JP5201069B2

JP5201069B2 - ガス濃度検出装置

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Publication number: JP5201069B2
Application number: JP2009105383A
Authority: JP
Inventors: 敬規佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: JP2010256128A

Description

この発明は、ガス濃度検出装置に係り、特に、エンジンから排出される排気ガス中の特定ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。

内燃機関の排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。このＮＯｘセンサとして、測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出する検出セルとを備えたものがある。各セルには、固体電解質が用いられている。各セルが正常な特性を発揮するには、固体電解質の温度が一定温度以上になることが必要である。

内燃機関のエミッションを更に改善するためには、エンジン始動後、なるべく早期に、ＮＯｘセンサで検出されるＮＯｘ濃度の情報をエンジン制御に利用することが望まれている。そのためには、ＮＯｘセンサの活性を精度良く判定することが重要である。

しかしながら、各セルの活性速度（活性完了までの速さ）は、同じではない。この原因は、各セルの材質が役割に応じて異なることや、各セルとヒータとの距離が異なることなどにある。

特開２００４−１３２８４０号公報には、主ポンプセル（同公報では「第１セル」）の活性判定と検出セル（同公報では「第２セル」）の活性判定とを個別に行い、且つ、主ポンプセルの活性化が完了したと判定された後、検出セルの活性判定を行うガス濃度検出装置が開示されている。この装置によれば、検出セルの活性完了を待つことなく、主ポンプセルにより検出される酸素濃度信号を早期に利用することができる。

特開２００４−１３２８４０号公報

ところで、ガスセンサは高温の排気ガスに晒される環境下に配置される。このため、ガスセンサを構成する検出セル、主ポンプセル、および補助ポンプセルは、被水等に起因するクラックや経年劣化等が発生するおそれがある。このような劣化異常が発生すると、正確なセル出力を検出することができないことが懸念される。上記従来の技術に開示されているように、セル出力は活性判定や種々の制御に使用される。このため、各セルの劣化等のＯＢＤ（On-Board Diagnostic）をできるだけ早い段階で行うことが望まれていた。

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、ガスセンサの暖機時における出力特性に基づいて、該ガスセンサの劣化を判定することのできる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、測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、
前記ガスセンサの暖機中に、前記検出セルのセル出力の検出を開始した直後の該セル出力の立ち上がりの速度が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記検出セルの劣化を判定する劣化判定手段と、
前記ガスセンサの暖機中に、前記セル出力の立ち上がり後の立ち下がりの速度が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルの少なくとも１つの劣化を判定する第２の劣化判定手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記ガスセンサの暖機中に、前記セル出力の立ち上がり後のピーク値が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記検出セルの劣化を判定する第３の劣化判定手段を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、ガスセンサの暖機中に、セル出力の検出を開始した直後の該セル出力の立ち上がりの速度が、所定のしきい値よりも小さい場合に、検出セルの劣化が判定される。このセル出力の立ち上がりは、該ガスセンサ内の酸素が検出セルの電極上で反応することで発生する出力変化であり、検出セルが劣化している場合には緩慢になる。このため、本発明によれば、セル出力の立ち上がりの速度に基づいて、検出セルの劣化を判定することができる。
また、本発明によれば、セル出力の立ち上がり後の立ち下がりの速度が、所定のしきい値よりも小さい場合に、主ポンプセルおよび補助ポンプセルの少なくとも１つの劣化が判定される。このセル出力の立ち下がりは、主ポンプセルおよび補助ポンプセルが該ガスセンサ内の酸素を除去することで発生する出力変化であり、これらのポンプセルが劣化している場合には緩慢になる。このため、本発明によれば、セル出力の立ち下がりの速度に基づいて、主ポンプセルおよび補助ポンプセルの少なくとも１つの劣化を判定することができる。

第２の発明によれば、セル出力の立ち上がり後のピーク値が、所定のしきい値よりも小さい場合に、検出セルの劣化が判定される。このピーク値は、検出セルが劣化している場合に小さくなる傾向がある。このため、本発明によれば、セル出力のピーク値に基づいて、検出セルの劣化を判定することができる。

