JP5067663B2

JP5067663B2 - ＮＯｘセンサの異常診断装置

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Publication number: JP5067663B2
Application number: JP2008007096A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: JP2009168617A

Description

本発明はＮＯｘセンサの異常診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘセンサの異常診断装置に関する。

内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の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。

ところでＮＯｘセンサが故障或いは熱劣化等により異常を来すと、正確なＮＯｘ濃度が検出できなくなり、その結果排気エミッションが悪化するなどの不具合が生じる。実際、自動車の分野では、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で各種排ガス関連部品の異常を検出することが法規化されつつある。

かかるＮＯｘセンサの異常診断については、例えば特許文献１に開示されたものがある。これにおいては、ＮＯｘセンサに供給される排気ガス中の酸素濃度が既知であるときに、ＮＯｘセンサの酸素ポンプセルに特定の電圧を印加し、このときに酸素ポンプセルから出力される出力値が当該酸素ポンプセルが正常であるときにとりうると予想される値からずれているときに、ＮＯｘセンサが故障していると診断する。

特開２００３−２７０１９４号公報

ところで、ＮＯｘ触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサの場合、ＮＯｘセンサの異常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。また、ＮＯｘセンサは構造が複雑で、センサのＮＯｘ濃度検出性能の低下と相関のあるパラメータないし特性を選定するのが難しいからである。

かかる状況の中、本発明者は鋭意研究の末、ＮＯｘ濃度検出性能の低下と相関のあるパラメータないし特性を新たに見出した。本発明の目的は、そのような新規なパラメータないし特性を利用してＮＯｘセンサの異常診断を行えるＮＯｘセンサの異常診断装置を提供することにある。

本発明によれば、
内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘセンサの異常診断装置であって、
前記ＮＯｘセンサのセンサセルにおける酸素吸着能を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された酸素吸着能に基づき、前記ＮＯｘセンサの異常を判定する判定手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断装置が提供される。

本発明者は、鋭意研究の末、ＮＯｘセンサのセンサ出力を発するセンサセルに酸素吸着能があること、及びこの酸素吸着能がＮＯｘセンサの劣化に伴って低下してくることを見出した。そこで本発明では、かかる新規なパラメータないし特性としてのセンサセルの酸素吸着能と、ＮＯｘセンサ劣化度との相関性を利用し、ＮＯｘセンサの異常診断を行うこととしている。

好ましくは、前記計測手段は、前記内燃機関の始動前に前記ＮＯｘセンサのヒータをオンし、このヒータオン実行中における前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて前記酸素吸着能を計測する。

内燃機関の始動前にＮＯｘセンサのヒータをオンし、ＮＯｘセンサの暖機を開始すると、内燃機関が始動されておらず排気ガス及びこれに含まれるＮＯｘが無い状態であるにも拘わらず、暫くしてセンサ出力が一時的に立ち上がり、あたかもＮＯｘ濃度が一時的に増大したかのような挙動を示す。これは、センサ放置中にセンサセルの電極上に吸着された酸素が当該電極上において分解され、センサセルにおいて酸素イオン電流が流れることに起因する。このとき、センサセルにおける酸素吸着量に応じてセンサ出力の立ち上がり方が相違するので、これを利用してＮＯｘセンサの酸素吸着能が計測される。

また好ましくは、前記計測手段は、前記内燃機関のフューエルカット中に前記ＮＯｘセンサの酸素ポンプセルに対し所定時間の印加電圧の減少、停止及び逆転のいずれかを実行し、その後印加電圧を元の既定状態に復帰させ、当該復帰後のＮＯｘセンサ出力に基づいて、前記酸素吸着能を計測する。

エンジンの燃料噴射を停止するフューエルカット中には、ＮＯｘセンサ及びそのセンサセルに空気が供給されるが、これに加えてＮＯｘセンサの酸素ポンプセルに対し、所定時間の印加電圧の減少、停止及び逆転のいずれかを実行すると、センサセルの電極に対しより一層積極的に酸素を供給し、酸素を吸着させることができる。この後、フューエルカット継続中に酸素ポンプセルの印加電圧を元の既定状態に復帰させることにより、前記同様の、センサセルの酸素吸着量に応じたセンサ出力挙動が得られ、これを利用してＮＯｘセンサの酸素吸着能が計測される。

