JP5559960B2 - ＮＯｘセンサ及びその劣化抑制回復制御装置 - Google Patents

Description

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センサ及びその劣化抑制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センサ及びその劣化抑制回復制御装置に関する。

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。

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）。

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Ｐｔ−Ａｕ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Ｐｔ−Ａｕ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Ｐｔ−Ｒｈ電極が用いられている。

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。

特開平９−２８８０８４号公報

したがって、かかるＮＯｘセンサの劣化の原因が明らかになれば、その対策も容易になることから、本発明者はその原因の究明に鋭意努力した。その結果、ＮＯｘセンサの劣化の主たる原因は、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Ｐｔ−Ａｕ電極からＡｕ材料が飛散し、これがセンサセルのＰｔ−Ｒｈ電極に付着すること（これを、以下、Ａｕ被毒とも称する）にあることが判明した。このＡｕ被毒結果として、Ｒｈの反応面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のである。

そこで、本発明の目的は、ＮＯｘセンサの劣化抑制及び回復を容易に行なうことができる、ＮＯｘセンサ及びその劣化抑制回復制御装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係るＮＯｘセンサの第１の形態は、それぞれが対の電極を備える、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを有し、前記ポンプセルが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、Ａｕの融点以上に加熱可能な加熱手段を備えることを特徴とする。

このＮＯｘセンサの第１の形態によれば、センサセルのＲｈ材料を含む電極に対し、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材料が飛散して付着することにより、センサセルの還元能力が落ちてＮＯｘセンサの出力が低下した場合であっても、Ａｕの融点以上に加熱可能な加熱手段によってＡｕの融点以上に加熱することにより、センサセルのＲｈ材料を含む電極に付着しているＡｕを蒸散させることができるので、ＮＯｘセンサの劣化を容易に回復させることができる。

ここで、ＮＯｘセンサの第２の形態として、前記加熱手段は、全体構造加熱用の第１ヒータと、前記センサセルの近傍に配置された第２ヒータとを備えてもよい。

このＮＯｘセンサの第２の形態によれば、センサセルの近傍に配置された第２ヒータをＡｕの融点以上に加熱することにより、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のＡｕ材料の飛散を防止しつつ、センサセルのＲｈ材料を含む電極に付着しているＡｕのみを蒸散させることができるので、ＮＯｘセンサの長寿命化を図ることができる。また、加熱のための電力の消費量を低減できる。

また、上記目的を達成する本発明に係るＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第１の形態は、第１又は第２の形態の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、前記加熱手段をＡｕの融点以上に所定時間作用させる加熱制御手段と、を備えることを特徴とする。

このＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第１の形態によれば、判定手段によりＮＯｘセンサが劣化状態にあると判定されたときには、加熱制御手段により、加熱手段がＡｕの融点以上に所定時間作用させられる。この結果、センサセルのＰｔ−Ｒｈ電極に付着しているＡｕを蒸散させることができるので、ＮＯｘセンサの劣化を容易に回復させることができる。

さらに、上記目的を達成する本発明に係るＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第２の形態は、第１又は第２の形態のＮＯｘセンサと、排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、当該排気ガス温度検出手段により検出される排気ガス温度が所定値を超えるとき、前記加熱手段をＡｕの融点以上に所定時間作用させる加熱制御手段と、を備えることを特徴とする。

このＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第２の形態によれば、排気ガス温度検出手段により検出される排気ガス温度が所定値を超えるときに、加熱制御手段により、加熱手段がＡｕの融点以上に所定時間作用させられる。この場合、排気ガス温度が所定値を超えているので、加熱手段をＡｕの融点以上に作用させるための電力消費を低減しつつ、センサセルのＲｈ材料を含む電極に付着しているＡｕを蒸散させることができる。

また、上記目的を達成する本発明に係るＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第３の形態は、第１又は第２の形態のＮＯｘセンサと、車両の走行距離又はエンジンの作動量を積算する積算手段と、当該積算手段により積算される積算値が所定値を超えるとき、前記加熱手段をＡｕの融点以上に所定時間作用させる加熱制御手段と、を備えることを特徴とする。

このＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第３の形態によれば、積算手段により積算される積算値が所定値を超えるときに、加熱制御手段により、加熱手段がＡｕの融点以上に所定時間作用させられる。したがって、車両の走行距離又はエンジンの作動量の積算値によって推定されるＮＯｘセンサの劣化状態のときのみに加熱手段が作用させられるので、加熱手段をＡｕの融点以上に作用させるための頻度が少なくて済み、電力消費を低減しつつ、センサセルのＲｈ材料を含む電極に付着しているＡｕを蒸散させることができる。

