(57)【要約】【課題】検出電極にアンモニアが残留することを防止し、アンモニアの検出精度を向上させることができるアンモニア濃度検出装置を提供する。【解決手段】アンモニア濃度検出装置１は、電圧印加部６１及び出力制御部６を備える。電圧印加部６１は、基準電極２３をマイナス側として検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加し、基準電極２３から第１固体電解質体２１を介して検出電極２２へ酸素イオンを送り込んで、検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応を促進させる。出力制御部６は、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅを印加する電圧印加期間を決定し、電圧印加期間には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度の出力を無効にする一方、電圧印加期間以外には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度の出力を有効にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体における、酸素及びアンモニアが含まれる測定ガス（Ｇ）に晒される第１表面（２１１）に設けられた検出電極（２２）、及び前記固体電解質体における、前記第１表面とは反対側の第２表面（２１２）に設けられた基準電極（２３）を有するアンモニア素子部（２）と、
前記検出電極と前記基準電極との間の電位差（ΔＶ）を検出する電位差検出部（５１）と、
前記電位差検出部による電位差に基づいて、前記測定ガスにおけるアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出部（５２）と、
前記基準電極をマイナス側として前記検出電極と前記基準電極との間に直流電圧（Ｅ）を印加し、前記基準電極から前記固体電解質体を介して前記検出電極へ酸素イオンを送り込んで、前記検出電極におけるアンモニアの酸化反応を促進させるための電圧印加部（６１）と、
前記電圧印加部によって直流電圧を印加する電圧印加期間を決定し、前記電圧印加期間には、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を無効にする一方、前記電圧印加期間以外には、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を有効にする出力制御部（６）と、を備えるアンモニア濃度検出装置（１）。
【請求項２】
前記アンモニア濃度検出装置は、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度が低下するときの単位時間当たりの低下変化量を算出する変化算出部（６２）を更に備え、
前記出力制御部は、前記変化算出部による前記低下変化量が変化基準量を超えたときを、前記電圧印加期間における電圧印加開始時点とするよう構成されている、請求項１に記載のアンモニア濃度検出装置。
【請求項３】
前記出力制御部は、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度が、所定の閾値濃度未満になったときを、前記電圧印加期間における電圧印加終了時点とするよう構成されている、請求項２に記載のアンモニア濃度検出装置。
【請求項４】
前記出力制御部は、前記電圧印加開始時点からの経過時間が所定の設定時間になったときを、前記電圧印加期間における電圧印加終了時点とするよう構成されている、請求項２に記載のアンモニア濃度検出装置。
【請求項５】
前記アンモニア濃度検出装置は、ＮＯｘを還元する触媒（７２）及び前記触媒へアンモニアを含む還元剤（Ｋ）を供給する還元剤供給装置（７３）が配置された、内燃機関（７）の排気管（７１）において、前記触媒から流出するアンモニアの濃度を検出するものであり、
前記出力制御部は、前記内燃機関がアイドリング運転を行っているとき、前記内燃機関がフューエルカット運転を行っているとき、又は前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度が所定の閾値濃度未満であるときの所定期間を、前記電圧印加期間とするよう構成されている、請求項１に記載のアンモニア濃度検出装置。
【請求項６】
前記アンモニア濃度検出装置は、
通電することによって発熱する発熱体（４１）を有し、前記アンモニア素子部を加熱するためのヒータ部（４）と、
前記発熱体への通電量を制御する通電制御部（５８）と、を更に備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンモニア濃度検出装置。
【請求項７】
前記アンモニア濃度検出装置は、
通電することによって発熱する発熱体（４１）を有し、前記アンモニア素子部を加熱するためのヒータ部（４）と、
前記発熱体への通電量を制御する通電制御部（５８）と、を更に備え、
前記出力制御部は、前記通電制御部が前記発熱体への通電を開始して、前記検出電極が活性温度になった後の所定期間を、前記電圧印加期間とするよう構成されている、請求項１に記載のアンモニア濃度検出装置。
【請求項８】
前記通電制御部は、前記電圧印加期間以外の期間において、前記検出電極の温度が濃度検出時の目標温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御する一方、前記電圧印加期間において、前記検出電極の温度が、前記濃度検出時の目標温度よりも高い電圧印加時の目標温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御するよう構成されている、請求項６又は７に記載のアンモニア濃度検出装置。
【請求項９】
前記電圧印加部によって前記検出電極と前記基準電極との間に印加される直流電圧の大きさは、０．１〜１［Ｖ］の範囲内に設定されている、請求項１〜８に記載のアンモニア濃度検出装置。
【請求項１０】
前記電位差検出部は、
前記アンモニア電極における、酸素の還元反応とアンモニアの酸化反応とが等しくなるときに生じる、前記アンモニア電極と前記基準電極との間の電位差を検出するよう構成されており、
前記アンモニア濃度検出装置は、
前記固体電解質体に対向して配置された、酸素イオンの伝導性を有する他の固体電解質体（３１）、前記他の固体電解質体の第３表面（３１１）に接して形成された測定ガス室（３５）、前記測定ガス室へ拡散速度を制限して前記測定ガスを導入する拡散抵抗部（３５１）、前記第３表面における前記測定ガス室内の位置に設けられたポンプ電極（３２）、及び前記他の固体電解質体における、前記第３表面とは反対側の第４表面（３１２）に設けられた他の基準電極（３４）を有する酸素素子部（３）と、
前記他の基準電極をプラス側として前記ポンプ電極と前記他の基準電極との間に直流電圧を印加して、前記測定ガス室内の前記測定ガスにおける酸素を汲み出すポンピング部（５３）と、
前記ポンプ電極と前記他の基準電極との間に流れる直流電流を検出するポンプ電流検出部（５４）と、
前記ポンプ電流検出部によって検出された直流電流に基づいて、前記測定ガスにおける酸素濃度を算出する酸素濃度算出部（５５）と、を更に備え、
前記アンモニア濃度算出部は、前記酸素濃度算出部による酸素濃度に基づいて、前記アンモニア濃度を補正するよう構成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンモニア濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定ガスにおけるアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両においては、内燃機関としてのディーゼルエンジン等から排気される排ガス中のＮＯ、ＮＯ2等のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための触媒が、排気管内に配置される。触媒の一つとしての選択式還元触媒（ＳＣＲ）においては、ＮＯｘを還元するために、尿素水等に含まれるアンモニア（ＮＨ3）が触媒担体に付着され、触媒担体においてアンモニアとＮＯｘとを化学反応させて、ＮＯｘを窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元することが行われている。
【０００３】
また、排気管内における、選択式還元触媒よりも排ガスの流れの上流側位置には、還元剤としてのアンモニアを、選択式還元触媒へ供給する還元剤供給装置が配置される。また、例えば、排気管内における、選択式還元触媒の排ガスの流れの下流側位置には、排ガスにおけるＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、排ガスにおけるアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサとが配置される。そして、ＮＯｘセンサ及びアンモニアセンサを用いることにより、選択式還元触媒からのアンモニアの流出を抑えつつ、アンモニアによるＮＯｘの浄化率を向上させる工夫がなされている。アンモニアセンサは、制御ユニットと合わせてアンモニア濃度検出装置と呼ぶことがある。
【０００４】
また、アンモニアセンサとしては、例えば、特許文献１に記載された混成電位型センサがある。この混成電位型センサは、排気ガスに晒される混成電位特性を有する排気ガス電極と、大気に晒される参照電極とが、固体電解質体の表面に設けられて形成されている。この混成電位型センサは、固体電解質体の表面に設けられた排気ガス電極と参照電極との間の電位差（起電力）を検出することによってアンモニア濃度を出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３２７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、排気管内に配置されたパティキュレートフィルタ（微粒子捕集フィルタ）の再生時、エンジンの高負荷燃焼の継続時等においては、排気管に排気される排ガスの温度が急激に高くなり、アンモニア、ＳＯｘ（硫黄酸化物）等の吸着性の高いガスが、パティキュレートフィルタ、選択式還元触媒等から離脱して、排気管内に放出されることがある。特に、アンモニアセンサが、排気管内における、パティキュレートフィルタ及び選択式還元触媒に対する排ガスの流れの下流側位置に配置される場合には、吸着性の高いガスがアンモニアセンサに到達する可能性が高い。
【０００７】
また、特許文献１等に記載された、アンモニアセンサとしての混成電位型センサにおいては、排気ガス電極に、排ガスが接触しやすい状態が形成されている。そのため、排気ガス電極に吸着したアンモニア等の吸着性が高いガスが離脱しにくいといった課題がある。特に、排ガスにおけるアンモニア濃度が高濃度の状態から低濃度の状態に切り替わるときには、高濃度の状態において排気ガス電極に吸着していたアンモニアが、低濃度の状態になっても排気ガス電極に吸着したままになることが懸念される。この場合には、アンモニアセンサの出力は、アンモニア濃度が低い状態にあるにも拘らず、アンモニア濃度が高いことを示すおそれがある。
【０００８】
そのため、アンモニアセンサ（アンモニア濃度検出装置）によるアンモニア濃度の検出精度を向上させるためには、排気ガス電極（検出電極）におけるアンモニアの吸着及び離脱を適切に行う工夫が必要とされる。
【０００９】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、検出電極にアンモニアが残留することを防止し、アンモニアの検出精度を向上させることができるアンモニア濃度検出装置を提供しようとして得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体における、酸素及びアンモニアが含まれる測定ガス（Ｇ）に晒される第１表面（２１１）に設けられた検出電極（２２）、及び前記固体電解質体における、前記第１表面とは反対側の第２表面（２１２）に設けられた基準電極（２３）を有するアンモニア素子部（２）と、
