JP2019124185A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排出ガスセンサの劣化判定が行われる機会を、従来よりも多く確保することのできる制御装置を提供する。【解決手段】排出ガスセンサ１００は、内燃機関ＥＧで生じた排出ガスから酸素を排出するポンプセル１５０と、ポンプセル１５０によって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる残留酸素の濃度、に応じた大きさの信号を出力するモニタセル１７０と、を有するものである。制御装置１０は、モニタセル１７０から出力された信号の大きさが閾値を越えた場合に、ポンプセル１５０に劣化が生じていると判定する劣化判定部１３と、前記閾値を、排出ガスの酸素濃度に応じて設定する閾値設定部１４と、備える。【選択図】図２

Description

本開示は、排出ガスセンサの制御装置に関する。

内燃機関を有する車両の排気管には、排出ガスに含まれる特定のガス（例えば窒素酸化物）の濃度を測定するための排出ガスセンサが設けられる。このような排出ガスセンサとしては、固体電解質層の両側に電極が形成されたセルを、複数有する構成のものが知られている。上記セルは、電極間に電圧が印加された状態において、測定対象成分の濃度に応じた大きさの信号（例えば電流）を出力する。

例えば下記特許文献１に記載の排出ガスセンサは、上記の複数のセルとして、酸素ポンプセル、酸素生成セル、及び酸素濃度検出セルを有している。当該排出ガスセンサでは、排出ガスに含まれる酸素が、上流側に配置された酸素ポンプセル予めによって排出される。下流側に配置された酸素生成セルでは、酸素が排出された後の排出ガスに含まれる窒素酸化物が分解される。その際、同じく下流側に配置された酸素濃度検出セルから出力される信号に基づいて、排出ガスに含まれる窒素酸化物の濃度が検知される。このような構成の排出ガスセンサでは、窒素酸化物よりも量の多い酸素を排出ガスから予め排出しておくことにより、窒素酸化物の濃度を精度よく測定することができる。

ところで、上記構成の排出ガスセンサでは、上流側に配置されたセルに劣化が生じ、当該セルにおける酸素の排出能力が低下してしまうことがある。上流側セルの酸素排出能力が低下すると、下流側セルに多量の酸素が到達するようになる結果、窒素酸化物の検出精度が低下してしまう。

そこで、下記特許文献１に記載の故障診断装置では、排出ガスセンサに到達する排気ガス中の酸素濃度が既知であり且つ特定の値となっているときに、上流側の酸素ポンプセルに特定の電圧を印加する。その際に酸素ポンプセルから出力される信号の大きさが正常値からずれている場合には、酸素ポンプセルに劣化が生じていると判定する。

特開２００３−２７０１９４号公報

電圧が印加された状態の酸素ポンプセルから出力される信号の大きさは、排出ガス中の酸素濃度に応じて変化する。このため、酸素ポンプセルが劣化しているか否かを酸素ポンプセルから出力される信号に基づいて判定するためには、上記特許文献１に記載されているように、排出ガス中の酸素濃度が既知であり且つ特定の値となっていることが条件となる。しかしながら、酸素ポンプセルが劣化しているか否かの判定は、特定の状況のみにおいて限定的に実行されるのではなく、様々な状況において高頻度で実行されることが好ましい。

本開示は、排出ガスセンサの劣化判定が行われる機会を、従来よりも多く確保することのできる制御装置、を提供することを目的とする。

本開示に係る制御装置は、排出ガスセンサ（１００）の制御装置（１０）である。制御対象である排出ガスセンサは、内燃機関（ＥＧ）で生じた排出ガスから酸素を排出する第１セル（１５０）と、第１セルによって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる残留酸素の濃度、に応じた大きさの信号を出力する第２セル（１６０，１７０）と、を有するものである。この制御装置は、第２セルから出力された信号の大きさが閾値を越えた場合に、第１セルに劣化が生じていると判定する劣化判定部（１３）と、閾値を、排出ガスの酸素濃度に応じて設定する閾値設定部（１４）と、備える。

第２セルから出力された信号の大きさが閾値を越えた場合には、上流側の第１セルにおける酸素の排出能力が低下しており、その結果として、下流側の第２セルに多量の酸素が到達したものと推定される。このため、この場合には、第１セルに劣化が生じているとの判定が劣化判定部によって行われる。

上記判定に用いられる閾値は、常に一定の固定値となっているのではなく、閾値設定部によって適宜設定される。具体的には、排出ガスの酸素濃度に応じて閾値が設定される。例えば、排出ガスの酸素濃度が高くなっている状況においては、第１セルに劣化が生じていなくても、第２セルから出力される信号は大きくなる。このため、このような状況においては閾値を高めの値に設定すればよい。これにより、第１セルに劣化が生じていないにも拘らず、劣化が生じているとの誤判定がなされてしまうことが防止される。

逆に、排出ガスの酸素濃度が低くなっている状況においては、第１セルにおいて仮に劣化が生じていたとしても、第２セルから出力される信号は小さくなる。このため、このような状況においては閾値を低めの値に設定すればよい。これにより、第１セルに劣化が生じているにも拘らず、劣化が生じていないとの誤判定がなされてしまうことが防止される。

このように、上記制御装置は、排出ガスの酸素濃度に応じて閾値を設定し、当該閾値に基づいて第１セルの劣化の有無を判定する。第１セルの劣化判定が行われる機会が、排出ガスの酸素濃度が特定の値となっているときだけに限定されないので、従来よりも高い頻度で劣化判定を行うことが可能となる。

本開示によれば、排出ガスセンサの劣化判定が行われる機会を、従来よりも多く確保することのできる制御装置、が提供される。

図１は、第１実施形態に係る制御装置及び排出ガスセンサが設けられた、車両の排気系の構成を模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態に係る制御装置及び排出ガスセンサの構成を模式的に示す図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図４は、排出ガスセンサの測定原理を説明するための図である。 図５は、ポンプセルの温度を取得する方法について説明するための図である。 図６は、第１実施形態における劣化の判定方法について説明するための図である。 図７は、第１実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 図８は、排出ガスの酸素濃度と、設定される閾値との関係を示す図である。 図９は、第１実施形態の変形例に係る制御装置、によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 図１０は、第２実施形態における劣化の判定方法について説明するための図である。 図１１は、第２実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 図１２は、第２実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 図１３は、第３実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 図１４は、第３実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

第１実施形態について説明する。本実施形態に係る制御装置１０は、排出ガスセンサ１００の制御を行うための装置である。図１には、排出ガスセンサ１００が設けられる車両の排気系が模式的に示されている。同図に示されるように、当該車両の内燃機関ＥＧには、内燃機関ＥＧから排出された排出ガスを外部に導くための排気管２０が接続されている。排出ガスセンサ１００は、排出ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定するためのものであって、排気管２０の途中となる位置に複数設けられている。

排気管２０の途中には、酸化触媒コンバータ２２と、ＳＣＲ触媒コンバータ２３と、が設けられている。

酸化触媒コンバータ２２は、排出ガスに含まれる有害物質を浄化するものである。酸化触媒コンバータ２２の内部には酸化触媒（不図示）が収容されている。酸化触媒は、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。酸化触媒は、排出ガス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。酸化触媒コンバータ２２の内部には、上記の酸化触媒に加えて、微小粒子を捕捉するためのパティキュレートフィルタが収容されていてもよい。

ＳＣＲ触媒コンバータ２３は、酸化触媒コンバータ２２を通った後の排出ガスを更に浄化する装置であって、その内部には選択還元型の触媒（不図示）が収容されている。当該触媒は、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が用いられる。当該触媒は、その温度が活性温度域にあり、さらに、還元剤としての尿素が添加されているときに窒素酸化物を還元浄化するものである。排気管２０のうちＳＣＲ触媒コンバータ２３よりも上流側となる位置には、尿素を添加するための尿素添加インジェクタ２４が設けられている。

制御装置１０の制御対象である排出ガスセンサ１００は、本実施形態では、排気管２０において２つ設けられている。１つ目の排出ガスセンサ１００（図１では符号１０１が付されている）は、排気管２０のうち、酸化触媒コンバータ２２とＳＣＲ触媒コンバータ２３との間となる位置に設けられており、当該位置における排出ガスの窒素酸化物の濃度を測定するものとなっている。２つ目の排出ガスセンサ１００（図１では符号１０２が付されている）は、排気管２０のうち、ＳＣＲ触媒コンバータ２３よりも下流側となる位置に設けられており、当該位置における排出ガスの窒素酸化物の濃度を測定するものとなっている。

それぞれの排出ガスセンサ１００で測定された窒素酸化物の濃度は、制御装置１０に伝えられる。制御装置１０は、窒素酸化物の濃度に基づいて、内燃機関ＥＧの各種制御を行う。当該制御には、例えば、内燃機関ＥＧにおける点火タイミングを調整する制御や、燃料の噴射量を調整する制御、及び、尿素添加インジェクタ２４における尿素の添加量を調整する制御等が含まれる。

