JP4252359B2 - ガス濃度センサの異常検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度センサの異常検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス濃度センサとして、例えば車両用内燃機関から排出される排ガスを検出対象とし、その排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出する、いわゆるＮＯｘセンサが知られている。例えば、リーン燃焼内燃機関の排ガス浄化システムでは、リーン燃焼時に生じるＮＯｘを吸蔵するためのＮＯｘ吸蔵触媒が設けられると共にその下流側にＮＯｘセンサが設けられている。そして、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量が増えてＮＯｘ吸蔵能力が低下した場合や、排ガス中の硫黄成分がＮＯｘ吸蔵触媒に吸着してＮＯｘの浄化能力が低下した場合にそれがＮＯｘセンサの検出結果から検知され、燃料噴射量をリッチ化する等の再生処理が行われるようになっている。
【０００３】
ガス濃度センサについて故障診断を実施する従来技術として、例えば特許文献１（特開平１１−１４５８９号公報）では、ガス濃度センサの温度と同ガス濃度センサの交流抵抗（交流インピーダンス）とには相関があることを利用して故障診断を実施している。すなわち、交流抵抗が所定の範囲内になるようにセンサ付属のヒータを制御した場合においてヒータを通電しているにも拘わらず交流抵抗がある範囲以上になるようであれば、ガス濃度センサに何らかの故障があると判断して、センサの故障を自己診断するようにしている。
【０００４】
また、特許文献２（特開平１１−３７９７２号公報）に記載のガス濃度センサでは、フィードバック制御系によって主ポンプセルによるポンピング処理を制御し、第１チャンバ内の酸素分圧値をＮＯｘ成分が分解されない所定の値にしている。そして、補正制御系を通じてフィードバック制御系を補正制御しているにもかかわらず第２チャンバ内の酸素濃度を規定レベルに制御できない場合に、何らかの原因でガス濃度センサが故障していると判定するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１４５８９号公報
【特許文献２】
特開平１１−３７９７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１，２では、何れもガス濃度センサの故障発生は判定できるものの、その故障箇所を特定することはできない。つまり、既存の技術は、センサ全体の機能が損なわれたことが分かるに止まるものであった。故に、ガス濃度センサの故障発生が分かったとしても、その故障発生にどう対処してよいか不明であった。例えば、ガス濃度センサの故障内容によっては、必ずしも当該センサの交換を要とせずセンサ制御特性を補正等することで対処できるものもあるが、その判断ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガス濃度センサの異常検出に際しその異常種別を特定することができるガス濃度センサの異常検出装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の異常検出装置では、異常検出対象としてのガス濃度センサは、固体電解質体と、該固体電解質体上に配置された複数の電極と、少なくとも１つの前記電極に対面して設けられ被検出ガスを導入するガス室とを備えており、対をなす電極間で前記固体電解質体内を移動する酸素イオン量に応じた電気信号を出力するものとしている。そして特に、ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々のセンサ出力に基づいて異常検出を実施するようにしている。この場合、所定の検出条件が成立することにより、ガス濃度センサの各種異常のうちその時検出可能となる異常を絞り込むことができ、更にその時々のセンサ出力に基づいて異常種別に異常発生状態を判定できる。故に、ガス濃度センサの異常検出に際しその異常種別を特定することが可能となる。
【０００９】
被検出ガス中の酸素濃度が既知の状態になったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態でセンサ出力に基づいて異常検出を実施する。被検出ガス中の酸素濃度が既知の状態ではセンサ出力がどの程度の値になるかが予め分かるため、そのセンサ出力により異常検出が可能となる。
【００１０】
また、被検出ガスが、既知の濃度である所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対するセンサ出力が、前記センサ素子のガス室に対するガス導入不良が生じたことを判定する第１判定値よりも小さく、かつ、前記第１判定値よりも小さい値であり前記センサ素子の電極配線の断線異常を判定する第２判定値よりも大きければ、前記ガス導入不良が生じたと判定し、同センサ出力が、前記第２判定値以下であれば前記断線異常が生じたと判定する。
センサ素子に設けたガス導入口が目詰まりするなど、センサ素子のガス室に対するガス導入不良が生じた場合、被検出ガスの酸素濃度に対するセンサ感度が低下し、ひいてはセンサ出力の低下を招く。この場合、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になっていれば、センサ出力は本来、高酸素濃度下の所定レベルになるのに対し、ガス導入不良が生じていればセンサ出力が低下する。これにより、ガス導入不良が生じたと特定できる。
【００１１】
また、センサ素子の電極配線の断線異常が生じた場合、前述したガス導入口の目詰まり等によるガス導入不良の場合と同様にセンサ出力の低下が生じるが、断線異常の場合にはセンサ出力の低下幅が大きくなる。故に、センサ素子の電極配線の断線異常が生じたと特定できる。
【００１２】
請求項２，３に記載の発明では、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対するセンサ出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記センサ素子のガス室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。センサ素子のガス室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、余分な酸素がガス室内に導入されるため、センサ出力が大きくなる。故に請求項２，３によれば、センサ素子のガス室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００１３】
内燃機関より排出される排ガスを検出対象とする場合、内燃機関の運転中に燃料供給を停止した燃料カット状態下であれば、排ガスの酸素濃度は既知の状態（約２０．６％）となる。従って、請求項４に記載したように、燃料カット状態下であることを検出条件とすれば、前述したガス導入不良、センサ素子の電極配線の断線異常、ガス室隔壁の亀裂異常が何れも特定できる。
【００１４】
請求項５，６に記載の発明では、被検出ガスの酸素濃度が過少の状態となったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態でセンサ出力が酸素過少側出力に変化しなければ、酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。内燃機関より排出される排ガスを検出対象とする場合においては、請求項７に記載したように、リッチ状態での排ガスが前記ガス室に導入されることを検出条件として異常検出を実施すると良い。酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、酸素基準室に被検出ガス（排ガス）が入ってくるためガス室と酸素基準室との酸素濃度がほぼ等しくなり、センサ出力が酸素過少側出力に変化しなくなる。故に請求項５〜７によれば、酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００１５】
ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件とし、当該検出条件の成立時において前記センサ素子の対をなす電極間への印加電圧を増減操作することによりセンサ素子の抵抗値を算出し、該算出した抵抗値が所定値以上であれば当該センサ素子の活性異常が生じたと判定するようにしてもよい。センサ素子の活性異常が生じた場合、センサ素子の抵抗値が大きくなることから当該活性異常が特定できる。このとき、ガス濃度検出を要しない期間で印加電圧操作が行われるため、ガス濃度検出自体に悪影響が及ぶことはない。
【００１６】
前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記センサ素子を駆動するための回路の電流容量の限界付近までセンサ出力が増加した場合にセンサ素子の電極間ショートが生じたと判定するようにしてもよい。センサ素子の電極間ショートが生じた場合、センサの作動状態に関係なく（すなわち通常動作時において）、センサ出力が素子駆動回路の電流容量の限界付近まで増加する。故に、センサ素子の電極間ショートが生じたと特定できる。
【００１７】
また、請求項８に記載の異常検出装置では、少なくとも第１セル及び第２セルを備えたガス濃度センサを異常検出対象としている。すなわち、ガス濃度センサにおいて、被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力する。そして特に、ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するようにしている。この場合、所定の検出条件が成立することにより、ガス濃度センサの各種異常のうちその時検出可能となる異常を絞り込むことができ、更にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常種別に異常発生状態を判定できる。故に、ガス濃度センサの異常検出に際しその異常種別を特定することが可能となる。
【００１８】
被検出ガス中の酸素濃度が既知の状態になったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第１セルの出力に基づいて異常検出を実施する。被検出ガス中の酸素濃度が既知の状態では第１セルの出力がどの程度の値になるかが予め分かるため、その第１セルの出力により異常検出が可能となる。
【００１９】
また、被検出ガスが、既知の濃度である所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対する前記第１セルの出力が、前記第１チャンバに対するガス導入不良が生じたことを判定する第１判定値よりも小さく、かつ、前記第１判定値よりも小さい値であり前記第１セル電極配線の断線異常を判定する第２判定値よりも大きければ、前記ガス導入不良が生じたと判定し、同センサ出力が、前記第２判定値以下であれば前記断線異常が生じたと判定する。
第１チャンバに通じるガス導入口が目詰まりするなど、第１チャンバに対するガス導入不良が生じた場合、被検出ガスの酸素濃度に対するセンサ感度が低下し、ひいては第１セルの出力の低下を招く。この場合、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になっていれば、第１セルの出力は本来、高酸素濃度下の所定レベルになるのに対し、ガス導入不良が生じていれば第１セルの出力が低下する。これにより、ガス導入不良が生じたと特定できる。
【００２０】
また、第１セル電極配線の断線異常が生じた場合、前述したガス導入口の目詰まり等によるガス導入不良の場合と同様に第１セルの出力の低下が生じるが、断線異常の場合には第１セルの出力の低下幅が大きくなる。故に、第１セル電極配線の断線異常が生じたと特定できる。
【００２１】
請求項９，１０に記載の発明では、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対する前記第１セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第１チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。第１チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、余分な酸素が第１チャンバ内に導入されるため、第１セルの出力が大きくなる。故に請求項９，１０によれば、第１チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００２２】
内燃機関より排出される排ガスを検出対象とする場合、内燃機関の運転中に燃料供給を停止した燃料カット状態下であれば、排ガスの酸素濃度は既知の状態（約２０．６％）となる。従って、請求項１１に記載したように、燃料カット状態下であることを検出条件とすれば、前述したガス導入不良、第１セル電極配線の断線異常、第１チャンバ隔壁の亀裂異常が何れも特定できる。
【００２３】
請求項１２，１３に記載の発明では、被検出ガスの酸素濃度が過少の状態となったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第１セルの出力が酸素過少側出力に変化しなければ、前記酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。内燃機関より排出される排ガスを検出対象とする場合においては、請求項１４に記載したように、リッチ状態での排ガスが前記第１チャンバに導入されることを検出条件として異常検出を実施すると良い。酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、酸素基準室に被検出ガス（排ガス）が入ってくるため第１チャンバと酸素基準室との酸素濃度がほぼ等しくなり、第１セルの出力が酸素過少側出力に変化しなくなる。故に請求項１２〜１４によれば、酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００２４】
ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件とし、当該検出条件の成立時において前記第１セル又は前記第２セルへの印加電圧を増減操作することにより当該第１セル又は第２セルの抵抗値を算出し、該算出した抵抗値が所定値以上であれば当該第１セル又は第２セルの活性異常が生じたと判定するようにしてもよい。第１セル又は第２セルの活性異常が生じた場合、各セルの抵抗値が大きくなることから当該活性異常が特定できる。このとき、ガス濃度検出を要しない期間で印加電圧操作が行われるため、ガス濃度検出自体に悪影響が及ぶことはない。
【００２５】
請求項１５，１６に記載の発明では、前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セルにより残留酸素濃度が所定濃度に調整された状態で前記第２セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、センサの作動状態に関係なく（すなわち通常動作時において）、余分な酸素が第２チャンバ内に導入されるため、第２セルの出力が大きくなる。故に請求項１５，１６によれば、第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００２６】
前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セル又は前記第２セルを駆動するための回路の電流容量の限界付近まで各セルの出力が増加した場合に、該当するセルの電極間ショートが生じたと判定するようにしてもよい。各セルの電極間ショートが生じた場合、センサの作動状態に関係なく（すなわち通常動作時において）、各セルの出力がセル駆動回路の電流容量の限界付近まで増加する。故に、各セルの電極間ショートが生じたと特定できる。
【００２７】
請求項１７に記載の発明では、前記第１セルへの印加電圧を通常の濃度検出時よりも低電圧とすることを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第２セルの出力が所定値よりも小さければ第２セル電極配線の断線異常が生じたと判定する。第１セルへの印加電圧を通常の濃度検出時よりも低電圧とした場合、第１セルによる酸素排出量が減るために残留酸素過多となり第２セル出力が増加するが、第２セル電極配線の断線異常が生じると当該第２セル出力の増加が確認できなくなる。故に、第２セル電極配線の断線異常が生じたと特定できる。
【００２８】
また、第１セルの印加電圧と第２セルの出力との関係を示す特性上、第１セルの印加電圧が低い領域では第２セルの出力が急激に増大し、第１セルの印加電圧がある程度高くなると第２セルの出力がほぼ一定になる（図４（ｂ）参照、同図のＶｐが第１セルの印加電圧に相当し、Ｉｓが第２セルの出力に相当する）。つまり、上記特性では、第２セルの出力が急変する第１セルの印加電圧（変曲点）が存在し、この電圧値は第１セルの活性異常が生じた場合に高電圧側にシフトする。そこで、請求項１８，２５に記載の発明では、ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件として前記第１セルの印加電圧を低電圧側にシフトさせ、その際、第１セルの印加電圧に対する第２セルの出力の特性上、第２セルの出力が急変する第１セルの印加電圧が正常時よりも高ければ前記第１セルの活性異常が生じたと判定する。これにより、第１セルの活性異常が特定できる。
【００２９】
ここで、「第２セルの出力（Ｉｓ）が急変する第１セルの印加電圧（Ｖｐ）」とは、図４（ｂ）に示すＶｐ−Ｉｓ特性において、例えば、Ｖｐを高電圧側から低電圧側に順に推移させた場合にＩｓが急激に増大するＶｐ値である。すなわちＩｓがほぼ一定となる領域を抜けて、所定の比率以上で増加する時のＶｐ値である。
