JP7384315B2 - ガス濃度検出システム - Google Patents

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本出願は、２０２１年３月２９日に出願された日本の特許出願番号２０２１－５４８８１号に基づくものであり、その記載内容を援用する。

本開示は、ガス濃度検出システムに関する。

ガス濃度検出システムは、内燃機関の排気管に配置されるガスセンサと、ガスセンサの動作を制御するセンサ制御装置とを備える。ガスセンサには、例えば、内燃機関から排気管に排気される排ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するＮＯｘセンサがある。ＮＯｘセンサは、一対の電極が設けられた固体電解質体によって構成されたセンサセルを有する。そして、センサ制御装置は、センサセルにおける一対の電極間に流れる電流に応じて、ＮＯｘの濃度を検出するよう構成されている。

ＮＯｘセンサのセンサ制御装置においては、いわゆるグランドショートとして、絶縁不良等の何らかの異常が生じて、いずれかの電極の電位がグランド又は電源に短絡していないかが監視される。特許文献１に記載されたガスセンサシステムにおいては、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルを有するガスセンサを用いる。そして、このガスセンサシステムにおいては、酸素ポンプセルの一方の電極に導通された第１の端子、酸素ポンプセルの他方の電極及び酸素濃度検知セルの一方の電極に導通された第２の端子、及び酸素濃度検知セルの他方の電極に導通された第３の端子を利用して、ガスセンサの温度によらず、ガスセンサの短絡異常の有無を診断する。

特開２０１６－７０８８１号公報

ガス濃度検出システムを用いて排ガスに含まれるＮＯｘを検出する際には、内燃機関の空燃比がリッチ側に大きく振れる場合がある。この場合に、ガスセンサにおいては、排ガスに含まれる未燃ガスを反応させるために、大気中に含まれる酸素がより多く必要になる。このとき、ガスセンサにおいて酸素が不足して、センサセルの電極に未燃ガスが到達すると、センサセルに生じる電流がマイナス側に大きく振れることになり、電極がグランドに短絡された場合と区別がつかなくなるおそれがある。そのため、短絡が生じていないにも関わらず、短絡が生じたと誤検出又は誤判定されるおそれがある。

本開示は、空燃比が特定リッチ状態になる場合があったとしても、センサセルの短絡状態の誤検出又は誤判定を防ぐことができるガス濃度検出システムを提供しようとするものである。

本開示の一態様は、
内燃機関の排気管に配置されて使用されるものであって、センサ用固体電解質体に設けられたセンサ電極及びセンサ基準電極によって構成され、前記センサ電極及び前記センサ基準電極間に流れる電流に基づいて、前記排気管を流れる排ガスに含まれる特定ガスの濃度を求めるためのセンサセルを有する、ガスセンサと、
前記排ガスに基づく前記内燃機関の空燃比が、特定値以下に小さいことを示す特定リッチ状態にあるか否かを検知する空燃比検知部と、
前記空燃比検知部が前記特定リッチ状態を検知していない間には、前記センサセルが短絡状態になったか否かの検出又は判定を許可する一方、前記空燃比検知部が前記特定リッチ状態を検知している間には、前記センサセルが短絡状態になったか否かの検出又は判定を禁止する短絡監視部と、を備えるガス濃度検出システムにある。

前記一態様のガス濃度検出システムは、空燃比検知部が特定リッチ状態を検知している間は、短絡監視部による、センサセルが短絡状態になったか否かの検出又は判定を禁止するものである。特定リッチ状態においては、センサ基準電極に十分な酸素が供給されないために、センサセルにおいて、短絡状態になった場合と同様の電流の変化が生じる。そのため、特定リッチ状態において、短絡状態の検出又は判定を行わないことにより、短絡状態の誤検出又は誤判定を防ぐことができる。

それ故、前記一態様のガス濃度検出システムによれば、空燃比が特定リッチ状態になる場合があったとしても、センサセルの短絡状態の誤検出又は誤判定を防ぐことができる。

「センサセルの短絡状態」とは、センサセルのセンサ電極又はセンサ基準電極がグランド又は電源に短絡した状態のことをいう。短絡状態の検出と判定は明確に区別する必要はなく、いずれも短絡状態の監視として捉えてもよい。

なお、本開示の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

本開示についての目的、特徴、利点等は、添付の図面を参照する後記の詳細な記述によって、より明確になる。本開示の図面を以下に示す。
図１は、実施形態１にかかる、ガス濃度検出システムのガスセンサを示す説明図である。 図２は、実施形態１にかかる、ガス濃度検出システムを示す説明図である。 図３は、実施形態１にかかる、図２のIII－II断面図である。 図４は、実施形態１にかかる、図２のIV－IV断面図である。 図５は、実施形態１にかかる、ガス濃度検出システムのセンサ制御装置を概略的に示す説明図である。 図６は、実施形態１にかかる、（ａ）ポンプ検出部の電流の時間的変化、（ｂ）センサ検出部の電流の時間的変化、（ｃ）短絡監視部の監視状態の時間的変化を示すグラフである。 図７は、実施形態１にかかる、（ａ）ポンプ検出部の電流の時間的変化、（ｂ）センサ検出部の電流の時間的変化、（ｃ）短絡監視部の監視状態の時間的変化を示す他のグラフである。 図８は、実施形態１にかかる、ガス濃度検出システムの制御方法を示すフローチャートである。 図９は、実施形態２にかかる、ガス濃度検出システムを示す説明図である。 図１０は、実施形態２にかかる、図９のX－X断面図である。 図１１は、実施形態３にかかる、ガス濃度検出システムを示す説明図である。 図１２は、実施形態４にかかる、ガス濃度検出システムのガスセンサを示す説明図である。 図１３は、実施形態４にかかる、他のガス濃度検出システムのガスセンサを示す説明図である。

前述したガス濃度検出システムにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガス濃度検出システム１は、図１～図５に示すように、ガスセンサ１０と、空燃比検知部５５及び短絡監視部５６を有するセンサ制御装置５とを備える。ガスセンサ１０は、内燃機関としてのエンジンの排気管７に配置されて使用されるものである。ガスセンサ１０は、センサ用固体電解質体３Ａに設けられたセンサ電極３１１Ａ及びセンサ基準電極３１２Ａによって構成されたセンサセル２１Ａを有する。センサセル２１Ａは、センサ電極３１１Ａ及びセンサ基準電極３１２Ａ間に流れる電流に基づいて、排気管７を流れる排ガスＧに含まれる特定ガスの濃度を求めるために用いられる。

図５及び図６に示すように、空燃比検知部５５は、排ガスＧに基づくエンジンの空燃比が、特定値以下に小さいことを示す特定リッチ状態Ｒにあるか否かを検知する。短絡監視部５６は、空燃比検知部５５が特定リッチ状態Ｒを検知していない間には、センサセル２１Ａが短絡状態になったか否かの判定を許可する一方、空燃比検知部５５が特定リッチ状態Ｒを検知している間には、センサセル２１Ａが短絡状態になったか否かの判定を禁止（停止）する。

以下に、本形態のガス濃度検出システム１について詳説する。
（ガスセンサ１０）
図１に示すように、ガスセンサ１０は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管７の取付口７１に配置され、排気管７を流れる排ガスＧを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける特定ガスの濃度を検出するために用いられる。本形態のガスセンサ１０のセンサセル２１Ａは、排ガスＧに含まれる特定ガスとしてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を求めるためのものである。エンジンは、ディーゼルエンジンでもよく、ガソリンエンジンでもよい。

排気管７には、排ガスＧ中の有害物質を浄化するための触媒が配置されている。ガスセンサ１０は、排気管７における排ガスＧの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置してもよい。また、ガスセンサ１０は、排ガスＧを利用してエンジンが吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置してもよい。また、ガスセンサ１０を配置する配管は、エンジンから排気管７に排気される排ガスＧの一部を、エンジンの吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管としてもよい。排気管７という場合には、これらの配管も含めることとする。

排気管７に配置される触媒は、排ガスＧ中のＮＯｘ（窒素酸化物）を無害化するリーンＮＯｘトラップ触媒（ＬＮＴ）としてもよい。リーンＮＯｘトラップ触媒は、主にディーゼルエンジンに搭載されるが、ガソリンエンジンに搭載されてもよい。ガス濃度検出システム１は、理論空燃比よりも燃料のリーン側において燃焼運転を行うリーンバーンエンジンに採用してもよい。

