JP4941325B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排出される排ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度検出装置に係り、特に酸素ポンプセル又はガス濃度検知セルの劣化判定に関する。

ポンプセルの素子抵抗が目標素子抵抗に一致するようにヒータ通電制御を行う装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この装置によれば、ヒータ通電制御の際、センサセルの素子抵抗が所定範囲外となった場合に、センサが劣化していると判定される。

また、酸素分圧変更前後のポンプセル電流値の比率に基づいて、センサの劣化判定を行う装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−１６６９６７号公報 特開２００７−１４７３８３号公報 特開２００７−１４７３８６号公報 特開２００４−１７７１７９号公報

しかしながら、上記特許文献１でセンサの劣化判定に用いられる素子抵抗（インピーダンス）のほか、ヒータへの供給電力やヒータ抵抗は、それぞれセンサ個体差を有している。よって、センサ個体差の影響を考慮する必要があるため、センサの劣化判定を精度良く行うことができない可能性がある。
また、センサを活性化させるためにはヒータ通電制御を行う必要があるが、センサ個体差の影響を考慮して素子温度を過度に上昇させて保持する必要がある。その結果、センサの劣化判定を早期に行うことができない可能性がある。さらに、素子温度を過度に上昇させると、インピーダンスが変化するため、劣化判定の精度を更に低下させてしまう可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、酸素ポンプセル又はＮＯｘセンサセルの劣化判定を早期かつ高精度に実行することが可能なガス濃度検出装置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、電圧印加に伴って被測定ガス中の余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、
前記酸素ポンプセルにより余剰酸素が排出された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知し、該濃度に応じた電流値を出力するガス濃度検知セルと、
前記酸素ポンプセル及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の排出中に、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を取得する変曲点取得手段と、
前記変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたガス濃度検出装置であって、
前記酸素ポンプセル又は前記ガス濃度検知セルの素子温度を取得する素子温度取得手段と、
前記変曲点が現れる時期に取得された前記素子温度に基づいて、前記酸素ポンプセル又は前記ガス濃度検知セルが劣化していると判定する劣化判定手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、電圧印加に伴って被測定ガス中の余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、
前記酸素ポンプセルにより余剰酸素が排出された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知し、該濃度に応じた電流値を出力するガス濃度検知セルと、
前記酸素ポンプセル及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の排出中に、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を取得する変曲点取得手段と、
前記変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたガス濃度検出装置であって、
暖機開始時期から前記変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、前記酸素ポンプセルが劣化していると判定する劣化判定手段を備えたことを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記酸素ポンプセルは、排出する余剰酸素量に応じた電流値を出力し、
前記変曲点取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記酸素ポンプセルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定し、
前記劣化判定手段は、前記暖機開始時期から前記変曲点取得手段により推定された変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、前記酸素ポンプセルが劣化していると判定することを特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、
前記被測定ガスの空燃比に応じた電流値を出力する空燃比検知セルを更に備え、
前記変曲点取得手段は、前記空燃比検知セルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記空燃比検知セルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定し、
前記劣化判定手段は、前記暖機開始時期から前記変曲点取得手段により推定された変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、前記酸素ポンプセルが劣化していると判定することを特徴とする。

また、第５の発明は、第２から第４の何れか１の発明において、
前記劣化判定手段は、前記変曲点が現れる時期から所定時間経過後の前記ガス濃度検知セルの出力が基準値以上である場合に、前記ガス濃度検知セルが劣化していると判定することを特徴とする。

本発明では、酸素ポンプセルとガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素排出中に、ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期が、ガス濃度検知セルの活性時期と判定される。ここで、暖機前から存在する酸素が除去されたときに、ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる。本発明によれば、一般的なセンサ活性（本活性）の判定と異なり、残存酸素の影響を受けることなく特定ガス成分の濃度をガス濃度検知セルにより検出し始める時期をもって、ガス濃度検知セルが活性状態であると判定される。

さらに、第１の発明では、変曲点が現れる時期に取得された素子温度に基づいて、ガス濃度検知セル又はガス濃度検知セルが劣化していると判定される。かかる変曲点が現れる時期は、残存酸素の影響を受けずにガス濃度検知セルが特定ガス成分の濃度を検出し始める時期であり、センサ個体差の影響が小さい。よって、第１の発明によれば、センサ個体差の影響を低減した状態でセルの劣化判定を行うことができるため、酸素ポンプセル又はガス濃度検知セルの劣化判定を精度良く行うことができる。また、センサ個体差を考慮して素子温度を過度に上昇させる必要がないため、酸素ポンプセル又はガス濃度検知セルの劣化判定を早期に行うことができる。

また、第２の発明では、暖機開始時期から変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、酸素ポンプセルが劣化していると判定される。変曲点が現れる時期は、残存酸素の影響を受けることなく特定ガス成分の濃度をガス濃度検知セルにより検出し始める時期であり、センサ個体差の影響が小さい。よって、第２の発明によれば、センサ個体差の影響を低減した状態で、酸素ポンプセルの劣化判定を精度良く行うことができる。また、センサ個体差を考慮してヒータ通電制御を実施して素子温度を過度に上昇させる必要がないため、酸素ポンプセルの劣化判定を早期に行うことができる。

第３の発明では、酸素ポンプセル出力とガス濃度検知セル出力との相関関係を考慮して、酸素ポンプセル出力の変化に基づいてガス濃度検知セル出力に変曲点が現れる時期が推定される。そして、暖機開始時期から変曲点取得手段により推定された変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、酸素ポンプセルが劣化していると判定される。従って、第３の発明によれば、第２の発明と同様に、センサ個体差の影響を低減した状態で、酸素ポンプセルの劣化判定を精度良く行うことができる。

第４の発明では、空燃比検知セル出力とガス濃度検知セル出力との相関関係を考慮して、空燃比検知セル出力の変化に基づいてガス濃度検知セル出力に変曲点が現れる時期が推定される。そして、暖機開始時期から変曲点取得手段により推定された変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、ガス濃度検知セルが劣化していると判定される。従って、第４の発明によれば、第２の発明と同様に、センサ個体差の影響を低減した状態で、酸素ポンプセルの劣化判定を精度良く行うことができる。

