WO2023085015A1 - 制御装置 - Google Patents

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WO2023085015A1
WO2023085015A1 PCT/JP2022/038846 JP2022038846W WO2023085015A1 WO 2023085015 A1 WO2023085015 A1 WO 2023085015A1 JP 2022038846 W JP2022038846 W JP 2022038846W WO 2023085015 A1 WO2023085015 A1 WO 2023085015A1
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WO
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cell
exhaust gas
value
deterioration rate
slope
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/038846
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English (en)
French (fr)
Inventor
尚治 森田
勇樹 村山
明里 長谷川
Original Assignee
株式会社デンソー
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Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present disclosure relates to a control device for exhaust gas sensors.
  • An exhaust gas sensor for measuring the concentration of a specific gas contained in the exhaust gas is provided in the exhaust pipe of a vehicle with an internal combustion engine.
  • Specific gas is, for example, nitrogen oxides.
  • an exhaust gas sensor one having a structure having a plurality of cells in which electrodes are formed on both sides of a solid electrolyte layer is known. In the above cell, a current having a magnitude corresponding to the concentration of the component to be measured flows when a voltage is applied between the electrodes. The exhaust gas sensor measures the concentration of the component to be measured based on the current value.
  • an exhaust gas sensor configured to have a first cell and a second cell as the plurality of cells.
  • oxygen contained in the exhaust gas is discharged in advance by the first cell arranged on the upstream side.
  • a current flows according to the concentrations of residual oxygen and nitrogen oxides contained in the exhaust gas after oxygen has been exhausted. Below, the said current is also described as "output current.”
  • the concentration of nitrogen oxides can be measured with high accuracy by preliminarily discharging oxygen, which is larger than the amount of nitrogen oxides, from the exhaust gas.
  • deterioration of the cells may change the relationship between the concentration of the component to be measured and the output current. Therefore, in the gas sensor control device described in Patent Document 1 below, it is possible to calculate a deterioration rate, which is an index indicating the degree of deterioration occurring in the exhaust gas sensor. Specifically, the voltage applied to the first cell (pump cell) is reduced, and the amount of oxygen reaching the second cell (sensor cell) is temporarily increased. The deterioration rate is calculated based on the slope of the change in the output current.
  • the slope of the change in the output current from the second cell tends to decrease according to the degree of deterioration of the second cell. Therefore, when the slope of the change in the output current from the second cell becomes smaller than normal, it can be determined that the second cell has deteriorated, that is, the deterioration rate of the exhaust gas sensor has increased.
  • the slope of the change in the output current from the second cell also changes depending on the oxygen concentration of the exhaust gas. Further, the oxygen concentration of the exhaust gas that reaches the second cell via the first cell is roughly proportional to the amount of change in the output current of the first cell when the voltage applied to the first cell is reduced. Therefore, in the control device described in Patent Document 1, the slope (A) of the change in the output current from the second cell is normalized by dividing it by the amount of change in the output current from the first cell ( ⁇ I P ), The deterioration rate is calculated based on the value obtained by this normalization.
  • the concentration of oxygen contained in the exhaust gas may not remain constant and may fluctuate over time.
  • the change in the output current of the first cell is not linear, the above variation ( ⁇ I P ) includes an error. As a result, there is a possibility that the deterioration rate cannot be calculated accurately.
  • An object of the present disclosure is to provide a control device that can accurately calculate the deterioration rate of an exhaust gas sensor.
  • a control device is a control device for an exhaust gas sensor.
  • the exhaust gas sensor to be controlled has a size corresponding to the first cell that discharges oxygen from the exhaust gas generated by the internal combustion engine and the concentration of residual oxygen contained in the exhaust gas after the oxygen is discharged by the first cell. and a second cell that outputs a current of the same magnitude.
  • This control device includes a first cell control unit that controls the discharge of oxygen by the first cell, a first acquisition unit that acquires the slope of the change in the current output from the second cell, and the current that is output from the second cell.
  • the exhaust gas sensor includes a second acquisition unit that acquires a current convergence value, and a deterioration rate calculation unit that calculates a deterioration rate, which is an index indicating the degree of deterioration occurring in the exhaust gas sensor.
  • the deterioration rate calculation unit converts the slope acquired by the first acquisition unit to The deterioration rate is calculated based on the normalized value using the convergence value obtained in .
  • the deterioration rate is calculated using only the value of the current output from the second cell without using the value of the current output from the first cell. Therefore, it is possible to calculate the deterioration rate more accurately than before without being affected by the measurement error of the current output from the first cell.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an exhaust system of a vehicle provided with a control device and an exhaust gas sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing configurations of a control device and an exhaust gas sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a sectional view showing the III-III section of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the measurement principle of the exhaust gas sensor.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of temporal changes in pump cell voltage and the like.
  • FIG. 6 is a graph showing changes in sensor cell current over time.
  • FIG. 7 is a graph showing changes in sensor cell current over time.
  • FIG. 8 is a diagram showing the correspondence relationship between the A N /reference value and the deterioration rate.
  • FIG. 9 is a flow chart showing the flow of processing executed by the control device according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining factors of error when calculating the deterioration rate by the method according to the comparative example.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the operating time of the exhaust gas sensor and the calculated slope.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the intervals for which the slope is calculated and variations in the calculated slope.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the timing of acquiring the convergence value and the calculated deterioration rate.
  • FIG. 14 is a flow chart showing the flow of processing executed by the control device according to the second embodiment.
  • the control device 10 is configured as a device for controlling the exhaust gas sensor 100 .
  • FIG. 1 schematically shows an exhaust system of a vehicle in which an exhaust gas sensor 100 is provided. As shown in the figure, the internal combustion engine EG of the vehicle is connected to an exhaust pipe 20 for guiding the exhaust gas discharged from the internal combustion engine EG to the outside.
  • the exhaust gas sensor 100 is for measuring the concentration of nitrogen oxides contained in the exhaust gas, and is provided in the middle of the exhaust pipe 20 .
  • the components to be detected by the exhaust gas sensor 100 are nitrogen oxides as described above, but they may be components other than nitrogen oxides, such as ammonia.
  • an oxidation catalyst converter 22 is provided in the middle of the exhaust pipe 20.
  • the oxidation catalytic converter 22 purifies harmful substances contained in the exhaust gas.
  • An oxidation catalyst (not shown) is housed inside the oxidation catalyst converter 22 .
  • Oxidation catalysts are mainly composed of ceramic supports and oxide mixtures composed of aluminum oxide, cerium dioxide and zirconium dioxide, as well as noble metal catalysts such as platinum, palladium and rhodium.
  • the oxidation catalyst oxidizes and purifies hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides, etc. contained in the exhaust gas.
  • a particulate filter for trapping fine particles and a catalyst for purifying nitrogen oxides may be accommodated.
  • the exhaust gas sensor 100 which is a control target of the control device 10, is provided at a position downstream of the oxidation catalytic converter 22 in the exhaust pipe 20, and measures the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas at that position. It has become.
  • the concentration of nitrogen oxides measured by the exhaust gas sensor 100 is transmitted to the control device 10.
  • the control device 10 performs various controls of the internal combustion engine EG based on the measured concentration of nitrogen oxides.
  • the control includes, for example, control for adjusting ignition timing and injection timing in the internal combustion engine EG.
  • control device 10 is configured as a device that controls not only the exhaust gas sensor 100, which will be described later, but also the internal combustion engine EG. That is, the control device 10 also functions as a so-called "engine ECU". Instead of such a mode, the control device 10 may be configured as a dedicated device for controlling the exhaust gas sensor 100, and may be a control device separate from the engine ECU. good. In this case, the control device 10 contributes to the control of the internal combustion engine EG performed by the engine ECU by communicating with the engine ECU.
  • FIG. 2 schematically shows a cross section of a portion of the exhaust gas sensor 100 that is arranged inside the exhaust pipe 20. As shown in FIG. The left side in FIG. 2 , that is, the end on the side where the diffusion resistor 140 is arranged corresponds to the tip portion of the exhaust gas sensor 100 protruding inside the exhaust pipe 20 .
  • the exhaust gas sensor 100 includes a solid electrolyte body 110 and main bodies 120 and 130 .
  • the solid electrolyte body 110 is a plate-like member and is made of a solid electrolyte material such as zirconia oxide.
  • the solid electrolyte body 110 comes to have oxygen ion conductivity when it becomes active at a predetermined temperature or higher.
  • a pump cell 150, a sensor cell 160, and a monitor cell 170 are formed in the solid electrolyte body 110, and these cells will be described later.
  • Both the main bodies 120 and 130 are plate-shaped members, and are made of an insulating material containing alumina as a main component.
  • Main bodies 120 and 130 are arranged so as to sandwich solid electrolyte body 110 therebetween.
  • main body portion 120 arranged on one side of solid electrolyte body 110 a part of the surface on the solid electrolyte body 110 side recedes in a concave shape toward the side opposite to solid electrolyte body 110 .
  • a space is formed between main body portion 120 and solid electrolyte body 110 .
  • the space is a space into which the exhaust gas to be measured is introduced. Below, the said space is also described as the "measurement room 121."
  • a diffusion resistor 140 is arranged at the tip of the exhaust gas sensor 100 .
  • the measurement chamber 121 is open to the outside (that is, the inside of the exhaust pipe 20) through the diffusion resistor 140.
  • Diffusion resistor 140 is made of a ceramic material such as alumina that is porous or has pores.
  • the action of the diffusion resistor 140 regulates the flow rate of the exhaust gas drawn into the measurement chamber 121 .
  • the exhaust gas that has flowed into the measurement chamber 121 through the diffusion resistor 140 is supplied to a pump cell 150, a sensor cell 160, and a monitor cell 170, which will be described later.
  • a part of the surface on the side of the solid electrolyte body 110 recedes in a concave shape toward the side opposite to the solid electrolyte body 110 .
  • a space is also formed between main body portion 130 and solid electrolyte body 110 .
  • a part of the space (not shown) is open to the atmosphere outside the exhaust pipe 20 . That is, the space is a space into which air is introduced. Below, the said space is also described as "atmospheric chamber 131.”
  • a pump electrode 111, a sensor electrode 112, and a monitor electrode 113 are formed on the surface of the solid electrolyte body 110 that is in contact with the measurement chamber 121, respectively.
  • Pump electrode 111 is formed at a position near diffusion resistor 140 in solid electrolyte body 110 .
  • the sensor electrode 112 and the monitor electrode 113 are formed in the solid electrolyte body 110 on the opposite side of the diffused resistor 140 with the pump electrode 111 interposed therebetween.
  • the sensor electrode 112 and the monitor electrode 113 are arranged side by side along the depth direction of the paper in FIG. 2 (see FIG. 3).
  • the pump electrode 111 and monitor electrode 113 are made of a Pt-Au alloy (platinum-gold alloy). All of these are electrodes that are active with respect to oxygen and inactive with respect to nitrogen oxides.
  • the sensor electrode 112 is made of a noble metal such as Pt (platinum) or Rh (rhodium), and is active with respect to oxygen and nitrogen oxides.
  • a common electrode 114 is formed on the surface of the solid electrolyte body 110 that is in contact with the atmospheric chamber 131 .
  • the common electrode 114 is formed in a range that overlaps all of the pump electrode 111, the sensor electrode 112, and the monitor electrode 113 when viewed along the direction perpendicular to the solid electrolyte body 110 as shown in FIG. there is
  • the common electrode 114 is made of a material containing Pt (platinum) as its main component.