本発明の実施の形態のガス濃度検出装置の構成を説明するための図である。ＮＯｘセンサ１の暖機中におけるＮＯｘ出力特性を示す図である。ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した場合の出力特性を示す図である。本発明の実施の形態において実行されるルーチンのフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの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。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態のガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。本実施形態のガス濃度検出装置１０は、内燃機関（以下、「エンジン」とも称する）の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出する装置である。このガス濃度検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１を有している。

ＮＯｘセンサ１は、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の下方に、スペーサ４、検出セル（センサセル）５、スペーサ６、ヒータ７を順次積層することにより形成されている。

スペーサ４には、第１室４１と、第２室４２とが形成されている。スペーサ４の構成材料としては、例えばアルミナ等を用いることができる。第１室４１および第２室４２は、連通孔４３を介して連通している。これらの第１室４１、第２室４２および連通孔４３は、スペーサ４に抜き穴を設けることにより形成することができる。

主ポンプセル２は、第１室４１に流入した測定対象ガス中の余剰酸素を汲み出して除去する機能を有している。この主ポンプセル２は、固体電解質２１と、一対のポンプ電極２２，２３とで構成されている。素子である固体電解質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等で構成されている。この固体電解質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２１の表面に形成された第１ポンプ電極２２は、測定対象ガスである排気ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に面している。この第１ポンプ電極２２としては、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、固体電解質２１を挟んで第１ポンプ電極２２の反対側に設けられた第２ポンプ電極２３は、第１室４１に面している。この第２ポンプ電極２３としては、ＮＯｘ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。

主ポンプセル２には、固体電解質２１とポンプ電極２２，２３と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。測定対象ガスである排気ガスは、後述する多孔質保護層８を透過し、ピンホール２４を通って、第１室４１に流入する。ピンホール２４の孔径は、第１室４１に導入される排気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。

補助ポンプセル３は、第１室４１から第２室４２に流入した測定対象ガス中の酸素濃度を検出するとともに、当該ガス中の余剰酸素を更に汲み出して除去する機能を有している。この補助ポンプセル３は、固体電解質３１と、一対のポンプ電極３２，３３とで構成されている。素子である固体電解質３１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等で構成されている。この固体電解質３１を上下から挟むポンプ電極３２，３３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３１の表面に形成された第１ポンプ電極３２は、内燃機関の排気通路内に面している。この第１ポンプ電極３２としては、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、固体電解質３１を挟んで第１ポンプ電極３２の反対側に設けられた第２ポンプ電極３３は、第２室４２に面している。この第２ポンプ電極３３としては、ＮＯｘ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。

主ポンプセル２および補助ポンプセル３の第１ポンプ電極２２，３２は、多孔質保護層８により覆われている。多孔質保護層８は、例えば多孔質アルミナ等で構成される。この多孔質保護層８により、第１ポンプ電極２２，３２の被毒を防止することができると共に、排気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。

検出セル５は、ＮＯの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出する機能を有している。検出セル５は、固体電解質５１と、この固体電解質５１を上下から挟む一対の検出電極５２，５３とを有している。これらの検出電極５２，５３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５１の表面に形成された第１検出電極５２は、第２室４２に面している。この第１検出電極５２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、固体電解質５１を挟んで第１検出電極５２の反対側に設けられた第２検出電極５３は、スペーサ６に形成された大気ダクト６１に面している。大気ダクト６１には、大気が導入される。この第２検出電極５３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６１は、スペーサ６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７は、シート状の絶縁層７２，７３と、これらの絶縁層７２，７３間に設けられたヒータ電極７１とを有している。絶縁層７２，７３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより構成される。ヒータ電極７１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構成される。

本実施形態のガス濃度検出装置１０は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）９を備えている。ＥＣＵ９は、主ポンプセル制御手段９１と、補助ポンプセル制御手段９２と、検出セル制御手段９３と、ヒータ制御手段９４とを有している。このＥＣＵ９は、エンジンＥＣＵと別個に構成されていてもよく、エンジンＥＣＵの一部として構成されていてもよい。

主ポンプセル制御手段９１は、主ポンプセル２の第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に接続されている。主ポンプセル制御手段９１は、第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に電圧を印加するとともに、主ポンプセル２に流れる電流値を検出可能になっている。

