JP2018131993A - 排気センサの診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エミッションの悪化を抑制しつつ排気センサの応答性を正確に診断することを目的とする。【解決手段】排気センサの診断装置において、燃料カット処理の実行開始から絶対変化率が最大絶対変化率となるまでの期間である第一期間、及び、燃料カット処理の実行中で且つ該燃料カット処理の実行開始から基準期間経過した後の所定期間である第二期間において、燃料添加弁からの燃料添加を禁止する禁止部と、最大絶対変化率を、絶対変化率が該最大絶対変化率となるときの出力信号の値と、第二期間における出力信号の値に基づく出力信号の収束値と、の差分で除算することにより、応答性指標値を算出する算出部と、応答性指標値に基づいて排気センサの応答性を診断する診断部と、を備える。【選択図】図７Ａ

Description

本発明は、排気センサの診断装置に関する。

限界電流式の排気センサ（例えば、空燃比センサやＮＯｘセンサ）では、限界電流値の大きさを検出することによって、空燃比センサにおいては空燃比を、ＮＯｘセンサにおいては排気中のＮＯｘ濃度を知ることができる。

そして、特許文献１には、燃料カット処理の実行中に空燃比センサの出力異常を診断する技術が開示されている。

また、内燃機関の排気浄化触媒の機能を維持するために、排気通路に設けられた燃料添加弁から燃料添加を行う技術が知られている。

特開２０１５−０７５０８２号公報 特開２０１１−１１７４６２号公報 特開２００８−２９１７６１号公報 特開２００３−２１４２４５号公報

燃料カット処理を実行すると排気中の酸素濃度が比較的大きく変動し、且つ該酸素濃度が所定の濃度に収束するため、燃料カット処理の実行中には、排気中の酸素濃度に応じた出力を行う排気センサの出力異常を診断し易くなる。

ここで、限界電流式の排気センサでは、センサの応答性は低下していないものの、センサの出力の変化率が低下することがある（例えば、センサの出力が収束するまでの期間は正常であるものの、限界電流値の大きさが低下した状態がこれに相当する）。したがって、排気センサの出力異常を診断し易い燃料カット処理の実行中であっても、センサの出力の変化率のみに基づいてセンサの応答性を診断すると、センサの応答性が正確に診断されない虞がある。

一方、燃料カット処理の実行中においても、排気浄化触媒の機能を維持するために、排気通路に設けられた燃料添加弁からの燃料添加が行われ得る（燃料カット処理とは、気筒内への燃料の供給を停止する処理を表し、排気通路に設けられた燃料添加弁からの燃料添加は、燃料カット処理にかかわらず実行され得る。）。そして、燃料カット処理の実行中にこのような燃料添加が行われると、排気中の酸素濃度が該燃料添加に応じて変動し得る。この場合、排気浄化触媒の機能は維持できるものの、排気センサの出力異常を診断し難くなる。つまり、この場合、燃料カット処理の実行中であっても、センサの応答性を診断し難くなる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、エミッションの悪化を抑制しつつ排気センサの応答性を正確に診断することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る排気センサの診断装置は、排気中の酸素濃度を検出する検出部であって、排気に曝される排気側電極と大気に曝される大気側電極とにより構成される一対の電極と、排気を前記排気側電極へ導入させるとともに該排気側電極に到達する排気の速度を律速する多孔質の拡散律速層と、を備える検出部と、前記検出部を覆うように設けられるとともに複数の通気孔を有する保護カバーと、を有し、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度に応じた出力信号を出力する排気センサと、前記排気センサよりも上流の前記排気通路に設けられた燃料添加弁と、前記内燃機関の運転中に該内燃機関の気筒内への燃料の供給を停止する燃料カット処理を実行する燃料カット処理手段と、を備えた内燃機関における、排気センサの診断装置であって、前記燃料カット処理の実行開始から該燃料カット処理の実行に伴って変化する前記出力信号が収束するまでの期間を基準期間とし、該基準期間における前記出力信号の変化率の絶対値である絶対変化率の最大値を最大絶対変化率としたとき、前記燃料カット処理の実行開始から該絶対変化率が該最大絶対変化率となるまでの期間である第一期間、及び、前記燃料カット処理の実行中で且つ該燃料カット処理の実行開始から該基準期間経過した後の所定期間である第二期間において、前記燃料添加弁からの燃料添加を禁止する禁止部と、前記排気センサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する算出部であって、前記最大絶対変化率を、前記絶対変化率が該最大絶対変化率となるときの前記出力信号の値と、前記第二期間における前記出力信号の値に基づく前記出力信号の収束値と、の差分で除算することにより、前記応答性指標値を算出する算出部と、前記応答性指標値に基づいて前記排気センサの応答性を診断する診断部と、を備える。

本発明によれば、エミッションの悪化を抑制しつつ排気センサの応答性を正確に診断することができる。

第一の実施形態に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 図１における空燃比センサ付近の模式的な拡大断面図である。 図２におけるＡ−Ａ’線視断面図である。 燃料カット処理が実行されるときの、燃料カット処理実行フラグ、空燃比センサの出力、絶対変化率、および最大絶対変化率の時間推移を示す図である。 燃料添加処理および燃料カット処理が実行されるときの、燃料添加処理実行フラグ、燃料カット処理実行フラグ、および空燃比センサの出力の時間推移を示す図である。 燃料添加処理、燃料カット処理、および燃料添加禁止処理が実行されるときの、燃料添加処理実行フラグ、燃料カット処理実行フラグ、空燃比センサの出力、および最大絶対変化率の時間推移を示す図である。 第一の実施形態に係る排気センサの診断装置において実行される制御フローを示す第一のフローチャートである。 第一の実施形態に係る排気センサの診断装置において実行される制御フローを示す第二のフローチャートである。 第二の実施形態に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 図８におけるＮＯｘセンサ付近の模式的な拡大断面図である。 図９におけるＢ−Ｂ’線視断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（第一の実施形態）
＜内燃機関とその吸排気系の構成＞
図１は、本実施形態に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。ただし、本発明は、ガソリン等を燃料とする火花点火式のリーンバーン内燃機関にも適用することができる。

内燃機関１は、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。なお、内燃機関１が火花点火式の内燃機関である場合は、燃料噴射弁３は、吸気ポートへ燃料を噴射するように構成されてもよい。

内燃機関１は吸気通路４と接続されている。吸気通路４には、エアフローメータ４０およびスロットル弁４１が設けられている。エアフローメータ４０は、吸気通路４内を流れる吸気（空気）の量（質量）に応じた電気信号を出力する。スロットル弁４１は、吸気通路４におけるエアフローメータ４０よりも下流側に配置されている。スロットル弁４１は、吸気通路４内の通路断面積を変更することで、内燃機関１の吸入空気量を調整する。