ここで、第１ないし第３の形態のＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置における前記加熱制御手段は、前記加熱手段のうちの少なくとも第２ヒータをＡｕの融点以上に所定時間作用させることが好ましい。

この形態によれば、センサセルの近傍に配置された第２ヒータがＡｕの融点以上に所定時間作用させられるので、電力消費を低減すると共に、センサセルの近傍を集中的に加熱することができ、センサセルのＲｈ材料を含む電極に付着しているＡｕを効率よく蒸散させることができる。

本発明によれば、ＮＯｘセンサの劣化抑制及び回復を容易に行なうことができるという、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、本発明に係るＮＯｘセンサの劣化抑制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。

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。

センサ素子２００は、排気ガスが導入される第１チャンバ２２０および第２チャンバ２２１と、大気に連通する第１大気通路２３０、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およびモニタセル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およびピンホール２１１を介して排気ガスが導入される。

センサ素子２００は、センサセル２５０およびモニタセル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および第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およびシート状の第１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および第２大気通路２３１を構成するスペーサ２７５が積層される。

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。

また、図示の実施形態では、センサセル２５０の近傍に配置されて、センサセル２５０を構成するシート状の固体電解質体２７１にシート状の第２ヒータ２１４が積層されているが、この第２ヒータ２１４は上述の第１ヒータ２１２に追加して設けられるものであって、必須ではない。

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電極、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。

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電極、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。

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濃度およ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電極、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濃度および残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。

第１ヒータ２１２及び第２ヒータ２１４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、第１ヒータ２１２は主にセンサ素子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、第２ヒータ２１４は、後述するように、主にセンサセル２５０を加熱して、Ｐｔ−Ｒｈ多孔質サーメット電極２５１に付着しているＡｕを蒸散させるのに用いられる。

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。

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。

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。

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１８３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。

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および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に到達する酸素量および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。

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。

次に、上述の構成からなるＮＯｘセンサ５０が用いられたＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第１の実施形態における劣化抑制回復制御の処理手順を、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。

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が劣化しているか否かを判定する劣化診断が行なわれる。なお、この劣化診断は、診断を行うのに適した所定条件が成立しているか否かを判断して行うことが好ましい。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を含む排気ガスをＮＯｘセンサ５０に供給できるような条件が整ったとき、所定条件成立となる。本実施形態のようなディーゼルエンジンの場合、通常、空燃比は理論空燃比より著しくリーンであり、燃焼室から排出される排気ガスにはＮＯｘが含まれる。そしてＮＯｘ触媒未活性時や尿素添加停止時などでＮＯｘを含む排気ガスをＮＯｘセンサ５０に供給し得るようになったとき、３）の条件が満たされることになる。

この所定条件が成立していると判断された場合に行われる、劣化診断ないしは劣化判定では、燃焼室から排出される排気ガスのＮＯｘ濃度が所定値となるようにエンジンが制御され、この状態でセンサセル２５０からの出力電流Ｉｓが取得される。そして、この出力電流Ｉｓと基準電流Ｉｒとに基づき、出力比ないしは劣化度Ｒ＝Ｉｓ／Ｉｒが算出され、劣化度Ｒが所定の劣化判定値Ｒｓと比較される。劣化度Ｒが劣化判定値Ｒｓより大きい場合には、ＮＯｘセンサ５０は正常と判定され、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される。

なお、上記基準電流Ｉｒは、排気ガスのＮＯｘ濃度が上記所定値のときに、新品相当のＮＯｘセンサ５０から出力される電流であり、予め実験などにより求められ、ＥＣＵ１００に保管されている。

ステップＳ３０１においてＮＯｘセンサ５０が正常と判定されたときには、このルーチンは一旦終了され、上述の劣化状態にあると判定されたとき、次のステップＳ３０２に進み、Ａｕ被毒回復制御が実行される。具体的には、ＮＯｘセンサ５０が加熱手段として第１ヒータ２１２のみを有する場合には、この第１ヒータ２１２が、センサ素子２００全体を加熱して、各セル２４０、２５０、２６０を活性化温度以上に保持するため通常の温度（例えば、約７５０〜８００℃）に比べてさらに温度が上昇されて、Ａｕの融点（１０６４℃）以上に加熱するようにされる。

