JP6658672B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関するものである。

内燃機関の排気などの被検出ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。ＮＯｘセンサは、例えば特許文献１に記載されるように、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルからなる３セル構造を有しており、ポンプセルは、ガス室内に導入された排気中の酸素の排出又は汲み出しを行い、モニタセルは、ポンプセル通過後のガス室内の残留酸素濃度を検出し、センサセルは、ポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。

ＮＯｘセンサが劣化すると正確なＮＯｘ濃度が検出できなくなり、その結果、ＮＯｘセンサが自動車の排気系に設置される場合には排気エミッションが悪化するなどの不具合が生じるおそれがある。そこで従来、ＮＯｘセンサの劣化診断手法が提案されており、例えば特許文献１には、ポンプセルへの印加電圧を強制的に切り替えて、このときのセンサセル出力の変化量に基づいてＮＯｘセンサの劣化を診断する手法が開示されている。

特開２００９−１７５０１３号公報

ところで、上記従来の劣化診断手法は、ポンプセル印加電圧の切り替えによりガス室内の残留酸素濃度を意図的に変化させ、その残留酸素濃度の変化に伴うセンサセルの過渡応答に基づきセンサセルの劣化診断を実施するものであるが、ポンプセル印加電圧の切り替え後に、例えば排気中の酸素濃度が変化したり、ＮＯｘ濃度が変化したりすると、その濃度変化に起因するセンサセル出力の変化が生じることが考えられる。つまり、センサセル周辺においてガス雰囲気として意図しない変化が生じ、センサセルがその影響を受けることが考えられる。この場合、センサセルの劣化診断に悪影響が及ぶことが懸念される。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、センサセルの劣化状態を適正に判定することができるガスセンサ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本手段は、
ガス室（６１）内に導入された被検出ガス中の酸素濃度を電圧印加により調整するポンプセル（４１）と、前記ポンプセルにより酸素濃度が調整された後の前記被検出ガスから特定ガス成分の濃度を検出するセンサセル（４２）とを有するガスセンサ（２１〜２３）に適用され、前記ガスセンサに関する制御を実施するガスセンサ制御装置（３１〜３３，３５）であって、
前記ガス室内の酸素濃度を増やす側に前記ポンプセルの印加電圧（Ｖｐ）を切り替える第１電圧切替と、その第１電圧切替の実施後において、前記ガス室内の酸素濃度を減らす側に前記印加電圧を切り替える第２電圧切替とを実施する電圧切替部と、
前記第１電圧切替が実施された状態及び前記第２電圧切替が実施された状態の少なくともいずれかにおいて、その電圧切替に応じた前記センサセルの出力変化を示す出力変化パラメータを算出する出力変化算出部と、
前記被検出ガス中の酸素濃度又は前記特定ガス成分の濃度について前記第１電圧切替の実施前及び前記第２電圧切替の実施後における濃度差を示す濃度差パラメータを算出する濃度差算出部と、
前記出力変化算出部により算出された前記出力変化パラメータと、前記濃度差算出部により算出された前記濃度差パラメータとに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する劣化判定部と、
を備える。

上記構成では、センサセルの劣化判定に際し、第１電圧切替として、ガス室内の酸素濃度を増やす側にポンプセルの印加電圧が切り替えられると、又は、第２電圧切替として、ガス室内の酸素濃度を減らす側にポンプセルの印加電圧が切り替えられると、その電圧切替に応じてセンサセル出力の過渡変化が生じる。そのため、センサセルの出力変化を示す出力変化パラメータを用いて、センサセルの劣化状態を判定することが可能となる。ただし、センサセルの出力変化が生じる期間において被検出ガス中の酸素濃度又は特定ガス成分の濃度に変動が生じると、それに起因して、センサセルの出力変化パラメータに基づき実施されるセンサセルの劣化判定に悪影響が及ぶことが懸念される。

この点、上記構成によれば、被検出ガス中の酸素濃度又は特定ガス成分の濃度について第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における濃度差を示す濃度差パラメータを算出し、センサセルの出力変化パラメータと濃度差パラメータとに基づいて、センサセルの劣化状態を判定するようにした。これにより、仮に第１電圧切替から第２電圧切替にかけての期間において被検出ガス中の酸素濃度又は特定ガス成分の濃度（ＮＯｘ濃度）に変動が生じていても、センサセルの劣化状態を適正に判定することができる。

エンジン排気系のシステム構成を示す図。 ＮＯｘセンサの構成を示す断面図。 図２のIII−III断面を示す断面図。 ＮＯｘセンサの劣化に伴うセンサセル出力の過渡特性の変化を説明するための図。 傾きパラメータの算出に用いる始点及び終点を示す図。 ＳＣＵ及びＥＣＵの機能ブロック図。 センサセルの劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 反応速度比と劣化率との関係を示す図。 電圧切替サイクルを複数回実施する場合の挙動を示すタイムチャート。 第２実施形態においてセンサセルの劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 ポンプセル出力差ΔＩｐｘと補正値ＫＣとの関係を示す図。 第３実施形態においてセンサセルの劣化判定の処理手順を示すフローチャート。 他のＮＯｘセンサの構成を示す断面図。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載のディーゼルエンジンから排出される排気を被検出ガスとし、その排気中のＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサにより検出するシステムにおいて、ＮＯｘセンサに関する制御を実施するガスセンサ制御装置を具体化するものとしている。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
図１に示すように、ディーゼルエンジンであるエンジン１０の排気側には、排気を浄化する排気浄化システムが設けられている。排気浄化システムの構成として、エンジン１０には排気通路を形成する排気管１１が接続されており、その排気管１１には、エンジン１０側から順に酸化触媒コンバータ１２と選択還元触媒コンバータ（以下、ＳＣＲ触媒コンバータという）１３とが設けられている。酸化触媒コンバータ１２は、ディーゼル酸化触媒１４と、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１５とを有している。ＳＣＲ触媒コンバータ１３は、選択還元型の触媒としてＳＣＲ触媒１６を有している。また、排気管１１において酸化触媒コンバータ１２とＳＣＲ触媒コンバータ１３との間には、還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管１１内に添加供給するための尿素水添加弁１７が設けられている。

酸化触媒コンバータ１２において、ディーゼル酸化触媒１４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。ディーゼル酸化触媒１４は、排気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。また、ディーゼル酸化触媒１４は、触媒反応の際に発生する熱により排気温度を上昇させる。

ＤＰＦ１５は、ハニカム構造体により形成され、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持されることで構成されている。ＤＰＦ１５は、排気中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させることで捕集する。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒１４における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。

ＳＣＲ触媒コンバータ１３は、酸化触媒コンバータ１２の後処理装置としてＮＯｘを窒素と水に還元する装置であって、ＳＣＲ触媒１６としては、例えばゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持した触媒が用いられる。ＳＣＲ触媒１６は、触媒温度が活性温度域にある場合に、還元剤としての尿素が添加されることによりＮＯｘを還元浄化する。

排気管１１において、酸化触媒コンバータ１２の上流側、酸化触媒コンバータ１２とＳＣＲ触媒コンバータ１３との間であって尿素水添加弁１７の上流側、ＳＣＲ触媒コンバータ１３の下流側には、ガスセンサとして限界電流式のＮＯｘセンサ２１，２２，２３がそれぞれ設けられている。ＮＯｘセンサ２１〜２３は、それぞれの検出位置において排気中のＮＯｘ濃度を検出する。なお、エンジン排気系におけるＮＯｘセンサの位置及び個数は任意でよい。

ＮＯｘセンサ２１〜２３には、それぞれＳＣＵ（Sensor Control Unit）３１，３２，３３が接続されており、ＮＯｘセンサ２１〜２３の検出信号は、センサごとにＳＣＵ３１〜３３に適宜出力される。ＳＣＵ３１〜３３は、ＣＰＵや各種メモリを有するマイコンとその周辺回路とを具備する電子制御装置であり、ＮＯｘセンサ２１〜２３の検出信号（限界電流信号）に基づいて、排気中の酸素（Ｏ２）濃度や特定ガス成分の濃度としてのＮＯｘ濃度等を算出する。

