(57)【要約】【課題】尿素水タンクへの様々な液体の誤投入を検出できる内燃機関の排気浄化システムを提供すること。【解決手段】排気浄化システムは、液体を貯留する尿素水タンクと、尿素水インジェクタから噴射された液体を加水分解することによって生成されたＮＨ３を還元剤として排気を浄化するＳＣＲ触媒と、排気中のＮＨ３を検出するＮＨ３センサと、を備える。ＮＨ３センサは、排気中のＨ２Ｏを用いてＢ酸点を形成する機能を有するＮＨ３検知電極と、ＮＯ２に対する感度を有するＮＯ２検知電極と、基準電極と、ＮＨ３電極、ＮＯ２電極及び基準電極が設けられた固体電解質体と、を備える。ＮＨ３センサのセンサコントローラは、ＮＨ３電極及び基準電極の間で発生する起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦとＮＯ２電極及び基準電極の間で発生する起電力ＳＵＢ−ＥＭＦとの組み合わせを用いることによって、尿素水タンク内の液体の異常を判定する。【選択図】図５
2017067041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を貯留する尿素水タンクと、
前記尿素水タンク内の液体を内燃機関の排気通路内に噴射する噴射弁と、
前記排気通路のうち前記噴射弁より下流側に設けられ、前記噴射弁から噴射された液体を加水分解することによって生成されたＮＨ３を還元剤として排気を浄化する選択還元触媒と、
前記排気通路のうち前記噴射弁より下流側に設けられ、排気中のＮＨ３を検出するＮＨ３センサと、を備えた排気浄化システムであって、
前記ＮＨ３センサは、排気中のＨ２Ｏを用いてＢ酸点を形成する機能を有するＮＨ３電極と、ＮＯ２に対する感度を有するＮＯ２電極と、基準電極と、前記ＮＨ３電極、前記ＮＯ２電極及び前記基準電極が設けられた固体電解質体と、を備え、
前記ＮＨ３電極及び前記基準電極の間で発生する第１起電力と前記ＮＯ２電極及び前記基準電極の間で発生する第２起電力との組み合わせを用いることによって、前記尿素水タンク内の液体の異常を判定する異常判定手段を備えることを特徴とする排気浄化システム。
【請求項２】
前記ＮＨ３センサは、前記選択還元触媒の下流側に設けられ、
前記異常判定手段は、前記選択還元触媒に流入するＮＯｘを全て還元するために必要とされる所定の基準濃度の尿素水の量をＮＯｘ浄化等価量と定義し、前記噴射弁から当該ＮＯｘ浄化等価量より多くの量の液体を噴射した時の応答として発生する前記第１起電力及び前記第２起電力の組み合わせを用いることによって、前記尿素水タンク内の液体の異常を判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項３】
前記異常判定手段は、前記第１起電力と前記第２起電力との組み合わせを用いることによって、前記尿素水タンク内の液体の異常を、前記液体が所定の基準濃度以下の尿素水である薄まり異常と、前記液体が燃料を含む燃料異常と、前記液体がアルコール系液体を含むアルコール異常とで分けて判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
【請求項４】
前記異常判定手段は、前記噴射弁から前記ＮＯｘ浄化等価量以上の液体を噴射させたときに、前記第１起電力は前記液体の噴射量の前記ＮＯｘ浄化等価量からの余剰分に応じて定められる負の閾値より大きく、かつ前記第２起電力は前記余剰分に応じて定められる正の閾値より大きい場合には、前記尿素水タンク内の液体は所定の基準濃度以下の尿素水であると判定することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化システム。
【請求項５】
前記異常判定手段は、前記噴射弁から噴射可能な最大の量の液体を噴射させた時の応答として発生する前記第１起電力及び前記第２起電力の組み合わせを用いることによって、前記尿素水タンク内の液体が前記基準濃度以下の尿素水であるか否かを判定することを特徴とする請求項４に記載の排気浄化システム。
【請求項６】
前記異常判定手段は、前記尿素水タンク内の液体が前記基準濃度以下の尿素水であると判定した場合には、前記噴射弁からの液体の噴射量を、所定の基準噴射量よりも増量側へ補正することを特徴とする請求項３から５の何れかに記載の排気浄化システム。
【請求項７】
前記異常判定手段は、前記噴射弁から所定量以上の液体を噴射させたときに、前記第１及び第２起電力は何れも負値を示しかつ前記第２起電力が前記第１起電力よりも小さい場合には、前記尿素水タンク内の液体は燃料を含むと判定することを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の排気浄化システム。
【請求項８】
前記異常判定手段は、前記尿素水タンク内の液体は燃料を含むと判定した場合には、前記噴射弁からの液体の噴射を停止させることを特徴とする請求項３又は７に記載の排気浄化システム。
【請求項９】
前記異常判定手段は、前記噴射弁から前記ＮＯｘ浄化等価量以上の液体を噴射させたときに、前記第１及び第２起電力は何れも負値であり、前記第１起電力は前記液体の噴射量の前記ＮＯｘ浄化等価量からの余剰分に応じて定められる負の閾値より大きい場合には、前記尿素水タンク内の液体はアルコール系液体を含むと判定することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化システム。
【請求項１０】
前記異常判定手段は、前記尿素水タンク内の液体はアルコール系液体を含むと判定した場合には、前記噴射弁からの液体の噴射を停止させることを特徴とする請求項３又は９に記載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、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。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）。
