JP2010053742A

JP2010053742A - 内燃機関の排気系診断装置

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Publication number: JP2010053742A
Application number: JP2008218406A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Yasuda; 郁夫保田; Naoki Arita; 直樹有田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】燃料添加弁を備えた排気系に対し、この排気系を構成する各機器の個別診断を可能にする内燃機関の排気系診断装置を提供する。
【解決手段】排気系７のメイン触媒装置４に対して並列にリファレンス触媒装置９を配設する。触媒上下流にそれぞれＡ／Ｆセンサ９８，９９を設ける。燃料添加弁２６の診断時、リファレンス触媒装置９に排気ガスを流しながら燃料添加弁２６から燃料添加を行い、各Ａ／Ｆセンサ９８，９９の出力から実燃料添加量を求める。この実燃料添加量と燃料添加弁２６への指示添加量との差に基づいて燃料添加弁２６の作動不良診断を行う。その後、メイン触媒装置４に排気ガスを流しながら燃料添加弁２６から燃料添加を行い、各Ａ／Ｆセンサ９８，９９の出力からメイン触媒装置４の劣化診断を行い、現在のメイン触媒装置４の活性温度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用エンジンに代表される内燃機関の排気系診断装置に係る。特に、本発明は、触媒の上流側に燃料等の添加剤を添加する添加手段（燃料添加弁）を備えた排気系において、添加手段や触媒の診断を行うための対策に関する。

一般に、ディーゼルエンジン等のように希薄燃焼を行うエンジンでは、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼させる運転領域が全運転領域の大部分を占めている。このため、この種のエンジンの排気通路に、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を吸蔵（吸収）するためのＮＯｘ吸蔵触媒を配置して、排気ガスを浄化するようにしている。ＮＯｘ吸蔵触媒としては、例えばＮＳＲ（ＮＯｘＳｔｏｒａｇｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒や、ＤＰＮＲ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）触媒などが用いられている。

上記ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンである場合、つまり周囲の雰囲気が高酸素濃度状態である場合には排気中のＮＯｘを吸蔵する。一方、排気空燃比がリッチ側になった場合、詳しくは、周囲の雰囲気が低酸素濃度状態となり、かつ、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの未燃燃料成分を含む状態になった場合に、ＮＯｘ吸蔵触媒は吸蔵しているＮＯｘを放出および還元する。具体的には、酸素濃度の低下によってＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯｘが放出され、放出されたＮＯｘが排気に含まれる未燃燃料成分との反応によって還元浄化される。

このようなＮＯｘ吸蔵触媒においては、ＮＯｘ吸蔵量が飽和状態に達する前に、ＮＯｘを還元させてＮＯｘ吸蔵能力を回復させる必要がある。ＮＯｘを還元させる方法としては、ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側に燃料添加弁を設けておき、この燃料添加弁からＮＯｘ吸蔵触媒上流側の排気通路にＮＯｘ還元剤（軽油等の燃料）を所定のＮＯｘ還元添加量・添加インターバルで間欠的に添加する。これにより、ＮＯｘ吸蔵触媒内の酸素濃度を低下させ、余剰な炭化水素や一酸化炭素などを還元剤としてＮＯｘの還元を促進させる処理（ＮＯｘ還元処理）が行われている（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）。

また、排気系に、ＰＭ（ＰａｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：微粒子）を捕集するための上記ＤＰＮＲやＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）を備えたものにあっては、上記燃料添加弁から添加される燃料によって触媒内温度（フィルタ内温度）を高温化することで、堆積しているＰＭを酸化（燃焼）させて除去するフィルタ再生動作が行われる。

更に、排気系に酸化触媒を備えたものにあっては、上記燃料添加弁から添加される燃料によって触媒床温の上昇を図って触媒の早期活性化を図るようにしている。
特開２００７−１４６８２５号公報特開２００５−１６３５９４号公報

ところで、上述の如く構成された排気系において、燃料添加弁の作動不良や、触媒の劣化が生じていると、上記ＮＯｘ還元動作やフィルタ再生動作等の触媒制御が円滑に行えない可能性がある。

その一例として、燃料添加弁の作動不良によって燃料添加量が適正量よりも少なくなっていたり、触媒の劣化によって触媒内での化学反応が十分に行われていない場合には、触媒温度が、ＮＯｘ還元動作やフィルタ再生動作を良好に行うために必要な温度にまで上昇せず、十分なＮＯｘ還元動作やフィルタ再生動作が行えなくなってしまう。

従来では、このように触媒温度（例えば排気温センサの出力値から推定）が十分に上昇しない状況では、上記燃料添加弁からの燃料添加量を増量する動作が行われ、排気系における燃料量を多くすることで触媒温度の上昇を試みるようにしていた。

ところが、燃料添加弁からの燃料添加量を増量したとしても、触媒の劣化が生じている状況では、触媒温度を上昇させることは難しく、この触媒温度の上昇に寄与しなかった燃料（特にＨＣ成分）は、そのまま大気に放出されてしまう可能性がある。また、上述の如く燃料添加量を所定量だけ増量しても触媒温度が十分に上昇しない場合には、更に燃料添加量を増量することになるが、触媒の劣化が生じている状況では燃料添加量を追加増量したとしても触媒温度を上昇させることはできない。その結果、燃料添加量が過剰となり、排気に白煙が発生したり、燃料消費率を著しく悪化させてしまう可能性があった。

本発明の発明者らは、この点に鑑み、これまで、ＮＯｘ還元動作やフィルタ再生動作が良好に行われているか否かの診断を排気系全体に対して行っている（上述の如く触媒温度のみを検出することで行っている）、つまり、燃料添加弁に作動不良が生じているのか触媒に劣化が生じているのかを判別できないまま行っていることが上記不具合の原因であることに着目した。

そして、触媒に劣化が生じておらず、燃料添加弁の作動不良が上記不具合の原因である場合には、燃料添加量を増量することで触媒温度を上昇させることが可能であるのものの、燃料添加弁の作動不良が生じておらず、触媒に劣化が生じている場合には、燃料添加量を増量することは無駄な動作（所謂、燃料添加の無駄射ち）となる。このため、排気系の診断として、燃料添加弁の作動不良診断と、触媒の劣化診断とを切り分けて（個別に）行うようにすれば、上述したような過剰な燃料添加を回避することができることを見出し、本発明に至った。

尚、上記特許文献１には、燃料添加弁の故障診断に関し、燃料噴射弁からのポスト噴射と燃料添加弁（この特許文献では還元剤添加弁と称している）からの添加とを異なるタイミングで且つ互いに同一供給量（同一供給指示量）で実施し、推定された実燃料噴射量と実還元剤添加量との差が所定量以上である場合には燃料添加弁が故障していると診断することが開示されている。