  • a current flows between the pump electrode 111 and the common electrode 114 when oxygen is being discharged as described above.
  • the current value is a value proportional to the amount of oxygen discharged from the exhaust gas and a value proportional to the oxygen concentration of the exhaust gas.
  • the pump cell 150 outputs a current having a magnitude corresponding to the oxygen concentration of the exhaust gas.
  • the control device 10 can acquire the oxygen concentration of the exhaust gas existing in the measurement chamber 121 based on the value of the current.
  • the voltage applied between the pump electrode 111 and the common electrode 114 is hereinafter also referred to as “pump cell voltage”. Further, the current flowing between the pump electrode 111 and the common electrode 114 with the pump cell voltage applied is hereinafter also referred to as “pump cell current”.
  • the portion sandwiched between the sensor electrode 112 and the common electrode 114 among the sensor electrode 112, the common electrode 114, and the solid electrolyte body 110 is adjusted according to the concentrations of residual oxygen and nitrogen oxides contained in the exhaust gas. It is a portion that functions as a sensor cell 160 that outputs a large amount of current when a voltage is applied.
  • the exhaust gas whose concentrations of nitrogen oxides and residual oxygen are measured by the sensor cell 160 is the exhaust gas after oxygen has been exhausted in the pump cell 150 .
  • the sensor cell 160 corresponds to one of the "second cells" in this embodiment.
  • the voltage applied between the sensor electrode 112 and the common electrode 114 is hereinafter also referred to as “sensor cell voltage”. Further, the current flowing between the sensor electrode 112 and the common electrode 114 with the sensor cell voltage applied is hereinafter also referred to as “sensor cell current”.
  • the exhaust gas whose residual oxygen concentration is measured by the monitor cell 170 is the exhaust gas after oxygen is exhausted in the pump cell 150 .
  • the monitor cell 170 corresponds to one of the "second cells" in this embodiment together with the sensor cell 160 described above.
  • monitor cell voltage The voltage applied between the monitor electrode 113 and the common electrode 114 is hereinafter also referred to as “monitor cell voltage”. Further, the current flowing between the monitor electrode 113 and the common electrode 114 with the monitor cell voltage applied is hereinafter also referred to as “monitor cell current”.
  • a monitor cell 170 that outputs a current having a magnitude corresponding to the concentration of residual oxygen contained in the exhaust gas after oxygen is discharged by the pump cell 150, and a pump cell 170. and a sensor cell 160 that outputs a current having a magnitude corresponding to the concentrations of residual oxygen and nitrogen oxides contained in the exhaust gas after the oxygen has been exhausted by the sensor 150 .
  • the exhaust gas that has flowed into the measurement chamber 121 through the diffusion resistor 140 flows along the pump cell 150 and is then supplied to the sensor cell 160 and the monitor cell 170 respectively.
  • the flow of such exhaust gas is schematically indicated by a plurality of arrows.
  • Arrow AR10 indicates the flow of oxygen discharged by pump cell 150 after entering measurement chamber 121 through diffused resistor 140 .
  • the pump cell 150 removes most of the oxygen contained in the exhaust gas, but it is difficult to completely remove the oxygen. Therefore, a small amount of oxygen reaches each of sensor cell 160 and monitor cell 170 .
  • the flow of oxygen reaching sensor cell 160 is indicated by arrow AR11, and the flow of oxygen reaching monitor cell 170 is indicated by arrow AR12.
  • both the pump electrode 111 and the monitor electrode 113 are electrodes that are inert to nitrogen oxides. Therefore, the nitrogen oxides contained in the exhaust gas that has flowed into the measurement chamber 121 are not discharged by the pump cell 150 or the monitor cell 170 and reach the sensor electrode 112 of the sensor cell 160 as they are. The flow of nitrogen oxides thus reaching sensor cell 160 is indicated by arrow AR20.
  • both nitrogen oxides (arrow AR20) and residual oxygen (arrow AR11) reach the sensor cell 160. Therefore, the magnitude of the sensor cell current indicates the concentrations of nitrogen oxides and oxygen contained in the exhaust gas.
  • the magnitude of the monitor cell current indicates the concentration of oxygen contained in the exhaust gas. Therefore, the current value obtained by subtracting the monitor cell current value from the sensor cell current value indicates the concentration of only nitrogen oxides.
  • Such an exhaust gas sensor 100 can suppress the influence of oxygen contained in the exhaust gas and accurately measure the concentration of nitrogen oxides.
  • the main body 130 has a heater 180 embedded therein.
  • the heater 180 generates heat inside the main body 130 and heats the pump cell 150, the sensor cell 160, and the monitor cell 170, respectively.
  • Heater 180 maintains the temperature at which solid electrolyte body 110 becomes active.
  • the output of heater 180 is regulated by controller 10 .
  • the configuration of the control device 10 will be described with reference to FIG.
  • the control device 10 is configured as a computer system having a CPU, ROM, RAM, and the like.
  • the control device 10 includes, as block elements representing its functions, a concentration detection unit 11, an internal combustion engine control unit 12, a first cell control unit 13, a first acquisition unit 14, a second acquisition unit 15, and a storage unit. 16 and a deterioration rate calculator 17 .
  • the concentration detection unit 11 is a part that detects the concentration of nitrogen oxides contained in the exhaust gas based on each of the monitor cell current and the sensor cell current. As described above, the detection of the nitrogen oxide concentration by the concentration detection unit 11 is performed based on the current value obtained by subtracting the monitor cell current value from the sensor cell current value.
  • the internal combustion engine control section 12 is a section that controls the internal combustion engine EG based on the concentration of nitrogen oxides detected by the concentration detection section 11 .
  • the internal combustion engine control unit 12 adjusts the fuel injection amount and the like of the internal combustion engine EG so that the concentration of nitrogen oxides detected by the exhaust gas sensor 100 approaches zero.
  • the control device 10 may be configured as a dedicated device for controlling the exhaust gas sensor 100, and may be a control device separate from the engine ECU. In this case, the internal combustion engine control section 12 is configured as part of the engine ECU.
  • the first cell control section 13 is a section that controls the discharge of oxygen by the pump cell 150, which is the first cell, by changing the pump cell voltage.
  • the first cell control unit 13 maintains the pump cell voltage at a substantially constant value.
  • the first cell control unit 13 temporarily lowers the pump cell voltage.
  • the first acquisition unit 14 is a part that performs processing for acquiring the slope of change in the current output from the second cell, specifically, the slope of change in the sensor cell current.
  • the second acquisition unit 15 is a part that performs processing for acquiring the convergence value of the current output from the second cell, specifically, the convergence value of the sensor cell current.
  • the slope acquired by the first acquisition unit 14 and the convergence value acquired by the second acquisition unit 15 are used to calculate the deterioration rate, which will be described later.
  • the storage unit 16 is a non-volatile storage device provided in the control device 10, specifically a flash memory. Information necessary for calculating the deterioration rate is stored in the storage unit 16 in advance. Specific contents of the information will be described later.
  • the deterioration rate calculation unit 17 is a part that performs processing for calculating the deterioration rate of the exhaust gas sensor 100 .
  • the "deterioration rate" is an index indicating the degree of deterioration occurring in the exhaust gas sensor 100, and is calculated as a larger value as the deterioration of the exhaust gas sensor 100 progresses. In this embodiment, the deterioration rate is calculated as any value in the range from 0% to 100%. A specific method for calculating the deterioration rate will be described later.
  • the deterioration rate calculated by the deterioration rate calculator 17 is used, for example, as an index for determining whether the exhaust gas sensor 100 is normal. When the calculated deterioration rate exceeds a predetermined value, a warning light provided in the vehicle can be turned on to prompt the occupant to take measures such as replacement. The nitrogen oxide concentration value acquired by the exhaust gas sensor 100 may be corrected using the deterioration rate.
  • FIG. 5(A) shows an example of the change over time of the pump cell voltage when the deterioration rate is calculated.
  • FIG. 5(B) shows an example of a change in pump cell current over time.
  • FIG. 5(C) shows an example of the change over time of the sensor cell current.
  • normal control that is, the process for measuring the nitrogen oxide concentration is temporarily stopped at time t0, and the process for calculating the deterioration rate starts at time t0. It is At time t0, the voltage applied to the pump cell 150 is changed from the initial VP1 to VP0, which is lower (FIG. 5A). The processing is performed by the first cell control unit 13 . As a result, the discharge of oxygen by the pump cell 150 is temporarily suppressed after time t0.
  • the process performed by the first cell control unit 13 from time t0 to time t3 in FIG. 5, that is, the process of temporarily suppressing the discharge of oxygen by the pump cell 150 is hereinafter referred to as "emission suppression process". called.
  • the pump cell current drops from the initial IP0 to the lower IP1 (Fig. 5(B)). This decrease in pump cell current means that the amount of oxygen passing through pump cell 150 and reaching sensor cell 160 increased after time t0. Therefore, as indicated by line L10 in FIG. 5(C), the sensor cell current starts increasing from time t0 and finally converges to a substantially constant value.
  • IP2 may become equal to IP0, which is the original value, but may become a value different from IP0 due to a change in the state of the internal combustion engine or the like.
  • a line L10 in FIG. 5(C) shows the change over time of the sensor cell current in a normal state when the sensor cell 160 is not degraded.
  • the line L11 in the same figure shows the change over time of the sensor cell current when the sensor cell 160 is degraded.
  • the slope of the change in the sensor cell current after time t0 is smaller than that during normal operation when the sensor cell 160 is degraded. Also, the slope tends to decrease as the degree of deterioration of the sensor cell 160 increases. Therefore, the deterioration rate can be calculated based on the slope of change in the sensor cell current after time t0. For example, if the correspondence relationship between the gradient of the change in the sensor cell current and the deterioration rate is created in advance as a map, the deterioration rate can be calculated based on the gradient of the change in the sensor cell current by referring to the map. can.
  • a line L20 in FIG. 6 indicates the change over time of the sensor cell current when the sensor cell 160 is not degraded, similarly to the line L10 in FIG. 5(C).
  • a line L21 indicates the change over time of the sensor cell current when the sensor cell 160 is degraded, similarly to the line L11 in FIG. 5(C).
  • the slope (line L21) of change in the sensor cell current during period TM0 becomes smaller than the slope (line L20) during normal operation.
  • a line L22 in FIG. 6 shows the change over time of the sensor cell current when the sensor cell 160 is not degraded and the amount of oxygen reaching the pump cell 150 is smaller than that of the line L20. be.
  • the slope of the sensor cell current when increasing is smaller on the line L22 than on the line L20. Therefore, the deterioration rate may be calculated as a large value.
  • the slope of the change in the sensor cell current becomes small even though the sensor cell 160 has not deteriorated, and as a result, the deterioration rate of the exhaust gas sensor 100 increases. There is a possibility that it will be miscalculated as a value.
  • the inventors investigated the value obtained by normalizing the slope of the change in the sensor cell current by dividing it by the convergence value of the sensor cell current. As a result, new knowledge was obtained that if the deterioration rate of the exhaust gas sensor 100 is the same, the value is calculated as a substantially constant value regardless of the amount of oxygen reaching the pump cell 150 . Therefore, based on the value obtained by normalizing the slope of the change in the sensor cell current by the convergence value of the sensor cell current, the deterioration rate can be accurately calculated regardless of the amount of oxygen reaching the pump cell 150. It becomes possible.
