JP6828647B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、排出ガスセンサの制御装置に関する。

内燃機関から排出される排出ガスに含まれる成分を検出する排出ガスセンサは、駆動開始から所定の条件を満たすと活性状態となり、検出誤差が所定範囲内の検出データを出力することができる。そのため、例えば下記特許文献１のように、排出ガスセンサの活性化判定を行うものが知られている。

特開２００９−２５７８８９号公報

特許文献１では、排出ガスセンサを構成するセルの素子温を表すパラメータに基づいて、排出ガスセンサの活性化がなされたか否かを判断している。しかしながら、温度条件のみでは、排出ガスセンサ内の状況が一義的に把握できないため、例えば検出データの正確性を阻害するガス成分が残った状態であることも想定される。

本開示は、温度条件のみならずセンサ内部の状況も勘案して排出ガスセンサの活性化を判断することが可能な制御装置を提供することを目的とする。

本開示は、排出ガスセンサの制御装置であって、内燃機関から排出される排気ガスから酸素を除去するための第１セルの温度を示す第１パラメータ、又は第１セルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる測定対象成分を検出するための第２セルの温度を示す第２パラメータを取得する昇温判定部（４０６ａ）と、排出ガスセンサが、所定の精度を確保し測定可能な活性状態になったか否かを判断する活性判定部（４０６ｂ）と、を備えている。昇温判定部は、第１パラメータ又は第２パラメータが予め定められた温度閾値を超えたかによって、第１セル及び第２セルの昇温条件成立を判断し、活性判定部は、昇温条件成立後、温度閾値に対応する時間条件が成立している場合に、排出ガスセンサが活性状態になっていると判断する。

昇温条件成立によって、排出ガスセンサを構成する第１セル又は第２セルが活性状態の必要条件を満たしていると判断することができる。この昇温条件に加えて、時間条件の成立を判断することで、排出ガスセンサ内において検出精度を確保する阻害要因となるガスの濃度低下も判断することができるので、より精度の高い活性判定を行うことができる。時間条件の成立は、第１セル又は第２セルの昇温条件成立を判断するための温度閾値に対応して判断するようにしているので、温度閾値が高く設定されたり低く設定されたりした場合であっても、その設定値に応じた阻害要因ガスの濃度低下を判断することができる。

本開示によれば、温度条件のみならずセンサ内部の状況も勘案して排出ガスセンサの活性化を判断することが可能な制御装置を提供することができる。

図１は、エンジン排気系を模式的に示す図である。 図２は、図１に示されるＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図４は、図１に示されるＳＣＵの構成を示すブロック図である。 図５は、図４に示されるマイコンの機能的な構成を示すブロック図である。 図６は、図１に示されるＥＣＵ及びＳＣＵの処理を示すフローチャートである。 図７は、図１に示されるＥＣＵ及びＳＣＵの処理を示すフローチャートである。 図８は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図９は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１０は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１１は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１２は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１３は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１４は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、エンジン排気系ＥＳには、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０及びＳＣＵ（Ｓｅｎｓｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０が設けられている。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０及びそれに繋がるエンジン排気系ＥＳを制御する装置である。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０の挙動を制御する機能を有している。ＥＣＵ１０は、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて燃料噴射弁の開度を調整する。

エンジン排気系ＥＳには、ディーゼルエンジン２０側から順に、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒コンバータ２８と、が設けられている。ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）２２１と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）２２２と、を有している。

ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、排出ガスに含まれる有害物質を酸化又は還元により浄化するものであって、特に炭素などからなる粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集する装置である。

ディーゼル酸化触媒２２１は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物、並びに白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属触媒で構成されている。ディーゼル酸化触媒２２１は、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化させ浄化する。また、ディーゼル酸化触媒２２１は、触媒反応の際に発生する熱により排出ガス温度を上昇させる。

ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持され、ハニカム構造体で形成される。ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、排出ガス中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させる。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒２２１における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。

ＳＣＲ触媒コンバータ２８は、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２の後処理装置としてＮＯｘを窒素と水に還元する装置であって、選択還元型の触媒であるＳＣＲ２８１を有する。ＳＣＲ２８１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触媒が例示できる。ＳＣＲ２８１は、触媒温度が活性温度域にあり、さらに、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化するものである。尿素添加のため、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の上流側には、尿素添加インジェクタ２６が設けられている。

本実施形態では、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間にＮＯｘセンサ２４が、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側にＮＯｘセンサ３０がそれぞれ配置されている。