補助ポンプセル制御手段９２は、補助ポンプセル３の第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３に接続されている。補助ポンプセル制御手段９２は、補助ポンプセル３の第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３に電圧を印加するとともに、補助ポンプセル３に流れる電流値を検出可能になっている。

検出セル制御手段９３は、検出セル５の第１検出電極５２および第２検出電極５３に接続されている。検出セル制御手段９３は、第１検出電極５２および第２検出電極５３に電圧を印加するとともに、検出セル５に流れる電流値を検出可能になっている。

ヒータ制御手段９４は、ヒータ電極７１に接続されている。ヒータ制御手段９４は、ヒータ電極７１に電力を供給するものである。

上述したようなＮＯｘセンサ１では、主ポンプセル２、補助ポンプセル３、検出セル５の各セルがそれぞれ正常な特性を発揮するためには、それらの固体電解質２１，３１，５１の温度が活性温度以上であることが必要である。しかしながら、エンジンが停止しているときや燃料カットが長時間行われたときなどには、各セルの温度は低下する。このため、エンジン始動時や、長時間の燃料カットからの復帰時には、各セルの温度を早期に活性温度以上に上昇させるため、ヒータ７に通電することにより、ＮＯｘセンサ１を暖機する制御が実行される。

［実施の形態の動作］
（ガス濃度検出装置１０の基本動作）
先ず、ＮＯｘセンサ１の暖機完了後におけるガス濃度検出装置１０の動作について説明する。測定対象ガスとしての排気ガスは、多孔質保護層８とピンホール２４とを通って、第１室４１に導入される。この第１室４１に導入される測定対象ガスの量は、多孔質保護層８およびピンホール２４の拡散抵抗に応じて定まる。

主ポンプセル制御手段９１により主ポンプセル２に電圧が印加されると、第１室４１内の酸素が第２ポンプ電極２３上で酸素イオンＯ^２−に還元される。この酸素イオンＯ^２−は、固体電解質２１を透過して第１ポンプ電極２２側に排出される。主ポンプセル２の作動は、測定対象ガスの残留酸素濃度が所定の目標濃度となるように制御される。

第１室４１において酸素濃度が十分に低減された測定対象ガスは、第２室４２に流入する。補助ポンプセル制御手段９２により補助ポンプセル３に所定電圧が印加されると、第２室４２内の残留酸素が第２ポンプ電極３３上で酸素イオンＯ^２−に還元される。この酸素イオンＯ^２−は、固体電解質３１を透過して第１ポンプ電極３２側に排出される。この際、補助ポンプセル３には、第２室４２内の残留酸素濃度に応じた電流が流れる。よって、補助ポンプセル３の出力（以下、「補助ポンプ出力」と称する）によれば、測定対象ガス中の残留酸素濃度を検出することができる。

主ポンプセル２のポンプ能力（酸素汲み出し能力）は、主ポンプセル２への印加電圧に応じて決まる。ＥＣＵ９は、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度となるように、補助ポンプ出力を主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックして制御することができる。これにより、第２室４２に流入する測定対象ガスの酸素濃度を目標濃度に精度良く維持することができる。

上記の制御においては、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合には、主ポンプセル２の印加電圧を高め、主ポンプセル２による酸素排出量を増大させることにより、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御が行われる。尚、このような制御に代えて、ＥＣＵ９は、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合に、補助ポンプセル３の印加電圧を高め、補助ポンプセル３による酸素排出量を増大させることによって、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御を行うようにしてもよい。

上述したようにして主ポンプセル２および補助ポンプセル３によって酸素が除去され、測定対象ガス中の酸素濃度が十分に低減されると、２ＮＯ_２→２ＮＯ＋Ｏ_２なる反応が生じ、ＮＯｘがＮＯに単ガス化される。そして、検出セル制御手段９３により検出セル５に所定電圧が印加されると、第２室４２内のＮＯが第１検出電極５２上で分解され酸素イオンＯ^２−が発生する。この酸素イオンＯ^２−は、固体電解質５１を透過して、第２検出電極５３から大気ダクト６１に排出される。このとき、検出セル５には、第２室４２内のＮＯ濃度に応じた電流が流れる。このようにして、検出セル５の出力（以下、「ＮＯｘ出力」と称する）によれば、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

