JP4811001B2 - 排気ガスセンサシステム - Google Patents

Description

この発明は、排気ガスセンサシステムに係り、特に、車載用内燃機関から排出される排気ガスの状態を検知するうえで好適な排気ガスセンサシステムに関する。

従来、例えば特開２００３−２３２７７２号公報に開示されるように、排気ガス中のCO濃度を計測するためのガスセンサが開示されている。上記従来のガスセンサは、２組のセンサセルを備えている。それらのセンサセルは、それぞれ、被検出ガスに晒される電極を備えている。一方のセンサセル（「第１セル」とする）の電極（第１電極）と、他方のセンサセル（「第２セル」とする）の電極（第２電極）には、種類や量の異なる電極触媒が担持されている。

上記の電極触媒は、電圧の印加を受けることにより、水素をプロトンに変化させるものであり、水素に対する活性力を、被検出ガス中のCO濃度に応じて変化させる。そして、第１セル及び第２セルは、それぞれ、第１電極及び第２電極が生成するプロトンの量に応じた出力を発する。

第１電極及び第２電極は、それぞれ担持している電極触媒の相違に起因して、水素に対して異なる活性を示す。このため、第１セル及び第２セルは、それぞれ被検出ガス中のCO濃度と相関を有し、かつ、互いに値の異なる出力を発生する。

上記公報には、第１セルの出力と第２セルの出力との差から、被検出ガス中のCO濃度が測定可能であることが開示されている。このように、上記従来の構造によれば、２つの電極に、それぞれ特性の異なる電極触媒を担持させることにより、被検出ガス中の特定成分（CO）の濃度を検知することが可能である。

特開２００３−２３２７７２号公報

電極触媒は、所定の活性温度に達することにより、所望の機能、つまり、上記の例によれば水素をプロトンに変化させるという機能を発揮する。このため、電極触媒を用いるセンサの出力は、そのセンサが活性温度に達した後でなければ用いることができない。そこで、この種のセンサを用いるシステムでは、センサの素子温度を推定して、その温度が活性温度に達したか否かにより、センサが活性化したか否かを判断する処理が通常行われる。

しかしながら、センサが現実に活性化する温度は、センサの経時劣化等に起因して変化する。例えば、上記従来のガスセンサにおいては、電極触媒の、水素に対する反応効率（一定温度下での水素の反応速度や、反応可能な水素量）は、その経時劣化に伴って低下する。

上記従来のガスセンサにおいて、第１セル及び第２セルの反応効率が低下すれば、被検出ガス中のCO濃度に対する出力差の感度は低下する。このため、このセンサにおいては、センサの劣化が十分に進むと、センサ温度は活性温度に達しているにも関わらず、センサが、被検出ガス中のCO濃度を正確に検知し得る状態に達していない事態が生じ得る。

つまり、上記従来のガスセンサにおいては、センサ温度が活性温度に達しているか否かに基づいて、センサの活性判定を行うと、センサが現実には活性状態に至っていない状況下で、センサの活性化が判定される事態が生じ得る。このように、上述した従来の手法は、センサの劣化が十分に進んだ状況下では、誤った活性判定を行う可能性を有するものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気ガス中の検出対象成分の濃度に応じた出力を発するものであり、長期間に渡って、安定した活性判定を実行し続けることのできる排気ガスセンサシステムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、排気ガスセンサシステムであって、
被検出ガス中に露出される第１拡散抵抗層と、前記第１拡散抵抗層に覆われた第１電極と、大気に晒された状態となる大気側電極と、前記第１電極と前記大気側電極の間に形成された電解質層とを備え、前記第１電極の表面におけるガス成分比率に応じた出力を発する第１の限界電流式空燃比センサと、
前記被検出ガス中に露出される第２拡散抵抗層と、前記第２拡散抵抗層に覆われた第２電極と、大気に晒された状態となる大気側電極と、前記第２電極と前記大気側電極の間に形成された電解質層とを備え、前記第２電極の表面におけるガス成分比率に応じた出力を発する第２の限界電流式空燃比センサとを備え、
前記第１拡散抵抗層に対して、前記第２拡散抵抗層は、特定の検出対象成分を容易に拡散させ、
被検出ガス中に、前記検出対象成分が含まれる状況下で、前記第１の限界電流式空燃比センサと前記第２の限界電流式空燃比センサの出力差を検出する出力差検出手段と、
前記出力差が判定値を超える場合に、前記第１の限界電流式空燃比センサ及び前記第２の限界電流式空燃比センサの活性化を判定する活性判定手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の限界電流式空燃比センサ及び前記第２の限界電流式空燃比センサは、所定の目標温度を越えることにより活性化されるものであり、
前記第１の限界電流式空燃比センサ及び前記第２の限界電流式空燃比センサの素子温度を推定する素子温度推定手段と、
前記素子温度が、センサを活性化させるための目標温度に達しているか否かを判定する目標温度判定手段と、
前記素子温度が前記目標温度に達している状況下で、前記出力差が前記判定値に達していない場合に、前記目標温度を所定補正値だけ上昇させる目標温度補正手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記目標温度補正手段は、前記素子温度が前記目標温度に達している状況下で検出された前記出力差に基づいて、前記所定補正値を設定する補正値設定手段を含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、第２又は第３の発明において、前記目標温度補正手段は、目標温度を所定補正値だけ上昇させた値が、目標温度上限値を超える場合に、前記目標温度上限値を前記目標温度とする上限温度制限手段を含むことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記第１の限界電流式空燃比センサ又は前記第２の限界電流式空燃比センサの出力に基づいて、前記被検出ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記空燃比の検出値を、前記出力差に基づいて補正する空燃比補正手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、第５の発明において、
前記検出対象成分は、被検出ガス中の酸化剤に比して拡散速度が早い還元剤であり、
前記空燃比補正手段は、前記出力差が大きいほど、前記空燃比の検出値をリーン側に補正することを特徴とする。

また、第７の発明は、第５の発明において、
前記検出対象成分は、被検出ガス中の酸化剤に比して拡散速度が遅い還元剤であり、
前記空燃比補正手段は、前記出力差が大きいほど、前記空燃比の検出値をリッチ側に補正することを特徴とする。

また、第８の発明は、第６又は第７の発明において、
前記検出対象成分の拡散速度を推定する拡散速度推定手段と、
前記推定速度に基づいて、前記空燃比の検出値に施す補正量を補正する補正量補正手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１の限界電流式空燃比センサと第２の限界電流式空燃比センサの出力差が判定値を超えるか否かに基づいて、センサが活性化しているか否かが判断される。第１の限界電流式空燃比センサ及び第２の限界電流式空燃比センサが、共に適正に活性化されるまでは、両者間に有意な出力差は生じない。他方、それらが共に適正に活性化した状態では、検出対象成分の存在に起因して、両者間には、有意な出力差が発生する。そして、本発明によれば、このような関係は、長期安定的に成立する。従って、本発明によれば、上記の判定手法により、排気ガスセンサが活性化しているか否かを、長期安定的に、正確に判断することができる。

第２の発明によれば、素子温度が目標温度に達しているにも関わらず出力差が判定値に達していない場合には、その目標温度が、現在のセンサの状態に対しては低すぎると判断され、その温度が所定補正値だけ上昇させられる。その結果、センサの温度が上昇し、センサの活性化が現実に達成される。このように、本発明によれば、センサ素子の目標温度を、センサが現実に活性化する温度に設定することができる。

第３の発明によれば、素子温度が目標温度に達した際に、現実に生じていた出力差に基づいて、過不足なく所定補正値を設定することができる。このため、本発明によれば、センサ素子の目標温度を、過不足のない適正温度に補正することができる。

第４の発明によれば、センサ素子の目標温度を、目標温度上限値以下にガードすることができる。このため、本発明によれば、センサ素子の過剰な加熱を確実に阻止することができる。

第５の発明によれば、空燃比検出手段によって検出された空燃比を、第１の限界電流式空燃比センサと第２の限界電流式空燃比センサの出力差に基づいて補正することができる。空燃比センサは、電極表面に到達した酸化剤と還元剤の比率に応じて空燃比に応じた出力を発生する。ガス成分に、拡散の早い成分が含まれていると、空燃比センサの電極表面に、その成分が、他の成分に比して過大に到達し、空燃比の検出値に誤差が生ずる。また、ガス成分に、拡散の遅い成分が含まれている場合には、空燃比センサの電極表面に、その成分が、他の成分に比して過小に到達し、空燃比の検出値に誤差が生ずる。そして、上記の誤差は、拡散速度の早い成分、或いは遅い成分の濃度が高いほど顕著となる。本発明において、第１の限界電流式空燃比センサと第２の限界電流式空燃比センサの出力差は、検出対象成分の濃度と相関を有している。このため、本発明によれば、検出対象成分が拡散速度の早い成分或いは遅い成分である場合に、その成分の影響で空燃比に重畳している誤差分を精度良く補正することが可能である。

第６の発明によれば、被検出ガス中の酸化剤に比して拡散速度が早い還元剤が検出対象成分とされる。従って、この発明によれば、第１の限界電流式空燃比センサの出力と第２の限界電流式空燃比センサの出力との間には、拡散速度の早い還元剤の濃度に対応する出力差が発生する。被検出ガス中に、拡散濃度の早い還元剤が存在すると、その還元剤の濃度分だけ、空燃比の検出値は、現実の空燃比に対してリッチ側にシフトし易い。本発明によれば、このような場合に、空燃比の検出値をリーン側に補正することで、現実の空燃比に即した空燃比を算出することができる。

第７の発明によれば、被検出ガス中の酸化剤に比して拡散速度が遅い還元剤が検出対象成分とされる。従って、この発明によれば、第１の限界電流式空燃比センサの出力と第２の限界電流式空燃比センサの出力との間には、拡散速度の遅い還元剤の濃度に対応する出力差が発生する。被検出ガス中に、拡散濃度の遅い還元剤が存在すると、その還元剤の濃度分だけ、空燃比の検出値は、現実の空燃比に対してリーン側にシフトし易い。本発明によれば、このような場合に、空燃比の検出値をリッチ側に補正することで、現実の空燃比に即した空燃比を算出することができる。

第８の発明によれば、検出対象成分の拡散速度を推定し、その推定速度に基づいて、空燃比の検出値に施す補正量を変化させることができる。検出対象成分の拡散速度が異なれば、検出対象成分の影響で生ずる空燃比の誤差量にも変化が生ずる。本発明によれば、その誤差量の変化分を精度良く補正することで、現実の値に即した空燃比を極めて正確に算出することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
（センサの構成）
以下、図１乃至図１３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本実施形態において用いられる排気ガスセンサ１０の構成を説明するための図である。より具体的には、図１（Ａ）は、排気ガスセンサ１０の斜視図である。また、図１（Ｂ）は、排気ガスセンサ１０を、図１（Ａ）に矢印Ｂを付して示す平面で切断することで得られる断面図を示す。