ＮＯｘセンサ２４で検出されるＮＯｘ濃度と、ＮＯｘセンサ３０で検出されるＮＯｘ濃度とに基づき尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ触媒コンバータ２８に対して添加される尿素の量が決定される。より具体的には、ＮＯｘセンサ２４においてＳＣＲ触媒コンバータ２８通過前の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度に基づいて添加する尿素の量が決定される。また、ＮＯｘセンサ３０においてＳＣＲ触媒コンバータ２８を通過した後の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度が極力小さい値となるようにフィードバックし、添加する尿素の量を補正する。このように決定された量の尿素が、尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ２８１に対して添加されることで、ＳＣＲ２８１において排出ガス中のＮＯｘが適正に還元される。このように、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物は、ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０を通過した後、エンジン排気系ＥＳの終端であるテールパイプ（不図示）から外部に排出される。

ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０が出力する電流は、ＳＣＵ４０が検出している。ＳＣＵ４０は、ガス量を検出すると共に異常検出処理を行って、必要なデータをＥＣＵ１０に送信している。ＥＣＵ１０及びＳＣＵ４０は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス５０に繋がっており、ＣＡＮバス５０を介して情報通信を行っている。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ等の演算装置、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポート、及び記憶装置を含むものである。特に本実施形態の説明では、ＮＯｘセンサ２４，３０に繋がる電気系統の異常を検出する機能を中心に説明をする。ＮＯｘセンサ２４とＮＯｘセンサ３０とは同一の構成であるため、ＮＯｘセンサ２４を例にとってその構成を説明する。

図２及び図３に示されるように、ＮＯｘセンサ２４は、第１本体部２４１ａと、第２本体部２４１ｂと、固体電解質体２４４と、拡散抵抗体２４５と、ポンプ電極２４６と、ヒータ２４７と、センサ電極２４８と、モニタ電極２４９と、共通電極２５０と、を備えている。

固体電解質体２４４は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質材料によって構成されている。第１本体部２４１ａ及び第２本体部２４１ｂは、アルミナを主成分とする絶縁体からなり、固体電解質体２４４を挟んで配置されている。第１本体部２４１ａには、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されている。その凹部は測定室２４２として機能している。測定室２４２の一側面は開放されている。その開放された一側面に拡散抵抗体２４５が配置されている。拡散抵抗体２４５は、多孔質又は細孔が形成されたアルミナ等のセラミック材料からなっている。拡散抵抗体２４５の作用により、測定室２４２内に引き込まれる排出ガスの速度が律せられる。

第２本体部２４１ｂにも、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されている。その凹部は大気室２４３として機能している。大気室２４３の一側面は開放されている。固体電解質体２４４側から大気室２４３内に引き込まれる気体は大気に放出される。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、拡散抵抗体２４５側には陰極側となるポンプ電極２４６が設けられている。ポンプ電極２４６は、Ｐｔ−Ａｕ合金（白金−金合金）からなる。また、固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、ポンプ電極２４６と対応する位置には、ポンプ電極２４６に対して陽極側となり主成分がプラチナからなる共通電極２５０が設けられている。共通電極２５０は、センサ電極２４８及びモニタ電極２４９が固体電解質２４４を介して投影した際の対向領域において重なるように設けられている。

ポンプ電極２４６と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、測定室２４２内の排出ガス中に含まれる酸素が陰極側のポンプ電極２４６に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。このように、ポンプ電極２４６、共通電極２５０、及びこれら２つの電極に挟まれる固体電解質２４４によって、酸素イオンを測定室２４２から大気室２４３に排出する機能を有するポンプセルが形成されている。

なお、ポンプ電極２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧が高いほど、ポンプセルによって排出ガス中から大気室２４３を経由して大気中に排出される酸素の量は多くなる。逆にポンプ電極２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧が低いほど、ポンプセルによって排出ガス中から排出される酸素の量は減る。従って、ポンプ電極２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧を増減することで、後段のセンサ電極２４８及びモニタ電極２４９に流れる排出ガス中の残留酸素の量を増減させることができる。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２４６を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側には陰極側となるモニタ電極２４９が設けられている。ポンプ電極２４６を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側は、ポンプ電極２４６よりも後段側に相当する。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、モニタ電極２４９と対応する位置にモニタ電極２４９に対して陽極側となる共通電極２５０が設けられている。このように、モニタ電極２４９、共通電極２５０、及びこれら２つの電極に挟まれる固体電解質２４４によって、酸素濃度を検出する機能を有するモニタセルが形成されている。

モニタセルは、ポンプセルによって酸素が排出された排出ガス中に残留する酸素濃度を検出する。モニタ電極２４９と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、ポンプセルによって酸素が排出された排出ガス中に含まれる残留酸素が陰極側のモニタ電極２４９に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、モニタセル検出部４０４によりモニタセル電流Ｉｍとして検出され、このモニタセル電流Ｉｍに基づいて、排出ガス中の残留酸素濃度を算出し得る。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２４６を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側には陰極側となるセンサ電極２４８が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、センサ電極２４８と対応する位置にセンサ電極２４８に対して陽極側となる共通電極２５０が設けられている。このように、センサ電極２４８、共通電極２５０、及びこれら２つの電極に挟まれる固体電解質２４４によって、排出ガス中のＮＯｘの濃度及び残留酸素濃度を算出するセンサセルが形成されている。

