料カット中であって、ＮＯｘ分の検出が行われていない状態であるため、ＮＯｘ検出範囲を目一杯使ってセンサセル電流Ｉｓを変化させることが可能であり、出力感度値Ｋｓ，Ｋｍや出力補正値Ｈｓ，Ｈｍの算出精度の向上が可能となっている。

その後、タイミングｔ３では、燃料カットが終了され、ポンプセル電圧Ｖｐが変更前の電圧値に戻される。

また、Ｖｐ変更指示の前後の出力変化量ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍを用いれば、センサセル３５及びモニタセル３４の劣化判定が可能である。そこで本実施形態では、各セルの出力変化量ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍに基づいて算出された出力感度値Ｋｓ，Ｋｍを用いて、センサセル３５及びモニタセル３４の劣化判定を実施する。図７は、センサセル３５及びモニタセル３４の劣化判定処理を示すフローチャートであり、本処理はマイコン４１により所定周期で繰り返し実施される。

図７において、ステップＳ３１では、センサセル３５及びモニタセル３４の出力感度値Ｋｓ，Ｋｍを読み込む。この出力感度値Ｋｓ，Ｋｍは、図５で説明済みの手法を用い、各セルの出力変化量ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍに基づいて算出されたものであり、ここでは説明を割愛する。その後、ステップＳ３２では、センサセル３５の出力感度値Ｋｓが異常値であるか否かを判定する。そして、異常値であれば、ステップＳ３３に進んで、センサセル３５が劣化している旨を判定する。ここで、出力感度値Ｋｓについては正常範囲があらかじめ定められており、出力感度値Ｋｓが正常範囲の上限以上、又は下限以下になっていれば異常値であるとして異常判定がなされる（後述の出力感度値Ｋｍも同様）。

また、ステップＳ３４では、モニタセル３４の出力感度値Ｋｍが異常値であるか否かを判定する。そして、異常値であれば、ステップＳ３５に進んで、モニタセル３４が劣化している旨を判定する。

なお、出力感度値Ｋｓ，Ｋｍを異常判定のパラメータとして用いる以外に、出力変化量ΔＩｓ，ΔＩｍを異常判定のパラメータとして用いたり、出力補正値Ｈｓ，Ｈｍを異常判定のパラメータとして用いたりすることも可能である。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ポンプセル３１（第１セル）による酸素排出の量を変更する場合に、その変更に伴い生じた出力変化量ΔＩｐ（実排出量に相当）を算出するとともに、センサセル３５及びモニタセル３４（第２セル）での出力変化量ΔＩｓ，ΔＩｍを算出し、これら各セルの出力変化量ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍに基づいて、センサセル３５及びモニタセル３４の出力補正及び劣化判定を実施する構成とした。この場合、酸素排出の指示に対して実際にどれほどの酸素排出量が生じたかを監視した上で補正値の算出（濃度算出）や劣化判定を実施でき、その精度を向上させることができる。その結果、ＮＯｘセンサ１０について適正な管理を実現できる。

出力補正値の算出に際し、エンジン５０が燃料カット状態であることを条件にポンプセル電圧Ｖｐを一時的に変更する構成とした。この場合、エンジン５０の燃料カット状態ではＮＯｘ濃度がゼロであり、センサセル３５におけるＮＯｘ濃度検出の全範囲を使って酸素排出量の変更が可能となる。具体的には、ＮＯｘ濃度検出の上限が３０００ｐｐｍである場合に、その濃度上限に相当する量の酸素ポンピングが可能となる。ゆえに、出力補正の信頼性を高めることができる。また、劣化判定についても同様にその信頼性を高めることができる。

また、燃料カット状態では、燃料カット以外の状態とは異なり、排気浄化装置５３（触媒）の浄化性能に関係なく適正なる出力補正や劣化判定を実施できる。つまり、本実施形態のように排気浄化装置５３の下流側にＮＯｘセンサ１０が設けられる構成では、排気浄化装置５３の浄化状況に応じてその下流側に流れ出るＮＯｘ量に差異が生じるおそれがあるが、燃料カット状態であれば、排気浄化装置５３の浄化状況に依存することなく出力補正や劣化判定を適正に実施できる。また、排気浄化触媒の状態（例えば活性／非活性の状態等）にかかわらずいつでも出力補正や劣化判定を実施できるというメリットも得られる。

また、燃料カット状態は、ＮＯｘ濃度が一定のまま保持される状態であり、ＮＯｘ濃度の変動に起因して出力補正値が誤って算出されたり、劣化が誤判定されたりする不都合を回避できる。

