JP5313965B2 - ＮＯｘセンサの劣化シミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、被検出ガス中のＮＯｘ濃度を検出可能なＮＯｘセンサが劣化した状態において出力する検出信号（劣化信号）を、擬似的に発生するＮＯｘセンサの劣化シミュレータに関する。

従来、自動車のエンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサが知られている。酸素センサのセンサ素子は、固体電解質体に一対の電極を形成したセルを少なくとも１つ以上有する構成をなし、セルを介して出力される酸素濃度に応じた検出信号に基づいて、排気ガスの酸素濃度を検出するものである。酸素センサから出力される検出信号はＥＣＵ（電子制御ユニット）に送信され、ＥＣＵでは、受信した検出信号に基づき排気ガスの酸素濃度、ひいては空燃比を算出し、エンジンにおける燃料の噴射量の調整等の空燃比フィードバック制御が行われる。

こうした酸素センサは、センサ素子が排気通路内で排気ガスに曝されることとなるため、長期間の使用に伴い経時劣化が生ずる。そこでＥＣＵの開発では、酸素センサがある程度劣化した状態でも空燃比フィードバック制御の精度を維持することができるように、酸素センサ劣化時の検出信号（劣化信号）に対しても最適なフィードバック制御のパラメータを決定できるようにする設計が行われている。例えば、加速耐久試験によって劣化度合いの異なる酸素センサを用意し、それら酸素センサから得られる劣化信号と、正常な酸素センサの検出信号とを用い、劣化信号の過渡的な段階における信号状態を予測して、パラメータの設定を行っている。しかし、加速耐久試験で狙い通りの劣化状態を再現することが難しいため、酸素センサの劣化状態を擬似的に発生することのできる劣化シミュレータが開発され、その劣化シミュレータを用いてＥＣＵの設計がなされている（例えば特許文献１参照）。

また、自動車のエンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。ＮＯｘセンサのセンサ素子は、排気ガスを導入する第１測定室と、第１測定室に一方の電極が配置され、他方の電極が第１測定室外部に配置される第１の酸素ポンプセルと、第１測定室に連通する第２測定室と、第２測定室に一方の電極が配置され、他方の電極が第２測定室の外部に配置される第２の酸素ポンプセルとを含む構成をなしている。そして、このＮＯｘセンサでは、第１測定室内に導入された排気ガス中の酸素濃度が略一定となるように、第１の酸素ポンプセルを用いて酸素の汲み出しまたは汲み入れを行って当該酸素濃度を調整すると共に、第２の酸素ポンプセルの一対の電極間に一定の電圧を供給し、第２測定室に導入された酸素濃度調整後のガスに含まれるＮＯｘを還元または分解させ、その際に第２の酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づき、排気ガス中のＮＯｘ濃度の検出を行っている。

こうしたＮＯｘセンサにおいても長期間の使用に伴う経時劣化が生じ、例えば検出信号（第２の酸素ポンプセルにおける出力）が落ちて感度が低下する場合があった。このような場合には、劣化シミュレータを用い、ＮＯｘ濃度を検出するためにセンサ素子に流す電流の大きさを抵抗値等で可変に調整することで、感度の落ちたＮＯｘセンサから出力される検出信号を模擬することが可能である（例えば特許文献２参照）。

特開２００４−９３９５７号公報 特開２００４−９３４００号公報

しかしながら、特許文献２において示唆されている劣化シミュレータは、上記のように、ＮＯｘセンサのセンサ素子に流す電流そのものの大きさを抵抗値等で可変に調整するものであり、厳密には、ＮＯｘセンサが劣化した状態を模擬したものではなく、ＮＯｘセンサの制御回路（センサ素子に電流を流す回路）が劣化した状態を模擬したものにすぎなかった。そもそも、ＮＯｘセンサの用途からすればＮＯｘ濃度の検出が行えれば十分であり、よって劣化シミュレータの機能としては、ゲインを変更し、検出信号が低下した状態を模擬できれば十分と考えられていた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ＮＯｘセンサが劣化した状態において出力する劣化信号の様々な形態を模擬することができるＮＯｘセンサの劣化シミュレータを提供することを目的とする。