センサ電極２４８は、Ｐｔ−Ｒｈ合金（白金−ロジウム合金）からなり、ＮＯｘに対して強い還元性を有している。センサ電極２４８に接触したＮＯｘは、Ｎ２とＯ２とに還元分解される。センサ電極２４８と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、分解されたＯ２は、陰極側のセンサ電極２４８から電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、センサセル検出部４０３によりセンサセル電流Ｉｓとして検出され、このセンサセル電流Ｉｓに基づいて、排出ガス中のＮＯｘの濃度及び残留酸素濃度を算出し得る。

ポンプセルで排出する酸素によって、測定室２４２内に流入する絶対ガス量が変化するため、ＮＯｘ濃度の算出にあたっては、ポンプセルの影響を補正することが好ましい。

また、ポンプセルにおいて、排出ガス内の酸素濃度に依存した出力を検出することができるため、Ａ／Ｆセンサの機能ももたせることができる。Ａ／Ｆの算出にあたっては、ポンプ電極２４６と共通電極２５０との間を流れる電流であるポンプセル電流Ｉｐにて算出することが好ましい。これらガス濃度検知は、車両で使われ方を考慮し、例えば５ｍｓ毎に行うことができる。

ガス濃度検知のためには、酸素イオンを流すため、素子温度が所定温度となるようにヒータ２４７で加温する必要がある。素子温度を把握することが必要であるが、直接温度を検知するセンサは装備していないため、所定の電圧を印加した場合の出力電流によって素子温度を算出する。素子温度は素子の抵抗と相関性があるが、素子には容量成分があるため、容量成分の影響を除去することが好ましい。そのため、印加電圧を所定周波数の掃引電圧とすることが好ましい。掃引電圧を印加することで、素子の容量成分に溜まった電荷を抜くことができる。掃引電圧の印加は、本来のガス濃度に依存した出力電流に掃引によって隆起された電流も重畳させる影響を及ぼすため、掃引電圧の印加期間もしくは、所定時間においてはガス濃度の検出を行わないことが望ましい。また、共通電極の電圧を掃引電圧とすることにより、ポンプ電極２４６、センサ電極２４８、モニタ電極２４９の各々の電流が流れる為、素子温度としてはどの出力電流としても良い。ガス濃度を検知する際にセンサ電極２４８やモニタ電極２４９を流れる電流に対して、掃引電圧によって流れる電流は大きくなるため、ポンプ電極２４６の出力電流によって素子温度を把握することが好ましい。

ヒータ２４７には、素子の破壊を防ぐため、ＳＣＵ４０に電圧が供給され駆動できる状態になった段階で微通電モードを開始する。微通電モードとすることで、内部水分の沸騰による圧力急変や車両側の排気管の凝縮水がセンサに被水し素子が破壊することを避けることができる。その後、ＥＣＵ１０からの通電要求を受け取ると、ガス濃度検知ができる温度に昇温するため、高デューティで早期活性させる。また、素子が破壊されたことやセンサの異常（断線、ショート等）をトリガとして、ヒータ２４７への通電を強制カットする機能を備えることも好ましい。ＳＣＵ４０の電源電圧によって素子の活性度合いが変化することを防止するため、ＳＣＵ４０の認識した電圧によってヒータ２４７のデューティを変化させることも好ましい。

一方、ヒータ２４７へ通電し、ポンプセル、及びセンサセルが機能する温度条件まで昇温させた後には、上述したようにポンプセルにより酸素を測定室２４２から大気室２４３へ排出するために電圧を印加する。ここで、エンジン始動時ではセンサ電極２４８の表面が酸化している可能性があり、このセンサ電極２４８の表面に含まれる酸素の影響によりセンサセルにおいて電流が流れてしまう可能性がある。これにより、エンジン始動時にはＮＯｘ濃度を精度良く検出することができない可能性がある。そこで、通常時よりも一時的に高い電圧をポンプセルに印加することで、測定室内のガスに含まれる水蒸気等の水分から電気分解により水素を生成させ、センサ電極２４８の表面に含まれる酸素を強制的に還元させることが望ましい。以降、ポンプセルにこの一時的な電圧を印加する制御を早期活性制御と呼称する。

ＳＣＵ４０は、その一部又は全部が、アナログ回路で構成されるか、メモリを備えたデジタルプロセッサとして構成される。いずれにしても、受信した電気信号に基づいて制御信号を出力する機能を果たすため、ＳＣＵ４０には機能的な制御ブロックが構成される。図４は、ＳＣＵ４０を、このような機能的な制御ブロック図として示したものである。

