JP2017133394A - 特定ガス濃度センサの合理性診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路に備えられたＮＯ_Ｘセンサの合理性を精度よく診断することができる特定ガス濃度センサの合理性診断装置を提供する。
【解決手段】合理性診断装置は、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するための特定ガス濃度センサの合理性を診断するための特定ガス濃度センサの合理性診断装置において、特定ガス濃度センサ中のＮＯ_Ｘ量がゼロになったと推定される所定の条件が成立したか否かを判定する条件成立判定部と、所定の条件の成立時に、特定ガス濃度センサの検出信号に基づき特定ガス濃度センサの合理性を診断する診断部と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出する特定ガス濃度センサの合理性を診断するための合理性診断装置に関する。

車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスにＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）が含まれる場合がある。かかるＮＯ_Ｘを還元して窒素や水等に分解することにより排気を浄化するための装置の一態様として、尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｓｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが実用化されている。尿素ＳＣＲシステムは、液体還元剤として尿素水溶液を使用し、尿素水溶液が分解することにより生成されるアンモニアを排気中のＮＯ_Ｘと反応させることにより、ＮＯ_Ｘを分解するシステムである。

かかる尿素ＳＣＲシステムは、排気通路に配設された選択還元触媒と、選択還元触媒よりも上流側の排気通路に尿素水溶液を供給するための還元剤供給装置とを備える。選択還元触媒は、尿素水溶液が分解することにより生成されるアンモニアを吸着し、流入する排気中のＮＯ_Ｘとアンモニアとの還元反応を促進する機能を有する。また、還元剤供給装置は、貯蔵タンク内に収容された尿素水溶液を圧送するポンプと、ポンプにより圧送される尿素水溶液を噴射する噴射弁とを備える。

かかる尿素ＳＣＲシステムにおいては、排気通路にＮＯ_Ｘセンサが備えられる。例えば、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するために、選択還元触媒の上流側にＮＯ_Ｘセンサが備えられる場合がある。また、選択還元触媒よりも下流側にＮＯ_Ｘが流出していないかを監視するために、選択還元触媒の下流側にＮＯ_Ｘセンサが備えられる場合がある。選択還元触媒の下流側に備えられるＮＯ_Ｘセンサは、尿素水溶液の噴射量の制御にも用いられ得る。

排気ガスのＮＯ_Ｘ濃度を検出するＮＯ_Ｘセンサとしては、排気通路に半導体式センサや固体電解質センサを直接設置し、ＮＯ_Ｘ濃度を電気信号として取り出すようにしたセンサが用いられる。例えば、特許文献１には、直列に接続される第１の空間と第２の空間とを有し、第１の空間において被測定ガス中の酸素を汲み出した後に、第２の空間においてＮＯ_Ｘを解離して酸素を汲み出したときに流れる電流値に基づいてＮＯ_Ｘ濃度を検出するセンサが開示されている。

特開２００９−２８８２２０号公報

ところで、ＮＯ_Ｘセンサが故障していたり、ＮＯ_Ｘセンサの検出精度が低かったりすると、ＮＯ_Ｘの浄化制御を適切に実行することができなくなる。ＮＯ_Ｘの浄化制御の精度が低い場合、ＮＯ_Ｘ又はアンモニアが大気中に流出するおそれがある。このため、車両の排気通路に備えられるＮＯ_Ｘセンサの合理性を診断することが必要とされる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、内燃機関の排気通路に備えられたＮＯ_Ｘセンサの合理性を精度よく診断するための、新規かつ改良された特定ガス濃度センサの合理性診断装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するための特定ガス濃度センサの合理性を診断するための特定ガス濃度センサの合理性診断装置において、特定ガス濃度センサ中のＮＯ_Ｘ量がゼロになったと推定される所定の条件が成立したか否かを判定する条件成立判定部と、所定の条件の成立時に、特定ガス濃度センサの検出信号に基づき特定ガス濃度センサの合理性を診断する診断部と、を備える、特定ガス濃度センサの合理性診断装置が提供される。

本発明にかかる特定ガス濃度センサの合理性診断装置によれば、特定ガス濃度センサ中のＮＯ_Ｘ量がゼロになった状態で、特定ガス濃度センサの検出信号に基づく合理性診断が実行される。したがって、あらかじめ設定されたＮＯ_Ｘ濃度がゼロ％の状態での基準値との比較によって、特定ガス濃度センサの合理性を精度よく診断することができる。

条件成立判定部は、所定の条件として、内燃機関の運転状態が、排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が低い運転状態である第１の条件が成立したか否かを判定してもよい。

第１の条件は、排気ガスの流量が所定の閾値以上であり、かつ、排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が所定の閾値以下となっていることであってもよい。

