(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｈ２Ｏ及びＮＨ３に対する反応性に差がある第１電極及び第２電極と、基準電極と、前記第１電極、前記第２電極及び前記基準電極が接合された酸素イオン導電性の固体電解質体と、を備えるＮＨ３センサの出力を用いた湿度推定方法であって、
前記ＮＨ３センサの検出箇所にＮＨ３が存在しないと推定される時に前記第１電極と前記基準電極との間で発生する第１起電力と前記第２電極と前記基準電極との間で発生する第２起電力との差を取得し、当該取得した差に基づいて前記検出箇所の湿度を推定することを特徴とする湿度推定方法。
【請求項２】
内燃機関の排気通路内にＮＨ３又はその前駆体を還元剤として噴射する噴射弁と、
前記排気通路に設けられＮＨ３によって排気を浄化する選択還元触媒と、
前記選択還元触媒の下流側の検出箇所におけるＮＨ３に応じた信号を発生するＮＨ３センサと、
前記ＮＨ３センサで発生した信号を用いて排気中のＮＨ３濃度を推定するセンサコントローラと、
前記センサコントローラによって推定されたＮＨ３濃度を用いて前記噴射弁による還元剤噴射量を制御する噴射量コントローラと、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
前記ＮＨ３センサは、Ｈ２Ｏ及びＮＨ３に対する反応性に差がある第１電極及び第２電極と、基準電極と、前記第１電極、前記第２電極及び前記基準電極が接合された酸素イオン導電性の固体電解質体と、を備え、
前記センサコントローラは、
前記検出箇所にＮＨ３が存在しないと推定される時に前記第１電極と前記基準電極との間で発生する第１起電力と前記第２電極と前記基準電極との間で発生する第２起電力との差を取得し、当該取得した差に基づいて前記検出箇所の湿度を推定する湿度推定部と、
前記第１起電力、前記第２起電力、及び前記湿度推定部によって推定された湿度を用いて前記検出箇所のＮＨ３濃度を推定するＮＨ３濃度推定部と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３】
前記湿度推定部は、前記噴射弁からの還元剤の噴射を停止しかつ前記選択還元触媒又は排気の温度が所定温度以下である時に前記検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定し、前記差に基づいて湿度を推定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記湿度推定部は、前記検出箇所にＮＨ３が存在しないと推定されかつ前記内燃機関の燃焼室への燃料噴射を停止するフューエルカット中である時に、前記差に基づいて湿度を推定することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記排気通路を通流する排気の空燃比に応じた信号を発生する空燃比センサをさらに備え、
前記ＮＨ３濃度推定部は、前記第１起電力、前記第２起電力、前記空燃比センサの出力信号、及び前記湿度推定部によって推定された湿度を用いて前記検出箇所のＮＨ３濃度を推定することを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項６】
前記湿度推定部は、前記噴射弁からの還元剤の噴射を停止しかつ前記選択還元触媒にＮＨ３が貯蔵されていない時に前記検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定し、前記差に基づいて湿度を推定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項７】
前記排気通路を通流する排気の一部を前記内燃機関の吸気通路に還流する排気還流装置と、
前記排気通路を通流する排気の空燃比に応じた信号を発生する空燃比センサと、をさらに備え、
前記湿度推定部は、前記検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定した場合には、前記空燃比センサを用いて取得される排気の空燃比が所定の目標空燃比に一致するように前記排気還流装置を操作しながら、前記差を取得することを特徴とすることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿度推定方法及び内燃機関の排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置の１つとして、ＮＨ３により排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）を排気管内に設けたものが提案されている。例えば、尿素添加式の排気浄化システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水をＳＣＲ触媒の上流側から供給し、この尿素水から排気の熱で熱分解又は加水分解することでＮＨ３を生成し、このＮＨ３により排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
【０００３】
近年では、ＳＣＲ触媒の下流側に設けられたＮＨ３センサを用いることによって、排気中のＮＯｘがＳＣＲ触媒においてＮＨ３によって過不足無く還元されるように適切な量の尿素水を調量し排気中に噴射させる尿素水噴射制御が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また排気中のＮＨ３を検出するＮＨ３センサとしては、ＮＨ３の化学エネルギーに応じてＮＨ３電極−基準電極間で発生する起電力を利用したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながらこのようなＮＨ３に応じた起電力を発生する既知の電極は、排気中のＮＯｘの化学エネルギーに応じた起電力も発生することから、一組の電極対のみでは、排気中のＮＨ３とＮＯｘを区別することが困難である。このため特許文献２の発明では、上記ＮＨ３電極とは異なる材料のＮＯ２電極をさらに設け、ＮＨ３電極−基準電極間及びＮＯ２電極−基準電極間で発生する起電力を用いることにより、ＮＯｘの影響を排除しながら排気中のＮＨ３を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／１２８１６９号公報
【特許文献２】特表２００９−５１１８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
また特許文献２に示すＮＨ３センサは、排気中のＮＯｘによる影響を受けるだけでなく、排気のＯ２濃度やＨ２Ｏ濃度による影響を受けることも明らかになっている（例えば、後述の図６や図７等参照）。ここで、多くの車両に搭載されている空燃比センサの出力信号は、排気中の酸素分子と水分子のモル比（以下、「Ｏ２／Ｈ２Ｏ比」ともいう）とほぼ比例関係にあることから、ＮＨ３センサの出力信号から排気のＮＨ３濃度を演算によって算出する過程では、空燃比センサの出力信号を用いた補正を行うことにより、排気中のＯ２／Ｈ２Ｏ比の影響を排除している。
【０００７】
しかしながらＮＨ３センサの出力信号は、Ｏ２及びＨ２Ｏ両方の濃度による影響を受けることから、そのモル比だけでは十分に精度を向上することができない。例えば図１４に示すように、排気のＨ２Ｏ濃度はエンジンの燃焼室における空燃比だけでなく、エンジンの燃焼室に導入される大気の湿度によって変化する。このため、上記のように空燃比センサを用いた補正に加えて大気の湿度による補正を行う必要があるが、この場合、大気の湿度を検出する湿度センサがさらに必要となってしまう。したがって既存のＮＨ３センサによって大気の湿度を推定することができれば、同じＮＨ３センサによるＮＨ３濃度の推定精度を向上できるばかりでなく新たに湿度センサを搭載する必要がなくなるため、合理的である。
【０００８】
