JP6809428B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、排出ガスセンサの制御装置に関する。

排出ガスセンサのセンサ電極に吸蔵された酸素を迅速に除去し、早期活性化を図るための早期活性制御が知られている。下記特許文献１に記載の発明では、センサ始動時に通常電圧よりも高い除去用電圧をポンプセルに印加し、水を分解して還元ガスとしての水素を発生させ、センサ電極における酸化物を還元することで酸素を除去している。

特開２０１６−７０９２２号公報

特許文献１では、吸蔵された酸素を確実に還元除去するため、最も条件が厳しい環境を想定した時間分だけ早期活性制御を行っている。しかしながら、排出ガスセンサが置かれる環境は様々であるし、排出ガスセンサの個体差もあるため、必要とされる早期活性制御の時間は変動するものであり、従来の技術では過剰に早期活性制御を行うことを排除できなかった。

本開示は、排出ガスセンサの状況に対応し、早期活性制御を極力必要最小限に近い状態で行うことが可能な排出ガスセンサの制御装置を提供することを目的とする。

本開示は、排出ガスセンサの制御装置であって、排出ガスセンサを構成するセルであって、内燃機関から排出される排気ガスから酸素を除去するための第１セルに対し、酸素を除去するための通常電圧及び通常電圧よりも高い除去用電圧を選択的に印加する電圧印加部（４０６ａ）と、排出ガスセンサを構成するセルの温度を示す素子温パラメータを検出する素子温検出部（４０６ｂ）と、素子温パラメータに基づいて、電圧印加部によって除去用電圧を印加することを終了させる終了タイミングを決定する終了判定部（４０６ｃ）と、を備える。

排出ガスセンサを構成するセルの温度と、酸素を除去するために発生させる水素の生成とに相関関係があることを利用し、素子温パラメータに基づいて除去用電圧を印加するのを終了させる終了タイミングを決定するので、排出ガスセンサの状況に対応し、早期活性制御を極力必要最小限に近い状態で行うことが可能となる。

本開示によれば、排出ガスセンサの状況に対応し、早期活性制御を極力必要最小限に近い状態で行うことが可能な排出ガスセンサの制御装置を提供することができる。

図１は、エンジン排気系を模式的に示す図である。 図２は、図１に示されるＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図４は、図１に示されるＳＣＵの構成を示すブロック図である。 図５は、図４に示されるマイコンの機能的な構成を示すブロック図である。 図６は、図１に示されるＥＣＵ及びＳＣＵの処理を示すフローチャートである。 図７は、図１に示されるＥＣＵ及びＳＣＵの処理を示すフローチャートである。 図８は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図９は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１０は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１１は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１２は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。 図１３は、図１に示されるＳＣＵの処理を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、エンジン排気系ＥＳには、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０及びＳＣＵ（Ｓｅｎｓｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０が設けられている。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０及びそれに繋がるエンジン排気系ＥＳを制御する装置である。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０の挙動を制御する機能を有している。ＥＣＵ１０は、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて燃料噴射弁の開度を調整する。

エンジン排気系ＥＳには、ディーゼルエンジン２０側から順に、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒コンバータ２８と、が設けられている。ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）２２１と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）２２２と、を有している。

ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、排出ガスに含まれる有害物質を酸化又は還元により浄化するものであって、特に炭素などからなる粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集する装置である。

ディーゼル酸化触媒２２１は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物、並びに白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属触媒で構成されている。ディーゼル酸化触媒２２１は、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化させ浄化する。また、ディーゼル酸化触媒２２１は、触媒反応の際に発生する熱により排出ガス温度を上昇させる。

ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持され、ハニカム構造体で形成される。ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、排出ガス中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させる。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒２２１における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。

ＳＣＲ触媒コンバータ２８は、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２の後処理装置としてＮＯｘを窒素と水に還元する装置であって、選択還元型の触媒であるＳＣＲ２８１を有する。ＳＣＲ２８１は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持した触媒が例示できる。ＳＣＲ２８１は、触媒温度が活性温度域にあり、さらに、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化するものである。尿素添加のため、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の上流側には、尿素添加インジェクタ２６が設けられている。