このように、本実施形態に係る制御装置１０は、後に説明する排出ガスセンサ１００の制御のほか、内燃機関ＥＧの制御をも行う装置として構成されている。つまり、制御装置１０は所謂「エンジンＥＣＵ」としての機能をも有している。このような態様に換えて、制御装置１０が排出ガスセンサ１００の制御を行うための専用の装置として構成されており、エンジンＥＣＵとは別の制御装置となっているような態様であってもよい。この場合、制御装置１０は、エンジンＥＣＵと通信を行うことにより、エンジンＥＣＵが行う内燃機関ＥＧの制御に寄与することとなる。

その他の構成について説明する。排気管２０のうち、酸化触媒コンバータ２２とＳＣＲ触媒コンバータ２３との間となる位置には、ガス温度センサ２５が設けられている。ガス温度センサ２５は、排出ガスセンサ１００の近傍における排出ガスの温度を測定するためのセンサである。ガス温度センサ２５によって測定された排出ガスの温度は、制御装置１０に伝えられる。同様のガス温度センサが、排気管２０のうち、ＳＣＲ触媒コンバータ２３よりも下流側となる位置に更に設けられていてもよい。

図１において２つ設けられている排出ガスセンサ１００のそれぞれの構成は、互いに同じである。また、窒素酸化物濃度の測定や劣化判定等のために制御装置１０によって行われる制御も、２つの排出ガスセンサ１００において互いに同じである。このため、以下においては、一方（符号１０１が付されている方）の排出ガスセンサ１００についてのみ構成等の説明を行い、他方（符号１０２が付されている方）の排出ガスセンサ１００については構成等の説明を省略する。

図２乃至図４を参照しながら、排出ガスセンサ１００の具体的な構成について説明する。図２では、排出ガスセンサ１００のうち排気管２０の内部に配置されている部分の断面が模式的に示されている。図２における左側の端部が、排気管２０の内部で突出する排出ガスセンサ１００の先端部分に該当する。

排出ガスセンサ１００は、固体電解質体１１０と、本体部１２０、１３０とを備えている。

固体電解質体１１０は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の固体電解質材料によって構成されている。固体電解質体１１０は、所定温度以上の活性状態になると酸素イオン伝導性を有するようになる。固体電解質体１１０には、ポンプセル１５０、センサセル１６０、及びモニタセル１７０がそれぞれ形成されているのであるが、これら複数のセルについては後述する。

本体部１２０、１３０は、いずれも板状の部材であって、アルミナを主成分とする絶縁体材料によって構成されている。本体部１２０、１３０は、上記の固体電解質体１１０を間に挟むように配置されている。固体電解質体１１０の一方側に配置された本体部１２０のうち、固体電解質体１１０側の面の一部は、固体電解質体１１０とは反対側に向けて凹状に後退している。これにより、本体部１２０と固体電解質体１１０との間には空間が形成されている。当該空間は、測定対象である排出ガスが導入される空間となっている。以下では、当該空間のことを「測定室１２１」とも表記する。

排出ガスセンサ１００の先端部分には拡散抵抗体１４０が配置されている。測定室１２１は、この拡散抵抗体１４０を介して外部（つまり排気管２０の内側）に開放されている。拡散抵抗体１４０は、多孔質又は細孔が形成されたアルミナ等のセラミック材料からなっている。拡散抵抗体１４０の作用により、測定室１２１内に引き込まれる排出ガスの流量が律せられる。拡散抵抗体１４０を通って測定室１２１に流入した排出ガスは、後述のポンプセル１５０やセンサセル１６０、モニタセル１７０へと供給される。

固体電解質体１１０の他方側に配置された本体部１３０のうち、固体電解質体１１０側の面の一部は、固体電解質体１１０とは反対側に向けて凹状に後退している。これにより、本体部１３０と固体電解質体１１０との間にも空間が形成されている。当該空間の一部（不図示）は、排気管２０の外側である大気に開放されている。つまり、当該空間は大気が導入される空間となっている。以下では、当該空間のことを「大気室１３１」とも表記する。

固体電解質体１１０のうち測定室１２１に接している方の面には、ポンプ電極１１１と、センサ電極１１２と、モニタ電極１１３と、がそれぞれ形成されている。ポンプ電極１１１は、固体電解質体１１０のうち拡散抵抗体１４０寄りとなる位置に形成されている。センサ電極１１２及びモニタ電極１１３は、固体電解質体１１０のうち、ポンプ電極１１１を間に挟んで拡散抵抗体１４０とは反対側となる位置に形成されている。センサ電極１１２及びモニタ電極１１３は、図２において紙面奥行方向に沿って並ぶように配置されている（図３を参照）。

ポンプ電極１１１及びモニタ電極１１３は、Ｐｔ−Ａｕ合金（白金−金合金）によって形成されている。これらはいずれも、酸素に対して活性であり、かつ窒素酸化物に対して不活性な電極となっている。一方、センサ電極１１２は、Ｐｔ（白金）やＲｈ（ロジウム）等の貴金属によって形成されており、酸素に対して活性であり、且つ窒素酸化物に対しても活性な電極となっている。

固体電解質体１１０のうち大気室１３１に接している方の面には、共通電極１１４が形成されている。共通電極１１４は、図３のように固体電解質体１１０に対し垂直な方向に沿って見た場合において、ポンプ電極１１１、センサ電極１１２、及びモニタ電極１１３の全てに重なるような範囲に形成されている。共通電極１１４はＰｔ（白金）を主成分とする材料によって形成されている。

固体電解質体１１０が高温の活性状態となっているときに、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に電圧が印加されると、測定室１２１の排出ガスに含まれる酸素がポンプ電極１１１において分解され、酸素イオンとなって固体電解質体１１０を通過する。これにより、測定室１２１から大気室１３１へと酸素が排出される。つまり、ポンプ電極１１１、共通電極１１４、及び固体電解質体１１０のうちポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に挟まれた部分は、排出ガスから酸素を排出するためのポンプセル１５０として機能する部分となっている。ポンプセル１５０は、本実施形態における「第１セル」に該当する。

上記のような酸素の排出が行われているときには、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に電流が流れる。当該電流の値は、排出ガスから排出される酸素の量に比例した値であって、且つ、排出ガスの酸素濃度に比例した値となる。つまり、ポンプセル１５０は、排出ガスの酸素濃度に応じた大きさの信号（上記の電流）を出力するものということができる。後に説明する制御装置１０は、上記電流の値に基づいて、測定室１２１に存在する排出ガスの酸素濃度を取得することができる。

固体電解質体１１０が高温の活性状態となっているときに、センサ電極１１２と共通電極１１４との間に電圧が印加されると、測定室１２１の排出ガスに含まれる酸素及び窒素酸化物がセンサ電極１１２において分解され、いずれも酸素イオンとなって固体電解質体１１０を通過する。その結果、センサ電極１１２と共通電極１１４との間には、センサ電極１１２の近傍における酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた電流が流れることとなる。当該電流の値は制御装置１０によって取得される。

つまり、センサ電極１１２、共通電極１１４、及び固体電解質体１１０のうちセンサ電極１１２と共通電極１１４との間に挟まれた部分は、排出ガスに含まれる残留酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた大きさの信号（上記の電流）を、電圧が印加された状態において出力するセンサセル１６０として機能する部分となっている。センサセル１６０によって窒素酸化物および残留酸素の濃度が測定される排出ガスは、ポンプセル１５０において酸素が排出された後の排出ガスである。センサセル１６０は、本実施形態における「第２セル」の一つに該当する。

固体電解質体１１０が高温の活性状態となっているときに、モニタ電極１１３と共通電極１１４との間に電圧が印加されると、測定室１２１の排出ガスに含まれる酸素がモニタ電極１１３において分解され、酸素イオンとなって固体電解質体１１０を通過する。その結果、モニタ電極１１３と共通電極１１４との間には、モニタ電極１１３の近傍における酸素の濃度に応じた電流が流れることとなる。当該電流の値は制御装置１０によって取得される。

つまり、モニタ電極１１３、共通電極１１４、及び固体電解質体１１０のうちモニタ電極１１３と共通電極１１４との間に挟まれた部分は、排出ガスに含まれる残留酸素の濃度に応じた大きさの信号（上記の電流）を出力するモニタセル１７０として機能する部分となっている。モニタセル１７０によって残留酸素の濃度が測定される排出ガスは、ポンプセル１５０において酸素が排出された後の排出ガスである。モニタセル１７０は、先に述べたセンサセル１６０と共に、本実施形態における「第２セル」の一つに該当する。

拡散抵抗体１４０を通って測定室１２１に流入した排出ガスは、ポンプセル１５０に沿って流れた後、センサセル１６０及びモニタセル１７０のそれぞれに供給される。図４では、このような排出ガスの流れが複数の矢印で模式的に示されている。矢印ＡＲ１０で示されるのは、拡散抵抗体１４０を通って測定室１２１に流入した後、ポンプセル１５０によって排出される酸素の流れである。ポンプセル１５０では、排出ガスに含まれる酸素の殆どが除去されるのであるが、酸素を完全に除去することは難しい。このため、僅かな量の酸素が、センサセル１６０及びモニタセル１７０のそれぞれに到達することとなる。矢印ＡＲ１１で示されるのはセンサセル１６０に到達する酸素の流れであり、矢印ＡＲ１２で示されるのはモニタセル１７０に到達する酸素の流れである。

