JP2016166757A - Ｎｈ３センサの故障検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】ＮＨ_３センサは、ＮＨ_３検知電極と、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た基準電極と、これら基準電極及び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、ＮＨ_３検知電極、基準電極、及び固体電解質体の近傍に設けられたヒータと、を備え、ＮＨ_３検知電極と基準電極との間でＮＨ_３に応じた起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦを発生する。このＮＨ_３センサの故障検知方法は、ヒータを用いてＮＨ_３センサの温度を変化させる温度変化工程と、ＮＨ_３センサの温度を変化させた際における起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦの変化を取得し、この起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦの変化に基づいてＮＨ_３センサの故障を検知する故障検知工程と、を備える。
【選択図】図９

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、両電極を同一の材料で構成したＮＯｘセンサが開示されている。そして特許文献２には、このようなＮＯｘセンサに対する故障検知方法が開示されている。より具体的には、特許文献２の方法では、センサに設けられたヒータを用いてセンサ素子を所定の温度で加熱保持し、その時のインピーダンス抵抗値を用いてセンサの故障を検知する。

特開平８−１２８９７９号公報 特許第５０６５０９７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、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、前記ＮＨ_３検知電極、前記基準電極、及び前記固体電解質体の近傍に設けられたヒータ（例えば、後述のヒータ５３）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、前記ヒータを用いて前記ＮＨ_３センサの温度を変化させる温度変化工程（例えば、後述の図８のＳ３の工程）と、前記ＮＨ_３センサの温度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Ｓ２〜Ｓ１２の工程）と、を備えることを特徴とする。

（２）この場合、前記温度変化工程では、前記ヒータを、オンにし、その後オフにし、その後再びオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極の温度を変化させることが好ましい。

（３）この場合、前記固体電解質体には、ＮＨ_３に対する選択性を有さずＮＯ_２に対する選択性を有しかつ前記排気通路内に晒された比較用電極（例えば、後述のＮＯ_２検知電極５１４）が接合され、前記温度変化工程では、前記ＮＨ_３検知電極とともに前記比較用電極の温度を変化させ、前記故障検知工程では、前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度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（ＭＡＩＮ−ＥＭＦ）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（ＳＵＢ−ＥＭＦ）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が好ましい。

（４）この場合、前記温度変化工程では、前記ヒータをオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を所定の高温側設定温度まで上昇させ、その後オフにし前記温度を所定の低温側設定温度まで低下させ、その後再びオンにすることによって前記温度を前記高温側設定温度まで上昇させ、前記故障検知工程では、前記温度変化工程によって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を前記高温側設定温度と前記低温側設定温度との間で変化させたときにおける前記第１起電力及び前記第２起電力の軌跡を取得し、前記第１起電力及び前記第２起電力の両方又は何れかの軌跡がヒステリシス特性を有さない場合には、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、前記故障検知工程では、前記ヒータをオンからオフにし前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を低下させたときにおける前記第１起電力及び前記第２起電力の軌跡をそれぞれ第１降温時軌跡及び第２降温時軌跡とし、前記ヒータをオフからオンにし前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を上昇させたときにおける前記第１起電力及び前記第２起電力の軌跡をそれぞれ第１昇温時軌跡及び第２昇温時軌跡とし、所定の故障判定温度における前記第１降温時軌跡と前記第１昇温時軌跡との差分値（ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦ）が、前記故障判定温度における前記第２降温時軌跡と前記第２昇温時軌跡との差分値（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することが好ましい。

（６）この場合、前記故障検知工程では、前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を変化させている間に、前記第１起電力が前記第２起電力より高くなった場合には、前記ＮＨ_３検知電極又は前記ＮＨ_３検知電極と前記固体電解質体との接合部に故障が生じたと判定することが好ましい。

（７）この場合、前記温度変化工程において、前記ヒータをオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を所定の第１温度（例えば、後述の高温側設定温度）まで上昇させ、前記ヒータをオフにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を所定の第２温度（例えば、後述の低温側設定温度）まで低下させ、その後前記ヒータをオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を前記第１温度まで上昇させることを１回のサイクルとして、前記故障検知工程では、２回のサイクルにわたり続けて前記第１起電力が前記第２起電力より高くなった場合には、前記ＮＨ_３検知電極又は前記ＮＨ_３検知電極と前記固体電解質体との接合部に故障が生じたと判定することが好ましい。

