JP2018200229A - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサセルの劣化状態を適正に判定する。
【解決手段】ガスセンサは、ガス室内に導入された被検出ガス中の酸素濃度を電圧印加により調整するポンプセルと、ポンプセルによる酸素濃度の調整後にガス室内の特定ガス成分の濃度を検出するセンサセルと、ガス室内の残留酸素濃度を検出するモニタセルとを有する。ＳＣＵ３１〜３３は、ポンプセル印加電圧を切り替える電圧切替部Ｍ１１と、電圧切替部Ｍ１１によりポンプセル印加電圧が切り替えられる場合に、センサセルの出力とモニタセルの出力とを取得する取得部Ｍ１２と、取得部Ｍ１２により取得されたセンサセルの出力とモニタセルの出力とに基づいて、センサセルの劣化状態を判定する劣化判定部Ｍ１３と、を備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関するものである。

内燃機関の排気などの被検出ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。ＮＯｘセンサは、例えば特許文献１に記載されるように、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルからなる３セル構造を有しており、ポンプセルは、ガス室内に導入された排気中の酸素の排出又は汲み出しを行い、モニタセルは、ポンプセル通過後のガス室内の残留酸素濃度を検出し、センサセルは、ポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。

ＮＯｘセンサが劣化すると正確なＮＯｘ濃度が検出できなくなり、その結果、ＮＯｘセンサが自動車の排気系に設置される場合には排気エミッションが悪化するなどの不具合が生じるおそれがある。そこで従来、ＮＯｘセンサの劣化診断手法が提案されており、例えば特許文献１には、ポンプセルへの印加電圧を強制的に切り替えて、このときのセンサセル出力の変化量に基づいてＮＯｘセンサの劣化を診断する手法が開示されている。

特開２００９−１７５０１３号公報

ところで、上記従来の劣化診断手法は、ポンプセル印加電圧の切り替えによりガス室内の残留酸素濃度を意図的に変化させ、その残留酸素濃度の変化に伴うセンサセルの過渡応答に基づきセンサセルの劣化診断を実施するものであるが、ポンプセル印加電圧の切り替え後において、ガス室内の残留酸素濃度が適正に調整された状態でないと、センサセル出力の変化に影響が及ぶことが考えられる。この場合、センサセルの劣化診断の精度が低下することが懸念される。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、センサセルの劣化状態を適正に判定することができるガスセンサ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本手段は、
ガス室（６１）内に導入された被検出ガス中の酸素濃度を電圧印加により調整するポンプセル（４１）と、前記ポンプセルによる酸素濃度の調整後に前記ガス室内の特定ガス成分の濃度を検出するセンサセル（４２）と、前記ガス室内の残留酸素濃度を検出するモニタセル（４３）とを有するガスセンサ（２１〜２３）に適用され、前記ガスセンサに関する制御を実施する制御装置（３１〜３３，３５）であって、
前記ポンプセルの印加電圧（Ｖｐ）を切り替える電圧切替部と、
前記電圧切替部により前記印加電圧が切り替えられる場合に、前記センサセルの出力（Ｉｓ）と前記モニタセルの出力（Ｉｍ）とを取得する取得部と、
前記取得部により取得された前記センサセルの出力と前記モニタセルの出力とに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する劣化判定部と、
を備える。

ガスセンサにおいて、センサセルの出力応答性に基づいてセンサセルの劣化判定を実施する場合には、ポンプセル印加電圧の切り替え後におけるガス室内の残留酸素濃度に応じて、センサセルの出力変化に基づき実施されるセンサセルの劣化判定に悪影響が及ぶことが懸念される。この点、上記構成によれば、電圧切替部により印加電圧が切り替えられる場合に、センサセル出力とモニタセル出力とが取得され、そのセンサセル出力とモニタセル出力とに基づいて、センサセルの劣化状態が判定される。この場合、ガス室内の残留酸素濃度を、モニタセル出力により適正に把握した上で、センサセルの劣化判定を実施できる。その結果、センサセルの劣化状態を適正に判定することができる。

エンジン排気系のシステム構成を示す図。 ＮＯｘセンサの構成を示す断面図。 図２のIII−III断面を示す断面図。 ＮＯｘセンサの劣化に伴うセンサセル出力の過渡特性の変化を説明するための図。 傾きパラメータの算出に用いる始点及び終点を示す図。 ＳＣＵ及びＥＣＵの機能ブロック図。 センサセルの劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 ポンプセル電流の変化量とモニタセル電流収束値との関係を示す図。 モニタセル電流収束値と初期傾きとの関係を示す図。 反応速度比とセンサセル電流収束値と劣化率との関係を示す図。 第２実施形態においてセンサセルの劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 ポンプセル電流の変化量と初期傾きとの関係を示す図。 第３実施形態においてセンサセルの劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 モニタセル電流とセンサセル電流との関係を示す図。 第４実施形態においてセンサセルの劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 他のＮＯｘセンサの構成を示す断面図。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載のディーゼルエンジンから排出される排気を被検出ガスとし、その排気中のＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサにより検出するシステムにおいて、ＮＯｘセンサに関する制御を実施するガスセンサ制御装置を具体化するものとしている。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
図１に示すように、ディーゼルエンジンであるエンジン１０の排気側には、排気を浄化する排気浄化システムが設けられている。排気浄化システムの構成として、エンジン１０には排気通路を形成する排気管１１が接続されており、その排気管１１には、エンジン１０側から順に酸化触媒コンバータ１２と選択還元触媒コンバータ（以下、ＳＣＲ触媒コンバータという）１３とが設けられている。酸化触媒コンバータ１２は、ディーゼル酸化触媒１４と、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１５とを有している。ＳＣＲ触媒コンバータ１３は、選択還元型の触媒としてＳＣＲ触媒１６を有している。また、排気管１１において酸化触媒コンバータ１２とＳＣＲ触媒コンバータ１３との間には、還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管１１内に添加供給するための尿素水添加弁１７が設けられている。

酸化触媒コンバータ１２において、ディーゼル酸化触媒１４は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物、並びに白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属触媒で構成されている。ディーゼル酸化触媒１４は、排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化させ浄化する。また、ディーゼル酸化触媒１４は、触媒反応の際に発生する熱により排気温度を上昇させる。

ＤＰＦ１５は、ハニカム構造体により形成され、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持されることで構成されている。ＤＰＦ１５は、排気中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させることで捕集する。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒１４における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。

ＳＣＲ触媒コンバータ１３は、酸化触媒コンバータ１２の後処理装置としてＮＯｘを窒素と水に還元する装置であって、ＳＣＲ触媒１６としては、例えば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触媒が用いられる。ＳＣＲ触媒１６は、触媒温度が活性温度域にある場合に、還元剤としての尿素が添加されることによりＮＯｘを還元浄化する。

排気管１１において、酸化触媒コンバータ１２の上流側、酸化触媒コンバータ１２とＳＣＲ触媒コンバータ１３との間であって尿素水添加弁１７の上流側、ＳＣＲ触媒コンバータ１３の下流側には、ガスセンサとして限界電流式のＮＯｘセンサ２１，２２，２３がそれぞれ設けられている。ＮＯｘセンサ２１〜２３は、それぞれの検出位置において排気中のＮＯｘ濃度を検出する。なお、エンジン排気系におけるＮＯｘセンサの位置及び個数は任意でよい。