ＳＣＵ３１〜３３は、ＣＡＮバス等の通信線３４に接続され、その通信線３４を介して各種ＥＣＵ（例えばエンジンＥＣＵ３５）に接続されている。つまり、ＳＣＵ３１〜３３とエンジンＥＣＵ３５とは通信線３４を用いて相互に情報の授受が可能となっている。ＳＣＵ３１〜３３からエンジンＥＣＵ３５に対しては、例えば排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度の情報が送信される。エンジンＥＣＵ３５は、ＣＰＵや各種メモリを有するマイコンとその周辺回路とを具備する電子制御装置であり、エンジン１０や排気系の各種装置を制御する。エンジンＥＣＵ３５は、例えばアクセル開度やエンジン回転速度に基づいて燃料噴射制御等を実施する。

また、エンジンＥＣＵ３５は、各ＮＯｘセンサ２１〜２３により検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、尿素水添加弁１７による尿素水添加の制御を実施する。その尿素水添加の制御を略述すると、エンジンＥＣＵ３５は、ＳＣＲ触媒コンバータ１３の上流側のＮＯｘセンサ２１，２２により検出されるＮＯｘ濃度に基づいて尿素水添加量を算出するとともに、ＳＣＲ触媒コンバータ１３の下流側のＮＯｘセンサ２３により検出されるＮＯｘ濃度が極力小さい値となるように尿素水添加量をフィードバック補正する。そして、その尿素水添加量に基づいて、尿素水添加弁１７の駆動を制御する。

次に、ＮＯｘセンサ２１〜２３の構成について説明する。各ＮＯｘセンサ２１〜２３はいずれも同じ構成を有しており、ここではＮＯｘセンサ２１についてその構成を説明する。図２及び図３は、ＮＯｘセンサ２１を構成するセンサ素子４０の内部構造を示す図である。なお、図の左右方向がセンサ素子４０の長手方向であり、図の左側が素子先端側である。センサ素子４０は、ポンプセル４１、センサセル４２及びモニタセル４３からなる、いわゆる３セル構造を有している。なお、モニタセル４３は、ポンプセル４１同様、ガス中の酸素排出の機能を具備しており、補助ポンプセル又は第２ポンプセルと称される場合もある。

センサ素子４０は、アルミナ等の絶縁体よりなる第１本体部５１及び第２本体部５２と、それら本体部５１，５２の間に配置される固体電解質体５３と、拡散抵抗体５４と、ポンプセル電極５５と、センサセル電極５６と、モニタセル電極５７と、共通電極５８と、ヒータ５９とを備えている。第１本体部５１と固体電解質体５３との間に、濃度計側室であるガス室６１が形成され、第２本体部５２と固体電解質体５３との間に、基準ガス室である大気室６２が形成されている。

ポンプセル４１は、ガス室６１内に導入された排気中の酸素濃度を調整するものであり、ポンプセル電極５５と共通電極５８と固体電解質体５３の一部とにより形成されている。センサセル４２は、センサセル電極５６と共通電極５８との間に流れる酸素イオン電流に基づいてガス室６１における所定のガス成分の濃度（ＮＯｘ濃度）を検出するものであり、センサセル電極５６と共通電極５８と固体電解質体５３の一部とにより形成されている。モニタセル４３は、モニタセル電極５７と共通電極５８との間に流れる酸素イオン電流に基づいてガス室６１における残留酸素濃度を検出するものであり、モニタセル電極５７と共通電極５８と固体電解質体５３の一部とにより形成されている。

固体電解質体５３は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質材料によって構成されている。第１本体部５１と第２本体部５２とは、固体電解質体５３を挟んでその両側に配置されている。第１本体部５１は、固体電解質体５３の側が段差状となっており、その段差により形成された凹部がガス室６１となっている。第１本体部５１の凹部の一側面は開放されており、その開放された一側面に拡散抵抗体５４が配置されている。拡散抵抗体５４は、多孔質材料又は細孔が形成された材料よりなる。拡散抵抗体５４の作用により、ガス室６１に導入される排気の速度が律せされる。

第２本体部５２も同様に、固体電解質体５３の側が段差状となっており、その段差により形成された凹部が大気室６２なっている。大気室６２の一側面は開放されている。固体電解質体５３側から大気室６２内に導入される気体は大気に放出される。

固体電解質体５３においてガス室６１に臨む面には、陰極側のポンプセル電極５５とセンサセル電極５６とモニタセル電極５７とが設けられている。この場合、ポンプセル電極５５は、拡散抵抗体５４に近いガス室６１の入口側、すなわちガス室６１内の上流側に配置され、センサセル電極５６及びモニタセル電極５７は、ポンプセル電極５５を挟んで拡散抵抗体５４の反対側、すなわちガス室６１内の下流側に配置されている。ポンプセル電極５５は、センサセル電極５６及びモニタセル電極５７に比べて大きい表面積を有する。センサセル電極５６及びモニタセル電極５７は、互いに近接した位置であって、排気の流れ方向に対して同等となる位置に並べて配置されている。ポンプセル電極５５とモニタセル電極５７とは、ＮＯｘに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなる電極（ＮＯｘを分解し難い電極）であるのに対し、センサセル電極５６はＮＯｘに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる電極である。

また、固体電解質体５３において大気室６２に臨む面には、陰極側の各電極５５〜５７に対応する位置に、陽極側となる共通電極５８が設けられている。

ポンプセル電極５５と共通電極５８との間に電圧が印加されると、ガス室６１内の排気中に含まれる酸素が陰極側のポンプセル電極５５にてイオン化される。そして、酸素イオンが陽極側の共通電極５８に向けて固体電解質体５３内を移動し、共通電極５８において電荷が放出されることで酸素となり、大気室６２に排出される。これにより、ガス室６１内が所定の低酸素状態に保持される。

ポンプセル４１の印加電圧（すなわちポンプセル電極５５と共通電極５８との間の印加電圧）が高いほど、ポンプセル４１によって排気中から排出される酸素の量が多くなる。逆にポンプセル４１の印加電圧が低いほど、ポンプセル４１によって排気から排出される酸素の量が少なくなる。したがって、ポンプセル４１の印加電圧を増減することで、後段のセンサセル４２及びモニタセル４３に流れる排気中の残留酸素の量を増減させることができる。本実施形態では、ポンプセル４１に印加される電圧をポンプセル印加電圧Ｖｐとし、ポンプセル４１の電圧印加状態で出力される電流をポンプセル電流Ｉｐとする。

モニタセル４３は、ポンプセル４１により酸素が排出された状態でガス室６１内に残留する酸素濃度を検出する。このとき、モニタセル４３は、残留酸素濃度の検出信号として、電圧印加に伴い生じる電流信号、又はガス室６１内の残留酸素濃度に応じた起電力信号を出力する。モニタセル４３の出力は、ＳＣＵ３１〜３３においてモニタセル電流Ｉｍ、又はモニタセル起電力Ｖｍとして取得される。

センサセル４２は、ポンプセル４１により酸素が排出された状態で、電圧印加に伴い排気中のＮＯｘを還元分解し、ガス室６１内のＮＯｘ濃度及び残留酸素濃度に応じた電流信号を出力する。センサセル４２の出力は、ＳＣＵ３１〜３３においてセンサセル電流Ｉｓとして取得される。ＳＣＵ３１〜３３では、センサセル電流Ｉｓにより、排気中のＮＯｘ濃度が算出される。

ところで、センサセル４２では、経年劣化等の影響によって、排気中の被検出ガスの濃度が同一であっても、その出力であるセンサセル電流Ｉｓの過渡応答性が変化する傾向がある。この傾向について図４を参照して説明する。図４には、（ａ）ポンプセル印加電圧Ｖｐ、（ｂ）ポンプセル電流Ｉｐ、（ｃ）センサセル電流Ｉｓの時間推移が模式的に示されている。ここでは、ガス室６１内の残留酸素濃度を増やす側にポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える第１電圧切替と、その第１電圧切替の実施後において、ガス室６１内の残留酸素濃度を減らす側にポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える第２電圧切替とを実施する場合について説明する。

図４において、時刻ｔ１では、第１電圧切替として、ポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ０からＶｐ１にステップ状に切り替えられている（Ｖｐ０＞Ｖｐ１）。これにより、ポンプセル電流Ｉｐが減少する側に変化し、ガス室６１内の残留酸素濃度が増大される。このとき、ポンプセル電流Ｉｐは、Ｉｐ０からテーリングを伴って変化し、Ｉｐ１に収束する。センサセル４２では、残留酸素濃度の増大に応じて、センサセル電流Ｉｓが過渡応答を経て定常値まで増大する。