第１の条件は、内燃機関のアイドル運転の継続時間が所定時間以上となっていることであってもよい。

条件成立判定部は、内燃機関の停止前に第１の条件が成立していたか否かを判定してもよい。

条件成立判定部は、所定の条件として、さらに、排気ガス中にアンモニアが含まれていない第２の条件が成立したか否かを判定してもよい。

第２の条件は、排気ガス中のＮＯ_Ｘを還元するためのＮＯ_Ｘ選択還元触媒におけるアンモニアの吸着量が所定の閾値以下となっていることであってもよい。

第２の条件は、特定ガス濃度センサの周囲温度が所定の閾値以下となっていることであってもよい。

第２の条件は、特定ガス濃度センサの周囲温度の上昇速度が所定の閾値以下となっていることであってもよい。

以上説明したように本発明によれば、内燃機関の排気通路に備えられたＮＯ_Ｘセンサの合理性を精度よく診断することができる。

本発明の実施の形態にかかる特定ガス濃度センサの合理性診断装置を適用可能な排気浄化システムを示す概略図である。 特定ガス濃度センサ（ＮＯ_Ｘセンサ）の構成例を示す説明図である。 同実施形態にかかる合理性診断装置の構成例を示すブロック図である。 同実施形態にかかる合理性診断装置による診断方法を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．排気浄化システムの全体構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態にかかる特定ガス濃度センサの合理性診断装置を適用可能な排気浄化システム１０の構成例について説明する。図１は、排気浄化システム１０の概略構成を示す説明図である。排気浄化システム１０は、排気中の粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）を捕集するためのパティキュレートフィルタ１７と、排気中のＮＯ_Ｘを還元するための尿素ＳＣＲシステムとを備える。尿素ＳＣＲシステムは、選択還元触媒１３と、選択還元触媒１３の上流側で排気管１１内に還元剤を供給する還元剤噴射装置２０とにより構成される。かかる排気浄化システム１０は、排気中のＰＭを捕集するとともに、排気中のＮＯ_Ｘを還元して、排気を浄化するシステムとして構成されている。

（１−１．パティキュレートフィルタ）
パティキュレートフィルタ１７は、排気がパティキュレートフィルタ１７を通過する際に、排気中に含まれる煤等のＰＭを捕集する。かかるパティキュレートフィルタ１７は、例えば、セラミック材料により構成された、ハニカム構造のフィルタとすることができる。ただし、パティキュレートフィルタ１７は、上記フィルタに限定されず、公知のフィルタを用いることができる。パティキュレートフィルタ１７では、時間の経過に伴って、捕集されたＰＭによりフィルタの目詰まりを生じないように、適宜の時期に、ＰＭを燃焼（酸化）させる再生制御が実行される。

例えば、パティキュレートフィルタ１７の上流側及び下流側の圧力差が所定の閾値を超えたときに、パティキュレートフィルタ１７におけるＰＭの捕集量が所定量に到達したものと判断して、再生制御が実行されるようにしてもよい。また、内燃機関５の運転状態に基づいて、パティキュレートフィルタ１７におけるＰＭの捕集量が所定量に到達したと推定されたときに、再生制御が実行されるようにしてもよい。さらには、車両の使用終了時に、イグニッションスイッチがオフにされたときに、再生制御が実行されるようにしてもよい。

再生制御は、パティキュレートフィルタ１７に高温の排気を通過させたり、パティキュレートフィルタ１７を電熱ヒータや火炎バーナ等の加熱装置で加熱したりすることにより行われる。ただし、再生制御の方法は、これらの例に限定されない。例えば、パティキュレートフィルタ１７の上流側に配設された酸化触媒１９を用いて、排気温度を上昇させることにより、パティキュレートフィルタ１７中のＰＭを燃焼させることができる。

具体的には、酸化触媒１９に対して未燃の燃料を供給し、当該未燃の燃料を酸化触媒１９で酸化させることによって、酸化熱により排気温度を上昇させることができる。この高温の排気がパティキュレートフィルタ１７に流入することにより、パティキュレートフィルタ１７に捕集されているＰＭが燃焼され、パティキュレートフィルタ１７が再生される。例えば、内燃機関５において、主噴射に遅れて後噴射を行うことによって排気中に含まれる未燃の燃料を増加させて、酸化触媒１９に未燃燃料が供給されてもよいし、酸化触媒１９の上流側で排気管１１中に燃料を噴射することにより、酸化触媒１９に未燃燃料が供給されてもよい。

（１−２．尿素ＳＣＲシステム）
尿素ＳＣＲシステムは、還元剤として尿素水溶液を用いて排気中のＮＯ_Ｘを還元し分解するシステムである。尿素水溶液は、例えば、凍結温度が最も低くなる、約３２．５％濃度の尿素水溶液とすることができる。この場合の凍結温度は、約マイナス１１℃である。

