WO2011161785A1 - ガスセンサの異常診断装置 - Google Patents

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敬規 佐々木
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トヨタ自動車株式会社
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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
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4175—Calibrating or checking the analyser

Definitions

  • the present invention relates to an abnormality diagnosis device for a gas sensor, and more particularly to an abnormality diagnosis device for a gas sensor for determining whether or not an abnormality of a gas sensor for detecting a concentration of a specific gas in exhaust gas discharged from an engine is detected.
  • NOx sensors that detect the NOx concentration of exhaust gas from internal combustion engines are known.
  • a main pump cell that pumps out oxygen in the measurement target gas
  • an auxiliary pump cell that further pumps out oxygen from the measurement target gas
  • detection that detects the concentration of NOx contained in the measurement target gas from which oxygen has been pumped out
  • the NOx concentration information detected by the NOx sensor for engine control as soon as possible after the engine is started. For this purpose, it is important to accurately determine the activity of the NOx sensor.
  • the activation speed (speed to completion of activation) of each cell is not the same. This is because the material of each cell differs depending on the role, and the distance between each cell and the heater is different.
  • the activation determination of the main pump cell (“first cell” in the publication) and the activation determination of the detection cell (“second cell” in the publication) are individually performed, and A gas concentration detection device is disclosed that determines the activation of a detection cell after it is determined that the activation of the pump cell has been completed. According to this apparatus, the oxygen concentration signal detected by the main pump cell can be used at an early stage without waiting for completion of the activation of the detection cell.
  • the gas sensor is arranged in an environment exposed to high-temperature exhaust gas. For this reason, the detection cell, the main pump cell, and the auxiliary pump cell constituting the gas sensor may be cracked or aged due to moisture. When such a deterioration abnormality occurs, there is a concern that an accurate cell output cannot be detected. As disclosed in the prior art, the cell output is used for activity determination and various controls. For this reason, it has been desired to perform OBD (On-Board Diagnostic) of abnormalities such as deterioration of each cell as early as possible.
  • OBD On-Board Diagnostic
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a gas sensor abnormality diagnosis device capable of diagnosing abnormality of the gas sensor based on output characteristics of the gas sensor during warm-up. With the goal.
  • the first invention provides a main pump cell that pumps oxygen in the measurement target gas, an auxiliary pump cell that further pumps oxygen from the measurement target gas, and oxygen that is supplied by the main pump cell and the auxiliary pump cell.
  • a gas sensor abnormality diagnosis device comprising: a detection cell that detects a concentration of a specific gas component contained in the pumped measurement target gas; Based on at least one of a rising characteristic, a peak value, and a subsequent falling characteristic of the cell output immediately after starting detection of the cell output of the detection cell during the warm-up of the gas sensor, the detection cell, An abnormality diagnosis means for diagnosing at least one abnormality of the main pump cell and the auxiliary pump cell is provided.
  • the abnormality diagnosing means determines occurrence of abnormality in the detection cell when the rising speed of the cell output is smaller than a predetermined threshold value.
  • the abnormality diagnosing means determines occurrence of an abnormality in at least one of the main pump cell and the auxiliary pump cell when a rate of falling after rising of the cell output is smaller than a predetermined threshold value.
  • a fourth invention is any one of the first to third inventions,
  • the abnormality diagnosing means determines occurrence of abnormality in the detection cell when a peak value after rising of the cell output is smaller than a predetermined threshold value.
  • the abnormality diagnosis means determines whether there is an abnormality out of range of the gas sensor.
  • a sixth invention is any one of the first to fifth inventions,
  • the abnormality diagnosing means determines whether or not there is an abnormality in the responsiveness of the gas sensor.
  • a seventh invention is the invention according to any one of the first to sixth inventions,
  • the abnormality diagnosis means determines whether there is an abnormality due to disconnection of the gas sensor.
  • the abnormality diagnosis means determines whether there is an abnormality due to a short circuit of the gas sensor.
  • the first invention it is possible to diagnose at least one abnormality of the main pump cell, the auxiliary pump cell, and the detection cell based on the cell output characteristics while the gas sensor is warmed up. For this reason, according to this invention, OBD of a gas sensor can be performed in the stage in warming-up of a gas sensor.
  • the abnormality of the detected cell is determined. Is done. This rise in cell output is an output change that occurs when oxygen in the gas sensor reacts on the electrode of the detection cell. If an abnormality such as deterioration occurs in the detection cell, the output change is slow. become. Therefore, according to the present invention, it is possible to effectively diagnose the abnormality of the detection cell based on the rising speed of the cell output.
  • the rate of falling after rising of the cell output is smaller than a predetermined threshold value
  • at least one abnormality of the main pump cell and the auxiliary pump cell is determined.
  • the fall of the cell output is an output change that occurs when the main pump cell and the auxiliary pump cell remove oxygen in the gas sensor. If an abnormality such as deterioration occurs in these pump cells, the output change becomes sluggish. For this reason, according to the present invention, it is possible to effectively diagnose abnormality of the main pump cell and the auxiliary pump cell based on the falling speed of the cell output.
  • the abnormality of the detected cell is determined.
  • This peak value tends to decrease when an abnormality such as deterioration occurs in the detection cell. For this reason, according to this invention, abnormality of a detection cell can be diagnosed effectively based on the peak value of a cell output.
  • the fifth aspect of the present invention it is possible to diagnose whether the gas sensor is out of range or not at an early stage during the warm-up of the gas sensor.
  • the sixth aspect of the present invention it is possible to diagnose whether or not a gas sensor responsiveness deterioration abnormality has occurred at an early stage during warm-up of the gas sensor.
  • the seventh aspect of the present invention it is possible to diagnose the occurrence of the disconnection abnormality of the gas sensor at an early stage during the warm-up of the gas sensor.
  • the eighth aspect of the present invention it is possible to diagnose the occurrence of a short circuit abnormality of the gas sensor at an early stage during the warm-up of the gas sensor.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a gas concentration detection apparatus 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the gas concentration detection device 10 of the present embodiment is a device that detects the concentration of NOx (nitrogen oxide) in the exhaust gas of an internal combustion engine (hereinafter also referred to as “engine”).
  • the gas concentration detection device 10 has a NOx sensor 1.
  • the NOx sensor 1 is formed by sequentially stacking a spacer 4, a detection cell (sensor cell) 5, a spacer 6, and a heater 7 below the main pump cell 2 and the auxiliary pump cell 3.
  • a first chamber 41 and a second chamber 42 are formed in the spacer 4.
  • a constituent material of the spacer 4 for example, alumina or the like can be used.
  • the first chamber 41 and the second chamber 42 communicate with each other through the communication hole 43.
  • the first chamber 41, the second chamber 42 and the communication hole 43 can be formed by providing a hole in the spacer 4.
  • the main pump cell 2 has a function of pumping out and removing excess oxygen in the measurement target gas flowing into the first chamber 41.
  • the main pump cell 2 includes a solid electrolyte 21 and a pair of pump electrodes 22 and 23.