本発明の態様によれば、第１固体電解質体および当該第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、前記一対の第１電極のうちの一方の電極が、被検出ガスが導入される第１検出室内に配置され、当該第１検出室に導入された前記被検出ガスに含まれる酸素濃度の調整を行う第１酸素ポンプセルと、第２固体電解質体および当該第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、前記一対の第２電極のうちの一方の電極が、前記第１検出室に連通される第２検出室内に配置され、前記第１検出室から前記第２検出室に導入される、前記酸素濃度が調整された前記被検出ガスに含まれるＮＯｘの還元または分解を行うことによって、前記一対の第２電極間に前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度に応じたＮＯｘ濃度電流が流れる第２酸素ポンプセルと、を備えたＮＯｘセンサに接続され、前記ＮＯｘ濃度電流に基づき、当該ＮＯｘセンサの目標とする第１の劣化状態に劣化したときの前記ＮＯｘ濃度電流に対応する第１劣化信号を擬似的に生成するＮＯｘセンサの劣化シミュレータであって、前記第２酸素ポンプセルに流れる前記ＮＯｘ濃度電流を示す第１検出信号を取得する第１検出信号取得手段と、前記第１検出信号取得手段によって取得された前記第１検出信号を、第１の劣化目標に応じて変化させる第１劣化処理手段と、前記第１劣化処理手段によって変化された前記第１検出信号に応じて第１劣化電流を生成し、当該第１劣化電流を前記第１劣化信号として外部回路に出力する第１出力処理手段と、を備え、前記第１劣化処理手段は、前記第１の劣化目標に応じて、前記第１検出信号の値を上下させるオフセット補正、前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度変化に対応して前記第１検出信号が変化し始める時間を遅延させる時間特性補正、および、前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度変化に対応する前記第１検出信号の変化速度を変化させる応答特性補正、の少なくとも一つを実行しており、前記第１劣化信号を擬似的に生成するのに加えて、前記第１酸素ポンプセルの前記一対の第１電極に流れる酸素濃度に応じた酸素濃度電流を示す第２検出信号を取得する第２検出信号取得手段と、前記第２検出信号取得手段によって取得された前記第２検出信号を、第２の劣化目標に応じて変化させる第２劣化処理手段と、前記第２劣化処理手段によって変化された前記第２検出信号に応じて第２劣化電流を生成し、当該第２劣化電流を、前記酸素濃度電流に対応する第２劣化信号として前記外部回路に出力する第２出力処理手段と、をさらに備えたＮＯｘセンサの劣化シミュレータが提供される。

本発明の態様では、ＮＯｘセンサが劣化したときのＮＯｘ濃度電流に対応する第１劣化信号を擬似的に生成して外部回路に出力することができるので、ＥＣＵの開発や自動車の性能試験など、従来、加速耐久試験によってＮＯｘセンサを実際に劣化させて行っていた各種試験や開発を、より簡単に行うことができる。一般に、加速耐久試験でＮＯｘセンサを狙いの劣化状態とするのは難しく、特に、稀にしか生じない劣化状態を生じたＮＯｘセンサが原因で起こる虞のある不具合等の場合、再現試験を行うことは難しい。本発明の態様の劣化シミュレータを用いれば、オフセット補正、時間特性補正、応答特性補正の少なくとも一つを実行することができるので、ＮＯｘセンサの一般的な劣化状態のみならず、稀にしか生じない劣化状態であっても容易に再現することができ、各種試験や開発を、確実かつ精度よく行うことができる。さらに、すでに自動車や試験装置に取り付け済みのＮＯｘセンサをわざわざ取り外さずとも、ＮＯｘセンサと外部回路との間に劣化シミュレータを介在させるだけで済むので、各種試験や開発を円滑に行うこともできる。

また、本発明の態様において、前記第１劣化処理手段は、前記第１検出信号のゲインを変化させるゲイン補正を実行可能であり、前記第１の劣化目標に応じて、前記オフセット補正、前記時間特性補正、前記応答特性補正および前記ゲイン補正のうちの二つ以上を実行してもよい。オフセット補正、時間特性補正、応答特性補正に加え、さらにゲイン補正を実行すれば、ＮＯｘセンサの様々な劣化状態を再現することができ、各種試験や開発を、より確実に、より精度よく、より円滑に行うことができる。

ＮＯｘセンサ１０、センサ制御装置５０および劣化シミュレータ７０の電気的な構成を示す図である。 劣化模擬処理のフローチャートである。 ゲイン劣化処理、オフセット劣化処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理の概要について説明するための図である。

以下、本発明を具体化したＮＯｘセンサの劣化シミュレータの一実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用しうる技術的特徴を説明するために用いられるものであり、記載されているセンサや装置などの構成、各種処理のフローチャート等は、特に特定的な記載がない限り、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。図１に示す、劣化シミュレータ７０は、自動車の排気通路（図示外）に取り付けられるＮＯｘセンサ１０と、ＮＯｘセンサ１０の制御を担うセンサ制御装置５０との間に介在される装置である。まず、ＮＯｘセンサ１０の構成について説明する。

図１に示す、ＮＯｘセンサ１０は、排気ガス中の酸素濃度、および、ＮＯｘの濃度を検出可能な検出素子１１を、排気管（図示外）に取り付けるためのハウジング（図示外）内に保持した公知の構造を有する。また、ＮＯｘセンサ１０からは、検出素子１１の出力する信号を取り出すための信号線や、検出素子１１に併設されるヒータ素子３５に通電するための通電線が引き出されている。ＮＯｘセンサ１０が通常使用される場合には、これら信号線および通電線を介し、ＮＯｘセンサ１０とセンサ制御装置５０とが電気的に接続される。なお、センサ制御装置５０が、本発明における「外部回路」に相当する。

ＮＯｘセンサ１０の検出素子１１は、３枚の細長で長尺な板状の固体電解質体１２，１３，１４の間に、アルミナ等からなる絶縁体１５，１６をそれぞれ挟み、層状をなすように形成したものである。また、固体電解質体１４の外層（図１における下側）には、アルミナを主体とするシート状の絶縁層３６，３７を積層し、その間にＰｔを主体とするヒータパターン３８を埋設したヒータ素子３５が、検出素子１１と一体に設けられている。ヒータ素子３５は、固体電解質体１２〜１４の活性化のために設けられるものである。

