JP2009210425A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンから排出される排気ガス中の特定ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関し、ガス濃度検知セルの電極の酸化による影響を排除して、ガス濃度を高精度に検出する。
【解決手段】酸素ポンプセル２により余剰酸素を排出した後にＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出装置において、ＮＯｘセンサセル４のセル出力に変曲点が現れる時期を特定する(ステップ２００)。第１検出電極４２の酸化状態の相関値Ｋを取得する（ステップ２０６）。ＮＯｘセンサセル４のセル出力を取得する（ステップ２０８）。相関値Ｋに基づいて、第１検出電極４２から脱離する酸素が前記セル出力に与える影響を補正する（ステップ２１０〜２１２）。
【選択図】図１０

Description

この発明は、ガス濃度検出装置に係り、特に、エンジンから排出される排気ガス中の特定ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。

従来、例えば、特開２０００−１３７０１８号公報に開示されているように、排ガス中の酸素濃度を検出するためのポンプセルと、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセルとを有するガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置が提案されている。この装置では、ポンプセルが被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルが余剰酸素排出後のガス中のＮＯｘ濃度を検出する仕組みになっている。

また、上記従来のガス濃度検出装置では、ポンプセルが被検出ガス中の余剰酸素を排出することにより、被検出ガスの酸素濃度が変化したときに、ポンプセルに流れる電流値に基づいて、センサセルに流れる電流値を補正することとしている。これにより、被検出ガス中の酸素濃度が変化しても、これに追従してＮＯｘ濃度が不用意に変化してしまう事態を回避することができる。

特開２０００−１３７０１８号公報 特開２００２−１１６１８０号公報 特開２００１−７４６９２号公報 特開２０００−１７１４３６号公報 特開２００１−１４１６９６号公報

ガス濃度検知セルを流れる電流値は、酸素ポンプセルによる余剰酸素の排出による影響の他に、ガス濃度検知セルの電極の酸化状態によっても変化する。すなわち、ガス濃度検知セルの電極は、内燃機関が停止されて放置状態となると、被測定ガス中の酸素を吸着して酸化する。この電極と化合した酸素は、ガス濃度検知セルへの通電開始後、所定条件の成立により還元されて脱離する。このため、この脱離した酸素によってもガス濃度検知セルに電流が流れてしまい、被測定ガス中の特定ガスの濃度を精度よく検出することができないおそれがあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス濃度検知セルの電極の酸化による影響を排除して、ガス濃度を高精度に検出することのできるガス濃度検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガス濃度検出装置であって、
被測定ガス中の余剰酸素を除去する余剰酸素除去手段と、
前記余剰酸素除去手段により余剰酸素が除去された後の被測定ガスに晒されるガス側電極と、大気に晒される大気側電極と、前記ガス側電極と前記大気側電極との間に介在して、両者間で酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、を有するガス濃度検知セルと、
前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ前記余剰酸素除去手段の実行中に、前記ガス濃度検知セルのセル出力に変曲点が現れる時期を特定する変曲点特定手段と、
前記変曲点が現れた以後の前記セル出力に基づいて、特定ガス成分のガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、
前記ガス側電極の酸化状態を推定する酸化状態推定手段と、
前記酸化状態に基づいて、前記ガス側電極から還元された酸素が前記セル出力に与える影響を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
内燃機関の運転状態に基づいて、特定ガス成分のガス濃度を推定するガス濃度推定手段を更に備え、
前記補正手段は、前記ガス濃度検出手段により検出された前記変曲点におけるガス濃度（以下、変曲点検出濃度）、前記ガス濃度推定手段により推定された前記変曲点におけるガス濃度（以下、変曲点推定濃度）、および前記酸化状態に基づいて、前記セル出力を補正することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、
前記補正手段は、前記変曲点検出濃度と前記変曲点推定濃度との偏差に前記酸化状態および前記変曲点からの経過時間の影響を反映させた補正値を演算する補正値演算手段を含み、前記セル出力から前記補正値を減ずることにより、前記セル出力を補正することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、
前記補正値演算手段は、前記経過時間が長いほど、前記補正値が小さくなるように演算
することを特徴とする。

第５の発明は、第３または第４の発明において、
前記補正値演算手段は、前記酸化状態が高いほど、前記補正値が大きくなるように演算
することを特徴とする請求項３または４記載のガス濃度検出装置。

第６の発明は、第３乃至第５のいずれか１つの発明において、
前記ガス側電極の酸化による影響が重畳していないセル出力を前記ガス濃度検知セルが検知する時期（以下、安定時期）を推定する安定時期推定手段と、
前記安定時期の前記セル出力に対する、前記補正手段の実行を禁止する禁止手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第７の発明は、第６の発明において、
前記安定時期推定手段は、前記補正値が０以下となる時期を前記安定時期として推定することを特徴とする請求項６記載のガス濃度検出装置。

第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において、
前記酸化状態推定手段は、前記ガス濃度検知セルへの通電を開始してから前記変曲点が現れるまでの期間が長いほど、酸化状態を高く推定することを特徴とする。

第９の発明は、第１乃至第８の何れか１つの発明において、
前記ガス濃度検知セルへの通電を開始してから前記変曲点が現れるまでの期間における、前記セル出力の積算値を演算する積算値演算手段を更に備え、
前記酸化状態推定手段は、前記積算値が大きいほど、前記酸化状態を高く推定することを特徴とする

第１０の発明は、第１乃至第９の何れか１つの発明において、
前記酸化状態推定手段は、内燃機関の前回の停止時における、前記被測定ガスの空燃比を取得する空燃比取得手段を含み、前記空燃比がリーンであるほど、前記酸化状態を高く推定することを特徴とする。

第１１の発明は、第１乃至第１０の何れか１つの発明において、
前記酸化状態推定手段は、内燃機関の前回の停止から今回の始動までの放置時間を取得する放置時間取得手段を含み、前記放置時間が長いほど、前記酸化状態を高く推定することを特徴とする。

第１２の発明は、第１乃至第１１の何れか１つの発明において、
内燃機関の停止中における前記ガス側電極の酸化を抑制する酸化抑制手段を更に備えることを特徴とする。

第１３の発明は、第１２の発明において、
前記酸化抑制手段は、内燃機関の停止時における空燃比をリッチに制御することを特徴とする。

第１４の発明は、第１乃至第１３の何れか１つの発明において、
前記余剰酸素除去手段は、酸素ポンプセルを含み、前記酸素ポンプセルへの電圧の印加に伴って、被測定ガス中の余剰酸素を排出することを特徴とする。

第１５の発明は、第１乃至第１４の何れか１つの発明において、
前記変曲点特定手段は、前記所定時間毎に前記セル出力の変化量を算出する変化量算出手段を含み、前記変化量と基準値との比較結果に基づいて、前記変曲点が現れる時期を特定することを特徴とする。

