(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気系に設けられ排気ガスのＮＯｘ濃度を検知するＮＯｘセンサであって、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルのそれぞれが対の電極を備えると共に、前記ポンプセル及び前記モニタセルがＡｕ材料を含む電極、及び前記センサセルがＲｈ材料を含む電極を用いているＮＯｘセンサと、
排気ガス中のＮＯｘ濃度が所定値以下又は排気ガス中にＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある所定の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
当該運転状態検出手段により前記所定の運転状態が所定時間検出されたときの、前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて、当該ＮＯｘセンサの劣化を判定する劣化判定手段と、を備え、
前記判定手段は、前記モニタセルの出力電流値から前記センサセルの出力電流値を減算して前記ＮＯｘセンサの出力がマイナスのとき、劣化状態にあると判定することを特徴とするＮＯｘセンサの劣化判定制御装置。
【請求項２】
前記所定の運転状態は、前記エンジンのフュエルカット運転状態である請求項１に記載のＮＯｘセンサの劣化判定制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載のＮＯｘセンサの劣化判定制御装置と、
当該判定手段により劣化状態にあると判定されたとき、前記ポンプセルの電極への電圧印加を所定時間停止する電圧印加停止手段と、
を備えることを特徴とするＮＯｘセンサの劣化回復制御装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘセンサの劣化度を算出する劣化度算出手段と、
当該算出手段により算出されたＮＯｘセンサの劣化度に応じて、前記電圧印加停止手段により停止される電圧印加の所定時間を決定する電圧印加停止時間決定手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のＮＯｘセンサの劣化回復制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するためのＮＯｘセンサの劣化判定制御装置及び劣化回復制御装置に係り、特に、内燃機関の排気ガス中に含まれたＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサの劣化判定制御装置及び劣化回復制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検出ガス中のＮＯｘ濃度、特に内燃機関から排出された排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するものとして、ＮＯｘセンサが公知である。こうしたＮＯｘセンサは、例えば、ディーゼルエンジンにおける選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化システム（所謂尿素ＳＣＲシステム）において、ＮＯｘ触媒の下流側に配設され、その検出ＮＯｘ濃度がＮＯｘ触媒に対する還元剤添加量の制御等に利用される。
【０００３】
通常、ＮＯｘセンサは、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルからなる３セル構造を有し、ポンプセルではセンサ室内に導入した排気ガス中の酸素の排出又は汲み出しが行われる。またモニタセルではポンプセル通過後のセンサ室内の残留酸素濃度が検出され、センサセルではポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度が検出される（特許文献１参照）。
【０００４】
そして、ポンプセルは、固体電解質体とその上下表面に対向配置された一対の電極からなり、一対の電極のうちセンサ室側の電極には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極であるＡｕ材料を含む電極が、大気通路側の電極には、Ｐｔ電極が使用されている。また、モニタセルは、固体電解質体とその上下表面に対向配置された一対の電極からなり、ポンプセルと同様に、一対の電極のうちセンサ室側の電極には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極であるＡｕ材料を含む電極が、大気通路側の電極には、Ｐｔ電極が用いられている。他方、センサセルは、モニタセルに隣接して設けられ、固体電解質体とその上下表面に対向配置された一対の電極のうち大気通路側の電極はモニタセルと別個又は共通のＰｔ電極となっているが、センサ室側の電極には、ＮＯｘの還元分解に対して活性な電極であるＲｈ材料を含む電極が用いられている。
【０００５】