内燃機関１は排気通路５と接続されている。排気通路５には、排気の流れに従って順に燃料添加弁２、第一空燃比センサ６ａ、酸化触媒５１、第二空燃比センサ６ｂ、選択還元型ＮＯｘ触媒５２（以下、「ＳＣＲ触媒５２」と称する場合もある。）、温度センサ５３、および第三空燃比センサ６ｃが設けられている。ここで、温度センサ５３は、排気の温度に応じた電気信号を出力する。また、第一空燃比センサ６ａ、第二空燃比センサ６ｂ、および第三空燃比センサ６ｃは、排気の空燃比に応じた電気信号を出力し、詳細については後述する。なお、本実施形態においてはこれら空燃比センサが、本発明における排気センサに相当する。

燃料添加弁２は、排気通路５を流れる排気に燃料を添加する。酸化触媒５１は、該触媒に流入するＨＣ、ＣＯ等を酸化する。ＳＣＲ触媒５２は、該触媒に流入するＮＯｘを還元する。詳しくは、図示しない尿素水添加弁により供給された尿素が加水分解されることで生成されたアンモニアがＳＣＲ触媒５２に吸着し、この吸着したアンモニアを還元剤として、排気中のＮＯｘが還元される。ここで、ＳＣＲ触媒５２の温度が、該触媒の活性化温度よりも低下すると、該触媒のＮＯｘ浄化能が低下してしまう。そこで、本実施形態では、ＳＣＲ触媒５２の温度を該触媒の活性化温度よりも高く維持するために、燃料添加弁２からの燃料添加が実行される。詳細については、後述する。

内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上記のエアフローメータ４０、第一空燃比センサ６ａ、第二空燃比センサ６ｂ、第三空燃比センサ６ｃに加え、アクセル開度センサ７、およびクランクポジションセンサ８等の各種センサが電気的に接続されている。アクセル開度センサ７は、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関した電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１の機関出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。そして、これらのセンサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ７の出力信号に基づいて内燃機関１の機関負荷を導出し、クランクポジションセンサ８の出力信号に基づいて内燃機関１の機関回転速度を導出する。また、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ４０の出力値に基づいて、内燃機関１から排出される排気の流量（以下、「排気流量」と称する場合もある。）を推定し、温度センサ５３の出力値に基づいてＳＣＲ触媒５２の温度（以下、「ＳＣＲ触媒温度」と称する場合もある。）を推定する。

また、ＥＣＵ２０には、燃料添加弁２、燃料噴射弁３、およびスロットル弁４１等の各種装置が電気的に接続されている。ＥＣＵ２０によって、これら各種装置が制御される。例えば、ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ７からの出力によりアクセルオフされたことを検出すると、内燃機関１の運転中に燃料噴射弁３からの燃料噴射を停止する、すなわち気筒内への燃料の供給を停止する燃料カット処理を実行する。なお、ＥＣＵ２０が燃料カット処理を実行することで、本発明に係る燃料カット処理手段として機能する。

ここで、上述したように、ＳＣＲ触媒５２の温度を該触媒の活性化温度よりも高く維持するために、燃料添加弁２からの燃料添加が実行される。詳しくは、ＥＣＵ２０は、推定したＳＣＲ触媒温度に基づいて、燃料添加弁２を用いて排気通路５を流れる排気に燃料を添加する。このように燃料添加が行われると、燃料添加弁２よりも下流の排気通路５に設けられた酸化触媒５１に該燃料が流入する。その結果、酸化触媒５１において該燃料が酸化され、それに伴って熱が発生する。そして、発生した熱が、酸化触媒５１よりも下流の排気通路５に設けられたＳＣＲ触媒５２に供給されることで、ＳＣＲ触媒５２の温度が該触媒の活性化温度よりも高く維持される。

なお、ＥＣＵ２０は、燃料カット処理の実行中においても、ＳＣＲ触媒５２の温度を該触媒の活性化温度よりも高く維持するために、燃料添加弁２からの燃料添加を実行し得る。そして、燃料カット処理の実行中にこのような燃料添加が行われると、排気中の酸素濃度が該燃料添加に応じて変動し易くなる。特に、酸化触媒５１後の排気中の酸素濃度が変動し易くなる。なぜなら、上述したように、酸化触媒５１においては燃料が酸化されるため、燃料カット処理の実行中にこのような燃料添加が行われると、酸化触媒５１において燃料の酸化に伴って酸素が消費されるからである。

＜空燃比センサの構造＞
次に、図２および図３に基づいて、第一空燃比センサ６ａ、第二空燃比センサ６ｂ、および第三空燃比センサ６ｃの構造について簡単に説明する。ここで、これら空燃比センサは、その構造が同一であるため、以下のこれら空燃比センサの説明においては単に「空燃比センサ」と称する。図２は、図１における空燃比センサ付近の模式的な拡大断面図である。また、図３は、図２におけるＡ−Ａ’線視断面図である。

図２において、空燃比センサは、後述するセンサ本体１０と、該センサ本体１０を覆う耐熱性のハウジング部材でありその一部が排気通路５に露出している保護カバー９とを含んで構成される。センサ本体１０は保護カバー９に覆われることでその機械的強度が担保される。

そして、図３に示すように保護カバー９の表面には複数の通気孔９ａが形成されており、保護カバー９内外を相互に連通させている。すなわち、空燃比センサは、排気通路５を流通する排気が、保護カバー９の通気孔９ａを通過してセンサ本体１０に到達するように構成されている。なお、図３では、保護カバー９は一重構造となっているが、保護カバー９は通気孔９ａが形成された二重構造であってもよい。

次に、センサ本体１０の概略構成について説明する。センサ本体１０は酸素イオン導電性固体電解質からなるセンサ素子１１を備える。センサ素子１１は例えば酸化ジルコニウム（ジルコニア）によって構成される。そして、センサ素子１１の一方の側面には排気側電極１２が形成され、その他方の側面には大気側電極１３が形成される。これら排気側電極１２および大気側電極１３は、白金など触媒活性の高い金属材料で構成される。このように排気側電極１２および大気側電極１３が形成されることで、センサ素子１１は一対の電極によって挟まれる。

そして、排気側電極１２のセンサ素子１１側の側面とは反対側の側面には、拡散律速層１４が積層されている。この拡散律速層１４は、排気側電極１２と、排気側電極１２が形成されたセンサ素子１１の一方の側面と、を覆うように積層されている。拡散律速層１４はセラミクス等の多孔質物質で構成された部材であり、排気の拡散を律速する機能を有する。すなわち、拡散律速層１４は、排気中の種々の成分が、適当な拡散速度で拡散できる程度に細孔化、緻密化されている。また、拡散律速層１４のセンサ素子１１側の側面とは反対側の側面には、保護層１６が積層されている。そして、センサ素子１１と拡散律速層１４との間にはガス室１５が形成されている。このガス室１５には、拡散律速層１４を介して排気が導入される。ここで、排気側電極１２はガス室１５内に配置されるため、排気側電極１２は拡散律速層１４を介して排気に曝されることになる。なお、ガス室１５は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極１２の表面上に拡散律速層１４が直接接触するように構成されてもよい。