ガス濃度検知セルのセル出力に変曲点が現れる時期は、余剰酸素除去手段により、被測定ガス中に残存する余剰酸素がガス濃度検知セルのセル出力に影響を与えない程度まで除去された時期を示している。つまり、変曲点が現れた後は、ガス濃度検知セルのセル出力から残存する余剰酸素の影響が排除されている。ここで、ガス濃度検出装置が搭載された内燃機関が停止されて放置状態となると、ガス濃度検知セルのガス側電極は、被測定ガス中の酸素を吸着して酸化する。このガス側電極と化合した酸素は、ガス濃度検知セルへの通電開始後、所定条件の成立により還元されて脱離する。このため、脱離した酸素の影響がガス濃度検知セルのセル出力に重畳してしまい、セル出力に変曲点が現れた後であっても、特定ガス濃度を精度よく検出できないおそれがある。

第１の発明によれば、ガス濃度検知セルのガス側電極の酸化状態が推定される。そして、当該酸化状態に基づいて、前記ガス側電極から還元されて脱離した酸素がセル出力に与える影響が補正される。このため、本発明によれば、ガス側電極の酸化の影響を排除して、被測定ガス中の特定ガス濃度を精度よく検出することができる。

第２の発明によれば、ガス濃度検出手段により検出された変曲点におけるガス濃度（変曲点検出濃度）、内燃機関の運転状態に基づいて推定された、変曲点における特定ガス成分のガス濃度（変曲点推定濃度）、およびガス側電極の酸化状態に基づいて、ガス濃度検知セルのセル出力が補正される。変曲点が現れる時期は、ガス濃度検出セルのセル出力から被測定ガス中に残存する余剰酸素の影響が無くなる時期である。このため、本発明によれば、変曲点検出濃度と変曲点推定濃度との比較、すなわち、被測定ガス中に残存する余剰酸素の影響を排除した上での濃度比較に基づいて、ガス濃度検知セルのセル出力が補正されるので、被測定ガス中の特定ガス濃度を精度よく検出することができる。

第３の発明によれば、変曲点検出濃度と変曲点推定濃度との偏差に、ガス側電極の酸化状態および変曲点が現れてからの経過時間を反映した補正値が演算される。そして、ガス濃度検知セルのセル出力から当該補正値を減ずることにより、セル出力が補正される。このため、本発明によれば、酸化状態を反映したセル出力補正を行うことができるので、酸化反応によりガス側電極と化合していた酸素がセル出力に与える影響を、効果的に補正することができる。

第４の発明によれば、補正値は、変曲点が現れてからの経過時間が長いほど小さくなるように演算される。経過時間が長いほど、ガス側電極の酸化による影響、すなわち、当該ガス側電極から脱離した酸素の影響は小さくなる。このため、本発明によれば、ガス側電極の酸化による影響を効果的に排除するための補正値を演算することができる。

第５の発明によれば、補正値は、酸化状態が高いほど大きくなるように演算される。ガス側電極の酸化状態が高いほど、ガス側電極の酸化による影響、すなわち、当該ガス側電極から脱離した酸素の影響は大きくなる。このため、本発明によれば、ガス側電極の酸化による影響を効果的に排除するための補正値を演算することができる。

第６の発明によれば、ガス側電極の酸化による影響が重畳していないセル出力をガス濃度検知セルが検知する時期（安定時期）が推定されて、該安定時期のセル出力に対する補正が禁止される。このため、本発明によれば、不要な補正が実行されてセル出力に誤差が生じる事態を効果的に回避することができる。

第７の発明によれば、補正値が０以下となる時期が安定時期として推定される。補正値は、ガス濃度検知セルが検知するセル出力のうち、ガス側電極の酸化の影響による出力分を示している。このため、本発明によれば、当該補正値に基づいて、安定時期を精度よく推定することができる。

第８の発明によれば、ガス側電極の酸化状態は、ガス濃度検知セルへの通電を開始してからセル出力の変曲点が現れるまでの時間（以下、「変曲点到達時間」と称する）が長いほど高く推定される。ここで、変曲点到達時間が長いほど、通電前の被測定ガス中の残存酸素が多量であったと判断できる。通電前の残存酸素が多量であるほど、すなわち、通電前にガス側電極が多量の酸素に晒されるほど、ガス側電極の酸化状態は高くなる。このため、本発明によれば、変曲点到達時間に基づいて、ガス側電極の酸化状態を高精度に推定することができる。

第９の発明によれば、変曲点到達時間におけるガス濃度検知セルのセル出力の積算値が演算される。そして、当該積算値が大きいほど、ガス側電極の酸化状態が高く推定される。ここで、セル出力の積算値が大きいほど、すなわち、ガス濃度検知セルにおける酸素のポンピングが活発に行われているほど、通電前の被測定ガス中の残存酸素が多量であったと判断できる。通電前の残存酸素が多量であるほど、すなわち、通電前にガス側電極が多量の酸素に晒されるほど、ガス側電極の酸化状態は高くなる。このため、本発明によれば、変曲点到達時間におけるセンサ出力の積算値に基づいて、ガス側電極の酸化状態を高精度に推定することができる。

第１０の発明によれば、内燃機関の停止時における被測定ガスの空燃比が取得される。そして、当該空燃比がリーンであるほど、ガス側電極の酸化状態が高く推定される。ここで、被測定ガスの空燃比がリーンであるほど、すなわち、内燃機関の停止中におけるガス側電極の周囲の酸素濃度が高いほど、ガス側電極の酸化状態は高くなる。このため、本発明によれば、内燃機関の停止時における被測定ガスの空燃比に基づいて、ガス側電極の酸化状態を高精度に推定することができる。

第１１の発明によれば、内燃機関の前回の停止から今回の始動までの放置時間が取得される。そして、当該放置時間が長いほど、ガス側電極の酸化状態が高く推定される。ここで、放置時間が長いほど、すなわち、ガス側電極が酸化反応に要する時間が長いほど、ガス側電極の酸化状態は高くなる。このため、本発明によれば、放置時間に基づいて、ガス側電極の酸化状態を高精度に推定することができる。

ガス側電極の酸化状態が高いほど、ガス濃度検知セルによる濃度検出の精度向上の妨げとなる。第１２の発明によれば、内燃機関の停止中におけるガス側電極の酸化反応が抑制されるので、ガス側電極の酸化がセル出力に与える影響を最小限に留めることができる

第１３の発明によれば、内燃機関の停止時の空燃比がリッチに制御される。このため、本発明によれば、被測定ガスの酸素濃度を低下させることができるので、内燃機関の停止中におけるガス側電極の酸化を効果的に抑制することができる。