  • FIG. 7 shows an example of changes in the sensor cell current during the period TM0 during which the emission control process is performed.
  • the control device 10 acquires the waveform of such changes in the sensor cell current by sampling at predetermined intervals.
  • the value of the sensor cell current at time t3 is indicated as IS3.
  • This IS3 is the value of the sensor cell current at the timing when a certain period of time TM0 has elapsed from the timing (time t0) when the emission control process was started.
  • the period TM0 is a period preset as a period until the value of the sensor cell current converges to a substantially constant value, and is set as a period of 4 seconds in this embodiment.
  • IS3 corresponds to the value of the sensor cell current after convergence after some time has passed since the discharge of oxygen by the pump cell 150 was suppressed, that is, the "convergence value” of the sensor cell current.
  • IS3 is also referred to as "convergence value B".
  • the second acquisition unit 15 of the control device 10 acquires, as the convergence value B, the sensor cell current value (IS3) acquired at the timing (time t3) when a certain period of time TM0 has elapsed since the start of the emission control process. .
  • the sensor cell current at the timing when the convergence value B is obtained should converge "approximately" to a constant value, and may slightly fluctuate with the lapse of time.
  • IS1 shown in FIG. 7 is the value of the sensor cell current set as a value of a predetermined ratio to IS3 (that is, the convergence value B).
  • This "predetermined percentage” is set to any value from 0% to 50%, but is preferably set to a value of 20% or more.
  • the timing at which the value of the sensor cell current reaches IS1 is shown as time t1.
  • a point P1 corresponding to time t1 is also shown on the graph of FIG.
  • IS2 shown in FIG. 7 is the value of the sensor cell current set as a value of a predetermined ratio to IS3 (that is, the convergence value B).
  • This "predetermined percentage” is set to any value from 30% to 100%, but is preferably set to a value of 90% or less.
  • the timing when the value of the sensor cell current reaches IS2 is shown as time t2.
  • a point P2 corresponding to time t2 is also shown on the graph of FIG.
  • the first acquisition unit 14 of the control device 10 calculates the slope of the change in the value of the sensor cell current during the period from time t1 to time t2 as "slope A".
  • the slope A is calculated as the slope in a predetermined period.
  • the slope A may be calculated as a slope at a predetermined timing.
  • the slope at a predetermined timing is, for example, a differential coefficient at a specific time in a graph showing changes in sensor cell current. That is, the slope A may be calculated after the length of the "predetermined period" is brought as close to 0 as possible.
  • the deterioration rate calculator 17 calculates the deterioration rate of the exhaust gas sensor 100 by referring to the map shown in FIG.
  • the map of FIG. 8 shows the correspondence relationship between the A N /reference value (horizontal axis) and the deterioration rate (vertical axis), and is pre-stored in the storage unit 16 of the control device 10 .
  • the "reference value" mentioned above is the value of the index AN measured immediately after the exhaust gas sensor 100 is manufactured. In other words, it is the measured value of the index AN obtained by experiment when the deterioration rate of the exhaust gas sensor 100 is zero. This reference value is also pre-stored in the storage unit 16 of the control device 10 .
  • the horizontal axis of the map shown in FIG. 8 may be the value of the index AN itself. Also, the correspondence relationship between the index AN and the deterioration rate may be stored as a formula instead of a map.
  • a specific flow of processing executed by the control device 10 in order to realize the calculation of the deterioration rate as described above will be described with reference to FIG.
  • a series of processes shown in FIG. 9 are repeatedly executed by the control device 10 each time a predetermined control period elapses.
  • step S01 of the process it is determined whether or not the ignition switch of the vehicle is turned off. If the ignition switch is ON, the series of processes shown in FIG. 9 is terminated without calculating the deterioration rate.
  • the oxygen concentration around the exhaust gas sensor 100 may fluctuate.
  • the gradient of the change in the sensor cell current changes due to factors other than the deterioration rate, so it is difficult to accurately calculate the deterioration rate based on the gradient of the change in the sensor cell current. Therefore, in the present embodiment, calculation of the deterioration rate is prohibited when the ignition switch is ON.
  • step S02 it is determined whether or not a predetermined environmental condition is established.
  • “Environmental conditions” are preset as conditions necessary for calculating the deterioration rate.
  • the environmental conditions are set such that the value of the oxygen concentration around the exhaust gas sensor 100 is within a predetermined range and the fluctuation range of the oxygen concentration is equal to or less than a predetermined value.
  • the "oxygen concentration around the exhaust gas sensor 100" can be obtained based on the value of the pump cell current.
  • step S03 If the environmental conditions are not met, it is difficult to accurately calculate the deterioration rate based on the slope of the sensor cell current change. Therefore, in this case, the series of processes shown in FIG. 9 ends without calculating the deterioration rate. If the environmental conditions are satisfied, the process proceeds to step S03.
  • step S03 the first cell control unit 13 executes emission control processing.
  • the pump cell voltage is temporarily changed from the original VP1 to the lower VP0.
  • the emission control process is started, the waveform of the change in the sensor cell current is started to be sampled by the control device 10 at a predetermined cycle.
  • This sampling is repeated in the period from time t0 shown in FIG. 5(B) to time t3 when the period TM0 elapses.
  • the sensor cell current may be sampled for a period longer than the period TM0.
  • step S03 After the above sampling period has elapsed from the point of time (time t0) at which the process proceeds to step S03, the emission control process and sampling are stopped, and the process proceeds to step S04.
  • the waveform of the sampled sensor cell current is stored in the storage unit 16 .
  • each value of IS1, IS2, and IS3 shown in FIG. 7 is obtained from the sampled waveform of the sensor cell current.
  • the meaning of each value and the timing at which each value is acquired are as described above with reference to FIG.
  • step S05 the first acquisition unit 14 performs a process of calculating and acquiring the value of the slope A.
  • step S06 the second acquisition unit 15 performs a process of calculating and acquiring the convergence value B.
  • the second obtaining unit 15 obtains the value of IS3 obtained in step S04 as the convergence value B as it is.
  • step S07 the deterioration rate calculator 17 normalizes the slope A and calculates an index AN .
  • step S08 the deterioration rate calculator 17 performs a process of calculating the value of the index A N /reference value.
  • step S09 a process of calculating the deterioration rate is performed by referring to the value of the index A N /reference value calculated in step S07 and the correspondence shown in the map of FIG. This processing is also performed by the deterioration rate calculator 17 .
  • the deterioration rate calculation unit 17 after the first cell control unit 13 starts the discharge suppression process for temporarily suppressing the discharge of oxygen by the pump cell 150, the deterioration rate calculation unit 17 , the slope A acquired by the first acquisition unit 14 is normalized using the convergence value B acquired by the second acquisition unit 15 to calculate the deterioration rate.
  • the deterioration rate calculator 17 is configured to normalize the slope A by dividing it by the convergence value B, and calculate the deterioration rate based on the index AN obtained by the normalization. .
  • the slope A is normalized in step S07.
  • the values of IS1 and IS2 obtained in step S04 are normalized by dividing them by IS3, and then the slope A is calculated using the normalized values. You can do it. In this case, the obtained slope A is directly used as the index AN .
  • the correspondence relationship between the slope A of change in the sensor cell current and the deterioration rate changes according to the amount of oxygen reaching the pump cell 150 .
  • ⁇ IP in FIG. 5B also changes according to the amount of oxygen reaching the pump cell 150 .
  • a plurality of corresponding relationships between the slope A of change in the sensor cell current and the deterioration rate are stored in advance for each different value of ⁇ IP.
  • the control device obtains the values of the pump cell current shown in FIG. 5B by sampling, for example, during the period from time t0 to time t4, and calculates ⁇ IP based on the obtained data. Thereafter, referring to the correspondence relationship corresponding to ⁇ IP (that is, the correspondence relationship between the slope A and the deterioration rate) and the slope A of the sensor cell current, the deterioration rate can be accurately calculated in the same manner as in the present embodiment. should be possible.
  • ⁇ IP can be calculated, for example, by the following method.
  • a dotted line DL1 is a straight line connecting the pump cell current value (IP0) sampled immediately before time t0 and the pump cell current value (IP2) sampled at time t4. It can be said that the straight line indicates a change in the value of the pump cell current when the value of the pump cell voltage is maintained constant at VP1.
  • IP1 pump cell current value
  • IP2 pump cell current value
  • FIG. 10 shows a plurality of examples of changes in the pump cell current when the emission control process is performed.
  • the straight line indicating the change in the pump cell current during the period until IP0 is obtained and the straight line indicating the change in the pump cell current during the period after IP2 is obtained are aligned with each other.
  • the slope of the latter is gentler than that of the former. In such a case, if the emission control process were not performed, it is estimated that the pump cell current would change roughly along the dotted line DL2 in FIG. 10(B) while gradually decreasing the slope of the change.
  • the dotted line DL1 used for calculating ⁇ IP is a line that simply connects IP0 and IP2 with a straight line. difference will occur.
  • " ⁇ IP'" shown in FIG. 10(B) is the amount of current change from IP1 to the intersection of the dotted line DL2 and the graph, and indicates the value of ⁇ IP that should be calculated.
  • the actually calculated ⁇ IP is the amount of current change from IP1 to the intersection of the dotted line DL1 and the graph, so it is calculated as a smaller value than the original value ⁇ IP'.
  • the straight line indicating the change in the pump cell current during the period until IP0 is obtained and the straight line indicating the change in the pump cell current during the period after IP2 is obtained are aligned with each other.
  • the slope of the latter is steeper than that of the former. In such a case, if the emission control process were not performed, it is estimated that the pump cell current would change roughly along the dotted line DL2 in FIG. 10(C) while gradually increasing the slope of the change.
  • the dotted line DL1 used for calculating ⁇ IP is a line that simply connects IP0 and IP2 with a straight line. difference will occur.
  • “ ⁇ IP′” shown in FIG. 10(C) is the amount of current change from IP1 to the intersection of the dotted line DL2 and the graph, and indicates the value of ⁇ IP that should be calculated.
  • the actually calculated ⁇ IP is the amount of current change from IP1 to the intersection of the dotted line DL1 and the graph, so it is calculated as a larger value than the original value ⁇ IP'.
  • ⁇ IP may be erroneously calculated as a value different from the original value.
  • the amount of oxygen reaching the pump cell 150 gradually increases.
  • the same problem as described above occurs. obtain.
  • the first acquisition unit 14 calculates the slope A of the straight line connecting the points P1 and P2 shown in FIG.
  • Points P1 and P2 represent timing points at which the value of the sensor cell current reaches a predetermined percentage of the convergence value B.
  • FIG. A preferable range of the "predetermined ratio" will be described with reference to FIGS. 11 and 12.
  • Each graph shown in FIG. 11 represents the correspondence relationship between the operating time (horizontal axis) of the exhaust gas sensor 100 and the calculated slope A (vertical axis).
  • a character string such as "10% to 15%" shown on the right side of each graph indicates the range in which the "predetermined ratio" is set in calculating the slope A.
  • the graph labeled "10% to 15%” shows two points of data (points P1, P2) is used to calculate the slope A, and the time change of the slope A is shown.
  • the slope A should be calculated as a value that gradually decreases over time.
  • the above "predetermined percentage" for calculating the slope A is preferably 20% or more. Therefore, in the first acquisition unit 14 of the control device 10 according to the present embodiment, the sensor cell current output from the sensor cell 160 (second cell) becomes 20% of the convergence value B after the emission suppression process is started. It is configured to acquire the slope A based on the change in the sensor cell current within the subsequent period. As a result, the deterioration rate is largely reflected in the acquired slope A, so that the deterioration rate can be calculated with high accuracy.