本実施形態では、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間にＮＯｘセンサ２４が、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側にＮＯｘセンサ３０がそれぞれ配置されている。

ＮＯｘセンサ２４で検出されるＮＯｘ濃度と、ＮＯｘセンサ３０で検出されるＮＯｘ濃度とに基づき尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ触媒コンバータ２８に対して添加される尿素の量が決定される。より具体的には、ＮＯｘセンサ２４においてＳＣＲ触媒コンバータ２８通過前の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度に基づいて添加する尿素の量が決定される。また、ＮＯｘセンサ３０においてＳＣＲ触媒コンバータ２８を通過した後の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度が極力小さい値となるようにフィードバックし、添加する尿素の量を補正する。このように決定された量の尿素が、尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ２８１に対して添加されることで、ＳＣＲ２８１において排出ガス中のＮＯｘが適正に還元される。このように、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物は、ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０を通過した後、エンジン排気系ＥＳの終端であるテールパイプ（不図示）から外部に排出される。

ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０が出力する電流は、ＳＣＵ４０が検出している。ＳＣＵ４０は、ガス量を検出すると共に異常検出処理を行って、必要なデータをＥＣＵ１０に送信している。ＥＣＵ１０及びＳＣＵ４０は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス５０に繋がっており、ＣＡＮバス５０を介して情報通信を行っている。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ等の演算装置、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポート、及び記憶装置を含むものである。特に本実施形態の説明では、ＮＯｘセンサ２４，３０に繋がる電気系統の異常を検出する機能を中心に説明をする。ＮＯｘセンサ２４とＮＯｘセンサ３０とは同一の構成であるため、ＮＯｘセンサ２４を例にとってその構成を説明する。

図２及び図３に示されるように、ＮＯｘセンサ２４は、第１本体部２４１ａと、第２本体部２４１ｂと、固体電解質体２４４と、拡散抵抗体２４５と、ポンプ電極２４６と、ヒータ２４７と、センサ電極２４８と、モニタ電極２４９と、共通電極２５０と、を備えている。

固体電解質体２４４は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質材料によって構成されている。第１本体部２４１ａ及び第２本体部２４１ｂは、アルミナを主成分とする絶縁体からなり、固体電解質体２４４を挟んで配置されている。第１本体部２４１ａには、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されている。その凹部は測定室２４２として機能している。測定室２４２の一側面は開放されている。その開放された一側面に拡散抵抗体２４５が配置されている。拡散抵抗体２４５は、多孔質又は細孔が形成されたアルミナ等のセラミック材料からなっている。拡散抵抗体２４５の作用により、測定室２４２内に引き込まれる排出ガスの速度が律せられる。

第２本体部２４１ｂにも、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されている。その凹部は大気室２４３として機能している。大気室２４３の一側面は開放されている。固体電解質体２４４側から大気室２４３内に引き込まれる気体は大気に放出される。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、拡散抵抗体２４５側には陰極側となるポンプ電極２４６が設けられている。ポンプ電極２４６は、Ｐｔ−Ａｕ合金（白金−金合金）からなる。また、固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、ポンプ電極２４６と対応する位置には、ポンプ電極２４６に対して陽極側となり主成分がプラチナからなる共通電極２５０が設けられている。共通電極２５０は、センサ電極２４８及びモニタ電極２４９が固体電解質２４４を介して投影した際の対向領域において重なるように設けられている。

ポンプ電極２４６と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、測定室２４２内の排出ガス中に含まれる酸素が陰極側のポンプ電極２４６に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。このように、ポンプ電極２４６、共通電極２５０、及びこれら２つの電極に挟まれる固体電解質２４４によって、酸素イオンを測定室２４２から大気室２４３に排出する機能を有するポンプセルが形成されている。

