JP2018204985A - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプセル、センサセル、及びモニタセルを有するガスセンサにおいてモニタ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、モニタセルの出力を目標値に制御すべく、ポンプセルにより残留酸素濃度の調整を行わせるポンプセル制御部Ｍ１１と、ポンプセル制御部Ｍ１１により残留酸素濃度が調整された状態において、センサセルの出力を取得する取得部Ｍ１２と、取得部Ｍ１２により取得されたセンサセルの出力に基づいて、モニタ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４

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、ポンプセルとセンサセルとモニタセルとを有するガスセンサでは、特定ガス成分の濃度が、センサセル出力からモニタセル出力が減算されることで算出される。ここで、モニタセルが劣化すると、モニタセルによる残留酸素濃度の検出精度が低下するため、特定ガス成分の濃度検出に影響が及ぶことが懸念される。つまり、センサセル出力とモニタセル出力との差により特定ガス成分の濃度が算出される構成では、モニタセルの劣化に伴い特定ガス成分の濃度検出の精度低下が懸念される。この点において既存技術には未だ改善の余地があると考えられる。

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、ポンプセル、センサセル、及びモニタセルを有するガスセンサにおいてモニタ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、
前記モニタセルの出力（Ｖｍ，Ｉｍ）を目標値に制御すべく、前記ポンプセルにより前記残留酸素濃度の調整を行わせるポンプセル制御部と、
前記ポンプセル制御部により前記残留酸素濃度が調整された状態において、前記センサセルの出力（Ｉｓ）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に基づいて、前記モニタセルの劣化状態を判定する劣化判定部と、
を備える。

ポンプセルとセンサセルとモニタセルとを有するガスセンサでは、ガス室内の残留酸素濃度がポンプセルにより調整され、その調整後において、センサセルにより特定ガス成分の濃度が検出され、モニタセルにより残留酸素濃度が検出される。ここで、特定ガス成分の濃度が、センサセル出力とモニタセル出力との差により算出されることからすると、モニタセルの劣化に伴い残留酸素濃度の検出精度が低下するため、特定ガス成分の濃度検出に影響が及ぶと考えられる。そのため、モニタセルの劣化状態を把握することが重要であると考えられる。

この点、上記構成では、モニタセルの出力を目標値に制御すべく、ポンプセルにより残留酸素濃度の調整が行われ、残留酸素濃度が調整された状態において、センサセルの出力が取得される。そして、そのセンサセルの出力に基づいて、モニタセルの劣化状態が判定される。仮にモニタセルが劣化していると、モニタセル出力を目標値に制御した状態においてガス室内の残留酸素濃度が過大又は過小となり、その影響によってセンサセル出力が変動するため、そのセンサセル出力を用いてモニタセルの劣化状態の判定が可能となる。その結果、ポンプセル、センサセル、及びモニタセルを有するガスセンサにおいてモニタ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。 ＳＣＵ及びＥＣＵの機能ブロック図。 （ａ）はモニタセルの起電力特性を示す図、（ｂ）は劣化状態での起電力特性を示す図、（ｃ）は（ｂ）のＸ部分を拡大して示す図。 起電力フィードバック制御の開始に伴うセンサセル電流の変化を示すタイムチャート。 起電力フィードバック制御を実施する場合におけるセンサ劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 （ａ）は、出力比とモニタセルの劣化率との関係を示す図、（ｂ）は、出力比とセンサセルの劣化率との関係を示す図。 モニタセルの電流特性を示す図。 電流フィードバック制御の開始に伴うセンサセル電流の変化を示すタイムチャート。 電流フィードバック制御を実施する場合におけるセンサ劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 起電力フィードバック制御及び電流フィードバック制御と、モニタセル劣化時及びセンサセル劣化時との関係を示す図。 起電力フィードバック制御及び電流フィードバック制御を実施する場合におけるセンサ劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 センサセル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。 第２実施形態における劣化判定処理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、ポンプセル４１とセンサセル４２とモニタセル４３とを有するＮＯｘセンサ２１〜２３によるＮＯｘ濃度の検出では、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍが減算されることで排気中のＮＯｘ濃度が算出される。かかる場合において、モニタセル４３が劣化すると、モニタセル電流Ｉｍの精度が低下するため、ＮＯｘ濃度検出に影響が及ぶことが懸念される。そこで本実施形態では、モニタセル４３を判定対象として、劣化判定を実施することとしている。なお、ＮＯｘセンサ２１〜２３ごとに設けられる各ＳＣＵ３１〜３３はいずれも同様の機能を有している。

図４は、ＳＣＵ３１〜３３及びエンジンＥＣＵ３５の機能を説明するための機能ブロック図である。ＳＣＵ３１〜３３は、モニタセル出力（Ｖｍ，Ｉｍ）を目標値に制御すべく、ポンプセル４１によりガス室６１内の残留酸素濃度の調整を行わせるポンプセル制御部Ｍ１１と、ポンプセル制御部Ｍ１１により残留酸素濃度が調整された状態において、センサセル出力（Ｉｓ）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出力に基づいて、モニタセル４３の劣化状態を判定する劣化判定部Ｍ１３と、を備えている。なお本実施形態において、ＮＯｘセンサ２１〜２３は、モニタセル出力として、ガス室６１内の残留酸素濃度に応じたモニタセル起電力Ｖｍを生じさせることと、モニタセル４３に電圧印加した状態でガス室６１内の残留酸素濃度に応じたモニタセル電流Ｉｍを生じさせることとを可能としている。ＳＣＵ３１〜３３では、モニタセル起電力Ｖｍやモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓ、ポンプセル電流Ｉｐ等が適宜検出される。そして、劣化判定部Ｍ１３は、モニタセル４３、又はモニタセル４３及びセンサセル４２を判定対象として、ＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化判定を実施する。