（ＮＯｘセンサの暖機時における出力特性）
次に、図２を参照して、ＮＯｘセンサ１の暖機時における出力特性について説明する。エミッションを改善するためには、ＮＯｘセンサ１で検出されるＮＯｘ濃度を、なるべく早期にエンジン制御に利用したいという要望がある。しかしながら、ＮＯｘセンサ１は、全てのセル温度が活性温度に到達（完全活性）しなければ、上述したＮＯｘ濃度の検出を行うことができない。そこで、エンジンの冷間始動時には、ヒータ７に通電することにより、ＮＯｘセンサ１を暖機する制御が行われる。

図２は、ＮＯｘセンサ１の暖機中におけるＮＯｘ出力の挙動を示す図である。尚、図２では、ＮＯｘを３００ｐｐｍ含む実際のエンジンの排気ガスを測定対象ガスとした場合のＮＯｘ出力の変化を示している。

この図に示す場合には、時間ｔ０において該ＮＯｘセンサ１の暖機を開始している。そして、時間ｔ１においてセンサを起動してＮＯｘ出力の検出を開始している。ここで、時間ｔ１は、検出セル５の暖機が進行して第１検出電極５２近傍の酸素（すなわち第２室４２内の酸素）によってＮＯｘ出力を検出することができる時間に設定されている。このため、この図に示すとおり、時間ｔ１においてＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は第１検出電極５２近傍の酸素によって急激に上昇する。

また、図２に示すとおり、時間ｔ１において急激に上昇したＮＯｘ出力は、その直後急激にマイナス側に落ち込む。この理由は、次のようなものであると考えられる。すなわち、エンジンの排気ガスの酸素濃度は、大気に比して大幅に少ない。このため、主ポンプセル２の暖機が進行してポンプ能力が上がると、第２室４２内の酸素が適正値よりも除去されてしまう。その結果、ＮＯの分解によって生じた酸素までもが主ポンプセル２によって除去されてしまい、ＮＯｘ出力がマイナス側の下限値に張り付いてしまう。

その後、補助ポンプセル３の暖機が進行し、補助ポンプ出力が主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックされ始めると、主ポンプセル２のポンプ能力が適切な値に制御されていく。これにより、ＮＯｘ出力は上昇して正しい値である３００ｐｐｍに収束する。

このように、ＮＯｘ出力は、ＮＯｘセンサ１の暖機中において独特の出力特性を示す。この出力特性は、特にＮＯｘセンサ１のセル能力に大きく依存している。そこで、本実施の形態では、該ＮＯｘセンサ１の暖機開始後のＮＯｘ出力特性を利用して、センサＯＢＤを実行することとする。より具体的には、ＮＯｘセンサ１の暖機中における、ＮＯｘ出力の立ち上がり特性、立ち下がり特性、ピーク値等に基づいて、主ポンプセル２、補助ポンプセル３、検出セル５の劣化を判定することとする。以下、このＮＯｘ出力特性を利用した幾つかの劣化判定について更に詳細に説明する。

（ＮＯｘ出力の立ち上がり特性を利用した劣化判定）
先ず、ＮＯｘ出力の暖機時における立ち上がり特性を利用した劣化判定について説明する。図３は、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した場合の出力特性を示す図である。尚、この図では、測定対象ガスのＮＯｘ濃度状態（高ＮＯｘ時および低ＮＯｘ時）、およびＮＯｘセンサ１内の酸素濃度状態（高酸素濃度時と低酸素濃度時）についての出力特性をそれぞれ示している。この図に示すとおり、ＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は急上昇する。上述したとおり、この出力上昇は、検出セル５に電圧が印加された直後に、第２室４２内の酸素が該検出セル５の電極で反応することにより発生する。このため、ＮＯｘ出力の上昇速度（傾き）は、該検出セル５のセル能力に大きく依存する。より具体的には、検出セル５のセル能力が低い（検出セル５が劣化している）と、ＮＯｘ出力の傾きが小さくなる。

そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力の立ち上がりの傾きが所定のしきい値よりも小さい場合に、検出セル５の劣化を判定することとする。所定のしきい値は、検出セル５に劣化が発生した場合の立ち上がりの傾きとして予め設定された固定値が使用される。尚、ＮＯｘ出力の立ち上がりの傾きは、第２室４２内の初期の酸素濃度によっても変化する。このため、該酸素濃度をエンジンの運転状態等から推定し或いは空燃比センサ等で検出し、当該酸素濃度に応じて当該しきい値を可変に設定することとしてもよい。

このように、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した直後の立ち上がり特性を利用することで、該ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを行うことができる。

（ＮＯｘ出力の立ち下がり特性を利用した劣化判定）
次に、図３を参照して、ＮＯｘ出力の暖機時における立ち下がり特性を利用した劣化判定について説明する。上述したとおり、ＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は急上昇する。そして、この図に示すとおり、この出力上昇の直後に、該ＮＯｘ出力はマイナス側に大きく下降する。これは、上述したとおり、主ポンプセル２および補助ポンプセル３が第２室４２内の酸素を過剰に除去することにより発生する。このため、このＮＯｘ出力の下降速度（傾き）は、該主ポンプセル２および補助ポンプセル３のセル能力に大きく依存する。より具体的には、主ポンプセル２または補助ポンプセル３のセル能力が低い（これらのセルが劣化している）と、ＮＯｘ出力の傾きの絶対値が小さくなる。

そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力の立ち下がりの傾き（絶対値）が所定のしきい値よりも小さい場合に、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の少なくとも何れかの劣化を判定することとする。所定のしきい値は、これらのセルに劣化が発生した場合の立ち下がりの傾きとして予め設定された固定値が使用される。尚、ＮＯｘ出力の立ち下がりの傾きは、第２室４２内の初期の酸素濃度によっても変化する。このため、該酸素濃度をエンジンの運転状態等から推定し或いは空燃比センサ等で検出し、当該酸素濃度に応じてしきい値を可変に設定することとしてもよい。

このように、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した直後の立ち下がり特性を利用することで、該ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを行うことができる。

尚、補助ポンプセル出力の劣化判定については、主ポンプセル出力と補助ポンプセル出力とを比較することで判定することもできる。より具体的には、両者の出力値が乖離している場合には、補助ポンプセル３を用いたフィードバックが適正に行われていないと判断できるため、該補助ポンプセル３の劣化を判定することができる。

（ＮＯｘ出力のピーク値を利用した劣化判定）
次に、図３を参照して、ＮＯｘ出力の暖機時におけるピーク値を利用した劣化判定について説明する。この図に示すとおり、ＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は急上昇する。この上昇後のＮＯｘ出力のピーク値は、検出セルのセル能力に依存する。より具体的には、検出セル５のセル能力が低い（検出セル５が劣化している）と、ＮＯｘ出力のピーク値が小さくなる傾向がある。

そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力のピーク値が所定のしきい値よりも小さい場合に、検出セル５の劣化を判定することとする。所定のしきい値は、該検出セル５に劣化が発生した場合のピーク値として予め設定された固定値が使用される。尚、ＮＯｘ出力のピーク値は、第２室４２内の初期の酸素濃度によっても変化する。このため、該酸素濃度をエンジンの運転状態等から推定し或いは空燃比センサ等で検出し、当該酸素濃度に応じてしきい値を可変に設定することとしてもよい。

このように、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した直後のＮＯｘ出力のピーク値を利用することで、該ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを行うことができる。

（ＮＯｘ出力の積算出力を利用した劣化判定）
次に、図３を参照して、ＮＯｘ出力の暖機時における積算出力を利用した劣化判定について説明する。上述したとおり、ＮＯｘ出力の立ち下がりの傾き（絶対値）がしきい値より小さい場合に、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の少なくとも何れかの劣化を判定することとしている。

ここで、ＮＯｘ出力の立ち下がりの傾きが小さくなると、ＮＯｘ出力の積算出力は大きくなる。そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力の積算出力が所定のしきい値よりも大きい場合に、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の少なくとも何れかの劣化を判定することとする。但し、ＮＯｘ出力の積算出力は、第２室４２内の初期の酸素濃度に依存している。すなわち、図３に示すとおり、酸素濃度が高い場合には、ＮＯｘ出力の立ち下がりまでの時間が長期化する。そこで、所定のしきい値は、酸素濃度に応じて可変に設定することとする。尚、酸素濃度は、上述したとおり、エンジンの運転状態等から推定してもよいし、また、空燃比センサ等で検出することとしてもよい。