続いて、ＳＣＵ４０の機能的な構成要素について説明する。ＳＣＵ４０は、ヒータ制御部４０１と、ポンプセル検出部４０２と、センサセル検出部４０３と、モニタセル検出部４０４と、共通電極検出部４０５と、マイコン４０６と、電源回路４０７と、ＣＡＮ通信部４０８と、電圧印加回路４０９と、を備えている。

ヒータ制御部４０１は、ヒータ２４７に印加する電圧を制御し、ヒータ２４７の発熱量を制御する部分である。

ポンプセル検出部４０２は、ポンプ電極２４６に流れるポンプセル電流Ｉｐを検出する部分である。ポンプセル検出部４０２は、検出したポンプセル電流Ｉｐを示す信号をマイコン４０６に出力する。ポンプセル検出部４０２は、ポンプセルのポンプセル電圧Ｖｐも検出することができる。ポンプセル検出部４０２は、検出したポンプセル電圧Ｖｐを示す信号をマイコン４０６に出力する。

センサセル検出部４０３は、センサ電極２４８に流れるセンサセル電流Ｉｓを検出する部分である。センサセル検出部４０３は、検出したセンサセル電流Ｉｓを示す信号をマイコン４０６に出力する。

モニタセル検出部４０４は、モニタ電極２４９に流れるモニタセル電流Ｉｍを検出する部分である。モニタセル検出部４０４は、検出したモニタセル電流Ｉｍを示す信号をマイコン４０６に出力する。

共通電極検出部４０５は、共通電極２５０に流れる共通電極電流Ｉｃｏｍを検出する部分である。共通電極検出部４０５は、検出した共通電極電流Ｉｃｏｍを示す信号をマイコン４０６に出力する。共通電極検出部４０５は、共通電極２５０の共通電極電圧Ｖｃｏｍも検出することができる。共通電極検出部４０５は、検出した共通電極電圧Ｖｃｏｍを示す信号をマイコン４０６に出力する。

マイコン４０６は、ＳＣＵ４０内の制御部である。マイコン４０６は、ヒータ制御部４０１にヒータ２４７の温度を制御するための制御信号を出力する。マイコン４０６は、センサセル検出部４０３が検出したセンサセル電流Ｉｓ及びモニタセル検出部４０４が検出したモニタセル電流Ｉｍに基いて、排出ガス中のＮＯｘ濃度を算出する部分である。マイコン４０６は、センサ電極２４８の出力電流であるセンサセル電流Ｉｓからモニタ電極２４９の出力電流であるモニタセル電流Ｉｍを減算することで、センサセルが出した排出ガス中の残留酸素濃度による電流値を除き、排出ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。マイコン４０６は、算出したＮＯｘ濃度を示す信号をＣＡＮ通信部４０８に出力する。

電源回路４０７は、ＳＣＵ４０内の電源回路である。ＣＡＮ通信部４０８は、マイコン４０６が出力する信号をＣＡＮバス５０に送信し、ＣＡＮバス５０から受信する信号をマイコン４０６に出力する。

電圧印加回路４０９は、共通電極２５０やポンプ電極２４６に電圧を印加するための回路部である。電圧印加回路４０９は、共通電極２５０に、電圧が連続的に変化する掃引電圧を印加する。電圧印加回路４０９は、ポンプ電極２４６に電圧を印加することができ、その電圧は可変である。また、電圧印加回路４０９は、他の検出機能（電流検出や電圧検出）と複合した複合回路でも良い。

続いて、マイコン４０６の機能的な構成要素について、図５を参照しながら説明する。マイコン４０６は、機能的な構成要素として、昇温判定部４０６ａと、活性判定部４０６ｂと、時間設定部４０６ｃと、早期活性部４０６ｄと、を備えている。

続いて、ＥＣＵ１０及びＳＣＵ４０の動作について、図６に示されるフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１０がセンサ通電条件成立を判断する。センサ通電条件は、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４の環境が、乾燥条件を満たしているかどうかで判断される。センサ通電条件が成立していれば、ステップＳ１０２の処理に進み、センサ通電条件が成立していなければ、処理を終了する。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１０からＳＣＵ４０にセンサ駆動許可が送信される。ステップＳ１０２に続くステップＳ１０３では、ＳＣＵ４０がＮＯｘセンサ２４に通電し、センサ駆動が開始される。

ステップＳ１０３に続くステップＳ１０４では、ポンプセルアドミタンスＡｐが活性判定アドミタンスＴｈａを超えているか否かを判断する。ポンプセルアドミタンスＡｐが活性判定アドミタンスＴｈａを超えていれば、ステップＳ１０５の処理に進み、ポンプセルアドミタンスＡｐが活性判定アドミタンスＴｈａを超えていなければ、ステップＳ１０４の判断を繰り返す。

