JP2018178760A - アンモニア検出装置の異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニア検出装置の異常を精度良く診断することができる、アンモニア検出装置の異常診断装置を提供する。【解決手段】アンモニア検出装置４６、７１の異常診断装置１、１’、１”は、排気通路２２において触媒２０の排気流れ方向下流側に配置された空燃比検出装置４１、７２と、触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部５１と、アンモニア検出装置の異常を判定する異常判定部５２とを備える。空燃比制御部は、触媒の酸素吸蔵量が減少するように流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。異常判定部は、リッチ制御の開始後、空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下する前にアンモニア検出装置の出力値が基準値まで上昇しなかった場合に、アンモニア検出装置が異常であると判定する。【選択図】図９

Description

本発明はアンモニア検出装置の異常診断装置に関する。

従来、排気ガス中のアンモニア濃度を検出するために内燃機関の排気通路にアンモニア検出装置を配置することが知られている（例えば特許文献１）。アンモニア検出装置は例えばアンモニアセンサ（ＮＨ₃センサ）である。

しかしながら、アンモニア検出装置は他のセンサと同様に使用に伴って徐々に劣化する。このため、排気ガス中のアンモニア濃度を精度良く検出すべく、アンモニア検出装置の異常を診断できることが望ましい。そこで、特許文献１に記載の異常判定システムでは、アンモニア及びＮＯｘを検出可能なＮＯｘセンサを用いてアンモニアセンサの異常が判定される。具体的には、ＮＯｘセンサの検出値とＮＯｘ濃度の推定値との差である推定アンモニア濃度と、アンモニアセンサにより検出されるアンモニア濃度との差が閾値以上である場合に、アンモニアセンサが異常であると判定する。

国際公開第２０１３／１６１０３２号

しかしながら、ＮＯｘ濃度の推定値は各種パラメータに基づいて算出されるため、算出される値の誤差が大きくなる。このため、ＮＯｘ濃度の推定値を用いる上述した方法では、アンモニアセンサの異常を精度良く診断することが困難である。

そこで、本発明の目的は、アンモニア検出装置の異常を精度良く診断することができる、アンモニア検出装置の異常診断装置を提供することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路において触媒の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置の異常診断装置であって、前記排気通路において前記触媒の排気流れ方向下流側に配置された空燃比検出装置と、前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、前記アンモニア検出装置の異常を判定する異常判定部とを備え、前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量が減少するように前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、前記異常判定部は、前記リッチ制御の開始後、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下する前に前記アンモニア検出装置の出力値が基準値まで上昇しなかった場合に、前記アンモニア検出装置が異常であると判定する、アンモニア検出装置の異常診断装置。

（２）前記異常判定部は、前記リッチ制御の開始後、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比まで低下してから所定時間が経過するまで前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇しなかった場合には、前記アンモニア検出装置の出力が低下していると判定する、上記（１）に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（３）前記異常判定部は、前記リッチ制御の開始後、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比まで低下してから所定時間以内に前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇した場合には、前記アンモニア検出装置の応答性が低下していると判定する、上記（１）又は（２）に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（４）前記触媒の温度又は該触媒から流出する排気ガスの温度を検出又は推定する温度検出部を更に備え、前記空燃比制御部は、前記温度検出部によって検出又は推定された温度が所定温度未満であるときに前記リッチ制御を実行する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（５）前記空燃比制御部は、前記内燃機関がアイドル状態にあるときに前記リッチ制御を実行する、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（６）前記異常判定部は、前記空燃比検出装置の異常を判定し、該空燃比検出装置が正常であると判定した場合には前記アンモニア検出装置の異常を判定し、該空燃比検出装置が異常であると判定した場合には該アンモニア検出装置の異常を判定しない、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（７）前記異常判定部は前記空燃比検出装置の異常を判定し、前記空燃比制御部は、前記異常判定部によって前記空燃比検出装置が異常であると判定された場合には、該空燃比検出装置の出力特性及び前記リッチ判定空燃比の少なくとも一方を補正する、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（８）前記空燃比制御部は、前記リッチ制御の前に、前記触媒の酸素吸蔵量が増加するように前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する、上記（１）から（７）のいずれか１つに記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（９）前記空燃比制御部は、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比まで上昇したときにリッチ制御を開始する、上記（８）に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（１０）前記空燃比制御部は、前記内燃機関の燃焼室への燃料供給が停止される燃料カット制御が終了したときに前記リッチ制御を開始する、上記（１）から（７）のいずれか１つに記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（１１）前記アンモニア検出装置はＮＯｘセンサのセンサセルである、上記（１）から（１０）のいずれか１つに記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（１２）前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量が増加するように前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行し、前記空燃比制御部は、前記空燃比制御部によって検出された空燃比が前記リーン制御によって理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比まで上昇したときに前記リッチ制御を開始し、前記異常判定部は、前記リッチ制御の開始後、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比まで低下する前の所定期間に前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇しなかった場合に、前記アンモニア検出装置が異常であると判定する、上記（１１）に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

（１３）前記空燃比検出装置は前記ＮＯｘセンサのポンプセルである、上記（１１）又は（１２）に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

本発明によれば、アンモニア検出装置の異常を精度良く診断することができる、アンモニア検出装置の異常診断装置が提供される。

図１は、本発明の第一実施形態に係るアンモニア検出装置の異常診断装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、触媒の酸素吸蔵量と触媒から流出する排気ガス中のＮＯｘ濃度又はＨＣ、ＣＯ濃度との関係を示す図である。 図３は、各排気空燃比におけるセンサ印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 図４は、センサ印加電圧を一定にしたときの排気空燃比と出力電流との関係を示す図である。 図５は、酸素吸蔵量が少ない状態の上流側触媒を概略的に示す図である。 図６は、酸素吸蔵量がほぼゼロの状態の上流側触媒を概略的に示す図である。 図７は、酸素が吸蔵された上流側触媒にリッチ空燃比の排気ガスが流入し続けたときの流出排気ガス中の各成分濃度のタイムチャートである。 図８は、本発明の第一実施形態に係る異常診断装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図９は、アンモニアセンサの異常が診断されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。 図１０は、本発明の第一実施形態における異常診断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、本発明の比較例における異常診断が実施されたときのタイムチャートである。 図１２は、本発明の第二実施形態に係る異常診断装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図１３は、本発明の第二実施形態における異常診断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、本発明の第三実施形態における異常診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１５は、本発明の第四実施形態における異常診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１６は、本発明の第五実施形態における異常診断処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１７は、本発明の第六実施形態に係る異常診断装置が設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図１８は、ＮＯｘセンサのセンサ素子の断面図である。 図１９は、本発明の第六実施形態に係る異常診断装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図２０は、センサセルの異常が診断されるときの流入排気ガスの目標空燃比等のタイムチャートである。 図２１は、本発明の第六実施形態における異常診断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＞
最初に図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アンモニア検出装置の異常診断装置が設けられた内燃機関１００を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１００は火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。内燃機関１００は車両に搭載される。

図１を参照すると、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。吸気弁６は吸気ポート７を開閉し、排気弁８は排気ポート９を開閉する。シリンダブロック２は気筒２８を画定する。

図１に示したように、シリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４の内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。点火プラグ１０は、点火信号に応じて火花を発生させるように構成される。また、燃料噴射弁１１は、噴射信号に応じて、所定量の燃料を燃焼室５内に噴射する。本実施形態では、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンが用いられる。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気ポート７、吸気枝管１３、サージタンク１４、吸気管１５等は、空気を燃焼室５に導く吸気通路を形成する。また、吸気管１５内には、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結される。排気マニホルド１９は、各排気ポート９に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを有する。排気マニホルド１９の集合部は、上流側触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に連結される。上流側ケーシング２１は、排気管２２を介して、下流側触媒２４を内蔵した下流側ケーシング２３に連結される。排気ポート９、排気マニホルド１９、上流側ケーシング２１、排気管２２、下流側ケーシング２３等は、燃焼室５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。

内燃機関１００の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１によって実行される。電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１５には、吸気管１５内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ３９が配置され、エアフロメータ３９の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気マニホルド１９の集合部、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向上流側には、排気マニホルド１９内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０に流入する排気ガス）の空燃比を検出する上流側空燃比センサ４０が配置される。加えて、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）の空燃比を検出する下流側空燃比センサ４１が配置される。空燃比センサ４０、４１の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）中のアンモニア濃度（ＮＨ₃濃度）を検出するアンモニアセンサ（ＮＨ₃センサ）４６が配置される。アンモニアセンサ４６は、排気通路において下流側空燃比センサ４１に隣接して配置される。本実施形態では、アンモニアセンサ４６は下流側空燃比センサ４１よりも排気流れ方向下流側に配置される。また、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６は排気流れ方向において上流側触媒２０と下流側触媒２４との間に配置される。なお、アンモニアセンサ４６は、上流側触媒２０の排気流れ方向下流側であれば、下流側空燃比センサ４１よりも排気流れ方向上流側に配置されてもよい。アンモニアセンサ４６の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４３が接続され、負荷センサ４３の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４４は例えばクランクシャフトが１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではクランク角センサ４４の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路４５を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びスロットル弁駆動アクチュエータ１７に接続される。