ポンプセル制御部Ｍ１１は、モニタセル起電力Ｖｍを目標値Ｖｍｔｇに制御する起電力フィードバック制御（ＶｍＦ／Ｂ制御）を実施することで、ポンプセル４１により残留酸素濃度の調整を行わせる。このとき、ポンプセル制御部Ｍ１１は、実際のモニタセル起電力Ｖｍと目標値Ｖｍｔｇとの偏差に基づいてポンプセル印加電圧Ｖｐを設定し、そのポンプセル印加電圧Ｖｐにて電圧印加を実施する。

また、ポンプセル制御部Ｍ１１は、モニタセル電流Ｉｍを目標値Ｉｍｔｇに制御する電流フィードバック制御（ＩｍＦ／Ｂ制御）を実施することで、ポンプセル４１により残留酸素濃度の調整を行わせる。このとき、ポンプセル制御部Ｍ１１は、実際のモニタセル電流Ｉｍと目標値Ｉｍｔｇとの偏差に基づいてポンプセル印加電圧Ｖｐを設定し、そのポンプセル印加電圧Ｖｐにてポンプセル４１への電圧印加を実施する。こうしたポンプセル印加電圧Ｖｐの制御によって、ポンプセル４１において残留酸素濃度の調整が適宜行われる。なお、起電力フィードバック制御が「起電力制御」に相当し、電流フィードバック制御が「モニタセル電流制御」に相当する。

取得部Ｍ１２は、起電力フィードバック制御により残留酸素濃度が調整された状態におけるセンサセル出力として、その起電力フィードバック制御により応答変化するセンサセル電流Ｉｓを取得する。また、電流フィードバック制御により残留酸素濃度が調整された状態におけるセンサセル出力として、その電流フィードバック制御により応答変化するセンサセル電流Ｉｓを取得する。

劣化判定部Ｍ１３は、起電力フィードバック制御の実施時に取得されたセンサセル電流Ｉｓと、電流フィードバック制御の実施時に取得されたセンサセル電流Ｉｓとの少なくともいずれかを用いて、モニタセル４３やセンサセル４２について劣化判定を実施する。劣化判定部Ｍ１３は、例えば、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓに基づいてモニタセル４３の劣化率Ｃｍを算出する一方で、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓに基づいてセンサセル４２の劣化率Ｃｓを算出する。

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にて算出されたモニタセル４３の劣化率Ｃｍやセンサセル４２の劣化率Ｃｓ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、これらの劣化率Ｃｍ，Ｃｓ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、起電力フィードバック制御と電流フィードバック制御とを説明するとともに、これら各フィードバック制御と共に実施されるモニタセル４３やセンサセル４２の劣化判定について説明する。

まず、モニタセル４３の起電力フィードバック制御について説明する。モニタセル４３は、酸素濃度(空気過剰率)に応じたモニタセル起電力Ｖｍを生じさせる起電力特性（いわゆるＺ特性）を有している。より詳しくは、モニタセル４３は、図５（ａ）に示すように、酸素濃度＞０の領域でモニタセル起電力Ｖｍが略ゼロとなり、酸素濃度＜０の領域でモニタセル起電力Ｖｍが所定値（例えば約０．９Ｖ）となり、酸素濃度＝０付近の領域でモニタセル起電力Ｖｍが急変する起電力特性を有している。なお、酸素濃度に代えて空気過剰率で言えば、空気過剰率＞１の領域でモニタセル起電力Ｖｍが略ゼロとなり、空気過剰率＜１の領域でモニタセル起電力Ｖｍが所定値（例えば約０．９Ｖ）となり、空気過剰率＝１付近の領域でモニタセル起電力Ｖｍが急変する起電力特性を有している。

ＳＣＵ３１〜３３は、ガス室６１内の残留酸素濃度に応じて生じるモニタセル起電力Ｖｍが、目標値Ｖｍｔｇに一致するよう起電力フィードバック制御を実施する。このとき、図５（ａ）に示すように、目標値Ｖｍｔｇは、モニタセル４３の起電力特性においてモニタセル起電力Ｖｍが急変する急変域内であって、かつ酸素濃度が０よりも大きい（すなわち空気過剰率が１よりも大きい）モニタセル起電力Ｖｍとして定められるとよい。起電力フィードバック制御が実施されることにより、残留酸素濃度が例えば１０００ｐｐｍに制御される（図のＡ１）。

ここで、仮にモニタセル４３が劣化していると、図５（ｂ）に実線で示すように、感度低下に伴い起電力特性が変化する。図５（ｂ）では、劣化前の初期特性を一点鎖線で示し、劣化後特性を実線で示しており、劣化後特性では、特性変化に伴い酸素濃度＜０の領域（空気過剰率＜１の領域）においてモニタセル起電力Ｖｍが小さくなっている。そのため、起電力フィードバック制御が実施された状態下において、ガス室６１内の実際の残留酸素濃度が狙いの酸素濃度からずれる。詳細には、図５（ｂ）のＸ部分を拡大した図５（ｃ）に示すように、起電力フィードバック制御の実施時において、残留酸素濃度がＡ１からＡ２に減少する。

ＳＣＵ３１〜３３は、起電力フィードバック制御の実施時においてモニタセル４３の劣化に伴い残留酸素濃度がずれる場合に、それに応じてセンサセル電流Ｉｓの応答性が変化することを利用して、モニタセル４３の劣化判定を実施する。その概要を図６のタイムチャートにより説明する。