【００３０】
以下、請求項１９〜請求項２４，２６，２７は、前記第２チャンバ内の残留酸素濃度に応じた出力を発生する第３セルを更に備え、該第３セルの出力に応じて前記第１セルの印加電圧が制御されるガス濃度センサに適用されるものである。請求項１９に記載の発明では、何れも前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第３セルの出力に基づいて異常検出を実施する。
【００３１】
請求項２０に記載の発明では、ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件とし、当該検出条件の成立時において前記第３セルへの印加電圧を増減操作することにより当該第３セルの抵抗値を算出し、該算出した抵抗値が所定値以上であれば当該第３セルの活性異常が生じたと判定する。
【００３２】
請求項２１，２６に記載の発明では、前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セルにより残留酸素濃度が所定濃度に調整された状態で前記第３セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。
【００３３】
請求項２２に記載の発明では、前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第３セルを駆動するための回路の電流容量の限界付近までセル出力が増加した場合に当該第３セルの電極間ショートが生じたと判定する。
【００３４】
請求項２３に記載の発明では、前記第１セルへの印加電圧を通常の濃度検出時よりも低電圧とすることを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第３セルの出力が所定値よりも小さければ第３セル電極配線の断線異常が生じたと判定する。
【００３５】
請求項２４，２７に記載の発明では、ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件として前記第１セルの印加電圧を低電圧側にシフトさせ、その際、第１セルの印加電圧に対する第３セルの出力の特性上、第３セルの出力が急変する第１セルの印加電圧が正常時よりも高ければ前記第１セルの活性異常が生じたと判定する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では自動車用ガソリンエンジンの制御システムに本発明を具体化しており、エンジンより排出される排ガスの特定成分濃度がガス濃度センサにより検出される。特に本実施の形態では、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出可能な、いわゆるＮＯｘセンサを用い、同ＮＯｘセンサからＮＯｘ濃度情報を取得することとしている。
【００３７】
図１はエンジンの排ガス浄化システムの構成例を示す概略図である。エンジン１０には吸気管１１を通じて空気が吸入され、その吸入空気量が吸入空気量センサ１２により検出される。そして、エンジン１０において燃料噴射弁１３より噴射された燃料が吸入空気と共に燃焼に供される。エンジン１０の排気管１４には、三元触媒１５とＮＯｘ触媒１６とが設けられている。三元触媒１５は、排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘといった三成分を浄化する。ＮＯｘ触媒１６はＮＯｘ吸蔵還元型触媒であって、主にリーン空燃比での燃焼時に排ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、リッチ空燃比での燃焼時に前記吸蔵したＮＯｘをリッチ成分（一酸化炭素ＣＯ，炭化水素ＨＣなど）で還元し放出する。三元触媒１５の上流側にはＡ／Ｆセンサ１７が配設され、ＮＯｘ触媒１６の下流側にはＮＯｘセンサ１８が配設されている。
【００３８】
エンジンＥＣＵ２０は、エンジン１０の燃料噴射制御や点火時期制御等を実施するためのエンジン制御用電子制御ユニットであり、このエンジンＥＣＵ２０に吸入空気量センサ１２やＡ／Ｆセンサ１７等の検出信号が入力される。エンジンＥＣＵ２０は、燃費向上を図るべく、燃料噴射弁１３による燃料噴射量を空燃比リーンの状態で制御する。また、センサＥＣＵ２１はＮＯｘセンサ制御用の電子制御ユニットであり、このセンサＥＣＵ２１にＮＯｘセンサ１８の検出信号が入力される。センサＥＣＵ２１は、ＮＯｘセンサ１８の検出信号に基づいてＮＯｘ濃度を演算し、その演算結果をエンジンＥＣＵ２０に対して出力する。
【００３９】
リーン燃焼制御に際し、排ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ触媒１６に吸蔵されると、ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸蔵能力が次第に低下し、吸蔵できなかったＮＯｘが排気管１４外に排出されるおそれが生じる。そこで、ＮＯｘ触媒１６下流側のＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサ１８により検出すると共に、その結果をセンサＥＣＵ２１からエンジンＥＣＵ２０に送信する。そして、エンジンＥＣＵ２０において、ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ浄化能力が低下し始めたことを検知し、ＮＯｘ浄化能力を回復させるための再生処理を実施する。再生処理としては、燃料噴射弁１６による燃料噴射量をリッチ化してＮＯｘ触媒１６に一時的にリッチガスを供給し、ＮＯｘ触媒１６に吸蔵したＮＯｘを還元放出するようにしている。また、排ガスに含まれる硫黄成分がＮＯｘ触媒１６に付着するとＮＯｘ浄化能力が低下し、やはり同様にＮＯｘ排出の問題が懸念される。そのため、かかる場合にも燃料噴射量を一時的にリッチ化し、ＮＯｘ触媒１６に付着した硫黄成分を炭化水素と燃焼反応させて取り除くようにしている。
【００４０】
次に、ＮＯｘセンサ１８の構成を図２を用いて説明する。図２はセンサ素子の先端部構造を示す断面図である。ＮＯｘセンサ１８は、「第１セル」としてのポンプセル、「第２セル」としてのセンサセル及び「第３セル」としてのモニタセルからなる３セル構造を有し、上記３セルによりセンサ素子が構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、第２のポンプセルと称される場合もある。
【００４１】
図２に示すセンサ素子１００において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質１４１，１４２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１４３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質１４１には排ガス導入口１４１ａが形成されており、この排ガス導入口１４１ａを介して当該センサ周囲の排ガスが第１チャンバ１４４内に導入される。第１チャンバ１４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバ１４６に連通している。固体電解質１４１の図の上面には、排ガスを所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層１４７が設けられると共に、大気通路１５５を区画形成するための絶縁層１５４が設けられている。
【００４２】
図の下側の固体電解質１４２には、第１チャンバ１４４に対面するようにしてポンプセル１１０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に導入された排ガス中の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル１１０は、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１１１，１１２を有し、そのうち特に第１チャンバ１４４側の電極１１１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）となっている。ポンプセル１１０は、電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐが印加された状態で、第１チャンバ１４４内に存在する酸素を分解して電極１１２より大気通路１５１側に排出する。
【００４３】
また、図の上側の固体電解質１４１には、第２チャンバ１４６に対面するようにしてモニタセル１２０及びセンサセル１３０が設けられている。モニタセル１２０は、前記ポンプセル１１０により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル１３０は、ポンプセル１１０を通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。
【００４４】
モニタセル１２０及びセンサセル１３０は近接した位置に並べて配置されると共に、これら各セル１２０，１３０の大気通路１５５側の電極が共通電極１２２となっている。すなわち、モニタセル１２０は、固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１２１及び共通電極１２２とにより構成され、センサセル１３０は、同じく固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１３１及び共通電極１２２とにより構成されている。モニタセル１２０の電極１２１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル１３０の電極１３１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上図面ではモニタセル１２０及びセンサセル１３０を排ガスの流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル１２０，１３０は排ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。
【００４５】
固体電解質１４２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層１５０が設けられ、この絶縁層１５０により大気通路１５１が形成されている。絶縁層１５０には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）１５２が埋設されている。ヒータ１５２はポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を含めたセンサ素子全体を活性状態にすべく、バッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。説明の便宜上、２つある大気通路１５１，１５５のうち、大気通路１５１を「第１大気通路」、大気通路１５５を「第２大気通路」とも称することとする。
【００４６】
センサＥＣＵ２１はセンサ制御の主体となるマイコン２２を有しており、このマイコン２２により、ポンプセル１１０の電極１１１，１１２間に印加するポンプセル電圧Ｖｐ、モニタセル１２０の電極１２１，１２２間に印加するモニタセル電圧Ｖｍ、センサセル１３０の電極１３１，１２２間に印加するセンサセル電圧Ｖｓがそれぞれ制御される。マイコン２２には、ポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の計測値が逐次入力される。
【００４７】
上記構成のセンサ素子１００において、排ガスは多孔質拡散層１４７及び排ガス導入口１４１ａを通って第１チャンバ１４４に導入される。そして、この排ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、ポンプセル電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐを印加することで分解反応が起こり、第１チャンバ１４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４４側の電極１１１がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル１１０では排ガス中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極１１２から第１大気通路１５１に排出される。こうしたポンプセル１１０の働きにより、第１チャンバ１４４内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。
【００４８】
ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバ１４６に流れ込み、モニタセル１２０では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル１２０の出力は、モニタセル電極１２１，１２２間に所定の電圧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。また、センサセル電極１３１，１２２間に所定の電圧Ｖｓを印加することでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極１２２から第２大気通路１５５に排出される。このとき、センサセル１３０に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が検出される。
【００４９】
次に、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の各特性を説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は酸素濃度及びＮＯｘ濃度が一定のもとでの出力特性を示す。先ずは、ポンプセル特性を図３（ａ）を用いて説明する。
【００５０】
図３（ａ）は、ポンプセル電圧Ｖｐとポンプセル電流Ｉｐとの関係をポンプセル特性として示すＶ−Ｉ特性図であり、ポンプセル１１０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。限界電流域はＶ軸に対して僅かに右上がりの直線部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど（リーンであるほど）電圧値が大きくなる方向にシフトする。同特性の抵抗支配域の傾きは概ねポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐに一致する。
【００５１】
ここで、その都度のポンプセル電流Ｉｐに対するポンプセル電圧Ｖｐは印加電圧特性として予め規定されており、この印加電圧特性に従いその時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル電圧Ｖｐが可変に制御される。ポンプセル１１０はＮＯｘ不活性であるが、ポンプセル電圧Ｖｐが過剰に大きいとＮＯｘが分解されてしまうことから、印加電圧直線ＬＸ１は、ポンプセル１１０でＮＯｘを分解しない程度に設定される。実際には、第１チャンバ１４４内を所定の低酸素濃度、例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度に保持すべくポンプセル電圧Ｖｐが制御される。
【００５２】
また、図３（ｂ）は、モニタセル電圧Ｖｍとモニタセル電流Ｉｍとの関係をモニタセル特性として示すＶ−Ｉ特性図であり、モニタセル１２０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。つまり、モニタセル１２０は、第２チャンバ１４６内の酸素濃度に応じた出力を発生し、その際、モニタセル１２０に所定の電圧Ｖｍ１を印加することにより電流値Ｉｍ１を出力する。この場合、ポンプセル１１０での酸素の出し入れにより第１チャンバ１４４と共に第２チャンバ１４６内が所定の低酸素濃度（例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度）に保持されていれば、例えば数１０ｎＡ程度のモニタセル電流Ｉｍが流れる。
【００５３】
更に、図３（ｃ）は、センサセル電圧Ｖｓとセンサセル電流Ｉｓとの関係をセンサセル特性として示すＶ−Ｉ特性図であり、センサセル１３０はガス中のＮＯｘ濃度に対して限界電流特性を有する。この場合、センサセル１３０に所定の電圧Ｖｓ１を印加することにより、第２チャンバ１４６内のＮＯｘ濃度に応じた電流値Ｉｓ１を出力する。
【００５４】
また、図４において、（ａ）には、ポンプセル電圧Ｖｐに対するポンプセル電流Ｉｐの特性を、（ｂ）には、同じくポンプセル電圧Ｖｐに対するモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓの特性を示している。同図４においては、酸素濃度２０％、ＮＯｘ濃度１００ｐｐｍでの特性を実線で示し、酸素濃度０％、ＮＯｘ濃度０ｐｐｍでの特性を二点鎖線で示している。なお、モニタセル１２０にはモニタセル電圧Ｖｍ１が、センサセル１３０にはセンサセル電圧Ｖｓ１がそれぞれ印加されているものとする。
【００５５】
（ａ）に示すように、酸素濃度２０％の場合、ポンプセル電圧ＶｐとしてＶｐ１値が印加され、酸素濃度０％の場合、ポンプセル電圧ＶｐとしてＶｐ２値が印加される。また、（ｂ）に示すように、ポンプセル電圧Ｖｐに対するモニタセル電流Ｉｍの特性において、ポンプセル電圧Ｖｐの低電圧領域ではモニタセル電流Ｉｍが急激に増大し、ポンプセル電圧Ｖｐがある程度高くなるとモニタセル電流Ｉｍがほぼ一定になるようになっている。つまり、低Ｖｐ領域（抵抗支配域）ではポンプセル電流Ｉｐが小さいため、第１チャンバ１４４内の残留酸素量が増大する。また、ポンプセル特性の限界電流域ではポンプセル電流Ｉｐがほぼ一定になることから第１チャンバ１４４内の残留酸素量がほぼ一定となる。それ故、ポンプセル電圧Ｖｐに対してモニタセル電流Ｉｍが図示の如く変化する。ポンプセル電圧Ｖｐが所定範囲内（例えば０．３〜０．６Ｖ）で制御されている状態では、排ガス中の酸素濃度、ＮＯｘ濃度にかかわらずモニタセル電流Ｉｍは微小レベル（数１０ｎＡ程度）で保持される。