前記検出電極と前記基準電極との間の電位差（ΔＶ）を検出する電位差検出部（５１）と、
前記電位差検出部による電位差に基づいて、前記測定ガスにおけるアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出部（５２）と、
前記基準電極をマイナス側として前記検出電極と前記基準電極との間に直流電圧（Ｅ）を印加し、前記基準電極から前記固体電解質体を介して前記検出電極へ酸素イオンを送り込んで、前記検出電極におけるアンモニアの酸化反応を促進させるための電圧印加部（６１）と、
前記電圧印加部によって直流電圧を印加する電圧印加期間を決定し、前記電圧印加期間には、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を無効にする一方、前記電圧印加期間以外には、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を有効にする出力制御部（６）と、を備えるアンモニア濃度検出装置（１）にある。
【発明の効果】
【００１１】
前記一態様のアンモニア濃度検出装置は、電圧印加部及び出力制御部を備える。電圧印加部は、検出電極におけるアンモニアの酸化反応を促進させるために、検出電極と基準電極との間に直流電圧を印加するものである。そして、検出電極にアンモニアが吸着した状態が維持されていると考えられるときには、電圧印加部によって検出電極と基準電極との間に直流電圧を印加することによって、検出電極から迅速にアンモニアを離脱させることができる。そのため、検出電極にアンモニアが残留しにくくし、アンモニア濃度検出装置によるアンモニア濃度に検出誤差が生じにくくすることができる。
【００１２】
また、電圧印加部によって直流電圧が印加されるときには、アンモニア濃度算出部によって算出される測定ガス中のアンモニア濃度に検出誤差が生じると考えられる。そのため、出力制御部は、電圧印加部によって直流電圧を印加する電圧印加期間には、アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を無効にする。これにより、検出電極に吸着したアンモニアを離脱させるときには、アンモニア濃度検出装置によるアンモニア濃度が誤って利用されることを防止することができる。
【００１３】
一方、出力制御部は、電圧印加期間以外には、アンモニア濃度算出部によって算出されたアンモニア濃度の出力を有効にする。これにより、検出誤差が小さいアンモニア濃度をアンモニア濃度検出装置から出力することができる。
【００１４】
それ故、前記一態様のアンモニア濃度検出装置によれば、検出電極にアンモニアが残留することを防止し、アンモニアの検出精度を向上させることができる。
【００１５】
出力制御部によるアンモニア濃度の出力の無効化は、電圧印加期間内におけるアンモニア濃度は正しい値を示さないとして、この電圧印加期間内におけるアンモニア濃度が正式に使用されないようにすればよい。例えば、出力制御部は、アンモニア濃度を、０（ゼロ）ｐｐｍ又は一定値にして、無効化することができる。また、出力制御部は、電圧印加期間内におけるアンモニア濃度を、エラー信号又は出力停止信号によって無効化することもできる。
【００１６】
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出装置の構成を示す説明図。
【図２】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出装置のセンサ素子を示す、図１のII−II断面図。
【図３】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出装置のセンサ素子を示す、図１のIII−III断面図。
【図４】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出装置のセンサ素子を示す、図１のIV−IV断面図。
【図５】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出装置のセンサ制御ユニットにおけるアンモニア濃度の検出に関する構成を示す説明図。
【図６】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出装置が内燃機関に配置された状態を示す説明図。
【図７】実施形態１にかかる、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係による濃度領域を示す説明図。
【図８】実施形態１にかかる、検出電極において生じる混成電位を示す説明図。
【図９】実施形態１にかかる、アンモニア濃度が変化したときに検出電極において生じる混成電位を示す説明図。
【図１０】実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときに検出電極において生じる混成電位を示す説明図。
【図１１】実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときの、アンモニア濃度と電位差との関係を示すグラフ。
【図１２】実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときの、電位差と酸素補正後のアンモニア濃度との関係を示すグラフ。
【図１３】実施形態１にかかる、測定ガスにおけるアンモニア濃度及びアンモニア濃度算出部によって算出されるアンモニア濃度の時間的変化を模式的に示すグラフ。
【図１４】実施形態１にかかる、電圧印加部によって検出電極と基準電極との間に直流電圧を印加する状態を模式的に示す説明図。
【図１５】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出方法の一例を示すフローチャート。
【図１６】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出方法の一例を示すフローチャート。
【図１７】実施形態１にかかる、アンモニア濃度検出方法の一例を示すフローチャート。
【図１８】実施形態４にかかる、アンモニア濃度検出方法の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
前述したアンモニア濃度検出装置にかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のアンモニア濃度検出装置１は、図１に示すように、アンモニア素子部２、電位差検出部５１、アンモニア濃度算出部５２、電圧印加部６１及び出力制御部６を備える。アンモニア素子部２は、酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体（固体電解質体）２１と、第１固体電解質体２１における、酸素及びアンモニアが含まれる測定ガスＧに晒される第１表面２１１に設けられた検出電極（アンモニア電極）２２と、第１固体電解質体２１における、第１表面２１１とは反対側の第２表面２１２に設けられた基準電極２３とを有する。電位差検出部５１は、検出電極２２と基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶを検出するよう構成されている。アンモニア濃度算出部５２は、電位差検出部５１による電位差ΔＶに基づいて、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出するよう構成されている。
【００１９】
図１４に示すように、電圧印加部６１は、基準電極２３をマイナス側として検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加し、基準電極２３から第１固体電解質体２１を介して検出電極２２へ酸素イオンを送り込んで、検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応を促進させるために用いられる。出力制御部６は、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅを印加する電圧印加期間を決定し、電圧印加期間には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度の出力を無効にする一方、電圧印加期間以外には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度の出力を有効にするよう構成されている。
【００２０】
以下に、本形態のアンモニア濃度検出装置１について詳説する。
（アンモニア濃度検出装置１）
図１に示すように、本形態のアンモニア濃度検出装置１は、電位差式としての混成電位式のものである。このアンモニア濃度検出装置１においては、酸素及びアンモニアが含まれる状態の測定ガスＧにおけるアンモニアの濃度を検出する。本形態の電位差検出部５１は、検出電極２２における、酸素の電気化学的還元反応（以下、単に還元反応という。）による還元電流とアンモニアの電気化学的酸化反応（以下、単に酸化反応という。）による酸化電流とが等しくなるときに生じる、検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出するよう構成されている。
【００２１】
図６に示すように、アンモニア濃度検出装置１は、車両の内燃機関（エンジン）７の排気管７１において、ＮＯｘを還元する触媒７２から流出するアンモニアの濃度を検出するものである。測定ガスＧは、内燃機関７から排気管７１へ排気された排ガスである。排ガスの組成は、内燃機関７における燃焼状態によって変化する。内燃機関７における、空気と燃料との質量比である空燃比が、理論空燃比に比べて燃料リッチな状態にあるときには、排ガスの組成においては、未燃ガスに含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ2（水素）等の割合が多くなる一方、ＮＯｘ（窒素酸化物）の割合が少なくなる。内燃機関７における空燃比が、理論空燃比に比べて燃料リーンな状態にあるときには、排ガスの組成においては、ＨＣ、ＣＯ等の割合が少なくなる一方、ＮＯｘの割合が多くなる。また、燃料リッチな状態においては、測定ガスＧに酸素（空気）がほとんど含まれず、燃料リーンな状態においては、測定ガスＧに酸素（空気）がより多く含まれる。
【００２２】
（触媒７２）
同図に示すように、排気管７１には、ＮＯｘを還元するための触媒７２と、触媒７２へアンモニアを含む還元剤Ｋを供給する還元剤供給装置７３とが配置されている。触媒７２は、触媒担体に、ＮＯｘの還元剤Ｋとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒７２の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、ＮＯｘの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置７３から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置７３は、排気管７１における、触媒７２よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管７１へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置７３には、尿素水のタンク７３１が接続されている。
【００２３】
本形態の内燃機関７は、軽油の自己着火を利用して燃焼運転を行うディーゼルエンジンである。また、触媒７２は、ＮＯｘ（窒素酸化物）をアンモニア（ＮＨ3）と化学反応させて窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元する選択式還元触媒（ＳＣＲ）である。
【００２４】
なお、図示は省略するが、排気管７１における、触媒７２の上流側位置には、ＮＯのＮＯ2への変換（酸化）、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）等の低減を行う酸化触媒（ＤＯＣ）、微粒子を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されていてもよい。
