ガス濃度検出装置
【課題】ガス濃度検知セルによりガス濃度を高精度に検出し始める時期に的確に活性判定を行うことが可能なガス濃度検出装置を提供する。
【解決手段】酸素ポンプセルにより余剰酸素を排出した後にＮＯｘセンサセルによりＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出装置において、時刻ｔ０に暖機を開始すると、時刻ｔ１からＮＯｘセンサセル出力（Ｌｓ）が立ち上がり、時刻ｔ２から酸素ポンプセル出力（Ｌｐ）が立ち上がる。ＮＯｘセンサセル出力に現れる変曲点を特定する。そして、この変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサセルの活性判定を行う。
【解決手段】酸素ポンプセルにより余剰酸素を排出した後にＮＯｘセンサセルによりＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出装置において、時刻ｔ０に暖機を開始すると、時刻ｔ１からＮＯｘセンサセル出力（Ｌｓ）が立ち上がり、時刻ｔ２から酸素ポンプセル出力（Ｌｐ）が立ち上がる。ＮＯｘセンサセル出力に現れる変曲点を特定する。そして、この変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサセルの活性判定を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排出される排ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、余剰酸素排出後のガス中の特定成分の濃度を検出するセンサセルとを備えたガス濃度検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１のガス濃度検出装置によれば、酸素ポンプセルに流れる電流値に基づいて、センサセルに流れる電流値が補正される。これにより、被検出ガス中の酸素濃度が変化しても高精度に濃度検出を行うことができる。
【０００３】
また、酸素ポンプセルやセンサセルは固体電解質からなる素子を有している。かかる固体電解質からなる素子を用いたガス濃度検出装置では、素子温度を所定の活性温度に加熱する必要がある。素子抵抗（素子インピーダンス）を検出し、検出した素子抵抗と目標値との偏差に基づいてヒータの通電を制御する装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２の装置によれば、ヒータ電力に基づき素子抵抗の目標値を補正することで、素子温度を所望の温度に保持することができる。
【０００４】
また、素子インピーダンスに基づき、ガス濃度センサの活性判定を行う装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１６１８０号公報
【特許文献２】特開２００３−５０２２７号公報
【特許文献３】特開２００４−１７７１７９号公報
【特許文献４】特開２００５−９１２２８号公報
【特許文献５】特開２００１−１４１６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、エミッション低減のため、ガス濃度センサの早期活性化が要求されている。
しかしながら、上記特許文献３においてセンサ活性判定の指標とされる素子インピーダンス等は、センサ個体差がある。このため、ガス濃度検知セルによりガス濃度を高精度に検出し始める時期に的確にセンサ活性判定を行うことができない可能性がある。また、ガス濃度センサの早期活性化を実現できない場合がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス濃度検知セルによりガス濃度を高精度に検出し始める時期に的確に活性判定を行うことが可能なガス濃度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガス濃度検出装置であって、
被測定ガス中の余剰酸素を除去する余剰酸素除去手段と、
前記余剰酸素除去手段により余剰酸素が除去された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知するガス濃度検知セルと、
前記余剰酸素除去手段及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の除去中に、前記ガス濃度検知セルにより検知された特定ガス成分の濃度に変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、ガス濃度検出装置であって、
電圧印加に伴って被測定ガス中の余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、
前記酸素ポンプセルにより余剰酸素が排出された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知し、該濃度に応じた電流値を出力するガス濃度検知セルと、
前記酸素ポンプセル及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の排出中に、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記取得手段は、所定時間毎に前記ガス濃度検知セルの出力の変化量を算出する変化量算出手段と、該変化量算出手段により算出された変化量と基準値との比較結果に基づいて前記変曲点を特定する変曲点特定手段とを有し、該変曲点特定手段により特定された変曲点が現れる時期を取得することを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第２の発明において、
前記取得手段は、所定時間毎に前記ガス濃度検知セルの出力の変化量を算出する変化量算出手段と、該変化量算出手段により算出された変化量の変化に基づいて前記変曲点を特定する変曲点特定手段とを有し、該変曲点特定手段により特定された変曲点が現れる時期を取得することを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第３又は第４の発明において、
前記取得手段は、前記ガス濃度検知セルの出力が基準値以下になった時期を、前記変曲点が現れる時期として取得することを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第２の発明において、
前記酸素ポンプセルは、排出する余剰酸素量に応じた電流値を出力するものであり、
前記取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記酸素ポンプセルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とする。
【００１４】
また、第７の発明は、第６の発明において、
前記取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力に変曲点が現れる時期を取得し、該取得された時期に基づいて前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とする。
【００１５】
また、第８の発明は、第２の発明において、
前記被測定ガスの空燃比に応じた電流値を出力する空燃比検知セルを更に備え、
前記取得手段は、前記空燃比検知セルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記空燃比検知セルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明では、余剰酸素除去手段及びガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素除去中に、ガス濃度検知セルにより検知された濃度に変曲点が現れる時期が、ガス濃度検知セルの活性時期と判定される。この変曲点は、暖機前から残存する酸素が除去されたときに現れる。第１の発明によれば、一般的なセンサ活性（本活性）の判定と異なり、残存酸素の影響を受けることなく特定ガス成分の濃度をガス濃度検知セルにより検出し始める時期をもって、ガス濃度検知セルが活性状態であると判定される。従って、暖機前から残存する酸素の影響を受けずに特定ガス成分の濃度をガス濃度検知セルにより高精度に検知し始める時期に、ガス濃度検知セルの活性判定を精度良く行うことができる。よって、ガス濃度検知セルの早期活性化を最大限に実現することができる。
【００１７】
第２の発明では、酸素ポンプセルとガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素排出中に、ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期が、ガス濃度検知セルの活性時期と判定される。この変曲点は、暖機前から存在する酸素が除去されたときに現れる。第２の発明によれば、一般的なセンサ活性（本活性）の判定と異なり、残存酸素の影響を受けることなく特定ガス成分の濃度をガス濃度検知セルにより検出し始める時期をもって、ガス濃度検知セルが活性状態であると判定される。従って、暖機前から残存する酸素の影響を受けずに特定ガス成分の濃度を検知し始める時期に、ガス濃度検知セルの活性判定を精度良く行うことができる。よって、ガス濃度検知セルの早期活性化を最大限に実現することができる。
【００１８】
第３の発明では、所定時間毎にガス濃度検知セル出力の変化量が算出され、算出された変化量と基準値との比較結果に基づいて変曲点が特定される。よって、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に取得することができる。
【００１９】
第４の発明では、所定時間毎にガス濃度検知セル出力の変化量が算出され、変化量の変化に基づいて変曲点が特定される。よって、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に取得することができる。
【００２０】
第５の発明では、ガス濃度検知セル出力が基準値以下になった時期が、変曲点が現れる時期として取得される。ここで、ガス濃度検知セル出力が基準値以下になるためには、暖機前から残存する酸素が排出されている必要がある。よって、ガス濃度検知セル出力が基準値以下になったときは、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度良く検出可能である。よって、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に取得することができる。
【００２１】
第６の発明では、酸素ポンプセル出力とガス濃度検知セル出力との相関関係を考慮して、酸素ポンプセル出力の変化に基づいてガス濃度検知セル出力に変曲点が現れる時期が推定される。これにより、ガス濃度検知セルが特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができる。
【００２２】
第７の発明では、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期が取得され、取得された時期に基づいてガス濃度検知セル出力に変曲点が現れる時期が推定される。酸素ポンプセル出力の変曲点とガス濃度検知セル出力の変曲点との間には相関関係があるため、ガス濃度検知セルが特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができる。
【００２３】
第８の発明では、空燃比検知セル出力とガス濃度検知セル出力との相関関係を考慮して、空燃比検知セル出力の変化に基づいてガス濃度検知セル出力に変曲点が現れる時期が推定される。これにより、ガス濃度検知セルが特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。図１に示すガス濃度検出装置１０は、例えば、エンジンから排出された排ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）の濃度を検出するＮＯｘ濃度検出装置である。
【００２６】
ガス濃度検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１を有している。ＮＯｘセンサ１は、酸素ポンプセル２の下方に、スペーサ３、ＮＯｘセンサセル４、スペーサ５、ヒータ６を順次積層することにより形成されている。
【００２７】
酸素ポンプセル２は、被測定ガス中の余剰酸素を除去する機能のみを有し、固体電解質体２１と一対のポンプ電極２２，２３とを有している。素子である固体電解質体２１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ２，ＨｆＯ２，ＴｈＯ２，ＢｉＯ３等である。この固体電解質体２１を上下から挟むポンプ電極２２，２３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
【００２８】
固体電解質体２１表面に形成された第１ポンプ電極２２は、被測定ガスである排ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に露出している。該第１ポンプ電極２２として、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００２９】
一方、第１ポンプ電極２２と対向するように固体電解質体２１裏面に形成された第２ポンプ電極２３は、後述する第１内部空間３１に露出している。該第２ポンプ電極２３として、ＮＯｘガスに対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金とジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００３０】
酸素ポンプセル２には、固体電解質体２１とポンプ電極２２，２３を貫通する導入孔としてのピンホール２４が形成されている。ピンホール２４の孔径は、ピンホール２４を介して第１内部空間３１（後述）に導入される排ガスの拡散速度が所定速度となるように設計されている。第１内部空間３１は、ピンホール２４と保護層７とを介して、被測定ガスが存在する空間に連通している。
【００３１】
また、ピンホール２４を含む第１ポンプ電極２２表面とその周辺の固体電解質体２１とを覆うように、多孔質保護層７が形成されている。多孔質保護層７は、例えば、多孔質アルミナ等により形成することができる。この多孔質保護層７により、第１ポンプ電極２２の被毒を防止することができると共に、排ガスに含まれるスス等によるピンホール２４の目詰まりを防止することができる。
【００３２】
スペーサ３には、上述した第１内部空間３１と、第２内部空間３２とが形成されている。スペーサ３は、例えば、アルミナ等により形成することができる。２つの内部空間３１，３２は、連通孔３３を介して連通している。これらの内部空間３１，３２及び連通孔３３は、スペーサ３に抜き穴を設けることにより形成することができる。
【００３３】
ＮＯｘセンサセル４は、ＮＯｘの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出するものである。ＮＯｘセンサセル４は、固体電解質体４１と、該固体電解質体４１を上下から挟む一対の検出電極４２，４３とを有している。これらの検出電極４２，４３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
【００３４】
固体電解質体４１表面に形成された第１検出電極４２は、第２内部空間３２に露出している。この第１検出電極４２として、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ合金とジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００３５】