【００５６】
また、ポンプセル電圧Ｖｐに対するセンサセル電流Ｉｓの特性において、ポンプセル電圧Ｖｐに対して平坦な電流域（平坦領域）があり、その平坦領域ではセンサセル電流Ｉｓが安定する。故に、図示の如くポンプセル電圧ＶｐがＶｐ１，Ｖｐ２で制御されれば、排ガス中のＮＯｘ濃度が精度良く検出できる。
【００５７】
前記構成のＮＯｘセンサ１８において万が一劣化や破損等の異常が発生した場合、ＮＯｘ濃度を正しく検知できなくなり、誤った制御が行われる可能性がある。従って、ＮＯｘセンサ１８に異常が生じた場合はそれを判定し、制御モードを走行距離毎にＡ／Ｆをリッチに制御するなどのフェイルセーフモードに切り替えたり、自己診断機能（ＯＢＤ）としてセンサ異常を運転者に知らせてセンサ交換を促したりする必要が生じる。そこで、ＮＯｘセンサ１８の異常を精度良く検出するための異常検出ロジックを構築し、該異常検出ロジックに従い異常検出を実施することを以下に提案する。
【００５８】
ＮＯｘセンサ１８の異常検出方法を、異常種別とその時のセンサ挙動とに区分けして以下に記述する。
【００５９】
［１］センサ全体の劣化
（１）排ガス導入口１４１ａ等の目詰まりが生じた場合
排ガス導入口１４１ａや多孔質拡散層１４７が排ガスに含まれる固体微粒子などにより目詰まりすると、第１チャンバ１４４への単位時間当たりの導入量（排ガス導入率）が低下するため、酸素濃度に対するポンプセル電流Ｉｐが低下する。すなわち酸素濃度に対する感度が低下する。この場合、燃料カット時は排ガスの酸素濃度が既知（約２０．６％）であることから正常なＩｐ値も推測できる。故に、その時のＩｐ値が許容範囲以下に低下しているかどうかを監視することで、当該目詰まりの異常が検出できる。また、図２には示していないが、センサ素子１００は複数の穴があいたセンサカバーで覆われており、この穴が目詰まりした時にも同じ挙動となるため、同様の方法で異常検出が可能となる。
【００６０】
（２）センサ素子１００の隔壁に亀裂が生じた場合
センサ素子１００のチャンバ１４４，１４６や大気通路１５１，１５５を隔てるための隔壁に亀裂が生じた場合は、亀裂発生箇所によってセンサ挙動が変化する。なお、亀裂発生の要因としては熱的衝撃等が挙げられる。図５（ａ）には亀裂発生箇所を丸数字１〜５で示し、（ｂ）〜（ｄ）には亀裂発生箇所に対応させて各場合のセンサ信号の変化を示す。（ｂ）〜（ｄ）には初期特性を二点鎖線で示している。
【００６１】
第１チャンバ１４４と排ガス側とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（固体電解質１４１やスペーサ１４３の丸数字１の亀裂）、この亀裂から第１チャンバ１４４内に排ガスが入ってくるため、（ｂ）に示すように、酸素濃度に対するポンプセル電流Ｉｐの感度が大きくなる。故に、燃料カット時のポンプセル電流Ｉｐが初期特性よりも所定値分大きめになることから当該異常が検出できる。なおこの場合、（ｄ）に示すように、ＮＯｘ濃度に対するセンサセル電流Ｉｓの感度も大きくなるため、そのＩｓ値を監視することでも当該異常の検出が可能となる。
【００６２】
第１チャンバ１４４と第１大気通路１５１とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（固体電解質１４２の丸数字２の亀裂）、この亀裂から第１チャンバ１４４内に大気が入ってくるため、（ｂ）に示すように、初期特性に対してポンプセル電流Ｉｐがオフセットを持つことになる。故に、排ガス中の酸素濃度が明確な燃料カット時のポンプセル電流Ｉｐが初期特性よりも所定値分大きめとなることにより当該異常が検出できる。
【００６３】
第２チャンバ１４６と大気側とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（固体電解質１４１，１４２の丸数字３の亀裂）、この亀裂から第２チャンバ１４６内に大気が入ってくるため、（ｃ），（ｄ）に示すように、初期特性に対してモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓがオフセットを持つことになる。前述の図４でも説明したように、ポンプセル電圧Ｖｐが所定範囲内（例えば０．３〜０．６Ｖ）で制御されている状態では、排ガス中の酸素濃度、ＮＯｘ濃度にかかわらずモニタセル電流Ｉｍは微小レベル（数１０ｎＡ程度）となるため、かかる状態でモニタセル電流Ｉｍを監視することにより当該異常が検出できる。
【００６４】
第２大気通路１５５と排ガス側とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（絶縁層１５４の丸数字４の亀裂）、この亀裂から第２大気通路１５５内に排ガスが入ってくるため、第２大気通路１５５内では排ガスと大気とが混合され、（ｃ），（ｄ）に示すようにモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓが不安定に変化する。この場合、第２チャンバ１４６内を所定の残留酸素濃度に保持した状態でモニタセル電流Ｉｍの時間的変化を監視し、その振幅が所定値を超えることで異常検出できる。
【００６５】
また、第１大気通路１５１と排ガス側とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（絶縁層１５０の丸数字５の亀裂）、この亀裂から第１大気通路１５１内に排ガスが入ってくるため、第１チャンバ１４４内と第１大気通路１５１内とがほぼ同じ酸素濃度となる。この場合、リッチガスが第１チャンバ１４４に導入されてもポンプセル電流Ｉｐがリッチ側に変化しないことから当該異常が検出できる。
【００６６】
［２］各セル１１０，１２０，１３０に異常が生じた場合
（１）ポンプセル１１０に異常が生じた場合
ポンプセル１１０の異常としては、例えば電極配線の断線、電極間ショート、活性異常等が考えられる。先ず電極配線の断線の場合、ポンプセル電流Ｉｐが流れなくなるため、当然にポンプセル電流Ｉｐが流れる状態、例えば燃料カット時においてポンプセル電流Ｉｐが所定値を超えないことにより、この断線異常が検出できる。電極間ショートの場合には、ポンプセル１１０を駆動している回路の電流容量の限界までポンプセル電流Ｉｐが流れるため、予め規定した正常範囲を超えてポンプセル電流Ｉｐが流れることにより電極間ショートが検出できる。また、ポンプセル電極の剥離等による活性異常の場合には、電極と固体電解質との間の抵抗、いわゆるＲｉｐが増大してＶ−Ｉ特性上の抵抗支配域の傾きが小さくなる。故に、Ｒｉｐを監視することにより活性異常が検出できる。
【００６７】
（２）モニタセル１２０に異常が生じた場合
モニタセル１２０の異常としては、ポンプセル１１０と同様に、例えば電極配線の断線、電極間ショート、活性異常等が考えられる。先ず電極配線の断線の場合、第２チャンバ１４６内での残留酸素濃度に関係なくモニタセル電流Ｉｍが流れなくなる。そのため、残留酸素過多となる状態、例えばポンプセル電圧Ｖｐを限界電流域よりも低電圧側（０．１〜０．２Ｖ）で制御した状態でモニタセル電流Ｉｍが所定値よりも低ければ、この断線異常が検出できる。電極間ショートの場合には、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度相当の電流値以上にモニタセル電流Ｉｍが流れるため、予め正常範囲を超えてモニタセル電流Ｉｍが流れることにより電極間ショートが検出できる。また、モニタセル電極の剥離等による活性異常の場合には、電極と固体電解質との間の抵抗、いわゆるＲｉｍが増大してＶ−Ｉ特性上の抵抗支配域の傾きが小さくなる。故に、Ｒｉｍを監視することにより活性異常が検出できる。
【００６８】
（３）センサセル１３０に異常が生じた場合
センサセル１３０の異常としては、ポンプセル１１０等と同様に、例えば電極配線の断線、電極間ショート、活性異常等が考えられる。先ず電極配線の断線の場合、第２チャンバ１４６内での残留酸素濃度に関係なくセンサセル電流Ｉｓが流れなくなる。そのため、残留酸素過多となる状態、例えばポンプセル電圧Ｖｐを限界電流域よりも低電圧側（０．１〜０．２Ｖ）で制御した状態でセンサセル電流Ｉｓが所定値よりも低ければ、この断線異常が検出できる。電極間ショートの場合には、予め規定した正常範囲を超えてセンサセル電流Ｉｓが流れるため、電極間ショートが検出できる。また、センサセル電極の剥離等による活性異常の場合には、電極と固体電解質との間の抵抗、いわゆるＲｉｓが増大してＶ−Ｉ特性上の抵抗支配域の傾きが小さくなる。故に、Ｒｉｓを監視することにより活性異常が検出できる。
【００６９】
本実施の形態では、上述したＮＯｘセンサ１８の各種異常をそれぞれに適した検出条件に基づいて検出することとしており、その検出条件毎に以下の異常検出モードが設定されている。すなわち、第１には、通常動作時に実施される異常検出モードがあり、当該異常検出モードでは通常動作時のセンサ出力に基づいて異常検出が実施される。第２には、燃料カット時に実施される異常検出モードがあり、当該異常検出モードでは燃料カット時の排ガスの酸素濃度（ポンプセル電流Ｉｐ）が既知であることに基づいて異常検出が実施される。第３には、ＮＯｘセンサ１８にリッチガスが供給されている場合に実施される異常検出モードがあり、当該異常検出モードでは所定リッチ状態でのポンプセル電流Ｉｐが分かっていることに基づいて異常検出が実施される。第４には、ＮＯｘ濃度検出を必要としない期間（ＮＯｘ非検出時）において実施される異常検出モードがあり、当該異常検出モードでは各セル１１０〜１３０の直流素子抵抗に基づいて異常検出が実施される。なお、ＮＯｘ非検出時は、ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸蔵能力を監視する必要のない期間であれば良く、例えば、ＮＯｘ触媒１６の再生処理を実施した後、所定時間（例えば３０分程度）以内の期間である。以下、各異常検出モードを詳述する。
【００７０】
通常動作時の異常検出モードでは、通常動作時のセンサ出力が本来あり得ない出力値になった場合に異常種別に応じて異常発生が検出される。この場合には、当該異常の検出条件が制約されることはない。その検出対象は、各セル１１０〜１３０の電極間ショート、第２チャンバ１４６における隔壁亀裂（図５の丸数字３の亀裂）、第２大気通路１５５の排ガス側隔壁亀裂（図５の丸数字４の亀裂）である。
【００７１】
具体的には、ポンプセル電流Ｉｐが正常範囲外の所定値Ｉｐａ（例えば５ｍＡ）以上であれば、ポンプセル１１０の電極間ショートであると判定される。また、モニタセル電流Ｉｍが正常範囲外の所定値Ｉｍａ（例えば５μＡ）以上であれば、モニタセル１２０の電極間ショートであると判定され、センサセル電流Ｉｓが正常範囲外の所定値Ｉｓａ（例えば５μＡ）以上であれば、センサセル１３０の電極間ショートであると判定される。また、前記の電極間ショートが生じておらずポンプセル１１０により残留酸素濃度が所定の低濃度に調整された状態で、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍｂ（例えば１μＡ）以上であれば、第２チャンバ１４６における隔壁亀裂が生じたと判定される。更に、モニタセル電流Ｉｍの振幅が所定値Ｉｍｃ（例えば０．５μＡ）以上であれば、第２大気通路１５５の排ガス側隔壁亀裂が生じたと判定される。
【００７２】
燃料カット時の異常検出モードでは、センサ出力が燃料カット時として本来あり得ない出力値になった場合に異常種別に応じて異常発生が検出される。その検出対象は、排ガス導入口１４１ａ等の目詰まり異常、第１チャンバ１４４の排ガス側隔壁亀裂（図５の丸数字１の亀裂）、同第１チャンバ１４４の大気側隔壁亀裂（図５の丸数字２の亀裂）、ポンプセル電極配線の断線である。
【００７３】
図６を用いて具体的に説明すると、燃料カット時には大気（酸素濃度＝約２０．６％）が第１チャンバ１４４に導入され、その時のポンプセル電流Ｉｐは例えば２ｍＡ程度となる。この場合、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｂ（例えば１ｍＡ）以下であれば、排ガス導入口１４１ａや多孔質拡散層１４７等の目詰まりが生じたと判定され、更に所定値Ｉｐｂよりも小さな所定値Ｉｐｃ（例えば０．２ｍＡ）以下であれば、ポンプセル電極配線の断線が生じたと判定される。また、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｄ（例えば３ｍＡ）以上であれば、第１チャンバ１４４の排ガス側隔壁亀裂又は第１チャンバ１４４の大気側隔壁亀裂が生じたと判定される。なお本実施の形態では、第１チャンバ１４４の排ガス側隔壁亀裂と、第１チャンバ１４４の大気側隔壁亀裂とを特に区別しないが、図５で説明した通り前者の場合はセンサセル電流Ｉｓの感度も大きくなるため、これを併せて考慮すれば、前記２つの隔壁亀裂を区別できる。
【００７４】
リッチガス時の異常検出モードでは、センサ出力が排ガスリッチ時として本来あり得ない出力値になった場合に異常発生が検出される。その検出対象は、第１大気通路１５１の排ガス側隔壁亀裂（図５の丸数字５の亀裂）である。具体的には、所定のリッチ雰囲気でのＩｐ値が分かっていれば（例えばＡ／Ｆ＝１３相当ではＩｐ＝−０．５ｍＡ程度）、そのリッチガス状態下でポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｅ（例えば−０．３ｍＡ）以上になった場合、第１大気通路１５１の排ガス側隔壁亀裂が生じたと判定される。
【００７５】
また、ＮＯｘ非検出時の異常検出モードでは、ＮＯｘ濃度の検出が中断できるため、各セル１１０〜１３０の印加電圧操作により電流出力が一時的に変化されてその時の計測結果から異常発生が検出される。その検出対象は、モニタセル電極配線の断線、センサセル電極配線の断線、各セル１１０〜１３０の活性異常である。
【００７６】
具体的には、ポンプセル電圧Ｖｐが通常の動作範囲よりも低電圧とされて第２チャンバ１４６内が残留酸素過多の状態とされる。そしてその状態下で、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍｄ（例えば１μＡ）以下になった場合、モニタセル電極配線の断線が生じたと判定され、センサセル電流Ｉｓが所定値Ｉｓｄ（例えば１μＡ）以下になった場合、センサセル電極配線の断線が生じたと判定される。また、ポンプセル特性上の抵抗支配域（限界電流域よりも低電圧側の領域）にポンプセル電圧Ｖｐが操作されてポンプセル１１０の直流素子抵抗Ｒｉｐが求められ、そのＲｉｐが所定値Ｒｉｐｒｅｆ（例えば１２０Ω）以上になる場合、ポンプセル活性異常が生じたと判定される。その他、モニタセル１２０、センサセル１３０の活性異常検出も同様に行われる。
【００７７】
次に、センサＥＣＵ２１のマイコン２２により実施されるＮＯｘセンサ１８の異常検出処理について、図７〜図１２に示すフローチャートに基づいて説明する。図７はＮＯｘセンサ異常検出処理の全体を、図８は通常動作時に繰り返し実施される異常検出処理を、図９は燃料カット時に実施される異常検出処理を、図１０はリッチガス時に実施される異常検出処理を、図１１及び図１２はＮＯｘ濃度の非検出期間に実施される異常検出処理を、それぞれ示すフローチャートである。
【００７８】
図７において、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３では、今現在どの検出条件が成立しているかを判別し、何れの検出条件が成立するかに応じて異常検出処理の振り分けを実施する。すなわち、ステップＳ１０１では、燃料カット時であるか否かを判別し、ステップＳ１０２では、ＮＯｘセンサ１８にリッチガスが供給されている状態であるか否かを判別する。また、ステップＳ１０３では、例えばＮＯｘ触媒１６の再生処理が実施された直後であり、ＮＯｘ濃度検出を要しないＮＯｘ非検出時であるか否かを判別する。
【００７９】
そして、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３が何れもＮＯとなる場合、ステップＳ１０４に進み、通常動作時の異常検出処理を実施する。また、今現在燃料カットが実施されていればステップＳ１０５に進み、燃料カット時の異常検出処理を実施する。リッチガスが供給されていればステップＳ１０６に進み、リッチガス時の異常検出処理を実施する。ＮＯｘ非検出時であればステップＳ１０７に進み、ＮＯｘ非検出時の異常検出処理を実施する。以下、通常動作時の異常検出処理（ステップＳ１０４）、燃料カット時の異常検出処理（ステップＳ１０５）、リッチガス時の異常検出処理（ステップＳ１０６）、ＮＯｘ非検出時の異常検出処理（ステップＳ１０７）を順に説明する。
【００８０】
図８に示す通常動作時の異常検出処理において、先ずステップＳ２０１では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐａ（例えば５ｍＡ）以上であるか否かを判別する。Ｉｐ≧ＩｐａであればステップＳ２０２に進み、ポンプセル１１０の電極間ショートが生じていると判定する。ポンプセル１１０の電極間ショートが発生した場合は、第１チャンバ１４４内の酸素濃度が調整不可能となり、モニタセル電流Ｉｍやセンサセル電流Ｉｓが正常値から大きく逸脱することとなるため、以後の判定は行わない。
【００８１】
Ｉｐ＜Ｉｐａの場合はステップＳ２０３に進み、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍａ（例えば５μＡ）以上であるか否かを判別する。そして、Ｉｍ≧ＩｍａであればステップＳ２０４に進み、モニタセル１２０の電極間ショートが生じていると判定する。また、Ｉｍ＜Ｉｍａの場合はステップＳ２０５に進み、センサセル電流Ｉｓが所定値Ｉｓａ（例えば５μＡ）以上であるか否かを判別する。そして、Ｉｓ≧ＩｓａであればステップＳ２０６に進み、センサセル１３０の電極間ショートが生じていると判定する。モニタセル１２０又はセンサセル１３０で電極間ショートが生じた場合、両セルの機能が損なわれるため以後の判定は行わない。