図１（Ａ）に示すように、排気ガスセンサ１０は、センサ本体１２を備えている。センサ本体１２の上部には、第１拡散抵抗層１４と、第２拡散抵抗層１６とが設けられている。第１拡散抵抗層１４及び第２拡散抵抗層１６は、セラミクス等の多孔質物質で構成された部材である。本実施形態において、それらは、孔の大きさや密度等の特性が同じになるように設けられている。

第１拡散抵抗層１４の表面には、H2成分の分解或いは反応を促すための触媒層１８が形成されている。触媒層１８は、具体的には、プラチナ、ロジウム、バリウム等の塗布膜により形成されている。

第１拡散抵抗層１４は、第１電極２０を覆うように形成されている。他方、第２拡散抵抗層１６は、第２電極２２を覆うように構成されている。本実施形態の排気ガスセンサ１０は、車両に搭載される内燃機関の排気通路内に配置され、排気ガス中の空燃比A/Fと、H2濃度とを計測するためのセンサである。本実施形態では、図１（Ａ）に示すように、第１電極２０が、空燃比A/Fの検出用に用いられる（理由は後述する）。

図１（Ｂ）に示すように、センサ本体１２は、電解質層２４と、スペーサ部材２６と、ヒータ層２８とを備えている。電解質層２４は、YSZ（イットリア安定化単結晶ジルコニア）などにより構成されている。上述した第１電極２０及び第１拡散抵抗層１４、並びに第２電極２２及び第２拡散抵抗層１６は、互いに離間した状態で、電解質層２４の表面に形成されている。

電解質層２４の裏面側には、スペーサ部材２６とヒータ層２８により囲まれた大気室３０が形成されている。そして、電解質層２４の裏面には、第１電極２０と重なる位置、及び第２電極２２と重なる位置に、２つの大気側電極３２，３４が形成されている。大気室３０は、図示しない大気孔を介して大気に連通している。このため、排気ガスセンサ１０が排気通路内に配置された状態であっても、大気側電極３２，３４は、大気に晒された状態に維持される。

以下、第１電極２０と、大気側電極３２と、それらに挟まれた電解質層２４の領域とを総称して、「第１セル」と称す。また、第２電極２２と、大気側電極３４と、それらに挟まれた電解質層２４の領域とを総称して、「第２セル」と称す。

ヒータ層２８には、ヒータ３６が埋め込まれている。排気ガスセンサ１０は、所定の活性温度に達することにより、所期のセンサ機能を実現する。ヒータ３６は、外部の駆動回路から電力の供給を受けることにより、排気ガスセンサ１０を所望の活性温度に加熱することができる。

（回路構成）
図２は、排気ガスセンサ１０の駆動装置４０の主要部を表す回路図を示す。駆動装置４０は、定電圧発生部４２を備えている。定電圧発生部４２は、３．３Vの定電圧と、２．９Vの定電圧とを発生することができる。

３．３Vの電圧と、２．９Vの電圧とは、第１の電圧供給回路対４４，４６、及び第２の電圧供給回路対４８，５０に供給されている。第１の電圧供給回路対４４，４６は、３．３Vの電圧、及び２．９Vの電圧を、それぞれ、第１大気側端子５２及び第１排気側端子５４に伝達する。

第１大気側端子５２は、第１セルの大気側電極３２に接続される。他方、第１排気側端子は、第１セルの排気側電極、つまり、第１電極２０に接続される。このため、駆動回路４０によれば、第１セルに対して、大気側電極３２から第１電極２０に向かう電圧を印加することができる。

第１大気側端子５２には、第１電流検出回路５６が接続されている。第１電流検出回路５６は、第１大気側端子５２を流れる電流値、つまり、第１セルを流れるセンサ電流に対応する出力を発する回路である。第１電流検出回路５６によって発せられる出力は、第１ADポート５８を介して、図示しないマイクロコンピュータに供給される。従って、マイクロコンピュータは、上記の電圧が印加されることにより第１セルに発生するセンサ電流の値を検知することができる。

第２の電圧供給回路対４８，５０は、３．３Vの電圧、及び２．９Vの電圧を、それぞれ、第２大気側端子６０及び第２排気側端子６２に伝達する。第２大気側端子６０及び第２排気側端子６２は、それぞれ、第２セルの大気側電極３４及び排気側電極（第２電極２２）に接続される。また、第２大気側端子６０には、そこを流れる電流値に応じた出力を発する第２電流検出回路６４が接続されている。

第２電流検出回路６４の出力は、第２ADポート６６を介して、図示しないマイクロコンピュータに供給される。従って、マイクロコンピュータは、第２ADポート６６の出力を取り込むことにより、既定の電圧印加の下で第２セルに発生するセンサ電流値を検知することができる。

［排気ガスセンサ１０の基本動作］
（センサ動作原理）
排気ガスセンサ１０において、第１セル及び第２セルは、それぞれ、限界電流式の空燃比センサとして機能する。すなわち、第１拡散抵抗層１４、及び第２拡散抵抗層１６は、何れも排気通路の内部で、排気ガスに晒された状態で用いられる。そして、排気ガス中の各種成分は、それぞれ、第１拡散抵抗層１４及び第２拡散抵抗層１６の表面に到達した後、拡散によりそれらの内部を進行する。

排気ガス中には、CO、H2、HC等の還元剤と、O2、NOxなどの酸化剤が含まれている。それらの成分は、第１電極２０や第２電極２２の表面に到達する過程、及び到達後の燃焼により完全に反応し合う。理論空燃比が実現されている場合は、酸化剤と還元剤が共に消滅する。これに対して、空燃比がリッチである場合は還元剤が残存し、空燃比がリーンである場合は酸化剤が残存する事態が生ずる。

第１セルは、上述した電圧印加を受けている場合、第１電極２０側に残存する酸素を大気電極３２側にポンピングする。他方、第１電極２０側に還元剤が残存している場合は、その還元剤を焼失させるのに必要な酸素を大気電極３２側から第１電極２０側へポンピングする。このため、第１セルには、第１電極２０の表面に到達した還元剤と酸化剤との比率、つまり、その表面における空燃比に応じたセンサ電流が生ずる。

第２セルについても、第２電極２２と大気側電極３４との間では、上記と同様に、酸素がポンピングされる。その結果、上記の電圧印加を受けた第２セルには、第２電極２２の表面における空燃比に応じたセンサ電流が流通する。従って、本実施形態のシステムによれば、駆動装置４０は、第１ADポート５８の出力により、第１電極２０の表面における空燃比を、また、第２ADポート６６の出力により第２電極２２の表面における空燃比を、それぞれ検知することができる。

（H2成分の影響）
排気ガス中に含まれるH2成分は、他の成分に比して、特に、O2やNOxなどの酸化剤に比して、拡散速度が早いという特性を有している。このため、例えば、第２拡散抵抗層１６の表面に、H2とO2とがバランスの取れた割合で存在していたとすれば、第２電極２２の表面には、H2がO2に比して多量に到達する。

第２電極２２の表面に、還元剤であるH2が、酸化剤であるO2より多量に到達すれば、その表面付近において還元剤が過多となり、その付近の空燃比はリッチとなる。従って、この場合、排気ガスセンサ１０の周囲における空燃比が理論空燃比であるにも関わらず、第２セルには、空燃比がリッチであることを表すセンサ電流が流通する。

つまり、排気ガス中にH2成分が存在している場合、O2等の酸化剤に対するH2成分の割合は、第２拡散抵抗層１６の表面に比して、第２電極２２の表面において高くなる。その結果、第２セルに生ずるセンサ電流は、排気ガスセンサ１０を取りまく排気ガスの空燃比に対してリッチ側にシフトした値となる。このため、排気ガス中にH2成分が存在する場合は、第２セルのセンサ電流値によっては、排気空燃比を正確に検知することはできない。

（空燃比A/Fの検出）
第１セルは、第１拡散抵抗層１４の表面に、H2成分の分解・反応を促進する触媒層１８を備えている。このため、第１セルの側では、殆どのH2成分は、第１拡散抵抗層１４の内部に到達する以前に焼失する。つまり、第１セルの側では、排気ガス中にH2成分が存在する場合であっても、第１拡散抵抗層１４には、H2成分と酸化剤との平衡反応後（中和がとられた後）の排気ガスが到達する。

排気ガスの空燃比、つまり、排気ガス中の還元剤と酸化剤とのバランスは、触媒層１８においてH2成分が平衡反応に供される前後で変化することはない。そして、排気ガスが第１拡散抵抗層１４の内部を進行する段階でも、H2成分が既に存在していないことから、還元剤と酸化剤とのバランスは、殆ど変化しない。つまり、第１セルにおいては、排気ガス中にH2成分が存在する場合であっても、第１電極２０の表面に、現実の排気空燃比と殆ど同じ空燃比で排気ガス成分が到達する。

このため、駆動装置４０は、H2成分が存在する状況下でも、第１セルのセンサ電流値を基礎とすれば、排気空燃比を極めて正確に検知することができる。以上の理由により、本実施形態では、上述した通り、第１セル（第１電極２０）が、空燃比A/Fの検出用に用いられる。

（H2濃度の検出）
上述した通り、排気ガスセンサ１０によれば、排気ガス中にH2成分が含まれている場合、その影響が、第２セルのセンサ電流値にのみ反映される。そして、その影響は、排気ガス中のH2濃度が高いほど大きなものとなる。この場合、第１セルのセンサ電流値I1と、第２セルのセンサ電流値I2との差は、排気ガス中のH2成分の濃度と相関を有するものとなる。従って、本実施形態のシステムでは、両者の差ΔI＝I1−I2に基づいて、H2濃度を検出することが可能である。

（空燃比A/F及びH2濃度を検出するための具体的処理）
図３は、駆動装置４０のマイクロコンピュータが、排気ガスの空燃比A/F及び排気ガス中のH2濃度を検出するために実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンでは、先ず、センサ出力のADタイミング（サンプリング及びAD変換のタイミング）であるかが判別される（ステップ１００）。

本実施形態では、ADタイミングの周期が４msecに設定されている。このため、ステップ１００の条件は、４msecにその成立が判定される。ADタイミングの成立が判定された場合は、第１セルのセンサ電流値I1、つまり、第１ADポート５８から取り込んだAD変換値が第１セル出力VAD1として格納されると共に、第２セルのセンサ電流値I2、つまり、第２ADポート６６から取り込んだAD変換値が第２セル出力VAD2として格納される（ステップ１０２）。

次に、第１セル出力VAD1に基づいて、空燃比A/Fが算出されると共に、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差に基づいて、H2濃度が算出される（ステップ１０４）。駆動装置４０は、図４（Ａ）に示すように、第１セル出力VAD1と空燃比A/Fとの関係を定めたマップを記憶していると共に、図４（Ｂ）に示すように、（VAD1−VAD2）とH2濃度との関係を定めたマップを記憶している。ここでは、それらのマップを参照して、空燃比A/F及びH2濃度が算出される。