一方、第１検出電極４２と対向するように、固体電解質体４１裏面に形成された第２検出電極４３は、スペーサ５に形成された大気ダクト５１に露出している。大気ダクト５１には、大気が導入される。この第２検出電極４３として、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。大気ダクト５１は、スペーサ５に切り欠きを設けることにより形成することができる。
【００３６】
ヒータ６は、シート状の絶縁層６２，６３と、これらの絶縁層６２，６３間に埋設されたヒータ電極６１とを有している。絶縁層６２，６３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより形成される。ヒータ電極６１は、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットにより形成される。
【００３７】
本実施の形態１のガス濃度検出装置１０は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）８を備えている。ＥＣＵ８は、ポンプセル制御手段８１と、センサセル制御手段８２と、ヒータ制御手段８３とを有している。このＥＣＵ８は、エンジン制御用ＥＣＵと別個に構成されてもよく、エンジン制御用ＥＣＵの一部として構成されてもよい。
【００３８】
ポンプセル制御手段８１は、酸素ポンプセル２の第１及び第２ポンプ電極２２，２３に接続されている。ポンプセル制御手段８１は、第１及び第２ポンプ電極２２，２３に電圧を印加すると共に、酸素ポンプセル２に流れる電流値を「酸素ポンプセル出力」として検出するものである。
【００３９】
センサセル制御手段８２は、ＮＯｘセンサセル４の第１及び第２検出電極４２，４３に接続されている。センサセル制御手段８２は、第１及び第２検出電極４２，４３に電圧を印加すると共に、ＮＯｘセンサセル４に流れる電流値を「ＮＯｘセンサセル出力」として検出するものである。
ヒータ制御手段８３は、ヒータ電極６１に接続されている。ヒータ制御手段８３は、ヒータ電極６１に電力を供給するものである。
【００４０】
次に、上記ガス濃度検出装置１０の動作について説明する。
保護層７上方の空間には、エンジン排気通路を流れる被測定ガスとしての排ガスが存在している。この排ガス中には、酸素、ＮＯｘ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等が含まれている。排ガスは、保護層７とピンホール２４を介して、第１内部空間３１に導入される。この第１内部空間３１に導入される排ガス量は、保護層７とピンホール２４の拡散抵抗により決まる。
【００４１】
そして、ポンプセル制御手段８１から第１及び第２ポンプ電極２２，２３にそれぞれ正電圧及び負電圧が印加されると、第１内部空間３１に露出する第２ポンプ電極２３上で、残存酸素と排ガス中の酸素が酸素イオンＯ２−に還元される。この酸素イオン２−は、ポンピング作用により固体電解質体２１を透過して第１ポンプ電極２２側に排出される。このとき、酸素ポンプセル２を流れる電流値が、酸素ポンプセル出力としてポンプセル制御手段８１により検出される。酸素ポンプセル２により余剰酸素が排出されることで、排ガス中の酸素濃度がＮＯｘセンサセル４によるＮＯｘ濃度検出に影響しない程度にまで低くされる。
【００４２】
余剰酸素が除去され低酸素濃度にされた排ガスは、連通孔３３を介して第２内部空間３２に導入される。そして、センサセル制御手段８２から第１検出電極４２と第２検出電極４３の間に所定電圧が印加されると、残存酸素と排ガス中の特定成分であるＮＯｘが第１検出電極４２上で分解され酸素イオンＯ２−が発生する。ＮＯｘは一旦ＮＯに分解（単ガス化）された後、さらに酸素イオンＯ２−に分解される。酸素イオンＯ２−は、固体電解質体４１を透過して、第２検出電極４３から大気ダクト５１に排出される。このとき、ＮＯｘセンサセル４を流れる電流値が、ＮＯｘセンサセル出力としてセンサセル制御手段８２により検出される。
【００４３】
また、固体電解質体２１，４１を活性温度に加熱するために、ヒータ制御手段８３からヒータ電極６１に電力が供給されている。
【００４４】
［実施の形態１の特徴］
ところで、エミッションを低減するため、ＮＯｘセンサ１を早期に活性化させる要求がある。すなわち、早期にＮＯｘセンサ１のＮＯｘセンサセル４を活性判定し、ＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いるという要求がある。ＮＯｘセンサ１の早期活性化を実現するためには、ＮＯｘセンサ１の状態を迅速かつ高精度に把握することが重要である。
【００４５】
ここで、上記ＮＯｘセンサ１のように、固体電解質体からなる素子を用いたＮＯｘセンサでは、正常な特性を得るために、ヒータへ通電することにより素子温度を所定の活性温度に加熱する必要がある。
既述した特許文献３の装置によれば、素子インピーダンスに基づいて活性判定が行われる。その他に、ヒータへの供給電力やヒータ抵抗等に基づき、ガス濃度センサの活性判定を行う装置が知られている。
【００４６】
しかしながら、素子インピーダンスやヒータ供給電力やヒータ抵抗等は、センサ個体間でのバラツキ（すなわち、センサ個体差）がある。このため、素子インピーダンス等に基づき、センサの状態を迅速かつ高精度に把握することは難しい。素子インピーダンス等に基づきセンサの活性判定を早期に行うと、活性判定後にＮＯｘセンサセルが残存酸素の影響を受けながらＮＯｘ濃度を検知する事態が生じ得る。すなわち、活性判定後にも関わらず、ＮＯｘセンサセル出力の精度が低いという事態が生じ得る。そうすると、エミッション低減効果が不十分となってしまう可能性がある。さらに、素子インピーダンス等に基づきガス濃度センサの活性判定を行う手法では、センサ個体差の影響を受けるため、各センサで早期活性化を最大限に実現することは困難である。
【００４７】
そこで、本実施の形態１では、以下に説明するように、ＮＯｘセンサ１の状態を精度良く把握し、ＮＯｘセンサ１の活性判定を早期かつ高精度に行うようにする。
図２は、ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力の変化とＮＯｘセンサセル出力の変化を示す図である。図２における破線Ｌｐは酸素ポンプセル出力の変化を、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を、それぞれ示している。
【００４８】
図２における時刻ｔ０において、エンジン始動に伴い、ＮＯｘセンサ１の暖機が開始される。すなわち、ヒータ制御手段８３からヒータ電極６１への通電が開始される。かかる通電により、酸素ポンプセル２及びＮＯｘセンサセル４の温度、すなわち、固体電解質体２１，４１の温度が徐々に上昇する。この時刻ｔ０において、酸素ポンプセル２近傍の第１内部空間３１と、ＮＯｘセンサセル４近傍の第２内部空間３２には、大気中の酸素が残存している。
ＮＯｘセンサ１の暖機は、エンジン始動時以外にも、所定時間以上（長時間）の燃料カットからの復帰時に行われる場合がある。なお、長時間の燃料カットからの復帰時であっても、ＮＯｘセンサ１の暖機が行われない場合もある。
【００４９】
その後、時刻ｔ１において、ＮＯｘセンサセル４の固体電解質体４１の温度が所定温度に達すると、ＮＯｘセンサセル出力が得られる。この時刻ｔ１以降、ＮＯｘセンサセル４（固体電解質体４１）の活性度が上がるに連れ、ＮＯｘセンサセル出力は上昇する。これは、ＮＯｘセンサセル４近傍の第２内部空間３２に導入されたＮＯｘが第１検出電極４２上で分解されるのではなく、第２内部空間３２に残存する酸素が第１検出電極４２上で分解されるためである。その後、時刻ｔ３において、ＮＯｘセンサセル出力が上限値に達する。すなわち、ＮＯｘセンサセル４により検出可能な酸素濃度の上限値に達する。
【００５０】
また、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において、酸素ポンプセル２の固体電解質体２１の温度が所定温度に達すると、酸素ポンプセル出力が得られる。この時刻ｔ２以降、酸素ポンプセル２（固体電解質体２１）の活性度が上がるに連れて、酸素ポンプセル２近傍の第１内部空間３１に残存する酸素の排出量が増加する。このため、酸素ポンプセル出力は上昇する。
【００５１】
酸素ポンプセル２の活性度が上がるに連れ、第１内部空間３１からの酸素の排出量が多くなる。さらに、第１内部空間３１に導入される排ガス量が多くなる。そうすると、第１内部空間３１における残存酸素濃度が低くなり、第１内部空間３１から第２内部空間３２に供給される酸素量も少なくなる。よって、酸素ポンプセル２の活性度が上がるに連れ、第２内部空間３２における残存酸素濃度が徐々に低くなる。その結果、時刻ｔ４以降、ＮＯｘセンサセル出力が低下する。
【００５２】
その後、第２内部空間３２における残存酸素が除去される時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ出力に変曲点が現れる。すなわち、時刻ｔ５の前後において、ＮＯｘセンサセル出力のカーブが大きく変わる。この変曲点が現れる前のＮＯｘセンサ出力は、第２内部空間３２に残存する酸素濃度の影響、すなわち、酸素ポンプセル２の活性度の影響が支配的である。一方、変曲点が現れた後のＮＯｘセンサ出力は、第２内部空間３２のＮＯｘ濃度及びＮＯｘセンサセル４の第１検出電極４２に吸着された酸素濃度、すなわち、ＮＯｘセンサセル４の活性度の影響を受ける。これより、変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１の暖機前に第１及び第２内部空間３１，３２に残存していた酸素が除去されたことを把握することができる。従って、変曲点が現れた時刻ｔ５以降は、残存酸素の影響を受けることなく、ＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を精度良く検出することができる。
【００５３】
そこで、本実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行う。ここで、本発明におけるＮＯｘセンサ１の活性判定は、一般的なセンサ活性（本活性）とは異なるものである。本発明では、残存酸素の影響がないＮＯｘセンサ出力を検出し始めた時点、すなわち、残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いることができるようになった時点をもって「活性状態」とする（以下同様）。このように、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出し始める時刻ｔ５に、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことで、ＮＯｘセンサ１の早期活性化の要求を最大限満たすことができる。
【００５４】
以下、図３〜図５を参照して、上記変曲点を特定する方法について説明する。
図３は、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第１の方法を説明するための図である。
先ず、所定間隔毎にＮＯｘセンサセル出力Ｎを取得すると共に、各時刻においてＮＯｘセンサセル出力の変化量ΔＮを算出する。ここで、時刻ｔにおける変化量ΔＮ（ｔ）は、次式(1)に従って算出される。そして、この算出された変化量ΔＮ（ｔ）が所定の基準値ΔＮｔｈよりも小さくなったとき、その時刻ｔでのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する。
ΔN(t)=N(t-1)-N(t)・・・(1)
図３に示す例では、時刻ｔ１０から時刻ｔ１４までの間、ＮＯｘセンサセル出力Ｎは減少している。このため、各時刻ｔ１１〜時刻ｔ１４において上式(1)により算出された変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１４）は、全て正の値をとる。変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１３）は予め定められた基準値ΔＮｔｈ以上であるが、変化量ΔＮ（ｔ１４）は基準値ΔＮｔｈよりも小さい。このため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が、変曲点と特定される。よって、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れた時刻ｔ１４に、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。
【００５５】
図４は、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第２の方法を説明するための図である。
図４に示す例では、時刻ｔ１０から時刻ｔ１３までの間は、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが減少している。これに対し、時刻ｔ１３以降は、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが増加している。ここで、各時刻ｔ１１〜時刻ｔ１３において算出された変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１３）は基準値ΔＮｔｈ以上である。このため、図４に示す例では、図３に示したような変曲点が特定される前に、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが増加に転じている。かかるＮＯｘセンサセル出力の変化は、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加した場合に生じる。図４に示す例では、時刻ｔ１３以降の排ガス中のＮＯｘ濃度の増加をＮＯｘセンサセル４により検出できているため、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができる。ここで、時刻ｔ１３のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１３）よりも時刻ｔ１４のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が大きいため、変化量ΔＮ（ｔ１４）は負の値をとり、上記基準値ΔＮｔｈよりも小さくなる。よって、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が変曲点とみなされ、時刻ｔ１４にＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。
【００５６】
ところで、変化量ΔＮが負であるだけでは、例えば、図２における時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間に見られるＮＯｘセンサセル出力Ｎの立ち上がりを、ＮＯｘセンサ１の活性であると誤判定してしまう虞がある。この対策としては、前回（前の時刻）の変化量ΔＮが正であるかを確認すればよい。図４に示す例では、時刻ｔ１４よりも前の時刻ｔ１３に算出された変化量ΔＮ（ｔ１３）が正であるため、時刻ｔ１４にＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。
【００５７】
図５は、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第３の方法を説明するための図である。