選択還元触媒１３は、内燃機関５の排気中に含まれるＮＯ_Ｘを、尿素水溶液を用いて選択的に還元する。本実施形態では、還元剤噴射装置２０により噴射される尿素水溶液が分解して生成されるアンモニアが選択還元触媒１３に吸着される。そして、選択還元触媒１３に流入する排気中のＮＯ_Ｘがアンモニアと還元反応することにより分解される。かかる選択還元触媒１３は、触媒温度が高いほどアンモニアの吸着可能量が減少する特性を有する。また、選択還元触媒１３は、吸着可能量に対する実際のアンモニアの吸着率が高いほど、ＮＯ_Ｘの還元効率が高くなる特性を有する。なお、本明細書において、噴射弁３１から排気通路内に噴射される尿素水溶液だけでなく、尿素水溶液が分解して生成されたアンモニアについても、「還元剤」と表記する場合がある。

還元剤噴射装置２０は、選択還元触媒１３よりも上流側で、排気管１１内に尿素水溶液を噴射する。還元剤噴射装置２０は、選択還元触媒１３よりも上流側で排気管１１に固定された噴射弁３１と、貯蔵タンク５０内の尿素水溶液を吸い上げ、噴射弁３１に向けて圧送するポンプ４１とを備える。ポンプ４１及び噴射弁３１は、制御装置６０によって駆動される。尿素水溶液の噴射量は、排気中に含まれるＮＯ_Ｘの濃度や、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着可能量等に基づいて、選択還元触媒１３の下流側にＮＯ_Ｘあるいはアンモニアが流出しないように制御される。

本実施形態にかかる排気浄化システム１０では、内燃機関５から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度、すなわち、選択還元触媒１３の上流側でのＮＯ_Ｘ濃度は、内燃機関５の運転状態に基づいて演算により推定される。また、選択還元触媒１３の下流側でのＮＯ_Ｘ濃度は、排気管１１内に設置されたＮＯ_Ｘセンサ３０を用いて検出される。かかるＮＯ_Ｘセンサ３０が、本発明における特定ガス濃度センサに相当する。さらに、選択還元触媒１３よりも上流側の排気管１１には、排気温度Ｔｇａｓを検出するための温度センサ１５が設置されている。温度センサ１５によって検出される排気温度Ｔｇａｓは、選択還元触媒１３の温度推定にも用いられる。

例えば、制御装置６０は、選択還元触媒１３の上流側でのＮＯ_Ｘ濃度と排気流量とを乗じたＮＯ_Ｘ流量と、現在の選択還元触媒１３の温度に応じたアンモニアの吸着可能量とに基づいて、尿素水溶液の噴射量を制御する。また、制御装置６０は、ＮＯ_Ｘセンサ３０により検出される選択還元触媒１３の下流側でのＮＯ_Ｘ濃度に応じて、尿素水溶液の噴射量を補正する。例えば、ＮＯ_Ｘセンサ３０により検出されるＮＯ_Ｘ濃度が所定の濃度を上回る場合には、尿素水溶液の噴射量を減少させる補正を行う。

かかる尿素ＳＣＲシステムにおいて、ＮＯ_Ｘセンサ３０のセンサ値の精度が低い場合には、尿素水溶液の噴射量に過不足が生じ得る。尿素水溶液の噴射量が過剰になると、生成されるアンモニアが、選択還元触媒１３の吸着可能量を超えて、選択還元触媒１３の下流側に流出することとなる。一方、尿素水溶液の噴射量が不足すると、排気ガス中のＮＯ_Ｘの一部が選択還元触媒１３の下流側に流出することとなる。このため、本実施形態にかかる排気浄化システム１０では、制御装置６０は、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断を実行する。

＜２．特定ガス濃度センサ（ＮＯ_Ｘセンサ）＞
次に、図２を参照して、ＮＯ_Ｘセンサ３０の構成の一例について簡単に説明する。図２は、ＮＯ_Ｘセンサ３０の構成を概略的に示す断面図である。かかるＮＯ_Ｘセンサ３０は、２つの固体電解質体２１１，２１３によって形成されたガス流路２１５を備え、ガス流路２１５の途中には、第１空間２１７及び第２空間２１９が設けられている。

ガス流路２１５の第１空間２１７の上流側には、第１の拡散律速通路２２１が設けられ、第１空間２１７と第２空間２１９との間には、第２の拡散律速通路２２３が設けられている。第１の拡散律速通路２２１及び第２の拡散律速通路２２３は、小孔や薄い切込みを形成した固体電解質体をガス流路２１５に配置したり、アルミナ等の多孔質体をガス流路２１５中に充填したりすることによって形成することができる。

これらの第１の拡散律速通路２２１及び第２の拡散律速通路２２３を通過する排気ガスＧは、拡散抵抗を受けつつ、下流側の第１空間２１７又は第２空間２１９に流れ込む。したがって、第１空間２１７及び第２空間２１９内での排気ガスＧの滞留時間が長くなり、センサ外での排気ガスの組成が変化した場合であっても、第１空間２１７及び第２空間２１９内の排気ガスＧへの影響が少なくなる。その結果、センサによる検出精度が高められる。