既に述べたように、ポンプ電極１１１及びモニタ電極１１３は、いずれも窒素酸化物に対して不活性な電極となっている。このため、測定室１２１に流入した排出ガスに含まれる窒素酸化物は、ポンプセル１５０やモニタセル１７０によっては排出されず、そのままセンサセル１６０のセンサ電極１１２に到達することとなる。矢印ＡＲ２０で示されるのは、このようにセンサセル１６０に到達する窒素酸化物の流れである。

図４に示されるように、センサセル１６０には窒素酸化物（矢印ＡＲ２０）と残余の酸素（矢印ＡＲ１１）との両方が到達する。このため、センサセル１６０からの出力電流の大きさは、排出ガスに含まれる窒素酸化物及び酸素の濃度を示すものとなっている。

一方、モニタセル１７０からの出力電流の大きさは、排出ガスに含まれる酸素の濃度を示すものとなっている。従って、センサセル１６０の出力電流から、モニタセル１７０の出力電流を差し引いて得られる電流値は、窒素酸化物のみの濃度を示すものとなる。このような排出ガスセンサ１００では、排出ガスに含まれる酸素の影響を抑制し、窒素酸化物の濃度を正確に測定することが可能となっている。

図２に示されるように、本体部１３０にはヒーター１８０が埋設されている。ヒーター１８０は、本体部１３０の内側において発熱し、ポンプセル１５０、センサセル１６０、及びモニタセル１７０のそれぞれを加熱するためのものである。ヒーター１８０によって、固体電解質体１１０が活性となる温度に保たれる。ヒーター１８０の出力（発熱量）は制御装置１０によって調整される。

引き続き図２を参照しながら、制御装置１０の構成について説明する。制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータシステムとして構成されている。制御装置１０は、機能的な制御ブロックとして、濃度検知部１１と、内燃機関制御部１２と、劣化判定部１３と、閾値設定部１４と、セル温度取得部１５と、ガス温度取得部１６と、空燃比取得部１７と、を有している。

濃度検知部１１は、モニタセル１７０及びセンサセル１６０のそれぞれから出力される信号（本実施形態では電流）に基づいて、排出ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検知する部分である。既に述べたように、濃度検知部１１による窒素酸化物の濃度の検知は、センサセル１６０の出力電流から、モニタセル１７０の出力電流を差し引いて得られる電流値に基づいて行われる。

内燃機関制御部１２は、濃度検知部１１によって検知された窒素酸化物の濃度に基づいて、内燃機関ＥＧの制御を行う部分である。内燃機関制御部１２は、検知される窒素酸化物の濃度が０に近づくように、内燃機関ＥＧの燃料噴射量等を調節する。既に述べたように、制御装置１０が排出ガスセンサ１００の制御を行うための専用の装置として構成されており、エンジンＥＣＵとは別の制御装置となっているような態様であってもよい。この場合、内燃機関制御部１２はエンジンＥＣＵの一部として構成されることとなる。

劣化判定部１３は、ポンプセル１５０に劣化が生じているか否かを判定する部分である。ポンプセル１５０に劣化が生じると、排出ガスから予め十分に酸素を排出することができなくなり、下流側のモニタセル１７０やセンサセル１６０に多量の酸素が到達するようになる。このような状態においては、それぞれのセルから出力される信号がオフセットしてしまうので、窒素酸化物の検出精度が低下してしまう。劣化判定部１３は、このようなポンプセル１５０の劣化の有無を判定する。その具体的な判定方法については後に説明する。

閾値設定部１４は、劣化判定部１３が行う判定に用いられる閾値を、排出ガスの酸素濃度に応じて設定する部分である。閾値を設定するために行われる処理の内容は、劣化判定部１３による判定方法とあわせて後に説明する。

セル温度取得部１５は、ポンプセル１５０の温度を取得する部分である。セル温度取得部１５による温度の取得方法について、図５を参照しながら説明する。図５に示されるのは、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に印加される印加電圧の時間変化の一例である。ポンプセル１５０の温度を検知する際において、セル温度取得部１５は、上記の印加電圧を一時的に増加させる。図６の例では、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、印加電圧がＶ０からＶ１０へと増加している。

印加電圧が増加すると、それに伴って、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間を流れる電流も増加する。セル温度取得部１５は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間における印加電圧の増加量を、同期間における上記電流の増加量で除することにより、ポンプセル１５０のインピーダンスを算出する。

ポンプセル１５０のインピーダンスと、ポンプセル１５０の温度との間には相関があり、両者の関係は予め測定されマップとして記憶されている。セル温度取得部１５は、上記のように算出されたインピーダンスと、当該マップとを参照することにより、ポンプセル１５０の温度を取得する。

尚、図５の例では、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、印加電圧がＶ０よりも小さなＶ２０とされている。その後の時刻ｔ３以降においては、印加電圧が元のＶ０に戻されている。本実施形態では、温度取得の際の印加電圧を一時的にＶ２０とすることにより、時間の経過に伴ってポンプセル１５０に電荷が蓄積して行ってしまうことが防止される。

尚、温度測定のために印加電圧が変化する期間（図５の例では時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間）は非常に短く、マイクロ秒のオーダーとなっている。印加電圧の変化に起因した電流の変化は非常に小さく無視できる程度なので、モニタセル１７０による酸素濃度の測定や、センサセル１６０による窒素酸化物濃度の測定等に対してほとんど影響を及ぼさない。

セル温度取得部１５は、上記と同様の方法によって、センサセル１６０の温度及びモニタセル１７０の温度をもそれぞれ個別に検知することが可能となっている。

図２に戻って説明を続ける。ガス温度取得部１６は、排出ガスセンサ１００の周囲における排出ガスの温度を取得する部分である。ガス温度取得部１６は、ガス温度センサ２５から送信される信号に基づいて排出ガスの温度を取得する。

空燃比取得部１７は、排出ガスセンサ１００の周囲における排出ガスの空燃比を取得する部分である。空燃比取得部１７は、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間を流れる電流の値に基づいて排出ガス中の酸素濃度を取得し、当該酸素濃度に基づいて空燃比を取得する。このような態様に替えて、空燃比を取得するために排気管２０に設けられた専用のセンサからの信号に基づいて、空燃比取得部１７が空燃比を取得する態様であってもよい。また、空燃比の制御を行う専用のＥＣＵから送信される信号に基づいて、空燃比取得部１７が空燃比を取得する態様であってもよい。

ポンプセル１５０に劣化が生じているか否かを、劣化判定部１３が判定する方法の概要について、図６を参照しながら説明する。図６（Ａ）に示されるのは、ポンプセル１５０を流れる電流、すなわち、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間を流れる電流の時間変化である。当該電流のことを、以下では「ポンプセル電流」とも称する。ポンプセル電流は、ポンプセル１５０から出力される信号であって、ポンプセル１５０によって排出される酸素の量をその大きさによって示すものとなっている。

図６（Ｂ）に示されるのは、モニタセル１７０を流れる電流、すなわち、モニタ電極１１３と共通電極１１４との間を流れる電流の時間変化である。当該電流のことを、以下では「モニタセル電流」とも称する。モニタセル電流は、モニタセル１７０から出力される信号であって、モニタセル１７０に到達した排出ガス中の酸素濃度をその大きさによって示す信号となっている。

図６の例では、時刻ｔ１０までの期間においては、図６（Ａ）に示されるポンプセル電流は概ね一定の値（Ｉ_P０）となっている。また、図６（Ｂ）に示されるモニタセル電流も概ね一定の値（Ｉ_M０）となっている。

時刻ｔ１０以降においては、ポンプセル１５０では劣化が生じており、ポンプセル１５０による酸素の排出能力が次第に低下している。このため、図６（Ａ）に示されるポンプセル電流は、時刻ｔ１０以降において次第に小さくなっている。

ポンプセル１５０による酸素の排出能力が低下すると、それに伴って、モニタセル１７０に到達する酸素の量は増加する。このため、図６（Ｂ）に示されるモニタセル電流は、時刻ｔ１０以降において次第に大きくなっている。ポンプセル１５０の劣化の度合いが大きくなるほど、モニタセル電流も大きくなる。

そこで、本実施形態に係る劣化判定部１３では、モニタセル電流（つまり、第２セルから出力された信号）の大きさが所定の閾値を越えた場合に、ポンプセル１５０に劣化が生じていると判定する。図６（Ｂ）の例では、当該閾値がＩ_THとして示されている。このため、モニタセル電流がＩ_THを越えた時刻ｔ２０以降においては、ポンプセル１５０に劣化が生じているとの判定が劣化判定部１３によってなされることとなる。

