JP2010071195A - ＮＯｘセンサの出力較正装置及び出力較正方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＮＯｘセンサの好適なゲイン較正を実行する。
【解決手段】本発明に係るＮＯｘセンサの出力較正装置は、内燃機関の排気通路１５中に尿素を添加する尿素添加弁４０と、少なくとも尿素添加弁４０の下流側に設けられ、ＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能なＮＯｘセンサ５０と、内燃機関に対しフューエルカットを実行するフューエルカット手段と、フューエルカットの実行時に尿素添加弁４０から添加した尿素から得られるアンモニアに基づきＮＯｘセンサ５０のゲインを較正する較正手段１００とを備える。フューエルカット実行時に添加した尿素から得られるアンモニアを標準ガスとして用い、ＮＯｘセンサのゲイン較正を実行する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係るＮＯｘセンサの出力較正装置は、内燃機関の排気通路１５中に尿素を添加する尿素添加弁４０と、少なくとも尿素添加弁４０の下流側に設けられ、ＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能なＮＯｘセンサ５０と、内燃機関に対しフューエルカットを実行するフューエルカット手段と、フューエルカットの実行時に尿素添加弁４０から添加した尿素から得られるアンモニアに基づきＮＯｘセンサ５０のゲインを較正する較正手段１００とを備える。フューエルカット実行時に添加した尿素から得られるアンモニアを標準ガスとして用い、ＮＯｘセンサのゲイン較正を実行する。
【選択図】図１
Description
本発明はＮＯｘセンサの出力較正装置及び出力較正方法に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘセンサのゲイン較正に好適な装置及び方法に関する。
一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系に配置される排気浄化装置として、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するためのＮＯｘ触媒が知られている。このＮＯｘ触媒としては様々なタイプのものが知られているが、その中で、還元剤の添加によりＮＯｘを連続的に還元除去する選択還元型ＮＯｘ触媒が公知である。還元剤については尿素が水溶液の形で用いられるのが一般的であり、この尿素水が触媒上流側から噴射供給される。すると尿素水が排気や触媒からの受熱により加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアがＮＯｘ触媒上でＮＯｘと反応し、結果的にＮＯｘがＮ２とＨ２Ｏに分解される。このような、還元剤としての尿素を添加しつつ選択還元型ＮＯｘ触媒でＮＯｘを連続的に還元除去するシステムを尿素ＳＣＲシステムと称する。
一方、還元剤量の制御等のため、ＮＯｘ触媒下流側にＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサが設置される。ＮＯｘセンサは、検出したＮＯｘ濃度に応じた大きさの信号を出力するものであるが、経時劣化等によりその出力が次第に新品時の値からズレてくる。このズレは、特に、ＮＯｘ濃度がゼロのときのセンサ出力値であるオフセットと、ＮＯｘ濃度の高まりに応じたセンサ出力値の上昇度合いであるゲインとの両方に見られる。従って、かかるセンサ出力ズレが生じても正確なＮＯｘ濃度を検出できるよう、適宜なタイミング毎にオフセットとゲインを較正するのが好適である。
例えば特許文献１には、内燃機関の燃料供給を停止するフューエルカット時に排気ガス中のＮＯｘがなくなることを利用して、フューエルカット時にＮＯｘセンサの基準点を学習することが開示されている。
しかしながら、ＮＯｘセンサのゲイン較正については未だ好適な手法が見当たらず、早急な対策が待ち望まれている。
かかる状況下で、本発明者は、ＮＯｘセンサがＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能な特性を有することに着目し、添加尿素から得られるアンモニアを利用してＮＯｘセンサのゲイン較正を行う手法を新たに開発した。
そこで本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＮＯｘセンサの好適なゲイン較正を実行可能なＮＯｘセンサの出力較正装置及び出力較正方法を提供することにある。
本発明の一形態によれば、
内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路中に尿素を添加する尿素添加弁と、
少なくとも前記尿素添加弁の下流側に設けられたＮＯｘセンサであって、ＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能なＮＯｘセンサと、
前記内燃機関に対しフューエルカットを実行するフューエルカット手段と、
前記フューエルカットの実行時に前記尿素添加弁から添加した尿素から得られるアンモニアに基づき前記ＮＯｘセンサのゲインを較正する較正手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの出力較正装置が提供される。
