JP6468255B2 - 排気センサ - Google Patents

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Description

本発明は排気センサに関する。
従来、内燃機関の排気通路を流れる排気ガス中の特定の成分の濃度を検出するために、内燃機関の排気通路に排気センサを配置することが知られている。排気センサは、例えば、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）である（例えば特許文献１〜４を参照）。
排気センサは、固体電解質層、陽極及び陰極を有するセンサセルを備える。排気センサでは、センサセルに所定電圧が印加されたときにセンサセルに流れる電流をセンサセルの出力として検出し、検出された出力に基づいて、排気ガス中の特定の成分の濃度が算出される。例えば、濃度は、濃度がセンサセルの出力の関数として示されたマップを用いて算出される。このマップでは、センサセルの出力が高いほど、濃度が高くされている。
特開２０１４−１７１９１９号公報 特開２０１１−５１３７３５号公報 特開２００９−０１４７０６号公報 特開２００１−１３３４２９号公報
しかしながら、排気センサが長期に亘って使用されると、経時劣化によってセンサセルの電極等の特性が変化し、センサセルの出力が低下する。低下した出力に基づいて濃度が算出されると、濃度が実際の濃度よりも低く算出され、濃度の検出精度が低下する。
そこで、本発明の目的は、経時劣化によりセンサセルの出力が低下することによる濃度の検出精度の低下を抑制することができる排気センサ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を流れる排気ガス中の特定の成分の濃度を検出する排気センサであって、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質層と、前記排気ガスに曝されるように前記固体電解質層の一方の側面上に配置され且つペロブスカイト型酸化物から構成された第一電極と、基準ガスに曝されるように前記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、前記第二電極の電位が前記第一電極の電位よりも高くなるように前記センサセルに電圧を印加する電圧印加回路と、前記センサセルに流れる電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路によって検出された電流に基づいて前記濃度を算出する濃度算出部とを備え、前記電流検出回路は、前記内燃機関において該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実行され且つ前記電圧印加回路から前記センサセルに所定電圧が印加されているときに前記センサセルに流れる第一電流を検出し、前記内燃機関において前記燃焼室に燃料が供給される通常制御が実行され且つ前記電圧印加回路から前記センサセルに前記所定電圧が印加されているときに前記センサセルに流れる第二電流を検出し、前記濃度算出部は、前記第一電流が相対的に低い場合には、該第一電流が相対的に高い場合に比べて、前記第二電流に対して前記濃度を高く算出する、排気センサが提供される。
第２の発明では、第１の発明において、前記濃度算出部は、前記第一電流と前記第二電流との比率に基づいて前記濃度を算出する。
第３の発明では、第１の発明において、前記濃度算出部は、前記第一電流の初期値と前記第一電流の現在値との比率に基づいて前記第二電流を補正し、該補正された第二電流に基づいて前記濃度を算出する。
第４の発明では、第３の発明において、前記第一電流の初期値は、予め定められ、複数の当該排気センサにおける前記第一電流の初期値の平均値である。
第５の発明では、第３の発明において、前記第一電流の初期値は、当該排気センサが前記内燃機関に取り付けられた後、前記電流検出回路によって最初に所定回数検出された前記第一電流の平均値である。
第６の発明では、第１から第５のいずれか一つの発明において、当該排気センサは、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出する、１セル型の窒素酸化物センサである。
本発明によれば、経時劣化によりセンサセルの出力が低下することによる濃度の検出精度の低下を抑制することができる排気センサが提供される。
図１は、本発明の第一実施形態に係る排気センサが適用される内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、ＮＯｘセンサの構成を概略的に示すブロック図である。 図３は、センサ本体の拡大図である。 図４は、図３のＡ−Ａ線に沿ったセンサ本体の断面図である。 図５は、耐久試験の前後におけるセンサセルの出力を示すグラフである。 図６は、ＮＯｘセンサの初期状態のＮＯｘ選択性と耐久試験後のＮＯｘ選択性との関係を示すグラフである。 図７は、補正後の第二電流と被測ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すマップである。 