なお、上述した内燃機関１００は、ガソリンを燃料とする無過給内燃機関であるが、内燃機関１００の構成は、上記構成に限定されるものではない。したがって、気筒配列、燃料の噴射態様、吸排気系の構成、動弁機構の構成、過給器の有無のような内燃機関１００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。例えば、燃料噴射弁１１は、吸気ポート７内に燃料を噴射するように配置されてもよい。また、内燃機関１００は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。

＜触媒の説明＞
排気通路に配置された上流側触媒２０及び下流側触媒２４は同様な構成を有する。触媒２０、２４は酸素吸蔵能力を有する。触媒２０、２４は例えば三元触媒である。具体的には、触媒２０、２４は、セラミックから成る基材に、触媒作用を有する貴金属（例えば、白金（Ｐｔ））及び酸素吸蔵能力を有する物質（例えば、セリア（ＣｅＯ₂））を担持させたものである。触媒２０、２４は、所定の活性温度に達すると、未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを同時に浄化することができる。

触媒２０、２４は、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、「リーン空燃比」という）であるときには排気ガス中の酸素を吸蔵する。一方、触媒２０、２４は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比（以下、「リッチ空燃比」という）であるときには、触媒２０、２４に吸蔵されている酸素を放出する。

触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有することにより、酸素吸蔵量に応じてＮＯｘ及び未燃ガスの浄化作用を有する。触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比である場合、図２（Ａ）に示したように、酸素吸蔵量が少ないときには、排気ガス中の酸素が触媒２０、２４に吸蔵され、排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。また、酸素吸蔵量が多くなると、最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｕｐｌｉｍ）を境に、触媒２０、２４から流出する排気ガス中の酸素及びＮＯｘの濃度が急激に上昇する。

一方、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比である場合、図２（Ｂ）に示したように、酸素吸蔵量が多いときには、触媒２０、２４に吸蔵されている酸素が放出され、排気ガス中の未燃ガスが酸化浄化される。また、酸素吸蔵量が少なくなると、ゼロ近傍の或る吸蔵量（図中のＣｌｏｗｌｉｍ）を境に、触媒２０、２４から流出する排気ガス中の未燃ガスの濃度が急激に上昇する。したがって、触媒２０、２４に流入する排気ガスの空燃比及び触媒２０、２４の酸素吸蔵量に応じて、排気ガス中のＮＯｘ及び未燃ガスの浄化特性が変化する。

なお、触媒２０、２４は、触媒作用及び酸素吸蔵能力を有していれば、三元触媒とは異なる触媒であってもよい。また、下流側触媒２４は省略されてもよい。

＜空燃比センサの出力特性＞
次に、図３及び図４を参照して、空燃比センサ４０、４１の出力特性について説明する。図３は、空燃比センサ４０、４１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図である。図４は、印加電圧を一定に維持したときの、空燃比センサ４０、４１に供給される排気ガスの空燃比（以下、「排気空燃比」という）と、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉとの関係を示すグラフである。なお、本実施形態では、空燃比センサ４０、４１は同一の構成を有する。

図３からわかるように、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉは、排気空燃比が高くなるほど（リーンになるほど）、大きくなる。また、各排気空燃比におけるＶ−Ｉ線には、Ｖ軸にほぼ平行な領域、すなわち印加電圧が変化しても出力電流がほとんど変化しない領域が存在する。この電圧領域は限界電流領域と称され、このときの電流は限界電流と称される。図３では、排気空燃比が１８であるときの限界電流領域及び限界電流をそれぞれＷ₁₈、Ｉ₁₈で示している。したがって、空燃比センサ４０、４１は限界電流式の空燃比センサである。

図４は、印加電圧を０．４５Ｖ程度で一定にしたときの、排気空燃比と出力電流Ｉとの関係を示す図である。図４からわかるように、空燃比センサ４０、４１では、排気空燃比が高くなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ４０、４１の出力電流Ｉが大きくなる。すなわち、排気空燃比に対して出力電流Ｉがリニアに（比例するように）変化する。加えて、空燃比センサ４０、４１は、排気空燃比が理論空燃比であるときに出力電流Ｉがゼロになるように構成される。

＜アンモニアセンサの異常診断＞
本実施形態では、上流側空燃比センサ４０を用いて、上流側触媒２０に流入する排気ガスの空燃比（以下、「流入排気ガス」という）を検出することができ、下流側空燃比センサ４１を用いて、上流側触媒２０から流出する排気ガス（以下、「流出排気ガス」という）の空燃比を検出することができる。また、アンモニアセンサ４６を用いて、流出排気ガス中のアンモニア濃度を検出することができる。しかしながら、空燃比センサ４０、４１及びアンモニアセンサ４６は使用に伴って徐々に劣化する。このため、排気空燃比及び排気ガス中のアンモニア濃度を精度良く検出するためには、これらセンサの異常を診断できることが望ましい。

センサの異常を精度良く診断するためには、センサに供給されるガスの成分が判明していることが望ましい。例えば、内燃機関１００の燃焼室５への燃料供給が停止される燃料カット制御が実行された場合、排気通路には空気が排出される。空気中の酸素濃度は約２３％である。このため、燃料カット制御中の空燃比センサ４０、４１の出力を検出することで空燃比センサ４０、４１の異常を精度良く診断することができる。

しかしながら、空気にはアンモニアが含まれないため、燃料カット中にアンモニアセンサ４６の異常を診断することはできない。また、アンモニアセンサ４６に供給される排気ガス中のアンモニア濃度は内燃機関１００の運転状態及び上流側触媒２０の劣化状態によって大きく変動する。このため、アンモニアセンサ４６の異常を精度良く診断するためには、空燃比センサ４０、４１とは異なる方法を用いる必要がある。本願の発明者は、リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入したときに上流側触媒２０において排気ガスが浄化されるメカニズムに着目し、アンモニアセンサ４６の異常を診断する新たな方法を見出した。

以下、リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入したときに上流側触媒２０において排気ガスが浄化されるメカニズムについて説明する。図５は、酸素吸蔵量が少ない状態の上流側触媒２０を概略的に示す図である。図５には、排気流れ方向が矢印で示されている。この例では、リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入し続けている。リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入すると、未燃ガスを浄化するために、上流側触媒２０に吸蔵された酸素が放出される。上流側触媒２０に吸蔵された酸素は上流側触媒２０の排気流れ方向上流側から順に放出される。このため、図５の例では、上流側触媒２０の下流側にのみ、酸素が吸蔵された酸素吸蔵領域２０ｃが残されている。

リッチ空燃比の排気ガスには、主に、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、酸素（Ｏ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）、水素（Ｈ₂）及び窒素（Ｎ₂）が含まれる。空燃比のリッチ度合が大きいほど、排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素の濃度が高くなり、排気ガス中のＮＯｘの濃度が低くなる。図５に示した状態において排気ガスが上流側触媒２０に流入すると、最初に、上流側触媒２０の上流側領域２０ａにおいて、燃焼室５において燃焼されなかった未燃酸素が下記の酸素消費反応（１）によって消費される。
Ｏ₂＋ＨＣ＋ＣＯ＋Ｈ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂…（１）

上流側領域２０ａと酸素吸蔵領域２０ｃとの間の領域は、吸蔵された酸素のほとんどが放出されたリッチ領域２０ｂである。リッチ領域２０ｂは図５において斜線で示されている。リッチ領域２０ｂでは、下記の水性ガスシフト反応（２）及び水蒸気改質反応（３）が生じる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂…（２）
ＨＣ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂…（３）

また、リッチ領域２０ｂでは、下記のＮＯ浄化反応（４）によってアンモニア（ＮＨ₃）が生成される。
ＮＯ＋ＣＯ＋Ｈ₂→Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋ＮＨ₃…（４）
また、リッチ領域２０ｂにも、酸素が僅かに残されている。また、水素はアンモニアよりも酸素との反応性が高い。このため、リッチ領域２０ｂにおいて、下記の水素酸化反応（５）が生じて、上記の水性ガスシフト反応（２）及び水蒸気改質反応（３）によって生成された水素の一部が酸化される。
Ｈ₂＋Ｏ→Ｈ₂Ｏ…（５）

一方、酸素吸蔵領域２０ｃには、十分な量の酸素が吸蔵されている。このため、リッチ領域２０ｂにおいて酸化されなかった水素は酸素吸蔵領域２０ｃにおいて上記の水素酸化反応（５）によって水に変化する。また、リッチ領域２０ｂにおいて上記のＮＯ浄化反応（４）によって生成されたアンモニアは酸素吸蔵領域２０ｃにおいて下記のアンモニア酸化反応（６）によって水及び窒素に浄化される。
ＮＨ₃＋Ｏ→Ｈ₂Ｏ＋Ｎ₂…（６）