内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路中に尿素を添加する尿素添加弁と、
少なくとも前記尿素添加弁の下流側に設けられたＮＯｘセンサであって、ＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能なＮＯｘセンサと、
前記内燃機関に対しフューエルカットを実行するフューエルカット手段と、
前記フューエルカットの実行時に前記尿素添加弁から添加した尿素から得られるアンモニアに基づき前記ＮＯｘセンサのゲインを較正する較正手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの出力較正装置が提供される。
フューエルカット実行時に尿素添加弁から尿素を添加すると、ＮＯｘセンサに供給される排気ガスにＮＯｘが含まれず、添加尿素から得られるアンモニアのみが含まれるようになる。一方、このアンモニアの濃度をＮＯｘセンサが検出可能である。従って、添加尿素から得られるアンモニアを利用してＮＯｘセンサのゲイン較正を好適に実行することができる。
好ましくは、前記較正手段が、前記フューエルカットの実行時に前記尿素添加弁から所定のアンモニア濃度相当の尿素を添加したときの当該アンモニア濃度と前記ＮＯｘセンサの出力との関係に基づき、前記ＮＯｘセンサのゲインを較正する。
これにより、既知の濃度のアンモニアガスを標準ガス或いはスパンガスとして用いてＮＯｘセンサのゲインを好適に較正することができる。
好ましくは、前記較正手段が、前記ゲイン較正の実行前で且つ前記フューエルカットの実行時に前記ＮＯｘセンサのオフセット較正を実行するものである。
これによりオフセットを好適に較正することができると共に、基準点ないしゼロ点を正確な状態とした上でゲイン較正を実行するので、ゲイン較正の精度を向上することができる。
好ましくは、前記較正手段が、複数に分割されたアンモニア濃度若しくはＮＯｘ濃度の領域毎に前記ゲイン較正を実行するものである。
特に最近ではエミッション要求の高まりから低ＮＯｘ濃度領域におけるＮＯｘ検出精度を向上する要請があるが、このように複数に分割された領域毎にゲイン較正を実行すると、各領域毎に正確なゲインが得られ、各領域特に低濃度領域でのＮＯｘ検出精度を大幅に向上できる。
好ましくは、前記出力較正装置が、前記尿素添加弁の上流側に設けられたＮＯｘセンサ（上流ＮＯｘセンサ）をさらに備え、
前記較正手段は、前記尿素添加弁の下流側に設けられたＮＯｘセンサ（下流ＮＯｘセンサ）の少なくともゲイン較正実行後で且つ前記フューエルカット及び前記尿素添加の非実行時に、前記上流ＮＯｘセンサの出力と前記下流ＮＯｘセンサの出力とを比較して前記上流ＮＯｘセンサのゲイン較正を実行するものである。
前記較正手段は、前記尿素添加弁の下流側に設けられたＮＯｘセンサ（下流ＮＯｘセンサ）の少なくともゲイン較正実行後で且つ前記フューエルカット及び前記尿素添加の非実行時に、前記上流ＮＯｘセンサの出力と前記下流ＮＯｘセンサの出力とを比較して前記上流ＮＯｘセンサのゲイン較正を実行するものである。
下流ＮＯｘセンサの少なくともゲイン較正実行後であれば、下流ＮＯｘセンサの出力とＮＯｘ濃度との相関が正確となっている。またフューエルカットの非実行時であれば排ガス中にＮＯｘが存在し、尿素添加非実行時であれば尿素によるアンモニアの影響はなく、上流ＮＯｘセンサと下流ＮＯｘセンサに同一ＮＯｘ濃度の排ガスを供給できる。従ってこの際に両センサの出力を比較することにより、上流ＮＯｘセンサのゲイン較正を好適に実行できる。
本発明の他の形態によれば、
排気通路に尿素を添加する尿素添加弁を設け、該尿素添加弁の少なくとも下流側に、ＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能なＮＯｘセンサを設けた内燃機関において、前記ＮＯｘセンサの出力を較正する方法であって、
前記内燃機関に対しフューエルカットを実行するステップと、
当該フューエルカットの実行時に前記尿素添加弁から尿素を添加するステップと、
当該添加尿素から得られるアンモニアに基づき前記ＮＯｘセンサのゲインを較正するステップと
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの出力較正方法が提供される。
排気通路に尿素を添加する尿素添加弁を設け、該尿素添加弁の少なくとも下流側に、ＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能なＮＯｘセンサを設けた内燃機関において、前記ＮＯｘセンサの出力を較正する方法であって、
前記内燃機関に対しフューエルカットを実行するステップと、
当該フューエルカットの実行時に前記尿素添加弁から尿素を添加するステップと、
当該添加尿素から得られるアンモニアに基づき前記ＮＯｘセンサのゲインを較正するステップと
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの出力較正方法が提供される。
本発明によれば、ＮＯｘセンサの好適なゲイン較正を実行できるという、優れた効果が発揮される。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らず、ＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。