【０００３】
ところで、尿素水タンクに投入されるべき正規品の尿素水の濃度は予め定められており、また排気浄化システムで実行される尿素水噴射制御は、正規品の尿素水が用いられることが前提となっている。このため、例えば誤って正規品でない尿素水や水が尿素水タンクに投入されることにより、尿素水タンク内の尿素水の濃度が正規品の濃度よりも薄くなってしまうと、ＳＣＲ触媒において十分な量のＮＨ３を生成することができず、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化性能を十分に発揮できない場合がある。
【０００４】
このため、尿素水を用いる排気浄化システムでは、尿素水タンク内に貯留されている液体の異常を検出するために尿素水タンクに尿素水濃度センサを設ける場合がある。この他、ＳＣＲ触媒の前後にＮＯｘセンサを設けて、これら２つのセンサを用いることによってＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能を推定することにより、尿素水タンク内に貯留されている液体が適切な尿素水であるか否かを間接的に推定する技術も提案されている。
【０００５】
しかしながらこれらの技術では、尿素水噴射制御を行うためのＮＨ３センサの他に、尿素水濃度センサやＮＯｘセンサ等の装置が新たに必要となる。そこで特許文献１には、ＳＣＲ触媒の未活性時において、ＮＨ３センサのゼロ点補正電圧を用いることによって適切な濃度の尿素水が用いられているか否かを判定する技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００９／１２８１６９号公報
【特許文献２】特開２００６−２３２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術によれば、尿素水噴射制御を行うために用いられるＮＨ３センサを流用することにより、尿素水タンク内の異常を検出することができる。しかしながら、特許文献１の発明で検出できるのは尿素水タンク内の尿素水の濃度に関する異常のみであり、その他の不具合については検出できない。例えば尿素水タンク内には、水だけでなく、燃料（ガソリン、軽油、灯油等）や、アルコール系液体（ブレーキフルード、クーラント、ウォッシャ液等）等の様々な液体が誤って投入される場合もあるが、特許文献１の技術ではこのような水以外の液体の誤投入を適切に検出することが困難である。
【０００８】
本発明は、尿素水タンクへの様々な液体の誤投入を検出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）本発明の内燃機関（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、液体を貯留する尿素水タンク（例えば、後述の尿素水タンク４１）と、前記尿素水タンク内の液体を内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１１）内に噴射する噴射弁（例えば、後述の尿素水インジェクタ４２）と、前記排気通路のうち前記噴射弁より下流側に設けられ、前記噴射弁から噴射された液体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のＳＣＲ触媒）と、前記排気通路のうち前記噴射弁より下流側に設けられ、排気中のＮＨ３を検出するＮＨ３センサ（例えば、後述のＮＨ３センサ５）と、を備える。前記ＮＨ３センサは、排気中のＨ２Ｏを用いてＢ酸点を形成する機能を有するＮＨ３電極（例えば、後述のＮＨ３検知電極５１３）と、ＮＯ２に対する感度を有するＮＯ２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、前記ＮＨ３電極、前記ＮＯ２電極及び前記基準電極が設けられた固体電解質体（例えば、後述の固体電解質体５１１）と、を備える。排気浄化システムは、前記ＮＨ３電極及び前記基準電極の間で発生する第１起電力（ＭＡＩＮ−ＥＭＦ）と前記ＮＯ２電極及び前記基準電極の間で発生する第２起電力（ＳＵＢ−ＥＭＦ）との組み合わせを用いることによって、前記尿素水タンク内の液体の異常を判定する異常判定手段（例えば、後述のセンサコントローラ７３）を備える。
【００１０】
（２）この場合、前記ＮＨ３センサは、前記選択還元触媒の下流側に設けられ、前記異常判定手段は、前記選択還元触媒に流入するＮＯｘを全て還元するために必要とされる所定の基準濃度の尿素水の量をＮＯｘ浄化等価量と定義し、前記噴射弁から当該ＮＯｘ浄化等価量より多くの量の液体を噴射した時の応答として発生する前記第１起電力及び前記第２起電力の組み合わせを用いることによって、前記尿素水タンク内の液体の異常を判定することが好ましい。
【００１１】
（３）この場合、前記異常判定手段は、前記第１起電力と前記第２起電力との組み合わせを用いることによって、前記尿素水タンク内の液体の異常を、前記液体が所定の基準濃度以下の尿素水である薄まり異常と、前記液体が燃料を含む燃料異常と、前記液体がアルコール系液体を含むアルコール異常とで分けて判定することが好ましい。
【００１２】
（４）この場合、前記異常判定手段は、前記噴射弁から前記ＮＯｘ浄化等価量以上の液体を噴射させたときに、前記第１起電力は前記液体の噴射量の前記ＮＯｘ浄化等価量からの余剰分に応じて定められる負の閾値（Ｖ２）より大きく、かつ前記第２起電力は前記余剰分に応じて定められる正の閾値（Ｖ３）より大きい場合には、前記尿素水タンク内の液体は所定の基準濃度以下の尿素水であると判定することが好ましい。
【００１３】