ＮＯｘセンサ２１〜２３には、それぞれＳＣＵ（Sensor Control Unit）３１，３２，３３が接続されており、ＮＯｘセンサ２１〜２３の検出信号は、センサごとにＳＣＵ３１〜３３に適宜出力される。ＳＣＵ３１〜３３は、ＣＰＵや各種メモリを有するマイコンとその周辺回路とを具備する電子制御装置であり、ＮＯｘセンサ２１〜２３の検出信号（限界電流信号）に基づいて、排気中の酸素（Ｏ２）濃度や特定ガス成分の濃度としてのＮＯｘ濃度等を算出する。

ＳＣＵ３１〜３３は、ＣＡＮバス等の通信線３４に接続され、その通信線３４を介して各種ＥＣＵ（例えばエンジンＥＣＵ３５）に接続されている。つまり、ＳＣＵ３１〜３３とエンジンＥＣＵ３５とは通信線３４を用いて相互に情報の授受が可能となっている。ＳＣＵ３１〜３３からエンジンＥＣＵ３５に対しては、例えば排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度の情報が送信される。エンジンＥＣＵ３５は、ＣＰＵや各種メモリを有するマイコンとその周辺回路とを具備する電子制御装置であり、エンジン１０や排気系の各種装置を制御する。エンジンＥＣＵ３５は、例えばアクセル開度やエンジン回転速度に基づいて燃料噴射制御等を実施する。

また、エンジンＥＣＵ３５は、各ＮＯｘセンサ２１〜２３により検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、尿素水添加弁１７による尿素水添加の制御を実施する。その尿素水添加の制御を略述すると、エンジンＥＣＵ３５は、ＳＣＲ触媒コンバータ１３の上流側のＮＯｘセンサ２１，２２により検出されるＮＯｘ濃度に基づいて尿素水添加量を算出するとともに、ＳＣＲ触媒コンバータ１３の下流側のＮＯｘセンサ２３により検出されるＮＯｘ濃度が極力小さい値となるように尿素水添加量をフィードバック補正する。そして、その尿素水添加量に基づいて、尿素水添加弁１７の駆動を制御する。

次に、ＮＯｘセンサ２１〜２３の構成について説明する。各ＮＯｘセンサ２１〜２３はいずれも同じ構成を有しており、ここではＮＯｘセンサ２１についてその構成を説明する。図２及び図３は、ＮＯｘセンサ２１を構成するセンサ素子４０の内部構造を示す図である。なお、図の左右方向がセンサ素子４０の長手方向であり、図の左側が素子先端側である。センサ素子４０は、ポンプセル４１、センサセル４２及びモニタセル４３からなる、いわゆる３セル構造を有している。なお、モニタセル４３は、ポンプセル４１同様、ガス中の酸素排出の機能を具備しており、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４０は、アルミナ等の絶縁体よりなる第１本体部５１及び第２本体部５２と、それら本体部５１，５２の間に配置される固体電解質体５３と、拡散抵抗体５４と、ポンプセル電極５５と、センサセル電極５６と、モニタセル電極５７と、共通電極５８と、ヒータ５９とを備えている。第１本体部５１と固体電解質体５３との間に、濃度計側室であるガス室６１が形成され、第２本体部５２と固体電解質体５３との間に、基準ガス室である大気室６２が形成されている。

ポンプセル４１は、ガス室６１内に導入された排気中の酸素濃度を調整するものであり、ポンプセル電極５５と共通電極５８と固体電解質体５３の一部とにより形成されている。センサセル４２は、センサセル電極５６と共通電極５８との間に流れる酸素イオン電流に基づいてガス室６１における所定のガス成分の濃度（ＮＯｘ濃度）を検出するものであり、センサセル電極５６と共通電極５８と固体電解質体５３の一部とにより形成されている。モニタセル４３は、モニタセル電極５７と共通電極５８との間に流れる酸素イオン電流に基づいてガス室６１における残留酸素濃度を検出するものであり、モニタセル電極５７と共通電極５８と固体電解質体５３の一部とにより形成されている。

固体電解質体５３は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質材料によって構成されている。第１本体部５１と第２本体部５２とは、固体電解質体５３を挟んでその両側に配置されている。第１本体部５１は、固体電解質体５３の側が段差状となっており、その段差により形成された凹部がガス室６１となっている。第１本体部５１の凹部の一側面は開放されており、その開放された一側面に拡散抵抗体５４が配置されている。拡散抵抗体５４は、多孔質材料又は細孔が形成された材料よりなる。拡散抵抗体５４の作用により、ガス室６１に導入される排気の速度が律せされる。

第２本体部５２も同様に、固体電解質体５３の側が段差状となっており、その段差により形成された凹部が大気室６２なっている。大気室６２の一側面は開放されている。固体電解質体５３側から大気室６２内に導入される気体は大気に放出される。

固体電解質体５３においてガス室６１に臨む面には、陰極側のポンプセル電極５５とセンサセル電極５６とモニタセル電極５７とが設けられている。この場合、ポンプセル電極５５は、拡散抵抗体５４に近いガス室６１の入口側、すなわちガス室６１内の上流側に配置され、センサセル電極５６及びモニタセル電極５７は、ポンプセル電極５５を挟んで拡散抵抗体５４の反対側、すなわちガス室６１内の下流側に配置されている。ポンプセル電極５５は、センサセル電極５６及びモニタセル電極５７に比べて大きい表面積を有する。センサセル電極５６及びモニタセル電極５７は、互いに近接した位置であって、排気の流れ方向に対して同等となる位置に並べて配置されている。ポンプセル電極５５とモニタセル電極５７とは、ＮＯｘに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなる電極（ＮＯｘを分解し難い電極）であるのに対し、センサセル電極５６はＮＯｘに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる電極である。

また、固体電解質体５３において大気室６２に臨む面には、陰極側の各電極５５〜５７に対応する位置に、陽極側となる共通電極５８が設けられている。

ポンプセル電極５５と共通電極５８との間に電圧が印加されると、ガス室６１内の排気中に含まれる酸素が陰極側のポンプセル電極５５にてイオン化される。そして、酸素イオンが陽極側の共通電極５８に向けて固体電解質体５３内を移動し、共通電極５８において電荷が放出されることで酸素となり、大気室６２に排出される。これにより、ガス室６１内が所定の低酸素状態に保持される。

ポンプセル４１の印加電圧（すなわちポンプセル電極５５と共通電極５８との間の印加電圧）が高いほど、ポンプセル４１によって排気中から排出される酸素の量が多くなる。逆にポンプセル４１の印加電圧が低いほど、ポンプセル４１によって排気から排出される酸素の量が少なくなる。したがって、ポンプセル４１の印加電圧を増減することで、後段のセンサセル４２及びモニタセル４３に流れる排気中の残留酸素の量を増減させることができる。本実施形態では、ポンプセル４１に印加される電圧をポンプセル印加電圧Ｖｐとし、ポンプセル４１の電圧印加状態で出力される電流をポンプセル電流Ｉｐとする。

モニタセル４３は、ポンプセル４１により酸素が排出された状態でガス室６１内に残留する酸素濃度を検出する。このとき、モニタセル４３は、残留酸素濃度の検出信号として、電圧印加に伴い生じる電流信号、又はガス室６１内の残留酸素濃度に応じた起電力信号を出力する。モニタセル４３の出力は、ＳＣＵ３１〜３３においてモニタセル電流Ｉｍ、又はモニタセル起電力Ｖｍとして取得される。