  • the solid electrolyte 21, which is an element, has oxygen ion conductivity, and is composed of, for example, ZrO 2 , HfO 2 , ThO 2 , BiO 3 or the like formed into a sheet shape.
  • the pump electrodes 22 and 23 sandwiching the solid electrolyte 21 from above and below can be formed by a method such as screen printing, for example.
  • the first pump electrode 22 formed on the surface of the solid electrolyte 21 faces the space where the exhaust gas that is the measurement target gas exists, that is, the exhaust passage of the engine.
  • a porous cermet electrode containing a noble metal such as Pt can be used as the first pump electrode 22.
  • the second pump electrode 23 provided on the opposite side of the first pump electrode 22 across the solid electrolyte 21 faces the first chamber 41.
  • an electrode inert to NOx for example, a porous cermet electrode containing a Pt—Au alloy and ceramics such as zirconia and alumina can be used.
  • the main pump cell 2 is formed with a pinhole 24 as an introduction hole penetrating the solid electrolyte 21 and the pump electrodes 22 and 23.
  • Exhaust gas which is a measurement object gas, permeates through a porous protective layer 8 described later, flows into the first chamber 41 through the pinhole 24.
  • the hole diameter of the pinhole 24 is designed so that the diffusion speed of the exhaust gas introduced into the first chamber 41 becomes a predetermined speed.
  • the auxiliary pump cell 3 has a function of detecting the oxygen concentration in the measurement target gas flowing into the second chamber 42 from the first chamber 41 and further pumping out and removing excess oxygen in the gas.
  • the auxiliary pump cell 3 includes a solid electrolyte 31 and a pair of pump electrodes 32 and 33.
  • the solid electrolyte 31 as an element has oxygen ion conductivity, and is composed of, for example, ZrO 2 , HfO 2 , ThO 2 , BiO 3 or the like formed into a sheet shape.
  • the pump electrodes 32 and 33 sandwiching the solid electrolyte 31 from above and below can be formed by a method such as screen printing, for example.
  • the first pump electrode 32 formed on the surface of the solid electrolyte 31 faces the exhaust passage of the internal combustion engine.
  • the porous cermet electrode containing noble metals, such as Pt can be used, for example.
  • the second pump electrode 33 provided on the opposite side of the first pump electrode 32 across the solid electrolyte 31 faces the second chamber 42.
  • an electrode inert to NOx for example, a porous cermet electrode containing a Pt—Au alloy and ceramics such as zirconia and alumina can be used.
  • the first pump electrodes 22 and 32 of the main pump cell 2 and the auxiliary pump cell 3 are covered with the porous protective layer 8.
  • the porous protective layer 8 is made of, for example, porous alumina.
  • the porous protective layer 8 can prevent poisoning of the first pump electrodes 22 and 32 and can prevent the pinhole 24 from being clogged with soot contained in the exhaust gas.
  • the detection cell 5 has a function of detecting the NOx concentration from the amount of oxygen produced by the reductive decomposition of NO.
  • the detection cell 5 includes a solid electrolyte 51 and a pair of detection electrodes 52 and 53 that sandwich the solid electrolyte 51 from above and below. These detection electrodes 52 and 53 can be formed by a method such as screen printing, for example.
  • the first detection electrode 52 formed on the surface of the solid electrolyte 51 faces the second chamber 42.
  • a porous cermet electrode containing a Pt—Rh alloy and ceramics such as zirconia and alumina can be used.
  • the second detection electrode 53 provided on the opposite side of the first detection electrode 52 across the solid electrolyte 51 faces the atmospheric duct 61 formed in the spacer 6. Air is introduced into the air duct 61.
  • the second detection electrode 53 for example, a porous cermet electrode containing a noble metal such as Pt can be used.
  • the air duct 61 can be formed by providing a cutout in the spacer 6.
  • the heater 7 includes sheet-like insulating layers 72 and 73 and a heater electrode 71 provided between the insulating layers 72 and 73.
  • the insulating layers 72 and 73 are made of ceramics such as alumina, for example.
  • the heater electrode 71 is composed of, for example, a cermet of Pt and ceramics such as alumina.
  • the gas concentration detection device 10 of this embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 9 as a control device.
  • the ECU 9 includes main pump cell control means 91, auxiliary pump cell control means 92, detection cell control means 93, and heater control means 94.
  • the ECU 9 may be configured separately from the engine ECU, or may be configured as a part of the engine ECU.
  • the main pump cell control means 91 is connected to the first pump electrode 22 and the second pump electrode 23 of the main pump cell 2.
  • the main pump cell control means 91 is capable of applying a voltage to the first pump electrode 22 and the second pump electrode 23 and detecting a current value flowing through the main pump cell 2.
  • the auxiliary pump cell control means 92 is connected to the first pump electrode 32 and the second pump electrode 33 of the auxiliary pump cell 3.
  • the auxiliary pump cell control unit 92 applies a voltage to the first pump electrode 32 and the second pump electrode 33 of the auxiliary pump cell 3 and can detect a current value flowing through the auxiliary pump cell 3.
  • the detection cell control means 93 is connected to the first detection electrode 52 and the second detection electrode 53 of the detection cell 5.
  • the detection cell control means 93 can apply a voltage to the first detection electrode 52 and the second detection electrode 53 and can detect the value of the current flowing through the detection cell 5.
  • the heater control means 94 is connected to the heater electrode 71.
  • the heater control means 94 supplies power to the heater electrode 71.
  • the temperatures of the solid electrolytes 21, 31, 51 are higher than the activation temperature. It is necessary to be. However, when the engine is stopped or when the fuel is cut for a long time, the temperature of each cell decreases. For this reason, when starting the engine or returning from the fuel cut for a long time, the temperature of each cell is quickly raised to the activation temperature or higher so that the heater 7 is energized to control the NOx sensor 1 to warm up. Executed.
  • oxygen in the first chamber 41 is reduced to oxygen ions O 2 ⁇ on the second pump electrode 23.
  • the oxygen ions O 2 ⁇ pass through the solid electrolyte 21 and are discharged to the first pump electrode 22 side.
  • the operation of the main pump cell 2 is controlled so that the residual oxygen concentration of the measurement target gas becomes a predetermined target concentration.
  • the measurement target gas whose oxygen concentration is sufficiently reduced in the first chamber 41 flows into the second chamber 42.
  • a predetermined voltage is applied to the auxiliary pump cell 3 by the auxiliary pump cell control means 92, the residual oxygen in the second chamber 42 is reduced to oxygen ions O 2 ⁇ on the second pump electrode 33.
  • the oxygen ions O 2 ⁇ pass through the solid electrolyte 31 and are discharged to the first pump electrode 32 side.
  • a current corresponding to the residual oxygen concentration in the second chamber 42 flows through the auxiliary pump cell 3. Therefore, according to the output of the auxiliary pump cell 3 (hereinafter referred to as “auxiliary pump output”), the residual oxygen concentration in the measurement target gas can be detected.
  • the pump capacity (oxygen pumping capacity) of the main pump cell 2 is determined according to the voltage applied to the main pump cell 2.