【００８２】
その後、各セル１１０〜１３０で電極間ショートが生じていないことを条件にステップＳ２０７に進み、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍｂ（例えば１μＡ）以上であるか否かを判別する。Ｉｍ≧ＩｍｂであればステップＳ２０８に進み、第２チャンバ１４６の隔壁亀裂が生じていると判定する。
【００８３】
Ｉｍ＜ＩｍｂであればステップＳ２０９に進み、モニタセル電流の振幅ΔＩｍが所定値Ｉｍｃ（例えば０．５μＡ）以上であるか否かを判別する。そして、ΔＩｍ≧ＩｍｃであればステップＳ２１０に進み、第２大気通路１５５の排ガス側隔壁亀裂が生じていると判定する。
【００８４】
次に、図９に示す燃料カット時の異常検出処理において、先ずステップＳ３０１では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｂ（例えば１ｍＡ）以下であるか否かを判別し、次のステップＳ３０２では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｃ（例えば０．２ｍＡ）以下であるか否かを判別する。そして、Ｉｐｃ＜Ｉｐ≦Ｉｐｂであれば（ステップＳ３０１がＹＥＳ、Ｓ３０２がＮＯの場合）、ステップＳ３０３に進み、排ガス導入口１４１ａ等の目詰まりが生じていると判定する。Ｉｐ≦Ｉｐｃであれば（ステップＳ３０１，Ｓ３０２が共にＹＥＳの場合）、ステップＳ３０４に進み、ポンプセル電極配線の断線が生じていると判定する。
【００８５】
また、ステップＳ３０５では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｄ（例えば３ｍＡ）以上であるか否かを判別する。そして、Ｉｐ≧ＩｐｄであればステップＳ３０６に進み、第１チャンバ１４４の排ガス側隔壁亀裂又は第１チャンバ１４４の大気側隔壁亀裂が生じていると判定する。
【００８６】
次に、図１０に示すリッチガス時の異常検出処理において、ステップＳ４０１では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｅ（例えば−０．３ｍＡ）以上であるか否かを判別する。そして、Ｉｐ≧ＩｐｅであればステップＳ４０２に進み、第１大気通路１５１の排ガス側隔壁亀裂が生じていると判定する。
【００８７】
次に、図１１及び図１２に示すＮＯｘ非検出時の異常検出処理において、先ずステップＳ５０１では、ポンプセル電圧Ｖｐを０．１Ｖに制御してその時のモニタセル電流の計測値Ｉｍ１とセンサセル電流の計測値Ｉｓ１とを取得する。そして、続くステップＳ５０２では、前記取得したＩｍ１値が所定値Ｉｍｄ（例えば１μＡ）以下であるか否かを判別し、Ｉｍ１≦Ｉｍｄであれば、ステップＳ５０３でモニタセル電極配線の断線が生じていると判定する。また、ステップＳ５０４では、前記取得したＩｓ１値が所定値Ｉｓｄ（例えば１μＡ）以下であるか否かを判別し、Ｉｓ１≦Ｉｓｄであれば、ステップＳ５０５でセンサセル電極配線の断線が生じていると判定する。なお、モニタセル１２０又はセンサセル１３０で電極配線の断線が生じた場合、両セルの機能が損なわれるため以後の判定は行わない。
【００８８】
その後、モニタセル１２０、センサセル１３０の電極配線の断線が生じていないことを条件にステップＳ５０６に進む。ステップＳ５０６では、ポンプセル電圧Ｖｐを０Ｖ、０．１Ｖに制御した時のポンプセル電流の計測値Ｉｐ００，Ｉｐ０１を取得する。ステップＳ５０７では、ポンプセル１１０の直流素子抵抗Ｒｉｐを演算する｛Ｒｉｐ＝０．１／（Ｉｐ０１−Ｉｐ００）｝。そして、ステップＳ５０８では、直流素子抵抗Ｒｉｐが所定値Ｒｉｐｒｅｆ（例えば１２０Ω）以上であるか否かを判別し、Ｒｉｐ≧ＲｉｐｒｅｆであればステップＳ５０９に進み、ポンプセル１１０の活性異常が生じていると判定する。
【００８９】
その後、ステップＳ５１０〜Ｓ５１３では、ポンプセル１１０の場合と同様の手法にてモニタセル１２０の直流素子抵抗Ｒｉｍを演算し、当該Ｒｉｍが所定値Ｒｉｍｒｅｆ（例えば４０ｋΩ）であればモニタセル１２０の活性異常が生じていると判定する。
【００９０】
また、ステップＳ５１４〜Ｓ５１７でも、ポンプセル１１０の場合と同様の手法にてセンサセル１３０の直流素子抵抗Ｒｉｓを演算し、当該Ｒｉｓが所定値Ｒｉｓｒｅｆ（例えば３０ｋΩ）であればセンサセル１３０の活性異常が生じていると判定する。
【００９１】
上記の通り図７〜図１２の各処理で異常種別を特定した場合、その都度の異常検出データ（ダイアグデータ）がセットされてバックアップＲＡＭやＥＥＰＲＯＭ等に記憶保持されるようになっている。そして、異常発生内容に応じてセンサ制御特性の補正、異常検出ランプ（ＭＩＬ）の点灯、ＮＯｘセンサ１８の交換等が適宜行われる。例えば、排ガス導入口１４１ａ等の目詰まり、各セル１１０〜１３０の活性異常が生じたものの異常の程度が軽微（又は異常発生初期）であれば、印加電圧の補正等が実施され、センサ出力は継続して使用される。但し、目詰まりや活性異常等の程度、又は異常発生後の経過時間によってはセンサ出力の使用が禁止され、センサ交換が促される。また、各セル１１０〜１３０の電極間ショート、電極配線の断線、素子割れ（隔壁の亀裂）が発生した場合には、異常検出ランプが点灯されてＮＯｘセンサ１８の交換が促される。
【００９２】
以上詳述した本実施の形態によれば、ＮＯｘセンサ１８の異常種別に応じて検出条件を設定し、センサ作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象に異常検出を実施するようにしたため、ＮＯｘセンサ１８の異常種別を特定することが可能となる。また、異常種別の特定が可能となることから、ＮＯｘセンサ１８の異常発生後において、センサ出力の使用について許可又は禁止の判断や、センサ制御特性の補正、センサ交換等を行うことの判断を適切に実施できるようになる。
【００９３】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
【００９４】
図４（ｂ）において、ポンプセル電圧Ｖｐとモニタセル電流Ｉｍとの関係を示す特性上、モニタセル電流Ｉｍが急変するポンプセル電圧Ｖｐ（変曲点）が存在し、このＶｐ値はポンプセル１１０の活性異常が生じて酸素排出能力が低下した場合に高電圧側にシフトする。そこで、ＮＯｘ非検出時であることを検出条件としてポンプセル電圧Ｖｐを低電圧側にシフトさせ、その際、モニタセル電流Ｉｍが急変するポンプセル電圧Ｖｐ（すなわち、モニタセル電流Ｉｍが所定値まで変化した時のＶｐ値）が正常時よりも高ければポンプセル１１０の活性異常が生じたと判定する。
【００９５】
具体的には、前記図１１のフローチャートにおけるステップＳ５０６〜Ｓ５０９の処理に代えて、図１３に示す処理を実施する。図１３において、ステップＳ６０１では、ポンプセル電圧Ｖｐを所定量（例えば１０ｍＶ程度）低下させ、その時のモニタセル電流Ｉｍの計測値を取得する。その後、ステップＳ６０２では、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍｒｅｆ（例えば０．１μＡ）以上になったか否かを判別し、Ｉｍ≧Ｉｍｒｅｆになったことを条件に後続のステップＳ６０３に進む。ステップＳ６０３では、Ｉｍ≧Ｉｍｒｅｆになった時点のポンプセル電圧Ｖｐの値が所定値Ｖｐｒｅｆ以上であるか否かを判別する。そして、Ｖｐ≧ＶｐｒｅｆであればステップＳ６０４に進み、ポンプセル１１０の活性異常が生じていると判定する。なお、前記ステップＳ６０３の所定値Ｖｐｒｅｆは酸素濃度に応じて決まる数値であり、例えば、酸素濃度０％時にはＶｐｒｅｆ＝０．２５Ｖ、酸素濃度１０％時にはＶｐｒｅｆ＝０．３Ｖ、酸素濃度２０％時にはＶｐｒｅｆ＝０．３５Ｖとし、酸素濃度がこれらの中間値の場合には一次補間によりＶｐｒｅｆ値を決めれば良い。
【００９６】
ＮＯｘセンサとしては、前記の３セル構造の他、ポンプセル（第１セル）及びセンサセル（第２セル）よりなる２セル構造のものや、４つ以上のセルを有するものでも良い。また、ＮＯｘセンサ以外にも、それとほぼ同様の構成を有するガス濃度センサに本発明が適用でき、例えば排ガス中のＨＣ濃度を検出するＨＣセンサや、ＣＯ濃度を検出するＣＯセンサに適用することも可能である。
【００９７】
本発明を、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサに適用することも可能である。酸素センサとしては、酸素濃度に応じた起電力出力を行ういわゆるＯ2センサや、酸素濃度に応じたリニアな限界電流出力を行ういわゆるＡ／Ｆセンサが適用でき、更にはコップタイプ、積層タイプの何れであっても良い。具体的な構成としては、固体電解質体と、該固体電解質体上に配置された複数の電極と、少なくとも１つの前記電極に対面して設けられ被検出ガス（排ガス）を導入するガス室とを備えてなるセンサ素子を有し、対をなす電極間で前記固体電解質体内を移動する酸素イオン量に応じた電気信号を出力するものであれば良い。
【００９８】
その他、排ガス以外のガスを濃度検出対象（被検出ガス）とガス濃度センサにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジンの排ガス浄化システムの構成を示す概略図である。
【図２】ＮＯｘセンサの断面構造及びセンサ周辺構成を示す図である。
【図３】ＮＯｘセンサの出力特性を示す図である。
【図４】ＮＯｘセンサの出力特性を示す図である。
【図５】ＮＯｘセンサの亀裂発生箇所と亀裂発生によるセンサ出力の変化とを示す図である。
【図６】燃料カット時のポンプセル特性を示す図である。
【図７】ＮＯｘセンサ異常検出処理の全体を示すフローチャートである。
【図８】通常動作時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図９】燃料カット時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図１０】リッチガス時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図１１】ＮＯｘ非検出時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図１２】図１１に続き、ＮＯｘ非検出時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図１３】ポンプセルの活性異常を検出する処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…エンジン、１８…ＮＯｘセンサ、２１…センサＥＣＵ、２２…マイコン、１００…センサ素子、１１０…ポンプセル、１１１，１１２…電極、１２０…モニタセル、１２１，１２２…電極、１３０…センサセル、１３１…電極、１４１，１４２…固体電解質、１４４…第１チャンバ、１４６…第２チャンバ、１５１…第１大気通路、１５５…第２大気通路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度センサの異常検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス濃度センサとして、例えば車両用内燃機関から排出される排ガスを検出対象とし、その排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出する、いわゆるＮＯｘセンサが知られている。例えば、リーン燃焼内燃機関の排ガス浄化システムでは、リーン燃焼時に生じるＮＯｘを吸蔵するためのＮＯｘ吸蔵触媒が設けられると共にその下流側にＮＯｘセンサが設けられている。そして、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量が増えてＮＯｘ吸蔵能力が低下した場合や、排ガス中の硫黄成分がＮＯｘ吸蔵触媒に吸着してＮＯｘの浄化能力が低下した場合にそれがＮＯｘセンサの検出結果から検知され、燃料噴射量をリッチ化する等の再生処理が行われるようになっている。
【０００３】
ガス濃度センサについて故障診断を実施する従来技術として、例えば特許文献１（特開平１１−１４５８９号公報）では、ガス濃度センサの温度と同ガス濃度センサの交流抵抗（交流インピーダンス）とには相関があることを利用して故障診断を実施している。すなわち、交流抵抗が所定の範囲内になるようにセンサ付属のヒータを制御した場合においてヒータを通電しているにも拘わらず交流抵抗がある範囲以上になるようであれば、ガス濃度センサに何らかの故障があると判断して、センサの故障を自己診断するようにしている。
【０００４】
また、特許文献２（特開平１１−３７９７２号公報）に記載のガス濃度センサでは、フィードバック制御系によって主ポンプセルによるポンピング処理を制御し、第１チャンバ内の酸素分圧値をＮＯｘ成分が分解されない所定の値にしている。そして、補正制御系を通じてフィードバック制御系を補正制御しているにもかかわらず第２チャンバ内の酸素濃度を規定レベルに制御できない場合に、何らかの原因でガス濃度センサが故障していると判定するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１４５８９号公報
【特許文献２】
特開平１１−３７９７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１，２では、何れもガス濃度センサの故障発生は判定できるものの、その故障箇所を特定することはできない。つまり、既存の技術は、センサ全体の機能が損なわれたことが分かるに止まるものであった。故に、ガス濃度センサの故障発生が分かったとしても、その故障発生にどう対処してよいか不明であった。例えば、ガス濃度センサの故障内容によっては、必ずしも当該センサの交換を要とせずセンサ制御特性を補正等することで対処できるものもあるが、その判断ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガス濃度センサの異常検出に際しその異常種別を特定することができるガス濃度センサの異常検出装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の異常検出装置では、異常検出対象としてのガス濃度センサは、固体電解質体と、該固体電解質体上に配置された複数の電極と、少なくとも１つの前記電極に対面して設けられ被検出ガスを導入するガス室とを備えており、対をなす電極間で前記固体電解質体内を移動する酸素イオン量に応じた電気信号を出力するものとしている。そして特に、ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々のセンサ出力に基づいて異常検出を実施するようにしている。この場合、所定の検出条件が成立することにより、ガス濃度センサの各種異常のうちその時検出可能となる異常を絞り込むことができ、更にその時々のセンサ出力に基づいて異常種別に異常発生状態を判定できる。故に、ガス濃度センサの異常検出に際しその異常種別を特定することが可能となる。
【０００９】
被検出ガス中の酸素濃度が既知の状態になったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態でセンサ出力に基づいて異常検出を実施する。被検出ガス中の酸素濃度が既知の状態ではセンサ出力がどの程度の値になるかが予め分かるため、そのセンサ出力により異常検出が可能となる。
【００１０】
また、被検出ガスが、既知の濃度である所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対するセンサ出力が、前記センサ素子のガス室に対するガス導入不良が生じたことを判定する第１判定値よりも小さく、かつ、前記第１判定値よりも小さい値であり前記センサ素子の電極配線の断線異常を判定する第２判定値よりも大きければ、前記ガス導入不良が生じたと判定し、同センサ出力が、前記第２判定値以下であれば前記断線異常が生じたと判定する。
センサ素子に設けたガス導入口が目詰まりするなど、センサ素子のガス室に対するガス導入不良が生じた場合、被検出ガスの酸素濃度に対するセンサ感度が低下し、ひいてはセンサ出力の低下を招く。この場合、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になっていれば、センサ出力は本来、高酸素濃度下の所定レベルになるのに対し、ガス導入不良が生じていればセンサ出力が低下する。これにより、ガス導入不良が生じたと特定できる。
【００１１】
また、センサ素子の電極配線の断線異常が生じた場合、前述したガス導入口の目詰まり等によるガス導入不良の場合と同様にセンサ出力の低下が生じるが、断線異常の場合にはセンサ出力の低下幅が大きくなる。故に、センサ素子の電極配線の断線異常が生じたと特定できる。
【００１２】
請求項２，３に記載の発明では、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対するセンサ出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記センサ素子のガス室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。センサ素子のガス室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、余分な酸素がガス室内に導入されるため、センサ出力が大きくなる。故に請求項２，３によれば、センサ素子のガス室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００１３】
内燃機関より排出される排ガスを検出対象とする場合、内燃機関の運転中に燃料供給を停止した燃料カット状態下であれば、排ガスの酸素濃度は既知の状態（約２０．６％）となる。従って、請求項４に記載したように、燃料カット状態下であることを検出条件とすれば、前述したガス導入不良、センサ素子の電極配線の断線異常、ガス室隔壁の亀裂異常が何れも特定できる。
【００１４】
