ＮＯｘセンサの劣化診断装置
【課題】ＮＯｘセンサの劣化を排気エミッションを悪化させることなく診断する。
【解決手段】電圧印加時に被検出ガスの酸素を排出するポンプセル６７，６８と、ポンプセルによる酸素排出後の被検出ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力Ｉ1を発するセンサセル７５，７０とを備えたＮＯｘセンサの劣化診断装置において、ポンプセルへの印加電圧Ｖｐを切り替えた際のセンサセルの出力変化に基づいてＮＯｘセンサの劣化を判定する。内燃機関の燃焼状態等を変化させる必要がないため、診断時における排気エミッションの悪化を防止することができる。
【解決手段】電圧印加時に被検出ガスの酸素を排出するポンプセル６７，６８と、ポンプセルによる酸素排出後の被検出ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力Ｉ1を発するセンサセル７５，７０とを備えたＮＯｘセンサの劣化診断装置において、ポンプセルへの印加電圧Ｖｐを切り替えた際のセンサセルの出力変化に基づいてＮＯｘセンサの劣化を判定する。内燃機関の燃焼状態等を変化させる必要がないため、診断時における排気エミッションの悪化を防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するためのＮＯｘセンサの劣化診断装置に係り、特に、内燃機関の排気ガス中に含まれたＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサの劣化診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検出ガス中のＮＯｘ濃度、特に内燃機関から排出された排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するものとして、ＮＯｘセンサが公知である。こうしたＮＯｘセンサは、例えば、ディーゼルエンジンにおける選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化システム（所謂尿素ＳＣＲシステム）において、ＮＯｘ触媒の下流側に配設され、その検出ＮＯｘ濃度がＮＯｘ触媒に対する還元剤添加量の制御等に利用される。
【０００３】
ＮＯｘセンサは一般に、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルからなる３セル構造を有し、ポンプセルではセンサ室内に導入した排気ガス中の酸素の排出又は汲み出しが行われる。またモニタセルではポンプセル通過後のセンサ室内の残留酸素濃度が検出され、センサセルではポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度が検出される。
【０００４】
ところで、ＮＯｘセンサが劣化すると正確なＮＯｘ濃度が検出できなくなり、その結果排気エミッションが悪化するなどの不具合が生じる。実際、自動車の分野では、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態で各種排ガス関連部品の劣化を診断すること（OBD; On Board Diagnosis）が法規化されつつある。
【０００５】
かかるＮＯｘセンサの劣化診断については、例えば特許文献１に開示されたものがある。これにおいては、ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中のＮＯｘ濃度を強制的に変動させ、このときにＮＯｘセンサが出力する出力値の変動が当該ＮＯｘセンサが正常であるときに取りうる変動からずれている場合に、ＮＯｘセンサに異常があると判定する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１２０３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＮＯｘ触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサの場合、その劣化を診断することは一般的に困難である。なぜなら、エンジンの運転状態にばらつきがあることに加え、ＮＯｘセンサに供給される排気ガスがＮＯｘ触媒を通過した後のガスであり、センサ検出濃度の比較対象となる真のＮＯｘ濃度の推定が難しいからである。
【０００８】
また、特許文献１に開示された装置の場合、内燃機関の燃焼状態や混合気状態を変動させてＮＯｘセンサに供給する排気ガスのＮＯｘ濃度を変動させるため、劣化判定に比較的大きな変動幅が必要なことも相俟って、排気エミッションの悪化が懸念される。また燃焼状態や混合気状態の変動から輸送遅れを伴ってＮＯｘセンサ出力が変動するため、その時間遅れの存在により診断精度が悪化する可能性もある。さらにＮＯｘ濃度が変動する排気ガスがＮＯｘ触媒を通過した後にＮＯｘセンサで検知される場合には、前記同様、ＮＯｘ触媒が介在することによる診断精度の悪化も懸念される。
【０００９】
そこで、以上の事情に鑑みて本発明は創案されたものであり、その目的は、ＮＯｘセンサの劣化を好適に、しかも排気エミッションを悪化させることなく診断することができるＮＯｘセンサの劣化診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態によれば、
電圧印加時に被検出ガスの酸素を排出するポンプセルと、該ポンプセルによる酸素排出後の被検出ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発するセンサセルとを備えたＮＯｘセンサの劣化診断装置において、
前記ポンプセルへの印加電圧を切り替える印加電圧切替手段と、
該印加電圧切替手段により印加電圧を切り替えた際の前記センサセルの出力変化に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの劣化診断装置が提供される。
【００１１】
これによれば、ＮＯｘセンサの劣化診断に際して内燃機関の燃焼状態や混合気状態を変化させる必要がないため、診断時における排気エミッションの悪化を確実に防止することができると共に、その変化からＮＯｘセンサが応答するまでの時間遅れに基づく診断精度の悪化も確実に防止することができる。また、ポンプセルへの印加電圧を切り替えてＮＯｘセンサ内部のガス成分を強制的に変化させて診断を行うため、ＮＯｘセンサの上流側に位置するＮＯｘ触媒等の影響を何等受けず、ＮＯｘセンサの劣化を好適に診断することができる。
【００１２】
好ましくは、前記判定手段は、前記印加電圧切替手段により印加電圧を切り替えた際の印加電圧変化量とセンサセル出力変化量とに基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する。
【００１３】
ポンプセルへの印加電圧を切り替えた場合、切替前後の間の印加電圧変化量とセンサセル出力変化量との間にはＮＯｘセンサの劣化度に応じた相関が存在する。従ってこの相関を利用することでＮＯｘセンサの劣化を好適に診断することができる。
【００１４】
好ましくは、前記判定手段は、前記印加電圧変化量と前記センサセル出力変化量との比に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する。当該比は、ＮＯｘセンサの劣化度を表すパラメータとして好適である。
【００１５】
好ましくは、前記ＮＯｘセンサの劣化診断装置は、前記判定手段により前記ＮＯｘセンサが正常と判定されたとき、前記印加電圧変化量と前記センサセル出力変化量とに基づいて前記センサセルの出力を補正する補正手段を備える。
【００１６】