  • the ECU 9 can feed back and control the auxiliary pump output to the applied voltage of the main pump cell 2 so that the residual oxygen concentration detected by the auxiliary pump cell 3 becomes the target concentration. Thereby, the oxygen concentration of the measurement target gas flowing into the second chamber 42 can be accurately maintained at the target concentration.
  • control when the residual oxygen concentration detected by the auxiliary pump cell 3 is not lowered to the target concentration, by increasing the applied voltage of the main pump cell 2 and increasing the oxygen discharge amount by the main pump cell 2, Control is performed to reduce the oxygen concentration to the target concentration.
  • the ECU 9 increases the applied voltage of the auxiliary pump cell 3 when the residual oxygen concentration detected by the auxiliary pump cell 3 has not decreased to the target concentration, and the amount of oxygen discharged by the auxiliary pump cell 3. By increasing the value, control may be performed to reduce the oxygen concentration to the target concentration.
  • NOx output the NOx concentration in the exhaust gas can be detected.
  • FIG. 2 is a diagram showing the behavior of the NOx output when the NOx sensor 1 is warmed up.
  • FIG. 2 shows the change in NOx output when the actual engine exhaust gas containing 300 ppm of NOx is used as the measurement target gas.
  • warming up of the NOx sensor 1 is started at time t0.
  • the sensor is activated to start detecting NOx output.
  • the time t1 is set to a time during which the warming-up of the detection cell 5 proceeds and the NOx output can be detected by oxygen in the vicinity of the first detection electrode 52 (that is, oxygen in the second chamber 42). . Therefore, as shown in this figure, when the detection of the NOx output is started at time t1, the NOx output is rapidly increased by oxygen in the vicinity of the first detection electrode 52.
  • the NOx output that suddenly rises at time t1 falls rapidly to the minus side immediately after that.
  • the reason is considered as follows. That is, the oxygen concentration of the engine exhaust gas is significantly lower than that of the atmosphere. For this reason, when the warming-up of the main pump cell 2 proceeds and the pump capacity is increased, oxygen in the second chamber 42 is removed from an appropriate value. As a result, even the oxygen generated by the decomposition of NO is removed by the main pump cell 2, and the NOx output sticks to the lower limit value on the negative side.
  • the NOx output exhibits a unique output characteristic while the NOx sensor 1 is warmed up.
  • This output characteristic depends largely on the cell capacity of the NOx sensor 1 in particular. Therefore, in the present embodiment, the sensor OBD is executed using the NOx output characteristics of the NOx sensor 1 after the start of warm-up. More specifically, abnormality diagnosis of the main pump cell 2, the auxiliary pump cell 3, and the detection cell 5 is executed based on the rising characteristics, falling characteristics, peak values, etc. of the NOx output during the warm-up of the NOx sensor 1. I will do it.
  • some abnormality diagnosis utilizing this NOx output characteristic will be described in more detail.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating output characteristics when detection of NOx output is started while the NOx sensor 1 is warming up.
  • This figure shows the output characteristics for the NOx concentration state (at high NOx and low NOx) of the gas to be measured and the oxygen concentration state (at high oxygen concentration and low oxygen concentration) in the NOx sensor 1, respectively. ing.
  • the NOx output rises rapidly.
  • this increase in output occurs when oxygen in the second chamber 42 reacts with the electrode of the detection cell 5 immediately after the voltage is applied to the detection cell 5. For this reason, the rising speed (inclination) of the NOx output greatly depends on the cell capability of the detection cell 5.
  • the capacity of the detection cell 5 varies depending on the degree of abnormality such as deterioration. More specifically, for example, the detection cell 5 is deteriorated over time due to deterioration over time, element cracking, sulfur poisoning, lead poisoning, electrode poisoning, etc., deterioration over time due to deterioration over time, PM clogging, element cracking, etc. In the case where an abnormality of responsiveness deterioration caused by sulfur poisoning, lead poisoning, electrode poisoning, or the like has occurred, the slope of the NOx output becomes small. When the detection cell 5 is disconnected or short-circuited due to harness disconnection, controller failure, element cracking, or the like, the slope of the NOx output remains substantially zero and does not change.
  • the occurrence of the abnormality in the detection cell 5 is determined.
  • a predetermined threshold value a fixed value that is set in advance as a rising slope when an abnormality occurs in the detection cell 5 is used.
  • the rising slope of the NOx output also changes depending on the initial oxygen concentration in the second chamber 42. For this reason, the oxygen concentration may be estimated from the operating state of the engine or the like, or detected by an air-fuel ratio sensor or the like, and the threshold value may be set variably according to the oxygen concentration.
  • the sensor OBD can be effectively performed early in the warming-up of the NOx sensor 1 by using the rising characteristic immediately after the detection of the NOx output is started. it can.
  • the cell capacity of the main pump cell 2 or the auxiliary pump cell 3 changes depending on the degree of abnormality such as deterioration. More specifically, for example, these pump cells 2 and 3 are clogged due to deterioration over time due to deterioration with time, element cracking, sulfur poisoning, lead poisoning, electrode poisoning, etc., deterioration with time, PM, etc.
  • the absolute value of the slope of the NOx output becomes small.
  • the slope of the NOx output remains substantially zero.
  • the occurrence of the abnormality in at least one of the main pump cell 2 and the auxiliary pump cell 3 is determined. I will do it.
  • a predetermined threshold value a fixed value set in advance as a slope of falling when an abnormality occurs in these cells is used. Note that the slope of the fall of the NOx output also changes depending on the initial oxygen concentration in the second chamber 42. For this reason, the oxygen concentration may be estimated from the operating state of the engine or detected by an air-fuel ratio sensor or the like, and the threshold value may be set variably according to the oxygen concentration.
  • the sensor OBD is effectively performed early in the warm-up of the NOx sensor 1 by using the falling characteristic immediately after the detection of the NOx output is started. Can do.
  • the abnormality diagnosis of the auxiliary pump cell output can be determined by comparing the main pump cell output and the auxiliary pump cell output. More specifically, when the output values of the two are different from each other, it can be determined that the feedback using the auxiliary pump cell 3 is not properly performed, and therefore an abnormality in the auxiliary pump cell 3 can be determined. .
  • the cell capability of the detection cell 5 changes depending on the degree of abnormality such as deterioration. More specifically, for example, the detection cell 5 is deteriorated over time due to deterioration over time, element cracking, sulfur poisoning, lead poisoning, electrode poisoning, etc., deterioration over time due to deterioration over time, PM clogging, element cracking, etc.
  • the peak value of NOx output tends to be small.
  • the occurrence of the abnormality in the detection cell 5 is determined.
  • a predetermined threshold a fixed value set in advance as a peak value when an abnormality occurs in the detection cell 5 is used.
  • the peak value of the NOx output also changes depending on the initial oxygen concentration in the second chamber 42. For this reason, the oxygen concentration may be estimated from the operating state of the engine or detected by an air-fuel ratio sensor or the like, and the threshold value may be set variably according to the oxygen concentration.