第５の発明では、変曲点が現れる時期から所定時間経過後のガス濃度検知セル出力が基準値以上である場合に、ガス濃度検知セルが劣化していると判定される。よって、センサ個体差の影響を低減した状態で、ＮＯｘセンサセルの劣化判定を精度良く行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。図１に示すガス濃度検出装置１０は、例えば、エンジンから排出された排ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）の濃度を検出するＮＯｘ濃度検出装置である。

ガス濃度検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１を有している。ＮＯｘセンサ１は、酸素ポンプセル２の下方に、スペーサ３、ＮＯｘセンサセル４、スペーサ５、ヒータ６を順次積層することにより形成されている。

酸素ポンプセル２は、被測定ガス中の余剰酸素を除去する機能のみを有し、固体電解質体２１と一対のポンプ電極２２，２３とを有している。素子である固体電解質体２１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ_２，ＨｆＯ_２，ＴｈＯ_２，ＢｉＯ_３等である。この固体電解質体２１を上下から挟むポンプ電極２２，２３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質体２１表面に形成された第１ポンプ電極２２は、被測定ガスである排ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に露出している。該第１ポンプ電極２２として、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、第１ポンプ電極２２と対向するように固体電解質体２１裏面に形成された第２ポンプ電極２３は、後述する第１内部空間３１に露出している。該第２ポンプ電極２３として、ＮＯｘガスに対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金とジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

酸素ポンプセル２には、固体電解質体２１とポンプ電極２２，２３を貫通する導入孔としてのピンホール２４が形成されている。ピンホール２４の孔径は、ピンホール２４を介して第１内部空間３１（後述）に導入される排ガスの拡散速度が所定速度となるように設計されている。第１内部空間３１は、ピンホール２４と保護層７とを介して、被測定ガスが存在する空間に連通している。

また、ピンホール２４を含む第１ポンプ電極２２表面とその周辺の固体電解質体２１とを覆うように、多孔質保護層７が形成されている。多孔質保護層７は、例えば、多孔質アルミナ等により形成することができる。この多孔質保護層７により、第１ポンプ電極２２の被毒を防止することができると共に、排ガスに含まれるスス等によるピンホール２４の目詰まりを防止することができる。

スペーサ３には、上述した第１内部空間３１と、第２内部空間３２とが形成されている。スペーサ３は、例えば、アルミナ等により形成することができる。２つの内部空間３１，３２は、連通孔３３を介して連通している。これらの内部空間３１，３２及び連通孔３３は、スペーサ３に抜き穴を設けることにより形成することができる。

ＮＯｘセンサセル４は、ＮＯｘの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出するものである。ＮＯｘセンサセル４は、固体電解質体４１と、該固体電解質体４１を上下から挟む一対の検出電極４２，４３とを有している。これらの検出電極４２，４３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。

固体電解質体４１表面に形成された第１検出電極４２は、第２内部空間３２に露出している。この第１検出電極４２として、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ合金とジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。

一方、第１検出電極４２と対向するように、固体電解質体４１裏面に形成された第２検出電極４３は、スペーサ５に形成された大気ダクト５１に露出している。大気ダクト５１には、大気が導入される。この第２検出電極４３として、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。大気ダクト５１は、スペーサ５に切り欠きを設けることにより形成することができる。

ヒータ６は、シート状の絶縁層６２，６３と、これらの絶縁層６２，６３間に埋設されたヒータ電極６１とを有している。絶縁層６２，６３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより形成される。ヒータ電極６１は、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットにより形成される。

本実施の形態１のガス濃度検出装置１０は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）８を備えている。ＥＣＵ８は、ポンプセル制御手段８１と、センサセル制御手段８２と、ヒータ制御手段８３とを有している。このＥＣＵ８は、エンジン制御用ＥＣＵと別個に構成されてもよく、エンジン制御用ＥＣＵの一部として構成されてもよい。

ポンプセル制御手段８１は、酸素ポンプセル２の第１及び第２ポンプ電極２２，２３に接続されている。ポンプセル制御手段８１は、第１及び第２ポンプ電極２２，２３に電圧を印加すると共に、酸素ポンプセル２に流れる電流値を「酸素ポンプセル出力」として検出するものである。

センサセル制御手段８２は、ＮＯｘセンサセル４の第１及び第２検出電極４２，４３に接続されている。センサセル制御手段８２は、第１及び第２検出電極４２，４３に電圧を印加すると共に、ＮＯｘセンサセル４に流れる電流値を「ＮＯｘセンサセル出力」として検出するものである。
ヒータ制御手段８３は、ヒータ電極６１に接続されている。ヒータ制御手段８３は、ヒータ電極６１に電力を供給するものである。

次に、上記ガス濃度検出装置１０の動作について説明する。
保護層７上方の空間には、エンジン排気通路を流れる被測定ガスとしての排ガスが存在している。この排ガス中には、酸素、ＮＯｘ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等が含まれている。排ガスは、保護層７とピンホール２４を介して、第１内部空間３１に導入される。この第１内部空間３１に導入される排ガス量は、保護層７とピンホール２４の拡散抵抗により決まる。

そして、ポンプセル制御手段８１から第１及び第２ポンプ電極２２，２３にそれぞれ正電圧及び負電圧が印加されると、第１内部空間３１に露出する第２ポンプ電極２３上で、残存酸素と排ガス中の酸素が酸素イオンＯ^２−に還元される。この酸素イオン^２−は、ポンピング作用により固体電解質体２１を透過して第１ポンプ電極２２側に排出される。このとき、酸素ポンプセル２を流れる電流値が、酸素ポンプセル出力としてポンプセル制御手段８１により検出される。酸素ポンプセル２により余剰酸素が排出されることで、排ガス中の酸素濃度がＮＯｘセンサセル４によるＮＯｘ濃度検出に影響しない程度にまで低くされる。

余剰酸素が除去され低酸素濃度にされた排ガスは、連通孔３３を介して第２内部空間３２に導入される。そして、センサセル制御手段８２から第１検出電極４２と第２検出電極４３の間に所定電圧が印加されると、残存酸素と排ガス中の特定成分であるＮＯｘが第１検出電極４２上で分解され酸素イオンＯ^２−が発生する。ＮＯｘは一旦ＮＯに分解（単ガス化）された後、さらに酸素イオンＯ^２−に分解される。酸素イオンＯ^２−は、固体電解質体４１を透過して、第２検出電極４３から大気ダクト５１に排出される。このとき、ＮＯｘセンサセル４を流れる電流値が、ＮＯｘセンサセル出力としてセンサセル制御手段８２により検出される。