図８は、本発明の第一実施形態におけるＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、第二電流を第一電流で除算した値と被測ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すマップである。 図１０は、本発明の第三実施形態におけるＮＯｘ濃度算出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８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排気センサが適用される内燃機関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、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１００は例えば車両に搭載される。
図１を参照すると、内燃機関１００は、機関本体９０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１００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１００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１００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。
＜排気センサの説明＞
以下、図１〜図４を参照して、本発明の第一実施形態に係る排気センサについて説明する。本実施形態では、排気センサは、内燃機関１００の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を検出する窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）１である。
図２は、ＮＯｘセンサ１の構成を示す概略的なブロック図である。図２に示されるように、ＮＯｘセンサ１は、センサ本体１０と、ヒータ制御回路６０と、電圧印加回路６１と、電流検出回路６２と、濃度算出部８０ａと、電圧制御部８０ｂと、ヒータ制御部８０ｃとを備える。ヒータ制御回路６０、電圧印加回路６１及び電流検出回路６２はセンサ本体１０に接続されている。また、ＮＯｘセンサ１は、電圧制御部８０ｂ及び電圧印加回路６１に接続されたＤＡ変換器６３と、濃度算出部８０ａ及び電流検出回路６２に接続されたＡＤ変換器８７とを更に備える。本実施形態では、濃度算出部８０ａ、電圧制御部８０ｂ及びヒータ制御部８０ｃはＥＣＵ８０の一部である。
図１に示されるように、ＮＯｘセンサ１のセンサ本体１０は内燃機関１００の排気通路においてタービン７ｂと排気浄化触媒２８との間に配置されている。言い換えれば、センサ本体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、センサ本体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３及び図４を参照して、センサ本体１０の構成について説明する。図３は、センサ本体１０の拡大図である。図３では、センサ本体１０の先端側が断面図で示されている。センサ本体１０は、先端部１１が排気管２７内に挿入された状態で排気管２７に固定される。センサ本体１０は、その内部に、板状の形状を有するセンサ素子１２を備えている。
図４は、図３のＡ−Ａ線に沿ったセンサ本体１０のセンサ素子１２の断面図である。図４に示されるように、センサ素子１２は、センサセル５１が設けられた素子本体５０と、素子本体５０の外面上に形成された保護層５３とを備える。
素子本体５０は被測ガス室３０及び基準ガス室３１を備えている。センサ本体１０が内燃機関１００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。基準ガス室３１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、基準ガス室３１は大気に開放されている。
センサ素子１２は、複数の層を積層して構成された積層型構造を有する。素子本体５０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第一不透過層２１、第二不透過層２２及び第三不透過層２３を備える。固体電解質層４０は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質層４０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である。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、ムライト等の多孔質セラミックから構成されている。不透過層２１〜２３は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む。
素子本体５０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、固体電解質層４０、拡散律速層１６、第三不透過層２３の順に積層されている。被測ガス室３０は、固体電解質層４０、拡散律速層１６及び第三不透過層２３によって区画形成されている。排気ガスは保護層５３及び拡散律速層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４０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。