しかし、この特許文献１に開示されている技術は、燃料噴射弁からのポスト噴射量が適正に行われること、つまり、燃料噴射弁に作動不良が生じていないことを前提とするものであり、この燃料噴射弁に作動不良が生じている場合には燃料添加弁の故障診断の信頼性を得ることができないものである。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料添加弁を備えた排気系に対し、この排気系を構成する各機器の個別診断を可能にする内燃機関の排気系診断装置を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、排気ガス浄化のための触媒に対して並列に診断用触媒を設け、この診断用触媒に排気ガスを流した状態で添加手段からの添加を実行し、この診断用触媒の上下流の排気空燃比差から実際の添加量を求める。そして、この実際の添加量と添加手段に対する添加指示量との差から添加手段の作動不良を診断する。これにより、触媒の劣化状態に関わりなく添加手段の作動不良が診断できるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の排気通路に配設された排気浄化触媒と、この排気浄化触媒の上流側の排気通路に添加剤を添加する添加手段とを備えた排気浄化装置を前提とする。そして、上記添加手段による添加位置よりも下流側から分岐される分岐通路を介して上記排気浄化触媒と並列に配設された診断用触媒と、この診断用触媒よりも上流側の排気通路に配設されて、この排気通路内の空燃比を検出する上流側排気空燃比検出手段と、上記診断用触媒よりも下流側の排気通路に配設されて、この排気通路内の空燃比を検出する下流側排気空燃比検出手段とを備えさせる。また、上記内燃機関の排気ガスを診断用触媒のみに流通させた状態で添加手段から添加剤を添加し、上記上流側排気空燃比検出手段および上記下流側排気空燃比検出手段によってそれぞれ検出される排気空燃比の差に基づいて実添加量を求め、この実添加量が、添加手段に対する指示添加量に対して所定量以上乖離している場合に上記添加手段に作動不良が生じていると診断する添加手段診断動作を行う構成としている。

この特定事項により、添加手段に作動不良が生じているか否かを診断する際、先ず、排気ガスを診断用触媒にのみ流通させた状態として、添加手段から添加剤を添加する。この添加動作は、添加手段に対して所定の指示値（指示添加量）が付与されることで実施される。この添加剤の添加に伴い、上記上流側排気空燃比検出手段によって検出される排気空燃比と下流側排気空燃比検出手段によって検出される排気空燃比とに差が生じる。この排気空燃比の差は、上記添加剤の添加量（実際に添加された添加量）に相当する。このため、この排気空燃比の差から実際の添加量を求めることができる。添加手段に作動不良が生じていない場合には、この求められた実際の添加量と添加手段に与えられた指示添加量とは略一致する。一方、添加手段に作動不良が生じている場合には、この求められた実際の添加量と添加手段に与えられた指示添加量とは乖離（所定量以上乖離）することになる。この乖離量を認識することにより、添加手段の作動不良状態を認識することができる。

また、上記添加手段診断動作の実行条件の一つとして、内燃機関の排気ガス温度が、排気通路および分岐通路において添加剤と排気ガス中の酸素とが反応しない温度であることが挙げられる。

これは、添加剤と排気ガス中の酸素とを反応させることなしに、これら添加剤と排気ガスとを診断用触媒まで送り込むためである。つまり、診断用触媒の内部で添加剤と排気ガス中の酸素とを反応させるようにしている。これにより、診断用触媒の上流側における排気空燃比は、内燃機関から排出された排気ガス（添加剤と反応していない排気ガス）の空燃比となっており、この空燃比が上流側排気空燃比検出手段によって検出される。一方、診断用触媒の下流側における排気空燃比は、内燃機関から排出された排気ガスに対し、添加された添加剤分が加わった空燃比となっており、この空燃比が下流側排気空燃比検出手段によって検出されることになる。つまり、この下流側排気空燃比検出手段で検出される排気空燃比は、添加剤の添加量の分だけ上流側排気空燃比検出手段で検出される排気空燃比よりもリッチ側の値として認識されることになる。その結果、上流側排気空燃比検出手段で検出された排気空燃比と下流側排気空燃比検出手段で検出された排気空燃比との差が、実際に添加手段から添加された添加剤の量に相当することになり、この実添加剤量を正確に認識することが可能になる。

上記添加手段診断動作が行われた結果、上記実添加量が「０」または略「０」である場合、または、上記実添加量が指示添加量に対して所定量を超えて多い場合には、添加手段の交換を促す警告を発する。また、上記指示添加量に対して上記実添加量が乖離しており、その乖離量が所定範囲内である場合には添加手段に対してその作動不良を解消するための作動不良解消動作を実行するようにしている。

つまり、上記実添加量が「０」または略「０」である場合、または、上記実添加量が指示添加量に対して所定量を超えて多い場合には、添加手段の故障（全閉固着状態または全開固着状態）であると認識できるので、添加手段の交換を促すことになる。一方、添加手段の故障でない場合には作動不良解消動作を実施することで添加手段の作動不良の解消を試みる。例えば、添加手段を添加量最大とする作動状態にして、内部に堆積しているデポジットの除去などを試みるようにしている。

上記作動不良解消動作を実施した後の動作としては以下のものが挙げられる。つまり、作動不良解消動作を実行した後、再び添加手段から添加剤を添加して、上記上流側排気空燃比検出手段および上記下流側排気空燃比検出手段によってそれぞれ検出される排気空燃比の差に基づいて実添加量を求め、この実添加量が、添加手段に対する指示添加量に対して所定量以上乖離している場合には、その乖離量に応じて添加手段からの添加剤供給量を補正するよう指示添加量の学習動作を行うようにしている。

これにより、次回の添加動作にあっては適正な量の添加剤が排気系に供給されることになり、後述する触媒劣化診断動作や触媒再生動作を良好に行うことが可能になる。

上述した添加手段診断動作の実施後には触媒劣化診断動作が行われる。具体的には、上記添加手段診断動作の実施後、上記内燃機関の排気ガスを排気浄化触媒のみに流通させた状態で添加手段から添加剤を添加し、上記上流側排気空燃比検出手段および上記下流側排気空燃比検出手段によってそれぞれ検出される排気空燃比に基づいて排気浄化触媒の劣化状態を診断するようにしている。

この場合、触媒劣化診断動作によって排気浄化触媒の劣化度合いを診断した後、その劣化度合いから排気浄化触媒の活性温度を求める活性温度認識動作を行うようにしている。

このようにして触媒の活性温度を求めることができるので、次回の触媒再生動作（例えばＰＭ再生動作やＮＯｘ還元動作）にあっては、上記求められたライトオフ温度に達するまでは添加手段からの添加を実行せず、このライトオフ温度に達した時点から添加剤を添加する。つまり、触媒の劣化度合いに見合った添加を実施することができ、添加剤の添加開始と同時に触媒再生動作が効果的に行われ、添加された添加剤の略全量を触媒再生に寄与させることが可能になる。その結果、無駄な添加剤の添加が無くなって、排気に白煙が発生したり、添加剤の消費量が著しく増加したりするといったことが回避できる。

本発明では、排気ガス浄化のための触媒に対して並列に診断用触媒を設け、この診断用触媒に排気ガスを流した状態で添加手段からの添加を実行し、この診断用触媒の上下流の空燃比差から求められる実際の添加量と添加手段に対する添加指示量との差から添加手段の作動不良を診断するようにしている。このため、触媒の劣化状態に関わりなく添加手段の作動不良が診断できる。その結果、添加手段の作動不良診断と触媒の劣化診断とを切り分けて実施することができ、無駄な燃料添加が行われてしまうことを回避して、排気に白煙が発生したり、添加剤の消費率が著しく悪化したりするといったことが回避できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン１およびその制御系統の概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、燃料供給系２、燃焼室３、吸気系６、排気系７等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。

