JP2017201247A - 窒素酸化物センサの制御装置 - Google Patents

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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窒素酸化物センサの制御装置を提供する。
【解決手段】窒素酸化物センサ１０の制御装置は、ポンプセル５２への印加電圧を制御する電圧制御部８０ａと、ポンプセル５２の温度を推定する温度推定部８０ｂとを備える。電圧制御部８０ａは、温度推定部８０ｂによって推定されたポンプセル５２の推定温度がポンプセル５２の活性温度未満の所定の温度領域内にあるときに、ポンプセル５２への印加電圧を水の分解開始電圧以上の電圧にする蒸散抑制制御を実行する。
【選択図】図６

Description

本発明は窒素酸化物センサ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センサ（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
しかしながら、ポンプセルの温度がヒータによって制御されていたとしても、ポンプセルの温度が一時的に活性温度未満となる場合がある。例えば、内燃機関を搭載した車両のバッテリの電圧が低下すると、ヒータに所要の電圧を印加することができず、ポンプセルの温度が活性温度未満になる。また、内燃機関において、燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御が実施されているときにも、排気通路を流れる空気によってポンプセルの温度が活性温度未満になる。本願の発明者は、ポンプセルの温度が活性温度未満の所定の温度領域内にあるときにも、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窒素酸化物センサ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、内燃機関の排気通路に配置されると共に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を制御する、窒素酸化物センサの制御装置であって、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、前記第四電極の電位が前記第三電極の電位よりも高くなるように前記ポンプセルに電圧を印加する電圧印加回路と、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、前記ポンプセルへの印加電圧を制御する電圧制御部と、前記ポンプセルの温度を推定する温度推定部とを備え、前記電圧制御部は、前記温度推定部によって推定された前記ポンプセルの推定温度が該ポンプセルの活性温度未満の所定の温度領域内にあるときに、前記ポンプセルへの印加電圧を水の分解開始電圧以上の電圧にする蒸散抑制制御を実行する、窒素酸化物センサの制御装置が提供される。
第２の発明では、第１の発明において、前記電圧制御部は、前記ポンプセルの推定温度が前記活性温度以上であるとき、前記ポンプセルへの印加電圧を酸素の限界電流領域内の電圧であって水の分解開始電圧未満の電圧にする。
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記ヒータを制御するヒータ制御部を更に備え、前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後に前記ポンプセルの温度を前記活性温度以上に上昇させる暖機制御を実行し、前記電圧制御部は、前記暖機制御によって前記ポンプセルの推定温度が前記活性温度以上に最初に達するまでは、前記ポンプセルの推定温度が前記所定の温度領域内にあっても、前記蒸散抑制制御を実行せずに、前記ポンプセルへの印加電圧を水の分解開始電圧未満の電圧にし又は前記ポンプセルに電圧を印加しない。
第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、前記被測ガスの空燃比を推定する空燃比推定部を更に備え、前記電圧制御部は、前記ポンプセルの推定温度が前記所定の温度領域内にあり且つ前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに前記蒸散抑制制御を開始する。
第５の発明では、第４の発明において、前記空燃比推定部は前記ポンプセルの出力に基づいて前記被測ガスの空燃比を推定し、前記電圧制御部は、前記ポンプセルの推定温度が前記所定の温度領域外の温度に達したときに、前記蒸散抑制制御を終了させる。
第６の発明では、第１から第５のいずれか１つの発明において、前記電圧制御部は、前記内燃機関において燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御又はアイドル運転が実施されているときに前記蒸散抑制制御を実行する。
第７の発明では、第１から第６のいずれか１つの発明において、前記電圧制御部は、前記内燃機関の停止が要求された後、前記蒸散抑制制御を実行する。
第８の発明では、第７の発明において、前記電圧制御部は、前記ポンプセルの推定温度が前記所定の温度領域未満の温度に達したときに前記ポンプセルへの電圧印加を終了させる。