上記の処理によれば、第１セル出力VAD1に基づいて空燃比A/Fを正確に算出すると共に、第１セル出力VAD1及び第２セル出力VAD2に基づいて、排気ガス中のH2濃度を正確に検知することができる。

以上説明した通り、本実施形態のシステムは、第１拡散抵抗層１４の表面に触媒層１８を設けることにより、空燃比A/Fの検出精度を高めると共に、H2成分の検出を可能としている。第１拡散抵抗層１４の表面に設けた触媒層１８は、電極の表面に設けられる電極触媒に比して安定した特性を示す。このため、本実施形態のシステムによれば、長期的に安定した特性を維持することができる。

［触媒層での反応による遅れ］
（遅れの影響）
上述した通り、図３に示す処理の手順では、同時にサンプリングした第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差に基づいて、排気ガス中のH2濃度を算出することとしている。ところで、第１セルにおいては、排気ガスセンサ１０の周囲を流通する排気ガスが、触媒層１８において反応した後、第１拡散抵抗層１４の内部に進入する。他方、第２セルにおいては、そのような反応を経ることなく、排気ガスが第２拡散抵抗層１６に進入する。このため、第１セルにおける排気ガスの拡散時間は、第２セルにおける拡散時間に比して、僅かながら長期化する。

図５（Ａ）は、第２セルのセンサ電流値I2、つまり、第２セル出力VAD2の変化を示す波形である。また、図５（Ｂ）は、第１セルのセンサ電流値I1、つまり、第１セル出力VAD1の変化を示す波形である。排気ガスセンサ１０の周囲を流れる排気ガスの空燃比が変化した場合、その変化は、排気ガスの拡散に要する時間の後に、センサ電流値I1、I2に反映される。そして、上述した拡散時間に相違に起因して、第１セル出力VAD1の変化には（図５（Ｂ））、第２セル出力VAD2の変化（図５（Ａ））に対して、僅かながら遅れが生ずる。このため、同じADタイミングで取り込んだ第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差には、H2成分の影響の他、上述した応答遅れに起因する誤差が重畳している。

排気ガス中のH2濃度を正確に検知するためには、H2成分の影響のみに起因して、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に発生した差を検知することが有効である。そして、このような差は、任意のADタイミングで取得した第１セル出力VAD1(i)と、そのタイミングから、応答遅れ時間だけ遡ったタイミングで取得した第２セル出力VAD2(i-k)との差を求めることで得ることができる。以下、このようにして求めた出力差VADDIF＝VAD1(i)−VAD2(i-k)を基礎として、高い精度でH2濃度を検出するための具体的処理について説明する。

（具体的処理）
図６は、上記の機能を実現するために駆動装置４０のマイクロコンピュータが実行するべきルーチンのフローチャートである。駆動装置４０は、上記図３に示すルーチンに代えて、このルーチンを実行することとしてもよい。このルーチンによれば、H2濃度の検出精度を更に高めることが可能である。

図６に示すルーチンでは、先ず、ステップ１００において、センサ出力のADタイミングが到来したか否かが判別される（詳細は図３、ステップ１００と同様）。その結果、ADタイミングが到来していると判断された場合は、次に、現時点（サンプリングタイミングiとする）での第１ADポートの出力値が第１セル出力VAD1として、また、第２ADポートの出力値が第２セル出力VAD2iとして、それぞれ格納される（ステップ１１０）。

次に、第１セル出力VAD1に基づいて空燃比A/Fが算出される。更に、今回のADタイミングで取得した第１セル出力VAD1と、k回前のADタイミングで取得した第２セル出力VAD2i-kとの差VADDIF＝VAD1−VAD2i-kに基づいて、排気ガス中のH2濃度が算出される（ステップ１１２）。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、上記ステップ１１２において参照される空燃比A/Fのマップ、及びH2濃度のマップである。これらのマップを参照してA/FやH2濃度を算出する手法は、実質的に、図３を参照して説明した手法と同様である（ステップ１０４参照）。

上記のkは、AD周期×kが、第１セルにおいて発生する拡散遅れ時間と一致するように定められた値である。このため、サンプリングタイミングiにおけるVAD1と、k回前のVAD2i-kとは、同じ時点で排気ガスセンサ１０の周囲に存在していた排気ガスの特性を表すものである。従って、上記の処理によれば、触媒層１８での反応遅れに影響されることなく、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とに基づいて、排気ガス中のH2濃度を精度良く検出することができる。

図６に示すルーチンにおいて、上記の処理が終わると、次回の処理サイクルに備えて、以下に示す規則に従って、第２セル出力VAD2のRAM値が書き換えられる（ステップ１１４）。
VAD2i-n←VAD2i-(n-1) （n＝1〜k） ・・・（１）

ところで、上記のルーチンでは、所定のADタイミング毎に第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とを検出し、触媒層１８での応答時間に起因する遅れを打ち消すために、ADタイミングiにおける第１セル出力VAD1と、ADタイミングi-kにおける第２セル出力VAD2i-kとを組み合わせることとしているが、応答時間に起因する遅れを打ち消すための手法はこれに限定されるものではない。すなわち、任意のタイミングで第２セル出力VAD2を取り込んだ後、応答遅れ時間が経過した時点で割り込み処理により第１セル出力VAD1を取り込み、それら両者を組み合わせてH2濃度を算出することとしてもよい。

また、上記のルーチンでは、触媒層１８での反応に起因する応答遅れは、常に一定であるものとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上記の応答遅れは、内燃機関の運転条件（ガス流量など）に応じて変化することがある。このため、H2濃度の基礎とする第２セル出力VAD2をどのADタイミングで取得したものとするか、或いは、上記の変形例における割り込みのタイミングなどは、内燃機関の運転条件に応じて適宜決定することとしてもよい。

［H2濃度を利用した空燃比A/Fの精度向上］
（精度向上原理）
以上説明した通り、本実施形態のシステムは、図３に示すルーチン、或いは図６に示すルーチンを実行することにより、排気ガスセンサ１０の周囲を流れる排気ガスの空燃比A/F、及び、その排気ガス中のH2濃度を検出することができる。以下、このようにして検出したH2濃度を利用して、上記の処理により検出した空燃比A/Fの精度を更に向上させるための処理について説明する。

上述した通り、H2成分は、排気ガス中の他の成分に比して拡散速度が早いという特性を有している。そして、第２セル出力VAD2は、その拡散速度の違いに起因して、リッチ側にシフトする傾向を示す。第１セルには、H2成分の影響を排除するために、触媒層１８が設けられている。このため、第１セル出力VAD1は、H2成分の影響を受けにくい値となっている。

しかしながら、排気ガス中のH2成分を、触媒層１８において完全に反応させることは、必ずしも容易ではない。このため、触媒層１８が設けられた第１セルの側でも、排気ガス中のH2成分は、第１拡散抵抗層１８を通過して第１電極２０に到達することがある。この場合、第１セル出力VAD1も、第２セル出力VAD2と同様に、H2の影響でリッチ側に偏った値となる。

ところで、H2成分の影響で第１セル出力VAD1に発生するリッチシフト量は、排気ガス中のH2濃度と相関を有している。このため、H2濃度が判れば、その影響でVAD1がどの程度リッチ側にシフトしているかを精度良く推定することが可能である。そして、その推定が可能であれば、空燃比A/Fの検出値に補正を施して、リッチシフト量を相殺することが可能である。

（具体的処理）
図８は、H2濃度を利用して、空燃比A/Fの検出精度を高めるために、駆動装置４０のマイクロコンピュータが実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、上記図３に示すルーチン、或いは図６に示すルーチンにより、A/F及びH2濃度を算出した後に実行されるものとする。

図８に示すルーチンでは、先ず、図３又は図６に示すルーチン中で算出された空燃比A/F、及びH2濃度が順次読み出される（ステップ１２０，１２２）。次に、H2濃度に基づいて、空燃比補正量ΔA/Fが算出される（ステップ１２４）。最後に、ステップ１２０で読み出された空燃比に、空燃比補正量ΔA/Fが加算され、補正後の空燃比A/Fが算出される（ステップ１２６）。

図９は、上記ステップ１２４において参照されるマップの一例である。このマップによれば、空燃比補正値ΔA/Fは、H2濃度が高いほど大きな値となる。従って、空燃比A/Fは、H2濃度が高いほど、リーン側に大きく補正されることになる。

第１セル出力VAD1に基づく空燃比A/Fは、上述した通り、H2濃度が高いほど、リッチ側に大きくシフトし易い。図９に示すマップは、そのリッチシフトを相殺することができるように設定されている。このため、上記の処理によれば、H2成分に起因する空燃比ずれを精度良く補正して、現実の排気空燃比に精度良く一致する空燃比A/Fを算出することができる。

ところで、上記の処理は、H2成分の拡散速度が常に一定であることを前提としているが、その拡散速度は、必ずしも一定ではない。すなわち、H2成分の拡散速度は、排気通路内の圧力や温度に応じた変化を示す。そして、H2成分の拡散速度が異なれば、H2成分の影響を相殺するための空燃比補正量ΔA/Fも変化させることが適切である。このため、H2成分の拡散速度を推定したうえで、空燃比補正量ΔA/Fを、推定した拡散速度に基づいて変化させることとしてもよい。

また、上記のルーチンでは、H2濃度を基礎として空燃比補正量ΔA/Fを算出することとしているが、その算出の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、空燃比補正量ΔA/Fは、H2濃度ではなく、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差（VAD1−VAD2）から求めることとしてもよい。

［排気ガスセンサの劣化検出（その１）］
（検出原理）
次に、第１セル出力VAD1及び第２セル出力VAD2を利用して、排気ガスセンサ１０の劣化状態を判定する手法について説明する。本実施形態の構成によれば、排気ガス中にH2成分が存在する場合は、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に、H2濃度に対応する差異が発生するはずである。他方、排気ガス中にH2成分が存在しない場合は、差異の原因が存在しないため、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とは等しい値となるはずである。

H2成分やHC成分は、空燃比がリッチな排気ガス中に、必然的に含まれる。反対に、それらの成分は、空燃比がリーンな排気ガス中には含まれない。従って、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とは、排気空燃比がリッチである環境下では異なる値となり、他方、排気空燃比がリーンである場合は等しい値となるはずである。

換言すれば、排気空燃比がリッチである環境下で、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に有意な差が認められない場合は、排気ガスセンサ１０が正常に機能していないと判断することができる。同様に、排気空燃比がリーン、或いはストイキである環境下で、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に有意な差が生じている場合も、排気ガスセンサ１０に異常が生じていると判断できる。そこで、本実施形態では、このような基準に従って排気ガスセンサ１０の故障判定を行うこととした。