ところで、排出ガスセンサ１００の周囲における排出ガスの酸素濃度が高くなっている状況においては、ポンプセル１５０に劣化が生じていなくても、モニタセル１７０から出力されるモニタセル電流は大きくなる。逆に、排出ガスセンサ１００の周囲における排出ガスの酸素濃度が小さくなっている状況においては、ポンプセル１５０に劣化が生じていても、モニタセル１７０から出力されるモニタセル電流は小さくなる。このため、上記の閾値を常に一定の固定値とした場合には、劣化判定部１３による判定を正確に行うことができなくなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、上記判定に用いられる閾値を、常に一定の固定値とするのではなく、閾値設定部１４によって適宜変更することとしている。閾値設定部１４は、排出ガスの酸素濃度に応じて上記の閾値を設定する。具体的には、排出ガスの酸素濃度が高いほど、上記の閾値を大きな値として設定する。酸素濃度に応じて閾値が適宜設定されるので、劣化判定部１３による判定を常に正確に行うことが可能となっている。ポンプセル１５０の劣化判定が行われる機会が、排出ガスの酸素濃度が特定の値となっているときだけに限定されないので、従来よりも高い頻度で劣化判定を行うことができる。

以上のような判定のために行われる処理の具体的な内容について、図７を参照しながら説明する。図７に示される一連の処理は、所定の制御周期が経過する毎に、制御装置１０によって繰り返し実行されるものである。

当該処理の最初のステップＳ０１では、排出ガスセンサ１００の周囲における排出ガスの空燃比を取得する処理が、空燃比取得部１７によって行われる。

ステップＳ０１に続くステップＳ０２では、ステップＳ０１で取得された空燃比がリーンであるか否か、すなわち、当該空燃比が所謂理論空燃比よりも大きいか否かが判定される。空燃比がリーンでなかった場合には、ポンプセル１５０の劣化の判定を行うことなく、図７に示される一連の処理を終了する。空燃比がリーンであった場合にはステップＳ０３に移行する。

ステップＳ０３では、ポンプセル１５０の温度を取得する処理が、セル温度取得部１５によって行われる。当該温度を取得する方法は、図５を参照しながら既に述べた通りである。

本実施形態では、ポンプセル１５０が適切に動作し得る温度の範囲として、所定の温度範囲が予め設定されている。ステップＳ０３に続くステップＳ０４では、ステップＳ０３で取得されたポンプセル１５０の温度が、上記温度範囲の上限温度を下回っているか否かが判定される。ポンプセル１５０の温度が上限温度以上である場合には、ポンプセル１５０における酸素の排出能力が通常時よりも高くなり、モニタセル電流が減少してしまうので、後述のステップＳ０９における判定を正確に行うことができなくなる。このため、この場合にはポンプセル１５０の劣化の判定を行うことなく、図７に示される一連の処理を終了する。ポンプセル１５０の温度が上限温度を下回っている場合にはステップＳ０５に移行する。

ステップＳ０５では、ステップＳ０３で取得されたポンプセル１５０の温度が、上記温度範囲の下限温度を上回っているか否かが判定される。ポンプセル１５０の温度が下限温度以下である場合には、ポンプセル１５０やモニタセル１７０の全体が不活性となるので、やはり後述のステップＳ０９における判定を正確に行うことができなくなる。このため、この場合にもポンプセル１５０の劣化の判定を行うことなく、図７に示される一連の処理を終了する。ポンプセル１５０の温度が下限温度を上回っている場合、すなわち、ポンプセル１５０の温度が上記温度範囲内に収まっている場合には、ステップＳ０６に移行する。

ステップＳ０６では、排出ガス中の酸素濃度を取得する処理が行われる。本実施形態では、ポンプセル電流の大きさに基づいて酸素濃度が取得される。このような態様に替えて、酸素濃度を取得するための専用のセンサからの信号に基づいて、排出ガス中の酸素濃度を取得することとしてもよい。

ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、閾値を設定する処理が閾値設定部１４によって行われる。当該閾値は、図６（Ｂ）でＩ_THとして示されている閾値である。ここでは、ステップＳ０６で取得された酸素濃度に基づいて閾値が設定される。つまり、本実施形態における閾値設定部１４は、ポンプセル１５０から出力される信号（ポンプセル電流）に基づいて閾値を設定する。

図８には、ステップＳ０６で取得される酸素濃度（横軸）と、設定される閾値（縦軸）との関係の一例が示されている。両者の関係を示すグラフは、図８の例のように右肩上がりの直線状となっていてもよいが、曲線状となっていてもよい。いずれの場合であっても、ステップＳ０６で取得された酸素濃度が高いほど、閾値は大きな値に設定される。

閾値設定部１４によって設定される閾値は、製造工程において予め設定された初期閾値（機差を考慮して個別に校正された閾値）に対し、酸素濃度に応じた比率を掛けることによって算出されたり、酸素濃度に応じたオフセット値を加算することによって算出されたりしてもよい。

ところで、ポンプセル１５０に劣化が生じている場合には、ステップＳ０６で取得される酸素濃度、すなわち、ポンプセル電流の大きさに基づいて算出される酸素濃度に誤差が生じてしまうようにも思われる。しかしながら、本実施形態では、劣化判定部１３によって劣化が生じていると判定されるのは、モニタセル電流がｎＡのオーダーで変化した時点である。この時点においては、ｍＡのオーダーの電流であるポンプセル電流はほとんど変化しない。つまり、本実施形態において判定されるポンプセル１５０の劣化は、ポンプセル電流がほとんど変化しない程度の劣化であるから、ステップＳ０６で取得される酸素濃度に誤差が生じるような影響は少ない。

ステップＳ０７に続くステップＳ０８では、モニタセル電流の値を取得する処理が行われる。ステップＳ０８に続くステップＳ０９では、ステップＳ０８で取得されたモニタセル電流が、ステップＳ０７で設定された閾値を越えているか否かが判定される。

モニタセル電流が閾値を越えている場合には、ステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０に移行したということは、ポンプセル１５０による酸素の排出能力が低下しており、その結果としてモニタセル電流が通常時よりも増加していると推定される。このため、ステップＳ１０では、排出ガスセンサ１００による測定に異常が生じているとの判定、具体的には、ポンプセル１５０に劣化が生じているとの判定が劣化判定部１３によってなされる。

ステップＳ０９において、モニタセル電流が閾値以下であった場合には、ステップＳ１１に移行する。ステップＳ１１に移行したということは、ポンプセル１５０による酸素の排出能力が正常に発揮されており、その結果としてモニタセル電流が十分に小さな値になっていると推定される。このため、ステップＳ１１では、排出ガスセンサ１００による測定が正常に行われているとの判定、具体的には、ポンプセル１５０に劣化が生じていないとの判定が劣化判定部１３によってなされる。以上のような処理により、図６を参照しながら説明した方法による判定が実現される。

尚、制御装置１０は、前記劣化判定部１３により劣化と判断された場合には、センサ故障であると判断し、警告灯を表示させる等などの運転手への通知処理を行う。また、排出ガスセンサ１００から取得した種々の信号を内燃機関ＥＧの制御に使用しないようにマスクする、若しくは、排出ガスセンサ１００が駆動しないように、ポンプセル１５０、センサセル１６０、モニタセル１７０、及びヒーター１８０への通電を停止する等の対応を行ってもよい。排出ガスセンサ１００への通電を停止することで、故障と判断された場合に排出ガスセンサ１００に与えられるエネルギ損失を抑制することが可能である。

本実施形態では、ポンプセル１５０の温度が所定の下限温度を下回った場合（ステップＳ０５の判定がＮｏであった場合）、又は、ポンプセル１５０の温度が所定の上限温度を上回った場合（ステップＳ０４の判定がＮｏであった場合）には、ポンプセル１５０に劣化が生じているか否かの判定を劣化判定部１３が行わない。ポンプセル１５０による酸素の排出能力が、その温度に応じて変化することによる影響が低減されるので、劣化判定部１３による判定を正確に行うことができる。

ところで、排出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合には、排出ガス中の酸素濃度は低くなっている。このため、ポンプセル１５０に劣化が生じており、酸素の排出能力が低下していたとしても、モニタセル１７０の近傍における酸素濃度は低くなる。このため、モニタセル電流が閾値を下回り、ポンプセル１５０に劣化が生じていないとの誤判定がなされてしまう可能性がある。

そこで、本実施形態では、排出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合（ステップＳ０２の判定がＹｅｓであった場合）にのみ、ポンプセル１５０に劣化が生じているか否かの判定を劣化判定部１３が行うこととしている。これにより、上記のような誤判定が生じることを防止することができる。尚、閾値を適切に設定することで上記の誤判定を防止することができるのであれば、ステップＳ０２の判定を経ることなく、劣化判定部１３による判定が常に行われることとしてもよい。

第１実施形態の変形例について説明する。この変形例では、制御装置１０により実行される処理の一部において第１実施形態と異なっている。図９に示される一連の処理は、図７に示される一連の処理に換えて、本変形例に係る制御装置１０により実行されるものである。