基準ガス室３１は固体電解質層４０及び第二不透過層２２によって区画形成されている。なお、基準ガス室３１は、固体電解質層４０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、固体電解質層４０、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。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固体電解質層４０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、基準ガス室３１内の基準ガスに曝されるように固体電解質層４０の基準ガス室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、固体電解質層４０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４１はペロブスカイト型酸化物から構成されている。ペロブスカイト型酸化物から構成された第一電極４１は、酸素存在下においてＮＯｘを選択的に還元分解する特性を有する。ペロブスカイト型酸化物は、例えば、（Ｌａ1-XＳｒx）（ＣＯ1-YＦｅY）Ｏ3-δ（ＬＳＣＦ）である。第一電極４１のこの構成によって、ポンプセル等によって被測ガス中の酸素を除去することなく、センサセル５１のみを用いて被測ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。したがって、ＮＯｘセンサ１は、電気化学セルが一つのみ設けられた１セル型のＮＯｘセンサである。１セル型のセンサでは、電気化学セルが二つ以上設けられたセンサに比べて電極の面積を大きくすることができるため、センサ出力が増大され、ひいては濃度の検出精度が高められる。
また、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。
保護層５３は、素子本体５０の外面全体を覆うように、素子本体５０の外面上に形成されている。保護層５３は、ガス透過性を有し、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化亜鉛等の多孔質セラミックから構成されている。
センサ素子１２はヒータ５５を更に備える。本実施形態では、ヒータ５５は、図４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（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は素子本体５０及び保護層５３を加熱する。ヒータ制御部８０ｃは、センサセル５１の温度が活性温度以上になるように、ヒータ制御回路６０を介してヒータ５５に供給する電力を制御する。
センサセル５１の第一電極４１及び第二電極４２は電圧印加回路６１に接続されている。電圧印加回路６１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。したがって、第一電極４１は陰極として機能し、第二電極４２は陽極として機能する。電圧制御部８０ｂは、ＤＡ変換器６３を介して電圧制御信号を電圧印加回路６１に入力し、電圧印加回路６１からセンサセル５１に印加される電圧を制御する。
電流検出回路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。より具体的には、電流検出回路６２は、第一電極４１と第二電極４２との間に流れる電極間電流（すなわち、固体電解質層４０内を流れる電流）を検出する。電流検出回路６２の出力はＡＤ変換器８７を介して濃度算出部８０ａに入力される。したがって、濃度算出部８０ａは、電流検出回路６２によって検出された電流を電流検出回路６２から取得することができる。
なお、センサ素子１２の具体的な構成は、図４に示した構成と異なっていてもよい。例えば、センサ素子１２はコップ型構造を有していてもよい。
＜ＮＯｘ濃度の算出＞
濃度算出部８０ａは、電圧印加回路６１からセンサセル５１に所定電圧が印加されているときに電流検出回路６２によって検出された電流に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。しかしながら、ＮＯｘセンサ１が長期に亘って使用されると、経時劣化によってセンサセル５１の第一電極４１等の特性が変化し、センサセル５１の出力が低下する。
図５は、耐久試験の前後におけるセンサセル５１の出力を示すグラフである。耐久試験では、センサ本体１０を理論空燃比よりもリーンな排気ガスに数百時間曝した。図中の丸印は、濃度が５００ｐｐｍのＮＯを含む排気ガスが被測ガスであるときのデータを示す。図５に示されるように、耐久試験後のセンサセル５１の出力は初期状態のセンサセル５１の出力よりも低い。すなわち、経時劣化によってセンサセル５１の出力が低下している。低下したセンサセル５１の出力に基づいてＮＯｘ濃度が算出されると、ＮＯｘ濃度が実際のＮＯｘ濃度（５００ｐｐｍ）よりも低く算出され、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。