また、センサ素子１１の他方の側面には、ヒータ層１７が積層されている。ヒータ層１７にはヒータ１８が埋設されていて、ヒータ１８は、図示しない外部の電気回路から電力の供給を受けることにより、センサ本体１０を所望の活性温度（例えば、７００℃）に加熱することができる。なお、この電気回路はＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ヒータ１８に供給される電力はＥＣＵ２０によって制御される。そして、センサ素子１１とヒータ層１７との間には大気室１９が形成されている。大気室１９は、図示しない大気孔を介して大気に連通されており、空燃比センサが排気通路５内に配置された状態であっても、大気側電極１３は大気に曝された状態に維持される。なお、本実施形態においては以上に説明したセンサ本体１０が、本発明における検出部に相当する。

ここで、空燃比センサによって排気の空燃比を検出する原理について説明する。通気孔９ａから保護カバー９内部に導入された排気は、拡散律速層１４に流入し、その内部を排気側電極１２に向かって拡散しながら進行する。排気中には、ＣＯ、ＨＣ等の還元剤と、Ｏ_２、ＮＯｘ等の酸化剤が含まれている。これらの各成分は、排気側電極１２の表面に到達する過程、或いは排気側電極１２に到達した後において平衡状態に至るまで反応し合う。そして、排気の空燃比が理論空燃比となっている場合は、酸化剤と還元剤が共に消滅する。これに対して、排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ空燃比である場合は還元剤が残存し、リーン空燃比である場合は酸化剤が残存することになる。

ここで、排気側電極１２と、大気側電極１３と、これらに挟まれたセンサ素子１１とからなる領域を「セル２５」と称する。本実施形態では、排気側電極１２および大気側電極１３間には、図示しない電源供給ラインを介して所定の印加電圧が印加される。電極間に印加電圧が印加された状態で、排気側電極１２の表面まで到達した排気中に酸化剤が残存している場合（排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン空燃比である場合）には、排気中の酸素が酸素イオンとなってセンサ素子１１を介して排気側電極１２から大気側電極１３へ伝播することによって、セル２５に電流が流れる。他方、排気側電極１２側に還元剤が残存している場合（排気の空燃比が理論空燃比よりもリッチ空燃比である場合）は、大気中の酸素が酸素イオンとなってセンサ素子１１を介して大気側電極１３から排気側電極１２へ伝播し、当該還元剤と反応することによって、セル２５に上記とは逆向きの電流が流れる。なお、排気の空燃比が理論空燃比である場合には、原則としてセンサ素子１１を介して電極間を酸素イオンが伝播することがないので、セル２５に電流は流れない。

そして、拡散律速層１４によって排気の拡散速度が律速されると、印加電圧を増加しても電流値が一定に飽和する領域が生じる。この電流値は限界電流値と称される。ここで、排気の空燃比が理論空燃比よりもリーン空燃比である場合には、排気側電極１２への酸化剤の拡散が拡散律速層によって律速されるため電流が限界電流値に飽和し、排気の空燃比
が理論空燃比よりもリッチ空燃比である場合には、排気側電極１２への還元剤の拡散が拡散律速層によって律速されるため電流が限界電流値に飽和する。これらの限界電流値を検出することで、排気の空燃比を検出することができる。

このような空燃比センサでは、保護カバー９の通気孔９ａにＰＭやオイル成分等が付着すると、保護カバー９内への単位時間当たりの排気の流入量が減少し易くなる。そして、保護カバー９内への単位時間当たりの排気の流入量が減少すると、内燃機関１の運転状態に応じて排気中のＯ_２、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の濃度が変化した場合であっても、保護カバー９内の排気中のこれら濃度が内燃機関１の運転状態に応じた濃度に変化するまでにある程度の時間を要することになる。したがって、保護カバー９内の排気中のＯ_２、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の濃度が内燃機関１の運転状態に応じた濃度に変化するまでは、空燃比センサの出力は内燃機関１の運転状態に応じた濃度に相当する出力とはならないことになる。つまり、空燃比センサの応答性が低下することになる。

また、上記の空燃比センサでは、拡散律速層１４にＰＭやオイル成分等が付着すると、拡散律速層１４の気孔率が低下し易くなる。一方で、拡散律速層１４が劣化すると、拡散律速層１４の気孔率が増加する傾向にある。ここで、拡散律速層１４の気孔率が低下すると、当該気孔率が高いときよりも排気が拡散律速層１４を通過する際の抵抗が大きくなる。そのため、拡散律速層１４の気孔率が低いほど、セル２５に流れる電流は小さな電流で電流飽和し易くなる。つまり、拡散律速層１４の気孔率が低いほど限界電流値の大きさが減少し易くなる。

そして、以上に述べた空燃比センサでは、空燃比センサの応答性の変化（空燃比センサの出力が収束するまでの期間の変化）によるセンサの出力への影響と、限界電流値の大きさの変化によるセンサの出力への影響と、が合わさって空燃比センサの出力となる。

＜空燃比センサの応答性診断＞
次に、空燃比センサの応答性の診断手法について説明する。本発明に係る排気センサの診断装置であるＥＣＵ２０は、限界電流値の大きさの変化によるセンサの出力への影響を排除してセンサの応答性を診断するために、センサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する。そして、この応答性指標値に基づいて、センサの応答性を診断する。以下、応答性指標値の算出手法について説明する。

図４には、内燃機関１において燃料カット処理が実行されるときの、燃料カット処理実行フラグおよび空燃比センサの出力の時間推移を表す。ここで、燃料カット処理の実行開始から該燃料カット処理の実行に伴って変化する空燃比センサの出力が収束するまでの期間を基準期間とする。そして、図４には、燃料カット処理実行フラグおよび空燃比センサの出力の時間推移とともに、基準期間における空燃比センサの出力の変化率の絶対値（以下、「絶対変化率」と称する場合もある。）、および絶対変化率の最大値（以下、「最大絶対変化率」と称する場合もある。）の時間推移を併せて示す。ここで、空燃比センサの出力は、上記の図１における第二空燃比センサ６ｂの出力を例として表し、絶対変化率および最大絶対変化率は、第二空燃比センサ６ｂの出力に基づく値を例として表すものとする。