（８）この場合、前記固体電解質体には、ＮＨ_３に対する選択性を有さずＮＯ_２に対する選択性を有しかつ前記排気通路内に晒された比較用電極が接合され、前記温度変化工程では、前記ヒータをオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を所定の高温側設定温度まで上昇させ、その後オフにし前記温度を所定の低温側設定温度まで低下させ、その後再びオンにすることによって前記温度を前記高温側設定温度まで上昇させ、前記ＮＨ_３検知電極と前記基準電極との間で発生する起電力を第１起電力と定義し、前記比較用電極と前記基準電極との間で発生する起電力を第２起電力と定義し、前記故障検知工程では、前記温度変化工程によって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を前記高温側設定温度と前記低温側設定温度との間で変化させたときにおける前記第１起電力及び前記第２起電力の軌跡を取得し、前記第１起電力及び前記第２起電力の両方又は何れかの軌跡がヒステリシス特性を有さない場合には、前記ＮＨ_３センサは故障したと判定することが好ましい。

（１）ヒータを用いてＮＨ_３センサの温度を変化させると、固体電解質体並びにこれに接合されたＮＨ_３検知電極及び基準電極等を構成する材料のバンドギャップが変化し、これによってＮＨ_３検知電極及び基準電極の間で発生する起電力も、これらを構成する材料の物性に応じた態様で変化する。本発明では、ヒータを用いてＮＨ_３センサの温度を変化させた際における起電力の変化を取得し、この変化に基づいてＮＨ_３センサの故障を検知する。これにより、車両の走行中であっても容易にＮＨ_３センサの故障を検知できる。特にＮＨ_３検知電極と固体電解質体との接合に不具合が生じた場合には、この不具合は上述のように温度を変化させた時の起電力の変化に現れやすい。よって本発明によれば、このようなＮＨ_３検知電極と固体電解質体との接合の不具合に起因する故障を容易に検知できる。

（２）本発明では、ヒータをオンにすることによってＮＨ_３センサを所定の温度まで昇温し、その後ヒータをオフにすることによってＮＨ_３センサを所定の温度まで降温し、その後再びヒータをオンにすることによってＮＨ_３センサを所定の温度まで昇温し、このとき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。このように本発明では、ＮＨ_３センサの昇温時及び降温時の両方の時における起電力の変化を用いることによって、故障の検知精度を向上できる。

（３）本発明では、固体電解質体にＮＨ_３に対する選択性を有さずＮＯ_２に対する選択性を有する比較用電極をさらに接合する。この比較用電極及び基準電極の間に生じる起電力（第２起電力）も、ＮＨ_３検知電極及び基準電極の間の起電力（第１起電力）と同様に、ＮＨ_３センサの温度に応じて変化する。このため、第２起電力の変化は、降温時や昇温時における第１起電力の変化に基づいてＮＨ_３センサの故障を判定する際の比較対象となる。本発明では、これら第１及び第２起電力の変化を比較することにより、精度良くＮＨ_３センサの故障を検知できる。第１起電力はその温度だけでなく様々な要因によって変化するので、第１起電力の変化のみでＮＨ_３センサの故障を検知した場合には、誤判定が生じる場合がある。本発明では、第１及び第２起電力の比較を用いてＮＨ_３センサの故障を検知することにより、このような誤判定を防止できる。

（４）ＮＨ_３検知電極や比較用電極を固体電解質体と接合すると、これら異種材料の境界面では界面分極が発生する。またこのような分極の発生に起因して、ＮＨ_３センサの温度変化によって生じる第１起電力及び第２起電力の変化にはヒステリシスが現れる。すなわち、高温側設定温度から低温側設定温度へ変化させたときにおける第１及び第２起電力の軌跡は、それぞれ低温側設定温度から高温側設定温度へ変化させたときにおける軌跡と異なる。本発明では、このようなヒステリシス特性の有無によってＮＨ_３センサの故障を検知することにより、故障検知精度をさらに向上できる。