好ましくは、前記ＮＯｘセンサの異常診断装置は、前記判定手段により前記ＮＯｘセンサが正常と判定されたとき、少なくとも前記計測手段により計測された酸素吸着能に基づき、前記ＮＯｘセンサの出力を補正する補正手段を備える。

前述したように、センサセルの酸素吸着能とＮＯｘセンサ劣化度との間には相関関係がある。よって計測された酸素吸着能に基づき、ＮＯｘセンサの劣化度を一定に保つよう、ＮＯｘセンサの出力が補正される。これによりＮＯｘセンサ出力を用いた各種制御を精度良く安定して行うことができる。

本発明によれば、ＮＯｘ濃度検出性能の低下と相関のある新規なパラメータないし特性を利用してＮＯｘセンサの異常診断を行えるという、優れた効果が発揮される。

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。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車に搭載された圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。

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。

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。

また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく、尿素添加弁４０及び尿素供給ポンプ４２を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、ＮＯｘ触媒３４の下流側に設けられたＮＯｘセンサ５０、ＮＯｘ触媒３４の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４が含まれる。ＮＯｘセンサ５０は排気ガスのＮＯｘ濃度に比例した大きさの出力信号を発する所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。その構造については後に詳しく述べる。

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。

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。

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。

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。

次に、ＮＯｘセンサ５０の詳細について説明する。図２にはＮＯｘセンサ５０のセンサ部の構造を示す。ＮＯｘセンサ５０のセンサ部は互いに積層された６つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これら６つの固体電解質層を以下、上から順に第１層Ｌ₁、第２層Ｌ₂、第３層Ｌ₃、第４層Ｌ₄、第５層Ｌ₅、第６層Ｌ₆と称する。

第１層Ｌ₁と第３層Ｌ₃との間には、例えば、多孔質材料または細孔を形成されている材料からなる第１の拡散律速部材６２と第２の拡散律速部材６３とが配置されている。これら拡散律速部材６２，６３間には、第１室６４が形成される。第２の拡散律速部材６３と第２層Ｌ₂との間には、第２室６５が形成されている。また、第３層Ｌ₃と第５層Ｌ₅との間には、外気に連通している大気室６６が形成されている。一方、第１の拡散律速部材６２の外端面は雰囲気ガスとしての排気ガスと接触されている。したがって排気ガスは第１の拡散律速部材６２を通じて第１室６４内に流入する。

一方、第１室６４に面する第１層Ｌ₁の内周面上には、陰極側第１ポンプ電極６７が形成されている。第１層Ｌ₁の外周面上には、陽極側第１ポンプ電極６８が形成されている。これら第１ポンプ電極６７，６８間には第１ポンプ電圧源６９により電圧が印加される。第１ポンプ電極６７，６８間に電圧が印加されると、第１室６４内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第１ポンプ電極６７と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側第１ポンプ電極６８に向かって第１層Ｌ₁内を流れる。したがって、第１室６４内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ₁内を移動して室外に汲み出されることになる。このとき汲み出される酸素量は第１ポンプ電圧源６９の電圧が高くなるほど多くなる。

このように、本実施形態では、陰極側第１ポンプ電極６７および陽極側第１ポンプ電極６８が、それぞれ、第１室６４内の排気ガスから酸素を排出するための第１の酸素ポンプセルの対面する２つの電極板を構成する。

一方、大気室６６に面する第３層Ｌ₃の内周面上には、基準電極７０が形成されている。ところで酸素イオン伝導性のある固体電解質からなる層（以下、固体電解質層と称す）では、固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向かって酸素イオンが固体電解質層内を移動する。図２に示されている例では、大気室６６内の酸素濃度の方が第１室６４内の酸素濃度よりも高いので、大気室６６内の酸素は基準電極７０と接触することによって電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは第３層Ｌ₃、第２層Ｌ₂および第１層Ｌ₁内を移動し、陰極側第１ポンプ電極６７において電荷を放出する。この結果、基準電極７０と陰極側第１ポンプ電極６７との間に符号１１で示した電圧（起電力）Ｖ₀が発生する。この電圧Ｖ₀は大気室６６内と第１室６４内との酸素濃度差に比例する。

図２に示されている例では、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するときには、この電圧Ｖ₀が、第１室６４内の酸素濃度が１ｐｐｍのときに生ずる電圧に一致するように、第１ポンプ電圧源６９の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第１室６４内の酸素は第１室６４内の酸素濃度が１ｐｐｍとなるように第１層Ｌ₁を通って汲み出され、それによって、第１室６４内の酸素濃度が１ｐｐｍに維持される。