（センサ素子２）
図１～図４に示すように、本形態のガスセンサ１０は、センサ用固体電解質体３Ａに積層されたポンプ用固体電解質体３Ｂに設けられたポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂを用いて構成されたポンプセル２１Ｂをさらに有する。ポンプセル２１Ｂは、ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂ間に流れる電流Ｉｐに基づいて、排ガスＧに基づくエンジンの空燃比を求めるために使用される。センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部分には、センサセル２１Ａ及びポンプセル２１Ｂによる素子検知部２１が形成されている。

ガスセンサ１０において、センサセル２１Ａが形成されたセンサ用固体電解質体３Ａと、ポンプセル２１Ｂが形成されたポンプ用固体電解質体３Ｂとを別々に用いることにより、短絡監視部５６による短絡状態の検出又は判定の許可及び禁止をより適切に行うことができる。また、ポンプセル２１Ｂを利用して特定リッチ状態Ｒを検知することにより、ガス濃度検出システム１の構成を簡単にすることができる。

図２～図４に示すように、ガスセンサ１０のセンサセル２１Ａ、及びセンサセル２１Ａを加熱する発熱体３４は、センサ素子２によって形成されている。センサ素子２は、長尺の長方形状に形成されており、センサ用固体電解質体３Ａ、ポンプ用固体電解質体３Ｂ、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された積層タイプのものである。

センサ用固体電解質体３Ａの内側表面３０１Ａとポンプ用固体電解質体３Ｂの内側表面３０１Ｂとの間には、ポンプ電極３１１Ｂ及びセンサ電極３１１Ａが収容されるとともに、拡散抵抗部３２を介して排ガスＧが導入されるガス室３５が形成されている。ガス室３５は、センサ用固体電解質体３Ａの内側表面３０１Ａとポンプ用固体電解質体３Ｂの内側表面３０１Ｂとの間に配置された中間絶縁体３３Ｃによって形成されている。

図２及び図３に示すように、センサ用固体電解質体３Ａの外側表面３０２Ａには、センサ基準電極３１２Ａが収容されるとともに、大気Ａが導入される補助大気ダクト３７が隣接して形成されている。補助大気ダクト３７は、センサ用固体電解質体３Ａの外側表面３０２Ａに積層されたセンサ側絶縁体３３Ａによって形成されている。

ポンプ用固体電解質体３Ｂの外側表面３０２Ｂには、ポンプ基準電極３１２Ｂが収容されるとともに、大気Ａが導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、ポンプ用固体電解質体３Ｂの外側表面３０２Ｂに積層されたポンプ側絶縁体３３Ｂによって形成されている。

（長手方向Ｌ，積層方向Ｄ，幅方向Ｗ）
本形態において、センサ素子２の長手方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長手方向Ｌに直交し、センサ用固体電解質体３Ａ、ポンプ用固体電解質体３Ｂ及び各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃが積層された方向を、積層方向Ｄという。また、長手方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の長手方向Ｌにおいて、排ガスＧに晒される側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を基端側Ｌ２という。ガスセンサ１０においても、センサ素子２の長手方向Ｌと同じ方向のことを長手方向Ｌという。

（センサ用固体電解質体３Ａ，ポンプ用固体電解質体３Ｂ）
図２及び図３に示すように、センサ用固体電解質体３Ａ及びポンプ用固体電解質体３Ｂは、所定の活性温度において、酸化物イオン（Ｏ^2-）の伝導性を有するものである。センサ用固体電解質体３Ａの内側表面３０１Ａには、排ガスＧに晒されるセンサ電極３１１Ａが設けられており、センサ用固体電解質体３Ａの外側表面３０２Ａには、大気Ａに晒されるセンサ基準電極３１２Ａが設けられている。

センサ電極３１１Ａとセンサ基準電極３１２Ａとは、センサ素子２の長手方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、センサ用固体電解質体３Ａを介して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、センサ電極３１１Ａ及びセンサ基準電極３１２Ａと、これらの電極３１１Ａ，３１２Ａの間に挟まれたセンサ用固体電解質体３Ａの部分とによるセンサセル２１Ａが形成されている。

ポンプ電極３１１Ｂとポンプ基準電極３１２Ｂとは、センサ素子２の長手方向Ｌの、排ガスＧに晒される先端側Ｌ１の部位において、ポンプ用固体電解質体３Ｂを介して積層方向Ｄに重なる位置に配置されている。センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂと、これらの電極３１１Ｂ，３１２Ｂの間に挟まれたポンプ用固体電解質体３Ｂの部分とによるポンプセル２１Ｂが形成されている。

センサ電極３１１Ａは、ガス室３５内において、ポンプ電極３１１Ｂが配置された位置よりも、排ガスＧの流れの下流側の位置に配置されている。拡散抵抗部３２からガス室３５内に導入される排ガスＧは、ポンプ電極３１１Ｂを通過した後、センサ電極３１１Ａに到達する。エンジンの空燃比が通常のリーンからリッチの範囲にあるときには、ガス室３５内に導入された排ガスＧに含まれる酸素又は未燃ガスはポンプ電極３１１Ｂにおいてほとんど除去され、センサ電極３１１Ａには排ガスＧに含まれるＮＯｘが到達する。

センサ用固体電解質体３Ａ及びポンプ用固体電解質体３Ｂは、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし（５０質量％以上含有し）、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。センサ用固体電解質体３Ａ及びポンプ用固体電解質体３Ｂを構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換される。

センサ電極３１１Ａは、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、ＮＯｘに対する触媒活性を示す貴金属としてのロジウム、パラジウム等、及びセンサ用固体電解質体３Ａとの共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。センサ基準電極３１２Ａは、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及びセンサ用固体電解質体３Ａとの共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂは、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及びセンサ用固体電解質体３Ａとの共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。

センサ電極３１１Ａ、センサ基準電極３１２Ａ、ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂのそれぞれには、これらの電極３１１Ａ，３１２Ａ，３１１Ｂ，３１２Ｂをガスセンサ１０の外部と電気接続するための電極リード部３１３が接続されている。電極リード部３１３は、センサ素子２の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の部位まで引き出されている。電極リード部３１３の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の端部には、端子接続部２２が形成されている。図２においては、端子接続部２２の形成部分を概略的に示す。

（ガス室３５）
図２～図４に示すように、ガス室３５は、センサ用固体電解質体３Ａの内側表面３０１Ａとポンプ用固体電解質体３Ｂの内側表面３０１Ｂとの間において、中間絶縁体３３Ｃとセンサ用固体電解質体３Ａとポンプ用固体電解質体３Ｂとに囲まれて形成されている。ガス室３５は、中間絶縁体３３Ｃの長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位において、センサ電極３１１Ａを収容する位置に形成されている。ガス室３５は、中間絶縁体３３Ｃと拡散抵抗部３２とセンサ用固体電解質体３Ａとポンプ用固体電解質体３Ｂとによって閉じられた空間部として形成されている。排気管７内を流れる排ガスＧは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。

（拡散抵抗部３２）
図２及び図４に示すように、本形態の拡散抵抗部（ガス導入部）３２は、ガス室３５の長手方向Ｌの先端側Ｌ１の部位に設けられている。拡散抵抗部３２は、中間絶縁体３３Ｃに形成された導入口内に、酸化アルミニウム（アルミナ）等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室３５に導入される排ガスＧの拡散速度（流量）は、排ガスＧが拡散抵抗部３２における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。なお、拡散抵抗部３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側の部位に設けてもよい。

（大気ダクト３６）
図２及び図３に示すように、ポンプ用固体電解質体３Ｂの外側表面３０２Ｂには、ポンプ側絶縁体３３Ｂとポンプ用固体電解質体３Ｂとに囲まれ、大気Ａが導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。大気ダクト３６は、ポンプ側絶縁体３３Ｂにおける、ポンプ基準電極３１２Ｂを収容する長手方向Ｌの部位から、センサ素子２の長手方向Ｌにおける基端位置まで形成されている。

（補助大気ダクト３７）
図２及び図３に示すように、センサ用固体電解質体３Ａの外側表面３０２Ａには、センサ側絶縁体３３Ａとセンサ用固体電解質体３Ａとに囲まれ、大気Ａが導入される補助大気ダクト３７が隣接して形成されている。補助大気ダクト３７は、センサ側絶縁体３３Ａにおける、センサ基準電極３１２Ａを収容する長手方向Ｌの部位から、センサ素子２の長手方向Ｌにおける基端位置まで形成されている。なお、補助大気ダクト３７内には、酸化アルミニウム等の金属酸化物の多孔質体による保護層を設けてもよい。

