JP2018162740A - ＮＯｘセンサの異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化装置の作動状況に依らずに異常検出を行うことの可能なＮＯｘセンサの異常検出装置を提供する。【解決手段】ＮＯｘセンサの異常検出装置は、排気が導入される測定室から酸素を排出する排出機能を有するポンプセルと、測定室内のＮＯｘを窒素と酸素とに分解する分解機能及び測定室内の酸素濃度を検出する検出機能を有するセンサセルとを含み、ポンプセルの排出機能を発揮させている状態でセンサセルによって検出した酸素濃度の検出値を排気のＮＯｘ濃度に対応した信号として出力するＮＯｘセンサ４０に適用される。この異常検出装置は、低下処理実行部６６によってポンプセルの排出機能を低下させる低下処理が開始された後に信号受信部６５に入力されたセンサセルの検出値に基づいて異常判定部７２がＮＯｘセンサ４０の異常判定を行う異常検出制御を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯｘセンサの異常検出装置に関する。

特許文献１に記載の内燃機関の排気通路には、排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）を還元する排気浄化装置が設けられている。排気浄化装置は、排気に尿素水を供給する尿素水供給弁と、尿素水供給弁から噴射された尿素水を還元剤としてＮＯｘを還元する尿素ＳＣＲ（選択触媒還元：Selective Catalytic Reduction）触媒とを有している。排気通路における排気浄化装置よりも排気上流側には第１ＮＯｘセンサが設けられており、排気浄化装置よりも排気下流側には第２ＮＯｘセンサが設けられている。各ＮＯｘセンサは、排気のＮＯｘ濃度を検出する。尿素水供給弁からの尿素水の噴射量は、各ＮＯｘセンサの検出値に基づいて設定される。

特許文献１に記載のＮＯｘセンサの異常検出装置は、第２ＮＯｘセンサの異常を検出する。尿素ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの還元が行われていないときには、第１ＮＯｘセンサ及び第２ＮＯｘセンサを通過する排気のＮＯｘ濃度は近しい値になる。この異常検出装置では、尿素ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニアが消費され、且つ尿素水供給弁からの尿素水の噴射を停止しているときであって、尿素ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの還元が行われていないときの第１ＮＯｘセンサ及び第２ＮＯｘセンサの出力信号に基づいて異常検出を行う。

特開２０１５‐１２０６号公報

上記特許文献１に記載のＮＯｘセンサの異常検出装置では、尿素ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの還元が行われていないときの第１ＮＯｘセンサ及び第２ＮＯｘセンサの出力信号に基づいて第２ＮＯｘセンサの異常を検出している。そのため、各ＮＯｘセンサの間に配置されている排気浄化装置の機能を停止させずに異常検出を行うことが困難である。ＮＯｘセンサの異常検出装置においては、排気浄化装置の作動状況に依らずに異常検出を行えることが望ましい。

上記課題を解決するためのＮＯｘセンサの異常検出装置は、内燃機関の排気通路に配設されて排気が導入される測定室を有し、該測定室から酸素を排出する排出機能を有するポンプセルと、前記測定室内のＮＯｘを窒素と酸素とに分解する分解機能及び前記測定室内の酸素濃度を検出する検出機能を有するセンサセルとを含み、前記ポンプセルの排出機能を発揮させている状態で前記センサセルによって検出した酸素濃度の検出値を排気のＮＯｘ濃度に対応した信号として出力するＮＯｘセンサに適用され、前記センサセルの検出値が入力される信号受信部と、前記ポンプセルの排出機能を低下させる低下処理を実行する低下処理実行部と、前記ＮＯｘセンサの異常判定を行う異常判定部とを有し、前記低下処理実行部によって前記低下処理が開始された後に前記信号受信部に入力された前記センサセルの検出値に基づいて前記異常判定部が前記ＮＯｘセンサの異常判定を行う異常検出制御を実行する。

排気には燃焼時の余剰酸素やＮＯｘが含まれている。ＮＯｘセンサは、測定室に導入された排気に含まれている余剰酸素をポンプセルによって測定室から排出しつつ、排気に含まれているＮＯｘを分解して生成した酸素をセンサセルによって検出することで排気のＮＯｘ濃度を検出する。

上記構成では、異常検出を行う際に低下処理実行部によって低下処理を実行し、ポンプセルの排出機能を低下させる。これにより、測定室は排気に含まれている上記余剰酸素が排出されずに残存した状態となる。センサセルは、酸素濃度を検出する機能を有していることから、ポンプセルの排出機能が低下すると、測定室内の上記余剰酸素と、ＮＯｘを分解して生成した酸素との合計の酸素濃度を検出する。一方で、センサセルの検出機能に異常が生じている場合、その合計の酸素濃度に匹敵する酸素濃度を検出することができない。つまり、低下処理が開始されてポンプセルの排出機能が低下し、測定室に余剰酸素が残存している状況では、酸素濃度を検出できる正常時におけるセンサセルの検出値と、酸素濃度を検出できない異常時におけるセンサセルの検出値との差が大きくなる。上記構成によれば、こうしたＮＯｘセンサの特性を利用して、該ＮＯｘセンサの異常判定を行う。そのため、排気浄化装置の作動状況に依らずに異常検出を行うことが可能になる。

また、上記ＮＯｘセンサの異常検出装置では、前記低下処理開始後の所定の積算期間において、前記信号受信部に入力された前記センサセルの検出値を積算する積算値算出部を有し、前記異常判定部は、前記積算値算出部によって算出された積算値が判定値以下であるときに前記ＮＯｘセンサが異常であると判定することが望ましい。

上記構成では、低下処理開始後の所定の積算期間においてセンサセルの検出値を積算し、この積算値を用いて異常判定部はＮＯｘセンサの異常を判定する。そのため、正常であるにも拘わらず何らかの要因によって一時的にセンサセルの検出値が低くなったとしても異常検出に対する影響は限定的となる。したがって、ＮＯｘセンサの異常検出の精度を高めることができる。

また、上記ＮＯｘセンサの異常検出装置では、前記内燃機関がアイドル運転中か否かを判定するアイドル判定部を有し、前記アイドル判定部によって前記内燃機関がアイドル運転中であると判定されているときに前記異常検出制御を実行することが望ましい。