【００２５】
（マルチガスセンサ）
図６に示すように、本形態のアンモニア濃度検出装置１は、排気管７１における、触媒７２よりも下流側位置に配置される。なお、排気管７１に配置されるのは、厳密には、アンモニア濃度検出装置１のセンサ素子１０及びセンサ素子１０を保持するセンサ本体である。便宜上、本形態においては、センサ本体のことをアンモニア濃度検出装置１ということがある。
【００２６】
本形態のアンモニア濃度検出装置１は、アンモニア濃度の検出だけでなく、酸素濃度及びＮＯｘ濃度の検出も可能なマルチガスセンサ（複合センサ）として形成されている。そして、酸素濃度は、アンモニア濃度を補正するために使用される。また、アンモニア濃度検出装置１によるアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度は、内燃機関７の制御装置としてのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって、還元剤供給装置７３から排気管７１へ還元剤Ｋとしてのアンモニアを供給する時期を決定するために使用される。
【００２７】
なお、制御装置には、エンジンを制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０、アンモニア濃度検出装置１を制御するセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）５の他、種々の電子制御ユニットがある。制御装置とは、種々のコンピュータ（処理装置）のことをいう。
【００２８】
エンジン制御ユニット５０は、アンモニア濃度検出装置１によって、測定ガスＧ中にＮＯｘが存在することが検出されるときには、触媒７２においてアンモニアが不足していると検知し、還元剤供給装置７３から尿素水を噴射し、触媒７２へアンモニアを供給するよう構成されている。一方、エンジン制御ユニット５０は、アンモニア濃度検出装置１によって、測定ガスＧ中にアンモニアが存在することが検出されるときには、触媒７２においてアンモニアが過剰に存在していると検知し、還元剤供給装置７３からの尿素水の噴射を停止し、触媒７２へのアンモニアの供給を停止するよう構成されている。触媒７２においては、ＮＯｘを還元するためのアンモニアが過不足なく供給されることが好ましい。
【００２９】
（触媒出口７２１のアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係）
エンジン制御ユニット５０によるアンモニアの供給制御が行われることにより、触媒７２の下流側位置（触媒出口７２１）及びアンモニア濃度検出装置１の配置位置に存在する測定ガスＧのＮＯｘ及びアンモニアの濃度領域においては、ＮＯｘがアンモニアによって適切に還元される状態と、ＮＯｘの流出量が多くなる状態と、アンモニアの流出量が多くなる状態とが、時間を変えて生じることになる。
【００３０】
より具体的には、図７に示すように、エンジン制御ユニット５０においては、アンモニア（ＮＨ3）濃度とＮＯｘ濃度との関係を示す濃度領域は、ＮＯｘ濃度がアンモニア濃度よりも所定濃度（第１濃度差Δｎ１）以上高い第１濃度領域Ｎ１と、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度（第２濃度差Δｎ２）以上高い第３濃度領域Ｎ３と、第１濃度領域Ｎ１と第３濃度領域Ｎ３との間の第２濃度領域Ｎ２とに区分される。この濃度領域は、アンモニア濃度検出装置１によって検出されるＮＯｘ濃度とアンモニア濃度とを比較し、測定ガスＧにおいていずれの濃度が高いかを示すものである。
【００３１】
ここで、ＮＯｘ濃度がアンモニア濃度よりも所定濃度以上高い場合とは、ＮＯｘ濃度がアンモニア濃度よりも高く、かつＮＯｘ濃度とアンモニア濃度との差が第１濃度差Δｎ１以上である場合を示す。また、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度以上高い場合とは、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも高く、かつアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との差が第２濃度差Δｎ２以上である場合を示す。
【００３２】
アンモニア濃度検出装置１によって検出されるＮＯｘ濃度は、後述するＮＯｘ電極３３がＮＯｘだけでなくアンモニアも検出するために、アンモニア濃度を含むと考えられる。そのため、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度とを比較する際におけるＮＯｘ濃度は、電流に基づいて検出された補正前ＮＯｘ濃度から、電圧に基づいて検出されたアンモニア濃度を差し引いた補正後ＮＯｘ濃度とすることができる。
【００３３】
同図において、ＮＯｘ濃度が高い第１濃度領域Ｎ１においては、測定ガスＧ中にアンモニアが少量存在し、アンモニア濃度が高い第３濃度領域Ｎ３においては、測定ガスＧ中にＮＯｘが少量存在すると仮定している。触媒７２におけるＮＯｘの還元反応がより適切に行われる場合には、第１濃度領域Ｎ１においては、アンモニアがほとんど存在せず、第３濃度領域Ｎ３においては、ＮＯｘがほとんど存在しなくなる状態が形成されると考えられる。
【００３４】
濃度領域の区分において、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度は、いずれも体積％（ｐｐｍ）で表されることとする。エンジン制御ユニット５０は、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係が、第２濃度領域Ｎ２内になるよう、還元剤供給装置７３から触媒７２へ供給する還元剤Ｋの量を調整するよう構成することができる。
【００３５】
第１濃度領域Ｎ１と第２濃度領域Ｎ２とを区分する所定濃度としての、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度との第１濃度差Δｎ１は、１０〜５０ｐｐｍとすることができる。そして、エンジン制御ユニット５０は、ＮＯｘ濃度がアンモニア濃度よりも１０〜５０ｐｐｍ以上高い場合に、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係が第１濃度領域Ｎ１にあると判定することができる。第１濃度差Δｎ１は、アンモニア濃度検出装置１の仕様、搭載環境等に応じて、適宜変更することができる。
【００３６】
また、第２濃度領域Ｎ２と第３濃度領域Ｎ３とを区分する所定濃度としての、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との第２濃度差Δｎ２は、５０〜１００ｐｐｍとすることができる。そして、エンジン制御ユニット５０は、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも５０〜１００ｐｐｍ以上高い場合に、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係が第３濃度領域Ｎ３にあると判定することができる。第２濃度差Δｎ２は、アンモニア濃度検出装置１の仕様、搭載環境等に応じて、適宜変更することができる。
【００３７】
図示は省略するが、アンモニア濃度検出装置１は、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を検出するためのセンサ素子１０と、センサ素子１０を保持して排気管７１に取り付けるためのハウジングと、ハウジングの先端側に取り付けられてセンサ素子１０を保護する先端側カバーと、ハウジングの基端側に取り付けられてセンサ素子１０の電気配線部分を保護する基端側カバーとを備える。図１及び図２に示すように、センサ素子１０は、アンモニア素子部２及び後述する酸素素子部３に対して、後述するヒータ部４を積層して形成されている。
【００３８】
（アンモニア素子部２）
第１固体電解質体２１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、イットリア（酸化イットリウム）等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることができる。
【００３９】
検出電極２２は、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する金（Ａｕ）、白金−金合金、白金−パラジウム合金、パラジウム−金合金等の貴金属材料を用いて構成されている。基準電極２３は、酸素に対する触媒活性を有する白金（Ｐｔ）等の貴金属材料を用いて構成されている。また、検出電極２２及び基準電極２３は、第１固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有していてもよい。
【００４０】
図１及び図２に示すように、第１固体電解質体２１の、測定ガスＧに晒される第１表面２１１は、アンモニア濃度検出装置１のセンサ素子１０における最も外側の表面を形成する。そして、第１表面２１１に設けられた検出電極２２には、測定ガスＧが接触しやすい状態が形成されている。本形態の検出電極２２の表面には、セラミックスの多孔質体等による保護層が設けられていない。そして、検出電極２２には、測定ガスＧが拡散律速されずに接触する。なお、検出電極２２の表面には、測定ガスＧの流速を極力低下させない保護層を設けることも可能である。
【００４１】
第１固体電解質体２１の第２表面２１２及び第２表面２１２に設けられた基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。第１固体電解質体２１の第２表面２１２には、大気が導入される基準ガスダクト（大気ダクト）２４が隣接して形成されている。
【００４２】
（電位差検出部５１及び電位差ΔＶ）
図１に示すように、本形態の電位差検出部５１は、検出電極２２に混成電位が生じたときの検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出する。検出電極２２においては、検出電極２２に接触する測定ガスＧ中にアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの酸化反応と、酸素の還元反応とが同時に進行する。アンモニアの酸化反応は、代表的には、２ＮＨ3＋３Ｏ2-→Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ-によって表される。酸素の還元反応は、代表的には、Ｏ2＋４ｅ-→２Ｏ2-によって表される。そして、検出電極２２における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、検出電極２２における、アンモニアの酸化反応（速度）と酸素の還元反応（速度）とが等しくなるときの電位として生じる。
【００４３】
図８は、検出電極２２において生じる混成電位を説明するための図である。同図においては、横軸に、基準電極２３に対する検出電極２２の電位（電位差ΔＶ）をとり、縦軸に、検出電極２２と基準電極２３との間に流れる電流をとって、混成電位の変化の仕方を示す。また、同図においては、検出電極２２においてアンモニアの酸化反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第１ラインＬ１と、検出電極２２において酸素の還元反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第２ラインＬ２とを示す。第１ラインＬ１及び第２ラインＬ２は、いずれも右肩上がりのラインによって示す。
【００４４】
電位差ΔＶが０（ゼロ）の場合は、検出電極２２の電位が基準電極２３の電位と同じであることを示す。混成電位は、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合ったときの電位となる。そして、検出電極２２における混成電位は、基準電極２３に対してマイナス側の電位として検出される。