なお、ポンプ電極２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧が高いほど、ポンプセルによって排出ガス中から大気室２４３を経由して大気中に排出される酸素の量は多くなる。逆にポンプ電極２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧が低いほど、ポンプセルによって排出ガス中から排出される酸素の量は減る。従って、ポンプ電極２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧を増減することで、後段のセンサ電極２４８及びモニタ電極２４９に流れる排出ガス中の残留酸素の量を増減させることができる。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２４６を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側には陰極側となるモニタ電極２４９が設けられている。ポンプ電極２４６を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側は、ポンプ電極２４６よりも後段側に相当する。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、モニタ電極２４９と対応する位置にモニタ電極２４９にたいして陽極側となる共通電極２５０が設けられている。このように、モニタ電極２４９、共通電極２５０、及びこれら２つの電極に挟まれる固体電解質２４４によって、酸素濃度を検出する機能を有するモニタセルが形成されている。

モニタセルは、ポンプセルによって酸素が排出された排出ガス中に残留する酸素濃度を検出する。モニタ電極２４９と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、ポンプセルによって酸素が排出された排出ガス中に含まれる残留酸素が陰極側のモニタ電極２４９に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、モニタセル検出部４０４によりモニタセル電流Ｉｍとして検出され、このモニタセル電流Ｉｍに基づいて、排出ガス中の残留酸素濃度を算出し得る。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２４６を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側には陰極側となるセンサ電極２４８が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、センサ電極２４８と対応する位置にセンサ電極２４８に対して陽極側となる共通電極２５０が設けられている。このように、センサ電極２４８、共通電極２５０、及びこれら２つの電極に挟まれる固体電解質２４４によって、排出ガス中のＮＯｘの濃度及び残留酸素濃度を算出するセンサセルが形成されている。

センサ電極２４８は、Ｐｔ−Ｒｈ合金（白金−ロジウム合金）からなり、ＮＯｘに対して強い還元性を有している。センサ電極２４８に接触したＮＯｘは、Ｎ２とＯ２とに還元分解される。センサ電極２４８と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、分解されたＯ２は、陰極側のセンサ電極２４８から電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、センサセル検出部４０３によりセンサセル電流Ｉｓとして検出され、このセンサセル電流Ｉｓに基づいて、排出ガス中のＮＯｘの濃度及び残留酸素濃度を算出し得る。

ポンプセルで排出する酸素によって、測定室２４２内に流入する絶対ガス量が変化するため、ＮＯｘ濃度の算出にあたっては、ポンプセルの影響を補正することが好ましい。

また、ポンプセルにおいて、排出ガス内の酸素濃度に依存した出力を検出することができるため、Ａ／Ｆセンサの機能ももたせることができる。Ａ／Ｆの算出にあたっては、ポンプ電極２４６と共通電極２５０との間を流れる電流であるポンプセル電流Ｉｐにて算出することが好ましい。これらガス濃度検知は、車両で使われ方を考慮し、例えば５ｍｓ毎に行うことができる。

ガス濃度検知のためには、酸素イオンを流すため、素子温度が所定温度となるようにヒータ２４７で加温する必要がある。素子温度を把握することが必要であるが、直接温度を検知するセンサは装備していないため、所定の電圧を印加した場合の出力電流によって素子温度を算出する。素子温度は素子の抵抗と相関性があるが、素子には容量成分があるため、容量成分の影響を除去することが好ましい。そのため、印加電圧を所定周波数の掃引電圧とすることが好ましい。掃引電圧を印加することで、素子の容量成分に溜まった電荷を抜くことができる。掃引電圧の印加は、本来のガス濃度に依存した出力電流に掃引によって隆起された電流も重畳させる影響を及ぼすため、掃引電圧の印加期間もしくは、所定時間においてはガス濃度の検出を行わないことが望ましい。また、共通電極の電圧を掃引電圧とすることにより、ポンプ電極２４６、センサ電極２４８、モニタ電極２４９の各々の電流が流れる為、素子温度としてはどの出力電流としても良い。ガス濃度を検知する際にセンサ電極２４８やモニタ電極２４９を流れる電流に対して、掃引電圧によって流れる電流は大きくなるため、ポンプ電極２４６の出力電流によって素子温度を把握することが好ましい。

