JP2009175014A - ＮＯｘセンサ及びその劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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を容易に診断できるようにする。
【解決手段】ＮＯｘセンサのセンサセル７５，７０の近傍に劣化検出用セル８０，７０を設ける。そしてこれらセルの出力Ｉ₁，Ｉ₄に基づいてＮＯｘセンサの劣化を診断する。劣化検出用セルからセンサセルの劣化品相当の出力を得られるので、両セルの出力を比較することでＮＯｘセンサの劣化を容易に診断できる。
【選択図】図２

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診断装置に係り、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診断装置に関する。

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。

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）。

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

一方、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。

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を容易に診断できるようにすることにある。

本発明の一形態によれば、センサセルの近傍に劣化検出用セルを備えたことを特徴とするＮＯｘセンサが提供される。

かかる劣化検出用セルを設けると、この劣化検出用セルから、センサセルの劣化品相当の出力を得ることができる。よってセンサセルの出力（即ちＮＯｘセンサの出力）を劣化検出用セルの出力と比較することで、ＮＯｘセンサの劣化度を検出でき、ひいてはＮＯｘセンサが正常か劣化かを診断することができる。ＮＯｘセンサの上流側に位置するＮＯｘ触媒等の影響を受けないので（即ち、両セルの被検出ガスが同一なので）、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を容易に診断できる。

好ましくは、前記ＮＯｘセンサは、第１の拡散律速部材を通じて被検出ガスが導入される第１室と、第２の拡散律速部材を通じて前記第１室内のガスが導入される第２室と、前記第１室に配設されポンプセルを構成する第１の電極と、前記第１室及び前記第２室の少なくとも一方に配設されモニタセルを構成する第２の電極とを備え、
前記第２室に、前記センサセルを構成する第３の電極と前記劣化検出用セルを構成する第４の電極とを備え、
前記第１の電極及び第２の電極が、劣化に伴ってこれら電極から飛散する金属材料を含み、前記第３の電極が前記金属材料を含まず、前記第４の電極が前記金属材料を含む。

本発明者の鋭意研究の結果によれば、劣化に伴って第１の電極及び第２の電極から金属材料が飛散し、これが第３の電極に付着してＮＯｘセンサの出力が次第にズレていくことが判明した。よって劣化検出用セルを構成する第４の電極に、そのような金属材料を予め含ませておくことにより、第４の電極を第３の電極の劣化品相当とすることができ、好適な劣化検出用セルを構成することができる。

好ましくは、前記金属材料が、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い金属材料からなる。

本来、第３の電極は、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有し又はその触媒能が高い金属材料を含み、この金属材料の作用により第２室内のＮＯｘを分解するものである。しかしながら、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い金属材料が第１の電極及び第２の電極から飛散して第３の電極に付着すると、第３の電極のＮＯｘ分解能が低下し、ＮＯｘセンサの出力が次第にズレていく。そこで第４の電極に、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い金属材料を予め含ませておくことにより、第４の電極を第３の電極の劣化品相当とすることができ、好適な劣化検出用セルを構成することができる。

好ましくは、前記金属材料が金である。

本発明の他の形態によれば、前記ＮＯｘセンサの劣化を診断するための装置であって、前記センサセル及び前記劣化検出用セルの出力に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する判定手段を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの劣化診断装置が提供される。

被検出ガスの同一のＮＯｘ濃度に対し、センサセルの出力は劣化に伴って徐々に低下するのに対し、劣化検出用セルの出力は殆ど変化しない。よってこれら出力同士を比較することで、ＮＯｘセンサの劣化を好適に判定することができる。

好ましくは、前記判定手段は、前記センサセル及び前記劣化検出用セルの出力の比又は差に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する。これら比又は差は、ＮＯｘセンサの劣化度を表すパラメータとして好適である。

好ましくは、前記ＮＯｘセンサの劣化診断装置は、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、前記センサセル及び前記劣化検出用セルの出力に基づいて前記ＮＯｘセンサの出力を補正する補正手段を備える。

この補正後のＮＯｘセンサ出力を用いることにより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を容易に診断できるという、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の外端面はセンサ外部の被検出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内に導入される。

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７１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内の酸素濃度が高濃度側の所定値、例えば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モニタするための第１のモニタセルの対面する２つの電極板を構成する。

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内のガスから酸素を排出するための第２の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内の酸素濃度が低濃度側の所定値、例えば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内のガス中の酸素濃度をモニタするための第２のモニタセルの対面する２つの電極板を構成する。

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。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に向けて移動し汲み出される。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。分解生成された酸素量と窒素量とは互いに比例関係にあるから、結局、電流Ｉ₁が排気ガス中のＮＯｘ濃度を示すＮＯｘセンサ５０の出力となる。