図５に示す例では、時刻ｔ１０以降、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが減少している。ここで、各時刻ｔ１１〜時刻ｔ１３において算出された変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１３）は基準値Ｎｔｈよりも大きい。このため、図５に示す例では、図３に示したような変曲点が特定される前に、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが低下している。かかるＮＯｘセンサセル出力の変化は、ＮＯｘセンサセル４の活性化が早い場合に生じる。ＮＯｘセンサセル出力が基準値Ｎｔｈよりも小さくなる前提としては、ＮＯｘセンサ１の暖機前から残存する酸素が除去される必要がある。よって、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検知可能である。このため、基準値Ｎｔｈよりも小さくなる時刻ｔ１３のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１３）が変曲点とみなされ、時刻ｔ１３にＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。
【００５８】
［実施の形態１における具体的処理］
図６は、本実施の形態１において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定間隔毎に起動するものである。この所定間隔は、例えば、図３に示す時刻ｔ１０〜時刻ｔ１１の間隔，時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の間隔等に対応する。
【００５９】
図６に示すルーチンによれば、先ず、ＮＯｘセンサ１が暖機中であるか否かを判別する（ステップ１００）。このステップ１００では、ＮＯｘセンサ１の暖機が行われるエンジン始動時若しくは長時間の燃料カットからの復帰時であるか否かが判別される。このステップ１００でＮＯｘセンサ１が暖機中ではないと判別された場合には、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力が得られないため、本ルーチンを一旦終了する。
【００６０】
上記ステップ１００でＮＯｘセンサ１が暖機中であると判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を取得する（ステップ１０２）。そして、上記ステップ１０２で取得されたＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を用いて、上式(1)に従って変化量ΔＮ（ｔ）を算出する（ステップ１０４）。その後、上記ステップ１０４で算出された変化量ΔＮ（ｔ）がゼロよりも大きいか（すなわち、変化量ΔＮ（ｔ）が正の値であるか）否かを判別する（ステップ１０６）。このステップ１０６では、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも小さいか否かが判別される。
【００６１】
上記ステップ１０６で変化量ΔＮ（ｔ）がゼロよりも大きいと判別された場合には、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも小さいと判断される。この場合、変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいか否かを続いて判別する（ステップ１０８）。このステップ１０８で変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈ以上であると判別された場合には、ＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ）が基準値Ｎｔｈよりも小さいか否かを判別する（ステップ１１６）。
【００６２】
上記ステップ１１６でＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ）が基準値Ｎｔｈ以上であると判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに未だ変曲点が現れていないと判断して、本ルーチンを一旦終了する。一方、上記ステップ１１６でＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ）が基準値Ｎｔｈよりも小さいと判別された場合には、下記のステップ１１０に移行する。図５に示す例では、ＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ１３）が基準値Ｎｔｈよりも小さいため、このＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ１３）が変曲点とみなされる。
【００６３】
上記ステップ１０８で変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいと判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する（ステップ１１０）。図３に示す例では、変化量ΔＮ（ｔ１４）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が変曲点と特定される。そして、変曲点が現れた時期を、ＮＯｘセンサセル４の活性時期であると判定する（ステップ１１２）。このステップ１１２では、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。その後、本ルーチンを終了する。
【００６４】
上記ステップ１０６で変化量ΔＮ（ｔ）がゼロ以下であると判別された場合には、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）以上であると判断される。この場合、前回の変化量ΔＮ（ｔ−１）がゼロよりも大きいか否か、すなわち、前々回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−２）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも大きいか否かを判別する（ステップ１１４）。このステップ１１４で前回の変化量ΔＮ（ｔ−１）がゼロ以下であると判別された場合には、例えば、図２に示す時刻ｔ１〜時刻ｔ３において見られるように、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが上限値に向けて立ち上がっている状態であると判断される。よって、ＮＯｘセンサセル出力に未だ変曲点が現れていないと判断して、本ルーチンを一旦終了する。
【００６５】
一方、上記ステップ１１４で前回の変化量ΔＮ（ｔ−１）がゼロよりも大きいと判別された場合には、前々回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−２）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも大きいと判断される。この場合、排ガス中のＮＯｘ濃度の増加が今回検出されたと判断され、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する（ステップ１１０）。図４に示す例では、時刻ｔ１４での変化量ΔＮ（ｔ１４）がゼロ以下であり、時刻ｔ１３での変化量ΔＮ（ｔ１３）がゼロよりも大きいため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が変曲点として特定される。その後、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行い（ステップ１１２）、本ルーチンを終了する。
【００６６】
以上説明したように、本実施の形態１のＮＯｘセンサ１は、酸素ポンプセル２により残存酸素を排出した後にＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を検出する構成を有している。このため、ＮＯｘセンサ１の暖機中は、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力の変化が得られる。換言すれば、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４の活性度の差（活性差）により、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力の変化が得られる。このＮＯｘセンサセル出力に現れる変曲点は、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出可能となったことを示している。本実施の形態１では、一般的なセンサ活性（本活性）判定とは異なり、この変曲点が現れる時期に、ＮＯｘセンサ１が活性状態であると判定される。すなわち、センサ個体差を有する素子インピーダンス等ではなく、センサ個体差とは無関係にＮＯｘセンサセル出力に現れる変曲点に基づいてＮＯｘセンサ１の活性判定が精度良く行われる。このため、ＮＯｘセンサ１の早期活性を最大限に実現することができると共に、高精度のＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いることでエミッション低減の要求を十分に満たすことができる。
【００６７】
尚、本実施の形態１においては、酸素ポンプセル２が第１の発明における「余剰酸素除去手段」及び第２の発明における「酸素ポンプセル」に、ＮＯｘセンサセル４が第１の発明における「ガス濃度検知セル」に、それぞれ相当する。
また、本実施の形態１においては、ＥＣＵ８が、ステップ１０４の処理を実行することにより第３及び第４の発明における「変化量算出手段」が、ステップ１０８，１１０の処理を実行することにより第３の発明における「変曲点特定手段」が、ステップ１０６，１１４，１１０の処理を実行することにより第４の発明における「変曲点特定手段」が、ステップ１１６，１１０の処理を実行することにより第５の発明における「取得手段」が、それぞれ実現されている。
【００６８】
実施の形態２．
次に、図７から図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態２のガス濃度検出装置は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ８に、後述する図９に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００６９】
［実施の形態２の特徴］
上記実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力の変化量ΔＮ（ｔ）と基準値ΔＮｔｈとの比較結果等に基づいて変曲点を特定し、該変曲点が現れる時期にＮＯｘセンサ１の活性判定を行った。
【００７０】
ところで、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４とは同様の構成を有しており、共にセル内を酸素イオンＯ２−が流れるときの電流値を出力している。よって、酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との間には、相関関係がある。
そこで、本実施の形態２では、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定するために、かかる相関関係を利用する。
【００７１】
図７は、ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。図７における破線Ｌｐは酸素ポンプセル出力の変化を示し、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を示している。
図７に示すように、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点だけでなく、酸素ポンプセル出力にも変曲点が現れる。この酸素ポンプセル出力の変曲点は、第１内部空間３１に残存する酸素が排出されたときに現れる。本発明者は、酸素ポンプセル出力の変化と、ＮＯｘセンサセル出力の変化との間には相関関係があることを見いだした。換言すれば、酸素ポンプセル出力の変曲点が現れる時刻２１と、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点が現れる時刻ｔ２２との間には、相関関係があることを見いだした。
【００７２】
ここで、両時刻ｔ２１，ｔ２２の差Δｔｎは、実験等により予め求めておき、ＥＣＵ８内に記憶させておくことができる。よって、後述する方法により酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期を特定することができれば、その特定された変曲点の時期に予め求めた差Δｔｎを加算することで、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時期を推定することができる。
【００７３】
次に、図８を参照して、酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法について説明する。図８は、酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法は、上記実施の形態１で説明したＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する方法の一部を適用することができる。
【００７４】
先ず、所定間隔毎に、酸素ポンプセル出力Ｐを取得すると共に、各時刻において酸素ポンプセル出力の変化量ΔＰを算出する。ここで、時刻ｔにおける変化量ΔＰ（ｔ）は、次式(2)に従って算出される。そして、この算出された変化量ΔＰ（ｔ）が所定の基準値ΔＰｔｈよりも小さくなったとき、その時刻ｔでの酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を変曲点と特定する。なお、変化量ΔＰ（ｔ）が正の値をとるように、次式(2)では、時刻ｔの出力Ｐ（ｔ）から時刻（ｔ−１）の出力Ｐ（ｔ−１）を減算している。
ΔP(t)=P(t)-P(t-1)・・・(2)
【００７５】
図８に示す例では、時刻ｔ３０から時刻ｔ３４までの間、酸素ポンプセル出力Ｐは増加している。このため、各時刻ｔ３１〜時刻ｔ３４において上式(2)により算出された変化量ΔＰ（ｔ３１）〜ΔＰ（ｔ３４）は、全て正の値をとる。変化量ΔＰ（ｔ３１）〜ΔＰ（ｔ３３）は予め定められた基準値ΔＰｔｈ以上であるが、ΔＰ（ｔ３４）は基準値ΔＰｔｈよりも小さい。このため、時刻ｔ３４での酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ３４）が変曲点と特定される。
【００７６】
従って、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ３４に上記のΔｔｎを加えた時刻（ｔ３４＋Δｔｎ）において、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに変曲点が現れると推定することができる。よって、時刻（ｔ３４＋Δｔｎ）においてＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができる。
【００７７】
［実施の形態２における具体的処理］
図９は、本実施の形態２において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定間隔毎に起動するものである。この所定間隔は、例えば、図８における時刻ｔ３０と時刻ｔ３１の間隔に対応する。
【００７８】
図９に示すルーチンによれば、先ず、図６に示すルーチンのステップ１００と同様に、ＮＯｘセンサ１が暖機中であるか否かを判別する（ステップ１２０）。このステップ１２０でＮＯｘセンサ１が暖機中ではないと判別された場合には、図７に示すような酸素ポンプセル出力の変化が得られないため、本ルーチンを一旦終了する。
【００７９】