本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、ＮＨ３センサを用いた湿度推定方法、及びこの湿度推定方法を適用することにより排気中のＯ２やＨ２Ｏによる影響を排除して高精度でＮＨ３濃度を推定できる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）湿度推定方法は、Ｈ２Ｏ及びＮＨ３に対する反応性に差がある第１電極（例えば、後述のＮＨ３検知電極５１３）及び第２電極（例えば、後述のＮＯ２検知電極５１４）と、基準電極（例えば、後述の基準電極５１２）と、を備えるＮＨ３センサ（例えば、後述のＮＨ３センサ５）の出力を用いたものであって、前記ＮＨ３センサの検出箇所にＮＨ３が存在しないと推定される時に前記第１電極と前記基準電極との間で発生する第１起電力（ＭＡＩＮ−ＥＭＦ）と前記第２電極と前記基準電極との間で発生する第２起電力（ＳＵＢ−ＥＭＦ）との差を取得し、当該取得した差に基づいて前記検出箇所の湿度を推定する。
【００１０】
（２）内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１１）内にＮＨ３又はその前駆体を還元剤として噴射する噴射弁（例えば、後述の尿素水インジェクタ４２）と、前記排気通路に設けられＮＨ３によって排気を浄化する選択還元触媒（例えば、後述の下流触媒コンバータ３３）と、前記選択還元触媒の下流側の検出箇所におけるＮＨ３に応じた信号を発生するＮＨ３センサ（例えば、後述のＮＨ３センサ５）と、前記ＮＨ３センサで発生した信号を用いて排気中のＮＨ３濃度を推定するセンサコントローラ（例えば、後述のセンサコントローラ７３）と、前記センサコントローラによって推定されたＮＨ３濃度を用いて前記噴射弁による還元剤噴射量を制御する噴射量コントローラ（例えば、後述のＤＣＵ７２）と、を備え、前記ＮＨ３センサは、Ｈ２Ｏ及びＮＨ３に対する反応性に差がある第１電極（例えば、後述のＮＨ３検知電極５１３）及び第２電極（例えば、後述のＮＯ２検知電極５１４）と、基準電極（例えば、後述の基準電極５１２）と、を備え、前記センサコントローラは、前記検出箇所にＮＨ３が存在しないと推定される時に前記第１電極と前記基準電極との間で発生する第１起電力（ＭＡＩＮ−ＥＭＦ）と前記第２電極と前記基準電極との間で発生する第２起電力（ＳＵＢ−ＥＭＦ）との差を取得し、当該取得した差に基づいて前記検出箇所の湿度を推定する湿度推定部（例えば、後述の湿度推定モジュール７３２）と、前記第１起電力、前記第２起電力、及び前記湿度推定部によって推定された湿度を用いて前記検出箇所のＮＨ３濃度を推定するＮＨ３濃度推定部（例えば、後述のＮＨ３濃度演算モジュール７３１）と、を備える。
【００１１】
（３）この場合、前記湿度推定部は、前記噴射弁からの還元剤の噴射を停止しかつ前記選択還元触媒又は排気の温度が所定温度以下である時に前記検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定し、前記差に基づいて湿度を推定することが好ましい。
【００１２】
（４）この場合、前記湿度推定部は、前記検出箇所にＮＨ３が存在しないと推定されかつ前記内燃機関の燃焼室への燃料噴射を停止するフューエルカット中である時に、前記差に基づいて湿度を推定することが好ましい。
【００１３】
（５）この場合、前記排気浄化システムは、前記排気通路を通流する排気の空燃比に応じた信号を発生する空燃比センサ（例えば、後述の空燃比センサ８）をさらに備え、前記ＮＨ３濃度推定部は、前記第１起電力、前記第２起電力、前記空燃比センサの出力信号、及び前記湿度推定部によって推定された湿度を用いて前記検出箇所のＮＨ３濃度を推定することが好ましい。
【００１４】
（６）この場合、前記湿度推定部は、前記噴射弁からの還元剤の噴射を停止しかつ前記選択還元触媒にＮＨ３が貯蔵されていない時に前記検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定し、前記差に基づいて湿度を推定することが好ましい。
【００１５】
（７）この場合、前記排気浄化システムは、前記排気通路を通流する排気の一部を前記内燃機関の吸気通路に還流する排気還流装置と、前記排気通路を通流する排気の空燃比に応じた信号を発生する空燃比センサと、をさらに備え、前記湿度推定部は、前記検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定した場合には、前記空燃比センサを用いて取得される排気の空燃比が所定の目標空燃比に一致するように前記排気還流装置を操作しながら、前記差を取得することを特徴とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
（１）ＮＨ３センサの第１及び第２電極にＨ２Ｏに対する反応性に差がある場合、検出箇所における湿度は、第１電極−基準電極間の第１起電力と第２電極−基準電極間の第２起電力との差と相関がある。本発明はこれを利用して、検出箇所にＮＨ３が存在しないと推定される時に上記第１−第２起電力間の差を取得し、この差に基づいて湿度を推定する。本発明によれば、ＮＨ３センサを用いて湿度を推定することができる。また本発明のようにＮＨ３センサを用いて湿度を推定することができれば、新たに湿度センサを設けることなく同じＮＨ３センサのＮＨ３濃度の推定精度を向上できるので合理的である。また第１、第２起電力は、それぞれ電極の温度に応じて変化する特性がある。しかしながら本発明では、同じ温度環境下で発生する第１起電力と第２起電力との差を用いることにより、このような温度による影響を自動的にキャンセルできる。
【００１７】
（２）本発明の排気浄化システムでは、選択還元触媒の下流側にＮＨ３センサを設け、このＮＨ３センサの出力を用いて選択還元触媒の下流側におけるＮＨ３濃度をＮＨ３濃度推定部によって推定し、これを用いて選択還元触媒への還元剤噴射量を制御する。またＮＨ３センサの出力は上述のように湿度によって変化する特性がある。本発明の湿度推定部では、上記（１）の湿度推定方法を利用して湿度を推定し、ＮＨ３濃度推定部では推定した湿度を用いてＮＨ３濃度を推定する。これにより、選択還元触媒の下流側におけるＮＨ３濃度を精度良く推定できるので、還元剤噴射量を適切に制御することができる。
【００１８】
（３）噴射弁から還元剤を噴射すると選択還元触媒の下流側へＮＨ３が排出される場合がある。また選択還元触媒の温度が高くなると、選択還元触媒に貯蔵されていたＮＨ３が下流側へ排出される場合がある。本発明では、噴射弁から還元剤が噴射されておらずかつ選択還元触媒等の温度が所定温度より低い場合には検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定する。これにより、湿度の推定精度を向上し、ひいてはＮＨ３濃度の推定精度を向上できる。
【００１９】
（４）本発明では、検出箇所にＮＨ３が存在していないと推定されかつフューエルカット中である時、すなわちＮＨ３センサの検出箇所には大気がそのまま流れ込む時を選んで湿度を推定することにより、ＮＨ３センサの検出箇所を排気通路内としながら大気の湿度を推定することができる。
【００２０】
（５）本発明では、第１起電力、第２起電力、空燃比センサの出力信号、及び湿度推定部によって推定された湿度を用いることにより、排気中のＮＯｘ、Ｏ２、Ｈ２Ｏの影響を除外しながら正確なＮＨ３濃度を推定することができる。
【００２１】
（６）噴射弁から還元剤を噴射すると選択還元触媒の下流側へＮＨ３が排出される場合がある。また選択還元触媒にＮＨ３が貯蔵されていると、このＮＨ３が下流側へ排出される場合がある。本発明では、噴射弁から還元剤が噴射されておらずかつ選択還元触媒にＮＨ３が貯蔵されていない場合には、検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定する。これにより、湿度の推定精度を向上し、ひいてはＮＨ３の濃度の推定精度を向上できる。
【００２２】
（７）本発明では、検出箇所にＮＨ３が存在していないと推定された場合には、排気の空燃比が所定の目標空燃比に一致するように排気還流装置を操作しつつ、第１起電力と第２起電力との差を取得し、取得した差に基づいて検出箇所の湿度を推定する。上記のようにフューエルカット中である時は、検出箇所に大気がそのまま流れ込むため、検出箇所の湿度を推定することによって、大気の湿度を推定することができる。一方、検出箇所にＮＨ３が存在しない時に、排気還流装置を操作して排気の空燃比を所定の目標空燃比に一致させると、検出箇所におけるＨ２Ｏの量（すなわち、検出箇所の湿度）は、大気に含まれていたＨ２Ｏと、内燃機関で混合気を燃焼させることによって生成されるＨ２Ｏとを合わせた量になる。この際、混合気を燃焼させることによって生成されるＨ２Ｏの量は、上記目標空燃比等を用いて推定することができることから、大気に含まれていたＨ２Ｏの量、すなわち大気の湿度は検出箇所の湿度から推定することができる。よって本発明によれば、上記のようにフューエルカット中でなくても大気の湿度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るエンジン及びその排気浄化システムの構成を示す図である。