図４に示す制御では、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで内燃機関１は通常運転（このとき、燃料カット処理および後述する燃料添加処理が実行されていない）を行っている。このとき、排気の空燃比は内燃機関１の通常運転状態に応じた空燃比となり、図４では、空燃比センサの出力値がＣ０で略一定となっている。そして、時刻ｔ１において燃料カット処理実行フラグが０から１になり、ＥＣＵ２０が燃料カット処理を実行すると、ある程度の遅れ時間経過後に排気の空燃比がそれまでよりもリーン側に変化する。そして、この排気が空
燃比センサの保護カバー９の通気孔９ａを通過してセンサ本体１０に到達することによって、空燃比センサの出力値がＣ０から増加し始める。

そして、空燃比センサの出力の増加の過程においては、出力増加の開始直後は当該出力増加が比較的緩慢になり、出力増加の開始からある程度の時間経過後に当該出力増加が大きくなる傾向にある。そのため、時刻ｔ２において空燃比センサの出力値がＣ０から増加し始め、その後絶対変化率が大きくなっていき、時刻ｔ３において絶対変化率がＲ１になる。そして、時刻ｔ３以降は、時間の経過とともに絶対変化率が低下していき、絶対変化率が略０となる時刻ｔ４において空燃比センサの出力値がＣ１に収束する。

ここで、ＥＣＵ２０は、空燃比センサの出力の増加の過程における空燃比センサの出力値を取得し、絶対変化率を算出している。そして、絶対変化率に基づいて、最大絶対変化率を算出している。図４においては、最大絶対変化率はＲ１となる。また、ＥＣＵ２０は、例えば後述する手法に従って、空燃比センサの出力の収束判定を行う。そして、燃料カット処理の実行中で且つ該燃料カット処理の実行開始から基準期間経過した後の所定期間（言い換えると、燃料カット処理の実行中で且つ空燃比センサの出力が収束した時刻ｔ４後の所定期間）における空燃比センサの出力値に基づいて、空燃比センサの出力の収束値を算出する。そして、ＥＣＵ２０は、最大絶対変化率を、絶対変化率が該最大絶対変化率となるときの空燃比センサの出力値と、空燃比センサの出力の収束値と、の差分で除算することにより、応答性指標値を算出する。

このように応答性指標値を算出することによって、限界電流値の大きさの変化によるセンサの出力への影響を排除することができる。したがって、この応答性指標値に基づいてセンサの応答性を診断することによって、センサの応答性を正確に診断し得ることになる。

しかしながら、燃料カット処理の実行中において、ＳＣＲ触媒５２の温度を該触媒の活性化温度よりも高く維持するために、燃料添加弁２からの燃料添加が行われる場合には、応答性指標値を算出し難くなる。これについて、以下に示す図５に基づいて説明する。なお、ＥＣＵ２０が実行する、燃料添加弁２を用いた排気通路５を流れる排気への燃料添加の処理を、「燃料添加処理」と称する。

図５は、内燃機関１において燃料添加処理および燃料カット処理が実行されるときの、燃料添加処理実行フラグ、燃料カット処理実行フラグ、および空燃比センサの出力の時間推移を示す図である。なお、図５の空燃比センサの出力の時間推移において、実線で表される線Ｌ１は、燃料添加処理が実行される場合の時間推移を示し、破線で表される線Ｌ２は、燃料添加処理が実行されない場合の時間推移（上記の図４に示した空燃比センサの出力の時間推移と同一のもの）を参考として示す。また、空燃比センサの出力は、上記の図１における第二空燃比センサ６ｂの出力を例として表すものとする。

図５に示す制御では、時刻ｔ０から時刻ｔ１１まで内燃機関１は通常運転（このとき、燃料カット処理および燃料添加処理が実行されていない）を行っている。そして、時刻ｔ１１において燃料添加処理実行フラグが０から１になり、ＥＣＵ２０が燃料添加処理を実行すると、燃料添加弁２よりも下流の排気通路５における排気の空燃比がそれまでよりもリッチ側に変化する。その結果、空燃比センサの出力値がＣ０から減少し始める。特に、酸化触媒５１よりも下流の排気通路５に設けられた第二空燃比センサ６ｂにおいては、酸化触媒５１における燃料の酸化に伴って酸素が消費されるため、空燃比センサの出力値が比較的大きく変化し易い。ここで、燃料添加処理は、所定の周期で間欠的に実行される。したがって、ＥＣＵ２０は、時刻ｔ１１から或る期間燃料添加弁２からの燃料添加を行った後、一旦燃料添加を止める。そして、一旦燃料添加が止められると、Ｃ０から減少して
いた空燃比センサの出力値が増加に転ずる。また、図５に示す制御では、時刻ｔ１１後の時刻ｔ１において燃料カット処理実行フラグが０から１になり、燃料カット処理が実行されるため、この空燃比センサの出力値の増加において、空燃比センサの出力値はＣ０よりも大きくなる。

そして、燃料カット処理が実行されると、このように空燃比センサの出力値がＣ０から増加していくものの、この増加の過程における次の燃料添加が行われるタイミングにおいては、空燃比センサの出力値が一時的にそれまでよりも減少する。つまり、空燃比センサの出力値は、所定の周期で間欠的に実行される燃料添加処理に応じて変動しながら増加していく。したがって、燃料添加処理が実行される場合においては、上記の図４に示したように時刻ｔ３において絶対変化率が最大とはならず、この場合の最大絶対変化率は燃料添加処理の影響を受けてしまう。また、図５の線Ｌ２によって表される空燃比センサの出力が収束する時刻ｔ４以降においても、燃料添加処理が実行される場合には、空燃比センサの出力値が燃料添加処理に応じて変動し続ける。したがって、空燃比センサの出力の収束値を算出し難くなる。

なお、図５では、空燃比センサの出力として、上記の図１における第二空燃比センサ６ｂの出力を用いる場合について説明したが、上述したような応答性指標値が算出され難くなる事態は、第二空燃比センサ６ｂの出力を用いる場合に限らず、第一空燃比センサ６ａまたは第三空燃比センサ６ｃの出力を用いる場合も同様である。

＜燃料添加禁止処理＞
そこで、ＥＣＵ２０は、燃料カット処理の実行開始から絶対変化率が最大絶対変化率となるまでの期間（以下、「第一期間」と称する場合もある。）、および燃料カット処理の実行中で且つ該燃料カット処理の実行開始から基準期間経過した後の所定期間（以下、「第二期間」と称する場合もある。）において、燃料添加弁２からの燃料添加を禁止する。ＥＣＵ２０が行うこのような処理を「燃料添加禁止処理」と称する。なお、ＥＣＵ２０が燃料添加禁止処理を実行することで、本発明に係る禁止部として機能する。

図６は、内燃機関１において燃料添加処理、燃料カット処理、および燃料添加禁止処理が実行されるときの、燃料添加処理実行フラグ、燃料カット処理実行フラグ、空燃比センサの出力、および最大絶対変化率の時間推移を示す図である。なお、図６の空燃比センサの出力の時間推移において、実線で表される線Ｌ３は、燃料添加禁止処理が実行される場合の時間推移を示し、破線で表される線Ｌ４は、燃料添加禁止処理が実行されない場合の時間推移（上記の図５に示した線Ｌ１と同一のもの）を参考として示す。また、空燃比センサの出力は、上記の図１における第二空燃比センサ６ｂの出力を例として表し、最大絶対変化率は、第二空燃比センサ６ｂの出力に基づく値を例として表すものとする。

