JP4485553B2 - NOxセンサの異常診断装置 - Google Patents

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Description

本発明はNOxセンサの異常診断装置に係り、特に、吸蔵還元型NOx触媒の下流側に設けられたNOxセンサの異常診断のための装置に関する。
一般に、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリン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、排気ガス中のNOxを吸蔵して除去する吸蔵還元型NOx触媒(NSR: NOx Storage Reduction)が公知である。吸蔵還元型NOx触媒は、これに供給される排気ガスの空燃比が所定値(典型的には理論空燃比)よりリーン(即ち、酸素過剰雰囲気)のときに排気ガス中のNOxを吸蔵し、供給される排気ガスの空燃比が所定値よりリッチ(即ち、酸素不足雰囲気)のときに吸蔵したNOxを放出しN2に還元するという、NOxの吸放出作用を有する。
吸蔵還元型NOx触媒がNOxを飽和状態即ち満杯まで吸蔵すると、NOx触媒がそれ以上NOxを吸蔵できなくなる。そこで、適宜の時間間隔において、NOx触媒に還元剤を供給してNOx触媒を酸素不足雰囲気下におき、NOx触媒から吸蔵NOxを放出させてNOx触媒のNOx吸蔵能力を回復させることが行われる。これをNOx再生という。
例えばこのNOx再生の開始や終了のタイミングを決定するため、NOx触媒の下流側には排気ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサが設けられる。例えば、NOx触媒が満杯までNOxを吸蔵すると触媒下流側にNOxが漏れ出すので、NOxセンサがこの漏れ出したNOxを検出したときにNOx再生を開始すればよい。また、NOx再生中にNOxセンサによる検出NOx濃度が十分低下したときに吸蔵NOxが全て放出されたとみなせるので、NOx再生を終了すればよい。
特開2003−120399号公報
ところで、例えば自動車に搭載されたエンジンの場合、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態(オンボード)で触媒やセンサの異常を検出することが各国法規等からも要請されている。触媒の異常検出については比較的多くの技術が既に存在する。しかしながら、前述の如き、NOx触媒の下流側に設けられたNOxセンサの異常検出に関しては効果的な技術が見当たらないのが現状である。特に排ガス規制が厳しくなりつつある現在、単に断線等の故障に止まらず、劣化等に関するセンサ出力の正確性(rationality)についても正しく検出することが求められてきており、これに対応できる抜本的な対策が必要である。
このNOxセンサの異常診断方法として、例えば、同じ位置に複数のNOxセンサを設けてこれらの検出値を相対的に比較したり、NOxセンサを取り外して固定式分析計でチェックしたりする方法が考えられる。しかし、前者の場合はコスト高となり、後者の場合はオンボードでの診断が不可能である。
特許文献1には、NOx吸収剤の下流側に設けられたNOxセンサの異常検出装置が開示されている。NOxセンサに到達する排気ガスのNOx濃度が強制的に変動させられ、NOxセンサ出力値の変動がセンサ正常時の変動からずれている場合にNOxセンサが異常と判定される。
しかし、NOxセンサに到達する排気ガスがNOx吸収剤を通過した後の排気ガスであることから、その排気ガスのNOx濃度はNOx吸収剤によりNOxが吸収された後の濃度となる。つまり、NOxセンサの出力値にはセンサ手前のNOx吸収剤の影響が反映されてしまい、これがNOxセンサの異常診断の精度を低下させる原因となる。
本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸蔵還元型NOx触媒の下流側に設けられたNOxセンサの異常を好適に診断することができるNOxセンサの異常診断装置を提供することにある。
本発明の第1の形態によれば、
排気通路に吸蔵還元型NOx触媒を設け、その下流側にNOxセンサを設けた内燃機関において、前記NOxセンサの異常を診断する装置であって、
前記NOx触媒に所定量のNOxを吸蔵させると共に、この吸蔵NOxを放出還元するのに適した量よりも過剰の量の還元剤を前記NOx触媒に供給し、このときの前記NOxセンサの出力に基づいて前記NOxセンサの異常を診断する
ことを特徴とするNOxセンサの異常診断装置が提供される。
吸蔵NOxを放出還元するのに適した量よりも過剰の量の還元剤をNOx触媒に供給すると、吸蔵NOxの放出還元に使用されなかった余剰の還元剤に起因して、NOxセンサが出力を発する。この余剰還元剤の量を予め把握しておけば、余剰還元剤に対応したNOxセンサ出力に基づき、NOxセンサの異常を診断することができる。NOx触媒が吸蔵NOxを放出しきった後の、既知の余剰還元剤量に対するNOxセンサ出力に基づいてNOxセンサの異常を診断するので、NOx触媒の劣化度等の影響を受けずにNOxセンサの異常診断を実行できる。よって好適且つ高精度な異常診断を実行でき、しかもNOxセンサの異常をNOx触媒の異常と区別して正確に診断できる。