センサセル４２は、ポンプセル４１により酸素が排出された状態で、電圧印加に伴い排気中のＮＯｘを還元分解し、ガス室６１内のＮＯｘ濃度及び残留酸素濃度に応じた電流信号を出力する。センサセル４２の出力は、ＳＣＵ３１〜３３においてセンサセル電流Ｉｓとして取得される。ＳＣＵ３１〜３３では、センサセル電流Ｉｓにより、排気中のＮＯｘ濃度が算出される。

ところで、センサセル４２では、経年劣化等の影響によって、排気中の被検出ガスの濃度が同一であっても、その出力であるセンサセル電流Ｉｓの過渡応答性が変化する傾向がある。この傾向について図４を参照して説明する。図４には、（ａ）ポンプセル印加電圧Ｖｐ、（ｂ）ポンプセル電流Ｉｐ、（ｃ）センサセル電流Ｉｓ、（ｄ）モニタセル電流Ｉｍの時間推移が模式的に示されている。ここでは、ガス室６１内の残留酸素濃度を増やす側にポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える第１電圧切替と、その第１電圧切替の実施後において、ガス室６１内の残留酸素濃度を減らす側にポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える第２電圧切替とを実施する場合について説明する。

図４において、時刻ｔ１では、第１電圧切替として、ポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ０からＶｐ１にステップ状に切り替えられている（Ｖｐ０＞Ｖｐ１）。これにより、ポンプセル電流Ｉｐが減少する側に変化し、ガス室６１内の残留酸素濃度が増大される。このとき、ポンプセル電流Ｉｐは、Ｉｐ０からテーリングを伴って変化し、Ｉｐ１に収束する。センサセル４２及びモニタセル４３では、残留酸素濃度の増大に応じて、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍが過渡応答を経て定常値まで増大する。

図４（ｃ）には、ポンプセル印加電圧Ｖｐの低減に応じたセンサセル電流Ｉｓの過渡応答特性が、ＮＯｘセンサ製造時の特性（初期特性）と、ＮＯｘセンサ劣化時の特性（劣化後特性）との２種類で示されている。実線が初期特性を示し、一点鎖線が劣化時特性を示す。図４（ｃ）には、センサセル４２に供給される排気が同一の酸素濃度である場合において、センサセル電流Ｉｓの初期特性と劣化時特性とに差異が生じることが示されている。この場合、第一に、劣化時特性の定常値が初期特性の定常値より低減する傾向がある。第二に、劣化時特性の立ち上がりが初期特性のものより遅くなる傾向がある。例えば過渡変化中の期間Ｔａでの間の特性の傾きをみると、劣化時特性の傾きＡ１１は、初期特性の傾きＡ１０より緩くなる。なお、期間Ｔａは、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴う過渡応答中において始点Ｐ１と終点Ｐ２との間の期間である。これらの傾向は、センサセル４２の劣化が進むほど顕著になる。

また、図４において、時刻ｔ２では、第２電圧切替として、ポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ１からＶｐ２にステップ状に切り替えられている（Ｖｐ１＜Ｖｐ２）。これにより、ポンプセル電流Ｉｐが増加する側に変化し、ガス室６１内の残留酸素濃度が低減される。また、センサセル電流Ｉｓ及びモニタセル電流Ｉｍは、残留酸素濃度の低減に応じて、それぞれ定常値まで減少変化する。

第１電圧切替の実施時において、始点Ｐ１及び終点Ｐ２は、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後、かつ、センサセル電流Ｉｓが安定する前の所定期間内に含まれるタイミングであり、始点Ｐ１及び終点Ｐ２として設定されるタイミングを以下に説明する。

図５に示すように、始点Ｐ１は、例えば以下の３点のいずれかである。
（１）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるポンプセル電流Ｉｐのテーリング最下点ＰＬとなるタイミング（図５中の点Ｐ１１）
（２）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル出力変動量が所定値Ｌ１に到達するタイミング（図５中の点Ｐ１２）
（３）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後に所定時間Ｅ１が経過するタイミング（図５中の点Ｐ１３）
また、図５に示すように、終点Ｐ２は、例えば以下の２点のいずれかである。
（４）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えの後に所定時間Ｅ２が経過するタイミング（図５中の点Ｐ２１）
（５）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル出力変動量が所定値Ｌ２に到達するタイミング（図５中の点Ｐ２２）
所定値Ｌ１は、ＮＯｘセンサ２１〜２３の初期状態で今回と同様のポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え（Ｖｐ０→Ｖｐ１の切り替え）を行った際のセンサセル電流Ｉｓの電流変化量を１００％とした場合に、電圧切り替え前の電流値から所定パーセンテージ（例えば５〜３０％のいずれか）を上乗せした値である。また、所定値Ｌ２は、所定値Ｌ１よりも大きい値であり、同じく電圧切り替え前の電流値から所定パーセンテージ（例えば５０〜９５％のいずれか）を上乗せした値である。

なお、劣化判定を早期に実施することを考慮すると、始点Ｐ１及び終点Ｐ２は共に可能な限り早いタイミングで設定するのが好ましく、上記の具体例（１）〜（５）のなかでは、始点Ｐ１を上記（１）に設定し、終点Ｐ２を上記（４）に設定するのが好ましい。

ここで、センサセル４２の劣化判定時には、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴いガス室６１内の残留酸素濃度が変化し、その残留酸素濃度の変化に伴うセンサセル４２の過渡応答に基づいてセンサセル４２の劣化判定が実施されるが、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後におけるガス室６１内の残留酸素濃度に応じて、劣化判定に悪影響が及ぶことが懸念される。例えば、図４において、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後（時刻ｔ１後）において、ガス室６１内の残留酸素濃度が想定よりも大きいと、劣化判定のためのパラメータであるセンサセル電流Ｉｓの検出精度が低下することが懸念される。

そこで本実施形態では、ポンプセル印加電圧Ｖｐが切り替えられる場合に、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとを取得するとともに、そのセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定することとし、これによりセンサセル４２の劣化判定の精度低下を抑制することとしている。

図６は、各ＳＣＵ３１〜３３の機能を説明するための機能ブロック図である。各ＳＣＵ３１〜３３は、ポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える電圧切替部Ｍ１１と、ポンプセル印加電圧Ｖｐが切り替えられる場合に、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとを取得する取得部Ｍ１２と、取得部Ｍ１２により取得されたセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定する劣化判定部Ｍ１３と、を備えている。

電圧切替部Ｍ１１は、ガス室６１内の酸素濃度を増やす側にポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える第１電圧切替（図４のＶｐ０→Ｖｐ１の電圧切替）と、その第１電圧切替の実施後において、ガス室６１内の酸素濃度を減らす側にポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える第２電圧切替（図４のＶｐ１→Ｖｐ２の電圧切替）とを実施する。つまり、電圧切替部Ｍ１１は、ポンプセル印加電圧Ｖｐを低下させ、その後増加させるといった一連の電圧切替サイクルを実施する。なお、本実施形態では、ポンプセル印加電圧Ｖｐをステップ状に切り替えるようにしているが、電圧変化波形はステップ波形以外であってもよい。ただし、初期特性との比較により劣化判定が行われるため、初期特性の計測時と電圧変化波形を同じにすることが好ましい。