図６に示す制御では、上記の図５に示した制御と同様に、時刻ｔ１１において燃料添加処理実行フラグが０から１になり、ＥＣＵ２０が燃料添加処理を実行する。そして、時刻ｔ１１後の時刻ｔ１において燃料カット処理実行フラグが０から１になり、燃料カット処理が実行されると、燃料添加処理実行フラグが１から０になり、燃料添加弁２からの燃料添加が止められる。その後、空燃比センサの出力値が増加していき、時刻ｔ３において絶対変化率が最大値となる。そして、この時刻ｔ３において、燃料添加処理実行フラグが０から１になり、ＥＣＵ２０が燃料添加処理を再開する。つまり、ＥＣＵ２０は、燃料カット処理の実行開始（時刻ｔ１）から絶対変化率が最大絶対変化率となる（時刻ｔ３）までの第一期間において、燃料添加弁２からの燃料添加を禁止する燃料添加禁止処理を実行している。

このように第一期間において燃料添加禁止処理が実行されているときには、空燃比セン
サの出力値が増加していく過程で、その値が燃料添加弁２からの燃料添加に応じて変動することがなくなる。そして、燃料添加禁止処理が実行されている第一期間において、最大絶対変化率が算出されることになる。そのため、燃料添加処理の影響を受けることなく最大絶対変化率を算出することができる。これは、空燃比センサの出力として、第二空燃比センサ６ｂの出力を用いる場合に限らず、第一空燃比センサ６ａまたは第三空燃比センサ６ｃの出力を用いる場合も同様である。

また、図６に示す制御では、燃料添加処理が実行されない場合に空燃比センサの出力が収束する時刻である時刻ｔ４よりも後の時刻ｔ４１において、燃料添加処理実行フラグが１から０になり、燃料添加弁２からの燃料添加が止められる。そして、時刻ｔ４１から所定期間Δｔ４経過した時刻ｔ４２において、燃料添加処理実行フラグが０から１になり、燃料添加処理が再開される。つまり、ＥＣＵ２０は、燃料カット処理の実行中で且つ該燃料カット処理の実行開始から基準期間経過した（時刻ｔ４）後の所定期間（Δｔ４）である第二期間において、燃料添加弁２からの燃料添加を禁止する燃料添加禁止処理を実行している。

このように第二期間において燃料添加禁止処理が実行されているときには、空燃比センサの出力値が燃料添加弁２からの燃料添加に応じて変動することがなくなる。そのため、空燃比センサの出力の収束値を算出し易くなる。これは、空燃比センサの出力として、第二空燃比センサ６ｂの出力を用いる場合に限らず、第一空燃比センサ６ａまたは第三空燃比センサ６ｃの出力を用いる場合も同様である。

そして、図６に示す制御では、最大絶対変化率を算出する第一期間、および空燃比センサの出力の収束値を算出する第二期間のみ燃料添加禁止処理によって燃料添加弁２からの燃料添加が止められ、その他の期間は燃料添加弁２からの燃料添加が行われるため、ＳＣＲ触媒５２の温度を可及的に高くすることができる。その結果、エミッションの悪化が抑制される。

ここで、本発明に係る排気センサの診断装置であるＥＣＵ２０が実行する制御フローについて図７Ａおよび図７Ｂに基づいて説明する。図７Ａおよび図７Ｂは、本実施形態に係る制御フローを示すフローチャートである。本実施形態では、ＥＣＵ２０によって、本フローが内燃機関１の運転中に所定の演算周期で繰り返し実行される。本実施形態では、所定の実行間隔で本フローが実行され、該所定の実行間隔が期間Δｔとして定義される。なお、本フローの説明において、第一空燃比センサ６ａ、第二空燃比センサ６ｂ、および第三空燃比センサ６ｃについて、単に「空燃比センサ」と称する。

本フローでは、先ず、Ｓ１０１において、空燃比センサの応答性の診断を実行する実行条件が成立しているか否かが判別される。Ｓ１０１では、前回に空燃比センサの応答性を診断した後、例えば内燃機関１が搭載された車両が所定距離走行したとき、または内燃機関１が或る時間運転を行ったとき、または内燃機関１が機関停止されその後再始動されたとき等に、肯定判定される。なお、上記は例示であって、Ｓ１０１では周知の技術に基づいて空燃比センサの応答性の診断を実行する実行条件が成立しているか否かを判別することができる。そして、Ｓ１０１において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０２の処理へ進み、Ｓ１０１において否定判定された場合、本フローの実行が終了される。

Ｓ１０１において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０２において、燃料カット処理の実行中であるか否かが判別される。燃料カット処理が実行されると排気中の酸素濃度が比較的大きく変動し、且つ該酸素濃度が所定の濃度に収束するため、後述する応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出することが可能となる。そして、Ｓ１０２において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０３の処理へ進み、Ｓ１０２において否定判定された場合、ＥＣＵ２０
はＳ１２７の処理へ進む。

Ｓ１０２において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０３において、最大絶対変化率の算出が完了しているか否かを表すフラグである算出完了フラグｎｆｌａｇｒが０となっているか否かが判別される。算出完了フラグｎｆｌａｇｒは、最大絶対変化率の算出が完了した場合に１に設定されるフラグである。この算出完了フラグｎｆｌａｇｒは、後述するＳ１１２の処理によってその値が１に設定され、または後述するＳ１２６、Ｓ１２９の処理によってその値が０に初期化され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。Ｓ１０３において肯定判定された場合は最大絶対変化率の算出が完了していない場合であって、この場合ＥＣＵ２０はＳ１０４の処理へ進む。一方、Ｓ１０３において否定判定された場合は最大絶対変化率の算出が完了している場合であって、この場合ＥＣＵ２０はＳ１１４の処理へ進む。

Ｓ１０３において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０４において、燃料添加弁２からの燃料添加が禁止される。ここで、Ｓ１０４の処理の実行前に燃料添加処理が実行されている場合には、Ｓ１０４の処理で燃料添加弁２からの燃料添加が止められる。なお、燃料添加処理は、本フローとは異なる周知のフローにしたがって実行される。そして、燃料添加処理の制御フローにおいて、燃料添加処理の実行条件が成立している場合（例えば、温度センサ５３により推定したＳＣＲ触媒温度に基づいて、燃料添加処理を実行する必要があるか否かが判断される。）には、フラグが立てられる（該フラグに基づいて、燃料添加処理が実行されているか否かを判別することができる。）。そして、Ｓ１０４において燃料添加弁２からの燃料添加が禁止されると、その後の本フローの実行中において、燃料添加の禁止が継続される。ただし、Ｓ１１３、Ｓ１２１、またはＳ１２８において、燃料添加弁２からの燃料添加の再開処理が実行される場合には、この限りではない。