本発明の第2の形態は、前記第1の形態において、
前記過剰量の還元剤の供給が単一のリッチスパイクによってなされる
ことを特徴とする。
本発明の第3の形態は、前記第1の形態において、
前記過剰量の還元剤の供給がダブルリッチスパイクによってなされる
ことを特徴とする。
本発明の第4の形態は、前記第3の形態において、
前記ダブルリッチスパイクのうちの後段スパイクに対応したNOxセンサ出力に基づいて前記NOxセンサの異常を診断する
ことを特徴とする。
本発明の第5の形態は、前記第4の形態において、
前記ダブルリッチスパイクが、前段スパイクの還元剤量を増加し且つ後段スパイクの還元剤量を一定としつつ、複数回行われ、このとき後段スパイクに対応したNOxセンサ出力挙動が今回と前回とで等しくなった時点において、その今回の後段スパイクに対応したNOxセンサ出力挙動に基づいて前記NOxセンサの異常を診断する
ことを特徴とする。
本発明の第6の形態は、前記第1乃至第5のいずれかの形態において、
前記NOxセンサが排気ガス中のNOx及びアンモニアを検出可能である
ことを特徴とする。
本発明によれば、吸蔵還元型NOx触媒の下流側に設けられたNOxセンサの異常を好適に診断することができるという、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、本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図示されるように、内燃機関1は、シリンダブロック2に形成された燃焼室3の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室3内でピストン4を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関1は車両用多気筒エンジン(1気筒のみ図示)であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。但し、本発明が適用される内燃機関は火花点火式内燃機関に限られず、例えば圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであってもよい。
内燃機関1のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Viと、排気ポートを開閉する排気弁Veとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Viおよび各排気弁Veは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室3内の混合気に点火するための点火プラグ7が気筒ごとに取り付けられている。さらにシリンダヘッドにはインジェクタ(燃料噴射弁)12が気筒ごとに配設され、燃焼室3内に直接燃料噴射するようになっている。ピストン4はいわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には凹部4aが形成されている。そして内燃機関1では、燃焼室3内に空気を吸入させた状態で、インジェクタ12からピストン4の凹部4aに向けて燃料が直接噴射される。これにより点火プラグ7の近傍に、燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成(成層化)され、安定した成層燃焼が実行される。
各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク8に接続されている。サージタンク8の上流側には吸気集合通路をなす吸気管13が接続されており、吸気管13の上流端にはエアクリーナ9が設けられている。そして吸気管13には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ5と、電子制御式スロットルバルブ10とが組み込まれている。なお吸気ポート、サージタンク8及び吸気管13により吸気通路が形成される。
一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管6に接続されている。これら排気ポート、枝管及び排気管6により排気通路が形成される。排気管6には、その上流側に、排気ガス中のCO,HC,NOxを同時に浄化可能な三元触媒11が設けられ、その下流側に、排気ガス中のNOxを浄化可能なNOx触媒16が設けられている。本実施形態では、三元触媒11とNOx触媒16を同一のケーシングに収容してなるCCL触媒ユニット(CCL: Catalytic Converter Lean)が用いられているが、これに限らず、三元触媒11とNOx触媒16を別々のケーシングに収容して個別に配置してもよい。なおディーゼルエンジンの場合だと、三元触媒の代わりに酸化触媒及びパティキュレートフィルタが典型的に設けられる。
三元触媒11の上流側に、排気ガスの空燃比(A/F)を検出するための空燃比センサ17が設置されている。空燃比センサ17は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した信号を出力する。但しこれに限らず、空燃比センサ17は、理論空燃比(ストイキ)を境に出力値が急変する所謂O2センサからなってもよい。