また、ガス流路２１５の第１空間２１７に面して第１素子２３０が設けられ、第２空間２１９に面して第２素子２４０が設けられている。第１素子２３０は、固体電解質体２１３の両面に第１の内側電極２３１及び第１の外側電極２３３が配置されて構成されており、第１の内側電極２３１が第１空間２１７に面し、第１の外側電極２３３が基準ガス空間２２５に面している。また、第２素子２４０は、固体電解質体２１３の両面に第２の内側電極２４１及び第２の外側電極２４３が配置されて構成されたものであり、第２の内側電極２４１が第２空間２１９に面し、第２の外側電極２４３が基準ガス空間２２５に面している。

かかるＮＯ_Ｘセンサ３０において、第１素子２３０及び第２素子２４０はともに酸素ポンプ素子として利用されるものであり、第１素子２３０及び第２素子２４０を構成する第１の内側電極２３１と第１の外側電極２３３、及び、第２の内側電極２４１と第２の外側電極２４３は、それぞれ外部接続回路２２７に接続され、一対の電極間に電圧を印加することができるようになっている。

このうち、第１素子２３０では、排気ガスＧ中のＮＯ_Ｘのうち、ＮＯが解離しないようにして酸素のみを汲み出すように、電圧の印加が行われる。このとき、第１空間２１７内では、下記式（１）で示すように、ＮＯ_２が解離してＮＯ及び酸素が生成される。

２ＮＯ_２ → ２ＮＯ＋Ｏ_２ ・・・（１）

したがって、第１空間２１７からは、排気ガスＧにもともと含まれていた酸素と、第１空間２１７内で生成された酸素とが、第１素子２３０によって汲み出される。

また、第２素子２４０では、排気ガスＧ中のＮＯを解離して酸素を汲み出すように、電圧の印加が行われる。すなわち、第２空間２１９内では、下記式（２）で示すように、ＮＯが解離して窒素及び酸素が生成される。

２ＮＯ → Ｎ_２＋Ｏ_２ ・・・（２）

したがって、第２空間２１９からは、第２空間２１９内で生成された酸素が第２素子２４０によって汲み出される。このとき、第２素子２４０に流れる電流値は、第２空間２１９から汲み出された酸素濃度に応じた電流値を示す。この酸素濃度は、すなわち排気ガスＧのＮＯ_Ｘ濃度を示すことから、第２素子２４０に流れる電流値を測定することによって、排気ガスＧ中のＮＯ_Ｘ濃度を検出することができる。

また、かかるＮＯ_Ｘセンサ３０は、排気ガスＧ中にアンモニア（ＮＨ_３）が含まれていると、第１空間２１７の第１の内側電極２３１において酸化されてＮＯが生成される場合がある。すなわち、選択還元触媒１３に吸着しきれないアンモニアが選択還元触媒１３の下流側に流出した場合においても、第１空間２１７で生成されたＮＯが第２空間２１９内で解離して窒素及び酸素が生成され、ＮＯ_Ｘセンサ３０により検出されることとなる。

かかるＮＯ_Ｘセンサ３０では、排気ガスＧ中にＮＯ_Ｘ及びアンモニアが含まれていない場合、第１空間２１７から第１素子２３０によって酸素が汲み出された後に、第２空間２１９から第２素子２４０によって汲み出される酸素は、理論上ゼロになる。本実施形態にかかる制御装置（合理性診断装置）６０は、かかるＮＯ_Ｘセンサ３０の特性を利用して、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性を診断する。

＜３．制御装置（合理性診断装置）＞
次に、本実施形態にかかるＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断装置としての制御装置６０の構成例について説明する。図３は、制御装置６０の構成のうち、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断に関連する部分を機能的に示すブロック図である。かかる制御装置６０は、主として、公知のマイクロコンピュータを備えて構成される。

制御装置６０は、条件成立判定部１０１と、診断部１０３と、還元剤噴射制御部１０５とを備える。これらの各部は、具体的には、マイクロコンピュータによるプログラムの実行により実現され得る。本実施形態にかかる制御装置６０には、直接、あるいは、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のバス配線を介して、ＮＯ_Ｘセンサ３０の検出信号や、温度センサ１５の検出信号、内燃機関５の運転状態に関連する情報が入力される。また、制御装置６０は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の図示しない記憶素子を備える。これらの記憶素子は、マイクロコンピュータにより実行されるプログラムや、演算結果、検出結果等を記憶する。