（５）この場合、前記異常判定手段は、前記噴射弁から噴射可能な最大の量の液体を噴射させた時の応答として発生する前記第１起電力及び前記第２起電力の組み合わせを用いることによって、前記尿素水タンク内の液体が前記基準濃度以下の尿素水であるか否かを判定することが好ましい。
【００１４】
（６）この場合、前記異常判定手段は、前記尿素水タンク内の液体が前記基準濃度以下の尿素水であると判定した場合には、前記噴射弁からの液体の噴射量を、所定の基準噴射量よりも増量側へ補正することが好ましい。
【００１５】
（７）この場合、前記異常判定手段は、前記噴射弁から所定量以上の液体を噴射させたときに、前記第１及び第２起電力は何れも負値を示しかつ前記第２起電力が前記第１起電力よりも小さい場合には、前記尿素水タンク内の液体は燃料を含むと判定することが好ましい。
【００１６】
（８）この場合、前記異常判定手段は、前記尿素水タンク内の液体は燃料を含むと判定した場合には、前記噴射弁からの液体の噴射を停止させることが好ましい。
【００１７】
（９）この場合、前記異常判定手段は、前記噴射弁から前記ＮＯｘ浄化等価量以上の液体を噴射させたときに、前記第１及び第２起電力は何れも負値であり、前記第１起電力は前記液体の噴射量の前記ＮＯｘ浄化等価量からの余剰分に応じて定められる負の閾値（Ｖ１）より大きい場合には、前記尿素水タンク内の液体はアルコール系液体を含むと判定することが好ましい。
【００１８】
（１０）この場合、前記異常判定手段は、前記尿素水タンク内の液体はアルコール系液体を含むと判定した場合には、前記噴射弁からの液体の噴射を停止させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
（１）本発明では、排気中のＨ２Ｏを用いてＢ酸点を形成する機能を有するＮＨ３電極及びＮＯ２に対する感度を有するＮＯ２電極の２種類の電極を有するセンサをＮＨ３センサとして用いる。本発明ではこのような２種類の電極を備えるＮＨ３センサを利用し、ＮＨ３電極−基準電極間で発生する第１起電力とＮＯ２電極−基準電極間で発生する第２起電力との組み合わせを用いることによって尿素水タンク内の液体の異常を判定する。上記のような異なる機能を有するＮＨ３電極及びＮＯ２電極は、Ｈ２ＯやＨＣ等の排気の組成に応じてそれぞれ異なる大きさ及び符号の起電力を発生する。このため、尿素水タンク内に誤って水が投入された場合だけでなく、誤って燃料やアルコール系液体が投入された場合であっても、これを尿素水タンク内の液体の異常として判定することができる。
【００２０】
（２）本発明では、選択還元触媒の下流側にＮＨ３センサを設け、ＮＯｘを還元するために必要となる所定のＮＯｘ浄化等価量より多くの量の液体を噴射した時の応答として発生する第１及び第２起電力の組み合わせを用いることによって尿素水タンク内の液体の異常を判定する。ここで、尿素水タンク内に貯留されている液体が正規品の尿素水であると仮定した場合、ＮＯｘ浄化等価量より多くの液体を噴射すると、選択還元触媒より下流側へ、ＮＯｘの還元に消費されることなくまた選択還元触媒に貯蔵されることもなかった余分な量のＮＨ３が排出される。また本発明で用いるＮＨ３センサは、排気中にＮＨ３が含まれていると、第１及び第２起電力はそれぞれ特徴的な振る舞いを示す。より具体的には、例えば後述の図５に示すように、第１及び第２起電力は何れも負値を示し、かつ第１起電力は第２起電力よりも小さな値を示す（すなわち、第２起電力の方が第１起電力よりも０に近い値を示す）。以下では、これを単に「正常な振る舞い」ともいう。本発明では、ＮＯｘ浄化等価量より多くの液体を噴射し、選択還元触媒の下流側のＮＨ３センサへ過剰な量のＮＨ３を意図的に供給することにより、第１及び第２起電力の上述のような正常な振る舞いを基準として、この基準からのずれによって尿素水タンク内の液体の異常を判定することができる。
【００２１】
（３）本発明では、第１及び第２起電力の組み合わせを用いることにより、単に尿素水タンク内の液体に異常が生じたか否か、すなわち２値的な異常判断にとどまらず、具体的な異常の態様を特定することができる。より具体的には、タンク内の液体の異常を、液体が所定の基準濃度以下の尿素水である薄まり異常と、液体が燃料（具体的には、ガソリン、軽油、灯油等）を含む燃料異常と、液体がアルコール系液体（具体的には、ブレーキフルード、クーラント、ウォッシャ液等）を含むアルコール異常と、の３つの異常態様を切り分けて特定することができる。単に薄められた尿素水を噴射し続けても排気系の装置に不具合が生じるおそれは無いと考えられるが、燃料やアルコールを含んだ液体を噴射し続けると排気系の装置（触媒やセンサ等）に不具合が生じる可能性がある。本発明では、異常態様を上記のように切り分けて特定することにより、異常態様に応じた適切な措置を施すことができる。
【００２２】
（４）例えば、基準濃度の尿素水を噴射した場合と、これを水によって薄めた尿素水を噴射した場合とを比較すると、第１及び第２起電力はそれぞれ上述の正常な振る舞いに対して正方向へシフトすると考えられる。より具体的には、水で薄められると第１起電力は負側で０に近付くようにシフトし、第２起電力は負側から正側へシフトする。またこれら第１及び第２起電力の正方向へのシフト幅は、濃度が低くなるほど大きくなると考えられる。本発明ではこれを利用し、第１起電力がＮＯｘ浄化等価量からの余剰分に応じて定められる負の閾値より大きく、かつ第２起電力が余剰分に応じて定められる正の閾値より大きい場合には、尿素水タンク内の液体は基準濃度以下の尿素水であると判定する。これにより、薄まり異常を容易に特定することができる。
【００２３】
（５）基準濃度の尿素水を噴射した場合と、これを水によって薄めた尿素水を噴射した場合とを比較すると、上述のように第１及び第２起電力はそれぞれ正常な振る舞いに対して正方向へシフトすると考えられるが、定性的には同じ振る舞いを示す。このため、噴射量が少ないと薄まり異常であるか否かを判定するのは困難である。そこで本発明では、薄まり異常を特定する際には、噴射弁から噴射可能な最大の量の液体を噴射させる。これにより、薄まり異常の判定精度を向上できる。
