JP2009257889A

JP2009257889A - ＮＯｘセンサの活性判定装置、異常診断装置及び出力補正装置

Info

Publication number: JP2009257889A
Application number: JP2008106109A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Aoki; 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: JP4873329B2

Abstract

【課題】高精度な活性判定を行えるＮＯｘセンサの活性判定装置を提供する。
【解決手段】ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたＮＯｘセンサの活性判定装置において、モニタセル及びセンサセルの素子温を表すパラメータ（例えばインピーダンス）をそれぞれ検出し、これらパラメータに基づきＮＯｘセンサの活性判定を行う。モニタセルとセンサセルが近似した特性等を有することを利用する。センサ暖機過程において両パラメータの差が徐々に小さくなるので、好ましくは両パラメータの差に基づいて活性判定を行う。
【選択図】図６

Description

本発明は、検出対象となる被検出ガス、特に内燃機関から排出される排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するためのＮＯｘセンサの活性判定装置、異常診断装置及び出力補正装置に関する。

内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するものとして、ＮＯｘセンサが公知である。こうしたＮＯｘセンサは、例えば、ディーゼルエンジンにおける選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化システム（例えば尿素ＳＣＲシステム）において、ＮＯｘ触媒の下流側に配設され、その検出ＮＯｘ濃度がＮＯｘ触媒に対する還元剤添加量の制御等に利用される。

ＮＯｘセンサは一般に、そのセンサ素子部にポンプセル、モニタセル及びセンサセルの３セルを有する構造である。ポンプセルは、センサ素子部内の第１チャンバに導入された排気ガスから酸素を排出し、或いは汲み出す。またモニタセルは、第１チャンバから第２チャンバに送られたガスの酸素濃度を検出し、センサセルは、第２チャンバ内のガスのＮＯｘ濃度に見合った出力を発する。

かかるＮＯｘセンサは、そのセンサ素子部が比較的高温の活性温度に達していないと（即ち活性化していないと）正常な出力を発することができない。そこで排気ガスの熱や内蔵ヒータを用いてセンサ素子部が加熱、暖機され、センサ素子部が活性温度に達した後にセンサの出力を利用するようにしている。

ＮＯｘセンサが活性化したか否かを判定する装置として、例えば特許文献１に開示されたものがある。これはポンプセルの活性判定とセンサセルの活性判定とを個別に行い、ポンプセルの活性化が完了したと判定した後にセンサセルの活性判定を行うものである。

特開２００４−１３２８４０号公報

この特許文献１の装置では、センサセルに吸着する酸素の影響によりセンサセルの活性化がポンプセルの活性化より遅れることを考慮して、ポンプセルの活性判定後にセンサセルの活性判定を行うようにしている。しかし、そもそもポンプセルとセンサセルとではその構造、設置位置及び特性等に比較的大きな違いがあり、これら両者の判定結果を利用してセンサ全体の活性判定を行うのは最善とは言い難い。また、この装置ではポンプセルが活性化したと判定した後、一定時間経過後にセンサセルが活性化したと判定するが、ポンプセルの活性化からセンサセルの活性化までの実際の時間は必ずしも一定ではないため、センサセルが未だ活性化していないのに活性化したと判定したり、センサセルが既に活性化したにも拘わらず未活性と判定する誤判定の問題がある。

そこで、本発明はかかる実状に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、高精度な活性判定を行えるＮＯｘセンサの活性判定装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、当該活性判定装置の特徴を利用して好適に異常診断及び出力補正を行えるＮＯｘセンサの異常診断装置及び出力補正装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたＮＯｘセンサの活性判定装置であって、
前記モニタセル及びセンサセルの素子温を表すパラメータをそれぞれ検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたモニタセル及びセンサセルのパラメータに基づき、前記ＮＯｘセンサが活性化したか否かを判定する活性判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの活性判定装置が提供される。

本発明は、モニタセルとセンサセルが近似した特性等を有することに着目し、これらモニタセル及びセンサセルの素子温を表すパラメータに基づき、ＮＯｘセンサが活性化したか否かを判定するものである。センサセルと特性等の異なるポンプセルのパラメータを用いるのではなく、センサセルと特性等が近似したモニタセルのパラメータを用いるので、高精度な活性判定が可能である。

好ましくは、前記活性判定手段は、前記モニタセルのパラメータと前記センサセルのパラメータとの差に基づいて前記ＮＯｘセンサが活性化したか否かを判定する。

センサ暖機過程においてセンサセルの吸着酸素が脱離するにつれ、モニタセルとセンサセルのパラメータは徐々に近づき、両セルのパラメータの差は小さくなっていく。そこで両セルのパラメータの差をモニタすることでＮＯｘセンサが活性化したか否かを好適に判定することができる。

好ましくは、前記ＮＯｘセンサが内燃機関の排気通路に設けられており、前記検出手段は、前記ＮＯｘセンサの活性判定後で且つ内燃機関のフューエルカット時の前記モニタセル及びセンサセルのパラメータをそれぞれ検出し、前記活性判定手段は、その検出された前記モニタセル及びセンサセルのパラメータに基づき、前記ＮＯｘセンサが活性化したか否かを判定するための活性判定値を更新する。

ＮＯｘセンサが劣化するほど、センサ暖機後のモニタセルとセンサセルのパラメータは徐々に乖離する傾向がある。そこでＮＯｘセンサの劣化度に応じて活性判定値を更新するのが好ましい。そしてＮＯｘセンサ劣化度の検出には、ＮＯｘセンサの活性判定後で且つ内燃機関のフューエルカット時におけるモニタセル及びセンサセルのパラメータを用いるのが好適である。このときのパラメータには排気ガス中のＮＯｘの影響が含まれないからである。こうして当該パラメータに基づき活性判定値を更新することで、センサ劣化度に拘わらず適切なタイミングで劣化判定を行うことができる。

好ましくは、前記検出手段が、前記モニタセル及び前記センサセルに異なった周波数の交流電圧を印加してそれらセルのパラメータをそれぞれ検出する。

好ましくは、前記パラメータがインピーダンスである。

好ましくは、前記ＮＯｘセンサが、互いに連通された第１チャンバと第２チャンバとを有し、前記ポンプセルが前記第１チャンバ内に臨むよう配設され、前記モニタセル及びセンサセルが前記第２チャンバ内に臨むよう配設されている。

本発明の他の形態によれば、
ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたＮＯｘセンサの異常診断装置であって、
前記モニタセル及びセンサセルの素子温を表すパラメータをそれぞれ検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたモニタセル及びセンサセルのパラメータに基づき、前記ＮＯｘセンサの異常を判定する異常判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断装置が提供される。

前述したように、モニタセルとセンサセルのパラメータはＮＯｘセンサの劣化度を表しているので、これらセルのパラメータを用いることでＮＯｘセンサが正常か異常かを好適に診断することができる。

