JP2009150741A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ使用開始後においてガスセンサ出力をいち早く正常化させる。
【解決手段】エンジンの運転停止後であるか否かを判定し（Ｓ１１）、エンジンの運転停止後であれば、センサ素子の温度（素子温度ＴＥＭＰ）をモニタする（Ｓ１２）。その後、素子温度ＴＥＭＰが、センサセル電極が活性状態となる電極活性温度（＝４００℃）を基に設定した判定値Ｋ１以上であるか否かを判定する（Ｓ１３）。ＴＥＭＰ≧Ｋ１であれば、センサセルへの電圧印加を実行する（Ｓ１４）。このとき、センサセル電極に所定のセンサセル印加電圧が印加される。また、ＴＥＭＰ＜Ｋ１であれば、センサセルへの電圧印加を終了する（Ｓ１５）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガス濃度検出装置に関するものであり、特に、ガス室（チャンバ）内の酸素量を所定濃度レベルに調整する酸素ポンプセルと、その酸素量調整後のガスから特性成分の濃度（例えばＮＯｘ濃度）を検出するセンサセルとを有するガスセンサに適用されるガス濃度検出装置に関するものである。

従来から、例えば、車載エンジンの排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出する限界電流式のＮＯｘセンサが知られている。このＮＯｘセンサは、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる３セル構造（又は、ポンプセル及びセンサセルの２セル構造）を有し、ポンプセルでは、ガス室内に導入した排気中の酸素の排出又は汲み込みが行われ、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。また、モニタセルでは、ガス室内の余剰酸素量が検出される。さらに、ＮＯｘセンサにおいては、上記の各セルを所定の活性温度に保持するためのヒータが設けられている。この場合、各セルが設けられる固体電解質素子の抵抗値（素子インピーダンス）が検出され、その素子インピーダンスが活性温度相当の値になるようヒータの通電が制御される。

また、上記構成のＮＯｘセンサでは、センサセルのＮＯｘ活性電極としてロジウムＲｈや白金Ｐｔが用いられるが、これらロジウムＲｈ等からなる電極はガス中の酸素が吸着しやすく、それが原因で、センサ始動時にはセンサ出力電流が安定するまでが長引いてしまうという不都合がある。

そこで、特許文献１のガス検出装置では、装置起動時にセンサセル電極に吸着している酸素を除去するための手段を備える構成とし、具体的には、装置起動時に、センサセルの一対の電極間に印加される電圧を通常の制御電圧よりも高くする制御を行うこととしている。そしてこれにより、吸着酸素を早期に除去し、それに伴いセンサ出力電流の安定化が早められるとしている。
特開２００１−１４１６９６号公報

しかしながら、装置起動時にセンサセルへの印加電圧を通常の制御電圧よりも高くする上記の従来構成では、その装置起動後において酸素除去の早期化がある程度できるものの、装置起動時においてセンサセル電極に多くの酸素が吸着していることに変わりない。そのため、センサ出力電流の安定化までの時間短縮には限界があり、改善の余地が残されている。また、上記特許文献１のガス検出装置では、望ましくは酸素吸着量に応じて電圧印加時間や印加電圧を変える必要があり、制御が困難であるという問題があった。

本発明は、センサ使用開始後においてガスセンサ出力をいち早く正常化させることができるガス濃度検出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。

本発明のガス濃度検出装置は、第１セル（ポンプセル）及び第２セル（センサセル）を有するセンサ素子を備え、かつ、第１セルでガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を所定濃度レベルに調整するとともに第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度を検出するガスセンサに適用される。そして、第１セル及び第２セルがヒータにより加熱されてこれら各セルが活性状態とされる。また特に、請求項１に記載の発明では、ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後に、ガス室内の酸素が強制的に排出されるようになっている。なお、被検出ガスとしては、酸素と、組成中に酸素を含む特定成分（ＮＯｘ等）とが存在するガスを想定しており、それは例えば内燃機関から排出される排気である。