【００２４】
（６）本発明では、薄まり異常と判定した場合には、噴射弁からの液体の噴射量を、所定の基準噴射量よりも増量側へ補正する。これにより、尿素水が薄められたことによる選択還元触媒におけるＮＨ３の不足を補うことができるので、選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。
【００２５】
（７）上述のように、基準濃度の尿素水を噴射すると、第１及び第２起電力は何れも負値を示し、かつ第１起電力は第２起電力よりも小さな値を示す。これに対し燃料を噴射すると、例えば後述の図７に示すように、第１及び第２起電力は何れも負値を示す点で共通するが、第２起電力は第１起電力よりも小さな値を示す（すなわち、第１起電力の方が第２起電力よりも０に近い値を示す）。本発明ではこれを利用し、噴射弁から所定量以上の液体を噴射させたときに、第１及び第２起電力は何れも負値を示しかつ第２起電力が第１起電力よりも小さい場合には、尿素水タンク内の液体は燃料を含むと判定する。これにより燃料異常を容易に特定することができる。
【００２６】
（８）本発明では、燃料異常と判定した場合には、噴射弁からの液体の噴射を停止させる。これにより、排気系に燃料が噴射されることにより、排気系の各種装置に不具合が生じるのを防止できる。
【００２７】
（９）上述のように、基準濃度の尿素水を噴射すると、第１及び第２起電力は何れも負値を示し、かつ第１起電力は第２起電力よりも小さな値を示す。これに対しアルコール系液体を噴射すると、例えば後述の図７に示すように、第１及び第２起電力は何れも負値を示す点で共通し、また第１起電力は第２起電力よりも小さな値を示す点で共通する。しかしながら、アルコール系液体を噴射した場合、これと同じ量の基準濃度の尿素水を噴射した場合よりも、第１起電力の指示値の絶対値は小さくなると考えられる。本発明ではこれを利用して、ＮＯｘ浄化等価量以上の液体を噴射させたときに、第１及び第２起電力は何れも負値であり、第１起電力は噴射量の余剰分に応じて定められる負の閾値より大きい場合には、尿素水タンク内の液体はアルコール系液体を含むと判定する。これによりアルコール異常を容易に特定することができる。
【００２８】
（１０）本発明では、アルコール異常と判定した場合には、噴射弁からの液体の噴射を停止させる。これにより、排気系にアルコール系液体が噴射されることにより、排気系の各種装置に不具合が生じるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一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Ｈ２Ｏ特性を示す図である。
【図７】ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＨＣ特性を示す図である。
【図８】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９】ＤＣＵによる尿素水噴射制御を開始するための準備処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図１０】タンク異常判定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図１１】図１０の処理の続きである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の一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、これらエンジン１及び触媒浄化装置３を制御する電子制御ユニット７と、排気浄化システム２の異常をドライバに報知するための警告灯８と、を備える。
【００３１】
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。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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
【００３６】
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。
【００３７】
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、タンク４１内の尿素水を加熱する尿素水ヒータ４６と、供給管４５内のライン圧を検出するライン圧センサ４７と、を備える。
【００３８】
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。
【００３９】
尿素水ヒータ４６は、電流が流れると発熱する電熱線である。濃度が３２．７％である正規品の尿素水は、約氷点下１１℃まで低下すると氷結し始める。尿素水ヒータ４６は、タンク４１内の尿素水が氷結した場合に用いられ、タンク４１内で氷結した尿素水を解凍する。尿素水の解凍時におけるヒータ４６への供給電力は、図示しないバッテリからヒータ４６へ供給される駆動電流のデューティ比を電子制御ユニット７で調整することによって制御される。この尿素水の解凍制御の具体的な手順については、後に図９を参照して説明する。
【００４０】
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。
【００４１】
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によって検出される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の解凍制御や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。