他方、エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。
排気通路１５には、上流側から順に、排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒３０と、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するＤＰＲ（Diesel Particulate Reduction）触媒３２と、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒、特に選択還元型ＮＯｘ触媒３４と、アンモニア酸化触媒３６とが直列に設けられている。
そして、ＮＯｘ触媒３４に還元剤としての尿素を添加するための尿素添加装置４８が設けられている。具体的には、ＤＰＲ触媒３２の下流側且つＮＯｘ触媒３４の上流側の排気通路１５に、尿素（より具体的には尿素水）を添加ないし噴射するための尿素添加弁４０が設けられている。尿素添加弁４０には供給ライン４１を通じて尿素供給ポンプ４２から尿素水が供給され、尿素供給ポンプ４２は尿素タンク４４に貯留された尿素水を吸引して吐出する。尿素添加弁４０から噴射された尿素水をまんべんなくＮＯｘ触媒３４に供給できるよう、尿素添加弁４０とＮＯｘ触媒３４の間には分散板４３が設けられている。
また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく、尿素添加弁４０及び尿素供給ポンプ４２を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、ＮＯｘ触媒３４の下流側に設けられたＮＯｘセンサ即ち下流ＮＯｘセンサ５０、ＮＯｘ触媒３４の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４が含まれる。なお、下流ＮＯｘセンサ５０はＮＯｘ触媒３４とアンモニア酸化触媒３６との間に設置され、触媒前排気温センサ５２はＤＰＲ触媒３２とＮＯｘ触媒３４の間に設置される。
また他のセンサ類として、クランク角センサ２６、アクセル開度センサ２７及びエンジンスイッチ２８がＥＣＵ１００に接続されている。クランク角センサ２６はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１０のクランク角を検出すると共に、エンジン１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ２７は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。エンジンスイッチ２８はユーザによってエンジン始動時にオン、エンジン停止時にオフされる。
下流ＮＯｘセンサ５０は、排気ガスのＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度に比例した大きさの出力信号を発する。特に下流ＮＯｘセンサ５０は、排気ガス中のＮＯｘだけでなく、排気ガス中のアンモニア（ＮＨ３）をも検出可能なものであり、所謂限界電流式ＮＯｘセンサである。下流ＮＯｘセンサ５０は、その内部で排気ガス中のＮＯｘ（特にＮＯ）をＮ２とＯ２に分解し、そのＯ２に基づく酸素イオンの電極間移動により酸素イオン量に比例した電流出力を発生する。その一方で、下流ＮＯｘセンサ５０は、その内部で排気ガス中のＮＨ３をＮＯとＨ２Ｏに分解し、さらにそのＮＯをＮ２とＯ２に分解し、あとはＮＯｘの場合と同様の原理で電流出力を発生する。下流ＮＯｘセンサ５０は、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度の合計濃度に比例した出力を発するものであり、ＮＯｘ濃度とアンモニア濃度とを区別して出力を発することはできない。
選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）３４は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ２Ｏ５／ＷＯ３／ＴｉＯ２）を担持させたもの等が例示できる。選択還元型ＮＯｘ触媒３４は、その触媒温度が活性温度域にあり、且つ、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化する。尿素が触媒に添加されると、触媒上でアンモニアが生成され、このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。この反応を化学式で表すと次のようになる。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
ＮＯｘ触媒３４の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、触媒前排気温センサ５２及び触媒後排気温センサ５４によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。
