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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-05-11
(45)【発行日】2022-05-19
(54)【発明の名称】マルチガスセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/26 20060101AFI20220512BHJP
G01N 27/416 20060101ALI20220512BHJP
【ＦＩ】
G01N27/26 391Z
G01N27/416 376
G01N27/416 331
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2018100250
(22)【出願日】2018-05-25
(65)【公開番号】P2019203837
(43)【公開日】2019-11-28
【審査請求日】2021-03-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中村 聡
(72)【発明者】
【氏名】原田 敏彦
(72)【発明者】
【氏名】瀧澤 健介
(72)【発明者】
【氏名】寺西 真哉
(72)【発明者】
【氏名】世登 裕明
(72)【発明者】
【氏名】前田 恵里子
【審査官】黒田 浩一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－２２３４４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２２４５０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０７５５４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０３８８０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０６６３３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４０７４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１３３４４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００２－５４０４００（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／２６－２７／４９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＮＯｘを還元する触媒（７２）及び前記触媒へアンモニアを含む還元剤（Ｋ）を供給する還元剤供給装置（７３）が配置された、内燃機関（７）の排気管（７１）において、前記触媒から流出するアンモニア及びＮＯｘの濃度を検出するマルチガスセンサであって、
酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体（２１）、及び前記第１固体電解質体を介して配置されたアンモニア電極（２２）及び第１基準電極（２３）を有し、前記アンモニア電極と前記第１基準電極との間に生じる電位差（ΔＶ）を検出し、前記電位差に基づいて測定ガス（Ｇ）におけるアンモニア濃度を算出するよう構成されたアンモニアセンサ部（１１）と、
酸素イオンの伝導性を有する第２固体電解質体（３１）、前記第２固体電解質体を介して配置されたＮＯｘ電極（３２）及び第２基準電極（３４Ａ）、及び前記ＮＯｘ電極を収容するとともに拡散抵抗部（３５１）を介して測定ガスが導入される測定ガス室（３５）を有し、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、前記補正前ＮＯｘ濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてＮＯｘ濃度を算出するよう構成されたＮＯｘセンサ部（１２）と、
前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度が前記ＮＯｘセンサ部による前記ＮＯｘ濃度よりも高く、かつ前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差（Δｎ２）以上となって、前記触媒からアンモニアが所定量以上流出する場合を、認定時として認定する認定部（６１）と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記ＮＯｘセンサ部による前記補正前ＮＯｘ濃度が、前記ＮＯｘ電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとして、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度とを比較して、前記アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定する劣化判定部（６２）と、を備えるマルチガスセンサ（１）。
【請求項2】
ＮＯｘを還元する触媒（７２）及び前記触媒へアンモニアを含む還元剤（Ｋ）を供給する還元剤供給装置（７３）が配置された、内燃機関（７）の排気管（７１）において、前記触媒から流出するアンモニア及びＮＯｘの濃度を検出するマルチガスセンサであって、
酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体（２１）、及び前記第１固体電解質体を介して配置されたアンモニア電極（２２）及び第１基準電極（２３）を有し、前記アンモニア電極と前記第１基準電極との間に生じる電位差（ΔＶ）を検出し、前記電位差に基づいて測定ガス（Ｇ）におけるアンモニア濃度を算出するよう構成されたアンモニアセンサ部（１１）と、
酸素イオンの伝導性を有する第２固体電解質体（３１）、前記第２固体電解質体を介して配置されたＮＯｘ電極（３２）及び第２基準電極（３４Ａ）、及び前記ＮＯｘ電極を収容するとともに拡散抵抗部（３５１）を介して測定ガスが導入される測定ガス室（３５）を有し、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、前記補正前ＮＯｘ濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてＮＯｘ濃度を算出するよう構成されたＮＯｘセンサ部（１２）と、
前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度が前記ＮＯｘセンサ部による前記ＮＯｘ濃度よりも高く、かつ前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差（Δｎ２）以上となって、前記触媒からアンモニアが所定量以上流出する場合を、認定時として認定する認定部（６１）と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記ＮＯｘセンサ部による前記補正前ＮＯｘ濃度が、前記ＮＯｘ電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとし、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度との差に基づいて、前記アンモニアセンサ部の性能劣化量（Ｒ）を算出する劣化量算出部（６３）と、
前記性能劣化量に基づいて、前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度を補正するアンモニア濃度補正部（６４）と、を備えるマルチガスセンサ（１）。
【請求項3】
前記ＮＯｘセンサ部は、前記第２固体電解質体を介して配置されたポンプ電極（３３）及び第３基準電極（３４Ｂ）を更に有し、前記ポンプ電極と前記第３基準電極との間に電圧を印加して、前記ポンプ電極が収容された前記測定ガス室における酸素を汲み出すとともに、前記ポンプ電極と前記第３基準電極との間に流れる電流に基づいて測定ガスにおける酸素濃度を検出するようにも構成されており、
前記アンモニアセンサ部は、
前記アンモニア電極における、酸素の還元反応とアンモニアの酸化反応とが等しくなるときに生じる、前記アンモニア電極と前記第１基準電極との間の電位差を検出するよう構成されており、かつ、前記ＮＯｘセンサ部による酸素濃度に応じた補正を行って前記アンモニア濃度を算出するよう構成されている、請求項１又は２に記載のマルチガスセンサ。
【請求項4】
前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体とは、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガスダクト（２４）を介して積層されており、前記第１基準電極、前記第２基準電極及び前記第３基準電極は、前記基準ガスダクト内に収容されており、
前記第２固体電解質体に対して前記第１固体電解質体が積層された側とは反対側には、前記第２固体電解質体及び前記第１固体電解質体を加熱するヒータ部（４）が積層されている、請求項３に記載のマルチガスセンサ。
【請求項5】
前記認定部は、前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度が前記ＮＯｘセンサ部による前記ＮＯｘ濃度よりも高く、かつ前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差（Δｎ２）以上である場合であって、かつ前記内燃機関がフューエルカット運転を行うとともに前記還元剤供給装置が前記触媒へ前記還元剤を供給している場合を、前記認定時として認定するよう構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のマルチガスセンサ。
【請求項6】
前記マルチガスセンサは、前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度と前記ＮＯｘセンサ部によるＮＯｘ濃度との関係を示す濃度領域を、前記ＮＯｘ濃度が前記アンモニア濃度よりも高く、かつ前記ＮＯｘ濃度と前記アンモニア濃度との差が第１濃度差（Δｎ１）以上となって、前記触媒からＮＯｘが所定量以上流出することを示す第１濃度領域（Ｎ１）、前記アンモニア濃度が前記ＮＯｘ濃度よりも高く、かつ前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差（Δｎ２）以上となって、前記触媒からアンモニアが所定量以上流出することを示す第３濃度領域（Ｎ３）、及び前記第１濃度領域と前記第３濃度領域との間の第２濃度領域（Ｎ２）に区分したとき、
前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘセンサ部による前記ＮＯｘ濃度とが前記第２濃度領域内になるよう、前記還元剤供給装置が前記触媒への前記還元剤の供給量を調整するために用いられるものである、請求項１～５のいずれか１項に記載のマルチガスセンサ。
【請求項7】
前記拡散抵抗部、前記第２固体電解質体の表面又は前記第２固体電解質体に積層された絶縁体（２５，３６，４２）の表面には、アンモニアを酸化させてＮＯｘに変換させる酸化触媒が設けられている、請求項１～６のいずれか１項に記載のマルチガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を検出可能なマルチガスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、車両においては、内燃機関としてのディーゼルエンジン等から排気される排ガス中のＮＯ、ＮＯ2等のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための触媒が、排気管内に配置される。触媒の一つとしての選択式還元触媒（ＳＣＲ）においては、ＮＯｘを還元するために、尿素水等に含まれるアンモニア（ＮＨ3）が触媒担体に付着され、触媒担体においてアンモニアとＮＯｘとを化学反応させて、ＮＯｘを窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元することが行われている。
【0003】
また、排気管内における、選択式還元触媒よりも排ガスの流れの上流側位置には、還元剤としてのアンモニアを、選択式還元触媒へ供給する還元剤供給装置が配置される。また、例えば、排気管内における、選択式還元触媒の排ガスの流れの下流側位置には、排ガスにおけるＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、排ガスにおけるアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサとが配置される。そして、ＮＯｘセンサ及びアンモニアセンサを用いることにより、選択式還元触媒からのアンモニアの流出を抑えつつ、アンモニアによるＮＯｘの浄化率を向上させる工夫がなされている。
【0004】
また、アンモニアを検出するためのアンモニアセンサ部とＮＯｘを検出するためのＮＯｘセンサ部とを一つのガスセンサにおいて複合的に形成して、マルチガスセンサとすることもある。
【0005】
また、アンモニアセンサに経年劣化が生じるとアンモニア濃度を精度良く検出することができなくなる。そのため、例えば、特許文献１の診断装置においては、アンモニアセンサの経年劣化を、排気浄化装置における窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）を利用して診断することが行われている。具体的には、エンジンが燃料無噴射状態にある場合に、窒素酸化物センサの検出値とアンモニアセンサの検出値とを比較することによって、アンモニアセンサの検出値の妥当性を診断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１４－２２４５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１の診断装置においては、窒素酸化物センサの検出値が第１規定値よりも大きく、かつアンモニアセンサの検出値が第２規定値よりも大きい場合であって、かつこれらの検出値の差分が第３規定値よりも大きい場合に、アンモニアセンサの検出値が妥当でないと判定している。しかし、燃料無噴射状態においては、エンジンの排気管に排気される排ガスの組成が大気に近い状態になり、窒素酸化物センサ及びアンモニアセンサへＮＯｘ及びアンモニアがほとんど供給されなくなると考えられる。
【0008】
また、窒素酸化物センサにおいては、ＮＯｘ及びアンモニアの両方が反応し、ＮＯｘ及びアンモニアの両方による検出値が検出されると考えられる。そのため、ＮＯｘ及びアンモニアがある程度検出される状態においては、窒素酸化物センサの検出値がアンモニアの検出量を示しているとは限らない。従って、マルチガスセンサ等におけるアンモニアセンサ部の性能劣化の有無もしくは度合いを適切に判定するため、又はアンモニアセンサ部の性能劣化量を加味してアンモニア濃度を補正するためには、更なる工夫が必要とされる。
