JP2016166546A - Ｎｈ３センサの故障検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＨ３検知電極を光触媒材料で構成したＮＨ３センサの故障検知方法を提供すること。【解決手段】ＮＨ３センサは、光触媒材料を含んで構成されかつ排気管内に晒されたＮＨ３検知電極と、ＮＨ３検知電極を構成する材料とは異なる材料で構成されかつ排気管内に晒された基準電極と、基準電極及びＮＨ３検知電極が接合された酸素イオン導電性の固体電解質体と、を備え、ＮＨ３検知電極と基準電極との間でＮＨ３及びＨ２Ｏに応じた起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦを発生する。このＮＨ３センサの故障検知方法は、排気管内のＨ２Ｏの量を変化させるＨ２Ｏ量変化工程（Ｓ３）と、Ｈ２Ｏの量を変化させた際における起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦの変化を取得し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦの変化に基づいてＮＨ３センサの故障を検知する故障検知工程（Ｓ４〜Ｓ９）と、を備える。【選択図】図８

Description

本発明は、ＮＨ_３センサの故障検知方法に関する。

車両には、内燃機関や排気の状態を把握するため、酸素濃度センサ、ＮＯｘセンサ、及び温度センサ等の様々なセンサが搭載されている。また、走行中の車両においてこれらセンサの故障を検知する方法も数多く提案されている。例えば特許文献１には、排気通路に設けられた酸素濃度センサの故障検知方法が記載されている。特許文献１の故障検知方法では、内燃機関の空燃比を一時的にリッチにしたときにおけるインピーダンスの変化を用いることによって酸素濃度センサの故障を検知している。

特開２００５−４２６７６号公報

ところで近年では、アンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気中のＮＯｘを選択的に還元するＮＨ_３選択還元触媒に関する研究が盛んである。このＮＨ_３選択還元触媒を備えた排気浄化システムでは、ＮＨ_３選択還元触媒の上流側から尿素水を供給し、この尿素水から排気の熱で熱分解又は加水分解することでＮＨ_３を生成し、このＮＨ_３によって排気中のＮＯｘを選択的に還元する。このような排気浄化システムにおける尿素水噴射制御には、ＮＨ_３センサが用いられる場合がある。

またＮＨ_３センサとしては、ＮＨ_３検知電極を光触媒材料で構成するものが提案されている。このＮＨ_３センサでは、ＮＨ_３検知電極を熱によって活性化させることによってＢ酸点を発現させ、このＢ酸点によって極性分子であるＮＨ_３を選択的に吸着することによって、排気中のＮＨ_３を精度良く検出する。しかしながら、このようなＮＨ_３センサの故障を車両の走行中に検知する技術については、これまで十分に検討されていない。

本発明は、ＮＨ_３検知電極を光触媒材料で構成したＮＨ_３センサの故障検知方法を提供することを目的とする。

（１）ＮＨ_３センサ（例えば、後述のＮＨ_３センサ５）は、光触媒材料を含んで構成されかつ内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管１１）内に晒されたＮＨ_３検知電極（例えば、後述のＮＨ_３検知電極５１３）と、前記ＮＨ_３検知電極を構成する材料とは異なる材料で構成されかつ前記排気通路内に晒された基準電極（例えば、後述の基準電極５１２）と、前記基準電極及び前記ＮＨ_３検知電極が接合された酸素イオン導電性の固体電解質体（例えば、後述の固体電解質体５１１）と、を備え、前記ＮＨ_３検知電極と前記基準電極との間でＮＨ_３及びＨ_２Ｏに応じた起電力（例えば、後述のＭＡＩＮ−ＥＭＦ）を発生する。このＮＨ_３センサの故障検知方法は、前記排気通路内のＨ_２Ｏの量を変化させるＨ_２Ｏ量変化工程（例えば、後述の図８のＳ３の工程）と、前記Ｈ_２Ｏの量を変化させた際における前記起電力の変化を取得し、当該起電力の変化に基づいて前記ＮＨ_３センサの故障を検知する故障検知工程（例えば、後述の図８のＳ４〜Ｓ９の工程）と、を備えることを特徴とする。

（２）この場合、前記故障検知工程では、前記起電力の変化量（例えば、後述の変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦ）が所定の故障判定値（例えば、後述の変化幅ΔＳＵＢ−ＥＭＦ）以下である場合には前記ＮＨ_３センサは故障したと判定し、前記起電力の変化量が前記故障判定値より大きい場合には前記ＮＨ_３センサは正常であると判定することが好ましい。

（３）この場合、前記固体電解質体には、ＮＯ_２に対する選択性を有する材料でありかつ前記光触媒材料と異なる材料が用いられた比較用電極（例えば、後述のＮＯ_２検知電極５１４）が接合され、前記比較用電極は前記排気通路内に晒され、前記故障検知工程では、前記Ｈ_２Ｏの量を変化させた際における前記ＮＨ_３検知電極と前記基準電極との間で発生する第１起電力の変化（ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦ）及び前記比較用電極と前記基準電極との間で発生する第２起電力の変化（ΔＳＵＢ−ＥＭＦ）を取得し、これら第１及び第２起電力の変化を比較することによって前記ＮＨ_３センサの故障を検知することが好ましい。