本発明のさらなる他の形態によれば、
ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたＮＯｘセンサの出力補正装置であって、
前記モニタセル及びセンサセルの素子温を表すパラメータをそれぞれ検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたモニタセル及びセンサセルのパラメータに基づき、前記ＮＯｘセンサの出力を補正する補正手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの出力補正装置が提供される。

ＮＯｘセンサが劣化するほど、そのセンサ出力値は低下する傾向にある。ところでモニタセル及びセンサセルのパラメータとセンサ劣化度との間にはともに相関関係があるので、それらセルのパラメータを用いることで、センサ劣化に伴うセンサ出力低下分を補償し、センサ出力を好適に補正することが可能である。

本発明によれば、高精度な活性判定を行えるＮＯｘセンサの活性判定装置を提供することができ、また、当該活性判定装置の特徴を利用して好適に異常診断及び出力補正を行えるＮＯｘセンサの異常診断装置及び出力補正装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明が適用される内燃機関のシステム図である。図中、１０は、自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。

エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。

排気通路１５には、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒、特に選択還元型ＮＯｘ触媒３４が設けられている。なお排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒や、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するＤＰＲ（Diesel Particulate Reduction）触媒が追加して設けられてもよい。また、ＮＯｘ触媒３４に還元剤としての尿素水を添加するための尿素添加装置４８が設けられている。具体的には、ＮＯｘ触媒３４の上流側の排気通路１５に、尿素水を噴射するための尿素添加弁４０が設けられている。尿素添加弁４０には供給ライン４１を通じて尿素供給ポンプ４２から尿素水が供給され、尿素供給ポンプ４２は尿素タンク４４に貯留された尿素水を吸引して吐出する。

また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく、尿素添加弁４０及び尿素供給ポンプ４２を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、ＮＯｘ触媒３４の下流側に設けられたＮＯｘセンサ５０、ＮＯｘ触媒３４の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４が含まれる。ＮＯｘセンサ５０は排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力信号を発する所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。その構造については後に詳しく述べる。

他のセンサ類として、クランク角センサ２６、アクセル開度センサ２７及びエンジンスイッチ２８がＥＣＵ１００に接続されている。クランク角センサ２６はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１０のクランク角を検出すると共に、エンジン１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ２７は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。エンジンスイッチ２８はユーザによってエンジン始動時にオン、エンジン停止時にオフされる。

選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）３４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ものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５／ＷＯ_３／ＴｉＯ_２）を担持させたもの等が例示できる。選択還元型ＮＯｘ触媒３４は、その触媒温度が活性温度域にあり、且つ、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。尿素が触媒に添加されると、触媒上でアンモニアが生成され、このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。

ＮＯｘ触媒３４の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。

ＮＯｘ触媒３４に対する尿素添加量は、ＮＯｘセンサ５０により検出されるＮＯｘ濃度に基づき制御される。具体的には、検出ＮＯｘ濃度の値が常にゼロになるように尿素添加弁４０からの尿素噴射量が制御される。この場合、検出ＮＯｘ濃度の値のみに基づいて尿素噴射量を設定してもよいし、或いは、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいてＮＯｘ濃度をゼロとするような基本尿素噴射量を設定し、且つ、この基本尿素噴射量を検出ＮＯｘ濃度の値がゼロになるようにフィードバック補正してもよい。ＮＯｘ触媒３４が尿素添加時のみＮＯｘを還元可能なので、基本的に尿素は、エンジン運転中且つ燃料噴射実行時に常時添加される。また、ＮＯｘ還元に必要な最小限の量しか尿素が添加されないよう、制御が行われる。過剰に尿素を添加するとアンモニアが触媒下流に排出されてしまい（所謂ＮＨ_３スリップ）、異臭等の原因となるからである。

次に、ＮＯｘセンサ５０の詳細について説明する。図２〜図４にはＮＯｘセンサ５０のセンサ素子部の構造を示す。なお図３には図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示し、図４には図２のＩＶ−ＩＶ断面を概略的に示す。

ＮＯｘセンサ５０は、ポンプセルＰ、モニタセルＭ及びセンサセルＳという３つのセルを有し、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。また本実施形態のＮＯｘセンサ５０は、排気ガス中の酸素濃度をも同時に検出可能ないわゆる複合型センサとして構成されている。

ＮＯｘセンサ５０においては、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性材料からなる一対のシート状の固体電解質（固体電解質素子）５１，５２が、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ５３を介して上下方向に積層されている。このうち上側の固体電解質５１にはピンホール５４が形成されており、このピンホール５４を通じてセンサ周囲の排気ガス（被検出ガス）が第１チャンバ５５内に導入される。第１チャンバ５５は、ガス速度を律速するための律速通路、具体的には絞り５６を介して、第２チャンバ５７に連通されている。またピンホール５４の入口は多孔質拡散層５８で覆われ、センサ外部から第１チャンバ５５に排気ガスが導入されるときのガス速度が律速されるようになっている。

下側の固体電解質５２には、第１チャンバ５５内に臨むようにしてポンプセルＰが設けられており、ポンプセルＰは、第１チャンバ５５内に導入した排気ガス中の酸素を排出する或いは汲み出す働きをすると共に、酸素排出の際に排気ガス中の酸素濃度を検出する。ポンプセルＰは、下側の固体電解質５２と、これを挟んで対向配置された一対の電極５９，６０から構成され、特に第１チャンバ５５内に位置する上側の電極（ポンプセル電極）５９はＮＯｘに対して概ね不活性の電極となっている。ポンプセルＰは、第１チャンバ５５内に存在する酸素を分解して下側の電極６０より大気通路６１に排出する。

また、上側の固体電解質５１には、第２チャンバ５７内に臨むようにしてモニタセルＭ及びセンサセルＳが設けられている。モニタセルＭは、第２チャンバ５７内の酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴う電流を発生する。他方センサセルＳは、第２チャンバ５７内のガス中のＮＯｘ濃度に応じた電流を発生する。

本実施形態では、図３及び図４に示すように、第１チャンバ５５から第２チャンバ５７へと向かう排気ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセルＭ及びセンサセルＳが並列に配置されると共に、これらセルＭ，Ｓの、上側の大気通路６２内に位置する電極が共通電極６３となっている。即ちモニタセルＭは、上側の固体電解質５１とこれを挟んで対向配置された電極（モニタセル電極）６４及び共通電極６３とにより構成され、センサセルＳは、同じく上側の固体電解質５１とこれを挟んで対向配置された電極（センサセル電極）６５及び共通電極６３とにより構成されている。

下側の固体電解質５２の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層６６が設けられ、この絶縁層６６により前記大気通路６１が区画形成されている。この絶縁層６６には、センサ素子部全体を加熱するためのヒータ６７が埋設されている。このヒータ７９はＥＣＵ１００により約７５０〜８００℃となるよう加熱制御される。