ところで、ＮＯｘセンサが劣化すると正確なＮＯｘ濃度が検出できなくなり、その結果排気エミッションが悪化するなどの不具合が生じる。実際、自動車の分野では、排気ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態で各種排気ガス関連部品の劣化を診断すること（ＯBD; Ｏn BＯard DiagnＯsis）が法規化されつつある。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２８８０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＮＯｘセンサ、特にＮＯｘ触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサの場合、ＮＯｘセンサの劣化を診断することは一般的には困難である。なぜなら、エンジンの運転状態にばらつきがあることに加え、ＮＯｘセンサに供給される排気ガスがＮＯｘ触媒を通過した後のガスであり、センサ検出濃度の比較対象となる真のＮＯｘ濃度の推定が難しいからである。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ＮＯｘ触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサの場合であっても、その劣化の判定ないしは診断及び回復を容易にできる、ＮＯｘセンサの劣化判定制御装置及び劣化回復制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ここで、本発明者等の鋭意研究の結果、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルのそれぞれが対の電極を備えると共に、前記ポンプセル及び前記モニタセルがＡｕ材料を含む電極、及び前記センサセルがＲｈ材料を含む電極を用いているＮＯｘセンサにおいては、その使用過程で、ポンプセル（及びモニタセル）に用いられているＡｕ材料を含む電極からＡｕ材料が飛散し、これがセンサセルのＲｈ材料を含む電極に付着すること（これを、以下、Ａｕ被毒とも称する）が判明した。このＡｕ被毒の結果として、センサセル電極中のＲｈが電極内側に移動し、ガスとＲｈとの反応面積が小さくなってセンサセルの還元能力が落ち、ＮＯｘセンサの出力が次第に低下していくものと推定される。
【００１０】
そこで、上記目的を達成する本発明に係るＮＯｘセンサの劣化判定制御装置の一形態は、エンジンの排気系に設けられ排気ガスのＮＯｘ濃度を検知するＮＯｘセンサであって、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルのそれぞれが対の電極を備えると共に、前記ポンプセル及び前記モニタセルがＡｕ材料を含む電極、及び前記センサセルがＲｈ材料を含む電極を用いているＮＯｘセンサと、排気ガス中のＮＯｘ濃度が所定値以下又は排気ガス中にＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある所定の運転状態を検出する運転状態検出手段と、当該運転状態検出手段により前記所定の運転状態が所定時間検出されたときの、前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて、当該ＮＯｘセンサの劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この形態によれば、運転状態検出手段により、排気ガス中のＮＯｘ濃度が所定値以下又は排気ガス中にＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある所定の運転状態が所定時間検出されるとき、換言すると、ＮＯｘ濃度が所定値以下又はＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある排気ガスがＮＯｘセンサのモニタセル及びセンサセルに到達したとき、劣化判定手段により、ＮＯｘセンサの出力に基づいてＮＯｘセンサの劣化が判定される。すなわち、ＮＯｘ濃度が所定値以下又はＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある排気ガスがモニタセルに到達した場合には、Ｏ２濃度が一定であることから、この濃度に対応した一定の電流値が得られる。これに対し、ＮＯｘ濃度が所定値以下又はＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある排気ガスがセンサセルに到達した場合、ＮＯｘセンサの劣化がなく正常のときには、Ｏ２濃度が一定であることから、この濃度に対応したモニタセルと同じ一定の電流値が得られる一方、ＮＯｘセンサが劣化しているときには、Ａｕ被毒の結果としてＲｈの反応面が小さくなっていることから、上記一定の電流値を下回る電流値しか得られない。したがって、これらのモニタセルとセンサセルとの電流値を対比することにより、ＮＯｘセンサの劣化が判定できるのである。
【００１２】
ここで、前記所定の運転状態は、前記エンジンのフュエルカット運転状態であることが好ましい。
【００１３】
この形態によれば、容易に、ＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある排気ガスを得ることができる。
【００１４】
また、前記判定手段は、前記ＮＯｘセンサの出力がマイナスのとき、劣化状態にあると判定するようにしてもよい。
【００１５】