（具体的処理）
図１０は、上記の原理に従って排気ガスセンサ１０の故障判定を行うために、駆動装置４０のマイクロコンピュータが実行するルーチンのフローチャートである。図１０に示すルーチンでは、先ず、排気ガスセンサ１０の故障を判定するべきタイミングが到来したか否かが判別される（ステップ１３０）。ここでは、具体的には、(1)内燃機関の暖機が終了しているか（水温THWで判断）；(2)排気ガスセンサ１０の活性が判定されているか（第１セル、第２セルのインピーダンス等で判断）；(3)燃料噴射量の空燃比フィードバック制御が実行されているか；(4)機関回転数NEが所定範囲内であるか（吸入空気量Gaが所定範囲内か）；安定走行中であるか（機関回転数NE変化、吸入空気量GA変化が判定値内か）、などが判定される。そして、これらの条件が全て成立すると、故障判定のタイミングが到来していると判断される。

ステップ１３０において、故障判定のタイミングが到来していないと判断された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。一方、そのタイミングが到来していると判定された場合は、排気ガスセンサ１０の故障判定が、未完了であるかが判断される（ステップ１３２）。

故障判定が既に完了している場合は、以後の処理を実行する必要がないため、速やかに今回の処理サイクルが終了される。他方、故障判定が未完了であると判断された場合は、排気ガスセンサ１０の周囲がリッチ雰囲気であるかが判定される（ステップ１３４）。この判定が肯定された場合は、排気ガス中にH2成分が存在していると判断できる。そして、この場合は、次に、VAD1−VAD2が、判定値より小さいか否かが判別される（ステップ１３６）。

VAD1−VAD2＜判定値の関係が不成立であると判定された場合は、VAD1と、VAD2との間に、H2成分の存在に起因する差が適正に生じていると判断できる。この場合は、排気ガスセンサ１０が正常であると判定される（ステップ１３８）。他方、VAD1−VAD2＜判定値の関係が成立すると判定された場合は、両者間に適正な差が生じていないと判断できる。そして、この場合は、排気ガスセンサ１０の故障が判定される（ステップ１４０）。

上記ステップ１３４において、排気ガスセンサ１０の周囲がリッチ雰囲気でないと判断された場合は、排気ガス中にH2成分が含まれていないと判断できる。この場合は、次に、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差が、判定値より大きいか否かが判断される。排気ガス中にH2成分が存在しない環境下では、両者間に有意な差が生じないのが通常である。従って、VAD1−VAD2＞判定値の成立が認められた場合は、ステップ１４０において、排気ガスセンサ１０の故障が判定される。他方、VAD1−VAD2＞判定値の関係が成立していなかった場合は、排気ガスセンサ１０の正常判定がなされる。

以上説明した通り、図１０に示すルーチンによれば、第１セル出力VAD1と、第２セル出力VAD2とに基づいて、排気ガスセンサ１０の故障判定を、簡単な手順で正確に行うことができる。

［排気ガスセンサの劣化検出（その２）］
（検出原理）
次に、第１セル出力VAD1及び第２セル出力VAD2を利用して、排気ガスセンサ１０の劣化状態を判定する第２の手法について説明する。図１１は、ここで説明する劣化検出の原理を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図１１（Ａ）は、故障判定モードにおいて、目標空燃比が強制的にリッチとリーンの間で反転されている様子を示す。図１１（Ｂ）及び図１１（Ｃ）は、それぞれ、故障判定モード中における第１セル出力VAD1及び第２セル出力VAD2を示す。

本実施形態のシステムは、触媒層１８がH2成分の反応を促進することを利用して、H2濃度の検出を可能としている。そして、触媒層１８がH2成分の反応を促進している状況下では、上述した通り（図５参照）、その反応の時間分だけ、第１セル出力VAD1が第２セル出力VAD2に比して、空燃比の変化に対して鈍い応答性を示す。

他方、触媒層１８の劣化が進み、触媒層１８においてH2成分の反応が促進され難くなるほど、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との応答差は小さくなる。従って、排気ガスセンサ１０を取りまく排気ガスの空燃比が変化した際に、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とが、どのような応答差を示すかを見れば、触媒層１８がどの程度劣化しているかは推定することが可能である。

そこで、本実施形態では、図１１に示すように、故障判定モードにおいて、目標空燃比を強制的に振幅させ、この振幅に対して、第１セル出力VAD1と、第２セル出力VAD2との間に十分な応答差が表れるか否かを見ることで、排気ガスセンサ１０の故障判定を行うこととした。

（具体的処理）
図１２は、上記の原理を利用した故障検出を実現するために駆動装置４０のマイクロコンピュータが実行するルーチンのフローチャートである。具体的には、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に十分な応答差が存在しているか否かを、故障判定モード中に生じた両者の軌跡長に基づいて判断するためのフローチャートである。

図１２に示すルーチンは、上述した他のルーチンと同様に、４msecの周期で繰り返し起動されるものとする。ここでは、先ず、ステップ１３０において、センサ故障の判定タイミングが到来したか否かが判断される（詳細は、図１０に示すステップ１３０の処理と同様）。

その結果、故障判定のタイミングであると判断された場合は、故障判定モードの動作が未完了であるかが判別される（ステップ１５０）。本実施形態では、図１１（Ａ）に示すように、リッチ期間とリーン期間が２回ずつ発生するように目標空燃比を反転させる動作を故障判定モードとして定めている。駆動装置４０は、故障判定タイミングの到来を検知すると、他のルーチンにより、その故障判定モードの動作を開始する。そして、本ステップ１５０では、その故障判定モードが、最後まで実行されたか否かが判断される。

故障判定モードが未だ最後まで実行されていない場合は、上記ステップ１５０において、肯定的な判断がなされる。この場合、以下に示す演算式に従って、第１セル出力VAD1の軌跡長SIGVAD1、及び第２セル出力VAD2の軌跡長SIGVAD2の演算が進められる（ステップ１５２）。
SIGVAD1＝Σ│(VAD1i−VAD0)│
SIGVAD2＝Σ│(VAD2i−VAD0)│ ・・・（２）
但し、VAD1i及びVAD2iは、今回サンプリングした第１セル出力VAD1及び第２セル出力VAD2である。また、VAD0は、理論空燃比に対応して出力されるべきストイキ出力である。

以上の処理は、ステップ１５０において、故障判定モードの完了が判定されるまで繰り返し実行される。つまり、ステップ１５２の積算処理は、故障判定モードの開始後、その完了まで、４msec毎に繰り返し実行される。

第２セル出力VAD2は、目標空燃比の変化に対して常に優れた応答性を示す。つまり、第２セル出力VAD2は、目標空燃比の反転後、速やかに、リッチ側或いはリーン側の収束値に達する。このため、その軌跡長SIGVAD2＝Σ│(VAD2i−VAD0)│は、比較的大きな値となる。

他方、第１セル出力VAD1は、触媒層１８が正常に機能している間は、目標空燃比の変化に対して鈍い応答性を示す。この場合、第１セル出力VAD1は、目標空燃比の反転後に、リッチ側或いはリーン側の収束値に向かって比較的ゆっくりと変化する。第１セル出力VAD1の変化が緩やかであれば、第１セル出力のAD値VAD1iがストイキ出力値VAD0の近傍に維持される期間が長くなり、その結果、軌跡長SIGVAD1＝Σ│(VAD1i−VAD0)│は、比較的小さな値となる。そして、その軌跡長SIGVAD1は、触媒層１８の劣化が進み、そこでの応答遅れが小さくなるほど第１セル出力VAD2の軌跡長SIGVAD2に近い値となる。

このように、ステップ１５２の処理により算出される第１セル出力VAD1の軌跡長SIGVAD1は、触媒層１８が正常に機能している間は、第２セル出力VAD2の軌跡長SIGVAD2に比して小さな値となり、触媒層１８の劣化が進むに連れて、第２セル出力VAD2の軌跡長SIGVAD2に近づく値である。

本実施形態のシステムにおいて、故障判定モードが完了すると、ステップ１５０において、条件不成立の判断がなされる。この場合、次に、第２セル出力VAD2の軌跡長SIGVAD2と、第１セル出力VAD1の軌跡長SIGVAD2との差が、判定値KSIGOBDより小さいか否かが判断される（ステップ１５４）。

その結果、SIGVAD2−SIGVAD1＜KSIGOBDが成立しないと判定された場合は、第１セル出力VAD1に、十分に遅れが重畳しており、触媒層１８が正常に機能していると判断できる。この場合は、排気ガスセンサ１０が正常であると判断される（ステップ１５６）。他方、上記条件の成立が認められる場合は、第１セル出力VAD1が、第２セル出力VAD2と同等の応答性を示していると判断できる。この場合は、触媒層１８が劣化したものとして、センサの故障が判定される（ステップ１５８）。

以上説明した通り、図１２に示すルーチンによれば、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に十分な応答差が存在するか否かを、両者の軌跡長の差（SIGVAD2−SIGVAD1）に基づいて判断することができる。そして、その判断の結果に応じて、排気ガスセンサ１０の故障の有無を正確に判定することができる。

ところで、上述した図１２に示すルーチンでは、故障判定モードの期間中に渡って上記（２）式により積算した軌跡長SIGVAD1，SIGVAD2に基づいて第１セル出力VAD1及び第２セル出力VAD2の応答性を判断することとしているが、その判断の手法はこれに限定されるものではない。例えば、それらの応答性は、目標空燃比がリッチからリーン（又はリーンからリッチ）に反転した後、それぞれのセル出力VAD1，VAD2がリーン判定値（又はリッチ判定値）に達するまでの時間に基づいて判断することとしてもよい。或いは、目標空燃比の反転後、それぞれのセル出力VAD1，VAD2がリーン判定値又はリッチ判定値に達するまでの間、上記（２）式による積算を行い、その結果得られた積算値SIGVAD1，SIGVAD2に基づいて応答性の判断を行うこととしてもよい。

［排気ガスセンサの活性判定］
（活性判定の原理）
次に、図１３を参照して、本実施形態のシステムが用いる活性判定の手法について説明する。排気ガスセンサ１０は、所定の活性温度（例えば７００℃）に達することで、適正に機能し得る状態となる。このため、排気ガスセンサ１０の出力を制御に取り込むためには、排気ガスセンサ１０が活性しているか否かを判断することが必要である。

排気ガスセンサ１０の活性は、例えば、ヒータ３６による加熱量を積算するなどの手法で素子温度を推定し、その推定温度が活性温度に達したか否かを見ることで判定することができる。また、センサ素子のインピーダンスが素子温度と相関を有するため、そのインピーダンスに基づいて活性判定を行うことも可能である。しかしながら、素子温度の推定精度や、インピーダンスと素子温度との相関関係は、素子特性の経時変化等により変化する。このため、上述した手法によって、長期安定的に活性状態を正確に判定し続けることは必ずしも容易ではない。

特に、本実施形態の排気ガスセンサ１０は、第１セルの一部として触媒層１８を備えている。触媒層１８は、排気ガスセンサ１０が有する４つの電極２０，２２，３２，３４に比して劣化し易い特性を有している。そして、触媒層１８の劣化が進むと、その反応効率（一定温度下での水素の反応速度や、反応可能な水素量）が低下して、第１セルと第２セルの特性差が小さくなる。