第１チャンバ５５内に位置するポンプセル電極５９と、第２チャンバ５７内に位置するモニタセル電極６４とは、ＮＯｘを還元若しくは分解し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い材料から構成されている。本実施形態の場合、これら電極５９，６４は、金Ａｕと白金Ｐｔとセラミックスのサーメットからなる。一方、第２チャンバ５７内のセンサセル電極６５は、ＮＯｘを還元若しくは分解し得る触媒能を有し又はその触媒能が高い材料を含む。本実施形態の場合、センサ電極６５は、ロジウムＲｈと白金ＰｔとセラミックスとしてのジルコニアＺｒＯ_２からなる多孔質サーメットから構成され、このうちロジウムＲｈがＮＯｘ、特にＮＯをも還元し得る高いＮＯｘ触媒能を有する。

排気ガスは多孔質拡散層５８及びピンホール５４を通って第１チャンバ５５に導入される。そしてこの排気ガスがポンプセルＰを通過する際、その電極５９，６０間にポンプセル電圧Ｖｐを印加することで、第１チャンバ５５内の酸素Ｏ_２がポンプセル電極５９と接触して酸素イオンＯ^２−となる。この酸素イオンＯ^２−は、下側の固体電解質５２を通じて他方の電極６０に向かって流れる。したがって、第１チャンバ５５内の排気ガスに含まれる酸素が大気通路６１に排出されることになる。なおポンプセルＰに流れた電流（ポンプセル電流Ｉｐ）により排気ガスの酸素濃度ひいては空燃比が検出される。ポンプセル電極５９により、排気ガス中のＮＯ_２がＮＯに還元されることはあるものの、ＮＯはそれ以上還元されない。したがって第１チャンバ５５内ではＮＯｘがＮＯにほぼ単ガス化され、このＮＯｘを含む排気ガスが絞り５６を通じて第２チャンバ５７内に導入される。

第２チャンバ５７内において、モニタセルＭでは、排気ガスの酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセルＭの出力は、その電極６４，６３間に所定の電圧（モニタセル電圧Ｖｍ）を印加することで、モニタセル電流Ｉｍとして検出される。従ってこのモニタセル電流Ｉｍが第２チャンバ５７内の酸素濃度を示すこととなる。他方、センサセルＳでは、その電極６５，６３間に所定の電圧（センサセル電圧Ｖｓ）を印加することで、ガス中のＮＯｘ（殆どがＮＯである）が還元分解され、分解後の酸素Ｏ_２がセンサセル電極６５と接触して酸素イオンＯ^２−となり、この酸素イオンＯ^２−が上側の固体電解質５１を通じて共通電極６３に向かって流れ、酸素Ｏ_２となって大気通路６２に排出される。これに加え、センサセルＳでは、ポンプセルＰと同様の原理で、第２チャンバ５７内の酸素Ｏ_２を分解し酸素イオンＯ^２−として共通電極６３に導いて大気通路６２に排出する。したがってセンサセルＳには、第２チャンバ５７内のＮＯｘ濃度と酸素濃度との合計濃度に応じた分解電流（センサセル電流Ｉｓ）が流れることとなる。

ポンプセル電圧Ｖｐは、第２チャンバ５７内の酸素濃度が低濃度の所定値（例えば０．０１ｐｐｍ）となるように、言い換えればモニタセル電流Ｉｍがその所定濃度に対応した所定値となるように、モニタセル電流Ｉｍに基づいてフィードバック制御される。このときポンプセル電圧Ｖｐが高いほど、第１チャンバ５５から排出される酸素量は多くなり、逆にポンプセル電圧Ｖｐが低いほど、第１チャンバ５５から排出される酸素量は少なくなる。こうして第２チャンバ５７内の酸素濃度は低濃度の一定値に制御されることとなる。

また、モニタセルＭにより、第２チャンバ５７内の酸素濃度に応じたモニタセル電流Ｉｍが計測され、センサセルＳにより、第２チャンバ５７内のＮＯｘ濃度と酸素濃度との合計濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓが計測される。ＥＣＵ１００は、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍを減算し、その差Ｉｘ（＝Ｉｓ−Ｉｍ）をＮＯｘセンサ５０の出力（出力電流）として求めると共に、当該出力Ｉｘに基づいて所定のマップ（関数でもよい。以下同様。）からＮＯｘ濃度を求める。

なお、第２チャンバ５７内の酸素濃度が低濃度の一定値であること、センサセル電流Ｉｓに含まれる酸素分が少ないと考えられること等から、センサセル電流Ｉｓ自身をＮＯｘセンサ出力Ｉｘとしてもよいし、センサセル電流Ｉｓから予め定められた一定値を減じてＮＯｘセンサ出力Ｉｘとしてもよい。

ここで、モニタセルＭとセンサセルＳは、電極６４，６５におけるＮＯｘ触媒能の有無の違い（即ち材質の違い）を除けばほぼ同様に構成されている。具体的には、両電極６４，６５とも第２チャンバ５７内に設置されており、また図３及び図４からも分かるように、両電極６４，６５は面積、形状も等しい。加えて、両電極６４，６５は第２チャンバ５７内に並列配置されており、第２チャンバ５７の入口である絞り５６から等距離に位置されている。結果的に、モニタセルＭとセンサセルＳは感度が同等になり、同等の特性を有することとなる。なお、両電極６４，６５は第２チャンバ５７内に直列配置することも可能である。例えばモニタセル電極６４を絞り５６に近い上流側に、センサセル電極６５を絞り５６から遠い下流側に配置してもよい。また両セルに対して共通電極６３を用いずに個別の電極を用いることも可能である。

これとは対照的に、ポンプセルＰとセンサセルＳでは互いに特性等が異なるのが明らかである。例えば両セルの電極５９，６５は材質のみならず、設置チャンバが異なり、面積も異なる。ポンプセル電極５９はセンサセル電極６５よりかなり大きく形成されている。

次に、ＮＯｘセンサ５０の活性判定について説明する。

前述したように、センサセルＳには酸素吸着能がある。すなわち、センサセル電極６５に含まれるロジウムＲｈが、ＮＯをも還元し得る強い触媒能のほかに、酸素を吸着するといった酸素吸着能を与える主な成分である。他方、ポンプセルＰ及びモニタセルＭにはこのような酸素吸着能がない。

図５は、ＮＯｘセンサ５０の暖機過程におけるＮＯｘセンサ出力Ｉｘとセンサセル素子温との変化を示す。ここではエンジン停止状態でＮＯｘセンサ５０を空気中に常温で十分な時間放置し、センサセル電極６５に飽和状態まで酸素を吸着させ、その後、エンジンを始動させずに、ＮＯｘセンサ５０をオン（各セルとヒータに電圧を印加）し、ヒータ６７のみでＮＯｘセンサ５０を暖機している。なお、センサセル電極６５における酸素吸着は当該電極が低温であるほど起こりやすく、常温程度ではそれが確実に起こること、またＮＯｘセンサ５０の暖機後にはそれが起こらないことが分かっている。例えばＮＯｘセンサ５０のヒータ６７の温度が約７５０〜８００℃といった十分な高温に制御されているような場合には酸素吸着が起こらない。