図４（ｃ）には、ポンプセル印加電圧Ｖｐの低減に応じたセンサセル電流Ｉｓの過渡応答特性が、ＮＯｘセンサ製造時の特性（初期特性）と、ＮＯｘセンサ劣化時の特性（劣化後特性）との２種類で示されている。実線が初期特性を示し、一点鎖線が劣化時特性を示す。図４（ｃ）には、センサセル４２に供給される排気が同一の酸素濃度である場合において、センサセル電流Ｉｓの初期特性と劣化時特性とに差異が生じることが示されている。この場合、第一に、劣化時特性の定常値が初期特性の定常値より低減する傾向がある。第二に、劣化時特性の立ち上がりが初期特性のものより遅くなる傾向がある。例えば過渡変化中の期間Ｔａでの間の特性の傾きをみると、劣化時特性の傾きＡ１１は、初期特性の傾きＡ１０より緩くなる。なお、期間Ｔａは、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴う過渡応答中において始点Ｐ１と終点Ｐ２との間の期間である。これらの傾向は、センサセル４２の劣化が進むほど顕著になる。

また、図４において、時刻ｔ２では、第２電圧切替として、ポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ１からＶｐ２にステップ状に切り替えられている（Ｖｐ１＜Ｖｐ２）。これにより、ポンプセル電流Ｉｐが増加する側に変化し、ガス室６１内の残留酸素濃度が低減される。このとき、ポンプセル電流Ｉｐは、Ｉｐ１からテーリングを伴って変化し、Ｉｐ２に収束する。センサセル４２では、残留酸素濃度の低減に応じて、センサセル電流Ｉｓが過渡応答を経て定常値まで減少する。第２電圧切替を実施する場合にも、センサセル電流Ｉｓの初期特性と劣化時特性とに差異が生じる。この場合、例えば過渡変化中の期間Ｔｂでの特性の傾きをみると、劣化時特性の傾きＡ２１は、初期特性の傾きＡ２０より緩くなる。なお、期間Ｔｂは、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴う過渡応答中において始点Ｐ３と終点Ｐ４との間の期間である。

第１電圧切替の実施時において、始点Ｐ１及び終点Ｐ２は、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後、かつ、センサセル電流Ｉｓが安定する前の所定期間内に含まれるタイミングであり、始点Ｐ１及び終点Ｐ２として設定されるタイミングを以下に説明する。

図５に示すように、始点Ｐ１は、例えば以下の３点のいずれかである。
（ａ１）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるポンプセル電流Ｉｐのテーリング最下点ＰＬとなるタイミング（図５中の点Ｐ１１）
（ａ２）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル出力変動量が所定値Ｌ１に到達するタイミング（図５中の点Ｐ１２）
（ａ３）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後に所定時間Ｅ１が経過するタイミング（図５中の点Ｐ１３）
また、図５に示すように、終点Ｐ２は、例えば以下の２点のいずれかである。
（ａ４）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えの後に所定時間Ｅ２が経過するタイミング（図５中の点Ｐ２１）
（ａ５）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル出力変動量が所定値Ｌ２に到達するタイミング（図５中の点Ｐ２２）
所定値Ｌ１は、ＮＯｘセンサ２１〜２３の初期状態で今回と同様のポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え（Ｖｐ０→Ｖｐ１の切り替え）を行った際のセンサセル電流Ｉｓの電流変化量を１００％とした場合に、電圧切り替え前の電流値から所定パーセンテージ（例えば５〜３０％のいずれか）を上乗せした値である。また、所定値Ｌ２は、所定値Ｌ１よりも大きい値であり、同じく電圧切り替え前の電流値から所定パーセンテージ（例えば５０〜９５％のいずれか）を上乗せした値である。

なお、劣化判定を早期に実施することを考慮すると、始点Ｐ１及び終点Ｐ２は共に可能な限り早いタイミングで設定するのが好ましく、上記の具体例（ａ１）〜（ａ５）のなかでは、始点Ｐ１を上記（ａ１）に設定し、終点Ｐ２を上記（ａ４）に設定するのが好ましい。

また、第２電圧切替の実施時において、始点Ｐ３及び終点Ｐ４は、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後、かつ、センサセル電流Ｉｓが安定する前の所定期間内に含まれるタイミングであり、始点Ｐ３及び終点Ｐ４は以下のようにして設定される。なお、その設定手法は、始点Ｐ１及び終点Ｐ２の設定手法に準ずるため、以下に簡単に説明する。

始点Ｐ３は、例えば以下の３点のいずれかである。
（ｂ１）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるポンプセル電流Ｉｐのテーリング最上点となるタイミング
（ｂ２）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル出力変動量が所定値Ｌ３に到達するタイミング
（ｂ３）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後に所定時間Ｅ３が経過するタイミング
また、終点Ｐ２は、例えば以下の２点のいずれかである。
（ｂ４）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えの後に所定時間Ｅ４が経過するタイミング
（ｂ５）ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに応じて生じるセンサセル出力変動量が所定値Ｌ４に到達するタイミング
所定値Ｌ３，Ｌ４は、所定値Ｌ１，Ｌ２と同様に、ＮＯｘセンサ２１〜２３の初期状態で今回と同様のポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え（Ｖｐ１→Ｖｐ２の切り替え）を行った際のセンサセル電流Ｉｓの電流変化量を基準に、それぞれ所定パーセンテージにて定められているとよい（ただし、Ｌ３＞Ｌ４である）。

ここで、センサセル４２の劣化判定時には、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴いガス室６１内の残留酸素濃度が変化し、その残留酸素濃度の変化に伴うセンサセル４２の過渡応答に基づいてセンサセル４２の劣化判定が実施されるが、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後に、例えば排気中の酸素濃度が変化したり、ＮＯｘ濃度が変化したりすると、その濃度変化に起因するセンサセル電流Ｉｓの変化が生じる。つまり、センサセル４２周辺においてガス雰囲気として意図しない変化が生じ、センサセル４２がその影響を受けることが考えられる。この場合、センサセル４２の劣化判定に悪影響が及ぶことが懸念される。例えば、図４において、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後（時刻ｔ１後）において、排気中の酸素濃度が増えると、その影響によりセンサセル電流Ｉｓの変化量が大きくなり、劣化判定のためのパラメータであるセンサセル電流Ｉｓの検出精度が低下することが懸念される。

そこで本実施形態では、排気中の酸素濃度について第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における濃度差（すなわち濃度変化量）を算出し、その濃度差を用いてセンサセル４２の劣化状態を判定することとし、これによりセンサセル４２の劣化判定の精度低下を抑制することとしている。

図６は、各ＳＣＵ３１〜３３の機能を説明するための機能ブロック図である。各ＳＣＵ３１〜３３は、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えとして第１電圧切替及び第２電圧切替を実施する電圧切替部Ｍ１１と、電圧切替部Ｍ１１により第１電圧切替が実施された状態及び第２電圧切替が実施された状態の少なくともいずれかにおいて、その電圧切替に応じたセンサセル４２の出力変化を示す出力変化パラメータを算出する出力変化算出部Ｍ１２と、排気中の酸素濃度について第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における濃度差を示す濃度差パラメータを算出する濃度差算出部Ｍ１３と、出力変化算出部Ｍ１２により算出された出力変化パラメータと、濃度差算出部Ｍ１３により算出された濃度差パラメータとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定する劣化判定部Ｍ１４と、を備えている。

電圧切替部Ｍ１１は、ガス室６１内の酸素濃度を増やす側にポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える第１電圧切替（図４のＶｐ０→Ｖｐ１の電圧切替）と、その第１電圧切替の実施後において、ガス室６１内の酸素濃度を減らす側にポンプセル印加電圧Ｖｐを切り替える第２電圧切替（図４のＶｐ１→Ｖｐ２の電圧切替）とを実施する。つまり、電圧切替部Ｍ１１は、ポンプセル印加電圧Ｖｐを低下させ、その後増加させるといった一連の電圧切替サイクルを実施する。なお、本実施形態では、ポンプセル印加電圧Ｖｐをステップ状に切り替えるようにしているが、電圧変化波形はステップ波形以外であってもよい。ただし、初期特性との比較により劣化判定が行われるため、初期特性の計測時と電圧変化波形を同じにすることが好ましい。