一方、図中の四角印は、空気が被測ガスであるときのデータを示す。上述したように、ペロブスカイト型酸化物から構成された第一電極４１は、酸素存在下においてＮＯｘを選択的に還元分解する特性を有する。しかしながら、第一電極４１において酸素も僅かに還元分解されるため、センサセル５１には酸素の分解電流が流れる。酸素の分解電流はＮＯｘの分解電流よりも小さい。
図５に示されるように、空気が被測ガスである場合にも、耐久試験後のセンサセル５１の出力は初期状態のセンサセル５１の出力よりも低くなる。本願の発明者は、ＮＯｘを含む排気ガスが被測ガスであるときのセンサセル５１の出力の低下度合と、空気が被測ガスであるときのセンサセル５１の出力の低下度合とがほぼ等しくなることを見出した。言い換えれば、本願の発明者は、ＮＯｘセンサ１が長期間使用されたとしても、ＮＯｘセンサ１のＮＯｘ選択性はほとんど変化しないことを見出した。
本明細書において、ＮＯｘ選択性ＳＰは以下の式によって表される。
ＳＰ＝Ｉｎｏｘ／（Ｉｎｏｘ＋Ｉａｉｒ）×１００…（１）
ここで、Ｉｎｏｘは、所定濃度のＮＯｘを含む排気ガスが被測ガスであるときのセンサ出力であり、Ｉａｉｒは、空気が被測ガスであるときのセンサ出力である。
図６は、ＮＯｘセンサ１の初期状態のＮＯｘ選択性と耐久試験後のＮＯｘ選択性との関係を示すグラフである。この例では、ＮＯｘの濃度は５００ｐｐｍである。図６から分かるように、ＮＯｘセンサ１のＮＯｘ選択性は耐久試験の前後でほとんど変化しない。斯かる現象が生じる具体的な原理は必ずしも明確ではないが、以下のようなメカニズムによって生じるものであると考えられる。
ＮＯｘセンサ１のＮＯｘ選択性は、第一電極４１の結晶構造及び組成によって発現する特性であり、第一電極４１の厚さ、面積及び活性点の数に依存しない。第一電極４１は１１００℃以上の高温（例えば１２００℃）で焼成されるため、第一電極４１が、長時間、高温の排気ガスに曝されたとしても、第一電極４１の結晶構造及び組成は変化しない。このため、ＮＯｘセンサ１が長時間使用されたとしても、ＮＯｘセンサ１のＮＯｘ選択性が変化しないと考えられる。
一方、第一電極４１の厚さ、面積及び活性点の数は、センサセル５１の出力に影響する。また、第一電極４１が、長時間、高温の排気ガスに曝されると、熱凝集等によって第一電極４１の厚さ、面積及び活性点の数が変化する。このため、ＮＯｘセンサ１が長時間使用されると、センサセル５１の出力が低下すると考えられる。
上述した新たな知見によれば、空気が被測ガスであるときのセンサセル５１の出力を検出することで、ＮＯｘセンサ１の劣化度合を推定することができる。また、ＮＯｘを含む排気ガスが被測ガスであるときのセンサ出力をＮＯｘセンサ１の劣化度合に基づいて補正することによってＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制することができる。
そこで、本実施形態では、以下のように被測ガス中のＮＯｘ濃度が算出される。電流検出回路６２は、内燃機関１００において内燃機関１００の燃焼室２への燃料供給が停止される燃料カット制御が実行され且つ電圧印加回路６１からセンサセル５１に所定電圧が印加されているときにセンサセル５１に流れる第一電流を検出する。内燃機関１００において燃料カット制御が実行されているときには被測ガス室３０には空気が導入される。このため、第一電流を検出することによって、空気が被測ガスであるときのセンサセル５１の出力を検出することができる。また、電流検出回路６２は、内燃機関１００において燃焼室２に燃料が供給される通常制御が実行され且つ電圧印加回路６１からセンサセル５１に上記所定電圧が印加されているときにセンサセル５１に流れる第二電流を検出する。
濃度算出部８０ａは、第一電流が相対的に低い場合には、第一電流が相対的に高い場合に比べて、第二電流に対してＮＯｘ濃度を高く算出する。この結果、センサセル５１の出力低下を考慮してＮＯｘ濃度が算出される。このため、ＮＯｘセンサ１は、経時劣化によりセンサセル５１の出力が低下することによるＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制することができる。
特に、本実施形態では、濃度算出部８０ａは、第一電流の初期値と第一電流の現在値との比率に基づいて第二電流を補正し、補正された第二電流に基づいてＮＯｘ濃度を算出する。具体的には、第二電流は以下のように補正される。
Ｉ２ａｃ＝Ｉ２ｂｃ×Ｉ１ｉ／Ｉ１ｃ…（２）
ここで、Ｉ２ａｃは補正後の第二電流であり、Ｉ２ｂｃは補正前の第二電流であり、Ｉ１ｉは第一電流の初期値であり、Ｉ１ｃは第一電流の現在値である。
第一電流の初期値Ｉ１ｉを第一電流の現在値Ｉ１ｃで除算した値は、第一電流の初期値からの低下度合を表している。この値が高いほど、第一電流の初期値からの低下度合は高くなる。第一電流の初期値Ｉ１ｉは、例えば、複数のＮＯｘセンサ１における第一電流の初期値の平均値であり、実験によって予め定められる。この場合、第一電流の初期値Ｉ１ｉはＥＣＵ８０のＲＯＭ８２に予め保存される。また、第一電流の現在値Ｉ１ｃは、ＮＯｘ濃度を検出するために第二電流が検出される前に電流検出回路６２によって検出される。