排気の流量が安定している内燃機関のアイドル運転中は、測定室に流入する排気の流量も安定するため、センサセルの検出値の変動が少ない。上記構成によれば、センサセルの検出値が安定しているときにＮＯｘセンサの異常検出を行うことができるため、センサセルの検出値に基づいた異常検出の精度を高めることにも貢献できる。

ＮＯｘセンサの異常検出装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図。 ＮＯｘセンサの構成を模式的に示す断面図。 異常検出制御に係る一連の処理の流れを示すフローチャート。 （ａ）〜（ｇ）は、異常検出制御における異常判定態様を示すタイミングチャート。 ＮＯｘセンサの異常検出装置の第２実施形態における制御装置の機能ブロック図。 異常検出制御に係る一連の処理の流れを示すフローチャート。 ＮＯｘセンサの異常検出装置の第３実施形態における異常検出制御に係る一連の処理の流れを示すフローチャート。

（第１実施形態）
ＮＯｘセンサの異常検出装置の第１実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。なお、本実施形態は、内燃機関としてのディーゼルエンジンの排気通路に設けられているＮＯｘセンサを対象としている。

図１に示すように、内燃機関の機関本体１０には、燃焼室１０Ａが設けられている。機関本体１０には、排気通路２０が連結されている。排気通路２０には、燃焼室１０Ａから排気が排出される。排気通路２０は、機関本体１０に連結されている第１排気管２１と、第１排気管２１に連結されている第１触媒コンバータ２２とを有している。第１触媒コンバータ２２の内部には、第１排気管２１側（図１の左側）から順に、酸化触媒３０とＰＭフィルタ３１とが配置されている。

酸化触媒３０は、排気に含まれている炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して、水や二酸化炭素を生成する。ＰＭフィルタ３１は、排気に含まれている粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集する。第１触媒コンバータ２２には、その排気下流側の端部に第２排気管２３が連結されている。第２排気管２３には、排気に尿素水を供給する尿素水供給弁３２が設けられている。尿素水供給弁３２には、尿素水供給通路３３の一端が連結されている。尿素水供給通路３３の他端は、尿素水ポンプ３４に連結されている。尿素水ポンプ３４は尿素水タンク３５に連結されている。尿素水タンク３５に貯留されている尿素水は、尿素水ポンプ３４により汲み出され、尿素水供給通路３３を通じて尿素水供給弁３２に供給される。第２排気管２３には、その排気下流側の端部に第２触媒コンバータ２４が連結されている。第２触媒コンバータ２４には、第２排気管２３側（図１の左側）から順に、尿素ＳＣＲ触媒３６と、アンモニアスリップ触媒３７とが配置されている。

尿素ＳＣＲ触媒３６は、尿素水供給弁３２から噴射された尿素水を還元剤として排気に含まれているＮＯｘを還元する。すなわち、尿素水供給弁３２から噴射された尿素水は、熱分解されてアンモニアを生成する。尿素ＳＣＲ触媒３６は、ＮＯｘをアンモニアによって還元して窒素と水を生成する。尿素水供給弁３２から供給される尿素水が、排気に含まれているＮＯｘに対して余剰になると、アンモニアが尿素ＳＣＲ触媒３６を通過して排気下流側、すなわちアンモニアスリップ触媒３７側に流れることもある。アンモニアスリップ触媒３７では、こうして尿素ＳＣＲ触媒３６を通過したアンモニアを酸化して窒素と水とを生成する。第２触媒コンバータ２４には、その排気下流側の端部に第３排気管２５が連結されている。第３排気管２５には、排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ４０が設けられている。

図２に示すように、ＮＯｘセンサ４０は、互いに対向して配置された一対の固体電解質体４１を有している。固体電解質体４１は板状に形成されていて、互いに対向する対向面４１Ａを有している。固体電解質体４１は、例えば二酸化ジルコニウム等の酸素イオン伝導性の固体電解質材料によって構成されている。一対の固体電解質体４１における一端部（図２の左端部）には、一対の対向面４１Ａによって挟まれた拡散抵抗体４２が配置されている。拡散抵抗体４２は、例えば多孔質材料からなり、通過する排気の流速を制限する。一対の固体電解質体４１における他端部（図２の右端部）には、一対の対向面４１Ａによって挟まれた壁体４３が配置されている。壁体４３は、例えばアルミナなどの絶縁体からなる。

一対の固体電解質体４１のうち一方（図２の上方）には、第１保持体４５が連結されている。第１保持体４５は、例えばアルミナなどの絶縁体によって構成されている。第１保持体４５は、固体電解質体４１における対向面４１Ａとは反対側の裏面４１Ｂ（図２の上面）に連結されている当接部４６を有している。当接部４６は、固体電解質体４１の一端（図２の左端）から他端側に延びている。当接部４６には、離間部４７が連結されている。離間部４７は、固体電解質体４１とは離間して配置されている。離間部４７は、当接部４６から固体電解質体４１の他端と同じ位置まで延びている。

一対の固体電解質体４１のうち他方（図２の下方）には、第２保持体４９が連結されている。第２保持体４９は、例えばアルミナなどの絶縁体によって構成されている。第２保持体４９は、固体電解質体４１における対向面４１Ａとは反対側の裏面４１Ｂ（図２の下面）に対向して配置されている対向部５０を有している。対向部５０は、固体電解質体４１から離間して配置されている。対向部５０における一端部（図２の左端部）には、固体電解質体４１側に延びている連結部５１が連結されている。連結部５１は、固体電解質体４１に連結されている。第２保持体４９の対向部５０には、ヒータ５３が埋設されている。ヒータ５３は、印加される電圧に応じて発熱量が変化する。

ＮＯｘセンサ４０は、一対の固体電解質体４１、拡散抵抗体４２、壁体４３、第１保持体４５、及び第２保持体４９を所定方向（図２の奥行き方向）において挟む一対の側壁５８を有している。側壁５８には、一対の固体電解質体４１、拡散抵抗体４２、壁体４３、第１保持体４５、及び第２保持体４９の上記所定方向における端部がそれぞれ連結されている。