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窒素酸化物センサ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窒素酸化物センサ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、本発明の第一実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置及びＮＯｘセンサの構成を概略的に示すブロック図である。 図７は、ポンプセルへの印加電圧と、ポンプセルに流れる電流との関係を示す図である。 図８は、本発明の第一実施形態における制御を実施する際の、内燃機関のオンオフ等の概略的なタイムチャートである。 図９は、本発明の第一実施形態における印加電圧設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、本発明の第一実施形態における活性判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、本発明の第二実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置及びＮＯｘセンサの構成を概略的に示すブロック図である。 図１２は、本発明の第二実施形態における印加電圧設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１３は、本発明の第三実施形態における印加電圧設定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１４は、本発明の第四実施形態における印加電圧設定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１０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窒素酸化物（ＮＯｘ）センサ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。この場合、第一基準ガス室３１及び第二基準ガス室３２は大気に開放されている。
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。ヒータ５５は、ＥＣＵ８０に接続され、ＥＣＵ８０によって制御される。
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センサ１０は、第一電圧印加回路６０、第二電圧印加回路７０、第三電圧印加回路９０、第一電流計６２、第二電流計７２及び第三電流計９２を更に備える。第一電圧印加回路６０は、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センサセル５１に電圧を印加する。第二電圧印加回路７０は、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ポンプセル５２に電圧を印加する。第三電圧印加回路９０は、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モニタセル５３に電圧を印加する。第一電圧印加回路６０、第二電圧印加回路７０及び第三電圧印加回路９０は、ＥＣＵ８０に接続され、ＥＣＵ８０によって制御される。
第一電流計６２は、センサセル５１に流れる電流（すなわち、第一電極４１と第二電極４２との間の第一固体電解質層１１内を流れる電流）をセンサセル５１の出力として検出する。第二電流計７２は、ポンプセル５２に流れる電流（すなわち、第三電極４３と第四電極４４との間の第二固体電解質層１２内を流れる電流）をポンプセル５２の出力として検出する。第三電流計９２は、モニタセル５３に流れる電流（すなわち、第五電極４５と第六電極４６との間の第一固体電解質層１１内を流れる電流）をモニタセル５３の出力として検出する。第一電流計６２、第二電流計７２及び第三電流計９２は、ＥＣＵ８０に接続される。ＥＣＵ８０は、センサセル５１の出力を第一電流計６２から取得し、ポンプセル５２の出力を第二電流計７２から取得し、モニタセル５３の出力を第三電流計９２から取得する。
＜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には、第二電圧印加回路７０から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、ひいては被測ガスの空燃比を検出することもできる。なお、被測ガスの空燃比とは、その被測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、被測ガス中の酸素濃度から推定される。
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には、第三電圧印加回路９０から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には、第一電圧印加回路６０から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しなくてもよい。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。しかしながら、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。
しかしながら、ポンプセル５２の温度がヒータ５５によって制御されていたとしても、ポンプセル５２の温度が一時的に活性温度未満となる場合がある。例えば、内燃機関１を搭載した車両のバッテリの電圧が低下すると、ヒータ５５に所要の電圧を印加することができず、ポンプセル５２の温度が活性温度未満になる。また、内燃機関１において、燃焼室２への燃料の供給を停止する燃料カット制御が実施されているときにも、排気通路を流れる空気によってポンプセル５２の温度が活性温度未満になる。本願の発明者は、ポンプセル５２の温度が活性温度未満の所定の温度領域内にあるときにも、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ＴＣ（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合金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ＴＣにおいて第三電極４３から蒸散しない。