  • the sensor OBD is enabled early in the warming-up of the NOx sensor 1 by using the peak value of the NOx output immediately after the detection of the NOx output is started. It can be carried out.
  • the integrated output of the NOx output when the slope of falling of the NOx output is reduced, the integrated output of the NOx output is increased. Therefore, in this embodiment, when the integrated output of the NOx output is larger than a predetermined threshold value, it is determined that an abnormality has occurred in at least one of the main pump cell 2 and the auxiliary pump cell 3.
  • the integrated output of NOx output depends on the initial oxygen concentration in the second chamber 42. That is, as shown in FIG. 3, when the oxygen concentration is high, the time until the NOx output falls becomes longer. Therefore, the predetermined threshold value is set variably according to the oxygen concentration. As described above, the oxygen concentration may be estimated from the engine operating state or the like, or may be detected by an air-fuel ratio sensor or the like.
  • the sensor OBD is made effective early in the warming-up of the NOx sensor 1 by using the integrated value of the NOx output immediately after the detection of the NOx output is started. It can be carried out.
  • FIG. 4 is a flowchart of a routine executed by the ECU 9 in the present embodiment.
  • execution determination of the energization delay process is performed (step 100).
  • the presence / absence of execution of the energization delay process for the NOx sensor 1 is acquired as prior information for executing an abnormality diagnosis of the NOx sensor 1.
  • the NOx emission amount is acquired (step 102). Specifically, the NOx concentration in the exhaust gas is estimated based on the operating state of the engine or the like.
  • the oxygen concentration in the NOx sensor 1 is acquired (step 104).
  • the oxygen concentration in the second chamber 42 is estimated based on the operating state of the engine and the like.
  • a threshold value for abnormality determination is set (step 106).
  • threshold values used for various abnormality determinations described later are set based on the oxygen concentration acquired in step 104.
  • abnormality diagnosis of the NOx sensor 1 is executed (step 108). Specifically, abnormality diagnosis of the main pump cell 2, the auxiliary pump cell 3, and the detection cell 5 is performed based on the NOx output characteristics of the NOx sensor 1 during warm-up.
  • the abnormality diagnosis uses the above-described abnormality diagnosis using the rising characteristics of NOx output, abnormality diagnosis using the falling characteristics of NOx output, abnormality diagnosis using the peak value of NOx output, and integrated output of NOx output.
  • the abnormal diagnosis is executed.
  • it is determined whether or not an abnormality has occurred in these cells (step 110). As a result, if it is determined that an abnormality has occurred in any of these cells, the process proceeds to the next step, and the MIL for notifying the driver of the occurrence of the abnormality is turned on (step 112). .
  • step 110 the process proceeds to the next step, and it is determined whether or not the main pump cell output and the auxiliary pump cell output are deviated (step 114). .
  • the process proceeds to the next step, and the abnormality of the auxiliary pump cell 3 is notified to the driver.
  • the MIL for notifying the occurrence is turned on (step 116).
  • the presence / absence of abnormality of each cell of the NOx sensor 1 is diagnosed based on the NOx output characteristics during the warm-up of the NOx sensor 1. Can do. Accordingly, the sensor OBD can be effectively executed at an early time when the NOx sensor 1 is warming up.
  • the NOx sensor 1 corresponds to the “gas sensor” in the first invention
  • the ECU 9 executes the processing of step 108 in the first invention.
  • “Abnormality diagnosis means” is realized.

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Abstract