また、固体電解質体２１，４１を活性温度に加熱するために、ヒータ制御手段８３からヒータ電極６１に電力が供給されている。酸素ポンプセル２の温度は、ポンプセル制御手段８１によって検出される。一方、ＮＯｘセンサセル４の温度は、センサセル制御手段８２によって検出される。

［実施の形態１の特徴］
上記ＮＯｘセンサ１のように、固体電解質体からなる素子を用いたＮＯｘセンサでは、正常な特性を得るために、ヒータへ通電することにより素子温度を所定の活性温度に加熱する必要がある。さらに、エミッションを低減するため、ＮＯｘセンサ１を早期に活性化させる要求がある。すなわち、早期にＮＯｘセンサ１のＮＯｘセンサセル４を活性判定し、ＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いるという要求がある。ＮＯｘセンサ１の早期活性化を実現するためには、ＮＯｘセンサ１の状態を迅速かつ高精度に把握することが重要である。

上記特許文献４の装置によれば、素子インピーダンスに基づいて活性判定が行われる。その他に、ヒータへの供給電力やヒータ抵抗等に基づき、ガス濃度センサの活性判定を行う装置が知られている。

しかしながら、素子インピーダンスやヒータ供給電力やヒータ抵抗等は、センサ個体間でのバラツキ（以下「センサ個体差」という。）がある。このため、素子インピーダンス等に基づき、センサの状態を迅速かつ高精度に把握することは難しい。素子インピーダンス等に基づきセンサの活性判定を早期に行うと、活性判定後にＮＯｘセンサセルが残存酸素の影響を受けながらＮＯｘ濃度を検知する事態が生じ得る。すなわち、活性判定後にも関わらず、ＮＯｘセンサセル出力の精度が低いという事態が生じ得る。そうすると、エミッション低減効果が不十分となってしまう可能性がある。さらに、素子インピーダンス等に基づきガス濃度センサの活性判定を行う手法では、センサ個体差の影響を受けるため、各センサで早期活性化を最大限に実現することは困難である。

そこで、本実施の形態１では、以下に説明するように、ＮＯｘセンサ１の状態を精度良く把握し、ＮＯｘセンサ１の活性判定を早期かつ高精度に行うようにする。
図２は、ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力の変化とＮＯｘセンサセル出力の変化を示す図である。図２における破線Ｌｐは酸素ポンプセル出力の変化を、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を、それぞれ示している。

図２における時刻ｔ０において、エンジン始動に伴い、ＮＯｘセンサ１の暖機が開始される。すなわち、ヒータ制御手段８３からヒータ電極６１への通電が開始される。かかる通電により、酸素ポンプセル２及びＮＯｘセンサセル４の温度、すなわち、固体電解質体２１，４１の温度が徐々に上昇する。この時刻ｔ０において、酸素ポンプセル２近傍の第１内部空間３１と、ＮＯｘセンサセル４近傍の第２内部空間３２には、大気中の酸素が残存している。
ＮＯｘセンサ１の暖機は、エンジン始動時以外にも、所定時間以上（長時間）の燃料カットからの復帰時に行われる場合がある。なお、長時間の燃料カットからの復帰時であっても、ＮＯｘセンサ１の暖機が行われない場合もある。

その後、時刻ｔ１において、ＮＯｘセンサセル４の固体電解質体４１の温度が所定温度に達すると、ＮＯｘセンサセル出力が得られる。この時刻ｔ１以降、ＮＯｘセンサセル４（固体電解質体４１）の活性度が上がるに連れ、ＮＯｘセンサセル出力は上昇する。これは、ＮＯｘセンサセル４近傍の第２内部空間３２に導入されたＮＯｘが第１検出電極４２上で分解されるのではなく、第２内部空間３２に残存する酸素が第１検出電極４２上で分解されるためである。その後、時刻ｔ３において、ＮＯｘセンサセル出力が上限値に達する。すなわち、ＮＯｘセンサセル４により検出可能な酸素濃度の上限値に達する。

また、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において、酸素ポンプセル２の固体電解質体２１の温度が所定温度に達すると、酸素ポンプセル出力が得られる。この時刻ｔ２以降、酸素ポンプセル２（固体電解質体２１）の活性度が上がるに連れて、酸素ポンプセル２近傍の第１内部空間３１に残存する酸素の排出量が増加する。このため、酸素ポンプセル出力は上昇する。

酸素ポンプセル２の活性度が上がるに連れ、第１内部空間３１からの酸素の排出量が多くなる。さらに、第１内部空間３１に導入される排ガス量が多くなる。そうすると、第１内部空間３１における残存酸素濃度が低くなり、第１内部空間３１から第２内部空間３２に供給される酸素量も少なくなる。よって、酸素ポンプセル２の活性度が上がるに連れ、第２内部空間３２における残存酸素濃度が徐々に低くなる。その結果、時刻ｔ４以降、ＮＯｘセンサセル出力が低下する。

その後、第２内部空間３２における残存酸素が除去される時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ出力に変曲点が現れる。すなわち、時刻ｔ５の前後において、ＮＯｘセンサセル出力のカーブが大きく変わる。この変曲点が現れる前のＮＯｘセンサ出力は、第２内部空間３２に残存する酸素濃度の影響、すなわち、酸素ポンプセル２の活性度の影響が支配的である。一方、変曲点が現れた後のＮＯｘセンサ出力は、第２内部空間３２のＮＯｘ濃度及びＮＯｘセンサセル４の第１検出電極４２に吸着された酸素濃度、すなわち、ＮＯｘセンサセル４の活性度の影響を受ける。これより、変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１の暖機前に第１及び第２内部空間３１，３２に残存していた酸素が除去されたことを把握することができる。従って、変曲点が現れた時刻ｔ５以降は、残存酸素の影響を受けることなく、ＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