ＮＯｘ触媒３４に対する尿素添加量は、下流ＮＯｘセンサ５０により検出されるＮＯｘ濃度に基づき制御される。具体的には、ＮＯｘ濃度の検出値が常にゼロになるように尿素添加弁４０からの尿素噴射量が制御される。この場合、ＮＯｘ濃度の検出値のみに基づいて尿素噴射量を設定してもよく、或いは、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）に基づいてＮＯｘ濃度をゼロとするような基本尿素噴射量を設定し、且つ、この基本尿素噴射量を下流ＮＯｘセンサ５０の検出値に基づいてフィードバック補正してもよい。ＮＯｘ触媒３４が尿素添加時のみＮＯｘを還元可能なので、通常、尿素は常時添加される。また、ＮＯｘ還元に必要な最小限の量しか尿素が添加されないよう、制御が行われる。過剰に尿素を添加するとアンモニアが触媒下流に排出されてしまい（所謂ＮＨ３スリップ）、異臭等の原因となり得るからである。
ここで、エンジンから排出されるＮＯｘの全量を還元するのに必要な最小の尿素量をＡ、実際に添加された尿素量をＢとすると、これらの比Ｂ／Ａは当量比と称される。当量比ができるだけ１に近づくように尿素添加制御が実行されてはいるものの、実際にはエンジンの運転状態が時々刻々と変化することから、実際の当量比は必ずしも１とならない。当量比が１より小さい場合、尿素供給量が不足しており、触媒下流側にＮＯｘが排出されるので、これを下流ＮＯｘセンサ５０により検知して尿素供給量を増量するようにしている。なお当量比が１より大きいときには尿素供給量が過剰となり、ＮＯｘ触媒３４の下流側にアンモニアが漏れ出すことになるが、このアンモニアはアンモニア酸化触媒３６で浄化されるので外部への排出が防止される。添加された尿素がＮＯｘ触媒３４に吸蔵、付着することもあり、この場合、尿素の添加を停止しても、付着した尿素により暫くの間はＮＯｘを還元できる。
また、ＮＯｘ触媒３４の触媒温度（本実施形態では推定値）に応じて尿素添加の実行・停止が制御される。具体的には、触媒温度が所定の最小活性温度（例えば２００℃）以上のときに尿素添加が実行され、触媒温度がその最小活性温度未満のときには尿素添加が停止される。触媒温度が最小活性温度に達する前は尿素添加を行ってもＮＯｘを効率良く還元できないからである。また、触媒温度が最小活性温度より高い所定の上限温度（例えば４００℃）以上になったときにも尿素添加が停止される。この場合も、尿素添加を行ったとしてもＮＯｘを効率良く還元できないからである。もっとも、一般にディーゼルエンジンの場合にはガソリンエンジンよりも排気温が低く、触媒温度がそのような上限温度に達する頻度は比較的少ない。結局、触媒温度が、最小活性温度以上且つ上限温度未満のときに尿素添加が実行され、この温度域にないとき尿素添加が停止される。
さらにＥＣＵ１００は、下流ＮＯｘセンサ５０の素子インピーダンスに基づきその素子温を間接的に検出し、検出した素子温が所定の活性域内にあるか否かを判断する。素子温が活性域内にあれば下流ＮＯｘセンサ５０によるＮＯｘ濃度（及びアンモニア濃度）の検出を行い、素子温が活性域外となっていればそのような検出を行わない。
本実施形態では上流側から順に酸化触媒３０、ＤＰＲ触媒３２及びＮＯｘ触媒３４が配列されているが、配列順序はこれに限られない。ＤＰＲ触媒３２はディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；DPF）の一種であり、フィルタ構造であると共に表面に貴金属を有し、フィルタで捕集した粒子状物質を貴金属を利用して連続的に酸化（燃焼）する連続再生式である。ＤＰＦとして、このようなＤＰＲ触媒３２に限らず、あらゆるタイプのＤＰＦが使用可能である。なお、酸化触媒３０及びＤＰＲ触媒３２の少なくとも一方を省略した実施形態も可能である。
次に、ＮＯｘセンサの出力較正について説明する。
まず、下流ＮＯｘセンサ５０の各濃度に対する出力特性を説明する。図２に示すように、下流ＮＯｘセンサ５０は、排気ガスのＮＯｘ濃度又はアンモニア濃度に比例した出力Ｉを発する。図中、「ＮＯ」と表示されるのは、排ガス中にＮＯｘが含まれ、アンモニアが含まれず、ＮＯｘがＮＯの単ガスからなる場合のＮＯｘ濃度とセンサ出力Ｉとの関係を示す。また、「ＮＨ３」と表示されるのは、排ガス中にアンモニアが含まれ、ＮＯｘが含まれない場合のアンモニア濃度とセンサ出力Ｉとの関係を示す。図から理解されるように、１００ｐｐｍという濃度に対して、ＮＯｘの場合は１００というセンサ出力Ｉが得られるのに対し、アンモニアの場合は８０というセンサ出力Ｉしか得られない。従ってアンモニアに関しては８０％の相関性を有するということがいえる。また、（センサ出力）／（濃度）で定義されるゲインで比較してみると、ＮＯｘの場合には１００／１００＝１というゲインを有するが、アンモニアの場合には８０／１００＝０．８というゲインを有する。従ってアンモニアに対するＮＯｘのゲイン比は１／０．８＝１．２５である。
次に、本実施形態においてＥＣＵ１００によってなされる出力較正の手順を概説する。図３において、太線ａで示すのが正常状態の下流ＮＯｘセンサ５０（正常センサという）の出力線図、細線ｂで示すのが正常状態に対しオフセット、ゲインともにズレている下流ＮＯｘセンサ５０（ズレ発生センサという）の出力線図である。図示例の場合、正常センサでは、アンモニア濃度ゼロのときの出力がゼロ、アンモニア濃度Ｘｚのときの出力がＩａとなっている。一方、ズレ発生センサでは、アンモニア濃度ゼロのときの出力がゼロより大きいＩ０、アンモニア濃度Ｘｚのときの出力がＩａより小さいＩｂとなっている。