【００４５】
また、図９に示すように、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度が高くなるときには、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１の傾きθａが急になる。この場合には、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側へシフトする。これにより、アンモニア濃度が高くなるほど、基準電極２３に対する検出電極２２の電位がマイナス側に大きくなる。言い換えれば、アンモニア濃度が高くなるほど、検出電極２２と基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが大きくなる。そのため、アンモニア濃度が高くなるほど電位差ΔＶが大きくなり、電位差ΔＶを検出することにより、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を検出することが可能になる。
【００４６】
また、図１０に示すように、測定ガスＧにおける酸素濃度が高くなるときには、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２の傾きθｓが急になる。この場合には、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、マイナス側におけるゼロに近い位置へシフトする。これにより、酸素濃度が高くなるほど、基準電極２３に対する検出電極２２のマイナス側の電位が小さくなる。言い換えれば、酸素濃度が高くなるほど、検出電極２２と基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが小さくなる。そのため、酸素濃度が高くなるほど、電位差ΔＶ又はアンモニア濃度を高くする補正を行うことにより、アンモニア濃度の検出精度を高めることができる。
【００４７】
（アンモニア濃度算出部５２）
図１及び図５に示すように、本形態のアンモニア濃度算出部５２は、電位差検出部５１による電位差ΔＶを、後述する酸素濃度算出部５５による酸素濃度を用いて補正して、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出する。なお、電位差ΔＶはアンモニア濃度を示すため、電位差ΔＶを補正することと、アンモニア濃度を補正することとは同じである。
【００４８】
図１１は、混成電位式のアンモニア素子部２において、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度の変化に応じて検出される、電位差検出部５１による検出電極２２と基準電極２３との間の電位差（混成電位）ΔＶが、酸素濃度の影響を受けて変化することを示す。同図に示すように、電位差検出部５１によって検出される電位差（混成電位）ΔＶは、酸素濃度が高くなるほど小さく検出される（マイナス側のゼロに近い位置で検出される）。この理由は、図１０における傾きθｓによって説明したとおりである。
【００４９】
図１２に示すように、本形態のアンモニア濃度算出部５２においては、測定ガスＧにおける酸素濃度をパラメータとして、電位差検出部５１による電位差ΔＶと、酸素濃度に応じた補正が行われた酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係を示す関係マップＭ１が設定されている。この関係マップＭ１は、酸素濃度が所定の値にあるときの電位差ΔＶと酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係として作成されている。アンモニア濃度算出部５２は、測定ガスＧにおける酸素濃度及び電位差検出部５１による電位差ΔＶを関係マップＭ１に照合して、測定ガスＧにおける酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を算出するよう構成されている。
【００５０】
より具体的には、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度算出部５５による酸素濃度と、電位差検出部５１による電位差ΔＶとを、関係マップＭ１の酸素濃度及び電位差ΔＶにそれぞれ照合する。そして、関係マップＭ１から、電位差ΔＶのときの酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を読み取る。そして、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度が高いほど、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１が高くなるように補正する。こうして、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１は、酸素濃度に応じて補正された、アンモニア濃度検出装置１から出力されるアンモニア出力濃度となる。なお、関係マップＭ１においては、電位差ΔＶを、酸素補正前のアンモニア濃度Ｃ０としてもよい。
【００５１】
同図においては、測定ガスＧ中の酸素濃度が、例えば、５［体積％］、１０［体積％］、２０［体積％］である場合の関係マップＭ１を示す。この関係マップＭ１を用いることにより、酸素濃度に応じたアンモニア濃度Ｃ１又は電位差ΔＶの補正を容易にすることができる。電位差ΔＶと酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係マップＭ１は、アンモニア濃度検出装置１の試作・実験時等において求めておくことができる。
【００５２】
電位差検出部５１及びアンモニア濃度算出部５２は、アンモニア濃度検出装置１に電気接続されたセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）５内に形成されている。電位差検出部５１は、検出電極２２と基準電極２３との電位差ΔＶを測定するアンプ等を用いて形成されている。アンモニア濃度算出部５２は、コンピュータ等を用いて形成されている。また、センサ制御ユニット５は、内燃機関７のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０に接続されており、エンジン制御ユニット５０による、内燃機関７、還元剤供給装置７３等の動作の制御に利用される。
【００５３】
（酸素素子部３）
図１に示すように、本形態のアンモニア濃度検出装置１は、マルチガスセンサを形成するために、アンモニア素子部２、電位差検出部５１、アンモニア濃度算出部５２等の他に、酸素素子部３、ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４、酸素濃度算出部５５、ＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７を備える。また、酸素素子部３には、酸素素子部３及びアンモニア素子部２を加熱するヒータ部４が積層されている。
【００５４】
酸素素子部３は、第２固体電解質体（他の固体電解質体）３１、測定ガス室３５、拡散抵抗部３５１、ポンプ電極３２、ＮＯｘ電極３３及び他の基準電極３４を有する。第２固体電解質体３１は、第１固体電解質体２１に対向して配置されている。第２固体電解質体３１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。このジルコニア材料は、第１固体電解質体２１の場合と同様である。
【００５５】
なお、アンモニア濃度検出装置１がＮＯｘを検出する機能を持たない場合には、酸素素子部３は、ＮＯｘ電極３３を有さず、アンモニア濃度検出装置１はＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７を備えていなくてもよい。
【００５６】
図１、図２及び図４に示すように、測定ガス室３５は、第２固体電解質体３１の第３表面３１１に接して形成されている。測定ガス室３５は、ガス室用絶縁体３６によって形成されている。ガス室用絶縁体３６は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。拡散抵抗部３５１は、多孔質のセラミックス層として形成されており、測定ガス室３５へ拡散速度を制限して測定ガスＧを導入するための部分である。
【００５７】
ポンプ電極３２は、第３表面３１１における測定ガス室３５内に収容されており、測定ガス室３５内の測定ガスＧに晒される。ＮＯｘ電極３３は、第３表面３１１における測定ガス室３５内に収容されており、ポンプ電極３２によって酸素濃度が調整された後の測定ガスＧに晒される。他の基準電極３４は、第２固体電解質体３１における、第３表面３１１とは反対側の第４表面３１２に設けられている。
【００５８】
ポンプ電極３２は、酸素に対する触媒活性を有する白金−金合金等の貴金属材料を用いて構成されている。ＮＯｘ電極３３は、ＮＯｘ及び酸素に対する触媒活性を有する白金−ロジウム合金等の貴金属材料を用いて構成されている。他の基準電極３４は、酸素に対する触媒活性を有する白金等の貴金属材料を用いて構成されている。また、ポンプ電極３２、ＮＯｘ電極３３及び他の基準電極３４は、第２固体電解質体３１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有していてもよい。
【００５９】
本形態の他の基準電極３４は、第２固体電解質体３１を介して、ポンプ電極３２と対向する位置及びＮＯｘ電極３３と対向する位置のそれぞれに設けられている。なお、他の基準電極３４は、ポンプ電極３２及びＮＯｘ電極３３と対向する位置の全体に１つ設けられていてもよい。
【００６０】
図１〜図３に示すように、第２固体電解質体３１の第４表面３１２及び第４表面３１２に設けられた他の基準電極３４は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。第１固体電解質体２１と第２固体電解質体３１とは、基準ガスダクト２４を形成するダクト用絶縁体２５を介して積層されている。ダクト用絶縁体２５は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
【００６１】
基準ガスダクト２４は、第１固体電解質体２１の第２表面２１２及び基準電極２３と、第２固体電解質体３１の第４表面３１２及び他の基準電極３４とに大気を接触させる状態で形成されている。基準電極２３及び他の基準電極３４は、基準ガスダクト２４内に収容されている。基準ガスダクト２４は、センサ素子１０の基端から測定ガス室３５に対向する位置まで形成されている。
【００６２】
アンモニア濃度検出装置１の基端側カバー内に導入された基準ガスＡは、基準ガスダクト２４の基端側の開口部から基準ガスダクト２４内に導入される。本形態のセンサ素子１０は、第１固体電解質体２１と第２固体電解質体３１との間に基準ガスダクト２４を有することにより、基準電極２３及び他の基準電極３４の全体をまとめて大気に接触させることができる。
【００６３】
（ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及び酸素濃度算出部５５）
図１に示すように、ポンピング部５３は、他の基準電極３４をプラス側として、ポンプ電極３２と他の基準電極３４との間に直流電圧を印加して、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおける酸素を汲み出すよう構成されている。ポンプ電極３２と他の基準電極３４との間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極３２に接触する、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおける酸素が、酸素イオンとなって第２固体電解質体３１を他の基準電極３４に向けて通過し、基準電極２３から基準ガスダクト２４へと排出される。これにより、測定ガス室３５内の酸素濃度が、ＮＯｘの検出に適した濃度に調整される。