ヒータ２４７には、素子の破壊を防ぐため、ＳＣＵ４０に電圧が供給され駆動できる状態になった段階で微通電モードを開始する。微通電モードとすることで、内部水分の沸騰による圧力急変や車両側の排気管の凝縮水がセンサに被水し素子が破壊することを避けることができる。その後、ＥＣＵ１０からの通電要求を受け取ると、ガス濃度検知ができる温度に昇温するため、高デューティで早期活性させる。また、素子が破壊されたことやセンサの異常（断線、ショート等）をトリガとして、ヒータ２４７への通電を強制カットする機能を備えることも好ましい。ＳＣＵ４０の電源電圧によって素子の活性度合いが変化することを防止するため、ＳＣＵ４０の認識した電圧によってヒータ２４７のデューティを変化させることも好ましい。

ＳＣＵ４０は、その一部又は全部が、アナログ回路で構成されるか、メモリを備えたデジタルプロセッサとして構成される。いずれにしても、受信した電気信号に基づいて制御信号を出力する機能を果たすため、ＳＣＵ４０には機能的な制御ブロックが構成される。図４は、ＳＣＵ４０を、このような機能的な制御ブロック図として示したものである。

続いて、ＳＣＵ４０の機能的な構成要素について説明する。ＳＣＵ４０は、ヒータ制御部４０１と、ポンプセル検出部４０２と、センサセル検出部４０３と、モニタセル検出部４０４と、共通電極検出部４０５と、マイコン４０６と、電源回路４０７と、ＣＡＮ通信部４０８と、電圧印加回路４０９と、を備えている。

ヒータ制御部４０１は、ヒータ２４７に印加する電圧を制御し、ヒータ２４７の発熱量を制御する部分である。

ポンプセル検出部４０２は、ポンプ電極２４６に流れるポンプセル電流Ｉｐを検出する部分である。ポンプセル検出部４０２は、検出したポンプセル電流Ｉｐを示す信号をマイコン４０６に出力する。ポンプセル検出部４０２は、ポンプセルのポンプセル電圧Ｖｐも検出することができる。ポンプセル検出部４０２は、検出したポンプセル電圧Ｖｐを示す信号をマイコン４０６に出力する。

センサセル検出部４０３は、センサ電極２４８に流れるセンサセル電流Ｉｓを検出する部分である。センサセル検出部４０３は、検出したセンサセル電流Ｉｓを示す信号をマイコン４０６に出力する。

モニタセル検出部４０４は、モニタ電極２４９に流れるモニタセル電流Ｉｍを検出する部分である。モニタセル検出部４０４は、検出したモニタセル電流Ｉｍを示す信号をマイコン４０６に出力する。

共通電極検出部４０５は、共通電極２５０に流れる共通電極電流Ｉｃｏｍを検出する部分である。共通電極検出部４０５は、検出した共通電極電流Ｉｃｏｍを示す信号をマイコン４０６に出力する。共通電極検出部４０５は、共通電極２５０の共通電極電圧Ｖｃｏｍも検出することができる。共通電極検出部４０５は、検出した共通電極電圧Ｖｃｏｍを示す信号をマイコン４０６に出力する。

マイコン４０６は、ＳＣＵ４０内の制御部である。マイコン４０６は、ヒータ制御部４０１にヒータ２４７の温度を制御するための制御信号を出力する。マイコン４０６は、センサセル検出部４０３が検出したセンサセル電流Ｉｓ及びモニタセル検出部４０４が検出したモニタセル電流Ｉｍに基いて、排出ガス中のＮＯｘ濃度を算出する部分である。マイコン４０６は、センサ電極２４８の出力電流であるセンサセル電流Ｉｓからモニタ電極２４９の出力電流であるモニタセル電流Ｉｍを減算することで、センサセルが出した排出ガス中の残留酸素濃度による電流値を除き、排出ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。マイコン４０６は、算出したＮＯｘ濃度を示す信号をＣＡＮ通信部４０８に出力する。

