JP2017155716A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプセルからのＡｕの蒸散によるセンサセルの出力低下を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の制御装置は、内燃機関の停止要求に応じて該内燃機関を停止させる内燃機関停止部と、ヒータ５５を制御するヒータ制御部と、ポンプセル５２の出力に基づいて排気ガスの空燃比を推定する空燃比推定部と、空燃比推定部によって推定された空燃比に基づいて排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部とを備える。空燃比制御部は、内燃機関の停止が要求されたときに、空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合には、排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御し、内燃機関停止部は、空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であるときに内燃機関を停止させ、ヒータ制御部は、空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であるときにヒータをオフにする。
【選択図】図６

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するために、内燃機関の排気通路に窒素酸化物（ＮＯｘ）センサを配置することが知られている。

特許文献１に記載されるように、ＮＯｘセンサは、排気ガスが被測ガスとして導入される被測ガス室と、被測ガス中の酸素を排出するポンプセルと、被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出するセンサセルとを備えている。ポンプセルの陰極は、酸素分解機能を有し且つＮＯｘ分解機能を有しない白金−金合金（Ｐｔ−Ａｕ合金）から構成される。一方、センサセルの陰極は、ＮＯｘ分解機能を有する白金−ロジウム合金（Ｐｔ−Ｒｈ合金）から構成される。

また、ＮＯｘセンサは、センサセル及びポンプセルを加熱するヒータも備えている。ヒータは、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出精度を確保すべく、センサセル及びポンプセルの温度を活性温度以上に加熱する。しかしながら、ポンプセルの温度が過剰に高くなると、ポンプセルの陰極から金（Ａｕ）が蒸散する。蒸散したＡｕは、センサセルの陰極に付着し、センサセルの出力を恒久的に低下させる。このため、ＮＯｘセンサによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する間、ポンプセルの温度は所定の制御温度（例えば７５０℃〜８００℃）に制御される。

特開平１０−０３８８４５号公報 特開平０１−２５７７３９号公報

ところで、内燃機関の停止が要求されると、内燃機関を停止させると共にＮＯｘセンサのヒータをオフにする。この結果、ポンプセルの温度は制御温度から徐々に低下する。本願の発明者は、内燃機関の停止後にポンプセルの温度が低下する際にも、ポンプセルからのＡｕの蒸散によってセンサセルの出力が低下することを見出した。

そこで、本発明の目的は、ポンプセルからのＡｕの蒸散によるセンサセルの出力低下を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の排気通路には、該排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサが配置されており、前記窒素酸化物センサは、前記排気ガスが被測ガスとして導入される被測ガス室と、酸化物イオン伝導性を有するセンサ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の一方の側面上に配置された第一電極と、基準ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第二電極とを有するセンサセルと、酸化物イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の一方の側面上に配置され且つ白金−金合金から構成された第三電極と、前記基準ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第四電極とを有すると共に、前記被測ガスの流れ方向において前記センサセルよりも上流側に配置されたポンプセルと、前記センサセル及び前記ポンプセルを加熱するヒータと、を備え、当該制御装置は、前記内燃機関の停止要求に応じて該内燃機関を停止させる内燃機関停止部と、前記ヒータを制御するヒータ制御部と、前記ポンプセルの出力に基づいて、前記被測ガス室に導入される導入排気ガスの空燃比を推定する空燃比推定部と、前記空燃比推定部によって推定された空燃比に基づいて前記導入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、を備え、前記空燃比制御部は、前記内燃機関の停止が要求されたときに、前記空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合には、前記導入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御し、前記内燃機関停止部は、前記内燃機関の停止が要求された後、前記空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であるときに前記内燃機関を停止させ、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の停止が要求された後、前記空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であるときに前記ヒータをオフにする、内燃機関の制御装置が提供される。

本発明によれば、ポンプセルからのＡｕの蒸散によるセンサセルの出力低下を抑制することができる内燃機関の制御装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、ＮＯｘセンサの拡大断面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線に沿ったＮＯｘセンサの断面図である。 図４は、ＰｔＯ₂、Ａｕ、Ｐｔ及びＰｔ−Ａｕ合金の飽和蒸気圧と温度との関係を示す図である。 図５は、ポンプセルの温度が中間温度領域にあるときの排気ガスの空気過剰率とＡｕの蒸散量との関係を示す図である。 図６は、内燃機関の停止が要求されるときの素子部の温度等の概略的なタイムチャートである。 図７は、本発明の第一実施形態における内燃機関停止処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８は、本発明の第二実施形態における内燃機関停止処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
以下、図１〜図７を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の制御装置が用いられる内燃機関１を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。