三元触媒11とNOx触媒16の間には別の空燃比センサ19が設置されている。この別の空燃比センサ19はO2センサからなっているが、広域空燃比センサからなってもよい。
NOx触媒16の下流側に、排気ガスのNOx濃度を検出するためのNOxセンサ18が設置されている。NOxセンサ18は、排気ガスのNOx濃度に比例した電流信号を出力する。特にNOxセンサ18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)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。NOxセンサ18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、NOxセンサ18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。NOxセンサ18は、NOx濃度とアンモニア濃度と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。
上述の点火プラグ7、スロットルバルブ10及びインジェクタ12等は、制御手段としての電子制御ユニット(以下ECUと称す)20に電気的に接続されている。ECU20は、何れも図示されない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。またECU20には、図示されるように、前述のエアフローメータ5、空燃比センサ17、別の空燃比センサ19、NOxセンサ18のほか、内燃機関1のクランク角を検出するクランク角センサ14、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ15、NOx触媒16の上下流側にそれぞれ設置された排気温センサ即ち触媒前排気温センサ21及び触媒後排気温センサ22、その他の各種センサが図示されないA/D変換器等を介して電気的に接続されている。ECU20は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ7、スロットルバルブ10、インジェクタ12等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なお触媒前排気温センサ21は三元触媒11とNOx触媒16の間の位置に設置される。NOxセンサ18にはヒータ付きのものが採用され、NOxセンサ18の温度制御(ヒータ制御)がECU20によって実行される。クランク角センサ14の出力はエンジン回転速度Neの検出に用いられる。
三元触媒11は、これに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比(ストイキ、例えばA/F=14.6)付近のときにCO,HC及びNOxを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅(ウィンドウ)は比較的狭い。よって三元触媒11を有効に機能させるため、空燃比制御の一態様として、三元触媒11に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比付近となるように混合気の空燃比が制御される。これをストイキ制御といい、ストイキ制御が実行されているときのエンジンの運転態様をストイキ運転という。このストイキ制御では目標空燃比が理論空燃比と等しく設定され、空燃比センサ17により検出された空燃比が目標空燃比と等しくなるように、インジェクタ12から噴射される燃料噴射量ひいては空燃比がフィードバック制御される。
他方、燃費低減等の観点から、空燃比制御の別の態様として、目標空燃比が理論空燃比より高い値即ちリーンな値に設定される場合がある。これをリーンバーン制御といい、リーンバーン制御が実行されているときのエンジンの運転態様をリーンバーン運転という。なおリーンバーン制御時もストイキ制御時と同様、空燃比センサ17により検出された空燃比が目標空燃比と等しくなるように燃料噴射量ひいては空燃比がフィードバック制御される。リーンバーン制御時には、エンジンから比較的多量のNOxが排出されると共に、制御空燃比は三元触媒11でのNOx浄化率を極端に低下させるほどにリーンな値とされることが多い。この場合に三元触媒11をすり抜けたNOxを浄化すべく、三元触媒11の下流側にNOx触媒16が設けられている。
NOx触媒16には吸蔵還元型NOx触媒(NSR: NOx Storage Reduction)が用いられている。この吸蔵還元型NOx触媒は、アルミナAl23等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ptのような貴金属と、NOx吸収成分とが担持されて構成されている。NOx吸収成分は、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のような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。