【００４２】
尿素水タンク４１及びその近傍には、タンク４１の内部の尿素水の状態を把握するための各種センサ４８，４９が設けられている。外気温度センサ４８は、外気の温度を検出し、検出値に応じた信号をＤＣＵ７２に送信する。また尿素水温度センサ４９は、尿素水タンク４１内に貯留されている尿素水の温度を検出し、検出値に応じた信号をＤＣＵ７２に送信する。ＤＣＵは、これら２つのセンサの出力を用いることによって、尿素水タンク４１の内部に貯留されている尿素水の状態（氷結しているか否か等）を把握することができる。
【００４３】
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濃度を算出する。ここで算出される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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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やＨＣ等に対する感度を有する半導体材料が用いられる。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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
図５に示すように、ベースガスのＮＨ３濃度を増加させると、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは共に負方向へ向かって変化する。より具体的には、ＮＨ３濃度が低い場合には、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦは０近傍又は０より僅かに大きな正の値を示すのに対し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは負の値を示す。またベースガスのＮＨ３濃度が高い場合には、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦは０近傍又は０より僅かに小さな負の値を示すのに対し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは負の値を示す。以下では、このような起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの振る舞いを、ＮＨ３スリップ時の正常な振る舞いともいう。
【００６２】
図６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６には、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。
【００６３】
したがって、図６に示すようなＨ２Ｏに対する起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの振る舞いと、図５に示すようなＮＨ３に対する起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの振る舞いとを比較すると、尿素水タンク内に水を投入することにより尿素水の濃度を低下させると、図５において破線で示すように起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは正方向へシフトし、また起電力ＳＵＢ−ＥＭＦは正常な振る舞いに対し正方向へシフトし正の値を示すようになると考えられる。したがって、尿素水タンク内の正規品の尿素水が水によって薄められる薄まり異常は、尿素水インジェクタからの噴射量に応じて定められた閾値と起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦとを比較し、図５に示すような正方向へのシフトを検出することによって特定することができる。
【００６４】
図７は、ＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＨＣ特性を示す図である。図７には、上記ベースガスのＨＣ濃度を０ｐｐｍから３９００ｐｐｍ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７に示すように、排気中にペンタン（ノルマルアルカン類）やプロピレン等の無極性のＨＣが含まれていると、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは共に負値を示す点において、図５の正常な振る舞いと共通する。しかしながら、ＨＣ濃度を増加させると、ＳＵＢ−ＥＭＦとＭＡＩＮ−ＥＭＦとで大小関係が逆転し、ＳＵＢ−ＥＭＦはＭＡＩＮ−ＥＭＦよりも小さな値を示すようになる。このため、尿素水タンク内に誤ってガソリン、軽油、灯油等の燃料が投入された場合、図５の正常な振る舞いと異なり、ＳＵＢ−ＥＭＦがＭＡＩＮ−ＥＭＦよりも小さな値を示すようになると考えられる。このため尿素水タンク内に燃料が投入される燃料異常は、このような起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの逆転現象を検出することによって特定することができる。
【００６５】