上記ステップ１２０でＮＯｘセンサ１が暖機中であると判別された場合には、酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を取得する（ステップ１２２）。そして、上記ステップ１２２で取得された酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を用いて、上式(2)に従って変化量ΔＰ（ｔ）を算出する（ステップ１２４）。
【００８０】
その後、上記ステップ１２４で算出された変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈよりも小さいか否かを判別する（ステップ１２６）。このステップ１２６で変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈ以上であると判別された場合には、酸素ポンプセル出力Ｐに未だ変曲点が現れていないと判断して、本ルーチンを一旦終了する。一方、上記ステップ１２６で変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈよりも小さいと判別された場合には、時刻ｔでの酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を変曲点と特定する（ステップ１２８）。
【００８１】
次に、上記ステップ１２８で特定された変曲点を用い、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を推定する（ステップ１３０）。ここで、図７に示すように、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２１と、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２２との時間差Δｔｎが予め求められ、ＥＣＵ８内に記憶されている。上記ステップ１３０では、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期ｔに時間差Δｔｎを加えた時刻（ｔ＋Δｔｎ）に、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れると推定される。すなわち、時刻（ｔ＋Δｔｎ）でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ＋Δｔｎ）が変曲点であると推定される。
【００８２】
その後、現在の時刻が、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達したか否かを判別する（ステップ１３２）。このステップ１３２の処理は、時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達するまで繰り返される。そして、上記ステップ１３２で時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達したと判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れたと推定される。この場合、図６に示すルーチンのステップ１１２の処理と同様に、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる（ステップ１３４）。その後、本ルーチンを終了する。
【００８３】
以上説明したように、本実施の形態２では、酸素ポンプセル出力Ｐに変曲点が現れる時期が特定され、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに変曲点が現れる時期が推定される。よって、ＮＯｘセンサセル４がＮＯｘ濃度を精度良く検知し始める時期を的確に推定することができる。従って、上記実施の形態１と同様に、ＮＯｘセンサ１の早期活性を最大限に実現することができると共に、エミッション低減の要求を十分に満たすことができる。
【００８４】
（変形例）
以下、図１０及び図１１を参照して、上記実施の形態２の変形例について説明する。
上記実施の形態２では、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力Ｐに変曲点が現れる時期を推定した。
図１０は、本実施の形態２の変形例によるガス濃度検出装置の要部を説明するためのブロック図である。図１０に示すガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ１Ａを有している。このＮＯｘセンサ１Ａは、図１に示すＮＯｘセンサ１内に、空燃比センサセル８を更に備えたものである。この空燃比センサセル８は、図示しない固体電解質体を有し、セル内を酸素イオンＯ２−が流れるときの電流値を出力している。空燃比センサセル８の出力は、ＥＣＵ８Ａの空燃比センサセル制御手段８４により検出される。その他のガス濃度検出装置の構成は、図１に示すガス濃度検出装置１０の構成と同様であるため、図示並びに説明を省略する。
【００８５】
空燃比センサセル８とＮＯｘセンサセル４とは、共にセル内を酸素イオンＯ２−が流れるときの電流値を出力している。よって、空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との間には、相関関係がある。本変形例では、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定するために、かかる相関関係を利用する。
【００８６】
図１１は、ＮＯｘセンサ暖機時の空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。図１１における一点鎖線Ｌａは空燃比センサセル出力の変化を示し、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を示している。さらに、図１１には、破線Ｌｐにより、参考用としての酸素ポンプセル出力の変化が示されている。
【００８７】
図１１に示すように、上記ＮＯｘセンサセル出力の変曲点だけでなく、空燃比センサセル出力にも変曲点が現れる。変曲点は、例えば、空燃比センサセル出力の変化量が正から負に変わるときの空燃比センサセル出力とすることができる。この空燃比センサセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２０と、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ２２との間には、相関関係がある。両時刻ｔ２０，２２の差Δｔａは、実験等により予め求めておき、ＥＣＵ８内に記憶させておくことができる。よって、空燃比センサセル出力の変曲点を特定することができれば、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点の時期を推定することができる。従って、本変形例によれば、上記実施の形態２と同様に、ＮＯｘセンサセル４が実際のＮＯｘ濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができ、該時期にＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができる。
【００８８】
尚、本実施の形態２の変形例においては、空燃比センサセル８が第８の発明における「空燃比検知セル」に相当する。また、本実施の形態２においては、ＥＣＵ８が、ステップ１２６，１２８，１３０の処理を実行することにより第６及び第７の発明における「取得手段」が実現されている。
【００８９】
実施の形態３．
次に、図１２を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
上記実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時期に、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われている。このため、変曲点を特定しやすいＮＯｘセンサセル出力を得ることが望ましい。
【００９０】
そこで、本実施の形態３では、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定しやすいＮＯｘセンサ１の構成について説明する。
図１２は、本実施の形態３によるＮＯｘセンサ１の構成を説明するための図である。詳細には、図１２（Ａ）はＮＯｘセンサ１の断面図であり、図１２（Ｂ）はＮＯｘセンサ１内のヒータ電極６１の上面図である。
図１２（Ｂ）に示すように、酸素ポンプセル２側のヒータ電極６１の幅Ｗ１が、ＮＯｘセンサセル２側のヒータ電極６１の幅Ｗ２よりも太くされている。このようなパターンのヒータ電極６１を用いることにより、酸素ポンプセル２に供給される熱量が、ＮＯｘセンサセル４に供給される熱量よりも大きくされる。その結果、均一な幅のヒータ電極を用いる場合に比して、酸素ポンプセル２を早期に活性化させることができる。すなわち、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４の活性差を、上記実施の形態１よりも大きくすることができる。よって、例えば、図２の時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて見られるＮＯｘセンサセル出力の立ち下がりが、より急峻になる。このため、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を精度良く特定することができる。従って、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出し始める時期を精度良く特定することができる。
【００９１】
（変形例）
以下、図１３を参照して、上記実施の形態３の変形例について説明する。
上記実施の形態３では、酸素ポンプセル２への供給熱量がＮＯｘセンサセル４への供給熱量よりも大きくなるように、ヒータ電極６１のパターンが設計されている。
図１３は、本実施の形態３の変形例によるＮＯｘセンサ１Ｂを説明するための断面図である。図１３に示すように、固体電解質体４１のうち連通孔３３下方に位置する部分４１ａに、熱伝導率を下げるための仕切部材４４が設けられている。すなわち、この仕切部材４４の熱伝導率が、固体電解質体４１の熱伝導率よりも低くされている。これにより、酸素ポンプセル２での消費熱量が、ＮＯｘセンサセル４での消費熱量よりも大きくされる。従って、本変形例によれば、上記実施の形態３と同様に、ＮＯｘセンサ出力の変曲点を精度良く特定することができる。よって、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出し始める時期を精度良く特定することができる。
【００９２】
また、ピンホール２４の孔径を大きくするほど、排ガスが第１内部空間３１に入りやすくなると共に、第１内部空間３１から残存酸素が抜けやすくなる。これにより、ＮＯｘセンサセル出力の立ち下がりを急峻にすることができ、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を容易に特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施の形態１によるガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。
【図２】ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力の変化とＮＯｘセンサセル出力の変化を示す図である。
【図３】ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第１の方法を説明するための図である。
【図４】ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第２の方法を説明するための図である。
【図５】ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第３の方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図７】ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。
【図８】酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態２において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態２の変形例によるガス濃度検出装置の要部を説明するためのブロック図である。
【図１１】ＮＯｘセンサ暖機時の空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態３によるＮＯｘセンサ１の構成を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態３の変形例によるＮＯｘセンサ１Ｂを説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
１ ＮＯｘセンサ
２ 酸素ポンプセル
４ ＮＯｘセンサセル
６ ヒータ
８ ＥＣＵ
２１，４１ 固体電解質体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排出される排ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、余剰酸素排出後のガス中の特定成分の濃度を検出するセンサセルとを備えたガス濃度検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１のガス濃度検出装置によれば、酸素ポンプセルに流れる電流値に基づいて、センサセルに流れる電流値が補正される。これにより、被検出ガス中の酸素濃度が変化しても高精度に濃度検出を行うことができる。
【０００３】
また、酸素ポンプセルやセンサセルは固体電解質からなる素子を有している。かかる固体電解質からなる素子を用いたガス濃度検出装置では、素子温度を所定の活性温度に加熱する必要がある。素子抵抗（素子インピーダンス）を検出し、検出した素子抵抗と目標値との偏差に基づいてヒータの通電を制御する装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２の装置によれば、ヒータ電力に基づき素子抵抗の目標値を補正することで、素子温度を所望の温度に保持することができる。
【０００４】
また、素子インピーダンスに基づき、ガス濃度センサの活性判定を行う装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１６１８０号公報
【特許文献２】特開２００３−５０２２７号公報
【特許文献３】特開２００４−１７７１７９号公報
【特許文献４】特開２００５−９１２２８号公報
【特許文献５】特開２００１−１４１６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、エミッション低減のため、ガス濃度センサの早期活性化が要求されている。
しかしながら、上記特許文献３においてセンサ活性判定の指標とされる素子インピーダンス等は、センサ個体差がある。このため、ガス濃度検知セルによりガス濃度を高精度に検出し始める時期に的確にセンサ活性判定を行うことができない可能性がある。また、ガス濃度センサの早期活性化を実現できない場合がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス濃度検知セルによりガス濃度を高精度に検出し始める時期に的確に活性判定を行うことが可能なガス濃度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガス濃度検出装置であって、
被測定ガス中の余剰酸素を除去する余剰酸素除去手段と、
前記余剰酸素除去手段により余剰酸素が除去された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知するガス濃度検知セルと、