そのため、ＮＯｘセンサ４０には、一対の固体電解質体４１、拡散抵抗体４２、壁体４３、及び一対の側壁５８によって測定室４４が構成されている。また、第１保持体４５、一方の固体電解質体４１、及び一対の側壁５８によって、第１排出室４８が構成されている。第１排出室４８は、固体電解質体４１における上記他端側（図２の右側）が開口している。また、第２保持体４９、他方の固体電解質体４１、及び一対の側壁５８によって第２排出室５２が構成されている。第２排出室５２は、固体電解質体４１における上記他端側（図２の右側）が開口している。図２に矢印で示すように、測定室４４には、拡散抵抗体４２を通じて排気が導入される。

ＮＯｘセンサ４０には、測定室４４から第２排出室５２に酸素を排出する排出機能を有するポンプセル５５が設けられている。ポンプセル５５は、拡散抵抗体４２側（図２の左側）に配置されていて、測定室４４に配置されているポンプ陰極電極５５Ａと、第２排出室５２に配置されているポンプ陽極電極５５Ｂとからなる。ポンプ陰極電極５５Ａ及びポンプ陽極電極５５Ｂは、例えばＡｕ−Ｐｔ合金（金−白金合金）などのＮＯｘを還元する性質を有しない貴金属によって構成されている。ポンプ陰極電極５５Ａは、他方の固体電解質体４１の対向面４１Ａに固定されており、ポンプ陽極電極５５Ｂは、該固体電解質体４１の裏面４１Ｂに固定されている。

ポンプセル５５において、ポンプ陰極電極５５Ａとポンプ陽極電極５５Ｂとの間に電圧が印加されている状態では、測定室４４内の排気に含まれる酸素がポンプ陰極電極５５Ａに接触して酸素イオンとなる。酸素イオンは、ポンプ陰極電極５５Ａから固体電解質体４１を通じてポンプ陽極電極５５Ｂに移動し、ポンプ陽極電極５５Ｂにおいて電荷を放出することで酸素となり第２排出室５２に排出される。排出された酸素は、第２排出室５２の開口から排気に戻される。このように、ポンプセル５５では、ポンプ陰極電極５５Ａとポンプ陽極電極５５Ｂとの間に電圧が印加されることで、測定室４４から酸素を排出する排出機能を発揮する。なお、ポンプセル５５では、ポンプ陰極電極５５Ａとポンプ陽極電極５５Ｂとの間に印加される電圧が高くなるほど、単位時間あたりに測定室４４から排出される酸素量が増大する。

ＮＯｘセンサ４０には、測定室４４内のＮＯｘを窒素と酸素とに分解する分解機能と、測定室４４内の酸素濃度を検出する検出機能とを有するセンサセル５６も設けられている。センサセル５６は、拡散抵抗体４２側とは反対の壁体４３側（図２の右側）に配置されていて、測定室４４に配置されているセンサ陰極電極５６Ａと、第１排出室４８に配置されているセンサ陽極電極５６Ｂとからなる。センサ陰極電極５６Ａは、一方の固体電解質体４１の対向面４１Ａに固定されており、センサ陽極電極５６Ｂは、該固体電解質体４１の裏面４１Ｂに固定されている。センサ陰極電極５６Ａ及びセンサ陽極電極５６Ｂは、例えばＰｔ−Ｒｈ合金（白金−ロジウム合金）などの強いＮＯｘ還元性を有する貴金属によって構成されている。そのため、測定室４４内の排気に含まれるＮＯｘは、センサ陰極電極５６Ａに接触すると還元されて、窒素と酸素に分解される。

センサセル５６において、センサ陰極電極５６Ａとセンサ陽極電極５６Ｂとの間に電圧が印加されている状態では、測定室４４内の排気に含まれる酸素がセンサ陰極電極５６Ａに接触して酸素イオンとなる。酸素イオンは、センサ陰極電極５６Ａから固体電解質体４１を通じてセンサ陽極電極５６Ｂに移動し、センサ陽極電極５６Ｂにおいて電荷を放出することで酸素となり第１排出室４８に排出される。排出された酸素は、第１排出室４８の開口から排気に戻される。センサセル５６は、センサ陰極電極５６Ａとセンサ陽極電極５６Ｂとの間に電圧が印加されているときに、センサ陰極電極５６Ａからセンサ陽極電極５６Ｂへ酸素イオンが移動する際に発生する電流を検出値として出力する。この電流値は、移動する酸素イオンの量が多いときほど大きい値となる。すなわち、センサセル５６は、ＮＯｘの還元により発生した酸素と測定室４４に導入された排気に含まれている酸素との合計の酸素濃度を検出する検出機能を有している。

ＮＯｘセンサ４０では、ヒータ５３へ電圧が印加されることによって該ヒータ５３が発熱し、一対の側壁５８及び一対の固体電解質体４１を介してヒータ５３の熱が伝達されることでポンプセル５５及びセンサセル５６が加熱される。また、ポンプセル５５及びセンサセル５６にそれぞれ電圧が印加される。こうしてポンプセル５５及びセンサセル５６が所定の活性温度以上となり、電圧が印加されることで、各セル５５，５６の機能が発揮可能な状態となる。排気には、燃焼時の余剰酸素やＮＯｘが含まれている。ＮＯｘセンサ４０では、測定室４４に導入された排気に含まれている余剰酸素をポンプセル５５によって測定室４４から排出しつつ、排気に含まれているＮＯｘを分解して生成した酸素をセンサセル５６によって排出する。ＮＯｘセンサ４０は、センサセル５６において酸素を排出する際に発生する電流値、すなわち酸素濃度の検出値を排気のＮＯｘ濃度に対応した信号として出力する。