【0009】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無もしくは度合いを適切に判定することができる、又はアンモニアセンサ部の性能劣化量を加味してアンモニア濃度を補正することができるマルチガスセンサを提供しようとして得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様は、ＮＯｘを還元する触媒（７２）及び前記触媒へアンモニアを含む還元剤（Ｋ）を供給する還元剤供給装置（７３）が配置された、内燃機関（７）の排気管（７１）において、前記触媒から流出するアンモニア及びＮＯｘの濃度を検出するマルチガスセンサであって、
酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体（２１）、及び前記第１固体電解質体を介して配置されたアンモニア電極（２２）及び第１基準電極（２３）を有し、前記アンモニア電極と前記第１基準電極との間に生じる電位差（ΔＶ）を検出し、前記電位差に基づいて測定ガス（Ｇ）におけるアンモニア濃度を算出するよう構成されたアンモニアセンサ部（１１）と、
酸素イオンの伝導性を有する第２固体電解質体（３１）、前記第２固体電解質体を介して配置されたＮＯｘ電極（３２）及び第２基準電極（３４Ａ）、及び前記ＮＯｘ電極を収容するとともに拡散抵抗部（３５１）を介して測定ガスが導入される測定ガス室（３５）を有し、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、前記補正前ＮＯｘ濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてＮＯｘ濃度を算出するよう構成されたＮＯｘセンサ部（１２）と、
前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度が前記ＮＯｘセンサ部による前記ＮＯｘ濃度よりも高く、かつ前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差（Δｎ２）以上となって、前記触媒からアンモニアが所定量以上流出する場合を、認定時として認定する認定部（６１）と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記ＮＯｘセンサ部による前記補正前ＮＯｘ濃度が、前記ＮＯｘ電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとして、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度とを比較して、前記アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定する劣化判定部（６２）と、を備えるマルチガスセンサ（１）にある。
酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体（２１）、及び前記第１固体電解質体を介して配置されたアンモニア電極（２２）及び第１基準電極（２３）を有し、前記アンモニア電極と前記第１基準電極との間に生じる電位差（ΔＶ）を検出し、前記電位差に基づいて測定ガス（Ｇ）におけるアンモニア濃度を算出するよう構成されたアンモニアセンサ部（１１）と、
酸素イオンの伝導性を有する第２固体電解質体（３１）、前記第２固体電解質体を介して配置されたＮＯｘ電極（３２）及び第２基準電極（３４Ａ）、及び前記ＮＯｘ電極を収容するとともに拡散抵抗部（３５１）を介して測定ガスが導入される測定ガス室（３５）を有し、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、前記補正前ＮＯｘ濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてＮＯｘ濃度を算出するよう構成されたＮＯｘセンサ部（１２）と、
前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度が前記ＮＯｘセンサ部による前記ＮＯｘ濃度よりも高く、かつ前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差（Δｎ２）以上となって、前記触媒からアンモニアが所定量以上流出する場合を、認定時として認定する認定部（６１）と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記ＮＯｘセンサ部による前記補正前ＮＯｘ濃度が、前記ＮＯｘ電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとして、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度とを比較して、前記アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定する劣化判定部（６２）と、を備えるマルチガスセンサ（１）にある。
【0011】
本発明の他の態様は、ＮＯｘを還元する触媒（７２）及び前記触媒へアンモニアを含む還元剤（Ｋ）を供給する還元剤供給装置（７３）が配置された、内燃機関（７）の排気管（７１）において、前記触媒から流出するアンモニア及びＮＯｘの濃度を検出するマルチガスセンサであって、
酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体（２１）、及び前記第１固体電解質体を介して配置されたアンモニア電極（２２）及び第１基準電極（２３）を有し、前記アンモニア電極と前記第１基準電極との間に生じる電位差（ΔＶ）を検出し、前記電位差に基づいて測定ガス（Ｇ）におけるアンモニア濃度を算出するよう構成されたアンモニアセンサ部（１１）と、
酸素イオンの伝導性を有する第２固体電解質体（３１）、前記第２固体電解質体を介して配置されたＮＯｘ電極（３２）及び第２基準電極（３４Ａ）、及び前記ＮＯｘ電極を収容するとともに拡散抵抗部（３５１）を介して測定ガスが導入される測定ガス室（３５）を有し、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、前記補正前ＮＯｘ濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてＮＯｘ濃度を算出するよう構成されたＮＯｘセンサ部（１２）と、
前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度が前記ＮＯｘセンサ部による前記ＮＯｘ濃度よりも高く、かつ前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差（Δｎ２）以上となって、前記触媒からアンモニアが所定量以上流出する場合を、認定時として認定する認定部（６１）と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記ＮＯｘセンサ部による前記補正前ＮＯｘ濃度が、前記ＮＯｘ電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとし、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度との差に基づいて、前記アンモニアセンサ部の性能劣化量（Ｒ）を算出する劣化量算出部（６３）と、
前記性能劣化量に基づいて、前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度を補正するアンモニア濃度補正部（６４）と、を備えるマルチガスセンサ（１）にある。
酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体（２１）、及び前記第１固体電解質体を介して配置されたアンモニア電極（２２）及び第１基準電極（２３）を有し、前記アンモニア電極と前記第１基準電極との間に生じる電位差（ΔＶ）を検出し、前記電位差に基づいて測定ガス（Ｇ）におけるアンモニア濃度を算出するよう構成されたアンモニアセンサ部（１１）と、
酸素イオンの伝導性を有する第２固体電解質体（３１）、前記第２固体電解質体を介して配置されたＮＯｘ電極（３２）及び第２基準電極（３４Ａ）、及び前記ＮＯｘ電極を収容するとともに拡散抵抗部（３５１）を介して測定ガスが導入される測定ガス室（３５）を有し、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記ＮＯｘ電極と前記第２基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、前記補正前ＮＯｘ濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてＮＯｘ濃度を算出するよう構成されたＮＯｘセンサ部（１２）と、
前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度が前記ＮＯｘセンサ部による前記ＮＯｘ濃度よりも高く、かつ前記アンモニア濃度と前記ＮＯｘ濃度との差が第２濃度差（Δｎ２）以上となって、前記触媒からアンモニアが所定量以上流出する場合を、認定時として認定する認定部（６１）と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記ＮＯｘセンサ部による前記補正前ＮＯｘ濃度が、前記ＮＯｘ電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとし、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度との差に基づいて、前記アンモニアセンサ部の性能劣化量（Ｒ）を算出する劣化量算出部（６３）と、
前記性能劣化量に基づいて、前記アンモニアセンサ部による前記アンモニア濃度を補正するアンモニア濃度補正部（６４）と、を備えるマルチガスセンサ（１）にある。
【発明の効果】
【0012】
（一態様のマルチガスセンサ）
前記一態様のマルチガスセンサは、アンモニア濃度を検出可能なアンモニアセンサ部と、ＮＯｘ濃度を検出可能なＮＯｘセンサ部とを備え、ＮＯｘセンサ部による補正前ＮＯｘ濃度を利用して、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定するものである。また、マルチガスセンサは、性能劣化の有無又は度合いを判定するために、認定部及び劣化判定部を備える。認定部においては、アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度とＮＯｘセンサ部によるＮＯｘ濃度とを比較し、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度以上高い場合を特定条件として認定する。
前記一態様のマルチガスセンサは、アンモニア濃度を検出可能なアンモニアセンサ部と、ＮＯｘ濃度を検出可能なＮＯｘセンサ部とを備え、ＮＯｘセンサ部による補正前ＮＯｘ濃度を利用して、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定するものである。また、マルチガスセンサは、性能劣化の有無又は度合いを判定するために、認定部及び劣化判定部を備える。認定部においては、アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度とＮＯｘセンサ部によるＮＯｘ濃度とを比較し、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度以上高い場合を特定条件として認定する。
【0013】
アンモニア濃度とＮＯｘ濃度とを比較する知見は、本願発明者らによって初めて見出されたものである。マルチガスセンサによってアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度の検出が行われる環境下においては、アンモニアは、選択式還元触媒等におけるＮＯｘを還元するために用いられる。そして、本願発明者らは、この環境下においては、アンモニアセンサ部によって検出されるアンモニア濃度が、ＮＯｘセンサ部によって検出されるＮＯｘ濃度（補正後ＮＯｘ濃度）よりも、低くなる場合と高くなる場合とが異なるタイミングで生じることに着目している。そして、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度以上高い場合を特定条件として認定する。
【0014】
この特定条件において、ＮＯｘセンサ部のＮＯｘ電極においては、測定ガス中のＮＯｘはほとんど検出されず、測定ガス中のアンモニアがＮＯｘに酸化されてＮＯｘ濃度として検出される。アンモニアは、アンモニアセンサ部に比べて高い温度に加熱されるＮＯｘセンサ部の付近に存在するとき、ＮＯｘに酸化されやすくなる。そのため、特定条件においては、ＮＯｘセンサ部による補正前ＮＯｘ濃度を推定アンモニア濃度とする。この推定アンモニア濃度は、測定ガス中のアンモニア濃度に近い値を示すと考えられる。
【0015】
そして、アンモニアセンサ部のアンモニア電極に性能劣化がない場合には、アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度と、ＮＯｘセンサ部による推定アンモニア濃度とに大きな違いは生じない。換言すれば、これらのアンモニア濃度の差が所定の誤差範囲内になる。一方、アンモニアセンサ部のアンモニア電極に性能劣化が生じた場合には、アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度が、ＮＯｘセンサ部による推定アンモニア濃度よりも所定の誤差範囲を超えて低くなる。従って、この場合には、アンモニアセンサ部に性能劣化が生じたと判定することができる。
【0016】
これにより、マルチガスセンサにおいては、測定ガスにおけるアンモニアが占める割合が、測定ガスにおけるＮＯｘが占める割合よりも多く、ＮＯｘがアンモニアの検出にあまり影響を与えない条件下において、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定することができる。
【0017】
それ故、前記一態様のマルチガスセンサによれば、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを適切に判定することができる。
【0018】
なお、認定時における推定アンモニア濃度を示す補正前ＮＯｘ濃度は、純粋なアンモニア濃度を示すのではなく、ＮＯｘ濃度が加算されたアンモニア濃度を示すことになる。しかし、認定時における補正前ＮＯｘ濃度は、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度以上高い場合のものであり、認定時における実際のＮＯｘ濃度は、低くかつ推定アンモニア濃度の誤差範囲内に含まれる。
【0019】
（他の態様のマルチガスセンサ）
前記他の態様のマルチガスセンサにおいては、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定する代わりに、アンモニアセンサ部に生じた性能劣化量に応じて、アンモニアセンサ部によって算出されるアンモニア濃度を補正する。
前記他の態様のマルチガスセンサにおいては、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定する代わりに、アンモニアセンサ部に生じた性能劣化量に応じて、アンモニアセンサ部によって算出されるアンモニア濃度を補正する。