濃度算出部８０ａは、補正後の第二電流Ｉ２ａｃが相対的に高い場合に、補正後の第二電流Ｉ２ａｃが相対的に低い場合に比べてＮＯｘ濃度を高く算出する。例えば、濃度算出部８０ａは、図７に示したようなマップを用いてＮＯｘ濃度を算出する。このマップでは、ＮＯｘ濃度が補正後の第二電流Ｉ２ａｃの関数として示される。なお、ＮＯｘ濃度は、図７に破線で示したように、補正後の第二電流Ｉ２ａｃが高くなるにつれて段階的（ステップ状）に高くされてもよい。
＜ＮＯｘ濃度算出処理＞
以下、図８のフローチャートを参照して、被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出するための制御について説明する。図８は、本発明の第一実施形態におけるＮＯｘ濃度算出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、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、濃度算出部８０ａが、センサセル５１が活性状態にあるか否かを判定する。濃度算出部８０ａは、センサセル５１の温度が活性温度以上である場合、センサセル５１が活性状態にあると判定する。一方、濃度算出部８０ａは、センサセル５１の温度が活性温度未満である場合、センサセル５１が活性状態にないと判定する。センサセル５１の温度は、例えばセンサセル５１のインピーダンスに基づいて算出される。
ステップＳ１０１においてセンサセル５１が活性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、ステップＳ１０１においてセンサセル５１が活性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Ｓ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、濃度算出部８０ａが、内燃機関１００において燃料カット制御が実行されているか否かを判定する。なお、燃料カット制御は、所定の燃料カット開始条件が成立したときに開始される。例えば、燃料カット制御は、アクセルペダル１２０の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに実行される。また、燃料カット制御は、所定の燃料カット終了条件が成立すると終了する。例えば、燃料カット制御は、アクセルペダル１２０の踏込み量が所定値以上になるとき（すなわち、機関負荷が所定値以上になるとき）又は機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数未満になるときに終了する。
ステップＳ１０２において燃料カット制御が実行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Ｓ１０３に進む。ステップＳ１０３では、濃度算出部８０ａが、燃料カット制御の連続実行時間Ｔｆｃが所定時間Ｔｒｅｆ以上であるか否かが判定される。所定時間Ｔｒｅｆは、燃料カット制御が開始されてから空気がセンサ本体１０の被測ガス室３０に到達するのに要する時間以上であり、予め実験又は計算によって定められる。所定時間は例えば数秒である。
ステップＳ１０３において連続実行時間Ｔｆｃが所定時間Ｔｒｅｆ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Ｓ１０４に進む。この場合、燃料カット制御によって空気が被測ガス室３０に導入されていると推定される。ステップＳ１０４では、濃度算出部８０ａが、電流検出回路６２によって検出された第一電流Ｉ１を電流検出回路６２から取得する。なお、センサセル５１の活性後、ＮＯｘ濃度を検出すべく、センサセル５１には電圧印加回路６１から所定電圧が印加されている。所定電圧は例えば１Ｖ以下の電圧である。
次いで、ステップＳ１０５において、濃度算出部８０ａが、ステップＳ１０４において取得された第一電流Ｉ１に第一電流の現在値Ｉ１ｃを更新する。第一電流の現在値Ｉ１ｃの初期値は、例えば、複数のＮＯｘセンサ１における第一電流の初期値の平均値であり、実験によって予め定められる。第一電流の現在値Ｉ１ｃの値はＥＣＵ８０のＲＡＭ８３に保存される。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップＳ１０２において燃料カット制御が実行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Ｓ１０６に進む。この場合、内燃機関１００において燃焼室２に燃料が供給される通常制御が実行されている。通常制御では、内燃機関１００の運転状態等に応じた燃料量が燃焼室２に供給される。ステップＳ１０６では、濃度算出部８０ａが、電流検出回路６２によって検出された第二電流Ｉ２を電流検出回路６２から取得する。