図９に示される一連の処理は、図７のステップＳ０３、Ｓ０４、Ｓ０５の処理を、それぞれステップＳ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５に置き換えたものとなっている。以下では、図７に示される処理との相違点についてのみ説明する。

本実施形態では、排出ガスセンサ１００による濃度測定を正常に行い得るような排出ガスの温度の範囲として、所定の温度範囲が予め設定されている。ステップＳ１０３では、排出ガスの温度を取得する処理がガス温度取得部１６によって行われる。ステップＳ１０３に続くステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で取得された排出ガスの温度が、上記温度範囲の上限温度を下回っているか否かが判定される。排出ガスの温度が上限温度以上である場合には、ポンプセル１５０が排出ガスで加熱されることにより、ポンプセル１５０における酸素の排出能力が通常時よりも高くなる。その結果、モニタセル電流が減少してしまうので、ステップＳ０９における判定を正確に行うことができなくなる。このため、この場合にはポンプセル１５０の劣化の判定を行うことなく、図９に示される一連の処理を終了する。排出ガスの温度が上限温度を下回っている場合にはステップＳ１０５に移行する。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０３で取得された排出ガスの温度が、上記温度範囲の下限温度を上回っているか否かが判定される。排出ガスの温度が下限温度以下である場合には、ポンプセル１５０やモニタセル１７０の温度が低下し過ぎてしまい、ステップＳ０９における判定を正確に行うことができなくなる可能性がある。このため、この場合にもポンプセル１５０の劣化の判定を行うことなく、図９に示される一連の処理を終了する。尚、ポンプセル１５０やモニタセル１７０の温度が低下し過ぎてしまうことが、ヒーター１８０よって防止することができる場合には、ステップＳ１０５における判定は行われないこととしてもよい。

排出ガスの温度が下限温度を上回っている場合、すなわち、排出ガスの温度が上記温度範囲内に収まっている場合には、ステップＳ０６に移行する。以降において行われる処理は、図７を参照しながら説明したものと同じである。

この変形例では、排出ガスの温度が所定の下限温度を下回った場合（ステップＳ１０５の判定がＮｏであった場合）、又は、排出ガスの温度が所定の上限温度を上回った場合（ステップＳ１０４の判定がＮｏであった場合）には、ポンプセル１５０に劣化が生じているか否かの判定を劣化判定部１３が行わない。ポンプセル１５０による酸素の排出能力が、排出ガスの温度に応じて変化することによる影響が低減されるので、劣化判定部１３による判定を正確に行うことができる。

尚、ステップＳ１０３からステップＳ１０５までの処理は、図７におけるステップＳ０３からステップＳ０５までの処理に換えて行われてもよいのであるが、図７におけるステップＳ０３からステップＳ０５までの処理と共に行われることとしてもよい。

第２実施形態について説明する。本実施形態では、劣化判定部１３が行う判定の方法において第１実施形態と異なっている。本実施形態における判定方法の概要について、図１０を参照しながら説明する。

図１０（Ａ）に示されるのは、モニタセル１７０に印加される印加電圧、すなわち、モニタ電極１１３と共通電極１１４との間に印加される印加電圧の時間変化である。図１０（Ｂ）に示されるのは、図１０（Ａ）と同じ期間においてセンサセル１６０を流れる電流、すなわち、センサ電極１１２と共通電極１１４との間を流れる電流の時間変化である。当該電流のことを、以下では「センサセル電流」とも称する。センサセル電流は、センサセル１６０から出力される信号であって、センサセル１６０に到達した排出ガス中の酸素及び窒素酸化物の濃度を、その大きさによって示す信号となっている。

図１０に示される例では、モニタセル１７０への印加電圧が一定の値となっている。ただし、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までの期間においては、モニタセル１７０に対する電圧の印加が一時的に停止されている。

モニタセル１７０に対する電圧の印加が停止されると、モニタセル１７０による酸素の排出が行われなくなるので、センサセル１６０に到達する酸素の量が多くなる。このため、図１０（Ｂ）に示されるように、電圧の印加が停止された時刻ｔ１１以降においては、センサセル電流の値は、当初の値であるＩ_S１から次第に増加して行き、Ｉ_S２まで増加したところで概ね一定となっている。図１０（Ｂ）では、時刻ｔ１１の後、センサセル電流が増加し概ね一定の値となった後の時刻が時刻ｔ１２として示されている。

時刻ｔ１３において、モニタセル１７０に対する電圧の印加が再開されると、モニタセル１７０による酸素の排出が再び行われるようになり、センサセル１６０に到達する酸素の量が減少する。このため、図１０（Ｂ）に示されるように、電圧の印加が再開された時刻ｔ１３以降においては、センサセル電流の値はＩ_S２から次第に減少して行き、Ｉ_S３まで減少したところで概ね一定となっている。尚、Ｉ_S３はＩ_S１と一致する場合もあれば、Ｉ_S１と異なる場合もある。図１０（Ｂ）では、センサセル電流がＩ_S３まで低下した時刻が、時刻ｔ１４として示されている。

図１０（Ｂ）に示される点線ＤＬ１は、時刻ｔ１１から時刻ｔ１４までの期間において、センサセル電流がＩ_S１からＩ_S３まで一定の傾きで変化したと仮定した場合における、センサセル電流の時間変化を示す直線である。このような点線ＤＬ１は、時刻ｔ１１以降において電圧印加を停止させなかったとした場合における、センサセル電流の時間変化を示す直線ということができる。

図１０（Ｂ）では、時刻ｔ１２におけるＩ_S２と点線ＤＬ１との差がΔＩ_Sとして示されている。ΔＩ_Sは、モニタセル１７０への電圧印加が一時的に停止されたことによる、センサセル電流の増加量ということができる。

ポンプセル１５０が劣化しており、その酸素の排出能力が低下しているときには、センサセル１６０やモニタセル１７０の近傍には比較的多くの酸素が到達している。このような状況においては、モニタセル１７０に対する電圧の印加が停止された際におけるセンサセル電流の増加量は大きくなる。

そこで、本実施形態に係る劣化判定部１３は、モニタセル１７０に対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際におけるセンサセル電流の増加量（つまり、センサセル１６０から出力された信号の大きさの増加量）が閾値を越えた場合に、ポンプセル１５０に劣化が生じていると判定する。図１０（Ｂ）では、このような閾値がＩ_THとして示されている。また、同図に示される点線ＤＬ２は、点線ＤＬ１をＩ_THだけ上方側にシフトさせたものである。図１０（Ｂ）の例では、センサセル電流の大きさが点線ＤＬ２を超えている。すなわち、センサセル電流の増加量がＩ_THを越えている。このため、ポンプセル１５０が劣化しているとの判定が劣化判定部１３によってなされることとなる。

ところで、モニタセル１７０が劣化しており、その酸素の排出能力が低下している場合には、モニタセル１７０に対する電圧の印加を一時的に停止させたとしても、モニタセル１７０により排出される酸素の量は（当初から０に近いので）ほとんど変化しない。従って、この場合におけるセンサセル電流の増加量は非常に小さくなる。

そこで、本実施形態に係る劣化判定部１３は、モニタセル１７０に対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際におけるセンサセル電流の増加量（つまり、センサセル１６０から出力された信号の大きさの増加量）が下限値を下回った場合には、モニタセル１７０に劣化が生じていると判定する。

尚、上記の下限値は、閾値よりも小さな値に設定されたものである。図１０（Ｂ）では、このような下限値がＩ_LLとして示されている。また、同図に示される点線ＤＬ３は、点線ＤＬ１をＩ_LLだけ上方側にシフトさせたものである。図１０（Ｂ）の例では、センサセル電流の大きさが点線ＤＬ３を超えている。すなわち、センサセル電流の増加量がＩ_LLを越えている。このため、モニタセル１７０には劣化が生じていない、との判定が劣化判定部１３によってなされることとなる。

このように、本実施形態に係る劣化判定部１３は、ポンプセル１５０に劣化が生じているか否かの判定を行うことに加えて、モニタセル１７０に劣化が生じているか否かの判定をも行うことが可能となっている。

以上のような判定のために行われる処理の具体的な内容について、図１１を参照しながら説明する。図１１に示される一連の処理は、図７に示される一連の処理に換えて実行されるものであって、所定の制御周期が経過する毎に、制御装置１０によって繰り返し実行されるものである。

図１１のステップＳ２１からステップＳ２７までの各処理は、図７のステップＳ０１からステップＳ０７までの各処理と同じである。このため、これらの具体的な処理内容については説明を省略する。ただし、図１１のステップＳ２７で設定される閾値は、モニタセル電流と比較される閾値ではなく、センサセル電流の増加量と比較される閾値である。