【図２】ＮＨ３センサの検出素子の断面図である。
【図３】ＮＨ３検知電極及びＮＯ２検知電極を固体電解質体に接合した後におけるそれぞれの接合部分のバンド構造を模式的に示す図である。
【図４】ＮＨ３センサの検出素子を排気に晒したときに進行する反応の一例を示す図であり、起電力の発生メカニズムを簡略化して表した図である。
【図５】ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＮＨ３／ＮＯ２特性を示す図である。
【図６】ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの空燃比特性を示す図である。
【図７】ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＨ２Ｏ特性及びＯ２特性を示す図である。
【図８】ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＨ２Ｏ特性を示す図である。
【図９】ＮＨ３センサの検出素子及びこれを制御するセンサコントローラの構成を示すブロック図である。
【図１０】補正係数の値を決定するマップの一例である。
【図１１】センサコントローラによる大気湿度推定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図１２】起電力差と大気湿度との関係を示すマップの一例である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係るセンサコントローラによる大気湿度推定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図１４】排気通路を通流する排気のＨ２Ｏ濃度と、エンジンの燃焼室における空燃比及び大気湿度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化システム２の構成を示す図である。排気浄化システム２は、エンジン１の排気ポートから延びる排気管１１に設けられた触媒浄化装置３と、排気管１１を通流する排気の一部を吸気管１２に還流する排気還流装置６と、これらエンジン１、触媒浄化装置３、及びＥＧＲ装置６を制御する電子制御ユニット７と、を備える。
【００２５】
エンジン１は、例えば、空燃比をストイキよりもリーンとする所謂リーン燃焼を基本としたもの、より具体的にはディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン等である。エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁１７が設けられている。この燃料噴射弁１７を駆動するアクチュエータは、電子制御ユニット７に電磁的に接続されている。エンジン１の空燃比は、図示しない吸気制御弁によってシリンダ内に導入される新気の量、及びエンジン１の各シリンダに設けられた燃料噴射弁１７からの燃料噴射量等を、電子制御ユニット７によって調整することで制御される。以下では、エンジン１の燃料噴射制御等の実行に係る電子制御ユニットをＦＩ−ＥＣＵ７１という。
【００２６】
ＥＧＲ装置６は、排気管１１と吸気管１２とを接続するＥＧＲ管６１と、ＥＧＲ管６１に設けられ、ＥＧＲ管６１を通流する排気の流量を制御するＥＧＲバルブ６２と、を備える。ＥＧＲバルブ６２は、図示しないアクチュエータを介してＦＩ−ＥＣＵ７１に接続されている。ＥＧＲバルブ６２の開度は、ＦＩ−ＥＣＵ７１によって制御される。
【００２７】
触媒浄化装置３は、上流触媒コンバータ３１と、排気浄化フィルタ３２と、下流触媒コンバータ３３と、尿素水供給装置４と、ＮＨ３センサ５と、空燃比センサ８と、排気温度センサ９と、を備える。上流触媒コンバータ３１は、排気管１１のうちエンジン１の直下に設けられている。下流触媒コンバータ３３は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１より下流側に設けられている。排気浄化フィルタ３２は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３３との間に設けられている。これら上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３３には、エンジン１の排気に含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の成分を浄化する反応を促進するための触媒が設けられている。
【００２８】
上流触媒コンバータ３１は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材に酸化触媒を担持して構成される。エンジン１から排出された排気に含まれるＨＣやＣＯは、この上流触媒コンバータ３１を通過する過程で酸化触媒の作用によって酸化され、浄化される。また、排気に含まれるＮＯも、上流触媒コンバータ３１を通過する過程でＮＯ２に酸化される。エンジン１の直下の排気に含まれるＮＯｘのうちほぼ全てはＮＯでありＮＯ２はほとんど含まれていない（ＮＯ２／ＮＯｘ比がほぼ０）。このため、上流触媒コンバータ３１でＮＯを酸化しＮＯ２を生成することにより、下流触媒コンバータ３３に流入する排気のＮＯ２／ＮＯｘ比を、後述のＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能が最適化される約０．５まで上昇させることができる。
【００２９】
排気浄化フィルタ３２は、多孔質壁で区画形成された複数のセルを有するウォールフロー型のハニカム構造体と、各セルに対し上流側と下流側とで互い違いに設けられた目封じと、を備える。エンジン１から排出された排気に含まれるスート及びＳＯＦ等の粒子状物質（Particulate  Matter、以下単に「ＰＭ」という）は、フィルタ３２の多孔質壁の細孔を通過する過程で捕集される。フィルタ３２に過剰な量のＰＭが堆積すると、圧力降下が増加し、これによってエンジン１における燃料噴射量が増加し、結果として燃費が悪化するおそれがある。そこでＦＩ−ＥＣＵ７１は、フィルタ３２におけるＰＭ堆積量を監視しており、ＰＭ堆積量が所定量を超えたと判断すると、これを契機としてポスト噴射等によってフィルタ３２を昇温し、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去するフィルタ再生処理を実行する。このフィルタ再生処理の詳細な手順については説明を省略する。
【００３０】
下流触媒コンバータ３３は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材にＮＨ３選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）を担持して構成される。このＳＣＲ触媒は、ＮＨ３の存在する雰囲気下で排気中のＮＯｘを選択的に還元するＮＯｘ浄化機能を備える。具体的には、より上流側に設けられた後述の尿素水インジェクタ４２から尿素水が噴射されると、この尿素水を加水分解することによって生成されたＮＨ３を還元剤として、下記３種類の反応式に従って、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ
【００３１】
また、このＳＣＲ触媒は、上記ＮＯｘ浄化機能を備えるとともに、ＮＨ３を所定の量だけ貯蔵するＮＨ３貯蔵機能も備える。以下では、ＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ３の量をＮＨ３ストレージ量といい、このＮＨ３ストレージ量の限界を最大ＮＨ３ストレージ量という。ＳＣＲ触媒のＮＨ３ストレージ量が最大ＮＨ３ストレージ量を超えると、その下流へＮＨ３がスリップする。このようにしてＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ３は、尿素水インジェクタ４２から供給されたＮＨ３と合わせて排気中のＮＯｘの還元に適宜消費される。なお、ＳＣＲ触媒に多くのＮＨ３が存在すると、流入するＮＯｘとの反応性が向上する。したがって、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化機能は、そのＮＨ３ストレージ量が多くなるほど向上する。