（５）ＮＨ_３検知電極や比較用電極を固体電解質体と接合すると、上述のようにＮＨ_３センサの温度変化によって生じる第１起電力及び第２起電力の変化にはヒステリシスが現れる。すなわち、第１及び第２降温時軌跡はそれぞれ第１及び第２昇温時軌跡と一致せず、これら降温時軌跡と昇温時軌跡との間には、ＮＨ_３検知電極や比較用電極に用いる材料に応じた差分値が生じる。本発明では、このような第１降温時軌跡と第１昇温時軌跡の差分値と第２降温時軌跡と第２昇温時軌跡の差分値との比較に基づいてＮＨ_３センサの故障を検知することにより、故障検知精度をさらに向上できる。

（６）上述のようにＮＨ_３センサの温度を変化させると、ＮＨ_３検知電極及び比較用電極を構成する材料の物性に応じた態様で変化する。この際、ＮＨ_３検知電極及び比較用電極が共に正常な状態でありかつ固体電解質体に適切に接合されていれば、第１起電力は第２起電力よりも低い値を推移する。本発明では、第１起電力が第２起電力より高くなった場合には、ＮＨ_３検知電極又はこれと固体電解質体との接合部に故障が生じたと判定する。なお、比較用電極に故障が生じても第１起電力が第２起電力より高くなる場合はあり得る。しかしながらＮＨ_３検知電極は、熱や物理的な衝撃に弱い光触媒材料が用いられる場合があるため、比較用電極と比べて故障が生じやすい。よって比較用電極の故障を除外し、上述のようにＮＨ_３検知電極が故障したと判定することは妥当である。

（７）ＮＨ_３検知電極や比較用電極は排気通路内に晒されるため、その上流から何らかの理由によって流れてきた硫黄成分によって一時的に被毒する場合がある。この場合、ＮＨ_３検知電極に故障が生じていなくても第１起電力と第２起電力との間の大小関係が逆転する場合がある。本発明では、ヒータを用いて電極温度を第１温度→第２温度→第１温度と変化させることを１回のサイクルと定義し、２回のサイクルにわたり続けて第１起電力が第２起電力より高くなった場合には、ＮＨ_３検知電極等が故障したと判定する。これにより、電極の一時的な被毒に起因する誤判定を防止できる。

（８）本発明によれば、上記（４）の発明とほぼ同等の効果を奏する。

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。 ＮＨ_３センサの起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡の一例をプロットした図である。

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の温度特性を示す図である。図６には、検出素子にＮＨ_３やＮＯ_２を含まない一定の温度のモデルガス（具体的には、空気）を吹き付けながら、ヒータを用いて検出素子の温度を変化させたときにおける起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡を、横軸を温度とし縦軸を電圧とした平面にプロットした図である。図６において、実線はＭＡＩＮ−ＥＭＦの軌跡を示し、破線はＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡を示す。また図６には、検出素子の温度を、高温側から低温側へ低下させた後、再び高温側へ上昇させた時における起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡を示す。

図６に示すように、検出素子の温度を変化させると、モデルガスの成分を変化させていないにもかかわらず起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは共に変化する。両起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦ共に、温度が高くなるほど起電力も正側へ増加する。これは、検出素子の温度が高くなるほどバンドギャップが見掛け上狭くなるためであると考えられる。また、図６に示すように、ＮＨ_３検知電極で発生するＭＡＩＮ−ＥＭＦは、どの温度域でも常にＳＵＢ−ＥＭＦより低くなっているが、これはＮＨ_３検知電極とＮＯ_２検知電極を構成する触媒材料の相違に起因すると考えられる。

また図６に示すように、両起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの降温時における軌跡は、昇温時における軌跡と一致しない。より具体的には、昇温時における起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡は、共に降温時における軌跡よりも常に低くなっている。すなわち、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは共に検出素子の温度変化に対してヒステリシス特性がある。これは、上述のように異種半導体であるＮＨ_３検知電極及びＮＯ_２検知電極と固体電解質体とを接合することにより、接合部に界面分極が発生するためであると考えられる。また、図６に示すようにヒステリシスの大きさ（降温時の軌跡と昇温時の軌跡の差）は、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦよりもＭＡＩＮ−ＥＭＦの方が大きくなっている。これは図３を参照して説明したように、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ためであると考えられる。