燃料供給系２は、サプライポンプ２１、コモンレール２２、インジェクタ（燃料噴射弁）２３、遮断弁２４、燃料添加弁（添加手段）２６、機関燃料通路２７、および、添加燃料通路２８などを備えている。

上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、サプライポンプ２１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。尚、ピエゾインジェクタに限らず他の形式のインジェクタ（例えば電磁駆動式燃料噴射弁（ソレノイド式インジェクタ））であってもよい。

また、上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路２８を介して燃料添加弁２６に供給する。添加燃料通路２８には、緊急時において添加燃料通路２８を遮断して燃料添加を停止するための上記遮断弁２４が備えられている。

また、上記燃料添加弁２６は、後述するＥＣＵ１００による添加制御動作によって排気系７への燃料添加量が目標添加量（排気Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるような添加量）となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁２６から適宜のタイミングで排気系７に（排気マニホールド７２から後述する触媒装置４に向けて）燃料（添加剤）が噴射供給される構成となっている。尚、この燃料添加弁２６の配設位置としてはこれに限らず、後述するターボチャージャ５の下流側から触媒装置４に向けて燃料（添加剤）を噴射供給するものであってもよい。

吸気系６は、シリンダヘッドに形成された吸気ポートに接続される吸気マニホールド６３を備え、この吸気マニホールド６３に、吸気通路を構成する吸気管６４が接続されている。また、吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ６５、エアフローメータ３３、スロットルバルブ６２、吸気温センサ３９、および、吸気圧センサ３８が配設されている。

排気系７は、シリンダヘッドに形成された排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備え、この排気マニホールド７２に、排気通路を構成する排気管７３，７４が接続されている。また、この排気通路には、触媒装置（排気浄化触媒）４および後述する診断用触媒装置（診断用触媒）９が互いに並列状態で配設されている。

上記触媒装置４は、ＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＳＲ触媒：ＮＯｘＳｔｏｒａｇｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）４１、ＤＰＮＲ触媒（ＤｉｅｓｅｌＰａｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）４２、スイーパ（酸化触媒）４３を備え、これらＮＳＲ触媒４１、ＤＰＮＲ触媒４２、スイーパ４３が上流側から下流側に向けて順に直列配置されている。以下、これらＮＳＲ触媒４１、ＤＰＮＲ触媒４２、スイーパ４３について説明する。

ＮＳＲ触媒４１は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であって、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持された構成となっている。

このＮＳＲ触媒４１は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ₂若しくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ₂やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ₂となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ₂やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ₂ＯやＣＯ₂となる。すなわち、ＮＳＲ触媒４１に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化できるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整を上記燃料添加弁２６からの燃料添加によって行うことが可能となっている。

一方、ＤＰＮＲ触媒４２は、例えば多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のＰＭは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、上記ＮＳＲ触媒４１と同様に、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵したＮＯｘは還元・放出される。さらに、ＤＰＮＲ触媒４２には、捕集したＰＭを酸化・燃焼する触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。このＤＰＮＲ触媒４２においても、導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化できるようになっている。この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整は上記燃料添加弁２６からの燃料添加動作によって行うことが可能である。

上記スイーパ４３は酸化触媒であって、エンジン１から排出されるＨＣやＣＯを酸化することにより排気ガスを浄化する。

そして、本実施形態における排気系７の特徴として、上記触媒装置４に対して並列に診断用触媒装置９（以下、リファレンス触媒装置と呼ぶ）が配設されている。以下の説明では、上記触媒装置４を、リファレンス触媒装置９と区別するために、メイン触媒装置４と呼ぶこととする。以下、リファレンス触媒装置９について具体的に説明する。

上記メイン触媒装置４の上流側の排気管７３には分岐通路を構成する上流側分岐管９４が接続され、また、メイン触媒装置４の下流側の排気管７４には下流側分岐管９５が接続されている。そして、これら上流側分岐管９４と下流側分岐管９５との間に上記リファレンス触媒装置９が配設されている。つまり、このリファレンス触媒装置９は、上流側が上流側分岐管９４を介してメイン触媒装置４の上流側の排気管７３に連通可能となっており、下流側が下流側分岐管９５を介してメイン触媒装置４の下流側の排気管７４に連通可能となっている。

このリファレンス触媒装置９の構成は、上述したメイン触媒装置４と同様である。つまり、ＮＳＲ触媒９１、ＤＰＮＲ触媒９２、スイーパ９３が直列に配置されている。それぞれの機能は上述したものと同様である。尚、このリファレンス触媒装置９に必要な機能としては、エンジン１から排出された排気ガス中に含まれる酸素（Ｏ₂）と燃料添加弁２６から供給された添加燃料（特にＨＣ成分）とを反応させて酸素を消費させることである。このため、このリファレンス触媒装置９としては、上述のものに限らず、ＤＰＮＲ触媒９２のみやＮＳＲ触媒９１のみで構成されたものであってもよい。また、酸化機能をもった触媒１個が配設されているのみであってもよい。

また、上記メイン触媒装置４の上流側の排気管７３に対する上流側分岐管９４の接続位置には、上流側排気切り換えバルブ９６が設けられている。この上流側排気切り換えバルブ９６は、図中実線で示す状態と仮想線で示す状態との間で切り換え可能となっている。図中実線で示す状態では上流側分岐管９４を閉鎖して排気ガスをリファレンス触媒装置９に流すことなくメイン触媒装置４のみに流し、図中仮想線で示す状態ではメイン触媒装置４の上流側を閉鎖して排気ガスをメイン触媒装置４に流すことなくリファレンス触媒装置９のみに流すようになっている。

同様に、上記メイン触媒装置４の下流側の排気管７４に対する下流側分岐管９５の接続位置には、下流側排気切り換えバルブ９７が設けられている。この下流側排気切り換えバルブ９７も、図中実線で示す状態と仮想線で示す状態との間で切り換え可能となっている。図中実線で示す状態では下流側分岐管９５を閉鎖し、メイン触媒装置４から流出した排気ガスがリファレンス触媒装置９に流れ込まないようにし、図中仮想線で示す状態ではメイン触媒装置４の下流側を閉鎖して、リファレンス触媒装置９から流出した排気ガスがメイン触媒装置４に流れ込まないようになっている。

上記各切り換えバルブ９６，９７にはそれぞれアクチュエータ（図示省略）が備えられ、図中の実線で示す状態と仮想線で示す状態とが同期して駆動されるようになっている。

上記リファレンス触媒装置９は、上述する排気系診断動作の実行時においてのみ排気ガスが流通する。つまり、排気系診断動作の非実行時には、各切り換えバルブ９６，９７は図中の実線で示す状態とされ、リファレンス触媒装置９に排気ガスを流通させないことで、このリファレンス触媒装置９おけるＮＯｘ捕集量やＰＭ堆積量が多くなってしまうことを防止している。これにより、リファレンス触媒装置９は、長期間に亘って殆ど劣化していない状態が維持されることになり、後述する排気系診断動作時における添加燃料と排気ガス中の酸素との反応が良好に行えるようになっている。