図１に示すように、内燃機関の制御装置６０には、ＮＯｘセンサ４０からの出力信号が入力される。また、図２に示すように、ＮＯｘセンサ４０の各セル５５，５６やヒータ５３には電線５７の一端が連結されていて、該電線５７の他端はそれぞれ制御装置６０に連結されている。制御装置６０は、各セル５５，５６及びヒータ５３に電圧を印加するとともに、ＮＯｘセンサ４０からの出力信号に基づいて尿素水ポンプ３４の駆動量や尿素水供給弁３２における開弁期間を制御する。すなわち、ＮＯｘセンサ４０で検出されるＮＯｘ濃度が極微小となるように、排気に供給される尿素水の量を調節し、第３排気管２５における排気のＮＯｘ濃度を制御する。

図１及び図２に示すように、制御装置６０は、機能部として、ＮＯｘセンサ制御部６１、信号受信部６５、低下処理実行部６６、積算値算出部７０、アイドル判定部７１、異常判定部７２、及び報知部７３を有している。制御装置６０は、ＮＯｘセンサ４０の異常検出を行う異常検出制御を実行する。また、制御装置６０には、内燃機関の回転速度を検出する回転速度センサ８０や、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ８１からの出力信号なども入力される。

ＮＯｘセンサ制御部６１は、ポンプセル５５へ印加される電圧を制御するポンプセル電圧制御部６２と、センサセル５６へ印加される電圧を制御するセンサセル電圧制御部６３と、ヒータ５３へ印加される電圧を制御するヒータ電圧制御部６４とを有している。

信号受信部６５には、センサセル５６の検出値が入力される。低下処理実行部６６は、ポンプセル５５の排出機能を低下させる低下処理を実行する。低下処理実行部６６は、停止部６７と、カウント部６８と、再開部６９とを有している。停止部６７はヒータ電圧制御部６４を制御してＮＯｘセンサ４０のヒータ５３への電圧の印加を停止することで低下処理を開始する。これにより、ポンプセル５５の加熱が停止され、該ポンプセル５５の温度の低下することで排出機能が低下する。カウント部６８は、停止部６７がヒータ５３への電圧の印加を停止させてからの時間をカウントする。再開部６９は、カウント部６８がカウントした時間が所定時間に達すると、ヒータ電圧制御部６４を制御してヒータ５３への電圧の印加を再開して低下処理を終了する。これにより、ポンプセル５５の加熱が再開されて、ポンプセル５５の温度が所定の活性温度以上に維持される。

積算値算出部７０は、低下処理実行部６６における低下処理開始後の所定の積算期間において、信号受信部６５に入力されたセンサセル５６の検出値を積算する。なお、本実施形態の積算値算出部７０は、低下処理実行部６６における低下処理の終了時からセンサセル５６の検出値の積算を開始する。アイドル判定部７１は、回転速度センサ８０やアクセルセンサ８１からの出力信号に基づいて、内燃機関がアイドル運転中か否かを判定する。異常判定部７２は、積算値算出部７０によって算出された積算値が判定値以下であるときにＮＯｘセンサ４０が異常であると判定する。

また、図１に示すように、ＮＯｘセンサ４０の異常検出装置は、報知ランプ８２も有している。報知部７３は、異常判定部７２によってＮＯｘセンサ４０の異常が判定されると、報知ランプ８２を点灯して、異常を報知する。このように、ＮＯｘセンサ４０の異常検出装置は、制御装置６０、及び回転速度センサ８０、アクセルセンサ８１、及び報知ランプ８２を含んで構成されている。

次に、図３のフローチャートを参照して、制御装置６０が実行する異常検出制御に係る一連の処理の流れについて説明する。この一連の処理は、所定周期毎に繰り返し実行される。

図３に示すように、制御装置６０は、この一連の処理を実行すると、まずアイドル判定部７１が内燃機関の運転状態がアイドル運転中であるか否かを判定する（ステップＳ３００）。そして、内燃機関がアイドル運転中である場合には（ステップＳ３００：ＹＥＳ）、ステップＳ３０１の処理に移行して異常検出制御を実行する。異常検出制御では、まず低下処理実行部６６によって低下処理を実行する。すなわち、ステップＳ３０１の処理において、停止部６７がヒータ電圧制御部６４を制御してＮＯｘセンサ４０のヒータ５３への電圧の印加を停止することで低下処理を開始する。このようにヒータ５３への電圧の印加が停止すると、ＮＯｘセンサ４０のポンプセル５５及びセンサセル５６の温度が低下し、それらの機能が徐々に低下する。そして、カウント部６８がヒータ５３への電圧の印加を停止させてからの時間をカウントする。

その後、ステップＳ３０２の処理に移行して、カウント部６８によってカウントされている経過時間Ｔｃが所定時間Ｔｋに達したか否かを判定する。ステップＳ３０２の処理において、経過時間Ｔｃが所定時間Ｔｋに達していないと判定した場合（ステップＳ３０２：ＮＯ）には、以降の処理に進まずに、ステップＳ３０２の処理を繰り返す。その後、時間の経過に伴い経過時間Ｔｃが所定時間Ｔｋに達すると、ステップＳ３０２の処理において肯定判定となり（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、再開部６９がヒータ電圧制御部６４を制御してヒータ５３への電圧の印加を再開する（ステップＳ３０３）。なお、上記所定時間Ｔｋとしては、ポンプセル５５の排出機能が低下し、その状態が特定時間継続するまでの時間が設定されており、これにより、測定室４４の酸素濃度が、排気とほぼ等しい濃度まで上昇する。こうして低下処理を実行すると、積算値算出部７０が、低下処理実行部６６における低下処理の終了時、すなわち再開部６９によるヒータ５３への電圧印加の再開時からの所定の積算期間において、信号受信部６５に入力されたセンサセル５６の検出値を積算する（ステップＳ３０４）。本実施形態では、積算期間として、ヒータ５３への電圧の印加を再開してから、ポンプセル５５の排出機能が発揮され、測定室４４に導入された排気の余剰酸素が第２排出室５２にほとんど排出されるまでの期間であって、且つセンサセル５６の検出機能が発揮された状態がある時間継続するまでの期間を設定している。この積算期間も、上記所定時間Ｔｋと同様に予め実験などによって求めることができる。