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センサで発生する起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦは、特有の温度特性を有する。センサ故障検知モジュール７３２では、ヒータ５３を用いて検出素子５ｄの温度を変化させたときにおける起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの変化を取得し、図６に示すような温度特性が適切に再現されるかどうかを判断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。また温調モジュール７３３は、センサ故障検知モジュール７３２においてＮＨ_３センサの故障検知処理を実行する際には、このモジュール７３２からの要求に応じてヒータ５３をオン／オフ駆動し、検出素子５ｄの温度を変化させる。

図８は、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、後述の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、ＮＨ_３センサの故障検知を行うのに適した時期であるか否かを判定する。ここで、故障検知を行うのに適した時期とは、排気の温度が低くなる時期であって、より具体的にはエンジンのアイドル運転中、エンジンの停止中、又は減速に伴うエンジンの燃料カット中等が挙げられる。以下で説明するように、図８の処理では、ヒータのオン／オフによってＮＨ_３センサの検出素子の温度を変化させる。この際、ヒータをオフにしたときに検出素子の温度を速やかに低下させ、ひいては故障検知処理を速やかに終えるには、排気の温度はできるだけ低い方が好ましい。Ｓ１の判定がＮＯである場合には、以下の処理を行うことなく、この図８の処理を直ちに終了する。Ｓ１の判定がＹＥＳである場合には、Ｓ２に移る。

Ｓ２では、センサコントローラは、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの記録を開始する。Ｓ３では、センサコントローラは、ヒータを予め定められた手順でオン／オフ駆動することによって、ＮＨ_３センサの検出素子の温度を変化させる。より具体的には、検出素子の温度が所定の高温側設定温度になるまでヒータをオンにし、その後、検出素子の温度が上記高温側設定温度よりも低い低温側設定温度になるまでヒータをオフにし、その後再び上記高温側設定温度になるまでヒータをオンにすることによって、検出素子の温度を高温側設定温度と低温側設定温度との間で変化させる。Ｓ４では、センサコントローラは、上記Ｓ２で開始した起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの記録を終了する。Ｓ２〜Ｓ４の処理により、検出素子の温度を高温側設定温度と低温側設定温度との間で変化させている時における起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡が取得される。

図９は、Ｓ２〜Ｓ４の処理で取得される起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡の一例を、横軸を検出素子の温度とし縦軸を電圧とした平面にプロットした図である。起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦの軌跡を例に説明すると、Ｓ３では、始めにヒータをオンにして検出素子の温度を高温側設定温度まで上昇させると、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは図９中Ｐ１で示す値になる。その後、ヒータをオフにすることで検出素子の温度を低温側設定温度まで低下させると、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは図９中Ｔ１で示す軌跡をたどってＰ２で示す値まで低下する。その後、ヒータをオンにすることで検出素子を再び加熱すると、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは、元の軌跡Ｔ１をたどらずに別の軌跡Ｔ２をたどってＰ３で示す値まで一旦低下した後、軌跡Ｔ３をたどって元のＰ１で示す値まで上昇する。すなわち、図９における軌跡Ｔ１は、検出素子の温度を低下させている時における降温時軌跡であり、Ｔ２とＴ３を組み合わせた軌跡は、検出素子の温度を上昇させている時における昇温時軌跡である。なお、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡も定性的には起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦの軌跡と同じであるので、詳細な説明は省略する。以下では、図９の例を参照しながら、各処理の詳細な内容について説明する。

始めにＳ５では、センサコントローラは、取得した起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡を用いることによって、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ及びＳＵＢ−ＥＭＦの両方の軌跡にヒステリシスが存在するか否かを判定する。ヒステリシスの有無は、例えば、検出素子の温度が低温側設定温度にある状態からヒータをオンにした直後における両起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの低下幅（図９の例では、Ｐ２の電圧値とＰ３の電圧値との差）が所定値以上であるか否かを判断することによって、判定できる。Ｓ５の判定がＮＯである場合、すなわち起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの何れかでヒステリシスが生じなかった場合には、センサコントローラは、ＮＨ_３センサは故障していると判断し、Ｓ６に移る。

Ｓ６では、センサコントローラは、ヒステリシスが存在しなかった方の電極に異常があると判断し、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、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である場合には、センサコントローラは、より詳細にＮＨ_３センサの故障を判定すべくＳ７に移る。Ｓ７では、センサコントローラは、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦそれぞれのヒステリシスの、低温側設定温度から高温側設定温度の間の所定の温度における差分値ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ΔＳＵＢ−ＥＭＦを算出し、差分値ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦがΔＳＵＢ−ＥＭＦより大きいか否かを判定する。