そこで、本実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行う。ここで、本発明におけるＮＯｘセンサ１の活性判定は、一般的なセンサ活性（本活性）とは異なるものである。本発明では、残存酸素の影響がないＮＯｘセンサ出力を検出し始めた時点、すなわち、残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いることができるようになった時点をもって「活性状態」とする（以下同様）。このように、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出し始める時刻ｔ５に、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことで、ＮＯｘセンサ１の早期活性化の要求を最大限満たすことができる。

次に、図３を参照して、上記変曲点を特定する方法について説明する。
図３は、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。
先ず、所定間隔毎にＮＯｘセンサセル出力Ｎを取得すると共に、各時刻においてＮＯｘセンサセル出力の変化量ΔＮを算出する。ここで、時刻ｔにおける変化量ΔＮ（ｔ）は、次式(1)に従って算出される。そして、この算出された変化量ΔＮ（ｔ）が所定の基準値ΔＮｔｈよりも小さくなったとき、その時刻ｔでのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する。
ΔN(t)=N(t-1)-N(t)・・・(1)
図３に示す例では、時刻ｔ１０から時刻ｔ１４までの間、ＮＯｘセンサセル出力Ｎは減少している。このため、各時刻ｔ１１〜時刻ｔ１４において上式(1)により算出された変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１４）は、全て正の値をとる。変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１３）は予め定められた基準値ΔＮｔｈ以上であるが、変化量ΔＮ（ｔ１４）は基準値ΔＮｔｈよりも小さい。このため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が、変曲点と特定される。よって、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れた時刻ｔ１４に、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。

ところで、被毒や経年使用変化によって、ＮＯｘセンサ１が劣化することが知られている。詳細には、酸素ポンプセル２のポンプ電極２２，２３やＮＯｘセンサセル４の検出電極４２，４３が劣化してしまう。ＮＯｘセンサ１が劣化した場合には、出力補正や被毒回復制御等を行う必要がある。よって、ＮＯｘセンサ１の劣化判定を早期かつ精度良く行う必要がある。

上記特許文献１の装置によれば、ポンプセル素子抵抗が目標素子抵抗に一致するようにヒータ通電制御を行う際、センサセル素子抵抗が所定範囲外となった場合に、センサが劣化していると判定される。図４は、センサ劣化時とセンサ非劣化時における素子温度とインピーダンスの相関を示す図である。図４に示すように、センサの劣化に伴って素子温度とインピーダンスの相関が変化する。

しかしながら、かかる素子抵抗（インピーダンス）のほか、ヒータ供給電力やヒータ抵抗は、上述したように、それぞれセンサ個体差を有している。よって、センサ個体差の影響を考慮して劣化判定を行う必要がある。その結果、素子抵抗等だけでは、センサの劣化判定を精度良く行うことができない可能性がある。さらに、センサを活性化させるためのヒータ通電制御を行う際にも、センサ個体差の影響を考慮して素子温度を過度に上昇させて保持する必要がある。このため、センサの劣化判定を早期に行うことができない可能性がある。さらに、素子温度の過度上昇に伴いインピーダンスが変化するため、劣化判定の精度を更に低下させてしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻の素子温度を取得し、取得した素子温度に基づいてＮＯｘセンサ１の劣化判定を行う。具体的には、変曲点が現れる時刻の素子温度が基準値よりも高い場合に、ＮＯｘセンサ１が劣化していると判定する。
ここで、上述したように、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻は、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検知し始めた時刻であり、素子温度に対するセンサ個体差の影響が小さい。よって、この変曲点での素子温度に基づいてＮＯｘセンサ１の劣化判定を精度良く行うことができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図５は、本実施の形態１において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定間隔毎に起動するものである。この所定間隔は、例えば、図３に示す時刻ｔ１０〜時刻ｔ１１の間隔，時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の間隔等に対応する。

図５に示すルーチンによれば、先ず、ＮＯｘセンサ１が暖機中であるか否かを判別する（ステップ１００）。このステップ１００では、ＮＯｘセンサ１の暖機が行われるエンジン始動時若しくは長時間の燃料カットからの復帰時であるか否かが判別される。このステップ１００でＮＯｘセンサ１が暖機中ではないと判別された場合には、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力が得られないため、本ルーチンを一旦終了する。

上記ステップ１００でＮＯｘセンサ１が暖機中であると判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を取得する（ステップ１０２）。そして、上記ステップ１０２で取得されたＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を用いて、上式(1)に従って変化量ΔＮ（ｔ）を算出する（ステップ１０４）。その後、上記ステップ１０４で算出された変化量ΔＮ（ｔ）がゼロよりも大きいか（すなわち、変化量ΔＮ（ｔ）が正の値であるか）否かを判別する（ステップ１０６）。このステップ１０６では、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも小さいか否かが判別される。

上記ステップ１０６で変化量ΔＮ（ｔ）がゼロ以下であると判別された場合には、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）以上であると判断される。すなわち、ＮＯｘセンサ出力が下がっていないと判断される。この場合、本ルーチンを一旦終了する。

一方、上記ステップ１０６で変化量ΔＮ（ｔ）がゼロよりも大きいと判別された場合には、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも小さいと判断される。この場合、変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいか否かを続いて判別する（ステップ１０８）。このステップ１０８で変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈ以上であると判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに未だ変曲点が現れていないと判断して、本ルーチンを一旦終了する。

上記ステップ１０８で変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいと判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する（ステップ１１０）。図３に示す例では、変化量ΔＮ（ｔ１４）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が変曲点と特定される。そして、変曲点が現れた時期（例えば、図３の時刻ｔ１４）を、ＮＯｘセンサセル４の活性時期であると判定する（ステップ１１２）。このステップ１１２では、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。

その後、変曲点が特定された時刻ｔでの素子温度を検出する（ステップ１１４）。このステップ１１４では、ポンプセル制御手段８１により酸素ポンプセル２の素子温度が検出されるか、センサセル制御手段８２によりＮＯｘセンサセル４の素子温度が検出される。そして、上記ステップ１１４で検出された素子温度が基準値よりも大きいか否かを判別する（ステップ１１６）。この基準値は、ＮＯｘセンサ１が劣化しているか否かを判別するための閾値であり、ＥＣＵ８内に予め記憶させておくことができる。