出力変化算出部Ｍ１２は、電圧切替部Ｍ１１によるポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴うセンサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾き（図４のＡ１１又はＡ２１）を算出する。すなわち、出力変化パラメータとして、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時において単位時間Δｔに対するセンサセル電流Ｉｓの変化量ΔＩｓにより過渡変化の傾きを算出する。本実施形態では、出力変化パラメータとして、第１電圧切替（図４のＶｐ０→Ｖｐ１の電圧切替）と第２電圧切替（図４のＶｐ１→Ｖｐ２の電圧切替）とのうち、第１電圧切替の実施に伴うセンサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾き（図４のＡ１１）を算出する。

濃度差算出部Ｍ１３は、一連の電圧切替サイクルにおける排気の酸素濃度の変化量を算出するものであり、濃度差パラメータとして、第１電圧切替の実施前のポンプセル電流Ｉｐ０と、第２電圧切替の実施後のポンプセル電流Ｉｐ２との差であるポンプセル出力差ΔＩｐｘを算出する。

劣化判定部Ｍ１４は、センサセル４２の劣化判定処理として、基本的に、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定する。この場合、本実施形態では、出力変化算出部Ｍ１２により算出されたセンサセル電流Ｉｓの過渡応答の傾きと、濃度差算出部Ｍ１３により算出されたポンプセル出力差ΔＩｐｘとに基づいて、センサセル４２の劣化率Ｃを算出し、その劣化率Ｃにより劣化状態を判定するようにしている。

本実施形態では特に、劣化判定部Ｍ１４は、濃度差算出部Ｍ１３により算出されたポンプセル出力差ΔＩｐｘに基づいて、センサセル４２の劣化判定が有効であるか否かを判定する。具体的には、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが所定値未満であれば、センサセル４２の劣化判定を有効とし、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが所定値以上であれば、センサセル４２の劣化判定を無効とする。そして、劣化判定部Ｍ１４は、センサセル４２の劣化判定が有効でないと判定した場合に、電圧切替部Ｍ１１により第１電圧切替及び第２電圧切替を再度行わせ、その再度の電圧切替に際し、出力変化算出部Ｍ１２により算出された出力変化パラメータと、濃度差算出部Ｍ１３により算出された濃度差パラメータとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を再判定する。

ちなみに、センサセル４２は、通常のＮＯｘ濃度検出時においてｎＡオーダレベルでセンサセル電流Ｉｓを検出する一方、劣化判定のためのポンプセル印加電圧Ｖｐの切替時には、残留酸素濃度が増加することでμＡオーダレベルでセンサセル電流Ｉｓを検出する。この場合、いずれにおいても電流検出の分解能を高めるべく、ＮＯｘ濃度検出時と劣化判定時とでＳＣＵ３１〜３３におけるＡ／Ｄ変換の電流処理範囲が切り替えられるとよい。劣化判定時には、ＮＯｘ濃度検出時に比べて電流処理範囲が拡張されるとよい。

また、エンジンＥＣＵ３５は、各ＳＣＵ３１〜３３の劣化判定結果に基づいてエミッション悪化による異常を判定する異常判定部Ｍ２１を有している。異常判定部Ｍ２１は、各ＳＣＵ３１〜３３の劣化判定部Ｍ１４にて算出されたセンサセル４２の劣化率Ｃに基づいて、エンジンエミッションの異常を判定する。なお、センサセル４２の劣化率Ｃに加えて、ＮＯｘセンサ２１〜２３の出力、他のセンサ類からの各種センサ情報、エンジン運転状態等を総合的に考慮してエミッション異常を判定する構成であってもよい。

ＮＯｘセンサ２１〜２３に関する劣化判定とエミッション異常判定は、その両方がＳＣＵ３１〜３３により実施されてもよく、又はその両方がエンジンＥＣＵ３５により実施されてもよい。なお、エミッション異常判定は、ＮＯｘセンサ２１〜２３の劣化度合い以外の要素を用いて実施されるのが望ましいため、エンジンＥＣＵ３５により実施されるのが好ましい。

次に、図７のフローチャートを参照してセンサセル４２の劣化判定の処理手順を説明する。図７に示す処理は、図６に記載したＳＣＵ３１〜３３の各機能を実現するための演算処理であり、各ＳＣＵ３１〜３３において例えば所定周期ごとに実施される。

ステップＳ１０では、劣化判定の実施条件が成立しているか否かを判定する。本実施条件としては、例えば、劣化判定の実施を許可する旨の許可信号をエンジンＥＣＵ３５から受信していることが含まれる。エンジンＥＣＵ３５は、排気管１１内におけるガス環境が安定している所定環境下である場合に許可信号を送信する。具体的には、エンジンＥＣＵ３５は、エンジン１０が所定運転状態にあり排気の量が比較的安定している場合、フューエルカット中である場合、イグニションスイッチのオフ直後（ＩＧオフ直後）である場合、又はソークタイマによるエンジンＥＣＵ３５の起動中である場合に、許可信号を送信する。特にＩＧオフ直後であることを実施条件とするのが望ましい。ＩＧオフ直後においては、エンジン停止により排気の流れが無くなるため、ガス環境が安定した状態での劣化判定が可能となるからである。劣化判定の実施条件が成立していれば、後続のステップＳ１１に進み、実施条件が成立していなければ、本処理を終了する。

ステップＳ１１では、第１電圧切替、すなわちガス室６１内の残留酸素濃度を増やす側へのポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えを実施するか否かを判定する。このとき、各ＳＣＵ３１〜３３は、排気中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度について単位時間当たりの変動量が所定以下である安定状態になっていることを判定し、安定状態になっていると判定されたことを条件に、第１電圧切替の実施を許可する。具体的には、第１電圧切替の実施前においてポンプセル電流Ｉｐの単位時間当たりの変動量が所定以下であるか否かを判定するとともに、センサセル電流Ｉｓの単位時間当たりの変動量が所定以下であるか否かを判定する。そして、これらがいずれも安定状態であれば、ステップＳ１１を肯定して後続のステップＳ１２に進む。ただし、濃度安定の判定処理を省略することも可能である。

なお、各ＳＣＵ３１〜３３は、排気中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度のいずれか一方について単位時間当たりの変動量が所定以下である安定状態になっていることを判定してもよい。この場合、排気中の酸素濃度が安定状態になっていれば、又は排気中のＮＯｘ濃度が安定状態になっていれば、第１電圧切替の実施を許可する。排気管１１にＡ／Ｆセンサが設けられている場合には、Ａ／Ｆセンサの検出値に基づいて、排気中の酸素濃度が安定状態になっていることを判定してもよい。

また、排気中の酸素濃度が所定の濃度範囲に入っていることや、ＮＯｘ濃度が所定の濃度範囲に入っていることを条件に、第１電圧切替の実施を許可するようにしてもよい。この場合、排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度が安定していることの判定に代えて、又は当該判定と共に、酸素濃度やＮＯｘ濃度が所定の濃度範囲に入っていることの判定を実施するとよい。

ステップＳ１１では、上記に加え、エンジン排気系に関する故障履歴（ダイアグ情報）が無いこと、電源電圧（バッテリ電圧）が所定値以上であることを条件に、第１電圧切替の実施を許可してもよい。なお、電源電圧が所定未満になっているとセンサヒータへの通電が不十分になり、ＮＯｘセンサ２１〜２３を適正な活性状態に維持できなくなり、劣化判定の精度低下が懸念される。

なお、例えばＩＧオフ直後に劣化判定を実施する場合、ＳＣＵ３１〜３３は、エンジンＥＣＵ３５から許可信号を受信する前において、エンジンＥＣＵ３５からエンジン停止信号を受信したタイミングでＮＯｘセンサ２１〜２３の検出信号を取得し始めるとよい。この場合、いち早くセンサ検出信号を取得することで、排気中の酸素濃度が安定状態になっていることを早期に判定でき、ひいてはセンサセル４２の劣化判定をいち早く開始することが可能となる。

第１電圧切替を実施する場合、ステップＳ１２では、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ１に切り替える前（第１電圧切替の実施前）、すなわちポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ０である状態でのポンプセル出力であるポンプセル電流Ｉｐ０を検出する。