そして、上記メイン触媒装置４の上流側の排気管７３における上流側分岐管９４の接続位置よりも上流側には、上流側Ａ／Ｆセンサ（上流側排気空燃比検出手段）９８が配設されている。また、上記メイン触媒装置４の下流側の排気管７４における下流側分岐管９５の接続位置よりも下流側には、下流側Ａ／Ｆセンサ（下流側排気空燃比検出手段）９９が配設されている。

これらＡ／Ｆセンサ９８，９９としては、例えば限界電流式の酸素濃度センサが適用されており、広い空燃比領域に亘って空燃比に対応した出力電圧を発生する構成となっている。つまり、図３に示すように、各Ａ／Ｆセンサ９８，９９の配設位置における排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた電圧信号vabyfsを出力するようになっている。この図３から明らかなように、このＡ／Ｆセンサ９８，９９によれば、広範囲にわたる空燃比を精度良く検出することができる。

以上のメイン触媒装置４、リファレンス触媒装置９、燃料添加弁２６、添加燃料通路２８、Ａ／Ｆセンサ９８，９９、各切り換えバルブ９６，９７の開閉制御や燃料添加弁２６の添加動作などを実行するＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１００等によって排気浄化装置および排気系診断装置が構成されている。

エンジン１には、ターボチャージャ（過給機）５が設けられている。このターボチャージャ５は、タービンシャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２およびコンプレッサインペラ５３を備えている。コンプレッサインペラ５３は吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管７３内部に臨んで配置されている。このようなターボチャージャ５は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサインペラ５３を回転させることにより吸入空気を過給する。本実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５２側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。

吸気系６の吸気管６４には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。このインタークーラ６１の下流側に上記スロットルバルブ６２が設けられている。スロットルバルブ６２は、その開度を無段階に調整することが可能な電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有している。

また、エンジン１には、吸気系６と排気系７とを接続するＥＧＲ通路（排気還流通路）８が設けられている。ＥＧＲ通路８は、排気の一部を適宜吸気系６に還流させて燃焼室３へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させるものである。また、ＥＧＲ通路８には、ＥＧＲバルブ８１と、ＥＧＲ通路８を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ８２とが設けられており、ＥＧＲバルブ８１の開度を調整することにより、排気系７から吸気系６に導入されるＥＧＲ量（排気還流量）を調整することができる。

−センサ類−
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。

例えば、上記エアフローメータ３３は、吸気系６のスロットルバルブ６２の上流側に配置され、吸入空気量に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ３９は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ３８は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。上記メイン触媒装置４におけるＮＳＲ触媒４１とＤＰＮＲ触媒４２との間に配設された排気温センサ３５は、排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。この排気温度に基づいてメイン触媒装置４の温度を推定することが可能になっている。尚、この排気温センサ３５の配設位置としてはメイン触媒装置４の上流側や下流側、または、ＤＰＮＲ触媒４２とスイーパ４３との間であってもよい。または、複数箇所に排気温センサを配設するようにしてもよい。レール圧センサ３１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ３２はスロットルバルブ６２の開度を検出する。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図２に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３およびバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。

ＲＯＭ１０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３およびバックアップＲＡＭ１０４は、バス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５および出力インターフェース１０６と接続されている。

入力インターフェース１０５には、上記レール圧センサ３１、スロットル開度センサ３２、エアフローメータ３３、排気温センサ３５、吸気圧センサ３８、吸気温センサ３９、各Ａ／Ｆセンサ９８，９９が接続されている。さらに、この入力インターフェース１０５には、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ３６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ３７、および、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ３０などが接続されている。

一方、出力インターフェース１０６には、上記インジェクタ２３、燃料添加弁２６、スロットルバルブ６２、ＥＧＲバルブ８１、各排気切り換えバルブ９６，９７などが接続されている。

そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサの出力に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。さらに、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射（主噴射）、アフタ噴射、ポスト噴射を実行する。

−触媒制御−
ＥＣＵ１００は、上記ＤＰＮＲ触媒４２に堆積したＰＭを酸化させるＰＭ再生（フィルタ再生）制御、ＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２のＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元制御などを実行する。以下、これらＰＭ再生、ＮＯｘ還元の基本動作について説明する。

（ＰＭ再生）
ＥＣＵ１００は、ＤＰＮＲ触媒４２のＰＭ堆積量を推定している。このＰＭ堆積量の推定方法としては、エンジン回転数と燃料噴射量に応じたエンジン排出ＰＭ量を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより求められるエンジン排出ＰＭ量を積算してＰＭの堆積量を算出するという方法が挙げられる。

また、他の推定方法として、吸入空気量の積算値に基づいてＰＭ堆積量を推定する方法や、ＤＰＮＲ触媒４２の上流側と下流側との差圧を検知する差圧センサを備えさせ、ＤＰＮＲ触媒４２の前後差圧に基づいてＰＭ堆積量を推定する方法が挙げられる。

そして、ＥＣＵ１００は、推定したＰＭ堆積量が所定の判定値（限界堆積量）を超えたときにＤＰＮＲ触媒４２の再生時期であると判定してＰＭ再生を実施する。

ＰＭ再生が開始されると、排気温センサ３５の出力信号からＤＰＮＲ触媒４２の触媒床温（以下、単に触媒温度と呼ぶ場合もある）を推定し、その床温推定値がＰＭ再生に必要な温度（例えば３５０℃程度）となっているか否かを判定する。この触媒床温が十分に高い場合には、燃料添加弁２６から所定量の燃料添加を行う。

一方、ＤＰＮＲ触媒４２の触媒床温がＰＭ再生に必要な温度にまで達していない場合には、触媒床温の昇温を目的として、エンジン１の燃焼状態の切替え（ＰＭ再生燃焼モードへの切替え）を行う。例えば、スロットルバルブ６２にて吸入空気量を絞って空燃比（Ａ／Ｆ）を低く（リッチ側に移行）する方法が挙げられる。また、このような方法に組み合わせて、ＥＧＲ量の増量や燃料噴射時期の遅角を実施する。そして、ＤＰＮＲ触媒４２の触媒床温が十分に高くなった後に、燃料添加弁２６から所定量の燃料添加を行う。

このような燃料添加により、添加された燃料によって触媒温度（フィルタ内温度）を高温化（例えば６５０℃まで昇温）して、堆積しているＰＭを酸化（燃焼）させて除去するＰＭ再生が行われる。

尚、このＰＭ再生と同時にＳ（硫黄分）再生も行われ、ＤＰＮＲ触媒４２に堆積した硫黄分が除去されることになる。

（ＮＯｘ還元）
ディーゼルエンジン１においては、大部分の運転領域で排気の空燃比はリーン空燃比となっているため、通常の運転状態では、ＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２の周囲雰囲気は高酸素濃度状態となっている。このため、排気ガス中のＮＯｘは、ＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２のＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるが、周囲雰囲気が低酸素濃度となる状況は非常に少ないため、吸蔵されたＮＯｘが還元されにくく、ＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２のＮＯｘ吸蔵能力が飽和しやすい。