一方、バッテリ電圧の低下等によってポンプセル５２の温度が制御温度領域ＴＣよりも低くなると、ポンプセル５２の酸素排出能力が低下する。このとき、被測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ＴＣ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ＴＣよりも低い中間温度領域ＴＭ（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ＴＭ（５００℃〜７５０℃）よりも低い低温度領域ＴＬ（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、ポンプセル５２の温度が中間温度領域ＴＭにあるときに、被測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ＴＭ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。ＮＯｘ濃度がセンサセル５１の出力から算出されるため、センサセル５１の出力が低下すると、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。具体的には、センサセル５１の出力が低下すると、ＮＯｘ濃度が実際よりも低く算出される。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。
＜ＮＯｘセンサの制御装置の説明＞
以下、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べくＮＯｘセンサ１０を制御するＮＯｘセンサ１０の制御装置の構成及び制御について説明する。
図６は、本発明の第一実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置及びＮＯｘセンサの構成を概略的に示すブロック図である。ＮＯｘセンサ１０の制御装置は、電圧制御部８０ａ、温度推定部８０ｂ及びヒータ制御部８０ｃを備える。本実施形態では、電圧制御部８０ａ、温度推定部８０ｂ及びヒータ制御部８０ｃはＥＣＵ８０の一部である。
電圧制御部８０ａは第二電圧印加回路７０を制御することによってポンプセル５２への印加電圧を制御する。温度推定部８０ｂはポンプセル５２のインピーダンスに基づいてポンプセル５２の温度を推定する。ポンプセル５２のインピーダンスは、電圧制御部８０ａによってポンプセル５２に高周波の電圧が印加されたときに第二電流計７２によって検出されるポンプセル５２の出力に基づいて算出される。なお、センサセル５１及びモニタセル５３の温度がポンプセル５２の温度と相関するため、温度推定部８０ｂはセンサセル５１又はモニタセル５３のインピーダンスに基づいてポンプセル５２の温度を推定してもよい。
ヒータ制御部８０ｃ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。具体的には、ヒータ制御部８０ｃは、温度推定部８０ｂによって推定されたポンプセル５２の温度が制御温度ＴＣ（例えば７５０℃〜８００℃）になるように、ヒータ５５への印加電圧をフィードバック制御する。
図７は、ポンプセル５２への印加電圧と、ポンプセル５２に流れる電流との関係を示す図である。図７の例では、被測ガス中の酸素濃度及び水濃度はそれぞれ１０％である。図７からわかるように、ポンプセル５２への印加電圧が所定値（図示した例では約０．６Ｖ）以上になると、ポンプセル５２の第三電極４３において被測ガス中の酸素に加えて被測ガス中の水素が分解される。この結果、水の分解開始電圧以上の電圧をポンプセル５２に印加したときに検出されるポンプセル５２の出力は、被測ガス中の酸素濃度だけでなく被測ガス中の水濃度にも応じて変化する。この場合、ポンプセル５２の出力に基づいて被測ガスの空燃比を検出することが困難である。
このため、電圧制御部８０ａは、温度推定部８０ｂによって推定されたポンプセル５２の推定温度が活性温度以上であるときには、被測ガス中の酸素を排出し且つ被測ガスの空燃比を検出すべく、ポンプセル５２への印加電圧を、酸素の限界電流領域内の電圧であって水の分解開始電圧未満の第二電圧にする。活性温度は例えば７５０℃である。なお、酸素の限界電流領域とは、被測ガス中の酸素濃度が一定である場合にポンプセル５２への印加電圧を高くしても出力電流が大きくならない領域をいう。酸素の限界電流領域の下限電圧は約０．２Ｖであり、水の分解開始電圧は約０．６Ｖである。このため、第二電圧は、０．２Ｖ以上０．６Ｖ未満の電圧、例えば０．４Ｖである。
ポンプセル５２への印加電圧が第二電圧に設定されると、ポンプセル５２において被測ガス中の酸素が分解され、酸素の分解に起因する出力がポンプセル５２から検出される。このため、被測ガス中の酸素を排出すると共に、ポンプセル５２の出力に基づいて被測ガス（排気ガス）の空燃比を精度良く検出することができる。
一方、電圧制御部８０ａは、ポンプセル５２の推定温度がポンプセル５２の活性温度未満の所定の温度領域内にあるときには、ポンプセル５２への印加電圧を水の分解開始電圧以上の第一電圧にする蒸散抑制制御を実行する。所定の温度領域は、例えば、５００℃以上７５０℃未満の中間温度領域ＴＭである。第一電圧は例えば０．６Ｖ以上の電圧である。また、第一電圧を過度に高くすると、ポンプ用固体電解質が分解するおそれがある。このため、第一電圧は、好ましくは、０．６Ｖ以上２．０Ｖ以下の電圧にされる。また、水の分解を促進するために、第一電圧は、より好ましくは、１．０Ｖ以上２．０Ｖ以下の電圧、例えば１．２Ｖにされる。
蒸散抑制制御によって、ポンプセル５２の第三電極４３において、被測ガス中の水が分解され、水素が生成される。このとき、被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであったとしても、被測ガス中の酸素は、第三電極４３のＰｔと反応することなく、第三電極４３において生成された水素と反応する。このため、第三電極４３においてＰｔ−Ａｕ合金中のＰｔが酸化されることを抑制することができる。この結果、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。
ところで、排気エミッションの悪化を抑制すべく、内燃機関１の始動後には、できるだけ迅速に排気ガスの空燃比の検出精度を高めることが望まれている。このため、ヒータ制御部８０ｃは、内燃機関１の始動後にＮＯｘセンサ１０のポンプセル５２の温度を活性温度以上に上昇させる暖機制御を実行する。通常、暖機制御が実行されると、ポンプセル５２の温度は中間温度領域ＴＭを通過して活性温度に達する。しかしながら、暖機制御中に蒸散抑制制御が実行されると、蒸散抑制制御によって生成された水素の影響によって、蒸散抑制制御を停止した後も、所定時間、被測ガスの空燃比の検出精度が悪化する。また、暖機制御の時間は非常に短いため、暖機制御中に第三電極４３から蒸散するＡｕの量は非常に少ない。