【0020】
前記他の態様のマルチガスセンサによれば、前記一態様のマルチガスセンサの場合と同様にして、ＮＯｘがアンモニアの検出にあまり影響を与えない条件下において、アンモニアセンサ部の性能劣化量を加味してアンモニア濃度を補正することができる。
【0021】
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】実施形態１にかかる、マルチガスセンサの構成を示す説明図。
【図5】実施形態１にかかる、マルチガスセンサのセンサ制御ユニットにおける電気的構成の一部を示す説明図。
【図6】実施形態１にかかる、マルチガスセンサが配置された内燃機関の排気管を示す説明図。
【図7】実施形態１にかかる、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係による濃度領域を示す説明図。
【図8】実施形態１にかかる、アンモニア電極において生じる混成電位を示す説明図。
【図9】実施形態１にかかる、アンモニア濃度が変化したときにアンモニア電極において生じる混成電位を示す説明図。
【図10】実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときにアンモニア電極において生じる混成電位を示す説明図。
【図11】実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときの、アンモニア濃度と電位差との関係を示すグラフ。
【図12】実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときの、電位差と酸素補正後のアンモニア濃度との関係を示すグラフ。
【図13】実施形態１にかかる、劣化判定を行う際に生じ得る誤差範囲について示すグラフ。
【図14】実施形態１にかかる、酸化触媒が設けられた、マルチガスセンサのセンサ素子を示す断面図。
【図15】実施形態１にかかる、酸化触媒が設けられた、マルチガスセンサの他のセンサ素子を示す断面図。
【図16】実施形態１にかかる、マルチガスセンサの劣化判定方法を示すフローチャート。
【図17】実施形態２にかかる、マルチガスセンサのセンサ制御ユニットにおける電気的構成の一部を示す説明図。
【図18】実施形態２にかかる、マルチガスセンサの制御方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0023】
前述したマルチガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のマルチガスセンサ１は、図１～図４に示すように、アンモニアセンサ部１１、ＮＯｘセンサ部１２、認定部６１及び劣化判定部６２を備える。アンモニアセンサ部１１は、酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体２１と、第１固体電解質体２１を介して配置されたアンモニア電極（検出電極）２２及び第１基準電極２３とを有する。アンモニアセンサ部１１は、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶを検出し、電位差ΔＶに基づいて測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出するよう構成されている。
＜実施形態１＞
本形態のマルチガスセンサ１は、図１～図４に示すように、アンモニアセンサ部１１、ＮＯｘセンサ部１２、認定部６１及び劣化判定部６２を備える。アンモニアセンサ部１１は、酸素イオンの伝導性を有する第１固体電解質体２１と、第１固体電解質体２１を介して配置されたアンモニア電極（検出電極）２２及び第１基準電極２３とを有する。アンモニアセンサ部１１は、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶを検出し、電位差ΔＶに基づいて測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出するよう構成されている。
【0024】
ＮＯｘセンサ部１２は、酸素イオンの伝導性を有する第２固体電解質体３１と、第２固体電解質体３１を介して配置されたＮＯｘ電極３２及び第２基準電極３４Ａと、ＮＯｘ電極３２を収容するとともに拡散抵抗部３５１を介して測定ガスＧが導入される測定ガス室３５とを有する。ＮＯｘセンサ部１２は、ＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に電圧が印加された状態において、ＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に生じる電流を検出し、この電流に基づいて測定ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度を差し引いてＮＯｘ濃度（補正後ＮＯｘ濃度）を算出するよう構成されている。
【0025】
図５に示すように、認定部６１は、アンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度がＮＯｘセンサ部１２による補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合を、認定時として認定するよう構成されている。劣化判定部６２は、認定部６１が認定時を認定した場合において、ＮＯｘセンサ部１２による補正前ＮＯｘ濃度が、ＮＯｘ電極３２に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとして、推定アンモニア濃度とアンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度とを比較して、アンモニアセンサ部１１の性能劣化の有無又は度合いを判定するよう構成されている。
【0026】
ＮＯｘセンサ部１２によるＮＯｘ濃度は、２種類あるものとする。ＮＯｘセンサ部１２に生じる電流に基づくＮＯｘ濃度を補正前ＮＯｘ濃度とする。補正前ＮＯｘ濃度においては、ＮＯｘ電極３２において反応するアンモニアによるアンモニア濃度が含まれる。一方、ＮＯｘセンサ部１２による補正前ＮＯｘ濃度からアンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度を差し引いた濃度を、補正後ＮＯｘ濃度とする。補正後ＮＯｘ濃度は、アンモニアによる影響が除外されたＮＯｘ濃度を示す。アンモニア濃度とＮＯｘ濃度とが比較される場合には、補正後ＮＯｘ濃度が用いられる。
【0027】
以下に、本形態のマルチガスセンサ１について詳説する。
（マルチガスセンサ１）
図１に示すように、本形態のマルチガスセンサ１は、電位差式としての混成電位式のものである。このマルチガスセンサ１においては、酸素及びアンモニアが含まれる状態の測定ガスＧにおけるアンモニアの濃度を検出する。本形態のアンモニアセンサ部１１は、アンモニア電極２２における、酸素の電気化学的還元反応（以下、単に還元反応という。）による還元電流とアンモニアの電気化学的酸化反応（以下、単に酸化反応という。）による酸化電流とが等しくなるときに生じる、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出するよう構成されている。
（マルチガスセンサ１）
図１に示すように、本形態のマルチガスセンサ１は、電位差式としての混成電位式のものである。このマルチガスセンサ１においては、酸素及びアンモニアが含まれる状態の測定ガスＧにおけるアンモニアの濃度を検出する。本形態のアンモニアセンサ部１１は、アンモニア電極２２における、酸素の電気化学的還元反応（以下、単に還元反応という。）による還元電流とアンモニアの電気化学的酸化反応（以下、単に酸化反応という。）による酸化電流とが等しくなるときに生じる、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出するよう構成されている。
【0028】
図６に示すように、マルチガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）７の排気管７１において、ＮＯｘを還元する触媒７２から流出するアンモニアの濃度を検出するものである。測定ガスＧは、内燃機関７から排気管７１へ排気された排ガスである。排ガスの組成は、内燃機関７における燃焼状態によって変化する。内燃機関７における、空気と燃料との質量比である空燃比が、理論空燃比に比べて燃料リッチな状態にあるときには、排ガスの組成においては、未燃ガスに含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ2（水素）等の割合が多くなる一方、ＮＯｘの割合が少なくなる。内燃機関７における空燃比が、理論空燃比に比べて燃料リーンな状態にあるときには、排ガスの組成においては、ＨＣ、ＣＯ等の割合が少なくなる一方、ＮＯｘの割合が多くなる。また、燃料リッチな状態においては、測定ガスＧに酸素（空気）がほとんど含まれず、燃料リーンな状態においては、測定ガスＧに酸素（空気）がより多く含まれる。
【0029】
（触媒７２）
同図に示すように、排気管７１には、ＮＯｘを還元するための触媒７２と、触媒７２へアンモニアを含む還元剤Ｋを供給する還元剤供給装置７３とが配置されている。触媒７２は、触媒担体に、ＮＯｘの還元剤Ｋとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒７２の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、ＮＯｘの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置７３から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置７３は、排気管７１における、触媒７２よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管７１へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置７３には、尿素水のタンク７３１が接続されている。
同図に示すように、排気管７１には、ＮＯｘを還元するための触媒７２と、触媒７２へアンモニアを含む還元剤Ｋを供給する還元剤供給装置７３とが配置されている。触媒７２は、触媒担体に、ＮＯｘの還元剤Ｋとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒７２の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、ＮＯｘの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置７３から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置７３は、排気管７１における、触媒７２よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管７１へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置７３には、尿素水のタンク７３１が接続されている。
【0030】
本形態の内燃機関７は、軽油の自己着火を利用して燃焼運転を行うディーゼルエンジンである。また、触媒７２は、ＮＯｘ（窒素酸化物）をアンモニア（ＮＨ3）と化学反応させて窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元する選択式還元触媒（ＳＣＲ）である。
【0031】
なお、図示は省略するが、排気管７１における、触媒７２の上流側位置には、ＮＯのＮＯ2への変換（酸化）、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）等の低減を行う酸化触媒（ＤＯＣ）、微粒子を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されていてもよい。
【0032】
（マルチガスセンサ１）
図６に示すように、本形態のマルチガスセンサ１は、排気管７１における、触媒７２よりも下流側位置に配置される。なお、排気管７１に配置されるのは、厳密には、マルチガスセンサ１のセンサ素子１０及びセンサ素子１０を保持するセンサ本体である。便宜上、本形態においては、センサ本体のことをマルチガスセンサ１ということがある。
図６に示すように、本形態のマルチガスセンサ１は、排気管７１における、触媒７２よりも下流側位置に配置される。なお、排気管７１に配置されるのは、厳密には、マルチガスセンサ１のセンサ素子１０及びセンサ素子１０を保持するセンサ本体である。便宜上、本形態においては、センサ本体のことをマルチガスセンサ１ということがある。
【0033】
本形態のマルチガスセンサ１は、アンモニア濃度の検出だけでなく、酸素濃度及びＮＯｘ濃度の検出も可能なマルチガスセンサ１（複合センサ）として形成されている。そして、酸素濃度は、アンモニア濃度を補正するために使用される。また、マルチガスセンサ１によるアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度は、内燃機関７の制御装置としてのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって、還元剤供給装置７３から排気管７１へ還元剤Ｋとしてのアンモニアを供給する時期を決定するために使用される。
【0034】
なお、制御装置には、エンジンを制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０、マルチガスセンサ１を制御するセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）５の他、種々の電子制御ユニットがある。制御装置とは、種々のコンピュータ（処理装置）のことをいう。
【0035】
エンジン制御ユニット５０は、マルチガスセンサ１によって、測定ガスＧ中にＮＯｘが存在することが検出されるときには、触媒７２においてアンモニアが不足していると検知し、還元剤供給装置７３から尿素水を噴射し、触媒７２へアンモニアを供給するよう構成されている。一方、エンジン制御ユニット５０は、マルチガスセンサ１によって、測定ガスＧ中にアンモニアが存在することが検出されるときには、触媒７２においてアンモニアが過剰に存在していると検知し、還元剤供給装置７３からの尿素水の噴射を停止し、触媒７２へのアンモニアの供給を停止するよう構成されている。触媒７２においては、ＮＯｘを還元するためのアンモニアが過不足なく供給されることが好ましい。
【0036】
（触媒出口７２１のアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係）
エンジン制御ユニット５０によるアンモニアの供給制御が行われることにより、触媒７２の下流側位置（触媒出口７２１）及びマルチガスセンサ１の配置位置に存在する測定ガスＧのＮＯｘ及びアンモニアの濃度領域においては、ＮＯｘがアンモニアによって適切に還元される状態と、ＮＯｘの流出量が多くなる状態と、アンモニアの流出量が多くなる状態とが、時間を変えて生じることになる。