そこで、ＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２に燃料（添加燃料）を供給することにより、排気の空燃比を制御して触媒の周囲雰囲気を高温化し且つ還元雰囲気にすることで、ＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２に吸蔵されたＮＯｘを、Ｎ₂、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏに還元して放出する。具体的には、ＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２のＮＯｘ吸蔵量を推定し、その推定したＮＯｘ吸蔵量が所定の判定値（限界推定量）を超えたときにＮＯｘを還元する時期であると判定するといった方法を採用する。尚、ＮＯｘ吸蔵量の推定は、エンジン回転数と燃料噴射量とに応じたＮＯｘ吸蔵量を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより求められるＮＯｘ吸蔵量を積算するという方法が挙げられる。

上記推定されたＮＯｘ吸蔵量が所定量に達すると、燃料添加弁２６の開閉制御によって、メイン触媒装置４の上流側の排気通路（排気管７３）に燃料を所定のＮＯｘ還元添加量・添加インターバルで間欠的に添加することにより、排気の空燃比を制御してＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２の周囲雰囲気を高温化し且つ還元雰囲気にすることで、ＮＳＲ触媒４１およびＤＰＮＲ触媒４２に吸蔵されたＮＯｘを、Ｎ₂、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏに還元して放出する。

−排気系診断動作−
次に、本実施形態の特徴とする動作である排気系診断動作について説明する。この排気系診断動作では、上記燃料添加弁２６の作動不良の診断およびメイン触媒装置４の劣化診断が行われる。以下、これら診断動作について具体的に説明する。

（燃料添加弁２６の作動不良診断）
先ず、燃料添加弁２６の作動不良診断について説明する。この燃料添加弁２６の作動不良診断は、エンジン１の運転中において、上記リファレンス触媒装置９に排気ガスを流通させながら、燃料添加弁２６からの燃料添加を行うことにより実施される。

具体的には、リファレンス触媒装置９に排気ガスを流通させた状態で、所定の指示燃料添加量を得るための指示信号（燃料添加弁２６の開弁期間等を指示する信号）を燃料添加弁２６に与えて燃料添加を行う。そして、この際に上流側Ａ／Ｆセンサ９８により検出された排気Ａ／Ｆ（排気空燃比）と下流側Ａ／Ｆセンサ９９により検出された排気Ａ／Ｆとの差に基づいて燃料添加弁２６の作動不良診断を行う。つまり、これら検出された排気Ａ／Ｆ同士の差から、実際に燃料添加弁２６から供給された燃料添加量（実添加量）を求め、この実燃料添加量と上記指示燃料添加量との乖離量から燃料添加弁２６の作動不良診断を行うようにしている。

以下、この燃料添加弁２６の作動不良診断の手順について図４のフローチャートに沿って説明する。この図４に示すルーチンは、例えば、所定時間毎に繰り返して実行される。

先ず、ステップＳＴ１において、燃料添加弁２６の作動不良診断の実行条件が成立したか否かを判定する。この作動不良診断の実行条件としては、例えば、前回の作動不良診断が完了してからの車両の走行距離が１万ｋｍに達しており、且つ上記排気温センサ３５によって検出される現在の排気ガス温度が所定値α以下になっている場合に成立する。この実行条件の成立を判断する排気ガス温度の閾値αとしては、燃料添加弁２６からの燃料添加を行った場合に、この燃料（特にＨＣ成分）が排気管７３において排気ガス中の酸素と反応しない温度として設定され、例えば２００℃に設定される。例えば、エンジン１の軽負荷運転時やアイドリング運転時には排気ガス温度が上記所定値α以下となる。また、この所定値αは吸入空気量に応じて変更するようにしてもよい。尚、上記実行条件の一つである車両の走行距離も上述した値には限定されない。

上記作動不良診断の実行条件が成立していない場合（ステップＳＴ１でＮＯ判定された場合）には本ルーチンを一旦終了する。

作動不良診断の実行条件が成立し、ステップＳＴ１でＹＥＳ判定されると、ステップＳＴ２に移り、後述するデポジット吹き飛ばし制御が実行された場合に「１」に設定される「デポジット吹き飛ばし制御実行フラグ」を「０」にリセットする。

その後、ステップＳＴ３に移り、それまでメイン触媒装置４側とされていた排気ガスの流通経路をリファレンス触媒装置９側に切り換える。つまり、上記各排気切り換えバルブ９６，９７を図１における実線の状態から仮想線の状態に切り換えて、リファレンス触媒装置９に排気ガスを流通させる。

そして、ステップＳＴ４において、燃料添加弁２６に、指示燃料添加量を供給するための所定の指示値（指示信号）を与えて燃料添加を実行させる。これにより、燃料添加弁２６は上記指示値に従って燃料添加を実行する。ここでの指示燃料添加量としては、上記ＰＭ再生時やＮＯｘ還元時における燃料添加量と同等の添加量であってもよいし、これら添加量に比べて大幅に少ない添加量であってもよい。つまり、後述するように、燃料添加弁２６に作動不良が生じている場合と生じていない場合とで、下流側Ａ／Ｆセンサ９９において検出される排気空燃比に変化が現れる量であればよい。

このようにして燃料添加弁２６からの燃料添加を実行することで、この添加された燃料は、エンジン１から排出される排気ガスと共に、排気管７３および上流側分岐管９４を経てリファレンス触媒装置９に向かって流れることになる。

上述した如く、この作動不良診断は、添加燃料が排気管７３において排気ガス中の酸素と反応しない温度環境下（例えば２００℃以下）で実施されるため、添加燃料は、上記排気管７３や上流側分岐管９４において排気ガス中の酸素と反応することなしにリファレンス触媒装置９に達し、このリファレンス触媒装置９の内部で排気ガス中の酸素と反応することになる。この場合、リファレンス触媒装置９の温度は、添加燃料と排気ガス中の酸素とが反応できる温度（例えば２００℃）に達している必要がある。リファレンス触媒装置９がこの必要温度に達していない状態で排気ガスが流通することを防止するために、例えば、このリファレンス触媒装置９に電気ヒータを設けておき、この電気ヒータへの通電によってリファレンス触媒装置９を加熱して、上記添加燃料と排気ガス中の酸素とが反応できる温度まで上昇させておくことが好ましい。もしくは、各切り換えバルブ９６，９７を切り換えてから触媒温度（上記排気温センサ３５の出力信号から推定）が十分に上昇するまでは燃料添加を実行せず、この触媒温度が十分に上昇して上記反応が可能な温度になった時点で燃料添加を実行するようにしてもよい。

上記反応後の排気ガスはリファレンス触媒装置９から下流側分岐管９５を経て排気管７４に向けて排出される。

このような動作が行われるため、リファレンス触媒装置９の上流側における排気空燃比は、エンジン１から排出された排気ガス（添加燃料と反応していない排気ガス）の空燃比となっており、この空燃比が上流側Ａ／Ｆセンサ９８によって検出される。つまり、吸気系６から吸入された空気量とインジェクタ２３から噴射された燃料量とによって決定される排気空燃比を上流側Ａ／Ｆセンサ９８が検出することになる。

一方、リファレンス触媒装置９の下流側における排気空燃比は、エンジン１から排出された排気ガスに対し、添加された燃料分（燃料添加弁２６から添加された燃料分）が加わった空燃比となっており、この空燃比が下流側Ａ／Ｆセンサ９９によって検出される。つまり、吸気系６から吸入された空気量とインジェクタ２３から噴射された燃料量と燃料添加弁２６から添加された燃料量とによって決定される排気空燃比を下流側Ａ／Ｆセンサ９９が検出することになる。即ち、この下流側Ａ／Ｆセンサ９９で検出される排気空燃比は、燃料添加弁２６から添加された燃料量の分だけ、上流側Ａ／Ｆセンサ９８で検出される排気空燃比よりもリッチ側の値として認識されることになる。