時間ｔ＝０からヒータ６７による加熱を開始すると、内燃機関が始動されておらず排気ガス及びこれに含まれるＮＯｘが無い状態であるにも拘わらず、ＮＯｘセンサ出力ＩｘがＮＯｘ濃度ゼロ相当の値Ｉｘ０から立ち上がり、あたかもＮＯｘ濃度が増大したかのような挙動を示す。これは、センサ放置中にセンサセル電極６５に吸着された酸素Ｏ_２が、センサセル電極６５において分解され、酸素イオンとなって共通電極６３に向かって移動し、センサセル電流Ｉｓが流れるからである。この立ち上がったＮＯｘセンサ出力Ｉｘは、センサセル電極６５における吸着酸素の分解、脱離と共にやがてＮＯｘ濃度ゼロ相当の値Ｉｘ０に復帰する。

なお、エンジンを始動させてヒータ６７による加熱を開始した場合には、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じたＮＯｘセンサ出力が上乗せされることになる。即ち、図中のＩｘ０が排ガスＮＯｘ濃度相当の値となる。このセンサ暖機過程ではＮＯｘ触媒３４も暖機中で活性化していないのでその存在は無視し得るものである。

ここで図５に見られるように、センサセル素子温は、センサセル電極６５上の吸着酸素が脱離しＮＯｘセンサ出力Ｉｘが正常になる前に、活性温度に達している。即ち、センサセル素子温が活性温度に達するタイミングｔ１は、ＮＯｘセンサ出力Ｉｘが正常出力を発するようになるタイミングｔ２より早く、両者の間には時間差が生ずる。

他のモニタセルＭ及びポンプセルＰも、センサセルＳとほぼ同じタイミングで活性温度に達する。つまりセンサ自身としては既に実質的に活性化しているのだが、センサセルＳに吸着した酸素を脱離、放出するのを待つ必要があり、それまでセンサ自身を活性化していると判定することができず、センサセル出力ＩｓひいてはＮＯｘセンサ出力Ｉｘを使用することができない。

前述の特許文献１記載の装置では、ポンプセルが活性化してから一定時間経過した後に、センサセルが活性化した、即ちセンサセル出力を使用可能と判定する。しかし、センサセルにおける実際の酸素吸着量は、空気中への放置時間、放置時の素子温、セルの劣化度等に応じて異なるため、センサセルからの酸素脱離時間もその時々に応じて異なり、ポンプセルの活性化からセンサセルの活性化までの時間は必ずしも一定とはならない。そのため特許文献１記載の装置では、センサセルが未だ活性化していないのに活性化したと判定したり、センサセルが既に活性化したにも拘わらず未活性と判定する誤判定の問題がある。また、そもそもポンプセルとセンサセルとではその特性等が比較的大きく異なるため、これら両者の判定結果を利用してセンサ全体の活性判定を行うのは最善とは言い難い。

そこで本実施形態では、特にモニタセルＭとセンサセルＳが近似した或いはほぼ同等の特性等を有することに着目し、これらモニタセルＭとセンサセルＳの素子温を表すパラメータに基づいて、ＮＯｘセンサ５０が活性化したか否かを判定するようにしている。

ここで、ポンプセルＰ、モニタセルＭ及びセンサセルＳのいずれも、各セルの素子温とインピーダンスとの間に相関関係があり、素子温が高くなるにつれインピーダンスは低下する傾向にある。そこで本実施形態では各セルの素子温を表す（或いは相関する）パラメータとしてインピーダンスを用い、インピーダンスを検出することにより間接的に素子温を検出することとしている。

図６は、図５に対応した、ＮＯｘセンサ５０の暖機過程におけるモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンスの変化を示す。図示するように、モニタセルＭではエンジン停止中の酸素吸着が起こらないので、酸素吸着の影響はなく、暖機時間が進むにつれ（素子温が上昇するにつれ）インピーダンスは徐々に減少し、やがて活性温度相当の一定値に落ち着くようになる。なお、本実施形態ではモニタセルＭの素子温即ちインピーダンスが活性温度相当の所定範囲内になるようにヒータ６７が制御されるので、モニタセルＭが活性温度に達した後は、そのインピーダンスがほぼ一定に制御される。

他方、センサセルＳでは、詳しくは後述するが、吸着酸素の分解脱離に伴う分解電流が流れるので、その分、見掛け上の検出値としてのインピーダンスが低下する。つまり吸着酸素がなければモニタセルＭと同じようなインピーダンス変化を呈するが、吸着酸素があるがためにモニタセルＭより低下した状態のインピーダンス変化を呈す。センサセルＳのインピーダンスは吸着酸素の脱離が進むにつれ徐々にモニタセルＭのインピーダンスに近づき、吸着酸素の脱離が終了した時点でモニタセルＭと同等のインピーダンスを示すようになる。このとき、モニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンスが一定状態に落ち着くタイミングは、図５に示したｔ１，ｔ２と等しい。

なお、図６の例では吸着酸素脱離終了後（ｔ２以降）におけるモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンスを等しいとしているが、これらは異なっていてもよい。いずれにしても吸着酸素脱離終了後はそれ以前より両セルのインピーダンス差が小さくなる。本実施形態では、詳しくは後述するが、それらセルのインピーダンス差が十分小さい所定値以内となったとき、吸着酸素の脱離が終了した即ちセンサセル電流Ｉｓが使用可能になったとして、ＮＯｘセンサ５０が活性化したと判定するようにしている。

図７には参考的に、図５に対応した、ＮＯｘセンサ５０の暖機過程におけるモニタセルＭとセンサセルＳの素子温と電流値Ｉｍ，Ｉｓの変化を示す。（Ａ）に示すように、モニタセルＭではエンジン停止中の酸素吸着が起こらないので、酸素吸着の影響はなく、素子温が活性温度に達するタイミングｔ１で、第２チャンバ５７内の酸素濃度に見合った一定のモニタセル電流Ｉｍを出力するようになる。しかしながら（Ｂ）に示すように、センサセルＳでは、吸着酸素の分解脱離に伴う分解電流が流れるので、素子温が活性温度に達するタイミングｔ１においても未だ、センサセル電流Ｉｓが第２チャンバ５７内の酸素濃度に見合った一定値に収束しておらず、その後吸着酸素が脱離したタイミングｔ２でセンサセル電流Ｉｓが一定値に収束するようになる。