そこで、本実施形態では、電圧制御部８０ａは、暖機制御によってポンプセル５２の推定温度が活性温度以上に最初に達するまでは、ポンプセル５２の推定温度が上記所定の温度領域内にあっても、蒸散抑制制御を実行せずに、ポンプセル５２に電圧を印加しない。言い換えれば、電圧制御部８０ａは、暖機制御によってポンプセル５２の推定温度が活性温度以上に最初に達した後、蒸散抑制制御を実行する。このことによって、暖機制御後に第三電極４３からＡｕが蒸散することによるセンサセル５１の出力低下を抑制しつつ、内燃機関１の始動後に迅速に排気ガスの空燃比の検出精度を高めることができる。なお、電圧制御部８０ａは、暖機制御によってポンプセル５２の推定温度が活性温度以上に最初に達するまでは、ポンプセル５２の推定温度が上記所定の温度領域内にあっても、蒸散抑制制御を実行せずに、ポンプセル５２への印加電圧を水の分解開始電圧未満の電圧にしてもよい。水の分解開始電圧未満の電圧は、例えば、酸素の限界電流領域内の電圧（例えば０．４Ｖ）である。
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
以下、図８のタイムチャートを参照して、ＮＯｘセンサ１０の制御について具体的に説明する。図８は、本発明の第一実施形態における制御を実施する際の、内燃機関１のオンオフ、ヒータ５５のオンオフ、ポンプセル５２の温度及びポンプセル５２への印加電圧の概略的なタイムチャートである。図示した例では、ポンプセル５２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が始動される。内燃機関１が始動されると、ＮＯｘセンサ１０の素子部１０ｂを早期に活性化すべく、ＮＯｘセンサ１０のヒータ５５がオンにされる。図示した例では、ポンプセル５２の目標温度は、ポンプセル５２の活性温度（例えば７５０℃）よりも高い７７５℃に設定されている。
時刻ｔ１の後、ポンプセル５２の温度は、ヒータ５５による加熱によって徐々に上昇し、時刻ｔ２において活性温度に達する。このため、時刻ｔ２において、排気ガスの空燃比及び排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出すべく、ポンプセル５２への印加電圧が０．４Ｖに設定される。なお、ポンプセル５２の温度が時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に中間温度領域ＴＭを通過しているが、このとき、蒸散抑制制御は実行されず、ポンプセル５２に電圧が印加されない。
図示した例では、時刻ｔ３において、ポンプセル５２の温度が活性温度未満に低下している。このため、時刻ｔ３において、ポンプセル５２からＡｕが蒸散することを抑制すべく、ポンプセル５２への印加電圧が０．４Ｖから１．２Ｖに切り替えられる。
時刻ｔ３の後、ポンプセル５２の温度は、徐々に低下した後、目標温度に向かって上昇している。ポンプセル５２の温度は、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、５００℃以上７５０℃未満の中間温度領域ＴＭ内に維持されている。このため、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、ポンプセル５２への印加電圧が１．２Ｖに維持され、蒸散抑制制御が実行される。
時刻ｔ４において、ポンプセル５２の温度が活性温度以上に達する。このため、時刻ｔ４において、ポンプセル５２への印加電圧が１．２Ｖから０．４Ｖに切り替えられる。その後、ポンプセル５２への印加電圧は０．４Ｖに維持される。
図示した例では、ポンプセル５２の温度が活性温度に達したときに、ポンプセル５２への印加電圧を０．４Ｖに設定している。しかしながら、ポンプセル５２の温度が目標温度に達したとき又は内燃機関１の始動時に、ポンプセル５２への印加電圧を０．４Ｖに設定してもいい。
＜印加電圧設定処理＞
以下、図９のフローチャートを参照して、ポンプセル５２への印加電圧を設定するための制御について説明する。図９は、本発明の第一実施形態における印加電圧設定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、内燃機関１の始動後、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、電圧制御部８０ａが、活性フラグＦａが１であるか否かを判定する。活性フラグＦａは、後述する活性判定処理によって設定されるフラグである。活性フラグＦａは、内燃機関１の始動後にポンプセル５２の温度が活性温度以上に最初に達したときに１に設定される。
ステップＳ１０１において活性フラグＦａがゼロであると判定された場合、ヒータ制御部８０ｃによる暖機制御が完了していないため、本制御ルーチンは終了する。この場合、ポンプセル５２には電圧が印加されない。一方、ステップＳ１０１において活性フラグＦａが１であると判定された場合、すなわちヒータ制御部８０ｃによる暖機制御が完了している場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、温度推定部８０ｂが、ポンプセル５２の温度Ｔｐがポンプセル５２の活性温度未満の所定の温度領域内にあるか否かを判定する。具体的には、温度推定部８０ｂは、ポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１以上第二温度Ｔ２未満の温度であるか否かを判定する。ポンプセル５２の温度Ｔｐはポンプセル５２のインピーダンスに基づいて算出される。第一温度Ｔ１は、ポンプセル５２から単体のＡｕが所定量以上蒸散する温度領域の下限値であり、例えば５００℃である。第二温度Ｔ２は、ポンプセル５２の活性温度以下の温度であり、例えば活性温度（例えば７５０℃）である。