（４）この場合、前記故障検知工程では、前記Ｈ_２Ｏの量を変化させる前と後の前記第１起電力及び前記第２起電力の変化幅を取得し、前記第１起電力の変化幅が前記第２起電力の変化幅よりも小さいときに前記ＮＨ_３センサは故障したと判定することが好ましい。

（５）この場合、前記Ｈ_２Ｏ量変化工程では、前記内燃機関の空燃比をリーンからリッチへ変化させることによって、前記排気通路内のＨ_２Ｏの量を増加させることが好ましい。

（１）光触媒材料を含んで構成されたＮＨ_３検知電極は、Ｈ_２Ｏを用いてＢ酸点（・ＯＨ）を形成するＢ酸点形成機能を有する。このようなＮＨ_３検知電極を備えたＮＨ_３センサでは、ＮＨ_３検知電極に形成されたＢ酸点によって極性分子であるＮＨ_３を選択的に吸着し、これによって排気中のＮＨ_３を検出する。このためＮＨ_３センサのＮＨ_３検知電極と基準電極との間には、排気中のＮＨ_３だけでなく、Ｂ酸点の発現を介してＨ_２Ｏに応じた起電力を発生する。本発明ではこれを利用して、ＮＨ_３検知電極にＨ_２Ｏの量を変化させ、この際の起電力の変化に基づいてＮＨ_３センサの故障を検知する。排気中のＨ_２Ｏの量はエンジンの運転状態に応じて比較的容易に変化させることができるので、本発明によれば車両の走行中でも容易にＮＨ_３センサの故障を検知できる。

（２）上述のように本発明が対象とするＮＨ_３センサの電極間に発生する起電力は、排気中のＨ_２Ｏの量に応じて変化する。本発明ではこれを利用して、Ｈ_２Ｏの量を変化させたときにおける起電力の変化量と予め定められた故障判定値とを比較し、変化量が故障判定値以下である場合には、Ｂ酸点は正常に発現されておらずＮＨ_３センサは故障したと判定し、変化量が故障判定値より大きい場合には、Ｂ酸点は正常に発現されておりＮＨ_３センサは正常であると判定する。これにより、ＮＨ_３センサが正常であるか否かを正確かつ速やかに判定できる。

（３）本発明では、ＮＨ_３検知電極とは別に比較用電極を固体電解質体に設ける。この比較用電極には、ＮＯ_２に対する選択性を有する材料でありかつ光触媒材料と異なる材料が用いられる。比較用電極には光触媒材料と異なる材料が用いられるので、比較用電極にＨ_２Ｏが存在してもＮＨ_３検知電極のようにＢ酸点が形成されることはなく、比較用電極と基準電極との間の起電力は、少なくとも排気中のＨ_２Ｏの量の変化に起因して変化することはない。本発明ではこれを利用して、Ｈ_２Ｏの量を変化させた際におけるＮＨ_３検知電極−基準電極間で発生する第１起電力の変化と、比較用電極−基準電極間で発生する第２起電力の変化とを比較することによってＮＨ_３センサの故障を検知する。電極間に発生する起電力は、Ｈ_２ＯだけでなくＮＨ_３等の他の要因によって変化するところ、本発明によれば、異なる機能を有する２つの電極間で発生する起電力の比較に基づいてＮＨ_３センサの故障を検知することにより、Ｈ_２Ｏ以外の要因による起電力の変化の影響を除くことができるので、これにより故障検知精度を向上することができる。

（４）本発明では、上述のように比較用電極と基準電極との間の第２起電力は、排気中のＨ_２Ｏの量を変化させても第１起電力ほどには変化しないと考えられる。本発明ではこれを利用して、第１起電力の変化幅と第２起電力の変化幅とを比較し、第１起電力の変化幅が第２起電力の変化幅よりも小さいときにはＮＨ３センサは故障したと判定する。これにより、容易にＮＨ_３センサの故障を検知できる。

（５）本発明では、内燃機関の空燃比をリーンからリッチへ変化させることによって、排気通路内のＨ_２Ｏの量を増加させる。これにより、車両の走行中であっても容易かつ速やかにＨ_２Ｏの量を変化させ、ＮＨ_３センサの故障を検知できる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化システムの構成を示す図である。 ＮＨ_３センサの検出素子の断面図である。 ＮＨ_３検知電極及びＮＯ_２検知電極を固体電解質体に接合した後におけるそれぞれの接合部分のバンド構造を模式的に示す図である。 ＮＨ_３センサの検出素子を排気に晒したときに進行する反応の一例を示す図であり、起電力の発生メカニズムを簡略化して表した図である。 ＮＨ_３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＮＨ_３／ＮＯ_２特性を示す図である。 ＮＨ_３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＨ_２Ｏ特性を示す図である。 ＮＨ_３センサの検出素子及びこれを制御するセンサコントローラの構成を示すブロック図である。 ＮＨ_３センサの故障検知処理の具体的な手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化システム２の構成を示す図である。排気浄化システム２は、エンジン１の排気ポートから延びる排気管１１に設けられた触媒浄化装置３と、これらエンジン１及び触媒浄化装置３を制御する電子制御ユニット７と、を備える。