また尿素水タンク内に誤ってブレーキフルード、クーラント、ウォッシャ液等のアルコール系液体が投入されることにより、アルコールやアルデヒド等の有極性のＨＣが排気中に含まれていると、図７に示すように、ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは共に０より僅かに小さな値を示すと考えられる。この振る舞いは、図５の正常な振る舞いと定性的には同じである。しかしながらこのように有極性のＨＣが検出された場合、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは、スリップしたＮＨ３が検出された場合よりもやや大きな値（すなわち、より０に近い値）を示すと考えられる（図５の破線参照）。またこの場合、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦは、スリップしたＮＨ３が検出された場合よりも小さな負の値（すなわち、０の近傍の負の値）を示すと考えられる（図５の破線参照）。したがって尿素水タンク内にアルコール系液体が投入されるアルコール異常は、尿素水インジェクタからの噴射量に応じて定められた閾値と起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦとを比較し、図７に示すような起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの振る舞いを検出することによって特定することができる。
【００６６】
図８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、タンク異常検知モジュール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。
【００６７】
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］及びＮＯ２検知電極５１４で発生する起電力ＳＵＢ−ＥＭＦ［ｍＶ］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。図５に示すように、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を用いて起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦからＮＯ２による影響を取り除くことによって、正確なＮＨ３濃度を算出する。
【００６８】
タンク異常検知モジュール７３２では、２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦに基づいて、尿素水タンク内に貯留されている尿素水の異常検知し、異常をした場合にはこれをドライバに報知するために警告灯を点灯したり、ＤＣＵに対して尿素水噴射制御の実行を停止させたり、ＤＣＵに対して噴射量の補正を要求したりする。図５〜図７を参照して説明したように、尿素水タンク内に貯留されている液体が、本来使用されるべき正規品の尿素水ではなく、正規品よりも低濃度の尿素水である場合や（薄まり異常）、燃料である場合や（燃料異常）、アルコール系液体である場合（アルコール異常）等の異常が生じている場合、ＮＨ３センサの２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは、正常な振る舞いとは異なる固有の振る舞いを示す。タンク異常検知モジュール７３２では、これら起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの組み合わせを用いることによって、これら３つの異常を検知する。このタンク異常検知処理の具体的な手順については、後に図１０及び図１１を参照して説明する。
【００６９】
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。
【００７０】
図９は、ＤＣＵによる尿素水噴射制御を開始するための準備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、ＤＣＵにおいて実行される。
【００７１】
始めにＳ１では、ＤＣＵは、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仮定して、外気温度センサ及び尿素水温度センサの出力に基づいて、尿素水タンク内に貯留されている尿素水が氷結しているか否か、換言すれば尿素水噴射制御を開始するにあたり尿素水タンク内の尿素水を解凍するヒーティングが必要な状態であるか否かを判定する。Ｓ１の判定がＮＯである場合には、ＤＣＵは、図９の処理を終了し直ちに尿素水噴射制御を開始する。
【００７２】
Ｓ１の判定がＹＥＳであり尿素水タンク内の尿素水が氷結していると推定される場合には、ＤＣＵは、ヒーティングを開始する前に尿素水ポンプを所定時間にわたって試験的に駆動し、この際のライン圧センサの出力を取得する（Ｓ２参照）。Ｓ３では、ＤＣＵは、Ｓ２で取得したライン圧センサの出力を用いて、尿素水ポンプを試験的に駆動した時にライン圧に有意な圧力上昇が確認できたか否かを判定する。
【００７３】
Ｓ３の判定がＹＥＳである場合、すなわちタンク内の正規品の尿素水が氷結していると推定されるにもかかわらずライン圧の上昇が確認できる場合には、ＤＣＵは、尿素水タンク内には、正規品の尿素水よりも凝固点が低い燃料又はアルコール系液体が貯留されている可能性があると判断する（Ｓ４参照）。ここで、例えば正規品の尿素水（例えば、３２．７％の尿素水）の凝固点は−１１℃であるのに対し、軽油の凝固点は−１５℃であり、ブレーキフルードの凝固点は−５０℃であり、ウォッシャ液の凝固点は−２０℃である。従って、Ｓ３の判定結果がＹＥＳである場合には、外気温度センサ、尿素水温度センサ、及びライン圧センサの何れかに異常が生じている場合を除けば、尿素水タンク内には燃料又はアルコール系液体が貯留されていると判断することは妥当である。したがってＤＣＵは、Ｓ３の判定がＹＥＳである場合には、何等かの異常（タンク内の液体、又は各種センサ等の異常）が生じている可能性があることをドライバに報知すべく警告灯を点灯し（Ｓ５参照）、図９の処理を終了し、尿素水噴射制御を開始する。