（３−１．還元剤噴射制御部）
還元剤噴射制御部１０５は、内燃機関５の排気ガスとともに排出されたＮＯ_Ｘを浄化するために、尿素水溶液の噴射制御を実行する。例えば、還元剤噴射制御部１０５は、内燃機関５の排気中のＮＯ_Ｘ量に基づき、当該ＮＯ_Ｘを還元するために必要なアンモニア量を算出するとともに、選択還元触媒１３の目標吸着量に対して過不足のアンモニア量を算出する。還元剤噴射制御部１０５は、算出されたアンモニア量の和に応じた尿素水溶液の量を目標噴射量とする。

排気中のＮＯ_Ｘ量は、例えば、内燃機関５の運転状態に基づき推定されるＮＯ_Ｘ濃度Ｎｕに、同じく内燃機関５の運転状態に基づき推定される排気流量を乗じて求めることができる。選択還元触媒１３の上流側にＮＯ_Ｘセンサが備えられている場合には、当該ＮＯ_Ｘセンサにより検出されるＮＯ_Ｘ濃度に排気流量を乗じて、排気中のＮＯ_Ｘ量を求めてもよい。還元剤噴射制御部１０５は、求められたＮＯ_Ｘ量に対応するアンモニア量を算出する。

また、還元剤噴射制御部１０５は、温度センサ１５により検出される排気温度に基づき推定される触媒温度から現在の選択還元触媒１３の吸着可能量を求め、例えば吸着可能量の７０〜８０％をアンモニアの目標吸着量とする。選択還元触媒１３へのアンモニアの目標吸着率を７０〜８０％とすることにより、吸着率が比較的高く維持されて、ＮＯ_Ｘの還元効率が高くなる一方、触媒温度が急激に上昇した場合であっても、アンモニアの吸着可能量が、現在のアンモニアの吸着量を下回らないようにすることができる。

そして、還元剤噴射制御部１０５は、これまでの積算結果から現在のアンモニアの吸着量を読み込み、目標吸着量に対する過不足のアンモニア量を求め、先に求めたアンモニア量に加算する。現在のアンモニアの吸着量が目標吸着量に対して不足する場合には、過不足のアンモニア量は正の値となり、現在のアンモニアの吸着量が目標吸着量に対して過剰である場合には、過不足のアンモニア量は負の値となる。

還元剤噴射制御部１０５は、算出されたアンモニア量に対応する尿素水溶液の量を目標噴射量として、噴射弁３１を駆動制御する。例えば、還元剤噴射制御部１０５は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力が一定に保たれるようにポンプ４１の出力を制御し、目標噴射量に応じて、噴射弁３１の開弁時間を調節する。また、還元剤噴射制御部１０５は、選択還元触媒１３の下流側に設置されたＮＯ_Ｘセンサ３０のセンサ値に基づき尿素水溶液の噴射量を補正する。

上述のとおり、ＮＯ_Ｘセンサ３０は、ＮＯ_Ｘだけでなくアンモニアも検出する。還元剤噴射制御部１０５は、基本的に、アンモニアが選択還元触媒１３の下流側に流出しないように尿素水溶液の噴射量を調節することから、ＮＯ_Ｘセンサ３０のセンサ値はＮＯ_Ｘ濃度を示すものとして、尿素水溶液の噴射量を補正する。この場合には、基本的に、尿素水溶液の噴射量を増量する補正となり得る。一方、ＮＯ_Ｘセンサ３０が、実際にはアンモニアを検出していた場合、尿素水溶液の噴射量を増量することによって、ＮＯ_Ｘセンサ３０のセンサ値はさらに上昇する。この場合、還元剤噴射制御部１０５は、ＮＯ_Ｘセンサ３０のセンサ値はアンモニア濃度を示すものとして、尿素水溶液の噴射量を補正する。この場合には、尿素水溶液の噴射量を減少する補正となり得る。

このようにして尿素水溶液の噴射制御を実行することにより、選択還元触媒１３の下流側へのアンモニアの流出が抑制されつつ、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着率が高く維持され、ＮＯ_Ｘの還元効率を向上させることができる。

なお、尿素水溶液の噴射制御の具体的な方法は、上記の例に限定されない。

（３−２．条件成立判定部）
条件成立判定部１０１は、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断を実行させる条件が成立したか否かを判定する。条件成立判定部１０１は、ＮＯ_Ｘセンサ３０中のＮＯ_Ｘ量がゼロになったと推定される所定の条件が成立したか否かを判定する。ＮＯ_Ｘセンサ３０の設置位置は、内燃機関５から離れているため、単に内燃機関５が停止し、内燃機関５からの排気ガスの排出が無くなったことのみでは、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ量はゼロにならない場合も想定される。このため、条件成立判定部１０１は、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ量がゼロになったか否かの推定を行う。

所定の条件は、例えば、内燃機関５の運転状態が、排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度がゼロに近い運転状態である第１の条件が成立したか否かを含んでもよい。かかる第１の条件の成立時には、ＮＯ_Ｘが選択還元触媒１３をそのまま通過した場合であっても、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２素子２４０に流れる電流値Ａ２は無酸素状態に近い値を示す。したがって、第１の条件の成立時には、診断部１０３によるＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断の診断結果を信頼することができる。