ポンプセル３１が正常であることを条件に、各出力変化量ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍの算出をはじめ、出力補正値の算出や劣化判定を実施することとしたため、出力補正値の算出や劣化判定の信頼性を高めることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・上記実施形態では、出力補正値の算出に際し、エンジン５０が燃料カット状態であることを条件にポンプセル電圧Ｖｐを一時的に変更する構成としたが、燃料カット中以外であっても、排気中のＮＯｘ濃度が所定以下の状態（比較的低い状態）であることを条件にポンプセル電圧Ｖｐを一時的に変更する構成としてもよい。またこの場合、ＮＯｘ濃度の変動が生じにくい状況下で出力補正値の算出を実施するとよい。例えば、ＮＯｘセンサ１０の上流側に設けられた排気浄化触媒が活性状態にあり、かつエンジン５０がアイドル状態である場合に出力補正値の算出を実施するとよい。

ＮＯｘ濃度が比較的低い状態では、Ｖｐ変更前におけるセンサセル電流Ｉｓが比較的小さくなっており、センサセル電流Ｉｓの上限値に対する電流増加の可能分が比較的大きくなる。つまり、センサセル電流Ｉｓの強制変化の幅を比較的大きくすることができる。そのため、やはり出力補正の信頼性を高めることができる。

・出力補正値の算出に際し、ポンプセル電圧Ｖｐを一時的に強制変更する場合に、そのＶｐ変更量（酸素排出量）を都度のＮＯｘ濃度に応じて可変に設定する構成としてもよい。この場合、例えば図８に示すように、ＮＯｘ濃度（すなわちＶｐ変更前のセンサセル電流Ｉｓ）が小さいほどＶｐ変更量を大きくし、逆にＮＯｘ濃度が大きいほどＶｐ変更量を小さくするとよい。なお、残留酸素濃度（すなわちＶｐ変更前のモニタセル電流Ｉｍ）に基づいてＶｐ変更量を可変に設定することも可能であり、かかる場合には、残留酸素濃度が小さいほどＶｐ変更量を大きくするとよい。

本構成においては、センサセル３５やモニタセル３４の出力範囲に制限がある場合に、Ｖｐ変更後のセンサセル出力やモニタセル出力を所定の出力範囲内に収めつつも、最大限の出力変化を生じさせることができる。これにより、出力補正や劣化判定の精度を高めることができる。

・上記実施形態では、車両の電源スイッチのオン後に１回のみ補正値算出や劣化判定を実施する構成としたが、これに代えて、所定条件の成立の都度、繰り返し実施する構成としてもよい。例えば、所定時間ごと、所定走行距離ごと、燃料カット状態になるごとに、補正値算出や劣化判定を実施する構成としてもよい。

・上記実施形態では、ＮＯｘセンサ１０のセンサセル３５及びモニタセル３４の両方について出力補正値の算出と劣化判定とを実施する構成としたが、これに代えて、センサセル３５及びモニタセル３４のいずれか一方について出力補正値の算出と劣化判定とを実施する構成であってもよい。また、出力補正値の算出と劣化判定とのうちいずれか一方のみを実施する構成であってもよい。

・上記実施形態では、出力補正値の算出に際してポンプセル電圧Ｖｐを一時的に変更する場合に、ポンプセル電圧Ｖｐを減少側（酸素排出量が減る側）に変更する構成を例示したが、これに代えて、ポンプセル電圧Ｖｐを増加側（酸素排出量が増える側）に変更する構成としてもよい。

・ＮＯｘセンサ１０の構成は図１に示す構成と異なっていてもよい。例えば、固体電解質体１１に設けた排気導入口１１ａを介して排気を第１チャンバ１４内に導入する構成に代えて、対向配置される固体電解質体１１，１２の間に拡散抵抗層を設け（例えばスペーサ１３の一部を拡散抵抗層とし）、その拡散抵抗層を介して排気を第１チャンバ１４内に導入する構成としてもよい。また、ガス室として第１チャンバ１４と第２チャンバ１６とを有し、それらが絞り部１５を介して連通される構成に代えて、それらチャンバ１４，１６を絞り部を有さない１つのガス室として構成してもよい。

・上記実施形態では、ＮＯｘセンサ１０のセンサ素子として、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものを適用したが、これを変更してもよい。例えば、センサ素子として、ポンプセル及びセンサセルからなる、いわゆる２セル構造を有するものを適用する。この場合にはセンサセルが第２セルに相当する。なお、モニタセルを用いる場合に、そのモニタセルが起電力を出力する起電力セルであってもよい。