【００６４】
ポンプ電流検出部５４は、ポンプ電極３２と他の基準電極３４との間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。酸素濃度算出部５５は、ポンプ電流検出部５４によって検出された直流電流に基づいて、測定ガスＧにおける酸素濃度を算出するよう構成されている。ポンプ電流検出部５４においては、ポンピング部５３によって測定ガス室３５内から基準ガスダクト２４へ排出される酸素の量に比例した直流電流が検出される。
【００６５】
また、ポンピング部５３は、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおける酸素濃度が所定の濃度になるまで、測定ガス室３５内から基準ガスダクト２４へ酸素を排出する。そのため、酸素濃度算出部５５は、ポンプ電流検出部５４によって検出される直流電流を監視することにより、アンモニア素子部２及び酸素素子部３に到達する測定ガスＧにおける酸素濃度を算出することができる。
【００６６】
酸素濃度算出部５５によって算出される酸素濃度は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を補正するための酸素濃度として利用される。
【００６７】
（ＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７）
図１に示すように、ＮＯｘ検出部５６は、他の基準電極３４をプラス側としてＮＯｘ電極３３と他の基準電極３４との間に直流電圧を印加して、ＮＯｘ電極３３と他の基準電極３４との間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。ＮＯｘ濃度算出部５７は、ＮＯｘ検出部５６によって検出される直流電流に基づいて、測定ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を差し引いて補正後ＮＯｘ濃度を算出するよう構成されている。ＮＯｘ検出部５６においては、ＮＯｘだけでなくアンモニアも検出される。そのため、ＮＯｘ濃度算出部５７においては、アンモニアの検出量を差し引くことにより実際のＮＯｘの検出量が得られる。
【００６８】
ＮＯｘ濃度算出部５７によるＮＯｘ濃度は、２種類あるものとする。ＮＯｘ検出部５６に生じる電流に基づくＮＯｘ濃度を補正前ＮＯｘ濃度とする。補正前ＮＯｘ濃度においては、ＮＯｘ電極３２において反応するアンモニアによるアンモニア濃度が含まれる。一方、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を差し引いた濃度を、補正後ＮＯｘ濃度とする。補正後ＮＯｘ濃度は、アンモニアによる影響が除外されたＮＯｘ濃度を示す。アンモニア濃度とＮＯｘ濃度とが比較される場合には、補正後ＮＯｘ濃度が用いられる。
【００６９】
ＮＯｘ電極３３には、ポンプ電極３２によって酸素濃度が調整された後の測定ガスＧが接触する。そして、ＮＯｘ検出部５６においては、ＮＯｘ電極３３と他の基準電極３４との間に直流電圧が印加されるときには、ＮＯｘ電極３３に接触する、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおけるＮＯｘが窒素と酸素に分解され、酸素が酸素イオンとなって第２固体電解質体３１を他の基準電極３４に向けて通過し、基準電極２３から基準ガスダクト２４へと排出される。また、ＮＯｘ検出部５６にアンモニアが到達するときには、アンモニアが酸化されて生成されたＮＯｘも同様に窒素と酸素に分解される。そして、ＮＯｘ濃度算出部５７は、ＮＯｘ検出部５６によって検出される直流電流を監視することにより、酸素素子部３に到達する測定ガスＧにおけるＮＯｘ濃度を算出し、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度を差し引いて、ＮＯｘ濃度を補正後ＮＯｘ濃度として算出する。
【００７０】
図７において、触媒出口７２１のアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係を示す濃度領域におけるＮＯｘ濃度は、ＮＯｘ濃度算出部５７によって算出される補正後ＮＯｘ濃度とすることができる。また、この濃度領域におけるアンモニア濃度は、アンモニア濃度算出部５２によって算出されるアンモニア濃度とすることができる。
【００７１】
アンモニア濃度検出装置１を、アンモニア濃度だけでなく酸素濃度及びＮＯｘ濃度も検出するマルチガスセンサとしたことにより、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を検出する際に、排気管７１に配置するガスセンサの使用数を減らすことができる。また、ＮＯｘ濃度を検出するために使用されるポンプ電極３２及びポンピング部５３を利用して、ポンプ電流検出部５４及び酸素濃度算出部５５によって酸素濃度を検出することができる。
【００７２】
なお、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度に応じたアンモニア濃度の補正を行う際には、ＮＯｘ検出部５６による補正前ＮＯｘ濃度又は補正後ＮＯｘ濃度も加味してアンモニア濃度を補正することもできる。酸素素子部３におけるＮＯｘ電極３３は、ＮＯｘに対する触媒活性を有するだけでなく、アンモニアに対する触媒活性も有する。そのため、アンモニア濃度は、ＮＯｘ電極３３において、ＮＯｘ濃度として検出することが可能である。これにより、アンモニア濃度算出部５２においては、酸素濃度、検出電極２２の温度及びＮＯｘ濃度に基づいて、電位差ΔＶによるアンモニア濃度を補正することもできる。
【００７３】
ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及びＮＯｘ検出部５６は、アンプ等を用いてセンサ制御ユニット５内に形成されている。酸素濃度算出部５５及びＮＯｘ濃度算出部５７は、コンピュータ等を用いてセンサ制御ユニット５内に形成されている。
【００７４】
なお、図１においては、便宜的に、電位差検出部５１、ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及びＮＯｘ検出部５６を、センサ制御ユニット５と区別して記載する。実際には、これらは、センサ制御ユニット５内に構築されている。
【００７５】
（ヒータ部４及び通電制御部５８）
図１及び図２に示すように、第２固体電解質体３１の、第１固体電解質体２１が積層された側とは反対側には、酸素素子部３及びアンモニア素子部２を加熱するヒータ部４が積層されている。言い換えれば、ヒータ部４は、酸素素子部３に対してアンモニア素子部２が積層された側とは反対側に積層されている。
【００７６】
ヒータ部４は、通電することによって発熱する発熱体４１と、発熱体４１を埋設するヒータ用絶縁体４２とによって形成されている。ヒータ用絶縁体４２は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。アンモニア素子部２と酸素素子部３とは、基準ガスＡが導入される基準ガスダクト２４を介して積層されている。基準電極２３及び他の基準電極３４は、基準ガスダクト２４内に収容されている。
【００７７】
発熱体４１は、発熱部と、発熱部に繋がるリード部とによって形成されており、発熱部は、各電極２２，２３，３２，３３，３４に対向する位置に形成されている。発熱体４１には、発熱体４１に通電を行うための通電制御部５８が接続されている。通電制御部５８による発熱体４１への通電量は、発熱体４１へ印加する電圧を変化させることによって調整することができる。通電制御部５８は、発熱体４１に、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。通電制御部５８は、センサ制御ユニット５内に形成されている。
【００７８】
アンモニア素子部２とヒータ部４との距離は、酸素素子部３とヒータ部４との距離よりも大きい。そして、ヒータ部４によって酸素素子部３を加熱する温度に比べて、ヒータ部４によってアンモニア素子部２を加熱する温度は低い。酸素素子部３のポンプ電極３２及びＮＯｘ電極３３は、ＮＯｘに対する触媒活性を示す温度として、６００〜９００℃の温度に加熱されて使用される。アンモニア素子部２の検出電極２２は、アンモニアに対する触媒活性を示す温度として、４００〜６００℃の温度に加熱されて使用される。
【００７９】
検出電極２２の温度は、ヒータ部４の加熱によって、４００〜６００℃の温度範囲内のいずれかの温度を目標として制御される。通電制御部５８は、検出電極２２の温度を目標制御温度に制御するときには、ＮＯｘ電極３３を、６００〜９００℃の温度に加熱するよう構成されている。この構成により、通電制御部５８によるヒータ部４の加熱制御によって、アンモニア素子部２の検出電極２２及び酸素素子部３のＮＯｘ電極３３のそれぞれを、アンモニアの検出及びＮＯｘの検出に適切な温度に加熱することができる。
【００８０】
また、酸素素子部３とアンモニア素子部２との間に基準ガスダクト２４が形成されていることにより、ヒータ部４によって酸素素子部３及びアンモニア素子部２を加熱する際に、基準ガスダクト２４を断熱層として作用させることができる。これにより、酸素素子部３のポンプ電極３２及びＮＯｘ電極３３の温度に比べて、アンモニア素子部２の検出電極２２の温度を容易に低くすることができる。また、通電制御部５８による通電制御を行うことにより、酸素素子部３及びアンモニア素子部２の温度を目標とする温度に制御する。
【００８１】
また、通電制御部５８によって、検出電極２２の温度が４００〜６００℃の温度範囲内のいずれかの温度になるよう制御することによって、酸素補正後のアンモニア濃度の検出精度を高く維持することができる。なお、測定ガスＧとしての排ガスに含まれる可能性がある、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）等の他ガスは、検出電極２２の温度が４００〜６００℃の範囲内にあり、測定ガスＧ中に例えば１０ｐｐｍ以上のアンモニアが含まれる場合には、アンモニア濃度の検出精度にあまり影響を与えないことが確認された。
【００８２】
（電圧印加部６１）
図１に示すように、本形態の電圧印加部６１は、基準電極２３をマイナス側として検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加するよう構成されている。「基準電極２３をマイナス側として検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加すること」は、基準電極２３の電位を検出電極２２の電位よりも低くして電圧を印加することを意味する。
【００８３】
基準電極２３をマイナス側として検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅが印加されたときには、基準ガスＡとしての大気に晒される基準電極２３から検出電極２２へ酸素イオンが強制的に送り出され、この酸素イオンによってアンモニアの酸化反応が促進され、電極２２，２３間に大きな電流が流れると考えられる。
【００８４】
電位差検出部５１によって電位差（混成電位）ΔＶが検出されるときには、検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅが印加されておらず、検出電極２２と基準電極２３との間には、電位差ΔＶを検出するための微小な電流が流れるのみである。一方、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅが印加されたときには、検出電極２２と基準電極２３との間に大きな直流電流が流れる。そして、この直流電流により、検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応を促進することができる。
【００８５】