ステップＳ１０２においてポンプセル５２の温度Ｔｐが所定の温度領域内にないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する。第二電圧Ｖ２は、酸素の限界電流領域内の電圧であって水の分解開始電圧未満の電圧であり、例えば０．４Ｖである。ステップＳ１０３の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１０２においてポンプセル５２の温度Ｔｐが所定の温度領域内にあると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第一電圧Ｖ１に設定する。すなわち、電圧制御部８０ａは蒸散抑制制御を実行する。第一電圧Ｖ１は、水の分解開始電圧以上の電圧であり、例えば１．２Ｖである。ステップＳ１０４の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、ステップＳ１０１において活性フラグＦａがゼロであると判定された場合、電圧制御部８０ａはポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定してもよい。また、電圧制御部８０ａは、ポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する場合、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してもよい。
また、ポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１未満である場合には、ポンプセル５２の温度Ｔｐが低過ぎるため、排気ガスの空燃比及び排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することが困難である。このため、ステップＳ１０２においてポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１未満であると判定された場合、電圧制御部８０ａはポンプセル５２への電圧印加を停止させてもよい。
＜活性判定処理＞
図１０は、本発明の第一実施形態における活性判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、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Ｓ２０１において、温度推定部８０ｂが、ポンプセル５２の温度Ｔｐがポンプセル５２の活性温度Ｔａ以上であるか否かを判定する。ポンプセル５２の温度Ｔｐはポンプセル５２のインピーダンスに基づいて算出される。活性温度Ｔａは例えば７５０℃である。
ステップＳ２０１においてポンプセル５２の温度Ｔｐが活性温度Ｔａ未満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、ステップＳ２０１においてポンプセル５２の温度ＴｐがＴａ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。
ステップＳ２０２では、温度推定部８０ｂが活性フラグＦａを１に設定する。また、活性フラグＦａは内燃機関１の始動時にリセットされてゼロにされる。ステップＳ２０２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ＮＯｘセンサの制御装置は、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ＮＯｘセンサ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。
図１１は、本発明の第二実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置及びＮＯｘセンサの構成を概略的に示すブロック図である。第二実施形態では、ＮＯｘセンサ１０の制御装置は空燃比推定部８０ｄを更に備える。本実施形態では、空燃比推定部８０ｄはＥＣＵ８０の一部である。空燃比推定部８０ｄは被測ガス（排気ガス）の空燃比を推定する。空燃比推定部８０ｄは、例えば、ポンプセル５２の出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定する。なお、ＮＯｘセンサ１０の近傍の排気通路に空燃比センサが設けられている場合、空燃比推定部８０ｄはこの空燃比センサの出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定してもよい。
図５から分かるように、被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときにポンプセル５２からＡｕが蒸散する。このため、第二実施形態では、電圧制御部８０ａは、ポンプセル５２の推定温度が所定の温度領域内にあり且つ空燃比推定部８０ｄによって推定された被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに蒸散抑制制御を開始する。このことによって、蒸散抑制制御が実行される回数を少なくすることができるので、ＮＯｘセンサ１０の消費電力を低減することができる。
また、蒸散抑制制御が実行されると、ポンプセル５２の出力は被測ガス中の酸素濃度だけでなく被測ガス中の水濃度にも応じて変化する。このため、空燃比推定部８０ｄがポンプセル５２の出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定する場合、蒸散抑制制御中に被測ガスの空燃比を検出することが困難である。そこで、空燃比推定部８０ｄは、ポンプセル５２の出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定する場合、ポンプセル５２の推定温度が上記所定の温度領域外の温度に達したときに、蒸散抑制制御を終了させる。
なお、空燃比推定部８０ｄは、ＮＯｘセンサ１０とは別個の空燃比センサの出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定する場合、ポンプセル５２の推定温度が上記所定の温度領域外の温度に達したとき又は被測ガスの空燃比が理論空燃比以下になったときに、蒸散抑制制御を終了させてもよい。すなわち、電圧制御部８０ａは、ポンプセル５２の推定温度が所定の温度領域内にあり且つ空燃比推定部８０ｄによって推定された被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに蒸散抑制制御を実行してもよい。