次に、Ｓ１０５において、空燃比センサの出力値の現在値（以下、「出力現在値」と称する場合もある。）Ｃｒｔｎｏｗが取得される。Ｓ１０５では、空燃比センサのセンサ本体１０に到達する排気の空燃比に応じた限界電流値の現在値が、出力現在値Ｃｒｔｎｏｗとして取得される。

次に、Ｓ１０６において、絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗが算出される。Ｓ１０６では、Ｓ１０５で取得した出力現在値Ｃｒｔｎｏｗから空燃比センサの出力値の過去値（以下、「出力過去値」と称する場合もある。）Ｃｒｔｏｌｄを減算した値の絶対値を、期間Δｔで除することによって、絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗが算出される。ここで、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄは、後述するＳ１１０の処理によってその値が更新され、または後述するＳ１２６、Ｓ１２９の処理によってその値が初期化され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。

次に、Ｓ１０７において、Ｓ１０６で算出した絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗが絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘよりも大きいか否かが判別される。ここで、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘは、後述するＳ１０８の処理によってその値が更新され、または後述するＳ１２６、Ｓ１２９の処理によってその値が初期化され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている。そして、Ｓ１０７において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１０８の処理へ進み、Ｓ１０７において否定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１１０の処理へ進む。

Ｓ１０７において肯定判定された場合、次に、Ｓ１０８において、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが更新される。Ｓ１０８では、絶対変化率の最大値ＲｃｍａｘがＳ１０６で算出した絶対変化率の現在値Ｒｃｎｏｗに更新される。次に、Ｓ１０９において、絶対変化率が最大値となるときの空燃比センサの出力値（以下、「第一出力値」と称する場合もある。）Ｃｒｔ１が取得される。Ｓ１０９では、このときの出力現在値Ｃｒｔｎｏｗが第一
出力値Ｃｒｔ１として取得される。

次に、Ｓ１１０において、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄが更新される。Ｓ１１０では、出力過去値ＣｒｔｏｌｄがＳ１０５で取得した出力現在値Ｃｒｔｎｏｗに更新される。

次に、Ｓ１１１において、最大絶対変化率の算出が完了したか否かが判別される。上記の図４に示したように、絶対変化率は、燃料カット処理の実行開始からある程度の時間経過後に増加し始め、その値が最大絶対変化率となった後は減少していく。したがって、Ｓ１１１では、例えば、前回のフローの実行において絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが更新され、今回のフローの実行において絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが更新されない（すなわち、Ｓ１０７において否定判定される）場合、または絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが更新された後に絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが更新されない（すなわち、Ｓ１０７において否定判定される）状態が或る期間続いた場合に、最大絶対変化率の算出が完了したと判定され、このときにＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘが最大絶対変化率となる。そして、Ｓ１１１において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１１２の処理へ進み、Ｓ１１１において否定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１１４の処理へ進む。

Ｓ１１１において肯定判定された場合、次に、Ｓ１１２において、算出完了フラグｎｆｌａｇｒが１に設定される。そして、Ｓ１１３において、燃料添加処理の実行条件が成立している場合（この場合には、燃料添加処理の実行フラグが立っている。）には、燃料添加弁２からの燃料添加が再開される。

次に、Ｓ１１４において、空燃比センサの出力の収束を判定する収束判定フラグｎｆｌａｇｃが読込まれる。収束判定フラグｎｆｌａｇｃは、空燃比センサの出力が収束すると推定される場合に１に設定されるフラグであって、本フローとは異なる周知のフローにしたがってその値が設定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶される。Ｓ１１４では、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶されている収束判定フラグｎｆｌａｇｃが読込まれる。収束判定フラグｎｆｌａｇｃは、例えば、次のように設定される。先ず、燃料カット処理の実行を開始してからの気筒内を通過した空気量の積算値が算出される。そして、その積算値が所定の閾値以上となると気筒内の掃気が完了したと判定される。そして、気筒内の掃気完了後の経過時間がカウントされ、該経過時間が所定時間以上となると収束判定フラグｎｆｌａｇｃが１に設定される。一方、気筒内の掃気が完了していない場合、または該経過時間が所定時間未満の場合には、収束判定フラグｎｆｌａｇｃが０に設定される。

次に、Ｓ１１５において、Ｓ１１４で読込んだ収束判定フラグｎｆｌａｇｃが１となっているか否かが判別される。Ｓ１１５において肯定判定された場合は空燃比センサの出力が収束すると推定される場合であって、この場合ＥＣＵ２０はＳ１１６の処理へ進む。一方、Ｓ１１５において否定判定された場合は空燃比センサの出力が収束しないと推定される場合であって、この場合本フローの実行が終了される。

Ｓ１１５において肯定判定された場合、次に、Ｓ１１６において、燃料添加弁２からの燃料添加が禁止される。このＳ１１６の処理は、上述したＳ１０４の処理と実質的に同一である。

次に、Ｓ１１７において、出力現在値Ｃｒｔｎｏｗが取得される。このＳ１１７の処理は、上述したＳ１０５の処理と実質的に同一である。

次に、Ｓ１１８において、出力現在値の積算値Ｃｒｔｓｕｍが算出される。Ｓ１１８では、Ｓ１１７で取得した出力現在値Ｃｒｔｎｏｗを積算することによって、出力現在値の
積算値Ｃｒｔｓｕｍが算出される。そして、Ｓ１１９において、出力現在値の積算回数を表す積算カウンターｎｃｔに１が加算される。そして、Ｓ１２０において、積算カウンターｎｃｔの値が閾値ｎｃｔｔｈとなっているか否かが判別される。そして、Ｓ１２０において肯定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１２１の処理へ進み、Ｓ１２０において否定判定された場合、本フローの実行が終了される。

Ｓ１２０において肯定判定された場合、次に、Ｓ１２１において、燃料添加処理の実行条件が成立している場合（この場合には、燃料添加処理の実行フラグが立っている。）には、燃料添加弁２からの燃料添加が再開される。

次に、Ｓ１２２において、空燃比センサの出力の収束値（以下、「第二出力値」と称する場合もある。）Ｃｒｔ２が算出される。Ｓ１２２では、Ｓ１１８で算出した出力現在値の積算値Ｃｒｔｓｕｍを積算カウンターｎｃｔの値で除することによって、第二出力値Ｃｒｔ２が算出される。ここで、Ｓ１１７において出力現在値Ｃｒｔｎｏｗを取得しているときには、燃料添加弁２からの燃料添加が禁止されているため、Ｓ１１８において算出される出力現在値の積算値Ｃｒｔｓｕｍは燃料添加処理の影響を受けない。したがって、このような出力現在値の積算値Ｃｒｔｓｕｍを用いると、比較的正確に第二出力値Ｃｒｔ２を算出することができる。次に、Ｓ１２３において、第一出力値Ｃｒｔ１と第二出力値Ｃｒｔ２との差分Ｃｒｔｄｉｆが算出される。