第１４の発明によれば、酸素ポンプセルに電圧を印加することにより、被測定ガス中の余剰酸素を排出することができる。

第１５の発明によれば、所定時間毎にガス濃度検知セルのセル出力の変化量が算出され、算出された変化量と基準値との比較結果に基づいて、変曲点が特定される。このため、本発明によれば、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度よく検出し始める時期を的確に取得することができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
先ず、図１を参照して、本実施の形態１に係るガス濃度検出装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態１に係るガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。図１に示すガス濃度検出装置１０は、例えば、内燃機関（エンジン）から排出された排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するＮＯｘ濃度検出装置である。

ガス濃度検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１を有している。ＮＯｘセンサ１は、酸素ポンプセル２の下方に、スペーサ３、ＮＯｘセンサセル４、スペーサ５、ヒータ６を順次積層することにより形成されている。

酸素ポンプセル２は、被測定ガス中の余剰酸素を除去する機能を有し、固体電解質体２１と、該固体電解質体２１を挟むように配置された第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３を有している。素子である固体電解質体２１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ_２，ＨｆＯ_２，ＴｈＯ_２，ＢｉＯ_３等が使用される。この固体電解質体２１を挟むように配置された第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質体２１の表面に形成された第１ポンプ電極２２は、被測定ガスである排ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に露出している。第１ポンプ電極２２としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、第１ポンプ電極２２と対向するように固体電解質体２１の背面に形成された第２ポンプ電極２３は、後述する第１内部空間３１に露出している。第２ポンプ電極２３としては、ＮＯｘを含むガスに対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金とジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

酸素ポンプセル２には、固体電解質体２１、第１ポンプ電極２２、および第２ポンプ電極２３を貫通する導入孔としてのピンホール２４が形成されている。ピンホール２４の孔径は、ピンホール２４を介して、後述する第１内部空間３１に導入される排ガスの拡散速度が所定速度となるように設計されている。第１内部空間３１は、ピンホール２４と後述する多孔質保護層７とを介して、被測定ガスが存在する空間に連通している。

また、固体電解質体２１の第１ポンプ電極２２側には、ピンホール２４を含む第１ポンプ電極２２の表面とその周辺を覆うように、多孔質保護層７が形成されている。多孔質保護層７は、例えば、多孔質アルミナ等により形成することができる。この多孔質保護層７により、第１ポンプ電極２２の被毒を防止することができるとともに、排ガスに含まれるスス等によるピンホール２４の目詰まりを防止することができる。

スペーサ３には、上述した第１内部空間３１と、第２内部空間３２とが形成されている。スペーサ３は、例えば、アルミナ等により形成することができる。２つの内部空間３１，３２は連通孔３３を介して連通している。これらの第１内部空間３１、第２内部空間３２、および連通孔３３は、スペーサ３に抜き穴を設けることにより形成することができる。

ＮＯｘセンサセル４は、ＮＯｘの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出するものである。ＮＯｘセンサセル４は、固体電解質体４１と、該固体電解質体４１を挟むように配置された第１検出電極４２および第２検出電極４３を有している。第１検出電極４２および第２検出電極４３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質体４１の表面に形成された第１検出電極４２は、第２内部空間３２に露出している。この第１検出電極４２としては、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金とジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、第１検出電極４２と対向するように、固体電解質体４１の背面に形成された第２検出電極４３は、スペーサ５に形成された大気ダクト５１に露出している。大気ダクト５１には、大気が導入される。この第２検出電極４３としては、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。大気ダクト５１は、スペーサ５に切り欠きを設けることにより形成することができる。

ヒータ６は、シート状の絶縁層６２，６３と、これらの絶縁層６２，６３の間に埋設されたヒータ電極６１とを有している。絶縁層６２，６３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより形成される。ヒータ電極６１は、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットにより形成される。

本実施の形態１におけるガス濃度検出装置１０は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit)８を備えている。ＥＣＵ８は、ポンプセル制御手段８１と、センサセル制御手段８２と、ヒータ制御手段８３と、を有している。尚、ＥＣＵ８は、エンジン制御用ＥＣＵと別個に構成されていてもよく、また、エンジン制御ＥＣＵの一部として構成されていてもよい。

ポンプセル制御手段８１は、酸素ポンプセル２における第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に接続されている。ポンプセル制御手段８１は、第１ポンプ電極２２と第２ポンプ電極２３との間に電圧を印加するとともに、酸素ポンプセル２に流れる電流値を「酸素ポンプセル出力」として検出する。

センサセル制御手段８２は、ＮＯｘセンサセル４における第１検出電極４２および第２検出電極４３に接続されている。センサセル制御手段８２は、第１検出電極４２と第２検出電極４３との間に電圧を印加するとともに、ＮＯｘセンサセル４に流れる電流値を「ＮＯｘセンサセル出力」として検出する。

ヒータ制御手段８３は、ヒータ電極６１に接続されている。ヒータ制御手段８３は、ヒータ電極６１に電力を供給するものである。

［実施の形態１の動作］
（ＮＯｘ濃度の検出原理）
次に、図１を参照して、ガス濃度検出装置１０によるＮＯｘ濃度の検出原理について説明する。保護層７の周囲の空間には、エンジンの排気通路を流れる被測定ガスとしての排ガスが存在している。この排ガス中には、Ｏ_２、ＮＯｘ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等が含まれている。排ガスは、多孔質保護層７とピンホール２４とを介して、第１内部空間３１に導入される。この第１内部空間３１に導入される排ガス量は、多孔質保護層７およびピンホール２４の拡散抵抗により決定される。

ＮＯｘ濃度の検出に先立って、先ず、ヒータ制御手段８３からヒータ電極６１に電力が供給されて、固体電解質体２１，４１が活性温度に加熱される。次に、酸素ポンプセル２における活性が発現し、ポンプセル制御手段８１から第１ポンプ電極２２と第２ポンプ電極２３との間に電圧が印加されると、第１内部空間３１に露出する第２ポンプ電極２３上で、残存酸素と排ガス中の酸素が酸素イオンＯ^２−に還元される。この酸素イオンＯ^２−は、ポンピング作用により、固体電解質体２１を透過して第１ポンプ電極２２側に排出される。このとき、酸素ポンプセル２を流れる電流値が、酸素ポンプセル出力としてポンプセル制御手段８１により検出される。酸素ポンプセル２により余剰酸素が排出されることで、排ガス中の酸素濃度がＮＯｘセンサセル４によるＮＯｘ濃度検出に影響しない程度にまで低くされる。尚、第１ポンプ電極２２と第２ポンプ電極２３との間の印加電圧をできる限り大きくすることで、酸素イオンＯ^２−のポンピング作用をより活発にして酸素排出量を増大させることができる。