この補正後のセンサセル出力を用いることにより、ＮＯｘセンサの劣化度の大小に拘わらず各種制御を精度良く安定して行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＮＯｘセンサの劣化を好適に、しかも排気エミッションを悪化させることなく診断することができるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車に搭載された圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。
【００２０】
他方、エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。
【００２１】
排気通路１５には、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒、特に選択還元型ＮＯｘ触媒３４が設けられている。なお排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒や、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するＤＰＲ（Diesel Particulate Reduction）触媒が追加して設けられてもよい。また、ＮＯｘ触媒３４に還元剤としての尿素水を添加するための尿素添加装置４８が設けられている。具体的には、ＮＯｘ触媒３４の上流側の排気通路１５に、尿素水を噴射するための尿素添加弁４０が設けられている。尿素添加弁４０には供給ライン４１を通じて尿素供給ポンプ４２から尿素水が供給され、尿素供給ポンプ４２は尿素タンク４４に貯留された尿素水を吸引して吐出する。
【００２２】
また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく、尿素添加弁４０及び尿素供給ポンプ４２を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、ＮＯｘ触媒３４の下流側に設けられたＮＯｘセンサ５０、ＮＯｘ触媒３４の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４が含まれる。ＮＯｘセンサ５０は排気ガスのＮＯｘ濃度に比例した大きさの出力信号を発する所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。その構造については後に詳しく述べる。
【００２３】
他のセンサ類として、クランク角センサ２６、アクセル開度センサ２７及びエンジンスイッチ２８がＥＣＵ１００に接続されている。クランク角センサ２６はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１０のクランク角を検出すると共に、エンジン１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ２７は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。エンジンスイッチ２８はユーザによってエンジン始動時にオン、エンジン停止時にオフされる。
【００２４】
選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）３４は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ2Ｏ5／ＷＯ3／ＴｉＯ2）を担持させたもの等が例示できる。選択還元型ＮＯｘ触媒３４は、その触媒温度が活性温度域にあり、且つ、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化する。尿素が触媒に添加されると、触媒上でアンモニアが生成され、このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。
【００２５】
ＮＯｘ触媒３４の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。
【００２６】
ＮＯｘ触媒３４に対する尿素添加量は、ＮＯｘセンサ５０により検出されるＮＯｘ濃度に基づき制御される。具体的には、検出ＮＯｘ濃度の値が常にゼロになるように尿素添加弁４０からの尿素噴射量が制御される。この場合、検出ＮＯｘ濃度の値のみに基づいて尿素噴射量を設定してもよいし、或いは、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいてＮＯｘ濃度をゼロとするような基本尿素噴射量を設定し、且つ、この基本尿素噴射量を検出ＮＯｘ濃度の値がゼロになるようにフィードバック補正してもよい。ＮＯｘ触媒３４が尿素添加時のみＮＯｘを還元可能なので、基本的に尿素は、エンジン運転中且つ燃料噴射実行時に常時添加される。また、ＮＯｘ還元に必要な最小限の量しか尿素が添加されないよう、制御が行われる。過剰に尿素を添加するとアンモニアが触媒下流に排出されてしまい（所謂ＮＨ3スリップ）、異臭等の原因となるからである。
【００２７】
次に、ＮＯｘセンサ５０の詳細について説明する。図２にはＮＯｘセンサ５０のセンサ部の構造を示す。ＮＯｘセンサ５０のセンサ部は互いに積層された６つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これら６つの固体電解質層を以下、上から順に第１層Ｌ1、第２層Ｌ2、第３層Ｌ3、第４層Ｌ4、第５層Ｌ5、第６層Ｌ6と称する。
【００２８】
第１層Ｌ1と第３層Ｌ3との間には、例えば、多孔質材料または細孔を形成されている材料からなる第１の拡散律速部材６２と第２の拡散律速部材６３とが配置されている。これら拡散律速部材６２，６３間には、第１室６４が形成される。第２の拡散律速部材６３と第２層Ｌ2との間には、第２室６５が形成されている。また、第３層Ｌ3と第５層Ｌ5との間には、外気に連通している大気室６６が形成されている。一方、第１の拡散律速部材６２の外端面はセンサ外部の被検出ガスとしての排気ガスと接触されている。したがって排気ガスはまず第１の拡散律速部材６２を通じて第１室６４内に導入され、次いで第２の拡散律速部材６３を通じて第２室６５内に導入される。
【００２９】
一方、第１室６４に面する第１層Ｌ1の内周面上には、陰極側ポンプ電極６７が形成されている。第１層Ｌ1の外周面上には、陽極側ポンプ電極６８が形成されている。これらポンプ電極６７，６８間にはポンプ電圧源６９により電圧Ｖｐが印加される。ポンプ電極６７，６８間に電圧Ｖｐが印加されると、第１室６４内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側ポンプ電極６７と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側ポンプ電極６８に向かって第１層Ｌ1内を流れる。したがって、第１室６４内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ1内を移動して室外に汲み出されることになる。このとき汲み出される酸素量はポンプ電圧源６９の電圧Ｖｐが高くなるほど多くなる。
【００３０】
このように、本実施形態では、陰極側ポンプ電極６７および陽極側ポンプ電極６８が、それぞれ、第１室６４内の排気ガスから酸素を排出するためのポンプセルの対面する２つの電極板を構成する。
【００３１】