前記余剰酸素除去手段及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の除去中に、前記ガス濃度検知セルにより検知された特定ガス成分の濃度に変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、ガス濃度検出装置であって、
電圧印加に伴って被測定ガス中の余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、
前記酸素ポンプセルにより余剰酸素が排出された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知し、該濃度に応じた電流値を出力するガス濃度検知セルと、
前記酸素ポンプセル及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の排出中に、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記取得手段は、所定時間毎に前記ガス濃度検知セルの出力の変化量を算出する変化量算出手段と、該変化量算出手段により算出された変化量と基準値との比較結果に基づいて前記変曲点を特定する変曲点特定手段とを有し、該変曲点特定手段により特定された変曲点が現れる時期を取得することを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第２の発明において、
前記取得手段は、所定時間毎に前記ガス濃度検知セルの出力の変化量を算出する変化量算出手段と、該変化量算出手段により算出された変化量の変化に基づいて前記変曲点を特定する変曲点特定手段とを有し、該変曲点特定手段により特定された変曲点が現れる時期を取得することを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第３又は第４の発明において、
前記取得手段は、前記ガス濃度検知セルの出力が基準値以下になった時期を、前記変曲点が現れる時期として取得することを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第２の発明において、
前記酸素ポンプセルは、排出する余剰酸素量に応じた電流値を出力するものであり、
前記取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記酸素ポンプセルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とする。
【００１４】
また、第７の発明は、第６の発明において、
前記取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力に変曲点が現れる時期を取得し、該取得された時期に基づいて前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とする。
【００１５】
また、第８の発明は、第２の発明において、
前記被測定ガスの空燃比に応じた電流値を出力する空燃比検知セルを更に備え、
前記取得手段は、前記空燃比検知セルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記空燃比検知セルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明では、余剰酸素除去手段及びガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素除去中に、ガス濃度検知セルにより検知された濃度に変曲点が現れる時期が、ガス濃度検知セルの活性時期と判定される。この変曲点は、暖機前から残存する酸素が除去されたときに現れる。第１の発明によれば、一般的なセンサ活性（本活性）の判定と異なり、残存酸素の影響を受けることなく特定ガス成分の濃度をガス濃度検知セルにより検出し始める時期をもって、ガス濃度検知セルが活性状態であると判定される。従って、暖機前から残存する酸素の影響を受けずに特定ガス成分の濃度をガス濃度検知セルにより高精度に検知し始める時期に、ガス濃度検知セルの活性判定を精度良く行うことができる。よって、ガス濃度検知セルの早期活性化を最大限に実現することができる。
【００１７】
第２の発明では、酸素ポンプセルとガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素排出中に、ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期が、ガス濃度検知セルの活性時期と判定される。この変曲点は、暖機前から存在する酸素が除去されたときに現れる。第２の発明によれば、一般的なセンサ活性（本活性）の判定と異なり、残存酸素の影響を受けることなく特定ガス成分の濃度をガス濃度検知セルにより検出し始める時期をもって、ガス濃度検知セルが活性状態であると判定される。従って、暖機前から残存する酸素の影響を受けずに特定ガス成分の濃度を検知し始める時期に、ガス濃度検知セルの活性判定を精度良く行うことができる。よって、ガス濃度検知セルの早期活性化を最大限に実現することができる。
【００１８】
第３の発明では、所定時間毎にガス濃度検知セル出力の変化量が算出され、算出された変化量と基準値との比較結果に基づいて変曲点が特定される。よって、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に取得することができる。
【００１９】
第４の発明では、所定時間毎にガス濃度検知セル出力の変化量が算出され、変化量の変化に基づいて変曲点が特定される。よって、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に取得することができる。
【００２０】
第５の発明では、ガス濃度検知セル出力が基準値以下になった時期が、変曲点が現れる時期として取得される。ここで、ガス濃度検知セル出力が基準値以下になるためには、暖機前から残存する酸素が排出されている必要がある。よって、ガス濃度検知セル出力が基準値以下になったときは、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度良く検出可能である。よって、ガス濃度検知セルにより特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に取得することができる。
【００２１】
第６の発明では、酸素ポンプセル出力とガス濃度検知セル出力との相関関係を考慮して、酸素ポンプセル出力の変化に基づいてガス濃度検知セル出力に変曲点が現れる時期が推定される。これにより、ガス濃度検知セルが特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができる。
【００２２】
第７の発明では、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期が取得され、取得された時期に基づいてガス濃度検知セル出力に変曲点が現れる時期が推定される。酸素ポンプセル出力の変曲点とガス濃度検知セル出力の変曲点との間には相関関係があるため、ガス濃度検知セルが特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができる。
【００２３】
第８の発明では、空燃比検知セル出力とガス濃度検知セル出力との相関関係を考慮して、空燃比検知セル出力の変化に基づいてガス濃度検知セル出力に変曲点が現れる時期が推定される。これにより、ガス濃度検知セルが特定ガス成分の濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。図１に示すガス濃度検出装置１０は、例えば、エンジンから排出された排ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）の濃度を検出するＮＯｘ濃度検出装置である。
【００２６】
ガス濃度検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１を有している。ＮＯｘセンサ１は、酸素ポンプセル２の下方に、スペーサ３、ＮＯｘセンサセル４、スペーサ５、ヒータ６を順次積層することにより形成されている。
【００２７】
酸素ポンプセル２は、被測定ガス中の余剰酸素を除去する機能のみを有し、固体電解質体２１と一対のポンプ電極２２，２３とを有している。素子である固体電解質体２１は、酸素イオン導電性を有しており、例えば、シート状に成形されたＺｒＯ２，ＨｆＯ２，ＴｈＯ２，ＢｉＯ３等である。この固体電解質体２１を上下から挟むポンプ電極２２，２３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
【００２８】
固体電解質体２１表面に形成された第１ポンプ電極２２は、被測定ガスである排ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に露出している。該第１ポンプ電極２２として、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００２９】
一方、第１ポンプ電極２２と対向するように固体電解質体２１裏面に形成された第２ポンプ電極２３は、後述する第１内部空間３１に露出している。該第２ポンプ電極２３として、ＮＯｘガスに対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ合金とジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００３０】
酸素ポンプセル２には、固体電解質体２１とポンプ電極２２，２３を貫通する導入孔としてのピンホール２４が形成されている。ピンホール２４の孔径は、ピンホール２４を介して第１内部空間３１（後述）に導入される排ガスの拡散速度が所定速度となるように設計されている。第１内部空間３１は、ピンホール２４と保護層７とを介して、被測定ガスが存在する空間に連通している。
【００３１】
また、ピンホール２４を含む第１ポンプ電極２２表面とその周辺の固体電解質体２１とを覆うように、多孔質保護層７が形成されている。多孔質保護層７は、例えば、多孔質アルミナ等により形成することができる。この多孔質保護層７により、第１ポンプ電極２２の被毒を防止することができると共に、排ガスに含まれるスス等によるピンホール２４の目詰まりを防止することができる。
【００３２】
スペーサ３には、上述した第１内部空間３１と、第２内部空間３２とが形成されている。スペーサ３は、例えば、アルミナ等により形成することができる。２つの内部空間３１，３２は、連通孔３３を介して連通している。これらの内部空間３１，３２及び連通孔３３は、スペーサ３に抜き穴を設けることにより形成することができる。
【００３３】
ＮＯｘセンサセル４は、ＮＯｘの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出するものである。ＮＯｘセンサセル４は、固体電解質体４１と、該固体電解質体４１を上下から挟む一対の検出電極４２，４３とを有している。これらの検出電極４２，４３は、例えば、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。
【００３４】
固体電解質体４１表面に形成された第１検出電極４２は、第２内部空間３２に露出している。この第１検出電極４２として、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ合金とジルコニアやアルミナ等のセラミックスとを含む多孔質サーメット電極を用いることができる。
【００３５】
一方、第１検出電極４２と対向するように、固体電解質体４１裏面に形成された第２検出電極４３は、スペーサ５に形成された大気ダクト５１に露出している。大気ダクト５１には、大気が導入される。この第２検出電極４３として、例えば、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極を用いることができる。大気ダクト５１は、スペーサ５に切り欠きを設けることにより形成することができる。
【００３６】
ヒータ６は、シート状の絶縁層６２，６３と、これらの絶縁層６２，６３間に埋設されたヒータ電極６１とを有している。絶縁層６２，６３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより形成される。ヒータ電極６１は、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットにより形成される。
【００３７】
本実施の形態１のガス濃度検出装置１０は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）８を備えている。ＥＣＵ８は、ポンプセル制御手段８１と、センサセル制御手段８２と、ヒータ制御手段８３とを有している。このＥＣＵ８は、エンジン制御用ＥＣＵと別個に構成されてもよく、エンジン制御用ＥＣＵの一部として構成されてもよい。
【００３８】
ポンプセル制御手段８１は、酸素ポンプセル２の第１及び第２ポンプ電極２２，２３に接続されている。ポンプセル制御手段８１は、第１及び第２ポンプ電極２２，２３に電圧を印加すると共に、酸素ポンプセル２に流れる電流値を「酸素ポンプセル出力」として検出するものである。
【００３９】
センサセル制御手段８２は、ＮＯｘセンサセル４の第１及び第２検出電極４２，４３に接続されている。センサセル制御手段８２は、第１及び第２検出電極４２，４３に電圧を印加すると共に、ＮＯｘセンサセル４に流れる電流値を「ＮＯｘセンサセル出力」として検出するものである。
ヒータ制御手段８３は、ヒータ電極６１に接続されている。ヒータ制御手段８３は、ヒータ電極６１に電力を供給するものである。
【００４０】
次に、上記ガス濃度検出装置１０の動作について説明する。
保護層７上方の空間には、エンジン排気通路を流れる被測定ガスとしての排ガスが存在している。この排ガス中には、酸素、ＮＯｘ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等が含まれている。排ガスは、保護層７とピンホール２４を介して、第１内部空間３１に導入される。この第１内部空間３１に導入される排ガス量は、保護層７とピンホール２４の拡散抵抗により決まる。
【００４１】
そして、ポンプセル制御手段８１から第１及び第２ポンプ電極２２，２３にそれぞれ正電圧及び負電圧が印加されると、第１内部空間３１に露出する第２ポンプ電極２３上で、残存酸素と排ガス中の酸素が酸素イオンＯ２−に還元される。この酸素イオン２−は、ポンピング作用により固体電解質体２１を透過して第１ポンプ電極２２側に排出される。このとき、酸素ポンプセル２を流れる電流値が、酸素ポンプセル出力としてポンプセル制御手段８１により検出される。酸素ポンプセル２により余剰酸素が排出されることで、排ガス中の酸素濃度がＮＯｘセンサセル４によるＮＯｘ濃度検出に影響しない程度にまで低くされる。
【００４２】
余剰酸素が除去され低酸素濃度にされた排ガスは、連通孔３３を介して第２内部空間３２に導入される。そして、センサセル制御手段８２から第１検出電極４２と第２検出電極４３の間に所定電圧が印加されると、残存酸素と排ガス中の特定成分であるＮＯｘが第１検出電極４２上で分解され酸素イオンＯ２−が発生する。ＮＯｘは一旦ＮＯに分解（単ガス化）された後、さらに酸素イオンＯ２−に分解される。酸素イオンＯ２−は、固体電解質体４１を透過して、第２検出電極４３から大気ダクト５１に排出される。このとき、ＮＯｘセンサセル４を流れる電流値が、ＮＯｘセンサセル出力としてセンサセル制御手段８２により検出される。
【００４３】
また、固体電解質体２１，４１を活性温度に加熱するために、ヒータ制御手段８３からヒータ電極６１に電力が供給されている。
【００４４】
［実施の形態１の特徴］