吸蔵還元型NOx触媒16は、これに流入される排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンのときには排気ガス中のNOxを硝酸塩の形で吸蔵し、これに流入される排気ガスの空燃比が理論空燃比又はそれよりリッチのときには吸蔵したNOxを放出するという、NOxの吸放出作用を行う。リーンバーン運転中では、排気空燃比が理論空燃比よりリーンであり、NOx触媒16は排気中のNOxの吸収を行う。一方、NOx触媒16がNOxを飽和状態即ち満杯まで吸蔵すると、NOx触媒16がそれ以上NOxを吸蔵できなくなることから、NOx触媒から吸蔵NOxを放出させて還元浄化すべく、NOx触媒16に一時的に理論空燃比又はそれよりリッチな排気ガスを供給するリッチスパイク或いはリッチスパイク制御が実行される。このリッチスパイク制御では目標空燃比が一時的に理論空燃比又はそれよりリッチな値に設定され、混合気ひいては排気ガスの空燃比が理論空燃比又はそれより低いリッチな値に制御される。このリッチな排気ガスに含まれる還元成分(HC、CO、H2)が、NOx触媒から吸蔵NOxを放出させ、その放出NOxを還元浄化する還元剤として機能する。このように、NOx触媒16から吸蔵NOxを放出してNOx触媒16のNOx吸蔵能力を回復させることをNOx再生と称する。
なお、リッチスパイク制御についてはこれ以外にも様々な方法がある。例えば、NOx触媒上流側に還元剤供給弁を別途設け、還元剤供給弁を開弁制御して排気中に還元剤を供給する方法がある。還元剤としては、排気中で炭化水素HCや一酸化炭素CO等の還元成分を発生するものであれば良く、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素、ガソリン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用できる。好ましくはエンジンの燃料であるガソリンが使用される。代替的に、インジェクタ12から燃焼室3に膨張行程後期又は排気行程で燃料を噴射し、未燃燃料を排気中に多く含ませるいわゆるポスト噴射を行う方法が可能である。
ところでリッチスパイクによってNOx触媒16に還元剤を供給した場合、NOx触媒16内で還元成分と排気ガス中の窒素N2が反応してアンモニアNH3が生成される。そしてこのアンモニアNH3が、NOx触媒16から脱離されたNOxと反応し、この結果NOxが還元されてN2となる。その一方で、過剰の還元剤が供給されると、NOx触媒16に吸蔵されていたNOxが全て放出還元されるほかに、NOxの放出還元に使用されなかった余剰の還元成分によりアンモニアNH3が生成され、NOx触媒16の下流側に排出される。この排出されたアンモニアNH3はNOxセンサ18によって検出される。
なお、NOx触媒16のNOx吸放出作用はNOx触媒16が所定の作動温度域(例えば280〜550℃)にないと実質的に行えない。そこで本実施形態ではNOx触媒16の温度(触媒床温)を検出又は推定し、リーンバーン運転の実行の可否を判断するようにしている。NOx触媒16の温度は、NOx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、ECU20が、触媒前排気温センサ21及び触媒後排気温センサ22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。
次に、NOxセンサ18の異常診断について説明する。
概して、本実施形態におけるNOxセンサ18の異常診断の特徴は、NOx触媒16に所定量のNOxを吸蔵させると共に、この吸蔵NOxを放出還元するのに適した量(以下「適量」という)よりも過剰の量の還元剤をNOx触媒16に供給し、このときのNOxセンサ18の出力に基づいてNOxセンサ18の異常を判定する点にある。
過剰量の還元剤をNOx触媒16に供給すると、吸蔵NOxの放出還元に使用されなかった余剰量の還元剤によってアンモニアが生成され、これがNOxセンサ18によって検知される。吸蔵NOxの量は予め定められており、この吸蔵NOxを放出還元するのに適した過不足のない還元剤量も予め実験的に把握しておくことが可能である。よって、その適量に加えて、予め定められた余剰量の還元剤をNOx触媒に供給すると、その余剰量の還元剤に対応した出力をNOxセンサ18が発する。従ってこのNOxセンサ18の出力を監視することでNOxセンサ18の異常を診断することが可能である。
NOxセンサ異常診断の第1の態様を図2を参照しつつ説明する。ここで前提として、NOx触媒が劣化しておらず十分なNOx吸蔵能を有していることが予め検出されているものとする。
図中、(A)は、NOx触媒16に吸蔵されたNOx量を積算するNOxカウンタの値Xを示す。NOxカウンタはECU20に装備されている。具体的にはECU20は、エンジン運転状態を表すパラメータの検出値に基づき、予め実験的に求められたマップ(関数でもよい、以下同様)に従って、エンジンから排出されるNOx量を推定し、この排出NOx量を所定時間毎に積算してこれをNOx触媒16に現に吸蔵されているNOx量とする。かかるパラメータとしては例えばエンジン回転速度Ne、吸入空気量Ga、空燃比センサ17によって検出された触媒前空燃比A/Ffr、触媒前排気温センサ21によって検出された排気温度Tefr及び燃料噴射量Qの少なくとも一つを用いるのが好ましい。より好ましくは、エンジン回転速度Ne及び吸入空気量Gaから求められる負荷率(=Ga/Ne)と、空燃比センサ17によって検出された触媒前空燃比A/Ffrが用いられる。