固体電解質体１２，１３，１４はジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。検出素子１１の積層方向において固体電解質体１２の両面には、固体電解質体１２を挟むように多孔質性の電極１７，１８がそれぞれ設けられている。この電極１７，１８は、ＰｔまたはＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメットなどから形成されている。また、電極１７，１８の表面上にはセラミックスからなる多孔質性の保護層１９，２０がそれぞれ形成されている。保護層１９，２０は、電極１７，１８が排気ガスに含まれる被毒成分に晒されることにより劣化しないよう保護するものである。

固体電解質体１２は、両電極１７，１８間に電流を流すことで、電極１７の接する雰囲気（検出素子１１の外部の雰囲気）と電極１８の接する雰囲気（後述する第１検出室２３内の雰囲気）との間で、酸素の汲み出しおよび汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行うことができる。本実施の形態では、固体電解質体１２および電極１７，１８を、「Ｉｐ１セル」２と称することとする。なお、Ｉｐ１セル２が、本発明の「第１酸素ポンプセル」に相当し、固体電解質体１２および電極１７，１８が、それぞれ、本発明の「第１固体電解質体」および「一対の第１電極」に相当する。

なお、ＮＯｘセンサ１０と、後述するセンサ制御装置５０とが直接接続される通常使用時においては、電極１７は、センサ制御装置５０の制御回路部５５（後述）のＩｐ１＋ポート５１に接続される。同様に、電極１８は、制御回路部５５のＣＯＭポート５２に接続される。便宜上、ＮＯｘセンサ１０側にも、Ｉｐ１＋ポート５１に対応するＩｐ１＋ポート４１、およびＣＯＭポート５２に対応するＣＯＭポート４２を設けている（具体的には、センサ制御装置５０との接続のための信号線が接続される検出素子１１の電極パッド（図示外）に相当する。）。

次に、固体電解質体１３は、絶縁体１５を挟んで固体電解質体１２と対向するように配置されている。検出素子１１の積層方向における固体電解質体１３の両面にも、固体電解質体１３を挟むように多孔質性の電極２１，２２がそれぞれ設けられており、同様にＰｔまたはＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメットなどから形成されている。そのうちの電極２１は、固体電解質体１２と向き合う側の面に形成されている。

また、固体電解質体１２と固体電解質体１３との間には、小空間としての第１検出室２３が形成されており、固体電解質体１２側の電極１８と、固体電解質体１３側の電極２１とが第１検出室２３内に配置されている。この第１検出室２３は、排気通路内を流通する排気ガスが検出素子１１内に最初に導入される小空間である。第１検出室２３の検出素子１１における先端側には、第１検出室２３内外の仕切りとして、第１検出室２３内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する多孔質の第一拡散抵抗部２４が設けられている。同様に、第１検出室２３の検出素子１１における後端側にも、後述する第２検出室３０につながる開口部２５と第１検出室２３の仕切りとして、排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する多孔質の第二拡散抵抗部２６が設けられている。

固体電解質体１３および電極２１，２２は、主として、固体電解質体１３により隔てられた雰囲気（電極２１の接する第１検出室２３内の雰囲気と、電極２２に接する基準酸素室２９（後述）内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生することができるものである。本実施の形態では、固体電解質体１３および電極２１，２２を、「Ｖｓセル」３と称することとする。

なお、ＮＯｘセンサ１０と、後述するセンサ制御装置５０とが直接接続される通常使用時においては、電極２１は、制御回路部５５（後述）のＣＯＭポート５２に接続される。同様に、電極２２は、制御回路部５５のＶｓ＋ポート５３に接続される。また、便宜上、ＮＯｘセンサ１０側にも、Ｖｓ＋ポート５３に対応するＶｓ＋ポート４３を設けている点について、上記同様である。

次に、固体電解質体１４は、絶縁体１６を挟んで固体電解質体１３と対向するように配置されている。固体電解質体１４の固体電解質体１３側の面にも同様に、ＰｔまたはＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメットなどから形成された多孔質性の電極２７，２８がそれぞれ設けられている。

電極２７が形成された位置には絶縁体１６が配置されておらず、独立した小空間としての基準酸素室２９が形成されている。この基準酸素室２９内には、Ｖｓセル３の電極２２が配置されている。なお、基準酸素室２９内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。また、電極２８が形成された位置にも絶縁体１６が配置されておらず、独立した小空間としての第２検出室３０が形成されている。そして、上記した第二拡散抵抗部２６および開口部２５を介し、この第２検出室３０が第１検出室２３に連通するように、固体電解質体１３にも開口部３１が設けられている。

固体電解質体１４および電極２７，２８は、絶縁体１６により隔てられた雰囲気（電極２７に接する基準酸素室２９内の雰囲気と、電極２８に接する第２検出室３０内の雰囲気）間にて酸素の汲み出しを行うことができるものである。本実施の形態では、固体電解質体１４および電極２７，２８を、「Ｉｐ２セル」４と称することとする。なお、Ｉｐ２セル４が、本発明の「第２酸素ポンプセル」に相当し、固体電解質体１４および電極２７，２８が、それぞれ、本発明の「第２固体電解質体」および「一対の第２電極」に相当する。

なお、ＮＯｘセンサ１０と、後述するセンサ制御装置５０とが直接接続される通常使用時においては、電極２７は、制御回路部５５（後述）のＩｐ２＋ポート５４に接続される。同様に、電極２８は、制御回路部５５のＣＯＭポート５２に接続される。また、便宜上、ＮＯｘセンサ１０側にも、Ｉｐ２＋ポート５４に対応するＩｐ２＋ポート４４を設けている点について、上記同様である。