（各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ）
図２及び図３に示すように、センサ側絶縁体３３Ａは、補助大気ダクト３７を形成するものであり、中間絶縁体３３Ｃは、ガス室３５を形成するものであり、ポンプ側絶縁体３３Ｂは、大気ダクト３６を形成するとともに発熱体３４を埋設するものである。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃは、酸化アルミニウム等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃは、排ガスＧ又は大気Ａである気体が透過することができない緻密体として形成されている。

（発熱体３４）
図２～図４に示すように、発熱体３４は、大気ダクト３６を形成するポンプ側絶縁体３３Ｂ内に埋設されている。発熱体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、長手方向Ｌの基端側Ｌ２に繋がる発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１は、積層方向Ｄにおいて、少なくとも一部がセンサ電極３１１Ａ、センサ基準電極３１２Ａ、ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂに重なる位置に配置されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料によって構成されている。発熱体リード部３４２の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の端部には、端子接続部２２が形成されている。

（表面保護層３８）
図１に示すように、センサ素子２の長手方向Ｌの先端側Ｌ１には、素子検知部２１を覆う表面保護層３８が形成されている。表面保護層３８は、排ガスＧが通過可能な気孔を有するセラミックス材料としての、互いに結合された複数のセラミックス粒子によって構成されている。

（ガスセンサ１０の他の構成）
図１に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子２を排気管７に配置して、センサ制御装置５に電気配線するために、ハウジング４１、素子保持材４２、端子保持材４３、接触部材４３１、接点端子４４、先端側カバー４５、基端側カバー４６、ブッシュ４７、リード線４８等を有する。

ハウジング４１は、ガスセンサ１０を排気管７の取付口７１に締め付けるために用いられる。ハウジング４１は、素子保持材４２等を介してセンサ素子２を保持する。センサ素子２は、ガラス粉末４２１を介して素子保持材４２に保持され、素子保持材４２は、かしめ用材料４２２，４２３，４２４を介してハウジング４１に保持されている。素子保持材４２の長手方向Ｌの基端側Ｌ２には、接点端子４４を保持する端子保持材４３が連結されている。端子保持材４３は、接触部材４３１によって基端側カバー４６に支持されている。

接点端子４４は、センサ素子２における、端子接続部２２としての電極リード部３１３の基端部、及び端子接続部２２としての発熱体リード部３４２の基端部に接触し、電極リード部３１３及び発熱体リード部３４２をリード線４８に電気的に接続するものである。接点端子４４は、端子保持材４３内に配置された状態で、接続金具４４１を介してリード線４８に接続されている。

図１に示すように、先端側カバー４５は、ハウジング４１の長手方向Ｌの先端側Ｌ１に設けられており、センサ素子２のセンサセル２１Ａを覆う。先端側カバー４５には、センサ素子２に接触する排ガスＧが流通可能なガス流通孔４５１が形成されている。センサ素子２の素子検知部２１及び先端側カバー４５は、エンジンの排気管７内に配置される。排気管７内を流れる排ガスＧの一部は、先端側カバー４５のガス流通孔４５１から先端側カバー４５内に流入する。そして、先端側カバー４５内の排ガスＧは、センサ素子２の表面保護層３８及び拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内へと導かれる。

基端側カバー４６は、ハウジング４１の長手方向Ｌの基端側Ｌ２に設けられており、ガスセンサ１０の長手方向Ｌの基端側Ｌ２に位置する配線部を覆って、この配線部を大気Ａ中の水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子２に電気的に繋がる部分としての、接点端子４４、接点端子４４とリード線４８との接続部分（接続金具４４１）等によって構成される。

基端側カバー４６の長手方向Ｌの基端側Ｌ２の部分の内周側には、複数のリード線４８を保持するブッシュ４７が保持されている。基端側カバー４６には、ガスセンサ１０の外部から大気Ａを導入するための大気導入孔４６１が形成されている。大気導入孔４６１は、撥水フィルタ４６２によって覆われている。センサ素子２における、大気ダクト３６の基端位置は、基端側カバー４６内の空間に開放されており、大気Ａは、大気ダクト３６内及び補助大気ダクト３７内へ導かれる。

（センサ制御装置５）
図１に示すように、ガスセンサ１０におけるリード線４８は、ガスセンサ１０におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置５に電気接続されている。センサ制御装置５は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置６と連携してガスセンサ１０における電気制御を行うものである。センサ制御装置５は、各種制御回路、コンピュータ等を用いて構成されている。なお、センサ制御装置５は、エンジン制御装置６内に構築してもよい。

本形態のセンサ制御装置５は、空燃比検知部５５及び短絡監視部５６の他に、センサ検出部５１、ＮＯｘ濃度算出部５２、ポンプ検出部５３、空燃比算出部５４及び温度検知部５７を有する。

（センサ検出部５１）
図２に示すように、センサ検出部５１は、排気管７を流れる排ガスＧに含まれる特定ガスとしてのＮＯｘの濃度を算出するために用いられ、センサ電極３１１Ａとセンサ基準電極３１２Ａとの間に流れる電流Ｉｓを検出する。センサ検出部５１は、センサ電極３１１Ａとセンサ基準電極３１２Ａとの間に直流電圧を印加する電圧印加回路５１１と、センサ電極３１１Ａとセンサ基準電極３１２Ａとの間に流れる電流Ｉｓを検出する電流検出回路５１２とを有する。電圧印加回路５１１は、センサセル２１Ａに限界電流特性が生じる大きさの直流電圧を各電極３１１Ａ，３１２Ａ間に印加する。直流電圧は、センサ基準電極３１２Ａをプラス側として印加される。

センサ検出部５１による電流Ｉｓは、センサセル２１ＡにおいてＮＯｘが検出される場合には、センサ電極３１１ＡにおいてＮＯｘが分解されることにより、センサ電極３１１Ａからセンサ用固体電解質体３Ａを介してセンサ基準電極３１２Ａへ酸化物イオンが移動して、プラス側に検出される。一方、センサ電極３１１Ａに未燃ガスが到達する場合には、センサ検出部５１による電流Ｉｓは、センサ電極３１１Ａにおいて未燃ガスを反応させるために、センサ基準電極３１２Ａからセンサ用固体電解質体３Ａを介してセンサ電極３１１Ａへ酸化物イオンが移動して、マイナス側に検出される。

（ＮＯｘ濃度算出部５２）
図２及び図５に示すように、ＮＯｘ濃度算出部５２は、センサ検出部５１によって検出されるプラス側の電流Ｉｓに基づいて、排ガスＧにおけるＮＯｘの濃度を算出する。ＮＯｘ濃度算出部５２においては、プラス側の電流Ｉｓが大きいほど、ＮＯｘの濃度が高く算出される。ＮＯｘ濃度算出部５２は、エンジン制御装置６内に構築されていてもよい。

（ポンプ検出部５３）
図２及び図５に示すように、ポンプ検出部５３は、ポンプ電極３１１Ｂとポンプ基準電極３１２Ｂとの間に直流電圧を印加する電圧印加回路５３１と、ポンプ電極３１１Ｂとポンプ基準電極３１２Ｂとの間に流れる電流Ｉｐを検出する電流検出回路５３２とを有する。電圧印加回路５３１は、排ガスＧがガス室３５内に流入するときの拡散抵抗部３２による拡散抵抗によってポンプセル２１Ｂに限界電流特性が生じる大きさの直流電圧を各電極３１１Ｂ，３１２Ｂ間に印加する。直流電圧は、ポンプ基準電極３１２Ｂをプラス側として印加され、直流電圧の印加によって、ガス室３５内の酸素が大気ダクト３６へ排出される。

エンジンの空燃比がリーン側にあるときに、酸素を含む排ガスＧがポンプ電極３１１Ｂに到達すると、ポンプ電極３１１Ｂに接触する酸素が分解され、この際に生じる酸化物イオンがポンプ電極３１１Ｂからポンプ用固体電解質体３Ｂを介してポンプ基準電極３１２Ｂへ移動することにより、ポンプ検出部５３によってプラス側の電流Ｉｐが検出される。一方、エンジンの空燃比がリッチ側にあるときに、未燃ガスを含む排ガスＧがポンプ電極３１１Ｂに到達すると、ポンプ電極３１１Ｂに接触する未燃ガスを燃焼させるために、大気ダクト３６内の酸素が、イオン化してポンプ基準電極３１２Ｂからポンプ用固体電解質体３Ｂを介してポンプ電極３１１Ｂへ移動することにより、ポンプ検出部５３によってマイナス側の電流Ｉｐが検出される。