図６では、時刻ｔ１で起電力フィードバック制御が開始される。このとき、時刻ｔ１以前は、ガス室６１内の残留酸素濃度が極低濃度となっており、起電力フィードバック制御の開始に伴いモニタセル４３及びセンサセル４２に対する酸素供給が開始される。つまり、起電力フィードバック制御では、残留酸素濃度が増える側に酸素濃度の調整が行われる。この場合、モニタセル４３の劣化が生じていない初期状態では、一点鎖線のようにセンサセル電流Ｉｓが過渡変化するのに対し、モニタセル４３の劣化が生じていると、残留酸素濃度が想定以下になるのに伴い、実線のようにセンサセル電流Ｉｓが過渡変化する。つまり、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が、今回の起電力フィードバック制御と同じ条件で予め算出したセンサセル電流Ｉｓの応答変化量の初期値（以下、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１という）に対して減少する。こうしたセンサセル電流Ｉｓの変化の差異により、モニタセル４３の劣化判定が可能となっている。

図７は、起電力フィードバック制御（ＶｍＦ／Ｂ制御）を実施する場合におけるＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化判定の処理手順を示すフローチャートである。図７に示す処理は、図４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Ｓ１１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Ｓ１２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Ｓ１２では、起電力フィードバック制御を実施する。このとき、モニタセル起電力Ｖｍの目標値Ｖｍｔｇを設定するとともに、その目標値Ｖｍｔｇと実際のモニタセル起電力Ｖｍとの偏差に基づいて、ポンプセル印加電圧Ｖｐをフィードバック制御する。これにより、モニタセル起電力Ｖｍが目標値Ｖｍｔｇに制御され、ガス室６１内の残留酸素濃度が目標値Ｖｍｔｇに相当する酸素濃度に調整される。

その後、ステップＳ１３では、起電力フィードバック制御の開始後においてセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１を算出する。このとき、センサセル電流Ｉｓ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、センサセル電流Ｉｓの変化が収束したとみなし、その収束後におけるセンサセル電流Ｉｓと、起電力フィードバック制御の開始前のセンサセル電流Ｉｓとの差により応答変化量ΔＩｓ１を算出する。

ステップＳ１４では、下記の（１）式を用い、今回算出したセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１と初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１とにより出力比β１を算出する。出力比β１は、応答変化量ΔＩｓ１の初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１に対する比として算出される。なお、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１は、ＳＣＵ３１〜３３内のメモリに予め記憶されている。
β１＝ΔＩｓ１／ΔＩｓｉｎｉ１ …（１）
続くステップＳ１５では、出力比β１が所定値ＴＨ１よりも小さいか否かを判定する。なお、０＜ＴＨ１＜１である。そして、ステップＳ１５がＹＥＳであれば、モニタセル４３が劣化しているとみなしてステップＳ１６に進む。

ステップＳ１５の処理は、今回算出した出力比β１が、モニタセル４３の劣化に起因して生じたか否かを判定するものである。つまり、モニタセル４３の劣化に伴いセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が減少する場合と、センサセル４２の劣化に伴いセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が減少する場合とを比較すると、前者の方が応答変化量ΔＩｓ１の減少の程度が大きくなる傾向（ΔＩｓ１が小さい値になる傾向）がある。これは、モニタセル４３の劣化時には残留酸素濃度のずれに起因した電流低下が生じるからである。この違いにより、劣化原因がモニタセル４３であることを特定可能である。

ステップＳ１６では、例えば図８（ａ）の関係Ｌ１を用い、出力比β１に基づいてモニタセル４３の劣化率Ｃｍを算出する。関係Ｌ１によれば、出力比β１が１に対して小さいほど、すなわち初期特性との差異が大きいほど、劣化率Ｃｍが大きい値として算出される。劣化率Ｃｍが大きいことは、モニタセル４３の劣化度合いが大きいことを意味する。なお、図７において、ステップＳ１５を省略して実施することも可能である。

次に、モニタセル４３の電流フィードバック制御について説明する。モニタセル４３は、酸素濃度とモニタセル電流Ｉｍとの関係として図９に示す電流特性を有している。ＳＣＵ３１〜３３は、ガス室６１内の残留酸素濃度に応じて生じるモニタセル電流Ｉｍが、目標値Ｉｍｔｇに一致するよう電流フィードバック制御を実施する。

図９では、劣化前の初期特性を一点鎖線で示し、劣化後特性を実線で示しており、劣化後特性では、特性変化に伴い酸素に対する反応感度が低下している。そのため、電流フィードバック制御が実施された状態下において、ガス室６１内の実際の残留酸素濃度が狙いの酸素濃度からずれる。詳細には、図９に示すように、電流フィードバック制御の実施時において、残留酸素濃度がＡ３からＡ４に増加する。

ＳＣＵ３１〜３３は、電流フィードバック制御の実施時においてモニタセル４３の劣化に伴い残留酸素濃度が変化する場合に、それに応じてセンサセル電流Ｉｓの応答性が変化することを利用して、モニタセル４３の劣化判定を実施する。その概要を図１０のタイムチャートにより説明する。