図１を参照すると、内燃機関１は、機関本体１００と、各気筒の燃焼室２と、燃焼室２内に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁３と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５とを備える。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ（過給機）７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置される。さらに、吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１３が配置される。図１に示した内燃機関１では機関冷却水が冷却装置１３内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。

一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２８を内蔵したケーシング２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒２８は、例えば、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）又はＮＯｘ吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されてもよい。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」という）通路１４を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９によって燃料タンク３３から燃料配管３４を介してコモンレール１８内に供給される。コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。

内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。負荷センサ１０１及びエアフロメータ１０２の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１５及び燃料ポンプ１９に接続されている。

負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ１０１は機関負荷を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる空気流量を検出する。さらに、入力ポート８５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ１０８が接続され、クランク角センサ１０８によって機関回転数が検出される。

なお、内燃機関１は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関であってもよい。また、気筒配列、吸排気系の構成及び過給機の有無のような内燃機関１の具体的な構成は、図１に示した構成と異なっていてもよい。

＜ＮＯｘセンサの説明＞
内燃機関１の排気通路には、さらに、窒素酸化物（ＮＯｘ）センサ１０が配置されている。ＮＯｘセンサ１０は、内燃機関１の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出する。ＮＯｘセンサ１０は、所定の電圧を印加したときにセンサ内に流れる限界電流を検出することによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する限界電流式ＮＯｘセンサである。本実施形態では、ＮＯｘセンサ１０は排気通路において排気浄化触媒２８の排気流れ方向上流側に配置されている。なお、ＮＯｘセンサ１０は、排気通路の他の位置、例えば排気浄化触媒２８の排気流れ方向下流側に配置されてもよい。

以下、図２及び図３を参照して、ＮＯｘセンサ１０の構成について説明する。図２は、ＮＯｘセンサ１０の拡大断面図である。図２では、ＮＯｘセンサ１０の一部が断面図で示されている。ＮＯｘセンサ１０は、先端部１０ａが排気管２７に挿入された状態で排気管２７に固定される。ＮＯｘセンサ１０は、その内部に、板状の形状を有する素子部１０ｂを備えている。

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿ったＮＯｘセンサ１０の断面図である。図３に示されるように、ＮＯｘセンサ１０の素子部１０ｂは、被測ガス室３０、第一基準ガス室３１、第二基準ガス室３２、センサセル５１、ポンプセル５２及びモニタセル５３を備えている。ＮＯｘセンサ１０が内燃機関１の排気通路に配置されたとき、被測ガス室３０には、排気通路を流れる排気ガスが被測ガスとして導入される。第一基準ガス室３１及び第二基準ガス室３２には基準ガスが導入される。基準ガスは例えば大気である。

素子部１０ｂは、複数の層を積層して構成されている。具体的には、素子部１０ｂは、第一固体電解質層１１、第二固体電解質層１２、拡散律速層１６、第一不透過層２１、第二不透過層２２、第三不透過層２３、第四不透過層２４及び第五不透過層２５を備える。第一固体電解質層１１及び第二固体電解質層１２は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。第一固体電解質層１１及び第二固体電解質層１２は、例えば、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等を安定剤として添加した焼結体により形成されている。また、拡散律速層１６は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層１６は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。不透過層２１〜２５は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む層として形成されている。

素子部１０ｂの各層は、図３の下方から、第一不透過層２１、第二不透過層２２、第三不透過層２３、第二固体電解質層１２、拡散律速層１６及び第四不透過層２４、第一固体電解質層１１、第五不透過層２５の順に積層されている。被測ガス室３０は、第一固体電解質層１１、第二固体電解質層１２、拡散律速層１６及び第四不透過層２４によって区画形成されている。排気ガスは拡散律速層１６を通って被測ガス室３０内に導入される。拡散律速層１６は被測ガスの拡散律速を行う。なお、被測ガス室３０は、固体電解質層（本実施形態では第一固体電解質層１１及び第二固体電解質層１２）に隣接し且つ被測ガスが導入されるように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。

第一基準ガス室３１は第一固体電解質層１１及び第五不透過層２５によって区画形成されている。第二基準ガス室３２は、第二固体電解質層１２、第二不透過層２２及び第三不透過層２３によって区画形成されている。なお、第一基準ガス室３１は、固体電解質層（本実施形態では第一固体電解質層１１）に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。また、第二基準ガス室３２は、固体電解質層（本実施形態では第二固体電解質層１２）に隣接し且つ基準ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。