＜印加電圧設定処理＞
図１２は、本発明の第二実施形態における印加電圧設定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、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１２におけるステップＳ３０１及びステップＳ３０２は、図９におけるステップＳ１０１及びステップＳ１０２と同様であることから説明を省略する。
ステップＳ３０２においてポンプセル５２の温度Ｔｐが所定の温度領域内にあると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、電圧制御部８０ａが、ポンプセル５２への印加電圧Ｖｐが第一電圧Ｖ１であるか否かを判定する。第一電圧Ｖ１は例えば１．２Ｖである。
ステップＳ３０４においてポンプセル５２への印加電圧Ｖｐが第一電圧Ｖ１ではないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５では、空燃比推定部８０ｄが、被測ガスの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。
ステップＳ３０５において被測ガスの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Ｓ３０３に進む。ステップＳ３０３では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する。第二電圧Ｖ２は例えば０．４Ｖである。ステップＳ３０３の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ３０５において被測ガスの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Ｓ３０６に進む。ステップＳ３０６では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第一電圧Ｖ１に設定する。すなわち、電圧制御部８０ａは蒸散抑制制御を実行する。ステップＳ３０６の後、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップＳ３０４においてポンプセル５２への印加電圧Ｖｐが第一電圧Ｖ１であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。すなわち、印加電圧Ｖｐが第一電圧Ｖ１に維持され、蒸散抑制制御が続行される。
なお、空燃比推定部８０ｄがＮＯｘセンサ１０とは別個の空燃比センサの出力に基づいて被測ガスの空燃比を推定する場合、ステップＳ３０４は省略されてもよい。この場合、電圧制御部８０ａは、蒸散抑制制御中に被測ガスの空燃比が理論空燃比以下になったときに蒸散抑制制御を終了させる。
また、第一実施形態と同様に、ステップＳ３０２においてポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１未満であると判定された場合、電圧制御部８０ａはポンプセル５２への電圧印加を停止させてもよい。また、ステップＳ３０１において活性フラグＦａがゼロであると判定された場合、電圧制御部８０ａはポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定してもよい。また、電圧制御部８０ａは、ポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する場合、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してもよい。
＜第三実施形態＞
第三実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置は、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ＮＯｘセンサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
上述したように、蒸散抑制制御が実行されると、ポンプセル５２による被測ガスの空燃比の検出精度が低下する。また、ポンプセル５２において生成される水素の影響によってセンサセル５１による被測ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度も低下する。
ところで、内燃機関１において燃焼室２への燃料の供給を停止する燃料カット制御が実施されているときには、排気通路に空気が流れる。このため、燃料カット制御中に、排気エミッションの悪化を抑制すべく空燃比及びＮＯｘ濃度を検出する必要性は低い。また、内燃機関１においてアイドル運転が実施されているときには、排気ガスの空燃比は安定している傾向にある。このため、アイドル運転中に、排気エミッションの悪化を抑制すべく空燃比及びＮＯｘ濃度を検出する必要性は低い。なお、アイドル運転とは、アクセル開度がゼロであり、燃焼室２における混合気の燃焼によって機関回転数が所定の低回転数（例えば４００〜８００ｒｐｍ）に維持されている運転状態を意味する。
そこで、第三実施形態では、電圧制御部８０ａは、内燃機関１において燃料カット制御又はアイドル運転が実施されているときに蒸散抑制制御を実行する。このことによって、ポンプセル５２からのＡｕの蒸散によるセンサセル５１の出力低下を抑制しつつ、蒸散拡散制御中の排気エミッションの悪化を抑制することができる。
＜印加電圧設定処理＞
図１３は、本発明の第三実施形態における印加電圧設定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、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１３におけるステップＳ４０１及びステップＳ４０２２は、図９におけるステップＳ１０１及びステップＳ１０２と同様であることから説明を省略する。