請求項５，６に記載の発明では、被検出ガスの酸素濃度が過少の状態となったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態でセンサ出力が酸素過少側出力に変化しなければ、酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。内燃機関より排出される排ガスを検出対象とする場合においては、請求項７に記載したように、リッチ状態での排ガスが前記ガス室に導入されることを検出条件として異常検出を実施すると良い。酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、酸素基準室に被検出ガス（排ガス）が入ってくるためガス室と酸素基準室との酸素濃度がほぼ等しくなり、センサ出力が酸素過少側出力に変化しなくなる。故に請求項５〜７によれば、酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００１５】
ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件とし、当該検出条件の成立時において前記センサ素子の対をなす電極間への印加電圧を増減操作することによりセンサ素子の抵抗値を算出し、該算出した抵抗値が所定値以上であれば当該センサ素子の活性異常が生じたと判定するようにしてもよい。センサ素子の活性異常が生じた場合、センサ素子の抵抗値が大きくなることから当該活性異常が特定できる。このとき、ガス濃度検出を要しない期間で印加電圧操作が行われるため、ガス濃度検出自体に悪影響が及ぶことはない。
【００１６】
前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記センサ素子を駆動するための回路の電流容量の限界付近までセンサ出力が増加した場合にセンサ素子の電極間ショートが生じたと判定するようにしてもよい。センサ素子の電極間ショートが生じた場合、センサの作動状態に関係なく（すなわち通常動作時において）、センサ出力が素子駆動回路の電流容量の限界付近まで増加する。故に、センサ素子の電極間ショートが生じたと特定できる。
【００１７】
また、請求項８に記載の異常検出装置では、少なくとも第１セル及び第２セルを備えたガス濃度センサを異常検出対象としている。すなわち、ガス濃度センサにおいて、被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力する。そして特に、ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するようにしている。この場合、所定の検出条件が成立することにより、ガス濃度センサの各種異常のうちその時検出可能となる異常を絞り込むことができ、更にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常種別に異常発生状態を判定できる。故に、ガス濃度センサの異常検出に際しその異常種別を特定することが可能となる。
【００１８】
被検出ガス中の酸素濃度が既知の状態になったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第１セルの出力に基づいて異常検出を実施する。被検出ガス中の酸素濃度が既知の状態では第１セルの出力がどの程度の値になるかが予め分かるため、その第１セルの出力により異常検出が可能となる。
【００１９】
また、被検出ガスが、既知の濃度である所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対する前記第１セルの出力が、前記第１チャンバに対するガス導入不良が生じたことを判定する第１判定値よりも小さく、かつ、前記第１判定値よりも小さい値であり前記第１セル電極配線の断線異常を判定する第２判定値よりも大きければ、前記ガス導入不良が生じたと判定し、同センサ出力が、前記第２判定値以下であれば前記断線異常が生じたと判定する。
第１チャンバに通じるガス導入口が目詰まりするなど、第１チャンバに対するガス導入不良が生じた場合、被検出ガスの酸素濃度に対するセンサ感度が低下し、ひいては第１セルの出力の低下を招く。この場合、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になっていれば、第１セルの出力は本来、高酸素濃度下の所定レベルになるのに対し、ガス導入不良が生じていれば第１セルの出力が低下する。これにより、ガス導入不良が生じたと特定できる。
【００２０】
また、第１セル電極配線の断線異常が生じた場合、前述したガス導入口の目詰まり等によるガス導入不良の場合と同様に第１セルの出力の低下が生じるが、断線異常の場合には第１セルの出力の低下幅が大きくなる。故に、第１セル電極配線の断線異常が生じたと特定できる。
【００２１】
請求項９，１０に記載の発明では、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対する前記第１セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第１チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。第１チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、余分な酸素が第１チャンバ内に導入されるため、第１セルの出力が大きくなる。故に請求項９，１０によれば、第１チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００２２】
内燃機関より排出される排ガスを検出対象とする場合、内燃機関の運転中に燃料供給を停止した燃料カット状態下であれば、排ガスの酸素濃度は既知の状態（約２０．６％）となる。従って、請求項１１に記載したように、燃料カット状態下であることを検出条件とすれば、前述したガス導入不良、第１セル電極配線の断線異常、第１チャンバ隔壁の亀裂異常が何れも特定できる。
【００２３】
請求項１２，１３に記載の発明では、被検出ガスの酸素濃度が過少の状態となったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第１セルの出力が酸素過少側出力に変化しなければ、前記酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。内燃機関より排出される排ガスを検出対象とする場合においては、請求項１４に記載したように、リッチ状態での排ガスが前記第１チャンバに導入されることを検出条件として異常検出を実施すると良い。酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、酸素基準室に被検出ガス（排ガス）が入ってくるため第１チャンバと酸素基準室との酸素濃度がほぼ等しくなり、第１セルの出力が酸素過少側出力に変化しなくなる。故に請求項１２〜１４によれば、酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００２４】
ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件とし、当該検出条件の成立時において前記第１セル又は前記第２セルへの印加電圧を増減操作することにより当該第１セル又は第２セルの抵抗値を算出し、該算出した抵抗値が所定値以上であれば当該第１セル又は第２セルの活性異常が生じたと判定するようにしてもよい。第１セル又は第２セルの活性異常が生じた場合、各セルの抵抗値が大きくなることから当該活性異常が特定できる。このとき、ガス濃度検出を要しない期間で印加電圧操作が行われるため、ガス濃度検出自体に悪影響が及ぶことはない。
【００２５】
請求項１５，１６に記載の発明では、前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セルにより残留酸素濃度が所定濃度に調整された状態で前記第２セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じた場合、センサの作動状態に関係なく（すなわち通常動作時において）、余分な酸素が第２チャンバ内に導入されるため、第２セルの出力が大きくなる。故に請求項１５，１６によれば、第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと特定できる。
【００２６】
前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セル又は前記第２セルを駆動するための回路の電流容量の限界付近まで各セルの出力が増加した場合に、該当するセルの電極間ショートが生じたと判定するようにしてもよい。各セルの電極間ショートが生じた場合、センサの作動状態に関係なく（すなわち通常動作時において）、各セルの出力がセル駆動回路の電流容量の限界付近まで増加する。故に、各セルの電極間ショートが生じたと特定できる。
【００２７】
請求項１７に記載の発明では、前記第１セルへの印加電圧を通常の濃度検出時よりも低電圧とすることを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第２セルの出力が所定値よりも小さければ第２セル電極配線の断線異常が生じたと判定する。第１セルへの印加電圧を通常の濃度検出時よりも低電圧とした場合、第１セルによる酸素排出量が減るために残留酸素過多となり第２セル出力が増加するが、第２セル電極配線の断線異常が生じると当該第２セル出力の増加が確認できなくなる。故に、第２セル電極配線の断線異常が生じたと特定できる。
【００２８】
また、第１セルの印加電圧と第２セルの出力との関係を示す特性上、第１セルの印加電圧が低い領域では第２セルの出力が急激に増大し、第１セルの印加電圧がある程度高くなると第２セルの出力がほぼ一定になる（図４（ｂ）参照、同図のＶｐが第１セルの印加電圧に相当し、Ｉｓが第２セルの出力に相当する）。つまり、上記特性では、第２セルの出力が急変する第１セルの印加電圧（変曲点）が存在し、この電圧値は第１セルの活性異常が生じた場合に高電圧側にシフトする。そこで、請求項１８，２５に記載の発明では、ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件として前記第１セルの印加電圧を低電圧側にシフトさせ、その際、第１セルの印加電圧に対する第２セルの出力の特性上、第２セルの出力が急変する第１セルの印加電圧が正常時よりも高ければ前記第１セルの活性異常が生じたと判定する。これにより、第１セルの活性異常が特定できる。
【００２９】
ここで、「第２セルの出力（Ｉｓ）が急変する第１セルの印加電圧（Ｖｐ）」とは、図４（ｂ）に示すＶｐ−Ｉｓ特性において、例えば、Ｖｐを高電圧側から低電圧側に順に推移させた場合にＩｓが急激に増大するＶｐ値である。すなわちＩｓがほぼ一定となる領域を抜けて、所定の比率以上で増加する時のＶｐ値である。
【００３０】
以下、請求項１９〜請求項２４，２６，２７は、前記第２チャンバ内の残留酸素濃度に応じた出力を発生する第３セルを更に備え、該第３セルの出力に応じて前記第１セルの印加電圧が制御されるガス濃度センサに適用されるものである。請求項１９に記載の発明では、何れも前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第３セルの出力に基づいて異常検出を実施する。
【００３１】
請求項２０に記載の発明では、ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件とし、当該検出条件の成立時において前記第３セルへの印加電圧を増減操作することにより当該第３セルの抵抗値を算出し、該算出した抵抗値が所定値以上であれば当該第３セルの活性異常が生じたと判定する。
【００３２】
請求項２１，２６に記載の発明では、前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セルにより残留酸素濃度が所定濃度に調整された状態で前記第３セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する。
【００３３】
請求項２２に記載の発明では、前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第３セルを駆動するための回路の電流容量の限界付近までセル出力が増加した場合に当該第３セルの電極間ショートが生じたと判定する。
【００３４】
請求項２３に記載の発明では、前記第１セルへの印加電圧を通常の濃度検出時よりも低電圧とすることを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第３セルの出力が所定値よりも小さければ第３セル電極配線の断線異常が生じたと判定する。
【００３５】
請求項２４，２７に記載の発明では、ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件として前記第１セルの印加電圧を低電圧側にシフトさせ、その際、第１セルの印加電圧に対する第３セルの出力の特性上、第３セルの出力が急変する第１セルの印加電圧が正常時よりも高ければ前記第１セルの活性異常が生じたと判定する。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では自動車用ガソリンエンジンの制御システムに本発明を具体化しており、エンジンより排出される排ガスの特定成分濃度がガス濃度センサにより検出される。特に本実施の形態では、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出可能な、いわゆるＮＯｘセンサを用い、同ＮＯｘセンサからＮＯｘ濃度情報を取得することとしている。
【００３７】
図１はエンジンの排ガス浄化システムの構成例を示す概略図である。エンジン１０には吸気管１１を通じて空気が吸入され、その吸入空気量が吸入空気量センサ１２により検出される。そして、エンジン１０において燃料噴射弁１３より噴射された燃料が吸入空気と共に燃焼に供される。エンジン１０の排気管１４には、三元触媒１５とＮＯｘ触媒１６とが設けられている。三元触媒１５は、排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘといった三成分を浄化する。ＮＯｘ触媒１６はＮＯｘ吸蔵還元型触媒であって、主にリーン空燃比での燃焼時に排ガス中のＮＯｘを吸蔵する一方、リッチ空燃比での燃焼時に前記吸蔵したＮＯｘをリッチ成分（一酸化炭素ＣＯ，炭化水素ＨＣなど）で還元し放出する。三元触媒１５の上流側にはＡ／Ｆセンサ１７が配設され、ＮＯｘ触媒１６の下流側にはＮＯｘセンサ１８が配設されている。
【００３８】
エンジンＥＣＵ２０は、エンジン１０の燃料噴射制御や点火時期制御等を実施するためのエンジン制御用電子制御ユニットであり、このエンジンＥＣＵ２０に吸入空気量センサ１２やＡ／Ｆセンサ１７等の検出信号が入力される。エンジンＥＣＵ２０は、燃費向上を図るべく、燃料噴射弁１３による燃料噴射量を空燃比リーンの状態で制御する。また、センサＥＣＵ２１はＮＯｘセンサ制御用の電子制御ユニットであり、このセンサＥＣＵ２１にＮＯｘセンサ１８の検出信号が入力される。センサＥＣＵ２１は、ＮＯｘセンサ１８の検出信号に基づいてＮＯｘ濃度を演算し、その演算結果をエンジンＥＣＵ２０に対して出力する。
【００３９】
リーン燃焼制御に際し、排ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ触媒１６に吸蔵されると、ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸蔵能力が次第に低下し、吸蔵できなかったＮＯｘが排気管１４外に排出されるおそれが生じる。そこで、ＮＯｘ触媒１６下流側のＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサ１８により検出すると共に、その結果をセンサＥＣＵ２１からエンジンＥＣＵ２０に送信する。そして、エンジンＥＣＵ２０において、ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ浄化能力が低下し始めたことを検知し、ＮＯｘ浄化能力を回復させるための再生処理を実施する。再生処理としては、燃料噴射弁１６による燃料噴射量をリッチ化してＮＯｘ触媒１６に一時的にリッチガスを供給し、ＮＯｘ触媒１６に吸蔵したＮＯｘを還元放出するようにしている。また、排ガスに含まれる硫黄成分がＮＯｘ触媒１６に付着するとＮＯｘ浄化能力が低下し、やはり同様にＮＯｘ排出の問題が懸念される。そのため、かかる場合にも燃料噴射量を一時的にリッチ化し、ＮＯｘ触媒１６に付着した硫黄成分を炭化水素と燃焼反応させて取り除くようにしている。
【００４０】
次に、ＮＯｘセンサ１８の構成を図２を用いて説明する。図２はセンサ素子の先端部構造を示す断面図である。ＮＯｘセンサ１８は、「第１セル」としてのポンプセル、「第２セル」としてのセンサセル及び「第３セル」としてのモニタセルからなる３セル構造を有し、上記３セルによりセンサ素子が構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、第２のポンプセルと称される場合もある。
【００４１】
図２に示すセンサ素子１００において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質１４１，１４２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１４３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質１４１には排ガス導入口１４１ａが形成されており、この排ガス導入口１４１ａを介して当該センサ周囲の排ガスが第１チャンバ１４４内に導入される。第１チャンバ１４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバ１４６に連通している。固体電解質１４１の図の上面には、排ガスを所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層１４７が設けられると共に、大気通路１５５を区画形成するための絶縁層１５４が設けられている。