一方、第２室６５に面する第１層Ｌ1の内周面上には、モニタ電極７２が形成され、大気室６６に面する第３層Ｌ3の内周面上には、基準電極７０が形成されている。酸素イオン伝導性のある固体電解質からなる層（以下、固体電解質層と称す）では、固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向かって酸素イオンが固体電解質層内を移動する。図２に示されている例では、大気室６６内の酸素濃度の方が第２室６５内の酸素濃度よりも高いので、大気室６６内の酸素は基準電極７０と接触することによって電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは第３層Ｌ3、第２層Ｌ2および第１層Ｌ1内を移動し、モニタ電極７２において電荷を放出する。この結果、基準電極７０とモニタ電極７２との間に符号７４で示した電圧（起電力）Ｖ1が発生する。この電圧Ｖ1は大気室６６内と第２室６５内との酸素濃度差に比例する。
【００３２】
図２に示されている例では、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するときには、この電圧Ｖ1が、第２室６５内の酸素濃度が低濃度の所定値（例えば０．０１ｐｐｍ）のときに生ずる電圧に一致するように、ポンプ電圧源６９の電圧Ｖｐがフィードバック制御される。すなわち、第２室６５内の酸素は第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍとなるように第１層Ｌ1を通って汲み出され、それによって第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍに維持される。
【００３３】
すなわち、本実施形態では、基準電極７０およびモニタ電極７２が、それぞれ、第２室６５内のガス中の酸素濃度をモニタするためのモニタセルの対面する２つの電極板を構成する。
【００３４】
一方、第２室６５に面する第３層Ｌ3の内周面上には、ＮＯｘ検出用のセンサ電極７５が形成されている。センサ電極７５はＮＯｘに対して強い還元性を有する。したがって第２室６５内のＮＯｘ、実際には大部分を占めるＮＯがセンサ電極７５上においてＮ2とＯ2とに分解される。図２に示されているように、センサ電極７５と基準電極７０との間には、一定電圧７６が印加されており、したがって、センサ電極７５上において分解生成されたＯ2は酸素イオンとなって第３層Ｌ3内を基準電極７０に向けて移動し汲み出される。このとき、センサ電極７５と基準電極７０との間には、この酸素イオン量に比例した符号７７で示した電流（分解電流）Ｉ1が流れる。分解生成された酸素量と窒素量とは互いに比例関係にあるから、結局、電流Ｉ1が排気ガス中のＮＯｘ濃度を示すＮＯｘセンサ５０の出力となる。
【００３５】
すなわち、本実施形態では、センサ電極７５および基準電極７０が、それぞれ、排気ガス中のＮＯｘを分解して生成された酸素を排出すると共に、被検出ガスたる排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じたセンサ出力を発するセンサセルの対面する２つの電極板を構成する。このセンサセルは、ポンプセルによる酸素排出後の排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発することとなる。
【００３６】
第１室６４内のポンプ電極６７と第２室６５内のモニタ電極７２とは、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い材料から構成されている。例えばこれら電極６７，７２は、金Ａｕと白金Ｐｔとセラミックスのサーメットからなる。一方、第２室６５内のセンサ電極７５は、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有し又はその触媒能が高い材料を含む。例えばセンサ電極７５は、ロジウムＲｈと白金ＰｔとセラミックスとしてのジルコニアＺｒＯ2からなる多孔質サーメットから構成され、このうちロジウムＲｈがＮＯｘ、特にＮＯをも還元し得る高いＮＯｘ触媒能を有する。
【００３７】
第１室６４内では、ポンプセル及びモニタセルの作用により第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍとなるように第１室６４内の酸素が排出される。このとき排気ガス中に含まれるＮＯ2がＮＯに還元されることはあるものの、ＮＯはそれ以上還元されない。したがって、第１室６４内ではＮＯｘがＮＯにほぼ単ガス化され、このＮＯｘを含む排気ガスが第２の拡散律速部材６３を通って第２室６５内に流入する。
【００３８】
第２室６５内では、センサセルの作用により、第２室６５内のＮＯｘ（殆どがＮＯである）がセンサ電極７５上においてＮ2とＯ2とに分解され、分解生成された酸素Ｏ2が排出されると共に、分解生成された窒素の量に応じた出力電流Ｉ1が発せられる。
【００３９】
なお、第５層Ｌ5と第６層Ｌ6との間には、ＮＯｘセンサ５０のセンサ部を加熱するための電気式ヒータ７９が配置されている。このヒータ７９は、ＮＯｘセンサ５０による通常のＮＯｘ検出時に約７５０〜８００℃に加熱制御される。
【００４０】
さて、このような基本構成を持つＮＯｘセンサ５０においては、酸素排出を行うポンプセルに印加する電圧Ｖｐを切り替えると、これに伴ってセンサセルの出力Ｉ1が変化することが判明した。そして印加電圧を切り替えた際のセンサセルの出力変化の仕方が、ＮＯｘセンサ５０の劣化度に応じて異なることが判明した。
【００４１】
図３は、ポンプセルの印加電圧Ｖｐとセンサセルの出力Ｉ1との相関を概念的に示すグラフである。なおこの相関はＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度が一定であるという条件下のものである。図示するように、センサセル出力Ｉ1はポンプセル印加電圧Ｖｐに対して比例的に変化する。しかしながら、ポンプセル印加電圧の変化量が一定であるときのセンサセル出力の変化量はＮＯｘセンサ５０の劣化度に応じて異なり、センサセル出力変化量はＮＯｘセンサ５０の劣化度が大きいほど小さくなる。
【００４２】
例えば２点でのポンプセル印加電圧をＶｐ１，Ｖｐ２（Ｖｐ１＜Ｖｐ２）、これら印加電圧の間の変化量をΔＶｐ＝Ｖｐ２−Ｖｐ１、各印加電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２に対応するセンサセルの出力Ｉ1をＩ1１，Ｉ1２、これら出力間の変化量をΔＩ1＝Ｉ1２−Ｉ1１とする。この場合、ポンプセル印加電圧変化量ΔＶｐとセンサセル出力変化量ΔＩ1との比Ｒ＝ΔＩ1／ΔＶｐ（即ちグラフの傾き）は、実線で示すようにＮＯｘセンサ５０が新品であるときが最も大きく、また破線で示すように、その新品状態から劣化度が増すにつれ次第に小さくなる。従ってこのような相関を利用することによりＮＯｘセンサ５０の劣化度を検出し、ＮＯｘセンサ５０が正常か劣化かを診断することができる。
【００４３】
なお、ＮＯｘセンサ５０の劣化度が増すにつれ比Ｒが小さくなる理由は、ＮＯｘセンサ５０の劣化度が増すほどにセンサ電極７５のＮＯｘ分解能が低下し、大きなＮＯｘ分解電流を得られなくなるからである。
【００４４】
また、センサセル出力Ｉ1は、ポンプセル印加電圧Ｖｐを増大させるほど大きくなり、ポンプセル印加電圧Ｖｐを減少させるほど小さくなる。その理由は次の通りである。ポンプセル印加電圧Ｖｐを減少させると、ポンプセルによって汲み出され或いは排出される酸素量が少なくなると共に、ＮＯｘをＮＯに単ガス化し難くなり、ＮＯｘ中における酸素数が２以上の窒素酸化物（主にＮＯ2）の割合が高くなる。このようなポンプセル通過後のガスをセンサセルに供給すると、センサセルの出力電流Ｉ1は、ＮＯにほぼ単ガス化されたＮＯｘを含むガスの場合に比べて小さくなる傾向にある。よってポンプセル印加電圧Ｖｐを減少させるほどセンサセル出力Ｉ1は小さくなり、ポンプセル印加電圧Ｖｐを増大させるほどセンサセル出力Ｉ1は大きくなる。
【００４５】
次に、具体的な劣化診断処理を図４に基づいて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