  • the graph in FIG. 12 shows the relationship between the predetermined ratio (horizontal axis) for calculating the slope A and the calculated value of the slope A (vertical axis).
  • the "predetermined ratio” shown on the horizontal axis of the graph represents a range of width 5% with the value on the axis as the upper limit.
  • the value of the horizontal axis is "80%" when the value of the sensor cell current is within the range of "75% to 80%" of the convergence value B. It represents the value of the slope A when calculated using the acquired two points of data (points P1 and P2).
  • the average value is plotted when the slope A is acquired multiple times under the same condition of the "predetermined ratio", and the variation range of the slope A is indicated as an error bar.
  • Line L30 represents the average value of the slope A
  • line L31 represents the upper limit of the error bar
  • line L32 represents the lower limit of the error bar.
  • the above-mentioned "predetermined ratio" for calculating the slope A is preferably 90% or less.
  • the first acquisition unit 14 of the control device 10 keeps the sensor cell current output from the sensor cell 160 (second cell) from reaching 90% of the convergence value B after the emission suppression process is started.
  • the slope A is obtained based on the change in the sensor cell current within the period. As a result, the error in the acquired slope A is reduced, so that the deterioration rate can be calculated with higher accuracy.
  • the second acquisition unit 15 of the control device obtains the sensor cell current (that is, from the second cell output current) is obtained as the convergence value B.
  • a preferable range of the "predetermined period" will be described with reference to FIG.
  • the graph in FIG. 13 shows the relationship between the length of the predetermined period from the start of the emission control process until the acquisition of IS3 in FIG. 7 (horizontal axis) and the calculated deterioration rate (vertical axis). It is shown.
  • the length of the predetermined period shown on the horizontal axis can also be said to be the acquisition timing of IS3, that is, the convergence value B.
  • the calculated deterioration rate is calculated as a value smaller than its true value. This is because IS3 is acquired in a state in which the sensor cell current does not sufficiently converge because the predetermined period is set too short, and as a result, the convergence value B used for normalization contains a large error. . Therefore, it is preferable that the length of the above-mentioned "predetermined period", which is the acquisition timing of IS3, be 4 seconds or longer as in the present embodiment. If the length of the predetermined period exceeds 15 seconds, the period during which the operation of the exhaust gas sensor 100 is interrupted for deterioration determination becomes too long, which hinders the concentration measurement of nitrogen oxides. Therefore, it is preferable that the length of the above-mentioned "predetermined period", which is the acquisition timing of IS3, be 15 seconds or less.
  • a second embodiment will be described. Differences from the first embodiment will be mainly described below, and descriptions of common points with the first embodiment will be omitted as appropriate.
  • a series of processes shown in FIG. 14 are executed by the control device 10 according to the present embodiment in place of the series of processes shown in FIG. This embodiment differs from the first embodiment in the method of calculating the index AN in step S07.
  • the control apparatus and control method described in the present disclosure are provided by one or more dedicated processors provided by configuring a processor and memory programmed to perform one or more functions embodied by a computer program. It may be implemented by a computer.
  • the control apparatus and control method described in this disclosure may be implemented by a special purpose computer provided by configuring a processor including one or more special purpose hardware logic circuits.
  • the control apparatus and control method described in the present disclosure are configured by a combination of a processor and memory programmed to perform one or more functions and a processor including one or more hardware logic circuits. It may be implemented by one or more special purpose computers.
  • the computer program may be stored as computer-executable instructions on a computer-readable non-transitional tangible storage medium.
  • Dedicated hardware logic circuits and hardware logic circuits may be implemented by digital circuits containing multiple logic circuits or by analog circuits.

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Abstract

排出ガスセンサ（１００）の制御装置（１０）は、ポンプセル（１５０）による酸素の排出を制御する第１セル制御部（１３）と、センサセル（１６０）から出力される電流の変化の傾きを取得する第１取得部（１４）と、センサセル（１６０）から出力される電流の収束値を取得する第２取得部（１５）と、排出ガスセンサ（１００）で生じている劣化の度合いを示す指標、である劣化率を算出する劣化率算出部（１７）と、を備える。第１セル制御部（１３）が、ポンプセル（１５０）による酸素の排出を一時的に抑制する排出抑制処理、を開始した後、劣化率算出部（１７）は、第１取得部（１４）で取得された傾きを、第２取得部（１５）で取得された収束値を用いて正規化した値に基づいて、劣化率を算出する。

Description

制御装置 関連出願の相互参照
　本出願は、2021年11月9日に出願された日本国特許出願2021-182437号に基づくものであって、その優先権の利益を主張するものであり、その特許出願の全ての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。
　本開示は、排出ガスセンサの制御装置に関する。
　内燃機関を有する車両の排気配管には、排出ガスに含まれる特定のガスの濃度を測定するための排出ガスセンサが設けられる。「特定のガス」とは、例えば窒素酸化物である。このような排出ガスセンサとしては、固体電解質層の両側に電極が形成されたセルを、複数有する構成のものが知られている。上記セルでは、電極間に電圧が印加された状態において、測定対象成分の濃度に応じた大きさの電流が流れる。排出ガスセンサは、当該電流の値に基づいて測定対象成分の濃度を測定する。
　例えば、上記の複数のセルとして、第１セル及び第２セルを有する構成の排出ガスセンサが知られている。当該排出ガスセンサでは、排出ガスに含まれる酸素が、上流側に配置された第１セルによって予め排出される。下流側に配置された第２セルでは、酸素が排出された後の排出ガスに含まれる残留酸素や窒素酸化物の濃度に応じた電流が流れる。以下では、当該電流のことを「出力電流」とも表記する。このような構成の排出ガスセンサでは、窒素酸化物よりも量の多い酸素を排出ガスから予め排出しておくことにより、窒素酸化物の濃度を精度よく測定することができる。