【００４２】
図の下側の固体電解質１４２には、第１チャンバ１４４に対面するようにしてポンプセル１１０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に導入された排ガス中の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル１１０は、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１１１，１１２を有し、そのうち特に第１チャンバ１４４側の電極１１１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）となっている。ポンプセル１１０は、電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐが印加された状態で、第１チャンバ１４４内に存在する酸素を分解して電極１１２より大気通路１５１側に排出する。
【００４３】
また、図の上側の固体電解質１４１には、第２チャンバ１４６に対面するようにしてモニタセル１２０及びセンサセル１３０が設けられている。モニタセル１２０は、前記ポンプセル１１０により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル１３０は、ポンプセル１１０を通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。
【００４４】
モニタセル１２０及びセンサセル１３０は近接した位置に並べて配置されると共に、これら各セル１２０，１３０の大気通路１５５側の電極が共通電極１２２となっている。すなわち、モニタセル１２０は、固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１２１及び共通電極１２２とにより構成され、センサセル１３０は、同じく固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１３１及び共通電極１２２とにより構成されている。モニタセル１２０の電極１２１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル１３０の電極１３１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上図面ではモニタセル１２０及びセンサセル１３０を排ガスの流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル１２０，１３０は排ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。
【００４５】
固体電解質１４２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層１５０が設けられ、この絶縁層１５０により大気通路１５１が形成されている。絶縁層１５０には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）１５２が埋設されている。ヒータ１５２はポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を含めたセンサ素子全体を活性状態にすべく、バッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。説明の便宜上、２つある大気通路１５１，１５５のうち、大気通路１５１を「第１大気通路」、大気通路１５５を「第２大気通路」とも称することとする。
【００４６】
センサＥＣＵ２１はセンサ制御の主体となるマイコン２２を有しており、このマイコン２２により、ポンプセル１１０の電極１１１，１１２間に印加するポンプセル電圧Ｖｐ、モニタセル１２０の電極１２１，１２２間に印加するモニタセル電圧Ｖｍ、センサセル１３０の電極１３１，１２２間に印加するセンサセル電圧Ｖｓがそれぞれ制御される。マイコン２２には、ポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の計測値が逐次入力される。
【００４７】
上記構成のセンサ素子１００において、排ガスは多孔質拡散層１４７及び排ガス導入口１４１ａを通って第１チャンバ１４４に導入される。そして、この排ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、ポンプセル電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐを印加することで分解反応が起こり、第１チャンバ１４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４４側の電極１１１がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル１１０では排ガス中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極１１２から第１大気通路１５１に排出される。こうしたポンプセル１１０の働きにより、第１チャンバ１４４内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。
【００４８】
ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバ１４６に流れ込み、モニタセル１２０では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル１２０の出力は、モニタセル電極１２１，１２２間に所定の電圧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。また、センサセル電極１３１，１２２間に所定の電圧Ｖｓを印加することでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極１２２から第２大気通路１５５に排出される。このとき、センサセル１３０に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が検出される。
【００４９】
次に、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の各特性を説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は酸素濃度及びＮＯｘ濃度が一定のもとでの出力特性を示す。先ずは、ポンプセル特性を図３（ａ）を用いて説明する。
【００５０】
図３（ａ）は、ポンプセル電圧Ｖｐとポンプセル電流Ｉｐとの関係をポンプセル特性として示すＶ−Ｉ特性図であり、ポンプセル１１０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。限界電流域はＶ軸に対して僅かに右上がりの直線部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど（リーンであるほど）電圧値が大きくなる方向にシフトする。同特性の抵抗支配域の傾きは概ねポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐに一致する。
【００５１】
ここで、その都度のポンプセル電流Ｉｐに対するポンプセル電圧Ｖｐは印加電圧特性として予め規定されており、この印加電圧特性に従いその時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル電圧Ｖｐが可変に制御される。ポンプセル１１０はＮＯｘ不活性であるが、ポンプセル電圧Ｖｐが過剰に大きいとＮＯｘが分解されてしまうことから、印加電圧直線ＬＸ１は、ポンプセル１１０でＮＯｘを分解しない程度に設定される。実際には、第１チャンバ１４４内を所定の低酸素濃度、例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度に保持すべくポンプセル電圧Ｖｐが制御される。
【００５２】
また、図３（ｂ）は、モニタセル電圧Ｖｍとモニタセル電流Ｉｍとの関係をモニタセル特性として示すＶ−Ｉ特性図であり、モニタセル１２０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。つまり、モニタセル１２０は、第２チャンバ１４６内の酸素濃度に応じた出力を発生し、その際、モニタセル１２０に所定の電圧Ｖｍ１を印加することにより電流値Ｉｍ１を出力する。この場合、ポンプセル１１０での酸素の出し入れにより第１チャンバ１４４と共に第２チャンバ１４６内が所定の低酸素濃度（例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度）に保持されていれば、例えば数１０ｎＡ程度のモニタセル電流Ｉｍが流れる。
【００５３】
更に、図３（ｃ）は、センサセル電圧Ｖｓとセンサセル電流Ｉｓとの関係をセンサセル特性として示すＶ−Ｉ特性図であり、センサセル１３０はガス中のＮＯｘ濃度に対して限界電流特性を有する。この場合、センサセル１３０に所定の電圧Ｖｓ１を印加することにより、第２チャンバ１４６内のＮＯｘ濃度に応じた電流値Ｉｓ１を出力する。
【００５４】
また、図４において、（ａ）には、ポンプセル電圧Ｖｐに対するポンプセル電流Ｉｐの特性を、（ｂ）には、同じくポンプセル電圧Ｖｐに対するモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓの特性を示している。同図４においては、酸素濃度２０％、ＮＯｘ濃度１００ｐｐｍでの特性を実線で示し、酸素濃度０％、ＮＯｘ濃度０ｐｐｍでの特性を二点鎖線で示している。なお、モニタセル１２０にはモニタセル電圧Ｖｍ１が、センサセル１３０にはセンサセル電圧Ｖｓ１がそれぞれ印加されているものとする。
【００５５】
（ａ）に示すように、酸素濃度２０％の場合、ポンプセル電圧ＶｐとしてＶｐ１値が印加され、酸素濃度０％の場合、ポンプセル電圧ＶｐとしてＶｐ２値が印加される。また、（ｂ）に示すように、ポンプセル電圧Ｖｐに対するモニタセル電流Ｉｍの特性において、ポンプセル電圧Ｖｐの低電圧領域ではモニタセル電流Ｉｍが急激に増大し、ポンプセル電圧Ｖｐがある程度高くなるとモニタセル電流Ｉｍがほぼ一定になるようになっている。つまり、低Ｖｐ領域（抵抗支配域）ではポンプセル電流Ｉｐが小さいため、第１チャンバ１４４内の残留酸素量が増大する。また、ポンプセル特性の限界電流域ではポンプセル電流Ｉｐがほぼ一定になることから第１チャンバ１４４内の残留酸素量がほぼ一定となる。それ故、ポンプセル電圧Ｖｐに対してモニタセル電流Ｉｍが図示の如く変化する。ポンプセル電圧Ｖｐが所定範囲内（例えば０．３〜０．６Ｖ）で制御されている状態では、排ガス中の酸素濃度、ＮＯｘ濃度にかかわらずモニタセル電流Ｉｍは微小レベル（数１０ｎＡ程度）で保持される。
【００５６】
また、ポンプセル電圧Ｖｐに対するセンサセル電流Ｉｓの特性において、ポンプセル電圧Ｖｐに対して平坦な電流域（平坦領域）があり、その平坦領域ではセンサセル電流Ｉｓが安定する。故に、図示の如くポンプセル電圧ＶｐがＶｐ１，Ｖｐ２で制御されれば、排ガス中のＮＯｘ濃度が精度良く検出できる。
【００５７】
前記構成のＮＯｘセンサ１８において万が一劣化や破損等の異常が発生した場合、ＮＯｘ濃度を正しく検知できなくなり、誤った制御が行われる可能性がある。従って、ＮＯｘセンサ１８に異常が生じた場合はそれを判定し、制御モードを走行距離毎にＡ／Ｆをリッチに制御するなどのフェイルセーフモードに切り替えたり、自己診断機能（ＯＢＤ）としてセンサ異常を運転者に知らせてセンサ交換を促したりする必要が生じる。そこで、ＮＯｘセンサ１８の異常を精度良く検出するための異常検出ロジックを構築し、該異常検出ロジックに従い異常検出を実施することを以下に提案する。
【００５８】
ＮＯｘセンサ１８の異常検出方法を、異常種別とその時のセンサ挙動とに区分けして以下に記述する。
【００５９】
［１］センサ全体の劣化
（１）排ガス導入口１４１ａ等の目詰まりが生じた場合
排ガス導入口１４１ａや多孔質拡散層１４７が排ガスに含まれる固体微粒子などにより目詰まりすると、第１チャンバ１４４への単位時間当たりの導入量（排ガス導入率）が低下するため、酸素濃度に対するポンプセル電流Ｉｐが低下する。すなわち酸素濃度に対する感度が低下する。この場合、燃料カット時は排ガスの酸素濃度が既知（約２０．６％）であることから正常なＩｐ値も推測できる。故に、その時のＩｐ値が許容範囲以下に低下しているかどうかを監視することで、当該目詰まりの異常が検出できる。また、図２には示していないが、センサ素子１００は複数の穴があいたセンサカバーで覆われており、この穴が目詰まりした時にも同じ挙動となるため、同様の方法で異常検出が可能となる。
【００６０】
（２）センサ素子１００の隔壁に亀裂が生じた場合
センサ素子１００のチャンバ１４４，１４６や大気通路１５１，１５５を隔てるための隔壁に亀裂が生じた場合は、亀裂発生箇所によってセンサ挙動が変化する。なお、亀裂発生の要因としては熱的衝撃等が挙げられる。図５（ａ）には亀裂発生箇所を丸数字１〜５で示し、（ｂ）〜（ｄ）には亀裂発生箇所に対応させて各場合のセンサ信号の変化を示す。（ｂ）〜（ｄ）には初期特性を二点鎖線で示している。
【００６１】
第１チャンバ１４４と排ガス側とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（固体電解質１４１やスペーサ１４３の丸数字１の亀裂）、この亀裂から第１チャンバ１４４内に排ガスが入ってくるため、（ｂ）に示すように、酸素濃度に対するポンプセル電流Ｉｐの感度が大きくなる。故に、燃料カット時のポンプセル電流Ｉｐが初期特性よりも所定値分大きめになることから当該異常が検出できる。なおこの場合、（ｄ）に示すように、ＮＯｘ濃度に対するセンサセル電流Ｉｓの感度も大きくなるため、そのＩｓ値を監視することでも当該異常の検出が可能となる。
【００６２】
第１チャンバ１４４と第１大気通路１５１とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（固体電解質１４２の丸数字２の亀裂）、この亀裂から第１チャンバ１４４内に大気が入ってくるため、（ｂ）に示すように、初期特性に対してポンプセル電流Ｉｐがオフセットを持つことになる。故に、排ガス中の酸素濃度が明確な燃料カット時のポンプセル電流Ｉｐが初期特性よりも所定値分大きめとなることにより当該異常が検出できる。
【００６３】
第２チャンバ１４６と大気側とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（固体電解質１４１，１４２の丸数字３の亀裂）、この亀裂から第２チャンバ１４６内に大気が入ってくるため、（ｃ），（ｄ）に示すように、初期特性に対してモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓがオフセットを持つことになる。前述の図４でも説明したように、ポンプセル電圧Ｖｐが所定範囲内（例えば０．３〜０．６Ｖ）で制御されている状態では、排ガス中の酸素濃度、ＮＯｘ濃度にかかわらずモニタセル電流Ｉｍは微小レベル（数１０ｎＡ程度）となるため、かかる状態でモニタセル電流Ｉｍを監視することにより当該異常が検出できる。
【００６４】
第２大気通路１５５と排ガス側とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（絶縁層１５４の丸数字４の亀裂）、この亀裂から第２大気通路１５５内に排ガスが入ってくるため、第２大気通路１５５内では排ガスと大気とが混合され、（ｃ），（ｄ）に示すようにモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓが不安定に変化する。この場合、第２チャンバ１４６内を所定の残留酸素濃度に保持した状態でモニタセル電流Ｉｍの時間的変化を監視し、その振幅が所定値を超えることで異常検出できる。
【００６５】
また、第１大気通路１５１と排ガス側とを隔てる隔壁に亀裂が生じた場合（絶縁層１５０の丸数字５の亀裂）、この亀裂から第１大気通路１５１内に排ガスが入ってくるため、第１チャンバ１４４内と第１大気通路１５１内とがほぼ同じ酸素濃度となる。この場合、リッチガスが第１チャンバ１４４に導入されてもポンプセル電流Ｉｐがリッチ側に変化しないことから当該異常が検出できる。
【００６６】
［２］各セル１１０，１２０，１３０に異常が生じた場合
（１）ポンプセル１１０に異常が生じた場合
ポンプセル１１０の異常としては、例えば電極配線の断線、電極間ショート、活性異常等が考えられる。先ず電極配線の断線の場合、ポンプセル電流Ｉｐが流れなくなるため、当然にポンプセル電流Ｉｐが流れる状態、例えば燃料カット時においてポンプセル電流Ｉｐが所定値を超えないことにより、この断線異常が検出できる。電極間ショートの場合には、ポンプセル１１０を駆動している回路の電流容量の限界までポンプセル電流Ｉｐが流れるため、予め規定した正常範囲を超えてポンプセル電流Ｉｐが流れることにより電極間ショートが検出できる。また、ポンプセル電極の剥離等による活性異常の場合には、電極と固体電解質との間の抵抗、いわゆるＲｉｐが増大してＶ−Ｉ特性上の抵抗支配域の傾きが小さくなる。故に、Ｒｉｐを監視することにより活性異常が検出できる。
【００６７】
（２）モニタセル１２０に異常が生じた場合
モニタセル１２０の異常としては、ポンプセル１１０と同様に、例えば電極配線の断線、電極間ショート、活性異常等が考えられる。先ず電極配線の断線の場合、第２チャンバ１４６内での残留酸素濃度に関係なくモニタセル電流Ｉｍが流れなくなる。そのため、残留酸素過多となる状態、例えばポンプセル電圧Ｖｐを限界電流域よりも低電圧側（０．１〜０．２Ｖ）で制御した状態でモニタセル電流Ｉｍが所定値よりも低ければ、この断線異常が検出できる。電極間ショートの場合には、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度相当の電流値以上にモニタセル電流Ｉｍが流れるため、予め正常範囲を超えてモニタセル電流Ｉｍが流れることにより電極間ショートが検出できる。また、モニタセル電極の剥離等による活性異常の場合には、電極と固体電解質との間の抵抗、いわゆるＲｉｍが増大してＶ−Ｉ特性上の抵抗支配域の傾きが小さくなる。故に、Ｒｉｍを監視することにより活性異常が検出できる。