センサセル５１は、センサ用固体電解質層、第一電極４１及び第二電極４２を有する電気化学セルである。本実施形態では、第一固体電解質層１１がセンサ用固体電解質層として機能する。第一電極４１は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように第一固体電解質層１１の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第二電極４２は、第一基準ガス室３１内の基準ガスに曝されるように第一固体電解質層１１の第一基準ガス室３１側の表面上に配置されている。第一電極４１と第二電極４２とは、第一固体電解質層１１を挟んで互いに対向するように配置されている。

本実施形態では、第一電極４１は、ＮＯｘ分解機能を有する白金−ロジウム合金（Ｐｔ−Ｒｈ合金）から構成されている。例えば、第一電極４１は、Ｐｔ−Ｒｈ合金を主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第一電極４１を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第一電極４１と第二電極４２との間に所定の電圧を印加したときに、被測ガス中のＮＯｘを還元分解することができれば、いかなる材料であってもよい。

また、本実施形態では、第二電極４２は白金（Ｐｔ）から構成されている。例えば、第二電極４２は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第二電極４２を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第一電極４１と第二電極４２との間に所定の電圧を印加したときに、第一電極４１と第二電極４２との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。

ポンプセル５２は、ポンプ用固体電解質層、第三電極４３及び第四電極４４を有する電気化学セルである。本実施形態では、第二固体電解質層１２がポンプ用固体電解質層として機能する。第三電極４３は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように第二固体電解質層１２の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第四電極４４は、第二基準ガス室３２内の基準ガスに曝されるように第二固体電解質層１２の第二基準ガス室３２側の表面上に配置されている。第三電極４３と第四電極４４とは、第二固体電解質層１２を挟んで互いに対向するように配置されている。

本実施形態では、第三電極４３は、酸素分解機能を有し且つＮＯｘ分解機能を有しない白金−金合金（Ｐｔ−Ａｕ合金）から構成されている。例えば、第三電極４３は、Ｐｔ−Ａｕ合金を主成分として含む多孔質サーメット電極である。

また、本実施形態では、第四電極４４は白金（Ｐｔ）から構成されている。例えば、第四電極４４は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第四電極４４を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第三電極４３と第四電極４４との間に所定の電圧を印加したときに、第三電極４３と第四電極４４との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。

モニタセル５３は、モニタ用固体電解質層、第五電極４５及び第六電極４６を有する電気化学セルである。本実施形態では、第一固体電解質層１１がモニタ用固体電解質層として機能する。したがって、本実施形態では、センサ用固体電解質層及びモニタ用固体電解質層は共通の固体電解質層である。第五電極４５は、被測ガス室３０内の被測ガスに曝されるように第一固体電解質層１１の被測ガス室３０側の表面上に配置されている。一方、第六電極４６は、第一基準ガス室３１内の基準ガスに曝されるように第一固体電解質層１１の第一基準ガス室３１側の表面上に配置されている。第五電極４５と第六電極４６とは、第一固体電解質層１１を挟んで互いに対向するように配置されている。

本実施形態では、第五電極４５は、酸素分解機能を有し且つＮＯｘ分解機能を有しない白金−金合金（Ｐｔ−Ａｕ合金）から構成されている。例えば、第五電極４５は、Ｐｔ−Ａｕ合金を主成分として含む多孔質サーメット電極である。

また、本実施形態では、第六電極４６は白金（Ｐｔ）から構成されている。例えば、第六電極４６は、Ｐｔを主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第六電極４６を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第五電極４５と第六電極４６との間に所定の電圧を印加したときに、第五電極４５と第六電極４６との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。

図３に示されるように、ポンプセル５２は、被測ガスの流れ方向において、センサセル５１よりも上流側に配置されている。モニタセル５３は、被測ガスの流れ方向において、ポンプセル５２とセンサセル５１との間に配置されている。また、ポンプセル５２の第三電極４３及び第四電極４４は、センサセルの第一電極４１及び第二電極４２並びにモニタセル５３の第五電極４５及び第六電極４６よりも大きな表面積を有する。

素子部１０ｂはヒータ５５を更に備える。本実施形態では、ヒータ５５は、図３に示されるように、第一不透過層２１と第二不透過層２２との間に配置される。ヒータ５５は、例えば、白金（Ｐｔ）とセラミックス（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ５５は、素子部１０ｂ、特にセンサセル５１、ポンプセル５２及びモニタセル５３を加熱する。

なお、素子部１０ｂの具体的な構成は、図３に示した構成とは異なっていてもよい。例えば、センサ用固体電解質層、ポンプ用固体電解質層及びモニタ用固体電解質層はそれぞれ共通の固体電解質層であっても別個の固体電解質層であってもよい。