このように、本実施形態では、基準電極７０および陰極側第１ポンプ電極６７が、それぞれ、第１室６４内の排気ガス中の酸素濃度を監視するための第１酸素濃度監視セルの対面する２つの電極板を構成する。

なお、陰極側第１ポンプ電極６７は、ＮＯｘに対しては還元性の低い材料、例えば、金（Ａｕ）と白金（Ｐｔ）との合金から形成されている。したがって、第１室６４内では、排気ガス中に含まれるＮＯ₂がＮＯに還元されることはあるものの、ＮＯはそれ以上還元されない。したがって、第１室６４内でＮＯｘがＮＯにほぼ単ガス化され、このＮＯｘを含む排気ガスが第２の拡散律速部材６３を通って第２室６５内に流入する。

一方、第２室６５に面する第１層Ｌ₁の内周面上には、陰極側第２ポンプ電極７２が形成されている。陰極側第２ポンプ電極７２と陽極側第１ポンプ電極６８との間には、第２ポンプ電圧源７３によって電圧が印加される。これらポンプ電極７２，６８間に電圧が印加されると、第２室６５内の排気ガス中に含まれる酸素が陰極側第２ポンプ電極７２と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは第１層Ｌ₁内を陽極側第１ポンプ電極６８に向かって流れる。したがって、第２室６５内の排気ガス中に含まれる酸素は第１層Ｌ₁内を移動して室外に汲み出されることになる。このときに室外に汲み出される酸素量は第２ポンプ電圧源７３の電圧が高くなるほど多くなる。

すなわち、本実施形態では、陰極側第２ポンプ電極７２および陽極側第１ポンプ電極６８が、それぞれ、第２室６５内の排気ガスから酸素を排出するための第２の酸素ポンプセルの対面する２つの電極板を構成する。

一方、上述したように、固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図２に示されている例では、第２室６５内の酸素濃度よりも大気室６６内の酸素濃度のほうが高いので、大気室６６内の酸素は基準電極７０と接触することによって電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは第３層Ｌ₃、第２層Ｌ₂および第１層Ｌ₁内を移動し、陰極側第２ポンプ電極７２において電荷を放出する。その結果、基準電極７０と陰極側第２ポンプ電極７２との間に符号７４で示した電圧（起電力）Ｖ₁が発生する。この電圧Ｖ₁は大気室６６内と第２室６５内との酸素濃度差に比例する。

図２に示されている例では、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するときには、この電圧Ｖ₁が、第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍのときに生ずる電圧に一致するように、第２ポンプ電圧源７３の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第２室６５内の酸素は第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍとなるように第１層Ｌ₁を通って汲み出され、それによって第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍに維持される。

すなわち、本実施形態では、基準電極７０および陰極側第２ポンプ電極７２が、それぞれ、第２室６５内の排気ガス中の酸素濃度を監視するための第２酸素濃度監視セルの対面する２つの電極板を構成する。

なお、陰極側第２ポンプ電極７２もＮＯｘに対しては還元性の低い材料、例えば、金（Ａｕ）と白金（Ｐｔ）との合金から形成されている。したがって、排気ガス中に含まれるＮＯｘは陰極側第２ポンプ電極７２と接触しても還元されない。

一方、第２室６５に面する第３層Ｌ₃の内周面上には、ＮＯｘ検出用の陰極側ポンプ電極７５が形成されている。陰極側ポンプ電極７５はＮＯｘに対して強い還元性を有する材料、例えば、ロジウム（Ｒｈ）と白金（Ｐｔ）との合金から形成されている。したがって、第２室６５内のＮＯｘ、実際には大部分を占めるＮＯが陰極側ポンプ電極７５上においてＮ₂とＯ₂とに分解される。図２に示されているように、陰極側ポンプ電極７５と基準電極７０との間には、一定電圧７６が印加されており、したがって、陰極側ポンプ電極７５上において分解生成されたＯ₂は酸素イオンとなって第３層Ｌ₃内を基準電極７０に向けて移動する。このとき、陰極側ポンプ電極７５と基準電極７０との間には、この酸素イオン量に比例した符号７７で示した電流Ｉ₁が流れる。