【００７４】
Ｓ３の判定がＮＯである場合、ＤＣＵは、所定の正規解氷予定時間にわたりヒーティングを行う（Ｓ６参照）。ここで、正規解氷予定時間とは、タンク内には正規品の尿素水が氷結していると仮定した場合において、このタンク内の尿素水が解凍すると予想される時間であり、外気温度センサ及び尿素水温度センサの出力に基づいてＤＣＵによって算出される。
【００７５】
Ｓ６のヒーティングが完了したら、ＤＣＵは、再び尿素水ポンプを所定時間にわたって試験的に駆動し、この際のライン圧センサの出力を取得する（Ｓ７参照）。Ｓ８では、ＤＣＵは、Ｓ７で取得したライン圧センサの出力を用いて、尿素水ポンプを試験的に駆動した時にライン圧に有意な圧力上昇が確認できたか否かを判定する。
【００７６】
Ｓ８の判定がＮＯである場合、すなわちタンク内の正規品の尿素水は既に解氷していると推定されるにもかかわらずライン圧の上昇が確認できない場合には、ＤＣＵは、尿素水タンク内には、正規品の尿素水よりも凝固点が高い液体、すなわち水又は水で薄められた尿素水が貯留されている可能性があると判断する（Ｓ９参照）。ここで、上述のように正規日の尿素水の凝固点は−１１℃であるのに対し、水の凝固点は０℃である。従って、Ｓ８の判定結果がＮＯである場合には、外気温度センサ、尿素水温度センサ、及びライン圧センサの何れかに異常が生じている場合を除けば、尿素水タンク内には水又は水で薄められた尿素水が貯留されていると判断することは妥当である。したがってＤＣＵは、Ｓ８の判定がＮＯである場合には、何等かの異常（タンク内の液体、又は各種センサ等の異常）が生じている可能性があることをドライバに報知すべく警告灯を点灯し（Ｓ１０参照）、再びヒーティングを行う（Ｓ６参照）。
【００７７】
Ｓ７の判定がＹＥＳである場合、ＤＣＵは、尿素水タンク内の液体は解氷し、尿素水噴射制御を開始できる状態になったと判断し、図９の処理を終了し、尿素水噴射制御を開始する。
【００７８】
図１０及び図１１は、センサコントローラによるタンク異常判定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。タンク異常判定処理は、尿素水インジェクタから所定量の尿素水タンク内の液体を試験的に噴射した時の応答として発生する起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの組み合わせを用いることによって、尿素水タンク内の液体の異常を、液体が正規品よりも低濃度の尿素水である薄まり異常と、液体が燃料を含む燃料異常と、液体がアルコール系液体を含むアルコール異常と、で分けて判定する処理である。
【００７９】
タンク異常判定処理は、例えば、図９に示す準備処理が終了し、ＤＣＵにおける尿素水噴射制御が実行可能な状態になった後であって、タンク異常判定処理を実行するのに適した所定のタイミングで、かつ所定の頻度で、センサコントローラにおいて実行される。以下で説明するように、このタンク異常判定処理は、ＳＣＲ触媒からＮＨ３を積極的にスリップさせる必要がある。したがって、タンク異常判定処理を行う頻度は、例えばイグニッションスイッチをオンにしてからオフにするまでの１ドライビングサイクルにつき、１回程度であることが好ましい。また、タンク異常判定処理の判定精度を向上するためには、以下で説明するようにＳＣＲ触媒から適切な量のＮＨ３をスリップさせる必要がある。したがって、タンク異常判定処理は、後述のトラップ量が０になる時期、より具体的には、フィルタの再生直後であってＳＣＲ触媒の温度が高温になっている時期に行うことが好ましい。
【００８０】
始めにＳ２１では、センサコントローラは、エンジン回転数やエンジン負荷等の現在のエンジンの運転状態を特定するパラメータを取得し、これらに基づいてＳＣＲ触媒へのＮＯｘ流入量［ｇ／ｓｅｃ］を算出し、算出した量のＮＯｘを全て還元するために必要とされる正規品の尿素水の量（以下、「ＮＯｘ浄化等価量」という）［ｇ／ｓｅｃ］を算出する。
【００８１】
Ｓ２２では、センサコントローラは、ＳＣＲ触媒の温度に基づいて現在のＳＣＲ触媒のＮＨ３貯蔵性能を推定し、これを用いることによって、尿素水インジェクタから噴射された正規品の尿素水のうち、ＮＨ３としてＳＣＲ触媒に貯蔵されるであろうと推定される尿素水の量（以下、「トラップ量」という）［ｇ／ｓｅｃ］を算出する。
【００８２】
Ｓ２３では、センサコントローラは、ＮＯｘ浄化等価量と、トラップ量と、所定の正の第１余剰量［ｇ／ｓｅｃ］とを合算することにより、尿素水インジェクタから試験的に噴射させる尿素水の量（以下、「要求噴射量」という）を算出する。ここで第１余剰量は、尿素水タンク内に貯留されている液体が正規品の尿素水であるとした場合に、ＳＣＲ触媒の下流側へ僅かな量のＮＨ３がスリップする程度（図５における例では、２０ｐｐｍ程度）の量に調整される。換言すれば、第１余剰量は、尿素水タンク内に貯留されている液体が正規品の尿素水であるとした場合に、ＳＵＢ−ＥＭＦが０近傍又は正の値を示す程度の量に調整される。
【００８３】
Ｓ２４では、センサコントローラは、尿素水タンク内の液体が正常であるか否かを判定するため、尿素水インジェクタから上記要求噴射量の尿素水を試験的に噴射させるようＤＣＵに要求する。ＤＣＵは、センサコントローラからの要求に応じて、尿素水インジェクタから要求噴射量の尿素水を所定期間にわたり噴射する。
【００８４】
尿素水タンク内に貯留されている液体が正規品の尿素水である場合には、尿素水インジェクタから要求噴射量の尿素水を噴射させると、所定時間の遅れがあった後、ＳＣＲ触媒の下流側へ第１余剰量に応じた量のＮＨ３がスリップする。またＮＨ３センサは、ＳＣＲ触媒からスリップした成分に応じて起電力スリップした起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを発生する。Ｓ２５では、センサコントローラは、このようにして尿素水インジェクタから要求噴射量の尿素水を噴射させた時の応答として発生するＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを取得する。