本実施形態の排気ガスセンサ１０は、第１セルと第２セルとが、H2を含む排気ガスに対して異なる特性を示すことを利用してH2濃度に応じた出力を発生する。このため、その特性差が小さくなれば、上記の手法でH2濃度を検出すること（上記図３参照）、更には、H2濃度を利用してA/Fを補正すること（上記図８参照）が困難となる。

排気ガスセンサ１０の活性化を、上記の手法、つまり、素子温度の推定値やインピーダンスに基づいて判定する手法によると、排気ガスセンサ１０が、現実には十分に活性化されていないにも関わらず、素子温度やインピーダンスが活性判定値に達していることだけで、活性化の判定がなされるような事態が生じ得る。特に、本実施形態において、このような手法で活性判定が行われると、触媒層１８の反応効率が十分に高まる前、つまり、H2濃度やA/Fが正確に検知され始める前に活性判定がなされるという不都合が生じ易い。

ところで、本実施形態の構成によれば、第１セルと第２セルの間の出力差は、空燃比がリッチである環境下で、４つの電極２０，２２，３２，３４と触媒層１８の全てが現実に活性化した後にのみ適正に発生する。従って、リッチ環境下で、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に有意な差が生じているか否かを見れば、排気ガスセンサ１０が、現実に活性しているか否かを判断することが可能である。

つまり、上記の手法によれば、素子温度やインピーダンスに頼ることなく、排気ガスセンサ１０の活性を、その出力に基づいて直接的に判定することができる。そして、この手法によれば、触媒層１８の劣化等に影響されることなく、排気ガスセンサ１０が現実に所望の機能を発揮し得る状態になった時点で活性状態の成立を判定することができる。そこで、本実施形態のシステムは、リッチ環境下で、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に適正な差が生じたか否かを判断することにより、排気ガスセンサ１０の活性化を判定することとした。

（具体的処理）
図１３は、排気ガスセンサ１０の活性判定を行うために、駆動装置４０のマイクロコンピュータが実行するルーチンのフローチャートである。図１３に示すルーチンでは、先ず、ステップ１００においてセンサ出力のADタイミングが到来したかが判別される。ここでADタイミングの到来が判定されると、次に、ステップ１０２において、第１センサ出力VAD1及び第２センサ出力VAD2が取り込まれる。これらの処理は、図３に示すステップ１００，１０２の処理と同様である。

上記の処理が終わると、次に、活性判定の実行条件が判定される（ステップ１６０）。ここでは、具体的には、内燃機関の始動後、所定時間が経過する前であるか、並びに、センサ故障（ヒータ断線や回路故障）が検知されていないか等が判定される。上記の所定時間は、排気ガスセンサ１０の活性化に必要な時間である。また、その時間が経過するまでは、始動時増量補正によって、排気ガスがリッチに維持されるもの、つまり、排気ガス中にH2成分が含まれるものとする。

上記の実行条件が成立しない場合は、排気ガスセンサ１０の活性判定を行う必要がないと判断できる。この場合、以後速やかに今回の処理が終了される。

これに対して、実行条件の成立が判定された場合は、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差VADDIF＝VAD1−VAD2が算出される（ステップ１６２）。また、この場合は、更に、出力差VADDIFが所定の判定値KVADACTより大きいか否かが判断される（ステップ１６４）。

その結果、出力差VADDIFが判定値KVADACTより大きくないと判断された場合は、未だ排気ガスセンサ１０が十分に活性していないと判断できる。この場合は、以後何ら処理が行われることなく速やかに今回の処理が終了される。

一方、出力差VADDIFが判定値KVADACTより大きいと判断された場合は、排気ガスセンサ１０が活性状態に達したと判断できる。この場合は、その状態を表すべく、センサ活性フラグXH2ACTがON状態とされる（ステップ１６６）。

以上説明した通り、図１３に示すルーチンによれば、第１セル出力VAD1と、第２セル出力VAD2との間に十分な差が生じたか否かに基づいて、排気ガスセンサ１０が活性状態に達したか否かを正確に判断することができる。つまり、上記の手法によれば、センサ素子のインピーダンスや推定素子温度に頼ることなく、排気ガスセンサ１０の出力から、直接的にその活性状態を判断することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、触媒層１８の経時劣化等に影響されることなく、長期安定的に、排気ガスセンサ１０の活性判定を正確に行うことができる。

ところで、図１３に示すルーチンでは、同じADタイミングで取得した第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2の差を出力差VADDIFとしているが、その算出の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、触媒層１８における応答遅れを考慮して、ADタイミングiで取得した第１セル出力VAD1iと、k回前のADタイミングで取得した第２セル出力VAD2i-kとの差を出力差VADDIFとしてもよい。

また、図１３に示すルーチンでは、ADタイミング毎に、出力差VADDIFが判定値KVADACTより大きいか否かに基づいて、排気ガスセンサ１０が活性状態に至ったか否かを判定することとしているが、その判定の手法は、これに限定されるものではない。例えば、内燃機関の始動後に、出力差VADDIFの積算値を算出し、その積算値が判定値に達したか否かに基づいて活性判定を行うこととしてもよい。

［目標温度の補正］
（補正の必要性）
駆動装置４０は、排気ガスセンサ１０の活性状態を維持するために、ヒータ３６による加熱制御を行う。より具体的には、駆動装置４０は、第１セル又は第２セルのインピーダンスを計測して、その計測値から排気ガスセンサ１０の素子温度を推定する。そして、その素子温度が目標温度と一致するように、ヒータ３６への供給電力をフィードバック制御する。これらは、公知の処理により実行されるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。

ところで、排気ガスセンサ１０が、現実に活性状態となる温度は、触媒層１８や電極２０，２２，３２，３４等の劣化に起因して、経時的に徐々に上昇する傾向を示す。このため、活性状態を維持するための目標温度も、排気ガスセンサ１０の劣化に合わせて徐々に上昇させることが適切である。

他方、本実施形態のシステムでは、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との出力差VADDIFに基づいて、活性の進行度合いを検知することが可能である。つまり、このシステムにおいては、素子温度が目標温度に達した際に、適正な出力差VADDIFが生じていなければ、目標温度が低すぎると判断することが可能である。そこで、本実施形態では、素子温度が目標温度に達した時点で、出力差VADDIFが適正値に達していない場合には、現実の活性状態が得られるように、目標温度に上昇補正を施すこととした。

（具体的処理）
図１４は、上記の機能を実現するために、駆動装置４０が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、先ず、第１セル又は第２セルのインピーダンスZが検出される（ステップ２００）。次に、検出したインピーダンスZに基づいて、素子温度Tsが算出される（ステップ２０２）。

次いで、推定された素子温度Tsが、目標温度Tref以上であるかが判別される（ステップ２０４）。その結果、素子温度Tsが、未だ目標温度Trefに達していないと判断された場合は、目標温度Trefの適否を判断する条件が整っていないと判断され、以後速やかに今回の処理が終了される。

一方、Ts≧Trefの成立が認められた場合は、目標温度Trefが適正であるか否かを判断するべく、先ず、空燃比A/Fがリッチであるかが判定される（ステップ２０６）。本実施形態では、適正な出力差VADDIFの有無に基づいて目標温度Trefの適否が判断される。他方、空燃比A/Fがリッチでなければ、目標温度Trefの適否に関わらず、出力差VADDIFは発生しない。このため、本ステップ２０６で空燃比A/Fがリッチでないと判断された場合は、以後の処理が進められることなく、速やかに今回の処理が終了される。

これに対して、上記ステップ２０６において、空燃比A/Fがリッチであると判別された場合は、次に、出力差VADDIFが、判定値KVADACTより大きいか否かが判別される（ステップ２０８）。判定値KVADACTは、図１３中ステップ１６４において、排気ガスセンサ１０の活性判定を判断するために用いられた値である。従って、本ステップ２０８の処理によれば、排気ガスセンサ１０の活性を判断できる出力差VADDIFが、第１センサ出力VAD1と第２センサ出力VAD2の間に生じているか否かを判断することができる。

上記ステップ２０８において、出力差VADDIFが、判定値KVADACTより大きいと判断された場合は、目標温度Trefに加熱されることにより、排気ガスセンサ１０は現実に活性状態に至っていると判断できる。つまり、この場合は、現在設定されている目標温度Trefが適正温度であると判断できる。従って、上記の判断がなされた場合は、以後、目標温度Trefを補正することなく、今回の処理サイクルが終了される。

一方、上記ステップ２０８において、出力差VADDIFが判定値KVADACTより大きくないと判断された場合は、排気ガスセンサ１０が、現実に活性化するまでは加熱されていない、つまり、目標温度Trefが適正温度に比して低いと判断できる。この場合、先ず、目標温度Trefに加えるべき上昇分（目標温度補正量ΔTref）が算出される（ステップ２１０）。

目標温度補正量ΔTrefは、現時点で生じている出力差VADDIFが、判定値KVADACTに比して小さいほど、大きな値とするべきである。本実施形態において、駆動装置４０は、そのような傾向が生ずるように、出力差VADDIFとの関係で定めた目標温度補正量ΔTrefのマップを記憶している。上記ステップ２１０では、具体的には、そのマップを参照することでΔTrefが算出される。尚、ΔTrefは、出力差VADDIFの関数として算出されればよく、その算出の手法は、マップを用いる他、予め設定した演算式を用いるものであってもよい。

上記の処理が終わると、次に、現在の目標温度Trefに目標温度補正量ΔTrefを加えた値が、目標温度上限値Tmax以下であるかが判別される（ステップ２１２）。目標温度上限値Tmaxは、排気ガスセンサ１０の目標温度として許容し得る最高の温度である。

従って、Tref＋ΔTref≦Tmaxの成立が認められた場合は、左辺の温度が、目標温度として許容し得る温度であると判断できる。この場合は、その温度Tref＋ΔTrefが新たな目標温度Trefに設定される（ステップ２１４）。

他方、Tref＋ΔTref≦Tmaxが成立しないと判断された場合は、左辺の温度が、目標温度として許容し得ない温度であると判断できる。この場合は、目標温度Trefが目標温度上限値Tmaxにガードされ、その上限値Tmaxが新たな目標温度Trefに設定される（ステップ２１６）。

以上説明した通り、図１４に示すルーチンによれば、目標温度Trefを、常に、排気ガスセンサ１０を現実に活性化させることのできる温度に設定することができる。また、このルーチンによれば、現実に生じている出力差VADDIFを基礎として目標温度補正量ΔTrefを設定するため、補正後の目標温度Trefを、過不足のない適正な温度とすることができる。更に、このルーチンによれば、目標温度Trefを上限温度Tmaxでガードすることができ、排気ガスセンサ１０が過度に加熱されるのを確実に防ぐことができる。従って、本実施形態のシステムによれば、排気ガスセンサ１０が、現実に適正な活性状態に維持される状況を、長期安定的に実現することができる。