上記ステップ１１６で素子温度が基準値よりも大きいと判別された場合には、ＮＯｘセンサ１が劣化していると判定される（ステップ１１８）。その後、本ルーチンを終了すると共に、別ルーチンによりＮＯｘセンサセル出力の補正制御や被毒回復制御が実施される。一方、上記ステップ１１６で素子温度が基準値以下であると判別された場合には、ＮＯｘセンサ１は劣化してないと判断され、そのまま本ルーチンを終了する。

以上説明したように、本実施の形態１のＮＯｘセンサ１は、酸素ポンプセル２により残存酸素を排出した後にＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を検出する構成を有している。このため、ＮＯｘセンサ１の暖機中は、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力の変化が得られる。換言すれば、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４の活性度の差（活性差）により、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力の変化が得られる。このＮＯｘセンサセル出力に現れる変曲点は、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出可能となったことを示している。本実施の形態１では、一般的なセンサ活性（本活性）判定とは異なり、この変曲点が現れる時期に、ＮＯｘセンサ１が活性状態であると判定される。すなわち、センサ個体差を有する素子インピーダンス等ではなく、センサ個体差とは無関係にＮＯｘセンサセル出力に現れる変曲点に基づいてＮＯｘセンサ１の活性判定が精度良く行われる。このため、ＮＯｘセンサ１の早期活性を最大限に実現することができると共に、高精度のＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いることでエミッション低減の要求を十分に満たすことができる。

さらに、本実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れた時刻の素子温度を取得し、この取得した素子温度が基準値よりも高い場合にはＮＯｘセンサ１が劣化していると判定される。ＮＯｘセンサ出力に変曲点が現れた時刻、すなわち、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出可能となった時刻は、素子温度のセンサ個体差が小さい。よって、センサ個体差の影響を低減した状態でＮＯｘセンサ１の劣化判定を行うことができるため、劣化判定を精度良く行うことができる。また、センサ個体差を考慮してヒータ通電制御を実施して素子温度を過度に上昇させる必要がないため、ＮＯｘセンサ１の劣化判定を早期に行うことができる。その結果、ＮＯｘセンサ出力補正や被毒回復制御等を早期に行うことができる。

（変形例）
ところで、上記実施の形態１においては、変曲点での素子温度に基づいて劣化判定を行ったが、素子温度と相関を有する物性値を変曲点時に取得し、この物性値に基づいて劣化判定を行ってもよい。
図６は、本実施の形態１の変形例において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、図５に示すルーチンと同様に、ステップ１１２の処理まで実行する。
その後、変曲点での物性値を取得する（ステップ１１５）。このステップ１１５では、素子温度と相関を有する物性値であるインピーダンス、ヒータ抵抗またはヒータ電力が取得される。このインピーダンスは、ポンプセル制御手段８１又はセンサセル制御手段８２により取得することができる。

その後、上記ステップ１１５で取得された物性値が基準値よりも大きいか否かを判別する（ステップ１１７）。このステップ１１７で物性値が基準値よりも大きいと判別された場合には、ＮＯｘセンサ１が劣化していると判定される（ステップ１１８）。その後、本ルーチンを終了すると共に、別ルーチンによりＮＯｘセンサセル出力の補正制御や被毒回復制御が実施される。
一方、上記ステップ１１７で物性値が基準値以下であると判別された場合には、ＮＯｘセンサ１は劣化していないと判定され、そのまま本ルーチンを終了する。

尚、上記実施の形態１においては、酸素ポンプセル２が第１及び第２の発明における「酸素ポンプセル」に、ＮＯｘセンサセル４が第１及び第２の発明における「ガス濃度検知セル」に、ポンプセル制御手段８１及びセンサセル制御手段８２が第１の発明における「素子温度取得手段」に、それぞれ相当する。また、上記実施の形態１においては、ＥＣＵ８が、ステップ１１０の処理を実行することにより第１の発明における「変曲点取得手段」が、ステップ１１２の処理を実行することにより第１の発明における「活性判定手段」が、ステップ１１４の処理を実行することにより第１の発明における「素子温度取得手段」が、ステップ１１６，１１８の処理を実行することにより第１の発明における「劣化判定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図７〜図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態２のガス濃度検出装置は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ８に、後述する図９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。

［実施の形態２の特徴］
ＮＯｘセンサ１の劣化には、酸素ポンプセル２が劣化する場合と、ＮＯｘセンサセル４が劣化する場合と、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４の両方が劣化する場合とがある。

例えば、酸素ポンプセル２が劣化すると、図７に示すように、ＮＯｘセンサセル出力の波形が変化する。図７は、本実施の形態２において、酸素ポンプセル２の劣化に伴うＮＯｘセンサセル出力波形の変化を示す図である。詳細には、図７は、酸素ポンプセル２のポンプ電極２２，２３が被毒もしくは経年使用変化により劣化した場合のＮＯｘセンサ出力波形の変化を示す図である。図７における実線Ｌｓ１は、酸素ポンプセル２が劣化していないときのＮＯｘセンサセル出力を示している。図７における破線Ｌｓ２は、酸素ポンプセル２が劣化したときのＮＯｘセンサ出力を示している。

酸素ポンプセル２が劣化した場合には、酸素ポンプセル２による酸素除去能が低下する。このため、酸素ポンプセル２が劣化した場合には、図７に示すように、劣化していない場合に比して、変曲点前のＮＯｘセンサセル出力の立ち下がりが緩やかになる。よって、酸素ポンプセル２が劣化した場合には、劣化していない場合に比して、変曲点が現れる時刻が遅くなる。

そこで、本実施の形態２では、図７に示すように、ＮＯｘセンサ１の暖機開始時刻ｔ０から変曲点が現れる時刻ｔａ，ｔｂまでの時間Ｔａ，Ｔｂを算出する。そして、算出された時間Ｔａ，Ｔｂが基準値Ｔｔｈよりも長い場合に、酸素ポンプセル２が劣化していると判定する。なお、この基準値Ｔｔｈは、実験等により予め求めておくことができる。

一方、ＮＯｘセンサセル４が劣化すると、図８に示すように、ＮＯｘセンサセル出力の波形が変化する。図８は、本実施の形態２において、ＮＯｘセンサセル４の劣化に伴うＮＯｘセンサ出力波形の変化を示す図である。詳細には、図８は、ＮＯｘセンサセル４の検出電極４２，４３が被毒もしくは経年使用変化により劣化した場合のＮＯｘセンサ出力波形の変化を示す図である。図８における実線Ｌｓ１は、ＮＯｘセンサセル４が劣化していないときのＮＯｘセンサセル出力を示している。図８における破線Ｌｓ３は、ＮＯｘセンサセル４が劣化したときのＮＯｘセンサ出力を示している。