ズレ発生センサの出力較正に際しては、まず、アンモニア濃度ゼロのときのセンサ出力がＩ０であるとしてＥＣＵ１００に記憶ないし学習され、これによりオフセット較正が実行される。次に、ＮＯｘ濃度がゼロからＹｚに高まるにつれセンサ出力がＩ０からＩｂに上昇するよう、ゲインが（Ｉｂ−Ｉ０）／（Ｙｚ−０）により算出され、この値がＥＣＵ１００に記憶ないし学習されてゲイン較正が実行される。こうすることによりズレ発生センサについてもアンモニア濃度とセンサ出力の相関、ひいてはＮＯｘ濃度とセンサ出力の相関が正確且つ確実に取れるようになる。
オフセット較正は、エンジン１０に対し燃料の噴射を停止するフューエルカットの実行時に行われる。なおこのときには当然に尿素添加弁４８からの尿素添加も実行されない。そしてゲイン較正は、フューエルカット実行時であって尿素添加弁４８から尿素を添加しているときに実行される。
フューエルカット実行時には、下流ＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガス（実質的には空気）にＮＯｘが含まれない。従ってこのときにオフセット較正を実行することによりオフセットを正確に較正することができる。
また、フューエルカット実行時に尿素添加弁４８から尿素水を添加すると、下流ＮＯｘセンサ５０に供給される排気ガスにＮＯｘが含まれず、また排気熱、触媒熱による尿素水の加水分解により得られたアンモニアのみが含まれるようになる。従って、所定のアンモニア濃度相当の所定量の尿素水を添加することにより、当該アンモニア濃度とセンサ出力との対応関係を得て、ゲインを好適に較正することができる。いうなれば、既知の濃度のアンモニアガスを較正用の標準ガス或いはスパンガスとして用い、ＮＯｘセンサのゲインを較正するのである。
図４には本実施形態のゲイン較正をより具体的に説明するための概略図を示す。図示するように、オフセット較正が既に終了しているので、オフセット即ちアンモニアないしＮＯｘ濃度ゼロのときのセンサ出力の値は正しい値となっている（図示例では便宜上ゼロとしている）。そして例えば車両減速時にフューエルカットが実行されているとき、所定の２点のアンモニア濃度Ｘ１，Ｘ２相当の量の尿素水が尿素添加弁４８から添加される。ここで本実施形態では、アンモニア濃度Ｘの領域が予め複数に分割されると共に、その各領域毎にゲインを較正するようにしている。具体的には、アンモニア濃度Ｘが０≦Ｘ≦Ｘ１のときの低濃度領域と、Ｘ１＜Ｘのときの高濃度領域とに２分割され、低濃度領域についてはＸ＝０，Ｘ１、高濃度領域についてはＸ＝Ｘ１，Ｘ２（但しＸ１＜Ｘ２）を用いてゲイン較正が実行される。なお本実施形態ではＸ１＝１００（ｐｐｍ）、Ｘ２＝５００（ｐｐｍ）だが、これらの値は任意に設定可能である。
特に最近では、エミッション要求の高まりから低ＮＯｘ濃度領域におけるＮＯｘ検出精度を向上する要請があり、このようにＮＯｘ濃度と相関するアンモニア濃度を複数領域に分けて領域毎にゲイン較正を実行することで、各領域毎に正確なゲインが得られ、各領域特に低濃度領域でのＮＯｘ検出精度を大幅に向上することができる。
まず低濃度領域について、フューエルカット中にアンモニア濃度Ｘ１相当の量の尿素水を尿素添加弁４８から添加すると共に、このアンモニア濃度Ｘ１に対応したセンサ出力Ｉ１を取得する。そして低濃度領域のゲインＧ１をＧ１＝Ｉ１／Ｘ１から求める。
次いで、高濃度領域について、フューエルカット中にアンモニア濃度Ｘ２相当の量の尿素水を尿素添加弁４８から添加すると共に、このアンモニア濃度Ｘ２に対応したセンサ出力Ｉ２を取得する。そして高濃度領域のゲインＧ２をＧ２＝（Ｉ２−Ｉ１）／（Ｘ２−Ｘ１）から求める。
次に、具体的な出力較正処理を図５に基づいて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定時間毎に繰り返し実行される。
最初のステップＳ１０１では、下流ＮＯｘセンサ５０が活性化しているか否かが判断される。活性化していないと判断された場合、ルーチンが終了される。他方、活性化していると判断された場合、ステップＳ１０２において、減速時等でフューエルカット（Ｆ／Ｃ）実行中であるか否かが判断される。フューエルカット実行中でない場合、ルーチンが終了される。他方、フューエルカット実行中である場合にはステップＳ１０３において、下流ＮＯｘセンサ５０の出力Ｉが正常状態のときと等しい値、本実施形態ではゼロであるか否かが判断される。なお、フューエルカット開始から排気ガスとしての空気が下流ＮＯｘセンサ５０に到達するまでの輸送遅れに基づく時間を確保するため、フューエルカット開始から所定時間経過後に下流ＮＯｘセンサ５０の出力Ｉがゼロか否かを判断してもよい。
下流ＮＯｘセンサ５０の出力Ｉがゼロである場合、オフセットのズレはないとみなされ、ステップＳ１０４に進む。他方、下流ＮＯｘセンサ５０の出力Ｉがゼロでない場合、オフセットのズレがあるとみなされ、ステップＳ１０９に進んでオフセット較正が実行される。具体的には、実際に取得されたセンサ出力の値Ｉ０がＮＯｘ濃度ゼロ相当の値（基準値）としてＥＣＵ１００に記憶ないし学習される。
ステップＳ１０４では、ＮＯｘ触媒３４における尿素及びアンモニアの吸蔵状態が飽和状態に達しているか否かが判断される。即ち、ＮＯｘ触媒３４は、尿素及びアンモニアを一定量吸蔵可能であり、この吸蔵が飽和状態に達していないと尿素を添加してもアンモニアがＮＯｘ触媒３４に吸蔵されてしまい、アンモニアをＮＯｘ触媒３４を通じて全量素通りさせることができない。このため、本実施形態では、ＮＯｘ触媒３４が飽和状態まで尿素及びアンモニアを吸蔵しているか否かを予め確認し、吸蔵していることが確認された後に所定量の尿素添加を実行するようにしている。こうすることにより、添加尿素から得られるアンモニアをＮＯｘ触媒３４を素通りさせて下流ＮＯｘセンサ５０に全量供給し、予め予定していた濃度のアンモニアガスを下流ＮＯｘセンサ５０に供給してゲイン較正の精度を向上することができる。