このように、上流側Ａ／Ｆセンサ９８で検出された排気空燃比と下流側Ａ／Ｆセンサ９９で検出された排気空燃比との差が、実際に燃料添加弁２６から添加された実燃料添加量に相当することになる。このため、各Ａ／Ｆセンサ９８，９９で検出された排気空燃比の差に基づいて実燃料添加量を算出することができる（ステップＳＴ５）。

このようにして燃料添加弁２６からの実燃料添加量を算出した後、ステップＳＴ６において、この実燃料添加量と、上記燃料添加動作において燃料添加弁２６に与えられた指示燃料添加量との差を求めることで燃料添加弁２６の作動不良状態を認識する。

図５は、燃料添加実行フラグと、各Ａ／Ｆセンサ９８，９９の出力信号との変化を示している。図中のタイミングＴ１からタイミングＴ２の期間で燃料添加弁２６から燃料添加が実行され、上流側Ａ／Ｆセンサ９８のセンサ出力は、燃料添加に伴う排気空燃比の変化は生じていないのに対し、下流側Ａ／Ｆセンサ９９のセンサ出力は、燃料添加に伴う排気空燃比の変化（リッチ側への変化）が生じている。上述した如く、この排気空燃比の変化量が実燃料添加量に相当する。

実燃料添加量と指示燃料添加量との差を求め、これら実燃料添加量と指示燃料添加量とが略一致しており、これらに差が殆どない場合には、燃料添加弁２６に作動不良は生じていないと認識できる（ステップＳＴ７でＹＥＳ判定）。

一方、上記算出された実燃料添加量が「０」または略「０」である場合には、燃料添加弁２６に全閉固着状態（燃料添加弁２６の内部が閉塞しており燃料供給が不能な状態）の作動不良が生じていると認識できる。また、指示燃料添加量に対して実燃料添加量が極端に多くなっており、且つ燃料添加を停止しても下流側Ａ／Ｆセンサ９９のセンサ出力がリッチ側に維持される場合には、燃料添加弁２６に全開固着状態（燃料添加弁２６が開放状態で固着しており燃料供給量の調整が不能な状態）の作動不良が生じていると認識できる。これら全閉固着状態または全開固着状態の場合には、ステップＳＴ７でＮＯ判定されると共にステップＳＴ８でＹＥＳ判定される。この場合、ステップＳＴ９に移って、運転者に燃料添加弁２６の交換を促す警告を発する。例えば運転席前方のメータパネル上に設けられたエンジンチェックランプを点灯する。

また、指示燃料添加量に対して実燃料添加量が少ない場合（実燃料添加量が「０」ではない場合）には、燃料添加弁２６に作動不良が生じており、例えば燃料添加弁２６の燃料供給通路にデポジットが堆積しており、所定量の燃料添加量が得られていないと認識できる。逆に、指示燃料添加量に対して実燃料添加量が多くなっており、その範囲が所定範囲内である場合（上記全開固着状態ではない場合）で、且つ燃料添加の停止に伴って下流側Ａ／Ｆセンサ９９のセンサ出力が元の値（上流側Ａ／Ｆセンサ９８のセンサ出力に略一致する値）に戻った場合には、燃料添加弁２６に作動不良が生じており、燃料添加弁２６からの燃料添加量が過剰になっていると認識できる。

上述した如くデポジットの堆積によって所定量の燃料添加量が得られていないと認識できた場合には、燃料添加弁２６の燃料添加量を一時的に最大にして、内部のデポジット等を除去するための「デポジット吹き飛ばし制御（作動不良解消動作）」を実施することになる（ステップＳＴ１１）。この「デポジット吹き飛ばし制御」は、上記「デポジット吹き飛ばし制御実行フラグ」が「０」となっている（ステップＳＴ１０でＮＯ判定された）ことを条件として実施される。つまり、この「デポジット吹き飛ばし制御実行フラグ」は「デポジット吹き飛ばし制御」が実施されると、ステップＳＴ１２において「１」に設定されるため、１回の作動不良診断において最大で１回のみ実施されるようになっている。

この「デポジット吹き飛ばし制御」を実施して「デポジット吹き飛ばし制御実行フラグ」を「１」に設定した後、再び上記ステップＳＴ４に戻り、燃料添加弁２６に、指示燃料添加量を供給するための所定の指示値を与えて燃料添加を行う。そして、上記「デポジット吹き飛ばし制御」によってデポジット等を除去され、作動不良状態が解消された場合には、ステップＳＴ５で算出される実燃料添加量と、上記燃料添加動作において燃料添加弁２６に与えられた指示燃料添加量とが略一致し、ステップＳＴ７でＹＥＳ判定されることになる。

一方、上記「デポジット吹き飛ばし制御」を実施しても依然として作動不良状態が解消しない場合には、ステップＳＴ７およびステップＳＴ８でＮＯ判定された後、ステップＳＴ１０でＹＥＳ判定（前回のルーチンで既に「デポジット吹き飛ばし制御実行フラグ」は「１」に設定されているのでステップＳＴ１０ではＹＥＳ判定）され、ステップＳＴ１３に移って燃料添加弁２６からの燃料添加量の学習動作（添加量学習）を実施する。つまり、上記作動不良による添加燃料の不足分を考慮して、燃料添加弁２６に対する指示値を学習値として求めて上記ＲＡＭ１０３に格納し、上記添加燃料の不足分を生じさせないような指示値が与えられるようにしておく。尚、上述した如く、指示燃料添加量に対して実燃料添加量が多くなっており、その範囲が所定範囲内である場合にも上述した燃料添加量の学習動作（添加量学習）が実施される。つまり、上記作動不良による添加燃料の過剰分を考慮して、燃料添加弁２６に対する指示値を学習値として求めて上記ＲＡＭ１０３に格納し、上記添加燃料の過剰分を生じさせないような指示値が与えられるようにしておく。

以上が、燃料添加弁２６の作動不良診断である。この作動不良診断により、メイン触媒装置４の劣化の有無に関わりなく燃料添加弁２６の作動不良の状態を良好に診断することができる。つまり、燃料添加弁２６の作動不良診断をメイン触媒装置４の劣化診断と切り分けて実施することが可能であり、燃料添加弁２６の作動不良の有無を正確に診断することができる。

（メイン触媒装置４の劣化診断）
次に、メイン触媒装置４の劣化診断について説明する。このメイン触媒装置４の劣化診断は、上述した燃料添加弁２６の作動不良診断において、燃料添加弁２６に全閉固着または全開固着が生じていると診断されなかった場合（燃料添加弁２６に作動不良なしと診断された場合、または、燃料添加弁２６の燃料添加量の学習動作が実施された場合）に実行される。つまり、燃料添加弁２６に全閉固着または全開固着が生じていると診断された場合には、適正な燃料添加が実行できないので、メイン触媒装置４の劣化診断を実行しないようにしている。