取得部Ｍ１２は、電圧切替部Ｍ１１によるポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後においてモニタセル電流Ｉｍの変化が収束したことを条件に、センサセル電流Ｉｓをセンサセル電流収束値Ｉｓｘとして取得するとともに、モニタセル電流Ｉｍの変化が収束する前におけるセンサセル電流Ｉｓの過渡変化の傾きを傾きパラメータとして取得する。また、モニタセル電流収束値Ｉｍｘを取得する。

劣化判定部Ｍ１３は、取得部Ｍ１２により取得されたセンサセル電流収束値Ｉｓｘとセンサセル電流Ｉｓの傾きとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定する。本実施形態では、劣化判定処理として、センサセル電流収束値Ｉｓｘとセンサセル電流Ｉｓの傾きとに基づいて、センサセル４２の劣化率Ｃを算出する。ここで、センサセル電流収束値Ｉｓｘは、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ０からＶｐ１に切り替えた後において、モニタセル電流Ｉｍの変化が収束した後に取得されるセンサセル電流Ｉｓである。また、センサセル電流Ｉｓの傾きは、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴うセンサセル電流Ｉｓの過渡変化中において単位時間Δｔに対する電流変化量ΔＩｓにより算出される値である。

要するに、劣化判定部Ｍ１３では、電圧切替部Ｍ１１によりポンプセル印加電圧Ｖｐが切り替えられる場合に、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとに基づいて、センサセル４２の劣化状態が判定される。

また、劣化判定部Ｍ１３は、電圧切り替え前後の少なくともいずれかのポンプセル電流Ｉｐとモニタセル電流Ｉｍとの関係を定めた相関データを用い、モニタセル電流Ｉｍが正常値になっているか否かを判定するモニタセル出力判定部を備えており、そのモニタセル出力判定部によりモニタセル電流Ｉｍが正常値になっていないと判定された場合に、センサセル４２の劣化判定を無効とする。相関データは、例えば第１電圧切替の実施前後のポンプセル電流Ｉｐの変化量ΔＩｐとモニタセル電流収束値Ｉｍｘとの関係を定めたものである。これ以外に、相関データは、第１電圧切替の実施前のポンプセル電流Ｉｐ０とモニタセル電流収束値Ｉｍｘとの関係を定めたものや、第１電圧切替の実施後のポンプセル電流Ｉｐ１とモニタセル電流収束値Ｉｍｘｍとの関係を定めたものであってもよい。いずれにしろガス室６１内の残留酸素濃度に応じた関係が定められているとよい。

ちなみに、センサセル４２は、通常のＮＯｘ濃度検出時においてｎＡオーダレベルでセンサセル電流Ｉｓを検出する一方、劣化判定のためのポンプセル印加電圧Ｖｐの切替時には、残留酸素濃度が増加することでμＡオーダレベルでセンサセル電流Ｉｓを検出する。この場合、いずれにおいても電流検出の分解能を高めるべく、ＮＯｘ濃度検出時と劣化判定時とでＳＣＵ３１〜３３におけるＡ／Ｄ変換の電流処理範囲が切り替えられるとよい。劣化判定時には、ＮＯｘ濃度検出時に比べて電流処理範囲が拡張されるとよい。

また、エンジンＥＣＵ３５は、各ＳＣＵ３１〜３３の劣化判定結果に基づいてエミッション悪化による異常を判定する異常判定部Ｍ２１を有している。異常判定部Ｍ２１は、各ＳＣＵ３１〜３３の劣化判定部Ｍ１３にて算出されたセンサセル４２の劣化率Ｃに基づいて、エンジンエミッションの異常を判定する。なお、センサセル４２の劣化率Ｃに加えて、ＮＯｘセンサ２１〜２３の出力、他のセンサ類からの各種センサ情報、エンジン運転状態等を総合的に考慮してエミッション異常を判定する構成であってもよい。

ＮＯｘセンサ２１〜２３に関する劣化判定とエミッション異常判定は、その両方がＳＣＵ３１〜３３により実施されてもよく、又はその両方がエンジンＥＣＵ３５により実施されてもよい。なお、エミッション異常判定は、ＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化度合い以外の要素を用いて実施されるのが望ましいため、エンジンＥＣＵ３５により実施されるのが好ましい。

次に、図７のフローチャートを参照してセンサセル４２の劣化判定の処理手順を説明する。図７に示す処理は、図６に記載したＳＣＵ３１〜３３の各機能を実現するための演算処理であり、各ＳＣＵ３１〜３３において例えば所定周期ごとに実施される。

ステップＳ１０では、劣化判定の実施条件が成立しているか否かを判定する。本実施条件としては、例えば、劣化判定の実施を許可する旨の許可信号をエンジンＥＣＵ３５から受信していることが含まれる。エンジンＥＣＵ３５は、排気管１１内におけるガス環境が安定している所定環境下である場合に許可信号を送信する。具体的には、エンジンＥＣＵ３５は、エンジン１０が所定運転状態にあり排気の量が比較的安定している場合、フューエルカット中である場合、イグニションスイッチのオフ直後（ＩＧオフ直後）である場合、又はソークタイマによるエンジンＥＣＵ３５の起動中である場合に、許可信号を送信する。特にＩＧオフ直後であることを実施条件とするのが望ましい。ＩＧオフ直後においては、エンジン停止により排気の流れが無くなるため、ガス環境が安定した状態での劣化判定が可能となるからである。劣化判定の実施条件が成立していれば、後続のステップＳ１１に進み、実施条件が成立していなければ、本処理を終了する。

ステップＳ１１では、第１電圧切替、すなわちガス室６１内の残留酸素濃度を増やす側へのポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えを実施するか否かを判定する。このとき、各ＳＣＵ３１〜３３は、排気中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度について単位時間当たりの変動量が所定以下である安定状態になっていることを判定し、安定状態になっていると判定されたことを条件に、第１電圧切替の実施を許可する。具体的には、第１電圧切替の実施前においてポンプセル電流Ｉｐの単位時間当たりの変動量が所定以下であるか否かを判定するとともに、センサセル電流Ｉｓの単位時間当たりの変動量が所定以下であるか否かを判定する。そして、これらがいずれも安定状態であれば、ステップＳ１１を肯定して後続のステップＳ１２に進む。ただし、濃度安定の判定処理を省略することも可能である。

なお、各ＳＣＵ３１〜３３は、排気中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度のいずれか一方について単位時間当たりの変動量が所定以下である安定状態になっていることを判定してもよい。この場合、排気中の酸素濃度が安定状態になっていれば、又は排気中のＮＯｘ濃度が安定状態になっていれば、第１電圧切替の実施を許可する。排気管１１にＡ／Ｆセンサが設けられている場合には、Ａ／Ｆセンサの検出値に基づいて、排気中の酸素濃度が安定状態になっていることを判定してもよい。

また、排気中の酸素濃度が所定の濃度範囲に入っていることや、ＮＯｘ濃度が所定の濃度範囲に入っていることを条件に、第１電圧切替の実施を許可するようにしてもよい。この場合、排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度が安定していることの判定に代えて、又は当該判定と共に、酸素濃度やＮＯｘ濃度が所定の濃度範囲に入っていることの判定を実施するとよい。