この飽和状態に達したか否かの判断は次のように行う。まず、エンジンの通常運転時に尿素噴射量を積算する。そしてステップＳ１０４の実行時、ＮＯｘ触媒３４の推定触媒温度に基づいて最大尿素吸蔵量を所定のマップ等から求め、この最大尿素吸蔵量と積算尿素噴射量との比較によりアンモニアの吸蔵状態が飽和状態か否かを判断する。飽和状態に達していればステップＳ１０５に進み、飽和状態に達していなければルーチンが終了される。なお、飽和状態に達していない場合、達するまで尿素添加を継続するのが望ましい。
ステップＳ１０５では、アンモニア濃度Ｘ１相当の所定量の尿素水が尿素添加弁４８から添加される。そしてこの後、ステップＳ１０６において、下流ＮＯｘセンサ５０の実際の出力Ｉが、アンモニア濃度Ｘ１に対応する正常状態のときの既定の出力Ｉ１と実質的に等しいか否かが判断される。具体的には、出力ＩがＩ１−α≦Ｉ≦Ｉ１＋α（但しαは０以上の微小な値）の範囲内にあるか否かが判断される。
実際の出力ＩがＩ１と実質的に等しい場合、低濃度領域に於けるゲインズレはないとして、ステップＳ１０７に進む。他方、実際の出力ＩがＩ１と実質的に等しくない場合、低濃度領域に於けるゲインズレがあるとして、ステップＳ１１０において低濃度領域に於けるゲイン較正が行われる。即ち、実際のセンサ出力Ｉと基準値Ｉ０との差をアンモニア濃度Ｘ１で除して低濃度領域の較正後ゲインＧ１を算出し（Ｇ１＝（Ｉ−Ｉ０）／Ｘ１）、この較正後ゲインＧ１をＥＣＵ１００に記憶ないし学習する。
実際の出力ＩがＩ１と実質的に等しい場合、低濃度領域に於けるゲインズレはないとして、ステップＳ１０７に進む。他方、実際の出力ＩがＩ１と実質的に等しくない場合、低濃度領域に於けるゲインズレがあるとして、ステップＳ１１０において低濃度領域に於けるゲイン較正が行われる。即ち、実際のセンサ出力Ｉと基準値Ｉ０との差をアンモニア濃度Ｘ１で除して低濃度領域の較正後ゲインＧ１を算出し（Ｇ１＝（Ｉ−Ｉ０）／Ｘ１）、この較正後ゲインＧ１をＥＣＵ１００に記憶ないし学習する。
次に、ステップＳ１０７以降においては、高濃度領域におけるゲインズレの判断と必要なゲイン較正とが行われる。まずステップＳ１０７においてアンモニア濃度Ｘ２相当の所定量の尿素水が尿素添加弁４８から添加される。そしてこの後、ステップＳ１０８において、下流ＮＯｘセンサ５０の実際の出力Ｉが、アンモニア濃度Ｘ２に対応する正常状態のときの既定の出力Ｉ２と実質的に等しいか否かが判断される。具体的には、出力ＩがＩ２−β≦Ｉ≦Ｉ２＋β（但しβは０以上の微小な値）の範囲内にあるか否かが判断される。
実際の出力ＩがＩ２と実質的に等しい場合、高濃度領域に於けるゲインズレはないとして、ルーチンが終了される。他方、実際の出力ＩがＩ２と実質的に等しくない場合、高濃度領域に於けるゲインズレがあるとして、ステップＳ１１１において高濃度領域に於けるゲイン較正が行われる。即ち、式：Ｇ２＝（Ｉ−Ｉ１）／（Ｘ２−Ｘ１）により低濃度領域の較正後ゲインＧ２を算出し、この較正後ゲインＧ２をＥＣＵ１００に記憶ないし学習する。
実際の出力ＩがＩ２と実質的に等しい場合、高濃度領域に於けるゲインズレはないとして、ルーチンが終了される。他方、実際の出力ＩがＩ２と実質的に等しくない場合、高濃度領域に於けるゲインズレがあるとして、ステップＳ１１１において高濃度領域に於けるゲイン較正が行われる。即ち、式：Ｇ２＝（Ｉ−Ｉ１）／（Ｘ２−Ｘ１）により低濃度領域の較正後ゲインＧ２を算出し、この較正後ゲインＧ２をＥＣＵ１００に記憶ないし学習する。
以上で下流ＮＯｘセンサ５０のオフセット較正とゲイン較正が終了となる。但し、得られた較正後ゲインＧ１，Ｇ２の値は、標準ガスとしてアンモニアガスを用いたときの値であり、較正以降、下流ＮＯｘセンサ５０の出力をＮＯｘ濃度を示す値として用いるためには、得られた較正後ゲインの値を図２に示したようなアンモニア及びＮＯｘ間の相関関係を利用して修正する必要がある。そこで本実施形態ではかかる修正をＥＣＵ１００により以下のように実行する。
前述したように、アンモニアに対するＮＯｘのゲイン比は１／０．８＝１．２５である。よって較正後ゲインＧ１，Ｇ２に１．２５を乗じた値が下流ＮＯｘセンサ出力ＩとＮＯｘ濃度との関係を表すゲインＧ１Ｎ，Ｇ２Ｎとなる（Ｇ１Ｎ＝１．２５Ｇ１，Ｇ２Ｎ＝１．２５Ｇ２）。また、同一のセンサ出力に対して、アンモニア濃度のＸ１，Ｘ２はそれぞれ、ＮＯｘ濃度のＹ１＝０．８Ｘ１，Ｙ２＝０．８Ｘ２に対応する。よって、下流ＮＯｘセンサ５０によりＮＯｘ濃度Ｙを検出する際には、０≦Ｙ≦Ｙ１の低濃度領域では式：Ｉ＝Ｇ１ＮＹによりＮＯｘ濃度Ｙが検出ないし算出され、Ｙ１＜Ｙの高濃度領域では式：Ｉ＝Ｇ２ＮＹによりＮＯｘ濃度Ｙが検出ないし算出される。
なお、この実施形態では複数（２つ）の濃度領域でそれぞれゲインを設定したが、図３に示した如く、全濃度領域を１つのゲインでまかなうこともできる。この場合、前記実施形態の２点目（Ｘ２）に関する尿素添加、判断及びゲイン較正（ステップＳ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１１１）を省略すればよく、１点目（Ｘ１）の値をより高濃度側に設定すると好ましい。