上述した化学反応によって上流側触媒２０において排気ガス中の有害物質が浄化される。このため、上流側触媒２０に酸素が吸蔵されている状態では、流出排気ガスには主に二酸化炭素、水及び窒素が含まれる。

一方、図６は、酸素吸蔵量がほぼゼロの状態の上流側触媒２０を概略的に示す図である。図５の状態においてリッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に更に流入すると、酸素吸蔵領域２０ｃの酸素が放出され、図６に示されるように酸素吸蔵領域２０ｃがリッチ領域２０ｂに変化する。リッチ領域２０ｂは図６において斜線で示されている。

図６の例においても、リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入している。リッチ空燃比の排気ガスが上流側触媒２０に流入すると、図５の例と同様に、最初に、上流側領域２０ａにおいて、燃焼室５において燃焼されなかった未燃酸素が上記の酸素消費反応（１）によって消費される。次いで、リッチ領域２０ｂにおいて、上記の水性ガスシフト反応（２）、水蒸気改質反応（３）、ＮＯ浄化反応（４）及び水素酸化反応（５）が生じる。

図６に示した上流側触媒２０には、酸素吸蔵領域２０ｃが存在しない。このため、リッチ領域２０ｂにおいて上記のＮＯ浄化反応（４）によって生成されたアンモニアは、酸化されることなく、上流側触媒２０から流出する。一方、リッチ領域２０ｂにおいて上記の水性ガスシフト反応（２）及び水蒸気改質反応（３）によって生成された水素の一部は、リッチ領域２０ｂの酸素が枯渇するまで、上記の水素酸化反応（５）によって酸化される。このため、流出排気ガス中の水素濃度の上昇速度は、流出排気ガス中のアンモニア濃度の上昇速度よりも遅くなる。

図７は、酸素が吸蔵された上流側触媒２０にリッチ空燃比の排気ガスが流入し続けたときの流出排気ガス中の各成分濃度のタイムチャートである。この例では、時刻ｔ１において、リッチ空燃比の排気ガスによって上流側触媒２０の酸素吸蔵領域２０ｃがなくなり、上流側触媒２０は図６の状態になっている。図６の状態では、アンモニアが酸化されないため、時刻ｔ１以降、排気ガス中のアンモニア濃度が急激に上昇する。一方、上述したように、水素はアンモニアよりも酸素との反応性が高い。このため、水素は、上流側触媒２０のリッチ領域２０ｂにおける酸素が枯渇するまで酸化される。この結果、時刻ｔ１以降、排気ガス中の水素濃度はアンモニア濃度よりもゆっくりと上昇する。

また、時刻ｔ１以降、上流側触媒２０のリッチ被毒が生じ、排気ガス中のリッチ成分（ＨＣ、ＣＯ等）によって上流側触媒２０の貴金属が覆われるため、水性ガスシフト反応の反応性が低下する。この結果、時刻ｔ１以降、上流側触媒２０から一酸化炭素が流出し、排気ガス中の一酸化炭素濃度が徐々に上昇する。このとき、排気ガス中の一酸化炭素濃度はアンモニア濃度よりもゆっくりと上昇する。その後、上流側触媒２０のリッチ被毒が進行し、水性ガスシフト反応の反応性が更に低下すると、排気ガス中の水素濃度は徐々に低下する。

また、上流側触媒２０のリッチ被毒が進行すると、水蒸気改質反応の反応性も低下する。このため、時刻ｔ１の後の時刻ｔ２以降、上流側触媒２０から炭化水素が流出し、排気ガス中の炭化水素濃度が徐々に上昇する。

アンモニアセンサ４６は、流出排気ガス中のアンモニアを分解することで、流出排気ガス中のアンモニア濃度を検出する。このため、流出排気ガス中のアンモニア濃度が高いほど、アンモニアセンサ４６の出力値は大きくなる。また、アンモニアに加えて、水素、一酸化炭素及び炭化水素の流出量が多くなると、流出排気ガス中の酸素濃度が更に低下し、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比がリッチ側に変化する（低くなる）。上述したように、上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、流出排気ガスにおいてアンモニア濃度が水素、一酸化炭素及び炭化水素の濃度よりも速く上昇する。このため、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比変化よりも先にアンモニアセンサ４６の出力変化が検出される。

＜アンモニア検出装置の異常診断装置＞
以下、本発明の第一実施形態に係るアンモニア検出装置の異常診断装置（以下、単に「異常診断装置」という）について説明する。異常診断装置は、内燃機関１００の排気通路において上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置の異常を診断する。異常診断装置は、上述した現象を利用してアンモニア検出装置の異常を診断する。

図８は、本発明の第一実施形態に係る異常診断装置１の構成を概略的に示すブロック図である。異常診断装置１は、排気通路において上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に配置された空燃比検出装置と、流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部５１と、アンモニア検出装置の異常を判定する異常判定部５２とを備える。

アンモニア検出装置は流出排気ガス中のアンモニア濃度を検出し、空燃比検出装置は流出排気ガスの空燃比を検出する。本実施形態では、アンモニアセンサ４６がアンモニア検出装置として機能し、下流側空燃比センサ４１が空燃比検出装置として機能する。また、ＥＣＵ３１が空燃比制御部５１及び異常判定部５２として機能する。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

異常診断装置１は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量をゼロに近付けたときの下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６の出力に基づいてアンモニアセンサ４６の異常を診断する。このため、異常診断装置１によってアンモニアセンサ４６の異常を診断するとき、空燃比制御部５１は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が減少するように流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。リッチ制御では、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比（本実施形態では１４．６）よりもリッチなリッチ設定空燃比に制御される。リッチ設定空燃比は、予め定められ、例えば１４．４〜１４．５の範囲内に設定される。

また、空燃比制御部５１は、リッチ制御を実行する前に、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が増加するように流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する。このことによって、リッチ制御を開始するときの上流側触媒２０の酸素吸蔵量をゼロよりも多くすることができる。リーン制御では、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に制御される。リーン設定空燃比は、予め定められ、例えば１４．７〜１５．５の範囲内に設定される。本実施形態では、リッチ設定空燃比と理論空燃比との差（リッチ度合）はリーン設定空燃比と理論空燃比との差（リーン度合）以下とされる。

例えば、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン制御によって理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比まで上昇したときにリッチ制御を開始する。リーン判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりも僅かにリーンな値（例えば１４．６５）に設定される。リーン判定空燃比は、酸素及びＮＯｘが上流側触媒２０から流出し始めたときに下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比である。なお、リーン設定空燃比はリーン判定空燃比よりもリーンな値に設定される。また、空燃比制御部５１は、リーン制御とリッチ制御との間に、流入排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比にしてもよい。

また、空燃比制御部５１は、流入排気ガスの空燃比を制御するとき、流入排気ガスの目標空燃比を設定し、流入排気ガスの空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量を制御する。空燃比制御部５１は、燃料噴射弁１１等を制御することによって、燃焼室５に供給される燃料量を制御することができる。

例えば、空燃比制御部５１は、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量をフィードバック制御する。この場合、上流側空燃比センサ４０は異常診断装置１の構成要素として機能する。空燃比制御部５１は、リッチ制御において目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定し、リーン制御において目標空燃比をリーン設定空燃比に設定する。

なお、空燃比制御部５１は、上流側空燃比センサ４０を用いることなく、燃焼室５に供給される燃料量を制御してもよい。この場合、空燃比制御部５１は、燃焼室５に供給される燃料と空気との比率が目標空燃比に一致するように、エアフロメータ３９等によって検出された吸入空気量と、目標空燃比とから算出された量の燃料を燃焼室５に供給する。したがって、上流側空燃比センサ４０は内燃機関１００から省略されてもよい。

アンモニアセンサ４６が正常である場合、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比変化よりも先にアンモニアセンサ４６の出力変化が検出される。このため、異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下する前にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇しなかった場合に、アンモニアセンサ４６が異常であると判定する。一方、異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下する前にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇した場合には、アンモニアセンサ４６が正常であると判定する。異常診断装置１は、上述した制御を行うことによってアンモニアセンサ４６の異常を精度良く診断することができる。

リッチ判定空燃比は、予め定められ、理論空燃比よりも僅かにリッチな値（例えば１４．５５）に設定される。リッチ判定空燃比は、上流側触媒２０から流出する未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ等）の量が増加し始めたときに下流側空燃比センサ４１によって検出される空燃比である。なお、リッチ設定空燃比はリッチ判定空燃比よりもリッチな値に設定される。また、基準値は、予め定められ、排気ガス中のアンモニアの所定濃度（例えば１０ｐｐｍ）に相当する値である。基準値は、アンモニアが上流側触媒２０から流出し始めたときにアンモニアセンサ４６によって検出される値である。また、リッチ判定空燃比及び基準値は、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６の出力特性が正常である場合に、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇するように設定される。

また、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下し且つアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇しなかった場合には、アンモニアセンサ４６の出力が低下していると考えられる。このため、異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下してから所定時間が経過するまでアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇しなかった場合には、アンモニア検出装置の出力が低下していると判定する。所定時間は、実験的又は理論的に予め定められ、例えば１〜５秒の範囲内に設定される。

また、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下した後にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇した場合には、アンモニアセンサ４６の応答性が低下していると考えられる。このため、異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下してから所定時間以内にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇した場合には、アンモニアセンサ４６の応答性が低下していると判定する。所定時間は、実験的又は理論的に予め定められ、例えば１〜５秒の範囲内に設定される。

＜タイムチャートを用いた異常診断の説明＞
以下、図９のタイムチャートを参照して、異常診断装置１を用いたアンモニアセンサ４６の異常診断について具体的に説明する。図９は、アンモニアセンサ４６の異常が診断されるときの流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の酸素吸蔵量、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比（下流側空燃比センサ４１の出力空燃比）、アンモニアセンサ４６の出力値及び故障判定フラグのタイムチャートである。故障判定フラグは、アンモニアセンサ４６が異常であると判定されたときに１に設定される。

図示した例では、時刻ｔ０において、流入排気ガスの目標空燃比はリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに設定されている。すなわち、時刻ｔ０において、リーン制御が実行されている。このため、時刻ｔ０において上流側触媒２０の酸素吸蔵量は増加している。

時刻ｔ０の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに近付き、酸素及びＮＯｘが上流側触媒２０から流出し始める。この結果、時刻ｔ１において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまで上昇する。このとき、上流側触媒２０の酸素吸蔵量は最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘである。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるために、時刻ｔ１において目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまで上昇したときに、目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられ、リッチ制御が開始される。このため、時刻ｔ１の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少し、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比まで低下する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量がゼロに近付くと、上流側触媒２０におけるアンモニアの酸化反応が抑制され、アンモニアが上流側触媒２０から流出し始める。この結果、アンモニアセンサ４６の出力値が、ゼロから上昇し、時刻ｔ２において基準値Ｉｒｅｆに達する。その後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が更に減少すると、上流側触媒２０から流出する未燃ガスの量が急激に増加する。この結果、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比から低下し、時刻ｔ３においてリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈに達する。

したがって、リッチ制御の開始後（時刻ｔ１の後）、アンモニアセンサ４６の出力値は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下する前に基準値Ｉｒｅｆまで上昇している。このため、時刻ｔ３において、アンモニアセンサ４６が正常であると判定され、故障判定フラグがゼロに維持される。

また、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を増加させて上流側触媒２０から未燃ガスが流出することを抑制すべく、時刻ｔ３において目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられる。すなわち、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下したときに、目標空燃比がリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈからリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎに切り替えられ、リーン制御が開始される。この結果、時刻ｔ３の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に増加する。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比まで上昇し、アンモニアセンサ４６の出力値がゼロまで低下する。

上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量Ｃｍａｘに再び近付くと、酸素及びＮＯｘが上流側触媒２０から流出し始める。この結果、時刻ｔ４において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリーン判定空燃比ＡＦｌｅａｎまで上昇する。

時刻ｔ１と同様に、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を減少させるために、時刻ｔ４において目標空燃比がリーン設定空燃比ＴＡＦｌｅａｎからリッチ設定空燃比ＴＡＦｒｉｃｈに切り替えられ、リッチ制御が開始される。この結果、時刻ｔ４の後、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が徐々に減少する。このため、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比が理論空燃比まで低下する。

この例では、時刻ｔ５において、下流側空燃比センサ４１の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下している。また、リッチ制御の開始後（時刻ｔ４の後）、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下するまで（時刻ｔ５まで）、アンモニアセンサ４６の出力値は基準値Ｉｒｅｆまで上昇していない。このため、時刻ｔ５において、アンモニアセンサ４６が異常であると判定され、故障判定フラグが１に設定される。

また、時刻ｔ５の後の時刻ｔ６において、アンモニアセンサ４６の出力値が基準値Ｉｒｅｆまで上昇している。この場合、アンモニアセンサ４６の応答性が低下していると判定される。なお、仮に、時刻ｔ５から所定時間が経過した時刻ｔ７までにアンモニアセンサ４６の出力値が基準値Ｉｒｅｆまで上昇しなかった場合には、アンモニアセンサ４６の出力が低下していると判定される。

＜異常診断処理＞
以下、図１０のフローチャートを参照して、異常診断装置１によってアンモニアセンサ４６の異常を診断するための制御について説明する。図１０は、本発明の第一実施形態における異常診断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１００の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、異常判定部５２は故障判定フラグＦａｍが１に設定されているか否かを判定する。故障判定フラグＦａｍは、本制御ルーチンにおいてアンモニアセンサ４６が異常であると判定されたときに１に設定されるフラグである。また、故障判定フラグＦａｍの初期値はゼロである。ステップＳ１０１において故障判定フラグＦａｍが１に設定されていると判定された場合、異常診断が実施されることなく本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において故障判定フラグＦａｍがゼロに設定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Ｓ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、異常判定部５２は実行条件が成立しているか否かを判定する。例えば、異常判定部５２は、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６が活性化している場合に実行条件が成立していると判定し、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６の少なくとも一方が活性化していない場合に実行条件が成立していないと判定する。異常判定部５２は、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６のセンサ素子の温度が所定温度以上である場合に、下流側空燃比センサ４１及びアンモニアセンサ４６が活性化していると判定する。センサ素子の温度はセンサ素子のインピーダンス等に基づいて算出される。

また、アンモニアセンサ４６の異常診断は内燃機関１００の始動毎に一回だけ行われてもよい。このため、異常判定部５２は、内燃機関１００の始動後に異常診断が行われていない場合に実行条件が成立していると判定し、内燃機関１００の始動後に異常診断が既に行われている場合に実行条件が成立していないと判定してもよい。

ステップＳ１０２において異常診断の実行条件が成立していないと判定された場合、異常診断が実施されることなく本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０２において異常診断の実行条件が成立してい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、空燃比制御部５１は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が増加するように流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する。具体的には、空燃比制御部５１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンなリーン設定空燃比に制御する。このとき、空燃比制御部５１は、流入排気ガスの目標空燃比をリーン設定空燃比に設定し、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量をフィードバック制御してもよい。

次いで、ステップＳ１０４において、空燃比制御部５１は、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が減少するように流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行する。具体的には、空燃比制御部５１は、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチなリッチ設定空燃比に制御する。このとき、空燃比制御部５１は、流入排気ガスの目標空燃比をリッチ設定空燃比に設定し、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比が目標空燃比に一致するように、燃焼室５に供給される燃料量をフィードバック制御してもよい。

空燃比制御部５１は、リーン制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比まで上昇したときにリッチ制御を開始する。また、空燃比制御部５１は、リッチ制御中に下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下したときにリッチ制御を終了する。なお、空燃比制御部５１は、リッチ制御が開始されてから所定時間が経過したときにリッチ制御を終了してもよい。この場合、所定時間は、下流側空燃比センサ４１が正常である場合に、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下するのに要する時間よりも長くなるように設定される。

なお、空燃比制御部５１は、リッチ制御の終了後、内燃機関１００の運転状態に応じて流入排気ガスの空燃比を制御する。また、空燃比制御部５１は、リッチ制御の終了後、上流側触媒２０から未燃ガスが流出することを抑制すべく、流入排気ガスの空燃比を一時的にリーン空燃比にしてもよい。

次いで、ステップＳ１０５において、異常判定部５２は、流出排気ガスの空燃比よりも先に流出排気ガス中のアンモニア濃度が変化したか否かを判定する。具体的には、異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇したか否かを判定する。

ステップＳ１０５において、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、異常判定部５２は、アンモニアセンサ４６が正常であると判定し、異常判定フラグＦａｍをゼロに設定する。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０５において、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇しなかったと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、異常判定部５２は、アンモニアセンサ４６が異常であると判定し、異常判定フラグＦａｍを１に設定する。なお、ステップＳ１０７において、異常判定部５２は、内燃機関１００を搭載した車両に設けられた警告灯を点灯させてもよい。

次いで、ステップＳ１０８において、異常判定部５２は、流出排気ガスの空燃比が変化した後に流出排気ガス中のアンモニア濃度が変化したか否かを判定する。具体的には、異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下してから所定時間以内にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇したか否かを判定する。

ステップＳ１０８において、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下してから所定時間以内にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、異常判定部５２は、アンモニアセンサ４６の応答性が低下していると判定する。なお、アンモニアセンサ４６の故障モードを後で確認できるように、ステップＳ１０９において、異常判定部５２は、アンモニアセンサ４６の応答性が低下していることをＥＣＵ３１のＲＡＭ３３等に記憶させてもよい。ステップＳ１０９の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０８において、リッチ制御の開始後、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下してから所定時間以内にアンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇なかったと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、異常判定部５２は、アンモニアセンサ４６の出力が低下していると判定する。なお、アンモニアセンサ４６の故障モードを後で確認できるように、ステップＳ１１０において、異常判定部５２は、アンモニアセンサ４６の出力が低下していることをＥＣＵ３１のＲＡＭ３３等に記憶させてもよい。ステップＳ１１０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異常診断装置は、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異常診断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。