ステップＳ１１では、上記に加え、エンジン排気系に関する故障履歴（ダイアグ情報）が無いこと、電源電圧（バッテリ電圧）が所定値以上であることを条件に、第１電圧切替の実施を許可してもよい。なお、電源電圧が所定未満になっているとセンサヒータへの通電が不十分になり、ＮＯｘセンサ２１〜２３を適正な活性状態に維持できなくなり、劣化判定の精度低下が懸念される。

第１電圧切替を実施する場合、ステップＳ１２では、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ１に切り替える前（第１電圧切替の実施前）、すなわちポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ０である状態でのポンプセル出力であるポンプセル電流Ｉｐ０を検出する。

その後、ステップＳ１３では、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ０からＶｐ１に切り替える。図４のタイムチャートでは時刻ｔ１においてこの処理が行われる。その後、ステップＳ１４では、第１電圧切替における始点Ｐ１でのセンサセル電流Ｉｓ１と、終点Ｐ２でのセンサセル電流Ｉｓ２とを検出する。ステップＳ１５では、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ１に切り替えた後のポンプセル出力であるポンプセル電流Ｉｐ１を検出する。ポンプセル電流Ｉｐ１は、電圧切り替え（時刻ｔ１）から所定時間が経過したタイミング、すなわちポンプセル電流Ｉｐが安定したタイミングで検出される。なお、各センサセル電流Ｉｓ１，Ｉｓ２、ポンプセル電流Ｉｐ１の検出順序は任意でよい。

その後、ステップＳ１６では、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後においてモニタセル電流Ｉｍの変化が収束した時のセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍを、それぞれセンサセル電流収束値Ｉｓｘ、モニタセル電流収束値Ｉｍｘとして取得する。このとき、モニタセル電流Ｉｍの単位時間当たりの変化量が所定値未満になったことに基づいて、モニタセル電流Ｉｍの変化が収束したとみなし、その収束後にセンサセル電流収束値Ｉｓｘ、モニタセル電流収束値Ｉｍｘを取得する。図４のタイムチャートでは、時刻ｔ１１でセンサセル電流収束値Ｉｓｘ、モニタセル電流収束値Ｉｍｘが取得される。

ステップＳ１７では、ポンプセル電流Ｉｐとモニタセル電流Ｉｍとの関係を定めた相関データを用い、モニタセル電流Ｉｍが正常値になっているか否かを判定する。その相関データは、例えば図８のようにポンプセル電流Ｉｐの変化量ΔＩｐ（＝Ｉｐ０−Ｉｐ１）とモニタセル電流収束値Ｉｍｘとの関係として予め定められており、ステップＳ１７では、モニタセル電流収束値Ｉｍｘが、図８の関係に則したものになっているか否かを判定する。

より具体的には、図８では、ポンプセル電流Ｉｐの変化量ΔＩｐに応じて、モニタセル電流収束値Ｉｍｘの基準値がＩｍｓｄとして定められるとともに、その基準値Ｉｍｓｄに応じて所定の許容範囲ＲＡが定められている。そして、モニタセル電流収束値Ｉｍｘが、ポンプセル電流変化量ΔＩｐに応じて定められる許容範囲ＲＡ内にあるか否かを判定し、許容範囲ＲＡ内であればモニタセル電流Ｉｍが正常値であるとし、許容範囲ＲＡ外であればモニタセル電流Ｉｍが正常値でないとする。モニタセル電流Ｉｍが正常値である場合、後続のステップＳ１８に進み、モニタセル電流Ｉｍが正常値でない場合、ステップＳ１７ａに進む。ステップＳ１７ａでは、モニタセル４３が異常である旨を判定し、その後本処理を終了する。つまり、モニタセル電流Ｉｍが正常値でない場合には、今回のセンサセル４２の劣化判定が無効とされる。

ステップＳ１８では、例えば下記の（１）式を用い、始点Ｐ１及び終点Ｐ２のセンサセル電流Ｉｓ１，Ｉｓ２の差である電流変化量ΔＩｓ１（＝Ｉｓ２−Ｉｓ１）と、始点Ｐ１から終点Ｐ２までの時間差Δｔ１とに基づいて、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ１１を算出する。
Ａ１１＝ΔＩｓ１／Δｔ１ …（１）
なお、図４に示す初期特性での傾きＡ１０も、上記（１）式を用いて算出される。

ステップＳ１９では、傾きＡ１１を正規化することで傾きＢ１１を算出する。この場合、下記（２）式を用い、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ１１と、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴うポンプセル電流Ｉｐの変化量ΔＩｐ１（＝Ｉｐ０−Ｉｐ１）とに基づいて、正規化した傾きＢ１１を算出する。
Ｂ１１＝Ａ１１／ΔＩｐ１ …（２）
その後、ステップＳ２０では、モニタセル電流収束値Ｉｍｘに基づいて、センサセル４２の劣化判定の基準となる判定基準値として、センサセル電流Ｉｓの初期傾きＢ１０を設定する。初期傾きＢ１０は、センサセル４２の初期特性を表すものであり、例えば図９の関係を用いて設定される。図９では、モニタセル電流収束値Ｉｍｘが大きいほど、初期傾きＢ１０として大きい値が設定される。

その後、ステップＳ２１では、傾きＢ１０，Ｂ１１とセンサセル電流収束値Ｉｓｘとに基づいて、センサセル４２の劣化率Ｃ（％）を算出する。このとき、傾きＢ１１と初期傾きＢ１０との比（Ｂ１１／Ｂ１０）を反応速度比として算出するとともに、例えば図１０の関係を用い、反応速度比Ｂ１１／Ｂ１０とセンサセル電流収束値Ｉｓｘに基づいてセンサセル４２の劣化率Ｃを算出する。反応速度比Ｂ１１／Ｂ１０は、センサセル４２に供給された酸素に対する反応速度の比率として求められる。

図１０には、反応速度比Ｂ１１／Ｂ１０が小さいほど、すなわちセンサセル４２の劣化時特性と初期特性との差異が大きいほど、劣化率Ｃが大きくなる関係が定められている。また、図１０には、センサセル電流収束値Ｉｓｘが小さいほど、劣化率Ｃが小さくなる関係が定められている。センサセル電流収束値Ｉｓｘが小さいほど、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴うガス室６１内の残留酸素濃度の変化幅が小さくなり、センサセル電流Ｉｓの過渡応答が緩やかになると考えられる。ゆえに、センサセル電流収束値Ｉｓｘが小さい場合において劣化度合いが過剰に大きいと誤判定されるのを抑制すべく、センサセル電流収束値Ｉｓｘが小さいほど、劣化率Ｃが小さくなるような関係が定められている。劣化率Ｃが大きいことは、センサセル４２の劣化度合いが大きいことを意味する。

その後、ステップＳ２２では、センサセル４２の劣化率ＣをエンジンＥＣＵ３５に対して送信する。

また、ステップＳ２３では、第２電圧切替、すなわちガス室６１内の残留酸素濃度を減らす側へのポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えを実施するか否かを判定する。第２電圧切替を実施する場合、ステップＳ２４に進み、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ１からＶｐ２に切り替える。図４のタイムチャートでは時刻ｔ２においてこの処理が行われる。本実施形態では、Ｖｐ２＝Ｖｐ０である。ポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ２（Ｖｐ０）に切り替えられることにより、一連の劣化判定が終了される。