【００３２】
尿素水供給装置４は、ＮＨ３の前駆体である尿素水を貯留する尿素水タンク４１と、タンク４１内の尿素水を噴射する尿素水インジェクタ４２と、タンク４１内の尿素水を、供給管４５を介してインジェクタ４２に圧送する尿素水ポンプ４３と、を備える。
【００３３】
尿素水ポンプ４３は、電動式のポンプであり、尿素水タンク４１の底部近傍に設けられる。尿素水ポンプ４３は、図示しないバッテリから駆動電流が供給されると回転し、タンク４１の底部付近に溜まった尿素水を吸い込み、供給管４５を介して尿素水インジェクタ４２に供給する。尿素水ポンプ４３を駆動することによって供給管４５内のライン圧が所定の噴射可能圧まで上昇すると、尿素水インジェクタ４２から尿素水が噴射可能な状態となる。電子制御ユニット７は、図示しないイグニッションスイッチがオンにされると、尿素水インジェクタから尿素水の噴射が可能となるように尿素水ポンプ４３の駆動を開始し、供給管４５のライン圧を所定の噴射可能圧まで上昇させる。
【００３４】
尿素水インジェクタ４２は、開閉式の電磁弁であり、ＳＣＲ触媒の上流側に設けられる。尿素水インジェクタ４２は、図示しないバッテリから駆動電流が供給されると開弁し、ポンプ４３によって圧送された尿素水をＳＣＲ触媒の上流側へ噴射する。尿素水インジェクタ４２から排気管１１内に噴射された尿素水は、排気の流れに沿って図示しないミキサを通過することによって撹拌され、ＳＣＲ触媒に供給される過程でＮＨ３に加水分解される。これにより、ＳＣＲ触媒にＮＯｘを浄化するために必要なＮＨ３が供給される。
【００３５】
尿素水インジェクタ４２を開閉するアクチュエータは、電子制御ユニット７に電磁的に接続されている。電子制御ユニット７は、ＳＣＲ触媒においてＮＨ３を用いた最適なＮＯｘ浄化が実現されるように適切な尿素水の噴射量［ｇ／ｓｅｃ］を決定するとともに、決定した量の尿素水が噴射されるように尿素水インジェクタ４２を駆動する尿素水噴射制御を実行する。この尿素水噴射制御は、例えば、尿素水タンク内には正規品の尿素水が貯留されているとの仮定の下でエンジン１から排出されるＮＯｘの全てがＳＣＲ触媒で還元されるように、エンジン１から排出されるＮＯｘ量に基づいて噴射量を決定するフィードフォワード制御と、ＮＨ３センサ５の出力信号に基づいて後述のセンサコントローラ７３において推定されるＮＨ３濃度に基づくフィードバック制御とを組み合わせて構成される。なお以下では、以上のような尿素水噴射制御の実行に係る電子制御ユニットをＤＣＵ（Dosing  Control  Unit）７２ともいう。
【００３６】
空燃比センサ８は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１の上流側に設けられる。空燃比センサ８は、上流触媒コンバータ３１に流入する排気の空燃比（排気中の酸素に対する燃料成分（ＨＣ，ＣＯ等）の比）を検出し、検出値に略比例した信号を電子制御ユニット７へ送信する。なおこの空燃比センサ８としては、例えば、リッチな領域からリーンな領域までの間でリニアな出力特性を有するものが用いられる。
【００３７】
排気温度センサ９は、排気管１１のうち下流触媒コンバータ３３の下流側に設けられる。この排気温度センサ９は、下流触媒コンバータ３３から流出する排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号を電子制御ユニット７へ送信する。
【００３８】
ＮＨ３センサ５は、排気管１１に設けられ、その検出素子５ｄが下流触媒コンバータ３３の下流側の排気に晒されるようになっている。ＮＨ３センサ５は、後に図３を参照して詳述するように作用し、下流触媒コンバータ３３の下流側の排気中のＮＨ３等の成分に応じて変動する２つの信号（後述の起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ及びＳＵＢ−ＥＭＦ）を電子制御ユニット７に出力する。電子制御ユニット７では、ＮＨ３センサ５からの出力信号に基づいて下流触媒コンバータ３３の下流側の排気のＮＨ３濃度を推定する。ここで推定されるＮＨ３濃度は、上述のようにＤＣＵ７２における尿素水噴射制御に用いられる。以下では、ＮＨ３センサ５の制御に係る電子制御ユニットをセンサコントローラ７３という。
【００３９】
図２は、ＮＨ３センサの検出素子５ｄの断面図である。検出素子５ｄは、排気に晒され排気中のガス成分に応じた信号を発生するガス検出ユニット５１と、ガス検出ユニット５１の温度に応じた信号を発生する温度検出ユニット５２と、ガス検出ユニット５１を加熱するヒータ５３と、を図２に示すように積層して構成される。
【００４０】
ガス検出ユニット５１は、板状の固体電解質体５１１と、この固体電解質体５１１の一方の面に沿って設けられた板状の基準電極５１２と、固体電解質体５１１の他方の面のうち基準電極５１２と対向する位置に設けられた板状のＮＨ３検知電極５１３及びＮＯ２検知電極５１４と、これら電極５１３，５１４を保護する多孔質体の保護層５１５と、を積層して構成される。このガス検出ユニット５１は、基準電極５１２側の面を温度検出ユニット５２に向けて、多孔質体のスペーサ５４を介して温度検出ユニット５２に接合される。ガス検出ユニット５１と温度検出ユニット５２とをスペーサ５４を介して接合することにより、これらユニット５１，５２の間には排気が通流する中空部５５が形成される。
【００４１】
固体電解質体５１１には、酸素イオン（Ｏ２−）導電性の半導体材料が用いられる。より具体的には、固体電解質体５１１の材料としては、例えばジルコニア（ＺｒＯ２）に酸化イットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加して得られる金属酸化物半導体が用いられる。
【００４２】
基準電極５１２には、酸素分子（Ｏ２）に対する活性を有する金属材料が用いられる。より具体的には、基準電極５１２の材料としては、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、及びルテニウム（Ｒｕ）、並びに上記材料の少なくとも１種を含む組み合わせが用いられる。基準電極５１２は、中空部５５を介して排気に晒されるように固体電解質体５１１の表面に接合される。基準電極５１２には金属材料が用いられ、固体電解質体５１１には半導体材料が用いられる。したがって基準電極５１２と固体電解質体５１１との接合は、オーミック接合又はショットキー接合となっている。基準電極５１２としてこのようなＯ２に対する活性を有する金属材料を用いることにより、排気中のＯ２濃度に応じた基準電位が形成される。
【００４３】
ＮＨ３検知電極５１３には、上述の基準電極５１２と異なる材料であり、排気中のＨ２Ｏを用いてＢ酸点（・ＯＨ）を形成するＢ酸点形成機能を有する材料（例えば、後述のように金属酸化物であるビスマスバナジウム酸化物（ＢｉＶＯ４））が用いられる。後に説明するように、ガス検出ユニット５１は、このＮＨ３検知電極５１３のＢ酸点形成機能を利用することによって、ＮＨ３検知電極５１３と基準電極５１２との間で排気中のＮＨ３に応じた起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦを発生する。ＮＨ３検知電極５１３は、排気に晒されるように固体電解質体５１１の表面に接合される。このＮＨ３検知電極５１３と固体電解質体５１１は、互いに価電子帯や伝導帯の電位及びフェルミ準位が異なる異種半導体である。したがってＮＨ３検知電極５１３と固体電解質体５１１との接合は、ヘテロ接合となっている。また、後に図４を参照して説明するように、ＮＨ３検知電極５１３のＢ酸点形成機能によって、ＮＨ３検知電極５１３と基準電極５１２との間には、排気中のＮＨ３の濃度に応じた起電力が発生する。以下ではこれら電極５１２，５１３の間に発生する起電力を“ＭＡＩＮ−ＥＭＦ”と表記する。
【００４４】