要するに、ＮＯｘセンサ等のガスセンサでは、センサ素子が所定の高温状態にある場合に電極（例えば、白金ＰｔやロジウムＲｈを主成分とする電極）への酸素吸着が生じる傾向にあり、その酸素吸着により、次回のセンサ使用開始時においてセンサ出力の正常化（すなわち、センサ活性化）までの時間が長引いてしまう。かかる場合、センサ素子が所定の高温状態よりも低温になれば、電極への酸素吸着は生じないと考えられる。本発明では、こうした事象に着眼し、ヒータの通電停止により素子温度が低下する過程において、ガス室内の酸素排出を行うことで電極への酸素吸着を抑制する。上記構成では、次回のセンサ使用開始に備えて電極への酸素吸着が抑制されるため、その次回の使用開始時には、電極への酸素吸着が無い状態又は酸素吸着が少ない状態でのセンサ始動が可能となり、吸着酸素の除去に要する時間を大幅に短縮できる。その結果、センサ使用開始後においてガスセンサ出力をいち早く正常化させることができる。

請求項２に記載の発明では、ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後に、第２セル（センサセル）に電圧を印加することでガス室内の酸素排出を実行する。この場合、第２セルへの電圧印加に伴い当該第２セルを通じて酸素が排出される。これにより、電極への酸素吸着を抑制できる。

ここで、第２セルの出力特性としては、同セルへの電圧印加に対して流れる電流値が規定されている（図２（ｂ）参照）。また、この出力特性では、素子温度の低下に伴い抵抗支配領域の傾きが小さくなり、電流が流れにくくなる（図６（ａ）参照）。こうした素子温度の低下に伴うセンサ出力特性の変化を考慮すると、請求項３に記載したように、ヒータ通電停止後に素子温度が低下するほど第２セルの印加電圧を大きくすることが望ましい。これにより、素子温度が低下しても第２セルに流れる電流の減少が抑えられ、ひいては、第２セルによる酸素排出能力の低下を抑制することができる。

請求項４に記載の発明では、ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後においてセンサ素子の温度を検出し、該検出した素子温度があらかじめ定めた所定温度に低下するまで、ガス室内の酸素排出を実行する。かかる場合、請求項５に記載したように、前記所定温度は、第２セル電極の活性温度、又は同活性温度を基に定めた温度であるとよい。第２セル電極の活性温度は例えば４００℃である。

センサ素子の電極に酸素が吸着するのは、同素子が所定の高温状態にある場合（第２セル電極が概ね活性温度以上である場合）のみであり、酸素吸着が生じる高温域よりも低温側に素子温度が低下すれば、酸素排出制御を終了してもよいこととなる。この点、上記によれば、ヒータ通電停止後の素子温度の変化をモニタしながら、酸素排出の終了判断ができるため、適切なタイミングで酸素排出を終了させることができる。

また、請求項６に記載したように、前記所定温度は、ヒータ通電停止後の素子温度の低下過程で所定の酸素排出能力（酸素ポンプ能力）を維持できる第２セル電流が流れる温度域の下限値であるとよい。例えば、図６（ｂ）において、被検出ガスが大気であり、第２セル以外のセルに電圧を印加しない場合、「所定の酸素排出能力を維持できる第２セル電流」が１μＡであるとすると、「所定温度」は４００℃である。

ヒータ通電終了後に素子温度が低下すると、出力特性の変化に伴い第２セルに流れる電流が減少し、それに起因して第２セルにおける酸素排出能力が低下する。そして上記請求項６の構成によれば、所定の酸素排出能力が維持できないほど温度低下した状態において、酸素排出が終了される。このとき、大気検出を基準とした第２セル電流に基づいて酸素排出実行の温度域を定めるようにすることで、ガスセンサの使用終了に伴いガス雰囲気が大気（超リーン）となったとしても、適正に酸素排出を行わせることができる。

請求項７に記載の発明では、ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後に、同通電終了から所定時間が経過するまで、ガス室内の酸素排出を実行する。ヒータ通電終了後において素子温度の推移はある程度予測できると考えられる。言い換えれば、酸素吸着が生じる高温域よりも低温側に素子温度が低下する場合、その温度低下に要する所要時間を推測することが可能である。したがって、上記によれば、ヒータ通電終了後における酸素排出を適切なタイミングで終了させることができる。