センサセル４２の劣化率Ｃが算出された後には、ＳＣＵ３１〜３３は、ＮＯｘセンサ２１〜２３によるＮＯｘ濃度の検出時において、ＮＯｘセンサ２１〜２３ごとに劣化率Ｃによりセンサセル電流Ｉｓを補正し、その補正後のセンサセル電流Ｉｓに基づいてＮＯｘ濃度を算出する。この場合、現状のセンサセル特性を初期特性に戻すようにしてセンサセル電流Ｉｓの補正が実施される。

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。

ＮＯｘセンサ２１〜２３において、センサセル４２の出力応答性に基づいてセンサセル４２の劣化判定を実施する場合には、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後におけるガス室６１内の残留酸素濃度に応じて、センサセル電流Ｉｓの変化に基づき実施されるセンサセル４２の劣化判定に悪影響が及ぶことが懸念される。この点、上記構成によれば、ポンプセル印加電圧Ｖｐが切り替えられる場合に、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとが取得され、そのセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとに基づいて、センサセル４２の劣化状態が判定される。この場合、ガス室６１内の残留酸素濃度を、モニタセル電流Ｉｍにより適正に把握した上で、センサセル４２の劣化判定を実施できる。その結果、センサセル４２の劣化状態を適正に判定することができる。

ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後においてモニタセル電流Ｉｍの変化が収束した時のセンサセル電流Ｉｓを、センサセル電流収束値Ｉｓｘとして取得するとともに、モニタセル電流Ｉｍの変化が収束する前のセンサセル電流Ｉｓの変化の傾きを傾きパラメータとして取得し、それらセンサセル電流収束値Ｉｓｘとセンサセル電流Ｉｓの傾きとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定するようにした。これにより、センサセル４２の劣化進行に伴い、劣化時特性の定常値（センサセル電流収束値Ｉｓｘ）が初期特性の定常値より低減すること、劣化時特性の立ち上がり（センサセル電流Ｉｓの傾き）が初期特性のものより遅くなることの両方を加味しつつ、センサセル４２の劣化判定を適正に実施することができる。

モニタセル電流収束値Ｉｍｘに基づいて、センサセル４２の劣化判定の基準となる判定基準値（本実施形態では初期傾きＢ１０）を設定する構成とした。これにより、センサセル４２の劣化判定に用いる現特性の傾きＢ１１と初期傾きＢ１０とを同じ条件で比較して劣化率Ｃを算出することができ、劣化率Ｃの算出精度、すなわち劣化判定精度を高めることができる。

ポンプセル４１への電圧印加によりガス室６１内の残留酸素濃度が調整される場合、電圧切り替えの前後におけるポンプセル電流Ｉｐに基づいて、モニタセル電流Ｉｍとして取り得る電流値の推測が可能である。この点に着目し、電圧切り替え前後におけるポンプセル電流Ｉｐとモニタセル電流収束値Ｉｍｘとの関係を定めた相関データを用い、その関係においてモニタセル電流収束値Ｉｍｘが正常値になっているか否かを判定し、モニタセル電流収束値Ｉｍｘが正常値になっていないと判定された場合に、センサセル４２の劣化判定を無効とする構成とした。これにより、モニタセル４３の異常に起因するセンサセル４２の劣化判定精度の低下を抑制できる。

上記実施形態では、センサセル電流収束値Ｉｓｘとセンサセル電流Ｉｓの傾きとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定する構成としたが、これを変更し、センサセル電流収束値Ｉｓｘとセンサセル電流Ｉｓの傾きとのうち、センサセル電流収束値Ｉｓｘのみを用いて、又はセンサセル電流Ｉｓの傾きのみを用いて、センサセル４２の劣化状態を判定する構成としてもよい。センサセル電流収束値Ｉｓｘのみを用いる場合、センサセル初期特性でのセンサセル電流収束値Ｉｓｘである初期収束値Ｉｓｘ０を、モニタセル電流収束値Ｉｍｘに基づいて設定し、現特性でのセンサセル電流収束値Ｉｓｘと初期収束値Ｉｓｘ０との比により劣化率Ｃを算出するとよい。本構成においても、ガス室６１内の残留酸素濃度を加味しつつ、センサセル４２の劣化判定を適正に実施できる。

以下に、他の実施形態を、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

（第２実施形態）
第２実施形態では、劣化判定部Ｍ１３は、図６で説明したとおり、電圧切り替え前後の少なくともいずれかのポンプセル電流Ｉｐ（ΔＩｐやＩｐ０、Ｉｐ１）とモニタセル電流Ｉｍとの関係を定めた相関データを用い、その関係においてモニタセル電流Ｉｍが正常値になっているか否かを判定するモニタセル出力判定部を備えている。そして、劣化判定部Ｍ１３は、モニタセル電流Ｉｍが正常値になっていると判定された場合に、モニタセル電流収束値Ｉｍｘに基づいてセンサセル劣化の判定基準値（初期傾きＢ１０）を設定するとともに、その判定基準値を用いてセンサセル４２の劣化状態を判定する。また、劣化判定部Ｍ１３は、モニタセル電流Ｉｍが正常値になっていないと判定された場合に、電圧切り替え前後の少なくともいずれかのポンプセル電流Ｉｐに基づいて判定基準値（初期傾きＢ１０）を設定するとともに、その判定基準値を用いてセンサセル４２の劣化状態を判定する。つまり、モニタセル電流Ｉｍが正常値でない場合には、モニタセル電流Ｉｍに代えて、ポンプセル電流Ｉｐを用いて劣化判定を実施する。

本実施形態では、ＳＣＵ３１〜３３は、上述の図７の劣化判定処理に代えて、図１１の劣化判定処理を実施する。図１１は、図７の一部を変更したものであり、図７と同じ処理については同じステップ番号を付している。

図１１では、ステップＳ１６で、センサセル電流収束値Ｉｓｘとモニタセル電流収束値Ｉｍｘとを取得する。また、続くステップＳ１８では、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ１１を算出し、ステップＳ１９では、傾きＡ１１を正規化することで傾きＢ１１を算出する。その後、ステップＳ３１では、ポンプセル電流Ｉｐの変化量ΔＩｐとモニタセル電流収束値Ｉｍｘとの関係を定めた相関データ（図８）を用い、モニタセル電流Ｉｍが正常値になっているか否かを判定する。この処理は、既述した図７のステップＳ１７と同じであるため、詳細は割愛する。

そして、モニタセル電流Ｉｍが正常値であれば、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、モニタセル電流収束値Ｉｍｘに基づいて、センサセル電流Ｉｓの初期傾きＢ１０を設定する。この処理は、既述した図７のステップＳ２０と同じであるため、詳細は割愛する。

また、モニタセル電流Ｉｍが異常値であれば、ステップＳ３３に進む。ステップＳ３３では、モニタセル４３が異常である旨を判定する。その後、ステップＳ３４では、電圧切り替え前後の少なくともいずれかのポンプセル電流Ｉｐに基づいて、センサセル電流Ｉｓの初期傾きＢ１０を設定する。初期傾きＢ１０は、例えば図１２の関係を用いて設定される。図１２では、ポンプセル電流Ｉｐの変化量ΔＩｐが大きいほど、初期傾きＢ１０として大きい値が設定される。その他、ポンプセル電流Ｉｐ０又はＩｐ１に基づいて初期傾きＢ１０が設定されてもよく、いずれにしろガス室６１内の残留酸素濃度に応じた設定が行われればよい。