ステップＳ１０５では、水分蒸発時間を算出する。水分蒸発時間は、センサ駆動開始から、ポンプセルアドミタンスＡｐが活性判定アドミタンスＴｈａを超えるまでの時間に基づいて算出される。

ステップＳ１０５に続くステップＳ１０６では、時間条件が成立しているか否かを判断する。時間条件の成立は、昇温条件成立後において第２セルであるセンサセル及びモニタセルに対する水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間が確保されるようにすることになる。昇温条件成立のための活性判定アドミタンスＴｈａが低く設定されていれば、水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間は長くなるので、時間条件成立のための設定時間は長くなる。昇温条件成立のための活性判定アドミタンスＴｈａが高く設定されていれば、水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間は短くなるので、時間条件成立のための設定時間は短くなり、場合によっては０となる場合もあり得る。

一例としては、水蒸気及び／又はリッチガスが消失する時間が最も長くなる運転条件での時間条件を設定する。また別例としては、ステップＳ１０３のセンサ駆動からステップＳ１０４の昇温条件成立までの経過時間や、センサ環境に応じて可変される閾値時間の経過を時間条件の成立とすることもできる。

図９に示されるように、センサを駆動するための通電開始から活性判定アドミタンス到達までの時間が短くなると、水蒸気及び／又はリッチガスの蒸発時間は長くなる。また、ＮＯｘセンサ２４が配置されている部分の流速が遅くなれば、水蒸気及び／又はリッチガスの蒸発時間は長くなる。このような状況に応じて閾値時間を決定することができる。また、搭載車両のミニマム流速に対応した蒸発時間を閾値時間として設定してもよい。

図１０に示されるように、回転数と負荷との関係から、水蒸気及び／又はリッチガスの蒸発時間を設定することもできる。例えば、アイドル条件では、５０ｓに設定される。

ステップＳ１０６において、時間条件が成立しなければ、ステップＳ１０６の判断を繰り返す。ステップＳ１０６において、時間条件が成立すれば、ステップＳ１０７の処理に進む。ステップＳ１０７において、水蒸気及び／又はリッチガスについて、センサ活性判定はＯＮとなる。

続いて、早期活性制御を行う場合のＥＣＵ１０及びＳＣＵ４０の動作について、図７に示されるフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳ２０１では、ＥＣＵ１０がセンサ通電条件成立を判断する。センサ通電条件は、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４の環境が、乾燥条件を満たしているかどうかで判断される。センサ通電条件が成立していれば、ステップＳ２０２の処理に進み、センサ通電条件が成立していなければ、処理を終了する。

ステップＳ２０２では、ＥＣＵ１０からＳＣＵ４０にセンサ駆動許可が送信される。ステップＳ２０２に続くステップＳ２０３では、ＳＣＵ４０がＮＯｘセンサ２４に通電し、センサ駆動が開始される。

ステップＳ２０３に続くステップＳ２０４では、早期活性制御が実行される。具体的には、ポンプセルに印加される電圧を一時的に上げる。

ステップＳ２０４に続くステップＳ２０５では、活性制御時間条件が成立しているか否かを判断する。活性制御時間条件に代えて、出力条件が成立しているか否かを判断してもよい。活性制御時間条件の成立は、早期活性制御に起因して発生する水素の影響を排除するための時間の経過を条件とする。出力条件の成立は、モニタセルの出力が実質的に正の値になったことを条件とする。

図１１に示されるように、早期活性制御が終了してポンプセルへの電圧印加が終了しても、残存水素の影響により、実際のガス濃度からのずれが発生する。そこで、図１１に示されるような水素消滅時間を設定し、水素消滅時間の経過をもって活性制御時間条件が成立しているものとすることができる。

図１２では、（Ａ）にモニタセルの電流、（Ｂ）に検出ＮＯｘ濃度、を示している。実線が水素消滅が遅いＮＯｘセンサ、破線は水素消滅が早いＮＯｘセンサの例を示している。いずれの場合も、モニタセル電流の値が０を超えた付近から検出ＮＯｘ濃度が実際のガス濃度に近くなっている。そこで、モニタセルの出力が実質的に正の値になったことを条件とし、残存水素の影響が排除されたものと判断することができる。尚、モニタセル電流の値は揺らぐことが考えられるので、瞬間的にモニタセル電流の値が正になったのみならず、ある程度継続し又は断続的に数回モニタセル電流の値が正になった場合に、残存水素の影響が排除されたものと判断することが好ましい。また、ＳＣＵ４０のモニタセル電流検出誤差を考慮して、僅かに負側にオフセットした閾値（数ｎＡ程度）としてもよい。

ステップＳ２０５において、活性制御時間条件又は出力条件が成立しなければ、ステップＳ２０５の判断を繰り返す。ステップＳ１０６において、活性制御時間条件又は出力時間条件が成立すれば、ステップＳ２０６の処理に進む。ステップＳ２０６において、水素について、センサ活性判定はＯＮとなる。