＜ＮＯｘ濃度の検出原理＞
以下、ＮＯｘセンサ１０を用いて排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する原理について説明する。上述したように、内燃機関１の排気通路を流れる排気ガスは拡散律速層１６を通って被測ガス室３０内に被測ガスとして導入される。被測ガス室３０内に導入された被測ガスは最初にポンプセル５２に到達する。

被測ガス（排気ガス）はＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ₂）だけでなく酸素も含んでいる。センサセル５１の第一電極４１は酸素も分解するため、被測ガス中の酸素濃度が変動すると、センサセル５１の出力も変動し、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。このため、センサセル５１に到達する被測ガス中の酸素濃度を一定にすべく、ポンプセル５２によって被測ガス中の酸素を第二基準ガス室３２に排出する。

ポンプセル５２の第三電極４３及び第四電極４４には、第二回路７０が接続されている。第二回路７０は第二電源７１及び第二電流計７２を備える。第二電源７１は、第三電極４３と第四電極４４との間に、第四電極４４の電位が第三電極４３の電位よりも高くなるように電圧を印加する。ＥＣＵ８０の出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して第二電源７１に接続されている。したがって、ＥＣＵ８０は、第二電源７１を制御して、ポンプセル５２に印加される電圧を制御することができる。また、第二電流計７２は、ポンプセル５２に流れる電流をポンプセル５２の出力として検出する。第二電流計７２の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。したがって、ＥＣＵ８０は、第二電流計７２によって検出されたポンプセル５２の出力を第二電流計７２から取得することができる。

ポンプセル５２には、第二電源７１によって所定の電圧が印加される。この結果、被測ガス中の酸素は第三電極４３において還元分解されて酸化物イオンとなる。この酸化物イオンは、ポンプ用固体電解質層（本実施形態では第二固体電解質層１２）を介して第三電極（陰極）４３から第四電極（陽極）４４に移動し、第二基準ガス室３２に排出される。したがって、ポンプセル５２は被測ガス中の酸素を第二基準ガス室３２に排出することができる。また、ポンプセル５２には、被測ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。このため、第二電流計７２によってポンプセル５２の出力を検出することによって被測ガス中の酸素濃度を検出することもできる。

また、上述したようにポンプセル５２によって被測ガス中の酸素濃度が十分に低減されると、２ＮＯ₂→２ＮＯ＋Ｏ₂という反応が生じ、排気ガス中のＮＯ₂がＮＯに還元される。したがって、被側ガスがセンサセル５１に到達する前に被測ガス中のＮＯｘがＮＯに単ガス化される。

ポンプセル５２を通過した被測ガスは次にモニタセル５３に到達する。モニタセル５３は、被測ガス中の酸素を分解することで、被測ガス中の残留酸素濃度を検出する。モニタセル５３の第五電極４５及び第六電極４６には、第三回路９０が接続されている。第三回路９０は第三電源９１及び第三電流計９２を備える。第三電源９１は、第五電極４５と第六電極４６との間に、第六電極４６の電位が第五電極４５の電位よりも高くなるように電圧を印加する。ＥＣＵ８０の出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して第三電源９１に接続されている。したがって、ＥＣＵ８０は、第三電源９１を制御して、モニタセル５３に印加される電圧を制御することができる。また、第三電流計９２は、モニタセル５３に流れる電流をモニタセル５３の出力として検出する。第三電流計９２の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。したがって、ＥＣＵ８０は、第三電流計９２によって検出されたモニタセル５３の出力を第三電流計９２から取得することができる。

モニタセル５３には、第三電源９１によって所定の電圧が印加される。この結果、モニタセル５３には、被測ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。このため、第三電流計９２によってモニタセル５３の出力を検出することによって、被測ガス中の残留酸素濃度を検出することができる。ＥＣＵ８０は、残留酸素濃度が所定の低濃度になるように、モニタセル５３の出力に基づいて、ポンプセル５２への印加電圧をフィードバック制御する。この結果、センサセル５１に到達する被測ガス中の酸素濃度が一定の値に制御される。

モニタセル５３を通過した被測ガスは次にセンサセル５１に到達する。センサセル５１は、被測ガス中のＮＯを分解することで、被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。センサセル５１の第一電極４１及び第二電極４２には、第一回路６０が接続されている。第一回路６０は第一電源６１及び第一電流計６２を備える。第一電源６１は、第一電極４１と第二電極４２との間に、第二電極４２の電位が第一電極４１の電位よりも高くなるように電圧を印加する。ＥＣＵ８０の出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して第一電源６１に接続されている。したがって、ＥＣＵ８０は、第一電源６１を制御して、センサセル５１に印加される電圧を制御することができる。また、第一電流計６２は、センサセル５１に流れる電流をセンサセル５１の出力として検出する。第一電流計６２の出力は、対応するＡＤ変換器８７を介してＥＣＵ８０の入力ポート８５に入力される。したがって、ＥＣＵ８０は、第一電流計６２によって検出されたセンサセル５１の出力を第一電流計６２から取得することができる。