すなわち、本実施形態では、陰極側ポンプ電極７５および基準電極７０が、それぞれ、排気ガス中のＮＯｘを分解して新たに酸素を生成するための酸素生成セルの対面する２つの電極板を構成する。さらに、これら陰極側ポンプ電極７５および基準電極７０は、それぞれ、酸素生成セルによって生成された酸素濃度を検出するためのセンサセルの対面する２つの電極板をも構成する。

上述したように、第１室６４内ではＮＯｘがＮＯにほぼ単ガス化され、また、第２室６５内には酸素はほとんど存在しない。したがって電流Ｉ₁は排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度に比例することになり、電流Ｉ₁から排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出できることになる。

なお、第５層Ｌ₅と第６層Ｌ₆との間には、ＮＯｘセンサ５０のセンサ部を加熱するための電気式ヒータ７９が配置されている。このヒータ７９は、ＮＯｘセンサ５０による通常のＮＯｘ検出時に約７５０〜８００℃に加熱制御される。

次に、ＮＯｘセンサ５０の異常診断について説明する。

本発明者は、鋭意研究の末、陰極側ポンプ電極７５および基準電極７０を備えたセンサセルに酸素吸着能があること、及びＮＯｘセンサ５０の劣化に伴って当該酸素吸着能が低下してくることを見出した。

センサセルのうち、第２室６５内に位置する陰極側ポンプ電極７５は、詳しくは、ロジウム（Ｒｈ）と白金（Ｐｔ）の合金およびセラミックとしての酸化ジルコニア（ＺｒＯ₂）から形成された多孔質サーメットにて構成されている。このうちロジウムが、ＮＯをも還元し得る比較的強い触媒能と、酸素を吸着するといった酸素吸着能とを陰極側ポンプ電極７５に与える主成分となる。

また、上述の各セルのうち、劣化に伴ってＮＯｘ検出性能に最も大きく影響をもたらすのは、センサセルである。その理由は、センサセルの陰極側ポンプ電極７５が最終的にＮＯを分解し、直接的にＮＯｘを検出する電極だからであり、また、当該電極７５がＮＯを分解する触媒能を有するＲｈ−Ｐｔ電極であるため、劣化に伴って触媒能が低下するというように、他のＰｔ−Ａｕ電極に比べて安定性に欠けるからである。

一方、本発明者の研究結果によれば、ＮＯｘセンサひいては陰極側ポンプ電極７５が劣化するにつれ、陰極側ポンプ電極７５の酸素吸着能が低下していくことが判明した。その理由は、陰極側ポンプ電極７５を構成するロジウム及び白金の粒子群が熱の影響で次第に凝集し、電極内でのガス拡散性が低下したり、活性点が減少したりするからと考えられる。

よって、センサセルないし陰極側ポンプ電極７５の酸素吸着能はＮＯｘセンサ５０の劣化度と相関することになり、本実施形態ではこのことを利用してＮＯｘセンサ５０の異常診断を行うこととしている。

センサセルの酸素吸着能は、例えば以下のようにして計測される。図３は、ＮＯｘセンサ５０の暖機中におけるセンサ出力Ｉ₁の変化を示す試験結果である。ここでは、エンジン停止状態でＮＯｘセンサ５０を空気中に常温で所定時間放置し、陰極側ポンプ電極７５上に酸素を吸着させ、その後、エンジンを始動させずに、ＮＯｘセンサ５０のヒータ７９をオンすると共にＮＯｘセンサ５０をオン（第１及び第２の酸素ポンプセル並びにセンサセルに電圧を印加）し、ヒータ７９のみでＮＯｘセンサ５０を暖機している。図中、実線で示すのが新品センサの場合、破線で示すのが耐久試験後の劣化センサの場合である。なお、陰極側ポンプ電極７５における酸素吸着は当該電極が低温であるほど起こりやすく、常温程度ではそれが確実に起こること、またＮＯｘセンサ５０の暖機後にはそれが起こらないことが分かっている。例えばＮＯｘセンサ５０のヒータ７９が約７５０〜８００℃の範囲の一定温度に制御されているような場合には酸素吸着は起こらない。