図８の（Ａ）は、図６を参照しながら説明した温度条件の成立及び水蒸気／リッチガス蒸発の時間条件成立を示すものである。図８の（Ｂ）は、図７を参照しながら説明した水素消滅のための時間条件成立を示すものである。

図８の（Ａ）における時刻ｔ１は、図６のステップＳ１０２の処理タイミングである。図８の（Ａ）における時刻ｔ２は、図６のステップＳ１０４の処理タイミングである。図８の（Ａ）における時刻ｔ４は、図６のステップＳ１０６の処理タイミングである。

図８の（Ｂ）における時刻ｔ１は、図７のステップＳ２０３，２０４の処理タイミングである。図８の（Ｂ）における時刻ｔ３は、図７のステップ２０４の処理が終了するタイミングである。図８の（Ｂ）における時刻ｔ５は、図７のステップＳ２０５の処理タイミングである。

従って、早期活性制御を行わない場合、図６を参照しながら説明した温度条件の成立及び水蒸気／リッチガス蒸発の時間条件成立をもって、ＮＯｘセンサ２４の活性化が完了したと判断することができる。一方、早期活性制御を行う場合、図６を参照しながら説明した温度条件の成立及び水蒸気／リッチガス蒸発の時間条件成立と、図７を参照しながら説明した水素消滅のための時間条件成立と、の双方の条件が成立した場合に、ＮＯｘセンサ２４の活性化が完了したと判断することができる。

図６を参照しながら説明した温度条件の成立を利用して、ＮＯｘセンサ２４の異常判定を行うことができる。ＮＯｘセンサ２４が正常の場合、図１３に示されるように、温度条件の成立及び水蒸気／リッチガス蒸発の時間条件成立後に異常判定開始タイミングが到来するので、活性異常フラグは不定から正常に遷移される。

一方、ＮＯｘセンサ２４が異常の場合、図１４に示されるように、異常判定開始タイミングが到来しても温度条件も時間条件も不成立となっているので、活性異常フラグは不定から異常に遷移される。

本実施形態のマイコン４０６は、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４の制御装置であって、内燃機関２０から排出される排気ガスから酸素を除去するための第１セルであるポンプセルの温度を示す第１パラメータ、及び第１セルであるポンプセルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる測定対象成分を検出するための第２セルであるセンサセル及びモニタセルの温度を示す第２パラメータを取得する昇温判定部４０６ａと、ＮＯｘセンサ２４が、所定の精度を確保し測定可能な活性状態になったか否かを判断する活性判定部４０６ｂと、を備えている。

昇温判定部４０６ａは、第１パラメータ及び第２パラメータの少なくとも一方が予め定められた温度閾値を超えたかによって、第１セル及び第２セルの昇温条件成立を判断し、活性判定部４０６ｂは、昇温条件成立後、温度閾値に対応する時間条件が成立している場合に、ＮＯｘセンサ２４が活性状態になっていると判断する。

昇温条件成立によって、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４を構成する第１セル又は第２セルが活性状態の必要条件を満たしていると判断することができる。この昇温条件に加えて、時間条件の成立を判断することで、ＮＯｘセンサ２４内において検出精度を確保する阻害要因となるガスの濃度低下も判断することができるので、より精度の高い活性判定を行うことができる。時間条件の成立は、第１セル及び第２セルの昇温条件成立を判断するための温度閾値に対応して判断するようにしているので、温度閾値が高く設定されたり低く設定されたりした場合であっても、その設定値に応じた阻害要因ガスの濃度低下を判断することができる。

また本実施形態では、時間条件は、昇温条件成立後において第２セルに対する水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間が確保されるように設定される。

時間条件は、昇温条件成立後において第２セルに対する水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間が確保されるように設定されるので、阻害要因ガスとしての水蒸気及び／又はリッチガスの影響を確実に排除し、より精度の高い活性判定を行うことができる。

また本実施形態では、第１パラメータ及び第２パラメータの少なくとも一方は、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスである。昇温判定に用いるパラメータとして、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスを用いるので、的確に昇温判定を行うことができる。

また本実施形態では、更に、時間条件の成立を判断するための所定時間を設定する時間設定部４０６ｃを備え、時間設定部４０６ｃは、第１セル及び第２セルへの通電を開始してから昇温条件成立までの時間に基づいて所定時間を設定する。

第１セル及び第２セルへの通電を開始してから昇温条件成立までの時間は、セルの反応能力によって変動するものなので、この時間に応じて所定時間を設定することで、時間条件の成立判断を最適化することができる。

また本実施形態では、更に、時間条件の成立を判断するための所定時間を設定する時間設定部４０６ｃを備え、時間設定部４０６ｃは、ＮＯｘセンサ２４が設けられている環境又は内燃機関２０の運転条件に基づいて所定時間を設定する。