ところで、エミッションを低減するため、ＮＯｘセンサ１を早期に活性化させる要求がある。すなわち、早期にＮＯｘセンサ１のＮＯｘセンサセル４を活性判定し、ＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いるという要求がある。ＮＯｘセンサ１の早期活性化を実現するためには、ＮＯｘセンサ１の状態を迅速かつ高精度に把握することが重要である。
【００４５】
ここで、上記ＮＯｘセンサ１のように、固体電解質体からなる素子を用いたＮＯｘセンサでは、正常な特性を得るために、ヒータへ通電することにより素子温度を所定の活性温度に加熱する必要がある。
既述した特許文献３の装置によれば、素子インピーダンスに基づいて活性判定が行われる。その他に、ヒータへの供給電力やヒータ抵抗等に基づき、ガス濃度センサの活性判定を行う装置が知られている。
【００４６】
しかしながら、素子インピーダンスやヒータ供給電力やヒータ抵抗等は、センサ個体間でのバラツキ（すなわち、センサ個体差）がある。このため、素子インピーダンス等に基づき、センサの状態を迅速かつ高精度に把握することは難しい。素子インピーダンス等に基づきセンサの活性判定を早期に行うと、活性判定後にＮＯｘセンサセルが残存酸素の影響を受けながらＮＯｘ濃度を検知する事態が生じ得る。すなわち、活性判定後にも関わらず、ＮＯｘセンサセル出力の精度が低いという事態が生じ得る。そうすると、エミッション低減効果が不十分となってしまう可能性がある。さらに、素子インピーダンス等に基づきガス濃度センサの活性判定を行う手法では、センサ個体差の影響を受けるため、各センサで早期活性化を最大限に実現することは困難である。
【００４７】
そこで、本実施の形態１では、以下に説明するように、ＮＯｘセンサ１の状態を精度良く把握し、ＮＯｘセンサ１の活性判定を早期かつ高精度に行うようにする。
図２は、ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力の変化とＮＯｘセンサセル出力の変化を示す図である。図２における破線Ｌｐは酸素ポンプセル出力の変化を、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を、それぞれ示している。
【００４８】
図２における時刻ｔ０において、エンジン始動に伴い、ＮＯｘセンサ１の暖機が開始される。すなわち、ヒータ制御手段８３からヒータ電極６１への通電が開始される。かかる通電により、酸素ポンプセル２及びＮＯｘセンサセル４の温度、すなわち、固体電解質体２１，４１の温度が徐々に上昇する。この時刻ｔ０において、酸素ポンプセル２近傍の第１内部空間３１と、ＮＯｘセンサセル４近傍の第２内部空間３２には、大気中の酸素が残存している。
ＮＯｘセンサ１の暖機は、エンジン始動時以外にも、所定時間以上（長時間）の燃料カットからの復帰時に行われる場合がある。なお、長時間の燃料カットからの復帰時であっても、ＮＯｘセンサ１の暖機が行われない場合もある。
【００４９】
その後、時刻ｔ１において、ＮＯｘセンサセル４の固体電解質体４１の温度が所定温度に達すると、ＮＯｘセンサセル出力が得られる。この時刻ｔ１以降、ＮＯｘセンサセル４（固体電解質体４１）の活性度が上がるに連れ、ＮＯｘセンサセル出力は上昇する。これは、ＮＯｘセンサセル４近傍の第２内部空間３２に導入されたＮＯｘが第１検出電極４２上で分解されるのではなく、第２内部空間３２に残存する酸素が第１検出電極４２上で分解されるためである。その後、時刻ｔ３において、ＮＯｘセンサセル出力が上限値に達する。すなわち、ＮＯｘセンサセル４により検出可能な酸素濃度の上限値に達する。
【００５０】
また、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において、酸素ポンプセル２の固体電解質体２１の温度が所定温度に達すると、酸素ポンプセル出力が得られる。この時刻ｔ２以降、酸素ポンプセル２（固体電解質体２１）の活性度が上がるに連れて、酸素ポンプセル２近傍の第１内部空間３１に残存する酸素の排出量が増加する。このため、酸素ポンプセル出力は上昇する。
【００５１】
酸素ポンプセル２の活性度が上がるに連れ、第１内部空間３１からの酸素の排出量が多くなる。さらに、第１内部空間３１に導入される排ガス量が多くなる。そうすると、第１内部空間３１における残存酸素濃度が低くなり、第１内部空間３１から第２内部空間３２に供給される酸素量も少なくなる。よって、酸素ポンプセル２の活性度が上がるに連れ、第２内部空間３２における残存酸素濃度が徐々に低くなる。その結果、時刻ｔ４以降、ＮＯｘセンサセル出力が低下する。
【００５２】
その後、第２内部空間３２における残存酸素が除去される時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ出力に変曲点が現れる。すなわち、時刻ｔ５の前後において、ＮＯｘセンサセル出力のカーブが大きく変わる。この変曲点が現れる前のＮＯｘセンサ出力は、第２内部空間３２に残存する酸素濃度の影響、すなわち、酸素ポンプセル２の活性度の影響が支配的である。一方、変曲点が現れた後のＮＯｘセンサ出力は、第２内部空間３２のＮＯｘ濃度及びＮＯｘセンサセル４の第１検出電極４２に吸着された酸素濃度、すなわち、ＮＯｘセンサセル４の活性度の影響を受ける。これより、変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１の暖機前に第１及び第２内部空間３１，３２に残存していた酸素が除去されたことを把握することができる。従って、変曲点が現れた時刻ｔ５以降は、残存酸素の影響を受けることなく、ＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を精度良く検出することができる。
【００５３】
そこで、本実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行う。ここで、本発明におけるＮＯｘセンサ１の活性判定は、一般的なセンサ活性（本活性）とは異なるものである。本発明では、残存酸素の影響がないＮＯｘセンサ出力を検出し始めた時点、すなわち、残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いることができるようになった時点をもって「活性状態」とする（以下同様）。このように、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出し始める時刻ｔ５に、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことで、ＮＯｘセンサ１の早期活性化の要求を最大限満たすことができる。
【００５４】
以下、図３〜図５を参照して、上記変曲点を特定する方法について説明する。
図３は、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第１の方法を説明するための図である。
先ず、所定間隔毎にＮＯｘセンサセル出力Ｎを取得すると共に、各時刻においてＮＯｘセンサセル出力の変化量ΔＮを算出する。ここで、時刻ｔにおける変化量ΔＮ（ｔ）は、次式(1)に従って算出される。そして、この算出された変化量ΔＮ（ｔ）が所定の基準値ΔＮｔｈよりも小さくなったとき、その時刻ｔでのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する。
ΔN(t)=N(t-1)-N(t)・・・(1)
図３に示す例では、時刻ｔ１０から時刻ｔ１４までの間、ＮＯｘセンサセル出力Ｎは減少している。このため、各時刻ｔ１１〜時刻ｔ１４において上式(1)により算出された変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１４）は、全て正の値をとる。変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１３）は予め定められた基準値ΔＮｔｈ以上であるが、変化量ΔＮ（ｔ１４）は基準値ΔＮｔｈよりも小さい。このため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が、変曲点と特定される。よって、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れた時刻ｔ１４に、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。
【００５５】
図４は、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第２の方法を説明するための図である。
図４に示す例では、時刻ｔ１０から時刻ｔ１３までの間は、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが減少している。これに対し、時刻ｔ１３以降は、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが増加している。ここで、各時刻ｔ１１〜時刻ｔ１３において算出された変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１３）は基準値ΔＮｔｈ以上である。このため、図４に示す例では、図３に示したような変曲点が特定される前に、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが増加に転じている。かかるＮＯｘセンサセル出力の変化は、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加した場合に生じる。図４に示す例では、時刻ｔ１３以降の排ガス中のＮＯｘ濃度の増加をＮＯｘセンサセル４により検出できているため、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができる。ここで、時刻ｔ１３のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１３）よりも時刻ｔ１４のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が大きいため、変化量ΔＮ（ｔ１４）は負の値をとり、上記基準値ΔＮｔｈよりも小さくなる。よって、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が変曲点とみなされ、時刻ｔ１４にＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。
【００５６】
ところで、変化量ΔＮが負であるだけでは、例えば、図２における時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間に見られるＮＯｘセンサセル出力Ｎの立ち上がりを、ＮＯｘセンサ１の活性であると誤判定してしまう虞がある。この対策としては、前回（前の時刻）の変化量ΔＮが正であるかを確認すればよい。図４に示す例では、時刻ｔ１４よりも前の時刻ｔ１３に算出された変化量ΔＮ（ｔ１３）が正であるため、時刻ｔ１４にＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。
【００５７】
図５は、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第３の方法を説明するための図である。
図５に示す例では、時刻ｔ１０以降、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが減少している。ここで、各時刻ｔ１１〜時刻ｔ１３において算出された変化量ΔＮ（ｔ１１）〜ΔＮ（ｔ１３）は基準値Ｎｔｈよりも大きい。このため、図５に示す例では、図３に示したような変曲点が特定される前に、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが低下している。かかるＮＯｘセンサセル出力の変化は、ＮＯｘセンサセル４の活性化が早い場合に生じる。ＮＯｘセンサセル出力が基準値Ｎｔｈよりも小さくなる前提としては、ＮＯｘセンサ１の暖機前から残存する酸素が除去される必要がある。よって、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検知可能である。このため、基準値Ｎｔｈよりも小さくなる時刻ｔ１３のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１３）が変曲点とみなされ、時刻ｔ１３にＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。
【００５８】
［実施の形態１における具体的処理］
図６は、本実施の形態１において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定間隔毎に起動するものである。この所定間隔は、例えば、図３に示す時刻ｔ１０〜時刻ｔ１１の間隔，時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の間隔等に対応する。
【００５９】
図６に示すルーチンによれば、先ず、ＮＯｘセンサ１が暖機中であるか否かを判別する（ステップ１００）。このステップ１００では、ＮＯｘセンサ１の暖機が行われるエンジン始動時若しくは長時間の燃料カットからの復帰時であるか否かが判別される。このステップ１００でＮＯｘセンサ１が暖機中ではないと判別された場合には、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力が得られないため、本ルーチンを一旦終了する。
【００６０】
上記ステップ１００でＮＯｘセンサ１が暖機中であると判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を取得する（ステップ１０２）。そして、上記ステップ１０２で取得されたＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を用いて、上式(1)に従って変化量ΔＮ（ｔ）を算出する（ステップ１０４）。その後、上記ステップ１０４で算出された変化量ΔＮ（ｔ）がゼロよりも大きいか（すなわち、変化量ΔＮ（ｔ）が正の値であるか）否かを判別する（ステップ１０６）。このステップ１０６では、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも小さいか否かが判別される。
【００６１】
上記ステップ１０６で変化量ΔＮ（ｔ）がゼロよりも大きいと判別された場合には、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも小さいと判断される。この場合、変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいか否かを続いて判別する（ステップ１０８）。このステップ１０８で変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈ以上であると判別された場合には、ＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ）が基準値Ｎｔｈよりも小さいか否かを判別する（ステップ１１６）。
【００６２】
上記ステップ１１６でＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ）が基準値Ｎｔｈ以上であると判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに未だ変曲点が現れていないと判断して、本ルーチンを一旦終了する。一方、上記ステップ１１６でＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ）が基準値Ｎｔｈよりも小さいと判別された場合には、下記のステップ１１０に移行する。図５に示す例では、ＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ１３）が基準値Ｎｔｈよりも小さいため、このＮＯｘセンサ出力Ｎ（ｔ１３）が変曲点とみなされる。