時刻ｔ０からヒータ７９による加熱を開始すると、内燃機関が始動されておらず排ガス及びこれに含まれるＮＯｘが無い状態であるにも拘わらず、暫くしてセンサ出力Ｉ₁がＮＯｘ濃度ゼロ相当の値Ｉ₁０から立ち上がり、あたかもＮＯｘ濃度が増大したかのような挙動を示す。これは、センサ放置中に陰極側ポンプ電極７５上に吸着された酸素Ｏ₂が、陰極側ポンプ電極７５上において分解され、酸素イオンとなって基準電極７０に向かって移動し、陰極側ポンプ電極７５と基準電極７０との間に酸素イオン量に比例した電流Ｉ₁が流れるからである。この立ち上がったセンサ出力Ｉ₁は、陰極側ポンプ電極７５上における吸着酸素の分解、脱離と共にやがてＮＯｘ濃度ゼロ相当の値Ｉ₁０に復帰する。

このとき、図から分かるように、ＮＯｘセンサ５０が劣化するほど、吸着酸素量が減少し、センサ出力Ｉ₁の挙動が小さくなる。即ち、センサ出力Ｉ₁のピーク値Ｉ₁Ｐが小さくなり、吸着酸素に基づくセンサ出力Ｉ₁が現れる時間も短くなる。

そこで、本実施形態では、かかるセンサ出力Ｉ₁の挙動を利用してセンサセルの酸素吸着能、より言えばその指標値たる酸素吸着能パラメータを計測する。

酸素吸着能計測の第１例は、センサ出力Ｉ₁のピーク値Ｉ₁Ｐに基づきセンサセルの酸素吸着能を計測するものである。即ち、ＥＣＵ１００によりセンサ出力Ｉ₁が立ち上がったときのピーク値Ｉ₁Ｐを取得し、その取得した値をセンサセルの酸素吸着能とするものである。

酸素吸着能計測の第２例は、センサ出力Ｉ₁の積算値に基づきセンサセルの酸素吸着能を計測するものである。即ち、ＥＣＵ１００により、センサ出力Ｉ₁が立ち上がっている間の所定のサンプリング周期毎のセンサ出力Ｉ_1nを順次積算し、その最終積算値ΣＩ_1nをセンサセルの酸素吸着能とするものである。なおここでいうセンサ出力Ｉ_1nとは、実際のセンサ出力Ｉ₁からＮＯｘ濃度ゼロ相当の値Ｉ₁０を減じた差をいう。

酸素吸着能計測の第３例は、センサ出力Ｉ₁の立ち上がり時間に基づきセンサセルの酸素吸着能を計測するものである。即ち、ＥＣＵ１００により、センサ出力Ｉ₁が、ＮＯｘ濃度ゼロ相当の値Ｉ₁０より若干大きい所定値Ｉ₁ｓ以上となっている時間Δｔを計測し、この立ち上がり時間Δｔをセンサセルの酸素吸着能とするものである。

これらいずれの計測方法を採用した場合でも、ＮＯｘセンサ５０が劣化するほど、各パラメータ値Ｉ₁Ｐ、ΣＩ_1n、Δｔは小さくなっていく。よってこれら各パラメータ値が、予め定められた異常判定値以下であるとき、ＮＯｘセンサ５０が異常である（劣化している）と判定される。

図４〜図６には、センサセルの酸素吸着能パラメータとしてセンサ出力ピーク値Ｉ₁Ｐ、センサ出力積算値ΣＩ_1n及びセンサ出力立ち上がり時間Δｔをそれぞれ用いた場合の、各パラメータとＮＯｘセンサ劣化度との相関を表すグラフを示す。図示するように、ＮＯｘセンサ劣化度が大きくなるほど各パラメータ値は次第に減少していく。そして各パラメータ値が、対応する異常判定値Ｉ₁Ｐｓ、ΣＩ_1nｓ、Δｔｓと比較され、異常判定値以下ならばＮＯｘセンサ５０は異常と判定される。この異常判定と同時にチェックランプ等の警告装置がオンされ、ＮＯｘセンサ５０の交換がユーザに促される。