第１の条件は、例えば、内燃機関５から排出される排気ガスの流量Ｆｇが所定の閾値Ｆｇ＿ｔｈｒｅ以上であり、かつ、当該排気ガスのＮＯ_Ｘ濃度Ｎｕが所定の閾値Ｎｕ＿ｔｈｒｅ以下となっていること、とすることができる。かかる条件は、すなわち、内燃機関５から排出されるＮＯ_Ｘ流量が極めて少ない状態であること、とも言い得る。かかる条件下においては、ＮＯ_Ｘセンサ３０中のＮＯ_Ｘ量がゼロに近い状態になる。排気ガスの流量の閾値Ｆｇ＿ｔｈｒｅ、及び、排気ガスのＮＯ_Ｘ濃度の閾値Ｎｕ＿ｔｈｒｅは、合理性診断時に電流値の差分ΔＡと比較する閾値ΔＡ＿ｔｈｒｅに応じて設定されてもよい。

また、第１の条件は、例えば、内燃機関５のアイドル運転の継続時間Ｔｉが所定時間Ｔｉ＿ｔｈｒｅ以上となっていること、とすることができる。内燃機関５のアイドル運転時には、燃焼温度が比較的低く、ＮＯ_Ｘが発生しにくい状態となっている。かかる条件下においても、ＮＯ_Ｘセンサ３０中のＮＯ_Ｘ量がゼロに近い状態になる。所定時間Ｔｉ＿ｔｈｒｅは、内燃機関５からＮＯ_Ｘセンサ３０の設置位置までの排気通路の長さや、アイドル運転中の排気ガスの流量等に応じて、適切な値に設定され得る。

また、条件成立判定部１０１は、第１の条件と併せて、ＮＯ_Ｘセンサ３０の設置位置を流れる排気ガス中にアンモニアが含まれていない状態である第２の条件が成立したか否かを判定してもよい。かかる第２の条件の成立時には、ＮＯ_Ｘセンサ３０によってアンモニアが検出されることもないため、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２素子２４０に流れる電流値Ａ２は無酸素状態に近い値を示す。したがって、第１の条件と併せて第２の条件が成立している場合には、診断部１０３によるＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断の診断結果をより信頼することができる。

第２の条件は、例えば、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着量が所定の閾値以下となっていること、とすることができる。選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着量が少ない場合、選択還元触媒１３に流入するアンモニアが確実に選択還元触媒１３に吸着され、選択還元触媒１３の下流側に流出しにくくなる。かかる条件下においては、ＮＯ_Ｘセンサ３０中に流入するアンモニアの量はゼロ又はごく僅かとなって、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２素子２４０に流れる電流値Ａ２は無酸素状態に近い値を示し得る。なお、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着量が所定の閾値以下となっていること、の代わりに、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着可能量に対する実際の吸着量の割合が所定の閾値以下となっていること、としてもよい。

また、第２の条件は、例えば、ＮＯ_Ｘセンサ３０の周囲温度Ｔｄが所定の閾値Ｔｇ＿ｔｈｒｅ以下となっていること、とすることができる。本実施形態にかかる排気浄化システム１０において、ＮＯ_Ｘセンサ３０は、選択還元触媒１３の下流側に設置されているため、ＮＯ_Ｘセンサ３０の周囲温度Ｔｄは、選択還元触媒１３の温度の影響を受けて変動する。したがって、ＮＯ_Ｘセンサ３０の周囲温度Ｔｄが低い場合には選択還元触媒１３の温度も低いと推定され、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着可能量が多い状態と考えられる。このため、選択還元触媒１３に流入するアンモニアが、選択還元触媒１３の下流側に流出しにくくなる。かかる条件下においても、ＮＯ_Ｘセンサ３０中に流入するアンモニアの量はゼロ又はごく僅かとなって、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２素子２４０に流れる電流値Ａ２は無酸素状態に近い値を示し得る。

また、第２の条件は、例えば、ＮＯ_Ｘセンサ３０の周囲温度Ｔｄの上昇速度が所定の閾値以下となっていること、とすることができる。ＮＯ_Ｘセンサ３０の周囲温度Ｔｄの上昇速度が大きい場合には、選択還元触媒１３の温度も急上昇したと推定され、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着可能量が急激に減少していると考えられる。この場合、選択還元触媒１３に吸着されていたアンモニアの一部が、選択還元触媒１３から流出するおそれがある。これに対し、ＮＯ_Ｘセンサ３０の周囲温度Ｔｄの上昇速度が小さければ、アンモニアの吸着可能量が減少するとしても、その間に選択還元触媒１３に流入するＮＯ_Ｘとアンモニアが反応することによって、アンモニアの流出は生じにくくなる。かかる条件下においても、ＮＯ_Ｘセンサ３０中に流入するアンモニアの量はゼロ又はごく僅かとなって、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２素子２４０に流れる電流値Ａ２は無酸素状態に近い値を示し得る。