次に、センサ制御装置５０の構成について説明する。センサ制御装置５０は、ＮＯｘセンサ１０の通常使用時においては、ＮＯｘセンサ１０に直接接続されて、検出素子１１およびヒータ素子３５の制御を行う装置である。センサ制御装置５０は、検出素子１１の駆動制御を行う制御回路部５５と、ヒータ素子３５の駆動制御を行うヒータ制御部５７と、制御回路部５５およびヒータ制御部５７の駆動制御を行うマイクロコンピュータ５６と、通信部５８とを有する。

制御回路部５５は、検出素子１１の各ポート４１〜４４（Ｉｐ１＋，ＣＯＭ，Ｖｓ＋，Ｉｐ２＋）のそれぞれに対応し、信号線を介して接続されるＩｐ１＋ポート５１、ＣＯＭポート５２、Ｖｓ＋ポート５３、Ｉｐ２＋ポート５４を有する。また、制御回路部５５は、図示しない、公知のＩｐ１／Ｖｓ制御回路と、Ｉｐ２制御回路とを有する。Ｉｐ１／Ｖｓ制御回路は、Ｖｓセル３の電極２１，２２間の電圧（換言すると、Ｖｓセル３に生ずる起電力）が一定値（たとえば４２５ｍＶ）となるように、Ｉｐ１セル２の電極１７，１８間に流す電流（以下、「Ｉｐ１電流」ともいう。）を制御する。すなわち、Ｖｓセル３に生ずる起電力が一定となるように、Ｉｐ１電流を流して第１検出室２３における酸素の汲み出しまたは汲み入れをＩｐ１セル２にて行うことによって、第１検出室２３の酸素濃度を一定に調整するフィードバック制御を行う。排気ガス中の酸素濃度の検出は、このＩｐ１電流に基づいて行われる。

また、Ｉｐ１セル２によって第１検出室２３内に導入された排気ガス中の酸素濃度は、所定の濃度に調整されて、第２検出室３０に導入されることとなる。Ｉｐ２制御回路は、Ｉｐ２セル４の電極２７，２８間に一定の電圧（たとえば４５０ｍＶ）が印加されるように、両電極２７，２８間に流す電流（以下、「Ｉｐ２電流」ともいう。）を制御する。すなわち、電極２８に電圧を印加して、第２検出室３０に導入された排気ガス中のＮＯｘを分解させ、Ｉｐ２セル４でＮＯｘ由来の酸素を運搬する。このとき流れるＩｐ２電流に基づき、排気ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる。

マイクロコンピュータ５６は、公知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた演算装置であり、あらかじめ組み込まれたプログラムに従って制御回路部５５に制御信号を出力し、Ｉｐ１／Ｖｓ制御回路およびＩｐ２制御回路の駆動状態を制御する。マイクロコンピュータ５６はヒータ制御部５７にも制御信号を出力し、ヒータ素子３５への通電を制御する。また、マイクロコンピュータ５６には、Ｉｐ１／Ｖｓ制御回路による排気ガス中の酸素濃度の検出結果や、Ｉｐ２制御回路によるＮＯｘ濃度の検出結果が入力される。そして、マイクロコンピュータ５６は、自動車に搭載される各種電子部品の制御を司る、公知のＥＣＵ（電子制御ユニット）５に対し、通信部５８を介して上記の検出結果を出力する。

次に、劣化シミュレータ７０の構成について説明する。前述したように、劣化シミュレータ７０は、ＮＯｘセンサ１０とセンサ制御装置５０との間に介在される装置である。ＮＯｘセンサ１０の各ポート４１〜４４（Ｉｐ１＋，ＣＯＭ，Ｖｓ＋，Ｉｐ２＋）に接続するため、それぞれに対応する各ポート１０１〜１０４（Ｉｐ１＋，ＣＯＭ，Ｖｓ＋，Ｉｐ２＋）を有する。同様に、センサ制御装置５０の各ポート５１〜５４（Ｉｐ１＋，ＣＯＭ，Ｖｓ＋，Ｉｐ２＋）との接続のため、それぞれに対応する各ポート１０５〜１０８（Ｉｐ１＋，ＣＯＭ，Ｖｓ＋，Ｉｐ２＋）も有する。また、劣化シミュレータ７０は、上記のセンサ制御装置５０と同一、あるいはヒータ制御部５７や通信部５８等の構成を省き簡略化されたセンサ制御装置６０（本実施の形態では後者）を内蔵する。さらに、劣化シミュレータ７０は、マイクロコンピュータ７９、検出抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、差動増幅回路８５，８６、Ａ／Ｄコンバータ８１，８２、Ｄ／Ａコンバータ９１，９２、電圧電流変換回路９５，９６、Ｉｐ−Ｖｓ変換回路９７、操作部１００を備える。