次に、モニタセルＭ及びセンサセルＳのインピーダンスの検出方法を説明する。この検出はＥＣＵ１００により、いわゆる掃引法なる方法で実行される。図８に示すように、モニタセルＭ及びセンサセルＳにそれぞれ印加される電圧Ｖｍ，Ｖｓ（総じてＶで表す）を、所定時間（例えば１００μｓ）毎に、単発的且つ瞬時的にΔＶだけ変化させ（つまり交流電圧を瞬間的に印加し）、この電圧変化に応答して表れるモニタセルＭ及びセンサセルＳの電流Ｉｍ，Ｉｓ（総じてＩで表す）の変化量ΔＩを検出する。そしてここでは前者を後者で割った値Ｚ＝ΔＶ／ΔＩを簡略的にインピーダンスの値として扱う。交流電圧Ｖと交流電流Ｉとの間には、交流電圧Ｖの周波数ｆに応じて変化する位相差があり、通常交流電流は交流電圧より僅かに遅れる。本実施形態では、この位相差ができるだけ少なくなるような周波数ｆを選択して用いるようにしている。この周波数ｆの値は例えば１〜１０ｋＨｚの範囲内にある値である。なお、ＥＣＵ１００は、かかるインピーダンス検出とは別のタイミングで、所定のサンプリング周期τ毎に、モニタセルＭ及びセンサセルＳの電圧値及び電流値を検出している。そしてこれら電圧値及び電流値に基づいて酸素濃度やＮＯｘ濃度を検出するようにしている。以上の如きインピーダンス、電圧値及び電流値の検出はポンプセルＰについても実行される。

ここで図９を用いてモニタセルＭとセンサセルＳにおける化学反応の違いを説明する。なおモニタセル電極６４とセンサセル電極６５は、これらが多孔質サーメットから構成されていることから、簡略的に、空孔部ａと実部ｂに分けて図示されている。まず右半部に示すモニタセルの場合、モニタセル電極６４の雰囲気の酸素Ｏ_２が酸素イオンＯ^２−に分解されて固体電解質５１内を流れる。このときの反応点は空孔部ａの底部、具体的には電極６４と固体電解質５１の界面付近であると考えられている。分解後の酸素原子Ｏは２価の電子２ｅ⁻を受け取って酸素イオンＯ^２−となり、共通電極６３に向かって固体電解質５１内を流れる。共通電極６３に達した酸素イオンＯ^２−は共通電極６３上で酸素分子Ｏ_２となり、大気通路６２に排出される。

他方、左半部に示すセンサセルの場合、このような雰囲気酸素の分解反応に加え、雰囲気ＮＯｘ特に一酸化窒素ＮＯの分解反応、さらには吸着酸素が存在している場合にはその吸着酸素の分解反応が起きる。センサセル電極６５の雰囲気の一酸化窒素ＮＯは、窒素Ｎと酸素Ｏに分解され、そのうち窒素Ｎは窒素分子Ｎ_２となって雰囲気に排出され、酸素Ｏはモニタセルと同様の反応を経て大気通路６２に排出される。このときの反応点も空孔部ａの底部、具体的には電極６５と固体電解質５１の界面付近であると考えられている。このような反応により、センサセルには雰囲気の酸素及び一酸化窒素の合計濃度に応じた分解電流が流れ、さらには吸着酸素量に応じた分解電流が流れることとなる。

次に、図１０を用いてモニタセルＭとセンサセルＳの活性温度到達後のインピーダンス特性を説明する。なお図１０は両セルの素子温を一定とした場合であり、暖機時間が進むにつれ素子温が上昇していく図６とは条件が異なる。（Ａ）はモニタセルの場合、（Ｂ）はセンサセルの場合である。横軸は実数軸Ｚ’、縦軸は虚数軸Ｚ”であり、図中実線で示すのが各周波数ｆ毎のインピーダンスＺである。インピーダンスＺはＺ＝Ｚ’＋Ｚ”のベクトル和で表され、或いは複素数平面上の座標Ｚ（Ｚ’，Ｚ”）で表される。図示されるようにインピーダンスＺは複素数平面上において二つの連続する半円状を描く特性を有し、供給電圧の周波数ｆが高くなるほど実数成分Ｚ’が小さくなるように変化する。

例えば（Ａ）のモニタセルの場合で説明すると、二つの半円が交差する点ｃ、即ち虚数成分Ｚ”が極小（図示例ではゼロ）になる点ｃにおいて、インピーダンスＺはほぼ抵抗値と等しくなる。そこでインピーダンス検出の際には、極小点ｃを得るような周波数ｆが予め選択される。前述したように、この周波数ｆの値は例えば１〜１０ｋＨｚの範囲内の値である。極小点ｃよりも左側の部分、即ち極小点ｃよりも高周波数側のインピーダンスＺは、電極６４，６２間に位置するジルコニア等の固体電解質５１によるインピーダンスを表している。他方、極小点ｃよりも右側の部分、即ち極小点ｃよりも低周波数側のインピーダンスＺは、モニタセルＭの酸素分解反応に起因する界面抵抗によるインピーダンスを表している。極小点ｃは、固体電解質５１と界面抵抗の両者の影響を含んでいる。

なお、インピーダンス検出時には、所定周波数ｆの交流電圧を与えたときの電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩの比を単純にインピーダンスＺ（＝ΔＶ／ΔＩ）として検出している。よって検出されるインピーダンスＺは、特性曲線上のインピーダンス（例えば点ｐ（Ｚ_ｐ’，Ｚ_ｐ”））の実数成分（例えば点ｐ’（Ｚ_ｐ’，０））ということになる。図示例では極小点ｃにおいて虚数成分Ｚ”がゼロであるが、これはゼロでないこともある。

ところで、以上のことは（Ｂ）のセンサセルにも当て嵌まり、実線で示すように、センサセルのインピーダンス特性はモニタセルのインピーダンス特性と近似ないし同等である。しかし、例えば一点鎖線で示すように、仮にセンサセルに酸素が吸着していたとすると、吸着酸素の分解反応が加わる結果、界面抵抗相当のインピーダンスがモニタセルのそれと相違するようになる。この結果、モニタセルと同じタイミング及び周波数でセンサセルのインピーダンス検出を行っても、実際に検出されるインピーダンスはモニタセルのインピーダンス（点ｃ）と相違することとなる。

センサセルの界面抵抗相当のインピーダンスは、ｄ３，ｄ２，ｄ１，ｄというように、吸着酸素が脱離するにつれて徐々に酸素脱離後の基準半円ｄに近づいていく。そしてこれに伴って、一定の周波数ｆを与えていても、検出されるインピーダンスは最初ｅ３のようにモニタセルインピーダンスｃから大きくズレており、徐々にｅ２，ｅ１，ｅというようにモニタセルインピーダンスｃに近づいていく。なお、図示例では酸素脱離時間に応じたセンサセルインピーダンス値の違い、より言えば酸素脱離時間に応じたモニタセルインピーダンスとセンサセルインピーダンスとの差の違いをはっきりと出すため、敢えて、インピーダンス検出時のセンサセル周波数をモニタセル周波数と異ならせ、前者を後者より僅かに低く設定している。言い換えれば、センサセル周波数を、センサセルインピーダンス極小点を得る周波数よりも僅かに低く設定している。これにより酸素脱離後の最終的なセンサセルインピーダンスｅはモニタセルインピーダンスｃと等しくならない（或いは両者の差が最小とならない）が、酸素脱離につれ両インピーダンスが近づいていくという特性ないし傾向はむしろ明確に出すことができる。このことから、インピーダンス検出時にはモニタセル及びセンサセルに異なった周波数の交流電圧を印加するのが好適であることが理解されよう。もっとも、最終的なセンサセルインピーダンスｅをモニタセルインピーダンスｃと等しくするように（或いは両者の差を最小とするように）、センサセル周波数をモニタセル周波数と等しく（或いはセンサセルインピーダンス極小点を得る周波数と等しく）設定することも当然可能である。