その後、ステップＳ３０５の処理に移行して、異常判定部７２が、算出された積算値が判定値以下であるか否かを判定する。低下処理実行部６６によって低下処理を実行し、ポンプセル５５の排出機能を低下させると、測定室４４は排気に含まれている余剰酸素が排出されずに残存した状態となる。センサセル５６は、酸素濃度を検出する検出機能を有していることから、ポンプセル５５の排出機能が低下すると、測定室４４内の上記余剰酸素と、ＮＯｘを分解して生成した酸素との合計の酸素濃度を検出する。そのため、センサセル５６の検出機能が正常であれば、上記積算値は大きくなる。一方で、センサセル５６の検出機能に異常が生じている場合、測定室４４内の酸素濃度を検出することができなくなる。そのため、上記積算値は低い値となる。本実施形態では、判定値として、例えばセンサセル５６が異常であるときに想定される積算値のうちで最大となる値を設定している。判定値は、予め実験などによって求めることができる。したがって、ステップＳ３０５の処理において肯定判定された場合（ステップＳ３０５：ＹＥＳ）、すなわち積算値が判定値以下である場合には、ＮＯｘセンサ４０が異常であると判定し、ステップＳ３０６の処理に移行して報知部７３が報知ランプ８２を点灯させる。その後、この異常検出制御に係る一連の処理を終了する。一方で、ステップＳ３０５の処理において否定判定された場合（ステップＳ３０５：ＮＯ）、すなわち積算値が判定値を超えている場合には、ＮＯｘセンサ４０が正常であるため、ステップＳ３０６の処理に移行せずにこの異常検出制御に係る一連の処理を終了する。

また、ステップＳ３００の処理において、内燃機関の運転状態がアイドル運転中ではないと判定した場合には（ステップＳ３００：ＮＯ）、以降の処理を行わずにこの異常検出制御に係る一連の処理を終了する。

次に、異常検出制御による異常判定態様について図４のタイミングチャートを参照して説明する。
図４（ａ）に示すように、制御装置６０は、異常検出制御に係る一連の処理の実行タイミングにおいて、内燃機関の運転状態がアイドル中となっているときに異常検出制御を実行する（タイミングｔ１）。異常検出制御が実行されると、図４（ｂ）に示すように、低下処理によってヒータ５３への電圧の印加が停止する。ヒータ５３への電圧の印加が停止されると、図４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ポンプセル５５及びセンサセル５６の機能が徐々に低下する。

図４（ｅ）に実線で示すように、センサセル５６の検出値は、異常判定制御の開始前（タイミングｔ１以前）では、検出した排気のＮＯｘ濃度に対応した値となる。内燃機関の運転中では、尿素ＳＣＲ触媒３６によってＮＯｘが還元されていることから、排気のＮＯｘ濃度が低い。そのため、図４（ｅ）に実線で示すセンサセル５６が正常であるときのセンサセル５６の検出値と、図４（ｅ）に一点鎖線で示すセンサセル５６が異常であるときのセンサセル５６の検出値との差は小さい。また、タイミングｔ１において低下処理が開始されると、センサセル５６の機能が低下するため、センサセル５６が正常であるときの検出値とセンサセル５６が異常であるときの検出値との差も小さくなる。

その後、図４（ｂ）に示すように、ヒータ５３への電圧の印加が停止してから所定時間Ｔｋが経過したタイミングｔ２、すなわち、ヒータ５３への電圧の印加が停止することでポンプセル５５の機能が低下し、その状態が特定時間継続した状況になったタイミングｔ２において、ヒータ５３への電圧の印加が再開される。これにより、図４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ポンプセル５５及びセンサセル５６の機能が徐々に回復する。この状態ではＮＯｘセンサ４０の測定室４４に余剰酸素が残存していることから、図４（ｅ）に実線で示すように、センサセル５６が正常であるときには、その検出機能の回復に伴って、測定室４４内の余剰酸素と、ＮＯｘを分解して生成した酸素との合計の酸素濃度が検出されることとなり、検出値が増大する。これにより、図４（ｆ）に実線で示すように、タイミングｔ２以降、センサセル５６の検出値の積算値が増大する。そのため、センサセル５６の検出値を積算している積算期間が経過したタイミングｔ３において、センサセル５６が正常であるときの積算値は判定値を超える。そのため、図４（ｇ）に実線で示すように、タイミングｔ３において報知ランプ８２は点灯されない。

一方で、図４（ｅ）に一点鎖線で示すように、センサセル５６が異常であるときには、タイミングｔ２以降でＮＯｘセンサ４０の測定室４４に余剰酸素が残存している状態であっても、センサセル５６は酸素濃度を充分に検出できないため、正常時に比して検出値が増大しない。そのため、図４（ｆ）に一点鎖線で示すように、タイミングｔ２以降、センサセル５６の検出値の積算値の上昇は緩やかになる。そのため、センサセル５６の検出値を積算している積算期間が経過したタイミングｔ３において、センサセル５６が異常であるときの積算値は判定値以下となる。そして、タイミングｔ３において、センサセル５６の検出値の積算値が判定値以下であると判定されると、図４（ｇ）に一点鎖線で示すように、報知ランプ８２が点灯される。

本実施形態の作用効果について説明する。
（１）本実施形態では、異常検出を行う際に低下処理実行部６６によって低下処理を実行し、ポンプセル５５の排出機能を低下させる。これにより、測定室４４は排気に含まれている余剰酸素が排出されずに残存した状態となる。このように、測定室４４に余剰酸素が残存している状況では、酸素濃度を検出できる正常時におけるセンサセル５６の検出値と、酸素濃度を検出できない異常時におけるセンサセル５６の検出値との差が大きくなる。したがって、こうしたＮＯｘセンサ４０の特性を利用して、該ＮＯｘセンサ４０の異常判定を行うことで、尿素水供給弁３２や尿素ＳＣＲ触媒３６などの排気浄化装置の作動状況に依らずに異常検出を行うことが可能になる。

（２）本実施形態では、低下処理開始後の所定の積算期間においてセンサセル５６の検出値を積算し、この積算値を用いて異常判定部はＮＯｘセンサ４０の異常を判定する。そのため、正常であるにも拘わらず何らかの要因によって一時的にセンサセル５６の検出値が低くなったとしても異常検出に対する影響は限定的となる。したがって、ＮＯｘセンサ４０の異常検出の精度を高めることができる。