【００４６】
最初のステップＳ１０１では、劣化診断を行うのに適した所定条件が成立しているか否かが判断される。例えば、１）エンジン暖機完了（冷却水温が所定値以上）、２）ＮＯｘセンサ活性済み（ヒータ温度が所定値以上）、３）エンジンが定常運転中、４）ＮＯｘ触媒３４非作動という全ての条件が整ったとき、所定条件成立となる。条件３）については、例えばエアフローメータ２２によって検出された吸入空気量の変動幅が所定値以内であるとき、条件３）が満たされる。また条件４）については、例えばＮＯｘ触媒３４の未活性時を選択したり、ＮＯｘ触媒３４への尿素添加を一時的に中断したりすることにより、条件４）を満たすことができる。エンジンの定常運転中且つＮＯｘ触媒３４の非作動中なので、ほぼ一定のＮＯｘ濃度の排気ガスをＮＯｘセンサ５０に供給することができる。
【００４７】
所定条件が成立していないと判断された場合、本ルーチンが終了される。他方、所定条件が成立していると判断された場合、ステップＳ１０２において、ＮＯｘセンサ５０の通常のＮＯｘ濃度検出状態におけるポンプセル印加電圧（第１のポンプセル印加電圧）Ｖｐ１と、センサセル出力Ｉ1１（第１のセンサセル出力）との値がそれぞれ取得される。このときには前述したように、モニタセル出力電圧Ｖ1に基づくポンプセル印加電圧Ｖｐのフィードバック制御が行われている。
【００４８】
次いで、ステップＳ１０３において、ポンプセル印加電圧Ｖｐのフィードバック制御が一時的に中止されると共にポンプセル印加電圧Ｖｐがアクティブ且つ強制的に異なる所定値Ｖｐ２に切り替えられ、このときのポンプセル印加電圧（第２のポンプセル印加電圧）Ｖｐ２と、センサセル出力Ｉ1２（第２のセンサセル出力）との値がそれぞれ取得される。本実施形態の場合Ｖｐ１＜Ｖｐ２であり、従って第２のセンサセル出力Ｉ1２は第１のセンサセル出力Ｉ1１より強制的に増大させられる。しかしながら代替的に、Ｖｐ１＞Ｖｐ２として第２のセンサセル出力Ｉ1２を第１のセンサセル出力Ｉ1１より減少させてもよい。
【００４９】
次にステップＳ１０４において、これらポンプセル印加電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２とセンサセル出力Ｉ1１，Ｉ1２とに基づき、ポンプセル印加電圧変化量ΔＶｐ（＝Ｖｐ２−Ｖｐ１）とセンサセル出力変化量ΔＩ1（＝Ｉ1２−Ｉ1１）との比Ｒ＝ΔＩ1／ΔＶｐが算出され、且つこの比Ｒが所定の劣化判定値Ｒｓと比較される。
【００５０】
比Ｒが劣化判定値Ｒｓより大きい場合、ステップＳ１０５においてＮＯｘセンサ５０は正常と判定される。そしてステップＳ１０６において、センサセル即ちＮＯｘセンサ５０の出力Ｉ1が、正常範囲内にある一定の劣化度相当の値になるように補正される。本実施形態では、センサセルの出力Ｉ1が新品相当の値になるように補正され、具体的には式：Ｉ1’＝Ｉ1・（Ｒ０／Ｒ）により、ステップＳ１０２で取得した通常のセンサセル出力Ｉ1１が補正される。ここでＩ1’は補正後のセンサセル出力を表し、Ｒ０は予め実験的に把握され且つ記憶されたセンサ新品時の比を表す。こうしてセンサ正常時にセンサセル出力即ちＮＯｘセンサ出力を一定の劣化度相当の値（新品時の値）Ｉ1’に補正することで、センサ劣化度の影響のないセンサ出力値Ｉ1’を利用して尿素噴射量制御等の各種制御を精度良く安定して行うことが可能になる。
【００５１】
他方、比Ｒが劣化判定値Ｒｓ以下の場合、ステップＳ１０７においてＮＯｘセンサ５０は劣化と判定される。そしてステップＳ１０８において、チェックランプ等の警告装置がオンされ、ユーザに対して警告がなされると同時にＮＯｘセンサ５０の交換が促される。
【００５２】
本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ５０の劣化診断に際して内燃機関の燃焼状態や混合気状態を変化させる必要がないため、診断時における排気エミッションの悪化を確実に防止することができると共に、その変化からＮＯｘセンサ５０が応答するまでの時間遅れに基づく診断精度の悪化も確実に防止することができる。また、ＮＯｘセンサ５０内部のガス成分を強制的に変化させて診断を行うため、ＮＯｘセンサ５０の上流側に位置するＮＯｘ触媒３４等の影響を何等受けず、ＮＯｘセンサ５０の劣化を好適に診断することができる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本実施形態ではポンプセル印加電圧を既定状態の１点（Ｖｐ１）から他の１点（Ｖｐ２）に切り替えて劣化判定を行ったが、既定状態の１点から他の２点、３点等に切り替えてもよい。この場合、これら複数点での平均的な比Ｒを求めてこの比Ｒに基づいて劣化判定するのが好適である。また既定状態の１点を、ポンプセル印加電圧のフィードバック制御が行われる通常状態即ちＮＯｘ濃度検出状態の１点としたが、この既定状態の１点を通常状態以外の１点、即ち通常状態からアクティブにポンプセル印加電圧を切り替えたときの１点としてもよい。本実施形態ではポンプセル及びモニタセルが各一つずつのＮＯｘセンサを例示したが、これらポンプセル及びモニタセルの少なくとも一方が複数設けられているＮＯｘセンサであってもよい。本発明に係るＮＯｘセンサの劣化診断装置は内燃機関以外の用途にも適用可能である。また内燃機関に適用した場合でも、内燃機関の種類、型式、用途等は限定されず、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジンにも適用可能である。
【００５４】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。
【図２】ＮＯｘセンサのセンサ部の構造を示す断面図である。
【図３】ポンプセル印加電圧とセンサセル出力との相関を示すグラフである。
【図４】劣化診断処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１０ エンジン
１５ 排気通路
５０ ＮＯｘセンサ
６７ 陰極側ポンプ電極
６８ 陽極側ポンプ電極
７０ 基準電極
７５ センサ電極
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｖｐ ポンプセル印加電圧
Ｉ1 センサセル出力
ΔＶｐ ポンプセル印加電圧変化量
ΔＩ1 センサセル出力変化量
Ｒ 差
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するためのＮＯｘセンサの劣化診断装置に係り、特に、内燃機関の排気ガス中に含まれたＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサの劣化診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検出ガス中のＮＯｘ濃度、特に内燃機関から排出された排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するものとして、ＮＯｘセンサが公知である。こうしたＮＯｘセンサは、例えば、ディーゼルエンジンにおける選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化システム（所謂尿素ＳＣＲシステム）において、ＮＯｘ触媒の下流側に配設され、その検出ＮＯｘ濃度がＮＯｘ触媒に対する還元剤添加量の制御等に利用される。
【０００３】
ＮＯｘセンサは一般に、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルからなる３セル構造を有し、ポンプセルではセンサ室内に導入した排気ガス中の酸素の排出又は汲み出しが行われる。またモニタセルではポンプセル通過後のセンサ室内の残留酸素濃度が検出され、センサセルではポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度が検出される。