図１０では、時刻ｔ２で電流フィードバック制御が開始される。このとき、時刻ｔ２以前は、ガス室６１内の残留酸素濃度が極低濃度となっており、電流フィードバック制御の開始に伴いモニタセル４３及びセンサセル４２に対する酸素供給が開始される。つまり、電流フィードバック制御では、残留酸素濃度が増える側に酸素濃度の調整が行われる。この場合、モニタセル４３の劣化が生じていない初期状態では、一点鎖線のようにセンサセル電流Ｉｓが過渡変化するのに対し、モニタセル４３の劣化が生じていると、残留酸素濃度が想定以上になるのに伴い、実線のようにセンサセル電流Ｉｓが過渡変化する。つまり、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が、今回の電流フィードバック制御と同じ条件で予め算出したセンサセル電流Ｉｓの応答変化量の初期値（以下、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２という）に対して増加する。こうしたセンサセル電流Ｉｓの変化の差異により、モニタセル４３の劣化判定が可能となっている。

図１１は、電流フィードバック制御（ＩｍＦ／Ｂ制御）を実施する場合におけるＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化判定の処理手順を示すフローチャートである。図１１に示す処理は、図４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Ｓ２１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。ただし本処理は、図７のステップＳ１１と同じであるため、詳細な説明は省略する。劣化判定の実施条件が成立していれば、後続のステップＳ２２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Ｓ２２では、電流フィードバック制御を実施する。このとき、モニタセル電流Ｉｍの目標値Ｉｍｔｇを設定するとともに、その目標値Ｉｍｔｇと実際のモニタセル電流Ｉｍとの偏差に基づいて、ポンプセル印加電圧Ｖｐをフィードバック制御する。これにより、モニタセル電流Ｉｍが目標値Ｉｍｔｇに制御され、ガス室６１内の残留酸素濃度が目標値Ｉｍｔｇに相当する酸素濃度に調整される。

その後、ステップＳ２３では、電流フィードバック制御の開始後においてセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２を算出する。このとき、センサセル電流Ｉｓ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、センサセル電流Ｉｓの変化が収束したとみなし、その収束後におけるセンサセル電流Ｉｓと、電流フィードバック制御の開始前のセンサセル電流Ｉｓとの差により応答変化量ΔＩｓ２を算出する。

その後、ステップＳ２４では、ステップＳ２３で算出した応答変化量ΔＩｓ２と、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２との差をα１として算出する（α１＝ΔＩｓｉｎｉ２−ΔＩｓ２）。そして、ステップＳ２５では、その差α１が負の所定値ＴＨ２よりも小さいか否かを判定し、ステップＳ２６では、差α１が正の所定値ＴＨ３よりも大きいか否かを判定する。なお、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２は、ＳＣＵ３１〜３３内のメモリに予め記憶されている。ＴＨ２＜０であり、ＴＨ３＞０である。

ステップＳ２４〜Ｓ２６の処理は、今回算出した応答変化量ΔＩｓ２と初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２との差α１が、モニタセル４３の劣化とセンサセル４２の劣化とのいずれに起因して生じたかを判定するものである。つまり、電流フィードバック制御が実施される場合において、モニタセル４３が劣化している状態では、残留酸素濃度が大きくなる側にずれるのに対し（図９参照）、モニタセル４３ではなくセンサセル４２が劣化している状態では、残留酸素濃度が適正値に調整される。かかる場合、モニタセル４３の劣化時には、残留酸素濃度が想定以上となることに起因して、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２よりも大きくなるのに対し、センサセル４２の劣化時には、センサセル４２の応答性低下に起因して、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２よりも小さくなる。そのため、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２に対して、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が増えているか、減っているかに応じて、モニタセル４３の劣化とセンサセル４２の劣化とのいずれが生じているかの判定が可能となっている。

そして、ステップＳ２５がＹＥＳであれば、モニタセル４３が劣化しているとみなしてステップＳ２７に進み、ステップＳ２６がＹＥＳであれば、センサセル４２が劣化しているとみなしてステップＳ２８に進む。

ステップＳ２７では、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２に基づいて、モニタセル４３の劣化判定を実施する。このとき、下記の（２）式を用い、今回算出したセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２と初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２とにより出力比β２を算出する。
β２＝ΔＩｓ２／ΔＩｓｉｎｉ２ …（２）
そして、例えば図８（ａ）の関係L２を用い、出力比β２に基づいてモニタセル４３の劣化率Ｃｍを算出する。関係L２によれば、出力比β２が１に対して大きいほど、すなわち初期特性との差異が大きいほど、劣化率Ｃｍが大きい値として算出される。

また、ステップＳ２８では、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２に基づいて、センサセル４２の劣化判定を実施する。このとき、下記の（３）式を用い、今回算出したセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２と初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２とにより出力比β３を算出する。
β３＝ΔＩｓ２／ΔＩｓｉｎｉ２ …（３）
そして、例えば図８（ｂ）の関係L３を用い、出力比β３に基づいてセンサセル４２の劣化率Ｃｓを算出する。関係Ｌ３によれば、出力比β３が１に対して小さいほど、すなわち初期特性との差異が大きいほど、劣化率Ｃｓが大きい値として算出される。

なお、図１１において、ステップＳ２４〜Ｓ２６に代わり、ステップＳ２７とステップＳ２８に先立って、上記の出力比β２を演算し、当該出力比β２が所定値ＴＨ４よりも大きいか、また、当該出力比β２が、所定値ＴＨ５よりも小さいかを判定することにより、モニタセル４３の劣化かセンサセル４２の劣化かを判定してもよい。すなわち、出力比β２が所定値ＴＨ４よりも大きい場合にはモニタセル４３の劣化と判定し、出力比β２が所定値ＴＨ５よりも小さい場合には、センサセル４２の劣化と判定する。その後、それぞれの判定結果に基づいて、ステップＳ２７、ステップＳ２８に進む。なお、所定値ＴＨ４＞１、所定値ＴＨ５＜１である。