このＮＨ３検知電極５１３の考え得る材料としては、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、及びモリブデン（Ｍｏ）の第１酸化化合物、並びに上記物質の少なくとも１種を含む組み合わせが挙げられ、これに第１酸化物成分に対し導電性を上昇させるかＮＨ３検出感度及び／又はＮＨ３検出選択性を高めることができる第２酸化物成分をドープしてもよい。典型的な第１成分としては、ビスマスバナジウム酸化物（ＢｉＶＯ４）、銅バナジウム酸化物（Ｃｕ２（ＶＯ３）２）等の三元バナジン酸塩化合物、タングステンの三元酸化物、及び／又は三元モリブデン（ＭｏＯ３）、並びに上記物質の少なくとも１種を含む組み合わせが挙げられる。典型的な第２成分金属としては、アルカリ酸化物、アルカリ土類酸化物、遷移金属酸化物、希土類酸化物等の酸化物、並びにＳｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｎＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＧｅＯ、及びＢｉ２Ｏ３等の酸化物の他、上記物質の少なくとも１種を含む組み合わせが挙げられる。ＮＨ３検知電極の材料は、例えば多孔質を形成し電解質の接触面積を増大させるために、従来の酸化物電解質材料、例えば、ジルコニア、ドープしたジルコニア、セリア、ドープしたセリア、又はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等も包含することができる。軟化点の低いガラスフリット材料の添加剤をバインダーとして電極材料に加えて、電極材料を電解質の表面に結合してもよい。
【００４５】
ＮＯ２検知電極５１４には、上記ＮＨ３検知電極５１３と異なる材料であり、Ｂ酸点形成機能を有さずかつＮＯ２に対する選択性を有する半導体材料が用いられる。ＮＯ２検知電極５１４には、ＮＨ３検知電極５１３と異なる材料が用いられるため、少なくともＨ２Ｏ及びＮＨ３に対する反応性に差がある。より具体的には、ＮＯ２検知電極５１４の材料としては、例えばＴｂＣｒＯ３にＭｇＯを添加して得られる金属酸化物半導体が用いられる。ＮＯ２検知電極５１４は、排気に晒されるように固体電解質体５１１の表面に接合される。このＮＯ２検知電極５１４と固体電解質体５１１は、互いに価電子帯や伝導帯の電位及びフェルミ準位が異なる異種半導体である。したがって、ＮＯ２検知電極５１４と固体電解質体５１１との接合は、ヘテロ接合となっている。ただし、上述のＮＨ３検知電極５１３−固体電解質体５１１間の接合と異なり、ＮＯ２検知電極５１４と固体電解質体５１１とでは価電子帯の電位がやや異なる程度で、伝導帯電位はほぼ同等である。また、詳細な説明は省略するが、ＮＯ２検知電極５１４を以上のように構成することにより、ＮＯ２検知電極５１４と基準電極５１２との間には、排気中のＮＯ２の濃度に応じた起電力が発生する。以下では、これら電極５１４，５１２との間に発生する起電力を“ＳＵＢ−ＥＭＦ”と表記する。
【００４６】
またＮＯ２検知電極５１４の考え得る材料としては、イッテルビウム、クロム、ユウロピウム、エルビウム、亜鉛、ネオジム、鉄、マグネシウム、ガドリニウム、テルビウム、クロム及び上記物質の少なくとも１種を含む組み合わせの酸化物、例えばＹｂＣｒＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＥｒＣｒＯ３、ＥｕＣｒＯ３、ＳｍＣｒＯ３、ＨｏＣｒＯ３、ＧｄＣｒＯ３、ＮｄＣｒＯ３、ＴｂＣｒＯ３、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＭｇＦｅ２Ｏ４及びＺｎＣｒ２２Ｏ４、並びに上記物質の少なくとも１種を含む組み合わせを挙げることができる。さらにＮＯ２検知電極５１４は、材料（１以上）のＮＯｘ感度及び選択性並びに操作温度での導電性を向上させるドーパントを含むことができる。これらのドーパントとしては、以下の元素の１種以上を挙げることができる：Ｂａ（バリウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｋ（カリウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｖ（バナジウム）、Ａｇ（銀）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｐｂ（鉛）、Ｗ（タングステン）、Ｓｎ（スズ）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユウロピウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、及びＨｏ（ホルミウム）、並びに上記ドーパントの少なくとも１種を含む組み合わせ。
【００４７】
図３は、ＮＨ３検知電極及びＮＯ２検知電極を固体電解質体に接合した後におけるそれぞれの接合部分のバンド構造を模式的に示す図である。図３の上段は、ＮＨ３検知電極（ＢｉＶＯ４）−固体電解質体（ＺｒＯ２＋Ｙ２Ｏ３）のバンド構造を示し、図３の下段は、ＮＯ２検知電極（ＴｂＣｒＯ３）−固体電解質体（ＺｒＯ２＋Ｙ２Ｏ３）のバンド構造を示す。
【００４８】
図３の上段に示すように、異種半導体の接合では、互いのフェルミ準位を一致させつつ、価電子帯や伝導帯は強制的に結ばれる。この結果、固体電解質体側からＮＨ３検知電極側へは障壁電位は無いため、Ｏ２−イオンの伝導性は良い。逆にＮＨ３検知電極側から固体電解質体側へは障壁電位を伴うため、Ｏ２−イオンの伝導性は悪い。また図３の上段に示すように、価電子帯の電位差によってＮＨ３検知電極側には固体電解質体側から遷移するホール（ｈ＋）が溜まる。これはＮＨ３検知電極におけるＮＨ３等の酸化力の向上に寄与する。
【００４９】
図３の下段に示すように、ＮＯ２検知電極と固体電解質体とでは、伝導帯電位はほぼ同等である。このため、ＮＯ２検知電極と固体電解質体との間では、相互にＯ２−イオンの伝導性が良い。なお、ＮＯ２検知電極及び固体電解質体は、ＮＨ３検知電極及び固体電解質体と比較すると、互いのバンド構造が近い。このため、ＮＯ２検知電極と固体電解質体との間では、ＮＨ３検知電極と固体電解質体との間よりも界面分極が起こりにくくなっている。
【００５０】
図２に戻り、温度検出ユニット５２は、板状の測温セル５２１と、この測温セル５２１の両側の面に設けられた測温電極５２２，５２３と、を含んで構成され、ガス検出ユニット５１とヒータ５３との間に設けられる。測温セル５２１には、温度に応じてインピーダンスが変化する材料（例えば、ＺｒＯ２）が用いられる。測温電極５２２，５２３はそれぞれセンサコントローラに接続されており、測温セル５２１の温度に相当する測温セル５２１のインピーダンスＺ（Ｉｍｐ）はセンサコントローラによって測定される。以下では、このインピーダンスＺ（Ｉｍｐ）から得られる温度、すなわち測温セル５２１における温度を単に検出素子５ｄの温度ともいう。
【００５１】
ヒータ５３は、電流が流れると発熱する電熱線５３１と、この電熱線５３１が設けられた板状の基板５３２と、を含んで構成され、発熱面がＮＨ３検知電極５１３やＮＯ２検知電極５１４の近傍に位置するように、温度検出ユニット５２に設けられる。電熱線５３１への供給電力は、図示しないバッテリから電熱線５３１へ供給される駆動電流のデューティ比をヒータコントローラによって調整することによって制御される。
【００５２】
次に、以上のように構成されたＮＨ３センサの主要な機能である起電力の発生メカニズムを説明する。
図４は、ＮＨ３センサの検出素子を排気に晒したときに進行する反応の一例を示す図であり、起電力の発生メカニズムを簡略化して表した図である。図４には、検出素子のうちＮＨ３検知電極と固体電解質体と基準電極とで構成された部分のみを示す。また図４の左側は排気中にＮＨ３が含まれていないときの反応を示し、図４の右側は排気中にＮＨ３が含まれているときの反応を示す。
【００５３】
始めに図４の左側に示す反応について説明する。ＮＨ３検知電極に含まれるＢｉＶＯ４は、熱等の外部エネルギーによって励起されるとＯ−２ｐ軌道（価電子帯）の電子が禁制帯を飛び越えてＶ−３ｄ軌道（伝導帯）に移る。これにより、図４に示すように、Ｏ−２ｐ軌道より移った電子の抜け穴にはホール（ｈ＋）が生じ酸化サイトが形成され、Ｖ−３ｄ軌道に移った電子によって還元サイトが形成される。還元サイトでは、Ｏ２を還元しＯ２−イオンを生成する反応が進行し、酸化サイトではＯ２−イオンを酸化しＯ２を生成する反応が進行する。この際、排気中にＮＨ３が含まれていない場合、ＮＨ３検知電極側に形成される還元サイト及び酸化サイトで進行するＯ２→２Ｏ２−及び２Ｏ２−→Ｏ２の反応もほぼ平衡する。このため、排気中にＮＨ３が含まれていなければ、両電極間で起電力が生じない。すなわち、ＭＡＩＮ−ＥＭＦ≒０となる。