このメイン触媒装置４の劣化診断は、エンジン１の運転中において、上記メイン触媒装置４に排気ガスを流通させながら、燃料添加弁２６からの燃料添加を行うことにより実施される。

具体的には、メイン触媒装置４に排気ガスを流通させた状態で、所定の指示燃料添加量を得るための指示信号を燃料添加弁２６に与えて燃料添加を行う。そして、この際に上流側Ａ／Ｆセンサ９８により検出された排気Ａ／Ｆと下流側Ａ／Ｆセンサ９９により検出された排気Ａ／Ｆとの差に基づいてメイン触媒装置４でのＨＣ浄化率等を求め、これによりメイン触媒装置４の劣化状態を認識する。更に、この劣化状態に基づきメイン触媒装置４の活性温度（以下、ライトオフ温度と呼ぶ）を求め、この新たに求めたライトオフ温度を、以降のＰＭ再生やＮＯｘ還元の実行条件に使用するようにしている。

以下、このメイン触媒装置４の劣化診断の手順について図６のフローチャートに沿って説明する。

先ず、ステップＳＴ２１において、上記リファレンス触媒装置９側とされていた排気ガスの流通経路をメイン触媒装置４側に切り換える。つまり、上記各排気切り換えバルブ９６，９７を図１における仮想線の状態から実線の状態に切り換えて、メイン触媒装置４に排気ガスを流通させる。

そして、ステップＳＴ２２において、燃料添加弁２６に、指示燃料添加量を供給するための所定の指示値を与えて燃料添加を実行させる。これにより、燃料添加弁２６は上記指示値に従って燃料添加を実行する。ここでの指示燃料添加量としては、上記ＰＭ再生動作やＮＯｘ還元動作における燃料添加量と同等の添加量であってもよいし、これら添加量に比べて大幅に少ない添加量であってもよい。また、上述した燃料添加弁２６の作動不良診断において燃料添加弁２６の作動不良の有無は既に認識されており、作動不良に対しては上述した学習動作によって燃料添加量が適正に得られるようになっているので、ここでは、指示燃料添加量に略一致した燃料添加量が燃料添加弁２６から供給されることになる。つまり、メイン触媒装置４に向けて供給される燃料添加量（燃料添加によって排気系７に追加されるＨＣの量）が正確に把握された状態で燃料添加が実施される。

このようにして燃料添加弁２６からの燃料添加を実行することで、この添加された燃料は、エンジン１から排出される排気ガスと共に、排気管７３を経てメイン触媒装置４に向かって流れることになる。

この場合にも、上述した如く、添加燃料が排気管７３において排気ガス中の酸素と反応しない温度環境となっているため、添加燃料は、上記排気管７３において排気ガス中の酸素と反応することなしにメイン触媒装置４に達し、このメイン触媒装置４の内部で排気ガス中の酸素と反応することになる。この反応後の排気ガスはメイン触媒装置４から排気管７４に向けて排出される。

このような動作が行われるため、メイン触媒装置４の上流側における排気空燃比は、エンジン１から排出された排気ガス（添加燃料と反応していない排気ガス）の空燃比となっており、この空燃比が上流側Ａ／Ｆセンサ９８によって検出される。つまり、吸気系６から吸入された空気量とインジェクタ２３から噴射された燃料量とによって決定される排気空燃比を上流側Ａ／Ｆセンサ９８が検出することになる。

一方、メイン触媒装置４の下流側における排気空燃比は、添加された燃料（燃料添加弁２６から添加された燃料）に含まれるＨＣ成分が、エンジン１から排出された排気ガスに含まれる酸素と反応した量、つまり酸素の消費量、更に言い換えるとＨＣ浄化率に応じて変化することになる。

このため、メイン触媒装置４に殆ど劣化が生じていない場合には、添加された燃料中のＨＣ成分と排気ガス中に含まれる酸素との反応量が多くなり（ＨＣ浄化率が高くなり）、酸素の消費量が多くなってメイン触媒装置４の下流側における排気空燃比はリッチ側となる。逆に、メイン触媒装置４に劣化が生じている場合には、添加された燃料中のＨＣ成分と排気ガス中に含まれる酸素との反応量が少なく（ＨＣ浄化率が低く）、酸素の消費量が少なくなってメイン触媒装置４の下流側における排気空燃比はリーン側となる。

図７は、燃料添加実行フラグと、下流側Ａ／Ｆセンサ９９の出力信号との変化を示している。図中に破線で示す下流側Ａ／Ｆセンサ９９の出力信号は、メイン触媒装置４に殆ど劣化が生じていない状態で、上記メイン触媒装置４の劣化診断を実施した場合の波形である。また、図中に実線で示す下流側Ａ／Ｆセンサ９９の出力信号は、メイン触媒装置４に劣化が生じている状態で、上記メイン触媒装置４の劣化診断を実施した場合の波形である。このように、メイン触媒装置４に劣化が生じている状態では、上記ＨＣ浄化率の低下に伴ってメイン触媒装置４の下流側における排気空燃比はリーン側の値となる。また、このメイン触媒装置４の下流側における排気空燃比は、メイン触媒装置４に劣化度合いが大きいほどリーン側の値となる（排気空燃比が大きくなる）。

また、このメイン触媒装置４の劣化診断にあっては、上記排気温センサ３５によって検出される排気ガス温度に基づいてメイン触媒装置４の温度が推定されている。つまり、上述の如く求められたＨＣ浄化率は、現時点でのメイン触媒装置４の温度状態において得られているＨＣ浄化率ということになる。同一劣化状態であっても触媒温度が低いほどＨＣ浄化率は低くなる。

このようにして、現時点でのメイン触媒装置４の温度およびＨＣ浄化率が求められ、これによってメイン触媒装置４の劣化度合いを認識することができる（図６におけるステップＳＴ２３）。

図８は、メイン触媒装置４の劣化度合いに応じた排気ガス温度（メイン触媒装置４の温度を推定するための値）とＨＣ浄化率との関係を示している。図中の実線はメイン触媒装置４に殆ど劣化が生じていない場合での排気ガス温度とＨＣ浄化率との関係を示している。また、図中の破線はメイン触媒装置４にある程度の劣化が生じた場合での排気ガス温度とＨＣ浄化率との関係を示している。更に、図中の一点鎖線はメイン触媒装置４の劣化度合いが大きくなった場合での排気ガス温度とＨＣ浄化率との関係を示している。

この図８に従えば、現在の排気ガス温度と、上記下流側Ａ／Ｆセンサ９９の出力信号から求められたＨＣ浄化率とから、現時点でのメイン触媒装置４の劣化度合いを認識することができる。

そして、メイン触媒装置４の劣化度合いが大きくなるに従ってライトオフ温度も上昇していくため、上記ステップＳＴ２３において認識されたメイン触媒装置４の劣化度合いから、現時点でのメイン触媒装置４のライトオフ温度が認識できる（ステップＳＴ２４）。

以上がメイン触媒装置４の劣化診断である。この劣化診断によってメイン触媒装置４のライトオフ温度が認識できるので、このライトオフ温度の情報を上記ＲＡＭ１０３に書き込むことにより、以降のＰＭ再生やＮＯｘ還元の実行条件に、この新たなライトオフ温度を使用する。