（空燃比算出部５４）
図２及び図５に示すように、空燃比算出部５４は、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐに基づいて、排ガスＧの組成に基づくエンジンの空燃比を算出する。ポンプ検出部５３がプラス側の電流Ｉｐを検出するときには、空燃比算出部５４によってリーン側の空燃比が算出される。ポンプ検出部５３がマイナス側の電流Ｉｐを検出するときには、空燃比算出部５４によってリッチ側の空燃比が算出される。空燃比算出部５４は、エンジン制御装置６内に構築されていてもよい。

（空燃比検知部５５）
図２及び図５に示すように、本形態の空燃比検知部５５は、ポンプセル２１Ｂによるエンジンの空燃比が特定リッチ状態Ｒにあるか否かを検知する。より具体的には、本形態の空燃比検知部５５は、空燃比算出部５４によって算出されるエンジンの空燃比が、特定リッチ状態Ｒにあるか否かを検知する。空燃比検知部５５がポンプセル２１Ｂ及び空燃比算出部５４を利用することにより、他のガスセンサ等から空燃比の情報を得る必要がなくなり、ガス濃度検出システム１の構成を簡単にすることができる。なお、空燃比検知部５５は、他のガスセンサとしての空燃比センサによって検出された空燃比を利用して、空燃比が特定リッチ状態Ｒにあるか否かを検知してもよい。

図６に示すように、ポンプセル２１Ｂ及び空燃比算出部５４によるエンジンの空燃比は、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐの値に応じて決定される。そのため、空燃比検知部５５は、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐがマイナス側の特定基準値としてのポンプ電流閾値Ｐ１よりもマイナス側にあるときに、特定リッチ状態Ｒを検知してもよい。空燃比検知部５５は、特定リッチ状態Ｒを検知しないときには、通常状態Ｎを検知する。また、空燃比検知部５５は、特定リッチ状態Ｒからストイキ状態又はリーン状態への復帰を検知するために、ポンプ電流閾値Ｐ１よりも大きく、かつ０［Ａ］よりも小さい特定基準値としてのポンプ電流回復値Ｐ２を用いてもよい。

燃料に対する燃焼用空気の質量比である空燃比は、１４．７（又は１４．５）である場合を理論空燃比として、リッチ側になると１４．７よりも小さくなる。空燃比がリッチ側になるほど排ガスＧに含まれる未燃ガスの量が増加する。そのため、空燃比がリッチ側になるほど、ガス室３５内に導入される未燃ガスを燃焼させるために必要な酸素の量も増加し、大気ダクト３６内には、より多くの酸素が必要になる。

空燃比検知部５５は、エンジン制御装置６から空燃比の情報を受信する構成としてもよい。また、空燃比検知部５５は、本形態のガスセンサ１０とは別に排気管７に配置された空燃比センサから空燃比の情報を受信する構成としてもよい。さらに、空燃比検知部５５は、エンジン制御装置６から、吸入空気量、燃料噴射量、点火時期等の情報を取得し、これらの情報に基づいて空燃比を推定する構成としてもよい。

（短絡監視部５６）
図５及び図６に示すように、短絡監視部５６は、センサセル２１Ａに流れる電流が、マイナス側の短絡判定基準値Ｈ１よりもマイナス側になったときには、センサセル２１Ａに短絡（グランドショート）が生じていることを検出する機能を有する。図６及び図７における短絡判定基準値Ｈ１は一例である。短絡判定基準値Ｈ１は、適切な値に適宜設定される。短絡監視部５６は、センサセル２１Ａのセンサ電極３１１Ａ又はセンサ基準電極３１２Ａの電流又は電圧を監視する機能を有する。ただし、短絡監視部５６は、空燃比検知部５５が特定リッチ状態Ｒを検知している間には、センサセル２１Ａが短絡状態になったか否かの検出、又は短絡状態になったか否かの判定を禁止する。エンジンの空燃比は、特定リッチ状態Ｒとなるリッチ側の空燃比に一時的になったとしても、その後、特定リッチ状態Ｒではない通常状態Ｎに復帰する。

ポンプセル２１Ｂにおいては、エンジンにおいてリーンの状態で燃焼した後の排ガスＧがガス室３５内のポンプ電極３１１Ｂに到達するときには、電圧の印加により、ガス室３５内の排ガスＧに含まれる酸素が大気ダクト３６へ排出される。このとき、ポンプ検出部５３においては、プラス側の電流Ｉｐが検出される。

また、ポンプセル２１Ｂにおいては、エンジンにおいてリッチの状態で燃焼した後の排ガスＧがガス室３５内のポンプ電極３１１Ｂに到達するときには、電流Ｉｐの逆流が生じ、大気ダクト３６からガス室３５内へ酸素が取り込まれる。このとき、ポンプ検出部５３においては、マイナス側の電流Ｉｐが検出される。

センサセル２１Ａのセンサ電極３１１Ａには、ポンプセル２１Ｂにおいて、ガス室３５内の排ガスＧに含まれる酸素の排出又は未燃ガスの燃焼が行われた後の残ガスが到達する。ポンプセル２１Ｂにおいて、ガス室３５内の酸素の排出又は未燃ガスの燃焼が正常に行われれば、センサセル２１ＡにおけるＮＯｘの検出、及び短絡の有無の監視が正常に行われる。

一方、エンジンにおける空燃比が、特定リッチ状態Ｒとして極端なリッチ側になり、ポンプ電極３１１Ｂに到達する排ガスＧに含まれる未燃ガスが極端に増加したときには、ポンプセル２１Ｂにおいて未燃ガスを十分に燃焼させることができないときがある。このとき、ガス室３５内の未燃ガスは、ポンプ電極３１１Ｂを通過してセンサ電極３１１Ａに到達する。

センサ電極３１１Ａに未燃ガスが到達するときには、センサセル２１Ａにおいては、未燃ガスを燃焼させるために、補助大気ダクト３７のセンサ基準電極３１２Ａから、センサ用固体電解質体３Ａを介してセンサ電極３１１Ａへとイオン化した酸素が移動する。これにより、センサセル２１Ａにおいても電流Ｉｓの逆流が生じ、センサ検出部５１によってマイナス側の電流Ｉｓが検出される。

このセンサセル２１Ａに生じるマイナス側の電流Ｉｓが、特定リッチ状態Ｒとしての所定のマイナス側のセンサ電流閾値Ｓ１よりもマイナス側に生じると、センサセル２１Ａの短絡が生じていないにも関わらず、短絡が生じていると誤検出又は誤判定する可能性が生じる。短絡監視部５６は、この特定リッチ状態Ｒにおけるマイナス側の電流Ｉｓと、短絡によるマイナス側の電流Ｉｓとを区別するよう構成されている。

特定リッチ状態Ｒは、例えば、空燃比が１０以下の場合としてもよい。ポンプセル２１Ｂの能力、大気ダクト３６の容積等によって、特定リッチ状態Ｒは、空燃比がどれだけ以下にあるときであるかを決定すればよい。特定リッチ状態Ｒは、空燃比が８～１１のうちのいずれかの値以下である場合としてもよい。

本形態の特定リッチ状態Ｒは、ガス室３５内に流入する排ガスＧに含まれる未燃ガスを反応させるために、大気ダクト３６からガス室３５内へ供給可能な、大気ダクト３６に流入する大気Ａに含まれる酸素の供給限界量に基づいて定められる。この構成により、特定リッチ状態Ｒを適切に定めることができる。特定リッチ状態Ｒは、ガス室３５内に流入する排ガスＧに含まれる未燃ガスと、大気ダクト３６内の大気Ａに含まれる酸素との燃焼反応が平衡するときのエンジンの空燃比を示す。特定リッチ状態Ｒは、ポンプセル２１Ｂ及びポンプ検出部５３によって検出可能なリッチ側の限界空燃比として捉えてもよい。

ガス室３５内の炭化水素、一酸化炭素等の未燃ガスは、酸素によって反応して、水、二酸化炭素等に変換される。大気ダクト３６による酸素の供給限界量は、大気ダクト３６の体積、流路断面積、形状等によって定まる。