上述のように、モニタセルとセンサセルとの電流値を対比する際に、単に、モニタセルの電流値からセンサセルの電流値を減算すればよく処理が簡略化される。
【００１６】
また、上記目的を達成する本発明に係るＮＯｘセンサの劣化回復制御装置の一形態は、エンジンの排気系に設けられ排気ガスのＮＯｘ濃度を検知するＮＯｘセンサであって、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルのそれぞれが対の電極を備えると共に、前記ポンプセル及び前記モニタセルがＡｕ材料を含む電極、及び前記センサセルがＲｈ材料を含む電極を用いているＮＯｘセンサと、当該ＮＯｘセンサの劣化を判定する判定手段と、当該判定手段により劣化状態にあると判定されたとき、前記ポンプセルの電極への電圧印加を所定時間停止する電圧印加停止手段と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
この形態によれば、ＮＯｘセンサが判定手段により劣化状態にあると判定されたとき、電圧印加停止手段によってポンプセルの電極への電圧印加が所定時間停止される。すると、電圧印加が停止されたポンプセルでの酸素の排出又は汲み出しが停止されるので、この酸素がセンサセルへ送られ、そのセンサ室は酸化雰囲気下となる。この酸化雰囲気下では、電極の内側へ移動していたＲｈが酸化してＲｈ２Ｏ３となり、電極の表面に移動する。そして、所定時間の経過後は電圧印加の停止が解除されるので、センサセルのセンサ室は還元雰囲気下となり、Ｒｈ２Ｏ３がＲｈとＯ２とに分解され、センサセルのＲｈ反応面積が元に戻る結果、ＮＯｘセンサの劣化が回復される。
【００１８】
ここで、前記ＮＯｘセンサの劣化度を算出する劣化度算出手段と、当該算出手段により算出されたＮＯｘセンサの劣化度に応じて、前記電圧印加停止手段により停止される電圧印加の所定時間を決定する電圧印加停止時間決定手段と、をさらに備えることが好ましい。
【００１９】
この形態によれば、ＮＯｘセンサの劣化度に応じて、電圧印加停止時間決定手段により電圧印加が停止される所定時間、すなわち、停止時間が決定されるので、効率よくＮＯｘセンサの劣化を回復させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ＮＯｘ触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサの場合であっても、その劣化の判定ないしは診断及び回復を容易にできるという、優れた効果が発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係るＮＯｘセンサの劣化判定及び回復制御装置を適用した内燃機関を示す概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車に搭載された圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。
【００２３】
他方、エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。
【００２４】
排気通路１５には、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒、特に選択還元型ＮＯｘ触媒３４が設けられている。なお排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒や、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するＤＰＲ（Diesel Particulate ReductiＯn）触媒が追加して設けられてもよい。また、ＮＯｘ触媒３４に還元剤としての尿素水を添加するための尿素添加装置４８が設けられている。具体的には、ＮＯｘ触媒３４の上流側の排気通路１５に、尿素水を噴射するための尿素添加弁４０が設けられている。尿素添加弁４０には供給ライン４１を通じて尿素供給ポンプ４２から尿素水が供給され、尿素供給ポンプ４２は尿素タンク４４に貯留された尿素水を吸引して吐出する。
【００２５】
また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、及び記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく、尿素添加弁４０及び尿素供給ポンプ４２を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、ＮＯｘ触媒３４の下流側に設けられたＮＯｘセンサ５０、ＮＯｘ触媒３４の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４が含まれる。ＮＯｘセンサ５０は排気ガスのＮＯｘ濃度に比例した大きさの出力信号を発する所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。その構造については後に詳しく述べる。
【００２６】