電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に印加される直流電圧Ｅの大きさは、０．１〜１［Ｖ］の範囲内に設定することが好ましい。この場合には、検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応を適切に促進することができる。直流電圧Ｅの大きさが０．１［Ｖ］未満である場合には、検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応を促進することができないおそれがある。直流電圧Ｅの大きさが１［Ｖ］超過である場合には、第１固体電解質体２１を構成する材料の分解が促進されるおそれがあり、また、基準電極２３において水の分解が生じてアンモニア素子部２の劣化が促進されるおそれがある。
【００８６】
（切り替え部６０）
図１に示すように、アンモニア濃度検出装置１は、検出電極２２に吸着したアンモニアを離脱する際に、検出電極２２と基準電極２３との間に、電圧印加部６１を接続するための切り替え部６０を備える。切り替え部６０は、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅを印加するときには、検出電極２２と基準電極２３との間に電圧印加部６１を接続する接続位置と、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅを印加しないときには、検出電極２２と基準電極２３との間から電圧印加部６１を切り離す切離位置とに切り替え可能なスイッチング回路によって構成されている。
【００８７】
（他ガスの影響）
測定ガスＧとしての排ガスには、酸素、アンモニア、ＮＯｘの他に、未燃ガス成分としてのＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等が混在する場合もある。検出電極２２において検出される混成電位は、アンモニア濃度及び酸素濃度によって変化するだけでなく、他ガスとしてのＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の濃度によっても変化することが確認された。ただし、この他ガスによる混成電位の変化は、測定ガスＧ中にアンモニアが含まれている場合には、あまり生じないことが確認された。
【００８８】
（出力制御部６）
図５に示すように、出力制御部６は、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅが印加されている電圧印加期間内に算出されたアンモニア濃度を無効化するものである。出力制御部６は、電圧印加期間内におけるアンモニア濃度は正しい値を示さないとして、アンモニア出力濃度がアンモニア濃度検出装置１の出力として使用されないようにする種々の構成とすることができる。
【００８９】
また、出力制御部６が電圧印加期間内に算出されるアンモニア濃度の出力を無効にする構成は、アンモニア濃度算出部５２によってアンモニア濃度を算出しない構成とすることができる。また、このアンモニア濃度の出力を無効にする構成は、アンモニア出力濃度としてアンモニア濃度検出装置１から出力されないようにする構成とすることもできる。また、このアンモニア濃度の出力を無効にする構成は、アンモニア濃度検出装置１から出力されるアンモニア出力濃度をゼロ（０）ｐｐｍ又は一定値にする構成とすることもできる。さらに、このアンモニア濃度の出力を無効にする構成は、電圧印加期間内におけるアンモニア濃度を、エラー信号又は出力停止信号によって示す構成とすることもできる。
【００９０】
本形態の出力制御部６は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が所定の高濃度以上にある状態から所定濃度低下したときに、電圧印加部６１による直流電圧Ｅの印加を開始する。アンモニア濃度が所定の高濃度以上にある状態から所定濃度低下したときには、検出電極２２に接触する測定ガスＧ中のアンモニア濃度は低下を開始したと判断することができる。つまり、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度の最大値はすでに検出されたと考えることができる。
【００９１】
また、アンモニア濃度が所定の高濃度以上にあったことにより、検出電極２２にはアンモニアが吸着して残留しているとみなすことができる。このときには、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度に比べて、検出電極２２に吸着しているアンモニアによるアンモニア濃度の方が高い濃度を示していると判断される。
【００９２】
そのため、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅを印加して、検出電極２２に残留するアンモニアを離脱させることにより、検出電極２２におけるアンモニア濃度の状態を、実際の測定ガスＧにおけるアンモニア濃度の状態に迅速に近づけることができる。
【００９３】
（変化算出部６２）
図１及び図５に示すように、アンモニア濃度検出装置１は、具体的には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が低下するときの単位時間当たりの低下変化量を算出する変化算出部６２を更に備える。アンモニア濃度が高い状態から低い状態に変化するときには、アンモニア濃度が低下する幅が大きく、単位時間当たりの低下変化量が大きくなる。
【００９４】
出力制御部６は、変化算出部６２による単位時間当たりの低下変化量が変化基準量を超えたときを、電圧印加期間における電圧印加開始時点とするよう構成されている。そして、出力制御部６は、単位時間当たりの低下変化量が変化基準量を超えたときに、電圧印加部６１による直流電圧Ｅの印加が必要であると判断する。これにより、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を検出する際に、検出電極２２に吸着したアンモニアを離脱させるタイミングを容易に設定することができる。
【００９５】
低下変化量は、アンモニア濃度が継続して算出される際に、前回算出されたアンモニア濃度から今回算出されたアンモニア濃度を差し引いた差分値を、算出のサンプリング時間によって除算した値とすることができる。また、低下変化量は、前回検出された電位差ΔＶから今回検出された電位差ΔＶを差し引いた差分値を、検出のサンプリング時間によって除算した値とすることもできる。また、変化基準量は、アンモニア濃度検出装置１の検出精度を考慮し、電位差ΔＶの検出誤差による変動範囲を超える変化量として設定することができる。変化基準量は適宜変更することができる。
【００９６】
変化算出部６２は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が所定の高濃度以上にあることを条件として、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が低下するときの単位時間当たりの低下変化量を算出してもよい。この場合には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が所定の高濃度以上でないときには、変化算出部６２による算出は停止することができる。この所定の高濃度は、例えば、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が５００〜２０００ｐｐｍのうちのいずれかの濃度とすることができる。
【００９７】
変化算出部６２によって電圧印加開始時点が決まれば、出力制御部６は、電圧印加終了時点を適宜決定して、電圧印加期間を定めることができる。本形態の出力制御部６は、図１３に示すように、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が、所定の閾値濃度未満になったときを、電圧印加期間における電圧印加終了時点とするよう構成されている。この所定の閾値濃度は、例えば、所定の高濃度よりも低く、かつアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が２００〜５００ｐｐｍのうちのいずれかの濃度とすることができる。
【００９８】
変化算出部６２による単位時間当たりの低下変化量が変化基準量を超えるときは、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度が急激に低下する場合であり、アンモニア濃度が高濃度の状態から低濃度の状態に変化する場合が多いと考えられる。そして、電圧印加期間の電圧印加開始時点は、主に、アンモニア濃度が高濃度の状態から若干低下した時点として特定されることが多い。
【００９９】
なお、電圧印加開始時点が特定されたときのアンモニア濃度がそれほど高くない場合には、電圧印加開始時点の特定後、直ちにアンモニア濃度が所定の閾値濃度未満になることもある。この場合には、電圧印加期間が極めて短くなると考えられる。
【０１００】
電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅが印加されると、検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応が促進されることにより、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度は急激に低下する。そのため、低下するアンモニア濃度が所定の閾値濃度未満になったときには、直流電圧Ｅの印加を停止する。
【０１０１】
図１３には、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度及びアンモニア濃度算出部５２によって算出されるアンモニア濃度の時間的変化を模式的に示す。同図においては、測定ガスＧにおける実際のアンモニア濃度、検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅが印加されない場合にアンモニア濃度算出部５２によって算出されたアンモニア濃度、及び電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅが印加された場合にアンモニア濃度算出部５２によって算出されたアンモニア濃度の時間的変化を示す。
【０１０２】
測定ガスＧにおける実際のアンモニア濃度が高くなるときには、アンモニア濃度算出部５２によって算出されたアンモニア濃度が、実際のアンモニア濃度によく一致する。一方、測定ガスＧにおける実際のアンモニア濃度が低くなるときには、電圧印加部６１による直流電圧の印加がないと、アンモニア濃度算出部５２によって算出されたアンモニア濃度が実際のアンモニア濃度に追従しにくいといった現象が生じる。この現象は、検出電極２２にアンモニアが吸着された状態が維持され、検出電極２２からアンモニアが離脱するまでに時間を要することに起因する。
【０１０３】
そこで、測定ガスＧにおける実際のアンモニア濃度が低くなるときに、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加すると、検出電極２２におけるアンモニアが迅速に離脱される。そして、アンモニア濃度算出部５２によって算出されたアンモニア濃度が、実際のアンモニア濃度に追従しやすくなるといった効果が得られる。同図においては、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅが印加される電圧印加期間も示す。
【０１０４】
なお、アンモニア濃度算出部５２によって算出されたアンモニア濃度は、酸素濃度による補正がある場合及び補正がない場合のいずれにおいても同様の結果が得られる。また、アンモニア濃度算出部５２によって算出されたアンモニア濃度の代わりに、電位差検出部５１によって検出された電位差ΔＶを用いても、同様の結果が得られる。
【０１０５】
図１４には、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加する状態を模式的に示す。同図において、直流電圧Ｅが印加される前には、検出電極２２にアンモニアが吸着されており、このアンモニアは、直流電圧Ｅの印加後に迅速に離脱される。