（温度検知部５７）
図２及び図５に示すように、センサ制御装置５には、センサ素子２の温度を検知するための温度検知部５７が設けられている。温度検知部５７は、ポンプセル２１Ｂの抵抗値又はインピーダンスを検出する温度検出回路５７１を有しており、この抵抗値又はインピーダンスに基づいて、センサ素子２の温度を求める。温度検出回路５７１は、センサセル２１Ａ又は発熱体３４の抵抗値又はインピーダンスを検出してもよい。センサ制御装置５は、温度検知部５７によって検知される温度が、センサ素子２の活性温度以上である場合に、ＮＯｘの濃度の検出、空燃比の検出等を行うよう構成されている。

（ガス濃度検出システム１の動作）
図６（ａ），（ｂ）には、エンジンにおいてリッチの状態で燃焼した後の排ガスＧがガス室３５内に導入されるときの、ポンプセル２１Ｂにおける電流Ｉｐの変化、及びセンサセル２１Ａにおける電流Ｉｓの変化を示す。図６（ａ）に示すように、ガス室３５内に未燃ガスを含む排ガスＧが導入されるときには、ポンプ検出部５３によってマイナス側の電流Ｉｐが検出される。このとき、大気ダクト３６内の酸素が、ポンプ基準電極３１２Ｂにおいてイオン化してポンプ用固体電解質体３Ｂを介してポンプ電極３１１Ｂへ移動できるイオン伝導能力に応じて、ポンプ検出部５３によって検出される電流が所定の第１マイナス値Ｉｐ１に維持される。

また、ポンプ検出部５３によってマイナス側の電流Ｉｐが検出されるときに、この電流Ｉｐがマイナス側のポンプ電流閾値Ｐ１以下のマイナス側になることにより、空燃比検知部５５によって特定リッチ状態Ｒが検出される。そして、図６（ｃ）に示すように、短絡監視部５６によるセンサセル２１Ａの短絡状態の検出又は判定の監視が禁止される。なお、図６（ｃ）においては、ポンプ検出部５３による電流Ｉｐがマイナス側のポンプ電流閾値Ｐ１以下のマイナス側になった後の所定時間ｔ１の経過後に、特定リッチ状態Ｒが検出される場合を示す。

次いで、図６（ａ）に示すように、大気ダクト３６による酸素の供給限界量によって、大気ダクト３６からポンプ電極３１１Ｂへ供給される酸素の量が制限される。これにより、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐが、第１マイナス値Ｉｐ１よりも大きい、換言すれば第１マイナス値Ｉｐ１からゼロ側に戻った第２マイナス値Ｉｐ２に維持される。また、大気ダクト３６からポンプ電極３１１Ｂへ供給される酸素の量が制限されるときには、排ガスＧ中に残存する未燃ガスがセンサ電極３１１Ａに到達する。

そして、図６（ｂ）に示すように、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐが第２マイナス値Ｉｐ２に維持されるときに、センサ検出部５１によって検出される電流Ｉｓは、所定のマイナス値Ｉｓ１に低下するとともにこのマイナス値Ｉｓ１に維持される。

その後、エンジンの空燃比が特定リッチ状態Ｒからリーン側に変化したときには、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐが第２マイナス値Ｉｐ２からプラス側に変化する。このとき、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐがマイナス側のポンプ電流閾値Ｐ１よりも大きくなり、換言すればゼロ側又はプラス側に変化する。そして、空燃比検知部５５によって、エンジンの空燃比が特定リッチ状態Ｒから通常状態Ｎに復帰したことが検知される。そして、図６（ｃ）に示すように、短絡監視部５６によるセンサセル２１Ａの短絡状態の検出又は判定の監視が許可（再開）される。なお、図６（ｃ）においては、ポンプ検出部５３による電流Ｉｐがマイナス側のポンプ電流閾値Ｐ１超過のマイナス側になった後の所定時間ｔ２の経過後に、通常状態Ｎが検出される場合を示す。

（短絡監視部５６の他の構成）
エンジンの空燃比がリーン側に変化したときには、排ガスＧに含まれる未燃ガス又は酸素が、ポンプ電極３１１Ｂに到達する時点から、センサ電極３１１Ａに到達する時点までには時間遅れが生じる。そのため、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐが変化する時点から、センサ検出部５１によって検出される電流Ｉｓが変化する時点までには時間遅れが生じる。

この時間遅れを考慮して、空燃比検知部５５による特定リッチ状態Ｒ及び通常状態Ｎは、ポンプ検出部５３によって検出される、ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂ間に流れる電流Ｉｐが特定基準値まで変化した後も、所定時間維持するようにしてもよい。より具体的には、図６（ｃ）に示すように、特定リッチ状態Ｒは、ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂ間に流れる電流Ｉｐが、所定のマイナス側の特定基準値としてのポンプ電流閾値Ｐ１以下に低下して、ポンプ電流閾値Ｐ１以下に所定時間ｔ１維持された後から始まり、ポンプ電流閾値Ｐ１に上昇して、このポンプ電流閾値Ｐ１超過に所定時間ｔ２維持されたときに終わることとしてもよい。この構成により、特定リッチ状態Ｒに基づいて、短絡監視部５６によってセンサセル２１Ａの短絡状態の監視を禁止及び許可するタイミングを、より適切にすることができる。

また、空燃比検知部５５による特定リッチ状態Ｒは、センサ検出部５１によって検出される電流Ｉｓとポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐとを合わせて特定してもよい。より具体的には、特定リッチ状態Ｒは、図７（ａ）に示すように、ポンプ検出部５３によって検出される、ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂ間に流れる電流Ｉｐが、所定のマイナス側のポンプ電流閾値Ｐ１以下に低下し、かつ、図７（ｂ）に示すように、センサ検出部５１によって検出される、センサ電極３１１Ａ及びセンサ基準電極３１２Ａ間に流れる電流Ｉｓが、短絡状態を示す所定のマイナス側のセンサ電流閾値Ｓ１以下に低下した後から始まり、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐがポンプ電流閾値Ｐ１超過に上昇して、図７（ｃ）に示すように、ポンプ電流閾値Ｐ１超過に所定時間ｔ３維持されたときに終わることとしてもよい。この構成によっても、特定リッチ状態Ｒに基づいて、短絡監視部５６によってセンサセル２１Ａの短絡状態の監視を禁止及び許可するタイミングを、より適切にすることができる。

なお、ポンプ検出部５３によって検出される電流Ｉｐがポンプ電流閾値Ｐ１超過に上昇したことを検知する代わりに、センサ検出部５１によって検出される電流Ｉｓが、センサ電流閾値Ｓ１超過に上昇したことを検知してもよい。特定リッチ状態Ｒが通常状態Ｎに戻るタイミングは、適宜変更してもよい。

図６（ａ）及び図７（ａ）においては、特定リッチ状態Ｒ及び通常状態Ｎの境界を、ポンプ電流閾値Ｐ１の位置にして示す。ただし、ガス室３５内の排ガスＧの流れによって、ポンプ電極３１１Ｂとセンサ電極３１１Ａとの配置位置の違いによって生じる時間遅れを考慮する場合には、特定リッチ状態Ｒと通常状態Ｎとが切り替わるタイミングは適宜異なる。

（ガス濃度検出システム１の制御方法）
以下に、ガス濃度検出システム１の制御方法の一例について、図８のフローチャートを参照して説明する。
車両のエンジン、エンジン制御装置６及びセンサ制御装置５の起動後、発熱体３４によってセンサ素子２が加熱され（ステップＳ１０１）、センサ制御装置５によって、センサ素子２の温度が活性温度以上であるか否かが判定される（ステップＳ１０２）。次いで、センサ素子２の温度が活性温度以上である場合には、空燃比検知部５５によって通常状態Ｎが検知され、短絡監視部５６による短絡状態の判定が許可される（ステップＳ１０３）。次いで、ポンプ検出部５３によってポンプセル２１Ｂに流れる電流Ｉｐが検出され（ステップＳ１０４）、センサ検出部５１によってセンサセル２１Ａに流れる電流Ｉｓが検出される（ステップＳ１０５）。

また、エンジン制御装置６においては、ＮＯｘ濃度算出部５２によって、排ガスＧにおけるＮＯｘの濃度の算出が開始され、空燃比算出部５４によって、エンジンの空燃比の算出が開始される。以下の説明において、これらの算出については省略し、短絡監視部５６によって、センサセル２１Ａが短絡状態にあるか否かの監視を行う制御について説明する。