［実施の形態における具体的処理］
次に、図４を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図４は、本実施の形態において、ＥＣＵ９が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンによれば、先ず、通電遅延処理の実行判定が行われる（ステップ１００）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ１の劣化判定を実行するための事前情報として、ＮＯｘセンサ１への通電遅延処理の実行有無が取得される。

次に、ＮＯｘ排出量が取得される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、エンジンの運転状態等に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ濃度が推定される。

図４に示すルーチンでは、次に、ＮＯｘセンサ１内部の酸素濃度が取得される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、第２室４２内の酸素濃度が、エンジンの運転状態等に基づいて推定される。

次に、劣化判定のしきい値が設定される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０４において取得された酸素濃度に基づいて、後述する各種劣化判定に用いるしきい値が設定される。

次に、ＮＯｘセンサ１の劣化判定が実行される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ１の暖機中におけるＮＯｘ出力特性に基づいて、主ポンプセル２、補助ポンプセル３、および検出セル５の劣化判定が行われる。尚、劣化判定は、上述したＮＯｘ出力の立ち上がり特性を利用した劣化判定、ＮＯｘ出力の立ち下がり特性を利用した劣化判定、ＮＯｘ出力のピーク値を利用した劣化判定、およびＮＯｘ出力の積算出力を利用した劣化判定が実行される。次に、上記劣化判定の結果、これらのセルが劣化しているか否かが判定される（ステップ１１０）。その結果、これらのセルの何れかが劣化していると判定された場合には、次のステップに移行し、運転者へ劣化異常を告知するためのＭＩＬが点灯される（ステップ１１２）。

一方、上記ステップ１１４において、ＮＯｘセンサ１の劣化が判定されない場合には、次のステップに移行し、主ポンプセル出力と補助ポンプセル出力とが乖離しているか否かが判定される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、主ポンプセル出力と補助ポンプセル出力との偏差が所定のしきい値よりも大きいか否かが判定される。その結果、かかる偏差がしきい値よりも大きい場合には、補助ポンプセル３を用いたフィードバックが適正に行われていないと判断されて、次のステップに移行し、運転者へ補助ポンプセル３の劣化異常を告知するためのＭＩＬが点灯される（ステップ１１６）。

以上説明したように、本実施の形態のガス濃度検出装置１０によれば、ＮＯｘセンサ１の暖機中におけるＮＯｘ出力特性に基づいて、該ＮＯｘセンサ１の各セルの劣化を判定することができる。これにより、ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを実行することができる。

尚、上述した実施の形態においては、ＮＯｘセンサ１が、前記第１の発明における「ガスセンサ」に相当しているとともに、ＥＣＵ９が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「劣化判定手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態においては、ＥＣＵ９が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２の劣化判定手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態においては、ＥＣＵ９が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第２の発明における「第３の劣化判定手段」が実現されている。

１ＮＯｘセンサ
２主ポンプセル
２１固体電解質
２２第１ポンプ電極
２３第２ポンプ電極
３補助ポンプセル
３１固体電解質
３２第１ポンプ電極
３３第２ポンプ電極
４スペーサ
４１第１室
４２第２室
４３連通孔
５検出セル
５１固体電解質
５２第１検出電極
５３第２検出電極
６スペーサ
６１大気ダクト
７ヒータ
７１ヒータ電極
７２，７３絶縁層
８多孔質保護層
１０ガス濃度検出装置

Claims

測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサを備えたガス濃度検出装置であって、
前記ガスセンサの暖機中に、前記検出セルのセル出力の検出を開始した直後の該セル出力の立ち上がりの速度が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記検出セルの劣化を判定する劣化判定手段と、
前記ガスセンサの暖機中に、前記セル出力の立ち上がり後の立ち下がりの速度が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルの少なくとも１つの劣化を判定する第２の劣化判定手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
前記ガスセンサの暖機中に、前記セル出力の立ち上がり後のピーク値が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記検出セルの劣化を判定する第３の劣化判定手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。