ステップＳ４０２においてポンプセル５２の温度Ｔｐが所定の温度領域内にあると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０４に進む。ステップＳ４０４では、電圧制御部８０ａが、内燃機関１において燃料カット制御が実施されているか否かを判定する。
ステップＳ４０４において燃料カット制御が実施されていないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０５に進む。ステップＳ４０５では、電圧制御部８０ａが、内燃機関１においてアイドル運転が実施されているか否かを判定する。
ステップＳ４０５においてアイドル運転が実施されていないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０３に進む。ステップＳ４０３では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する。第二電圧Ｖ２は例えば０．４Ｖである。ステップＳ４０３の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ４０４において燃料カット制御が実施されていると判定された場合、又はステップＳ４０５において燃料カット制御が実施されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ４０６に進む。ステップＳ４０６では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第一電圧Ｖ１に設定する。すなわち、電圧制御部８０ａは蒸散抑制制御を実行する。第一電圧Ｖ１は例えば１．２Ｖである。ステップＳ４０６の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、第一実施形態と同様に、ステップＳ４０２においてポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１未満であると判定された場合、電圧制御部８０ａはポンプセル５２への電圧印加を停止させてもよい。また、ステップＳ４０１において活性フラグＦａがゼロであると判定された場合、電圧制御部８０ａはポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定してもよい。また、電圧制御部８０ａは、ポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する場合、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してもよい。
＜第四実施形態＞
第四実施形態に係るＮＯｘセンサの制御装置は、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ＮＯｘセンサの制御装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
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が停止されると共にＮＯｘセンサ１０のヒータ５５がオフにされる。ヒータ５５がオフにされると、ポンプセル５２の温度が、活性温度以上の温度から徐々に低下し、中間温度領域ＴＭを通過する。
そこで、第四実施形態では、電圧制御部８０ａは、内燃機関１の停止が要求された後、蒸散抑制制御を実行する。また、電圧制御部は、ポンプセル５２の推定温度が所定の温度領域未満の温度に達したときにポンプセル５２への電圧印加を終了する。このことによって、内燃機関１の停止後にポンプセル５２からＡｕが蒸散することによるセンサセル５１の出力低下を抑制することができる。
なお、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。
＜印加電圧設定処理＞
図１４は、本発明の第四実施形態における印加電圧設定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、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１４におけるステップＳ５０１は、図９におけるステップＳ１０１と同様であることから説明を省略する。
ステップＳ５０１において活性フラグＦａが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０２に進む。ステップＳ５０２では、電圧制御部８０ａが、内燃機関１の停止要求があるか否かを判定する。
ステップＳ５０２において内燃機関１の停止要求が無いと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０３に進む。ステップＳ５０３では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する。第二電圧Ｖ２は例えば０．４Ｖである。ステップＳ５０３の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ５０２において内燃機関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Ｓ５０４に進む。ステップＳ５０４では、温度推定部８０ｂが、ポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１未満であるか否かを判定する。第一温度Ｔ１は、ポンプセル５２から単体のＡｕが所定量以上蒸散する温度領域の下限値であり、例えば５００℃である。
ステップＳ５０４においてポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０５に進む。ステップＳ５０５は図９のステップＳ１０２と同様であり、ステップＳ５０５では、温度推定部８０ｂが、ポンプセル５２の温度Ｔｐがポンプセル５２の活性温度未満の所定の温度領域内にあるか否かを判定する。