［排気ガスセンサの変形例］
本実施形態の排気ガスセンサ１０は、図１を参照して説明した通り、第１セルと第２セルとを一体化した構成を有している。しかしながら、排気ガスセンサ１０の構成は、これに限定されるものではなく、第１セルと、第２セルとは、別個独立に設けられたものであってもよい。この点は、以下に説明する他の実施形態においても同様である。

また、図１に示す排気ガスセンサ１０は、第１セルと第２セルが、大気側電極３２，３４をそれぞれ独立に有する構成とされているが、その構成はこれに限定されるものではない。すなわち、図１５に示すように、第１セルの大気側電極と、第２セルの大気側電極とは、一体的に設けることとしてもよい。この点も、以下に説明する他の実施形態において同様である。

尚、上述した実施の形態１においては、第１セル及び第２セルが、それぞれ前記第１の発明における「第１の限界電流式空燃比センサ」及び「第２の限界電流式空燃比センサ」に、H2成分が前記第１の発明における「特定の検出対象成分」相当している。また、ここでは、駆動装置４０のマイクロコンピュータが、ステップ１６２の処理を実行することにより前記第１の発明における「出力差検出手段」が、ステップ１６６の処理を実行することにより前記第１の発明における「活性判定手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、駆動装置４０が、上記ステップ２０２の処理を実行することにより前記第２の発明における「素子温度推定手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより前記第２の発明における「目標温度判定手段」が、上記ステップ２０８〜２１６の処理を実行することにより前記第２の発明における「目標温度補正手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、駆動装置４０が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより前記第３の発明における「補正値設定手段」が、上記ステップ２１２及び２１６の処理を実行することにより前記第４の発明における「上限温度制限手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、駆動装置４０のマイクロコンピュータが、ステップ１２０の処理を実行することにより前記第５の発明における「空燃比検出手段」が、上記ステップ１２２〜１２６の処理を実行することにより前記第５又は第６の発明における「空燃比補正手段」が、それぞれ実現されている。更に、駆動装置４０に、H2成分の拡散速度を推定させることにより前記第８の発明における「拡散速度推定手段」を実現することができ、その推定値に基づいて空燃比補正量ΔA/Fを変化させることにより前記第８の発明における「補正量補正手段」を実現させることができる。

実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
（センサ構成）
次に、図１６乃至図２３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図１６（Ａ）は、本実施形態の排気ガスセンサ７０の斜視図を示す。また、図１６（Ｂ）は、排気ガスセンサ１０を、図１６（Ａ）に矢印Ｂを付して示す平面で切断することで得られる断面図を示す。

本実施形態の排気ガスセンサ７０は、第１拡散抵抗層１４及び触媒層１８が第１拡散抵抗層７２に置き換えられている点、及び、第２拡散抵抗層１６が第２拡散抵抗層７４に置き換えられている点を除いて、実施の形態１における排気ガスセンサ１０と同様である。以下、図１６において、図１に示す構成要素と同じものについては、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

本実施形態において用いられる２つの拡散抵抗層７２，７４は、孔径や密度が異なるように設けられている。具体的には、第１拡散抵抗層７２は、排気ガス中の種々の成分（高分子HC成分を除く）が、適当な拡散速度で拡散できる程度に細孔化、緻密化されている。他方、第２拡散抵抗層７４は、排気ガス中の高分子HC成分が、容易に拡散できるように、第１拡散抵抗層７２に比して大孔化、粗大化されている。

（回路構成）
図１７は、本実施形態の排気ガスセンサ７０の駆動装置８０の主要部を表す回路図である。図１７に示す回路構成は、図２を参照して説明した構成と同様である。ここでは、同一の構成要素に対して共通する符号を付することとして、重複する説明を省略する。

駆動装置８０が備える第１大気側端子５２及び第１排気側端子５４は、実施の形態１の場合と同様に、第１セルの大気側電極３２及び排気側電極（第１電極２０）に接続される。また、駆動装置８０が備える第２大気側端子６６及び第２排気側端子６２も、実施の形態１の場合と同様に、第２セルの大気側電極３４及び排気側電極（第２電極２２）に接続される。

駆動装置８０は、上記の接続を得ることにより、駆動装置４０と同様に、第１セル及び第２セルを、それぞれ限界電流式のセンサとして機能させることができる。そして、駆動装置８０は、第１ADポートの出力を第１セル出力VAD1として取得し、また、第２ADポート６６の出力を、第２セル出力VAD2として取り込むことができる。

［本実施形態の基本動作］
（空燃比A/Fの検出）
本実施形態において、第１拡散抵抗層７２は、上述した通り、高分子HC成分を除く他の排気ガス成分が、適当な拡散速度で拡散できる程度に細孔化、緻密化されている。第１セルを限界電流式のセンサとして機能させるためには、第１電極２０に到達する排気ガス量が、適当に制限されている必要がある。第１拡散抵抗層７２によれば、排気ガス中に高分子HC成分が含まれていない場合には、このような要求を適切に満たすことができる。

しかしながら、排気ガス中には、高分子HC成分が含まれることがある。特に、ディーゼル機関の排気ガス中には、高分子HC成分が多量に含まれ易い。高分子HC成分は、O2やNOxなどの酸化剤に比して、拡散抵抗層中を進む速度、つまり、拡散速度が遅く、拡散抵抗層が細孔化、緻密化されるほど、その傾向は顕著になる。

このため、排気ガス中に高分子HC成分が含まれている場合、排気ガス中の各成分が第１拡散抵抗層７２の内部を進行する過程で、高分子HC成分の比率が下がり、第１電極２０の表面においては、現実の排気ガスに比べて、高分子HC成分の比率が著しく低くなる事態が生ずる。第１電極２０の表面において、還元剤であるHC成分の比率が低下すれば、O2等の酸化剤の比率が相対的に高くなる。その結果、第１セル出力VAD1は、現実の排気空燃比に対してリーン側に偏った値となる。

つまり、本実施形態の構成によれば、第１セルを流れるセンサ電流は、排気ガス中に含まれる高分子HC成分が少量である場合には、現実の排気空燃比と精度良く対応する値となる一方、排気ガス中に高分子HC成分が多量に含まれるような場合には、現実の排気空燃比に対してリーン側に偏った値となる。このため、後者の場合には、第１セル出力VAD1に基づいて、排気空燃比を正確に検知することはできない。

これに対して、第２拡散抵抗層７４は、上述した通り、高分子HC成分が容易に拡散できる程度に大孔化、粗大化されている。その結果、第２セルにおいては、排気ガス中に高分子HC成分が含まれていても、第２拡散抵抗層７２の表面と、第２電極２２の表面とで、還元剤と酸化剤の比率が大きく変化することはない。このため、第２セル出力VAD2は、排気ガス中に高分子HC成分が多量に含まれている場合には、現実の排気空燃比に精度良く対応した値となる。

但し、拡散抵抗層が、排気ガス中の各種成分の拡散速度を律する効果は、その構造が大孔化、粗大化されるほど小さくなる。このため、排気ガス中に含まれる成分が、拡散速度の早い成分のみである場合は、第２電極の表面に到達する各種成分の割合が安定せず、第２セル出力VAD2が不安定になる。従って、排気ガス中に高分子HC成分が含まれていない場合に、第２セル出力VAD2を、排気空燃比の基礎とすることは、必ずしも適切ではない。

以上の理由により、本実施形態の構成によれば、排気ガス中に高分子HC成分が多量に含まれる環境下では、第２セル出力VAD2を基礎として、排気空燃比を検知することが適切である。また、排気ガス中に高分子HC成分が含まれていない場合には、第１セル出力VAD1に基づいて排気空燃比を検出することが適切である。

高分子HC成分は、上述した通り、ディーゼル機関の排気ガス中に多量に含まれ易い。そして、ガソリン機関の排気ガス中には、低分子HC成分は含まれるものの、一般に、高分子HC成分は含まれ難い。そこで、本実施形態の駆動装置８０は、このシステムが、ガソリン機関との組み合わせで用いられる場合には、第１ADポート５８に表れる第１セル出力VAD1に基づいて排気空燃比の検出を行う。また、このシステムがディーゼル機関と組み合わせて用いられる場合には、第２ADポート６６に表れる第２セル出力VAD2に基づいて排気空燃比の検出を行う。

（HC濃度の検出）
本実施形態の排気ガスセンサ７０によれば、第１セルには、高分子HC成分を除く他の排気ガス成分の割合に応じたセンサ電流I1が流れる。他方、第２セルには、高分子HC成分を含む全ての排気ガス成分の割合に応じたセンサ電流I2が流れる。この場合、第１セルのセンサ電流I1と、第２セルのセンサ電流I2との差、つまり、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差（VAD1−VAD2）は、高分子HC成分の濃度に対応した値となる。従って、本実施形態のシステムでは、上記の出力差VADDIF＝VAD1−VAD2に基づいて、高分子HC成分の濃度を検出することが可能である。

（空燃比A/F及びHC濃度を検出するための具体的処理）
図１８は、駆動装置８０のマイクロコンピュータが、排気空燃比A/F及び排気ガス中のHC濃度を検出するために実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、ステップ１０４がステップ１７０に置き換えられている点を除いて、図３に示すルーチンと同様である。

すなわち、図１８に示すルーチンでは、ステップ１００及び１０２の処理により、ADタイミングが到来する毎に、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とが取り込まれる。その後、それらのセル出力VAD1、VAD2に基づいて、排気空燃比A/F及びHC濃度が算出される（ステップ１７０）。

ステップ１７０において、排気空燃比A/Fを算出する手法は、このシステムがガソリン機関と組み合わされる場合と、ディーゼル機関と組み合わされる場合とで、異なったものとなる。前者の場合は、図１９（Ａ）に示すマップから、第１セル出力VAD1に対応する値が読み出され、その値が排気空燃比A/Fとされる。後者の場合は、そのマップから、第２セル出力VAD2に対応する値が読み出され、その値が排気空燃比とされる。このような処理によれば、高分子HC成分の少ないガソリン機関の排気空燃比、及び、高分子HC成分の多いディーゼル機関の排気空燃比を、それぞれ適切に検出することができる。

ステップ１７０において、HC濃度は、このシステムがガソリン機関と組み合わされる場合も、ディーゼル機関と組み合わされる場合も同様の手順で算出される。具体的には、先ず、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差VADDIF＝VAD1−VAD2が算出される。そして、図１９（Ｂ）に示すマップから、その差VADDIFに対応する値が読み出され、その値がHC濃度とされる。このような処理によれば、拡散速度の遅い成分、つまり、排気ガス中のHC成分（特に、高分子HC成分）の濃度を精度良く算出することができる。

以上説明した通り、本実施形態のシステムは、第１拡散抵抗層７２の構造と、第２拡散抵抗層７４の構造とを、孔径や密度において異ならせることにより、空燃比A/Fの検出精度を高めると共に、HC成分の検出を可能としている。これらの拡散層の構造は、安定しており、経時的に殆ど変化することはない。このため、本実施形態のシステムによれば、長期的に安定した特性を維持することができる。