エンジン１は、例えば、空燃比をストイキよりもリーンとする所謂リーン燃焼を基本としたもの、より具体的にはディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン等である。エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁１７が設けられている。この燃料噴射弁１７を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ７に電磁的に接続されている。エンジン１の空燃比は、吸気制御弁１６によってシリンダ内に導入される新気の量、及びエンジン１の各シリンダに設けられた燃料噴射弁１７からの燃料噴射量等を、電子制御ユニット７によって調整することで制御される。以下では、エンジン１の燃料噴射制御等の実行に係る電子制御ユニットをＦＩ−ＥＣＵ７１という。

触媒浄化装置３は、上流触媒コンバータ３１と、排気浄化フィルタ３２と、下流触媒コンバータ３３と、尿素水供給装置４と、ＮＨ_３センサ５と、を備える。上流触媒コンバータ３１は、排気管１１のうちエンジン１の直下に設けられている。下流触媒コンバータ３３は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１より下流側に設けられている。排気浄化フィルタ３２は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１と下流触媒コンバータ３３との間に設けられている。これら上流触媒コンバータ３１及び下流触媒コンバータ３３には、エンジン１の排気に含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の成分を浄化する反応を促進するための触媒が設けられている。

上流触媒コンバータ３１は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材に酸化触媒を担持して構成される。エンジン１から排出された排気に含まれるＨＣやＣＯは、この上流触媒コンバータ３１を通過する過程で酸化触媒の作用によって酸化され、浄化される。また、排気に含まれるＮＯも、上流触媒コンバータ３１を通過する過程でＮＯ_２に酸化される。エンジン１の直下の排気に含まれるＮＯｘのうちほぼ全てはＮＯでありＮＯ_２はほとんど含まれていない（ＮＯ_２／ＮＯｘ比がほぼ０）。このため、上流触媒コンバータ３１でＮＯを酸化しＮＯ_２を生成することにより、下流触媒コンバータ３３に流入する排気のＮＯ_２／ＮＯｘ比を、後述のＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能が最適化される約０．５まで上昇させることができる。

排気浄化フィルタ３２は、多孔質壁で区画形成された複数のセルを有するウォールフロー型のハニカム構造体と、各セルに対し上流側と下流側とで互い違いに設けられた目封じと、を備える。エンジン１から排出された排気に含まれるスート及びＳＯＦ等の粒子状物質（Particulate Matter、以下単に「ＰＭ」という）は、フィルタ３２の多孔質壁の細孔を通過する過程で捕集される。フィルタ３２に過剰な量のＰＭが堆積すると、圧力降下が増加し、これによってエンジン１における燃料噴射量が増加し、結果として燃費が悪化するおそれがある。そこでＦＩ−ＥＣＵ７１は、フィルタ３２におけるＰＭ堆積量を監視しており、ＰＭ堆積量が所定量を超えたと判断すると、これを契機としてポスト噴射等によってフィルタ３２を昇温し、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去するフィルタ再生処理を実行する。このフィルタ再生処理の詳細な手順については説明を省略する。

下流触媒コンバータ３３は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材にＮＨ_３選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）を担持して構成される。このＳＣＲ触媒は、ＮＨ_３の存在する雰囲気下で排気中のＮＯｘを選択的に還元するＮＯｘ浄化機能を備える。具体的には、後述の尿素水インジェクタ４２からＮＨ_３が供給されると、このＮＨ_３によって、下記３種類の反応式に従って、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ

また、このＳＣＲ触媒は、上記ＮＯｘ浄化機能を備えるとともに、ＮＨ_３を所定の量だけ貯蔵するＮＨ_３貯蔵機能も備える。以下では、ＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ_３の量をＮＨ_３ストレージ量といい、このＮＨ_３ストレージ量の限界を最大ＮＨ_３ストレージ量という。ＳＣＲ触媒のＮＨ_３ストレージ量が最大ＮＨ_３ストレージ量を超えると、その下流へＮＨ_３がスリップする。このようにしてＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ_３は、尿素水インジェクタ３２から供給されたＮＨ_３と合わせて排気中のＮＯｘの還元に適宜消費される。なお、ＳＣＲ触媒に多くのＮＨ_３が存在すると、流入するＮＯｘとの反応性が向上する。したがって、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化機能は、そのＮＨ_３ストレージ量が多くなるほど向上する。

尿素水供給装置４は、尿素水タンク４１と尿素水インジェクタ４２とを備える。尿素水タンク４１は、ＮＨ_３の前駆体である尿素水を貯蔵する。尿素水タンク４１は、尿素水供給路４３及び図示しない尿素水ポンプを介して尿素水インジェクタ４２に接続されている。尿素水インジェクタ４２は、図示しないアクチュエータで駆動されると開閉し、尿素水タンク４１から供給される尿素水を、ＳＣＲ触媒における還元剤として排気管１１内の下流触媒コンバータ３３の上流側に噴射する。インジェクタ４２から噴射された尿素水は、排気中又は下流触媒コンバータ３３においてＮＨ_３に加水分解され、ＮＯｘの還元に消費される。