【０００４】
ところで、ＮＯｘセンサが劣化すると正確なＮＯｘ濃度が検出できなくなり、その結果排気エミッションが悪化するなどの不具合が生じる。実際、自動車の分野では、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態で各種排ガス関連部品の劣化を診断すること（OBD; On Board Diagnosis）が法規化されつつある。
【０００５】
かかるＮＯｘセンサの劣化診断については、例えば特許文献１に開示されたものがある。これにおいては、ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中のＮＯｘ濃度を強制的に変動させ、このときにＮＯｘセンサが出力する出力値の変動が当該ＮＯｘセンサが正常であるときに取りうる変動からずれている場合に、ＮＯｘセンサに異常があると判定する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１２０３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＮＯｘ触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサの場合、その劣化を診断することは一般的に困難である。なぜなら、エンジンの運転状態にばらつきがあることに加え、ＮＯｘセンサに供給される排気ガスがＮＯｘ触媒を通過した後のガスであり、センサ検出濃度の比較対象となる真のＮＯｘ濃度の推定が難しいからである。
【０００８】
また、特許文献１に開示された装置の場合、内燃機関の燃焼状態や混合気状態を変動させてＮＯｘセンサに供給する排気ガスのＮＯｘ濃度を変動させるため、劣化判定に比較的大きな変動幅が必要なことも相俟って、排気エミッションの悪化が懸念される。また燃焼状態や混合気状態の変動から輸送遅れを伴ってＮＯｘセンサ出力が変動するため、その時間遅れの存在により診断精度が悪化する可能性もある。さらにＮＯｘ濃度が変動する排気ガスがＮＯｘ触媒を通過した後にＮＯｘセンサで検知される場合には、前記同様、ＮＯｘ触媒が介在することによる診断精度の悪化も懸念される。
【０００９】
そこで、以上の事情に鑑みて本発明は創案されたものであり、その目的は、ＮＯｘセンサの劣化を好適に、しかも排気エミッションを悪化させることなく診断することができるＮＯｘセンサの劣化診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態によれば、
電圧印加時に被検出ガスの酸素を排出するポンプセルと、該ポンプセルによる酸素排出後の被検出ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発するセンサセルとを備えたＮＯｘセンサの劣化診断装置において、
前記ポンプセルへの印加電圧を切り替える印加電圧切替手段と、
該印加電圧切替手段により印加電圧を切り替えた際の前記センサセルの出力変化に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの劣化診断装置が提供される。
【００１１】
これによれば、ＮＯｘセンサの劣化診断に際して内燃機関の燃焼状態や混合気状態を変化させる必要がないため、診断時における排気エミッションの悪化を確実に防止することができると共に、その変化からＮＯｘセンサが応答するまでの時間遅れに基づく診断精度の悪化も確実に防止することができる。また、ポンプセルへの印加電圧を切り替えてＮＯｘセンサ内部のガス成分を強制的に変化させて診断を行うため、ＮＯｘセンサの上流側に位置するＮＯｘ触媒等の影響を何等受けず、ＮＯｘセンサの劣化を好適に診断することができる。
【００１２】
好ましくは、前記判定手段は、前記印加電圧切替手段により印加電圧を切り替えた際の印加電圧変化量とセンサセル出力変化量とに基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する。
【００１３】
ポンプセルへの印加電圧を切り替えた場合、切替前後の間の印加電圧変化量とセンサセル出力変化量との間にはＮＯｘセンサの劣化度に応じた相関が存在する。従ってこの相関を利用することでＮＯｘセンサの劣化を好適に診断することができる。
【００１４】
好ましくは、前記判定手段は、前記印加電圧変化量と前記センサセル出力変化量との比に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する。当該比は、ＮＯｘセンサの劣化度を表すパラメータとして好適である。
【００１５】
好ましくは、前記ＮＯｘセンサの劣化診断装置は、前記判定手段により前記ＮＯｘセンサが正常と判定されたとき、前記印加電圧変化量と前記センサセル出力変化量とに基づいて前記センサセルの出力を補正する補正手段を備える。
【００１６】
この補正後のセンサセル出力を用いることにより、ＮＯｘセンサの劣化度の大小に拘わらず各種制御を精度良く安定して行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＮＯｘセンサの劣化を好適に、しかも排気エミッションを悪化させることなく診断することができるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車に搭載された圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。
【００２０】
他方、エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。
【００２１】
排気通路１５には、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒、特に選択還元型ＮＯｘ触媒３４が設けられている。なお排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒や、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するＤＰＲ（Diesel Particulate Reduction）触媒が追加して設けられてもよい。また、ＮＯｘ触媒３４に還元剤としての尿素水を添加するための尿素添加装置４８が設けられている。具体的には、ＮＯｘ触媒３４の上流側の排気通路１５に、尿素水を噴射するための尿素添加弁４０が設けられている。尿素添加弁４０には供給ライン４１を通じて尿素供給ポンプ４２から尿素水が供給され、尿素供給ポンプ４２は尿素タンク４４に貯留された尿素水を吸引して吐出する。
【００２２】
また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく、尿素添加弁４０及び尿素供給ポンプ４２を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、ＮＯｘ触媒３４の下流側に設けられたＮＯｘセンサ５０、ＮＯｘ触媒３４の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４が含まれる。ＮＯｘセンサ５０は排気ガスのＮＯｘ濃度に比例した大きさの出力信号を発する所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。その構造については後に詳しく述べる。
【００２３】