【０１０６】
（出力制御部６の他の構成）
また、出力制御部６は、電圧印加開始時点からの経過時間が所定の設定時間になったときを、電圧印加期間における電圧印加終了時点とするよう構成することもできる。この場合には、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加する電圧印加期間を、決められた一定の時間とすることができ、出力制御部６による制御が簡単になる。所定の設定時間は適宜変更することができる。
【０１０７】
また、出力制御部６は、内燃機関７における、回転速度、燃料噴射量、空燃比等の運転条件を参照して、アンモニア濃度検出装置１のセンサ素子１０に到達するアンモニアの濃度を検知する構成とすることもできる。そして、出力制御部６は、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度が高くなる時期を特定し、この時期においてのみ、変化算出部６２による単位時間当たりの低下変化量の算出が行われるようにすることができる。
【０１０８】
また、出力制御部６は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度と、ＮＯｘ濃度算出部による補正後ＮＯｘ濃度とを比較し、図７の濃度領域の第１〜第３濃度領域Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３のいずれの濃度領域にあるかを監視することができる。そして、アンモニア濃度と補正後ＮＯｘ濃度との関係が第３濃度領域Ｎ３にある場合、言い換えれば、アンモニア濃度が補正後ＮＯｘ濃度よりも高く、かつアンモニア濃度と補正後ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差Δｎ２以上である場合に、変化算出部６２による単位時間当たりの低下変化量の算出を行うことができる。また、アンモニア濃度と補正後ＮＯｘ濃度との関係が第１濃度領域Ｎ１及び第２濃度領域Ｎ２にある場合には、変化算出部６２による単位時間当たりの低下変化量の算出を停止することができる。
【０１０９】
（アンモニア濃度検出方法）
次に、アンモニア濃度検出装置１を用いたアンモニア濃度検出方法の一例を、図１５〜図１７のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関７の燃焼運転が開始されたときには、アンモニア濃度検出装置１、還元剤供給装置７３等が動作する。アンモニア濃度検出装置１においては、電位差検出部５１によって、検出電極２２と基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶが検出されるとともに、ポンプ電流検出部５４によって、ポンプ電極３２と他の基準電極３４との間に流れる直流電流が検出される。
【０１１０】
まず、濃度算出ルーチンが実行され（図１５のステップＳ１０１）、アンモニア濃度算出部５２によって、電位差検出部５１による電位差ΔＶに基づいて、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度Ｃ０が算出される（図１６のステップＳ１１１）。また、酸素濃度算出部５５によって、ポンプ電流検出部５４による直流電流に基づいて、測定ガスＧにおける酸素濃度が算出される（ステップＳ１１１）。
【０１１１】
次いで、酸素濃度算出部５５による酸素濃度に応じて、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度Ｃ０が補正される。具体的には、図１２に示すように、酸素濃度及びアンモニア濃度Ｃ０が、酸素濃度をパラメータとした、アンモニア濃度Ｃ０と酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係マップＭ１に照合され、関係マップＭ１から、アンモニア濃度Ｃ０であるときの酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１が読み取られる（ステップＳ１１２）。そして、酸素濃度に応じた酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１が、アンモニア出力濃度としてアンモニア濃度検出装置１から出力される（ステップＳ１１３）。
【０１１２】
次いで、メインルーチンに戻って、出力制御部６において、アンモニア濃度が所定の高濃度以上であるか否かが判定される（図１５のステップＳ１０２）。アンモニア濃度が所定の高濃度未満である場合には、アンモニア濃度検出装置１の制御を終了する信号があるか否かが判定された後（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０１に戻る。アンモニア濃度が所定の高濃度以上である場合には、変化算出部６２によって、アンモニア濃度が低下したか否かが判定される（ステップＳ１０３）。アンモニア濃度が低下したか否かの判定は、前回の判定時のアンモニア濃度に比べて今回の判定時のアンモニア濃度が、所定の誤差範囲を超えて低くなったか否かによって行われる。アンモニア濃度が低下していない場合には、アンモニア濃度検出装置１の制御を終了する信号があるか否かが判定された後（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０１に戻る。
【０１１３】
アンモニア濃度が低下したか否かの判定が行われる時間間隔は、電位差検出部５１による電位差ΔＶ及びポンプ電流検出部５４による直流電流が検出されるサンプリング時間と同じとすることができ、このサンプリング時間よりも長い時間とすることもできる。
【０１１４】
そして、アンモニア濃度が低下していると判定されたときには、変化算出部６２によって、アンモニア濃度が低下するときの単位時間当たりの低下変化量が算出される（ステップＳ１０４）。次いで、出力制御部６によって、低下変化量が変化基準量を超えているか否かが判定される（ステップＳ１０５）。低下変化量が変化基準量を超えていないときには、アンモニア濃度検出装置１の制御を終了する信号があるか否かが判定された後（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０１に戻る。
【０１１５】
低下変化量が変化基準量を超えたときには、出力制御部６は、電圧印加ルーチンを実行する（ステップＳ１０６）。電圧印加ルーチンにおいては、電圧印加期間における電圧印加開始時点を認定し（図１７のステップＳ１２１）、電圧印加部６１によって、基準電極２３をマイナス側として検出電極２２と基準電極２３との間へ直流電圧Ｅの印加が開始される（ステップＳ１２２）。また、このとき、出力制御部６は、アンモニア濃度検出装置１から出力するアンモニア出力濃度を無効化する（ステップＳ１２３）。
【０１１６】
電圧印加部６１によって直流電圧Ｅが印加されるときには、基準電極２３から第１固体電解質体２１を介して検出電極２２へ酸素イオンが送り込まれ、この酸素イオンによって検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応が促進される。そして、検出電極２２に吸着されたアンモニアが離脱される。
【０１１７】
次いで、濃度算出ルーチンが実行される（図１７のステップＳ１２４，図１６のステップＳ１１１〜Ｓ１１３）。このとき、ステップＳ１１３における、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１の出力は無効化されたままである。次いで、出力制御部６によって、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が、所定の閾値濃度未満になったか否かが判定される（ステップＳ１２５）。
【０１１８】
そして、アンモニア濃度が所定の閾値濃度未満になるまで濃度算出ルーチンが実行され（ステップＳ１２４）、アンモニア濃度が所定の閾値濃度未満になったときには、出力制御部６は、電圧印加期間における電圧印加終了時点を認定し（ステップＳ１２６）、電圧印加部６１による検出電極２２と基準電極２３との間への直流電圧Ｅの印加を停止する（ステップＳ１２７）。また、出力制御部６は、アンモニア濃度検出装置１から出力するアンモニア出力濃度を有効化する（ステップＳ１２８）。
【０１１９】
次いで、メインルーチンに戻って、アンモニア濃度検出装置１の制御を終了する信号があるか否かが判定された後（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０１に戻る。ステップＳ１０７において、制御を終了する信号がある場合には、アンモニア濃度検出装置１の制御を終了する。制御を終了する信号があるまでは、ステップＳ１０１〜Ｓ１０７が繰り返し実行される。
【０１２０】
（作用効果）
本形態のアンモニア濃度検出装置１は、検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応を促進させるために、電圧印加部６１によって、検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加することが可能である。そして、検出電極２２にアンモニアが吸着した状態が維持されていると考えられるときには、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加することによって、検出電極２２から迅速にアンモニアを離脱させることができる。そのため、検出電極２２にアンモニアが残留しにくくし、アンモニア濃度検出装置１によるアンモニア濃度に検出誤差が生じにくくすることができる。
【０１２１】
検出電極２２に残留するアンモニアを積極的に離脱させることによって、アンモニア濃度検出装置１における、特にアンモニア濃度が低くなる場合の検出の応答性を向上させることができる。また、特に測定ガスＧにおけるアンモニア濃度が低い状態における、アンモニア濃度の検出精度を向上させることができる。
【０１２２】
また、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅが印加されるときには、アンモニア濃度算出部５２によって算出される測定ガスＧ中のアンモニア濃度に検出誤差が生じると考えられる。そのため、出力制御部６は、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅを印加する電圧印加期間には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度の出力を無効にする。これにより、検出電極２２に吸着したアンモニアを離脱させるときには、アンモニア濃度検出装置１によるアンモニア濃度が、誤ってエンジン制御ユニット５０等に利用されることを防止することができる。
【０１２３】
一方、出力制御部６は、電圧印加期間以外には、アンモニア濃度算出部５２によって算出されたアンモニア濃度の出力を有効にする。これにより、検出誤差が小さいアンモニア濃度をアンモニア濃度検出装置１から出力することができる。
【０１２４】
それ故、本形態のアンモニア濃度検出装置１によれば、検出電極２２にアンモニアが残留することを防止し、アンモニアの検出精度を向上させることができる。
【０１２５】
特に、本形態のアンモニア濃度検出装置１は、アンモニア濃度を検出するために混成電位式のセンサを構成する。アンモニアは、他のガスと比べて吸着性、水親和性の高いガスである。また、アンモニアは、反応性が高く不安定なガスであり、酸素共存下において加熱すると容易に酸化されて、ＮＯｘ、窒素等に変化する。このような反応性が高いアンモニアを検出するためには、検出電極２２においてアンモニアと酸素との非平衡な電位を検出する混成電位式のセンサを採用することが好ましい。混成電位式のセンサを採用することにより、アンモニアの酸化反応を最小限に抑制することができる。
【０１２６】