また、ＮＯｘセンサ５０が加熱手段として第１ヒータ２１２及び第２ヒータ２１４を有する場合には、第１ヒータ２１２は上述の通常の温度に維持したまま、第２ヒータ２１４がセンサセル２５０の近傍をＡｕの融点以上に加熱するようにされる。

そして、次のステップＳ３０３では、上述のＡｕの融点（１０６４℃）以上の加熱時間が所定の加熱時間Ｔ１を過ぎたか否かが判断されることにより、Ａｕの融点以上の加熱が所定の加熱時間Ｔ１だけ継続されることになる。換言すると、所定の加熱時間Ｔ１が経過すると、ステップＳ３０２で開始されたＡｕ被毒回復制御が終了される。なお、この所定の加熱時間Ｔ１は、上述の劣化度Ｒの大きさに対応させて変更するのが好ましく、例えば、劣化度Ｒが大きいときは所定の加熱時間Ｔ１が長くなるようにする。これは、予め実験で求めてマップの形態でＥＣＵ１００に保管させておいてもよい。

かくて、Ａｕ被毒の場合、Ａｕの融点以上に加熱可能な加熱手段によってＡｕの融点以上に加熱することにより、センサセル２５０のＲｈ材料を含む電極２５１に付着しているＡｕを蒸散させることができるので、ＮＯｘセンサ５０の劣化を容易に回復させることができる。

ここで、加熱手段としてセンサ素子２００全体の加熱用の第１ヒータと、センサセル２５０の近傍に配置された第２ヒータとを備えている、第２の形態のＮＯｘセンサ５０の場合には、第１ヒータ２１２による、ポンプセル２４０やモニタセル２６０の電極２４１や２６１からのＡｕの蒸散を防止しつつ、センサセル２５０の電極２５１に付着しているＡｕのみを蒸散させることができるので、ＮＯｘセンサ５０の長寿命化を図ることができ、また、加熱のための電力の消費量を低減できる。

次に、上述の構成からなるＮＯｘセンサ５０が用いられたＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第２の実施形態における劣化抑制回復制御の処理手順を、図４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。

このＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第２の実施形態が上述の第１の実施形態と異なる点は、ステップＳ３０１における出力劣化判定に代え、排気ガス温度検出手段により検出される排気ガス温度が所定値を超えるか否かの判定をステップＳ４０１にて行うようにした点である。したがって、ステップＳ４０２及びステップＳ４０３についての説明は、上記のステップＳ３０２及びステップＳ３０３についての説明を援用することにする。

そこで、この第２の実施形態では、ステップＳ４０１において、排気ガス温度検出手段としての触媒前排気温センサ５２又は触媒後排気温センサ５４、好ましくは、触媒後排気温センサ５４により検出された排気ガス温度Ｔが所定の温度Ｔｅｘを超えているか否かが判定される。排気ガス温度Ｔが所定の温度Ｔｅｘを超えていないときは、このルーチンは一旦終了され、所定の温度Ｔｅｘを超えていると判定されたときは、次のステップＳ４０２に進み、第１の実施形態と同様に、Ａｕ被毒回復制御が実行される。すなわち、加熱制御手段により、加熱手段としての第１ヒータ２１２又は第２ヒータ２１４がＡｕの融点以上に所定時間Ｔ１作用させられる。

この第２の実施形態によれば、排気ガス温度Ｔが所定の温度Ｔｅｘを超えているので、加熱手段としての第１ヒータ２１２又は第２ヒータ２１４をＡｕの融点以上に作用させるための電力が少なくてもよい。したがって、電力消費を低減させつつ、センサセル２５０のＲｈ材料を含む電極２５１に付着しているＡｕを蒸散させることができ、ＮＯｘセンサ５０の劣化を抑制することができる。

さらに、上述の構成からなるＮＯｘセンサ５０が用いられたＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第３の実施形態における劣化抑制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、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。

このＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第３の実施形態が上述の第１及び第２の実施形態と異なる点は、ステップＳ３０１における出力劣化判定又はステップＳ４０１における排気ガス温度Ｔが所定の温度Ｔｅｘを超えているか否かの判定に代え、車両の走行距離又はエンジンの作動量の積算値Ｌが所定値Ｌｔを超えているか否かの判定をステップＳ５０１にて行うようにした点である。試験結果によると、センサセル２５０のＡｕ被毒が生ずるのは、車両の走行距離又はエンジンの作動量がある量に達したときであることが判明しており、そのときにＡｕ被毒回復制御を実行するのが効果的である。なお、Ａｕ被毒回復制御を実行するステップＳ５０２及びステップＳ５０３についての説明は、上記第１の実施形態のステップＳ３０２及びステップＳ３０３についての説明を援用する。