劣化シミュレータ７０の入力側の各ポート１０１〜１０４（Ｉｐ１＋，ＣＯＭ，Ｖｓ＋，Ｉｐ２＋）は、それぞれ、センサ制御装置６０の対応する各ポート６１〜６４（Ｉｐ１＋，ＣＯＭ，Ｖｓ＋，Ｉｐ２＋）に接続されている。そのうち、Ｉｐ１＋ポート１０１とＩｐ１＋ポート６１との間に、検出抵抗Ｒ１が設けられている。検出抵抗Ｒ１の両端は差動増幅回路８５に接続されており、Ｉｐ１セル２の電極１７，１８間を流れるＩｐ１電流が電圧変換されるとともに増幅される。さらにＡ／Ｄコンバータ８１を介してデジタル変換され、Ｉｐ１セル２を流れるＩｐ１電流によって示される酸素濃度の検出信号（Ｉｐ１信号）として、マイクロコンピュータ７９に入力される。マイクロコンピュータ７９においては、後述するＩｐ１劣化模擬回路部８８にて行われる劣化模擬処理により、Ｉｐ１信号をもとに、ＮＯｘセンサ１０が劣化したときの酸素濃度の検出信号を模擬したＩｐ１模擬信号が擬似的に生成される。Ｉｐ１模擬信号はＤ／Ａコンバータ９１を介してアナログ変換され、さらに電圧電流変換回路９５に入力されてＩｐ１劣化電流（劣化が模擬されたＩｐ１電流に相当）に変換され、Ｉｐ１劣化信号（劣化が模擬されたＩｐ１信号に相当）として、Ｉｐ１＋ポート１０５からセンサ制御装置５０に対し出力される。なお、電圧電流変換回路９５とＩｐ１＋ポート１０５との間には、検出抵抗Ｒ３が設けられている。

同様に、Ｉｐ２＋ポート１０４とＩｐ２＋ポート６４との間にも、検出抵抗Ｒ２が設けられている。検出抵抗Ｒ２の両端に接続された差動増幅回路８６によって、Ｉｐ２セル４の電極２７，２８間を流れるＩｐ２電流が電圧変換されるとともに増幅され、さらにＡ／Ｄコンバータ８２を介し、Ｉｐ２セル４を流れるＩｐ２電流によって示されるＮＯｘ濃度の検出信号（Ｉｐ２信号）として、マイクロコンピュータ７９に入力される。マイクロコンピュータ７９においては、後述するＩｐ２劣化模擬回路部８９にて行われる劣化模擬処理により、Ｉｐ２信号をもとに、ＮＯｘセンサ１０が劣化したときのＮＯｘ濃度の検出信号を模擬したＩｐ２模擬信号が擬似的に生成される。Ｉｐ２模擬信号はＤ／Ａコンバータ９２を介してアナログ電圧に変換され、さらに電圧電流変換回路９６に入力されてＩｐ２劣化電流に変換され、Ｉｐ２劣化信号として、Ｉｐ２＋ポート１０８からセンサ制御装置５０に対し出力される。なお、検出抵抗Ｒ２、差動増幅回路８６、およびＡ／Ｄコンバータ８２が、本発明における「第１検出信号取得手段」に相当し、Ｄ／Ａコンバータ９２および電圧電流変換回路９６が、本発明における「第１出力処理手段」に相当する。

ＮＯｘセンサ１０のＣＯＭポート４２に接続されるＣＯＭポート１０２は、制御回路部５５のＣＯＭポート５２とＣＯＭポート４２とが同電位になるように、ＣＯＭポート５２に接続されるＣＯＭポート１０６に直接接続されている。また、Ｖｓ＋ポート１０３の電圧は、Ｉｐ−Ｖｓ変換回路９７に入力されている。さらに、Ｉｐ−Ｖｓ変換回路９７には検出抵抗Ｒ３の両端が接続されており、検出抵抗Ｒ３を流れるＩｐ１劣化電流（劣化が模擬されたＩｐ１電流）の大きさが電圧の大きさに変換されて入力される。Ｉｐ−Ｖｓ変換回路９７は、増幅回路等を用いて構成され、電圧変換したＩｐ１劣化電流を増幅（例えば、約１００００倍に増幅）してＶｓ＋ポート１０３の電圧に重畳し（換言すると、Ｖｓ＋ポート１０３の電位をＩｐ１劣化電流の大きさにあわせてオフセットする。）、Ｖｓ＋ポート１０７から、センサ制御装置５０に対し出力する。Ｉｐ−Ｖｓ変換回路９７によって、Ｉｐ１劣化電流によって模擬された電流劣化の度合いに応じたＶｓセル３の起電力が、模擬される。また、操作部１００には、図示しない操作パネルやモニタ等が設けられており、利用者が劣化シミュレータ７０の各種設定（後述する利得率Ｇａｉｎ、電圧値Ｏｆｆｓｅｔ、無駄時間Ｔの設定など）を行うことができる。なお、図示しないパーソナルコンピュータ等の外部機器との接続ポートを有し、外部機器から各種設定を行えるようにしてもよい。