尿素水インジェクタ４２のアクチュエータは、電子制御ユニット７に電磁的に接続されている。電子制御ユニット７は、ＳＣＲ触媒においてＮＨ_３を用いた最適なＮＯｘ浄化が実現されるように適切な尿素水の噴射量を決定するとともに、決定した量の尿素水が噴射されるように尿素水インジェクタ４２を駆動する尿素水噴射制御を実行する。この尿素水噴射制御は、例えば、エンジン１から排出されるＮＯｘ量に基づくフィードフォワード制御と、ＮＨ_３センサ５によって検出されるＮＨ_３濃度に基づくフィードバック制御とを組み合わせて構成される。以下では、このような尿素水噴射制御の実行に係る電子制御ユニットをＤＣＵ（Dosing Control Unit）７２という。

ＮＨ_３センサ５は、排気管１１に設けられ、その検出素子５ｄが下流触媒コンバータ３３の下流側の排気に晒されるようになっている。ＮＨ_３センサ５は、後に図３を参照して詳述するように作用し、下流触媒コンバータ３３の下流側の排気中のＮＨ_３等の成分に応じて変動する２つの信号（後述の起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ及びＳＵＢ−ＥＭＦ）を電子制御ユニット７に出力する。電子制御ユニット７では、ＮＨ_３センサ５からの出力信号に基づいて下流触媒コンバータ３３の下流側の排気のＮＨ_３濃度を算出する。ここで算出されるＮＨ_３濃度は、上述のようにＤＣＵ７２における尿素水噴射制御に用いられる。以下では、ＮＨ_３センサ５の制御に係る電子制御ユニットをセンサコントローラ７３という。

図２は、ＮＨ_３センサの検出素子５ｄの断面図である。検出素子５ｄは、排気に晒され排気中のガス成分に応じた信号を発生するガス検出ユニット５１と、ガス検出ユニット５１の温度に応じた信号を発生する温度検出ユニット５２と、ガス検出ユニット５１を加熱するヒータ５３と、を図２に示すように積層して構成される。

ガス検出ユニット５１は、板状の固体電解質体５１１と、この固体電解質体５１１の一方の面に沿って設けられた板状の基準電極５１２と、固体電解質体５１１の他方の面のうち基準電極５１２と対向する位置に設けられた板状のＮＨ_３検知電極５１３及びＮＯ_２検知電極５１４と、これら電極５１３，５１４を保護する多孔質体の保護層５１５と、を積層して構成される。このガス検出ユニット５１は、基準電極５１２側の面を温度検出ユニット５２に向けて、多孔質体のスペーサ５４を介して温度検出ユニット５２に接合される。ガス検出ユニット５１と温度検出ユニット５２とをスペーサ５４を介して接合することにより、これらユニット５１，５２の間には排気が通流する中空部５５が形成される。

固体電解質体５１１には、酸素イオン（Ｏ^２−）導電性の半導体材料が用いられる。より具体的には、固体電解質体５１１の材料としては、例えばジルコニア（ＺｒＯ_２）に酸化イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を添加して得られる金属酸化物半導体が用いられる。

基準電極５１２には、酸素分子（Ｏ_２）に対する活性を有する金属材料が用いられる。より具体的には、基準電極５１２の材料としては、例えば白金（Ｐｔ）が用いられる。基準電極５１２は、中空部５５を介して排気に晒されるように固体電解質体５１１の表面に接合される。基準電極５１２には金属材料が用いられ、固体電解質体５１１には半導体材料が用いられる。したがって基準電極５１２と固体電解質体５１１との接合は、オーミック接合又はショットキー接合となっている。基準電極５１２としてこのようなＯ_２に対する活性を有する金属材料を用いることにより、排気中のＯ_２濃度に応じた基準電位が形成される。

ＮＨ_３検知電極５１３には、上述の基準電極５１２と異なる材料であり、かつ少なくとも光触媒材料を含んだ半導体材料が用いられる。光触媒材料は、排気中のＨ_２Ｏを用いてＢ酸点（・ＯＨ）を形成するＢ酸点形成機能を有する。後に説明するように、ガス検出ユニット５１は、このＮＨ_３検知電極５１３のＢ酸点形成機能を利用することによって、ＮＨ_３検知電極５１３と基準電極５１２との間で排気中のＮＨ_３に応じた起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦを発生する。ＮＨ_３検知電極５１３の光触媒材料としては、例えば金属酸化物半導体であるＢｉＶＯ_４が用いられる。ＮＨ_３検知電極５１３は、排気に晒されるように固体電解質体５１１の表面に接合される。このＮＨ_３検知電極５１３と固体電解質体５１１は、互いに価電子帯や伝導帯の電位及びフェルミ準位が異なる異種半導体である。したがってＮＨ_３検知電極５１３と固体電解質体５１１との接合は、ヘテロ接合となっている。また、後に図４を参照して説明するように、ＮＨ_３検知電極５１３のＢ酸点形成機能によって、ＮＨ_３検知電極５１３と基準電極５１２との間には、排気中のＮＨ_３の濃度に応じた起電力が発生する。以下ではこれら電極５１２，５１３の間に発生する起電力を“ＭＡＩＮ−ＥＭＦ”と表記する。