（３）排気の流量が安定している内燃機関のアイドル運転中は、測定室４４に流入する排気の流量も安定するため、センサセル５６の検出値の変動が少ない。本実施形態では、内燃機関がアイドル運転中であると判定されているときに異常検出制御を実行し、センサセル５６の検出値が安定しているときにＮＯｘセンサ４０の異常検出を行っていることから、センサセル５６の検出値に基づいた異常検出の精度を高めることにも貢献できる。

また、アイドル運転中は、排気のＮＯｘ濃度が安定している。そのため、ＮＯｘセンサ４０の異常検出制御の実行によりセンサセル５６の機能が低下しても、異常検出制御の開始前にＮＯｘセンサ４０によって検出したＮＯｘ濃度を用いて尿素水供給弁３２や尿素水ポンプ３４を制御することで、排気に含まれているＮＯｘを適切に還元することも可能になる。

（第２実施形態）
ＮＯｘセンサの異常検出装置の第２実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。本実施形態では、ＮＯｘセンサの異常検出装置が実行する異常判定制御において、低下処理実行部が実行する低下処理の内容が第１実施形態と異なっている。以下では、第１実施形態と同様の構成については、共通の符号を付してその説明は省略する。

図５に示すように、制御装置６０は、機能部として、ＮＯｘセンサ制御部６１、信号受信部６５、低下処理実行部９０、積算値算出部７０、アイドル判定部７１、異常判定部７２、及び報知部７３を有している。

低下処理実行部９０は、ポンプセル５５の排出機能を低下させる低下処理を実行する。低下処理実行部９０は、停止部９１と、カウント部９２と、再開部９３とを有している。停止部９１は、ポンプセル電圧制御部６２を制御してポンプセル５５への電圧の印加を停止する。カウント部９２は、停止部９１がポンプセル５５への電圧の印加を停止させてからの時間をカウントする。再開部９３は、カウント部９２がカウントした時間が所定時間に達すると、ポンプセル電圧制御部６２を制御してポンプセル５５への電圧の印加を再開する。

次に、図６のフローチャートを参照して、制御装置６０が実行する異常検出制御に係る一連の処理の流れについて説明する。この一連の処理は、所定周期毎に繰り返し実行される。

図６に示すように、制御装置６０は、この一連の処理を実行すると、まずアイドル判定部７１が内燃機関の運転状態がアイドル運転中であるか否かを判定する（ステップＳ６００）。そして、内燃機関がアイドル運転中である場合には（ステップＳ６００：ＹＥＳ）、ステップＳ６０１の処理に移行して異常検出制御を実行する。異常検出制御では、まず低下処理実行部９０によって低下処理を実行する。すなわち、ステップＳ６０１の処理において、停止部９１がポンプセル電圧制御部６２を制御してＮＯｘセンサ４０のポンプセル５５への電圧の印加を停止することで低下処理を開始する。このようにポンプセル５５への電圧の印加を停止させることで、ＮＯｘセンサ４０のセンサセル５６の機能は維持したまま、ポンプセル５５の機能を停止させる。そして、カウント部９２がポンプセル５５への電圧の印加を停止させてからの時間をカウントする。

その後、ステップＳ６０２の処理に移行して、カウント部６８によってカウントされている経過時間Ｔｃが所定時間Ｔｋに達したか否かを判定する。ステップＳ６０２の処理において、経過時間Ｔｃが所定時間Ｔｋに達していないと判定した場合（ステップＳ６０２：ＮＯ）には、以降の処理に進まずに、ステップＳ６０２の処理を繰り返す。その後、時間の経過に伴い経過時間Ｔｃが所定時間Ｔｋに達すると、ステップＳ６０２の処理において肯定判定となり（ステップＳ６０２：ＹＥＳ）、再開部９３がポンプセル電圧制御部６２を制御してポンプセル５５への電圧の印加を再開する（ステップＳ６０３）。なお、上記所定時間Ｔｋとしては、ポンプセル５５の排出機能が停止し、その状態が特定時間継続するまでの時間が設定されており、これにより、測定室４４の酸素濃度が、排気とほぼ等しい濃度まで上昇する。こうして、低下処理を実行すると、積算値算出部７０が、低下処理実行部６６における低下処理の終了時、すなわち再開部９３によるポンプセル５５への電圧印加の再開時からの所定の積算期間において、信号受信部６５に入力されたセンサセル５６の検出値を積算する（ステップＳ６０４）。本実施形態では、積算期間として、ポンプセル５５への電圧の印加を開始してから、ポンプセル５５の排出機能が発揮され、測定室４４に導入された排気の余剰酸素が第２排出室５２にほとんど排出されるまでの期間を設定している。この積算期間も、上記所定時間Ｔｋと同様に予め実験などによって求めることができる。

その後、ステップＳ６０５の処理に移行して、異常判定部７２が、算出された積算値が判定値以下であるか否かを判定する。ステップＳ６０５の処理において積算値が判定値以下であると判定した場合（ステップＳ６０５：ＹＥＳ）には、ステップＳ６０６の処理に移行して報知部７３が報知ランプ８２を点灯させる。その後、この異常検出制御に係る一連の処理を終了する。一方で、ステップＳ６０５の処理において積算値が判定値を超えていると判定した場合（ステップＳ６０５：ＮＯ）には、ステップＳ６０６の処理に移行せずにこの異常検出制御に係る一連の処理を終了する。

また、ステップＳ６００の処理において、内燃機関の運転状態がアイドル運転中ではないと判定した場合には（ステップＳ６００：ＮＯ）、以降の処理を行わずにこの異常検出制御に係る一連の処理を終了する。

以上説明した第２実施形態によれば、上記（１）〜（３）の作用効果に加えて以下の作用効果が得られる。
（４）低下処理実行部９０では、低下処理の実行時にポンプセル電圧制御部６２を制御してポンプセル５５の機能を低下させている。そのため、上記第１実施形態のように、ヒータ５３への電圧の印加を停止してポンプセル５５の温度を低下させることで、その排出機能を低下させる場合に比して、直接的にポンプセル５５の排出機能を低下させることができる。これにより、ポンプセル５５のより確実な排出機能の低下を実現できる。