図中、(B)は、NOx触媒16に供給される排気ガスの空燃比A/Fを示す。この値は空燃比センサ17によって検出された触媒前空燃比A/Ffrと概ね等しい。(C)は、NOxセンサ18の出力を示し、具体的にはNOxセンサ18によって検出されたアンモニア濃度を示す。
まず図中左側の(I)の場合を説明する。リーンバーン運転によって空燃比はストイキよりも著しくリーンの値に制御されており(例えばA/F=20)、このときエンジンから排出されるNOxはNOx触媒16に吸蔵或いはトラップされ、NOxカウンタ値Xは徐々に増大する。そしてNOx吸蔵量が予め定められた所定量に達した時、即ちNOxカウンタ値Xが所定値Xsに達した時、リッチスパイクが実行され、空燃比はストイキよりもリッチに制御される(例えばA/F=11)。リッチ空燃比となっているときの図中の斜線領域がリッチスパイクによって供給される還元剤量Iに相当する。NOx触媒16に吸蔵させるNOxは、現状の吸蔵能一杯の最大吸蔵量であってもよいし、最大吸蔵量より少ない量であってもよい。
なお、ここでは簡単のため、リーン制御時の空燃比を著しくリーンな値とし、エンジンから排出されたNOxが三元触媒11で還元されず全量NOx触媒16に吸蔵されるものとする。もっとも、より厳密にNOx触媒16の吸蔵NOx量を把握したい場合は、空燃比に対する三元触媒11のNOx還元率を考慮してエンジンから排出されたNOx量のうちの所定割合を吸蔵NOx量とすればよい。同様に、ここではリッチスパイク時に還元剤の全量がNOx触媒16に供給されるものとするが、より厳密に還元剤供給量を把握したい場合は、空燃比に対する三元触媒11のHC,CO浄化率を考慮し、エンジンから排出された還元剤量のうちの所定割合をNOx触媒16への還元剤供給量とすればよい。
(I)の場合、リッチスパイクによってNOx触媒16に供給された還元剤量は、吸蔵NOxを放出還元するのに適した過不足の無い量である。このような適量の還元剤量は予め実験等を通じて把握され、ECU20に記憶されている。この場合、NOx触媒下流側に余剰の還元剤に起因するアンモニアは排出されない。よって図示されるように、NOxセンサ18の出力は変化せず殆どゼロのままである。
余剰還元剤によるNOxセンサ18の出力変化を十分把握できるような所定時間、即ち所定の時刻taからtbまでの期間、NOxセンサ出力値Nが微小時間毎に積算される。(I)の場合だとその積算値はほぼゼロとなる。なお、積算開始時刻taは例えばリッチスパイク開始時期と等しくされ、積算終了時刻taはリッチスパイク終了時期の所定時間経過後とされる。
リッチスパイクの終了及びリーンバーン運転の再開と同時にNOxカウンタ値Xは初期化され、再びゼロからカウント開始となる。
次に、本発明に係る右側の(II)の場合だと、同一のNOx吸蔵量(NOxカウンタ値Xs)に対しリッチスパイク時の還元剤量は、(I)の場合の適量よりも所定量だけ多い過剰な量とされる。この余剰還元剤量が(B)にΔIで示される。本態様では、単一或いは1回のリッチスパイク(シングルリッチスパイク)によって過剰量の還元剤が供給される。
こうすると、NOx触媒下流側に排出された、余剰の還元剤に起因するアンモニアによりNOxセンサ18の出力が立ち上がり、NOxセンサ出力積算値がある正の値を示すようになる。このときのNOxセンサ出力値積算値を所定の異常判定値と比較することでNOxセンサ18の正常・異常を判定することができる。即ち、既知量の余剰還元剤を供給したときのNOxセンサ出力挙動が予め実験等を通じて把握できるので、実際の出力挙動が予め把握された出力挙動と大きく異なる場合には、NOxセンサを異常と判定できるのである。
(C)図において、実線は正常の場合を示し、余剰還元剤量に対応する適度な出力変化が現れている。これに対し、破線は出力減少異常の場合を示し、正常時よりも小さな出力しか得られていない。
NOxセンサ出力積算値SNが所定の上限しきい値SNmax以上となっている場合、NOxセンサ18は出力増大異常であると判定される。またNOxセンサ出力積算値SNが所定の下限しきい値SNmin以下となっている場合、NOxセンサ18は出力減少異常であると判定される((C)図破線の場合)。また、NOxセンサ出力が本来ゼロであるべき時期(例えば(C)図のtc)のNOxセンサ出力値Ncが、ゼロより大きい所定値Ncs以上となっている場合、NOxセンサ18は、基準値としてのゼロが大きくズレているドリフト異常であると判定される。
なお、実際には、リーン制御時にNOxと共に酸素もNOx触媒16に吸蔵され、リッチスパイク時には、NOx触媒16からのNOx及び酸素の放出還元に還元剤が使用される。しかしながら、便宜上はこのような酸素も含めてNOxとして扱っても差し支えなく、本実施形態においてもそのように取り扱うこととする。