その後、ステップＳ２１では、傾きＢ１０，Ｂ１１とセンサセル電流収束値Ｉｓｘとに基づいて、センサセル４２の劣化率Ｃを算出し、続くステップＳ２２では、劣化率Ｃを送信する。

上述した本実施形態では、電圧切り替え前後におけるポンプセル電流Ｉｐとモニタセル電流Ｉｍとの関係を参照して、モニタセル電流Ｉｍが正常値であるか否かを判定した。そして、モニタセル電流Ｉｍが正常であれば、モニタセル電流収束値Ｉｍｘに基づいて、センサセル電流Ｉｓの初期傾きＢ１０を設定し、モニタセル電流Ｉｍが正常でなければ、ポンプセル電流Ｉｐに基づいて、センサセル電流Ｉｓの初期傾きＢ１０を設定する構成とした。これにより、モニタセル４３の異常に起因するセンサセル４２の劣化判定精度の低下を抑制できる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、劣化判定部Ｍ１３は、モニタセル出力判定部を備える代わりに、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え時におけるモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとの関係を定めた相関データを用い、実際の電圧切り替え時におけるモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとの関係が相関データに一致するか否かを判定する相関判定部を備える。そして、劣化判定部Ｍ１３は、相関判定部により実際の関係が相関データに一致しないと判定された場合に、センサセル４２の劣化判定を無効とする。

本実施形態では、ＳＣＵ３１〜３３は、上述の図７の劣化判定処理に代えて、図１３の劣化判定処理を実施する。図１３は、図７の一部を変更したものであり、図７と同じ処理については同じステップ番号を付している。

図１３では、ステップＳ１６でセンサセル電流収束値Ｉｓｘを取得した後において、ステップＳ４１に進む。ステップＳ４１では、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとの関係を定めた相関データを用い、実際のモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとの関係が相関データに一致するか否かを判定する。その相関データは例えば図１４のように予め定められており、ステップＳ４１では、モニタセル電流収束値Ｉｍｘとセンサセル電流収束値Ｉｓｘとの関係が、図１４の関係に則したものであるか否かを判定する。

より具体的には、図１４では、モニタセル電流Ｉｍに応じて、センサセル電流Ｉｓの基準値がＩｓｓｄとして定められるとともに、その基準値Ｉｓｓｄに応じて所定の許容範囲ＲＢが定められている。そして、モニタセル電流収束値Ｉｍｘに対するセンサセル電流収束値Ｉｓｘが許容範囲ＲＢ内にあるか否かを判定し、許容範囲ＲＢ内であれば相関関係が正常であるとし、許容範囲ＲＢ外であれば相関関係が正常でないとする。相関関係が正常である場合、後続のステップＳ１８に進み、相関関係が正常でない場合、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、モニタセル４３が異常である旨を判定し、その後本処理を終了する。つまり、相関関係が正常でない場合には、今回のセンサセル４２の劣化判定が無効とされる。ステップＳ１８以降の処理は既述のとおりである。

ＮＯｘセンサ２１〜２３においてセンサセル４２及びモニタセル４３が正常である場合には、電圧切り替え時においてモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとには所定の相関がある。これを利用し、本実施形態では、電圧切り替え時におけるモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとの相関データを参照し、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとの関係が相関データに一致しない場合に、センサセル４２の劣化判定を無効とする構成とした。これにより、モニタセル４３の異常に起因するセンサセル４２の劣化判定精度の低下を抑制できる。

（第４実施形態）
第４実施形態では、劣化判定部Ｍ１３は、モニタセル出力判定部や相関判定部を備える代わりに、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え前においてセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差である第１出力差ΔＩＸ１を算出するとともに、切り替え後においてセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差である第２出力差ΔＩＸ２を算出する出力差算出部を備える。そして、劣化判定部Ｍ１３は、出力差算出部により算出された第１出力差ΔＩＸ１と第２出力差ΔＩＸ２との比較に基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定する。

本実施形態では、ＳＣＵ３１〜３３は、上述の図７の劣化判定処理に代えて、図１５の劣化判定処理を実施する。図１５は、図７の一部を変更したものであり、図７と同じ処理については同じステップ番号を付している。

図１５では、ステップＳ１６でセンサセル電流収束値Ｉｓｘを取得した後において、ステップＳ５１に進む。ステップＳ５１では、ポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ０である状態でのセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差を第１出力差ΔＩＸ１として算出するとともに、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ１に切り替えた状態でのセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差を第２出力差ΔＩＸ２として算出する。なお、第１出力差ΔＩＸ１は、Ｖｐ０印加状態で検出した電流値（Ｉｓ，Ｉｍ）により算出され、第２出力差ΔＩＸ２は、Ｖｐ１印加状態で検出した電流収束値（Ｉｓｘ，Ｉｍｘ）により算出される。

その後、ステップＳ５２では、第１出力差ΔＩＸ１と第２出力差ΔＩＸ２とが一致するか否かを判定する。具体的には、第１出力差ΔＩＸ１と第２出力差ΔＩＸ２との差が所定未満であるか否かを判定する。そして、ΔＩＸ１，ΔＩＸ２が一致する場合、後続のステップＳ１８に進み、ΔＩＸ１，ΔＩＸ２が一致しない場合、ステップＳ５３に進む。ステップＳ５３では、モニタセル４３が異常である旨を判定し、その後本処理を終了する。つまり、ΔＩＸ１，ΔＩＸ２が一致しない場合には、今回のセンサセル４２の劣化判定が無効とされる。ステップＳ１８以降の処理は既述のとおりである。

ＮＯｘセンサ２１〜２３においてポンプセル印加電圧Ｖｐが切り替えられる場合、センサセル４２及びモニタセル４３では、それぞれガス室６１内の残留酸素濃度の変化に伴いセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍがそれぞれ変化する。この場合、センサセル４２及びモニタセル４３が正常であれば、電圧切り替え前における第１出力差ΔＩＸ１と、電圧切り替え後における第２出力差ΔＩＸ２とは概ね一致する。これを利用し、本実施形態では、第１出力差ΔＩＸ１と第２出力差ΔＩＸ２とが一致するか否かを判定し、一致しないと判定された場合に、センサセル４２の劣化判定を無効とする構成とした。これにより、モニタセル４３の異常に起因するセンサセル４２の劣化判定精度の低下を抑制できる。

（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。

・センサセル４２の劣化判定に際し、ポンプセル印加電圧Ｖｐをガス室６１内の酸素濃度を増やす側に切り替える場合（第１電圧切替を実施する場合）に、ポンプセル印加電圧Ｖｐをゼロ、すなわち電圧印加をしない状態に切り替える構成としてもよい。又は、ポンプセル印加電圧Ｖｐを負電圧に切り替える構成としてもよい。いずれにしても、印加電圧の切り替えに伴い、ガス室６１内の酸素濃度が増やされ、その際のセンサセル４２の過渡応答により劣化判定を実施できる。

・上記実施形態では、センサセル電流Ｉｓの「傾きパラメータ」として、センサセル電流Ｉｓの過渡期間において単位時間Δｔに対する電流変化量ΔＩｓにより、過渡変化の傾きを算出する構成としたが、これに代えて、所定時間内における電流変化量ΔＩｓを傾きパラメータとして用いてもよい。又は、所定の電流変化量が生じるのに要する時間幅を傾きパラメータとして用いてもよい。要は、傾きパラメータとして、センサセル電流Ｉｓの傾き、又はそれに相関する値が算出されるとよい。