次に、Ｓ１２４において、応答性指標値Ｖａｌｉｎが算出される。Ｓ１２４では、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘ（これは、最大絶対変化率を表す。）をＳ１２３で算出した差分Ｃｒｔｄｉｆで除することによって、応答性指標値Ｖａｌｉｎが算出される。次に、Ｓ１２５において、この応答性指標値Ｖａｌｉｎに基づいて、空燃比センサの応答性が診断される。Ｓ１２５では、空燃比センサの応答性の診断として、例えば、応答性指標値Ｖａｌｉｎが大きいときは小さいときよりも空燃比センサの応答性が高くなるように、当該空燃比センサの応答性を推定することができる。また、例えば、応答性指標値Ｖａｌｉｎに基づいて、空燃比センサの応答性の異常を診断することができる。なお、ＥＣＵ２０が応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出することで、本発明に係る算出部として機能し、ＥＣＵ２０が空燃比センサの応答性を診断することで、本発明に係る診断部として機能する。

次に、Ｓ１２６において、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄ、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘ、算出完了フラグｎｆｌａｇｒ、出力現在値の積算値Ｃｒｔｓｕｍ、および積算カウンターｎｃｔが初期化される。Ｓ１２６では、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄは、内燃機関１の通常運転時（このとき、燃料カット処理および燃料添加処理が実行されていない）の排気の空燃比に応じた限界電流値に初期化される。また、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘ、算出完了フラグｎｆｌａｇｒ、出力現在値の積算値Ｃｒｔｓｕｍ、および積算カウンターｎｃｔは０に初期化される。そして、Ｓ１２６の処理の後、本フローの実行が終了される。

また、Ｓ１０２において否定判定された場合、次に、Ｓ１２７において、燃料添加弁２からの燃料添加が禁止されているか否かが判別される。そして、Ｓ１２７において肯定判定されると、次に、Ｓ１２８において、このときに燃料添加処理の実行条件が成立している場合（この場合には、燃料添加処理の実行フラグが立っている。）には、燃料添加弁２からの燃料添加が再開される。一方、Ｓ１２７において否定判定された場合、ＥＣＵ２０はＳ１２９の処理へ進む。

次に、Ｓ１２９において、出力過去値Ｃｒｔｏｌｄ、絶対変化率の最大値Ｒｃｍａｘ、算出完了フラグｎｆｌａｇｒ、出力現在値の積算値Ｃｒｔｓｕｍ、および積算カウンターｎｃｔが初期化される。これにより、本フローによる空燃比センサの応答性の診断が完了する前に燃料カット処理が終了した場合であっても、これらの値が初期化されることにな
る。このＳ１２９の処理は、上記のＳ１２６の処理と実質的に同一である。そして、Ｓ１２９の処理の後、本フローの実行が終了される。

本発明に係る排気センサの診断装置は、以上に述べたように応答性指標値Ｖａｌｉｎを算出し、当該応答性指標値Ｖａｌｉｎに基づいて空燃比センサの応答性を診断することによって、エミッションの悪化を抑制しつつ空燃比センサの応答性を正確に診断することを可能とする。

（第二の実施形態）
＜内燃機関とその吸排気系の構成＞
図８は、本実施形態に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図８に示す内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。なお、本実施形態において、上述した第一の実施形態と実質的に同一の構成、実質的に同一の制御処理については、その詳細な説明を省略する。

内燃機関１は排気通路５と接続されている。排気通路５には、排気の流れに従って順に燃料添加弁２、第一ＮＯｘセンサ６０ａ、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒５４（以下、「ＮＳＲ触媒５４」と称する場合もある。）、および第二ＮＯｘセンサ６０ｂが設けられている。第一ＮＯｘセンサ６０ａおよび第二ＮＯｘセンサ６０ｂの詳細については後述する。なお、本実施形態においてはこれらＮＯｘセンサが、本発明における排気センサに相当する。

ＮＳＲ触媒５４は、排気の空燃比が高いときに排気中に含まれるＮＯｘを化学的に吸蔵または物理的に吸着し、排気の空燃比が低いときにＮＯｘを放出しつつ、放出されたＮＯｘと排気中の還元成分（例えば、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等）との反応を促進させる。ここで、ＮＳＲ触媒５４に化学的に吸蔵または物理的に吸着されたＮＯｘ量が増加すると、ＮＳＲ触媒５４のＮＯｘ吸蔵能力が飽和し、大気中に排出されるＮＯｘの量が増加する虞がある。そこで、本実施形態では、ＮＳＲ触媒５４に化学的に吸蔵または物理的に吸着されたＮＯｘをパージするために、燃料添加弁２からの燃料添加が実行される。

＜ＮＯｘセンサの構造＞
次に、図９および図１０に基づいて、第一ＮＯｘセンサ６０ａ、第二ＮＯｘセンサ６０ｂの構造について簡単に説明する。ここで、これらＮＯｘセンサは、その構造が同一であるため、以下のこれらＮＯｘセンサの説明においては単に「ＮＯｘセンサ」と称する。図９は、図８におけるＮＯｘセンサ付近の模式的な拡大断面図である。また、図１０は、図９におけるＢ−Ｂ’線視断面図である。

本実施形態に係るＮＯｘセンサは、第一の実施形態の空燃比センサと同様に、センサ本体１００と保護カバー９０とを含んで構成される。そして、保護カバー９０の表面には複数の通気孔９０ａが形成されている。なお、図１０では、保護カバー９０は一重構造となっているが、保護カバー９０は通気孔９０ａが形成された二重構造であってもよい。

次に、センサ本体１００の概略構成について説明する。本実施形態に係るＮＯｘセンサのセンサ本体１００は、第一の実施形態の空燃比センサと同様に、排気に曝される排気側電極１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃと、大気に曝される大気側電極１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃと、排気側電極と大気側電極とによって挟まれるセンサ素子１１０、２１０と、排気側電極に到達する排気の速度を律速する多孔質の拡散律速層１４０と、を備える。そして、図１０に示すように、排気側電極と、大気側電極と、これらに挟まれたセンサ素子とからなる領域が複数設けられている。これら領域を「ポンプセル２５０ａ」、「モニタ
セル２５０ｂ」、「センサセル２５０ｃ」と称する。