次に、劣化シミュレータ７０のマイクロコンピュータ７９において行われる劣化模擬処理について説明する。マイクロコンピュータ７９は、公知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた演算装置であり、あらかじめＲＯＭに記憶されたプログラムに従って劣化模擬処理を行う。本実施の形態では、便宜上、図１におけるマイクロコンピュータ７９の構成を、機能的なブロック図によって示している。マイクロコンピュータ７９は、Ｉｐ１電流に基づく入力信号（Ｉｐ１電流を電圧変換し、さらにデジタル変換したＩｐ１信号）に対して劣化模擬処理を行って、その信号の劣化した状態を模擬した出力信号（Ｉｐ１模擬信号）を生成する機能的なブロックとして、Ｉｐ１劣化模擬回路部８８を有する。同様に、Ｉｐ２電流に基づく入力信号（Ｉｐ２電流を電圧変換し、さらにデジタル変換したＩｐ２信号）に対して劣化模擬処理を行って、その信号の劣化した状態を模擬した出力信号（Ｉｐ２模擬信号）を生成する機能的なブロックとして、Ｉｐ２劣化模擬回路部８９を有する。なお、Ｉｐ２劣化模擬回路部８９が、本発明における「第１劣化処理手段」に相当する。

Ｉｐ１劣化模擬回路部８８は、機能ブロックとして、ゲイン劣化ブロック７１、オフセット劣化ブロック７２、応答遅れブロック７３、無駄時間遅れブロック７４を有する。そして各機能ブロックにおいて、Ｉｐ１信号に対し、順に、ゲイン劣化処理、オフセット劣化処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理を施すことにより、Ｉｐ１模擬信号が生成される。Ｉｐ２劣化模擬回路部８９も同様に、機能ブロックとして、ゲイン劣化ブロック７５、オフセット劣化ブロック７６、応答遅れブロック７７、無駄時間遅れブロック７８を有する。そして各機能ブロックにおいて、Ｉｐ２信号に対し、順に、ゲイン劣化処理、オフセット劣化処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理を施すことにより、Ｉｐ２模擬信号が生成される。なお、Ｉｐ１劣化模擬回路部８８の各機能ブロックにおいて行われる劣化模擬処理は、Ｉｐ２劣化模擬回路部８９の各機能ブロックにおいて行われる劣化模擬処理と同様の処理となっている。よって以下では、Ｉｐ２劣化模擬回路部８９の各機能ブロックにおいて行われる各処理を例に、劣化模擬処理についての説明を行うものとする。また、ゲイン劣化処理、オフセット劣化処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理の具体的な処理方法については公知であり、以下では概略的な説明を行うものとする。ゲイン劣化処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理の詳細については、例えば、特開２００７−３１５２１０号公報を参照されたい。また、オフセット劣化処理の詳細については、例えば、特開２００８−２０３１５２号公報を参照されたい。なお、ゲイン劣化処理、オフセット劣化処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理が、それぞれ、本発明における「ゲイン補正」、「オフセット補正」、「応答特性補正」、「時間特性補正」に相当する。

Ｉｐ２劣化模擬回路部８９における劣化模擬処理は、図２に示すフローチャートのように、マイクロコンピュータ７９で実行されるプログラムに従って行われる。Ｉｐ２電流に基づくＩｐ２信号はマイクロコンピュータ７９に随時入力されている。Ｉｐ２劣化模擬回路部８９では、所定時間（例えば２５ｍｓｅｃ）ごとに、Ｉｐ２信号を取得し、劣化模擬処理を施してＩｐ２模擬信号を生成し、出力している。

図２に示すように、まず、Ｉｐ２電流に基づくＩｐ２信号が読み込まれ、変数Ｖｉｐ２として、図示しないＲＡＭに記憶される（Ｓ１１）。この変数Ｖｉｐ２に対し、あらかじめ設定された利得率Ｇａｉｎを掛け合わせ、演算結果を変数Ｖｉｐ２に上書きするゲイン劣化処理（Ｖｉｐ２←Ｖｉｐ２×Ｇａｉｎ）が行われる（Ｓ１３）。ゲイン劣化処理は、入力信号の電圧値に利得率Ｇａｉｎを掛け、増幅あるいは減衰させた出力信号を生成する処理である。例えば、図３に例示するように、（Ａ）に示す入力信号に対してゲイン劣化処理（ここでは減衰）を施せば、（Ｂ）に示すように、電圧値が利得率Ｇａｉｎに応じて増加あるいは減少（ここでは減少）した出力信号を生成することができる。

次に、変数Ｖｉｐ２に対し、あらかじめ設定された電圧値Ｏｆｆｓｅｔを重畳し、演算結果を変数Ｖｉｐ２に上書きするオフセット劣化処理（Ｖｉｐ２←Ｖｉｐ２＋Ｏｆｆｓｅｔ）が行われる（Ｓ１５）。オフセット劣化処理は、入力信号の電圧値を所定の電圧値Ｏｆｆｓｅｔ分ずらした出力信号を生成する処理である。例えば、図３に例示するように、（Ａ）に示す入力信号に対してオフセット劣化処理（ここでは正の電圧値Ｏｆｆｓｅｔを重畳）を施せば、（Ｃ）に示すように、電圧値を上下にずらした（ここでは上側にずらした）出力信号を生成することができる。

次いで、変数Ｖｉｐ２に対し、例えば一次遅れの伝達関数を適用した演算を行ってなまし、演算結果を変数Ｖｉｐ２に上書きする応答遅れ処理（Ｖｉｐ２←Ｖｉｐ２×１／（１＋τｓ））が行われる（Ｓ１７）。応答遅れ処理は、入力信号の電圧値の変化の度合いを緩慢化させて変動させる（なます）処理である。一次遅れの伝達関数Ｇ（ｓ）は、以下の式によって表される。
Ｇ（ｓ）＝ｋ／（１＋τｓ）、ただし、τ：時定数、ｋ：ゲイン（ここではｋ＝１）とする。
例えば、図３に例示するように、（Ａ）に示す入力信号に対して応答遅れ処理を施せば、（Ｄ）に示すように、電圧値が急峻な変化を表す入力信号と比べ電圧値の変化が緩慢になり、入力信号に遅れて追従する変化を表す出力信号を生成することができる。