ＮＯ_Ｘセンサ３０の周囲温度Ｔｄは、温度センサ１５の検出値を用いて推定してもよいし、ＮＯ_Ｘセンサ３０の近傍に温度センサを設置してもよい。なお、第２の条件としてＮＯ_Ｘセンサ３０の周囲温度Ｔｄを用いる代わりに、温度センサ１５により検出される排気温度に基づき推定される触媒温度を用いてもよい。

また、条件成立判定部１０１は、第１の条件と併せて、あるいは、第１の条件及び第２の条件と併せて、例えば以下の条件が成立したか否かを判定してもよい。
（ｉ）排気浄化システム１０の電源電圧が規定電圧で維持されているか
（ｉｉ）パティキュレートフィルタ１７の再生制御が直近で実行されていないか

上記条件（ｉ）は、排気浄化システム１０そのものに異常がないことを確認するための条件である。排気浄化システム１０そのものに異常が見られる場合には、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断の診断結果の信頼性は低いため、合理性診断を実行しないようにすることができる。

上記条件（ｉｉ）は、選択還元触媒１３の温度が上昇しておらず、アンモニアが選択還元触媒１３の下流側に流出しやすくなっていないことを確認するための条件である。パティキュレートフィルタ１７の再生制御が実行されると、パティキュレートフィルタ１７を通過する排気ガスの温度は高温となって、選択還元触媒１３の温度も上昇しやすくなる。したがって、パティキュレートフィルタ１７の再生制御が直近で実行されている場合には、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断を実行しないようにすることができる。

条件成立判定部１０１は、例えば、内燃機関５の停止時において、内燃機関５が停止する直前にこれらの条件が成立していたか否かを判定してもよい。これにより、内燃機関５が停止する直前において、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ及びアンモニアがゼロになり得る状態となっており、かつ、内燃機関５から排気ガスが排出されておらず、ＮＯ_Ｘの新たな排出も無い状態で、診断部１０３にＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断を実行させることができる。

（３−３．診断部）
診断部１０３は、条件成立判定部１０１により所定の条件が成立したと判定されたときに、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ量がゼロになっている状態で、ＮＯ_Ｘセンサ３０の検出信号に基づいてＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性を診断する。上述のとおり、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ量がゼロになっている場合、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２空間２１９から汲み出される酸素は理論上ゼロになる。したがって、診断部１０３は、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ量がゼロになっている状態で第２素子２４０に流れる電流値Ａ２を取得し、あらかじめ記憶された、無酸素状態で第２素子２４０に流れる基準電流値Ａ＿ｒｅｆと比較する。

診断部１０３は、取得される電流値Ａ２と基準電流値Ａ＿ｒｅｆとの差分ΔＡが所定の閾値ΔＡ＿ｔｈｒｅ以内である場合に、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性有りと判定する。一方、診断部１０３は、取得される電流値Ａ２と基準電流値Ａ＿ｒｅｆとの差分ΔＡが所定の閾値ΔＡ＿ｔｈｒｅを超える場合に、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性無しと判定する。閾値ΔＡ＿ｔｈｒｅは、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性（信頼性）の許容範囲に応じて適切な値に設定することができる。

＜４．特定ガス濃度センサの合理性診断方法＞
次に、図４を参照して、本実施形態にかかる制御装置６０により実行されるＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断方法の例について説明する。図４は、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断方法の一例を示すフローチャートである。

まず、制御装置６０は、ステップＳ１０において、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断を実行するための所定の条件が成立しているか否かを判別する。具体的に、制御装置６０の条件成立判定部１０１は、内燃機関５の運転状態の情報、温度センサ１５により検出された情報、還元剤噴射制御の履歴情報等に基づいて、上記の第１の条件、あるいは、第１の条件及び第２の条件、さらには、上記の条件（ｉ）〜（ｉｉｉ）の条件が成立しているか否かを判別する。好ましくは、条件成立判定部１０１は、内燃機関５の停止時において、内燃機関５が停止する直前に所定の条件が成立していたか否かを判別する。このときの内燃機関５の停止時とは、イグニションスイッチがオフにされたことによる内燃機関５の停止時だけでなく、例えば、アイドルストップ制御による内燃機関５の自動停止時も含み得る。

診断を実行する条件が成立していない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、制御装置６０は、条件が成立するまで、ステップＳ１０の判別を繰り返す。一方、診断を実行する条件が成立した場合（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に進み、制御装置６０の診断部１０３は、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２素子２４０に流れる電流値Ａ２を取得する。このとき取得される電流値Ａ２は、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ量及びアンモニア量がゼロであり、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２空間２１９内が無酸素状態で第２素子２４０に流れる電流値Ａ２となる。