【００５４】
次に図４の右側に示す反応について説明する。ＮＨ３検知電極に含まれるＢｉＶＯ４が励起状態にありかつ周囲にＨ２Ｏが存在すると、酸化サイトでＨ２Ｏが・ＯＨに分解される。分解された・ＯＨは、その後、Ｂｉ−６Ｓ軌道からＶ−３ｄ軌道への電子遷移によってトラップされ、これによってＢ酸点が形成される。Ｂ酸点は、強い水素結合力によって、極性分子であるＮＨ３を引きつけるが、無極性分子であるＨＣを引きつけない強いＮＨ３選択性を有する。なお、Ｂ酸点は、ＮＨ３だけでなく極性分子であるＨ２Ｏを引きつける機能もある。このため、Ｂ酸点を形成するためにはＨ２Ｏが必要であるが、Ｈ２Ｏが多すぎるとＮＨ３の吸着を妨害し、ＮＨ３検知電極と基準電極との間の起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦを負方向へ変化させるように作用する。排気中にＮＨ３が存在すると、このＮＨ３は、ＮＨ３検知電極に形成されたＢ酸点に引きつけられるとともに、還元サイトで捕捉したＯ２−イオンによって酸化され、Ｈ２ＯとＮ２になる。この際、図４の右側に示すように、ＮＨ３検知電極側で電子の収支差が発生する。これにより、排気中にＮＨ３が存在する場合、ＮＨ３検知電極と基準電極との間にはＮＨ３の濃度に応じて変化する０でない起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦが発生する。
【００５５】
図５は、以上のように構成されたＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＮＨ３／ＮＯ２特性を示す図である。図５には、ＮＨ３濃度及びＮＯ２濃度が共に０であり、Ｈ２Ｏ濃度が６．５％であり、Ｏ２濃度が１０．４５％でありかつ２００℃のベースガスを供給した場合（中央）、上記ベースガスのＮＨ３濃度を増加させた場合（右側）、及び上記ベースガスのＮＯ２濃度を増加させた場合（左側）における起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの変化を示す。起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは、図４を参照して説明したようにＮＨ３濃度に応じた変化を示すと同時に、ＮＯ２濃度に応じた変化も示す。したがって起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦのみではＮＨ３とＮＯ２とを区別することができず、ＮＨ３濃度を推定することができない。そこでセンサコントローラでは、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦに加えて、ＮＯ２に対して正側へ変化する起電力ＳＵＢ−ＥＭＦを用いることにより、ＮＯ２の影響を除外してＮＨ３濃度を推定する。
【００５６】
図６は、ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの空燃比特性を示す図である。図６には、ＮＨ３濃度を２０ｐｐｍで維持しながら、Ｏ２濃度及びＨ２Ｏ濃度を各排気の空燃比に相当する組み合わせに変化させた時における２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦ及びこれら２つの起電力に基づいて推定されるＮＨ３濃度の変化を示す。なおここでは、ＮＨ３濃度は、２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを用いることによって図５を参照して説明したようにＮＯ２の影響を除外して推定した。また図６では、Ｏ２濃度が５．２％でありかつＨ２Ｏ濃度が９．２％の組み合わせのガスを空燃比１９．５相当とし、Ｏ２濃度が１３．２％でありかつＨ２Ｏ濃度が４．４％の組み合わせのガスを空燃比４０．５相当とし、Ｏ２濃度が１５．４％でありかつＨ２Ｏ濃度が３．２％の組み合わせのガスを空燃比５８相当とした。
【００５７】
図６に示すように、空燃比がよりリーン側へ変化する程、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦはほぼ０で一定であるのに対し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは負側へ変化する。すなわち起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは、排気の空燃比によって変化する特性がある。結果として、これら起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを用いることによってＮＯ２の影響を除外して推定されるＮＨ３濃度は、図６において破線で示すように、本来得られるべき２０ｐｐｍからずれる。これは、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを用いてＮＨ３濃度を推定する場合、図５を参照して説明したようにＮＯ２に応じた補正に加えてさらに排気の空燃比に応じた補正が必要となることを意味する。より具体的には、図６に示す例では、ＮＨ３濃度は、排気の空燃比が所定の基準に対してストイキ側へ変化するほど増加側へ補正する必要があり、リーン側へ変化するほど減少側へ補正する必要があると言える。
【００５８】
図７は、ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＨ２Ｏ特性（図７の左側）及びＯ２特性（図７の右側）を示す図である。図７には、図６と同様にＮＨ３濃度を２０ｐｐｍで維持しながら、Ｈ２Ｏ濃度及びＯ２濃度をそれぞれ変化させた時における２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦ及びこれら２つの起電力に基づいて推定されるＮＨ３濃度の変化を示す。なお図７においても、ＮＨ３濃度は、図６と同様にＮＯ２の影響を除外して推定した。
【００５９】
図７の左側に示すように、Ｈ２Ｏ濃度が高くなる程、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦはほぼ０で一定であるのに対し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは負側で０へ向けて上昇する。また図７の右側に示すように、Ｏ２濃度が高くなる程、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦはほぼ０で一定であるのに対し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは負側で０へ向けて上昇する。すなわち、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは、排気のＨ２Ｏ濃度及びＯ２濃度それぞれによって変化する特性がある。結果としてこれら起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを用いることによってＮＯ２の影響を除外して推定されるＮＨ３濃度は、図６において破線で示すように、本来得られるべき２０ｐｐｍからずれる。これは、排気中のＨ２ＯとＯ２のモル比が空燃比に相当するものとすれば、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを用いてＮＨ３濃度を推定する場合には、ＮＯ２と空燃比応じた補正に加えてさらに、大気のＨ２Ｏ濃度（すなわち、大気の湿度）に応じた補正が必要となることを意味する。より具体的には、図７の例では、ＮＨ３濃度は、大気のＨ２Ｏ濃度が所定の基準に対して低くなるほど減少側へ補正する必要があり、高くなるほど増加側へ補正する必要があると言える。
【００６０】