【００６８】
（３）センサセル１３０に異常が生じた場合
センサセル１３０の異常としては、ポンプセル１１０等と同様に、例えば電極配線の断線、電極間ショート、活性異常等が考えられる。先ず電極配線の断線の場合、第２チャンバ１４６内での残留酸素濃度に関係なくセンサセル電流Ｉｓが流れなくなる。そのため、残留酸素過多となる状態、例えばポンプセル電圧Ｖｐを限界電流域よりも低電圧側（０．１〜０．２Ｖ）で制御した状態でセンサセル電流Ｉｓが所定値よりも低ければ、この断線異常が検出できる。電極間ショートの場合には、予め規定した正常範囲を超えてセンサセル電流Ｉｓが流れるため、電極間ショートが検出できる。また、センサセル電極の剥離等による活性異常の場合には、電極と固体電解質との間の抵抗、いわゆるＲｉｓが増大してＶ−Ｉ特性上の抵抗支配域の傾きが小さくなる。故に、Ｒｉｓを監視することにより活性異常が検出できる。
【００６９】
本実施の形態では、上述したＮＯｘセンサ１８の各種異常をそれぞれに適した検出条件に基づいて検出することとしており、その検出条件毎に以下の異常検出モードが設定されている。すなわち、第１には、通常動作時に実施される異常検出モードがあり、当該異常検出モードでは通常動作時のセンサ出力に基づいて異常検出が実施される。第２には、燃料カット時に実施される異常検出モードがあり、当該異常検出モードでは燃料カット時の排ガスの酸素濃度（ポンプセル電流Ｉｐ）が既知であることに基づいて異常検出が実施される。第３には、ＮＯｘセンサ１８にリッチガスが供給されている場合に実施される異常検出モードがあり、当該異常検出モードでは所定リッチ状態でのポンプセル電流Ｉｐが分かっていることに基づいて異常検出が実施される。第４には、ＮＯｘ濃度検出を必要としない期間（ＮＯｘ非検出時）において実施される異常検出モードがあり、当該異常検出モードでは各セル１１０〜１３０の直流素子抵抗に基づいて異常検出が実施される。なお、ＮＯｘ非検出時は、ＮＯｘ触媒１６のＮＯｘ吸蔵能力を監視する必要のない期間であれば良く、例えば、ＮＯｘ触媒１６の再生処理を実施した後、所定時間（例えば３０分程度）以内の期間である。以下、各異常検出モードを詳述する。
【００７０】
通常動作時の異常検出モードでは、通常動作時のセンサ出力が本来あり得ない出力値になった場合に異常種別に応じて異常発生が検出される。この場合には、当該異常の検出条件が制約されることはない。その検出対象は、各セル１１０〜１３０の電極間ショート、第２チャンバ１４６における隔壁亀裂（図５の丸数字３の亀裂）、第２大気通路１５５の排ガス側隔壁亀裂（図５の丸数字４の亀裂）である。
【００７１】
具体的には、ポンプセル電流Ｉｐが正常範囲外の所定値Ｉｐａ（例えば５ｍＡ）以上であれば、ポンプセル１１０の電極間ショートであると判定される。また、モニタセル電流Ｉｍが正常範囲外の所定値Ｉｍａ（例えば５μＡ）以上であれば、モニタセル１２０の電極間ショートであると判定され、センサセル電流Ｉｓが正常範囲外の所定値Ｉｓａ（例えば５μＡ）以上であれば、センサセル１３０の電極間ショートであると判定される。また、前記の電極間ショートが生じておらずポンプセル１１０により残留酸素濃度が所定の低濃度に調整された状態で、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍｂ（例えば１μＡ）以上であれば、第２チャンバ１４６における隔壁亀裂が生じたと判定される。更に、モニタセル電流Ｉｍの振幅が所定値Ｉｍｃ（例えば０．５μＡ）以上であれば、第２大気通路１５５の排ガス側隔壁亀裂が生じたと判定される。
【００７２】
燃料カット時の異常検出モードでは、センサ出力が燃料カット時として本来あり得ない出力値になった場合に異常種別に応じて異常発生が検出される。その検出対象は、排ガス導入口１４１ａ等の目詰まり異常、第１チャンバ１４４の排ガス側隔壁亀裂（図５の丸数字１の亀裂）、同第１チャンバ１４４の大気側隔壁亀裂（図５の丸数字２の亀裂）、ポンプセル電極配線の断線である。
【００７３】
図６を用いて具体的に説明すると、燃料カット時には大気（酸素濃度＝約２０．６％）が第１チャンバ１４４に導入され、その時のポンプセル電流Ｉｐは例えば２ｍＡ程度となる。この場合、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｂ（例えば１ｍＡ）以下であれば、排ガス導入口１４１ａや多孔質拡散層１４７等の目詰まりが生じたと判定され、更に所定値Ｉｐｂよりも小さな所定値Ｉｐｃ（例えば０．２ｍＡ）以下であれば、ポンプセル電極配線の断線が生じたと判定される。また、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｄ（例えば３ｍＡ）以上であれば、第１チャンバ１４４の排ガス側隔壁亀裂又は第１チャンバ１４４の大気側隔壁亀裂が生じたと判定される。なお本実施の形態では、第１チャンバ１４４の排ガス側隔壁亀裂と、第１チャンバ１４４の大気側隔壁亀裂とを特に区別しないが、図５で説明した通り前者の場合はセンサセル電流Ｉｓの感度も大きくなるため、これを併せて考慮すれば、前記２つの隔壁亀裂を区別できる。
【００７４】
リッチガス時の異常検出モードでは、センサ出力が排ガスリッチ時として本来あり得ない出力値になった場合に異常発生が検出される。その検出対象は、第１大気通路１５１の排ガス側隔壁亀裂（図５の丸数字５の亀裂）である。具体的には、所定のリッチ雰囲気でのＩｐ値が分かっていれば（例えばＡ／Ｆ＝１３相当ではＩｐ＝−０．５ｍＡ程度）、そのリッチガス状態下でポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｅ（例えば−０．３ｍＡ）以上になった場合、第１大気通路１５１の排ガス側隔壁亀裂が生じたと判定される。
【００７５】
また、ＮＯｘ非検出時の異常検出モードでは、ＮＯｘ濃度の検出が中断できるため、各セル１１０〜１３０の印加電圧操作により電流出力が一時的に変化されてその時の計測結果から異常発生が検出される。その検出対象は、モニタセル電極配線の断線、センサセル電極配線の断線、各セル１１０〜１３０の活性異常である。
【００７６】
具体的には、ポンプセル電圧Ｖｐが通常の動作範囲よりも低電圧とされて第２チャンバ１４６内が残留酸素過多の状態とされる。そしてその状態下で、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍｄ（例えば１μＡ）以下になった場合、モニタセル電極配線の断線が生じたと判定され、センサセル電流Ｉｓが所定値Ｉｓｄ（例えば１μＡ）以下になった場合、センサセル電極配線の断線が生じたと判定される。また、ポンプセル特性上の抵抗支配域（限界電流域よりも低電圧側の領域）にポンプセル電圧Ｖｐが操作されてポンプセル１１０の直流素子抵抗Ｒｉｐが求められ、そのＲｉｐが所定値Ｒｉｐｒｅｆ（例えば１２０Ω）以上になる場合、ポンプセル活性異常が生じたと判定される。その他、モニタセル１２０、センサセル１３０の活性異常検出も同様に行われる。
【００７７】
次に、センサＥＣＵ２１のマイコン２２により実施されるＮＯｘセンサ１８の異常検出処理について、図７〜図１２に示すフローチャートに基づいて説明する。図７はＮＯｘセンサ異常検出処理の全体を、図８は通常動作時に繰り返し実施される異常検出処理を、図９は燃料カット時に実施される異常検出処理を、図１０はリッチガス時に実施される異常検出処理を、図１１及び図１２はＮＯｘ濃度の非検出期間に実施される異常検出処理を、それぞれ示すフローチャートである。
【００７８】
図７において、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３では、今現在どの検出条件が成立しているかを判別し、何れの検出条件が成立するかに応じて異常検出処理の振り分けを実施する。すなわち、ステップＳ１０１では、燃料カット時であるか否かを判別し、ステップＳ１０２では、ＮＯｘセンサ１８にリッチガスが供給されている状態であるか否かを判別する。また、ステップＳ１０３では、例えばＮＯｘ触媒１６の再生処理が実施された直後であり、ＮＯｘ濃度検出を要しないＮＯｘ非検出時であるか否かを判別する。
【００７９】
そして、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３が何れもＮＯとなる場合、ステップＳ１０４に進み、通常動作時の異常検出処理を実施する。また、今現在燃料カットが実施されていればステップＳ１０５に進み、燃料カット時の異常検出処理を実施する。リッチガスが供給されていればステップＳ１０６に進み、リッチガス時の異常検出処理を実施する。ＮＯｘ非検出時であればステップＳ１０７に進み、ＮＯｘ非検出時の異常検出処理を実施する。以下、通常動作時の異常検出処理（ステップＳ１０４）、燃料カット時の異常検出処理（ステップＳ１０５）、リッチガス時の異常検出処理（ステップＳ１０６）、ＮＯｘ非検出時の異常検出処理（ステップＳ１０７）を順に説明する。
【００８０】
図８に示す通常動作時の異常検出処理において、先ずステップＳ２０１では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐａ（例えば５ｍＡ）以上であるか否かを判別する。Ｉｐ≧ＩｐａであればステップＳ２０２に進み、ポンプセル１１０の電極間ショートが生じていると判定する。ポンプセル１１０の電極間ショートが発生した場合は、第１チャンバ１４４内の酸素濃度が調整不可能となり、モニタセル電流Ｉｍやセンサセル電流Ｉｓが正常値から大きく逸脱することとなるため、以後の判定は行わない。
【００８１】
Ｉｐ＜Ｉｐａの場合はステップＳ２０３に進み、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍａ（例えば５μＡ）以上であるか否かを判別する。そして、Ｉｍ≧ＩｍａであればステップＳ２０４に進み、モニタセル１２０の電極間ショートが生じていると判定する。また、Ｉｍ＜Ｉｍａの場合はステップＳ２０５に進み、センサセル電流Ｉｓが所定値Ｉｓａ（例えば５μＡ）以上であるか否かを判別する。そして、Ｉｓ≧ＩｓａであればステップＳ２０６に進み、センサセル１３０の電極間ショートが生じていると判定する。モニタセル１２０又はセンサセル１３０で電極間ショートが生じた場合、両セルの機能が損なわれるため以後の判定は行わない。
【００８２】
その後、各セル１１０〜１３０で電極間ショートが生じていないことを条件にステップＳ２０７に進み、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍｂ（例えば１μＡ）以上であるか否かを判別する。Ｉｍ≧ＩｍｂであればステップＳ２０８に進み、第２チャンバ１４６の隔壁亀裂が生じていると判定する。
【００８３】
Ｉｍ＜ＩｍｂであればステップＳ２０９に進み、モニタセル電流の振幅ΔＩｍが所定値Ｉｍｃ（例えば０．５μＡ）以上であるか否かを判別する。そして、ΔＩｍ≧ＩｍｃであればステップＳ２１０に進み、第２大気通路１５５の排ガス側隔壁亀裂が生じていると判定する。
【００８４】
次に、図９に示す燃料カット時の異常検出処理において、先ずステップＳ３０１では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｂ（例えば１ｍＡ）以下であるか否かを判別し、次のステップＳ３０２では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｃ（例えば０．２ｍＡ）以下であるか否かを判別する。そして、Ｉｐｃ＜Ｉｐ≦Ｉｐｂであれば（ステップＳ３０１がＹＥＳ、Ｓ３０２がＮＯの場合）、ステップＳ３０３に進み、排ガス導入口１４１ａ等の目詰まりが生じていると判定する。Ｉｐ≦Ｉｐｃであれば（ステップＳ３０１，Ｓ３０２が共にＹＥＳの場合）、ステップＳ３０４に進み、ポンプセル電極配線の断線が生じていると判定する。
【００８５】
また、ステップＳ３０５では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｄ（例えば３ｍＡ）以上であるか否かを判別する。そして、Ｉｐ≧ＩｐｄであればステップＳ３０６に進み、第１チャンバ１４４の排ガス側隔壁亀裂又は第１チャンバ１４４の大気側隔壁亀裂が生じていると判定する。
【００８６】
次に、図１０に示すリッチガス時の異常検出処理において、ステップＳ４０１では、ポンプセル電流Ｉｐが所定値Ｉｐｅ（例えば−０．３ｍＡ）以上であるか否かを判別する。そして、Ｉｐ≧ＩｐｅであればステップＳ４０２に進み、第１大気通路１５１の排ガス側隔壁亀裂が生じていると判定する。
【００８７】
次に、図１１及び図１２に示すＮＯｘ非検出時の異常検出処理において、先ずステップＳ５０１では、ポンプセル電圧Ｖｐを０．１Ｖに制御してその時のモニタセル電流の計測値Ｉｍ１とセンサセル電流の計測値Ｉｓ１とを取得する。そして、続くステップＳ５０２では、前記取得したＩｍ１値が所定値Ｉｍｄ（例えば１μＡ）以下であるか否かを判別し、Ｉｍ１≦Ｉｍｄであれば、ステップＳ５０３でモニタセル電極配線の断線が生じていると判定する。また、ステップＳ５０４では、前記取得したＩｓ１値が所定値Ｉｓｄ（例えば１μＡ）以下であるか否かを判別し、Ｉｓ１≦Ｉｓｄであれば、ステップＳ５０５でセンサセル電極配線の断線が生じていると判定する。なお、モニタセル１２０又はセンサセル１３０で電極配線の断線が生じた場合、両セルの機能が損なわれるため以後の判定は行わない。
【００８８】
その後、モニタセル１２０、センサセル１３０の電極配線の断線が生じていないことを条件にステップＳ５０６に進む。ステップＳ５０６では、ポンプセル電圧Ｖｐを０Ｖ、０．１Ｖに制御した時のポンプセル電流の計測値Ｉｐ００，Ｉｐ０１を取得する。ステップＳ５０７では、ポンプセル１１０の直流素子抵抗Ｒｉｐを演算する｛Ｒｉｐ＝０．１／（Ｉｐ０１−Ｉｐ００）｝。そして、ステップＳ５０８では、直流素子抵抗Ｒｉｐが所定値Ｒｉｐｒｅｆ（例えば１２０Ω）以上であるか否かを判別し、Ｒｉｐ≧ＲｉｐｒｅｆであればステップＳ５０９に進み、ポンプセル１１０の活性異常が生じていると判定する。
【００８９】
その後、ステップＳ５１０〜Ｓ５１３では、ポンプセル１１０の場合と同様の手法にてモニタセル１２０の直流素子抵抗Ｒｉｍを演算し、当該Ｒｉｍが所定値Ｒｉｍｒｅｆ（例えば４０ｋΩ）であればモニタセル１２０の活性異常が生じていると判定する。
【００９０】
また、ステップＳ５１４〜Ｓ５１７でも、ポンプセル１１０の場合と同様の手法にてセンサセル１３０の直流素子抵抗Ｒｉｓを演算し、当該Ｒｉｓが所定値Ｒｉｓｒｅｆ（例えば３０ｋΩ）であればセンサセル１３０の活性異常が生じていると判定する。
【００９１】
上記の通り図７〜図１２の各処理で異常種別を特定した場合、その都度の異常検出データ（ダイアグデータ）がセットされてバックアップＲＡＭやＥＥＰＲＯＭ等に記憶保持されるようになっている。そして、異常発生内容に応じてセンサ制御特性の補正、異常検出ランプ（ＭＩＬ）の点灯、ＮＯｘセンサ１８の交換等が適宜行われる。例えば、排ガス導入口１４１ａ等の目詰まり、各セル１１０〜１３０の活性異常が生じたものの異常の程度が軽微（又は異常発生初期）であれば、印加電圧の補正等が実施され、センサ出力は継続して使用される。但し、目詰まりや活性異常等の程度、又は異常発生後の経過時間によってはセンサ出力の使用が禁止され、センサ交換が促される。また、各セル１１０〜１３０の電極間ショート、電極配線の断線、素子割れ（隔壁の亀裂）が発生した場合には、異常検出ランプが点灯されてＮＯｘセンサ１８の交換が促される。
【００９２】
以上詳述した本実施の形態によれば、ＮＯｘセンサ１８の異常種別に応じて検出条件を設定し、センサ作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象に異常検出を実施するようにしたため、ＮＯｘセンサ１８の異常種別を特定することが可能となる。また、異常種別の特定が可能となることから、ＮＯｘセンサ１８の異常発生後において、センサ出力の使用について許可又は禁止の判断や、センサ制御特性の補正、センサ交換等を行うことの判断を適切に実施できるようになる。
【００９３】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
【００９４】
図４（ｂ）において、ポンプセル電圧Ｖｐとモニタセル電流Ｉｍとの関係を示す特性上、モニタセル電流Ｉｍが急変するポンプセル電圧Ｖｐ（変曲点）が存在し、このＶｐ値はポンプセル１１０の活性異常が生じて酸素排出能力が低下した場合に高電圧側にシフトする。そこで、ＮＯｘ非検出時であることを検出条件としてポンプセル電圧Ｖｐを低電圧側にシフトさせ、その際、モニタセル電流Ｉｍが急変するポンプセル電圧Ｖｐ（すなわち、モニタセル電流Ｉｍが所定値まで変化した時のＶｐ値）が正常時よりも高ければポンプセル１１０の活性異常が生じたと判定する。
【００９５】
具体的には、前記図１１のフローチャートにおけるステップＳ５０６〜Ｓ５０９の処理に代えて、図１３に示す処理を実施する。図１３において、ステップＳ６０１では、ポンプセル電圧Ｖｐを所定量（例えば１０ｍＶ程度）低下させ、その時のモニタセル電流Ｉｍの計測値を取得する。その後、ステップＳ６０２では、モニタセル電流Ｉｍが所定値Ｉｍｒｅｆ（例えば０．１μＡ）以上になったか否かを判別し、Ｉｍ≧Ｉｍｒｅｆになったことを条件に後続のステップＳ６０３に進む。ステップＳ６０３では、Ｉｍ≧Ｉｍｒｅｆになった時点のポンプセル電圧Ｖｐの値が所定値Ｖｐｒｅｆ以上であるか否かを判別する。そして、Ｖｐ≧ＶｐｒｅｆであればステップＳ６０４に進み、ポンプセル１１０の活性異常が生じていると判定する。なお、前記ステップＳ６０３の所定値Ｖｐｒｅｆは酸素濃度に応じて決まる数値であり、例えば、酸素濃度０％時にはＶｐｒｅｆ＝０．２５Ｖ、酸素濃度１０％時にはＶｐｒｅｆ＝０．３Ｖ、酸素濃度２０％時にはＶｐｒｅｆ＝０．３５Ｖとし、酸素濃度がこれらの中間値の場合には一次補間によりＶｐｒｅｆ値を決めれば良い。