ステップＳ２７に続くステップＳ２８では、下限値を設定する処理が行われる。当該下限値は、図１０（Ｂ）でＩ_LLとして示されている下限値である。本実施形態では、ステップＳ２６で取得された酸素濃度などに基づいて下限値が都度設定される。具体的には、酸素濃度が高いほど、下限値が大きな値として設定される。このような態様に替えて、下限値が常に同じ値に設定されることとしてもよい。

ステップＳ２８に続くステップＳ２９では、センサセル電流の値を取得する処理が行われる。ここで取得されるセンサセル電流の値は、モニタセル１７０に対する電圧の印加を一時的に停止させる前におけるセンサセル電流の値であって、図１０（Ｂ）のＩ_S１に該当するものである。

ステップＳ２９に続くステップＳ３０では、モニタセル１７０に対する電圧の印加を停止する処理が行われる。ステップＳ３０に続くステップＳ３１では、ステップＳ３０の処理が行われた時点から所定期間が経過したか否かが判定される。所定期間が経過していなければ、ステップＳ３１の処理が繰り返し実行される。所定期間が経過していればステップＳ３２に移行する。

ステップＳ３２では、センサセル電流の値を取得する処理が行われる。ここで取得されるセンサセル電流の値は、モニタセル１７０に対する電圧の印加を一時的に停止させた後におけるセンサセル電流の値であって、図１０（Ｂ）のＩ_S２に該当するものである。

ステップＳ３２に続くステップＳ３３では、モニタセル１７０に対する電圧の印加を再開する処理が行われる。

ステップＳ３３に続くステップＳ３４では、センサセル電流の値を取得する処理が行われる。ここで取得されるセンサセル電流の値は、モニタセル１７０に対する電圧の印加を再開させた後におけるセンサセル電流の値であって、図１０（Ｂ）のＩ_S３に該当するものである。

ステップＳ３４に続くステップＳ３５では、ステップＳ２９、Ｓ３２、Ｓ３４のそれぞれにおいて取得された電流値（つまりＩ_S１、Ｉ_S２、Ｉ_S３）に基づいて、センサセル電流の増加量を算出する処理が行われる。当該増加量は、図１０（Ｂ）のΔＩ_Sに該当するものである。この増加量（ΔＩ_S）は、例えば、ΔＩ_S＝Ｉ_S２−（Ｉ_S１＋（（Ｉ_S３−Ｉ_S１）／（ｔ１４−ｔ１１））×（ｔ１２−ｔ１１））の式を用いて算出することができる。

ステップＳ３５に続くステップＳ３６では、ステップＳ３５で算出されたセンサセル電流の増加量が、ステップＳ２７で設定された閾値を越えているか否かが判定される。

センサセル電流の増加量が閾値を越えている場合には、ステップＳ３７に移行する。ステップＳ３７に移行したということは、ポンプセル１５０による酸素の排出能力が低下しており、その結果としてセンサセル電流の増加量が通常時よりも大きくなっていると推定される。このため、ステップＳ３７では、排出ガスセンサ１００による測定に異常が生じているとの判定、具体的には、ポンプセル１５０に劣化が生じているとの判定が劣化判定部１３によってなされる。

ステップＳ３６において、センサセル電流の増加量が閾値以下であった場合には、ステップＳ３８に移行する。ステップＳ３８では、ステップＳ３５で算出されたセンサセル電流の増加量が、ステップＳ２８で設定された下限値を下回っているか否かが判定される。センサセル電流の増加量が下限値を下回っている場合には、ステップＳ３９に移行する。

ステップＳ３９に移行したということは、モニタセル１７０による酸素の排出能力が低下しており、その結果としてセンサセル電流の増加量が小さくなっていると推定される。このため、ステップＳ３９では、排出ガスセンサ１００による測定に異常が生じているとの判定、具体的には、モニタセル１７０に劣化が生じているとの判定が劣化判定部１３によってなされる。

ステップＳ３８において、センサセル電流の増加量が下限値以上であった場合には、ステップＳ４０に移行する。ステップＳ４０に移行したということは、ポンプセル１５０による酸素の排出能力が正常に発揮されており、その結果として、センサセル電流の増加量が小さな値になっていると推定される。また、モニタセル１７０による酸素の排出能力も正常に発揮されており、その結果として、センサセル電流の増加量が小さくなり過ぎてはいないと推定される。このため、ステップＳ４０では、排出ガスセンサ１００による測定が正常に行われているとの判定、具体的には、ポンプセル１５０及びモニタセル１７０のいずれにも劣化が生じていないとの判定が劣化判定部１３によってなされる。以上のような処理により、図１０を参照しながら説明した方法による判定が実現される。

センサセル電流の増加量の算出に用いられるＩ_S２は、センサセル電流が増加して一定となった後の値であってもよいが、センサセル電流が増加中における値であってもよい。例えば、ステップＳ３１における所定時間を、センサセル電流が一定となるまでの時間よりも短くしてもよい。この場合に算出されるΔＩ_Sは、センサセル電流の増加時の傾きを示すものということもできる。このようなΔＩ_Sを閾値と比較することによって、ポンプセル１５０が劣化しているか否かの判定を行うこととしてもよい。

モニタセル１７０は、ポンプセル１５０と同じ機能（酸素を分解する機能）を有するものであるから、ポンプセル１５０が劣化しているときには、それと同じ原因によってモニタセル１７０も劣化している可能性がある。従って、第１実施形態のように、モニタセル１７０から出力される信号（モニタセル電流）に基づいてポンプセル１５０の劣化判定が行われる場合には、ポンプセル１５０とモニタセル１７０とが同時に劣化していることにより、劣化判定において誤判定が生じてしまう可能性が僅かではあるが生じる。

そこで、本実施形態では、劣化判定部１３によるポンプセル１５０の劣化判定が、モニタセル電流ではなくセンサセル電流に基づいて行われることとしている。ポンプセル１５０とは異なる機能（酸素及び窒素酸化物を分解する機能）を有するセンサセル１６０、から出力される信号（センサセル電流）に基づいて劣化判定が行われることにより、上記のような誤判定が生じることが防止される。

モニタセル１７０に対する電圧の印加が停止された直後においては、センサセル電流が一時的に不安定となり、その大きさが変動してしまうことがある。このように不安定な期間において、センサセル電流に基づいた劣化判定が行われると、センサセル電流の変動により誤判定が生じてしまう可能性がある。

そこで、本実施形態における劣化判定部１３は、モニタセル１７０に対する電圧の印加を一時的に停止させてから所定期間が経過した後（ステップＳ３１での判定がＹｅｓとなった後）に、センサセル電流の増加量を取得し、当該増加量に基づいてポンプセル１５０に劣化が生じているか否かを判定することとしている。これにより、上記のような誤判定が生じることが防止される。

ところで、モニタセル１７０に対する電圧の印加を一時的に停止させている期間においては、排出ガスセンサ１００による窒素酸化物の濃度の測定を行うことができない。このため、上記のような劣化判定が行われている期間においては、内燃機関制御部１２による制御、すなわち、窒素酸化物の濃度に基づいた内燃機関ＥＧの制御が一時的に中断される。

このために行われる具体的な処理について、図１２を参照しながら説明する。図１２に示される一連の処理は、所定の制御周期が経過する毎に、制御装置１０によって繰り返し実行されるものである。当該処理は、図１１に示される処理と並行して実行される。

当該処理の最初のステップＳ５１では、劣化判定が開始されたか否かが判定される。ここでは、図１１のステップＳ３０により電圧の印加が停止されていれば、劣化判定が開始されたと判定される。劣化判定が未だ開始されていなければ、図１２に示される一連の処理を終了する。この場合は、内燃機関ＥＧの制御が通常通りに行われることとなる。

ステップＳ５１において、劣化判定が開始されていた場合には、ステップＳ５２に移行する。ステップＳ５２では、窒素酸化物の濃度に基づいた内燃機関ＥＧの制御が中断される。以降は、窒素酸化物の濃度に基づくことなく、内燃機関ＥＧの制御が行われることとなる。

ステップＳ５２に続くステップＳ５３では、モニタセル１７０に対する電圧の印加が再開されたか否かが判定される。すなわち、図１１のステップＳ３３の処理が行われたか否かが判定される。電圧の印加が未だ再開されていない場合には、ステップＳ５３の処理が繰り返し実行される。電圧の印加が再開されればステップＳ５４に移行する。

ステップＳ５４では、モニタセル１７０に対する電圧の印加が再開された時点から、所定期間が経過したか否かが判定される。所定期間が経過していなければ、ステップＳ５４の処理が繰り返し実行される。所定期間が経過していればステップＳ５５に移行する。ステップＳ５５では、窒素酸化物の濃度に基づいた内燃機関ＥＧの制御が再開される。

モニタセル１７０に対する電圧の印加が再開された直後においては、モニタセル電流やセンサセル電流が一時的に不安定となり、それぞれの大きさが変動してしまうことがある。このように不安定な期間においては、濃度検知部１１による窒素酸化物の濃度の検知を正確に行うことができない。このときの不正確な濃度に基づいて、内燃機関ＥＧの制御が行われることは好ましくない。