ステップＳ５０５において、ポンプセル５２の温度Ｔｐが所定の温度領域内にないと判定された場合、すなわちポンプセル５２の温度ＴｐがＴ２以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０３に進む。ステップＳ５０３では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する。第二電圧Ｖ２は例えば０．４Ｖである。ステップＳ５０３の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ５０５において、ポンプセル５２の温度Ｔｐが所定の温度領域内にあると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０６に進む。ステップＳ５０６では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への印加電圧を第一電圧Ｖ１に設定する。すなわち、電圧制御部８０ａは蒸散抑制制御を実行する。第一電圧Ｖ１は例えば１．２Ｖである。ステップＳ５０６の後、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップＳ５０４においてポンプセル５２の温度Ｔｐが第一温度Ｔ１未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０７に進む。ステップＳ５０７では、電圧制御部８０ａがポンプセル５２への電圧印加を停止する。ステップＳ５０７の後、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ステップＳ５０７においてポンプセル５２への電圧印加が停止されるまで、内燃機関１の停止要求が有ると判定される。
なお、第一実施形態と同様に、ステップＳ５０１において活性フラグＦａがゼロであると判定された場合、電圧制御部８０ａはポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定してもよい。また、電圧制御部８０ａは、ポンプセル５２への印加電圧を第二電圧Ｖ２に設定する場合、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してもよい。
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。例えば、ヒータ制御部による暖機制御中にも蒸散抑制制御が実行されてもよい。また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、図１２におけるステップＳ３０４及びステップＳ３０５が、図１３におけるステップＳ４０２とステップＳ４０４との間又は図１４におけるステップＳ５０５とステップＳ５０６との間に実行されてもよい。
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）
８０ａ 電圧制御部
８０ｂ 温度推定部
８０ｃ ヒータ制御部
８０ｄ 空燃比推定部

Claims (8)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されると共に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を制御する、窒素酸化物センサの制御装置であって、
    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、
    前記第四電極の電位が前記第三電極の電位よりも高くなるように前記ポンプセルに電圧を印加する電圧印加回路と、
    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、
    前記ポンプセルへの印加電圧を制御する電圧制御部と、
    前記ポンプセルの温度を推定する温度推定部とを備え、
    前記電圧制御部は、前記温度推定部によって推定された前記ポンプセルの推定温度が該ポンプセルの活性温度未満の所定の温度領域内にあるときに、前記ポンプセルへの印加電圧を水の分解開始電圧以上の電圧にする蒸散抑制制御を実行する、窒素酸化物センサの制御装置。
  2. 前記電圧制御部は、前記ポンプセルの推定温度が前記活性温度以上であるとき、前記ポンプセルへの印加電圧を酸素の限界電流領域内の電圧であって水の分解開始電圧未満の電圧にする、請求項１に記載の窒素酸化物センサの制御装置。
  3. 前記ヒータを制御するヒータ制御部を更に備え、
    前記ヒータ制御部は、前記内燃機関の始動後に前記ポンプセルの温度を前記活性温度以上に上昇させる暖機制御を実行し、前記電圧制御部は、前記暖機制御によって前記ポンプセルの推定温度が前記活性温度以上に最初に達するまでは、前記ポンプセルの推定温度が前記所定の温度領域内にあっても、前記蒸散抑制制御を実行せずに、前記ポンプセルへの印加電圧を水の分解開始電圧未満の電圧にし又は前記ポンプセルに電圧を印加しない、請求項１又は２に記載の窒素酸化物センサの制御装置。
  4. 前記被測ガスの空燃比を推定する空燃比推定部を更に備え、
    前記電圧制御部は、前記ポンプセルの推定温度が前記所定の温度領域内にあり且つ前記空燃比推定部によって推定された前記被測ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに前記蒸散抑制制御を開始する、請求項１から３のいずれか１項に記載の窒素酸化物センサの制御装置。
  5. 前記空燃比推定部は前記ポンプセルの出力に基づいて前記被測ガスの空燃比を推定し、前記電圧制御部は、前記ポンプセルの推定温度が前記所定の温度領域外の温度に達したときに、前記蒸散抑制制御を終了させる、請求項４に記載の窒素酸化物センサの制御装置。
  6. 前記電圧制御部は、前記内燃機関において燃焼室への燃料の供給を停止する燃料カット制御又はアイドル運転が実施されているときに前記蒸散抑制制御を実行する、請求項１から５のいずれか１項に記載の窒素酸化物センサの制御装置。
  7. 前記電圧制御部は、前記内燃機関の停止が要求された後、前記蒸散抑制制御を実行する、請求項１から６のいずれか１項に記載の窒素酸化物センサの制御装置。
  8. 前記電圧制御部は、前記ポンプセルの推定温度が前記所定の温度領域未満の温度に達したときに前記ポンプセルへの電圧印加を終了させる、請求項７に記載の窒素酸化物センサの制御装置。
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