エンジン制御ユニット５０によるアンモニアの供給制御が行われることにより、触媒７２の下流側位置（触媒出口７２１）及びマルチガスセンサ１の配置位置に存在する測定ガスＧのＮＯｘ及びアンモニアの濃度領域においては、ＮＯｘがアンモニアによって適切に還元される状態と、ＮＯｘの流出量が多くなる状態と、アンモニアの流出量が多くなる状態とが、時間を変えて生じることになる。
【0037】
より具体的には、図７に示すように、エンジン制御ユニット５０においては、アンモニア（ＮＨ3）濃度とＮＯｘ濃度との関係を示す濃度領域は、ＮＯｘ濃度がアンモニア濃度よりも所定濃度（第１濃度差Δｎ１）以上高い第１濃度領域Ｎ１と、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度（第２濃度差Δｎ２）以上高い第３濃度領域Ｎ３と、第１濃度領域Ｎ１と第３濃度領域Ｎ３との間の第２濃度領域Ｎ２とに区分される。この濃度領域は、マルチガスセンサ１によって検出されるＮＯｘ濃度（補正後ＮＯｘ濃度）とアンモニア濃度とを比較し、測定ガスＧにおいていずれの濃度が高いかを示すものである。
【0038】
ここで、ＮＯｘ濃度がアンモニア濃度よりも所定濃度以上高い場合とは、ＮＯｘ濃度がアンモニア濃度よりも高く、かつＮＯｘ濃度とアンモニア濃度との差が第１濃度差Δｎ１以上である場合を示す。また、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度以上高い場合とは、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも高く、かつアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との差が第２濃度差Δｎ２以上である場合を示す。
【0039】
同図において、ＮＯｘ濃度が高い第１濃度領域Ｎ１においては、測定ガスＧ中にアンモニアが少量存在し、アンモニア濃度が高い第３濃度領域Ｎ３においては、測定ガスＧ中にＮＯｘが少量存在すると仮定している。触媒７２におけるＮＯｘの還元反応がより適切に行われる場合には、第１濃度領域Ｎ１においては、アンモニアがほとんど存在せず、第３濃度領域Ｎ３においては、ＮＯｘがほとんど存在しなくなる状態が形成されると考えられる。
【0040】
濃度領域の区分において、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度は、いずれも体積％（ｐｐｍ）で表されることとする。濃度領域を区分する際のアンモニア濃度は、酸素濃度に応じて補正したアンモニア濃度とすることができる。エンジン制御ユニット５０は、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係が、第２濃度領域Ｎ２内になるよう、還元剤供給装置７３から触媒７２へ供給する還元剤Ｋの量を調整するよう構成することができる。
【0041】
第１濃度領域Ｎ１と第２濃度領域Ｎ２とを区分する所定濃度としての、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度との第１濃度差Δｎ１は、１０～５０ｐｐｍとすることができる。そして、ＮＯｘ濃度がアンモニア濃度よりも１０～５０ｐｐｍ以上高い場合に、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係が第１濃度領域Ｎ１にあると判定することができる。第１濃度差Δｎ１は、マルチガスセンサ１の仕様、搭載環境等に応じて、適宜変更することができる。
【0042】
また、第２濃度領域Ｎ２と第３濃度領域Ｎ３とを区分する所定濃度としての、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との第２濃度差Δｎ２は、５０～１００ｐｐｍとすることができる。そして、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも５０～１００ｐｐｍ以上高い場合に、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係が第３濃度領域Ｎ３にあると判定することができる。第２濃度差Δｎ２は、マルチガスセンサ１の仕様、搭載環境等に応じて、適宜変更することができる。
【0043】
マルチガスセンサ１は、還元剤供給装置７３が、後述するアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度と後述するＮＯｘ濃度算出部５７によるＮＯｘ濃度（補正後ＮＯｘ濃度）とが第２濃度領域Ｎ２内になるよう、触媒７２への還元剤Ｋの供給量を調整するために用いられる。エンジン制御ユニット５０は、マルチガスセンサ１によるアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係が、第２濃度領域Ｎ２内になるよう、還元剤供給装置７３から触媒７２への還元剤Ｋの供給量を調整するよう構成されている。マルチガスセンサ１を用いることにより、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度とを監視して触媒７２への還元剤Ｋの供給量を決定することができ、触媒７２におけるＮＯｘの還元反応を、アンモニアの流出を抑えつつ、より最適に行うことができる。
【0044】
図示は省略するが、マルチガスセンサ１は、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を検出するためのセンサ素子１０と、センサ素子１０を保持して排気管７１に取り付けるためのハウジングと、ハウジングの先端側に取り付けられてセンサ素子１０を保護する先端側カバーと、ハウジングの基端側に取り付けられてセンサ素子１０の電気配線部分を保護する基端側カバーとを備える。図１及び図２に示すように、センサ素子１０は、後述するアンモニア素子部２及び後述するＮＯｘ素子部３に対して、後述するヒータ部４を積層して形成されている。
【0045】
（アンモニアセンサ部１１）
アンモニアセンサ部１１は、機械的構成部位であるアンモニア素子部２と、電気的構成部位である電位差検出部５１及びアンモニア濃度算出部５２とによって構成されている。アンモニア素子部２は、第１固体電解質体２１、アンモニア電極２２及び第１基準電極２３を有する。
アンモニアセンサ部１１は、機械的構成部位であるアンモニア素子部２と、電気的構成部位である電位差検出部５１及びアンモニア濃度算出部５２とによって構成されている。アンモニア素子部２は、第１固体電解質体２１、アンモニア電極２２及び第１基準電極２３を有する。
【0046】
（アンモニア素子部２）
第１固体電解質体２１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、イットリア（酸化イットリウム）等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることができる。
第１固体電解質体２１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、イットリア（酸化イットリウム）等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることができる。
【0047】
アンモニア電極２２は、第１固体電解質体２１における、酸素及びアンモニアが含まれる測定ガスＧに晒される第１表面２１１に設けられている。第１基準電極２３は、第１固体電解質体２１における、第１表面２１１とは反対側の第２表面２１２に設けられている。第２表面２１２及び第２表面２１２に設けられた第１基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。第１固体電解質体２１の第２表面２１２には、大気が導入される基準ガスダクト２４が隣接して形成されている。
【0048】
アンモニア電極２２は、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する金（Ａｕ）、白金－金合金、白金－パラジウム合金、パラジウム－金合金等の貴金属材料を用いて構成されている。第１基準電極２３は、酸素に対する触媒活性を有する白金（Ｐｔ）等の貴金属材料を用いて構成されている。また、アンモニア電極２２及び第１基準電極２３は、第１固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有していてもよい。
【0049】
図１及び図２に示すように、第１固体電解質体２１の、測定ガスＧに晒される第１表面２１１は、マルチガスセンサ１のセンサ素子１０における最も外側の表面を形成する。そして、第１表面２１１に設けられたアンモニア電極２２には、測定ガスＧが接触しやすい状態が形成されている。本形態のアンモニア電極２２の表面には、セラミックスの多孔質体等による保護層が設けられていない。そして、アンモニア電極２２には、測定ガスＧが拡散律速されずに接触する。なお、アンモニア電極２２の表面には、測定ガスＧの流速を極力低下させない保護層を設けることも可能である。
【0050】
第１固体電解質体２１の第２表面２１２及び第２表面２１２に設けられた第１基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。第１固体電解質体２１の第２表面２１２には、大気が導入される基準ガスダクト（大気ダクト）２４が隣接して形成されている。
【0051】
（電位差検出部５１）
図１に示すように、本形態の電位差検出部５１は、アンモニア電極２２に混成電位が生じたときのアンモニア電極２２と第１基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出する。アンモニア電極２２においては、アンモニア電極２２に接触する測定ガスＧ中にアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの酸化反応と、酸素の還元反応とが同時に進行する。アンモニアの酸化反応は、代表的には、２ＮＨ3＋３Ｏ2-→Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ-によって表される。酸素の還元反応は、代表的には、Ｏ2＋４ｅ-→２Ｏ2-によって表される。そして、アンモニア電極２２における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、アンモニア電極２２における、アンモニアの酸化反応（速度）と酸素の還元反応（速度）とが等しくなるときの電位として生じる。
図１に示すように、本形態の電位差検出部５１は、アンモニア電極２２に混成電位が生じたときのアンモニア電極２２と第１基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出する。アンモニア電極２２においては、アンモニア電極２２に接触する測定ガスＧ中にアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの酸化反応と、酸素の還元反応とが同時に進行する。アンモニアの酸化反応は、代表的には、２ＮＨ3＋３Ｏ2-→Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ-によって表される。酸素の還元反応は、代表的には、Ｏ2＋４ｅ-→２Ｏ2-によって表される。そして、アンモニア電極２２における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、アンモニア電極２２における、アンモニアの酸化反応（速度）と酸素の還元反応（速度）とが等しくなるときの電位として生じる。
【0052】
図８は、アンモニア電極２２において生じる混成電位を説明するための図である。同図においては、横軸に、第１基準電極２３に対するアンモニア電極２２の電位（電位差ΔＶ）をとり、縦軸に、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間に流れる電流をとって、混成電位の変化の仕方を示す。また、同図においては、アンモニア電極２２においてアンモニアの酸化反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第１ラインＬ１と、アンモニア電極２２において酸素の還元反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第２ラインＬ２とを示す。第１ラインＬ１及び第２ラインＬ２は、いずれも右肩上がりのラインによって示す。
【0053】
電位（電位差ΔＶ）が０（ゼロ）の場合は、アンモニア電極２２の電位が第１基準電極２３の電位と同じであることを示す。混成電位は、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合ったときの電位となる。そして、アンモニア電極２２における混成電位は、第１基準電極２３に対してマイナス側の電位として検出される。
【0054】
また、図９に示すように、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度が高くなるときには、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１の傾きθａが急になる。このとき、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側へシフトする。これにより、アンモニア濃度が高くなるほど、第１基準電極２３に対するアンモニア電極２２の電位がマイナス側に大きくなる。言い換えれば、アンモニア濃度が高くなるほど、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが大きくなる。そのため、アンモニア濃度が高くなるほど電位差ΔＶが大きくなり、電位差ΔＶを検出することにより、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を検出することが可能になる。
【0055】
また、図１０に示すように、測定ガスＧにおける酸素濃度が高くなるときには、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２の傾きθｓが急になる。このとき、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側におけるゼロに近い位置へシフトする。これにより、酸素濃度が高くなるほど、第１基準電極２３に対するアンモニア電極２２のマイナス側の電位が小さくなる。言い換えれば、酸素濃度が高くなるほど、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが小さくなる。そのため、酸素濃度が高くなるほど、電位差ΔＶ又はアンモニア濃度を高くする補正を行うことにより、アンモニア濃度の検出精度を高めることができる。
【0056】
（アンモニア濃度算出部５２）