そこで、本実施形態における内燃機関制御部１２は、モニタセル１７０に対する電圧の印加が再開されてから所定期間が経過するまでの間（ステップＳ５４の判定がＹｅｓとなるまでの間）は、窒素酸化物の濃度に基づいた内燃機関の制御を行わないこととしている。これにより、不正確な濃度に基づいて内燃機関ＥＧの制御が行われてしまうような事態が防止される。

第３実施形態について説明する。以上に説明した第２実施形態では、モニタセル１７０に対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際におけるセンサセル電流の増加量に基づいて劣化判定が行われる。これに対し本実施形態では、センサセル１６０に対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際におけるモニタセル電流の増加量に基づいて劣化判定が行われる。

その際、センサセル１６０に印加される印加電圧、すなわち、センサ電極１１２と共通電極１１４との間に印加される印加電圧の時間変化は、図１０（Ａ）に示される波形と同様になる。また、モニタセル電流の時間変化は、図１０（Ｂ）に示される波形と同様になる。以下では、図１０（Ｂ）のＩ_S１に対応するモニタセル電流のことを、Ｉ_M１と表記する。同様に、図１０（Ｂ）のＩ_S２、Ｉ_S３に対応するモニタセル電流のことを、それぞれＩ_M２、Ｉ_M３と表記する。更に、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までの期間におけるモニタセル電流の増加量、すなわち図１０（Ｂ）のΔＩ_Sに対応するモニタセル電流の増加量のことを、ΔＩ_Mと表記する。

センサセル１６０に対する電圧の印加が停止されると、センサセル１６０による酸素等の排出が行われなくなるので、モニタセル１７０に到達する酸素の量が多くなる。このため、電圧の印加が停止された時刻ｔ１１以降においては、モニタセル電流の値は、当初の値であるＩ_M１から次第に増加して行き、Ｉ_M２まで増加したところで概ね一定となる。

センサセル１６０に対する電圧の印加が再開されると、センサセル１６０による酸素等の排出が再び行われるようになり、モニタセル１７０に到達する酸素の量が減少する。このため、電圧の印加が再開された時刻以降においては、モニタセル電流の値はＩ_M２から次第に減少して行き、Ｉ_M３まで減少したところで概ね一定となる。尚、Ｉ_M３はＩ_M１と一致する場合もあれば、Ｉ_M１と異なる場合もある。

ポンプセル１５０が劣化しており、その酸素の排出能力が低下しているときには、センサセル１６０やモニタセル１７０の近傍には比較的多くの酸素が到達している。このような状況においては、センサセル１６０に対する電圧の印加が停止された際におけるモニタセル電流の増加量は大きくなる。

そこで、本実施形態に係る劣化判定部１３は、センサセル１６０に対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際におけるモニタセル電流の増加量（つまり、モニタセル１７０から出力された信号の大きさの増加量）が閾値を越えた場合に、ポンプセル１５０に劣化が生じていると判定する。

ところで、センサセル１６０が劣化しており、その酸素等の排出能力が低下している場合には、センサセル１６０に対する電圧の印加を一時的に停止させたとしても、センサセル１６０により排出される酸素の量は（当初から０に近いので）ほとんど変化しない。従って、この場合におけるモニタセル電流の増加量は非常に小さくなる。

そこで、本実施形態に係る劣化判定部１３は、センサセル１６０に対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際におけるモニタセル電流の増加量（つまり、モニタセル１７０から出力された信号の大きさの増加量）が下限値を下回った場合には、センサセル１６０に劣化が生じていると判定する。尚、上記の下限値は、閾値よりも小さな値に設定されたものである。

このように、本実施形態に係る劣化判定部１３は、ポンプセル１５０に劣化が生じているか否かの判定を行うことに加えて、センサセル１６０に劣化が生じているか否かの判定をも行うことが可能となっている。

以上のような判定のために行われる処理の具体的な内容について、図１３を参照しながら説明する。図１３に示される一連の処理は、図７に示される一連の処理に換えて実行されるものであって、所定の制御周期が経過する毎に、制御装置１０によって繰り返し実行されるものである。

図１３のステップＳ２１からステップＳ２８までの各処理は、図１１のステップＳ２１からステップＳ２８までの各処理と同じである。このため、これらの具体的な処理内容については説明を省略する。ただし、図１３のステップＳ２７で設定される閾値は、センサセル電流の増加量（ΔＩ_S）と比較される閾値ではなく、モニタセル電流の増加量（ΔＩ_M）と比較される閾値である。また、図１３のステップＳ２８で設定される下限値は、センサセル電流の増加量（ΔＩ_S）と比較される下限値ではなく、モニタセル電流の増加量（ΔＩ_M）と比較される下限値である。

ステップＳ２８に続くステップＳ１２９では、モニタセル電流の値を取得する処理が行われる。ここで取得されるモニタセル電流の値は、センサセル１６０に対する電圧の印加を一時的に停止させる前におけるモニタセル電流の値であって、図１０（Ｂ）の時刻ｔ１１の直前に取得されるもの（つまりＩ_M１）である。

ステップＳ１２９に続くステップＳ１３０では、センサセル１６０に対する電圧の印加を停止する処理が行われる。ステップＳ１３０に続くステップＳ１３１では、ステップＳ１３０の処理が行われた時点から所定期間が経過したか否かが判定される。所定期間が経過していなければ、ステップＳ１３１の処理が繰り返し実行される。所定期間が経過していればステップＳ１３２に移行する。

ステップＳ１３２では、モニタセル電流の値を取得する処理が行われる。ここで取得されるモニタセル電流の値は、センサセル１６０に対する電圧の印加を一時的に停止させた後におけるモニタセル電流の値であって、図１０（Ｂ）の時刻ｔ１２に取得されるもの（つまりＩ_M２）である。

ステップＳ１３２に続くステップＳ１３３では、センサセル１６０に対する電圧の印加を再開する処理が行われる。

ステップＳ１３３に続くステップＳ１３４では、モニタセル電流の値を取得する処理が行われる。ここで取得されるモニタセル電流の値は、センサセル１６０に対する電圧の印加を再開させた後におけるモニタセル電流の値であって、図１０（Ｂ）の時刻ｔ１４に取得されるもの（つまりＩ_M３）である。

ステップＳ１３４に続くステップＳ１３５では、ステップＳ１２９、Ｓ１３２、Ｓ１３４のそれぞれにおいて取得された電流値（つまりＩ_M１、Ｉ_M２、Ｉ_M３）に基づいて、モニタセル電流の増加量を算出する処理が行われる。この増加量（ΔＩ_M）は、例えば、ΔＩ_M＝Ｉ_M２−（Ｉ_M１＋（（Ｉ_M３−Ｉ_M１）／（ｔ１４−ｔ１１））×（ｔ１２−ｔ１１））の式を用いて算出することができる。

ステップＳ１３５に続くステップＳ１３６では、ステップＳ１３５で算出されたモニタセル電流の増加量が、ステップＳ２７で設定された閾値を越えているか否かが判定される。

モニタセル電流の増加量が閾値を越えている場合には、ステップＳ１３７に移行する。ステップＳ１３７に移行したということは、ポンプセル１５０による酸素の排出能力が低下しており、その結果としてモニタセル電流の増加量が通常時よりも大きくなっていると推定される。このため、ステップＳ１３７では、排出ガスセンサ１００による測定に異常が生じているとの判定、具体的には、ポンプセル１５０に劣化が生じているとの判定が劣化判定部１３によってなされる。

ステップＳ１３６において、モニタセル電流の増加量が閾値以下であった場合には、ステップＳ１３８に移行する。ステップＳ１３８では、ステップＳ１３５で算出されたモニタセル電流の増加量（ΔＩ_M）が、ステップＳ２８で設定された下限値を下回っているか否かが判定される。モニタセル電流の増加量が下限値を下回っている場合には、ステップＳ１３９に移行する。

ステップＳ１３９に移行したということは、センサセル１６０による酸素の排出能力が低下しており、その結果としてモニタセル電流の増加量が小さくなっていると推定される。このため、ステップＳ１３９では、排出ガスセンサ１００による測定に異常が生じているとの判定、具体的には、センサセル１６０に劣化が生じているとの判定が劣化判定部１３によってなされる。

ステップＳ１３８において、モニタセル電流の増加量が下限値以上であった場合には、ステップＳ１４０に移行する。ステップＳ１４０に移行したということは、ポンプセル１５０による酸素の排出能力が正常に発揮されており、その結果として、モニタセル電流の増加量が小さな値になっていると推定される。また、センサセル１６０による酸素の排出能力も正常に発揮されており、その結果として、モニタセル電流の増加量が小さくなり過ぎてはいないと推定される。このため、ステップＳ１４０では、排出ガスセンサ１００による測定が正常に行われているとの判定、具体的には、ポンプセル１５０及びセンサセル１６０のいずれにも劣化が生じていないとの判定が劣化判定部１３によってなされる。