他のセンサ類として、クランク角センサ２６、アクセル開度センサ２７及びエンジンスイッチ２８がＥＣＵ１００に接続されている。クランク角センサ２６はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１０のクランク角を検出すると共に、エンジン１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ２７は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。エンジンスイッチ２８はユーザによってエンジン始動時にオン、エンジン停止時にオフされる。
【００２７】
選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic ReductiＯn）３４は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ２Ｏ５／ＷＯ３／ＴｉＯ２）を担持させたもの等が例示できる。選択還元型ＮＯｘ触媒３４は、その触媒温度が活性温度域にあり、且つ、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化する。尿素が触媒に添加されると、触媒上でアンモニアが生成され、このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。
【００２８】
ＮＯｘ触媒３４の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。
【００２９】
ＮＯｘ触媒３４に対する尿素添加量は、ＮＯｘセンサ５０により検出されるＮＯｘ濃度に基づき制御される。具体的には、検出ＮＯｘ濃度の値が常にゼロになるように尿素添加弁４０からの尿素噴射量が制御される。この場合、検出ＮＯｘ濃度の値のみに基づいて尿素噴射量を設定してもよいし、或いは、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいてＮＯｘ濃度をゼロとするような基本尿素噴射量を設定し、且つ、この基本尿素噴射量を検出ＮＯｘ濃度の値がゼロになるようにフィードバック補正してもよい。ＮＯｘ触媒３４が尿素添加時のみＮＯｘを還元可能なので、基本的に尿素は、エンジン運転中且つ燃料噴射実行時に常時添加される。また、ＮＯｘ還元に必要な最小限の量しか尿素が添加されないよう、制御が行われる。過剰に尿素を添加するとアンモニアが触媒下流に排出されてしまい（所謂ＮＨ３スリップ）、異臭等の原因となるからである。
【００３０】
次に、ＮＯｘセンサ５０の詳細について説明する。図２にはＮＯｘセンサ５０のセンサ素子２００の構造が拡大して示されている。ＮＯｘセンサ５０のセンサ素子２００は、以下に説明されるように、互いに積層された酸化ジルコニア等の酸素イオン導電性固体電解質層、アルミナ等の絶縁材料層、多孔質拡散層などから構成される。
【００３１】
センサ素子２００は、排気ガスが導入される第１チャンバ２２０及び第２チャンバ２２１と、大気に連通する第１大気通路２３０及び第２大気通路２３１と、第１チャンバ２２０側に設けられるポンプセル２４０と、第２チャンバ２２１側に設けられるセンサセル２５０及びモニタセル２６０とを有している。センサセル２５０とモニタセル２６０はセンサ素子２００の長手方向に隣接して配置されている。第１チャンバ２２０は第２チャンバ２２１と絞り２１０を介して連通しており、第１チャンバ２２０には、多孔質拡散層２０９及びピンホール２１１を介して排気ガスが導入される。
【００３２】
センサ素子２００は、センサセル２５０及びモニタセル２６０を構成するシート状の固体電解質体２７１の下方に、第１チャンバ２２０及び第２チャンバ２２１を構成するスペーサ２７２を介して、ポンプセル２４０を構成するシート状の固体電解質体２７３を積層し、さらに第１大気通路２３０を構成するスペーサ２７４及びシート状のヒータ２１２を積層して構成されている。固体電解質体２７１の上方には、多孔質拡散層２０９及び第２大気通路２３１を構成するスペーサ２７５が積層される。
【００３３】
固体電解質体２７１、２７３は、ジルコニア等の酸素イオン導電性を有する固体電解質からなり、スペーサ２７２、２７４、２７５は、アルミナ等の絶縁材料で構成される。多孔質拡散層２０９は多孔質アルミナ等からなる。
【００３４】
ポンプセル２４０は、固体電解質体２７３とその上下表面に対向配置された一対の電極２４１、２４２からなり、第１チャンバ２２０内に導入された排気ガス中の酸素を第１大気通路２３０に排出又は汲み入れて、第１チャンバ２２０内の酸素濃度を調整する。一対の電極のうち第１チャンバ２２０側の電極２４１には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性なＡｕ材料を含む電極として、例えば、Ｐｔ−Ａｕ多孔質サーメット電極が、第１大気通路２３０側の電極２４２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が好適に使用される。なお、多孔質サーメット電極は、金属成分とジルコニア、アルミナ等のセラミックスをペースト化し、焼成することにより形成される。
【００３５】