電源回路４０７は、ＳＣＵ４０内の電源回路である。ＣＡＮ通信部４０８は、マイコン４０６が出力する信号をＣＡＮバス５０に送信し、ＣＡＮバス５０から受信する信号をマイコン４０６に出力する。

電圧印加回路４０９は、共通電極２５０やポンプ電極２４６に電圧を印加するための回路部である。電圧印加回路４０９は、共通電極２５０に、電圧が連続的に変化する掃引電圧を印加する。電圧印加回路４０９は、ポンプ電極２４６に電圧を印加することができ、その電圧は可変である。また、電圧印加回路４０９は、他の検出機能（電流検出や電圧検出）と複合した複合回路でも良い。

続いて、マイコン４０６の機能的な構成要素について、図５を参照しながら説明する。マイコン４０６は、機能的な構成要素として、電圧印加部４０６ａと、素子温検出部４０６ｂと、終了判定部４０６ｃと、環境情報取得部４０６ｄと、を備えている。

電圧印加部４０６ａは、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４を構成するセルであって、内燃機関から排出される排気ガスから酸素を除去するための第１セルであるポンプセルに対し、酸素を除去するための通常電圧及び通常電圧よりも高い除去用電圧を選択的に印加する部分である。

素子温検出部４０６ｂは、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４を構成するセルの温度を示す素子温パラメータを検出する部分である。

終了判定部４０６ｃは、素子温パラメータに基づいて、電圧印加部４０６ａによって除去用電圧を印加することを終了させる終了タイミングを決定する部分である。

排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４を構成するセルの温度と、酸素を除去するために発生させる水素の生成とに相関関係があることを利用し、素子温パラメータに基づいて除去用電圧を印加するのを終了させる終了タイミングを決定するので、ＮＯｘセンサ２４の状況に対応し、早期活性制御を極力必要最小限に近い状態で行うことが可能となる。

素子温パラメータは、第１セルであるポンプセルの素子温度を示すものであって、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスであることが好ましい。

第１セルであるポンプセルは、水を分解し、内燃機関から排出される排気ガスから酸素を除去するための還元ガスとしての水素を発生させるものである。従ってポンプセルの温度と酸素を除去するために発生させる水素の生成とは強い相関関係があるため、除去用電圧印加を終了する終了タイミングをより適切に設定することができる。

素子温パラメータは、排出ガスセンサを構成するセルであって、第１セルであるポンプセルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる測定対象成分を検出するための第２セルであるセンサセル及び／又はモニタセルの素子温度を示すものであって、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスであることも好ましい。

還元ガスとしての水素が発生しても、還元対象である第２セルとしてのセンサセル及び／又はモニタセルが昇温されていなければ、還元反応が起こらない。そこで、センサセル及び／又はモニタセルの素子温度に基づいて除去用電圧印加を終了する終了タイミングを決定することで、センサセル及び／又はモニタセルの還元状態に対応した早期活性制御の実行が可能となる。

素子温パラメータは、第１セルであるポンプセルの素子温度を示すものであると共に、であるポンプセルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる測定対象成分を検出するための第２セルであるセンサセル及び／又はモニタセルの素子温度を示すものであって、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスであることも好ましい。

還元ガスとしての水素を発生させる第１セルであるポンプセルの昇温状態と、還元対象である第２セルであるポンプセルの昇温状態との双方の昇温状態を確認することができるので、より確実且つ適切に終了タイミングを設定することができる。

終了判定部４０６ｃは、素子温パラメータが所定温度を示す値に到達してから所定時間経過をもって、電圧印加部４０６ａによる除去用電圧の印加の終了タイミングであると判定することができる。