以下、NOxセンサ異常診断の第1の態様に係る処理の手順を図3を参照して説明する。図示される処理はECU20により実行される。なお前提としてリッチスパイク時以外は前述のようなリーンバーン運転がなされているものとする。
最初のステップS101では、異常診断を行う上で必要な所定の診断条件が成立しているか否かが判断される。例えば、NOxセンサ18の素子温度が所定の最小活性温度(例えば約750℃)以上となっており、且つNOx触媒16が所定の作動温度域(例えば280〜550℃)にあるときに、診断条件成立となる。
条件不成立のときは処理が即座に終了となる。他方、条件成立のときは、ステップS102に進んで吸蔵NOx量の推定、即ちNOxカウンタ値Xの積算が実行される。
次にステップS103においてNOxカウンタ値Xが所定値Xsと比較される。NOxカウンタ値Xが所定値Xs未満のときはステップS102の積算が継続される。NOxカウンタ値Xが所定値Xs以上となったとき(実質的にはNOxカウンタ値Xが所定値Xsと等しくなったとき)、ステップS104に進んで、過剰量の還元剤を供給する単一のリッチスパイクが実行される。
この後、ステップS105にてNOxセンサ18の微小時間毎の出力値Nがモニタされると共に、この出力値Nが所定時間(taからtbまで)積算される。そしてモニタ及び積算が終了したならば、ステップS106において、NOxセンサ出力積算値SNが所定の上限しきい値SNmaxと比較される。NOxセンサ出力積算値SNが上限しきい値SNmax以上となっている場合、ステップS110に進んでNOxセンサ18は異常、特に出力増大異常であると判定される。他方NOxセンサ出力積算値SNが上限しきい値SNmax未満である場合、ステップS107に進む。
ステップS107では、NOxセンサ出力積算値SNが所定の下限しきい値SNminと比較される。NOxセンサ出力積算値SNが下限しきい値SNmin以下となっている場合、ステップS110に進んでNOxセンサ18は異常、特に出力減少異常であると判定される。他方NOxセンサ出力積算値SNが下限しきい値SNminより大きい場合、ステップS108に進む。
ステップS108では、NOxセンサ出力が本来ゼロであるべき時期tcのNOxセンサ出力Ncが、ゼロより大きい所定値Ncsと比較される。NOxセンサ出力Ncが所定値Ncs以上となっている場合、ステップS110に進んでNOxセンサ18は異常、特にドリフト異常であると判定される。他方NOxセンサ出力Ncが所定値Ncs未満である場合、ステップS109に進んでNOxセンサ18は正常と判定される。
次に、NOxセンサ異常診断の第2の態様を図4を参照しつつ説明する。なお第1の態様と共通の部分については詳細な説明を割愛し、以下相違点を中心に説明する。図中、(A)及び(B)は前記同様のNOxカウンタ値X及び排気ガス空燃比A/Fをそれぞれ示す。また(C)及び(D)は前記同様のNOxセンサ出力を示す。(C)は正常センサの場合、(D)は異常センサの場合である。(D)において、一点鎖線では出力増大異常の場合を、実線では出力減少異常の場合をそれぞれ示す。
(B)に示されるように、この第2の態様では、2回連続のリッチスパイクからなるダブルリッチスパイクによって過剰量の還元剤が供給される。ダブルリッチスパイクのうち、先に行われるリッチスパイクを前段スパイク、後に行われるリッチスパイクを後段スパイクと称し、それぞれS1、S2で示す。前段スパイクと後段スパイクとの間には極短い休止期間tk(例えば1〜2秒)が設定されている。図示例では、NOx触媒16へのNOx吸蔵とダブルリッチスパイクによるNOx再生とを1組とする吸蔵再生処理が3回(n=1,2,3)行われている。
まず1回目の吸蔵再生処理(n=1)において、リーンバーン運転中にNOx触媒16へのNOx吸蔵が行われ、NOxカウンタ値Xが次第に上昇する。そしてNOx吸蔵量が所定量に達した時、即ちNOxカウンタ値Xが所定値Xsに達した時、ダブルリッチスパイク、特に前段スパイクS1が実行される。この1回目の吸蔵再生処理における前段スパイクの供給還元剤量は、吸蔵NOxを全て放出還元するのに過不足のない適量よりも僅かに少ない量とされる。還元剤が余らないので、余剰還元剤に起因するアンモニアも排出されず、NOxセンサ18の出力はゼロレベルに維持される。
そして前段スパイク終了後、休止期間tkを経て後段スパイクS2が実行される。なお休止期間tkでリーンバーンが実行されているので、その間微量ながらNOxが吸蔵され、NOxカウンタ値Xが上昇するが、休止期間tkが極短いのでその間のNOx吸蔵量は無視し得る。本実施形態でも休止期間tk中の吸蔵NOxは無視するものとする。
後段スパイクS2の開始時点ではまだNOx触媒16に吸蔵NOxが残っている。この残余の吸蔵NOxを放出還元するのに適した量よりも多い量の還元剤が後段スパイクによって供給される。すると余剰の還元剤に起因するアンモニアがNOxセンサ18によって検出され、NOxセンサ18の出力が立ち上がる。このNOxセンサ18の出力挙動を監視することにより前記同様にNOxセンサ18の正常・異常を判定できる。