ＮＯ_２検知電極５１４には、上記ＮＨ_３検知電極５１３と異なる材料であり、Ｂ酸点形成機能を有さずかつＮＯ_２に対する選択性を有する半導体材料が用いられる。より具体的には、ＮＯ_２検知電極５１４の材料としては、例えばＴｂＣｒＯ_３にＭｇＯを添加して得られる金属酸化物半導体が用いられる。ＮＯ_２検知電極５１４は、排気に晒されるように固体電解質体５１１の表面に接合される。このＮＯ_２検知電極５１４と固体電解質体５１１は、互いに価電子帯や伝導帯の電位及びフェルミ準位が異なる異種半導体である。したがって、ＮＯ_２検知電極５１４と固体電解質体５１１との接合は、ヘテロ接合となっている。ただし、上述のＮＨ_３検知電極５１３−固体電解質体５１１間の接合と異なり、ＮＯ_２検知電極５１４と固体電解質体５１１とでは価電子帯の電位がやや異なる程度で、伝導帯電位はほぼ同等である。また、詳細な説明は省略するが、ＮＯ_２検知電極５１４を以上のように構成することにより、ＮＯ_２検知電極５１４と基準電極５１２との間には、排気中のＮＯ_２の濃度に応じた起電力が発生する。以下では、これら電極５１４，５１２との間に発生する起電力を“ＳＵＢ−ＥＭＦ”と表記する。

図３は、ＮＨ_３検知電極及びＮＯ_２検知電極を固体電解質体に接合した後におけるそれぞれの接合部分のバンド構造を模式的に示す図である。図３の上段は、ＮＨ_３検知電極（ＢｉＶＯ_４）−固体電解質体（ＺｒＯ_２＋Ｙ_２Ｏ_３）のバンド構造を示し、図３の下段は、ＮＯ_２検知電極（ＴｂＣｒＯ_３）−固体電解質体（ＺｒＯ_２＋Ｙ_２Ｏ_３）のバンド構造を示す。

図３の上段に示すように、異種半導体の接合では、互いのフェルミ準位を一致させつつ、価電子帯や伝導帯は強制的に結ばれる。この結果、固体電解質体側からＮＨ_３検知電極側へは障壁電位は無いため、Ｏ^２−イオンの伝導性は良い。逆にＮＨ_３検知電極側から固体電解質体側へは障壁電位を伴うため、Ｏ^２−イオンの伝導性は悪い。また図３の上段に示すように、価電子帯の電位差によってＮＨ_３検知電極側には固体電解質体側から遷移するホール（ｈ^＋）が溜まる。これはＮＨ_３検知電極におけるＮＨ_３等の酸化力の向上に寄与する。

図３の下段に示すように、ＮＯ_２検知電極と固体電解質体とでは、伝導帯電位はほぼ同等である。このため、ＮＯ_２検知電極と固体電解質体との間では、相互にＯ^２−イオンの伝導性が良い。なお、ＮＯ_２検知電極及び固体電解質体は、ＮＨ_３検知電極及び固体電解質体と比較すると、互いのバンド構造が近い。このため、ＮＯ_２検知電極と固体電解質体との間では、ＮＨ_３検知電極と固体電解質体との間よりも界面分極が起こりにくくなっている。

図２に戻り、温度検出ユニット５２は、板状の測温セル５２１と、この測温セル５２１の両側の面に設けられた測温電極５２２，５２３と、を含んで構成され、ガス検出ユニット５１とヒータ５３との間に設けられる。測温セル５２１には、温度に応じてインピーダンスが変化する材料（例えば、ＺｒＯ_２）が用いられる。測温電極５２２，５２３はそれぞれセンサコントローラに接続されており、測温セル５２１の温度に相当する測温セル５２１のインピーダンスＺ（Ｉｍｐ）はセンサコントローラによって測定される。以下では、このインピーダンスＺ（Ｉｍｐ）から得られる温度、すなわち測温セル５２１における温度を単に検出素子５ｄの温度ともいう。

ヒータ５３は、電流が流れると発熱する電熱線５３１と、この電熱線５３１が設けられた板状の基板５３２と、を含んで構成され、発熱面がＮＨ_３検知電極５１３やＮＯ_２検知電極５１４の近傍に位置するように、温度検出ユニット５２に設けられる。電熱線５３１への供給電力は、図示しないバッテリから電熱線５３１へ供給される駆動電流のデューティ比をヒータコントローラによって調整することによって制御される。

次に、以上のように構成されたＮＨ_３センサの主要な機能である起電力の発生メカニズムを説明する。
図４は、ＮＨ_３センサの検出素子を排気に晒したときに進行する反応の一例を示す図であり、起電力の発生メカニズムを簡略化して表した図である。図４には、検出素子のうちＮＨ_３検知電極と固体電解質体と基準電極とで構成された部分のみを示す。また図４の左側は排気中にＮＨ_３が含まれていないときの反応を示し、図４の右側は排気中にＮＨ_３が含まれているときの反応を示す。