また、ステップＳ２４〜Ｓ２６，Ｓ２８を省略して実施することも可能である。この場合、図１１では、ＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化判定として、モニタセル４３についてのみ劣化判定が実施される。

ＳＣＵ３１〜３３が、起電力フィードバック制御（ＶｍＦ／Ｂ制御）を実施する場合における劣化判定処理（図７）と、電流フィードバック制御（ＩｍＦ／Ｂ制御）を実施する場合における劣化判定処理（図１１）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。また、これらの各判定処理を、各々異なる実施機会に実施してもよい。例えば、ドライブサイクルごとにいずれかの判定処理を実施することとし、今回のＩＧオフ直後に一方の判定処理を実施し、次回のＩＧオフ直後に他方の判定処理を実施するようにしてもよい。

次に、起電力フィードバック制御（ＶｍＦ／Ｂ制御）と電流フィードバック制御（ＩｍＦ／Ｂ制御）とを共に実施し、これら各フィードバック制御の実施状態で得られた劣化情報に基づいて、モニタセル４３やセンサセル４２の劣化判定を実施する事例について説明する。

図１２には、起電力フィードバック制御が実施される場合及び電流フィードバック制御が実施される場合について、モニタセル劣化時のセンサセル電流Ｉｓの応答変化、及びセンサセル劣化時のセンサセル電流Ｉｓの応答変化との関係がまとめて示されている。なお、図１２では、初期特性を一点鎖線で示し、劣化後特性を実線で示している。

ここで、モニタセル４３の劣化時とセンサセル４２の劣化時とにおいてはそれぞれ以下の傾向がある。
（１）モニタセル４３の劣化が進行すると、起電力フィードバック制御の実施時においてセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が減少するとともに、電流フィードバック制御の実施時においてセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が増加する。
（２）センサセル４２が劣化が進行すると、起電力フィードバック制御の実施時においてセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が減少するとともに、電流フィードバック制御の実施時においてセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が減少する。

これらの傾向を鑑み、ＳＣＵ３１〜３３（劣化判定部Ｍ１３）は、起電力フィードバック制御を実施する場合における応答変化量ΔＩｓ１が、第１基準値である初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１に対して小さくなり、かつ電流フィードバック制御を実施する場合における応答変化量ΔＩｓ２が、第２基準値である初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２に対して大きくなることに基づいて、モニタセル４３が劣化であると判定する。また、起電力フィードバック制御を実施する場合における応答変化量ΔＩｓ１が初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１に対して小さくなり、かつ電流フィードバック制御を実施する場合における応答変化量ΔＩｓ２が初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２に対して小さくなることに基づいて、センサセル４２が劣化していると判定する。

図１３は、起電力フィードバック制御（ＶｍＦ／Ｂ制御）及び電流フィードバック制御（ＩｍＦ／Ｂ制御）を実施する場合におけるＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化判定の処理手順を示すフローチャートである。図１３に示す処理は、図４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。図１３の処理は、図７や図１１の処理に代えて実施される。

ステップＳ３１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。ただし本処理は、図７のステップＳ１１と同じであるため、詳細な説明は省略する。劣化判定の実施条件が成立していれば、後続のステップＳ３２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Ｓ３２，Ｓ３３では、起電力フィードバック制御を実施し、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１を算出する（既述のステップＳ１２，Ｓ１３と同じ）。また、ステップＳ３４，Ｓ３５では、電流フィードバック制御を実施し、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２を算出する（既述のステップＳ２２，Ｓ２３と同じ）。

その後、ステップＳ３６では、応答変化量ΔＩｓ１が、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１に対して減少したか否かを判定し、ステップＳ３７では、応答変化量ΔＩｓ２が、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２に対して増加したか否かを判定する。そして、ステップＳ３６，Ｓ３７が共にＹＥＳの場合、ステップＳ３８に進み、モニタセル４３の劣化判定を実施する。また、ステップＳ３６がＹＥＳ、かつステップＳ３７がＮＯの場合、ステップＳ３９に進み、センサセル４２の劣化判定を実施する。

なお、ステップＳ３２，Ｓ３３における応答変化量ΔＩｓ１の算出処理と、ステップＳ３４，Ｓ３５における応答変化量ΔＩｓ２の算出処理とを、非連続に、すなわち別の実施機会に実施することも可能である。例えば、ドライブサイクルごとに実施することとし、今回のＩＧオフ直後に応答変化量ΔＩｓ１の算出処理を実施し、次回のＩＧオフ直後に応答変化量ΔＩｓ２の算出処理を実施するようにしてもよい。そして、応答変化量ΔＩｓ１，ΔＩｓ２が算出された時点で、モニタセル４３及びセンサセル４２のいずれかの劣化判定を実施する。

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。

上記構成では、モニタセル出力（Ｖｍ，Ｉｍ）を目標値に制御すべく、ポンプセル４１により残留酸素濃度の調整を行わせ、残留酸素濃度が調整された状態で取得されたセンサセル出力に基づいて、モニタセル４３の劣化状態を判定するようにした。ここで、仮にモニタセル４３が劣化していると、モニタセル出力を目標値に制御した状態においてガス室６１内の残留酸素濃度が過大又は過小となり、その影響によってセンサセル出力が変動するため、そのセンサセル出力を用いてモニタセル４３の劣化状態の判定が可能となる。その結果、ポンプセル４１、センサセル４２、及びモニタセル４３を有するＮＯｘセンサ２１〜２３においてモニタセル４３の劣化状態を適正に判定することができる。