　複数のセルを有する排出ガスセンサでは、セルの劣化により、測定対象成分の濃度と出力電流との関係が変化してしまうことがある。そこで、下記特許文献１に記載のガスセンサの制御装置では、排出ガスセンサで生じている劣化の度合いを示す指標である劣化率、を算出することが可能となっている。具体的には、第１セル（ポンプセル）に印加される電圧を低減し、第２セル（センサセル）に到達する酸素の量を一時的に増加させた上で、その際における第２セルからの出力電流の変化の傾きに基づいて劣化率を算出することとしている。
特許第６７７６５３３号公報
　第２セルからの出力電流の変化の傾きは、第２セルの劣化度合いに応じて小さくなる傾向がある。このため、第２セルからの出力電流の変化の傾きが通常時よりも小さくなると、第２セルに劣化が生じている、すなわち排出ガスセンサの劣化率が大きくなっていると判定することができる。
　ただし、第２セルからの出力電流の変化の傾きは、排出ガスの酸素濃度によっても変化する。また、第１セルを経由して第２セルに到達する排出ガスの酸素濃度は、第１セルに印加される電圧を低減した際の、第１セルの出力電流の変動量に概ね比例する。そこで、上記特許文献１に記載の制御装置では、第２セルからの出力電流の変化の傾き（Ａ）を、第１セルの出力電流の変動量（ΔＩＰ）で除することにより正規化し、この正規化で得られた値に基づいて劣化率を算出することとしている。
　しかしながら、第１セルの出力電流の変動量は、正確に取得することが難しいことが多い。例えば、第１セルに印加される電圧を低減した後において、排出ガスに含まれる酸素濃度がそのまま一定とはならず、時間の経過と共に変動することがある。この場合、第１セルの出力電流の変化は直線的とはならないので、上記の変動量（ΔＩＰ）には誤差が含まれてしまうこととなる。その結果、劣化率の算出を正確には行えなくなってしまう可能性がある。
　本開示は、排出ガスセンサの劣化率を正確に算出することのできる制御装置を提供することを目的とする。
　本開示に係る制御装置は、排出ガスセンサの制御装置である。制御対象である排出ガスセンサは、内燃機関で生じた排出ガスから酸素を排出する第１セルと、第１セルによって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる残留酸素の濃度、に応じた大きさの電流を出力する第２セルと、を有するものである。この制御装置は、第１セルによる酸素の排出を制御する第１セル制御部と、第２セルから出力される電流の変化の傾きを取得する第１取得部と、第２セルから出力される電流の収束値を取得する第２取得部と、排出ガスセンサで生じている劣化の度合いを示す指標、である劣化率を算出する劣化率算出部と、を備える。第１セル制御部が、第１セルによる酸素の排出を一時的に抑制する排出抑制処理、を開始した後、劣化率算出部は、第１取得部で取得された傾きを、第２取得部で取得された収束値を用いて正規化した値に基づいて、劣化率を算出する。
　このような構成の制御装置では、第１セルから出力される電流の値を用いることなく、第２セルから出力される電流の値のみを用いて劣化率が算出される。このため、第１セルから出力される電流の測定誤差の影響を受けることなく、従来よりも正確に劣化率を算出することが可能となる。
図１は、第１実施形態に係る制御装置及び排出ガスセンサが設けられた、車両の排気系の構成を模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態に係る制御装置及び排出ガスセンサの構成を模式的に示す図である。 図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図４は、排出ガスセンサの測定原理を説明するための図である。 図５は、ポンプセル電圧等の時間変化の例を示す図である。 図６は、センサセル電流の時間変化を示すグラフである。 図７は、センサセル電流の時間変化を示すグラフである。 図８は、ＡＮ／基準値と劣化率との対応関係を示す図である。 図９は、第１実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 図１０は、比較例に係る方法で劣化率を算出する際の、誤差の要因について説明するための図である。 図１１は、排出ガスセンサの動作時間と、算出される傾きとの関係を示す図である。 図１２は、傾きを算出する区間と、算出される傾きのバラつきとの関係を示す図である。 図１３は、収束値を取得するタイミングと、算出される劣化率との関係を示す図である。 図１４は、第２実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
　以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
　第１実施形態について説明する。本実施形態に係る制御装置１０は、排出ガスセンサ１００の制御を行うための装置として構成されている。図１には、排出ガスセンサ１００が設けられる車両の排気系が模式的に示されている。同図に示されるように、当該車両の内燃機関ＥＧには、内燃機関ＥＧから排出された排出ガスを外部に導くための排気配管２０が接続されている。排出ガスセンサ１００は、排出ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定するためのものであって、排気配管２０の途中となる位置に設けられている。尚、本実施形態においては、排出ガスセンサ１００の検知対象となる成分は上記の通り窒素酸化物なのであるが、例えばアンモニアのような、窒素酸化物以外の成分であってもよい。
　排気配管２０の途中には、排出ガスセンサ１００のほか、酸化触媒コンバータ２２が設けられている。酸化触媒コンバータ２２は、排出ガスに含まれる有害物質を浄化するものである。酸化触媒コンバータ２２の内部には酸化触媒（不図示）が収容されている。酸化触媒は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物、並びに白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属触媒で構成されている。酸化触媒は、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化させ浄化する。酸化触媒コンバータ２２の内部には、上記の酸化触媒に加えて、微小粒子を捕捉するためのパティキュレートフィルタや窒素酸化物浄化用触媒が収容されていてもよい。
　制御装置１０の制御対象である排出ガスセンサ１００は、排気配管２０のうち、酸化触媒コンバータ２２の下流側となる位置に設けられており、当該位置における排出ガスの窒素酸化物の濃度を測定するものとなっている。
　排出ガスセンサ１００で測定された窒素酸化物の濃度は、制御装置１０に伝えられる。制御装置１０は、測定された窒素酸化物の濃度に基づいて、内燃機関ＥＧの各種制御を行う。当該制御には、例えば、内燃機関ＥＧにおける点火タイミングや噴射タイミングを調整する制御等が含まれる。
　このように、本実施形態に係る制御装置１０は、後に説明する排出ガスセンサ１００の制御のほか、内燃機関ＥＧの制御をも行う装置として構成されている。つまり、制御装置１０は所謂「エンジンＥＣＵ」としての機能をも有している。このような態様に換えて、制御装置１０が、排出ガスセンサ１００の制御を行うための専用の装置として構成されており、エンジンＥＣＵとは別の制御装置となっているような態様であってもよい。この場合、制御装置１０は、エンジンＥＣＵと通信を行うことにより、エンジンＥＣＵが行う内燃機関ＥＧの制御に寄与することとなる。
　図２乃至図４を参照しながら、排出ガスセンサ１００の具体的な構成について説明する。図２では、排出ガスセンサ１００のうち排気配管２０の内部に配置されている部分の断面が模式的に示されている。図２における左側、すなわち拡散抵抗体１４０が配置されている側の端部が、排気配管２０の内部で突出する排出ガスセンサ１００の先端部分に該当する。
　排出ガスセンサ１００は、固体電解質体１１０と、本体部１２０、１３０とを備えている。
　固体電解質体１１０は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の固体電解質材料によって構成されている。固体電解質体１１０は、所定温度以上の活性状態になると酸素イオン伝導性を有するようになる。固体電解質体１１０には、ポンプセル１５０、センサセル１６０、及びモニタセル１７０がそれぞれ形成されているのであるが、これら複数のセルについては後述する。
　本体部１２０、１３０は、いずれも板状の部材であって、アルミナを主成分とする絶縁体材料によって構成されている。本体部１２０、１３０は、上記の固体電解質体１１０を間に挟むように配置されている。固体電解質体１１０の一方側に配置された本体部１２０のうち、固体電解質体１１０側の面の一部は、固体電解質体１１０とは反対側に向けて凹状に後退している。これにより、本体部１２０と固体電解質体１１０との間には空間が形成されている。当該空間は、測定対象である排出ガスが導入される空間となっている。以下では、当該空間のことを「測定室１２１」とも表記する。
　排出ガスセンサ１００の先端部分には拡散抵抗体１４０が配置されている。測定室１２１は、この拡散抵抗体１４０を介して外部（つまり排気配管２０の内側）に開放されている。拡散抵抗体１４０は、多孔質又は細孔が形成されたアルミナ等のセラミック材料からなっている。拡散抵抗体１４０の作用により、測定室１２１内に引き込まれる排出ガスの流量が律せられる。拡散抵抗体１４０を通って測定室１２１に流入した排出ガスは、後述のポンプセル１５０やセンサセル１６０、モニタセル１７０へと供給される。
　固体電解質体１１０の他方側に配置された本体部１３０のうち、固体電解質体１１０側の面の一部は、固体電解質体１１０とは反対側に向けて凹状に後退している。これにより、本体部１３０と固体電解質体１１０との間にも空間が形成されている。当該空間の一部（不図示）は、排気配管２０の外側である大気に開放されている。つまり、当該空間は大気が導入される空間となっている。以下では、当該空間のことを「大気室１３１」とも表記する。
　固体電解質体１１０のうち測定室１２１に接している方の面には、ポンプ電極１１１と、センサ電極１１２と、モニタ電極１１３と、がそれぞれ形成されている。ポンプ電極１１１は、固体電解質体１１０のうち拡散抵抗体１４０寄りとなる位置に形成されている。センサ電極１１２及びモニタ電極１１３は、固体電解質体１１０のうち、ポンプ電極１１１を間に挟んで拡散抵抗体１４０とは反対側となる位置に形成されている。センサ電極１１２及びモニタ電極１１３は、図２において紙面奥行方向に沿って並ぶように配置されている（図３を参照）。
　ポンプ電極１１１及びモニタ電極１１３は、Ｐｔ－Ａｕ合金（白金－金合金）によって形成されている。これらはいずれも、酸素に対して活性であり、かつ窒素酸化物に対して不活性な電極となっている。一方、センサ電極１１２は、Ｐｔ（白金）やＲｈ（ロジウム）等の貴金属によって形成されており、酸素に対して活性であり、且つ窒素酸化物に対しても活性な電極となっている。
　固体電解質体１１０のうち大気室１３１に接している方の面には、共通電極１１４が形成されている。共通電極１１４は、図３のように固体電解質体１１０に対し垂直な方向に沿って見た場合において、ポンプ電極１１１、センサ電極１１２、及びモニタ電極１１３の全てに重なるような範囲に形成されている。共通電極１１４はＰｔ（白金）を主成分とする材料によって形成されている。
　固体電解質体１１０が高温の活性状態となっているときに、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に電圧が印加されると、測定室１２１の排出ガスに含まれる酸素がポンプ電極１１１において分解され、酸素イオンとなって固体電解質体１１０を通過する。これにより、測定室１２１から大気室１３１へと酸素が排出される。つまり、ポンプ電極１１１、共通電極１１４、及び固体電解質体１１０のうちポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に挟まれた部分は、排出ガスから酸素を排出するためのポンプセル１５０として機能する部分となっている。ポンプセル１５０は、本実施形態における「第１セル」に該当する。
　上記のような酸素の排出が行われているときには、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に電流が流れる。当該電流の値は、排出ガスから排出される酸素の量に比例した値であって、且つ、排出ガスの酸素濃度に比例した値となる。つまり、ポンプセル１５０は、排出ガスの酸素濃度に応じた大きさの電流を出力するものということができる。制御装置１０は、上記電流の値に基づいて、測定室１２１に存在する排出ガスの酸素濃度を取得することができる。
　ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に印加される電圧のことを、以下では「ポンプセル電圧」とも称する。また、ポンプセル電圧が印加された状態で、ポンプ電極１１１と共通電極１１４との間に流れる電流のことを、以下では「ポンプセル電流」とも称する。