モニタセル２６０は、固体電解質体２７１とその上下表面に対向配置された一対の電極２６１、２６２からなり、第１チャンバ２２０から絞り２１０を経て第２チャンバ２２１内に導入された排気ガス中の残留酸素濃度を検出する。一対の電極のうち第２チャンバ２２１側の電極２６１には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性なＡｕ材料を含む電極として、例えば、Ｐｔ−Ａｕ多孔質サーメット電極が、第２大気通路２３１側の電極２６２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が用いられ、これら電極２６１、２６２間に、所定の電圧を印加することにより、残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。
【００３６】
センサセル２５０は、固体電解質体２７１とその上下表面に対向配置された一対の電極２５１、２５２からなる。なお、センサセル２５０は、モニタセル２６０に隣接して設けられており、一対の電極のうち第２大気通路２３１側の電極２５２はモニタセル２６０の電極２６２と共通電極とされてもよい。センサセル２５０は、第２チャンバ２２１内に導入された排気ガス中のＮＯｘ濃度及び残留酸素濃度を検出するもので、第２チャンバ２２１側の電極２５１には、ＮＯｘの還元分解に対して活性なＲｈ材料を含む電極として、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ多孔質サーメット電極が用いられる。これら電極２５１、２５２間に、所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度及び残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。
【００３７】
ヒータ２１２は、アルミナ等の絶縁材料からなるシート内に、ヒータ電極を埋設して形成される。ヒータ電極は、外部からの給電により発熱し、ヒータ２１２はセンサ素子２００全体を加熱して、上記各セル２４０、２５０、２６０を活性化温度（例えば、約７５０〜８００℃）以上に保持するために用いられる。
【００３８】
ここで、上記構成のＮＯｘセンサ５０の動作原理を説明する。図２において、被測定ガスである排気ガスは、多孔質拡散層２０９、ピンホール２１１を通過して第１チャンバ２２０に導入される。導入されるガス量は、多孔質拡散層２０９、ピンホール２１１の拡散抵抗により決定される。ここで、ポンプセル２４０の電極２４１、２４２に、第１大気通路２３０側の電極２４２が＋極となるように電圧を印加すると、第１チャンバ２２０側の電極２４１上で排気ガス中の酸素が還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極２４２側へ排出される（図２の白抜き矢印の方向）。印加電圧の向きを逆にすると、第１大気通路２３０側から第１チャンバ２２０側へ酸素が導入される。
【００３９】
ポンプセル２４０では、この酸素ポンプ作用を利用し、印加電圧の大きさと向きを調整して酸素を出し入れすることにより、チャンバ内の酸素濃度を制御することができる。通常は、ＮＯｘ検出時の酸素の影響を小さくするために、第１チャンバ２２０に導入される酸素を排出して、第２チャンバ２２１内を所定の低酸素濃度に保持する。なお、第１チャンバ２２０側の電極２４１はＮＯｘ不活性電極であるので、ポンプセル２４０において排気ガス中に含まれるＮＯ２がＮＯに還元されることはあるものの、ＮＯはそれ以上還元されない。したがって、第１チャンバ２２０内でＮＯｘがＮＯにほぼ単ガス化され、このＮＯｘを含む排気ガスが絞り２１０を通って第２チャンバ２２１内に流入する。
【００４０】
本実施の形態では、ポンプセル２４０の制御を、電流検出器２８１で測定されるポンプセル電流Ｉｐに応じて予め定められた印加電圧マップを用いて行う。ポンプセル２４０は、酸素濃度に対して限界電流特性を有し、ポンプセル印加電圧Ｖｐとポンプセル電流Ｉｐの関係を示すＶ−Ｉ特性図において、限界電流検出域はＶ軸に略平行な直線部分からなり、酸素濃度が高いほど電圧値が大きくなる方向にシフトする。従って、ポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐを可変制御することにより、第１チャンバ２２０に導入された酸素を速やかに排出し、第１チャンバ２２０内を所定の低酸素濃度に制御する。これにより、特定ガスであるＮＯｘを検出する際の妨害ガスとなる酸素の影響を小さくできる。
【００４１】
ポンプセル２４０近傍を通過した排気ガスは、絞り２１０を介して第１チャンバ２２０と連通する第２チャンバ２２１に流入する。排気ガス中に残留する微量の酸素は、モニタセル２６０の電極２６１、２６２間に、第２大気通路２３１側の電極２６２が＋極となるように所定の電圧を印加すると、第２チャンバ２２１側の電極２６１上で還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極２６２側へ排出される（図２の白抜き矢印の方向）。電極２６１はＮＯｘ不活性電極であるため、電流検出器２８３で測定されるモニタセル電流Ｉｍは、第２チャンバ２２１内の電極２６１に到達する酸素量に依存し、ＮＯｘ量には依存しない。従って、モニタセル電流Ｉｍを検出することで、残留酸素濃度を検出することができる。
【００４２】