・検出対象の特定成分が酸素（残留酸素）、ＮＯｘ以外であってもよい。例えば、排気中のＨＣやＣＯを検出対象（特定成分）とするガスセンサであってもよい。この場合、ポンプセルにて排気中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。その他、被検出ガス中のアンモニアの濃度を検出するものであってもよい。

・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ディーゼルエンジン以外にガソリンエンジンなど他の形式のエンジンに用いられるガスセンサに適用されるセンサ制御装置としても具体化できる。ガスセンサは、排気以外のガスを検出対象としたり、自動車以外の用途で用いられたりするものであってもよい。

１０…ＮＯｘセンサ（ガスセンサ）、１１，１２…固体電解質体、１４，１６…チャンバ（ガス室）、３１…ポンプセル（第１セル）、３４…モニタセル（第２セル）、３５…センサセル（第２セル）、３２，３３，３６〜３８…電極、４０…センサ制御回路（酸素排出量変更手段、第１算出手段、第２算出手段、主制御手段）。

Claims (8)

1. 固体電解質体（１１，１２）と該固体電解質体に配置された一対の電極（３２，３３，３６〜３８）とをそれぞれ有してなる第１セル（３１）及び第２セル（３４，３５）を備えるガスセンサ（１０）に適用され、前記ガスセンサが、ガス室（１４，１６）内に導入された被検出ガス中の酸素を前記第１セルにより排出するとともに、前記第２セルにより酸素排出後のガスから特定成分の濃度を検出するものであるガスセンサ制御装置（４０）であって、
   前記第１セルによる酸素排出の量を一時的に変更する酸素排出量変更手段と、
   前記酸素排出量変更手段により酸素排出量が変更された状態で実際の酸素排出の変更量である実排出量を算出する第１算出手段と、
   前記第２セルにおいて前記酸素排出量変更手段による酸素排出量の変更に伴い生じた出力変化の量を算出する第２算出手段と、
   前記第１算出手段により算出された実排出量と、前記第２算出手段により算出された前記第２セルの出力変化量とに基づいて、前記第２セルにより検出される前記特定成分の濃度の補正、及び前記第２セルの劣化判定の少なくともいずれかを実施する主制御手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記酸素排出量変更手段は、前記第１セルによる酸素排出の量を一時的に減少させるものであり、
   前記第１算出手段は、前記第１セルによる酸素排出の量の減少が実施された場合に、実際の酸素排出の減少量を前記実排出量として算出し、
   前記第２算出手段は、前記第２セルにおいて前記第１セルによる酸素排出の量の減少に伴い生じた出力変化の増加量を算出し、
   前記主制御手段は、前記第１算出手段により算出された実際の酸素排出の減少量と、前記第２算出手段により算出された前記第２セルの出力変化の増加量とに基づいて、前記濃度補正及び前記劣化判定の少なくともいずれかを実施する請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記被検出ガスについて前記特定成分の濃度が所定以下であることを判定する判定手段を備え、
   前記酸素排出量変更手段は、前記判定手段により前記特定成分の濃度が所定以下であると判定された場合に、前記第１セルによる酸素排出の量を一時的に減少させる請求項２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記ガスセンサが、内燃機関（５０）から排出される排気を検出対象として排気中の特定成分の濃度を検出する排気センサであるガスセンサ制御装置であって、
   前記判定手段は、前記内燃機関において燃料カットが実施されている場合に前記特定成分の濃度が所定以下になっていると判定し、
   前記酸素排出量変更手段は、前記内燃機関において燃料カットが実施されている状態下で前記第１セルによる酸素排出の量を一時的に減少させる請求項３に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記ガスセンサが、前記排気中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサ（１０）であるガスセンサ制御装置であって、
   前記酸素排出量変更手段は、前記ＮＯｘ濃度の２０００〜３０００ｐｐｍに相当する酸素を前記第１セルにより排出させるものである請求項４に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記酸素排出量変更手段により前記酸素排出量が変更される際に、当該酸素排出量を、前記酸素排出量の変更前における前記特定成分の濃度に応じて可変に設定する手段を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記第２セルは、前記第１セルによる酸素排出後のガスから、前記特定成分の濃度として酸素以外の成分の濃度を検出するセンサセル（３５）である請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記第２セルは、前記第１セルによる酸素排出後のガスから、前記特定成分の濃度として前記ガス室内の残留酸素濃度を検出するモニタセル（３４）である請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。

Images