【００８５】
Ｓ２６では、センサコントローラは、Ｓ２５で取得したＭＡＩＮ−ＥＭＦ及びＳＵＢ−ＥＭＦは何れも負値であるか否か（ＭＡＩＮ−ＥＭＦ＜０かつＳＵＢ−ＥＭＦ＜０）を判定する。尿素水タンクに貯留されている液体が正規品の尿素水である場合、ＳＣＲ触媒の下流側へ第１余剰量に応じた僅かな量のＮＨ３がスリップするので、図５に示すようにＭＡＩＮ−ＥＭＦは大きな負値を示し、ＳＵＢ−ＥＭＦは０近傍又は正の値を示す。これに対し尿素水タンク内に貯留されている液体が燃料である場合やアルコール系液体である場合、図７に示すようにＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは共に負値を示す。したがってＳ２６の判定がＹＥＳである場合とは、燃料異常又はアルコール異常である可能性が高いと言える。
【００８６】
Ｓ２６の判定がＹＥＳである場合、センサコントローラは、Ｓ２５で取得したＳＵＢ−ＥＭＦがＭＡＩＮ−ＥＭＦよりも小さいか否かを判定する（Ｓ２７参照）。Ｓ２７の判定がＹＥＳの場合、すなわち図７で説明した逆転現象が検出された場合には、センサコントローラは、尿素水タンク内の液体は燃料を含む燃料異常が発生していると判定するとともに警告灯を点灯し（Ｓ２８参照）、尿素水インジェクタからの噴射を直ちに停止するようＤＣＵに要求し（Ｓ２９参照）、図１０及び図１１の処理を終了する。
【００８７】
Ｓ２６の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、Ｓ２５で取得したＭＡＩＮ−ＥＭＦが第１余剰量に応じて定められる所定の負の閾値Ｖ１より大きいか否かを判定する（Ｓ３０参照）。Ｓ３１の判定がＹＥＳの場合、すなわち図５及び図７で説明したように、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦについてＮＨ３スリップ時の正常な振る舞いよりも正方向へのシフトが検出された場合には、センサコントローラは、尿素水タンク内の液体はアルコール系液体を含むアルコール異常が発生していると判定するとともに警告灯を点灯し（Ｓ３１参照）、尿素水インジェクタからの噴射を直ちに停止するようＤＣＵに要求し（Ｓ２９参照）、図１０及び図１１の処理を終了する。
【００８８】
一方、Ｓ２６の判定がＮＯである場合又はＳ３０の判定がＮＯである場合には、より詳細に尿素水タンク内の異常を判定すべく、センサコントローラは、Ｓ３２に移る。Ｓ３２では、センサコントローラは、尿素水インジェクタから再度試験的に尿素水を噴射させる際における要求噴射量として、現在の尿素水インジェクタから噴射可能な最大の量を設定する。なお以下では、最大噴射量からＮＯｘ浄化等価量及びトラップ量を減算して得られる噴射量を第２余剰量ともいう。
【００８９】
Ｓ３３では、センサコントローラは、尿素水タンク内の液体が正常であるか否かを判定するため、尿素水インジェクタから上記Ｓ３２で設定した要求噴射量の尿素水を試験的に噴射させるようＤＣＵに要求する。ＤＣＵは、センサコントローラからの要求に応じて、尿素水インジェクタから要求噴射量の尿素水を所定期間にわたり噴射する。
【００９０】
Ｓ３４では、センサコントローラは、尿素水インジェクタから要求噴射量の尿素水を噴射させた時の応答として発生するＮＨ３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを取得する。
【００９１】
Ｓ３５では、センサコントローラは、Ｓ３４で取得したＭＡＩＮ−ＥＭＦが第２余剰量に応じて定められる所定の負の閾値Ｖ２より大きくかつＳＵＢ−ＥＭＦが第２余剰量に応じて０より僅かに大きな値に定められる正の閾値Ｖ３より大きいか否かを判定する。Ｓ３５の判定がＹＥＳの場合、すなわち図５及び図６で説明したように、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ及びＳＵＢ−ＥＭＦの両方について、ＮＨ３スリップ時の正常な振る舞いよりも正方向へのシフトが検出された場合には、センサコントローラは、尿素水タンク内の液体は、正規品の尿素水より薄い濃度の尿素水であると判定するとともに警告灯を点灯する（Ｓ３６参照）。さらにセンサコントローラは、低い濃度の尿素水が用いられることによるＮＯｘ浄化性能の低下を抑制すべく、尿素水インジェクタからの噴射量を、正規品の尿素水が用いられることを前提として定められる所定の基準噴射量よりも増量側へ補正するようＤＣＵに要求し（Ｓ３７参照）、図１０及び図１１の処理を終了する。またＳ３５の判定がＮＯである場合、センサコントローラは、尿素水タンク内の液体に異常は無い、すなわち尿素水タンク内の液体は正規品の尿素水であると判定し（Ｓ３８参照）、図１０及び図１１の処理を終了する。
【００９２】
以上、本発明の一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】
【００９３】
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）
４１…尿素水タンク
４２…尿素水インジェクタ（噴射弁）
５…ＮＨ３センサ
５１１…固体電解質体
５１２…基準電極
５１３…ＮＨ３検知電極（ＮＨ３電極）
５１４…ＮＯ２検知電極（ＮＯ２電極）
７３…センサコントローラ（異常判定手段）
【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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