一方、センサセル２５０では、第２チャンバ２２１側の電極２５１がＮＯｘ活性電極であるため、電極２５１、２５２間に、第２大気通路２３１側の電極２５２が＋極となるように所定の電圧を印加すると、第２チャンバ２２１側の電極２５１上で排気ガス中の残留酸素及びＮＯｘが還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極２５２側へ排出される（図２の白抜き矢印の方向）。従って、電流検出器１８２で測定されるセンサセル電流Ｉｓは、第２チャンバ２２１に到達する酸素量及びＮＯｘ量に依存したものとなる。センサセル２５０とモニタセル２６０は第２チャンバ２２１内で隣接しており、第２チャンバ２２１側の電極２５１、２６１に到達する酸素量はほぼ等しいので、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍ（酸素量分）を減算することで、ＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００４３】
さて、このような基本構成を持つＮＯｘセンサ５０においては、当該ＮＯｘセンサ５０が劣化するにつれ、第１チャンバ２２０内のポンプセル電極２４１及び第２チャンバ２２１内のモニタセル電極２６１から、ＮＯｘ触媒能を有しないか又はその触媒能が低い金属材料（以下、低触媒能金属材料ともいう）であるＡｕ材料が飛散すると共に、第２チャンバ２２１内のセンサセル電極２５１の表面に徐々に付着していき、当該センサセル電極２５１のＲｈが有するＮＯｘ触媒能を徐々に低下させていくことが判明した。この結果、排気ガスの同一ＮＯｘ濃度に対するＮＯｘセンサ５０の出力は、ＮＯｘセンサ５０の劣化につれ低濃度側に徐々に低下してしまう。センサセル電極２５１へのＡｕ付着量がＮＯｘセンサ５０の劣化度と相関する。
【００４４】
次に、上述の構成からなるＮＯｘセンサ５０が用いられたＮＯｘセンサの劣化判定制御装置における劣化判定制御の処理手順を、図３のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
【００４５】
そこで、制御がスタートとするとまず、ステップＳ３０１で、ＮＯｘセンサ５０の劣化診断ないしは劣化判定を行うのに適した所定条件が満たされているか否かの判定が行なわれる。なお、この劣化診断の所定条件としては、例えば、１）エンジン暖機完了（冷却水温が所定値以上）及び２）ＮＯｘセンサ活性済み（ヒータ温度が所定値以上）という条件に加え、３）ＮＯｘ濃度が所定値以下又はＮＯｘを含まない排気ガスをＮＯｘセンサ５０に供給できるような条件が整った（例えば、走行中）とき、所定条件成立となる。
【００４６】
この劣化診断条件が成立していないときには本ルーチンは一旦終了され、成立していると判断された場合に、次のステップＳ３０２に進む。そして、このステップＳ３０２では、エンジン１０がインジェクタ１４から燃焼室１３内への燃料の噴射供給を停止するフュエルカット運転状態に、所定時間、あるか否かが判定される。なお、このフュエルカット運転状態に所定時間あるか否かの判定は、エンジン１０の回転速度とアクセル開度センサ２７からのアクセル開度とに基づいて行うか、インジェクタ１４への駆動信号が所定時間停止されているか否かに基づいて行うことができる。
【００４７】
このフュエルカット運転状態では、燃焼室１３での燃焼が行われないことから、燃焼室から排出される排気ガス中にはＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある排気ガスがＮＯｘセンサ５０に到達することになる。
【００４８】
そこで、次のステップＳ３０３に進みＮＯｘセンサ５０の出力がマイナス（＜０）か否かが判定される。具体的には、ＮＯｘセンサ５０のモニタセル２６０からの出力電流値Ｉｍとセンサセル２５０からの出力電流値Ｉｓとが取得され、モニタセルの出力電流値Ｉｍからセンサセル２５０の出力電流値Ｉｓを減算したときに、マイナスとなるか否かが判定されるのである。
【００４９】
ここで、図４のグラフを参照して、ＮＯｘセンサ５０が正常のとき及び劣化したときとのそれぞれの場合における、センサセル２５０からの出力電流値Ｉｓとモニタセル２６０からの出力電流値Ｉｍとの関係及びＮＯｘセンサ５０の出力の関係を説明する。図４（Ａ）はＮＯｘセンサ５０が正常のとき、図４（Ｂ）はＮＯｘセンサ５０が劣化したときを示し、それぞれ、上側はセンサ電流、下側はＮＯｘセンサ出力である。
【００５０】
まず、排気ガス中にＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある排気ガスがＮＯｘセンサ５０のモニタセル２６０に到達した場合、このモニタセル２６０の出力電流値Ｉｍは、Ｏ２濃度が一定であることから、ＮＯｘセンサ５０が正常か劣化にかかわらず、この濃度に対応した一定の出力電流値Ｉｍ（図４（Ａ）及び（Ｂ）に＝Ａとして示されている）となる。
【００５１】
これに対し、同じく、排気ガス中にＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある排気ガスがセンサセル２５０に到達した場合、このセンサセル２５０の出力電流値Ｉｓは、ＮＯｘセンサ５０の劣化がなく正常のときには、Ｏ２濃度が一定であることから、この濃度に対応したモニタセル２６０の出力電流値Ｉｍと等しい一定の出力電流値Ｉｓ（図４（Ａ）に＝Ａとして示されている）が得られる。一方、ＮＯｘセンサが劣化しているときには、このセンサセル２５０の出力電流値Ｉｓは、Ａｕ被毒の結果として、センサセル２５０の電極２５１におけるＲｈの反応面積が小さくなっていることから、モニタセル２６０の出力電流値Ｉｍよりも低くなるのである。これらの結果、ＮＯｘセンサ５０が正常のときには、モニタセル２６０の出力電流値Ｉｍとセンサセル２５０の出力電流値Ｉｓとが等しいことから、減算の結果としてのＮＯｘセンサ５０の出力は、「０」（図４（Ａ）下側参照）となるのに対し、ＮＯｘセンサ５０が劣化しているときには、「０」より小さいマイナスとなる（図４（Ｂ）下側参照）。