始めに図４の左側に示す反応について説明する。ＮＨ_３検知電極に含まれるＢｉＶＯ_４は、熱等の外部エネルギーによって励起されるとＯ−２ｐ軌道（価電子帯）の電子が禁制帯を飛び越えてＶ−３ｄ軌道（伝導帯）に移る。これにより、図４に示すように、Ｏ−２ｐ軌道より移った電子の抜け穴にはホール（ｈ＋）が生じ酸化サイトが形成され、Ｖ−３ｄ軌道に移った電子によって還元サイトが形成される。還元サイトでは、Ｏ_２を還元しＯ^２−イオンを生成する反応が進行し、酸化サイトではＯ^２−イオンを酸化しＯ_２を生成する反応が進行する。この際、排気中にＮＨ_３が含まれていない場合、ＮＨ_３検知電極側に形成される還元サイト及び酸化サイトで進行するＯ_２→２Ｏ^２−及び２Ｏ^２−→Ｏ_２の反応もほぼ平衡する。このため、排気中にＮＨ_３が含まれていなければ、両電極間で起電力が生じない。すなわち、ＭＡＩＮ−ＥＭＦ≒０となる。

次に図４の右側に示す反応について説明する。ＮＨ_３検知電極に含まれるＢｉＶＯ_４が励起状態にありかつ周囲にＨ_２Ｏが存在すると、酸化サイトでＨ_２Ｏが・ＯＨに分解される。分解された・ＯＨは、その後、Ｂｉ−６Ｓ軌道からＶ−３ｄ軌道への電子遷移によってトラップされ、これによってＢ酸点が形成される。Ｂ酸点は、強い水素結合力によって、極性分子であるＮＨ_３を引きつけるが、無極性分子であるＨＣを引きつけない強いＮＨ_３選択性を有する。なお、Ｂ酸点は、ＮＨ_３だけでなく極性分子であるＨ_２Ｏを引きつける機能もある。このため、Ｂ酸点を形成するためにはＨ_２Ｏが必要であるが、Ｈ_２Ｏが多すぎるとＮＨ_３の吸着を妨害し、ＮＨ_３検知電極と基準電極との間の起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦを負方向へ変化させるように作用する。排気中にＮＨ_３が存在すると、このＮＨ_３は、ＮＨ_３検知電極に形成されたＢ酸点に引きつけられるとともに、還元サイトで捕捉したＯ^２−イオンによって酸化され、Ｈ_２ＯとＮ_２になる。この際、図４の右側に示すように、ＮＨ_３検知電極側で電子の収支差が発生する。これにより、排気中にＮＨ_３が存在する場合、ＮＨ_３検知電極と基準電極との間にはＮＨ_３の濃度に応じて変化する０でない起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦが発生する。

図５は、以上のように構成されたＮＨ_３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＮＨ_３／ＮＯ_２特性を示す図である。図５には、ＮＨ_３濃度及びＮＯ_２濃度が共に０のベースガスを供給した場合（中央）、上記ベースガスのＮＨ_３濃度を増加させた場合（右側）、及び上記ベースガスのＮＯ_２濃度を増加させた場合（左側）における起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの変化を示す。起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは、図４を参照して説明したようにＮＨ_３濃度に応じた変化を示すと同時に、ＮＯ_２濃度に応じた変化も示す。

図６は、ＮＨ_３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦのＨ_２Ｏ特性を示す図である。図６には、ＮＨ_３濃度及びＮＯ_２濃度を共に０としたベースガスのＨ_２Ｏ濃度を１％から１０％まで増加させた時における２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの変化を示す。図６に示すように、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦはＨ_２Ｏ濃度を増加させても、正側においてごく僅かしか低下しない。これに対し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦはＨ_２Ｏ濃度を増加させると、正側から負側へ起電力ＳＵＢ−ＥＭＦよりも大幅に低下する。これは、図４を参照して説明したように、ＮＨ_３検知電極は排気中のＨ_２Ｏを用いてＢ酸点を形成する機能を有するからであると考えられる。すなわち、排気中のＨ_２Ｏの量が増加すると、Ｈ_２Ｏが酸化されてＮＨ_３検知電極に形成されるＢ酸点の数も増加し、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは負の方向へ変化する。したがって、ＮＨ_３検知電極に含まれる触媒に不具合が生じ、そのＢ酸点生成機能が損なわれた場合には、排気中のＨ_２Ｏ濃度を増加させても起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは図６に示すほど大きく低下しなくなると考えられる。

図７は、ＮＨ_３センサの検出素子５ｄ及びこれを制御するセンサコントローラ７３の構成を示すブロック図である。センサコントローラ７３は、ＮＨ_３濃度演算モジュール７３１と、センサ故障検知モジュール７３２と、温調モジュール７３３と、を備える。以下、各モジュール７３１〜７３３の機能について順に説明する。

ＮＨ_３濃度演算モジュール７３１では、ＮＨ_３検知電極５１３で発生する起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ［ｍＶ］及びＮＯ_２検知電極５１４で発生する起電力ＳＵＢ−ＥＭＦ［ｍＶ］を用いて、排気のＮＨ_３濃度［ｐｐｍ］を算出する。ここで算出された排気のＮＨ_３濃度は、例えばＤＣＵに送信され、ＤＣＵにおける尿素水噴射制御に用いられる。図５に示すように、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは、排気のＮＨ_３濃度が増加すると負側へ変化する特性があることから、所定の演算式を用いて起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ［ｍＶ］からＮＨ_３濃度［ｐｐｍ］を算出することができる。しかしながら図５に示すように、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは排気のＮＯ_２濃度が増加すると正側へ変化する特性があるため、排気中にＮＨ_３とＮＯ_２とが共存する場合には、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦのみではＮＨ_３濃度を正確に算出することができない。そこでＮＨ_３濃度演算モジュール７３１では、排気のＮＯ_２濃度に応じて正側に変化する起電力ＳＵＢ−ＥＭＦを用いて起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦからＮＯ_２による影響を取り除くことによって、正確なＮＨ_３濃度を算出する。