また、モニタセル出力（Ｖｍ，Ｉｍ）を目標値に制御する構成では、ガス室６１内の残留酸素濃度が一定に保たれるため、酸素濃度一定の条件下でモニタセル４３の劣化判定を実施できる。そのため、劣化判定精度を高めることが可能となっている。

モニタセル起電力Ｖｍを目標値に一致させる起電力フィードバック制御を実施して、ポンプセル４１による残留酸素濃度を調整する構成とした（図７）。この場合、仮にモニタセル４３が劣化していると、感度低下に伴う起電力特性の変化により、起電力フィードバック制御が実施された状態下において、ガス室６１内の実際の残留酸素濃度が狙いの酸素濃度からずれる。これにより、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が、予め定めた基準値（初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１）から外れるため、モニタセル４３が劣化していると適正に判定できる。

モニタセル４３が劣化している状態では、起電力フィードバック制御が実施されることにより、残留酸素濃度が小さくなる側にずれる。この場合、その残留酸素濃度のずれに伴い、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が予め定めた基準値（初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１）よりも小さくなることから、それに基づいて、モニタセル４３の劣化状態を適正に判定することができる。

起電力フィードバック制御が実施される場合において、そのモニタセル４３の劣化に起因して残留酸素濃度が小さくなる側にずれる場合には、その残留酸素濃度のずれに応じてセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が小さくなるが、仮にモニタセル４３が劣化しておらず、かつセンサセル４２が劣化している状況であっても、同様にセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が小さくなる。ただし、モニタセル４３の劣化に伴いセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が小さくなる場合と、センサセル４２の劣化に伴いセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１が小さくなる場合とを比べると、前者の方が応答変化量ΔＩｓ１の減少の程度が大きくなる傾向がある。これは、モニタセル４３の劣化時には残留酸素濃度のずれに起因した電流低下が生じるからである。したがって、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１と初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１との比の大きさに基づいて、モニタセル４３の劣化を特定することが可能となり、応答変化量ΔＩｓ１の初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１に対する比が所定値よりも小さいこと、すなわち初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１に対する応答変化量ΔＩｓ１の低下の度合いが大きいことに基づいて、モニタセル４３とセンサセル４２とのうちモニタセル４３に劣化が生じていることを適正に判定することができる。

また、モニタセル電流Ｉｍを目標値に一致させる電流フィードバック制御を実施して、ポンプセル４１による残留酸素濃度を調整する構成とした（図１１）。この場合、仮にモニタセルが劣化していると、感度低下に伴うモニタセル電流特性の変化により、電流フィードバック制御が実施された状態下において、ガス室６１内の実際の残留酸素濃度が狙いの酸素濃度からずれる。これにより、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が、予め定めた基準値（例えば初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２）から外れるため、モニタセル４３が劣化していると適正に判定できる。

モニタセル４３が劣化している状態では、電流フィードバック制御が実施されることにより、残留酸素濃度が大きくなる側にずれる。この場合、その残留酸素濃度のずれに伴い、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が予め定めた基準値（初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２）よりも大きくなることから、それに基づいて、モニタセル４３の劣化状態を適正に判定することができる。

電流フィードバック制御が実施される場合において、モニタセル４３が劣化状態でなく正常状態であると、残留酸素濃度が適正値に調整される。そしてかかる場合において、センサセル４２が劣化していると、劣化に伴う応答性低下に起因して、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２が、予め定めた基準値（初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２）よりも小さくなる。そのため、応答変化量ΔＩｓが小さくなることに基づいて、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。

モニタセル４３の起電力フィードバック制御を実施して、その際のセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１を算出する一方、電流フィードバック制御を実施して、その際のセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２を算出し、それら応答変化量ΔＩｓ１，ΔＩｓ２に基づいて、モニタセル４３及びセンサセル４２について劣化判定を実施する構成とした（図１３）。起電力フィードバック制御を伴う劣化判定と、電流フィードバック制御を伴う劣化判定とでは、ＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化が主にモニタセル４３の劣化に起因するものか、主にセンサセル４２の劣化に起因するものかに応じて、センサセル電流Ｉｓの応答変化の態様が変わるため、モニタセル４３及びセンサセル４２のいずれで劣化が生じているかを好適に判定できる。

モニタセル４３が劣化している状態とセンサセル４２が劣化している状態とでは、起電力フィードバック制御及び電流フィードバック制御を実施した場合におけるセンサセル電流Ｉｓの特性変化が図１２のように相違することに着目し、ＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化がモニタセル４３の劣化であるかセンサセル４２の劣化であるかを区別するようにした。これにより、ＮＯｘセンサ２１〜２３においてモニタセル４３の劣化状態とセンサセル４２の劣化状態とをそれぞれ適正に判定することができる。

起電力フィードバック制御の実施時において、モニタセル４３の起電力特性においてモニタセル起電力Ｖｍが急変する急変域内であって、かつ酸素濃度が０よりも大きい（空気過剰率が１よりも大きい）モニタセル起電力Ｖｍを目標値とし、その目標値に基づいてポンプセル４１による酸素濃度調整を行わせる構成とした。これにより、モニタセルの劣化状態下において、その劣化状態に応じて残留酸素濃度のずれが生じやすくなり、ひいてはモニタセルの劣化状態を精度良く判定できるようになる。

ＮＯｘセンサ２１〜２３は、ポンプセル４１、センサセル４２、及びモニタセル４３の各電極（陰極）が同一のガス室６１内に設けられた１チャンバ構造を有している。この構成では、ポンプセル印加電圧Ｖｐの酸素濃度調整によってモニタセル４３やセンサセル４２のガス雰囲気が早期に切り替えられるため、複数のチャンバを有する構成に比べて、短時間での劣化判定を実施することができる。