【００５２】
ここで、図３に戻って、ステップＳ３０３における判定で、ＮＯｘセンサ５０の出力がマイナスでないときはステップＳ３０４に進み、ＮＯｘセンサ５０は正常と判定され、ＮＯｘセンサ５０の出力がマイナスのときはステップＳ３０５に進み、ＮＯｘセンサ５０は劣化状態にあると判定される。
【００５３】
なお、上述した実施形態では、燃焼室から排出される排気ガス中にＮＯｘが存在せず、Ｏ２濃度が一定の雰囲気下にある排気ガスを得るのに、エンジン１０のフュエルカット運転状態を選定したが、必ずしもこれに限ることなく、同様の状態として、排気ガス中のＮＯｘ濃度が所定値以下又は排気ガス中にＮＯｘが存在しない排気ガスが得られる運転状態を予め実験により求め、この運転状態を選定するようにしてもよい。排気ガス中のＮＯｘ濃度が所定値以下であれば、ＮＯｘが存在しない場合と同様にセンサセル２５０の出力電流値Ｉｓの低下が認められるからである。
【００５４】
次に、上述の構成からなるＮＯｘセンサ５０が劣化判定された後における劣化回復制御の処理手順を、図５のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
【００５５】
そこで、ステップＳ５０１においてＮＯｘセンサ５０の劣化回復制御指示がなされると、次のステップＳ５０２に進み、ポンプセル２４０の電極２４１、２４２への電圧印加が停止される。そして、次のステップＳ５０３において、この電圧印加の停止後に所定時間が経過したか否かが判定され、経過していないときはステップＳ５０２に戻される。換言すると、ポンプセル２４０の電極２４１、２４２への電圧印加が所定時間停止される。そして、この所定時間の経過後に本ルーチンは終了、すなわち、電圧印加の停止が解除される。
【００５６】
ここで、上記のポンプセル２４０の電極２４１、２４２への電圧印加が停止されることにより、ＮＯｘセンサ５０の劣化回復がなされ得るメカニズムについて、図６を参照して説明する。図６はＮＯｘセンサ５０におけるセンサセル２５０の第２チャンバ２２１側の電極２５１の断面構造を模式的に示す説明図であり、（Ａ）はＮＯｘセンサ５０が新品状態にあるとき、（Ｂ）はＡｕ被毒状態にあるとき、（Ｃ）は酸化雰囲気下にあるとき、（Ｄ）は酸化雰囲気によるＲｈ２Ｏ３の移動の様子、及び（Ｅ）は還元雰囲気下でのＲｈ２Ｏ３のＲｈとＯ２とへの分解の様子をそれぞれ示している。Ｐｔ−Ｒｈ多孔質サーメットで構成されているセンサセル２５０の電極２５１では、図６（Ａ）に示されるＮＯｘセンサ５０の新品状態では、Ｐｔ及びＲｈが均等に分散配列されているのに対し、図６（Ｂ）に示されるＡｕ被毒状態ではＲｈが電極内側に移動し、ＮＯｘガスとのＲｈ反応面積が縮小していると推定される。そこで、上記のポンプセル２４０の電極２４１、２４２への電圧印加が停止されると、電圧印加が停止されたポンプセル２４０での酸素の排出又は汲み出しが停止されるので、この酸素がセンサセル２５０へ送られ、そのセンサ室は図６（Ｃ）に示される酸化雰囲気下となる。この酸化雰囲気下では、電極２５１の内側へ移動していたＲｈが酸化してＲｈ２Ｏ３となり、図６（Ｄ）に示されるように、電極２５１の表面に移動する。そして、所定時間の経過後はポンプセル２４０への電圧印加停止が解除されるので、センサセル２５０のセンサ室は還元雰囲気下となり、Ｒｈ２Ｏ３がＲｈとＯ２とに分解され、図６（Ｅ）に示されるように、センサセル２５０のＲｈ反応面積が元に戻る結果、ＮＯｘセンサ５０の劣化が回復される。
【００５７】
なお、上述の所定時間は、予め実験などにより求めて設定される固定値であるが、他の実施形態として以下に説明するように、ＮＯｘセンサ５０の劣化度合いに応じて変動する変動値としてもよい。この場合には、ＮＯｘセンサ５０の劣化度Ｒに対応する停止時間Ｔが、例えば、図７のフローチャートに示す処理手順により求められる。すなわち、ステップＳ７０１において、ＮＯｘセンサ５０が起動されたか否かが判定され、起動されたときステップＳ７０２に進む。このＮＯｘセンサ５０が起動されたか否かの判定は、エンジン１０が始動されたか否かによってもよい。そして、ステップＳ７０２では、ＮＯｘセンサ５０のセンサ出力収束時間Ｔｓが計測される。そして、次のステップＳ７０３において、ＮＯｘセンサ５０の劣化度Ｒがこのセンサ出力収束時間Ｔｓと基準収束時間Ｔｂに基づいて算出される。
【００５８】
ここで、センサ出力収束時間Ｔｓと基準収束時間Ｔｂとの関係について、図８のグラフを参照して説明する。図８のグラフは、縦軸にセンサ出力、横軸に時間をとって、ＮＯｘセンサ５０の起動直後におけるセンサ出力の変化の様子を示したものである。図８のグラフにおいて、実線aは劣化センサの場合、破線bは正常センサの場合を示している。実験によると、ＮＯｘセンサ５０は起動と同時にある電流値の出力をなし、その後、当該出力が次第に収束していくことが判明している。そして、その収束時間はＮＯｘセンサの劣化度Ｒが大きくなるにつれ、短くなっている。すなわち、正常センサの場合は収束時間Ｔｂ（これを基準収束時間Ｔｂとしている）であるのに対し、劣化センサの場合には収束時間Ｔｓ（Ｔｓ＜Ｔｂ）である。