所定温度を第１セルであるポンプセルが水分解可能な温度に設定することで、素子温パラメータが所定温度を示す値に到達したことを確認することにより、ポンプセルにおける水素発生を担保することができる。ポンプセルによって還元ガスである水素が供給されてから、排出ガスセンサの還元対象部位が還元されるまでに必要な時間を所定時間として設定することで、還元対象部位を確実に還元することができる。

終了判定部４０６ｃは、電圧印加部４０６ａが第１セルであるポンプセルに除去用電圧を印加し始めてから素子温パラメータが所定温度を示す値に到達するまでの経過時間に基づいて、所定時間を調整することができる。

電圧印加部４０６ａが除去用電圧を印加し始めてから素子温パラメータが所定温度を示す値に到達するまでの経過時間は、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４の昇温速度を示すものであり、ＮＯｘセンサ２４における還元対象部位の還元容易性を示すものとなる。そこで、素子温パラメータが所定温度を示す値に到達するまでの経過時間に基づいて所定時間を設定することで、除去用電圧を維持する時間を最適化することができる。

終了判定部４０６ｃは、経過時間が短い場合よりも長い場合に、所定時間が長くなるように調整することができる。

電圧印加部４０６ａが除去用電圧を印加し始めてから素子温パラメータが所定温度を示す値に到達するまでの経過時間が長いほど、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４における還元対象部位の還元容易性は低くなるので、除去用電圧を維持する所定時間を長くし、還元対象部位を確実に還元することができる。

環境情報取得部４０６ｄは、ＥＣＵ１０から、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４が配置されている領域における排気ガスの流速及び温度の少なくとも一方を含む環境条件、及び／又は内燃機関の運転条件を取得する部分である。環境情報取得部４０６ｄの機能は、ＥＣＵ１０に実装されていてもよい。環境情報取得部４０６ｄの機能がＥＣＵ１０に実装されている場合、早期活性制御終了タイミング又は必要還元時間の情報を他の制御装置であるＥＣＵ１０から受信する。終了判定部４０６ｃは、環境条件及び／又は運転条件に基づいて、所定時間を調整することができる。

排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４の昇温速度は、環境条件や運転条件によって変動する。そこで、環境条件や運転条件に基づいて所定時間を設定することで、除去用電圧を維持する時間を最適化することができる。

終了判定部４０６ｃは、環境条件に基づいて、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４が配置されている箇所の流速及び温度が、流速が遅く温度が高い場合よりも、流速が速く温度が低い場合に、所定時間が長くなるように調整することができる。

環境条件に対応する流速が遅く温度が高い場合よりも、流速が速く温度が低い場合に、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４における還元対象部位の還元容易性は低くなるので、除去用電圧を維持する所定時間を長くし、還元対象部位を確実に還元することができる。

終了判定部４０６ｃは、運転条件に基づいて、内燃機関の負荷が軽く回転数が低い場合よりも、負荷が重く回転数が高い場合に、所定時間が長くなるように調整することができる。

内燃機関の負荷が軽く回転数が低い場合よりも、負荷が重く回転数が高い場合に、ＮＯｘセンサ２４における還元対象部位の還元容易性は低くなるので、除去用電圧を維持する所定時間を長くし、還元対象部位を確実に還元することができる。

また本実施形態では、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４を構成するセルが全て同じ測定室２４２に配置されている。

排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４を構成するセルが全て同じ測定室２４２に配置されていることで、排出ガスセンサを構成するセンサを別室に配置する場合よりも還元に要する時間が短くなる。

続いて、ＥＣＵ１０及びＳＣＵ４０の動作について、図６に示されるフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１０がセンサ通電条件成立を判断する。センサ通電条件は、排出ガスセンサであるＮＯｘセンサ２４の環境が、乾燥条件を満たしているかどうかで判断される。センサ通電条件が成立していれば、ステップＳ１０２の処理に進み、センサ通電条件が成立していなければ、処理を終了する。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１０からＳＣＵ４０にセンサ駆動許可が送信される。ステップＳ１０２に続くステップＳ１０３では、ＳＣＵ４０がＮＯｘセンサ２４に通電し、センサ駆動が開始される。ステップＳ１０３の処理は、図７の時刻ｔ１のタイミングである。図７の（Ａ）は、ポンプセルに印加される電圧を示している。図７の（Ｂ）は、ポンプセル２４６のアドミタンスを示している。アドミタンスは、ポンプセルに一定周期の交流電圧Δ∨ｐを印加した際に流れる電流ΔＩｐに基づいて算出されるインピーダンスの逆数として算出される。図７の（Ｃ）は、センサセルの検出電流を示している。