センサセル５１には、第一電源６１によって所定の電圧が印加される。この結果、被測ガス中のＮＯは第一電極４１において還元分解されて酸化物イオンが発生する。この酸化物イオンは、センサ用固体電解質層（本実施形態では第一固体電解質層１１）を介して第一電極（陰極）４１から第二電極（陽極）４２に移動し、第一基準ガス室３１に排出される。センサセル５１に被測ガスが到達する前に被測ガス中のＮＯ₂がＮＯに単ガス化されているため、センサセル５１には、ＮＯの分解によって排気ガス中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ₂）濃度に応じた電流が流れる。このため、第一電流計６２によって検出されたセンサセル５１の出力を検出することによって排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

なお、ポンプセル５２によって被測ガス中のほとんどの酸素を除去できる場合又はポンプセル５２によって被測ガス中の酸素濃度をほぼ一定の低濃度にできる場合には、モニタセル５３によって被測ガス中の残留酸素濃度を検出する必要はない。このため、このような場合には、ＮＯｘセンサ１０は、モニタセル５３を備えることなく、ポンプセル５２及びセンサセル５１によって排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出してもよい。

＜ＮＯｘセンサの問題点＞
ＮＯｘセンサ１０では、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保するために、各電気化学セルの温度を活性温度以上にする必要がある。また、ポンプセル５２の温度が過剰に高くなると、ポンプセル５２の第三電極４３から金（Ａｕ）が蒸散する。蒸散したＡｕは、センサセル５１の第一電極４１に付着し、センサセル５１の出力を恒久的に低下させる。このため、ＮＯｘ濃度の検出時に、ＮＯｘセンサ１０の素子部１０ｂの温度はヒータ５５によって所定の制御温度（例えば７５０℃〜８００℃）に制御される。この結果、ＮＯｘセンサ１０によるＮＯｘ濃度の検出精度を確保することができる。

ところで、内燃機関１の停止が要求されると、内燃機関１を停止させると共にＮＯｘセンサ１０のヒータ５５をオフにする。この結果、ポンプセル５２の温度は制御温度から徐々に低下する。本願の発明者は、内燃機関１の停止後にポンプセル５２の温度が低下する際にも、ポンプセル５２からのＡｕの蒸散によってセンサセル５１の出力が低下することを見出した。この現象は、以下に説明するようなメカニズムに基づくものと考えられている。

図４は、二酸化白金（ＰｔＯ₂）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）及び白金−金（Ｐｔ−Ａｕ）合金の飽和蒸気圧と温度との関係を示す図である。ポンプセル５２の温度が制御温度領域Ｔ３（７５０℃〜８００℃）に制御されているときには、ポンプセル５２の酸素排出能力が高いため、第三電極４３においてＰｔ−Ａｕ合金中のＰｔはほとんど酸化されない。また、図４に示されるようにＰｔ−Ａｕの飽和蒸気圧が比較的低いため、Ｐｔ−Ａｕ合金中のＰｔ及びＡｕは制御温度領域Ｔ３において第三電極４３から蒸散しない。

内燃機関１の停止後には排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する必要がないため、通常、内燃機関１の停止が要求されると、内燃機関１を停止させると共にＮＯｘセンサ１０のヒータ５５をオフにする。ヒータ５５がオフにされると、ポンプセル５２の温度が制御温度領域Ｔ３よりも低くなり、ポンプセル５２の酸素排出能力が低下する。このとき、排気ガスの空燃比が理論空燃比（１４．６）よりもリーンであると、ポンプセル５２の第三電極４３がリーン雰囲気となる。この結果、ポンプセル５２の第三電極４３において、Ｐｔ−Ａｕ合金中のＰｔが酸化され、ＰｔＯ₂が生成される。