さらに、変数Ｖｉｐ２に対し、無駄時間遅れ処理が行われる。無駄時間遅れ処理は、入力信号を、あらかじめ無駄時間として設定された時間Ｔ後に出力する処理である。例えば、図３に例示するように、（Ａ）に示す入力信号に対して無駄時間遅れ処理を施せば、（Ｅ）に示すように、入力信号よりもタイミングが遅れた出力信号を生成することができる。

無駄時間遅れ処理では、上記のように、ゲイン劣化処理、オフセット劣化処理、応答遅れ処理が施された、現在の変数Ｖｉｐ２に、経過時間情報（初回の経過時間は０）を付加した上で（Ｓ１９）、ＲＡＭに一旦保存する（Ｓ２１）。次に、保存されているすべての変数Ｖｉｐ２の経過時間を、それぞれ、単位時間分進める（Ｓ２３）。そして、経過時間情報として保持する経過時間が無駄時間Ｔに達した変数Ｖｉｐ２を信号値とするＩｐ２模擬信号が、上記したように、Ｄ／Ａコンバータ９１および電圧電流変換回路９５を介してＩｐ２劣化電流に変換され、Ｉｐ２劣化信号として、センサ制御装置５０に順次出力される（Ｓ２５）。一方で、今回取得されたＩｐ２信号に基づく変数Ｖｉｐ２は、無駄時間Ｔが経過するまで、ＲＡＭに保持されることとなる。

Ｉｐ２信号に対し、上記Ｓ１１〜Ｓ２５の劣化模擬処理が行われた後、所定時間（例えば２５ｍｓｅｃ）の経過を待って（Ｓ２７：ＮＯ）、Ｓ１１に戻ることで（Ｓ２７：ＹＥＳ）、新たに取得されるＩｐ２信号に対しても劣化模擬処理が実施される。

以上説明したように、本実施の形態の劣化シミュレータ７０は、ＮＯｘセンサ１０が劣化したときのＩｐ２電流に対応するＩｐ２劣化信号を擬似的に生成してセンサ制御装置５０に出力することができるので、ＥＣＵ５の開発や自動車の性能試験など、従来、加速耐久試験によってＮＯｘセンサを実際に劣化させて行っていた各種試験や開発を、より簡単に行うことができる。一般に、加速耐久試験でＮＯｘセンサを狙いの劣化状態とするのは難しく、特に、稀にしか生じない劣化状態を生じたＮＯｘセンサが原因で起こる虞のある不具合等の場合、再現試験を行うことは難しい。本実施の形態の劣化シミュレータ７０を用いれば、オフセット劣化処理、無駄時間遅れ処理、応答遅れ処理の少なくとも一つを実行することができるので、ＮＯｘセンサ１０の一般的な劣化状態のみならず、稀にしか生じない劣化状態であっても容易に再現することができ、各種試験や開発を、確実かつ精度よく行うことができる。さらに、すでに自動車や試験装置に取り付け済みのＮＯｘセンサ１０をわざわざ取り外さずとも、ＮＯｘセンサ１０とセンサ制御装置５０との間に劣化シミュレータ７０を介在させるだけで済むので、各種試験や開発を円滑に行うこともできる。上記に加えてゲイン劣化処理を実行すれば、ＮＯｘセンサ１０の様々な劣化状態を再現することができ、各種試験や開発を、より確実に、より精度よく、より円滑に行うことができる。また、劣化シミュレータ７０では、さらに、ＮＯｘセンサ１０が劣化したときのＩｐ１電流に対応するＩｐ１劣化信号を擬似的に生成して外部回路に出力することができるので、Ｉｐ２電流が劣化状態に応じて変化した場合だけでなく、Ｉｐ１電流が変化した場合も含めた総合的なＮＯｘセンサ１０の劣化状態を容易に再現することができる。ゆえに、ＮＯｘセンサ１０の様々な劣化状態を想定したＥＣＵの開発や自動車の性能試験などを、より確実に、より精度よく、より円滑に行うことができる。

また、劣化シミュレータ７０は、センサ制御装置５０とほぼ同一な構成のセンサ制御装置６０を内蔵することで、ＮＯｘセンサ１０の制御を既存の回路で行うことができる。ゆえに、ＮＯｘセンサ１０の制御においてやりとりされる信号に矛盾がない。その上で、ＮＯｘセンサ１０から得られる検出信号（Ｉｐ１信号、Ｉｐ２信号）を加工した劣化信号（Ｉｐ１劣化信号、Ｉｐ２劣化信号）をセンサ制御装置５０に出力することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、劣化模擬処理では、ゲイン劣化処理、オフセット劣化処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理を、それぞれ独立して実行することが可能であり、一部の処理を行わずともよく、少なくとも二つ以上の処理が実行されればよい。