センサ故障検知モジュール７３２では、２つの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦに基づいてＮＨ_３センサの故障を検知し、故障している場合にはこれを明示するセンサ故障フラグをオンにする。このセンサ故障フラグの状態に関する情報は、ＤＣＵにおける尿素水噴射制御において適宜参照される。例えば、センサ故障検知モジュール７３２によってセンサ故障フラグがオンにされると、ＤＣＵでは実行中の尿素水噴射制御におけるＮＨ_３センサの出力に基づくフィードバック制御を停止させる。図６を参照して説明したように、正常なＮＨ_３センサのＢ酸点生成機能の有無は、排気のＨ_２Ｏ濃度又は量を変化させることによって判定できる。センサ故障検知モジュール７３２では、ＮＨ_３センサ特有である図６の現象を利用することによってその故障を検知する。この故障検知処理の具体的な手順については、後に図８を参照して説明する。

温調モジュール７３３は、測温セル５２１のインピーダンスＺ（Ｉｍｐ）を測定する計測回路７３３ａと、インピーダンスＺ（Ｉｍｐ）が所定の目標値になるように（すなわち、検出素子５ｄの温度がインピーダンスの目標値に相当する目標温度になるように）ヒータ５４の駆動電流を調整する駆動回路７３３ｂと、を備える。ＮＨ_３検知電極５１３やＮＯ_２検知電極５１４等、検出素子５ｄを構成する材料には様々な触媒が用いられているため、これら触媒の機能を生かして正確にＮＨ_３濃度を算出するためには、触媒が活性しているように検出素子５ｄの温度を予め定められた目標温度に維持する必要がある。温調モジュール７３３は、これら計測回路７３３ａ及び駆動回路７３３ｂを用いることによって、検出素子５ｄの温度を所定の目標温度に維持する。

図８は、ＮＨ_３センサの故障検知処理の具体的な手順を示すフローチャートである。この処理は、図示しないイグニッションスイッチをオンにしてからオフにするまでの間であって、ＮＨ_３センサの故障が確定していない場合（例えば、センサ故障フラグがオフである場合）に、センサコントローラのセンサ故障検知モジュールにおいて所定の周期で繰り返し実行される。

Ｓ１では、センサコントローラは、フィルタ再生処理が完了した直後の所定のＮＨ_３センサ故障検知時間内であるか否かを判定する。Ｓ１の判定がＹＥＳである場合にはＳ２に移り、センサコントローラは、尿素水の噴射が停止されているか否かを判定する。Ｓ１及びＳ２の判定のうち何れかがＮＯである場合には、ＮＨ_３センサの故障を検知するのに適した時期でないと判断し、Ｓ３以降の処理を行うことなく直ちにこの処理を終了する。Ｓ１及びＳ２の判定の何れもがＹＥＳである場合には、ＮＨ_３センサの故障を精度良く検知できる時期であると判断し、Ｓ３に移る。

Ｓ３では、センサコントローラは、所定の期間にわたってエンジンの空燃比をリーンからリッチへ変化させるようにＦＩ−ＥＣＵに要求し、Ｓ４に移る。ＦＩ−ＥＣＵでは、センサコントローラからの要求に応じてエンジンの空燃比をリーンからリッチへ所定の時間をかけて変化させ、これによって排気管内のＨ_２Ｏの量も所定の時間をかけて増加する。

Ｓ４では、センサコントローラは、排気管内のＨ_２Ｏの量が増加している間におけるＮＨ_３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの変化を取得する。以下では、Ｈ_２Ｏの量を増加させる前の起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを、それぞれＭＡＩＮ−ＥＭＦ＿Ｌ，ＳＵＢ−ＥＭＦ＿Ｌとし、Ｈ_２Ｏの量を増加させた後の起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦを、それぞれＭＡＩＮ−ＥＭＦ＿Ｈ，ＳＵＢ−ＥＭＦ＿Ｈとする。

Ｓ５では、センサコントローラは、Ｓ４で取得した起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの変化に基づいて、ＮＨ_３センサが故障しているか否かを判定する。より具体的には、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦの負方向への変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦ（＝ＭＡＩＮ−ＥＭＦ＿Ｌ−ＭＡＩＮ−ＥＭＦ＿Ｈ）と、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦの負方向への変化幅ΔＳＵＢ−ＥＭＦ（＝ＳＵＢ−ＥＭＦ＿Ｌ−ＳＵＢ−ＥＭＦ＿Ｈ）とを算出し、変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦが変化幅ΔＳＵＢ−ＥＭＦ以下（ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦ≦ΔＳＵＢ−ＥＭＦ）であるか否かを判定する。図６を参照して説明したように、ＮＨ_３検知電極で適切にＢ酸点が形成されれば、変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦはΔＳＵＢ−ＥＭＦよりも大きくなる。