上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度が高い場合、上流側触媒２０から流出するアンモニアは排気ガスの熱によって分解される。このため、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が低下し、上流側触媒２０からアンモニアが流出した場合であっても、アンモニアセンサ４６の出力値が基準値まで上昇しないことがある。

図１１は、本発明の比較例における異常診断が実施されたときのタイムチャートである。図１１のタイムチャートにおいて用いられた上流側触媒２０の温度は、図９のタイムチャートにおいて用いられた上流側触媒２０の温度よりも高い。図１１の例では、上流側触媒２０の温度は７８５℃である。

図１１における流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の酸素吸蔵量及び下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比（下流側空燃比センサ４１の出力空燃比）のタイムチャートは、図９に示したタイムチャートと同様である。しかしながら、図１１の例では、アンモニアが熱によって分解されるため、リッチ制御が実行されてもアンモニアの出力値がほぼゼロに維持される。このため、リッチ制御の開始後、時刻ｔ１において、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下したときに、アンモニアセンサ４６が異常であると判定される。

したがって、上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度が高い場合にアンモニアセンサ４６の異常診断が実施されると、正常なアンモニアセンサ４６が異常であると誤判定されるおそれがある。この不具合を解消すべく、第二実施形態では、上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度が所定温度未満であるときに、アンモニアセンサ４６の異常診断が実施される。

図１２は、本発明の第二実施形態に係る異常診断装置１’の構成を概略的に示すブロック図である。異常診断装置１’は、内燃機関１００の排気通路において上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置の異常を診断する。異常診断装置１’は、第一実施形態と同様に、空燃比検出装置、空燃比制御部５１及び異常判定部５２を備える。また、異常診断装置１’は、上流側触媒２０の温度又は流出排気ガスの温度を検出又は推定する温度検出部５３を備える。第二実施形態においても、アンモニアセンサ４６がアンモニア検出装置として機能し、下流側空燃比センサ４１が空燃比検出装置として機能する。また、ＥＣＵ３１が、空燃比制御部５１、異常判定部５２及び温度検出部５３として機能する。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

例えば、温度検出部５３は、温度センサ４７を用いて上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度を検出する。この場合、温度センサ４７は異常診断装置１’の構成要素として機能する。上流側触媒２０の温度が検出される場合、温度センサ４７は、上流側触媒２０を内蔵した上流側ケーシング２１に配置される。一方、流出排気ガスの温度が検出される場合、温度センサ４７は、上流側触媒２０よりも排気流れ方向下流側の排気通路に配置され、具体的には上流側触媒２０と下流側触媒２４との間の排気管２２内に配置される。温度センサ４７の出力はＥＣＵ３１に送信される。

なお、温度検出部５３は内燃機関１００の運転状態に基づいて上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度を推定してもよい。この場合、異常診断装置１は温度センサ４７を備えていなくてもよい。例えば、温度検出部５３は吸入空気量に基づいて上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度を推定する。吸入空気量は例えばエアフロメータ３９によって検出される。温度検出部５３は、吸入空気量が多いほど上流側触媒２０又は流出排気ガスの温度を高く推定する。

第二実施形態では、空燃比制御部５１は、温度検出部５３によって検出又は推定された温度が所定温度未満であるときにリッチ制御を実行する。所定温度は、実験的又は理論的に予め定められ、例えば７００°〜７５０°の範囲内に設定される。第二実施形態では、この制御によって、上流側触媒２０から流出するアンモニアがアンモニアセンサ４６の異常診断中に熱によって分解されることが抑制されるため、アンモニアセンサ４６の異常をより精度良く診断することができる。

＜異常診断処理＞
図１３は、本発明の第二実施形態における異常診断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１００の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。図１３におけるステップＳ２０１及びステップＳ２０２は、図１０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Ｓ２０３において、空燃比制御部５１は、第一実施形態と同様にリーン制御を実行する。また、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比まで上昇したときにリーン制御を終了する。空燃比制御部５１は、リーン制御の終了後、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御する。このことによって、酸素及びＮＯｘが上流側触媒２０から流出することを抑制しつつ、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を最大吸蔵可能酸素量に維持することができる。

次いで、ステップＳ２０４では、空燃比制御部５１は、上流側触媒２０の温度が所定温度未満であるか否かを判定する。上流側触媒２０の温度は温度検出部５３によって検出又推定される。

ステップＳ２０４において上流側触媒２０の温度が所定温度以上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Ｓ２０４において上流側触媒２０の温度が所定温度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Ｓ２０５に進む。ステップＳ２０５〜ステップＳ２１１は、図１０におけるステップＳ１０４〜ステップＳ１１０と同様であることから説明を省略する。

なお、ステップＳ２０４において、空燃比制御部５１は、流出排気ガスの温度が所定温度未満であるか否かを判定してもよい。流出排気ガスの温度は温度検出部５３によって検出又推定される。また、ステップＳ２０４はステップＳ２０２とステップＳ２０３との間に実行されてもよい。すなわち、空燃比制御部５１は、温度検出部５３によって検出又は推定された温度が所定温度未満であるときにリーン制御及びリッチ制御を実行してもよい。この場合、リーン制御及びリッチ制御は連続的に実行される。

＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る異常診断装置は、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異常診断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。

通常、内燃機関１００がアイドル状態にあるときには、上流側触媒２０及び流出ガスの温度が低くなるため、上流側触媒２０から流出するアンモニアが熱によって分解されることが抑制される。このため、第三実施形態では、空燃比制御部５１は、内燃機関１００がアイドル状態にあるときにリッチ制御を実行する。このことによって、アンモニアセンサ４６の異常をより精度良く診断することができる。なお、アイドル状態とは、アクセル開度がゼロであり、燃焼室５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）に維持されている状態を意味する。

＜異常診断処理＞
図１４は、本発明の第三実施形態における異常診断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１００の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。図１４におけるステップＳ３０１及びステップＳ３０２は、図１０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Ｓ３０３において、空燃比制御部５１は、第一実施形態と同様にリーン制御を実行する。また、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比まで上昇したときにリーン制御を終了する。空燃比制御部５１は、リーン制御の終了後、流入排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御する。このことによって、酸素及びＮＯｘが上流側触媒２０から流出することを抑制しつつ、上流側触媒２０の酸素吸蔵量を最大吸蔵可能酸素量に維持することができる。

次いで、ステップＳ３０４では、空燃比制御部５１は、内燃機関１００がアイドル状態にあるか否かを判定する。内燃機関１００がアイドル状態にないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、内燃機関１００がアイドル状態にあると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。ステップＳ３０５〜ステップＳ３１１は、図１０におけるステップＳ１０４〜ステップＳ１１０と同様であることから説明を省略する。

なお、ステップＳ２０４はステップＳ２０２とステップＳ２０３との間に実行されてもよい。すなわち、空燃比制御部５１は、内燃機関１００がアイドル状態にあるときにリーン制御及びリッチ制御を実行してもよい。この場合、リーン制御及びリッチ制御は連続的に実行される。

＜第四実施形態＞
第四実施形態に係る異常診断装置は、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異常診断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。

上述したように、下流側空燃比センサ４１もアンモニアセンサ４６と同様に使用に伴って徐々に劣化する。劣化等によって下流側空燃比センサ４１に異常が生じた場合、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ制御によってリッチ判定空燃比まで低下するタイミングが変化し、又は下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ制御によってリッチ判定空燃比まで低下しない。このため、下流側空燃比センサ４１が異常である場合には、アンモニアセンサ４６の異常を精度良く診断することが困難である。

そこで、第四実施形態では、異常判定部５２は、下流側空燃比センサ４１の異常を判定し、下流側空燃比センサ４１が正常であると判定した場合にはアンモニアセンサ４６の異常を判定し、下流側空燃比センサ４１が異常であると判定した場合にはアンモニアセンサ４６の異常を判定しない。このことによって、アンモニアセンサ４６の異常をより精度良く診断することができる。なお、異常判定部５２は、公知の方法、例えば燃料カット制御中の下流側空燃比センサ４１の出力を検出することで下流側空燃比センサ４１の異常を判定する。

＜異常診断処理＞
図１５は、本発明の第四実施形態における異常診断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１００の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。図１５におけるステップＳ４０１及びステップＳ４０２は、図１０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Ｓ４０３において、異常判定部５２は、空燃比センサ異常フラグＦａｆが１に設定されているか否かを判定する。空燃比センサ異常フラグＦａｆは、下流側空燃比センサ４１が異常であると判定されたときに１に設定され、下流側空燃比センサ４１が正常であると判定されたときにゼロに設定されるフラグである。下流側空燃比センサ４１の異常は異常判定部５２によって予め判定される。