ステップＳ１０３に続くステップＳ１０４では、電圧印加部４０６ａが、除去用電圧を印加する。図７の（Ａ）に示されるように、除去用電圧Ｖ２は、通常電圧Ｖ１よりも高く設定されている。

ステップＳ１０４に続くステップＳ１０５では、素子温検出部４０６ｂが、ポンプセルアドミタンスＡｐを検出する。終了判定部４０６ｃは、ポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈを超えているか否かを判断する。ポンプセルアドミタンスＡｐが水素発生アドミタンスＡｈを超えていれば、ステップＳ１０６の処理に進み、ポンプセルアドミタンスＡｐが水素発生アドミタンスＡｈを超えていなければ、ステップＳ１０５の判断を繰り返す。

ステップＳ１０６では、終了判定部４０６ｃが、センサ駆動開始（図７の時刻ｔ１）からポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達する（図７の時刻ｔ２）までの時間を算出する。

ステップＳ１０６に続くステップＳ１０７では、終了判定部４０６ｃが、必要還元時間を算出する。図８に一例として示されているように、センサ駆動開始（図７の時刻ｔ１）からポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達する（図７の時刻ｔ２）までの時間と、必要還元時間とは予め設置された関係にある。終了判定部４０６ｃは、このような関係に基づいて、必要還元時間を算出する。

ステップＳ１０７に続くステップＳ１０８では、終了判定部４０６ｃが、ポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達（図７の時刻ｔ２）してからの経過時間が、必要還元時間（図７の時刻ｔ２から時刻ｔ３）を超えるか否かを判断する。ポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達してからの経過時間が、必要還元時間を超えていれば、ステップＳ１０９の処理に進む。ポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達してからの経過時間が、必要還元時間を超えていなければ、ステップＳ１０８の処理を繰り返す。

ステップＳ１０９では、終了判定部４０６ｃが早期活性制御の終了を判断する。この判断に基づいて、電圧印加部４０６ａは、除去用電圧Ｖ２よりも低い通常電圧Ｖ１を印加する。

図９は、センサセルの温度と、ポンプセルの温度との関係の一例を示すものである。図９に示す例では、ポンプセルが水素生成をする温度に達する時間が、センサセルが還元温度に達する時間よりも遅くなっている。この場合は、上述したように、ポンプセルの温度をモニタして早期活性制御を行うことが好ましい。

一方、センサセルが還元温度に達する時間が、ポンプセルが水素生成温度に達する時間よりも遅ければ、センサセルの温度をモニタして早期活性制御を行うことが好ましい。ポンプセル及びセンサセル双方の温度をモニタすれば、双方の温度を相関関係に関係なく取得できるので好ましい態様である。

図１０は、還元時間と活性時間との関係を示している。図１０では、センサ駆動開始からポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達するまでの時間が早い場合、通常の場合、遅い場合を比較した例である。活性時間とは、図１１に示されるように、センサ出力と実際のＮＯｘ濃度が一致するまでの時間である。

センサ駆動開始からポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達するまでの時間が早い場合は、昇温時間が１０秒未満である。センサ駆動開始からポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達するまでの時間が通常の場合は、昇温時間が１０秒以上２０秒未満である。センサ駆動開始からポンプセルアドミタンスＡｐが水素生成アドミタンスＡｈに到達するまでの時間が遅い場合は、昇温時間が２０秒以上である。