図１に示すように、アンモニア濃度算出部５２は、電位差検出部５１による電位差ΔＶに基づいて、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出するよう構成されている。アンモニア濃度算出部５２は、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出するに当たり、後述する酸素濃度算出部５５によって酸素濃度を算出し、算出した酸素濃度における電位差ΔＶを、電位差ΔＶと酸素補正後のアンモニア濃度との関係マップＭ１に照合して、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を算出するように構成されている。
図１に示すように、アンモニア濃度算出部５２は、電位差検出部５１による電位差ΔＶに基づいて、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出するよう構成されている。アンモニア濃度算出部５２は、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出するに当たり、後述する酸素濃度算出部５５によって酸素濃度を算出し、算出した酸素濃度における電位差ΔＶを、電位差ΔＶと酸素補正後のアンモニア濃度との関係マップＭ１に照合して、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を算出するように構成されている。
【0057】
図１１は、混成電位式のアンモニア素子部２において、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度の変化に応じて検出される、電位差検出部５１によるアンモニア電極２２と第１基準電極２３との間の電位差（混成電位）ΔＶが、酸素濃度の影響を受けて変化することを示す。同図に示すように、電位差検出部５１によって検出される電位差（混成電位）ΔＶは、酸素濃度が高くなるほど小さく検出される（マイナス側のゼロに近い位置で検出される）。この理由は、図１０における傾きθｓによって説明したとおりである。
【0058】
図１２に示すように、本形態のアンモニア濃度算出部５２においては、測定ガスＧにおける酸素濃度をパラメータとして、電位差検出部５１による電位差ΔＶと、酸素濃度に応じた補正が行われた酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係を示す関係マップＭ１が設定されている。この関係マップＭ１は、酸素濃度が所定の値にあるときの電位差ΔＶと酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係として作成されている。アンモニア濃度算出部５２は、測定ガスＧにおける酸素濃度及び電位差検出部５１による電位差ΔＶを関係マップＭ１に照合して、測定ガスＧにおける酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を算出するよう構成されている。
【0059】
より具体的には、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度算出部５５による酸素濃度と、電位差検出部５１による電位差ΔＶとを、関係マップＭ１の酸素濃度及び電位差ΔＶにそれぞれ照合する。そして、関係マップＭ１から、電位差ΔＶのときの酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を読み取る。そして、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度が高いほど、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１が高くなるように補正する。こうして、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１は、酸素濃度に応じて補正された、マルチガスセンサ１から出力されるアンモニア出力濃度となる。なお、関係マップＭ１においては、電位差ΔＶを、酸素補正前のアンモニア濃度Ｃ０としてもよい。
【0060】
同図においては、測定ガスＧ中の酸素濃度が、例えば、５［体積％］、１０［体積％］、２０［体積％］である場合の関係マップＭ１を示す。この関係マップＭ１を用いることにより、酸素濃度に応じたアンモニア濃度Ｃ１又は電位差ΔＶの補正を容易にすることができる。電位差ΔＶと酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係マップＭ１は、マルチガスセンサ１の試作・実験時等において求めておくことができる。
【0061】
また、図１２の関係マップＭ１は、アンモニア電極２２の温度ごとに設定することができる。そして、アンモニア電極２２の温度の違いを反映して、酸素濃度に応じた酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を算出することができる。また、関係マップＭ１から算出された酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を、アンモニア電極２２の温度に応じて定められた温度補正係数を用いて補正することもできる。
【0062】
なお、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度及びＮＯｘ濃度に基づいてアンモニア濃度を算出するよう構成することもできる。後述するＮＯｘ素子部３におけるＮＯｘ電極３２は、ＮＯｘに対する触媒活性を有するだけでなく、アンモニアに対する触媒活性も有する。そのため、アンモニア濃度は、ＮＯｘ電極３２において、ＮＯｘ濃度として検出することが可能である。これにより、アンモニア濃度算出部５２においては、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度とを比較して、アンモニア濃度がより正しい値を示すよう補正することができる。
【0063】
電位差検出部５１及びアンモニア濃度算出部５２は、マルチガスセンサ１に電気接続されたセンサ制御ユニット５（ＳＣＵ）内に形成されている。電位差検出部５１は、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との電位差ΔＶを測定するアンプ等を用いて形成されている。アンモニア濃度算出部５２は、コンピュータ等を用いて形成されている。また、センサ制御ユニット５は、内燃機関７のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０に接続されており、エンジン制御ユニット５０による、内燃機関７、還元剤供給装置７３等の動作の制御に利用される。
【0064】
（ＮＯｘセンサ部１２）
図１に示すように、ＮＯｘセンサ部１２は、機械的構成部位であるＮＯｘ素子部３と、電気的構成部位であるポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４、酸素濃度算出部５５、ＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７とによって構成されている。ＮＯｘ素子部３は、第２固体電解質体３１、ＮＯｘ電極３２、第２基準電極３４Ａ、ポンプ電極３３及び第３基準電極３４Ｂを有する。ＮＯｘ素子部３は、第２固体電解質体３１、ＮＯｘ電極３２及び第２基準電極３４Ａ、測定ガス室３５の他に、第２固体電解質体３１を介して配置されたポンプ電極３３及び第３基準電極３４Ｂを更に有する。
図１に示すように、ＮＯｘセンサ部１２は、機械的構成部位であるＮＯｘ素子部３と、電気的構成部位であるポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４、酸素濃度算出部５５、ＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７とによって構成されている。ＮＯｘ素子部３は、第２固体電解質体３１、ＮＯｘ電極３２、第２基準電極３４Ａ、ポンプ電極３３及び第３基準電極３４Ｂを有する。ＮＯｘ素子部３は、第２固体電解質体３１、ＮＯｘ電極３２及び第２基準電極３４Ａ、測定ガス室３５の他に、第２固体電解質体３１を介して配置されたポンプ電極３３及び第３基準電極３４Ｂを更に有する。
【0065】
ＮＯｘ素子部３には、ＮＯｘ素子部３及びアンモニア素子部２を加熱するヒータ部４が積層されている。ＮＯｘセンサ部１２は、ＮＯｘ濃度を検出する機能の他に、酸素濃度を検出する機能も備える。具体的には、ＮＯｘセンサ部１２は、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に電圧を印加して、ポンプ電極３３が収容された測定ガス室３５における酸素を汲み出すとともに、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に流れる電流に基づいて測定ガスＧにおける酸素濃度を算出するようにも構成されている。
【0066】
（ＮＯｘ素子部３）
ＮＯｘ素子部３は、第２固体電解質体３１、測定ガス室３５、拡散抵抗部３５１、ポンプ電極３３、ＮＯｘ電極３２、第２基準電極３４Ａ及び第３基準電極３４Ｂを有する。第２固体電解質体３１は、第１固体電解質体２１に対向して配置されている。第２固体電解質体３１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。このジルコニア材料は、第１固体電解質体２１の場合と同様である。
ＮＯｘ素子部３は、第２固体電解質体３１、測定ガス室３５、拡散抵抗部３５１、ポンプ電極３３、ＮＯｘ電極３２、第２基準電極３４Ａ及び第３基準電極３４Ｂを有する。第２固体電解質体３１は、第１固体電解質体２１に対向して配置されている。第２固体電解質体３１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。このジルコニア材料は、第１固体電解質体２１の場合と同様である。
【0067】
図１、図２及び図４に示すように、測定ガス室３５は、第２固体電解質体３１の第３表面３１１に接して形成されている。測定ガス室３５は、ガス室用絶縁体３６によって形成されている。ガス室用絶縁体３６は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。拡散抵抗部３５１は、多孔質のセラミックス層として形成されており、測定ガス室３５へ拡散速度を制限して測定ガスＧを導入するための部分である。
【0068】
ポンプ電極３３は、第３表面３１１における測定ガス室３５内に収容されており、測定ガス室３５内の測定ガスＧに晒される。ＮＯｘ電極３２は、第３表面３１１における測定ガス室３５内に収容されており、ポンプ電極３３によって酸素濃度が調整された後の測定ガスＧに晒される。第３基準電極３４Ｂは、第２固体電解質体３１における、第３表面３１１とは反対側の第４表面３１２に設けられている。
【0069】
ポンプ電極３３は、酸素に対する触媒活性を有する白金－金合金等の貴金属材料を用いて構成されている。ＮＯｘ電極３２は、ＮＯｘ及び酸素に対する触媒活性を有する白金－ロジウム合金等の貴金属材料を用いて構成されている。第２基準電極３４Ａ及び第３基準電極３４Ｂは、酸素に対する触媒活性を有する白金等の貴金属材料を用いて構成されている。また、ポンプ電極３３、ＮＯｘ電極３２、第２基準電極３４Ａ及び第３基準電極３４Ｂは、第２固体電解質体３１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有していてもよい。
【0070】
本形態の第２基準電極３４Ａは、第２固体電解質体３１を介してＮＯｘ電極３２と対向する位置に設けられており、本形態の第３基準電極３４Ｂは、第２固体電解質体３１を介してポンプ電極３３と対向する位置に設けられている。なお、第２基準電極３４Ａ及び第３基準電極３４Ｂは、ポンプ電極３３及びＮＯｘ電極３２と対向する位置の全体に１つ設けられていてもよい。
【0071】
図１～図３に示すように、第２固体電解質体３１の第４表面３１２及び第４表面３１２に設けられた第２基準電極３４Ａ及び第３基準電極３４Ｂは、基準ガスＡとしての大気に晒されている。第１固体電解質体２１と第２固体電解質体３１とは、基準ガスダクト２４を形成するダクト用絶縁体２５を介して積層されている。ダクト用絶縁体２５は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
【0072】
基準ガスダクト２４は、第１固体電解質体２１の第２表面２１２及び第１基準電極２３と、第２固体電解質体３１の第４表面３１２、第２基準電極３４Ａ及び第３基準電極３４Ｂとに大気を接触させる状態で形成されている。第１基準電極２３、第２基準電極３４Ａ及び第３基準電極３４Ｂは、基準ガスダクト２４内に収容されている。基準ガスダクト２４は、センサ素子１０の基端から測定ガス室３５に対向する位置まで形成されている。
【0073】
マルチガスセンサ１の基端側カバー内に導入された基準ガスＡは、基準ガスダクト２４の基端側の開口部から基準ガスダクト２４内に導入される。本形態のセンサ素子１０は、第１固体電解質体２１と第２固体電解質体３１との間に基準ガスダクト２４を有することにより、第１～第３基準電極２３，３４Ａ，３４Ｂの全体をまとめて大気に接触させることができる。
【0074】
（ヒータ部４）
図１及び図２に示すように、第２固体電解質体３１の、第１固体電解質体２１が積層された側とは反対側には、ＮＯｘ素子部３及びアンモニア素子部２を加熱するヒータ部４が積層されている。ヒータ部４は、通電によって発熱する発熱体４１と、発熱体４１を埋設するヒータ用絶縁体４２とによって形成されている。ヒータ用絶縁体４２は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
図１及び図２に示すように、第２固体電解質体３１の、第１固体電解質体２１が積層された側とは反対側には、ＮＯｘ素子部３及びアンモニア素子部２を加熱するヒータ部４が積層されている。ヒータ部４は、通電によって発熱する発熱体４１と、発熱体４１を埋設するヒータ用絶縁体４２とによって形成されている。ヒータ用絶縁体４２は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
【0075】
発熱体４１は、発熱部と、発熱部に繋がるリード部とによって形成されており、発熱部が各電極２２，２３，３２，３３，３４Ａ，３４Ｂに対向する位置に形成されている。発熱体４１には、発熱体４１に通電を行うための通電制御部５８が接続されている。通電制御部５８は、発熱体４１に、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。通電制御部５８は、センサ制御ユニット５内に形成されている。
【0076】
通電制御部５８による発熱体４１の通電量を制御する際には、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に交流電圧を印加したときのインピーダンスを測定し、このインピーダンスが目標とする値になるように通電量を調整することができる。これにより、アンモニア素子部２及びＮＯｘ素子部３の温度が目標とする温度になるようにする。なお、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間のインピーダンスと、アンモニア電極２２等の温度との関係は、関係マップとして求めておく。また、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間のインピーダンスを測定する代わりに、発熱体４１のインピーダンス又はアンモニア電極２２と基準電極との間のインピーダンスを測定することもできる。