その後、ステップＳ１３では、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ０からＶｐ１に切り替える。図４のタイムチャートでは時刻ｔ１においてこの処理が行われる。その後、ステップＳ１４では、第１電圧切替における始点Ｐ１でのセンサセル電流Ｉｓ１と、終点Ｐ２でのセンサセル電流Ｉｓ２とを検出する。ステップＳ１５では、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ１に切り替えた後のポンプセル出力であるポンプセル電流Ｉｐ１を検出する。ポンプセル電流Ｉｐ１は、電圧切り替え（時刻ｔ１）から所定時間が経過したタイミング、すなわちポンプセル電流Ｉｐが安定したタイミングで検出される。なお、各センサセル電流Ｉｓ１，Ｉｓ２、ポンプセル電流Ｉｐ１の検出順序は任意でよい。

その後、ステップＳ１６では、例えば下記の（１）式を用い、始点Ｐ１及び終点Ｐ２のセンサセル電流Ｉｓ１，Ｉｓ２の差である電流変化量ΔＩｓ１（＝Ｉｓ２−Ｉｓ１）と、始点Ｐ１から終点Ｐ２までの時間差Δｔ１とに基づいて、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ１１を算出する。
Ａ１１＝ΔＩｓ１／Δｔ１ …（１）
なお、図４に示す初期特性での傾きＡ１０も、上記（１）式を用いて算出される。

ステップＳ１７では、傾きＡ１１を正規化することで傾きＢ１１を算出する。この場合、下記（２）式を用い、センサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ１１と、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴うポンプセル電流Ｉｐの変化量ΔＩｐ１（＝Ｉｐ０−Ｉｐ１）とに基づいて、正規化した傾きＢ１１を算出する。
Ｂ１１＝Ａ１１／ΔＩｐ１ …（２）
また、ステップＳ２１では、第２電圧切替、すなわちガス室６１内の残留酸素濃度を減らす側へのポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えを実施するか否かを判定する。第２電圧切替を実施する場合、ステップＳ２２に進み、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ１からＶｐ２に切り替える。図４のタイムチャートでは時刻ｔ２においてこの処理が行われる。本実施形態では、Ｖｐ２＝Ｖｐ０である。

その後、ステップＳ２３では、ポンプセル印加電圧ＶｐをＶｐ２に切り替えた後（第２電圧切替の実施後）、すなわちポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ２である状態でのポンプセル出力であるポンプセル電流Ｉｐ２を検出する。ポンプセル電流Ｉｐ２は、電圧切り替え（時刻ｔ２）から所定時間が経過したタイミング、すなわちポンプセル電流Ｉｐが安定したタイミングで検出される。

その後、ステップＳ２４では、ステップＳ１２，Ｓ２３で検出したポンプセル電流Ｉｐ０，Ｉｐ２の差であるポンプセル出力差ΔＩｐｘを算出する（ΔＩｐｘ＝Ｉｐ２−Ｉｐ０）。このポンプセル出力差ΔＩｐｘが、第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における酸素濃度の差を示す濃度差パラメータである。

その後、ステップＳ２５では、ポンプセル出力差ΔＩｐｘの絶対値が所定の閾値ＴＨ未満であるか否かを判定する。そして、｜ΔＩｐｘ｜＜ＴＨであれば、センサセル４２の劣化判定が有効であるとして、後続のステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６では、ステップＳ１７で算出した傾きＢ１１を用いて、センサセル４２の劣化率Ｃ（％）を算出する。このとき、傾きＢ１１と初期特性の傾きＢ１０との比（Ｂ１１／Ｂ１０）を反応速度比として算出するとともに、例えば図８の関係を用い、反応速度比Ｂ１１／Ｂ１０に基づいてセンサセル４２の劣化率Ｃを算出する。反応速度比Ｂ１１／Ｂ１０は、センサセル４２に供給された酸素に対する反応速度の比率として求められる。なお、初期特性を表す傾きＢ１０はＳＣＵ３１〜３３内のメモリに予め記憶されている。図８には、反応速度比Ｂ１１／Ｂ１０が小さいほど、すなわちセンサセル４２の劣化時特性と初期特性との差異が大きいほど、劣化率Ｃが大きくなる関係が定められている。劣化率Ｃが大きいことは、センサセル４２の劣化度合いが大きいことを意味する。

その後、ステップＳ２７では、センサセル４２の劣化率ＣをエンジンＥＣＵ３５に対して送信する。このとき、ステップＳ２５の判定が行われることからすると、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが所定の閾値ＴＨ未満であることを条件に、センサセル４２の劣化判定結果である劣化率ＣがエンジンＥＣＵ３５に対して送信されることとなる。

また、ステップＳ２５において｜ΔＩｐｘ｜≧ＴＨであれば、センサセル４２の劣化判定が無効であるとして、再判定を実施すべくステップＳ１１に戻る。すなわち、ＳＣＵ３１〜３３は、第１電圧切替を再び実施して出力変化パラメータを取得するとともに（ステップＳ１２〜Ｓ１７）、その後、第２電圧切替を再び実施して濃度差パラメータを取得する（ステップＳ２２〜Ｓ２４）。そして、出力変化パラメータと濃度差パラメータとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を再判定する（ステップＳ２６）。

なお、ステップＳ２７では、エンジンＥＣＵ３５に対して、センサセル４２の劣化率Ｃと共に、ポンプセル出力差ΔＩｐｘの絶対値が所定の閾値ＴＨ未満であったこと、すなわち今回の劣化判定が正常に実施されたことを示す情報を送信してもよい。また、ステップＳ２５がＮＯとなり、再度の劣化判定が実施された場合には、その再判定が実施されたことを示す情報をエンジンＥＣＵ３５に送信する構成であってもよい。

図９は、電圧切替サイクルを複数回実施する場合の挙動を示すタイムチャートである。図９には２回の電圧切替サイクルが示されている。なお、図９では、第１電圧切替においてポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ０からＶｐ１に切り替えられ、第２電圧切替においてポンプセル印加電圧ＶｐがＶｐ１からＶｐ０に切り替えられるものとしている。

図９において、時刻ｔ１１，ｔ１２では、それぞれ第１電圧切替、第２電圧切替が実施される。このとき、ｔ１１〜ｔ１２の期間において排気中の酸素濃度が変動すると、時刻ｔ１２の後において、ポンプセル出力差ΔＩｐｘの絶対値が所定の閾値ＴＨ以上であると判定される。これにより、今回の電圧切替サイクルにおける劣化判定が無効であると判定される。そして、時刻ｔ２１，ｔ２２では、それぞれ第１電圧切替、第２電圧切替が再度実施され、その電圧切替サイクルでの劣化判定が有効であると判定されれば、センサセル４２の劣化判定が実施される。

なお、ステップＳ２５において｜ΔＩｐｘ｜≧ＴＨであれば、そのまま本処理を終了してもよい。本処理が終了される場合、それ以降の処理が実施されないことでセンサセル４２の劣化判定が無効化される。

センサセル４２の劣化率Ｃが算出された後には、ＳＣＵ３１〜３３は、ＮＯｘセンサ２１〜２３によるＮＯｘ濃度の検出時において、ＮＯｘセンサ２１〜２３ごとに劣化率Ｃによりセンサセル電流Ｉｓを補正し、その補正後のセンサセル電流Ｉｓに基づいてＮＯｘ濃度を算出する。この場合、現状のセンサセル特性を初期特性に戻すようにしてセンサセル電流Ｉｓの補正が実施される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替えに伴いセンサセル４２の出力変化が生じる期間において排気中の酸素濃度に変動が生じると、それに起因して、センサセル４２の出力変化パラメータ（傾きＡ１１やＡ２１）に基づき実施されるセンサセルの劣化判定に悪影響が及ぶことが懸念される。この点、上記構成では、排気中の酸素濃度について第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における濃度差を示す濃度差パラメータ（ポンプセル出力差ΔＩｐｘ）を算出し、センサセル４２の出力変化パラメータと濃度差パラメータとに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定するようにした。これにより、仮に第１電圧切替から第２電圧切替にかけての期間において排気中の酸素濃度に変動が生じていても、センサセル４２の劣化状態を適正に判定することができる。