次いで、空燃比検知部５５によって、ポンプ検出部５３によって検出されるポンプセル２１Ｂの電流Ｉｐが、特定リッチ状態Ｒを示すマイナス側のポンプ電流閾値Ｐ１以下に低下したか否かが判定される（ステップＳ１０６）。ポンプセル２１Ｂの電流Ｉｐがポンプ電流閾値Ｐ１を超えている場合には、短絡監視部５６によるセンサセル２１Ａの短絡状態の監視を行う。具体的には、センサ検出部５１によって検出されるセンサセル２１Ａの電流Ｉｓが、短絡判定基準値Ｈ１以下になったか否かが判定される（ステップＳ１０８）。

センサセル２１Ａの電流が、短絡判定基準値Ｈ１以下になった場合には、短絡監視部５６によってセンサセル２１Ａの短絡状態が検出される（ステップＳ１０９）。センサセル２１Ａの電流Ｉｓが、短絡判定基準値Ｈ１を超えている場合には、センサセル２１Ａの短絡状態は検出されない。そして、ステップＳ１０３から再び実行される。

一方、ステップＳ１０６において、ポンプセル２１Ｂの電流Ｉｐがポンプ電流閾値Ｐ１以下に低下した場合には、短絡監視部５６によって、この低下状態が所定時間ｔ１を継続して維持されたか否かが判定される（ステップＳ１０７）。そして、この低下状態が所定時間ｔ１を継続して維持されるまでは、ステップＳ１０３～Ｓ１０９が繰り返し実行される。

ポンプセル２１Ｂの電流が、ポンプ電流閾値Ｐ１以下に低下した状態が所定時間ｔ１を継続して維持された場合には、空燃比検知部５５によって特定リッチ状態Ｒが検知され、短絡監視部５６による短絡状態の判定が禁止される（ステップＳ１１０）。次いで、ポンプ検出部５３によってポンプセル２１Ｂに流れる電流Ｉｐが検出される（ステップＳ１１１）。

次いで、空燃比検知部５５によって、ポンプ検出部５３によって検出されるポンプセル２１Ｂの電流Ｉｐが、空燃比の通常状態Ｎへの回復を示すポンプ電流回復値Ｐ２以上に上昇したか否かが判定される（ステップＳ１１２）。ポンプ電流回復値Ｐ２は、ポンプ電流閾値Ｐ１よりも大きく、かつ０［Ａ］よりも小さい電流とする。ポンプセル２１Ｂの電流Ｉｓがポンプ電流回復値Ｐ２以上に上昇していない場合には、ステップＳ１１０～Ｓ１１２が繰り返し実行される。

一方、ステップＳ１１２において、ポンプセル２１Ｂの電流Ｉｐがポンプ電流回復値Ｐ２以上に上昇した場合には、短絡監視部５６によって、この上昇状態が所定時間ｔ２を継続して維持されたか否かが判定される（ステップＳ１１３）。そして、この上昇状態が所定時間ｔ２を継続して維持されるまでは、ステップＳ１１０～Ｓ１１３が繰り返し実行される。

ポンプセル２１Ｂの電流Ｉｐが、ポンプ電流回復値Ｐ２以上に上昇した状態が所定時間ｔ２を継続して維持された場合には、空燃比検知部５５によって通常状態Ｎが検知され、短絡監視部５６による短絡状態の判定が許可される（ステップＳ１０３）。そして、ステップＳ１０３～Ｓ１０９が繰り返し実行される。このようにして、特定リッチ状態Ｒが検知される時間帯ごとに、短絡監視部５６によるセンサセル２１Ａの短絡状態の判定が禁止され、それ以外の時間帯においては、短絡監視部５６によるセンサセル２１Ａの短絡状態の判定が継続（許可）される。

（作用効果）
本形態のガス濃度検出システム１は、空燃比検知部５５が特定リッチ状態Ｒを検知している間は、短絡監視部５６による、センサセル２１Ａが短絡状態になったか否かの判定を禁止するものである。特定リッチ状態Ｒにおいては、センサ基準電極３１２Ａに十分な酸素が供給されないために、センサセル２１Ａが短絡状態になった場合と同様の電流の変化が生じる。そのため、特定リッチ状態Ｒにおいて、短絡状態の判定を行わないことにより、短絡状態の誤判定を防ぐことができる。

それ故、本形態のガス濃度検出システム１によれば、空燃比が特定リッチ状態Ｒになる場合があったとしても、センサセル２１Ａの短絡状態の誤判定を防ぐことができる。

なお、空燃比検知部５５が特定リッチ状態Ｒを検知する場合には、短絡状態の判定を許可する代わりに、短絡状態の検出を許可してもよい。また、空燃比検知部５５が通常状態Ｎを検知する場合には、短絡状態の判定を許可する代わりに、短絡状態の検出を許可してもよい。短絡状態の判定及び検出は、明確に区別する必要はなく、いずれも短絡状態の監視として捉えてもよい。

＜実施形態２＞
本形態は、図９及び図１０に示すように、ポンプセル２１Ｂをセンサ用固体電解質体３Ａに設けることにより、センサ素子２が１枚の固体電解質体を有する場合について示す。本形態のガスセンサ１０は、センサ用固体電解質体３Ａに設けられたポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂを用いて構成されたポンプセル２１Ｂを有する。ポンプセル２１Ｂは、ポンプ電極３１１Ｂ及びポンプ基準電極３１２Ｂ間に流れる電流Ｉｐに基づいて、排ガスＧに基づくエンジンの空燃比を求めるために用いられる。本形態のポンプ基準電極３１２Ｂは、センサ基準電極３１２Ａと一体化されている。

本形態の空燃比検知部５５も、ポンプセル２１Ｂによるエンジンの空燃比が特定リッチ状態Ｒにあるか否かを検知する。本形態のセンサ用固体電解質体３Ａの第１表面３０１には、センサ電極３１１Ａ及びポンプ電極３１１Ｂが収容されるとともに、拡散抵抗部３２を介して排ガスＧが導入されるガス室３５が隣接して形成されている。センサ用固体電解質体３Ａの、ガス室３５が位置する側とは反対側に位置する第２表面３０２には、センサ基準電極３１２Ａ及びポンプ基準電極３１２Ｂが収容されるとともに、大気Ａが導入される大気ダクト３６が隣接して形成されている。

本形態においても、センサ電極３１１Ａは、ガス室３５内における、ポンプ電極３１１Ｂの配置位置よりも排ガスＧの流れの下流側の位置に配置されている。また、空燃比検知部５５、短絡監視部５６等の構成は、実施形態１の場合と同様である。また、本形態の空燃比検知部５５による特定リッチ状態Ｒは、ガス室３５内に流入する排ガスＧに含まれる未燃ガスを反応させるために、大気ダクト３６からガス室３５内へ供給可能な酸素の供給限界量に基づいて定められる。

本形態のガス濃度検出システム１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

＜実施形態３＞
本形態は、センサセル２１Ａの構成が実施形態１，２の場合と異なる場合について示す。本形態のセンサセル２１Ａは、ポンプセル２１Ｂによって、ガス室３５内の排ガスＧに含まれる酸素が除去された後にガス室３５内に残留する酸素がセンサセル２１Ａに与える影響を少なくするための構成を有する。

図１１に示すように、本形態のセンサ用固体電解質体３Ａに設けられたセンサ電極３１１Ａは、特定ガス電極３１１Ｃと酸素電極３１１Ｄとによって構成されている。特定ガス電極３１１Ｃは、実施形態１のセンサ電極３１１Ａと同様に、酸素及びＮＯｘに対する触媒活性を有するものである。酸素電極３１１Ｄは、実施形態１のセンサ基準電極３１２Ａと同様に、酸素に対する触媒活性を有するものである。

本形態のセンサセル２１Ａは、センサ用固体電解質体３Ａに設けられた特定ガス電極３１１Ｃ及びセンサ基準電極３１２Ａを用いて構成された特定ガスセル２１Ｃと、センサ用固体電解質体３Ａに設けられた酸素電極３１１Ｄ及びセンサ基準電極３１２Ａを用いて構成された酸素セル２１Ｄとによって構成されている。特定ガスセル２１Ｃは、特定ガス電極３１１Ｃ及びセンサ基準電極３１２Ａ間に流れる電流に基づいて、ポンプセル２１Ｂによって排ガスＧに含まれる酸素が減らされた後の特定ガスの濃度を求めるために用いられる。酸素セル２１Ｄは、酸素電極３１１Ｄ及びセンサ基準電極３１２Ａ間に流れる電流に基づいて、ポンプセル２１Ｂによって排ガスＧに含まれる酸素が減らされた後のガス室３５内の酸素の濃度を求めるために用いられる。