ここで、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦのヒステリシスの差分値ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦとは、図９に示すように、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦの降温時軌跡（Ｔ１）と昇温時軌跡（Ｔ２＋Ｔ３）の、低温側設定温度から高温側設定温度の間の所定の温度における差である。なお、起電力ＳＵＢ−ＥＭＦのヒステリシスの差分値ΔＳＵＢ−ＥＭＦも同様に定義されるので、説明を省略する。図９に示すように、これら差分値ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ΔＳＵＢ−ＥＭＦは、共に検出素子の温度が高くなるほど小さくなる傾向がある。従ってＳ７では、低温側設定温度の近傍で取得される差分値ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ΔＳＵＢ−ＥＭＦを用いて故障を判定することが好ましい。

Ｓ７の判定がＮＯである場合、すなわち差分値ΔＭＡＩＮ−ＥＭＦがΔＳＵＢ−ＥＭＦ以下である場合には、センサコントローラは、ＮＨ_３センサは故障していると判断し、Ｓ６に移る。一方、Ｓ７の判定がＹＥＳである場合には、センサコントローラは、より詳細にＮＨ_３センサの故障を判定すべくＳ８に移る。

Ｓ８では、センサコントローラは、ヒータをオンからオフにすることによって検出素子の温度を高温側設定温度から低温側設定温度まで低下させている間に、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦは常に負の方向へ変化していたか否かを判定する。またＳ９では、センサコントローラは、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦとＳＵＢ−ＥＭＦの軌跡を比較し、常に起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦはＳＵＢ−ＥＭＦよりも小さかったか否かを判定する。Ｓ８及びＳ９の判定が両方ともＹＥＳである場合には、センサコントローラは、Ｓ１０に移り、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、この処理を終了する。

Ｓ８及びＳ９の判定の何れかがＮＯである場合には、センサコントローラは、Ｓ１１に移る。Ｓ１１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。Ｓ１１の判定がＹＥＳである場合には、センサコントローラは、Ｓ１２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Ｓ１１の判定がＮＯである場合、すなわち既にＮＨ_３センサが故障した状態であることが暫定的に確定している場合には、センサコントローラは、Ｓ６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。

図８の故障検知処理は、ＮＨ_３センサ特有の図６に示す現象を利用したものである。したがって、図８の故障検知処理によってセンサ故障フラグがオンとなった場合、ＮＨ_３センサの故障要因は、ＮＨ_３検知電極又はＮＯ_２検知電極と固体電解質体との接合部分に不具合が生じたものと判断できる。なお、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８及びＳ９の故障判定のうち、Ｓ７及びＳ９は起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦとＳＵＢ−ＥＭＦとの比較を伴うものであるため、これら２つの故障判定については、どちらのＮＨ_３検知電極及びＮＯ_２検知電極のどちらの接合部に不具合が生じたかを厳密には特定することはできない。しかしながら、ＮＨ_３検知電極は光触媒材料を含んで構成されているため、ＮＯ_２検知電極と比較して熱や物理的な衝撃に弱くなっている。このため、Ｓ７及びＳ９の故障判定が否定的な結果であった場合には、ＮＨ_３検知電極と固体電解質体との接合部に不具合が生じたものとみなすことができる。

以上のように、図８の処理では、Ｓ５及びＳ７の判定については、否定的な結果であった場合には直ちにＮＨ_３センサの故障を確定したが、Ｓ８及びＳ９の判定については、２回続けて否定的な結果であった場合にＮＨ_３センサの故障を確定した。ＮＨ_３検知電極及びＮＯ_２検知電極は、共に排気管内に晒されるため、上流から流れてきた硫黄成分によって被毒し、一時的に起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦ，ＳＵＢ−ＥＭＦの温度特性が図６に示すようなものから変化したり、大小関係が逆転したりする場合がある。このため、一時的な不具合であるにも関わらず、Ｓ８及びＳ９の判定結果が否定的になる場合がある。図８の処理では、このような検出素子の被毒に起因する誤判定を防止するため、Ｓ８及びＳ９の判定については、２回続けて否定的な結果であった場合に、センサの故障を確定するようにしている。なお、このような被毒によって、起電力ＭＡＩＮ−ＥＭＦのヒステリシスまで消失することはないので、Ｓ５及びＳ７の判定については、否定的な結果であった場合には直ちにＮＨ_３センサの故障を確定している。