ステップＳ４０３において空燃比センサ異常フラグＦａｆが１に設定されてい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Ｓ４０３において空燃比センサ異常フラグＦａｆがゼロに設定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Ｓ４０４に進む。ステップＳ４０４〜ステップＳ４１１は、図１０におけるステップＳ１０３〜ステップＳ１１０と同様であることから説明を省略する。

＜第五実施形態＞
第五実施形態に係る異常診断装置は、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異常診断装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第五実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

下流側空燃比センサ４１が完全に故障し、その出力が変化しないような場合には下流側空燃比センサ４１を用いて流出排気ガスの空燃比を検出することができない。しかしながら、劣化等によって下流側空燃比センサ４１の出力又は応答性が低下している場合には、下流側空燃比センサ４１の出力特性を補正することによって流出排気ガスの空燃比の検出精度の低下を抑制することができる。また、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ制御によってリッチ判定空燃比まで低下するタイミングが下流側空燃比センサ４１の出力又は応答性の低下によって変化することを抑制すべく、リッチ判定空燃比を補正してもよい。

このため、第五実施形態では、異常判定部５２は下流側空燃比センサ４１の異常を判定し、空燃比制御部５１は、異常判定部５２によって下流側空燃比センサ４１が異常であると判定された場合には、下流側空燃比センサ４１の出力特性及びリッチ判定空燃比の少なくとも一方を補正する。このことによって、アンモニアセンサ４６の異常をより精度良く診断することができる。なお、下流側空燃比センサ４１の異常は第四実施形態と同様に公知の方法によって判定される。

空燃比制御部５１は、例えば以下のように、下流側空燃比センサ４１の出力特性及びリッチ判定空燃比の少なくとも一方を補正する。空燃比制御部５１は、異常判定部５２によって下流側空燃比センサ４１の出力が低下していると判定された場合には、下流側空燃比センサ４１の出力を増加させる。また、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１の出力を増加させる代わりに又は下流側空燃比センサ４１の出力を増加させると共に、リッチ判定空燃比を理論空燃比に近付けてもよい。

また、下流側空燃比センサ４１の応答性が低下すると、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ制御によってリッチ判定空燃比まで低下するまでの時間が長くなる。これに対して、下流側空燃比センサ４１の出力の傾きが大きくなるように下流側空燃比センサ４１の出力特性を補正した場合、下流側空燃比センサ４１の応答性が低下している場合であっても、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリッチ制御によってリッチ判定空燃比まで低下するまでの時間が長くなることを抑制することができる。このため、空燃比制御部５１は、異常判定部５２によって下流側空燃比センサ４１の応答性が低下していると判定された場合には、下流側空燃比センサ４１の出力の傾きを大きくする。また、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１の出力の傾きを大きくする代わりに又は下流側空燃比センサ４１の出力の傾きを大きくすると共に、リッチ判定空燃比を理論空燃比に近付けてもよい。

＜異常診断処理＞
図１６は、本発明の第五実施形態における異常診断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１００の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。図１５におけるステップＳ５０１及びステップＳ５０２は、図１０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Ｓ５０３において、異常判定部５２は、第四実施形態と同様に、空燃比センサ異常フラグＦａｆが１に設定されているか否かを判定する。空燃比センサ異常フラグＦａｆがゼロに設定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Ｓ５０６に進む。一方、空燃比センサ異常フラグＦａｆが１に設定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Ｓ５０４に進む。

ステップＳ５０４では、異常判定部５２は、下流側空燃比センサ４１が完全に故障しているか否かを判定する。例えば、異常判定部５２は、下流側空燃比センサ４１の異常を判定したときに下流側空燃比センサ４１の出力が変化しなかった場合に、下流側空燃比センサ４１が完全に故障していると判定する。ステップＳ５０４において下流側空燃比センサ４１が完全に故障してい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Ｓ５０４において下流側空燃比センサ４１が完全には故障していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ５０５に進む。ステップＳ５０５では、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１の故障モードに応じて下流側空燃比センサ４１の出力特性を補正する。その後のステップＳ５０６〜ステップＳ５１３は、図１０におけるステップＳ１０３〜ステップＳ１１０と同様であることから説明を省略する。

なお、ステップＳ５０５において、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１の故障モードに応じてリッチ判定空燃比又は下流側空燃比センサ４１の出力特性及びリッチ判定空燃比を補正してもよい。

＜第六実施形態＞
第六実施形態に係る異常診断装置は、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異常診断装置の構成及び制御と同様である。このため、以下、本発明の第六実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図１７は、本発明の第六実施形態に係る異常診断装置が設けられた内燃機関１００’を概略的に示す図である。第六実施形態では、排気管２２内、すなわち上流側触媒２０の排気流れ方向下流側には、排気管２２内を流れる排気ガス（すなわち、上流側触媒２０から流出する排気ガス）中の窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）４８が配置される。ＮＯｘセンサ４８は排気流れ方向において上流側触媒２０と下流側触媒２４との間に配置される。ＮＯｘセンサ４８の出力は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

本実施形態では、ＮＯｘセンサ４８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。ＮＯｘセンサ４８自体は公知であるため、以下、ＮＯｘセンサ４８の構成及びＮＯｘの検出原理について簡単に説明する。

図１８は、ＮＯｘセンサ４８のセンサ素子４８ａの断面図である。図１８に示されるように、ＮＯｘセンサ４８のセンサ素子４８ａは、被測ガス室６０、第一基準ガス室６１、第二基準ガス室６２、センサセル７１、ポンプセル７２、モニタセル７３及びヒータ７５を備える。被測ガス室６０には、拡散律速層６３を介して、流出排気ガスが被測ガスとして導入される。第一基準ガス室６１及び第二基準ガス室６２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６１及び第二基準ガス室６２は大気に開放されている。

センサセル７１は、センサ用固体電解質層、第一電極８１及び第二電極８２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８８がセンサ用固体電解質層として機能する。第一電極８１は、被測ガス室６０内の被測ガスに曝されるように第一固体電解質層８８の被測ガス室６０側の表面上に配置されている。一方、第二電極８２は、第一基準ガス室６１内の基準ガスに曝されるように第一固体電解質層８８の第一基準ガス室６１側の表面上に配置されている。第一電極８１と第二電極８２とは、第一固体電解質層８８を挟んで互いに対向するように配置されている。第一電極８１は、ＮＯｘ分解機能を有する材料から構成される。

ポンプセル７２は、ポンプ用固体電解質層、第三電極８３及び第四電極８４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８９がポンプ用固体電解質層として機能する。第三電極８３は、被測ガス室６０内の被測ガスに曝されるように第二固体電解質層８９の被測ガス室６０側の表面上に配置されている。一方、第四電極８４は、第二基準ガス室６２内の基準ガスに曝されるように第二固体電解質層８９の第二基準ガス室６２側の表面上に配置されている。第三電極８３と第四電極８４とは、第二固体電解質層８９を挟んで互いに対向するように配置されている。第三電極８３は、ＮＯｘ分解機能を有しない材料から構成される。

モニタセル７３は、モニタ用固体電解質層、第五電極８５及び第六電極８６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８８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８５は、被測ガス室６０内の被測ガスに曝されるように第一固体電解質層８８の被測ガス室６０側の表面上に配置されている。一方、第六電極８６は、第一基準ガス室６１内の基準ガスに曝されるように第一固体電解質層８８の第一基準ガス室６１側の表面上に配置されている。第五電極８５と第六電極８６とは、第一固体電解質層８８を挟んで互いに対向するように配置されている。第五電極８５は、ＮＯｘ分解機能を有しない材料から構成される。

図１８に示されるように、ポンプセル７２は、被測ガスの流れ方向において、センサセル７１よりも上流側に配置されている。モニタセル７３は、被測ガスの流れ方向において、ポンプセル７２とセンサセル７１との間に配置されている。ヒータ７５は、センサ素子４８ａ、特にセンサセル７１、ポンプセル７２及びモニタセル７３を加熱する。

なお、センサ素子４８ａの具体的な構成は、図１８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。

被測ガス中のＮＯｘ濃度は、ＮＯｘセンサ４８を用いて以下のように検出される。流出排気ガスは拡散律速層６３を通って被測ガス室６０内に被測ガスとして導入される。被測ガス室６０内に導入された被測ガスは最初にポンプセル７２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７１に到達する被測ガスが酸素を含んでいる場合、酸素ポンピング作用によりセンサセル７１に電流が流れる。このため、被測ガス中の酸素濃度が変動すると、センサセル７１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７１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７２によって被測ガス中の酸素を第二基準ガス室６２に排出する。

ポンプセル７２には、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８３におい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８９）を介して第三電極（陰極）８３から第四電極（陽極）８４に移動し、第二基準ガス室６２に排出される（酸素ポンピング作用）。したがって、ポンプセル７２は被測ガス中の酸素を第二基準ガス室６２に排出することができる。また、ポンプセル７２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、ポンプセル７２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。したがって、ポンプセル７２は流出排気ガスの空燃比を検出することができる。