【００６３】
上記ステップ１０８で変化量ΔＮ（ｔ）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいと判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する（ステップ１１０）。図３に示す例では、変化量ΔＮ（ｔ１４）が基準値ΔＮｔｈよりも小さいため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が変曲点と特定される。そして、変曲点が現れた時期を、ＮＯｘセンサセル４の活性時期であると判定する（ステップ１１２）。このステップ１１２では、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる。その後、本ルーチンを終了する。
【００６４】
上記ステップ１０６で変化量ΔＮ（ｔ）がゼロ以下であると判別された場合には、今回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）以上であると判断される。この場合、前回の変化量ΔＮ（ｔ−１）がゼロよりも大きいか否か、すなわち、前々回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−２）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも大きいか否かを判別する（ステップ１１４）。このステップ１１４で前回の変化量ΔＮ（ｔ−１）がゼロ以下であると判別された場合には、例えば、図２に示す時刻ｔ１〜時刻ｔ３において見られるように、ＮＯｘセンサセル出力Ｎが上限値に向けて立ち上がっている状態であると判断される。よって、ＮＯｘセンサセル出力に未だ変曲点が現れていないと判断して、本ルーチンを一旦終了する。
【００６５】
一方、上記ステップ１１４で前回の変化量ΔＮ（ｔ−１）がゼロよりも大きいと判別された場合には、前々回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−２）が、前回のＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ−１）よりも大きいと判断される。この場合、排ガス中のＮＯｘ濃度の増加が今回検出されたと判断され、ＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ）を変曲点と特定する（ステップ１１０）。図４に示す例では、時刻ｔ１４での変化量ΔＮ（ｔ１４）がゼロ以下であり、時刻ｔ１３での変化量ΔＮ（ｔ１３）がゼロよりも大きいため、時刻ｔ１４でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ１４）が変曲点として特定される。その後、ＮＯｘセンサ１の活性判定を行い（ステップ１１２）、本ルーチンを終了する。
【００６６】
以上説明したように、本実施の形態１のＮＯｘセンサ１は、酸素ポンプセル２により残存酸素を排出した後にＮＯｘセンサセル４によりＮＯｘ濃度を検出する構成を有している。このため、ＮＯｘセンサ１の暖機中は、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力の変化が得られる。換言すれば、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４の活性度の差（活性差）により、図２に示すようなＮＯｘセンサセル出力の変化が得られる。このＮＯｘセンサセル出力に現れる変曲点は、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出可能となったことを示している。本実施の形態１では、一般的なセンサ活性（本活性）判定とは異なり、この変曲点が現れる時期に、ＮＯｘセンサ１が活性状態であると判定される。すなわち、センサ個体差を有する素子インピーダンス等ではなく、センサ個体差とは無関係にＮＯｘセンサセル出力に現れる変曲点に基づいてＮＯｘセンサ１の活性判定が精度良く行われる。このため、ＮＯｘセンサ１の早期活性を最大限に実現することができると共に、高精度のＮＯｘセンサセル出力を各種制御に用いることでエミッション低減の要求を十分に満たすことができる。
【００６７】
尚、本実施の形態１においては、酸素ポンプセル２が第１の発明における「余剰酸素除去手段」及び第２の発明における「酸素ポンプセル」に、ＮＯｘセンサセル４が第１の発明における「ガス濃度検知セル」に、それぞれ相当する。
また、本実施の形態１においては、ＥＣＵ８が、ステップ１０４の処理を実行することにより第３及び第４の発明における「変化量算出手段」が、ステップ１０８，１１０の処理を実行することにより第３の発明における「変曲点特定手段」が、ステップ１０６，１１４，１１０の処理を実行することにより第４の発明における「変曲点特定手段」が、ステップ１１６，１１０の処理を実行することにより第５の発明における「取得手段」が、それぞれ実現されている。
【００６８】
実施の形態２．
次に、図７から図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態２のガス濃度検出装置は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ８に、後述する図９に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００６９】
［実施の形態２の特徴］
上記実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力の変化量ΔＮ（ｔ）と基準値ΔＮｔｈとの比較結果等に基づいて変曲点を特定し、該変曲点が現れる時期にＮＯｘセンサ１の活性判定を行った。
【００７０】
ところで、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４とは同様の構成を有しており、共にセル内を酸素イオンＯ２−が流れるときの電流値を出力している。よって、酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との間には、相関関係がある。
そこで、本実施の形態２では、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定するために、かかる相関関係を利用する。
【００７１】
図７は、ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。図７における破線Ｌｐは酸素ポンプセル出力の変化を示し、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を示している。
図７に示すように、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点だけでなく、酸素ポンプセル出力にも変曲点が現れる。この酸素ポンプセル出力の変曲点は、第１内部空間３１に残存する酸素が排出されたときに現れる。本発明者は、酸素ポンプセル出力の変化と、ＮＯｘセンサセル出力の変化との間には相関関係があることを見いだした。換言すれば、酸素ポンプセル出力の変曲点が現れる時刻２１と、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点が現れる時刻ｔ２２との間には、相関関係があることを見いだした。
【００７２】
ここで、両時刻ｔ２１，ｔ２２の差Δｔｎは、実験等により予め求めておき、ＥＣＵ８内に記憶させておくことができる。よって、後述する方法により酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期を特定することができれば、その特定された変曲点の時期に予め求めた差Δｔｎを加算することで、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時期を推定することができる。
【００７３】
次に、図８を参照して、酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法について説明する。図８は、酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法は、上記実施の形態１で説明したＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する方法の一部を適用することができる。
【００７４】
先ず、所定間隔毎に、酸素ポンプセル出力Ｐを取得すると共に、各時刻において酸素ポンプセル出力の変化量ΔＰを算出する。ここで、時刻ｔにおける変化量ΔＰ（ｔ）は、次式(2)に従って算出される。そして、この算出された変化量ΔＰ（ｔ）が所定の基準値ΔＰｔｈよりも小さくなったとき、その時刻ｔでの酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を変曲点と特定する。なお、変化量ΔＰ（ｔ）が正の値をとるように、次式(2)では、時刻ｔの出力Ｐ（ｔ）から時刻（ｔ−１）の出力Ｐ（ｔ−１）を減算している。
ΔP(t)=P(t)-P(t-1)・・・(2)
【００７５】
図８に示す例では、時刻ｔ３０から時刻ｔ３４までの間、酸素ポンプセル出力Ｐは増加している。このため、各時刻ｔ３１〜時刻ｔ３４において上式(2)により算出された変化量ΔＰ（ｔ３１）〜ΔＰ（ｔ３４）は、全て正の値をとる。変化量ΔＰ（ｔ３１）〜ΔＰ（ｔ３３）は予め定められた基準値ΔＰｔｈ以上であるが、ΔＰ（ｔ３４）は基準値ΔＰｔｈよりも小さい。このため、時刻ｔ３４での酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ３４）が変曲点と特定される。
【００７６】
従って、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ３４に上記のΔｔｎを加えた時刻（ｔ３４＋Δｔｎ）において、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに変曲点が現れると推定することができる。よって、時刻（ｔ３４＋Δｔｎ）においてＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができる。
【００７７】
［実施の形態２における具体的処理］
図９は、本実施の形態２において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定間隔毎に起動するものである。この所定間隔は、例えば、図８における時刻ｔ３０と時刻ｔ３１の間隔に対応する。
【００７８】
図９に示すルーチンによれば、先ず、図６に示すルーチンのステップ１００と同様に、ＮＯｘセンサ１が暖機中であるか否かを判別する（ステップ１２０）。このステップ１２０でＮＯｘセンサ１が暖機中ではないと判別された場合には、図７に示すような酸素ポンプセル出力の変化が得られないため、本ルーチンを一旦終了する。
【００７９】
上記ステップ１２０でＮＯｘセンサ１が暖機中であると判別された場合には、酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を取得する（ステップ１２２）。そして、上記ステップ１２２で取得された酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を用いて、上式(2)に従って変化量ΔＰ（ｔ）を算出する（ステップ１２４）。
【００８０】
その後、上記ステップ１２４で算出された変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈよりも小さいか否かを判別する（ステップ１２６）。このステップ１２６で変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈ以上であると判別された場合には、酸素ポンプセル出力Ｐに未だ変曲点が現れていないと判断して、本ルーチンを一旦終了する。一方、上記ステップ１２６で変化量ΔＰ（ｔ）が基準値ΔＰｔｈよりも小さいと判別された場合には、時刻ｔでの酸素ポンプセル出力Ｐ（ｔ）を変曲点と特定する（ステップ１２８）。
【００８１】
次に、上記ステップ１２８で特定された変曲点を用い、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を推定する（ステップ１３０）。ここで、図７に示すように、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２１と、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２２との時間差Δｔｎが予め求められ、ＥＣＵ８内に記憶されている。上記ステップ１３０では、酸素ポンプセル出力に変曲点が現れる時期ｔに時間差Δｔｎを加えた時刻（ｔ＋Δｔｎ）に、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れると推定される。すなわち、時刻（ｔ＋Δｔｎ）でのＮＯｘセンサセル出力Ｎ（ｔ＋Δｔｎ）が変曲点であると推定される。
【００８２】
その後、現在の時刻が、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達したか否かを判別する（ステップ１３２）。このステップ１３２の処理は、時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達するまで繰り返される。そして、上記ステップ１３２で時刻（ｔ＋Δｔｎ）に達したと判別された場合には、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れたと推定される。この場合、図６に示すルーチンのステップ１１２の処理と同様に、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われる（ステップ１３４）。その後、本ルーチンを終了する。
【００８３】
以上説明したように、本実施の形態２では、酸素ポンプセル出力Ｐに変曲点が現れる時期が特定され、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力Ｎに変曲点が現れる時期が推定される。よって、ＮＯｘセンサセル４がＮＯｘ濃度を精度良く検知し始める時期を的確に推定することができる。従って、上記実施の形態１と同様に、ＮＯｘセンサ１の早期活性を最大限に実現することができると共に、エミッション低減の要求を十分に満たすことができる。
【００８４】
（変形例）
以下、図１０及び図１１を参照して、上記実施の形態２の変形例について説明する。
上記実施の形態２では、酸素ポンプセル出力ＰとＮＯｘセンサセル出力Ｎとの相関関係を考慮して、ＮＯｘセンサセル出力Ｐに変曲点が現れる時期を推定した。
図１０は、本実施の形態２の変形例によるガス濃度検出装置の要部を説明するためのブロック図である。図１０に示すガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ１Ａを有している。このＮＯｘセンサ１Ａは、図１に示すＮＯｘセンサ１内に、空燃比センサセル８を更に備えたものである。この空燃比センサセル８は、図示しない固体電解質体を有し、セル内を酸素イオンＯ２−が流れるときの電流値を出力している。空燃比センサセル８の出力は、ＥＣＵ８Ａの空燃比センサセル制御手段８４により検出される。その他のガス濃度検出装置の構成は、図１に示すガス濃度検出装置１０の構成と同様であるため、図示並びに説明を省略する。
【００８５】