（第３実施形態）
ＮＯｘセンサの異常検出装置の第３実施形態について、図７を参照して説明する。本実施形態では、ＮＯｘセンサの異常検出装置が実行する異常判定制御において、異常判定部におけるＮＯｘセンサの異常判定の方法が第２実施形態と異なっている。以下では、第１実施形態と同様の構成については、共通の符号を付してその説明は省略する。なお、図７に示すフローチャートでは、図６のフローチャートにおけるステップＳ６００の処理からステップＳ６０３の処理までは同じであるため、説明は省略する。

図７に示すように、ステップＳ６０３の処理において、再開部９３がポンプセル電圧制御部６２を制御してポンプセル５５への電圧の印加を再開すると、次に、ステップＳ７０１の処理に移行する。ステップＳ７０１の処理では、信号受信部６５に入力されたセンサセル５６の検出値が判定値以下であるか否かを判定する。上述したように、ステップＳ６０１からステップＳ６０３の処理により低下処理を実行することで、ＮＯｘセンサ４０のセンサセル５６の機能は維持したまま、測定室４４に排気に含まれている余剰酸素が残留した状態にする。そのため、センサセル５６の検出機能が正常であればその検出値は高くなる一方で、センサセル５６の検出機能に異常が生じていればその検出値は低くなる。本実施形態では、判定値として、例えばセンサセル５６が異常時において取り得る検出値の範囲のうちで最大となる値を設定している。この判定値は、予め実験などによって求めることができる。

ステップＳ７０１の処理において肯定判定された場合（ステップＳ７０１：ＹＥＳ）、すなわち検出値が判定値以下である場合には、ＮＯｘセンサ４０が異常であると判定し、ステップＳ７０２の処理に移行して報知部７３が報知ランプ８２を点灯させる。その後、この異常検出制御に係る一連の処理を終了する。

一方で、ステップＳ７０１の処理において否定判定された場合（ステップＳ７０１：ＮＯ）、すなわち検出値が判定値を超えている場合には、ＮＯｘセンサ４０が正常であるため、ステップＳ７０２の処理に移行せずにこの異常検出制御に係る一連の処理を終了する。この構成では、低下処理実行部９０によって低下処理が開始された後に、異常判定部７２が信号受信部６５に入力されたセンサセル５６の検出値を判定値と比較することでＮＯｘセンサ４０の異常判定を行う。そのため、こうした構成であっても、上記（１）及び（３）と同様の作用効果を得ることはできる。

上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。以下の変更例は、互いに適宜組み合わせて実施することも可能である。
・第１実施形態において、第３実施形態と同様に、低下処理実行部６６によって低下処理が開始された後に、異常判定部７２が信号受信部６５に入力されたセンサセル５６の検出値を判定値と比較することでＮＯｘセンサ４０の異常判定を行うようにしてもよい。この場合、低下処理の終了後、センサセル５６の検出機能が回復した状態での検出値を用いて異常判定を行えばよい。なお、こうした構成では、例えば再開部６９がヒータ電圧制御部６４を制御してヒータ５３への電圧の印加を再開した後、検出値を所定期間毎に記憶し、その記憶された検出値の中で最大となる検出値と判定値とを比較することにより異常判定を行うようにしてもよい。

・低下処理実行部９０では、低下処理を開始してポンプセル５５への電圧の印加を停止してから所定時間Ｔｋ経過後にポンプセル５５への電圧の印加を再開したが、ポンプセル５５への電圧の印加を再開するタイミングは適宜変更が可能である。例えば、制御装置６０による異常検出制御に係る一連の処理を終了したタイミングでポンプセル５５への電圧の印加を再開することも可能である。この場合、図６及び図７のフローチャートにおけるステップＳ６０３の処理を省略でき、異常検出制御に係る一連の処理を終了したタイミングで、低下処理も終了することとなる。

・ＮＯｘセンサの異常検出装置では、内燃機関の運転状態がアイドル運転中であるときに異常検出制御を実行するようにしたが、アイドル運転中であるか否かに拘わらず、異常検出制御を実行することも可能である。この場合、図３のフローチャートにおけるステップＳ３００の処理、並びに図６及び図７のフローチャートにおけるステップＳ６００の処理を省略できる。この構成では、異常検出制御に係る一連の処理が実行される所定周期毎に、異常検出制御も実行されることとなる。

・ヒータ５３への電圧の印加を停止する所定時間Ｔｋとして、測定室４４の酸素濃度が、排気とほぼ等しい濃度まで上昇する程度の時間を設定していたが、その設定態様は適宜変更が可能である。要は、測定室４４の酸素濃度を充分な酸素濃度まで上昇させて、積算値算出部７０によって算出される積算値やセンサセル５６の検出値において、センサセル５６が異常であるときと正常であるときとで有意な差が生じる時間を設定すればよい。また、所定時間Ｔｋは予め設定されている時間であってもよいし、異常検出制御の実行毎に設定するようにしてもよい。所定時間Ｔｋを予め設定する場合には、その時間は実験などに基づいたものとなる。また、所定時間Ｔｋを可変設定する場合には、例えば、ＮＯｘセンサ４０にポンプセル５５の温度を測定する温度センサを設ける。そして、ヒータ５３への電圧の印加を停止するときのポンプセル５５の温度及び排気の温度などに応じてポンプセル５５の排出機能が低下するまでの時間を演算し、その演算した時間に特定時間加算した時間を所定時間Ｔｋに設定することもできる。また、温度センサによってポンプセル５５の温度を監視し、ポンプセル５５の温度がその機能がほぼ停止する所定温度以下となったタイミングからその状態が特定時間継続するまでの時間を所定時間Ｔｋに設定することも可能である。