ところで、図示されるような各パラメータ値とＮＯｘセンサ劣化度との相関性を利用して、本実施形態では、ＮＯｘセンサ５０が正常と判定された場合に、ＮＯｘセンサ出力Ｉ₁が補正される。具体的には、実際のＮＯｘセンサ出力Ｉ₁に基づいて得られる検出ＮＯｘ濃度Ｃが、一定の劣化度のＮＯｘセンサ、本実施形態では新品のＮＯｘセンサ５０のときに得られるようなＮＯｘ濃度となるように、検出ＮＯｘ濃度Ｃが補正される。図７には補正マップの一例を示し、実際に得られたＮＯｘセンサ出力Ｉ₁とパラメータ値とに基づいてマップからＮＯｘ濃度補正量ΔＣが算出され、このＮＯｘ濃度補正量ΔＣが、実際のＮＯｘセンサ出力Ｉ₁から換算された検出ＮＯｘ濃度Ｃに加算され、新品のＮＯｘセンサで得られるような補正後ＮＯｘ濃度Ｃ’が求められる。この補正後ＮＯｘ濃度Ｃ’が前述したようなＮＯｘ触媒への還元剤添加量制御等といった各種制御に用いられる。ＮＯｘ濃度補正量ΔＣは、実際のＮＯｘセンサ出力Ｉ₁が大きいほど、またパラメータ値が小さいほど、大きな値となるよう設定される。なお、パラメータ値が新品ＮＯｘセンサ相当の大きな値であれば、ＮＯｘ濃度補正量ΔＣは当然にゼロとなる。補正方法についてはこのような補正量を加算する方法以外も可能であり、例えば補正量を乗算する方法も可能である。

次に、具体的な異常診断処理を図８に基づいて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ１０１では、異常診断を行うのに適した所定条件、特にエンジン始動前にＮＯｘセンサ５０のヒータ７９をオンするのに適した所定条件が成立しているか否かが判断される。なお、このようなエンジン始動前のヒータオンをプレヒートという。例えば、エンジン停止状態の車両に乗員が乗り込むためドアが開放され、このドア開放と同時にドアスイッチがオンとなり、プレヒートが開始されるような車両の場合には、ドアスイッチがオンとなることが条件の一つである。また、バッテリ電圧がプレヒートに耐え得るだけの十分に高い値であることを条件の一つとするのも好ましい。このほか、エンジンスイッチ２８がセルスタータオン位置手前のアクセサリオン位置にあることを条件の一つとしてもよい。

所定条件が成立していないと判断された場合、本ルーチンが終了される。他方、所定条件が成立していると判断された場合、ステップＳ１０２においてヒータ７９がオンされ、ＮＯｘセンサ５０の暖機が実行される。なおヒータオンと同時に各セルへの電圧印加が開始され、ＮＯｘセンサ５０自体が作動開始となる。

次のステップＳ１０３においては、エンジンが始動されたか否か、具体的にはセルスタータがオンされたか否かが判断される。エンジンが始動された場合、本ルーチンが終了される。他方、エンジンがまだ始動されてない場合、ステップＳ１０４に進んで、センサセルの酸素吸着能を示すパラメータ、即ち、センサ出力ピーク値Ｉ₁Ｐ、センサ出力積算値ΣＩ_1n及びセンサ出力立ち上がり時間Δｔのいずれかの計測が実行される。

次いでステップＳ１０５では当該パラメータの計測が終了したか否かが判断される。計測がまだ終了していない場合には本ルーチンが終了され、他方、計測が終了した場合にはステップＳ１０６に進んで、ＮＯｘセンサ５０の異常判定が実行される。即ち、計測されたパラメータとこれに対応する劣化判定値とが比較され、パラメータが劣化判定値より大きいときはＮＯｘセンサ５０は正常、パラメータが劣化判定値以下のときはＮＯｘセンサ５０は異常と判定される。

次に、ステップＳ１０７において、判定結果が異常か否かが判断される。判定結果が異常の場合にはステップＳ１０８においてチェックランプ等の警告装置がオンされ、ユーザに警告がなされ、本ルーチンが終了される。他方、判定結果が正常の場合には、ステップＳ１０９に進んで、パラメータの計測値が更新記憶され、本ルーチンが終了される。このパラメータ計測値は、前に述べたように、以降のＮＯｘ濃度検出時にＮＯｘセンサ出力Ｉ₁を補正するための補正量を算出する際に利用される。

次に、異常診断の別の態様について説明する。上記で述べた異常診断の一態様は、エンジン始動前のヒータのプレヒート中におけるＮＯｘセンサ出力に基づいて酸素吸着能を計測し、異常を診断するものであった。これに対し、この別の態様は、エンジン始動後のフューエルカット中にＮＯｘセンサの酸素ポンプセルに対し、所定時間の印加電圧の減少、停止及び逆転のいずれかを実行し、その後印加電圧を元の既定状態に復帰させ、当該復帰後のＮＯｘセンサ出力に基づいて酸素吸着能を計測し、異常を診断するものである。