【００５９】
そこで、図７のフローチャートのステップＳ７０３においては、ＮＯｘセンサ５０の劣化度Ｒが、Ｒ＝Ｔｓ／Ｔｂとして求められる。そして、次のステップＳ７０４において、この算出された劣化度Ｒに対応する停止時間Ｔがマップから求められて決定される。なお、このマップは予め実験などにより求められ、ＥＣＵ１００に保管されている。
【００６０】
次に、上述の構成からなるＮＯｘセンサ５０が劣化判定された後に、その劣化度Ｒに応じて停止時間Ｔを変動させて劣化回復制御を行う場合の処理手順を、図９のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、このルーチンもＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
【００６１】
そこで、ステップＳ９０１においてＮＯｘセンサ５０の劣化回復制御指示がなされると、次のステップＳ９０２に進み、ＮＯｘセンサ５０の劣化度Ｒに応じた停止時間Ｔが設定される。そして、次のステップＳ９０３において、ポンプセル２４０の電極２４１、２４２への電圧印加が停止される。さらに、次のステップＳ９０４において、この電圧印加の停止時間Ｔが経過したか否かが判定され、経過していないときはステップＳ９０３に戻される。換言すると、ポンプセル２４０の電極２４１、２４２への電圧印加が停止時間Ｔだけ停止される。そして、この停止時間Ｔの経過後に本ルーチンは終了、すなわち、電圧印加の停止が解除される。
【００６２】
なお、上述の図７のフローチャートに示す処理手順においては、ＮＯｘセンサ５０の劣化度Ｒをセンサ起動時のセンサ出力収束時間Ｔｓ用いて求めるようにしたが、この劣化度Ｒは、エンジン１０の運転中にあっては、上述のフュエルカット運転状態でのモニタセル２６０の出力電流値Ｉｍとセンサセル２５０の出力電流値Ｉｓとの差の大きさに基づいて算出するようにし、この算出した劣化度Ｒに対応する停止時間Ｔをマップから求めて決定するようにしてもよい。
【００６３】
また、この劣化度Ｒを所定の劣化判定値Ｒｓ（例えば、０．８）と比較することにより、劣化度Ｒが劣化判定値Ｒｓより大きい（ほぼ１．０に近い）場合には、ＮＯｘセンサ５０は正常と判定し、劣化度Ｒが劣化判定値Ｒｓより小さい場合には、ＮＯｘセンサ５０は劣化状態にあると判定するようにして、この正常と判定されたときには劣化回復制御を行わないようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係るＮＯｘセンサの劣化判定及び回復制御装置を適用した内燃機関を示す概略的なシステム図である。
【図２】ＮＯｘセンサのセンサ素子の構造を示す断面図である。
【図３】本発明に係るＮＯｘセンサの劣化判定制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図４】センサセルの出力電流値Ｉｓとモニタセルの出力電流値Ｉｍとの関係及びＮＯｘセンサの出力の関係を示すグラフであり、（Ａ）はＮＯｘセンサが正常のとき、（Ｂ）はＮＯｘセンサ５０が劣化したとき、それぞれ、上側はセンサ電流、下側はＮＯｘセンサ出力を示す。
【図５】ＮＯｘセンサが劣化判定された後における劣化回復制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】ＮＯｘセンサにおけるセンサセルの第２チャンバ側の電極の断面構造を模式的に示す説明図であり、（Ａ）はＮＯｘセンサが新品状態、（Ｂ）はＡｕ被毒状態、（Ｃ）は酸化雰囲気下、（Ｄ）は酸化雰囲気によるＲｈ２Ｏ３の移動の様子、及び（Ｅ）は還元雰囲気下でのＲｈ２Ｏ３のＲｈとＯ２とへの分解の様子をそれぞれ示す。
【図７】ＮＯｘセンサの劣化度Ｒに対応する停止時間Ｔを決定するための処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図８】ＮＯｘセンサの起動直後におけるセンサ出力の変化の様子を示すグラフである。
【図９】劣化度Ｒに応じて停止時間Ｔを変動させて劣化回復制御を行う場合の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１０    エンジン
１５    排気通路
３４    ＮＯｘ触媒
５０    ＮＯｘセンサ
１００    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２００    センサ素子
２１２    ヒータ
２２０    第１チャンバ
２２１    第２チャンバ
２３０    第１大気通路
２３１    第２大気通路
２４０    ポンプセル
２４１、２４２    電極
２５０    センサセル
２５１、２５２    電極
２６０    モニタセル
２６１、２６２    電極
【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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