次に、2回目の吸蔵再生処理(n=2)において、NOx吸蔵量が所定量に達したときに行われる前段スパイクS1では、先の1回目の前段スパイクにおける供給還元剤量よりも所定量ΔI1だけ多い還元剤量が供給される。即ち、1回目及び2回目の前段スパイクの還元剤供給量をI11,I12とするとI11<I12である。このように前段スパイクの還元剤供給量は吸蔵再生処理が回を増す毎に所定量ΔI1ずつ増加される。
図示例ではこの2回目の前段スパイクの還元剤供給量I12が吸蔵NOx量に対し過剰となっている。よってそのうちの余剰分に起因してアンモニアが排出され、これによりNOxセンサ出力値が若干立ち上がっている。なお、前段スパイクに関する1回目の還元剤量や増加量ΔI1を少なく設定した場合には2回目の前段スパイクによっても過剰量とならない場合があるが、この場合には3回目以降の前段スパイクによっていつかは過剰量に達することとなる。
そして次に後段スパイクS2が実行される。この後段スパイクでは、先の1回目の後段スパイクにおける還元剤量と等しい還元剤量が供給される。即ち、1回目及び2回目の後段スパイクの還元剤供給量をI21,I22とするとI21=I22である。このように後段スパイクの還元剤供給量は毎回の吸蔵再生処理において一定量とされる。
この後段スパイクS2の開始時点では既にNOx触媒16に吸蔵NOxが残っていないので、後段スパイクによって供給された還元剤が全てアンモニアの生成に使用され、当該アンモニアがNOxセンサ18によって検出される。NOxセンサ18の出力は比較的大きく立ち上がることになる。
次に、3回目の吸蔵再生処理(n=3)において、NOx吸蔵量が所定量に達したときに行われる前段スパイクS1では、2回目の前段スパイクの還元剤量よりも所定量ΔI1だけ多い(つまり1回目の前段スパイクの還元剤量よりも2ΔI1だけ多い)還元剤量が供給される。すると吸蔵NOx量に対して余剰となる還元剤量が2回目の前段スパイクのときより多くなり、NOxセンサ出力値は2回目の前段スパイクのときより大きく立ち上がる。
この後、2回目の後段スパイクと同一量の後段スパイクS2が実行されると、ここで供給された還元剤が全てアンモニアの生成に使用され、当該アンモニアがNOxセンサ18によって検出される。つまり、2回目の後段スパイクと3回目の後段スパイクとでは同一量の還元剤に基づくアンモニアがNOxセンサ18によって検出され、両者のセンサ出力挙動、即ちセンサ出力積算値は同じとなる。
このように、後段スパイクに関して前回(2回目)と今回(3回目)のNOxセンサ出力挙動(具体的にはセンサ出力積算値)が同じとなった時点において、今回の後段スパイクに対応するNOxセンサ出力挙動に基づき、NOxセンサの異常を診断することができる。なお、ここではNOxセンサ出力挙動としてNOxセンサ出力積算値を用いたが、例えばNOxセンサ出力ピーク値等を用いることも可能である。
以下、NOxセンサ異常診断の第2の態様に係る処理の手順を図5を参照して説明する。図示される処理はECU20により実行される。なお前提としてリッチスパイク時以外は前述のようなリーンバーン運転がなされているものとする。
最初のステップS201では、前記ステップS101同様、異常診断を行う上で必要な所定の診断条件が成立しているか否かが判断される。条件不成立のときは処理が即座に終了となる。他方、条件成立のときは、ステップS202に進んで、吸蔵再生処理回数nをカウントするカウンタが1だけ増加される。なおnの初期値はゼロであり、1回目の処理時にはn=1となる。
次のステップS203では吸蔵NOx量の推定、即ちNOxカウンタ値Xの積算が実行される。そしてステップS204においてNOxカウンタ値Xが所定値Xsと比較される。NOxカウンタ値Xが所定値Xs未満のときはステップS203の積算が継続される。NOxカウンタ値Xが所定値Xs以上となったときは、ステップS205に進んで前述のようなダブルリッチスパイクが実行される。
この後、ステップS206にてNOxセンサ18の微小時間毎の出力値Nがモニタされると共に、この出力値Nが所定時間積算される。図4に示すように、前段スパイク時のNOxセンサ出力値N1が所定時間(ta1nからtb1nまで)積算されると共に、後段スパイク時のNOxセンサ出力値N2が所定時間(ta2nからtb2nまで)積算される。これら積算時間はそれぞれ余剰還元剤によるNOxセンサ出力挙動を十分把握できるような時間に設定されている。
そしてモニタ及び積算が終了したならば、ステップS207において、今回の後段スパイクに対応するNOxセンサ出力積算値SN2nが前回の後段スパイクに対応するNOxセンサ出力積算値SN2n-1以下(SN2n-1≧SN2n)となったか否かが判断される。但し、実際上、SN2n-1>SN2nとなることはあり得ないので、ここでは実質的にSN2n-1=SN2nとなったか否かが判断されていることになる。
SN2n-1≧SN2nとなっていない場合、即ち実質的にSN2n-1=SN2nとなっていない場合、ステップS202に進んで、ステップS202〜206が繰り返し実行される。即ち、吸蔵再生処理回数nが1だけカウントアップされると共に、再度、NOxカウンタ値Xが所定値XsとなるまでNOx吸蔵が行われ、その後ダブルリッチスパイクが実行される。ダブルリッチスパイクにおいて、前段スパイクの還元剤量は前回に比べ所定量ΔIだけ増加され、後段スパイクの還元剤量は前回と等しくされる。そして前段スパイク及び後段スパイクに対応するNOxセンサ出力積算値SN1n、SN2nが計算される。