空燃比センサセル８とＮＯｘセンサセル４とは、共にセル内を酸素イオンＯ２−が流れるときの電流値を出力している。よって、空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との間には、相関関係がある。本変形例では、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定するために、かかる相関関係を利用する。
【００８６】
図１１は、ＮＯｘセンサ暖機時の空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。図１１における一点鎖線Ｌａは空燃比センサセル出力の変化を示し、実線ＬｓはＮＯｘセンサセル出力の変化を示している。さらに、図１１には、破線Ｌｐにより、参考用としての酸素ポンプセル出力の変化が示されている。
【００８７】
図１１に示すように、上記ＮＯｘセンサセル出力の変曲点だけでなく、空燃比センサセル出力にも変曲点が現れる。変曲点は、例えば、空燃比センサセル出力の変化量が正から負に変わるときの空燃比センサセル出力とすることができる。この空燃比センサセル出力に変曲点が現れる時期ｔ２０と、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時刻ｔ２２との間には、相関関係がある。両時刻ｔ２０，２２の差Δｔａは、実験等により予め求めておき、ＥＣＵ８内に記憶させておくことができる。よって、空燃比センサセル出力の変曲点を特定することができれば、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点の時期を推定することができる。従って、本変形例によれば、上記実施の形態２と同様に、ＮＯｘセンサセル４が実際のＮＯｘ濃度を精度良く検出し始める時期を的確に推定することができ、該時期にＮＯｘセンサ１の活性判定を行うことができる。
【００８８】
尚、本実施の形態２の変形例においては、空燃比センサセル８が第８の発明における「空燃比検知セル」に相当する。また、本実施の形態２においては、ＥＣＵ８が、ステップ１２６，１２８，１３０の処理を実行することにより第６及び第７の発明における「取得手段」が実現されている。
【００８９】
実施の形態３．
次に、図１２を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
上記実施の形態１では、ＮＯｘセンサセル出力に変曲点が現れる時期に、ＮＯｘセンサ１の活性判定が行われている。このため、変曲点を特定しやすいＮＯｘセンサセル出力を得ることが望ましい。
【００９０】
そこで、本実施の形態３では、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定しやすいＮＯｘセンサ１の構成について説明する。
図１２は、本実施の形態３によるＮＯｘセンサ１の構成を説明するための図である。詳細には、図１２（Ａ）はＮＯｘセンサ１の断面図であり、図１２（Ｂ）はＮＯｘセンサ１内のヒータ電極６１の上面図である。
図１２（Ｂ）に示すように、酸素ポンプセル２側のヒータ電極６１の幅Ｗ１が、ＮＯｘセンサセル２側のヒータ電極６１の幅Ｗ２よりも太くされている。このようなパターンのヒータ電極６１を用いることにより、酸素ポンプセル２に供給される熱量が、ＮＯｘセンサセル４に供給される熱量よりも大きくされる。その結果、均一な幅のヒータ電極を用いる場合に比して、酸素ポンプセル２を早期に活性化させることができる。すなわち、酸素ポンプセル２とＮＯｘセンサセル４の活性差を、上記実施の形態１よりも大きくすることができる。よって、例えば、図２の時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて見られるＮＯｘセンサセル出力の立ち下がりが、より急峻になる。このため、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を精度良く特定することができる。従って、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出し始める時期を精度良く特定することができる。
【００９１】
（変形例）
以下、図１３を参照して、上記実施の形態３の変形例について説明する。
上記実施の形態３では、酸素ポンプセル２への供給熱量がＮＯｘセンサセル４への供給熱量よりも大きくなるように、ヒータ電極６１のパターンが設計されている。
図１３は、本実施の形態３の変形例によるＮＯｘセンサ１Ｂを説明するための断面図である。図１３に示すように、固体電解質体４１のうち連通孔３３下方に位置する部分４１ａに、熱伝導率を下げるための仕切部材４４が設けられている。すなわち、この仕切部材４４の熱伝導率が、固体電解質体４１の熱伝導率よりも低くされている。これにより、酸素ポンプセル２での消費熱量が、ＮＯｘセンサセル４での消費熱量よりも大きくされる。従って、本変形例によれば、上記実施の形態３と同様に、ＮＯｘセンサ出力の変曲点を精度良く特定することができる。よって、ＮＯｘセンサセル４が残存酸素の影響を受けることなくＮＯｘ濃度を検出し始める時期を精度良く特定することができる。
【００９２】
また、ピンホール２４の孔径を大きくするほど、排ガスが第１内部空間３１に入りやすくなると共に、第１内部空間３１から残存酸素が抜けやすくなる。これにより、ＮＯｘセンサセル出力の立ち下がりを急峻にすることができ、ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を容易に特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施の形態１によるガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。
【図２】ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力の変化とＮＯｘセンサセル出力の変化を示す図である。
【図３】ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第１の方法を説明するための図である。
【図４】ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第２の方法を説明するための図である。
【図５】ＮＯｘセンサセル出力の変曲点を特定する第３の方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図７】ＮＯｘセンサ暖機時の酸素ポンプセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。
【図８】酸素ポンプセル出力の変曲点を特定する方法を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態２において、ＥＣＵ８が実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態２の変形例によるガス濃度検出装置の要部を説明するためのブロック図である。
【図１１】ＮＯｘセンサ暖機時の空燃比センサセル出力とＮＯｘセンサセル出力との相関関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態３によるＮＯｘセンサ１の構成を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態３の変形例によるＮＯｘセンサ１Ｂを説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
１ ＮＯｘセンサ
２ 酸素ポンプセル
４ ＮＯｘセンサセル
６ ヒータ
８ ＥＣＵ
２１，４１ 固体電解質体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の余剰酸素を除去する余剰酸素除去手段と、
前記余剰酸素除去手段により余剰酸素が除去された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知するガス濃度検知セルと、
前記余剰酸素除去手段及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の除去中に、前記ガス濃度検知セルにより検知された特定ガス成分の濃度に変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
電圧印加に伴って被測定ガス中の余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、
前記酸素ポンプセルにより余剰酸素が排出された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知し、該濃度に応じた電流値を出力するガス濃度検知セルと、
前記酸素ポンプセル及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の排出中に、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
前記取得手段は、所定時間毎に前記ガス濃度検知セルの出力の変化量を算出する変化量算出手段と、該変化量算出手段により算出された変化量と基準値との比較結果に基づいて前記変曲点を特定する変曲点特定手段とを有し、該変曲点特定手段により特定された変曲点が現れる時期を取得することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項４】
請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
前記取得手段は、所定時間毎に前記ガス濃度検知セルの出力の変化量を算出する変化量算出手段と、該変化量算出手段により算出された変化量の変化に基づいて前記変曲点を特定する変曲点特定手段とを有し、該変曲点特定手段により特定された変曲点が現れる時期を取得することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のガス濃度検出装置において、
前記取得手段は、前記ガス濃度検知セルの出力が基準値以下になった時期を、前記変曲点が現れる時期として取得することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項６】
請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
前記酸素ポンプセルは、排出する余剰酸素量に応じた電流値を出力するものであり、
前記取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記酸素ポンプセルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載のガス濃度検出装置において、
前記取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力に変曲点が現れる時期を取得し、該取得された時期に基づいて前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項８】
請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
前記被測定ガスの空燃比に応じた電流値を出力する空燃比検知セルを更に備え、
前記取得手段は、前記空燃比検知セルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記空燃比検知セルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項１】
被測定ガス中の余剰酸素を除去する余剰酸素除去手段と、
前記余剰酸素除去手段により余剰酸素が除去された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知するガス濃度検知セルと、
前記余剰酸素除去手段及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の除去中に、前記ガス濃度検知セルにより検知された特定ガス成分の濃度に変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
電圧印加に伴って被測定ガス中の余剰酸素を排出する酸素ポンプセルと、
前記酸素ポンプセルにより余剰酸素が排出された後のガスから特定ガス成分の濃度を検知し、該濃度に応じた電流値を出力するガス濃度検知セルと、
前記酸素ポンプセル及び前記ガス濃度検知セルの暖機中、かつ、余剰酸素の排出中に、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された変曲点が現れる時期を、前記ガス濃度検知セルの活性時期と判定する活性判定手段とを備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
前記取得手段は、所定時間毎に前記ガス濃度検知セルの出力の変化量を算出する変化量算出手段と、該変化量算出手段により算出された変化量と基準値との比較結果に基づいて前記変曲点を特定する変曲点特定手段とを有し、該変曲点特定手段により特定された変曲点が現れる時期を取得することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項４】
請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
前記取得手段は、所定時間毎に前記ガス濃度検知セルの出力の変化量を算出する変化量算出手段と、該変化量算出手段により算出された変化量の変化に基づいて前記変曲点を特定する変曲点特定手段とを有し、該変曲点特定手段により特定された変曲点が現れる時期を取得することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のガス濃度検出装置において、
前記取得手段は、前記ガス濃度検知セルの出力が基準値以下になった時期を、前記変曲点が現れる時期として取得することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項６】
請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
前記酸素ポンプセルは、排出する余剰酸素量に応じた電流値を出力するものであり、
前記取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記酸素ポンプセルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載のガス濃度検出装置において、
前記取得手段は、前記酸素ポンプセルの出力に変曲点が現れる時期を取得し、該取得された時期に基づいて前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項８】
請求項２に記載のガス濃度検出装置において、
前記被測定ガスの空燃比に応じた電流値を出力する空燃比検知セルを更に備え、
前記取得手段は、前記空燃比検知セルの出力と前記ガス濃度検知セルの出力との相関関係を考慮して、前記空燃比検知セルの出力の変化に基づいて、前記ガス濃度検知セルの出力に変曲点が現れる時期を推定することを特徴とするガス濃度検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１５６６５２（Ｐ２００９−１５６６５２Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３３４９４（Ｐ２００７−３３３４９４）
【出願日】平成１９年１２月２６日（２００７．１２．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２６日（２００７．１２．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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