・積算値算出部７０は、低下処理の終了時から積算値の算出を行ったが、低下処理が開始された後であれば、積算値の算出開始のタイミングは適宜変更が可能である。例えば、低下処理が終了してから所定の時間経過後に積算値の算出を開始してもよい。この場合、低下処理が終了してから所定の時間経過してからの所定の期間において積算値が算出される。また、低下処理を開始して、ヒータ５３への電圧の印加を停止（ステップＳ３０１）した後、またはポンプセル５５への電圧の印加を停止（ステップＳ６０１）した後、所定時間Ｔｋの経過を待たずに、積算値算出部７０による積算値の算出を開始してもよい。この場合、低下処理が開始された直後からの所定の期間において積算値を算出することも可能である。

・積算値算出部７０によって検出値を積算する積算期間は、適宜変更が可能である。例えば、ポンプセル５５の排出機能の回復に関係なく、低下処理を開始した後にセンサセル５６の検出機能が回復してから所定時間経過するまでの時間を積算期間として設定することも可能である。また、他の態様としては、例えば、ポンプセル５５の温度を測定する温度センサを設け、停止部６７によって低下処理を開始してからポンプセル５５の温度を監視することでポンプセル５５の温度がその機能がほぼ停止する所定温度以下となったタイミングまでの時間をカウントする。そして、低下処理を終了してから上記時間が経過するまでの期間を積算期間として設定することも可能である。ポンプセル５５の機能低下に係る時間と、センサセル５６の機能回復に係る時間とがほとんど同じである場合には、こうした構成によってポンプセル５５の機能が回復したと想定されるタイミングまでの期間の積算値を算出することができる。

・低下処理では、ヒータ５３への電圧の印加を停止したり、ポンプセル５５への電圧の印加を停止したりしたが、印加電圧を低下処理の実行前に比して低減させることによってポンプセル５５の排出機能を低下させてもよい。

・ＮＯｘセンサ４０の構成は上述したものに限らない。例えば、ＮＯｘ濃度に対応した信号が出力可能であれば、ＮＯｘセンサ４０において、ポンプセル５５を壁体４３側に配置し、センサセル５６を拡散抵抗体４２側に配置してもよい。また、ポンプセル５５及びセンサセル５６が排気の流れ方向において同じ位置、すなわち、ポンプセル５５のポンプ陰極電極５５Ａと、センサセル５６のセンサ陰極電極５６Ａとが対向するように配置することも可能である。

・ＮＯｘセンサの異常検出装置として、ディーゼルエンジンの排気通路に設けられるＮＯｘセンサ４０を対象とした例を説明したが、ガソリンエンジンの排気通路に設けられるＮＯｘセンサを対象とすることも可能である。この場合、内燃機関の停止後に所定時間、制御装置６０への給電状態を維持し、内燃機関の掃気に伴う排気がＮＯｘセンサに流動している状態で異常検出制御を実行する。この構成であっても、排気に多量の酸素が含まれる状態となるため、上記各実施形態と同様の態様によってＮＯｘセンサの異常検出を行うことができる。また、ガソリンエンジンの燃焼状態がリーンになっているときにＮＯｘセンサの異常検出制御を実行するようにしてもよい。

１０…機関本体、１０Ａ…燃焼室、２０…排気通路、２１…第１排気管、２２…第１触媒コンバータ、２３…第２排気管、２４…第２触媒コンバータ、２５…第３排気管、３０…酸化触媒、３１…ＰＭフィルタ、３２…尿素水供給弁、３３…尿素水供給通路、３４…尿素水ポンプ、３５…尿素水タンク、３６…尿素ＳＣＲ触媒、３７…アンモニアスリップ触媒、４０…ＮＯｘセンサ、４１…固体電解質体、４１Ａ…対向面、４１Ｂ…裏面、４２…拡散抵抗体、４３…壁体、４４…測定室、４５…第１保持体、４６…当接部、４７…離間部、４８…第１排出室、４９…第２保持体、５０…対向部、５１…連結部、５２…第２排出室、５３…ヒータ、５５…ポンプセル、５５Ａ…ポンプ陰極電極、５５Ｂ…ポンプ陽極電極、５６…センサセル、５６Ａ…センサ陰極電極、５６Ｂ…センサ陽極電極、５７…電線、５８…側壁、６０…制御装置、６１…ＮＯｘセンサ制御部、６２…ポンプセル電圧制御部、６３…センサセル電圧制御部、６４…ヒータ電圧制御部、６５…信号受信部、６６…低下処理実行部、６７…停止部、６８…カウント部、６９…再開部、７０…積算値算出部、７１…アイドル判定部、７２…異常判定部、７３…報知部、８０…回転速度センサ、８１…アクセルセンサ、８２…報知ランプ、９０…低下処理実行部、９１…停止部、９２…カウント部、９３…再開部。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配設されて排気が導入される測定室を有し、該測定室から酸素を排出する排出機能を有するポンプセルと、前記測定室内のＮＯｘを窒素と酸素とに分解する分解機能及び前記測定室内の酸素濃度を検出する検出機能を有するセンサセルとを含み、前記ポンプセルの排出機能を発揮させている状態で前記センサセルによって検出した酸素濃度の検出値を排気のＮＯｘ濃度に対応した信号として出力するＮＯｘセンサに適用され、
   前記センサセルの検出値が入力される信号受信部と、
   前記ポンプセルの排出機能を低下させる低下処理を実行する低下処理実行部と、
   前記ＮＯｘセンサの異常判定を行う異常判定部とを有し、
   前記低下処理実行部によって前記低下処理が開始された後に前記信号受信部に入力された前記センサセルの検出値に基づいて前記異常判定部が前記ＮＯｘセンサの異常判定を行う異常検出制御を実行するＮＯｘセンサの異常検出装置。
2. 前記低下処理開始後の所定の積算期間において、前記信号受信部に入力された前記センサセルの検出値を積算する積算値算出部を有し、
   前記異常判定部は、前記積算値算出部によって算出された積算値が判定値以下であるときに前記ＮＯｘセンサが異常であると判定する
   請求項１に記載のＮＯｘセンサの異常検出装置。
3. 前記内燃機関がアイドル運転中か否かを判定するアイドル判定部を有し、
   前記アイドル判定部によって前記内燃機関がアイドル運転中であると判定されているときに前記異常検出制御を実行する
   請求項１または２に記載のＮＯｘセンサの異常検出装置。