例えば外気温度が高低相違することに起因してガスセンサの周囲温度が変化すると、ヒータ通電終了後における素子温度の低下勾配が変わり、外気温度が低いほど素子温度の低下勾配が急になる。これを鑑みると、ヒータ通電終了後において素子温度低下に要する所要時間は、外気温度等に依存して変わることとなる。それゆえに、請求項８に記載したように、ガスセンサの周囲温度（例えば外気温度）を検出し、該検出したセンサ周囲温度に基づいて前記所定時間を可変に設定することが望ましい。これにより、ヒータ通電終了後における酸素排出の時間管理を適正に行わせることができる。

また、請求項９に記載の発明では、ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後に、第１セル（ポンプセル）に電圧を印加することでガス室内の酸素排出を実行する。この場合、第１セルへの電圧印加に伴い当該第１セルを通じて酸素が排出される。これにより、電極への酸素吸着を抑制できる。

特に、ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後に、第１セル及び第２セルの両方に電圧を印加してガス室内の酸素排出を実行する構成とすれば、その酸素排出効果が一層顕著となる。

ここで、第１セルの出力特性としては、上述した第２セルの出力特性と同様に、第１セルへの電圧印加に対して流れる電流値が規定されている（図２（ａ）参照）。また、この出力特性では、素子温度の低下に伴い抵抗支配領域の傾きが小さくなり、電流が流れにくくなる。こうした素子温度の低下に伴うセンサ出力特性の変化を考慮すると、請求項１０に記載したように、ヒータ通電停止後に素子温度が低下するほど第１セルの印加電圧を大きくすることが望ましい。これにより、素子温度が低下しても第１セルに流れる電流の減少が抑えられ、ひいては、第１セルによる酸素排出能力の低下を抑制することができる。

以下、本発明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濃度検出システムについて説明する。なお、車載エンジンは例えばディーゼルエンジンであり、同エンジンの排気管に設けられる排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やアンモニア選択還元触媒等）について、ＮＯｘセンサの出力に基づいて異常診断等が実施されるようになっている。例えば、ＮＯｘ浄化触媒の下流側にＮＯｘセンサが設けられ、同ＮＯｘセンサの出力から算出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ浄化率）が所定の異常判定値を上回る場合に、ＮＯｘ浄化触媒が異常である旨診断される。

まずは、ＮＯｘセンサを構成するセンサ素子１０について図１を用いて説明する。センサ素子１０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１０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１０は、ポンプセル、センサセル及びモニタセルの３つの電気化学的セルからなる、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１０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を介して当該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。固体電解質体１１の図の上面には、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が活性状態とされる。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。ポンプセル３１が「第１セル」に相当し、センサセル３５が「第２セル」に相当する。

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１０の長手方向に並べて設けられており、センサ素子１０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１０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間にポンプセル印加電圧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調整される。

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印加電圧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印加電圧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を有しており、このマイコン４１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の各々の計測値が逐次入力され、マイコン４１は、これらの計測値に基づいて排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を算出する。

次に、ＮＯｘセンサの出力特性について図２を用いて説明する。図２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２（ａ）の横軸はポンプセル印加電圧Ｖｐ、縦軸はポンプセル電流Ｉｐである。また、図２（ｂ）の横軸はセンサセル印加電圧Ｖｓ、縦軸はセンサセル電流Ｉｓである。

図２（ａ）において、電圧軸（横軸）に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（フラット域）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、ポンプセル印加電圧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２（ｂ）において、電圧軸（横軸）に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。センサセル印加電圧Ｖｓは、所定ＮＯｘ濃度相当のセンサセル電流Ｉｓを限界電流域（フラット域）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。

ところで、上記構成のセンサ素子１０（ＮＯｘセンサ）では、エンジンの運転停止に伴うヒータ通電の終了後にセンサセル電極３７に酸素が吸着し、この吸着した酸素が原因で、次回のエンジン始動直後においてＮＯｘセンサ出力にオフセット誤差が生じるという問題がある。すなわち、センサセル３５において第２チャンバ１６側の電極３７（ＮＯｘ活性電極）は、白金ＰｔやロジウムＲｈ等、酸素吸着能力を有する材料を用いて構成されており、同電極３７にはエンジン停止後において酸素が吸着する。したがって、エンジン始動後には、センサセル電極３７の吸着酸素が排除できるまでの期間においてＮＯｘセンサ出力の精度が低下する。さらに言えば、ＮＯｘセンサ出力が正常値となる時点を活性完了とすれば、その活性完了までの時間（センサ活性時間）が長引くという不都合が生じる。