次いで、ステップＳ１０７において、濃度算出部８０ａが、第一電流の初期値と第一電流の現在値Ｉ１ｃとの比率に基づいて、ステップＳ１０６において取得した第二電流Ｉ２を補正する。具体的には、第二電流Ｉ２は、上記式（２）を用いて補正される。次いで、ステップＳ１０８において、濃度算出部８０ａが、ステップＳ１０７において算出された補正後の第二電流Ｉ２ａｃに基づいて被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。濃度算出部８０ａは、補正後の第二電流Ｉ２ａｃが相対的に高い場合に、補正後の第二電流Ｉ２ａｃが相対的に低い場合に比べてＮＯｘ濃度を高く算出する。例えば、濃度算出部８０ａは、図７に示したようなマップを用いてＮＯｘ濃度を算出する。ステップＳ１０８の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、ステップＳ１０５において、濃度算出部８０ａは以下の式を用いて第一電流Ｉ１ｃの現在値を更新してもよい。
Ｉ１ｃ＝（Ｉ１ｃｂ×ｎ＋Ｉ１）／（ｎ＋１）…（３）
ここで、Ｉ１ｃｂは更新前の第一電流の現在値であり、Ｉ１はステップＳ１０４において取得された第一電流であり、ｎは、１以上の整数であり、例えば３である。このように第一電流の現在値Ｉ１ｃを更新することによって、電流検出回路６２によって検出された第一電流Ｉ１が電気的なノイズを含む場合に、更新後の第一電流の現在値Ｉ１ｃへのノイズの影響を低減することができる。この結果、センサ出力の低下度合をより精度良く推定することができ、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度の低下をより抑制することができる。
＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る排気センサは、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排気センサ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。
第一電極４１は、厚さ、面積及び活性点の数に個体差を有する。このため、ＮＯｘセンサ１が初期状態にあるときに電流検出回路６２によって検出されるセンサセル５１の出力は個体間で異なる場合がある。このため、上記式（２）における第一電流の初期値Ｉ１ｉを複数のＮＯｘセンサ１における第一電流の初期値の平均値とすると、第一電流の初期値からの低下度合を精度良く算出できないおそれがある。
この不具合を解消するために、第二実施形態では、上記式（２）における第一電流の初期値Ｉ１ｉは、ＮＯｘセンサ１が内燃機関１００に取り付けられた後、電流検出回路６２によって最初に所定回数検出された第一電流の平均値とされる。所定回数は１以上の整数である。第一電流の初期値Ｉ１ｉはＥＣＵ８０のＲＯＭ８２に保存される。
第二実施形態では、同一個体において検出された第一電流の初期値を用いて第一電流の初期値からの低下度合が算出されるため、第一電流の初期値からの低下度合を精度良く算出することができる。この結果、ＮＯｘ濃度の検出精度の低下をより抑制することができる。なお、第二実施形態では、第一実施形態と同様に、図８のＮＯｘ濃度算出処理の制御ルーチンが実行される。
＜第三実施形態＞
第三実施形態に係る排気センサは、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排気センサ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、上記式（２）における第一電流の初期値Ｉ１ｉを複数のＮＯｘセンサ１における第一電流の初期値の平均値とすると、第一電流の初期値からの低下度合を精度良く算出できないおそれがある。また、第二実施形態のように第一電流の初期値を決定する場合、ＮＯｘセンサ１毎に、第一電流の初期値を検出し、検出された初期値をＥＣＵ８０のＲＯＭ８２に書き込む必要がある。
また、上述したようにＮＯｘセンサ１の経時劣化によってＮＯｘセンサ１のＮＯｘ選択性はほとんど変化しないため、ＮＯｘセンサ１の経時劣化による第一電流の低下度合と第二電流の低下度合とはほぼ等しくなる。このため、第一電流と第二電流との比率はＮＯｘセンサ１の経時劣化によってほとんど変化しない。また、第一電流と第二電流との比率は被測ガス中のＮＯｘ濃度と相関する。
そこで、第三実施形態では、濃度算出部８０ａは、第一電流と第二電流との比率に基づいて被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。このことによって、より簡易的な方法で、経時劣化によりセンサセル５１の出力が低下することによるＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制することができる。
具体的には、濃度算出部８０ａは、第二電流を第一電流で除算した値が相対的に大きい場合に、第二電流を第一電流で除算した値が相対的に小さい場合に比べてＮＯｘ濃度を高く算出する。例えば、濃度算出部８０ａは、図９に示したようなマップを用いてＮＯｘ濃度を算出する。このマップでは、ＮＯｘ濃度が第二電流を第一電流で除算した値の関数として示される。なお、ＮＯｘ濃度は、図９に破線で示したように、第二電流を第一電流で除算した値が大きくなるにつれて段階的（ステップ状）に高くされてもよい。また、濃度算出部８０ａは、第一電流を第二電流で除算した値が相対的に大きい場合に、第一電流を第二電流で除算した値が相対的に小さい場合に比べてＮＯｘ濃度を低く算出してもよい。