次に、図１１に示すＮＯｘセンサの活性判定ルーチンについて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ１０１では、エンジン始動後であるか否かが判断される。エンジン始動後でない、即ちエンジンが未だ始動されてないと判断された場合、本ルーチンが終了される。他方、エンジン始動後であると判断された場合、ステップＳ１０２においてヒータ６７がオンされ、ＮＯｘセンサ５０の暖機が実行される。なおヒータオンと同時に各セルへの電圧印加が開始され、ＮＯｘセンサ５０自体が作動開始となる。またこのステップＳ１０２において、図示しない別ルーチンで検出されたモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンス値Ｚｍ，Ｚｓが取得される。

次のステップＳ１０３においては、取得されたモニタセルＭのインピーダンス値Ｚｍが活性温度相当の所定値ＺｍＨ（例えば２０Ω）に達したか否かが判断される。即ち、ヒータ６７は、暖機初期は比較的大きな電流（例えば１００％デューティ）を与えられて急速に加熱されるが、モニタセルＭの素子温が一旦所定の活性温度域（約７５０〜８００℃）に入ると、その活性温度域に維持されるように、ヒータ６７への通電量がモニタセルインピーダンスＺｍに基づいてフィードバック制御される。そのモニタセル活性温度域に相当するインピーダンス範囲がＺｍＬ≦Ｚｍ≦ＺｍＨである（図７参照）。このステップＳ１０３では、取得されたモニタセルインピーダンスＺｍが、モニタセル活性温度域の低温側しきい値を規定する所定値ＺｍＨ以下となったか否か、即ちモニタセルＭが活性化したか否かが判断される。

モニタセルインピーダンスＺｍが所定値ＺｍＨ以下となってないと判断された場合、本ルーチンが終了される。他方、モニタセルインピーダンスＺｍが所定値ＺｍＨ以下となっていると判断された場合、即ちモニタセルＭが活性化したと判断された場合、ステップＳ１０４において、取得されたモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンスＺｍ，Ｚｓの差（絶対値）ΔＺｍｓ＝｜Ｚｍ−Ｚｓ｜が算出される。また同時に、このインピーダンス差ΔＺｍｓが比較的小さい所定の活性判定値α（＞０）以下となっているか否かが判断される。

インピーダンス差ΔＺｍｓが活性判定値α以下となってないと判断された場合、センサセルでの吸着酸素が未だ脱離してないとみなして、本ルーチンが終了される。他方、インピーダンス差ΔＺｍｓが活性判定値α以下になったと判断された場合、センサセルでの吸着酸素が脱離終了したとみなして、ステップＳ１０５においてＮＯｘセンサ５０が活性化したと判断される。これによりセンサセルＳの出力電流Ｉｓが使用可能となり、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍの差Ｉｘ（＝Ｉｓ−Ｉｍ）に基づいてＮＯｘ濃度を検出可能となる。以上で本ルーチンが終了される。

このように、本実施形態ではモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンス、より具体的には両者の差ΔＺｍｓに基づいてＮＯｘセンサの活性化を判定するので、センサセルでの吸着酸素脱離終了と同時に即活性化と判定することができる。よって、センサセルにおける実際の酸素吸着量等が異なり、吸着酸素脱離時間が異なっても、これに応じて活性化の判定タイミングを変化させ、最適なタイミングでしかも誤判定することなく活性判定を行うことができる。

ところで、本発明者は、かかるモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンス、より具体的には両者の差を、ＮＯｘセンサ暖機後におけるＮＯｘセンサの異常診断や出力補正にも好適に利用できることを見出した。そこでこれらについて順次説明する。

ＮＯｘセンサ５０は、劣化するほど、同一ＮＯｘ濃度に対する出力値Ｉｘが低下する傾向にある。その主な要因はセンサセルＳの劣化であり、特にセンサセル電極６５が劣化（凝集等）するほどにセンサセルＳの内部抵抗が増加し、素子インピーダンスが増加することに起因する。これに対し、モニタセルＭの劣化はセンサセルＳの劣化に比べて低いことが判明している。

図１２にはモニタセルＭ及びセンサセルＳの劣化度と、それぞれのインピーダンスとの関係を示す。図示するように、モニタセルＭのインピーダンスは劣化度に拘わらず一定としているが、これはセンサ暖機後にはモニタセルインピーダンスがほぼ一定となるようにヒータ制御がなされているからである。これに対し、センサセルＳのインピーダンスは、センサセルＳの劣化度が増すにつれモニタセルインピーダンスに対して乖離（上昇）する傾向にある。そこで両セルのインピーダンス差ΔＺｍｓが所定の異常判定値β以上になった場合にはセンサセルＳが劣化した、つまりＮＯｘセンサが異常になったと判定する。

一方、かかる異常となる前は、劣化度が増すほど両セルのインピーダンス差が増加する傾向にある。そこでこのインピーダンス差に基づいてＮＯｘセンサ出力Ｉｘを補正することにより、劣化による出力低下分を補償し、劣化度に拘わらずセンサの所定状態（例えば新品状態）におけるセンサ出力Ｉｘを得ることができる。そしてセンサ劣化に伴う各種制御への影響を最小限に止めることが可能となる。

ここで図１３に示すＮＯｘセンサの異常診断及び出力補正ルーチンについて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ２０１では、前記ステップＳ１０１同様、エンジン始動後であるか否かが判断される。エンジン始動後でないと判断された場合には本ルーチンが終了される。他方、エンジン始動後であると判断された場合には、ステップＳ２０２においてＮＯｘセンサ５０の活性判定後であるか否か、即ち前記ステップＳ１０５（図１１）によりＮＯｘセンサ５０の活性判定がなされた後か否かが判断される。

ＮＯｘセンサ５０の活性判定後でないと判断された場合には本ルーチンが終了される。他方、ＮＯｘセンサ５０の活性判定後であると判断された場合には、ステップＳ２０３において、前記ステップＳ１０２同様、モニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンス検出値Ｚｍ，Ｚｓが取得される。

次のステップＳ２０４においては、取得されたモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンスＺｍ，Ｚｓの差、即ちインピーダンス差ΔＺｍｓ＝｜Ｚｍ−Ｚｓ｜が算出されると共に、このインピーダンス差ΔＺｍｓが所定の異常判定値β（＞０）以上となっているか否かが判断される。この異常判定値βは、ＮＯｘセンサが交換を要するほどに劣化したときの両セルのインピーダンス差として設定されている。