他のセンサ類として、クランク角センサ２６、アクセル開度センサ２７及びエンジンスイッチ２８がＥＣＵ１００に接続されている。クランク角センサ２６はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１０のクランク角を検出すると共に、エンジン１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ２７は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。エンジンスイッチ２８はユーザによってエンジン始動時にオン、エンジン停止時にオフされる。
【００２４】
選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）３４は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ2Ｏ5／ＷＯ3／ＴｉＯ2）を担持させたもの等が例示できる。選択還元型ＮＯｘ触媒３４は、その触媒温度が活性温度域にあり、且つ、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化する。尿素が触媒に添加されると、触媒上でアンモニアが生成され、このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。
【００２５】
ＮＯｘ触媒３４の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。
【００２６】
ＮＯｘ触媒３４に対する尿素添加量は、ＮＯｘセンサ５０により検出されるＮＯｘ濃度に基づき制御される。具体的には、検出ＮＯｘ濃度の値が常にゼロになるように尿素添加弁４０からの尿素噴射量が制御される。この場合、検出ＮＯｘ濃度の値のみに基づいて尿素噴射量を設定してもよいし、或いは、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいてＮＯｘ濃度をゼロとするような基本尿素噴射量を設定し、且つ、この基本尿素噴射量を検出ＮＯｘ濃度の値がゼロになるようにフィードバック補正してもよい。ＮＯｘ触媒３４が尿素添加時のみＮＯｘを還元可能なので、基本的に尿素は、エンジン運転中且つ燃料噴射実行時に常時添加される。また、ＮＯｘ還元に必要な最小限の量しか尿素が添加されないよう、制御が行われる。過剰に尿素を添加するとアンモニアが触媒下流に排出されてしまい（所謂ＮＨ3スリップ）、異臭等の原因となるからである。
【００２７】
次に、ＮＯｘセンサ５０の詳細について説明する。図２にはＮＯｘセンサ５０のセンサ部の構造を示す。ＮＯｘセンサ５０のセンサ部は互いに積層された６つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これら６つの固体電解質層を以下、上から順に第１層Ｌ1、第２層Ｌ2、第３層Ｌ3、第４層Ｌ4、第５層Ｌ5、第６層Ｌ6と称する。
【００２８】
第１層Ｌ1と第３層Ｌ3との間には、例えば、多孔質材料または細孔を形成されている材料からなる第１の拡散律速部材６２と第２の拡散律速部材６３とが配置されている。これら拡散律速部材６２，６３間には、第１室６４が形成される。第２の拡散律速部材６３と第２層Ｌ2との間には、第２室６５が形成されている。また、第３層Ｌ3と第５層Ｌ5との間には、外気に連通している大気室６６が形成されている。一方、第１の拡散律速部材６２の外端面はセンサ外部の被検出ガスとしての排気ガスと接触されている。したがって排気ガスはまず第１の拡散律速部材６２を通じて第１室６４内に導入され、次いで第２の拡散律速部材６３を通じて第２室６５内に導入される。
【００２９】
一方、第１室６４に面する第１層Ｌ1の内周面上には、陰極側ポンプ電極６７が形成されている。第１層Ｌ1の外周面上には、陽極側ポンプ電極６８が形成されている。これらポンプ電極６７，６８間にはポンプ電圧源６９により電圧Ｖｐが印加される。ポンプ電極６７，６８間に電圧Ｖｐが印加されると、第１室６４内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側ポンプ電極６７と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側ポンプ電極６８に向かって第１層Ｌ1内を流れる。したがって、第１室６４内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ1内を移動して室外に汲み出されることになる。このとき汲み出される酸素量はポンプ電圧源６９の電圧Ｖｐが高くなるほど多くなる。
【００３０】
このように、本実施形態では、陰極側ポンプ電極６７および陽極側ポンプ電極６８が、それぞれ、第１室６４内の排気ガスから酸素を排出するためのポンプセルの対面する２つの電極板を構成する。
【００３１】
一方、第２室６５に面する第１層Ｌ1の内周面上には、モニタ電極７２が形成され、大気室６６に面する第３層Ｌ3の内周面上には、基準電極７０が形成されている。酸素イオン伝導性のある固体電解質からなる層（以下、固体電解質層と称す）では、固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向かって酸素イオンが固体電解質層内を移動する。図２に示されている例では、大気室６６内の酸素濃度の方が第２室６５内の酸素濃度よりも高いので、大気室６６内の酸素は基準電極７０と接触することによって電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは第３層Ｌ3、第２層Ｌ2および第１層Ｌ1内を移動し、モニタ電極７２において電荷を放出する。この結果、基準電極７０とモニタ電極７２との間に符号７４で示した電圧（起電力）Ｖ1が発生する。この電圧Ｖ1は大気室６６内と第２室６５内との酸素濃度差に比例する。
【００３２】
図２に示されている例では、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するときには、この電圧Ｖ1が、第２室６５内の酸素濃度が低濃度の所定値（例えば０．０１ｐｐｍ）のときに生ずる電圧に一致するように、ポンプ電圧源６９の電圧Ｖｐがフィードバック制御される。すなわち、第２室６５内の酸素は第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍとなるように第１層Ｌ1を通って汲み出され、それによって第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍに維持される。
【００３３】
すなわち、本実施形態では、基準電極７０およびモニタ電極７２が、それぞれ、第２室６５内のガス中の酸素濃度をモニタするためのモニタセルの対面する２つの電極板を構成する。
【００３４】
一方、第２室６５に面する第３層Ｌ3の内周面上には、ＮＯｘ検出用のセンサ電極７５が形成されている。センサ電極７５はＮＯｘに対して強い還元性を有する。したがって第２室６５内のＮＯｘ、実際には大部分を占めるＮＯがセンサ電極７５上においてＮ2とＯ2とに分解される。図２に示されているように、センサ電極７５と基準電極７０との間には、一定電圧７６が印加されており、したがって、センサ電極７５上において分解生成されたＯ2は酸素イオンとなって第３層Ｌ3内を基準電極７０に向けて移動し汲み出される。このとき、センサ電極７５と基準電極７０との間には、この酸素イオン量に比例した符号７７で示した電流（分解電流）Ｉ1が流れる。分解生成された酸素量と窒素量とは互いに比例関係にあるから、結局、電流Ｉ1が排気ガス中のＮＯｘ濃度を示すＮＯｘセンサ５０の出力となる。
【００３５】
すなわち、本実施形態では、センサ電極７５および基準電極７０が、それぞれ、排気ガス中のＮＯｘを分解して生成された酸素を排出すると共に、被検出ガスたる排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じたセンサ出力を発するセンサセルの対面する２つの電極板を構成する。このセンサセルは、ポンプセルによる酸素排出後の排気ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発することとなる。