そこで本実施形態では、エンジンの運転停止に伴うヒータ通電の終了後において、センサセル電極３７への酸素吸着を抑制する。そしてそれにより、次回のエンジン始動直後におけるＮＯｘセンサ出力のオフセット誤差をいち早く解消する。具体的には、センサセル電極３７への酸素吸着は、同電極が所定温度以上（電極活性温度の４００℃以上）である場合に生じ、逆を言えば、同電極が所定温度未満（４００℃未満）になれば、センサセル電極への酸素吸着はほとんど生じない。ゆえに本実施形態では、エンジンの運転停止に伴うヒータ通電の終了後において、センサ素子の温度が所定温度（４００℃）に低下するまではセンサセル３５の電圧印加を継続し、同素子温度が所定温度（４００℃）まで低下すると、センサセル３５の電圧印加を停止する。このとき、センサセル３５への電圧印加を行うことで、センサセル３５を通じて酸素排出が行われ、仮にセンサセル電極３７が吸着してもその吸着酸素が分解除去される。

図３は、エンジン停止後におけるセンサ制御に関する制御手順を示すフローチャートであり、本処理は、所定の時間周期又は角度周期でマイコン４１により繰り返し実行される。なお、マイコン４１には、エンジン停止後（すなわち、イグニッションＯＦＦ後）も継続して電源が供給され、エンジン停止後における演算処理の実行が可能となっている。

図３において、ステップＳ１１では、エンジンの運転停止後であるか否かを判定する。エンジンの運転停止後であれば、ステップＳ１２に進み、センサ素子の温度（素子温度ＴＥＭＰ）をモニタする。素子温度ＴＥＭＰは、図示しない別の素子温度算出処理により求められるようになっており、掃引法などにより検出した素子インピーダンスを換算することで素子温度ＴＥＭＰが算出される。ただし、素子温度ＴＥＭＰは、ヒータ抵抗から算出する等、インピーダンス換算以外の他の手法により算出（推定）されてもよい。

その後、ステップＳ１３では、素子温度ＴＥＭＰが、センサセル電極が活性状態となる電極活性温度（＝４００℃）を基に設定した判定値Ｋ１以上であるか否かを判定する。本実施形態では、Ｋ１＝電極活性温度（４００℃）である。

ＴＥＭＰ≧Ｋ１であればステップＳ１４に進み、センサセル３５への電圧印加を実行する。このとき、センサセル電極３７，３８間に所定のセンサセル印加電圧Ｖｓが印加される。本実施形態では、エンジン運転中と同じ印加電圧（例えば０．４Ｖ）がセンサセル印加電圧Ｖｓとしてセンサセル３５に印加される。また、ＴＥＭＰ＜Ｋ１であればステップＳ１５に進み、センサセル３５への電圧印加を終了する（Ｖｓ＝０とする）。

図４は、エンジン停止後におけるセンサ制御をより具体的に示すタイムチャートである。図４では、エンジンの運転停止に伴いヒータ２３の通電が停止され、それにより素子温度が次第に低下している。また、エンジン停止後もセンサセル３５への電圧印加が継続され、センサセル印加電圧Ｖｓ＝０．４Ｖのままとされている。したがって、センサセル３５を通じて酸素排出が行われるとともに、センサセル電極への酸素吸着が抑制される。

そして、素子温度が判定値Ｋ１（４００℃）まで低下した時点で、センサセル３５への電圧印加が停止される。素子温度が判定値Ｋ１以下になった状態では、センサセル電極が低温状態になることで酸素吸着が生じにくくなっている。

図５は、エンジン停止後にセンサセル電圧印加を行う場合において、その電圧印加を行う下限温度（判定値Ｋ１に相当）と、次回のエンジン始動後におけるセンサ活性時間との関係を示すグラフである。なお、センサ活性時間は、エンジン始動後においてＮＯｘセンサ出力が所望とする出力値に安定するまでの所要時間である。