　ガスセンサの暖機時における出力特性に基づいて、該ガスセンサの異常有無を診断する。　主ポンプセル２と補助ポンプセル３と検出セル５とを有するＮＯｘセンサ１を備えたガスセンサの異常診断装置１０であって、ＮＯｘセンサ１の暖機中に、検出セル５のＮＯｘ出力の検出を開始した直後の該ＮＯｘ出力の立ち上がり特性、ピーク値、およびその後の立ち下がり特性の少なくとも１つに基づいて、検出セル５、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の少なくとも１つの異常を診断する。好ましくは、ＮＯｘ出力の立ち上がりの速度が小さい場合に検出セル５の異常を判定する。また、ＮＯｘ出力の立ち下がりの速度が小さい場合に主ポンプセル２および補助ポンプセル３の少なくとも１つの異常を判定する。また、ＮＯｘ出力のピーク値が小さい場合に検出セル５の異常を判定する。

Description

ガスセンサの異常診断装置
　この発明は、ガスセンサの異常診断装置に係り、特に、エンジンから排出される排気ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサの異常有無を判定するガスセンサの異常診断装置に関する。
　内燃機関の排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが知られている。このＮＯｘセンサとして、測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出する検出セルとを備えたものがある。各セルには、固体電解質が用いられている。各セルが正常な特性を発揮するには、固体電解質の温度が一定温度以上になることが必要である。
　内燃機関のエミッションを更に改善するためには、エンジン始動後、なるべく早期に、ＮＯｘセンサで検出されるＮＯｘ濃度の情報をエンジン制御に利用することが望まれている。そのためには、ＮＯｘセンサの活性を精度良く判定することが重要である。
　しかしながら、各セルの活性速度（活性完了までの速さ）は、同じではない。この原因は、各セルの材質が役割に応じて異なることや、各セルとヒータとの距離が異なることなどにある。
　特開２００４－１３２８４０号公報には、主ポンプセル（同公報では「第１セル」）の活性判定と検出セル（同公報では「第２セル」）の活性判定とを個別に行い、且つ、主ポンプセルの活性化が完了したと判定された後、検出セルの活性判定を行うガス濃度検出装置が開示されている。この装置によれば、検出セルの活性完了を待つことなく、主ポンプセルにより検出される酸素濃度信号を早期に利用することができる。
日本特開２００４－１３２８４０号公報 日本特開２００３－９０８１９号公報 日本特開２００２－１０６３３２号公報
　ところで、ガスセンサは高温の排気ガスに晒される環境下に配置される。このため、ガスセンサを構成する検出セル、主ポンプセル、および補助ポンプセルは、被水等に起因するクラックや経年劣化等が発生するおそれがある。このような劣化異常が発生すると、正確なセル出力を検出することができないことが懸念される。上記従来の技術に開示されているように、セル出力は活性判定や種々の制御に使用される。このため、各セルの劣化等の異常のＯＢＤ（On-Board Diagnostic）をできるだけ早い段階で行うことが望まれていた。
　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガスセンサの暖機時における出力特性に基づいて、該ガスセンサの異常を診断することのできるガスセンサの異常診断装置を提供することを目的とする。
　第１の発明は、上記の目的を達成するため、測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサの異常診断装置であって、
　前記ガスセンサの暖機中に、前記検出セルのセル出力の検出を開始した直後の該セル出力の立ち上がり特性、ピーク値、およびその後の立ち下がり特性の少なくとも１つに基づいて、前記検出セル、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルの少なくとも１つの異常を診断する異常診断手段を備えることを特徴とする。
　第２の発明は、第１の発明において、
　前記異常診断手段は、前記セル出力の立ち上がりの速度が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記検出セルに対する異常の発生を判定することを特徴とする。
　第３の発明は、第１または第２の発明において、
　前記異常診断手段は、前記セル出力の立ち上がり後の立ち下がりの速度が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルの少なくとも１つに対する異常の発生を判定することを特徴とする。
　第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
　前記異常診断手段は、前記セル出力の立ち上がり後のピーク値が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記検出セルに対する異常の発生を判定することを特徴とする。
　第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
　前記異常診断手段は、前記ガスセンサのレンジ外れの異常の有無を判定することを特徴とする。
　第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
　前記異常診断手段は、前記ガスセンサの応答性低下の異常の有無を判定することを特徴とする。
　第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
　前記異常診断手段は、前記ガスセンサの断線による異常の有無を判定することを特徴とする。
　第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において、
　前記異常診断手段は、前記ガスセンサのショートによる異常の有無を判定することを特徴とする。
　第１の発明によれば、ガスセンサの暖機中にセル出力特性に基づいて、主ポンプセル、補助ポンプセル、および検出セルの少なくとも１つの異常を診断することができる。このため、本発明によれば、ガスセンサの暖機中の段階でガスセンサのＯＢＤを行うことができる。
　第２の発明によれば、ガスセンサの暖機中に、セル出力の検出を開始した直後の該セル出力の立ち上がりの速度が、所定のしきい値よりも小さい場合に、検出セルの異常が判定される。このセル出力の立ち上がりは、該ガスセンサ内の酸素が検出セルの電極上で反応することで発生する出力変化であり、検出セルに劣化等の異常が発生している場合にはその出力変化が緩慢になる。このため、本発明によれば、セル出力の立ち上がりの速度に基づいて、検出セルの異常を有効に診断することができる。
　第３の発明によれば、セル出力の立ち上がり後の立ち下がりの速度が、所定のしきい値よりも小さい場合に、主ポンプセルおよび補助ポンプセルの少なくとも１つの異常が判定される。このセル出力の立ち下がりは、主ポンプセルおよび補助ポンプセルが該ガスセンサ内の酸素を除去することで発生する出力変化であり、これらのポンプセルに劣化等の異常が発生している場合にはその出力変化が緩慢になる。このため、本発明によれば、セル出力の立ち下がりの速度に基づいて、主ポンプセルおよび補助ポンプセルの異常を有効に診断することができる。
　第４の発明によれば、セル出力の立ち上がり後のピーク値が、所定のしきい値よりも小さい場合に、検出セルの異常が判定される。このピーク値は、検出セルに劣化等の異常が発生している場合に小さくなる傾向がある。このため、本発明によれば、セル出力のピーク値に基づいて、検出セルの異常を有効に診断することができる。
　第５の発明によれば、ガスセンサのレンジ外れ異常の発生有無を、ガスセンサの暖機中の早い時期に診断することができる。
　第６の発明によれば、ガスセンサの応答性低下異常の発生有無を、ガスセンサの暖機中の早い時期に診断することができる。
　第７の発明によれば、ガスセンサの断線異常の発生有無を、ガスセンサの暖機中の早い時期に診断することができる。
　第８の発明によれば、ガスセンサのショート異常の発生有無を、ガスセンサの暖機中の早い時期に診断することができる。
本発明の実施の形態のガス濃度検出装置の構成を説明するための図である。 ＮＯｘセンサ１の暖機中におけるＮＯｘ出力特性を示す図である。 ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した場合の出力特性を示す図である。 本発明の実施の形態において実行されるルーチンのフローチャートである。
　以下、図面に基づいてこの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。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態．
［実施の形態の構成］
　図１は、本発明の実施の形態のガス濃度検出装置１０の構成を説明するための図である。本実施形態のガス濃度検出装置１０は、内燃機関（以下、「エンジン」とも称する）の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出する装置である。このガス濃度検出装置１０は、ＮＯｘセンサ１を有している。
　ＮＯｘセンサ１は、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の下方に、スペーサ４、検出セル（センサセル）５、スペーサ６、ヒータ７を順次積層することにより形成されている。
　スペーサ４には、第１室４１と、第２室４２とが形成されている。スペーサ４の構成材料としては、例えばアルミナ等を用いることができる。第１室４１および第２室４２は、連通孔４３を介して連通している。これらの第１室４１、第２室４２および連通孔４３は、スペーサ４に抜き穴を設けることにより形成することができる。