第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後におけるポンプセル出力差ΔＩｐｘを算出することで、第１電圧切替から第２電圧切替にかけての期間における排気中の酸素濃度の変動を適正に把握できる。これにより、センサセル４２の劣化状態を適正に判定することができる。

第１電圧切替から第２電圧切替にかけての異常判定期間において排気中の酸素濃度に変動が生じていない状況下では、第１電圧切替の実施前と第２電圧切替の実施後とでポンプセル印加電圧Ｖｐを同じにすることで、異常判定期間においてポンプセル電流Ｉｐやセンサセル電流Ｉｓが不変となる。この点、第１電圧切替の実施前のポンプセル印加電圧Ｖｐ０と、第２電圧切替の実施後のポンプセル印加電圧Ｖｐ２とを同じにしたため、ポンプセル電流Ｉｐやセンサセル電流Ｉｓに基づいて、排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度の変動の有無を適正に把握できる。

濃度差パラメータであるポンプセル出力差ΔＩｐｘに基づいて、センサセル４２の劣化判定が有効か無効かを判定する構成とした。具体的には、排気中の酸素濃度の濃度差が所定値以上であれば、センサセル４２の劣化判定を無効とした。これにより、センサセル４２の劣化状態を誤って判定することを抑制できる。

センサセル４２の劣化判定が有効でないと判定された場合に、第１電圧切替及び第２電圧切替を再度実施して、センサセル４２の劣化判定を再度実施する構成とした。こうしてセンサセル４２の劣化判定を再実施することで、前回の劣化判定が不適正であったとしても、適正なる劣化判定結果を得ることが可能となる。また、センサセル４２の劣化判定が有効である場合には、繰り返しの劣化判定（電圧切替）が不要となるため、劣化判定に要する時間の短縮化が可能となる。

排気中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度の少なくともいずれかについて単位時間当たりの変動量が所定以下である安定状態になっていることを判定し、その安定状態になっていると判定されたことを条件に、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え（第１電圧切替及び第２電圧切替の実施）を許可する構成とした。これにより、エンジン停止後において排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度が安定した状態下でセンサセル４２の劣化判定を実施することができ、判定精度の向上を図ることができる。

各ＳＣＵ３１〜３３が、第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における排気中の酸素濃度の濃度差が所定値未満であることを条件に、センサセル４２の劣化判定結果をエンジンＥＣＵ３５に対して送信する構成とした。これにより、エンジンＥＣＵ３５において精度の良いセンサセル４２の劣化判定結果に基づいて排気系異常診断を実施することが可能となり、異常診断の信頼性を高めることができる。

以下に、他の実施形態を、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

（第２実施形態）
第２実施形態では、劣化判定部Ｍ１４が、濃度差算出部Ｍ１３により算出された濃度差パラメータに基づいて、センサセル４２の劣化判定結果について補正を実施する。具体的には、ＳＣＵ３１〜３３は、上述の図７の劣化判定処理に代えて、図１０の劣化判定処理を実施する。図１０は、図７の一部を変更したものであり、図７と同じ処理については同じステップ番号を付している。

図１０では、ステップＳ２４で、濃度差パラメータとしてポンプセル出力差ΔＩｐｘ（ΔＩｐｘ＝Ｉｐ２−Ｉｐ０）を算出した後、ステップＳ４１に進む。そして、ステップＳ４１では、ステップＳ１７で算出した傾きＢ１１を用いて、センサセル４２の劣化率Ｃを算出する。劣化率Ｃの算出手順は、図７のステップＳ２６に準ずる。

その後、ステップＳ４２では、ポンプセル出力差ΔＩｐｘに基づいて劣化率Ｃを補正する。このとき、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが正の値であれば（すなわちＩｐ２＞Ｉｐ０であれば）、第１電圧切替から第２電圧切替までの間に排気中の酸素濃度が増加し、それに起因して、センサセル電流Ｉｓの応答変化の傾きが大きくなっていることが考えられる。そのため、酸素濃度の増加分を修正すべく、劣化率Ｃを小さくする側に補正する。逆に、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが負の値であれば（すなわちＩｐ２＜Ｉｐ０であれば）、第１電圧切替から第２電圧切替までの間に排気中の酸素濃度が減少し、それに起因して、センサセル電流Ｉｓの応答変化の傾きが小さくなっていることが考えられる。そのため、酸素濃度の減少分を修正すべく、劣化率Ｃを大きくする側に補正する。

具体的には、ＳＣＵ３１〜３３は、例えば図１１の関係を用い、ポンプセル出力差ΔＩｐｘに基づいて補正値ＫＣを算出し、その補正値ＫＣと劣化率Ｃとの積により、補正後の劣化率Ｃを算出する。図１１では、ΔＩｐｘ＝０の付近において補正値ＫＣをゼロにする不感領域Ｆを設けているが、その不感領域Ｆをなくすことも可能である。

なお、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが正の値である場合、及びポンプセル出力差ΔＩｐｘが負の値である場合のいずれか一方のみを想定する構成であってもよい。この場合、ステップＳ４２では、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが正の値であることを条件に劣化率Ｃを小さくする側に補正する処理と、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが負の値であることを条件に劣化率Ｃを大きくする側に補正する処理とのうちいずれか一方のみを実施する。

その後、ステップＳ４３では、センサセル４２の劣化率Ｃと、劣化率Ｃの補正情報とをエンジンＥＣＵ３５に対して送信する。このとき、ＳＣＵ３１〜３３は、補正情報として、濃度差情報であるポンプセル出力差ΔＩｐｘや、そのポンプセル出力差ΔＩｐｘに基づく補正値ＫＣの情報をエンジンＥＣＵ３５に対して送信する。

上述した本実施形態では、濃度差パラメータであるポンプセル出力差ΔＩｐｘに基づいて、センサセル４２の劣化率（劣化判定結果）の補正を実施するようにした。これにより、仮に第１電圧切替の実施前から第２電圧切替にかけての期間において排気中の酸素濃度に変動が生じていても、センサセル４２の劣化状態を適正に判定することができる。

ポンプセル出力差ΔＩｐｘが正の値である場合、すなわち第１電圧切替から第２電圧切替までの間に排気中の酸素濃度が増加した場合には、その酸素濃度の増加分を修正すべく、劣化率Ｃを小さくする側に補正する。また、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが負の値である場合、すなわち第１電圧切替から第２電圧切替までの間に排気中の酸素濃度が減少した場合には、その酸素濃度の減少分を修正すべく、劣化率Ｃを大きくする側に補正する構成とした。これにより、電圧切替サイクル内での排気中の酸素濃度の変化に対応させつつ適正に劣化率Ｃを算出することが可能となる。

各ＳＣＵ３１〜３３が、センサセル４２の劣化判定結果とその劣化判定に用いた濃度差情報とをエンジンＥＣＵ３５に対して送信する構成とした。これにより、エンジンＥＣＵ３５がセンサセル４２の劣化判定結果に基づき排気系異常診断を実施する場合において、その異常診断の適正化を実現できる。

なお、図７で説明したように、｜ΔＩｐｘ｜≧ＴＨである場合に、センサセル４２の劣化判定を無効にする一方で、｜ΔＩｐｘ｜＜ＴＨである場合に、ポンプセル出力差ΔＩｐｘに基づいて劣化率Ｃを補正する構成であってもよい。

（第３実施形態）
第３実施形態では、電圧切替部Ｍ１１が、第１電圧切替及び第２電圧切替からなる電圧切替サイクルを所定の時間間隔で複数回実施する。また、劣化判定部Ｍ１４が、複数回の電圧切替サイクルにおいてそれぞれ濃度差算出部Ｍ１３により算出された濃度差パラメータのうち濃度差が最も小さい電圧切替サイクルの出力変化パラメータに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定する。

具体的には、ＳＣＵ３１〜３３は、上述の図７の劣化判定処理に代えて、図１２の劣化判定処理を実施する。図１２は、図７の一部を変更したものであり、図７と同じ処理については同じステップ番号を付している。