そこで、この第３の実施形態では、ステップＳ５０１において、車両の走行距離又はエンジン１０の作動量を積算する積算手段により積算される積算値Ｌが所定値Ｌｔを超えているか否かが判定される。積算値Ｌが所定値Ｌｔを超えていないときは、このルーチンは一旦終了され、所定値Ｌｔを超えていると判定されたときは、次のステップＳ５０２に進み、第１及び第２の実施形態と同様に、Ａｕ被毒回復制御が実行される。すなわち、加熱制御手段により、加熱手段としての第１ヒータ２１２又は第２ヒータ２１４がＡｕの融点以上に所定時間Ｔ１作用させられる。

ここで、車両の走行距離を判定要素とする場合には、積算手段としてのトリップメータの積算値Ｌが所定値Ｌｔ（例えば、Ｌｔ＝１０，０００ｋｍ）を超えるか否かとすればよい。また、エンジン１０の作動量を判定要素とする場合には、積算手段として、エンジン１０の作動時間を積算するカウンター又はエンジン１０への吸入空気量を積算するカウンターを用い、これらの積算値Ｌが所定値Ｌｔを超えるか否かとすればよい。なお、いずれの場合も、ステップＳ５０２及びステップＳ５０３でのＡｕ被毒回復制御が実行された後は、上記積算値Ｌが０にリセットされる。

この第３の実施形態によれば、車両の走行距離又はエンジンの作動量の積算値によって推定されるＮＯｘセンサの劣化状態のときのみに、第１ヒータ２１２又は第２ヒータ２１４が作用させられるので、第１ヒータ２１２又は第２ヒータ２１４をＡｕの融点以上に作用させるための頻度が少なくて済み、それらの耐久性を向上させることができる。また、電力消費を低減しつつ、センサセルのＲｈ材料を含む電極に付着しているＡｕを蒸散させることができる。

以上、本発明の第１ないし第３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、上述の第１ないし第３の実施形態を適宜組合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。さらに、本発明に係るＮＯｘセンサ及びその劣化抑制回復装置は内燃機関以外の用途にも適用可能である。また、内燃機関に適用した場合でも、内燃機関の種類、型式、用途等は限定されず、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。

本発明に係るＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置を適用した内燃機関の概略的なシステム図である。 ＮＯｘセンサのセンサ素子の構造を示す断面図である。 本発明に係るＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第１の実施形態における劣化抑制回復制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明に係るＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第２の実施形態における劣化抑制回復制御の処理手順を示すフローチャートである。 本発明に係るＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置の第３の実施形態における劣化抑制回復制御の処理手順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
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 第１ヒータ
２１４ 第２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

Claims (5)

1. それぞれが対の電極を備える、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを有し、前記ポンプセルが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、
   所定以上の給電量が印加されたときＡｕの融点以上に加熱可能な加熱手段を備え、
   前記加熱手段は、全体構造加熱用の第１ヒータと、当該第１ヒータよりも前記センサセルの近傍に配置された第２ヒータとを備えることを特徴とするＮＯｘセンサ。
2. 請求項１に記載の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、前記加熱手段をＡｕの融点以上に所定時間作用させる加熱制御手段と、
   を備えることを特徴とするＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置。
3. 請求項１に記載のＮＯｘセンサと、
   排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、
   当該排気ガス温度検出手段により検出される排気ガス温度が所定値を超えるとき、前記加熱手段をＡｕの融点以上に所定時間作用させる加熱制御手段と、
   を備えることを特徴とするＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置。
4. 請求項１に記載のＮＯｘセンサと、
   車両の走行距離又はエンジンの作動量を積算する積算手段と、
   当該積算手段により積算される積算値が所定値を超えるとき、前記加熱手段をＡｕの融点以上に所定時間作用させる加熱制御手段と、
   を備えることを特徴とするＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置。
5. 前記加熱制御手段は、前記加熱手段が第１ヒータと第２ヒータとを備えるときそのうちの少なくとも第２ヒータをＡｕの融点以上に所定時間作用させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のＮＯｘセンサの劣化抑制回復制御装置。

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