［拡散抵抗層の粗密差に起因する遅れ］
（遅れの影響）
上述した通り、図１８に示す処理の手順では、同時にサンプリングした第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差に基づいて、排気ガス中のHC濃度を算出することとしている。しかしながら、本実施形態の排気ガスセンサ７０は、上述した通り、第１拡散抵抗層７２が、第２拡散抵抗層７４に比して細孔化、緻密化されている。このため、排気ガスが第１拡散抵抗層７２を通過するのに要する時間は、必然的に、第２拡散抵抗層７４の通過に要する時間に比して長くなる。

このため、本実施形態の場合も、上述した実施の形態１の場合と同様に、第２セル出力VAD2と第１セル出力VAD1との間には、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す応答遅れの関係が成立する。従って、本実施形態のシステムにおいて、HC濃度の検出精度を高めるためには、実施の形態１の場合と同様に、任意のADタイミングで取得した第１セル出力VAD1(i)と、そのタイミングから、応答遅れ時間だけ遡ったタイミングで取得した第２セル出力VAD2(i-k)との差に基づいてHC濃度を算出することが適切である。

（具体的処理）
図２０は、排気ガス中のHC濃度を上記の手法で算出させるためのルーチンのフローチャートである。本実施形態において、駆動装置８０には、上記図１８に示すルーチンに代えて、このルーチンを実行させることとしてもよい。このルーチンによれば、HC濃度の検出精度を更に高めることが可能である。

図２０に示すルーチンは、ステップ１１２がステップ１８０に置き換えられている点を除いて、図６に示すルーチンと同様である。以下、図２０において、図６に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略する。

図２０に示すルーチンでは、ステップ１１０において、今回のADタイミングに対応する第１セル出力VAD1及び第２セル出力VAD2iが格納された後、排気空燃比A/Fの算出と、HC濃度の算出とが行われる（ステップ１８０）。

排気空燃比A/Fの算出は、実質的に、図１８に示すルーチンの場合と同様の手順で算出される。すなわち、このシステムがガソリン機関と組み合わされる場合は、今回のADタイミングで格納した第１セル出力VAD1に基づいて排気空燃比A/Fが算出される。また、このシステムがディーゼル機関と組み合わされる場合は、今回のADタイミングで格納した第２セル出力VAD2iに基づいて排気空燃比A/Fが算出される。

HC濃度の算出は、組み合わせの対象がガソリン機関である場合も、ディーゼル機関である場合も、以下の手順で算出される。ここでは、先ず、今回のADタイミングで格納した第１セル出力VAD1と、k回前のADタイミングで格納された第２セル出力VAD2i-kとの差VADDIF＝VAD1−VAD2i-kが算出される。そして、その差VADDIFに基づいて、HC濃度が算出される。

図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）は、上記ステップ１８０において参照される空燃比A/Fのマップ、及びHC濃度のマップである。これらのマップを参照してA/FやHC濃度を算出する手法は、実質的に、図１８を参照して説明した手法と同様である（ステップ１７０参照）。

上記のkは、AD周期×kが、第１拡散抵抗層７２において生ずる拡散遅れ時間と一致するように定められた値である。このため、サンプリングタイミングiにおけるVAD1と、k回前のVAD2i-kとは、同じ時点で排気ガスセンサ７０の周囲に存在していた排気ガスの特性を表すものである。従って、上記の処理によれば、拡散時間の相違に影響されることなく、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とに基づいて、排気ガス中のHC濃度を精度良く検出することができる。

ところで、上記のルーチンでは、所定のADタイミング毎に第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とを検出し、触媒層１８での応答時間に起因する遅れを打ち消すために、ADタイミングiにおける第１セル出力VAD1と、ADタイミングi-kにおける第２セル出力VAD2i-kとを組み合わせることとしているが、拡散時間の違いを打ち消すための手法はこれに限定されるものではない。すなわち、任意のタイミングで第２セル出力VAD2を取り込んだ後、拡散遅れ時間が経過した時点で割り込み処理により第１セル出力VAD1を取り込み、それら両者を組み合わせてH2濃度を算出することとしてもよい。

また、上記のルーチンでは、第１セルにおいて発生する拡散遅れ時間は、常に一定であるものとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上記の拡散遅れ時間は、内燃機関の運転条件（ガス流量など）に応じて変化することがある。このため、HC濃度の基礎とする第２セル出力VAD2をどのADタイミングで取得したものとするか、或いは、上記の変形例における割り込みのタイミングなどは、内燃機関の運転条件に応じて適宜決定することとしてもよい。

［HC濃度を利用した空燃比A/Fの精度向上］
（精度向上原理）
以上説明した通り、本実施形態のシステムは、図１８に示すルーチン、或いは図２０に示すルーチンを実行することにより、排気ガスセンサ１０の周囲を流れる排気ガスの空燃比A/F、及び、その排気ガス中のHC濃度を検出することができる。以下、このようにして検出したHC濃度を利用して、上記の処理により検出した空燃比A/Fの精度を更に向上させるための処理について説明する。

上述した通り、HC成分（特に高分子HC成分）は、排気ガス中の他の成分に比して拡散速度が遅いという特性を有している。第２拡散抵抗層７４は、その影響を抑えるために大孔化、粗大化されているが、このような構造によっても、高分子HC成分の拡散速度を他の成分の拡散速度と同じにすることは、必ずしも容易ではない。このため、排気ガス中にHC成分が含まれている場合は、第２セル出力VAD2にもリーンシフトが生ずることがある。

ところで、HC成分の拡散遅れに起因して発生するリーンシフト量は、排気ガス中のHC濃度と相関を有している。このため、HC濃度が判れば、その影響で生ずるリーンシフト量を推定することは可能である。そして、その推定が可能であれば、空燃比A/Fの検出値に補正を施して、リーンシフト量を相殺することが可能である。

（具体的処理）
図２２は、HC濃度を利用して、空燃比A/Fの検出精度を高めるために、駆動装置８０のマイクロコンピュータが実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、上記図１８に示すルーチン、或いは図２０に示すルーチンにより、A/F及びHC濃度を算出した後に実行されるものとする。

図２２に示すルーチンでは、先ず、図１８又は図２０に示すルーチン中で算出された空燃比A/F、及びHC濃度が順次読み出される（ステップ１９０，１９２）。次に、HC濃度に基づいて、空燃比補正量ΔA/Fが算出される（ステップ１９４）。最後に、ステップ１９０で読み出された空燃比に、空燃比補正量ΔA/Fが加算され、補正後の空燃比A/Fが算出される（ステップ１９６）。

図２３は、上記ステップ１９４において参照されるマップの一例である。このマップによれば、空燃比補正値ΔA/Fは、負の値として算出され、HC濃度が高いほど、その絶対値が大きな値とされる。従って、空燃比A/Fは、HC濃度が高いほど、リッチ側に大きく補正されることになる。

第２セル出力VAD2に基づく空燃比A/Fは、上述した理由により、HC濃度が高いほどリーン側に大きくシフトし易い。図２３に示すマップは、そのリーンシフトを相殺することができるように設定されている。このため、上記の処理によれば、HC成分に起因する空燃比ずれを精度良く補正して、現実の排気空燃比に精度良く一致する空燃比A/Fを算出することができる。

ところで、上記の処理は、HC成分の拡散速度が常に一定であることを前提としているが、その拡散速度は、必ずしも一定ではない。すなわち、HC成分の拡散速度は、排気通路内の圧力や温度に応じた変化を示す。そして、HC成分の拡散速度が異なれば、HC成分の影響を相殺するための空燃比補正量ΔA/Fも変化させることが適切である。このため、HC成分の拡散速度を推定したうえで、空燃比補正量ΔA/Fを、推定した拡散速度に基づいて変化させることとしてもよい。

また、上記のルーチンでは、HC濃度を基礎として空燃比補正量ΔA/Fを算出することとしているが、その算出の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、空燃比補正量ΔA/Fは、HC濃度ではなく、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との差（VAD1−VAD2）から求めることとしてもよい。

［排気ガスセンサの劣化検出］
（検出原理）
次に、第１セル出力VAD1及び第２セル出力VAD2を利用して、排気ガスセンサ７０の劣化状態を判定する手法について説明する。本実施形態の構成によれば、排気ガス中にHC成分が存在する場合は、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に、HC濃度に対応する差異が発生するはずである。他方、排気ガス中にHC成分が存在しない場合は、差異の原因が存在しないため、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とは等しい値となるはずである。

HC成分は、H2成分と同様に、空燃比がリッチな排気ガス中に含まれる。反対に、それらの成分は、空燃比がリーンな排気ガス中には含まれない。従って、実施の形態１の場合と同様に、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2とは、排気空燃比がリッチである環境下では異なる値となり、他方、排気空燃比がリーンである場合は等しい値となるはずである。このため、本実施形態においても、(1)排気空燃比がリッチである環境下で有意な出力差VADDIFが認められるか、或いは、(2)排気空燃比がリーン又はストイキである環境下で出力差が十分に小さな値となるか、を見ることにより、排気ガスセンサ７０の故障の有無を判断することが可能である。

（具体的処理）
本実施形態において、上記の故障診断は、駆動装置８０に、実施の形態１の場合と同様の処理、つまり、図１０に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。ここでは、説明の重複を避けるため、図１０に示すルーチンの詳細な説明は省略する。

［排気ガスセンサの活性判定］
（活性判定の原理）
次に、本実施形態における活性判定の手法について説明する。排気ガスセンサ７０は、所定の活性温度（例えば７００℃）に達することで、適正に機能し得る状態となる。そして、第１セル及び第２セルは、活性温度に達することにより、それぞれ第１電極２０又は第２電極の表面上の空燃比に応じた出力を発する。

換言すると、第１セル及び第２セルの出力VAD1，VAD2は、排気ガスセンサ７０が未活性である間は、空燃比に応じた出力を発生しない。そして、排気ガスセンサ７０の活性が進むにつれて、それらの出力VAD1，VAD2は、第１電極２０上の空燃比、及び第２電極２２上の空燃比を正しく表す値となる。

このため、排気ガス中にHC成分が含まれていたとしても、排気ガスセンサ７０が未活性である間は、第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2との間に有意な差は発生しない。そして、排気ガス中にHC成分が含まれた状態で排気ガスセンサ７０が活性状態に至ることにより、始めて、それらの出力差VADDIFは有意な値となる。

このため、本実施形態においても、実施の形態１の場合と同様に、リッチ環境下で有意な出力差（VAD1−VAD2）が認められるか否かを見れば、排気ガスセンサ７０が現実に活性しているか否かを判断することが可能である。

（具体的処理）
本実施形態において、上記の活性判定は、駆動装置８０に、実施の形態１の場合と同様の処理、つまり、図１３に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。ここでは、説明の重複を避けるため、図１３に示すルーチンの詳細な説明は省略する。