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、差分値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、差分値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。

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（比較用電極）
５３…ヒータ

Claims (8)

1. 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、
   前記ＮＨ_３検知電極、前記基準電極、及び前記固体電解質体の近傍に設けられたヒータと、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、
   前記ヒータを用いて前記ＮＨ_３センサの温度を変化させる温度変化工程と、
   前記ＮＨ_３センサの温度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. 前記温度変化工程では、前記ヒータをオンにし、その後オフにし、その後再びオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極の温度を変化させることを特徴とする請求項１に記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。
3. 前記固体電解質体には、ＮＨ_３に対する選択性を有さずＮＯ_２に対する選択性を有しかつ前記排気通路内に晒された比較用電極が接合され、
   前記温度変化工程では、前記ＮＨ_３検知電極とともに前記比較用電極の温度を変化させ、
   前記故障検知工程では、前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度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２に記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。
4. 前記温度変化工程では、前記ヒータをオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を所定の高温側設定温度まで上昇させ、その後オフにし前記温度を所定の低温側設定温度まで低下させ、その後再びオンにすることによって前記温度を前記高温側設定温度まで上昇させ、
   前記故障検知工程では、前記温度変化工程によって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を前記高温側設定温度と前記低温側設定温度との間で変化させたときにおける前記第１起電力及び前記第２起電力の軌跡を取得し、前記第１起電力及び前記第２起電力の両方又は何れかの軌跡がヒステリシス特性を有さない場合には、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. 前記故障検知工程では、前記ヒータをオンからオフにし前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を低下させたときにおける前記第１起電力及び前記第２起電力の軌跡をそれぞれ第１降温時軌跡及び第２降温時軌跡とし、前記ヒータをオフからオンにし前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を上昇させたときにおける前記第１起電力及び前記第２起電力の軌跡をそれぞれ第１昇温時軌跡及び第２昇温時軌跡とし、所定の故障判定温度における前記第１降温時軌跡と前記第１昇温時軌跡との差分値が、前記故障判定温度における前記第２降温時軌跡と前記第２昇温時軌跡との差分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することを特徴とする請求項３又は４に記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。
6. 前記故障検知工程では、前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を変化させている間に、前記第１起電力が前記第２起電力より高くなった場合には、前記ＮＨ_３検知電極又は前記ＮＨ_３検知電極と前記固体電解質体との接合部に故障が生じたと判定することを特徴とする請求項３又は４に記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。
7. 前記温度変化工程において、前記ヒータをオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を所定の第１温度まで上昇させ、前記ヒータをオフにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を所定の第２温度まで低下させ、その後前記ヒータをオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を前記第１温度まで上昇させることを１回のサイクルとして、
   前記故障検知工程では、２回のサイクルにわたり続けて前記第２起電力が前記第１起電力より高くなった場合には、前記ＮＨ_３検知電極又は前記ＮＨ_３検知電極と前記固体電解質体との接合部に故障が生じたと判定することを特徴とする請求項３又は４に記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。
8. 前記固体電解質体には、ＮＨ_３に対する選択性を有さずＮＯ_２に対する選択性を有しかつ前記排気通路内に晒された比較用電極が接合され、
   前記温度変化工程では、前記ヒータをオンにすることによって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を所定の高温側設定温度まで上昇させ、その後オフにし前記温度を所定の低温側設定温度まで低下させ、その後再びオンにすることによって前記温度を前記高温側設定温度まで上昇させ、
   前記ＮＨ_３検知電極と前記基準電極との間で発生する起電力を第１起電力と定義し、
   前記比較用電極と前記基準電極との間で発生する起電力を第２起電力と定義し、
   前記故障検知工程では、前記温度変化工程によって前記ＮＨ_３検知電極及び前記比較用電極の温度を前記高温側設定温度と前記低温側設定温度との間で変化させたときにおける前記第１起電力及び前記第２起電力の軌跡を取得し、前記第１起電力及び前記第２起電力の両方又は何れかの軌跡がヒステリシス特性を有さない場合には、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２に記載のＮＨ_３センサの故障検知方法。

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