混成電位式のセンサにおいては、原理的に、検出電極２２が低温であるとき、又はアンモニア濃度が低濃度であるときに、検出感度が高くなる。そのため、アンモニアを検出するための検出電極２２は、４００〜６００℃程度の低温部位に配置することが好ましい。一方、アンモニアは、吸着性の高いガスであるために、検出電極２２に吸着しやすい性質を有する。検出電極２２が低温部位に配置されているために、検出電極２２からアンモニアが離脱しにくい状態になる。検出電極２２にアンモニアが吸着したままの状態が維持されると、検出誤差を生じることになる。
【０１２７】
本形態においては、検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加することによって、検出電極２２に吸着されたアンモニアを強制的に離脱させる。これにより、検出電極２２にアンモニアが吸着されたままの状態が維持されることを回避し、アンモニア濃度の検出精度を高めることができる。
【０１２８】
＜実施形態２＞
本形態のアンモニア濃度検出装置１は、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加する電圧印加期間において、アンモニア素子部２の加熱温度を通常時としての濃度検出時よりも高くする構成を有する。
【０１２９】
具体的には、本形態の通電制御部５８は、電圧印加期間以外の期間である濃度検出時においては、検出電極２２の温度が濃度検出時の目標温度になるよう、発熱体４１への通電量を制御する。濃度検出時の目標温度は、４００〜６００℃の温度範囲内のいずれかの温度として設定される。
【０１３０】
また、本形態の通電制御部５８は、電圧印加期間である電圧印加時においては、検出電極２２の温度が、濃度検出時の目標温度よりも高い電圧印加時の目標温度になるよう、発熱体４１への通電量を制御する。電圧印加時の目標温度は、濃度検出時の目標温度よりも例えば２００〜３００℃高い温度とすることができる。
【０１３１】
実施形態１の図５に示すように、通電制御部５８の、濃度検出時と電圧印加時とにおける加熱目標温度の切り替えは、出力制御部６から、電圧印加期間内にあるか否かの信号を受けて行うことができる。つまり、通電制御部５８は、出力制御部６から電圧印加開始時点の信号を受けたときには、加熱目標温度を濃度検出時の目標温度から電圧印加時の目標温度に切り替え、出力制御部６から電圧印終了時点の信号を受けたときには、加熱目標温度を電圧印加時の目標温度から濃度検出時の目標温度に切り替えるよう構成されている。
【０１３２】
検出電極２２の温度は、通電制御部５８の発熱体４１への通電量によってほぼ決まる。そのため、通電制御部５８の発熱体４１への通電量と、検出電極２２の温度との関係が求められた関係マップを用いて、通電制御部５８の通電量によって検出電極２２の温度を目標温度に制御することができる。
【０１３３】
検出電極２２の温度を高くするときには、検出電極２２、基準電極２３及び第１固体電解質体２１によるアンモニア素子部２の温度も高くなる。そして、検出電極２２を含むアンモニア素子部２の温度を高くすることにより、電圧印加部６１による直流電圧Ｅが印加されたときに、基準電極２３から検出電極２２への酸素イオンの供給をより促進することができる。また、アンモニア素子部２の温度を高くすることにより、電圧印加部６１による直流電圧Ｅが検出電極２２と基準電極２３との間に印加されたときに、検出電極２２に対するアンモニアの吸着力を低くすることもできる。これらの要因により、検出電極２２におけるアンモニアの酸化反応をより効果的に促進することができる。
【０１３４】
本形態のアンモニア濃度検出方法においては、実施形態１の図１７のステップＳ１２２の直流電圧Ｅの印加を開始するときに、通電制御部５８による検出電極２２の加熱目標温度を電圧印加時の目標温度にする。また、実施形態１の図１７のステップＳ１２７の直流電圧Ｅの印加を停止するときに、通電制御部５８による検出電極２２の加熱目標温度を濃度検出時の目標温度に戻す。なお、アンモニア濃度検出装置１が起動された後には、通電制御部５８による検出電極２２の加熱目標温度は濃度検出時の目標温度に設定されている。
【０１３５】
本形態のアンモニア濃度検出装置１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
【０１３６】
＜実施形態３＞
実施形態１のアンモニア濃度検出装置１は、内燃機関７の燃焼運転時にアンモニア濃度の検出を行う際に、アンモニア濃度が高くなった後に検出電極２２に残留するアンモニアを離脱させる（除去する）構成を有する。一方、本形態のアンモニア濃度検出装置１は、内燃機関７の燃焼運転が定常状態にあるときに、検出電極２２に残留するアンモニアを離脱させる構成を有する。
【０１３７】
本形態の出力制御部６は、内燃機関７がアイドリング運転を行っているときに、電圧印加期間として、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加し、検出電極２２に吸着（残留）するアンモニアを離脱させる。アイドリング運転とは、内燃機関７の始動後、アクセル操作がなされるまでの間において、内燃機関７の回転速度が所定の低回転速度にある場合のことをいう。また、電圧印加部６１によって直流電圧Ｅが印加されるタイミングは、厳密には、内燃機関７の始動後、アンモニア濃度検出装置１におけるヒータ部４によってアンモニア素子部２が活性温度に加熱された後とする。
【０１３８】
アイドリング運転時においては、排気管へのＮＯｘの排出量が少なく、還元剤供給装置７３から排気管７１へ還元剤Ｋが供給されていないと考えられる。本形態のアンモニア濃度検出装置１においては、アンモニア濃度検出装置１の以前の起動時に検出電極２２に残留したアンモニア、内燃機関７の停止時に検出電極２２に付着したアンモニア等を離脱させる。
【０１３９】
アイドリング運転時においては、アンモニア濃度検出装置１によって検出される、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度がエンジン制御ユニット５０等にほとんど利用されない。そのため、アイドリング運転時において、検出電極２２に残留したアンモニアを除去することにより、アンモニア濃度の検出が停止されることによる弊害がほとんど生じない。
【０１４０】
また、出力制御部６は、内燃機関７がフューエルカット運転を行っているときに、電圧印加期間として、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加し、検出電極２２に残留するアンモニアを離脱させることもできる。フューエルカット運転とは、内燃機関７の燃焼運転を行う際に、例えば、車両が急な下り坂を走行する場合などに、内燃機関７における燃料の噴射を一時的に停止した場合のことをいう。
【０１４１】
フューエルカット運転が行われるときには、排気管７１へ排気される排ガスが大気の状態に近くなる。そして、排ガスである測定ガスＧにおけるアンモニア濃度は極めて低くなると考えられる。フューエルカット時においても、アンモニア濃度検出装置１によって検出されるアンモニア濃度はエンジン制御ユニット５０等にほとんど利用されないと考えられる。そのため、フューエルカット運転時において、検出電極２２に残留したアンモニアを除去することにより、アンモニア濃度の検出が停止されることによる弊害がほとんど生じない。
【０１４２】
また、出力制御部６は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度が所定の閾値濃度未満であるときの所定期間を電圧印加期間として、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加し、検出電極２２に残留するアンモニアを離脱させることもできる。内燃機関７の燃焼運転中において、アンモニア濃度が所定の閾値濃度未満となるときには、アンモニア濃度の検出が停止されることによる弊害がほとんど生じないタイミングがあると考えられる。
【０１４３】
また、本形態においても、実施形態２に示したように、通電制御部５８及びヒータ部４によって検出電極２２を加熱する、電圧印加時の目標温度は、濃度検出時の目標温度よりも高くすることができる。
【０１４４】
本形態のアンモニア濃度検出装置１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
【０１４５】
＜実施形態４＞
本形態のアンモニア濃度検出装置１においては、アンモニア濃度検出装置１の起動時に電圧印加期間が設定されている。
本形態の出力制御部６は、通電制御部５８が発熱体４１への通電を開始して、検出電極２２が活性温度になった直後の所定期間を、電圧印加期間として、電圧印加部６１によって検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅを印加し、検出電極２２に吸着（残留）するアンモニアを離脱させる。検出電極２２が活性温度に活性されるときには、固体電解質体及び基準電極２３も活性温度に活性される。
【０１４６】
（アンモニア濃度検出方法）
次に、本形態のアンモニア濃度検出装置１を用いたアンモニア濃度検出方法の一例を、図１８のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関７の燃焼運転が開始されたときには、アンモニア濃度検出装置１が起動され（図１８のステップＳ２０１）、検出電極２２の温度が電圧印加時の目標温度になるよう、通電制御部５８による発熱体４１への通電が開始される（ステップＳ２０２）。
【０１４７】
次いで、所定期間が経過するまで待機することにより、検出電極２２の温度が電圧印加時の目標温度になるまで待機する（ステップＳ２０３）。そして、検出電極２２が活性温度に活性化される。次いで、電圧印加期間の電圧印加開始時点として、電圧印加部６１によって、基準電極２３をマイナス側にして検出電極２２と基準電極２３との間に直流電圧Ｅの印加が開始される（ステップＳ２０４）。また、出力制御部６によって、アンモニア濃度検出装置１から出力されるアンモニア出力濃度が無効化される（ステップＳ２０５）。
【０１４８】
次いで、電圧印加期間としての所定期間が経過するまで直流電圧Ｅの印加が継続され（ステップＳ２０６）、検出電極２２に吸着されたアンモニアが離脱される。次いで、所定期間の経過によって、電圧印加期間の電圧印加終了時点として、電圧印加部６１による直流電圧Ｅの印加が停止される（ステップＳ２０７）。また、出力制御部６によって、アンモニア濃度検出装置１から出力されるアンモニア出力濃度が有効化され（ステップＳ２０８）、通電制御部５８による加熱目標温度が濃度検出時の目標温度に設定される（ステップＳ２０９）。その後、通電制御部５８は、検出電極２２の温度が濃度検出時の目標温度になるよう発熱体４１への通電量を制御し、アンモニア濃度検出装置１によるアンモニア濃度の検出が行われる。
【０１４９】
本形態において、アンモニア濃度検出装置１が起動された直後には、アンモニア濃度検出装置１によって検出されるアンモニア濃度はエンジン制御ユニット５０等にほとんど利用されないと考えられる。そのため、この起動直後において検出電極２２に残留したアンモニアを除去することにより、アンモニア濃度の検出が停止されることによる弊害がほとんど生じない。
【０１５０】
また、本形態においても、実施形態２に示したように、通電制御部５８及びヒータ部４によって検出電極２２を加熱する、電圧印加時の目標温度は、濃度検出時の目標温度よりも高くすることができる。
【０１５１】
本形態のアンモニア濃度検出装置１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
【０１５２】
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。
【符号の説明】
【０１５３】
１  アンモニア濃度検出装置
２  アンモニア素子部
５１  電位差検出部
５２  アンモニア濃度算出部
６  出力制御部
６１  電圧印加部
６２  変化算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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