余剰酸素が除去され低酸素濃度にされた排ガスは、連通孔３３を介して第２内部空間３２へ導入される。ＮＯｘセンサセル４における活性が発現し、センサセル制御手段８２により第１検出電極４２と第２検出電極４３との間に電圧が印加されると、排ガス中の特定成分であるＮＯｘが第１検出電極４２上で分解されて、酸素イオンＯ^２−が発生する。より具体的には、ＮＯｘは、一端ＮＯに分解（単ガス化）された後、更に酸素イオンＯ^２−に分解される。酸素イオンＯ^２−は、固体電解質体４１を透過して、第２検出電極４３から大気ダクト５１へ排出される。このとき、ＮＯｘセンサセル４を流れる電流が、ＮＯｘセンサセル出力、すなわち、被測定ガスのＮＯｘ濃度出力として、センサセル制御手段８２により検出される。

（ＮＯｘセンサの活性判定動作）
次に、図２および図３を参照して、ＮＯｘセンサ１の活性判定動作について説明する。上述したＮＯｘ濃度検出を精度よく行うためには、ＮＯｘセンサ１が活性状態に達していることが必要となる。尚、本発明の「活性状態」とは、残存酸素の影響がないＮＯｘセンサ出力を検出し始めた時点、すなわち、残存酸素の影響を受けることなく、ＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いることができるようになった状態を示している（以下同様）。
したがって、早期にＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができれば、ＮＯｘセンサセル出力を逸早く各種制御に使用し、エミッションを低減することができる。

ここで、上記ＮＯｘセンサ１のように、固体電解質体からなる素子を用いたＮＯｘセンサでは、正常な特性を得るために、ヒータへの通電を行うことにより、素子温度を所定の活性温度まで加熱する必要がある。ガス濃度センサの活性判定としては、素子インピーダンス、ヒータへの供給電力、或いはヒータ抵抗等に基づいて行うことが知られている。しかしながら、素子インピーダンスやヒータ供給電力等は、センサの個体間でのバラツキがある。このため、これらのパラメータに基づいて、センサの活性状態を迅速且つ高精度に把握することは困難となる。

そこで、本実施の形態１では、以下に説明する方法により、ＮＯｘセンサ１の活性判定を早期かつ高精度に行うこととする。図２は、ＮＯｘセンサの暖機時における酸素ポンプセルの出力およびＮＯｘセンサセル出力の変化を示す図である。尚、図２に示す鎖線Ｌｐは、酸素ポンプセル出力の変化を、実線Ｌｓは、ＮＯｘセンサセル出力の変化を、それぞれ示している。

図２に示すとおり、時刻ｔ０において、エンジン始動に伴いＮＯｘセンサ１の暖機が開始される。より具体的には、ヒータ制御手段８３からヒータ電極６１への通電が開始される。この通電動作により、酸素ポンプセル２およびＮＯｘセンサセル４の温度、すなわち、固体電解質体２１，４１の温度が徐々に上昇する。この時刻ｔ０においては、酸素ポンプセル２の近傍の第１内部空間３１、およびＮＯｘセンサセル４の近傍の第２内部空間３２には、大気中の酸素が残存している。

その後、時刻ｔ１において、ＮＯｘセンサセル４における固体電解質体４１の温度が所定温度に達すると、ＮＯｘセンサセル出力が得られる。この時刻ｔ１以降、ＮＯｘセンサセル４（固体電解質体４１）の活性度が上がるにつれて、ＮＯｘセンサセル出力は上昇する。これは、ＮＯｘセンサセル４の近傍の第２内部空間３２に導入されたＮＯｘが第１検出電極４２上で分解されるためではなく、第２内部空間３２に残存する酸素が第１検出電極上で分解されるためである。その後、時刻ｔ３において、ＮＯｘセンサセル出力は上限値、すなわち、ＮＯｘセンサセル４により検出可能な酸素濃度の上限値に達する。

一方、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において、酸素ポンプセル２の固体電解質体２１の温度が所定温度に達すると、酸素ポンプセル出力が得られる。この時刻ｔ２以降、酸素ポンプセル２（固体電解質体２１）の活性度が上がるにつれて、酸素ポンプセル２の近傍の第１内部空間３１に残存する酸素の排出量が増加する。このため、酸素ポンプセル出力は、時間とともに上昇する。

酸素ポンプセル２の活性が上がるにつれて、第１内部空間３１からの酸素の排出量が多量となる。更に、第１内部空間３１に導入される排ガス量が多量となる。これにより、第１内部空間３１における残存酸素濃度が低くなり、第１内部空間３１から第２内部空間３２へ供給される酸素量が少量となる。このため、酸素ポンプセル２の活性度が上がるにつれて、第２内部空間３２における残存酸素濃度が徐々に低くなる。その結果、時刻ｔ４以降、ＮＯｘセンサセル出力が低下する。

その後、第２内部空間３２における残存酸素がほぼ除去される時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ出力に変曲点、すなわち、ＮＯｘセンサセル出力のカーブが大きく変わる点が現れる。より具体的には、変曲点が現れる前のＮＯｘセンサセル出力は、第２内部空間３２に残存する酸素を使用した酸素イオンのポンピング作用が主となっている。このため、かかる期間のＮＯｘセンサセル出力の曲線は、第２内部空間３２の酸素濃度、すなわち、酸素ポンプセル２の活性度の影響が支配的となっている。

一方、変曲点が現れた後のＮＯｘセンサセル出力は、残存酸素の減少により、第２内部空間３２のＮＯｘを使用した酸素イオンのポンピングが主となっている。このため、かかる期間のＮＯｘセンサセル出力の曲線は、第２内部空間３２のＮＯｘ濃度、すなわち、ＮＯｘセンサセル４の活性度の影響が支配的となっている。このため、変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１の暖機前に第１内部空間３１および第２内部空間３２に残存していた酸素がほぼ除去されたことを把握することができる。したがって、変曲点が現れた時刻ｔ５以降は、残存酸素の影響を受けることなく、ＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を精度よく検出することができる。

そこで、本実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行うこととする。これにより、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出し始める時刻において、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができるので、ＮＯｘセンサ１の早期活性化の要求を最大限に満たすことができる。

次に、図３を参照して、上述した変曲点を特定するための動作について説明する。図３は、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定するための方法を説明するための図である。この図に示すとおり、先ず、所定時間毎にＮＯｘセンサセル出力Ｎを取得するとともに、各時刻においてＮＯｘセンサセル出力の変化量ΔＮを算出する。ここで、時刻ｔにおける変化量ΔＮ（ｔ）は、次式（１）にしたがって算出することができる。そして、算出された変化量ΔＮ（ｔ）が所定の基準値ΔＮｔｈよりも小さくなったときに、その時刻ｔでのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する。
ΔＮ（ｔ）＝Ｎ（ｔ−１）−Ｎ（ｔ） ・・・（１）