なお、上記第１実施形態において、劣化判定のパラメータとして、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓに代えて、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きを用いることも可能である。

（第２実施形態）
以下に、第２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実施形態では、ＳＣＵ３１〜３３が、ポンプセル印加電圧Ｖｐを所定値に切り替え、その電圧切り替えに伴うセンサセル電流Ｉｓの変化に基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定する機能を有している。また、ＳＣＵ３１〜３３（劣化判定部Ｍ１３）は、起電力フィードバック制御を実施した状態でのセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓと、センサセル４２の劣化判定結果とに基づいて、モニタセル４３の劣化状態を判定する。

ここで、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えにより実施されるセンサセル４２の劣化判定について図１４を用いて簡単に説明する。図１４では、時刻ｔ３で、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る（Ｖｐ０＞Ｖｐ１）。それに伴いポンプセル電流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。そして、センサセル４２では、残留酸素濃度の増大に応じて、センサセル電流Ｉｓが過渡応答を経て定常値（収束値）まで増大する。この場合、センサセル４２が劣化していない初期状態と劣化後の状態とを比較すると、劣化後においては、応答性低下に伴い、定常値が初期特性の定常値より低減するとともに、立ち上がりが初期特性のものより遅くなる。これらに基づいて、ＳＣＵ３１〜３３は、センサセル４２の劣化判定を実施する。

図１５は、本実施形態における劣化判定処理を示すフローチャートであり、本処理は、ＳＣＵ３１〜３３により例えば所定周期で実施される。

ステップＳ３１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。ただし本処理は、図７のステップＳ１１と同じであるため、詳細な説明は省略する。劣化判定の実施条件が成立していれば、後続のステップＳ４２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Ｓ４２では、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ０からＶｐ１に切り替える。Ｖｐ１は予め定められた所定値である。その後、ステップＳ４３では、電圧切り替え後におけるセンサセル電流Ｉｓの出力変化量を算出する。ここでは、例えば電流変化が収束した後のセンサセル電流Ｉｓにより応答変化量ΔＩｓ３（図１４参照）を算出する。なお、これに代えて、センサセル電流Ｉｓの出力変化量として、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きを算出することも可能である。

その後、ステップＳ４４では、応答変化量ΔＩｓ３を、今回の電圧切り替えと同じ条件で予め算出したセンサセル電流Ｉｓの応答変化量の初期値（以下、初期変化量ΔＩｓｉｎｉ３という）と比較することで、センサセル４２の劣化判定を実施する。この場合、応答変化量ΔＩｓ３と初期変化量ΔＩｓｉｎｉ３との比により出力比（ΔＩｓ３／ΔＩｓｉｎｉ３）を算出し、その出力比により劣化率を算出することで、劣化判定を実施するとよい。

また、ステップＳ４５，Ｓ４６では、起電力フィードバック制御を実施し、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１を算出する（既述のステップＳ１２，Ｓ１３と同じ）。

その後、ステップＳ４７では、モニタセル４３の劣化判定を実施する。このとき、ステップＳ４４での判定結果（センサセル４２の劣化状態）を加味しつつ、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ１と初期変化量ΔＩｓｉｎｉ１とに基づいて、モニタセル４３の劣化率Ｃｍを算出する。例えば、センサセル４２において劣化が生じていないこと（センサセル４２の劣化率が所定値未満であること）を条件に、モニタセル４３の劣化率Ｃｍを算出する。この場合、センサセル４２が劣化状態になっていれば、モニタセル４３の劣化判定を実施しない。

又は、センサセル４２の劣化率（劣化度合い）に基づいて、モニタセル４３の劣化率Ｃｍを補正する。例えば、起電力フィードバック制御を実施する場合には、モニタセル４３の劣化時及びセンサセル４２の劣化時のいずれにおいてもセンサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓが減少する傾向にあるため、センサセル４２の劣化率に基づいて、モニタセル４３の劣化率Ｃｍを減少側に補正する。つまり、劣化度合いが小さくなる側に補正する。

なお、ステップＳ４５，Ｓ４６において、起電力フィードバック制御に代えて電流フィードバック制御を実施し、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２を算出することも可能である（既述のステップＳ２２，Ｓ２３と同じ）。この場合、ステップＳ４７では、ステップＳ４４での判定結果（センサセル４２の劣化状態）を加味しつつ、センサセル電流Ｉｓの応答変化量ΔＩｓ２と初期変化量ΔＩｓｉｎｉ２とに基づいて、モニタセル４３の劣化率Ｃｍを算出する。具体的内容は上記と同様である。ただし、電流フィードバック制御を実施する場合には、モニタセル４３の劣化時とセンサセル４２の劣化時とで応答変化量ΔＩｓの増減が逆になるため、センサセル４２の劣化率に基づいて、モニタセル４３の劣化率Ｃｍを増加側に補正するとよい。つまり、劣化度合いが大きくなる側に補正する。

ポンプセル印加電圧Ｖｐを意図的に切り替える場合には、その電圧切り替えによる残留酸素濃度の変化に伴いセンサセル電流Ｉｓが変化し、そのセンサセル電流Ｉｓの変化に基づいてセンサセル４２の劣化状態を判定できる。かかる構成において、そのセンサセル４２の劣化判定結果を加味しつつ、起電力フィードバック制御の実施に伴い取得されたセンサセル電流Ｉｓに基づいて、モニタセル４３の劣化状態を判定するようにした。この場合、センサセル電流Ｉｓの過渡変化は、モニタセル４３及びセンサセル４２の両方の劣化状態に依存するが、個別に劣化判定を実施することで、モニタセル４３の劣化状態を適正に判定することが可能となる。