・上記実施形態では、センサセル電流Ｉｓの傾きＡ１１を正規化して傾きＢ１１を算出し、その傾きＢ１１を用いて劣化率Ｃを算出する構成としたが、これを変更してもよい。例えば、傾きＡ１１を用いて劣化率Ｃを算出する構成であってもよい。

・上記実施形態では、センサセル４２の劣化状態の判定として、センサセル４２の現在特性と初期特性との比である劣化率Ｃ（％）を算出する構成としたが、これに限定されない。例えば、センサセル４２の劣化判定パラメータとしてのセンサセル電流Ｉｓの傾きや、それに相関する値、センサセル電流Ｉｓの収束後の電流変化量ΔＩｓについて、初期値からの差を算出し、その差に基づいてセンサセル４２の劣化度合いを把握する構成でもよい。また、初期値との比較でなく、予め定めた標準値との比較であってもよい。「１００−劣化率Ｃ」となる指標により劣化度合いを判定する構成であってもよい。この場合、当該指標では、初期特性が１００％で表され、劣化が進むほど小さい値で表される。いずれにしろ、センサセル４２の特性変化に基づく劣化状態、すなわち劣化度合いが判定できるものであればよい。

・上記実施形態では、センサ素子４０が単一の固体電解質体５３と単一のガス室６１とを有する構成としたが、これを変更してもよい。例えば、センサ素子４０が、複数の固体電解質体５３と複数のガス室６１とを有し、ポンプセル４１及びセンサセル４２が、それぞれ別の固体電解質体５３であって、かつ別のガス室６１に面するように設けられる構成であってもよい。このような構成の一例を図１６に示す。

図１６に示すセンサ素子４０は、対向配置される２枚の固体電解質体５３ａ，５３ｂと、それら固体電解質体５３ａ，５３ｂの間に設けられるガス室６１ａ，６１ｂとを有している。ガス室６１ａは排気導入口５３ｃに通じ、ガス室６１ｂは絞り部７１を介してガス室６１ａに連通されている。ポンプセル４１は、一対の電極７２，７３を有し、そのうち一方の電極７２がガス室６１ａ内に露出するよう設けられている。センサセル４２は、対向配置される電極７４と共通電極７６とを有し、モニタセル４３は、対向配置される電極７５と共通電極７６とを有している。センサセル４２とモニタセル４３とは隣接して設けられている。それらの各セルにおいて一方の電極７４，７５はガス室６１ｂ内に露出するよう設けられている。このように、ポンプセル４１及びセンサセル４２がそれぞれ別のガス室６１ａ，６１ｂに設けられる構成においても、上記実施形態の劣化判定などの各機能を好適に実施することができる。

・検出対象の特定ガス成分が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酸素を排出し、センサセルにて酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出するものであるとよい。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。

・内燃機関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ガス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、排気以外のガスを被検出ガスとしてもよく、また、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。

２１〜２３…ＮＯｘセンサ（ガスセンサ）、３１〜３３…ＳＣＵ（ガスセンサ制御装置）、３５…エンジンＥＣＵ（ガスセンサ制御装置）、４１…ポンプセル、４２…センサセル、４３…モニタセル、６１…ガス室。

Claims (8)

1. ガス室（６１）内に導入された被検出ガス中の酸素濃度を電圧印加により調整するポンプセル（４１）と、前記ポンプセルによる酸素濃度の調整後に前記ガス室内の特定ガス成分の濃度を検出するセンサセル（４２）と、前記ガス室内の残留酸素濃度を検出するモニタセル（４３）とを有するガスセンサ（２１〜２３）に適用され、前記ガスセンサに関する制御を実施する制御装置（３１〜３３，３５）であって、
   前記ポンプセルの印加電圧（Ｖｐ）を切り替える電圧切替部と、
   前記電圧切替部により前記印加電圧が切り替えられる場合に、前記センサセルの出力（Ｉｓ）と前記モニタセルの出力（Ｉｍ）とを取得する取得部と、
   前記取得部により取得された前記センサセルの出力と前記モニタセルの出力とに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する劣化判定部と、
   を備えるガスセンサ制御装置。
2. 前記取得部は、前記電圧切替部による前記印加電圧の切り替え後において前記モニタセルの出力変化が収束したことを条件に、前記センサセルの出力をセンサセル出力収束値として取得し、
   前記劣化判定部は、前記取得部により取得された前記センサセル出力収束値に基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記取得部は、前記電圧切替部による前記印加電圧の切り替え後において前記センサセル出力収束値を取得するとともに、前記モニタセルの出力変化が収束する前の前記センサセルの出力変化の傾きを傾きパラメータとして取得し、
   前記劣化判定部は、前記取得部により取得された前記センサセル出力収束値と前記傾きパラメータとに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する請求項２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記取得部は、前記電圧切替部による前記印加電圧の切り替え後において前記モニタセルの出力変化が収束した後にモニタセル出力収束値を取得し、
   前記劣化判定部は、前記モニタセル出力収束値に基づいて、前記センサセルの劣化判定の基準となる判定基準値を設定し、その判定基準値を用いて前記センサセルの劣化状態を判定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記劣化判定部は、
   前記電圧切替部による電圧切り替え前後の少なくともいずれかの前記ポンプセルの出力と前記モニタセルの出力との関係を定めた相関データを用い、前記モニタセルの出力が正常値になっているか否かを判定するモニタセル出力判定部を備え、
   前記モニタセル出力判定部により前記モニタセルの出力が正常値になっていないと判定された場合に、前記センサセルの劣化判定を無効とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記取得部は、前記電圧切替部による前記印加電圧の切り替え後において前記モニタセルの出力変化が収束した後にモニタセル出力収束値を取得し、
   前記劣化判定部は、
   前記電圧切替部による電圧切り替え前後の少なくともいずれかの前記ポンプセルの出力と前記モニタセルの出力との関係を定めた相関データを用い、前記モニタセルの出力が正常値になっているか否かを判定するモニタセル出力判定部を備え、
   前記モニタセル出力判定部により前記モニタセルの出力が正常値になっていると判定された場合に、前記モニタセル出力収束値に基づいて、前記センサセルの劣化判定の基準となる判定基準値を設定するとともに、その判定基準値を用いて前記センサセルの劣化状態を判定する一方、
   前記モニタセル出力判定部により前記モニタセルの出力が正常値になっていないと判定された場合に、前記電圧切り替え前後の少なくともいずれかの前記ポンプセルの出力に基づいて、前記判定基準値を設定するとともに、その判定基準値を用いて前記センサセルの劣化状態を判定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記劣化判定部は、
   前記電圧切替部による電圧切り替え時における前記モニタセルの出力と前記センサセルの出力との関係を定めた相関データを用い、実際の電圧切り替え時における前記モニタセルの出力と前記センサセルの出力との関係が前記相関データに一致するか否かを判定する相関判定部を備え、
   前記相関判定部により前記実際の関係が前記相関データに一致しないと判定された場合に、前記センサセルの劣化判定を無効とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記劣化判定部は、
   前記電圧切替部による電圧切り替え前において前記センサセルの出力と前記モニタセルの出力との差である第１出力差を算出するとともに、電圧切り替え後において前記センサセルの出力と前記モニタセルの出力との差である第２出力差を算出する出力差算出部を備え、
   前記出力差算出部により算出された前記第１出力差と前記第２出力差との比較に基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。

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