ＮＯｘセンサセル４が劣化した場合には、ＮＯｘセンサセル４によるＮＯｘ分解能が低下する。このため、ＮＯｘセンサセル４が劣化した場合には、図８に示すように、劣化していない場合に比して、変曲点以降のＮＯｘセンサセル出力の立ち下がりが緩やかになる。よって、ＮＯｘセンサセル４が劣化した場合には、劣化していない場合に比して、変曲点以降のＮＯｘセンサセル出力が高くなる。

そこで、本実施の形態３では、図８に示すように、変曲点が現れる時刻ｔａ，ｔｃから所定時間ΔＴ経過後のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔａ＋ΔＴ），Ｎ（ｔｃ＋ΔＴ）を取得する。そして、取得されたＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔａ＋ΔＴ），Ｎ（ｔｃ＋ΔＴ）が基準値Ｎｔｈよりも大きい場合に、ＮＯｘセンサセル４が劣化していると判定する。なお、この基準値Ｎｔｈは、実験等により予め求めておくことができる。

［実施の形態２における具体的処理］
図９は、本実施の形態２において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定間隔毎に起動するものである。
図９に示すルーチンによれば、先ず、図５に示すルーチンと同様に、ステップ１１２の処理まで実行する。

その後、暖機開始から変曲点までの時間Ｔを算出する（ステップ１２０）。図７に示す例では、時刻ｔ０から時刻ｔａまでの時間Ｔａ、もしくは、時刻ｔ０から時刻ｔｂまでの時間Ｔｂが算出される。

そして、上記ステップ１２０で算出された時間Ｔが基準値Ｔｔｈよりも長いか否かを判別する（ステップ１２２）。この基準値Ｔｔｈは、酸素ポンプセル２の劣化判定に用いられる閾値であり、実験等により予め求めておき、ＥＣＵ８内に記憶させておくことができる。

上記ステップ１２２で時間Ｔが基準値Ｔｔｈよりも長いと判別された場合には、酸素ポンプセル２が劣化していると判定される（ステップ１２４）。その後、本ルーチンを終了すると共に、別ルーチンによりＮＯｘセンサセル出力の補正制御や被毒回復制御が実施される。

一方、上記ステップ１２２で時間Ｔが基準値Ｔｔｈよりも短いと判別された場合には、酸素ポンプセル２は劣化していないと判定される。この場合、変曲点が現れた時刻ｔから所定時間ΔＴ経過後のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ＋ΔＴ）が取得される（ステップ１２６）。

その後、上記ステップ１２６で取得されたＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ＋ΔＴ）が基準値Ｎｔｈよりも大きいか否かを判別する（ステップ１２８）。この基準値Ｎｔｈは、ＮＯｘセンサセル４の劣化判定に用いられる閾値であり、実験等により予め求めておき、ＥＣＵ８内に記憶させておくことができる。

上記ステップ１２８でセンサセル出力Ｎ（ｔ＋ΔＴ）が基準値Ｎｔｈよりも大きいと判別された場合には、ＮＯｘセンサセル４が劣化していると判定される（ステップ１３０）。その後、本ルーチンを終了すると共に、別ルーチンによりＮＯｘセンサセル出力の補正制御や被毒回復制御が実施される。

一方、上記ステップ１２８でセンサセル出力Ｎ（ｔ＋ΔＴ）が基準値Ｎｔｈ以下であると判別された場合には、ＮＯｘセンサセル４は劣化していないと判定される。この場合、そのまま本ルーチンを終了する。

以上説明したように、本実施の形態２では、ＮＯｘセンサ出力Ｎの波形に基づいて、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４の劣化判定が行われる。これにより、酸素ポンプセル２の劣化とＮＯｘセンサセル４の劣化とを、精度良く区別することができる。

詳細には、変曲点前のＮＯｘセンサ出力Ｎの波形に基づき、酸素ポンプセル２の劣化判定が行われる。暖機開始から変曲点までの時間Ｔが基準値Ｔｔｈよりも長い場合には、酸素ポンプセル２の酸素排出能が低下していると判断できるため、酸素ポンプセル２が劣化していると判定することができる。変曲点が現れる時刻では、センサ個体差の影響が小さい。よって、センサ個体差の影響を低減した状態で、酸素ポンプセル２の劣化判定を精度良く行うことができる。さらに、センサ個体差を考慮してヒータ通電制御を実施して素子温度を過度に上昇させる必要がないため、酸素ポンプセル２の劣化判定を早期に行うことができる。

また、変曲点後のＮＯｘセンサ出力Ｎの波形に基づき、ＮＯｘセンサセル４の劣化判定が行われる。変曲点が現れる時刻ｔから所定時間ΔＴ経過後のＮＯｘセンサ出力が基準値Ｎｔｈよりも大きい場合には、ＮＯｘセンサセル４のＮＯｘ分解能が低下していると判断できるため、ＮＯｘセンサセル４が劣化していると判定することができる。上述したように、変曲点が現れる時刻では、センサ個体差の影響が小さい。よって、センサ個体差の影響を低減した状態で、ＮＯｘセンサセル４の劣化判定を精度良く行うことができる。さらに、センサ個体差を考慮してヒータ通電制御を実施して素子温度を過度に上昇させる必要がないため、ＮＯｘセンサセル４の劣化判定を早期に行うことができる。

ところで、上記実施の形態２では、酸素ポンプセル２の劣化判定に基準値Ｔｔｈを用いているが、この基準値Ｔｔｈをエンジン水温、吸気温、吸入空気量等をパラメータとして補正してもよい。すなわち、ＮＯｘセンサ１の暖機条件を考慮して、基準値Ｔｔｈを補正してもよい。また、これらのパラメータとの関係で基準値Ｔｔｈが規定されたマップを参照して、基準値Ｔｔｈを導出してもよい。