図１２では、ステップＳ２４で、濃度差パラメータとしてポンプセル出力差ΔＩｐｘ（ΔＩｐｘ＝Ｉｐ２−Ｉｐ０）を算出した後、ステップＳ５１に進む。そして、ステップＳ５１では、第１電圧切替と第２電圧切替とからなる電圧切替サイクルをｎ回実施したか否かを判定する。ｎは２以上であり、例えばｎ＝２又はｎ＝３である。ステップＳ５１が否定される場合、ステップＳ１１に戻る。すなわち、ＳＣＵ３１〜３３は、第１電圧切替を再び実施して出力変化パラメータを取得するとともに（ステップＳ１２〜Ｓ１７）、その後、第２電圧切替を再び実施して濃度差パラメータを取得する（ステップＳ２２〜Ｓ２４）。

そして、ステップＳ５１が肯定されると、ステップＳ５２に進み、ｎ回の電圧切替サイクルのうち、ポンプセル出力差ΔＩｐｘ（濃度差）が最も小さい電圧切替サイクルを選択する。続くステップＳ５３では、ポンプセル出力差ΔＩｐｘが最も小さい電圧切替サイクルでの傾きＢ１１（出力変化パラメータ）を用いて、センサセル４２の劣化率Ｃを算出する。劣化率Ｃの算出手順は、図７のステップＳ２６に準ずる。

その後、ステップＳ５４では、センサセル４２の劣化率ＣをエンジンＥＣＵ３５に対して送信する。このとき、最終的に劣化率Ｃの算出に用いられた電圧切替サイクルの濃度差パラメータの情報が、劣化率Ｃと共にエンジンＥＣＵ３５に送信されてもよい。

上述した本実施形態では、複数回の電圧切替サイクルのうち、濃度差パラメータであるポンプセル出力差ΔＩｐｘが最も小さい電圧切替サイクルのセンサセル４２の出力変化パラメータに基づいて、センサセル４２の劣化状態を判定するようにした。これにより、いずれかの電圧切替サイクルにおいて第１電圧切替の実施前から第２電圧切替にかけて排気中の酸素濃度に変動が生じていても、その電圧切替サイクルでの判定結果を排除しつつ、センサセル４２の劣化状態を適正に判定することができる。

なお、３回以上の電圧切替サイクルを実施する場合には、例えば濃度差が最も小さい電圧切替サイクルでの出力変化パラメータと、２番目に濃度差が小さい電圧切替サイクルでの出力変化パラメータとを用いることも可能である。複数の電圧切替サイクルでの出力変化パラメータを用いる場合、例えば劣化率Ｃの平均値を最終的な劣化率Ｃにするとよい。要するに、濃度差が最も小さい電圧切替サイクルでの出力変化パラメータを用いて、センサセル４２の劣化状態を判定する構成であればよい。また、複数回（２回以上）の電圧切替サイクルを実施する場合において、濃度差が所定未満のものを全て用いる構成であってもよい。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・上記実施形態では、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え前後における酸素濃度差が所定以上である場合（ステップＳ２５において｜ΔＩｐｘ｜≧ＴＨである場合）に、その電圧切替サイクルで取得した出力変化パラメータに基づく劣化率Ｃの算出（劣化判定）を実施しないこととし、劣化率Ｃの算出を未実施とすることで劣化判定を無効化したが、これを変更してもよい。例えば、第１電圧切替を実施した場合にその電圧切替に伴い得られた出力変化パラメータに基づいて劣化率Ｃを算出し、その後、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え前後における酸素濃度差が所定以上であることを条件に、今回算出した劣化率Ｃを無効化する構成であってもよい。

・上記実施形態では、濃度差算出部Ｍ１３において、排気中の酸素濃度について第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における濃度差（ポンプセル出力差ΔＩｐｘ）を算出する構成としたが、これを変更してもよい。例えば、濃度差算出部Ｍ１３において、排気中のＮＯｘ濃度について第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における濃度差（センサセル出力差ΔＩｓｘ）を算出する構成としてもよい。この場合、ＳＣＵ３１〜３３は、第１電圧切替の実施前のセンサセル電流Ｉｓと第２電圧切替の実施後のセンサセル電流Ｉｓとの差によりセンサセル出力差ΔＩｓｘを算出する。そして、センサセル出力差ΔＩｓｘの絶対値が所定値未満であれば、センサセル４２の劣化判定を有効とし、センサセル出力差ΔＩｓｘの絶対値が所定値以上であれば、センサセル４２の劣化判定を無効とする。また、センサセル出力差ΔＩｓｘに基づいて、劣化率Ｃを補正するようにしてもよい。

・濃度差算出部Ｍ１３において、第１電圧切替の実施前及び第２電圧切替の実施後における酸素濃度差として、第１電圧切替の実施前のモニタセル電流Ｉｍと第２電圧切替の実施後のモニタセル電流Ｉｍとの差により、モニタセル出力差を算出する構成とすることも可能である。

・上記実施形態では、センサセル４２の劣化判定に際し、出力変化パラメータとして、第１電圧切替の実施に伴うセンサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ１１を算出し、その傾きＡ１１（詳しくは傾きＡ１１を正規化した傾きＢ１１）を用いて劣化判定を実施する構成としたが、これを変更してもよい。例えば、第２電圧切替の実施に伴うセンサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ２１を算出し、その傾きＡ２１を用いて劣化判定を実施する構成であってもよい。

また、出力変化パラメータとして、第１電圧切替の実施に伴うセンサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ１１と、第２電圧切替の実施に伴うセンサセル電流Ｉｓの過渡変化時の傾きＡ２１とを算出し、それらの傾きＡ１１，Ａ２１に基づいて、センサセル４２の劣化判定を実施する構成であってもよい。例えば、傾きＡ１１，Ａ２１のうち大きい方（又は小さい方）を用いて劣化判定を実施する。又は、傾きＡ１１，Ａ２１の平均値を用いて劣化判定を実施する。

・上記実施形態では、エンジン停止後等においてポンプセル電流Ｉｐやセンサセル電流Ｉｓの変化を監視することで、排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度について単位時間当たりの変動量が所定以下である安定状態であることを判定したが、これを変更してもよい。例えば、エンジン停止後の経過時間により、排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度が安定状態になったことを判定する構成としてもよい。この場合、ＳＣＵ３１〜３３は、エンジン停止（ＩＧオフ）からの経過時間を計測し、その経過時間が所定時間（例えば数分）になったことに基づいて、排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度が安定状態になったことを判定する。

・センサセル４２の劣化判定に際し、ポンプセル印加電圧Ｖｐをガス室６１内の酸素濃度を増やす側に切り替える場合（第１電圧切替を実施する場合）に、ポンプセル印加電圧Ｖｐをゼロ、すなわち電圧印加をしない状態に切り替える構成としてもよい。又は、ポンプセル印加電圧Ｖｐを負電圧に切り替える構成としてもよい。いずれにしても、印加電圧の切り替えに伴い、ガス室６１内の酸素濃度が増やされ、その際のセンサセル４２の過渡応答により劣化判定を実施できる。

・上記実施形態では、センサセル電流Ｉｓの「傾きパラメータ」として、センサセル電流Ｉｓの過渡期間において単位時間Δｔに対する電流変化量ΔＩｓにより、過渡変化の傾きを算出する構成としたが、これに代えて、所定時間内における電流変化量ΔＩｓを傾きパラメータとして用いてもよい。又は、所定の電流変化量が生じるのに要する時間幅を傾きパラメータとして用いてもよい。要は、傾きパラメータとして、センサセル電流Ｉｓの傾き、又はそれに相関する値が算出されるとよい。

・上記実施形態では、センサセル電流Ｉｓの傾きＡ１１を正規化して傾きＢ１１を算出し、その傾きＢ１１を用いて劣化率Ｃを算出する構成としたが、これを変更してもよい。例えば、傾きＡ１１を用いて劣化率Ｃを算出する構成であってもよい。

・センサセル４２の劣化率Ｃを、センサセル電流Ｉｓの傾き（傾きパラメータ）以外を用いて算出することも可能である。例えば、ポンプセル印加電圧Ｖｐの切り替え後にセンサセル電流Ｉｓの変化が収束した値をセンサセル電流変化量ΔＩｓとして算出し、その電流変化量ΔＩｓを用いてセンサセル４２の劣化率を算出してもよい。