また、この実施形態では較正時にセンサ出力及びアンモニア濃度の関係をベースとして較正を行ったが、アンモニア濃度とＮＯｘ濃度の相関関係を利用して、較正時にセンサ出力及びＮＯｘ濃度の関係をベースとして較正を行ってもよい。
次に他の実施形態を説明する。なお前記実施形態と同様の構成要素については図中同一符号を付して説明を省略し、以下相違点を中心に説明する。
図６は他の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。前記実施形態と異なるのは、尿素添加弁４８の上流側、特に尿素添加弁４８とＤＰＲ触媒３２との間に、別のＮＯｘセンサである上流ＮＯｘセンサ５１が設けられている点のみである。この上流ＮＯｘセンサ５１は、本実施形態では下流ＮＯｘセンサ５０と同一構成のものが使用されている。
本実施形態では、下流ＮＯｘセンサ５０の少なくともゲイン較正実行後で且つフューエルカット及び尿素添加の非実行時に、上流ＮＯｘセンサ５１の出力（Ｉｕで表す）と下流ＮＯｘセンサの出力（Ｉｄで表す）とを比較して上流ＮＯｘセンサ５１のゲイン較正が実行される。即ち、下流ＮＯｘセンサ５０の少なくともゲイン較正実行後、好ましくはオフセット較正及びゲイン較正実行後であれば、下流ＮＯｘセンサ５０の出力ＩｄとＮＯｘ濃度Ｙとの相関性が正確となっている。またフューエルカットの非実行時であれば排ガス中にＮＯｘが存在し、尿素添加非実行時であればＮＯｘ触媒３４でＮＯｘが還元されず、また尿素によるアンモニアの影響もなく、上流ＮＯｘセンサ５１と下流ＮＯｘセンサ５０に同一ＮＯｘ濃度の排ガスを供給できる。従って、上流ＮＯｘセンサ５１と下流ＮＯｘセンサ５０とは同等の出力を発する筈であり、この観点から両者の比較により上流ＮＯｘセンサ５１のゲイン較正が実行される。
本実施形態では、まず、前記実施形態で説明した手法に則って下流ＮＯｘセンサ５０のオフセット較正及びゲイン較正が実行される。そして下流ＮＯｘセンサ５０のオフセット較正と同時に上流ＮＯｘセンサ５１のオフセット較正が実行される。オフセット較正時にはフューエルカットが実行され、上流ＮＯｘセンサ５１と下流ＮＯｘセンサ５０には同一の空気が供給されるので、下流ＮＯｘセンサ５０のときと同一の手法で上流ＮＯｘセンサ５１のオフセット較正が可能である。
こうして下流ＮＯｘセンサ５０のオフセット較正及びゲイン較正と、上流ＮＯｘセンサ５１のオフセット較正とが終了したら、その後エンジンが停止され再始動されたときに、上流ＮＯｘセンサ５１のゲイン較正が実行される。このゲイン較正は、ＮＯｘ触媒３４が未活性であって尿素添加が実行されないときに行われる。こうすれば排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒３４で還元処理されず、また尿素によるアンモニアも存在せず、上流ＮＯｘセンサ５１と下流ＮＯｘセンサ５０に同一ＮＯｘ濃度の排ガスを供給できるからである。
図７には上流ＮＯｘセンサ５１のゲイン較正を説明するための概略図を示す。図示するように、下流ＮＯｘセンサ５０のオフセット較正及びゲイン較正が既に終了しているので、各ＮＯｘ濃度に対する下流ＮＯｘセンサ５０の出力は正常となっている。図示例では、ＮＯｘ濃度がＹ１，Ｙ２のとき下流ＮＯｘセンサ５０の出力はＩｄ１，Ｉｄ２であり、０≦Ｙ≦Ｙ１の低濃度領域ではゲインＧｄ１、Ｙ１＜Ｙの高濃度領域ではゲインＧｄ２となっている。
一方、上流ＮＯｘセンサ５１については既にオフセット較正が終了しているのでオフセットは正常となっている。他方ゲインについては、図示するように下流ＮＯｘセンサ５０と異なっており、即ちズレが生じている。図示例では、ＮＯｘ濃度がＹ１，Ｙ２のとき上流ＮＯｘセンサ５０の出力はＩｕ１，Ｉｕ２、０≦Ｙ≦Ｙ１の低濃度領域のゲインＧｕ１、Ｙ１＜Ｙの高濃度領域のゲインＧｕ２であり、Ｉｕ１＞Ｉｄ１、Ｉｕ２＞Ｉｄ２、Ｇｕ１＞Ｇｄ１、Ｇｕ２＞Ｇｄ２となっている。
本実施形態では、上流ＮＯｘセンサ５１の出力が全ＮＯｘ濃度域で下流ＮＯｘセンサ５０の出力と同等になるよう、ゲイン較正が実行される。具体的には、図中矢印で示すように、低濃度領域のときの上流ＮＯｘセンサ５１のゲインＧｕ１が下流ＮＯｘセンサ５０のゲインＧｄ１と等しくなるよう較正され、高濃度領域のときの上流ＮＯｘセンサ５１のゲインＧｕ２が下流ＮＯｘセンサ５０のゲインＧｄ２と等しくなるよう較正される。これにより、上流ＮＯｘセンサ５１の出力及びＮＯｘ濃度の相関は下流ＮＯｘセンサ５０のそれと同等となり、上流ＮＯｘセンサ５１のゲインを好適に較正することができる。
ここで、上流ＮＯｘセンサ５１のゲイン較正処理を図８に基づいて説明する。図示されるルーチンはＥＣＵ１００により所定時間毎に繰り返し実行される。
まずステップＳ２０１では、上流ＮＯｘセンサ５１及び下流ＮＯｘセンサ５０が活性化しているか否かが判断される。活性化していない場合ルーチンが終了される。他方、活性化していると判断された場合、ステップＳ２０２において、フューエルカット（Ｆ／Ｃ）実行中であるか否かが判断される。フューエルカット実行中である場合、ルーチンが終了され、他方、フューエルカット実行中でない場合にはステップＳ２０３において尿素添加開始前か否かが判断される。即ち、エンジン再始動後でＮＯｘ触媒３４が未活性であり、尿素の添加も開始されていないかどうかが判断される。