また、本実施の形態では、劣化模擬処理のプログラムを実行することでソフトウェア的にＩｐ１信号やＩｐ２信号からＩｐ１模擬信号やＩｐ２模擬信号を生成したが、一部の処理については、ロジック回路を構成したアナログまたはデジタルハードウェア回路を作製し、Ｉｐ１模擬信号やＩｐ２模擬信号の生成を行うようにしてもよい。例えばゲイン劣化処理の場合、Ｉｐ１電流，Ｉｐ２電流を検出抵抗Ｒ１，Ｒ２で電圧変換したＩｐ１信号，Ｉｐ２信号を差動増幅回路８５，８６で増幅する際に、増幅率をトリマ抵抗を用いて任意に変更できるようにすればよい。また、オフセット劣化処理の場合、基準電圧（例えば５Ｖ）を抵抗で分圧し、分圧した電圧（オフセット電圧）を、Ｉｐ１信号，Ｉｐ２信号の電圧値に重畳すればよい。このとき、分圧抵抗の一方にトリマ抵抗を用いてオフセット電圧を任意に変更できるようにすればよい。オフセット電圧は、差動増幅回路８５，８６のレファレンス電圧とすればよい。応答遅れ処理の場合、Ｉｐ１信号，Ｉｐ２信号を、例えば一次のローパスフィルタを通過させ、信号をなまして出力すればよい。ローパスフィルタはコンデンサと抵抗で構成されるが、応答性を表す時定数τをＣ×Ｒで算出することができるので、ＣまたはＲの値を調整すれば（例えばトリマ抵抗を用いてＲを調整する。）、応答性の調整が可能である。ローパスフィルタは、差動増幅回路８５，８６の後段に設ければよい。

２ Ｉｐ１セル
４ Ｉｐ２セル
１０ ＮＯｘセンサ
１２，１４ 固体電解質体
１７，１８，２７，２８ 電極
２３ 第１検出室
３０ 第２検出室
５０ センサ制御装置
７０ 劣化シミュレータ
７５ ゲイン劣化ブロック
７６ オフセット劣化ブロック
７７ 応答遅れブロック
７８ 無駄時間遅れブロック
７９ マイクロコンピュータ
８１，８２ Ａ／Ｄコンバータ
８５，８６ 差動増幅回路
８８，８９ 劣化模擬回路部
９１，９２ Ｄ／Ａコンバータ
９５，９６ 電圧電流変換回路
９７ Ｉｐ−Ｖｓ変換回路
Ｒ１，Ｒ２ 検出抵抗

Claims (2)

1. 第１固体電解質体および当該第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、前記一対の第１電極のうちの一方の電極が、被検出ガスが導入される第１検出室内に配置され、当該第１検出室に導入された前記被検出ガスに含まれる酸素濃度の調整を行う第１酸素ポンプセルと、
   第２固体電解質体および当該第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、前記一対の第２電極のうちの一方の電極が、前記第１検出室に連通される第２検出室内に配置され、前記第１検出室から前記第２検出室に導入される、前記酸素濃度が調整された前記被検出ガスに含まれるＮＯｘの還元または分解を行うことによって、前記一対の第２電極間に前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度に応じたＮＯｘ濃度電流が流れる第２酸素ポンプセルと、
   を備えたＮＯｘセンサに接続され、前記ＮＯｘ濃度電流に基づき、当該ＮＯｘセンサの目標とする第１の劣化状態に劣化したときの前記ＮＯｘ濃度電流に対応する第１劣化信号を擬似的に生成するＮＯｘセンサの劣化シミュレータであって、
   前記第２酸素ポンプセルに流れる前記ＮＯｘ濃度電流を示す第１検出信号を取得する第１検出信号取得手段と、
   前記第１検出信号取得手段によって取得された前記第１検出信号を、第１の劣化目標に応じて変化させる第１劣化処理手段と、
   前記第１劣化処理手段によって変化された前記第１検出信号に応じて第１劣化電流を生成し、当該第１劣化電流を前記第１劣化信号として外部回路に出力する第１出力処理手段と、
   を備え、
   前記第１劣化処理手段は、前記第１の劣化目標に応じて、前記第１検出信号の値を上下させるオフセット補正、前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度変化に対応して前記第１検出信号が変化し始める時間を遅延させる時間特性補正、および、前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度変化に対応する前記第１検出信号の変化速度を変化させる応答特性補正、の少なくとも一つを実行しており、
   前記第１劣化信号を擬似的に生成するのに加えて、
   前記第１酸素ポンプセルの前記一対の第１電極に流れる酸素濃度に応じた酸素濃度電流を示す第２検出信号を取得する第２検出信号取得手段と、
   前記第２検出信号取得手段によって取得された前記第２検出信号を、第２の劣化目標に応じて変化させる第２劣化処理手段と、
   前記第２劣化処理手段によって変化された前記第２検出信号に応じて第２劣化電流を生成し、当該第２劣化電流を、前記酸素濃度電流に対応する第２劣化信号として前記外部回路に出力する第２出力処理手段と、
   をさらに備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの劣化シミュレータ。
2. 前記第１劣化処理手段は、
   前記第１検出信号のゲインを変化させるゲイン補正を実行可能であり、
   前記第１の劣化目標に応じて、前記オフセット補正、前記時間特性補正、前記応答特性補正および前記ゲイン補正のうちの二つ以上を実行することを特徴とする請求項１に記載のＮＯｘセンサの劣化シミュレータ。

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