【0077】
アンモニア素子部２及びＮＯｘ素子部３は、通電制御部５８によるインピーダンス制御が行われる、同じ発熱体４１によって加熱される。そのため、仮に、アンモニア電極２２の温度及びＮＯｘ電極３２の温度に、通電制御部５８によるインピーダンス制御を行う際の変動が生じた場合であっても、アンモニア電極２２の温度及びＮＯｘ電極３２の温度が同様の変動を受ける。そのため、ＮＯｘ濃度算出部５７による推定アンモニア濃度と、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度との間に、温度の変動に伴う濃度誤差が生じにくくすることができる。
【0078】
アンモニア素子部２とヒータ部４との距離は、ＮＯｘ素子部３とヒータ部４との距離よりも大きい。そして、ヒータ部４によってＮＯｘ素子部３を加熱する温度に比べて、ヒータ部４によってアンモニア素子部２を加熱する温度は低い。ＮＯｘ素子部３のポンプ電極３３及びＮＯｘ電極３２は、６００～９００℃の温度において使用され、アンモニア素子部２のアンモニア電極２２は、４００～６００℃の温度において使用される。アンモニア電極２２の温度は、ヒータ部４の加熱によって、４００～６００℃の温度範囲内のいずれかの温度を目標として制御される。
【0079】
また、ＮＯｘ素子部３とアンモニア素子部２との間に基準ガスダクト２４が形成されていることにより、ヒータ部４によってＮＯｘ素子部３及びアンモニア素子部２を加熱する際に、基準ガスダクト２４を断熱層として作用させることができる。これにより、ＮＯｘ素子部３のポンプ電極３３及びＮＯｘ電極３２の温度に比べて、アンモニア素子部２のアンモニア電極２２の温度を容易に低くすることができる。また、通電制御部５８による通電制御を行うことにより、ＮＯｘ素子部３及びアンモニア素子部２の温度を目標とする温度に制御する。
【0080】
（ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及び酸素濃度算出部５５）
図１に示すように、ポンピング部５３は、第３基準電極３４Ｂをプラス側として、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に直流電圧を印加して、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおける酸素を汲み出すよう構成されている。ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極３３に接触する、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおける酸素が、酸素イオンとなって第２固体電解質体３１を第３基準電極３４Ｂに向けて通過し、第３基準電極３４Ｂから基準ガスダクト２４へと排出される。これにより、測定ガス室３５内の酸素濃度が、ＮＯｘの検出に適した濃度に調整される。
図１に示すように、ポンピング部５３は、第３基準電極３４Ｂをプラス側として、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に直流電圧を印加して、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおける酸素を汲み出すよう構成されている。ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極３３に接触する、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおける酸素が、酸素イオンとなって第２固体電解質体３１を第３基準電極３４Ｂに向けて通過し、第３基準電極３４Ｂから基準ガスダクト２４へと排出される。これにより、測定ガス室３５内の酸素濃度が、ＮＯｘの検出に適した濃度に調整される。
【0081】
ポンプ電流検出部５４は、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。酸素濃度算出部５５は、ポンプ電流検出部５４によって検出された直流電流に基づいて、測定ガスＧにおける酸素濃度を算出するよう構成されている。ポンプ電流検出部５４においては、ポンピング部５３によって測定ガス室３５内から基準ガスダクト２４へ排出される酸素の量に比例した直流電流が検出される。
【0082】
また、ポンピング部５３は、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおける酸素濃度が所定の濃度になるまで、測定ガス室３５内から基準ガスダクト２４へ酸素を排出する。そのため、酸素濃度算出部５５は、ポンプ電流検出部５４によって検出される直流電流を監視することにより、アンモニア素子部２及びＮＯｘ素子部３に到達する測定ガスＧにおける酸素濃度を算出することができる。
【0083】
酸素濃度算出部５５によって算出される酸素濃度は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を補正するための酸素濃度として利用される。
【0084】
（ＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７）
図１に示すように、ＮＯｘ検出部５６は、第２基準電極３４Ａをプラス側としてＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に直流電圧を印加して、ＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。ＮＯｘ濃度算出部５７は、ＮＯｘ検出部５６によって検出される直流電流に基づいて、測定ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度を差し引いて補正後ＮＯｘ濃度を算出するよう構成されている。ＮＯｘ検出部５６においては、ＮＯｘだけでなくアンモニアも検出される。そのため、ＮＯｘ濃度算出部５７においては、アンモニアの検出量を差し引くことにより実際のＮＯｘの検出量が得られる。
図１に示すように、ＮＯｘ検出部５６は、第２基準電極３４Ａをプラス側としてＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に直流電圧を印加して、ＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。ＮＯｘ濃度算出部５７は、ＮＯｘ検出部５６によって検出される直流電流に基づいて、測定ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度を差し引いて補正後ＮＯｘ濃度を算出するよう構成されている。ＮＯｘ検出部５６においては、ＮＯｘだけでなくアンモニアも検出される。そのため、ＮＯｘ濃度算出部５７においては、アンモニアの検出量を差し引くことにより実際のＮＯｘの検出量が得られる。
【0085】
ＮＯｘ電極３２には、ポンプ電極３３によって酸素濃度が調整された後の測定ガスＧが接触する。そして、ＮＯｘ検出部５６においては、ＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に直流電圧が印加されるときには、ＮＯｘ電極３２に接触する、測定ガス室３５内の測定ガスＧにおけるＮＯｘが窒素と酸素に分解され、酸素が酸素イオンとなって第２固体電解質体３１を第２基準電極３４Ａに向けて通過し、第２基準電極３４Ａから基準ガスダクト２４へと排出される。また、ＮＯｘ検出部５６にアンモニアが到達するときには、アンモニアが酸化されて生成されたＮＯｘも同様に窒素と酸素に分解される。そして、ＮＯｘ濃度算出部５７は、ＮＯｘ検出部５６によって検出される直流電流を監視することにより、ＮＯｘ素子部３に到達する測定ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度を差し引いて補正後ＮＯｘ濃度を算出する。
【0086】
また、マルチガスセンサ１におけるＮＯｘセンサ部１２は、いわゆる限界電流式のセンサとして機能する。すなわち、ＮＯｘセンサ部１２は、拡散抵抗部３５１によって測定ガス室３５への測定ガスＧの流れが制限される際に、限界電流特性を示すための直流電圧を印加したときに、ＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に生じる直流電流を検出するものである。
【0087】
ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及びＮＯｘ検出部５６は、アンプ等を用いてセンサ制御ユニット５内に形成されている。酸素濃度算出部５５及びＮＯｘ濃度算出部５７は、コンピュータ等を用いてセンサ制御ユニット５内に形成されている。
【0088】
なお、図１においては、便宜的に、電位差検出部５１、ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及びＮＯｘ検出部５６を、センサ制御ユニット５と区別して記載する。実際には、これらは、センサ制御ユニット５内に構築されている。
【0089】
図７において、触媒出口７２１のアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係を示す濃度領域におけるＮＯｘ濃度は、ＮＯｘ濃度算出部５７によって算出される補正後ＮＯｘ濃度とすることができる。また、この濃度領域におけるアンモニア濃度は、アンモニア濃度算出部５２によって算出されるアンモニア濃度とすることができる。
【0090】
マルチガスセンサ１によれば、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を検出するためのガスセンサの使用数を減らすことができる。また、ＮＯｘ濃度を検出するために使用されるポンプ電極３３及びポンピング部５３を利用して、ポンプ電流検出部５４及び酸素濃度算出部５５によって酸素濃度を検出することができる。
【0091】
（認定部６１）
図５及び図７に示すように、認定部６１は、アンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度と、ＮＯｘセンサ部１２による補正後ＮＯｘ濃度とを比較して、アンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度がＮＯｘセンサ部１２による補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合を、認定時として認定する。この場合において、アンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度は、酸素濃度算出部５５による酸素濃度に応じて補正を行った、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１とすることができる。
図５及び図７に示すように、認定部６１は、アンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度と、ＮＯｘセンサ部１２による補正後ＮＯｘ濃度とを比較して、アンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度がＮＯｘセンサ部１２による補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合を、認定時として認定する。この場合において、アンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度は、酸素濃度算出部５５による酸素濃度に応じて補正を行った、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１とすることができる。
【0092】
認定時における推定アンモニア濃度を示す補正前ＮＯｘ濃度は、純粋なアンモニア濃度を示すのではなく、ＮＯｘ濃度が加算されたアンモニア濃度を示すことになる。しかし、認定時における補正前ＮＯｘ濃度は、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合のものであり、認定時における実際のＮＯｘ濃度は、低くかつ推定アンモニア濃度の誤差範囲内に含まれる。
【0093】
（劣化判定部６２）
劣化判定部６２は、認定部６１が認定時を認定した場合を条件として、アンモニアセンサ部１１の性能劣化の有無又は度合いを判定する判定時期を決定することができる。判定時期は、例えば、車両の走行距離が所定の設定距離以上になり、かつ認定時が認定された場合とすることができる。そして、車両の走行距離が設定距離になるごとに、判定時期が決定される。
劣化判定部６２は、認定部６１が認定時を認定した場合を条件として、アンモニアセンサ部１１の性能劣化の有無又は度合いを判定する判定時期を決定することができる。判定時期は、例えば、車両の走行距離が所定の設定距離以上になり、かつ認定時が認定された場合とすることができる。そして、車両の走行距離が設定距離になるごとに、判定時期が決定される。
【0094】
劣化判定部６２は、ＮＯｘセンサ部１２による推定アンモニア濃度からアンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度を差し引いた差分値が、所定値を超えたときに、アンモニアセンサ部１１に性能劣化が生じたと判定することができる。この所定値は、アンモニアセンサ部１１及びＮＯｘセンサ部１２における検出精度を考慮して、決定することができる。
【0095】
劣化判定部６２は、アンモニアセンサ部１１の性能劣化の度合いである性能劣化量を算出するよう構成することもできる。ＮＯｘセンサ部１２による推定アンモニア濃度からアンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度を差し引いた差分値に基づいて性能劣化量を求めることができる。性能劣化量Ｒは、推定アンモニア濃度をＤ、酸素補正後のアンモニア濃度をＣ１としたとき、Ｒ＝（Ｄ－Ｃ１）／Ｄ×１００［％］として求めることができる。
【0096】
混成電位式のマルチガスセンサ１のアンモニア素子部２においては、アンモニア電極２２が測定ガスＧに直接晒されており、アンモニア電極２２が被毒物質によって被毒しやすい環境にある。そして、アンモニア電極２２が被毒すると、特に、アンモニア電極２２におけるアンモニアの酸化反応を示す触媒性能が劣化する。また、アンモニア電極２２の被毒によって、アンモニア電極２２における酸素の還元反応を示す触媒性能も劣化する。アンモニアセンサ部１１の性能劣化の多くはアンモニア電極２２の性能劣化であると考えられる。
【0097】
（アンモニア出力濃度及びＮＯｘ出力濃度）
マルチガスセンサ１から出力するアンモニア出力濃度は、酸素濃度算出部５５の酸素濃度を用いて補正された、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度とする。また、アンモニア出力濃度は、酸素濃度を用いて補正するだけでなく、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度を用いて補正することもできる。