　主ポンプセル２は、第１室４１に流入した測定対象ガス中の余剰酸素を汲み出して除去する機能を有している。この主ポンプセル２は、固体電解質２１と、一対のポンプ電極２２，２３とで構成されている。素子である固体電解質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等で構成されている。この固体電解質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。
　固体電解質２１の表面に形成された第１ポンプ電極２２は、測定対象ガスである排気ガスが存在する空間、すなわち、エンジンの排気通路内に面している。この第１ポンプ電極２２としては、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。
　一方、固体電解質２１を挟んで第１ポンプ電極２２の反対側に設けられた第２ポンプ電極２３は、第１室４１に面している。この第２ポンプ電極２３としては、ＮＯｘ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。
　主ポンプセル２には、固体電解質２１とポンプ電極２２，２３と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。測定対象ガスである排気ガスは、後述する多孔質保護層８を透過し、ピンホール２４を通って、第１室４１に流入する。ピンホール２４の孔径は、第１室４１に導入される排気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。
　補助ポンプセル３は、第１室４１から第２室４２に流入した測定対象ガス中の酸素濃度を検出するとともに、当該ガス中の余剰酸素を更に汲み出して除去する機能を有している。この補助ポンプセル３は、固体電解質３１と、一対のポンプ電極３２，３３とで構成されている。素子である固体電解質３１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等で構成されている。この固体電解質３１を上下から挟むポンプ電極３２，３３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。
　固体電解質３１の表面に形成された第１ポンプ電極３２は、内燃機関の排気通路内に面している。この第１ポンプ電極３２としては、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。
　一方、固体電解質３１を挟んで第１ポンプ電極３２の反対側に設けられた第２ポンプ電極３３は、第２室４２に面している。この第２ポンプ電極３３としては、ＮＯｘ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。
　主ポンプセル２および補助ポンプセル３の第１ポンプ電極２２，３２は、多孔質保護層８により覆われている。多孔質保護層８は、例えば多孔質アルミナ等で構成される。この多孔質保護層８により、第１ポンプ電極２２，３２の被毒を防止することができると共に、排気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。
　検出セル５は、ＮＯの還元分解により生じる酸素量からＮＯｘ濃度を検出する機能を有している。検出セル５は、固体電解質５１と、この固体電解質５１を上下から挟む一対の検出電極５２，５３とを有している。これらの検出電極５２，５３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。
　固体電解質５１の表面に形成された第１検出電極５２は、第２室４２に面している。この第１検出電極５２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。
　一方、固体電解質５１を挟んで第１検出電極５２の反対側に設けられた第２検出電極５３は、スペーサ６に形成された大気ダクト６１に面している。大気ダクト６１には、大気が導入される。この第２検出電極５３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６１は、スペーサ６に切り欠きを設けることにより形成することができる。
　ヒータ７は、シート状の絶縁層７２，７３と、これらの絶縁層７２，７３間に設けられたヒータ電極７１とを有している。絶縁層７２，７３は、例えば、アルミナ等のセラミックスにより構成される。ヒータ電極７１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構成される。
　本実施形態のガス濃度検出装置１０は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）９を備えている。ＥＣＵ９は、主ポンプセル制御手段９１と、補助ポンプセル制御手段９２と、検出セル制御手段９３と、ヒータ制御手段９４とを有している。このＥＣＵ９は、エンジンＥＣＵと別個に構成されていてもよく、エンジンＥＣＵの一部として構成されていてもよい。
　主ポンプセル制御手段９１は、主ポンプセル２の第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に接続されている。主ポンプセル制御手段９１は、第１ポンプ電極２２および第２ポンプ電極２３に電圧を印加するとともに、主ポンプセル２に流れる電流値を検出可能になっている。
　補助ポンプセル制御手段９２は、補助ポンプセル３の第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３に接続されている。補助ポンプセル制御手段９２は、補助ポンプセル３の第１ポンプ電極３２および第２ポンプ電極３３に電圧を印加するとともに、補助ポンプセル３に流れる電流値を検出可能になっている。
　検出セル制御手段９３は、検出セル５の第１検出電極５２および第２検出電極５３に接続されている。検出セル制御手段９３は、第１検出電極５２および第２検出電極５３に電圧を印加するとともに、検出セル５に流れる電流値を検出可能になっている。
　ヒータ制御手段９４は、ヒータ電極７１に接続されている。ヒータ制御手段９４は、ヒータ電極７１に電力を供給するものである。
　上述したようなＮＯｘセンサ１では、主ポンプセル２、補助ポンプセル３、検出セル５の各セルがそれぞれ正常な特性を発揮するためには、それらの固体電解質２１，３１，５１の温度が活性温度以上であることが必要である。しかしながら、エンジンが停止しているときや燃料カットが長時間行われたときなどには、各セルの温度は低下する。このため、エンジン始動時や、長時間の燃料カットからの復帰時には、各セルの温度を早期に活性温度以上に上昇させるため、ヒータ７に通電することにより、ＮＯｘセンサ１を暖機する制御が実行される。
［実施の形態の動作］
（ガス濃度検出装置１０の基本動作）
　先ず、ＮＯｘセンサ１の暖機完了後におけるガス濃度検出装置１０の動作について説明する。測定対象ガスとしての排気ガスは、多孔質保護層８とピンホール２４とを通って、第１室４１に導入される。この第１室４１に導入される測定対象ガスの量は、多孔質保護層８およびピンホール２４の拡散抵抗に応じて定まる。
　主ポンプセル制御手段９１により主ポンプセル２に電圧が印加されると、第１室４１内の酸素が第２ポンプ電極２３上で酸素イオンＯ２－に還元される。この酸素イオンＯ２－は、固体電解質２１を透過して第１ポンプ電極２２側に排出される。主ポンプセル２の作動は、測定対象ガスの残留酸素濃度が所定の目標濃度となるように制御される。
　第１室４１において酸素濃度が十分に低減された測定対象ガスは、第２室４２に流入する。補助ポンプセル制御手段９２により補助ポンプセル３に所定電圧が印加されると、第２室４２内の残留酸素が第２ポンプ電極３３上で酸素イオンＯ２－に還元される。この酸素イオンＯ２－は、固体電解質３１を透過して第１ポンプ電極３２側に排出される。この際、補助ポンプセル３には、第２室４２内の残留酸素濃度に応じた電流が流れる。よって、補助ポンプセル３の出力（以下、「補助ポンプ出力」と称する）によれば、測定対象ガス中の残留酸素濃度を検出することができる。
　主ポンプセル２のポンプ能力（酸素汲み出し能力）は、主ポンプセル２への印加電圧に応じて決まる。ＥＣＵ９は、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度となるように、補助ポンプ出力を主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックして制御することができる。これにより、第２室４２に流入する測定対象ガスの酸素濃度を目標濃度に精度良く維持することができる。
　上記の制御においては、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合には、主ポンプセル２の印加電圧を高め、主ポンプセル２による酸素排出量を増大させることにより、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御が行われる。尚、このような制御に代えて、ＥＣＵ９は、補助ポンプセル３によって検出される残留酸素濃度が目標濃度まで低下していない場合に、補助ポンプセル３の印加電圧を高め、補助ポンプセル３による酸素排出量を増大させることによって、酸素濃度を目標濃度に低下させようとする制御を行うようにしてもよい。