　固体電解質体１１０が高温の活性状態となっているときに、センサ電極１１２と共通電極１１４との間に電圧が印加されると、測定室１２１の排出ガスに含まれる酸素及び窒素酸化物がセンサ電極１１２において分解され、いずれも酸素イオンとなって固体電解質体１１０を通過する。その結果、センサ電極１１２と共通電極１１４との間には、センサ電極１１２の近傍における酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた電流が流れることとなる。当該電流の値は制御装置１０によって取得される。
　つまり、センサ電極１１２、共通電極１１４、及び固体電解質体１１０のうちセンサ電極１１２と共通電極１１４との間に挟まれた部分は、排出ガスに含まれる残留酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた大きさの電流を、電圧が印加された状態において出力するセンサセル１６０として機能する部分となっている。センサセル１６０によって窒素酸化物および残留酸素の濃度が測定される排出ガスは、ポンプセル１５０において酸素が排出された後の排出ガスである。センサセル１６０は、本実施形態における「第２セル」の１つに該当する。
　センサ電極１１２と共通電極１１４との間に印加される電圧のことを、以下では「センサセル電圧」とも称する。また、センサセル電圧が印加された状態で、センサ電極１１２と共通電極１１４との間に流れる電流のことを、以下では「センサセル電流」とも称する。
　固体電解質体１１０が高温の活性状態となっているときに、モニタ電極１１３と共通電極１１４との間に電圧が印加されると、測定室１２１の排出ガスに含まれる酸素がモニタ電極１１３において分解され、酸素イオンとなって固体電解質体１１０を通過する。その結果、モニタ電極１１３と共通電極１１４との間には、モニタ電極１１３の近傍における酸素の濃度に応じた電流が流れることとなる。当該電流の値は制御装置１０によって取得される。
　つまり、モニタ電極１１３、共通電極１１４、及び固体電解質体１１０のうちモニタ電極１１３と共通電極１１４との間に挟まれた部分は、排出ガスに含まれる残留酸素の濃度に応じた大きさの電流を出力するモニタセル１７０として機能する部分となっている。モニタセル１７０によって残留酸素の濃度が測定される排出ガスは、ポンプセル１５０において酸素が排出された後の排出ガスである。モニタセル１７０は、上記のセンサセル１６０と共に、本実施形態における「第２セル」の１つに該当する。
　モニタ電極１１３と共通電極１１４との間に印加される電圧のことを、以下では「モニタセル電圧」とも称する。また、モニタセル電圧が印加された状態で、モニタ電極１１３と共通電極１１４との間に流れる電流のことを、以下では「モニタセル電流」とも称する。
　このように、ポンプセル１５０の下流側となる位置には、ポンプセル１５０によって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる、残留酸素の濃度に応じた大きさの電流を出力するモニタセル１７０と、ポンプセル１５０によって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる、残留酸素及び窒素酸化物の濃度に応じた大きさの電流を出力するセンサセル１６０と、が配置されている。
　拡散抵抗体１４０を通って測定室１２１に流入した排出ガスは、ポンプセル１５０に沿って流れた後、センサセル１６０及びモニタセル１７０のそれぞれに供給される。図４では、このような排出ガスの流れが複数の矢印で模式的に示されている。矢印ＡＲ１０で示されるのは、拡散抵抗体１４０を通って測定室１２１に流入した後、ポンプセル１５０によって排出される酸素の流れである。ポンプセル１５０では、排出ガスに含まれる酸素の殆どが除去されるのであるが、酸素を完全に除去することは難しい。このため、僅かな量の酸素が、センサセル１６０及びモニタセル１７０のそれぞれに到達することとなる。矢印ＡＲ１１で示されるのはセンサセル１６０に到達する酸素の流れであり、矢印ＡＲ１２で示されるのはモニタセル１７０に到達する酸素の流れである。
　既に述べたように、ポンプ電極１１１及びモニタ電極１１３は、いずれも窒素酸化物に対して不活性な電極となっている。このため、測定室１２１に流入した排出ガスに含まれる窒素酸化物は、ポンプセル１５０やモニタセル１７０によっては排出されず、そのままセンサセル１６０のセンサ電極１１２に到達することとなる。矢印ＡＲ２０で示されるのは、このようにセンサセル１６０に到達する窒素酸化物の流れである。
　図４に示されるように、センサセル１６０には窒素酸化物（矢印ＡＲ２０）と残余の酸素（矢印ＡＲ１１）との両方が到達する。このため、センサセル電流の大きさは、排出ガスに含まれる窒素酸化物及び酸素の濃度を示すものとなっている。
　一方、モニタセル電流の大きさは、排出ガスに含まれる酸素の濃度を示すものとなっている。従って、センサセル電流の値から、モニタセル電流の値を差し引いて得られる電流値は、窒素酸化物のみの濃度を示すものとなる。このような排出ガスセンサ１００では、排出ガスに含まれる酸素の影響を抑制し、窒素酸化物の濃度を正確に測定することが可能となっている。
　図２に示されるように、本体部１３０にはヒーター１８０が埋設されている。ヒーター１８０は、本体部１３０の内側において発熱し、ポンプセル１５０、センサセル１６０、及びモニタセル１７０のそれぞれを加熱するためのものである。ヒーター１８０によって、固体電解質体１１０が活性となる温度に保たれる。ヒーター１８０の出力は制御装置１０によって調整される。
　図２を参照しながら、制御装置１０の構成について説明する。制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータシステムとして構成されている。制御装置１０は、その機能を表すブロック要素として、濃度検知部１１と、内燃機関制御部１２と、第１セル制御部１３と、第１取得部１４と、第２取得部１５と、記憶部１６と、劣化率算出部１７と、を備えている。
　濃度検知部１１は、モニタセル電流及びセンサセル電流のそれぞれに基づいて、排出ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検知する部分である。既に述べたように、濃度検知部１１による窒素酸化物の濃度の検知は、センサセル電流の値からモニタセル電流の値を差し引いて得られる電流値に基づいて行われる。
　内燃機関制御部１２は、濃度検知部１１によって検知された窒素酸化物の濃度に基づいて、内燃機関ＥＧの制御を行う部分である。内燃機関制御部１２は、排出ガスセンサ１００によって検知される窒素酸化物の濃度が０に近づくように、内燃機関ＥＧの燃料噴射量等を調節する。既に述べたように、制御装置１０が排出ガスセンサ１００の制御を行うための専用の装置として構成されており、エンジンＥＣＵとは別の制御装置となっているような態様であってもよい。この場合、内燃機関制御部１２はエンジンＥＣＵの一部として構成されることとなる。
　第１セル制御部１３は、ポンプセル電圧を変化させることにより、第１セルであるポンプセル１５０による酸素の排出を制御する部分である。排出ガスセンサ１００による窒素酸化物の濃度検知が行われているとき、すなわち通常時においては、第１セル制御部１３はポンプセル電圧を概ね一定の値に維持する。一方、後に説明する劣化率の算出が行われる際には、第１セル制御部１３はポンプセル電圧を一時的に低下させる。
　第１取得部１４は、第２セルから出力される電流の変化の傾き、具体的には、センサセル電流の変化の傾きを取得する処理を行う部分である。第２取得部１５は、第２セルから出力される電流の収束値、具体的には、センサセル電流の収束値を取得する処理を行う部分である。第１取得部１４により取得された傾き、及び、第２取得部１５により取得された収束値は、後に説明する劣化率の算出に用いられる。
　記憶部１６は、制御装置１０に設けられた不揮発性の記憶装置であり、具体的にはフラッシュメモリである。記憶部１６には、劣化率の算出を行うために必要となる情報が予め記憶されている。当該情報の具体的な内容については後に説明する。
　劣化率算出部１７は、排出ガスセンサ１００の劣化率を算出する処理を行う部分である。「劣化率」とは、排出ガスセンサ１００で生じている劣化の度合いを示す指標であって、排出ガスセンサ１００の劣化が進行するほど大きな値として算出されるものである。本実施形態では、劣化率は０％から１００％までの範囲のいずれかの値、として算出される。劣化率の具体的な算出方法については後に説明する。
　劣化率算出部１７によって算出される劣化率は、例えば、排出ガスセンサ１００が正常か否かを判定するための指標として用いられる。算出された劣化率が所定値を超えた場合には、車両に設けられた警告灯を点灯させ、乗員に対し交換等の対応を促すことができる。排出ガスセンサ１００で取得される窒素酸化物の濃度の値を、劣化率を用いて補正することとしてもよい。
　劣化率を算出するために行われる処理の概要について説明する。図５（Ａ）に示されるのは、劣化率の算出が行われる際における、ポンプセル電圧の時間変化の例である。図５（Ｂ）に示されるのは、ポンプセル電流の時間変化の例である。図５（Ｃ）に示されるのは、センサセル電流の時間変化の例である。
　図５に示される例では、通常時の制御、つまり窒素酸化物濃度を測定するための処理が時刻ｔ０において一時的に停止されており、時刻ｔ０から、劣化率を算出するための処理が開始されている。時刻ｔ０においては、ポンプセル１５０に印加される電圧が、当初のＶＰ１から、これよりも低いＶＰ０へと変更されている（図５（Ａ））。当該処理は第１セル制御部１３によって行われる。その結果、ポンプセル１５０による酸素の排出は、時刻ｔ０以降においては一時的に抑制された状態となる。第１セル制御部１３によって、図５における時刻ｔ０から時刻ｔ３まで期間で行われる処理、すなわち、ポンプセル１５０による酸素の排出を一時的に抑制する処理のことを、以下では「排出抑制処理」とも称する。
　排出抑制処理が開始されると、ポンプセル電流は、当初のＩＰ０から、これよりも低いＩＰ１へと低下している（図５（Ｂ））。ポンプセル電流がこのように減少したことは、ポンプセル１５０を通過してセンサセル１６０へと到達する酸素の量が、時刻ｔ０以降においては増加したことを意味する。このため、図５（Ｃ）の線Ｌ１０に示されるように、センサセル電流は時刻ｔ０から増加し始めており、最終的には概ね一定の値に収束している。
　その後の時刻ｔ３では、ポンプセル電圧が元の値ＶＰ１に戻され（図５（Ａ））、これにより排出抑制処理が終了する。その後、ポンプセル電流の値は上昇し、時刻ｔ４においてＩＰ２に収束している（図５（Ｂ））。ＩＰ２は、元の値であるＩＰ０に等しくなることもあるが、それまでにおける内燃機関の状態変化等により、ＩＰ０とは異なる値となることもある。
　排出抑制処理が終了した時刻ｔ３以降は、センサセル１６０へと到達する酸素の量が減少する。これに伴い、センサセル電流の値は時刻ｔ３以降において減少している（図５（Ｃ））。このように、劣化率を算出するにあたっては、排出抑制処理が行われ、ポンプセル１５０による酸素の排出が一時的に抑制される。図５においては、排出抑制処理が実行される期間が「期間ＴＭ０」として示されている。
　図５（Ｃ）の線Ｌ１０は、センサセル１６０に劣化が生じていない正常時における、センサセル電流の時間変化を示している。一方、同図の線Ｌ１１は、センサセル１６０に劣化が生じているときにおける、センサセル電流の時間変化を示している。
　線Ｌ１０と線Ｌ１１とを比較すると明らかなように、時刻ｔ０以降におけるセンサセル電流の変化の傾きは、センサセル１６０に劣化が生じている場合には、正常時に比べて小さくなる。また、センサセル１６０の劣化の度合いが大きくなるほど、上記の傾きは小さくなる傾向がある。このため、時刻ｔ０以降のセンサセル電流の変化の傾きに基づけば、劣化率を算出することができる。例えば、センサセル電流の変化の傾きと劣化率との対応関係を、予めマップとして作成しておけば、当該マップを参照することにより、センサセル電流の変化の傾きに基づいて劣化率を算出することができる。
　しかしながら、センサセル電流の変化の傾きと、劣化の度合いを示す劣化率と、の対応関係は、常に同じなのではなく、ポンプセル１５０に到達する酸素の量（濃度といってもよい）に応じて変化する。これについて、図６を参照しながら説明する。
　図６の線Ｌ２０は、図５（Ｃ）の線Ｌ１０と同様に、センサセル１６０に劣化が生じていないときにおけるセンサセル電流の時間変化を示すものである。線Ｌ２１は、図５（Ｃ）の線Ｌ１１と同様に、センサセル１６０に劣化が生じているときにおける、センサセル電流の時間変化を示すものである。上記のように、センサセル１６０において劣化が生じた場合には、期間ＴＭ０におけるセンサセル電流の変化の傾き（線Ｌ２１）が、正常時の傾き（線Ｌ２０）に比べて小さくなる。
　図６の線Ｌ２２は、センサセル１６０に劣化が生じていないときであって、且つ、ポンプセル１５０に到達する酸素の量が線Ｌ２０のときよりも少ない場合における、センサセル電流の時間変化を示すものである。この場合、増加しているときにおけるセンサセル電流の傾きは、線Ｌ２０に比べて線Ｌ２２の方が小さくなる。このため、劣化率が大きな値として算出される可能性がある。
　このように、ポンプセル１５０に到達する酸素の量によっては、センサセル１６０に劣化が生じていないにも拘らず、センサセル電流の変化の傾きが小さくなり、その結果として、排出ガスセンサ１００の劣化率が大きな値として誤算出されてしまう可能性がある。