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を分解して生成された酸素を排出すると共に、被検出ガスたる排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じたセンサ出力を発するセンサセルの対面する２つの電極板を構成する。

排気ガスに接触する第１室６４内の陰極側第１ポンプ電極６７と第２室６５内の陰極側第２ポンプ電極７２とは、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い材料から構成されている。例えばこれら電極６７，６８は、金Ａｕと白金Ｐｔとセラミックスのサーメットからなる。一方、第２室６５内の陰極側ポンプ電極７５は、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有し又はその触媒能が高い材料を含む。例えば陰極側ポンプ電極７５は、ロジウムＲｈと白金ＰｔとセラミックスとしてのジルコニアＺｒＯ₂からなる多孔質サーメットから構成され、このうちロジウムＲｈがＮＯｘ、特にＮＯをも還元し得る高いＮＯｘ触媒能を有する。

第１室６４内では、第１のポンプセル及びモニタセルの作用により第１室６４内の酸素濃度が１ｐｐｍとなるように第１室６４内の酸素が排出される。このとき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。

第２室６５内では、第２のポンプセル及びモニタセルの作用により第２室６５内の酸素濃度が０．０１ｐｐｍとなるように第２室６５内の酸素が排出される。また、センサセルの作用により、第２室６５内のＮＯｘ（殆どがＮＯである）が陰極側ポンプ電極７５上においてＮ₂とＯ₂とに分解され、分解生成された酸素Ｏ₂が排出されると共に、分解生成された窒素の量に応じた出力電流Ｉ₁が発せられる。

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。

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室６４内の陰極側第１ポンプ電極６７と第２室６５内の陰極側第２ポンプ電極７２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）が飛散すると共に第２室６５内の陰極側ポンプ電極７５の表面に徐々に付着していき、当該陰極側ポンプ電極７５のＮＯｘ触媒能を徐々に低下させていくことが判明した。この低触媒能金属材料とは本実施形態の場合金Ａｕであり、この金Ａｕが飛散して陰極側ポンプ電極７５に付着する結果、陰極側ポンプ電極７５のロジウムＲｈの持つＮＯｘ触媒能を低下させてしまう。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ズレていってしまう。陰極側ポンプ電極７５への金付着量がＮＯｘセンサ５０の劣化度と相関する。

そこでかかる劣化メカニズムに着目し、本実施形態では、センサセルの近傍に劣化検出用セルを追加して設けている。図２に示すように、劣化検出用セルは、第２室６５内の第３層Ｌ₃の内周面上に、陰極側ポンプ電極７５に隣接して配設された劣化検出用陰極側ポンプ電極８０と、基準電極７０と、これら電極間で酸素イオンを移動させるための第３層Ｌ₃とから構成されており、センサセルとほぼ同様の構成を有する。異なるのは、劣化検出用陰極側ポンプ電極８０が、陰極側第１ポンプ電極６７と陰極側第２ポンプ電極７２とから飛散してくる低触媒能金属材料である金Ａｕを含む点にある。具体的には劣化検出用陰極側ポンプ電極８０は、ロジウムＲｈと白金ＰｔとジルコニアＺｒＯ₂に加え、金Ａｕを含む多孔質サーメットから構成されている。あたかも金Ａｕが付着した陰極側ポンプ電極７５のように、金Ａｕは劣化検出用陰極側ポンプ電極８０の主に表面部に含ませられている。金Ａｕを含ませることにより劣化検出用陰極側ポンプ電極８０のＮＯｘ触媒能が低下され、劣化検出用陰極側ポンプ電極８０は、あたかもセンサセルの陰極側ポンプ電極７５が金Ａｕの付着により劣化したときのような、劣化品相当の電極となる。

劣化検出用陰極側ポンプ電極８０と基準電極７０との間にも、センサセルと同じ大きさの一定電圧８１が印加されている。したがって劣化検出用陰極側ポンプ電極８０上において分解生成されたＯ₂が酸素イオンとなって第３層Ｌ₃内を基準電極７０に向けて移動し汲み出される。このとき、劣化検出用陰極側ポンプ電極８０と基準電極７０との間には、酸素イオン量に比例した符号８２で示す電流Ｉ₄が流れる。但しこの電流Ｉ₄は、センサセルの陰極側ポンプ電極７５が劣化したときに出力されるような小さい値である。この電流Ｉ₄は基本的にＮＯｘ濃度検出のためには用いられない。