図５によれば、センサセル電圧印加の下限温度を低くするほどセンサ活性時間が短縮されることが確認できる。本実施形態のように下限温度を４００℃とした場合、センサ活性時間は約６０秒程度となる。つまり、エンジン停止後にセンサセル３５への電圧印加を行わない場合のセンサ活性時間は６００秒程度であり、これと比較すると、センサ活性時間が約１／１０に短縮できる。

なお、仮に下限温度（判定値Ｋ１に相当）を６００℃とした場合であっても、センサ活性時間が半分以下の時間に短縮できる。したがって、エンジン停止後にセンサセル電圧印加を行わない従来技術に対してセンサ活性時間を１／２以下にすることを目標とすると、センサセル電圧印加の下限温度（判定値Ｋ１に相当）を４００〜６００℃の範囲内で規定することが望ましい。言い加えると、同下限温度を電極活性温度（４００℃）を基に定めるとすると、「電極活性温度〜電極活性温度＋２００℃程度」の範囲内で規定することが望ましい。

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。

エンジン停止後（ヒータ通電停止後）に、センサセル３５に電圧を印加することで酸素を強制的に排出する構成としたため、ヒータ通電停止により素子温度が低下する過程においてセンサセル電極への酸素吸着が抑制される。これにより、次回のエンジン始動に伴うＮＯｘセンサの使用開始時には、センサセル電極への酸素吸着が無い状態又は酸素吸着が少ない状態でのセンサ始動が可能となり、吸着酸素の除去に要する時間を大幅に短縮できる。その結果、センサ使用開始後においてＮＯｘセンサ出力をいち早く正常化させることができる。

また、エンジン停止後（ヒータ通電停止後）において素子温度ＴＥＭＰを検出し、その素子温度ＴＥＭＰが所定温度（電極活性温度＝４００℃）に低下するまで、チャンバ内の酸素排出を実行する構成としたため、素子温度の減少変化をモニタしながら酸素排出の終了判断ができることとなる。そのため、適切なタイミングで酸素排出を終了させることができる。

上記によれば、エンジン始動開始後にいち早く正常なＮＯｘセンサ出力を得ることができるため、同センサ出力を用いた各種制御をエンジン始動当初から適正に実施できる。したがって、エンジン始動直後における排気エミッションの改善等を図ることができる。

本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・エンジン停止後（ヒータ通電停止後）に素子温度が低下する場合、その温度低下に伴いセンサ素子１０（固体電解質）の内部抵抗が増加する。そのため、図６（ａ）に示すように、センサ出力特性（Ｖ−Ｉ特性）における抵抗支配領域の傾きが小さくなるとともに、フラット域が高電圧側にシフトし、これによってセンサセル電流が流れにくくなる。これを考慮し、素子温度の低下に伴いセンサ出力特性のフラット域が高電圧側にシフトしても、所望とする最小限の酸素排出能力が確保できる構成であることが望ましい。

被検出ガスが大気であり、センサセル以外のセルに電圧を印加しない場合、素子温度とセンサセル電流との関係は図６（ｂ）のとおりであり、所望とする最小限の酸素排出能力が確保できるセンサセル電流が「１μＡ」であるとすると、素子温度が４００℃以上であれば、そのセンサセル電流（＝１μＡ）が確保できる。要するに、素子温度低下時のセンサセル電流を考慮しても、センサセル電圧印加を行う場合の下限温度（判定値Ｋ１に相当）を４００℃とすることが望ましい。なお、図６（ｂ）は、チャンバ内を大気雰囲気とし、センサセル印加電圧Ｖｓを０．４Ｖに固定した場合のデータである。

エンジン停止後（ヒータ通電停止後）にセンサセル電圧印加による酸素排出をいつまで実行するかを判断する判断基準を、素子温度低下状態での酸素排出能力（酸素ポンプ能力）を基に定めることにより、適正な期間で酸素排出制御を実施することができる。このとき、大気検出を基準としたセンサセル電流に基づいて酸素排出実行の温度域を定めるようにすることで、ＮＯｘセンサの使用終了に伴いガス雰囲気が大気（超リーン）となったとしても、適正に酸素排出を行わせることができる。