昇温時間が短い場合であっても、還元時間としては１秒以上確保することが好ましい。昇温時間が遅い場合であっても、還元時間として５秒以上確保すれば足りる。図７に示されるような関係を用いて、昇温速度に応じた還元時間の確保を行うことも好ましい。

図１２は、排気ガス温度と排気ガス流速との関係の一例を示している。排気ガス温度が低く排気ガス流速が早ければ、昇温は遅くなるので、還元時間を比較的長く確保する必要がある。一方、排気ガス温度が高く排気ガス流速が遅ければ、昇温は早くなるので、還元時間を比較的短く確保すれば足りる。

図１３は、内燃機関に掛かる負荷と内燃機関の回転数との関係の一例を示している。回転数が低く負荷が軽ければ、昇温は早くなるので、還元時間を比較的短く確保すれば足りる。一方、回転数が高く負荷が重ければ、昇温は遅くなるので、還元時間を比較的長く確保する必要がある。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

電圧印加部：４０６ａ
素子温検出部：４０６ｂ
終了判定部：４０６ｃ

Claims (10)

1. 排出ガスセンサの制御装置であって、
   前記排出ガスセンサを構成するセルであって、内燃機関から排出される排気ガスから酸素を除去するための第１セルに対し、酸素を除去するための通常電圧及び前記通常電圧よりも高く且つ水を電気分解して水素を発生させることができる除去用電圧を選択的に印加する電圧印加部（４０６ａ）と、
   前記排出ガスセンサを構成するセルの温度を示す素子温パラメータを検出する素子温検出部（４０６ｂ）と、
   前記素子温パラメータに基づいて、前記電圧印加部によって前記除去用電圧を印加することを終了させる終了タイミングを決定する終了判定部（４０６ｃ）と、を備え、
   前記終了判定部は、前記素子温パラメータが所定温度を示す値に到達してから所定時間経過をもって、前記電圧印加部による前記除去用電圧の印加の終了タイミングであると判定する、制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記素子温パラメータは、前記第１セルの素子温度を示すものであって、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスである、制御装置。
3. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記素子温パラメータは、前記排出ガスセンサを構成するセルであって、前記第１セルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる測定対象成分を検出するための第２セルの素子温度を示すものであって、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスである、制御装置。
4. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記素子温パラメータは、前記第１セルの素子温度を示すものであると共に、前記第１セルの作動により酸素が除去された測定対象ガスに含まれる測定対象成分を検出するための第２セルの素子温度を示すものであって、交流電圧印加時のアドミタンス又はインピーダンスである、制御装置。
5. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記終了判定部は、前記電圧印加部が前記第１セルに前記除去用電圧を印加し始めてから前記素子温パラメータが前記所定温度を示す値に到達するまでの経過時間に基づいて、前記所定時間を調整する、制御装置。
6. 請求項５に記載の制御装置であって、
   前記終了判定部は、前記経過時間が短い場合よりも長い場合に、前記所定時間が長くなるように調整する、制御装置。
7. 請求項１に記載の制御装置であって、
   更に、前記排出ガスセンサが配置されている領域における排気ガスの流速及び温度の少なくとも一方を含む環境条件、及び／又は前記内燃機関の運転条件を、他の制御装置から取得する環境情報取得部（４０６ｄ）を備え、
   前記終了判定部は、前記環境条件及び／又は前記運転条件に基づいて、前記所定時間を調整する、制御装置。
8. 請求項７に記載の制御装置であって、
   前記終了判定部は、前記環境条件に基づいて、前記排出ガスセンサが配置されている箇所の流速及び温度が、流速が遅く温度が高い場合よりも、流速が速く温度が低い場合に、前記所定時間が長くなるように調整する、制御装置。
9. 請求項７に記載の制御装置であって、
   前記終了判定部は、前記運転条件に基づいて、内燃機関の負荷が軽く回転数が低い場合よりも、負荷が重く回転数が高い場合に、前記所定時間が長くなるように調整する、制御装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の制御装置であって、
    前記排出ガスセンサを構成するセルが全て同じ測定室に配置されている、制御装置。

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