（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。

・図７や図１１、図１３、図１５にて説明した劣化判定（劣化率の算出）を複数回繰り返し実施し、その上で、複数回の実施結果を平均することで、最終的な劣化判定を実施する構成としてもよい。これにより、判定精度を高めることができる。

・上記実施形態では、モニタセル４３の劣化判定やセンサセル４２の劣化判定を実施する際に用いる基準値として、同じ条件で予め算出した初期値を用いる構成としたが、経年的な劣化度合いが把握できるものであれば、他の値であってもよい。例えば、初期値以外の既定値や、使用年数に応じて定められた所定値等を用いることが可能である。

・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（１チャンバ構造）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、６１…ガス室。

Claims (10)

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、
   前記モニタセルの出力（Ｖｍ，Ｉｍ）を目標値に制御すべく、前記ポンプセルにより前記残留酸素濃度の調整を行わせるポンプセル制御部と、
   前記ポンプセル制御部により前記残留酸素濃度が調整された状態において、前記センサセルの出力（Ｉｓ）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に基づいて、前記モニタ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. 前記ガスセンサは、前記モニタセルの出力として、前記ガス室内の残留酸素濃度に応じたモニタセル起電力（Ｖｍ）を生じさせるものであり、
   前記ポンプセル制御部は、前記モニタセル起電力を目標値に制御する起電力制御を実施することで、前記ポンプセルにより前記残留酸素濃度の調整を行わせ、
   前記劣化判定部は、前記起電力制御の実施により生じた前記センサセルの出力変化量（ΔＩｓ１）に基づいて、前記モニタ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. 前記劣化判定部は、前記センサセルの出力変化量の劣化前の初期状態における前記出力変化量に対する比が所定値よりも小さいことに基づいて、前記モニタ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. 前記ガスセンサは、前記モニタセルの出力として、前記モニタセルに電圧印加した状態で前記ガス室内の残留酸素濃度に応じたモニタセル電流（Ｉｍ）を生じさせるものであり、
   前記ポンプセル制御部は、前記モニタセル電流を目標値に制御するモニタセル電流制御を実施することで、前記ポンプセルにより前記残留酸素濃度の調整を行わせ、
   前記劣化判定部は、前記モニタセル電流制御の実施により生じた前記センサセルの出力変化量（ΔＩｓ２）に基づいて、前記モニタ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。
5. 前記劣化判定部は、前記センサセルの出力変化量が、予め定めた基準値に対して大きくなることに基づいて、前記モニタセルの劣化状態を判定する請求項４に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記劣化判定部は、前記センサセルの出力変化量が、予め定めた基準値に対して小さくなることに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する請求項４又は５に記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記ポンプセルの印加電圧（Ｖｐ）を所定値に切り替え、その電圧切り替えに伴う前記センサセルの出力変化に基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定するガスセンサ制御装置であって、
   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の出力と、前記センサセルの劣化判定結果とに基づいて、前記モニタセルの劣化状態を判定する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記ガスセンサは、前記モニタセルの出力として、前記ガス室内の残留酸素濃度に応じたモニタセル起電力（Ｖｍ）を生じさせることと、前記モニタセルに電圧印加した状態で前記ガス室内の残留酸素濃度に応じたモニタセル電流（Ｉｍ）を生じさせることとを可能とするものであり、
   前記ポンプセル制御部は、前記モニタセル起電力を目標値に制御する起電力制御を実施することで、前記ポンプセルにより前記残留酸素濃度の調整を行わせる一方、前記モニタセル電流を目標値に制御するモニタセル電流制御を実施することで、前記ポンプセルにより前記残留酸素濃度の調整を行わせ、
   前記劣化判定部は、前記起電力制御の実施により生じた前記センサセルの出力変化量（ΔＩｓ１）と、前記モニタセル電流制御の実施により生じた前記センサセルの出力変化量（ΔＩｓ２）とに基づいて、前記モニタセル及び前記センサセルについて劣化判定を実施する請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
9. 前記劣化判定部は、
   前記センサセルの出力変化量が、前記起電力制御を実施する場合において予め定めた第１基準値（ΔＩｓｉｎｉ１）に対して小さくなり、かつ前記モニタセル電流制御を実施する場合において予め定めた第２基準値（ΔＩｓｉｎｉ２）に対して大きくなることに基づいて、前記モニタセルの劣化状態を判定し、
   前記センサセルの出力変化量が、前記起電力制御を実施する場合において前記第１基準値（ΔＩｓｉｎｉ１）に対して小さくなり、かつ前記モニタセル電流制御を実施する場合において前記第２基準値（ΔＩｓｉｎｉ２）に対して大きくなることに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する請求項８に記載のガスセンサ制御装置。
10. 前記ガスセンサは、前記モニタセルの起電力特性として、空気過剰率＞１の領域でモニタセル起電力が略ゼロとなり、空気過剰率＜１の領域でモニタセル起電力が所定値となり、空気過剰率＝１付近の領域でモニタセル起電力が急変する特性を有しており、
    前記ポンプセル制御部は、前記起電力制御の実施時において、前記モニタセルの起電力特性において前記モニタセル起電力が急変する急変域内であって、かつ空気過剰率が１よりも大きいモニタセル起電力を前記目標値とし、その目標値に基づいて前記ポンプセルによる酸素濃度調整を行わせる請求項２，３，８，９のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。

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