・上記実施形態では、エンジン停止後（ヒータ通電停止後）においてセンサセル３５に電圧を印加する場合、センサセル印加電圧Ｖｓを固定値としたが、これを変更し、同印加電圧Ｖｓをエンジン停止後の時間経過に合わせて変更してもよい。図７に示すように、素子温度の低下に合わせて、センサセル印加電圧ＶｓをＶ１→Ｖ２→Ｖ３→Ｖ４のように徐々に大きくする。これにより、素子温度が低下しても、センサセル電流Ｉｓの減少が抑えられる（減少度合いが小さくなる）。

具体的な動作を図８のタイムチャートに示す。図８では、エンジン停止後に素子温度が低下すると、その温度低下に合わせてセンサセル印加電圧Ｖｓが次第に増加している。これにより、素子温度が低下してもセンサセル３５に流れる電流の減少が抑えられ、ひいては、低温域（素子活性温度（約７００℃）に対して温度低下した状態）でのセンサセル３５による酸素排出能力の低下を抑制することができる。

・エンジン停止後（ヒータ通電停止後）において、同エンジン停止から所定時間だけセンサセル３５に電圧を印加する構成とすることも可能である。つまり、エンジン停止後（ヒータ通電停止後）の酸素排出制御を時間管理のもとで実行する。この場合、エンジン停止後に素子温度が所定値（例えば４００℃）に低下するまでの所要時間（すなわち、センサセル電極への酸素吸着が生じる高温域よりも低温側に素子温度が低下するまでの所要時間）をあらかじめ求めておくとともに、エンジン停止からの経過時間を計測する。そして、エンジン停止からの経過時間が前記所要時間に達するまでの期間でセンサセル３５の電圧印加を実行するとともに、同経過時間が前記所要時間に達した時にセンサセル３５の電圧印加を終了する。これにより、ヒータ通電終了後における酸素排出を適切なタイミングで終了させることができる。

上記のようにエンジン停止後のセンサセル電圧印加をエンジン停止後の経過時間にて管理する構成において、素子温度が所定値（例えば４００℃）に低下するまでの所要時間を、外気温度等のエンジン使用環境（センサ周囲温度に相当）に応じて可変に設定することも可能である。要するに、例えば外気温度が高低相違すると、ヒータ通電終了後における素子温度の低下勾配が変わり、外気温が低いほど素子温度の低下勾配が急になる。これを鑑みると、ヒータ通電終了後において素子温度低下に要する所要時間は、外気温度等に依存して変わることとなる。

そこで、ＮＯｘセンサの使用環境を示すパラメータとして外気温度をセンサ等により検出し、該検出した外気温度に応じて前記所要時間を可変に設定するとよい。かかる場合の具体的動作を図９に示す。図９において（ａ）は外気温度が比較的高い場合を示し、（ｂ）は、外気温度が比較的低い場合を示す。

図９（ａ）では、外気温度が比較的高いために素子温度の低下勾配が比較的小さく、図９（ｂ）では、外気温度が比較的低いために素子温度の低下勾配が比較的大きいものとなっている。この場合、（ａ）では、エンジン停止後に酸素排出制御（センサセル電圧印加制御）が実行される期間は「Ｔ１」であるのに対し、（ｂ）では、同期間が「Ｔ２」である（Ｔ１＞Ｔ２）。なお、センサセル印加電圧Ｖｓを可変とする構成とした場合には、同印加電圧は、図９（ａ）（ｂ）に二点鎖線で示すように推移する。

上記構成によれば、外気温度等が異なることで素子温度の低下勾配が相違しても、ヒータ通電終了後における酸素排出の時間管理を適正に行わせることができる。

・エンジン停止後（ヒータ通電停止後）において、センサセル３５に電圧を印加することに代えて又は加えて、ポンプセル３１に電圧を印加し、そのポンプセル電圧印加によりチャンバ内の酸素を強制排出する構成としてもよい。この場合、ポンプセル３１への電圧印加に伴い当該ポンプセル３１を通じて酸素が排出される。これにより、センサセル電極への酸素吸着を抑制できる。