【００３６】
第１室６４内のポンプ電極６７と第２室６５内のモニタ電極７２とは、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い材料から構成されている。例えばこれら電極６７，７２は、金Ａｕと白金Ｐｔとセラミックスのサーメットからなる。一方、第２室６５内のセンサ電極７５は、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有し又はその触媒能が高い材料を含む。例えばセンサ電極７５は、ロジウムＲｈと白金ＰｔとセラミックスとしてのジルコニアＺｒＯ2からなる多孔質サーメットから構成され、このうちロジウムＲｈがＮＯｘ、特にＮＯをも還元し得る高いＮＯｘ触媒能を有する。
【００３７】
第１室６４内では、ポンプセル及びモニタセルの作用により第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍとなるように第１室６４内の酸素が排出される。このとき排気ガス中に含まれるＮＯ2がＮＯに還元されることはあるものの、ＮＯはそれ以上還元されない。したがって、第１室６４内ではＮＯｘがＮＯにほぼ単ガス化され、このＮＯｘを含む排気ガスが第２の拡散律速部材６３を通って第２室６５内に流入する。
【００３８】
第２室６５内では、センサセルの作用により、第２室６５内のＮＯｘ（殆どがＮＯである）がセンサ電極７５上においてＮ2とＯ2とに分解され、分解生成された酸素Ｏ2が排出されると共に、分解生成された窒素の量に応じた出力電流Ｉ1が発せられる。
【００３９】
なお、第５層Ｌ5と第６層Ｌ6との間には、ＮＯｘセンサ５０のセンサ部を加熱するための電気式ヒータ７９が配置されている。このヒータ７９は、ＮＯｘセンサ５０による通常のＮＯｘ検出時に約７５０〜８００℃に加熱制御される。
【００４０】
さて、このような基本構成を持つＮＯｘセンサ５０においては、酸素排出を行うポンプセルに印加する電圧Ｖｐを切り替えると、これに伴ってセンサセルの出力Ｉ1が変化することが判明した。そして印加電圧を切り替えた際のセンサセルの出力変化の仕方が、ＮＯｘセンサ５０の劣化度に応じて異なることが判明した。
【００４１】
図３は、ポンプセルの印加電圧Ｖｐとセンサセルの出力Ｉ1との相関を概念的に示すグラフである。なおこの相関はＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガスのＮＯｘ濃度が一定であるという条件下のものである。図示するように、センサセル出力Ｉ1はポンプセル印加電圧Ｖｐに対して比例的に変化する。しかしながら、ポンプセル印加電圧の変化量が一定であるときのセンサセル出力の変化量はＮＯｘセンサ５０の劣化度に応じて異なり、センサセル出力変化量はＮＯｘセンサ５０の劣化度が大きいほど小さくなる。
【００４２】
例えば２点でのポンプセル印加電圧をＶｐ１，Ｖｐ２（Ｖｐ１＜Ｖｐ２）、これら印加電圧の間の変化量をΔＶｐ＝Ｖｐ２−Ｖｐ１、各印加電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２に対応するセンサセルの出力Ｉ1をＩ1１，Ｉ1２、これら出力間の変化量をΔＩ1＝Ｉ1２−Ｉ1１とする。この場合、ポンプセル印加電圧変化量ΔＶｐとセンサセル出力変化量ΔＩ1との比Ｒ＝ΔＩ1／ΔＶｐ（即ちグラフの傾き）は、実線で示すようにＮＯｘセンサ５０が新品であるときが最も大きく、また破線で示すように、その新品状態から劣化度が増すにつれ次第に小さくなる。従ってこのような相関を利用することによりＮＯｘセンサ５０の劣化度を検出し、ＮＯｘセンサ５０が正常か劣化かを診断することができる。
【００４３】
なお、ＮＯｘセンサ５０の劣化度が増すにつれ比Ｒが小さくなる理由は、ＮＯｘセンサ５０の劣化度が増すほどにセンサ電極７５のＮＯｘ分解能が低下し、大きなＮＯｘ分解電流を得られなくなるからである。
【００４４】
また、センサセル出力Ｉ1は、ポンプセル印加電圧Ｖｐを増大させるほど大きくなり、ポンプセル印加電圧Ｖｐを減少させるほど小さくなる。その理由は次の通りである。ポンプセル印加電圧Ｖｐを減少させると、ポンプセルによって汲み出され或いは排出される酸素量が少なくなると共に、ＮＯｘをＮＯに単ガス化し難くなり、ＮＯｘ中における酸素数が２以上の窒素酸化物（主にＮＯ2）の割合が高くなる。このようなポンプセル通過後のガスをセンサセルに供給すると、センサセルの出力電流Ｉ1は、ＮＯにほぼ単ガス化されたＮＯｘを含むガスの場合に比べて小さくなる傾向にある。よってポンプセル印加電圧Ｖｐを減少させるほどセンサセル出力Ｉ1は小さくなり、ポンプセル印加電圧Ｖｐを増大させるほどセンサセル出力Ｉ1は大きくなる。
【００４５】
次に、具体的な劣化診断処理を図４に基づいて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
【００４６】
最初のステップＳ１０１では、劣化診断を行うのに適した所定条件が成立しているか否かが判断される。例えば、１）エンジン暖機完了（冷却水温が所定値以上）、２）ＮＯｘセンサ活性済み（ヒータ温度が所定値以上）、３）エンジンが定常運転中、４）ＮＯｘ触媒３４非作動という全ての条件が整ったとき、所定条件成立となる。条件３）については、例えばエアフローメータ２２によって検出された吸入空気量の変動幅が所定値以内であるとき、条件３）が満たされる。また条件４）については、例えばＮＯｘ触媒３４の未活性時を選択したり、ＮＯｘ触媒３４への尿素添加を一時的に中断したりすることにより、条件４）を満たすことができる。エンジンの定常運転中且つＮＯｘ触媒３４の非作動中なので、ほぼ一定のＮＯｘ濃度の排気ガスをＮＯｘセンサ５０に供給することができる。
【００４７】
所定条件が成立していないと判断された場合、本ルーチンが終了される。他方、所定条件が成立していると判断された場合、ステップＳ１０２において、ＮＯｘセンサ５０の通常のＮＯｘ濃度検出状態におけるポンプセル印加電圧（第１のポンプセル印加電圧）Ｖｐ１と、センサセル出力Ｉ1１（第１のセンサセル出力）との値がそれぞれ取得される。このときには前述したように、モニタセル出力電圧Ｖ1に基づくポンプセル印加電圧Ｖｐのフィードバック制御が行われている。
【００４８】
次いで、ステップＳ１０３において、ポンプセル印加電圧Ｖｐのフィードバック制御が一時的に中止されると共にポンプセル印加電圧Ｖｐがアクティブ且つ強制的に異なる所定値Ｖｐ２に切り替えられ、このときのポンプセル印加電圧（第２のポンプセル印加電圧）Ｖｐ２と、センサセル出力Ｉ1２（第２のセンサセル出力）との値がそれぞれ取得される。本実施形態の場合Ｖｐ１＜Ｖｐ２であり、従って第２のセンサセル出力Ｉ1２は第１のセンサセル出力Ｉ1１より強制的に増大させられる。しかしながら代替的に、Ｖｐ１＞Ｖｐ２として第２のセンサセル出力Ｉ1２を第１のセンサセル出力Ｉ1１より減少させてもよい。
【００４９】
次にステップＳ１０４において、これらポンプセル印加電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２とセンサセル出力Ｉ1１，Ｉ1２とに基づき、ポンプセル印加電圧変化量ΔＶｐ（＝Ｖｐ２−Ｖｐ１）とセンサセル出力変化量ΔＩ1（＝Ｉ1２−Ｉ1１）との比Ｒ＝ΔＩ1／ΔＶｐが算出され、且つこの比Ｒが所定の劣化判定値Ｒｓと比較される。
【００５０】