【００９６】
ＮＯｘセンサとしては、前記の３セル構造の他、ポンプセル（第１セル）及びセンサセル（第２セル）よりなる２セル構造のものや、４つ以上のセルを有するものでも良い。また、ＮＯｘセンサ以外にも、それとほぼ同様の構成を有するガス濃度センサに本発明が適用でき、例えば排ガス中のＨＣ濃度を検出するＨＣセンサや、ＣＯ濃度を検出するＣＯセンサに適用することも可能である。
【００９７】
本発明を、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサに適用することも可能である。酸素センサとしては、酸素濃度に応じた起電力出力を行ういわゆるＯ2センサや、酸素濃度に応じたリニアな限界電流出力を行ういわゆるＡ／Ｆセンサが適用でき、更にはコップタイプ、積層タイプの何れであっても良い。具体的な構成としては、固体電解質体と、該固体電解質体上に配置された複数の電極と、少なくとも１つの前記電極に対面して設けられ被検出ガス（排ガス）を導入するガス室とを備えてなるセンサ素子を有し、対をなす電極間で前記固体電解質体内を移動する酸素イオン量に応じた電気信号を出力するものであれば良い。
【００９８】
その他、排ガス以外のガスを濃度検出対象（被検出ガス）とガス濃度センサにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジンの排ガス浄化システムの構成を示す概略図である。
【図２】ＮＯｘセンサの断面構造及びセンサ周辺構成を示す図である。
【図３】ＮＯｘセンサの出力特性を示す図である。
【図４】ＮＯｘセンサの出力特性を示す図である。
【図５】ＮＯｘセンサの亀裂発生箇所と亀裂発生によるセンサ出力の変化とを示す図である。
【図６】燃料カット時のポンプセル特性を示す図である。
【図７】ＮＯｘセンサ異常検出処理の全体を示すフローチャートである。
【図８】通常動作時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図９】燃料カット時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図１０】リッチガス時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図１１】ＮＯｘ非検出時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図１２】図１１に続き、ＮＯｘ非検出時の異常検出装置を示すフローチャートである。
【図１３】ポンプセルの活性異常を検出する処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…エンジン、１８…ＮＯｘセンサ、２１…センサＥＣＵ、２２…マイコン、１００…センサ素子、１１０…ポンプセル、１１１，１１２…電極、１２０…モニタセル、１２１，１２２…電極、１３０…センサセル、１３１…電極、１４１，１４２…固体電解質、１４４…第１チャンバ、１４６…第２チャンバ、１５１…第１大気通路、１５５…第２大気通路。
Claims (27)
- 固体電解質体と、該固体電解質体上に配置された複数の電極と、少なくとも１つの前記電極に対面して設けられ被検出ガスを導入するガス室とを備えてなるセンサ素子を有し、対をなす電極間で前記固体電解質体内を移動する酸素イオン量に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々のセンサ出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
被検出ガスが、既知の濃度である所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対するセンサ出力が、前記センサ素子のガス室に対するガス導入不良が生じたことを判定する第１判定値よりも小さく、かつ、前記第１判定値よりも小さい値であり前記センサ素子の電極配線の断線異常を判定する第２判定値よりも大きければ、前記ガス導入不良が生じたと判定し、同センサ出力が、前記第２判定値以下であれば前記断線異常が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 請求項１において、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対するセンサ出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記センサ素子のガス室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定するガス濃度センサの異常検出装置。
- 固体電解質体と、該固体電解質体上に配置された複数の電極と、少なくとも１つの前記電極に対面して設けられ被検出ガスを導入するガス室とを備えてなるセンサ素子を有し、対をなす電極間で前記固体電解質体内を移動する酸素イオン量に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々のセンサ出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
被検出ガスが、既知の濃度である所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対するセンサ出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記センサ素子のガス室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 請求項２又は３において、内燃機関より排出される排ガスを検出対象とするガス濃度センサに適用され、前記内燃機関の運転中に燃料供給を停止した燃料カット状態下であることを検出条件として異常検出を実施するガス濃度センサの異常検出装置。
- 前記センサ素子には、前記固体電解質体を挟んで前記ガス室とは反対側に酸素基準室が設けられており、被検出ガスの酸素濃度が過少の状態となったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態でセンサ出力が酸素過少側出力に変化しなければ、前記酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度センサの異常検出装置。
- 固体電解質体と、該固体電解質体上に配置された複数の電極と、少なくとも１つの前記電極に対面して設けられ被検出ガスを導入するガス室とを備えてなるセンサ素子を有し、対をなす電極間で前記固体電解質体内を移動する酸素イオン量に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々のセンサ出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
前記センサ素子には、前記固体電解質体を挟んで前記ガス室とは反対側に酸素基準室が設けられており、被検出ガスの酸素濃度が過少の状態となったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態でセンサ出力が酸素過少側出力に変化しなければ、前記酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 請求項５又は６において、内燃機関より排出される排ガスを検出対象とするガス濃度センサに適用され、リッチ状態での排ガスが前記ガス室に導入されることを検出条件として異常検出を実施するガス濃度センサの異常検出装置。
- 被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
被検出ガスが、既知の濃度である所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対する前記第１セルの出力が、前記第１チャンバに対するガス導入不良が生じたことを判定する第１判定値よりも小さく、かつ、前記第１判定値よりも小さい値であり前記第１セル電極配線の断線異常を判定する第２判定値よりも大きければ、前記ガス導入不良が生じたと判定し、同センサ出力が、前記第２判定値以下であれば前記断線異常が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 請求項８において、被検出ガスが所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対する前記第１セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第１チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定するガス濃度センサの異常検出装置。
- 被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
被検出ガスが、既知の濃度である所定の高酸素濃度の状態になることで検出条件が成立し、その際に酸素濃度に対する前記第１セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第１チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 請求項８乃至１０の何れかにおいて、内燃機関より排出される排ガスを検出対象とするガス濃度センサに適用され、前記内燃機関の運転中に燃料供給を停止した燃料カット状態下であることを検出条件として異常検出を実施するガス濃度センサの異常検出装置。
- 前記ガス濃度センサでは、前記第１セルを挟んで前記第１チャンバと反対側には酸素基準室が設けられており、被検出ガスの酸素濃度が過少の状態となったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第１セルの出力が酸素過少側出力に変化しなければ、前記酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する請求項８乃至１１の何れかに記載のガス濃度センサの異常検出装置。
- 被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、 第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
前記ガス濃度センサでは、前記第１セルを挟んで前記第１チャンバと反対側には酸素基準室が設けられており、被検出ガスの酸素濃度が過少の状態となったことを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第１セルの出力が酸素過少側出力に変化しなければ、前記酸素基準室を区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 請求項１２又は１３において、内燃機関より排出される排ガスを検出対象とするガス濃度センサに適用され、リッチ状態での排ガスが前記第１チャンバに導入されることを検出条件として異常検出を実施するガス濃度センサの異常検出装置。
- 前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セルにより残留酸素濃度が所定濃度に調整された状態で前記第２セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定する請求項８乃至１４の何れかに記載のガス濃度センサの異常検出装置。
- 被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セルにより残留酸素濃度が所定濃度に調整された状態で前記第２セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 前記第１セルへの印加電圧を通常の濃度検出時よりも低電圧とすることを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第２セルの出力が所定値よりも小さければ第２セル電極配線の断線異常が生じたと判定する請求項８乃至１６の何れかに記載のガス濃度センサの異常検出装置。
- ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件として前記第１セルの印加電圧を低電圧側にシフトさせ、その際、第１セルの印加電圧に対する第２セルの出力の特性上、第２セルの出力が急変する第１セルの印加電圧が正常時よりも高ければ前記第１セルの活性異常が生じたと判定する請求項８乃至１７の何れかに記載のガス濃度センサの異常検出装置。
- 前記第２チャンバ内の残留酸素濃度に応じた出力を発生する第３セルを更に備え、該第３セルの出力に応じて前記第１セルの印加電圧が制御されるガス濃度センサに適用され、前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第３セルの出力に基づいて異常検出を実施する請求項８乃至１８の何れかに記載のガス濃度センサの異常検出装置。
- 請求項１９において、ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件とし、当該検出条件の成立時において前記第３セルへの印加電圧を増減操作することにより当該第３セルの抵抗値を算出し、該算出した抵抗値が所定値以上であれば当該第３セルの活性異常が生じたと判定するガス濃度センサの異常検出装置。
- 請求項１９又は２０において、前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セルにより残留酸素濃度が所定濃度に調整された状態で前記第３セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定するガス濃度センサの異常検出装置。
- 請求項１９乃至２１の何れかにおいて、前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第３セルを駆動するための回路の電流容量の限界付近までセル出力が増加した場合に当該第３セルの電極間ショートが生じたと判定するガス濃度センサの異常検出装置。
- 請求項１９乃至２２の何れかにおいて、前記第１セルへの印加電圧を通常の濃度検出時よりも低電圧とすることを検出条件とし、当該検出条件が成立した状態で前記第３セルの出力が所定値よりも小さければ第３セル電極配線の断線異常が生じたと判定するガス濃度センサの異常検出装置。
- 請求項１９乃至２３の何れかにおいて、ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件として前記第１セルの印加電圧を低電圧側にシフトさせ、その際、第１セルの印加電圧に対する第３セルの出力の特性上、第３セルの出力が急変する第１セルの印加電圧が正常時よりも高ければ前記第１セルの活性異常が生じたと判定するガス濃度センサの異常検出装置。
- 被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件として前記第１セルの印加電圧を低電圧側にシフトさせ、その際、第１セルの印加電圧に対する第２セルの出力の特性上、第２セルの出力が急変する第１セルの印加電圧が正常時よりも高ければ前記第１セルの活性異常が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
前記第２チャンバ内の残留酸素濃度に応じた出力を発生する第３セルを更に備え、該第３セルの出力に応じて前記第１セルの印加電圧が制御されるガス濃度センサに適用され、前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第３セルの出力に基づいて異常検出を実施し、
前記ガス濃度センサの通常動作時において、前記第１セルにより残留酸素濃度が所定濃度に調整された状態で前記第３セルの出力が予め規定した正常範囲よりも大きければ、前記第２チャンバを区画形成するための隔壁に亀裂等が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。 - 被検出ガスを導入する第１チャンバには第１セルが、前記第１チャ ンバに通じて設けられる第２チャンバには第２セルがそれぞれ設けられ、前記第１セルは、第１チャンバに導入される被検出ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力すると共に第１チャンバ内の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整し、前記第２セルは、第２チャンバに導入された第１セルによる酸素濃度調整後のガスの特定成分濃度に応じた電気信号を出力するガス濃度センサに適用される異常検出装置であって、
前記ガス濃度センサに生じる各種異常が検出可能となる検出条件を異常種別に設定しておき、ガス濃度センサの作動中に前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第１セル及び第２セルの出力に基づいて異常検出を実施するものであり、
前記第２チャンバ内の残留酸素濃度に応じた出力を発生する第３セルを更に備え、該第３セルの出力に応じて前記第１セルの印加電圧が制御されるガス濃度センサに適用され、前記検出条件が成立する都度、成立条件に該当する異常種を対象にその時々の第３セルの出力に基づいて異常検出を実施し、
ガス濃度検出を要しない期間であることを検出条件として前記第１セルの印加電圧を低電圧側にシフトさせ、その際、第１セルの印加電圧に対する第３セルの出力の特性上、第３セルの出力が急変する第１セルの印加電圧が正常時よりも高ければ前記第１セルの活性異常が生じたと判定することを特徴とするガス濃度センサの異常検出装置。
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