また、ポンプセル７２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、被測ガス中のＮＯ₂がＮＯに還元される。したがって、被側ガスがセンサセル７１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７２を通過した被測ガスは次にモニタセル７３に到達する。モニタセル７３は、被測ガス中の残留酸素濃度を検出する。モニタセル７３には、所定の電圧が印加される。この結果、モニタセル７３には、酸素ポンピング作用によって被測ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる。このため、モニタセル７３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。残留酸素濃度が所定の低濃度になるように、モニタセル７３の出力に基づいてポンプセル７２への印加電圧がフィードバック制御される。この結果、センサセル７１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７３を通過した被測ガスは次にセンサセル７１に到達する。センサセル７１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７１には、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８１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８８）を介して第一電極（陰極）８１から第二電極（陽極）８２に移動し、第一基準ガス室６１に排出される。センサセル７１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７１には、ＮＯの分解によって被測ガス中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ₂）濃度に応じた電流が流れる。このため、センサセル７１の出力を検出することによって被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。したがって、センサセル７１は流出排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

なお、ポンプセル７２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７２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７３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、ＮＯｘセンサ４８は、モニタセル７３を備えることなく、ポンプセル７２及びセンサセル７１によって被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出してもよい。

＜異常診断装置＞
以下、本発明の第六実施形態に係る異常診断装置について説明する。図１９は、本発明の第六実施形態に係る異常診断装置１”の構成を概略的に示すブロック図である。異常診断装置１”は、内燃機関１００’の排気通路において上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置の異常を診断する。異常診断装置１”は、第一実施形態と同様に、空燃比検出装置、空燃比制御部５１及び異常判定部５２を備える。

ＮＯｘセンサ４８のセンサセル７１は、第一電極８１を構成する材料がアンモニア分解機能も有するため、被測ガス中のＮＯｘに加えて、被測ガス中のアンモニアも分解する。このため、流出排気ガスがアンモニアを含み且つＮＯｘをほとんど含んでいないときには、センサセル７１には、アンモニアの分解によって流出排気ガス中のアンモニア濃度に応じた電流のみが流れる。したがって、センサセル７１は流出排気ガス中のアンモニア濃度を検出することができる。また、上述したように、ＮＯｘセンサ４８のポンプセル７２は流出排気ガスの空燃比を検出することができる。

このため、第六実施形態では、ＮＯｘセンサ４８のセンサセル７１がアンモニア検出装置として機能し、ＮＯｘセンサ４８のポンプセル７２が空燃比検出装置として機能する。また、ＥＣＵ３１が、空燃比制御部５１及び異常判定部５２として機能する。なお、本実施形態では、一つのＥＣＵ３１が設けられているが、機能毎に複数のＥＣＵが設けられていてもよい。

異常診断装置１”は第一実施形態と同様の方法でセンサセル７１の異常を診断する。しかしながら、センサセル７１の出力は、上流側触媒２０からアンモニアが流出するときだけでなく、上流側触媒２０からＮＯｘが流出するときにも上昇する。このため、センサセル７１の異常を精度良く診断するためには、アンモニアの分解による出力とＮＯｘの分解による出力とを識別する必要がある。

第六実施形態では、第一実施形態と同様に、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比がリーン制御によってリーン判定空燃比まで上昇したときにリッチ制御を開始する。この場合、空燃比制御の切替時に上流側触媒２０からＮＯｘが流出し、センサセル７１の出力が上昇する。センサセル７１が正常である場合には、リッチ制御の開始前にセンサセル７１の出力値が流出排気ガス中のＮＯｘの分解によって基準値まで上昇する。一方、センサセル７１が異常である場合には、リッチ制御の開始後にセンサセル７１の出力値が流出排気ガス中のＮＯｘの分解によって基準値まで上昇するおそれがある。このため、第六実施形態では、異常なセンサセル７１を正常であると誤判定しないように、異常判定部５２は、以下のようにセンサセル７１の異常を判定する。

異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、ポンプセル７２によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前の所定期間にセンサセル７１の出力値が基準値まで上昇しなかった場合に、センサセル７１が異常であると判定する。一方、異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、ポンプセル７２によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前の所定期間にセンサセル７１の出力値が基準値まで上昇した場合には、アンモニアセンサ４６が正常であると判定する。所定期間は実験的に又は理論的に定められる。また、所定期間は、センサセル７１が異常である場合にリッチ制御の開始後にセンサセル７１の出力値が流出排気ガス中のＮＯｘの分解によって基準値まで上昇するタイミングよりも後の期間に設定される。

＜タイムチャートを用いた異常診断の説明＞
以下、図２０のタイムチャートを参照して、異常診断装置１”を用いたＮＯｘセンサ４８のセンサセル７１の異常診断について具体的に説明する。図２０は、センサセル７１の異常が診断されるときの流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の酸素吸蔵量、ポンプセル７２によって検出された空燃比（ポンプセル７２の出力空燃比）、センサセル７１の出力値及び故障判定フラグのタイムチャートである。故障判定フラグは、センサセル７１が異常であると判定されたときに１に設定される。

図２０における流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の酸素吸蔵量及びポンプセル７２によって検出された空燃比（ポンプセル７２の出力空燃比）のタイムチャートは、図９における流入排気ガスの目標空燃比、上流側触媒２０の酸素吸蔵量及び下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比（下流側空燃比センサ４１の出力空燃比）のタイムチャートと同様である。一方、図２０の例では、上流側触媒２０からＮＯｘが流出するときに、ＮＯｘの分解によってセンサセル７１の出力値が上昇する。

図２０の例では、リッチ制御が開始される前（時刻ｔ２よりも前）の時刻ｔ１において、ＮＯｘの分解によってセンサセル７１の出力値が基準値Ｉｒｅｆまで上昇する。時刻ｔ１においてリッチ制御が開始されると、上流側触媒２０からのＮＯｘの流出が抑制されるため、センサセル７１の出力値はピーク値まで上昇した後にゼロまで低下する。その後、時刻ｔ４において、アンモニアの分解によってセンサセル７１の出力値が基準値Ｉｒｅｆまで上昇する。また、時刻ｔ４の後の時刻ｔ５において、ポンプセル７２の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下する。

したがって、リッチ制御の開始後（時刻ｔ２の後）、センサセル７１の出力値は、ポンプセル７２によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下する前の所定期間ＴＰ（時刻ｔ３〜時刻ｔ５）に基準値Ｉｒｅｆまで上昇している。このため、時刻ｔ５において、センサセル７１が正常であると判定され、故障判定フラグがゼロに維持される。

時刻ｔ５においてリーン制御が開始された後、上流側触媒２０からのアンモニアの流出が抑制されるため、センサセル７１の出力値がゼロまで低下する。その後、時刻ｔ６において、ポンプセル７２の出力空燃比がリーン判定空燃比まで上昇し、リッチ制御が開始される。また、リッチ制御の開始後の時刻ｔ７において、ＮＯｘの分解によってセンサセル７１の出力値が基準値Ｉｒｅｆまで上昇する。その後、センサセル７１の出力値はピーク値まで上昇した後にゼロまで低下する。

リッチ制御の開始後（時刻ｔ６の後）、時刻ｔ９においてポンプセル７２の出力空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下する。この例では、リッチ制御の開始後（時刻ｔ６の後）、センサセル７１の出力値は、ポンプセル７２によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比ＡＦｒｉｃｈまで低下する前の所定期間ＴＰ（時刻ｔ８〜時刻ｔ９）に基準値Ｉｒｅｆまで上昇していない。このため、時刻ｔ９において、センサセル７１が異常であると判定され、故障判定フラグが１に設定される。

また、時刻ｔ９の後の時刻ｔ１０において、センサセル７１の出力値が基準値Ｉｒｅｆまで上昇している。この場合、センサセル７１の応答性が低下していると判定される。なお、仮に、時刻ｔ９から所定時間が経過した時刻ｔ１１までにセンサセル７１の出力値が基準値Ｉｒｅｆまで上昇しなかった場合には、センサセル７１の出力が低下していると判定される。

＜異常診断処理＞
図２１は、本発明の第六実施形態における異常診断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１００’の始動後、ＥＣＵ３１によって繰り返し実行される。図２１におけるステップＳ６０１〜ステップＳ６０４は、アンモニア検出装置及び空燃比検出装置としてセンサセル７１及びポンプセル７２が用いられることを除いて、図１０におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０４と同様であることから説明を省略する。

ステップＳ６０５では、異常判定部５２は、流出排気ガス中のアンモニア濃度が所定期間に変化したか否かを判定する。具体的には、異常判定部５２は、リッチ制御の開始後、ポンプセル７２によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前の所定期間にセンサセル７１の出力値が基準値まで上昇したか否かを判定する。