＜ＮＯｘ濃度算出処理＞
以下、図１０のフローチャートを参照して、被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出するための制御について説明する。図１０は、本発明の第三実施形態におけるＮＯｘ濃度算出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、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１０におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０６は、図８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、濃度算出部８０ａが、ステップ２０５において更新された第一電流の現在値Ｉ１ｃと、ステップＳ２０６において取得された第二電流Ｉ２との比に基づいて、被測ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。濃度算出部８０ａは、第二電流Ｉ２を第一電流の現在値Ｉ１ｃで除算した値が相対的に大きい場合に、第二電流Ｉ２を第一電流の現在値Ｉ１ｃで除算した値が相対的に小さい場合に比べてＮＯｘ濃度を高く算出する。例えば、濃度算出部８０ａは、図９に示したようなマップを用いてＮＯｘ濃度を算出する。なお、濃度算出部８０ａは、第一電流の現在値Ｉ１ｃを第二電流Ｉ２で除算した値が相対的に大きい場合に、第一電流の現在値Ｉ１ｃを第二電流Ｉ２で除算した値が相対的に小さい場合に比べてＮＯｘ濃度を低く算出してもよい。ステップＳ２０７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。例えば、排気センサは、排気ガス中のアンモニアの濃度を検出する、１セル型のアンモニアセンサであってもよい。なお、上述した構成と同様のセンサ素子を用いて、センサセルへの印加電圧、センサセルの作動温度等を変化させることによって、酸素環境下においてアンモニアを選択的に還元分解することができる。
１ ＮＯｘセンサ（排気センサ）
２ 燃焼室
４０ 固体電解質層
４１ 第一電極
４２ 第二電極
５１ センサセル
６１ 電圧印加回路
６２ 電流検出回路
８０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８０ａ 濃度算出部
１００ 内燃機関

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路を流れる排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出する排気センサであって、
    酸化物イオン伝導性を有する固体電解質層と、前記排気ガスに曝されるように前記固体電解質層の一方の側面上に配置され且つペロブスカイト型酸化物から構成された第一電極と、基準ガスに曝されるように前記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、
    前記第二電極の電位が前記第一電極の電位よりも高くなるように前記センサセルに電圧を印加する電圧印加回路と、
    前記センサセルに流れる電流を検出する電流検出回路と、
    前記電流検出回路によって検出された電流に基づいて前記濃度を算出する濃度算出部と
    を備え、
    前記電流検出回路は、前記内燃機関において該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実行され且つ前記電圧印加回路から前記センサセルに所定電圧が印加されているときに前記センサセルに流れる第一電流を検出し、前記内燃機関において前記燃焼室に燃料が供給される通常制御が実行され且つ前記電圧印加回路から前記センサセルに前記所定電圧が印加されているときに前記センサセルに流れる第二電流を検出し、
    前記濃度算出部は、前記第一電流が相対的に低い場合には、該第一電流が相対的に高い場合に比べて、前記第二電流に対して前記濃度を高く算出する、排気センサ。
  2. 前記濃度算出部は、前記第一電流と前記第二電流との比率に基づいて前記濃度を算出する、請求項１に記載の排気センサ。
  3. 前記濃度算出部は、前記第一電流の初期値と前記第一電流の現在値との比率に基づいて前記第二電流を補正し、該補正された第二電流に基づいて前記濃度を算出する、請求項１に記載の排気センサ。
  4. 前記第一電流の初期値は、予め定められ、複数の当該排気センサにおける前記第一電流の初期値の平均値である、請求項３に記載の排気センサ。
  5. 前記第一電流の初期値は、当該排気センサが前記内燃機関に取り付けられた後、前記電流検出回路によって最初に所定回数検出された前記第一電流の平均値である、請求項３に記載の排気センサ。
  6. 当該排気センサは、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出する、１セル型の窒素酸化物センサである、請求項１から５のいずれか１項に記載の排気センサ。
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