図４に示されるように、ＰｔＯ₂の飽和蒸気圧はＰｔ−Ａｕ合金及びＰｔの飽和蒸気圧よりもはるかに高い。このため、ポンプセル５２の温度が制御温度領域Ｔ３よりも低い場合であっても、第三電極４３において生成されたＰｔＯ₂が第三電極４３から蒸散する。この結果、Ｐｔ−Ａｕ合金中のＰｔが蒸散されるため、第三電極４３においてＡｕが単体の状態で存在することになる。図４に示されるように、Ａｕの飽和蒸気圧は、ＰｔＯ₂の飽和蒸気圧よりも低いがＰｔ−Ａｕ合金の飽和蒸気圧よりも高い。このため、ポンプセル５２の温度が制御温度領域Ｔ３よりも低い中間温度領域Ｔ２（５００℃〜７５０℃）にあるとき、第三電極４３からＡｕが蒸散する。なお、ポンプセル５２の温度が中間温度領域Ｔ２（５００℃〜７５０℃）よりも低い低温度領域Ｔ１（５００℃未満）にあるときには、Ａｕの飽和蒸気圧がかなり低くなるため、Ａｕの蒸散はほとんど発生しない。

したがって、内燃機関１の停止後にポンプセル５２の温度が中間温度領域Ｔ２を通過するときに、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合には、第三電極４３からＡｕが蒸散する。図５は、ポンプセル５２の温度が中間温度領域Ｔ２にあるときの排気ガスの空気過剰率λとＡｕの蒸散量との関係を示す図である。

ポンプセル５２の第三電極４３からＡｕが蒸散すると、蒸散したＡｕがセンサセル５１の第一電極４１に付着し、センサセル５１の出力が低下する。この結果、ＮＯｘセンサ１０によるＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。したがって、ＮＯｘセンサ１０によるＮＯｘ濃度の検出精度を確保するためには、ポンプセル５２からのＡｕの蒸散によるセンサセル５１の出力低下を抑制する必要がある。

＜内燃機関の制御装置の説明＞
以下、内燃機関１を停止させるときに、ポンプセル５２からのＡｕの蒸散によるセンサセル５１の出力低下を抑制するための制御を実行する内燃機関１の制御装置の構成及び制御について説明する。

本実施形態に係る内燃機関１の制御装置は、ヒータ制御部、内燃機関停止部、空燃比推定部及び空燃比制御部を備える。ヒータ制御部は、ＮＯｘセンサ１０のヒータ５５を制御することによって、素子部１０ｂの温度、すなわちセンサセル５１、ポンプセル５２及びモニタセル５３の温度を制御する。ヒータ制御部はＮＯｘ濃度の検出時に素子部１０ｂの温度を制御温度（例えば７５０℃〜８００℃）に制御する。

内燃機関停止部は内燃機関１の停止要求に応じて内燃機関１を停止させる。内燃機関１の停止要求は、例えば、内燃機関１を搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされたときに発生する。また、内燃機関１を搭載した車両がハイブリッド車両である場合、車両の駆動源が内燃機関１から電気モータに切り替えられるときにも内燃機関１の停止要求が発生する。内燃機関停止部は、例えば、燃焼室２への燃料の供給を停止することによって内燃機関１を停止させる。

上述したように、ポンプセル５２には、被測ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。このため、空燃比推定部は、ポンプセル５２の出力に基づいて、被測ガス室３０に導入される導入排気ガスの空燃比を推定する。なお、導入排気ガスの空燃比（排気空燃比）とは、その導入排気ガスが生成されるまでに供給された燃料の質量に対する空気の質量の比率（空気の質量／燃料の質量）を意味し、導入排気ガスの成分から推定される。なお、導入排気ガスが生成されるまでに供給された燃料には、燃焼室２に供給された燃料だけでなく、ＮＯｘセンサ１０よりも上流側の排気通路に供給された燃料も含まれる。

空燃比制御部は、空燃比推定部によって推定された空燃比に基づいて、導入排気ガスの空燃比を制御する。具体的には、空燃比制御部は、内燃機関１の停止が要求されたときに、空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合には、導入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する。空燃比制御部は、空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに、燃料噴射弁３から燃焼室２に供給される燃料の量を増加させることによって導入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御することができる。なお、空燃比制御部は、ＮＯｘセンサ１０よりも上流側の排気通路に燃料を供給する排気燃料噴射弁（図示せず）が内燃機関１に設けられている場合、排気燃料噴射弁から排気通路に燃料を供給することによって導入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御してもよい。

内燃機関停止部は、内燃機関１の停止が要求された後、空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であるときに内燃機関１を停止させる。ヒータ制御部は、内燃機関１の停止が要求された後、空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であるときにヒータ５５をオフにする。なお、本実施形態では、ＥＣＵ８０が、ヒータ制御部、内燃機関停止部、空燃比推定部及び空燃比制御部として機能する。

＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図６のタイムチャートを参照して、内燃機関１を停止させるときの制御について具体的に説明する。図６は、内燃機関の停止が要求されるときの、内燃機関１の停止要求の有無、内燃機関１の機関回転数、燃焼室２への燃料供給量、導入排気ガスの空燃比（排気空燃比）、ヒータ５５のオンオフ及び素子部１０ｂの温度の概略的なタイムチャートである。図示した例では、素子部１０ｂの温度はポンプセル５２のインピーダンスに基づいて算出されている。

図示した例では、時刻ｔ１において内燃機関１の停止が要求されている。時刻ｔ１以前には、排気空燃比は理論空燃比（１４．６）よりもリーンな値に維持されている。このため、排気空燃比を理論空燃比よりもリッチにすべく、時刻ｔ１において燃焼室２への燃料供給量が増加される。この結果、排気空燃比は、時刻ｔ１の後、理論空燃比よりもリッチな空燃比に向かって徐々に低下する。また、時刻ｔ１において、燃費の悪化を抑制すべく、内燃機関１の機関回転数が、低下せしめられ、アイドル回転数ＮＥｉ（例えば６００ｒｐｍ）に制御される。なお、時刻ｔ１においてヒータ５５はオンにされたままであり、素子部１０ｂの温度は制御温度（図示した例では７７５℃）に制御されている。

図示した例では、時刻ｔ２において排気空燃比が理論空燃比に達する。この結果、時刻ｔ２において、内燃機関１を停止させるべく、燃焼室２への燃料供給量がゼロにされる。この結果、内燃機関１の機関回転数がゼロまで低下し、内燃機関１が停止する。また、時刻ｔ２においてヒータ５５がオフにされる。この結果、素子部１０ｂの温度は制御温度から徐々に低下する。

図示した例では、時刻ｔ３において、素子部１０ｂの温度が、Ａｕの蒸散がほとんど発生しない低温度領域（５００℃未満）に達する。上述した制御によれば、素子部１０ｂの温度が制御温度から低温度領域に低下するまでの間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）、排気空燃比が理論空燃比以下に維持される。したがって、素子部１０ｂの温度の低下によってポンプセル５２の酸素排出能力が低下したとしても、ポンプセル５２の第三電極４３においてＰｔ−Ａｕ合金中のＰｔはほとんど酸化されない。この結果、ポンプセル５２の第三電極４３からＡｕが蒸散することが抑制され、ひいてはセンサセル５１の出力低下が抑制される。

図示した例では、排気空燃比が理論空燃比に達したときに内燃機関１を停止させ且つヒータ５５をオフにしている。しかしながら、排気空燃比が理論空燃比よりもリッチな所定の空燃比に達したときに内燃機関１を停止させ且つヒータ５５をオフにしてもよい。このことによって、Ａｕの蒸散によるセンサセル５１の出力低下をより確実に抑制することができる。また、内燃機関１を停止させるタイミング、すなわち燃焼室２への燃料供給量をゼロにするタイミングと、ヒータ５５をオフにするタイミングは異なっていてもよい。

＜内燃機関停止処理＞
以下、図７のフローチャートを参照して、内燃機関１を停止させるときの制御について詳細に説明する。図７は、本発明の第一実施形態における内燃機関停止処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、内燃機関停止部が、内燃機関１の停止要求が有るか否かを判定する。内燃機関１の停止要求が無いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。なお、内燃機関１の停止要求が発生した場合、内燃機関１の停止が要求されてから内燃機関１が停止せしめられ且つヒータ５５がオフにされるまで、内燃機関１の停止要求が有ると判定される。一方、内燃機関１の停止要求が有ると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、空燃比推定部が、被測ガス室３０に導入される導入排気ガスの空燃比（排気空燃比）が理論空燃比よりもリーンであるか否かを判定する。空燃比推定部はポンプセル５２の出力に基づいて排気空燃比を推定する。ステップＳ１０２において排気空燃比が理論空燃比よりもリーンでないと判定された場合、すなわち排気空燃比が理論空燃比以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。

この場合、図５からわかるように、内燃機関１を停止させてヒータ５５をオフにしたとしても、ポンプセル５２の第三電極４３からＡｕは蒸散しない。このため、ステップＳ１０６では、内燃機関停止部が内燃機関１を停止させる。内燃機関停止部は、例えば、燃焼室２への燃料供給を停止することによって内燃機関１を停止させる。次いで、ステップＳ１０７では、ヒータ制御部がヒータ５５をオフにする。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０２において排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、燃費の悪化を抑制すべく、内燃機関停止部が内燃機関１の機関回転数を低回転数に変更する。内燃機関停止部は例えば機関回転数をアイドル回転数（例えば６００ｒｐｍ）に変更する。内燃機関停止部は、燃焼室２に供給される空気量及び燃料量を制御することによって機関回転数を制御することができる。