かかる劣化検出用セルを設けると、この劣化検出用セルから、センサセルの劣化品相当の出力を得ることができる。よってセンサセルの出力（即ちＮＯｘセンサ５０の出力）を劣化検出用セルの出力と比較することで、ＮＯｘセンサ５０の劣化度を常時検出でき、ひいてはＮＯｘセンサ５０が正常か劣化かを確実に診断することができる。そしてＮＯｘセンサ５０の上流側に位置するＮＯｘ触媒３４等の影響を何等受けないので（即ち、両セルの被検出ガスが同一なので）、ＮＯｘ触媒３４の下流側に配設されたＮＯｘセンサ５０の劣化を容易に診断できる。

図３に、排気ガスのＮＯｘ濃度と、センサセル及び劣化検出用セルからの出力電流Ｉ₁，Ｉ₄との関係を示す。センサセル出力電流Ｉ₁はＮＯｘ濃度に比例して変化するが、このときの傾きは、ＮＯｘセンサ５０が新品（実線参照）から劣化するにつれ小さくなる（破線参照）。一方、劣化検出用セル出力電流Ｉ₄は、ＮＯｘ濃度に比例して変化するものの、このときの傾きは非常に小さく、新品時からセンサセルの劣化品相当である。そしてこの出力特性はセンサの劣化が進んでも殆ど変化しない。金Ａｕが劣化検出用陰極側ポンプ電極８０に十分に含ませられているからである。同一のＮＯｘ濃度で比較したときの劣化検出用セル出力電流Ｉ₄は、新品時のセンサセル出力電流Ｉ₁に対して例えば１０〜２０％程度である。そこで、ＮＯｘセンサ劣化度を表すパラメータとしての両出力電流Ｉ₁，Ｉ₄の比（出力比Ｒ＝Ｉ₁／Ｉ₄）又は差（出力差Ｄ＝Ｉ₁−Ｉ₄）をモニタすることで、センサセルの陰極側ポンプ電極７５の金付着量ひいてはＮＯｘセンサ５０の劣化度を検出し、ＮＯｘセンサ５０が正常か劣化かを診断することができる。ＮＯｘセンサ劣化度が大となるほど、出力比Ｒ及び出力差Ｄは小さくなる。

なお、劣化検出用セルを設けたことによるＮＯｘセンサ本来のＮＯｘ濃度検出性能への影響は実際上皆無である。ＮＯｘセンサは公知の限界電流特性を有し、センサセルへの印加電圧７６とＮＯｘ濃度とに対応した出力電流Ｉ₁を発するものであるが、実用上、第２室６５内にはＮＯｘ濃度検出に十分すぎるほど多くのＮＯｘが存在し、その一部が劣化検出用セルに分解されたとしても、センサセルにおけるＮＯｘ分解作用には何等影響を与えないからである。印加電圧７６，８１を極端に大きくすれば第２室６５内のＮＯｘが不足がちとなり影響を及ぼすことも考えられるが、実用上はそのような大きさの印加電圧７６，８１を与えることはなく、従って劣化検出用セルの影響も皆無である。

次に、具体的な劣化診断処理を図４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、劣化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。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。

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、センサセル及び劣化検出用セルからの出力電流Ｉ₁，Ｉ₄が取得される。

次いで、ステップＳ１０３において、これら出力電流Ｉ₁，Ｉ₄に基づき出力比Ｒ＝Ｉ₁／Ｉ₄が算出される。そしてステップＳ１０４において、出力比Ｒが所定の劣化判定値Ｒｓと比較される。

出力比Ｒが劣化判定値Ｒｓより大きい場合、ステップＳ１０５においてＮＯｘセンサ５０は正常と判定される。そしてステップＳ１０６において、センサセル即ちＮＯｘセンサ５０の出力Ｉ₁が、正常範囲内にある一定の劣化度相当の値になるように補正される。本実施形態では、ＮＯｘセンサ５０の出力Ｉ₁が新品相当の値になるように補正され、具体的には式：Ｉ₁’＝Ｉ₁・（Ｒ０／Ｒ）により、取得したセンサ出力Ｉ₁が補正される。ここでＩ₁’は補正後のセンサ出力、Ｒ０はセンサ新品時の出力比である。こうしてセンサ正常時にＮＯｘセンサ出力を一定の劣化度相当の値（新品時の値）Ｉ₁’に補正することで、センサ劣化度の影響のないセンサ出力値Ｉ₁’を利用して尿素噴射量制御等の各種制御を精度良く安定して行うことが可能になる。

他方、出力比Ｒが劣化判定値Ｒｓ以下の場合、ステップＳ１０７においてＮＯｘセンサ５０は劣化と判定される。そしてステップＳ１０８において、チェックランプ等の警告装置がオンされ、ユーザに対して警告がなされると同時にＮＯｘセンサ５０の交換が促される。