　ところで、線Ｌ２０と線Ｌ２２とを比較すると明らかなように、ポンプセル１５０に到達する酸素の量が少ない場合（線Ｌ２２）には、センサセル電流の変化の傾きが上記のように小さくなることに加えて、センサセル電流の収束値も小さくなっている。
　本発明者らは、センサセル電流の変化の傾きを、センサセル電流の収束値で除して正規化することで得られる値、について調査を行った。その結果、排出ガスセンサ１００の劣化率が同じであれば、ポンプセル１５０に到達する酸素の量によることなく、当該値は概ね一定の値として算出される、という新たな知見を得た。従って、センサセル電流の変化の傾きを、センサセル電流の収束値で正規化することで得られる値、に基づけば、ポンプセル１５０に到達する酸素の量によることなく、劣化率を正確に算出することが可能となる。
　劣化率算出部１７が劣化率を算出する具体的な方法について説明する。図７に示されるのは、排出抑制処理が実行される期間ＴＭ０における、センサセル電流の変化の一例である。制御装置１０は、このようなセンサセル電流の変化の波形を、所定の周期でサンプリングすることにより取得する。
　図７では、時刻ｔ３におけるセンサセル電流の値がＩＳ３として示されている。このＩＳ３は、排出抑制処理が開始されたタイミング（時刻ｔ０）から、一定の期間ＴＭ０が経過したタイミングにおけるセンサセル電流の値である。期間ＴＭ０は、センサセル電流の値が概ね一定値に収束するまでの期間として予め設定された期間であって、本実施形態では４秒間の期間として設定されている。
　上記のＩＳ３は、ポンプセル１５０による酸素の排出が抑制されてから、しばらく時間が経過して収束した後におけるセンサセル電流の値、すなわち、センサセル電流の「収束値」に該当する。以下では、ＩＳ３のことを「収束値Ｂ」とも称する。制御装置１０の第２取得部１５は、排出抑制処理が開始されてから一定の期間ＴＭ０が経過したタイミング（時刻ｔ３）で取得されたセンサセル電流の値（ＩＳ３）を、収束値Ｂとして取得する。尚、収束値Ｂが取得されるタイミングにおけるセンサセル電流は、「概ね」一定値に収束していればよいのであって、時間の経過と共に僅かに変動していてもよい。
　図７に示されるＩＳ１は、ＩＳ３（つまり収束値Ｂ）に対する所定割合の値として設定されたセンサセル電流の値である。この「所定割合」は、０％から５０％までの何れかの値として設定されるのであるが、２０％以上の値として設定されるのが好ましい。図７では、センサセル電流の値がＩＳ１に到達したタイミングが、時刻ｔ１として示されている。また、図７のグラフ上には、時刻ｔ１に対応する点Ｐ１が示されている。
　図７に示されるＩＳ２は、ＩＳ３（つまり収束値Ｂ）に対する所定割合の値として設定されたセンサセル電流の値である。この「所定割合」は、３０％から１００％までの何れかの値として設定されるのであるが、９０％以下の値として設定されるのが好ましい。図７では、センサセル電流の値がＩＳ２に到達したタイミングが、時刻ｔ２として示されている。また、図７のグラフ上には、時刻ｔ２に対応する点Ｐ２が示されている。
　制御装置１０の第１取得部１４は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間におけるセンサセル電流の値の変化の傾きを、「傾きＡ」として算出する。傾きＡは、点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ直線の傾きであって、
Ａ＝（ＩＳ２－ＩＳ１）／（ｔ２－ｔ１）
の式により算出される。
　本実施形態では上記のように、傾きＡが、所定の期間における傾きとして算出される。このような態様に替えて、傾きＡが、所定のタイミングにおける傾きとして算出されてもよい。所定のタイミングにおける傾きとは、例えば、センサセル電流の変化を示すグラフにおける、特定の時点における微分係数のことである。すなわち、上記の「所定の期間」の長さを極限まで０に近づけた上で、傾きＡが算出されることとしてもよい。
　劣化率算出部１７は、以上のように算出された傾きＡの値を、先に述べた収束値Ｂで除することにより正規化することで、指標ＡＮを算出する。つまり、指標ＡＮは、
ＡＮ＝Ａ／Ｂ
の式により算出されるものである。排出ガスセンサ１００の劣化の度合いが大きいほど、指標ＡＮは小さな値として算出される。その一方で、ポンプセル１５０に到達する酸素の量が変化しても、指標ＡＮの算出値はほとんど変化しない。
　劣化率算出部１７は、図８に示されるマップを参照することで、排出ガスセンサ１００の劣化率を算出する。図８のマップは、ＡＮ／基準値（横軸）と、劣化率（縦軸）との対応関係を示すものであり、制御装置１０の記憶部１６に予め記憶されている。尚、上記の「基準値」とは、排出ガスセンサ１００が製造された直後の時点で測定された指標ＡＮの値のことである。つまり、排出ガスセンサ１００の劣化率が０のときにおいて実験により求められた、指標ＡＮの実測値のことである。この基準値も、制御装置１０の記憶部１６に予め記憶されている。尚、図８に示されるマップの横軸は、指標ＡＮの値そのものであってもよい。また、指標ＡＮと劣化率との対応関係は、マップではなく数式として記憶されていてもよい。
　以上に述べたような劣化率の算出を実現するために、制御装置１０により実行される具体的な処理の流れについて、図９を参照しながら説明する。図９に示される一連の処理は、所定の制御周期が経過する毎に、制御装置１０によって繰り返し実行されるものである。
　当該処理の最初のステップＳ０１では、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦとなっているか否かが判定される。イグニッションスイッチがＯＮとなっている場合には、劣化率の算出を行うことなく、図９に示される一連の処理を終了する。
　イグニッションスイッチがＯＮとなっており、内燃機関ＥＧから排出ガスが排出されているときには、排出ガスセンサ１００の周囲における酸素濃度が変動している可能性がある。このような状況の下では、センサセル電流の変化の傾きが、劣化率以外の要因によって変化してしまうため、センサセル電流の変化の傾きに基づいて劣化率を精度良く算出することが難しい。そこで、本実施形態では、イグニッションスイッチがＯＮのときには劣化率の算出が禁止されることとしている。
　ステップＳ０１において、イグニッションスイッチがＯＦＦとなっている場合には、ステップＳ０２に移行する。ステップＳ０２では、所定の環境条件が成立しているか否かが判定される。「環境条件」とは、劣化率の算出を行うために必要な条件として、予め設定されたものである。本実施形態では、排出ガスセンサ１００の周囲における酸素濃度の値が所定範囲内であり、且つ、同酸素濃度の変動幅の大きさが所定値以下であることが、環境条件として設定されている。尚、「排出ガスセンサ１００の周囲における酸素濃度」は、ポンプセル電流の値に基づいて取得することができる。
　環境条件が成立していない場合には、センサセル電流の変化の傾きに基づいて劣化率を精度良く算出することが難しい。このため、この場合には劣化率の算出を行うことなく、図９に示される一連の処理を終了する。環境条件が成立している場合にはステップＳ０３に移行する。
　ステップＳ０３では、第１セル制御部１３により排出抑制処理が実行される。先に述べたように、ここでは、ポンプセル電圧が、当初のＶＰ１から、これよりも低いＶＰ０へと一時的に変更される。排出抑制処理が開始されると共に、センサセル電流の変化の波形が、所定の周期で制御装置１０によりサンプリングされ始める。
　このサンプリングは、図５（Ｂ）に示される時刻ｔ０から、期間ＴＭ０の経過する時刻ｔ３までの期間において繰り返し行われる。このような態様に換えて、期間ＴＭ０よりも長い期間に亘り、センサセル電流のサンプリングが実行されることとしてもよい。
　ステップＳ０３に移行した時点（時刻ｔ０）から、上記のサンプリング期間が経過すると、排出抑制処理及びサンプリングを停止すると共に、ステップＳ０４に移行する。サンプリングされたセンサセル電流の波形は、記憶部１６に記憶される。
　ステップＳ０４では、サンプリングされたセンサセル電流の波形から、図７に示されるＩＳ１、ＩＳ２、及びＩＳ３のそれぞれの値が取得される。それぞれの値の意味及びそれぞれの値が取得されるタイミングは、図７を参照しながら先に述べた通りである。
　ステップＳ０４に続くステップＳ０５では、第１取得部１４により、傾きＡの値を算出し取得する処理が行われる。先に述べた通り、傾きＡの値は、ステップＳ０４で取得されたＩＳ１、ＩＳ２の値を用いて、Ａ＝（ＩＳ２－ＩＳ１）／（ｔ２－ｔ１）の式により算出される。
　ステップＳ０５に続くステップＳ０６では、第２取得部１５により、収束値Ｂの値を算出し取得する処理が行われる。第２取得部１５は、ステップＳ０４で取得されたＩＳ３の値を、そのまま収束値Ｂとして取得する。
　ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、劣化率算出部１７により、傾きＡを正規化して指標ＡＮを算出する処理が行われる。先に述べた通り、指標ＡＮは、ＡＮ＝Ａ／Ｂの式により算出される。ステップＳ０７に続くステップＳ０８では、劣化率算出部１７により、指標ＡＮ／基準値の値を算出する処理が行われる。
　ステップＳ０８に続くステップＳ０９では、ステップＳ０７で算出された指標ＡＮ／基準値の値と、図８のマップに示される対応関係とを参照することにより、劣化率を算出する処理が行われる。当該処理も劣化率算出部１７により行われる。
　以上のように、本実施形態に係る制御装置１０では、第１セル制御部１３が、ポンプセル１５０による酸素の排出を一時的に抑制する排出抑制処理、を開始した後、劣化率算出部１７は、第１取得部１４で取得された傾きＡを、第２取得部１５で取得された収束値Ｂを用いて正規化した値に基づいて、劣化率を算出するように構成されている。具体的には、劣化率算出部１７は、傾きＡを収束値Ｂで除することにより正規化し、当該正規化により得られた指標ＡＮに基づいて劣化率を算出するように構成されている。
　尚、以上に説明した方法においては、ステップＳ０５において傾きＡの算出が行われた後に、ステップＳ０７において傾きＡを正規化する処理が行われる。このような態様に換えて、先ず、ステップＳ０４で取得されたＩＳ１、ＩＳ２の値のそれぞれを、ＩＳ３で除することにより正規化した後に、正規化後の各値を用いて傾きＡを算出することとしてもよい。この場合、得られた傾きＡが、そのまま指標ＡＮとして用いられることとなる。
　以上に述べた方法で劣化率を算出することの利点について説明するために、比較例に係る劣化率の算出方法について説明する。
　図５や図６を参照しながら説明したように、センサセル電流の変化の傾きＡと、劣化率との対応関係は、ポンプセル１５０に到達する酸素の量に応じて変化する。また、図５（Ｂ）のΔＩＰも、ポンプセル１５０に到達する酸素の量に応じて変化する。
　そこで、比較例では、センサセル電流の変化の傾きＡと、劣化率との対応関係を、互いに異なるΔＩＰの値ごとに予め複数記憶しておくこととしている。比較例に係る制御装置は、図５（Ｂ）に示されるポンプセル電流の値を、例えば時刻ｔ０から時刻ｔ４までの期間においてサンプリングにより取得し、得られたデータに基づいてΔＩＰを算出する。その後、当該ΔＩＰに対応した上記対応関係（つまり、傾きＡと劣化率との対応関係）と、センサセル電流の傾きＡとを参照すれば、本実施形態と同様に劣化率を正確に算出することができるはずである。
　ΔＩＰは、例えば以下のような方法で算出することができる。先ず、図５（Ｂ）に示される点線ＤＬ１の式を算出する。点線ＤＬ１は、時刻ｔ０の直前においてサンプリングされたポンプセル電流の値（ＩＰ０）と、時刻ｔ４においてサンプリングされたポンプセル電流の値（ＩＰ２）と、を繋ぐ直線である。当該直線は、ポンプセル電圧の値が仮にＶＰ１のまま一定に維持されていた場合における、ポンプセル電流の値の変化を示すもの、ということができる。得られた点線ＤＬ１の式を用いれば、点線ＤＬ１と、時刻ｔ３の直前におけるポンプセル電流の値（ＩＰ１）との差分を、ΔＩＰとして算出することができる。
　しかしながら、実際には、ΔＩＰを正確に算出することは難しい場合が多く、上記方法では劣化率を正確に算出することができない可能性が高い。ΔＩＰを正確に算出することが難しい理由について、図１０を参照しながら説明する。図１０には、排出抑制処理が行われる際におけるポンプセル電流の変化の例が、複数示されている。
　図１０（Ａ）に示される例では、図５（Ｂ）に示される例と同様に、ＩＰ０が取得されるまでの期間におけるポンプセル電流の変化を示す直線と、ＩＰ２が取得された後の期間におけるポンプセル電流の変化を示す直線と、が互いに一致している。このような場合において、仮に排出抑制処理が行われなかったとすると、ポンプセル電流は、概ね図１０（Ａ）の点線ＤＬ１に沿って変化すると推測される。従って、点線ＤＬ１の式を用いれば、ΔＩＰを正確に算出することができる。
　図１０（Ｂ）に示される例では、ＩＰ０が取得されるまでの期間におけるポンプセル電流の変化を示す直線と、ＩＰ２が取得された後の期間におけるポンプセル電流の変化を示す直線と、が互いに一致しておらず、前者の傾きよりも後者の傾きの方が緩やかとなっている。このような場合において、仮に排出抑制処理が行われなかったとすると、ポンプセル電流は、その変化の傾きを次第に減少させながら、概ね図１０（Ｂ）の点線ＤＬ２に沿って変化すると推測される。