尚、本実施の形態２においては、ＥＣＵ８が、ステップ１１０の処理を実行することにより第２の発明における「変曲点取得手段」が、ステップ１１２の処理を実行することにより第２の発明における「活性判定手段」が、ステップ１２０，１２２，１２４の処理を実行することにより第２の発明における「劣化判定手段」が、ステップ１２６，１２８，１３０の処理を実行することにより第５の発明における「劣化判定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
次に、図１０から図１２を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施の形態３のガス濃度検出装置は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ８に、後述する図１２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。

［実施の形態３の特徴］
上記実施の形態１，２では、ＮＯｘセンサセル出力の変化量ΔＮ（ｔ）と基準値ΔＮｔｈとの比較結果等に基づいて変曲点を特定し、該変曲点が現れる時期にＮＯｘセンサ１の活性判定を行った。

ところで、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４とは同様の構成を有しており、共にセル内を酸素イオンＯ^２−が流れるときの電流値を出力している。よって、酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との間には、相関関係がある。
そこで、本実施の形態３では、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定するために、かかる相関関係を利用する。

図１０は、ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。図１０における破線Ｌｐは酸素ポンプセル出力の変化を示し、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を示している。

図１０に示すように、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点だけでなく、酸素ポンプセル出力にも変曲点が現れる。この酸素ポンプセル出力の変曲点は、第１内部空間３１に残存する酸素が排出されたときに現れる。本発明者は、酸素ポンプセル出力の変化と、ＮＯｘセンサセル出力の変化との間には相関関係があることを見いだした。換言すれば、酸素ポンプセル出力の変曲点が現れる時刻２１と、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点が現れる時刻ｔ２２との間には、相関関係があることを見いだした。

ここで、両時刻ｔ２１，ｔ２２の差Δｔｎは、実験等により予め求めておき、ＥＣＵ８内に記憶させておくことができる。よって、後述する方法により酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期を特定することができれば、その特定された変曲点の時期に予め求めた差Δｔｎを加算することで、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時期を推定することができる。

次に、図１１を参照して、酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法について説明する。図１１は、酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法は、上記実施の形態１で説明したＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する方法の一部を適用することができる。

先ず、所定間隔毎に、酸素ポンプセル出力Ｐを取得すると共に、各時刻において酸素ポンプセル出力の変化量ΔＰを算出する。ここで、時刻ｔにおける変化量ΔＰ（ｔ）は、次式(2)に従って算出される。そして、この算出された変化量ΔＰ（ｔ）が所定の基準値ΔＰｔｈよりも小さくなったとき、その時刻ｔでの酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を変曲点と特定する。なお、変化量ΔＰ（ｔ）が正の値をとるように、次式(2)では、時刻ｔの出力Ｐ（ｔ）から時刻（ｔ−１）の出力Ｐ（ｔ−１）を減算している。
ΔP(t)=P(t)-P(t-1)・・・(2)

図１１に示す例では、時刻ｔ３０から時刻ｔ３４までの間、酸素ポンプセル出力Ｐは増加している。このため、各時刻ｔ３１〜時刻ｔ３４において上式(2)により算出された変化量ΔＰ（ｔ３１）〜ΔＰ（ｔ３４）は、全て正の値をとる。変化量ΔＰ（ｔ３１）〜ΔＰ（ｔ３３）は予め定められた基準値ΔＰｔｈ以上であるが、ΔＰ（ｔ３４）は基準値ΔＰｔｈよりも小さい。このため、時刻ｔ３４での酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ３４）が変曲点と特定される。

従って、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ３４に上記のΔｔｎを加えた時刻（ｔ３４＋Δｔｎ）において、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに変曲点が現れると推定することができる。よって、時刻（ｔ３４＋Δｔｎ）においてＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができる。

その後、上記実施の形態１と同様に、推定された変曲点での素子温度を取得し、取得した素子温度に基づいてＮＯｘセンサ１の劣化判定を行うことができる。また、上記実施の形態１の変形例と同様に、推定された変曲点での物性値を取得し、取得した物性値に基づいてＮＯｘセンサ１の劣化判定を行うことができる。
また、以下に図１２を参照して説明するように、推定された変曲点を用いて、酸素ポンプセル２及びＮＯｘセンサセル４の劣化判定を行うことができる。

［実施の形態３における具体的処理］
図１２は、本実施の形態３において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定間隔毎に起動するものである。この所定間隔は、例えば、図１１における時刻ｔ３０と時刻ｔ３１の間隔に対応する。

図１２に示すルーチンによれば、先ず、図５に示すルーチンと同様に、ＮＯｘセンサ１が暖機中であるか否かを判別する（ステップ１００）。このステップ１００でＮＯｘセンサ１が暖機中ではないと判別された場合には、図１１に示すような酸素ポンプセル出力の変化が得られないため、本ルーチンを一旦終了する。

上記ステップ１００でＮＯｘセンサ１が暖機中であると判別された場合には、酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を取得する（ステップ１４０）。そして、上記ステップ１４０で取得された酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を用いて、上式(2)に従って変化量ΔＰ（ｔ）を算出する（ステップ１４２）。

その後、上記ステップ１４２で算出された変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈよりも小さいか否かを判別する（ステップ１４４）。このステップ１４４で変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈ以上であると判別された場合には、酸素ポンプセル出力Ｐに未だ変曲点が現れていないと判断して、本ルーチンを一旦終了する。一方、上記ステップ１４４で変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈよりも小さいと判別された場合には、時刻ｔでの酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を変曲点と特定する（ステップ１４６）。

次に、上記ステップ１４６で特定された変曲点を用い、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を推定する（ステップ１４８）。ここで、図１０に示すように、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２１と、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２２との時間差Δｔｎが予め求められ、ＥＣＵ８内に記憶されている。上記ステップ１４８では、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期ｔに時間差Δｔｎを加えた時刻（ｔ＋Δｔｎ）に、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れると推定される。すなわち、時刻（ｔ＋Δｔｎ）でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ＋Δｔｎ）が変曲点であると推定される。

その後、現在の時刻が、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達したか否かを判別する（ステップ１５０）。このステップ１５０の処理は、時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達するまで繰り返される。そして、上記ステップ１５０で時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達したと判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れたと推定される。この場合、図５に示すルーチンと同様に、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる（ステップ１１２）。