図８は、ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＨ２Ｏ特性を示す図である。図８には、ＮＨ３濃度を０％としたまま上記ベースガスのＨ２Ｏ濃度を１％から１０％まで増加させた時における２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの変化を示す。図６に示すように、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦはＨ２Ｏ濃度を増加させても、正側においてごく僅かしか低下しない。これに対し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦはＨ２Ｏ濃度を増加させると、正側から負側へ起電力ＳＵＢ−ＥＭＦよりも大幅に低下する。これは、図４を参照して説明したように、ＮＨ３検知電極は排気中のＨ２Ｏを用いてＢ酸点を形成する機能を有するからであると考えられる。すなわち、排気中のＨ２Ｏの量が増加すると、Ｈ２Ｏが酸化されてＮＨ３検知電極に形成されるＢ酸点の数が増加するため、ＮＨ３が存在していなくても起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは負の方向へ変化する。したがって、ＮＨ３センサの検出箇所におけるＨ２Ｏ濃度は、排気中にＮＨ３が存在しないと推定される時における起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦとＳＵＢ−ＥＭＦとの差に基づいて推定することができる。
【００６１】
図９は、ＮＨ３センサの検出素子５ｄ及びこれを制御するセンサコントローラ７３の構成を示すブロック図である。センサコントローラ７３は、ＮＨ３濃度演算モジュール７３１と、湿度推定モジュール７３２と、温調モジュール７３３と、を備える。以下、各モジュール７３１〜７３３の機能について順に説明する。
【００６２】
ＮＨ３濃度演算モジュール７３１では、ＮＨ３検知電極５１３で発生する起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ［ｍＶ］、ＮＯ２検知電極５１４で発生する起電力ＳＵＢ−ＥＭＦ［ｍＶ］、空燃比センサによって検出される排気の空燃比［Ａ／Ｆ］、及び湿度推定モジュール７３２によって推定される大気の湿度（単位重量の大気中に含まれる水の重量）［ｇ／ｋｇ］を用いて、排気のＮＨ３濃度［ｐｐｍ］を算出する。ここで算出された排気のＮＨ３濃度は、例えばＤＣＵに送信され、ＤＣＵにおける尿素水噴射制御に用いられる。以下、これら起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦ、空燃比、及び大気湿度を用いてＮＨ３濃度を推定する手順について説明する。
【００６３】
先ず、図５を参照して説明したように、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは、排気のＮＨ３濃度が増加すると負側へ変化する特性があることから、所定の演算式を用いて起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ［ｍＶ］からＮＨ３濃度［ｐｐｍ］を算出することができる。しかしながら図５に示すように、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは排気のＮＯ２濃度が増加すると正側へ変化する特性があるため、排気中にＮＨ３とＮＯ２とが共存する場合には、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦのみではＮＨ３濃度を正確に算出することができない。そこでＮＨ３濃度演算モジュール７３１では、排気のＮＯ２濃度に応じて正側に変化する起電力ＳＵＢ−ＥＭＦを用いることによって起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦからＮＯ２による影響を取り除いたＮＨ３濃度を算出する。
【００６４】
また図６及び図７を参照して説明したように、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは、それぞれ排気のＨ２Ｏ濃度及びＯ２濃度によって変化する。そこでＮＨ３濃度演算モジュール７３１では、これらＨ２Ｏ濃度及びＯ２濃度の影響を排除すべく、空燃比センサによって検出される排気の空燃比と湿度推定モジュール７３２によって推定される大気湿度との２つのパラメータを用いることによって、図１０に例示するようなテーブルやマップを検索することによって“１”近傍の正の補正係数の値を決定し、さらにこの補正係数値を上記ＮＯ２による影響が取り除かれたＮＨ３濃度に乗算することによってＮＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２の影響が取り除かれた正確なＮＨ３濃度を算出する。
【００６５】
図１０に示すように補正係数を決定するテーブルは、所定の空燃比及び大気湿度の組み合わせ（例えば、空燃比＝２５〜３０、大気湿度＝７〜１０）を基準状態と定義し、この基準状態における補正係数の値を“１．００”とし、ＮＨ３濃度を一定に維持しながら各空燃比及び大気湿度の組み合わせの下で上記基準状態からのずれを測定することによって構築される。
【００６６】
図９に戻り湿度推定モジュール７３２では、２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦはＨ２Ｏ濃度に応じて特徴的な振る舞いを示すことを利用して（図８参照）、これら起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦに基づいて、後に図１１を参照して説明する手順に従って大気の湿度［ｇ／ｋｇ］を算出する。ここで算出された大気の湿度は、例えば上述のようにＮＨ３濃度演算モジュール７３１に送信され、ＮＨ３濃度を高精度で推定するのに用いられる。
【００６７】
温調モジュール７３３は、測温セル５２１のインピーダンスＺ（Ｉｍｐ）を測定する計測回路７３３ａと、インピーダンスＺ（Ｉｍｐ）が所定の目標値になるように（すなわち、検出素子５ｄの温度がインピーダンスの目標値に相当する目標温度になるように）ヒータ５３の駆動電流を調整する駆動回路７３３ｂと、を備える。ＮＨ３検知電極５１３やＮＯ２検知電極５１４等、検出素子５ｄを構成する材料には様々な触媒が用いられているため、これら触媒の機能を生かして正確にＮＨ３濃度を算出するためには、触媒が活性しているように検出素子５ｄの温度を予め定められた目標温度に維持する必要がある。温調モジュール７３３は、これら計測回路７３３ａ及び駆動回路７３３ｂを用いることによって、検出素子５ｄの温度を所定の目標温度に維持する。
【００６８】
図１１は、センサコントローラによる大気湿度推定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。この処理は、図示しないイグニッションスイッチがオンにされたことに応じてＮＨ３センサへの通電が開始された後、イグニッションスイッチがオフにされるまでの間において、センサコントローラの湿度推定モジュールにおいて所定の周期で繰り返し実行される。
【００６９】
Ｓ１では、センサコントローラは、現在の排気温度がＳＣＲ触媒においてＮＨ３スリップが開始する温度に相当する所定温度（例えば、１８０℃）以下であるか否かを判定する。Ｓ１の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所における排気には、ＳＣＲ触媒からスリップしたＮＨ３が存在する可能性があると判断し、以下の処理を行うことなく図１１の処理を終了する。
【００７０】
Ｓ１の判定がＹＥＳである場合、センサコントローラは、所定時間前から現在までの間にわたり尿素水の噴射が停止されていたか否かを判定する（Ｓ２参照）。Ｓ２の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所における排気には、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘの還元に消費されずかつＳＣＲ触媒に貯蔵されることもなかったＮＨ３が存在する可能性があると判断し、以下の処理を行うことなく図１１の処理を終了する。
【００７１】
Ｓ１及びＳ２の判定が両方ともＹＥＳである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定し、Ｓ３に移る。Ｓ３では、センサコントローラは、所定時間前から現在までの間にわたりエンジンにおける燃料噴射を停止するフューエルカットが継続しているか否かを判定する。Ｓ３の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所にはエンジンにおいて燃料が燃焼することによって生成された水が存在すると判断し、以下の処理を行うことなく図１１の処理を終了する。