Ｓ５の判定がＮＯである場合、すなわち変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦがΔＳＵＢ−ＥＭＦより大きい場合には、センサコントローラは、ＮＨ_３センサが正常であることを確定すべく、センサ故障フラグをオフにしたまま、暫定故障フラグをオフにリセットし（Ｓ６）、この処理を終了する。ここで、センサ故障フラグとは、ＮＨ_３センサの故障が確定したことを示すフラグであり、後に説明するようにＮＨ_３センサが故障している可能性が高い場合にオンに設定される。暫定故障フラグとは、ＮＨ_３センサの故障が暫定的に確定したことを示すフラグであり、ＮＨ_３センサが故障している蓋然性が高い場合にオンに設定される。

Ｓ５の判定がＹＥＳである場合、すなわち変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦがΔＳＵＢ−ＥＭＦ以下である場合には、センサコントローラは、Ｓ７に移る。Ｓ７では、センサコントローラは、暫定故障フラグがオフであるか否かを判定する。Ｓ７の判定がＹＥＳである場合には、センサコントローラは、Ｓ８に移り、センサ故障フラグをオフにしたまま、暫定故障フラグをオンにし、この処理を終了する。これにより、ＮＨ_３センサが故障した状態であることが暫定的に確定する。一方、Ｓ７の判定がＮＯである場合には、センサコントローラは、Ｓ９に移り、センサ故障フラグをオンにするとともに、暫定故障フラグをオフにリセットし、この処理を終了する。これにより、ＮＨ_３センサの故障が確定する。

以上のように図８の処理では、２回続けて変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦがΔＳＵＢ−ＥＭＦ以下となった場合にのみ、ＮＨ_３センサの故障を確定すべく、センサ故障フラグをオンにする。例えば、ＮＨ_３検知電極が、通常の使用範囲よりも高いＮＨ_３濃度の排気に晒されると、一時的にＢ酸点生成機能が働かなくなる場合がある。図８の処理では、このようなＢ酸点生成機能の一時的な消失に起因する誤判定を防止するため、２回続けて変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦがΔＳＵＢ−ＥＭＦ以下となった場合に、センサの故障を確定するようにしている。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
例えば、上記実施形態では、センサの故障を判定する際に、変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦをΔＳＵＢ−ＥＭＦと比較したが、本発明はこれに限らない。例えば、変化幅ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦを、実験等によって予め定められた固定値と比較することによって、センサの故障を判定するようにしてもよい。

上記実施形態では、ＮＨ_３センサの故障検知処理において、エンジンの空燃比を変化させることによって排気管内のＨ_２Ｏの量を変化させたが、Ｈ_２Ｏの量を変化させる手段はこれに限らない。例えば、排気管内に直接Ｈ_２Ｏを供給する手段を備える場合には、これを用いることによって排気管内のＨ_２Ｏの量を変化させてもよい。

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
５…ＮＨ_３センサ
５ｄ…検出素子
５１１…固体電解質体
５１２…基準電極
５１３…ＮＨ_３検知電極
５１４…ＮＯ_２検知電極

Claims (5)

1. 光触媒材料を含んで構成されかつ内燃機関の排気通路内に晒されたＮＨ_３検知電極と、
   前記ＮＨ_３検知電極を構成する材料とは異なる材料で構成されかつ前記排気通路内に晒された基準電極と、
   前記基準電極及び前記ＮＨ_３検知電極が接合された酸素イオン導電性の固体電解質体と、を備え、前記ＮＨ_３検知電極と前記基準電極との間で排気通路内のＮＨ_３に応じた起電力を発生するＮＨ_３センサの故障検知方法であって、
   前記排気通路内のＨ_２Ｏの量を変化させるＨ_２Ｏ量変化工程と、
   前記Ｈ_２Ｏの量を変化させた際における前記起電力の変化を取得し、当該起電力の変化に基づいて前記ＮＨ_３センサの故障を検知する故障検知工程と、を備えることを特徴とするＮＨ_３センサの故障検知方法。
2. 前記故障検知工程では、前記起電力の変化量が所定の故障判定値以下である場合には前記ＮＨ_３センサは故障したと判定し、前記起電力の変化量が前記故障判定値より大きい場合には前記ＮＨ_３センサは正常であると判定することを特徴とする請求項１に記載のＮＨ_３の故障検知方法。
3. 前記固体電解質体には、ＮＯ_２に対する選択性を有する材料でありかつ前記光触媒材料と異なる材料が用いられた比較用電極が接合され、
   前記比較用電極は前記排気通路内に晒され、
   前記故障検知工程では、前記Ｈ_２Ｏの量を変化させた際における前記ＮＨ_３検知電極と前記基準電極との間で発生する第１起電力の変化及び前記比較用電極と前記基準電極との間で発生する第２起電力の変化を取得し、これら第１及び第２起電力の変化を比較することによって前記ＮＨ_３センサの故障を検知することを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。
4. 前記故障検知工程では、前記Ｈ_２Ｏの量を変化させる前と後の前記第１起電力及び前記第２起電力の変化幅を取得し、前記第１起電力の変化幅が前記第２起電力の変化幅よりも小さいときに前記ＮＨ_３センサは故障したと判定することを特徴とする請求項３に記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。
5. 前記Ｈ_２Ｏ量変化工程では、前記内燃機関の空燃比をリーンからリッチへ変化させることによって、前記排気通路内のＨ_２Ｏの量を増加させることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。

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