その後、図９に示すルーチンと同様に、ステップ１２０〜１３０の処理を実行する。ここで、ステップ１２６，１２８の「ｔ」は「ｔ＋Δｔｎ」に置き換えられる。

以上説明したように、本実施の形態３では、酸素ポンプセル出力Ｐに変曲点が現れる時期が特定され、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに変曲点が現れる時期が推定される。よって、ＮＯｘセンサセル４がＮＯｘ濃度を精度良く検知し始める時期を的確に推定することができる。従って、上記実施の形態１，２と同様に、ＮＯｘセンサ１の早期活性を最大限に実現することができると共に、エミッション低減の要求を十分に満たすことができる。
さらに、本実施の形態３では、推定された変曲点の時期を用いて、ＮＯｘセンサ１の劣化判定をすることができる。よって、本実施の形態３によれば、上記実施の形態１，２と同様の効果を得ることができる。

（変形例）
以下、図１３及び図１４を参照して、上記実施の形態３の変形例について説明する。
上記実施の形態３では、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力Ｐに変曲点が現れる時期を推定した。
図１３は、本実施の形態３の変形例によるガス濃度検出装置の要部を説明するためのブロック図である。図１３に示すガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ１Ａを有している。このＮＯｘセンサ１Ａは、図１に示すＮＯｘセンサ１内に空燃比センサセル９を更に備えたものである。この空燃比センサセル９は、図示しない固体電解質体を有し、セル内を酸素イオンＯ^２−が流れるときの電流値を出力している。空燃比センサセル９の出力は、ＥＣＵ８Ａの空燃比センサセル制御手段８４により検出される。その他のガス濃度検出装置の構成は、図１に示すガス濃度検出装置１０の構成と同様であるため、図示並びに説明を省略する。

空燃比センサセル９とＮＯｘセンサセル４とは、共にセル内を酸素イオンＯ^２−が流れるときの電流値を出力している。よって、空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との間には、相関関係がある。本変形例では、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定するために、かかる相関関係を利用する。

図１４は、ＮＯｘセンサ暖機時の空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。図１４における一点鎖線Ｌａは空燃比センサセル出力の変化を示し、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を示している。さらに、図１４には、破線Ｌｐにより、参考用としての酸素ポンプセル出力の変化が示されている。

図１４に示すように、上記ＮＯｘセンサセル出力の変曲点だけでなく、空燃比センサセル出力にも変曲点が現れる。変曲点は、例えば、空燃比センサセル出力の変化量が正から負に変わるときの空燃比センサセル出力とすることができる。この空燃比センサセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２０と、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ２２との間には、相関関係がある。両時刻ｔ２０，２２の差Δｔａは、実験等により予め求めておき、ＥＣＵ８内に記憶させておくことができる。よって、空燃比センサセル出力の変曲点を特定することができれば、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点の時期を推定することができる。従って、本変形例によれば、上記実施の形態２と同様に、ＮＯｘセンサセル４が実際のＮＯｘ濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができ、該時期にＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができる。

尚、本実施の形態３の変形例においては、空燃比センサセル９が第４の発明における「空燃比検知セル」に相当する。また、上記実施の形態３においては、ＥＣＵ８が、ステップ１４２〜１４８の処理を実行することにより第３の発明における「取得手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１によるガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。 ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力の変化とＮＯｘセンサセル出力の変化を示す図である。 ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。 センサ劣化時とセンサ非劣化時における素子温度とインピーダンスの相関を示す図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の変形例において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、酸素ポンプセル２の劣化に伴うＮＯｘセンサセル出力波形の変化を示す図である。 本発明の実施の形態２において、ＮＯｘセンサセル４の劣化に伴うＮＯｘセンサ出力波形の変化を示す図である。 本発明の実施の形態２において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。 ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。 酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態３において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３の変形例によるガス濃度検出装置の要部を説明するためのブロック図である。 ＮＯｘセンサ暖機時の空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。

符号の説明

１ ＮＯｘセンサ
２ 酸素ポンプセル
４ ＮＯｘセンサセル
６ ヒータ
８ ＥＣＵ
９ 空燃比センサセル
２１，４１ 固体電解質体

Claims (5)

1. 電圧印加に伴って被測定ガス中の余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、
   前記酸素ポンプセルにより余剰酸素が排出された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知し、該濃度に応じた電流値を出力するガス濃度検知セルと、
   前記酸素ポンプセル及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の排出中に、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を取得する変曲点取得手段と、
   前記変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたガス濃度検出装置であって、
   前記酸素ポンプセル又は前記ガス濃度検知セルの素子温度を取得する素子温度取得手段と、
   前記変曲点が現れる時期に取得された前記素子温度に基づいて、前記酸素ポンプセル又は前記ガス濃度検知セルが劣化していると判定する劣化判定手段とを備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 電圧印加に伴って被測定ガス中の余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、
   前記酸素ポンプセルにより余剰酸素が排出された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知し、該濃度に応じた電流値を出力するガス濃度検知セルと、
   前記酸素ポンプセル及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の排出中に、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を取得する変曲点取得手段と、
   前記変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたガス濃度検出装置であって、
   暖機開始時期から前記変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、前記酸素ポンプセルが劣化していると判定する劣化判定手段を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
3. 請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
   前記酸素ポンプセルは、排出する余剰酸素量に応じた電流値を出力し、
   前記変曲点取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記酸素ポンプセルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定し、
   前記劣化判定手段は、前記暖機開始時期から前記変曲点取得手段により推定された変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、前記酸素ポンプセルが劣化していると判定することを特徴とするガス濃度検出装置。
4. 請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
   前記被測定ガスの空燃比に応じた電流値を出力する空燃比検知セルを更に備え、
   前記変曲点取得手段は、前記空燃比検知セルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記空燃比検知セルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定し、
   前記劣化判定手段は、前記暖機開始時期から前記変曲点取得手段により推定された変曲点が現れる時期までの時間が基準値よりも長い場合に、前記酸素ポンプセルが劣化していると判定することを特徴とするガス濃度検出装置。
5. 請求項２から４の何れか１項に記載のガス濃度検出装置において、
   前記劣化判定手段は、前記変曲点が現れる時期から所定時間経過後の前記ガス濃度検知セルの出力が基準値以上である場合に、前記ガス濃度検知セルが劣化していると判定することを特徴とするガス濃度検出装置。

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