本形態のセンサ検出部５１は、特定ガスセル２１Ｃに流れる電流を検出するセンサ検出部５１Ｃと、酸素セル２１Ｄに流れる電流を検出するセンサ検出部５１Ｄとによって構成されている。そして、センサ検出部５１は、特定ガスセル２１Ｃに流れる電流から酸素セル２１Ｄに流れる電流を差し引いて、出力電流を求めるよう構成されている。この構成により、ＮＯｘの検出に与える、ノイズとしての残留酸素の影響を少なくすることができる。

本形態の短絡監視部５６は、特定ガスセル２１Ｃ及び酸素セル２１Ｄの少なくとも一方が短絡状態になったか否かの検出又は判定の許可及び禁止を行うよう構成されている。短絡監視部５６は、短絡状態の監視を適切に行うために、特定ガスセル２１Ｃ及び酸素セル２１Ｄの両方の短絡状態の監視を行った方がよい。

本形態は、センサセル２１Ａを構成する特定ガスセル２１Ｃ及び酸素セル２１Ｄを、実施形態２に示すセンサ用固体電解質体３Ａに設ける場合について示した。これ以外にも、特定ガスセル２１Ｃ及び酸素セル２１Ｄは、実施形態１に示すセンサ用固体電解質体３Ａに設けてもよい。

本形態のガス濃度検出システム１においては、ＮＯｘの検出に与える残留酸素の影響が少なくなることにより、ＮＯｘの濃度の算出精度を高めることができる。本形態のガス濃度検出システム１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１，２の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１，２に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１，２の構成要素と同様である。

＜実施形態４＞
本形態は、空燃比検知部５５及び短絡監視部５６の構成を、実施形態１～３のガスセンサ１０とはさらに異なるガスセンサ１０に適用する場合について示す。センサ用固体電解質体３Ａ、ポンプ用固体電解質体３Ｂ、センサセル２１Ａ及びポンプセル２１Ｂは、種々の構成を有していてもよい。センサ用固体電解質体３Ａ及びポンプ用固体電解質体３Ｂは、それぞれ複数の固体電解質体によって構成してもよい。

図１２に示すように、ガスセンサ１０のセンサ素子２は、ポンプセル２１Ｂが設けられたポンプ用固体電解質体３Ｂと、ガス室３５内の残留酸素の濃度を検出するための酸素セル２１Ｄが設けられた第１センサ用固体電解質体３Ａ１と、ＮＯｘの濃度を検出するための特定ガスセル２１Ｃが設けられた第２センサ用固体電解質体３Ａ２とを有する構成としてもよい。この場合には、ガス室３５は、ポンプ用固体電解質体３Ｂと第１センサ用固体電解質体３Ａ１との間に形成されており、ポンプセル２１Ｂのポンプ基準電極３１２Ｂは、保護層３２１を介して排ガスＧに晒されている。

また、この場合には、ガス室３５は、第１センサ用固体電解質体３Ａ１を貫通して、第１センサ用固体電解質体３Ａ１と第２センサ用固体電解質体３Ａ２との間に形成された検出ガス室３５１まで繋がっている。第１センサ用固体電解質体３Ａ１と第２センサ用固体電解質体３Ａ２との間には、検出ガス室３５１に隣接して、大気Ａが導入される大気ダクト３６が形成されている。

ポンプセル２１Ｂのポンプ電極３１１Ｂ及び酸素セル２１Ｄの酸素電極３１１Ｄは、ガス室３５内に配置されている。酸素セル２１Ｄのセンサ基準電極３１２Ａ及び特定ガスセル２１Ｃのセンサ基準電極３１２Ａは、大気ダクト３６内に配置されている。特定ガスセル２１Ｃの特定ガス電極３１１Ｃ及びセンサ基準電極３１２Ａは、第２センサ用固体電解質体３Ａ２の同じ側の表面に設けられている。この場合においても、特定ガスセル２１Ｃ及び酸素セル２１Ｄは、短絡監視部５６によって短絡状態の監視が行われる。

エンジンの空燃比がリーン側にあるときには、拡散抵抗部３２からガス室３５内に導入される排ガスＧに含まれる酸素は、ポンプセル２１Ｂの動作によって外部に排出される。また、酸素セル２１Ｄの動作によってガス室３５内に残留する酸素の濃度が検出され、この残留酸素がなくなるようポンプセル２１Ｂの動作が制御される。そして、特定ガスセル２１Ｃにおいては、検出ガス室３５１に導入される排ガスＧに含まれるＮＯｘの濃度に応じた、プラス側の電流が検出される。

一方、エンジンの空燃比がリッチ側にあるときには、拡散抵抗部３２からガス室３５内に導入される排ガスＧに含まれる未燃ガスが、外部からポンプ用固体電解質体３Ｂを経由してガス室３５内に取り込まれる酸素、及び大気ダクト３６から第１センサ用固体電解質体３Ａ１を経由してガス室３５内に取り込まれる酸素によって反応する。このとき、検出ガス室３５１内に流入する排ガスＧには、未燃ガスと酸素との反応によって生じた水、二酸化炭素等が含まれる一方、ＮＯｘがほとんど含まれておらず、特定ガスセル２１Ｃにおいては、ほとんど電流が流れない。

ただし、エンジンの空燃比が特定リッチ状態Ｒにあるときには、拡散抵抗部３２からガス室３５内に導入される排ガスＧに含まれる未燃ガスが、ガス室３５内に取り込まれる酸素によって反応しきれずに、検出ガス室３５１内に流入する。このとき、大気ダクト３６による酸素の供給量が限界に達し、検出ガス室３５１内の未燃ガスを反応させるために大気ダクト３６から検出ガス室３５１内へ酸素が移動する。これにより、特定ガスセル２１Ｃにおいては、マイナス側の電流が検出される。

特定リッチ状態Ｒにおいて特定ガスセル２１Ｃに流れるマイナス側の電流は、特定ガスセル２１Ｃの短絡状態が生じたときに流れるマイナス側の電流と区別することができなくなる。そのため、空燃比検知部５５及び短絡監視部５６を有するガス濃度検出システム１を用い、特定リッチ状態Ｒにおいては短絡状態の監視を禁止することにより、短絡状態の誤検出又は誤判定を防ぐことができる。

（他の構成）
また、図１３に示すように、ガスセンサ１０のセンサ素子２は、ポンプ用固体電解質体３Ｂ及びセンサ用固体電解質体３Ａに設けられた主ポンプセル２１Ｂ１と、及びポンプ用固体電解質体３Ｂ及びセンサ用固体電解質体３Ａに設けられた補助ポンプセル２１Ｂ２と、センサ用固体電解質体３Ａに設けられたセンサセル２１Ａとを有する構成としてもよい。主ポンプセル２１Ｂ１及び補助ポンプセル２１Ｂ２のポンプ電極３１１Ｂは、ポンプ用固体電解質体３Ｂ及びセンサ用固体電解質体３Ａに跨って設けられている。主ポンプセル２１Ｂ１及び補助ポンプセル２１Ｂ２のポンプ基準電極３１２Ｂは、表面保護層３８を介して外部の排ガスＧに晒されている。

図１３のセンサ素子２においては、絶縁体の部分が少なく、ポンプ用固体電解質体３Ｂ及びセンサ用固体電解質体３Ａ以外の部分も固定電解質体によって形成されている。これにより、ポンプ用固体電解質体３Ｂとセンサ用固体電解質体３Ａとが適宜導通されて、これらが合わさって酸化物イオンの伝導性を生じさせる。センサセル２１Ａのセンサ電極３１１Ａは、ガス室３５内に配置されており、センサセル２１Ａのセンサ基準電極３１２Ａは、大気ダクト３６に繋がる大気導入層３６１内に配置されている。この場合においても、センサセル２１Ａは、短絡監視部５６によって短絡状態の監視が行われる。

エンジンの空燃比がリーン側にあるときには、拡散抵抗部３２からガス室３５内に導入される排ガスＧに含まれる酸素は、主ポンプセル２１Ｂ１及び補助ポンプセル２１Ｂ２の動作によって外部に排出される。また、補助ポンプセル２１Ｂ２の動作によって、ガス室３５内の酸素分圧がＮＯｘの検出に実質的に影響がない低い分圧に調整される。そして、センサセル２１Ａにおいては、ガス室３５に導入される排ガスＧに含まれるＮＯｘの濃度に応じた、プラス側の電流が検出される。