つまり、ＰＭ堆積推定量が所定の限界堆積量を超えてＤＰＮＲ触媒４２の再生時期であると判定されたり、または、上記推定されたＮＯｘ吸蔵量が所定量に達してＮＯｘ還元が必要であると判断された場合、上記推定されるメイン触媒装置４の温度が上記ライトオフ温度（更新されたライトオフ温度）に達するまでは燃料添加弁２６からの燃料添加を実行せず、上記ＰＭ再生燃焼モードへの切替え等によってメイン触媒装置４の温度が上記ライトオフ温度に達した時点から燃料添加を開始する。このようにして、メイン触媒装置４の劣化度合いに見合った燃料添加を実施することができる。これにより、燃料添加の開始と同時にＰＭ再生やＮＯｘ還元が効果的に行われ、添加された燃料の略全量をＰＭ再生やＮＯｘ還元に寄与させることができる。その結果、無駄な燃料添加が無くなって、排気に白煙が発生したり、燃料消費率を著しく悪化したりするといったことが回避できる。従来では、触媒の劣化度合いに関わりなく触媒温度がある一定値に達した時点で燃料添加を実行していたため、触媒の劣化度合いによっては、無駄な燃料添加が行われてしまう可能性があった。本発明は、上述した如くメイン触媒装置４の劣化度合いに見合った燃料添加を実施することができるので、無駄な燃料添加が行われてしまうことを回避できる。

また、上述した如く上流側Ａ／Ｆセンサ９８は、エンジン１から排出された排気ガス（添加燃料と反応していない排気ガス）の空燃比を検出している。つまり、吸気系６から吸入された空気量とインジェクタ２３から噴射された燃料量とによって決定される排気空燃比を検出している。

このため、この上流側Ａ／Ｆセンサ９８によって検出される排気空燃比から、インジェクタ２３からの燃料噴射量のずれ、エアフローメータ３３によって検出される吸入空気量のずれ、ＥＧＲ量のずれ等を認識することも可能である。

−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型４気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限られることなく、例えば筒内直噴型６気筒ディーゼルエンジンなど他の任意の気筒数のディーゼルエンジンにも適用できる。また、筒内直噴型ディーゼルエンジンに限られることなく、他のタイプのディーゼルエンジンにも本発明を適用することは可能である。また、車両用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。

以上の例では、ＤＰＮＲ触媒４２を備えた触媒装置４を排気系７に設けているが、このＤＰＮＲ触媒４２に代えてＤＰＦを備えた触媒装置４を排気系７に設けたものに対しても本発明は適用可能である。また、ＮＳＲ触媒４１やＤＰＮＲ触媒４２以外の他のＮＯｘ吸蔵触媒を備えた触媒装置を排気通路に設けたものに対しても本発明は適用可能である。

実施形態に係るエンジンおよびその制御系統の概略構成を示す図である。エンジンの制御ブロックの概略を示す図である。空燃比センサの出力電圧と空燃比との関係を示す図である。燃料添加弁の作動不良診断の手順を示すフローチャート図である。燃料添加弁の作動不良診断時における燃料添加実行フラグおよび各Ａ／Ｆセンサの出力信号の変化を示す図である。メイン触媒装置の劣化診断の手順を示すフローチャート図である。メイン触媒装置の劣化診断時における燃料添加実行フラグおよび下流側Ａ／Ｆセンサの出力信号の変化を示す図である。メイン触媒装置の劣化度合いに応じた排気ガス温度とＨＣ浄化率との関係を示す図である。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
４メイン触媒装置（排気浄化触媒）
２６燃料添加弁（添加手段）
７３，７４排気管（排気通路）
９リファレンス触媒装置（診断用触媒）
９４、９５分岐管（分岐通路）
９８上流側Ａ／Ｆセンサ（上流側排気空燃比検出手段）
９９下流側Ａ／Ｆセンサ（下流側排気空燃比検出手段）

Claims

内燃機関の排気通路に配設された排気浄化触媒と、この排気浄化触媒の上流側の排気通路に添加剤を添加する添加手段とを備えた排気浄化装置において、
上記添加手段による添加位置よりも下流側から分岐される分岐通路を介して上記排気浄化触媒と並列に配設された診断用触媒と、
上記診断用触媒よりも上流側の排気通路に配設されて、この排気通路内の空燃比を検出する上流側排気空燃比検出手段と、
上記診断用触媒よりも下流側の排気通路に配設されて、この排気通路内の空燃比を検出する下流側排気空燃比検出手段とを備え、
上記内燃機関の排気ガスを診断用触媒のみに流通させた状態で添加手段から添加剤を添加し、上記上流側排気空燃比検出手段および上記下流側排気空燃比検出手段によってそれぞれ検出される排気空燃比の差に基づいて実添加量を求め、この実添加量が、添加手段に対する指示添加量に対して所定量以上乖離している場合に上記添加手段に作動不良が生じていると診断する添加手段診断動作を行うよう構成されていることを特徴とする内燃機関の排気系診断装置。
上記請求項１記載の内燃機関の排気系診断装置において、
上記添加手段診断動作は、内燃機関の排気ガス温度が、排気通路および分岐通路において添加剤と排気ガス中の酸素とが反応しない温度であることを条件として実行されることを特徴とする内燃機関の排気系診断装置。
上記請求項１または２記載の内燃機関の排気系診断装置において、
上記実添加量が「０」または略「０」である場合、または、上記実添加量が指示添加量に対して所定量を超えて多い場合には、添加手段の交換を促す警告を発するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の排気系診断装置。
上記請求項１、２または３記載の内燃機関の排気系診断装置において、
上記指示添加量に対して上記実添加量が乖離しており、その乖離量が所定範囲内である場合には添加手段に対してその作動不良を解消するための作動不良解消動作を実行する構成とされていることを特徴とする内燃機関の排気系診断装置。
上記請求項４記載の内燃機関の排気系診断装置において、
上記作動不良解消動作を実行した後、再び添加手段から添加剤を添加して、上記上流側排気空燃比検出手段および上記下流側排気空燃比検出手段によってそれぞれ検出される排気空燃比の差に基づいて実添加量を求め、この実添加量が、添加手段に対する指示添加量に対して所定量以上乖離している場合には、その乖離量に応じて添加手段からの添加剤供給量を補正するよう指示添加量の学習動作を行うよう構成されていることを特徴とする内燃機関の排気系診断装置。
上記請求項１〜５のうち何れか一つに記載の内燃機関の排気系診断装置において、
上記添加手段診断動作の実施後、上記内燃機関の排気ガスを排気浄化触媒のみに流通させた状態で添加手段から添加剤を添加し、上記上流側排気空燃比検出手段および上記下流側排気空燃比検出手段によってそれぞれ検出される排気空燃比に基づいて排気浄化触媒の劣化状態を診断する触媒劣化診断動作を行うよう構成されていることを特徴とする内燃機関の排気系診断装置。
上記請求項６記載の内燃機関の排気系診断装置において、
上記触媒劣化診断動作によって排気浄化触媒の劣化度合いを診断した後、その劣化度合いから排気浄化触媒の活性温度を求める活性温度認識動作を行う構成とされていることを特徴とする内燃機関の排気系診断装置。