インピーダンス差ΔＺｍｓが異常判定値β以上となっている場合、ステップＳ２０５においてＮＯｘセンサ５０は異常と判定される。この場合、異常の事実をユーザに知らせるべくチェックランプ等の警告装置が起動させられる。以上で本ルーチンが終了される。

他方、インピーダンス差ΔＺｍｓが異常判定値β未満となっている場合、ＮＯｘセンサ５０は正常とみなされ、ステップＳ２０６において、ＮＯｘセンサ５０の劣化度に応じた出力低下分を補償すべく、ＮＯｘセンサ５０の出力Ｉｘの補正が実行される。

ＮＯｘセンサ５０の劣化度が増すほどＮＯｘセンサ出力Ｉｘは低下し、モニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンス差ΔＺｍｓは増大する傾向にある（図１２参照）。そこでインピーダンス差ΔＺｍｓが増大するほど、ＮＯｘセンサ出力Ｉｘがより大きくなるような補正が行われる。具体的には、インピーダンス差ΔＺｍｓに対応した出力補正係数Ｋが図１４に示すようなマップから取得され、この取得された出力補正係数ＫがＮＯｘセンサ出力Ｉｘに乗算されてＮＯｘセンサ出力Ｉｘが補正される。マップにおいてはインピーダンス差ΔＺｍｓが大きくなるほど１に対してより大きくなる出力補正係数Ｋが得られるようになっている。よって補正されたＮＯｘセンサ出力Ｉｘは、基準状態としてのセンサ新品状態のときの値を示すこととなる。もっとも、必ずしも新品状態のときの値に補正する必要はなく、正常範囲内であればいかなる劣化状態をも基準状態に設定してよい。

このように、ＮＯｘセンサ５０が正常と判定されたときにはセンサ劣化度に応じた出力補正が実行されるので、センサ劣化度の影響を排除して所定の基準状態におけるＮＯｘセンサ出力Ｉｘを安定して得ることが可能となる。

なお、エンジン始動後（運転時）には、ＮＯｘセンサ５０にＮＯｘが供給され、センサセルＳの検出インピーダンス値Ｚｓに、ＮＯｘ分解電流が流れることに起因する影響即ちＮＯｘ影響が出る場合もある。もっともＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度は極めて低く、ＮＯｘ影響は吸着酸素影響に比べれば著しく低いと予想される。しかしながらこのＮＯｘ影響をも考慮しようとする場合には、予め定めたＮＯｘ条件のときにインピーダンス検出を行うのが好ましい。例えばＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度が所定範囲内にあるときに限ってインピーダンス検出を行うが如きである。なお後述するが、エンジンのフューエルカット時にはＮＯｘ濃度がゼロになるので、このときにインピーダンス検出を行うのが最も好ましいと考えられる。ここでＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度は、ＮＯｘセンサ５０自身の出力Ｉｘで近似的に検出してもよい。或いは、ＮＯｘセンサ５０の上流側にあるＮＯｘ触媒３４の影響を排除するため、ＮＯｘ触媒上流側の排気ガスのＮＯｘ濃度に基づいて推定しても良い。ＮＯｘ触媒上流側の排気ガスのＮＯｘ濃度は、別のＮＯｘセンサで検出したり、エンジン運転状態に基づいて推定したりすることが可能である。またＮＯｘ触媒上流側のＮＯｘ濃度に、尿素添加量、触媒浄化率、触媒温度、排気温度等を加味したモデルを用いて、ＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度を推定することが可能である。或いは、ＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度に基づき、センサセルＳの検出インピーダンスＺｓ、インピーダンス差ΔＺｍｓ、異常判定値β及び出力補正係数Ｋの少なくとも一つを補正しても良い。これらのことを行うことにより、ＮＯｘ影響を排除して異常診断及び出力補正の精度をより高めることが可能である。

ところで、前に述べたようなモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンスＺｍ，Ｚｓ、具体的には両者のインピーダンス差ΔＺｍｓに基づいて活性判定する方法では、センサ劣化度に応じてインピーダンス差ΔＺｍｓが変化するので、実際に検出されたインピーダンス差ΔＺｍｓを一定の活性判定値αと比較するだけではセンサ劣化度に応じて活性判定するタイミングが異なり、適切なタイミングで活性判定できなくなる可能性もある。そこで精度を高めるため、以下に説明するように、センサ劣化度に応じて活性判定値αを更新するのが好ましい。

まず、ＮＯｘセンサの活性判定後（即ちＮＯｘセンサの暖機後）であって、且つエンジンのフューエルカット時に、モニタセルＭ及びセンサセルＳのインピーダンスＺｍ，Ｚｓをそれぞれ検出する。そしてこれらインピーダンスＺｍ，Ｚｓ、具体的には両者のインピーダンス差ΔＺｍｓに基づいて、活性判定値αを更新する。

ＮＯｘセンサの活性判定後にはセンサセルにおける吸着酸素が脱離しているので、その吸着酸素の影響のないセンサセルインピーダンスＺｓを検出できる。そしてエンジンのフューエルカット時には、ＮＯｘセンサにＮＯｘが供給されず、空気のみが供給される。従ってＮＯｘの影響のないセンサセルＳのインピーダンスＺｓを検出できる。これら両セルのインピーダンスＺｍ，Ｚｓ、具体的にはインピーダンス差ΔＺｍｓは、純粋にＮＯｘセンサの劣化度を表すことになる。よってこれらインピーダンスＺｍ，Ｚｓ或いはインピーダンス差ΔＺｍｓに基づいて活性判定値αを更新することにより、活性判定の精度を高めることが可能となる。

また、同様の考え方で、異常診断及び出力補正を行うときのモニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンスＺｍ，Ｚｓは、ＮＯｘセンサの活性判定後で且つフューエルカット時の値を用いるのが好ましい。こうすることにより異常診断及び出力補正の精度を高めることが可能となる。

図１５に活性判定値αの更新ルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ３０１では、前記ステップＳ１０５（図１１）におけるＮＯｘセンサの活性判定がなされた後であるか否かが判断される。活性判定がなされた後でない、即ち未だ活性判定前と判断された場合には本ルーチンが終了される。他方、活性判定がなされた後であると判断された場合には、ステップＳ３０２において、エンジンの燃料噴射を停止するフューエルカット（Ｆ／Ｃ）が実行中であるか否かが判断される。なお、アクセル開度センサ２７により検出されたアクセル開度が全閉であり、且つ、クランク角センサ２６の検出値に基づき算出されたエンジン回転速度が所定のフューエルカット復帰速度より高い場合にフューエルカットが実行される。

フューエルカットが実行中でない場合には本ルーチンが終了される。他方、フューエルカットが実行中である場合には、ステップＳ３０３において、検出されたインピーダンス差ΔＺｍｓに基づき活性判定値αが更新、学習される。インピーダンス差ΔＺｍｓが大きいほど、即ちセンサ劣化度が大きいほど、活性判定値αはより大きい値に更新される。この更新は、インピーダンス差ΔＺｍｓと活性判定値αとの関係を予め規定したマップにより行っても良いし、インピーダンス差ΔＺｍｓと補正値との関係を予め規定したマップにより補正値を取得し、補正値を活性判定値αの基準値に乗算或いは加算して行っても良い。