図３に示す例では、時刻ｔ１０から時刻ｔ１４までの間、ＮＯｘセンサセル出力Ｎは減少している。このため、各時刻ｔ１１〜時刻ｔ１４において、上式（１）により算出された変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１４）は、全て正の値をとる。変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１３）は、予め定められた基準値ΔＮｔｈ以上であるが、変化量ΔＮ（ｔ１４）は、基準値ΔＮｔｈよりも小さい。このため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が、変曲点と特定される。したがって、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れた時刻ｔ１４にＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。

尚、変曲点の特定の方法は上述した方法に限られない。すなわち、例えば、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが減少から増加に転じた時刻におけるＮＯｘセンサセル出力Ｎを変曲点として特定してもよい。これは、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加した場合に、その増加をＮＯｘセンサセル４により検出できていることを意味するためである。また、ＮＯｘセンサセル出力Ｎの変化量ΔＮが基準値ΔＮｔｈよりも大きい場合であっても、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが基準値Ｎｔｈよりも小さくなった場合に、当該ＮＯｘセンサセル出力Ｎを変曲点として特定してもよい。これは、ＮＯｘセンサ１の暖機完了よりも前に、残存する酸素が除去されたことを意味するからである。

[実施の形態１の特徴的動作]
次に、図４乃至図６を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。上述したとおり、変曲点が現れる時刻において、ＮＯｘセンサ１の暖機前に第１内部空間３１および第２内部空間３２に残存していた酸素がほぼ除去されたことを把握することができる。したがって、変曲点が現れた時刻以降は、残存酸素の影響を受けることなく、ＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を検出することができる。

しかしながら、ＮＯｘセンサセル出力は、残存酸素の影響に加えて、ＮＯｘセンサセル４における第１検出電極４２の酸化状態によっても変動する。つまり、第１検出電極４２の酸化は、エンジンを停止して放置している間（ソーク中）に、第２内部空間３２に残存する酸素が当該第１検出電極４２と反応することにより起こる。特に、第１検出電極４２にロジウム（Ｒｈ）が含まれる場合には、酸化反応がより進行しやすくなる。

酸化した第１検出電極４２では、ＮＯｘセンサ１の暖機が進行するにつれて還元反応が進行する。このため、ＮＯｘセンサセル出力は、還元反応により脱離した酸素の影響を受けて変動し、ＮＯｘ濃度を精度よく検出できないおそれがある。特に、上述したロジウム（Ｒｈ）を含む電極においては、酸化したロジウムが還元されるまでに時間がかかるため、ＮＯｘ濃度を精度よく検出できない期間が長期化してしまうおそれがある。

つまり、変曲点が現れてからＮＯｘセンサセル出力が安定するまでの時間（以下、「出力安定時間」と称する）、すなわち第１検出電極４２の酸化による影響が無くなるまでの期間は、ＮＯｘセンサ１における第１検出電極４２の酸化状態によって変化する。図４は、ソーク中の第１検出電極４２の周囲における酸素分圧と、センサ出力安定時間との関係を説明するための図である。この図に示すとおり、ソーク中における第２内部空間３２内の酸素分圧が高いほど、出力安定時間が長期化していることが分かる。つまり、第２内部空間３２内の酸素分圧が高いほど、第１検出電極の酸化がより進行する。このため、当該第１検出電極４２における還元反応が完了するまでの時間が長期化し、結果として出力安定時間が長期化する。

また、図５は、ソーク時間とセンサ出力安定時間との関係を説明するための図である。この図に示すとおり、ソーク時間が長いほど出力安定時間が長期化していることが分かる。つまり、ソーク時間が長いほど、第１検出電極４２の酸化がより進行する。このため、当該第１検出電極４２の還元反応が完了するまでの時間が長期化し、結果として出力安定時間が長期化する。

このように、出力安定時間は、第１検出電極４２の酸化状態に応じて変化する。そこで、本実施の形態１においては、第１検出電極４２の酸化状態を推定し、ＮＯｘセンサセル出力から第１検出電極４２の酸化の影響を排除するための補正を行うこととする。これにより、変曲点が現れた後のＮＯｘセンサセル出力を使用して、ＮＯｘ濃度を精度よく検出することができる。以下、酸化状態の推定動作、およびＮＯｘセンサセル出力の補正動作についてそれぞれ詳細に説明する。

（酸化状態推定動作）
次に、図６および図７を参照して、ＮＯｘセンサセル４の電極酸化状態を推定する動作について説明する。上述したとおり、ソーク中の第１検出電極４２では、第２内部空間３２における酸素分圧が高いほど、およびソーク時間が長いほど、酸化状態が高くなる。図６は、第１検出電極４２の酸化状態を特定するためのマップを示す。第１検出電極４２の酸化状態が反映された相関値Ｋは、酸化状態が高いほど小さな値となる。このため、相関値Ｋは、例えば、この図６に示すマップに従って特定される。より具体的には、相関値Ｋは、ソーク時間が長いほど小さな値として特定される。また、エンジンの停止時の空燃比、すなわち、第２内部空間３２に残存する排気ガスの空燃比がリーンであるほど、小さな値として特定される。このように、図６に示すマップに従い酸化状態の相関値Ｋを特定することで、ソーク中の第１検出電極４２が置かれていた状況を踏まえた酸化状態を相関値Ｋに反映させることができる。

また、酸化状態の相関値Ｋは、ＮＯｘセンサ１の暖機が開始された後のＮＯｘセンサセル出力に基づいて推定することもできる。図７は、第１検出電極４２の酸化状態を特定するためのマップを示す。この図において、横軸は、ＮＯｘセンサ１の暖機を開始してからＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れるまでの時間（以下、「変曲点到達時間」と称する）を示している。変曲点到達時間が長いほど、第１内部空間３１および第２内部空間３２内に残存する酸素が多量であることを示している。このため、変曲点到達時間が長いほど、第１検出電極４２の酸化状態が高いと判断することができる。このため、相関値Ｋは、この図に示すとおり、変曲点到達時間が長いほど小さな値として特定される。

尚、酸化状態の相関値Ｋは、上述した方法を適宜組み合わせて推定することとしてもよいし、また、他の方法によって推定することも可能である。例えば、上述した変曲点到達時間の代わりに、変曲点までのＮＯｘセンサセル出力の積算値を用いることもできる。また、ＮＯｘセンサセル出力に基づいて推定することとしてもよいし、また、ＮＯｘセンサセル出力の上昇速度と下降速度の比に基づいて推定することとしてもよい。