・上記実施形態では、センサセル４２の劣化状態の判定として、センサセル４２の現在特性と初期特性との比である劣化率Ｃ（％）を算出する構成としたが、これに限定されない。例えば、センサセル４２の劣化判定パラメータとしてのセンサセル電流Ｉｓの傾きや、それに相関する値、センサセル電流Ｉｓの収束後の電流変化量ΔＩｓについて、初期値からの差を算出し、その差に基づいてセンサセル４２の劣化度合いを把握する構成でもよい。また、初期値との比較でなく、予め定めた標準値との比較であってもよい。「１００−劣化率Ｃ」となる指標により劣化度合いを判定する構成であってもよい。この場合、当該指標では、初期特性が１００％で表され、劣化が進むほど小さい値で表される。いずれにしろ、センサセル４２の特性変化に基づく劣化状態、すなわち劣化度合いが判定できるものであればよい。

・上記実施形態では、センサ素子４０が単一の固体電解質体５３と単一のガス室６１とを有する構成としたが、これを変更してもよい。例えば、センサ素子４０が、複数の固体電解質体５３と複数のガス室６１とを有し、ポンプセル４１及びセンサセル４２が、それぞれ別の固体電解質体５３であって、かつ別のガス室６１に面するように設けられる構成であってもよい。このような構成の一例を図１３に示す。

図１３に示すセンサ素子４０は、対向配置される２枚の固体電解質体５３ａ，５３ｂと、それら固体電解質体５３ａ，５３ｂの間に設けられるガス室６１ａ，６１ｂとを有している。ガス室６１ａは排気導入口５３ｃに通じ、ガス室６１ｂは絞り部７１を介してガス室６１ａに連通されている。ポンプセル４１は、一対の電極７２，７３を有し、そのうち一方の電極７２がガス室６１ａ内に露出するよう設けられている。センサセル４２は、対向配置される電極７４と共通電極７６とを有し、モニタセル４３は、対向配置される電極７５と共通電極７６とを有している。センサセル４２とモニタセル４３とは隣接して設けられている。それらの各セルにおいて一方の電極７４，７５はガス室６１ｂ内に露出するよう設けられている。このように、ポンプセル４１及びセンサセル４２がそれぞれ別のガス室６１ａ，６１ｂに設けられる構成においても、上記実施形態の劣化判定などの各機能を好適に実施することができる。

・ＮＯｘセンサ２１〜２３のセンサ素子４０として、ポンプセルとセンサセルとを有する２セル構造を有するものを用いることも可能である。

・検出対象の特定ガス成分がＮＯｘ以外であってもよい。例えば、排気中のＨＣやＣＯを検出対象とするガスセンサであってもよい。この場合、ポンプセルにて排気中の酸素を排出し、センサセルにて酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出するものであるとよい。その他、被検出ガス中のアンモニアの濃度を検出するものであってもよい。

・内燃機関の吸気通路に設けられるガスセンサや、ディーゼルエンジン以外にガソリンエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とするガスセンサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、排気以外のガスを被検出ガスとしてもよく、また、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。

２１〜２３…ＮＯｘセンサ（ガスセンサ）、３１〜３３…ＳＣＵ（ガスセンサ制御装置）、３５…エンジンＥＣＵ（ガスセンサ制御装置）、４１…ポンプセル、４２…センサセル、６１…ガス室。

Claims (12)

1. ガス室（６１）内に導入された被検出ガス中の酸素濃度を電圧印加により調整するポンプセル（４１）と、前記ポンプセルにより酸素濃度が調整された後の前記被検出ガスから特定ガス成分の濃度を検出するセンサセル（４２）とを有するガスセンサ（２１〜２３）に適用され、前記ガスセンサに関する制御を実施するガスセンサ制御装置（３１〜３３，３５）であって、
   前記ガス室内の酸素濃度を増やす側に前記ポンプセルの印加電圧（Ｖｐ）を切り替える第１電圧切替と、その第１電圧切替の実施後において、前記ガス室内の酸素濃度を減らす側に前記印加電圧を切り替える第２電圧切替とを実施する電圧切替部と、
   前記第１電圧切替が実施された状態及び前記第２電圧切替が実施された状態の少なくともいずれかにおいて、その電圧切替に応じた前記センサセルの出力変化を示す出力変化パラメータを算出する出力変化算出部と、
   前記被検出ガス中の酸素濃度又は前記特定ガス成分の濃度について前記第１電圧切替の実施前及び前記第２電圧切替の実施後における濃度差を示す濃度差パラメータを算出する濃度差算出部と、
   前記出力変化算出部により算出された前記出力変化パラメータと、前記濃度差算出部により算出された前記濃度差パラメータとに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する劣化判定部と、
   を備えるガスセンサ制御装置。
2. 前記濃度差算出部は、前記濃度差パラメータとして、前記第１電圧切替の実施前及び前記第２電圧切替の実施後における前記ポンプセルの出力差又は前記センサセルの出力差を算出し、
   前記劣化判定部は、前記出力変化算出部により算出された前記出力変化パラメータと、前記濃度差算出部により算出された前記ポンプセルの出力差又は前記センサセルの出力差とに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記電圧切替部は、前記第２電圧切替の実施時に、前記ポンプセルの印加電圧を、前記第１電圧切替の実施前における前記ポンプセルの印加電圧と同じ電圧とする請求項２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記劣化判定部は、前記濃度差算出部により算出された前記濃度差パラメータに基づいて、前記センサセルの劣化判定が有効であるか否かを判定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記劣化判定部は、前記センサセルの劣化判定が有効でないと判定した場合に、前記電圧切替部により前記第１電圧切替及び前記第２電圧切替を再度行わせ、その再度の電圧切替に際し、前記出力変化算出部により算出された前記出力変化パラメータと、前記濃度差算出部により算出された前記濃度差パラメータとに基づいて、前記センサセルの劣化状態を再判定する請求項４に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記劣化判定部は、前記濃度差算出部により算出された前記濃度差パラメータに基づいて、前記センサセルの劣化判定結果について補正を実施する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記劣化判定部は、前記濃度差パラメータが、前記第２電圧切替の実施後において前記第１電圧切替の実施前よりも前記酸素濃度又は前記特定ガス成分の濃度が増加したものに相当する場合、前記センサセルの劣化判定結果を、劣化度合いが小さくなる側に補正する請求項６に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記劣化判定部は、前記濃度差パラメータが、前記第２電圧切替の実施後において前記第１電圧切替の実施前よりも前記酸素濃度又は前記特定ガス成分の濃度が減少したものに相当する場合、前記センサセルの劣化判定結果を、劣化度合いが大きくなる側に補正する請求項６又は７に記載のガスセンサ制御装置。
9. 前記電圧切替部は、前記第１電圧切替及び前記第２電圧切替からなる電圧切替サイクルを所定の時間間隔で複数回実施するものであり、
   前記劣化判定部は、複数回の前記電圧切替サイクルにおいてそれぞれ前記濃度差算出部により算出された前記濃度差パラメータのうち前記濃度差が最も小さい前記電圧切替サイクルの前記出力変化パラメータに基づいて、前記センサセルの劣化状態を判定する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
10. 前記被検出ガス中の酸素濃度及び前記特定ガス成分の濃度の少なくともいずれかについて単位時間当たりの変動量が所定以下である安定状態になっていることを判定する変動判定部と、
    前記安定状態になっていると判定されたことを条件に、前記電圧切替部による前記第１電圧切替の実施及び前記第２電圧切替の実施をそれぞれ許可する許可部と、
    を備える請求項１乃至９のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
11. 前記ガスセンサは、内燃機関（１０）から排出される排気を前記被検出ガスとして排気中の前記特定ガス成分の濃度を検出する排気センサであり、
    前記内燃機関の制御、又は前記内燃機関の排気系に関する制御を実施するエンジン制御装置（３５）との通信が可能になっているガスセンサ制御装置であって、
    前記濃度差算出部により算出された前記濃度差パラメータが、前記濃度差が所定値未満であるものに相当することを条件に、前記劣化判定部の判定結果を前記エンジン制御装置に送信する情報送信部を備える請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
12. 前記ガスセンサは、内燃機関（１０）から排出される排気を前記被検出ガスとして排気中の前記特定ガス成分の濃度を検出する排気センサであり、
    前記内燃機関の制御、又は前記内燃機関の排気系に関する制御を実施するエンジン制御装置（３５）との通信が可能になっているガスセンサ制御装置であって、
    前記劣化判定部の判定結果と、前記濃度差算出部により算出された前記濃度差パラメータの情報とを前記エンジン制御装置に送信する情報送信部を備える請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。

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