モニタセル電流の増加量の算出に用いられるＩ_M２は、モニタセル電流が増加して一定となった後の値であってもよいが、モニタセル電流が増加中における値であってもよい。例えば、ステップＳ１３１における所定時間を、モニタセル電流が一定となるまでの時間よりも短くしてもよい。この場合に算出されるΔＩ_Mは、モニタサセル電流の増加時の傾きを示すものということもできる。このようなΔＩ_Mを閾値と比較することによって、ポンプセル１５０が劣化しているか否かの判定を行うこととしてもよい。

センサセル１６０に対する電圧の印加が停止された直後においては、モニタセル電流が一時的に不安定となり、その大きさが変動してしまうことがある。このように不安定な期間において、モニタセル電流に基づいた劣化判定が行われると、モニタセル電流の変動により誤判定が生じてしまう可能性がある。

そこで、本実施形態における劣化判定部１３は、センサセル１６０に対する電圧の印加を一時的に停止させてから所定期間が経過した後（ステップＳ１３１での判定がＹｅｓとなった後）に、モニタセル電流の増加量を取得し、当該増加量に基づいてポンプセル１５０に劣化が生じているか否かを判定することとしている。これにより、上記のような誤判定が生じることが防止される。

ところで、センサセル１６０に対する電圧の印加を一時的に停止させている期間においては、排出ガスセンサ１００による窒素酸化物の濃度の測定を行うことができない。このため、上記のような劣化判定が行われている期間においては、内燃機関制御部１２による制御、すなわち、窒素酸化物の濃度に基づいた内燃機関ＥＧの制御が一時的に中断される。

このために行われる具体的な処理について、図１４を参照しながら説明する。図１４に示される一連の処理は、所定の制御周期が経過する毎に、制御装置１０によって繰り返し実行されるものである。当該処理は、図１１に示される処理と並行して実行される。

図１４に示される一連の処理は、図１２のステップＳ５３の処理を、ステップＳ１５３に置き換えたものとなっている。以下では、図１２に示される処理との相違点についてのみ説明する。

ステップＳ５２に続くステップＳ１５３では、センサセル１６０に対する電圧の印加が再開されたか否かが判定される。すなわち、図１３のステップＳ１３３の処理が行われたか否かが判定される。電圧の印加が未だ再開されていない場合には、ステップＳ１５３の処理が繰り返し実行される。電圧の印加が再開されればステップＳ５４に移行する。以降の処理は、図１２を参照しながら説明したものと同じである。

センサセル１６０に対する電圧の印加が再開された直後においては、モニタセル電流やセンサセル電流が一時的に不安定となり、それぞれの大きさが変動してしまうことがある。このように不安定な期間においては、濃度検知部１１による窒素酸化物の濃度の検知を正確に行うことができない。このときの不正確な濃度に基づいて、内燃機関ＥＧの制御が行われることは好ましくない。

そこで、本実施形態における内燃機関制御部１２は、センサセル１６０に対する電圧の印加が再開されてから所定期間が経過するまでの間（ステップＳ５４の判定がＹｅｓとなるまでの間）は、窒素酸化物の濃度に基づいた内燃機関の制御を行わないこととしている。これにより、不正確な濃度に基づいて内燃機関ＥＧの制御が行われてしまうような事態が防止される。

以上の例においては、センサセル１６０が、排出ガスに含まれる残留酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた大きさの電流を、電圧が印加された状態において出力するものとして構成されている。このような態様に替えて、センサセル１６０が、排出ガスに含まれる残留酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた大きさの電圧、を出力するものとして構成されていてもよい。つまり、センサセル１６０から出力される信号は、電流であっても電圧であってもよい。

同様に、モニタセル１７０が、排出ガスに含まれる残留酸素の濃度に応じた大きさの電圧、を出力するものとして構成されていてもよい。つまり、モニタセル１７０から出力される信号は、電流であっても電圧であってもよい。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：制御装置
１３：劣化判定部
１４：閾値設定部
１００：排出ガスセンサ
１５０：ポンプセル
１６０：センサセル
１７０：モニタセル
ＥＧ：内燃機関

Claims (14)

1. 排出ガスセンサ（１００）の制御装置（１０）であって、
   前記排出ガスセンサは、内燃機関（ＥＧ）で生じた排出ガスから酸素を排出する第１セル（１５０）と、前記第１セルによって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる残留酸素の濃度、に応じた大きさの信号を出力する第２セル（１６０，１７０）と、を有するものであり、
   前記第２セルから出力された信号の大きさが閾値を越えた場合に、前記第１セルに劣化が生じていると判定する劣化判定部（１３）と、
   前記閾値を、排出ガスの酸素濃度に応じて設定する閾値設定部（１４）と、備える制御装置。
2. 前記閾値設定部は、排出ガスの酸素濃度が高いほど前記閾値を大きな値として設定する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記第１セルは、排出ガスの酸素濃度に応じた大きさの信号を出力するものであり、
   前記閾値設定部は、前記第１セルから出力される信号に基づいて前記閾値を設定する、請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記第２セルは、
   前記第１セルによって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる、残留酸素の濃度に応じた大きさの信号を、電圧が印加された状態において出力するモニタセル（１７０）と、
   前記第１セルによって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる、残留酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた大きさの信号を出力するセンサセル（１６０）と、を含むものであり、
   前記劣化判定部は、
   前記モニタセルに対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際に前記センサセルから出力された信号の大きさの増加量が前記閾値を越えた場合に、前記第１セルに劣化が生じていると判定する、請求項１に記載の制御装置。
5. 前記劣化判定部は、
   前記モニタセルに対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際に前記センサセルから出力された信号の大きさの増加量が、前記閾値よりも小さな値に設定された下限値を下回った場合には、前記モニタセルに劣化が生じていると判定する、請求項４に記載の制御装置。
6. 前記劣化判定部は、
   前記モニタセルに対する電圧の印加を一時的に停止させてから所定期間が経過した後に、前記センサセルから出力された信号の大きさの増加量を取得し、当該増加量に基づいて前記第１セルに劣化が生じているか否かを判定する、請求項４に記載の制御装置。
7. 前記モニタセル及び前記センサセルのそれぞれから出力される信号に基づいて、排出ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検知する濃度検知部（１１）と、
   前記濃度検知部によって検知された窒素酸化物の濃度に基づいて、前記内燃機関の制御を行う内燃機関制御部（１２）と、を更に備え、
   前記内燃機関制御部は、
   前記モニタセルに対する電圧の印加が再開されてから所定期間が経過するまでの間は、窒素酸化物の濃度に基づいた前記内燃機関の制御を行わない、請求項４乃至６のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記第２セルは、
   前記第１セルによって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる、残留酸素の濃度に応じた大きさの信号を出力するモニタセルと、
   前記第１セルによって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる、残留酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた大きさの信号を、電圧が印加された状態において出力するセンサセルと、を含むものであり、
   前記劣化判定部は、
   前記センサセルに対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際に前記モニタセルから出力された信号の大きさの増加量が前記閾値を越えた場合に、前記第１セルに劣化が生じていると判定する、請求項１に記載の制御装置。
9. 前記劣化判定部は、
   前記センサセルに対する電圧の印加を一時的に停止させ、その際に前記モニタセルから出力された信号の大きさの増加量が、前記閾値よりも小さな値に設定された下限値を下回った場合には、前記センサセルに劣化が生じていると判定する、請求項８に記載の制御装置。
10. 前記劣化判定部は、
    前記センサセルに対する電圧の印加を一時的に停止させてから所定期間が経過した後に、前記モニタセルから出力された信号の大きさの増加量を取得し、当該増加量に基づいて前記第１セルに劣化が生じているか否かを判定する、請求項８に記載の制御装置。
11. 前記モニタセル及び前記センサセルのそれぞれから出力される信号に基づいて、排出ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検知する濃度検知部と、
    前記濃度検知部によって検知された窒素酸化物の濃度に基づいて、前記内燃機関の制御を行う内燃機関制御部と、を更に備え、
    前記内燃機関制御部は、
    前記センサセルに対する電圧の印加が再開されてから所定期間が経過するまでの間は、窒素酸化物の濃度に基づいた前記内燃機関の制御を行わない、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の制御装置。
12. 前記第１セルの温度を取得するセル温度取得部（１５）を更に備え、
    前記劣化判定部は、
    前記第１セルの温度が所定の下限温度を下回った場合、又は、前記第１セルの温度が所定の上限温度を上回った場合には、前記第１セルに劣化が生じているか否かの判定を行わない、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の制御装置。
13. 排出ガスの温度を取得するガス温度取得部（１６）を更に備え、
    前記劣化判定部は、
    排出ガスの温度が所定の下限温度を下回った場合、又は、排出ガスの温度が所定の上限温度を上回った場合には、前記第１セルに劣化が生じているか否かの判定を行わない、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の制御装置。
14. 排出ガスの空燃比を取得する空燃比取得部（１７）を更に備え、
    前記劣化判定部は、
    排出ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合にのみ、前記第１セルに劣化が生じているか否かの判定を行う、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の制御装置。

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