エンジンの燃料噴射を停止するフューエルカット中には、ＮＯｘセンサ５０に空気が供給され、この空気が、第１室６４及び第２室６５内に侵入する。そしてこれに加え、ＮＯｘセンサの酸素ポンプセルに対し、所定時間の印加電圧の減少、停止及び逆転のいずれかを実行すると、印加電圧減少の場合には酸素ポンプセルによる第１室６４及び第２室６５からの酸素の汲み出し（排出）量が減少し、印加電圧停止の場合には酸素ポンプセルによる第１室６４及び第２室６５からの酸素の汲み出し量がゼロとなり、印加電圧逆転の場合には酸素ポンプセルにより第１室６４及び第２室６５に酸素が汲み入れられるようになり、いずれの場合も、陰極側ポンプ電極７５に対し積極的に酸素を供給し、陰極側ポンプ電極７５に酸素を吸着させることができるようになる。特に、フューエルカットと併せて酸素ポンプセル印加電圧の減少、停止及び逆転のいずれかを実行することで、フューエルカット時間が短いような場合でも陰極側ポンプ電極７５に積極的に酸素を吸着させることができる。この後、フューエルカット継続中に酸素ポンプセルの印加電圧を元の既定状態に復帰させることにより、前記一態様と同様の図３で示したようなセンサ出力挙動が得られ、これを利用してＮＯｘセンサ５０の酸素吸着能を計測し、ＮＯｘセンサ５０の異常診断を実行することができる。

なお、ここでいう酸素ポンプセルとは、本実施形態の場合、陰極側第１ポンプ電極６７および陽極側第１ポンプ電極６８を備える第１の酸素ポンプセルと、陰極側第２ポンプ電極７２および陽極側第１ポンプ電極６８を備える第２の酸素ポンプセルとの少なくとも一方をいう。従って、両方の酸素ポンプセルに対し印加電圧の減少、停止及び逆転のいずれかを実行してもよいし、何れか一方の酸素ポンプセルに対し印加電圧の減少、停止及び逆転のいずれかを実行してもよい。一方の酸素ポンプセルに対しては印加電圧を逆転し、他方の酸素ポンプセルに対しては印加電圧を停止するといったように、一方と他方とで印加電圧の印加の仕方を変えてもよい。勿論、陰極側ポンプ電極７５に酸素をできるだけ吸着させるためには、両方の酸素ポンプセルの印加電圧を逆転させるのが最も好ましい。

この別の態様に係る具体的な異常診断処理を図９に基づいて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

最初のステップＳ２０１では、異常診断を行うのに適した所定条件が成立しているか否かが判断される。ここではエンジンがフューエルカット中であることが所定条件成立のための必須条件である。なおアクセル開度センサ２７によって検出されるアクセル開度が略全閉であり、且つ、クランク角センサ１６の出力に基づいて計算されるエンジン回転速度がアイドルより若干高い所定速度以上であるとき、フューエルカット（減速フューエルカット）が実行される。このほか、エンジンが暖機後であること、ＮＯｘセンサ５０が活性済みであることなどを条件に含めるのが好ましい。

所定条件が成立していないと判断された場合、本ルーチンが終了される。他方、所定条件が成立していると判断された場合、ステップＳ２０２に進んで、陰極側ポンプ電極７５に酸素を積極的に吸着させるべく、酸素ポンプセルの印加電圧が減少、停止又は逆転させられる。なお、このときより積極的に酸素を吸着させるため、陰極側ポンプ電極７５の温度を低下させるべく、ＮＯｘセンサ５０のヒータ７９の加熱を減少又は停止するのが好ましい。

次いで、ステップＳ２０３において、この酸素ポンプセルの印加電圧の減少、停止又は逆転開始から所定時間が経過したか否かが判断される。この所定時間は、陰極側ポンプ電極７５に必要量の酸素が吸着されるような時間として設定される。

所定時間がまだ経過していない場合、本ルーチンが終了される。他方、所定時間が経過した場合には、ステップＳ２０４に進んで、酸素ポンプセルの印加電圧が元の既定状態に復帰させられる。