ステップS207においてSN2n-1≧SN2nとなった場合、即ち実質的にSN2n-1=SN2nとなった場合、今回の後段スパイクに対応するNOxセンサ出力積算値SN2nは、後段スパイクによる一定量の還元剤I2に対応した値となるはずである。よってこの今回の後段スパイクに対応するNOxセンサ出力積算値SN2nに基づき、以下のようにしてNOxセンサの異常判定がなされる。
まずステップS208において、NOxセンサ出力積算値SN2nが所定の上限しきい値SN2maxと比較され、NOxセンサ出力積算値SN2nが上限しきい値SN2max以上となっているとき、ステップS212に進んでNOxセンサ18は異常、特に出力増大異常であると判定される。他方NOxセンサ出力積算値SN2nが上限しきい値SN2max未満である場合、ステップS209に進む。
ステップS209では、NOxセンサ出力積算値SN2nが所定の下限しきい値SN2minと比較される。NOxセンサ出力積算値SN2nが下限しきい値SN2min以下となっている場合、ステップS212に進んでNOxセンサ18は異常、特に出力減少異常であると判定される。他方NOxセンサ出力積算値SN2nが下限しきい値SN2minより大きい場合、ステップS210に進む。
ステップS210では、NOxセンサ出力が本来ゼロであるべき所定時期tcnの今回のNOxセンサ出力Ncnが、ゼロより大きい所定値Ncsと比較される。例えば図4に示すように、所定時期tcn(tc3)は、前回の後段スパイクに対応する積算終了時期tb2n-1(tb22)から今回の前段スパイクに対応する積算開始時期ta1n(ta13)までの間の任意の時期に設定される。当該NOxセンサ出力Ncnが所定値Ncs以上となっている場合、ステップS212に進んでNOxセンサ18は異常、特にドリフト異常であると判定される。他方NOxセンサ出力Ncnが所定値Ncs未満である場合、ステップS211に進んでNOxセンサ18は正常と判定される。
このように、本実施形態によれば、NOxセンサ18の上流側に位置するNOx触媒16が吸蔵NOxを放出しきった後の、既知の余剰還元剤量に対するNOxセンサ出力に基づいてNOxセンサの異常が診断される。よって、NOx触媒16の劣化度等に拘わらず、NOx触媒16の影響を受けずにNOxセンサ18の異常診断を実行でき、好適且つ高精度で異常診断を実行できる。しかもNOxセンサの異常をNOx触媒の異常と区別して正確に診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、前記実施形態ではNOx触媒の吸蔵NOx量をエンジン運転状態に基づき推定するようにしたが、これに代えて、NOx触媒に流入する排気ガスのNOx濃度を別のNOxセンサで直接検出し、その積算値に基づきNOx触媒の吸蔵NOx量を推定するようにしてもよい。
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。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。 異常診断の第1の態様の内容を示すタイムチャートである。 異常診断の第1の態様の内容を示すフローチャートである。 異常診断の第2の態様の内容を示すタイムチャートである。 異常診断の第2の態様の内容を示すフローチャートである。
符号の説明
1 内燃機関
6 排気管
11 三元触媒
12 インジェクタ
16 NOx触媒
17 空燃比センサ
18 NOxセンサ
19 別の空燃比センサ
20 電子制御ユニット(ECU)
21 触媒前排気温センサ
22 触媒後排気温センサ
X NOxカウンタ値
I 還元剤量
N NOxセンサ出力値
SN NOxセンサ出力積算値

Claims (2)

  1. 排気通路に吸蔵還元型NOx触媒を設け、その下流側にNOxセンサを設けた内燃機関において、前記NOxセンサの異常を診断する装置であって、
    前記NOx触媒に所定量のNOxを吸蔵させると共に、この吸蔵NOxを放出還元するのに適した過不足のない量よりも過剰の量の還元剤を前記NOx触媒に供給し、このときの前記NOxセンサの出力に基づいて前記NOxセンサの異常を診断するものであり、
    前記過剰量の還元剤の供給がダブルリッチスパイクによってなされ、
    前記ダブルリッチスパイクのうちの後段スパイクに対応したNOxセンサ出力に基づいて前記NOxセンサの異常を診断し、
    前記ダブルリッチスパイクが、前段スパイクの還元剤量を増加し且つ後段スパイクの還元剤量を一定としつつ、複数回行われ、このとき後段スパイクに対応したNOxセンサ出力挙動が今回と前回とで等しくなった時点において、その今回の後段スパイクに対応したNOxセンサ出力挙動に基づいて前記NOxセンサの異常を診断する
    ことを特徴とするNOxセンサの異常診断装置。
  2. 前記NOxセンサが排気ガス中のNOx及びアンモニアを検出可能である
    ことを特徴とする請求項1記載のNOxセンサの異常診断装置。
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