マルチガスセンサ１から出力するアンモニア出力濃度は、酸素濃度算出部５５の酸素濃度を用いて補正された、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度とする。また、アンモニア出力濃度は、酸素濃度を用いて補正するだけでなく、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度を用いて補正することもできる。
【0098】
マルチガスセンサ１から出力するＮＯｘ出力濃度は、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度とする。また、ＮＯｘ出力濃度は、アンモニア濃度算出部５２のアンモニア濃度を用いて補正された、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度とすることもできる。
【0099】
（認定時）
劣化判定部６２は、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度に比べて所定濃度Δｎ２以上高い場合に、劣化の判定を行う。そして、マルチガスセンサ１においてアンモニアがある程度検出される場合に、アンモニア素子部２の劣化の有無又は度合いを判定する。また、認定時を普遍的に決定するためには、認定部６１は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度がＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合であって、かつ内燃機関がフューエルカット運転を行うとともに還元剤供給装置が触媒へ還元剤Ｋを供給している場合を、認定時として認定することができる。
劣化判定部６２は、アンモニア濃度がＮＯｘ濃度に比べて所定濃度Δｎ２以上高い場合に、劣化の判定を行う。そして、マルチガスセンサ１においてアンモニアがある程度検出される場合に、アンモニア素子部２の劣化の有無又は度合いを判定する。また、認定時を普遍的に決定するためには、認定部６１は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度がＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合であって、かつ内燃機関がフューエルカット運転を行うとともに還元剤供給装置が触媒へ還元剤Ｋを供給している場合を、認定時として認定することができる。
【0100】
フューエルカット運転時には、内燃機関７における燃料の燃焼が停止され、内燃機関７か排気管７１へのＮＯｘの排出がほとんどなくなる。そして、触媒７２には大気中の酸素が充満する。この状況において、還元剤供給装置７３から触媒７２へ還元剤Ｋとしてのアンモニアが供給されると、触媒７２からマルチガスセンサ１へアンモニアが到達しやすくなる。この場合には、マルチガスセンサ１にＮＯｘがほとんど到達せず、ＮＯｘセンサ部１２による推定アンモニア濃度の検出精度を高めることができる。これに伴い、マルチガスセンサ１の劣化判定の精度を高めることができる。
【0101】
また、認定時は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度［ｐｐｍ］が、ＮＯｘセンサ部１２によるＮＯｘの検出精度［ｐｐｍ］の少なくとも２倍以上検出されていることを条件として決定することもできる。また、認定時を決定する際のアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度［ｐｐｍ］は、より高い方が判定精度の観点から好ましい。
【0102】
図１３においては、ＮＯｘセンサ部１２による推定アンモニア濃度［ｐｐｍ］が算出される際に、推定アンモニア濃度とアンモニアセンサ部１１によるアンモニア濃度とを比較して劣化判定を行う際に生じ得る誤差範囲について示す。アンモニアセンサ部１１及びＮＯｘセンサ部１２の検出精度は、±１０ｐｐｍであるとする。
【0103】
この場合において、例えば、推定アンモニア濃度が１０ｐｐｍであるときには、誤差範囲は、アンモニアセンサ部１１及びＮＯｘセンサ部１２の検出精度が影響して、最大で０～３０ｐｐｍの範囲内で変動するおそれがある。また、例えば、推定アンモニア濃度が１００ｐｐｍであるときには、誤差範囲は、アンモニアセンサ部１１及びＮＯｘセンサ部１２の検出精度が影響して、最大で８０～１２０ｐｐｍの範囲内で変動するおそれがある。
【0104】
つまり、推定アンモニア濃度が１０ｐｐｍであるときには、最大で３００％の誤差が生じる可能性がある。一方、推定アンモニア濃度が１００ｐｐｍであるときには、最大で２０％の誤差が生じる可能性がある。そのため、アンモニア濃度がより高い場合には、劣化判定を行う際に生じ得る誤差範囲が狭くなり、劣化判定を行う精度が向上することが分かる。
【0105】
（他ガスの影響）
測定ガスＧとしての排ガスには、酸素、アンモニア、ＮＯｘの他に、未燃ガス成分としてのＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等が混在する場合もある。アンモニア電極２２において検出される混成電位は、アンモニア濃度及び酸素濃度によって変化するだけでなく、他ガスとしてのＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の濃度によっても変化することが確認された。ただし、この他ガスによる混成電位の変化は、測定ガスＧ中にアンモニアが含まれている場合には、あまり生じないことが確認された。
測定ガスＧとしての排ガスには、酸素、アンモニア、ＮＯｘの他に、未燃ガス成分としてのＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等が混在する場合もある。アンモニア電極２２において検出される混成電位は、アンモニア濃度及び酸素濃度によって変化するだけでなく、他ガスとしてのＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の濃度によっても変化することが確認された。ただし、この他ガスによる混成電位の変化は、測定ガスＧ中にアンモニアが含まれている場合には、あまり生じないことが確認された。
【0106】
本形態の劣化判定部６２は、測定ガスＧにアンモニアが含まれる場合に、アンモニア素子部２における性能劣化の判定を行う。これにより、他ガスが性能劣化量の算出に与える影響を少なくすることができる。
【0107】
（センサ素子１０の酸化触媒）
センサ素子１０には、図１４及び図１５に示すように、ＮＯｘ検出部５６によるアンモニアの検出を容易にするために、アンモニアを酸化させてＮＯｘに変換させる酸化触媒３７を設けることができる。酸化触媒３７は、アンモニア電極２２の近くに配置すると、アンモニア電極２２及び電位差検出部５１によって検出されるべきアンモニアの濃度が低下してしまう。そのため、酸化触媒３７は、アンモニア電極２２からできるだけ離れた位置に配置することが望ましい。
センサ素子１０には、図１４及び図１５に示すように、ＮＯｘ検出部５６によるアンモニアの検出を容易にするために、アンモニアを酸化させてＮＯｘに変換させる酸化触媒３７を設けることができる。酸化触媒３７は、アンモニア電極２２の近くに配置すると、アンモニア電極２２及び電位差検出部５１によって検出されるべきアンモニアの濃度が低下してしまう。そのため、酸化触媒３７は、アンモニア電極２２からできるだけ離れた位置に配置することが望ましい。
【0108】
また、酸化触媒３７は、アンモニアから変換されたＮＯｘを、ＮＯｘ電極３２に接触させるために、センサ素子１０の周囲から、ＮＯｘ電極３２が配置された測定ガス室３５までの測定ガスＧの流れの経路に配置する。酸化触媒３７は、図１４に示すように、測定ガス室３５における測定ガスＧの入口に配置された拡散抵抗部３５１に設けることができる。酸化触媒３７は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）等とすることができる。酸化触媒３７は、拡散抵抗部３５１を形成するアルミナ等の多孔質の金属酸化物に担持させることができる。
【0109】
また、酸化触媒３７は、図１５に示すように、センサ素子１０における、各電極２２，２３、３２，３３，３４Ａ，３４Ｂ及び発熱体４１が設けられた先端部の外側面に設けることもできる。この場合には、酸化触媒３７は、センサ素子１０の先端部に設ける、アルミナ等の金属酸化物による多孔質の保護層３８に担持させることができる。この場合には、酸化触媒３７は、第２固体電解質体３１に積層された各絶縁体２５，３６，４２の表面に配置されることになる。
【0110】
また、酸化触媒３７は、保護層３８における、拡散抵抗部３５１の周囲に位置する部分にのみ担持させることもできる。また、酸化触媒３７は、測定ガス室３５内における、第２固体電解質体３１の表面又は各絶縁体３６，４２の表面に配置することもできる。
【0111】
本形態のマルチガスセンサ１においては、測定ガスＧにおけるアンモニア濃度とＮＯｘ濃度との関係が第３濃度領域Ｎ３にある場合において、ＮＯｘ電極３２に接触するアンモニアをＮＯｘに積極的に変換することができる。そのため、劣化判定部６２が、第３濃度領域Ｎ３において、ＮＯｘセンサ部１２による補正前ＮＯｘ濃度によって、測定ガスＧにおける推定アンモニア濃度が算出される場合に、この推定アンモニア濃度の算出精度を高めることができる。
【0112】
（劣化判定方法）
次に、マルチガスセンサ１を用いた劣化判定方法の一例について、図１６のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関７の燃焼運転が開始されたときには、マルチガスセンサ１、還元剤供給装置７３、センサ制御ユニット５、エンジン制御ユニット５０等が動作する。マルチガスセンサ１においては、電位差検出部５１によって、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶが検出される（図１６のステップＳ１０１）。また、ポンプ電流検出部５４によって、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に流れる直流電流（ポンプ電流）が検出される（ステップＳ１０１）。また、ＮＯｘ検出部５６によって、ＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に流れる直流電流（センサ電流）が検出される（ステップＳ１０１）。
次に、マルチガスセンサ１を用いた劣化判定方法の一例について、図１６のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関７の燃焼運転が開始されたときには、マルチガスセンサ１、還元剤供給装置７３、センサ制御ユニット５、エンジン制御ユニット５０等が動作する。マルチガスセンサ１においては、電位差検出部５１によって、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶが検出される（図１６のステップＳ１０１）。また、ポンプ電流検出部５４によって、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に流れる直流電流（ポンプ電流）が検出される（ステップＳ１０１）。また、ＮＯｘ検出部５６によって、ＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に流れる直流電流（センサ電流）が検出される（ステップＳ１０１）。
【0113】
そして、酸素濃度算出部５５によって、ポンプ電流検出部５４による直流電流に基づいて測定ガスＧにおける酸素濃度が算出される（ステップＳ１０２）。また、アンモニア濃度算出部５２によって、電位差検出部５１による電位差ΔＶと酸素濃度とが関係マップＭ１に照合され、測定ガスＧにおける、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１が算出される（ステップＳ１０２）。また、ＮＯｘ濃度算出部５７によって、ＮＯｘ検出部５６による直流電流に基づいて測定ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度が算出され、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度Ｃ１が差し引かれて補正後ＮＯｘ濃度が算出される（ステップＳ１０２）。
【0114】
また、マルチガスセンサ１からは、酸素濃度に応じて補正されたアンモニア濃度がアンモニア出力濃度として出力され（ステップＳ１０３）、補正後ＮＯｘ濃度がＮＯｘ出力濃度として出力される（ステップＳ１０３）。次いで、マルチガスセンサ１の使用が開始されてからの経過期間が、劣化の判定を行うための所定の設定期間を経過したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この所定の設定期間の経過の有無は、車両の走行距離が所定の距離に達したか否かによって判定することができる。所定の設定期間が経過するまでは、ステップＳ１０１～Ｓ１０４が繰り返し実行される。
【0115】
一方、ステップＳ１０４において所定の設定期間が経過したときには、認定部６１は、アンモニアセンサ部１１においてアンモニアがある程度検出される場合を選定するために、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１がＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高いか否かを判定する（ステップＳ１０５）。アンモニア濃度Ｃ１が補正後ＮＯｘ濃度よりも低い場合、又はアンモニア濃度Ｃ１と補正後ＮＯｘ濃度との差が所定濃度Δｎ２未満である場合には、ステップＳ１０１に戻る。
【0116】
アンモニア濃度Ｃ１が補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合には、認定部６１は、劣化判定を行うための認定時を認定する（ステップＳ１０６）。この場合には、劣化判定部６２は、ＮＯｘ濃度算出部５７によって算出された補正前ＮＯｘ濃度が推定アンモニア濃度を示すこととし、推定アンモニア濃度からアンモニア濃度Ｃ１を差し引いた差分値を求める（ステップＳ１０７）。そして、劣化判定部６２は、差分値が、所定の故障検出値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。
【0117】
差分値が故障検出値未満である場合には、劣化判定部６２は、アンモニアセンサ部１１が故障を検知するまでは性能劣化していないと特定し（ステップＳ１０９）、ステップＳ１０１に戻る。また、このときには、ステップＳ１０４における経過期間をゼロにリセットし（ステップＳ１１０）、再び、経過期間が所定の設定期間を経過するまでステップＳ１０１～Ｓ１０４が繰り返し実行される。また、差分値が故障検出値以上となるまで、ステップＳ１０１～Ｓ１０９が繰り返し実行される。
【0118】
一方、ステップＳ１０９において差分値が故障検出値以上となった場合には、劣化判定部６２は、アンモニアセンサ部１１が故障していると検知されるまで性能劣化したと特定し、マルチガスセンサ１の故障が認定される（ステップＳ１１０）。こうして、アンモニアセンサ部１１の劣化によって、マルチガスセンサ１の故障が認定されたときには、センサ制御ユニット５においては、マルチガスセンサ１の交換を促すための信号を発することができる。