（ＮＯｘセンサセル出力の補正動作）
次に、図８を参照して、ＮＯｘセンサセル出力の補正動作について説明する。上述したとおり、ソーク状態或いは変曲点到達時間に基づいて、第１検出電極４２の酸化状態が反映された相関値Ｋを推定することができる。そこで、本実施の形態１では、酸化状態の相関値Ｋを用いて、変曲点以降のＮＯｘセンサセル出力Ｎを補正することとする。より具体的には、先ず、変曲点におけるＮＯｘセンサセル出力Ｎｂと変曲点におけるＮＯｘ濃度の推定値（以下、「推定ＮＯｘ値」と称する）Ｎｐとの出力差Ｎｍを次式（２）に従って算出する。推定ＮＯｘ値Ｎｐは、例えば、変曲点におけるエンジンの運転状態（吸入空気量、ＥＧＲ量等）に基づいて推定することができる。
Ｎｍ＝Ｎｂ−Ｎｐ ・・・（２）

次いで、変曲点における出力差Ｎｍの影響を補正すべく、次式（３）に従って、最終的なＮＯｘセンサセル出力補正値Ｎａを算出することとする。
Ｎａ＝Ｎ−（Ｎｍ−Ｋｔ） ・・・（３）

ここで、上式（３）における補正項（Ｎｍ−Ｋｔ）は、出力差Ｎｍに第１検出電極４２の酸化状態の時間変化を反映させた値となっている。つまり、第１検出電極４２の酸化状態が高いほど、出力安定時間は長期化する。このため、上式（３）においては、酸化状態の相関値Ｋが小さいほど、上記補正項の減衰度が小さくなるようになっている。これにより、変曲点以降のＮＯｘセンサセル出力Ｎに重畳する第１検出電極４２の酸化による影響を効果的に補正することができる。

図８は、補正前のＮＯｘ濃度と補正後のＮＯｘ濃度とを比較するための図である。この図において、（ａ）の鎖線は、被測定ガスの実ＮＯｘ濃度を、（ｂ）の細線は補正前のＮＯｘ濃度検出値を、（ｃ）の実線は補正後のＮＯｘ濃度検出値を、それぞれ示している。この図に示すとおり、補正後のＮＯｘ検出値は、補正後のＮＯｘ検出値よりも実ＮＯｘ濃度に近づいていることがわかる。

尚、上式（３）における補正項（Ｎｍ−Ｋｔ）が０以下となった場合には、ＮＯｘセンサセル４が安定したＮＯｘセンサセル出力Ｎを検出している時期（安定時期）であると推定できる。このため、（Ｎｍ−Ｋｔ）≦０の条件が成立した時点で上記補正の実行を終了することとする。これにより、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに不要な補正をしてしまう事態を効果的に回避することができる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、図９および図１０を参照して、本実施の形態１の具体的処理について説明する。図９は、本実施の形態１において、ＥＣＵ８がＮＯｘセンサ１の活性判定を実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定間隔毎に起動するものである。この所定間隔は、例えば、図３に示す時刻ｔ１０〜時刻ｔ１１の間隔、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の間隔等に対応している。

図８に示すルーチンでは、先ず、ＮＯｘセンサ１が暖機中であるか否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ１の暖機が行われるエンジン始動時、若しくは長時間の燃料カットからの復帰時であるか否かが判断される。その結果、ＮＯｘセンサ１が暖機中でないと判定された場合には、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力を得ることができないと判断され、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１００において、ＮＯｘセンサ１が暖機中であると判定された場合には、次のステップに移行し、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が取得される（ステップ１０２）。次いで、変化量ΔＮ（ｔ）が算出される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において取得されたＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）およびＮ（ｔ−１）を上式（１）に代入することにより変化量ΔＮ（ｔ）が演算される。

次に、変化量ΔＮ（ｔ）が０より大きいか否かが判定される（ステップ１０６）。その結果、変化量ΔＮ（ｔ）＞０の成立が認められた場合には、本ルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ）が、前回のルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ−１）よりも小さいと判断されて、次のステップに移行し、変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいか否かが判定される（ステップ１０８）。その結果、変化量ΔＮ（ｔ）＜基準値ΔＮｔｈの成立が認められた場合には、次のステップに移行し、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が変曲点として特定される（ステップ１１０）。図３に示す例では、変化量ΔＮ（ｔ１４）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が変曲点として特定される。そして、この変曲点が現れた時期が、ＮＯｘセンサセル４の活性時期であると判定されて（ステップ１１２）、本ルーチンは終了される。

一方、上記ステップ１０６において、変化量ΔＮ（ｔ）＞０の成立が認められない場合には、本ルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ）が、前回のルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ−１）以上であると判断されて、次のステップに移行し、前回のルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ−１）がゼロよりも大きいか否かが判定される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、前々回のルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ−２）が、前回のルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ−１）よりも大きいか否かが判断される。その結果、変化量ΔＮ（ｔ−１）＞０の成立が認められない場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが上限値に向かって立ち上がっている状態であるため、未だ変曲点が現れていないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１１４において、変化量ΔＮ（ｔ−１）＞０の成立が認められた場合には、前々回のルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ−２）が、前回のルーチンにおける変化量ΔＮ（ｔ−１）よりも大きいと判断される。この場合、排ガス中のＮＯｘ濃度の増加が今回検出されたと判断されて、上記ステップ１１０に移行し、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が変曲点として特定される。

また、上記ステップ１０８において、変化量ΔＮ（ｔ）＜基準値ΔＮｔｈの成立が認められない場合には、次のステップに移行し、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいか否かが判定される（ステップ１１６）。その結果、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）＜基準値ΔＮｔｈの成立が認められない場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに未だ変曲点が現れていないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１１６において、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）＜基準値ΔＮｔｈの成立が認められた場合には、上記ステップ１１０に移行し、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が変曲点として特定される。

図９は、本実施の形態１において、ＥＣＵ８がＮＯｘセンサセル出力Ｎの補正を実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、図８に示すルーチンと並行して所定間隔毎に起動するものである。図９に示すルーチンでは、先ず、ＮＯｘセンサ１の活性判定が実行される（ステップ２００）。ここでは、具体的には、本ルーチンと並行して実行している図８に示すルーチンにおいて活性判定がなされたか否か、すなわち、上記ステップ１１２においてＮＯｘセンサ１の活性判定が行われたか否かが判定される。その結果、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われていない場合には、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ２００において、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われた場合には、ＮＯｘセンサ出力の変曲点が特定されたと判断されて、次のステップに移行し、変曲点におけるＮＯｘセンサセル出力Ｎｂが取得される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、図８に示すルーチンのステップ１１０において、変曲点として特定されたＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、本ルーチンにおける変曲点のＮＯｘセンサセル出力Ｎｂとして取得される。