既に尿素添加が開始された後であるときにはルーチンが終了される。他方、未だ尿素添加開始前であるときには、ステップＳ２０４に進んで、上流ＮＯｘセンサ出力Ｉｕと下流ＮＯｘセンサ出力Ｉｄとの間に所定値以上のズレがあるかどうかが判断される。
ズレ無しと判断された場合にはルーチンが終了され、ズレ有りと判断された場合にはステップＳ２０５において前述したような上流ＮＯｘセンサ５１のゲイン較正が実行される。
なお、ステップＳ２０４に関して、ズレの有無の判断は、例えば、最初にステップＳ２０４を実行したタイミングにおけるセンサ出力Ｉｕ，Ｉｄを比較して行うことができ、或いは、低濃度領域と高濃度領域とで１点ずつのセンサ出力Ｉｕ，Ｉｄを比較し、いずれか一方或いは両方の領域でズレていたときにズレ有りと判断することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本発明は圧縮着火式内燃機関以外の内燃機関にも適用可能であり、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジンにも適用可能である。
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
１０ エンジン
１５ 排気通路
３４ ＮＯｘ触媒
４０ 尿素添加弁
４１ 供給ライン
４２ 尿素供給ポンプ
４４ 尿素タンク
４５ 圧力センサ
４８ 尿素供給装置
５０ 下流ＮＯｘセンサ
５１ 上流ＮＯｘセンサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｉ，Ｉｄ 下流ＮＯｘセンサの出力
Ｇ，Ｇｄ 下流ＮＯｘセンサのゲイン
Ｉｕ 上流ＮＯｘセンサの出力
Ｇｕ 上流ＮＯｘセンサのゲイン
Ｘ アンモニア濃度
Ｙ ＮＯｘ濃度
１５ 排気通路
３４ ＮＯｘ触媒
４０ 尿素添加弁
４１ 供給ライン
４２ 尿素供給ポンプ
４４ 尿素タンク
４５ 圧力センサ
４８ 尿素供給装置
５０ 下流ＮＯｘセンサ
５１ 上流ＮＯｘセンサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｉ，Ｉｄ 下流ＮＯｘセンサの出力
Ｇ，Ｇｄ 下流ＮＯｘセンサのゲイン
Ｉｕ 上流ＮＯｘセンサの出力
Ｇｕ 上流ＮＯｘセンサのゲイン
Ｘ アンモニア濃度
Ｙ ＮＯｘ濃度
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路中に尿素を添加する尿素添加弁と、
少なくとも前記尿素添加弁の下流側に設けられたＮＯｘセンサであって、ＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能なＮＯｘセンサと、
前記内燃機関に対しフューエルカットを実行するフューエルカット手段と、
前記フューエルカットの実行時に前記尿素添加弁から添加した尿素から得られるアンモニアに基づき前記ＮＯｘセンサのゲインを較正する較正手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの出力較正装置。 - 前記較正手段が、前記フューエルカットの実行時に前記尿素添加弁から所定のアンモニア濃度相当の尿素を添加したときの当該アンモニア濃度と前記ＮＯｘセンサの出力との関係に基づき、前記ＮＯｘセンサのゲインを較正する
ことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘセンサの出力較正装置。 - 前記較正手段が、前記ゲイン較正の実行前で且つ前記フューエルカットの実行時に前記ＮＯｘセンサのオフセット較正を実行するものである
ことを特徴とする請求項１又は２記載のＮＯｘセンサの出力較正装置。 - 前記較正手段が、複数に分割されたアンモニア濃度若しくはＮＯｘ濃度の領域毎に前記ゲイン較正を実行するものである
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＮＯｘセンサの出力較正装置。 - 前記尿素添加弁の上流側に設けられたＮＯｘセンサ（上流ＮＯｘセンサ）をさらに備え、
前記較正手段は、前記尿素添加弁の下流側に設けられたＮＯｘセンサ（下流ＮＯｘセンサ）の少なくともゲイン較正実行後で且つ前記フューエルカット及び前記尿素添加の非実行時に、前記上流ＮＯｘセンサの出力と前記下流ＮＯｘセンサの出力とを比較して前記上流ＮＯｘセンサのゲイン較正を実行するものである
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＮＯｘセンサの出力較正装置。 - 排気通路に尿素を添加する尿素添加弁を設け、該尿素添加弁の少なくとも下流側に、ＮＯｘ濃度に加えてアンモニア濃度をも検出可能なＮＯｘセンサを設けた内燃機関において、前記ＮＯｘセンサの出力を較正する方法であって、
前記内燃機関に対しフューエルカットを実行するステップと、
当該フューエルカットの実行時に前記尿素添加弁から尿素を添加するステップと、
当該添加尿素から得られるアンモニアに基づき前記ＮＯｘセンサのゲインを較正するステップと
を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの出力較正方法。
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