この後は、前記ステップＳ１０４〜Ｓ１０９と同様のステップＳ２０５〜Ｓ２１０が実行され、即ち、センサセルの酸素吸着能を示すパラメータが計測され、この計測されたパラメータに基づいてＮＯｘセンサ５０の異常判定等が実行される。

以上で述べた異常診断は、いずれの態様も、ＮＯｘセンサ５０の上流側に位置するＮＯｘ触媒３４の影響を受けない。即ち、ＮＯｘセンサ５０のヒータ７９のプレヒート中に行う異常診断の一態様の場合、エンジン始動前、即ちエンジン停止中に酸素吸着能の計測を行うため、エンジンの燃焼室から排気ガスは排出されておらず、ＮＯｘセンサ５０の雰囲気ガスが空気であるときに計測が行われる。また、エンジンのフューエルカット中に行う異常診断の別の態様の場合も、エンジンの燃焼室から排出されＮＯｘ触媒３４を素通りした空気がＮＯｘセンサ５０に供給されているときに酸素吸着能の計測が行われる。よって、一般的には困難なエンジン搭載状態或いは車載状態での診断も好適に行える利点がある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本発明は任意の内燃機関に適用可能であり、圧縮着火式内燃機関のほか、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジンにも適用可能である。また排気浄化システムとして前記尿素ＳＣＲシステムの他、任意の形態の排気浄化システムに本発明は適用可能である。ＮＯｘセンサについても図２に示したような構造以外のものに本発明は適用可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。ＮＯｘセンサのセンサ部の構造を示す断面図である。ＮＯｘセンサの暖機中におけるセンサ出力の変化を示すグラフである。センサセルの酸素吸着能パラメータとＮＯｘセンサ劣化度との相関を示すグラフであり、パラメータとしてセンサ出力ピーク値を用いた場合である。センサセルの酸素吸着能パラメータとＮＯｘセンサ劣化度との相関を示すグラフであり、パラメータとしてセンサ出力積算値を用いた場合である。センサセルの酸素吸着能パラメータとＮＯｘセンサ劣化度との相関を示すグラフであり、パラメータとしてセンサ出力立ち上がり時間を用いた場合である。補正マップの一例を示す図である。異常診断の一態様に係る異常診断処理を示すフローチャートである。異常診断の別の態様に係る異常診断処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０エンジン
１５排気通路
２６クランク角センサ
２７アクセル開度センサ
３４選択還元型ＮＯｘ触媒
４０尿素添加弁
５０ＮＯｘセンサ
６７陰極側第１ポンプ電極
６８陽極側第１ポンプ電極
７０基準電極
７２陰極側第２ポンプ電極
７５陰極側ポンプ電極
７９ヒータ
１００電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｉ₁ ＮＯｘセンサ出力
Ｉ₁ＰＮＯｘセンサ出力ピーク値
ΣＩ_1n ＮＯｘセンサ出力積算値
ΔｔＮＯｘセンサ出力立ち上がり時間

Claims

内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘセンサの異常診断装置であって、
前記ＮＯｘセンサのセンサセルにおける酸素吸着能を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された酸素吸着能に基づき、前記ＮＯｘセンサの異常を判定する判定手段と
を備え、
前記計測手段は、前記内燃機関の始動前に前記ＮＯｘセンサのヒータをオンし、このヒータオン実行中における前記ＮＯｘセンサの出力に基づいて前記酸素吸着能を計測する
ことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断装置。
内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘセンサの異常診断装置であって、
前記ＮＯｘセンサのセンサセルにおける酸素吸着能を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された酸素吸着能に基づき、前記ＮＯｘセンサの異常を判定する判定手段と
を備え、
前記計測手段は、前記内燃機関のフューエルカット中に前記ＮＯｘセンサの酸素ポンプセルに対し所定時間の印加電圧の減少、停止及び逆転のいずれかを実行し、その後印加電圧を元の既定状態に復帰させ、当該復帰後のＮＯｘセンサ出力に基づいて、前記酸素吸着能を計測する
ことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断装置。
前記判定手段により前記ＮＯｘセンサが正常と判定されたとき、少なくとも前記計測手段により計測された酸素吸着能に基づき、前記ＮＯｘセンサの出力を補正する補正手段を備えた
ことを特徴とする請求項１または２に記載のＮＯｘセンサの異常診断装置。