なお、センサ劣化度を表すパラメータとして出力比Ｒの代わりに出力差Ｄを用いる場合、同一劣化度でもＮＯｘ濃度に応じて出力差Ｄが変わるので（図３参照）、既知のＮＯｘ濃度となるようなエンジン運転条件下で実際の出力差Ｄを取得し、これを所定の劣化判定値Ｄｓと比較して正常か劣化かを判定する。また、正常判定の場合、実際の出力差Ｄに基づいて、一定の劣化度相当の値となるようＮＯｘセンサ出力Ｉ₁を補正する。

以上の説明から理解されるように、本実施形態では、陰極側第１ポンプ電極６７が本発明にいう第１の電極をなし、陰極側第２ポンプ電極７２が本発明にいう第２の電極をなし、陰極側ポンプ電極７５が本発明にいう第３の電極をなし、劣化検出用陰極側ポンプ電極８０が本発明にいう第４の電極をなす。本実施形態の場合、ポンプセルが、第１のポンプセル及び第２のポンプセルという二つのポンプセルによって構成され、またモニタセルが、第１のモニタセル及び第２のモニタセルという二つのモニタセルによって構成されている。しかしながら、要は、第２室６５内の酸素濃度が低濃度側の所定値（０．０１ｐｐｍ）となるようにフィードバック制御すればよいのである。第１室６４内から酸素排出を行うポンプセル（第１のポンプセル）を設けるのは必須であり、このポンプセルを、第１室６４内又は第２室６５内で検出した酸素濃度に応じてフィードバック制御することが必要である。こうした意味において、第１のポンプセル及びこれを構成する電極は必須であるが、第２のポンプセル及びこれを構成する電極は必ずしも必須ではない。また、第１のモニタセル及びこれを構成する電極と、第２のモニタセル及びこれを構成する電極との少なくともいずれか一方があればよい。ＮＯｘセンサの構成は本実施形態のものに限られないが、本実施形態のように、二つずつのポンプセル及びモニタセルを設け、第１室６４及び第２室６５の酸素濃度を二段階でフィードバック制御することは、第２室６５内の酸素濃度を高精度で制御できるという点で当然ながら好ましい。

劣化検出用陰極側ポンプ電極８０については、少なくとも第２室６５内に配設されていればよく、必ずしも図２に示すように陰極側ポンプ電極７５に対してセンサ長手方向に直列に配置されている必要はない。陰極側ポンプ電極７５と並列に配置されていてもよい。また劣化検出用陰極側ポンプ電極８０の表面積は陰極側ポンプ電極７５より小さいのが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。

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、本発明に係るＮＯｘセンサ及びその劣化診断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。 被検出ガスのＮＯｘ濃度とセンサ出力の関係を示すグラフである。 劣化診断処理の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
６２ 第１の拡散律速部材
６３ 第２の拡散律速部材
６４ 第１室
６５ 第２室
６７ 陰極側第１ポンプ電極
７２ 陰極側第２ポンプ電極
７５ 陰極側ポンプ電極
８０ 劣化検出用陰極側ポンプ電極
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｉ₁ センサセル（ＮＯｘセンサ）の出力電流
Ｉ₄ 劣化検出用セルの出力電流
Ｒ 出力比
Ｄ 出力差

Claims (7)

1. センサセルの近傍に劣化検出用セルを備えたことを特徴とするＮＯｘセンサ。
2. 第１の拡散律速部材を通じて被検出ガスが導入される第１室と、第２の拡散律速部材を通じて前記第１室内のガスが導入される第２室と、前記第１室に配設されポンプセルを構成する第１の電極と、前記第１室及び前記第２室の少なくとも一方に配設されモニタセルを構成する第２の電極とを備え、
   前記第２室に、前記センサセルを構成する第３の電極と前記劣化検出用セルを構成する第４の電極とを備え、
   前記第１の電極及び第２の電極が、劣化に伴ってこれら電極から飛散する金属材料を含み、前記第３の電極が前記金属材料を含まず、前記第４の電極が前記金属材料を含む
   ことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘセンサ。
3. 前記金属材料が、ＮＯｘを還元し得る触媒能を有しないか又はその触媒能が低い金属材料からなることを特徴とする請求項２記載のＮＯｘセンサ。
4. 前記金属材料が金であることを特徴とする請求項３記載のＮＯｘセンサ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のＮＯｘセンサの劣化を診断するための装置であって、
   前記センサセル及び前記劣化検出用セルの出力に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する判定手段を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの劣化診断装置。
6. 前記判定手段は、前記センサセル及び前記劣化検出用セルの出力の比又は差に基づいて前記ＮＯｘセンサの劣化を判定する
   ことを特徴とする請求項５記載のＮＯｘセンサの劣化診断装置。
7. 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、前記センサセル及び前記劣化検出用セルの出力に基づいて前記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５又は６に記載のＮＯｘセンサの劣化診断装置。

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