排出ガスセンサが設けられている環境や内燃機関の運転条件は、阻害要因ガスの濃度低下に影響を与えるので、これらを勘案して所定時間を設定することで、環境や運転条件に応じた時間条件の設定が可能になる。

また本実施形態では、更に、内燃機関２０の始動時に第１セルへの印加電圧を一時的に高める早期活性制御を実行する早期活性部４０６ｄを備えている。早期活性部４０６ｄは、早期活性制御が完了する早期活性完了条件を判断する。活性判定部４０６ｂは、昇温条件、時間条件及び早期活性完了条件がともに成立し、早期活性制御に起因して発生する水素の影響を排除するための活性制御時間条件が成立している場合に、排出ガスセンサが活性状態になっていると判断する。早期活性制御によって発生する水素の影響を勘案した活性状態の判定が可能になるので、早期活性の効果を活かして早期の活性判定を行うことができる。

また本実施形態では、ＮＯｘセンサ２４は、第２セルとして、第１セルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる酸素濃度を検出するためのモニタセルを有しており、活性判定部４０６ｂは、昇温条件成立後、活性制御時間条件の成立に代えてモニタセルの出力が水素の影響が排除されたものを示す場合に、ＮＯｘセンサ２４が活性状態になっていると判断する。水素の影響が排除されたことをモニタセルで確認することができるので、より早期かつ高精度に活性状態の判断が可能となる。

また本実施形態では、活性判定部４０６ｂは、昇温条件が所定時間経過しても成立しない場合、ＮＯｘセンサ２４に異常が発生していると判断する。所定時間内に条件成立をしないことで、ＮＯｘセンサ２４の異常を判断することができるので、無駄な時間を費やすこと無く異常判断を行うことができる。

また、本実施形態では、第１パラメータ及び第２パラメータの少なくとも一方が、交流電圧印加時のアドミタンス、またはインピーダンスが、予め定められた閾値を超えたか否かによって昇温条件を判断しているが、昇温条件の判断手法はこれに限るものではない。例えば、第１パラメータ、及び第２パラメータに対応するそれぞれの閾値を予め設定し、第１パラメータ、第２パラメータがいずれも各々設定された閾値を超えたか否かによって昇温条件を判断するように構成しても良い。これによれば、第１パラメータ及び第２パラメータの両方に基づいて昇温判定を行うので確実に活性状態を判断することができる。

例えば、本実施形態では、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間にＮＯｘセンサ２４が、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側にＮＯｘセンサ３０がそれぞれ配置されているが、変形例１として、ディーゼル酸化触媒コンバータの流れ方向の上流側に、更にＮＯｘ吸蔵還元触媒であるＬＮＴ（Ｌｅａｎ ＮＯｘ Ｔｒａｐ）を設けてもよい。

ＬＮＴは、ＮＯｘ吸蔵材とセラミックス製の担体からなる。ＬＮＴは、排ガス中のＮＯｘをエンジンの状態がリーン状態のときにカリウムなどのアルカリ金属、またはバリウムなどのアルカリ土類金属からなるＮＯｘ吸蔵材に一旦吸蔵させ、エンジンの状態をリッチ状態にすることで排ガス中にＨＣを供給して、吸蔵されたＮＯｘを放出させる。そして、放出させたＮＯｘを下流側に設けられているＳＣＲ触媒コンバータの機能により還元する。

このような構成においては、ＮＯｘセンサは、ＬＮＴの上流側にさらに設けることができる。すなわち、ＮＯｘセンサは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間、及びＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側に、それぞれ設けることができる。そして、それぞれのＮＯｘセンサが、一つのＳＣＵに接続されている。その他は、上記実施形態と同様である。

この構成によれば、ＬＮＴ上流側のＮＯｘ濃度を検知し、検出されたＮＯｘ濃度をＳＣＵ４０からＥＣＵ１０に送信することで、ＥＣＵ１０側でエンジンの状態をリッチかリーンかに切り替えることができる。

一方で、ＬＮＴ上流側のＮＯｘセンサは、エンジンから排出された排ガスが還元触媒等を通らないガスであることが多いために他ガスを多く含み、ＮＯｘセンサの検知に際して他ガスの影響が大きい。したがって、ＬＮＴ上流側のＮＯｘセンサの活性判定では、実施例中において、ステップＳ１０５に相当する昇温条件成立後におけるセンサセル及びモニタセルに対する水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間を長く設定する必要がある。