次いで、ステップＳ１４において、制御装置６０の診断部１０３は、取得された電流値Ａ２と、あらかじめ記憶された無酸素状態での基準電流値Ａ＿ｒｅｆとの差分ΔＡが、所定の閾値ΔＡ＿ｔｈｒｅ以内であるか否かを判別する。電流値の差分ΔＡが閾値ΔＡ＿ｔｈｒｅ以内である場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１６に進み、制御装置６０の診断部１０３は、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性有りと判定し、本ルーチンを終了する。一方、電流値の差分ΔＡが閾値ΔＡ＿ｔｈｒｅを超える場合（Ｓ１４：ＮＯ）、ステップＳ１８に進み、制御装置６０の診断部１０３は、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性無しと、本ルーチンを終了する。

以上説明したように、本実施形態にかかるＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断装置（制御装置）６０によれば、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ量及びアンモニア量がゼロになったと推定される所定の条件が成立したときに、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２素子２４０に流れる電流値Ａ２に基づいて、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断が実行される。かかる合理性診断においては、あらかじめ無酸素状態で検出され記憶された第２素子２４０に流れる基準電流値Ａ＿ｒｅｆと、検出された電流値Ａ２との差分ΔＡが閾値ΔＡ＿ｔｈｒｅ以内であるか否かの判定が行われる。したがって、ＮＯ_Ｘセンサ３０の第２空間２１９内が無酸素状態であるときに検出される電流値Ａ２が、正常な値Ａ＿ｒｅｆから大きくずれていないかを精度よく判定することができる。したがって、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断の診断結果の信頼性を高めることができる。

また、本実施形態にかかるＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断装置６０では、ＮＯ_Ｘセンサ３０内のＮＯ_Ｘ量がゼロになり得る第１の条件と併せて、ＮＯ_Ｘセンサ３０に流入する排気ガス中にアンモニアが含まれていない第２の条件が成立したときに、ＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断が行われる。したがって、アンモニアも検出し得るＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断の診断結果をさらに高めることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、選択還元触媒１３の下流側に設置されたＮＯ_Ｘセンサ３０の合理性診断を行っていたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、選択還元触媒１３の上流側にＮＯ_Ｘセンサが設置されている場合に、当該ＮＯ_Ｘセンサの合理性診断に対しても本発明を適用することができる。この場合、ＮＯ_Ｘセンサが尿素水溶液の噴射位置よりも上流側に設置されているのであれば、第２の条件の成立の有無を判定することを要しない。

５ 内燃機関
１０ 排気浄化システム
１１ 排気管
１３ 選択還元触媒
１５ 温度センサ
１７ パティキュレートフィルタ
１９ 酸化触媒
２０ 還元剤噴射装置
３０ ＮＯ_Ｘセンサ
３１ 噴射弁
４１ ポンプ
５０ 貯蔵タンク
６０ 制御装置
１０１ 条件成立判定部
１０３ 診断部
１０５ 還元剤噴射制御部

Claims (9)

1. 内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するための特定ガス濃度センサの合理性を診断するための特定ガス濃度センサの合理性診断装置において、
   前記特定ガス濃度センサ中のＮＯ_Ｘ量がゼロになったと推定される所定の条件が成立したか否かを判定する条件成立判定部と、
   前記所定の条件の成立時に、前記特定ガス濃度センサの検出信号に基づき前記特定ガス濃度センサの合理性を診断する診断部と、
   を備える、特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
2. 前記条件成立判定部は、前記所定の条件として、前記内燃機関の運転状態が、前記排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度がゼロに近い運転状態である第１の条件が成立したか否かを判定する、請求項１に記載の特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
3. 前記第１の条件は、前記排気ガスの流量が所定の閾値以上であり、かつ、前記排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が所定の閾値以下となっていることである、請求項２に記載の特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
4. 前記第１の条件は、前記内燃機関のアイドル運転の継続時間が所定時間以上となっていることである、請求項２に記載の特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
5. 前記条件成立判定部は、前記内燃機関の停止前に前記第１の条件が成立していたか否かを判定する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
6. 前記条件成立判定部は、前記所定の条件として、さらに、前記排気ガス中にアンモニアが含まれていない第２の条件が成立したか否かを判定する、請求項２〜５のいずれか１項に記載の特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
7. 前記第２の条件は、前記排気ガス中のＮＯ_Ｘを還元するためのＮＯ_Ｘ選択還元触媒における前記アンモニアの吸着量が所定の閾値以下となっていることである、請求項６に記載の特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
8. 前記第２の条件は、前記特定ガス濃度センサの周囲温度が所定の閾値以下となっていることである、請求項６に記載の特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
9. 前記第２の条件は、前記特定ガス濃度センサの周囲温度の上昇速度が所定の閾値以下となっていることである、請求項６に記載の特定ガス濃度センサの合理性診断装置。
   

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