特に、エンジン停止に伴うヒータの通電停止後に、ポンプセル３１及びセンサセル３５の両方に電圧を印加してチャンバ内の酸素排出を実行する構成とすれば、その酸素排出効果が一層顕著となる。

ここで、ヒータ通電停止後に素子温度が低下するほどポンプセル３１の印加電圧を徐々に大きくすることが望ましい。これにより、素子温度が低下してもポンプセル３１に流れる電流の減少が抑えられ、ひいては、ポンプセル３１による酸素排出能力の低下を抑制することができる。

・上記実施形態では、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。

・検出対象の特定成分が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。

・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を対象とするセンサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、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るものであってもよい。

発明の実施の形態におけるセンサ制御システムの概略を示す構成図。 ＮＯｘセンサの出力特性を示す図。 エンジン停止後におけるセンサ制御に関する制御手順を示すフローチャート。 エンジン停止後における素子温度とセンサセル電圧の推移を示すタイムチャート。 センサセル電圧印加の下限温度とセンサ活性時間との関係を示すグラフ。 （ａ）はセンサセルの出力特性を示す図、（ｂ）は素子温度とセンサセル電流との関係を示す図。 センサセルの出力特性を示す図。 エンジン停止後における素子温度とセンサセル電圧の推移を示すタイムチャート。 エンジン停止後における素子温度とセンサセル電圧の推移を示すタイムチャート。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質体、１４…第１チャンバ（ガス室）、１６…第２チャンバ（ガス室）、２３…ヒータ、３１…ポンプセル（第１セル）、３２，３３…電極、３４…モニタセル、３５…センサセル（第２セル）、３６〜３８…電極、４０…センサ制御回路、４１…マイコン（酸素排出制御手段、素子温度検出手段、周囲温度検出手段）。

Claims (10)

1. 各々に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よりなる第１セル及び第２セルを有するセンサ素子を備え、かつ、前記第１セルでガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を所定濃度レベルに調整するとともに前記第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度を検出するガスセンサに適用され、前記第１セル及び前記第２セルをヒータにより加熱してこれら各セルを活性状態とするガス濃度検出装置において、
   前記ガスセンサの使用終了に伴う前記ヒータの通電停止後に、前記ガス室内の酸素を強制的に排出させる酸素排出制御手段を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記酸素排出制御手段は、前記ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後に、前記第２セルに電圧を印加することで前記ガス室内の酸素排出を実行する請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. 前記酸素排出制御手段は、ヒータ通電停止後に素子温度が低下するほど前記第２セルの印加電圧を大きくする請求項２に記載のガス濃度検出装置。
4. 前記ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後において前記センサ素子の温度を検出する素子温度検出手段を備え、
   前記酸素排出制御手段は、前記素子温度検出手段により検出した素子温度があらかじめ定めた所定温度に低下するまで、前記ガス室内の酸素排出を実行する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
5. 前記所定温度は、第２セル電極の活性温度、又は同活性温度を基に定めた温度である請求項４に記載のガス濃度検出装置。
6. 前記所定温度は、ヒータ通電停止後の素子温度の低下過程で所定の酸素排出能力を維持できる第２セル電流が流れる温度域の下限値である請求項４に記載のガス濃度検出装置。
7. 前記酸素排出制御手段は、前記ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後に、同通電終了から所定時間が経過するまで、前記ガス室内の酸素排出を実行する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
8. 前記ガスセンサの周囲温度を検出する周囲温度検出手段を備え、
   前記酸素排出制御手段は、前記周囲温度検出手段により検出したセンサ周囲温度に基づいて前記所定時間を可変に設定する請求項７に記載のガス濃度検出装置。
9. 前記酸素排出制御手段は、前記ガスセンサの使用終了に伴うヒータの通電停止後に、前記第１セルに電圧を印加することで前記ガス室内の酸素排出を実行する請求項１乃至８のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
10. 前記酸素排出制御手段は、ヒータ通電停止後に素子温度が低下するほど前記第１セルの印加電圧を大きくする請求項９に記載のガス濃度検出装置。

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