　一方、ΔＩＰを算出するために用いられる点線ＤＬ１は、ＩＰ０とＩＰ２とを単純に直線で繋いだ線であるから、点線ＤＬ１と点線ＤＬ２との間には、図１０（Ｂ）に示されるように差が生じてしまうこととなる。図１０（Ｂ）に示される「るΔＩＰ’」は、ＩＰ１から、点線ＤＬ２とグラフとの交点までの電流変化量であって、本来算出されるべきΔＩＰの値を示している。しかしながら、実際に算出されるΔＩＰは、ＩＰ１から、点線ＤＬ１とグラフとの交点までの電流変化量となるので、本来の値であるΔＩＰ’よりも小さな値として算出されてしまう。
　図１０（Ｃ）に示される例では、ＩＰ０が取得されるまでの期間におけるポンプセル電流の変化を示す直線と、ＩＰ２が取得された後の期間におけるポンプセル電流の変化を示す直線と、が互いに一致しておらず、前者の傾きよりも後者の傾きの方が急となっている。このような場合において、仮に排出抑制処理が行われなかったとすると、ポンプセル電流は、その変化の傾きを次第に増加させながら、概ね図１０（Ｃ）の点線ＤＬ２に沿って変化すると推測される。
　一方、ΔＩＰを算出するために用いられる点線ＤＬ１は、ＩＰ０とＩＰ２とを単純に直線で繋いだ線であるから、点線ＤＬ１と点線ＤＬ２との間には、図１０（Ｃ）に示されるように差が生じてしまうこととなる。図１０（Ｃ）に示される「るΔＩＰ’」は、ＩＰ１から、点線ＤＬ２とグラフとの交点までの電流変化量であって、本来算出されるべきΔＩＰの値を示している。しかしながら、実際に算出されるΔＩＰは、ＩＰ１から、点線ＤＬ１とグラフとの交点までの電流変化量となるので、本来の値であるΔＩＰ’よりも大きな値として算出されてしまう。
　このように、ポンプセル１５０に到達する酸素の変化によっては、ΔＩＰが本来の値とは異なる値として誤って算出されることがある。尚、図１０に示される例はいずれも、ポンプセル１５０に到達する酸素が次第に増加する例となっているが、ポンプセル１５０に到達する酸素が次第に減少する場合においても、上記と同様の問題が生じ得る。
　このため、ΔＩＰに基づいて劣化率を算出する比較例の方法においては、劣化率を正確に算出することが難しい。ΔＩＰの値を用いてセンサセル電流の値を正規化する、特許第６７７６５３３号公報に記載の方法についても同様である。これに対し、本実施形態に係る劣化率の算出方法によれば、上記のように誤差を含み得るΔＩＰを用いる必要が無いので、劣化率を精度良く算出することが可能となる。
　更に、上記比較例の方法では、センサセル電流の変化の傾きＡと、劣化率との対応関係を、互いに異なるΔＩＰの値ごとに複数記憶しておく必要があるので、排出ガスセンサ１００のそれぞれについて、複数の対応関係（例えばマップ）を予め個別に作成しておく作業を要する。これに対し、本実施形態に係る方法では、図８に示されるような対応関係を１つだけ要しておけばよいので、マップ等の作成作業を、従来に比べて大幅に簡素化することも可能となる。
　先に述べたように、第１取得部１４は、図７に示される点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ直線の傾きＡを算出する。点Ｐ１及び点Ｐ２は、センサセル電流の値が、収束値Ｂの所定割合に到達したタイミングの点を表している。上記「所定割合」の好ましい範囲について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。
　図１１に示されるそれぞれのグラフは、排出ガスセンサ１００の動作時間（横軸）と、算出される傾きＡ（縦軸）との対応関係を表している。各グラフの右側に示されている「１０％～１５％」等の文字列は、傾きＡを算出するにあたり、上記「所定割合」がどのような範囲に設定されたのかを表している。
　例えば「１０％～１５％」が付されたグラフは、センサセル電流の値が、収束値Ｂの１０％から１５％の範囲内となっているときに取得された２点のデータ（点Ｐ１、Ｐ２）を用いて傾きＡが算出された場合における、当該傾きＡの時間変化を表している。
　尚、図１１の横軸に示される動作時間は、排出ガスセンサ１００の劣化率が大きくなる程度に十分に長い時間となっている。このため、傾きＡは、時間の経過と共に次第に小さな値として算出されるはずである。
　図１１に示されるように、収束値Ｂの２０％よりも大きな範囲内で取得されたデータを用いて、傾きＡが算出された場合には、当該傾きＡの時間変化は上記の通り次第に小さくなって行く。つまり、劣化率が次第に大きくなる様子を顕著に表している。
　これに対し、収束値Ｂの２０％よりも小さな範囲内で取得されたデータを用いて、傾きＡが算出された場合には、当該傾きＡの時間変化は比較的小さくなっている。つまり、これらのグラフからは、劣化率が次第に大きくなる様子を明確に読み取ることが難しい。これは、排出抑制処理が開始された直後におけるセンサセル電流の時間変化には、劣化率の違いが反映されにくいことを示している。
　従って、傾きＡを算出するための上記の「所定割合」は、２０％以上とすることが好ましい。そこで、本実施形態に係る制御装置１０の第１取得部１４は、排出抑制処理が開始された後、センサセル１６０（第２セル）から出力されるセンサセル電流が収束値Ｂの２０％となった以降の期間内における、当該センサセル電流の変化に基づいて、傾きＡを取得するように構成されている。これにより、取得される傾きＡには劣化率が大きく反映されることとなるので、劣化率を精度良く算出することができる。
　図１２のグラフには、傾きＡを算出するための上記所定割合（横軸）と、算出される傾きＡの値（縦軸）との関係が示されている。尚、同グラフの横軸に示される「所定割合」は、軸上の値を上限とする幅５％の範囲を表している。例えば、図１２のグラフにおいて横軸の値が「８０％」となっているデータは、センサセル電流の値が、収束値Ｂの「７５％から８０％まで」の範囲内となっているときに取得された２点のデータ（点Ｐ１、Ｐ２）を用いて算出された場合における、傾きＡの値を表している。
　図１２においては、上記「所定割合」を同じ条件として、傾きＡを複数回取得した場合における平均値がプロットされており、傾きＡのバラつき範囲がエラーバーとして示されている。線Ｌ３０は傾きＡの平均値を表しており、線Ｌ３１はエラーバーの上限を表しており、線Ｌ３２はエラーバーの下限を表している。
　図１２に示されるように、傾きＡの算出に用いられる「所定割合」が９０％以下の範囲として設定されている場合には、傾きＡのバラつき範囲は比較的小さくなっている。一方、「所定割合」が９０％を超えると、傾きＡのバラつき範囲は次第に大きくなって行く。このため、傾きＡを算出するための上記の「所定割合」は、９０％以下とすることが好ましい。
　そこで、本実施形態に係る制御装置１０の第１取得部１４は、排出抑制処理が開始された後、センサセル１６０（第２セル）から出力されるセンサセル電流が収束値Ｂの９０％となるまで期間内における、当該センサセル電流の変化に基づいて、傾きＡを取得するように構成されている。これにより、取得される傾きＡの誤差が小さくなるので、劣化率を更に精度良く算出することができる。
　先に述べたように、本実施形態に係る制御装置の第２取得部１５は、排出抑制処理が開始されてから所定期間（ＴＭ０）が経過したタイミング、におけるセンサセル電流（つまり、第２セルから出力される電流）を、収束値Ｂとして取得する。上記「所定期間」の好ましい範囲について、図１３を参照しながら説明する。
　図１３のグラフには、排出抑制処理が開始されてから、図７のＩＳ３が取得されるまでの所定期間の長さ（横軸）と、算出される劣化率（縦軸）との関係が示されている。横軸に示される所定期間の長さは、ＩＳ３すなわち収束値Ｂの取得タイミングということもできる。
　図１３に示されるように、上記「所定期間」が４秒間よりも短い場合には、算出される劣化率は、その真値よりも小さな値として算出される。これは、所定期間が短く設定され過ぎたことにより、センサセル電流が十分には収束しない状態でＩＳ３が取得された結果として、正規化に用いられる収束値Ｂが大きな誤差を含んでしまうためである。このため、ＩＳ３の取得タイミングである上記の「所定期間」の長さは、本実施形態のように４秒間もしくはそれ以上とすることが好ましい。尚、所定期間の長さが１５秒を超えてしまうと、劣化判定のために排出ガスセンサ１００の動作を中断する期間が長くなり過ぎて、窒素酸化物の濃度測定に支障が生じてしまう。このため、ＩＳ３の取得タイミングである上記の「所定期間」の長さは、１５秒間以下とすることが好ましい。
　以上においては、排出抑制処理が行われている期間におけるセンサセル電流の変化に基づいて、傾きＡや収束値Ｂを取得し、これらに基づいて劣化率が算出される例について説明した。このような態様に換えて、同期間におけるモニタセル電流の変化に基づいて、傾きＡや収束値Ｂを取得し、これらに基づいて劣化率が算出される態様としてもよい。その場合であっても、本実施形態と同様の効果を奏することができる。
　第２実施形態について説明する。以下では、第１実施形態と異なる点について主に説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。
　図１４に示される一連の処理は、本実施形態に係る制御装置１０により、図９に示される一連の処理に換えて実行されるものである。本実施形態では、ステップＳ０７における指標ＡＮの算出方法において、第１実施形態と異なっている。
　本実施形態に係る劣化率算出部１７は、指標ＡＮを、
ＡＮ＝Ａ／（Ｂ×Ｃ）
の式を用いて算出する。当該式における「Ｃ」は、ゲインとして用いられる一定値である。このような方法で指標ＡＮを算出することとすれば、ゲインＣの値を適宜変更することにより、正規化の度合いを調整することが可能となり、その結果として劣化判定の動作を調整することが可能となる。このような態様でも、第１実施形態で説明したものと同様の効果を奏する。
　以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
　本開示に記載の制御装置及び制御方法は、コンピュータプログラムにより具体化された１つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された１つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御装置及び制御方法は、１つ又は複数の専用ハードウェア論理回路を含むプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載の制御装置及び制御方法は、１つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと１つ又は複数のハードウェア論理回路を含むプロセッサとの組み合わせにより構成された１つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。専用ハードウェア論理回路及びハードウェア論理回路は、複数の論理回路を含むデジタル回路、又はアナログ回路により実現されてもよい。

Claims (5)

  1. 　排出ガスセンサ（１００）の制御装置（１０）であって、
    　前記排出ガスセンサは、内燃機関（ＥＧ）で生じた排出ガスから酸素を排出する第１セル（１５０）と、前記第１セルによって酸素が排出された後の排出ガスに含まれる残留酸素の濃度、に応じた大きさの電流を出力する第２セル（１６０，１７０）と、を有するものであり、
    　前記第１セルによる酸素の排出を制御する第１セル制御部（１３）と、
    　前記第２セルから出力される電流の変化の傾きを取得する第１取得部（１４）と、
    　前記第２セルから出力される電流の収束値を取得する第２取得部（１５）と、
    　前記排出ガスセンサで生じている劣化の度合いを示す指標、である劣化率を算出する劣化率算出部（１７）と、を備え、
    　前記第１セル制御部が、前記第１セルによる酸素の排出を一時的に抑制する排出抑制処理、を開始した後、
    　前記劣化率算出部は、
    　前記第１取得部で取得された前記傾き（Ａ）を、前記第２取得部で取得された前記収束値（Ｂ）を用いて正規化した値に基づいて、前記劣化率を算出する、制御装置。
  2. 　前記劣化率算出部は、
    　前記第１取得部で取得された前記傾きを、前記第２取得部で取得された前記収束値で除することにより正規化する、請求項１に記載の制御装置。
  3. 　前記排出抑制処理が開始された後、
    　前記第１取得部は、
    　前記第２セルから出力される電流が前記収束値の２０％となってから、前記収束値の９０％となるまで、の期間内における、当該電流の変化に基づいて、前記傾きを取得する、請求項１又は２に記載の制御装置。
  4. 　前記第２取得部は、
    　前記排出抑制処理が開始されてから所定期間が経過したタイミング、において前記第２セルから出力される電流を、前記収束値として取得する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置。
  5. 　前記所定期間の長さは、４秒間以上であり且つ１５秒間以下である、請求項４に記載の制御装置。
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