ところで、図１３に示すルーチンでは、同じADタイミングで取得した第１セル出力VAD1と第２セル出力VAD2の差を出力差VADDIFとしているが、その算出の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、第１拡散抵抗層７２における拡散遅れ時間を考慮して、ADタイミングiで取得した第１セル出力VAD1iと、k回前のADタイミングで取得した第２セル出力VAD2i-kとの差を出力差VADDIFとしてもよい。

また、図１３に示すルーチンでは、ADタイミング毎に、出力差VADDIFが判定値KVADACTより大きいか否かに基づいて、排気ガスセンサ７０が活性状態に至ったか否かを判定することとしているが、その判定の手法は、これに限定されるものではない。例えば、内燃機関の始動後に、出力差VADDIFの積算値を算出し、その積算値が判定値に達したか否かに基づいて活性判定を行うこととしてもよい。

［目標温度の補正］
本実施形態のシステムでも、実施の形態１の場合と同様に、排気ガスセンサ７０の活性状態を維持するためには、ヒータ３６による加熱制御を行うことが必要である。そして、排気ガスセンサ７０を現実に活性化させ続けるために、本実施形態においても、実施の形態１の場合と同様に、電極２０，２２，３２，３４等の劣化進行に合わせて、加熱制御の目標温度を徐々に上昇させることが必要である。

本実施形態において、駆動装置８０は、実施の形態１における駆動装置４０と同様に、図１４に示すルーチンを実行する。駆動装置８０が、図１４に示すルーチンを実行すると、排気ガスセンサ７０が現実に適正な活性状態を実現し続けることができるように、目標温度Trefを過不足のない適正温度に設定し続けることができる。このため、本実施形態のシステムによっても、実施の形態１の場合と同様に、排気ガスセンサ７０が、現実に活性状態を実現し得る状況を、長期安定的に実現することが可能である。

［排気ガスセンサの変形例］
図２４は、本実施形態の排気ガスセンサ７０の変形例の構成を説明するための図である。図２４に示す排気ガスセンサ９０は、第１拡散抵抗層７２を覆う触媒層９２、及び第２拡散抵抗層７４を覆う触媒層９４を備えている点を除いて、排気ガスセンサ９０は、排気ガスセンサ７０と同様である。実施の形態２において説明した全ての処理は、排気ガスセンサ７０に代えて、排気ガスセンサ９０を対象として実行することとしてもよい。

図２４に示す触媒層９２，９４は、実施の形態１の排気ガスセンサ１０が備える触媒層１８と同様に構成されている。つまり、触媒層９２，９４は、排気ガス中のH2成分の反応を促進するためのものであり、プラチナ、ロジウム、バリウム等の塗布膜により形成されている。

H2成分は、上述した通り、他の排気ガス成分に比して拡散速度が早いという特性を有している。実施の形態２の排気ガスセンサ７０においては、H2成分が、他の排気ガス成分と同様に第１拡散抵抗層７２及び第２拡散抵抗層７４に到達する。このため、排気ガス中にH2成分が存在する場合は、第１セル出力VAD1にも第２セル出力VAD2にも、リッチシフトが生ずる。

これに対して、図２４に示す排気ガスセンサ９０によれば、第１セルの側でも、第２セルの側でも、拡散抵抗層７２，７４に到達する前に排気ガス中のH2成分を焼失させることができる。このため、排気ガスセンサ９０によれば、排気ガス中にH2成分が存在する場合でも、リッチシフトの影響を受けることなく、高精度な空燃比検出やHC濃度検出を実現することができる。

尚、上述した実施の形態２においては、HC成分が前記第１の発明における「特定の検出対象成分」相当している。また、ここでは、駆動装置８０のマイクロコンピュータが、ステップ１６２の処理を実行することにより前記第１の発明における「出力差検出手段」が、ステップ１６６の処理を実行することにより前記第１の発明における「活性判定手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、駆動装置８０のマイクロコンピュータが、上記ステップ２１０の処理を実行することにより前記第３の発明における「補正値設定手段」が、上記ステップ２１２及び２１６の処理を実行することにより前記第４の発明における「上限温度制限手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、駆動装置８０のマイクロコンピュータが、ステップ１９０の処理を実行することにより前記第５の発明における「空燃比検出手段」が、上記ステップ１９２〜１９６の処理を実行することにより前記第５又は第６の発明における「空燃比補正手段」が、それぞれ実現されている。更に、駆動装置８０に、HC成分の拡散速度を推定させることにより前記第８の発明における「拡散速度推定手段」を実現することができ、その推定値に基づいて空燃比補正量ΔA/Fを変化させることにより前記第８の発明における「補正量補正手段」を実現させることができる。

本発明の実施の形態１において用いられる排気ガスセンサの構成を示す図である。 実施の形態１の排気ガスセンサの駆動装置の主要部を表す回路図を示す。 実施の形態１の駆動装置が、排気ガスの空燃比A/F及び排気ガス中のH2濃度を検出するために実行するルーチンのフローチャートである。 図３に示すルーチンの実行中に参照されるマップの例である。 実施の形態１の排気ガスセンサにおいて発生する応答遅れを説明するための図である。 実施の形態１の駆動装置が、H2濃度を精度良く検出するために実行するルーチンのフローチャートである。 図６に示すルーチンの実行中に参照されるマップの例である。 実施の形態１の駆動装置が、H2濃度を利用して空燃比A/Fの検出精度を高めるために実行するルーチンのフローチャートである。 図８に示すルーチンの実行中に参照される空燃比補正量のマップである。 実施の形態１の駆動装置が、排気ガスセンサの故障判定のために実行するルーチンの第１の例のフローチャートである。 実施の形態１で用いられる触媒層の劣化検出の原理を説明するための図である。 実施の形態１の駆動装置が、排気ガスセンサの故障判定のために実行するルーチンの第２の例のフローチャートである。 実施の形態１の駆動装置が、排気ガスセンサの活性判定のために実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態１の駆動装置が、排気ガスセンサの目標温度を補正するために実行するルーチンのフローチャートである。 実施の形態１の排気ガスセンサの変形例の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２において用いられる排気ガスセンサの構成を示す図である。 実施の形態２の排気ガスセンサの駆動装置の主要部を表す回路図を示す。 実施の形態２の駆動装置が、排気ガスの空燃比A/F及び排気ガス中のHC濃度を検出するために実行するルーチンのフローチャートである。 図１８に示すルーチンの実行中に参照されるマップの例である。 実施の形態２の駆動装置が、HC濃度を精度良く検出するために実行するルーチンのフローチャートである。 図２０に示すルーチンの実行中に参照されるマップの例である。 実施の形態２の駆動装置が、HC濃度を利用して空燃比A/Fの検出精度を高めるために実行するルーチンのフローチャートである。 図２２に示すルーチンの実行中に参照される空燃比補正量のマップである。 実施の形態２の排気ガスセンサの変形例の構成を示す図である。

符号の説明

１０；７０；９０ 排気ガスセンサ
１４；７２ 第１拡散抵抗層
１６；７４ 第２拡散抵抗層
１８；９２，９４ 触媒層
２０ 第１電極（排気側電極）
２２ 第２電極（排気側電極）
３２，３４ 大気側電極
VAD1 第１セル出力
VAD2 第２セル出力
VAD0 ストイキ出力値
VADDIF 出力差
A/F 空燃比
ΔA/F 空燃比補正量
SIGVAD1 第１セル出力の軌跡長
SIGVAD2 第２セル出力の軌跡長

Claims (8)

1. 被検出ガス中に露出される第１拡散抵抗層と、前記第１拡散抵抗層に覆われた第１電極と、大気に晒された状態となる大気側電極と、前記第１電極と前記大気側電極の間に形成された電解質層とを備え、前記第１電極の表面におけるガス成分比率に応じた出力を発する第１の限界電流式空燃比センサと、
   前記被検出ガス中に露出される第２拡散抵抗層と、前記第２拡散抵抗層に覆われた第２電極と、大気に晒された状態となる大気側電極と、前記第２電極と前記大気側電極の間に形成された電解質層とを備え、前記第２電極の表面におけるガス成分比率に応じた出力を発する第２の限界電流式空燃比センサとを備え、
   前記第１拡散抵抗層に対して、前記第２拡散抵抗層は、特定の検出対象成分を容易に拡散させ、
   被検出ガス中に、前記検出対象成分が含まれる状況下で、前記第１の限界電流式空燃比センサと前記第２の限界電流式空燃比センサの出力差を検出する出力差検出手段と、
   前記出力差が判定値を超える場合に、前記第１の限界電流式空燃比センサ及び前記第２の限界電流式空燃比センサの活性化を判定する活性判定手段と、
   を更に備えることを特徴とする排気ガスセンサシステム。
2. 前記第１の限界電流式空燃比センサ及び前記第２の限界電流式空燃比センサは、所定の目標温度を越えることにより活性化されるものであり、
   前記第１の限界電流式空燃比センサ及び前記第２の限界電流式空燃比センサの素子温度を推定する素子温度推定手段と、
   前記素子温度が、センサを活性化させるための目標温度に達しているか否かを判定する目標温度判定手段と、
   前記素子温度が前記目標温度に達している状況下で、前記出力差が前記判定値に達していない場合に、前記目標温度を所定補正値だけ上昇させる目標温度補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の排気ガスセンサシステム。
3. 前記目標温度補正手段は、前記素子温度が前記目標温度に達している状況下で検出された前記出力差に基づいて、前記所定補正値を設定する補正値設定手段を含むことを特徴とする請求項２記載の排気ガスセンサシステム。
4. 前記目標温度補正手段は、目標温度を所定補正値だけ上昇させた値が、目標温度上限値を超える場合に、前記目標温度上限値を前記目標温度とする上限温度制限手段を含むことを特徴とする請求項２又は３記載の排気ガスセンサシステム。
5. 前記第１の限界電流式空燃比センサ又は前記第２の限界電流式空燃比センサの出力に基づいて、前記被検出ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記空燃比の検出値を、前記出力差に基づいて補正する空燃比補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の排気ガスセンサシステム。
6. 前記検出対象成分は、被検出ガス中の酸化剤に比して拡散速度が早い還元剤であり、
   前記空燃比補正手段は、前記出力差が大きいほど、前記空燃比の検出値をリーン側に補正することを特徴とする請求項５記載の排気ガスセンサシステム。
7. 前記検出対象成分は、被検出ガス中の酸化剤に比して拡散速度が遅い還元剤であり、
   前記空燃比補正手段は、前記出力差が大きいほど、前記空燃比の検出値をリッチ側に補正することを特徴とする請求項５記載の排気ガスセンサシステム。
8. 前記検出対象成分の拡散速度を推定する拡散速度推定手段と、
   前記推定速度に基づいて、前記空燃比の検出値に施す補正量を補正する補正量補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項６又は７記載の排気ガスセンサシステム。

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