次に、変曲点における推定ＮＯｘ値Ｎｐが取得される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、変曲点におけるエンジンの運転状態、すなわち、吸入空気量およびＥＧＲ量等に基づいて、排ガスの推定ＮＯｘ値Ｎｐが推定される。

次に、酸化状態の相関値Ｋが取得される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、先ず、エンジンの始動からＮＯｘセンサセル出力が変曲点に到達するまでの時間が取得される。そして、変曲点到達時間と相関値Ｋとの関係を規定したマップ（図７参照）に従い、酸化状態の相関値Ｋが特定される。

次に、変曲点以降のＮＯｘセンサセル出力Ｎが取得される（ステップ２０８）。次に、上記ステップ２０８において取得されたＮＯｘセンサセル出力Ｎを補正するための補正項が演算される（ステップ２１０）。ここでは、具体的には、先ず、上記ステップ２０２において取得された変曲点におけるＮＯｘセンサセル出力Ｎｂと、上記ステップ２０４において取得された推定ＮＯｘ値Ｎｐとが上式（２）に代入されて、変曲点における出力差Ｎｍが演算される。次に、上記出力差Ｎｍ、上記ステップ２０６において取得された酸化状態の相関値Ｋ、および変曲点からの経過時間ｔに基づいて、補正項（Ｎｍ−Ｋｔ）が演算される。

次に、変曲点からｔ秒後のＮＯｘセンサセル出力補正値Ｎａが演算される（ステップ２１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ２０８において取得されたＮＯｘセンサセル出力Ｎ、および上記ステップ２１０において取得された補正項（Ｎｍ−Ｋｔ）が上式（３）に代入される。

次に、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが安定化したか否かが判定される（ステップ２１４）。ここでは、具体的には、上記ステップ２１２により演算された上式（３）における補正項（Ｎｍ−Ｋｔ）が、０以下の値となったか否かが判定される。その結果、（Ｎｍ−Ｋｔ）≦０の成立が認められない場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが未だ安定化していないと判断されて、再度上記ステップ２０８に戻って、再度ＮＯｘセンサセル出力Ｎが取得される。

一方、上記ステップ２１４において、（Ｎｍ−Ｋｔ）≦０の成立が認められた場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが安定化したと判断されて、上記ステップ２１２における補正が強制的に終了されて（ステップ２１６）、本ルーチンは終了される。

以上説明した通り、本実施の形態１によれば、変曲点以降のＮＯｘセンサセル出力Ｎに重畳する第１検出電極４２の酸化による影響を効果的に補正することができるので、ＮＯｘセンサ１の早期活性化の要求を満たすことができる。

また、上述した実施の形態１によれば、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが安定化したと判断された場合に、ＮＯｘセンサセル出力の補正動作が強制的に終了されるので、不要な出力補正が行われてＮＯｘセンサセル出力にズレが生じる事態を効果的に排除することができる。

また、上述した実施の形態１においては、酸化状態の相関値Ｋを特定するために、変曲点到達時間を用いているが、相関値Ｋの特定方法はこれに限られない。すなわち、上述したソーク中の状態、すなわち、ソーク中にＮＯｘセンサ１内に残存する排ガスの空燃比やソーク時間等に基づいて、相関値Ｋを特定することとしてもよいし、また、これらの方法を組み合わせてもよい。また、上述した変曲点到達時間の代わりに、変曲点までのＮＯｘセンサセル出力の積算値や、ＮＯｘセンサセル出力、或いはＮＯｘセンサセル出力の上昇速度と下降速度の比、或いは、酸素ポンプセル２の出力等に基づいて、相関値Ｋを特定することとしてもよい。また、システムの精度要求が低い場合には、相関値Ｋを定数としてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、酸素ポンプセル２が前記第１の発明における「余剰酸素除去手段」に、ＮＯｘセンサセル４が前記第１の発明における「ガス濃度検知セル」に、第１検出電極４２が前記第１の発明における「ガス側電極」に、第２検出電極４３が前記第１の発明における「大気側電極」に、固体電解質体４１が前記第１の発明における「電解質層」に、ＮＯｘセンサセル出力が前記第１の発明における「セル出力」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ８が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「変曲点特定手段」が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「ガス濃度検出手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「酸化状態推定手段」が、上記ステップ２１２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘセンサセル出力Ｎｂが、前記第２の発明における「変曲点検出濃度」に、推定ＮＯｘ値Ｎｐが、前記第２の発明における「変曲点推定濃度」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ８が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第２の発明における「ガス濃度推定手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、出力差Ｎｍが、前記第３の発明における「偏差」に相当しているとともに、ＥＣＵ８が上記ステップ２１０を実行することにより、前記第３の発明における「補正値演算手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ８が、上記ステップ２１４を実行することにより前記第６の発明における「安定時期推定手段」が、上記ステップ２１６を実行することにより前記第６の発明における「禁止手段」が、実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
上述した実施の形態１においては、第１検出電極４２の酸化の影響を補正して、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れた後のＮＯｘ濃度の精度を向上させることとしている。このため、ＮＯｘ濃度の精度を高めるためには、第１検出電極４２の酸化状態を極力低くすることが望ましい。そこで、本実施の形態２においては、第１検出電極４２の酸化を抑制するために、以下の制御を実行することとする。

（ヒータ制御）
実施の形態２においては、実施の形態１において上述した図１におけるヒータ電極６１を改良する。より具体的には、本実施の形態２におけるヒータ電極６１は、ポンプセル２の近傍を加熱するための第１のヒータパターンと、ＮＯｘセンサセル４の近傍を加熱するための第２のヒータパターンとを有している。ヒータ制御手段８３は、第１のヒータパターンと第２のヒータパターンとを個別に制御できるようになっている。

このような構成を有するガス濃度検出装置１０が搭載されたエンジンが停止された場合、先ず、ヒータ電極６１における第２のヒータパターンへの投入電力が低下するように、ヒータ制御手段８３が制御される。第１の検出電極２は、３００℃〜４００℃程度に加熱されている場合に最も酸化しやすい。このため、エンジン停止とともに逸早く第１の検出電極を低温にすることで、当該第１検出電極の酸化を抑制することができる。

また、これとともに、ヒータ電極６１における第１のヒータパターンへの電力の投入は継続される。これにより、酸素ポンプセル２における酸素の排出動作は継続されるので、第１内部空間３１および第２内部空間３２の酸素濃度を低濃度化することができる。したがって、ソーク中における第１検出電極４２の酸化量を効果的に抑制することができる。