そして、センサ素子１１０とセンサ素子２１０との間には第一ガス室１５０ａ、第二ガス室１５０ｂが形成されている。第一ガス室１５０ａには、拡散律速層１４０およびピンホール２２０を介して排気が導入される。また、センサ素子１１０とヒータ層１７０との間には、大気に連通されている大気室１９０ａが形成されている。ここで、ポンプセル２５０ａを形成する排気側電極１２０ａ、大気側電極１３０ａに電圧を印加すると、ポンピング作用により、第一ガス室１５０ａの酸素を大気室１９０ａへ排出することができる。

また、ポンプセル２５０ａ近傍を通過した排気は、絞り２４０を介して第一ガス室１５０ａと連通する第二ガス室１５０ｂに流入する。ここで、ポンプセル２５０ａによって第一ガス室１５０ａの酸素が大気室１９０ａへ排出される場合には、第二ガス室１５０ｂは所定の低酸素濃度の状態にされる。また、センサ素子２１０にスペーサ２３０が積層されることによって、センサ素子２１０とスペーサ２３０との間に大気室１９０ｂが形成される。なお、大気室１９０ｂは、大気に連通されている。そして、第二ガス室１５０ｂに残留する酸素は、モニタセル２５０ｂを形成する排気側電極１２０ｂ、大気側電極１３０ｂに電圧を印加することによって、ポンピング作用により、大気室１９０ｂへ移動する。ここで、排気側電極１２０ｂがＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極として構成されることで、残留酸素濃度に応じた出力電流が得られることになる。

また、センサセル２５０ｃを形成する排気側電極１２０ｃ、大気側電極１３０ｃにおいて、排気側電極１２０ｃはＮＯｘの還元分解に対して活性な電極として構成される。そして、センサセル２５０ｃを形成する排気側電極１２０ｃ、大気側電極１３０ｃに電圧を印加することによって、ポンピング作用により、第二ガス室１５０ｂのＮＯｘおよび残留酸素が大気室１９０ｂへ移動する。このときには、ＮＯｘ濃度および残留酸素濃度に応じた出力電流が得られることになる。そして、センサセル２５０ｃの出力電流からモニタセル２５０ｂの出力電流を減算することで、ＮＯｘ濃度を検出することができる。

このように、本実施形態に係るＮＯｘセンサは、ポンプセル２５０ａにおいて第一ガス室１５０ａにおける酸素濃度に応じた電流を出力し、モニタセル２５０ｂにおいて第二ガス室１５０ｂにおける酸素濃度に応じた電流を出力し、センサセル２５０ｃにおいて第二ガス室１５０ｂにおけるＮＯｘ濃度および酸素濃度に応じた電流を出力する。つまり、本実施形態に係るＮＯｘセンサは、排気中の酸素濃度に応じた電流を出力することになる。そして、排気側電極１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃへの排気の拡散は拡散律速層１４０によって律速されるため、印加電圧を増加しても電流が一定に飽和する領域が生じる。つまり、限界電流が生じる。

このようなＮＯｘセンサでは、第一の実施形態の空燃比センサと同様に、保護カバー９０の通気孔９０ａにＰＭやオイル成分等が付着すると、ＮＯｘセンサの応答性が低下する虞がある。また、拡散律速層１４０にＰＭやオイル成分等が付着すると、限界電流値の大きさが減少する虞がある。そして、ＮＯｘセンサの応答性の変化（ＮＯｘセンサの出力が収束するまでの期間の変化）によるセンサの出力への影響と、限界電流値の大きさの変化によるセンサの出力への影響と、が合わさってＮＯｘセンサの出力となる。したがって、ＮＯｘセンサの出力の変化率のみに基づいてＮＯｘセンサの応答性を診断すると、その診断精度が低下する虞がある。

＜応答性診断と燃料添加禁止処理＞
そこで、ＥＣＵ２０は、第一の実施形態と同様にして、ＮＯｘセンサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する。そして、この応答性指標値に基づいて、ＮＯｘセンサの応答性を診断する。ここで、応答性指標値を算出するにあたって、ＥＣＵ２０は、第一の
実施形態と同様にして、燃料添加禁止処理を実行することによって、燃料カット処理の実行中において、ＮＳＲ触媒５４に化学的に吸蔵または物理的に吸着されたＮＯｘをパージするために燃料添加弁２からの燃料添加が行われる場合においても、好適に応答性指標値を算出することが可能となる。これにより、エミッションの悪化を抑制しつつＮＯｘセンサの応答性を正確に診断することができる。

１・・・・内燃機関
２・・・・燃料添加弁
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・吸気通路
５・・・・排気通路
６ａ・・・第一空燃比センサ
６ｂ・・・第二空燃比センサ
６ｃ・・・第三空燃比センサ
９・・・・保護カバー
９ａ・・・通気孔
１０・・・センサ本体
１１・・・センサ素子
１２・・・排気側電極
１３・・・大気側電極
１４・・・拡散律速層
２０・・・ＥＣＵ
４０・・・エアフローメータ
５１・・・酸化触媒
５２・・・ＳＣＲ触媒
５４・・・ＮＳＲ触媒
６０ａ・・第一ＮＯｘセンサ
６０ｂ・・第二ＮＯｘセンサ

Claims (1)

1. 排気中の酸素濃度を検出する検出部であって、排気に曝される排気側電極と大気に曝される大気側電極とにより構成される一対の電極と、排気を前記排気側電極へ導入させるとともに該排気側電極に到達する排気の速度を律速する多孔質の拡散律速層と、を備える検出部と、
   前記検出部を覆うように設けられるとともに複数の通気孔を有する保護カバーと、
   を有し、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の酸素濃度に応じた出力信号を出力する排気センサと、
   前記排気センサよりも上流の前記排気通路に設けられた燃料添加弁と、
   前記内燃機関の運転中に該内燃機関の気筒内への燃料の供給を停止する燃料カット処理を実行する燃料カット処理手段と、
   を備えた内燃機関における、排気センサの診断装置であって、
   前記燃料カット処理の実行開始から該燃料カット処理の実行に伴って変化する前記出力信号が収束するまでの期間を基準期間とし、該基準期間における前記出力信号の変化率の絶対値である絶対変化率の最大値を最大絶対変化率としたとき、前記燃料カット処理の実行開始から該絶対変化率が該最大絶対変化率となるまでの期間である第一期間、及び、前記燃料カット処理の実行中で且つ該燃料カット処理の実行開始から該基準期間経過した後の所定期間である第二期間において、前記燃料添加弁からの燃料添加を禁止する禁止部と、
   前記排気センサの応答性と相関を有する応答性指標値を算出する算出部であって、前記最大絶対変化率を、前記絶対変化率が該最大絶対変化率となるときの前記出力信号の値と、前記第二期間における前記出力信号の値に基づく前記出力信号の収束値と、の差分で除算することにより、前記応答性指標値を算出する算出部と、
   前記応答性指標値に基づいて前記排気センサの応答性を診断する診断部と、
   を備える、排気センサの診断装置。

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