ステップＳ６０５において、リッチ制御の開始後、ポンプセル７２によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前の所定期間にセンサセル７１の出力値が基準値まで上昇したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ６０６に進む。一方、ステップＳ６０５において、リッチ制御の開始後、ポンプセル７２によって検出された空燃比がリッチ判定空燃比まで低下する前の所定期間にセンサセル７１の出力値が基準値まで上昇しなかったと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ６０７に進む。図２１におけるステップＳ６０６〜ステップＳ６１０は、アンモニア検出装置及び空燃比検出装置としてセンサセル７１及びポンプセル７２が用いられることを除いて、図１０におけるステップＳ１０６〜ステップＳ１１０と同様であることから説明を省略する。

なお、第六実施形態において、第一実施形態と同様に、内燃機関１００’の排気通路において上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に下流側空燃比センサ４１が配置されてもよい。この場合、ＮＯｘセンサ４８のポンプセル７２の代わりに下流側空燃比センサ４１が空燃比検出装置として機能してもよい。

＜その他の実施形態＞
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、上流側空燃比センサ４０は、上流側触媒２０の排気流れ方向上流側に配置されると共に流入排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。同様に、下流側空燃比センサ４１（空燃比検出装置）は、上流側触媒２０の排気流れ方向下流側に配置されると共に流出排気ガスの空燃比がリッチ又はリーンであることを検出する酸素センサであってもよい。

また、図１０のステップＳ１０４において、空燃比制御部５１は、リーン制御中に上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が所定量まで上昇したときにリッチ制御を開始してもよい。所定量は、予め設定され、上流側触媒２０の最大吸蔵可能酸素量よりも少ない値である。この場合、リッチ制御の開始時に上流側触媒２０からＮＯｘが流出することを抑制することができる。上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値は、上流側空燃比センサ４０によって検出された空燃比又は流入排気ガスの目標空燃比、燃料噴射弁１１の燃料噴射量等に基づいて算出される。図１５のステップＳ４０５、図１６のステップＳ５０７及び図２１のステップＳ６０４においても、同様の変更が可能である。また、図１３のステップＳ２０３及び図１４のステップＳ３０３において、空燃比制御部５１は、リーン制御中に上流側触媒２０の酸素吸蔵量の推定値が所定量まで上昇したときにリーン制御を終了してもよい。

また、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比以上である場合には、上流側触媒２０の酸素吸蔵量はゼロよりも多いと推定される。このため、空燃比制御部５１は、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比以上であるときにリッチ制御を開始してもよい。この場合、ステップＳ１０３において、空燃比制御部５１は、リーン制御を実行する代わりに又はリーン制御の実行中若しくは実行後に、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比以上であるか否かを判定する。また、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比以上であると判定された場合に制御ルーチンはステップＳ１０４に進み、下流側空燃比センサ４１によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチであると判定された場合に制御ルーチンは終了する。図１３のステップＳ２０３、図１４のステップＳ３０３、図１５のステップＳ４０４、図１６のステップＳ５０６及び図２１のステップＳ６０３においても、同様の変更が可能である。

また、内燃機関１００の燃焼室５への燃料供給が停止される燃料カット制御が実行される場合、上流側触媒２０に多量の酸素が流入し、上流側触媒２０の酸素吸蔵量が最大吸蔵可能酸素量に達する。このため、空燃比制御部５１は、燃料カット制御が終了したときにリッチ制御を開始してもよい。この場合、ステップＳ１０３において、空燃比制御部５１は、リーン制御を実行する代わりに、燃料カット制御が終了したか否かを判定する。燃料カット制御が終了したと判定された場合に制御ルーチンはステップＳ１０４に進み、燃料カット制御が実行されていない場合又は燃料カット制御が実行中である場合に制御ルーチンは終了する。図１３のステップＳ２０３、図１４のステップＳ３０３、図１５のステップＳ４０４、図１６のステップＳ５０６及び図２１のステップＳ６０３においても、同様の変更が可能である。

また、図１０のステップＳ１０８〜ステップＳ１１０、図１３のステップＳ２０９〜ステップＳ２１１、図１４のステップＳ３０９〜ステップＳ３１１、図１５のステップＳ４０９〜ステップＳ４１１、図１６のステップＳ５１１〜ステップＳ５１３及び図２１のステップＳ６０８〜ステップＳ６１０は省略されてもよい。

また、アンモニア検出装置の異常が診断されない通常制御においてリッチ制御とリーン制御が交互に実行されている場合、通常制御においてリッチ制御が実行されるタイミングでアンモニア検出装置の異常が診断されてもよい。

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、第六実施形態は第二実施形態〜第五実施形態と組合せ可能である。この場合、アンモニア検出装置及び空燃比検出装置としてＮＯｘセンサ４８のセンサセル７１及びポンプセル７２が用いられ、図１３のステップＳ２０６、図１４のステップＳ３０６、図１５のステップＳ４０６及び図１６のステップＳ５０８の代わりに図２１のステップＳ６０５が実行される。

１、１’、１” 異常診断装置
２０ 上流側触媒
２２ 排気管
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４１ 下流側空燃比センサ
４６ アンモニアセンサ
４８ ＮＯｘセンサ
５１ 空燃比制御部
５２ 異常判定部
７１ センサセル
７２ ポンプセル
１００、１００’ 内燃機関

Claims (13)

1. 内燃機関の排気通路において触媒の排気流れ方向下流側に配置されたアンモニア検出装置の異常診断装置であって、
   前記排気通路において前記触媒の排気流れ方向下流側に配置された空燃比検出装置と、
   前記触媒に流入する流入排気ガスの空燃比を制御する空燃比制御部と、
   前記アンモニア検出装置の異常を判定する異常判定部と
   を備え、
   前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量が減少するように前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするリッチ制御を実行し、
   前記異常判定部は、前記リッチ制御の開始後、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチなリッチ判定空燃比まで低下する前に前記アンモニア検出装置の出力値が基準値まで上昇しなかった場合に、前記アンモニア検出装置が異常であると判定する、アンモニア検出装置の異常診断装置。
2. 前記異常判定部は、前記リッチ制御の開始後、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比まで低下してから所定時間が経過するまで前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇しなかった場合には、前記アンモニア検出装置の出力が低下していると判定する、請求項１に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
3. 前記異常判定部は、前記リッチ制御の開始後、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比まで低下してから所定時間以内に前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇した場合には、前記アンモニア検出装置の応答性が低下していると判定する、請求項１又は２に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
4. 前記触媒の温度又は該触媒から流出する排気ガスの温度を検出又は推定する温度検出部を更に備え、
   前記空燃比制御部は、前記温度検出部によって検出又は推定された温度が所定温度未満であるときに前記リッチ制御を実行する、請求項１から３のいずれか１項に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
5. 前記空燃比制御部は、前記内燃機関がアイドル状態にあるときに前記リッチ制御を実行する、請求項１から３のいずれか１項に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
6. 前記異常判定部は、前記空燃比検出装置の異常を判定し、該空燃比検出装置が正常であると判定した場合には前記アンモニア検出装置の異常を判定し、該空燃比検出装置が異常であると判定した場合には該アンモニア検出装置の異常を判定しない、請求項１から５のいずれか１項に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
7. 前記異常判定部は前記空燃比検出装置の異常を判定し、前記空燃比制御部は、前記異常判定部によって前記空燃比検出装置が異常であると判定された場合には、該空燃比検出装置の出力特性及び前記リッチ判定空燃比の少なくとも一方を補正する、請求項１から５のいずれか１項に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
8. 前記空燃比制御部は、前記リッチ制御の前に、前記触媒の酸素吸蔵量が増加するように前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行する、請求項１から７のいずれか１項に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
9. 前記空燃比制御部は、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比まで上昇したときにリッチ制御を開始する、請求項８に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
10. 前記空燃比制御部は、前記内燃機関の燃焼室への燃料供給が停止される燃料カット制御が終了したときに前記リッチ制御を開始する、請求項１から７のいずれか１項に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
11. 前記アンモニア検出装置はＮＯｘセンサのセンサセルである、請求項１から１０のいずれか１項に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
12. 前記空燃比制御部は、前記触媒の酸素吸蔵量が増加するように前記流入排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンにするリーン制御を実行し、前記空燃比制御部は、前記空燃比制御部によって検出された空燃比が前記リーン制御によって理論空燃比よりもリーンなリーン判定空燃比まで上昇したときに前記リッチ制御を開始し、
    前記異常判定部は、前記リッチ制御の開始後、前記空燃比検出装置によって検出された空燃比が前記リッチ判定空燃比まで低下する前の所定期間に前記アンモニア検出装置の出力値が前記基準値まで上昇しなかった場合に、前記アンモニア検出装置が異常であると判定する、請求項１１に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。
13. 前記空燃比検出装置は前記ＮＯｘセンサのポンプセルである、請求項１１又は１２に記載のアンモニア検出装置の異常診断装置。

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