次いで、ステップＳ１０４において、空燃比制御部が排気空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する。例えば、空燃比制御部は、燃料噴射弁３から燃焼室２に供給される燃料の量を増加させることによって排気空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御する。なお、空燃比制御部は、内燃機関１の排気通路に設けられた排気燃料噴射弁から燃料を供給することによって排気空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御してもよい。

次いで、ステップＳ１０５では、ステップＳ１０２と同様に、空燃比推定部が、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであるか否かを判定する。排気空燃比が理論空燃比よりもリーンであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンでないと判定された場合、すなわち排気空燃比が理論空燃比以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。上述したように、ステップＳ１０６では内燃機関が停止せしめられ、ステップＳ１０７ではヒータ５５がオフにされる。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る内燃機関の制御装置は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第二実施形態では、内燃機関１の制御装置は、ＮＯｘセンサ１０の周囲温度を推定する周囲温度推定部を更に備える。周囲温度推定部は、例えば、排気管２７に配置された排気温センサの出力に基づいてＮＯｘセンサ１０の周囲温度を推定する。本実施形態では、ＥＣＵ８０が周囲温度推定部として機能する。

ヒータ制御部は、内燃機関１の停止後、空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であり且つ周囲温度推定部によって推定された周囲温度が所定温度以下であるときにヒータ５５をオフにする。所定温度は、素子部１０ｂの制御温度（例えば７５０℃〜８００℃）未満の温度であり、例えば５００℃である。上述した制御によって、素子部１０ｂの温度が制御温度から低温度領域（５００℃未満）に低下するまでの時間を短くすることができる。この結果、Ａｕの蒸散によるセンサセル５１の出力低下をより確実に抑制することができる。

＜内燃機関停止処理＞
図８は、本発明の第二実施形態における内燃機関停止処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図８におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０６は、図７におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０６と同様であることから説明を省略する。

本制御ルーチンは、ステップＳ２０６の後、ステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７では、周囲温度推定部が、ＮＯｘセンサ１０の周囲温度が所定温度以下であるか否かを判定する。周囲温度推定部は、例えば、排気管２７に配置された排気温センサの出力に基づいてＮＯｘセンサ１０の周囲温度を推定する。所定温度は例えば５００℃である。

ステップＳ２０７においてＮＯｘセンサ１０の周囲温度が所定温度よりも高いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ２０７においてＮＯｘセンサ１０の周囲温度が所定温度以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８では、ヒータ制御部がヒータ５５をオフにする。ステップＳ２０８の後、本制御ルーチンは終了する。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。

１ 内燃機関
１０ ＮＯｘセンサ
１０ｂ 素子部
１１ 第一固体電解質層
１２ 第二固体電解質層
３０ 被測ガス室
４１ 第一電極
４２ 第二電極
４３ 第三電極
４４ 第四電極
５１ センサセル
５２ ポンプセル
５５ ヒータ
８０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. 内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の排気通路には、該排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサが配置されており、
   前記窒素酸化物センサは、
   前記排気ガスが被測ガスとして導入される被測ガス室と、
   酸化物イオン伝導性を有するセンサ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の一方の側面上に配置された第一電極と、基準ガスに曝されるように前記センサ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第二電極とを有するセンサセルと、
   酸化物イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の一方の側面上に配置され且つ白金−金合金から構成された第三電極と、前記基準ガスに曝されるように前記ポンプ用固体電解質層の他方の側面上に配置された第四電極とを有すると共に、前記被測ガスの流れ方向において前記センサセルよりも上流側に配置されたポンプセルと、
   前記センサセル及び前記ポンプセルを加熱するヒータと、を備え、
   当該制御装置は、
   前記内燃機関の停止要求に応じて該内燃機関を停止させる内燃機関停止部と、
   前記ヒータを制御するヒータ制御部と、
   前記ポンプセルの出力に基づいて、前記被測ガス室に導入される導入排気ガスの空燃比を推定する空燃比推定部と、
   前記空燃比推定部によって推定された空燃比に基づいて前記導入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、を備え、
   前記空燃比制御部は、前記内燃機関の停止が要求されたときに、前記空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比よりもリーンである場合には、前記導入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチに制御し、前記内燃機関停止部は、前記内燃機関の停止が要求された後、前記空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であるときに前記内燃機関を停止させ、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の停止が要求された後、前記空燃比推定部によって推定された空燃比が理論空燃比以下であるときに前記ヒータをオフにする、内燃機関の制御装置。

Images