　上述したようにして主ポンプセル２および補助ポンプセル３によって酸素が除去され、測定対象ガス中の酸素濃度が十分に低減されると、２ＮＯ２→２ＮＯ＋Ｏ２なる反応が生じ、ＮＯｘがＮＯに単ガス化される。そして、検出セル制御手段９３により検出セル５に所定電圧が印加されると、第２室４２内のＮＯが第１検出電極５２上で分解され酸素イオンＯ２－が発生する。この酸素イオンＯ２－は、固体電解質５１を透過して、第２検出電極５３から大気ダクト６１に排出される。このとき、検出セル５には、第２室４２内のＮＯ濃度に応じた電流が流れる。このようにして、検出セル５の出力（以下、「ＮＯｘ出力」と称する）によれば、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
（ＮＯｘセンサの暖機時における出力特性）
　次に、図２を参照して、ＮＯｘセンサ１の暖機時における出力特性について説明する。エミッションを改善するためには、ＮＯｘセンサ１で検出されるＮＯｘ濃度を、なるべく早期にエンジン制御に利用したいという要望がある。しかしながら、ＮＯｘセンサ１は、全てのセル温度が活性温度に到達（完全活性）しなければ、上述したＮＯｘ濃度の検出を行うことができない。そこで、エンジンの冷間始動時には、ヒータ７に通電することにより、ＮＯｘセンサ１を暖機する制御が行われる。
　図２は、ＮＯｘセンサ１の暖機中におけるＮＯｘ出力の挙動を示す図である。尚、図２では、ＮＯｘを３００ｐｐｍ含む実際のエンジンの排気ガスを測定対象ガスとした場合のＮＯｘ出力の変化を示している。
　この図に示す場合には、時間ｔ０において該ＮＯｘセンサ１の暖機を開始している。そして、時間ｔ１においてセンサを起動してＮＯｘ出力の検出を開始している。ここで、時間ｔ１は、検出セル５の暖機が進行して第１検出電極５２近傍の酸素（すなわち第２室４２内の酸素）によってＮＯｘ出力を検出することができる時間に設定されている。このため、この図に示すとおり、時間ｔ１においてＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は第１検出電極５２近傍の酸素によって急激に上昇する。
　また、図２に示すとおり、時間ｔ１において急激に上昇したＮＯｘ出力は、その直後急激にマイナス側に落ち込む。この理由は、次のようなものであると考えられる。すなわち、エンジンの排気ガスの酸素濃度は、大気に比して大幅に少ない。このため、主ポンプセル２の暖機が進行してポンプ能力が上がると、第２室４２内の酸素が適正値よりも除去されてしまう。その結果、ＮＯの分解によって生じた酸素までもが主ポンプセル２によって除去されてしまい、ＮＯｘ出力がマイナス側の下限値に張り付いてしまう。
　その後、補助ポンプセル３の暖機が進行し、補助ポンプ出力が主ポンプセル２の印加電圧にフィードバックされ始めると、主ポンプセル２のポンプ能力が適切な値に制御されていく。これにより、ＮＯｘ出力は上昇して正しい値である３００ｐｐｍに収束する。
　このように、ＮＯｘ出力は、ＮＯｘセンサ１の暖機中において独特の出力特性を示す。この出力特性は、特にＮＯｘセンサ１のセル能力に大きく依存している。そこで、本実施の形態では、該ＮＯｘセンサ１の暖機開始後のＮＯｘ出力特性を利用して、センサＯＢＤを実行することとする。より具体的には、ＮＯｘセンサ１の暖機中における、ＮＯｘ出力の立ち上がり特性、立ち下がり特性、ピーク値等に基づいて、主ポンプセル２、補助ポンプセル３、および検出セル５の異常診断を実行することとする。以下、このＮＯｘ出力特性を利用した幾つかの異常診断について更に詳細に説明する。
（ＮＯｘ出力の立ち上がり特性を利用した異常診断）
　先ず、ＮＯｘ出力の暖機時における立ち上がり特性を利用した異常診断について説明する。図３は、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した場合の出力特性を示す図である。尚、この図では、測定対象ガスのＮＯｘ濃度状態（高ＮＯｘ時および低ＮＯｘ時）、およびＮＯｘセンサ１内の酸素濃度状態（高酸素濃度時と低酸素濃度時）についての出力特性をそれぞれ示している。この図に示すとおり、ＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は急上昇する。上述したとおり、この出力上昇は、検出セル５に電圧が印加された直後に、第２室４２内の酸素が該検出セル５の電極で反応することにより発生する。このため、ＮＯｘ出力の上昇速度（傾き）は、該検出セル５のセル能力に大きく依存する。
　ここで、検出セル５のセルの能力は、劣化等の異常度合によって変化する。より具体的には、例えば、検出セル５に経時劣化、素子割れ、硫黄被毒、鉛被毒、または電極被毒等に起因するレンジ外れ異常や、経時劣化、ＰＭ等による目詰まり、素子割れ、硫黄被毒、鉛被毒、または電極被毒等に起因する応答性低下の異常等が発生している場合には、ＮＯｘ出力の傾きが小さくなる。また、検出セル５にハーネス断線、コントローラ故障、または素子割れ等に起因する断線やショートが発生している場合には、ＮＯｘ出力の傾きが略ゼロのまま変化しない。
　そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力の立ち上がりの傾きが所定のしきい値よりも小さい場合に、検出セル５に対する上記異常の発生を判定することとする。所定のしきい値は、検出セル５に異常が発生した場合の立ち上がりの傾きとして予め設定された固定値が使用される。尚、ＮＯｘ出力の立ち上がりの傾きは、第２室４２内の初期の酸素濃度によっても変化する。このため、該酸素濃度をエンジンの運転状態等から推定し或いは空燃比センサ等で検出し、当該酸素濃度に応じて当該しきい値を可変に設定することとしてもよい。
　このように、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した直後の立ち上がり特性を利用することで、該ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを有効に行うことができる。
（ＮＯｘ出力の立ち下がり特性を利用した異常診断）
　次に、図３を参照して、ＮＯｘ出力の暖機時における立ち下がり特性を利用した異常診断について説明する。上述したとおり、ＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は急上昇する。そして、この図に示すとおり、この出力上昇の直後に、該ＮＯｘ出力はマイナス側に大きく下降する。これは、上述したとおり、主ポンプセル２および補助ポンプセル３が第２室４２内の酸素を過剰に除去することにより発生する。このため、このＮＯｘ出力の下降速度（傾き）は、該主ポンプセル２および補助ポンプセル３のセル能力に大きく依存する。
　ここで、主ポンプセル２または補助ポンプセル３のセル能力は、劣化等の異常度合によって変化する。より具体的には、例えば、これらのポンプセル２，３に経時劣化、素子割れ、硫黄被毒、鉛被毒、または電極被毒等に起因するレンジ外れ異常や、経時劣化、ＰＭ等による目詰まり、素子割れ、硫黄被毒、鉛被毒、または電極被毒等に起因する応答性低下の異常等が発生している場合には、ＮＯｘ出力の傾きの絶対値が小さくなる。また、これらのポンプセル２，３にハーネス断線、コントローラ故障、素子割れ等に起因する断線やショートが発生している場合には、ＮＯｘ出力の傾きが略ゼロのまま変化しない。
　そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力の立ち下がりの傾き（絶対値）が所定のしきい値よりも小さい場合に、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の少なくとも何れかに対する上記異常の発生を判定することとする。所定のしきい値は、これらのセルに異常が発生した場合の立ち下がりの傾きとして予め設定された固定値が使用される。尚、ＮＯｘ出力の立ち下がりの傾きは、第２室４２内の初期の酸素濃度によっても変化する。このため、該酸素濃度をエンジンの運転状態等から推定し或いは空燃比センサ等で検出し、当該酸素濃度に応じてしきい値を可変に設定することとしてもよい。
　このように、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した直後の立ち下がり特性を利用することで、該ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを有効に行うことができる。
　尚、補助ポンプセル出力の異常診断については、主ポンプセル出力と補助ポンプセル出力とを比較することで判定することもできる。より具体的には、両者の出力値が乖離している場合には、補助ポンプセル３を用いたフィードバックが適正に行われていないと判断できるため、該補助ポンプセル３に対する異常を判定することができる。
（ＮＯｘ出力のピーク値を利用した異常診断）
　次に、図３を参照して、ＮＯｘ出力の暖機時におけるピーク値を利用した異常診断について説明する。この図に示すとおり、ＮＯｘ出力の検出を開始すると、ＮＯｘ出力は急上昇する。この上昇後のＮＯｘ出力のピーク値は、検出セル５のセル能力に依存する。
　ここで、検出セル５のセル能力は、劣化等の異常度合によって変化する。より具体的には、例えば、検出セル５に経時劣化、素子割れ、硫黄被毒、鉛被毒、または電極被毒等に起因するレンジ外れ異常や、経時劣化、ＰＭ等による目詰まり、素子割れ、硫黄被毒、鉛被毒、または電極被毒等に起因する応答性低下の異常等が発生している場合には、ＮＯｘ出力のピーク値が小さくなる傾向がある。
　そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力のピーク値が所定のしきい値よりも小さい場合に、検出セル５に対する上記異常の発生を判定することとする。所定のしきい値は、該検出セル５に異常が発生した場合のピーク値として予め設定された固定値が使用される。尚、ＮＯｘ出力のピーク値は、第２室４２内の初期の酸素濃度によっても変化する。このため、該酸素濃度をエンジンの運転状態等から推定し或いは空燃比センサ等で検出し、当該酸素濃度に応じてしきい値を可変に設定することとしてもよい。
　このように、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した直後のＮＯｘ出力のピーク値を利用することで、該ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを有効に行うことができる。
（ＮＯｘ出力の積算出力を利用した異常診断）
　次に、図３を参照して、ＮＯｘ出力の暖機時における積算出力を利用した異常診断について説明する。上述したとおり、ＮＯｘ出力の立ち下がりの傾き（絶対値）がしきい値より小さい場合に、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の少なくとも何れかに対する異常の発生を判定することとしている。
　ここで、ＮＯｘ出力の立ち下がりの傾きが小さくなると、ＮＯｘ出力の積算出力は大きくなる。そこで、本実施の形態では、ＮＯｘ出力の積算出力が所定のしきい値よりも大きい場合に、主ポンプセル２および補助ポンプセル３の少なくとも何れかに対する異常の発生を判定することとする。但し、ＮＯｘ出力の積算出力は、第２室４２内の初期の酸素濃度に依存している。すなわち、図３に示すとおり、酸素濃度が高い場合には、ＮＯｘ出力の立ち下がりまでの時間が長期化する。そこで、所定のしきい値は、酸素濃度に応じて可変に設定することとする。尚、酸素濃度は、上述したとおり、エンジンの運転状態等から推定してもよいし、また、空燃比センサ等で検出することとしてもよい。
　このように、ＮＯｘセンサ１の暖機中において、ＮＯｘ出力の検出を開始した直後のＮＯｘ出力の積算値を利用することで、該ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを有効に行うことができる。
［実施の形態における具体的処理］
　次に、図４を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図４は、本実施の形態において、ＥＣＵ９が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンによれば、先ず、通電遅延処理の実行判定が行われる（ステップ１００）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ１の異常診断を実行するための事前情報として、ＮＯｘセンサ１への通電遅延処理の実行有無が取得される。
　次に、ＮＯｘ排出量が取得される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、エンジンの運転状態等に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ濃度が推定される。
　図４に示すルーチンでは、次に、ＮＯｘセンサ１内部の酸素濃度が取得される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、第２室４２内の酸素濃度が、エンジンの運転状態等に基づいて推定される。
　次に、異常判定のしきい値が設定される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０４において取得された酸素濃度に基づいて、後述する各種異常判定に用いるしきい値がそれぞれ設定される。
　次に、ＮＯｘセンサ１の異常診断が実行される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ１の暖機中におけるＮＯｘ出力特性に基づいて、主ポンプセル２、補助ポンプセル３、および検出セル５の異常診断が行われる。尚、異常診断は、上述したＮＯｘ出力の立ち上がり特性を利用した異常診断、ＮＯｘ出力の立ち下がり特性を利用した異常診断、ＮＯｘ出力のピーク値を利用した異常診断、およびＮＯｘ出力の積算出力を利用した異常診断が実行される。次に、上記異常診断の結果、これらのセルに異常が発生しているか否かが判定される（ステップ１１０）。その結果、これらのセルの何れかに異常が発生していると判定された場合には、次のステップに移行し、運転者へ異常発生を告知するためのＭＩＬが点灯される（ステップ１１２）。
　一方、上記ステップ１１０において、ＮＯｘセンサ１の異常発生が判定されない場合には、次のステップに移行し、主ポンプセル出力と補助ポンプセル出力とが乖離しているか否かが判定される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、主ポンプセル出力と補助ポンプセル出力との偏差が所定のしきい値よりも大きいか否かが判定される。その結果、かかる偏差がしきい値よりも大きい場合には、補助ポンプセル３を用いたフィードバックが適正に行われていないと判断されて、次のステップに移行し、運転者へ補助ポンプセル３の異常発生を告知するためのＭＩＬが点灯される（ステップ１１６）。
　以上説明したように、本実施の形態のガス濃度検出装置１０によれば、ＮＯｘセンサ１の暖機中におけるＮＯｘ出力特性に基づいて、該ＮＯｘセンサ１の各セルの異常発生有無を診断することができる。これにより、ＮＯｘセンサ１の暖機中の早い時期にセンサＯＢＤを有効に実行することができる。
　尚、上述した実施の形態においては、ＮＯｘセンサ１が、前記第１の発明における「ガスセンサ」に相当しているとともに、ＥＣＵ９が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「異常診断手段」が実現されている。
１　　ＮＯｘセンサ
２　　主ポンプセル
２１　固体電解質
２２　第１ポンプ電極
２３　第２ポンプ電極
３　　補助ポンプセル
３１　固体電解質
３２　第１ポンプ電極
３３　第２ポンプ電極
４　　スペーサ
４１　第１室
４２　第２室
４３　連通孔
５　　検出セル
５１　固体電解質
５２　第１検出電極
５３　第２検出電極
６　　スペーサ
６１　大気ダクト
７　　ヒータ
７１　ヒータ電極
７２，７３　絶縁層
８　　多孔質保護層
１０　ガス濃度検出装置

Claims (8)

  1. 　測定対象ガス中の酸素を汲み出す主ポンプセルと、測定対象ガスから酸素を更に汲み出す補助ポンプセルと、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルにより酸素が汲み出された測定対象ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検出する検出セルと、を有するガスセンサの異常診断装置であって、
    　前記ガスセンサの暖機中に、前記検出セルのセル出力の検出を開始した直後の該セル出力の立ち上がり特性、ピーク値、およびその後の立ち下がり特性の少なくとも１つに基づいて、前記検出セル、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルの少なくとも１つの異常を診断する異常診断手段を備えることを特徴とするガスセンサの異常診断装置。
  2. 　前記異常診断手段は、前記セル出力の立ち上がりの速度が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記検出セルに対する異常の発生を判定することを特徴とする請求項１記載のガスセンサの異常診断装置。
  3. 　前記異常診断手段は、前記セル出力の立ち上がり後の立ち下がりの速度が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルの少なくとも１つに対する異常の発生を判定することを特徴とする請求項１または２記載のガスセンサの異常診断装置。
  4. 　前記異常診断手段は、前記セル出力の立ち上がり後のピーク値が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記検出セルに対する異常の発生を判定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のガスセンサの異常診断装置。
  5. 　前記異常診断手段は、前記ガスセンサのレンジ外れの異常の有無を判定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のガスセンサの異常診断装置。
  6. 　前記異常診断手段は、前記ガスセンサの応答性低下の異常の有無を判定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載のガスセンサの異常診断装置。
  7. 　前記異常診断手段は、前記ガスセンサの断線による異常の有無を判定することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載のガスセンサの異常診断装置。
  8. 　前記異常診断手段は、前記ガスセンサのショートによる異常の有無を判定することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載のガスセンサの異常診断装置。
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