（空燃比制御）
また、実施の形態２では、上述したヒータ制御のほかに、空燃比制御により第１検出電極４２の酸化を抑制することもできる。より具体的には、エンジン停止時の空燃比を通常時よりも燃料リッチ側へ制御することとする。これにより、ソーク中、特に第１検出電極４２の温度が低下する前の第１内部空間３１および第２内部空間３２の酸素濃度を低下させることができるので、第１検出電極４２の酸化量を効果的に抑制することができる。

また、可変動弁機構を備えるガソリンエンジンにおいては、エンジン停止時に、圧縮行程にて排気弁を開くように当該可変動弁機構を制御することとする。これにより、排気ガスに含まれる未燃ガス量が増大する。これらの未燃ガスは、排気系において酸素と結合して燃焼する。このため、当該ガス濃度検出装置１０に到達する排気ガスの酸素濃度を効果的に低下させることができる。また、筒内噴射エンジンにおいては、排気行程で燃料噴射することで、排気ガス中に含まれる未燃ガスを増大させることができるので、上記可変動弁制御と同様の効果を得ることができる。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ８が上述したヒータ制御を実行することにより、前記第１２の発明における「酸化抑制手段」が実現されている。また、ＥＣＵ８が上述した空燃比制御を実行することにより、前記第１３の発明における「酸化抑制手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１において用いられるガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。 ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力の変化とＮＯｘセンサセル出力の変化を示す図である。 ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。 ソーク中の第１検出電極４２の周囲の酸素分圧とセンサ出力安定時間との関係を説明するための図である。 ソーク時間とセンサ出力安定時間との関係を説明するための図である。 第１検出電極４２の酸化状態を特定するためのマップである。 第１検出電極４２の酸化状態を特定するためのマップである。 補正前のＮＯｘ濃度と補正後のＮＯｘ濃度とを比較するための図である。 本実施の形態１において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態１において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１ ＮＯｘセンサ
２ 酸素ポンプセル
３ スペーサ
４ ＮＯｘセンサセル
５ スペーサ
６ ヒータ
７ 多孔質保護層
８ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
１０ ガス濃度検出装置
２１，４１ 固体電解質体
２２ 第１ポンプ電極
２３ 第２ポンプ電極
２４ ピンホール
３１ 第１内部空間
３２ 第２内部空間
３３ 連通孔
４２ 第１検出電極
４３ 第２検出電極
５１ 大気ダクト
６１ ヒータ電極
６２，６３ 絶縁層
８１ ポンプセル制御手段
８２ センサセル制御手段
８３ ヒータ制御手段
Ｋ 相関値
Ｎ ＮＯｘセンサセル出力
Ｎａ ＮＯｘセンサセル出力補正値
Ｎｂ センサセル出力（変曲点）
Ｎｐ 推定ＮＯｘ値(変曲点)
Ｎｍ 出力差

Claims (15)

1. 被測定ガス中の余剰酸素を除去する余剰酸素除去手段と、
   前記余剰酸素除去手段により余剰酸素が除去された後の被測定ガスに晒されるガス側電極と、大気に晒される大気側電極と、前記ガス側電極と前記大気側電極との間に介在して、両者間で酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、を有するガス濃度検知セルと、
   前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ前記余剰酸素除去手段の実行中に、前記ガス濃度検知セルのセル出力に変曲点が現れる時期を特定する変曲点特定手段と、
   前記変曲点が現れた以後の前記セル出力に基づいて、特定ガス成分のガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、
   前記ガス側電極の酸化状態を推定する酸化状態推定手段と、
   前記酸化状態に基づいて、前記ガス側電極から還元された酸素が前記セル出力に与える影響を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 内燃機関の運転状態に基づいて、特定ガス成分のガス濃度を推定するガス濃度推定手段を更に備え、
   前記補正手段は、前記ガス濃度検出手段により検出された前記変曲点におけるガス濃度（以下、変曲点検出濃度）、前記ガス濃度推定手段により推定された前記変曲点におけるガス濃度（以下、変曲点推定濃度）、および前記酸化状態に基づいて、前記セル出力を補正することを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
3. 前記補正手段は、前記変曲点検出濃度と前記変曲点推定濃度との偏差に前記酸化状態および前記変曲点からの経過時間の影響を反映させた補正値を演算する補正値演算手段を含み、前記セル出力から前記補正値を減ずることにより、前記セル出力を補正することを特徴とする請求項２記載のガス濃度検出装置。
4. 前記補正値演算手段は、前記経過時間が長いほど、前記補正値が小さくなるように演算
   することを特徴とする請求項３記載のガス濃度検出装置。
5. 前記補正値演算手段は、前記酸化状態が高いほど、前記補正値が大きくなるように演算
   することを特徴とする請求項３または４記載のガス濃度検出装置。
6. 前記ガス側電極の酸化による影響が重畳していないセル出力を前記ガス濃度検知セルが検知する時期（以下、安定時期）を推定する安定時期推定手段と、
   前記安定時期の前記セル出力に対する、前記補正手段の実行を禁止する禁止手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
7. 前記安定時期推定手段は、前記補正値が０以下となる時期を前記安定時期として推定することを特徴とする請求項６記載のガス濃度検出装置。
8. 前記酸化状態推定手段は、前記ガス濃度検知セルへの通電を開始してから前記変曲点が現れるまでの期間が長いほど、酸化状態を高く推定することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
9. 前記ガス濃度検知セルへの通電を開始してから前記変曲点が現れるまでの期間における、前記セル出力の積算値を演算する積算値演算手段を更に備え、
   前記酸化状態推定手段は、前記積算値が大きいほど、前記酸化状態を高く推定することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
10. 前記酸化状態推定手段は、内燃機関の前回の停止時における、前記被測定ガスの空燃比を取得する空燃比取得手段を含み、前記空燃比がリーンであるほど、前記酸化状態を高く推定することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
11. 前記酸化状態推定手段は、内燃機関の前回の停止から今回の始動までの放置時間を取得する放置時間取得手段を含み、前記放置時間が長いほど、前記酸化状態を高く推定することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
12. 内燃機関の停止中における前記ガス側電極の酸化を抑制する酸化抑制手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
13. 前記酸化抑制手段は、内燃機関の停止時における空燃比をリッチに制御することを特徴とする請求項１２記載のガス濃度検出装置。
14. 前記余剰酸素除去手段は、酸素ポンプセルを含み、前記酸素ポンプセルへの電圧の印加に伴って、被測定ガス中の余剰酸素を排出することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項記載のガス濃度検出装置。
15. 前記変曲点特定手段は、前記所定時間毎に前記セル出力の変化量を算出する変化量算出手段を含み、前記変化量と基準値との比較結果に基づいて、前記変曲点が現れる時期を特定することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項記載のガス濃度検出装置。

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