比Ｒが劣化判定値Ｒｓより大きい場合、ステップＳ１０５においてＮＯｘセンサ５０は正常と判定される。そしてステップＳ１０６において、センサセル即ちＮＯｘセンサ５０の出力Ｉ1が、正常範囲内にある一定の劣化度相当の値になるように補正される。本実施形態では、センサセルの出力Ｉ1が新品相当の値になるように補正され、具体的には式：Ｉ1’＝Ｉ1・（Ｒ０／Ｒ）により、ステップＳ１０２で取得した通常のセンサセル出力Ｉ1１が補正される。ここでＩ1’は補正後のセンサセル出力を表し、Ｒ０は予め実験的に把握され且つ記憶されたセンサ新品時の比を表す。こうしてセンサ正常時にセンサセル出力即ちＮＯｘセンサ出力を一定の劣化度相当の値（新品時の値）Ｉ1’に補正することで、センサ劣化度の影響のないセンサ出力値Ｉ1’を利用して尿素噴射量制御等の各種制御を精度良く安定して行うことが可能になる。
【００５１】
他方、比Ｒが劣化判定値Ｒｓ以下の場合、ステップＳ１０７においてＮＯｘセンサ５０は劣化と判定される。そしてステップＳ１０８において、チェックランプ等の警告装置がオンされ、ユーザに対して警告がなされると同時にＮＯｘセンサ５０の交換が促される。
【００５２】
本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ５０の劣化診断に際して内燃機関の燃焼状態や混合気状態を変化させる必要がないため、診断時における排気エミッションの悪化を確実に防止することができると共に、その変化からＮＯｘセンサ５０が応答するまでの時間遅れに基づく診断精度の悪化も確実に防止することができる。また、ＮＯｘセンサ５０内部のガス成分を強制的に変化させて診断を行うため、ＮＯｘセンサ５０の上流側に位置するＮＯｘ触媒３４等の影響を何等受けず、ＮＯｘセンサ５０の劣化を好適に診断することができる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本実施形態ではポンプセル印加電圧を既定状態の１点（Ｖｐ１）から他の１点（Ｖｐ２）に切り替えて劣化判定を行ったが、既定状態の１点から他の２点、３点等に切り替えてもよい。この場合、これら複数点での平均的な比Ｒを求めてこの比Ｒに基づいて劣化判定するのが好適である。また既定状態の１点を、ポンプセル印加電圧のフィードバック制御が行われる通常状態即ちＮＯｘ濃度検出状態の１点としたが、この既定状態の１点を通常状態以外の１点、即ち通常状態からアクティブにポンプセル印加電圧を切り替えたときの１点としてもよい。本実施形態ではポンプセル及びモニタセルが各一つずつのＮＯｘセンサを例示したが、これらポンプセル及びモニタセルの少なくとも一方が複数設けられているＮＯｘセンサであってもよい。本発明に係るＮＯｘセンサの劣化診断装置は内燃機関以外の用途にも適用可能である。また内燃機関に適用した場合でも、内燃機関の種類、型式、用途等は限定されず、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジンにも適用可能である。
【００５４】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。
【図２】ＮＯｘセンサのセンサ部の構造を示す断面図である。
【図３】ポンプセル印加電圧とセンサセル出力との相関を示すグラフである。
【図４】劣化診断処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１０ エンジン
１５ 排気通路
５０ ＮＯｘセンサ
６７ 陰極側ポンプ電極
６８ 陽極側ポンプ電極
７０ 基準電極
７５ センサ電極
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｖｐ ポンプセル印加電圧
Ｉ1 センサセル出力
ΔＶｐ ポンプセル印加電圧変化量
ΔＩ1 センサセル出力変化量
Ｒ 差
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧印加時に被検出ガスの酸素を排出するポンプセルと、該ポンプセルによる酸素排出後の被検出ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発するセンサセルとを備えたＮＯｘセンサの劣化診断装置において、
前記ポンプセルへの印加電圧を切り替える印加電圧切替手段と、
該印加電圧切替手段により印加電圧を切り替えた際の前記センサセルの出力変化に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの劣化診断装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記印加電圧切替手段により印加電圧を切り替えた際の印加電圧変化量とセンサセル出力変化量とに基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する
ことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘセンサの劣化診断装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記印加電圧変化量と前記センサセル出力変化量との比に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する
ことを特徴とする請求項２記載のＮＯｘセンサの劣化診断装置。
【請求項４】
前記判定手段により前記ＮＯｘセンサが正常と判定されたとき、前記印加電圧変化量と前記センサセル出力変化量とに基づいて前記センサセルの出力を補正する補正手段を備えた
ことを特徴とする請求項２又は３に記載のＮＯｘセンサの劣化診断装置。
【請求項１】
電圧印加時に被検出ガスの酸素を排出するポンプセルと、該ポンプセルによる酸素排出後の被検出ガスのＮＯｘ濃度に応じた出力を発するセンサセルとを備えたＮＯｘセンサの劣化診断装置において、
前記ポンプセルへの印加電圧を切り替える印加電圧切替手段と、
該印加電圧切替手段により印加電圧を切り替えた際の前記センサセルの出力変化に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの劣化診断装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記印加電圧切替手段により印加電圧を切り替えた際の印加電圧変化量とセンサセル出力変化量とに基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する
ことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘセンサの劣化診断装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記印加電圧変化量と前記センサセル出力変化量との比に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する
ことを特徴とする請求項２記載のＮＯｘセンサの劣化診断装置。
【請求項４】
前記判定手段により前記ＮＯｘセンサが正常と判定されたとき、前記印加電圧変化量と前記センサセル出力変化量とに基づいて前記センサセルの出力を補正する補正手段を備えた
ことを特徴とする請求項２又は３に記載のＮＯｘセンサの劣化診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１７５０１３（Ｐ２００９−１７５０１３Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４１９８（Ｐ２００８−１４１９８）
【出願日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
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