こうして、センサ劣化度に応じ且つＮＯｘ影響のない活性判定値αを得て、精度の高い活性判定を行うことが可能となる。更新された活性判定値αは以降のエンジン始動時に読み込まれ、活性判定の際に使用される。

次に、ＮＯｘセンサの異常診断及び出力補正ルーチンの別の例を図１６に基づいて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ４０１では、前記ステップＳ２０１同様にエンジン始動後であるか否かが判断される。エンジン始動後でないと判断された場合には本ルーチンが終了され、エンジン始動後であると判断された場合にはステップＳ４０２において、前記ステップＳ２０２同様、ＮＯｘセンサ５０の活性判定後であるか否かが判断される。

ＮＯｘセンサ５０の活性判定後でないと判断された場合には本ルーチンが終了され、ＮＯｘセンサ５０の活性判定後と判断された場合には、ステップＳ４０３において、前記ステップＳ３０２同様、フューエルカット実行中であるか否かが判断される。

フューエルカットが実行中でない場合には本ルーチンが終了される。他方、フューエルカットが実行中である場合には、ステップＳ４０４において、前記ステップＳ２０３同様、モニタセルＭとセンサセルＳのインピーダンス検出値Ｚｍ，Ｚｓが取得される。こうして吸着酸素やＮＯｘの影響のない、より正確なインピーダンス検出値Ｚｍ，Ｚｓを取得することが可能となる。

次のステップＳ４０５においては、前記ステップＳ２０４同様、取得されたインピーダンスＺｍ，Ｚｓの差即ちインピーダンス差ΔＺｍｓ＝｜Ｚｍ−Ｚｓ｜が算出されると共に、このインピーダンス差ΔＺｍｓが異常判定値β以上となっているか否かが判断される。インピーダンス差ΔＺｍｓが異常判定値β以上となっている場合には、ステップＳ４０６において、前記ステップＳ２０５同様、ＮＯｘセンサ５０は異常と判定される。

他方、インピーダンス差ΔＺｍｓが異常判定値β未満となっている場合、ＮＯｘセンサ５０は正常とみなされ、ステップＳ４０７において、前記ステップＳ２０６同様、ＮＯｘセンサ出力Ｉｘが補正される。このときには、ステップＳ４０５で算出された吸着酸素及びＮＯｘの影響のないインピーダンス差ΔＺｍｓに基づいて、図１４に示すマップから出力補正係数Ｋが取得される。よってより高精度な補正を行うことが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本発明は内燃機関以外の任意の技術分野に適用可能である。また内燃機関に適用する場合、内燃機関は圧縮着火式内燃機関のほか、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジン等であってもよい。また排気浄化システムについても前記尿素ＳＣＲシステムの他、任意の排気浄化システムが可能である。ＮＯｘセンサについても本実施形態以外の構造のものが可能である。各セルの素子温を表すパラメータとしては、インピーダンス以外に例えばアドミタンスや抵抗値を用いてもよい。前記実施形態では同一ルーチンにてＮＯｘセンサの異常診断と出力補正を行ったが（図１３、図１６参照）、これらのうちの一方のみを行うようにしてもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。ＮＯｘセンサのセンサ素子部の構造を示す断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。ＮＯｘセンサの暖機過程におけるＮＯｘセンサ出力及びセンサセル素子温の変化を示すグラフである。ＮＯｘセンサの暖機過程におけるモニタセル及びセンサセルのインピーダンスの変化を示すグラフである。ＮＯｘセンサの暖機過程におけるモニタセル及びセンサセルの素子温及び出力電流の変化を示すグラフである。モニタセル及びセンサセルのインピーダンスを検出する方法を説明するための図である。モニタセル及びセンサセルにおける化学反応の違いを説明するための図である。モニタセル及びセンサセルのインピーダンス特性を示す図である。ＮＯｘセンサ活性判定ルーチンのフローチャートである。センサ劣化度とモニタセル及びセンサセルのインピーダンスとの関係を示すグラフである。ＮＯｘセンサ異常診断及び出力補正ルーチンのフローチャートである。出力補正係数算出マップを示す。活性判定値更新ルーチンのフローチャートである。ＮＯｘセンサ異常診断及び出力補正ルーチンの別の例のフローチャートである。

符号の説明

１０エンジン
１５排気通路
２６クランク角センサ
２７アクセル開度センサ
５０ＮＯｘセンサ
５５第１チャンバ
５７第２チャンバ
５９ポンプセル電極
６３共通電極
６４モニタセル電極
６５センサセル電極
６７ヒータ
１００電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｐポンプセル
Ｍモニタセル
Ｓセンサセル
Ｚインピーダンス
ｆ周波数

Claims

ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたＮＯｘセンサの活性判定装置であって、
前記モニタセル及びセンサセルの素子温を表すパラメータをそれぞれ検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたモニタセル及びセンサセルのパラメータに基づき、前記ＮＯｘセンサが活性化したか否かを判定する活性判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの活性判定装置。
前記活性判定手段は、前記モニタセルのパラメータと前記センサセルのパラメータとの差に基づいて前記ＮＯｘセンサが活性化したか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘセンサの活性判定装置。
前記ＮＯｘセンサが、内燃機関の排気通路に設けられており、
前記検出手段は、前記ＮＯｘセンサの活性判定後で且つ内燃機関のフューエルカット時の前記モニタセル及びセンサセルのパラメータをそれぞれ検出し、
前記活性判定手段は、その検出された前記モニタセル及びセンサセルのパラメータに基づき、前記ＮＯｘセンサが活性化したか否かを判定するための活性判定値を更新する
ことを特徴とする請求項１又は２記載のＮＯｘセンサの活性判定装置。
前記検出手段が、前記モニタセル及び前記センサセルに異なった周波数の交流電圧を印加してそれらセルのパラメータをそれぞれ検出する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＮＯｘセンサの活性判定装置。
前記パラメータがインピーダンスである
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＮＯｘセンサの活性判定装置。
前記ＮＯｘセンサが、互いに連通された第１チャンバと第２チャンバとを有し、前記ポンプセルが前記第１チャンバ内に臨むよう配設され、前記モニタセル及びセンサセルが前記第２チャンバ内に臨むよう配設されている
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＮＯｘセンサの活性判定装置。
ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたＮＯｘセンサの異常診断装置であって、
前記モニタセル及びセンサセルの素子温を表すパラメータをそれぞれ検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたモニタセル及びセンサセルのパラメータに基づき、前記ＮＯｘセンサの異常を判定する異常判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断装置。
ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたＮＯｘセンサの出力補正装置であって、
前記モニタセル及びセンサセルの素子温を表すパラメータをそれぞれ検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたモニタセル及びセンサセルのパラメータに基づき、前記ＮＯｘセンサの出力を補正する補正手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの出力補正装置。