【００７２】
Ｓ３の判定がＹＥＳである場合、センサコントローラは、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの挙動が共に所定の幅内で安定しているか否かを判定する（Ｓ４参照）。Ｓ４の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所には、大気以外の物質（例えば、ＮＨ３やエンジンにおける生成水等が）存在すると判断し、以下の処理を行うことなく図１１の処理を終了する。
【００７３】
Ｓ４の判定がＹＥＳである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所にはＮＨ３や燃料が燃焼することによる生成水を含まない大気が通流していると判断し、この際における２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの差（より具体的には、正値と推定されるＳＵＢ−ＥＭＦから負値と推定されるＭＡＩＮ−ＥＭＦを減算して得られる値）を算出し、この差に基づいて所定のマップ（例えば、図１２参照）を用いることによって検出箇所における湿度、すなわち大気湿度を推定し、図１１の処理を終了する。
【００７４】
図１２は、起電力差［ｍＶ］と大気湿度［ｇ／ｋｇ］との関係を示すマップの一例である。図８に示すように検出箇所におけるＨ２Ｏ濃度が高くなると、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦは正側の所定値で一定となるのに対し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは負側で減少する。すなわち、起電力差が大きくなるほど大気湿度は高くなる。
【００７５】
以上、本発明の第１実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
【００７６】
例えば上記実施形態では、図１１に示す湿度推定方法を用いて推定した大気湿度を、ＮＨ３濃度を推定する際における補正係数の値を決定するために用いたが、本発明はこれに限らない。ＮＨ３センサを用いて推定した大気湿度を他の用途に用いてもよい。
【００７７】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。
図１３は、本実施形態に係るセンサコントローラによる大気湿度推定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。第１実施形態の大気湿度推定処理では、排気温度が所定温度より低い場合に限り（図１１のＳ１参照）、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの差を用いて大気湿度を推定した。本実施形態の大気湿度推定処理は、第１実施形態と異なり、排気温度が所定温度以上であってもＮＨ３センサを用いて大気湿度を推定できる点で異なる。なお、以下の図１３の説明では、図１１のフローチャートと同じ処理については、同じ符号を付し、説明を省略する。
【００７８】
始めに、Ｓ１の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所における排気中にＮＨ３が存在するかどうかをより詳細に判断すべく、Ｓ１１に移る。Ｓ１１では、センサコントローラは、Ｓ２と同様に、所定時間前から現在までの間にわたり尿素水の噴射が停止されていたか否かを判定する。Ｓ１１の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所における排気には、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘの還元に消費されずかつＳＣＲ触媒に貯蔵されることもなかったＮＨ３が存在する可能性があると判断し、以下の処理を行うことなく図１３の処理を終了する。
【００７９】
Ｓ１２では、センサコントローラは、現在のＳＣＲ触媒のＮＨ３ストレージ量を推定し、これが０であるか否か、すなわちＳＣＲ触媒にＮＨ３が貯蔵されていないか否かを判定する。なお、ＳＣＲ触媒のＮＨ３ストレージ量は既知の方法を利用して推定することができる。すなわち、過去の尿素水の噴射量を積算することによって得られるＳＣＲ触媒へのＮＨ３の総供給量から、ＮＨ３センサを用いて算出されるＳＣＲ触媒の下流側へのＮＨ３の総スリップ量と、過去のＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率及び流入ＮＯｘ量を用いて得られるＳＣＲ触媒でのＮＨ３の総消費量を減算することによって、ＮＨ３ストレージ量を推定することができる。Ｓ１２の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所にはＳＣＲ触媒からスリップしたＮＨ３が存在すると判断し、以下の処理を行うことなく図１３の処理を終了する。
【００８０】
Ｓ１１及びＳ１２の判定が両方ともＹＥＳである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所にＮＨ３は存在しないと推定し、Ｓ１３に移る。Ｓ１３では、センサコントローラは、排気の空燃比を安定させるため、空燃比センサによって検出される排気の空燃比［Ａ／Ｆ］が所定の目標空燃比（例えば、ストイキよりリーン側の２０［Ａ／Ｆ］）に一致するようにＥＧＲ管を介してエンジンの燃焼室に導入される排気の量を調整するよう、ＦＩ−ＥＣＵに要求する。ＦＩ−ＥＣＵは、センサコントローラからの要求に応じて、排気の空燃比が目標空燃比に一致するようＥＧＲバルブの開度を調整する。
【００８１】
Ｓ１４では、センサコントローラは、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの挙動が共に所定の幅内で安定しているか否かを判定する。Ｓ１４の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、以下の処理を行うことなく図１３の処理を終了する。
【００８２】
Ｓ１４の判定がＹＥＳである場合、センサコントローラは、ＮＨ３センサの検出箇所には湿度の安定した排気が通流していると判断し、この際における２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの差（より具体的には、正値と推定されるＳＵＢ−ＥＭＦから負値と推定されるＭＡＩＮ−ＥＭＦを減算して得られる値）を算出し、この差に基づいて所定のマップを用いることによって検出箇所における排気の湿度を推定する（Ｓ１５参照）。ここで、上述のように検出箇所にＮＨ３が存在しない時に、ＥＧＲバルブを操作して排気の空燃比を目標空燃比に一致させると、検出箇所におけるＨ２Ｏの量は、吸気管を介してエンジンの燃焼室に導入される大気に含まれていたＨ２Ｏと、エンジンの燃焼室で混合気を燃焼させることによって生成されるＨ２Ｏとを合わせた量になる。一方、混合気を燃焼させることによって生成されるＨ２Ｏの量は、この際の目標空燃比を用いて推定することができる。そこでＳ１５では、センサコントローラは、上記のようにして推定した検出箇所における排気の湿度から、混合気が燃焼することによって生成されたＨ２Ｏの寄与分を除くことにより、大気の湿度を推定する。
【００８３】
以上、本発明の第２実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
２…排気浄化システム
３３…下流触媒コンバータ（選択還元触媒）
４２…尿素水インジェクタ（噴射弁）
５…ＮＨ３センサ
５１２…基準電極
５１３…ＮＨ３検知電極（第１電極）
５１４…ＮＯ２検知電極（第２電極）
７２…ＤＣＵ（噴射量コントローラ）
７３…センサコントローラ
７３１…ＮＨ３濃度演算モジュール（ＮＨ３濃度推定部）
７３２…湿度推定モジュール（湿度推定部）
【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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