一方、エンジンの空燃比がリッチ側にあるときには、拡散抵抗部３２からガス室３５内に導入される排ガスＧに含まれる未燃ガスが、外部からポンプ用固体電解質体３Ｂを経由してガス室３５内に取り込まれる酸素、及び大気ダクト３６から大気導入層３６１及びセンサ用固体電解質体３Ａを経由してガス室３５内に取り込まれる酸素によって反応する。このとき、センサ電極３１１Ａに到達する排ガスＧには、未燃ガスと酸素との反応によって生じた水、二酸化炭素等が含まれる一方、ＮＯｘがほとんど含まれておらず、センサセル２１Ａにおいては、ほとんど電流が流れない。

ただし、エンジンの空燃比が特定リッチ状態Ｒにあるときには、拡散抵抗部３２からガス室３５内に導入される排ガスＧに含まれる未燃ガスが、主ポンプセル２１Ｂ１及び補助ポンプセル２１Ｂ２において反応しきれずに、センサ電極３１１Ａに到達する。このとき、大気ダクト３６による酸素の供給量が限界に達し、センサ電極３１１Ａに到達する未燃ガスを反応させるために、センサ基準電極３１２Ａからセンサ用固体電解質体３Ａを経由してセンサ電極３１１Ａへ酸素が移動する。これにより、センサセル２１Ａにおいては、マイナス側の電流が検出される。

特定リッチ状態Ｒにおいてセンサセル２１Ａに流れるマイナス側の電流は、センサセル２１Ａの短絡状態が生じたときに流れるマイナス側の電流と区別することができなくなる。そのため、空燃比検知部５５及び短絡監視部５６を有するガス濃度検出システム１を用い、特定リッチ状態Ｒにおいては短絡状態の監視を禁止することにより、短絡状態の誤検出又は誤判定を防ぐことができる。

本形態のガス濃度検出システム１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１～３の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１～３に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１～３の構成要素と同様である。

本開示は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本開示は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本開示から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本開示の技術思想に含まれる。

Claims (8)

1. 内燃機関の排気管（７）に配置されて使用されるものであって、センサ用固体電解質体（３Ａ）に設けられたセンサ電極（３１１Ａ）及びセンサ基準電極（３１２Ａ）によって構成され、前記センサ電極及び前記センサ基準電極間に流れる電流（Ｉｓ）に基づいて、前記排気管を流れる排ガス（Ｇ）に含まれる特定ガスの濃度を求めるためのセンサセル（２１Ａ）を有する、ガスセンサ（１０）と、
   前記排ガスに基づく前記内燃機関の空燃比が、特定値以下に小さいことを示す特定リッチ状態（Ｒ）にあるか否かを検知する空燃比検知部（５５）と、
   前記空燃比検知部が前記特定リッチ状態を検知していない間には、前記センサセルが短絡状態になったか否かの検出又は判定を許可する一方、前記空燃比検知部が前記特定リッチ状態を検知している間には、前記センサセルが短絡状態になったか否かの検出又は判定を禁止する短絡監視部（５６）と、を備えるガス濃度検出システム（１）。
2. 前記ガスセンサは、前記センサ用固体電解質体に積層されたポンプ用固体電解質体（３Ｂ）に設けられたポンプ電極（３１１Ｂ）及びポンプ基準電極（３１２Ｂ）によって構成され、前記ポンプ電極及び前記ポンプ基準電極間に流れる電流（Ｉｐ）に基づいて、前記排ガスに基づく前記内燃機関の空燃比を求めるためのポンプセル（２１Ｂ）をさらに有しており、
   前記空燃比検知部は、前記ポンプセルによる前記内燃機関の空燃比が前記特定リッチ状態にあるか否かを検知する、請求項１に記載のガス濃度検出システム。
3. 前記センサ用固体電解質体の内側表面（３０１Ａ）と前記ポンプ用固体電解質体の内側表面（３０１Ｂ）との間には、前記ポンプ電極及び前記センサ電極が収容されるとともに、拡散抵抗部（３２）を介して前記排ガスが導入されるガス室（３５）が形成されており、
   前記ポンプ用固体電解質体の外側表面（３０２Ｂ）には、前記ポンプ基準電極が収容されるとともに、大気（Ａ）が導入される大気ダクト（３６）が隣接して形成されており、
   前記特定リッチ状態は、前記ガス室内に流入する前記排ガスに含まれる未燃ガスを反応させるために、前記大気ダクトから前記ガス室内へ供給可能な、前記大気ダクトに流入する大気に含まれる酸素の供給限界量に基づいて定められる、請求項２に記載のガス濃度検出システム。
4. 前記ガスセンサは、前記センサ用固体電解質体に設けられたポンプ電極（３１１Ｂ）及びポンプ基準電極（３１２Ｂ）によって構成され、前記ポンプ電極及び前記ポンプ基準電極間に流れる電流（Ｉｐ）に基づいて、前記排ガスに基づく前記内燃機関の空燃比を求めるためのポンプセル（２１Ｂ）をさらに有しており、
   前記空燃比検知部は、前記ポンプセルによる前記内燃機関の空燃比が前記特定リッチ状態にあるか否かを検知する、請求項１に記載のガス濃度検出システム。
5. 前記センサ用固体電解質体には、前記センサ電極及び前記ポンプ電極が収容されるとともに、拡散抵抗部（３２）を介して前記排ガスが導入されるガス室（３５）が隣接して形成されており、
   前記センサ用固体電解質体の、前記ガス室が位置する側とは反対側には、前記センサ基準電極及び前記ポンプ基準電極が収容されるとともに、大気（Ａ）が導入される大気ダクト（３６）が隣接して形成されており、
   前記特定リッチ状態は、前記ガス室内に流入する前記排ガスに含まれる未燃ガスを反応させるために、前記大気ダクトから前記ガス室内へ供給可能な、前記大気ダクトに流入する大気に含まれる酸素の供給限界量に基づいて定められる、請求項４に記載のガス濃度検出システム。
6. 前記センサ電極は、特定ガス電極（３１１Ｃ）と酸素電極（３１１Ｄ）とによって構成されており、
   前記センサセルは、
   前記センサ用固体電解質体に設けられた前記特定ガス電極及び前記センサ基準電極によって構成され、前記特定ガス電極及び前記センサ基準電極間に流れる電流に基づいて、前記ポンプセルによって前記排ガスに含まれる酸素が減らされた後の前記ガス室内の前記特定ガスの濃度を求めるための特定ガスセル（２１Ｃ）と、
   前記センサ用固体電解質体に設けられた前記酸素電極及び前記センサ基準電極によって構成され、前記酸素電極及び前記センサ基準電極間に流れる電流に基づいて、前記ポンプセルによって前記排ガスに含まれる酸素が減らされた後の前記ガス室内の酸素の濃度を求めるための酸素セル（２１Ｄ）と、によって構成されており、
   前記短絡監視部は、前記特定ガスセル及び前記酸素セルの少なくとも一方が短絡状態になったか否かの検出の許可及び禁止を行うよう構成されている、請求項３又は５に記載のガス濃度検出システム。
7. 前記特定リッチ状態は、前記ポンプ電極及び前記ポンプ基準電極間に流れる電流が、所定のマイナス側のポンプ電流閾値（Ｐ１）以下に低下して、前記ポンプ電流閾値以下に所定時間（ｔ１）維持された後から始まり、前記ポンプ電流閾値超過に上昇して、前記ポンプ電流閾値超過に所定時間（ｔ２）維持されたときに終わる、請求項２～６のいずれか１項に記載のガス濃度検出システム。
8. 前記特定リッチ状態は、前記ポンプ電極及び前記ポンプ基準電極間に流れる電流が、所定のマイナス側のポンプ電流閾値（Ｐ１）以下に低下し、かつ前記センサ電極及び前記センサ基準電極間に流れる電流が、所定のマイナス側のセンサ電流閾値（Ｓ１）以下に低下した後から始まり、前記ポンプ電極及び前記ポンプ基準電極間に流れる電流が、前記ポンプ電流閾値超過に上昇して、又は前記センサ電極及び前記センサ基準電極間に流れる電流が、前記センサ電流閾値超過に上昇して、所定時間（ｔ３）維持されたときに終わる、請求項２～６のいずれか１項に記載のガス濃度検出システム。

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