すなわち、ＬＮＴ上流側に用いられるＮＯｘセンサに本発明を適用する場合には、第１パラメータ、または第２パラメータが昇温条件成立のための活性判定アドミタンスＴｈａを超えてから、活性判定ＯＮまでの時間条件は、ＬＮＴの下流に設けられているＮＯｘセンサよりも長く設定されていることが好ましい。これにより、水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間が、ＬＮＴ下流側に設けられたＮＯｘセンサよりも長くなるので、ＮＯｚセンサの検出精度を確保する阻害要因となるガスの影響を考慮し、精度良くＮＯｘセンサの活性を判定することができる。

また、変形例２としては、変形例１におけるＬＮＴ上流に設けられているＮＯｘセンサを、ＬＮＴとディーゼル酸化触媒コンバータとの間に設けることもできる。このような構成では、ＮＯｘセンサは、ＬＮＴとディーゼル酸化触媒コンバータとの間、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間、及びＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側に、それぞれ設けることができる。

このような構成であっても、当該ＮＯｘセンサは、排ガスが還元触媒等を通らないガスであるので、やはり他ガスの影響が大きいものとなる。したがって、変形例１のように、ＬＮＴとディーゼル酸化触媒コンバータとの間に設けたＮＯｘセンサにおける昇温条件成立のための活性判定アドミタンスＴｈａに対して、第１パラメータ、または第２パラメータが当該判定のアドミタンスＴｈａを超えてから活性判定ＯＮまでの時間条件は、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間、またはＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側に設けられたＮＯｘセンサよりも長く設定されていることが好ましい。

これにより、水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間が、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間、またはＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側に設けられたＮＯｘセンサよりも長くなるので、ＮＯｚセンサの検出精度を確保する阻害要因となるガスの影響を考慮し、精度良くＮＯｘセンサの活性を判定することができる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

４０６ａ：昇温判定部
４０６ｂ：活性判定部

Claims (9)

1. 排出ガスセンサの制御装置であって、
   内燃機関から排出される排気ガスから酸素を除去するための第１セルの温度を示す第１パラメータ、又は前記第１セルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる測定対象成分を検出するための第２セルの温度を示す第２パラメータを取得する昇温判定部（４０６ａ）と、
   前記排出ガスセンサが、所定の精度を確保し測定可能な活性状態になったか否かを判断する活性判定部（４０６ｂ）と、を備え、
   前記昇温判定部は、前記第１パラメータ又は前記第２パラメータが予め定められた温度閾値を超えたかによって、前記第１セル又は前記第２セルの昇温条件成立を判断し、
   前記活性判定部は、前記昇温条件成立後、前記温度閾値に対応する時間条件であって、前記昇温条件成立後において前記第２セルに対する水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間が確保される時間条件が成立している場合に、前記排出ガスセンサが活性状態になっていると判断する、制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記昇温判定部は、前記第１パラメータ及び前記第２パラメータを取得し、前記第１パラメータ及び前記第２パラメータが各々予め定められた温度閾値を超えたかによって、前記第１セル及び前記第２セルの昇温条件成立を判断する、制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の制御装置であって、
   前記第１パラメータ及び前記第２パラメータの少なくとも一方は、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスである、制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置であって、
   更に、前記時間条件の成立を判断するための所定時間を設定する時間設定部（４０６ｃ）を備え、
   前記時間設定部は、前記第１セル及び前記第２セルへの通電を開始してから前記昇温条件成立までの時間に基づいて前記所定時間を設定する、制御装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置であって、
   更に、前記時間条件の成立を判断するための所定時間を設定する時間設定部（４０６ｃ）を備え、
   前記時間設定部は、前記排出ガスセンサが設けられている環境又は前記内燃機関の運転条件に基づいて前記所定時間を設定する、制御装置。
6. 請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置であって、
   更に、内燃機関の始動時に前記第１セルへの印加電圧を一時的に高める早期活性制御を実行する早期活性部（４０６ｄ）を備え、
   前記早期活性部は、前記早期活性制御が完了する早期活性完了条件を判断し、
   前記活性判定部は、前記昇温条件、前記時間条件及び前記早期活性完了条件がともに成立し、早期活性制御に起因して発生する水素の影響を排除するための活性制御時間条件が成立している場合に、前記排出ガスセンサが活性状態になっていると判断する、制御装置。
7. 請求項６に記載の制御装置であって、
   前記排出ガスセンサは、前記第２セルとして、前記第１セルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる酸素濃度を検出するためのモニタセルを有しており、
   前記活性判定部は、前記昇温条件成立後、前記活性制御時間条件の成立に代えて前記モニタセルの出力が水素の影響が排除されたものを示す場合に、前記排出ガスセンサが活性状態になっていると判断する、制御装置。
8. 請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置であって、
   前記時間条件は、前記昇温条件成立後において前記第２セルに対する水蒸気及び／又はリッチガスの影響が排除される時間が確保されるように予め設定される、制御装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の制御装置であって、
   前記活性判定部は、前記昇温条件が所定時間経過しても成立しない場合、前記排出ガスセンサに異常が発生していると判断する、制御装置。