【0119】
（作用効果）
本形態のマルチガスセンサ１においては、認定部６１は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度Ｃ１とＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度とを比較し、アンモニア濃度Ｃ１が補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合を特定条件として認定する。マルチガスセンサ１によってアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度の検出が行われる環境下においては、アンモニアはＮＯｘを還元するために用いられる。そして、本願発明者らは、この環境下においては、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度Ｃ１が、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度よりも、低くなる場合と高くなる場合とが異なるタイミングで生じることに着目している。そして、アンモニア濃度Ｃ１が補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合を特定条件として認定する。
本形態のマルチガスセンサ１においては、認定部６１は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度Ｃ１とＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度とを比較し、アンモニア濃度Ｃ１が補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合を特定条件として認定する。マルチガスセンサ１によってアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度の検出が行われる環境下においては、アンモニアはＮＯｘを還元するために用いられる。そして、本願発明者らは、この環境下においては、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度Ｃ１が、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度よりも、低くなる場合と高くなる場合とが異なるタイミングで生じることに着目している。そして、アンモニア濃度Ｃ１が補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合を特定条件として認定する。
【0120】
この特定条件において、ＮＯｘ濃度算出部５７のＮＯｘ電極３２においては、測定ガスＧ中のＮＯｘはほとんど検出されず、測定ガスＧ中のアンモニアがＮＯｘに酸化されてＮＯｘ濃度として検出される。アンモニアは、アンモニア素子部２に比べて高い温度に加熱されるＮＯｘ素子部３の付近に存在するとき、ＮＯｘに酸化されやすくなる。このアンモニアがＮＯｘに酸化される反応式は、代表的には、４ＮＨ3＋５Ｏ2→４ＮＯ＋６Ｈ2Ｏによって表される。そのため、特定条件においては、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正前ＮＯｘ濃度を推定アンモニア濃度とする。この推定アンモニア濃度は、測定ガスＧ中のアンモニア濃度に近い値を示すと考える。
【0121】
そして、アンモニア素子部２のアンモニア電極２２に性能劣化がない場合には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度Ｃ１と、ＮＯｘ濃度算出部５７による推定アンモニア濃度とに大きな違いは生じない。換言すれば、これらのアンモニア濃度の差が所定の誤差範囲内になる。一方、アンモニア素子部２のアンモニア電極２２に性能劣化が生じた場合には、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度Ｃ１が、ＮＯｘ濃度算出部５７による推定アンモニア濃度よりも所定の誤差範囲を超えて低くなる。従って、この場合には、アンモニア素子部２に性能劣化が生じたと判定することができる。
【0122】
これにより、マルチガスセンサ１においては、測定ガスＧにおけるアンモニアが占める割合が、測定ガスＧにおけるＮＯｘが占める割合よりも多く、ＮＯｘがアンモニアの検出にあまり影響を与えない条件下において、アンモニア素子部２の性能劣化の有無又は度合いを判定することができる。
【0123】
それ故、本形態のマルチガスセンサ１によれば、アンモニア素子部２の性能劣化の有無又は度合いを適切に判定することができる。
【0124】
＜実施形態２＞
本形態のマルチガスセンサ１は、アンモニア素子部２に生じた性能劣化量に応じてアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を補正するよう構成されている。
具体的には、図１７に示すように、本形態のマルチガスセンサ１は、実施形態１の劣化判定部６２の代わりに、劣化量算出部６３及びアンモニア濃度補正部６４を備える。劣化量算出部６３は、認定部６１が認定時を認定した場合において、ＮＯｘセンサ部１２（ＮＯｘ濃度算出部５７）による補正前ＮＯｘ濃度が、ＮＯｘ電極３２に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとし、推定アンモニア濃度とアンモニアセンサ部１１（アンモニア濃度算出部５２）によるアンモニア濃度との差に基づいて、アンモニア素子部２の性能劣化量を算出するよう構成されている。アンモニア濃度補正部６４は、性能劣化量に基づいて、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を補正するよう構成されている。
本形態のマルチガスセンサ１は、アンモニア素子部２に生じた性能劣化量に応じてアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を補正するよう構成されている。
具体的には、図１７に示すように、本形態のマルチガスセンサ１は、実施形態１の劣化判定部６２の代わりに、劣化量算出部６３及びアンモニア濃度補正部６４を備える。劣化量算出部６３は、認定部６１が認定時を認定した場合において、ＮＯｘセンサ部１２（ＮＯｘ濃度算出部５７）による補正前ＮＯｘ濃度が、ＮＯｘ電極３２に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとし、推定アンモニア濃度とアンモニアセンサ部１１（アンモニア濃度算出部５２）によるアンモニア濃度との差に基づいて、アンモニア素子部２の性能劣化量を算出するよう構成されている。アンモニア濃度補正部６４は、性能劣化量に基づいて、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を補正するよう構成されている。
【0125】
劣化量算出部６３による性能劣化量は、実施形態１に示した性能劣化量Ｒと同様にして求めることができる。また、アンモニア濃度補正部６４は、例えば、性能劣化量Ｒ［％］が算出され、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１［ｐｐｍ］が算出されたとき、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度Ｃ２［ｐｐｍ］を、Ｃ２＝Ｃ１×１００／（１００－Ｒ）として求めることができる。
【0126】
（制御方法）
本形態のマルチガスセンサ１の制御方法の一例を、図１８のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関７の燃焼運転が開始されたときには、マルチガスセンサ１、還元剤供給装置７３、センサ制御ユニット５、エンジン制御ユニット５０等が動作する。また、本形態においては、マルチガスセンサ１の使用初期において、アンモニア素子部２の性能劣化量Ｒを０（ゼロ）にする（ステップＳ２０１）。次いで、実施形態１のステップＳ１０１と同様にして、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶ、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に流れるポンプ電流、及びＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に流れるセンサ電流が検出される（ステップＳ２０２）。
本形態のマルチガスセンサ１の制御方法の一例を、図１８のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関７の燃焼運転が開始されたときには、マルチガスセンサ１、還元剤供給装置７３、センサ制御ユニット５、エンジン制御ユニット５０等が動作する。また、本形態においては、マルチガスセンサ１の使用初期において、アンモニア素子部２の性能劣化量Ｒを０（ゼロ）にする（ステップＳ２０１）。次いで、実施形態１のステップＳ１０１と同様にして、アンモニア電極２２と第１基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶ、ポンプ電極３３と第３基準電極３４Ｂとの間に流れるポンプ電流、及びＮＯｘ電極３２と第２基準電極３４Ａとの間に流れるセンサ電流が検出される（ステップＳ２０２）。
【0127】
また、実施形態１のステップＳ１０２と同様にして、測定ガスＧにおける酸素濃度、測定ガスＧにおける、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１、及び測定ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度が算出され、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度Ｃ１が差し引かれて補正後ＮＯｘ濃度が算出される（ステップＳ２０３）。また、アンモニア素子部２の性能劣化量Ｒがゼロである状態においては、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度Ｃ２は、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１となる（ステップＳ２０４）。
【0128】
次いで、また、マルチガスセンサ１からは、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１がアンモニア出力濃度として出力され（ステップＳ２０５）、ＮＯｘ濃度がＮＯｘ出力濃度として出力される（ステップＳ２０５）。また、ステップＳ２０５の後には、マルチガスセンサ１の制御を終了する信号があるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。制御を終了する信号がある場合には、マルチガスセンサ１の制御を終了する。一方、制御を終了する信号がない場合には、マルチガスセンサ１の使用が開始されてからの経過期間が、劣化の判定を行うための所定の設定期間を経過したか否かを判定する（ステップＳ２０７）。この所定の設定期間の経過の有無は、車両の走行距離が所定の距離に達したか否かによって判定することができる。所定の設定期間が経過するまでは、ステップＳ２０２～Ｓ２０７が繰り返し実行される。
【0129】
一方、ステップＳ２０７において所定の設定期間が経過したときには、認定部６１は、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１がＮＯｘ濃度算出部５７による補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高いか否かを判定する（ステップＳ２０８）。アンモニア濃度Ｃ１が補正後ＮＯｘ濃度よりも低い場合、又はアンモニア濃度Ｃ１と補正後ＮＯｘ濃度との差が所定濃度Δｎ２未満である場合には、ステップＳ２０２に戻る。
【0130】
アンモニア濃度Ｃ１が補正後ＮＯｘ濃度よりも所定濃度Δｎ２以上高い場合には、認定部６１は、性能劣化量Ｒを算出するための認定時を認定する（ステップＳ２０９）。次いで、劣化量算出部６３は、ＮＯｘ濃度算出部５７によって算出された補正前ＮＯｘ濃度が推定アンモニア濃度Ｄを示すこととし、アンモニア素子部２の性能劣化量Ｒを、推定アンモニア濃度Ｄ及び酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を用いて、Ｒ＝（Ｄ－Ｃ１）／Ｄ×１００［％］として求める（ステップＳ２１０）。そして、性能劣化量Ｒを初期時のゼロから、算出した性能劣化量Ｒに変更する（ステップＳ２１１）。また、ステップＳ２０７における経過時間をゼロにリセットする（ステップＳ２１２）。
【0131】
その後、性能劣化量Ｒが変更された後に、ステップＳ２０４が実行されるときには、アンモニア濃度補正部６４は、性能劣化量Ｒ［％］及び酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１［ｐｐｍ］を用いて、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度Ｃ２［ｐｐｍ］を、Ｃ２＝Ｃ１×１００／（１００－Ｒ）として求める（ステップＳ２０４）。そして、マルチガスセンサ１からは、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度Ｃ２がアンモニア出力濃度として出力され（ステップＳ２０５）。
【0132】
こうして、ステップＳ２０２～Ｓ２１２が繰り返し実行され、性能劣化量Ｒが所定の設定期間が経過するごとに変更（更新）されて、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度Ｃ２がアンモニア出力濃度として出力される。
【0133】
本形態のマルチガスセンサ１においては、劣化量算出部６３によって、アンモニア素子部２における性能劣化量を算出し、アンモニア濃度補正部６４によって、性能劣化量に応じてアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度Ｃ１を補正する。これにより、ＮＯｘがアンモニアの検出にあまり影響を与えない条件下において、アンモニア素子部２の性能劣化量を加味してアンモニア濃度を補正することができる。
【0134】
本形態のマルチガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
【0135】
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。
【符号の説明】
【0136】
１ マルチガスセンサ
１１ アンモニアセンサ部
１２ ＮＯｘセンサ部
６１ 認定部
６２ 劣化判定部
６３ 劣化量算出部
６４ アンモニア濃度補正部
１１ アンモニアセンサ部
１２ ＮＯｘセンサ部
６１ 認定部
６２ 劣化判定部
６３ 劣化量算出部
６４ アンモニア濃度補正部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】